JP6551783B2 - ヒートポンプ装置およびこれを備えた給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ装置およびこれを備えた給湯装置に関する。

ヒートポンプ装置の一例として、特許文献１に記載のものがある。
同文献に記載のヒートポンプ装置においては、冷凍サイクル中の蒸発熱交換器に着霜を生じ、これが検出された際には除霜運転が開始されるように構成されている。蒸発熱交換器に着霜を生じると、ヒートポンプ装置の出力や効率が低下するが、除霜運転が実行されることによってそのような不具合を解消することができる。
ここで、前記文献においては、着霜を検出するための手段として、たとえばファンから送風されて蒸発熱交換器を通過する風量に基づき、着霜の有無を判断する例が挙げられている。これは、着霜が生じると、蒸発熱交換器が目詰まり状態となり、蒸発熱交換器の通過風量が減少することに基づくものである。ただし、たとえば蒸発熱交換器の目詰まりは、着霜以外の現象によっても生じるなど、着霜の有無と通過風量とは常に正確に対応するものではない。このため、前記した手段における着霜の有無の判断精度は必ずしも高いものとはいえない。

そこで、前記とは異なる手段として、外気温度と蒸発熱交換器の冷媒出口側温度との温度差を検出し、かつこの温度差が所定の閾値以上になったときに、蒸発熱交換器に着霜があったものと判断する手段がある。また、これに代えて、ヒートポンプ装置の冷凍サイクルの定常運転開始時を基準として、外気温度と蒸発熱交換器の冷媒出口側温度との温度差の変化値が所定の閾値以上となったときに、蒸発熱交換器に着霜があったものと判断する手段もある。これらの手段は、蒸発熱交換器に着霜がなく、熱交換効率が高い場合には、外気温度と蒸発熱交換器の冷媒出口側温度との温度差は小さくなり、そうでない場合にはそれらの温度差が大きくなるという原理に基づくものである。このような手法によれば、温度センサを利用した簡易かつ安価に製造し得る構成によって、着霜の有無の判断精度をかなり高くすることが可能である。

しかしながら、蒸発熱交換器の冷媒出口側温度は、外気温度、冷凍サイクル中の湯水加熱用の凝縮熱交換器への入水温度、ならびに外気湿度などの影響を受けて変化し、蒸発熱交換器に着霜が生じる場合であっても、外気温度と蒸発熱交換器の冷媒出口側温度との温度差が一定の閾値以上にならない場合があり得る。このようなことから、前記した手段においては、着霜の有無の判断精度が低くなる場合があり、この点において改善の余地がある。

特開２０１２−２０７８９６号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであり、蒸発熱交換器への着霜の有無の判断を正確に行なうことができ、着霜が生じた際に除霜運転を適切に行なうことが可能なヒートポンプ装置、およびこれを備えた給湯装置を提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面により提供されるヒートポンプ装置は、冷媒を用いた湯水加熱が可能な凝縮熱交換器、および外気からの吸熱が可能な蒸発熱交換器を有している冷凍サイクルと、外気温度と前記蒸発熱交換器の冷媒出口側温度との温度差を検出し、かつこの温度差が所定の第１の閾値以上になったとき、または前記冷凍サイクルの所定の定常運転開始時を基準とする前記温度差の変化値が所定の第２の閾値以上となったときに、前記蒸発熱交換器についての除霜運転を開始させる動作制御を実行する制御手段と、を備えている、ヒートポンプ装置であって、前記第１および第２の閾値は、前記凝縮熱交換器への湯水の入水温度が高くなるほど低い値となるように前記入水温度の変化に応じて変更されるように構成されていることを特徴としている。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、凝縮熱交換器への入水温度が高くなると、外気温度が低くなった場合と同様に、外気温度と蒸発熱交換器の冷媒出口側温度との温度差が小さめとなる傾向がある。このため、着霜が生じた際における前記温度差は、入水温度が高い場合は、入水温度が低い場合よりも小さい値となる。これに対し、入水温度が高くなるほど、着霜の有無の判断を行なうための閾値を低い値とすれば、前記したように温度差が小さめとなる場合であっても、着霜に起因する前記温度差の変化を適切に察知し得ることとなり、着霜の有無の判断精度を高くすることができる。前記構成は、そのような判断手法に則した構成となっているため、実際に着霜が生じた際には、除霜運転が適切に行なわれる。その結果、本発明の第１の側面により提供されるヒートポンプ装置と同様に、着霜が生じているにも拘わらず、除霜運転が行なわれることなく、ヒートポンプ装置が効率の悪い状態のまま運転されるといったことが適切に回避される。

本発明の第２の側面により提供されるヒートポンプ装置は、冷媒を用いた湯水加熱が可能な凝縮熱交換器、および外気からの吸熱が可能な蒸発熱交換器を有している冷凍サイクルと、外気温度と前記蒸発熱交換器の冷媒出口側温度との温度差を検出し、かつこの温度差が所定の第１の閾値以上になったとき、または前記冷凍サイクルの所定の定常運転開始時を基準とする前記温度差の変化値が所定の第２の閾値以上となったときに、前記蒸発熱交換器についての除霜運転を開始させる動作制御を実行する制御手段と、を備えている、ヒートポンプ装置であって、前記第１および第２の閾値は、外気温度が低くなるほど低い値とされ、かつ前記凝縮熱交換器への湯水の入水温度が高くなるほど低い値とされるように、外気温度および前記入水温度のそれぞれの変化に応じて変更されるように構成されていることを特徴としている。

このような構成によれば、外気温度および凝縮熱交換器への入水温度の双方のパラメータに基づいて、着霜の有無を判断するための閾値を変更するために、外気温度のみ、あるいは凝縮熱交換器への入水温度のみに基づいて閾値を変更する場合よりも、より高い精度で着霜の有無を判断することが可能となる。したがって、着霜が生じているにも拘わらず、除霜運転が行なわれることなく、ヒートポンプ装置が運転されるといったことを防止し、ヒートポンプ装置の効率をよくする上で一層好ましいものとなる。なお、外気温度に応じて閾値を変更すること、および凝縮熱交換器への入水温度に応じて閾値を変更することによって着霜の有無の判断精度を高めることができる点の基本的な原理は、本発明の第１および第２の側面により提供されるヒートポンプ装置について述べたのと同様である。

本発明の第３の側面により提供される給湯装置は、本発明に係るヒートポンプ装置を備えており、かつこのヒートポンプ装置によって給湯用の湯水加熱が可能とされていることを特徴としている。

このような構成によれば、本発明に係るヒートポンプ装置について述べたのと同様な効果が得られる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

本発明に係るヒートポンプ装置を備えた給湯装置の一例を示す説明図である。 図１のヒートポンプ装置において実行される動作制御の例を示すフローチャートである。 図２の動作制御で用いられる閾値の例を示す説明図である。 図１のヒートポンプ装置において実行される他の動作制御の例を示すフローチャートである。 図４の動作制御で用いられる閾値の例を示す説明図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１に示す給湯装置ＷＨは、ヒートポンプ装置Ｈと、貯湯タンクユニットＵとを備えている。
貯湯タンクユニットＵは、貯湯タンク２、およびリモコン４０が接続された主制御部４を備えている。貯湯タンク２は、ヒートポンプ装置Ｈによって加熱された湯水を貯留させておくためのものである。貯湯タンク２の下部には、水道管などの給水管３１が接続される下部配管３２が接続されており、給水管３１から供給される水が貯湯タンク２内にその下部から入水可能である。貯湯タンク２の上部には、三方弁Ｖ１を有する上部配管３３が接続され、かつこの上部配管３３には、給湯栓９に配管接続される出湯管３５、および下
部配管３２からの分岐配管３６が混合弁Ｖ２を介して接続されている。このことにより、給湯栓９を開いた際には、貯湯タンク２への給水圧によって出湯が行なわれ、貯湯タンク２から出湯した湯水と分岐配管３６からの水とが混合して温度調整された湯水が、給湯栓９に供給可能である。

ヒートポンプ装置Ｈは、冷凍サイクル１、除霜用バイパス路１８、および補助制御部４Ａを備えている。冷凍サイクル１は、たとえばＣＯ₂ などの冷媒の循環流通経路上に、外気（大気）から熱を吸収するための蒸発熱交換器１０、圧縮機１１、湯水加熱が可能な凝縮熱交換器１２、および膨張弁１３が設けられた構成である。凝縮熱交換器１２は、ポンプＰの駆動により貯湯タンク２の下部から配管３４を介して供給されてくる湯水、および給水管３１から配管３４を介して供給されてくる水を加熱可能である。加熱された湯水については、配管３７を介して貯湯タンク２内に送り込み、貯留させることが可能である。

除霜用バイパス路１８は、冷凍サイクル１の圧縮機１１の下流側と膨張弁１３の下流側とをバイパス接続するものであり、開閉弁Ｖ３を有している。開閉弁Ｖ３を開き、除霜用バイパス路１８に冷媒を流れさせることにより、蒸発熱交換器１０には高温の冷媒を供給することができ、このことにより蒸発熱交換器１０からの除霜が可能である。

ヒートポンプ装置Ｈには、外気温度を検出するための外気温度センサＳａ、蒸発熱交換器１０の冷媒出口側温度を検出するための冷媒出口側温度センサＳｂ、および凝縮熱交換器１２への入水温度を検出するための入水温度センサＳｃも設けられている。蒸発熱交換器１０には、ファン１０ａが付属して設けられているが、このファン１０ａは、ヒートポンプ装置Ｈの筐体１９内に流入した外気を蒸発熱交換器１０に作用させるものである。図１においては、外気温度センサＳａが筐体１９内に配されているものの、この外気温度センサＳａは、筐体１９内に流入した外気が蒸発熱交換器１０に送風される前の温度を検出するように設けられており、外気温度を適切に検出可能である。

補助制御部４Ａは、主制御部４と同様に、マイクロコンピュータなどを用いて構成されており、主制御部４との間でデータ通信を実行し、かつ主制御部４からの指示などにしたがってヒートポンプ装置Ｈの各部の動作制御を実行する。ヒートポンプ装置Ｈにおいて実行される動作制御としては、蒸発熱交換器１０への着霜の有無を判断するための動作制御、および除霜運転の動作制御などがあり、この点については後述する。

次に、前記した給湯装置ＷＨの作用、ならびにヒートポンプ装置Ｈにおいて実行される動作処理手順の例について、図２および図４に示すフローチャートを参照しつつ説明する。

まず、ヒートポンプ装置Ｈの運転時においては、外気温度Ｔａと蒸発熱交換器１０の冷媒出口側温度Ｔｂとの温度差α（α＝Ｔａ−Ｔｂ）が常時または周期的に算出される（Ｓ１）。次いで、外気温度Ｔａ、および凝縮熱交換器１２への入水温度Ｔｃに対応させて、蒸発熱交換器１０に着霜があるか否かを判断するための第１の閾値ＴＨ１を決定する（Ｓ２）。この場合、図３に挙げられた具体例のように、第１の閾値ＴＨ１については、外気温度Ｔａが低いほど低い値にするとともに、入水温度Ｔｃが高いほど低い値とする。図３において、たとえば外気温度Ｔａが−３℃、入水温度Ｔｃが２５℃の場合には、第１の閾値ＴＨ１は８℃とされるが、外気温度Ｔａが−７℃に低下し、かつ入水温度Ｔｃが５０℃以上に上昇した場合には、第１の閾値ＴＨ１は５℃とされる。

ただし、図３は、第１の閾値ＴＨ１の一部の例を散点的に示しているに過ぎず、同図に示す内容のみでは、第１の閾値ＴＨ１を適切に求めることはできない。実際には、第１の閾値ＴＨ１は、外気温度Ｔａおよび入水温度Ｔｃを変数とし、かつ第１の閾値ＴＨ１とし
て適切な値が算出されるように予め定められた演算式を用いた演算処理によって求められる。もちろん、これに代えて、外気温度Ｔａおよび入水温度Ｔｃと第１の閾値ＴＨ１との対応関係を緻密に示す表のデータ、あるいは前記対応関係を連続的に示す線形のデータを補助制御部４Ａなどの記憶部に記憶させておき、このデータに基づいて第１の閾値ＴＨ１を決定してもよい。

その後は、外気温度Ｔａと冷媒出口側温度Ｔｂとの温度差αを、第１の閾値ＴＨ１と比較し、温度差αが第１の閾値ＴＨ１以上であれば、蒸発熱交換器１０に着霜があるものと判断し、除霜運転を開始する（Ｓ３：ＹＥＳ，Ｓ４）。除霜運転は、開閉弁Ｖ３を開き、高温の冷媒を蒸発熱交換器１０に送り込むことにより行なわれる。図面では省略しているが、除霜運転は、たとえば冷媒出口側温度Ｔｂが所定温度（たとえば、４℃）以上になった段階で終了させる。一方、前記とは異なり、温度差αが第１の閾値ＴＨ１以上ではない場合、除霜運転が開始されることなく、その後も継続して温度差αの算出処理や、第１の閾値ＴＨ１の決定がなされ、着霜の有無が判断される（Ｓ３：ＮＯ，Ｓ１〜Ｓ３）。

前記した一連の動作制御によれば、次のような作用が得られる。
すなわち、「発明の概要」の欄においても述べたように、蒸発熱交換器１０への着霜が生じた際には、外気温度Ｔａと蒸発熱交換器１０の冷媒出口側温度Ｔｂとの温度差αが大きくなるが、外気温度Ｔａが低いほど、および凝縮熱交換器１２への入水温度Ｔｃが高いほど、蒸発熱交換器１０に着霜が生じる場合の温度差αが小さめの値となる傾向がある。これに対し、前記した一連の動作手順では、第１の閾値ＴＨ１は、外気温度Ｔａが低いほど低い値とされ、かつ入水温度Ｔｃが高いほど低い値とされるために、外気温度Ｔａが低く、かつ入水温度Ｔｃが高い条件下で着霜が発生し、温度差αがやや小さめの値になった場合であっても、着霜が生じている旨を適切に察知し得ることとなる。したがって、着霜の有無の判断精度を高くし、着霜が生じているにも拘わらず、除霜運転が行なわれることなく、ヒートポンプ装置Ｈがそのまま継続して運転されるといった不具合を回避することが可能である。

ヒートポンプ装置Ｈにおいては、前記した一連の動作制御に並行して、次のような動作制御も実行される。

すなわち、ヒートポンプ装置Ｈは、運転を開始してから適当な時間を経ることによって所定の定常運転に移行する。このような定常運転への移行後には、定常運転初期における外気温度Ｔａ、入水温度Ｔｃ、および冷媒出口側温度Ｔｂを測定し、かつこれらをその後の基準となる外気温度Ｔａ₀、入水温度Ｔｃ₀、および冷媒出口側温度Ｔｂ₀として記憶しておくとともに、その際の外気温度Ｔａと冷媒出口側温度Ｔｂとの温度差αを、その後の基準となる温度差α₀として記憶しておく（Ｓ１０：ＹＥＳ，Ｓ１１）。好ましくは、外気温度Ｔａ₀、入水温度Ｔｃ₀、および冷媒出口側温度Ｔｂ₀の値としては、定常運転への移行後の適当なスパンで複数回にわたって測定された値の平均値、あるいは中央値などが用いられる。これと同様に、温度差α₀としては、定常運転への移行後の適当なスパンで複数回にわたって算出される温度差αの平均値、あるいは中央値などが用いられる。

その後は、現時刻における温度差αを算出する処理を継続して実行し、基準となる温度差α₀に対する温度差αの変化値Δαの算出処理も継続して実行する（Ｓ１２）。また、これに併せて、外気温度Ｔａおよび入水温度Ｔｃの変化値ΔＴａ，ΔＴｃ（定常運転開始初期の外気温度Ｔａ₀、および入水温度Ｔｃ₀に対する変化値である）に対応させて、蒸発熱交換器１０に着霜があるか否かを判断するための第２の閾値ＴＨ２を決定する（Ｓ１３）。この場合、図５に挙げられた具体例のように、第２の閾値ＴＨ２については、外気温度Ｔａの変化値ΔＴａが小さいほど低い値にするとともに、入水温度Ｔｃの変化値ΔＴｃが大きいほど高い値とする。図５においては、たとえば外気温度の変化値ΔＴａおよび入
水温度の変化値ΔＴｃがともにゼロの場合には、第２の閾値ＴＨ２は４℃とされるが、変化値ΔＴａが−５℃となり、変化値ΔＴｃが＋５０℃となった場合には、第２の閾値ＴＨ２は２．５℃とされる。

ただし、図５は、図３の場合と同様に、第２の閾値ＴＨ２の一部の例を散点的に示すものに過ぎない。実際には、第２の閾値ＴＨ２を求める処理は、第１の閾値ＴＨ１を求める場合と同様に演算式を用いて行なわれる。この場合の演算式は、変化値ΔＴａ，ΔＴｃを変数とするものである。ただし、これに代えて、変化値ΔＴａ，ΔＴｃおよび第２の閾値ＴＨ２の相関関係を示す表のデータ、あるいは線形のデータを用いることによって第２の閾値ＴＨ２を決定してもよいことは勿論である。

その後は、温度差αの変化値Δαを、第２の閾値ＴＨ２と比較し、変化値Δαが第２の閾値ＴＨ２以上であれば、蒸発熱交換器１０に着霜があるものと判断し、除霜運転を開始する（Ｓ１４：ＹＥＳ，Ｓ１５）。除霜運転の仕方、および除霜運転を終了する条件などについては、既述したのと同様である。一方、変化値Δαが第２の閾値ＴＨ２以上ではない場合、除霜運転が開始されることなく、その後も継続して変化値Δαの算出処理や、第２の閾値ＴＨ２の決定がなされ、着霜の有無が判断される（Ｓ１４：ＮＯ，Ｓ１２〜Ｓ１４）。

前記した一連の動作制御によれば、第２の閾値ＴＨ２を、外気温度の変化値ΔＴａ、および入水温度の変化値ΔＴｃに対応させて決定しているが、たとえば外気温度の変化値ΔＴａが小さい値となることは、ヒートポンプ装置Ｈの定常運転初期よりも外気温度Ｔａが低下したことを意味しており、この場合には、第２の閾値ＴＨ２は低くされる。したがって、図２に示した動作制御においては、外気温度Ｔａが低いほど第１の閾値ＴＨ１を低くしたのに近似した閾値選択が行なわれる。同様に、入水温度の変化値ΔＴｃが大きい値となることは、定常運転初期よりも入水温度Ｔｃが高くなったことを意味しており、この場合には、第２の閾値ＴＨ２は低くされる。したがって、やはり図２に示した動作制御において、入水温度Ｔｃが高いほど第１の閾値ＴＨ１を低くしたのに近似した閾値選択が行なわれる。このようなことから、図４に示した動作制御によっても、蒸発熱交換器１０への着霜の有無を正確に判断し、着霜があった際には除霜運転が適切に開始される。

ヒートポンプ装置Ｈにおいては、図２および図４に示した２つの動作制御のうち、少なくともいずれか一方において、蒸発熱交換器１０に着霜があると判断された場合に、除霜運転が行われる。したがって、着霜の有無の判断がより高い精度で行われ、着霜が生じているにも拘わらず、ヒートポンプ装置Ｈの通常の運転がそのまま継続されることをより徹底して防止することが可能である。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係るヒートポンプ装置、および給湯装置の各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更自在である。

上述した実施形態においては、図２および図４に示した２つの動作制御が実行されるように構成されているが、それら２つの動作制御のうち、一方のみの動作制御が実行されるように構成されていてもよい。このような場合であっても、従来技術と比較して着霜の有無の判断精度を高めることが可能である。
また、閾値は、必ずしも外気温度Ｔａと入水温度Ｔｃとの双方に基づいて決定しなくてもよい。たとえば、外気温度Ｔａを考慮することなく、入水温度Ｔｃのみに基づいて閾値を決定してもよい。
除霜運転は、除霜用バイパス路１８を利用する手段に限らず、たとえばヒータを利用して蒸発熱交換器を加熱するといった手段を採用することができ、その具体的な内容は限定されない。

ＷＨ 給湯装置
Ｈ ヒートポンプ装置
Ｕ 貯湯タンクユニット
Ｓａ 外気温度センサ
Ｓｂ 冷媒出口側温度センサ
Ｓｃ 入水温度センサ
１ 冷凍サイクル
１０ 蒸発熱交換器
１２ 凝縮熱交換器
１８ 除霜用バイパス路
４Ａ 補助制御部（制御手段）

Claims (3)

1. 冷媒を用いた湯水加熱が可能な凝縮熱交換器、および外気からの吸熱が可能な蒸発熱交換器を有している冷凍サイクルと、
   外気温度と前記蒸発熱交換器の冷媒出口側温度との温度差を検出し、かつこの温度差が所定の第１の閾値以上になったとき、または前記冷凍サイクルの所定の定常運転開始時を基準とする前記温度差の変化値が所定の第２の閾値以上となったときに、前記蒸発熱交換器についての除霜運転を開始させる動作制御を実行する制御手段と、
   を備えている、ヒートポンプ装置であって、
   前記第１および第２の閾値は、前記凝縮熱交換器への湯水の入水温度が高くなるほど低い値となるように前記入水温度の変化に応じて変更されるように構成されていることを特徴とする、ヒートポンプ装置。
2. 冷媒を用いた湯水加熱が可能な凝縮熱交換器、および外気からの吸熱が可能な蒸発熱交換器を有している冷凍サイクルと、
   外気温度と前記蒸発熱交換器の冷媒出口側温度との温度差を検出し、かつこの温度差が所定の第１の閾値以上になったとき、または前記冷凍サイクルの所定の定常運転開始時を基準とする前記温度差の変化値が所定の第２の閾値以上となったときに、前記蒸発熱交換器についての除霜運転を開始させる動作制御を実行する制御手段と、
   を備えている、ヒートポンプ装置であって、
   前記第１および第２の閾値は、外気温度が低くなるほど低い値とされ、かつ前記凝縮熱交換器への湯水の入水温度が高くなるほど低い値とされるように、外気温度および前記入水温度のそれぞれの変化に応じて変更されるように構成されていることを特徴とする、ヒートポンプ装置。
3. 請求項１または２に記載のヒートポンプ装置を備えており、かつこのヒートポンプ装置によって給湯用の湯水加熱が可能とされていることを特徴とする、給湯装置。

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