JP2007285571A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の加熱を短時間で行うことができ、しかもエネルギロスを低減して運転効率を向上することが可能なヒートポンプ装置を提供する。
【解決手段】圧縮機の温度が第１基準温度（Ｔ１）以下になったときに圧縮機２５を駆動する。圧縮機２５の温度は、圧縮機２５の吐出配管温度（Ｔｄ）として検出する。駆動時の駆動周波数を下限運転周波数（Ｆmin）とし、上記圧縮機２５の温度が、第２基準温度（Ｔ２）以上になったときに、圧縮機２５の駆動を停止する。
【選択図】図４

Description

この発明は、ヒートポンプ装置に関するものである。

ヒートポンプ式給湯機は、本発明の実施形態を示す図でもある図１に示すように、給湯サイクル１と冷媒サイクル２とを備える。給湯サイクル１は、貯湯タンク３を備え、この貯湯タンク３に貯湯された温湯が図示省略の浴槽等に供給される。すなわち、貯湯タンク３には、その底壁に給水口５が設けられると共に、その上壁に給湯口６が設けられている。そして、給水口５から貯湯タンク３に水道水が供給され、給湯口６から高温の温湯が出湯される。また、貯湯タンク３には、その底壁に取水口１０が開設されると共に、側壁（周壁）の上部に湯入口１１が開設され、取水口１０と湯入口１１とが循環路１２にて連結されている。そして、この循環路１２に水循環用ポンプ１３と熱交換路１４とが介設されている。なお、給水口５には給水用流路８が接続されている。

また、上記循環路１２にはバイパス流路１５が設けられている。すなわち、バイパス流路１５は、湯入口１１側から分岐して、貯湯タンク３の下部（この場合、底壁）に接続されている。そして、分岐部１６と湯入口１１との間に第１開閉弁１７が介設されると共に、バイパス流路１５の分岐部１６側に第２開閉弁１８が介設されている。各開閉弁１７、１８でバイパス切換手段１９が構成される。なお、このバイパス切換手段１９の各開閉弁１７、１８は、後述する制御手段２０にて制御される。

従って、バイパス切換手段１９の第１開閉弁１７を開状態とすると共に、第２開閉弁１８を閉状態として、水循環用ポンプ１３を駆動させれば、取水口１０から循環路１２に流出した温水は、熱交換路１４を流れ、この熱交換路１４から湯入口１１を介して貯湯タンク３の上部に流入する。以下、このように湯入口１１を介して貯湯タンク３の上部に流入する状態を通常循環状態と呼ぶこととする。これに対して、バイパス切換手段１９の第１開閉弁１７を閉状態とすると共に、第２開閉弁１８を開状態として、水循環用ポンプ１３を駆動させれば、取水口１０から循環路１２に流出した温水は、熱交換路１４を流れ、この熱交換路１４から分岐部１６を介してバイパス流路１５に入って、このバイパス流路１５から貯湯タンク３の下部に流入する。以下、このようにバイパス流路１５から貯湯タンク３の下部に流入する状態をバイパス循環状態と呼ぶこととする。このため、バイパス循環状態では、貯湯タンク３の上部に温水（低温水）が流入しない。

また、上記循環路１２は、給湯サイクル１側の配管２１と、冷媒サイクル２の配管２２とを備え、この配管２１、２２が連絡配管２３、２４にて連結されている。なお、この連絡配管２３、２４は室外側に配設されているので、外気温度が低い場合にその内部が凍結するおそれのあるものである。

次に、冷媒サイクル（ヒートポンプ式加熱）２は冷媒循環回路を備え、この冷媒循環回路は、圧縮機２５と、熱交換路１４を構成する水熱交換器２６と、減圧機構（電動膨張弁）２７と、空気熱交換器２８とを順に接続して構成される。すなわち、圧縮機２５の吐出管２９を水熱交換器２６に接続し、水熱交換器２６と電動膨張弁２７とを冷媒通路３０にて接続し、電動膨張弁２７と空気熱交換器２８とを冷媒通路３１にて接続し、空気熱交換器２８と圧縮機２５とをアキュームレータ３２が介設された冷媒通路３３にて接続している。また、冷媒としては、冷媒に超臨界で使用する超臨界冷媒（例えば、炭酸ガス）を用いる。なお、空気熱交換器２８にはこの空気熱交換器２８の能力を調整するファン３４が付設されている。

そして、循環路１２には、取水口１０から流出して熱交換路１４に入る温水（低温水）の温度（入水温度）を検出する入水サーミスタ３５ａと、熱交換路１４にて加熱された温水の温度（出湯温度）を検出する出湯サーミスタ３６ａとが設けられている。さらに、空気熱交換器２８には、この空気熱交換器２８の温度を検出する空気熱交サーミスタ４８ａが付設されている。また、この図１において、３７ａは外気温度を検出する外気温度検出用サーミスタ、４０ａは吐出配管温度検出サーミスタである。

また、吐出管２９と冷媒通路３１（電動膨張弁２７と空気熱交換器２８とを接続する通路における空気熱交換器２８の直前の位置）とは、デフロスト弁３９を有するデフロスト回路３８にて接続されている。すなわち、圧縮機２５からのホットガスを蒸発器として機能する空気熱交換器２８に直接供給することができ、これによって、蒸発器２８の霜を除去するデフロスト運転が可能となる。そのため、この冷媒サイクル２は、通常の湯沸き上げ運転と、デフロスト運転とを行うことができる。

さらに、この冷媒循環回路は、高圧側において分岐して、この分岐部よりも下流側の位置において合流するバイパス回路４２を設けると共に、このバイパス回路４２に冷媒調整器４３を介設し、さらに、この冷媒調整器４３の出口側に流量調整用の調整弁４４を設けている。すなわち、バイパス回路４２は、水熱交換器２６の上流側から分岐して冷媒調整器４３に接続される第1通路４５と、この冷媒調整器４３から導出されて第1通路４５の分岐部よりも下流側において水熱交換器２６に合流する第２通路４６とを備えている。そして、第２通路４６に上記流量調整弁４４を介設している。

そして、この冷媒調整器４３内には、上記冷媒通路３１の一部を構成する通路４７が配設され、バイパス回路４２を介してこの冷媒調整器４３内に入った高圧冷媒と、この通路４７を流れる低圧冷媒との熱交換を行う。この場合、調整弁４４の開度を調整することによって、冷媒調整器４３内を通過する冷媒流量を調整して、冷媒調整器４３内の冷媒温度を調整している。これは、流量調整弁４４の開度制御によって、要求された冷媒温度に保持し、冷媒調整器４３内を適切な冷媒収容量とすることができ、この回路内の冷媒循環量を最適な量とするためである。

ところで、このヒートポンプ式給湯機の制御部は、図２に示すように、入水温度検出手段３５と、出湯温度検出手段３６と、外気温度検出手段３７と、吐出配管温度検出手段４０と、空気熱交換器温度検出手段４８と、タイマ手段５０と、制御手段２０等を備える。そして、これらの検出手段３５、３６、３７、４８やタイマ手段５０等からのデータが制御手段２０に入力され、この制御手段２０では、これらのデータ等に基づいて、圧縮機２５やデフロスト弁３９等に制御信号が送信され、この制御信号に基づいてこれらの圧縮機２５等が作動する。また、入水温度検出手段３５は上記入水サーミスタ３５ａにて構成でき、出湯温度検出手段３６は上記出湯サーミスタ３６ａにて構成でき、外気温度検出手段３７は上記外気温度検出サーミスタ３７ａにて構成でき、吐出配管温度検出手段４０は吐出配管温度検出サーミスタ４０ａにて構成でき、空気熱交換器温度検出手段４８は上記空気熱交サーミスタ４８ａにて構成することができる。さらに、タイマ手段５０は、時間を計測する既存のタイマ等にて構成することができる。なお、制御手段２０は例えばマイクロコンピュータにて構成することができる。

上記のように構成されたヒートポンプ式給湯機によれば、バイパス切換手段１９を通常循環状態とすると共に、デフロスト弁３９を閉状態として、圧縮機２５を駆動させると共に、水循環用ポンプ１３を駆動（作動）させると、貯湯タンク３の底部に設けた取水口１０から貯溜水（低温水）が流出し、これが循環路１２の熱交換路１４を流通する。そのときこの温湯は水熱交換器２６によって加熱され（沸き上げられ）、湯入口１１から貯湯タンク３の上部に返流（流入）される。このような動作を継続して行うことによって、貯湯タンク３に高温の温湯を貯湯することができる。なお、この種のヒートポンプ装置は、例えば、特許文献１にも開示されているように公知である。

ところで、上記のようなヒートポンプ装置においては、冬季等において圧縮機２５の停止状態が継続して、その温度が低下している際には、冷媒の寝込みを防止すると共に、起動性を確保するため、及び炭酸ガス冷媒を用いる際には、電気絶縁性の確保、耐久性の確保のために圧縮機２５を加熱しておく必要がある。そのため、周知のように、圧縮機２５のモータに欠相通電する対策が採られていた（例えば、特許文献２、特許文献３）。
特開２００３−２２２３９１号公報 特開平０８−１１０１０２号公報 特開２００２−２６６７６２号公報

しかしながら、上記のようにヒートポンプ装置を加熱するのに欠相通電を行う方法を採用する場合には、圧縮機を加熱するのに長い時間を要し、また、加熱に消費された電力は、ヒートポンプ機能には全く寄与しないので無駄な電力となり、そのため、エネルギロスを招くという欠点がある。

この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、圧縮機の加熱を短時間で行うことができ、しかもエネルギロスを低減して運転効率を向上することが可能なヒートポンプ装置を提供することにある。

そこで、この発明のヒートポンプ装置は、密閉形圧縮機２５を有するヒートポンプ装置において、圧縮機の温度が第１基準温度（Ｔ１）以下になったときに圧縮機２５を駆動することを特徴としている。

また、この発明のヒートポンプ装置は、上記圧縮機２５の温度は、圧縮機２５の吐出配管温度（Ｔｄ）として検出することを特徴としている。

さらに、この発明のヒートポンプ装置は、上記圧縮機２５が圧縮能力可変なものであって、上記駆動時の駆動周波数を下限運転周波数（Ｆmin）としていることを特徴としている。

この発明のヒートポンプ装置は、上記圧縮機２５の運転を所定時間だけ行った後、圧縮機２５の運転を停止することを特徴とする。

この発明のヒートポンプ装置は、上記圧縮機２５の温度が、上記第１基準温度（Ｔ１）よりも高い第２基準温度（Ｔ２）以上になったときに、圧縮機２５の駆動を停止することを特徴とする。

この発明のヒートポンプ装置は、上記圧縮機２５は、起動直後はオープンループ制御がなされ、その後、圧縮機２５の温度が所定温度に上昇したときにクローズドループ制御が開始されるものであって、上記第２基準温度（Ｔ２）を上記所定温度よりも低く設定していることを特徴とする。

上記ヒートポンプ装置では、圧縮機２５を加熱するのに圧縮機２５を駆動するため、駆動用の電力は、ヒートポンプ機能に寄与することになり、そのためエネルギロスを低減して運転効率を向上することが可能となる。また、欠相通電を行う場合に比較して、短時間で圧縮機２５を加熱することが可能となる。また、その際の運転周波数として下限周波数（Ｆmin）を用いれば、圧縮機２５の加熱に不必要な電力の使用を抑制でき、エネルギ効率を向上することができる。さらに、圧縮機２５の温度を吐出配管温度（Ｔｄ）で代用したり、圧縮機２５の駆動を所定時間で停止するようにしたりする場合には、制御構成を簡素化できる。また、圧縮機２５の温度が第２基準温度（Ｔ２）以上になったときに圧縮機２５の駆動を停止するようにすれば、一段とエネルギ効率を向上できるし、クローズドループ制御を行わないようにした場合には、制御構成を簡素化できることになる。

次に、この発明のヒートポンプ装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は実施形態におけるヒートポンプ装置（ヒートポンプ式給湯機）の簡略回路図を示し、図２は、その制御部の簡略ブロック図を示しているが、これらは、上記従来例に関連して説明したものと同一であるので、その説明は省略する。このヒートポンプ式給湯機における圧縮機２５は、圧縮能力可変なインバータ圧縮機であり、公知の圧縮機２５と同様に、密閉容器内に圧縮要素と、この圧縮要素を駆動する電動要素とを備える（図示せず）。そして、この圧縮機２５は、図３に示すような起動制御が行われる。まず、起動操作がなされると、圧縮機２５の運転周波数は、下限周運転波数（Ｆmin）まで引き上げられる。この下限運転周波数（Ｆmin）は、圧縮機２５の運転を継続する上で、圧縮要素に必要なトルク等を考慮して適宜定められるものであって、例えば、通常は４０Ｈｚ程度に設定されている。そして、この状態で一定時間だけ保持した後で、段階的に引き上げられ、最終的には目標運転周波数（Ｆsr）まで引き上げられる。目標運転周波数（Ｆsr）は、外気温度、入水温度、目標出湯温度等によって、上記制御手段２０によって定められるものである。

また、上記ヒートポンプ装置においては、圧縮機２５の起動時において、圧縮機２５の起動直後から吐出配管温度（Ｔｄ）が所定温度（例えば、６０℃）に達するまでは、オープンループ制御がなされ、その後、圧縮機２５の吐出配管温度（Ｔｄ）が上記所定温度に上昇したときにクローズドループ制御が開始される。

図４には、上記圧縮機２５の停止時における加熱運転制御方法のフローチャートを示している。まず、ステップＳ１において、吐出配管温度（Ｔｄ）が第１基準温度（例えば、１０℃）（Ｔ１）以下になったときに加熱運転を開始する。このとき、圧縮機２５の運転周波数は、上記下限運転周波数（Ｆmin）とする（ステップＳ２）。また、上記給湯機においては、バイパス切換手段１９をバイパス循環状態に切り替えると共に、水循環ポンプ１３を駆動する。すなわち、バイパス切換手段１９の第１開閉弁１７を閉状態とすると共に、第２開閉弁１８を開状態として、水循環用ポンプ１３を駆動すれば、取水口１０から循環路１２に流出した温水は、熱交換路１４を流れ、この熱交換路１４から分岐部１６を介してバイパス流路１５に入って、このバイパス流路１５から貯湯タンク３の下部に流入するので、このようなバイパス循環状態としておくのである。そして、ステップＳ３において、吐出配管温度（Ｔｄ）が第２基準温度（例えば、４０℃）（Ｔ２）以上になったときに圧縮機２５の運転を停止する。この場合、ヒートポンプ装置においては、吐出配管温度（Ｔｄ）が上記クローズドループ制御の開始温度以下に保持されるので、圧縮機２５は、クローズドループ制御されず、電動膨張弁２７の開度は、初期設定開度に維持される。

上記ヒートポンプ装置では、圧縮機２５を加熱するのに圧縮機２５を駆動するため、駆動用の電力は、貯湯タンク３の内部の温水を加熱するのに費やされる。そのためネルギロスを低減して運転効率を向上することが可能となる。また、欠相通電を行う場合に比較して、短時間で圧縮機２５を加熱することが可能となり、立ち上がり性能を向上できる。しかも、上記ヒートポンプ給湯機は、圧縮機２５の運転が使用者の意思に無関係に行われることが多いので、突如として圧縮機２５の運転が行われても使用者に及ぼす不快感は少なく、使用快適性を損なうのが抑制される。また、その際の運転周波数として下限周波数（Ｆmin）を用いているので、圧縮機２５の加熱に不必要な電力の使用を抑制でき、エネルギ効率を向上することができる。さらに、圧縮機２５の温度を吐出配管温度（Ｔｄ）で代用しているので、制御構成を簡素化できる。また、圧縮機２５の温度が第２基準温度（Ｔ２）以上になったときに圧縮機２５の駆動を停止するようにすれば、一段とエネルギ効率を向上できる。また、上記のようにクローズドループ制御を行わないようにした場合には、制御構成を簡素化できることになる。また、上記のように、貯湯タンク３の内部をバイパスしてその上部の湯入口１１と下部の取水口１０を連通するバイパス流路１５を水熱交換器１４と並列に設け、圧縮機２５の上記運転中に、水熱交換器１５で加熱された温湯を、上記バイパス流路１５に流入させるようにした場合には、冬季等の寒冷時に、圧縮機２５の駆動電力を、連結配管２３、２４の凍結防止に寄与させることができ、エネルギ効率を一段と向上することができる。

以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、上記においては、圧縮機２５の温度が第２基準温度（Ｔ２）以上になったときに、圧縮機２５の運転を停止しているが、上記同様に圧縮機２５の駆動を開始した後、所定時間の経過後に、圧縮機２５の温度とは無関係に一義的に運転を停止するようにしてもよい。この場合には、制御構成を簡素化できるとの利点がある。また、ヒートポンプ装置としては、給湯機に限らず、空気調和機等の種々の装置に適用が可能である。なお、このヒートポンプ装置の冷媒としては、炭酸ガスを用いるのが好ましいが、その他、ジクロロジフルオロメタン（Ｒ−１２）やクロロジフルオロメタン（Ｒ−２２）のような冷媒であっても、オゾン層の破壊、環境汚染等の問題から、１，１，１，２−テトラフルオロエタン（Ｒ−１３４ａ）のような代替冷媒であってもよい。

この発明の実施形態としてのヒートポンプ式給湯機の簡略回路図である。 上記ヒートポンプ式給湯機の制御部の簡略ブロック図である。 上記ヒートポンプ式給湯機の起動時の周波数制御を示すタイムチャート図である。 上記ヒートポンプ式給湯機の加熱方法のフローチャート図である。

符号の説明

２５ 圧縮機
Ｔ１ 第１基準温度
Ｔ２ 第２基準温度
Ｔｄ 吐出配管温度

Claims (6)

1. 密閉形圧縮機（２５）を有するヒートポンプ装置において、圧縮機（２５）の温度が第１基準温度（Ｔ１）以下になったときに圧縮機（２５）を駆動することを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 上記圧縮機（２５）の温度は、圧縮機（２５）の吐出配管温度（Ｔｄ）として検出することを特徴とする請求項１のヒートポンプ装置。
3. 上記圧縮機（２５）が圧縮能力可変なものであって、上記駆動時の駆動周波数を下限運転周波数（Ｆmin）としていることを特徴とする請求項１又は請求項２のヒートポンプ装置。
4. 上記圧縮機（２５）の運転を所定時間だけ行った後、圧縮機（２５）の運転を停止することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかのヒートポンプ装置。
5. 上記圧縮機（２５）の温度が、上記第１基準温度（Ｔ１）よりも高い第２基準温度（Ｔ２）以上になったときに、圧縮機（２５）の駆動を停止することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかのヒートポンプ装置。
6. 上記圧縮機（２５）は、起動直後はオープンループ制御がなされ、その後、圧縮機（２５）の温度が所定温度に上昇したときにクローズドループ制御が開始されるものであって、上記第２基準温度（Ｔ２）を上記所定温度よりも低く設定していることを特徴とする請求項５のヒートポンプ装置。