JP2013053834A

JP2013053834A - ヒートポンプ式給湯装置

Info

Publication number: JP2013053834A
Application number: JP2011194219A
Authority: JP
Inventors: Takashi Magara; 隆志眞柄; Akira Araki; 亮荒木
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2011-09-06
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2013-03-21

Abstract

【課題】除霜運転中の膨張弁の異常を検知し除霜継続するヒートポンプ式給湯装置を提供する。
【解決手段】冷媒回路８と、湯水を貯湯する貯湯タンク２と、該貯湯タンク２と冷媒水熱交換器５とを配管で環状に接続したヒーポン循環回路２１と、前記冷媒水熱交換器５付近の湯水の温度を検出する温水温度センサ２３と、膨張弁６を開いて圧縮機４で昇圧した冷媒を通過させ空気熱交換器７に流入させて空気熱交換器７の着霜を融解する除霜運転を制御する除霜制御手段１１、１２とを備えたヒートポンプ式給湯装置で、前記除霜制御手段１１、１２は、前記空気熱交換器７の除霜中に前記温水温度センサ２３又は、前記圧縮機４から吐出する冷媒の温度を検出する冷媒温度センサ１３での検出値が所定値以上であれば、前記膨張弁６の開度異常と判断し、圧縮機４の回転数を所定回転数に低下させると共に、除霜制限時間を延ばすように制御する。
【選択図】図３

Description

この発明は、貯湯タンク内の湯水を冷媒回路で加熱するヒートポンプ式給湯装置に関するものである。

従来よりこの種のものに於いては、圧縮機、冷媒水熱交換器、膨張弁、空気熱交換器を配管で接続した冷媒回路と、湯水を貯湯する貯湯タンクと、該貯湯タンクと冷媒水熱交換器とを配管で環状に接続したヒーポン循環回路とを備え、ヒーポン循環回路に設置された循環ポンプを駆動して貯湯タンク内の湯水を冷媒水熱交換器で高温冷媒と熱交換させて加熱し、目標沸き上げ温度まで昇温する沸き上げ運転の際、沸き上げ運転開始から所定時間経過後に冷媒水熱交換器で加熱されたヒーポン循環回路内の湯水が所定の目標沸き上げ温度に達していなければ、循環ポンプの回転数を下限まで下げ、膨張弁の開度を下限まで閉塞させ、圧縮機の出力を上限まで上昇させて湯水の温度上昇を図り、目標沸き上げ温度まで湯水の温度が上昇しなければ膨張弁が異常であると判断するものがあった。

特開２００２−２１３８１６号公報

しかし、この従来のものでは、膨張弁が中間開度で固着した場合は循環ポンプの回転数や圧縮機の出力を制御して目標沸き上げ温度にまで湯水を昇温することが可能であり、湯水が目標沸き上げ温度に達していれば膨張弁の異常を検出できず除霜運転も失敗に終わり、良好な除霜運転が行われないという問題があった。

この発明は上記課題を解決する為に、特にその構成を、圧縮機、冷媒水熱交換器、膨張弁、空気熱交換器を配管で接続した冷媒回路と、湯水を貯湯する貯湯タンクと、該貯湯タンクと前記冷媒水熱交換器とを配管で環状に接続したヒーポン循環回路と、前記冷媒水熱交換器付近の湯水の温度を検出する温水温度センサと、前記膨張弁を開いて前記圧縮機で昇圧した冷媒を通過させ前記空気熱交換器に流入させて空気熱交換器の着霜を融解する除霜運転を制御する除霜制御手段とを備えたヒートポンプ式給湯装置に於いて、前記除霜制御手段は、前記空気熱交換器の除霜中に前記温水温度センサ又は、前記圧縮機から吐出する冷媒の温度を検出する冷媒温度センサでの検出値が所定値以上であれば、前記膨張弁の開度異常と判断し、圧縮機の回転数を所定回転数に低下させると共に、除霜制限時間を延ばすように制御するものである。

この発明によれば、膨張弁が中間開度で固着しながらも、沸き上げ運転が行えるような場合であっても、除霜運転中に冷媒が中間開度で固着した膨張弁によって減圧されてしまうことに伴って、冷媒水熱交換器付近の湯水側の温度または圧縮機から吐出する冷媒温度が上昇することで膨張弁の異常を判断するので、膨張弁が固着した開度に関わらず異常を検出することが可能となり、そして膨張弁の異常と判断した場合には、圧縮機の回転数を下げると共に、除霜制限時間を延ばすことで、除霜運転をまずは完結して通常運転が出来るようにして、運転可能な状態でありながら異常停止で使用できなくなることを防止し、常に安心して使用出来るようにしたものである。

この発明の一実施形態を示す概略構成図同発明のヒーポン制御部を説明する制御ブロック図同発明の除霜運転の動作を説明するフローチャート

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等を収納した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ヒートポンプユニットである。

前記ヒートポンプユニット３は、冷媒を高温高圧に圧縮する圧縮機４と、高温高圧の冷媒との熱交換によって湯水を加熱する冷媒水熱交換器５と、冷媒を減圧する電動式の膨張弁６と、空気熱で冷媒を蒸発させる空気熱交換器７とを配管で環状に接続した冷媒回路８と、空気熱交換器７に周囲の空気を送り込む送風ファン９とを備えており、冷媒回路８内には冷媒として二酸化炭素が使用され超臨界ヒートポンプサイクルを構成している。

１０はヒートポンプユニット３内に備えられ圧縮機４の出力や送風ファン９の回転数等を制御するヒーポン制御部であり、該ヒーポン制御部１０には除霜制御手段として、冷媒回路８内を流動する冷媒温度と所定値とを比較することで空気熱交換器７の着霜状態を確認し除霜運転の有無を判断する比較手段１１と、除霜運転中における各種動作の経過時間を計測する計時手段１２とを備えている。

ここで、冷媒水熱交換器５は冷媒と被加熱水である貯湯タンク２内の湯水とが対向して流れる対向流方式を採用しており、超臨界ヒートポンプサイクルでは熱交換時に於いて冷媒は超臨界状態のまま凝縮されるため効率よく高温まで被加熱水を加熱することが出来、冷媒水熱交換器５に流入する冷媒の入口温度と流出する出口温度の温度差が一定になるように膨張弁６又は圧縮機４を制御して、冷媒水熱交換器５に流入する被加熱水の温度が５〜２０℃の低温であれば効率よく加熱することができるのでＣＯＰが向上する。

１３は圧縮機４から吐出し冷媒水熱交換器５に流入する冷媒の温度を検出する冷媒温度センサとしての水熱交入口温度センサ、１４は冷媒水熱交換器５で放熱した冷媒の温度を検出する水熱交出口温度センサ、１５は膨張弁６で減圧され空気熱交換器７に流入する冷媒の温度を検出する空熱交入口温度センサ、１６は空気熱交換器７で蒸発した冷媒の温度を検出する空熱交出口温度センサ、１７は空気熱交換器７の上部に設置され周囲の気温を検出する外気温センサである。

１８は貯湯タンク２下部と冷媒水熱交換器５とを配管で接続するヒーポン往き管、１９は冷媒水熱交換器５と貯湯タンク２上部とを配管で接続するヒーポン戻り管、２０はヒーポン往き管１８の途中に設置され配管内の湯水を循環させる循環ポンプであり、該循環ポンプ２０を駆動することで貯湯タンク２下部にある湯水をヒーポン往き管１８から冷媒水熱交換器５に流入して加熱し、ヒーポン戻り管１９から貯湯タンク２に流入することで高温水を貯湯するヒーポン循環回路２１を形成している。

２２はヒーポン往き管１８に設置され冷媒水熱交換器５に流入する湯水の温度を検出する往き管温度センサ、２３はヒーポン戻り管１９に設置され冷媒水熱交換器５で加熱された湯水の温度を検出する戻り管温度センサであり、温水温度センサとしての往き管温度センサ２２及び戻り管温度センサ２３は検出された湯水の温度に基づいて圧縮機４の出力や循環ポンプ２０の回転数を制御し、設定された目標沸き上げ温度まで沸き上げるものである。

２４は貯湯タンク２に市水を流入する給水管、２５は貯湯タンク２上部にある高温水を出湯する出湯管、２６は給水管２４から分岐した給水バイパス管２７と出湯管２５とに接続され弁の開度を調節して設定温度の湯水にする電動式の混合弁であり、使用者が設定した温度となるよう混合弁２６の開度を調節して給湯管２８に供給する。

２９は貯湯タンク２の上下方向に複数配置された貯湯温度センサで、この実施形態では貯湯温度センサ２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、２９ｅの５つが設置されているものであり、この貯湯温度センサ２９が検出する温度情報によって貯湯タンク２内の残熱量と、貯湯タンク２内の上下方向の温度分布が確認できる。

３０は貯湯タンク２上部に連通し加熱した湯水の体積膨張による圧力上昇を防止する逃し弁、３１は市水からの圧力を一定に減圧する減圧弁、３２は給水管２４に設置され栓を備えた給水栓である。

３３は台所等に設置されたリモコンであり、使用者が各種スイッチを操作することで給湯温度や風呂温度、風呂の湯張り量等を設定することができ、設定温度や風呂の湯張り完了等を音声で案内する報知部３４が備えられている。

３５は貯湯タンクユニット１内に設置された各センサの入力を受け、各アクチュエータの駆動を制御するマイコンを内蔵した給湯制御部である。この給湯制御部３５は、リモコン３３と無線又は有線により接続され、使用者が任意の給湯設定温度及び風呂設定温度を設定でき、給湯運転や風呂の追い焚き運転等を制御するものである。

次にこの一実施形態の作動を説明する。
まず、沸き上げ運転について説明すると、深夜電力時間帯になって貯湯温度センサ２９が貯湯タンク２内に貯湯された湯水の温度を検出し、翌日に必要な熱量が残っていないことを確認したら、給湯制御部３５はヒーポン制御部１０に対して沸き上げ開始命令を下す。

指令を受けたヒーポン制御部１０は、圧縮機４を起動させた後に循環ポンプ２０の駆動を開始させ、水熱交入口温度センサ１３で検出される冷媒温度が目標温度となるように膨張弁６の開度を制御すると共に、戻り管温度センサ２３で検出される温度が目標沸き上げ温度となるように循環ポンプ２０の回転数または圧縮機４の駆動周波数を制御して、貯湯タンク２下部に接続されたヒーポン往き管１８から取り出した５〜２０℃程度の低温水を冷媒水熱交換器５で７０〜９０℃程度の目標沸き上げ温度に加熱して、ヒーポン戻り管１９から貯湯タンク２上部へ戻す。

貯湯タンク２上部から順次積層して目標沸き上げ温度に加熱した湯水を貯湯していき、必要な熱量が貯湯されたことを貯湯温度センサ２９で検出すると、給湯制御部３５はヒーポン制御部１０に対して沸き上げ停止命令を下し、ヒーポン制御部１０は圧縮機４を停止すると共に循環ポンプ２０も停止して沸き上げ運転を終了する。

次に沸き上げ運転中に発生する除霜運転について、図３のフローチャートに基づいて説明する。
なお、図３に示される数値は一例であり、除霜運転の有無を決定するために数値を限定するものではない。各種判断の具体的な数値は貯湯タンクユニット１及びヒートポンプユニット３の基本性能や使用環境等に基づいて、適宜設定されるものである。

沸き上げ運転をおこなっている際（Ｓ１０１）、比較手段１１は、空熱交出口温度センサ１６で検出された冷媒温度が除霜運転の開始条件として設定された所定値以下か判断し（Ｓ１０２）、所定値以下であると判断すれば、圧縮機４の出力を所定値増加させ膨張弁６の開度を最大にし送風ファン９と循環ポンプ２０を停止させ、空気熱交換器７へ高温の冷媒を流入して着霜を融解する除霜運転を開始する（Ｓ１０３）。

Ｓ１０３で除霜運転を開始したら、比較手段１１は、戻り管温度センサ２３で検出された温度が所定値である１０８℃以上であるか判断し（Ｓ１０４）、１０８℃以上であると判断すれば、次に、１０８℃以上の状態が所定時間である１０秒以上継続しているか計時手段１２で判断して（Ｓ１０５）、１０８℃以上の状態が１０秒以上継続していると判断すれば、膨張弁６が全開になっておらず圧縮機４から吐出する冷媒の温度が異常高温であるとして検知し（Ｓ１０６）、ヒーポン制御部１０の除霜制御手段である比較手段１１に圧縮機４の出力である回転数を４０００ｒｐｍの最大回転数から、２５００ｒｐｍの回転数に低下させる。（Ｓ１０７）これは、圧力を下げることで温度は低下するが、冷媒が全開となっていない膨張弁６をスムーズに通過できるようにし、そして除霜制限時間を１５分から２５分に延ばし（Ｓ１０８）、これを計時手段１２がカウントし（Ｓ１０９）、低温で除霜に時間がかかる分を除霜制限時間を延ばすことでカバーするもので、カウントアップのＹＥＳで除霜運転終了と共に、膨張弁６の異常を報知するエラー信号をリモコン３３に送信し、報知部３４から膨張弁６に異常があり修理、交換が必要なことを音声で報知した（Ｓ１１０）後に、圧縮機４の出力と膨張弁６の開度を除霜運転前の状態に戻し送風ファン９と循環ポンプ２０とを駆動させて、沸き上げ運転を再開する（Ｓ１１１）。

Ｓ１０４で戻り管温度センサ２３で検出された温度が１０８℃未満か、Ｓ１０５で１０８℃以上の状態が１０秒以上継続していないと判断すれば、比較手段１１は、水熱交入口温度センサ１３で検出される圧縮機４から吐出した冷媒温度が所定値である１３０℃以上であるか判断し（Ｓ１１２）、１３０℃以上であると判断すれば、次に、１３０℃以上の状態が５秒以上継続しているか計時手段１２で判断して（Ｓ１１３）、１３０℃以上の状態が５秒以上継続していると判断すれば、Ｓ１０６で膨張弁６に異常がありを検知して、ヒーポン制御部１０の除霜制御手段である比較手段１１に圧縮機４の出力である回転数を４０００ｒｐｍの最大回転数から、２５００ｒｐｍの回転数に低下させ（Ｓ１０７）、そして除霜制限時間を１５分から２５分に延ばし（Ｓ１０８）、これを計時手段１２がカウントし（Ｓ１０９）、低温で除霜に時間がかかる分を除霜制限時間を延ばすことでカバーするもので、カウントアップのＹＥＳで除霜運転終了と共に、膨張弁６の異常を報知するエラー信号をリモコン３３に送信し、報知部３４から膨張弁６に異常があり修理、交換が必要なことを音声で報知した（Ｓ１１０）後に、圧縮機４の出力と膨張弁６の開度を除霜運転前の状態に戻し送風ファン９と循環ポンプ２０とを駆動させて、沸き上げ運転を再開する（Ｓ１１１）ものである。

以上のように、空気熱交換器７の着霜を融解する除霜運転を行っている際、戻り管温度センサ２３又は水熱交入口温度センサ１３で検出された温度が所定時間以上継続して所定値以上であれば、ヒーポン制御部１０の除霜制御手段である比較手段１１が、膨張弁６が全開されていない開度異常と判断し、圧縮機４の回転数を低下させると共に、除霜制限時間を延長させることで、時間はかかるが大事な除霜運転を先ずは完了させて凍結の危険を回避してから、報知された膨張弁６の修理を沸き上げ運転中に依頼すれば、修理のぎりぎりまでお湯を使いながら修理出来、お湯を使用出来ない期間が短くて済み使用勝手が極めて良いものである。

なお、本発明は上記内容に限定されるものではなく、例えば、往き管温度センサ２２で検出された温度から膨張弁６の異常を報知することも可能であり、除霜運転中に往き管温度センサ２２で検出された温度が所定時間以上継続して所定値以上であれば膨張弁６が異常だと判断し、膨張弁６に異常があり修理、交換が必要なことを報知部３４で報知する制御であってもよく、往き管温度センサ２２及び戻り管温度センサ２３は冷媒水熱交換器５付近の配管に設置されることで、冷媒温度上昇に伴う湯水の温度の上昇を確実に検出するものである。

また、今回の実施形態では膨張弁６が異常と判断したらリモコン３３の報知部３４から音声で報知する制御であるが、例えば、給湯設定温度や風呂設定温度等を表示する画面に膨張弁６が異常であり修理、交換の必要がある旨の表示をする制御でもよく、その他、使用者が膨張弁６の異常を把握可能な手段であればよいものである。

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
７空気熱交換器
８冷媒回路
１１比較手段
１２計時手段
１３水熱交入口温度センサ（冷媒温度センサ）
２１ヒーポン循環回路
２３戻り管温度センサ（温水温度センサ）
３４報知部

Claims

圧縮機、冷媒水熱交換器、膨張弁、空気熱交換器を配管で接続した冷媒回路と、湯水を貯湯する貯湯タンクと、該貯湯タンクと前記冷媒水熱交換器とを配管で環状に接続したヒーポン循環回路と、前記冷媒水熱交換器付近の湯水の温度を検出する温水温度センサと、前記膨張弁を開いて前記圧縮機で昇圧した冷媒を通過させ前記空気熱交換器に流入させて空気熱交換器の着霜を融解する除霜運転を制御する除霜制御手段とを備えたヒートポンプ式給湯装置に於いて、前記除霜制御手段は、前記空気熱交換器の除霜中に前記温水温度センサ又は、前記圧縮機から吐出する冷媒の温度を検出する冷媒温度センサでの検出値が所定値以上であれば、前記膨張弁の開度異常と判断し、圧縮機の回転数を所定回転数に低下させると共に、除霜制限時間を延ばすように制御する事を特徴とするヒートポンプ式給湯装置。