JP3783711B2 - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で接続したヒートポンプ回路と貯湯槽、流体循環ポンプを配管で接続した流体回路を有したヒートポンプ給湯装置に関する。

従来、この種の除霜方法では、ヒートポンプ回路の冷媒の流れを圧縮機吐出側から給湯用熱交換器を通さずに蒸発器に冷媒が流れるように二方弁等を迂回回路に配置しており、除霜運転時にこの二方弁を開方向に制御して蒸発器の除霜を行うことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

除霜時に電磁弁をバイパス回路に設け、室外熱交換器の入口にホットガスを供給することで確実に除霜できる。
特開２００１−１０８２５６号公報（請求項１、請求項２、請求項３、請求項４）

しかしながら、前記従来の構成では、ヒートポンプ回路にバイパス回路を追加することで構造が複雑でかつ電磁弁を使用することから高価な構成となってしまう。また冷媒の流れが変わることから、冷媒音または電磁弁の音が発生してしまうという課題を有していた。

本発明は、前記課題を解決するもので、除霜運転開始時、前記流体循環ポンプの流量を低下させた後、前記膨張弁の開度を開くようにしたヒートポンプ給湯装置を提供するものである。

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、給湯用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で接続したヒートポンプ回路と、貯湯槽、流体循環ポンプを配管で接続した流体回路と、流体循環ポンプの流量を可変する流体循環ポンプ流量可変手段とを備え、除霜運転が開始されると、前記流体循環ポンプの流量をそれまでの流量よりも小流量と微少流量とで増減させて流体の流れを脈動させるように前記流体循環ポンプの動作を制御し、その後前記膨張弁の開度を大きくするとともに、除霜運転が終了すると前記膨張弁の開度を段階的に小さくしていくことを特徴とする。

また、本発明のヒートポンプ給湯装置は、蒸発器の温度を検知する蒸発器温度検出手段と、前記蒸発器温度と除霜開始判定をする為の蒸発器設定温度との温度差から除霜開始を判定する蒸発器除霜開始判定手段と、外気温度を検知する外気温度検知手段と、前記外気温度と除霜開始判定をする為の外気設定温度との温度差から除霜開始を判定する外気温度除霜開始判定手段と、前記圧縮機運転時間を記憶する圧縮機運転時間記憶手段と、前記圧縮機運転時間の記憶時間と除霜運転開始の設定時間から除霜開始を判定する運転時間除霜開始判定手段とを設け、除霜運転開始の判定を、前記蒸発器除霜開始判定手段と前記外気温除霜開始判定手段と運転時間除霜開始判定手段から判定された各除霜開始判定から除霜開始判定手段で最終判定した後、除霜運転を開始することを特徴とする。

また、本発明のヒートポンプ給湯装置は、除霜開始判定手段で除霜運転の開始を判定して、圧縮機の容量を可変する圧縮機容量可変手段にて、前記圧縮機容量を同じ容量または増加させることを特徴とする。

また、本発明のヒートポンプ給湯装置は、ヒートポンプ回路を超臨界蒸気圧圧縮式冷凍サイクルで構成し、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧以上となるようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、除霜運転時、ヒートポンプ給湯運転時の冷媒の流れを変えずに、除霜熱量を給湯用熱交換器に極力放熱することなく、除霜能力として利用でき、圧縮機、膨張弁の制御により、早く除霜を終了させることができる。また機能部品の追加をすることなく安価に構成できる。

第１の発明は、圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で接続したヒートポンプ回路と、貯湯槽、流体循環ポンプを配管で接続した流体回路と、流体循環ポンプの流量を可変する流体循環ポンプ流量可変手段とを備え、除霜運転が開始されると、前記流体循環ポンプの流量をそれまでの流量よりも小流量と微少流量とで増減させて流体の流れを脈動させるように前記流体循環ポンプの動作を制御し、その後前記膨張弁の開度を大きくするとともに、除霜運転が終了すると前記膨張弁の開度を段階的に小さくしていくことにより、除霜運転において、ヒートポンプ給湯運転中の冷媒の流れを変えることなく、圧縮機の熱量を給湯用熱交換器に放熱することを極力微少にして、蒸発器の除霜に利用できて、機能部品を追加することなく安価に構成できる。

また、膨張弁の開度を開く前に、循環量のポンプの流量を低下することにより高圧が上がり、確実に熱量が移動し蒸発器の除霜を短時間で終了する事できる。また、流体循環ポンプの微少流量の中での増減させる流量変動運転において、除霜に必要な熱量を給湯用熱交換器で、放熱することを微少に抑えることができて早い除霜運転ができる。また除霜運転中の流体循環ポンプ流量を増減することで、流体の流れに脈動が発生し、外気温が極端に低くても、流体の凍結現象が発生しないという効果がある。

第２の発明は、蒸発器の温度を検知する蒸発器温度検出手段と、前記蒸発器温度と除霜開始判定をする為の蒸発器設定温度との温度差から除霜開始を判定する蒸発器除霜開始判定手段と、外気温度を検知する外気温度検知手段と、前記外気温度と除霜開始判定をする為の外気設定温度との温度差から除霜開始を判定する外気温度除霜開始判定手段と、前記圧縮機運転時間を記憶する圧縮機運転時間記憶手段と、前記圧縮機運転時間の記憶時間と除霜運転開始の設定時間から除霜開始を判定する運転時間除霜開始判定手段とを設け、除霜運転開始の判定を、前記蒸発器除霜開始判定手段と前記外気温除霜開始判定手段と運転時間除霜開始判定手段から判定された各除霜開始判定から除霜開始判定手段で最終判定した後、除霜運転を開始することを特徴とすることにより、蒸発器に付着した霜量を認識し、除霜運転開始の判定ができることになる。

第３の発明は、除霜開始判定手段で除霜運転の開始を判定して、圧縮機の容量を可変する圧縮機容量可変手段にて、前記圧縮機容量を同じ容量または増加させることを特徴とすることにより、圧縮機の容量を増加させる場合は、除霜に必要な熱量を圧縮機の容量を可変する事で増加させ、除霜能力をアップできる。また圧縮機の容量を同等で除霜に入る場合は、除霜運転時の騒音発生を抑えた除霜運転を行うことができる。

第４の発明は、ヒートポンプ回路を超臨界蒸気圧圧縮式冷凍サイクルで構成し、高圧側
の冷媒圧力が冷媒の臨界圧異常となるようにしたことより、温暖化係数の小さいＣＯ２を利用した自然冷媒として、ヒートポンプ回路を構成できることになる。

（実施の形態１）
以下、本発明の一実施例によるヒートポンプ給湯装置について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の一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。

まず、本実施例によるヒートポンプ給湯装置のヒートポンプ回路について説明する。

本実施例によるヒートポンプ回路１０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。本実施例では二酸化炭素を冷媒として採用しているが、その他の冷媒でヒートポンプ回路を構成しても問題はない。

ヒートポンプ回路１０は、圧縮機１１、給湯用熱交換器１２、メイン膨張弁１３Ａ、キャピラリーチューブ１３Ｂ、及び蒸発器１４を順に配管で接続して構成されている。ヒートポンプ回路１０には、蒸発器１４の吸入空気を検出する温度センサ（外気温度検出手段）１０Ｄ、蒸発器１４の出口付近の温度を検知する温度センサ（蒸発器温度検出手段）１０Ｅを備えている。

次に、本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２０の底部配管から、流量調整弁３１を介して水道管等の水供給配管３２に接続されている。また貯湯タンク２０の底部配管から、循環ポンプ２３を介して給湯用熱交換器１２の水用配管１２Ａの流入側と接続されている。また、貯湯タンク２０の上部循環用配管２４は、水用配管１２Ａの流出側と接続されている。なお、本実施例による貯湯タンク２０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２０の上部出湯用配管３３は、混合弁３４に接続されている。混合弁３４の流出側の出湯回路は、キッチン、又は洗面所等の給湯用の蛇口３６に接続されている。

なお、貯湯タンクに関しては、本願と直接関係がないため説明は省略する。

以下、本実施例によるヒートポンプ給湯装置の運転動作について説明する。

貯湯タンクからの運転信号を受信してヒートポンプユニットの運転が開始される。

ヒートポンプ回路１０では、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、メイン膨張弁１３Ａ及びキャピラリーチューブ１３Ｂで減圧された後、蒸発器１４にて吸熱し、ガス状態で圧縮機１１に吸入される。

一方、循環ポンプ２３の運転により、貯湯タンク２０内の水は、底部配管を通って水用配管１２Ａに導かれ、水用配管１２Ａで加熱された温水は、上部循環用配管２４を通って貯湯タンク２０に戻される。

圧縮機１１での能力制御及び膨張弁１３での開度制御は、冷媒吐出温度が、あらかじめ設定された温度を維持するように制御される。

次に、本実施例によるヒートポンプ給湯装置の貯湯運転起動制御について図２から図４を用いて説明する。

圧縮機１１の起動から所定の時間は、起動時に設定した目標周波数にて運転を行う。目標周波数にて所定時間運転した後には、圧縮機１１からの吐出冷媒温度が所定の温度を維持するような通常運転モードに切り換える。なお、圧縮機１１の運転開始から目標周波数に到達するまでは、周波数を段階的に上昇させる起動制御を行う。

まず、除霜開始判定から機能部品の駆動に至るまでを、図２を用いて説明する。

図２は、本実施例によるヒートポンプ給湯装置の除霜開始判定から除霜運転を示すブロック図である。

除霜開始判定手段４８は、大きく、蒸発器除霜開始判定手段４５と外気温除霜開始判定手段４６と運転時間除霜開始判定手段４７の３つの除霜開始判定から構成され、この３つの判定が全て除霜開始となって初めて除霜運転が開始される。蒸発器除霜開始判定手段４５では、蒸発器の温度を検知する蒸発器温度検知手段１０Ｅと蒸発器の除霜開始を判定する蒸発器温度設定手段４２から除霜判定を行い、蒸発器除霜開始判定手段４５で蒸発器温度による除霜開始が決定される。つぎに外気温度除霜開始判定手段４６では、外気温度を検知する外気温度検知手段１０Ｄと外気温度の除霜開始を判定する外気温度設定手段４３から除霜判定を行い、外気温度除霜開始判定手段４６で外気温度による除霜開始が決定される。つぎに運転時間除霜開始判定手段４７では、圧縮機運転時間を記憶する圧縮機運転時間記憶手段４１と圧縮機運転時間から除霜開始を判定する圧縮機運転時間設定手段４４から除霜判定を行い、運転時間除霜開始判定手段４７で圧縮機の運転時間から除霜運転の開始が決定される。

つぎに除霜運転開始判定手段による除霜運転が開始信号により圧縮機容量可変手段、膨張弁開度可変手段、流体循環ポンプ流量可変手段より、圧縮機、膨張弁、流量循環ポンプが制御される。

図３は、本実施例によるヒートポンプ給湯装置の除霜開始判定から圧縮機、膨張弁、流体循環ポンプを駆動する流れを示すフローチャートである。

タンクユニットから圧縮機運転開始の信号を受信して圧縮機運転が開始する。（Ｓ５１）つぎに運転時間の記憶を行い（Ｓ５２）、外気温度と設定されている外気温度を比較して設定されている外気温度より低ければ次に移行する。（Ｓ５３）つぎに蒸発器温度と設定されている蒸発器温度を比較して設定されている蒸発器温度より低ければ次に移行する。（Ｓ５４）つぎに圧縮機運転時間が経過していれば、除霜開始判定を決定する。（Ｓ５５，Ｓ５６）除霜開始判定より圧縮機、膨張弁、流体循環ポンプを制御する。（Ｓ５７，Ｓ５８，Ｓ５９）。

図４は、本実施例によるヒートポンプ給湯装置の除霜運転開始の開始から除霜中を示すグラフである。

図４に示すように、除霜開始から、終了まで、圧縮機、膨張弁、外ファン、流体循環ポンプの動作について説明する。

最初に、流体循環ポンプは、１秒の小流量（０．３Ｌ／ｍｉｎ）と９秒の微少流量（０．０１Ｌ／ｍｉｎ）で制御され、給湯用熱交換器で除霜用の熱量を放熱しないようにして流体循環ポンプを制御している。

その後、膨張弁を段階的にステップ２、ステップ３と開度大きくさせてステップ３では、最大開度にて除霜能力を最大限に活かすように制御されている。除霜終了後も段階的に開度を小さくしていく。

圧縮機周波数は、除霜運転開始時はその前の通常運転時と同等の周波数で運転した後、ステップ３から高周波数にて運転して除霜能力をアップしている。音の変化が大きくならないためである。

外ファンは、除霜開始から停止して除霜運転の弊害とならないように制御されている。

なお、除霜運転の開始判定は、蒸発器温度、外気温度、圧縮機運転時間の全てのパラメータから判定しなくても、その内の一つまたは二つのパラメータから判定してもよい。

以上のように、本発明は、ヒートポンプ給湯装置における貯湯タンクの沸き上げ運転の他、給湯用熱交換器で加熱したお湯をそのまま出湯する、瞬間湯沸かし運転にも適用でき、また本発明のヒートポンプ給湯装置は、給湯機能の他に、例えば、浴槽給湯機能、暖房機能、乾燥機能を有する装置にも適している。

本発明の一実施例によるヒートポンプ給湯装置の回路構成図 本実施例によるヒートポンプ給湯装置のブロック図 本実施例によるヒートポンプ給湯装置の制御フローチャート 本実施例によるヒートポンプ給湯装置の制御動作を示すグラフ

符号の説明

１０ ヒートポンプ回路
１０Ｄ 温度センサ（外気温度検出手段）
１１ 圧縮機
１２ 給湯用熱交換器
１３Ａ メイン膨張弁
１４ 蒸発器
２０ 貯湯タンク
２３ 流体循環ポンプ
２４ 上部循環用配管
４０ 接続配管

Claims (4)

1. 圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で接続したヒートポンプ回路と、貯湯槽、流体循環ポンプを配管で接続した流体回路と、流体循環ポンプの流量を可変する流体循環ポンプ流量可変手段とを備え、除霜運転が開始されると、前記流体循環ポンプの流量をそれまでの流量よりも小流量と微少流量とで増減させて流体の流れを脈動させるように前記流体循環ポンプの動作を制御し、その後前記膨張弁の開度を大きくするとともに、除霜運転が終了すると前記膨張弁の開度を段階的に小さくしていくことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
2. 蒸発器の温度を検知する蒸発器温度検出手段と、前記蒸発器温度と除霜開始判定をする為の蒸発器設定温度との温度差から除霜開始を判定する蒸発器除霜開始判定手段と、外気温度を検知する外気温度検知手段と、前記外気温度と除霜開始判定をする為の外気設定温度との温度差から除霜開始を判定する外気温度除霜開始判定手段と、前記圧縮機運転時間を記憶する圧縮機運転時間記憶手段と、前記圧縮機運転時間の記憶時間と除霜運転開始の設定時間から除霜開始を判定する運転時間除霜開始判定手段とを設け、除霜運転開始の判定を、前記蒸発器除霜開始判定手段と前記外気温除霜開始判定手段と運転時間除霜開始判定手段から判定された各除霜開始判定から除霜開始判定手段で最終判定した後、除霜運転を開始することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
3. 除霜開始判定手段で除霜運転の開始を判定して、圧縮機の容量を可変する圧縮機容量可変手段にて、前記圧縮機容量を同じ容量または増加させることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯装置。
4. ヒートポンプ回路を超臨界蒸気圧圧縮式冷凍サイクルで構成し、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧以上となるようにしたことを特徴とする請求項１〜３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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