JP5113447B2

JP5113447B2 - ヒートポンプ給湯装置の制御方法

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Publication number: JP5113447B2
Application number: JP2007208330A
Authority: JP
Inventors: 将人堀; 尚希今任; 吉照山崎; 智明田邉; 武望月
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2007-08-09
Filing date: 2007-08-09
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2027-08-09
Also published as: JP2009041860A

Description

本発明はヒートポンプ給湯装置の制御方法に係り、特に水熱交換器で生成される湯の設定上限温度を規制するヒートポンプ給湯装置の制御方法に関する。

一般にヒートポンプ給湯装置は出湯を設定温度になるよう制御している。

しかし、従来のヒートポンプ給湯装置は季節により変化する外気温度に関係なく出湯温度が設定温度になるように制御をしていた。

このため、低外気温度時には出湯温度が一定であるため、凝縮圧力は変わらず蒸発圧力が低下し、圧縮機吐出と吸込の圧力差が大きくなり、圧縮機に過度な負担がかかっていた。また高外気温度時には、圧縮機の運転周波数を制御するインバータに流れる電流を規制すること、または水熱交換器の凝縮温度が上昇するのを防ぐ高圧保護により運転停止と運転復帰を繰り返すことで、圧縮機が短断続運転となり圧縮機の信頼性上好ましくない状態になる問題があった。

また、従来のヒートポンプ給湯装置は除霜時の水凍結防止として水温が低下した場合にはヒートポンプ給湯装置を異常停止させるのみであった。

なお、特許文献１には、外気温度が高いときには、圧縮機の吐出圧力が、予め設定された常用最大吐出圧力を越えないように、また、外気温度が低いときには、圧縮機の吐出温度が、予め設定された常用最大吐出温度を越えないように、減圧装置の開度を制御するヒートポンプ給湯装置の制御方法が提案されている。
特開２０００−３４６４４７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、圧縮機の吐出圧力と吸入圧力の圧力差の上限を規制することができ、圧縮機の信頼性の向上を図ることができるヒートポンプ給湯装置の制御方法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給湯装置の制御方法は、水を加熱して湯を生成する水熱交換器と、冷媒を圧縮する圧縮機を組み込んだ冷凍サイクルを備えるヒートポンプ給湯装置の制御方法において、水熱交換器の水出口温度が設定温度となるように圧縮機の回転数を制御し、外気温度が予め定めた温度以下の場合に、水熱交換器で生成される湯の設定上限温度を規制し変更することを特徴とする。

本発明に係るヒートポンプ給湯装置の制御方法によれば、圧縮機の吐出圧力と吸入圧力の圧力差の上限を規制することができ、圧縮機の信頼性の向上を図ることができるヒートポンプ給湯装置の制御方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るヒートポンプ給湯装置の制御方法について図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るヒートポンプ給湯装置の制御方法を実施するヒートポンプ給湯装置の概念図である。

図１に示すように、本実施形態のヒートポンプ給湯装置１は、圧縮機２、四方弁３、水熱交換器４、冷媒流路を開閉する第１の膨張弁５、冷媒を低温低圧に膨張させる第２の膨張弁６、室外熱交換器７を順次配管接続し、さらに、水熱交換器４と並列に逆止弁８と二方弁９からなる除霜用のバイパス回路１０を設け、その一端を第１の膨張弁５と第２の膨張弁６間に接続した冷凍サイクルＳ１を備える。なお、第１の膨張弁５は二方弁でも代用ができる。

また、水熱交換器４は給水ポンプ１１、配管ジョイント１２、１２を介して貯湯タンク１３の給水側に配管接続して給湯水回路Ｓ２を形成し、貯湯タンク１３には給湯配管１４と、給水配管１５が接続される。

図１及び図２に示すように、ヒートポンプ式給湯装置１は装置全体を制御する制御装置１６を備え、この制御装置１６には、必要なインターフェイス（図示せず）を介して、インバータ回路２ａを備えたインバータ式の回転数可変の圧縮機２、室外熱交換器用送風機１７、四方弁３、給水ポンプ１１、圧縮機２の吸込側配管に設けた吸込冷媒温度センサーｓ_１、吐出側配管に設けた吐出冷媒温度センサーｓ_２、水熱交換器４に設けた水熱交換器温度センサーｓ_３、室外熱交換器７の冷媒入口側配管に設けた室外熱交換器温度センサーｓ_４、室外熱交換器７の空気吸込側近傍に設けた外気温度センサーｓ_５、水熱交換器４の給水側配管に設けた水入口温度センサーｓ_６、湯水側配管に設けた水出口温度センサーｓ_７が接続される。

制御装置１６はＣＰＵ１６ａ、メモリ１６ｂを備え、各温度ｓ_１〜ｓ_７からの温度情報あるいは使用者から指示される運転指令情報の内容に基づき、インバータ回路２ａを介した圧縮機３、第１の膨張弁５、第２の膨張弁６、室外熱交換器用送風機１７、給水ポンプ１１の運転、四方弁３の動作などを制御する機能を有する。

次に本実施形態のヒートポンプ給湯装置の制御方法（給湯運転時）について説明する。

図２に示すヒートポンプ給湯装置１の冷凍サイクルＳ１において、圧縮機２から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁３を介して水熱交換器４に流れ、給湯水回路Ｓ２へ放熱しながら凝縮され、冷媒から放熱された熱を給湯水回路Ｓ２の水に与えて湯生成する。

水熱交換器４には給水ポンプ１１を用いて、一定の流量で給水し、水（湯）出口温度を水出口温度センサーｓ７で検知し、水出口温度（湯温）が設定温度になるように、制御装置１６、インバータ回路２ａを介して圧縮機２の回転数を制御する。

水の流量と水熱交換器４の加熱能力により、水入口温度と水出口温度との温度差を加熱温度上限として決定する。

通常、水入口温度すなわち凝縮温度を一定とした場合、圧縮機２の高圧側の圧力は外気温度によらずほぼ一定となる。出湯温度が一定となるため、低外気温時には、低圧側の圧力が外気に応じて下がり、圧縮機２の吸込側と吐出側の高低圧差（△Ｐ）が大となる。この△Ｐが大となると圧縮機２に掛かる負荷が大となり、圧縮機２の信頼性上よくない状態での運転を継続することになる。

なお、従来は外気温度の使用範囲下限を決めており、その下限以下では運転しないこととしているが、実際には外気温度下限以下で運転した場合には圧縮機２に負荷が大きい状態で運転継続することになる。

外気温度センサーｓ_５により外気温度を測定し、この外気温度センサーｓ_５の温度が予め定めた所定温度以下となった場合、設定温度上限を規制（下げる）ことで低外気温時の△Ｐを抑制し、圧縮機２にかかる負荷の上限を規制する。

図３は外気温度、水入口温度と圧縮機２の使用範囲との相関を示す。

外気温度が７℃の場合、水入口温度が６０℃、５５℃、５０℃いずれの場合とも、圧縮機２は適正使用範囲内にあり、外気温度が−７℃の場合、水入口温度が５５℃、５０℃の場合は、圧縮機２は適正使用範囲内にあるが、水入口温度が６０℃の場合には、圧縮機２は適正使用範囲を外れる。

図４に外気温度と設定温度の上限規制値（温度）の一例を示す。

外気温度が−５℃〜２５℃の範囲では、水出口温度（湯温）の設定温度の上限値は６５℃にし、−５℃〜２５℃の範囲外では、水出口温度の設定温度の上限値は５８℃にする。

上記のように、外気温度が予め定めた所定温度、例えば−５℃以下となった場合、設定温度上限を６０℃から５８℃に下げることで、△Ｐを抑制し、圧縮機２にかかる負荷の上限を規制する。

水入口温度が低下すれば、水出口温度も低下し、圧縮機２の高圧側の圧力も低下するため、水出入口の温度差を規制するのではなく、設定温度上限を決めておけば、△Ｐを規制することができる。

これにより低外気温時でも、圧縮機２の高低圧力差（△Ｐ）の上限を規制でき、圧縮機２の信頼性が向上する。

上記給湯運転中、インバータ２ａに流れる電流を規制し、圧縮機２を保護する必要がある。

従来は高外気温度条件で電流が上限値を超えると、圧縮機２の運転周波数（Ｈｚ）の上限が規制され、圧縮機２が最低周波数以下となって圧縮機２が停止していた。圧縮機２が停止した場合、停止時から所定時間経過後に圧縮機２を再度起動させ、再び電流が上限値を超えると圧縮機２が停止し、この運転停止と運転復帰を繰り返していたため、圧縮機２の信頼性上よくない状態であった。

これに対して、本実施形態では、電流が上限値を超えて圧縮機２の停止が１回または、ｎ回繰り返した場合に圧縮機２の運転を継続できないと判断し、圧縮機２の運転を停止させる。また、圧縮機２の運転停止後の再運転開始条件は、圧縮機２が運転停止した外気温度より低い場合、例えば５Ｋ低くとなった場合とする。これにより、圧縮機２の頻繁な運転停止を防止する。

圧縮機２の停止回数であるｎ回は圧縮機の運転復帰後ある一定の期間運転が継続すればカウントをクリアするものとする。本制御によりインバータ２ａの電流保護による圧縮機２の頻繁な運転オンオフが防止でき、冷凍サイクルの信頼性が向上する。

なお、具体的な制御内容を以下に記載する。
判定条件：（外気温度≧β（例えば、４３℃）＋電流保護による圧縮機２の停止）≧１回またはｎ回
ｎ回のカウントクリア条件は一定時間（例えば１０分）圧縮機２の運転継続
判定時の動作：圧縮機２の運転停止
圧縮機２の運転停止解除条件：外気温度≦判定条件時の外気温度−α（例えば５Ｋ）

また、上記給湯運転中、水熱交換器４への水の流量が極端に小さい場合には、凝縮温度が上昇し高圧保護による圧縮機２のオン／オフの繰り返しが発生する。このような状態を防止するため、高圧上昇時の高圧保護による圧縮機の停止をｍ回繰り返した場合には、圧縮機２の運転継続できないと判断し圧縮機２の運転を停止させる。圧縮機２の停止回数であるｍ回は圧縮機２の運転復帰後ある一定の時間運転が継続すればカウントをクリアする。

このような制御を行うことにより、凝縮温度上昇による高圧保護による頻繁な圧縮機２の運転オンオフを防止することができ、冷凍サイクルの信頼性が向上する。特に、流量減等の異常時に高圧保護による短断続運転を防止することができる。

なお、具体的な制御内容を以下に記載する。
判定条件：凝縮温度上昇による高圧保護による圧縮機２の停止回数≧ｍ（例えば４０回）
ｍ回のカウントクリア条件は一定時間（例えば１０分）圧縮機２の運転継続
判定時の動作：圧縮機２の運転停止

また、外気温度が予め定めた所定温度、例えば２５℃以上となった場合、設定温度上限例えば６０℃から下げて５８℃に決めておけば、インバータ２ａの電流保護、凝縮温度上昇による高圧保護による圧縮機２の停止を防止できる。特に、圧縮機２の短断続運転を回避し、圧縮機２の信頼性が向上する。

また、本実施形態のヒートポンプ給湯装置の制御方法（除霜運転時）について説明する。

本ヒートポンプ給湯装置（冷凍サイクル）の除霜時の制御で、通常の除霜は、圧縮機２から吐出した冷媒が着霜した室外熱交換器７を除霜し、第１の膨張弁５、第２の膨張弁６を通り水熱交換器４に流入する。水熱交換器４で湯から熱をもらい、再度四方弁３を通り圧縮機２に戻ることで除霜を行う。

しかし、水熱交換器４に流入する湯の温度が低下した場合、水熱交換器４が凍結するおそれがあるため、従来は水入口温度ＴＷｉまたは、水出口温度ＴＷｏの温度がある一定の温度以下となった場合には、除霜を停止させ異常表示をさせていた。この場合、凍結防止ができるが、冷凍サイクルは除霜が完了せず、着霜した状態で異常停止することになる。

これに対して本実施形態のヒートポンプ給湯装置の除霜運転時の制御方法は、水入口温度ＴＷｉ、水出口温度ＴＷｏ、水熱交換器温度Ｔｃが低下し、水熱交換器４が凍結するおそれがある場合例えば「ＴＷｉ≧γ（例えば２℃）、ＴＷｏ≧γ（例えば２℃）、Ｔｃ≧ε（例えば−１０℃）をｐ秒（例えば２５秒）継続する状態」、バイパス回路１０を開き、第１の膨張弁５を閉とすることで、除霜時の冷媒を水熱交換器４に流入させず、バイパスをさせ凍結を防止する。この場合は湯を使用しない除霜となる。

第１膨張弁５を閉じず、冷媒をバイパス回路１０に水熱交換器４と並列に流すことでも水熱交換器４に流入する冷媒量を低減でき、水熱交換器４の凍結を防止できる。

具体的な制御方法を以下に記載する。
凍結判定条件：ＴＷｉ＜２℃またはＴＷｏ＜２℃を２５秒継続あるいは、Ｔｃ＜−１０℃を２５秒継続
凍結判定時の動作：図５に示すように、第１の膨張弁５を閉じ、二方弁９を開放して、水４を完全バイパスさせる。

または、図６に示すように、二方弁９を開放して、水熱交換器４とバイパス回路１０を並行に流す。除霜終了までバイパス状態を継続させる。

除霜運転時に水温が低下（水入口温度、水出口温度がある一定時間所定の温度以下となったら）または、水熱交換器温度が低下（ある一定時間所定の温度以下となったら）水熱交換器が凍結するおそれがあると判断しバイパス回路１０を開放とすることで、水熱交換器４に冷媒を流さないか、水熱交換器４とバイパス回路１０に並列に冷媒を流し、水熱交換器４への冷媒量を低減することで水熱交換器４の凍結を防止することができる。

本実施形態のヒートポンプ給湯装置の制御方法によれば、圧縮機２の吐出圧力と吸入圧力の圧力差の上限を規制することができ、圧縮機２の信頼性の向上を図ることができるヒートポンプ給湯装置の制御方法が実現する。

本発明の一実施形態のヒートポンプ給湯装置の制御方法を実施するヒートポンプ給湯装置の概念図。本発明の一実施形態のヒートポンプ給湯装置の制御方法を実施するヒートポンプ給湯装置の制御回路図。本発明の一実施形態のヒートポンプ給湯装置の制御方法における図３は外気温度、水入口温度と圧縮機の使用範囲との相関を示す図。本発明の一実施形態のヒートポンプ給湯装置の制御方法における外気温度と設定温度の上限規制値の相関を示す図。本発明の一実施形態のヒートポンプ給湯装置の制御方法における水熱交器凍結判定時の冷凍サイクル図（バイパス除霜）。本発明の一実施形態のヒートポンプ給湯装置の制御方法における水熱交器凍結判定時の冷凍サイクル図（並行除霜）。

符号の説明

１…ヒートポンプ給湯装置、２…圧縮機、２ａ…インバータ回路、３…四方弁、４…水熱交換器、５…第１の膨張弁、６…第２の膨張弁、７…室外熱交換器、８…逆止弁、９…二方弁、１０…バイパス回路、１１…給水ポンプ、１２…配管ジョイント、１３…貯湯タンク、１４…給湯配管、１５…給水配管、１６…制御装置、１６ａ…ＣＰＵ、１６ｂ…メモリ、１７…室外熱交換器用送風機、Ｓ１…冷凍サイクル、Ｓ２…給湯水回路、ｓ_１…吸込冷媒温度センサー、ｓ_２…吐出冷媒温度センサー、ｓ_３…水熱交センサー、ｓ_４…室外熱交温度センサー、ｓ_５…外気温度センサー、ｓ_６…水入口温度センサー、ｓ_７…水出口温度センサー。

Claims

水を加熱して湯を生成する水熱交換器と、冷媒を圧縮する圧縮機を組み込んだ冷凍サイクルを備えるヒートポンプ給湯装置の制御方法において、水熱交換器の水出口温度が設定温度となるように圧縮機の回転数を制御し、外気温度が予め定めた温度以下の場合に、水熱交換器で生成される湯の設定上限温度を規制し変更することを特徴とするヒートポンプ給湯装置の制御方法。
前記冷凍サイクルに組み込んだ圧縮機の運転周波数を制御するインバータに流れる電流を規制することにより、前記圧縮機の運転周波数が所定値よりも低くなる条件が所定回数発生した場合に、前記圧縮機の運転を停止させ、この運転停止後の運転再起動は、運転停止時の外気温度より低い場合に行う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の制御方法。
前記水熱交換器の凝縮温度が上昇するのを防ぐために、前記圧縮機の運転周波数が所定値よりも低くなる条件が所定回数回発生した場合に、前記圧縮機の運転を停止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給湯装置の制御方法。
外気温度が予め定めた温度以上の場合に、水熱交換器で生成される湯の設定上限温度を規制することを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ給湯装置の制御方法。
前記冷凍サイクルの除霜運転時、前記水熱交換器の水入口温度および水出口温度が一定時間所定温度以下になるか、あるいは前記水熱交換器の温度が一定時間所定温度以下になった場合に、前記水熱交換器が凍結すると判断し、前記水熱交換器に流れる冷媒の一部または全部をバイパス回路に流して、前記水熱交換器に流れる冷媒を制御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の制御方法。