JP5115283B2 - 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冷媒を循環して給湯用水を加熱し、湯を生成するヒートポンプ式給湯装置に関する。

従来、この種のヒートポンプ式給湯装置として、例えば、特許文献１に示すものが知られている。すなわち、このヒートポンプ式給湯装置は、圧縮機、給湯用熱交換器（凝縮器）、減圧装置及び熱源用熱交換器（蒸発器）を順次冷媒配管で接続した冷媒回路と、貯湯タンク、循環ポンプ及び上記の給湯用熱交換器を順次温水配管で接続した循環回路とを備え、給湯用熱交換器において高温の冷媒によって、給湯用水を湯にするものである。

貯湯タンク内の給湯用水（水）を加熱する沸き上げ運転のときには、圧縮機の高圧圧力または高圧側温度が予め定めた目標温度もしくは目標高圧圧力になるように減圧装置の弁開度あるいは圧縮機の冷媒吐出能力を制御している。そして、高圧側温度が所定の温度範囲の上限側を超える場合には、圧縮機の冷媒吐出能力を低減方向に制御している。

更に、この沸き上げ運転のときにおいて、給湯用熱交換器の流入側の水温が所定温度より高い場合は、自働的にヒートポンプサイクルを保護停止させるようにしている。これにより、流入側の水温が所定温度より高い場合に、圧縮機の高圧側圧力上昇及び吐出温度上昇を抑制して、圧縮機を含む種々の冷凍サイクル機器を保護することができる。
特開２００４−３６１０４６号公報

しかしながら、上記特許文献１のヒートポンプ式給湯装置では、通常の動作の範囲内において、何らかの理由により給湯用熱交換器の流入側の水温が上昇して保護停止した場合、一定時間経過後に、給湯用熱交換器の流入側の水温が低下して保護停止が復帰されることがある。

このような場合には、ヒートポンプサイクルの作動を開始させても、貯湯タンク内の湯が高温状態であるため、再度保護停止される。つまり、ヒートポンプサイクルの再起動と保護停止とを繰り返す動作が行なわれてしまう。これにより、種々の冷凍サイクル機器の故障及び耐久性劣化の懸念があるいう問題がある。

そこで、本発明の目的は、ヒートポンプサイクルの起動と保護停止との繰り返し動作を回避することができるヒートポンプ式給湯装置を提供することにある。

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。すなわち、請求項１に記載の発明では、給水源からの水が下方から供給され、内部に給湯用の湯を貯える貯湯タンク（１）と、この貯湯タンク（１）内の下部の水を、貯湯タンク（１）の内の上部に送る循環ポンプ（５０）が設けられた循環回路（２０）と、圧縮機（２１）から供給される冷媒と循環回路（２０）を流れる水とを熱交換させて湯にする給湯用熱交換器（２２）を有するヒートポンプユニット（２）と、このヒートポンプユニット（２）を作動させて貯湯タンク（１）の内の水を沸き上げ運転する際において、循環回路（２０）の給湯用熱交換器（２２）より上流側には、給水温度（ＴＷ１）を検出する給水温度センサ（５２）が配設されており、給湯用熱交換器（２２）に流入する給水温度（ＴＷ１）が第１の所定温度（ＴＷ０）を超えたときに、ヒートポンプユニット（２）を保護停止させる制御手段（１００）とを備えるヒートポンプ式給湯装置において、制御手段（１００）は、ヒートポンプユニット（２）の保護停止中において、所定時間、循環ポンプ（５０）を最小値の回転数で作動させて、所定時間を経過したときに、作動させて、給湯用熱交換器（２２）に流入する給水温度（ＴＷ１）が第１の所定温度（ＴＷ０）よりも低い第２の所定温度（ＴＷ３）を下回ったか否かを判定し、給水温度（ＴＷ１）が第２の所定温度（ＴＷ３）を下回っていれば、ヒートポンプユニット（２）の保護停止を復帰させ、給水温度（ＴＷ１）が第２の所定温度（ＴＷ３）以上であれば保護停止を継続させることを特徴としている。

この発明によれば、沸き上げ運転終了後に、貯えた湯を出湯していないときには、保護停止が継続され、貯えた湯を出湯したときには、保護停止が復帰される。これにより、ヒートポンプユニット（２）の起動と保護停止との繰り返し動作を回避することができる。また、循環ポンプ（５０）を所定時間作動させることにより、貯湯タンク（１）の上部に戻る流量を制限することができるため、貯湯効率の低下を最低限に抑えることができる。

請求項２に記載の発明では、循環回路（２０）には、給湯用熱交換器（２２）を通過した水を貯湯タンク（１）の下部または貯湯タンク（１）の上部のいずれか一方の流通方向に切り替える切替弁（５５）が設けられ、制御手段（１００）は、ヒートポンプユニット（２）の保護停止中のときに、循環ポンプ（５０）の作動によって、給湯用熱交換器（２２）に流入した水を貯湯タンク（１）の下方部に戻すように切替弁（５５）を制御することを特徴としている。

この発明によれば、保護停止中のときに、貯湯タンク（１）の下部の水が貯湯タンク（１）の上部に流通することがないため、貯湯タンク（１）内の上部に貯えられた湯の温度を降下させることがない。これにより、貯湯効率の低下を抑制できる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態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、第１実施形態におけるヒートポンプ式給湯装置を、図１及び図２に基づいて説明する。図１は、本実施形態の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。図２は、制御装置１００の保護停止の復帰運転の制御動作を示すフローチャートである。

図１に示すように、符号１は、耐食性に優れた金属製（例えば、ステンレス製）の貯湯タンクであり、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の最下部には、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（給湯用水）を導入する給水経路である導入管１２が接続されている。一方、貯湯タンク１の最上部には、導出口１３が設けられ、この導出口１３には、貯湯タンク１内の高温の湯を導出するための給湯経路である導出管１４が接続されている。

導出管１４には、図示しない水道水の給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水配管に連通する水側の開度の比率）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内の水を吸入するための吸入口１８が設けられ、貯湯タンク１の上部には、貯湯タンク１内に湯を吐出する吐出口１９が設けられている。吸入口１８と吐出口１９とは循環回路２０で接続されており、循環回路２０の一部は、後述するヒートポンプ装置（ヒートポンプユニット）２の給湯用熱交換器２２内に配設されている。

循環回路２０の給湯用熱交換器２２より上流側には、循環回路２０に貯湯タンク１内の下部の水を上部に向かって流通する（循環する）ための循環ポンプ５０が配設されている。この循環ポンプ５０は、図示しないポンプモータの回転数を可変することにより、循環回路２０内を流通する流量が可変される。

なお、循環ポンプ５０の配設位置は、循環回路２０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。更に、給湯用熱交換器２２より上流側には、給湯用熱交換器２２の流入側に流れる水の温度（以下、給水温度と呼ぶ）ＴＷ１を検出する給水温度センサ５２が配設されている。

この給水温度センサ５２は、給湯用熱交換器２２に流入する水の温度情報を後述する制御装置１００に出力するようになっている。一方、循環回路２０の給湯用熱交換器２２より下流側には、循環回路２０を流れる湯（給湯用熱交換器２２により加熱された湯）の温度ＴＷ２を検出する熱交換後温度センサ５１が配設されている。熱交換後温度センサ５１は、貯湯タンク１内へ戻る湯の温度情報を後述する制御装置１００に出力するようになっている。

符号２は、ヒートポンプサイクルからなるヒートポンプ装置である。ヒートポンプ装置２は、圧縮機２１、給湯用熱交換器２２、減圧装置である膨張弁２３、熱源用熱交換器である室外熱交換器２４、アキュムレータ２５を順次配管接続して構成され、内部を流れる冷媒として二酸化炭素（ＣＯ２）を使用している。

圧縮機２１は、内蔵する電動モータ（図示しない）によって駆動され、アキュムレータ２５より吸引した気相冷媒を臨界圧力以上まで圧縮して吐出する。なお、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）と循環ポンプ５０により貯湯タンク１内から供給された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、水が流れる水通路（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水通路を流れる水の流れ方向とが対向するように構成されている。なお、給湯用熱交換器２２を流れる冷媒（ＣＯ２）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を流通する水に放熱して温度低下しても凝縮することはない。

膨張弁２３は、給湯用熱交換器２２から流出する冷媒を弁開度Ｋに応じて減圧する減圧装置で、後述する制御装置１００によって弁開度Ｋが電気的に制御される。室外熱交換器２４は、膨張弁２３で減圧された冷媒を送風機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。アキュムレータ２５は、室外熱交換器２４より流出する冷媒を気液分離して、気相冷媒のみを圧縮機２１に吸引させるとともに、サイクル中の余剰冷媒を蓄えている。

そして、圧縮機２１と給湯用熱交換器２２との間には、圧力検出手段としての図示しない圧力センサが設けられている。この圧力センサは、ヒートポンプ装置２内の冷媒の高圧圧力を検出する。また、圧縮機２１と給湯用熱交換器２２との間には、温度検出手段としての吐出温度センサ２６を設けており、ヒートポンプ装置２内の冷媒の高圧側温度（以下、吐出温度と呼ぶ）Ｔを検出するようにしている。この吐出温度センサ２６によって検出される温度信号及び圧力センサによって検出される圧力情報は、後述する制御装置１００に出力するようになっている。

制御手段である制御装置１００は、圧縮機２１（実質的には駆動源である電動モータ）、膨張弁２３、送風機２４ａ及び循環ポンプ５０を通電制御するとともに、圧縮機２１の作動状態や膨張弁２３の開度等を監視している。制御装置１００は、圧縮機２１等を制御し、室外熱交換器２４で外気から吸熱し、給湯用熱交換器２２で循環回路２０を流通する水を加熱するようになっている。

また、制御装置１００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ＴＷ２が貯湯目標温度となるように、熱交換後温度センサ５１からの温度情報に基づいて制御信号を出力し、循環ポンプ５０を作動制御するようになっている。

次に、上記構成に基づき、本実施形態のヒートポンプ式給湯装置が貯湯タンク１内の湯を沸き上げる作動について説明する。制御装置１００は、ヒートポンプ式給湯装置に電力供給されているときには、図示しない操作盤のスイッチ等からの信号や設定条件（例えば時刻条件）等に基づいて、沸き上げ運転制御を実行する。

この沸き上げ運転制御は、循環ポンプ５０を作動して循環回路２０内に水を流通させるとともに、ヒートポンプ装置２も作動させて、給湯用熱交換器２２において循環回路２０内を流通する水を加熱する。

このとき、熱交換後温度センサ５１が検出した温度と貯湯目標温度とを比較し、これらが一致するように循環ポンプ５０に作動指示を行う。つまり、給湯用熱交換器２２により加熱された湯の温度が、貯湯目標温度と一致するように循環ポンプ５０の回転数を作動制御する。

また、制御装置１００は、圧縮機２１の高圧圧力または吐出温度が予め定めた目標温度もしくは目標高圧圧力になるように膨張弁２３の弁開度Ｋあるいは圧縮機２１の冷媒吐出能力を制御している。そして、吐出温度が所定の温度範囲の上限側を超える場合には、圧縮機２１の冷媒吐出能力を低減方向に制御している。

ところで、このような沸き上げ運転を実行するヒートポンプ式給湯装置では、ヒートポンプサイクル内の冷凍サイクル機器を保護するために、給湯用熱交換器２２に流入する給水温度ＴＷ１を監視して、この給水温度ＴＷ１が保護停止判定水温を超えたときに、保護停止するようになっている。

この保護停止は、ヒートポンプ装置２及び循環ポンプ５０を停止させることで、流入側の給水温度ＴＷ１が保護停止判定水温より高い場合に、圧縮機２１を含む種々の冷凍サイクル機器を保護するものです。そして、従来の方式では、保護停止中において、給水温度ＴＷ１が保護停止判定水温よりも低下したときに、自動的に保護停止が復帰できるように構成されている。つまり、給水温度ＴＷ１を監視して沸き上げ運転を復帰できるように構成されている。

ところが、給水温度ＴＷ１が保護停止判定水温よりも低下した場合であっても、貯湯タンク１内に貯えられた給湯用の湯の外部への出湯がなければ、貯湯タンク１内の湯が高温であるため、ヒートポンプ装置２を運転させても、再度保護停止が作動することがある。

従って、ヒートポンプサイクルの再起動と保護停止とを繰り返す動作が行なわれてしまうという問題がある。そこで、本実施形態では、再起動と保護停止とを繰り返す動作を少なくするために、図２に示すような保護停止を復帰する制御方法としたものである。

以下、図２のフローチャートについて説明する。図２に示すように、ステップＳ３００において保護停止中か否かを判断する。ここで、ヒートポンプ装置２及び循環ポンプ５０が停止中であれば、保護停止中と判断して保護停止の復帰制御が開始される。そして、ステップＳ３１０において給水温度ＴＷ１を監視している。つまり、給水温度ＴＷ１が第１の所定温度（保護停止判定水温）ＴＷ０以下か否かを判断している。

給水温度ＴＷ１が第１の所定温度（保護停止判定水温）ＴＷ０を下回ったならば、ステップＳ３２０において循環ポンプ５０を作動させる。なお、このときの循環ポンプ５０の回転数は、最小値の回転数に制御される。これにより、循環回路２０を流通する流量は少量となる。そして、ステップＳ３３０においてタイマのカウントを開始する。次に、ステップＳ３４０においてタイマが所定時間（例えば、３分程度）ｔ１、経過したか否かを判断する。

ここで、所定時間ｔ１を経過したときに、ステップＳ３５０において給水温度ＴＷ１が第２の所定温度ＴＷ３を下回ったか否かを判断する。なお、第２の所定温度は、上記第１の所定温度ＴＷ０よりも低い温度で判定する。より具体的には、保護停止判定水温よりも１０℃低下した温度を第２の所定温度ＴＷ３としている。

ここで、給水温度ＴＷ１が第２の所定温度（保護停止判定水温ＴＷ０−１０℃）ＴＷ３を下回っていれば、ステップＳ３６０において保護停止の復帰を実行する。具体的には、前述した沸き上げ運転を再起動させる。ここで、給水温度ＴＷ１が第２の所定温度（保護停止判定水温ＴＷ０−１０℃）ＴＷ３以上であれば、ステップＳ３７０において循環ポンプ５０を停止させるとともにタイマをリセットする。そして、ステップＳ３８０において保護停止を継続させている。

このような制御方式によれば、ヒートポンプ装置２の再起動と保護停止とを繰り返す動作を回避することができる。これにより、圧縮機２１を含む冷凍サイクル装置の故障の回避及び劣化の防止が図れる。

また、保護停止の復帰の際には、ステップＳ３５０に示すように、保護停止判定水温より１０℃低下させた第２の所定温度ＴＷ３と給水温度ＴＷ１とで判定することにより、より確実にヒートポンプ装置２の再起動と保護停止とを繰り返す動作を回避することができる。

また、ステップＳ３２０において循環ポンプ５０を最小値の回転数で制御されることにより、貯湯タンク１内の給湯用の湯の攪拌を抑制することができる。これにより、貯湯効率の低下を最小限に抑えることができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、保護停止したときに、貯湯タンク１から吸入した水を、給湯用熱交換器２２に流通させて、貯湯タンク１の下部に戻すように構成している。図３は、本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。循環回路２０には、貯湯タンク１の上部を迂回するバイパス回路５３が設けられている。このバイパス回路５３は、一方が貯湯タンク１の下方部の第２吐出口５４に接続され、他方が給湯用熱交換器２２の下流側に接続されている。

そして、バイパス回路５３の他方と給湯用熱交換器２２の下流側との合流点には、三方弁５５が設けられている。この三方弁５５は、給湯用熱交換器２２に流入した水を貯湯タンク１の上部か、または貯湯タンク１の下部かのいずれか一方の流通方向に切り替えるための切替弁である。この三方弁５５は、制御装置１００により流通方向が制御される。

沸き上げ運転のときには、三方弁５５は、給湯用熱交換器２２を流入した水を、貯湯タンク１の上部に向かう流通方向に切り替えられる。また、ヒートポンプ装置２が保護停止中において、循環ポンプ５０が作動したときには、三方弁５５は、給湯用熱交換器２２を流入した水を、貯湯タンク１の下部に向かう流通方向に切り替えられる。

これにより、沸き上げ運転において、循環ポンプ５０が作動したときは、吸入口１８から吸入した水を給湯用熱交換器に流入させて、この給湯用熱交換器２２で熱交換された給湯用の湯を貯湯タンク１の上部に送ることができる。一方、保護停止中に循環ポンプ５０が作動したときには、貯湯タンク１の吸入口１８から吸入した水を、貯湯タンク１の下部に送ることができる。

従って、保護停止中においては、貯湯タンク１の吸入口１８から吸入した水を、貯湯タンク１の上部に送ることを防止できるため、貯湯タンク１内の貯湯効率の低下を防止することができる。

（他の実施形態）
以上の実施形態では、ヒートポンプ装置２は、圧縮機２１で冷媒を臨界圧力以上に加圧する所謂超臨界ヒートポンプサイクルを構成したが、超臨界ヒートポンプサイクルに限定されるものではない。また、冷媒は二酸化炭素であったが、これに限定されるものではない。所謂フロン等の他の冷媒であっても良い。

また、圧縮機２１は、回転数Ｎによって吐出量、吐出圧（吐出温度Ｔ）が可変されるものに限らず、圧縮機部に吐出容量可変機構を有する、所謂可変容量型圧縮機としても良い。

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の保護停止の復帰運転の制御動作を示すフローチャートである。 第２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。

符号の説明

１…貯湯タンク
２…ヒートポンプ装置（ヒートポンプユニット）
２０…循環回路
２１…圧縮機
２２…給湯用熱交換器
５０…循環ポンプ
５５…三方弁（切替弁）
１００…制御装置（制御手段）
ＴＷ０…第１の所定温度
ＴＷ１…給水温度
ＴＷ３…第２の所定温度

Claims (2)

1. 給水源からの水が下方から供給され、内部に給湯用の湯を貯える貯湯タンク（１）と、
   前記貯湯タンク（１）内の下部の水を、前記貯湯タンク（１）内の上部に送る循環ポンプ（５０）が設けられた循環回路（２０）と、
   圧縮機（２１）から供給される冷媒と前記循環回路（２０）を流れる水とを熱交換させて湯にする給湯用熱交換器（２２）を有するヒートポンプユニット（２）と、
   前記ヒートポンプユニット（２）を作動させて前記貯湯タンク（１）内の水を沸き上げ運転する際において、前記給湯用熱交換器（２２）に流入する給水温度（ＴＷ１）が第１の所定温度（ＴＷ０）を超えたときに、前記ヒートポンプユニット（２）を保護停止させる制御手段（１００）とを備えるヒートポンプ式給湯装置において、
   前記循環回路（２０）の前記給湯用熱交換器（２２）より上流側には、前記給水温度（ＴＷ１）を検出する給水温度センサ（５２）が配設されており、
   前記制御手段（１００）は、
   前記ヒートポンプユニット（２）の保護停止中において、所定時間、前記循環ポンプ（５０）を最小値の回転数で作動させて、
   前記所定時間を経過したときに、前記給湯用熱交換器（２２）に流入する前記給水温度（ＴＷ１）が前記第１の所定温度（ＴＷ０）よりも低い第２の所定温度（ＴＷ３）を下回ったか否かを判定し、
   前記給水温度（ＴＷ１）が前記第２の所定温度（ＴＷ３）を下回っていれば、前記ヒートポンプユニット（２）の保護停止を復帰させ、
   前記給水温度（ＴＷ１）が前記第２の所定温度（ＴＷ３）以上であれば保護停止を継続させることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
2. 前記循環回路（２０）には、前記給湯用熱交換器（２２）を通過した水を前記貯湯タンク（１）の下部または前記貯湯タンク（１）の上部のいずれか一方の流通方向に切り替える切替弁（５５）が設けられ、
   前記制御手段（１００）は、前記ヒートポンプユニット（２）の保護停止中のときに、前記循環ポンプ（５０）の作動によって、前記給湯用熱交換器（２２）に流入した水を前記貯湯タンク（１）の下部に戻すように前記切替弁（５５）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式給湯装置。

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