JP2011052873A - ヒートポンプサイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の高圧保護を行いつつ、安定した高温出湯を行えるヒートポンプサイクル装置を提供する。
【解決手段】ヒートポンプサイクル装置において、室内ユニット１１での設定温度により高温出湯が要求された場合に、冷媒用配管１２の圧縮機１吐出側に設置された吐出圧力センサ３０で検出した吐出圧力によって圧縮機１の回転数を制御する。検出した吐出圧力を複数範囲に区分けし、複数範囲毎に異なった制御態様による圧縮機１の回転数制御を行うことによって、圧縮機１の高圧保護を行いつつ、安定した高温出湯を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプサイクル装置に係わり、特に、高温出湯時に圧縮機の高圧保護を行いつつ安定した出湯が行えるヒートポンプサイクル装置に関する。

従来、ヒートポンプサイクル装置における圧縮機の回転数制御方法としては、設定温度と出湯温度との差に応じたインバータの運転周波数を出力して圧縮機の回転数を制御することにより、出湯温度が設定温度となるよう制御を行う方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示されているのは、圧縮機と、内部に冷媒用配管と水用配管を有する利用側熱交換器と、膨張弁と、熱源側熱交換器と、制御回路と、給湯蛇口と、温度センサと、インバータとから構成されているヒートポンプサイクル装置であり、冷媒回路は圧縮機より利用側熱交換器の冷媒用配管と膨張弁と熱源側熱交換器とを経て、圧縮機に戻る循環経路により形成されている。

一方、給水回路は給水管より利用側熱交換器の水用配管を経て、給湯蛇口に至る経路により形成されている。温度センサは給湯蛇口近傍に配置されており、定期的に出湯温度を検出して制御回路に送信している。制御回路は、温度センサで検出した出湯温度と設定温度とを比較し、出湯温度が設定温度より低い場合はインバータの出力周波数を上げて圧縮機の回転数を上げ、出湯温度が設定温度より高い場合はインバータの出力周波数を下げて圧縮機の回転数を下げる制御を行っている。

しかしながら、上述した構成では、給湯負荷の変化（特許文献１記載の構成の場合は給湯蛇口の開閉度合い）により利用側熱交換器での冷媒と水との熱交換が十分に行われず凝縮しきれなかった冷媒が循環して圧縮機に吸入されて圧縮機の吐出圧力が上昇することによって、圧縮機の使用圧力範囲を越えてしまう可能性があり、圧縮機の信頼性確保に問題があった。圧縮機の保護を行うために、圧縮機の吐出圧力が使用圧力範囲の上限値となった時に圧縮機を停止する制御も考えられるが、この場合は圧縮機が停止して冷凍サイクルが停止することによって安定した出湯が行えない虞があり、特に圧縮機の吐出圧力の使用圧力範囲の上限値付近での動作となる高温出湯時に、頻繁に圧縮機が停止／作動を繰り返すことによって安定して出湯が行えないという問題があった。

特開平２−２２３７６７号公報（第２項、第１図）

本発明は以上述べた問題点を解決し、圧縮機の高圧保護を行いつつ、安定した高温出湯を行えるヒートポンプサイクル装置を提供することを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するものであって、本発明のヒートポンプサイクル装置は、圧縮機の吐出圧力によって圧縮機の回転数制御を行うものであり、吐出圧力を複数範囲に区分けし、その複数範囲毎に圧縮機の回転数制御を異なる態様で行うものである。

この制御態様は、ある吐出圧力範囲では圧縮機の回転数上昇を禁止し、他の吐出圧力範囲では所定の割合で圧縮機の回転数を減じるものである。また、吐出圧力が所定の圧力以上となった場合には圧縮機の運転を停止するものである。

本発明のヒートポンプサイクル装置は、高温出湯が要求され利用側熱交換器での冷媒温度が高温になる場合、すなわち圧縮機が吐出圧力の使用圧力範囲の上限近傍での運転となる場合に、圧縮機の吐出圧力が使用範囲を越えないように吐出圧力に応じて圧縮機の回転数を制御することで、圧縮機の高圧保護を行いつつ高温での出湯を安定して行うことができる。

本発明の実施例におけるヒートポンプサイクル装置の構成図である。 本発明の実施例における圧縮機の回転数制御態様を示す図である。 本発明の実施例における圧縮機の回転数制御のフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。実施例としては、負荷として床暖房等の室内ユニットを有するヒートポンプサイクル装置を例として説明することとする。尚、本発明は以下の実施形態に限定されることはなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。

図１は、本発明によるヒートポンプサイクル装置の構成を示している。このヒートポンプサイクル装置１００は、圧縮機１、四方弁２、冷媒と水との熱交換を行う利用側熱交換器３、膨張弁４、室外熱交換器５、アキュムレータ６を順に配管で接続して構成されている。利用側熱交換器３は、冷媒用配管１２と水用配管１３とを有しており、水用配管１３には室内ユニット１１が接続されている。

利用側熱交換器３には、冷媒用配管１２を流れる冷媒の温度を検出する熱交温度センサ２０が設置されている。また、室外熱交換器５には外気温度を検出するための外気温センサ２１が、圧縮機１の吐出口付近の配管には冷媒の吐出温度を検出するための吐出温度センサ２２がそれぞれ設置されている。さらには、冷媒用配管１２の圧縮機１吐出側（四方弁２から冷媒用配管１２へ冷媒が流入する箇所）には、圧縮機１の吐出圧力を検出するための吐出圧力センサ３０が設置されている。

圧縮機１の運転制御は、制御手段１０が図示しないインバータの出力周波数を制御することにより行われる。尚、制御手段１０は、熱交温度センサ２０や外気温センサ２１、吐出温度センサ２２で検出した温度や吐出圧力センサ３０で検出した圧力を入力し、また、図示しないリモコン等による使用者からの運転要求に応じて、四方弁２の切換や膨張弁４の開度調整等のヒートポンプサイクル装置１００の制御を行っている。

以上説明した構成を有するヒートポンプサイクル装置１００の運転動作は以下のようになる。使用者が室内ユニット１１のリモコン等を操作してスイッチをオンすると、ヒートポンプサイクル装置１００が運転を開始する。

圧縮機１で圧縮された冷媒は、四方弁２を通り利用側熱交換器３で放熱する。そして、膨張弁４で減圧された後、室外熱交換器５にて吸熱し、四方弁２、アキュムレータ６を介して圧縮機１に吸入される（以上の冷媒の流れを図１に矢印で示している）。一方、利用側熱交換器３で吸熱した水は、水用配管１３を通して室内ユニット１１に流れ放熱する。

以上説明したヒートポンプサイクル装置１００において、例えば、室内ユニット１１での設定温度が上げられた場合には、制御手段１０はインバータの出力周波数を上げて圧縮機の回転数を上げることにより冷媒循環量を上げて利用側熱交換器３での熱交換量を上げる。また、室内ユニット１１での設定温度が下げられた場合には、制御手段１０はインバータの出力周波数を下げて圧縮機の回転数を下げることにより冷媒循環量を下げて利用側熱交換器３での熱交換量を下げる、といった制御が制御手段１０により行われている。

室内ユニット１１において、設定温度が高温に設定された場合は、圧縮機１の回転数が上昇し圧縮機１は使用圧力範囲の上限付近での運転となる。この際の制御について、図２の圧縮機制御態様の説明図を用いて説明する。図２において、横軸は吐出圧力センサ３０での検出圧力である吐出圧力Ｐを示している。この吐出圧力ＰがＰ４の時が圧縮機１の使用圧力範囲の上限値である。

縦軸には、各吐出圧力範囲における圧縮機１の制御態様が示されている。制御態様Ａは、圧縮機１の回転数の上昇を許可する制御であり、吐出圧力ＰがＰ１までの範囲で適用される。制御態様Ｂは、圧縮機１の回転数の上昇を禁止する制御であり、吐出圧力ＰがＰ１〜Ｐ２の範囲で適用される。

制御態様Ｃは、圧縮機１の回転数を、所定の計算式、例えば、０．５×（現在の吐出圧力−Ｐ２）×１０ｒｐｓの計算式で算出される割合で減少させる制御であり、吐出圧力ＰがＰ２〜Ｐ３の範囲で適用される。制御態様Ｃでは、制御手段１０は吐出圧力Ｐを所定の時間間隔で検出し、上述した計算式により回転数減少値を算出して圧縮機１の回転数を減少させている。尚、圧縮機１の回転数減少値を算出する計算式は、使用する圧縮機の性能や要求される暖房能力等に応じて選択すればよく、また、計算式による算出ではなく所定の割合で回転数減少を行ってもよい。

制御態様Ｄは、圧縮機１の回転数を１０ｒｐｓ／１０秒の割合で減少させる制御であり、吐出圧力ＰがＰ３〜Ｐ４の範囲で適用される。尚、圧縮機１の回転数減少の割合は、使用する圧縮機の性能や要求される暖房能力等に応じて選択すればよい。
また、制御態様Ｅは、圧縮機１の運転を停止する制御であり、吐出圧力ＰがＰ４を超えた際に適用される。

制御手段１０は、使用者が室内ユニット１１の設定温度を高く設定した場合、ヒートポンプサイクル装置１００において高温出湯を行う。この時、制御手段１０は設定温度に到達するように吐出圧力ＰがＰ１となるまでは圧縮機１の回転数上昇も含めた制御を行う（制御態様Ａ）。通常、吐出圧力ＰがＰ１となるまでに室内ユニット１１が設定温度に達するが、室内ユニット１１での負荷変動等によって利用側熱交換器３での冷媒と水との熱交換が十分行われないと、圧縮機１の吐出圧力Ｐが上昇しＰ１を超える。

吐出圧力ＰがＰ１を超えると、制御手段１０は圧縮機１の回転数の上昇を禁止して吐出圧力ＰがＰ１以下となるよう制御を行う（制御態様Ｂ）。制御態様Ｂの制御を行っても吐出圧力Ｐが下がらない場合、例えば、上述した負荷変動が大きく、圧縮機１の回転数上昇を禁止しても吐出圧力Ｐが上昇し吐出圧力ＰがＰ２を超えた場合、制御手段１０は圧縮機１の回転数を０．５×（現在の吐出圧力−Ｐ２）×１０ｒｐｓの割合で減少させ、圧縮機１の吐出圧力の上昇を防いで吐出圧力ＰがＰ３を超えずＰ２を下回るようにする（制御態様Ｃ）。

この計算式による回転数減少値の算出は、例えば次のようになる。今、Ｐ２：４．２ＭＰａ、Ｐ３：４．３ＭＰａとし、１秒毎に吐出圧力Ｐを検出すると仮定して検出した吐出圧力Ｐが４．２５ＭＰａであった場合、制御手段１０は上述した計算式より、

０．５×（４．２５−４．２）×１０＝０．２５（ｒｐｓ）

と回転数減少値を算出し、回転数を減じる。制御態様Ｃでは、以上のように所定の間隔で吐出圧力Ｐを検出して減じる回転数を算出し、吐出圧力ＰがＰ２を下回るまで回転数の減少を行う。尚、制御態様Ｃでは、吐出圧力Ｐは圧縮機１の使用圧力範囲の上限値である吐出圧力Ｐ４までは余裕があるため、圧縮機１の回転数を比較的高い状態で運転する制御としている。

制御態様Ｃの制御を行っても吐出圧力Ｐが下がらず、吐出圧力ＰがＰ３を超えた場合は、制御手段１０は、圧縮機１の回転数を１０ｒｐｓ／１０秒の割合で減少させ、圧縮機１の吐出圧力の上昇を防いで吐出圧力ＰがＰ４を超えないようにする（制御態様Ｄ）。制御態様Ｄでは、吐出圧力Ｐは圧縮機１の使用圧力範囲の上限値である吐出圧力Ｐ４まで余裕がないため、圧縮機１の回転数減少割合を大きくして圧縮機１を保護することによって圧縮機１を停止せず運転を続ける制御としている。

制御態様Ｄの制御を行っても吐出圧力Ｐが下がらず、吐出圧力ＰがＰ４を超えた場合は、制御手段１０は圧縮機１の運転を停止する（制御態様Ｅ）。尚、圧縮機１を停止して吐出圧力ＰがＰ４を下回ったら、制御手段１０は圧縮機１の運転を再開する。

以上説明したように、室内ユニット１１で設定温度が高温に設定され、圧縮機１の回転数が上昇して使用圧力範囲の上限付近での運転となった場合、制御態様Ａ〜Ｅの制御を行うことによって圧縮機１の高圧保護を行いながら圧縮機１の使用圧力範囲の上限付近での運転を続けることができるので、圧縮機１の高圧保護を行いつつ、圧縮機１の運転停止／再開の繰り返しにより水温が上下して安定した高温出湯が行えない、といった不具合を抑えることができる。

以上説明した実施例では、吐出圧力Ｐが高くなるに従って順に回転数上昇を禁止、圧縮機１の回転数減少値を大きくする制御を行っているが、要求される圧縮機１の回転数制御に応じて、これら制御態様の順序を変えて行ってもよい。また、制御態様数についても、要求される圧縮機１の回転数制御に応じて増減する、例えば、吐出圧力Ｐ２〜Ｐ４の間を３つ以上に区分けしてそれぞれに異なる制御態様を適用してもよい。

次に図３に示す制御手段１０での処理を表すフローチャートを用いて、圧縮機１の回転数制御の流れについて説明する。尚、図３においてＳＴはステップを表し、これに続く数字はステップ番号を表している。

室内ユニット１１のスイッチがオンされ、ヒートポンプサイクル装置１００が運転を開始する。制御手段１０は、使用者の要求した設定温度に応じて圧縮機１の回転数を制御し、室内ユニットでの温度が設定温度となるようヒートポンプサイクル装置１００の制御を行う（ＳＴ１）。

次に制御手段１０は、吐出圧力センサ３０で検出した吐出圧力ＰがＰ１を超えているか否かを判断する（ＳＴ２）。吐出圧力ＰがＰ１を超えていれば（ＳＴ２−Ｙｅｓ）、制御手段１０は、吐出圧力ＰがＰ２を超えているか否かを判断する（ＳＴ３）。吐出圧力ＰがＰ２を超えていれば（ＳＴ３−Ｙｅｓ）、制御手段１０は、吐出圧力ＰがＰ３を超えているか否かを判断する（ＳＴ４）。吐出圧力ＰがＰ３を超えていれば（ＳＴ４−Ｙｅｓ）、制御手段１０は、吐出圧力ＰがＰ４を超えているか否かを判断する（ＳＴ５）。

吐出圧力ＰがＰ４を超えていれば（ＳＴ５−Ｙｅｓ）、制御手段１０は制御態様Ｅの制御を行い圧縮機１の運転を停止する（ＳＴ６）。そして、制御手段１０は吐出圧力ＰがＰ４より下回ったか否かを判断し（ＳＴ７）、吐出圧力ＰがＰ４を下回っていなければ（ＳＴ７−Ｎｏ）、ＳＴ６にジャンプし、Ｐ４を下回っていれば（ＳＴ７−Ｙｅｓ）、制御手段１０は圧縮機１の運転を再開し（ＳＴ８）、ＳＴ２にジャンプする。

尚、ＳＴ２において、吐出圧力ＰがＰ１を超えていなければ（ＳＴ２−Ｎｏ）、制御手段１０は使用者による設定温度の変更や室内ユニット１１の負荷変動に応じ、制御態様Ａの制御を行って圧縮機１の回転数を制御し（ＳＴ９）、ＳＴ２にジャンプする。

また、ＳＴ３において、吐出圧力ＰがＰ２を超えていなければ（ＳＴ３−Ｎｏ）、吐出圧力ＰがＰ１とＰ２の範囲内であるため、制御手段１０は制御態様Ｂの制御を行い圧縮機１の回転数上昇を禁止する（ＳＴ１０）。そして、制御手段１０は吐出圧力ＰがＰ１を下回ったか否かを判断し（ＳＴ１３）、吐出圧力ＰがＰ１を下回っていなければ（ＳＴ１３−Ｎｏ）、ＳＴ３にジャンプし、Ｐ１を下回っていれば（ＳＴ１３−Ｙｅｓ）、ＳＴ２にジャンプする。

また、ＳＴ４において、吐出圧力ＰがＰ３を超えていなければ（ＳＴ４−Ｎｏ）、吐出圧力ＰがＰ２とＰ３の範囲内であるため、制御手段１０は制御態様Ｃの制御を行い圧縮機１の回転数を減少させる（ＳＴ１１）。そして、制御手段１０は吐出圧力ＰがＰ２を下回ったか否かを判断し（ＳＴ１４）、吐出圧力ＰがＰ２を下回っていなければ（ＳＴ１４−Ｎｏ）、ＳＴ４にジャンプし、Ｐ２を下回っていれば（ＳＴ１４−Ｙｅｓ）、ＳＴ１３にジャンプする。

また、ＳＴ５において、吐出圧力ＰがＰ４を超えていなければ（ＳＴ５−Ｎｏ）、吐出圧力ＰがＰ３とＰ４の範囲内であるため、制御手段１０は制御態様Ｄの制御を行い圧縮機１の回転数を減少させる（ＳＴ１２）。そして、制御手段１０は吐出圧力ＰがＰ３を下回ったか否かを判断し（ＳＴ１５）、吐出圧力ＰがＰ３を下回っていなければ（ＳＴ１５−Ｎｏ）、ＳＴ５にジャンプし、Ｐ３を下回っていれば（ＳＴ１５−Ｙｅｓ）、ＳＴ１４にジャンプする。

以上説明した通り、本発明によれば、圧縮機の運転が使用圧力範囲上限近傍となる利用側熱交換器での冷媒温度が高温である場合、すなわち出湯温度が高温である場合に、圧縮機の吐出圧力が使用範囲を越えないように回転数を制御しつつ、高温での出湯を安定して行うことができる。

１ 圧縮機
２ 四方弁
３ 利用側熱交換器
４ 膨張弁
５ 室外熱交換器
１０ 制御手段
１２ 冷媒用配管
１３ 水用配管
２０ 熱交温度センサ
２１ 外気温センサ
３０ 吐出圧力センサ
１００ ヒートポンプサイクル

Claims (5)

1. 圧縮機と、利用側熱交換器と、膨張弁と、室外熱交換器とを備え、これらを配管で接続したヒートポンプサイクル装置において、
   前記ヒートポンプサイクル装置の冷媒状態を前記圧縮機の吐出圧力によって複数範囲に区分けし、同冷媒状態の複数範囲毎に前記圧縮機の回転数を制御することを特徴とするヒートポンプサイクル装置。
2. 前記圧縮機の回転数制御は、前記冷媒状態の複数範囲毎に制御態様が異なることを特徴とする請求項１及び請求項２記載のヒートポンプサイクル装置。
3. 前記制御態様のうち、少なくとも１つは前記圧縮機の回転数の上昇を禁止する制御であることを特徴とする請求項１及び請求項２記載のヒートポンプサイクル装置。
4. 前記制御態様のうち、少なくとも１つは前記圧縮機の回転数を所定の割合で減じる制御であることを特徴とする請求項１及び請求項２記載のヒートポンプサイクル装置。
5. 前記吐出圧力が所定の値以上となった際に、前記圧縮機の運転を停止することを特徴とする請求項５記載のヒートポンプサイクル装置。

Images