JP2008232508A - 給湯器 - Google Patents

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Abstract

【課題】圧縮機から吐出する冷媒の圧力に基づくプレート式熱交換器内部の凝縮温度を算出し、給湯器の制御を従来の空気調和機の制御と同じ方法で制御し、空気調和機と同様の信頼性を確保したプレート式熱交換器を備えた給湯器を得ること。
【解決手段】運転容量の可変な圧縮機１、冷凍サイクルの向きを切り換える四方弁２、水と冷媒が熱交換をするプレート式熱交換器１０、冷媒の流量を調整し減圧する電子膨張弁６、空気と冷媒が熱交換をする熱交換器９を配管３により、この順に接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルを構成して水を加熱する給湯器において、圧縮機１の吐出側と四方弁２との間に、圧縮機１から吐出する冷媒の圧力を検出する圧力検出手段Ｐｄを設け、圧力検出手段Ｐｄが検出した圧力に基づいて算出された凝縮温度と目標とする凝縮温度との差より圧縮機１の運転速度を調整するようにしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明はプレート式熱交換器を備えたヒートポンプ式の給湯器に関するものである。
一般的な空気調和機では、リモコン等により設定した設定温度と実際の部屋の温度との差を算出して、その温度差が大きい場合は圧縮機の運転スピードを速くし、空気調和機の能力を増加させて、設定温度に実際の部屋の温度が早く近づくように制御する。
また、温度差が小さい場合は圧縮機の運転スピードを遅くし、空気調和機の能力を減少させて、省エネ運転と設定温度に対して部屋の温度がオーバーシュートして発生する機器の停止を抑制する。
給湯器においては、凝縮温度が目標とする給湯温度に対して決まるため、凝縮温度を目標とする凝縮温度に近づけるよう制御することにより同様の制御で圧縮機の制御が可能となる。
従来の空気調和機は、高圧圧力センサが検出した高圧冷媒圧力に基づく冷媒の凝縮温度と目標凝縮温度との偏差を導出することにより圧縮機を制御するものが示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３２７９４９号公報（第４頁、図１）
上記従来の空気調和機は、高圧圧力センサを使用することによって圧縮機を制御する技術を開示しているが、かかる技術をプレート式熱交換器を有する給湯器に適用することについては言及していない。
プレート式熱交換器を有する給湯器においては、冷媒は凝縮器として作用するプレート式熱交換器の内部を流れるため、表面に取り付けた温度を検出する手段により凝縮温度を検出することが不可能であり、そのために冷媒の凝縮温度から圧縮機を制御することはできないという問題があった。
そこで、本発明はかかる問題点を解決するためになされたもので、プレート式熱交換器を有する給湯器において、圧力検出手段により検出した圧力より凝縮温度を算出し、算出した凝縮温度を目標凝縮温度に近づけるように圧縮機を制御し、さらに算出した凝縮温度を利用してサブクール制御とスーパーヒート制御を行うことができる給湯器を得ることを目的とする。
本発明に係る給湯器は、運転容量の可変な圧縮機、冷凍サイクルの向きを切り換える四方弁、水と冷媒が熱交換をするプレート式熱交換器、冷媒の流量を調整し減圧する第１の膨張弁、空気と冷媒が熱交換をする熱交換器を配管により、この順に接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルを構成して水を加熱する給湯器において、前記圧縮機の吐出側と前記四方弁との間に、前記圧縮機から吐出する冷媒の圧力を検出する圧力検出手段を設け、該圧力検出手段が検出した圧力に基づいて算出された凝縮温度と目標とする凝縮温度との差より圧縮機の運転速度を調整するようにしたものである。
本発明に係る給湯器においては、運転容量の可変な圧縮機の吐出側と四方弁との間に設け、圧縮機から吐出する冷媒の圧力を検出する圧力検出手段が検出した圧力に基づいて算出された凝縮温度と目標とする凝縮温度との差より圧縮機の運転速度を調整するようにしたので、空気調和機と同様の制御を給湯器に展開でき、空調機と同様の信頼性を確保し、短期間で信頼性の高い制御を確立し、かつ、制御プログラムの開発期間を短縮することができるという効果がある。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る給湯器の冷媒回路図、図２は冷凍サイクルの凝縮圧力と凝縮温度の関係を示すグラフである。
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ式の給湯器は、圧縮機１、冷媒回路を切り換えるための四方弁２、水と冷媒が熱交換をするプレート式熱交換器１０、冷媒の流量を調整し減圧する第１の電子膨張弁６、余剰冷媒を保持するレシーバー７、冷媒の流量を調整し減圧する第２の電子膨張弁８、空気と冷媒が熱交換する熱交換器９を順次配管３で接続し、これらは全て図１に示すように給湯器室外機４０に内蔵されて構成されている。
圧縮機１の吐出側と冷媒回路を切り換えるための四方弁２を接続する配管には、吐出冷媒の圧力を検出する圧力検出手段Ｐｄが設置されている。
回路としてはいわゆる空気調和機の室内機の熱交換器を水と冷媒が熱交換をするプレート式熱交換器１０に置き換えた構成となる。ただし、水と冷媒が熱交換をするプレート式熱交換器１０は、図１に示すように給湯器室外機４０に内蔵されるため、接続する配管は非常に短い。
次に、本発明の実施の形態１に係る給湯器の動作を説明する。
圧縮機１内で高圧高温のガスとなった冷媒は圧縮機１から吐出され、回路を切り換える四方弁２に送られる。
給湯時には、四方弁２は圧縮機１から吐出された冷媒を水と冷媒が熱交換をするプレート式熱交換器１０に送るように固定される。
四方弁２を出た冷媒は水と冷媒が熱交換をするプレート式熱交換器１０に送られる。そのプレート式熱交換器１０に送られた冷媒は、水配管５０を通過する水と熱交換を実施し、プレート式熱交換器１０内で凝縮し放熱する。そして、プレート式熱交換器１０内で冷媒は凝縮し高圧常温の液冷媒へと変化する。水は冷媒から熱を得て温度が上昇して排出される。凝縮した液冷媒は第１の電子膨張弁６で減圧される。
第１の電子膨張弁６は、凝縮器として作用する水と冷媒が熱交換をするプレート式熱交換器１０で凝縮する冷媒をサブクール（過冷却度）にて制御する。
しかし、水と冷媒が熱交換をするプレート式熱交換器１０は、冷媒と水がプレート間を交互に流れることにより熱交換を実施する構造となっており、水と冷媒が熱交換をするプレート式熱交換器１０の途中に凝縮温度を検出する温度センサを取り付けることができない。
そこで、圧縮機１の吐出冷媒の圧力を検出する圧力検出手段Ｐｄを利用する。即ち、圧縮機１からプレート式熱交換器１０までの配管は短いため、圧力損失が小さく、圧力検出手段Ｐｄで検出される圧力はプレート式熱交換器１０内の冷媒の凝縮圧力と略等しい。また、図２の冷凍サイクルの凝縮圧力と凝縮温度の関係を示すグラフに示すように、凝縮圧力と凝縮温度（飽和温度）とには一定の相関関係があることから、凝縮圧力が分かれば、凝縮温度（飽和温度）を求めることができる。例えば、冷媒がＲ４１０Ａである場合には図２に示すように、凝縮圧力２．７ＭＰａ時の凝縮温度（飽和温度）は４６°Ｃとして求めることができる。
従って、プレート式熱交換器１０内の冷媒の凝縮圧力から、冷媒の飽和温度Ｔ１０を算出することができる。
サブクールは、冷媒の飽和温度Ｔ１０と水と冷媒が熱交換をするプレート式熱交換器１０の出口に取り付けられた液冷媒の実際の凝縮温度を検出する温度センサＴｉｘの差で算出される。
サブクールが小さい場合は、第１の電子膨張弁６の開度を閉じることにより、プレート式熱交換器１０で凝縮する冷媒の液冷媒を増加させ、サブクールを大きくすることができる。逆に、サブクールが大きい場合は第１の電子膨張弁６の開度を開けることにより、プレート式熱交換器１０で凝縮する冷媒の液冷媒を減少させ、サブクールを小さくすることができる。
このように算出されたサブクールに基づいて第１の電子膨張弁６の開度を調整し、サブクールを制御することができる。
減圧された冷媒は低圧低温の液冷媒となり、その先に接続されたレシーバー７に入る。レシーバー７では余剰冷媒が保持される。
レシーバー７から出た冷媒は第２の電子膨張弁８で再び減圧される。減圧された冷媒は空気と冷媒が熱交換する熱交換器９に流れる。
熱交換器９に流れ込んだ冷媒は低温であるため、空気から熱を受け取り、蒸発し低圧低温のガス冷媒となる。逆に、空気は冷却されて低い温度となり吹き出すこととなる。熱交換器９は冷凍サイクルの蒸発器として作用する。
熱交換器９から出た低圧低温のガス冷媒は再度、回路を切り換える四方弁２に流れ込み、四方弁２により圧縮機１の吸入側の配管に送り込まれる。圧縮機１の吸入側に送り込まれた低圧低温のガス冷媒は圧縮機１内で圧縮され、高圧高温のガス冷媒となり吐出口より吐出される。
第２の電子膨張弁８はレシーバー７の下流側に位置し、熱交換器９で蒸発する冷媒を吐出スーパーヒート（吐出過熱度）により制御する。
制御する吐出スーパーヒートは、圧縮機１から吐出される冷媒の温度を検出する温度検出手段Ｔｄの温度と、圧力検出手段Ｐｄにより検出される、水と冷媒が熱交換をするプレート式熱交換器１０内の冷媒の凝縮圧力から算出される飽和温度Ｔ１０の温度の差で算出する。
吐出スーパーヒートが小さい場合は第２の電子膨張弁８の開度を閉じることにより、熱交換器９で蒸発する冷媒量を減少させ、蒸発による冷媒の乾き度を増加させ、吐出スーパーヒートを大きくすることができる。逆に、吐出スーパーヒートが大きい場合は第２の電子膨張弁８の開度を開けることにより、熱交換器９で蒸発する冷媒量を増加させ、蒸発による冷媒の乾き度を低下させ、吐出スーパーヒートを大きくすることができる。
このように算出された吐出スーパーヒートに基づいて第２の電子膨張弁８の開度を調整し、吐出スーパーヒートを制御することができる。
給湯時は、以上の循環を繰り返し、室外の空気より得た熱を水配管５０内を流れる水に伝達するヒートポンプ作用により水の温度を上昇させる。
次に、本発明の実施の形態１の給湯器の容量可変の圧縮機１の制御方法について説明する。
水配管５０を流れる水は循環しており、徐々に温度が上昇する。循環する水の温度に依存して凝縮温度が決まるため、設定する水温に対して目標とする凝縮温度が決まる。
空気調和機の設定温度に対して、設定水温から決まる目標凝縮温度を対応させる。
また、空気調和機の室内機の熱交換器に流入する空気の温度を検出する温度に対して、現在の凝縮温度を対応させることにより、現在の凝縮温度と設定水温から決まる目標凝縮温度との差により制御する方法となる。
現在の凝縮温度は、圧力検出手段Ｐｄにより検出される凝縮圧力の飽和温度として算出される。
現在の凝縮温度が設定水温から決まる目標凝縮温度より低く、現在の凝縮温度と設定水温から決まる目標凝縮温度との差が大きい場合は、現在の凝縮温度を設定水温から決まる目標凝縮温度に早く近づけるように、圧縮機１の運転スピードを速くし、冷凍サイクル内を循環する冷媒の量を増加させ、能力を向上させる。
逆に、現在の凝縮温度が設定水温から決まる目標凝縮温度より低く、現在の凝縮温度と設定水温から決まる目標凝縮温度との差が小さい場合、又は、現在の凝縮温度が設定水温から決まる目標凝縮温度より高くなる場合は、圧縮機１の運転スピードを遅くし、冷凍サイクル内を循環する冷媒の量を減少させ、能力を低下させる。
以上のように、本発明の実施の形態１の給湯器では、圧縮機１の吐出側と四方弁２との間に、圧縮機１から吐出する冷媒の圧力を検出する圧力検出手段Ｐｄを設け、該圧力検出手段Ｐｄが検出した圧力に基づいて算出された凝縮温度と目標とする凝縮温度との差より圧縮機１の運転速度を調整するようにし、さらにプレート式熱交換器１０の出口側に液冷媒温度を検出する温度検出手段Ｔｉｘを設け、圧力検出手段Ｐｄが検出した圧力に基づいて算出された凝縮温度と温度検出手段Ｔｉｘが検出する液冷媒温度との差より第１の電子膨張弁６の開度を調整するようにしたので、プレート式熱交換器１０を搭載していても、空気調和機の暖房時の運転と同様の制御方法で第１の電子膨張弁６、容量可変の圧縮機１を制御することが可能となり、空気調和機で確立した制御と同様の信頼性を確保し、空気調和機で確立した制御を流用可能とすることにより、制御プログラムの開発期間を短縮することができる。
また、冷媒として空気調和機に使用されているＲ４１０Ａのような冷媒を使用すれば、各アクチュエーターの駆動に使用する制御定数も流用することが可能となり、更なる信頼性の確保と開発期間の短縮が可能となる。
実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２に係る給湯器の冷媒回路図である。
図３に示すように、本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ式の給湯器は、圧縮機１、冷媒回路を切り換えるための四方弁２、水と冷媒が熱交換をするプレート式熱交換器１０、冷媒の流量を調整し減圧する第１の電子膨張弁６、余剰冷媒を保持するレシーバー７、冷媒の流量を調整し減圧する第２の電子膨張弁８、空気と冷媒を熱交換する熱交換器９を順次配管で接続し、これらは全て給湯器室外機４０に内蔵されて構成されている。
この実施の形態２では、四方弁２と水と冷媒が熱交換をするプレート式熱交換器１０を接続する配管に、冷媒の凝縮圧力を検出する圧力検出手段Ｐｃが設置されている。
この実施の形態２のように、四方弁２とプレート式熱交換器１０を接続する配管に冷媒の凝縮圧力を検出する圧力検出手段Ｐｃを設置した場合には、圧力検出手段Ｐｃとプレート式熱交換器１０との距離が短くなり、配管の圧力損失を最小にすることができ、実施の形態１に比べて、精度良く凝縮温度を検出することができる。
それ以外の各部の動作の説明は、実施の形態１と同様であるので、省略する。
本発明の実施の形態１に係る給湯器の冷媒回路図である。 冷凍サイクルの凝縮圧力と凝縮温度の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態２に係る給湯器の冷媒回路図である。
符号の説明
１ 圧縮機、２ 四方弁、３ 配管、６ 第１の電子膨張弁、７ レシーバー、８ 第２の電子膨張弁、９ 熱交換器、１０ プレート式熱交換器、４０ 給湯器室外機、５０ 水配管、Ｔｄ 吐出冷媒温度を検出する温度センサ、Ｔｉｘ 液冷媒温度を検出する温度センサ、Ｐｄ 吐出冷媒圧力を検出する圧力検出手段。

Claims (7)

  1. 運転容量の可変な圧縮機、冷凍サイクルの向きを切り換える四方弁、水と冷媒が熱交換をするプレート式熱交換器、冷媒の流量を調整し減圧する第１の膨張弁、空気と冷媒が熱交換をする熱交換器を配管により、この順に接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルを構成して水を加熱する給湯器において、
    前記圧縮機の吐出側と前記四方弁との間に、前記圧縮機から吐出する冷媒の圧力を検出する圧力検出手段を設け、
    該圧力検出手段が検出した圧力に基づいて算出された凝縮温度と目標とする凝縮温度との差より圧縮機の運転速度を調整するようにしたことを特徴とする給湯器。
  2. 前記プレート式熱交換器の出口側に液冷媒温度を検出する温度検出手段を設け、
    前記圧力検出手段が検出した圧力に基づいて算出された凝縮温度と前記温度検出手段が検出する液冷媒温度との差より前記第１の膨張弁の開度を調整するようにしたことを特徴とする請求項１記載の給湯器。
  3. 前記第１の膨張弁と前記熱交換器との間にレシーバーを設置すると共に、該レシーバーと前記熱交換器との間に第２の膨張弁を設け、
    前記圧縮機の吐出口側に吐出する冷媒の温度を検出する温度検出手段を設け、
    前記圧力検出手段が検出した圧力に基づいて算出された凝縮温度と前記温度検出手段が検出する液冷媒温度との差より第２の膨張弁の開度を調整するようにしたことを特徴とする請求項１記載の給湯器。
  4. 運転容量の可変な圧縮機、冷凍サイクルの向きを切り換える四方弁、水と冷媒が熱交換をするプレート式熱交換器、冷媒の流量を調整し減圧する第１の膨張弁、空気と冷媒が熱交換をする熱交換器を配管により、この順に接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルを構成して水を加熱する給湯器において、
    前記四方弁と前記プレート式熱交換器との間に、冷媒の凝縮圧力を検出する圧力検出手段を設け、
    該圧力検出手段が検出した圧力に基づいて算出された凝縮温度と目標とする凝縮温度との差より圧縮機の運転速度を調整するようにしたことを特徴とする給湯器。
  5. 前記プレート式熱交換器の出口側に液冷媒温度を検出する温度検出手段を設け、
    前記圧力検出手段が検出した圧力に基づいて算出された凝縮温度と前記温度検出手段が検出する液冷媒温度との差より前記第１の膨張弁の開度を調整するようにしたことを特徴とする請求項４記載の給湯器。
  6. 前記第１の膨張弁と前記熱交換器との間にレシーバーを設置すると共に、該レシーバーと前記熱交換器との間に第２の膨張弁を設け、さらに前記圧縮機の吐出口側に吐出する冷媒の温度を検出する温度検出手段を設け、
    前記圧力検出手段が検出した圧力に基づいて算出された凝縮温度と前記温度検出手段が検出する液冷媒温度との差より第２の膨張弁の開度を調整するようにしたことを特徴とする請求項４記載の給湯器。
  7. 前記冷凍サイクルに使用する冷媒がＲ４１０Ａであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の給湯器。
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