JP4285374B2

JP4285374B2 - ヒートポンプ式給湯器

Info

Publication number: JP4285374B2
Application number: JP2004254869A
Authority: JP
Inventors: 潤岩瀬; 進川村; 久介榊原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-09-01
Filing date: 2004-09-01
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2024-09-01
Also published as: JP2006071175A

Description

本発明は、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍サイクルのうち、冷媒を減圧膨張させながら膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機の吸入圧を上昇させるエジェクタを有するエジェクタ式ヒートポンプサイクルを用いて大気から吸熱を行う給湯器に関するものであり、特に高圧側が冷媒の臨界圧力以上で運転される冷凍サイクルに適用される。

従来技術として、本出願人が先に出願した特許文献１に示す技術がある。これはエジェクタサイクルにおいて、気液分離器によって二酸化炭素（以下、ＣＯ_２と略す）冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する構成となっている。
特開２００３−２２２４１９号公報

しかしながら、上記のような構成のエジェクタ式ヒートポンプサイクルを用いた給湯器において、高外気温度で沸き上げ温度が高い時のヒートポンプサイクルの運転は、外気温度（吸熱温度）によって蒸発圧力が上がり、吐出温度が下がるため、沸き上げ温度を確保するために高圧を上げる必要がある。給湯器での高圧側は機器の設計耐圧で制限があるため、高圧が限界となるとウォータポンプの流量を下げて沸き上げ温度を確保するため、加熱能力が減少してしまう。

一方、冷媒側は冷媒水熱交換器出口の温度が上がり、膨張損失エネルギーが大きくなるため、エジェクタによる昇圧が大きくなり、低圧系が超臨界圧力以上となる。このような状態では、図１中の太破線で示すようなサイクル状態となり、サイクルが設計意図に反して破綻する。つまり、吸熱が激減するため圧縮機の入力に対する出力（加熱能力）が極端に低下するという問題点がある。

例えば、外気温度がＣＯ_２冷媒の臨界温度である３１℃以上となり、冷媒空気熱交換器の入口冷媒温度もその３１℃以上となると、気液分離器位置での圧力は臨界圧力以上となって運転することとなり、充分な加熱能力が得られない。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、気液分離器部分が冷媒の臨界圧力以上とならないように運転制御することで、冷凍サイクルを安定的に運転して給湯用水の加熱能力を確保することのできるヒートポンプ式給湯器を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項２に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを用いた給湯器であって、圧縮機（１０）にて冷媒の臨界圧力以上まで圧縮された高温高圧の冷媒と給湯用水とを熱交換させて給湯用水を加熱する冷媒水熱交換器（２０）と、低温低圧の冷媒を蒸発させる冷媒空気熱交換器（３０）と、高圧冷媒を減圧膨張させるノズル（４１）を有し、ノズル（４１）から噴射する高い速度の冷媒流により冷媒空気熱交換器（３０）にて蒸発した気相冷媒を吸引すると共に、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機（１０）の吸入圧を上昇させるエジェクタ（４０）と、エジェクタ（４０）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を圧縮機（１０）の吸入側に供給し、液相冷媒を冷媒空気熱交換器（３０）側に供給する気液分離器（５０）と、ヒートポンプサイクルの状態を制御する制御手段（７０）とを備えたヒートポンプ式給湯器において、
制御手段（７０）は、気液分離器（５０）位置での圧力が冷媒の臨界圧力以上であるか否かを判定し、臨界圧力以上であると判定される場合は最大目標沸き上げ温度（ＴｐＭＡＸ）を低く可変することを特徴としている。

この請求項１に記載の発明によれば、最大目標沸き上げ温度（ＴｐＭＡＸ）を低く可変（制限）することによりサイクル破綻することが防がれて必要な給湯用水の加熱能力を確保することができる。

また、請求項２に記載の発明では、冷媒の臨界圧力以上であるか否かの判定は、圧縮機（１０）の吸入圧力、圧縮機（１０）の吸入温度、冷媒空気熱交換器（３０）の入口・出口圧力、冷媒空気熱交換器（３０）の入口冷媒温度、外気温度、エジェクタ（４０）の出口圧力、エジェクタ（４０）の出口冷媒温度のいずれか、もしくは２つ以上の組み合わせによって行うことを特徴としている。

この請求項２に記載の発明によれば、これら低圧系の温度や圧力を単独、もしくは組み合わせてみることにより、気液分離器（５０）位置での圧力が冷媒の臨界圧力以上であるか否かを判定することができる。ちなみに、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一例である。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るヒートポンプ式給湯器の全体構成模式図である。本実施形態のヒートポンプ式給湯器は、超臨界ヒートポンプサイクルを用いて給湯用水を高温（本実施形態での最大目標沸き上げ温度は９０℃）に加熱して貯湯しながら給湯を行うものである。

尚、超臨界ヒートポンプサイクルとは、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルを言い、例えば二酸化炭素・エチレン・エタン・酸化窒素などを冷媒とするヒートポンプサイクルである。ヒートポンプ式給湯器は大きく分けて、主に後述する冷凍サイクル機器が収納されたヒートポンプユニットと、主に貯湯タンク１が収納されたタンクユニットとよりなる。

また、ヒートポンプユニット内は、大きく分けてヒートポンプサイクルの冷媒回路と、給湯関係の給湯水加熱回路とで構成されている。まず冷媒回路は、冷媒を圧縮する圧縮機１０と、給湯用水の加熱手段である冷媒水熱交換器２０と、冷媒減圧手段であるエジェクタ４０と、大気から吸熱するための冷媒空気熱交換器３０とを図１に示すような冷媒配管経路で接続して構成され、冷媒として臨界温度の低いＣＯ_２が封入されている。

尚、冷媒回路に接続されている６０は、冷媒水熱交換器２０から流出した高圧冷媒（エジェクタ４０にて減圧される前の冷媒）と気液分離器５０から流出して圧縮機１０に吸入される低圧冷媒とを熱交換する内部熱交換器である。

圧縮機１０は、内蔵する駆動モータと、吸引したガス冷媒を臨界圧力以上の高圧にまで昇圧して吐出する高圧圧縮部とで構成しており、これらが密閉容器内に収納されている。そして、装置全体の制御手段である制御装置７０により通電制御される。尚、圧縮機１０は冷媒水熱交換器２０の加熱能力を大きくするときには圧縮機１０の回転数を増大させて、圧縮機１０から吐出する冷媒の流量を増大させ、一方、加熱能力を小さくするときには圧縮機１０の回転数を低下させ、圧縮機１０から吐出する冷媒の流量を減少させる。

冷媒水熱交換器２０は、高圧圧縮部で昇圧された高温高圧のガス冷媒と給湯用水とを熱交換して給湯用水を加熱するもので、高圧冷媒通路に隣接して給湯水通路が設けられ、その高圧冷媒通路を流れる冷媒の流れ方向と給湯水通路を流れる給湯用水の流れ方向とが対向するように構成されている。

ちなみに、本実施形態では、冷媒としてＣＯ_２を用いているので、冷媒水熱交換器２０内の冷媒圧力は冷媒の臨界圧力以上となり、且つ、冷媒水熱交換器２０内で冷媒が凝縮することなく、冷媒入口側から冷媒出口側に向かうほど冷媒温度が低下するような温度分布を有する。

冷媒空気熱交換器３０は、屋外空気と液相冷媒とを熱交換させ、液相冷媒を蒸発させることにより屋外空気から吸熱する熱交換器である。また、外気ファン３０ａは、冷媒空気熱交換器３０へ外気を供給する送風手段であり、制御装置７０により通電制御される。エジェクタ４０は冷媒を減圧膨張させて冷媒空気熱交換器３０にて蒸発した気相冷媒を吸引すると共に、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機１０の吸入圧を上昇させるものである。尚、エジェクタ４０の詳細は、後述する。

気液分離器５０は、エジェクタ４０から流出した冷媒が流入すると共に、その流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して液冷媒を蓄える気液分離器であり、気液分離器５０の気相冷媒流出口は圧縮機１０の吸引側に接続され、液相冷媒流出口は冷媒空気熱交換器３０の流入側に接続される。

ここで、エジェクタ４０の構造について図２を用いて説明する。エジェクタ４０は、流入する高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル４１、ノズル４１から噴射する高い速度の冷媒流により冷媒空気熱交換器３０にて蒸発した気相冷媒を吸引しながらノズル４１から噴射する冷媒流と混合する混合部４２、およびノズル４１から噴射する冷媒と冷媒空気熱交換器３０から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ４３などからなるものである。

尚、混合部４２においては、ノズル４１から噴射する冷媒流の運動量と、冷媒空気熱交換器３０からエジェクタ４０に吸引される冷媒流の運動量との和が保存されるように混合するので、混合部４２においても冷媒の静圧が上昇する。一方、ディフューザ４３においては、通路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の動圧を静圧に変換するので、エジェクタ４０においては、混合部４２およびディフューザ４３の両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、混合部４２とディフューザ４３とを総称して昇圧部と呼ぶ。

つまり、理想的なエジェクタ４０においては、混合部４２で２種類の冷媒流の、運動量の和が保存されるように冷媒圧力が増大し、ディフューザ４３でエネルギーが保存されるように冷媒圧力が増大することが望ましい。ちなみに、ノズル４１の周りには、ボディ４４により形成された吸引室４５が形成されており、冷媒空気熱交換器３０から吸引された気相冷媒は、吸引室４５を経由して混合部４２に流れる。また、本実施形態のエジェクタ４０には、絞り径（ノズル出口部径）を変更する可変絞り機構４０ａが一体的に設けられており、制御装置７０により通電制御される。

給湯関係の給湯水加熱回路は、給湯用水の加熱手段である上記冷媒水熱交換器２０の給湯水通路と、給湯用水を循環させるウォーターポンプ２と、給湯用水を貯留する貯湯タンク１とを環状に接続して構成される。ウォーターポンプ２は、図１に示すように、貯湯タンク１内の下部に設けられた低温水流出部から冷水を冷媒水熱交換器２０の給湯水通路を通して貯湯タンク１の上部に設けられた高温水流入部から還流する様に水流を発生させる。また、このウォーターポンプ２は内蔵するモータの回転数に応じて流水量を調節することができ、制御装置７０により通電制御される。

貯湯タンク１は、耐蝕性に優れた金属製（例えばステンレス製）で断熱構造を有し、高温の給湯用水を長時間にわたって保温することができる。貯湯タンク１に貯留された給湯用水は、出湯時に低温水混合手段である図示しない給湯混合弁で、貯湯タンク１上部の高温水流出部からの高温水と水道からの冷水とを混合して温度調節した後、主に台所や風呂などに給湯される。尚、給湯混合弁も制御装置７０により通電制御される。

そして、制御装置７０は、上述したヒートポンプサイクルの各冷凍機器を制御する制御手段であり、ＣＰＵ・ＲＯＭ・ＲＡＭ・Ｉ／Ｏポートなどの機能を含んで構成され、それ自体は周知の構造を持つマイクロコンピュータを内蔵している。

尚、本ヒートポンプサイクルのセンサ群として、圧縮機１０の吸入圧力・吸入温度を検出する吸入圧力センサ１１・吸入温度センサ１２、冷媒空気熱交換器３０の入口圧力・出口圧力・入口冷媒温度を検出する冷媒空気熱交換器入口圧力センサ３１・冷媒空気熱交換器出口圧力センサ３２・冷媒空気熱交換器入口温度センサ３３、外気温度を検出する外気温度センサ３４、エジェクタ４０の出口圧力・出口温度を検出するエジェクタ出口圧力センサ４６・エジェクタ出口温度センサ４７などがある。

これらセンサ群からのセンサ信号は、図示しない入力回路（Ａ／Ｄ変換回路）によってＡ／Ｄ変換された後に、制御装置７０に入力されるように構成されていると共に、制御装置７０からはウォーターポンプ２・圧縮機１０・外気ファン３０ａ・可変絞り機構４０ａなどに制御出力を出すように構成されている。

次に、本発明の要部である制御装置７０での制御概要を説明する。図３は本発明の一実施形態におけるヒートポンプ式給湯器制御のフローチャートであり、図４は本発明の一実施形態における最大沸き上げ温度変更のマップである。

本制御がスタートするとまず、ステップＳ１にて、気液分離器５０位置での圧力（つまり低圧側）が冷媒の臨界圧力以上であるか否かを判定する。尚、本実施形態では外気温度にて判定する例で説明する。よって、より具体的には外気温度センサ３４で検出される外気温度が所定値α（例えば、ＣＯ_２冷媒の臨界温度３１℃に対して３０℃）よりも大きいか否かを判定する。

そして、ステップＳ１での判定結果がＮＯで、気液分離器５０位置での圧力が臨界圧力に満たないと判定されるときにはステップＳ２へと進み、通常制御として最大目標沸き上げ温度ＴｐＭＡＸを９０℃に設定して給湯器の運転を行うものである。

しかし、ステップＳ１での判定結果がＹＥＳとなって、気液分離器５０位置での圧力が臨界圧力以上であると判定されるときにはステップＳ３へと進み、図３のマップに従って最大目標沸き上げ温度ＴｐＭＡＸを低く可変して設定するものである。ちなみに図３の例では、外気温度が所定値β（例えば、外気温度の上限として５０℃）まで上がったときの最大目標沸き上げ温度ＴｐβＭＡＸは７０℃にまで下げて設定して給湯器の運転を行うようにしている。

次に、本実施形態での特徴と、その効果について述べる。制御装置７０は、気液分離器５０位置での圧力が冷媒の臨界圧力以上であるか否かを判定し、臨界圧力以上であると判定される場合は最大目標沸き上げ温度ＴｐＭＡＸを低く可変するようにしている。これによれば、最大目標沸き上げ温度（ＴｐＭＡＸ）を低く可変（制限）することによりサイクル破綻することが防がれて、必要な給湯用水の加熱能力を確保することができる。

（第２実施形態）
冷媒の臨界圧力以上であるか否かの判定は外気温度に限らず、吸入圧力センサ１１で検出される圧縮機１０の吸入圧力、吸入温度センサ１２で検出される圧縮機１０の吸入温度、冷媒空気熱交換器入口圧力センサ３１・冷媒空気熱交換器出口圧力センサ３２で検出される冷媒空気熱交換器３０の入口・出口圧力、冷媒空気熱交換器入口温度センサ３３で検出される冷媒空気熱交換器３０の入口冷媒温度、エジェクタ出口圧力センサ４６で検出されるエジェクタ４０の出口圧力、エジェクタ出口温度センサ４７で検出されるエジェクタ４０の出口冷媒温度のいずれかが所定値よりも大きいか否か、もしくは２つ以上の判定の組み合わせによって行っている。

これによれば、これら低圧系の温度や圧力を単独、もしくは組み合わせてみることにより、気液分離器５０位置での圧力が冷媒の臨界圧力以上であるか否かを判定することができる。

本発明の実施形態に係るヒートポンプ式給湯器の全体構成模式図である。本発明の実施形態に係るエジェクタ４０の断面模式図である。本発明の一実施形態におけるヒートポンプ式給湯器制御のフローチャートである。本発明の一実施形態における最大沸き上げ温度変更のマップである。

符号の説明

１０…圧縮機
２０…冷媒水熱交換器
３０…冷媒空気熱交換器
４０…エジェクタ
４１…ノズル
５０…気液分離器
７０…制御装置（制御手段）
ＴｐＭＡＸ…最大目標沸き上げ温度

Claims

低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを用いた給湯器であって、
圧縮機（１０）にて冷媒の臨界圧力以上まで圧縮された高温高圧の冷媒と給湯用水とを熱交換させて給湯用水を加熱する冷媒水熱交換器（２０）と、
低温低圧の冷媒を蒸発させる冷媒空気熱交換器（３０）と、
高圧冷媒を減圧膨張させるノズル（４１）を有し、前記ノズル（４１）から噴射する高い速度の冷媒流により前記冷媒空気熱交換器（３０）にて蒸発した気相冷媒を吸引すると共に、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して前記圧縮機（１０）の吸入圧を上昇させるエジェクタ（４０）と、
前記エジェクタ（４０）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を前記圧縮機（１０）の吸入側に供給し、液相冷媒を前記冷媒空気熱交換器（３０）側に供給する気液分離器（５０）と、
ヒートポンプサイクルの状態を制御する制御手段（７０）とを備えたヒートポンプ式給湯器において、
前記制御手段（７０）は、前記気液分離器（５０）位置での圧力が冷媒の臨界圧力以上であるか否かを判定し、臨界圧力以上であると判定される場合は最大目標沸き上げ温度（ＴｐＭＡＸ）を低く可変することを特徴とするヒートポンプ式給湯器。
冷媒の臨界圧力以上であるか否かの判定は、前記圧縮機（１０）の吸入圧力、前記圧縮機（１０）の吸入温度、前記冷媒空気熱交換器（３０）の入口・出口圧力、前記冷媒空気熱交換器（３０）の入口冷媒温度、外気温度、前記エジェクタ（４０）の出口圧力、前記エジェクタ（４０）の出口冷媒温度のいずれか、もしくは２つ以上の組み合わせによって行う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器。