JP2011075257A - ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプサイクルが所望の加熱能力を発揮するまでの消費電力を少なくし沸上運転の効率を向上させ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。
【解決手段】冷媒を圧縮する圧縮機４と、前記圧縮機４から吐出される高温，高圧の冷媒によって低温の液体を加熱する液−冷媒熱交換器５と、前記液−冷媒熱交換器５から減圧装置６を介して流入される低温，低圧の冷媒を空気と熱交換させて前記圧縮機４に戻す蒸発器とを備えるヒートポンプ式給湯機において、沸上運転開始から所定の時間は、沸上運転時の圧縮機上限回転数より低い始動時上限圧縮機回転数を上限として圧縮機４を制御する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、圧縮機，液−冷媒熱交換器，減圧装置，蒸発器を冷媒配管で接続したヒートポンプ回路を利用して、低温の液体を沸上げるヒートポンプ式給湯機に関するものである。

従来、圧縮機，液−冷媒熱交換器，減圧装置，蒸発器を冷媒配管で接続したヒートポンプ回路を利用して、低温の液体を沸上げるヒートポンプ式給湯機が知られている。

例えば、深夜電力等を利用してヒートポンプサイクルを駆動し、低温水を加熱して所望の温度の湯を貯湯タンクに貯える沸上機能を備えたヒートポンプ式給湯機が知られている。

しかし、ヒートポンプ式給湯機は、ガスの燃焼熱を利用した給湯機や、電気ヒータを加熱源とする給湯機と比較して、沸上運転開始時において、ヒートポンプサイクルが所望の加熱能力を発揮するまでに時間を要する問題がある。

このため、沸上運転開始時に減圧装置の開度を一定時間固定とする方法や（例えば特許文献１参照）、圧縮機の回転数を所定の回転数まで段階的に上げていく方法（例えば特許文献２参照）、また実際の沸上温度が沸上目標温度と一致するように圧縮機の回転数を制御し、沸上温度の上昇を早くしヒートポンプサイクルが所望の加熱能力を発揮するまでの時間を短縮する方法（例えば特許文献３参照）が提案されている。

特開２０００−３４６４４９号公報 特開２００５−１４７５４２号公報 特開２００７−３２７７２５号公報

しかしながら、ヒートポンプサイクルが所望の加熱能力となるまでの時間を短縮する制御方式を用いると、ヒートポンプサイクルが所望の加熱能力を発揮するまでの消費電力が多くなり沸上運転の効率が低下するおそれがあった。

そこで、本発明は、ヒートポンプサイクルが所望の加熱能力を発揮するまでの消費電力を少なくし沸上運転の効率を向上させ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。

本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出される高温，高圧の冷媒によって低温の液体を加熱する液−冷媒熱交換器と、前記液−冷媒熱交換器から減圧装置を介して流入される低温，低圧の冷媒を空気と熱交換させて前記圧縮機に戻す蒸発器とを備えるヒートポンプ式給湯機において、沸上運転開始から所定の時間は、沸上運転時の圧縮機上限回転数より低い始動時上限圧縮機回転数を上限として圧縮機を制御することを特徴とする。

或いは、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出される高温，高圧の冷媒によって低温の液体を加熱する液−冷媒熱交換器と、前記液−冷媒熱交換器から減圧装置を介して流入される低温，低圧の冷媒を空気と熱交換させて前記圧縮機に戻す蒸発器とを備えるヒートポンプ式給湯機において、沸上運転開始から所定の時間は、圧縮機の回転数を変動させないように制御することを特徴とする。

本発明によれば、ヒートポンプサイクルが所望の加熱能力を発揮するまでの消費電力を少なくし沸上運転の効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るヒートポンプ式給湯機の系統構成図である。 本発明の一実施形態に係るヒートポンプ式給湯機の運転開始時の制御フロー図である。 本発明の一実施形態に係るヒートポンプ式給湯機の圧縮機回転数と吐出圧力の変化を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るヒートポンプ式給湯機の圧縮機回転数と消費電力の変化を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

本実施形態に係るヒートポンプ式給湯機は、冷媒を圧縮する圧縮機４と、前記圧縮機４から吐出される高温，高圧の冷媒によって低温の液体を加熱する液−冷媒熱交換器５と、前記液−冷媒熱交換器５から減圧装置６を介して流入される低温，低圧の冷媒を空気と熱交換させて前記圧縮機４に戻す蒸発器とを備えるヒートポンプ式給湯機であり、沸上運転開始から所定の時間は、沸上運転時の圧縮機上限回転数より低い始動時上限圧縮機回転数を上限として圧縮機４を制御する。

また、本実施形態に係るヒートポンプ式給湯機は、前記沸上運転開始時から所定の時間は、減圧装置６の開度を制御して圧縮された冷媒の温度を上昇させる機能を有するものである。

また、本実施形態に係るヒートポンプ式給湯機は、前記液−冷媒熱交換器５における熱交換前後の液温を検知する液温検出手段をさらに備え、沸上運転開始から所定の時間経過後（即ち、通常の沸上運転時）には、前記液−冷媒熱交換器５の出口の液温が目標沸上温度となるように圧縮機の回転数を制御する。具体的には、前記液温検出手段は、前記液−冷媒熱交換器５の入口，出口の液温を検知するものである。

図１に本実施例に係るヒートポンプ式給湯機の系統構成図を、図２に本実施例の特徴部分である運転開始時の制御フロー図を、図３に本実施例に係るヒートポンプ式給湯機の圧縮機回転数と吐出圧力の変化を、図４に本実施例に係るヒートポンプ式給湯機の圧縮機回転数と消費電力の変化を示す。

図１に示すように、本実施例に係るヒートポンプ式給湯機は、図面の左側に示す液−冷媒熱交換器を含む冷媒サイクルを箱体内部に搭載したヒートポンプユニット１と、図面の右側に示す貯湯タンクを含めた給湯サイクルを箱体内部に搭載したタンクユニット２で構成され、ヒートポンプユニット１とタンクユニット２をヒートポンプ式給湯機の施工現場にて接続配管３を使用して接続する構造となっている。

冷媒サイクルは、例えば二酸化炭素等の冷媒を圧縮する圧縮機４と、圧縮機４から吐出される高温・高圧の冷媒が、貯湯タンクから導いた水と熱交換する液−冷媒熱交換器５と、液−冷媒熱交換器５から流出された冷媒が減圧される減圧装置６と、減圧装置６によって減圧された低温・低圧の冷媒が、空気と熱交換する蒸発器７を冷媒配管を介して環状に接続される構成となっている。蒸発器７には、ファン８によって外気が通風される構造となっている。

水サイクルは必要量の湯を貯える貯湯タンク９と、貯湯タンク９の底部の水が導かれる循環ポンプ１０と、循環ポンプ１０から吐出された水が冷媒と熱交換する液−冷媒熱交換器５が循環配管によって環状に接続される構成となっており、液−冷媒熱交換器５から吐出された水は貯湯タンク９の頂部に戻される構造となっている。また貯湯タンク９の底部には給水配管１１を介して、図示していない水道などの給水源が接続され、頂部は使用場所に給湯する給湯配管１２が接続されている。

蒸発器７の近傍には、外気温度を計測する外気温度センサ１３が設けられており、また冷媒の蒸発器入口、出口にはそれぞれ蒸発器入口温度センサ１４と蒸発器出口温度センサ１５が設けられている。そして、外気温度によってヒートポンプによる加熱能力を可変することで、所望の温度に低温水を沸き上げるように制御される。

圧縮機４には、圧縮機のケーシングの温度を測定するために圧縮機温度センサ１６が設けられている。なお、圧縮機温度センサ１６は、圧縮機によって圧縮された冷媒の温度を検知するために設けられるものである。ただし、圧縮された冷媒の温度を検知する方法としては、これ以外にも、冷媒吐出温度を検知するものであってもよい。

液−冷媒熱交換器５の前後に設けられる水サイクル内の配管には、液−冷媒熱交換器５に流入する水の温度を計測する入水温度センサ１７と、液−冷媒熱交換器５から流出する水の温度を計測する出湯温度センサ１８が設けられている。これら入水温度センサ１７及び出湯温度センサ１８は、液−冷媒熱交換器５における熱交換前後の液温を検知する前記液温検出手段に相当する。

図１に示す様に構成されたヒートポンプ式給湯機において、本実施例の特徴部となる沸上運転開始時の制御を図２を使用して詳述する。

沸上げ運転を開始するとき、制御マイコン内に始動時上限圧縮機回転数と始動時上限回転数制限時間をセットする。このとき、始動時上限圧縮機回転数は、通常の沸上運転時の圧縮機上限回転数より低い回転数となる。セット後、沸上運転を開始する。沸上運転開始時には沸上目標温度と圧縮機目標温度をセットする。

運転開始時、圧縮機温度センサ１６より得られる圧縮機温度が圧縮機目標温度となるように減圧装置６の開度を修正する。また、圧縮機回転数は、出湯温度センサ１８より得られる出湯温度と沸上目標温度が一致するように回転数を修正する。ただし、開始時にセットした始動時上限回転数制限時間内の場合は、始動時上限圧縮機回転数よりも高い回転数には修正せず、始動時上限圧縮機回転数より低くする場合のみ修正を行う。

始動時上限回転数制限時間を越えたら、圧縮機の上限回転数を始動時上限圧縮機回転数よりも高い通常の上限回転数へと変更し沸上運転を継続する。

このような制御とすることにより、始動時に吐出圧力を増加させる原因となる圧縮機回転数の増速と減圧装置６の制御のうち、圧縮機回転数の増速を制限できる。このため、図３に示すとおりに始動時に吐出圧力が高くなる現象を低減できる。また、図４に示すとおりに吐出圧力の増加に伴う消費電力の増加を抑えることができる。従って、より高効率な沸上運転を行うことができる。また、起動時の圧縮機の回転数を低く抑えるため、外気温度条件などの外乱により圧縮機が過負荷状態となることがなく、圧縮機の信頼性を向上させることができる。さらに、沸上運転開始時に高い入水温度となっていた場合で、始動時から必要以上の圧縮機回転数で運転されていたとしても、圧縮機の上限回転数を規定しているため減速が可能となり、沸上運転で異常をきたすことはなく、沸上運転の安定性を確保することができる。

なお、本発明に係るヒートポンプ式給湯機は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、上記施形態に係るヒートポンプ式給湯機は、沸上運転開始から所定の時間は、沸上運転時の圧縮機上限回転数より低い始動時上限圧縮機回転数を上限として圧縮機４を制御するものであったが、これに限定されるものではなく、沸上運転開始から所定の時間は、圧縮機の回転数を変動させないように制御する（即ち、圧縮機の回転数が一定となるように制御する）ものであってもよい。

また、上記実施形態においては、ヒートポンプ回路を利用して沸上げられた温水が貯湯タンク９に貯められ、給湯の際にはこの貯湯タンク９から温水が給湯端末で給湯されるものであったが、これに限定されるものではない。例えば、給湯端末で給湯される温水は、低温水をタンクに貯蔵された高温の液体との熱交換によって間接的に加熱されて生成されるものであり、タンクは、ヒートポンプ回路によって加熱される液体を貯蔵するものであってもよい。この場合、前記液体は、熱媒体として機能するものであればよく、水であってもよく、ブラインであってもよい。例えば、タンクに貯蔵された高温の液体により低温水を水−液熱交換器で間接的に熱交換して加熱し、給湯端末で給湯される温水を生成して給湯端末で給湯するものである。

また、ヒートポンプ回路を利用して低温水を高温水に沸上げて貯湯タンク９に貯留するものであっても、低温水は上記のように貯湯タンクの下部から導かれるものに限定されず、給水源から貯湯タンクを経由せずに導かれるものであってもよい。

１ ヒートポンプユニット
２ タンクユニット
３ 接続配管
４ 圧縮機
５ 液−冷媒熱交換器
６ 減圧装置
７ 蒸発器
８ ファン
９ 貯湯タンク
１０ 循環ポンプ
１１ 給水配管
１２ 給湯配管
１３ 外気温度センサ
１４ 蒸発器入口温度センサ
１５ 蒸発器出口温度センサ
１６ 圧縮機温度センサ
１７ 入水温度センサ
１８ 出湯温度センサ

Claims (4)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出される高温，高圧の冷媒によって低温の液体を加熱する液−冷媒熱交換器と、前記液−冷媒熱交換器から減圧装置を介して流入される低温、低圧の冷媒を空気と熱交換させて前記圧縮機に戻す蒸発器とを備えるヒートポンプ式給湯機において、
   沸上運転開始から所定の時間は、沸上運転時の圧縮機上限回転数より低い始動時上限圧縮機回転数を上限として圧縮機を制御することを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
2. 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出される高温，高圧の冷媒によって低温の液体を加熱する液−冷媒熱交換器と、前記液−冷媒熱交換器から減圧装置を介して流入される低温，低圧の冷媒を空気と熱交換させて前記圧縮機に戻す蒸発器とを備えるヒートポンプ式給湯機において、
   沸上運転開始から所定の時間は、圧縮機の回転数を変動させないように制御（圧縮機の回転数が一定となるように制御）することを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
3. 請求項１又は２に記載のヒートポンプ式給湯機において、前記沸上運転開始時から所定の時間は、減圧装置の開度を制御して圧縮された冷媒の温度を上昇させる機能を有することを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
4. 請求項１又は２に記載のヒートポンプ式給湯機において、
   前記液−冷媒熱交換器における熱交換前後の液温を検知する液温検出手段をさらに備え、
   沸上運転開始から所定の時間経過後には、前記液−冷媒熱交換器の出口の液温が目標沸上温度となるように圧縮機の回転数を制御することを特徴とするヒートポンプ式給湯機。

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