JP5115283B2 - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ヒートポンプサイクルに冷媒を循環して給湯用水を加熱し、湯を生成するヒートポンプ式給湯装置に関する。
従来、この種のヒートポンプ式給湯装置として、例えば、特許文献1に示すものが知られている。すなわち、このヒートポンプ式給湯装置は、圧縮機、給湯用熱交換器(凝縮器)、減圧装置及び熱源用熱交換器(蒸発器)を順次冷媒配管で接続した冷媒回路と、貯湯タンク、循環ポンプ及び上記の給湯用熱交換器を順次温水配管で接続した循環回路とを備え、給湯用熱交換器において高温の冷媒によって、給湯用水を湯にするものである。
貯湯タンク内の給湯用水(水)を加熱する沸き上げ運転のときには、圧縮機の高圧圧力または高圧側温度が予め定めた目標温度もしくは目標高圧圧力になるように減圧装置の弁開度あるいは圧縮機の冷媒吐出能力を制御している。そして、高圧側温度が所定の温度範囲の上限側を超える場合には、圧縮機の冷媒吐出能力を低減方向に制御している。
更に、この沸き上げ運転のときにおいて、給湯用熱交換器の流入側の水温が所定温度より高い場合は、自働的にヒートポンプサイクルを保護停止させるようにしている。これにより、流入側の水温が所定温度より高い場合に、圧縮機の高圧側圧力上昇及び吐出温度上昇を抑制して、圧縮機を含む種々の冷凍サイクル機器を保護することができる。
特開2004−361046号公報
しかしながら、上記特許文献1のヒートポンプ式給湯装置では、通常の動作の範囲内において、何らかの理由により給湯用熱交換器の流入側の水温が上昇して保護停止した場合、一定時間経過後に、給湯用熱交換器の流入側の水温が低下して保護停止が復帰されることがある。
このような場合には、ヒートポンプサイクルの作動を開始させても、貯湯タンク内の湯が高温状態であるため、再度保護停止される。つまり、ヒートポンプサイクルの再起動と保護停止とを繰り返す動作が行なわれてしまう。これにより、種々の冷凍サイクル機器の故障及び耐久性劣化の懸念があるいう問題がある。
そこで、本発明の目的は、ヒートポンプサイクルの起動と保護停止との繰り返し動作を回避することができるヒートポンプ式給湯装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。すなわち、請求項1に記載の発明では、給水源からの水が下方から供給され、内部に給湯用の湯を貯える貯湯タンク(1)と、この貯湯タンク(1)内の下部の水を、貯湯タンク(1)の内の上部に送る循環ポンプ(50)が設けられた循環回路(20)と、圧縮機(21)から供給される冷媒と循環回路(20)を流れる水とを熱交換させて湯にする給湯用熱交換器(22)を有するヒートポンプユニット(2)と、このヒートポンプユニット(2)を作動させて貯湯タンク(1)の内の水を沸き上げ運転する際において、循環回路(20)の給湯用熱交換器(22)より上流側には、給水温度(TW1)を検出する給水温度センサ(52)が配設されており、給湯用熱交換器(22)に流入する給水温度(TW1)が第1の所定温度(TW0)を超えたときに、ヒートポンプユニット(2)を保護停止させる制御手段(100)とを備えるヒートポンプ式給湯装置において、制御手段(100)は、ヒートポンプユニット(2)の保護停止中において、所定時間、循環ポンプ(50)を最小値の回転数で作動させて、所定時間を経過したときに、作動させて、給湯用熱交換器(22)に流入する給水温度(TW1)が第1の所定温度(TW0)よりも低い第2の所定温度(TW3)を下回ったか否かを判定し、給水温度(TW1)が第2の所定温度(TW3)を下回っていれば、ヒートポンプユニット(2)の保護停止を復帰させ、給水温度(TW1)が第2の所定温度(TW3)以上であれば保護停止を継続させることを特徴としている。
この発明によれば、沸き上げ運転終了後に、貯えた湯を出湯していないときには、保護停止が継続され、貯えた湯を出湯したときには、保護停止が復帰される。これにより、ヒートポンプユニット(2)の起動と保護停止との繰り返し動作を回避することができる。また、循環ポンプ(50)を所定時間作動させることにより、貯湯タンク(1)の上部に戻る流量を制限することができるため、貯湯効率の低下を最低限に抑えることができる。
請求項2に記載の発明では、循環回路(20)には、給湯用熱交換器(22)を通過した水を貯湯タンク(1)の下部または貯湯タンク(1)の上部のいずれか一方の流通方向に切り替える切替弁(55)が設けられ、制御手段(100)は、ヒートポンプユニット(2)の保護停止中のときに、循環ポンプ(50)の作動によって、給湯用熱交換器(22)に流入した水を貯湯タンク(1)の下方部に戻すように切替弁(55)を制御することを特徴としている。
この発明によれば、保護停止中のときに、貯湯タンク(1)の下部の水が貯湯タンク(1)の上部に流通することがないため、貯湯タンク(1)内の上部に貯えられた湯の温度を降下させることがない。これにより、貯湯効率の低下を抑制できる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。
(第1実施形態)
以下、第1実施形態におけるヒートポンプ式給湯装置を、図1及び図2に基づいて説明する。図1は、本実施形態のヒートポンプ式給湯装置の概略構成を示す模式図である。図2は、制御装置100の保護停止の復帰運転の制御動作を示すフローチャートである。
図1に示すように、符号1は、耐食性に優れた金属製(例えば、ステンレス製)の貯湯タンクであり、外周部に図示しない断熱材が配置されており、給湯用の高温の湯を長時間に渡って保温することができるようになっている。
貯湯タンク1の最下部には、導入口11が設けられ、この導入口11には、貯湯タンク1内に水道水(給湯用水)を導入する給水経路である導入管12が接続されている。一方、貯湯タンク1の最上部には、導出口13が設けられ、この導出口13には、貯湯タンク1内の高温の湯を導出するための給湯経路である導出管14が接続されている。
導出管14には、図示しない水道水の給水配管との合流点に、図示しない混合弁が配置され、この混合弁は開口面積比(導出管14に連通する湯側の開度と給水配管に連通する水側の開度の比率)を調節することにより、下流側にあるカラン、シャワー、風呂等に高温の湯と水とを適宜混合して給湯するようになっている。
貯湯タンク1の下部には、貯湯タンク1内の水を吸入するための吸入口18が設けられ、貯湯タンク1の上部には、貯湯タンク1内に湯を吐出する吐出口19が設けられている。吸入口18と吐出口19とは循環回路20で接続されており、循環回路20の一部は、後述するヒートポンプ装置(ヒートポンプユニット)2の給湯用熱交換器22内に配設されている。
循環回路20の給湯用熱交換器22より上流側には、循環回路20に貯湯タンク1内の下部の水を上部に向かって流通する(循環する)ための循環ポンプ50が配設されている。この循環ポンプ50は、図示しないポンプモータの回転数を可変することにより、循環回路20内を流通する流量が可変される。
なお、循環ポンプ50の配設位置は、循環回路20の給湯用熱交換器22より上流側に限定されず、下流側であっても良い。更に、給湯用熱交換器22より上流側には、給湯用熱交換器22の流入側に流れる水の温度(以下、給水温度と呼ぶ)TW1を検出する給水温度センサ52が配設されている。
この給水温度センサ52は、給湯用熱交換器22に流入する水の温度情報を後述する制御装置100に出力するようになっている。一方、循環回路20の給湯用熱交換器22より下流側には、循環回路20を流れる湯(給湯用熱交換器22により加熱された湯)の温度TW2を検出する熱交換後温度センサ51が配設されている。熱交換後温度センサ51は、貯湯タンク1内へ戻る湯の温度情報を後述する制御装置100に出力するようになっている。
符号2は、ヒートポンプサイクルからなるヒートポンプ装置である。ヒートポンプ装置2は、圧縮機21、給湯用熱交換器22、減圧装置である膨張弁23、熱源用熱交換器である室外熱交換器24、アキュムレータ25を順次配管接続して構成され、内部を流れる冷媒として二酸化炭素(CO2)を使用している。
圧縮機21は、内蔵する電動モータ(図示しない)によって駆動され、アキュムレータ25より吸引した気相冷媒を臨界圧力以上まで圧縮して吐出する。なお、圧縮機21の駆動源は電動モータに限定されず、エンジン等の動力源であっても良い。
給湯用熱交換器22は、圧縮機21より吐出された高温冷媒(ホットガス)と循環ポンプ50により貯湯タンク1内から供給された水とを熱交換するもので、冷媒が流れる冷媒通路(図示しない)と、水が流れる水通路(図示しない)とを有し、冷媒通路を流れる冷媒の流れ方向と水通路を流れる水の流れ方向とが対向するように構成されている。なお、給湯用熱交換器22を流れる冷媒(CO2)は、圧縮機21で臨界圧力以上に加圧されているので、給湯用熱交換器22を流通する水に放熱して温度低下しても凝縮することはない。
膨張弁23は、給湯用熱交換器22から流出する冷媒を弁開度Kに応じて減圧する減圧装置で、後述する制御装置100によって弁開度Kが電気的に制御される。室外熱交換器24は、膨張弁23で減圧された冷媒を送風機24aによって送風される外気との熱交換によって蒸発させる。アキュムレータ25は、室外熱交換器24より流出する冷媒を気液分離して、気相冷媒のみを圧縮機21に吸引させるとともに、サイクル中の余剰冷媒を蓄えている。
そして、圧縮機21と給湯用熱交換器22との間には、圧力検出手段としての図示しない圧力センサが設けられている。この圧力センサは、ヒートポンプ装置2内の冷媒の高圧圧力を検出する。また、圧縮機21と給湯用熱交換器22との間には、温度検出手段としての吐出温度センサ26を設けており、ヒートポンプ装置2内の冷媒の高圧側温度(以下、吐出温度と呼ぶ)Tを検出するようにしている。この吐出温度センサ26によって検出される温度信号及び圧力センサによって検出される圧力情報は、後述する制御装置100に出力するようになっている。
制御手段である制御装置100は、圧縮機21(実質的には駆動源である電動モータ)、膨張弁23、送風機24a及び循環ポンプ50を通電制御するとともに、圧縮機21の作動状態や膨張弁23の開度等を監視している。制御装置100は、圧縮機21等を制御し、室外熱交換器24で外気から吸熱し、給湯用熱交換器22で循環回路20を流通する水を加熱するようになっている。
また、制御装置100は、給湯用熱交換器22により加熱され貯湯タンク1内に戻る湯の温度TW2が貯湯目標温度となるように、熱交換後温度センサ51からの温度情報に基づいて制御信号を出力し、循環ポンプ50を作動制御するようになっている。
次に、上記構成に基づき、本実施形態のヒートポンプ式給湯装置が貯湯タンク1内の湯を沸き上げる作動について説明する。制御装置100は、ヒートポンプ式給湯装置に電力供給されているときには、図示しない操作盤のスイッチ等からの信号や設定条件(例えば時刻条件)等に基づいて、沸き上げ運転制御を実行する。
この沸き上げ運転制御は、循環ポンプ50を作動して循環回路20内に水を流通させるとともに、ヒートポンプ装置2も作動させて、給湯用熱交換器22において循環回路20内を流通する水を加熱する。
このとき、熱交換後温度センサ51が検出した温度と貯湯目標温度とを比較し、これらが一致するように循環ポンプ50に作動指示を行う。つまり、給湯用熱交換器22により加熱された湯の温度が、貯湯目標温度と一致するように循環ポンプ50の回転数を作動制御する。
また、制御装置100は、圧縮機21の高圧圧力または吐出温度が予め定めた目標温度もしくは目標高圧圧力になるように膨張弁23の弁開度Kあるいは圧縮機21の冷媒吐出能力を制御している。そして、吐出温度が所定の温度範囲の上限側を超える場合には、圧縮機21の冷媒吐出能力を低減方向に制御している。
ところで、このような沸き上げ運転を実行するヒートポンプ式給湯装置では、ヒートポンプサイクル内の冷凍サイクル機器を保護するために、給湯用熱交換器22に流入する給水温度TW1を監視して、この給水温度TW1が保護停止判定水温を超えたときに、保護停止するようになっている。
この保護停止は、ヒートポンプ装置2及び循環ポンプ50を停止させることで、流入側の給水温度TW1が保護停止判定水温より高い場合に、圧縮機21を含む種々の冷凍サイクル機器を保護するものです。そして、従来の方式では、保護停止中において、給水温度TW1が保護停止判定水温よりも低下したときに、自動的に保護停止が復帰できるように構成されている。つまり、給水温度TW1を監視して沸き上げ運転を復帰できるように構成されている。
ところが、給水温度TW1が保護停止判定水温よりも低下した場合であっても、貯湯タンク1内に貯えられた給湯用の湯の外部への出湯がなければ、貯湯タンク1内の湯が高温であるため、ヒートポンプ装置2を運転させても、再度保護停止が作動することがある。
従って、ヒートポンプサイクルの再起動と保護停止とを繰り返す動作が行なわれてしまうという問題がある。そこで、本実施形態では、再起動と保護停止とを繰り返す動作を少なくするために、図2に示すような保護停止を復帰する制御方法としたものである。
以下、図2のフローチャートについて説明する。図2に示すように、ステップS300において保護停止中か否かを判断する。ここで、ヒートポンプ装置2及び循環ポンプ50が停止中であれば、保護停止中と判断して保護停止の復帰制御が開始される。そして、ステップS310において給水温度TW1を監視している。つまり、給水温度TW1が第1の所定温度(保護停止判定水温)TW0以下か否かを判断している。
給水温度TW1が第1の所定温度(保護停止判定水温)TW0を下回ったならば、ステップS320において循環ポンプ50を作動させる。なお、このときの循環ポンプ50の回転数は、最小値の回転数に制御される。これにより、循環回路20を流通する流量は少量となる。そして、ステップS330においてタイマのカウントを開始する。次に、ステップS340においてタイマが所定時間(例えば、3分程度)t1、経過したか否かを判断する。
ここで、所定時間t1を経過したときに、ステップS350において給水温度TW1が第2の所定温度TW3を下回ったか否かを判断する。なお、第2の所定温度は、上記第1の所定温度TW0よりも低い温度で判定する。より具体的には、保護停止判定水温よりも10℃低下した温度を第2の所定温度TW3としている。
ここで、給水温度TW1が第2の所定温度(保護停止判定水温TW0−10℃)TW3を下回っていれば、ステップS360において保護停止の復帰を実行する。具体的には、前述した沸き上げ運転を再起動させる。ここで、給水温度TW1が第2の所定温度(保護停止判定水温TW0−10℃)TW3以上であれば、ステップS370において循環ポンプ50を停止させるとともにタイマをリセットする。そして、ステップS380において保護停止を継続させている。
このような制御方式によれば、ヒートポンプ装置2の再起動と保護停止とを繰り返す動作を回避することができる。これにより、圧縮機21を含む冷凍サイクル装置の故障の回避及び劣化の防止が図れる。
また、保護停止の復帰の際には、ステップS350に示すように、保護停止判定水温より10℃低下させた第2の所定温度TW3と給水温度TW1とで判定することにより、より確実にヒートポンプ装置2の再起動と保護停止とを繰り返す動作を回避することができる。
また、ステップS320において循環ポンプ50を最小値の回転数で制御されることにより、貯湯タンク1内の給湯用の湯の攪拌を抑制することができる。これにより、貯湯効率の低下を最小限に抑えることができる。
(第2実施形態)
本実施形態では、保護停止したときに、貯湯タンク1から吸入した水を、給湯用熱交換器22に流通させて、貯湯タンク1の下部に戻すように構成している。図3は、本実施形態におけるヒートポンプ式給湯装置の概略構成を示す模式図である。循環回路20には、貯湯タンク1の上部を迂回するバイパス回路53が設けられている。このバイパス回路53は、一方が貯湯タンク1の下方部の第2吐出口54に接続され、他方が給湯用熱交換器22の下流側に接続されている。
そして、バイパス回路53の他方と給湯用熱交換器22の下流側との合流点には、三方弁55が設けられている。この三方弁55は、給湯用熱交換器22に流入した水を貯湯タンク1の上部か、または貯湯タンク1の下部かのいずれか一方の流通方向に切り替えるための切替弁である。この三方弁55は、制御装置100により流通方向が制御される。
沸き上げ運転のときには、三方弁55は、給湯用熱交換器22を流入した水を、貯湯タンク1の上部に向かう流通方向に切り替えられる。また、ヒートポンプ装置2が保護停止中において、循環ポンプ50が作動したときには、三方弁55は、給湯用熱交換器22を流入した水を、貯湯タンク1の下部に向かう流通方向に切り替えられる。
これにより、沸き上げ運転において、循環ポンプ50が作動したときは、吸入口18から吸入した水を給湯用熱交換器に流入させて、この給湯用熱交換器22で熱交換された給湯用の湯を貯湯タンク1の上部に送ることができる。一方、保護停止中に循環ポンプ50が作動したときには、貯湯タンク1の吸入口18から吸入した水を、貯湯タンク1の下部に送ることができる。
従って、保護停止中においては、貯湯タンク1の吸入口18から吸入した水を、貯湯タンク1の上部に送ることを防止できるため、貯湯タンク1内の貯湯効率の低下を防止することができる。
(他の実施形態)
以上の実施形態では、ヒートポンプ装置2は、圧縮機21で冷媒を臨界圧力以上に加圧する所謂超臨界ヒートポンプサイクルを構成したが、超臨界ヒートポンプサイクルに限定されるものではない。また、冷媒は二酸化炭素であったが、これに限定されるものではない。所謂フロン等の他の冷媒であっても良い。
また、圧縮機21は、回転数Nによって吐出量、吐出圧(吐出温度T)が可変されるものに限らず、圧縮機部に吐出容量可変機構を有する、所謂可変容量型圧縮機としても良い。
第1実施形態におけるヒートポンプ式給湯装置の概略構成を示す模式図である。 第1実施形態における制御装置の保護停止の復帰運転の制御動作を示すフローチャートである。 第2実施形態におけるヒートポンプ式給湯装置の概略構成を示す模式図である。
符号の説明
1…貯湯タンク
2…ヒートポンプ装置(ヒートポンプユニット)
20…循環回路
21…圧縮機
22…給湯用熱交換器
50…循環ポンプ
55…三方弁(切替弁)
100…制御装置(制御手段)
TW0…第1の所定温度
TW1…給水温度
TW3…第2の所定温度

Claims (2)

  1. 給水源からの水が下方から供給され、内部に給湯用の湯を貯える貯湯タンク(1)と、
    前記貯湯タンク(1)内の下部の水を、前記貯湯タンク(1)内の上部に送る循環ポンプ(50)が設けられた循環回路(20)と、
    圧縮機(21)から供給される冷媒と前記循環回路(20)を流れる水とを熱交換させて湯にする給湯用熱交換器(22)を有するヒートポンプユニット(2)と、
    前記ヒートポンプユニット(2)を作動させて前記貯湯タンク(1)内の水を沸き上げ運転する際において、前記給湯用熱交換器(22)に流入する給水温度(TW1)が第1の所定温度(TW0)を超えたときに、前記ヒートポンプユニット(2)を保護停止させる制御手段(100)とを備えるヒートポンプ式給湯装置において、
    前記循環回路(20)の前記給湯用熱交換器(22)より上流側には、前記給水温度(TW1)を検出する給水温度センサ(52)が配設されており、
    前記制御手段(100)は、
    前記ヒートポンプユニット(2)の保護停止中において、所定時間、前記循環ポンプ(50)を最小値の回転数で作動させて、
    前記所定時間を経過したときに、前記給湯用熱交換器(22)に流入する前記給水温度(TW1)が前記第1の所定温度(TW0)よりも低い第2の所定温度(TW3)を下回ったか否かを判定し、
    前記給水温度(TW1)が前記第2の所定温度(TW3)を下回っていれば、前記ヒートポンプユニット(2)の保護停止を復帰させ、
    前記給水温度(TW1)が前記第2の所定温度(TW3)以上であれば保護停止を継続させることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
  2. 前記循環回路(20)には、前記給湯用熱交換器(22)を通過した水を前記貯湯タンク(1)の下部または前記貯湯タンク(1)の上部のいずれか一方の流通方向に切り替える切替弁(55)が設けられ、
    前記制御手段(100)は、前記ヒートポンプユニット(2)の保護停止中のときに、前記循環ポンプ(50)の作動によって、前記給湯用熱交換器(22)に流入した水を前記貯湯タンク(1)の下部に戻すように前記切替弁(55)を制御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装置。
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