JP5764029B2 - ヒートポンプ給湯機及び冷凍サイクル - Google Patents
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Description
従来、このようなサイクル状態を実現するために、圧縮機の高圧側冷媒温度、圧縮機の高圧側冷媒圧力、熱交換器の出入口における被加熱流体の温度差等に基づいて、所定の制御部がサイクル制御を行うヒートポンプ給湯機が知られている(例えば、特許文献1参照)。
このようなヒートポンプ給湯機によれば、継続的に高い成績係数を発揮することによって、被加熱流体を加熱するために必要な動力を低減することができる。
また、制御部が圧縮機の高圧側冷媒圧力を制御する際の目標値は、被加熱流体の質量流量が変化することによってその最適範囲が変化するが、ヒートポンプ給湯機の起動初期段階においては、被加熱流体の質量流量が変化し易いために、制御が発散する問題もある。
つまり、起動初期段階において圧縮機の高圧側冷媒圧力及び高圧側冷媒温度を目標値に安定させる時間を短縮することができるヒートポンプ給湯機が望まれていた。
以下では、本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機Sの全体構成について説明した後に、制御部について更に具体的に説明する。
前記ヒートポンプユニット1は、圧縮機3と、水冷媒熱交換器4と、減圧弁5と、蒸発器6と、制御部50と、で主に構成されている。そして、圧縮機3、水冷媒熱交換器4、減圧弁5、及び蒸発器6は、この順番で冷媒が循環するように配管で環状に連結されている。なお、本実施形態での冷媒としては、二酸化炭素が使用されている。そして、ヒートポンプユニット1では、圧縮機3より吐出される冷媒(二酸化炭素)の吐出圧力が臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを使用している。
圧縮機3は、容量制御が可能で、高温貯湯(例えば、90℃)を行う場合は、通常よりも速い回転速度(例えば、3000〜4000回転/分)で運転する。また、通常の貯湯温度(例えば、65℃)で運転する場合は、比較的遅い回転速度(例えば、1000〜2000回転/分)で運転する。また、圧縮機3は、PWM制御、電圧制御(例えばPAM制御)及びこれらの組み合わせ制御により、低速(例えば、1000回転/分)から高速(例えば6000回転/分)まで回転速度の制御が行えるようになっている。
圧縮機3と次に説明する水冷媒熱交換器4とを接続する配管には、圧縮機3寄りに、圧縮機3の高圧側冷媒温度(圧縮機吐出温度)を検出する温度センサ9が設けられると共に、高圧側冷媒圧力(圧縮機吐出圧力)を検出する圧力センサ8が設けられている。
なお、水冷媒熱交換器4は、特許請求の範囲にいう「熱交換器」に相当する。また、水伝熱管2bを流通する水は、特許請求の範囲にいう「被加熱流体」に相当するが、本発明での「被加熱流体」は、冷媒と所定の熱交換器で熱交換して加熱されると共に、水を加熱する二次熱媒体であってもよい。
ちなみに、減圧弁5は、蒸発器6に着霜した場合に、絞り開度を全開にしてデフロストを行うようにも働く。
符号10は、蒸発器6の下流側で冷媒の温度を検出する温度センサである。制御部50は、この温度センサ10の検出する温度に基づいて蒸発器6でのデフロストを行うか否かを判定し、デフロストを行う場合には減圧弁5を全開にする。符号14は、外気温度を検出する温度センサであり、本実施形態での温度センサ14は、送風機7の近傍に設けられている。なお、制御部50は、後記するように、この温度センサ14の検出する温度を参照要素の一つとして、圧縮機吐出圧力の第1目標値及び第2目標値を算出することとなる。
送出配管36の水冷媒熱交換器4寄りには、水冷媒熱交換器4の水出口温度(被加熱流体出口温度)を検出する温度センサ12が設けられている。
そして、供給配管35の水冷媒熱交換器4寄りには、水冷媒熱交換器4の水入口温度を検出する温度センサ11が設けられている。
貯湯ユニット2は、水(被加熱流体)を貯蔵するタンク16を備えている。
このタンク16は、送出配管36の他端と接続されている。そして、タンク16は、給湯配管38bの一端と接続されている。給湯配管38bの他端には、図示しない給湯口が設けられる。
給水配管38aは、タンク16の上流側から分岐して、給湯配管38bにその先端が合流するように接続される分岐配管38cを備えている。この分岐配管38cは、湯水混合弁17を介して給湯配管38bに接続されている。
ちなみに、湯水混合弁17は、その開口度合いに応じて、給水配管38a及び分岐配管38cを介して給湯配管38bに流れ込む水の量を調節することで、給湯配管38bの他端に設けられる給湯口(図示省略)から出る湯の温度を調節する。
このヒートポンプ給湯機Sでは、タンク16内に所定の温度で所定の湯量を確保するのに先立って、タンク16を満たすように水が供給される。この際、タンク16には、残存する湯に加えられるように、図示しない給水口から給水配管38aを介して水が加えられる。もちろん、タンク16が空の場合には、その全てが水で満たされる。
以下では、タンク16に残存する湯と新たに加えられた水とを一緒にして単に「水」ということがある。
ヒートポンプ給湯機Sは、起動した圧縮機3が吐出するホットガスを水冷媒熱交換器4(凝縮器)の冷媒伝熱管2aに送り込む。冷媒伝熱管2aに送り込まれたホットガスは、水伝熱管2b内の水に熱を放出することで凝縮する。そして、水伝熱管2b内の水はホットガスで加熱される。
送出配管36に流れ込んだ湯は、タンク16に戻って貯蔵される。このようにタンク16と水冷媒熱交換器4との間で水が循環する間に、ヒートポンプ給湯機Sは、タンク16内に所定の温度で所定の湯量を確保する。
ちなみに、前記した第1目標値が圧縮機吐出圧力の最適の目標値であるのに対して、第2目標値は、この最適の目標値よりも高めに設定されることとなる。なお、本実施形態での第2目標値は、8.53MPa〜14.5MPa程度に設定されているが、これに限定されるものではない。
ちなみに、温度センサ9の検出温度(圧縮機吐出温度の実測値)は、特許請求の範囲にいう「圧縮機高圧側温度の実測値」に相当し、圧縮機吐出温度の目標値(ステップS1の吐出温度算出値)は、特許請求の範囲にいう「圧縮機高圧側温度の目標値」に相当する。
ちなみに、この所定の時間としては、例えば、予めシミュレーション試験を行って求めた水冷媒熱交換器4の水出口温度が所定の目標値に達する時間が挙げられる。この時間は、温度センサ14の検出温度(外気温度)、及び温度センサ11の検出温度(水冷媒熱交換器4に送り込まれる水の温度)に対応するように複数設定され、これらは、所定の関数又はマップとして制御部50のメモリに記録されることとなる。
また、第2目標値から第1目標値に代える際の判定条件(解除条件)は、圧縮機吐出温度の目標値と温度センサ9の検出温度(圧縮機吐出温度の実測値)との差が、予め設定した温度差以下となる条件とすることもできる。
そして、圧縮機吐出圧力は、圧縮機吐出温度及び水冷媒熱交換器の水出口温度よりも応答がよく、圧縮機吐出温度及び水冷媒熱交換器の水出口温度がそれぞれの目標値に到達する前に、第2目標値に到達する(図3の時刻t1参照)。
そして、圧縮機吐出圧力は、制御部50によって、第2目標値となるように維持される(図3の時刻t1から時刻t2参照)。
そして、時刻t2において、圧縮機吐出温度及び水冷媒熱交換器4の水出口温度の両方がそれぞれの目標値に到達した際に、図2のステップS5に示す判定条件を満足することとなって、制御部50が、圧縮機吐出圧力を第1目標値に近づけるように減圧弁5の開度を制御する。その結果、圧縮機吐出圧力が第1目標値を維持するようになると共に、目標値を超えていた圧縮機吐出温度は、その目標値に近づいていく。また、水冷媒熱交換器4の水出口温度は、その目標値に維持される。
また、このヒートポンプ給湯機Sによれば、より速やかに圧縮機吐出圧力及び圧縮機吐出温度の目標値、並びに水冷媒熱交換器4の水出口温度の目標値に到達することができるので、減圧弁5の制御、圧縮機3の制御、循環ポンプ13の制御を安定的に行うことができる。
前記実施形態では、制御部50が、圧縮機吐出圧力が第2目標値に近づくように減圧弁5の開度を調整し、その後、圧縮機吐出圧力が第1目標値に近づくように減圧弁5の開度を調整するように構成されているが、本発明は、圧縮機吐出圧力が第1及び第2のそれぞれの目標値に近づくように制御できれば減圧弁5の開度を調節する構成に限定されるものではない。したがって、本発明のヒートポンプ給湯機Sにおいては、圧縮機吐出圧力が第2目標値に近づくように圧縮機3の回転速度が調整された後に、第1目標値に近づくように減圧弁5の開度が調整される構成や、圧縮機吐出圧力が第2目標値に近づくように減圧弁5の開度を調整された後に、第1目標値に近づくように圧縮機3の回転速度が調整される構成、あるいは圧縮機吐出圧力が第2目標値に近づくように圧縮機3の回転速度が調整された後に、第1目標値に近づくように圧縮機3の回転速度が調整される構成とすることもできる。
2 貯湯ユニット
2a 冷媒伝熱管
2b 水伝熱管
3 圧縮機
4 水冷媒熱交換器(熱交換器)
5 減圧弁
6 蒸発器
7 送風機
8 圧力センサ
9 温度センサ
10 温度センサ
11 温度センサ
12 温度センサ
13 循環ポンプ
14 温度センサ
16 タンク
36 送出配管
50 制御部
S ヒートポンプ給湯機
Claims (4)
- 吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出される高温高圧の冷媒と被加熱流体との熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器から流出した冷媒を凝縮する減圧弁と、
前記減圧弁から流出した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
を備えるヒートポンプ給湯機において、
このヒートポンプ給湯機の起動時に、前記熱交換器に流入する際の被加熱流体の温度、被加熱流体の沸上げ温度の目標値、前記熱交換器に送り込まれる被加熱流体の質量流量、外気温度及びヒートポンプ給湯機の加熱能力の少なくともいずれか一つに基づいて圧縮機吐出圧力の第1目標値が設定されると共に、この第1目標値よりも高い圧力となるように圧縮機吐出圧力の第2目標値が設定され、
圧縮機吐出圧力が前記第2目標値に近づくように前記減圧弁の開度及び前記圧縮機の回転速度の少なくともいずれか一方を制御すると共に、起動後にこの制御の所定の解除条件を満たした際に、圧縮機吐出圧力が前記第1目標値に近づくように前記減圧弁の開度及び前記圧縮機の回転速度の少なくともいずれか一方を制御する制御部を備え、
前記所定の解除条件は、
圧縮機吐出温度の実測値≧圧縮機吐出温度の目標値、かつ、前記熱交換器から流出した被加熱流体の温度の実測値≧前記熱交換器から流出した被加熱流体の温度の目標値
であることを特徴とするヒートポンプ給湯機。 - 請求項1に記載のヒートポンプ給湯機において、
圧縮機吐出圧力の前記第1目標値は、前記熱交換器に流入する際の被加熱流体の温度、被加熱流体の沸上げ温度の目標値、前記熱交換器に送り込まれる被加熱流体の質量流量、外気温度、及びヒートポンプ給湯機の加熱能力から選ばれる少なくとも2つに基づいて算出されることを特徴とするヒートポンプ給湯機。 - 請求項1又は請求項2に記載のヒートポンプ給湯機において、
圧縮機吐出圧力の前記第2目標値は、前記熱交換器に流入する際の被加熱流体の温度、被加熱流体の沸上げ温度の目標値、前記熱交換器に送り込まれる被加熱流体の質量流量、外気温度、及びヒートポンプ給湯機の加熱能力から選ばれる少なくとも2つに基づいて算出されることを特徴とするヒートポンプ給湯機。 - 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のヒートポンプ給湯機における冷凍サイクルであって、
二酸化炭素を冷媒とし、圧縮機より吐出される冷媒の吐出圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを使用していることを特徴とする冷凍サイクル。
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