JP4665954B2

JP4665954B2 - ヒートポンプ装置

Info

Publication number: JP4665954B2
Application number: JP2007264713A
Authority: JP
Inventors: 雄次堀内; 和弘多田; 真一坂本
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2027-10-10
Also published as: JP2009092331A

Description

この発明は、ヒートポンプ給湯機のようなヒートポンプ装置に関するものである。

従来のヒートポンプ式給湯機においては、起動時に目標周波数制御を行い、その後、目標吐出管温度制御が行われている。目標周波数制御とは、沸き上げ前の湯水の温度、沸き上げた温湯の温度、外気温度などに基づいて目標周波数を設定し、設定周波数で圧縮機を運転する制御である。このとき、電動膨張弁は、目標周波数、外気温度などによって開度設定されている（例えば、特許文献１参照）。また、目標吐出管温度制御は、圧縮機からの吐出ガス冷媒の温度が目標温度になるような制御であって、目標吐出管温度は、沸き上げた温湯の温度、蒸発温度などに基づいて設定され、そのとき電動膨張弁は、吐出管温度が目標吐出管温度になるように開度制御される（例えば、特許文献２、３参照）。
特開２００４−１１６８９１号公報特開平０８−０２８９９６号公報特開２００７−０４０５６４号公報

図４には、図１に示すヒートポンプ給湯機の沸き上げ運転時の各温度の変化を時間の経過と共に示している。図のように、各部温度は起動後、緩やかに立ち上がり、同図Ａで示す過渡状態を経て、次第に定常状態へと移行する。起動後に緩やかに立ち上げるのは、圧縮機において高圧圧力の異常上昇を防止するためである。そして、この立ち上がり状態に従い、ＣＯＰも次第に上昇していくことになるが、ＣＯＰが定常状態に至るまでの時間は、かなり効率の悪い運転が行われていることが明らかである。

この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、圧縮機における高圧圧力の異常上昇を抑制しながらも、起動から定常状態に至るまでの時間を短縮し、結果としてＣＯＰを向上することが可能なヒートポンプ装置を提供することにある。

そこで、請求項１のヒートポンプ装置は、圧縮機２５と、利用側熱交換器２６と、電動膨張弁２７と、熱源側熱交換器２８と、貯湯タンク３と、この貯湯タンク３に連結される循環路１２と、この循環路１２に介設される熱交換路１４とを備え、この熱交換路１４を上記利用側熱交換器２６にて加熱して、上記貯湯タンク３から上記循環路１２に流出した低温水を沸き上げてこの貯湯タンク３に返流する運転を可能とし、上記循環路１２が、上記低温水を上記熱交換路１４へ供給するための入水配管１５と、この熱交換路１４からの温湯を上記貯湯タンク３へ供給するための出湯配管１６とを備えたヒートポンプ装置において、上記圧縮機２５の起動時に起動運転制御を行い、その後、上記電動膨張弁２７をフィードバック制御する定常運転制御に移行し、定常運転制御に移行してから所定の時間内においては大きなフィードバックゲインで電動膨張弁２７を制御する初期定常運転制御を行い、それ以降は、それよりも小さなフィードバックゲインで電動膨張弁２７を制御する定常運転制御を行うよう構成しており、さらに、上記入水配管１５への入水温度が基準温度以下のときには上記初期定常運転制御を行う一方、上記入水温度が基準温度よりも高いときには、上記初期定常運転制御を行わないようにしたことを特徴とする。

請求項２のヒートポンプ装置は、上記起動運転制御時には、圧縮機２５の目標周波数と外気温度とから電動膨張弁２７の開度が決定され、定常運転制御時には、圧縮機２７の吐出温度が目標吐出温度に近づくように、検出吐出温度と目標吐出温度との差に基づいて、電動膨張弁２７の開度をフィードバック制御することを特徴とする。

この発明のヒートポンプ装置では、定常運転制御に移行してから所定の時間内においては大きなフィードバックゲインで電動膨張弁を制御するので、起動特性を改善でき、結果として、ＣＯＰを向上できる。特に、入水温度が基準温度以下のときには上記初期定常運転制御を行い、入水温度が基準温度よりも高いときには、初期定常運転制御を行わないようにしているため、圧縮機の高圧異常上昇による頻繁な発停現象の発生を確実に抑制でき、ＣＯＰ改善効果は一段と向上する。

次に、この発明のヒートポンプ装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、ヒートポンプ装置を給湯機（ヒートポンプ式給湯機）に適用した場合の簡略図を示している。この給湯機は、貯湯タンク３と、この貯湯タンク３に連結される循環路１２と、この循環路１２に介設される熱交換路１４とを備え、この熱交換路１４をヒートポンプ加熱源にて加熱して、上記貯湯タンク３から循環路１２に流出した低温水を沸き上げてこの貯湯タンク３に返流する運転が可能である。そして、この貯湯タンク３に貯湯された温湯が図示省略の浴槽等に供給される。

この場合、貯湯タンク３には、その底壁に給水口５が設けられると共に、その上壁に出湯口６が設けられている。そして、給水口５から貯湯タンク３に水道水が供給され、出湯口６から高温の温湯が出湯される。また、貯湯タンク３には、その底壁に取水口１０が開設されると共に、側壁（周壁）の上部に湯入口１１が開設され、取水口１０と湯入口１１とが上記循環路１２にて連結されている。そして、この循環路１２に水循環用ポンプ１３と熱交換路１４とが介設されている。なお、給水口５には給水用流路８が接続されている。

ところで、貯湯タンク３の周側部には、上下方向に所定ピッチで４個のタンク温度検出手段（タンク温度検出サーモ）１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄが設けられているが、これらは、残湯量検出手段を構成するものである。また、貯湯タンク３の底部近傍には、給水温度検出手段（給水温度検出サーモ）１９が設けられている。また、上記循環路１２には、熱交換路１４の上流側に入水温度検出手段（入水温度検出サーモ）２０が設けられると共に、熱交換路１４の下流側に出湯温度検出手段（出湯温度検出サーモ）２１が設けられている。

循環路１２は、入水配管１５と出湯配管１６とを備え、入水配管１５は上記ポンプ１３が介設された貯湯タンク３側の第１配管１５ａと、入水サーミスタ２０ａが介設された熱源側の第２配管１５ｂと、この第１・第２配管１５ａ、１５ｂを連結（接続）する接続配管１５ｃとからなり、出湯配管１６は貯湯タンク３側の第１配管１６ａと、出湯サーミスタ２１ａが介設された熱源側の第２配管１６ｂと、この第１・第２配管１６ａ、１６ｂを連結（接続）する接続配管１６ｃとからなる。

そして、ヒートポンプ加熱源は冷媒回路を備え、この冷媒回路は、圧縮機２５と、熱交換路１４を構成する水熱交換器２６と、電動膨張弁（減圧機構）２７と、空気熱交換器（蒸発器）２８とを順に接続して構成される。すなわち、圧縮機２５の吐出管２９を水熱交換器２６に接続し、水熱交換器２６と電動膨張弁２７とを冷媒通路３０にて接続し、電動膨張弁２７と蒸発器２８とを冷媒通路３１にて接続し、蒸発器２８と圧縮機２５とをアキュームレータ３２が介設された冷媒通路３３にて接続している。これにより、圧縮機２５が駆動すると、水熱交換器２６において熱交換路１４を流れる水が加熱されることになる。また、蒸発器２８にはこの蒸発器２８の能力を調整するファン３４が付設されている。さらに、ヒートポンプ加熱源においては、圧縮機２５の吐出管温度を検出するための吐出管温度検出手段（吐出管温度検出サーモ）２３と、空気熱交換器２８での蒸発温度を検出ための蒸発温度検出手段（空気熱交換器サーモ）３７と、外気温度を検出する外気温度検出手段（外気温度検出サーモ）２２とが設けられている。

ところで、この給湯機の制御部は、図２に示すように、入水温度検出手段２０と、出水温度検出手段２１と、給水温度検出手段１９と、外気温度検出手段２２と、吐出管温度検出手段２３と、蒸発温度検出手段３７と、上記各検出手段１９、２０、２１、２２、２３、３７などからのデータ（数値）が入力される制御手段３６とを備え、制御手段３６によって、圧縮機２５と電動膨張弁２７とが制御されるようになっている。なお、上記制御手段３６は例えばマイクロコンピュータを用いて構成することができる。

上記のように構成された給湯機によれば、圧縮機２５を駆動すると共に、水循環用ポンプ１３を駆動（作動）すると、貯湯タンク３の底部に設けた取水口１０から貯溜水（低温水）が流出し、これが循環路１２の熱交換路１４を流通する。そのときこの温湯は水熱交換器２６によって加熱され（沸き上げられ）、湯入口１１から貯湯タンク３の上部に返流される。このような動作を継続して行うことによって、貯湯タンク３に高温の温湯を貯湯することができる。

次に、図３のフローチャート図を使用して、この給湯機における圧縮機２５と電動膨張弁２７との制御方法について説明する。まず、ステップＳ１において、圧縮機２５をＯＮ動作させて、ステップＳ２の起動時運転制御を行う。この起動時運転制御は、目標周波数制御とも呼ばれるもので、入水温度検出手段２０での入水温度、出湯温度検出手段２１での出湯温度、外気温度検出手段２２での検出外気温度などに基づいて目標周波数を設定し、設定周波数で圧縮機を運転する制御であり、このとき、電動膨張弁２７は、目標周波数、外気温度などによって開度設定されている。そしてこの起動時運転制御は、一定の時間（例えば、１０分）が経過するか（ステップＳ３）、あるいは吐出管温度検出手段２３で検出したと出管温度（Ｔ）が一定温度（例えば、６０℃）に達するまで継続される（ステップＳ４）。

そして、ステップＳ３とステップＳ４とのいずれかの条件を満たすと、ステップＳ５に移行して、入水温度検出手段による検出入水温度が基準温度以下であるか否かの判断を行う。入水温度が高い場合には、ステップＳ８に移行して、通常通りの目標吐出管温度制御を行う。

この目標吐出管温度制御は、圧縮機からの吐出ガス冷媒の温度が目標温度になるような制御である。この制御においては、目標吐出管温度Ｔｍは、
Ｔｍ＝ａ＊ＤＢ−ｂ＊ＤＥ＋ｃ
で与えられる。ここで、ＤＢは、出湯温度検出手段２１による出湯温度、ＤＥは空気熱交換器２８における蒸発温度検出手段３７による蒸発温度、ａ、ｂ、ｃはいずれも定数である。

またこのとき、電動膨張弁２７は、吐出管温度検出手段２３による検出吐出管温度Ｔが目標吐出管温度Ｔｍになるように開度制御される。いま、目標吐出管温度Ｔｍと検出吐出管温度Ｔとの差を、ΔＴ＝Ｔｍ−Ｔとすると、電動膨張弁２７の開度のフィードバック制御量ΔＥＶは、今回の温度差をΔＴｎとし、前回の温度差をΔＴｎ−１としたときに、
ΔＥＶ＝Ａ＊ΔＴｎ＋Ｂ＊（ΔＴｎ−ΔＴｎ−１）
で与えられる。ここで、Ａ、Ｂはいずれも定数である。そして、現状の電動膨張弁２７の開度ＥＶからΔＥＶだけ開度を減じるようなフィードバック制御が行われるのである。

ところで、上記ステップＳ５において、検出入水温度が基準温度以下である場合には、ステップＳ６に移行して、初期定常運転制御を行う。この制御は、基本的には、上記吐出管温度制御と同一であるが、上記電動膨張弁２７の開度を制御する際のフィードバックゲインを、ステップＳ８の定常運転制御のときのフィードバックゲインよりも大きくしている点に特徴を有している。すなわち、上記定数Ａ、ＢをステップＳ８の場合よりも大きくしているのである。そして、このような運転制御を所定時間だけ継続した後（ステップＳ７）、ステップＳ８へと移行して、通常の定常運転制御を行うのである。

上記実施形態のヒートポンプ給湯機においては、定常運転制御に移行してから所定の時間内においては大きなフィードバックゲインで電動膨張弁２７を制御するので、特に、図４におけるＡ部での起動特性を改善でき、結果として、ＣＯＰを向上できる。特に、入水温度が基準温度以下のときには上記初期定常運転制御を行い、入水温度が基準温度よりも高いときには、初期定常運転制御を行わないようにしているため、圧縮機の高圧異常上昇による頻繁な発停現象の発生を確実に抑制でき、ＣＯＰ改善効果は一段と向上する。

以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、上記においては、ヒートポンプ給湯機を例にして種々の説明をしているが、この発明は他の用途のヒートポンプ装置にも適用可能である。また、上記においては、起動運転制御の例として、目標周波数制御を例にして説明しているが、これは他の方式の運転制御であってもよい。なお、このヒートポンプ装置に用いる冷媒としては、炭酸ガスを用いるのが好ましいが、その他、ジクロロジフルオロメタン（Ｒ−１２）やクロロジフルオロメタン（Ｒ−２２）のような冷媒であっても、オゾン層の破壊、環境汚染等の問題から、１，１，１，２−テトラフルオロエタン（Ｒ−１３４ａ）のような代替冷媒であってもよい。

この発明の実施形態であるヒートポンプ給湯機の簡略図である。上記ヒートポンプ給湯機の制御部の簡略ブロック図である。上記ヒートポンプ給湯機の制御方法を示すフローチャート図である。従来のヒートポンプ給湯機の沸き上げ運転時の各温度の変化を時間の経過と共に示すグラフである。

符号の説明

３・・貯湯タンク、１２・・循環路、１４・・熱交換路、１５・・入水配管、１６・・出湯配管、２０・・入水温度検出手段、２１・・出湯温度検出手段、２２・・外気温度検出手段、２３・・吐出管温度検出手段、２５・・圧縮機、２６・・水熱交換器、２７・・電動膨張弁、２８・・空気熱交換器、３７・・蒸発温度検出手段

Claims

圧縮機（２５）と、利用側熱交換器（２６）と、電動膨張弁（２７）と、熱源側熱交換器（２８）と、貯湯タンク（３）と、この貯湯タンク（３）に連結される循環路（１２）と、この循環路（１２）に介設される熱交換路（１４）とを備え、この熱交換路（１４）を上記利用側熱交換器（２６）にて加熱して、上記貯湯タンク（３）から上記循環路（１２）に流出した低温水を沸き上げてこの貯湯タンク（３）に返流する運転を可能とし、上記循環路（１２）が、上記低温水を上記熱交換路（１４）へ供給するための入水配管（１５）と、この熱交換路（１４）からの温湯を上記貯湯タンク（３）へ供給するための出湯配管（１６）とを備えたヒートポンプ装置において、上記圧縮機（２５）の起動時に起動運転制御を行い、その後、上記電動膨張弁（２７）をフィードバック制御する定常運転制御に移行し、定常運転制御に移行してから所定の時間内においては大きなフィードバックゲインで電動膨張弁（２７）を制御する初期定常運転制御を行い、それ以降は、それよりも小さなフィードバックゲインで電動膨張弁（２７）を制御する定常運転制御を行うよう構成しており、さらに、上記入水配管（１５）への入水温度が基準温度以下のときには上記初期定常運転制御を行う一方、上記入水温度が基準温度よりも高いときには、上記初期定常運転制御を行わないようにしたことを特徴とするヒートポンプ装置。
上記起動運転制御時には、圧縮機（２５）の目標周波数と外気温度とから電動膨張弁（２７）の開度が決定され、定常運転制御時には、圧縮機（２７）の吐出温度が目標吐出温度に近づくように、検出吐出温度と目標吐出温度との差に基づいて、電動膨張弁（２７）の開度をフィードバック制御することを特徴とする請求項１のヒートポンプ装置。