JP2013194982A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の起動時に圧縮機から液冷媒を迅速に且つ確実に排出することができ、圧縮機の破損を防止した信頼性の高いヒートポンプ装置を提供することにある。
【解決手段】膨張弁（１６）を有する冷媒回路（８）に設けた圧縮機（１４）を運転して循環する冷媒の状態変化により温調負荷の温調を行うヒートポンプ装置（２）であって、圧縮機の回転数を周波数制御するインバータ（２４）と、インバータの出力周波数及び膨張弁の開度を制御する制御部（２６）とを備え、制御部は、圧縮機を起動してから所定の起動時制御時間（ｔｒ）は、外部情報に拘わらず、膨張弁の開度を所定の起動時規制開度（Ａｒ）に一定に維持するとともに、圧縮機の回転数を所定の起動時規制回転数（Ｒｒ）に一定に維持する起動時制御を行う。
【選択図】図２

Description

本発明はヒートポンプ装置に関し、詳しくは暖房システムを構成する空調装置や給湯装置に好適なヒートポンプ装置に関する。

この種のヒートポンプ装置は、膨張弁を有する冷媒回路に設けた圧縮機を運転して循環する冷媒の状態変化により温調負荷の温調を行うヒートポンプ装置であって、圧縮機の回転数を周波数制御するインバータを備えたものが知られている。そして、例えば特許文献１には圧縮機の起動時にインバータの出力周波数を制御する制御装置が開示されている。

特許第３１２５６１４号公報

ところで、上記圧縮機を特に外気温が０℃よりも低温となる雰囲気下で起動する場合、圧縮機への吸入冷媒がガス化されずに液のまま圧縮機に吸入され、いわゆる液圧縮が生じるおそれがある。このような液圧縮を防止するために、上記冷媒回路には蒸発器の送出側と圧縮機の吸入側との間にアキュームレータが介挿され、アキュームレータからガス冷媒のみを圧縮機に送出するようにすることが多い。

しかし、アキュームレータからガス冷媒とともにミスト状の液冷媒が流出したり、或いは、アキュームレータから冷媒が溶け込んだ潤滑油が流出したりして、実際には液冷媒が圧縮機に吸入されてしまうことがあり、このまま圧縮機を起動すると、特に二酸化炭素冷媒を作動流体とした作動圧力が高圧で且つ小容量のスクロール圧縮機を用いた場合には、少量の液冷媒であってもスクロールのラップ壁が破損するおそれがある。

そこで、上記従来技術では、スクロール圧縮機の起動時にインバータの出力周波数を運転範囲の下限周波数よりも低い周波数で所定時間においてスクロールを正回転させ、スクロールの摺動部分の隙間から圧縮室内に溜まった液冷媒を排出している。しかしながら、上記従来技術では、圧縮機の起動時に冷媒回路に滞留する冷媒の圧力については格別な配慮がなされていないため、特に冷媒回路における圧縮機の吸入側と吐出側との差圧が小さい場合、すなわち、圧縮機の起動時に膨張弁の開度が大きくなっている場合には、膨張弁において冷媒の膨張が適切に行われず、冷媒回路内の冷媒状態が適切になるのに長時間を要するおそれがある。具体的には、圧縮機の起動時に本来あるべき適切な冷媒回路内の圧力状態があるが、圧縮機の停止時の状態や停止からの経過時間によっては、液冷媒が圧縮機に吸入されることとなり、液冷媒の排出に長時間を要し、或いは、液冷媒の排出が完全に終了しない状態で圧縮機が通常運転に移行し、依然として圧縮機の破損を招くおそれがある。

本発明は上述の事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、圧縮機の起動時に、通常制御に移行する前準備として、冷媒回路内における圧縮機前後の吸入側と吐出側との差圧を適切な状態にするとともに、圧縮機から液冷媒を迅速に且つ確実に排出することができ、圧縮機の破損を防止した信頼性の高いヒートポンプ装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明のヒートポンプ装置は、膨張弁を有する冷媒回路に設けた圧縮機を運転して循環する冷媒の状態変化により温調負荷の温調を行うヒートポンプ装置であって、圧縮機の回転数を周波数制御するインバータと、インバータの出力周波数及び膨張弁の開度を制御する制御部とを備え、制御部は、外部情報に拘わらず、膨張弁の開度を所定の起動時規制開度に一定に維持するとともに、圧縮機の回転数を所定の起動時規制回転数に一定に維持する起動時制御を行う。

好ましくは、外部情報は、少なくとも外気温度、冷媒温度、及び前記温調負荷に関する情報の何れかを含む。
好ましくは、起動時規制回転数は、圧縮機を安定運転可能な最低安定回転数よりも低く、且つ、液冷媒を圧縮しても圧縮機を保護可能な回転数に設定される。
好ましくは、起動時規制開度は、起動時規制回転数に基づいて、圧縮機の吸入側圧力と吐出側圧力との差圧が所定圧力以上となる開度に設定される。

好ましくは、制御部は、起動時制御時間の経過後に起動時制御を停止し、外気温度及び温調負荷に関する情報に基づきインバータの出力周波数及び膨張弁の開度を制御する通常制御に移行する。
好ましくは、起動時制御時間は、起動時規制回転数と、冷媒回路の１周分の冷媒流路の容積とに基づいて設定される。

好ましくは、圧縮機はスクロール型圧縮機であって、そのスクロールユニットは圧縮機の吸入側圧力と吐出側圧力との差圧が所定圧力以上となるときに該スクロールユニット内の液冷媒を排出可能なリリーフポートを有する。
好ましくは、冷媒は二酸化炭素冷媒である。

本発明によれば、圧縮機を起動してから所定の起動時制御時間は、外気温度及び温調負荷に関する情報に拘わらず、膨張弁の開度を所定の起動時規制開度に一定に維持するとともに、圧縮機の回転数を所定の起動時規制回転数に一定に維持する起動時制御を行う起動時制御を行うことにより、圧縮機の起動時に圧縮機から液冷媒を迅速に且つ確実に排出することができ、圧縮機の破損を防止した信頼性の高いヒートポンプ装置を提供することができる。

本発明の一実施例のヒートポンプ装置が用いられる暖房システムの構成を概略的に示す図である。 図１のヒートポンプ装置の起動時制御時に設定される圧縮機のインバータの設定周波数、及び膨張弁の設定開度を時系列的に示したタイムチャートである。 図１の暖房システムの全体において行われる図２の起動時制御の制御ルーチンを示したフローチャートである。

以下に本発明の一実施例に係るヒートポンプ装置について図面を参照して説明する。
図１は本実施例のヒートポンプ装置が用いられる暖房システム１の構成を概略的に示す。この暖房システム１は、大きく分けてヒートポンプ装置２と、暖房装置４から構成され、これら装置２，４はガスクーラ６を介して互いに熱的に接続されている。
ヒートポンプ装置２は、例えば二酸化炭素ガスの冷媒が循環する冷媒回路８を備え、この冷媒回路８は、冷媒の流れ方向から、外気と冷媒との間で熱交換を行う蒸発器１０、アキュームレータ１２、スクロール型の圧縮機１４、ガスクーラ６及び膨脹弁１６等を順次備えている。

一方、暖房装置４は水が循環する水回路１８を備え、この水回路１８は、水の流れ方向から、ガスクーラ６、ポンプ２０、暖房負荷（温調負荷）２２等を順次備えている。そして、ヒートポンプ装置２は、膨張弁１６を有する冷媒回路８に設けた圧縮機１４を運転することで循環する冷媒の状態変化により暖房負荷２２の温調を行う。
具体的には、圧縮機１４はインバータ制御モータで駆動され、その回転数を周波数制御するインバータ２４が電気的に接続され、インバータ２４の出力周波数及び膨張弁１６の開度は制御部２６において制御される。制御部２６には、インバータ２４、膨張弁１６の駆動部の他、ポンプ２０の駆動部、蒸発器１０の伝熱部に外気を送風するファン２８、外気温度を検出する外気温度センサ３０、水回路１８において暖房負荷２２の入口水温度を検出する入口温度センサ３２、水回路１８において暖房負荷２２の出口水温度を検出する出口温度センサ３４、圧縮機１４の吐出冷媒温度を検出する吐出ガス温度センサ３１、暖房負荷２２にて設定された温度を送信する設定部等が電気的に接続されている。

制御部２６は、外気温度センサ３０で検出された外気温度データ、及び、暖房負荷２２に関する情報として、入口及び出口温度センサ３２，３４の水温度データ、吐出ガス温度センサ３１の吐出冷媒温度データ等に基づいて、インバータ２４の出力周波数及び膨張弁１６の開度を制御する通常制御を行う。
図２は、圧縮機１４の起動時に制御部２６で設定されるインバータ２４の設定周波数（Ｈｚ）、及び膨張弁１６のデューティ制御において設定される設定開度（パルス）を時系列的に示したタイムチャートである。

従来は、圧縮機１４を起動時には上記通常制御が行われるため、上述した各温度データに基づいて、例えば一点鎖線で示されるように膨張弁１６に初期目標開度（Ａｓ）が設定され、インバータ２４には初期目標回転数（Ｒｓ）が設定されていた。
この場合には、圧縮機１４の起動により、膨張弁１６はデューティ制御で瞬時に例えば２５０パルス程度（全開は４６０パルス）の初期目標開度（Ａｓ）にされ、インバータ２４の出力周波数は所定の上昇速度で一定に上昇され、最終的に４４Ｈｚの初期目標回転数（Ｒｓ）にされる。その後は、実線で示されるように、上述した各温度データ等に基づいて膨張弁１６の目標開度、及びインバータ２４の目標回転数が都度変更され、上記通常制御が継続して行われる。

一方、本実施例の場合には、制御部２６は、圧縮機１４を起動してから起動時制御時間（ｔｒ）は、上述した外気温度及び暖房負荷２２に関する情報に拘わらず、膨張弁１６の開度を起動時規制開度（Ａｒ）に一定に維持するとともに、圧縮機１４の回転数を起動時規制回転数（Ｒｒ）に一定に維持する起動時制御を行う。
起動時規制回転数（Ｒｒ）は、圧縮機１４を安定運転可能な最低安定回転数（Ｒｌ）よりも低く、且つ、液冷媒を圧縮しても圧縮機１４を保護可能な回転数に設定され、例えば本実施例の場合には最低安定回転数（Ｒｌ）が３５Ｈｚであるのに対し、矢印で示すように、それよりも低い２０Ｈｚの起動時規制回転数（Ｒｒ）が設定されている。

詳しくは、実際の起動時規制回転数（Ｒｒ）の設定までは、制御部２６はインバータ２４の設定周波数を先ず３．３Ｈｚ／ｓｅｃの高速度で１７Ｈｚまで上昇させ（ｔ１）、その後、上述した通常制御時と同じ０．３Ｈｚ／ｓｅｃの速度で起動時規制回転数（Ｒｒ）である２０Ｈｚまで段階的に上昇させる（ｔ２）。
一方、起動時規制開度（Ａｒ）は、起動時規制回転数（Ｒｒ）に基づいて、圧縮機１４の吸入側圧力と吐出側圧力との差圧が圧縮機１４内の液冷媒を排出可能な所定圧力以上となる開度に設定され、例えば本実施例の場合には初期目標開度（Ａｓ）が２５０パルス程度であるのに対し、矢印で示すように、それよりも低い２００パルスの起動時規制開度（Ａｒ）が設定されている。

そして、上記起動時制御は、圧縮機１４の起動時（ｔ０）から起動時制御終了時（ｔ３）に至るまでの時間である起動時制御時間（ｔｒ）の間において継続される。起動時制御時間（ｔｒ）は、圧縮機１４の吐出容量及び起動時規制回転数（Ｒｒ）と、冷媒回路８の１周分の冷媒配管及び各構成機器（冷媒流路）の容積とに基づいて設定される。具体的には、本実施例の場合には起動時制御時間（ｔｒ）は例えば１２０ｓｅｃに設定され、起動時制御を２０Ｈｚの圧縮機１４の回転数で１２０ｓｅｃ間行えば、圧縮機１４によって冷媒回路８を１周する容積分の吸入が可能である。

次に、制御部２６は、起動時制御時間（ｔｒ）の経過後に上記起動時制御を停止し、上述した外気温度、吐出冷媒温度、及び暖房負荷２２に関する情報に基づきインバータ２４の出力周波数及び膨張弁１６の開度を制御する通常制御に移行する。
図３は、暖房システム１の全体において行われる上述した起動時制御の制御ルーチンを示したフローチャートである。先ず制御部２６において上記起動時制御が開始されると、暖房負荷２２から暖房システム１の運転指令があるか否かが判定される＜ステップＳ１＞。ステップＳ１の判定結果が偽（ＮＯ）であり、運転指令なしと判定された場合には、再びステップＳ１に移行する。

一方、ステップＳ１の判定結果が真（ＹＥＳ）であり、運転指令ありと判定された場合には、暖房システム１全体でエラーが発生していないか否かが判定される＜ステップＳ２＞。
ステップＳ２の判定結果が偽（ＮＯ）であり、エラーありと判定された場合には、エラー処理を行い＜ステップＳ３＞、本制御ルーチンを終了する。

一方、ステップＳ２の判定結果が真（ＹＥＳ）であり、エラーなしと判定された場合には、ファン２８を起動する＜ステップＳ４＞。
次に、ステップＳ４でファン２８を起動後は、ポンプ２０を起動する＜ステップＳ５＞。
次に、ステップＳ５でポンプ２０を起動後は、膨張弁１６の開度を起動時規制開度（Ａｒ）に設定する＜ステップＳ６＞。

次に、ステップＳ６で起動時規制開度（Ａｒ）を設定後は、圧縮機１４の回転数を起動時規制回転数（Ｒｒ）に設定する＜ステップＳ７＞。
次に、ステップＳ７で起動時規制回転数（Ｒｒ）を設定後は、起動時規制開度（Ａｒ）及び起動時規制回転数（Ｒｒ）の設定条件下で圧縮機１４を起動する＜ステップＳ８＞。
次に、ステップＳ８で圧縮機１４を起動後は、起動時制御時間（ｔｒ）が経過したか否かが判定される＜ステップＳ９＞。ステップＳ９の判定結果が偽（ＮＯ）であり、起動時制御時間（ｔｒ）が経過していないと判定された場合には、再びステップＳ９に移行する。

一方、ステップＳ９の判定結果が真（ＹＥＳ）であり、起動時制御時間（ｔｒ）が経過したと判定された場合には、起動時制御を停止して通常制御に移行し＜ステップＳ１０＞、本制御ルーチンを終了する。
以上のように本実施例のヒートポンプ装置２によれば、上述した起動時制御を行うことにより、圧縮機１４の起動時に圧縮機１４から液冷媒を迅速に且つ確実に排出することができるとともに、圧縮機１４の起動時における冷媒回路８内の圧縮機１４前後の冷媒状態を適切な差圧にすることができ、圧縮機１４の破損を防止した信頼性の高いヒートポンプ装置２を提供することができる。

具体的には、起動時規制回転数（Ｒｒ）が圧縮機１４を安定運転可能な最低安定回転数（Ｒｌ）よりも低く、且つ、液冷媒を圧縮しても圧縮機１４を保護可能な回転数に設定されることにより、万一圧縮機１４において液冷媒を圧縮してしまっても、圧縮機１４の破損は確実に防止される。
また、起動時規制開度（Ａｒ）は、起動時規制回転数（Ｒｒ）に基づいて、圧縮機１４の吸入側圧力と吐出側圧力との差圧が所定圧力以上となる開度に設定される。すなわち、圧縮機１４が比較的低い起動時規制回転数（Ｒｒ）で運転中であっても、冷媒回路８の圧縮機１４の前後において圧縮機１４から液冷媒を迅速に冷媒回路８に排出可能な差圧以上となるように膨張弁１６の開度を設定することで、圧縮機１４から液冷媒を迅速に且つ確実に排出可能である。

具体的には、駆動周波数２０Ｈｚで駆動される圧縮機１４においては、圧縮機１４のスクロールユニットを構成する可動スクロールに背圧がかかる。このとき、可動スクロールの渦巻き状のラップとそれと対向する固定スクロールの渦巻き状のラップとが完全な圧縮を行わない噛み合い状態、すなわち、噛み合うラップ同士及びラップ先端と対向する基板の基面との間にそれぞれ隙間が出来る程度の可動スクロールの背圧が生じるように膨張弁１６の開度を調整することで、冷媒回路８の圧縮機１４の前後において圧縮機１４から液冷媒を迅速に冷媒回路８に排出可能な差圧を生じさせることができる。

なお、上記差圧が大きすぎると、起動時制御が停止して通常制御に移行したときに、起動時制御での上記差圧と圧縮機１４の回転数増加により増加した差圧との合計により、アキュームレータ１２に貯留される液冷媒が一気に圧縮機１４に吸入されてしまったり、或いは、圧縮機１４前後の差圧が大きいために圧縮機１４の回転負荷が増大し、その結果、圧縮機１４を駆動するインバータ２４の所要動力、すなわち消費電力も増加し、インバータ２４の電流上限値に達してしまい、結果的に圧縮機１４が停止し、システムが異常停止することとなる。

また、起動時制御時間（ｔｒ）の経過後に起動時制御を停止し、通常制御に移行することにより、圧縮機１４、ヒートポンプ装置２、ひいては暖房システム１の迅速な立ち上げが可能となる。また、起動時制御時間（ｔｒ）は、圧縮機１４の吐出容量及び起動時規制回転数（Ｒｒ）と、冷媒回路８の１周分の冷媒流路の容積とに基づいて設定されることにより、冷媒回路８内に存在する液冷媒のすべてを圧縮機１４の吐出側に排出して移動することができ、冷媒回路８内の冷媒状態を適切にすることができるため、ヒートポンプ装置１を圧縮機１４の起動直後から圧縮機１４の破損を防止しながら、起動時制御停止から圧縮機１４を高効率で稼働させることができ、暖房システム１の暖房効率を大幅に向上することができる。

本発明は、上記実施例のヒートポンプ装置２に制約されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施例では冷媒回路８を循環する冷媒は二酸化炭素冷媒であるが、これに限定されない。しかし、二酸化炭素冷媒を作動流体とした場合には、作動圧力が高圧で且つ小容量のスクロール型圧縮機とならざるを得ないため、少量の液冷媒であってもスクロールのラップ壁が破損し易くなる。そこで、本発明の適用によりこれを効果的に防止することができるため、冷媒が二酸化炭素冷媒である場合に本発明の効果がより一層発揮される。

また、上記実施例では、圧縮機１４はスクロール型圧縮機であるが、これに限定されない。しかし、スクロール型圧縮機では、スクロールユニットを構成する各スクロールのラップ壁間に圧縮室が形成されるため、ラップ壁が破損し易くなる。そこで、本発明の適用によりこれを効果的に防止することができるため、圧縮機１４がスクロール型である場合に本発明の効果がより一層発揮される。
また、上記実施例では、圧縮機１４の構造については詳述していないが、起動時制御においては圧縮機１４のスクロールユニットにおける吸入ポートと吐出ポートとに発生する差圧によってスクロールユニット内の液冷媒が冷媒回路８に排出される。吐出ポートは固定スクロールの径方向略中央に穿孔された吐出孔に連通されており、スクロールユニット内の液冷媒は吐出孔から吐出ポートを経て冷媒回路８に排出される。

ここで、図示はしないが、このスクロールユニットは圧縮機１４の吸入側圧力と吐出側圧力との差圧が所定圧力以上となるときに該スクロールユニット内の液冷媒を排出可能な開閉弁を備えたリリーフポートを有する構造であっても良い。また、スクロールユニットは上記差圧が所定圧力以上となるときに可動スクロールのラップによって閉塞され、上記所定圧力未満のときは圧縮室と圧縮機１の吐出側とを連通させるリリーフポートを有する構造であっても良い。これらの場合には、上述したように液冷媒を吐出孔から吐出ポートを経て冷媒回路８に排出する場合よりも排出経路を短く且つ低圧で排出することができるため、圧縮機１４から液冷媒をより一層迅速に排出可能であるとともに圧縮機１４が破損され難いため好適である。

また、上記実施例では、暖房システム１にヒートポンプ装置２を適用する場合について説明したが、暖房システム以外の空調システムや給湯システムにヒートポンプ装置２を適用することも可能であるのは勿論である。

２ ヒートポンプ装置
１６ 膨張弁
８ 冷媒回路
１４ スクロール型圧縮機（圧縮機）
２２ 暖房負荷（温調負荷）
２４ インバータ
２６ 制御部

Claims (8)

1. 膨張弁を有する冷媒回路に設けた圧縮機を運転して循環する冷媒の状態変化により温調負荷の温調を行うヒートポンプ装置であって、
   前記圧縮機の回転数を周波数制御するインバータと、
   前記インバータの出力周波数及び前記膨張弁の開度を制御する制御部と
   を備え、
   前記制御部は、前記圧縮機を起動してから所定の起動時制御時間は、外部情報に拘わらず、前記膨張弁の開度を所定の起動時規制開度に一定に維持するとともに、前記圧縮機の回転数を所定の起動時規制回転数に一定に維持する起動時制御を行うことを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 前記外部情報は、少なくとも外気温度、冷媒温度、及び前記温調負荷に関する情報の何れかを含む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. 前記起動時規制回転数は、前記圧縮機を安定運転可能な最低安定回転数よりも低く、且つ、液冷媒を圧縮しても前記圧縮機を保護可能な回転数に設定され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。
4. 前記起動時規制開度は、前記起動時規制回転数に基づいて、前記圧縮機の吸入側圧力と吐出側圧力との差圧が所定圧力以上となる開度に設定されることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ装置。
5. 前記制御部は、前記起動時制御時間の経過後に前記起動時制御を停止し、前記外気温度及び前記温調負荷に関する情報に基づき前記インバータの出力周波数及び前記膨張弁の開度を制御する通常制御に移行することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のヒートポンプ装置。
6. 前記起動時制御時間は、前記起動時規制回転数と、前記冷媒回路の１周分の冷媒流路の容積とに基づいて設定されることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載のヒートポンプ装置。
7. 前記圧縮機はスクロール型圧縮機であって、そのスクロールユニットは前記圧縮機の吸入側圧力と吐出側圧力との差圧が前記所定圧力以上となるときに該スクロールユニット内の液冷媒を排出可能なリリーフポートを有することを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載のヒートポンプ装置。
8. 前記冷媒は二酸化炭素冷媒であることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載のヒートポンプ装置。

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