JP3900186B2 - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Description

本発明はヒートポンプ給湯機に関するものである。

従来のこの種のヒートポンプ給湯機は特開昭６０−１６４１５７号公報に示すようなものがある。図１４は従来のヒートポンプ給湯機の構成説明図である。図１４において、圧縮機１、冷媒対水熱交換器２、減圧装置３、蒸発器４からなる冷媒循環回路と、貯湯槽５、循環ポンプ６、前記冷媒対水熱交換器２、補助加熱器７を接続した給湯回路からなり前記圧縮機１より吐出された高温高圧の過熱ガス冷媒は前記冷媒対水熱交換器２に流入し、ここで前記循環ポンプ６から送られてきた水を加熱する。そして、凝縮液化した冷媒は前記減圧装置３で減圧され、前記蒸発器４に流入し、ここで大気熱を吸熱して蒸発ガス化し、前記圧縮機１に戻る。一方、前記冷媒対水熱交換器２で加熱された湯は前記貯湯槽５の上部に流入し、上から次第に貯湯されていく。そして、前記冷媒対水熱交換器２の入口水温が設定値に達すると水温度検出手段８が検知し、前記圧縮機１によるヒートポンプ運転
を停止して、前記補助加熱器７の単独運転に切り換えるものである。
特開昭６０−１６４１５７号公報

上記図１４に示す従来例のヒートポンプ給湯機では、減圧装置３としてキャピラリーチューブや温度式膨張弁を用いていた。減圧装置３としてキャピラリーチューブを用いる場合、一般的に、冷媒循環量の多い夏季の温度条件を基準にキャピラリーチューブの仕様を設計する。そのため、夏季以外の特に給湯負荷の大きい冬季には運転の効率が悪くなるという課題を有していた。また、同様に夏季以外の特に外気温度の低い冬季には冷媒循環回路に必要以上の冷媒が循環するため、圧縮機１に液冷媒が吸い込まれ、その結果、液圧縮となり圧縮機の耐久性が悪くなるという課題を有していた。

他方、減圧装置３として温度式膨張弁を用いる場合、一般的に、蒸発器４の出口の冷媒は過熱度がとれた過熱ガス状態となるように、減圧装置３としての温度式膨張弁の仕様を設計する。そのため、設計した外気温度よりも高い時には吐出圧力が上昇したり、外気温度の低い冬季には吐出温度が上昇したりして圧縮機の耐久性が悪くなるという課題を有していた。また、冬季において蒸発器４に着霜したときも、蒸発器４の出口の冷媒状態を過熱度がとれるように制御するため、いっそう着霜が進み、運転の効率が悪くなるという課題を有していた。

本発明の目的は圧縮機の異常温度上昇ならびに異常圧力上昇がない、効率の良い給湯加熱運転を実現することである。

本発明は上記課題を解決するため、圧縮機、冷媒対水熱交換器、減圧装置、蒸発器を有する冷媒循環回路と、貯湯槽、循環ポンプ、前記冷媒対水熱交換器を有する給湯回路と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、前記減圧装置の開度を制御する制御手段とを備え、前記給湯回路を流れる湯水の循環量を制御して、前記冷媒対水熱交換器の水側出口の温度がほぼ一定になるようにするとともに、前記圧縮機の吐出温度が、外気温度に対して運転効率が最大である目標吐出温度となるように、前記減圧装置の開度を制御することを特徴とするヒートポンプ給湯機とする。

上記発明において、外気温度に対して給湯運転の効率が最も良い吐出温度を予め求めておいて、これを目標吐出温度として設定する。そして、給湯運転を行う場合に外気温度と圧縮機の吐出温度とを検出して、圧縮機の吐出温度をこの目標吐出温度になるように減圧装置の開度を制御するとともに、外気温度が高くなるほど圧縮機の目標吐出温度を低くするので、年間を通じて、効率の良い給湯加熱運転ができる。

以上説明したように本発明のヒートポンプ給湯機は、年間を通じて、効率の良い給湯加熱運転ができるという効果を有する。

本発明は、圧縮機、冷媒対水熱交換器、減圧装置、蒸発器を有する冷媒循環回路と、貯湯槽、循環ポンプ、前記冷媒対水熱交換器を有する給湯回路と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、前記減圧装置の開度を制御する制御手段とを備え、前記給湯回路を流れる湯水の循環量を制御して、前記冷媒対水熱交換器の水側出口の温度がほぼ一定になるようにするとともに、前記圧縮機の
吐出温度が、外気温度に対して運転効率が最大である目標吐出温度となるように、前記減圧装置の開度を制御することにより、外気温度に対して給湯運転の効率が最も良い吐出温度を予め求めておいて、これを目標吐出温度として設定するので、年間を通じて、効率の良い給湯加熱運転ができる。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

（実施例１）
図１は本発明の実施例１のヒートポンプ給湯機の構成説明図、図２は同ヒートポンプ給湯機の減圧装置の開度に対する吐出温度と吐出圧力と効率を示す説明図、図３は同ヒートポンプ給湯機の外気温度に対する目標吐出温度を示す説明図である。なお、従来例で説明した図１４と同じ構成部材には同一符号を用い説明を省略する。

図１において、冷媒対水熱交換器２の水側出口に設けられた沸き上げ温度検出手段９からの信号で回転数制御手段１０は循環ポンプ６の回転数を制御して、冷媒対水熱交換器２の出口水温（沸き上げ温度）をほぼ一定になるように沸き上げる。また、制御手段１１は、外気温度を検出する外気温度検出手段１２と圧縮機１の吐出温度を検出する吐出温度検出手段１３からの信号で減圧装置３を制御する。１４は外気温度に対する目標吐出温度を記憶している第一の記憶手段である。なお、減圧装置３として電動膨張弁（図示せず）等がある。

次に動作、作用について説明する。図２は横軸に減圧装置３の開度をとり、縦軸に吐出温度と吐出圧力と効率をとって、ある外気温度の時の減圧装置３の開度に対する吐出温度と吐出圧力と効率の関係を示したものである。同図からわかるように、効率は減圧装置３の開度に対して極大値がある。また、同図において、一点鎖線は圧縮機の通常使用時の最大温度である常用最大吐出温度を示しており、二点鎖線は圧縮機の通常使用時の最大圧力である常用最大吐出圧力を示している。ここで、効率が極大になる減圧装置３の開度Ｘに対する吐出温度を目標吐出温度Ｙとする。そして、各外気温度に対して、この目標吐出温度Ｙを求めると、図３のようになる。図３から明らかなように、外気温度が高くなるほど圧縮機の目標吐出温度を低くするようになっている。そして、この外気温度に対する目標吐出温度の関係を第一の記憶手段１４に予め記憶させる。

つまり、給湯運転が始まり圧縮機１が起動すると、制御手段１１は外気温度検出手段１２と吐出温度検出手段１３からの信号で外気温度と吐出温度とを検出する。そして、外気温度と目標吐出温度との関係を記憶している第一の記憶手段１４からの情報で、今の吐出温度が目標吐出温度よりも高ければ、制御手段１１は減圧装置３の開度を大きくする（開く方向）ように制御する。逆に、今の吐出温度が目標吐出温度よりも低ければ、制御手段１１は減圧装置３の開度を小さくする（閉じる方向）ように制御する。

上記のように、制御手段１１による吐出温度制御をある時間毎に行えば、外気温度が変化しても常に効率の良い給湯運転が可能となる。

（実施例２）
図４は本発明の実施例２のヒートポンプ給湯機の構成説明図、図５は同ヒートポンプ給湯機の減圧装置の開度に対する吐出温度と吐出圧力と効率を示す説明図、図６は同ヒートポンプ給湯機の外気温度に対する吐出圧力と減圧装置の開度を示す説明図である。

本実施例において、実施例１と異なる点は、圧縮機１の吐出側に圧力検出手段１５を設けた構成としている点である。なお、実施例１と同符号の部分は同一構成を有し、説明は
省略する。

次に動作、作用について説明する。図５は横軸に減圧装置３の開度をとり、縦軸に吐出温度と吐出圧力と効率をとって、ある外気温度の高い場合の減圧装置３の開度に対する吐出温度と吐出圧力と効率の関係を示したものである。同図に示すように、外気温度がかなり高くなると、効率が極大値になる減圧装置３の開度において吐出圧力が常用最大吐出圧力（例えば２．４ＭＰａ）を越えるときがある。この場合、減圧装置３の開度をＡからＢに変更すると吐出圧力はＣからＤに減少することになる。

つまり、給湯運転が始まり圧縮機１が起動すると、制御手段１１は圧力検出手段１５からの信号で吐出圧力を検出する。この吐出圧力が常用最大吐出圧力（例えば２．４ＭＰａ）よりも低ければ、制御手段１１は外気温度検出手段１２と吐出温度検出手段１３からの信号で外気温度と吐出温度とを検出し、そして、外気温度と目標吐出温度との関係を記憶している第一の記憶手段１４からの情報で、今の吐出温度が目標吐出温度よりも高ければ、制御手段１１は減圧装置３の開度を大きくする（開く方向）ように制御する。逆に、今の吐出温度が目標吐出温度よりも低ければ、制御手段１１は減圧装置３の開度を小さくする（閉じる方向）ように制御する。

他方、圧力検出手段１５からの信号で検出した吐出圧力が常用最大吐出圧力（例えば２．４ＭＰａ）よりも高ければ、制御手段１１は減圧装置３の開度を大きくする（開く方向）ように制御する。

図６は横軸に外気温度をとり、縦軸に吐出圧力と減圧装置３の開度をとって、外気温度に対する吐出圧力と減圧装置３の開度の変化を示したものである。同図において、外気温度が高くなれば、上記説明のように吐出圧力による制御を行うことによって吐出圧力が常用最大吐出圧力を越えないようにすることができるので、この吐出圧力制御をある時間毎に行えば、異常圧力上昇のない給湯運転が可能となる。なお、図中の点線は実施例１で説明した吐出温度による制御の場合であり、記号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは図５の同記号に対応する。

（実施例３）
図７は本発明の実施例３のヒートポンプ給湯機の構成説明図、図８は同ヒートポンプ給湯機の減圧装置の開度に対する吐出温度と吐出圧力と効率を示す説明図、図９は同ヒートポンプ給湯機の外気温度に対する目標吐出温度を示す説明図である。

本実施例において、実施例２と異なる点は、圧力検出手段として外気温度検出手段１２と吐出温度検出手段１３を用い、さらに第二の記憶手段１６を設けた構成としている点である。なお、実施例２と同符号の部分は同一構成を有し、説明は省略する。

次に動作、作用について説明する。図８は横軸に減圧装置３の開度をとり、縦軸に吐出温度と吐出圧力と効率をとって、ある外気温度の高い場合の減圧装置３の開度に対する吐出温度と吐出圧力と効率の関係を示したものである。同図に示すように、外気温度がかなり高くなると、効率が極大値になる減圧装置３の開度において吐出圧力が常用最大吐出圧力（例えば２．４ＭＰａ）を越えるときがある。この場合、減圧装置３の開度をＡからＢに変更すると吐出圧力はＣからＤに減少し、吐出温度はＥからＦに減少する。結局、同図に示す外気温度の場合には吐出圧力をＤにするためには吐出温度をＦにすればよいことになる。この減圧装置３の開度Ｂに対する吐出温度を目標吐出温度Ｚとする。そして、各外気温度に対して、この目標吐出温度Ｚを求めると、図９の実線のようになる。この外気温度に対する目標吐出温度Ｚの関係を第二の記憶手段１６に予め記憶させる。同図において、点線は実施例１で説明した吐出温度による制御の場合であり、実線と点線の交点の外気
温度を高温側限界外気温度Ｔｕとする。

つまり、給湯運転が始まり圧縮機１が起動すると、制御手段１１は外気温度検出手段１２からの信号で外気温度を検出する。この外気温度が高温側限界外気温度Ｔｕよりも低ければ、さらに、制御手段１１は外気温度検出手段１２と吐出温度検出手段１３からの信号で外気温度と吐出温度とを検出し、そして、外気温度と目標吐出温度との関係を記憶している第一の記憶手段１４からの情報で、今の吐出温度が目標吐出温度よりも高ければ、制御手段１１は減圧装置３の開度を大きくする（開く方向）ように制御する。逆に、今の吐出温度が目標吐出温度よりも低ければ、制御手段１１は減圧装置３の開度を小さくする（閉じる方向）ように制御する。

他方、外気温度検出手段１２からの信号で検出した外気温度が高温側限界外気温度Ｔｕよりも高ければ、吐出温度検出手段１３からの信号で吐出温度を検出し、そして、第二の記憶手段１６からの情報で、今の吐出温度が目標吐出温度よりも高ければ、制御手段１１は減圧装置３の開度を大きくする（開く方向）ように制御する。逆に、今の吐出温度が目標吐出温度よりも低ければ、制御手段１１は減圧装置３の開度を小さくする（閉じる方向）ように制御する。

上記のように制御手段１１による吐出温度制御をある時間毎に行えば、吐出温度による制御を行うことによって吐出圧力が常用最大吐出圧力を越えないようにすることができるので、異常圧力上昇のない給湯運転が可能となる。

（実施例４）
図１０は本発明の実施例４のヒートポンプ給湯機の構成説明図、図１１は同ヒートポンプ給湯機の減圧装置の開度に対する吐出温度と吐出圧力と効率を示す説明図、図１２は同ヒートポンプ給湯機の外気温度に対する目標吐出温度を示す説明図である。

本実施例において、実施例１と異なる点は第三の記憶手段１７を設けた構成としている点である。なお、実施例１と同符号の部分は同一構成を有し、説明は省略する。

次に動作、作用について説明する。図１１は横軸に減圧装置３の開度をとり、縦軸に吐出温度と吐出圧力と効率をとって、ある外気温度の低い場合の減圧装置３の開度に対する吐出温度と吐出圧力と効率の関係を示したものである。同図に示すように、外気温度がかなり低くなると、効率が極大値になる減圧装置３の開度において吐出温度が常用最大吐出温度（例えば１０５゜Ｃ）を越えるときがある。この場合、減圧装置３の開度をＡからＢに変更すると吐出温度はＣからＤに減少することになる。また、図１２は横軸に外気温度をとり、縦軸に目標吐出温度をとって、外気温度に対する目標吐出温度Ｗの関係を示したものである。同図中の実線で示すように、低外気温度の場合の目標吐出温度Ｗは常用最大吐出温度（例えば１０５゜Ｃ）が一定となる。この外気温度に対する目標吐出温度Ｗの関係を第三の記憶手段１７に予め記憶させる。また、同図の点線は実施例１で説明した吐出温度による制御の場合であり、実線と点線の交点の外気温度を低温側限界外気温度Ｔｌとする。

つまり、給湯運転が始まり圧縮機１が起動すると、制御手段１１は外気温度検出手段１２からの信号で外気温度を検出する。この外気温度が低温側限界外気温度Ｔｌよりも高ければ、制御手段１１は吐出温度検出手段１３からの信号で吐出温度を検出し、そして、外気温度と目標吐出温度との関係を記憶している第一の記憶手段１４からの情報で、今の吐出温度が目標吐出温度よりも高ければ、制御手段１１は減圧装置３の開度を大きくする（開く方向）ように制御する。逆に、今の吐出温度が目標吐出温度よりも低ければ、制御手段１１は減圧装置３の開度を小さくする（閉じる方向）ように制御する。

他方、外気温度検出手段１２からの信号で検出した外気温度が低温側限界外気温度Ｔｌよりも低ければ、制御手段１１は吐出温度検出手段１３からの信号で吐出温度を検出し、そして、外気温度と目標吐出温度との関係を記憶している第三の記憶手段１７からの情報で、今の吐出温度が目標吐出温度よりも高ければ、制御手段１１は減圧装置３の開度を大きくする（開く方向）ように制御する。逆に、今の吐出温度が目標吐出温度よりも低ければ、制御手段１１は減圧装置３の開度を小さくする（閉じる方向）ように制御する。

上記のように制御手段１１による吐出温度制御をある時間毎に行えば、吐出温度が常用最大吐出温度を越えないようにすることができるので、異常温度上昇のない給湯運転が可能となる。

（実施例５）
図１３は本発明の実施例５のヒートポンプ給湯機の構成説明図である。本実施例において、実施例１と異なる点は減圧装置３の最小開度を記憶している最小開度記憶手段１８を設けた構成としている点である。なお、実施例１と同符号の部分は同一構成を有し、説明は省略する。

次に動作、作用について説明する。給湯運転が始まり圧縮機１が起動すると、制御手段１１は外気温度検出手段１２と吐出温度検出手段１３からの信号で外気温度と吐出温度とを検出する。そして、外気温度と目標吐出温度との関係を記憶している第一の記憶手段１４からの情報で、今の吐出温度が目標吐出温度よりも高ければ、制御手段１１は減圧装置３の開度を大きくする（開く方向）ように制御する。逆に、今の吐出温度が目標吐出温度よりも低ければ、制御手段１１は最小開度記憶手段１８からの信号で得た減圧装置３の最小開度と現在の減圧装置３の開度とを比較する。そして、現在の減圧装置３の開度のほうが前記最小開度よりも大きければ、減圧装置３の開度を前記最小開度を下まわらない範囲で小さくする（閉じる方向）ように制御する。また、現在の減圧装置３の開度のほうが前記最小開度よりも小さいか等しければ、減圧装置３の開度を前記最小開度になるように制御する。

このようにすれば、外気温度が低い場合に蒸発器４に霜が付着して吐出温度や蒸発温度が低下しても減圧装置３の開度を必要以上に小さくすることがないので、効率の良い給湯加熱運転が維持できる。

以上のように本発明にかかるヒートポンプ給湯機は、特に貯湯タンクを有する貯湯式のヒートポンプ給湯機に有用であるが、貯湯タンクとヒートポンプ回路を一体型とした形状のものにも適用できる。

本発明の実施例１のヒートポンプ給湯機を示す構成説明図 同ヒートポンプ給湯機の減圧装置の開度に対する吐出温度と吐出圧力と効率を示す説明図 同ヒートポンプ給湯機の外気温度に対する目標吐出温度を示す説明図 本発明の実施例２のヒートポンプ給湯機の構成説明図 同ヒートポンプ給湯機の減圧装置の開度に対する吐出温度と吐出圧力と効率を示す説明図 同ヒートポンプ給湯機の外気温度に対する吐出圧力と減圧装置の開度を示す説明図 本発明の実施例３のヒートポンプ給湯機の構成説明図 同ヒートポンプ給湯機の減圧装置の開度に対する吐出温度と吐出圧力と効率を示す説明図 同ヒートポンプ給湯機の外気温度に対する目標吐出温度を示す説明図 本発明の実施例４のヒートポンプ給湯機の構成説明図 同ヒートポンプ給湯機の減圧装置の開度に対する吐出温度と吐出圧力と効率を示す説明図 同ヒートポンプ給湯機の外気温度に対する目標吐出温度を示す説明図 本発明の実施例５のヒートポンプ給湯機の構成説明図 従来例におけるヒートポンプ給湯機の構成説明図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 冷媒対水熱交換器
３ 減圧装置
４ 蒸発器
５ 貯湯槽
６ 循環ポンプ
１１ 制御手段
１２ 外気温度検出手段
１３ 吐出温度検出手段
１４ 第一の記憶手段
１５ 圧力検知手段
１６ 第二の記憶手段
１７ 第三の記憶手段
１８ 最小開度記憶手段

Claims (1)

1. 圧縮機、冷媒対水熱交換器、減圧装置、蒸発器を有する冷媒循環回路と、貯湯槽、循環ポンプ、前記冷媒対水熱交換器を有する給湯回路と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、前記減圧装置の開度を制御する制御手段とを備え、前記給湯回路を流れる湯水の循環量を制御して、前記冷媒対水熱交換器の水側出口の温度がほぼ一定になるようにするとともに、前記圧縮機の吐出温度が、外気温度に対して運転効率が最大である目標吐出温度となるように、前記減圧装置の開度を制御することを特徴とするヒートポンプ給湯機。

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