特許 6982272 ヒートポンプ式給湯装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6982272

(24)【登録日】2021年11月24日

(45)【発行日】2021年12月17日

(54)【発明の名称】ヒートポンプ式給湯装置

(51)【国際特許分類】

   F24H 4/02 20060101AFI20211206BHJP

   F25B 1/00 20060101ALI20211206BHJP

   F25B 30/02 20060101ALI20211206BHJP

【ＦＩ】

   F24H4/02 Q

   F25B1/00 361A

   F25B1/00 371J

   F25B30/02 J

【請求項の数】2

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2017-31700(P2017-31700)

(22)【出願日】2017年2月23日

(65)【公開番号】特開2018-136098(P2018-136098A)

(43)【公開日】2018年8月30日

【審査請求日】2020年1月31日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006611

【氏名又は名称】株式会社富士通ゼネラル

(74)【代理人】

【識別番号】100083404

【弁理士】

【氏名又は名称】大原 拓也

(72)【発明者】

【氏名】野口 将典

【審査官】 岩▲崎▼ 則昌

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−０３２０９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３４２９８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１４０９９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１４７５４０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２４Ｈ ４／０２

Ｆ２５Ｂ １／００

Ｆ２５Ｂ ３０／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧縮機、流路切替手段、水と冷媒との熱交換を行う利用側熱交換部および熱源側熱交換器を冷媒配管を介して順次接続してなる冷媒回路と、外気温度を検出する外気温センサと、上記圧縮機の吐出側で冷媒の凝縮圧力を検出する圧力センサと、制御手段とを含み、上記制御手段にて上記外気温センサで検出される外気温度と上記圧力センサで検出される冷媒の凝縮圧力とに基づいて上記圧縮機の最低回転数が決定されるヒートポンプ式給湯装置において、
上記制御手段は、上記外気温度と上記凝縮圧力に応じて上記圧縮機の最低回転数が定められたテーブルを有し、上記テーブルには、上記外気温度が予め定められた少なくとも１つの所定温度Ｔｏより高い第１外気温度Ｔａ時の最低回転数と、上記外気温度が上記所定温度Ｔｏより低い第２外気温度Ｔｂ時の最低回転数とがそれぞれ定められており、同じ値の上記凝縮圧力に対応する上記圧縮機の最低回転数は、上記第１外気温度Ｔａ時の方が上記第２外気温度Ｔｂ時よりも高い回転数が定められていることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。

【請求項2】

上記最低回転数は、上記圧縮機の圧縮比が性能下限値を下回らない回転数であ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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ヒートポンプ式給湯装置に関し、さらに詳しく言えば、沸き上げ運転時における圧縮機の低差圧運転（低圧縮比での運転）を回避する技術に関するものである。

【背景技術】

【0002】

ヒートポンプ式給湯装置は、基本的な構成として、圧縮機、利用側熱交換部、膨張弁および熱源側熱交換器を冷媒配管を介して順次接続してなる冷媒回路と、貯湯タンクとを備え、利用側熱交換部は、例えば貯湯タンクの外周に冷媒配管を巻き付けた構成とし、利用側熱交換器が凝縮器として作用するように冷媒回路を切り換えて、貯湯タンク内の水と冷媒との熱交換により貯湯タンク内の水を加熱するようにしている。

【0003】

このようなヒートポンプ式給湯装置では、貯湯タンク内の水温が最終的に到達させたい温水温度（目標水温）となるような沸き上げ運転が行われる。沸き上げ運転では、圧縮機から吐出された高温高圧の冷媒が利用側熱交換器に流入し貯湯タンク内の水と熱交換して凝縮する。凝縮した冷媒は膨張弁で減圧され熱源側熱交換器で外気との熱交換により蒸発し低圧のガス冷媒となって圧縮機に戻る。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００７−１１３８３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、外気温度が高いとき（例えば、３０℃以上）には、熱源側熱交換器での蒸発能力が高くなり、冷媒回路の低圧側で蒸発圧力が上昇する。これに対して、沸き上げ運転開始時には、貯湯タンク内の水温が低いため、冷媒回路の高圧側での凝縮圧力が低くなる。

【0006】

このような低圧側の圧力が高く、高圧側の圧力が低い場合、圧縮機の圧縮比が低くなって圧縮機の性能下限値を下回るおそれがある。しかしながら、圧縮比を確保するため、圧縮機の回転数をむやみに上げると、沸き上げ運転時の運転効率が悪くなる。

【0007】

特に、沸き上げ運転の開始直後、すなわち、貯湯タンク内の水温が低くて目標水温との温度差が大きいときは、圧縮機の回転数を上げて貯湯タンクの熱交換部の温度を高くしても、貯湯タンク内部の水の熱容量が大きいことに起因して、熱交換部の温度に見合う貯湯タンク内の水の温度上昇が得られず、圧縮比のみが必要以上に大きくなって運転効率が悪化する。

【0008】

そこで、本発明の課題は、ヒートポンプ式給湯装置において、沸き上げ運転時の運転効率を低下させることなく、圧縮機の圧縮比を性能下限以上とすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するため、本発明は、圧縮機、流路切替手段、水と冷媒との熱交換を行う利用側熱交換部および熱源側熱交換器を冷媒配管を介して順次接続してなる冷媒回路と、外気温度を検出する外気温センサと、上記圧縮機の吐出側で冷媒の凝縮圧力を検出する圧力センサと、制御手段とを含み、上記制御手段にて上記外気温センサで検出される外気温度と上記圧力センサで検出される冷媒の凝縮圧力とに基づいて上記圧縮機の最低回転数が決定されるヒートポンプ式給湯装置において、
上記制御手段は、上記外気温度と上記凝縮圧力に応じて上記圧縮機の最低回転数が定められたテーブルを有し、上記テーブルには、上記外気温度が予め定められた少なくとも１つの所定温度Ｔｏより高い第１外気温度Ｔａ時の最低回転数と、上記外気温度が上記所定温度Ｔｏより低い第２外気温度Ｔｂ時の最低回転数とがそれぞれ定められており、同じ値の上記凝縮圧力に対応する上記圧縮機の最低回転数は、上記第１外気温度Ｔａ時の方が上記第２外気温度Ｔｂ時よりも高い回転数が定められていることを特徴としている。

【0010】

本発明において、上記最低回転数は、上記圧縮機の圧縮比が性能下限値を下回らない回転数である。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、所定の外気温度を境にして、外気温度が所定の外気温度より高い場合（第１外気温度Ｔａ時）と低い場合（第２外気温度Ｔｂ時）とで、同じ凝縮圧力でありながら圧縮機の最低回転数が異なる値、具体的には、外気温度が所定の外気温度より高いときの方が外気温度が所定の外気温度より低いときよりも高く設定されている。外気温度が高いときは外気温度が低いときに比べて最低回転数を高くすることにより、圧縮比が性能下限値を下回ることが回避される。また、外気温度が低いときは、圧縮比が性能下限を下回るおそれが少ないことから、外気温度が高いときと比べて最低回転数を低くすることにより、沸き上げ運転時の運転効率を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明によるヒートポンプ式給湯装置の構成を示す模式図。

【図2】制御手段が備えるテーブルを示す模式図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。実施形態としては、給湯端末である貯湯タンクを有し、冷媒との熱交換により貯湯タンク内部に貯留された水を加熱するヒートポンプ式給湯装置を例に挙げて説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されることはなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。

【0014】

図１は、本発明によるヒートポンプ式給湯装置の構成を示している。このヒートポンプ式給湯装置１００は、能力可変型の圧縮機１、流路切替手段である四方弁２、貯湯タンク７０の外周に後述する冷媒配管１１の一部を巻き付けて構成される利用側の熱交換部３、膨張弁４、熱源側熱交換器５，アキュムレータ６を順に冷媒配管１１で接続した冷媒回路１０を有しており、四方弁２を切り換えることによって冷媒の循環方向を切り換えることができるようになっている。

【0015】

この冷媒回路１０において、圧縮機１の冷媒吐出口付近の冷媒配管１１には、圧縮機１から吐出された冷媒の温度を検出するための吐出温度センサ５１が備えられている。また、熱交換部３と膨張弁４との間の冷媒配管１１には、熱交換部３が凝縮器として機能しているときに熱交換部３から流出する冷媒の温度を、あるいは、熱交換部３が蒸発器として機能しているときに熱交換部３に流入する冷媒の温度を、各々検出する冷媒温度センサ５３が備えられている。

【0016】

また、膨張弁４と熱源側熱交換器５との間の冷媒配管１１には、熱源側熱交換器５が蒸発器として機能しているときに熱源側熱交換器５に流入する冷媒の温度を、あるいは、熱源側熱交換器５が凝縮器として機能しているときに熱源側熱交換器５から流出する冷媒の温度を、各々検出する熱交温度検出手段である熱交温度センサ５４が備えられている。

【0017】

さらには、圧縮機１の吐出側（四方弁２と熱交換部３との間）の冷媒配管１１には、沸き上げ運転時、つまり、熱交換部３が凝縮器として機能するときの熱交換部３における冷媒の凝縮圧力を検出する圧力センサ５０が備えられている。また、熱源側熱交換器５の近傍には、外気温度検出手段である外気温度センサ５２が設けられている。

【0018】

熱源側熱交換器５の近傍には、ヒートポンプ式給湯装置１００の図示しない筐体内部に外気を取り込んで熱源側熱交換器５に外気を流通させるファン７が配置されている。ファン７は、回転数を可変できる図示しないモータの出力軸（回転軸）に取り付けられている。また、膨張弁４は、ステッピングモータを用いて弁の開度をパルス制御可能としたものである。

【0019】

熱交換部３は、冷媒配管１１の一部に含まれている。本実施形態において、熱交換部３は貯湯タンク７０の外周面の下部側に螺旋状に冷媒配管１１の一部を巻き付けて構成され、貯湯タンク７０内の水との間で熱交換を行う。なお、熱交換部３は、貯湯タンク７０内に配置されてもよい。また、図示しないが、熱交換部３は、冷媒側流路と水側流路を有する二重管熱交換器のように、貯湯タンク７０内の水を熱交換部３に流入させて冷媒と熱交換させるものであってもよい。

【0020】

貯湯タンク７０の上部には、貯湯タンク７０の内部に貯留されている温水を浴槽や洗面台蛇口等に供給するための給湯口７３が備えられている。また、貯湯タンク７０の下部には、貯湯タンク７０の内部に水を供給するための入水口７２が備えられており、入水口７２には図示しない水道管が接続されている。

【0021】

また、貯湯タンク７０の内部の上下方向のほぼ中央部には、貯湯タンク７０内に滞留する温水の温度を検出する水温センサ５８が備えられている。

【0022】

以上説明した構成のほかに、ヒートポンプ式給湯装置１００は、制御手段６０を有している。制御手段６０は、各温度センサ５１，５２，５３，５４，５８で検出した温度や圧力センサ５０で検出した沸き上げ運転時の冷媒の凝縮圧力を取り込み、あるいは、図示しないリモコン等による使用者からの運転要求を取り込み、これらに応じて圧縮機１やファン７の駆動制御、四方弁２の切り換え制御、膨張弁４の開度制御等といった、ヒートポンプ式給湯装置１００の運転に関わる様々な制御を行う。

【0023】

なお、図示は省略するが、制御手段６０は、時間を計測するタイマー部や、各種センサで検出した値やヒートポンプ式給湯装置１００の制御プログラム等を記憶する記憶部を有している。

【0024】

次に、本実施形態のヒートポンプ式給湯装置１００が備える冷媒回路１０における冷媒の流れや各部の動作について説明する。

【0025】

本実施形態のヒートポンプ式給湯装置１００は、冷媒回路１０を暖房サイクルとして貯湯タンク７０に貯留されている水を沸き上げる沸き上げ運転と、沸き上げ運転を行っているときに冷媒回路１０を冷房サイクルとして熱源側熱交換器５の除霜を行う逆サイクル除霜運転を行うことができる。

【0026】

沸き上げ運転時には、冷媒が図１の実線矢印８０方向に流れるのに対し、逆サイクル除霜運転には、四方弁２が切り換えられて冷媒が図１の破線矢印８１方向に流れるが、本発明において、逆サイクル除霜運転には特に特徴を有していないため、その詳細な説明は省略し、以下に沸き上げ運転時のヒートポンプ式給湯装置１００の動作について説明する。

【0027】

〈沸き上げ運転〉
使用者が図示しないリモコン等を操作して沸き上げ運転の開始を指示すると、制御手段６０は、冷媒回路１０が暖房サイクルとなるように四方弁２を切り換える。具体的には、制御手段６０は、圧縮機１の吐出側と熱交換部３とが接続されるよう、また、圧縮機１の吸入側と熱源側熱交換器５とが接続されるよう、四方弁２を切り換える。これにより、熱交換部３が凝縮器として機能し、また、熱源側熱交換器５が蒸発器として機能する。

【0028】

次に、制御手段６０は、圧縮機１およびファン７を起動してヒートポンプ式給湯装置１００の沸き上げ運転を開始する。制御手段６０は、水温センサ５８で検出される貯湯タンク７０内の現在の水温と沸き上げ目標温度の温度差に応じて、記憶部に記憶されている温度差と圧縮機１の回転数とを関係付けた図示しないテーブルを参照して圧縮機１の回転数を決定し、この回転数で圧縮機１を駆動する。

【0029】

圧縮機１が駆動すると、図１の実線矢印８０に示すように、圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒は四方弁２を通過し、熱交換部３で水と熱交換して凝縮し、さらに膨張弁４で減圧されて熱源側熱交換器５で外気と熱交換して蒸発し、アキュムレータ６で気液分離された後、圧縮機１に吸入されて再び圧縮機１で圧縮される過程を繰り返す。

【0030】

このようにして、貯湯タンク７０内の水が熱交換部３を流れる高温高圧の冷媒により加熱され、貯湯タンク７０内の水温が沸き上げ目標温度に到達すると、制御手段６０は圧縮機１およびファン７の運転を停止する。

【0031】

なお、制御手段６０は、水温センサ５８で検出した貯湯タンク７０内の水温を常時監視しており、その水温が沸き上げ目標温度から予め設定された所定温度（例えば、５℃）低下すると、沸き上げ運転を再開する。

【0032】

ところで、先にも説明したように、外気温度が高いときには、熱源側熱交換器５での蒸発能力が高くなり、冷媒回路１０の低圧側で蒸発圧力が上昇する。これに対して、沸き上げ運転開始時には、貯湯タンク７０内の水温が低いため、冷媒回路１０の凝縮圧力が低くなる。

【0033】

このような低圧側の圧力が高く、高圧側の圧力が低い場合、圧縮機１の圧縮比が低くなって圧縮機１の性能下限値を下回るおそれがある。なお、圧縮比の性能下限値は例えば１．２である。しかしながら、圧縮比を確保するため、圧縮機１の回転数をむやみに上げると、沸き上げ運転時の運転効率が悪くなる。

【0034】

特に、沸き上げ運転の開始直後、すなわち、貯湯タンク内の水温が低くて目標水温との温度差が大きいときは、圧縮機１の回転数を上げて貯湯タンクの熱交換部３の温度を高くしても、貯湯タンク内部の水の熱容量が大きいことに起因して、熱交換部の温度に見合う貯湯タンク内の水の温度上昇が得られず、圧縮比のみが必要以上に大きくなって運転効率が悪化する。

【0035】

そこで、このヒートポンプ式給湯装置１００において、制御手段６０は、外気温度センサ５２で検出される外気温度と、圧力センサ５０で検出される冷媒の凝縮圧力とに基づいて圧縮機１の最低回転数を求めるテーブル（以下、テーブルＴと記載する）を備えている。図２に、テーブルＴの一例を模式的に示す。

【0036】

この例において、テーブルＴには、所定の外気温度Ｔｏ（３０℃）を境にして、外気温度３０℃以上の高い温度側の第１外気温度Ｔａ時と、外気温度３０℃未満の低い温度側の第２外気温度Ｔｂ時とが設定されている。

【0037】

この高い温度側の第１外気温度Ｔａ時と低い温度側の第２外気温度Ｔｂ時の各々に、凝縮圧力に応じて選択される圧縮機１の最低回転数が設定されている。ここで、各外気温度Ｔａ時，Ｔｂ時ともに、圧力上昇時の閾値を２．５、３．２としているのに対して、圧力下降時の閾値を２．３、３．０としているのは、圧縮機１の回転数制御のチャタリングを防止するためである。

【0038】

圧力センサ５０で検出される凝縮圧力をＣｐとして、制御手段６０は、外気温度センサ５２で検出される外気温度が３０℃以上である場合には、テーブルＴにおける第１外気温度Ｔａ時を参照し、圧力上昇時で、圧力センサ５０で検出される凝縮圧力Ｃｐが２．５ＭＰａ未満（Ｃｐ＜２．５）であれば最低回転数３５ｒｐｓを選択、凝縮圧力Ｃｐが２．５ＭＰａ以上３．２ＭＰａ未満（２．５≦Ｃｐ＜３．２）であれば最低回転数３０ｒｐｓを選択、凝縮圧力Ｃｐが３．２ＭＰａ以上（３．２≦Ｃｐ）であれば最低回転数２５ｒｐｓを選択し、これら最低回転数以上の回転数で圧縮機１を駆動する。

【0039】

制御手段６０は、外気温度センサ５２で検出される外気温度が３０℃以上である場合には、テーブルＴにおける第１外気温度Ｔａ時を参照し、圧力下降時で、圧力センサ５０で検出される凝縮圧力Ｃｐが２．３ＭＰａ未満（Ｃｐ＜２．３）であれば最低回転数３５ｒｐｓを選択、凝縮圧力Ｃｐが２．３ＭＰａ以上３．０ＭＰａ未満（２．３≦Ｃｐ＜３．０）であれば最低回転数３０ｒｐｓを選択、凝縮圧力Ｃｐが３．０ＭＰａ以上（３．０≦Ｃｐ）であれば最低回転数２５ｒｐｓを選択し、これら最低回転数以上の回転数で圧縮機１を駆動する。

【0040】

制御手段６０は、外気温度センサ５２で検出される外気温度が３０℃未満である場合には、テーブルＴにおける第２外気温度Ｔｂ時を参照し、圧力上昇時で、圧力センサ５０で検出される凝縮圧力Ｃｐが２．５ＭＰａ未満（Ｃｐ＜２．５）であれば最低回転数３０ｒｐｓを選択、凝縮圧力Ｃｐが２．５ＭＰａ以上３．２ＭＰａ未満（２．５≦Ｃｐ＜３．２）であれば最低回転数２５ｒｐｓを選択、凝縮圧力Ｃｐが３．２ＭＰａ以上（３．２≦Ｃｐ）であれば最低回転数２０ｒｐｓを選択し、これら最低回転数以上の回転数で圧縮機１を駆動する。

【0041】

また、制御手段６０は、外気温度センサ５２で検出される外気温度が３０℃未満である場合には、テーブルＴにおける第２外気温度Ｔｂ時を参照し、圧力下降時で、圧力センサ５０で検出される凝縮圧力Ｃｐが２．３ＭＰａ未満（Ｃｐ＜２．３）であれば最低回転数３０ｒｐｓを選択、凝縮圧力Ｃｐが２．３ＭＰａ以上３．０ＭＰａ未満（２．３≦Ｃｐ＜３．０）であれば最低回転数２５ｒｐｓを選択、凝縮圧力Ｃｐが３．０ＭＰａ以上（３．０≦Ｃｐ）であれば最低回転数２０ｒｐｓを選択し、これら最低回転数以上の回転数で圧縮機１を駆動する。

【0042】

このように、圧力上昇時と圧力下降時のいずれの場合においても、同じ値の凝縮圧力に対する圧縮機の最低回転数は、高い温度側の第１外気温度時Ｔａの方が低い温度側の第２外気温度時Ｔｂよりも本実施形態では５ｒｐｓだけ高く設定されている。

【0043】

上記のように、図２のテーブルＴを参照して圧縮機１の最低回転数を決定する、すなわち、外気温度が高い（３０℃以上）ときは、外気温度が低い（３０℃未満）ときと比べて最低回転数を高くすることで、外気温度が高くて圧縮比の性能下限を下回る可能性が高いときに、圧縮比が性能下限を下回ることを回避できる。

【0044】

一方、外気温度が低い（３０℃未満）のときは、圧縮比が性能下限を下回るおそれが少ないことから、外気温度が高い（３０℃以上）ときと比べて最低回転数を低くすることで、沸き上げ運転時の運転効率を改善することができる。

【0045】

上記実施形態では、テーブルＴに２つの外気温度時Ｔａ，Ｔｂを含ませているが、外気温を例えば２つの外気温３０℃，２５℃を境として３つの外気温度時（３０℃以上の場合、２５℃以上３０℃未満の場合、２５℃未満の場合）に分けることもできる。

【0046】

その場合、同じ値の凝縮圧力に対する圧縮機の最低回転数は、高い温度側の外気温度時の方が低い温度側の外気温度時よりも高いという条件のもとで、回転数差をどのような値にするかは任意に決められてよい。

【符号の説明】

【0047】

１００ ヒートポンプ式給湯装置
１ 圧縮機
２ 四方弁
３ 熱交換部（利用側熱交換器）
４ 膨張弁
５ 熱源側熱交換器
６ キュムレータ
７ ファン
１０ 冷媒回路
１１ 冷媒配管
５１ 吐出温度センサ
５２ 外気温度センサ
５３ 冷媒温度センサ
５８ 水温センサ
６０ 制御手段
７０ 貯湯タンク

【図1】

【図2】