(57)【要約】【課題】除霜運転による沸き上げ性能の低下を防止することができるヒートポンプ式給湯機を提供する。【解決手段】本発明のヒートポンプ式給湯機は、大気と冷媒とを熱交換する蒸発器と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、蒸発器温度を検出する蒸発器温度検出手段とを備え、前記蒸発器に付着した霜を取り除く除霜運転を有するヒートポンプ式給湯機において、外気温度と蒸発器温度との相関関係から求めた第１の条件式および第２の条件式を有し、前記第１の条件式および前記第２の条件式が形成する領域によって除霜運転の開始を判断し、２回目以降の除霜運転を行う時には、前回の除霜運転時間に応じて第１の条件式および第２の条件式に補正係数を加えることによって第１の条件式および第２の条件式を補正し、除霜運転の開始の判断領域を補正する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気と冷媒とを熱交換する蒸発器と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、蒸発器温度を検出する蒸発器温度検出手段とを備え、前記蒸発器に付着した霜を取り除く除霜運転を有するヒートポンプ式給湯機において、外気温度と蒸発器温度との相関関係から求めた第１の条件式および第２の条件式を有し、前記第１の条件式および前記第２の条件式が形成する領域によって除霜運転の開始を判断し、２回目以降の除霜運転を行う時には、前回の除霜運転時間に応じて第１の条件式および第２の条件式に補正係数を加えることによって第１の条件式および第２の条件式を補正し、除霜運転の開始の判断領域を補正することを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
【請求項２】
前回の除霜運転時間が所定の時間よりも長かった場合、補正係数は正の定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機。
【請求項３】
前回の除霜運転時間が所定の時間よりも短かった場合、補正係数は負の定数である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機。
【請求項４】
除霜運転の上限値および下限値を設け、第１の条件式および上限値よりも下領域、かつ第２の条件式および下限値よりも上領域に外気温度および蒸発器温度が位置する時には、除霜開始条件を満足すれば除霜運転を開始し、第１の条件式および上限値よりも下領域、かつ第２の条件式および下限値よりも下領域に外気温度および蒸発器温度が位置する時には、無条件で除霜運転を開始することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯機。
【請求項５】
除霜運転開始条件は、蒸発器温度の下降時において、所定の変化率以上となることを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ式給湯機。
【請求項６】
除霜運転開始条件は、第１の条件式および上限値よりも下領域に所定時間継続して位置することを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ式給湯機。
【請求項７】
高圧側の冷媒圧力が、臨界圧力以上となることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯機。
【請求項８】
使用する冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項７に記載のヒートポンプ式給湯機。
【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機の除霜運転に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的にヒートポンプ式給湯機の蒸発器は、冷媒が大気の熱を吸熱するため、蒸発器温度は低温となる。そのため、外気温度が低い時（例えば、２℃〜５℃以下）には、蒸発器の温度がゼロ以下となり、水分が介在する場合には、霜となり蒸発器に付着してしまう。霜付着後に運転を継続すると、さらに霜が成長してしまい蒸発器での熱交換能力を阻害し、加熱能力を徐々に低下させてしまうために、蒸発器に着霜した霜を融解する除霜運転を行い、霜の成長を防止していた。従来の除霜運転では、水冷媒熱交換器の水循環を停止し、膨張弁の開度を開くことで蒸発器にホットガスを送り、蒸発器の霜を溶かしていた。しかしながら、水の循環を止めて除霜運転を行っているため、加熱能力ゼロで運転していることと等しく、通常沸き上げ運転復帰時においてすぐに高温出水を行うことができない。つまり除霜運転が沸き上げ運転時間の長時間化を一因となっており、除霜運転を効率よく行うことが、沸き上げ運転時間を短縮する重要な課題となる。
【０００３】
つまり、着霜現象が生じる全ての外気温度条件下において、除霜運転開始時に蒸発器の着霜量を一定に制御することが重要であり、このような課題を解決するために、従来の除霜運転は、外気温度Ｘと蒸発器温度Ｙとの関係を示す第１の条件式と第２の条件式とを設け、第１の条件式の下領域に蒸発器温度があり、所定の除霜運転開始条件を満たしていれば除霜運転を開始、もしくは蒸発器温度が第２の条件式の下領域にあった場合は除霜運転を開始していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図７は、従来の除霜運転の開始判定を示す概念図である。図７において、第１の条件式：Ｙ（蒸発器温度）＝ａ・Ｘ（外気温度）＋ｂ、第２の条件式：Ｙ（蒸発器温度）＝ａ・Ｘ（外気温度）＋ｃ、Ｔａ（除霜運転上限温度）、Ｔｂ（除霜運転下限温度）で囲まれた領域Ａ・Ｂ・Ｃ内の蒸発器温度と外気温度の検出値に応じて、除霜運転を行う／行わないを判定していた。特許文献１においては、領域Ａ：除霜運転を行わない、領域Ｂ：条件によっては除霜運転を行う、領域Ｃ：無条件に除霜運転を行う、としている。従来の第１の条件式および第２の条件式の定め方について図８を用いて説明する。なお、外気温度が高く、着霜の内状態である蒸発器温度がＴａ以上の時には除霜運転を行わず、不必要な除霜運転を防ぐことができる。また、蒸発器温度がＴｂ以下の時には、確実に除霜運転を行うこととしており、外気温度検出手段が霜または雪で覆われ適切に外気温度を取得できなくなった場合においても、外気温度を無視して除霜運転を行うので、着霜が進行した状態が続くことを防ぐことができる。
【０００５】
図８は、給湯加熱能力が最大値から低下した状態での蒸発器温度と外気温度との相関関係を示した相関図である。図８に示すように、給湯加熱能力が最大値から低下した状態（例えば、最大加熱能力の９０％）での蒸発器温度と外気温度の間には、略線形的な相関があることが分かる。しかしながら圧縮機の回転数、入水温度、沸き上げ温度、ファン回転数、外湿度などの影響により蒸発器温度と外気温度の略線形的な関係は変動することも分かっているため、単純に略線形的な関係のみを除霜運転を開始させる条件式として用いるだけでは、必ずしも適切なタイミングで除霜運転に入ることができない。そこで、蒸発器温度の上下に余裕を持たせることで略線形的な関係Ｙ＝ａ・Ｘの上下に平行に移動させたものを第１の条件式、第２の条件式とし、第１の条件式：Ｙ＝ａ・Ｘ＋ｂ、第２の条件式：Ｙ＝ａ・Ｘ＋ｃとした。これらの条件式の中には、圧縮機の回転数によって生じる蒸発器の圧力損失などを考慮した結果を係数に反映させ、除霜運転の精度を高めている。
【特許文献１】特開２００６−１４５０８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の除霜運転では、外気温度Ｘと蒸発器温度Ｙとの１次式からなる第１の条件式と第２の条件式とをパラメータとして除霜運転を行う／行わないの判断を行っており、設定したパラメータのずれが除霜運転を行うタイミングに影響を与えるので、設定パラメータが適切でなかった場合や環境条件によっては必ずしも適切なタイミングで除霜運転を実行できないという課題を有していた。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、除霜運転による沸き上げ性能の低下を防止することができるヒートポンプ式給湯機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ式給湯機は、大気と冷媒とを熱交換する蒸発器と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、蒸発器温度を検出する蒸発器温度検出手段とを備え、前記蒸発器に付着した霜を取り除く除霜運転を有するヒートポンプ式給湯機において、外気温度と蒸発器温度との相関関係から求めた第１の条件式および第２の条件式を有し、前記第１の条件式および前記第２の条件式が形成する領域によって除霜運転の開始を判断し、２回目以降の除霜運転を行う時には、前回の除霜運転時間に応じて第１の条件式および第２の条件式に補正係数を加えることによって第１の条件式および第２の条件式を補正し、除霜運転の開始の判断領域を補正することにより、前回の除霜運転時間から着霜量が適切かどうかを判断することができ、次回の除霜運転を行うときに前回の除霜運転時間から定まる係数で補正することができるので、適切なタイミングで除霜運転を行わせることができる。また、第２の条件式を設けることで、何らかの影響で着霜判断ができなかった場合においても除霜運転を行うので、着霜の進行を防止することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のヒートポンプ式給湯機は、除霜運転による沸き上げ性能の低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
第１の発明のヒートポンプ式給湯機は、大気と冷媒とを熱交換する蒸発器と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、蒸発器温度を検出する蒸発器温度検出手段とを備え、前記蒸発器に付着した霜を取り除く除霜運転を有するヒートポンプ式給湯機において、外気温度と蒸発器温度との相関関係から求めた第１の条件式および第２の条件式を有し、前記第１の条件式および前記第２の条件式が形成する領域によって除霜運転の開始を判断し、２回目以降の除霜運転を行う時には、前回の除霜運転時間に応じて第１の条件式および第２の条件式に補正係数を加えることによって第１の条件式および第２の条件式を補正し、除霜運転の開始の判断領域を補正することにより、前回の除霜運転時間から着霜量が適切かどうかを判断することができ、次回の除霜運転を行うときに前回の除霜運転時間から定まる係数で補正することができるので、適切なタイミングで除霜運転を行わせることができる。また、第２の条件式を設けることで、何らかの影響で着霜判断ができなかった場合においても除霜運転を行うので、着霜の進行を防止することができる。
【００１１】
第２の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第１の発明において、前回の除霜運転時間が所定の時間よりも長かった場合、補正係数は正の定数であることにより、除霜運転時間が所定の時間よりも長いため着霜量が多いと判断し、除霜運転に入りやすくなるように条件式が補正されるので、適切なタイミングで除霜運転を行うことができる。
【００１２】
第３の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第１または第２の発明において、前回の除霜運転時間が所定の時間よりも短かった場合、補正係数は負の定数であることにより、除霜運転時間が所定の時間よりも短いため着霜量が少ないと判断し、除霜運転に入りやすくなるように条件式が補正されるので、適切なタイミングで除霜運転を行うことができる。
【００１３】
第４の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第１〜第３の発明において、除霜運転の上限値および下限値を設け、第１の条件式および上限値よりも下領域、かつ第２の条件式および下限値よりも上領域に外気温度および蒸発器温度が位置する時には、除霜開始条件を満足すれば除霜運転を開始し、第１の条件式および上限値よりも下領域、かつ第２の条件式および下限値よりも下領域に外気温度および蒸発器温度が位置する時には、無条件で除霜運転を開始することにより、上限値よりも上回っていれば除霜運転を行わないので、外気温度が高く、着霜の無い状態での除霜運転を防止することができ、下限値よりも下回っていれば、外気温度検出手段であるサーミスタが霜や雪などで覆われ、適切に外気温度が取得できなくても、外気温度を無視し、蒸発器温度が下限値以下になると除霜運転を行うので、着霜が進行した状態が続くことを防止することができ、適宜除霜運転を行うことができる。
【００１４】
第５の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第１〜４の発明において、除霜運転開始条件は、蒸発器温度の下降時において、所定の変化率以上となることにより、蒸発器が霜によって目詰まりしたかどうかを判断することができるので、より適切な着霜状態を把握することができる。
【００１５】
第６の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第１〜４の発明において、除霜運転開始条件は、第１の条件式および上限値よりも下領域に所定時間継続して位置することにより、外湿度が低く、蒸発器が目詰まりしたかどうかの判断を蒸発器温度の変化率によって判断できない場合においても、ある程度着霜が進行している第１の条件式の下領域において一定時間経過した後、除霜運転を行うので、着霜が進行した状態が続くことを防止することができ、除霜運転を行うことができる。
【００１６】
第７の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第１〜第６の発明において、高圧側の冷媒圧力が、臨界圧力以上となることにより、水に熱を奪われて冷媒温度が低下しても、凝縮することがないため、水―冷媒熱交換器全域で冷媒と水との間に温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換率を高くできる。
【００１７】
第８の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第７の発明において、使用する冷媒が二酸化炭素であることにより、比較的安価でかつ安定な二酸化炭素を冷媒に使用することにより、製品コストを抑えるとともに、信頼性を向上させることができる。また、二酸化炭素はオゾン破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数も代替冷媒ＨＦＣ−４０７Ｃの約１７００分の１と非常に小さいため、地球環境に優しい製品を提供できる。
【００１８】
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。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態におけるヒートポンプ式給湯機の要部構成図である。図１において、本実施の形態におけるヒートポンプ式給湯機のヒートポンプ回路は、蒸発器６１、圧縮機６２、水冷媒熱交換器６５、膨張弁６３を冷媒配管で環状に接続して構成される。そして送風機６４によって蒸発器６１に風が流通され、大気と冷媒とが熱交換される。沸き上げ運転時は、長時間運転されると蒸発器６１の温度は低下し、低外気温などの条件によ
り霜が発生・成長する。このとき圧縮機６２の運転回転数が高い場合には、蒸発器６１の入口／出口間での冷媒の圧力損失が大きく、出口部の冷媒温度が大きく低下し、霜の成長が他の部分よりも早くなる。霜が徐々に成長するに従い、蒸発器６１の通風抵抗が大きくなるため熱交換量が少なくなり、給湯加熱能力が低下する。本実施の形態におけるヒートポンプ式給湯機は、サーミスタ（蒸発器温度検出手段）６６、サーミスタ（外気温度検出手段）６７の検出値によりマイクロコンピュータ（電子制御装置）６８で着霜を判断し、除霜運転を開始している。
【００２０】
以上のように構成されたヒートポンプ式給湯機について、以下、その動作及び作用を説明する。なお、初回の除霜運転に関しては、従来の方法と同様であり、詳細な記載は省略する。なお、従来の方法において、最大加熱能力からの能力低下がほとんど無い時に除霜運転を入れる場合、着霜量の少ない状況で除霜運転が頻繁に行われ、沸き上げ運転時間に対して除霜運転時間の割合が大きくなり、沸き上げ時間が短くなるため、累積給湯加熱能力が低下するとともに、除霜運転ごとに蒸発器の温度を上げるためのエネルギーが必要となるので、無駄なエネルギーを消費することになる。一方、最大加熱能力からの能力低下が大きい時に除霜運転を入れる場合、１サイクルあたりの沸き上げ運転時間は長くなるが、着霜による給湯加熱能力の低下が生じ、無駄なエネルギーを消費するだけでなく、霜が成長しているので、除霜運転時間が長くなり、中温水の発生を助長する。よって、バランスを考慮し、最大加熱能力からある一定の能力が落ちた時の蒸発器温度と外気温度との相関関係から条件式を求めなければならない。本実施の形態においては、最大加熱能力の９０％時における蒸発器温度と外気温度の相関関係から第１の条件式：Ｙ（蒸発器温度）＝ａ・Ｘ（外気温度）＋ｂ、第２の条件式：Ｙ（蒸発器温度）＝ａ・Ｘ（外気温度）＋ｃの係数ａ、ｂ、ｃを算出しており、これは蒸発器が目詰まりするポイントとほぼ一致する。また圧縮機回転数、入水温度、沸き上げ温度、ファン速などの影響を考慮して係数を算出してもよく、本実施の形態では１次式で置き換えたが、２次式もしくはその他の多項式で置き換えても構わない。
【００２１】
図２、図３は、本実施の形態における除霜運転開始の判断領域を示す図である。つまり２回目以降の除霜運転をする／しないを判断する領域を示すものである。図２、図３に示すように、第１の条件式および第２の条件式は補正係数ｅによって補正されている。なお図２は補正係数ｅが正の定数で補正された時の判断領域を示す図、図３は補正係数ｅが負の定数で補正された時の判断領域を示す図である。補正係数ｅは、前回の除霜運転が所定時間よりも長いか短いかによって決定され、所定時間よりも除霜運転時間が長い場合は、補正係数ｅは正の定数、所定時間よりも除霜運転時間が短い場合は、補正係数ｅは負の定数とする。つまり所定時間よりも除霜運転時間が長い場合は、着霜量が多いと判断し、より除霜運転を開始しやすくするため条件を甘く設定し、所定時間よりも除霜運転時間が短い場合は、着霜量が少ないと判断し、除霜運転を遅らせてもよいため条件を厳しく設定するものである。このように補正することで、２回目以降の除霜運転において、適切なタイミングで除霜運転を開始させることができる。
【００２２】
図４は、本実施の形態における除霜運転開始の制御フローチャートである。図４において沸き上げ運転が行われるとステップ４１において領域Ａ（図２、３参照）に位置するかどうかを判断し、領域Ａにいれば沸き上げ運転を継続し、領域Ａにいなければステップ４２に進む。
【００２３】
ステップ４２において領域Ｂに位置するかどうかを判断し、領域Ｂにいればステップ４３に進み、領域Ｂにいなければ除霜運転を開始する。
【００２４】
ステップ４３において蒸発器温度の変化率の絶対値｜△Ｔ｜が所定の値△Ｔｉよりも大きく、かつ蒸発器温度の変化率△Ｔがマイナスであるかどうかを判断し、条件を満足すれ
ば除霜運転を開始し、条件を満足しなければステップ４４に進む。
【００２５】
ステップ４４において領域Ｂに位置している継続時間が所定時間（例えば、２０分）経過したかどうかを判断し、条件を満足すれば除霜運転を開始し、条件を満足しなければステップ４２に進む。
【００２６】
ここでステップ４３について詳細に説明する。図５は、縦軸に給湯加熱能力・蒸発器温度、横軸に運転時間をプロットした通常時における給湯加熱能力・蒸発器温度と運転時間の相関図である。図５において、あるポイントから給湯加熱能力および蒸発器温度が急激に落ち込んでいることが分かるが、これは蒸発器が霜によって目詰まりし始めていることを示しており、蒸発器温度の変化率を除霜運転開始の判定条件とすることで精度よく除霜運転を行うことができる。ただし、領域Ａに位置するときに、この条件で除霜運転を開始してしまうと、何らかの要因で蒸発器温度が急激に落ち込んだ場合、着霜していない、もしくはほとんど着霜していない場合においても除霜運転を開始してしまうために、本実施の形態では領域Ｂにおける除霜運転の開始条件としている。
【００２７】
またステップ４４について詳細に説明する。図６は、縦軸に給湯加熱能力・蒸発器温度、横軸に運転時間をプロットした低湿度時における給湯加熱能力・蒸発器温度と運転時間の相関図である。図６において、外湿度が低湿度（例えば、７０％以下）の時における給湯加熱能力・蒸発器温度の時間変化を示す。図６に示すように、低湿度時においては、急激な蒸発器温度の減少を見ることができないため、ステップ４３における蒸発器温度の変化率を、除霜運転開始の判断材料とすることができない。しかしながら、領域Ｂに位置するときにはある程度着霜していることが予想されるため、このような状態が長時間継続することは、累積給湯加熱能力の低下につながり好ましくない。そこで、領域Ｂに位置し、ある所定の時間（例えば、２０分）が経過した時に除霜運転を開始することとした。なお、所定の時間は累積給湯加熱能力が最大になるように決定すればよい。
【００２８】
以上のように、前回の除霜運転時間に合わせて、次回の除霜運転開始条件を設定することで、適切なタイミングで除霜運転を開始することができるので、不必要な除霜運転をすることがなく、沸き上げ時間を長時間化させることを防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
以上のように、本発明にかかるヒートポンプ式給湯機における除霜運転開始の判定制御は、貯湯タンクとヒートポンプサイクルが一体に構成された一体型ヒートポンプ式給湯機、水―冷媒熱交換器で加熱した湯をそのまま出湯する瞬間湯沸し運転にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯機の構成図
【図２】実施の形態１における除霜運転の開始判断領域（補正係数ｅ＞０で補正）図
【図３】実施の形態１における除霜運転の開始判断領域（補正係数ｅ＜０で補正）図
【図４】実施の形態１における除霜運転の開始判断制御フローチャート
【図５】実施の形態１における通常時における給湯加熱能力・蒸発器温度と運転時間の相関図
【図６】実施の形態１における低湿度時における給湯加熱能力・蒸発器温度と運転時間の相関図
【図７】従来の形態における除霜運転の開始判断領域図
【図８】従来の形態における蒸発器温度と外気温度との相関図
【符号の説明】
【００３１】
６１  蒸発器
６２  圧縮機
６３  膨張弁
６４  送風機
６５  水冷媒熱交換器
６６  サーミスタ（蒸発器温度検出手段）
６７  サーミスタ（外気温度検出手段）
６８  マイクロコンピュータ（電子制御装置）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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