JP4867925B2 - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプサイクルによって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。

従来技術として、例えば特許文献１に示されるように、圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、および蒸発器を配管で接続したヒートポンプサイクルと、貯湯用のタンクと、給湯水循環用のポンプとを給湯水回路で接続したヒートポンプ式給湯装置において、蒸発器における除霜運転を開始する際に、まず、ポンプの流量を低下させた後に、膨張弁を開くようにしたものが知られている。

これにより、除霜運転時のヒートポンプサイクルの冷媒の流れを変えることなく、更に、冷媒の熱量を給湯用熱交換器で極力放熱することなく、蒸発器側への除霜熱量として利用でき、短時間での除霜を可能としている。
特開２００５−１４７６０９号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、ポンプの流量を低下させたタイミングに対して、膨張弁の開成操作が遅れると、高温冷媒によって給湯用熱交換器内の給湯水が過度に加熱され、給湯用熱交換器内で沸騰してしまうおそれがある。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、除霜運転時において、給湯用熱交換器での冷媒熱の放出を防ぎつつ、給湯用熱交換器内での給湯水の沸騰を防ぐことのできるヒートポンプ式給湯装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、
給湯水が流通する給湯水回路（１７）と、
給湯水回路（１７）に配設されて、給湯水の流通量を調節する給湯水ポンプ（１８）と、
圧縮機（２１）、給湯用熱交換器（２２）、可変式減圧機構（２３）、および蒸発器（２４）が環状に接続されて内部を冷媒が循環するとともに、給湯用熱交換器（２２）によって、給湯水回路（１７）を流通する給湯水を加熱して湯とするヒートポンプサイクル（２）と、
圧縮機（２１）の作動、給湯水ポンプ（１８）の作動、および可変式減圧機構（２３）の弁開度を制御する制御装置（３）とを備えるヒートポンプ式給湯装置であって、
給湯用熱交換器（２２）における給湯水の沸騰状態に関連する情報を検出する検出手段（１９、２５）を設け、
制御装置（３）は、蒸発器（２４）における除霜運転を行う際に、可変式減圧機構（２３）の弁開度を除霜運転以前よりも大きくし、
かつ、検出手段（１９、２５）によって得られる情報から、給湯水が沸騰に至らないと判定すると、給湯水ポンプ（１８）を停止させることを特徴としている。

これにより、可変式減圧機構（２３）の弁開度を大きくすることで、蒸発器（２４）側の冷媒圧力を上昇させ、これに伴い冷媒温度を上昇させることができるので、蒸発器（２４）における除霜を効果的に行うことができる。そして、給湯水ポンプ（１８）を停止することで、給湯用熱交換器（２２）において冷媒熱が給湯水側へ放出されることを抑制することができるので、更に冷媒温度を上昇させて、蒸発器（２４）における除霜を一層効果的に行うことができる。この時、給湯用熱交換器（２２）における給湯水が沸騰に至らないことを確認した後に給湯水ポンプ（１８）を停止するため、給湯用熱交換器（２２）において給湯水が沸騰してしまうことを防止できる。

請求項２に記載の発明では、
制御装置（３）は、可変式減圧機構（２３）の弁開度を除霜運転以前よりも大きくする時に、併せて給湯水ポンプ（１８）による給湯水の流通量を除霜運転以前よりも増加させることを特徴としている。

これにより、給湯水の流通量を増加させることで給湯水の温度低下度合いを大きくして、短時間で給湯水が沸騰に至らない状態にすることができるので、給湯水ポンプ（１８）を停止させるタイミングを早めることができる。よって、除霜に要する時間を短縮することができる。

請求項３に記載の発明では、
検出手段（１９、２５）は、給湯用熱交換器（２２）によって加熱された湯の温度を検出する出湯温度検出手段（１９）であり、
制御装置（３）は、出湯温度検出手段（１９）によって得られる湯の温度が、予め定めた所定出湯温度以下となると、給湯水が沸騰に至らないと判定することを特徴としている。

これにより、容易に給湯給湯水の沸騰状態を判定することができる。

請求項４に記載の発明では、
検出手段（１９、２５）は、給湯用熱交換器（２２）によって加熱された湯の温度を検出する出湯温度検出手段（１９）、および圧縮機（２１）から吐出される冷媒の温度を検出する吐出冷媒温度検出手段（２５）であり、
制御装置（３）は、出湯温度検出手段（１９）によって得られる湯の温度が、予め定めた所定出湯温度以下となる条件、および吐出冷媒温度検出手段（２５）によって得られる冷媒の温度が予め定めた所定吐出冷媒温度以下となる条件の少なくとも一方が満たされた時に、給湯水が沸騰に至らないと判定することを特徴としている。

これにより、請求項３に記載の発明に対して、出湯温度と吐出冷媒温度との２つの情報から給湯水の沸騰状態を判定することができるので、給湯水の沸騰を確実に防止して、蒸発器（２４）における効果的な除霜を行うことができる。

請求項５に記載の発明では、
給湯水回路（１７）の下流側が接続されて、加熱された湯を貯える貯湯タンク（１）を備えることを特徴としている。

これにより、貯湯タンク（１）を備えるヒートポンプ式給湯装置の除霜を効果的に行うことができる。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図３を用いて説明する。尚、図１はヒートポンプ式給湯装置１００Ａの概略構成を示す模式図、図２は制御装置３が行う除霜運転に用いられる制御フローチャート、図３は除霜運転時における出湯温度、可変式減圧機構２３の開度、給湯水ポンプ１８の作動状態を示すタイムチャートである。

ヒートポンプ式給湯装置１００Ａは、貯湯タンク１、ヒートポンプ装置２、および制御装置３を備えている。

貯湯タンク１は、耐食性に優れた金属製（例えばステンレス製）の縦長のタンクであり、外周部に図示しない断熱材が配置されており、給湯用の高温の湯を長時間に渡って保温することができるようになっている。貯湯タンク１の下部には導入口１１が設けられ、この導入口１１には貯湯タンク１内に水道水（本発明における給湯水に対応）を導入する導入管１２が接続されている。

一方、貯湯タンク１の上部には導出口１３が設けられ、導出口１３には貯湯タンク１内の高温の湯を導出するための導出管１４が接続されている。導出管１４には、図示しない給湯水の給湯水配管との合流点に、図示しない混合弁が配置され、この混合弁は開口面積比（導出管１４に連通する湯側の開度と給湯水配管に連通する給湯水側の開度の比率）を調節することにより、下流側にあるカラン、シャワー、風呂等に高温の湯と給湯水とを適宜混合して給湯するようになっている。

貯湯タンク１の下部には、貯湯タンク１内の給湯水を吐出するための吐出口１５が設けられ、貯湯タンク１の上部には、貯湯タンク１内に湯を吸入する吸入口１６が設けられている。吐出口１５と吸入口１６とは給湯水回路１７で接続されており、給湯水回路１７の一部は後述するヒートポンプ装置２の給湯用熱交換器２２内に配設されている。

給湯水回路１７の給湯用熱交換器２２より上流側には、この給湯水回路１７に貯湯タンク１内の下部の給湯水を上部に向かって流通させる（循環させる）ための給湯水ポンプ１８が配設されている。給湯水ポンプ１８は、電動式のポンプであり、後述する制御装置３によって、作動回転数が制御されるようになっている。よって、給湯水ポンプ１８の作動回転数が可変されることで、給湯水回路１７を流通する給湯水の流量（流通量）が調節されるようになっている。尚、給湯水ポンプ１８の配設位置は、給湯水回路１７の給湯用熱交換器２２より上流側に限定されず、下流側であっても良い。

一方、給湯水回路１７の給湯用熱交換器２２より下流側には、給湯用熱交換器２２によって加熱された湯の温度（出湯温度）を検出する温度センサ１９が配設されている。温度センサ１９は、検出した出湯温度信号を後述する制御装置３に出力するようになっている。温度センサ１９は、本発明における給湯水の沸騰状態に関連する情報を検出する検出手段、更に湯の温度を検出する出湯温度検出手段に対応する。

ヒートポンプ装置（ヒートポンプサイクル）２は、圧縮機２１、給湯用熱交換器２２、膨張弁２３、および蒸発器２４が順次配管によって環状に接続された熱サイクルであり、内部を流れる冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）が使用されるようになっている。

圧縮機２１は、内蔵される電動モータ（図示せず）によって駆動され、蒸発器２４より吸引した気相冷媒を臨界圧力以上に圧縮して吐出する。圧縮機２１の作動は、後述する制御装置３によって制御されるようになっている。尚、圧縮機２１の駆動源は電動モータに限定されず、エンジン等の動力源であっても良い。

給湯用熱交換器２２は、圧縮機２１より吐出された高温冷媒（ホットガス）と給湯水ポンプ１８により貯湯タンク１内から供給された給湯水とを熱交換するもので、冷媒が流れる冷媒通路（図示しない）と、給湯水が流れる給湯水通路（図示しない）とを有し、冷媒通路を流れる冷媒の流れ方向と給湯水通路を流れる給湯水の流れ方向とが対向するように構成されている。尚、給湯用熱交換器２２を流れる冷媒（ＣＯ_２）は、圧縮機２１で臨界圧力以上に加圧されているので、給湯用熱交換器２２を流通する給湯水に放熱して温度低下しても凝縮することは無い。

膨張弁２３は、給湯用熱交換器２２から流出される冷媒を弁開度に応じて等エンタルピ的に減圧する弁開度可変式の減圧機構であり、具体的には弁開度を小さくすることで、より大きな減圧を行う。逆に言えば、弁開度を大きくすることで、減圧量を小さくして、高圧側圧力を低下させ、また低圧側圧力を上昇させる。膨張弁２３は、後述する制御装置３によって弁開度が電気的に（図示しないステッピングモータによって）制御されるようになっている。

蒸発器２４は、膨張弁２３で減圧された冷媒を送風ファン２４ａによって送風される外気との熱交換によって蒸発させる。蒸発器２４の冷媒吐出側には、冷媒の温度を検出する蒸発器センサ２４ｂが設けられている。蒸発器センサ２４ｂは、検出した冷媒温度信号を後述する制御装置３に出力するようになっている。

制御装置３は、ヒートポンプ式給湯装置１００Ａにおける制御手段であり、温度センサ１９、蒸発器センサ２４ｂからの温度情報等に基づいて、圧縮機２１（実質的には駆動源である電動モータ）、膨張弁２３、送風ファン２４ａ、および給湯水ポンプ１８を通電制御すると共に、圧縮機２１の作動状態や膨張弁２３の弁開度等を監視する。

次に、上記構成に基づくヒートポンプ式給湯装置１００Ａの作動について説明する。

制御装置３は、上記圧縮機２１、膨張弁２３、送風ファン２４ａ、および給湯水ポンプ１８等を制御し、蒸発器２４で外気から吸熱し、給湯用熱交換器２２で給湯水回路１７を流通する給湯水を加熱する。また、制御装置３は、給湯用熱交換器２２により加熱され、貯湯タンク１内に戻る湯の温度が目標沸き上げ温度となるように、温度センサ１９からの出湯温度信号に基づいて制御信号を出力し、給湯水ポンプ１８の作動（給湯水の流量）を制御する。

本ヒートポンプ式給湯装置１００Ａでは、上記給湯水の加熱過程（湯の生成を行う通常運転）において、蒸発器２４における冷媒温度が、空気中水分の凝固点（凍結点）を下回ると、空気中水分が凍結して蒸発器２４の表面に霜となって付着してしまう。よって、このような状態において制御装置３は、除霜運転を実行する。本発明では、この除霜運転における制御に特徴を持たせており、以下、その制御の内容を図２、図３を用いて説明する。

まず、図２において、通常運転が開始された後、制御装置３は、ステップＳ１００で、除霜運転が必要か否かを判定する。これは、蒸発器２４における蒸発器センサ２４ｂによって得られる冷媒温度が、予め定めた所定冷媒温度（例えば、−５〜１０℃）以下であるか否かを判定する。否である場合は、このステップＳ１００を繰り返す。

ステップＳ１００で肯定判定をすると、ステップＳ１１０で、制御装置３は膨張弁２３の弁開度を大きくなる側に可変する制御を開始する。即ち、上記ステップＳ１００に至るまでの弁開度をａとすると（図３中のア）、この弁開度ａよりも大きい側に設定された弁開度ｂ（図３中のイ）に向けて可変していく。この時、高圧側圧力の低下に伴い出湯温度が低下していくことになる（図３中のウ）。

次に、ステップＳ１２０で、制御装置３は、温度センサ１９によって得られる出湯温度が、予め定めた所定出湯温度（図３中のエであり、例えば８０℃）以下となったか否かを判定する。否である場合は、このステップＳ１２０を繰り返す。

そして、ステップＳ１２０で肯定判定をすると、制御装置３は給湯水ポンプ１８を停止させる（図３中のオ）。

これにより、膨張弁２３の弁開度を大きくすることで、ヒートポンプ装置２における蒸発器２４側の冷媒圧力を上昇させ、これに伴い冷媒温度を上昇させることができるので、蒸発器２４における除霜を効果的に行うことができる。そして、給湯水ポンプ１８を停止することで、給湯用熱交換器２２において冷媒熱が給湯水側へ放出されることを抑制することができるので、更に冷媒温度を上昇させて、蒸発器２４における除霜を一層効果的に行うことができる。この時、給湯用熱交換器２２の吐出側の出湯温度が所定出湯温度以下になったことを確認した後に、つまり給湯水が沸騰に至らないことを確認した後に給湯水ポンプ１８を停止するようにしているので、給湯用熱交換器２２において給湯水が沸騰してしまうことを防止できる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図４、図５に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、ヒートポンプ式給湯装置１００Ａの基本構成は同一として、制御装置３が行う除霜運転の内容を変更したものとしている。その除霜運転における制御フローチャートを図４に示す。図４（第２実施形態）は、図２（第１実施形態）に対して、ステップＳ１１０とＳ１２０との間にステップＳ１１５を追加したものとしている。

図４において、制御装置３は、通常運転が開始された後、上記第１実施形態と同様にステップＳ１００で、除霜運転が必要か否かを判定し、必要であると判定するとステップＳ１１０で、膨張弁２３の弁開度を大きくする制御を開始する。

併せて、本第２実施形態においてはステップＳ１１５で、制御装置３は、給湯水ポンプ１８の流量を増加させる。即ち、上記ステップＳ１００に至るまでの給湯水ポンプ１８の流量に対して大きくなる側に可変する（図４中のカ）。

そして、上記第１実施形態と同様に、制御装置３は、ステップＳ１２０で出湯温度が所定出湯温度以下となったか否かを判定し、肯定判定をすると、給湯水ポンプ１８を停止させる。

本第２実施形態においては、除霜運転に入ると膨張弁２３の弁開度を大きくすると共に、給湯水の流量を増加させるようにしているので、給湯水の温度低下度合いを大きくして、短時間で出湯温度を低下させて、つまり短時間で給湯水が沸騰に至らない状態にすることができるので、給湯水ポンプ１８を停止させるタイミングを早めることができる。よって、除霜に要する時間を短縮することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図６、図７に示す。第３実施形態は、上記第１実施形態に対して、温度センサ２５を追加し、ヒートポンプ式給湯装置１００Ｂとして（図６）、制御装置３が行う除霜運転の内容を変更したものとしている（図７）。図７は（第３実施形態）は、図２（第１実施形態）に対して、ステップＳ１２０をステップＳ１２５に変更したものである。

温度センサ２５は、ヒートポンプ装置２内の圧縮機２１と給湯用熱交換器２２との間に設けられており、圧縮機２１から吐出される吐出冷媒の温度を検出するようになっている。温度センサ２５は、検出した吐出冷媒温度信号を制御装置３に出力するようになっている。温度センサ２５は、本発明における給湯水の沸騰状態に関連する情報を検出する検出手段、更に吐出冷媒の温度を検出する吐出冷媒温度検出手段に対応する。

図７において、制御装置３は、通常運転が開始された後、上記第１実施形態と同様にステップＳ１００で、除霜運転が必要か否かを判定し、必要であると判定するとステップＳ１１０で、膨張弁２３の弁開度を大きくする制御を開始する。

そして、ステップＳ１２５で、制御装置３は、温度センサ１９によって得られる出湯温度が所定出湯温度以下となったか否か、および温度センサ２５によって得られる吐出冷媒温度が所定吐出冷媒温度以下になったか否かを判定し、両者に対して肯定判定するとステップＳ１３０で、給湯水ポンプ１８を停止させる。

本第３実施形態においては、上記第１実施形態に対して、出湯温度と吐出冷媒温度との２つの情報から給湯水の沸騰状態を判定することができるので、給湯水の沸騰を確実に防止して、蒸発器２４における効果的な除霜を行うことができる。

尚、上記ステップＳ１２５では、出湯温度、および吐出冷媒温度の両者がそれぞれの所定温度以下となった時に肯定判定するようにしたが、いずれか一方が所定温度以下となった時に肯定判定するようにしても良い。

（その他の実施形態）
本ヒートポンプ式給湯装置においては、出湯温度と吐出冷媒温度とによって給湯水ポンプ１８の停止可否を判定する上記第３実施形態に対して、除霜運転判定時に膨張弁２３の弁開度拡大および給湯水ポンプ１８の流量増加を行う上記第２実施形態の内容を繰入れたものとしても良い。

また、本ヒートポンプ式給湯装置は、貯湯タンク１を備えずに、加熱された湯を直接的にカラン、シャワー、風呂等に供給する給湯装置としても良い。

第１実施形態におけるヒートポンプ式給湯装置の概略構成を示す模式図である。 第１実施形態における制御装置が行う除霜運転に用いられる制御フローチャートである。 第１実施形態の除霜運転時における出湯温度、可変式減圧機構の開度、給湯水ポンプの作動状態を示すタイムチャートである。 第２実施形態における制御装置が行う除霜運転に用いられる制御フローチャートである。 第２実施形態の除霜運転時における出湯温度、可変式減圧機構の開度、給湯水ポンプの作動状態を示すタイムチャートである。 第３実施形態におけるヒートポンプ式給湯装置の概略構成を示す模式図である。 第３実施形態における制御装置が行う除霜運転に用いられる制御フローチャートである。

符号の説明

１ 貯湯タンク
２ ヒートポンプ装置（ヒートポンプサイクル）
３ 制御装置
１７ 給湯水回路
１８ 給湯水ポンプ
１９ 温度センサ（検出手段、出湯温度検出手段）
２１ 圧縮機
２２ 給湯用熱交換器
２３ 膨張弁（可変式減圧機構）
２４ 蒸発器
２５ 温度センサ（検出手段、吐出冷媒温度検出手段）
１００Ａ、１００Ｂ ヒートポンプ式給湯装置

Claims (5)

1. 給湯水が流通する給湯水回路（１７）と、
   前記給湯水回路（１７）に配設されて、前記給湯水の流通量を調節する給湯水ポンプ（１８）と、
   圧縮機（２１）、給湯用熱交換器（２２）、可変式減圧機構（２３）、および蒸発器（２４）が環状に接続されて内部を冷媒が循環するとともに、前記給湯用熱交換器（２２）によって、前記給湯水回路（１７）を流通する前記給湯水を加熱して湯とするヒートポンプサイクル（２）と、
   前記圧縮機（２１）の作動、前記給湯水ポンプ（１８）の作動、および前記可変式減圧機構（２３）の弁開度を制御する制御装置（３）とを備えるヒートポンプ式給湯装置であって、
   前記給湯用熱交換器（２２）における前記給湯水の沸騰状態に関連する情報を検出する検出手段（１９、２５）を設け、
   前記制御装置（３）は、前記蒸発器（２４）における除霜運転を行う際に、前記可変式減圧機構（２３）の弁開度を前記除霜運転以前よりも大きくし、
   かつ、前記検出手段（１９、２５）によって得られる前記情報から、前記給湯水が沸騰に至らないと判定すると、前記給湯水ポンプ（１８）を停止させることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
2. 前記制御装置（３）は、前記可変式減圧機構（２３）の弁開度を前記除霜運転以前よりも大きくする時に、併せて前記給湯水ポンプ（１８）による前記給湯水の流通量を前記除霜運転以前よりも増加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。
3. 前記検出手段（１９、２５）は、前記給湯用熱交換器（２２）によって加熱された前記湯の温度を検出する出湯温度検出手段（１９）であり、
   前記制御装置（３）は、前記出湯温度検出手段（１９）によって得られる前記湯の温度が、予め定めた所定出湯温度以下となると、前記給湯水が沸騰に至らないと判定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ式給湯装置。
4. 前記検出手段（１９、２５）は、前記給湯用熱交換器（２２）によって加熱された前記湯の温度を検出する出湯温度検出手段（１９）、および前記圧縮機（２１）から吐出される前記冷媒の温度を検出する吐出冷媒温度検出手段（２５）であり、
   前記制御装置（３）は、前記出湯温度検出手段（１９）によって得られる前記湯の温度が、予め定めた所定出湯温度以下となる条件、および前記吐出冷媒温度検出手段（２５）によって得られる前記冷媒の温度が予め定めた所定吐出冷媒温度以下となる条件の少なくとも一方が満たされた時に、前記給湯水が沸騰に至らないと判定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ式給湯装置。
5. 前記給湯水回路（１７）の下流側が接続されて、加熱された前記湯を貯える貯湯タンク（１）を備えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のヒートポンプ式給湯装置。

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