JP3850653B2 - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータを介して圧縮機の回転数を可変するヒートポンプ式給湯装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ヒートポンプ式給湯装置の駆動方式としては、省電力の観点からインバータ方式が主流となっている。このインバータ方式では、外気温度等の熱負荷に基づいて、インバータにより圧縮機の回転数を可変し、沸き上げ温度をコントロールしている。圧縮機の回転数を決定する条件としては、外気温度センサからの入力信号によるものが一般的である。これは、外気温度によりヒートポンプサイクルの負荷が大きく変動するためで、ヒートポンプサイクルを常に最高のサイクル効率付近で運転するためには、外気温度に基づいて圧縮機の回転数を制御する必要があるからである。
外気温度センサは、日射等の影響を避けて本来の外気温度を検知するために、外気風の流通しているエバポレータの上流側に配置されることが多い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、外気温度センサをエバポレータの上流側に配置すると、エバポレータ自体が冷やされているため、実際の外気温度より低い値を検知する可能性がある。このため、外気温度センサをエバポレータの上流側に配置する場合には、エバポレータの放射温度を検知しないように工夫する（例えば、エバポレータ温度の影響を防ぐために、外気温度センサの回りを別物のセンサケース等で囲む）必要があり、コストアップの要因となっている。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、圧縮機の回転数を決定する際に、外気温度に相関する物理量を使用することにより、外気温度センサを廃止してコストダウンを図ることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の手段）
圧縮機の回転数を制御する制御装置は、ヒートポンプサイクルの起動時に、入口側の温度センサと出口側の温度センサから空気冷媒熱交換器の入口側と出口側の配管温度を入力し、両方の配管温度が略等しい時に、その配管温度を外気温度と見做して圧縮機の目標回転数を決定する。
ヒートポンプサイクルを起動する前に、十分な停止時間（例えば３０分以上）があれば、空気冷媒熱交換器の入口側と出口側の配管温度は略等しくなり、且つ外気温度に近似している。従って、空気冷媒熱交換器の入口側と出口側の配管温度が略等しい時は、その配管温度を外気温度と見做すことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明のヒートポンプ式給湯装置を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
図１はヒートポンプ式給湯装置の構成を示す模式図である。
本実施例のヒートポンプ式給湯装置（給湯システム１と呼ぶ）は、下述のヒートポンプサイクルによって加熱された給湯用水（被加熱水）をタンク２内に貯留しておき、使用時にタンク２内から給湯用水を取り出して使用者に供給するシステムであり、制御装置（ＥＣＵ３と呼ぶ）によって運転制御される。
【００１２】
ヒートポンプサイクルは、図１に示すように、圧縮機４、水冷媒熱交換器５、膨張弁６、空気冷媒熱交換器７、アキュムレータ８等の構成部品を冷媒配管９により接続して、冷媒が循環する冷媒回路を構成している。
圧縮機４は、インバータ１０によって駆動される電動モータを内蔵し、この電動モータの回転数に応じて冷媒吐出量を可変する。
インバータ１０は、ＥＣＵ３から出力される制御信号（目標回転数の指示）に基づいて圧縮機４（電動モータ）を駆動する。
【００１３】
水冷媒熱交換器５は、圧縮機４により圧縮されたガス冷媒と給湯用水とを熱交換して、給湯用水を加熱する。
膨張弁６は、水冷媒熱交換器５で冷却された冷媒を弁開度に応じて減圧するもので、ステッピングモータ６ａにより弁開度を調節可能に設けられている。
空気冷媒熱交換器７は、膨張弁６で減圧された冷媒を外気との熱交換によって蒸発させるもので、ファン１１による強制送風を受けている。
アキュムレータ８は、圧縮機４の負荷変動に対応できる様に、サイクル中の余剰冷媒を蓄えている。
【００１４】
冷媒配管９には、空気冷媒熱交換器７の入口側（膨張弁６側）と出口側（アキュムレータ８側）とにそれぞれ温度センサ１２、１３が取り付けられている。
この２個の温度センサ１２、１３は、通常の運転時において、ＥＣＵ３による膨張弁６の制御と、空気冷媒熱交換器７のフロスト検知を行うために使用されるが、本実施例では、更にシステム起動時に外気温度センサとしても使用される。従って、本給湯システム１では、外気温度を検出するために専用の外気温度センサを具備していない。
【００１５】
タンク２は、耐蝕性に優れた金属製（例えばステンレス製）で断熱構造を有し、ウォータポンプ１４を具備する温水配管１５によって水冷媒熱交換器５と接続されている。なお、タンク２内に貯留される給湯用水は、家庭のキッチンや風呂等で直接使用しても良いが、給湯用以外に、例えば床暖房用、室内空調用等の熱源として利用しても良い。
ウォータポンプ１４は、例えば、内蔵するモータの回転速度を切り替えることで、流量制御が可能に設けられている。
【００１６】
ＥＣＵ３は、インバータ１０の制御以外に、膨張弁６、ファン１１、及びウォータポンプ１４等の電気機器の駆動制御を行う。
次に、システム起動時に圧縮機４の目標回転数を決定するＥＣＵ３の処理手順を図２に示すフローチャートに基づいて説明する。
Step10…２個の温度センサ１２、１３から検出温度Ａ、Ｂを入力する。
Step20…２個の温度センサ１２、１３の検出温度Ａ、Ｂを比較する。この判定で、両方の検出温度Ａ、Ｂが略等しい時（Ａ≒Ｂ）はStep30へ進み、両方の検出温度が大きく異なる場合（Ａ≠Ｂ）はStep40へ進む。
【００１７】
Step30…２個の温度センサ１２、１３の検出温度Ａ、Ｂが略等しい時は、配管温度が外気温度に近似していると判断できるので、温度センサ１２の検出温度Ａまたは温度センサ１３の検出温度Ｂを外気温度として入力し、Step50へ進む。
Step40…２個の温度センサ１２、１３の検出温度Ａ、Ｂが異なる場合は、本給湯システム１の停止直後であると判断できるので、温度センサ１２、１３の検出温度Ａ、Ｂを外気温度として使用することができない。そこで、前回運転時に使用した外気温度を入力し、Step50へ進む。
Step50…入力された外気温度に基づいて、図３に示すマップから圧縮機４の目標回転数を決定する。
【００１８】
（第１実施例の効果）
本実施例の給湯システム１では、空気冷媒熱交換器７の入口側と出口側とに取り付けられている既存の温度センサ１２、１３を使用して外気温度を推定し、その外気温度に基づいて、システム起動時の圧縮機４の目標回転数を決定することができる。
これにより、外気温度を検出する専用の外気温度センサを廃止できる上に、外気温度センサを使用する場合に設置されるセンサケース等の部品も不要となるため、コストダウンを実現できる。
また、本給湯システム１は、通常の運転を深夜電力時間帯に行うことにより、運転中の負荷変動（外気温度の変動）が小さく、システム起動時に設定した目標回転数で圧縮機４を定速運転しても、高効率で運転し続けることが可能である。
【００１９】
（第２実施例）
図４は給湯システム１の構成を示す模式図である。
本実施例は、第１実施例で説明した２個の温度センサ１２、１３以外に、冷媒回路中に設置されている他の温度センサも使用して外気温度を推定する一例である。
例えば、図４に示す様に、水冷媒熱交換器５の入口側と出口側の冷媒配管９に取り付けられた２個の温度センサ１６、１７も使用し、４個の温度センサ１２、１３、１６、１７で検出された温度が略等しい時に、各温度センサの検出温度を外気温度と見做すことができる。
なお、温度センサ１６、１７のうち何方か一方だけを使用しても良い。また、本実施例に示した温度センサ１６、１７に限らず、冷媒回路中に他の温度センサが設置されていれば、その温度センサを使用しても良い。
【００２０】
（第３実施例）
図５はＥＣＵ３の処理手順を示すフローチャートである。
本実施例は、前回のシステム停止からの経過時間を計測し、その経過時間が十分に長い場合は、空気冷媒熱交換器７の入口側と出口側とに取り付けられた温度センサ１２、１３の検出温度を外気温度と見做す一例である。
【００２１】
本実施例の制御内容を図５のフローチャートに基づいて説明する。
Step10…２個の温度センサ１２、１３から検出温度Ａ、Ｂを入力する。
Step20…前回のシステム停止からの経過時間を計測し、その経過時間が予め設定された基準時間（例えば３０分）より長いか短いかを判定する。この判定で、計測された経過時間が基準時間より長い場合はStep30へ進み、計測された経過時間が基準時間より短い場合はStep40へ進む。
【００２２】
Step30…計測された経過時間が基準時間より長い場合は、空気冷媒熱交換器７の入口側及び出口側の配管温度が外気温度に近似してくるため、温度センサ１２の検出温度Ａまたは温度センサ１３の検出温度Ｂを外気温度として入力し、Step50へ進む。
Step40…計測された経過時間が基準時間より短い場合は、空気冷媒熱交換器７の入口側と出口側とで配管温度が異なり、外気温度とも近似していないため、温度センサ１２、１３の検出温度Ａ、Ｂを外気温度として使用することはできない。そこで、前回運転時に使用した外気温度を入力し、Step50へ進む。
Step50…入力された外気温度に基づいて、第１実施例に示したマップ（図３参照）から圧縮機４の目標回転数を決定する。
【００２３】
本実施例の方法でも、第１実施例と同様に、外気温度を検出する専用の外気温度センサを廃止できる上に、外気温度センサを使用する場合に設置されるセンサケース等の部品も不要となるため、コストダウンを実現できる。
また、本給湯システム１は、通常の運転を深夜電力時間帯に行うことにより、運転中の負荷変動（外気温度の変動）が小さく、システム起動時に設定した目標回転数で圧縮機４を定速運転しても、高効率で運転し続けることが可能である。
【００２４】
（第４実施例）
図６は給水温度から圧縮機４の目標回転数を決定するマップである。
本実施例は、システム起動時に給水温度から圧縮機４の目標回転数を決定する一例である。なお、“給水温度”は、タンク２内に給水される水（水道水）の温度であり、図示しない水温センサによって検出され、ＥＣＵ３に入力される。
この場合、給水温度は、外気温度に相関して変動するため、図６に示すマップから、外気温度の代わりに給水温度（水温センサの検出値）に基づいて圧縮機４の目標回転数を決定しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】ヒートポンプ式給湯装置の構成を示す模式図である（第１実施例）。
【図２】ＥＣＵの処理手順を示すフローチャートである（第１実施例）。
【図３】外気温度から圧縮機の目標回転数を決定するマップである（第１実施例）。
【図４】ヒートポンプ式給湯装置の構成を示す模式図である（第２実施例）。
【図５】ＥＣＵの処理手順を示すフローチャートである（第３実施例）。
【図６】給水温度から圧縮機の目標回転数を決定するマップである（第４実施例）。
【符号の説明】
１ 給湯システム（ヒートポンプ式給湯装置）
２ タンク
３ ＥＣＵ（制御装置）
４ 圧縮機
５ 水冷媒熱交換器
６ 膨張弁
７ 空気冷媒熱交換器
９ 冷媒配管
１０ インバータ
１２ 温度センサ
１３ 温度センサ

Claims (1)

1. インバータを介して駆動される圧縮機、この圧縮機により圧縮された冷媒を被加熱水と熱交換させる水冷媒熱交換器、サイクル内の圧力を制御する膨張弁、この膨張弁で減圧された冷媒を外気と熱交換させる空気冷媒熱交換器を具備した冷媒回路を構成し、前記空気冷媒熱交換器で外気より吸収した熱量を前記水冷媒熱交換器で被加熱水に放出するヒートポンプサイクルと、
   前記インバータを介して前記圧縮機の回転数を制御する制御装置と、
   前記空気冷媒熱交換器の入口側の配管温度を検出する入口側の温度センサと、
   前記空気冷媒熱交換器の出口側の配管温度を検出する出口側の温度センサとを備えたヒートポンプ式給湯装置において、
   前記制御装置は、前記ヒートポンプサイクルの起動時に、前記入口側の温度センサと前記出口側の温度センサから前記空気冷媒熱交換器の入口側と出口側の配管温度を入力し、両方の配管温度が略等しい時に、その配管温度を外気温度と見做して前記圧縮機の目標回転数を決定することを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。

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