JP4737892B2 - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプ式給湯装置、特に圧縮機能力及び電動膨張弁の開度を制御する制御装置を備えたヒートポンプ式給湯装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にヒートポンプ式給湯装置は、圧縮機、高圧側熱交換器、冷媒膨張装置、蒸発器を直列に接続した冷媒回路を有する冷凍サイクル装置を備え、この冷凍サイクル装置のヒートポンプ作用により、外気から汲み上げた熱量を高圧側熱交換器で給湯用水に放出して給湯用水を加熱している。
【０００３】
また、ヒートポンプ式給湯装置は、一般的に年間を通じて運転されるが、外気温度の変化により給湯用水加熱能力が変化する。例えば、外気温度が低下すると、蒸発圧力が低下し、圧縮機の能力が低下し、高圧圧力が低下する。このため、給湯用水加熱能力が低下するという問題や、加熱された給湯用水の温度も低くなるという問題があった。このため、従来のヒートポンプ式給湯装置では、一般的に外気温度の低下に対し圧縮機能力を向上させて、給湯用水の加熱能力の維持と給湯用水の温度の維持とを図っていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のものでは常時外気温度を検出しており、この外気温度の変化に追随して圧縮機の能力を変化させていた。また、外気温度は、一般的には急激に変化するものではないが、据付条件により、また、雲の移動による日射の変化、風雨の発生又は変化等により、蒸発器周辺の空気温度が短時間に上下動することがある。この場合、従来の給湯装置においては、外気温度の上下変化に追随して圧縮機能力が上下に変化していた。このため、膨張弁は、その開度を安定的に変化させることができず、開度の縮小拡大を起すという問題があった。また、この結果、圧縮機に液戻りを生じ、圧縮機の寿命が短くなるという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、外気温度の短時間の上下動変化に対し圧縮機能力の制御及び電動膨張弁の開度制御を安定させたヒートポンプ式給湯装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するために、本発明は、インバータ駆動式圧縮機、高圧側熱交換器、冷媒膨張装置、蒸発器を直列に接続した冷媒回路を有する冷凍サイクル装置と、この冷凍サイクル装置のヒートポンプ作用により加熱された給湯用水を貯留する貯湯タンクと、外気温度を一定時間毎に検出し、この検出された外気温度と、外気温度及び使用者により選定された給湯用水の使用予定量に対して設定されている目標焚き上げ温度とに基づいて、前記インバータ駆動式圧縮機の運転周波数及び前記電動膨張弁の開度を制御する制御装置とを有するものである。
【００１４】
このように構成すれば、給湯用水を外気温度と無関係に常に一定温度に加熱するのではなく、外気温度の変化に対する需要ニーズのより詳細な変化を把握した運転制御が行われ、より必要以上に給湯用水を加熱することを防止し、より一層無駄の少ない運転を行うことができる。
【００１５】
また、このような場合において、前記の場合と同様に、前記制御装置は、外気温度の検出を約３０分毎に行うのが好ましい。
このようにすると、適切な時間間隔で外気温度を検出することになり、外気温度変化に対する圧縮機能力の制御及び電動膨張弁の開度の制御を適切に行うことができる。
【００１６】
また、前記冷凍サイクル装置は、冷媒として二酸化炭素を充填した超臨界冷凍サイクル装置としてもよい。
このように構成すれば、可燃性や毒性のない自然冷媒を使用しながら、冬季においても十分に高温の給湯用水を供給することができる。
【００１７】
また、前記インバータ駆動式圧縮機は、密閉ハウジング内に低段側圧縮機と高段側圧縮機とを内蔵し、この密閉ハウジング内空間を低段側圧縮機の吐出ガスで充満させたインバータ駆動式２段圧縮機としてもよい。
このように構成すれば、圧縮機の圧縮比が小さくなる。したがって、高低圧力差が大きくなるヒートポンプ式給湯装置に使用される冷凍サイクル装置では、圧縮機の運転効率を上昇させることができる。また、低段側圧縮機及び高段側圧縮機の周囲が中間圧力である低段側圧縮機の吐出ガスとなるため、各段圧縮機の各部に大きな力が作用せず、高信頼性、低振動、低騒音、高効率な圧縮機とすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図１は本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ式給湯装置の回路図であり、図１中実線矢印は冷媒の流れを示し、破線矢印は温水の流れを示す。
【００１９】
図１に示すように、実施の形態１に係る給湯装置は、冷凍サイクル装置１、給湯ユニット２及び制御装置３とを備えたものである。なお、この実施の形態においては、制御装置３は冷凍サイクル装置１内に設置されている。また、冷凍サイクル装置１と給湯ユニット２とは連絡水用配管５、６により接続されている。
【００２０】
冷凍サイクル装置１は、２段圧縮機１１、高圧側熱交換器１２、電動膨張弁１３、蒸発器１４、アキュムレータ１５を順次接続した冷媒回路（閉回路）を備えた超臨界冷凍サイクル装置である。この冷媒回路の内部には、超臨界冷凍サイクルで運転されるような代替冷媒として二酸化炭素（ＣＯ2）が充填されている。冷凍・空調用の代表的な自然冷媒としては、ハイドロカーボン（ＨＣ：プロパンやイソブタンなど）、アンモニア、空気そしてＣＯ2等が挙げられる。しかしながら、冷媒特性として、ハイドロカーボンとアンモニアはエネルギー効率が良いという反面可燃性や毒性の問題があり、空気は超低温域以外でエネルギー効率が劣るなどといった問題がある。これに対し二酸化炭素は、可燃性や毒性がなく安全である。
【００２１】
２段圧縮機は、密閉ハウジング内に低段側圧縮機１１ａ、高段側圧縮機１１ｂ、これら圧縮機１１ａ及び１１ｂを駆動する共用の圧縮機用電動機１１ｃを内蔵したものであり、低段側圧縮機１１ａの吐出側と高段側圧縮機１１ｂの吸入側とを配管１１ｄにより連結している。また、密閉ハウジング内空間は、中間圧力ガス、つまり低段側圧縮機の吐出ガスにより満たされている。なお、このように密閉ハウジング内を中間圧力とした理由は、各圧縮機の各部に作用する力、及び密閉ハウジングの内外間の圧力差を適切な範囲内に保持し、大きな力が作用することを回避したものであり、これにより高信頼性、低振動、低騒音、高効率な圧縮機とすることができる。
【００２２】
また、この２段圧縮機１１の圧縮機用電動機はインバータ制御されるインバータ駆動式２段圧縮機である。また、後述する制御装置３により、外気温度の変化に対し所定の基準に従い圧縮機能力が制御される。なお、高段側圧縮機１１ｂの吐出配管には、高段側圧縮機１１ｂから吐出される吐出ガス温度を検出するための吐出ガス温度検出器３１が設けられている。
【００２３】
高圧側熱交換器１２は、高段側圧縮機１１ｂから吐出された高圧冷媒を導入する冷媒用熱交換チューブ１２ａと、給湯ユニット２内に配置されている貯湯タンク２１から送水される給湯用水を導入する水用熱交換チューブ１２ｂとからなり、両者が熱交換関係に形成されたものである。したがって、高段側圧縮機１１ｂから吐出された高温高圧の冷媒ガスは貯湯タンク２１から送水される給湯用水により冷却され、この給湯用水は高温高圧冷媒が発生する熱により加熱される。
【００２４】
電動膨張弁１３は、高圧側熱交換器１２で冷却された高圧ガス冷媒を減圧するもので、パルスモータにより駆動される。また、後述する制御装置３により、所定の基準に従い制御される。
【００２５】
蒸発器１４は、電動膨張弁１３により減圧された低圧の気液混合冷媒を熱源媒体としての外気と熱交換させ、この冷媒を気化させるものである。なお、この蒸発器１４には外気温度を検出するための外気温度検出器３２が付設されている。
【００２６】
給湯ユニット２は、貯湯タンク２１、温水循環ポンプ２２、給湯配管２３、給水配管２４を備えて構成されている。
そして、貯湯タンク２１の上部及び下部を前記水用熱交換チューブ１２ｂに対し、連絡水用配管５、６を含む温水循環回路Ｐにより接続されている。また、貯湯タンク２１では比重の差により上部になるほど温水温度が高くなる。このため、貯湯タンク２１下部の温度の低い水を水用熱交換チューブ１２ｂに送水し、水用熱交換チューブ１２ｂで加熱された温度の高い水を貯湯タンク２１の上部に導くように、温水循環回路Ｐが形成されるとともに、この温水循環回路Ｐ中に温水循環ポンプ２２が取り付けられている。なお、貯湯タンク２１内上部の温水温度、すなわち焚き上げ温度は、貯湯タンク２１上部に設けられた焚き上げ温度検出器３３により測定されている。
【００２７】
給湯配管２３は、温水蛇口、浴槽などに温水を供給するためのものであり、貯湯タンク２１中の高い温度の温水を供給できるように、貯湯タンク２１の上部に接続されている。なお、この給湯回路には開閉弁２５が取り付けられている。
給水配管２４は、貯湯タンク２１内に常時水道水を供給可能とするものであり、逆止弁２６、減圧弁２７を介し貯湯タンク２１の底部に接続されている。
【００２８】
制御装置３は、前述のように、外気温度の変化に対し所定の圧縮機能力が得られるように所定の基準に従い圧縮機用電動機１１ｃの運転周波数を設定してインバータ駆動式２段圧縮機１１を運転するとともに、電動膨張弁１３の開度を所定の基準に基づき制御するものである。
【００２９】
次に、この制御装置３によるインバータ駆動式２段圧縮機１１の運転周波数の制御について図面に基づき説明する。なお、図２は、実施の形態１に係り、初期設定運転完了後の定常運転時におけるインバータ駆動式２段圧縮機１１の制御フローチャートである。
【００３０】
この図に示すように、インバータ駆動式２段圧縮機１１を初期設定条件で運転し、定常運転に入った後に外気温度検出器３２により外気温度が測定される（ステップＳ１）。そして、前回測定時の外気温度と比較される（ステップＳ２）。比較した結果、両者に温度差が有る場合は、所定の基準に従いこの温度差に基づく圧縮機用電動機１１ｃの運転周波数を決定し（ステップＳ３）、インバータ駆動式２段圧縮機１１をこの周波数で運転する（ステップＳ５）。なお、この場合、外気温度の低下に対し圧縮機能力が略所定値となるように、又は、略一定となるようにインバータ駆動式２段圧縮機１１の運転周波数を決定している。また、比較した結果、両者に温度差が無い場合は、圧縮機用電動機１１ｃの運転周波数を変更しないものとし（ステップＳ４）、そのままの運転周波数でインバータ駆動式２段圧縮機１１を運転する（ステップＳ５）。そして、所定時間待機した後（ステップＳ６）上述のステップを繰り返す。なお、この所定時間としては、外気温度変化の状況把握の緻密さと、外気温度が短時間に上下動変化することによる弊害を除去する必要性とのバランスから、約３０分が適切であると考えられる。
【００３１】
次に、この制御装置３による電動膨張弁１３の開度制御について図３に基づき説明する。なお、図３は、実施の形態１に係り、初期設定運転完了後の定常運転時における電動膨張弁１３の開度の制御フローチャートである。
【００３２】
この図３に示すように、吐出ガス温度検出器３１により高段側圧縮機１１ｂの吐出ガス温度が測定され（ステップＳ１１）、予め設定されている目標吐出ガス温度との温度差を算出する（ステップＳ１２）。そして、所定の基準に従いこの温度差に基づく電動膨張弁１３の開度（操作パルス数）を決定し（ステップＳ１３）、電動膨張弁１３をこの開度に操作する（ステップＳ１４）。なお、この場合において、目標吐出ガス温度を、使用者が任意に設定するのでなく、装置の設計仕様として外気温度に対して予め設定しておくことも可能である。ただし、この場合は前のステップで外気温度を測定しておくことが必要となる。そして、所定時間待機した後（ステップＳ１５）上述のステップが繰り返される。なお、この所定時間は、通常の電動膨張弁の制御に対し行われる程度の短い時間とすればよく、外気温度検出の場合の所定時間と関係付ける必要はない。
【００３３】
以上のように構成された実施の形態１によれば、外気温度検出器３２により外気温度を一定時間毎に検出し、検出された外気温度の変化に対し所定の基準に従って圧縮機能力を制御するとともに、所定の基準に従って電動膨張弁１３の開度を制御するので、外気温度が短時間に上下動するようなことがあっても、外気温度検出器３２はこのような変動を検出しない。したがって、短時間のうちに圧縮機能力が大小変動するようなことが無く、電動膨張弁１３の開度制御が安定的に行われる。このため、電動膨張弁１３の開度制御が不安定になることによる圧縮機への液戻りを防止することができ、インバータ駆動式２段圧縮機１１を長寿命化することができる。
【００３４】
また、外気温度は約３０分ごとに検出されるので、短時間の外気温度の変化を検出することが無く、しかも、外気温度の変化状況を適切に把握することもできる。
【００３５】
また、制御装置３は、検出された外気温度の低下に対し圧縮機能力を略一定値又は略所定値になるようにインバータ駆動式圧縮機１１の回転数を増大するので、外気温度の低下に対し、圧縮機能力を略一定値又は略所定値に維持することができ、給湯用水の加熱能力及び給湯用水の温度が外気温度に追随して低下することを防止し、略一定値又略所定値にすることができる。
【００３６】
また、冷凍サイクル装置１は、冷媒として二酸化炭素を充填した超臨界冷凍サイクル装置としているので、可燃性や毒性のない自然冷媒を使用しながら、冬季においても十分に高温の給湯用水を供給することができる。
【００３７】
また、冷凍サイクル装置１に用いられる圧縮機を、密閉ハウジング内に低段側圧縮機１１ａと高段側圧縮機１１ｂとを内蔵し、この密閉ハウジング内空間を低段側圧縮機１１ａの吐出ガスで充満させたインバータ駆動式２段圧縮機１１としているので、高低圧力差が大きくなるヒートポンプ式給湯装置に使用される冷凍サイクル装置では、各段の圧縮比が小さくなり、圧縮機の運転効率を上昇させることができる。また、低段側圧縮機１１ａ及び高段側圧縮機１１ｂの周囲が中間圧力である低段側圧縮機１１ａの吐出ガスとなるため、各段圧縮機の各部に大きな力が作用せず、高信頼性、低振動、低騒音、高効率な圧縮機とすることができる。
【００３８】
実施の形態２．
次に、実施の形態２について、図４〜図６に基づき説明する。なお、図４は、実施の形態２に係り、初期設定運転完了後の定常運転時におけるインバータ駆動式２段圧縮機の運転周波数及び電動膨張弁の開度の制御フローチャートであり、図５は、実施の形態２における外気温度及び目標焚き上げ温度に対する圧縮機の運転周波数の設定例を示す図であり、図６は、実施の形態２における外気温度及び目標焚き上げ温度に対する圧縮機吐出ガスの目標吐出ガス温度の設定例を示す図である。
【００３９】
実施の形態２では、冷凍サイクル装置１及び給湯ユニット２の構成は実施の形態１と同一であり、制御装置３によるインバータ駆動式２段圧縮機１１の運転周波数制御及び電動膨張弁１３の開度制御を、需要ニーズに対しよりマッチするようにしたものであって、次のように制御される。
【００４０】
図４に示すように、初期設定条件の下に電動膨張弁１３が所定の開度に設定され、インバータ駆動式２段圧縮機１１が所定の周波数で運転された後に、外気温度検出器３２により外気温度が測定される（ステップＳ２１）。そして、この外気温度と、外気温度に対し設定されている目標焚き上げ温度とから、所定の基準に従いインバータ駆動式２段圧縮機１１の運転周波数を決定する（ステップＳ２２）。また、測定された外気温度と、外気温度に対し設定されている目標焚き上げ温度とから、所定の基準に従い高段側圧縮機１１ｂの目標吐出ガス温度を決定する（ステップＳ２３）。また、吐出ガス温度検出器３１により高段側圧縮機１１ｂの吐出ガス温度を測定する（ステップＳ２４）。そして、この吐出ガス温度とステップＳ２３により決定された目標吐出ガス温度との温度差を算出し（ステップＳ２５）、この温度差に基づき所定の基準に従い電動膨張弁１３の開度（つまり、操作パルス数）を決定する（ステップＳ２６）。そして、ステップＳ２２で決定された運転周波数でインバータ駆動式２段圧縮機１１を運転し、ステップＳ２６で決定された開度に電動膨張弁１３を操作する（ステップＳ２７）。そして、所定時間経過後（ステップＳ２８）、上記手順を繰り返す。
【００４１】
上記制御において、ステップ２３で使用される目標焚き上げ温度は、測定される外気温度と使用者が選択する目標使用量とから予め設定しておくものである。また、目標使用量は、表１に示される「たっぷり」、「ふつう」、「節約」の３段階の中から、使用者の予測に基づき、使用者により選択される。なお、「たっぷり」は「ふつう」より多め、「節約」は「ふつう」より少なめに設定されていることを意味する。
そして、目標使用量が上記により選択されると、目標焚き上げ温度が表１のテーブルに従って設定される。
【００４２】
【表１】
【００４３】
次に、前記スッテプ２２におけるインバータ駆動式２段圧縮機１１の運転周波数の決定は、図５に従って行われる。例えば、目標焚き上げ温度が６０℃、外気温度が３０℃であれば、図５から導かれるように、インバータ駆動式２段圧縮機１１の運転周波数は約８８Ｈｚと決定される。
【００４４】
また、ステップ２３における、測定された外気温度と予め使用者により選択された目標焚き上げ温度とからの目標吐出ガス温度の決定は、図６のように設定される。例えば、目標焚き上げ温度が６０℃、外気温度が３０℃であれば、図６から導かれるように、目標吐出ガス温度は約９７℃である。
【００４５】
また、ステップ２８における所定時間は、外気温度変化の状況把握の緻密さと、外気温度が短時間に上下動変化することによる弊害を除去する観点から、約３０分が適切である。
【００４６】
このように実施の形態２によれば、外気温度を一定時間毎に検出し、この検出された外気温度と、外気温度に対して設定されている目標焚き上げ温度とから、所定の基準に従ってインバータ駆動式２段圧縮機１１の運転周波数及び電動膨張弁１３の開度を制御するので、外気温度の変化に対し需要ニーズが変化することに対応した運転制御が行われ、必要以上に給湯用水を加熱することが無く、無駄の少ない運転を行うことができる。
【００４７】
また、この実施の形態２によれば、外気温度を一定時間毎に検出し、この検出された外気温度と、外気温度及び使用者により選定された給湯用水の使用予定量に対して設定されている目標焚き上げ温度とから、所定の基準に従いインバータ駆動式２段圧縮機１１の運転周波数及び電動膨張弁１３の開度を制御するので、外気温度の変化に対する需要ニーズのより詳細な変化を把握した運転制御が行われ、より必要以上に給湯用水を加熱することを防止し、より一層無駄の少ない運転を行うことができる。
【００４８】
以上説明した実施の形態１及び２において、冷凍サイクル装置１は、超臨界冷凍サイクル装置であったが、このような冷凍サイクル装置に限らず通常の冷凍サイクル装置とすることができるのはいうまでもない。
【００４９】
また、前記実施の形態１及び２においては、圧縮機はインバータ駆動式２段圧縮機１１とされているが、この圧縮機をインバータ駆動式単段圧縮機とした場合にも本発明を適用できることはいうまでもない。
【００５０】
【発明の効果】
本発明は以上のようにこのように構成されているので、次のような効果を奏する。
【００５１】
請求項１記載の発明によれば、外気温度を一定時間毎に検出し、この検出された外気温度と、外気温度及び使用者により選定された給湯用水の使用予定量に対して設定されている目標焚き上げ温度とに基づいて、前記インバータ駆動式圧縮機の運転周波数及び前記電動膨張弁の開度を制御する制御装置とを有するものとしているので、外気温度の変化に対する需要ニーズのより詳細な変化を把握した運転制御が行われ、より必要以上に給湯用水を加熱することを防止し、より一層無駄の少ない運転を行うことができる。
【００５６】
また、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明において、外気温度は約３０分ごとに検出されるので、短時間の外気温度の変化を検出することが無く、しかも、外気温度の変化状況を適切に把握することもできる。
【００５７】
また、請求項３記載の発明によれば、請求項１又は２記載の発明において、冷凍サイクル装置は、冷媒として二酸化炭素を充填した超臨界冷凍サイクル装置としているので、可燃性や毒性のない自然冷媒を使用しながら、冬季においても十分に高温の給湯用水を供給することができる。
【００５８】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項１〜３いずれか１項記載の発明において、冷凍サイクル装置に用いられる圧縮機を、密閉ハウジング内に低段側圧縮機と高段側圧縮機とを内蔵し、この密閉ハウジング内空間を低段側圧縮機の吐出ガスで充満させたインバータ駆動式２段圧縮機としているので、高低圧力差が大きくなるヒートポンプ式給湯装置に使用される冷凍サイクル装置では、各段の圧縮比が小さくなり、圧縮機の運転効率を上昇させることができる。また、低段側圧縮機及び高段側圧縮機の周囲が中間圧力である低段側圧縮機の吐出ガスとなるため、各段圧縮機の各部に大きな力が作用せず、高信頼性、低振動、低騒音、高効率な圧縮機とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ式給湯装置の回路図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係り、初期設定運転完了後の定常運転時におけるインバータ駆動式２段圧縮機の制御フローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態１に係り、初期設定運転完了後の定常運転時における電動膨張弁の開度の制御フローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態２に係り、初期設定運転完了後の定常運転時におけるインバータ駆動式２段圧縮機の運転周波数及び電動膨張弁の開度制御のフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態２における外気温度及び目標焚き上げ温度に対する圧縮機の運転周波数の設定例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２における外気温度及び目標焚き上げ温度に対する圧縮機吐出ガスの目標吐出ガス温度の設定例を示す図である。
【符号の説明】
１ 冷凍サイクル装置
２ 給湯ユニット
３ 制御装置
１１ インバータ駆動式圧縮機
１１ａ 低段側圧縮機
１１ｂ 高段側圧縮機
１１ｃ 圧縮機用電動機
１２ 高圧側熱交換器
１３ 電動膨張弁
１４ 蒸発器
２１ 貯湯タンク
２２ 温水循環ポンプ
３１ 吐出ガス温度検出器
３２ 外気温度検出器
３３ 焚き上げ温度検出器３３
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプ式給湯装置、特に圧縮機能力及び電動膨張弁の開度を制御する制御装置を備えたヒートポンプ式給湯装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にヒートポンプ式給湯装置は、圧縮機、高圧側熱交換器、冷媒膨張装置、蒸発器を直列に接続した冷媒回路を有する冷凍サイクル装置を備え、この冷凍サイクル装置のヒートポンプ作用により、外気から汲み上げた熱量を高圧側熱交換器で給湯用水に放出して給湯用水を加熱している。
【０００３】
また、ヒートポンプ式給湯装置は、一般的に年間を通じて運転されるが、外気温度の変化により給湯用水加熱能力が変化する。例えば、外気温度が低下すると、蒸発圧力が低下し、圧縮機の能力が低下し、高圧圧力が低下する。このため、給湯用水加熱能力が低下するという問題や、加熱された給湯用水の温度も低くなるという問題があった。このため、従来のヒートポンプ式給湯装置では、一般的に外気温度の低下に対し圧縮機能力を向上させて、給湯用水の加熱能力の維持と給湯用水の温度の維持とを図っていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のものでは常時外気温度を検出しており、この外気温度の変化に追随して圧縮機の能力を変化させていた。また、外気温度は、一般的には急激に変化するものではないが、据付条件により、また、雲の移動による日射の変化、風雨の発生又は変化等により、蒸発器周辺の空気温度が短時間に上下動することがある。この場合、従来の給湯装置においては、外気温度の上下変化に追随して圧縮機能力が上下に変化していた。このため、膨張弁は、その開度を安定的に変化させることができず、開度の縮小拡大を起すという問題があった。また、この結果、圧縮機に液戻りを生じ、圧縮機の寿命が短くなるという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、外気温度の短時間の上下動変化に対し圧縮機能力の制御及び電動膨張弁の開度制御を安定させたヒートポンプ式給湯装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するために、本発明は、インバータ駆動式圧縮機、高圧側熱交換器、冷媒膨張装置、蒸発器を直列に接続した冷媒回路を有する冷凍サイクル装置と、この冷凍サイクル装置のヒートポンプ作用により加熱された給湯用水を貯留する貯湯タンクと、外気温度を一定時間毎に検出し、この検出された外気温度と、外気温度及び使用者により選定された給湯用水の使用予定量に対して設定されている目標焚き上げ温度とに基づいて、前記インバータ駆動式圧縮機の運転周波数及び前記電動膨張弁の開度を制御する制御装置とを有するものである。
【００１４】
このように構成すれば、給湯用水を外気温度と無関係に常に一定温度に加熱するのではなく、外気温度の変化に対する需要ニーズのより詳細な変化を把握した運転制御が行われ、より必要以上に給湯用水を加熱することを防止し、より一層無駄の少ない運転を行うことができる。
【００１５】
また、このような場合において、前記の場合と同様に、前記制御装置は、外気温度の検出を約３０分毎に行うのが好ましい。
このようにすると、適切な時間間隔で外気温度を検出することになり、外気温度変化に対する圧縮機能力の制御及び電動膨張弁の開度の制御を適切に行うことができる。
【００１６】
また、前記冷凍サイクル装置は、冷媒として二酸化炭素を充填した超臨界冷凍サイクル装置としてもよい。
このように構成すれば、可燃性や毒性のない自然冷媒を使用しながら、冬季においても十分に高温の給湯用水を供給することができる。
【００１７】
また、前記インバータ駆動式圧縮機は、密閉ハウジング内に低段側圧縮機と高段側圧縮機とを内蔵し、この密閉ハウジング内空間を低段側圧縮機の吐出ガスで充満させたインバータ駆動式２段圧縮機としてもよい。
このように構成すれば、圧縮機の圧縮比が小さくなる。したがって、高低圧力差が大きくなるヒートポンプ式給湯装置に使用される冷凍サイクル装置では、圧縮機の運転効率を上昇させることができる。また、低段側圧縮機及び高段側圧縮機の周囲が中間圧力である低段側圧縮機の吐出ガスとなるため、各段圧縮機の各部に大きな力が作用せず、高信頼性、低振動、低騒音、高効率な圧縮機とすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図１は本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ式給湯装置の回路図であり、図１中実線矢印は冷媒の流れを示し、破線矢印は温水の流れを示す。
【００１９】
図１に示すように、実施の形態１に係る給湯装置は、冷凍サイクル装置１、給湯ユニット２及び制御装置３とを備えたものである。なお、この実施の形態においては、制御装置３は冷凍サイクル装置１内に設置されている。また、冷凍サイクル装置１と給湯ユニット２とは連絡水用配管５、６により接続されている。
【００２０】
冷凍サイクル装置１は、２段圧縮機１１、高圧側熱交換器１２、電動膨張弁１３、蒸発器１４、アキュムレータ１５を順次接続した冷媒回路（閉回路）を備えた超臨界冷凍サイクル装置である。この冷媒回路の内部には、超臨界冷凍サイクルで運転されるような代替冷媒として二酸化炭素（ＣＯ2）が充填されている。冷凍・空調用の代表的な自然冷媒としては、ハイドロカーボン（ＨＣ：プロパンやイソブタンなど）、アンモニア、空気そしてＣＯ2等が挙げられる。しかしながら、冷媒特性として、ハイドロカーボンとアンモニアはエネルギー効率が良いという反面可燃性や毒性の問題があり、空気は超低温域以外でエネルギー効率が劣るなどといった問題がある。これに対し二酸化炭素は、可燃性や毒性がなく安全である。
【００２１】
２段圧縮機は、密閉ハウジング内に低段側圧縮機１１ａ、高段側圧縮機１１ｂ、これら圧縮機１１ａ及び１１ｂを駆動する共用の圧縮機用電動機１１ｃを内蔵したものであり、低段側圧縮機１１ａの吐出側と高段側圧縮機１１ｂの吸入側とを配管１１ｄにより連結している。また、密閉ハウジング内空間は、中間圧力ガス、つまり低段側圧縮機の吐出ガスにより満たされている。なお、このように密閉ハウジング内を中間圧力とした理由は、各圧縮機の各部に作用する力、及び密閉ハウジングの内外間の圧力差を適切な範囲内に保持し、大きな力が作用することを回避したものであり、これにより高信頼性、低振動、低騒音、高効率な圧縮機とすることができる。
【００２２】
また、この２段圧縮機１１の圧縮機用電動機はインバータ制御されるインバータ駆動式２段圧縮機である。また、後述する制御装置３により、外気温度の変化に対し所定の基準に従い圧縮機能力が制御される。なお、高段側圧縮機１１ｂの吐出配管には、高段側圧縮機１１ｂから吐出される吐出ガス温度を検出するための吐出ガス温度検出器３１が設けられている。
【００２３】
高圧側熱交換器１２は、高段側圧縮機１１ｂから吐出された高圧冷媒を導入する冷媒用熱交換チューブ１２ａと、給湯ユニット２内に配置されている貯湯タンク２１から送水される給湯用水を導入する水用熱交換チューブ１２ｂとからなり、両者が熱交換関係に形成されたものである。したがって、高段側圧縮機１１ｂから吐出された高温高圧の冷媒ガスは貯湯タンク２１から送水される給湯用水により冷却され、この給湯用水は高温高圧冷媒が発生する熱により加熱される。
【００２４】
電動膨張弁１３は、高圧側熱交換器１２で冷却された高圧ガス冷媒を減圧するもので、パルスモータにより駆動される。また、後述する制御装置３により、所定の基準に従い制御される。
【００２５】
蒸発器１４は、電動膨張弁１３により減圧された低圧の気液混合冷媒を熱源媒体としての外気と熱交換させ、この冷媒を気化させるものである。なお、この蒸発器１４には外気温度を検出するための外気温度検出器３２が付設されている。
【００２６】
給湯ユニット２は、貯湯タンク２１、温水循環ポンプ２２、給湯配管２３、給水配管２４を備えて構成されている。
そして、貯湯タンク２１の上部及び下部を前記水用熱交換チューブ１２ｂに対し、連絡水用配管５、６を含む温水循環回路Ｐにより接続されている。また、貯湯タンク２１では比重の差により上部になるほど温水温度が高くなる。このため、貯湯タンク２１下部の温度の低い水を水用熱交換チューブ１２ｂに送水し、水用熱交換チューブ１２ｂで加熱された温度の高い水を貯湯タンク２１の上部に導くように、温水循環回路Ｐが形成されるとともに、この温水循環回路Ｐ中に温水循環ポンプ２２が取り付けられている。なお、貯湯タンク２１内上部の温水温度、すなわち焚き上げ温度は、貯湯タンク２１上部に設けられた焚き上げ温度検出器３３により測定されている。
【００２７】
給湯配管２３は、温水蛇口、浴槽などに温水を供給するためのものであり、貯湯タンク２１中の高い温度の温水を供給できるように、貯湯タンク２１の上部に接続されている。なお、この給湯回路には開閉弁２５が取り付けられている。
給水配管２４は、貯湯タンク２１内に常時水道水を供給可能とするものであり、逆止弁２６、減圧弁２７を介し貯湯タンク２１の底部に接続されている。
【００２８】
制御装置３は、前述のように、外気温度の変化に対し所定の圧縮機能力が得られるように所定の基準に従い圧縮機用電動機１１ｃの運転周波数を設定してインバータ駆動式２段圧縮機１１を運転するとともに、電動膨張弁１３の開度を所定の基準に基づき制御するものである。
【００２９】
次に、この制御装置３によるインバータ駆動式２段圧縮機１１の運転周波数の制御について図面に基づき説明する。なお、図２は、実施の形態１に係り、初期設定運転完了後の定常運転時におけるインバータ駆動式２段圧縮機１１の制御フローチャートである。
【００３０】
この図に示すように、インバータ駆動式２段圧縮機１１を初期設定条件で運転し、定常運転に入った後に外気温度検出器３２により外気温度が測定される（ステップＳ１）。そして、前回測定時の外気温度と比較される（ステップＳ２）。比較した結果、両者に温度差が有る場合は、所定の基準に従いこの温度差に基づく圧縮機用電動機１１ｃの運転周波数を決定し（ステップＳ３）、インバータ駆動式２段圧縮機１１をこの周波数で運転する（ステップＳ５）。なお、この場合、外気温度の低下に対し圧縮機能力が略所定値となるように、又は、略一定となるようにインバータ駆動式２段圧縮機１１の運転周波数を決定している。また、比較した結果、両者に温度差が無い場合は、圧縮機用電動機１１ｃの運転周波数を変更しないものとし（ステップＳ４）、そのままの運転周波数でインバータ駆動式２段圧縮機１１を運転する（ステップＳ５）。そして、所定時間待機した後（ステップＳ６）上述のステップを繰り返す。なお、この所定時間としては、外気温度変化の状況把握の緻密さと、外気温度が短時間に上下動変化することによる弊害を除去する必要性とのバランスから、約３０分が適切であると考えられる。
【００３１】
次に、この制御装置３による電動膨張弁１３の開度制御について図３に基づき説明する。なお、図３は、実施の形態１に係り、初期設定運転完了後の定常運転時における電動膨張弁１３の開度の制御フローチャートである。
【００３２】
この図３に示すように、吐出ガス温度検出器３１により高段側圧縮機１１ｂの吐出ガス温度が測定され（ステップＳ１１）、予め設定されている目標吐出ガス温度との温度差を算出する（ステップＳ１２）。そして、所定の基準に従いこの温度差に基づく電動膨張弁１３の開度（操作パルス数）を決定し（ステップＳ１３）、電動膨張弁１３をこの開度に操作する（ステップＳ１４）。なお、この場合において、目標吐出ガス温度を、使用者が任意に設定するのでなく、装置の設計仕様として外気温度に対して予め設定しておくことも可能である。ただし、この場合は前のステップで外気温度を測定しておくことが必要となる。そして、所定時間待機した後（ステップＳ１５）上述のステップが繰り返される。なお、この所定時間は、通常の電動膨張弁の制御に対し行われる程度の短い時間とすればよく、外気温度検出の場合の所定時間と関係付ける必要はない。
【００３３】
以上のように構成された実施の形態１によれば、外気温度検出器３２により外気温度を一定時間毎に検出し、検出された外気温度の変化に対し所定の基準に従って圧縮機能力を制御するとともに、所定の基準に従って電動膨張弁１３の開度を制御するので、外気温度が短時間に上下動するようなことがあっても、外気温度検出器３２はこのような変動を検出しない。したがって、短時間のうちに圧縮機能力が大小変動するようなことが無く、電動膨張弁１３の開度制御が安定的に行われる。このため、電動膨張弁１３の開度制御が不安定になることによる圧縮機への液戻りを防止することができ、インバータ駆動式２段圧縮機１１を長寿命化することができる。
【００３４】
また、外気温度は約３０分ごとに検出されるので、短時間の外気温度の変化を検出することが無く、しかも、外気温度の変化状況を適切に把握することもできる。
【００３５】
また、制御装置３は、検出された外気温度の低下に対し圧縮機能力を略一定値又は略所定値になるようにインバータ駆動式圧縮機１１の回転数を増大するので、外気温度の低下に対し、圧縮機能力を略一定値又は略所定値に維持することができ、給湯用水の加熱能力及び給湯用水の温度が外気温度に追随して低下することを防止し、略一定値又略所定値にすることができる。
【００３６】
また、冷凍サイクル装置１は、冷媒として二酸化炭素を充填した超臨界冷凍サイクル装置としているので、可燃性や毒性のない自然冷媒を使用しながら、冬季においても十分に高温の給湯用水を供給することができる。
【００３７】
また、冷凍サイクル装置１に用いられる圧縮機を、密閉ハウジング内に低段側圧縮機１１ａと高段側圧縮機１１ｂとを内蔵し、この密閉ハウジング内空間を低段側圧縮機１１ａの吐出ガスで充満させたインバータ駆動式２段圧縮機１１としているので、高低圧力差が大きくなるヒートポンプ式給湯装置に使用される冷凍サイクル装置では、各段の圧縮比が小さくなり、圧縮機の運転効率を上昇させることができる。また、低段側圧縮機１１ａ及び高段側圧縮機１１ｂの周囲が中間圧力である低段側圧縮機１１ａの吐出ガスとなるため、各段圧縮機の各部に大きな力が作用せず、高信頼性、低振動、低騒音、高効率な圧縮機とすることができる。
【００３８】
実施の形態２．
次に、実施の形態２について、図４〜図６に基づき説明する。なお、図４は、実施の形態２に係り、初期設定運転完了後の定常運転時におけるインバータ駆動式２段圧縮機の運転周波数及び電動膨張弁の開度の制御フローチャートであり、図５は、実施の形態２における外気温度及び目標焚き上げ温度に対する圧縮機の運転周波数の設定例を示す図であり、図６は、実施の形態２における外気温度及び目標焚き上げ温度に対する圧縮機吐出ガスの目標吐出ガス温度の設定例を示す図である。
【００３９】
実施の形態２では、冷凍サイクル装置１及び給湯ユニット２の構成は実施の形態１と同一であり、制御装置３によるインバータ駆動式２段圧縮機１１の運転周波数制御及び電動膨張弁１３の開度制御を、需要ニーズに対しよりマッチするようにしたものであって、次のように制御される。
【００４０】
図４に示すように、初期設定条件の下に電動膨張弁１３が所定の開度に設定され、インバータ駆動式２段圧縮機１１が所定の周波数で運転された後に、外気温度検出器３２により外気温度が測定される（ステップＳ２１）。そして、この外気温度と、外気温度に対し設定されている目標焚き上げ温度とから、所定の基準に従いインバータ駆動式２段圧縮機１１の運転周波数を決定する（ステップＳ２２）。また、測定された外気温度と、外気温度に対し設定されている目標焚き上げ温度とから、所定の基準に従い高段側圧縮機１１ｂの目標吐出ガス温度を決定する（ステップＳ２３）。また、吐出ガス温度検出器３１により高段側圧縮機１１ｂの吐出ガス温度を測定する（ステップＳ２４）。そして、この吐出ガス温度とステップＳ２３により決定された目標吐出ガス温度との温度差を算出し（ステップＳ２５）、この温度差に基づき所定の基準に従い電動膨張弁１３の開度（つまり、操作パルス数）を決定する（ステップＳ２６）。そして、ステップＳ２２で決定された運転周波数でインバータ駆動式２段圧縮機１１を運転し、ステップＳ２６で決定された開度に電動膨張弁１３を操作する（ステップＳ２７）。そして、所定時間経過後（ステップＳ２８）、上記手順を繰り返す。
【００４１】
上記制御において、ステップ２３で使用される目標焚き上げ温度は、測定される外気温度と使用者が選択する目標使用量とから予め設定しておくものである。また、目標使用量は、表１に示される「たっぷり」、「ふつう」、「節約」の３段階の中から、使用者の予測に基づき、使用者により選択される。なお、「たっぷり」は「ふつう」より多め、「節約」は「ふつう」より少なめに設定されていることを意味する。
そして、目標使用量が上記により選択されると、目標焚き上げ温度が表１のテーブルに従って設定される。
【００４２】
【表１】
次に、前記スッテプ２２におけるインバータ駆動式２段圧縮機１１の運転周波数の決定は、図５に従って行われる。例えば、目標焚き上げ温度が６０℃、外気温度が３０℃であれば、図５から導かれるように、インバータ駆動式２段圧縮機１１の運転周波数は約８８Ｈｚと決定される。
【００４４】
また、ステップ２３における、測定された外気温度と予め使用者により選択された目標焚き上げ温度とからの目標吐出ガス温度の決定は、図６のように設定される。例えば、目標焚き上げ温度が６０℃、外気温度が３０℃であれば、図６から導かれるように、目標吐出ガス温度は約９７℃である。
【００４５】
また、ステップ２８における所定時間は、外気温度変化の状況把握の緻密さと、外気温度が短時間に上下動変化することによる弊害を除去する観点から、約３０分が適切である。
【００４６】
このように実施の形態２によれば、外気温度を一定時間毎に検出し、この検出された外気温度と、外気温度に対して設定されている目標焚き上げ温度とから、所定の基準に従ってインバータ駆動式２段圧縮機１１の運転周波数及び電動膨張弁１３の開度を制御するので、外気温度の変化に対し需要ニーズが変化することに対応した運転制御が行われ、必要以上に給湯用水を加熱することが無く、無駄の少ない運転を行うことができる。
【００４７】
また、この実施の形態２によれば、外気温度を一定時間毎に検出し、この検出された外気温度と、外気温度及び使用者により選定された給湯用水の使用予定量に対して設定されている目標焚き上げ温度とから、所定の基準に従いインバータ駆動式２段圧縮機１１の運転周波数及び電動膨張弁１３の開度を制御するので、外気温度の変化に対する需要ニーズのより詳細な変化を把握した運転制御が行われ、より必要以上に給湯用水を加熱することを防止し、より一層無駄の少ない運転を行うことができる。
【００４８】
以上説明した実施の形態１及び２において、冷凍サイクル装置１は、超臨界冷凍サイクル装置であったが、このような冷凍サイクル装置に限らず通常の冷凍サイクル装置とすることができるのはいうまでもない。
【００４９】
また、前記実施の形態１及び２においては、圧縮機はインバータ駆動式２段圧縮機１１とされているが、この圧縮機をインバータ駆動式単段圧縮機とした場合にも本発明を適用できることはいうまでもない。
【００５０】
【発明の効果】
本発明は以上のようにこのように構成されているので、次のような効果を奏する。
【００５１】
請求項１記載の発明によれば、外気温度を一定時間毎に検出し、この検出された外気温度と、外気温度及び使用者により選定された給湯用水の使用予定量に対して設定されている目標焚き上げ温度とに基づいて、前記インバータ駆動式圧縮機の運転周波数及び前記電動膨張弁の開度を制御する制御装置とを有するものとしているので、外気温度の変化に対する需要ニーズのより詳細な変化を把握した運転制御が行われ、より必要以上に給湯用水を加熱することを防止し、より一層無駄の少ない運転を行うことができる。
【００５６】
また、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明において、外気温度は約３０分ごとに検出されるので、短時間の外気温度の変化を検出することが無く、しかも、外気温度の変化状況を適切に把握することもできる。
【００５７】
また、請求項３記載の発明によれば、請求項１又は２記載の発明において、冷凍サイクル装置は、冷媒として二酸化炭素を充填した超臨界冷凍サイクル装置としているので、可燃性や毒性のない自然冷媒を使用しながら、冬季においても十分に高温の給湯用水を供給することができる。
【００５８】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項１〜３いずれか１項記載の発明において、冷凍サイクル装置に用いられる圧縮機を、密閉ハウジング内に低段側圧縮機と高段側圧縮機とを内蔵し、この密閉ハウジング内空間を低段側圧縮機の吐出ガスで充満させたインバータ駆動式２段圧縮機としているので、高低圧力差が大きくなるヒートポンプ式給湯装置に使用される冷凍サイクル装置では、各段の圧縮比が小さくなり、圧縮機の運転効率を上昇させることができる。また、低段側圧縮機及び高段側圧縮機の周囲が中間圧力である低段側圧縮機の吐出ガスとなるため、各段圧縮機の各部に大きな力が作用せず、高信頼性、低振動、低騒音、高効率な圧縮機とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ式給湯装置の回路図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係り、初期設定運転完了後の定常運転時におけるインバータ駆動式２段圧縮機の制御フローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態１に係り、初期設定運転完了後の定常運転時における電動膨張弁の開度の制御フローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態２に係り、初期設定運転完了後の定常運転時におけるインバータ駆動式２段圧縮機の運転周波数及び電動膨張弁の開度制御のフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態２における外気温度及び目標焚き上げ温度に対する圧縮機の運転周波数の設定例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２における外気温度及び目標焚き上げ温度に対する圧縮機吐出ガスの目標吐出ガス温度の設定例を示す図である。
【符号の説明】
１ 冷凍サイクル装置
２ 給湯ユニット
３ 制御装置
１１ インバータ駆動式圧縮機
１１ａ 低段側圧縮機
１１ｂ 高段側圧縮機
１１ｃ 圧縮機用電動機
１２ 高圧側熱交換器
１３ 電動膨張弁
１４ 蒸発器
２１ 貯湯タンク
２２ 温水循環ポンプ
３１ 吐出ガス温度検出器
３２ 外気温度検出器
３３ 焚き上げ温度検出器３３
Claims (4)
- インバータ駆動式圧縮機、高圧側熱交換器、冷媒膨張装置、蒸発器を直列に接続した冷媒回路を有する冷凍サイクル装置と、この冷凍サイクル装置のヒートポンプ作用により加熱された給湯用水を貯留する貯湯タンクと、外気温度を一定時間毎に検出し、この検出された外気温度と、外気温度及び使用者により選定された給湯用水の使用予定量に対して設定されている目標焚き上げ温度とに基づいて、前記インバータ駆動式圧縮機の運転周波数及び前記電動膨張弁の開度を制御する制御装置とを有するヒートポンプ式給湯装置。
- 前記制御装置は、外気温度の検出を約３０分毎に行う請求項１記載のヒートポンプ式給湯装置。
- 前記冷凍サイクル装置は、冷媒として二酸化炭素を充填した超臨界冷凍サイクル装置である請求項１又は２記載のヒートポンプ式給湯装置。
- 前記インバータ駆動式圧縮機は、密閉ハウジング内に低段側圧縮機と高段側圧縮機とを内蔵し、この密閉ハウジング内空間を低段側圧縮機の吐出ガスで充満させたインバータ駆動式２段圧縮機である請求項１〜３のいずれか１項記載のヒートポンプ式給湯装置。
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