JP4549241B2 - 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暖房機の異常判定手段に係わり、特に正常／異常の判定に給湯運転と暖房運転ごとに異なる水熱交換器の温度差を用いるヒートポンプ式給湯暖房機に関する。

近年、給湯装置としてヒートポンプ式給湯装置が多く用いられており、このヒートポンプ式給湯装置は、冷媒圧縮機、水熱交換器の冷媒流路、膨張弁及び空気熱交換器をサイクル状に接続したヒートポンプサイクルを用い、水熱交換器で熱交換する温水流路にポンプを介して給湯用湯タンク、暖房用湯タンクを設け、膨張弁および冷媒圧縮機を制御する制御器を備えている。

このような従来の給湯装置は、ヒートポンプサイクル内の冷媒が抜けてなくなると、給湯能力が消失し、また、冷媒圧縮機が無負荷になるので、圧縮機部等の耐久性が低下する問題があり、ヒートポンプサイクル内に冷媒が有るか無いかを検出し、冷媒が無い場合には沸き上げ運転を停止するようにしたヒートポンプ式の給湯装置が提案されている（特許文献１）。

しかし、特許文献１のヒートポンプ式給湯機は、水の出入り温度差による異常判定制御はなく、仮に水が流れていない場合には、冷凍サイクル上のセンサ温度が上昇し異常判定をしていた。この方法では冷媒が極端に少ない場合、冷凍サイクル上の他のセンサ温度が上昇することはなく、異常判定ができないという欠点があった。

また、圧縮機の吐出側に弁を有する冷凍サイクルにあっては、この弁が故障した場合水の出入り温度差で異常を判定する必要があった。
特開２００２−３２３２５８号公報

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、機種により給湯運転、暖房運転で定常時の水出入口の温度差が大きく違う場合でも、異常判定の温度を別々に設定することで誤判定することなく異常判定の精度を上げることができるヒートポンプ式給湯暖房機を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係るヒートポンプ式給湯装置は、屋外に設置される熱源ユニットと、屋内に設置される水熱交換器ユニットと、屋内に設置される給湯用タンクユニット及び暖房用タンクユニットとを備え、前記水熱交換器ユニットには、切換弁を介して並列に接続される給湯運転用水熱交換器及び暖房運転用水熱交換器が収容され、給湯運転と暖房運転とを各々独立して運転することができるヒートポンプ式給湯装置であって、前記給湯運転用及び暖房運転用水熱交換器の水出入口の温度差を検出し、その検出温度差がある所定の温度差以上であれば運転が正常であると判断する異常判定手段を備え、正常／異常の判定に給湯運転と暖房運転ごとに異なる温度差を用いることを特徴とする。

本発明に係るヒートポンプ式給湯暖房機によれば、異常判定の温度を別々に設定することで誤判定することなく異常判定の精度を上げることができるヒートポンプ式給湯暖房機を提供することができる。

以下、本発明に係るヒートポンプ式給湯暖房機の一実施形態について添付図面を参照して説明する。

はじめに、本発明に係る異常判定手段が用いられるヒートポンプ式給湯暖房機について説明する。

図１は本発明に係るヒートポンプ式給湯装置の概念図、図２は同ヒートポンプ式給湯装置の基本冷凍サイクル系統図であり、図３は同ヒートポンプ式総湯装置の電気制御系図である。

図１に示すように、本発明のヒートポンプ式給湯暖房機の異常判定方法が用いられるヒートポンプ式給湯装置１は、屋外に配置される熱源ユニット２と、屋内において、たとえば壁面に取付ける壁掛け式の水熱交換ユニット３と、家屋内のたとえばユーティリティ室に据付けられるタンクユニット４とから構成される。

このタンクユニット４は、給湯用タンクユニット５及び暖房用タンクユニット６を備えていて、それぞれのタンクユニット５、６と水熱交換ユニット３が水配管７と電気配線８で接続される。そして、給湯用タンクユニット５と暖房用タンクユニット６のそれぞれには、後述する補助加熱ヒータが付設される。

熱源ユニット２と水熱交換ユニット３は、電気配線８及び冷媒配管９で接続され、水熱交換ユニット３に備えられる制御器１０は、壁面に取付けられる給湯・暖房用リモコン（制御器）１１と電気的に接続されている。熱源ユニット２にも制御器１２が備えられていて、リモコン１１は、水熱交換ユニット３の制御器１０を介して熱源ユニット２の制御器１２及びタンクユニット４のそれぞれに収納される後述する電気機器を制御するようになっている。

図２に示すように、ヒートポンプ式冷凍サイクル回路Ｈは、熱源ユニット２と水熱交換ユニット３に亘って構成される。

すなわち、圧縮機１３と、第１の水熱交換器である給湯用水熱交換器１４および第２の水熱交換器である暖房用熱交換器１５と、電子膨張弁（減圧機構）１６と、室外送風機１７ａを備えた熱源側熱交換器１７が冷媒配管９を介して連通されている。圧縮機１３、電子膨張弁１６、熱源側熱交換器１７は熱源ユニット２の筐体２Ａ内に収容され、給湯用水熱交換器１４及び暖房用水熱交換器１５は水熱交換ユニット３の筐体３Ａ内に収容されている。

また、給湯用水熱交換器１４は圧縮機１３吐出側と電子膨張弁１６とを連通する冷媒配管９の中途部に設けられている。給湯用水熱交換器１４と電子膨張弁１６との間に液側流量調整弁１８が接続され、圧縮機１３吐出側と給湯用水熱交換器１４との間にガス側２方弁１９が接続され、水熱交換ユニット３内における、電子膨張弁１６と液側流量調整弁１８とを連通する冷媒配管９の中途部に分岐管ｐ１が分岐され、この分岐管ｐ１に液側流量調整弁２０を介して暖房用熱交換器１５における一方の接続口体が接続されている。

そして、圧縮機１３吐出側とガス側２方弁２１とを連通する冷媒配管９の中途部に分岐管ｐ２が分岐され、この分岐管ｐ２にガス側２方弁２１を介して暖房用熱交換器１５における他方の接続口体が接続されている。従って、給湯用水熱交換器１４と暖房用熱交換器１５とは冷凍サイクル回路Ｈに対して並列に接続される。なお、符号２２は除霜運転時の切換えを行うための４方弁であり、符号２９は給湯用水熱交換器１４と暖房用熱交換器１５に並列に設けられたチェック弁である。

給湯用水熱交換器１４及び暖房用熱交換器１５とも水配管７に接続する水熱交換部を備えていて、冷凍サイクル回路Ｈの冷媒熱交換部と有効な熱交換作用をなすように構成される。水熱交換ユニット３内において、給湯用水熱交換器１４及び暖房用熱交換器１５に連通する水配管７、７のそれぞれに給湯用ポンプ２３、暖房用ポンプ２４が接続されている。

従って、水熱交ユニット３内のガス側２方弁１９、２１と液側流量調整弁１８、２０により給湯用／暖房用サイクルを切り換えることで給湯／暖房各々独立して運転することができるようになっている。

図３に示すように、給湯・暖房用リモコン１１と電気的に接続される水熱交換ユニット３の制御器１０には、商用電源が供給されるようになっている。水熱交換ユニット３の制御器１０は熱源ユニット２に取付けられる制御器１２を介して、圧縮機１３などの電気機器を運転制御するようになっている。

さらに、水熱交換ユニット３の制御器１０は、給湯用・暖房用タンクユニット５、６に備えられる制御器２５、２６に電気的に接続され、これら制御器２５、２６を介して各タンクユニット５、６に付設された補助加熱ヒータ２７、２８の加熱量などの制御を行えるようになっている。

また、制御器１０には図２に示すような圧縮機１３の吐出側温度センサーＴＤ、吸込側温度センサーＴＳ、給湯用水熱交換器１４と暖房用熱交換器１５の温度センサーＴＣ＿Ｈ、ＴＣ＿Ｆ、水入口温度センサーＴＷＩ＿Ｈ、ＴＷＩ＿Ｆ、水出口温度センサーＴＷＯ＿Ｈ、ＴＷＯ＿Ｆ、熱源側熱交換器１７の温度センサーＴＯ、給湯用タンク５ａの第１の温度センサーＴ１＿Ｈ、第２の温度センサーＴ２＿Ｈ、及び暖房用タンク６ａの湯出口温度センサーＴ１＿Ｆが接続されている。

ヒートポンプ式給湯暖房機１は上記のように給湯／暖房運転を各々独立して運転でき、給湯用水熱交換器１４と暖房用熱交換器１５に供給される水の温度を水入口温度センサーＴＷＩ＿Ｈ、ＴＷＩ＿Ｆで検知し、水出口温度センサーＴＷＯ＿Ｈ、ＴＷＯ＿Ｆにより加熱された水に水温を検知して、所定の温度になるように各部はコントロールされる。

次に本発明に係るヒートポンプ式給湯暖房機の異常判定方法について説明する。

図２に示すように、リモコン１１に対する運転開始操作に伴い、熱源ユニット２の圧縮機１３が駆動され高圧化された冷媒ガスが吐出されてヒートポンプ式冷凍サイクル回路Ｈを循環する。冷媒ガスは給湯用水熱交換器１４と暖房用水熱交換器１５の一方もしくは両方に導かれて凝縮し、凝縮熱を放出する。同時に給湯用ポンプ２３と暖房用ポンプ２４の一方もしくは両方が駆動され、それぞれに接続される給湯用水熱交換器１４及び暖房用熱交換器１５に給湯用タンクユニット５と、暖房用タンクユニット６からの循環水が導かれる。

給湯用水熱交換器１４及び暖房用熱交換器１５において循環水は冷媒の凝縮熱を吸収し、温度上昇して温水に変る。温水は給湯用タンク５ａと、暖房用タンク６ａに導かれ、一旦貯溜される。そして、給湯栓を開放することで給湯用タンクユニット５内の温水が供給され、給湯量と同一量の水が給湯用タンク５ａ内に供給される。また、リモコン１１の暖房運転開始釦を押すことで、暖房用タンク６ａから床暖房パネル等ヘ温水が供給される。温水は床暖房パネル等で放熱して床暖房をなす。放熱して温度低下した温水は再び暖房用タンク６ａへ戻り、ここで加熱されて所定温度に上昇するのを待機する。

このような給湯過程において、供給水温を水入口温度センサーＴＷＩ＿Ｈ、ＴＷＩ＿Ｆにて検出、温められた湯の温度を水出口温度センサーＴＷＯ＿Ｈ、ＴＷＯ＿Ｆにより検出し、水出口温度センサーＴＷＯ＿Ｈ、ＴＷＯ＿Ｆが所定の温度となるように各部をコントロールする。

水出口温度センサーＴＷＯ＿Ｈ、ＴＷＯ＿Ｆで検出した温度（以下ＴＷＯ）と水入口温度センサーＴＷＩ＿Ｈ、ＴＷＩ＿Ｆで検出した温度（以下ＴＷＩ）の温度差（以下△Ｔ＝ＴＷＯ−ＴＷＩ）を検出し、△Ｔが所定の温度差（Ａ）以上である場合には正常、正常以外である場合には異常であると判定し、異常の場合には異常停止させる。

その異常判定の温度差（Ａ）を給湯／暖房で別々な値とする。給湯運転の場合、通常供給水温は１０℃程度で、設定温度（水出口温度）は６５℃とすると△Ｔは５５ｄｅｇであるが、暖房運転の場合、水入口温度が３０℃、設定温度が３５℃程度で△Ｔは５ｄｅｇと通常運転での△Ｔは給湯／暖房運転で大きな差がある。そのため水出入温度差で異常／正常判定をする判定値である温度差（Ａ）を給湯／暖房で各々別な判定値とすることで異常時の検出精度が向上する。例えば、給湯：Ａ＝５Ｋ、暖房：Ａ＝１Ｋ。また、従来機種では水出入口の温度差による正常／異常判定をしていないため、実際に冷媒が流れていない、水が流れていない場合には、冷凍サイクルが異常過熱し停止するが、本発明の制御を搭載することで異常過熱する前に異常停止させることができ、異常時のサイクル信頼性が向上する。

また、機種により給湯運転、暖房運転で定常時の水出入口の温度差が大きく違う場合があるため、異常判定の温度を別々に設定することで誤判定することなく異常判定の精度を上げることができる。

本発明の異常判定手段を用いる機種は、従来の機種と異なり、給湯／暖房の切換え用にガス側２方弁１９、２１を搭載している。仮にこのガス側２方弁１９、２１が故障した場合には、サイクルの異常過熱ばかりでなく、コンプレッサ１３吐出側が閉塞された状態となりサイクル圧力が上昇する恐れがあるため、信頼性向上のためにも本異常判定が必要である。

また、本発明の異常判定手段は、正常／異常の判定を運転開始からある所定の時間経過後、所定の時間のみ判断をするようになっている。例えば、運転開始３分後から１０分間のみ異常判定をする。

図４に示すタイムチャート及び図５に示す判定開始から判定終了までの基本フローに沿って、具体的に説明する。

上述した△Ｔ（ＴＷＯ−ＴＷＩ）による正常／異常の判定を運転開始から所定の時間経過後（例えば３分後）から検出を始める。これにより運転開始時の過渡状態での判定を防止する。

検出開始から所定の時間（例えば、１０分間）、正常であるかを判定する（Ｓ１）。この所定の時間（１０分）の間で△Ｔ≧Ａとなれば正常（Ｙｅｓ）と判断し、正常／異常の判定を終了する。

このようにある所定の時間（期間）（１０分）のみ判断することで運転中の過渡的な変化による誤判定を防止できる。

△Ｔ≧ＡでなくすなわちＮｏの場合、所定の時間（１０分）の経過しているかを判断し（Ｓ２）、１０分経過していれば異常として停止させ、１０分を経過していなければ（Ｎｏ）、判定を継続する。このように時間のファクターが追加され誤判定の防止につながる。すなわち、常時正常／異常の判定をするのではなく、運転開始時（ポンプ起動時）のみ判定をすることで、サイクルが過渡的に変化した場合の異常判定の誤判定を防止することができる。

さらに、上記正常／異常の判定を運転開始から所定の時間経過後（例えば３分後）としているが、運転開始から所定の時間経過後（例えば３分）の△Ｔにより判定開始時間を変更する。

図６に示すタイムチャート及び図５に示す基本フローにより具体的に説明する。

運転開始から３分経過後の△Ｔが正常／異常判定温度差以上（△Ｔ≧Ａ）であれば運転開始から３分＋３分後から判定を開始し、正常／異常判定温度差より小（△Ｔ＜Ａ）であれば、運転開始から３分＋１分後から判定を開始する。

このように運転開始からある所定の時間時の△Ｔにより判定時間を変化させることで運転開始前のサイクル状態（運転中であったならばサイクルが暖かく、停止中であれば冷えている）によらず正確な正常／異常の判断ができる。

サイクルが暖かい状態で運転開始し、そのときポンプまたは、冷凍サイクルが不良状態で水、冷媒が流れない場合、運転開始前のサイクル温度（熱篭もり）により正常（△Ｔ≧Ａ）であると誤判定をする可能性があるため、その防止対応である。また、今回は運転開始から所定時間経過後に判定開始までの時間を判断している△Ｔと、運転の正常／異常の判定を判定する△Ｔを同じ温度差（△Ｔ≧Ａ）としているが、別々としてもよい。

運転開始前の冷凍サイクルの温度状態により、熱の篭もり等の影響があり温度差が大の場合、判定時間を少し遅らせることで、正確な温度差の判定ができる。

また、上記２判定方法とも、正常／異常の判定時間を１０分と固定していたが、圧縮機１３吐出センサーＴＤの温度（以下Ｔｄ）がある所定の温度以上（Ｔｄ≧Ｘ）となったら１０分の判定時間を待たずに正常／異常の判定をする。

図７に示すタイムチャート及び図８に示す判定開始から判定終了までの基本フローに沿って、具体的に説明する。

（ＴＷＯ−ＴＷＩ）による正常／異常の判定を運転開始から所定の時間経過後（例えば３分後）から検出を始める。これにより運転開始時の過渡状態での判定を防止する。

検出開始から所定の時間（例えば、１０分間）、ＴＷＯ−ＴＷＩ≧Ａであるか判断する（Ｓ１１）。Ｙｅｓなら正常と判断して判定は終了する。

ＴＷＯ−ＴＷＩ＜ＡすなわちＮｏの場合には、Ｔｄ≧Ｘであるかを判断し（Ｓ１２）、Ｙｅｓの場合には異常と判断し運転を停止させる。

Ｔｄ＜ＸすなわちＮｏの場合には、１０分経過したかを判断し（Ｓ１３）、Ｙｅｓの場合には異常と判断し運転を停止させる。Ｎｏの場合には判定を継続する。

図２に示すようなガス側に開閉できる弁（ガス側２方弁１９、２１）を有している冷凍サイクルで、ガス側２方弁１９、２１が故障した場合には、圧縮機１３吐出側が閉塞された状態となり、冷凍サイクルの高圧が急激に上昇するが、正常／異常の判定時間（１０分）後では、それまでに圧力が上がり過ぎるためＴｄが所定の温度以上であれば１０分を待たずに正常／異常判定を行うことで異常時に冷凍サイクルの過昇防止ができ、信頼性が向上する。これは２方弁故障時の圧力はＴｄに比例しているためである。すなわち、Ｔｄによりサイクルの温度を検出し、温度が高い場合には異常判定時間を短縮することでサイクル圧力の過昇防止をする。

上記実施形態のヒートポンプ式給湯暖房機の異常判定手段によれば、機種により給湯運転、暖房運転で定常時の水出入口の温度差が大きく違う場合でも、異常判定の温度を別々に設定することで誤判定することなく異常判定の精度を上げることができるヒートポンプ式給湯暖房機が実現される。

本発明に係る異常判定手段が用いられるヒートポンプ式給湯装置の概念図。 本発明に係る異常判定手段が用いられるヒートポンプ式給湯装置の基本冷凍サイクル系統図。 本発明に係る異常判定手段が用いられるヒートポンプ式給湯装置の電気制御系図。 本発明に係るヒートポンプ式給湯暖房機の異常判定手段の異常判定タイムチャート（所定時間のみ判定）。 本発明に係るヒートポンプ式給湯暖房機の異常判定手段の正常／異常の基本フロー図。 本発明に係るヒートポンプ式給湯暖房機の異常判定手段の異常判定タイムチャート（判定開始時間可変）。 本発明に係るヒートポンプ式給湯暖房機の異常判定手段の異常判定タイムチャート（判定時間可変）。 本発明に係るヒートポンプ式給湯暖房機の異常判定手段の異常のフロー図（判定時間可変）。

符号の説明

１…ヒートポンプ式給湯装置、２…熱源ユニット、３…水熱交換ユニット、４…タンクユニット、５…給湯用タンクユニット、５ａ…給湯用タンク、６…暖房用タンクユニット、６ａ…暖房用タンク、７…水配管、８…電気配線、９…冷媒配管、１０…制御器、１１…給湯・暖房用リモコン（制御器）、１２…制御器、１３…圧縮機、１４…給湯用水熱交換器、１５…暖房用熱交換器、１６…電子膨張弁（減圧機構）、１７ａ…室外送風機、１７…熱源側熱交換器、１Ａ…筐体、３Ａ…筐体、１８…液側流量調整弁、１９…ガス側２方弁、ｐ１…分岐管、２０…液側流量調整弁、２１…ガス側２方弁、２２…チェック弁、２３…給湯用ポンプ、２４…暖房用ポンプ。

Claims (3)

1. 屋外に設置される熱源ユニットと、屋内に設置される水熱交換器ユニットと、屋内に設置される給湯用タンクユニット及び暖房用タンクユニットとを備え、
   前記水熱交換器ユニットには、切換弁を介して並列に接続される給湯運転用水熱交換器及び暖房運転用水熱交換器が収容され、
   給湯運転と暖房運転とを各々独立して運転することができるヒートポンプ式給湯装置であって、
   前記給湯運転用及び暖房運転用水熱交換器の水出入口の温度差を検出し、
   その検出温度差がある所定の温度差以上であれば運転が正常であると判断する異常判定手段を備え、
   正常／異常の判定に給湯運転と暖房運転ごとに異なる温度差を用いることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
2. 前記正常／異常の判定は、運転開始からある所定の時間経過後、あるいは圧縮機の吐出温度が所定の温度以上になった時点で所定の時間のみ判断す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装置。
3. 前記正常／異常の判定は、運転開始からある所定時間経過後の水出入口の温度差を検出し、その温度差により運転開始からの正常／異常の判定開始する時間を変化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装置。

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