(57)【要約】【課題】圧縮機の回転数を低い回転数から段階的に上昇させる起動制御による沸き上げ運転開始当初、吐出冷媒温度と圧縮機温度の温度差ΔＴが小さい状態での運転を回避して圧縮機の信頼性を確保する。【解決手段】給湯運転開始時に、圧縮機の回転数を外気温センサの検出値に応じて予め定められた所定回転数から段階的に上昇させる起動制御を行うにあたって、上記起動制御を行う前に、外気温度センサにて検出される外気温度に応じて、圧縮機を上記所定回転数よりも高い回転数で所定時間駆動する起動前制御を行う。【選択図】図２
2018136099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、流路切替手段、給湯端末、上記給湯端末内の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、制御手段とを含み、上記制御手段は、給湯運転開始時に上記圧縮機の回転数を上記外気温センサの検出値に応じて予め定められた所定回転数から段階的に上昇させる起動制御を行うヒートポンプ式給湯装置において、
上記制御手段は、上記起動制御を行う前に、上記外気温センサにて検出される外気温度に応じて、上記圧縮機を上記所定回転数よりも高い回転数で所定時間駆動する起動前制御を行うことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
【請求項２】
上記制御手段は、上記起動前制御の圧縮機回転数を固定の回転数に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。
【請求項３】
上記制御手段は、上記外気温度が所定温度以下のときに上記起動前制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項４】
上記起動前制御における上記圧縮機の回転数は、上記外気温度が低くなるほど高くし、かつ、その駆動時間を上記外気温度が低くなるほど長くすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項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、給湯運転開始時において圧縮機の起動を制御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蒸発し低圧のガス冷媒となって圧縮機に戻る。
【０００４】
ところで、上記のような沸き上げ運転を行う際、その運転開始時から貯湯タンク内の水温が目標水温に到達する直前まで圧縮機を許容される最大回転数で駆動すると、沸き上げ運転時に凝縮器として機能する利用側熱交換部における凝縮圧力が高圧となる状態が続くことになり、圧縮機の運転負荷が増大する。
【０００５】
圧縮機の運転負荷が増大すれば、これに伴って圧縮機での消費電力量が増大することから、冷媒回路の運転効率が低下し、沸き上げ運転の効率低下を招くおそれがある。
【０００６】
そこで、特許文献１に記載された発明では、沸き上げ運転の立ち上げ時には、圧縮機の回転数を低い回転数（例えば、２０ｒｐｓ）から段階的に上昇させる起動制御を行うようにしている。これにより、利用側熱交換器の凝縮圧力が高い状態で維持されないようにして、圧縮機の消費電力が増大するのを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−１５５９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、外気温度が低い環境で圧縮機を起動するとき、圧縮機から吐出される高圧側の冷媒温度と圧縮機自体の温度（例えば密閉容器の温度）の温度差（以降、温度差ΔＴと記載する）が小さい場合、冷媒が冷凍機油に多く溶け込んでいる状態での駆動、いわゆる寝込み駆動となって冷凍機油が冷媒回路内に大量に吐出される等、圧縮機の信頼性が損なわれるおそれがある。
【０００９】
上記特許文献１に記載された発明のように、起動制御として、沸き上げ運転の立ち上げ時に圧縮機の回転数を段階的に上昇させる方法によると、圧縮機の回転数が高くなるまで時間がかかり、これに伴って圧縮機から吐出される高圧側の冷媒温度の上昇に時間がかかるので、上記温度差ΔＴが大きくなるまでには時間がかかり、上記寝込み駆動による問題が発生する可能性が高くなる。
【００１０】
そこで、本発明の課題は、圧縮機の回転数を低い回転数から段階的に上昇させる起動制御による沸き上げ運転開始時に、上記温度差ΔＴが小さい状態での運転を回避して圧縮機の信頼性を確保することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明は、圧縮機、流路切替手段、給湯端末、上記給湯端末内の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、制御手段とを含み、上記制御手段は、給湯運転開始時に上記圧縮機の回転数を上記外気温センサの検出値に応じて予め定められた所定回転数から段階的に上昇させる起動制御を行うヒートポンプ式給湯装置において、
上記制御手段は、上記起動制御を行う前に、上記外気温センサにて検出される外気温度に応じて、上記圧縮機を上記所定回転数よりも高い回転数で所定時間駆動する起動前制御を行うことを特徴ことを特徴としている。
【００１２】
本発明の好ましい態様によると、上記制御手段は、上記起動前制御の圧縮機回転数を固定の回転数にする。
【００１３】
また、上記制御手段は、上記外気温度が所定温度以下のときに上記起動前制御を行う。また、その起動前制御時において、上記外気温度が低くなるほど圧縮機回転数を高くし、かつ、その駆動時間を上記外気温度が低くなるほど長くする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、省エネルギー運転として、給湯運転開始時に貯湯タンク内の水温が目標水温に到達するように圧縮機を外気温度に応じた所定の回転数から段階的に上昇させる起動制御を行う前に起動前制御を行うことにより、外気温が低いときに前述したいわゆる寝込み駆動による運転が回避され、圧縮機の信頼性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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】本発明の動作を示すタイミングチャート。
【図３】制御手段が備える起動前制御時の参照用テーブルを示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
〈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。
【００３２】
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を駆動する。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
ところで、先にも説明したように、沸き上げ運転開始時から圧縮機１を最大回転数として駆動し続けると、熱交換部３が高温となりその状態が継続されることになる。その一方で、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、貯湯タンク７０内部の水の熱容量が大きいことに起因して、貯湯タンク７０内の水温は熱交換部３の温度に見合うだけ上昇しない。
【００３７】
これにより、熱交換部３における凝縮圧力が高圧となる状態が続くことになり、その結果、圧縮機１の運転負荷が増大して圧縮機１での消費電力が増大するため、冷媒回路１０の運転効率が低下して沸き上げ運転の効率低下を招くおそれがある。
【００３８】
そこで、このヒートポンプ式給湯装置１００では、沸き上げ運転の開始時は、圧縮機１の起動制御として、図２のタイミングチャートに示すように、まず圧縮機１を例えば２０ｒｐｓ程度の低い回転数（本実施形態の所定回転数に相当する出発回転数）で起動し、その後、水温センサ５８で検出される貯湯タンク７０内の水温の上昇に応じて圧縮機１の回転数を段階的に上昇させるようにしている（この圧縮機１の起動制御の詳細については、例えば特開２０１３−１５５９９１号公報参照）。
【００３９】
このような圧縮機１の起動制御によれば、熱交換部３の運転が高温状態のまま継続する、すなわち凝縮圧力が高い状態での運転が継続されるのが防止されることから、圧縮機１の消費電力の増大を防ぐことができる。
【００４０】
しかしながら、外気温度が低い環境で圧縮機１を起動するとき、圧縮機１から吐出される高圧側の冷媒温度と圧縮機１自体の温度（例えば、密閉容器の温度）の温度差であるΔＴが小さい場合、圧縮機１の運転は、冷媒が冷凍機油に多く溶け込んでいる状態での駆動、いわゆる寝込み駆動となって冷凍機油が冷媒回路内に大量に吐出される等、圧縮機の信頼性が損なわれるおそれがある。
【００４１】
特に、上記の起動制御として、沸き上げ運転の開始時に圧縮機の回転数を低い回転数から段階的に上昇させる方法によると、圧縮機の回転数が高くなるまで時間がかかり、圧縮機１から吐出される高圧側の冷媒温度が高くなって上記温度差ΔＴが大きくなるまでには時間がかかるため、上記寝込み駆動による問題（冷凍機油の冷媒回路への流出）が発生する可能性が高くなる。
【００４２】
そこで、本発明では、外気温度センサ５２にて検出される外気温度に応じて、上記起動制御を行う前の起動前制御として、圧縮機１を起動制御時の出発回転数よりも高い回転数で所定時間駆動することにより、上記温度差ΔＴが小さい状態での運転を回避して圧縮機１の信頼性を確保するようにしている。
【００４３】
図２のタイミングチャートを参照して、起動前制御とは、沸き上げ運転時に圧縮機１の回転数を低い回転数（出発回転数）から段階的に上昇させる起動制御の前に行う制御である。
【００４４】
その具体例として、外気温度Ｔｏに応じて設定される起動前制御時における圧縮機１の回転数およびそのホールド時間、起動制御時の出発回転数を図３に示す。なお、図３に記載の圧縮機回転数、ホールド時間および出発回転数は、予め試験等を行って求められているものであり、寝込み駆動とならないことが確認されているものである。
【００４５】
これによると、制御手段６０は、ユーザーからの指示もしくは貯湯タンク７０内の湯温低下により、沸き上げ運転を開始するにあたって、
外気温度Ｔｏが１０℃以上の場合（１０℃≦Ｔｏ）には、起動前制御は行わず出発回転数を２５ｒｐｓとして起動制御を実行する。
【００４６】
外気温度Ｔｏが０℃以上１０℃未満の場合（０℃≦Ｔｏ＜１０℃）には、起動前制御として圧縮機１を回転数３０ｒｐｓで１０分間駆動し、その後、出発回転数を２５ｒｐｓとして起動制御を実行する。
【００４７】
外気温度Ｔｏが−１０℃以上０℃未満の場合（−１０℃≦Ｔｏ＜０℃）には、起動前制御として圧縮機１を回転数５０ｒｐｓで１５分間駆動し、その後、出発回転数を３０ｒｐｓとして起動制御を実行する。
【００４８】
外気温度Ｔｏが−２０℃以上−１０℃未満の場合（−２０℃≦Ｔｏ＜−１０℃）には、起動前制御として圧縮機１を回転数７０ｒｐｓで１５分間駆動し、その後、出発回転数を４０ｒｐｓとして起動制御を実行する。
【００４９】
外気温度Ｔｏが−２０℃未満の場合（Ｔｏ＜−２０℃）には、起動前制御として圧縮機１を回転数９０ｒｐｓで２０分間駆動し、その後、出発回転数を５０ｒｐｓとして起動制御を実行する。
【００５０】
このように、外気温度が所定温度（上記の例では１０℃）よりも低い場合に起動前制御を行うことにより、寝込み駆動による運転が回避され、圧縮機の信頼性を確保することができる。
【００５１】
このように、本発明では、外気温度が低く上記温度差ΔＴが取れない条件下では、圧縮機を起動制御する前に、起動前制御として、起動制御時の出発回転数よりも高い回転数で所定時間駆動し、上記温度差ΔＴが確保されたら（５℃＜ΔＴ）、省エネルギー性に優れた起動制御を行う。これにより、いわゆる寝込み駆動による運転が回避され、圧縮機の信頼性を確保することができる。
【符号の説明】
【００５２】
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】
2018136099.tif 000003
【図２】
2018136099.tif 000004
【図３】
2018136099.tif 000005