JP2012093049A - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒-水熱交換器内の異常昇温を抑制しつつ、十分な除霜能力を確保した除霜運転を行うことのできるヒートポンプ式給湯装置を提供する。
【解決手段】圧縮機１と、冷媒−水熱交換器２と、減圧装置３と、蒸発器４とがこの順に冷媒配管５で接続された冷媒回路１０と、貯湯タンク１２と、循環ポンプ１１と、を有する給湯水回路１５と、冷媒回路１０および給湯水回路１５を制御する制御部２０と、を備え、制御部２０は、蒸発器４の除霜を行うための除霜運転時に、循環ポンプ１１を断続的に駆動する断続運転を行う。好ましくは、除霜運転時の冷媒−水熱交換器２から流出する出口水の温度および／または圧縮機１から吐出される吐出冷媒の温度に応じて、断続運転における循環ポンプ１１の駆動間隔および／またはポンプ回転数を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯装置に関する。

冷凍サイクル回路の蒸発器において大気の熱を冷媒に吸収し、更に圧縮機で圧縮して高温とした冷媒を冷媒−水熱交換器に導き、この冷媒−水熱交換器において給湯水回路の水を加熱するヒートポンプ式給湯装置が広く用いられている。冷凍サイクル回路の蒸発器に霜が付着すると、蒸発器での熱交換が阻害され、ヒートポンプの効率が低下する。このため、蒸発器に霜が付着している場合には、この霜を除去するための除霜運転が行われる。

下記特許文献１には、除霜運転を行う方法として、圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、および蒸発器を配管で接続したヒートポンプ回路と、貯湯槽、流体循環ポンプを配管で接続した流体回路を有したヒートポンプ給湯装置において、除霜運転開始時に、流体循環ポンプの流量を低下させた後に膨張弁の開度を開く方法が開示されている。

特許第３７８３７１１号公報

しかしながら、上記従来のヒートポンプ給湯装置は、除霜運転時に流体循環ポンプの流量を低下させるものの、該流体循環ポンプの運転は常に継続されている。このため、冷媒の熱が必要以上に流体回路を流れる水に奪われてしまい、除霜に必要な熱エネルギーが蒸発器に供給されなくなり、除霜運転時間が延びたり、除霜運転終了時間内に除霜が完了しなかったりするおそれがある。また、一方において、除霜運転時に流体循環ポンプを常に停止させてしまうと、冷媒-水熱交換器内の異常昇温を引き起こすおそれがある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、冷媒-水熱交換器内の異常昇温を抑制しつつ、十分な除霜能力を確保した除霜運転を行うことのできるヒートポンプ式給湯装置を提供することを目的とする。

本発明に係るヒートポンプ式給湯装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機により圧縮された冷媒によって水を加熱するための冷媒−水熱交換器と、減圧装置と、蒸発器とがこの順に冷媒流路で接続された冷媒回路と、貯湯タンクと、貯湯タンクの下部から取り出された水を前記冷媒−水熱交換器に送る流路の途中に設けられた循環ポンプと、冷媒−水熱交換器の水の出口と貯湯タンクの上部とを接続する流路とを有する給湯水回路と、冷媒回路および給湯水回路を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、蒸発器の除霜を行うための除霜運転時に、循環ポンプを断続的に駆動する断続運転を行うことを特徴とするものである。

本発明のヒートポンプ式給湯装置によれば、除霜運転時にポンプの断続運転を行うことで、十分な除霜能力を確保した上で、除霜運転時の冷媒−水熱交換器内の異常昇温を抑制することができる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１における除霜運転時の温水循環ポンプの動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態２における除霜運転時の温水循環ポンプの動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態３における除霜運転時の温水循環ポンプの動作を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。尚、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
[実施の形態１の構成]
図１は、本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯装置の構成を示す図である。図１に示すとおり、本実施形態のヒートポンプ式給湯装置は、ヒートポンプユニット１００とタンクユニット２００とを備えている。ヒートポンプユニット１００内には、圧縮機１、冷媒−水熱交換器２、減圧装置３および蒸発器４を冷媒配管５によって環状に接続した冷媒回路１０と、蒸発器４に外気を送風するためのファン７と、当該ファン７を駆動するファンモータ６と、が搭載されている。

タンクユニット２００内には、負荷側媒体である水（給湯水）を冷媒−水熱交換器２に送る循環ポンプ１１と、冷媒−水熱交換器２で加熱されることによって生成した高温水を貯留する貯湯タンク１２と、が搭載されている。循環ポンプ１１は、制御部１４によってそのポンプ回転数を制御することにより、運転・停止の切り替えや流量調整が可能に構成されている。貯湯タンク１２の下部と、循環ポンプ１１の吸込口とは、循環配管１３ａで接続されている。循環ポンプ１１の吐出口と、冷媒−水熱交換器２の水の入口とは、循環配管１３ｂで接続されている。冷媒−水熱交換器２の水の出口と、貯湯タンク１２の上部とは、循環配管１３ｃで接続されている。本実施の形態では、上述した要素により、給湯水回路１５が構成されている。

また、ヒートポンプユニット１００には、各種温度を検出するためのセンサが複数配置されている。具体的には、冷媒-水熱交換器２の水の入口には、該冷媒-水熱交換器２内に給水される水の温度を検出するための給水温度センサ２１が配設されている。また、冷媒-水熱交換器２の水の出口には、該冷媒-水熱交換器２によって沸き上げられた温水（出口水）の温度を検出するための沸き上げ温度センサ２２が配設されている。また、圧縮機１と冷媒−水熱交換器２との間の冷媒配管５には、圧縮機１から吐出される冷媒（吐出冷媒）の温度を検出するための吐出冷媒温度センサ２３が配設されている。また、蒸発器４には、該蒸発器４の配管温度を検出するための配管温度センサ２４が配設されている。更に、ヒートポンプユニット１００における外部に露出する部分には、外気の温度を検出する外気温度センサ２５が配設されている。

本実施の形態のヒートポンプユニット１００は、制御部２０を備えている。制御部２０は、上述した各種温度センサ２１，２２，２３，２４および２５からの信号を受信し、これらの信号に基づいて、圧縮機１の回転数制御、減圧装置３の開度制御およびファンモータ６の回転数制御を行う。また、制御部２０は、タンクユニット２００を制御する制御部１４を介して循環ポンプ１１の回転数制御を行う。

[実施の形態１の動作]
次に、本実施の形態１のヒートポンプ式給湯装置での運転動作について説明する。

（沸き上げ運転動作）
先ず、本実施の形態１のヒートポンプ式給湯装置の沸き上げ運転動作について説明する。沸き上げ運転とは、冷媒回路１０と給湯水回路１５とを動作させ、貯湯タンク１２の下部から循環ポンプ１１で低温水を流出させて貯湯タンクに送水し、冷媒−水熱交換器２で冷媒と熱交換することにより沸き上げて高温水とし、この高温水を貯湯タンク１２の上部に戻す運転動作である。

タンクユニット２００からの沸き上げ運転指示により、ヒートポンプユニット１００は沸き上げ運転を行う。具体的には、ヒートポンプユニット１００の冷媒回路１０において、圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、冷媒−水熱交換器２で給湯水回路１５側へ放熱（水を加熱）しながら温度低下する。このとき、高圧側冷媒圧力が臨界圧以上であれば、冷媒は超臨界状態のまま気液相転移しないで温度低下して放熱する。また、高圧側冷媒圧力が臨界圧以下であれば、冷媒は液化しながら放熱する。つまり、冷媒から放熱された熱を負荷側媒体（ここでは、給湯水回路１５を流れる水）に与えることで給湯加熱（沸き上げ）を行う。給湯加熱をして冷媒−水熱交換器２から流出した高圧低温の冷媒は、減圧装置３を通過する。

減圧装置３を通過した冷媒は、ここで低圧気液二相の状態に減圧される。減圧装置３を通過した冷媒は、蒸発器４に流入し、そこで外気から吸熱し、蒸発ガス化される。蒸発器４を出た低圧冷媒は、圧縮機１に吸入されて循環し、冷凍サイクルを形成する。

また、給湯水回路１５側では、貯湯タンク１２内の水が、循環ポンプ１１により貯湯タンク１２の下部から導かれ、循環配管１３ａ、１３ｂを通過して冷媒−水熱交換器２内に搬送される。そして、ここで冷媒と熱交換して加熱（沸き上げ）され、循環配管１３ｃを通過して貯湯タンク１２の上部から貯湯タンク１２内に流入する。このような沸き上げ運転を行うことにより、貯湯タンク１２の内部には、貯湯タンク１２の上部から下部へ向かって順次高温水が貯められていく。

上述した沸き上げ運転において、制御部２０は、外気温度センサ２５や給水温度センサ２１によって検出される温度に基づいて、圧縮機１の回転数を制御し、外気温度センサ２５や吐出冷媒温度センサ２３によって減圧装置３の開度を制御する。また、制御部２０は、沸き上げ温度センサ２２で検出した温度が目標沸き上げ温度になるよう循環ポンプ１１の回転数を制御する。

（除霜運転動作）
次に、本実施の形態１のヒートポンプ式給湯装置の除霜運転動作について説明する。除霜運転とは、蒸発器４に付着した霜を、圧縮機１から吐出された高温の冷媒の熱で溶かすための運転動作である。低外気温の環境下で沸き上げ運転を継続すると、蒸発器４に着霜が生じ能力が低下する。このため、蒸発器４に霜が付着している場合には、沸き上げ運転を一時中断して除霜運転を行い、蒸発器４の霜を除去する。具体的には、蒸発器４の配管温度センサ２４により配管温度を検出し、検出された配管温度が所定温度以下になった場合に除霜運転を開始する。

本実施の形態のヒートポンプ式給湯装置において、除霜運転時の冷媒の循環経路は、沸き上げ運転時のそれと同じである。すなわち、圧縮機１から吐出された冷媒は、冷媒−水熱交換器２および減圧装置３を経由して、蒸発器４に到達する。この除霜運転を効率良く行うためには、圧縮機１から吐出された冷媒が持つ熱エネルギーを、極力給湯水回路１５内の水に与えずに、冷媒を高温に維持したまま蒸発器４へ送ることが重要となる。給湯水回路１５内の水が循環し、冷媒−水熱交換器２内を水が流れていると、冷媒−水熱交換器２の内部で熱交換が起き、冷媒の熱エネルギーが水に奪われてしまう。そこで、除霜運転時に湯水循環ポンプ１１を停止させ、給湯水回路１５内の水の循環を停止することが考えられる。

しかしながら、圧縮機１から吐出される冷媒温度によっては、冷媒−水熱交換器２内の水温が異常上昇し、信頼性が低下する可能性がある。そこで、本実施の形態のヒートポンプ式給湯装置では、除霜運転中に循環ポンプ１１を断続運転することとしている。図２は、本発明の実施の形態１における除霜運転時の温水循環ポンプの動作を説明するための図である。この図に示すとおり、本実施の形態のヒートポンプ式給湯装置では、除霜運転の期間中、循環ポンプ１１の運転と停止とが繰り返し実行される断続運転が実行される。これにより、十分な除霜能力を確保した上で、冷媒-水熱交換器２内の水温の異常上昇を抑制することが可能となる。

実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
次に、図３を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態２の装置は、図１に示すハードウェア構成を用いて、制御部２０に後述する図３に示す動作を実行させることにより実現することができる。

図３は、本発明の実施の形態２における除霜運転時の温水循環ポンプの動作を説明するための図である。本実施の形態２のヒートポンプ式給湯装置では、除霜運転時に実行する循環ポンプ１１の断続運転において、沸き上げ温度に応じて、断続運転の制御間隔を変更する点に特徴がある。すなわち、沸き上げ温度センサ２２によって検出される沸き上げ温度は、冷媒-水熱交換器２内の水温の異常上昇の発生リスクの指標となる。そこで、図３に示す例では、例えば、沸き上げ温度が９０℃より高い場合には、循環ポンプ１１の断続運転における運転時間を長くし、逆に８０℃より低い場合には、循環ポンプ１１の断続運転における停止時間を長くすることとしている。これにより、沸き上げ温度が低いときは冷媒-水熱交換器２の放熱量を減らすことで除霜能力の低下を抑制し、沸き上げ温度が高いときは冷媒-水熱交換器２内の水温の異常上昇を確実に抑制することが可能となる。

ところで、上述した実施の形態２のヒートポンプ式給湯装置では、沸き上げ温度が９０℃より高い場合には、循環ポンプ１１の断続運転における運転時間を長くし、逆に８０℃より低い場合には、循環ポンプ１１の断続運転における停止時間を長くすることとしているが、判定温度のしきい値はこれら値に限るものではなく、冷媒-水熱交換器２の耐久性や要求される除霜能力等を考慮して適宜しきい値となる温度を設定することとすればよい。

また、上述した実施の形態２のヒートポンプ式給湯装置では、沸き上げ温度センサ２２によって検出される沸き上げ温度に基づいて、循環ポンプ１１の断続運転における運転・停止時間を変更することとしているが、使用可能な温度は沸き上げ温度に限らない。すなわち、冷媒-水熱交換器２内の水温の異常上昇の発生リスクの指標となる値であれば、沸き上げ温度に替えて吐出冷媒温度センサ２３によって検出される吐出冷媒温度を用いることとしてもよい。この場合、例えば、吐出冷媒温度が１００℃より高い場合には、循環ポンプ１１の断続運転における運転時間を長くし、逆に９０℃より低い場合には、循環ポンプ１１の断続運転における停止時間を長くすることとすればよい。これにより、沸き上げ温度を用いた場合と同様に、十分な除霜能力を確保した上で、除霜運転時の冷媒-水熱交換器２内の異常昇温を抑制することができる。また、吐出冷媒温度を用いる場合においても、判定温度のしきい値は上述した値に限るものではなく、冷媒-水熱交換器２の耐久性や要求される除霜能力等を考慮して適宜しきい値となる温度を設定することとすればよい。

実施の形態３．
［実施の形態３の特徴］
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態３の装置は、図１に示すハードウェア構成を用いて、制御部２０に後述する図４に示す動作を実行させることにより実現することができる。

図４は、本発明の実施の形態３における除霜運転時の温水循環ポンプの動作を説明するための図である。本実施の形態３のヒートポンプ式給湯装置では、除霜運転時に実行する循環ポンプ１１の断続運転において、沸き上げ温度に応じて、断続運転の運転時におけるポンプ回転数（すなわち流量）を変更する点に特徴がある。すなわち、実施の形態２において上述したとおり、沸き上げ温度センサ２２によって検出される沸き上げ温度は、冷媒-水熱交換器２内の水温の異常上昇の発生リスクの指標となる。そこで、図４に示す例では、例えば、沸き上げ温度が９０℃より高い場合には、循環ポンプ１１の断続運転における運転時のポンプ回転数を高くし、逆に８０℃より低い場合には、循環ポンプ１１の断続運転における運転時のポンプ回転数を低くすることとしている。これにより、沸き上げ温度が低いときは冷媒-水熱交換器２の放熱量を減らすことで除霜能力の低下を抑制し、沸き上げ温度が高いときは冷媒-水熱交換器２内の水温の異常上昇を確実に抑制することが可能となる。

ところで、上述した実施の形態３のヒートポンプ式給湯装置では、沸き上げ温度が９０℃より高い場合には、循環ポンプ１１の断続運転における運転時のポンプ回転数を高くし、逆に８０℃より低い場合には、循環ポンプ１１の断続運転における運転時のポンプ回転数を低くすることとしているが、判定温度のしきい値はこれら値に限るものではなく、冷媒-水熱交換器２の耐久性や要求される除霜能力等を考慮して適宜しきい値となる温度を設定することとすればよい。

また、上述した実施の形態３のヒートポンプ式給湯装置では、沸き上げ温度センサ２２によって検出される沸き上げ温度に基づいて、循環ポンプ１１の断続運転における運転時のポンプ回転数を変更することとしているが、使用可能な温度は沸き上げ温度に限らない。すなわち、冷媒-水熱交換器２内の水温の異常上昇の発生リスクの指標となる値であれば、沸き上げ温度に替えて吐出冷媒温度センサ２３によって検出される吐出冷媒温度を用いることとしてもよい。この場合、例えば、吐出冷媒温度が１００℃より高い場合には、循環ポンプ１１の断続運転における運転時のポンプ回転数を高くし、逆に９０℃より低い場合には、循環ポンプ１１の断続運転における運転時のポンプ回転数を低くすることとすればよい。これにより、沸き上げ温度を用いた場合と同様に、十分な除霜能力を確保した上で、除霜運転時の冷媒-水熱交換器２内の異常昇温を抑制することができる。また、吐出冷媒温度を用いる場合においても、判定温度のしきい値は上述した値に限るものではなく、冷媒-水熱交換器２の耐久性や要求される除霜能力等を考慮して適宜しきい値となる温度を設定することとすればよい。

また、上述した実施の形態３のヒートポンプ式給湯装置では、沸き上げ温度センサ２２によって検出される沸き上げ温度に基づいて、循環ポンプ１１の断続運転における運転時のポンプ回転数を変更することとしているが、上述した実施の形態２のヒートポンプ式給湯装置における、循環ポンプ１１の断続運転における運転・停止時間を変更する制御を更に組み合わせて実行することとしてもよい。

１ 圧縮機
２ 冷媒−水熱交換器
３ 減圧装置
４ 蒸発器
５ 冷媒配管（冷媒流路）
６ ファンモータ
７ ファン
１０ 冷媒回路
１１ 循環ポンプ
１２ 貯湯タンク
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ 循環配管
１４ 制御部（制御手段）
１５ 給湯水回路
２０ 制御部（制御手段）
２１ 給水温度センサ
２２ 沸き上げ温度センサ（出口水温度検出手段）
２３ 吐出冷媒温度センサ（吐出冷媒温度検出手段）
２４ 配管温度センサ
２５ 外気温度センサ
１００ ヒートポンプユニット
２００ タンクユニット

Claims (5)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された冷媒によって水を加熱するための冷媒−水熱交換器と、減圧装置と、蒸発器とがこの順に冷媒流路で接続された冷媒回路と、
   貯湯タンクと、前記貯湯タンクの下部から取り出された水を前記冷媒−水熱交換器に送る流路の途中に設けられた循環ポンプと、前記冷媒−水熱交換器の水の出口と前記貯湯タンクの上部とを接続する流路とを有する給湯水回路と、
   前記冷媒回路および前記給湯水回路を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記蒸発器の除霜を行うための除霜運転時に、前記循環ポンプを断続的に駆動する断続運転を行うことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
2. 前記冷媒−水熱交換器から流出する出口水の温度を検出する出口水温度検出手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記蒸発器の除霜を行うための除霜運転時に、前記出口水の温度に応じて、前記断続運転における前記循環ポンプの駆動間隔を調整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装置。
3. 前記圧縮機から吐出される吐出冷媒の温度を検出する吐出冷媒温度検出手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記蒸発器の除霜を行うための除霜運転時に、前記吐出冷媒の温度に応じて、前記断続運転における前記循環ポンプの駆動間隔を調整することを特徴とする請求項１または２記載のヒートポンプ式給湯装置。
4. 前記冷媒−水熱交換器から流出する出口水の温度を検出する出口水温度検出手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記蒸発器の除霜を行うための除霜運転時に、前記出口水の温度に応じて、前記断続運転における前記循環ポンプの回転数を調整することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載のヒートポンプ式給湯装置。
5. 前記圧縮機から吐出される吐出冷媒の温度を検出する吐出冷媒温度検出手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記蒸発器の除霜を行うための除霜運転時に、前記吐出冷媒の温度に応じて、前記断続運転における前記循環ポンプの回転数を調整することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載のヒートポンプ式給湯装置。

Images