JP4811185B2 - ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Description

本発明にかかるヒートポンプ式給湯機は、圧縮機の異常温度上昇ならびに異常圧力上昇を防止した制御に関するものである。

従来、外気温度あるいは給水温度が高くなるにつれて沸き上げ設定温度を低く設定するヒートポンプ式給湯機がある（例えば、特許文献参照）。
特開２００２−１４７８４６号公報

しかしながら、高温水を沸き上げるために、水―冷媒熱交換器に流入する水温が高温になるまで運転を継続させると、圧縮機の異常温度上昇ならびに異常圧力上昇を招き、圧縮機などが破損してしまうという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、水―冷媒熱交換器に流入する水温が高温になるまで運転を継続させても、圧縮機の異常温度上昇および異常圧力上昇を防止し、圧縮機及び各機器の信頼性を確保することができるとともに、効率のよい給湯加熱運転を実現することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ式給湯機は、圧縮機、水―冷媒熱交換器、減圧装置、蒸発器を冷媒配管により環状に接続して構成されるヒートポンプサイクルと、湯水を貯える貯湯タンク、前記貯湯タンク内の湯水を循環させるポンプ、水―冷媒熱交換器を配管により環状に接続して構成される給湯回路と、水―冷媒熱交換器の入水温度を検出する入水温度検出手段と、水―冷媒熱交換器の出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、前記貯湯タンクの沸き上げ温度に応じて水―冷媒熱交換器の目標出湯温度を決定し、前記出湯温度検出手段の検出値が、前記目標出湯温度なるように前記ポンプの流量を制御する制御手段とを備え、前記入水温度検出手段の検出値が所定の値以上の時に、前記目標出湯温度に最大値を設定することにより、水―冷媒熱交換器に流入する水温が高温となるまで運転を継続して高温沸き上げが可能となり、かつ、圧縮機の異常温度上昇ならびに異常圧力上昇、水―冷媒熱交換器のスケール付着を防止することができる。

本発明のヒートポンプ式給湯機は、水―冷媒熱交換器に流入する水温が高温になるまで運転を継続させても、圧縮機の異常温度上昇および異常圧力上昇を防止し、圧縮機及び各機器の信頼性を確保することができるとともに、効率のよい給湯加熱運転を実現することができる。

第１の発明のヒートポンプ式給湯機は、圧縮機、水―冷媒熱交換器、減圧装置、蒸発器を冷媒配管により環状に接続して構成されるヒートポンプサイクルと、湯水を貯える貯湯タンク、前記貯湯タンク内の湯水を循環させるポンプ、水―冷媒熱交換器を配管により環状に接続して構成される給湯回路と、水―冷媒熱交換器の入水温度を検出する入水温度検出手段と、水―冷媒熱交換器の出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、前記貯湯タンクの沸き上げ温度に応じて水―冷媒熱交換器の目標出湯温度を決定し、前記出湯温度検出手段の検出値が、前記目標出湯温度なるように前記ポンプの流量を制御する制御手段とを備
え、前記入水温度検出手段の検出値が所定の値以上の時に、前記目標出湯温度に最大値を設定することにより、水―冷媒熱交換器に流入する水温が高温となるまで運転を継続して高温沸き上げが可能となり、かつ、圧縮機の異常温度上昇ならびに異常圧力上昇、水―冷媒熱交換器のスケール付着を防止することができる。

第２の発明のヒートポンプ式給湯機は、圧縮機、水―冷媒熱交換器、減圧装置、蒸発器を冷媒配管により環状に接続して構成されるヒートポンプサイクルと、湯水を貯える貯湯タンク、前記貯湯タンク内の湯水を循環させるポンプ、水―冷媒熱交換器を配管により環状に接続して構成される給湯回路と、水―冷媒熱交換器の入水温度を検出する入水温度検出手段と、水―冷媒熱交換器の出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記貯湯タンクの沸き上げ温度に応じて水―冷媒熱交換器の目標出湯温度を決定し、前記出湯温度検出手段の検出値が、前記目標出湯温度なるように前記ポンプの流量を制御する制御手段とを備え、前記入水温度検出手段の検出値が所定の値以上、かつ外気温度が所定の領域の時に、前記目標出湯温度に最大値を設定することにより、入水温度が所定の温度以上であっても、圧縮機の異常温度上昇および異常圧力上昇を招く外気温度領域のみ目標出湯温度の最大値を設けるため、不必要に沸き上げ温度をさげることなく圧縮機の信頼性確保と、水―冷媒熱交換器に流入する水温が高温となるまで運転を継続することができ、貯湯槽の高温沸き上げが可能となる。

第３の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第１または第２の発明において、目標出湯温度に最大値を設定する入水温度の所定値を外気温度に応じて設定することにより、圧縮機の異常温度上昇および異常圧力上昇を招く外気温度領域および入水温度領域のみ目標出湯温度の最大値を設けるため、不必要に沸き上げ温度をさげることなく圧縮機の信頼性確保と、水―冷媒熱交換器に流入する水温が高温となるまで運転を継続することができ、貯湯槽の高温沸き上げが可能となる。

第４の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第１〜第３の発明において、圧縮機の構成は、アキュームレータのない構成であることにより、アキュームレータがないため、ヒートポンプ式給湯機本体の小型化・軽量化が可能となる。

第５の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第１〜第４の発明において、高圧側の冷媒圧力が、臨界圧力以上となることにより、水に熱を奪われて冷媒温度が低下しても、凝縮することがないため、水―冷媒熱交換器全域で冷媒と水との間に温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換率を高くできる。

第６の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第５の発明において、使用する冷媒が二酸化炭素であることにより、比較的安価でかつ安定な二酸化炭素を冷媒に使用することにより、製品コストを抑えるとともに、信頼性を向上させることができる。また、二酸化炭素はオゾン破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数も代替冷媒ＨＦＣ−４０７Ｃの約１７００分の１と非常に小さいため、地球環境に優しい製品を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態におけるヒートポンプ式給湯器の構成図である。図１において、本実施の形態におけるヒートポンプ式給湯機のヒートポンプサイクルは、インバータ式圧縮機１１、水―冷媒熱交換器１２、減圧装置１３、蒸発器１４を冷媒配管１５により順次環状に接続して構成されている。一方、本実施の形態におけるヒートポンプ式給湯機の給湯回路は、湯水を貯え、所望の沸き上げ温度を演算するマイクロコンピュータを備える貯湯タンク１６、貯湯タンク１６内の湯水を水―冷媒熱
交換器１２に流入させ、給湯回路内を循環させるポンプ１７、水―冷媒熱交換器１２を液体配管１８により順次環状に接続して構成されている。なお、インバータ式圧縮機１１は、アキュームレータのない構成にすると、ヒートポンプ式給湯機の小型化、軽量化を図ることができるが、本発明はこれに限定することは無く、アキュームレータのない構成の圧縮機を用いたとしても問題はない。また、ヒートポンプサイクルを流通する冷媒には、高圧側が臨界圧力を超える二酸化炭素を用いているので、水―冷媒熱交換器１２内を流通する水に熱を奪われて温度が低下しても凝縮することがなく、水―冷媒熱交換器で冷媒と水との間で温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くすることができる。

また、水―冷媒熱交換器１２の水入口部には、水―冷媒熱交換器１２に入水する湯水の温度を検出する入水温度検出手段であるサーミスタ３１が配設され、水―冷媒熱交換器１３の水出口部には、水―冷媒熱交換器１２から出湯する湯水の温度を検出する出湯温度検出手段であるサーミスタ３３が配設され、大気と熱交換する蒸発器１４の近傍には、外気温度を検出する外気温度検出手段であるサーミスタ３４が配設され、貯湯タンク１６が決定する所望の沸き上げ温度を検出し、出湯温度検出手段が検出する値の目標値である目標出湯温度を決定し、目標出湯温度になるようにポンプ１７の流量を制御するマイクロコンピュータ３０（制御手段）を備える。

図２は、本実施の形態の運転制御の構成図である。図２において、入水温度検出手段３１によって検出される入水温度と、貯湯タンク１６が決定する所望の沸き上げ温度とにより決定される目標出湯温度になるように、ポンプ１７が制御される構成を示している。

図３は、本実施の形態の制御にかかるフローチャートである。図２、図３を用いて、本発明の制御を説明する。まず、貯湯タンク１６の沸き上げ温度によって、水―冷媒熱交換器１２の目標出湯温度を決定する。次に、入水温度検出手段３１によって検出される入水温度が、任意の所定の温度以上であるか否かを判断し、入水温度が所定の温度以上の場合は、目標出湯温度に最大値を設けて沸き上げ温度を制限し、目標出湯温度が最大値になるようにポンプ１７の流量が制御される。入水温度が所定の温度未満の場合は、目標出湯温度の最大値制限は解除され、沸き上げ温度によって決定された目標出湯温度になるようにポンプ１７の流量が制限される。例えば、入水温度が所定の温度未満の時には、目標出湯温度が９０℃となるように設定し、入水温度が所定の温度以上の時には、目標出湯温度が８０℃となるようにポンプ１７の流量を制御する。なお、図４、図５に示すように、最大値を設定する判断値である入水温度の所定の温度は、常に一定の温度、または外気温度ごとに設定された温度のどちらを用いてもよいが、外気温度ごとに設定された温度を用いる方が、外気温度によっては入水温度をより高く設定できるので、不必要に沸き上げ温度を下げることがない。

図６は、本実施の形態と従来の実施の形態との各種値を比較した図である。図６において、本発明の実施の形態を実線、従来の実施の形態を点線で示す。入水温度は、本発明の実施の形態と従来の実施の形態と同じ値で示し、時間が経過するにつれて上昇する。

従来の実施の形態では、貯湯タンク１６の沸き上げ温度によって決定される目標出湯温度は、入水温度に関わらず一定で制御しているため、入水温度が所定の値を超えてから、圧縮機から吐出される冷媒の圧力は設計圧力を超えてしまい、圧縮機を保護するために圧縮機を停止しなければならなかった。

それに対して、本実施の形態では、貯湯タンク１６の沸き上げ温度によって目標温度を決定するが、入水温度が所定の値を超えてからは、目標出湯温度に最大値を設定し、出湯温度が最大値になるようにポンプ１７を制御するので、圧縮機から吐出される冷媒の圧力
は設計圧力を超えることなく、運転を継続できるため、貯湯タンク１６への高温沸き上げが可能となる。

以上のように、本実施の形態では、目標出湯温度に最大値を設定し、目標出湯温度を制限するので、水―冷媒熱交換器に流入する水温が高温となるまで運転を継続して高温沸き上げが可能となり、かつ、圧縮機の異常温度上昇ならびに異常圧力上昇、水―冷媒熱交換器のスケール付着を防止することができる。

（実施の形態２）
図７は、本実施の形態の運転制御の構成図である。図７において、入水温度検出手段３１によって検出される入水温度と、貯湯タンク１６が決定する所望の沸き上げ温度と、外気温度検出手段３４によって検出される外気温度とにより決定される目標出湯温度になるように、ポンプ１７が制御される構成を示している。なお、本実施の形態におけるヒートポンプ式給湯機の構成は、実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯機の構成と同じであるため、説明は省略する。

図８は、本実施の形態の制御にかかるフローチャートである。図７、図８を用いて、本発明の制御を説明する。まず、貯湯タンク１６の沸き上げ温度によって、水―冷媒熱交換器１２の目標出湯温度を決定する。次に、入水温度検出手段３１によって検出される入水温度が、任意の所定の温度以上であるか否かを判断し、入水温度が所定の温度以上の場合は、次に外気温度検出手段３４によって検出される外気温度が、所定の温度領域であるか否かを判断し、外気温度が所定の温度領域内である場合は、目標出湯温度に最大値を設けて沸き上げ温度を制限し、目標出湯温度が最大値になるようにポンプ１７の流量が制御し、外気温度が所定の温度領域外である場合は、目標出湯温度に最大値制限は解除され、沸き上げ温度によって決定された目標出湯温度になるようにポンプ１７の流量が制御される。また、入水温度が所定の温度未満の場合も、目標出湯温度の最大値制限は解除され、沸き上げ温度によって決定された目標出湯温度になるようにポンプ１７の流量が制御される。なお、図４、図５に示すように、最大値を設定する判断値である入水温度の所定の温度は、常に一定の温度、または外気温度ごとに設定された温度のどちらを用いてもよいが、外気温度ごとに設定された温度を用いる方が、外気温度によっては入水温度をより高く設定できるので、不必要に沸き上げ温度を下げることがない。

以上のように、本実施の形態では、目標出湯温度に最大値を設定し、目標出湯温度を制限するので、水―冷媒熱交換器に流入する水温が高温となるまで運転を継続して高温沸き上げが可能となり、かつ、圧縮機の異常温度上昇ならびに異常圧力上昇、水―冷媒熱交換器のスケール付着を防止することができる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ式給湯機における沸き上げ制御は、貯湯タンクとヒートポンプサイクルが一体に構成された一体型ヒートポンプ式給湯機、水―冷媒熱交換器で加熱した湯をそのまま出湯する瞬間湯沸し運転にも適用できる。

実施の形態１、２におけるヒートポンプ式給湯機の構成図 実施の形態１における運転制御の構成図 実施の形態１における制御フローチャート 実施の形態１、２における他の制御フローチャート 実施の形態１、２における他の制御の入水温度設定図 実施の形態１における従来の形態との比較図 実施の形態２における運転制御の構成図 実施の形態２における制御フローチャート

符号の説明

１１ インバータ式圧縮機
１２ 水―冷媒熱交換器
１３ 減圧装置
１４ 蒸発器
１５ 冷媒配管
１６ 貯湯タンク
１７ ポンプ
１８ 液体配管
３０ マイクロコンピュータ（制御手段）
３１ サーミスタ（入水温度検出手段）
３３ サーミスタ（出湯温度検出手段）
３４ サーミスタ（外気温度検出手段）

Claims (6)

1. 圧縮機、水―冷媒熱交換器、減圧装置、蒸発器を冷媒配管により環状に接続して構成されるヒートポンプサイクルと、湯水を貯える貯湯タンク、前記貯湯タンク内の湯水を循環させるポンプ、水―冷媒熱交換器を配管により環状に接続して構成される給湯回路と、水―冷媒熱交換器の入水温度を検出する入水温度検出手段と、水―冷媒熱交換器の出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、前記貯湯タンクの沸き上げ温度に応じて水―冷媒熱交換器の目標出湯温度を決定し、前記出湯温度検出手段の検出値が、前記目標出湯温度なるように前記ポンプの流量を制御する制御手段とを備え、前記入水温度検出手段の検出値が所定の値以上の時に、前記目標出湯温度に最大値を設定することを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
2. 圧縮機、水―冷媒熱交換器、減圧装置、蒸発器を冷媒配管により環状に接続して構成されるヒートポンプサイクルと、湯水を貯える貯湯タンク、前記貯湯タンク内の湯水を循環させるポンプ、水―冷媒熱交換器を配管により環状に接続して構成される給湯回路と、水―冷媒熱交換器の入水温度を検出する入水温度検出手段と、水―冷媒熱交換器の出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記貯湯タンクの沸き上げ温度に応じて水―冷媒熱交換器の目標出湯温度を決定し、前記出湯温度検出手段の検出値が、前記目標出湯温度なるように前記ポンプの流量を制御する制御手段とを備え、前記入水温度検出手段の検出値が所定の値以上、かつ外気温度が所定の領域の時に、前記目標出湯温度に最大値を設定することを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
3. 目標出湯温度に最大値を設定する入水温度の所定値を外気温度に応じて設定することを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ式給湯機。
4. 圧縮機の構成は、アキュームレータのない構成であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯機。
5. 高圧側の冷媒圧力が、臨界圧力以上となることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯機。
6. 使用する冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項５に記載のヒートポンプ式給湯機。

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