JP2021103006A - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膨張弁の製品バラツキに起因する運転開始時の圧縮機の過電流を抑制可能なヒートポンプ給湯装置を提供する。【解決手段】圧縮機と凝縮熱交換器と膨張弁と蒸発熱交換器とが冷媒回路により接続されたヒートポンプ回路と、湯水を貯留する貯湯タンクと、この貯湯タンクから取り出した低温水を凝縮熱交換器によって加熱して貯湯タンクに戻す加熱循環回路を備えたヒートポンプ給湯装置において、ヒートポンプ回路によるヒートポンプ運転は膨張弁の開度が開いた状態で運転開始され、その後予め設定された目標値まで絞られるように構成されており、ヒートポンプ運転開始時に圧縮機出口の吐出温度をタイミングｔ１，ｔ２の時点で検出して吐出温度上昇率を求め、予め設定された吐出温度上昇率と比較し、一定値以上の差があると判定されたときには膨張弁の開度の目標値を補正値によって補正する。【選択図】図２

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯装置に関し、特に膨張弁の製品バラツキに起因して圧縮機の負荷が過大になるのを防止するようにしたヒートポンプ給湯装置に関する。

ヒートポンプ給湯装置は、圧縮機と凝縮熱交換器と膨張弁と蒸発熱交換器とが冷媒回路により接続されたヒートポンプ回路と、湯水を貯留する貯湯タンクと、この貯湯タンクから取り出した低温水を凝縮熱交換器によって加熱して貯湯タンクに戻す加熱循環回路を備えている。

上記のヒートポンプ回路のヒートポンプ運転は、圧縮機の運転開始を円滑にするため膨張弁の開度を開いた状態で運転が開始され、その後圧縮機が所定周波数まで立ち上がってから膨張弁の開度を予め設定された目標値まで絞るように制御している。
そのため、従来は、入水温度と外気温度をパラメータとする膨張弁開度の目標値テーブルが予め設定され、入水温度と外気温度の検出値を上記の目標値テーブルに適用して膨張弁の開度の目標値を設定していた。

ここで、特許文献１には、ヒートポンプ回路において、圧縮機の電流値が制限を越えた場合に膨張弁の開度を開く方向に調整することが開示されている。
特許文献２には、ヒートポンプ式加熱装置において、圧縮機からの吐出温度が高くなった場合に、膨張弁の絞り開度を開くように制御する技術が開示されている。

特開２００６−７８１４６号公報 特許第４１２３２２０号公報

ところで、膨張弁には製品個々の製品バラツキがあり、その僅かの製品バラツキが流量にかなりの影響を及ぼし、同一開度でも流量が異なる場合が少なくない。
しかし、従来では膨張弁の製品バラツキを考慮することなく、共通の目標値テーブルに基づいて膨張弁の開度の目標値を設定していた。

ここで、標準品よりも少ない流量特性となる下限品の膨張弁が組み付けられている場合、膨張弁の開度が絞り過ぎた状態になっているため、圧縮機からの吐出温度が目標値よりも上がり過ぎてしまい、圧縮機が過負荷の過電流状態になる。そのため、圧縮機の電流値が内線規定で定められている電流値を瞬間的に超過する場合がある。

本発明の目的は、膨張弁の製品バラツキに起因する運転開始時の圧縮機の過電流を抑制可能なヒートポンプ給湯装置を提供することである。

請求項１に係るヒートポンプ給湯装置は、圧縮機と凝縮熱交換器と膨張弁と蒸発熱交換器とが冷媒回路により接続されたヒートポンプ回路と、湯水を貯留する貯湯タンクと、この貯湯タンクから取り出した低温水を凝縮熱交換器によって加熱して貯湯タンクに戻す加熱循環回路を備えたヒートポンプ給湯装置において、前記ヒートポンプ回路によるヒートポンプ運転の運転開始時に膨張弁の開度が所定の初期開度まで開かれ、その後予め設定された目標値まで絞られるように構成されており、ヒートポンプ運転開始時の所定の運転条件における圧縮機出口の吐出温度上昇率を予め設定された吐出温度上昇率と比較し、一定値以上の差があると判定されたときには膨張弁の開度の目標値を補正値によって補正してヒートポンプ運転を行うことを特徴としている。

上記の構成によれば、膨張弁の製品バラツキによってヒートポンプ運転開始時の圧縮機出口の吐出温度上昇率と予め設定された吐出温度上昇率との差が一定値以上になっている場合には、膨張弁の開度の目標値を補正値によって補正してヒートポンプ運転を行う。
例えば、圧縮機出口の吐出温度上昇率が設定された値よりも一定値以上高い場合には、膨張弁の開度の目標値を補正値によって大きく補正するため、膨張弁の製品バラツキに起因する圧縮機の過電流を確実に防ぐことができる。

請求項２のヒートポンプ給湯装置は、請求項１の発明において、入水温度と外気温をパラメータとして前記吐出温度上昇率を予め設定した吐出温度上昇率テーブルと、 入水温度と外気温をパラメータとして前記補正値を予め設定した補正値テーブルと、入水温度と外気温をパラメータとして前記膨張弁の開度の目標値を予め設定した目標値テーブルとを有することを特徴としている。

上記の構成によれば、実際の吐出温度上昇率と吐出温度上昇率テーブルの吐出温度上昇率と比較し、その差が一定値以上の場合には、補正値テーブルから補正値を求め、その補正値でもって目標値テーブルから読み出した膨張弁開度の目標値を補正する。こうして、高い精度でもって膨張弁開度の目標値を補正することができる。

請求項３のヒートポンプ給湯装置は、請求項１又は２の発明において、前記圧縮機は段階的に周波数制御を行うように構成されており、上記の圧縮機出口の吐出温度上昇率は、膨張弁の開度が所定の初期開度であって圧縮機の周波数が所定周波数に上昇途中の一定時間の間の温度上昇率から算出されることを特徴としている。

上記の構成によれば、膨張弁の開度が所定の初期開度のときの、圧縮機を所定周波数まで立ち上げる時の一定時間の間の温度上昇率を用いるため、圧縮機出口の吐出温度上昇率を一定の条件下に求めることができるから、高い精度でもって膨張弁開度の目標値を補正することができる。

本発明によれば、上記のような種々の効果が得られる。

本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯装置の構成図である。 ヒートポンプ給湯装置の運転開始時の圧縮機の周波数と膨張弁の開度の動作タイムチャートである。 吐出温度上昇率テーブルの図表である。 膨張弁開度の補正値テーブルの図表である。 膨張弁開度の目標値テーブルの図表である。 圧縮機周波数制御のフローチャートである。 膨張弁の開度制御のフローチャートの一部である。 膨張弁の開度制御のフローチャートの残部である。 膨張弁開度の設定処理のフローチャートである。

最初に、ヒートポンプ給湯装置１の全体構成について説明する。
図１に示すように、ヒートポンプ給湯装置１は、ヒートポンプユニット２と、貯湯タンク３と、ヒートポンプユニット２と貯湯タンク３の間で湯水を循環させる加熱循環通路 ４とを有するものである。

貯湯タンク３は断熱材で覆われており、貯湯タンク３には上水を供給する給水系統５ や加熱した湯水をカランや風呂等に供給する給湯系統６が接続されている。
加熱循環通路４は、貯湯タンク４から取り出した低温水をヒートポンプユニット２の凝縮熱交換器８に供給する循環往き通路４ａと、凝縮熱交換器８により加熱した湯水をヒートポンプユニット２の凝縮熱交換器８から貯湯タンク３に供給する循環戻り通路４ｂとを有する。

次に、ヒートポンプユニット２について説明する。
ヒートポンプユニット２は、外装ケース２ａ内に圧縮機７、凝縮熱交換器８、膨張弁９（膨張手段）、蒸発熱交換器１０を冷媒通路１１（冷媒回路）により接続したヒートポンプ回路を有する。圧縮機７と凝縮熱交換器８の間で冷媒通路１１から分岐した冷媒バイパス通路１１ａ（バイパス通路）は、その冷媒バイパス通路１１ａを開閉可能な除霜用開閉弁 １２を備え、膨張弁９と蒸発熱交換器１０の間の冷媒通路１１に接続されている。

圧縮機７と凝縮熱交換器８の間の冷媒通路１１には、圧縮機７から吐出された冷媒の温度を検知する吐出温度センサ１３が取付けられている。湯水循環通路４に接続された凝縮熱交換器８の熱交換通路部８ａには、凝縮熱交換器８の入口側の低温水の温度（入水温度）を検知する入水温度センサ１４及び出口側の湯水の温度を検知する出口温度センサ１５が取付けられている。

ヒートポンプユニット２は、制御ユニット１６と電気的に接続された補助制御ユニット １７により加熱運転等を制御する。加熱運転では、除霜用開閉弁１２を閉止し、圧縮機７と蒸発熱交換器１０に送風する送風機１８を夫々駆動し、膨張弁９の開度を調整して冷媒通路１１内に封入された冷媒を循環させる。尚、送風機１８のケースには外気温を検知する外気温センサ１９が取付けられ、蒸発熱交換器１０の出口における冷媒温度を検知する圧縮機入り口側温度センサ２０が取付けられている。センサ類１３，１４，１５，１９，２０の検出信号は制御ユニット１６及び補助制御ユニット１７に供給される。

加熱運転により圧縮機７において圧縮されて昇温した高温の冷媒が、凝縮熱交換器８ に導入される。凝縮熱交換器８において高温の冷媒と加熱循環通路４に接続された熱交換通路部８ａを流れる湯水との間で熱交換が行われて湯水が加熱される。熱交換により降温して一部液化した冷媒は、膨張弁９において膨張してさらに降温し、蒸発熱交換器１０に導入される。蒸発熱交換器１０において冷媒は外気の熱を吸熱して気化し、再び圧縮機 ７に導入される。

このヒートポンプ給湯装置１においては、膨張弁９の製品バラツキにより、圧縮機出口側の冷媒の吐出圧にバラツキが発生し、圧縮機７が過負荷になって過電流が流れ、ヒートポンプユニット２に給電する電気系統が故障する場合があるので、それを防ぐために、ヒートポンプ運転は次のように行う。

ヒートポンプ回路によるヒートポンプ運転が開始されると、膨張弁９の開度が待機開度（例えば、７０ｓｔｅｐ）から初期開度（例えば、５００ｓｔｅｐ）まで開き、その開度を暫く保持した後予め設定された初期目標値まで絞られ、ヒートポンプ運転開始時の所定の運転条件における圧縮機出口の吐出温度上昇率を予め設定された吐出温度上昇率と比較し、一定値以上の差があると判定されたときには膨張弁９の開度の目標値を補正値によって補正してヒートポンプ運転を行う。

図２は、ヒートポンプ給湯装置１の運転開始時における圧縮機７の周波数と、膨張弁９の開度の動作タイムチャートを示すものである。
運転開始後、圧縮機７の周波数は、所定周波数（例えば、５０Ｈｚ）まで０．１Ｈｚ／ｓｅｃの上昇率で増加され、その後２４０秒間所定周波数に保持され、その後０．１Ｈｚ／ｓｅｃの上昇率で目標周波数（例えば、７０Ｈｚ）まで周波数を増加させ、目標周波数で９０秒間経過後には０．１Ｈｚ／ｓｅｃの上昇率で設定周波数（例えば、１００Ｈｚ）まで周波数を増加させ、その後その周波数で定常運転を行う。

運転開始後、膨張弁９は待機位置から、５０パルス／ｓｅｃ（ｐｐｓ）の上昇率で初期開度（例えば、５００ｓｔｅｐ）まで開度を増加させ、この大きな初期開度を一定時間の間保持して圧縮機７の周波数立ち上がりを円滑にすると共に、圧縮機７を過負荷でない状態に保持した状態で、タイミングｔ１，ｔ２の間の圧縮機吐出側における冷媒温度の上昇率を検知し、その後、圧縮機７が所定周波数にまで立ち上がってから９０秒経過後には、膨張弁９の開度を５０ｐｐｓの減少率で減少させ、初期目標開度（例えば、３００ｓｔｅｐ）まで減少後にはその初期目標開度を暫くの間保持し、圧縮機７の周波数が設定周波数に達した時点から９０秒経過してから、０．１ｐｐｓの減少率で膨張弁９の開度を開度設定値まで減少させる。

上記のヒートポンプ運転を行うため、入水温度と外気温をパラメータとして吐出温度上昇率を予め設定した吐出温度上昇率テーブル（図３参照）と、入水温度と外気温をパラメータとして膨張弁開度の補正値を予め設定した補正値テーブル（図４参照）と、入水温度と外気温をパラメータとして膨張弁開度の目標値を予め設定した目標値テーブル（図５参照）とを有する。

圧縮機７は段階的に周波数制御を行うように構成されており、上記の圧縮機７出口の吐出温度上昇率は、膨張弁９の開度が所定の初期開度の状態で、圧縮機７の周波数が所定周波数に上昇途中のタイミングｔ１，ｔ２の一定時間（６０秒）の間の温度上昇率から算出される。

以下、補助制御ユニット１７により実行される圧縮機周波数制御及び膨張弁９の開度制御について、図６〜図９のフローチャートに基づいて説明する。尚、膨張弁９の開度制御は、圧縮機周波数制御に対するインターバル割り込み（例えば、１００ｍｓ間隔）にて実行される。
尚、これら制御のフローチャート及び前記のテーブル類は、補助制御ユニット１７のマイクロコンピュータに予め格納されている。尚、フローチャートにおける符号Ｓｉ（ｉ＝１，２，・・・は各ステップを示すものである。

最初に、圧縮機周波数制御について図６に基づいて説明する。
ヒートポンプユニット２の運転（尚、この運転には試運転も含む）が開始されると初期設定がなされた後、圧縮機の運転が開始され（Ｓ１）、０．１Ｈｚ／ｓｅｃの増加率で圧縮機７の周波数Ｎが増加される（Ｓ２）。次に周波数Ｎ＝３０Ｈｚか否か判定され、その判定がＮｏのうちはＳ２，Ｓ３を繰り返し、Ｓ３の判定がＹｅｓになると、吐出温度センサ１３の検出温度Ｔｈ１が読み込まれてメモリに記憶され、これと同時にタイマーＴＭ１をスタートさせる（Ｓ４）。尚、上記の３０Ｈｚは一例であり、これに限るものではない。

Ｓ５では、タイマーＴＭ１の計時時間ＴＭ１が６０ｓｅｃ以上になった否か判定し、その判定がＮｏのうちはＳ５を繰り返し、Ｓ５の判定がＹｅｓになると、吐出温度センサ１３の検出温度Ｔｈ２が読み込まれてメモリに記憶される。このように、圧縮機７の周波数Ｎが所定周波数（例えば、５０Ｈｚ）へ上昇中に３０Ｈｚになったタイミングｔ１とそれから６０秒経過後のタイミングｔ２における吐出温度Ｔｈ１，Ｔｈ２が検出されてメモリに記憶される。

その後圧縮機７の周波数が所定周波数（例えば、５０Ｈｚ）になったらその所定周波数が２４０秒間保持され（Ｓ７，Ｓ８）、その後０．１Ｈｚ／ｓｅｃで周波数を７０Ｈｚまで増加させ（Ｓ９，Ｓ１０）、その後９０秒間７０Ｈｚに保持し（Ｓ１１）、その後０．１Ｈｚ／ｓｅｃの増加率で設定周波数（例えば、１００Ｈｚ）まで周波数Ｎを増加させ（Ｓ１２，Ｓ１３）、その後周波数Ｎを設定周波数に保持しながら（Ｓ１４）、ヒートポンプ運転を続行する。

次に、膨張弁９の開度制御について、図７，図８に基づいて説明する。
ヒートポンプユニット２の運転開始後、膨張弁９の開度Ｋを待機開度（待機位置）（例えば、７０ｓｔｅｐ）に設定し（Ｓ２０）、その後、膨張弁開度Ｋが５００ｓｔｅｐになるまで５０ｐｐｓの増加率で増加させ（Ｓ２１，Ｓ２２）、膨張弁開度Ｋが５００ｓｔｅｐになったら５００ｓｔｅｐに暫く保持する。

次に、圧縮機７の周波数が５０Ｈｚになったか否か判定し（Ｓ２４）、その判定がＹｅｓになると、Ｓ２５において膨張弁開度Ｋの設定処理が実行される。
ここで、上記の膨張弁開度Ｋの設定処理について図９に基づいて説明する。
最初に、入水温度センサ１４から入水温度を読み込み、外気温センサ１９から外気温を読み込んでメモリに記憶し（Ｓ５０）、次に上記の入水温度と外気温と図３に示す吐出温度上昇率テーブルから吐出温度上昇率ΔＴｏが演算される（Ｓ５１）。

次に、実際の吐出温度上昇率ΔＴがΔＴ＝（Ｔｈ２−Ｔｈ１）の演算式により演算されて記憶される（Ｓ５２）。次に、実際の吐出温度上昇率ΔＴと、吐出温度上昇率テーブルに設定された吐出温度上昇率ΔＴｏの差（ΔＴ−ΔＴｏ）が所定値Ｃ（例えば、Ｃ＝１℃／ｍｉｎ）以上か否か判定され（Ｓ５３）、その判定がＹｅｓのときはＳ５４〜Ｓ５６が実行され、その判定がＮｏのときはＳ５７，Ｓ５８が実行される。尚、吐出温度上昇率テーブルの値は６０秒間の温度上昇率を示すものである。

Ｓ５３の判定がＹｅｓの場合、Ｓ５４において入水温度と外気温と図４に示す膨張弁開度補正値テーブルから開度補正値ΔＫが演算される。次に、Ｓ５５において入水温度と外気温と図５に示す膨張弁開度目標値テーブルから開度目標値Ｋｏが演算される。
次に、Ｓ５６において、開度補正値ΔＫと開度目標値Ｋｏから開度設定値Ｋｓが、Ｋｓ＝（開度目標値Ｋｏ＋開度補正値ΔＫ）の演算式で演算され、その後リターンする。
Ｓ５３の判定がＮｏの場合、Ｓ５７において入水温度と外気温と膨張弁開度目標値テーブルから開度目標値Ｋｏが演算される。
次に、Ｓ５８において開度設定値Ｋso が開度設定値Ｋso=開度目標値Ｋｏの演算式により演算され、その後リターンする。

次に、図７,図８のフローチャートに戻り、Ｓ２６においては、タイマーＴＭ２がスタートされ、その値タイマーＴＭ２の計時時間が９０秒経過すると（Ｓ２７）、膨張弁開度Ｋが５０ｐｐｓの減少率で減少され、次のＳ２９においては吐出温度上昇率の差（ΔＴ−ΔＴｏ）が前記の所定値Ｃ以上か否か判定され、その判定がＹｅｓのときはＳ３０において、膨張弁開度Ｋが、膨張弁開度Ｋ＝（初期目標開度Ｋo1 ＋開度補正値ΔＫ）（尚、初期目標開度Ｋo1は例えば３００ｓｔｅｐ）の演算式で演算される。

その後、膨張弁開度Ｋを上記の値に保持したまま、圧縮機７が設定周波数になってから９０秒経過したか否か判定し（Ｓ３１）、その判定がＹｅｓになると、膨張弁開度Ｋを０．１ｐｐｓの減少率で減少させ（Ｓ３２）、次にＳ３３において膨張弁開度Ｋが補正後の開度設定値Ｋｓになったか否か判定し、その判定がＹｅｓになるとその開度設定値Ｋｓを保持しながら、ヒートポンプ運転を続行する。

Ｓ２９の判定がＮｏの場合は、Ｓ３５において膨張弁開度Ｋが膨張弁開度Ｋ＝初期目標開度Ｋo1に設定され、次にＳ３６において圧縮機７が設定周波数になってから９０秒経過したか否か判定し（Ｓ３６）、その判定がＹｅｓになると、膨張弁開度Ｋを０．１ｐｐｓの減少率で減少させ（Ｓ３７）、次にＳ３８において膨張弁開度Ｋが開度設定値Ｋsoになったか否か判定し、その判定がＹｅｓになるとその開度設定値Ｋsoを保持しながら、ヒートポンプ運転を続行する（Ｓ３９）。

以上説明したヒートポンプ給湯装置１の作用、効果について説明する。
膨張弁９の製品バラツキによってヒートポンプ運転開始時の圧縮機出口の実際の吐出温度上昇率と予め図３に示す吐出温度上昇率テーブルに設定された吐出温度上昇率との差が一定値以上になっている場合には、図４の補正値テーブルから膨張弁開度の補正値を読み出し、図５の目標値テーブルに設定された膨張弁９の開度の目標値を補正値によって補正してヒートポンプ運転を行う。こうして、高い精度でもって膨張弁開度の目標値を補正することができる。

このように、圧縮機出口の吐出温度上昇率が設定された値よりも一定値以上高い場合には、膨張弁９の開度の目標値を補正値によって大きく補正するため、膨張弁９の製品バラツキに起因する圧縮機７の過電流を確実に防ぐことができる。

膨張弁９の開度が所定の初期開度のときの、圧縮機７を所定周波数まで立ち上げる時の一定時間の間の温度上昇率を用いるため、圧縮機出口の吐出温度上昇率を一定の条件下に求めることができるから、高い精度でもって膨張弁開度の目標値を補正することができる。

前記実施形態を変更する例について説明する。
１）前記実施形態では、図４に示すように補正値テーブルを１つ設け、実際の吐出温度上昇率ΔＴと、吐出温度上昇率テーブルに設定された吐出温度上昇率ΔＴｏの差（ΔＴ−ΔＴｏ）が所定値Ｃ以上か否か判定するようにしたが、前記所定値Ｃに代えて所定値Ｃ１，Ｃ２（但し、Ｃ１＞Ｃ２）を設定し、１つの補正値テーブルに代えて、所定値Ｃ１に対応する補正値テーブルと、所定値Ｃ２に対応する補正値テーブルとを設け、吐出温度上昇率ΔＴｏの差（ΔＴ−ΔＴｏ）の大きさに応じて、補正値テーブルを使い分けるように構成してもよい。

２）前記実施形態では、吐出温度上昇率の差（ΔＴ−ΔＴｏ）が所定値Ｃ以上の場合には、図７のＳ３０に示すように、初期目標開度Ｋo1も開度補正値ΔＫで補正するようにしたが、初期目標開度Ｋo1では圧縮機が過負荷になる可能性が低いため、初期目標開度Ｋo1は開度補正値ΔＫで補正しないように構成してもよい。

３）圧縮機の周波数を段階的に増加させる図２に示すパターンは一例を示すものであってこれに限るものではない。その他、当業者ならば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で前記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能である。

１ ヒートポンプ給湯装置
２ ヒートポンプユニット
３ 貯湯タンク
４ 加熱循環通路
７ 圧縮機
８ 凝縮熱交換器
９ 膨張弁
１０ 蒸発熱交換器
１１ 冷媒通路

Claims (3)

1. 圧縮機と凝縮熱交換器と膨張弁と蒸発熱交換器とが冷媒回路により接続されたヒートポンプ回路と、湯水を貯留する貯湯タンクと、この貯湯タンクから取り出した低温水を凝縮熱交換器によって加熱して貯湯タンクに戻す加熱循環回路を備えたヒートポンプ給湯装置において、
   前記ヒートポンプ回路によるヒートポンプ運転の運転開始時に膨張弁の開度が所定の初期開度まで開かれ、その後予め設定された目標値まで絞られるように構成されており、ヒートポンプ運転開始時の所定の運転条件における圧縮機出口の吐出温度上昇率を予め設定された吐出温度上昇率と比較し、一定値以上の差があると判定されたときには膨張弁の開度の目標値を補正値によって補正してヒートポンプ運転を行うことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
2. 入水温度と外気温をパラメータとして前記吐出温度上昇率を予め設定した吐出温度上昇率テーブルと、 入水温度と外気温をパラメータとして前記補正値を予め設定した補正値テーブルと、 入水温度と外気温をパラメータとして前記膨張弁の開度の目標値を予め設定した目標値テーブルとを有することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
3. 前記圧縮機は段階的に周波数制御を行うように構成されており、上記の圧縮機出口の吐出温度上昇率は、膨張弁の開度が所定の初期開度であって圧縮機の周波数が所定周波数に上昇途中の一定時間の間の温度上昇率から算出されることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプ給湯装置。

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