JP5708249B2

JP5708249B2 - ヒートポンプ給湯装置

Info

Publication number: JP5708249B2
Application number: JP2011118622A
Authority: JP
Inventors: 片山　真吾; 真吾片山
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2031-05-27
Also published as: JP2012247116A

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯装置に関し、特に除霜運転の開始タイミングの適正化を図ることにより、湯水を加熱するための通常運転時間の増大化及びそれに伴う効率化を図り得る技術に係る。

従来、圧縮機、凝縮熱交換器、減圧手段及び蒸発熱交換器を冷媒循環配管で順に接続した冷媒循環回路と、給水ポンプにより前記凝縮熱交換器に給水した水を前記圧縮機により圧縮された高圧冷媒で目標沸き上げ温度まで熱交換加熱して給湯に利用する給湯回路とを備えたヒートポンプ給湯装置が知られている。かかるヒートポンプ給湯装置では、通常、外気温が低い時期には蒸発熱交換器に着霜してしまい、熱交換し得なくなるため、蒸発熱交換器に着いた霜を溶かすための除霜運転を行う必要がある。このような除霜運転は、通常は、外気温や蒸発熱交換器の温度が一定条件を満たすことにより開始されることになる（例えば特許文献１参照）。例えば、外気温が一定温度以下の低温状態にあり、かつ、蒸発熱交換器の温度が着霜状態の発生を示すような所定温度以下に下がったこと等の着霜運転開始条件が成立すれば開始されることになる。

特許第３７３７３５７号公報

しかしながら、従来の除霜運転開始条件の成立により除霜運転を実行させると、凝縮熱交換器においてまだ十分に給水を目標沸き上げ温度にまで熱交換加熱し得る状況にあったとしても、除霜運転の開始によって給水に対する沸き上げが不能となってしまい、効率の低下を招くことにもなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、除霜運転開始タイミングの適正化を図ることで、水を沸き上げる通常運転時間のより増大化を図って効率化を図り得るヒートポンプ給湯装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、圧縮機と、凝縮熱交換器と、減圧手段と、蒸発熱交換器とを冷媒循環配管で順に接続した冷媒循環回路と、給水ポンプにより前記凝縮熱交換器に入水させた水を前記圧縮機から吐出された冷媒で熱交換加熱して出湯させる給湯回路とを備えたヒートポンプ給湯装置を対象にして次の特定事項を備えることとした。すなわち、前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、前記蒸発熱交換器での冷媒の温度を検出する蒸発熱交換器温度検出手段と、前記凝縮熱交換器において冷媒との熱交換加熱により水を目標沸き上げ温度まで加熱するように制御する通常運転制御手段と、前記蒸発熱交換器を対象にして除霜運転制御を実行する除霜運転制御手段とを備えることとする。そして、前記除霜運転制御手段として、前記吐出温度検出手段により検出される吐出温度から前記目標沸き上げ温度を減じた差温が設定差温以下であること、前記吐出温度検出手段により検出される吐出温度の温度変化が低下傾向にあること、かつ、前記蒸発熱交換器温度検出手段により検出される蒸発熱交換器温度が設定温度以下まで低下していること、の除霜運転開始条件の成立によって、通常運転制御手段による通常運転制御から切り換えて除霜運転制御を開始する構成とした（請求項１）。

本発明の場合、蒸発熱交換器に着霜しだすと、圧縮機からの吐出温度は徐々に低下し、給水ポンプの循環流量を下げても目標沸き上げ温度までの熱交換加熱を確保することが困難となるため、目標沸き上げ温度に比して吐出温度との相対温度差が設定差温以下になれば、通常運転による熱交換加熱はもはや得られないものとして、除霜運転を開始させることを基本としつつも、検出吐出温度の変化傾向が低下傾向であること、及び、検出される蒸発熱交換器温度が設定温度以下であることを加重条件とすることで、単に相対温度差のみで判定した場合に、通常運転の開始段階等において設定差温以下の状態が発生するおそれや、現実には着霜していない状態でも条件成立のおそれを排除し得ることになる。以上より、除霜運転開始タイミングの適正化を図ることが可能となり、着霜時期であっても通常運転制御により目標沸き上げ温度までの熱交換加熱を維持し得る通常運転の実行時間をより増大させ得る一方、除霜運転の実行頻度がより少なくなり、ヒートポンプ給湯装置の運転の効率化を図ることが可能となる。

以上、説明したように、本発明のヒートポンプ給湯装置によれば、圧縮機からの冷媒の吐出温度が低下して目標沸き上げ温度との相対温度差が設定差温以下になって目標沸き上げ温度への熱交換加熱を担保できないというような条件成立により除霜運転を開始させることを基本としつつも、検出吐出温度の変化傾向が低下傾向であること、及び、検出される蒸発熱交換器温度が設定温度以下であることを加重条件とすることで、単に相対温度差のみで判定した場合に、通常運転の開始段階等において設定差温以下の状態が発生するおそれや、現実には着霜していない状態でも条件成立のおそれを排除することができるようになる。このため、除霜運転開始タイミングの適正化を図ることができ、着霜時期であっても通常運転制御で目標沸き上げ温度までの熱交換加熱を維持し得る通常運転の実行時間をより増大させることができる一方、除霜運転の実行頻度をより少なくすることができる。これにより、ヒートポンプ給湯装置の運転の効率化を図ることができるようになる。

本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯装置の模式図である。図１のヒートポンプ給湯装置における制御ブロック図である。図２の除霜運転の開始判定及び除霜運転制御に係る制御フローチャートである。ある外気温・入水温度・目標沸き上げ温度の組み合わせ条件下で本実施形態の除霜運転の開始判定及び除霜運転制御を適用した場合の吐出温度，沸き上げ温度及び蒸発熱交換器出口温度の変化と、除霜運転切換とについて試験した結果の一例を示す関係図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯装置を示す。このヒートポンプ給湯装置は、冷媒循環回路１と給湯回路２とを組み合わせたものであり、冷凍サイクルを利用して給湯回路２の水を熱交換加熱し得るようになっている。冷媒循環回路１は圧縮機１１と、凝縮熱交換器（凝縮器）１２と、減圧手段としての膨張弁１３と、蒸発熱交換器（蒸発器）１４とを冷媒循環配管１５で順に接続したものである。冷媒循環回路１に循環させる冷媒としては、プロパン等のＨＣ系冷媒や、ＣＯ２などの適宜のものを採用することができる。又、給湯回路２は、貯湯タンク２１と、貯湯タンク２１内に貯留された湯水を前記凝縮熱交換器との間で循環させる水循環配管２２と、貯湯タンク２１の底部から水を前記凝縮熱交換器１２へ圧送し、加熱後に凝縮熱交換器１２から貯湯タンク２１の頂部へと導く給水ポンプ２３とを備えて構成されている。そして、これら冷媒循環回路１と給湯回路２とがコントローラ３により作動制御されて、凝縮熱交換器１２において水が目標沸き上げ温度に加熱されて貯湯タンク２１に貯湯されるようになっている。目標沸き上げ温度はリモコン３１に直接に入力設定されるか、あるいは、リモコン３１に入力された設定出湯温度に基づいて設定される。

圧縮機１１は電動モータにより作動され、その回転数を作動制御量としてコントローラ３により作動制御されるようになっている。回転数は、コントローラ３から与える運転周波数を変更することで変更制御される。より高圧に圧縮するには回転数を上げ、より低圧にするには回転数を下げることになる。この圧縮機１１で圧縮されることで高温気相状態の冷媒が圧縮機１１から冷媒循環配管１５に吐出され、その吐出温度が吐出温度センサ１６により検出されて検出吐出温度がコントローラ３に出力されることになる。

凝縮熱交換器１２は、冷媒循環配管１５の一部が内部に通される一方、逆方向から水循環配管２２の一部が内部に通されて、両者間で熱交換するようになっている。すなわち、冷媒循環配管１５に圧縮機１１から吐出された高温気相状態の冷媒と、給水ポンプ２３により貯湯タンク２１の底部から供給された水とが熱交換され、水が熱交換加熱により湯となり、その熱交換により熱が奪われた冷媒は凝縮して液相に相変化する。

膨張弁１３は凝縮熱交換器１２で液相状態になった冷媒を減圧するものである。この膨張弁１３は、その開度を作動制御量としてコントローラ３により作動制御される。

蒸発熱交換器１４は、その回転作動により外気を送風するファン１４ａを備え、この外気と、膨張弁１３により減圧された冷媒とを熱交換させることで、冷媒を蒸発させて気相状態に変換するようになっている。この蒸発熱交換器１４を出た直後の冷媒温度が蒸発熱交換器温度として蒸発熱交換器出口温度センサ１７により検出され、検出された蒸発熱交換器出口温度がコントローラ３に出力されることになる。この蒸発熱交換器出口温度センサ１７が蒸発熱交換器温度検出手段を構成する。そして、蒸発熱交換器１４での熱交換器により気相状態になった冷媒が再び前記の圧縮機１１において圧縮されて高温気相状態になる。

又、前記の圧縮機１１から吐出されて凝縮熱交換器１２に入る前の冷媒を、凝縮熱交換器１２及び膨張弁１３をバイパスさせて蒸発熱交換器１４に対し直接に供給するバイパス路１８が配設されている。バイパス路１８にはバイパス弁１９が介装され、このバイパス弁１９は通常運転時には閉状態にされる一方、後述の除霜運転時には開変換制御することで、圧縮機１１から吐出された冷媒を直接に蒸発熱交換器１４に供給し得るようになっている。

一方、給湯回路２では、給水ポンプ２３の作動により貯湯タンク２１内の水が凝縮熱交換器１２に圧送される際に、凝縮熱交換器１２の入口前で入水温度センサ２４により熱交換加熱前の入水温度が検出され、この検出入水温度がコントローラ３に出力されるようになっている。又、凝縮熱交換器１２を通過することで熱交換加熱されて出湯した際に、凝縮熱交換器１２の出口側で出湯温度センサ２５により沸き上げ温度が検出され、この検出沸き上げ温度がコントローラ３に出力されるようになっている。併せて、外気温が外気温センサ２６により検出されて、コントローラ３に出力されるようになっている。凝縮熱交換器１２で加熱された湯は貯湯タンク２１の頂部側に戻されて貯留され、以後の給湯に利用されることになる。給湯により貯湯タンク２１内の湯水量が減れば、その分だけ給水されるようになっている。

以上のヒートポンプ給湯装置の作動制御は、ＭＰＵやメモリ等を備えたコントローラ３により実行されるようになっている。コントローラ３は、図２に示すように、目標沸き上げ温度を目標温度として凝縮熱交換器１２により給湯回路２側の水を加熱するように制御する通常運転制御手段３２と、除霜運転開始条件の成立により蒸発熱交換器１４を対象にして着霜を溶かすように制御する除霜運転制御手段３３とを備えている。

通常運転制御手段３２は、例えば、現在の運転時点での外気温センサ２６による検出外気温、入水温度センサ２４による検出入水温度、吐出温度センサ１６による検出吐出温度や、目標沸き上げ温度等に基づいて、出湯温度センサ２５による検出沸き上げ温度が目標沸き上げ温度になるように圧縮機１１の回転数を変更制御したり、膨張弁１３の開度を変更制御したり、あるいは、給水ポンプ２３の循環流量を変更制御したり、するようになっている。

除霜運転制御手段３３は、除霜運転開始条件が成立するか否かを監視し、除霜運転開始条件が成立すれば除霜運転制御を開始し、通常運転への復帰条件が成立すれば、通常運転制御手段３２による通常運転制御に復帰させるための復帰制御を実行するようになっている。以下、図３のフローチャートを参照しつつ、除霜運転制御手段３３による除霜運転制御等について説明する。

まず、ステップＳ１〜Ｓ３により除霜運転開始条件が成立するか否かの判定を行う。すなわち、検出吐出温度から目標沸き上げ温度を減じた差温が設定差温α（例えばα＝６℃）以下であること（ステップＳ１でＹＥＳ）、そのときの検出吐出温度の変化傾向が低下傾向（温度変化が下り勾配）であること（ステップＳ２でＹＥＳ）、そして、検出される蒸発熱交換器出口温度が設定温度β（例えば−６℃〜−７℃）以下であること（ステップＳ３でＹＥＳ）の３条件が全て満足することで、除霜運転開始条件の成立と判定する。１つでも満足しなければ（ステップＳ１〜Ｓ３のいずれかでＮＯ）、除霜運転開始条件は不成立と判定して、条件成立か否かの判定を繰り返す。

第１条件である、検出吐出温度から目標沸き上げ温度を減じた差温が設定差温α以下であることを条件にした理由は次の通りである。すなわち、通常は吐出温度が低下してきても、給水ポンプ２３による循環流量を小流量側に変更制御することで、目標沸き上げ温度までの熱交換加熱を実現させるようにしているものの、蒸発熱交換器１４に着霜しだすと、圧縮機１１からの吐出温度は徐々に低下し、前記の循環流量を下げても目標沸き上げ温度までの熱交換加熱を確保することが困難となる。このため、目標沸き上げ温度に比して吐出温度との相対温度差が一定限度（設定差温α）より小さくなれば、通常運転による熱交換加熱はもはや得られないとして、除霜運転を開始させることとした。しかしながら、単に相対温度差のみで判定すると、通常運転の開始段階等においては設定差温α以下になっている場合も考えられる上に、現実には着霜していない状態でも条件成立のおそれが考えられる。これを排除するために、検出吐出温度の変化傾向が低下傾向（温度変化が下り勾配）であること（第２条件）、及び、検出される蒸発熱交換器出口温度が設定温度β以下であること（第３条件）を条件として加重したものである。

前記の除霜運転開始条件（ステップＳ１〜Ｓ３が全てＹＥＳ）が成立すれば、除霜運転制御を開始する（ステップＳ４）。除霜運転制御としては、例えばバイパス弁１９を開変換制御して圧縮機１１から吐出される圧縮後の冷媒を直接に蒸発熱交換器１４に導入し、蒸発熱交換器１４の着霜を溶かすようにする。あるいは、バイパス弁１９を開変換制御する代わりに膨張弁１３の開度をより大きく開くようにすることで除霜運転制御を行うようにしてもよい。

そして、除霜運転の開始後は蒸発熱交換器出口温度の変化を監視し、検出される蒸発熱交換器出口温度が所定の復帰判定温度（例えば８℃〜１０℃）まで上昇し、その状態が一定時間継続することという復帰条件が成立すれば（ステップＳ５でＹＥＳ）、前記の除霜運転制御を終了して通常運転への復帰制御を開始する（ステップＳ６）。この復帰制御としては、除霜運転制御の開始直前の運転状態にそのまま復帰させるのではなくて、より早期に通常運転に復帰させるために、特に給水ポンプ２３による作動循環流量を除霜運転制御の開始直前の循環流量値よりも小さい循環流量値で通常運転を開始させるようにする。すなわち、凝縮熱交換器１２への水の供給を除霜運転制御の開始直前の運転状態よりも小流量にすることで、圧縮機１１からの冷媒の吐出温度の上昇をより早め、冷媒の吐出温度を早期に上昇させた段階で循環流量を元の通常運転状態のそれまで上げるようにする。これにより、除霜運転開始前の通常運転時の循環流量にいきなり復帰させると、沸き上げ温度が目標沸き上げ温度までに到達せず、沸き上げ温度の上昇に時間を要するところ、前記の如くより小さい循環流量で復帰させることで、早期に沸き上げ温度を上昇させて目標沸き上げ温度に熱交換加熱し得る状態に早期に復帰させることができるようになる。

図４は、ある外気温・入水温度のときに９０℃の目標沸き上げ温度に設定し、本実施形態による除霜運転制御（設定差温α＝６℃、設定温度β＝−７℃、復帰判定温度＝８℃）を適用した場合の、吐出温度，沸き上げ温度及び蒸発熱交換器出口温度の各検出値の変化と、通常運転・除霜運転の切換とについて試験した結果を示す関係図である。これによれば、通常運転時間５３分に対し除霜運転時間５分という割合で運転切換が繰り返される結果となり、除霜運転の頻度がより少なくなって通常運転の時間がより長く確保することができている。

以上の除霜運転制御によれば、除霜運転開始タイミングの適正化を図ることができ、着霜時期であっても通常運転制御により目標沸き上げ温度までの熱交換加熱を維持し得る通常運転の実行時間をより増大させることができる一方、除霜運転の実行頻度がより少なくなり、ヒートポンプ給湯装置の運転の効率化を図ることができるようになる。

１冷媒循環回路
２給湯回路
１１圧縮機
１２凝縮熱交換器
１３膨張弁（減圧手段）
１４蒸発熱交換器
１５冷媒循環配管
１６吐出温度センサ（吐出温度検出手段）
１７蒸発熱交換器出口温度センサ（蒸発熱交換器温度検出手段）
２３給水ポンプ
３２通常運転制御手段
３３除霜運転制御手段

Claims

圧縮機と、凝縮熱交換器と、減圧手段と、蒸発熱交換器とを冷媒循環配管で順に接続した冷媒循環回路と、給水ポンプにより前記凝縮熱交換器に入水させた水を前記圧縮機から吐出された冷媒で熱交換加熱して出湯させる給湯回路とを備えたヒートポンプ給湯装置において、
前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、
前記蒸発熱交換器での冷媒の温度を検出する蒸発熱交換器温度検出手段と、
前記凝縮熱交換器において冷媒との熱交換加熱により水を目標沸き上げ温度まで加熱するように制御する通常運転制御手段と、
前記蒸発熱交換器を対象にして除霜運転制御を実行する除霜運転制御手段と
を備え、
前記除霜運転制御手段は、前記吐出温度検出手段により検出される吐出温度から前記目標沸き上げ温度を減じた差温が設定差温以下であること、前記吐出温度検出手段により検出される吐出温度の温度変化が低下傾向にあること、かつ、前記蒸発熱交換器温度検出手段により検出される蒸発熱交換器温度が設定温度以下まで低下していること、の除霜運転開始条件の成立によって、通常運転制御手段による通常運転制御から切り換えて除霜運転制御を開始するように構成されている、
ことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。