JP2005098530A - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の使用範囲を超えることなく運転を継続させる。
【解決手段】圧縮機１１、給湯用熱交換器１２、風呂用熱交換器１３、膨張弁１４、及び蒸発器１５を配管で接続したヒートポンプサイクル１０において、圧縮機１１の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段である吐出圧力センサ１８を設け、給湯運転時に吐出圧力センサ１８で検出した圧力が予め決定した第１の吐出圧力以上になった場合、膨張弁１４の制御は吐出圧力制御を優先させることにより、圧縮機の使用範囲を超えることなく運転を継続させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機、給湯用熱交換器、風呂用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で接続したヒートポンプサイクルを備え、給湯用熱交換器で加熱したお湯をそのまま出湯する、瞬間湯沸かし型のヒートポンプ給湯装置に関するものである。

従来から、種々のヒートポンプサイクルを利用した給湯装置が提案されている。この装置における給湯温度の制御方法として、給湯量が増加すると給湯温度が下がるとインバータの運転周波数を上昇させ、給湯量が減少すると給湯温度が上がるとインバータの運転周波数を下降させることにより、給湯温度を常時設定値範囲内に保持する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。

図３は特許文献１に記載された従来のヒートポンプ給湯装置の配管ブロック図である。図３において、従来のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機１と、利用側熱交換器２と、同一次側配管２ａと、同二次側配管２ｂと、膨張弁３と、熱源側熱交換器４と、制御回路５と、給湯蛇口６と、温度センサ７と、インバータ８とから構成されている。

冷媒回路は圧縮機１より利用側熱交換器２の一次側配管２ａと膨張弁３と熱源側熱交換器４とを経て、圧縮機１に戻る循環経路により形成されている。一方、給水回路は給水管より利用側熱交換器２の二次側配管２ｂを経て、給湯蛇口６に至る経路により形成されている。７は給湯蛇口６近傍の給湯温度を検出する温度センサで、定期的に給湯温度を検出して情報を制御回路５に送っている。８は圧縮機１を制御するインバータで、制御回路５の信号により出力周波数を変えて、利用側熱交換器２の温度を制御している。制御回路５は温度センサ７により検出された給湯蛇口６近傍の出湯温度と設定温度とを比較し、出湯温度が低い場合はインバータ８の出力周波数を上昇方向に操作して圧縮機１の回転数を上げて出湯温度が高い場合は、インバータ８の出力周波数を下降方向に操作して圧縮機１の回転数を下げる制御を行っている。
特開平２−２２３７６７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、使用者が蛇口を操作することにより、給湯量の変化が起こった場合、出湯温度を検知してインバータの運転周波数の制御を行っているが、給湯温度の追従性が悪く設定値範囲内を広くしないと設定値範囲内に保持できなかったり、特に給湯量が急激に減少した場合圧縮機の吐出圧力が急激に上昇し使用圧力範囲内での運転が困難となり、圧縮機の信頼性を確保することが困難となる。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、ヒートポンプサイクルを利用した瞬間湯沸かし型の給湯装置であって、吐出圧力を監視し制御しているため圧縮機の使用範囲を超えることなく運転を継続させることを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段を設け、給湯運転時に前記吐出圧力検出手段で検出した圧力が予め決定した第１の吐出圧力以上になった場合、前記膨張弁の制御は吐出圧力制御を優先させるものである。

これによって、使用者が給湯中に蛇口を絞り急激に給湯量が減少したり、蛇口を閉じた場合でも吐出圧力を監視し制御しているため圧縮機の使用範囲を超えることなく運転を継続させることができる。

本発明によれば、給湯運転時に使用者が給湯中に蛇口を絞り急激に給湯量が減少したり、蛇口を閉じた場合でも吐出圧力を監視し制御しているため、圧縮機の使用範囲を超えることなく運転を継続させることができる。また、過渡的に、吐出圧力が上昇した効率の悪い運転状態を短時間で解消できる。さらに、吐出圧力のオーバーシュートをさらに抑制でき、さらに安定した給湯温度での給湯ができる。

第１の発明は、圧縮機、給湯用熱交換器、風呂用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で接続したヒートポンプサイクルを備え、前記圧縮機の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段を設け、前記吐出圧力検出手段で検出した圧力が予め決定した第１の吐出圧力以上になった場合、前記膨張弁の制御は吐出圧力制御を優先させるヒートポンプ給湯装置とする。

従って、使用者が給湯中に蛇口を絞り急激に給湯量が減少したり、蛇口を閉じた場合でも吐出圧力を監視し制御しているため、圧縮機の使用範囲を超えることなく運転を継続させることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の吐出圧力制御において、膨張弁の開動作させる。

従って、過渡的に、吐出圧力が上昇した効率の悪い運転状態を短時間で解消できる。

第３の発明は、特に、第１の発明の吐出圧力制御において、膨張弁の開度を、吐出圧力検出手段で検出した吐出圧力と予め決定した第２の吐出圧力との偏差に基づいて決定している。

従って、偏差が大きい場合は操作量を大きく、偏差が小さい場合は操作量を小さく制御し、吐出圧力のオーバーシュートを抑制でき、安定した給湯温度での給湯ができる。

第４の発明は、特に、第１の発明の吐出圧力制御において、膨張弁の開度を、吐出圧力検出手段で検出した吐出圧力と予め決定した第２の吐出圧力との偏差と吐出圧力の変化量に基づいて決定している。

従って、操作量を細かく決定し制御しているため、吐出圧力のオーバーシュートをさらに抑制でき、さらに安定した給湯温度での給湯ができる。

第５の発明は、特に、第１の発明の吐出圧力制御において、膨張弁の開度を、吐出圧力検出手段で検出した吐出圧力と予め決定した第２の吐出圧力との偏差と吐出圧力の変化量、及び給湯負荷に基づいて決定している。

従って、さらに操作量を細かく決定し制御しているため、吐出圧力のオーバーシュートをさらに抑制でき、さらに安定した給湯温度での給湯ができる。

第６の発明は、特に、第１〜５のいずれかの発明において、吐出圧力検出手段で検出した圧力が予め決定した第２の吐出圧力以下になった場合、吐出圧力制御を解除する。

従って、膨張弁は給湯熱交出口温度または、圧縮機の吐出温度といった本来の制御に移行するため、効率よく、設定温度の給湯を行うことができる。

第７の発明は、特に、第１〜６のいずれかに記載の発明において、圧縮機の起動時における膨張弁の開度を安定時の開度より小さい開度に設定する。

従って、圧縮機の起動において吐出圧力、吐出温度の上昇スピードが速くなり、ヒートポンプサイクルの立ち上げを速くすることができる。

第８の発明は、特に、第１〜６のいずれかに記載の発明において、圧縮機の起動時における膨張弁の開度を安定時の開度より小さい開度に設定し、圧縮機の運転周波数の上昇に従い、膨張弁の開度を大きくする。

従って、サイクルのオーバーシュートを抑制し、より速く設定温度に到達できさらに、ヒートポンプサイクルの立ち上げを速くすることができる。

以下、本発明の実施例について、図１、図２を参照しながら説明する。

（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例によるヒートポンプ給湯装置の回路構成図である。図２は、本発明の第１の実施例によるヒートポンプ給湯装置の給湯運転での膨張弁制御のフローチャートである。

図１において、本発明の第１の実施例によるヒートポンプ給湯装置の冷凍回路について説明する。

ヒートポンプサイクル１０は、圧縮機１１、給湯用熱交換器１２、風呂用熱交換器１３、膨張弁１４、及び蒸発器１５を順に配管で接続して構成されている。また、ヒートポンプサイクル１０は、給湯用熱交換器１２をバイパスするバイパス回路１６を備え、このバイパス回路１６には制御弁１７を設けている。また、ヒートポンプサイクル１０には、圧縮機１１からの吐出冷媒圧力を検出する吐出圧力センサ１８を備えている。さらにヒートポンプサイクル１０に対応する蒸発器１５に送風するためのファン１９を設けている。また、外気温センサ２０を設置している。

本実施例によるヒートポンプ給湯装置は、二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側では臨界圧を越える状態で運転することが好ましい。

次に、本発明の第１の実施例によるヒートポンプ給湯装置の出湯回路について説明する。

給湯用熱交換器１２の水用配管１２Ａの流入側は、流量調整弁２１、減圧弁２２、及び逆止弁２３を介して水道管等の水供給配管２４に接続されている。水用配管１２Ａの流出側は、逆止弁２５、第一混合弁２６、及び第二混合弁２７を介してキッチン、又は洗面所等の給湯用の蛇口２８に接続されている。この出湯回路には、キッチン、又は洗面所等の給湯用の蛇口２８の流量を検出する流量センサ２９を備えている。

次に、本発明の第１の実施例によるヒートポンプ給湯装置の貯湯回路について説明する。

貯湯タンク３０の底部配管３２は、逆止弁３１、減圧弁２２、及び流量調整弁２１を介して水道管等の水供給配管２４に接続されている。この底部配管３２は、循環ポンプ３３を介して水用配管１２Ａの流入側と接続されている。また、貯湯タンク３０の上部循環用配管３４は、制御弁３５を介して水用配管１２Ａの流出側と接続されている。なお、本発明の実施例による貯湯タンク３０は、積層式の貯湯タンクであり、タンク内での撹拌が防止され、上部に高温水が底部に低温水が蓄積されるように構成されている。

一方、貯湯タンク３０の上部出湯用配管４１は、第一混合弁２６に接続されている。また、貯湯タンク３０の底部配管３２から分岐させた出水用配管４２は、逆止弁４３を介して第二混合弁２７に接続されている。

次に、本発明の第１の実施例によるヒートポンプ給湯装置の浴槽加熱回路について説明する。

風呂用熱交換器１３の水用配管１３Ａは、循環ポンプ５１を備えた浴槽用循環配管５２と接続されている。この浴槽用循環配管５２は、水用配管１３Ａをバイパスするバイパス配管５３と、水用配管１３Ａとバイパス配管５３とを切り換える三方弁５４とを備えている。

なお、浴槽５０への注湯は、第二混合弁２６の下流側配管に接続した注湯用配管６１を用いて行うことができる。この注湯用配管６１は、浴槽用循環配管５２に接続している。注湯用配管６１には、注湯弁６２が設けられている。

リモコン７１は、蛇口２８からの出湯温度の指示や、浴槽５０の沸き上げ温度及び沸き上げ開始などを指示し、このリモコン７１からの指示に基づいてヒートポンプサイクル１０とを制御手段７２にて制御する。なお各種のセンサの検出値はこの制御手段７２に入力される。

次に、本発明の第１の実施例によるヒートポンプ給湯装置の給湯運転動作について説明する。蛇口２８の開放を流量センサ２９にて検知すると、ヒートポンプサイクル１０が運転を開始する。

圧縮機１１で圧縮された冷媒は、給湯用熱交換器１２で放熱し、風呂用熱交換器１３を通り、膨張弁１４で減圧された後、蒸発器１５にて吸熱し、ガス状態で圧縮機１１に吸入される。このとき、制御弁１７は閉状態で、バイパス回路１６には冷媒は流れない。

水供給配管２４から供給される水は、流量調整弁２１、減圧弁２２、及び逆止弁２３を順に通り、分岐して、給湯用熱交換器１２の水用配管１２Ａに導かれる。水用配管１２Ａで加熱された温水は、逆止弁２５、第一混合弁２６、及び第二混合弁２７を順に通り蛇口２８に導かれる。

なお、ヒートポンプサイクル１０で能力制御を行っても、給湯用熱交換器１２からの水温が設定温度よりも高い場合には、出水用配管４２から第二混合弁２７に冷水を導入し、第二混合弁２７での出口温度が設定温度となるように制御する。

また、ヒートポンプサイクル１０で能力制御を行っても、給湯用熱交換器１２からの水温が設定温度よりも低い場合には、貯湯タンク３０から第一混合弁２６に温水を導入し、第一混合弁２６での出口温度が設定温度となるように制御する。さらに第一混合弁２６での出口温度が設定温度よりも低い場合は、通常全開状態の流量調整弁２１の開度を小さくし、蛇口２８からの出湯流量を少なくして第一混合弁２６での出口温度が設定温度となるように制御する。

次に、本発明の第１の実施例によるヒートポンプ給湯装置の給湯運転での膨張弁制御に関して図２のフローチャートで説明する。

まず、蛇口２８の開放を流量センサ２９にて検知すると、膨張弁１４の初期開度が設定される。安定時の膨張弁開度は、リモコン７１の設定温度と入水温度（図示せず）および流量センサ２９より定格の給湯能力に対する給湯負荷の割合が算出され、外気温センサ２０により検出された外気温とにより、（表１）に示すように算出される。また、初期開度は、（表１）に示すように例えば、安定時の膨張弁開度の９０％に設定される。また、圧縮機は給湯負荷に見合った運転周波数で起動される（ステップ１）。

この制御を行うことにより、圧縮機の起動において吐出圧力、吐出温度の上昇スピードが速くなり、ヒートポンプサイクルの立ち上げを速くすることができる。

起動が終了すると、膨張弁は通常制御を開始する。この通常制御は、例えば、圧縮機１１の吐出温度を給湯負荷と外気温により決定された温度に制御するかまたは、給湯熱交換機器１２の冷媒側出口温度と水側入口温度差が５Ｋになるように制御する（ステップ２）。

次に、給湯運転において吐出圧力センサ１８で圧縮機１１からの吐出冷媒圧力を検出し、吐出圧力が第１の吐出圧力以上であるか判断される（ステップ３）。ここでは、急激な給湯量の減少が起こった場合、吐出圧力の急激な上昇が見られることに注目し、急激な給湯量の減少が起こっていないかを判断している。この第１の吐出圧力は、（表２）に示すように外気温によって決定されており、例えば４５℃の給湯温度を得るための吐出圧力より１ＭＰa高い圧力に設定されている。

給湯量が極端に減少した場合、給湯用熱交換器１２の水用配管１２Ａを流れる水量も極端に減少し、給湯負荷も減少するため、圧縮機１１の運転周波数は給湯負荷に見合った運転周波数に下げられるが、運転周波数が下がる速度が遅く、過渡的に圧縮機１１の運転周波数に比べ、給湯負荷の方が小さく吐出圧力が上昇し、運転効率が悪くなったり、最悪の場合圧縮機の使用圧力範囲外になる。

吐出圧力が第１の吐出圧力以上である場合、膨張弁は、吐出圧力制御に変更される。吐出圧力センサ１８で検出された吐出冷媒圧力と第２の吐出圧力との偏差、吐出圧力の変化量、給湯負荷等により膨張弁の操作量を決定する（ステップ４）。

ここで、第２の吐出圧力は、（表３）に示すように外気温によって決定されており、例えば４５℃の給湯温度を得るための吐出圧力より０．５ＭＰa高い圧力に設定されている。また、膨張弁の操作量は、（表４）または（表５）または（表６）に示すように、吐出圧力センサ１８で検出された吐出冷媒圧力と第２の吐出圧力との偏差、吐出圧力の変化量、定格の給湯能力に対する給湯負荷の割合等により決定されている。

使用者が蛇口２８を操作することにより急激な給湯量の減少が起こった場合、吐出圧力センサ１８で検出された吐出冷媒圧力が（表２）に示す吐出圧力を超えると、（表４）または（表５）または（表６）に示す操作量だけ膨張弁を制御する。

（表４）は、吐出圧力センサ１８で検出された吐出冷媒圧力と第２の吐出圧力との偏差によって操作量を決定するものであり、操作量は、圧縮機の使用圧力範囲外になることを防止するため、大きな値となっている。

また、（表５）は、吐出圧力センサ１８で検出された吐出冷媒圧力と第２の吐出圧力との偏差と吐出圧力の変化量によって操作量を決定するものであり、吐出圧力の変化を小さくするため、（表４）に比べ操作量の小さい領域や操作方向を変更させる領域を設けている。

さらに、（表６）は、吐出圧力センサ１８で検出された吐出冷媒圧力と第２の吐出圧力との偏差と吐出圧力の変化量及び、定格の給湯能力に対する給湯負荷の割合によって操作量を決定するものであり、吐出圧力の変化をさらに小さくするため、（表５）に比べ操作量の小さい領域や操作方向を変更させる領域を設けている。

この制御を行うことによって、過渡的な運転効率の悪化を抑制できたり、圧縮機の使用圧力範囲外になることを防止できる。さらに、吐出圧力のオーバーシュートを抑制でき、安定した給湯温度での給湯ができる。

ステップ３で吐出圧力が第１の吐出圧力以上でない場合、ステップ２で膨張弁は通常制御される。次に、吐出圧力センサ１８で圧縮機１１からの吐出冷媒圧力を検出し、吐出圧力が第２の吐出圧力以下であるか判断される（ステップ５）。吐出圧力が第２の吐出圧力以下でない場合、過渡的な運転効率の悪い状態が継続しているものと見なされステップ４での膨張弁の吐出圧力制御が継続される。また、吐出圧力が第２の吐出圧力以下になった場合、過渡的な運転効率の悪い状態がほぼ解消され、給湯温度を安定させるため、膨張弁はステップ２の通常制御に変更される。

以上のように本実施例のヒートポンプ給湯装置は、吐出圧力センサ１８で圧縮機１１からの吐出冷媒圧力を検出し、使用者が蛇口２８を操作することにより急激な給湯量の減少が起こった場合、吐出圧力の急激な上昇が起こることに注目し、この場合膨張弁１４で吐出圧力を制御するようにしたので、過渡的な運転効率の悪化を抑制できたり、圧縮機の使用圧力範囲外になることを防止できる。さらに、吐出圧力のオーバーシュートを抑制でき、安定した給湯温度での給湯ができる。

なお、本実施例では冷媒として二酸化炭素を用いた場合で説明したが、冷媒としてＲ４１０Ａ冷媒やＨＣ冷媒などのその他の冷媒を用いてもよい。

また、本実施例では、ヒートポンプサイクル１０を備えたヒートポンプ給湯装置を用いて説明したが、２つ以上のヒートポンプサイクルを用いてもよい。

また、ヒートポンプサイクル１０の風呂用熱交換器１３を、例えば床暖房や温風機器などの暖房用熱交換器として利用することもできる。

また、給湯運転の起動時に膨張弁は初期開度のまま立ち上げたが、サイクルのオーバーシュートを抑制し、より速く設定温度に到達できる。さらに、ヒートポンプサイクルの立ち上げを速くするために、圧縮機の運転周波数の上昇とともに安定時の開度まで開ける制御としてもよい。

以上のように本発明に係るヒートポンプ給湯装置は、安定した給湯温度での給湯ができるので、産業上の利用可能性がある。

本発明の実施例１におけるヒートポンプ給湯装置の回路構成図 本発明の実施例１におけるヒートポンプ給湯装置の給湯運転での膨張弁制御のフローチャート 従来のヒートポンプ給湯装置の配管ブロック図

符号の説明

１０ ヒートポンプサイクル
１１ 圧縮機
１２ 給湯用熱交換器
１３ 風呂用熱交換器
１４ 膨張弁
１５ 蒸発器
１８ 吐出圧力センサ

Claims (8)

1. 圧縮機、給湯用熱交換器、風呂用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で接続したヒートポンプサイクルを備え、前記圧縮機の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段を設け、給湯運転時に前記吐出圧力検出手段で検出した圧力が予め決定した第１の吐出圧力以上になった場合、前記膨張弁の制御は吐出圧力制御を優先させることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
2. 吐出圧力制御は、膨張弁を開動作させることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ給湯装置。
3. 吐出圧力制御は、膨張弁の開度を吐出圧力検出手段で検出した吐出圧力と予め決定した第２の吐出圧力との偏差に基づいて決定することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ給湯装置。
4. 吐出圧力制御は、膨張弁の開度を吐出圧力検出手段で検出した吐出圧力と予め決定した第２の吐出圧力との偏差と吐出圧力の変化量に基づいて決定することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ給湯装置。
5. 吐出圧力制御は、膨張弁の開度を吐出圧力検出手段で検出した吐出圧力と予め決定した第２の吐出圧力との偏差、吐出圧力の変化量、及び給湯負荷に基づいて決定することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ給湯装置。
6. 吐出圧力検出手段で検出した圧力が予め決定した第２の吐出圧力以下になった場合、吐出圧力制御を解除することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
7. 圧縮機の起動時における膨張弁の開度を安定時の開度より小さい開度に設定することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
8. 圧縮機の起動時における膨張弁の開度を安定時の開度より小さい開度に設定し、前記圧縮機の運転周波数の上昇に従い、前記膨張弁の開度を大きくすることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。

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