JP4407689B2

JP4407689B2 - ヒートポンプ給湯機

Info

Publication number: JP4407689B2
Application number: JP2006306228A
Authority: JP
Inventors: 宗野本; 国博森下
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-11-13
Filing date: 2006-11-13
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2026-11-13
Also published as: JP2008121977A

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯機、特に冷媒として二酸化炭素（ＣＯ₂ ）を用いるヒートポンプ給湯機に関するものである。

従来の冷凍空調装置に、冷媒としてＣＯ₂ を用いるとともに、圧縮機とガスクーラと高低圧熱交換器と膨張手段と蒸発器と低圧冷媒レシーバからなり、ガスクーラ出口冷媒温度を膨張手段で調整するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。また、従来のヒートポンプ給湯機に、圧縮機と放熱器と膨張手段と蒸発器からなり、吐出温度を膨張手段で制御するものがある（例えば、特許文献２参照）。また従来の冷凍空調装置に、冷媒としてＣＯ₂ を用いるとともに、圧縮機とガスクーラと高低圧熱交換器と膨張手段と蒸発器からなり、高圧側圧力を高低圧熱交換器冷媒回路の膨張手段で調整するようにしたものがある（例えば、特許文献３参照）。

特許２９３１６６８号公報（第２−３頁、第３図）特開２００４−３４０５３５号公報（第４−６頁、第１図）特開２００５−３１５５５８号公報（第１０−１１頁、第１２図）

従来の冷凍空調装置においては、高低圧熱交換器を有するため、圧縮機吸入冷媒を過熱ガス化することができ、圧縮機に液冷媒を吸入させないため圧縮機信頼性を向上することができる。また、従来のヒートポンプ給湯機は吐出温度を膨張手段で制御しているため、圧縮機の過剰な温度上昇を避けることができ、圧縮機信頼性を向上することができる。

しかし、給湯装置の場合、ユーザーが常に望む温度のお湯を供給する必要があり、冷凍サイクルから見ると負荷側である水をお湯に加熱する加熱能力を目標とする所定の値に、即ち指定された温度のお湯に加熱する能力を維持することが求められるという問題があった。これに対し、従来の装置を組合せ、高低圧熱交換器を用いて、吐出温度を膨張手段で制御する冷媒回路を評価した結果、吐出温度を目標値に制御する場合、同一吐出温度に対して安定状態が複数存在することがわかった。一例として膨張弁開度を変化させた場合の吐出温度と加熱能力を調査したところ、図２に示す様に、膨張弁開度がＡの場合、所定能力を得ることができるが、膨張弁開度がＢの場合、所定能力を得ることができない。つまり、高低圧熱交換器を含む冷媒回路において、膨張弁で吐出温度制御した場合、必ずしも所定能力を得られないという課題がある。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたもので、高低圧熱交換器を含むヒートポンプ給湯機において、膨張手段で吐出温度を制御し、かつ、所定の加熱能力を得ることを目的とする。

本発明に係るヒートポンプ給湯機は、圧縮機から吐出された高圧冷媒と水とを熱交換する放熱器、放熱器からの高圧冷媒を減圧する第１の膨張弁、第１の膨張弁にて減圧された低圧冷媒を蒸発させる蒸発器を環状に接続して、冷媒を循環させる冷凍サイクルと、放熱器で加熱された水をポンプにより循環させてタンクに貯留する給湯回路と、給湯回路にて放熱器で加熱された水の温度である出湯温度を検出し目標出湯温度に制御する出湯温度制御手段と、冷凍サイクルの放熱器と第１の膨張弁の間から分岐し蒸発器の入口側へ接続され、下流側に第２の膨張弁を配置した分岐流路と、分岐流路の上流側に配置され高圧である分岐流路の冷媒と蒸発器からの低圧冷媒との間で熱交換する高低圧熱交換器と、高圧冷媒の吐出温度を吐出温度検知手段にて検出しこの検出された吐出温度を目標吐出温度に制御する吐出温度制御手段と、冷凍サイクルの冷媒の状態及び給湯回路の出湯温度の少なくとも一方が安定状態になったことを判定する安定状態判定手段と、を備え、安定状態判定手段が安定状態と判定し、この安定状態の加熱能力が所定の能力に不足している場合は放熱器の加熱能力を増加させるものである。

本発明のヒートポンプ給湯機によれば、高低圧熱交換器を有した冷媒回路において、吐出温度制御手段により吐出温度を制御し、かつ、所定の加熱能力を得られるという効果がある。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１を図１に示す。図１は本発明のヒートポンプ給湯機の冷媒回路図であり、ヒートポンプユニット１内には圧縮機３、放熱器４、第１の膨張弁５、蒸発器６を順次環状に接続し冷媒を循環させる室外に配置された冷凍サイクルと、蒸発器６に室外から吸い込んだ外気を送風するファン７と、放熱器４から第1の膨張弁５に至る間で分岐し、第1の膨張弁５から蒸発器６に至る間の配管に接続されている分岐流路８上に配置された高低圧熱交換器９および第２の膨張弁１０と、給湯水回路における放熱器４で加熱された負荷側媒体である水を送水するポンプ１１とが搭載されており、一方、タンクユニット２内にはポンプ１１の送水により放熱器４を介して加熱された温水を貯留するタンク１２が搭載されている。

高低圧熱交換器９は例えば二重管熱交換器であり、あるいは、低圧側配管と高圧側配管を外部接触させ、ロウ付けした構成としてもよい。冷媒の流れ方向は対向流が好ましい。図１のヒートポンプ給湯機の冷媒回路図には給湯回路のタンク１２から例えば風呂などにタンク内に貯留した一定温度のお湯を供給する給湯装置は省略してある。又図１の給湯回路には水を供給する回路なども省略してある。又圧縮機として吐出する高圧冷媒の圧力や温度を変化させられるように圧縮機駆動装置としてインバータ制御のＤＣブラシレスモータを使用して回転数を可変としたもので説明するが、圧縮機の出力を複数台の圧縮機を組合せてこの組合せを切換えて全体の能力を可変にしても良い。又圧縮機の吸入側に冷媒音を低減させるサクションマフラーのような容器を設けたり、圧縮機の吐出側に流出した潤滑油を回収する装置を設けるなど図１の構成に他の目的の構造を付加することは構わない。即ち図１はヒートポンプ給湯機の基本的な回路だけを説明している。このヒートポンプ給湯機の冷凍サイクルに循環させる冷媒としては冷凍サイクルにおける高圧側が臨界圧力（約７３ｋｇ／ｃｍ² ）以上で超臨界状態となり、かつ容易に入手できる自然冷媒、たとえば二酸化炭素（ＣＯ₂ ）が用いられる。

ヒートポンプユニット１内には、給湯水回路において、給水温度センサ１３ａが給水側である放熱器４水入口側、湯出温度センサ１３ｂが放熱器４にて加熱された水出口側に設けられており、それぞれ設置場所の水温度を計測する。また、ヒートポンプユニット１の外郭またはその近傍に設けた外気温度センサ１３ｃはヒートポンプユニット１周囲の外気温度を計測する。冷媒が循環する冷媒回路において吐出温度センサ１３ｄが圧縮機３出口側、吸入温度センサ１３ｅが圧縮機３入口側、蒸発温度センサ１３ｆが蒸発器６入口から中間部に設けられており、それぞれ配置場所の冷媒温度を計測する。

また、ヒートポンプユニット１内には、計測制御装置１４が設けられている。計測制御装置１４は、各温度センサ１３などによる計測情報や、ヒートポンプ給湯機使用者からリモコン装置などにより指示される運転指令情報の内容に基づいて、圧縮機３の運転方法、第１の膨張弁５の開度、第２の膨張弁１０の開度、ポンプ１１の運転方法などを制御する機能を有する。

次に、このヒートポンプ給湯機での運転動作について説明する。ヒートポンプユニット１の冷凍サイクルにおいて、圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒は放熱器４で給湯水回路２側へ放熱しながら温度低下する。このとき高圧側冷媒圧力が臨界圧以上であれば、冷媒は超臨界状態のまま気液相転移しないで温度低下して放熱する。また、高圧側冷媒圧力が臨界圧以下であれば、冷媒は液化しながら放熱する。冷媒から放熱された熱を負荷側（給湯水回路）の水などの負荷側媒体に与えることで給湯加熱を行う。給湯加熱をして放熱器４から流出した高圧低温の冷媒は、第1の膨張弁５を通過する流路と分岐流路８を通過する流路に分岐される。

第１の膨張弁５を通過した冷媒は、ここで低圧気液二相の状態に減圧される。分岐流路８を通過した高圧冷媒は、高低圧熱交換器９の高圧側流路を通過し、蒸発器６から流出した高低圧熱交換器９の低圧側流路を通過する低圧冷媒と熱交換して冷却された後、第２の膨張弁１０を通過して低圧気液二相の状態に減圧される。第１の膨張弁５を通過した冷媒と、第２の膨張弁１０を通過した冷媒は蒸発器６入口前で合流して蒸発器６に流入し、そこで外気空気から吸熱し、蒸発ガス化される。蒸発器６を出た低圧冷媒は高低圧熱交換器９を通過して、高圧側流路を通過する高圧冷媒と熱交換して過熱ガス化され、圧縮機３に吸入されて循環し冷凍サイクルを形成する。

また、給湯水回路側では、放熱器４で冷媒から放熱された熱は、放熱器４の流入側に設けられたポンプ１１によりタンク１２の下部から導かれて放熱器４の給湯水回路側へ搬送される水などの負荷側媒体に与えられる。ここで加熱された負荷側媒体はタンク１２の上部から流入し、タンク１２内に蓄熱される。即ちタンク内には上部がお湯で下部が水の状態となる。

次に、このヒートポンプ給湯機での運転制御動作について説明する。ヒートポンプ給湯機は、放熱器で負荷である水を加熱するために必要な所定の能力と、あらかじめ設定された目標出湯温度に基づいて動作する。所定の能力は使用者からリモコンにて指示される運転指令情報から、例えば圧縮機の出力値を一定値とするように設定される。目標出湯温度は、使用者からリモコンにて指示される運転指令情報から設定されるか、あるいはリモコン内もしくは計測制御装置１４に設けられたマイコンにて過去の給湯使用量から算出される蓄熱エネルギーを確保できるように設定される。また、目標出湯温度は、あらかじめ範囲が決められており、例えば６５℃から９０℃の範囲に設定されている。

圧縮機３の回転数は、目標出湯温度で所定の能力が得られるように制御される。タンク下部から流入する給水温度は沸上げ終了までほぼ一定温度で供給されるため、目標出湯温度が決まれば、負荷はほぼ一定で運転される。目標出湯温度範囲の加熱に必要な最大値で所定の能力を確保する状態に設定できれば、目標出湯温度の範囲内で所定の能力を確保できる。したがって、放熱器４の加熱能力である圧縮機３の回転数は、例えば外気温度と給水温度の関数とすることで、どのような目標出湯温度においても所定能力を確保することができる。言いかえれば圧縮機の出力はどのような外部条件に対しても給湯器として要求されるお湯の温度を何時でも確保できる能力を準備しており、この結果常に所望の温度のお湯が給湯装置として得ることができる。図では圧縮機３は１台となっているが、複数台を並列もしくは直列に接続してもよく、その場合には圧縮機３の回転数に加え、運転台数を制御して能力を確保することができる。また、圧縮機３の回転数は、長期運転を継続した場合の信頼性維持を考えた圧縮機耐久性を確保するため上限回転数および下限回転数が設けられている。

第２の膨張弁１０の開度は、吐出温度を所定値（目標吐出温度）になるように制御される。目標吐出温度は、目標出湯温度を確保できる温度とするため、目標出湯温度より高い温度、すなわち目標出湯温度＋α［ｄｅｇ］に設定されている。値αは、例えば外気温度や目標出湯温度の関数とする。このように目標出湯温度に応じた目標吐出温度とすることで、要求された出湯温度を確保することができる。また、圧縮機耐久性や冷凍機油劣化などの観点から、通常、吐出温度には上限温度が設けられている。

第１の膨張弁５の開度は、圧縮機３の信頼性の観点から、圧縮機３に吸入される冷媒を液冷媒とせずに過熱ガスに保つため、高低圧熱交換器９で十分に加熱されるよう、通常運転時は閉止状態となっている。ところが、目標吐出温度が上限値付近で運転される場合や、圧縮機３の回転数が上限値付近で運転される場合、例えば、外気温度が低く、目標出湯温度が高い場合には、所定の能力が不足する場合がある。また、外気温度が低く、蒸発器６の蒸発温度が０℃以下となる場合、蒸発器６は着霜して能力が低下するため、除霜運転を実施する必要がある。除霜運転中はポンプ１１が停止して加熱能力が発生しないため、平均的な加熱能力は低下する。

このような場合には、第１の膨張弁５の開度を開くことで、高低圧熱交換器９の熱交換量を低下させ、圧縮機３に吸入する冷媒の吸入過熱度を低下させる。つまり、吸入過熱度低下で圧縮機３の吸入冷媒密度が増加し、冷媒循環量が増加するので、加熱能力が増大する。即ち外部条件次第では第１の膨張弁５の開度を、例えば外気温度と目標沸上げ温度の関数として制御する。

ポンプ１１の回転数は、出湯温度が目標出湯温度となるように制御される。第２の膨張弁１０で吐出温度が目標出湯温度＋α［ｄｅｇ］に制御されるため、即ち冷凍サイクル側の加熱能力が一定に維持されているため、確実に出湯温度を確保することができる。以上の各制御、圧縮機の回転数による加熱能力制御、第２の膨張弁開度による出湯温度制御、などはそれぞれ別個にそれぞれのパラメータに基づきそれぞれの目標に対し制御を行う。

図２は本発明のヒートポンプ給湯機における制御内容の一例を説明する図であって、第１の膨張弁開度、圧縮機の回転数、ポンプの回転数を一定にした状況で第２の膨張弁１０の開度を横軸の様に変化させて冷凍サイクルに各計測装置を設け計測した各部位における冷媒の変化状態特性を示すデータである。図２の縦軸の一番上は第２膨張弁１０の開度に対する放熱器４が通過する冷媒が負荷側媒体である水を加熱能力（ｋＷ）であって出湯温度や水量から求められる。図が示す様に加熱能力は開度がＸまではあまり変化しないがそれ以上に成ると加熱能力が不足してきて急激に低下している。上から２番目の高圧側圧力（ＭＰａ）は圧縮機３で圧縮された高圧冷媒の圧力で、開度が大きくなるにつれて徐々に低下する。第２の膨張弁１０の開度Ａに比べ開度Ｘ、開度Ｂでは冷媒の高圧側圧力が低くなる。上から３番目の温度は放熱器出口と圧縮機吸入の位置における開度に対応した冷媒の温度（℃）であり、いずれの温度も開度を大きくすると温度は上昇する。上から４番目は圧縮機の吐出温度であって圧縮機３から吐出される際に吐出温度センサ１３ｄで検知される冷媒温度で、目標値が設定してありこの目標値に対し、開度Ａと開度Ｂでは目標値に達しているが、開度Ｘでは低く、開度Ｂ以上では目標値以上になっていることが示されている。一番下は横軸が第２の膨張弁１０の開度で縦軸は圧縮機の吸入過熱度（ｄｅｇ）で有る。吸入温度センサ１３ｅからの温度情報と蒸発温度検出センサ１３ｆからの温度情報との差から求められる。吸入温度センサは蒸発器出口、又は、高低圧熱交換器出口に置き換えて求めることも可能である。

図２から、第２の膨張弁１０で吐出温度を制御すると、運転条件によっては同一吐出温度で安定状態が少なくとも２点ある場合が存在し、所定能力を得られない状態Ｂに制御される場合があることがわかる。即ち吐出温度を目標値に合わせる様に制御するだけでは加熱能力が不足してユーザーが求めるお湯に加熱する能力が得られないことになる。言いかえると吐出温度と略同じ温度である出湯温度を検出していても能力が不足し給湯装置としては問題を発生することが分かる。すなわち、少なくとも吐出温度及び出湯温度のいずれか一方が目標値に達していたとしても必要な加熱能力が低下し得られない状態となりタンク１２に貯留するお湯の量が得られないなど給湯に支障をきたすなどの問題を生ずる。

図３は冷凍サイクルの運転状況を示す特性図で、縦軸が圧力（Ｐ）、横軸がエンタルピ（Ｈ）を示すモリエル線図で、実線が開度Ａの加熱能力が大きく目標値を維持している冷凍サイクル運転状態で、破線が開度Ｂの加熱能力が小さく所定の加熱能力に達していない運転状態を示している。図２に示したように、開度Ａより開度Ｂの方が開度が大きく、圧縮機の吸入温度と吸入圧力から求まる飽和温度の差である吸入過熱度は開度Ｂの方が大きくなっている。吸入過熱度が異なる状態から圧縮した場合、吐出温度が同じ場合、吸入過熱度が大きい開度Ｂから圧縮した方が、所定の加熱能力が得られる開度Ａよりも加熱能力、高圧圧力とも低い状態で運転することを示している。したがって、出湯温度と吐出温度が目標値に到達して運転状態が安定したときに、検知した吸入過熱度と所定の吸入過熱度βを比較することで、すなわち所定の吸入過熱度より高ければ所定の能力が得られていないということを判定できる。所定の吸入過熱度βは、例えば外気温度や目標出湯温度の関数とする。

安定状態に達した、即ち少なくとも吐出温度及び出湯温度のいずれか一方が目標値に達していたとしても必要な加熱能力が低下し得られない状態で放熱器が必要なお湯の温度を維持できる加熱能力が得られているかの判断を行う能力判定手段として圧縮機吸入過熱度を求めて判定する構造を説明したが、図２の開度との関係説明図にて示す様に、高圧側冷媒圧力検知手段を設け圧力を監視してもよいし、放熱器出口温度検知手段を設け放熱器出口の温度が目標値より高すぎないことを検知して判断することもできる。更に又出湯温度とともに給湯回路の流量をポンプ回転数などで監視し、加熱能力を演算により求めて判定することでも良い。

次に、所定の能力が得られない状態Ｂで安定した場合、つまり検知された吸入過熱度が所定の吸入過熱度より大きい場合、所定の能力を得る状態Ａに移行させる動作について説明する。この動作は計測制御装置１４に設けたマイコンに設定された制御フローにて実行される。この制御フローを図４のフローチャートに示す。図４においてＳＴ１は計測制御装置１４に設けられる、加熱能力を所定の能力に回復させる加熱能力回復制御手段の制御を含めた冷凍サイクル運転の判断を行うフローを開始するステップ、ＳＴ２は圧縮機回転数を外気温度センサ１３ｃにて計測されるような周囲の環境条件などに合わせて設定された回転数にマイコンにて制御するステップ、ＳＴ３は給湯回路のポンプ１１を目標とする出湯温度に合わせて制御装置１４にて回転させるステップ、ＳＴ４は吐出温度を目標吐出温度に合わせて制御装置１４にて制御する開度に設定するステップ、ＳＴ５は安定状態に達した後で能力が不足しているかどうかの能力を判定し能力回復運転を実施しているかどうかを判断するステップであって能力回復運転に入った場合には計測制御装置１４の中のマイコンの制御フローにて後ほど説明するステップＳＴ８にて例えばフラグ１を立てるのでこのフラグにて判断できる様になっている。ＳＴ６は冷媒の状態又は出湯温度の状態から安定状態判定手段にてこの状態安定が継続しているかを制御装置１４のマイコンにて判定するステップ、ＳＴ７は制御装置１４に設けられる能力判定手段である吸入過熱度が所定値以上であるかどうかを判断するステップ、ＳＴ８は能力運転を開始するステップでであってフラグがゼロであれば１に置き換える。ＳＴ９は制御装置１４の中に設けた能力回復制御手段にて第１の膨張弁５の開度を少しずつ広げる様に、例えばまずγ度大きくするステップ、ＳＴ１０は検出する吐出温度が目標吐出温度に接近しているかどうかを判断するステップ、ＳＴ１１は第１の膨張弁の開度を小さくしていくステップ、ＳＴ１２は能力回復運転を終了させるステップでフラグを１からゼロに戻している。

図４の制御フローの動作を説明する。加熱運転を開始すると（ＳＴ１）、少なくとも設定された所定の加熱能力、外気温度センサ１３ｃにて検出された外気温度、給水温度センサ１３ａ、出湯温度センサ１３ｂにて得られた各情報に基づき計測制御装置１４にて圧縮機３の回転数が必要よりも大きめに設定され、同様にポンプ１１の回転数、第２の膨張弁１０の開度はそれぞれの目標値に対して制御動作する（ＳＴ２、ＳＴ３、ＳＴ４）。それぞれ目標値へ到達するまで、つまり動作状態が安定するまで、制御動作を継続する（ＳＴ５、ＳＴ６、ＳＴ７）。状態が安定していないと判定された時は予めマイコンに記憶されている周囲環境などに応じて設定された目標値への制御がステップ２まで戻り繰返される。

動作状態が安定した後、吸入過熱度が所定の吸入過熱度β以上であれば、即ち加熱能力が不足と判断されれば能力回復運転を実施する（ＳＴ７、ＳＴ８）。加熱能力が所定の能力があると判断されれば通常の圧縮機３や第２膨張弁１０の目標値に対する加熱を維持する運転を継続する（ＳＴ２、ＳＴ３、ＳＴ４）。能力回復運転を開始すると（ＳＴ７、ＳＴ８）、第１の膨張弁５の開度をγ開く（ＳＴ９）。第１の膨張弁５の開度を開くことで圧縮機３の吐出温度が下がり、第２の膨張弁１０が目標吐出温度制御することで、第２の膨張弁１０の開度が小さくなる。同時にポンプ１１の出湯温度制御により、ポンプ１１の回転数が上昇する。

目標吐出温度と吐出温度の差がδ以下となれば（ＳＴ１０）、第１の膨張弁５の開度をγ閉じ（ＳＹ１１）、能力回復運転を終了する（ＳＴ１２）。引き続き、第２の膨張弁１０の吐出温度制御等を継続し（ＳＴ２、ＳＴ３、ＳＴ４）、吐出温度が目標吐出温度に到達すると、図２の如く第２の膨張弁１０の開度は移行前の状態Ｂより小さくなり、ポンプ１１の回転数も上昇するため、能力が上昇し、所定の能力が得られる状態Ａになる。

なお、上記の目標値はいずれも特定の温度の関数としているが、あらかじめ定められたマップを記憶しておき、マップに対応した目標値としてもよい。また、例として参照する温度を特定して記載しているが、その他の環境条件で置き換えることも可能である。したがって、第２の膨張弁１０で吐出温度制御、ポンプ１１で出湯温度制御、圧縮機３で能力制御、第１の膨張弁５で能力回復制御することで、環境負荷条件に応じて常にユーザー要求に対応した所定能力を維持出来るヒートポンプ給湯機の運転を実現できる。

ヒートポンプ給湯の場合、通常は夜間時間帯を利用して冷凍サイクルが所定の加熱能力を維持しながら設定された温度に沸き上げる。沸き上げ後も図４のフローチャートにて説明してきた能力回復制御を行い出湯温度を目標値に維持する準備をしている。しかしながら給湯装置に応じて、或いは、風呂などの様に使用時間帯が固定されている時間帯に応じて、必ずしも同一の加熱能力を維持する必要性が無い。このような場合、用途（温度）別、時間帯別に所定の加熱能力を大小に切換えられると省エネルギー対策として効果が大きい。このような加熱能力の設定の切換えはユーザーが利用するリモコンで設定できる様にしたり、或いは計測制御装置のマイコンに記憶させ自動的に切り換えられるようにしても良い。あまり使用されないような低い加熱能力を選択されるような場合は、図４で説明した能力回復運転を行わず、大きな加熱能力に切換えられる場合に能力回復運転を行うことも出来る。言いかえると、能力回復運転（図４のステップ５-ステップ１２）を実施するかやしないかを選択できるヒートポンプ給湯機を得ることが出来る。

本発明のヒートポンプ給湯機は、冷媒を超臨界圧力まで圧縮する圧縮機、該圧縮機から吐出した高温高圧の冷媒と水のような負荷側媒体とを熱交換する放熱器、冷媒を減圧する第１の膨張弁、および蒸発器を環状に接続して、冷媒が循環する冷凍サイクルと、放熱器を流通する冷媒により加熱された負荷側媒体をタンクに貯留し風呂のような給湯に利用する給湯回路と、水道水などのような給水やタンク内の水を循環させる給湯回路上に設けられたポンプと、放熱器と膨張弁の間から分岐して蒸発器の入口側へ接続された分岐流路に設けられて高圧である該分岐流路の冷媒とメイン流路の低圧側冷媒との間で熱交換する高低圧熱交換器と、分岐流路の高低圧熱交換器の下流側に配置された第２の膨張弁と、圧縮機吐出温度を検出する吐出温度検知手段と、圧縮機吸入過熱度を検知する吸入過熱度検知手段と、吐出温度を目標吐出温度に制御する吐出温度制御手段と、出湯温度を目標出湯温度に制御する出湯温度制御手段と、加熱能力を所定の能力に制御する能力制御手段と、冷凍サイクルの運転が吐出温度が目標吐出温度になり、あるいは、出湯温度が目標値になることで、又は両方が目標に到達し安定状態となったことを判定する安定状態判定手段と、安定状態判定手段が安定状態と判定し、安定状態の加熱能力が所定の能力であるか判定する能力判定手段と、能力判定手段が能力不足と判定した場合に、加熱能力を所定能力に制御する能力回復制御手段を備えたものである。

本発明のヒートポンプ給湯機の安定状態判定手段は、吐出温度制御手段で吐出温度が目標吐出温度となり、かつ、出湯温度制御手段で出湯温度が目標出湯温度となったとき、安定状態と判定する。なお給湯回路の上部には出湯温度のお湯が貯湯され風呂などの給湯装置への給湯はこの貯えられたお湯と水を混合して供給される。

本発明のヒートポンプ給湯機の能力判定手段は、一例として吸入過熱度検知手段で検知された吸入過熱度が所定値より大きい場合に能力不足と判定することで説明したが、図２で分かる様に全体の冷媒状態から推定することが出来、そのために必要な検出手段を設けるか他のセンサーを利用して推定すれば良い。

本発明のヒートポンプ給湯機の能力回復制御手段は、冷凍サイクルに設けた第１の膨張弁である。本発明のヒートポンプ給湯器の能力制御手段は、少なくとも所定の加熱能力と、外気温度と、給水温度と、の情報から、圧縮機の回転数を決定する。

加熱能力を回復する能力回復制御手段を第１の膨張弁として、加熱能力を常時維持する能力制御手段として圧縮機の回転数を可変とする構成で説明してきたが必ずしもこの構成でなくとも良い。たとえば、複数の圧縮機を組み合わせて能力を切りえる回路構成の回路を切り替える構成でもよい。さらに冷凍サイクル中に圧縮機の圧力を補助する膨張機構やエジェクターのような補助機器を設けこれらの補助機器を制御したり切り替えたりしてもよい。

本発明のヒートポンプ給湯機の吐出温度制御手段は、少なくとも外気温度と、目標出湯温度と、の情報から、目標吐出温度を決定する。

本発明のヒートポンプ給湯機は、冷媒を超臨界圧力まで圧縮する圧縮機、該圧縮機から吐出した冷媒と負荷側媒体とを熱交換する放熱器、冷媒を減圧する膨張弁、および蒸発器を環状に接続して、冷媒が循環する冷凍サイクルと、放熱器を流通する冷媒により加熱された負荷側媒体をタンクに貯留する給湯回路と、給湯回路上に設けられたポンプと、放熱器と前記膨張弁の間から分岐して蒸発器の入口側へ接続された分岐流路に設けられて高圧である該分岐流路の冷媒とメイン流路の低圧側冷媒との間で熱交換する高低圧熱交換器と、分岐流路の高低圧熱交換器の下流側に配置された第２の膨張弁と、圧縮機吐出温度を検出する吐出温度検知手段と、吐出温度を目標吐出温度に制御する吐出温度制御手段と、出湯温度を目標出湯温度に制御する出湯温度制御手段と、加熱能力を所定の能力に制御する能力制御手段と、を設け、能力制御手段は、少なくとも設定された所定の能力と、外気温度と、給水温度と、の情報から、圧縮機の回転数などを決定する。

本発明のヒートポンプ給湯機は、冷媒を超臨界圧力まで圧縮する圧縮機、該圧縮機から吐出した冷媒と負荷側媒体とを熱交換する放熱器、冷媒を減圧する膨張弁、および蒸発器を環状に接続して、冷媒が循環する冷凍サイクルと、放熱器を流通する冷媒により加熱された負荷側媒体をタンクに貯留する給湯回路と、給湯回路上に設けられたポンプと、放熱器と膨張弁の間から分岐して蒸発器の入口側へ接続された分岐流路に設けられて高圧である該分岐流路の冷媒とメイン流路の低圧側冷媒との間で熱交換する高低圧熱交換器と、分岐流路の高低圧熱交換器の下流側に配置された第２の膨張弁と、圧縮機吐出温度を検出する吐出温度検知手段と、吐出温度を目標吐出温度に制御する吐出温度制御手段と、出湯温度を目標出湯温度に制御する出湯温度制御手段と、加熱能力を所定の能力に制御する能力制御手段と、吐出温度制御手段は、少なくとも外気温度と、目標出湯温度と、の情報から、目標吐出温度を決定する。

本発明のヒートポンプ給湯機は高低圧熱交換器を有するため、圧縮機吸入冷媒を過熱ガス化することができ、圧縮機信頼性を向上することができる。また、このヒートポンプ給湯機は吐出温度を膨張手段で制御しているため、圧縮機の過剰な温度上昇を避けることができ、圧縮機信頼性を向上させる。しかし高低圧熱交換器を用いて、吐出温度を膨張手段で制御する冷媒回路を評価した結果、吐出温度を目標値に制御する場合、同一吐出温度に対して安定状態が複数存在し、必ずしも所定能力を得られないという課題がありこの課題を解決している。すなわち冷媒を超臨界圧力まで圧縮する圧縮機、該圧縮機から吐出した冷媒と負荷側媒体とを熱交換する放熱器、冷媒を減圧する膨張弁、および蒸発器を環状に接続して、冷媒が循環する冷凍サイクルと、放熱器を流通する冷媒により加熱された負荷側媒体をタンクに貯留する給湯回路と、給湯回路上に設けられたポンプと、放熱器と膨張弁の間から分岐して蒸発器の入口側へ接続された分岐流路に設けられて高圧である該分岐流路の冷媒とメイン流路の低圧側冷媒との間で熱交換する高低圧熱交換器と、分岐流路の高低圧熱交換器の下流側に配置された第２の膨張弁と、圧縮機吐出温度を検出する吐出温度検知手段と、圧縮機吸入過熱度を検知する吸入過熱度検知手段と、吐出温度を目標吐出温度に制御する吐出温度制御手段と、出湯温度を目標出湯温度に制御する出湯温度制御手段と、加熱能力を所定の能力に制御する能力制御手段と、を備えたものである。

この発明のヒートポンプ給湯機は各制御、上記で説明してきたように、圧縮機の回転数による加熱能力制御、第２の膨張弁開度による出湯温度制御、第１の膨張弁開度により吸入過熱度を制御する、など複数の制御をそれぞれ独立して別個にそれぞれのパラメータに基づきそれぞれの目標に対し制御を行うので第２の膨張弁開度が複数の状態で冷媒の状態やお湯の温度が安定してしまい望ましい開度に維持できないという問題があり冷媒の状態やお湯の温度というこれらの安定状態を必要な加熱能力が得られる状態かどうかを判別してさらに能力を回復させることにより信頼性の高い装置が得られるものである。

この発明の冷凍サイクルに用いる冷媒が超臨界状態になりうる冷媒、例えば二酸化炭素を使用する例で説明しているがこれにより地球環境対策として有用である。

本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機の冷媒回路図である。本発明の実施の形態１に係る第２の膨張弁１０を変化させた時のヒートポンプ給湯機の運転状況を表した図である。本発明の実施の形態１に係る第２の膨張弁１０を変化させたときのヒートポンプ給湯機の運転状況を表したＰ−Ｈ線図である。本発明の実施の形態１に係る能力回復制御のフローチャートである。

符号の説明

１ヒートポンプユニット、２タンクユニット、３圧縮機、４放熱器、５第１の膨張弁、６蒸発器、７ファン、８分岐流路、９高低圧熱交換器、１０第２の膨張弁、１１ポンプ、１２タンク、１３温度センサ、１４計測制御装置。

Claims

圧縮機から吐出された高圧冷媒と水とを熱交換する放熱器、前記放熱器からの前記高圧冷媒を減圧する第１の膨張弁、前記第１の膨張弁にて減圧された低圧冷媒を蒸発させる蒸発器を環状に接続して、冷媒を循環させる冷凍サイクルと、
前記放熱器で加熱された前記水をポンプにより循環させてタンクに貯留する給湯回路と、
前記給湯回路にて前記放熱器で加熱された水の温度である出湯温度を検出し目標出湯温度に制御する出湯温度制御手段と、
前記冷凍サイクルの前記放熱器と前記第１の膨張弁の間から分岐し前記蒸発器の入口側へ接続され、下流側に第２の膨張弁を配置した分岐流路と、
前記分岐流路の上流側に配置され高圧である該分岐流路の冷媒と前記蒸発器からの低圧冷媒との間で熱交換する高低圧熱交換器と、
前記高圧冷媒の吐出温度を吐出温度検知手段にて検出しこの検出された吐出温度を目標吐出温度に制御する吐出温度制御手段と、
前記冷凍サイクルの冷媒の状態及び前記給湯回路の出湯温度の少なくとも一方が安定状態となったことを判定する安定状態判定手段と、を備え、
前記安定状態判定手段が安定状態と判定し、この安定状態の加熱能力が所定の能力に不足している場合は前記放熱器の加熱能力を増加させることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
前記安定状態判定手段は、前記吐出温度制御手段で吐出温度が目標吐出温度となり、かつ、前記出湯温度制御手段で出湯温度が目標出湯温度となったとき、安定状態と判定することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ給湯機。
前記安定状態判定手段が安定状態と判定し、この安定状態における加熱能力が所定の能力に不足と判定した場合に、前記放熱器の加熱能力を前記所定能力に制御する能力回復制御手段を備え、前記能力回復制御手段は、前記冷凍サイクルに設けた前記第１の膨張弁であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のヒートポンプ給湯機。
前記放熱器の加熱能力が所定の能力を得られているかを判定する能力判定手段を設け、この能力判定手段として圧縮機吸入過熱度を検知する吸入過熱度検知手段、高圧冷媒の圧力を検知する高圧冷媒圧力検知手段、放熱器出口冷媒の温度を検知する放熱器出口冷媒温度検知手段、及び、給湯回路の流量を検知して加熱能力を演算する能力演算手段の少なくとも１つを使用することを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３記載のヒートポンプ給湯機。
少なくとも設定された所定の能力、外気温度、及び給水温度の情報から、前記圧縮機の回転数を決定することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒートポンプ給湯機。
前記吐出温度制御手段は、少なくとも外気温度及び目標出湯温度の情報から、目標吐出温度を決定することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒートポンプ給湯機。
前記冷凍サイクルに用いる冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のヒートポンプ給湯機。