JP2011149568A

JP2011149568A - ヒートポンプ装置

Info

Publication number: JP2011149568A
Application number: JP2010008771A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Takatani; 隆幸高谷; Yoshiki Yamaoka; 由樹山岡; Kazuhiko Marumoto; 一彦丸本
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-01-19
Filing date: 2010-01-19
Publication date: 2011-08-04

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、低コストで精度良く吐出圧力を推定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、放熱器２３、絞り装置２４、蒸発器２５を接続したヒートポンプサイクルと、前記圧縮機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、前記放熱器２３の出口の冷媒の温度を検出する放熱器出口温度検出手段５３とを備え、前記吐出温度検出手段５２で検出した冷媒の温度と、前記放熱器出口温度検出手段５３で検出した冷媒の温度とに基づいて、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、低コストで精度良く吐出圧力を推定できるヒートポンプ装置を提供できる。
【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３に示すものがある（例えば、特許文献１参照）。

図３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３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。

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低いと考えられる。

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、低コストで精度良く吐出圧力を推定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、前記放熱器の出口の冷媒の温度を検出する放熱器出口温度検出手段とを備え、前記吐出温度検出手段で検出した冷媒の温度と、前記放熱器出口温度検出手段で検出した冷媒の温度とに基づいて、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、低コストで精度良く吐出圧力を推定でき、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に用いることで、使用性の高いヒートポンプ装置を提供できる。

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、低コストで精度良く吐出圧力を推定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吐出圧力演算方法の概念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、前記放熱器の出口の冷媒の温度を検出する放熱器出口温度検出手段とを備え、前記吐出温度検出手段で検出した冷媒の温度と、前記放熱器出口温度検出手段で検出した冷媒の温度とに基づいて、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、低コストで精度良く吐出圧力を推定でき、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に用いることで、使用性の高いヒートポンプ装置を提供できる。

第２の発明は、特に、第１の発明のヒートポンプ装置において、放熱器を給湯用熱交換器とし、圧縮機の回転数を検出する圧縮機回転数検出手段と、前記給湯用熱交換器に流入する水温を検出する入水温度検出手段と、前記給湯用熱交換器から流出する水温を検出する出湯温度検出手段と、前記給湯用熱交換器を流れる水の流量を検出する流量検出手段とを備え、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と、前記入水温度検出手段において検出した水温と、前記出湯温度検出手段において検出した水温と、前記流量検出手段において検出した水の流量とに基づいて、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、圧縮機回転数、給湯用熱交換器に流入する水温、給湯用熱交換器から流出する水温および給湯用熱交換器を流れる水の流量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３の発明は、特に、第１または第２の発明のヒートポンプ給湯装置において、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。

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、給湯用熱交換器出口温度検出手段５３、エンタルピ差算出手段５４、吐出圧力推定手段５５、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５６、吸入温度検出手段５７、圧縮機回転数検出手段５８、入水温度検出手段５９、出湯温度検出手段６０、流量検出手段６１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５５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５５における吐出圧力の推定方法について述べる。ある圧力条件で、冷媒が給湯熱交換器２３で放熱した場合、給湯熱交換器２３の入口温度、給湯熱交換器２３の出口温度が分かれば、圧力に応じて給湯熱交換器２３の入口、出口の冷媒の比エンタルピ差が変わるという特性に注目し、給湯熱交換器で熱交換した能力Ｑと給湯熱交換器２３の入口温度の代わりとして圧縮機２の吐出温度Ｔｄ、給湯熱交換器２３の出口温度から吐出圧力を推定するものである。

本実施の形態における吐出圧力推定手段５５は、給湯熱交換器で熱交換した能力Ｑと冷媒の循環量Ｇｒから給湯熱交換器２３における冷媒の比エンタルピ差Δｈ_ＣＯＮＤをエンタルピ差算出手段５４で演算し、演算された比エンタルピ差Δｈ_ＣＯＮＤと圧縮機２の吐出温度Ｔｄと給湯用熱交換器の出口の冷媒の温度Ｔｃｏ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、圧縮機吸入冷媒の密度を決定する。蒸発器入口温度検出手段５６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５７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を決定する。このとき、例えば、（表２）に示すような対応表を用いてもよい。

続いて、給湯熱交換器２３で熱交換した能力Ｑを求め、冷媒の循環量Ｇｒを用いて給湯熱交換器２３における冷媒の比エンタルピ差Δｈ_ＣＯＮＤを演算によって決定する。給湯熱交換器２３で熱交換したエネルギー量Ｗは、入水温度検出手段５９において検出した給湯用熱交換器２３に流入する水温と、出湯温度検出手段６０において検出した給湯用熱交換器２３から流出する水温と、流量検出手段６０において検出した給湯用熱交換器２３を流れる水の流量により決まる。

一方、冷媒の循環量Ｇｒは圧縮機回転数検出手段５８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。

給湯熱交換器２３で熱交換した能力Ｑは、定数Ｃ、流量検出手段６１で検出した水流量ｑ、入水温度検出手段５９で検出した入水温度Ｔｗｉ、出湯温度検出手段６０で検出した入水温度Ｔｗから（数１）で計算される。

エンタルピ差算出手段５４により、給湯熱交換器２３における比エンタルピ差Δｈ_ＣＯＮＤは、（数２）で演算される。給湯熱交出口温度Ｔｃｏから給湯熱交出口比エンタルピｈｃｏを、圧縮機吐出温度Ｔｄから吐出比エンタルピｈｄを算出し、このエンタルピ差と（数２）で算出した比エンタルピ差Δｈ_ＣＯＮＤが一致する圧力として吐出圧力Ｐｄを求める。給湯熱交出口比エンタルピｈｃｏ、吐出比エンタルピｈｄを算出するとき、例えば、（表３）、（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、圧縮機の回転数と給湯用熱交換器
で熱交換した熱交換能力から給湯用熱交換器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と給湯用熱交換器の出口の冷媒の温度と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、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
５２吐出温度検出手段
５３給湯用熱交換器出口温度検出手段
５４エンタルピ差算出手段
５５吐出圧力推定手段

Claims

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、前記放熱器の出口の冷媒の温度を検出する放熱器出口温度検出手段とを備え、前記吐出温度検出手段で検出した冷媒の温度と、前記放熱器出口温度検出手段で検出した冷媒の温度とに基づいて、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。
放熱器を給湯用熱交換器とし、圧縮機の回転数を検出する圧縮機回転数検出手段と、前記給湯用熱交換器に流入する水温を検出する入水温度検出手段と、前記給湯用熱交換器から流出する水温を検出する出湯温度検出手段と、前記給湯用熱交換器を流れる水の流量を検出する流量検出手段とを備え、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と、前記入水温度検出手段において検出した水温と、前記出湯温度検出手段において検出した水温と、前記流量検出手段において検出した水の流量とに基づいて、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請求項１に記載のヒートポンプ装置。
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または２に記載のヒートポンプ装置。