JP2007094652A - ヒートポンプサイクルを用いた加温システムおよび自動販売機 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプを用いた加温システムの過昇温を防止する。
【解決手段】圧縮機１と、凝縮器２と、毛細管３と、蒸発器４を順次連結したヒートポンプサイクルと、凝縮器２に設けた凝縮器温度センサ７と、凝縮器温度センサ７の温度データを取得し圧縮機１の運転を制御する制御手段Ａ８と、凝縮器２に設けた温度ヒューズを備え、温度ヒューズが所定温度以上になると圧縮機１への電力の供給を停止するよう接続したので、凝縮器２の温度が所定値以上に上昇することがなくなることとなり、商品の過昇温を保護することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、缶飲料や食品などの商品を加温するためにヒートポンプサイクルを用いた加温システムの保護機能に関するものである。

従来、この種のヒートポンプサイクルを用いた加温システムは、暖房時、室内温度が所定値以上、室内熱交換器の温度が所定値以上になると、高圧側圧力の上昇を抑制するための処置として、圧縮機の運転周波数低減などの保護をしている（例えば、特許文献１参照）。

図４は、特許文献１に記載された従来のヒートポンプサイクルを用いた加温システムを示すものである。図４に示すように、圧縮機１０１と、室外熱交換器１０２と、膨張弁１０３と、室内熱交換器１０４と、熱交換器温度センサ１０５と、室内温度センサ１０６と、室内制御部１０７と、室外制御部１０８と、インバータ回路１０９と、室内送風機１１０から構成されている。

以上のように構成されたヒートポンプサイクルを用いた加温システムについて、以下その動作を説明する。

まず、圧縮機１０１の吐出口と室外熱交換器１０２が配管接続される。室外熱交換器１０２は膨張弁１０３を介して室内熱交換器１０４が配管接続され、室内熱交換器１０４は圧縮機１０１の吸込口に配管接続される。

室内熱交換器１０４の近傍に、速度可変の室内送風機１１０が設けられ、室内空気を室内熱交換器１０４を通して循環させる。

室内熱交換器１０４に、その室内熱交換器１０４の凝縮器温度Ｔｃを検知するために熱交換器温度センサ１０５を設け、室内空気温度Ｔａを検知するため、室内温度センサ１０６を設けている。

室内制御部１０７は、熱交換器温度センサの検知温度Ｔｃや室内温度センサ１０６の室内空気温度Ｔａを取得し、取得した温度に応じて室内送風機１１０の風量や、圧縮機１０１の回転数などを室内空気温度が目標温度に近づくよう制御する。

また、室内制御部１０７が、熱交換器温度センサ１０５の検知温度Ｔｃを取得し、取得した熱交換器温度センサ１０５の温度Ｔｃが所定値（５６℃）以上になると、ヒートポンプサイクルの高圧側圧力を抑制するための処置として、室内制御部１０７から室外制御部１０８と通信を行い、室外制御部１０８からインバータ回路１０９に信号が送られ、インバータ回路１０９により圧縮機１０１の回転数低下や停止などの制御を行ったり、圧力スイッチにより高圧側圧力の異常上昇を回避している。
特開２００４−１６３０９９号公報

しかしながら、上記従来の構成では、室内空気温度の目標温度が３０℃以下であるのに対し、凝縮器温度の保護温度は５６℃と、目標温度に対しシステムの圧力保護温度は大幅に高温に設定されているが、熱交換器温度センサ１０５や室内温度センサ１０６が故障しても、室内空気温度Ｔａを異常に上昇させるほどの能力を加温システムが備えていなかったため、室内空気温度の過昇温に対する保護を設けていなかった。しかしながら、加温システムに対して必要負荷が小さい場合には室内空気温度が上昇し過昇温となる可能性があった。

例えば、缶飲料などのＨＯＴ食品をヒートポンプサイクルを用いた加温システムで温める場合、保温時の数倍の加温能力で急速に立ち上げる必要があることから、加温システムの能力が大きく温度センサが故障するとＨＯＴ食品の温度が異常に上昇するという可能性があった。

また、缶飲料などのＨＯＴ食品を空気を媒体として加温する場合、室内温度センサが正常でも、送風機が故障すると吹き出し空気温度が低いまま、発熱源である凝縮器近傍のＨＯＴ食品だけが異常に温度上昇する可能性があった。

したがって、缶飲料などのＨＯＴ食品をヒートポンプサイクルを用いた加温システムで温める場合は、発熱源である凝縮器の温度を制限して加温対象の過昇温を防止する必要があるという課題を有していた。

上記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプサイクルを用いた加温システムは、凝縮器に設けた凝縮器温度センサと、前記凝縮器温度センサの温度データを取得し圧縮機の運転を制御する制御手段と、前記凝縮器に設けた温度スイッチを備え、前記温度スイッチが所定温度以上になると前記圧縮機への電力の供給を停止するとしたものである。

これによって、ヒートポンプサイクルを用いた加温システムで温める場合であっても、発熱源である前記凝縮器温度を所定値以上に上昇させることが無いので、加温対象の温度が過昇温とならないよう保護することとなる。

本発明の加温システムは、加温対象が過昇温とならないよう保護することができる。

請求項１に記載の発明は、圧縮機と、凝縮器と、減圧手段と、蒸発器を順次連結したヒートポンプサイクルと、前記凝縮器に設けた凝縮器温度センサと、前記凝縮器温度センサの温度データを取得し前記圧縮機の運転を制御する制御手段と、前記凝縮器に設けた温度スイッチを備え、前記温度スイッチが所定温度以上になると前記圧縮機への電力の供給を停止することにより、前記凝縮器の温度が所定値以上に上昇することがなくなることとなり、加温対象物の過昇温を保護することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、温度スイッチを温度ヒューズとしたことにより、温度スイッチの構成が簡単となり、非常に安価に構成することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、温度スイッチをバイメタルとすることにより、凝縮器温度が低下することで圧縮機への電力の供給が再開されることとなり、過昇温で停止後に復帰可能な加温システムを構成することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明に加温手段であるヒータと、前記ヒータの温度を検知するヒータ温度センサを備え、前記ヒータ用温度センサが検知した温度データから圧縮機運転を制御する制御手段が前記ヒータへの電流の導通を制御し、前記ヒータが前記凝縮器より加温対象物側にあることにより、前記ヒータの熱が前記凝縮器に設けた温度スイッチへの影響が少ないため、ヒータとヒートポンプサイクルの協調加温を行うシステムにおいても、前記凝縮器温度を正確に取得できることとなり、電源投入時などの過負荷時に補助として前記ヒータを用いている場合でも、前記凝縮器の過昇温を防止できる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明のヒートポンプシステムが、複数の商品収納庫を有し、前記商品収納庫内に投入された缶飲料などの商品を冷却もしくは加温し、販売する自動販売機を構成し、前記商品収納庫内を前記ヒートポンプシステムが加温するものであるので、従来のヒータ加温に比べて消費電力量を大きく下げることとなり、大幅な省エネを図れるとともに、高温となった缶飲料などの商品の高温部に直接触れる危険を回避できる。

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が、従来例または先に説明した実施の形態と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるヒートポンプサイクルを用いた加温システムの機能ブロック図である。

図１において、圧縮機１の吐出口と凝縮器２が配管接続され、凝縮器２は減圧手段である毛細管３を介して蒸発器４と配管接続され、蒸発器４は圧縮機１の吸込口に配管接続され、ヒートポンプサイクルを構成している。そして、ヒートポンプサイクルが複数の商品収納庫を有し、商品収納庫５内部に投入された商品を冷却もしくは加温し、販売する自動販売機を構成し、商品収納庫５の内部を加温する。

圧縮機１を駆動するための電源６は交流１００Ｖで交流周波数５０Ｈｚとし、圧縮機１を駆動するモータはブラシレスＤＣモータを使用し、交流１００Ｖを整流平滑した直流１４０Ｖ入力で動作するものとする。

凝縮器２には、凝縮器温度センサ７が設けられていて、電気的に制御手段Ａ８と接続しており、凝縮器２の温度に応じた電気信号を制御手段Ａ８に出力している。

毛細管３は径の細い冷媒流路であり、構造が非常に簡単であるため、複雑な制御も必要なく安価に構成が可能となる。

制御手段Ａ８では、凝縮器温度センサ７と回転数変更手段９と電気的に結合している。凝縮器温度センサ７から入力される電気信号により凝縮器２の温度を取得し、凝縮器２の温度が所定値以下になるよう回転数変更手段９へ信号を送る。回転数の低下指令を送る保護制御を開始する所定値を、制御保護温度Ｔｃ（例えば６０℃）とする。

回転数変更手段９は、制御手段Ａ８と電気的に接続されており、電源６からの入力を圧縮機１へと出力する。圧縮機１を直流１４０Ｖ駆動のブラシレスＤＣモータとしたので、回転数変更手段は全波整流と平滑を行う回路と、整流平滑した直流を交流へと変換出力するインバータ回路とパルス幅変調出力回路と、モータの誘起電圧のゼロクロス点から位置を検出する位置検出回路を持ち、制御手段Ａ８からの信号に応じて、矩形波を出力し回転数を制御する。また、回転数変更手段９へ入力される電源６からの供給線のうち１本は凝縮器２に設けられた温度ヒューズ１０を介している。圧縮機１の回転数を変更することで、能力を可変することができるようになり、加温能力の増加や省エネをはかることができる。

温度ヒューズ１０は、凝縮器２に接した状態で設置しており、電源６からの電力供給線の１本の間に接続されている。温度ヒューズ１０は温度スイッチとして動作し、動作温度Ｔｆ以上の温度になると接続が切断される。凝縮器２に接しているため、凝縮器２の温度と温度ヒューズ１０の温度はほぼ同一となり、商品の温度に直接的に影響を与える凝縮器温度によって、温度ヒューズは動作する。温度ヒューズが動作する動作温度Ｔｆは、回転数低下制御の保護制御を行う制御保護温度Ｔｃよりも高い温度（例えば７０℃）で設定する。温度ヒューズ１０は圧縮機１への電力供給線上に接続し、凝縮器２に設置するだけでよく、非常に簡易な構成で実現できる。

また、本実施の形態では熱伝導の媒体として空気を用いることとし、凝縮器２近傍に凝縮器ファン１１と、蒸発器４近傍に蒸発器ファン１２を設ける。

以上のように構成されたヒートポンプサイクルを用いた加温システムについて、以下その動作、作用を図２を用いて説明する。

図２は本実施の形態におけるヒートポンプサイクルを用いた加温システムのタイミング図である。

まず、制御手段Ａ８によって保護制御がかかる場合について、説明する。ヒートポンプサイクルによる加温を行っている状態で、凝縮器２の温度が上昇していき制御保護温度Ｔｃに到達（Ｔ１）すると、凝縮器温度センサの温度も制御保護温度Ｔｃに到達し、制御手段Ａ８に制御保護温度Ｔｃのデータを送る。制御保護温度Ｔｃに到達したことを取得した制御手段Ａ８は回転数変更手段９に回転数低下の指令を送信する。回転数低下の指令を受け取った回転数変更手段９は圧縮機に対してパルス周波数変調出力回路からのパルス幅を減少させ、位置検出回路で取得したモータの位置情報から回転数を取得する。取得した回転数が指令の回転数に到達するまで、パルス幅の減少と回転数の取得を繰り返す。指令回転数が圧縮機１の最低回転数よりも低い場合、もしくは指令回転数が停止の場合は圧縮機１を停止する。

一方、凝縮器ファン１１が故障するなど、凝縮器２の熱交換が正常に行われない場合は、圧縮機１の回転数が低下中であっても、凝縮器２の温度が上昇し（Ｔ１〜Ｔ２）、制御手段Ａ８による制御保護だけでは商品温度が、過昇温となってしまう（Ｔ２以降、破線部）。過昇温を防止するために、制御保護温度Ｔｃを低く設定し保護制御を早く開始すると、商品温度が、空調の温度などに比べて高温で、直接手に触れるため、目標温度Ｔｄ（例えば５５℃）と制御保護温度Ｔｃの差が小さく、商品温度が加温目標温度に到達しない場合がある。

ここで、制御保護温度Ｔｃより高温の動作温度Ｔｆとした温度ヒューズ１０を凝縮器２に設置することで、凝縮器２の温度が回転数低下時も上昇し動作温度Ｔｆに到達（Ｔ２）したとき導通が切断され、圧縮機１への電力供給が停止される。圧縮機１への電力供給が停止することで圧縮機１は停止し、凝縮器２の温度は低下し、商品の温度も低下する。商品が確実に加温目標に到達し、商品の過昇温を防ぐことができる。

また、凝縮器温度センサ７や制御手段Ａ８の故障、誤動作によっても過昇温となる可能性があるが、同様に温度ヒューズ１０によって過昇温が防止される。

以上のように、本実施の形態においては、圧縮機１と、凝縮器２と、毛細管３と、蒸発器４を順次連結したヒートポンプサイクルと、凝縮器２に設けた凝縮器温度センサ７と、凝縮器温度センサ７の温度データを取得し圧縮機１の運転を制御する制御手段Ａ８と、凝縮器２に設けた温度ヒューズ１０を備え、温度ヒューズ１０が所定温度以上になると圧縮機１への電力の供給を停止するよう接続したので、凝縮器２の温度が所定値以上に上昇することがなくなることとなり、商品の過昇温を保護することができる。

また、本実施の形態では、温度スイッチを温度ヒューズ１０としたので、温度スイッチの構成が簡単となり、非常に安価に構成することができる。

また、本実施の形態では、減圧手段を毛細管３としたので、単純な構成で減圧を行うことができることとなり、安価な加温システムを構成することができる。

また、本実施の形態では、圧縮機１の回転数を変更する回転数変更手段９を有したことにより、圧縮機１の能力を変更することができるようになり、加温能力の増加と省エネを図ることができる。

また、本実施の形態の、圧縮機１の回転数を制御する方法を、正弦波を出力して制御することにより、特に、圧縮機１の駆動範囲がひろがり、より急速な加温を行うことができる。

また、本実施の形態では、ヒートポンプサイクルが、複数の商品収納庫５を有し、商品収納庫５内に投入された商品を冷却若しくは加温し、販売する自動販売機を構成し、商品収納庫５内を加温するとしたので、ヒータ加温に比べて消費電力を大きく下げることとなり、大幅な省エネを図れるとともに、高温となった缶飲料などの商品の高温部に直接触れる危険を回避できる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２におけるヒートポンプサイクルを用いた加温システムの機能ブロック図である。

ここで、先の実施の形態と同じ構成要件については、同一の符号を付して説明を省略する。

図３において、ヒータ１３は制御手段Ｂ１４と接続されており、ヒータ温度センサ１５はヒータ１３に接して接続されている。

ヒータ温度センサ１５は制御手段Ｂ１４にヒータ１３の温度データを電気信号に変えて入力している。

また、凝縮器にはバイメタル１６は凝縮器２に接した状態で設置しており、電源６から圧縮機１への電力供給線のうち１本はバイメタル１６を介している。凝縮器２に接しているため、凝縮器２の温度とバイメタル１６の温度はほぼ同一となり、商品の温度に直接的に影響を与える凝縮器温度によって、バイメタル１６は動作する。バイメタル１６は凝縮器２の温度によって動作する温度スイッチであり、動作温度Ｔｂ以上になったときに導通が切断され、動作温度以下の時は導通している状態で接続するので、いったん導通が切断されても凝縮器２の温度が低下すれば、圧縮機１への電力供給が再開される。

制御手段Ｂ１４は実施の形態１の制御手段Ａ８の機能、構成に加え、ヒータ温度センサ１５の温度データによりヒータ１３への電流の導通を制御する。

ヒータ１３は抵抗のある導体に電流を流すとジュール熱を生じるもので、制御手段Ｂ１４により電流の導通を制御されている。また、ヒータ１３は凝縮器２よりも商品収納庫５内側に設置している。すなわち図３のように機能部品と収納庫の位置関係は風上側から順に凝縮器２、凝縮器ファン１１、ヒータ１３、商品収納庫５の順に配置している。

以上のように構成されたヒートポンプサイクルを用いた加温システムについて、以下その動作、作用を説明する。

ヒートポンプサイクルによる加温とヒータ１３による加温は別々に制御され、ヒートポンプサイクルは凝縮器温度センサ７によって制御が決定され、ヒータ１３はヒータ温度センサ１５によって制御が決定される。ヒータ１３を凝縮器２よりも商品収納庫５内側に設置し、凝縮器ファン１１により凝縮器２からヒータ１３へと空気が流れるため、ヒータ１３の熱が凝縮器２温度に影響をほとんど与えないため、ヒータの導通の有無にかかわらず、凝縮器２の目標温度に合せるよう圧縮機１の動作を行えばよい。圧縮機１への回転数低下の指令を送信する保護制御が動作する制御保護温度も実施の形態１と同様の設定でよく、ヒートポンプサイクルによる加温を効率よく活用することができる。

そして、バイメタル１６の動作温度Ｔｂに関しても、凝縮器２の温度に依存し、制御保護温度Ｔｃの温度よりも高い温度に設定する。

一方、ヒータ１３は温度変化が急峻であるため、ヒータ１３を停止するヒータ保護制御を凝縮器２より高い温度で行う必要があり、ヒータ保護制御に関しては凝縮器２の影響をほとんど受けない。

以上のように、本実施の形態においては、加温手段としてヒータ１３を備え、ヒータ１３が凝縮器２より商品収納庫５側にあるとしたことにより、ヒータ１３の熱が凝縮器２に設けたバイメタル１６への影響が少ないため、ヒータ１３とヒートポンプサイクルの協調加温を行うシステムにおいても、凝縮器２の温度を正確に取得できることとなり、凝縮器２の温度を正確に取得できることとなり、電源投入時などの過負荷時に補助としてヒータ１３を用いている場合でも、凝縮器２の過昇温を防止できる。

また、本実施の形態では、温度スイッチをバイメタル１６としたので、導通切断後も凝縮気２の温度の低下により、再度導通と温度スイッチとして動作することとなるので、温度スイッチによる過昇温保護が働いても加温システムとして復帰が可能となる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプサイクルを用いた加温システムは、比較的高温での加温時においても過昇温を防ぐことが可能となるので、商品を加温して販売する機器の過昇温を防止する等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプサイクルを用いた加温システムの機能ブロック図 本発明の実施の形態１におけるヒートポンプサイクルを用いた加温システムのタイミング図 本発明の実施の形態２におけるヒートポンプサイクルを用いた加温システムの機能ブロック図 従来のヒートポンプサイクルを用いた加温システムの機能ブロック図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 凝縮器
３ 毛細管
４ 蒸発器
５ 商品収納庫
６ 電源
７ 凝縮器温度センサ
８ 制御手段Ａ
９ 回転数変更手段
１０ 温度ヒューズ
１１ 凝縮器ファン
１２ 蒸発器ファン
１３ ヒータ
１４ 制御手段Ｂ
１５ ヒータ温度センサ
１６ バイメタル

Claims (5)

1. 圧縮機と、凝縮器と、減圧手段と、蒸発器を順次連結したヒートポンプサイクルと、前記凝縮器に設けた温度センサと、前記温度センサの温度データを取得し前記圧縮機の運転を制御する制御手段と、前記凝縮器に設けた温度スイッチを備え、前記温度スイッチが所定温度以上になると前記圧縮機への電力の供給を停止するよう接続したことを特徴としたヒートポンプサイクルを用いた加温システム。
2. 前記温度スイッチを温度ヒューズとした請求項１に記載のヒートポンプサイクルを用いた加温システム。
3. 前記温度スイッチをバイメタルとした請求項１に記載のヒートポンプサイクルを用いた加温システム。
4. 加温手段であるヒータと、前記ヒータの温度を検知するヒータ温度センサを備え、前記ヒータ用温度センサが検知した温度データから圧縮機運転を制御する制御手段が前記ヒータへの電流の導通を制御し、前記ヒータが前記凝縮器より加温対象物側にあることを特徴とした請求項１から３のいずれか一項に記載のヒートポンプサイクルを用いた加温システム。
5. 内部に複数の商品収納庫を有し収納商品を冷却または加温する自動販売機で、ヒートポンプサイクルを用いた加温システムによって商品を加温することを特徴とした請求項１から４のいずれか一項に記載の加温システムを用いた自動販売機。

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