JP5437033B2 - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプサイクルで湯水を加熱するヒートポンプ給湯機に関するものである。

従来よりこの種のヒートポンプ給湯機においては、圧縮機、給湯熱交換器、電子膨張弁、蒸発器を順次冷媒配管で接続したヒートポンプ回路を備え、水側での加熱能力を一定に保つようにして貯湯タンクからの湯水を給湯熱交換器に循環させて沸き上げ運転を行い、圧縮機からの冷媒の吐出温度が沸き上げ目標温度に応じた所定温度になるように電子膨張弁の開度を所定の周期でフィードバック制御するようにしたものが一般的であった。

特開２００９−１３３５４３号公報（段落００３３参照）

ところが、このような従来のものでは、給湯熱交換器への入水温度が上昇したような場合、給湯熱交換器の出口側冷媒の比エンタルピーが上昇する。そのため給湯熱交換器の入口側冷媒の比エンタルピーとの比エンタルピー差が小さくなるため、冷媒質量流量を増加させて加熱能力を一定に保とうとする。

また、沸き上げ目標温度が高い場合は、給湯熱交換器の入口側冷媒の比エンタルピーが大きいので、冷媒質量流量を低下させて加熱能力を一定に抑えるようにしている。

このように冷媒質量流量は条件によって大きく変動するため、電子膨張弁の開度を制御してから冷媒がヒートポンプ回路を循環し、圧縮機からの冷媒吐出温度が安定するまでの時間も大きく変動し、この時間と電子膨張弁の開度を制御する周期とのアンマッチによって冷媒吐出温度がハンチングしたり、沸き終い等の負荷が急激に変動する時に冷媒圧力や圧縮機駆動電流の異常上昇等の問題が発生し、最悪の場合、機具が異常停止してしまう可能性があった。

本発明は、上記課題を解決するために、圧縮機、給湯熱交換器、電子膨張弁、蒸発器を順次冷媒配管で接続したヒートポンプ回路を備え、前記圧縮機からの冷媒の吐出温度が所定温度になるように前記電子膨張弁の開度を所定の周期でフィードバック制御するようにしたヒートポンプ給湯機において、冷媒がヒートポンプ回路を一周する時間に応じて前記電子膨張弁の開度を制御する周期を変更するようにし、更に前記冷媒がヒートポンプ回路を一周する時間は、前記ヒートポンプ回路に封入されている所定の冷媒封入量と前記ヒートポンプ回路内の冷媒状態から求められる冷媒質量流量とから算出するようにした。

以上のように本発明によれば、冷媒がヒートポンプ回路を一周する時間に応じて前記電子膨張弁の開度を制御する周期が変更されるので、この時間と電子膨張弁の開度を制御する周期とが調和して、冷媒状態の安定したタイミングでのフィードバック制御が行われることとなり、冷媒吐出温度のハンチングや、冷媒圧力や圧縮機駆動電流の異常上昇等の異常状態に至ることを回避することができる。

本発明の一実施形態のシステム図。 同一実施形態の作動を説明するためのフローチャート図。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
１は電動モータ（図示せず）によって駆動され冷媒（二酸化炭素）を圧縮して超臨界状態の高圧にする圧縮機、２は冷媒と水との間で熱交換させる給湯熱交換器、３は冷媒を減圧する開度調整可能な電子膨張弁、４は低温低圧の冷媒と空気とを熱交換させて蒸発させる蒸発器、これらによってヒートポンプ回路５を構成している。なお、６は蒸発器４に空気を強制的に送る送風機である。

７は圧縮機１から吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度センサ、８は給湯熱交換器２で熱交換した後の冷媒の温度を検出する凝縮温度センサ、９は蒸発器４に流入する冷媒の温度を検出する蒸発温度センサ、１０は蒸発器４から出て圧縮機１に吸入される冷媒の温度を検出する吸入温度センサ、１１は圧縮機１から吐出される冷媒の圧力を検出する吐出圧力センサである。

１２は湯水を貯湯する貯湯タンク、１３は貯湯タンク１２と給湯熱交換器２を循環可能に接続する沸き上げ循環回路、１４は沸き上げ循環回路１３に設けた循環ポンプ、１５は貯湯タンク１２に給水する給水管、１６は貯湯タンク１２から出湯する出湯管、１７は給湯熱交換器２に流入する湯水の温度を検出する入水温度センサ、１８は給湯熱交換器２で加熱された湯水の温度を検出する沸き上げ温度センサである。

１９は貯湯タンク１２の外面の上下に複数設けられた貯湯温度センサであり、貯湯タンク１１内の湯の量を検知するものである。

２０は前記した各種センサの検出値が入力され、各種アクチュエータを予め決められた条件に従い制御する制御手段である。

次に、貯湯タンク１２内の湯水をヒートポンプ回路５で沸き上げる沸き上げ運転の際の作動について説明すると、沸き上げ運転の開始要求があると、制御手段２０は圧縮機１を所定の周波数で駆動開始する（ステップＳ１）と共に循環ポンプ１４を所定の回転数で駆動開始し（ステップＳ２）、沸き上げ運転を開始する。そして、制御手段２０は、吐出温度センサ７で検出する冷媒の吐出温度が沸き上げ目標温度に応じた一定の目標温度になるように、吐出温度と目標温度との温度差に応じて初期周期Ｔ１で電子膨張弁３の開度をフィードバック制御する（ステップＳ３）。

そして、圧縮機１の起動から冷媒状態が安定する所定時間（例えば１５分間）が経過すると（ステップＳ４でＹｅｓ）、制御装置２０は、沸き上げ温度センサ１８で検出する湯の沸き上げ温度が沸き上げ目標温度になるように、検出温度と沸き上げ目標温度との温度差に応じて圧縮機１の運転周波数をフィードバック制御すると共に、冷媒がヒートポンプ回路５を一周するのに要する時間ｔを算出する（ステップＳ５）。ここでは、ヒートポンプ回路５内に封入されている所定の冷媒封入量をヒートポンプ回路５内での冷媒状態から求められる冷媒質量流量で除算することで、冷媒がヒートポンプ回路５を一周するのに要する時間ｔを求めるようにしている。

ここで、冷媒質量流量の求め方の一例を挙げると、一定の加熱能力を給湯熱交換器２の冷媒の出入口の比エンタルピー差で除して冷媒質量流量が求まる。ここで、冷媒の比エンタルピー差は、予め実験等で求めて制御手段２０に記憶している冷媒温度と冷媒圧力に応じた比エンタルピーの値のデータマップを用い、吐出温度センサ７で検出する給湯熱交換器２の入口側の冷媒温度と吐出圧力センサ１１で検出する冷媒の高圧側の圧力とから入口比エンタルピーの値から、入水温度センサ１７で検出する給湯熱交換器２の入水温度から推定される給湯熱交換器２の出口側の冷媒温度と吐出圧力センサ１１で検出する冷媒の高圧側の圧力とから出口比エンタルピーの値を減算することで算出することができる。

そして、制御手段２０は、冷媒がヒートポンプ回路５を一周する時間ｔに応じて電子膨張弁３の開度をフィードバック制御する周期Ｔを決定する（ステップＳ６）。ここでは、冷媒がヒートポンプ回路５を一周する時間が短い場合は、電子膨張弁３の開度を制御する周期を短くし、冷媒がヒートポンプ回路５を一周する時間が長い場合は、電子膨張弁３の開度を制御する周期を長くするように、冷媒がヒートポンプ回路５を一周する時間ｔに１以上の係数（ここでは２）を掛けた時間を電子膨張弁３の制御周期Ｔとするようにしている。し

そして、ステップＳ７で、時間Ｔが経過する毎に吐出温度センサ７で検出する冷媒の吐出温度が沸き上げ目標温度に応じた一定の目標温度になるように電子膨張弁３の開度を制御する。

このように、冷媒がヒートポンプ回路５を一周する時間ｔに応じて電子膨張弁３の開度が制御される周期Ｔを定め、この周期Ｔの時間が経過毎に電子膨張弁３の開度がフィードバック制御されるため、電子膨張弁３の開度を変更してからヒートポンプ回路５内の冷媒状態が安定した後に、電子膨張弁３の次の開度操作が行われるので、冷媒吐出温度のハンチングの発生を防止できる。

また、貯湯タンク１２内の残湯が給湯熱交換器２に流入する沸き終い時等の急激な負荷変動時には、給湯熱交換器２の入水温度が上昇すると、加熱能力を一定に保つために圧縮機１の運転周波数が高くなり、冷媒がヒートポンプ回路５を一周する時間ｔが短くなるが、この短くなった時間ｔに応じて電子膨張弁３の開度が制御される周期Ｔが定まり、短い制御周期Ｔで電子膨張弁３が開度操作されるので、冷媒圧力や圧縮機駆動電流の異常上昇等の異常状態に至ることを回避することができる。

また、電子膨張弁３の開度の操作周期Ｔは、冷媒がヒートポンプ回路５を一周する時間ｔに１以上の係数（ここでは２）を掛けた時間としているので、開度操作した後に冷媒状態が確実に安定するなるべく短い時間で電子膨張弁３の開度を制御し続けることができるものである。

また、圧縮機１の起動開始から所定時間の間は、予め定められた初期周期Ｔ１で電子膨張弁３の開度を制御し、所定時間経過後から冷媒がヒートポンプ回路５を一周する時間ｔに応じた周期Ｔで電子膨張弁３の開度を制御するようにしたので、圧縮機１起動直後の冷媒状態が安定しない状態かつ高圧側で超臨界状態に達していない状態では、初期周期Ｔ１で電子膨張弁３の開度を制御することで冷媒の超臨界状態での安定化を確実かつ早期に実現できる。

本実施形態では、給湯熱交換器２での冷媒の比エンタルピー差から冷媒質量流量を求めたが、これに限られず、例えば、圧縮機１の運転周波数に予め記憶されている圧縮機１の一回転あたりの押しのけ量を乗じた値を圧縮機１が吸入する冷媒の比重で除することで冷媒質量流量を求めることができる。ここで、圧縮機１が吸入する冷媒の比重は、吸入温度センサ１０で検出する温度と、蒸発温度センサ９で検出する温度から推定される冷媒圧力とから予め記憶されている関係式あるいはデータマップを用いて算出するようにしている。

また、冷媒質量流量のさらに別の求め方を説明すると、入水温度センサ１７で検出する入水温度に正の定数Ａを乗じた値と、吐出温度センサ７で検出する冷媒の吐出温度に負の定数Ｂを乗じた値と、吐出圧力センサ１１で検出する冷媒の吐出圧力に負の定数Ｃを乗じた値と、正の定数Ｄの値の和で冷媒質量流量を求めることができる。なお、このとき、吐出温度センサ７で検出する実際の吐出温度の代わりに、目標とする吐出温度を用いてもよいものである。

このように、ヒートポンプ回路５内の冷媒状態から冷媒質量流量を求めることで正確に冷媒がヒートポンプ回路５を一周する時間ｔを求めることが可能となり、この時間ｔに応じて電子膨張弁３の開度を制御する周期Ｔを定めることで冷媒状態の安定したタイミングでのフィードバック制御が行われることとなり、冷媒吐出温度のハンチングや、冷媒圧力や圧縮機駆動電流の異常上昇等の異常状態に至ることを回避することができる。

１ 圧縮機
２ 給湯熱交換器
３ 電子膨張弁
４ 蒸発器

Claims (2)

1. 圧縮機、給湯熱交換器、電子膨張弁、蒸発器を順次冷媒配管で接続したヒートポンプ回路を備え、前記圧縮機からの冷媒の吐出温度が所定温度になるように前記電子膨張弁の開度を所定の周期でフィードバック制御するようにしたヒートポンプ給湯機において、冷媒がヒートポンプ回路を一周する時間に応じて前記電子膨張弁の開度を制御する周期を変更するようにし、更に前記冷媒がヒートポンプ回路を一周する時間は、前記ヒートポンプ回路に封入されている所定の冷媒封入量と前記ヒートポンプ回路内の冷媒状態から求められる冷媒質量流量とから算出するようにしたことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 前記圧縮機の起動から所定時間の間は予め定められた初期周期で前記電子膨張弁の開度を制御するようにしたことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ給湯機。

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