JP5817683B2 - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプユニットを搭載したヒートポンプ給湯機に関する。

従来技術として、例えば特許文献１に記載されているようなヒートポンプ給湯機が知られている。従来技術の給湯機は、圧力スイッチまたは圧力検出装置を備えており、例えば冷媒回路の閉塞等により冷媒回路の圧力が異常判定値以上となった場合に、ヒートポンプユニットの圧縮機を停止させる構成としている。

また、他の従来技術としては、特許文献２に記載されているようなヒートポンプ給湯機が知られている。この従来技術では、圧縮機を起動してから規定の時間が経過するまでの間に、ヒートポンプユニットの圧縮機に通電される電流値が異常判定値以上となった場合に、圧縮機を停止させる構成としている。圧縮機の起動後には、減圧弁装置の作動により冷媒回路の圧力が適切な高圧値に保持されるが、減圧弁装置に異常が生じると、冷媒回路の圧力と共に電流値が上昇し続ける場合がある。他の従来技術では、電流値が圧力と共に上昇し続けた場合に、電流検出手段により減圧弁装置の異常を検出する。

特許第４８７４１３８号公報 特開２０１０−７１６０３号公報

上記の特許文献１に記載された従来技術では、圧力スイッチ及び圧力検出装置が高価な部品であるため、製品コストが増加するという問題がある。一方、特許文献２に記載された従来技術では、圧縮機の電流値が大きくなった場合に、この状態を減圧弁装置の異常として検出する。このため、圧縮機の負荷や減圧弁装置の作動等により電流値が増加すると、減圧弁装置が正常な状態でも、異常と誤判定する虞れがあり、判定精度が低下するという問題がある。

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、本発明の第１の目的は、圧力スイッチ及び圧力検出装置を使用しなくても、電流検出装置を用いてヒートポンプの異常を低コストで検出することが可能なヒートポンプ給湯機を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、圧縮機及び減圧弁装置を一定の作動状態に保持する異常判定モードを採用することで、ヒートポンプの異常を安定的に検出し、高い信頼性を有するヒートポンプ給湯機を提供することにある。

本発明に係るヒートポンプ給湯機は、圧縮機、冷媒水熱交換器、減圧弁装置及び空気冷媒熱交換器が環状に接続された冷媒回路を有し、冷媒水熱交換器により水を加熱して温水を生成するヒートポンプと、ヒートポンプにより加熱された温水を貯留する温水タンクと、冷媒水熱交換器と温水タンクとの間に水を循環させる温水循環装置と、圧縮機を流れる電流の値である圧縮機電流を検出する電流検出装置と、圧縮機電流に基いて圧縮機の運転を制御する制御装置と、を備え、圧縮機の始動から予め設定された時間が経過するまでの期間中に、圧縮機の回転数と減圧弁装置の開度とをそれぞれ一定値に保持し、かつ、温水循環装置を停止した状態に保持する異常判定モードを実施し、異常判定モード中に圧縮機電流が異常判定値以上となった場合に、圧縮機電流を異常と判定して圧縮機を停止する構成としている。

本発明によれば、圧縮機の運転開始時には、圧縮機の回転数及び減圧弁装置の開度を一定値に保持する異常判定モードを実施するので、高価な圧力スイッチや圧力検出装置を使用しなくても、比較的安価な電流検出装置を用いて冷媒回路の閉塞、減圧装置の異常等を検出することができる。従って、高い信頼性を有するヒートポンプ給湯機を低コストで実現することができる。また、ヒートポンプの運転条件を一定とした状態で圧縮機電流の大小を判定するので、運転状態の変動等による外乱を受けることなく、圧縮機電流の大小を安定的に判定することができ、ヒートポンプの異常を高い精度で検出することができる。

本発明の実施の形態１によるヒートポンプ給湯機を示す構成図である。 本発明の実施の形態１において、異常判定モード中の圧縮機及び減圧弁装置の作動状態を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２において、異常判定モード中の圧縮機、減圧弁装置及び循環ポンプの作動状態を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態３において、外気温度と異常判定値との関係を示す特性線図である。 本発明の実施の形態４において、吐出冷媒温度と異常判定値との関係を示す特性線図である。 本発明の実施の形態５において、外気温度と判定モード継続時間との関係を示す特性線図である。 本発明の実施の形態６において、吐出冷媒温度と判定モード継続時間との関係を示す特性線図である。

実施の形態１．
以下、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。なお、本明細書で使用する各図においては、共通する要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略するものとする。図１は、本発明の実施の形態１によるヒートポンプ給湯機を示す構成図である。この図に示すように、本実施形態のヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプユニット１００とタンクユニット２００とを備えている。

ヒートポンプユニット１００は、圧縮機１、冷媒水熱交換器２、減圧弁装置３及び空気冷媒熱交換器４が冷媒配管５を介して環状に接続された冷媒回路と、ファン６及びファンモータ７とを備えている。圧縮機１は、前記冷媒回路内に冷媒を循環させるもので、冷媒水熱交換器２は、１次側を流れる冷媒と２次側を流れる水との間で熱交換することにより、水を加熱するものである。また、減圧弁装置３は、その開度に応じて冷媒を減圧（膨張）させることにより、空気冷媒熱交換器４に流入する冷媒を低温・低圧化する。なお、減圧弁装置３は、電子制御式の膨張弁等により構成され、その開度は後述の制御部１３により制御される。一方、空気冷媒熱交換器４は、外気（空気）と冷媒との間で熱交換することにより、冷媒を加熱するもので、ファン６は、ファンモータ７により駆動されて空気冷媒熱交換器４を冷却するものである。

また、ヒートポンプユニット１００は、各種の検出装置及びセンサを含むセンサ系統と、ヒートポンプユニット１００の運転を制御する制御部１３とを備えている。まず、センサ系統について説明すると、電流検出装置８は、圧縮機１を流れる電流の値である圧縮機電流を検出するものである。また、給水温度センサ９は、冷媒水熱交換器２の２次側に流入する水の温度を検出し、沸上げ温度センサ１０は、冷媒水熱交換器２の２次側から流出する温水の温度を検出する。外気温度センサ１１は、ヒートポンプユニット１００の周囲で外気の温度を検出する。さらに、冷媒温度センサ１２は、圧縮機１から吐出される冷媒の温度を吐出冷媒温度として検出するものである。

制御部１３は、記憶回路、入出力ポート及び演算処理回路を備えており、制御部１３の入力側には、センサ系統を構成する検出装置及びセンサがそれぞれ接続されている。また、制御部１３の出力側には、圧縮機１、減圧弁装置３及びファンモータ７を含む各種のアクチュエータが接続されている。また、制御部１３は、タンクユニット２００に搭載された制御部２５とデータ通信を実行するように構成されている。これにより、制御部１３は、センサ系統の出力及びタンクユニット２００側の情報に基いて、圧縮機１の回転数、減圧弁装置３の開度及びファンモータ７の回転数を制御することができる。

一方、タンクユニット２００は、ヒートポンプユニット１００（冷媒水熱交換器２）により加熱された温水を貯留する温水タンク２０と、冷媒水熱交換器２と温水タンク２０との間に水（温水）を循環させる温水循環装置２１と、制御部２５とを備えている。また、温水循環装置２１は、温水タンク２０の下部と冷媒水熱交換器２の２次側流入口とを接続する送り配管２２と、冷媒水熱交換器２の２次側流出口と温水タンク２０の上部とを接続する戻り配管２３と、例えば送り配管２２の途中に設けられた循環ポンプ２４とを備えている。制御部２５は、少なくとも循環ポンプ２４の運転を制御するように構成されている。なお、以下の説明では、必要に応じて、制御部１３をヒートポンプ側制御部１３と表記し、制御部２５をタンク側制御部２５と表記する。

（沸上げ運転）
次に、ヒートポンプ給湯機の基本的な動作の１つである沸上げ運転について説明する。
沸上げ運転は、例えばタンクユニット２００側で温水タンク２０内の水を加熱する（沸上げる）要求が生じた場合に、制御部１３，２５により協働して実行されるものである。この場合、ヒートポンプ側制御部１３は、圧縮機１の回転数制御、減圧弁装置３の開度制御及びファンモータ７の回転数制御を実行し、更に、沸上げ温度センサ１０による検出温度が目標沸上げ温度と一致するように循環ポンプ２４の回転数を制御する。

より詳しく述べると、圧縮機１の回転数は、外気温度センサ１１、給水温度センサ９等の出力に基いて制御され、減圧弁装置３の開度は、外気温度センサ１１、冷媒温度センサ１２等の出力に基いて制御される。なお、循環ポンプ２４の回転数制御は、ヒートポンプ側制御部１３によりタンク側制御部２５を経由して実行してもよいし、ヒートポンプ側制御部１３により直接実行してもよい。

沸上げ運転では、循環ポンプ２４が作動することにより、温水タンク２０の下部に滞留する水が送り配管２２を介して冷媒水熱交換器２に導入され、この水は、冷媒水熱交換器２により加熱されて温水となる。そして、冷媒水熱交換器２から流出した温水は、戻り配管２３を介して温水タンク２０の上部に貯湯される。

（異常判定制御）
次に、給湯機の運転開始後の動作について説明する。なお、以下の動作は、制御部１３，２５の制御により実現されるものである。給湯機の運転開始後には、上述したように、タンクユニット２００側の要求等に基いて沸上げ運転が実行されるが、沸上げ運転の開始前には、ヒートポンプ１００の異常を検出するための異常判定モードに移行する。図２は、本発明の実施の形態１において、異常判定モード中の圧縮機及び減圧弁装置の作動状態を示すタイミングチャートである。この図に示すように、異常判定モードは、圧縮機の始動から予め設定された時間が経過するまでの期間中に実施される。この実施期間は、例えば冷媒回路の閉塞、減圧弁装置３の異常等を検出するのに必要な最小限の時間として予め設定されている。

異常判定モードの実施期間中には、圧縮機１の回転数と減圧弁装置３の開度とをそれぞれ予め設定された一定値に保持し、この状態で電流検出装置８により圧縮機電流を検出する。ここで、冷媒回路の閉塞や減圧装置の異常が発生した場合には、圧縮機電流が増加傾向となる。このため、異常判定モード中には、圧縮機１の回転数を可能な限り低回転に保持し、減圧弁装置３の開度を可能な限り大きな開度に保持することにより、正常時の圧縮機電流を小さく抑えておくのが好ましい。これにより、正常時と異常時とで圧縮機電流に大きな差異を生じさせることができ、以上の判定精度を向上させることができる。

異常判定モード中に圧縮機電流が異常判定値以上となった場合には、圧縮機電流が異常である、即ち、冷媒回路の閉塞、減圧弁装置３の異常等が生じているものと判定し、圧縮機１を停止する。なお、圧縮機電流を異常と判定した場合には、圧縮機１を停止した後に、異常判定モードを再度実施して圧縮機電流を判定する動作を繰返し、異常判定が複数回連続して繰返された場合には、ヒートポンプユニット１００を構成する全ての機器を停止する構成としてもよい。この場合、停止される機器には、少なくとも圧縮機１、冷媒水熱交換器２、減圧弁装置３及び空気冷媒熱交換器４が含まれている。また、ファンモータ７の運転は継続する構成としてもよい。

上記制御によれば、圧縮機電流を一旦異常と判定した場合でも、異常判定モードを再び実施して圧縮機電流を再判定するので、圧縮機電流の瞬間的な増加、検出誤差等が原因で誤判定が生じるのを抑制し、判定精度をより向上させることができる。また、異常判定が継続的なものである場合には、ヒートポンプユニット１００を完全に停止させ、当該ユニットに搭載された各機器を保護することができる。

一方、異常判定モード中の圧縮機電流が異常判定値未満に保持されている場合には、前記実施期間が経過したときに、圧縮機１及び減圧弁装置３を含めてヒートポンプユニット１００が正常に作動しているものと判定し、異常判定モードを終了する。そして、圧縮機１の運転を継続しつつ、タンクユニット２００側の要求（指示）等に基いて沸上げ運転に移行する。これにより、圧縮機電流を正常と判定した場合には、沸上げ運転に自動的に移行するので、異常判定による沸上げ運転の開始遅れを最小限に抑えることができ、使用者の利便性を向上させることができる。

以上詳述した通り、本実施の形態によれば、圧縮機１の運転開始時には、圧縮機１の回転数及び減圧弁装置３の開度を一定値に保持する異常判定モードを実施するので、高価な圧力スイッチや圧力検出装置を使用しなくても、比較的安価な電流検出装置８を用いて冷媒回路の閉塞、減圧装置の異常等を検出することができる。従って、高い信頼性を有するヒートポンプ給湯機を低コストで実現することができる。また、ヒートポンプユニット１００の運転条件を一定とした状態で圧縮機電流の大小を判定するので、運転状態の変動等による外乱を受けることなく、圧縮機電流の大小を安定的に判定することができ、ヒートポンプユニット１００の異常を高い精度で検出することができる。

なお、前記実施の形態１では、異常判定値を一定値として設定する場合を例示した。しかし、本発明はこれに限らず、後述する実施の形態３，４に示すように、異常判定値を可変とする構成としてもよい。

実施の形態２．
次に、図３を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態は、前記実施の形態１と同様の構成及び制御に加えて、異常判定モード中に循環ポンプ２４を停止することを特徴としている。図３は、本発明の実施の形態２において、異常判定モード中の圧縮機、減圧弁装置及び循環ポンプの作動状態を示すタイミングチャートである。この図に示すように、本実施の形態の異常判定モードでは、圧縮機１の回転数と減圧弁装置３の開度とをそれぞれ予め設定された一定値に保持し、かつ、循環ポンプ２４を停止した状態で、電流検出装置８により圧縮機電流を検出する。

このように構成される本実施の形態によれば、前記実施の形態１と同様の効果に加えて、次のような効果を得ることができる。循環ポンプ２４を停止することにより、圧縮機１の作動状態は、温水タンク２０と冷媒水熱交換器２との間で循環する水の温度の影響と、温水循環装置２１の配管構造、配管長等に応じて変化する水の循環量の影響とを受け難くなる。これにより、異常判定値を設定するときに圧縮機電流のばらつき等を過度に考慮する必要がなくなるので、異常判定値の設定が容易となり、また、圧縮機電流の判定精度を向上させることができる。

実施の形態３．
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態は、前記実施の形態１と同様の構成及び制御に加えて、異常判定値を外気温度に応じて変更することを特徴としている。図４は、本発明の実施の形態３において、外気温度と異常判定値との関係を示す特性線図である。外気温度が上場した場合には、これに伴って冷媒温度も高くなるので、圧縮機１の回転数及び減圧弁装置３の開度を一定とした状態では、外気温度の上昇により圧縮機電流が増加する傾向がある。従って、異常判定値は、図４に示すように、外気温度が高いほど大きく設定するのが好ましい。なお、図４中の実線は、異常判定値を階段状に増加させる場合を例示し、点線は異常判定値を直線状に増加させる場合を例示している。

このように構成される本実施の形態によれば、前記実施の形態１と同様の効果に加えて、次のような効果を得ることができる。圧縮機１の運転条件を一定に保持した状態でも、圧縮機電流は外気温度に応じて変動するが、本実施の形態では、外気温度に基いて異常判定値を適切に変更し、この変更により圧縮機電流の温度変化を補償することができる。従って、外気温度が変化する環境下でも、異常の有無を正確に判定することができ、判定精度を更に向上させることができる。

実施の形態４．
次に、図５を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。本実施の形態は、前記実施の形態１と同様の構成及び制御に加えて、圧縮機１から吐出される冷媒の温度に応じて異常判定値を変更することを特徴としている。図５は、本発明の実施の形態４において、吐出冷媒温度と異常判定値との関係を示す特性線図である。前述したように、圧縮機１の運転条件を一定に保持した状態でも、吐出冷媒温度が上昇すると、これに伴って圧縮機電流が増加する傾向がある。従って、異常判定値は、図５に示すように、吐出冷媒温度が高いほど大きく設定するのが好ましい。なお、図５中の実線は、異常判定値を階段状に増加させる場合を例示し、点線は異常判定値を直線状に増加させる場合を例示している。

このように構成される本実施の形態でも、前記実施の形態３とほぼ同様の原理により、吐出冷媒温度に基いて異常判定値を適切に変更することができ、この変更により圧縮機電流の温度変化を補償することができる。従って、前記実施の形態１と同様の効果に加えて、吐出冷媒温度が変化する環境下でも、異常の有無を正確に判定することができる。

実施の形態５．
次に、図６を参照して、本発明の実施の形態５について説明する。本実施の形態は、前記実施の形態１と同様の構成及び制御に加えて、異常判定モードの継続時間（以下、判定モード継続時間と表記）を外気温度に基いて変更することを特徴としている。図６は、本発明の実施の形態５において、外気温度と判定モード継続時間との関係を示す特性線図である。この図に示すように、本実施の形態では、外気温度が低いほど、判定モード継続時間を増加させる構成としている。なお、図６中の実線は、異常判定値を階段状に増加させる場合を例示し、点線は異常判定値を直線状に増加させる場合を例示している。

圧縮機１の運転開始から圧縮機電流が上昇するときの上昇速度は、外気温度が低いほど低下する傾向、即ち、上昇が遅くなる傾向がある。このため、圧縮機１の運転条件を一定に保持した状態でも、圧縮機電流に基いて異常を判定するときには、外気温度が低いほど長い時間が必要となる。従って、判定モード継続時間は、図６に示すように、外気温度が低いほど長く設定するのが好ましい。

このように構成される本実施の形態によれば、外気温度に基いて判定モード継続時間を変更することができる。即ち、外気温度が変化する環境下でも、異常の判定に必用な判定モード継続時間を常に適切な長さに調整することができる。従って、前記実施の形態１と同様の効果に加えて、判定モード継続時間の不足等に起因する誤判定を抑制し、判定精度を向上させることができる。

実施の形態６．
次に、図７を参照して、本発明の実施の形態６について説明する。本実施の形態は、前記実施の形態１と同様の構成及び制御に加えて、判定モード継続時間を吐出冷媒温度に基いて変更することを特徴としている。図７は、本発明の実施の形態６において、吐出冷媒温度と判定モード継続時間との関係を示す特性線図である。この図に示すように、本実施の形態では、吐出冷媒温度が低いほど、判定モード継続時間を増加させる構成としている。なお、図７中の実線は、異常判定値を階段状に増加させる場合を例示し、点線は異常判定値を直線状に増加させる場合を例示している。

外気温度が低い場合には、これに伴って冷媒温度も低下する。従って、圧縮機１の運転開始から圧縮機電流が上昇するときの上昇速度は、吐出冷媒温度が低いほど遅くなる傾向がある。従って、判定モード継続時間は、図７に示すように、吐出冷媒温度が低いほど長く設定するのが好ましい。

このように構成される本実施の形態でも、前記実施の形態５とほぼ同様の原理により、吐出冷媒温度に基いて判定モード継続時間を適切に変更し、異常の判定に必用な判定モード継続時間を安定的に確保することができる。従って、前記実施の形態１と同様の効果に加えて、誤判定を抑制し、判定精度を向上させることができる。

なお、前記実施の形態４及び６では、吐出冷媒温度に基いて異常判定値及び判定モード継続時間を変更する場合を例示した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば圧縮機１の本体の温度を検出し、当該検出温度に基いて異常判定値または判定モード継続時間を変更する構成としてもよい。この場合、異常判定値は、圧縮機１の温度が高いほど増加させる構成とし、判定モード継続時間は、圧縮機１の温度が低いほど増加させる構成とするのが好ましい。

また、前記実施の形態１乃至６では、それぞれの構成を個別に説明したが、本発明はこれに限らず、実施の形態１の構成に対して、実施の形態２乃至６の構成のうち組合わせが可能な複数の構成を組合わせて１つのシステムを実現してもよい。具体例を挙げると、本発明では、外気温度または吐出冷媒温度に基いて異常判定値を変更する構成と、外気温度または吐出冷媒温度に基いて判定モード継続時間を変更する構成とを組合わせてもよい。

また、本発明では、ヒートポンプユニット１００として、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界状態で運転されるヒートポンプサイクルを採用してもよいし、臨界圧力以下の圧力で運転されるヒートポンプサイクルを採用してもよい。この場合、冷媒としては、フロンガス、アンモニア等を用いる構成としてもよい。

１ 圧縮機
２ 冷媒水熱交換器
３ 減圧弁装置
４ 空気冷媒熱交換器
５ 冷媒配管
６ ファン
７ ファンモータ
８ 電流検出装置
９ 給水温度センサ
１０ 沸上げ温度センサ
１１ 外気温度センサ（外気温度検出手段）
１２ 冷媒温度センサ（温度検出手段）
１３，２５ 制御部（制御装置）
２０ 温水タンク
２１ 温水循環装置
２２ 送り配管
２３ 戻り配管
２４ 循環ポンプ
１００ ヒートポンプユニット（ヒートポンプ）
２００ タンクユニット

Claims (8)

1. 圧縮機、冷媒水熱交換器、減圧弁装置及び空気冷媒熱交換器が環状に接続された冷媒回路を有し、前記冷媒水熱交換器により水を加熱して温水を生成するヒートポンプと、
   前記ヒートポンプにより加熱された温水を貯留する温水タンクと、
   前記冷媒水熱交換器と前記温水タンクとの間に水を循環させる温水循環装置と、
   前記圧縮機を流れる電流の値である圧縮機電流を検出する電流検出装置と、
   前記圧縮機電流に基いて前記圧縮機の運転を制御する制御装置と、を備え、
   前記圧縮機の始動から予め設定された時間が経過するまでの期間中に、前記圧縮機の回転数と前記減圧弁装置の開度とをそれぞれ一定値に保持し、かつ、前記温水循環装置を停止した状態に保持する異常判定モードを実施し、前記異常判定モード中に前記圧縮機電流が異常判定値以上となった場合に、前記圧縮機電流を異常と判定して前記圧縮機を停止する構成としたヒートポンプ給湯機。
2. 外気温度を検出する外気温度検出手段を備え、
   前記異常判定値は、前記外気温度に基いて変更する構成としてなる請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
3. 前記圧縮機から吐出された冷媒の温度または前記圧縮機の温度を圧縮機温度として検出する温度検出手段を備え、
   前記異常判定値は、前記圧縮機温度に基いて変更する構成としてなる請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯機。
4. 外気温度を検出する外気温度検出手段を備え、
   前記異常判定モードの継続時間を前記外気温度に基いて変更する構成としてなる請求項１乃至３のうち何れか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
5. 前記圧縮機から吐出された冷媒の温度または前記圧縮機の温度を圧縮機温度として検出する温度検出手段を備え、
   前記異常判定モードの継続時間を前記圧縮機温度に基いて変更する構成としてなる請求項１乃至４のうち何れか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
6. 前記異常判定モード中に前記圧縮機電流を異常と判定した場合に、前記異常判定モードを再度実施して圧縮機電流の判定を実行する構成としてなる請求項１乃至５のうち何れか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
7. 前記異常判定モード中に前記圧縮機電流が前記異常判定値未満であることにより正常と判定した場合に、前記圧縮機の運転を継続して沸き上げ運転に移行する構成としてなる請求項１乃至６のうち何れか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
8. 前記異常判定モードにより複数回連続して異常と判定した場合に、前記ヒートポンプの運転を停止する構成としてなる請求項１乃至７のうち何れか１項に記載のヒートポンプ給湯機。

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