JP2017020688A - ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、冷媒の漏洩を簡易な構成で検出できるヒートポンプ式給湯機を提供することを目的とする。
【解決手段】 吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、該圧縮機から吐出される高温高圧の冷媒と水との熱交換を行う水冷媒熱交換器と、該熱交換器から流出する冷媒を減圧する減圧弁と、該減圧弁から流出する冷媒と空気の熱交換を行う蒸発器とを備えたヒートポンプ式の冷凍サイクルと、電源電流または前記圧縮機のトルクを検出する制御部を備え、該制御部は、基準電源電流値以下の電源電圧を所定の時間継続して検出した場合、あるいは、基準トルク以下のトルクを所定の時間継続して検出した場合に、前記冷凍サイクルの運転を停止することを特徴としたヒートポンプ式給湯機。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯機に関する。

ヒートポンプ式給湯機では、冷凍サイクルを構成する配管が破損した場合等に冷凍サイクル内を循環する冷媒が漏洩することがある。冷媒が漏洩すると、充分な加熱能力を得ることができず、運転しても湯が沸かないなどの問題を起こすことがある。そこで、特許文献１に示すように、圧縮機の吐出温度と電源電流から冷媒の漏洩を検知し運転を停止する方法がある。

特開平４−５５６７１号公報

しかし、冷媒吐出温度の検出がサーミスタにより行われており、かつ冷媒が完全になくなっている場合、配管内を流れる冷媒が無いため配管の温度が上昇せず、異常を検出できないという課題を有していた。

本発明は、圧力センサが付いていない冷凍サイクルや、サーミスタが配管に取り付けられている冷凍サイクルにおいて、冷媒が不足、あるいは無くなっていることを検知することを目的とする。

吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出される高温高圧の冷媒と水との熱交換を行う水冷媒熱交換器と、前記熱交換器から流出する冷媒を減圧する減圧弁と、前記減圧弁から流出する冷媒と空気の熱交換を行う蒸発器とを備えたヒートポンプ式の冷凍サイクルと、電源電流を検出可能な制御部を備え、制御部は、基準電源電流値以下、あるいは圧縮機を回転するための基準トルク以下であることを所定の時間継続して検出すると前記冷凍サイクルの運転を停止することを特徴としたヒートポンプ式給湯機。

本発明によれば、冷媒の漏洩を簡易な構成で検出できるヒートポンプ式給湯機を提供することができる。

一実施例のヒートポンプ式給湯機のブロック図 ヒートポンプユニット停止までのフローチャート 電源電流と圧縮機回転数の関係を示すグラフ

本発明のヒートポンプ給湯機は、電源電流が本来使用されるべき電流よりも小さいとき、あるいは、圧縮機の回転トルクが本来必要とされるべきトルクよりも小さいときに、冷媒の流出があったと判断し、ヒートポンプユニットの運転を停止するものであり、以下では、適宜図面を参照しながら、一実施例のヒートポンプ式給湯機を詳細に説明する。

先ず、図１を用いて、一実施例のヒートポンプ給湯機Ｓの全体構成、制御部の基本動作を説明した後に、本実施例に関わる制御部の動作について更に具体的に説明する。ここに示すように、ヒートポンプ給湯機Ｓは、ヒートポンプユニット１と貯湯ユニット２とを備えている。

ヒートポンプユニット１は、圧縮機３と、水冷媒熱交換器４と、減圧弁５と、蒸発器６と、制御部５０と、で主に構成されている。そして、圧縮機３、水冷媒熱交換器４、減圧弁５、及び蒸発器６は、この順番で冷媒が循環するように配管で環状に連結されている。なお、本実施例の冷媒としては、二酸化炭素が使用されている。そして、ヒートポンプユニット１では、圧縮機３より吐出される冷媒（二酸化炭素）の吐出圧力が臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを使用している。

圧縮機３は、環状の回路から戻ってきた冷媒を圧縮すると共に、圧縮した高温のガス冷媒（以下、ホットガスということがある）を再び環状の回路に送り出している。更に具体的には、蒸発器６から戻ってきた冷媒を圧縮して水冷媒熱交換器４に向かって送り出している。

圧縮機３は、容量制御が可能で、高温貯湯（例えば、９０℃）を行う場合は、通常よりも速い回転速度（例えば、３０００〜４０００回転／分）で運転する。また、通常の貯湯温度（例えば、６５℃）で運転する場合は、比較的遅い回転速度（例えば、１０００〜２０００回転／分）で運転する。また、圧縮機３は、ＰＷＭ制御、電圧制御（例えばＰＡＭ制御）及びこれらの組み合わせ制御により、低速（例えば、１０００回転／分）から高速（例えば６０００回転／分）まで回転速度の制御が行えるようになっている。

圧縮機３と次に説明する水冷媒熱交換器４とを接続する配管には、圧縮機３寄りに、圧縮機３の高圧側冷媒温度（圧縮機吐出温度）を検出する温度センサ９が設けられている。

水冷媒熱交換器４は、圧縮機３から吐出されたホットガスを流通させる冷媒伝熱管２ａと、水を流通させる水伝熱管２ｂとを備えている。これらの冷媒伝熱管２ａ、水伝熱管２ｂは、冷媒と水とが相互に熱交換するよう密着して設けられている。また、各伝熱管の流れは対向するように構成されている。

減圧弁５は、水冷媒熱交換器４と蒸発器６との間に配置される配管の途中に設けられており、電動膨張弁が使用されている。この減圧弁５は、水冷媒熱交換器４からの中温高圧冷媒を減圧し、蒸発し易い低圧冷媒として蒸発器６に送り出している。そして、減圧弁５は、絞り開度（開閉度合い）が調節可能となっており、制御部５０がこの絞り開度を変えてヒートポンプユニット１での冷媒循環量を調節する。そして、制御部５０は、後記するように、減圧弁５の絞り開度を変えることで、圧縮機３の吐出温度（圧縮機吐出温度）を調節することとなる。ちなみに、減圧弁５は、蒸発器６に着霜した場合に、絞り開度を全開にしてデフロストを行うようにも働く。

蒸発器６は、送風機７の回転によって外気を取り入れた空気（送風）と、蒸発器６内を流通する冷媒との熱交換を行って、外気から熱を汲み上げるものである。そして、冷媒は、この蒸発器６から圧縮機３に戻されることとなる。

符号１０は、蒸発器６の下流側で冷媒の温度を検出する温度センサである。制御部５０は、この温度センサ１０の検出する温度に基づいて蒸発器６でのデフロストを行うか否かを判定し、デフロストを行う場合には減圧弁５を全開にする。符号１４は、外気温度を検出する温度センサであり、本実施例での温度センサ１４は、送風機７の近傍に設けられている。なお、制御部５０は、後記するように、この温度センサ１４の検出する温度を参照要素の一つとして、圧縮機吐出温度の目標値を決定している。

符号３６は、送出配管であり、送出配管３６の一端は、水冷媒熱交換器４の水伝熱管２ｂの出口に接続されている。この送出配管３６は、冷媒で加熱された水（被加熱流体）を水冷媒熱交換器４から送り出すようになっている。送出配管３６は、後記するタンク１６側に向かって延出している。

送出配管３６の水冷媒熱交換器４寄りには、水冷媒熱交換器４の水出口温度（被加熱流体出口温度）を検出する温度センサ１２が設けられている。

符号３５は、供給配管であり、供給配管３５は、前記冷媒で加熱される水（被加熱流体）を水冷媒熱交換器４に供給するものである。供給配管３５の一端は、水冷媒熱交換器４の水伝熱管２ｂの入口に接続されている。この供給配管３５は、後記するタンク１６側に向かって延出している。そして、供給配管３５には、循環ポンプ１３が、水冷媒熱交換器４の下流側に配置されている。なお、本実施例での循環ポンプ１３は、水（被加熱流体）を水伝熱管２ｂの入口側に送り込むように駆動する。そして、循環ポンプ１３は、循環水の流量（質量流量）、流速及び圧力が自由に選択できるように構成されている。

そして、供給配管３５の水冷媒熱交換器４寄りには、水冷媒熱交換器４の水入口温度を検出する温度センサ１１が設けられている。

次に、このようなヒートポンプユニット１と共にヒートポンプ給湯機Ｓを構成する貯湯ユニット２について説明する。貯湯ユニット２は、水（被加熱流体）を貯蔵するタンク１６を備えている。このタンク１６は、送出配管３６の他端と接続されている。そして、タンク１６は、給湯配管３８ｂの一端と接続されている。給湯配管３８ｂの他端には、図示しない給湯口が設けられる。タンク１６は、供給配管３５の他端とも接続されている。そして、タンク１６は、給水配管３８ａの一端と接続されている。給水配管３８ａの他端には、図示しない給水口が設けられる。

給水配管３８ａは、タンク１６の上流側から分岐して、給湯配管３８ｂにその先端が合流するように接続される分岐配管３８ｃを備えている。この分岐配管３８ｃは、湯水混合弁１７を介して給湯配管３８ｂに接続されている。ちなみに、湯水混合弁１７は、その開口度合いに応じて、給水配管３８ａ及び分岐配管３８ｃを介して給湯配管３８ｂに流れ込む水の量を調節することで、給湯配管３８ｂの他端に設けられる給湯口（図示省略）から出る湯の温度を調節する。

制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路等を含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、本実施例のヒートポンプ給湯機Ｓを総合的に制御するようになっている。そして、制御部５０は、前記したように、温度センサ１０の検出する温度（蒸発器６の出口冷媒温度）に基づいて蒸発器６のデフロストを行うほか、温度センサ９，１１，１２，１４の検出した温度などに基づいて、後記する手順により圧縮機３の吐出温度の目標値を算出すると共に、これらの検出値（実測値）及び目標値に基づいて、圧縮機３の回転速度及び減圧弁５の開度を制御する。

次に、本実施例のヒートポンプ給湯機Ｓの動作について説明する。ヒートポンプ給湯機Ｓでは、タンク１６内に所定の温度で所定の湯量を確保するのに先立って、タンク１６を満たすように水が供給される。この際、タンク１６には、残存する湯に加えられるように、図示しない給水口から給水配管３８ａを介して水が加えられる。もちろん、タンク１６が空の場合には、その全てが水で満たされる。以下では、タンク１６に残存する湯と新たに加えられた水とを一緒にして単に「水」ということがある。

そして、ヒートポンプ給湯機Ｓは、タンク１６が水で満たされてから、貯湯運転行程を実施する。ヒートポンプ給湯機Ｓは、起動した圧縮機３が吐出するホットガスを水冷媒熱交換器４（凝縮器）の冷媒伝熱管２ａに送り込む。冷媒伝熱管２ａに送り込まれたホットガスは、水伝熱管２ｂ内の水に熱を放出することで凝縮する。そして、水伝熱管２ｂ内の水はホットガスで加熱される。次いで、水冷媒熱交換器４（凝縮器）の冷媒伝熱管２ａから送り出された冷媒は、減圧弁５（膨張弁）で減圧された後に、蒸発器６に流れ込む。そして、流れ込んだ冷媒は、送風機７から送り込まれた風によって蒸発する際に、水冷媒熱交換器４を介して外気から熱を汲み上げる。その後、冷媒は、圧縮機３に戻って再び圧縮される。

その一方で、タンク１６に満たされた水は、循環ポンプ１３が起動することで、供給配管３５を介して水冷媒熱交換器４の水伝熱管２ｂ内に送り込まれる。そして、送り込まれた水は、前記したように、冷媒との熱交換で加熱されて湯となって、送出配管３６に流れ込む。送出配管３６に流れ込んだ湯は、タンク１６に戻って貯蔵される。このようにタンク１６と水冷媒熱交換器４との間で水が循環する間に、ヒートポンプ給湯機Ｓは、タンク１６内に所定の温度で所定の湯量を確保する。

そして、ヒートポンプ給湯機Ｓの制御部５０は、圧縮機３、循環ポンプ１３、及び減圧弁５を次のよう制御する。制御部５０は、圧縮機３の回転速度を温度センサ１２で検出される水冷媒熱交換器４の水出口温度に基づいて制御する。具体的には、制御部５０は、温度センサ１２で検出される温度が、予め設定された水出口温度の目標値となるように、圧縮機３の回転速度を制御する。つまり、目標値に対して温度センサ１２の検出温度（計測値）が低い場合には圧縮機３の回転速度を速め、これとは逆に検出温度（計測値）が高い場合には圧縮機３の回転速度を遅くする。

また、制御部５０は、循環ポンプ１３が水冷媒熱交換器４の水伝熱管２ｂに送り込む水の量を、予め求めた圧縮機３の目標回転速度に基づいて制御する。具体的には、圧縮機３の目標回転速度に対して実回転速度が遅い場合には、水伝熱管２ｂに送り込まれる水の量が増えるように循環ポンプ１３を制御し、これとは逆に圧縮機３の実回転速度が速い場合には、水伝熱管２ｂに送り込まれる水の量が減るように循環ポンプ１３を制御する。

なお、前記した圧縮機３の目標回転速度は、制御部５０が、前記した水冷媒熱交換器４の水出口温度の目標値のほか、ヒートポンプユニット１の目標加熱能力（出力）、温度センサ１４の検出温度（外気温度）、及び温度センサ１１の検出温度（水冷媒熱交換器４の水伝熱管２ｂに送り込まれる水の温度）に基づいて設定することもできる。圧縮機３の目標回転速度の具体例としては、例えば、前記したように、高温貯湯（例えば、９０℃）を行う場合には、３０００〜４０００回転／分の範囲で設定され、通常の貯湯温度（例えば、６５℃）で運転する場合は、１０００〜２０００回転／分の範囲で設定されるが、これに限定されるものではない。

また、制御部５０は、圧縮機吐出温度が制御部５０によって予め算出された目標値となるように、減圧弁５を開閉する。具体的には、温度センサ９の検出温度が目標温度よりも高いときには減圧弁５を開き、低いときには減圧弁５を閉じる。この目標温度は、制御部５０が、前記した水冷媒熱交換器４の水出口温度の目標値のほか、ヒートポンプユニット１の目標加熱能力（出力）、温度センサ１４の検出温度（外気温度）、及び温度センサ１１の検出温度（水冷媒熱交換器４の水伝熱管２ｂに送り込まれる水の温度）に基づいて算出し、設定することもできる。この設定値は、ヒートポンプユニット１が最大の成績係数となるように設定するが、この限りではない。

次に、図２を用いて、制御部５０による冷媒漏洩の検出方法を説明する。制御部５０は、電源電流や圧縮機３の回転トルクが基準値以下であることを検知し、かつ、これが所定時間継続したときに、冷媒漏洩が発生したと判断し、ヒートポンプユニットの運転を停止する。図２のフローチャートを用いてこの詳細を説明する。なお、図２では、検出した電源電流と基準電源電流の比較から冷媒漏洩を検出する例を示すが、検出した回転トルクと基準回転トルクの比較から冷媒漏洩を検出しても良い。

（ステップＳ１）ヒートポンプユニット１が起動すると、制御部５０は、外気温度、相対湿度、入水温度、目標出湯温度、圧縮機回転数のいずれか１つ以上に基づき、基準電源電流Ｉを算出する。

ここで、図３を用いて基準電源電流Ｉを説明する。一般的に圧縮機回転数とそれに対応する電源電流は比例関係にあるが、冷媒の漏洩がない場合であっても、冷凍サイクルの運転負荷（縦軸に示す電源電流及び回転トルク）と圧縮機回転数の関係は、製品のばらつきと負荷変動によって、図３のａ〜ｅに示すように変化する。製品のばらつきによる運転負荷のばらつきはｂ〜ｄに例示するように、一般的に５％程度である。また、負荷変動は、入水温度や外気温度、相対湿度などの変化により発生し、例えば、外気温度が低下すると、圧縮機３の入口圧力が低下するため、圧縮機３を動作させるために必要な電源電流は増大する。また、入水温度、目標出湯温度が増加しても、圧縮機吐出圧力が増加するため、圧縮機３を動作させるために必要な電源電流は増大する。そこで、本実施例では、図３に示すように、これらのばらつき負荷変動（ａ〜ｅ）の下限値よりも小さい値に基準電源電流Ｉを設定する。なお、図２のフローチャートには含めていないが、Ｓ１のあとに動作が安定しているかを判断するステップが入ってもよい。例えば、圧縮機３の回転数が目標回転数に近い値（例えば５％以内）であるか、あるいは圧縮機吐出温度が目標温度に近い値（例えば±１℃）であるかを確認し、近い値であるとき、次のステップに進む。

（ステップＳ２）次に、制御部５０は、現在の電源電流が基準電源電流以下でないか判定する。基準電源電流より大きいときには、異常なしと判断し、ステップＳ３に進む。一方、基準電源電流以下であるときには、異常の可能性ありと判断し、ステップＳ４に進む。

（ステップＳ３）ステップＳ３では、セットされたタイマーを解除し、すなわち、冷媒漏洩の可能性がないと判断し、ステップ１に戻る。

（ステップＳ４）冷媒漏洩の可能性があると判断されたステップＳ４では、制御部５０は、冷媒漏洩の判定時間に相当するタイマーが設定されているか確認する。タイマーがセットされていない場合、Ｓ５に進みタイマーを設定する。一方、タイマーがセットされている場合Ｓ７に進む。なお、検出した電源電流が基準電源電流以下であるときに直ちに運転を停止しないのは、何らかの事情で一瞬だけ異常な電流値を検出したときに直ちに運転を停止してしまう不具合を回避するためである。

（ステップＳ５、Ｓ６）ステップ５ではタイマーの時間Ｔを算出する。Ｔは予め制御部５０に記録された値、あるいは制御部５０で算出された値である。例えば、冷媒が完全に漏洩していることを検知する場合は、圧縮機３のモータ温度が過上昇し、冷凍機油と空気の混合により発生する火災などの被害が発生する前に運転を停止するために実験的に求められた時間Ｔ１である。また、冷媒がある程度含まれている場合は、冷媒漏れにより加熱能力が不足しており、製品が不良であることを検知するための時間Ｔ２である。制御部５０はＴ１とＴ２に対応する基準電源電流値を２つ記録あるいは算出しても良い。次に、ステップ６ではタイマーを開始し、ステップＳ８に進む。なお、本実施例では、冷凍サイクルの公称冷媒使用量に対して実際の冷媒使用量を０％から１００％まで段階的に変えたときに、圧縮機３のモータ温度が所定の温度以上になる時間を規定の判定時間として採用している。

（ステップＳ７）ステップＳ４でタイマーがセットされている場合、ステップＳ７に進む。ステップＳ７ではタイマーを減らす。

（ステップＳ８）ステップＳ８では、タイマーが０秒になったかどうか判断する。冷媒漏洩の可能性のある状態が所定時間継続し、タイマーが０となったときにはステップ９に進み、運転を停止する。タイマーが０以外のときはステップ１に戻る。

（ステップＳ９）ステップ９では、運転停止ではなく運転リトライでも良いが、リトライ動作が複数回（例えば４回）確認される場合は、危険を防止する観点から運転停止を行う。

以上のように本実施例のヒートポンプ給湯機Ｓにおいては、ステップＳ１からステップＳ９の動作を実施することで、電源電流あるいはトルクを観測することで冷媒漏洩の可能性を見いだし、これが所定時間継続したときに、冷媒漏洩を検知することができる。

なお、図２では、タイマーを用いる例を示したが、タイマーに代え、カウンタを用いる構成としても同様の効果を得ることができる。

１ ヒートポンプユニット
２ 貯湯ユニット
２ａ 冷媒伝熱管
２ｂ 水伝熱管
３ 圧縮機
４ 水冷媒熱交換器（凝縮機）
５ 減圧弁
６ 蒸発器
７ 送風機
９、１０、１１、１２、１４ 温度センサ
１３ 循環ポンプ
１６ タンク
３６ 送出配管
３８ａ 給水配管
３８ｂ 給湯配管
３８ｃ 分岐配管
５０ 制御部
Ｓ ヒートポンプ給湯機

Claims (5)

1. 吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、該圧縮機から吐出される高温高圧の冷媒と水との熱交換を行う水冷媒熱交換器と、該熱交換器から流出する冷媒を減圧する減圧弁と、該減圧弁から流出する冷媒と空気の熱交換を行う蒸発器とを備えたヒートポンプ式の冷凍サイクルと、
   電源電流または前記圧縮機のトルクを検出する制御部を備え、
   該制御部は、基準電源電流値以下の電源電圧を所定の時間継続して検出した場合、あるいは、基準トルク以下のトルクを所定の時間継続して検出した場合に、前記冷凍サイクルの運転を停止することを特徴としたヒートポンプ式給湯機。
2. 請求項１に記載のヒートポンプ式給湯機において、
   前記基準電源電流は、外気温度、相対湿度、圧縮機回転数、前記水冷媒熱交換器に流入する水の温度である入水温度、前記水冷媒熱交換器から流出する水の温度の目標値である目標出湯温度のうち、少なくとも１つ以上に基づいて設定することを特徴としたヒートポンプ式給湯機。
3. 請求項１に記載のヒートポンプ式給湯機において、
   前記基準トルクは、外気温度、相対湿度、圧縮機回転数、前記水冷媒熱交換器に流入する水の温度である入水温度、前記水冷媒熱交換器から流出する水の温度の目標値である目標出湯温度のうち、少なくとも１つ以上に基づいて算出することを特徴としたヒートポンプ式給湯機。
4. 請求項１に記載のヒートポンプ式給湯機において、
   前記所定の時間は、外気温度、相対湿度、圧縮機回転数、前記水冷媒熱交換器に流入する水の温度である入水温度、前記水冷媒熱交換器から流出する水の温度の目標値である目標出湯温度のうち、少なくとも１つ以上に基づいて算出することを特徴としたヒートポンプ式給湯機。
5. 請求項１に記載のヒートポンプ式給湯機において、
   前記所定の時間は、冷凍サイクルの公称冷媒使用量に対して実際の冷媒使用量を０％から１００％まで段階的に変えたときに、前記圧縮機のモータ温度が所定の温度以上になる時間であることを特徴としたヒートポンプ式給湯機。

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