JP2008202809A - ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の運転開始時に、圧縮機からの吐出冷媒圧力を上昇を抑制した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、冷媒を圧縮する圧縮機１と、冷媒と湯水との熱交換を行う給湯用熱交換器２と、冷媒を減圧する減圧装置３と、冷媒が空気から熱を吸熱する蒸発器４と、給湯用の湯水を貯える貯湯槽７と、貯湯槽７の湯水を給湯用熱交換器２に送る送水手段８と、圧縮機１の吐出圧力を検知する吐出圧力検知手段１４とを備え、圧力検知手段１４で検知する圧力が所定圧力に達した場合には圧縮機１の運転を停止する高圧保護制御を行うとともに、高圧保護制御によって圧縮機１の運転が停止した際には、減圧装置３の弁開度に、所定の開度を加算して圧縮機の運転を再度開始するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯機に係り、特にヒートポンプの運転停止時における減圧装置の弁開度を制御するものである。

従来のヒートポンプ式給湯機において、圧縮機を起動する際には、入水温度などで減圧装置の初期弁開度を決定し、減圧装置の開度を決定された初期弁開度に設定して圧縮機の運転を開始していた（例えば、特許文献１参照）。

上記のようなヒートポンプ式給湯機において、水と冷媒とが熱交換を行う給湯用熱交換器に用いられるものとして、内管に冷媒、外管に水が流通するような二重管構造の熱交換器がある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−６９６８０号公報 特開２００４−９３０３７号公報

しかしながら、上記従来のような構成のヒートポンプ式給湯機は、ヒートポンプサイクル（蒸発器、圧縮機、給湯用熱交換器、減圧装置を順次冷媒配管で環状に接続したもの）の給湯用熱交換器と湯水を貯える貯湯槽とを接続する配管の長さが長く曲げ回数が多い場合や、給湯用熱交換器自体にスケールが析出付着し、給湯用熱交換器能力が通常時に対して減少するため、ヒートポンプ式給湯機の起動時に吐出冷媒圧力が上昇し、設計圧力を超えてしまうという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、圧縮機の運転開始時に、圧縮機からの吐出冷媒圧力を上昇を抑制した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、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒と湯水との熱交換を行う給湯用熱交換器と、冷媒を減圧する減圧装置と、冷媒が空気から熱を吸熱する蒸発器と、給湯用の湯水を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽の湯水を前記給湯用熱交換器に送る送水手段と、前記圧縮機の吐出圧力を検知する吐出圧力検知手段とを備え、前記圧力検知手段で検知する圧力が所定圧力に達した場合には圧縮機の運転を停止する高圧保護制御を行うとともに、前記高圧保護制御によって前記圧縮機の運転が停止した際には、前記減圧装置の弁開度に、所定の開度を加算して圧縮機の運転を再度開始するものである。

これによって、圧縮機の運転開始後すぐに高圧保護制御によって圧縮機の運転を停止しても、圧縮機の運転を再開するときには、減圧装置の弁開度に、所定の開度を加算して圧縮機の運転を再開するので、圧縮機から吐出される冷媒の圧力の上昇を抑制し、運転を継続できるとともに、圧縮機のメカ磨耗などの保護が可能となる。

本発明は、圧縮機の運転開始時に、圧縮機からの吐出冷媒圧力を上昇を抑制したヒートポンプ式給湯機を提供することができる。

第１の発明のヒートポンプ式給湯機は、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒と湯水との熱交換を行う給湯用熱交換器と、冷媒を減圧する減圧装置と、冷媒が空気から熱を吸熱する蒸発器と、給湯用の湯水を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽の湯水を前記給湯用熱交換器に送る送水手段と、前記圧縮機の吐出圧力を検知する吐出圧力検知手段とを備え、前記圧力検知手段で検知する圧力が所定圧力に達した場合には圧縮機の運転を停止する高圧保護制御を行うとともに、前記高圧保護制御によって前記圧縮機の運転が停止した際には、前記減圧装置の弁開度に、所定の開度を加算して圧縮機の運転を再度開始することにより、圧縮機の運転開始後すぐに高圧保護制御によって圧縮機の運転を停止しても、圧縮機の運転を再開するときには、減圧装置の弁開度に、所定の開度を加算して圧縮機の運転を再開するので、圧縮機から吐出される冷媒の圧力の上昇を抑制し、運転を継続できるとともに、圧縮機のメカ磨耗などの保護が可能となる。

第２の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第１の発明において、高圧保護制御によって圧縮機の運転が停止した回数をカウントするとともに、カウントした回数に応じて、減圧装置の弁開度を加算していくことにより、より最適な減圧装置の開度を設定することができ、効率の良い湯の沸きあげを行うことができる。

第３の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第２の発明において、圧縮機の運転が開始してから所定時間内に限り高圧保護制御によって圧縮機の運転が停止した回数をカウントすることにより、給湯用熱交換器の能力が通常時に対して異常に減少したとき以外の要因で高圧保護制御が働いた時には、弁開度を加算しないため、給湯用熱交換器の能力が異常に減少したときのみに、確実に最適な弁開度を設定することができる。

第４の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第２または第３の発明において、高圧保護制御によって圧縮機の運転が停止した回数をカウントしたカウント数は、電源リセット時以外はクリアしないことにより、次回の運転時より最適な弁開度でヒートポンプ式給湯機を運転できるので、高圧保護制御が発生しにくくなり、圧縮機のメカ磨耗を防止するだけでなく、所望の出湯温度に到達するまでの時間を短縮することができる。

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は、冷媒を圧縮するインバータ式圧縮機１と、インバータ式圧縮機１で圧縮された冷媒と水との熱交換を行う給湯用熱交換器２と、給湯用熱交換器２で放熱した後の冷媒を減圧する減圧装置３と、減圧装置３で減圧された冷媒に熱を与える蒸発器４を備え、インバータ式圧縮機１、給湯用熱交換器２、減圧装置３、蒸発器４は冷媒配管５で環状に接続されヒートポンプサイクルを形成している。

また、蒸発器４に外気を送るための送風手段として送風ファン６を備え、さらに、インバータ式圧縮機１と減圧装置３を制御する制御手段であるマイクロコンピュータ１３を備えた構成となっている。また、インバータ式圧縮機１の吐出口には圧力検知手段である圧力スイッチ１４を設けており、ある所定の圧力を検知すればスイッチが切れるようになっている。そして、外気温度検出手段であるサーミスタ１５、および給湯用熱交換器２に入水する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１６とを備える。

本実施の形態では、インバータ式圧縮機１はアキュームレータのない圧縮機構成としており、アキュームレータを有する圧縮機構成に比べて小型化・軽量化を実現している。また、本実施の形態で使用する冷媒には二酸化炭素を使用しており、比較的安価で、かつ、
安定であるため、製品コストを抑えることができるとともに、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することができる。また、ヒートポンプサイクルに流通させる冷媒の高圧側の圧力が、臨界圧力を超える圧力となるために、給湯用熱交換器２で熱交換をして熱を奪われても、凝縮することがないため、給湯用熱交換器の全域に亘って、冷媒と水との間の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。なお、本実施の形態では二酸化炭素を使用しているが、これに限定されることはなく、高圧側が臨界圧力を超える冷媒であれば、二酸化炭素と同様に給湯用熱交換器２にて凝縮することがない。

また、湯水を貯える貯湯槽７と、貯湯槽７の下部から給湯用熱交換器２に湯水を送水する送水手段である水ポンプ８を備え、貯湯槽７、水ポンプ８、給湯用熱交換器２は給湯配管９で環状に接続され給湯サイクルを形成している。また、貯湯槽７の下部には、給水源から水を供給するための給水管１１が接続されており、常に水圧が加えられている状態となっている。

また、カラン等の給湯端末１０には、貯湯槽７の上方部に貯えられている高温水と、貯湯槽７に水を供給する給水管１１から分岐して供給される水とを混合手段である混合弁１２で混合し、所望の温度の湯を生成して給湯端末１０に供給される構成となっている。なお、図１中に示す矢印は、冷媒もしくは水の流通する方向を示している。

次に、本発明の減圧装置３の開度制御について説明する。図２は、本実施の形態１における減圧装置３の開度の決定するチャートである。図２において、まず、減圧装置初期弁開度算出手段（マイクロコンピュータ１３）では、サーミスタ１５およびサーミスタ１６で検出される外気温度および入水温度の値に応じて初期開度を決定し、減圧装置の開度に設定され、ヒートポンプサイクルの運転が開始される。

しかしながら、給湯用熱交換器２と貯湯槽７とを接続する配管が長く曲げ回数が多い場合や、給湯用熱交換器２の水流路にスケールが析出付着していた場合には、給湯用熱交換器２の能力が落ちるため、給湯用熱交換器２での熱交換の効率が落ちる。そのため、インバータ式圧縮機１から吐出される冷媒の圧力が高圧になってしまい、圧力スイッチ１４において設計圧力以上を検知するとスイッチが切れて、インバータ式圧縮機１の運転を停止する高圧保護制御が動作してしまう。高圧保護制御が動作してインバータ式圧縮機１の運転が停止したら、現在の減圧装置３の開度αに、所定の開度βを加算した値を、新たに初期弁開度αとして設定し、再度インバータ式圧縮機１の運転を再開させる。

このように減圧装置３の初期開度をα＋βに設定しなおすことで、高圧側から低圧側への冷媒の供給量を増やし、高圧側の冷媒の充填量を低くし、その結果、高圧側の圧力が低くなる。

しかしながら、１回の初期開度の補正では、再度高圧保護制御が発生してしまう場合があるため、図２に示すように高圧保護制御が発生する度に補正値βを加えて減圧装置３の初期開度を再度設定し、ヒートポンプサイクル運転を再度開始する。

上記減圧装置３の初期開度決定の制御について具体的な値を用いて説明する。なお具体的な値については一実施例に過ぎず、この値に限定されることはない。

運転開始に伴って、外気温度および入水温度から初期開度α（＝１００）を決定する。そしてヒートポンプサイクルの運転を開始すると、高圧側の圧力が設計圧力を超えてしま
い減圧装置３の初期開度α（＝１００）に、所定の開度β（＝１０）を加算して新たな初期開度α（＝１１０）として設定する。

次に、新たな初期開度として設定されたα（＝１１０）で再度運転を開始する。しかしながら再度高圧保護制御が発生してしまい、減圧装置３の初期開度α（＝１１０）に、所定の開度β（＝１０）を加算して新たな初期開度α（＝１２０）として設定する。このように高圧保護制御が発生する度に所定の開度β（＝１０）を加算することで、インバータ式圧縮機１の吐出冷媒圧力を低くし、減圧装置３の最適な開度を設定することができる。

つまり、高圧保護制御の発生回数Ｎをカウントし、発生回数Ｎに応じて減圧装置３の初期開度を設定するものであり、初期開度α＝α＋β×Ｎとなるように、高圧保護制御が発生した発生回数Ｎを、初期開度に反映させることで、給湯用熱交換器２の能力の減少具合に応じて最適な減圧装置３の弁開度を設定することができる。

また、本実施の形態のような初期開度αの決定方法つまり高圧保護制御の発生回数Ｎのカウントは、圧縮機の運転開始後、所定の時間Ｘ分内に限り行うのがよい。なぜならば、運転開始からある程度時間が経過した時点においては、給湯用熱交換器２の能力減少以外の要因による高圧保護制御が発生する可能性があるからである（例えば、貯湯槽７の沸き上げ完了直前における入水温度の急上昇に起因するインバータ式圧縮機１の吐出圧力の上昇など）。そのため、所定の時間Ｘ分を越えて、高圧保護制御が発生した場合、初期開度αに所定の開度βを加えたものを新たに初期開度αとして、再度運転を開始すると、給湯用熱交換器の能力が減少していないにも関わらず、不必要に減圧装置３の開度を大きくしてしまい、結果的に所望の出湯温度を得る時間が長くなってしまうだけである。

よって高圧保護制御の発生回数に応じて初期開度αに、所定の開度βを加算して新たな初期開度αとする初期開度の決定方法は、所定の時間内に限り行うのがよい。

また、高圧保護制御が発生した回数Ｎは、電源のリセット時以外にはクリアしないようにする。したがって、１度給湯用熱交換器２の能力の減少に応じた最適な減圧装置３の初期開度が設定されると、時間の運転時からは最適な初期開度でヒートポンプ式給湯機を運転をすることができ、高圧保護のために圧縮井の運転が何度も発生することがなくなり、所望の出湯温度に達するまでの時間が短縮される。

以上のように、減圧装置３の開度を所定の開度だけ増加させることで、高圧側の圧力が低くなり、給湯用熱交換器２の水流路にスケールが析出付着する場合においても、インバータ式圧縮機１の吐出圧力の上昇を抑制し、インバータ式圧縮機１のメカ磨耗の防止など機体の保護が可能となる。

本発明にかかるヒートポンプ式給湯機は、分離型や一体型など製品の形態に問わず、すべてのヒートポンプサイクルを有する給湯機において適用することができる。

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における減圧装置の初期弁開度決定チャート

符号の説明

１ インバータ式圧縮機
２ 給湯用熱交換器
３ 減圧装置
４ 蒸発器
５ 冷媒配管
６ 送風ファン
７ 貯湯槽
８ 水ポンプ
９ 給湯配管
１０ 給湯端末
１１ 給水管
１２ 混合弁
１３ マイクロコンピュータ
１４ 圧力スイッチ
１５ サーミスタ（外気温度検出手段）
１６ サーミスタ（入水温度検出手段）

Claims (4)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒と湯水との熱交換を行う給湯用熱交換器と、冷媒を減圧する減圧装置と、冷媒が空気から熱を吸熱する蒸発器と、給湯用の湯水を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽の湯水を前記給湯用熱交換器に送る送水手段と、前記圧縮機の吐出圧力を検知する吐出圧力検知手段とを備え、前記圧力検知手段で検知する圧力が所定圧力に達した場合には圧縮機の運転を停止する高圧保護制御を行うとともに、前記高圧保護制御によって前記圧縮機の運転が停止した際には、前記減圧装置の弁開度に、所定の開度を加算して圧縮機の運転を再度開始することを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
2. 高圧保護制御によって圧縮機の運転が停止した回数をカウントするとともに、カウントした回数に応じて、減圧装置の弁開度を加算していくことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯機。
3. 圧縮機の運転が開始してから所定時間内に限り高圧保護制御によって圧縮機の運転が停止した回数をカウントすることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式給湯機。
4. 高圧保護制御によって圧縮機の運転が停止した回数をカウントしたカウント数は、電源リセット時以外はクリアしないことを特徴とする請求項２または３に記載のヒートポンプ式給湯機。

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