JP5367607B2

JP5367607B2 - ヒートポンプ給湯機

Info

Publication number: JP5367607B2
Application number: JP2010025428A
Authority: JP
Inventors: 晃寛大平; 照之山田
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2010-02-08
Filing date: 2010-02-08
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2030-02-08
Also published as: JP2011163618A

Description

この発明は、冷媒回路を備えたヒートポンプ給湯機について、特に湯水の沸き上げと空気熱交換器の除霜を効果的に行うものである。

従来のヒートポンプ給湯機として図７に示すようなものがあった。
湯水を貯湯する貯湯タンク５０と配管で接続された加熱手段としての第１ヒートポンプ冷媒回路５１ａと第２ヒートポンプ冷媒回路５１ｂとを備え、第１ヒートポンプ冷媒回路５１ａは、圧縮機５２ａ、冷媒水熱交換器５３を構成する冷媒側伝熱管５３ａ、第１膨張弁５４ａ、第１空気熱交換器５５ａ、第２膨張弁５６ａ、第２空気熱交換器５７ａを順次配管で接続されている。同様に、第２ヒートポンプ冷媒回路５１ｂでは、圧縮機５２ｂ、冷媒水熱交換器５３を構成する冷媒側伝熱管５３ｂ、第１膨張弁５４ｂ、第１空気熱交換器５５ｂ、第２膨張弁５６ｂ、第２空気熱交換器５７ｂを順次配管で接続されている。また、冷媒側伝熱管５３ａ、５３ｂの熱が給水側伝熱管５８ａ、５８ｂに伝わることで貯湯タンク５０内の湯水を加熱し沸き上げるものである。

上記のようなヒートポンプ冷媒回路を２回路備えた構成で、沸き上げ運転時は第１膨張弁５４ａと第１膨張弁５４ｂを所定の開口まで絞り第２膨張弁を全開にして２つの空気熱交換器で冷媒を加熱し、第１空気熱交換器５５ａ及び５５ｂの除霜運転時は第１膨張弁５４ａ、５４ｂを全開にして第２膨張弁５６ａ、５６ｂを所定の開口まで絞ることで、第１空気熱交換器５５ａ、５５ｂの除霜を行うと同時に第２空気熱交換器５７ａ、５７ｂによって湯水の沸き上げ運転を可能としたものがあった。

特開２００７−３２２０８４号公報

しかし、この従来のものでは、第２空気熱交換器に着霜が発生し除霜を行う場合、第１膨張弁及び第２膨張弁を全開にして冷媒を流通させる必要があるため、空気熱交換器を蒸発器として使用できず、沸き上げ運転を停止させなければならなかった。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１では湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の湯水を加熱する加熱手段としてのヒートポンプ冷媒回路とを備え、前記ヒートポンプ冷媒回路は、圧縮機、冷媒水熱交換器、膨張弁、空気熱交換器を順次配管で環状に接続されたヒートポンプ給湯機に於いて、前記ヒートポンプ冷媒回路を圧縮機、冷媒水熱交換器、第１切替弁、第１膨張弁、第１空気熱交換器、第２膨張弁、第２空気熱交換器、第２切替弁を順次配管で環状に接続し、前記冷媒水熱交換器と前記第１切替弁の間と前記第２切替弁の一方とを配管で接続し、前記第１切替弁の一方と前記第２切替弁と前記圧縮機の間とを配管で接続した回路で構成したものである。

また、請求項２では前記第２空気熱交換器の除霜運転時には、前記第１切替弁と前記第２切替弁の弁方向を変化させ、第１膨張弁を全開にして第２膨張弁を絞った上で、前記第２切替弁、前記第２空気熱交換器、前記第２膨張弁、前記第１空気熱交換器、前記第１膨張弁、前記第１切替弁を順次介して冷媒が流通するものである。

また、請求項３では前記第１空気熱交換器の除霜運転時には、前記第１膨張弁を全開にして第２膨張弁を絞った上で、前記第１切替弁、前記第１膨張弁、前記第１空気熱交換器、前記第２膨張弁、前記第２空気熱交換器、前記第２切替弁を順次介して冷媒が流通するものである。

この発明によれば、ヒートポンプ冷媒回路内のどちらの空気熱交換器に着霜が発生しても、切替弁によって一方の空気熱交換器で除霜を行いながら他方の空気熱交換器を蒸発器として使用できるので、沸き上げ運転を中断せずに除霜運転を行う事が可能となる。

この発明の一実施形態を示すヒートポンプ給湯機の概略構成図この発明の一実施形態のヒートポンプユニットの動作を示したフローチャート図２に示した両空気熱交換器の除霜運転の詳細を示したフローチャート図２に示した第１空気熱交換器の除霜運転の詳細を示したフローチャート図２に示した第２空気熱交換器の除霜運転の詳細を示したフローチャート図５の実施例の冷媒回路を示すヒートポンプ給湯機の概略構成図従来のヒートポンプ給湯機の概略構成図

次に、この発明を適用した一実施形態を図１に基づいて説明する。
１はヒートポンプユニット２で加熱された湯水を貯湯する貯湯タンクであり、３は一定の圧力で給水管４内にある市水を貯湯タンク１内に供給する給水栓であり、５は台所や洗面所等に設けられた給湯栓である。

６は貯湯タンク１上部の高温水を流入する出湯管７と給水管４から分岐した給水バイパス管８とを接続して給湯設定温度になるよう弁開度を調節する混合弁であり、９は給湯設定温度に調節された湯水を給湯栓５へ搬送する給湯管である。

１０は貯湯タンク１下部とヒートポンプユニット２を配管で接続するヒーポン往き管であり、１１はヒートポンプユニット２と貯湯タンク１上部を配管で接続するヒーポン戻り管であり、１２はヒーポン往き管１０途中にあり貯湯タンク１内の湯水をヒートポンプユニット２内に搬送するヒーポン循環ポンプである。

ヒートポンプユニット２は冷媒を圧縮する圧縮機１３と、高温高圧の冷媒と貯湯タンク１内の湯水とを熱交換する冷媒水熱交換器１４と、冷媒の流動方向を切り替える第１切替弁１５と、冷媒を減圧させる減圧手段としての第１膨張弁１６と、低温低圧の冷媒と外気との熱交換を行う第１空気熱交換器１７と、第２膨張弁１８と、第２空気熱交換器１９と、第２切替弁２０とを冷媒配管で環状に接続したヒートポンプ冷媒回路２１で構成されている。また、冷媒水熱交換器１４と第１切替弁１５の間から第２切替弁２０の一方へ冷媒の流動が可能なように第１冷媒バイパス管２２で接続されており、第１切替弁１５の一方は第２切替弁２０と圧縮機１３との間へ冷媒を流動可能とする第２冷媒バイパス管２３で接続されている。

２４は第１空気熱交換器１７内の冷媒温度を検知する第１空熱交温度検知器であり、２５は第２空気熱交換器１９内の冷媒温度を検知する第２空熱交温度検知器である。

２６は貯湯タンク１内の湯水の温度を検知するため側面高さ方向に複数設置された貯湯温度検知器である。また、２７は貯湯温度検知器２６の検知結果やヒートポンプユニット２内にある各検知器の情報等から湯水の沸き上げ運転を行うか判断する加熱制御部である。

２８は各空熱交温度検知器で検知された温度が予め設定された設定温度よりも低く着霜のおそれがある時、高温高圧の冷媒を空気熱交換器内に流入させて着霜を溶かす除霜運転を行う除霜運転制御部であり、第１、２空気熱交換器内を共に除霜する際に各機器の動作を制御する両空熱交除霜手段２８ａと、第１空気熱交換器１７を除霜する際に各機器の動作を制御する第１空熱交除霜手段２８ｂと、第２空気熱交換器１９内を除霜する際に各機器の動作を制御する第２空熱交除霜手段２８ｃとを備えている。

次に、この実施形態のヒートポンプユニット２の動作について図２のフローチャートに基づいて説明する。
まず、加熱制御手段２７が貯湯タンク１側面に複数設置された貯湯温度検知器２６で得た情報から沸き上げ運転を開始するか判断する（Ｓ１０１）。沸き上げ運転を開始する場合は次のＳ１０２の判断へ進み、沸き上げ運転を行わない場合は当該Ｓ１０１の判断を繰り返す。

Ｓ１０１で沸き上げ運転を開始する判断をした場合、第１膨張弁１６を所定開度まで絞り第２膨張弁１８を全開にすることで第１膨張弁１６で減圧された冷媒が２つの空気熱交換器内を流通する（Ｓ１０２）。次に、第１切替弁１５を冷媒が第１膨張弁１６方向に流動するように弁を調節し、第２切替弁２０を冷媒が圧縮機１３方向に流動するように弁を調節して、冷媒が環状に循環するヒートポンプ冷媒回路２１を形成する（Ｓ１０３）。ヒートポンプ冷媒回路２１が形成された後に圧縮機１３を運転させて（Ｓ１０４）、湯水の沸き上げ運転を開始する。

沸き上げ運転開始後、第１空熱交温度検知器２４で検知された温度が設定温度（例えば−１５℃）以下になっているか除霜運転制御部２８が判断して（Ｓ１０５）、設定温度以下であれば、同じように第２空熱交温度検知器２５で検知された温度が設定温度以下であるか判断して（Ｓ１０６）、設定温度以下であれば、両方の空気熱交換器に着霜していると判断して第１空気熱交換器１７と第２空気熱交換器１９の除霜運転を開始し（Ｓ１０７）、設定温度より高ければ、第１空気熱交換器１７に着霜があると判断して第１空気熱交換器１７の除霜運転を開始する（Ｓ１０８）。また、Ｓ１０５で第１空熱交温度検知器２４で検知された温度が設定温度を超えていた場合、第２空熱交温度検知器２５で検知された温度が設定温度以下であるか判断して（Ｓ１０９）、設定温度以下であれば、第２空気熱交換器１９に着霜があると判断して第２空気熱交換器１９の除霜運転を開始し（Ｓ１１０）、設定温度を超えていればＳ１１１の判断へ移る。

Ｓ１０７、Ｓ１０８及びＳ１１０で各空気熱交換器の除霜運転が終了した後、またはＳ１０９で第２空熱交温度検知器２５の検知結果が設定温度以上だった場合、加熱制御部２７が沸き上げ運転を終了するか判断して（Ｓ１１１）、沸き上げ運転を終了する場合は圧縮機１３の運転を停止させて沸き上げ運転を終了し（Ｓ１１２）、沸き上げ運転を継続する場合は再びＳ１０５で第１空熱交温度検知器２４で検知された温度が設定温度以下であるか判断する。

次に、上記Ｓ１０７における第１と第２両方の空気熱交換器の除霜運転の詳細を図３に基づいて説明する。
まず、除霜運転が開始されると、両空熱交除霜手段２８ａが第１膨張弁１６の開度を全開にして（Ｓ２０１）、第２膨張弁１８も全開になるよう調節する（Ｓ２０２）。そして、第２空熱交温度検知器２５で検知された温度が第２空気熱交換器１９の除霜を終える完了温度（例えば１５℃）を超えたか判断し（Ｓ２０３）、完了温度を超えていれば除霜運転を終了させ、完了温度以下であれば、除霜運転の継続時間が予め設定されている限界時間を超えたか判断して（Ｓ２０４）、限界時間を超えていれば除霜運転を終了させ、限界時間以下であれば再びＳ２０３で第２空熱交温度検知器２５が検知した温度から次のステップへ移る。

次に、上記Ｓ１０８における第１空気熱交換器１７の除霜運転の詳細を図４に基づいて説明する。
まず、除霜運転が開始されると、第１空熱交除霜手段２８ｂが第１膨張弁１６の開度を全開にして（Ｓ３０１）、第２膨張弁１８を所定開度に絞る（Ｓ３０２）。そして、第２空気熱交換器１９を蒸発器として使用することで沸き上げ運転を継続しながら、第１空熱交温度検知器２４で検知された温度が上記完了温度を超えたか判断し（Ｓ３０３）、完了温度を超えていれば除霜運転を終了させ、完了温度以下であれば、除霜運転の継続時間が上記限界時間を超えたか判断して（Ｓ３０４）、限界時間を超えていれば除霜運転を終了させ、限界時間以下であれば再びＳ３０３で第１空熱交温度検知器２４が検知した温度から次のステップへ移る。

上記Ｓ３０１とＳ３０２のステップで、圧縮機１３で高温高圧にされた冷媒は第１切替弁１５へ向かい、第１膨張弁１６、第１空気熱交換器１７、第２膨張弁１８、第２空気熱交換器１９、第２切替弁２０内から再び圧縮機１３へ流入するヒートポンプ冷媒回路２２を流通することで、効果的に第１空気熱交換器１７の除霜を行え、かつ第２空気熱交換器１９を蒸発器として使用することで沸き上げ運転が可能となる。

次に、上記Ｓ１１０における第２空気熱交換器１９の除霜運転の詳細を図５及び図６に基づいて説明する。
まず、除霜運転が開始されると第２空熱交除霜手段２８ｃは、第１切替弁１５の開口方向を変化させて冷媒を第１膨張弁１６から第２冷媒バイパス管２３内に流入させる（Ｓ４０１）。次に、第２切替弁２０の開口方向を変化させて冷媒を第１冷媒バイパス管２２から第２空気熱交換器１９内に流入させる（Ｓ４０２）。そして、第１膨張弁１６の開度を全開にして（Ｓ４０３）、第２膨張弁１８を所定開度に絞る（Ｓ４０４）。

図６に示されるようにＳ４０１からＳ４０４までのステップで、圧縮機１３で高温高圧にされた冷媒は第１冷媒バイパス管２２へ向かい、第２切替弁２０から第２空気熱交換器１９、第２膨張弁１８、第１空気熱交換器１７、第１膨張弁１６、第１切替弁１５内を流通し、第２冷媒バイパス管２３から圧縮機１３へ向かうような回路が形成されることで、効果的に第２空気熱交換器１９内の除霜が行え、かつ第１空気熱交換器１７を蒸発器として使用することで沸き上げ運転が可能となる。

Ｓ４０４の次に、第２空熱交温度検知器２５で検知された温度が上記完了温度を超えたか判断して（Ｓ４０５）、完了温度を超えていれば除霜運転を終了させ、完了温度以下であれば、除霜運転の継続時間が上記限界時間を超えたか判断して（Ｓ４０６）、限界時間を超えていれば除霜運転を終了させ、限界時間以下であれば再びＳ４０５で第２空熱交温度検知器２５が検知した温度から次のステップへ移る。

以上のように、ヒートポンプ冷媒回路２１内にある各切替弁の開口方向を変化させて冷媒の流動方向を変化させ、各膨張弁の開度を調節することで、第１空気熱交換器１７だけでなく第２空気熱交換器１９の除霜も可能にしたので、どちらか一方に着霜が発生した場合、一方で除霜運転を行いながら他方で沸き上げ運転をおこなえるため、給湯使用する高温水が不足するおそれを解消できる。

なお、除霜運転の開始条件は上記実施例に限らず、例えば、第１空気熱交換器１７の除霜開始する設定温度を第２空気熱交換器１９の設定温度よりも所定値高くする等して、空気熱交換器の除霜運転が開始されるタイミングをずらして交互に行われるようにすることで、一方で除霜運転を行い他方で沸き上げ運転を行う状態を継続させることも可能である。

１貯湯タンク
１３圧縮機
１４冷媒水熱交換器
１５第１切替弁
１６第１膨張弁
１７第１空気熱交換器
１８第２膨張弁
１９第２空気熱交換器
２０第２切替弁

Claims

湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の湯水を加熱する加熱手段としてのヒートポンプ冷媒回路とを備え、前記ヒートポンプ冷媒回路は、圧縮機、冷媒水熱交換器、膨張弁、空気熱交換器を順次配管で環状に接続されたヒートポンプ給湯機に於いて、前記ヒートポンプ冷媒回路を圧縮機、冷媒水熱交換器、第１切替弁、第１膨張弁、第１空気熱交換器、第２膨張弁、第２空気熱交換器、第２切替弁を順次配管で環状に接続し、前記冷媒水熱交換器と前記第１切替弁の間と前記第２切替弁の一方とを配管で接続し、前記第１切替弁の一方と前記圧縮機と前記第２切替弁との間とを配管で接続した回路で構成したことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
前記第２空気熱交換器の除霜運転時には、前記第１切替弁と前記第２切替弁の弁方向を変化させ、第１膨張弁を全開にして第２膨張弁を絞った上で、前記第２切替弁、前記第２空気熱交換器、前記第２膨張弁、前記第１空気熱交換器、前記第１膨張弁、前記第１切替弁を順次介して冷媒が流通することを特徴とした前記請求項１記載のヒートポンプ給湯機。
前記第１空気熱交換器の除霜運転時には、前記第１膨張弁を全開にして第２膨張弁を絞った上で、前記第１切替弁、前記第１膨張弁、前記第１空気熱交換器、前記第２膨張弁、前記第２空気熱交換器、前記第２切替弁を順次介して冷媒が流通することを特徴とする前記請求項２記載のヒートポンプ給湯機。