JP4691138B2

JP4691138B2 - ヒートポンプ給湯機

Info

Publication number: JP4691138B2
Application number: JP2008157811A
Authority: JP
Inventors: 義和西原; 潔佐野; 透安田; 邦泰内山; 和久森上
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-06-17
Filing date: 2008-06-17
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2028-06-17
Also published as: JP2009300055A

Description

本発明は、冷媒の圧力差を利用して室外空気の熱を水に伝達するヒートポンプ給湯機に関する。

従来のヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプ動作停止時に、貯湯槽の上部の高温の湯が逆循環して水熱交換器で放熱することがないよう、貯湯槽の下部から上部へ湯水を循環させる水循環回路に、冷媒循環回路の凝縮器との間で熱交換を行う水熱交換器を接続し、水循環回路の水熱交換器の下流側に、ヒートポンプ動作停止時に閉じる開閉弁を設けている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００４−１４４４７５号公報

しかしながら、特許文献１に記載のヒートポンプ給湯機にあっては、ヒートポンプ運転を停止すると、圧縮機の運転時に圧縮機から水熱交換器を介して膨張弁に流れていた冷媒が逆方向に流れて、水熱交換器に冷たい冷媒が流れ込むとともに、蒸発器（室外熱交換器）で吸収した熱を水熱交換器を介して貯湯槽に回収することができず、熱損失を惹起するという問題があった。

また、圧縮機停止時に蒸発器に溜まった液冷媒が、圧縮機の再起動時に圧縮機に流れ込み（所謂、液バック）、圧縮機が損傷する場合もあった。

さらに、蒸発器の設計圧力は、圧縮機停止時の冷媒圧力を基準に設定されており、冷媒として、例えば二酸化炭素等の超臨界冷媒を使用した場合、圧縮機停止時の冷媒圧力が高く、蒸発器の配管の肉厚を厚くする必要があり、コストアップを惹起していた。

本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、圧縮機運転停止時に蒸発器内の熱を貯湯槽に有効に回収することができ、同時に圧縮機への液バックを防止して圧縮機の起動安定性を確保することができるとともに、蒸発器の配管肉厚を薄くすることができるヒートポンプ給湯機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係るヒートポンプ給湯機は、圧縮機、冷媒−水熱交換器、減圧器、蒸発器を順次接続した冷媒循環回路と、貯湯槽、前記冷媒−水熱交換器、循環ポンプを有する湯水循環回路と、前記圧縮機、前記減圧器、前記循環ポンプの動作を制御する制御器とを備え、前記冷媒−水熱交換器にて、前記冷媒循環回路を流れる冷媒と前記湯水循環回路を流れる水とを熱交換するとともに、前記制御器は、前記圧縮機の運転停止信号を受信すると、前記圧縮機の運転を停止する前に、前記減圧器を閉弁方向に動作させて前記圧縮機を第１の所定時間運転させ、前記蒸発器の冷媒を前記冷媒−水熱交換器に搬送させるとともに、前記循環ポンプを前記第１の所定時間より長い第２の所定時間運転させ、前記冷媒−水熱交換器の湯水を前記貯湯槽に搬送させることを特徴とする。

上記構成により、圧縮機の運転停止時に蒸発器内の熱を貯湯槽に有効に回収することができ、同時に圧縮機への液バックを防止して圧縮機の起動安定性を確保することができる。また、蒸発器内の冷媒を回収することで、蒸発器の配管肉厚を薄くすることができる。

第１の発明は、圧縮機、冷媒−水熱交換器、減圧器、蒸発器を順次接続した冷媒循環回路と、貯湯槽、前記冷媒−水熱交換器、循環ポンプを有する湯水循環回路と、前記圧縮機、前記減圧器、前記循環ポンプの動作を制御する制御器とを備え、前記冷媒−水熱交換器にて、前記冷媒循環回路を流れる冷媒と前記湯水循環回路を流れる水とを熱交換するとともに、前記制御器は、前記圧縮機の運転停止信号を受信すると、前記圧縮機の運転を停止する前に、前記減圧器を閉弁方向に動作させて前記圧縮機を第１の所定時間運転させ、前記蒸発器の冷媒を前記冷媒−水熱交換器に搬送させるとともに、前記循環ポンプを前記第１の所定時間より長い第２の所定時間運転させ、前記冷媒−水熱交換器の湯水を前記貯湯槽に搬送させるように制御するようにした。

この構成により、圧縮機の運転停止時に蒸発器内の熱を貯湯槽に有効に回収することができ、同時に圧縮機への液バックを防止して圧縮機の起動安定性を確保することができるとともに、蒸発器の配管肉厚を薄くすることができる。

第２の発明は、蒸発器と圧縮機の間に、蒸発器から圧縮機に流れる冷媒を許容し、圧縮機から蒸発器に向かう冷媒の流れを遮断する逆止弁を設けることにより、圧縮機の運転停止時に凝縮器側に回収した冷媒が圧縮機を介して蒸発器に戻るのを防止することができる。

第３の発明は、減圧器と蒸発器の間に二方弁を設け、減圧器が閉弁方向に動作した後に二方弁を閉弁することにより、圧縮機の運転停止時に凝縮器側に回収した冷媒が減圧器を介して蒸発器に戻るのを防止することができる。

第４の発明は、蒸発器と圧縮機の間に第１の二方弁を設けるとともに、減圧器と蒸発器の間に第２の二方弁を設け、減圧器が閉弁方向に動作した後に第１の二方弁と第２の二方弁を閉弁することにより、圧縮機の運転停止時に凝縮器側に回収した冷媒が圧縮機及び減圧器を介して蒸発器に戻るのを防止することができる。

第５の発明は、制御器が圧縮機の運転停止信号を受信すると、圧縮機をその容量を減少して所定時間運転することにより、蒸発器に残存する熱を効率的に回収することができる。

第６の発明は、制御器が圧縮機の運転停止信号を受信すると、循環ポンプをその容量を減少して所定時間運転することにより、水熱交換器で吸収した熱を効率的に貯湯槽に回収することができる。

第７の発明は、制御器が圧縮機の運転停止信号を受信すると、圧縮機をその容量を減少して第１の所定時間運転するとともに、循環ポンプをその容量を減少して第２の所定時間運転するように制御したので、蒸発器に残存する熱を効率的に回収することができるとともに、水熱交換器で吸収した熱を効率的に貯湯槽に回収することができる。また、第２の所定時間を第１の所定時間より長く設定したので、冷媒が室外空気より吸収した熱を水に最大限回収することができる。

第８の発明は、制御器が圧縮機の運転停止信号を受信した後、蒸発器の冷媒温度を検出する配管温度センサが所定の温度を検出すると、圧縮機の運転を停止するようにしたので、圧縮機の低圧側の圧力が負圧になることがなく、圧縮機の信頼性を確保することができる。

第９の発明は、制御器が圧縮機の運転停止信号を受信した後、外気温センサが検出した外気温度に基づいて制御器に記憶された複数の運転時間の中から一つの運転時間を選択し、選択された運転時間経過後に圧縮機の運転を停止するようにしたので、外気温度に応じて圧縮機を適切に運転して冷媒回収を効率的に行うことができる。

第１０の発明は、冷媒−水熱交換器に流入する水の温度を検出する入口水温センサと、冷媒−水熱交換器から流出する水の温度を検出する出口水温センサとを設け、制御器が圧縮機の運転停止信号を受信した後、入口水温センサにより検出された水温と、出口水温センサにより検出された水温との差温が所定の温度以下の場合に、循環ポンプを停止するようにしたので、水熱交換器で吸収した熱を効率的に貯湯槽に回収することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るヒートポンプユニットを示しており、特に給湯槽を備えたヒートポンプ給湯機を示している。

図１に示されるように、本発明に係るヒートポンプ給湯機は、容量可変の圧縮機２と凝縮器４と減圧器６と蒸発器（室外熱交換器）８とを順次接続して形成された冷媒循環回路と、貯湯槽１０と容量可変の循環ポンプ１２と水熱交換器１４とを順次接続して形成された湯水循環回路とで構成されている。また、凝縮器４と水熱交換器１４とで、冷媒と水との間で熱交換を行う冷媒−水熱交換器を構成している。

貯湯槽１０の給水管には給水弁１６が設けられており、圧縮機２、減圧器６、循環ポンプ１２、給水弁１６は、制御器１８に電気的に接続され、制御器１８により制御される。

上記構成のヒートポンプ給湯機において、圧縮機２から吐出された高温高圧の冷媒ガスは凝縮器４に流入し、循環ポンプ１２から供給され水熱交換器１４に流入した水と熱交換を行うことで、水は加熱される。凝縮器４で水と熱交換した冷媒は、減圧器６で減圧され、さらに蒸発器８に流入し、室外空気より吸熱してガス冷媒となり、圧縮機２に戻る。

一方、貯湯槽１０の下部から流出した水は、循環ポンプ１２により水熱交換器１４に供給され、冷媒の凝縮熱で加熱されて貯湯槽１０の上部に貯留される。この運転を繰り返すことで、所定の容量（例えば、３７０リットル）を有する貯湯槽１０の内部には、上部から下部に向かって徐々にお湯（加熱水）が積層される。

本発明に係るヒートポンプ給湯機は、基本的には昼間より安価な夜間電力を使用して所定温度（例えば、７５℃〜８５℃）のお湯を貯湯槽１０に貯留し、１日のお湯の使用量と給水温度に応じて所定の時間（例えば、午前７時）に貯湯槽１０内の全量が沸き上がるのに必要な熱量を演算して沸き上げ運転を行う。

また、貯湯槽１０には、複数の水位における湯水の温度を検出するために複数（例えば、五つ）の温度センサ（図示せず）が設けられており、そのうちの一つ（例えば、残湯量２００リットルの水位に位置する温度センサ）が、所定温度（例えば、４５℃）以上を検出すると、残湯有りと判定し、残湯無しと判定された場合に、制御装置１８より圧縮機２及び循環ポンプ１２に運転信号を送出するとともに、給水弁１６に開信号を送出するように制御することもできる。

本発明は、上記構成のヒートポンプ給湯機の運転停止時の冷媒回収に特徴があり、以下この特徴について図２を参照しながら説明する。

図２は、本発明に係るヒートポンプ給湯機の運転停止時のタイミングチャートを示しており、図２に示されるように、時間ｔ１において制御器１８より圧縮機２に停止信号が入力されると、圧縮機２はすぐに停止することなく周波数を減少して所定時間Ｔ１（例えば、５分）運転され、その後、時間ｔ２において停止する。圧縮機２の定常運転時の周波数が６０〜８０Ｈｚの場合、所定時間Ｔ１の運転は、例えば３０〜４０Ｈｚで行われる。

また、減圧器６は、時間ｔ１において閉制御され、徐々に閉弁方向に動作して、時間ｔ１における圧縮機の停止信号入力より多少遅延して、閉弁する。

なお、時間ｔ２において停止した圧縮機２は、次の運転信号が入力される時間ｔ３まで、停止状態を継続し、減圧器６は時間ｔ３まで閉弁状態にあり、時間ｔ３において、圧縮機２は再起動し、減圧器６は開弁方向に動作する。

一方、湯水循環回路では、時間ｔ１において、循環ポンプ１２はすぐに停止することなく速度を減少して運転され（例えば、定常運転時の約１／３の速度）、時間ｔ２より所定時間Ｔ２（例えば、１分）経過した後停止する。

なお、循環ポンプ１２の停止状態は、時間ｔ３まで継続し、時間ｔ３において再起動する。

このように制御することで、圧縮機２の停止信号入力後、圧縮機２の吸引側で減圧器６の冷媒出口側に存在する冷媒を凝縮器４側に回収することができ、蒸発器８で室外空気より冷媒が回収した熱を凝縮器４に送り、水熱交換器１４を流れる水が吸熱することにより、水熱交換器を介して貯湯槽１０に熱を回収することができる。

なお、圧縮機２の停止後、循環ポンプ１２の運転を所定時間Ｔ２継続するのは、圧縮機２の停止直後も、凝縮器４には回収できる熱が残存しており、冷媒が室外空気より吸収した熱を水に最大限回収するためである。

図２をさらに参照すると、冷媒回収時の蒸発器８の温度は、圧縮機２の運転中は低く、時間ｔ１において圧縮機２の周波数が低下すると、多少高くなり、その後、冷媒回収に伴って温度は徐々に低下するが、圧縮機２あるいは減圧器６を介して凝縮器４側の冷媒が蒸発器８側に漏れることで、蒸発器８の温度は徐々に上昇する。

また、冷媒−水熱交換器の温度は、圧縮機２の運転中は高く、時間ｔ１において徐々に低下し、時間ｔ２においてさらに低下し、循環ポンプ１２の運転停止とともにさらに低下し、時間ｔ３において徐々に上昇する。

このように、圧縮機２の停止時に、圧縮機２の吸引側に存在する冷媒を凝縮器４側に回収すると、熱損失を極力低減して貯湯槽１０に回収することができるとともに、圧縮機２の再起動時における液バックを回避することができ、圧縮機２の信頼性が向上する。また、圧縮機２の停止時における蒸発器８内の冷媒圧力が低下するので、冷媒配管の肉厚を減少することができ、配管材料を削減することができる。

なお、本発明に係るヒートポンプ給湯機は、ＨＦＣ系冷媒、炭化水素や二酸化炭素等の自然冷媒等様々な冷媒を使用することができるが、二酸化炭素等の超臨界冷媒の高圧は他の冷媒の高圧より高いことから、冷媒配管の肉厚減少効果は、二酸化炭素等の超臨界冷媒を使用する場合に特に有効である。

また、図３に示されるように、冷媒循環回路における蒸発器８と圧縮機２との間に、前者から後者に流れる冷媒を許容し、後者から前者に向かう冷媒の流れを遮断する逆止弁２２を設けると、圧縮機２の運転停止時に凝縮器４側に回収した冷媒が圧縮機２を介して蒸発器８に戻ることがないので、好ましい。

さらに、図４に示されるように、減圧器６と蒸発器８との間に、制御器１８により制御される二方電磁弁２２を設け、圧縮機２の停止信号が入力されると、二方電磁弁２２を閉制御する一方、圧縮機２の運転信号が入力されると、二方電磁弁２２を開制御すると（図２参照）、圧縮機２の運転停止時に凝縮器４側に回収した冷媒が減圧器６を介して蒸発器８に戻ることがなく、より確実に冷媒回収を行うことができる。

加えて、図５に示されるように、蒸発器８と圧縮機２との間に、制御器１８により制御される二方電磁弁２４を設け、冷媒回収終了後（圧縮機２の停止後）に、二方電磁弁２４を閉制御する一方、圧縮機２の運転信号が入力されると、二方電磁弁２４を開制御すると、さらに確実に冷媒回収を行うことができる。

なお、上記実施の形態において、圧縮機２及び循環ポンプ１２は容量可変のものを使用するようにしたが、必ずしも容量可変である必要はなく、容量一定のものを使用し、圧縮機２の停止信号が入力された後、時間Ｔ１より短い時間で圧縮機２を停止するとともに、時間Ｔ１＋Ｔ２より短い時間で循環ポンプ１２を停止するようにしてもよい。

また、上記実施の形態において、圧縮機２は、その停止信号を受信して所定時間経過後に運転を停止するようにしたが、図１に示されるように、蒸発器８を流れる冷媒の温度を検出する蒸発器配管温度センサ２６を設け、圧縮機２の低圧側の圧力が負圧にならないように、蒸発器配管温度センサ２６で所定の温度を検出すると、圧縮機２の運転を停止するようにしてもよい。

この構成は、圧縮機２として固定スクロールと旋回スクロールを有するスクロール圧縮機を使用した場合に特に有効で、スクロール圧縮機の場合、吸引側が負圧になると、潤滑油の循環が不十分になり摺動部の磨耗を惹起するおそれがあるためである。

また、室外空気の温度を検出する外気温センサ（図示せず）を設けるとともに、外気温度に応じて予め設定した圧縮機２の複数の運転時間を制御器１８の記憶部に記憶させ、これら複数の運転時間の一つを外気温センサが検出した温度に基づいて選択し、圧縮機２の停止信号を受信した後、選択された運転時間経過後に圧縮機２の運転を停止することもできる。

あるいは、運転時間を一定に設定するとともに、外気温度に応じて予め設定した圧縮機２の複数の運転頻度と、運転停止から運転開始までの時間間隔を制御器１８の記憶部に記憶させ、これら複数の運転頻度の一つを外気温センサが検出した温度に基づいて選択し、圧縮機２の停止信号を受信した後、選択された運転頻度に基づいて圧縮機２を制御するようにしてもよい。

なお、上記実施の形態において、圧縮機２の運転を停止した後、所定の時間Ｔ２が経過して、循環ポンプ１２の運転を停止するようにしたが、図１に示されるように、湯水循環回路における水熱交換器１４の入水側配管と出水側配管に、水熱交換器１４に流入する水の温度を検出する入口水温センサ２８と、水熱交換器１４から流出する水の温度を検出する出口水温センサ３０をそれぞれ設け、圧縮機２の停止信号を受信した後、入口水温センサ２８により検出された水温と出口水温センサ３０により検出された水温との差温を制御器１８において演算し、差温が所定の温度（例えば、２℃）以下の場合に、冷媒から水への熱回収が略完了したと判断して、循環ポンプ１２を停止するようにしてもよい。

あるいは、出口水温センサ３０のみを設け、出口水温センサ３０により検出された水温が所定の温度以下になると、循環ポンプ１２を停止するようにしてもよい。

本発明に係るヒートポンプユニットは、室外空気の熱を貯湯槽に有効に回収することができ、同時に圧縮機への液バックを防止することができるとともに、蒸発器の配管肉厚を薄くすることができるので、一般家庭用給湯機を含む様々な給湯機や、温水を使用した暖房装置、床暖房装置等として有用である。

本発明に係るヒートポンプ給湯機の冷凍サイクル構成図図２のヒートポンプ給湯機の運転停止時のタイミングチャート図１のヒートポンプ給湯機の変形例の冷凍サイクル構成図図１のヒートポンプ給湯機の別の変形例の冷凍サイクル構成図図１のヒートポンプ給湯機のさらに別の変形例の冷凍サイクル構成図

２圧縮機
４凝縮器
６減圧器
８蒸発器
１０貯湯槽
１２循環ポンプ
１４水熱交換器
１６給水弁
１８制御器
２０逆止弁
２２二方電磁弁
２４二方電磁弁
２６蒸発器配管温度センサ
２８入口水温センサ
３０出口水温センサ

Claims

圧縮機、冷媒−水熱交換器、減圧器、蒸発器を順次接続した冷媒循環回路と、貯湯槽、前記冷媒−水熱交換器、循環ポンプを有する湯水循環回路と、前記圧縮機、前記減圧器、前記循環ポンプの動作を制御する制御器とを備え、
前記冷媒−水熱交換器にて、前記冷媒循環回路を流れる冷媒と前記湯水循環回路を流れる水とを熱交換するとともに、
前記制御器は、前記圧縮機の運転停止信号を受信すると、前記圧縮機の運転を停止する前に、前記減圧器を閉弁方向に動作させて前記圧縮機を第１の所定時間運転させ、前記蒸発器の冷媒を前記冷媒−水熱交換器に搬送させるとともに、前記循環ポンプを前記第１の所定時間より長い第２の所定時間運転させ、前記冷媒−水熱交換器の湯水を前記貯湯槽に搬送させることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
前記蒸発器と前記圧縮機の間に、前記蒸発器から前記圧縮機に流れる冷媒を許容し、前記圧縮機から前記蒸発器に向かう冷媒の流れを遮断する逆止弁を設けたことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
前記減圧器と前記蒸発器の間に二方弁を設け、前記減圧器が閉弁方向に動作した後に前記二方弁を閉弁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機。
前記蒸発器と前記圧縮機の間に第１の二方弁を設けるとともに、前記減圧器と前記蒸発器の間に第２の二方弁を設け、前記減圧器が閉弁方向に動作した後に前記第１の二方弁と前記第２の二方弁を閉弁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機。
前記圧縮機を容量可変の圧縮機で構成し、前記制御器が前記圧縮機の運転停止信号を受信すると、前記圧縮機をその容量を減少して所定時間運転するように制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
前記循環ポンプを容量可変の循環ポンプで構成し、前記制御器が前記圧縮機の運転停止信号を受信すると、前記循環ポンプをその容量を減少して所定時間運転するように制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
前記圧縮機を容量可変の圧縮機で構成するとともに、前記循環ポンプを容量可変の循環ポンプで構成し、前記制御器が前記圧縮機の運転停止信号を受信すると、前記圧縮機をその容量を減少して第１の所定時間運転するとともに、前記循環ポンプをその容量を減少して第２の所定時間運転するように制御し、前記第２の所定時間を前記第１の所定時間より長く設定したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
前記蒸発器の冷媒温度を検出する配管温度センサを設け、前記制御器が前記圧縮機の運転停止信号を受信した後、前記配管温度センサが所定の温度を検出すると、前記圧縮機の運転を停止することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
外気温度を検出する外気温センサを設けるとともに、外気温度に応じて設定した前記圧縮機の複数の運転時間を前記制御器に記憶させ、前記制御器が前記圧縮機の運転停止信号を受信した後、前記外気温センサが検出した外気温度に基づいて前記制御器に記憶された複数の運転時間の中から一つの運転時間を選択し、選択された運転時間経過後に前記圧縮機の運転を停止することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
前記湯水循環回路において、前記冷媒−水熱交換器に流入する水の温度を検出する入口水温センサと、前記冷媒−水熱交換器から流出する水の温度を検出する出口水温センサとを設け、前記制御器が前記圧縮機の運転停止信号を受信した後、前記入口水温センサにより検出された水温と、前記出口水温センサにより検出された水温との差温が所定の温度以下の場合に、前記循環ポンプを停止するようにしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。