JP2006162108A - 給湯機用ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】従来の給湯機用ヒートポンプは、圧縮機からの吐出する冷媒の温度を上げるために内部熱交換器又はヒータなど、圧縮機及びモータとは別の機器、設備を設けることが必要で、そのために体格が大きくなり、コストが上昇していた。
【解決手段】給湯機用ヒートポンプは、低圧の吸入冷媒を圧縮し高圧の吐出冷媒にする圧縮機１７と、圧縮機を駆動するモータ１４とが一体化され冷媒がモータの内部を通過可能となっているモータ一体型圧縮機１０と、モータのステータコイル１５ａに流れる電流の位相を電圧の位相に対して進め又は遅らせステータコイルを発熱させる制御部３０と、吐出冷媒と水との間で熱交換する凝縮用熱交換器２０と備える。モータのステータコイルの発熱でモータ一体型圧縮機内の冷媒を加熱することにより、圧縮機から吐出し凝縮用熱交換器へ流入する冷媒の温度が上昇する。
【選択図】図１

Description

本発明は給湯機用ヒートポンプ、特に圧縮機から吐出される冷媒が高温であることが要求されるものに関する。

ヒートポンプは、空調装置及び給湯装置において使用され、モータで駆動される圧縮機、冷媒の凝縮により発熱する凝縮用熱交換器、及び冷媒の蒸発により吸熱する蒸発用熱交換器などを含む。空調用ヒートポンプでは、圧縮機で昇圧された冷媒を凝縮用熱交換器において冷媒と空気との間で熱交換し、空気を温風に変える。給湯用ヒートポンプでは、凝縮用熱交換器において冷媒と水との間で熱交換し、水を温水に換える。空調時の空気の温度は３８℃程度であり、圧縮機から吐出される吐出冷媒の温度は５５℃程度で良い。これに対して、給湯時の温水の温度は９０℃程度で、吐出冷媒の温度は９０℃±α（αは５℃前後）程度であり、空調の場合の吐出温度よりも相当高くする必要がある。

そのために、第１従来例は、給湯用ヒートポンプにおいて、冷凍サイクル上で吸入冷媒の温度を上げるために使用される内部熱交換器により吐出冷媒の温度を上げている。即ち、図４に概念的に示すように、冷凍サイクル上の凝縮器で得た熱の一部を、内部熱交換器５０を用いて圧縮機の吸入冷媒に与えている。つまり、吸入冷媒の温度を上げて過熱度（スーパヒート）を大きく取り、吐出冷媒の温度を上げている。冷凍サイクル内で熱を授受するので、外部から熱を加える必要がない。

しかし、そのためには凝縮器の流出側の熱を圧縮機の吸入側に与える内部熱交換器５０及び配管などが必要で、部品点数が増える。その結果、ヒートポンプの体格が大きくなるのみならず、コストが上昇する。しかも、湯量の減少等の理由により圧縮機の能力を絞った低速、低負荷時は凝縮器で得られる熱量が減少するので、スーパヒートを大きく取ることは容易でない。つまり、タンク内の湯量が多くなったなどの理由で圧縮機５０の能力を絞る場合、圧縮機は低速、低負荷で運転され湯量は少ないが、温度は湯量が多いときと同様の所定温度であることが要求される。

一方、第２従来例は、図５に概念的に示すように、圧縮機６０の吸入側に加熱器（ヒータ）５５を設け、吸入冷媒をヒータ５５で加熱して吐出冷媒の温度を上昇させている（特許文献１参照）。即ち、圧縮機とモータとが一体化されたモータ一体型圧縮機において、モータの回りにヒータ５５を巻いてヒータ５５の発熱により吸入冷媒の温度を上げ、吐出冷媒の温度を上げている。ヒータ５５の出力を調整することにより、圧縮機の低速、低負荷時でも所定温度のお湯が得られる。
特開２００４−２３９５０６号公報

しかし、上記第２従来例では、圧縮機及びモータとは別に、吸入冷媒を加熱するヒータ５５及びヒータに電力を供給する配線が必要になる。その結果、ヒートポンプの体格が大きくなるのみならず、コストが上昇する。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、従来例における内部熱交換器又はヒータなど圧縮機及びモータとは別の機器、設備を設けることなく、しかも圧縮機が低速、低負荷でも確実に冷媒が加熱でき、圧縮機で所定温度の冷媒が得られる給湯機用ヒートポンプを提供することを目的とする。

本発明の発明者は、圧縮機とモータとが一体化されていることに注目し、モータに意図的に発生させた熱により圧縮機内で冷媒を加熱することを着想して、本発明を完成した。

本発明による給湯機用ヒートポンプは、請求項１に記載したように、低圧の吸入冷媒を圧縮し高圧の吐出冷媒にする圧縮機と、圧縮機を駆動するモータとが一体化され冷媒がモータを通過可能となっているモータ一体型圧縮機と、モータのステータコイルに流れる電流の位相を電圧の位相に対して進め又は遅らせステータコイルを発熱させる制御部と、吐出冷媒と水との間で熱交換する凝縮用熱交換器と、備える。

本発明にかかる給湯機用ヒートポンプによれば、モータのステータコイルの発熱によりモータ一体型圧縮機内の冷媒を加熱するので、圧縮機から吐出され凝縮用熱交換器へ流入する冷媒の温度が上昇する。凝縮用熱交換器での冷媒と水との熱交換により、所定量で所定温度の湯が得られる。しかも、モータ一体型圧縮機の内部のステータコイルで加熱されるので、内部熱交換器や外付けのヒータ等を必要とせず、体格が小さくできるとともに、コストも低く抑えられる。

本発明のヒートポンプで得た温水（給湯水）は台所及び風呂で使用できるほか、床暖房及び空調装置の熱源としても使用できる。ヒートポンプは少なくとも圧縮機及び凝縮用熱交換器を含み、更に蒸発用熱交換器及び減圧弁等を含むことができる。一般に、ヒートポンプは暖房（加熱）用でも、冷房（冷却）用でも使用できるが、本発明は、凝縮用熱交換器で発生する熱を利用して水（温水を含む）を加熱する場合に関する。

モータ一体型圧縮機の圧縮機で圧縮される冷媒としては代替フロン又は二酸化炭素を使用できる。モータはＤＣブラシレスモータであることが望ましく（請求項３参照）、その場合ステータは三相のステータコイルを含み、ロータは永久磁石を含む。ＤＣブラシレスモータによれば、コンミテータを使用した場合のような金属摩耗粉や異音の発生がなく、またロータの回転数制御が可能である。但し、ＤＣブラシレスモータであることは必須ではなく、ステータがコイルを含めば良い。

圧縮機とモータとが一体化され、両者がケース内に収容されている。一体化に際しては吸入冷媒は先にモータの周辺又は内部を通過し、後で圧縮機内を流れることが望ましい。換言すれば、冷媒の流れ方向で、モータが上流側に、圧縮機が下流側に位置している（請求項２参照）。このようにすれば、冷媒は圧縮機で圧縮される以前に必ずステータコイルで加熱され、温度が上昇する。なお、冷媒は圧縮機での圧縮により温度が上昇するが、モータの許容温度範囲内の使用であれば、モータを圧縮機の下流側に配置して圧縮後の冷媒を加熱することも可能である。

制御部はモータのステータコイルに流す電流を制御するもので、インバータを含む。モータの制御法はベクトル制御でも良いが、電圧位相と電流位相との位相差である力率角を制御する力率角制御によることが望ましい。力率角制御では、圧縮機の通常運転時は、電流位相が電圧位相に対して、制御するモータの特性によって決まる電流が最小値となる角度を成すように制御して、多量の所定温度の湯を得る。これに対して、圧縮機の低速、低負荷運転時は、電圧位相に対して電流位相を上記角度よりも進める弱め界磁制御、又は電圧位相に対して電流位相を遅らせる強め界磁制御を行う。

なお、制御の安定性を考慮すると弱め界磁制御することが望ましい（請求項４参照）。このようにすれば、無効電流が多く発生してステータコイルが発熱し、モータ一体型圧縮機を通過する冷媒の温度が上昇する。その結果、圧縮機から吐出され凝縮用熱交換器へ流入する冷媒の温度が上昇する。こうして、圧縮機が低速、低負荷のときは、少量で所定温度の湯が得られる。

以下、最良の形態を添付図面を参照しつつ説明する。

＜最良の形態＞
（構成）
図１に示すように、給湯機用ヒートポンプはモータ一体型圧縮機１０、水冷媒熱交換器（凝縮用熱交換器）２０、膨張弁２２、空気冷媒熱交換器（蒸発用熱交換器）２４、及び制御部３０から成る。

モータ一体型圧縮機１０はケーシング１２、ともにケーシング内に収容された圧縮機１７及びＤＣブラシレスモータ１４を含む。円筒形状のケーシング１２は冷媒入口１３ａ及び冷媒出口１３ｂを持つ。ブラシレスＤＣモータ（以下適宜「モータ」と略称する）１４は、スター結線された三相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）コイル１５ａを有するステータ１５と、永久磁石を含むロータ１６とを含む。ケーシング１２内での冷媒の流れ方向に対して、圧縮機１７よりもモータ１４が上流側にあり、冷媒入口１３ａから流入した冷媒は先にモータ１７の周辺を通過し、その後圧縮機１７へ流れるようになっている。

圧縮機１７の下流側に配置された水冷媒熱交換２０は、圧縮機１７で圧縮された冷媒で生ずる熱により水から湯（温水）をつくる。水冷媒熱交換２０の下流側に配置された膨張弁２２は熱を水に移した冷媒を膨張させ、膨張弁２２の下流側に配置された空気冷媒交換器２４は膨張弁２２で膨張した冷媒が空気から熱を奪い蒸発する。

制御部３０は、ＤＣブラシレスモータ１４を駆動するインバータ３２を含む。給湯機のインバータ３２は交流電源から直流電源と作るコンバータ部と、モータ１４を制御する擬似交流電源を作るモータ制御部（インバータ部）とを有し、モータ１４のステータコイル１５ａに接続されている。なお、ロータ１６の回転位置を検出するセンサは設けられておらず（センサレス）、その代わりに、ロータ１６の回転初期に極く短時間ステータコイル１５ａに直流を流してロータ１６を所定位置にロックする。以後、このロック位置を基準にしてロータ１６の回転位置を推測している。

（作用）
制御部３０からステータコイル１５ａに流す電流の周波数を増加させるにつれて、モータ１４の回転数が増加する。水冷媒熱交換器２０が中・高負荷で、圧縮機１７が中・高速の通常運転時、制御部３０が力率角制御にて電流最小となる最大効率位相でモータ１４を制御する。つまり、図２における電流位相ａのとき電流値Ｉａの状態でモータ１４を制御する。モータ１４により駆動される圧縮機１７で圧縮された高温高圧の冷媒は、水冷媒熱交換器２０で水に放熱することにより水が温水になり、冷媒は冷却される。冷却された冷媒は膨張弁２２で減圧され、空気冷媒熱交換器２４で吸熱して蒸発する。

これに対して、水冷媒熱交換器２０の加熱能力が低くても良いとき、例えばタンクの湯量が少ないとき等は、制御部３０によりＤＣブラシレスモータ１４を弱め界磁制御する。即ち、図２にｂで示すように、ステータコイル１５ａに流れる電流位相を意図的に進め、電流位相が電圧位相に対して成す角度を、電流値が最小となる位相角よりも大きくする。
これにより、ステータコイル１５ａで発生する磁束がロータ１６の永久磁石が形成する磁束を弱めてモータ１４の誘起電圧を低下させ、低い電圧で高速回転域まで回転できるようにする。

その結果、同等のトルクを発生させるのにステータコイル１５ａに多くの無効電流ｃ（ｃ＝Ｉｂ−Ｉａ）が流れ、この無効電流によりステータコイル１５ａが発熱する。ここで、ステータコイル１５ａはケーシング１２の冷媒入口１３ａと圧縮機１７との間に位置するので、圧縮機１７に向かって流れる冷媒が、圧縮機１７に吸入される前に加熱される。こうして、冷凍サイクル上のスーパヒートを多くとり吸入冷媒の温度を上げる結果、吐出冷媒の温度が上がる。

（効果）
この実施例によれば以下の効果が得られる。第１に、ヒートポンプの構成要素の増加が防止でき、コストが低減できる。即ち、圧縮機１７を駆動するモータ１４のステータコイル１５ａに意図的に無効電流ｃを流して発熱させた熱でモータ一体型圧縮機１０の内部を流れる冷媒の温度を上げている。その結果、従来例のような内部熱交換器及び加熱器等を付加することなく冷媒のスーパヒートを大きくとれるので、ヒートポンプの体格が小型化され、故障部分が減少するので品質が向上し、コストの低減を実現できる。

第２に、圧縮機１７が低速・低負荷のときでも、ステータコイル１５ａを流れる電流値が高くなり、電流波形の歪の影響が小さくなり、制御特性が安定する。即ち、低速・低負荷時にインバータ３２でＤＣブラシレスモータ１４を通常の力率角制御で制御すると、電流値が小さいので制御困難である。その上、図３（ａ）に示すように電流波形の歪の影響が大きくなるので、ゼロクロス点（三相交流の電流波形が正から負、又は負から正に変わる点）ｘが不明確である。これらの結果、制御が不安定になり易い。

これに対して、この最良の形態では、水冷媒熱交換器２０が低負荷のときは図２中ｂで示すように電流位相を進めて弱め界磁制御を行うので、電流値はＩｂで示すように実効電流と無効電流との合計で大きくなり、制御が容易となる結果、制御特性が安定する。また、図３（ｂ）に示すように、電流波形の歪みの影響が小さくなるのでゼロクロス点ｘが明確になる結果、制御特性が安定する。

第３に、圧縮機１７の内部の摺動部品の潤滑が改善される。即ち、圧縮機１７が低速・低負荷のときは、一般にその内部の冷媒及び潤滑油が低温になるので、圧縮機１７内部の軸受などの摺動部品の潤滑が不十分になりやすい。それに対して、この最良の形態では、ステータコイル１５ａでの発熱を利用して吸入冷媒及び潤滑油を加熱できるので、軸受等の摺動部品の潤滑が改善される。

＜変形例＞
制御部３０でＤＣブラシレスモータ１４のステータコイル１５ａの電流を制御する場合、上記最良の形態の弱め界磁制御に代えて、電圧位相に対して電流位相を遅らせる強め界磁制御を用いても良い。この場合も、上記最良の形態における第１及び第３の効果と同等の効果が得られる。但し、低速、低負荷時に強め界磁制御を用いると、力率角制御との組み合わせにおいて制御特性が悪化し易く、上記第２の効果は得られない。

本発明の最良の形態を示す全体説明図である。 上記最良の形態のモータにおける電流位相と電流との関係を示すグラフである。 （ａ）は弱め界磁制御を行う前の電流波形を示すグラフ、（ｂ）は弱め界磁制御を行った後の電流波形を示すグラフである。 第１従来例の概念を示す説明図である。 第２従来例の概念を示す説明図である。

符号の説明

１０：モータ一体型圧縮機 １２：ケース
１４：モータ １５ａ：ステータコイル
１６：ロータ １７：圧縮機
２０：水冷媒熱交換器 ３０：制御部
３２：インバータ

Claims (4)

1. 低圧の吸入冷媒を圧縮し高圧の吐出冷媒にする圧縮機（１７）と該圧縮機を駆動するモータ（１４）とが一体化され、冷媒が該モータを通過可能となっているモータ一体型圧縮機（１０）と、
   前記モータのステータコイル（１５ａ）に流れる電流の位相を電圧の位相に対して進め又は遅らせ、該ステータコイルを発熱させる制御部（３０）と、
   吐出冷媒と水との間で熱交換する凝縮用熱交換器（２０）とを備え、
   前記モータのステータコイルの発熱により前記モータ一体型圧縮機内の冷媒を加熱することを特徴とする給湯機用ヒートポンプ。
2. 前記一体型モータは冷媒入口及び冷媒出口を備えたケース（１２）、該ケースに収容された前記圧縮機（１７）、該ケースに収容され冷媒の流れ方向で該圧縮機よりも上流側に配置された前記モータ（１４）を含む請求項１に記載の給湯機用ヒートポンプ。
3. 前記モータはＤＣブラシレスモータである請求項２に記載の給湯機用ヒートポンプ。
4. 前記圧縮機が低速、低負荷のとき、前記制御部は前記モータを弱め界磁御御する請求項３に記載の給湯機用ヒートポンプ。

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