JP2013181730A - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

ヒートポンプ式給湯装置 Download PDF

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【課題】ヒートポンプ式給湯装置を利用した暖房運転において、暖房能力が過剰であるかを判断した上で、空気熱交換器へ送風するファンの回転数を制御することにより、過剰な暖房能力を適正に抑制する。
【解決手段】圧縮機1と、水熱交換器3と、膨張弁4と、空気熱交換器5とが順に環状に接続された冷媒回路100と、出湯配管11と、戻り配管12と、を有する水回路200と、空気熱交換器5に送風を行うファン8と、出湯温度を取得する出湯温度取得手段と、外気温度を検出するサーミスタ9と、戻り水温度を取得するサーミスタ13と、冷媒回路100および水回路200を制御して暖房運転を行う運転制御手段と、外気温度、出湯温度および戻り水温度に基づいて、暖房運転の暖房能力の適正を判定する判定手段と、判定手段により暖房能力が過剰と判定された場合にファンの回転数を低下させるファン制御手段と、を備える。
【選択図】図2

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯装置に係り、特に、ヒートポンプ式給湯室外機の送風ファンを制御するヒートポンプ式給湯装置に関する。
従来、例えば、特許文献1には、能力可変形コンプレッサを有する空気調和機において、室外側熱交換器に設けた室外ファンの制御を行う制御装置が開示されている。この空気調和機における暖房運転では、室内温度が設定温度近くになった場合に、コンプレッサを最低周波数で運転させるとともに、室外温度が予め定めた温度以上に達した場合に、室外ファンを低速で回転させるか停止させるようにしている。これにより、室外側熱交換器の蒸発温度が下がるので、結果として暖房能力を下げることができる。
特開昭61−38344号公報 特開2002−228234号公報 特開平7−139793号公報
しかしながら、上記従来の装置では、室外ファンの制御を外気温のみで判断している。このため、上記従来の装置においては、暖房能力が必要な条件においてもファン回転数を低下させてしまい、結果的に不必要に能力を下げてしまうおそれがある。
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、ヒートポンプ式給湯装置を利用した暖房運転において、暖房能力が過剰であるかを判断した上で、空気熱交換器へ送風するファンの回転数を制御することにより、過剰な暖房能力を適正に抑制することが可能な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、前記圧縮機で圧縮された冷媒によって水を加熱するための水熱交換器と、膨張弁と、空気熱交換器とが順に環状に接続された冷媒回路と、
前記水熱交換器の水の出口から暖房装置へ水を出湯するための出湯配管と、前記暖房装置から前記水熱交換器の水の入口へ水を戻すための戻り配管と、を有する水回路と、
前記空気熱交換器に送風を行うファンと、
前記水熱交換器から出湯される水の出湯温度を取得する出湯温度取得手段と、
前記ファンにより前記空気熱交換器へ送られる外気温度を検出する外気温度検出手段と、
前記水熱交換器へ戻される水の戻り水温度を取得する戻り水温度取得手段と、
前記冷媒回路および前記水回路を制御して、前記水熱交換器によって加熱された水を前記暖房装置へ送水する暖房運転を行う運転制御手段と、
前記外気温度、前記出湯温度および前記戻り水温度に基づいて、前記暖房運転の暖房能力の適正を判定する判定手段と、
前記判定手段により暖房能力が過剰と判定された場合に、前記ファンの回転数を低下させるファン制御手段と、
を備えるものである。
本発明のヒートポンプ式給湯装置によれば、ヒートポンプ式給湯装置を利用した暖房運転において、暖房能力が過剰であるかを判断した上で、空気熱交換器へ送風するファンの回転数を制御することにより、過剰な暖房能力を適正に抑制することが可能となる。
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概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態1において実行されるルーチンを示すフローチャートである。 外気温に対する適正出湯温度の関係を規定したグラフである。
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概略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、冷媒回路100と水回路200とを備えている。冷媒回路100内には、圧縮機1、四方弁2、水熱交換器3、電子膨張弁4、空気熱交換器5および液溜器6が搭載され、これらが冷媒配管7によって環状に接続されることにより冷凍サイクル(ヒートポンプサイクル)回路が形成されている。四方弁2は、図1に示すように冷媒配管7における圧縮機1および液溜器6の前後に介在するように配置され、連通させるポートの切り替えを行うことにより、冷媒配管7を流通する冷媒の流れ方向を切り替え可能に構成されている。
空気熱交換器5には、該空気熱交換器5へ外気を送風するためのファン8と、外気温度を検出するための外気温度検出サーミスタ9が搭載されている。また、圧縮機1の吐出側には、該圧縮機1から吐出される冷媒の圧力を検出するための圧力検知センサ10が設けられている。
水回路200内には、上述した水熱交換器3から出湯される水を図示しない暖房装置へ送水するための出湯配管11と、該暖房装置からの戻り水を水熱交換器3へ戻すための戻り水配管12と、循環ポンプ(図示せず)が搭載されている。また、戻り水配管12には、水熱交換器へ戻る水の温度を検出するための戻り水温度検知サーミスタ13が設けられている。
本実施の形態1のヒートポンプ式給湯装置は、制御装置20を備えている。制御装置20は、上述した外気温度検出サーミスタ9、圧力検知センサ10および戻り水温度検知サーミスタ13など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、電子膨張弁の開度制御およびファン8の回転数制御を行う。また、制御装置20は、循環ポンプや暖房装置の制御を行う。
[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暖房運転動作について説明する。ここで、暖房運転とは、水回路200と冷媒回路100とを動作させ、水熱交換器3において加熱された水を熱媒体として暖房を行う動作である。
先ず、暖房運転時の冷媒回路100の冷媒の流れについて説明する。図1に示すように、冷媒回路100では、低圧低温のガス冷媒が圧縮機1において圧縮される。圧縮機1で圧縮されたガス冷媒は、高温高圧のガス冷媒となり、四方弁2を通り水熱交換器3(凝縮器)に送り込まれる。水熱交換器3に流れ込んだガス冷媒は、水に凝縮熱を放出することにより液化する。液化した冷媒は電子膨張弁4に流れ込む。液状態の冷媒は、電子膨張弁4で減圧されて気液二相状態となり、空気熱交換器5(蒸発器)に送り込まれる。空気熱交換器5では、ファン8により送られた外気から熱を吸収することで冷媒が蒸発し、低圧低温のガス冷媒となる。ガス冷媒は、四方弁2および水溜器6を介して再び圧縮機1へ戻される。
次に、暖房運転時の水回路200の水の流れについて説明する。図1に示すように、水回路200では、水熱交換器3によって加熱された水が出湯配管11、暖房装置および戻り配管12を介して水熱交換器3に戻される。この際、水は、水熱交換器3の熱を暖房装置へ伝える熱媒体として機能する。暖房装置は、例えば室内の空気との間で熱交換を行うことにより、室内を暖房する。
尚、本実施の形態1のヒートポンプ式給湯装置では、暖房運転の一態様として、暖房能力を下限能力に抑えた運転(下限能力運転)が行われる。具体的には、例えば、暖房空間の温度が設定温度に到達している場合などにおいて、圧縮機1の運転周波数を下限周波数に設定することにより、暖房能力を最小限に制限した下限能力運転を行う。
ここで、暖房負荷が小さい場合、すなわち、外気温度が比較的高い場合(例えば、10℃以上)には、空気熱交換器5において外気から吸収する熱量が増加する。このため、上述した下限周波数による暖房運転(下限能力運転)が行われている場合においては、過剰な暖房能力が供給されてしまうおそれがある。
つまり、定格能力で水流量を決定した場合、通常であれば、下限能力運転時の出湯温度Twouthと戻り水温度Twinhとの温度差ΔTwhは、定格能力時に比べて小さくなる。しかしながら、暖房負荷が低い(すなわち外気温が高い)場合においては、必要以上に暖房能力が発揮されるためΔTwhが大きくなる場合がある。具体的には、例えば、外気温が7℃、下限能力が5kW、水流量 30L/minのときにΔTwhが2.4 degであったとすると、外気温が12℃の低負荷時においては、下限能力が7kWに上昇し、これによりΔTwhが3.3 deg に上昇する。このような場合に、圧縮機1の電源を遮断して暖房能力を制限することとすると、結果的に圧縮機1の電源のON/OFFが頻繁に行われることとなるため、圧縮機1の耐久性上好ましくない。
そこで、本実施の形態1のヒートポンプ式給湯装置では、暖房負荷が小さい場合であって、過剰な暖房能力が供給される場合に、ファン8の回転数を低下させることとする。具体的には、暖房負荷が低い場合であって、ΔTwhが所定値α(例えば、2.4 deg)より大きい場合に、暖房能力の過剰を判定することとする。そして、暖房能力が過剰である場合に、ΔTwhが所定値α以下となるまでファン8の回転数を低下させることとする。これにより、下限能力を適正な範囲(例えば、5kW)に抑えることが可能となる。
次に、フローチャートを参照して、暖房能力の適正を判定する制御、および暖房能力に応じたファン8の回転数制御の具体的処理について詳細に説明する。図2は、本発明の実施の形態1において実行されるルーチンのフローチャートである。図2に示すルーチンでは、先ず、下限周波数による暖房運転中か否かが判定される(ステップS1)。ここでは、具体的には、圧縮機1の運転周波数が下限に設定された暖房運転がなされているかが判定される。その結果、下限周波数による暖房運転中でないと判定された場合には、ファン8の回転数制御を行う必要がないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。
一方、上記ステップS1において、下限周波数による暖房運転中であると判定された場合には、次にステップに移行し、戻り水温度検知サーミスタ13によって戻り水温度Twinhが検出される(ステップS2)。次に、出湯温度Twouthが取得される(ステップS3)。ここでは、具体的には、圧縮機1から吐出されたガス冷媒の圧力が圧力検知センサ10により検出され、この検出圧力を用いて水熱交換器3での凝縮温度が算出される。そして、凝縮温度に補正値を加えることで出湯温度が算出される。例えば、検出圧力が1.8Mpaである場合においては凝縮温度が30.5℃となり、補正値2℃を加えることで出湯温度が32.5℃として算出される。
次に、出湯温度Twouthが適正出湯温度よりも高いか否かが判定される(ステップS4)。図3は、外気温に対する適正出湯温度の関係を規定したグラフである。ここで、適正出湯温度とは、暖房能力が適正である場合の出湯温度の適正値である。ここでは、具体的には、外気温度検出サーミスタ9によって外気温が検出される。そして、検出された外気温に対応する適正出湯温度と上記ステップS3において取得された出湯温度Twouthとが比較される。その結果、適正出湯温度<出湯温度Twouthの成立が認められない場合には、暖房負荷が高いと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。
一方、上記ステップS4において、適正出湯温度<出湯温度Twouthの成立が認められた場合には、暖房負荷が小さいと判断されて、次のステップに移行し、暖房能力の適正が判定される(ステップS5)。ここでは、具体的には、先ず、上記ステップS3において取得された出湯水温度Twouthと上記ステップS2において取得された戻り水温度Twinhとの温度差ΔTwhが算出される。そして、算出された温度差ΔTwhが所定値αよりも大きいか否かが判定される。その結果、ΔTwh>αの成立が認められた場合には、暖房能力が過剰であると判断され、次のステップに移行し、ΔTwh≦αとなるまでファン8の回転数を低下させる制御が実行される(ステップS6)。一方、上記ステップS5において、ΔTwh>αの成立が認められない場合には、暖房能力が適正であると判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。
以上説明したとおり、本実施の形態1のヒートポンプ式給湯装置によれば、ΔTwhが所定値α以下となるまでファン8の回転数を低下させる制御が行われる。このため、暖房能力が過剰である場合の暖房能力を有効に制限することが可能となる。
ところで、上述した実施の形態1のヒートポンプ式給湯装置では、圧力検知センサ10により検出された検出圧力を用いて出湯温度Twouthを算出することとしているが、出湯温度の算出手法はこれに限られず、例えば、出湯配管11に設けた温度サーミスタによって出湯温度を直接検出することとしてもよい。但し、上述した実施の形態1の給湯装置のように圧力検知センサ10により検出された検出圧力を用いて出湯温度Twouthを算出することとすれば、新たな温度サーミスタを設ける必要がないため、部品点数を削減することが可能となる。
1 圧縮機
2 四方弁
3 水熱交換器(凝縮器)
4 電子膨張弁
5 空気熱交換器(蒸発器)
6 水溜器
7 冷媒配管
8 ファン
9 外気温度検出サーミスタ
10 圧力検知センサ
11 出湯配管
12 戻り水配管
13 戻り水温度検知サーミスタ
20 制御装置
100 冷媒回路
200 水回路

Claims (5)

  1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒によって水を加熱するための水熱交換器と、膨張弁と、空気熱交換器とが順に環状に接続された冷媒回路と、
    前記水熱交換器の水の出口から暖房装置へ水を出湯するための出湯配管と、前記暖房装置から前記水熱交換器の水の入口へ水を戻すための戻り配管と、を有する水回路と、
    前記空気熱交換器に送風を行うファンと、
    前記水熱交換器から出湯される水の出湯温度を取得する出湯温度取得手段と、
    前記ファンにより前記空気熱交換器へ送られる外気温度を検出する外気温度検出手段と、
    前記水熱交換器へ戻される水の戻り水温度を取得する戻り水温度取得手段と、
    前記冷媒回路および前記水回路を制御して、前記水熱交換器によって加熱された水を前記暖房装置へ送水する暖房運転を行う運転制御手段と、
    前記外気温度、前記出湯温度および前記戻り水温度に基づいて、前記暖房運転の暖房能力の適正を判定する判定手段と、
    前記判定手段により暖房能力が過剰と判定された場合に、前記ファンの回転数を低下させるファン制御手段と、
    を備えることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
  2. 前記運転制御手段は、要求される暖房能力に応じて前記圧縮機の運転周波数を可変に設定することにより、暖房運転の能力を可変させる手段を含み、
    前記ファン制御手段は、前記運転制御手段によって前記運転周波数を下限周波数とする下限能力運転が行われている場合において、前記判定手段により暖房能力が過剰と判定された場合に、前記ファンの回転数を低下させ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. 前記判定手段は、
    前記出湯温度の適正値と前記外気温度との関係を規定した規則を含み、
    前記外気温度検出手段により検出された外気温度と前記規則とに基づいて特定される出湯温度の適正値が、前記出湯温度取得手段により取得された出湯温度よりも低く、且つ、前記出湯温度と前記戻り水温度との温度差が所定値よりも大きい場合に、前記暖房能力が過剰と判定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. 前記ファン制御手段は、
    前記判定手段により暖房能力が過剰と判定された場合に、前記出湯温度と前記戻り温度との温度差が所定値以下となる回転数まで低下させ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. 前記出湯温度取得手段は、
    前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と、
    前記圧力検出手段により検出される冷媒の圧力に基づいて、前記出湯温度を推定する温度推定手段と、
    を含む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。
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