JP5473668B2

JP5473668B2 - ヒートポンプ式給湯機

Info

Publication number: JP5473668B2
Application number: JP2010035855A
Authority: JP
Inventors: 一平森下
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2030-02-22
Also published as: JP2011169546A

Description

本発明は、沸き上げ運転終了時における水冷媒熱交換器内での水の沸騰を防止するようにしたヒートポンプ式給湯機に関するものである。

従来から、風呂で使用する水の沸き上げや浴槽温水の排熱を回収して給湯タンク内の水の沸き上げを行うようにしたヒートポンプ式給湯機が存在している。このようなヒートポンプ式給湯機は、ヒートポンプを構成している各要素機器を制御し、沸き上げ運転を実行している。

各要素機器の制御に関する技術として、「冷媒の吸入圧力よりも高圧の潤滑油を溜める貯油室を有する圧縮機、凝縮器、減圧手段、および蒸発器を備え、前記圧縮機、前記凝縮器、前記減圧手段、および前記蒸発器に冷媒を循環する冷媒循環装置に用いられ、前記圧縮機を停止する停止指令を検出する停止指令検出手段と、前記停止指令検出手段により停止指令を検出すると、前記圧縮機より吐出される高圧側の冷媒圧力と、前記圧縮機に吸入される低圧側の冷媒圧力との差圧を縮小する差圧縮小手段と、前記差圧縮小手段により前記差圧を小さくした後に前記圧縮機を停止する停止手段と、を備えている圧縮機装置」が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

また、「内部に摺動部の荷重を支持する滑り軸受けを有しサイクル内の冷媒を吸入して高圧の冷媒に圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された高圧の冷媒を放冷する高圧側熱交換器と、減圧された低圧の冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器と、前記サイクル内の冷媒通路の開度を調整する減圧手段とを備え、低温側の熱を高温側に移動させるヒートポンプユニットによって給湯用水を加熱する給湯装置であって、前記ヒートポンプユニットによる給湯用水の加熱運転を起動するときには、前記減圧手段を制御して冷媒通路の開度を所定開度以上に開いた後、前記圧縮機を起動する給湯装置」が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

さらに、「冷媒を吸入圧縮する圧縮機と、当該圧縮機から吐出する前記冷媒から放熱して被加熱流体を加熱する放熱用熱交換器と、当該放熱用熱交換器から流出する前記冷媒を減圧する減圧手段と、当該減圧手段から流出する前記冷媒を蒸発させて前記冷媒に熱を吸収させると共に、前記圧縮機の吸入側に向けて前記冷媒を流出する吸熱用熱交換器とを有し、冷媒配管によって前記圧縮機、前記放熱用熱交換器、前記減圧手段、前記吸熱用熱交換器が環状に接続されて構成されるヒートポンプサイクルと、前記圧縮機を停止させる際に、通常作動時における回転数よりも低い所定回転数（Ｎｓ）に向けて、回転数変化が１０００ｒｐｍ／秒以下の速度で徐々に前記回転数を前記所定回転数（Ｎｓ）まで下げたのち、前記圧縮機への印加電流を遮断する制御手段とを備えるヒートポンプ装置」が提案されている（たとえば、特許文献３参照）。

またさらに、「冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒と湯水との熱交換を行う給湯用熱交換器と、冷媒を減圧する減圧装置と、冷媒が空気から熱を吸熱する蒸発器と、給湯用の湯水を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽の湯水を前記給湯用熱交換器に送る送水手段と、前記圧縮機の周波数および前記減圧装置を制御する制御手段とを備え、前記圧縮機の運転停止時に、前記減圧装置の弁開度を予め設定された開度に一定時間保持した後、前記減圧装置の弁開度を全開に変更するヒートポンプ式給湯機」が提案されている（たとえば、特許文献４参照）。

特開２００７−３２２０２２号公報（第７−１２頁、図１等）特開２００８−２７５２９１号公報（第４頁、図３等）特開２００９−１６８２５４号公報（第６頁、図２等）特開２００８−１９０８４０号公報（第４、５頁、図３等）

沸き上げ終了時における圧縮機吐出口から沸き上げ用熱交換器入口までの冷媒温度は、最大１２０℃近くになる。このような状態において、熱交換器の流水を停止した場合、熱交換器内の水の温度は１００℃まで上昇する。熱交換器内における水が沸騰することにより、熱交換器内に溶存している酸素による気泡が発生する。熱交換器内において気泡が発生すると、次回の沸き上げ運転開始時、気泡によるエアかみが生じることがある。こうなると、熱交換器に水を循環させることができず、冷媒の吐出温度、冷媒の吐出圧力が異常に上昇し、正常な沸き上げ運転ができなくなってしまう。

上記の従来技術における沸き上げ停止制御においては、沸き上げ運転終了後の冷媒回路の残熱により、熱交換器内の水が沸騰し、水回路内に気泡が発生することに対しての対策が施されていなかった。したがって、従来技術では、水回路内で発生した気泡が、次回沸き上げ時のエアかみを招き、ヒートポンプを構成している要素機器（特に圧縮機）のトラブルを誘発する要因となっていた。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、沸き上げ運転終了時における熱交換器（沸き上げ用熱交換器）の温度を低下させる制御を実行するようにしたヒートポンプ式給湯機を提供することを目的とするものである。

本発明に係るヒートポンプ式給湯機は、圧縮機、沸き上げ用熱交換器の冷媒側、膨張弁、及び、空気熱交換器を配管接続して形成したヒートポンプサイクルと、送水ポンプ、沸き上げ用熱交換器の水側、及び、貯湯タンクを配管接続して形成した水回路と、を有し、前記沸き上げ用熱交換器を介して前記水回路を流れる水を沸き上げる沸き上げ運転を実行可能なヒートポンプ式給湯機であって、前記沸き上げ運転終了後、所定の時間が経過するまで、少なくとも前記圧縮機、前記膨張弁及び前記送水ポンプを制御して前記沸き上げ用熱交換器の冷却運転を行うものであり、前記沸き上げ用熱交換器の冷却運転は、前記圧縮機の駆動周波数を前記沸き上げ運転時の駆動周波数よりも低下させ、前記膨張弁の開度を前記沸き上げ運転時の開度よりも大きくし、前記送水ポンプの回転数を前記沸き上げ運転時の回転数よりも増加させて実行し、前記圧縮機は、前記沸き上げ用熱交換器の冷却運転を開始してから所定時間経過後に停止され、前記送水ポンプは、前記沸き上げ用熱交換器の冷却運転を開始してから所定時間経過後に前記圧縮機が停止された後に停止されることを特徴とする。

本発明に係るヒートポンプ式給湯機によれば、沸き上げ運転終了時に沸き上げ用熱交換器の冷却運転を実行するので、沸き上げ用熱交換器内における水の沸騰を効果的に抑制することができる。したがって、信頼性の高いヒートポンプ式給湯機を提供することが可能になる。

本発明の実施の形態に係るヒートポンプ式給湯機の回路構成を示す概略回路構成図である。本発明の実施の形態に係るヒートポンプ式給湯機の制御処理のタイミングを示すタイミングチャートである。本発明の実施の形態に係るヒートポンプ式給湯機の制御処理の流れを示すフローチャートである。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るヒートポンプ式給湯機１００の回路構成を示す概略回路構成図である。図２は、ヒートポンプ式給湯機１００の制御処理のタイミングを示すタイミングチャートである。図１及び図２に基づいて、ヒートポンプ式給湯機１００の構成及び動作について説明する。このヒートポンプ式給湯機１００は、冷媒を循環させるヒートポンプサイクル（冷凍サイクル）を利用して、水回路を導通する水を湯に沸き上げるものである。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

図１に示すように、ヒートポンプ式給湯機１００は、圧縮機１と、沸き上げ用熱交換器２と、膨張弁３と、空気熱交換器４と、送風ファン５と、貯湯タンク６と、送水ポンプ７と、を有している。このうち、圧縮機１、沸き上げ用熱交換器２の冷媒側、膨張弁３、及び、空気熱交換器４を直列に配管接続して、ヒートポンプサイクルを形成している。また、送水ポンプ７、沸き上げ用熱交換器２の水側、及び、貯湯タンク６を直列に配管接続して、水回路を形成している。

圧縮機１は、ヒートポンプサイクルを循環する冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にするものであり、たとえば容量制御可能なインバータ圧縮機などで構成するとよい。沸き上げ用熱交換器２は、圧縮機１から吐出された高温・高圧の冷媒と、水回路を流れる水との間で熱交換を行ない、その水の温度を上昇させるものである。膨張弁３は、沸き上げ用熱交換器２で水に放熱した冷媒を減圧して膨張させるものであり、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁（ＬＥＶ）等で構成するとよい。空気熱交換器４は、蒸発器として機能し、送風ファン５から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行ない、冷媒を蒸発ガス化するものである。送風ファン５は、空気熱交換器４の近傍に設置され、空気熱交換器４に外気を供給するものである。

貯湯タンク６は、給水配管１５から供給される水や沸き上げ用熱交換器２により加熱された湯を貯留するものである。送水ポンプ７は、貯湯タンク６に貯留されている水を貯湯タンク６の底部又は下部より吸引し、沸き上げ用熱交換器２に供給し、貯湯タンク６の上部に戻すものである。なお、給水配管１５は、貯湯タンク６の下部に接続されており、水を貯湯タンク６に供給している。この給水配管１５は、貯湯タンク６の上流側で分岐され、給湯配管１６と三方弁１２を介して接続している。また、貯湯タンク６の上部には、給湯配管１６が接続されており、貯湯タンク６に貯留されている温水を浴槽や蛇口を介して供給するようになっている。

また、ヒートポンプ式給湯機１００には、温度センサー９、温度センサー１０、温度センサー１１、及び、制御装置８が設けられている。温度センサー９は、沸き上げ用熱交換器２から流出した水の温度を検出するものであり、たとえばサーミスター等で構成するとよい。温度センサー１０は、圧縮機１から吐出した冷媒の温度を検出するものであり、たとえばサーミスター等で構成するとよい。温度センサー１１は、貯湯タンク６内に貯留されている水の温度を検出するものであり、たとえばサーミスター等で構成するとよい。これらの温度センサーで検出された温度情報は、制御装置８に送られるようになっている。

制御装置８は、マイコン等で構成され、ヒートポンプ式給湯機１００の動作を統括制御するものであり、温度センサーから温度情報及び図示省略のリモコンからの指示に基づいて、圧縮機１の駆動周波数、送風ファン５の回転数、膨張弁３の開度、送水ポンプ７の駆動周波数を制御するようになっている。なお、制御装置８は、複数台の制御装置を連携するように構成してもよく、１台で構成してもよい。

ヒートポンプ式給湯機１００の動作について説明する。なお、図１においては、黒塗り矢印で冷媒の流れを、白抜き矢印で水の流れを、それぞれ表している。
圧縮機１から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、沸き上げ用熱交換器２に流入する。沸き上げ用熱交換器２に流入した冷媒は、水回路を循環する水と熱交換する。つまり、沸き上げ用熱交換器２に流入した冷媒は、送水ポンプ７によって貯湯タンク６から吸引され、沸き上げ用熱交換器２の水側流路に流入した水と熱交換し、この水へ放熱しながら温度低下する。つまり、沸き上げ用熱交換器２は、循環する冷媒によって凝縮器として機能したり、放熱器として機能したりする。

ヒートポンプ式給湯機１００に使用する冷媒を特に限定するものではない。使用できる冷媒としては、たとえばＲ−２２、Ｒ−１３４ａ等の単一冷媒、Ｒ−４１０Ａ、Ｒ−４０４Ａ等の擬似共沸混合冷媒、Ｒ−４０７Ｃ等の非共沸混合冷媒、化学式内に二重結合を含む、ＣＦ₃ＣＦ＝ＣＨ₂等の地球温暖化係数が比較的小さい値とされている冷媒やその混合物、あるいは二酸化炭素（ＣＯ₂）やプロパン等の自然冷媒を用いることができる。二酸化炭素のように高圧側冷媒圧力が臨界圧以上となる冷媒を使用すれば、沸き上げ用熱交換器２では、冷媒が超臨界状態のまま気液相転移しないで温度低下して放熱する。また、ＨＣ冷媒もしくはＨＦＣ冷媒のように高圧側冷媒圧力が臨界圧以下となる冷媒を使用すれば、沸き上げ用熱交換器２では、冷媒が液化しながら放熱する。

水回路を循環する水は、沸き上げ用熱交換器２において冷媒から放熱された熱で、高温に沸き上げられ、送水ポンプ７によって貯湯タンク６の上部に戻り、貯湯タンク６に蓄えられていく。このようにして、貯湯タンク６内の水を沸き上げていく。沸き上げ運転の制御は、制御装置８によって行われる。制御装置８は、貯湯タンク６に蓄えられた水の温度が一定以上（たとえば、５０℃〜７５℃）になったり、深夜時間帯の終了等の所定時間が経過したりすると、沸き上げ運転終了と判断し、各アクチュエーター（制御装置８によって駆動が制御される要素機器、たとえば圧縮機１、膨張弁３、送水ポンプ７、送風ファン５等）に沸き上げ運転終了指示を出す。

沸き上げ用熱交換器２から流出した低温・高圧の冷媒は、膨張弁３に流入する。膨張弁３に流入した冷媒は、この膨張弁３を通過する際に減圧され、低圧の状態になる。膨張弁３から流出した低温・低圧の冷媒は、空気熱交換器４に流入する。空気熱交換器４に流入した冷媒は、送風ファン５により送風された空気と熱交換し、空気から吸熱して、蒸発ガス化される。空気熱交換器４で蒸発し、低圧となったガス冷媒は、空気熱交換器４から流出し、圧縮機１に再度吸入される。このようにして、ヒートポンプ式給湯機１００では、沸き上げ運転を実行するようになっている。

従来から存在している一般的なヒートポンプ式給湯機においては、制御装置から沸き上げ運転終了の指示が出されると、各アクチュエーターが停止し、待機状態に移行するようになっている。これに対し、本実施の形態に係るヒートポンプ式給湯機１００においては、制御装置８から沸き上げ運転終了の指示が出されると、圧縮機１、膨張弁３及び送水ポンプ７が図２に示すように制御され、沸き上げ用熱交換器２の冷却動作を実行するようにしている。なお、圧縮機１及び膨張弁３は温度センサー１０からの検出温度に基づいて制御され、送水ポンプ７は温度センサー９からの検出温度に基づいて制御される。

具体的には、制御装置８は、沸き上げ運転終了と判断すると、沸き上げ運転終了指示を出し、圧縮機１の駆動周波数をダウン（沸き上げ運転時の回転数よりも所定の回転数に低下（たとえば予め設定されたミニマム回転数））し、膨張弁３をオープン（沸き上げ運転時の開度よりも予め設定された所定の開度にアップ）し、送水ポンプ７を所定の回転数で駆動（沸き上げ運転時の回転数よりも予め設定された所定の回転数に増加）する。所定時間経過後、制御装置８は、圧縮機１を停止し、膨張弁３を待機開度（たとえば沸き上げ運転終了後に制御された開度）にし、送水ポンプ７を一定時間遅延させて駆動させた後に停止する。

図３は、ヒートポンプ式給湯機１００の制御処理の流れを示すフローチャートである。図３に基づいて、図２で説明した制御装置８の制御動作について更に詳細に説明する。
通常沸き上げ運転が終了すると、制御装置８は、沸き上げ運転終了指示を出す（ステップＳ１０１）。そして、制御装置８は、沸き上げ用熱交換器２の冷房制御を開始する（ステップＳ１０２）。具体的には、制御装置８は、図２で説明したように、圧縮機１の回転数を低下させ、膨張弁３をオープンし、送水ポンプ７を所定の回転数で駆動させる。

制御装置８は、予め設定されている所定時間が経過するまで沸き上げ用熱交換器２の冷却制御動作を実行する（ステップＳ１０３）。制御装置８は、所定時間の経過を条件に（ステップＳ１０３；Ｙｅｓ）、圧縮機１を停止させ、膨張弁３を待機開度にする（ステップＳ１０４）。制御装置８は、送水ポンプ７を一定時間遅延させて駆動させる（ステップＳ１０５）。制御装置８は、送水ポンプ７の動作を一定時間遅延させると（ステップＳ１０６；Ｙｅｓ）、送水ポンプ７を停止させる（ステップＳ１０７）。なお、沸き上げ用熱交換器２の冷却運転の終了条件を一定時間経過にしたのは、低温の湯が貯湯タンク６に貯まるのを最小限にするためである。

以上のように、ヒートポンプ式給湯機１００では、圧縮機１を低回転で運転し、膨張弁３を開き、送水ポンプ７を運転することにより沸き上げ用熱交換器２の冷却運転を実行しているので、この間、低温度（９０℃以下）の沸き上げ運転が実行でき、沸き上げ用熱交換器２の温度を徐々に低下させることができるようになっている。なお、沸き上げ用熱交換器２の冷却運転中における圧縮機１の回転数及び膨張弁３の開度は、温度センサー１０で検知される温度情報に基づいて決定される。また、沸き上げ用熱交換器２の冷却運転中における送水ポンプ７の回転数は、温度センサー９で検知される温度情報に基づいて決定される。

したがって、ヒートポンプ式給湯機１００においては、沸き上げ運転終了時に沸き上げ用熱交換器２の温度を低下させることで、沸き上げ用熱交換器２内の水の沸騰を防ぎ、それに伴う、溶存酸素による気泡の発生を防ぐことが可能になる。また、ヒートポンプ式給湯機１００においては、溶存酸素による気泡の発生を防ぐによって、次回沸き上げ運転時における水回路のエアかみ等の水の循環不良を抑制することができる。さらに、ヒートポンプ式給湯機１００においては、水の循環不良抑制に伴い、冷媒回路の圧力、温度の異常上昇を防ぐこともできる。よって、ヒートポンプ式給湯機１００は、信頼性の高いものとなる。

１圧縮機、２沸き上げ用熱交換器、３膨張弁、４空気熱交換器、５送風ファン、６貯湯タンク、７送水ポンプ、８制御装置、９温度センサー、１０温度センサー、１１温度センサー、１２三方弁、１５給水配管、１６給湯配管、１００ヒートポンプ式給湯機。

Claims

圧縮機、沸き上げ用熱交換器の冷媒側、膨張弁、及び、空気熱交換器を配管接続して形成したヒートポンプサイクルと、
送水ポンプ、沸き上げ用熱交換器の水側、及び、貯湯タンクを配管接続して形成した水回路と、を有し、
前記沸き上げ用熱交換器を介して前記水回路を流れる水を沸き上げる沸き上げ運転を実行可能なヒートポンプ式給湯機であって、
前記沸き上げ運転終了後、所定の時間が経過するまで、少なくとも前記圧縮機、前記膨張弁及び前記送水ポンプを制御して前記沸き上げ用熱交換器の冷却運転を行うものであり、
前記沸き上げ用熱交換器の冷却運転は、
前記圧縮機の駆動周波数を前記沸き上げ運転時の駆動周波数よりも低下させ、
前記膨張弁の開度を前記沸き上げ運転時の開度よりも大きくし、
前記送水ポンプの回転数を前記沸き上げ運転時の回転数よりも増加させて実行し、
前記圧縮機は、
前記沸き上げ用熱交換器の冷却運転を開始してから所定時間経過後に停止され、
前記送水ポンプは、
前記沸き上げ用熱交換器の冷却運転を開始してから所定時間経過後に前記圧縮機が停止された後に停止される
ことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
前記沸き上げ用熱交換器の冷却運転時における前記圧縮機の駆動周波数は、
前記圧縮機からの吐出冷媒温度に基づいて決定される
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。
前記沸き上げ用熱交換器の冷却運転時における前記膨張弁の開度は、
前記圧縮機からの吐出冷媒温度に基づいて決定される
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。
前記沸き上げ用熱交換器の冷却運転時における前記送水ポンプの回転数は、
前記沸き上げ用熱交換器で沸き上げた水の温度に基づいて決定される
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。
前記膨張弁は、
前記沸き上げ用熱交換器の冷却運転を開始してから所定時間経過後に待機開度に設定される
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒートポンプ式給湯機。