JP2011141046A - ヒートポンプ装置及びそれを備えたヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力スイッチあるいは吐出圧力検出手段を使用せずに、圧縮機の吐出圧力を精度良く推定し、その推定した吐出圧力を用いて、吐出圧力の異常上昇防止やヒートポンプの運転制御に用いることができるヒートポンプ装置を提供すること。
【解決手段】圧縮機２２から吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度検出手段５２と、蒸発器２５に流入する冷媒の温度を検出する蒸発器入口温度検出手段５３、前記圧縮機２２に吸入される冷媒の温度を検出する吸入温度検出手段５４と、制御装置５１とを備え、前記吐出温度検出手段５２において検出した前記圧縮機２２ら吐出される冷媒の温度、前記蒸発器入口温度検出手段５３において検出した前記蒸発器２５に流入する冷媒の温度、前記吸入温度検出手段５４において検出した前記圧縮機２２に吸入される冷媒の温度に基づいて、前記圧縮機２２から吐出される冷媒の圧力を推定することを特徴とするヒートポンプ装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱した湯水を貯湯タンクに蓄えて給湯を行うヒートポンプ給湯装置等、冷媒回路を備えたヒートポンプ装置に関するものである。

従来のこの種の冷媒回路を備えたヒートポンプ装置について、図４に示すものがある（例えば、特許文献１参照）。

図４は前記公報に記載された従来のヒートポンプ給湯機の構成図である。図４において、このヒートポンプ給湯機は貯湯タンク８と、ヒートポンプである冷媒回路１による加熱手段を備え、貯湯タンク８の下部から沸上げ管９で冷媒回路１と接続し、冷媒回路１から貯湯タンク８上部へ接続している。冷媒回路１は圧縮機２、放熱器３、減圧手段４、空気熱交換器５を環状に接続して構成される。

沸き上げ運転では、冷媒回路１の圧縮機２で加圧された高温高圧のガス冷媒が放熱器３に送られる。沸き上げポンプ７で搬送されてきた貯湯タンク８の底部の冷水と熱交換して低温冷媒となる。そして、放熱器３で冷水に放熱した冷媒は減圧装置４で減圧され、二相冷媒となる。そして、空気熱交換器５に送られて大気と熱交換し低温のガス冷媒となり圧縮機２に循環する。

一方、貯湯タンク８の底部の冷水は沸き上げポンプ７で放熱器３に搬送され冷媒の熱を吸熱して高温の湯となって沸き上げ管９を通って貯湯タンク８の上部に送られる。この時、高温の湯は密度差により水とほぼ混合されることなく高温の湯は貯湯タンク８内上部より積層していき貯湯タンク８内に高温の湯が溜まることになる。

このとき、冷媒回路１内における圧縮機２による冷媒の吐出圧力を、圧縮機２の駆動電流の関数に置き換えて制御している。

すなわち、圧縮機２の駆動電流の大きさを検出する電流検出手段１１を備え、駆動電流の制限を圧縮機２の回転数の関数として記憶し、駆動電流が制限を超えると、圧縮機２の回転数を制限、または減圧手段４の開度を開く方向に調節するものである。

特開２００６−７８１４６号公報

しかしながら、前記従来の構成では、駆動電流の制限値を、圧縮機２の回転数によってのみ演算しているため、吐出圧力の検出精度が高くない。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、圧力スイッチあるいは吐出圧力検出手段を使用せずに、圧縮機の吐出圧力を精度良く推定し、その推定した吐出圧力を用いて、吐出圧力の異常上昇防止やヒートポンプの運転制御に用いることができるヒートポンプ装置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装置は、圧縮機、放熱器、絞り装置、蒸発器を接続したヒートポンプサイクルと、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度検出手段と、前記蒸発器に流入する冷媒の温度を検出する蒸発器入口温度検出手段、前記圧縮機に吸入される冷媒の温度を検出する吸入温度検出手段と、制御装置とを備え、前記吐出温度検出手段において検出した前記圧縮機から吐出される冷媒の温度、前記蒸発器入口温度検出手段において検出した前記蒸発器に流入する冷媒の温度、前記吸入温度検出手段において検出した前記圧縮機に吸入される冷媒の温度に基づいて、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を推定することを特徴とするもので、圧縮機の吐出圧力を精度良く推定し、推定した圧縮機の吐出圧力を用いて、圧縮機の吐出圧力の異常上昇防止やヒートポンプの高効率運転制御に用いるものである。

本発明によれば、圧力スイッチあるいは吐出圧力検出手段を使用せずに、圧縮機の吐出圧力を精度良く推定し、その推定した吐出圧力を用いて、吐出圧力の異常上昇防止やヒートポンプの運転制御に用いることができるヒートポンプ装置を提供できる。

本発明の第１の形態におけるヒートポンプ給湯装置の回路構成図 同圧縮機の吐出圧力演算方法の概念図 同圧縮機機械効率ηｍの外気温度特性図 従来のヒートポンプ給湯機の構成図

第１の発明は、圧縮機、放熱器、絞り装置、蒸発器を接続したヒートポンプサイクルと、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度検出手段と、前記蒸発器に流入する冷媒の温度を検出する蒸発器入口温度検出手段、前記圧縮機に吸入される冷媒の温度を検出する吸入温度検出手段と、制御装置とを備え、前記吐出温度検出手段において検出した前記圧縮機から吐出される冷媒の温度、前記蒸発器入口温度検出手段において検出した前記蒸発器に流入する冷媒の温度、前記吸入温度検出手段において検出した前記圧縮機に吸入される冷媒の温度に基づいて、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を推定することを特徴とするもので、圧力スイッチあるいは吐出圧力検出手段を使用せずに、圧縮機の吐出圧力を精度良く推定し、その推定した吐出圧力を用いて、吐出圧力の異常上昇防止やヒートポンプの運転制御に用いることができるヒートポンプ装置を提供できる。

第２の発明は、圧縮機の回転数を検出する圧縮機回転数検出手段と、電源電流を検出する電流検出手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段とを備え、前記圧縮機回転数検出手段において検出した圧縮機回転数、前記電流検出手段において検出した電源電流、前記外気温度検出手段において検出した外気温度を用いて、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を推定することを特徴とするもので、圧縮機の回転数と駆動電力とから圧縮機において変化した冷媒のエンタルピ差を演算し、このエンタルピ差と圧縮機の吐出温度から吐出圧力を精度良く推定し、推定した吐出圧力を用いて、吐出圧力の異常上昇防止やヒートポンプの高効率運転制御を可能とする。

第３の発明は、電源電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記電圧検出手段において検出した電源電圧を用いて、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を推定することを特徴とするもので、電源電圧、圧縮機回転数、電源電流、外気温度が変化しても適切にエンタルピ差を算出でき、吐出圧力を精度良く推定できる。

第４の発明は、吐出温度検出手段において検出した圧縮機から吐出される冷媒の温度、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度の変化量を用いて、前記圧縮機から吐出される冷媒
の圧力を推定することを特徴とするもので、起動時等の過渡状態でも適切にエンタルピ差を算出でき、吐出圧力を精度良く推定できる。

第５の発明は、圧縮機のシェルの温度を検出する圧縮機シェル温度検出手段を備え、吐出温度検出手段において検出した前記圧縮機から吐出される冷媒の温度、前記圧縮機シェル温度検出手段において検出した前記圧縮機のシェルの温度を用いて、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を推定することを特徴とするもので、起動時等の過渡状態でも圧縮機シェルへの放熱量を考慮し、さらに適切にエンタルピ差を算出でき、吐出圧力を精度良く推定できる。

第６の発明は、ヒートポンプサイクルに用いる冷媒を二酸化炭素とし、高圧側では臨界圧を越える状態で運転しているもので、給湯水の高温化を高効率で実現すると共に、冷媒が外部に漏れた場合にも、地球温暖化への影響は非常に少なくなる。

第７の発明は、第１〜６のいずれかの発明のヒートポンプ装置を備えたヒートポンプ給湯機で、圧縮機の吐出圧力を精度良く推定し、推定した圧縮機の吐出圧力を用いて、圧縮機の吐出圧力の異常上昇防止やヒートポンプの高効率運転制御に用いることで、使用性に優れたヒートポンプ給湯機を提供できる。

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、本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、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の回路構成図である。図１において、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の冷凍回路について説明する。

ヒートポンプサイクル２１は、圧縮機２２、放熱器である給湯用熱交換器２３、絞り装置である膨張弁２４、及び蒸発器２５を配管で接続している。また、蒸発器２５に送風するためのファン２６を設けている。

制御装置５１は、吐出温度検出手段５２、圧縮機２２に吸入される冷媒の圧力の飽和温度を検出する蒸発器入口温度検出手段５３、吸入温度検出手段５４、エンタルピ差算出手段５５、吐出圧力推定手段５６、圧縮機回転数検出手段５７、電流検出手段５８、外気温度検出手段５９、電圧検出手段６０、エンタルピ補正手段６１、圧縮機シェル温度検出手段６２からなっている。

ヒートポンプサイクル２１の動作は、従来のヒートポンプ給湯装置と同様であるので、ここでは説明を省略する。吐出圧力推定手段５６は一定の時間間隔（例えば、１０秒）ごとに吐出圧力を推定し、推定された吐出圧力が予め定められた所定の圧力以下であれば、現状の運転状態を維持し、推定された吐出圧力が予め定められた所定を超えると圧縮機２２の回転数を下げる、もしくは運転を停止したり、膨張弁２４の開度を大きくしたりするなどの保安措置をとる。

本実施の形態によるヒートポンプ給湯装置は、二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側では臨界圧を越える状態で運転することが好ましい。

次に、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の給湯回路について説明する。

貯湯タンク３１の第一底部配管３２は、減圧弁３３を介して水道管等の水供給配管３４に接続されている。また、貯湯タンク３１の第二底部配管３５は、循環ポンプ３６を介して給湯用熱交換器２３の水用配管２３Ａの流入側と接続されている。

また、貯湯タンク３１の第一上部配管３７は、給湯用熱交換器２３の水用配管２３Ａの流出側と接続されている。なお、本発明の実施の形態による貯湯タンク３１は、積層式の貯湯タンクであり、タンク内での撹拌が防止され、上部に高温水が底部に低温水が蓄積されるように構成されている。

貯湯タンク３１の第二上部配管３８は、風呂用熱交換器３９の第一水用配管３９Ａを介し、追い炊き用循環ポンプ４０と接続し、貯湯タンク３１の第三底部配管４１と接続されている。また、風呂用熱交換器３９の第二水用配管３９Ｂは、風呂用循環ポンプ４２、浴槽４３と接続し浴槽用循環配管を形成している。

次に、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の貯湯運転動作について説明する。貯湯運転とは、給湯用熱交換器２３で放熱された熱により加熱された湯を貯湯タンク３１に流入させることである。以下に具体的な説明を行う。

まず、貯湯タンク３１に設置している残湯センサー（図示せず）にて残湯量が少ないと判断すると、ヒートポンプサイクル２１が運転を開始する。

圧縮機３２で圧縮された冷媒は、給湯用熱交換器２３で放熱し、膨張弁２４で減圧された後、蒸発器２５にて吸熱し、ガス状態で圧縮機２２に吸入される。循環ポンプ３６により貯湯タンク３１からの水は、第二底部配管３５を通り、給湯用熱交換器２３の水用配管２３Ａに導かれ、給湯用熱交換器２３で加熱され、貯湯タンク４１の上部に流入し、貯湯運転を継続する。

次に、吐出圧力推定手段５６における吐出圧力の推定方法について述べる。本実施の形態における吐出圧力推定手段５６は、供給電源から冷媒に伝達されたエネルギー量Ｗと冷媒の循環量Ｇｒから圧縮機２２における冷媒の比エンタルピ差ΔｈＣＯＭＰをエンタルピ差算出手段５５で演算し、演算された比エンタルピ差ΔｈＣＯＭＰと圧縮機２の各種効率（機械効率、体積効率）を用いて吐出圧力を推定するものである。

図２に概念を示す。まず、圧縮機吸入冷媒の諸状態量（圧力、密度、比エンタルピ、エントロピ）を決定する。蒸発器入口温度検出手段５３において検出した蒸発器入口温度Ｔｅｉを用いて、吸入圧力ＰＳを推定する。この推定は、例えば、（表１）に示すような物性対応表を有して吸入圧力ＰＳを推定してもよいし、推算式を用いて推定してもよい。

次に、推定された吸入圧力ＰＳと吸入温度検出手段５４において検出された圧縮機吸入温度ＴＳを用いて、吸入密度ｄＳ、吸入比エンタルピｈＳを決定する。このとき、例えば、（表２）、（表３）に示すような対応表を用いてもよい。

続いて、圧縮機２２において供給電源から冷媒に伝達されたエネルギー量Ｗを求め、冷媒の循環量Ｇｒを用いて圧縮機２２における比エンタルピ差ΔｈＣＯＭＰを演算によって決定する。圧縮機２２において冷媒に伝達されるエネルギー量Ｗは、電圧検出手段６０において検出された電源電圧Ｖ、電流検出手段２７において検出された電源電流Ｉおよび圧縮機２２の機械効率ηｍにより決まる。

ここで、圧縮機１の機械効率ηｍは、図３に示すように外気温度Ｔａｔに依存するもの
とする。一方、冷媒の循環量Ｇｒは圧縮機回転数検出手段５７において検出された圧縮機回転数ｆ、圧縮機２２の圧縮室容積ＶＣ、吸入密度ｄＳおよび体積効率ηＶによって決まる。

エンタルピ補正手段６１は、起動時等に供給電源から冷媒に伝達されたエネルギー量が、すべて冷媒に伝達されず、一部は圧縮機のシェルに伝わり吐出温度の上昇が鈍化されることに対する補正である。

エンタルピ補正手段６１で補正する比エンタルピｈｒは、定数Ｃ、圧縮機シェルの熱伝導率λ、圧縮機シェルの厚さδ、面積Ａ、吐出温度検出手段５２において検出された圧縮機吐出温度Ｔｄ、圧縮機シェル温度検出手段６１において検出した圧縮機シェル温度Ｔｓｈから（数１）で計算される。

エンタルピ差算出手段５５により、圧縮機２２における比エンタルピ差ΔｈＣＯＭＰｒは、（数２）で演算される。

（数３）に示すように、圧縮機２２における吐出比エンタルピｈｄは、吸入比エンタルピｈＳと（数２）で算出した比エンタルピ差ΔｈＣＯＭＰｒから求める。吐出比エンタルピｈｄと圧縮機吐出温度Ｔｄから吐出圧力Ｐｄを求める。このとき、例えば、（表４）に示すような対応表を用いてもよい。

従って、高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用いるヒートポンプ装置において、圧力スイッチあるいは吐出圧力検出手段を備えることなく、圧縮機の回転数と駆動電力とから圧縮機において変化した冷媒の比エンタルピ差を演算し、この比エンタルピ差と圧縮機の吐出温度から吐出圧力を精度良く推定し、推定した吐出圧力を用いて、吐出圧力の異常上昇防止やヒートポンプの高効率運転制御を可能とする。

また、起動時等の過渡状態でも圧縮機シェルへの放熱量を考慮することにより、さらに精度よく比エンタルピ差を算出でき、さらに吐出圧力を精度良く推定できる。

また、起動時等の過渡状態を判別する方法として、簡易的に圧縮機の吐出温度とその変化量から、圧縮機の吐出温度が低いほど、圧縮機の吐出温度の変化量が大きいほど、比エンタルピ差を大きく補正して算出しても良い。この場合、圧縮機シェル温度を検出する必要がなくなり、コスト低減が図れる。

また、本実施の形態では、冷媒として二酸化炭素を用いた場合で説明したが、冷媒としてＲ４１０Ａ冷媒やＨＣ冷媒などのその他の冷媒を用いてもよい。また、風呂用熱交換器５２の変わりに、例えば床暖房や温風機器などの暖房用熱交換器として利用することもできる。また、本実施の形態では、ヒートポンプサイクル２１を備えたヒートポンプ給湯装置を用いて説明したが、２つ以上のヒートポンプサイクルを用いてもよい。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯装置は、貯湯タンクに貯湯された温水を利用した風呂加熱運転を行う場合、運転効率が良く、省エネ性に優れているので、温水を利用した暖房等の用途にも適用できる。

２１ ヒートポンプサイクル
２２ 圧縮機
２３ 給湯用熱交換器
２４ 膨張弁
２５ 蒸発器
５１ 制御装置
５２ 吐出温度検出手段
５３ 蒸発器入口温度検出手段
５４ 吸入温度検出手段
５５ エンタルピ差算出手段
５６ 吐出圧力推定手段

Claims (7)

1. 圧縮機、放熱器、絞り装置、蒸発器を接続したヒートポンプサイクルと、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度検出手段と、前記蒸発器に流入する冷媒の温度を検出する蒸発器入口温度検出手段、前記圧縮機に吸入される冷媒の温度を検出する吸入温度検出手段と、制御装置とを備え、前記吐出温度検出手段において検出した前記圧縮機から吐出される冷媒の温度、前記蒸発器入口温度検出手段において検出した前記蒸発器に流入する冷媒の温度、前記吸入温度検出手段において検出した前記圧縮機に吸入される冷媒の温度に基づいて、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を推定することを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 圧縮機の回転数を検出する圧縮機回転数検出手段と、電源電流を検出する電流検出手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段とを備え、前記圧縮機回転数検出手段において検出した圧縮機回転数、前記電流検出手段において検出した電源電流、前記外気温度検出手段において検出した外気温度を用いて、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を推定することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
3. 電源電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記電圧検出手段において検出した電源電圧を用いて、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を推定することを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ装置。
4. 吐出温度検出手段において検出した圧縮機から吐出される冷媒の温度、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度の変化量を用いて、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を推定する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装置。
5. 圧縮機のシェルの温度を検出する圧縮機シェル温度検出手段を備え、吐出温度検出手段において検出した前記圧縮機から吐出される冷媒の温度、前記圧縮機シェル温度検出手段において検出した前記圧縮機のシェルの温度を用いて、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を推定する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装置。
6. ヒートポンプサイクルに用いる冷媒を二酸化炭素とし、高圧側では臨界圧を越える状態で運転することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置を備えたヒートポンプ給湯機。

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