JP2008039353A - ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】給湯能力の変化によって、圧縮機の運転周波数が急変した場合、圧縮機の異常温度上昇ならびに異常圧力上昇を防止し、圧縮機の信頼性を確保することができ、沸き上げ温度を維持することができる。
【解決手段】本発明のヒートポンプ式給湯機は、ヒートポンプ回路と、給湯回路と、水―冷媒熱交換器の出湯温度を検出する出湯温度検出手段３３と、貯湯タンク１６の沸き上げ温度に応じて水―冷媒熱交換器１２の目標出湯温度を決定し、出湯温度検出手段３３の検出値が、目標出湯温度なるようにポンプ１７の流量を制御する制御手段とを備え、給湯能力変化時に圧縮機１１の運転周波数を変化させるとともに、ポンプ１７の流量を予め設定された流量に変更する。
【選択図】図１

Description

本発明にかかるヒートポンプ式給湯機は、圧縮機の異常温度上昇ならびに異常圧力上昇を防止した制御に関するものである。

従来、ヒートポンプユニットの設定加熱能力と入水温度と目標出湯温度から循環ポンプの目標流量を算出し、ヒートポンプユニットの運転起動時の循環ポンプの流量を、目標流量に対してステップ状に変化させるステップ制御を行うものである（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１４０４３９号公報

しかしながら、給湯能力が変化した場合に、冷凍サイクルが急変し圧縮機の異常温度上昇ならびに異常圧力上昇を招き、沸き上げ温度が所定の温度を維持できないという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、給湯能力の変化によって、圧縮機の運転周波数が急変した場合、水−冷媒熱交換器への入水温度が急変した場合でも冷凍サイクルの急変を防止することができ、圧縮機の異常温度上昇ならびに異常圧力上昇を防止し、圧縮機の信頼性を確保することができるとともに、沸き上げ温度を維持することが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、湯水を貯える貯湯タンク、前記貯湯タンク内の湯水を循環させるポンプ、水―冷媒熱交換器を配管により環状に接続して構成される給湯回路と、水―冷媒熱交換器の出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、前記貯湯タンクの沸き上げ温度に応じて水―冷媒熱交換器の目標出湯温度を決定し、前記出湯温度検出手段の検出値が、前記目標出湯温度なるように前記ポンプの流量を制御する制御手段とを備え、給湯能力変化時に前記圧縮機の運転周波数を変化させるとともに、前記ポンプの流量を予め設定された流量に変更することにより、給湯能力の変化によって圧縮機の運転周波数が急変した場合でも、その周波数に応じて予め設定された流量にシフトするため、冷凍サイクルの急変を防止することができ、圧縮機の異常温度上昇ならびに異常圧力上昇を防止し、圧縮機の信頼性を確保することができ、所定の沸き上げ温度を維持することができる。

前記従来の課題を解決するために、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、湯水を貯える貯湯タンク、前記貯湯タンク内の湯水を循環させるポンプ、水―冷媒熱交換器を配管により環状に接続して構成される給湯回路と、水―冷媒熱交換器の入水温度を検出する入水温度検出手段と、水―冷媒熱交換器の出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、前記貯湯タンクの沸き上げ温度に応じて水―冷媒熱交換器の目標出湯温度を決定し、前記出湯温度検出手段の検出値が、前記目標出湯温度なるように前記ポンプの流量を制御する制御手段とを備え、前記入水温度検出手段の検出値が所定の時間内に所定の値以上変化した場合に、前記圧縮機の運転周波数を変化させるとともに、前記ポンプの流量を予め設定された流量に変更することにより、水―冷媒熱交換器への給水温度が急変した場合でも、冷凍サイクルの急変を防
止することができ、圧縮機の異常温度上昇ならびに異常圧力上昇を防止し、圧縮機の信頼性を確保することができ、所定の沸き上げ温度を維持することができる。

本発明のヒートポンプ式給湯機は、給湯能力の変化によって、圧縮機の運転周波数が急変した場合、水−冷媒熱交換器への入水温度が急変した場合でも冷凍サイクルの急変を防止することができ、圧縮機の異常温度上昇ならびに異常圧力上昇を防止し、圧縮機の信頼性を確保することができるとともに、沸き上げ温度を維持することができる。

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、湯水を貯える貯湯タンク、前記貯湯タンク内の湯水を循環させるポンプ、水―冷媒熱交換器を配管により環状に接続して構成される給湯回路と、水―冷媒熱交換器の出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、前記貯湯タンクの沸き上げ温度に応じて水―冷媒熱交換器の目標出湯温度を決定し、前記出湯温度検出手段の検出値が、前記目標出湯温度なるように前記ポンプの流量を制御する制御手段とを備え、給湯能力変化時に前記圧縮機の運転周波数を変化させるとともに、前記ポンプの流量を予め設定された流量に変更することにより、給湯能力の変化によって圧縮機の運転周波数が急変した場合でも、その周波数に応じて予め設定された流量にシフトするため、冷凍サイクルの急変を防止することができ、圧縮機の異常温度上昇ならびに異常圧力上昇を防止し、圧縮機の信頼性を確保することができ、所定の沸き上げ温度を維持することができる。

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、湯水を貯える貯湯タンク、前記貯湯タンク内の湯水を循環させるポンプ、水―冷媒熱交換器を配管により環状に接続して構成される給湯回路と、水―冷媒熱交換器の入水温度を検出する入水温度検出手段と、水―冷媒熱交換器の出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、前記貯湯タンクの沸き上げ温度に応じて水―冷媒熱交換器の目標出湯温度を決定し、前記出湯温度検出手段の検出値が、前記目標出湯温度なるように前記ポンプの流量を制御する制御手段とを備え、前記入水温度検出手段の検出値が所定の時間内に所定の値以上変化した場合に、前記圧縮機の運転周波数を変化させるとともに、前記ポンプの流量を予め設定された流量に変更することにより、水―冷媒熱交換器への給水温度が急変した場合でも、冷凍サイクルの急変を防止することができ、圧縮機の異常温度上昇ならびに異常圧力上昇を防止し、圧縮機の信頼性を確保することができ、所定の沸き上げ温度を維持することができる。

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、ポンプの流量を予め設定された流量に変更後、所定の時間は前記ポンプの流量を一定に制御し、前記所定の時間経過後は、出湯温度検出手段の検出値が、目標出湯温度になるように前記ポンプの流量を制御することにより、ポンプの流量に不感体時間を設けているため、過渡状態での圧力に対する沸き上げ温度の上昇の遅れを待機することで圧縮機の吐出冷媒圧力のオーバーシュートを防止でき、冷凍サイクルの急変の防止が可能となり、圧縮機の異常温度上昇ならびに異常圧力上昇をより確実に防止することで圧縮機の信頼性を向上することができる。

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、圧縮機の構成は、アキュームレータのない構成であることにより、アキュームレータがないため、ヒートポンプ式給湯機本体の小型化・軽量化が可能となる。

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サイクルは、インバータ式圧縮機１１、水―冷媒熱交換器１２、減圧装置１３、蒸発器１４を冷媒配管１５により順次環状に接続して構成されている。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、所望の沸き上げ温度を演算するマイクロコンピュータを備える貯湯タンク１６、貯湯タンク１６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１７、水―冷媒熱交換器１２を液体配管１８により順次環状に接続して構成されている。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、ヒートポンプサイクル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。

また、水―冷媒熱交換器１２の水入口部には、水―冷媒熱交換器１２に入水する湯水の温度を検出する入水温度検出手段であるサーミスタ３１が配設され、水―冷媒熱交換器１３の水出口部には、水―冷媒熱交換器１２から出湯する湯水の温度を検出する出湯温度検出手段であるサーミスタ３３が配設され、大気と熱交換する蒸発器１４の近傍には、外気温度を検出する外気温度検出手段であるサーミスタ３４が配設され、貯湯タンク１６が決定する所望の沸き上げ温度を検出し、出湯温度検出手段が検出する値の目標値である目標出湯温度を決定し、目標出湯温度になるようにポンプ１７の流量を制御するマイクロコンピュータ３０（制御手段）を備える。

図２は、本実施の形態の運転制御の構成図である。図２において、ポンプ１７は、給湯能力指示検知手段４３により給湯能力が急変した時に、出湯温度検出手段３２が検出する値の目標値である目標出湯温度とを決定し、目標出湯温度になるように、ポンプ制御手段４４で流量を制御される。また、圧縮機１１は、給湯能力指示検知手段４３で検知される給湯能力が急変した時に圧縮機運転周波数制御手段３５により運転周波数を制御される。

図３は、本実施の形態の制御にかかるフローチャートである。図２、図３を用いて、本発明の制御を説明する。まず、貯湯タンク１６の給湯能力指示検知手段４３によって給湯能力が急変したことが検知されると、所望の給湯能力となるように圧縮機の運転周波数を決定し、圧縮機の周波数を変更する。それと同時に、給湯能力に応じて予め設定されたポンプ流量を決定し、そのポンプ流量にシフトする。その後、出湯温度検出手段３３で検出される値が所望の目標出湯温度となるようにポンプ１７の流量を制御する。

図４は、本実施の形態の制御にかかる各値の変化を表す図である。実線を本発明の実施例、点線を従来の実施例として示す。図４において給湯能力の変化に伴い、圧縮機の周波数が急変する。それに伴い、ポンプの流量も給湯能力に応じて予め設定された流量にシフトする。このように、予め設定された流量にシフトすることで、従来では圧縮機周波数の上昇に伴って、吐出冷媒温度、吐出冷媒圧力、沸き上げ温度のオーバーシュートが発生していたが、それぞれ防止することができ、冷凍サイクルを安定させたまま給湯能力の移行が可能となる。また、図５は、ポンプの流量をシフト後、一定時間はポンプ流量一定にした場合の各値の変化を表す図である。図５に示すように、ポンプの流量をシフト後、ある一定時間は、ポンプの流量を一定に制御する不感体時間を設けると、過渡状態での圧力に対する温度の上昇の遅れを待機することができ、確実に圧縮機の吐出冷媒圧力上昇、吐出冷媒温度上昇を防止することができる。

以上のように、本実施の形態では、吐出冷媒圧力、吐出冷媒温度、沸き上げ温度のオーバーシュートを防止でき、冷凍サイクルを安定させたまま沸き上げ完了が可能となる。

（実施の形態２）
図６は、本実施の形態の運転制御の構成図である。図６において、ポンプ１７は、入水温度検出手段３１により検出している水−冷媒熱交換器１２への入水温度が所定時間内に所定温度以上変化した時に、出湯温度検出手段３２が検出する値の目標値である目標出湯温度とを決定し、目標出湯温度になるように、ポンプ制御手段４４で流量を制御される。また、圧縮機１１は、入水温度検出手段３１により検出している水−冷媒熱交換器１２への入水温度が所定時間内に所定温度以上変化した時に、圧縮機運転周波数制御手段３５により運転周波数を制御される。なお、本実施の形態におけるヒートポンプ式給湯機の構成は、実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯機の構成と同じであるため、説明は省略する。

図７は、本実施の形態の制御にかかる各値の変化を表す図である。実線を本発明の実施例、点線を従来の実施例として示す。図７において入水温度の変化に伴い、圧縮機の周波数が急変する。それに伴い、ポンプの流量も給湯能力に応じて予め設定された流量にシフトする。このように、予め設定された流量にシフトすることで、従来では圧縮機周波数の上昇に伴って、吐出冷媒温度、吐出冷媒圧力、沸き上げ温度のオーバーシュートが発生していたが、それぞれ防止することができ、冷凍サイクルを安定させたまま給湯能力の移行が可能となる。

以上のように、本実施の形態では、吐出冷媒圧力、吐出冷媒温度、沸き上げ温度のオーバーシュートを防止でき、冷凍サイクルを安定させたまま沸き上げ完了が可能となる。

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沸き上げ制御は、貯湯タンクとヒートポンプサイクル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、２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 実施の形態１における従来の形態との比較図 実施の形態１における従来の形態との比較図 実施の形態２における運転制御の構成図 実施の形態２における従来の形態との比較図

符号の説明

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
１５ 冷媒配管
１６ 貯湯タンク
１７ ポンプ
１８ 液体配管
３０ マイクロコンピュータ（制御手段）
３１ サーミスタ（入水温度検出手段）
３３ サーミスタ（出湯温度検出手段）
３４ サーミスタ（外気温度検出手段）

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、湯水を貯える貯湯タンク、前記貯湯タンク内の湯水を循環させるポンプ、水―冷媒熱交換器を配管により環状に接続して構成される給湯回路と、水―冷媒熱交換器の出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、前記貯湯タンクの沸き上げ温度に応じて水―冷媒熱交換器の目標出湯温度を決定し、前記出湯温度検出手段の検出値が、前記目標出湯温度なるように前記ポンプの流量を制御する制御手段とを備え、給湯能力が変化した場合に、前記圧縮機の運転周波数を変化させるとともに、前記ポンプの流量を予め設定された流量に変更す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、湯水を貯える貯湯タンク、前記貯湯タンク内の湯水を循環させるポンプ、水―冷媒熱交換器を配管により環状に接続して構成される給湯回路と、水―冷媒熱交換器の入水温度を検出する入水温度検出手段と、水―冷媒熱交換器の出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、前記貯湯タンクの沸き上げ温度に応じて水―冷媒熱交換器の目標出湯温度を決定し、前記出湯温度検出手段の検出値が、前記目標出湯温度なるように前記ポンプの流量を制御する制御手段とを備え、前記入水温度検出手段の検出値が所定の時間内に所定の値以上変化した場合に、前記圧縮機の運転周波数を変化させるとともに、前記ポンプの流量を予め設定された流量に変更することを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
3. ポンプの流量を予め設定された流量に変更後、所定の時間は前記ポンプの流量を一定に制御し、前記所定の時間経過後は、出湯温度検出手段の検出値が、目標出湯温度になるように前記ポンプの流量を制御す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. 圧縮機の構成は、アキュームレータのない構成であ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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