JP4910559B2 - ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機、水―冷媒熱交換器、減圧装置、蒸発器を冷媒配管で接続したヒートポンプ回路と、貯湯タンク、ポンプ、水−冷媒熱交換器を配管で接続した給湯回路とを有したヒートポンプ式給湯機に関する。

従来、除霜運転中にポンプ流量を下限値に近いところまで低下させるか、もしくはポンプを停止させて、水−冷媒熱交換器に貯えられた熱を利用して除霜していた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１４７６０９号公報

しかしながら、従来の除霜方法では、一般的に高圧の抑制、冷媒音対策の観点から除霜運転を開始する前に、圧縮機の周波数を低下させたり、膨張弁開度を通常運転時よりも開くため水−冷媒熱交換器に高温の熱を貯えることができず、除霜時間が長くなってしまうという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、除霜時間を短くすることができるヒートポンプ式給湯機を提供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回路と、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、ポンプ流量制御手段と、除霜開始検知手段とを備え、前記圧縮機の吐出冷媒は、前記水―冷媒熱交換器にて放熱し、前記減圧装置にて減圧後、前記蒸発器にて吸熱するとともに、前記ポンプを運転させ、前記貯湯タンク内の湯水を前記水―冷媒熱交換器を介して循環させることで、前記貯湯タンク内の湯水を加熱する沸き上げ運転時に、前記除霜開始検知手段が前記蒸発器の除霜を行う除霜運転開始条件を検知したとき、除霜運転開始前に、前記ポンプの流量を一定時間、前記沸き上げ運転時より一定流量減少させて運転する除霜運転準備区間運転を行うととともに、前記ポンプ流量制御手段は、前記沸き上げ運転時、前記除霜運転準備区間運転時、前記除霜運転時のそれぞれにおいて前記ポンプの流量を決定し、かつ、前記除霜運転準備区間運転時の前記ポンプの流量に下限値を設けたことにより、除霜開始前に水−冷媒熱交換器に流入する水の流量を低下させることができ、水−冷媒熱交換器での冷媒の方熱量を抑え、冷媒の持っている高温の熱を蒸発器の除霜運転に使用することができるので、除霜時間を短くすることができる。

本発明のヒートポンプ式給湯機は、除霜時間を短くすることができるヒートポンプ式給湯機を提供することができる。

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回路と、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、ポンプ流量制御手段と、除霜開始検知手段とを備え、前記圧縮機の吐出冷媒は、前記水―冷媒熱交換器にて放熱し、前記減圧装置にて減圧後、前
記蒸発器にて吸熱するとともに、前記ポンプを運転させ、前記貯湯タンク内の湯水を前記水―冷媒熱交換器を介して循環させることで、前記貯湯タンク内の湯水を加熱する沸き上げ運転時に、前記除霜開始検知手段が前記蒸発器の除霜を行う除霜運転開始条件を検知したとき、除霜運転開始前に、前記ポンプの流量を一定時間、前記沸き上げ運転時より一定流量減少させて運転する除霜運転準備区間運転を行うととともに、前記ポンプ流量制御手段は、前記沸き上げ運転時、前記除霜運転準備区間運転時、前記除霜運転時のそれぞれにおいて前記ポンプの流量を決定し、かつ、前記除霜運転準備区間運転時の前記ポンプの流量に下限値を設けたことにより、除霜開始前に水−冷媒熱交換器に流入する水の流量を低下させることができ、水−冷媒熱交換器での冷媒の方熱量を抑え、冷媒の持っている高温の熱を蒸発器の除霜運転に使用することができるので、除霜時間を短くすることができる。

また、除霜準備区間において、ポンプの流量に下限値を設けることにより、圧縮機の吐出冷媒圧力の異常上昇を防止することができる。これは、通常運転時のポンプの流量が極めて低い時に、除霜準備区間に入ってポンプの流量を一定流量を減少させたときには、流量がゼロになってしまい、高圧が異常上昇してしまうため、これを防ぐものである。

第２の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第１の発明において、除霜準備区間において、ポンプの流量の下限値を、沸き上げ運転時に設定している沸き上げ下限値以上とすることにより、簡単な制御を実現することができる。通常、沸き上げ運転時には、ポンプ流量に沸き上げ下限値が設定されており、それ以上のポンプ流量で運転するように制御されている。沸き上げ運転時において、沸き上げ下限値以上でポンプ流量を制御すると、圧縮機の吐出冷媒圧力が異常上昇することがない。しかしながら、除霜運転に入る際は外気温度が低く、ポンプ流量が低下していることが多いため、一定流量ポンプ流量を減少させると、沸き上げ下限値、つまり問題なく運転できる下限値よりも低くなってしまい、吐出冷媒圧力が異常上昇してしまう。そこで、沸き上げ運転時の下限値よりも高く除霜運転準備区間の下限値を設定することで、通常沸き上げ運転時から除霜運転準備区間に入ってポンプ流量を一定流量減少させても、吐出冷媒圧力が問題なく運転することができる。本来ならば高圧の異常上昇を防ぐために、除霜運転準備区間に入る前の圧縮機の吐出冷媒圧力の状態（高圧の状態）などに基づいて流量を適宜決定し、制御する（下げる）必要があるが、複雑な制御となりコストも上昇してしまうため、本発明のように制御することで簡単な制御を実現することができる。

第３の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第１〜第２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４の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第３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機の構成図である。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回路１０は、インバータ式圧
縮機１１、水―冷媒熱交換器１２、メイン膨張弁１３Ａ、キャピラリチューブ１３Ｂ、蒸発器１４を冷媒配管により順次環状に接続して構成されている。また蒸発器１４に空気を送る送風機１５が蒸発器１４の風下側に設置されており、マイクロコンピュータなどの送風機制御手段（図示せず）により制御されて送風機１５が動作することで、蒸発器１４に空気を流通させる。また、ヒートポンプ回路１０には、圧縮機１１の温度を検出するサーミスタ１０Ａ、圧縮機１１から吐出する冷媒の温度を検出するサーミスタ１０Ｂ、圧縮機１１から吐出する冷媒の圧力を検出する圧力センサ１０Ｃ、蒸発器１４に流通する空気の温度（外気温度）を検出するサーミスタ（外気温度検出手段）１０Ｄ、蒸発器１４の温度を検出するサーミスタ（蒸発器温度検出手段）１０Ｅが配設されている。サーミスタ１０Ａはコールドスタートの検出を、圧力センサ１０Ｃは圧縮機１１またはヒートポンプ回路１０の異常検出を主に行うために配設されている。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ある構成の圧縮機を用いたとしても問題はない。また、ヒートポンプ回路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。

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、湯水を貯える貯湯タンク２０、貯湯タンク２０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２３、水―冷媒熱交換器１２を液体配管により順次環状に接続して構成されている。また、貯湯タンク２０に給水をする底部配管２１は、水が供給される水供給配管３２に減圧弁３１を介して接続されている。貯湯タンク２０の上部には出湯配管３３が接続されており、水供給配管３２から減圧弁３１を介して水が供給される出水用配管３５と混合弁３４にて湯水が混合され、混合された湯水は給湯端末３６へ供給される構成となっている。また、貯湯タンク２０には貯湯タンク２０内の湯量を検出するための複数のサーミスタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃが配設され、給湯回路には、水―冷媒熱交換器１２に流入する湯水の温度を検出するサーミスタ（入水温度検出手段）２０Ｄ、水―冷媒熱交換器１２から流出する湯水の温度を検出するサーミスタ（出湯温度検出手段）２０Ｅが配設されている。また混合弁３４と給湯端末３６との間には、流量を検出する流量センサ３０Ａ、出湯温度を検出するサーミスタ３０Ｂを備えている。なお、本実施の形態における貯湯タンク２０は、積層式の貯湯タンクであり、タンク内での攪拌が防止され、上部に高温水が底部に低温水が蓄積されるように構成されている。

以上のように構成されたヒートポンプ式給湯装置において、以下、その動作を説明する。時刻が所定時刻になるか、もしくは貯湯タンク２０内の湯量を検出するための複数のサーミスタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃによって、貯湯タンク２０内の湯量が所定量以下となったことを検出すると、ヒートポンプ回路１０を動作させて貯湯運転を開始する。

ヒートポンプ回路１０において、インバータ式圧縮機１１で圧縮され、インバータ式圧縮機１１から吐出された冷媒が、水―冷媒熱交換器１２で放熱し、メイン膨張弁１３Ａおよびキャピラリチューブ１３Ｂで減圧された後、蒸発器１４で送風機１５を動作することにより送られる空気から熱を吸収し、ガス状態で再びインバータ式圧縮機１１に吸入される。インバータ式圧縮機１１の能力制御および膨張弁１３Ａの開度制御は、サーミスタ１０Ｂで検出される圧縮機１１から吐出される冷媒の温度が予め設定された温度を維持するように制御される。

一方、給湯回路においては、ポンプ２３の運転により貯湯タンク２０内の湯水を給湯回路に循環させ、水―冷媒熱交換器１２にて冷媒と熱交換を行い、再び貯湯タンク２０に戻
り積層状態で上部に高温の湯が貯湯される。また、サーミスタ（出湯温度検出手段）２０Ｅの値が、サーミスタ（入水温度検出手段）２０Ｄによって検出される入水温度と、貯湯タンク２０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２３が制御される。以上のように構成されたヒートポンプ式給湯機の除霜運転に関して、以下、説明する。

図２は、本実施の形態における制御ブロック図である。まず、ポンプの流量を制御するポンプ流量制御手段４０の構成を説明する。ポンプ流量制御手段４０の流量決定は、通常沸き上げ運転時、除霜準備区間時、除霜運転時の３つの区間で異なる。

ポンプ流量制御手段４０は、通常沸き上げ運転時のポンプ流量を決定する沸き上げ運転時ポンプ流量決定手段４８、水−冷媒熱交換器から出湯する湯の目標温度を設定する目標出湯温度設定手段４２、沸き上げ運転時のポンプ流量の下限値（沸き上げ下限値）を設定する沸き上げ運転時ポンプ流量下限設定手段４３を有し、沸き上げ運転時においては、サーミスタ（出湯温度検出手段）２０Ｅで検出された出湯温度が、目標出湯温度設定手段４２により設定された目標出湯温度になるようにポンプ２３の流量を決定している。ただし、出湯温度が目標出湯温度に至らなくても、ポンプの流量は、沸き上げ運転時ポンプ流量下限設定手段４３にて設定された沸き上げ下限値を下回らないように制御される。

また、ポンプ流量制御手段４０は、除霜準備区間時のポンプ流量を決定する除霜準備区間運転時ポンプ流量決定手段４９、通常沸き上げ運転時におけるポンプ流量を記憶する沸き上げ運転時ポンプ流量記憶手段４４、除霜準備区間時にポンプ流量から下げる一定流量を設定する除霜準備区間運転時ポンプ低下流量設定手段４５、除霜準備区間時のポンプ流量の下限値を設定する除霜準備区間時ポンプ流量下限設定手段４６を有し、除霜準備区間時においては、外気温度や蒸発器の温度などにより除霜開始検知手段４１で除霜開始と検知されたときに、沸き上げ運転時ポンプ流量記憶手段４４で記憶された沸き上げ運転時のポンプ流量から、除霜準備区間運転時ポンプ低下流量設定手段４５によって設定されたポンプ低下量を引き、その結果が、除霜準備区間ポンプ流量下限設定手段４６で設定された下限値以上であれば、その値をポンプ２３の流量として決定し、下限値未満であれば、下限値をポンプ２３の流量として決定される。

また、ポンプ流量制御手段４０は、除霜運転時のポンプ流量を設定する除霜運転時ポンプ流量設定手段４７、除霜運転時におけるポンプの流量を決定する除霜運転時ポンプ流量決定手段５０を有し、除霜開始検知手段４１によって除霜開始と検知されたときには、除霜準備区間終了後、除霜運転時ポンプ流量設定手段４７によって設定されたポンプ流量に除霜運転時ポンプ流量決定手段５０でポンプの流量を決定する。

また、ポンプ流量制御手段４０は、ポンプの流量を制御するポンプ流量可変手段５１を有し、沸き上げ運転時ポンプ流量決定手段４８、除霜準備区間運転時ポンプ流量決定手段４９、除霜運転時ポンプ流量決定手段５０で決定されたポンプの流量になるように、ポンプ２３を制御する。

図３は、本実施の形態におけるポンプ流量制御フローチャートである。図３を用いて、ポンプの流量を決定する流れを説明する。

（ステップ１）
沸き上げ運転開始後ステップ２に進む。

（ステップ２）
サーミスタ（出湯温度検出手段）２０Ｅで出湯温度を検出し、ステップ３に進む。

（ステップ３）
沸き上げ運転開始直後かどうかを判断し、開始直後であればステップ４に進み、開始直後でなければステップ５に進む。

（ステップ４）
ポンプの初期流量を決定し、ステップ１９に進む。

（ステップ５）
除霜運転開始条件が成立しているかどうかを判断し、成立していなければステップ６に進み、成立していればステップ１３に進む。

（ステップ６）サーミスタ（出湯温度検出手段）２０Ｅで検出した出湯温度と目標出湯温度とを比較し、目標出湯温度に達していなければステップ９に進み、目標出湯温度に達していればステップ７に進む。

（ステップ７）
ポンプの流量を低下させるように（出湯温度を高くするように）制御し、ステップ８に進む。

（ステップ８）
低下させた後のポンプの流量が、沸き上げ運転時の下限値（沸き上げ下限値）よりも低ければ、沸き上げ下限値をポンプの流量と設定し、ステップ１２に進む。

（ステップ９）
出湯温度が目標出湯温度よりも高ければステップ１０に進み、出湯温度と目標出湯温度が略等しければステップ１１に進む。

（ステップ１０）
ポンプの流量を現状維持し、ステップ１２に進む。

（ステップ１１）
ポンプの流量をアップし、ステップ１２に進む。

（ステップ１２）
ポンプの流量を決定し、ステップ１９に進む。

（ステップ１３）
沸き上げ運転時のポンプの流量Ｑを記憶し、ステップ１４に進む。

（ステップ１４）
除霜準備区間かどうかを判断し、除霜準備区間である場合にはステップ１５に進み、除霜準備区間でない場合（すなわち除霜運転中）にはステップ１８に進む。

（ステップ１５）
除霜準備区間時のポンプ流量を、Ｑから除霜準備区間運転時ポンプ低下流量設定手段４５によって設定された低下量を差し引いた値に設定し、ステップ１６に進む。

（ステップ１６）
ステップ１５にて求めた除霜準備区間時のポンプ流量が、除霜準備区間ポンプ流量下限設
定手段４６で設定されている下限値よりも低ければ、ポンプ流量を下限値に設定し、下限値よりも低くなれば求められたポンプ流量とし、ステップ１７に進む。

（ステップ１７）
除霜準備区間のポンプ流量を決定し、ステップ１９に進む。

（ステップ１８）
除霜運転中のポンプ流量を決定し、ステップ１９に進む。

（ステップ１９）
決定されたポンプ流量になるように、ポンプを制御する。

以上のように、除霜運転開始前に、前記ポンプの流量を一定時間、一定流量減少させて運転する除霜準備区間を設けることにより除霜時間を短くすることができる。

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ブロック図 実施の形態１における制御フローチャート

１０Ａ サーミスタ（圧縮機温度検出手段）
１０Ｂ サーミスタ（吐出温度検出手段）
１０Ｃ 圧力センサ（吐出圧力検出手段）
１０Ｄ サーミスタ（外気温度検出手段）
１０Ｅ サーミスタ（蒸発器温度検出手段）
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
２０ 貯湯タンク
２０Ａ サーミスタ（湯量検出手段）
２０Ｂ サーミスタ（湯量検出手段）
２０Ｃ サーミスタ（湯量検出手段）
２０Ｄ サーミスタ（入水温度検出手段）
２０Ｅ サーミスタ（出湯温度検出手段）
２３ ポンプ

Claims (4)

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回路と、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、ポンプ流量制御手段と、除霜開始検知手段とを備え、前記圧縮機の吐出冷媒は、前記水―冷媒熱交換器にて放熱し、前記減圧装置にて減圧後、前記蒸発器にて吸熱するとともに、前記ポンプを運転させ、前記貯湯タンク内の湯水を前記水―冷媒熱交換器を介して循環させることで、前記貯湯タンク内の湯水を加熱する沸き上げ運転時に、前記除霜開始検知手段が前記蒸発器の除霜を行う除霜運転開始条件を検知したとき、除霜運転開始前に、前記ポンプの流量を一定時間、前記沸き上げ運転時より一定流量減少させて運転する除霜運転準備区間運転を行うととともに、前記ポンプ流量制御手段は、前記沸き上げ運転時、前記除霜運転準備区間運転時、前記除霜運転時のそれぞれにおいて前記ポンプの流量を決定し、かつ、前記除霜運転準備区間運転時の前記ポンプの流量に下限値を設けたことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
2. 除霜運転準備区間において、ポンプの流量の下限値を、沸き上げ運転時に設定している下限値以上とすることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯機。
3. 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または２に記載のヒートポンプ式給湯機。
4. 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３に記載のヒートポンプ式給湯機。

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