JP7174732B2 - ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents
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Description
本発明は、ヒートポンプ式給湯機に関する。
ヒートポンプ式給湯機はお湯を沸き上げるためのヒートポンプユニットとそのお湯を貯湯するための貯湯ユニットで構成されている。ヒートポンプユニットはおもに圧縮機、水-冷媒熱交換器、膨張弁、空気熱交換器で構成されており、それらが環状に接続されている（冷媒サイクル）。沸き上げ運転時、ヒートポンプユニットでは貯湯タンクからの水が循環装置によって水-冷媒熱交換器へ供給され、圧縮機から吐出された高温の冷媒と熱交換を行っている(水サイクル)。
また、冷媒の温度を検出する冷媒温度検出部や、貯湯ユニットから前記水-冷媒熱交換器に供給される水および前記水-冷媒熱交換器で沸き上げられた湯を貯湯ユニットへ供給する湯の温度を検出する湯水温度検出部、外気温度を検出する外気温度検出部を備え、各検出部の温度をもとに前記圧縮機の周波数や前記膨張弁開度、前記循環装置の周波数を決定する制御部で構成されている。
その中で膨張弁開度を制御する方法として、特許文献1記載のように、外気温度と貯湯ユニットから水-冷媒熱交換器に供給される入水温度と、外気温度、および目標沸き上げ温度により、目標圧縮機温度を決定し、その目標圧縮機温度になるように制御している。
ヒートポンプ式給湯機に搭載されている水-冷媒熱交換器は、経年劣化により、その水配管に汚れが付着する場合がある。その場合、特許文献1の方法は、経年変化がわかるパラメータを考慮していないため、経年変化に対応した目標圧縮機温度とすることができず、加熱能力の低下が発生するとともに、効率の良い運転とすることができない恐れがある。
そこで、経年劣化により、水-冷媒熱交換器に汚れ等が付着しても、効率の良い運転を行うことが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。
上記課題を解決するために、貯湯タンクから供給される流体の温度を検知する入水温度センサと、水-冷媒熱交換器から流出され、貯湯タンクへと供給する流体の温度を検知する沸き上げ温度センサと、圧縮機から吐出された冷媒温度を検知する圧縮機吐出温度センサと、水-冷媒熱交換器出口冷媒温度を検知する水-冷媒熱交換器出口冷媒温度センサと、外気温度を検知する外気温度センサと、目標沸き上げ温度を決定する制御部を有し、膨張弁の開度は、入水温度センサの値と、外気温度センサの値と、目標沸き上げ温度で算出された目標圧縮機吐出温度になるように制御される給湯システムであって、前記入水温度センサが検知した入水温度および前記制御部で決定された目標沸き上げ温度に基づいて、経年劣化パラメータである、目標水-冷媒熱交換器出口冷媒温度を算出し、現在の水-冷媒熱交換器出口冷媒温度との差ΔTwrから目標圧縮機吐出温度の補正値を算出することを特徴とする。
本発明によれば、経年劣化により、水-冷媒熱交換器に汚れ等が付着しても、効率の良い運転を行うことが可能なヒートポンプ式給湯機を提供することができる。
以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1は第1の実施形態に係わるヒートポンプ式給湯機のシステム概略図である。
実施例1に係わるヒートポンプ式給湯機は、湯の沸き上げを行うヒートポンプユニット部１００と、湯をためる貯湯タンクユニット部１０１で構成される。ヒートポンプユニット部１００は、容量可変な圧縮機１と、圧縮機１から吐出された高温高圧な冷媒と被加熱媒体である水とを熱交換させる水-冷媒熱交換器２と、水-冷媒熱交換器２から流出した冷媒を低温低圧に膨張させる膨張弁３と、膨張弁から流出した低温低圧の冷媒と送風ファン６によって送風される空気とを熱交換させる蒸発器４とを備え、それらが環状に接続されており、冷媒サイクルＲを形成している。また、圧縮機吐出部に圧縮機吐出温度を測る圧縮機吐出冷媒温度検出部７、水-冷媒熱交換器から流出した冷媒温度を測る水-冷媒熱交換器出口冷媒温度検出部８および水冷媒熱交換器から流出した湯水の温度を測る出湯温度検出部９、貯湯タンク１３下部から供給される湯水の温度を測る入水温度検出部１０を備える。また、蒸発器４は外気にさらされており、外気に触れる部分に外気温度検出部１１を備える。なお、この冷凍サイクルでは、二酸化炭素が冷媒として使用されている。
このように構成される本実施形態の基本動作について説明する。まず、貯湯タンク１３の下部より循環ポンプ５を駆動させることにより、水回路Fに水を循環させるとともに、圧縮機１を駆動させて、ヒートポンプサイクルを立ち上げる。圧縮機１を駆動させると、圧縮された高温高圧の冷媒が水-冷媒熱交換器２へ流入する。水-冷媒熱交換器２へ流入された冷媒は、貯湯タンク１２から供給された水と熱交換を行い、水を加熱するとともに、冷媒は、低温高圧となる。低温高圧となった冷媒は、膨張弁４へと流入し、断熱膨張されさらに低温低圧となり、蒸発器４へ流入する。蒸発器４へ流入した低温低圧冷媒は、送風ファンによって空気と熱交換を行い、冷媒は蒸発し、圧縮機１へと流入する。上述のヒートポンプサイクルが継続的に行われ、これにより、循環回路Fを循環する水が水-冷媒熱交換器２で加熱され、貯湯タンク１２に貯えられる。
次に沸き上げ制御の概要図2を参照しながら説明する。沸き上げ時には、図示していない上位の制御系から沸き上げ温度指令S1が入力されると、S2にて、外気温度検出部１１により検出された外気温度Taと、入水温度検出部１０により検出された入水温度Twiと、可変設定される沸上目標温度Two*を取り込む。そして次式（１）に基づいて、圧縮機１の目標吐出ガス冷媒温度Tg*を算出する。
Tg*=A・Ta + B・Twi + C・Two* + D （１）
Tg*=A・Ta + B・Twi + C・Two* + D （１）
それと同時に、S3にて、入水温度検出部１０により検出された入水温度Twiと、可変設定される沸上目標温度Two*を取り込む。そして次式（２）に基づいて、水-冷媒熱交換器２の目標出口冷媒温度Twr*を算出する。
Twr*= α・Twi + β・Two* + γ （２）
Twr*= α・Twi + β・Two* + γ （２）
なお、式（１）におけるA、B、C、D、式（２）におけるα、β、γは、それぞれ定数である。
S3から出力される目標水熱交出口冷媒温度は、S4へと入力され、水-冷媒熱交換器出口冷媒温度検出部８により検出される水-冷媒熱交換器出口温度Twrとの差分ΔTwrが求められ、ΔTwrにより、補正値Eを算出する。
その後、S5にて、S2にて算出されたTg*とS4にて算出されたEが加算され、最終目標吐出ガス冷媒温度Tng*が求められる。その最終目標吐出ガス冷媒温度Tng*は、減算器S6に入力され、圧縮機吐出冷媒温度検出部７により検出された、圧縮機吐出冷媒温度Tgとの差ΔTgが求められる。このΔTgは膨張弁３の開度を制御するコントローラS7に入力される。コントローラS7は入力されるΔTgを低減するように膨張弁３の開度を制御する。これにより、圧縮機吐出冷媒温度が最終目標値であるTng*に制御され、水-冷媒熱交換器２から流出される湯の温度が、沸上目標温度Two*に制御される。
なお、Twr*の算出に他のパラメータ（例えば、外気温度Ta）を不随させても、入水温度Twiおよび目標沸上温度Two*がパラメータとしてあるならば、その効果は変わらない。
次に正常運転時と、水-冷媒熱交換器２に汚れ等が付着した場合の冷凍サイクルの様子を図3のモリエル線図を参照し説明する。
正常運転の場合、図3中の実線５１のようなサイクルになっている。このサイクルの水-冷媒熱交換器２に汚れ等が付着すると、破線５２のようなサイクルとなる。破線５２のようなサイクルの場合、水-冷媒熱交換器２の出入り口エンタルピー差（図3中のＡ）が正常運転の場合と比べて、狭くなる。つまり、水-冷媒熱交換器２での加熱能力が低くなり、必要な能力を得ることができず、湯切れのリスクを高くしてしまう。この時、水-冷媒熱交換器２の出口冷媒温度は、５４から５５へと遷移し、温度は高くなっている。
しかし、本発明によれば、水-冷媒熱交換器出口冷媒温度に目標値を定め、目標の水-冷媒熱交換器出口冷媒温度となるよう、最終的な目標圧縮機吐出冷媒温度を決定する。そのため、水-冷媒熱交換器出口冷媒温度を通常運転時の５４と同等の５６とすることができ、水-冷媒熱交換器２での出入り口エンタルピー差を通常運転時と変わりなく運転させることができる。すなわち、水-冷媒熱交換器２での加熱能力を損なうことなく運転可能となり、湯切れのリスクを大幅に低減できる。
また、本実施形態を使用し、図2中の補正値EやS4にて算出されるΔTwrの変化を監視することで、水-冷媒熱交換器２の不具合の発生（例えば、配管詰まりなど）を予兆でき、完全に壊れる前に顧客に知らせることが可能となる。
第2の実施形態に係わるヒートポンプ式給湯機のシステム概略図は実施例1と同様である。
実施例2に係わるヒートポンプ式給湯機は圧縮機吐出部に圧縮機吐出圧力を測る圧縮機吐出冷媒圧力検出部１２、水-冷媒熱交換器から流出した冷媒温度を測る水-冷媒熱交換器出口冷媒温度検出部８および水冷媒熱交換器から流出した湯水の温度を測る出湯温度検出部９、貯湯タンク１３下部から供給される湯水の温度を測る入水温度検出部１０を備える。また、蒸発器４は外気にさらされており、外気に触れる部分に外気温度検出部１１を備える。なお、この冷凍サイクルでは、二酸化炭素が冷媒として使用されている。
このように構成される本実施形態の基本動作については、実施例1と同様のため割愛する。
次に沸き上げ制御の概要図4を参照しながら説明する。沸き上げ時には、図示していない上位の制御系から沸き上げ温度指令S11が入力されると、S12にて、外気温度検出部１１により検出された外気温度Taと、入水温度検出部１０により検出された入水温度Twiと、可変設定される沸上目標温度Two*を取り込む。そして次式（３）に基づいて、圧縮機１の目標吐出ガス冷媒圧力Pg*を算出する。
Pg*=A・Ta + B・Twi + C・Two* + D （３）
Pg*=A・Ta + B・Twi + C・Two* + D （３）
それと同時に、S13にて、入水温度検出部１０により検出された入水温度Twiと、可変設定される沸上目標温度Two*を取り込む。そして次式（４）に基づいて、水-冷媒熱交換器２の目標出口冷媒温度Twr*を算出する。
Twr*= α・Twi + β・Two* + γ （４）
Twr*= α・Twi + β・Two* + γ （４）
なお、式（１）におけるA、B、C、D、式（２）におけるα、β、γは、それぞれ定数である。
S13から出力される目標水熱交出口冷媒温度は、S14へと入力され、水-冷媒熱交換器出口冷媒温度検出部８により検出される水-冷媒熱交換器出口温度Twrとの差分ΔTwrが求められ、ΔTwrにより、補正値Eを算出する。
その後、S15にて、S12にて算出されたPg*とS14にて算出されたEが加算され、最終目標吐出ガス冷媒圧力Png*が求められる。その最終目標吐出ガス冷媒圧力Png*は、減算器S6に入力され、圧縮機吐出冷媒圧力検出部１２により検出された、圧縮機吐出冷媒圧力Pgとの差ΔPgが求められる。このΔPgは膨張弁３の開度を制御するコントローラS17に入力される。コントローラS17は入力されるΔPgを低減するように膨張弁３の開度を制御する。これにより、圧縮機吐出冷媒圧力が最終目標値であるPng*に制御され、水-冷媒熱交換器２から流出される湯の温度が、沸上目標温度Two*に制御される。
なお、Twr*の算出に他のパラメータ（例えば、外気温度Ta）を不随させても、入水温度Twiおよび目標沸上温度Two*がパラメータとしてあるならば、その効果は変わらない。
正常運転時と、水-冷媒熱交換器２に汚れ等が付着した場合の冷凍サイクルの様子は実施例1と同様なため割愛する。
１ 圧縮機
２ 水-冷媒熱交換器
３ 膨張弁
４ 蒸発器（空気熱交換器）
５ 循環ポンプ
６ 送風ファン
７ 圧縮機吐出温度検出部
８ 水-冷媒熱交換器出口冷媒温度検出部
９ 出湯温度検出部
１０ 入水温度検出部
１１ 外気温度検出部
１２ 圧縮機吐出圧力検出部
１３ 貯湯タンク
１００ ヒートポンプユニット
１０１ 貯湯タンクユニット
２ 水-冷媒熱交換器
３ 膨張弁
４ 蒸発器（空気熱交換器）
５ 循環ポンプ
６ 送風ファン
７ 圧縮機吐出温度検出部
８ 水-冷媒熱交換器出口冷媒温度検出部
９ 出湯温度検出部
１０ 入水温度検出部
１１ 外気温度検出部
１２ 圧縮機吐出圧力検出部
１３ 貯湯タンク
１００ ヒートポンプユニット
１０１ 貯湯タンクユニット
Claims (4)
- 貯湯タンクと、該貯湯タンクに両端が繋がる管と、該管の一端側から他端側に向かう方向に冷水を送り出すポンプと、を有する湯水作成部と、
冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を前記冷水と熱交換させる水-冷媒熱交換器と、熱交換された冷媒が流通する膨張弁と、該膨張弁を通過した後の冷媒を空気と熱交換させる空気熱交換器と、を有するサイクルと、
前記貯湯タンクから供給される流体の温度を検知する入水温度センサと、前記水－冷媒熱交換器から流出され、前記貯湯タンクへと供給する流体の温度を検知する沸き上げ温度センサと、前記圧縮機から吐出された冷媒の温度を検知する圧縮機吐出温度センサと、前記水－冷媒熱交換器出口冷媒温度を検知する水-冷媒熱交換器出口冷媒温度センサと、前記貯湯タンクの外気の温度を検知する外気温度センサと、
目標沸き上げ温度を決定する制御部、を有し、
前記膨張弁は、前記入水温度センサの値と前記外気温度センサの値と前記目標沸き上げ温度と、により算出された目標圧縮機吐出温度になるように、開度を制御され、
前記入水温度センサが検知した入水温度および前記制御部で決定された目標沸き上げ温度に基づいて、目標水-冷媒熱交換器出口冷媒温度を算出するヒートポンプ式給湯機。 - 冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を前記冷水と熱交換させる水-冷媒熱交換器と、熱交換された冷媒が流通する膨張弁と、膨張弁通過後の冷媒を空気と熱交換させる空気熱交換器と、を有するサイクルと、
前記貯湯タンクから供給される流体の温度を検知する入水温度センサと、前記水－冷媒熱交換器から流出され、前記貯湯タンクへと供給する流体の温度を検知する沸き上げ温度センサと、前記圧縮機から吐出された冷媒圧力を検知する圧縮機吐出圧力センサと、前記水－冷媒熱交換器出口冷媒温度を検知する水-冷媒熱交換器出口冷媒温度センサと、外気温度を検知する外気温度センサと、
目標沸き上げ温度を決定する制御部、を有し、
前記膨張弁は、前記入水温度センサの値と前記外気温度センサの値と前記目標沸き上げ温度と、により算出された目標圧縮機吐出圧力になるように、開度を制御され、
前記入水温度センサが検知した入水温度および前記制御部で決定された目標沸き上げ温度に基づいて、目標水-冷媒熱交換器出口冷媒温度を算出するヒートポンプ式給湯機。 - 請求項１又は２に記載のヒートポンプ式給湯機において、
前記目標水-冷媒熱交換器出口冷媒温度と現在の水-冷媒熱交換器出口冷媒温度との差ΔTに基づいて、補正値αを算出するヒートポンプ式給湯機。 - 請求項３記載のヒートポンプ式給湯機において、 前記目標圧縮機吐出圧力は、補正値αにより補正されることを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
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