JP3051382B2 - 蒸気ラインの圧力制御システム及び圧力制御方法 - Google Patents

蒸気ラインの圧力制御システム及び圧力制御方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、概ねヒートポンプ
システムに関し、より詳細にはヒートポンプシステム間
を互いに連結するライン内及びその他の冷媒を含有する
部品内の圧力を制御して、高圧冷媒を用いる場合に最大
設計圧力を超えないようにするためのヒートポンプシス
テム及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の住居用及び市販の空調機及びヒー
トポンプに用いられている冷媒は、Ｒ−２２であり、こ
のＲ−２２は、ＨＣＦＣ冷媒である。しかしながら、環
境問題に関する近年の関心から、ＣＦＣ及びＨＣＦＣ冷
媒は、次第に用いられなくなってきている。住居用及び
軽量の市販ヒートポンプシステムにおける置換物として
開発された塩素を含有しない冷媒は、Ｒ−２２よりも圧
力が高い傾向にある。より確実な置換冷媒の一つは、Ｈ
ＦＣ Ｒ−４１０Ａであり、Ｒ−２２よりも７０％運転
圧力が高い。
【０００３】高い圧力の冷媒を用いることは、ヒートポ
ンプシステムの高圧側に対して最も問題を生じさせる。
したがって、空調機に対してはその室外機ユニットの設
計を実質的に変更してこれらの高い圧力に適合化させる
必要がある。すなわち、安全協会及び安全機関の要請に
より、ヒートポンプシステムの高圧側において最も冷媒
を含有する部品は、著しい高圧に対しても耐える必要が
ある。最も低圧側の部品は、その一方僅かな変更及び又
は注意書き程度で用いることが可能である。Ｒ−４１０
Ａに適合させるために室外領域及び室内領域を変更する
ために必要なコストは、Ｒ−２２を用いた空調機を新た
なＲ−２２を用いた空調機に交換するためのコストより
も著しく高くはなく、したがって経済的に好ましいこと
になる。これは、ヒートポンプの場合には必然的なもの
ではない。
【０００４】Ｒ−４１０Ａを用いたヒートポンプを冷凍
モードで運転するために適合させるために、室外領域を
上述したように高圧に適合させるために再度設計する必
要がある。これに加えて、運転中の加熱モードの場合に
は、高圧領域は室内コイルとなり、この室内機の冷媒を
含有する部品は、室外ユニットの他の部品と同様に再度
設計する必要がある。
【０００５】室外コイル及び室内コイルに加えて、ヒー
トポンプシステムには、「ラインセット」と呼ばれる部分
が存在する。これは、空調機及びヒートポンプの室内機
領域と室外機領域とを連結する連結配管である。典型的
には、Ｒ−２２を用いた空調機及びヒートポンプは、Ｒ
ＳＴ（Refrigerant Service Tube：冷媒供給チューブ）
として参照される冷媒用銅チューブをラインセットとし
て用いている。ＲＳＴ配管の物理的寸法は、安全機関又
は国家規格によっては規制されてはおらず、単に概ね空
調機工業及び冷凍工業において許容された配管を用いて
いるにすぎない。
【０００６】上記ラインセットは、典型的には現場にお
いて構成され、かつ一般的には限定された製造コードに
よって規制されている。冷媒配管の最も限定された国家
コードは、ＡＳＭＥ規格であり、ＡＳＭＥＢ ３１．５
“冷凍用配管”である。Ｒ−４１０Ａを用いた空調機及
びＲ−４１０Ａを用いたヒートポンプを冷凍モードにお
いて運転する場合には、規格ＲＳＴ配管は、上述したＡ
ＳＭＥＢ ３１．５規格に適合する。しかしながら、ヒ
ートポンプについては、従来のＲ−２２ラインセットの
蒸気ラインは、典型的にはＡＳＭＥＢ３１．５規格には
適合しないことになる。すなわち、ヒートポンプ内に装
着する規格ＲＳＴ蒸気チューブは、Ｒ−４１０Ａを冷媒
として用いる場合にはＡＳＭＥＢ３１．５規格を下回る
ように作動圧を規制する必要が生じることになる。
【０００７】Ｒ−４１０Ａ冷媒に適合させるための１つ
の手法としては、ラインセットや少なくとも蒸気ライン
を変更することである。しかしながら、これは要するコ
ストには比例したものとはならない。まず、既存のヒー
トポンプシステムのラインセットは、多くの場合室外機
システムと室内機システムの間の壁に配置されており、
容易に接近することができない。次いで、労賃の他にも
銅配管のコストは、（ａ）壁が厚くなるとより多くの銅
を必要とし、（ｂ）厚い壁の銅配管の小さな容積のた
め、効果に比例せずにコストアップをもたらすことであ
る。これらの理由から、Ｒ−２２ヒートポンプをＲ−４
１０Ａが用いられるように適合させるに必要な変更は、
Ｒ−２２システムを新たなＲ−２２システムに交換する
コストを著しく上回ってしまうことになり、したがって
経済的に好ましいものではなくなってしまう。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は低圧冷媒を用いるように設計されたヒートポンプ
システムにおいて高圧冷媒を用いることができるように
適合化させる改善された方法及び装置を提供することに
ある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】概略的には、本発明の構
成では、低圧冷媒に用いられるラインセットと室内コイ
ルは、高圧冷媒を用いるヒートポンプシステムにおいて
用いられる。ヒートポンプ運転と言った高圧運転時にラ
インの最大設計圧を超えないようにするために、圧力は
最大設計圧のしきい値限界以下の水準に保持される。
【００１０】本発明の別の構成においては、ヒートポン
プシステムの室外ユニットの蒸気圧を検出し、室外ファ
ンをこれに対応させて運転させ、設定されたしきい値レ
ベル以下に蒸気ラインの圧力を保持させるようにされ
る。
【００１１】本発明の別の構成によれば、ヒートポンプ
システムの室外機領域の蒸気圧が所定のしき値レベルに
まで達すると、室外ファンの速度を低減させて、システ
ムの高圧側の冷媒圧力を低減させるように構成されてい
る。蒸気圧が所定の低いしきい値にまで低減されると、
元のファン速度とされシステムの圧力が増加されるよう
になっている。
【００１２】本発明のさらに別の構成では、室外ファン
の回転は、圧力スイッチに応答する単一速度のファンモ
ータを周期的にオンオフさせることによって行われる
か、又は圧力スイッチに応答した２速度又は可変速度モ
ータの速度を増減させることによって行われる。
【００１３】後述する図面には、好適な実施例が記載さ
れているが、種々の別の変更及びこれとは異なった構成
であっても本発明の趣旨及び範囲を離れることなく行う
ことが可能であろう。
【００１４】
【発明の実施の形態】図１を参照すると、本発明は、ラ
インセット１３として共通に参照されている配管によっ
て互いに連結された室外ユニット１１と室内ユニット１
２を備えた従来のヒートポンプシステムに適用されてい
るのが、符号１０として示されている。
【００１５】室外ユニット１１は、コンプレッサ１４と
熱交換コイル（室外コイル）１６とを有しており、これ
らは、従来の方法により室内ユニット１２と協動して冷
凍サイクルを完結させるとともに、加熱又は冷却モード
で運転させるように構成されている。すなわち、室外コ
イル１６は、ヒートポンプシステムが冷凍モードで運転
されている期間には凝縮器として駆動され、ヒートポン
プシステムが加熱運転されている期間には蒸発器として
駆動されるようになっている。４方向バルブ（リバース
バルブ）１７は、室外機領域１１に配設されていて、加
熱モード及び冷却モードを従来の方法に従って切り替え
るようにされている。また、膨張デバイス１８は、運転
におけるヒートポンプとして用いられている場合に用い
られ、バイパスライン１９は、運転における空調機モー
ド期間には膨張デバイス１８をバイパスさせるようにさ
れている。アキュムレータ２１は、蒸気アウトレットに
設けられていて、コンプレッサ１４へと冷媒が戻るのを
防止している。室外ファン２２は、本発明により変更が
加えられた部分を除き、従来の方法により室外コイル１
６の上を室外空気を循環させるために設けられている。
【００１６】本発明によれば、蒸気圧制御システム２３
は、冷媒ライン２４へと連結されていて、より詳細には
後述するような方法で冷媒ライン２４内の圧力に応じて
室外ファン２２を回転させるようになっている。蒸気圧
制御システム２３は、電気ライン２６を介してファン２
２のモータへと連結されている。
【００１７】室内機ユニット１２を参照すると、室内機
ユニット１２には、室内熱交換コイル（室内コイル）２
７及び室内ファン２８が設けられていてこれらの上に室
内空気を循環させるようになっている。膨張デバイス２
９は、バイパス部分を有しており、従来の方法により冷
却モード及び加熱モードを適切化させるようにしてい
る。
【００１８】冷媒をＲ−４１０Ａと言った比較的高圧の
冷媒を用いるように置換する場合に、比較的低圧のＲ−
２２と言った冷媒を用いるヒートポンプシステムに適合
させる変更について説明すると、室内ユニット１１と室
外ユニット１２の種々の部品に変更を加える必要があ
る。例えば、冷凍モードにおいて運転中には室外ユニッ
トの圧力は、６００Ｐｓｉｇにまで達するので、室外ユ
ニットを交換する必要が生じる。室内ユニットにおいて
は、しかしながら膨張デバイスのみを交換する必要があ
り、室内コイルは、そのまま用いることができる。
【００１９】上述の変更は、通常経済的に好ましい方法
により行うことができ、それ以外の別の望ましい変更も
可能であるものの、経済的には好ましくない。すなわ
ち、運転のヒートポンプモードの間には、高圧側は通常
連結ラインの最大設計圧を超えた比較的高い圧力におい
て運転されるので、ラインセットの高圧側及び室内コイ
ル２７内での双方をより厚い壁とすることが望ましいた
めである。しかしながら、室内コイル２７全部を交換す
るのは高価なため、かつラインセットを交換するのは比
較的高価なため、また建物の構造的変更を必要とする場
合に実現できない程度に高価となる。したがって本発明
においては、信頼性・経済性の必要に適合するように適
合化させる必要がある。
【００２０】本発明の運転原理は、加熱モードにおいて
運転されているヒートポンプシステムの蒸気ライン冷媒
圧力がラインセット又は室内コイルの設計圧力に達した
場合に、室外ファンモータ２２の速度を低減させること
にある。これは、ヒートポンプシステムの高圧側の冷媒
圧力を低下させる。蒸気ライン内の冷媒圧力が低下して
所定のカットイン圧力に達すると、元のファンモータ速
度へと戻されることになる。ファンモータ速度が低下さ
れる圧力は、特定の蒸気ラインと室内コイル組み合わせ
における最も低い設計圧力に設定される。このカットイ
ン圧力は、経済的に好ましいスイッチの切り替えによっ
て行われるようになっている。
【００２１】ファンモータ速度の低減は、数多くの方法
によって行うことができる。例えば、２速度モータは、
通常運転の場合に高速で駆動されており、カットアウト
圧力に達した場合に低速として用いることによって行う
ことができる。この目的のために用いられる典型的なモ
ータは、単一又は複数の速度を有するインダクション型
のモータを挙げることができ、これは、例えばジェネラ
ルエレクトリック社、Ａ．Ｏ．スミス(A. O. Smith)社
又はエマーソン(Emerson)社といった製造者のモータを
市販で用いることができる。
【００２２】これとは別に、室外ファンには可変速度モ
ータを使用することもできる。このようなモータを購入
するのはより高いコストとなり、この目的のためにのみ
用いるのには経済的には好ましくはない。しかしなが
ら、室外ファンを駆動するために可変速度モータを用い
る、例えば長期間の運転コストと言った節約ができる場
合等別の理由があれば、可変速度モータは実使用に用い
ることができる。このような場合には、モータは通常運
転の場合にはより高速で駆動され、圧力がカットアウト
限界に達した場合には低速とされるか又は停止される。
【００２３】簡略化のために、本発明をオン又はオフ条
件において運転される単一速度モータを用いる場合につ
いて説明する。すなわち、通常運転期間中には駆動さ
れ、蒸気圧制御システムによってカットアウト圧力に達
したのが検出されると停止されるような構成とされてい
る。このような目的のために用いられるモータの例とし
ては、ジェネラルエレクトリック社製の部品番号KCP39F
GN809BSを挙げることができる。
【００２４】図２を参照すると、コンプレッサ１４と室
外ファン２２を互いに連結する本発明の電気回路部分が
示されている。コンプレッサ１４は、コンタクタ３１に
よって高圧電源に連結されており、この高圧電源は、コ
ンプレッサを通常の運転制御機能によりオンオフさせて
いる。コンプレッサに並列して連結され、コンタクタに
よって制御されているのは、ファン電源回路３２であ
り、この回路は、蒸気圧スイッチ３３と、ファンモータ
２２と、コンプレッサキャパシタ３４とを含んでいる。
蒸気圧スイッチ３３は、単一極であり、一方向の通常閉
の圧力スイッチであり、この圧力スイッチは、ヒートポ
ンプ室外ユニットの内側に設けられた蒸気ライン２４内
に連結された圧力ダイアフラムによって駆動されるよう
になっている。したがって、蒸気ラインの圧力が圧力ス
イッチのカットアウト圧力を超えると、接点が開き室外
ファン２２が停止する。室外コイルを横切る空気流が無
い場合には（運転における加熱モードでの蒸発器）、蒸
発器の飽和吸引圧力は低下し、コンプレッサに流入する
冷媒の圧力と特定の体積が低下する。これは、コンプレ
ッサの体積効率及び冷媒吐出圧力を低下させることにな
る。この圧力低下は、蒸気圧スイッチ３３のカットイン
圧力になるまで続けられ、このカットイン圧力において
蒸気圧スイッチ３３は、閉ざされ、室外ファン２２へと
電力が供給される。
【００２５】表１を参照すると、種々の寸法のヒートポ
ンプシステムについての対応するＡＳＭＥ最大作用圧力
にしたがったＲＳＴ銅配管の寸法が示されている。これ
を考えると、この作用圧力には、安全性を考慮した実質
的な余裕が設けられているのがわかる。例えば、典型的
なＲ−２２の室内コイル設計では、実際の破裂圧力は、
２１００Ｐｓｉｇであり、作用圧力限界が４２０Ｐｓｉ
ｇとされている（すなわち、安全係数は、５である）。
したがって、表１に記載のＡＳＭＥ最大作用圧力は、ま
た同様の安全係数を持って算出されている。
【表１】 ２〜５トンの範囲の能力を有する典型的なヒートポンプ
システムでは、その蒸気ラインの最大運転圧力は、４６
０〜５２０Ｐｓｉｇとされ、ＡＳＭＥ最大作用圧力は、
ある場合には本発明により圧力を制限しなければこれを
超えてしまうことになる。
【００２６】表１の下の２カラムを参照すると、圧力ス
イッチのカットイン及びカットアウト圧力は、各圧力ス
イッチについて適用されたヒートポンプシステム能力に
ついて与えられている。例えば、２トンのシステムで
は、ＡＳＭＥ作用圧力は、４７２Ｐｓｉｇであり、蒸気
圧スイッチ３３は、４００Ｐｓｉｇ（すなわちこれは、
ファンモータ２２を停止させるように開かれる）でカッ
トアウトし、圧力が３２５Ｐｓｉｇまで低下するまで開
き続け、この圧力においてスイッチは閉じられて運転が
開始されることになる。
【００２７】室内温度がカットアウト圧力となるまで上
昇すると、本発明が適用される。温度が５０°Ｆ以上で
は、回転速度は比較的低く、温度の上昇にともなって回
転速度は増加する。これが図３に示されており実際の試
験データが示されている。運転においては、ファンは、
各曲線における最も高いポイントにおいて電力が停止さ
れ、最も低いポイントにおいて駆動される。室外ファン
の回転は、高い周囲温度における低能力負荷のため、性
能には最低の影響しか与えないようにされている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のヒートポンプの概略図。
【図２】本発明のファン回転部分の電気回路の概略図。
【図３】周囲温度の関数として室外ファンの回転をグラ
フを以て示した図。
【符号の説明】
１０…ヒートポンプ １１…室外ユニット １２…室内ユニット １３…ラインセット １４…コンプレッサ １６…熱交換コイル（室外コイル） １７…４方向バルブ（リバースバルブ） １８…膨張デバイス １９…バイパスライン ２１…アキュムレータ ２２…室外ファン ２３…蒸気圧制御システム ２４…冷媒ライン ２６…電源ライン ２７…室内熱交換コイル（室内コイル） ２８…室内ファン ２９…膨張デバイス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ドン エイ．シュスター アメリカ合衆国，インディアナ，マーテ ィンスヴィル，サニースロープ ドライ ヴ 646 (72)発明者 ラディー ジェイ．バークハート アメリカ合衆国，インディアナ，インデ ィアナポリス，ラドバーン サークル 7508 (72)発明者 ロナルド ジー．ブッチャー アメリカ合衆国，インディアナ，グリー ンウッド，ヒルコート 69 (72)発明者 ティモシー ジェイ．ペリー アメリカ合衆国，インディアナ，ジオン スヴィル，フォックスグローヴ コート 1110 (56)参考文献 特開 平８−261547（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−196562（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F25B 13/00

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 コンプレッサと、室外ファンと、室内フ
    ァンと、液体ライン及び蒸気ラインによって互いに連結
    された室内コイルと室外コイルと、運転における冷凍モ
    ード又は加熱モードのいずれかのために選択的に冷媒を
    流すように駆動されるリバースバルブと、前記室内コイ
    ル又は前記蒸気ラインを交換せずにヒートポンプシステ
    ムが設計されているよりも実質的に高い圧力の冷媒に交
    換して用いることを可能とする制御システムとを備え、 ヒートポンプモードでの運転期間中に前記蒸気ラインの
    圧力が所定圧力限界を超えることを検出するための手段
    と、 前記所定圧力限界を超えることに対応して前記室外ファ
    ンの速度を低下させることで圧力を前記所定圧力限界以
    下の許容可能圧力にまで低下させるための手段とを備え
    たヒートポンプシステム。
  2. 【請求項２】 前記圧力検出手段は、前記システムの室
    外ユニットに配置された圧力スイッチであることを特徴
    とする請求項１に記載のヒートポンプシステム。
  3. 【請求項３】 前記圧力スイッチは、前記室外ファンの
    駆動モータに直列に連結された通常閉の圧力スイッチで
    あることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプシ
    ステム。
  4. 【請求項４】 前記圧力スイッチは、第１の所定圧力レ
    ベルにおいて開かれ、前記第１の所定圧力レベル以下の
    第２の所定圧力レベルで閉じられることを特徴とする請
    求項３に記載のヒートポンプシステム。
  5. 【請求項５】 前記速度低下手段は、前記室外ファンを
    停止させるためのスイッチ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システム。
  6. 【請求項６】 コンプレッサと、ファンと、熱交換コイ
    ルと、液体ラインと蒸気ラインによって該熱交換コイル
    に連結された室内ユニットと、ヒートポンプとして運転
    されている期間内に前記蒸気ライン内の圧力を、前記熱
    交換コイル又は前記蒸気ラインを交換せずにヒートポン
    プシステムが設計されているよりも実質 的に高い圧力の
    冷媒に交換して用いることを可能とする制御システムと
    を備え、 前記蒸気ライン内で前記圧力を検出するために前記室外
    ユニットに連結された圧力検出部分と前記ファンのモー
    タに直列に連結された電動部分とを備えた蒸気圧スイッ
    チを有し、 前記圧力スイッチ部分が、前記蒸気ライン内の所定圧力
    限界を検出するように駆動されて、前記スイッチ部分に
    より前記ファンの速度を低下させて前記蒸気ライン内の
    圧力を低減させることを特徴とするヒートポンプシステ
    ム。
  7. 【請求項７】 前記蒸気圧スイッチは、通常閉のスイッ
    チであることを特徴とする請求項６に記載のヒートポン
    プシステム。
  8. 【請求項８】 前記圧力スイッチは、第１の所定圧力レ
    ベルにおいて開かれ、前記第１の所定圧力レベル以下の
    第２の所定圧力レベルで閉じられることを特徴とする請
    求項７に記載のヒートポンプシステム。
  9. 【請求項９】 前記速度低下手段は、前記室外ファンを
    停止させるためのスイッチであることを特徴とする請求
    項６に記載のヒートポンプシステム。
  10. 【請求項１０】 コンプレッサと、室外ファンと、室内
    ファンと、液体ラインと蒸気ラインによってそれぞれ互
    いに連結された室外コイルと室内コイルとを備え、前記
    ラインのうちの少なくとも一方が加熱モード運転期間中
    に所定の最大運転圧力を超える可能性があり、前記室内
    コイル又は前記蒸気ラインを交換せずにヒートポンプシ
    ステムが設計されているよりも実質的に高い圧力の冷媒
    に交換して用いることを可能とする方法であって、該方
    法は、 前記蒸気ライン内の圧力を検出するステップと、 所定の設計最大圧力以下の所定の最大しきい値圧力と検
    出された圧力とを比較するステップと、 前記検出された圧力が前記最大しきい値圧力に等しい場
    合には前記室外ファンの速度を低下させて前記ライン内
    の圧力を低下させるステップとを含むことを特徴とする
    圧力制御方法。
  11. 【請求項１１】 前記検出された圧力が最低しきい値に
    まで低下すると前記室外ファンの速度を増加させて前記
    ライン内の圧力を上昇させるステップを含むことを特徴
    とする請求項１０に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記室外ファンの速度を低下させるス
    テップは、前記室外ファンへの電力供給を停止させるこ
    とにより行われることを特徴とする請求項１０に記載の
    方法。
  13. 【請求項１３】 前記室外ファンの速度を上昇させるス
    テップは、前記室外ファンに電力を供給することによっ
    て行われることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
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