JP2005083691A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高効率で信頼性の高いヒートポンプ装置を提供する。
【解決手段】 ヒートポンプ装置において、圧縮機の異常検出手段と、圧縮機の異常復帰手段とを備えたことにより、圧縮機の圧縮異常（転覆）発生時にこれを検出して復帰することができるので、圧縮機の信頼性を向上しながら高効率なヒートポンプサイクル運転を行うことが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧縮機の異常検知手段、及び圧縮機の異常復帰手段を備えたヒートポンプ装置に関するものである。

従来のヒートポンプ装置としては、給湯器として使用される図２に示すものがある（特許文献１参照）。このヒートポンプ装置は、圧縮機１、給湯熱交換器２、膨張弁３、空気熱交換器４、アキュムレータ６が順次閉回路となるように接続されている。また、貯湯タンク７、ポンプ８、給湯熱交換器２が順次閉回路となるように水配管９により接続されている。

圧縮機１としては、図３に示すようなスクロール型圧縮機がよく用いられる。圧縮機１は、密閉されたシェル（容器）１１に内蔵された固定スクロール１２，旋回スクロール１３，自転拘束体１４，クランク軸１６等から構成されている。クランク軸１６の一端は旋回スクロール１３の下方に設けられた偏芯軸受け１５に、他端はクランク軸１６を回転させる電動機（図示せず）に接続されている。自転拘束体１４は、クランク軸１６の回転により旋回スクロール１３が旋回運動する際に、旋回スクロール１３の自転運動を防止する働きをもつ。固定スクロール１２と旋回スクロール１３とは噛み合うように配置されており、複数の冷媒圧縮空間を形成している。吸入管１７から吸入室１８に導入された冷媒は、旋回スクロール１３の旋回運動により圧縮されて、吐出室１９を経て吐出管２０から吐出される。

以上のように構成されたヒートポンプ装置について、以下その動作を説明する。

給湯運転時、圧縮機１から吐出した高温高圧のガス冷媒は、給湯熱交換器２において、ポンプ８により運ばれた貯湯タンク７内の水と熱交換して冷却され、膨張弁３で低温低圧の気液二相冷媒となり、空気熱交換器４において室外空気から吸熱して蒸発し、アキュムレータ６を経由して圧縮機１に戻る。一方、貯湯タンク７内の水は、ポンプ８により給湯熱交換器２に搬送され、給湯熱交換器２において高温高圧のガス冷媒と熱交換して高温（６５度〜９０度程度）の湯となり、貯湯タンク７に戻される。

この時、給湯熱交換器２に流入する給湯用水と給湯熱交換器２から流出する高圧冷媒との温度差ΔＴが所定値となるよう、圧縮機１の周波数や膨張弁３の開度やポンプ８の流量が制御される。また、圧縮機１の電流値から圧縮機１の負荷状態を検出して、それに応じた制御目標温度差ΔＴを設定する。これにより、負荷変動に対応した高効率なヒートポンプサイクルの制御を行うことができる。

以上説明したようにこの発明では、給湯熱交換器２に流入する給湯用水と給湯熱交換器２から流出する高圧冷媒との温度差ΔＴが所定値となるように圧縮機１の周波数や膨張弁３の開度やポンプ８の流量を制御すると共に、圧縮機１の電流値から圧縮機１の負荷状態を検出してそれに応じた制御目標温度差ΔＴを設定することにより、負荷変動に対応した高効率なヒートポンプサイクルの制御を行うことができる。
特開２００２−１８８８５９号公報

圧縮機１の構造上、運転条件によっては固定スクロール１２と旋回スクロール１３との噛み合わせが離脱する圧縮異常現象（以下、これを転覆とよぶ）が発生することがあるが、前記従来の構成では転覆の発生を検出する手段及び復帰手段を持っていない。従って、転覆が発生した場合にも制御目標温度差ΔＴを得るための制御を続けるため、運転効率が低下するだけでなく、圧縮機１の信頼性を損なう恐れがあるという課題を有していた。

本発明は従来の課題を解決するもので、圧縮機の圧縮異常（転覆）発生の検出手段及び復旧手段を備えたことにより、高効率でかつ信頼性の高いヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

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装置は、圧縮機の異常検出手段と、圧縮機の異常復帰手段とを備えたことにより、圧縮機の信頼性を向上しながら高効率なヒートポンプサイクル運転を行うことが可能となる。

本発明のヒートポンプ装置によれば、圧縮機の圧縮異常（転覆）発生時にこれを検出して復帰することができるので、圧縮機の信頼性を向上しながら高効率なヒートポンプサイクル運転を行うことが可能となる。

第１の発明は、圧縮機とガスクーラと膨張弁と空気熱交換器とを環状に接続してこの順に冷媒が循環するヒートポンプ回路と、前記空気熱交換器に室外空気を供給するファンと、圧縮機の異常検出手段と圧縮機の異常復帰手段とを備えたことにより、圧縮機の圧縮異常（転覆）発生時にこれを検出して復帰することができるので、圧縮機の信頼性を向上しながら高効率なヒートポンプサイクル運転を行うことが可能となる。

第２の発明は、特に、第１の発明の圧縮機の異常検出手段を圧縮機の吐出冷媒温度センサーとし、前記圧縮機運転中の所定時間内における吐出冷媒温度低下幅が所定値以上の場合を圧縮機異常と検出するものであり、比較的安価な温度センサーを使用することで、低コストで圧縮機の信頼性を向上しながら高効率なヒートポンプサイクル運転を行うことが可能となる。

第３の発明は、特に、第１の発明の圧縮機の異常検出手段を圧縮機の電流センサーとし、前記圧縮機運転中の電流値が所定時間の間連続して所定値以下の場合を圧縮機異常と検出するものであり、圧縮機の異常検出精度が向上する。

第４の発明は、特に、第１の発明の圧縮機の異常検出手段を圧縮機の吐出冷媒圧力センサーとし、前記圧縮機運転中の所定時間内における吐出冷媒圧力低下幅が所定値以上の場合を圧縮機異常と検出するものであり、圧縮機の異常検出精度が向上する。

第５の発明は、特に、第１の発明の圧縮機の異常検出手段を圧縮機の吐出冷媒圧力と吸入冷媒圧力との差圧センサーとし、前記圧縮機運転中の差圧が所定時間の間、連続して所定値以下の場合を圧縮機異常と検出するものであり、圧縮異常（転覆）と相関が強い差圧を検出することで、圧縮機の異常検出精度が更に向上する。

第６の発明は、特に、第１の発明の圧縮機の異常検出手段を、第２〜５の発明の少なくとも２つを有することで、単一パラメータの場合に比べて圧縮機の異常検出精度を向上させることができる。

第７の発明は、特に、第１の発明の圧縮機の異常復帰手段を、圧縮機の運転周波数を所定値だけ上昇させることとしたものであり、圧縮機の圧縮異常（転覆）発生時にこれを検出して復帰することができるので、圧縮機の信頼性を向上しながら高効率なヒートポンプサイクル運転を行うことが可能となる。

第８の発明は、特に、第１の発明の圧縮機の異常復帰手段を、膨張弁の開度を所定値だけ小さくすることとしたものであり、既存の膨張弁駆動装置をそのまま利用できるのでコストアップすることなく、圧縮機の信頼性を向上しながら高効率なヒートポンプサイクル運転を行うことが可能となる。

第９の発明は、特に、第１の発明の圧縮機の異常復帰手段を、ファンの回転数を所定値だけ小さくすることとしたものであり、圧縮機の信頼性を向上しながら高効率なヒートポンプサイクル運転を行うことが可能となる。

第１０の発明は、特に、第１の発明の圧縮機の異常復帰手段を、ガスクーラにおける熱交換量を小さくすることとしたものであり、圧縮機の信頼性を向上しながら高効率なヒートポンプサイクル運転を行うことが可能となる。

第１１の発明は、特に、第１の発明の圧縮機の異常復帰手段を、圧縮機を停止してから所定時間経過後に再起動させることとしたものであり、システムをリセットすることで異常復帰の確実性を向上させることができる。

第１２の発明は、特に、第１の発明の圧縮機の異常復帰手段を、第７〜１１の発明の少なくとも２つの機能を有することで、単一手段の場合に比べて圧縮機の異常復帰の確実性が更に向上する。

第１３の発明は、特に、第１の発明の圧縮機の異常検出手段が所定回数の異常を検知した場合に運転を停止する異常停止手段を備えたものであり、異常復帰が不可能な場合に無理に運転を継続することなくシステムを停止してサービスマンの点検機会を設けることで、正常化を図ることができる。

第１４の発明は、特に、第１〜１３の発明において、ヒートポンプ回路を、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとし、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒によりガスクーラの水または空気を加熱することにより、前記ガスクーラ内の冷媒は臨界圧力以上に加圧されているので、前記ガスクーラの水または空気により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。従って、前記ガスクーラの全域で冷媒と水または空気との間の温度差を形成しやすくなり、高温の湯または空気が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。

第１５の発明は、特に、第１４の発明において、使用する冷媒を二酸化炭素としたものであり、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。

以下、本発明によるヒートポンプ装置の実施例について、図面を参照しながら説明する。

（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例におけるヒートポンプ装置の構成図である。図１において、圧縮機３１、ガスクーラ３２、膨張弁３３、空気熱交換器３４が順次閉回路となるように接続され、ヒートポンプ回路を構成している。ここでは、ガスクーラ３２は給湯を目的として冷媒対水熱交換器としており、以下、給湯熱交換器３２と称する。３５はファンであり、空気熱交換器３４に室外空気を供給する。３６は、圧縮機３１の吐出冷媒温度を検出するセンサー，４２はヒートポンプユニットである。３７は圧縮機３１の圧縮異常（転覆）を検出する異常検出手段，３８は圧縮機３１の圧縮異常（転覆）を復帰する異常復帰手段である。また、３９は貯湯タンク、４０は給湯運転時に貯湯タンク３９内の水を給湯熱交換器３２に搬送するポンプであり、これらは水配管４１によって接続されている。

以上のように構成されたヒートポンプ装置について、以下その動作を説明する。ヒートポンプユニット４２において、冷媒は図１中の矢印の方向に流れる。圧縮機３１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、給湯熱交換器３２において、ポンプ４０により搬送された貯湯タンク３９内の水と熱交換（水を加熱）して冷却され、その後、膨張弁３３で減圧されて低温低圧の気液二相冷媒となり、空気熱交換器３４において室外空気から吸熱して蒸発し、圧縮機３１に戻る。一方、貯湯タンク３９内の水は、ポンプ４０により給湯熱交換器３２に運ばれ、給湯熱交換器３２において、圧縮機３１から吐出した高温高圧のガス冷媒と熱交換して高温（６５度〜９０度程度）の湯となり、貯湯タンク３９に戻される。

過去の技術検討の中で、圧縮機３１の圧縮異常（転覆）が発生した場合には、圧縮機３１の運転中に吐出冷媒温度が急激に低下する，圧縮機３１の電流値が正常運転時に比べて低くなる，吐出冷媒圧力が低下して差圧（吐出冷媒圧力と吸入冷媒圧力との差）が小さくなるなどのサイクル変化が起きることがわかっている。また、圧縮機３１の圧縮異常（転覆）は、圧縮機３１の周波数が低い場合，圧縮比が小さい（吐出圧力が低く、吸入圧力が高い）場合に発生しやすいことがわかっている。

そこで、圧縮機３１の圧縮異常（転覆）を検出してこれを速やかに復帰させるために、異常検出手段３７により、センサー３６で検出した吐出冷媒温度から圧縮機３１の圧縮異常（転覆）の有無を判断し、圧縮異常（転覆）が発生している場合には、異常復帰手段３８により、圧縮機の周波数を増大させる，膨張弁３３の開度を小さくする（差圧が大きくなる），ファン３５の回転数を小さくする（空気熱交換器３４での熱交換量を小さくして吸入冷媒圧力を低下させる），ポンプ４０の回転数を小さくする（給湯熱交換器３２での熱交換量を小さくして吐出冷媒圧力を増加させる），圧縮機３１を一旦停止後に再起動させるなどの制御を行うのである。

これにより、圧縮機３１の圧縮異常（転覆）発生時にこれを検出して復帰することができるので、圧縮機３１の信頼性を向上しながら高効率なヒートポンプサイクル運転を行うことが可能となる。

なお、異常検出手段３７、及び異常復帰手段３８としては、前記のうちの単一手段としても勿論よいが、複数手段、例えば、吐出冷媒温度と電流値とから圧縮異常（転覆）の有無を判断し、圧縮機３１の周波数を増大させると共に膨張弁３３の開度を小さくする等を組み合わせれば、異常検出の精度向上が図れると共に、異常復帰の確実性をも向上することができる。

以上のように、本実施例においては、圧縮機３１の異常検出手段３７と圧縮機３１の異常復帰手段３８とを備えたことにより、圧縮機３１の圧縮異常（転覆）発生時にこれを検出して復帰することができるので、圧縮機３１の信頼性を向上しながら高効率なヒートポンプサイクル運転を行うことが可能となる。

なお、冷媒循環回路を、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとすれば、臨界圧力以上に昇圧された冷媒により給湯熱交換器３２の水を加熱することにより、給湯熱交換器３２内の冷媒は臨界圧力以上に加圧されているので、給湯熱交換器３２の水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。従って、給湯熱交換器３２の全域で冷媒と水との間の温度差を形成しやすくなり、高温の湯（約９０度）が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。

特に、二酸化炭素冷媒は、比較的安価でかつ安定であるため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。

また、本実施例ではガスクーラ３２として給湯を目的とした冷媒対水熱交換器を使用しているが、ガスクーラ３２として冷媒対空気熱交換器を使用すれば、ヒートポンプエアコン（暖房機）に応用することも可能である。

本発明のヒートポンプ装置は、圧縮機の異常検知手段、及び圧縮機の異常復帰手段を備えたヒートポンプ装置に関するもので、圧縮機の圧縮異常（転覆）発生時にこれを検出して復帰することができるので、圧縮機の信頼性を向上しながら高効率なヒートポンプサイクル運転を行うことが可能となるので、産業上の利用可能性がある。

本発明の実施例１におけるヒートポンプ装置の構成図 従来のヒートポンプ装置の構成図 従来のヒートポンプ装置における圧縮機の断面図

符号の説明

３１ 圧縮機
３２ 給湯熱交換器
３３ 膨張弁
３４ 空気熱交換器
３５ ファン
３６ センサー
３７ 異常検出手段
３８ 異常復帰手段
３９ 貯湯タンク
４０ ポンプ
４１ 水配管
４２ ヒートポンプユニット

Claims (15)

1. 圧縮機とガスクーラと膨張弁と空気熱交換器とを環状に接続してこの順に冷媒が循環するヒートポンプ回路と、前記空気熱交換器に室外空気を供給するファンと、圧縮機の異常検出手段と、圧縮機の異常復帰手段とを備えたヒートポンプ装置。
2. 圧縮機の異常検出手段は前記圧縮機の吐出冷媒温度センサーであり、前記圧縮機運転中の所定時間内における吐出冷媒温度低下幅が所定値以上の場合を圧縮機異常と検出する請求項１記載のヒートポンプ装置。
3. 圧縮機の異常検出手段は前記圧縮機の電流センサーであり、前記圧縮機運転中の電流値が所定時間の間連続して所定値以下の場合を圧縮機異常と検出する請求項１記載のヒートポンプ装置。
4. 圧縮機の異常検出手段は前記圧縮機の吐出冷媒圧力センサーであり、前記圧縮機運転中の所定時間内における吐出冷媒圧力低下幅が所定値以上の場合を圧縮機異常と検出する請求項１記載のヒートポンプ装置。
5. 圧縮機の異常検出手段は前記圧縮機の吐出冷媒圧力と吸入冷媒圧力との差圧センサーであり、前記圧縮機運転中の差圧が所定時間の間、連続して所定値以下の場合を圧縮機異常と検出する請求項１記載のヒートポンプ装置。
6. 圧縮機の異常検出手段は、圧縮機の吐出冷媒温度センサーまたは電流センサーまたは吐出冷媒圧力センサーまたは差圧センサーのうち少なくとも２つを有する請求項１記載のヒートポンプ装置。
7. 圧縮機の異常復帰手段は前記圧縮機の運転周波数を所定値だけ上昇させることである、請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
8. 圧縮機の異常復帰手段は膨張弁の開度を所定値だけ小さくすることである、請求項１〜７のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
9. 圧縮機の異常復帰手段はファンの回転数を所定値だけ小さくすることである、請求項１〜８のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
10. 圧縮機の異常復帰手段はガスクーラにおける熱交換量を小さくすることである、請求項１〜９のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
11. 圧縮機の異常復帰手段は、前記圧縮機を停止してから所定時間経過後に再起動させることである、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
12. 圧縮機の異常復帰手段は、圧縮機の運転周波数を所定値だけ上昇させるか膨張弁の開度を所定値だけ小さくするかガスクーラにおける熱交換量を小さくするか圧縮機を停止してから所定時間経過後に再起動させるうち少なくとも２つの機能を有する請求項１記載のヒートポンプ装置。
13. 圧縮機の異常検出手段が所定回数の異常を検知した場合に運転を停止する異常停止手段を備えた請求項１〜１２のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
14. ヒートポンプ回路は、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルであり、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒によりガスクーラの水または空気を加熱する請求項１〜１３のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
15. 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１４記載のヒートポンプ装置。

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