JP5772665B2 - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯装置に係り、特に、ヒートポンプ式給湯室外機の送風ファンを制御するヒートポンプ式給湯装置に関する。

従来、例えば、特許文献１には、能力可変形コンプレッサを有する空気調和機において、室外側熱交換器に設けた室外ファンの制御を行う制御装置が開示されている。この空気調和機における暖房運転では、室内温度が設定温度近くになった場合に、コンプレッサを最低周波数で運転させるとともに、室外温度が予め定めた温度以上に達した場合に、室外ファンを低速で回転させるか停止させるようにしている。これにより、室外側熱交換器の蒸発温度が下がるので、結果として暖房能力を下げることができる。

特開昭６１−３８３４４号公報 特開２００２−２２８２３４号公報 特開平７−１３９７９３号公報

しかしながら、上記従来の装置では、室外ファンの制御を外気温のみで判断している。このため、上記従来の装置においては、暖房能力が必要な条件においてもファン回転数を低下させてしまい、結果的に不必要に能力を下げてしまうおそれがある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ヒートポンプ式給湯装置を利用した暖房運転において、暖房能力が過剰であるかを判断した上で、空気熱交換器へ送風するファンの回転数を制御することにより、過剰な暖房能力を適正に抑制することが可能なヒートポンプ式給湯装置を提供することを目的とする。

本発明に係るヒートポンプ式給湯装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された冷媒によって水を加熱するための水熱交換器と、膨張弁と、空気熱交換器とが順に環状に接続された冷媒回路と、水熱交換器の水の出口から暖房装置へ水を出湯するための出湯配管と、暖房装置から水熱交換器の水の入口へ水を戻すための戻り配管と、を有する水回路と、空気熱交換器に送風を行うファンと、水熱交換器から出湯される水の出湯温度を取得する出湯温度取得手段と、ファンにより空気熱交換器へ送られる外気温度を検出する外気温度検出手段と、水熱交換器へ戻される水の戻り水温度を取得する戻り水温度取得手段と、冷媒回路および水回路を制御して、水熱交換器によって加熱された水を暖房装置へ送水する暖房運転を行う運転制御手段と、外気温度、出湯温度および戻り水温度に基づいて、暖房運転の暖房能力の適正を判定する判定手段と、判定手段により暖房能力が過剰と判定された場合に、ファンの回転数を低下させるファン制御手段と、を備え、判定手段は、出湯温度の適正値と外気温度との関係を規定した規則を含み、外気温度検出手段により検出された外気温度と当該規則とに基づいて特定される出湯温度の適正値が、出湯温度取得手段により取得された出湯温度よりも低く、且つ、出湯温度と戻り水温度との温度差が所定値よりも大きい場合に、暖房能力が過剰と判定するものである。

本発明のヒートポンプ式給湯装置によれば、ヒートポンプ式給湯装置を利用した暖房運転において、暖房能力が過剰であるかを判断した上で、空気熱交換器へ送風するファンの回転数を制御することにより、過剰な暖房能力を適正に抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンを示すフローチャートである。 外気温に対する適正出湯温度の関係を規定したグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。尚、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯装置の概略構成を示す図である。図１に示すとおり、本実施形態のヒートポンプ式給湯装置は、冷媒回路１００と水回路２００とを備えている。冷媒回路１００内には、圧縮機１、四方弁２、水熱交換器３、電子膨張弁４、空気熱交換器５および液溜器６が搭載され、これらが冷媒配管７によって環状に接続されることにより冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）回路が形成されている。四方弁２は、図１に示すように冷媒配管７における圧縮機１および液溜器６の前後に介在するように配置され、連通させるポートの切り替えを行うことにより、冷媒配管７を流通する冷媒の流れ方向を切り替え可能に構成されている。

空気熱交換器５には、該空気熱交換器５へ外気を送風するためのファン８と、外気温度を検出するための外気温度検出サーミスタ９が搭載されている。また、圧縮機１の吐出側には、該圧縮機１から吐出される冷媒の圧力を検出するための圧力検知センサ１０が設けられている。

水回路２００内には、上述した水熱交換器３から出湯される水を図示しない暖房装置へ送水するための出湯配管１１と、該暖房装置からの戻り水を水熱交換器３へ戻すための戻り水配管１２と、循環ポンプ（図示せず）が搭載されている。また、戻り水配管１２には、水熱交換器へ戻る水の温度を検出するための戻り水温度検知サーミスタ１３が設けられている。

本実施の形態１のヒートポンプ式給湯装置は、制御装置２０を備えている。制御装置２０は、上述した外気温度検出サーミスタ９、圧力検知センサ１０および戻り水温度検知サーミスタ１３などからの信号を受信し、これらの信号に基づいて、圧縮機１の回転数制御、電子膨張弁の開度制御およびファン８の回転数制御を行う。また、制御装置２０は、循環ポンプや暖房装置の制御を行う。

［実施の形態１の動作］
次に、本実施の形態１のヒートポンプ式給湯装置での暖房運転動作について説明する。ここで、暖房運転とは、水回路２００と冷媒回路１００とを動作させ、水熱交換器３において加熱された水を熱媒体として暖房を行う動作である。

先ず、暖房運転時の冷媒回路１００の冷媒の流れについて説明する。図１に示すように、冷媒回路１００では、低圧低温のガス冷媒が圧縮機１において圧縮される。圧縮機１で圧縮されたガス冷媒は、高温高圧のガス冷媒となり、四方弁２を通り水熱交換器３（凝縮器）に送り込まれる。水熱交換器３に流れ込んだガス冷媒は、水に凝縮熱を放出することにより液化する。液化した冷媒は電子膨張弁４に流れ込む。液状態の冷媒は、電子膨張弁４で減圧されて気液二相状態となり、空気熱交換器５（蒸発器）に送り込まれる。空気熱交換器５では、ファン８により送られた外気から熱を吸収することで冷媒が蒸発し、低圧低温のガス冷媒となる。ガス冷媒は、四方弁２および水溜器６を介して再び圧縮機１へ戻される。

次に、暖房運転時の水回路２００の水の流れについて説明する。図１に示すように、水回路２００では、水熱交換器３によって加熱された水が出湯配管１１、暖房装置および戻り配管１２を介して水熱交換器３に戻される。この際、水は、水熱交換器３の熱を暖房装置へ伝える熱媒体として機能する。暖房装置は、例えば室内の空気との間で熱交換を行うことにより、室内を暖房する。

尚、本実施の形態１のヒートポンプ式給湯装置では、暖房運転の一態様として、暖房能力を下限能力に抑えた運転（下限能力運転）が行われる。具体的には、例えば、暖房空間の温度が設定温度に到達している場合などにおいて、圧縮機１の運転周波数を下限周波数に設定することにより、暖房能力を最小限に制限した下限能力運転を行う。

ここで、暖房負荷が小さい場合、すなわち、外気温度が比較的高い場合（例えば、１０℃以上）には、空気熱交換器５において外気から吸収する熱量が増加する。このため、上述した下限周波数による暖房運転（下限能力運転）が行われている場合においては、過剰な暖房能力が供給されてしまうおそれがある。

つまり、定格能力で水流量を決定した場合、通常であれば、下限能力運転時の出湯温度Twouthと戻り水温度Twinhとの温度差ΔTwhは、定格能力時に比べて小さくなる。しかしながら、暖房負荷が低い（すなわち外気温が高い）場合においては、必要以上に暖房能力が発揮されるためΔTwhが大きくなる場合がある。具体的には、例えば、外気温が７℃、下限能力が５ｋＷ、水流量 ３０Ｌ／ｍｉｎのときにΔTwhが２．４ ｄｅｇであったとすると、外気温が１２℃の低負荷時においては、下限能力が７ｋＷに上昇し、これによりΔTwhが３．３ ｄｅｇ に上昇する。このような場合に、圧縮機１の電源を遮断して暖房能力を制限することとすると、結果的に圧縮機１の電源のＯＮ／ＯＦＦが頻繁に行われることとなるため、圧縮機１の耐久性上好ましくない。

そこで、本実施の形態１のヒートポンプ式給湯装置では、暖房負荷が小さい場合であって、過剰な暖房能力が供給される場合に、ファン８の回転数を低下させることとする。具体的には、暖房負荷が低い場合であって、ΔTwhが所定値α（例えば、２．４ ｄｅｇ）より大きい場合に、暖房能力の過剰を判定することとする。そして、暖房能力が過剰である場合に、ΔTwhが所定値α以下となるまでファン８の回転数を低下させることとする。これにより、下限能力を適正な範囲（例えば、５ｋＷ）に抑えることが可能となる。

次に、フローチャートを参照して、暖房能力の適正を判定する制御、および暖房能力に応じたファン８の回転数制御の具体的処理について詳細に説明する。図２は、本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。図２に示すルーチンでは、先ず、下限周波数による暖房運転中か否かが判定される（ステップＳ１）。ここでは、具体的には、圧縮機１の運転周波数が下限に設定された暖房運転がなされているかが判定される。その結果、下限周波数による暖房運転中でないと判定された場合には、ファン８の回転数制御を行う必要がないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。

一方、上記ステップＳ１において、下限周波数による暖房運転中であると判定された場合には、次にステップに移行し、戻り水温度検知サーミスタ１３によって戻り水温度Twinhが検出される（ステップＳ２）。次に、出湯温度Twouthが取得される（ステップＳ３）。ここでは、具体的には、圧縮機１から吐出されたガス冷媒の圧力が圧力検知センサ１０により検出され、この検出圧力を用いて水熱交換器３での凝縮温度が算出される。そして、凝縮温度に補正値を加えることで出湯温度が算出される。例えば、検出圧力が１．８Ｍｐａである場合においては凝縮温度が３０．５℃となり、補正値２℃を加えることで出湯温度が３２．５℃として算出される。

次に、出湯温度Twouthが適正出湯温度よりも高いか否かが判定される（ステップＳ４）。図３は、外気温に対する適正出湯温度の関係を規定したグラフである。ここで、適正出湯温度とは、暖房能力が適正である場合の出湯温度の適正値である。ここでは、具体的には、外気温度検出サーミスタ９によって外気温が検出される。そして、検出された外気温に対応する適正出湯温度と上記ステップＳ３において取得された出湯温度Twouthとが比較される。その結果、適正出湯温度＜出湯温度Twouthの成立が認められない場合には、暖房負荷が高いと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。

一方、上記ステップＳ４において、適正出湯温度＜出湯温度Twouthの成立が認められた場合には、暖房負荷が小さいと判断されて、次のステップに移行し、暖房能力の適正が判定される（ステップＳ５）。ここでは、具体的には、先ず、上記ステップＳ３において取得された出湯水温度Twouthと上記ステップＳ２において取得された戻り水温度Twinhとの温度差ΔTwhが算出される。そして、算出された温度差ΔTwhが所定値αよりも大きいか否かが判定される。その結果、ΔTwh＞αの成立が認められた場合には、暖房能力が過剰であると判断され、次のステップに移行し、ΔTwh≦αとなるまでファン８の回転数を低下させる制御が実行される（ステップＳ６）。一方、上記ステップＳ５において、ΔTwh＞αの成立が認められない場合には、暖房能力が適正であると判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。

以上説明したとおり、本実施の形態１のヒートポンプ式給湯装置によれば、ΔTwhが所定値α以下となるまでファン８の回転数を低下させる制御が行われる。このため、暖房能力が過剰である場合の暖房能力を有効に制限することが可能となる。

ところで、上述した実施の形態１のヒートポンプ式給湯装置では、圧力検知センサ１０により検出された検出圧力を用いて出湯温度Twouthを算出することとしているが、出湯温度の算出手法はこれに限られず、例えば、出湯配管１１に設けた温度サーミスタによって出湯温度を直接検出することとしてもよい。但し、上述した実施の形態１の給湯装置のように圧力検知センサ１０により検出された検出圧力を用いて出湯温度Twouthを算出することとすれば、新たな温度サーミスタを設ける必要がないため、部品点数を削減することが可能となる。

１ 圧縮機
２ 四方弁
３ 水熱交換器（凝縮器）
４ 電子膨張弁
５ 空気熱交換器（蒸発器）
６ 水溜器
７ 冷媒配管
８ ファン
９ 外気温度検出サーミスタ
１０ 圧力検知センサ
１１ 出湯配管
１２ 戻り水配管
１３ 戻り水温度検知サーミスタ
２０ 制御装置
１００ 冷媒回路
２００ 水回路

Claims (4)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒によって水を加熱するための水熱交換器と、膨張弁と、空気熱交換器とが順に環状に接続された冷媒回路と、
   前記水熱交換器の水の出口から暖房装置へ水を出湯するための出湯配管と、前記暖房装置から前記水熱交換器の水の入口へ水を戻すための戻り配管と、を有する水回路と、
   前記空気熱交換器に送風を行うファンと、
   前記水熱交換器から出湯される水の出湯温度を取得する出湯温度取得手段と、
   前記ファンにより前記空気熱交換器へ送られる外気温度を検出する外気温度検出手段と、
   前記水熱交換器へ戻される水の戻り水温度を取得する戻り水温度取得手段と、
   前記冷媒回路および前記水回路を制御して、前記水熱交換器によって加熱された水を前記暖房装置へ送水する暖房運転を行う運転制御手段と、
   前記外気温度、前記出湯温度および前記戻り水温度に基づいて、前記暖房運転の暖房能力の適正を判定する判定手段と、
   前記判定手段により暖房能力が過剰と判定された場合に、前記ファンの回転数を低下させるファン制御手段と、
   を備え、
   前記判定手段は、
   前記出湯温度の適正値と前記外気温度との関係を規定した規則を含み、
   前記外気温度検出手段により検出された外気温度と前記規則とに基づいて特定される出湯温度の適正値が、前記出湯温度取得手段により取得された出湯温度よりも低く、且つ、前記出湯温度と前記戻り水温度との温度差が所定値よりも大きい場合に、前記暖房能力が過剰と判定することを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
2. 前記運転制御手段は、要求される暖房能力に応じて前記圧縮機の運転周波数を可変に設定することにより、暖房運転の能力を可変させる手段を含み、
   前記ファン制御手段は、前記運転制御手段によって前記運転周波数を下限周波数とする下限能力運転が行われている場合において、前記判定手段により暖房能力が過剰と判定された場合に、前記ファンの回転数を低下させることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯装置。
3. 前記ファン制御手段は、
   前記判定手段により暖房能力が過剰と判定された場合に、前記出湯温度と前記戻り温度との温度差が所定値以下となる回転数まで低下させることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のヒートポンプ式給湯装置。
4. 前記出湯温度取得手段は、
   前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記圧力検出手段により検出される冷媒の圧力に基づいて、前記出湯温度を推定する温度推定手段と、
   を含むことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項記載のヒートポンプ式給湯装置。

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