JP5321013B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、加熱した湯水を貯湯タンクに蓄えて給湯を行うヒートポンプ給湯機等、冷媒回路を備えたヒートポンプ装置に関するものである。

従来のこの種の冷媒回路を備えたヒートポンプ装置について、図８に基づいて以下に説明する。

図８に示すように、このヒートポンプ給湯機は貯湯タンク８と、ヒートポンプである冷媒回路１による加熱手段を備え、貯湯タンク８の下部から沸上げ管９で冷媒回路１と接続し、冷媒回路１から貯湯タンク８上部へ接続している。冷媒回路１は圧縮機２、放熱器３、減圧手段４、空気熱交換器５を環状に接続して構成される。

沸き上げ運転では、冷媒回路１の圧縮機２で加圧された高温高圧のガス冷媒が放熱器３に送られる。沸き上げポンプ７で搬送されてきた貯湯タンク８の底部の冷水と熱交換して低温冷媒となる。そして、放熱器３で冷水に放熱した冷媒は減圧装置４で減圧され、二相の冷媒となる。そして空気熱交換器５に送られて大気と熱交換し低温のガス冷媒となり圧縮機２に循環する。

一方、貯湯タンク８の底部の冷水は沸き上げポンプ７で放熱器３に搬送され冷媒の熱を吸熱して高温の湯となって沸き上げ管９を通って貯湯タンクの上部に送られる。この時、高温の湯は密度差により水とほぼ混合されることなく高温の湯は貯湯タンク８内上部より積層していき貯湯タンク８内に高温の湯が溜まることになる。

このとき、冷媒回路１内における圧縮機２による冷媒の吐出圧力を圧縮機２の駆動電流の関数に置き換えて制御している。

即ち、圧縮機２の駆動電流の大きさを検出する電流検出手段４１を備え、駆動電流の制限を圧縮機２の回転数の関数として記憶し、駆動電流が制限を超えると、圧縮機２の回転数を制限、または減圧手段４の開度を開く方向に調節する（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−７８１４６号公報

しかしながら、上記の従来の構成では、駆動電流の制限値を圧縮機の回転数によってのみ演算しているため精度が悪い。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、圧力スイッチあるいは吐出圧力検出手段を使用せずに精度良く異常を検知して圧縮機を停止することにより、信頼性の向上と低コスト化を実現するヒートポンプ装置を提供することを目的としている。

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装置は、圧縮機、放熱器、減圧手段、空気熱交換器を環状に接続して形成される冷媒回路と、前記圧縮機の電流値を検知する電流値検知手段と、前記空気熱交換器を湿り蒸気の状態で流れる冷媒の温度を検知する空気熱交温度検知手段と、前記空気熱交換器出口から前記圧縮機の吸入部までの冷媒の温度を検知する吸入温度検知手段と、前記圧縮機の回転数を検知する回転数検知手段とを
備え、前記空気熱交温度検知手段、前記吸入温度検知手段が検知した温度と、前記回転数検知手段で検知した前記圧縮機の回転数と、予め設定した前記冷媒回路の高サイド圧力値とから得られる前記圧縮機の電流値より、前記電流値検知手段で検知した電流値が大きいとき、前記圧縮機の動作を停止することを特徴とするもので、圧縮機へ吸入する冷媒の状態を用いて圧縮機の電流値を算出し、実際の運転中の圧縮機の電流値がその値を超えたとき、圧縮機の運転を停止することで、圧力スイッチあるいは吐出圧力検出手段を使用せずに精度良く、冷媒回路の高サイド圧力が異常値になる前に圧縮機の運転を停止することができる。

本発明によれば、圧力スイッチあるいは吐出圧力検出手段を使用せずに精度良く異常を検知して圧縮機を停止することにより、信頼性の向上と低コスト化を実現するヒートポンプ装置を提供できる。

第１の発明は、圧縮機、放熱器、減圧手段、空気熱交換器を環状に接続して形成される冷媒回路と、前記圧縮機の電流値を検知する電流値検知手段と、前記空気熱交換器を湿り蒸気の状態で流れる冷媒の温度を検知する空気熱交温度検知手段と、前記空気熱交換器出口から前記圧縮機の吸入部までの冷媒の温度を検知する吸入温度検知手段と、前記圧縮機の回転数を検知する回転数検知手段とを備え、前記空気熱交温度検知手段、前記吸入温度検知手段が検知した温度と、前記回転数検知手段で検知した前記圧縮機の回転数と、予め設定した前記冷媒回路の高サイド圧力値とから得られる前記圧縮機の電流値より、前記電流値検知手段で検知した電流値が大きいとき、前記圧縮機の動作を停止することを特徴とするもので、圧縮機へ吸入する冷媒の状態を用いて圧縮機の電流値を算出し、実際の運転中の圧縮機の電流値がその値を超えたとき、圧縮機の運転を停止することで、圧力スイッチあるいは吐出圧力検出手段を使用せずに精度良く、冷媒回路の高サイド圧力が異常値になる前に圧縮機の運転を停止することができる。

第２の発明は、冷媒回路の高サイド圧力値が、臨界圧力以上に昇圧された状態で運転することを特徴とするもので、放熱器を流れる冷媒が、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、放熱器で熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。そのため、例えば放熱器全域で冷媒と水とに温度差を形成しやすくなり熱交換効率を高くできる。

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）
以下、本発明の実施の形態１による給湯機について図面を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の回路図である。

装置の概要は、低温の湯水と高温の湯水とが層を成した状態で貯えられている貯湯タンク８と、その湯水を加熱する加熱源である冷媒回路１を備え、冷媒回路１によって貯湯タンク８の水を加熱して沸き上げて貯湯し給湯に利用される。

図１により、先ず、加熱源である冷媒回路１の構成について説明する。

冷媒回路１は、冷媒を圧縮する圧縮機２、冷媒を冷却する放熱器３、冷媒を減圧する減圧手段４、冷媒を蒸発気化する空気熱交換器５で構成され、圧縮機２の吐出側より放熱器３を介して減圧手段４に接続し、さらに圧縮機２の吸入側に接続している。

また、この冷媒回路１においては、冷媒として炭酸ガスが用いられており、圧縮機２によって圧縮された冷媒は、高温高圧の超臨界状態の冷媒として放熱器３に入り、ここで放熱して冷却する。その後、減圧手段４において減圧されて低温低圧の湿り蒸気となり、空気熱交換器５で空気と熱交換して蒸発気化し圧縮機２へ戻される。この時、送風機６は空気熱交換器５の熱交換効率を高めるために強制的に大気を空気熱交換器５に循環させている。

そして、制御手段４２は、機器の電圧を検知する電圧検知手段３９、圧縮機２の回転数を検知する回転数検知手段４０、圧縮機２駆動電流を検知する電流検知手段４１、空気熱交換器５に流れる湿り蒸気状態の冷媒の温度を検知する空気熱交温度検知手段４３、空気熱交換器５の出口から圧縮機２の吸入部までの冷媒の温度を検知する吸入温度検知手段４４と、演算した電流値より電流検知手段４１で検知した電流値が大きくなると圧縮機２を停止する圧縮機停止手段４５より構成されている。

ここで、電流値検知手段４１で検知する電流は、冷媒回路１に流れる電流でも良く、または、ヒートポンプ給湯機全体に流れる電流でも良い。

そしてまた、沸上げ管９が接続されている貯湯タンク上部とは、湯水が貯湯タンク８の高温層側であればよく、また、貯湯タンク８の下部とは、湯水が貯湯タンクの低温層側であればよい。

貯湯タンク８から放熱器３に湯水を送り貯湯タンク８に戻すために、途中に出力を任意に変化させることができる沸上げポンプ７を設けている。

また、冷媒回路１において加熱する前の低湯水の温度を検知する入水温度検知手段１５を沸上げ管９の放熱器３入口側近傍に、加熱した高湯水の温度を検知する出湯温度検知手段１６を沸上げ管９における放熱器３出口近傍に設けている。そして、貯湯タンク８の温度分布と蓄熱量を把握するため、外側壁面に垂直方向に貯湯温度センサ１７を備えている。

給湯に関する構成としては、給水源から給水を行う給水管１９が接続され、給水源からは減圧弁２０にて適度な圧力に減圧されて給水管１９に給水される。また、貯湯タンク８上部には貯湯された高温水を出湯し給湯に利用するための給湯管２１が接続され、その途中には給水管１９からの給水バイパス管２２が接続されている。また、給湯管２１からの高温水と給水バイパス管２２からの低温水を任意の比率で混合可能な混合弁２３が設けられている。

混合弁２３の下流側には、混合された給湯温度を検知するために給湯温度センサ２５が設けられ、その先に給湯端末２４が接続されている。風呂への注湯に関する構成としては、給湯管２１の途中から分岐して、浴槽１３へ注湯する注湯管２８が設けられており、給湯管２１と同ように、給湯管２１からの高湯水と給水バイパス管２２からの低温の湯水を混合して注湯できるように風呂用混合弁２６が設けられ、その下流には注湯温度センサ３５が設けられている。また、注湯管２８は注湯電磁弁２７を備え、それを任意に開閉させて自動で浴槽１３に注湯を行う。

浴槽１３内の湯水を加熱、保温する風呂加熱運転の回路構成に関しては、利用側回路３１においては、浴槽１３内の湯水を利用側ポンプ１２により風呂熱交換器１４に循環させる。また、浴槽内１３の温度を検知するために風呂湯温センサ３２を設けている。
そして、貯湯タンク８の湯水を熱源側ポンプ１１により風呂熱交換器１４に循環して貯湯タンク８に環流する。

また、風呂熱交換器１４より利用側ポンプ１１で循環し環流された湯水の温度を検知するための環流温度センサ３３が取り付けられている。

以上のように構成されたヒートポンプ給湯機において、以下、図１に基づいて動作、作用について説明する。

貯湯タンク８に湯を貯める貯湯運転では、冷媒回路１は、圧縮機２によって圧縮された冷媒は、高温高圧の超臨界状態の冷媒として放熱器３に入り、ここで放熱して冷却する。その後、減圧手段４において減圧されて低温低圧の湿り蒸気となり、空気熱交換器５において空気と熱交換して蒸発気化し圧縮機２へ戻される。この時、送風機６が空気熱交換器５の熱交換効率を高めるために強制的に大気を空気熱交換器５に循環させる。

そして、出湯温度センサ１６により冷媒回路１で加熱された水の温度を検知し、沸上げポンプ７の出力を変えることで、冷媒回路１からの出湯温度を制御して目標の温度となるように加熱を行う。

このとき、制御手段４２は、電流検知手段４１で検知した電流値と、電圧検知手段３９、空気熱交温度検知手段４３、吸入温度検知手段４４、回転数検知手段４０で検知した各値から計算した電流値とを比較して、電流検知手段４１で検知した電流値が、電流検知手段４１で検知した電流値より大きくなると、圧縮機停止手段４５が圧縮機２の運転を停止する。

このようにして、貯湯タンク８に高温の湯を貯めてゆき、貯湯温度検知手段１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ及び入水温度センサ１５で検知した温度によって、貯湯タンク８内の蓄熱量を検知して所定の蓄熱量となった時、冷媒回路１を停止する。

給湯端末２４への給湯運転では、給湯端末２４が給湯のために開けられると、貯湯タンク８内の湯水が給湯管２１から出湯されるとともに、給水管１９から貯湯タンク８に給水される。

また、給水管１９から給水を分岐した給水バイパス管２２からの低温水と貯湯タンク８からの高湯水と給湯用混合弁２３において混合比を変えて混合することで、給湯温度を変化させて給湯端末２４に給湯する。また、この時の混合比は給湯温度センサ２５で検知される給湯温度に応じて制御され、リモコン（図示しない）により利用者が選択した給湯温度となるように保たれる。

風呂への注湯運転では、注湯運転を開始すると、注湯電磁弁２７が開成され、給水バイパス管２２により給水を分岐し、貯湯タンク８からの高湯水と給水からの低湯水を風呂用混合弁２６において混合比を変えて混合することで、注湯温度を変化させて浴槽１３に注湯する。

この時の混合比は、注湯温度センサ３５で検知される注湯温度に応じて制御され、リモコン（図示しない）により利用者が選択した注湯温度となるように保たれる。即ち、貯湯タンク８内の高湯水と水を混ぜて温度を下げることによって浴槽１３に注湯を行うことになる。浴槽１３内の湯を加熱する風呂加熱運転では、貯湯タンク８内の湯水の熱を浴槽１３内の湯水に放熱することで行っている。

以下では、制御手段４２おける電流値の演算方法について述べる。本発明では圧縮機２の吐出圧力の異常を圧力スイッチなどを用いない代替手段を提供している。
本実施の形態における制御手段４２は、異常吐出圧力値を事前に設定している。

予め設定された異常吐出圧力値と、回転数検知手段４０で検知した圧縮機２の回転数と、空気熱交温度検知手段４３で検知した空気熱交換器５に流れる湿り蒸気の状態の冷媒の温度と、吸入温度検知手段４４で検知した空気熱交換器５の出口から圧縮機２の吸入部までの冷媒の温度とに基づいて異常電流値を推算している。

そして、電流検知手段４１で検知した圧縮機２の駆動電流が、先に演算して異常電流値より大きくなった場合、吐出圧力が異常上昇したと判断して圧縮機２の運転動作を停止するものである。

異常電流値の演算の観念を図２により説明する。図２は冷媒回路１のサイクル状態を表すモリエ線図（ｐ−ｈ線図）である。Ａ点は圧縮機２の吸入点、Ｂ点は圧縮機２の吐出点を示している。またＣ点はＡ点より等エントピーで圧縮されたと仮定した理論吐出点である。Ｐｄａｂは異常圧力であり、圧縮機１の信頼性、耐久性を鑑みて事前に設定している。Ｔｅは空気熱交温度検知手段４３で検知した空気熱交換器５に流れる湿り蒸気の状態の冷媒の温度であり、Ｔｅより飽和圧力としてＰｓは一意的に計算できる。この計算には図３のような対応表を用いても良い。

Ｔｓは吸入温度検知手段４４で検知した空気熱交換器５の出口から圧縮機２の吸入部までの冷媒の温度で、ＳｓはＴｓ、Ｐｓより計算したＡ点のエントロピーである。この計算には図４のような対応表を用いても良い。

先に説明した通り、理論圧縮工程では等しいＳｓに沿って圧力が上昇しＣ点に到達する。Ｃ点の圧力はＰｄａｂであるので、ｐ−ｈ線図上でのＣ点が決まることになる。ｈｉｎはＡ点でのエンタルピー、ｈｏｕｔはＣ点でのエンタルピーを示し、Δｈｃｏｍｐはその差を示している。またＢ点は、実際の圧縮機の吐出点であり、圧縮機２固有の断熱効率により決定される。

このようなサイクルにおいて、圧縮機２の入力をＷ、圧縮機２の気筒容積をＶｃ、Ａ点での冷媒密度をρ、圧縮機２の体積効率をηｖ、圧縮機２の圧縮機効率をηｃ、圧縮機２の運転周波数をｆとすると、Ｗは次の式（１）で示すことができる。

供給電源電圧をＶ、電流をＩとすると、簡易的にＷ＝Ｖ・Ｉとし、Δｈｃｏｍｐ＝ｈｏｕｔ―ｈｉｎ であり、ηｖ／ηｃ＝ｃｏｎｓｔとすると、式（１）は次のように変形できる。

式（２）において、Ｖｃ、ｃｏｎｓｔは圧縮機２の仕様および性能であり予め設定できる。さらに、ｈｉｎ、ρはＴｅより計算したＰｓとＴｓより、またｈｏｕｔはＳｓおよびＰｄａｂより一意的に決定できる。これらは例えば、図４〜図７のような対応を示す図を用いても良い。

また、Ｖは電圧検知手段３９を用いて検知しても構わないが、電圧検知手段３９を用いない場合は機器の定格電圧、例えば２００Ｖ一定としても構わない。

このようにして、圧力スイッチあるいは吐出圧力検出手段を使用せずに精度良く異常を検知して圧縮機の運転動作を停止することにより、長期に亘る信頼性の向上と低コストのヒートポンプ給湯機を提供できる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ装置は、圧力スイッチあるいは吐出圧力検出手段を使用せずに異常を検知して圧縮機の運転動作を停止することにより、長期に亘り高い信頼性を有し、また低コスト化を実現できるため、ヒートポンプ装置を搭載したヒートポンプ給湯機等に有用である。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の回路図 同モリエｐ−ｈ線図 同蒸発器温度Ｔｅと吸入圧力Ｐｓの物性対応を示す図 同吸入圧力Ｐｓおよび吸入温度ＴｓとエントロピーＳｓの物性対応を示す図 同吸入圧力Ｐｓおよび吸入温度Ｔｓと比エンタルピーｈｉｎの物性対応を示す図 同吸入圧力Ｐｓおよび吸入温度Ｔｓと吸入密度ρの物性対応を示す図 同エントロピーＳｓと比エンタルピーｈｏｕｔの物性対応を示す図 従来のヒートポンプ給湯機の回路図

符号の説明

１ 冷媒回路
２ 圧縮機
３ 放熱器
４ 減圧手段
５ 空気熱交換器
４０ 回転数検知手段
４１ 電流検知手段
４３ 空気熱交温度検知手段
４４ 吸入温度検知手段
４５ 圧縮機停止手段

Claims (2)

1. 圧縮機、放熱器、減圧手段、空気熱交換器を環状に接続して形成される冷媒回路と、前記圧縮機の電流値を検知する電流値検知手段と、前記空気熱交換器を湿り蒸気の状態で流れる冷媒の温度を検知する空気熱交温度検知手段と、前記空気熱交換器出口から前記圧縮機の吸入部までの冷媒の温度を検知する吸入温度検知手段と、前記圧縮機の回転数を検知する回転数検知手段とを備え、前記空気熱交温度検知手段、前記吸入温度検知手段が検知した温度と、前記回転数検知手段で検知した前記圧縮機の回転数と、予め設定した前記冷媒回路の高サイド圧力値とから得られる前記圧縮機の電流値より、前記電流値検知手段で検知した電流値が大きいとき、前記圧縮機の動作を停止することを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 冷媒回路の高サイド圧力値が、臨界圧力以上に昇圧された状態で運転することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。