JP5838915B2 - ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプサイクルによって給湯用流体を加熱するヒートポンプ式給湯機に関する。

従来より、圧縮機から吐出された高温高圧冷媒と加熱対象流体とを熱交換器にて熱交換させて、加熱対象流体を加熱するヒートポンプサイクルが知られている。例えば、特許文献１には、ヒートポンプサイクルを用いて加熱対象流体としての給湯水を加熱するヒートポンプ式給湯機が開示されている。

特許第３２２７６５１号公報

また、暖房専用用途として、ヒートポンプ式給湯機の加熱対象流体に不凍液を使用することが考えられている。不凍液は融点が低いため、０℃以下の温度領域でも使用可能であるが、低温になるほど粘度は高くなる傾向がある。このため、不凍液をヒートポンプ式給湯機の加熱対象流体として用いる場合には、低温環境下での起動時に粘度が高くなるため、熱交換器に必要な流量が確保できない。この状態でヒートポンプサイクルの圧縮機を起動させると、熱交換器に高温高圧冷媒が流入した際に熱交換器には充分な量の加熱対象流体が存在しないため、ヒートポンプサイクルの冷媒の圧力と温度が急激に上昇し、機器が破損するおそれがある。

これに対し、加熱対象流体を循環させるポンプを高揚程のものに変更するとともに、温度による加熱対象流体の粘性変化を考慮した制御を行うことが考えられるが、加熱対象流体として水を用いる従来のヒートポンプ式給湯機に対して大幅な仕様変更が必要となるという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、温度によって粘性が変化する加熱対象流体を使用可能なヒートポンプ式給湯機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載の発明では、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（１５）から吐出された高温冷媒と給湯用流体とを熱交換させる熱交換器（１６）を有するヒートポンプサイクル（１３）と、前記熱交換器（１６）にて加熱された給湯用流体を貯える貯湯タンク（１１）、および、前記貯湯タンク（１１）から流出した給湯用流体を前記熱交換器（１６）へ圧送する圧送手段（１４）を有する給湯用流体循環回路（１２）と、前記給湯用流体の温度を検出する温度検出手段（２１、２２）と、前記温度検出手段（２１、２２）で検出した給湯用流体の温度に基づいて前記圧送手段（１４）および前記圧縮機（１５）の作動を制御する制御手段（２０）とを備え、
前記給湯用流体は、所定温度以下での粘度が水より高い流体であり、前記制御手段（２０）は、前記圧縮機（１５）より先に前記圧送手段（１４）の作動を開始させ、前記給湯用流体の温度が前記所定温度を上回った場合に、前記圧縮機（１５）の作動を開始させ、前記圧送手段（１４）は、回転数を変化させることで圧送する前記給湯用流体の流量を変化させることができるように構成され、前記制御手段（２０）は、前記給湯用流体の温度が前記所定温度を上回っている場合には、前記圧送手段（１４）を第１回転数で作動させ、前記給湯用流体の温度が前記所定温度以下の場合には、前記圧送手段（１４）を前記第１回転数より高回転の第２回転数で作動させることを特徴としている。

このように、低温起動時に圧縮機（１５）に先だって圧送手段（１４）を運転開始することで、給湯用流体の温度を上昇させ、これに伴い給湯用流体の粘度を低下させることができる。そして、給湯用流体の温度が所定温度Ａを上回った時点で圧縮機（１５）の運転を開始することで、熱交換器（１６）において充分な流量の給湯用流体が確保でき、高温冷媒の有する熱量を熱交換器（１６）で給湯用流体に確実に放熱させることができる。これにより、熱交換器（１６）にて給湯用流体の流量が不足して冷媒の温度と圧力が急激に上昇するという不具合を防止することができる。この結果、給湯用流体として水を用いた従来のヒートポンプ式給湯機の圧送手段を変更することなく、温度によって粘性が変化する加熱対象流体を使用することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態のヒートポンプ式給湯機の全体構成図である。 第１実施形態の沸き上げ運転の制御処理を示すフローチャートである。 起動時の流体ポンプと圧縮機の作動を示す説明図であり、（ａ）は起動時の給湯用流体温度が所定温度を上回っている場合を示し、（ｂ）は起動時の給湯用流体温度が所定温度を上回っていない場合を示している。 第２実施形態のヒートポンプ式給湯機の全体構成図である。 第２実施形態の沸き上げ運転の制御処理を示すフローチャートである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図３に基づいて説明する。

図１に示すように、ヒートポンプ式給湯機１０は、貯湯タンク１１内の給湯用流体を循環させる給湯用流体循環回路１２、および、加熱対象流体としての給湯用流体を加熱するためのヒートポンプサイクルであるヒートポンプサイクル１３を備えている。本実施例では、給湯用流体として不凍液が用いられている。不凍液は、プロピレングリコールを主成分として含有する液体であり、０℃以下の低温環境下でも使用可能であるが、温度が低くなるほど粘度が高くなるという特性を有している。

給湯用流体を貯留する貯湯タンク１１は、耐食性に優れた金属（例えば、ステンレス）で形成され、断熱構造を有し、高温の給湯用流体を長時間保温することができるタンクである。貯湯タンク１１に貯留された給湯用流体は、貯湯タンク１１の上部に設けられた流出口から出湯され、床暖房等の暖房用途に用いられる。また、貯湯タンク１１内の下部に設けられた流入口からは暖房に用いられた給湯用流体が再循環するようになっている。

給湯用流体循環回路１２には、給湯用流体を循環させる圧送手段としての給湯用流体ポンプ１４が配置されている。給湯用流体ポンプ１４は、回転数を変化させることで圧送する給湯用流体の流量を変化させることができるように構成されており、制御装置２０から出力される制御信号によって、その作動が制御される。そして、制御装置２０が給湯用流体ポンプ１４を作動させると、給湯用流体は、貯湯タンク１１の下方側に設けられた給湯用流体出口１１ａ→給湯用流体ポンプ１４→後述する熱交換器１６の給湯用流体通路１６ａ→貯湯タンク１１の上方側の給湯用流体入口１１ｂの順に循環する。

ヒートポンプサイクル１３は、圧縮機１５、熱交換器１６、膨張弁１７、蒸発器１８等を順次配管で接続した冷凍サイクルである。このヒートポンプサイクル１３では、冷媒として二酸化炭素を採用しており、圧縮機１５から吐出された高圧冷媒の圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルを構成している。

圧縮機１５は、ヒートポンプサイクル１３において冷媒を吸入し、臨界圧力以上となるまで圧縮して吐出するものである。圧縮機１５としては、例えば固定容量型の電動圧縮機を用いることができる。

圧縮機１５の冷媒吐出口には、熱交換器１６の冷媒通路１６ｂ入口側が接続されている。熱交換器１６は、給湯用流体が通過する給湯用流体通路１６ａと圧縮機１５から吐出された高温高圧冷媒が通過する冷媒通路１６ｂとを有して構成される熱交換器であって、圧縮機１５から吐出された高温高圧冷媒の有する熱量を給湯用流体に放熱させて、給湯用流体を加熱する加熱用熱交換器である。なお、本実施形態のヒートポンプサイクル１３では、前述の如く、超臨界冷凍サイクルを構成しているので、熱交換器１６の冷媒通路１６ｂを通過する冷媒は、凝縮することなく超臨界状態のまま放熱する。

熱交換器１６の冷媒通路１６ｂ出口側には、膨張弁１７の入口側が接続されている。膨張弁１７は熱交換器１６の冷媒通路１６ｂから流出した高圧冷媒を減圧膨張させる可変絞り機構である。

膨張弁１７の出口側には、蒸発器１８が接続されている。蒸発器１８は、膨張弁１７にて減圧された低圧冷媒と図示しない送風ファンにより送風された外気（室外空気）とを熱交換させることによって、低圧冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱用の熱交換器である。

なお、給湯用流体循環回路１２の構成機器のうち、貯湯タンク１１については、タンクユニット２００として構成され、屋内に配置されている。また、給湯用流体循環回路１２の給湯用流体ポンプ１４やヒートポンプサイクル１３の各構成機器１５〜１８等は、ヒートポンプユニット３００として一体的に構成され、屋外に配置されている。このため、給湯用流体ポンプ１４にて圧送される給湯用流体の温度は、外気温の影響を受けることとなる。

次に、本実施形態の制御装置２０について説明する。制御装置２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成されている。制御装置２０の出力側には、給湯用流体ポンプ１４、圧縮機１５等が接続され、これらの作動を制御する。また、制御装置２０の入力側には、給湯用流体循環回路１２における給湯用流体ポンプ１４に流入する給湯用流体の温度（以下、「給湯用流体温度」という）を検出する第１温度センサ２１、熱交換器１６から流出する給湯用流体の温度を検出する第２温度センサ２２等が接続されている。第１温度センサ２１は、給湯用流体循環回路１２における貯湯タンク１１より下流側で給湯用流体ポンプ１４の上流側に設けられ、第２温度センサ２２は給湯用流体循環回路１２における熱交換器１６の下流側に設けられている。これらの温度センサ２１、２２は、雰囲気温度（外気温）に応じて変化する給湯用流体温度を検出するように構成されている。

次に、上記の構成における本実施形態のヒートポンプ式給湯機１０の作動を図２、図３を用いて説明する。なお、図２に示す制御処理は、ヒートポンプ式給湯機１０に外部から電源が供給された状態で、図示しない操作パネルから沸き上げ運転開始要求信号が出力されることによりスタートする。

沸き上げ運転開始により、温度センサ２１、２２のセンサ信号に基づいて給湯用流体温度を検出し（Ｓ１０）、給湯用流体温度が所定温度Ａを上回っているか否かを判定する（Ｓ１１）。ここで、所定温度Ａについて説明する。上述のように、給湯用流体として不凍液を用いる場合には、低温環境下で粘度が高くなるため、給湯用流体ポンプ１４を作動させても、熱交換器１６に流入する給湯用流体の流量が少なくなる。このため、所定温度Ａは、給湯用流体ポンプ１４によって給湯用流体を循環させた場合に、熱交換器１６に必要な給湯用流体の流量を確保できる程度に給湯用流体の粘度が低下する温度として設定される。所定温度Ａは、給湯用流体として用いる不凍液の種類や濃度に基づいて設定すればよく、本実施形態では０℃としている。

Ｓ１１の判定処理の結果、給湯用流体温度が所定温度Ａを上回っていると判定された場合には（Ｓ１１：ＹＥＳ）、給湯用流体ポンプ１４によって給湯用流体を循環させた場合に、熱交換器１６に必要な給湯用流体の流量を確保できるので、給湯用流体ポンプ１４の運転を通常回転（第１回転数）にて開始し（Ｓ１２）、圧縮機１５の運転を開始する（Ｓ１３）。

これにより、図３（ａ）に示すように、起動時の給湯用流体温度が所定温度Ａを上回っている場合には、給湯用流体ポンプ１４と圧縮機１５が同時に運転開始することとなる。なお、起動直後は、給湯用流体を給湯用流体循環回路１２に早期に循環させるために、給湯用流体ポンプ１４を定常運転より回転数が高い起動運転にて作動させる。その後、給湯用流体ポンプ１４は、起動運転よりも回転数が低い定常運転に移行させる。

一方、Ｓ１１の判定処理の結果、給湯用流体温度が所定温度Ａを上回っていないと判定された場合には（Ｓ１１：ＮＯ）、給湯用流体ポンプ１４によって給湯用流体を循環させた場合に、熱交換器１６に必要な給湯用流体の流量を確保できないので、給湯用流体ポンプ１４の運転を高回転（第２回転数）にて開始する（Ｓ１４）。これにより、図３（ｂ）に示すように、起動時の給湯用流体温度が所定温度Ａ以下の場合には、給湯用流体ポンプ１４のみが運転開始することとなる。なお、起動時の給湯用流体温度が所定温度Ａ以下の場合には、給湯用流体（不凍液）の粘度が高くなっているので、流体ポンプの起動運転での回転数を図３（ａ）に示す起動時の給湯用流体温度が所定温度Ａを上回っている場合よりも高回転としている。

Ｓ１４の処理で、給湯用流体ポンプ１４の運転を開始することで、貯湯タンク１１内で保温された高温の給湯用流体が循環を開始する。このため、当初は低温であった給湯用流体温度を徐々に上昇させていくことが可能となる。

次に、温度センサ２１、２２のセンサ信号に基づいて給湯用流体温度を検出し（Ｓ１５）、給湯用流体温度が所定温度Ａを上回っているか否かを判定する（Ｓ１６）。そして、給湯用流体温度が所定温度Ａを上回るまで、Ｓ１５とＳ１６の処理を繰り返し行い、給湯用流体温度が所定温度Ａを上回った場合に（Ｓ１６：ＹＥＳ）、圧縮機１５の運転を開始する（Ｓ１３）。

以上説明した本実施形態の構成によれば、不凍液からなる給湯用流体の粘度が高くなっている低温起動時に、圧縮機１５に先だって給湯用流体ポンプ１４を運転開始することで、給湯用流体温度を徐々に上昇させ、これに伴い給湯用流体の粘度を低下させることができる。そして、給湯用流体温度が所定温度Ａを上回った時点では、熱交換器１６において充分な流量の給湯用流体が確保できる。このため、給湯用流体温度が所定温度Ａを上回った時点で圧縮機１５の運転を開始することで、高温高圧冷媒の有する熱量を熱交換器１６で給湯用流体に確実に放熱させることができる。このため、熱交換器１６にて給湯用流体の流量が不足して冷媒の温度と圧力が急激に上昇するという不具合を防止することができる。この結果、給湯用流体として水を用いた従来のヒートポンプ式給湯機の流体ポンプを変更することなく、給湯用流体として温度によって粘性が変化する不凍液を用いることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を図４、図５に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

図４に示すように、本第２実施形態のヒートポンプ式給湯機１０では、給湯用流体循環回路１２の給湯用流体を加熱するための補助熱源としてヒータ２３が設けられている。ヒータ２３は、給湯用流体循環回路１２における給湯用流体ポンプ１４の上流側に配置されており、ヒートポンプユニット３００に含まれている。本実施形態では、ヒータ２３として電気ヒータを用いている。

次に、本第２実施形態のヒートポンプ式給湯機１０の作動を図５を用いて説明する。

本第２実施形態では、Ｓ１１の判定処理で給湯用流体温度が所定温度Ａを上回っていないと判定され、Ｓ１４の処理で給湯用流体ポンプ１４の運転を高回転にて開始した後に、給湯用流体ポンプ１４の運転開始から所定時間が経過したか否かを判定する（Ｓ１７）。

この結果、所定時間が経過していないと判定された場合には（Ｓ１７：ＮＯ）、Ｓ１５の処理に移行する。一方、所定時間が経過したと判定された場合には（Ｓ１７：ＹＥＳ）、ヒータ２３を作動させ（Ｓ１８）、Ｓ１５の処理に移行する。

次に、Ｓ１６の判定処理で給湯用流体温度が所定温度Ａを上回っていると判定された場合には、ヒータ２３が作動中か否かを判定する（Ｓ１９）。この結果、ヒータ２３が作動中でないと判定された場合には（Ｓ１９：ＮＯ）、Ｓ１３の処理に移行する。一方、ヒータ２３が作動中であると判定された場合には（Ｓ１９：ＹＥＳ）、ヒータ２３の作動を停止し（Ｓ２０）、Ｓ１３の処理に移行する。

以上説明した本第２実施形態の構成によれば、低温起動時に給湯用流体ポンプ１４を運転開始してから所定時間経過しても給湯用流体温度が所定温度Ａまで上昇しない場合に、ヒータ２３で給湯用流体を加熱することで、給湯用流体温度を強制的に所定温度Ａ以上に上昇させることができる。これにより、貯湯タンク１１内の給湯用流体温度が低く、貯湯タンク１１内の給湯用流体が循環することによっては給湯用流体温度が上昇しない場合であっても、給湯用流体温度を上昇させることができ、熱交換器１６において充分な流量の給湯用流体が確保できる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

例えば、上記各実施形態では、熱交換器１６にて冷媒に加熱される加熱対象流体として不凍液を用いたが、加熱対象流体は所定温度Ａ以下で水より粘度が高くなる流体であればよく、不凍液と異なる種類の流体であってもよい。

また、上記各実施形態のヒートポンプサイクル１３では、冷媒として二酸化炭素を用いて超臨界冷凍サイクルを構成しているが、これに限らず、フロン系、ＨＣ系等の冷媒のように高圧圧力が臨界圧力を超えない冷媒を用いて亜臨界冷凍サイクルを構成してもよい。

１１ 貯湯タンク
１２ 給湯用流体循環回路
１３ ヒートポンプサイクル
１４ 流体ポンプ（圧送手段）
１５ 圧縮機
１６ 熱交換器
２０ 制御装置（制御手段）
２１ 第１温度センサ（温度検出手段）
２２ 第２温度センサ（温度検出手段）
２３ ヒータ（加熱手段）

Claims (2)

1. 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（１５）から吐出された高温冷媒と給湯用流体とを熱交換させる熱交換器（１６）を有するヒートポンプサイクル（１３）と、
   前記熱交換器（１６）にて加熱された給湯用流体を貯える貯湯タンク（１１）、および、前記貯湯タンク（１１）から流出した給湯用流体を前記熱交換器（１６）へ圧送する圧送手段（１４）を有する給湯用流体循環回路（１２）と、
   前記給湯用流体の温度を検出する温度検出手段（２１、２２）と、
   前記温度検出手段（２１、２２）で検出した給湯用流体の温度に基づいて前記圧送手段（１４）および前記圧縮機（１５）の作動を制御する制御手段（２０）とを備え、
   前記給湯用流体は、所定温度以下での粘度が水より高い流体であり、
   前記制御手段（２０）は、前記圧縮機（１５）より先に前記圧送手段（１４）の作動を開始させ、前記給湯用流体の温度が前記所定温度を上回った場合に、前記圧縮機（１５）の作動を開始させ、
   前記圧送手段（１４）は、回転数を変化させることで圧送する前記給湯用流体の流量を変化させることができるように構成され、
   前記制御手段（２０）は、前記給湯用流体の温度が前記所定温度を上回っている場合には、前記圧送手段（１４）を第１回転数で作動させ、前記給湯用流体の温度が前記所定温度以下の場合には、前記圧送手段（１４）を前記第１回転数より高回転の第２回転数で作動させることを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
2. 前記給湯用流体を加熱する加熱手段（２３）を備え、
   前記制御手段（２０）は、前記圧送手段（１４）の運転開始から所定時間が経過した時点で、前記給湯用流体の温度が前記所定温度に到達しない場合には、前記加熱手段（２３）にて前記給湯用流体を加熱させ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。

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