JP4874138B2 - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

Description

この発明は、貯湯式のヒートポンプ式給湯装置に関するものである。

冷媒回路の圧力保護装置が備えられたヒートポンプ式給湯装置において、圧力保護装置による圧縮機の運転停止が発生した場合、圧縮機を再起動する必要がある。従来のヒートポンプ式給湯装置には、その圧縮機を再起動する際、水循環装置の搬送量を増加させて圧縮機を再起動させているものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−２５８３７５号公報

従来のヒートポンプ式給湯装置は、減圧装置等の冷媒回路への異物の付着に伴う冷媒循環量の減少による圧力上昇、多湿条件等の外部環境要因による圧力上昇、温水タンクからの給水温度の上昇による圧力上昇に対し、圧力保護装置による頻繁な圧縮機の運転停止を回避できないという問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は、減圧装置等の冷媒回路への異物の付着等に起因して冷媒循環量が減少しても、圧力保護装置による圧縮機の運転停止後の再起動において、圧力の上昇を抑制して、圧縮機摺動部の信頼性を向上することを目的とするものである。

また、第２の目的は、外部環境要因やユーザーの使用状態により発生しうる圧力保護装置による圧縮機の運転停止に対して、その運転停止後の再起動において、頻繁な圧力保護停止を抑制して、安定した能力を得ることを目的とするものである。

この発明に係るヒートポンプ式給湯装置は、圧縮機、冷媒−水熱交換器、減圧装置、蒸発器が順次接続された冷媒循環回路と、前記冷媒−水熱交換器で加熱された温水を貯湯する温水タンクと、前記冷媒−水熱交換器と前記温水タンクの間に水循環装置を備えたヒートポンプ式給湯装置において、前記冷媒循環回路の圧力が所定値以上の場合に前記圧縮機を停止させる圧力保護装置と、前記圧力保護装置による前記圧縮機の運転停止が発生した場合に、前記冷媒−水熱交換器を出る温水の沸上げ温度の目標値を、予め定めた目標値より低く設定して、前記圧縮機を再起動させる制御装置とを、備えたものである。

また、この発明に係るヒートポンプ式給湯装置は、圧縮機、冷媒−水熱交換器、減圧装置、蒸発器が順次接続された冷媒循環回路と、前記冷媒−水熱交換器で加熱された温水を貯湯する温水タンクと、前記冷媒−水熱交換器と前記温水タンクの間に水循環装置を備えたヒートポンプ式給湯装置において、前記冷媒回路の圧力が所定値以上の場合に前記圧縮機を停止させる圧力保護装置と、前記圧力保護装置による前記圧縮機の運転停止が発生した場合に、前記冷媒−水熱交換器を出る温水の沸上げ温度の目標値を、予め定めた目標値より低く設定して、前記圧縮機を再起動させる制御装置とを、備えたものである。
なお、前記制御装置は、前記圧力保護装置による前記圧縮機の運転停止が複数回発生した場合に、前記冷媒−水熱交換器を出る温水の沸上げ温度の目標値を、その発生回数に従って低く設定して、前記圧縮機を再起動させることが好ましい。

この発明のヒートポンプ式給湯装置は、冷媒循環量の減少、外部環境要因、ユーザーの使用状態等に起因して発生しうる圧力保護装置による圧縮機の運転停止に対し、減圧装置の絞り開度を、予め定めた絞り開度より大きくして、圧縮機を再起動させる制御装置が作用する。これによって、冷媒循環回路内の圧力の上昇が抑制され、圧縮機摺動部の信頼性が向上するという効果を有する。また、頻繁な圧力保護停止を抑制でき、安定した能力が発揮できるという効果を有する。

また、この発明のヒートポンプ式給湯装置は、冷媒循環量の減少、外部環境要因、ユーザーの使用状態等に起因して発生しうる圧力保護装置による圧縮機の運転停止に対し、冷媒−水熱交換器を出る温水の沸上げ温度の目標値を、予め定めた目標値より低く設定して、圧縮機を再起動させる制御装置が作用する。これによって、冷媒循環回路内の圧力の上昇が抑制され、圧縮機摺動部の信頼性が向上するという効果を有する。また、頻繁な圧力保護停止を抑制でき、安定した能力が発揮できるという効果を有する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るヒートポンプ式給湯装置の全体構成図である。図１に示すように、圧縮機１、冷媒−水熱交換器２、減圧装置３、蒸発器４が冷媒配管１５によって環状に接続されて冷媒循環回路を構成している。蒸発器４にはモータ６で駆動されるファン７が備えられている。
また、冷媒循環回路内の圧力、例えば、圧縮機１の吐出圧力を検知し、その圧力が予め定めた値（所定値に同じ）以上となった時に圧縮機１を停止させる圧力保護装置５を備えている。

さらに、冷媒−水熱交換器２で加熱された温水を貯湯する温水タンク１４と、冷媒−水熱交換器２と温水タンク１４の間に配置された水（温水も含む）循環装置１０とを備え、それらが温水循環配管１６で接続されて温水循環回路を構成している。
冷媒−水熱交換器２の給水側には給水温度を検出する給水温度検出装置９が設けられ、冷媒−水熱交換器２の出水側には冷媒−水熱交換器２から出る温水の温度（以下、沸上げ温度という）を検出する沸上げ温度検出装置８が設けられている。
温水循環回路側には、また、ユーザーが給湯温度や水量等の設定を行う操作部１１と、操作部１１からの信号に基づいて水循環装置１０の回転数を制御する水循環装置用制御装置１２とを備える。
そして、圧力保護装置５、給水温度検出手段９、沸上げ温度検出手段８、および圧縮機１と通信可能に配置された制御装置１３を備えている。実施の形態１における制御装置１３は、圧力保護装置５による圧縮機１の運転停止が発生した場合に、減圧装置３の絞り開度を、通常値として予め定めた絞り開度より大きくして、圧縮機１を再起動させる作用を果たすものである。この制御装置１３は、例えば、ＣＰＵやマイコンと、それらに記憶されたプログラムによって構成される。

次に、図１のヒートポンプ式給湯装置の沸上げ運転時の動作について説明する。圧縮機１から吐出された高圧・高温冷媒は、冷媒−水熱交換器２で放熱され高圧・低温冷媒となり、冷媒−水熱交換器２を出た冷媒は、減圧装置３で減圧され低圧・低温冷媒となる。減圧装置３を通過した冷媒は、蒸発器４で空気と熱交換した後、圧縮機１に戻るように循環する。一方、温水タンク１４に貯湯された水は、水循環装置１０により冷媒−水熱交換器２に流入し、そこで冷媒循環回路の冷媒との熱交換により加熱されて高温の湯となり、温水循環配管１６を通り温水タンク１４に入るように循環する。

図２は、二酸化炭素を冷媒に使用したヒートポンプの圧力−エンタルピ線図である。二酸化炭素を冷媒に使用したヒートポンプは、臨界圧力以上まで加圧されるため、空調用で広く使用されるＲ４１０Ａのように温度から圧力を推定することができない。また、給湯装置は外気が高い夏場でも暖房サイクルの運転が要求されるため、特に高温多湿条件で運転する際は、図３のように圧力が上昇しやすくなるといった特徴がある。さらに、ユーザーの使用状態によっては、温水タンク１４の下部の温度が高くなり、高温の湯が冷媒−水熱交換器２に循環される高温給水運転状態となり、図４のように圧力が上昇しやすくなるといった特徴がある。

図２〜図４に示したように、二酸化炭素を冷媒に使用したヒートポンプ式給湯装置は、冷媒温度による圧力の推定が不可能であり、さらに、外部環境やユーザーの使用状態によって圧力が上昇しやすいといった特徴があるため、圧力上昇時に圧縮機１を停止させる圧力保護装置５を備えている。以下において、この圧力保護装置５が作動した後の圧縮機１の再起動の方法を説明する。

図５は、圧力保護装置５が作動して圧縮機１が停止した場合の、制御装置１３による圧縮機１の再起動の方法の一例を示すフローチャートである。
圧力保護装置５が作動し圧縮機１が停止すると、圧力保護装置５の作動信号が制御装置１３に送られる（Ｓ１）。制御装置１３は、その作動信号を受信すると（Ｓ２）、減圧装置３の絞り開度（減圧装置３が弁であれば弁開度）を、通常値として予め定めた絞り開度より大きくして（Ｓ３）、圧縮機１を再起動させる（Ｓ４）。すなわち、制御装置１３は、減圧装置３の通常の場合の運転開始の絞り開度に対して、＋αの補正を加えた制御定数で再起動運転を開始する。

なお、圧力保護装置５による圧縮機１の運転停止が複数回発生した場合には、制御装置１３は、その発生回数を記憶しておき、減圧装置３の絞り開度を、その発生回数に従って順次大きくして、圧縮機１を再起動させても良い。すなわち、圧力保護装置５による圧縮機１の運転停止がｎ回目の場合、制御装置１３は、減圧装置３の通常の場合の運転開始の絞り開度に対して、＋α１＋α２＋・・・・＋αｎのように段階的な補正を加えた制御定数で再起動運転を開始しても良い。

圧力保護装置５の作動時、以上のように、減圧装置３の運転開始開度にプラスの補正を加えた制御定数で再起動運転を行うことで、冷媒循環回路の圧力の上昇を抑制でき、圧縮機摺動部の信頼性が向上する。さらに、頻繁な圧力保護停止が抑制されるため、安定した能力を発揮する運転を行うことが可能になる。

実施の形態２．
実施の形態２のヒートポンプ式給湯装置の構成は、基本的に実施の形態１と同様であり、実施の形態１とは制御装置１３の作用のみが相違する。実施の形態２の制御装置１３は、圧力保護装置５による圧縮機１の運転停止が発生した場合に、沸上げ温度検出装置８で検出される沸上げ温度の目標値を、通常値として予め定めた目標値より低く設定して、圧縮機１を再起動させるものである。以下、これについて詳しく説明する。
図６は、圧力保護装置５が作動して圧縮機１が停止した場合の、制御装置１３による圧縮機１の再起動の方法の一例を示すフローチャートである。
圧力保護装置５が作動し圧縮機１が停止すると、圧力保護装置５の作動信号が制御装置１３に送られる（Ｓ１１）。制御装置１３は、その作動信号を受信すると（Ｓ１２）、沸上げ温度の目標値を、通常値として予め定めた目標値より低く設定して（Ｓ１３）、圧縮機１を再起動させる（Ｓ１４）。すなわち、制御装置１３は、冷媒−水熱交換器２を出る温水の沸上げ温度の目標値を、通常値として予め定めた目標値に対して、−βの補正を加えた制御定数で再起動運転を開始する。

なお、圧力保護装置５による圧縮機１の運転停止が複数回発生した場合には、制御装置１３は、その発生回数を記憶しておき、沸上げ温度の目標値を、その発生回数に従って順次低く設定して、圧縮機１を再起動させても良い。すなわち、圧力保護装置５による圧縮機１の運転停止がｎ回目の場合、制御装置１３は、減圧装置３の通常の場合の運転開始の沸上げ温度目標値に対して、−β１−β２−・・・・−βｎのように段階的な補正を加えた制御定数で再起動運転を開始しても良い。

圧力保護装置５の作動時、以上のように、冷媒−水熱交換器２を出る温水の沸上げ温度の目標値にマイナスの補正を加えた制御定数で再起動運転を行うことで、冷媒循環回路ではその目標値に対応した運転が行われるため、冷媒循環回路の圧力の上昇を抑制でき、圧縮機摺動部の信頼性が向上する。さらに、頻繁な圧力保護停止が抑制されるため、安定した能力を発揮する運転を行うことが可能になる。

実施の形態３．
実施の形態３のヒートポンプ式給湯装置の構成も、基本的に実施の形態１と同様であり、実施の形態１とは制御装置１３の作用のみが相違する。実施の形態３の制御装置１３は、実施の形態１の制御装置１３と実施の形態２の制御装置１３の両方の機能を兼ね備えたものである。すなわち、圧力保護装置５による圧縮機１の運転停止が発生した場合に、減圧装置３の絞り開度を、通常値として予め定めた絞り開度より大きくするとともに、沸上げ温度の目標値を、通常値として予め定めた目標値より低く設定して、圧縮機１を再起動させるものである。
制御装置１３のこのような作用により、冷媒循環回路の圧力の上昇をより効果的に抑制でき、圧縮機摺動部の信頼性が向上する。さらに、頻繁な圧力保護停止が抑制されるため、安定した能力を発揮する運転を行うことが可能になる。

実施の形態４．
図７は本発明の実施の形態４に係るヒートポンプ式給湯装置の構成図である。図７のヒートポンプ式給湯装置は、圧縮機１、冷媒−水熱交換器２、第１減圧装置３、蒸発器４、高圧冷媒−低圧冷媒熱交換器１８の低圧側流路１８ａが順次接続された主回路と、冷媒−水熱交換器２と第１減圧装置３との間から分岐し、高圧冷媒−低圧冷媒熱交換器１８の高圧側流路１８ｂおよび第２減圧装置１９を通って、蒸発器４に至るバイパス回路とを有した冷媒循環回路を有している。
また、冷媒循環回路内の圧力、例えば、圧縮機１の吐出圧力を検知し、その圧力が予め定めた値（所定値に同じ）以上となった時に圧縮機１を停止させる圧力保護装置５を備えている。
さらに、圧力保護装置５による圧縮機１の運転停止が発生した場合に、第２減圧装置１９の絞り開度を、通常値として予め定めた絞り開度より大きくして圧縮機１を再起動させる制御装置１３を備えている。
なお、温水循環回路側の構成は、図１のヒートポンプ式給湯装置の場合と同じである。

図７において、第２減圧装置１９および高圧冷媒−低圧冷媒熱交換器１８は、次のような作用を果たしている。すなわち、第２減圧装置１９の絞り開度を調整することで、高圧冷媒−低圧冷媒熱交換器１８の熱交換量を最適に制御し、外気温度や給水温度に応じて効率的な運転を可能にする。また、第２減圧装置１９は、霜取り運転時の冷媒循環量を増やすためにも使用される。

図８は、圧力保護装置５が作動して圧縮機１が停止した場合の、制御装置１３による圧縮機１の再起動の方法の一例を示すフローチャートである。
圧力保護装置５が作動し圧縮機１が停止すると、圧力保護装置５の作動信号が制御装置１３に送られる（Ｓ２１）。制御装置１３は、その作動信号を受信すると（Ｓ２２）、第２減圧装置１９の絞り開度（第２減圧装置１９が弁であれば弁開度）を、通常値として予め定めた絞り開度より大きくして（Ｓ２３）、圧縮機１を再起動させる（Ｓ２４）。すなわち、制御装置１３は、第２減圧装置１９の通常の場合の運転開始の絞り開度に対して、＋γの補正を加えた制御定数で再起動運転を開始する。
なお、圧力保護装置５による圧縮機１の運転停止が複数回発生した場合には、制御装置１３は、その発生回数を記憶しておき、減圧装置３の絞り開度を、その発生回数に従って順次大きくして、圧縮機１を再起動させても良い。すなわち、圧力保護装置５による圧縮機１の運転停止がｎ回目の場合、制御装置１３は、減圧装置３の通常の場合の運転開始の絞り開度に対して、＋γ１＋γ２＋・・・・＋γｎのように段階的な補正を加えた制御定数で再起動運転を開始しても良い。
圧力保護装置５の作動時、以上のように、第２減圧装置１９の運転開始開度にプラスの補正を加えた制御定数で再起動運転を行うことで、冷媒循環回路の圧力の上昇を抑制でき、圧縮機摺動部の信頼性が向上する。さらに、頻繁な圧力保護停止が抑制されるため、安定した能力を発揮する運転を行うことが可能になる。

また、制御装置１３が、（１）実施の形態１と同様に第１減圧装置３の運転開始開度を通常時より大きくして圧縮機１を再起動する態様、（２）実施の形態２と同様に沸上げ温度検出装置８により検出される沸上げ温度の目標値を通常時より低く設定して圧縮機１を再起動する態様、および、（３）上記のように第２減圧装置１９の運転開始開度を通常時より大きくして圧縮機１を再起動する態様、のいずれも可能にしておき、それらの各態様を組み合わせて利用するようにしても良い。
圧力保護装置５が作動して圧縮機１が停止した場合に、（１）〜（３）の態様を組合わせた制御定数により再起動運転を行うことで、冷媒循環回路の圧力の上昇をより効果的に抑制でき、圧縮機摺動部の信頼性が向上する。さらに、頻繁な圧力保護停止が抑制されるため、安定した能力を発揮する運転を行うことが可能になる。

なお、上記の各実施の形態において、圧力保護装置５と制御装置１３とを別体のものとして説明したが、圧力保護装置５が制御装置１３に含まれる構成としてもよい。

また、冷媒回路に比較的安価で安定な二酸化炭素を冷媒に使用することで、製品コストを抑えることが可能になる。さらに、二酸化炭素はオゾン破壊係数が０であり、地球温暖化係数も小さいことから、環境にやさしい製品の提供が可能になる。

この発明の実施の形態１に係るヒートポンプ式給湯装置の全体構成図。 二酸化炭素を冷媒に使用したヒートポンプの圧力−エンタルピ線図。 高温高湿時条件における二酸化炭素を冷媒に使用したヒートポンプの圧力−エンタルピ線図。 高温給水条件における二酸化炭素を冷媒に使用したヒートポンプの圧力−エンタルピ線図。 実施の形態１に係る制御装置による圧縮機の再起動の方法の一例を示すフローチャート。 実施の形態２に係る制御装置による圧縮機の再起動の方法の一例を示すフローチャート。 この発明の実施の形態４に係るヒートポンプ式給湯装置の全体構成図。 実施の形態４に係る制御装置による圧縮機の再起動の方法の一例を示すフローチャート。

符号の説明

１ 圧縮機、２ 冷媒−水熱交換器、３ 減圧装置または第１減圧装置、４ 蒸発器、５ 圧力保護装置、６ モータ、７ ファン、８ 沸上げ温度検出装置、９ 給水温度検出装置、１０ 水循環装置、１１ 操作部、１２ 水循環装置用制御装置、１３ 制御装置、１４ 貯水タンク、１５ 冷媒配管、１６ 温水循環配管、１８ 高圧冷媒−低圧冷媒熱交換器、１９ 第２減圧装置。

Claims (6)

1. 圧縮機、冷媒−水熱交換器、減圧装置、蒸発器が順次接続された冷媒循環回路と、前記冷媒−水熱交換器で加熱された温水を貯湯する温水タンクと、前記冷媒−水熱交換器と前記温水タンクの間に水循環装置を備えたヒートポンプ式給湯装置において、
   前記冷媒循環回路の圧力が所定値以上の場合に前記圧縮機を停止させる圧力保護装置と、
   前記圧力保護装置による前記圧縮機の運転停止が発生した場合に、前記冷媒−水熱交換器を出る温水の沸上げ温度の目標値を、予め定めた目標値より低く設定して、前記圧縮機を再起動させる制御装置とを、
   備えたことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
2. 前記制御装置は、前記圧力保護装置による前記圧縮機の運転停止が複数回発生した場合に、前記冷媒−水熱交換器を出る温水の沸上げ温度の目標値を、その発生回数に従って低く設定して、前記圧縮機を再起動させることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯装置。
3. 圧縮機、冷媒−水熱交換器、減圧装置、蒸発器が順次接続された冷媒循環回路と、前記冷媒−水熱交換器で加熱された温水を貯湯する温水タンクと、前記冷媒−水熱交換器と前記温水タンクの間に水循環装置を備えたヒートポンプ式給湯装置において、
   前記冷媒循環回路の圧力が所定値以上の場合に前記圧縮機を停止させる圧力保護装置と、
   前記圧力保護装置による前記圧縮機の運転停止が発生した場合に、前記減圧装置の絞り開度を、予め定めた絞り開度より大きくするとともに、前記冷媒−水熱交換器を出る温水の沸上げ温度の目標値を、予め定めた目標値より低く設定して、前記圧縮機を再起動させる制御装置とを、
   備えたことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
4. 圧縮機、冷媒−水熱交換器、第１減圧装置、蒸発器、高圧冷媒−低圧冷媒熱交換器の低圧側流路が順次接続された主回路と、前記冷媒−水熱交換器と前記第１減圧装置との間から分岐し、前記高圧冷媒−低圧冷媒熱交換器の高圧側流路および第２減圧装置を通って、前記蒸発器に至るバイパス回路とを有した冷媒循環回路と、前記冷媒−水熱交換器で加熱された温水を貯湯する温水タンクと、前記冷媒−水熱交換器と前記温水タンクの間に水循環装置を備えたヒートポンプ式給湯装置において、
   前記冷媒循環回路の圧力が所定値以上の場合に前記圧縮機を停止させる圧力保護装置と、
   前記圧力保護装置による前記圧縮機の運転停止が発生した場合に、前記第２減圧装置の絞り開度を、予め定めた絞り開度より大きくして前記圧縮機を再起動させる制御装置とを、
   備えたことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
5. 前記制御装置は、前記圧力保護装置による前記圧縮機の運転停止が複数回発生した場合に、前記第２減圧装置の絞り開度を、その発生回数に従って大きくして、前記圧縮機を再起動させることを特徴とする請求項４記載のヒートポンプ式給湯装置。
6. 冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯装置。

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