JP2009168254A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機停止時において冷媒配管に生じる配管応力を低減することができるヒートポンプ装置を提供する。
【解決手段】圧縮機（１１）と、圧縮機（１１）から吐出する冷媒から放熱して被加熱流体を加熱する放熱用熱交換器（１２）と、放熱用熱交換器（１２）から流出する冷媒を減圧する減圧手段（１３）と、減圧手段（１３）から流出する冷媒を蒸発させて冷媒に熱を吸収させる吸熱用熱交換器（１４）とを有し、冷媒配管（１６，１７）によって圧縮機（１１）、放熱用熱交換器（１２）、減圧手段（１３）、吸熱用熱交換器（１４）が環状に接続されてなるヒートポンプサイクル（１０）と、圧縮機（１１）を停止させる際に、通常作動時における回転数よりも低い所定回転数（Ｎｓ）に向けて、回転数変化が１０００ｒｐｍ／秒以下の速度で徐々に回転数を所定回転数（Ｎｓ）まで下げたのち、印加電流を遮断する制御手段（６）とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、給湯用水の加熱手段としてヒートポンプサイクルを用いたヒートポンプ装置に関するものである。

近年、低外気地域において高性能な給湯器のニーズが高まっており、例えば二酸化炭素（以下、ＣＯ_２と略す）を冷媒とするＣＯ_２給湯器では、性能向上のため圧縮機を高回転で作動させる傾向にある。そして、この圧縮機の高回転化に伴って、圧縮機に接続される冷媒配管に与えられる振動が増加する傾向にある。
特開２００１−３０４６４９号公報

一般に、圧縮機を停止する停止指示があった場合には、停止指示の直後に印加電流を遮断し圧縮機の回転数をゼロまで下げて停止させるようにしている。しかし、圧縮機の高回転化に伴って圧縮機停止時の衝撃が大きくなり、その衝撃が振動として、圧縮機に連結される冷媒配管に伝達され、それに伴い、冷媒配管に生じる配管応力が大きくなるという問題があった。配管応力が大きくなると、配管に亀裂が生じ、その亀裂が大きくなると内部の冷媒が配管外へ漏れ出す虞があった。

なお、上記特許文献１に記載されるように、停止指示があった場合に、圧縮機の回転数を一旦所定値まで下げ、所定時間経過してから回転数をゼロまで下げるようにした制御も知られている。しかし、この場合においても、通常作動時の高回転数から所定回転数（作動時の高回転数より小さい回転数）に下げる際に、急激な回転数変動による圧縮機の衝撃・振動が発生し、冷媒配管の配管応力が大きくなってしまうという虞があった。

上記問題に鑑み、本発明は、圧縮機停止時において冷媒配管に生じる配管応力を低減することができるヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１１）と、圧縮機（１１）から吐出する冷媒から放熱して被加熱流体を加熱する放熱用熱交換器（１２）と、放熱用熱交換器（１２）から流出する冷媒を減圧する減圧手段（１３）と、減圧手段（１３）から流出する冷媒を蒸発させて冷媒に熱を吸収させると共に、圧縮機（１１）の吸入側に向けて冷媒を流出する吸熱用熱交換器（１４）とを有し、冷媒配管（１６，１７）によって圧縮機（１１）、放熱用熱交換器（１２）、減圧手段（１３）、吸熱用熱交換器（１４）が環状に接続されて構成されるヒートポンプサイクル（１０）と、圧縮機（１１）を停止させる際に、通常作動時における回転数よりも低い所定回転数（Ｎｓ）に向けて、回転数変化が１０００ｒｐｍ／秒以下の速度で徐々に回転数を所定回転数（Ｎｓ）まで下げたのち、圧縮機（１１）への印加電流を遮断する制御手段（６）とを備えることを特徴とする。

本構成によれば、圧縮機（１１）を停止させる際に一旦所定回転数（Ｎｓ）まで回転数を下げたのちに停止させるようにしている。このため、急激な回転数変動に伴う圧縮機（１１）停止時の衝撃が緩和されて、圧縮機（１１）に連結される冷媒配管（１６，１７）に伝達される振動が低減されることで、冷媒配管（１６，１７）に生じる配管応力を小さくすることができる。

特に、本構成では、圧縮機（１１）の回転数を所定回転数（Ｎｓ）へ下げる際に、回転数変化が１０００ｒｐｍ／秒以下の速度で徐々に小さくなるように制御される。このため、通常作動時の回転数から所定回転数（Ｎｓ）へ下げる過程においても、圧縮機（１１）に大きな衝撃が生じないようにすることができる。

請求項２に記載の発明では、所定回転数（Ｎｓ）は、制御手段（６）が圧縮機（１１）の回転数を制御し得る制御可能範囲内の回転数であることを特徴とする。

所定回転数（Ｎｓ）は、配管応力低減の観点からは、圧縮機（１１）停止時の衝撃・振動を最小限に止めるようになるべく小さい値にすることが望ましい。しかし、制御手段（６）によって予め決定される制御可能範囲内の数値である必要がある。本構成によれば、所定回転数（Ｎｓ）は、制御手段（６）に関して決定される制御可能範囲内に設定されるため、装置としての信頼性を確保することができる。

請求項３に記載の発明では、所定回転数（Ｎｓ）は、圧縮機（１１）の正常作動を実行する上で予め決定される許容回転数範囲内の回転数であることを特徴とする。

圧縮機（１１）は、その作動に際して、潤滑オイルの確保や摺動部材の摩擦低減等を考慮する必要があり、圧縮機（１１）に応じて許容回転数範囲が決定される。本構成によれば、所定回転数（Ｎｓ）を圧縮機（１１）の許容回転数範囲の下限回転数（Ｎｃ）以上とすることで、圧縮機作動における安全性および信頼性を向上させることができる。

請求項４に記載の発明では、所定回転数（Ｎｓ）は、ヒートポンプサイクル（１０）を構成するヒートポンプユニット（ＨＵ）の設計上決定される使用可能な回転数範囲内の回転数であることを特徴とする。

ヒートポンプユニット（ＨＵ）の設計態様によって固有に決定される固有振動数の影響で共振を生じる場合、その固有振動数に対応する回転数で圧縮機（１１）停止時の振動が大きくなる虞がある。よって、ヒートポンプユニット（ＨＵ）は、この共振領域を避けて設計上決定される使用可能な回転数範囲内で作動されることが望ましい。本構成によれば、共振周波数の影響で振動が大きくなることを防いで、配管応力（１６，１７）をさらに確実に小さくすることができる。

請求項５に記載の発明では、所定回転数（Ｎｓ）は、制御手段（６）が圧縮機（１１）の回転数を制御し得る制御可能範囲の下限の回転数である制御下限回転数（Ｎｔ）と、圧縮機（１１）の正常作動を実行する上で予め決定される許容回転数範囲の下限の回転数である圧縮機作動下限回転数（Ｎｃ）と、ヒートポンプサイクル（１０）を構成するヒートポンプユニット（ＨＵ）の設計上決定される使用可能な回転数範囲の下限の回転数であるユニット下限回転数（Ｎｕ）のうち、最も数値の大きい回転数に設定されていることを特徴とする。

所定回転数（Ｎｓ）を、制御下限回転数（Ｎｔ）、圧縮機作動下限回転数（Ｎｃ）、ユニット下限回転数（Ｎｕ）のうち最も数値の大きい回転数に設定するということは、所定回転数（Ｎｓ）が、制御可能範囲（第１の範囲）、許容回転数範囲（第２の範囲）、使用可能な回転数範囲（第３の範囲）、の３つの範囲を満たす回転数範囲内の最小値に設定されることを意味する。本構成によれば、所定回転数（Ｎｓ）を、装置としての信頼性を確保し得る回転数範囲の下限値に設定することで、装置としての信頼性を確保しつつ、圧縮機（１１）停止時の振動を抑え、配管応力を確実に小さくすることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について図１〜図３を参照しつつ説明する。図１は、本発明の第１実施形態におけるヒートポンプ式給湯器１の構成を示す模式図である。本実施形態のヒートポンプ式給湯器１は、給湯用水（被加熱流体）を貯留する貯湯タンク２、この貯湯タンク２に接続される流水配管３、４、この流水配管３，４に給湯用水を流通させるウォータポンプ５、給湯用水の加熱手段である後述するヒートポンプサイクル１０を構成するヒートポンプユニットＨＵ、およびヒートポンプ式給湯器１の作動を制御する制御装置６等により構成される。

貯湯タンク２は、耐食性に優れた金属製（例えばステンレス製）で断熱構造を有し、高温の給湯用水を長時間に渡って保温することができる。貯湯タンク２に貯留される給湯用水（高温の湯）は、使用時に冷水と混合して温度調節した後、主にキッチンや風呂などで使用されるが、給湯用以外にも、例えば床暖房用や室内空調用などの熱源として利用することもできる。

流水配管３，４は、貯湯タンク２と後述の水熱交換器（放熱用熱交換器）１２とを接続する冷水配管３と温水配管４とで構成される。冷水配管３は、一端が貯湯タンク２の下部に設けられた冷水出口２ａに接続され、他端が水熱交換器１２に設けられた図示しない水通路の入口に接続されている。また、温水配管４は、一端が水熱交換器１２に設けられた図示しない水通路の出口に接続され、他端が貯湯タンク２の上部に設けられた温水入口２ｂに接続されている。

ウォータポンプ５は、図１に矢印で示すように、貯湯タンク２内の給湯用水が冷水出口２ａから冷水配管３→水通路（水熱交換器１２）→温水配管４を流れて温水入口２ｂから貯湯タンク２へ還流する様に水流を発生させる。このウォータポンプ５は、内蔵する図示しないモータの回転数に応じて流水量を調節することができ、制御装置６により通電制御される。

ヒートポンプサイクル１０は、図１に示すように、圧縮機１１、水熱交換器１２、可変式膨張弁１３（減圧手段）、空気熱交換器１４（吸熱用熱交換器）、アキュームレータ１５、これらの機器を繋ぐ冷媒配管（高圧配管１６と低圧配管１７）などによって構成され、冷媒として臨界温度の低い二酸化炭素（以下、ＣＯ_２と略す）冷媒が封入されている。

圧縮機１１は、内蔵する図示しないモータによって駆動され、吸引したガス冷媒を臨界圧力以上まで圧縮して吐出する。圧縮機１１の冷媒吐出量は、モータの回転数に応じて可変する。

水熱交換器１２は、圧縮機１１で加圧された高温高圧のガス冷媒と、貯湯タンク２から供給される給湯用水とが熱交換するもので、前述した水通路に隣接して図示しない冷媒通路が設けられ、その冷媒通路を流れる冷媒の流れ方向と水通路を流れる給湯用水の流れ方向とが対向するように構成されている。

可変式膨張弁１３は、水熱交換器１２と空気熱交換器１４との間に設けられ、水熱交換器１２で冷却された冷媒を減圧して空気熱交換器１４に供給する。この可変式膨張弁１３は、弁開度を電気的に調整可能な構成を有し、制御装置６により通電制御される。

空気熱交換器１４は、外気ファン１８による送風を受けて、可変式膨張弁１３で減圧された冷媒を外気との熱交換によって蒸発させる。また、アキュームレータ１５は、空気熱交換器１４で蒸発した冷媒を気液分離してサイクル中の余剰冷媒を蓄えると共に、ガス冷媒のみ圧縮機１１に吸引させる。

このヒートポンプ式給湯器１では、例えば、冷媒温度を検出するセンサや給湯用水の湯温を検出するセンサ等の各種センサ（図示略）から検出される検出値に基づき、制御装置６によって、圧縮機１１、可変式膨張弁１３、外気ファン１８、ウォータポンプ５などが通電制御されるようになっている。上記ヒートポンプサイクル１０および制御装置６は、本発明のヒートポンプ装置を構成するものである。

なお、ヒートポンプユニットＨＵは、図１に示すように、ヒートポンプサイクル１０、制御装置６、流水配管３，４、ウォータポンプ５を含み、これらの各部材がユニットケース（図示略）内に収容されて構成されている。

次に、通常の沸き上げ運転について説明する。冷媒は、圧縮機１１により加圧されて高温高圧となり、水熱交換器１２で給湯用水に放熱して冷却され、可変式膨張弁１３に供給され、可変式膨張弁１３の開度に応じて減圧される。減圧された低温低圧の冷媒は、空気熱交換器１４（外気ファン１８：稼動）で外気より吸熱して蒸発し、アキュームレータ１５で気液分離された後、ガス冷媒のみ圧縮機１１に吸引されるサイクルを繰り返す。

給湯用水は、ウォータポンプ５で加圧され、貯湯タンク２の下方（冷水出口２ａ）から水熱交換器１２内に流入し、水熱交換器１２で冷媒から吸熱して温水となり、貯湯タンク２へ送られて貯湯タンク２の上方（温水入口２ｂ近傍）に貯留される。

次に、本発明の要部である、圧縮機１１の停止制御について説明する。図２は、停止制御時における圧縮機１１の回転数変化を示すグラフである。図２において、横軸は時間、縦軸は圧縮機１１の回転数を示している。図２に示すように、通常作動時（例えば、圧縮機１１の回転数＝５２００ｒｐｍ）に、圧縮機１１の停止指示が出された場合、圧縮機１１の回転数を、まず所定回転数Ｎｓ（例えば２９５０ｒｐｍ）まで下げる。

このときの回転数変化の速度勾配は、１０００ｒｐｍ／秒以下であって、停止指示から電流遮断までに所定時間を要するように設定されている。圧縮機１１の停止時に、急激な回転数変動があると、圧縮機１１に衝撃・振動が発生する。この衝撃・振動は冷媒配管１６，１７に振動を与え、配管応力を発生させる。なお、本発明者の実験により、所定回転数Ｎｓまで減ずる際の回転数変化の速度勾配が１０００ｒｐｍ／秒以下であれば、回転数変動に伴って発生する突出して大きな振動が抑えられることが分かっている。さらに、回転数変化の速度勾配が大きすぎると、制御装置６からの信号に圧縮機１１が追従しなくなり、ひいては急激な回転数変動による脱調現象を起こす等の不具合が生じることが考えられるが、１０００ｒｐｍ／秒以下の範囲であれば問題なく圧縮機１１の回転数を徐々に低下するように制御することができる。

なお、速度勾配の下限値については、１００ｒｐｍ／秒程度でも問題なく、圧縮機１１の回転数を徐々に低下するように制御することが可能な範囲で適宜設定することができる。

配管応力低減の観点からは、圧縮機１１の衝撃・振動を最小限に止めるように、速度勾配はなるべく小さい値にすることが望ましい。しかし、速度勾配が１０００ｒｐｍ／秒である場合と１００ｒｐｍ／秒である場合とでは、後者の方が電流遮断までに要する時間が長くかかる分、消費電力も多く必要とする結果となる。

ここで、本発明者の実験により、速度勾配が１０００ｒｐｍ／秒以下であれば、冷媒配管１６，１７に生じる配管応力の大きさはそれほど相違しないことが分かっており、配管応力値が大きく変わらない範囲であれば、速度勾配を１０００ｒｐｍ／秒に近い値に設定した場合の方が、それより小さい値に設定した場合と比較して消費電力が少なくて済むというメリットが生ずる。

図３は、本発明者らが測定した実験結果であって、冷媒配管１６，１７に生じる配管応力の測定結果を示している。図３において、右側のグラフは本実施形態における配管応力を示しており、左側のグラフは所定回転数Ｎｓ（２９５０ｒｐｍ）に一旦減ずる処理を行わず、圧縮機１１の回転数が通常作動時の回転数（実験では５２００ｒｐｍ）であるときに印加電流を遮断した場合における配管応力を示している。

図３に示す左右のグラフの比較から明らかなように、本実施形態では、停止指示後、いきなり印加電流を遮断することなく１０００ｒｐｍ／秒以下（実験では１２０ｒｐｍ／秒）の速度勾配で所定回転数Ｎｓまで回転数を徐々に下げてやる処理により、配管応力を半分以下の１４ＭＰａまで低減することができる。すなわち、圧縮機１１に接続される冷媒配管１６，１７に伝達されてしまう圧縮機１１の衝撃・振動を極力低減することによって、冷媒配管１６，１７に生じる配管応力の低減を図っている。これにより、冷媒配管１６，１７の耐久性を向上させることができ、ひび割れ等の損傷により配管内部から冷媒が漏洩することを抑制することができる。

次に、所定回転数Ｎｓの決定方法について説明する。所定回転数Ｎｓは、配管応力低減の観点からは、圧縮機１１の衝撃・振動を最小限に止めるようになるべく小さい値にすることが望ましい。しかし、制御装置６によって予め決定される制御可能範囲内の数値である必要がある。このため、本実施形態における所定回転数Ｎｓは、制御装置６が圧縮機１１を制御し得る制御可能範囲の下限の回転数である制御下限回転数Ｎｔ以上であることを第１の条件としている。

ただし、制御装置６の制御可能範囲が広く、圧縮機１１によって予め決定される圧縮機１１の許容回転数範囲を下回って制御できる場合は、圧縮機１１の許容回転数範囲を下回って運転することは信頼性に影響を与える虞があるため、この場合は、圧縮機１１の許容回転数範囲内で制御することが望ましい。この圧縮機１１の許容回転数範囲は、圧縮機１１の機械的条件、例えば、冷媒内に含まれるオイルの循環率の確保や、摺動部材の摩擦低減等の観点から圧縮機１１に応じて定まる。以上により、本実施形態における所定回転数Ｎｓは、圧縮機１１の正常作動を実行する上で予め設定される許容回転数範囲の下限の回転数である圧縮機作動下限回転数Ｎｃ以上であることを第２の条件としている。

さらに、制御装置６の制御可能範囲かつ圧縮機１１の許容回転数範囲内であっても、ヒートポンプユニットＨＵの設計態様によって、冷媒配管１６，１７やユニットケース（図示略）のそれぞれにおいて固有に決定される固有振動数の影響で共振を生じる場合、その固有振動数に対応する回転数で冷媒配管１６，１７の振動が大きくなる虞がある。よって、ヒートポンプユニットＨＵは、この共振領域を避けて設計上決定される使用可能な回転数範囲内で作動されることが望ましい。以上により、本実施形態における所定回転数Ｎｓは、ヒートポンプユニットＨＵの設計上決定される使用可能な回転数範囲の下限の回転数であるユニット下限回転数Ｎｕ以上であることを第３の条件としている。

例えば、上記第１の条件における制御下限回転数Ｎｔが１０００ｒｐｍであり、第２の条件における圧縮機作動下限回転数Ｎｃが２０００ｒｐｍ、第３の条件におけるユニット下限回転数Ｎｕが２５００ｒｐｍである場合には、最も条件の厳しい２５００ｒｐｍ以上に所定回転数Ｎｓを決定する。

本実施形態によれば、上記第１の条件〜第３の条件を満たした所定回転数Ｎｓを設定することで、ヒートポンプ式給湯器１全体としてのシステムの信頼性および安全性を確保することができる。

（その他の実施形態）
上記実施形態では、所定回転数Ｎｓを２９５０ｒｐｍとして説明したが、この数値に限定されることなく上記第１の条件〜第３の条件を適宜満たす範囲で変更可能である。

上記実施形態では、第１の条件〜第３の条件の３つ全ての条件を満たすように所定回転数Ｎｓを設定したが、上記第１の条件〜第３の条件を必ずしも全て満たす必要はなく、許容される範囲内で所定回転数Ｎｓを設定することができる。ヒートポンプ式給湯器１の安全性・信頼性上許容される範囲内であれば、例えば、第１の条件のみ満たす所定回転数Ｎｓ、第１の条件および第２の条件を満たす所定回転数Ｎｓといったように適宜条件を選定して所定回転数Ｎｓを設定することができる。

上記実施形態では、本発明のヒートポンプ装置をＣＯ_２給湯器の加熱手段として具体化したが、冷媒はＣＯ_２に限られず、その他の冷媒、例えばフロン等を用いても良い。

また、上記実施形態ではタンク２を有する貯湯式給湯器としたが、タンク２を有さない瞬間式給湯器としても良い。

その他、ヒートポンプサイクル１０を用いたものであれば給湯器に限らず空調装置等に本発明を適用することができる。

本発明の第１実施形態におけるヒートポンプ式給湯器の構成を示す模式図である。 停止制御時における圧縮機の回転数変化を示すグラフである。 冷媒配管に生じる配管応力の測定結果を示す図である。

符号の説明

１ ヒートポンプ式給湯器
６ 制御装置（制御手段）
１０ ヒートポンプサイクル
１１ 圧縮機
１２ 水熱交換器（放熱用熱交換器）
１３ 可変式膨張弁（減圧手段）
１４ 空気熱交換器（吸熱用熱交換器）
１６，１７ 冷媒配管
ＨＵ ヒートポンプユニット

Claims (5)

1. 冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１１）と、当該圧縮機（１１）から吐出する前記冷媒から放熱して被加熱流体を加熱する放熱用熱交換器（１２）と、当該放熱用熱交換器（１２）から流出する前記冷媒を減圧する減圧手段（１３）と、当該減圧手段（１３）から流出する前記冷媒を蒸発させて前記冷媒に熱を吸収させると共に、前記圧縮機（１１）の吸入側に向けて前記冷媒を流出する吸熱用熱交換器（１４）とを有し、冷媒配管（１６，１７）によって前記圧縮機（１１）、前記放熱用熱交換器（１２）、前記減圧手段（１３）、前記吸熱用熱交換器（１４）が環状に接続されて構成されるヒートポンプサイクル（１０）と、
   前記圧縮機（１１）を停止させる際に、通常作動時における回転数よりも低い所定回転数（Ｎｓ）に向けて、回転数変化が１０００ｒｐｍ／秒以下の速度で徐々に前記回転数を前記所定回転数（Ｎｓ）まで下げたのち、前記圧縮機（１１）への印加電流を遮断する制御手段（６）と
   を備えることを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 前記所定回転数（Ｎｓ）は、前記制御手段（６）が前記圧縮機（１１）の回転数を制御し得る制御可能範囲内の回転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装置。
3. 前記所定回転数（Ｎｓ）は、前記圧縮機（１１）の正常作動を実行する上で予め決定される許容回転数範囲内の回転数であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヒートポンプ装置。
4. 前記所定回転数（Ｎｓ）は、前記ヒートポンプサイクル（１０）を構成するヒートポンプユニット（ＨＵ）の設計上決定される使用可能な回転数範囲内の回転数であることを特徴とする請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
5. 前記所定回転数（Ｎｓ）は、
   前記制御手段（６）が前記圧縮機（１１）の回転数を制御し得る制御可能範囲の下限の回転数である制御下限回転数（Ｎｔ）と、前記圧縮機（１１）の正常作動を実行する上で予め決定される許容回転数範囲の下限の回転数である圧縮機作動下限回転数（Ｎｃ）と、前記ヒートポンプサイクル（１０）を構成するヒートポンプユニット（ＨＵ）の設計上決定される使用可能な回転数範囲の下限の回転数であるユニット下限回転数（Ｎｕ）のうち、最も数値の大きい回転数に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。

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