JP5165604B2 - ヒートポンプ式温水暖房装置 - Google Patents

Description

この発明は、ヒートポンプで加熱した温水の熱を放熱器で放熱して暖房を行うヒートポンプ式温水暖房装置に関するものである。

従来より、ヒートポンプサイクルにより採熱した熱で冷暖房に使う水熱媒を生成し、室内放熱器に送水して冷暖房を行うヒートポンプチラー冷暖房システムとも称される冷暖房システムに於いては、ヒートポンプサイクルで採熱出来る熱量が外気温度に左右されることから、外気温度が低い時には暖房能力が低下し、必要とする暖房雰囲気が得られないなり、こうした問題を補助ヒータを運転させることによって解消していた。

特開昭５５−１１８５４３号公報

ところでこの従来のものでは、運転制御器に暖房負荷出力線を接続して、圧縮機モータへの供給電源の周波数が所定値以上に制御されている時、運転制御器から補助ヒータの作動を行えるごとくしている。設定温度と、室温との温度差と比例関係にある圧縮機の運転周波数によって補助ヒータを作動させる従来の技術では、運転開始時や暖房負荷変化時など、圧縮機の運転周波数が最大周波数又は所定値以上の状態の暖房能力で暖房負荷を満足出来、設定温度に近づいていく場合でも、圧縮機の運転周波数が最大周波数又は所定値以上であれば補助ヒータによる加熱が行われ、ランニングコストが高くつくといった問題点がある。又除霜運転時には圧縮機の運転周波数による補助ヒータの動作は、除霜運転時の圧縮機の運転周波数が、補助ヒータを作動させる圧縮機の運転周波数所定値未満の場合は、補助ヒータは作動せず、室内放熱器の暖房能力が低下し、暖房が一時停止してしまうといった問題点もあり、又除霜運転時の圧縮機の運転周波数が補助ヒータを動作させる圧縮機の運転周波数所定値以上の場合は、補助ヒータは動作するが、暖房負荷が小さい時や、暖房負荷変化時などに必要以上に加熱が行われ、ランニングコストが高くつくといった問題もあった。

この発明は上記課題を解決する為に、特にその構成を請求項１では、圧縮機、膨張弁、空気熱交換器を備えたヒートポンプ装置と、このヒートポンプ装置から冷媒の供給を受けて水との熱交換で温水を生成する水熱交換器と、この水熱交換器で生成された温水を更に加熱する加熱ヒータを内蔵したヒータユニットと、膨張水の吸収と液の補給を行うシスターンタンクと、この温水を離れた所に設置した放熱器に供給する循環ポンプと、前記ヒートポンプ装置及びヒータユニット及び循環ポンプの運転を制御する温水制御部を備えたものに於いて、前記温水制御部は放熱器の操作部で選択される運転モードに応じて、加熱ヒータの使用の有無を決定するようにしたものである。

又請求項２では、前記温水制御部は、放熱器の操作部で選択される運転モードが、省エネを優先する「エコモード」では、加熱ヒータへの通電は行わないように制御すると共に、「エコモード」以外の「標準モード」及び暖房を優先する「パワフルモード」では、温水温度が予め設定された目標温度になるまで加熱ヒータに通電し、目標温度に達したら通電停止し、目標温度から所定温度低下することで再び通電するようにしたものである。

又請求項３では、前記温水制御部は、暖房運転初期時に外気温度が所定温度以上の場合には、全ての運転モードで加熱ヒータの通電を停止するようにしたものである。

又請求項４では、前記温水制御部は、ヒートポンプ装置の除霜運転中には、全ての運転モードで加熱ヒータに通電するようにしたものである。

以上のようにこの発明の請求項１、２によれば、使用者の好みに応じた暖房が行えるものであり、即ち、ランニングコストを抑えた暖房を希望する場合には、「エコモード」を選択することにより、加熱ヒータへの通電をせず使用しないでヒートポンプ装置による暖房のみの運転が行われ、又逆にランニングコストを気にせずに暖房を優先する場合には、「パワフルモード」を選択することにより、加熱ヒータに通電して積極的に利用することで強力な暖房感が得られ、満足のいく暖房が行われるものであり、更にある程度ランニングコストも抑えながら暖房感も得られるようにする場合には、「標準モード」を選択することにより、加熱ヒータへの通電を極力少なくして暖房感もありながらコストもかからないようにすることが出来るものである。

又請求項３によれば、ヒートポンプ装置による暖房能力が低下する外気温度以上の時には、運転モードに関係なく強制的に加熱ヒータへの通電をさせないようにして、ランニングコストの上昇を抑えるものであり、無駄な通電を防止することが出来るものである。

又請求項４によれば、同じくヒートポンプ装置による暖房能力が低下する除霜運転時にも、運転モードに関係なく加熱ヒータに通電して、暖房能力の低下分を補うようにすることにより、除霜運転時でも暖房を中断することなく良好な暖房運転が継続され、使用者に不快感を与える心配がなく常に安心して使用出来るものである。

この発明の一実施形態を示すヒートポンプ式温水暖房装置の説明図。 同概略構成図 同室外機の一部外装枠を外した状態の正面図。 同室外機の一部外装枠を外した状態の側面図。 同室外機の一部外装枠を外した状態の平面図。 同温水暖房部の分解斜視図。 同下部断熱材に水熱交換器とヒータユニットを入れた状態の斜視図。 同図７に上部断熱材を被せた状態の斜視図。 同水熱交換器部分の断面図。 同電気回路の要部ブロック図。 同操作部の正面図。 同運転モードの説明図。

次にこの発明一実施形態を付したヒートポンプ式温水暖房装置について図面に基づいて説明する。
１はヒートポンプ装置で、圧縮機２と凝縮器としての水熱交換器３と膨張弁４と強制空冷式の蒸発器としての空気熱交換器５とが環状に接続され、冷媒を循環させて空気熱交換器５で室外ファン６を駆動して得た空気からの熱で水熱交換器３で不凍液等の水媒体を加熱して温水とする加熱手段である。

前記水熱交換器３は太管の温水パイプ７の中に細管の冷媒パイプ８を入れた二重管を、環状に巻回して積層状態としており、更にこの水熱交換器３の温水パイプ７側には、加熱ヒータ９を内蔵して水熱交換器３の加熱能力が除霜等で低下した時に補助加熱する円筒状のヒータユニット１０が接続し、又その先には温水の膨張吸収用と不凍液の補給用で四角形に形成されたシスターンタンク１１と、温水循環用の循環ポンプ１２と、室内に設置されたファンコンベクターからなる放熱器１３とが環状に接続して、温水暖房回路１４を構成しているものである。

前記温水暖房回路１４は放熱器１３を除いてヒートポンプ装置１の上に備えられるもので、ヒートポンプ装置１の天板を構成する底板１５上に深皿状の下部断熱材１６を設置し、この下部断熱材１６の外周に形成された収納溝１７に環状の水熱交換器３を収納すると共に、薄肉の中央部分にはヒータユニット１０と循環ポンプ１２とを収容し、薄肉部分を介して取り付け部分のみ切り欠いて底板１５に固定し、更にこの上にシスターンタンク１１を一側に収納した上部断熱材１８を載置した後に、全周を外装枠１９で覆い温水暖房部２０を構成するものであり、ヒートポンプ装置１とは一体となって室外機２１を構成するものである。

又温水暖房部２０のシスターンタンク１１とは反対側の他端側には、水熱交換器３の冷媒パイプ８と両端と、下のヒートポンプ装置１の２本の冷媒パイプ２２とが接続される２つの冷媒三方弁２３、２４が支持台２５上に、互いにバルブ２６、２７が上からの工具で容易に開閉されるように取り付けられており、更に同じく他端側には、温水暖房部２０と放熱器１３とを結ぶ棒状の往きヘッダー２８と戻りヘッダー２９とが、前記冷媒三方弁２３、２４の真上を避けた位置で器具の背面側に段違いに備えられ、各４つの接続口３０がやや下方に向かって突出されており、この冷媒三方弁２３、２４と往きヘッダー２８と戻りヘッダー２９とを一側部に集中させて接続部３１を形成したものである。

３２はホットパイプで、水熱交換器３からの戻り冷媒の残熱を空気熱交換器５の蒸発熱に付加すると共に、除霜時間の短縮を図るものである。３３は空気熱交換器５のデフロスト温度センサ、３４は圧縮機２の吐出温度センサ、３５は水熱交換器３の中間温度センサ、３６は温水暖房回路１４の往き温水サーミスタ、３７はヒータユニット１０に備えられた安全サーモ、３８は前記ヒータユニット１０から流出する温水温度を検知するヒータ温水サーミスタ、３９は放熱器１３をバイパスするバイパス管、４０は放熱器１３からの戻り温水温度を検知する戻り温水サーミスタ、４１は温水制御部で上部断熱材１８の中央に収納されているものであり、放熱器１３の放熱制御部４２及びヒーポン制御部４３と接続されている。４４は外気温センサである。４５は放熱器１３の温水熱交換器４６に室内空気を送風して温風を放出させる送風ファンである。

更に上記した温水制御部４１及び放熱制御部４２及びヒーポン制御部４３は、それぞれマイコンから構成され、又それぞれが信号線で接続されており、放熱制御部４２の操作部４７に設けられた運転スイッチ４８と、アップボタン４９及びダウンボタン５０を押圧することで、暖房能力表示部５１にＬ１〜Ｌ５を表示させ、Ｌ１〜Ｌ５で予め目標温度が設定されておりＬ１＝５０℃、Ｌ２＝５４℃、Ｌ３＝５８℃、Ｌ４＝６２℃、Ｌ５＝６６℃であり、ヒータ温水サーミスタ３８の検知温度がこの温度となるように温水制御部４１が、温水暖房回路１４及びヒーポン制御部４３によるヒートポンプ装置１を制御するものであり、又このＬ１、Ｌ２が加熱ヒータ９に通電せず使用しないでヒートポンプ装置１のみを運転させて前記目標温度とする「エコモード」であり、Ｌ３が加熱ヒータ９にも通電するが極力ランニングコストを抑えるように運転する「標準モード」であり、Ｌ４、Ｌ５が暖房優先で加熱ヒータ９への通電は抑制しない「パワフルモード」で、これも温水制御部４１には予め記憶されている。

次に図１０に示す電気回路のブロック図について説明すれば、マイコンからなる温水制御部４１に放熱制御部４２及びヒーポン制御部４３が接続され、外気温センサ４４はヒートポンプ制御部４３を介して温水制御部４１に接続されており、運転開始前の初期時に外気温を検知しこの外気温度が所定温度以上ここでは５℃以上の時には、その時の運転モードに関係なく加熱ヒータ９への通電を強制的に禁止してランニングコストの上昇を防止するものであり、又入力側にはヒータ温水サーミスタ３８が接続され、加熱ヒータ９で加熱された直後の温水温度が上記のＬ１〜Ｌ５の目標温度に達したかを検知し、達することで温水制御部４１を介して加熱ヒータ９の通電を停止し、或いはヒーポン制御部４３によりヒートポンプ装置１の出力を下げたり、最終的には駆動を停止させるものであり、そして停止状態が５分以上継続したことを条件に目標温度−５℃になると再び加熱ヒータ９への通電を開始したり、又はヒートポンプ装置１の出力を上げたり通電を開始するもので、この５分以上の停止条件は、加熱ヒータ９のＯＮ／ＯＦＦでヒートポンプ装置１側の冷媒温度が変化し、膨張弁４の制御が必要となるので頻繁な制御を防止するためと、ランニングコスト削減及び加熱ヒータ９の寿命を延ばすためである。

又ヒーポン制御部４３にはデフロスト温度センサ３３が接続され、空気熱交換器５の温度が低下して霜が付く温度に達すると、これを検知しヒーポン制御部４３を介して膨張弁４の開度を全開にして、高温冷媒を空気熱交換器５に流通させる除霜運転をヒートポンプ装置１に行わせるものであり、この時ヒーポン制御部４３からの除霜運転の信号を温水制御部４１が受信することで、その時の運転モードに関係なく加熱ヒータ９に通電して使用し、除霜運転で加熱能力が低下するヒートポンプ装置１の能力を補助して、暖房能力の低下を阻止するようにするものであり、当然除霜運転が終了すれば元の運転モードに戻るものである。

次にこの一実施形態の「標準モード」での運転について説明すれば、先ずヒートポンプ装置１では、圧縮機２で圧縮された冷媒が水熱交換器３で凝縮され熱を放出し、ホットパイプ３２でも残った熱を空気熱交換器５に放出して、膨張弁４で冷媒の圧力が下げられ空気熱交換器５で蒸発して熱を吸収し、再び圧縮機２に流れるサイクルを繰り返すものである。

この時温水暖房回路１４では、水熱交換器３で冷媒と熱交換して高温に加熱された不凍液からなる温水が、循環ポンプ１２の駆動で循環してヒータユニット１０へ流入し、ヒータ温水サーミスタ３８による検知温度が目標温度のＬ３＝５８℃になるまで加熱ヒータ９に通電して温水温度を上昇させ、そしてシスターンタンク１１で膨張分を吸収されて往きヘッダー２８を介して、室内に設置されている放熱器１３まで循環させ、ここで送風ファン４５の駆動で温風暖房し、そして温度低下した温水は戻りヘッダー２９を介して再び水熱交換器３に戻り加熱されると言う循環を繰り返して、室内を良好に暖房するものであり、ヒータ温水サーミスタ３８による検知温度が目標温度のＬ３＝５８℃に達すると加熱ヒータ９への通電は一旦停止され、そして温水温度が目標温度−５℃に低下すると再び加熱ヒータ９に通電するものである。

このように「標準モード」は、「エコモード」より目標温度が高く、「パワフルモード」よりは目標温度が低く、両者の中間にあることからランニングコトスを抑えながらそれなりの暖房感も得られるようにした運転モードである。

次にこの一実施形態の「エコモード」での運転について説明すれば、先ずヒートポンプ装置１では、圧縮機２で圧縮された冷媒が水熱交換器３で凝縮され熱を放出し、ホットパイプ３２でも残った熱を空気熱交換器５に放出して、膨張弁４で冷媒の圧力が下げられ空気熱交換器５で蒸発して熱を吸収し、再び圧縮機２に流れるサイクルを繰り返すものである。

この時温水暖房回路１４では、水熱交換器３で冷媒と熱交換して高温に加熱された不凍液からなる温水が、循環ポンプ１２の駆動で循環してヒータユニット１０へ流入するが、加熱ヒータ９は利用しないので通電停止状態で、そしてシスターンタンク１１で膨張分を吸収されて往きヘッダー２８を介して、室内に設置されている放熱器１３まで循環させ、ここで送風ファン４５の駆動で温風暖房し、そして温度低下した温水は戻りヘッダー２９を介して再び水熱交換器３に戻り加熱されると言う循環を繰り返して、室内を良好に暖房するものであり、ヒータ温水サーミスタ３８による検知温度が目標温度のＬ１＝５０℃、Ｌ２＝５４℃に達すると、圧縮機２の駆動周波数を低下させてヒートポンプ装置１の加熱能力を下げ、それでも温度低下しない時にはヒートポンプ装置１の駆動を一旦停止し、そして温水温度が目標温度−５℃に低下すると再びヒートポンプ装置１を駆動開始させるものである。

このように「エコモード」では、目標温度を下げて加熱ヒータ９を使用しないで、ランニングコストを抑える省エネの運転が行え、暖房感よりはコストを下げた暖房を好む使用者には好適である。

次にこの一実施形態の「パワフルモード」での運転について説明すれば、先ずヒートポンプ装置１では、圧縮機２で圧縮された冷媒が水熱交換器３で凝縮され熱を放出し、ホットパイプ３２でも残った熱を空気熱交換器５に放出して、膨張弁４で冷媒の圧力が下げられ空気熱交換器５で蒸発して熱を吸収し、再び圧縮機２に流れるサイクルを繰り返すものである。

この時温水暖房回路１４では、水熱交換器３で冷媒と熱交換して高温に加熱された不凍液からなる温水が、循環ポンプ１２の駆動で循環してヒータユニット１０へ流入し、ヒータ温水サーミスタ３８による検知温度が目標温度のＬ４＝６２℃、Ｌ５＝６６℃になるまで加熱ヒータ９に通電して温水温度を上昇させ、そしてシスターンタンク１１で膨張分を吸収されて往きヘッダー２８を介して、室内に設置されている放熱器１３まで循環させ、ここで送風ファン４５の駆動で温風暖房し、そして温度低下した温水は戻りヘッダー２９を介して再び水熱交換器３に戻り加熱されると言う循環を繰り返して、室内を良好に暖房するものであり、ヒータ温水サーミスタ３８による検知温度が目標温度のＬ４＝６２℃、Ｌ５＝６６℃に達すると初めて加熱ヒータ９への通電は一旦停止され、そして温水温度が目標温度−５℃に低下すると再び加熱ヒータ９に通電するものである。

このように「パワフルモード」では、ランニングコストを抑えるよりは暖房感を重視した運転モードで、高温の温水で温風温度も高くして良好な温風暖房を得ようとするもので、暖房感が一番と言う使用者には好適なものである。

一方上記の「標準モード」、「エコモード」、「パワフルモード」の各運転モードで運転する前に外気温センサ４４で運転前の外気温度を検知し、この温度が所定温度ここでは５℃以上の時には、その後の運転モードが「標準モード」、「パワフルモード」に設定されたとしても、加熱ヒータ９への通電は行わず使用しないことで、外気温度が高い時にはヒートポンプ装置１の加熱能力が十分発揮されることで、無駄なヒータ加熱によるランニングコストの上昇を防止するものであり、又逆に「エコモード」で運転中に除霜運転が入った時には、ヒートポンプ装置１の加熱能力が低下して暖房の維持が難しくなるので、加熱ヒータ９に通電して使用し、暖房の中断を阻止するようにしたものである。

１ ヒートポンプ装置
２ 圧縮機
３ 水熱交換器
４ 膨張弁
５ 空気熱交換器
９ 加熱ヒータ
１０ ヒータユニット
１１ シスターンタンク
１２ 循環ポンプ
１３ 放熱器
３３ デフロスト温度センサ
３８ ヒータ温水サーミスタ
４１ 温水制御部
４２ 放熱制御部
４３ ヒーポン制御部
４４ 外気温センサ
４７ 操作部

Claims (4)

1. 圧縮機、膨張弁、空気熱交換器を備えたヒートポンプ装置と、このヒートポンプ装置から冷媒の供給を受けて水との熱交換で温水を生成する水熱交換器と、この水熱交換器で生成された温水を更に加熱する加熱ヒータを内蔵したヒータユニットと、膨張水の吸収と液の補給を行うシスターンタンクと、この温水を離れた所に設置した放熱器に供給する循環ポンプと、前記ヒートポンプ装置及びヒータユニット及び循環ポンプの運転を制御する温水制御部を備えたものに於いて、前記温水制御部は放熱器の操作部で選択される運転モードに応じて、加熱ヒータの使用の有無を決定する事を特徴とするヒートポンプ式温水暖房装置。
2. 前記温水制御部は、放熱器の操作部で選択される運転モードが、省エネを優先する「エコモード」では、加熱ヒータへの通電は行わないように制御すると共に、「エコモード」以外の「標準モード」及び暖房を優先する「パワフルモード」では、温水温度が予め設定された目標温度になるまで加熱ヒータに通電し、目標温度に達したら通電停止し、目標温度から所定温度低下することで再び通電するようにした事を特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式温水暖房装置。
3. 前記温水制御部は、暖房運転初期時に外気温度が所定温度以上の場合には、全ての運転モードで加熱ヒータの通電を停止するようにした事を特徴とする請求項１及び２のいずれか１項に記載のヒートポンプ式温水暖房装置。
4. 前記温水制御部は、ヒートポンプ装置の除霜運転中には、全ての運転モードで加熱ヒータに通電するようにした事を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のヒートポンプ式温水暖房装置。

Images