JP5139211B2 - Heat pump type water heater - Google Patents
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Description
本発明は、給湯水を加熱するヒートポンプ式給湯装置に関するものである。 The present invention relates to a heat pump type hot water supply apparatus for heating hot water.
従来より、この種のヒートポンプ式給湯装置においては、特許文献1のように、圧縮機と水冷媒熱交換器と膨張弁と空気熱交換器を環状に接続したヒートポンプサイクルと、給湯用の湯を貯める貯湯タンクと、貯湯タンクと水冷媒熱交換器を循環ポンプを介して湯水が循環可能に接続する加熱循環回路と、前記圧縮機から吐出した冷媒温度を検出する吐出温度センサと、前記吐出温度センサの検出温度が目標値になるように前記膨張弁の開度を制御するようにしたものがあった。 Conventionally, in this type of heat pump type hot water supply apparatus, as disclosed in Patent Document 1, a heat pump cycle in which a compressor, a water-refrigerant heat exchanger, an expansion valve, and an air heat exchanger are annularly connected, and hot water for hot water supply are provided. A hot water storage tank for storing, a heating circulation circuit that connects the hot water storage tank and the water / refrigerant heat exchanger so that hot water can circulate through a circulation pump, a discharge temperature sensor that detects a refrigerant temperature discharged from the compressor, and the discharge temperature There is one in which the opening degree of the expansion valve is controlled so that the temperature detected by the sensor becomes a target value.
ところが、この従来のヒートポンプ式給湯装置は、冬期には空気熱交換器での蒸発能力が小さいため、圧縮機回転数が高く、膨張弁開度が小さい状態で安定する傾向にあるが、積雪や着霜状況によって空気熱交換器の蒸発能力がさらに低下してしまうことがある。蒸発能力が低下すると、一定の加熱能力を保つように圧縮機の周波数が高くなって、吐出圧力が高圧となる。 However, this conventional heat pump type hot water supply apparatus has a tendency to stabilize in a state where the compressor rotation speed is high and the expansion valve opening is small because the evaporation capacity in the air heat exchanger is small in winter. Depending on the frosting condition, the evaporation capacity of the air heat exchanger may further decrease. When the evaporation capacity decreases, the frequency of the compressor increases so as to maintain a constant heating capacity, and the discharge pressure becomes high.
このような状況下において、吐出温度センサの検出温度が目標値から低下すると、膨張弁の開度を閉じる方向へ操作されるが、その操作量が大きい場合、圧縮機の吐出圧力が更に高圧となり、圧縮機の許容トルクを超える負荷が発生して圧縮機が脱調し異常停止してしまう可能性があった。 Under such circumstances, when the detected temperature of the discharge temperature sensor decreases from the target value, the expansion valve is operated to close the opening, but when the operation amount is large, the discharge pressure of the compressor becomes higher. There was a possibility that a load exceeding the allowable torque of the compressor would occur, causing the compressor to step out and stop abnormally.
そこで、本発明は上記課題を解決するため、請求項1では、圧縮機と水冷媒熱交換器と膨張弁と空気熱交換器を環状に接続したヒートポンプサイクルと、前記圧縮機から吐出した冷媒温度を検出する吐出温度センサと、前記水冷媒熱交換器の水側に接続された熱交入水管および熱交出湯管と、前記熱交出湯管に設けられ前記水冷媒熱交換器で加熱された湯の温度を検出する沸き上げ温度センサと、前記吐出温度センサの検出温度と所定の目標吐出温度との温度差に応じた弁開度の操作量を所定の周期毎に前記膨張弁に与えて前記膨張弁を開閉制御すると共に、前記沸き上げ温度センサの検出温度が所望の沸き上げ温度になるように前記圧縮機の周波数を増減制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記膨張弁の開度が一定以下に閉まっている状態で、かつ、前記圧縮機の周波数が所定周波数以上であると、一つの周期での前記膨張弁の閉方向への操作量を通常よりも小さく制限した。 Therefore, in order to solve the above problems, the present invention provides a heat pump cycle in which a compressor, a water refrigerant heat exchanger, an expansion valve, and an air heat exchanger are connected in an annular shape, and a refrigerant temperature discharged from the compressor. A discharge temperature sensor for detecting the heat, a heat exchange water pipe and a heat exchange hot water pipe connected to the water side of the water refrigerant heat exchanger, and a heat refrigerant hot water pipe provided in the heat exchange hot water pipe and heated by the water refrigerant heat exchanger A boiling temperature sensor for detecting the temperature of the heated hot water, and an operation amount of a valve opening corresponding to a temperature difference between a temperature detected by the discharge temperature sensor and a predetermined target discharge temperature to the expansion valve at predetermined intervals. And controlling the opening and closing of the expansion valve, and a control device for increasing and decreasing the frequency of the compressor so that the detected temperature of the boiling temperature sensor becomes a desired boiling temperature, the control device, Expansion valve opening closed below a certain level While there, and the frequency of the compressor When it is higher than a predetermined frequency, the operation amount of the closing direction of the expansion valve at one cycle was limited smaller than usual.
また、請求項2では、圧縮機と水冷媒熱交換器と膨張弁と空気熱交換器を環状に接続したヒートポンプサイクルと、前記圧縮機から吐出した冷媒温度を検出する吐出温度センサと、前記ヒートポンプサイクルの高圧側の圧力を検出する吐出圧力センサと、前記水冷媒熱交換器の水側に接続された熱交入水管および熱交出湯管と、前記熱交出湯管に設けられ前記水冷媒熱交換器で加熱された湯の温度を検出する沸き上げ温度センサと、前記吐出温度センサの検出温度と所定の目標吐出温度との温度差に応じた弁開度の操作量を所定の周期毎に前記膨張弁に与えて前記膨張弁を開閉制御すると共に、前記沸き上げ温度センサの検出温度が所望の沸き上げ温度になるように前記圧縮機の周波数を増減制御する制御装置とを備え、前記膨張弁の開度が一定以下に閉まっている状態で、かつ、前記吐出圧力センサで検出する吐出圧力が所定圧力以上であると、一つの周期での前記膨張弁の閉方向への操作量を通常よりも小さく制限した。 Further, in claim 2, a heat pump cycle in which a compressor, a water refrigerant heat exchanger, an expansion valve, and an air heat exchanger are connected in an annular shape, a discharge temperature sensor that detects a refrigerant temperature discharged from the compressor, and the heat pump A discharge pressure sensor for detecting the pressure on the high pressure side of the cycle, a heat input water pipe and a heat exchange hot water pipe connected to the water side of the water refrigerant heat exchanger, and the water provided in the heat exchange hot water pipe A boiling temperature sensor for detecting the temperature of hot water heated by the refrigerant heat exchanger, and an operation amount of a valve opening corresponding to a temperature difference between a detected temperature of the discharge temperature sensor and a predetermined target discharge temperature at a predetermined cycle A controller for increasing and decreasing the frequency of the compressor so that the detected temperature of the boiling temperature sensor becomes a desired boiling temperature, and is provided to the expansion valve every time to control the opening and closing of the expansion valve, The opening of the expansion valve is When the discharge pressure detected by the discharge pressure sensor is equal to or higher than a predetermined pressure, the operation amount in the closing direction of the expansion valve in one cycle is limited to be smaller than usual. .
また、請求項3では、圧縮機と水冷媒熱交換器と膨張弁と空気熱交換器を環状に接続したヒートポンプサイクルと、前記圧縮機から吐出した冷媒温度を検出する吐出温度センサと、外気温度を検出する外気温度センサと、前記水冷媒熱交換器の水側に接続された熱交入水管および熱交出湯管と、前記熱交出湯管に設けられ前記水冷媒熱交換器で加熱された湯の温度を検出する沸き上げ温度センサと、前記吐出温度センサの検出温度と所定の目標吐出温度との温度差に応じた弁開度の操作量を所定の周期毎に前記膨張弁に与えて前記膨張弁を開閉制御すると共に、前記沸き上げ温度センサの検出温度が所望の沸き上げ温度になるように前記圧縮機の周波数を増減制御する制御装置とを備え、前記膨張弁の開度が一定以下に閉まっている状態で、かつ、前記外気温度センサで検出する外気温度が所定外気温度以下であると、一つの周期での前記膨張弁の閉方向への操作量を通常よりも小さく制限した。
Further, in
また、請求項4では、圧縮機と水冷媒熱交換器と膨張弁と空気熱交換器を環状に接続したヒートポンプサイクルと、前記圧縮機から吐出した冷媒温度を検出する吐出温度センサと、前記水冷媒熱交換器の水側に接続された熱交入水管および熱交出湯管と、前記熱交出湯管に設けられ前記水冷媒熱交換器で加熱された湯の温度を検出する沸き上げ温度センサと、前記吐出温度センサの検出温度と所定の目標吐出温度との温度差に応じた弁開度の操作量を所定の周期毎に前記膨張弁に与えて前記膨張弁を開閉制御すると共に、前記沸き上げ温度センサの検出温度が所望の沸き上げ温度になるように前記圧縮機の周波数を増減制御する制御装置とを備え、前記膨張弁の開度が一定以下に閉まっている場合で、かつ、沸き上げ温度が所定温度以上であると、一つの周期での前記膨張弁の閉方向への操作量を通常よりも小さく制限した。
Moreover, in
本発明によれば、冬期等における負荷が大きい状態においては、膨張弁開度の閉方向への操作量を小さく制限したので圧縮機のトルク増加が緩慢になり、圧縮機の許容トルクを超過して圧縮機が脱調し異常停止してしまうことを防止できると共に、膨張弁開度を閉方向のみに制限しているため、膨張弁を開方向へ操作する際には制限がなく、吐出温度が目標値を超過した場合にあっても、吐出温度を迅速に目標値へ戻すことができるものである。また、通常の負荷状態においては、膨張弁開度を通常に制御することで冷媒の吐出温度を迅速に目標値に到達させることができ、効率の良い運転を行うことができる。 According to the present invention, in a heavy load such as in winter, the operation amount in the closing direction of the expansion valve opening is limited to a small value, so that the increase in the torque of the compressor becomes slow and exceeds the allowable torque of the compressor. This prevents the compressor from stepping out and stops abnormally, and restricts the opening of the expansion valve only in the closing direction, so there is no restriction when operating the expansion valve in the opening direction. Even if the target value exceeds the target value, the discharge temperature can be quickly returned to the target value. In a normal load state, the discharge temperature of the refrigerant can be quickly reached the target value by normally controlling the opening degree of the expansion valve, and an efficient operation can be performed.
次に、本発明の一実施形態のヒートポンプ式給湯装置を図面に基づいて説明する。
図1に示すように、1は湯水を貯湯する貯湯タンク2を有した貯湯タンクユニット、3は貯湯タンク2内の湯水を加熱するヒートポンプ式加熱手段、4は前記貯湯タンク2の下部に接続された熱交入水管5および前記貯湯タンク2の上部に接続された熱交出湯管6よりなる加熱循環回路、7は前記貯湯タンク2の下部に接続され貯湯タンク2に水を給水する給水管、8は前記貯湯タンク2の上部に接続され貯湯されている高温水を出湯する出湯管である。
Next, a heat pump hot water supply apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, 1 is a hot water storage tank unit having a hot water storage tank 2 for storing hot water, 3 is a heat pump heating means for heating hot water in the hot
9は給水管7から分岐された給水バイパス管、10は出湯管8からの湯と給水バイパス管9からの水を混合して給湯設定温度の湯とする混合弁、11は混合弁10で混合後の給湯温度を検出する給湯温度センサ、12は貯湯タンク2の側面上下にわたり複数設けられ、貯湯タンク2内の湯の温度を検出する貯湯温度センサ、13は前記貯湯タンクユニット1内の各センサの出力を受けて各機器の作動を制御する貯湯制御手段である。
9 is a water supply bypass pipe branched from the
前記ヒートポンプ式加熱手段3は、冷媒を圧縮する圧縮機14と、高温高圧の冷媒と貯湯タンク2内の湯水とを熱交換する水冷媒熱交換器15と、水冷媒熱交換器15通過後の冷媒を減圧させる減圧器としての膨張弁16と、膨張弁16からの低温低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器としての空気熱交換器17とを冷媒配管で環状に接続したヒートポンプサイクル18と、水冷媒熱交換器15の水側の加熱循環回路4途中に設けられて貯湯タンク2の湯水を循環させる加熱循環ポンプ19とから構成されている。ここで、前記水冷媒熱交換器15は冷媒の流動方向と被加熱水の流動方向が対向する対向流式の熱交換器で、前記膨張弁16はステッピングモータにより駆動されているものである。
The heat pump heating means 3 includes a
20は圧縮機14と水冷媒熱交換器15との間に設けられ、冷媒の吐出温度を検出する吐出温度センサ、21は水冷媒熱交換器15と膨張弁16との間に設けられ、冷媒の水冷媒熱交換器15からの流出温度を検出する流出温度センサ、22は空気熱交換器17の空気入口側に設けられ、外気温度を検出する外気温度センサ、23は水冷媒熱交換器15の水側の入水温度を検出する入水温度センサ、24は水冷媒熱交換器15の水側の沸き上げ温度を検出する沸き上げ温度センサ、25はヒートポンプサイクル18の高圧側の圧力を検出する圧力センサである。
A
26は前記ヒートポンプ式加熱手段3内の各センサの出力を受けて各機器の作動を制御する加熱制御手段で、貯湯制御手段13と通信可能に接続され、貯湯制御手段13と連携してヒートポンプ式給湯装置を制御する制御装置を構成しているものである。
次に、この一実施形態の作動について説明する。
給湯を行う際は、ユーザーが蛇口(図示せず)を開くと、貯湯タンク2の下部の給水管7から市水が流入し、貯湯タンク2上部から深夜時間帯に沸き上げられて貯湯されている高温の湯が出湯管8へ出湯される。そして、出湯管8からの高温の湯と給水バイパス管9からの市水とが混合弁10で混合される。このとき、給湯温度センサ11で検出する混合後の給湯温度がリモートコントローラ(図示せず)等で設定された給湯設定温度になるように混合弁10の混合比率が調整され、給湯設定温度の湯が蛇口から給湯される。
Next, the operation of this embodiment will be described.
When hot water is supplied, when a user opens a faucet (not shown), city water flows from the
深夜時間帯となると、貯湯制御手段13は貯湯タンク2内の湯水が所定の目標沸き上げ温度Tsetになるように沸き上げ運転を開始するよう加熱制御手段26へ沸き上げ開始命令を指示する。そして、加熱制御手段26は、圧縮機14と加熱循環ポンプ19を駆動開始すると共に、目標沸き上げ温度Tset+一定値を目標吐出温度TDとして設定し、吐出温度センサ20で検出する冷媒の吐出温度が目標吐出温度TDになるように膨張弁16の開度を制御する。そして、加熱循環ポンプ19の回転数が所定の回転数になるように制御すると同時に、沸き上げ温度センサ24で検出する水冷媒熱交換器15で加熱された湯の温度が目標沸き上げ温度Tsetとなるように圧縮機14の周波数をフィードバックして増減制御する。
In the midnight time zone, the hot water storage control means 13 instructs the heating control means 26 to start a boiling operation so as to start the boiling operation so that the hot water in the hot water storage tank 2 reaches a predetermined target boiling temperature Tset. Then, the heating control means 26 starts driving the
加熱制御手段26は沸き上げ温度センサ24で検出する沸き上げ温度が低下傾向となると、圧縮機14の周波数を増加させると同時に、冷媒吐出温度センサ20で検出する冷媒の吐出温度も低下傾向となっているため、膨張弁16を閉じる方向へ操作する。逆に沸き上げ温度が上昇傾向となると、圧縮機14の周波数を減少させると同時に、冷媒吐出温度センサ20で検出する冷媒の吐出温度も上昇傾向となっているため、膨張弁16を開く方向へ操作するものである。
When the boiling temperature detected by the
ここで、前記所定の目標沸き上げ温度Tsetは、過去の給湯量の最大値や平均値等の給湯実績から翌日の給湯量の予測量を確保できるように貯湯制御手段13によって算出されるもので、65℃から90℃の範囲で決定されるものである。 Here, the predetermined target boiling temperature Tset is calculated by the hot water storage control means 13 so as to ensure the predicted amount of the hot water supply amount on the next day from the actual hot water supply results such as the maximum value and the average value of the past hot water supply amount. The temperature is determined in the range of 65 ° C to 90 ° C.
そして、沸き上げ運転が進行していくと、貯湯タンク2の下部の水がヒートポンプ式加熱手段3へ循環され、貯湯タンク2の上部から目標沸き上げ温度Tsetに加熱された湯が積層状態に貯湯される。貯湯タンク2内に必要な湯量が沸き上げられたことを貯湯温度センサ12で検出するか、ヒートポンプ式加熱手段3の入水温度センサ23で検出する入水温度Twiが沸き上げし難い所定の高温度以上を検出するか、あるいは電力料金単価の安い深夜時間帯が終了した時点で、貯湯制御手段13は沸き上げ運転を停止するべく加熱制御手段26に停止指示を出し、加熱制御手段26は圧縮機14と加熱循環ポンプ19の運転を停止して、沸き上げ運転を終了する。
Then, as the boiling operation proceeds, the water in the lower part of the hot water storage tank 2 is circulated to the heat pump type heating means 3, and the hot water heated from the upper part of the hot water storage tank 2 to the target boiling temperature Tset is stored in a stacked state. Is done. The hot water
ここで、沸き上げ運転中の膨張弁16の制御について図2に基づいて詳細に説明すると、ステップS1で沸き上げ運転が開始され、ステップS2で膨張弁16のフィードバック制御を開始すると、加熱制御手段26は、一定の周期毎に目標吐出温度TDと吐出温度センサ20で検出する吐出温度との温度差を検出し、この温度差の大きさによって膨張弁16の操作量を+4pls〜−4plsの範囲で選択する(ステップS3)。なお、正号は膨張弁16を開方向へ駆動することを意味し、負号は閉方向へ駆動することを意味し、それぞれの数値が操作の絶対量を意味しているものである。
Here, the control of the
次に、ステップS4で、加熱制御手段26は、膨張弁16の開度が一定の開度以上に開けられているかどうか(一定の開度以下に閉じられているかどうか)を判断する。ここでは膨張弁16のステッピングモータに対し、全開位置あるいは全閉位置からどれだけ駆動したかを加熱制御手段26が積算記憶した値を用いて現在の膨張弁16の開度を判断するようにしている。一定の開度以上であれば、沸き上げの負荷が通常の範囲内にあると判断されるため、ステップS3で選択した膨張弁の操作量をそのまま決定し、ステップS5でこの操作量に従い膨張弁16を駆動し、再度ステップS3へ戻る。
Next, in step S4, the heating control means 26 determines whether or not the opening of the
一方、ステップS4で、膨張弁16の開度が一定の開度以上に開けられていない場合(一定の開度以下に閉じられている場合)、次の4項目の条件の何れかを満たすかどうかを判断する(ステップS6)。
1.圧縮機14の駆動周波数が所定の高周波数以上であるか。
2.吐出圧力センサ25で検出する吐出圧力が所定の高圧力以上であるか。
3.外気温度が所定の低温度(例えば3℃以下)以下であるか。
4.目標沸き上げ温度が所定の高温度(例えば85℃)以上であるか。
On the other hand, in step S4, if the opening degree of the
1. Whether the drive frequency of the
2. Whether the discharge pressure detected by the
3. Whether the outside air temperature is lower than a predetermined low temperature (eg, 3 ° C. or lower).
4). Whether the target boiling temperature is equal to or higher than a predetermined high temperature (for example, 85 ° C.).
このステップS6で何れかの条件を満たす場合、何らかの原因によって沸き上げの負荷が過大になっていると判断し、ステップS3で選択した膨張弁16の操作量を−1pls以上に制限する(ステップS7)。そして、ステップS5でこの制限された操作量に従い膨張弁16を駆動し、再度ステップS3へ戻る。
If any of the conditions is satisfied in step S6, it is determined that the boiling load is excessive for some reason, and the operation amount of the
このように、冬期等の沸き上げの負荷が大きい状況で空気熱交換器17が積雪や着霜によって蒸発能力が低下しているような高負荷条件であっても、膨張弁16の閉方向への操作量が制限され膨張弁16が急激に閉じられることがないため、圧縮機14のトルク増加を緩慢にでき、圧縮機14の許容トルクを超過して圧縮機14が脱調し異常停止してしまうことを防止できる。
In this way, even in a high load condition where the evaporation capacity of the
さらに、高負荷条件であっても、膨張弁16の開方向への操作量は制限していないため、吐出温度が目標値を超過した場合にあっても、吐出温度を迅速に目標値へ戻すことができるものである。
Further, since the operation amount in the opening direction of the
また、ステップS6の何れの条件も満たさなかった場合、膨張弁16の開度は一定以下に閉じられていても、全体として沸き上げの負荷が通常の範囲内にあると判断されるため、ステップS6でNoとなり、ステップS3で選択した膨張弁の操作量をそのまま決定し、ステップS5でこの操作量に従い膨張弁16を駆動し、再度ステップS3へ戻る。
If none of the conditions in step S6 is satisfied, it is determined that the boiling load is within the normal range as a whole even if the opening of the
また、通常の負荷状態においては、膨張弁開度を通常に制御することで冷媒の吐出温度を迅速に目標値に到達させることができ、効率の良い運転を行うことができる。 In a normal load state, the discharge temperature of the refrigerant can be quickly reached the target value by normally controlling the opening degree of the expansion valve, and an efficient operation can be performed.
本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、発明の趣旨を変更しない範囲で改変が可能なものであり、例えば、給水を水冷媒熱交換器で加熱して貯湯タンクを通過することなく直接給湯栓へ給湯する瞬間式ヒートポンプ給湯機にも適用可能である。また、上記の実施形態では貯湯タンクユニットとヒートポンプ式加熱手段を分離した構成としているが、一体とした構成としてもよく、その場合、貯湯制御手段と加熱制御手段も一体として構成してもよいものである。 The present invention is not limited to the above embodiment, and can be modified without departing from the spirit of the invention. For example, the feed water is heated by a water-refrigerant heat exchanger and passes through a hot water storage tank. The present invention can also be applied to an instantaneous heat pump water heater that directly supplies hot water to a hot water tap. In the above embodiment, the hot water storage tank unit and the heat pump heating means are separated from each other. However, the hot water storage tank unit and the heating control means may also be integrated. It is.
5 熱交入水管
6 熱交出湯管
14 圧縮機
15 水冷媒熱交換器
16 膨張弁
17 空気熱交換器
18 ヒートポンプサイクル
20 吐出温度センサ
22 外気温度センサ
24 沸き上げ温度センサ
25 吐出圧力センサ
26 加熱制御手段(制御装置)
5 Heat
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