JP2008281256A - 給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍サイクルの高圧側の圧力変化にかかわらず、水熱交換器における常に効率の良い熱交換を可能とし、これにより最高の運転効率が得られる給湯機を提供する。
【解決手段】高圧センサ１２の検知圧力Ｐｄ、吐出温度センサ１１の検知温度Ｔｄ、および冷媒出口温度センサ１３の検知温度Ｔｃに基づく演算により、水熱交換器３の冷媒流れ方向における冷媒温度変化が検出される。また、水入口温度センサ１６の検知温度Ｔｗ１および水出口温度センサ１７の検知温度Ｔｗ２から、水熱交換器３の水流れ方向における水温度変化が検出される。そして、検出された冷媒温度変化と水温度変化との最小温度差が検出され、この最小温度差と上記検出された冷媒出口温度差との和が最小となるように、圧力制御弁４の開度が制御される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、水熱交換器を有するヒートポンプ式冷凍サイクルを熱源として備え、貯湯タンク内の水を上記水熱交換器に循環させることにより、貯湯タンクに給湯用の湯を貯える給湯機に関する。

ヒートポンプ式の冷凍サイクルを熱源として利用し、貯湯タンクに給湯用の湯を貯える給湯機がある（例えば、特許文献１）。

上記冷凍サイクルは、圧縮機から吐出される冷媒を水熱交換器、減圧手段、および室外熱交換器に通して圧縮機に戻す構成を有する。この冷凍サイクルの水熱交換器に貯湯タンク内の水を通して循環させることにより、貯湯タンクに給湯用の湯が貯えられる。

このような給湯機では、通常、水熱交換器の水出口側の温度が検知され、その検知温度が所定の温度なるよう、圧縮機の回転数（能力）が制御される。また、貯湯タンク内の水を水熱交換器に供給するためのポンプが設けられ、水熱交換器に流れる水の量が一定となるよう、そのポンプの回転数（能力）が制御される。さらに、蒸発器として機能する室外熱交換器の温度およびその室外熱交換器から流出する冷媒の温度がそれぞれ検知され、両検知温度の差いわゆる過熱度（スーパーヒートともいう）が一定となるよう、膨張弁により、室外熱交換器への冷媒流量が制御される。
特許第３２２７６５１号公報

上記のような給湯機では、冷凍サイクルへの冷媒封入量を所定の条件で決めておくことにより、運転条件が多少変わっても、運転効率に大きな差は生じない。
しかしながら、冷媒としてＣＯ₂を用いる超臨界の冷凍サイクルでは、高圧側の圧力によって運転効率が大きく変わってしまう。たとえば、低圧側については、上記した過熱度制御により、室外熱交換器に流れる冷媒の量を適正な値に維持することができるが、高圧側の圧力は外気温温度などの運転条件により変化し、そのため効率の良い運転が困難となる。

この発明は上記の事情を考慮したもので、その目的は、冷凍サイクルの高圧側の圧力変化にかかわらず、水熱交換器における常に効率の良い熱交換を可能とし、これにより最高の運転効率が得られる給湯機を提供することである。

請求項１に係る発明の給湯機は、流れ方向が互いに反対の冷媒流路と水流路を並設してなる水熱交換器を有し、圧縮機から吐出される冷媒を水熱交換器の冷媒流路、圧力制御弁、冷媒量調整タンク、減圧手段、および室外熱交換器に通して圧縮機に戻すヒートポンプ式の冷凍サイクルと、貯湯タンク内の水を上記水熱交換器の水流路に通して循環させ、その貯湯タンクに給湯用の湯を貯える貯湯タンクユニットと、上記圧縮機から吐出される冷媒の温度を検知する吐出温度センサと、上記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を検知する高圧センサと、上記水熱交換器の冷媒出口に設けられた冷媒出口温度センサと、上記水熱交換器の水入口に設けられた水入口温度センサと、上記水熱交換器の水出口に設けられた水出口温度センサと、上記冷媒出口温度センサの検知温度と上記水入口温度センサの検知温度との差を冷媒出口温度差として検出する冷媒出口温度差検出手段と、上記高圧センサの検知圧力、上記吐出温度センサの検知温度、および上記冷媒出口温度センサの検知温度に基づく演算により、上記水熱交換器の冷媒流れ方向における冷媒温度変化を検出する冷媒温度変化検出手段と、上記水入口温度センサの検知温度および上記水出口温度センサの検知温度から、上記水熱交換器の水流れ方向における水温度変化を検出する水温度変化検出手段と、上記検出される冷媒温度変化と上記検出される水温度変化との最小温度差を検出する最小温度差検出手段と、上記検出される冷媒出口温度差と上記検出される最小温度差との和が最小となるように、上記圧力制御弁の開度を制御する制御手段と、を備えている。

この発明の給湯機によれば、冷凍サイクルの高圧側の圧力変化にかかわらず、水熱交換器における常に効率の良い熱交換が可能となる。これにより、最高の運転効率が得られる。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、熱源ユニット１に貯湯タンクユニット３０が配管接続され、給湯機が構成されている。

まず、熱源ユニット１について説明する。
圧縮機２から吐出される冷媒が水熱交換器３の冷媒流路３ａに流れ、その冷媒流路３ａを経た冷媒が開度可変の圧力制御弁４、冷媒量調整タンク５、減圧手段たとえば電動膨張弁６、および室外熱交換器７を通って圧縮機２に吸込まれる。室外熱交換器７の近傍には室外ファン８が配設されている。こうして、水熱交換器３を凝縮器として機能させ、室外熱交換器７を蒸発器として機能させるヒートポンプ式の冷凍サイクルが構成されている。この冷凍サイクルには、冷媒として例えばＣＯ₂が封入されており、それに伴い、圧力制御弁４および冷媒量調整タンク５が採用されている。

水熱交換器３は、流れ方向が互いに反対となる冷媒流路３ａと水流路３ｂを並設してなり、冷媒流路３ａを流れる冷媒と水流路３ｂを流れる水との熱交換を行う。水流路３ｂは後述の貯湯タンクユニット３０に配管接続され、その配管にポンプ９が設けられている。このポンプ９の運転により、貯湯タンクユニット３０の水が水流路３ｂを通して循環する。

圧縮機２の吐出側冷媒配管に、吐出冷媒の温度Ｔｄを検知する吐出温度センサ１１が取付けられるとともに、吐出冷媒の圧力（高圧側圧力）Ｐｄを検知する高圧センサ１２が取付けられている。水熱交換器３の冷媒出口側配管に、冷媒出口温度センサ１３が取付けられている。室外熱交換器７に過熱度制御用の蒸発温度センサ（熱交換器温度センサ）１４が取付けられ、室外熱交換器７の冷媒出口側配管に同じく過熱度制御用の蒸発器出口温度センサ１５が取付けられている。さらに、水熱交換器３の水入口側配管に水入口温度センサ１６が取付けられ、水熱交換器３の水出口側配管に水出口温度センサ１７が取付けられている。

次に、貯湯タンクユニット３０について説明する。
貯湯タンクユニット３０は、水道の蛇口（図示しない）から供給される水を減圧弁３１を通して貯湯タンク３２に供給し、その貯湯タンク３２内の水を上記ポンプ９の運転によって水熱交換器３に通して循環させ、その貯湯タンク３２に溜まった湯を混合バルブ３３を通して給湯する。混合バルブ３３には減圧弁３１を経た水の一部が供給されており、その水を貯湯タンク３２からの湯に混合することにより、給湯温度を調節することができる。

一方、上記熱源ユニット１に制御部２０が搭載されている。この制御部２０は、主要な機能として次の（１）〜（８）の手段を有している。
（１）水出口温度センサ１７の検知温度Ｔｗ２が所定の温度なるよう、圧縮機２の回転数（能力）を制御する第１回転数制御手段。

（２）蒸発器出口温度センサ１５の検知温度Ｔｅ２と蒸発温度センサ１４の検知温度Ｔｅ１との差（＝Ｔｅ２−Ｔｅ１）を室外熱交換器７における冷媒の過熱度として検出し、その過熱度が予め定められている一定値となるよう、電動膨張弁６の開度（室外熱交換器７への冷媒流量）を制御する第１開度制御手段。

（３）水熱交換器３の水流路３ｂに流れる水の量が一定となるよう、ポンプ９の回転数（能力）を制御する第２回転数制御手段。

（４）冷媒出口温度センサ１３の検知温度Ｔｃと水入口温度センサ１６の検知温度Ｔｗ１との差である冷媒出口温度差（＝Ｔｃ−Ｔｗ１）を検出する冷媒出口温度差検出手段。

（５）高圧センサ１２の検知圧力Ｐｄ、吐出温度センサ１１の検知温度Ｔｄ、および冷媒出口温度センサ１３の検知温度Ｔｃに基づく演算により、水熱交換器３の冷媒流れ方向における冷媒温度変化を検出する冷媒温度変化検出手段。

（６）水入口温度センサ１６の検知温度Ｔｗ１および水出口温度センサ１７の検知温度Ｔｗ２から、水熱交換器３の水流れ方向における水温度変化を検出する水温度変化検出手段。

（７）上記検出される冷媒温度変化と上記検出される水温度変化との最小温度差を検出する最小温度差検出手段。

（８）上記検出される冷媒出口温度差と上記検出される最小温度差との和が最小となるように、圧力制御弁４の開度を制御する第２開度制御手段。

作用を説明する。
（ａ）圧力制御弁４の開度が“大”のとき、電動膨張弁６は開度が小さくなり、冷媒量調整タンク５内の圧力は、中間圧ではあるが、高めとなる。これにより、冷媒量調整タンク５内の冷媒密度が大きくなり、冷媒量調整タンク５内の冷媒量が多くなる。

水熱交換器３に流れる冷媒の量は、冷媒量調整タンク５に多くの冷媒が溜まっているため、少なくなる。よって、水熱交換器３における冷媒の圧力は低めにバランスする。

このときの水熱交換器３における冷媒と水の温度変化を図２に示している。斜め下向きの矢印が水熱交換器３の一端（冷媒流入口）から他端（冷媒流出口）に向かって流れる冷媒の温度変化を示し、斜め上向きの矢印が水熱交換器３の他端（水流入口）から一端（水流出口）に向かって流れる水の温度変化を示している。

この弁開度では、水熱交換器３における冷媒出口温度Ｔｃは高く、その冷媒出口温度Ｔｃと水入口温度Ｔｗ１との差である冷媒出口温度差（＝Ｔｃ−Ｔｗ１）は大きくなる。また、冷媒温度変化と水温度変化との差が最小となる熱交中間位置の最小温度差は、上記冷媒出口温度差に比べるとかなり小さい値となる。

この弁開度では、冷媒出口温度差が大きいため、たとえ熱交中間位置の最小温度差が最小であっても、冷媒出口温度差と最小温度差との和は最小とはならない。

（ｂ）圧力制御弁４の開度が“大”から“中”に絞られると、電動膨張弁６は開度が開き、冷媒量調整タンク５内の圧力が低下する。これにより、冷媒量調整タンク５内の冷媒密度が小さくなり、冷媒量調整タンク５内の冷媒量が減少する。

冷媒量調整タンク５内の冷媒量が減少すると、水熱交換器３に冷媒が溜まるようになって、その水熱交換器３内の冷媒量が増える。これにより、水熱交換器３内の冷媒の圧力は上昇してやや高めにバランスする。

このときの水熱交換器３における冷媒と水の温度変化を図３に示している。

この弁開度では、水熱交換器３における冷媒出口温度Ｔｃが低下し、その冷媒出口温度Ｔｃと水入口温度Ｔｗ１との差である冷媒出口温度差（＝Ｔｃ−Ｔｗ１）が小さくなる。また、冷媒温度変化と水温度変化との差が最小となる熱交中間位置の最小温度差は、上記（ａ）の場合よりもわずかに増える。

この場合、冷媒出口温度差が小さく、しかも熱交中間位置の最小温度差がわずかに増える程度なので、冷媒出口温度差と最小温度差との和はほぼ最小となる。

（ｃ）圧力制御弁４の開度が“中”から“小”へとさらに絞られると、冷媒量調整タンク５内の圧力がさらに低下する。これに伴い、冷媒量調整タンク５では、冷媒密度がさらに小さくなり、冷媒量がさらに減少する。

冷媒量調整タンク５の冷媒量がさらに減少すると、水熱交換器３に溜まる冷媒が増える。これにより、水熱交換器３における冷媒の圧力はさらに上昇する。

このときの水熱交換器３における冷媒と水の温度・圧力変化を図４に示している。

この弁開度では、水熱交換器３における冷媒出口温度Ｔｃがさらに低下し、その冷媒出口温度Ｔｃと水入口温度Ｔｗ１との差である冷媒出口温度差（＝Ｔｃ−Ｔｗ１）がさらに小さくなってほとんど零となる。逆に、冷媒温度変化と水温度変化との差が最小となる熱交中間位置の最小温度差は、かなり大きくなる。

この場合、冷媒出口温度差はほとんど零であるが、熱交中間位置の最小温度差が大きめのため、冷媒出口温度差と最小温度差との和は最小とならない。

（ｄ）以上、圧力制御弁４の開度が“大”“中”“小”の場合について見ると、冷媒出口温度差と最小温度差との和が最小となるのは圧力制御弁４の開度が“中”のときである。

ヒートポンプ式冷凍サイクルの高圧側の圧力、冷媒出口温度差、熱交中間位置の最小温度差、冷媒出口温度差と最小温度差との和、および冷凍サイクルの運転効率ＣＯＰの関係を図５に示している。

この図５から分かるように、冷媒出口温度差と最小温度差との和がもっとも小さいとき、水熱交換器３がもっとも効率の良い熱交換を行う状態となり、冷凍サイクルの運転効率ＣＯＰが最高となる。この最高の運転効率ＣＯＰが常に得られるよう、圧力制御弁４の開度が制御される。

このように、冷媒出口温度差と最小温度差との和が最小となるように圧力制御弁４の開度が制御されることにより、冷凍サイクルの高圧側の圧力変化にかかわらず、水熱交換器３における常に効率の良い熱交換が可能となって、最高の運転効率ＣＯＰが得られる。

なお、上記実施形態では、冷媒出口温度差と最小温度差との和が最小となるように圧力制御弁４の開度を制御したが、冷媒出口温度差と最小温度差との和が最小に近い所定値となるように圧力制御弁４の開度を制御してもよい。この場合、最高ではないが、十分に高い運転効率ＣＯＰが得られる。

その他、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を変えない範囲で種々変形実施可能である。

一実施形態の構成を示す図。 一実施形態における圧力制御弁の開度が“大”の場合の水熱交換器における冷媒と水の温度・圧力変化を示す図。 一実施形態における圧力制御弁の開度が“中”の場合の水熱交換器における冷媒と水の温度・圧力変化を示す図。 一実施形態における圧力制御弁の開度が“小”の場合の水熱交換器における冷媒と水の温度・圧力変化を示す図。 一実施形態における高圧側の圧力、冷媒出口温度差、熱交中間位置の最小温度差、冷媒出口温度差と最小温度差との和、および冷凍サイクルの運転効率の関係を示す図。

符号の説明

１…熱源ユニット、２…圧縮機、３…水熱交換器、３ａ…冷媒流路、３ｂ…水流路、４…圧力制御弁、５…冷媒量調整タンク、６…電動膨張弁、７…室外熱交換器、１１…吐出温度センサ、１２…高圧センサ、１３…冷媒出口温度センサ、１４…蒸発温度センサ、１５…蒸発器出口温度センサ、１６…水入口温度センサ、１７…水出口温度センサ、２０…制御部、３０…貯湯タンクユニット、３２…貯湯タンク

Claims (2)

1. 流れ方向が互いに反対の冷媒流路と水流路を並設してなる水熱交換器を有し、圧縮機から吐出される冷媒を前記水熱交換器の冷媒流路、圧力制御弁、冷媒量調整タンク、減圧手段、および室外熱交換器に通して圧縮機に戻すヒートポンプ式の冷凍サイクルと、
   貯湯タンク内の水を前記水熱交換器の水流路に通して循環させ、その貯湯タンクに給湯用の湯を貯える貯湯タンクユニットと、
   前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を検知する吐出温度センサと、
   前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を検知する高圧センサと、
   前記水熱交換器の冷媒出口に設けられた冷媒出口温度センサと、
   前記水熱交換器の水入口に設けられた水入口温度センサと、
   前記水熱交換器の水出口に設けられた水出口温度センサと、
   前記冷媒出口温度センサの検知温度と前記水入口温度センサの検知温度との差を冷媒出口温度差として検出する冷媒出口温度差検出手段と、
   前記高圧センサの検知圧力、前記吐出温度センサの検知温度、および前記冷媒出口温度センサの検知温度に基づく演算により、前記水熱交換器の冷媒流れ方向における冷媒温度変化を検出する冷媒温度変化検出手段と、
   前記水入口温度センサの検知温度および前記水出口温度センサの検知温度から、前記水熱交換器の水流れ方向における水温度変化を検出する水温度変化検出手段と、
   前記検出される冷媒温度変化と前記検出される水温度変化との最小温度差を検出する最小温度差検出手段と、
   前記検出される冷媒出口温度差と前記検出される最小温度差との和が最小となるように、前記圧力制御弁の開度を制御する制御手段と、
   を備えていることを特徴とする給湯機。
2. 流れ方向が互いに反対の冷媒流路と水流路を並設してなる水熱交換器を有し、圧縮機から吐出される冷媒を前記水熱交換器の冷媒流路、圧力制御弁、冷媒量調整タンク、減圧手段、および室外熱交換器に通して圧縮機に戻すヒートポンプ式の冷凍サイクルと、
   貯湯タンク内の水を前記水熱交換器の水流路に通して循環させ、その貯湯タンクに給湯用の湯を貯える貯湯タンクユニットと、
   前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を検知する吐出温度センサと、
   前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を検知する高圧センサと、
   前記水熱交換器の冷媒出口に設けられた冷媒出口温度センサと、
   前記水熱交換器の水入口に設けられた水入口温度センサと、
   前記水熱交換器の水出口に設けられた水出口温度センサと、
   前記冷媒出口温度センサの検知温度と前記水入口温度センサの検知温度との差を冷媒出口温度差として検出する冷媒出口温度差検出手段と、
   前記高圧センサの検知圧力、前記吐出温度センサの検知温度、および前記冷媒出口温度センサの検知温度に基づく演算により、前記水熱交換器の冷媒流れ方向における冷媒温度変化を検出する冷媒温度変化検出手段と、
   前記水入口温度センサの検知温度および前記水出口温度センサの検知温度から、前記水熱交換器の水流れ方向における水温度変化を検出する水温度変化検出手段と、
   前記検出される冷媒温度変化と前記検出される水温度変化との最小温度差を検出する最小温度差検出手段と、
   前記検出される冷媒出口温度差と前記検出される最小温度差との和が所定値となるように、前記圧力制御弁の開度を制御する制御手段と、
   を備えていることを特徴とする給湯機。

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