JP5401913B2

JP5401913B2 - ヒートポンプ式給湯機

Info

Publication number: JP5401913B2
Application number: JP2008271705A
Authority: JP
Inventors: 健二白井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-10-22
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2028-10-22
Also published as: JP2010101528A

Description

本発明は、ヒートポンプサイクルを熱源に持つヒートポンプ式給湯機に関するものである。

従来の技術として、圧縮機の起動時において圧縮機の吐出温度が外気温度に対して予め設定された目標吐出温度になるように減圧装置の開度を制御する構成とし、起動時に減圧装置の開度を一定とする不感帯時間を有するというヒートポンプ式給湯機がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３４６４４９号公報

しかしながら、前記従来のヒートポンプ式給湯機において、ヒートポンプ式給湯機の起動時等の冷凍サイクル過渡時においては、減圧装置の流量公差が大きい場合、減圧装置の開度を一定とする不感帯時間終了時に、吐出温度と目標吐出温度の差にバラツキが生じ、吐出温度が高い場合は不感帯時間内に異常圧力上昇を招き、不感帯時間終了後に、吐出温度を目標吐出温度にするように減圧装置を制御するため、吐出温度が低い場合は減圧装置を絞るため、圧縮機の異常温度上昇ならびに異常圧力上昇を招いてしまうという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、圧縮機の異常温度上昇ならびに異常圧力上昇を防止することで圧縮機の信頼性を向上させた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、給湯用熱交換器、減圧装置、熱源用熱交換器を冷媒配管により環状に接続してなるヒートポンプサイクルと、湯水を貯える貯湯槽、前記貯湯槽内の湯水を搬送させるポンプ、前記給湯用熱交換器を液体配管により環状に接続してなる沸き上げ回路と、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段と、前記減圧装置の開度に下限値を設定するとともに、前記減圧装置の開度および前記圧縮機の周波数を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記圧縮機の起動時に前記圧縮機の吐出温度に関係なく前記減圧装置の開度を一定にする不感帯時間を設け、前記制御装置は、前記不感帯時間終了後に、前記圧縮機の吐出温度が、外気温度に対して予め設定された目標吐出温度となるように、かつ、前記減圧装置の開度が前記下限値よりも小さくならないように、前記減圧装置の開度を制御するとともに、前記不感帯時間の終了から所定時間経過した後に、前記圧縮機の吐出温度が前記目標吐出温度まで上昇しない場合には、前記下限値をさらに小さい値に変更することにより、減圧装置の流量公差が大きい場合でも減圧装置の弁開度に下限値を設定するので、ヒートポンプサイクルの絞りすぎを防止することができ、圧縮機の異常温度上昇、ならびに異常圧力上昇を防止することができ、圧縮機の信頼性を確保することができる。

本発明は、圧縮機の異常温度上昇ならびに異常圧力上昇を防止することで圧縮機の信頼性を向上させた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、給湯用熱交換器、減圧装置、熱源用熱交換器を冷媒配管により環状に接続してなるヒートポンプサイクルと、湯水を貯える貯湯槽、前記貯湯槽内の湯水を搬送させるポンプ、前記給湯用熱交換器を液体配管により環状に接続してなる沸き上げ回路と、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段と、前記減圧装置の開度に下限値を設定するとともに、前記減圧装置の開度および前記圧縮機の周波数を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記圧縮機の起動時に前記圧縮機の吐出温度に関係なく前記減圧装置の開度を一定にする不感帯時間を設け、前記制御装置は、前記不感帯時間終了後に、前記圧縮機の吐出温度が、外気温度に対して予め設定された目標吐出温度となるように、かつ、前記減圧装置の開度が前記下限値よりも小さくならないように、前記減圧装置の開度を制御するとともに、前記不感帯時間の終了から所定時間経過した後に、前記圧縮機の吐出温度が前記目標吐出温度まで上昇しない場合には、前記下限値をさらに小さい値に変更するので、ヒートポンプサイクルの絞りすぎを防止することができ、圧縮機の異常温度上昇、ならびに異常圧力上昇を防止することができ、圧縮機の信頼性を確保することができる。

また、減圧装置の流量公差が大きい場合でも減圧装置の弁開度に下限値を設定するため、ヒートポンプサイクルの絞り過ぎを防止することができるとともに、吐出温度が上昇しない場合は、所定時間経過後さらに減圧装置の弁開度を絞ることで所望の吐出温度が得られ能力不足を防止するができる。

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、不感帯時間中の圧縮機の吐出温度と、目標吐出温度との差が、所定温度以内となるまで前記圧縮機の吐出温度が上昇した場合には、前記不感帯時間を終了し、前記圧縮機の吐出温度が、目標吐出温度となるように減圧装置の開度を制御することにより、減圧装置の弁開度に不感帯時間を設けていても、減圧装置の流量が小さい時は、早期にフィードバック制御に移行できるため、圧縮機の吐出冷媒圧力の異常温度上昇ならびに異常圧力上昇を防止することができ圧縮機の信頼性を図ることができる。

第３の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第１または第２の発明において、圧縮機がアキュームレータのない構成であることにより、ヒートポンプ式給湯機本体の小型化、軽量化が可能となる。

第４の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第１〜第３のいずれかの発明において、ヒートポンプサイクルの高圧側の圧力が臨界圧力以上となることにより、給湯用熱交換器内の冷媒は臨界圧力以上に加圧されているので、給湯用熱交換器の水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。従って、給湯用熱交換器の全域で冷媒と水との間の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できる。

第５の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第１〜第４のいずれかの発明において、ヒートポンプサイクルに使用する冷媒を二酸化炭素とすることにより、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及び図２は、第１の実施例におけるヒートポンプ式給湯機の運転制御を示したものであり、インバータ式圧縮機１１、給湯用熱交換器１２、減圧装置１３、熱源用熱交換器１４を冷媒配管１５により順次環状に接続して構成され、減圧装置１３の弁開度を調整できるヒートポンプサイクルと、給湯用の湯水を貯える貯湯槽１６の底部、貯湯槽１６の底部から低温水を搬送するポンプ１７、給湯用熱交換器１２、貯湯槽１６の上部とを液体配管１８により順次環状に接続して沸き上げ回路が構成されている。

また、インバータ式圧縮機１１から吐出させた冷媒の温度を検出する温度検出手段３１と、インバータ式圧縮機１１の運転周波数と吐出温度検出手段３１が所定の温度になるように減圧装置１３の弁開度を制御するマイクロコンピュータ３０で構成される。

図２は、運転制御の全体構成図であり、減圧装置１３は、冷媒吐出温度検出手段３１を所望の温度に制御するため減圧装置制御手段３４により弁開度が制御される。また、インバータ式圧縮機１１は、前記貯湯槽１６からの給湯能力指示を給湯能力検知手段３２により所望の給湯能力になるよう圧縮機運転周波数制御手段３５により運転制御される。

図３は、図１及び図２の動作を示すフローチャートであり、貯湯槽１６からの沸き上げ運転開始指示を受け、所望の給湯能力を得られるようにインバータ式圧縮機１１の運転周波数を決定し起動させるとともに、減圧装置１３の弁開度を吐出温度が外気温度に対して予め設定された目標吐出温度になるように減圧装置の初期開度を設定し、初期開度は圧縮機の起動後の所定時間Ｔ１は圧縮機の吐出温度に関係なく変化させない不感帯時間を有し、不感帯時間Ｔ１終了後は目標吐出温度になるようにフィードバック制御に移行させるとともに減圧装置の弁開度に下限値ＥＸ１を設定するというものである。

次に、本実施例の作用を説明する。図４は、従来技術と本実施例で比較した説明図である。

図４において、本実施例の運転制御は、減圧装置の流量が大きい場合でも、フィードバック制御に移行後に減圧装置の弁開度に下限値ＥＸ１を設定するため、従来技術のような急激な弁開度の絞りによる圧力上昇が発生しないため吐出冷媒温度及び、吐出冷媒圧力のオーバーシュートを防止でき、冷凍サイクルの安定状態への移行が可能となる。したがって、減圧装置の流量公差が大きい場合でも、フィードバック制御に移行後冷凍サイクルの絞り過ぎを防止することができ、圧縮機の異常温度上昇ならびに異常圧力上昇を防止することで圧縮機の信頼性を確保することができる。

図５は、おけるヒートポンプ式給湯機の運転制御のフローチャートであり、フィードバック制御移行後、所定時間Ｔ２経過後に、減圧装置１３の弁開度を通常の下限値ＥＸ１よりも、さらに小さい開度ＥＸ２を下限値とするというものである。

次に、このように２つの下限値を設定した時の作用を説明する。図６は、従来技術と本実施例で比較した説明図である。

図６において、減圧装置の流量が極端に大きい場合にフィードバック制御に移行後に減圧装置の弁開度に下限値ＥＸ１を設定し、目標吐出温度まで上昇しない場合でも、フィードバック制御移行後、所定時間Ｔ２経過後には、減圧装置１３の弁開度の下限値をＥＸ１より小さいＥＸ２に変更するため、冷凍サイクルの絞り過ぎを防止することができるとともに、吐出温度が上昇しない場合は所定時間経過後さらに減圧装置の弁開度を絞ることで所望の吐出温度が得られ能力不足を防止するができる。

また、不感帯時間Ｔ１において圧縮機吐出温度Ｔｄが、目標吐出温度Ｔｄｍに対して所定温度ΔＴ以内まで上昇した時は、即時不感帯時間を終了しフィードバック制御に移行させてもよい。

図７は、圧縮機の吐出温度と目標吐出温度との差に基づいて運転を行う際の運転制御のフローチャートである。図７に示すように、不感帯時間Ｔ１において圧縮機吐出温度Ｔｄが目標吐出温度Ｔｄｍに対して所定温度ΔＴ以内まで上昇した時は、即時不感帯時間を終了しフィードバック制御に移行させるというものである。

図８は、従来技術と本実施例で比較した説明図である。これによれば、本実施例の運転制御は、図８より、減圧装置の流量が小さい場合でも不感帯時間Ｔ１において圧縮機吐出温度Ｔｄが目標吐出温度Ｔｄｍに対して所定温度ΔＴ以内まで上昇した時は即時不感帯時間を終了しフィードバック制御に移行し減圧装置１３の弁開度を開くことができるため、減圧装置の弁開度に不感体時間を設けていても、減圧装置の流量小の場合には圧縮機吐出温度の上昇を判断して早期にフィードバック制御に移行でき、インバータ式圧縮機の吐出冷媒圧力の異常温度上昇ならびに異常圧力上昇を防止することができ圧縮機の信頼性を図ることができる。

また、インバータ式圧縮機１１がアキュームレータのない圧縮機構成としたもので、アキュームレータがないためヒートポンプ式給湯機本体の小型化、軽量化が可能となる。

また、ヒートポンプサイクルを、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとしたもので、給湯の水または空気を加熱することにより、給湯用熱交換器内の冷媒は臨界圧力以上に加圧されているので、給湯用熱交換器の水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。従って、給湯用熱交換器の全域で冷媒と水との間の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できる。

また、使用する冷媒を二酸化炭素としたものであり、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。

本発明は、ヒートポンプ式給湯機における貯湯タンクの沸き上げ運転の他、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給湯機の沸き上げ運転や、給湯用熱交換器で加熱したお湯をそのまま出湯する瞬間湯沸かし運転にも適用でき、また本発明のヒートポンプ給湯は、給湯機能の他に、例えば、浴槽給湯機能、暖房機能、乾燥機能を有する装置にも適している。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯機の本体構成図同実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯機の運転制御の全体構成図同実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯機のフローチャート関係図同実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯機の動作説明図同実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯機のフローチャート同実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯機の動作説明図同実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯機のフローチャート同実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯機の動作説明図

１１インバータ式圧縮機
１２給湯熱交換器
１３減圧装置（電気式膨張弁）
１４熱源用熱交換器
１５冷媒配管
１６貯湯槽
１７ポンプ（ウォータポンプ）
１８液体配管
１９ファン
２０ファンモータ
３０マイクロコンピュータ
３１冷媒温度検出手段
３２貯湯槽からの給湯能力指示検知手段
３３給水温度検出手段
３４減圧装置制御手段
３５圧縮機運転周波数制御手段

Claims

圧縮機、給湯用熱交換器、減圧装置、熱源用熱交換器を冷媒配管により環状に接続してなるヒートポンプサイクルと、
湯水を貯える貯湯槽、前記貯湯槽内の湯水を搬送させるポンプ、前記給湯用熱交換器を液体配管により環状に接続してなる沸き上げ回路と、
前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段と、
前記減圧装置の開度に下限値を設定するとともに、前記減圧装置の開度および前記圧縮機の周波数を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記圧縮機の起動時に前記圧縮機の吐出温度に関係なく前記減圧装置の開度を一定にする不感帯時間を設け、
前記制御装置は、前記不感帯時間終了後に、前記圧縮機の吐出温度が、外気温度に対して予め設定された目標吐出温度となるように、かつ、前記減圧装置の開度が前記下限値よりも小さくならないように、前記減圧装置の開度を制御するとともに、前記不感帯時間の終了から所定時間経過した後に、前記圧縮機の吐出温度が前記目標吐出温度まで上昇しない場合には、前記下限値をさらに小さい値に変更することを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
前記制御装置は、前記不感帯時間中の前記圧縮機の吐出温度と、前記目標吐出温度との差が、所定温度以内となるまで前記圧縮機の吐出温度が上昇した場合には、前記不感帯時間を終了し、前記圧縮機の吐出温度が、前記目標吐出温度となるように前記減圧装置の開度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機。
前記圧縮機がアキュームレータのない構成であ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。
前記ヒートポンプサイクルの高圧側の圧力が臨界圧力以上となることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯機。
前記ヒートポンプサイクルに使用する冷媒を二酸化炭素とすることを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ式給湯機。