JP5338758B2

JP5338758B2 - 給湯装置およびその給湯制御方法

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Publication number: JP5338758B2
Application number: JP2010156740A
Authority: JP
Inventors: 直弘大矢
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2030-07-09
Also published as: DE102011106955A1; JP2012017945A

Description

本発明は、ヒートポンプサイクルを用いる給湯装置およびその給湯制御方法に関する。

従来から、圧縮機、水冷媒熱交換器の冷媒通路、膨張弁、空気冷媒熱交換器を環状に接続し、水冷媒熱交換器の給水通路を流れる給水を沸き上げる給湯装置が、使用されている。従来の給湯装置にあっては、給水温度の高い水を沸き上げる場合、沸き上げ能力が低下しないように、給水温度に応じて冷媒圧力の下限を決めて、冷媒圧力が下限値より低下しないように制御されている。

特開２００２−２０６８０５号公報

しかしながら、水冷媒熱交換器内の温度分布を冷媒温度が水温より高い状態に保つ必要があり、この場合の圧力下限は、沸き上げ温度によって異なる。したがって、給水温度が高い場合の冷媒圧力を、給水温度から定められる冷媒圧力の下限を目標に制御していると、沸き上げ温度によっては、効率の良い運転すなわち少ない動力で沸き上げることができないことがあった。

本発明は、給水温度と沸き上げ温度とに基づいて最適な目標圧力を設定し、給水温度が高い沸き上げ運転時に効率のよい運転を行うことを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の給湯装置は、
圧縮機（１０）と、水冷媒熱交換器（２０）と、弁開度が制御可能な絞り弁（３０）と、空気冷媒熱交換器（４０）とを有するヒートポンプサイクルと、
前記水冷媒熱交換器（２０）の水通路に接続された、給水が循環する水循環通路（７１）と、
前記ヒートポンプサイクルの高圧側圧力を検出する圧力検出器（５３）と、
前記水冷媒熱交換器（２０）の水通路入口側の給水温度に相当する温度を検出する温度検出器（５１、５２）と、
前記温度検出器（５１、５２）により検出された給水温度が所定温度以上である場合、前記給湯水温度から求められる第１の圧力と、目標沸き上げ温度と前記給湯水温度とから求められる第２の圧力のうち、いずれか高い方の圧力を制御圧力下限として、前記高圧側圧力を前記制御圧力下限以上に維持するように、前記絞り弁の開度を制御する制御部（６０）と、
を備える。
これにより、給水温度が高い沸き上げ運転時に効率のよい運転を行うことができる。

請求項２に係る発明による給湯装置では、前記制御圧力下限は、前記目標沸き上げ温度と前記給湯水温度とから予め決定された圧力マップとして記憶される。これにより、制御圧力下限を決定する処理を速めることができる。

請求項３に係る発明による給湯装置では、前記温度検出器（５２）は、前記水冷媒熱交換器（２０）の冷媒出口側温度を検出する冷媒温度検出器である。

請求項４に係る発明による給湯装置では、
前記温度検出器（５１、５２）により検出された給水温度が所定温度より低い場合、前記水冷媒熱交換器（２０）の冷媒出口側温度と前記水冷媒熱交換器（２０）の水通路入口側の給水温度との温度差が目標温度差となるように、膨張弁の開度を制御する。
これにより、給水温度が低い沸き上げ運転のときに効率のよい運転を行うことができる。

請求項５に係る発明による給湯装置では、前記絞り弁（３０、３３）は、膨張弁（３０）である。

請求項６に係る発明による給湯装置では、前記絞り弁（３０、３３）は、エジェクタ（３３）である。

請求項７に係る発明による給湯制御方法では、
圧縮機（１０）と、水冷媒熱交換器（２０）と、弁開度が制御可能な絞り弁（３０、３３）と、空気冷媒熱交換器（４０）とを有するヒートポンプサイクルと、
前記水冷媒熱交換器（２０）の水通路に接続された、給水が循環する水循環通路（７１）と、
前記ヒートポンプサイクルの高圧側圧力を検出する圧力検出器（５３）と、
前記水冷媒熱交換器（２０）の水通路入口側の給水温度に相当する温度を検出する温度検出器（５１、５２）と、
を備える給湯装置における給湯制御方法であって、
前記温度検出器（５１、５２）により検出された給水温度が所定温度以上である場合、前記給湯水温度から求められる第１の圧力と、目標沸き上げ温度と前記給湯水温度とから求められる第２の圧力のうち、いずれか高い方の圧力を制御圧力下限とし、
前記高圧側圧力を前記制御圧力下限以上に維持するように、前記絞り弁（３０、３３）の開度を制御する。
これにより、給水温度が高い沸き上げ運転時に効率のよい運転を行う制御が実行できる。

請求項８に係る発明による給湯制御方法では、
前記温度検出器（５１、５２）により検出された給水温度が所定温度より低い場合、前記水冷媒熱交換器（２０）の冷媒出口側温度と前記水冷媒熱交換器（２０）の水通路入口側の給水温度との温度差が目標温度差となるように、前記絞り弁（３０、３３）の開度を制御する。
これにより、給水温度が低い沸き上げ運転時に効率のよい運転を行う制御が実行できる。

本発明の一実施形態によるヒートポンプ式給湯装置の一例を示す図である。 (ａ)（ｂ）は、給水温度から決まる最適高圧を説明する図であり、（ａ）は、Ｐ−ｈ曲線上に、給水温度４０℃の冷凍サイクルを記載した図、（ｂ）は、（ａ）の冷凍サイクルについて、ＣＯＰ（Ａ／Ｂ）と高圧Ｐとの関係を示す図である。沸き上げ温度６５℃のときの冷媒温度と給水温度の関係を示すＴ−ｈ線図である。沸き上げ温度８０℃のときの冷媒温度と給水温度の関係を示すＴ−ｈ線図である。本実施形態の給湯装置の制御フローの一例を示す図である。（ａ）（ｂ）は、沸き上げ温度が異なる場合の目標圧力下限の一例を示す図である。（ａ）（ｂ）は、本発明の他の実施形態で使用されるエジェクタを有するヒートポンプサイクルを示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図１は、本実施形態によるヒートポンプ式給湯装置の一例を示す図である。貯湯タンク７０内の給湯水は、貯湯タンク７０の水出口と水冷媒熱交換器２０の水入口との間に配置された電動ポンプ７２により、水循環通路７１を循環する。給湯水は、水循環通路７１に配置された水冷媒交換器２０内の水通路を通過する際に熱交換により加熱される。

ヒートポンプ式給湯装置は、圧縮機１０と、水冷媒熱交換器２０と、膨張弁３０と、空気冷媒熱交換器４０とを有する環状の回路からなるヒートポンプサイクルを備える。ヒートポンプサイクル内では、冷媒が圧縮機１により吸入、吐出されて、回路内を循環する。ヒートポンプ式給湯装置は、外気からの吸熱量および圧縮機１の圧縮仕事量に相当する熱量を、水冷媒熱交換器２０を介して給水に与えることで給水を沸き上げるものである。本実施形態で使用する冷媒は、例えば二酸化炭素を主成分とする冷媒を用いることができる。本実施形態のヒートポンプサイクルでは、膨張弁３０を使用しているが、同様の機能をもつ減圧弁あるいはエジェクタを使用することもできる。

水冷媒熱交換器２０は、圧縮機１０から吐出された高温冷媒と水循環通路を流れる給湯水との間で熱交換して給湯水を加熱する高圧側熱交換器である。

膨張弁３０は、水冷媒交換器２０から流出した液相冷媒等を等エンタルピ的に減圧して膨張させる。本実施形態の膨張弁３０は電子膨張弁であって、開度を調節することにより冷媒量を調節することができる。

空気冷媒熱交換器４０は、送風機（図示せず）により送風される外気から吸熱して膨張弁３０から流出した低圧冷媒を蒸発させる。なお、空気冷媒熱交換器４０から流出した冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離して余剰冷媒を蓄え、気相冷媒を圧縮機１０に供給する気液分離器を備えるようにしてもよい。

給湯装置を制御する制御部６０は、プロセッサ（ＣＰＵ）、メモリ（ＲＡＭ）、不揮発性メモリ（ＲＯＭ）等を含むコンピュータ制御回路を有する。本実施形態における沸き上げ制御のために、各種センサ５１〜５３が配置されている。温度センサ５１は、水冷媒熱交換装置２０の給水通路の入口側に配置され、給水温度を検出する。温度センサ５２は、水冷媒熱交換装置２０の冷媒出口側に配置され、冷媒の温度を検出する。圧力センサ５３は、水冷媒熱交換装置２０の冷媒出口側に配置され、高圧側圧力を検出する。高圧側圧力を検出する圧力センサ５３の配置場所は、水冷媒熱交換装置２０の冷媒出口側に限定されない。圧縮機１０の吐出側から膨張弁３０の入口側までの範囲のいずれかに配置することができる。

図２〜４は、高温の給水を沸き上げるための本実施形態の制御を説明するための図であり、図２(ａ)（ｂ）は、給水温度から決まる最適高圧を示す図であり、図３、４は、給水温度と沸き上げ温度から決まる高圧を示す図である。

図２(ａ)には、高圧とエンタルピの関係を図示するＰ−ｈ曲線上に、給水温度４０℃の冷凍サイクルが記載されている。図２（ａ）において、Ａは、給水を沸き上げる加熱能力を示し、Ｂは、圧縮機動力あるいは圧縮機の消費電力を示す。効率あるいは性能を示すＣＯＰは、Ａ／Ｂで表され、ＣＯＰを高めるためには、加熱能力Ａを大きくするか、あるいは消費電力Ｂを小さくすればよい。

図２（ａ）では、サイクル（１）について、加熱能力Ａと消費電力Ｂを示している。サイクル（２）（３）についても、同様に加熱能力Ａと消費電力Ｂを示すことができる。図２（ａ）から分かるように、サイクル（１）のように、高圧を高くすると、高圧側エンタルピの差で表される加熱能力Ａを大きくすることができる。しかし、圧縮機の消費電力Ｂも大きくなる。また、サイクル（３）のように、高圧を低くすると、圧縮機の消費電力Ｂは小さくなるが、高圧側エンタルピの差で表される加熱能力Ａも小さくなる。ＣＯＰがＡ／Ｂで与えられ、４０℃の等温線の勾配を考慮すれば、サイクル（２）が給水温度に応じて最大の効率を与える圧力すなわち最適圧力を与えることがわかる。

図２（ｂ）には、図２（ａ）のサイクル（１）〜（３）について、ＣＯＰ（Ａ／Ｂ）と高圧Ｐとの関係が示されている。給水温度４０℃のとき、（２）で示される点の高圧が、ＣＯＰが最高となる圧力である。したがって、冷凍サイクルの高圧を図２（ｂ）の（２）で示される値に制御することが最も効率がよい運転であると考えられる。

ところで、水冷媒熱交換器内では冷媒温度を給水温度以上に保たなければ熱交換が行われないので、所定圧力以上の高圧が必要である。図３は、給水温度４０℃で沸き上げ温度６５℃まで沸き上げる場合の水冷媒熱交換器内の冷媒と給水の関係を示すＴ−ｈ線図である。図３では、給水温度を実線で表し、冷媒温度は破線で表している。図３から分かるように、高圧を１０ＭＰａにすると、給水温度４０℃から６５℃まで沸き上げる場合、常に冷媒温度≧給水温度を維持できる。したがって、給水温度４０℃から６５℃まで沸き上げる場合の最低圧力は１０ＭＰａであるということができる。

しかしながら、圧力を１０Ｍｐａに保ったまま、沸き上げ温度を８０度に上昇すると、給水温度は、図３の一点鎖線で示すように上昇することが求められるが、冷媒温度の上昇は高圧によって決まるので、冷媒温度が給水温度を下回る領域があることがわかる。実際には、この領域では、水冷媒熱交換器内では冷媒温度と給水温度が等しくなる。したがって、この領域では水冷媒熱交換の性能が発揮できない。

図４は、高圧を１２ＭＰａとして、給水温度４０℃から沸き上げ温度８０℃まで沸き上げる場合の水冷媒熱交換器内の冷媒と水の関係を示すＴ−ｈ線図である。図４では、４０℃から８０℃まで、冷媒の温度は常に給水の温度以上である。このように、給水温度４０℃から沸き上げ温度８０℃まで沸き上げるためには、高圧の下限値は１２ＭＰａであるということができる。

以上のように、高温の給水を所望の沸き上げ温度まで効率よく沸き上げるためには、給水温度で決まる高圧の最適値と沸き上げ温度で決まる高圧の下限値のいずれか大きいほうで高圧を制御することが必要となる。

図５は、本実施形態の給湯装置の制御フローの一例を示す図である。給湯装置の沸き上げ運転が開始されると、ステップＳ１では従来と同様の通常の制御が行われる。ステップＳ１の通常制御は、給水温度が、例えば３０℃のような所定温度より低い温度であるときに行われる制御であり、水冷媒熱交換器２０の冷媒出口側の冷媒温度と水冷媒熱交換器２０の水入口側の給水温度との温度差が所定の目標値になるように、膨張弁（３０）の開度が制御される。この制御により低温の給水の場合の運転効率が上昇する。水冷媒熱交換装置２０の冷媒出口側の冷媒温度は、温度センサ５２により検出され、水冷媒熱交換装置２０の給水通路の給水温度は、給水温度センサ５１により検出される。

ステップＳ２では、水冷媒熱交換装置２０の給水通路の入口側に配置された給水温度センサ５１からの信号に基づいて、給水温度が３０℃以上であるか否かが判断される。なお、給水温度は、水冷媒熱交換装置２０の冷媒出口側に配置された、冷媒温度を検出する温度センサ５２からの信号によっても得ることができる。

ステップＳ２で、給水温度センサ５１からの信号に基づいて、給水温度が３０℃未満であれば、ステップＳ１に戻り通常制御を続行する。ステップＳ２で、給水温度が３０℃以上であると判断されると、ステップＳ３とステップＳ４とが実行される。ステップＳ３では、例えば図２に示すようなＰ−ｈ線図に基づいて、給水温度から決まる最適圧力すなわち目標圧力の第１の下限Ｐmin１を求める。ステップＳ４では、例えば図３、４に示すＴ−ｈ線図に基づいて、給水温度と目標沸き上げ温度から決まる目標圧力の第２の下限Ｐmin２を求める。給水温度から決まる最適圧力および給水温度と目標沸き上げ温度から決まる目標圧力は、いずれも制御部６０のメモリにテーブルあるいはマップとして記憶しておくことができる。

次に、ステップＳ５では、第１の下限Ｐmin１と第２の下限Ｐmin２と比較して、大きい値Ｍａｘ（Ｐmin１，Ｐmin２）を目標圧力下限Ｐminとする。目標圧力下限Ｐminは、給水温度と目標沸き上げ温度から予め算出して、圧力マップとして制御部６０のメモリに記憶しておくこともできる。

図６（ａ）（ｂ）は、沸き上げ温度が異なる場合の目標圧力下限の例を示す図であり、ステップＳ５の処理結果の一例を示す。図６（ａ）（ｂ）では、給水温度は４０℃であり、（ｉ）は、Ｐ−ｈ線図から決まる最適圧力を示し、（ｉｉ）は、Ｔ−ｈ線図から決まる最低圧力を示す。ここで、（ｉｉ）（８０℃）は、沸き上げ温度８０℃のときのＴ−ｈ線図から決まる最低圧力であり、（ｉｉ）（６５℃）は、沸き上げ温度６５℃のときのＴ−ｈ線図から決まる最低圧力である。（ｉｉ）（８０℃）と（ｉｉ）（６５℃）は、傾きがほぼ一定の二直線として表される。

図６（ａ）は、目標とする沸き上げ温度が６５℃のときの最低圧力を示すラインを実線で示している。Ｐ−ｈ線図から決まる最適圧力（ｉ）と、Ｔ−ｈ線図から決まる最低圧力（ｉｉ）（６５℃）を比較して、大きくなる方を目標圧力として採用する。ある温度までは第１の下限Ｐmin１を目標圧力とし、その温度を超えると第２の下限Ｐmin２が目標圧力となる。

図６（ｂ）は、目標とする沸き上げ温度が８０℃のときの最低圧力を示すラインを実線で示している。Ｐ−ｈ線図から決まる最適圧力（ｉ）と、Ｔ−ｈ線図から決まる最低圧力（ｉｉ）（８０℃）を比較して、大きくなる方を目標圧力として採用する。ある温度までは第１の下限Ｐmin１を目標圧力とし、その温度を超えると第２の下限Ｐmin２が目標圧力となる。

図５のフローに戻り、ステップＳ５で、目標圧力下限Ｐminが決定すると、ステップＳ６で、冷凍サイクルの目標圧力が目標圧力下限Ｐminと比較される。目標圧力が目標圧力下限Ｐmin未満であれば、ステップＳ７で、目標圧力下限Ｐminを目標圧力として、ステップＳ８で、膨張弁３０の開度を目標圧力下限Ｐminを目標圧力として決定する。そして、膨張弁３０の開度が決定された開度になるように、膨張弁３０の開度を制御する。

ステップＳ６で、目標圧力が目標圧力下限Ｐmin以上であれば、目標圧力を変更することなく、ステップＳ８で、この目標圧力に対して膨張弁３０の開度を決定する。そして、膨張弁３０の開度が決定された開度になるように、膨張弁３０の開度を制御する。

上述の実施形態では、膨張弁を備えるヒートポンプサイクルを使用しているが、本発明は、エジェクタを使用するヒートポンプサイクルにおいても適用できる。

図７（ａ）（ｂ）は、本発明の他の実施形態で使用されるエジェクタを有するヒートポンプサイクルを示す図である。

図７（ａ）のヒートポンプサイクルは、圧縮機１０と、水冷媒熱交換器２０と、エジェクタ３３と、気液分離器８０を循環する回路と、空気冷媒熱交換器４１、エジェクタ３３、気液分離器８０を循環する回路を備える。エジェクタ３３は、空気冷媒熱交換器４１を循環するガス状冷媒を吸引する機能と、圧縮機１０の吸入圧力を上昇させる機能をもつ。すなわち、エジェクタ３３がポンプとして働き、圧縮機１０の動力を低減することができる。気液分離器80は、気相と液相を分離し、液状冷媒のみ空気冷媒熱交換器４１に流す。

エジェクタ３３のノズルは、ノズル開度が調節できる可変ノズルであり、ノズル開度すなわちエジェクタ開度を調整することができる。本発明を適用する場合、目標圧力に応じてエジェクタ開度を調整する。

図７（ｂ）のヒートポンプサイクルは、水冷媒熱交換器２０の出口側から分岐して、エジェクタ３３の駆動側へ至る分岐通路と、固定絞りあるいは膨張弁３５を介して、エジェクタ３３の吸引側の空気冷媒熱交換器４３の入口側へ至る分岐通路を有する。エジェクタ３３の流出側に空気冷媒熱交換器４５が配置され、空気冷媒熱交換器４５と空気冷媒熱交換器４３とで、２段の空気冷媒熱交換器が構成される。図７（ｂ）のヒートポンプサイクルにおいても、本発明を適用する場合、目標圧力に応じてエジェクタ開度を調整する。

１０圧縮機
２０水冷媒熱交換器
３０膨張弁
３３エジェクタ
４０空気冷媒熱交換器
４１（吸引側）空気冷媒熱交換器
４３（吸引側）空気冷媒熱交換器
４５（流出側）空気冷媒熱交換器
５１、５２温度センサ
５３圧力センサ
６０制御部
７０貯湯タンク
７１水循環通路
７２電動ポンプ
８０気液分離器

Claims

圧縮機（１０）と、水冷媒熱交換器（２０）と、弁開度が制御可能な絞り弁（３０）と、空気冷媒熱交換器（４０）とを有するヒートポンプサイクルと、
前記水冷媒熱交換器（２０）の水通路に接続された、給水が循環する水循環通路（７１）と、
前記ヒートポンプサイクルの高圧側圧力を検出する圧力検出器（５３）と、
前記水冷媒熱交換器（２０）の水通路入口側の給水温度に相当する温度を検出する温度検出器（５１、５２）と、
前記温度検出器（５１、５２）により検出された給水温度が所定温度以上である場合、前記給湯水温度から求められる第１の圧力と、目標沸き上げ温度と前記給湯水温度とから求められる第２の圧力のうち、いずれか高い方の圧力を制御圧力下限として、前記高圧側圧力を前記制御圧力下限以上に維持するように、前記絞り弁の開度を制御する制御部（６０）と、
を備える給湯装置。
前記制御圧力下限は、前記目標沸き上げ温度と前記給湯水温度とから予め決定された圧力マップとして記憶される請求項１に記載の給湯装置。
前記温度検出器（５２）は、前記水冷媒熱交換器（２０）の冷媒出口側温度を検出する冷媒温度検出器である請求項１または請求項２に記載の給湯装置。
前記温度検出器（５１、５２）により検出された給水温度が所定温度より低い場合、前記水冷媒熱交換器（２０）の冷媒出口側温度と前記水冷媒熱交換器（２０）の水通路入口側の給水温度との温度差が目標温度差となるように、膨張弁の開度を制御する請求項１または請求項２に記載の給湯装置。
前記絞り弁（３０、３３）は、膨張弁（３０）である請求項１〜４のいずれか１項に記載の給湯装置。
前記絞り弁（３０、３３）は、エジェクタ（３３）である請求項１〜４のいずれか１項に記載の給湯装置。
圧縮機（１０）と、水冷媒熱交換器（２０）と、弁開度が制御可能な絞り弁（３０、３３）と、空気冷媒熱交換器（４０）とを有するヒートポンプサイクルと、
前記水冷媒熱交換器（２０）の水通路に接続された、給水が循環する水循環通路（７１）と、
前記ヒートポンプサイクルの高圧側圧力を検出する圧力検出器（５３）と、
前記水冷媒熱交換器（２０）の水通路入口側の給水温度に相当する温度を検出する温度検出器（５１、５２）と、
を備える給湯装置における給湯制御方法であって、
前記温度検出器（５１、５２）により検出された給水温度が所定温度以上である場合、前記給湯水温度から求められる第１の圧力と、目標沸き上げ温度と前記給湯水温度とから求められる第２の圧力のうち、いずれか高い方の圧力を制御圧力下限とし、
前記高圧側圧力を前記制御圧力下限以上に維持するように、前記絞り弁（３０、３３）の開度を制御する、給湯制御方法。
前記温度検出器（５１、５２）により検出された給水温度が所定温度より低い場合、前記水冷媒熱交換器（２０）の冷媒出口側温度と前記水冷媒熱交換器（２０）の水通路入口側の給水温度との温度差が目標温度差となるように、前記絞り弁（３０、３３）の開度を制御する、請求項７に記載の給湯制御方法。