JP2008039289A - ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】コストを上げることなく低外気温度性能を向上できるヒートポンプ式給湯機を提供すること。
【解決手段】本発明のヒートポンプ式給湯機は、圧縮機１１、水―冷媒熱交換器１２、減圧装置（１３Ａ、１３Ｂ）、蒸発器１４を冷媒配管により環状に接続して構成されるヒートポンプ回路と、蒸発器１４に送風する送風機１５と、蒸発器１４の温度を検出する蒸発器温度検出手段１０Ｅとを備え、蒸発器温度検出手段１０Ｅの検出値が第１の所定の値以下の時に、送風機１５の風量を増加させることにより、吸熱能力を向上させ、低外気温度での性能を向上させることができる。また、吸熱能力向上により着霜することも防止し、沸き上げ運転中の除霜運転回数を減らすことができる。
【選択図】図１

Description

本発明はヒートポンプ式給湯機に関するものであり、特に、送風機の風量制御に関するものである。

従来、低外気温度時のヒートポンプ性能の向上を図ったヒートポンプ式給湯装置が提案されている（例えば、特許文献参照）。

特許文献１では、圧縮機から吐出された冷媒とオイルとを分離するオイルセパレータのオイル戻し配管を、蒸発器の風上側に配置することにより、オイル戻し配管の熱によって昇温した空気が蒸発器を通過するようにし、低外気温時の性能向上を図っている。
特開２００４−１７７０２０号公報

しかしながら、オイル戻し配管を蒸発器の風上側に低外気温度性能が向上するように配置しなければならないために、構造が複雑化してしまい、冷凍サイクル構成部品が増大しコストが大幅に上がってしまうばかりか、給湯装置が大きくなってしまうという課題があった。

本発明は、コストを上げることなく低外気温度性能を向上できるヒートポンプ式給湯機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ式給湯機は、圧縮機、水―冷媒熱交換器、減圧装置、蒸発器を冷媒配管により環状に接続して構成されるヒートポンプ回路と、前記蒸発器に送風する送風機と、前記蒸発器の温度を検出する蒸発器温度検出手段とを備え、前記蒸発器温度検出手段の検出値が第１の所定の値以下の時に、前記送風機の風量を増加させることにより、吸熱能力を向上させ、低外気温度での性能を向上させることができる。また、吸熱能力向上により着霜することも防止し、沸き上げ運転中の除霜運転回数を減らすことができる。

また、本発明のヒートポンプ式給湯機は、圧縮機、水―冷媒熱交換器、減圧装置、蒸発器を冷媒配管により環状に接続して構成されるヒートポンプ回路と、前記蒸発器に送風する送風機と、前記蒸発器の温度を検出する蒸発器温度検出手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段とを備え、前記蒸発器温度検出手段の検出値が第１の所定の値以下、かつ前記外気温度検出手段の検出値が第２の所定の値以下の時に、前記送風機の風量を増加させることにより、低外気温度時に限って吸熱能力を向上させることができ、着霜する可能性のない外気温度以上では不必要に送風機の風量を上げることなく、無駄なエネルギー消費を抑えることができる。

本発明のヒートポンプ式給湯機は、コストを上げることなく低外気温度性能を向上できる。

第１の発明のヒートポンプ式給湯機は、圧縮機、水―冷媒熱交換器、減圧装置、蒸発器
を冷媒配管により環状に接続して構成されるヒートポンプ回路と、前記蒸発器に送風する送風機と、前記蒸発器の温度を検出する蒸発器温度検出手段とを備え、前記蒸発器温度検出手段の検出値が第１の所定の値以下の時に、前記送風機の風量を増加させることにより、吸熱能力を向上させ、低外気温度での性能を向上させることができる。また、吸熱能力向上により着霜することも防止し、沸き上げ運転中の除霜運転回数を減らすことができる。

第２の発明のヒートポンプ式給湯機は、圧縮機、水―冷媒熱交換器、減圧装置、蒸発器を冷媒配管により環状に接続して構成されるヒートポンプ回路と、前記蒸発器に送風する送風機と、前記蒸発器の温度を検出する蒸発器温度検出手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段とを備え、前記蒸発器温度検出手段の検出値が第１の所定値以下、かつ前記外気温度検出手段の検出値が第２の所定値以下の時に、前記送風機の風量を増加させることにより、低外気温度時に限って吸熱能力を向上させることができ、着霜する可能性のない外気温度以上では不必要に送風機の風量を上げることなく、無駄なエネルギー消費を抑えることができる。

第３の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第１または第２の発明において、送風機の風量を、一定時間ごとに所定の量だけ増加させることにより、蒸発器の温度の低下具合に合わせて風量を増加することができ、無駄なエネルギー消費を更に確実に抑えることができる。

第４の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第１〜第３の発明において、送風機の風量に上限値を設定することにより、設定した上限値までしか送風機の風量を増加させないので、蒸発器の温度が低下し続けた場合、送風機の風量があがりすぎて、騒音が極端に増加してしまうのを防ぐことができる。

第５の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第１〜第４の発明において、高圧側の冷媒圧力が、臨界圧力以上となることにより、水に熱を奪われて冷媒温度が低下しても、凝縮することがないため、水―冷媒熱交換器全域で冷媒と水との間に温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換率を高くできる。

第６の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第５の発明において、使用する冷媒が二酸化炭素であることにより、比較的安価でかつ安定な二酸化炭素を冷媒に使用することにより、製品コストを抑えるとともに、信頼性を向上させることができる。また、二酸化炭素はオゾン破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数も代替冷媒ＨＦＣ−４０７Ｃの約１７００分の１と非常に小さいため、地球環境に優しい製品を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態におけるヒートポンプ式給湯機の構成図である。図１において、本実施の形態におけるヒートポンプ式給湯機のヒートポンプ回路１０は、インバータ式圧縮機１１、水―冷媒熱交換器１２、メイン膨張弁１３Ａ、キャピラリチューブ１３Ｂ、蒸発器１４を冷媒配管により順次環状に接続して構成されている。また蒸発器１４に空気を送る送風機１５が蒸発器１４の風下側に設置されており、マイクロコンピュータなどの送風機制御手段（図示せず）により制御されて送風機１５が動作することで、蒸発器１４に空気を流通させる。また、ヒートポンプ回路１０には、圧縮機１１の温度を検出するサーミスタ１０Ａ、圧縮機１１から吐出する冷媒の温度を検出するサーミスタ１０Ｂ、圧縮機１１から吐出する冷媒の圧力を検出する圧力センサ１０Ｃ、蒸発器１４に流通する空気の
温度（外気温度）を検出するサーミスタ（外気温度検出手段）１０Ｄ、蒸発器１４の温度を検出するサーミスタ（蒸発器温度検出手段）１０Ｅが配設されている。サーミスタ１０Ａはコールドスタートの検出を、圧力センサ１０Ｃは圧縮機１１またはヒートポンプ回路１０の異常検出を主に行うために配設されている。なお、インバータ式圧縮機１１は、アキュームレータのない構成にすると、ヒートポンプ式給湯機の小型化、軽量化を図ることができるが、本発明はこれに限定することは無く、アキュームレータのない構成の圧縮機を用いたとしても問題はない。また、ヒートポンプ回路を流通する冷媒には、高圧側が臨界圧力を超える二酸化炭素を用いているので、水―冷媒熱交換器１２内を流通する水に熱を奪われて温度が低下しても凝縮することがなく、水―冷媒熱交換器で冷媒と水との間で温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くすることができる。

一方、本実施の形態におけるヒートポンプ式給湯機の給湯回路は、湯水を貯える貯湯タンク２０、貯湯タンク２０内の湯水を水―冷媒熱交換器１２に流入させ、給湯回路内を循環させるポンプ２３、水―冷媒熱交換器１２を液体配管により順次環状に接続して構成されている。また、貯湯タンク２０に給水をする底部配管２１は、水が供給される水供給配管３２に減圧弁３１を介して接続されている。貯湯タンク２０の上部には出湯配管３３が接続されており、水供給配管３２から減圧弁３１を介して水が供給される出水用配管３５と混合弁３４にて湯水が混合され、混合された湯水は給湯端末３６へ供給される構成となっている。また、貯湯タンク２０には貯湯タンク２０内の湯量を検出するための複数のサーミスタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃが配設され、給湯回路には、水―冷媒熱交換器１２に流入する湯水の温度を検出するサーミスタ（入水温度検出手段）２０Ｄ、水―冷媒熱交換器１２から流出する湯水の温度を検出するサーミスタ（出湯温度検出手段）２０Ｅが配設されている。また混合弁３４と給湯端末３６との間には、流量を検出する流量センサ３０Ａ、出湯温度を検出するサーミスタ３０Ｂを備えている。なお、本実施の形態における貯湯タンク２０は、積層式の貯湯タンクであり、タンク内での攪拌が防止され、上部に高温水が底部に低温水が蓄積されるように構成されている。

以上のように構成されたヒートポンプ式給湯装置において、以下、その動作を説明する。時刻が所定時刻になるか、もしくは貯湯タンク２０内の湯量を検出するための複数のサーミスタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃによって、貯湯タンク２０内の湯量が所定量以下となったことを検出すると、ヒートポンプ回路１０を動作させて貯湯運転を開始する。

ヒートポンプ回路１０において、インバータ式圧縮機１１で圧縮され、インバータ式圧縮機１１から吐出された冷媒が、水―冷媒熱交換器１２で放熱し、メイン膨張弁１３Ａおよびキャピラリチューブ１３Ｂで減圧された後、蒸発器１４で送風機１５を動作することにより送られる空気から熱を吸収し、ガス状態で再びインバータ式圧縮機１１に吸入される。インバータ式圧縮機１１の能力制御および膨張弁１３Ａの開度制御は、サーミスタ１０Ｂで検出される圧縮機１１から吐出される冷媒の温度が予め設定された温度を維持するように制御される。

一方、給湯回路においては、ポンプ２３の運転により貯湯タンク２０内の湯水を給湯回路に循環させ、水―冷媒熱交換器１２にて冷媒と熱交換を行い、再び貯湯タンク２０に戻り積層状態で上部に高温の湯が貯湯される。また、サーミスタ（出湯温度検出手段）２０Ｅの値が、サーミスタ（入水温度検出手段）２０Ｄによって検出される入水温度と、貯湯タンク２０が決定する所望の沸き上げ温度とにより決定される目標出湯温度になるように、ポンプ２３が制御される。

次に、本発明のヒートポンプ式給湯機の送風機制御について図２、図３を用いて説明する。図２は、本実施の形態におけるヒートポンプ式給湯機の送風機制御手段のブロック図
であり、図３は、本実施の形態におけるヒートポンプ式給湯機の送風機風量制御のフローチャートである。

図２において、本実施の形態における送風機制御手段４０は、基本送風機風量決定手段４２、送風機風量補正手段４３、送風機風量上限設定手段４４、送風機風量決定手段４５、送風機風量可変手段４６を有している。

基本送風機風量決定手段４２では、圧縮機運転周波数検知手段４１により検知された圧縮機運転周波数に合わせて、基本送風機風量を決定している。

送風機風量補正手段４３では、サーミスタ（蒸発器温度検出手段）１０Ｅで検出した蒸発器の温度と、サーミスタ（外気温度検出手段）１０Ｄで検出した外気温度により送風機風量補正値を決定している。

送風機風量上限設定手段４４では、予め送風機の風量の上限を設定している。

送風機風量決定手段４５では、基本送風機風量決定手段４２で決定された基本送風機風量を、送風機風量補正手段４３で決定された送風機風量補正値で補正することで送風機風量を決定し、送風機風量が送風機風量上限設定手段４４で設定された風量上限値以上であれば、送風機風量は送風機風量上限設定手段４４で設定されている風量上限値に設定され、送風機風量が風量上限値未満の場合は、基本送風機風量決定手段４２で決定された基本送風機風量を、送風機風量補正手段４３で決定された送風機風量補正値で補正した送風機風量に設定される。

送風機風量可変手段４６では、送風機風量決定手段４５で決定した送風機風量になるように送風機１５の風量を調整し制御している。

次に、図３を用いて、送風機風量決定の流れを説明する。

（ステップ１）運転開始時に、サーミスタ（蒸発器温度検出手段）１０Ｅで蒸発器の温度を検出し、サーミスタ（外気温度検出手段）１０Ｄで外気温度を検出し、ステップ２に進む。

（ステップ２）除霜運転中であるかどうかを判断し、除霜運転中であればステップ９に進み、除霜運転中で無ければステップ３に進む。

（ステップ３）圧縮機１１の運転周波数に基づいて基本送風機風量を決定し、ステップ４に進む。

（ステップ４）外気温度が第２の所定値である７℃未満かどうかを判断し、外気温度が７℃未満であればステップ５に進み、外気温度が７℃以上であればステップ７に進む。

（ステップ５）蒸発器の温度が第１の所定値（−２）℃未満かどうかを判断し、（−２）℃未満であればステップ６に進み、（−２）℃以上であればステップ７に進む。

（ステップ６）蒸発器温度と外気温度に応じて送風機風量補正値を決定し、ステップ７に進む。

（ステップ７）基本送風機風量と送風機風量補正値より決定された送風機風量が、送風機風量上限設定手段４４によって予め設定された上限値以下であるかどうかを判断し、上
限値以下である場合は、ステップ１０に進み、上限値以下でない場合は、ステップ８に進む。

（ステップ８）基本送風機風量と送風機風量補正値により決定された送風機風量が、送風機風量上限設定手段４４によって予め設定された上限値以下ではないため、送風機風量の上限規制を行い、ステップ１０に進む。

（ステップ９）除霜運転中であるので送風機風量は、除霜用送風機風量とし、ステップ１０に進む。

（ステップ１０）ステップ７から進んできた場合には、基本送風機風量と送風機風量補正値より決定された送風機風量が、最終の送風機風量であることを決定し、ステップ８から進んできた場合には、最終の送風機風量は、送風機風量上限設定手段４４によって予め設定された上限値とし、ステップ９から進んできた場合には、最終の送風機風量は、除霜用送風機風量としステップ１１に進む。

（ステップ１１）ステップ１０で決定された最終の送風機風量になるように、送風機風量可変手段４６によって送風機１５の風量を調整制御し、ステップ１に再び戻る。

なお、第１の所定値、第２の所定値については、本実施の形態において具体的な数字を設定しているが、あくまでも１実施例であり、任意の値に設定することができる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ式給湯機における送風機制御は、貯湯タンクとヒートポンプ回路が一体に構成された一体型ヒートポンプ式給湯機、水―冷媒熱交換器で加熱した湯をそのまま出湯する瞬間湯沸し運転にも適用できる。

実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯機の構成図 実施の形態１における運転制御の構成図 実施の形態１における制御フローチャート

符号の説明

１０Ａ サーミスタ（圧縮機温度検出手段）
１０Ｂ サーミスタ（吐出温度検出手段）
１０Ｃ 圧力センサ（吐出圧力検出手段）
１０Ｄ サーミスタ（外気温度検出手段）
１０Ｅ サーミスタ（蒸発器温度検出手段）
１１ インバータ式圧縮機
１２ 水―冷媒熱交換器
１３ 減圧装置
１４ 蒸発器
２０ 貯湯タンク
２０Ａ サーミスタ（湯量検出手段）
２０Ｂ サーミスタ（湯量検出手段）
２０Ｃ サーミスタ（湯量検出手段）
２０Ｄ サーミスタ（入水温度検出手段）
２０Ｅ サーミスタ（出湯温度検出手段）
２３ ポンプ

Claims (6)

1. 圧縮機、水―冷媒熱交換器、減圧装置、蒸発器を冷媒配管により環状に接続して構成されるヒートポンプ回路と、前記蒸発器に送風する送風機と、前記蒸発器の温度を検出する蒸発器温度検出手段とを備え、前記蒸発器温度検出手段の検出値が第１の所定の値以下の時に、前記送風機の風量を増加させることを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
2. 圧縮機、水―冷媒熱交換器、減圧装置、蒸発器を冷媒配管により環状に接続して構成されるヒートポンプ回路と、前記蒸発器に送風する送風機と、前記蒸発器の温度を検出する蒸発器温度検出手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段とを備え、前記蒸発器温度検出手段の検出値が第１の所定の値以下、かつ前記外気温度検出手段の検出値が第２の所定の値以下の時に、前記送風機の風量を増加させることを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
3. 送風機の風量を、一定時間ごとに所定の量だけ増加させることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ式給湯機。
4. 送風機の風量に上限値を設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯機。
5. 高圧側の冷媒圧力が、臨界圧力以上となることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯機。
6. 使用する冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項５に記載のヒートポンプ式給湯機。

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