JP2017223392A - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ヒートポンプ回路の立ち上がり特性を高く保ちつつ、蒸発器における液体凍結を抑制することができるヒートポンプ式給湯装置を提供する。【解決手段】ヒートポンプ式給湯装置2は、ヒートポンプ回路21の1次運転を停止した後の2次運転において、1次運転中における減圧弁37の初期開度、減圧弁37の絞り速度、及びコンプレッサ35の回転数の増速速度に対して、1次運転中の熱源温度に基づいて、2次運転中における減圧弁37の初期開度、減圧弁37の絞り速度、及びコンプレッサ35の回転数の増速速度の少なくとも1つを変更する。【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。
地中熱と熱交換を行う不凍液を循環させる熱源側循環回路と、蒸発器として機能する熱源側熱交換器を含むヒートポンプ回路とを備えるヒートポンプ給湯器の一例として、下記特許文献1に記載のものが知られている。下記特許文献1では、熱源側循環回路を循環する不凍液の凍結を防止するため、熱源側循環回路に設けられた循環ポンプの駆動制御と、ヒートポンプ回路に設けられた減圧弁の開度制御とを組み合わせて実行している。
ところで、熱源が不凍液や水である場合に限らず、空気を熱源とする場合も水分を含んでいることから、蒸発器として機能する熱源側熱交換器において液体の凍結を回避することが求められる。一方、ヒートポンプ回路の起動時においては、立ち上がり速度を高めることが好ましいものの、立ち上がり速度を高めると、吐出圧力が急上昇し、吸入圧力のアンダーシュートが大きくなって、蒸発器における凍結が懸念される。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヒートポンプ回路の立ち上がり特性を高く保ちつつ、蒸発器における液体凍結を抑制することができるヒートポンプ式給湯装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明に係るヒートポンプ式給湯装置は、蒸発器(33)、コンプレッサ(35)、水冷媒熱交換器(36)、及び減圧弁(37)が設けられ、前記蒸発器において熱源と熱交換を行う冷媒を循環させるヒートポンプ回路(21)と、前記コンプレッサ及び前記減圧弁を制御して前記ヒートポンプ回路を運転する制御装置(40)と、を備え、前記熱源の温度を取得する温度センサ(34a,34b)が設けられている。前記制御装置は、前記ヒートポンプ回路の1次運転を停止した後の2次運転において、前記1次運転中における前記減圧弁の初期開度、前記減圧弁の絞り速度、及び前記コンプレッサの回転数の増速速度に対して、前記1次運転中の熱源温度に基づいて、前記2次運転中における前記減圧弁の初期開度、前記減圧弁の絞り速度、及び前記コンプレッサの回転数の増速速度の少なくとも1つを変更する。
本発明によれば、コンプレッサ及び減圧弁を制御し、ヒートポンプ回路を1次運転から2次運転と断続的に運転を行うにあたって、減圧弁の初期開度及び絞り速度並びにコンプレッサの回転数の増速速度の少なくとも1つを変更するので、1次運転時に把握した熱源温度に適した2次運転を実行することができる。
尚、「課題を解決するための手段」及び「特許請求の範囲」に記載した括弧内の符号は、後述する「発明を実施するための形態」との対応関係を示すものであって、「課題を解決するための手段」及び「特許請求の範囲」に記載の発明が、後述する「発明を実施するための形態」に限定されることを示すものではない。
本発明によれば、ヒートポンプ回路の立ち上がり特性を高く保ちつつ、蒸発器における液体凍結を抑制することができるヒートポンプ式給湯装置を提供することができる。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
図1に示されるように、本発明の実施形態であるヒートポンプ式給湯装置2は、熱源側循環回路20と、ヒートポンプ回路21と、給湯回路22と、を備えている。尚、本実施形態では負荷側回路として給湯回路22を例示しているが、負荷側回路としてはこれに限られるものではなく、例えば湯を用いた暖房回路を負荷側回路としてもよい。また、熱源側循環回路20を設けずに、空気を熱源とする構成としてもよい。
熱源側循環回路20は、地中熱交換器31と、循環ポンプ32と、を備えている。地中熱交換器31と循環ポンプ32とは、流路50によって繋がれている。流路50には、熱源冷媒としての水が流れている。
地中熱交換器31は、地中の比較的浅い箇所に埋設されている。地中熱交換器31内を通る水は、地中熱と熱交換して流出する。循環ポンプ32は、流路50内において水を循環させるためのポンプである。
ヒートポンプ回路21は、蒸発器33と、温度センサ34a、温度センサ34bと、と、コンプレッサ35と、水冷媒熱交換器36と、減圧弁37と、を備えている。蒸発器33と、コンプレッサ35と、水冷媒熱交換器36と、減圧弁37とは、流路51によって繋がれている。流路51には、冷媒としてCO2冷媒が流れている。冷媒としては、高圧が超臨界となる冷媒が用いられる。
温度センサ34aは、蒸発器33に流れ込む水の温度を計測できるように設けられている。温度センサ34bは、蒸発器33の温度を計測するように設けられている。
コンプレッサ35で圧縮され高温高圧となった冷媒は、水冷媒熱交換器36に流れる。コンプレッサ35において冷媒は、比エンタルピ及び圧力が上昇するように状態変化する。
水冷媒熱交換器36では、給湯回路22を流れる水と熱交換する。水冷媒熱交換器36は、凝縮器として機能している。水冷媒熱交換器36において冷媒は、圧力を維持しつつ比エンタルピが低下するように状態変化する。
水冷媒熱交換器36から流出する高圧冷媒は、減圧弁37に流れる。減圧弁37において冷媒は、比エンタルピを維持しつつ圧力が低下するように状態変化する。減圧弁37によって減圧された冷媒は、蒸発器33に流入する。
蒸発器33において冷媒は、熱源側循環回路20の流路50を流れる水と熱交換する。蒸発器33において冷媒は、圧力を維持しつつ比エンタルピが上昇するように状態変化する。
給湯回路22は、循環ポンプ38と、貯湯タンク39と、を備えている。循環ポンプ38と貯湯タンク39とは、流路52によって繋がれている。
循環ポンプ38が駆動されると、貯湯タンク39の下方に溜まっている水が流路52を通って水冷媒熱交換器36に送り込まれる。水冷媒熱交換器36に流れ込んだ水は、水冷媒熱交換器36においてヒートポンプ回路21を流れる高温冷媒と熱交換して高温の湯になり、貯湯タンク39に還流する。
貯湯タンク39からは、貯湯対象端末であるキッチン水栓や風呂水栓へ湯を供給できるように構成されている。貯湯タンク39から湯を供給することによって貯水量が減少すると、給水されるように構成されている。
図2に示されるように、ヒートポンプ式給湯装置2は、制御装置としてのECU40を備えている。ECU40には、温度センサ34a,34bが計測する水の温度が熱源温度として入力される。ECU40は、熱源温度に基づいて情報処理を実行し、コンプレッサ35にコンプレッサ回転数を指示する駆動信号を出力するとともに、減圧弁37に弁制御を指示する駆動信号を出力する。
続いて、図3、図4、図5を参照しながら、ECU40の動作について説明する。図3のステップS101からステップS108の説明においては適宜図4を参照し、図3のステップS109からステップS113の説明においては適宜図5を参照する。
ステップS101では、沸き上げ指示がONとなり、ECU40が沸き上げ準備に入る。ステップS101に続くステップS102では、ECU40が、減圧弁37の初期開度を決定する。一例として、本実施形態では、初期開度=初期値×初期開度係数^Cとして設定するものとする。初期開度係数は、1を超える値で設定される。Cは0以上の数値であって、図4(E)に示されるように本実施形態では0から開始するものとしている。
ステップS102に続くステップS103では、ECU40が、コンプレッサ35の増速速度を決定する。一例として、本実施形態では、増速速度=初期値×初期増速係数^Cとして設定する。初期増速係数は、1未満の値で設定される。Cは0以上の数値であって、図4(E)に示されるように本実施形態では0から開始するものとしている。
ステップS103に続くステップS104では、ECU40が沸き上げ運転を開始する。図4においては、時刻t1がステップS101の処理時刻に相当し、時刻t2がステップS104の処理時刻に相当する。図4(A)の時刻t1から時刻t3に示される減圧弁37の初期開度は、ステップS102で設定されたものである。図4(B)の時刻t2から時刻t3に示されるコンプレッサ35の増速速度であるグラフの傾きは、ステップS103で設定されたものである。
ステップS104に続くステップS105では、ECU40が、減圧弁37の駆動量を決定する。一例として、本実施形態では、駆動量=初期値×初期駆動係数^Cとして設定する。初期駆動係数は、1未満の値で設定される。Cは0以上の数値であって、図4(E)に示されるように本実施形態では0から開始するものとしている。
ステップS105に続くステップS106では、ECU40が減圧弁37を駆動する。図4(A)の時刻t3からt4に示される減圧弁37の絞りであるグラフの傾きは、ステップS106で設定されたものである。
ステップS106に続くステップS107では、ECU40が、温度センサ34aが検出する水の温度又は温度センサ34bが検出する蒸発器33の温度に基づいて、熱源温度を検出する。
図4(D)の時刻t2から時刻t4においては、ヒートポンプ回路21の立ち上げ運転に伴い加熱能力が上昇する。加熱能力の上昇に対して、図4(C)の時刻t2から時刻t4においては、熱源温度が下降する。
ステップS107に続くステップS108では、ECU40は、熱源温度が閾値温度A℃以下であるか否かを判断する。熱源温度が閾値温度A℃以下でなければステップS109の処理に進み、熱源温度が閾値温度A℃以下であればステップS111の処理に進む。
ステップS111では、ECU40がヒートポンプ回路21の運転を一旦停止する。具体的には、図4(B)の時刻t4から時刻t5に示されるように、コンプレッサ35の回転駆動を停止する。図4(A)の時刻t4から時刻t5に示されるように、減圧弁37の開度は保持される。図には明示されないが、循環ポンプ32の駆動は継続される。このため、図4(C)の時刻t4から時刻t5に示されるように、地中熱交換器31における熱交換が継続されて熱源温度は上昇する。
ステップS111に続くステップS112では、C=C+1としてCが加算される。図4(E)の時刻t4において、Cが増加する。ステップS111の処理が終了すると、ステップS102の処理に進む。図4の時刻t6以降に示されるように、Cが更新された状態でヒートポンプ回路21の運転が再開される。図4に示される例では、時刻t1から時刻t4が1次運転に相当し、時刻t5から時刻t8が2次運転に相当する。時刻t8以降に再び運転停止と運転再開が繰り返されることも想定されるが、運転の一旦停止を挟んで一対の運転状態がある場合に、時間的に前の運転を1次運転に相当し、時間的に後の運転を2次運転に相当する。
本実施形態では、運転再開後の減圧弁37の初期開度は、図4(A)の時刻t6から時刻t7に示されるように、1次運転の場合の初期開度よりも広げられる。また、運転再開後の減圧弁37の駆動量は、図4(A)の時刻t7から時刻t8に示されるように、1次運転の場合の駆動量よりも大きくなる。また、運転再開後のコンプレッサ35の増速速度は、図4(B)の時刻t6から時刻t7に示されるように、1次運転の場合の増速速度よりも増速補正される。
結果として、図4(D)の時刻t6から時刻t8に示されるように、加熱能力の上昇は1次運転の場合よりも緩やかになる。これに伴って、図4(C)の時刻t7から時刻t8に示されるように、熱源温度の低下も緩和され、熱源温度が閾値温度A℃を下回ることがなくなる。
ステップS109では、ECU40が沸き上げ指示のONが継続しているか判断する。沸き上げ指示のONが継続していれば、ステップS105の処理に戻る。沸き上げ指示のONが継続していなければステップS110の処理に進む。
ステップS110では、ECU40が熱源温度の最低値が閾値温度B℃以上であったか否かを判断する。熱源温度の最低値が閾値温度B℃以上でなければ処理を終了し、熱源温度の最低値が閾値温度B℃以上であればステップS113の処理に進む。この判断ブロックに達するためには、ステップS108において熱源温度が閾値温度A℃以下とならないことが条件であるから、閾値温度B℃は、閾値温度A℃よりも高く設定される。図5にこの状態を示す。図5(C)の時刻t1から時刻t5に示されるように、熱源温度は閾値温度B℃以上を維持し、沸き上げ運転が一旦終了している。
ステップS113では、C=C−1としてCが減算される。図5(E)の時刻t5において、Cが減少する。従って、時刻t6以降の2次運転においては、減圧弁37の初期開度が減少し、減圧弁37の絞り速度は増速し、コンプレッサ35の増速速度は増やされている。このため、時刻t8から時刻t9の間で、図5(C)に示されるようにアンダーシュートが発生しているが、熱源温度が高めであるので時刻t9以降においてアンダーシュートが解消されている。
上記したように本実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置は、蒸発器33、コンプレッサ35、水冷媒熱交換器36、及び減圧弁37が設けられ、蒸発器33において熱源と熱交換を行う冷媒を循環させるヒートポンプ回路21と、コンプレッサ35及び減圧弁37を制御してヒートポンプ回路21を運転する制御装置としてのECU40と、を備え、熱源の温度を取得する温度センサ34a,34bが設けられている。ECU40は、ヒートポンプ回路21の1次運転を停止した後の2次運転において、1次運転中における減圧弁37の初期開度、減圧弁37の絞り速度、及びコンプレッサ35の回転数の増速速度に対して、1次運転中の熱源温度に基づいて、2次運転中における減圧弁37の初期開度、減圧弁37の絞り速度、及びコンプレッサ35の回転数の増速速度の少なくとも1つを変更する。
本実施形態によれば、コンプレッサ35及び減圧弁37を制御し、ヒートポンプ回路21を1次運転から2次運転と断続的に運転を行うにあたって、減圧弁37の初期開度及び絞り速度並びにコンプレッサ35の回転数の増速速度の少なくとも1つを変更するので、1次運転時に把握した熱源温度に適した2次運転を実行することができる。
また本実施形態において、ECU40は、ヒートポンプ回路21の1次運転中に、温度センサ34a,34bが計測した熱源温度が下側閾値温度である閾値温度A℃以下となると、1次運転を停止する(図4参照)。このような熱源温度低下に起因する1次運転停止後の2次運転において、1次運転中における減圧弁37の初期開度、減圧弁37の絞り速度、及びコンプレッサ35の回転数の増速速度に対して、2次運転中における減圧弁37の初期開度の増大補正、減圧弁37の絞り速度の減速補正、及びコンプレッサ35の回転数の増速速度の減速補正の少なくとも1つの補正を実行する。熱源温度低下に起因する1次運転停止後の2次運転において、ヒートポンプ回路21の加熱能力の立ち上がり特性が緩やかになるように制御するので、蒸発器33における水分凍結を抑制することができる。
また本実施形態において、ECU40は、熱源温度低下に起因する1次運転停止後の2次運転中に、温度センサ34a,34bが計測した熱源温度が下側閾値温度である閾値温度A℃以下となると、2次運転を停止する。図3のステップS108からステップS111,ステップS112において説明したように、熱源温度低下に起因する2次運転停止後の再度の2次運転が起動する毎に、乗数Cを加算することで、減圧弁37の初期開度の増大補正、減圧弁37の絞り速度の減速補正、及びコンプレッサ35の回転数の増速速度の減速補正の少なくとも1つの補正を段階的に実行している。熱源温度低下に起因する1次運転停止後の2次運転において更に熱源温度の低下が続いた場合に、ヒートポンプ回路21の加熱能力の立ち上がり特性がより緩やかになるように制御するので、蒸発器33における水分凍結を確実に抑制することができる。
また本実施形態においては図5を参照しながら説明したように、ECU40は、1次運転中における熱源温度の最低値が上側閾値温度である閾値温度B℃以上となった場合に、1次運転停止後の2次運転において、1次運転中における減圧弁37の初期開度、減圧弁37の絞り速度、及びコンプレッサ35の回転数の増速速度に対して、2次運転中における減圧弁37の初期開度の減少補正、減圧弁37の絞り速度の増速補正、及びコンプレッサ35の回転数の増速速度の増速補正の少なくとも1つの補正を実行する。熱源温度低下によるものではない1次運転停止後の2次運転において、ヒートポンプ回路21の加熱能力の立ち上がり特性が急峻になるように制御するので、蒸発器33における水分凍結が懸念されない場合のヒートポンプ回路21の立ち上がり特性を高めることができる。
また本実施形態においては、地中熱交換器31において地中熱と熱交換を行う熱源冷媒を循環ポンプ32によって循環させる熱源側循環回路20を備えている。ECU40は、1次運転停止後から2次運転開始までの間に、コンプレッサ35の停止状態を維持し、循環ポンプ32を駆動する。ヒートポンプ回路21の運転が停止している間も熱源側循環回路20における熱源冷媒の循環を継続することで、地中熱交換器31における熱交換を継続することができ、熱源冷媒の凍結を抑制することができる。
また本実施形態においては、温度センサ34aは、熱源である熱源冷媒の温度を直接計測しており、温度センサ34bは、蒸発器33の温度を計測している。ECU40は、温度センサ34aから出力される温度によっても、温度センサ34bから出力される温度によっても、熱源冷媒の温度を取得することができる。従って、温度センサ34a,34bは、熱源の温度を直接計測して熱源の温度を取得するか及び蒸発器33の温度を計測して熱源の温度を取得するかの少なくとも一方であれば足り、いずれにしてもECU40は熱源の温度を取得することができる。
また本実施形態においては、温度センサ34aは、熱源である熱源冷媒の温度を直接計測しており、温度センサ34bは、蒸発器33の温度を計測している。ECU40は、温度センサ34aから出力される温度によっても、温度センサ34bから出力される温度によっても、熱源冷媒の温度を取得することができる。従って、温度センサ34a,34bは、熱源の温度を直接計測して熱源の温度を取得するか及び蒸発器33の温度を計測して熱源の温度を取得するかの少なくとも一方であれば足り、いずれにしてもECU40は熱源の温度を取得することができる。
また本実施形態では、熱源冷媒は水又は不凍液である。また本実施形態では、ヒートポンプ回路21を循環する冷媒は高圧が超臨界となる冷媒であって、一例としてCO2冷媒である。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。
2:ヒートポンプ式給湯装置
21:ヒートポンプ回路
33:蒸発器
34a,34b:温度センサ
35:コンプレッサ
36:水冷媒熱交換器
37:減圧弁
40:ECU
21:ヒートポンプ回路
33:蒸発器
34a,34b:温度センサ
35:コンプレッサ
36:水冷媒熱交換器
37:減圧弁
40:ECU
Claims (8)
- ヒートポンプ式給湯装置であって、
蒸発器(33)、コンプレッサ(35)、水冷媒熱交換器(36)、及び減圧弁(37)が設けられ、前記蒸発器において熱源と熱交換を行う冷媒を循環させるヒートポンプ回路(21)と、
前記コンプレッサ及び前記減圧弁を制御して前記ヒートポンプ回路を運転する制御装置(40)と、を備え、
前記熱源の温度を取得する温度センサ(34a,34b)が設けられており、
前記制御装置は、前記ヒートポンプ回路の1次運転を停止した後の2次運転において、前記1次運転中における前記減圧弁の初期開度、前記減圧弁の絞り速度、及び前記コンプレッサの回転数の増速速度に対して、前記1次運転中の熱源温度に基づいて、前記2次運転中における前記減圧弁の初期開度、前記減圧弁の絞り速度、及び前記コンプレッサの回転数の増速速度の少なくとも1つを変更する、ヒートポンプ式給湯装置。 - 請求項1に記載のヒートポンプ式給湯装置であって、
前記制御装置は、
前記ヒートポンプ回路の1次運転中に、前記温度センサが計測した熱源温度が下側閾値温度以下となると、1次運転を停止し、
熱源温度低下に起因する1次運転停止後の2次運転において、前記1次運転中における前記減圧弁の初期開度、前記減圧弁の絞り速度、及び前記コンプレッサの回転数の増速速度に対して、前記2次運転中における前記減圧弁の初期開度の増大補正、前記減圧弁の絞り速度の減速補正、及び前記コンプレッサの回転数の増速速度の減速補正の少なくとも1つの補正を実行する、ヒートポンプ式給湯装置。 - 請求項2に記載のヒートポンプ式給湯装置であって、
前記制御装置は、
熱源温度低下に起因する1次運転停止後の2次運転中に、前記温度センサが計測した熱源温度が下側閾値温度以下となると、2次運転を停止し、
熱源温度低下に起因する2次運転停止後の再度の2次運転が起動する毎に、前記減圧弁の初期開度の増大補正、前記減圧弁の絞り速度の減速補正、及び前記コンプレッサの回転数の増速速度の減速補正の少なくとも1つの補正を段階的に実行する、ヒートポンプ式給湯装置。 - 請求項1に記載のヒートポンプ式給湯装置であって、
前記制御装置は、
1次運転中における熱源温度の最低値が上側閾値温度以上となった場合に、1次運転停止後の2次運転において、前記1次運転中における前記減圧弁の初期開度、前記減圧弁の絞り速度、及び前記コンプレッサの回転数の増速速度に対して、前記2次運転中における前記減圧弁の初期開度の減少補正、前記減圧弁の絞り速度の増速補正、及び前記コンプレッサの回転数の増速速度の増速補正の少なくとも1つの補正を実行する、ヒートポンプ式給湯装置。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載のヒートポンプ式給湯装置であって、
更に、地中熱交換器(31)において地中熱と熱交換を行う熱源冷媒を循環ポンプ(32)によって循環させる熱源側循環回路(20)を備える、ヒートポンプ式給湯装置。 - 請求項5に記載のヒートポンプ式給湯装置であって、
1次運転停止後から2次運転開始までの間に、前記コンプレッサの停止状態を維持し、前記循環ポンプを駆動する、ヒートポンプ式給湯装置。 - 請求項1から6のいずれか1項に記載のヒートポンプ式給湯装置であって、
前記温度センサは、前記熱源の温度を直接計測して前記熱源の温度を取得するか及び前記蒸発器の温度を計測して前記熱源の温度を取得するかの少なくとも一方によって、前記熱源の温度を取得する、ヒートポンプ式給湯装置。 - 請求項1から7のいずれか1項に記載のヒートポンプ式給湯装置であって、
前記ヒートポンプ回路を循環する冷媒は、高圧が超臨界となる冷媒である、ヒートポンプ式給湯装置。
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JP7203072B2 (ja) | 2020-11-11 | 2023-01-12 | 株式会社長府製作所 | 採熱システム |
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