JP4179267B2 - ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプユニットにて水を加熱し、この加熱後の温水を貯湯タンク内に保温貯蔵するヒートポンプ式給湯機に関するものである。

従来のヒートポンプ式給湯機は、熱源機であるヒートポンプユニットと貯湯タンクとが水配管で接続されており、基本的に水配管は屋外に施工されている。このため、沸き上げ運転停止かつ低外気温度時において、屋外施工された水配管を凍結させないよう所定の条件が成立した場合に凍結防止運転を行っている。この凍結防止運転時には、所定の加熱力を得るために減圧弁を所定の開度に制御するとともに、圧縮機と循環ポンプを所定の回転数で運転する。

また、圧縮機の出口側と蒸発器の入口側とをバイパス回路で接続し、蒸発器に発生した霜を除去する場合には、バイパス通路を開いて高温冷媒を蒸発器に導いて蒸発器及び気液分離器を加熱するようにしたヒートポンプ式給湯機も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１６３０８４号公報

しかしながら、沸き上げ運転または凍結防止運転を終了後、次の凍結防止運転に対する条件が成立するまでの間に、外気温度および冷凍サイクル内の冷媒温度が低いため、各機能部品内に存在する冷媒は乾き度が低く液割合が高い状態となっている。この状態で凍結防止運転を開始すると、液圧縮により圧縮機に過大な負荷がかかる場合がある。

本発明は上記点に鑑みて、圧縮機の出口側と蒸発器の入口側とをバイパス回路で接続したヒートポンプ式給湯機において、凍結防止運転開始時における圧縮機の負荷を低減させることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、冷媒を高圧状態にする圧縮機（１０）、圧縮機（１０）からの冷媒と水とを熱交換させる水冷媒熱交換器（１１）、低圧冷媒を蒸発させる蒸発器（１３）、圧縮機（１０）の出口側と蒸発器（１３）の入口側とを接続するバイパス回路（１６）、およびバイパス回路（１６）を開閉する開閉弁（１７）を有するヒートポンプユニットと、水冷媒熱交換器（１１）にて加熱された水を蓄える貯湯タンク（２０）、水冷媒熱交換器（１１）と貯湯タンク（２０）とを接続する水配管（２１）、および水配管（２１）中に設置されて水を循環させる循環ポンプ（２２）を有する給湯回路とを備え、貯湯タンク（２０）内の水を沸き上げる沸き上げ運転の終了後において所定条件が成立した際に水配管（２１）内での凍結を防止するための凍結防止運転を行うようにしたヒートポンプ式給湯機において、凍結防止運転終了時に開閉弁（１７）を開弁させるとともに、凍結防止運転実行中は開閉弁（１７）を閉弁させることを特徴とする。

ところで、圧縮機の停止直後には、冷凍サイクル内の圧力差により、圧縮機の出口側の高温高圧冷媒が水冷媒熱交換器や減圧弁等を介して蒸発器側に流れる。しかし、冷媒が蒸発器の出口側に至る頃には冷媒温度が低下しているため、蒸発器の出口側は低温状態が保持されたままになり、蒸発器や気液分離器に存在する冷媒は乾き度が低く液割合が高い状態となる。

これに対し、請求項１に記載の発明によると、凍結防止運転終了時には圧縮機出口側の高温高圧冷媒がバイパス回路を介して直接（すなわち、水冷媒熱交換器等を介さずに）蒸発器側に流れるため、蒸発器や気液分離器に存在する冷媒の温度および圧力を上げて乾き度を高くすることができる。したがって、凍結防止運転開始時における液圧縮が回避され、圧縮機の負荷を低減させることができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のヒートポンプ式給湯機において、水冷媒熱交換器（１１）を通過した冷媒を減圧膨張させるとともに冷媒通路の開度を調整可能な減圧手段（１２、１８０、１８２、１８３）を備え、凍結防止運転終了時に減圧手段（１２、１８０、１８２、１８３）を閉弁させることを特徴とする。

これによると、凍結防止運転終了時には、減圧手段の閉弁により圧縮機出口側の高温高圧冷媒が水冷媒熱交換器側には流れなくなり、圧縮機出口側の高温高圧冷媒は蒸発器側に流れやすくなるため、蒸発器や気液分離器に存在する冷媒の温度および圧力を上げて乾き度を一層高くすることができる。したがって、凍結防止運転開始時における圧縮機の負荷をさらに低減させることができる。

請求項３に記載の発明では、冷媒を高圧状態にする圧縮機（１０）、圧縮機（１０）からの冷媒と水とを熱交換させる水冷媒熱交換器（１１）、低圧冷媒を蒸発させる蒸発器（１３）、圧縮機（１０）の出口側と蒸発器（１３）の入口側とを接続するバイパス回路（１６）、およびバイパス回路（１６）を開閉する開閉弁（１７）を有するヒートポンプユニットと、水冷媒熱交換器（１１）にて加熱された水を蓄える貯湯タンク（２０）、水冷媒熱交換器（１１）と貯湯タンク（２０）とを接続する水配管（２１）、および水配管（２１）中に設置されて水を循環させる循環ポンプ（２２）を有する給湯回路とを備え、貯湯タンク（２０）内の水を沸き上げる沸き上げ運転の終了後において所定条件が成立した際に水配管（２１）内での凍結を防止するための凍結防止運転を行うようにしたヒートポンプ式給湯機において、凍結防止運転実行中および凍結防止運転の待機中は、開閉弁（１７）を常時開弁させることを特徴とする。

これによると、凍結防止運転実行中に圧縮機出口側の高温高圧冷媒の一部がバイパス回路を介して直接（水冷媒熱交換器等を介さずに）蒸発器側に流れるため、凍結防止運転実行中の蒸発器の蒸発温度を高くすることができ、これにより凍結防止運転終了後の蒸発器や気液分離器に存在する冷媒の乾き度を高くすることができる。したがって、凍結防止運転開始時における液圧縮が回避され、圧縮機の負荷を低減させることができる。

請求項４に記載の発明のように、ヒートポンプユニット内の高圧側圧力が冷媒の臨界圧力以上となる蒸気圧縮式冷凍サイクルの場合、圧縮機から吐出される冷媒の温度が高いため、凍結防止運転終了後の蒸発器や気液分離器に存在する冷媒の乾き度を確実に高くすることができる。

請求項５に記載の発明のように、請求項４に記載のヒートポンプ式給湯機において、冷媒を二酸化炭素とすることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は第１実施形態に係るヒートポンプ式給湯機の全体構成図である。

ヒートポンプ式給湯機は、ヒートポンプユニットと給湯回路とに大別される。ヒートポンプユニットは、冷媒としてＣＯ_２を用い、高圧側圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルにて構成されている。より詳細には、蒸気圧縮式冷凍サイクルのうち、膨張弁サイクルにて構成されている。

図１に示すように、ヒートポンプユニットは、冷媒を吸入圧縮して高圧状態にする圧縮機１０、圧縮機１０からの冷媒と給湯回路の水とを熱交換させる水冷媒熱交換器１１、水冷媒熱交換器１１を通過した冷媒を減圧膨張させる減圧弁１２、外気から吸熱して冷媒を蒸発させる蒸発器１３、及び蒸発器１３から流出した冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離して余剰冷媒を液相冷媒として蓄えるとともに、気相冷媒を圧縮機１０に供給する気液分離器１４を備えている。これらの機能部品１０〜１４は、冷媒配管１５にて接続されている。

また、ヒートポンプユニットは、圧縮機１０の出口側と蒸発器１３の入口側とを接続するバイパス回路１６、およびバイパス回路１６を開閉する電磁式の開閉弁１７を備えている。

圧縮機１０は、電動モータにて駆動されて回転数を制御可能になっている。減圧弁１２は、電動アクチュエータにて駆動されて冷媒通路の開度を調整可能になっている。なお、減圧弁１２は本発明の減圧手段に相当する。

水冷媒熱交換器１１は、水側チューブと冷媒側チューブとを備え、水側チューブと冷媒側チューブとは熱交換可能な構成になっている。蒸発器１３は、電動モータにて駆動される送風ファン１３０を備えている。

給湯回路は、水冷媒熱交換器１１にて加熱された高温の温水を蓄える貯湯タンク２０、水冷媒熱交換器１１と貯湯タンク２０とを接続する水配管２１、および水配管２１中に設置されるとともに電動モータにて駆動されて、水冷媒熱交換器１１と貯湯タンク２０との間で水を循環させる循環ポンプ２２等から構成されている。また、貯湯タンク２０には、水道水等を給水するための給水配管２３が接続され、また、台所、洗面所、風呂等の給湯対象機器に給湯するための給湯配管２４が接続されている。

圧縮機１０と水冷媒熱交換器１１とを接続する冷媒配管１５中には、圧縮機１０出口側の冷媒圧力および冷媒温度を検出する圧縮機出口センサ３０が配置され、水冷媒熱交換器１１と減圧弁１２とを接続する冷媒配管１５中には、水冷媒熱交換器１１出口側の冷媒圧力および冷媒温度を検出する水冷媒熱交換器出口センサ３１が配置され、減圧弁１２と蒸発器１３とを接続する冷媒配管１５中には、蒸発器１３入口側の冷媒圧力および冷媒温度を検出する蒸発器入口センサ３２が配置されている。

水冷媒熱交換器１１と貯湯タンク２０とを接続する水配管２１中には、沸き上げ側の水温を検出する沸き上げ温度センサ３３が配置され、貯湯タンク２０と循環ポンプ２２とを接続する水配管２１中には、給水側の水温を検出する給水温度センサ３４が配置されている。

さらに、ヒートポンプ式給湯機は、外気温度を検出する外気温センサ３５を備え、各センサ３０〜３５の信号が電子制御装置４０に入力される。この電子制御装置４０はマイクロコンピュータとその周辺回路とにより構成されるものであって、予め設定されたプログラムに基づく所定の演算処理を行って、圧縮機１０、減圧弁１２、開閉弁１７、循環ポンプ２１、送風ファン１３０等の機器の作動を制御するようになっている。

次に、上記構成になるヒートポンプ式給湯機の作動を説明する。

電子制御装置４０は、電力会社の安価な深夜電力料金が適用される時刻になると、給湯機を作動させて、貯湯タンク２０内の水を沸き上げる沸き上げ運転を開始させる。具体的には、循環ポンプ２２を作動させて水冷媒熱交換器１１と貯湯タンク２０との間で水を循環させる。同時に、圧縮機１０を作動させてヒートポンプユニット内で冷媒を循環させる。これにより、水冷媒熱交換器１１にて冷媒と水の熱交換が行われ、換言すると、外気から吸熱した熱及び圧縮機１０の圧縮仕事量に相当する熱量が給湯水に与えられ、給湯水が加熱される。

そして、電子制御装置４０は、沸き上げ温度センサ３３の信号に基づいて、給湯水が所定の温度まで沸き上げられたと判断されると、沸き上げ運転を終了させる。

一方、電子制御装置４０は、沸き上げ運転の終了後において所定条件が成立した際に、水配管２１内での凍結を防止するための凍結防止運転を開始させる。因みに、外気温度、給水側の水温、沸き上げ側の水温、および冷媒温度のうち少なくとも１つが所定温度以下になったときに、凍結防止運転を開始させるための所定条件が成立する。

この凍結防止運転について、図２に基づいて説明する。

まず、時刻ｔ０では、沸き上げ運転および凍結防止運転のいずれもが終了しており、このときには、圧縮機１０は停止し、開閉弁１７は開弁し、減圧弁１２は中間開度になっている。

次に、時刻ｔ１にて凍結防止運転を開始させるための所定条件が成立すると、凍結防止運転を開始する。具体的には、圧縮機１０の運転を開始するとともに、圧縮機１０の回転数を目標回転数に制御する。また、開閉弁１７を閉弁させてバイパス回路１６を全閉し、圧縮機１０から吐出される全ての高温高圧冷媒が水冷媒熱交換器１１に流れるようにする。減圧弁１２は中間開度を維持する。

因みに、凍結防止運転を実行中の圧縮機１０の回転数および減圧弁１２の開度は、ヒートポンプユニットの加熱能力が凍結防止に必要な加熱能力になるように、実験にて予め決定されている。

次に、時刻ｔ２にて凍結防止運転を終了させる条件が成立すると、凍結防止運転を終了する。そして、凍結防止運転を開始させる条件が再び成立するまで待機する。因みに、給水側の水温、沸き上げ側の水温、および冷媒温度のうち少なくとも１つが所定温度以上になったときに、凍結防止運転を終了させる。

凍結防止運転を終了する際には、圧縮機１０の運転を停止し、開閉弁１７を開弁させてバイパス回路１６を全開し、減圧弁１２は中間開度を維持する。

そして、圧縮機停止直後は、圧縮機１０の出口側と蒸発器１３の入口側との圧力差により、圧縮機出口側の高温高圧冷媒がバイパス回路１６を介して蒸発器１３側に流れる。このため、蒸発器１３や気液分離器１４に存在する冷媒の温度および圧力が上がって乾き度が高くなり、次の凍結防止運転開始時における液圧縮が回避され、圧縮機１０の負荷を低減させることができる。

上記した本実施形態では、凍結防止運転終了時に圧縮機１０の出口側の高温高圧冷媒が水冷媒熱交換器１１等を介さずに蒸発器１３側に流れるため、蒸発器１３や気液分離器１４に存在する冷媒の温度および圧力を上げて乾き度を高くすることができる。したがって、凍結防止運転開始時における液圧縮が回避され、圧縮機１０の負荷を低減させることができる。

また、本実施形態のように超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルの場合、圧縮機１０から吐出される冷媒の温度が高いため、凍結防止運転終了後の蒸発器１３や気液分離器１４に存在する冷媒の乾き度を確実に高くすることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図３は第２実施形態に係るヒートポンプ式給湯機の制御特性図である。なお、本実施形態は、第１実施形態における減圧弁１２の制御方法を一部変更したものである。

図３に示すように、時刻ｔ０では減圧弁１２を閉弁させ、次の運転までこの状態を維持して待機する。

次に、時刻ｔ１にて凍結防止運転を開始させるための所定条件が成立すると、凍結防止運転を開始する。このときには、ヒートポンプユニットの加熱能力が凍結防止に必要な加熱能力になるように、減圧弁１２は所定の中間開度に制御される。

次に、時刻ｔ２にて凍結防止運転を終了させる条件が成立すると、凍結防止運転を終了して減圧弁１２を閉弁させる。このように、減圧弁１２を閉弁させると圧縮機出口側の高温高圧冷媒が水冷媒熱交換器１１側には流れなくなり、圧縮機出口側の高温高圧冷媒は蒸発器１３側に流れやすくなるため、蒸発器１３や気液分離器１４に存在する冷媒の温度および圧力を上げて乾き度を一層高くすることができる。したがって、凍結防止運転開始時における圧縮機１０の負荷をさらに低減させることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。図４は第３実施形態に係るヒートポンプ式給湯機の全体構成図である。なお、上記各実施形態では、ヒートポンプユニットを膨張弁サイクルにて構成したが、本実施形態は、上記各実施形態におけるヒートポンプユニットをエジェクタサイクルに変更したものである。

図４に示すように、本実施形態は、上記各実施形態における減圧弁１２が廃止され、代わりにエジェクタ１８を備えている。また、蒸発器１３の配置位置が変更されている。

エジェクタ１８のノズル部１８０には水冷媒熱交換器１１から冷媒が流入し、ノズル部１８０で冷媒の圧力エネルギが速度エネルギに変換される。この時、ノズル部１８０から高速で噴出する作動流体の巻き込み作用によって、蒸発器１３にて蒸発した気相冷媒を吸引する。さらに、冷媒の通路面積が拡大していくディフューザ部１８１で冷媒の膨張エネルギを圧力エネルギに変換し、エジェクタ１８の冷媒流れ下流の圧縮機１０の吸入圧を上昇させる。

ノズル部１８０の開度、つまり実質的な最小冷媒通路断面積は、電動式のアクチュエータ１８２に駆動されるニードル弁１８３によって調整される。なお、ノズル部１８０、アクチュエータ１８２、およびニードル弁１８３によって、本発明の減圧手段を構成している。

エジェクタ１８から流出した気液二相状態の冷媒は気液分離器１４に流入し、分離された気相冷媒は圧縮機１に吸引されて圧縮され、分離された液相冷媒は蒸発器１３に流入して蒸発する。

そして、本実施形態においては、凍結防止運転実行中および凍結防止運転の待機中に、圧縮機１０および開閉弁１７を上記各実施形態と同様に制御するとともに、エジェクタ１８におけるノズル部１８０の開度を上記各実施形態での減圧弁１２と同様に制御する。これにより、凍結防止運転開始時における液圧縮が回避され、圧縮機１０の負荷を低減することができる。

（他の実施形態）
上記第１、第２実施形態では、凍結防止運転実行中は開閉弁１７を閉弁させてバイパス回路１６を全閉にしたが、凍結防止運転実行中および凍結防止運転の待機中は、開閉弁１７を常時開弁させるようにしてもよい。

これによると、凍結防止運転実行中に圧縮機出口側の高温高圧冷媒がバイパス回路１６を介して蒸発器１３側に流れるため、凍結防止運転実行中の蒸発器１３の蒸発温度を高くすることができ、これにより凍結防止運転終了後の蒸発器１３や気液分離器１４に存在する冷媒の乾き度を高くすることができる。したがって、凍結防止運転開始時における液圧縮が回避され、圧縮機１０の負荷を低減させることができる。

本発明の第１実施形態に係るヒートポンプ式給湯機の全体構成図である。 図１の給湯機の制御特性図である。 本発明の第２実施形態に係るヒートポンプ式給湯機の制御特性図である。 本発明の第４実施形態に係るヒートポンプ式給湯機の全体構成図である。

符号の説明

１０…圧縮機、１１…水冷媒熱交換器、１２…減圧手段をなす減圧弁、１６…バイパス回路、１７…開閉弁、２０…貯湯タンク、２１…水配管、２２…循環ポンプ、１８０、１８２、１８３…減圧手段を構成するノズル部、アクチュエータ、およびニードル弁。

Claims (5)

1. 冷媒を高圧状態にする圧縮機（１０）、前記圧縮機（１０）からの冷媒と水とを熱交換させる水冷媒熱交換器（１１）、低圧冷媒を蒸発させる蒸発器（１３）、前記圧縮機（１０）の出口側と前記蒸発器（１３）の入口側とを接続するバイパス回路（１６）、および前記バイパス回路（１６）を開閉する開閉弁（１７）を有するヒートポンプユニットと、
   前記水冷媒熱交換器（１１）にて加熱された水を蓄える貯湯タンク（２０）、前記水冷媒熱交換器（１１）と前記貯湯タンク（２０）とを接続する水配管（２１）、および前記水配管（２１）中に設置されて水を循環させる循環ポンプ（２２）を有する給湯回路とを備え、
   前記貯湯タンク（２０）内の水を沸き上げる沸き上げ運転の終了後において所定条件が成立した際に前記水配管（２１）内での凍結を防止するための凍結防止運転を行うようにしたヒートポンプ式給湯機において、
   凍結防止運転終了時に前記開閉弁（１７）を開弁させるとともに、凍結防止運転実行中は前記開閉弁（１７）を閉弁させることを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
2. 前記水冷媒熱交換器（１１）を通過した冷媒を減圧膨張させるとともに冷媒通路の開度を調整可能な減圧手段（１２、１８０、１８２、１８３）を備え、凍結防止運転終了時に前記減圧手段（１２、１８０、１８２、１８３）を閉弁させることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯機。
3. 冷媒を高圧状態にする圧縮機（１０）、前記圧縮機（１０）からの冷媒と水とを熱交換させる水冷媒熱交換器（１１）、低圧冷媒を蒸発させる蒸発器（１３）、前記圧縮機（１０）の出口側と前記蒸発器（１３）の入口側とを接続するバイパス回路（１６）、および前記バイパス回路（１６）を開閉する開閉弁（１７）を有するヒートポンプユニットと、
   前記水冷媒熱交換器（１１）にて加熱された水を蓄える貯湯タンク（２０）、前記水冷媒熱交換器（１１）と前記貯湯タンク（２０）とを接続する水配管（２１）、および前記水配管（２１）中に設置されて水を循環させる循環ポンプ（２２）を有する給湯回路とを備え、
   前記貯湯タンク（２０）内の水を沸き上げる沸き上げ運転の終了後において所定条件が成立した際に前記水配管（２１）内での凍結を防止するための凍結防止運転を行うようにしたヒートポンプ式給湯機において、
   凍結防止運転実行中および凍結防止運転の待機中は、前記開閉弁（１７）を常時開弁させることを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
4. 前記ヒートポンプユニットは、前記ヒートポンプユニット内の高圧側圧力が冷媒の臨界圧力以上となる蒸気圧縮式冷凍サイクルにて構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のヒートポンプ式給湯機。
5. 前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ式給湯機。

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