(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機からの二酸化炭素冷媒を給湯用の水と熱交換させて、当該水を湯にする放熱器と、該放熱器からの二酸化炭素冷媒を膨張させる膨張弁と、該膨張弁からの二酸化炭素冷媒を機外空気と熱交換させて蒸発させる蒸発器とを有するヒートポンプ給湯機において、
前記蒸発器の温度を検出する蒸発器温度検出器と、
前記圧縮機の吸気側温度を検出する吸気側温度検出器と、
前記圧縮機の吐出側温度を検出する吐出側温度検出器と、
前記蒸発器温度検出器、吸気側温度検出器及び吐出側温度検出器からの測定値に基づき、ヒートポンプサイクルが超臨界サイクルをなす場合、前記圧縮機の状態量を冷媒過熱蒸気の状態方程式を参照して算出し、該算出した圧縮機状態量がサイクル効率を最適にする最適圧縮状態量となるように、前記圧縮機の運転周波数を演算して当該圧縮機を制御する演算制御部とを有することを特徴とするヒートポンプ給湯機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒として二酸化炭素を用いてヒートポンプ運転を行った際に、サイクル効率が最適になるように圧縮機の運転条件を演算して制御するようにしたヒートポンプ給湯機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、給湯機としてはガスや電気ヒータを熱源とするものが大勢的であるが、近年におけるエネルギー効率利用の要望やガスや電気ヒータによる火災防止等の観点からヒートポンプ給湯機が提案されている。
【０００３】
このようなヒートポンプ給湯機は、図３に示すような冷媒回路が一般的に用いられ、冷媒を圧縮する圧縮機１１１、該圧縮機１１１からの冷媒と給湯用の水とを熱交換させて冷媒を凝縮させる凝縮器１１２、冷媒を膨張させる膨張弁１１３、冷媒と機外空気とを熱交換させて冷媒を蒸発させる蒸発器１１４等を備えている。
【０００４】
このような構成で、冷媒は圧縮機１１１で圧縮され高温高圧になって凝縮器１１２に供給される。凝縮器１１２には給湯用の水が循環しているので、冷媒の熱はこの水を加熱するために用いられる。
【０００５】
水を加熱して熱を失った冷媒は凝縮して膨張弁１１３で絞られ、蒸発器１１４で機外空気と熱交換し蒸発して圧縮機１１１に戻るようになる。
【０００６】
このとき、冷媒は機外空気から熱を汲上げるために、電気ヒータ等による給湯機に比べエネルギー効率が高くなっている。
【０００７】
このような冷媒回路では、冷媒は凝縮器１１２で殆ど凝縮し、また蒸発器１１４で殆ど蒸発して、かつ、その際の過冷却度及び過熱度は小さいので、例えば蒸発器１１４の蒸発温度や凝縮機１１２の凝縮温度をコイルにサーミスタを取付けて管壁面温度を検出することにより概略的なサイクル過程を知ることができる。
【０００８】
そこで、所定のサイクル効率を達成するために蒸発器１１４の蒸発温度等を検出して、圧縮機１１１の運転周波数等を制御している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような制御が可能なのは、例えばＲ−２２のようなＨＣＦＣ冷媒であり、かかるＨＣＦＣ冷媒はオゾン破壊係数が大きいため全廃方向で検討が進み、その代替冷媒としてＨＦＣ系冷媒が上げられているが、当該ＨＦＣ系冷媒は温暖化指数が大きいことから二酸化炭素等の自然冷媒が注目されている。
【００１０】
ところが、二酸化炭素冷媒を用いた場合には超臨界サイクルをなすため、上述した凝縮器１１２のコイル温度だけではサイクル過程を同定することができず、従来の制御方法が用いることができない問題があった。
【００１１】
そこで、本発明は、二酸化炭素冷媒を用いた場合でも簡単、かつ、安価な構成でサイクル効率の最適化が図れるように圧縮機を運転制御できるようにしたヒートポンプ給湯機を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機からの二酸化炭素冷媒を給湯用の水と熱交換させて、当該水を湯にする放熱器と、該放熱器からの二酸化炭素冷媒を膨張させる膨張弁と、該膨張弁からの二酸化炭素冷媒を機外空気と熱交換させて蒸発させる蒸発器とを有するヒートポンプ給湯機において、前記蒸発器の温度を検出する蒸発器温度検出器と、前記圧縮機の吸気側温度を検出する吸気側温度検出器と、前記圧縮機の吐出側温度を検出する吐出側温度検出器と、前記蒸発器温度検出器、吸気側温度検出器及び吐出側温度検出器からの測定値に基づき、ヒートポンプサイクルが超臨界サイクルをなす場合、前記圧縮機の状態量を冷媒過熱蒸気の状態方程式を参照して算出し、該算出した圧縮機状態量がサイクル効率を最適にする最適圧縮状態量となるように、前記圧縮機の運転周波数を演算して当該圧縮機を制御する演算制御部とを有することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態を図を参照して説明する。図１は、本発明にかかるヒートポンプ給湯機の回路図の一例で、自然冷媒である二酸化炭素冷媒が用いられる冷媒回路１０と、給湯のための貯湯、給湯、風呂のお湯張り、追焚等を行う給湯回路２０とを主要構成としている。
【００１４】
なお、本実施の形態においては、外部から給水される水として水道水を想定して説明するが本発明はこれに限定されるものではないことを敢て付言する。
【００１５】
冷媒回路１０は、冷媒を圧縮する圧縮機１１、冷媒と貯湯や風呂の追焚用の水と熱交換させる放熱器１２、該放熱器１２からの冷媒を膨張させる膨張弁１４、該膨張弁１４からの冷媒を機外空気と熱交換させる蒸発器１５、放熱器１２からの冷媒と圧縮機１１に戻る冷媒とを熱交換させる内部熱交換器１３、蒸発器１５が着霜した際に圧縮機１１からの高温冷媒を当該蒸発器１５に循環させて除霜させる除霜用弁１８、回路を循環する冷媒の圧力が異常に高くなったときに冷媒を放出させて機器の破損等を防止する安全弁１７等を有している。
【００１６】
また、冷媒回路１０には、蒸発器１５のコイル温度を検出する蒸発器温度検出器４２、圧縮機１１の吸気側温度を検出する吸気側温度検出器４３、圧縮機１１の吐出側温度を検出する吐出側温度検出器４１及びこれらの検出結果に基づき圧縮機１１の運転周波数等を設定して、常にサイクル効率が最適になるように制御する演算制御部３７が設けられている。
【００１７】
なお、放熱器１２は、冷媒が循環する冷媒用伝熱管１２ａ、貯湯用の水が循環する貯湯用伝熱管１２ｂ、追焚用の水（風呂の湯）が循環する追焚用伝熱管１２ｃ等により形成されている。
【００１８】
給湯回路２０は、お湯を貯留する断熱構造の貯湯タンク２１、該貯湯タンク２１の底部から水を放熱器１２の貯湯用伝熱管１２ｂを介して循環させる貯湯用ポンプ２２、貯湯用伝熱管１２ｂで冷媒と熱交換する水量を調整する流量調整弁２３等を有している。
【００１９】
また給湯回路２０は、貯湯タンク２１の頂部に設けられて当該貯湯タンク２１に貯留されている湯を水道水と混合させて所定温度にして取水させる給湯混合弁２５、ヒートポンプ給湯機が運転中は常時開弁していて、給湯を行うことにより貯湯タンク２１の水量が減少するとその分を水道水が貯湯タンク２１の底部に設けられた給水管２８から補給されるようにする給水弁２６、貯湯タンク２１の湯を排水する際に開弁する排水弁２７を有している。
【００２０】
さらに、給湯回路２０には、カランやシャワー等の湯を利用する際の取水口をなす取水器３２に給湯を行うか否かを制御する給湯制御弁２９、風呂のお湯張りを行うか否かを制御する湯張制御弁３０、風呂の追焚を行う際に湯船３３の湯を追焚用伝熱管１２ｃを介して循環させる追焚用ポンプ３１等を有している。
【００２１】
そして、このようなヒートポンプ給湯機は、例えば風呂場に設置されるコントローラ３４や台所に設置されるコントローラ３５により運転指示が行われて貯湯、給湯、風呂のお湯張り、風呂の追焚動作が行われる。
【００２２】
このようなヒートポンプ給湯機の運転（以下、貯湯運転という）は、以下の方法により蒸発器温度検出器４２、吸気側温度検出器４３、吐出側温度検出器４１からの検出結果に基づき演算制御部３７が最適なサイクル効率になるように圧縮機１１の運転周波数等の運転条件が演算されて制御される。
【００２３】
この制御方法を図２に示す温度（Ｔ）−エントロピー（ｓ）線図を参照しながら説明する。なお、図中Ａ→Ｂは圧縮過程、Ｂ→Ｃは放熱過程、Ｃ→Ｄは膨張過程、Ｄ→Ａは蒸発過程を示している。なお、Ｅ→Ａは蒸発器での過熱度を示している。
【００２４】
蒸発器温度検出器４２により蒸発器１５の入口温度を検出することにより状態Ｄの温度を求める。冷媒は蒸発器１５で気液混合状態をとるため、当該蒸発器１５では状態Ｄから状態Ｅに等温変化する。
【００２５】
このとき外気温度等により冷媒は蒸発器１５や冷媒配管で過熱状態となるので、状態Ｅと状態Ａとが異なる。
【００２６】
この状態Ｅから状態Ａへの変化は等圧変化であるので、吸気側温度検出器４３により圧縮機１１の吸気側温度を検出することにより状態Ａを求めることができる。
【００２７】
圧縮機１１での状態変化はポリトロープ変化であり、当該圧縮機１１の圧縮特性が予め既知であるとすると、当該圧縮機１１から吐出された冷媒の圧力又は温度の内のいずれか１つが検出されると状態Ｂが求まる。
【００２８】
なお、圧縮機１１の圧縮特性は運転周波数に依存するので、ここでは予め設定された標準値（例えば周波数３０Ｈｚとする）を用いる。
【００２９】
そこで、圧縮機１１から吐出される冷媒の温度を吐出側温度検出器４１により検出して状態Ｂを求める。
【００３０】
状態Ｂから状態Ｃの変化は上述したように等圧変化であるので、状態Ｂを通る等圧曲線に沿って状態変化が起る。この等圧変化に従い放熱した結果、冷媒の温度が給水温度（例えば２０℃＝２９３Ｋ）になったとすると、温度状態Ｃが決る。
【００３１】
状態Ｃから状態Ｄへの変化は断熱変化であるので、状態Ｃと状態Ｄとを結ぶ線が縦軸と並行になる。これにより、状態Ｄが求まる。
【００３２】
以上により、圧縮機１１の運転周波数を３０Ｈｚとした際のサイクルが描けるようになるので、当該周波数を変化させて最大のサイクル効率が得られる周波数を演算して求めて、その周波数で圧縮機１１を運転する。
【００３３】
次に、このような制御の下でのヒートポンプ給湯機の貯湯運転等について説明する。通常、貯湯タンク２１は常に満水状態を維持するように設定されており、このため給水弁２６は開弁している。但し、メンテナンス等を行うために貯湯タンク２１内の水を排水するような場合には、当該給水弁２６を閉じ排水弁２７を開弁する。
【００３４】
貯湯タンク２１への給水は、給水弁２６を介して水道水が貯湯タンク２１の底部に設けられている給水管２８から当該貯湯タンク２１内の水を攪拌しないように静かに行われる。
【００３５】
そして、貯湯用ポンプ２２が運転されると共に流量調整弁２３の開弁度が調整され、圧縮機１１の運転が開始する。
【００３６】
この際の圧縮機１１の回転数や開弁度は、後述するように外気温度や給水される水道水の温度等に基づき制御される。
【００３７】
圧縮機１１の運転が開始すると、当該圧縮機１１で圧縮されて高温高圧になった冷媒は、放熱器１２の冷媒用伝熱管１２ａに供給される。
【００３８】
この放熱器１２の貯湯用伝熱管１２ｂには、貯湯タンク２１からの水が循環しており、また追焚を行う場合には風呂の湯が循環しているので、冷媒はこれらの水と熱交換して内部熱交換器１３に供給される。
【００３９】
なお、放熱器１２を流動する冷媒と水とは、対向流なすように流動している。図１において実線矢印は冷媒の循環方向を示し、点線矢印は貯湯タンク２１からの水の循環方向及び湯船からの湯の循環方向を示している。
【００４０】
このように対向流で循環させることにより、放熱器１２での循環方向に沿った冷媒の温度勾配と水の温度勾配とが逆の温度勾配になって効率的に熱交換ができるようになっている。
【００４１】
また、追焚用伝熱管１２ｃは貯湯用伝熱管１２ｂより冷媒の循環方向に対して下流側に設けられている。これは、貯湯用の水を加熱するために必要な熱量が追焚をするために必要な熱量より大きいためである。
【００４２】
即ち、貯湯等の水を加熱する際には、貯湯タンク２１の底部に貯留されている水温が水道水と同じ温度で例えば１５℃であり、これを９０℃にする場合に必要な熱量に対して、風呂の追焚は例えば３０℃に冷めた湯を４５℃にするのに必要な熱量であるので、圧倒的に追焚の方が少ない熱量で済む。
【００４３】
また、入浴中に風呂の追焚を行う場合もあり、かかる場合に追焚用伝熱管１２ｃから湯船３３に戻る湯温が高すぎると火傷等危険があり、当該追焚用伝熱管１２ｃからの湯温が余り高くする必要がないためである。
【００４４】
但し、追焚運転を開始する状態は、通常入浴の準備が整っている場合が多く、このような状態で追焚が完了するまで時間を要することは利便性の観点から好ましくない。
【００４５】
そこで、本発明では追焚運転時には最大出力（例えば、給湯４ｋＷ、追焚き６．０ｋＷ）で運転するよう制御し、利便性の向上を図っている。
【００４６】
このようにして放熱器１２で熱交換した冷媒は内部熱交換器１３に供給され、当該内部熱交換器１３には圧縮機１１に戻る冷媒も循環しているので、放熱器１２からの冷媒はこの圧縮機１１に戻る冷媒を加熱して膨張弁１４に供給される。
【００４７】
これにより、放熱器１２から膨張弁１４を介して蒸発器１５に供給される冷媒の温度が下がり、蒸発器１５で機外空気と熱交換した際に当該機外空気から汲上げる熱量が増加すると共に、圧縮機１１に戻る冷媒は熱交換により熱回収して温度上昇する。これらの作用によりサイクル効率の改善が図られるようになっている。
【００４８】
膨張弁１４からの冷媒は蒸発器１５に供給され、上述したように機外空気と熱交換して蒸発して圧縮機１１に戻る。このとき、冷媒は気液混合状態であるので、液冷媒が圧縮機１１に戻って液圧縮等を起さないようにするために、アキュムレータ１６で気液分離が行われ、圧縮機１１にガス冷媒が戻るようにしている。
【００４９】
なお、冬季等のように外気温度が低く、湿度が高い状態で上述したサイクルを継続していると、蒸発器１５が着霜して冷媒と機外空気との熱交換効率が低下する場合がある。
【００５０】
このような場合には、膨張弁１４を閉じると共に除霜用弁１８を開いて冷媒の循環路を切換えて、圧縮機１１からの冷媒を除霜用弁１８、蒸発器１５、アキュムレータ１６、内部熱交換器１３に順次循環させる。
【００５１】
これにより圧縮機１１で圧縮されて高温になった冷媒は、蒸発器１５に供給されるので、当該蒸発器１５の温度が上昇して霜や氷が溶け、冷媒と機外空気との熱交換効率を回復させることが可能になる。
【００５２】
なお、何らかの理由により冷媒回路内の圧力が異常圧になることもあり得る。このような異常圧は、例えば冷媒配管の接続破損等の障害原因となるので、かかる障害が発生しないように安全弁１７が設けられて信頼性及び安全性を高めるようになっている。
【００５３】
以上のようにして貯湯用の水や追焚用の水が加熱される。貯湯用の水は、貯湯用伝熱管１２ｂで加熱された後、貯湯タンク２１の頂部から当該貯湯タンク２１内の水を攪拌しないようにして戻る。
【００５４】
従って、貯湯タンク２１内には温度が異なる湯が層をなして貯留されることになり、当該貯湯タンク２１内に設けられている図示しない温度検出器により貯湯タンク２１全体の水が所定温度になったことを検出すると貯湯運転が停止する。
【００５５】
但し、上述したように放熱器１２からの湯は貯湯タンク２１の頂部から戻り、また給湯は当該貯湯タンク２１の頂部に設けられた給湯混合弁２５を介して取水されるので、貯湯タンク２１全体が所定温度に達する前でも（給湯運転が完了する前でも）給湯が行えるようになっている。
【００５６】
貯湯タンク２１からの湯は給湯混合弁２５を介して取出され、給湯制御弁２９が開弁することによりシャワーやカラン等の取水器３２から給湯されるようになる。
【００５７】
また、湯張制御弁３０が開弁すると、貯湯タンク２１からの湯は、湯船に給湯されて風呂のお湯張りが行われる。
【００５８】
一方、風呂の追焚の場合には、湯張制御弁３０は閉じられて、追焚用ポンプ３１が動作する。これにより、湯船３３の湯が追焚用伝熱管１２ｃを介して循環するようになって追焚が行われる。
【００５９】
なお、本発明では、冷媒として二酸化炭素冷媒を用いているので、放熱器１２で加熱された水の温度は約９０℃にすることができ、従来のＲ−２２冷媒を用いる場合（約５０℃）に比べ高温にすることが可能になるので飲料用としても十分な温度の湯を得ることができる。
【００６０】
このような高温の湯をシャワー等に供給したり、風呂のお湯張りに用いると不都合な場合もあるので、このような場合には給湯混合弁２５により水道水と混合して所望の温度にした後給湯するようになっている。
【００６１】
また、風呂の追焚において、湯船３３の水が少なくなっているような場合には、貯湯タンク２１から不足分を給湯するようにし、その後追焚を行うようにしてもよい。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、蒸発器温度検出器、吸気側温度検出器及び吐出側温度検出器からの測定値に基づき、圧縮機の状態量がサイクル効率を最適にする最適圧縮状態量となるように、圧縮機の運転周波数を演算して当該圧縮機を制御する演算制御部を設けたので、３つの温度測定値によりサイクル効率の良い運転が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の説明に適用されるヒートポンプ給湯機の構成図である。
【図２】二酸化炭素を冷媒とする冷媒回路の温度（Ｔ）−エントロピー（ｓ）線図である。
【図３】従来の技術の説明に適用されるヒートポンプ給湯機の構成図である
【図１】
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【図２】
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【図３】
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