JP2017166761A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の耐久性を向上させた除霜運転を実行するヒートポンプ給湯機を提供すること。
【解決手段】蒸発器６の着霜を溶かす除霜運転を実行する場合には、圧縮機１、四方弁２、蒸発器６、減圧装置５、放熱器４、前記四方弁２の順に冷媒が流れるように冷媒回路が構成される第１除霜運転か、あるいは、圧縮機１、四方弁２、放熱器４、減圧装置５、蒸発器６、前記四方弁２の順に冷媒が流れるように冷媒回路が構成される第２除霜運転のうち、いずれかの除霜運転を実行することを特徴とするヒートポンプ給湯機で、圧縮機の耐久性を向上させた除霜運転を実行するヒートポンプ給湯機を提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯機に関するものである。

従来、この種のヒートポンプ給湯機には、冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒の流路を切り換える四方弁、放熱器、前記冷媒を減圧する減圧装置、蒸発器から構成される冷媒回路と、放熱器により加熱された湯を貯湯するタンクと、制御装置とを備え、放熱器はタンクの外周に設けられており、タンク内の水を加熱する加熱運転を実行する場合には、冷媒回路は、圧縮機、四方弁、放熱器、減圧装置、蒸発器、四方弁の順に冷媒が流れるように構成されている（例えば、特許文献１参照）。

中国実用新案公告第２０１５４７９５５号明細書

ここで、前記従来の構成では、蒸発器の着霜を溶かす除霜運転を実行する場合には、圧縮機、四方弁、蒸発器、減圧装置、放熱器、四方弁の順に冷媒が流れるように、冷媒回路が構成される場合が多いが、その技術事項については記載されてはいない。

さらに、加熱運転時において、加熱された湯を貯湯するタンクの温度が上昇するに伴い、放熱器における放熱量が少なくなるため、放熱器の出口から減圧装置、蒸発器、四方弁を介して圧縮機の吸入側までの冷媒回路での冷媒の状態は、気液二層の状態において液冷媒が多い状態になる。

この気液二層の状態において液冷媒が多い状態で除霜運転を実行すると、四方弁が切り換わることにより、高圧側の冷媒と、低圧の冷媒が均圧状態になるため、前記液冷媒が圧縮機に吸入されることになり、圧縮機の耐久性を低下させるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、圧縮機の耐久性を向上させた除霜運転を実行するヒートポンプ給湯機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給湯機は、冷媒を圧縮する圧縮機、前記冷媒の流路を切り換える四方弁、放熱器、前記冷媒を減圧する減圧装置、蒸発器から構成される冷媒回路と、前記放熱器により加熱された湯を貯湯するタンクと、制御装置と、を備え、前記放熱器は前記タンクの外周に設けられており、前記タンク内の水を加熱する加熱運転を実行する場合には、前記圧縮機、前記四方弁、前記放熱器、前記減圧装置、前記蒸発器、前記四方弁の順に冷媒が流れるように前記冷媒回路が構成されるヒートポンプ給湯機において、前記蒸発器の着霜を溶かす除霜運転を実行する場合には、前記圧縮機、前記四方弁、前記蒸発器、前記減圧装置、前記放熱器、前記四方弁の順に冷媒が流れるように前記冷媒回路が構成される第１除霜運転か、あるいは、前記圧縮機、前記四方弁、前記放熱器、前記減圧装置、前記蒸発器、前記四方弁の順に冷媒が流れるように前記冷媒回路が構成される第２除霜運転のうち、前記制御装置は、いずれかの除霜運転を実行することを特徴とするヒートポンプ給湯機である。

これにより、加熱運転時の、放熱器の出口から減圧装置、蒸発器、四方弁を介して圧縮機の吸入側までの冷媒回路の冷媒の状態に応じて、除霜運転を選択するので、圧縮機の耐久性を向上させた除霜運転を実行するヒートポンプ給湯機を提供できる。

本発明によれば、圧縮機の耐久性を向上させた除霜運転を実行するヒートポンプ給湯機を提供できる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の概略構成図 同ヒートポンプ給湯機の除霜運転切り替えの制御フローチャートを示す図 同ヒートポンプ給湯機の第１除霜運転時の冷媒回路を示す図 同ヒートポンプ給湯機の第２除霜運転時の冷媒回路を示す図

第１の発明は、冷媒を圧縮する圧縮機、前記冷媒の流路を切り換える四方弁、放熱器、前記冷媒を減圧する減圧装置、蒸発器から構成される冷媒回路と、前記放熱器により加熱された湯を貯湯するタンクと、制御装置と、を備え、前記放熱器は前記タンクの外周に設けられており、前記タンク内の水を加熱する加熱運転を実行する場合には、前記圧縮機、前記四方弁、前記放熱器、前記減圧装置、前記蒸発器、前記四方弁の順に冷媒が流れるように前記冷媒回路が構成されるヒートポンプ給湯機において、前記蒸発器の着霜を溶かす除霜運転を実行する場合には、前記圧縮機、前記四方弁、前記蒸発器、前記減圧装置、前記放熱器、前記四方弁の順に冷媒が流れるように前記冷媒回路が構成される第１除霜運転か、あるいは、前記圧縮機、前記四方弁、前記放熱器、前記減圧装置、前記蒸発器、前記四方弁の順に冷媒が流れるように前記冷媒回路が構成される第２除霜運転のうち、前記制御装置は、いずれかの除霜運転を実行することを特徴とするヒートポンプ給湯機である。

これにより、加熱運転時の、放熱器の出口から減圧装置、蒸発器、四方弁を介して圧縮機の吸入側までの冷媒回路の冷媒の状態に応じて、除霜運転を選択するので、圧縮機の耐久性を向上させた除霜運転を実行するヒートポンプ給湯機を提供できる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記タンク内の湯温を検出するタンク温度センサを備え、前記タンクの温度が所定値以下の場合には、前記制御装置は、前記第１除霜運転を実行することを特徴とするものである。

これにより、加熱運転時の、放熱器の出口から減圧装置、蒸発器、四方弁を介して圧縮機の吸入側までの冷媒回路での気液二層の状態において液冷媒が比較的少ない、すなわち、タンクの温度が比較的上昇していない状態においては、除霜運転時に、圧縮機から吐出された高温冷媒が、四方弁を介して、直接、蒸発器に流入するので、液冷媒の圧縮機への吸入を抑制でき、かつ、圧縮機から吐出された高温の冷媒が、放熱することなく蒸発器へと流すことができるので、着霜状態を解消でき、圧縮機の耐久性も向上させた除霜運転を実行するヒートポンプ給湯機を提供できる。

第３の発明は、特に第１の発明において、前記タンク内の湯温を検出するタンク温度センサを備え、前記タンクの温度が所定値より高い場合には、前記制御装置は、前記第２除霜運転を実行することを特徴とするものである。

加熱運転時の、放熱器の出口から減圧装置、蒸発器、四方弁を介して圧縮機の吸入側までの冷媒回路での気液二層の状態において液冷媒が多い、すなわち、タンクの温度が上昇した状態において、除霜運転を実行した場合でも、除霜運転時に、液冷媒の圧縮機への吸
入を防止でき、圧縮機の耐久性を向上させた除霜運転を実行するヒートポンプ給湯機を提供できる。

第４の発明は、特に、第２または第３の発明において、外気温度を検出する外気温度センサを備え、前記第１除霜運転を実行するか、あるいは、前記第２除霜運転を実行するかを決定する前記所定値は、前記外気温度が高い場合より低い場合の方が、低い値であることを特徴とするものである。

これにより、外気温度が低い、すなわち、加熱運転時の、放熱器の出口から減圧装置、蒸発器、四方弁を介して圧縮機の吸入側までの冷媒回路の液冷媒が多い場合に、第１除霜運転を実行するか、あるいは、第２除霜運転を実行するかを決定するタンクの温度を高くすることで、より、除霜運転を実行した場合でも、液冷媒の圧縮機への吸入を抑制でき、圧縮機の耐久性を向上させた除霜運転を実行するヒートポンプ給湯機を提供できる。

第５の発明は、特に、第２または第３の発明において、外気温度を検出する外気温度センサを備え、前記外気温度が高い場合より低い場合の方が、前記圧縮機の運転周波数は高いことを特徴とするものである。

これにより、外気温度が低いときに、圧縮機から吐出される冷媒の循環量を増加させることにより、除霜効果を早められ、除霜運転時間を短縮できる。

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、この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、本実施の形態におけるヒートポンプ給湯機の概略構成図である。図１に示すように、ヒートポンプ給湯機は、貯湯タンクユニット８０と、ヒートポンプ装置９０を備えている。

貯湯タンクユニット８０には、湯や水を蓄えるタンク３が配置されている。タンク３の下部には、水道管等から水が給水される給水配管（図示せず）が接続されている。

また、タンク３の上部には、タンク３内の湯を給湯させるための給湯配管（図示せず）が接続されている。

タンク３内の湯が給湯に使用されて減少すると、給水配管を介して、タンク３に水が給水配管より、自動的に給水される。

タンク３には、タンク３内の湯の温度（貯湯温度）を検出する第１温度センサ（タンク温度センサ７）が設けられている。本実施の形態において、タンク温度センサ７は、タンク３の高さ方向に、複数のセンサを配置して構成されている。

タンク３には、タンク３の水を加熱するための放熱器４である冷媒管が、タンク３の外周に巻き付けられている。

そじて、圧縮機１から吐出されて高温の冷媒と、タンク３内の水による熱交換が行われ、高温の湯が生成される。なお、後術する加熱運転時には、高温の冷媒は、タンク３の外周を下方から上方に向かって流れる構成である。

ヒートポンプ装置９０には、冷媒を圧縮する圧縮機１、四方弁２、冷媒を減圧する減圧
装置５である膨張機構、冷媒を蒸発させる蒸発器６が、冷媒配管で環状に接続されている冷媒回路を備えている。

減圧装置５としては、開度の変更が可能な電磁膨張弁、キャピラリーチューブを用いることができる。

蒸発器６は、その近傍に設けられた送風ファン（図示せず）によって送風された空気と冷媒とを熱交換させる空気熱交換器である。冷媒回路を循環する冷媒には、Ｒ４１０Ａ、Ｒ１３４ａ、Ｒ２２、Ｒ３２等のフロン系冷媒や、その他の冷媒が用いられる。ヒートポンプ装置は、室外に配置される。

ヒートポンプ装置９０の内部には、蒸発器６の近傍に、外気温度を検出する第２温度センサ（外気温度センサ９）が設けられている。また、ヒートポンプ装置９０の内部には、蒸発器６または蒸発器６の近傍で蒸発器６に接続された冷媒配管の温度を検出する第３温度センサ（蒸発器温度センサ８）が設けられている。

各温度センサで検出された温度の出力信号は、制御装置１０に送られる。制御装置１０によって、複数の運転が実行される。複数の運転には、タンク３の水を放熱器４によって加熱する加熱運転を含む。また、複数の運転には、蒸発器６に霜が付着した場合にその霜を融解させて除去する除霜運転を含む。

制御装置１０は、操作手段（図示せず）及び各温度センサで検出された温度に基づいて、複数の運転を実行及び停止する。また、制御装置１０は、各温度センサで検出された温度に基づいて、圧縮機１や減圧装置５の動作や運転を制御する。

なお、操作手段（図示せず）は、使用者が加熱運転の実行及び停止を指示する機能、及び、タンク３に貯湯する湯の温度（設定温度）を設定する機能を有する。

制御装置は、加熱運転において、放熱器４にて加熱されるタンク３内の水の温度が、設定温度となるようにヒートポンプ装置９０を制御する。

以下、本実施の形態におけるヒートポンプ給湯機の加熱運転について説明する。なお、ヒートポンプ装置９０において、冷媒は、図１に示す矢印の方向で流れている。

ヒートポンプ装置９０において、圧縮機１によって圧縮され、吐出された高温高圧の冷媒は、四方弁２を流れ、放熱器４に流入して、タンク３の外周を下方から上方に向かって流れ、タンク３の水を加熱する。これにより、高温の湯が生成される。

放熱器４から流出した冷媒は、減圧装置５によって減圧され低温低圧の状態となり、蒸発器６に流入する。蒸発器６に流入した冷媒は、送風ファン（図示せず）によって送風された空気から吸熱して蒸発する。その後、再度、圧縮機１に流入して圧縮される。このような動作が繰り返され、冷媒が冷媒回路を循環する。

なお、制御装置１０は、圧縮機１から吐出された冷媒の温度が所定温度となるように、ヒートポンプ装置９０を制御している。

そして、加熱運転は、制御装置１０が、タンク温度センサ７の検出温度が所定温度（加熱開始温度）未満となった場合を検出して開始させ、タンク温度センサ７の検出温度が所定温度（加熱停止温度）以上になった場合を検出して、加熱運転を停止させてもよい。

このとき、相対的に上方に設けられたタンク温度センサ７の検出温度が、加熱開始温度未満となった場合に加熱運転を開始させ、相対的に下方に設けられたタンク温度センサ７の検出温度が加熱停止温度以上になった場合に、加熱運転を停止させることが好ましい。

次に、以下、本実施の形態におけるヒートポンプ給湯機の除霜運転について説明する。

図２は、除霜運転切り替えの制御フローチャートを示す図である。図３は、第１除霜運転時の冷媒回路を示す図であり、図４は、第２除霜運転時の冷媒回路を示す図である。なお、ヒートポンプ装置９０において、冷媒は、図３、図４に示す矢印の方向で流れている。

外気温度が低い運転条件で加熱運転を行うと、低温低圧の冷媒が流れる蒸発器６の周囲の水分が冷やされ、蒸発器６の表面に着霜する場合がある。制御装置１０は、蒸発器６への着霜条件であることを、蒸発器温度センサ８が所定温度以下にあることで判断すると、霜を融解させて除去する除霜運転を実行する。

図２において、加熱運転中に制御装置により、除霜運転可否の判断を行う（ＳＴＥＰ１）。除霜運転が不必要であれば、継続して加熱運転を行う。除霜運転が必要だと判断されたら、制御装置１０により指示を送る。

そして、除霜運転を開始する場合には、まず、タンク３内の湯の温度をタンク温度センサ７により検出する。これにより、除霜運転を開始するときに、前記放熱器４から蒸発器６までの冷媒回路の冷媒状態が、気液二層の状態において液冷媒が多い状態かをタンク温度センサ７の検出値により判断する。（ＳＴＥＰ２）
タンク温度センサ７の検出値が所定値以下であれば、第１除霜運転を実行する。また、タンク温度センサ７の検出値が前記所定値より高い値であれば、第２除霜運転を実行する。そして、除霜運転終了後は、加熱運転へと移行する。

なお、前記所定値を、制御装置１０が、外気温度センサ９にて検出された外気温度が高いときより低いときの方を、低い値に変更することで、液冷媒がより多い低外気温の場合でも、液冷媒の圧縮機への吸入を抑制できる。

なお、第１除霜運転とは、図３に示すように、圧縮機１、四方弁２、蒸発器６、減圧装置５、放熱器４、前記四方弁２の順に冷媒が流れるような冷媒回路を構成するものである。これにより、圧縮機から吐出された高温の冷媒が、放熱することなく蒸発器へと流すことが可能となり、着霜状態を解消することができる。

また、第２除霜運転とは、図４に示すように、圧縮機１、四方弁２、放熱器４、減圧装置５、蒸発器６、前記四方弁２の順に冷媒が流れるような冷媒回路を構成するものである。

なお、第１除霜運転および第２除霜運転において、制御装置１０が、外気温度センサ９にて検出された外気温度が、高いときより低いときの方を、圧縮機１の運転周波数を高くすることで、外気温度が低いときに、圧縮機１から吐出される冷媒の循環量を増加させることにより、除霜効果を早められ、除霜運転時間を短縮できる。

第２除霜運転は、蒸発器６が蒸発器温度センサ８の検出温度により、着霜状態と判断されたら、制御装置１０より、除霜運転の信号を送る。その後、圧縮機１、四方弁２、放熱器４、減圧装置５、蒸発器６、前記四方弁２の順に構成していた冷媒回路を継続させたまま、低温低圧状態の冷媒を高温高圧状態の冷媒へと変えるように、減圧装置５を調整する
。

これにより、加熱運転時の蒸発器６に流入する冷媒を、高温状態で流入することが可能となり、着霜状態の解消を行うことができる。なお、減圧装置５で調整を行う際は、できる限りその開度を大きくするほうが好ましい。

なお、加熱運転が行われ、タンク３の水の加熱が行われ、その温度が上昇していくと、放熱器４や、減圧装置５や、蒸発器６までの冷媒回路において、冷媒の状態が気液二層流の状態から液冷媒が多くなる状態へと変化していく。

この、液冷媒の状態が多くなった状態で、前記第１除霜運転が行われると、高圧状態の冷媒が、低圧状態の冷媒へと流れ込み均圧が行われ、液冷媒が圧縮機１へと吸入される。

以上のような現象により、圧縮機１が動作する際に液ガミを起こす可能性が高くなり、圧縮機１の停止や圧縮機１の耐久性が低下する可能性が生じる。

ここで、冷媒の状態が気液二層流の状態から液冷媒が多い場合には、前記第２除霜運転を行うことで、液冷媒が圧縮機１へと吸入されるのを防止できる。

以上より、加熱運転時の、放熱器４の出口から減圧装置５、蒸発器６、四方弁２を介して圧縮機１の吸入側までの冷媒回路の冷媒の状態、すなわち、タンクの湯の温度に応じて、除霜運転を選択するので、圧縮機の耐久性を向上させた除霜運転を実行するヒートポンプ給湯機を提供できる。

以上のように、本発明のヒートポンプ給湯機は、圧縮機の耐久性を向上させた除霜運転を実行できるので、家庭用に限らず業務用のヒートポンプ給湯機等にも有用である。

１ 圧縮機
２ 四方弁
３ タンク
４ 放熱器
５ 減圧装置
６ 蒸発器
７ タンク温度センサ
８ 蒸発器温度センサ
９ 外気温度センサ
１０ 制御装置
８０ 貯湯タンクユニット
９０ ヒートポンプ装置

Claims (5)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機、前記冷媒の流路を切り換える四方弁、放熱器、前記冷媒を減圧する減圧装置、蒸発器から構成される冷媒回路と、
   前記放熱器により加熱された湯を貯湯するタンクと、
   制御装置と、
   を備え、
   前記放熱器は前記タンクの外周に設けられており、
   前記タンク内の水を加熱する加熱運転を実行する場合には、前記圧縮機、前記四方弁、前記放熱器、前記減圧装置、前記蒸発器、前記四方弁の順に冷媒が流れるように前記冷媒回路が構成されるヒートポンプ給湯機において、
   前記蒸発器の着霜を溶かす除霜運転を実行する場合には、
   前記圧縮機、前記四方弁、前記蒸発器、前記減圧装置、前記放熱器、前記四方弁の順に冷媒が流れるように前記冷媒回路が構成される第１除霜運転か、
   あるいは、
   前記圧縮機、前記四方弁、前記放熱器、前記減圧装置、前記蒸発器、前記四方弁の順に冷媒が流れるように前記冷媒回路が構成される第２除霜運転のうち、
   前記制御装置は、いずれかの除霜運転を実行することを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 前記タンク内の湯温を検出するタンク温度センサを備え、前記タンクの温度が所定値以下の場合には、前記制御装置は、前記第１除霜運転を実行することを特徴とする前記請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
3. 前記タンク内の湯温を検出するタンク温度センサを備え、前記タンクの温度が所定値より高い場合には、前記制御装置は、前記第２除霜運転を実行することを特徴とする前記請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
4. 外気温度を検出する外気温度センサを備え、前記第１除霜運転を実行するか、あるいは、前記第２除霜運転を実行するかを決定する前記所定値は、前記外気温度が高い場合より低い場合の方が、低い値であることを特徴とする前記請求項２または３に記載のヒートポンプ給湯機。
5. 外気温度を検出する外気温度センサを備え、前記外気温度が高い場合より低い場合の方が、前記圧縮機の運転周波数は高いことを特徴とする前記請求項２または３に記載のヒートポンプ給湯機。
   

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