JP2009138980A - ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】運転開始時の吐出温度を安定させる。
【解決手段】圧縮機４の起動時は、所定時間膨張弁６の弁開度を予め設定された初期弁開度に設定し、所定時間終了後は前記吐出温度検出手段の温度に応じた所定の弁開度に設定すると共に、前記タンク下部に備えた貯湯温度センサ３１からの信号に応じて、膨張弁６の弁開度を補正する給湯制御部３０を備えたので、圧縮機の吐出温度や吐出圧力のハンチングによる異常温度上昇や異常圧力上昇をより少なくし耐久性が高く、また、安定した圧縮機４や膨張弁６の制御を可能とする。
【選択図】 図２

Description

この発明は、ヒートポンプユニットで生成された温水を貯留すると共に、所定の給湯箇所に給湯するための貯湯タンクを備えたヒートポンプ式給湯機に関するものである。

従来のこの種のヒートポンプ式給湯機は、圧縮機、冷媒−水熱交換器、膨張弁、蒸発器からなる冷媒循環回路と、貯湯タンク、循環ポンプ、前記冷媒−水熱交換器を接続したヒーポン循環回路からなり前記圧縮機より吐出された高温高圧の過熱ガス冷媒は前記冷媒−水熱交換器に流入し、ここで前記循環ポンプから送られてきた水を加熱する。この水と熱交換した冷媒は前記膨張弁で減圧され、前記蒸発器に流入し、ここで大気熱を吸熱して蒸発ガス化し、前記圧縮機に戻る。一方、前記冷媒−水熱交換器で加熱された湯は前記貯湯タンクの上部に流入し、上から次第に貯湯されていく。そして、前記冷媒−水熱交換器の入口水温が設定値に達すると給水温度検出手段が検知し、前記圧縮機によるヒートポンプ運転を停止するものである。また、前記圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、前記冷媒−水熱交換器の水側入口水温を検出する給水温度検出手段とを具備し、前記圧縮機の起動時に入口水温に応じて、膨張弁の弁開度を予め設定された初期弁開度に設定することで、圧縮機の吐出温度や吐出圧力のハンチングによる異常温度上昇や異常圧力上昇を少なくし耐久性を向上するものであった。（例えば特許文献１参照）
特開２００５−６９６８０号公報

ところでこの従来のものでは、貯湯タンクユニットとヒートポンプユニットを接続するヒーポン往き管とヒーポン戻り管は、運転停止時にはほぼ外気温と同じ温度になるために、ヒーポン往き管の冷媒−水熱交換器入口側に取り付けられた、熱交入口温度センサも運転停止時には、ほぼ外気温と同じ温度を検知するものであり、運転開始時から貯湯タンクの下部に蓄えられた温水や水が、ヒーポン往き管を通過し熱交入口温度センサまでたどり着くまでは、熱交入口温度の温度変化が激しいために、安定した運転制御ができない問題があった。

この発明はこの点に着目し上記欠点を解決する為、特にその構成を、圧縮機、冷媒−水熱交換器、冷媒の流量を制御する膨張弁、蒸発器を有する冷媒循環回路と、貯湯タンクの下部と前記冷媒−水熱交換器とを接続するヒーポン往き管と、前記冷媒−水熱交換器と貯湯タンクの上部とを接続するヒーポン戻り管と、前記ヒーポン往き管に循環ポンプを備え、前記貯湯タンクとヒーポン往き管と冷媒−水熱交換器とヒーポン戻り管を連通してヒーポン循環回路を形成し、前記圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、前記貯湯タンクの温度を複数のセンサによって検知して貯湯タンク内に蓄えられる湯温と残湯量を検知する貯湯温度センサを備え、前記圧縮機の起動時は、所定時間前記膨張弁の弁開度を予め設定された初期弁開度に設定し、所定時間終了後は前記吐出温度検出手段の温度に応じた所定の弁開度に設定すると共に、前記タンク下部に位置する貯湯温度センサからの信号に応じて、前記膨張弁の弁開度を補正する給湯制御部を備えたものである。

この発明によれば、圧縮機の起動時は、所定時間前記膨張弁の弁開度を予め設定された初期弁開度に設定し、所定時間終了後は前記吐出温度検出手段の温度に応じた所定の弁開度に設定すると共に、前記タンク下部に備えた貯湯温度センサからの信号に応じて、前記膨張弁の弁開度を補正する給湯制御部を備えたので、圧縮機の吐出温度や吐出圧力のハンチングによる異常温度上昇や異常圧力上昇をより少なくし耐久性が高く、また、安定した圧縮機や膨張弁の制御をすることができる。

次にこの発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
１は湯水を貯湯する貯湯タンク２等を収納する貯湯タンクユニット、３は貯湯タンク２内の湯水を加熱する加熱手段としてのヒートポンプユニットで、内部には圧縮機４と凝縮器としての冷媒−水熱交換器５と減圧装置としての電子膨張弁６と強制空冷式の蒸発器７とで構成され、このヒートポンプユニット３の冷媒循環回路には冷媒として二酸化炭素が用いられて超臨界ヒートポンプサイクルを構成しているものである。また、前記圧縮機４や膨張弁６等によりヒートポンプサイクルを駆動制御するヒーポン制御部８を設けている。

９は吐出温度検出手段としての吐出温センサで、サーミスタセンサ等から成り冷媒配管１０の前記圧縮機４の出口側に取り付けられ、検知された温度によって圧縮機４の回転数や前記膨張弁６の開度を制御するものである。
１１は前記貯湯タンク２の下部と冷媒−水熱交換器５の入口側を接続するヒーポン往き管で、循環ポンプ１２が取り付けられている。
前記ヒーポン往き管１１の冷媒−水熱交換器５の入口近くには熱交入口温度センサ１３を備え、冷媒−水熱交換器５へ流入する水の温度を検知する。
１４は前記貯湯タンク１の下部に水道を接続し、水道水を供給する給水管である。
１５は前記冷媒−水熱交換器５と貯湯タンク２の上部とを接続するヒーポン戻り管で、ヒーポンユニット３内の前記ヒーポン戻り管１５で、冷媒−水熱交換器５の出口側には沸上げセンサ１６を備え、冷媒−水熱交換器５で沸上げられた湯の温度を検知するものである。

深夜に行われる沸き上げ運転時には、貯湯タンク１→循環ポンプ１２→ヒーポン往き管１１→冷媒−水熱交換器５→ヒーポン戻り管１５→貯湯タンク２のヒーポン循環回路１７によって沸き上げ運転を行うものである。

１８は前記貯湯タンク２の上部に接続され貯湯されている高温水を出湯する出湯管。１９は前記給水管１４から出湯側へ水道水を導く給水バイパス管。２０は前記出湯管１８からの湯水と前記給水バイパス管１９からの水道水を給湯設定温度に混合する給湯混合弁。２１は前記給湯混合弁２０から給湯栓２２に湯を供給する給湯管。２３は給湯管２１に設けた給湯温度センサ。２４は給湯管２１に設けた給湯流量センサ。２５は前記給水管１４に備えた給水温度センサ。２６は前記給水管１４に備えた減圧弁。２７は前記給水管１４に備え、タンク２内の水が水道側に逆流することを防止する逆止弁。２８は前記出湯管１８に接続された過圧逃し弁。２９は台所等に設置され、給湯装置の運転停止や給湯温度の設定や各種運転モードの設定を行うリモコンで、前記貯湯タンクユニット１と接続されている。３０は前記ヒーポン制御部８やリモコン２９と接続され給湯装置全体の制御を行う給湯制御装置である。

３１は前記貯湯タンク２の側面上下方向に５個のサーミスタセンサを備えた貯湯温度センサで、最上部の貯湯温度センサ３１ａから下方に最下部の貯湯温度センサ３１ｅまで等間隔に配置され、貯湯タンク２内の温水の温度と貯湯量を検知するものである。

３２は前記蒸発器７の熱交換を行うためにプロペラファンにて送風する送風機。３３は前記蒸発器７の風上側に設けられ、外気温を測定する外気温センサ。前記熱交入口センサ１１は、冷媒−水熱交換器５とヒーポン往き管１１の接続部分に設けられ加熱する前の冷水温度を検知する。また前記沸上げセンサ１６は冷媒−水熱交換器５とヒーポン戻り管１５接続部分の近傍に設けられ、加熱後の温水温度を検知するものである。

前記リモコン２９には押圧式の電源スイッチ３４、給湯設定温度を設定する温度設定スイッチ３５、浴槽（図示せず）への湯張りを指示する湯張りスイッチ３６、湯張り量を設定する湯張り量設定スイッチ３７、及び給湯可能な残時間を表示させる残時間表示スイッチ３８とを有した操作部３９と、ドットマトリクス型の蛍光表示管よりなる表示部４０と、これら操作部３９及び表示部４０を制御すると共に、前記給湯制御部３０と通信を行うマイクロコンピュータを主に構成されたリモコン制御部（図示せず）を備えており、通常運転時は前記表示部４０に操作部３９で設定された給湯設定温度や時刻情報および貯湯温度センサ２３で検知する残り貯湯量等が表示されるものである。なお、前記表示部４０はドットマトリクス型の液晶表示部としても良い。

ここで、給湯機の電源は時間帯別電灯であり、夜間（ここでは２３時から翌７時まで）が割安な電力料金設定となっているもので、この割安な夜間電力を用いて夜間に一日に必要な貯湯熱量を沸かし上げて使用するものであり、また、この時間帯別電灯では昼間（７時から２３時まで）にも電力は供給され、残湯量が少なくなったときに追加の沸き増しが行われるものである。

そして、夜間時間帯になると前記給湯制御部３０が翌日に必要な貯湯熱量を演算し、この目標となる貯湯熱量を夜間時間帯の終了時までに沸き上げるようヒーポン制御部８に指示してヒートポンプ回路を作動させ、ヒーポン循環回路１７の循環ポンプ１２を駆動開始する。そして、循環ポンプ１２の駆動により貯湯タンク２下部から取り出された湯水がヒーポン往き管１１を通り冷媒−水熱交換器５に流入して加熱され、ヒーポン戻り管１５を介して貯湯タンク２の上部に戻されることにより高温の湯が貯湯される。

更に貯湯タンク２の側面に設けられた貯湯温度センサ３１が所定の量の高温水が貯湯されたことを検出するか、または、熱交入口温度センサ１３が所定温度以上を検出すると、給湯制御部３０がヒーポン制御部８へ加熱動作の停止を指令し、ヒーポン循環回路１７と循環ポンプ１２の作動が停止され、夜間時間帯の終了時までに貯湯動作を終了するものである。

なお、ここで貯湯タンク２内に貯湯される熱量は給湯制御部３０により、過去数日分の給湯負荷から適切と思われる熱量を目標貯湯熱量として算出されるもので、貯湯される湯水の温度は季節（または給水温度センサ２５で検出する給水温度）および目標貯湯熱量の大小によって６０℃〜９０℃の範囲で変動するものである。

次に給湯栓２２を開くと、給水管１４からの給水圧により貯湯タンク２上部の高温水が出湯管１８に押し出され、給湯制御部３０により制御される給湯混合弁２０にて、給水バイパス管１９の低温水と給湯温度センサ２３の検出する温度が、前記リモコン２９の操作部４１で設定された給湯設定温度になるように混合されて、給湯管２１を介して給湯されるものである。

もしも給湯量が通常よりも多くなってしまい、昼間電力時間帯にて貯湯温度センサ３１で検出する残り貯湯量が少なくなったことを給湯制御部３０が検知し、貯湯タンク２内に貯湯された湯の湯切れが予想される場合は、その時点にて昼間電力を利用して必要な熱量の沸き増しが行われるものである。

次に図２は沸上げ運転開始時の膨張弁６の運転制御のタイムチャートであり、波線部分は貯湯タンク下部に位置する貯湯温度センサの温度が高い場合を示し、実線部分はこの温度が比較的低い場合である。また、縦軸は膨張弁６の開度を、横軸は時間（秒）を示すものであり、膨張弁６は直流電源を電源とし、入力が無い状態（０パルス）では閉止状態であり、入力が（５００パルス）では全開となる。

運転停止時膨張弁６は全開状態（５００パルス）から沸上げ運転を開始すると、圧縮機４は徐々に回転を上げ最高回転数を維持すると共に、膨張弁６の開度を所定開度の８０パルスまで閉じて約３００秒間運転を継続します。そして、所定時間の３００秒が経過すると吐出温センサ９の検知する吐出温度Ａと目標沸上げ温度Ｂ（貯湯タンク２内の残湯量や過去数日間の使用湯量によって決まる）に応じた膨張弁６の開度に変更されると共に、最下部に備えた貯湯温度センサ３１ｅの温度を基に膨張弁６の開度を補正します、具体的には貯湯温度センサ３１ｅの温度ｔがｔ＜１０℃の場合には２パルスマイナスして少し膨張弁６を絞ります、１０℃≦ｔ＜２０℃の場合には１パルスマイナスし、２０℃≦ｔ＜２５℃の場合では補正なし、２５℃≦ｔ＜３０℃では１パルスプラスして少し膨張弁６を開き、３０℃≦ｔでは２パルスプラスの補正を行うものであり、貯湯温度センサ３１ｅの温度に応じて順次膨張弁６の開度を変更することで、運転開始時により安定した膨張弁６の制御をするものです。

前記目標沸上げ温度Ｂと吐出温度Ａとの関係は、目標沸上げ温度Ｂが９０℃の場合には、吐出温度Ａは約１１０℃であり、また、目標沸上げ温度Ｂが８０℃の場合にはと吐出温度Ａは約１００℃であり、比例するものである。また目標沸上げ温度Ｂは９０℃以上にはならないので冷凍回路や気温等の条件にもよるが、吐出温度Ａは１２０℃を超えないように制御されるものである。

容量３７０リットルの貯湯タンク２の場合、最下部の貯湯温度センサ３１ｅの位置はタンク上部より３４０リットルの位置になり、残りのタンク容量は３０リットルで、これにヒーポン往き管１１の内容量を加えると貯湯温度センサ３１ｅの位置にある温水と熱交入口温度センサ１３の間の水量であり循環ポンプ１２の流量が１〜３リットル／分であるので、貯湯温度センサ２９ｅ付近の温水が運転開始後、熱交入口温度センサ３２に到着するまで約１０〜３０分かかるものであり、運転開始時の膨張弁６の制御に最下部の貯湯温度センサ２９ｅの検知する温度を使用し、また貯湯タンク２下部に位置する貯湯温度センサの温度が高いほど前記膨張弁６の開度を開く方向に補正し、貯湯温度センサ２９ｅの温度が低いほど前記膨張弁６の開度を閉じる方向に補正することで冷媒循環回路の温度変動を小さくでき圧縮機の吐出温度や吐出圧力のハンチングによる異常温度上昇や異常圧力上昇をより少なくし耐久性を向上することができるものである。

このように、圧縮機４の起動時は、所定時間膨張弁６の弁開度を予め設定された初期弁開度に設定し、所定時間終了後は前記吐出温度検出手段の温度に応じた所定の弁開度に設定すると共に、前記タンク下部に備えた貯湯温度センサ３１からの信号に応じて、膨張弁６の弁開度を補正する給湯制御部３０を備えたので、圧縮機の吐出温度や吐出圧力のハンチングによる異常温度上昇や異常圧力上昇をより少なくし耐久性が高く、また、安定した圧縮機４や膨張弁６の制御をすることができる。

この発明の一実施形態の貯湯式給湯機の概略構成図。 同起動時のタイムチャート。

符号の説明

１ 貯湯タンクユニット
２ 貯湯タンク
３ ヒートポンプユニット
４ 圧縮機
５ 冷媒−水熱交換器
６ 膨張弁
９ 吐出温度センサ
３０ 貯湯制御部
３１ 貯湯温度センサ

Claims (2)

1. 圧縮機、冷媒−水熱交換器、冷媒の流量を制御する膨張弁、蒸発器を有する冷媒循環回路と、貯湯タンクの下部と前記冷媒−水熱交換器とを接続するヒーポン往き管と、前記冷媒−水熱交換器と貯湯タンクの上部とを接続するヒーポン戻り管と、前記ヒーポン往き管に循環ポンプを備え、前記貯湯タンクとヒーポン往き管と冷媒−水熱交換器とヒーポン戻り管を連通してヒーポン循環回路を形成し、前記圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、前記貯湯タンクの温度を複数のセンサによって検知して貯湯タンク内に蓄えられる湯温と残湯量を検知する貯湯温度センサを備え、前記圧縮機の起動時は、所定時間前記膨張弁の弁開度を予め設定された初期弁開度に設定し、所定時間終了後は前記吐出温度検出手段の温度に応じた所定の弁開度に設定すると共に、前記タンク下部に位置する貯湯温度センサからの信号に応じて、前記膨張弁の弁開度を補正する給湯制御部を備えたことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
2. 前記給湯制御部は貯湯タンク下部に位置する貯湯温度センサの温度が高いほど前記膨張弁の開度を開く方向に補正し、貯湯温度センサの温度が低いほど前記膨張弁の開度を閉じる方向に補正することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯機。

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