JP3632131B2

JP3632131B2 - ヒートポンプ装置

Info

Publication number: JP3632131B2
Application number: JP2002021147A
Authority: JP
Inventors: 真一坂本; 浩中山; 孝司千田
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2002-01-30
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2022-01-30
Also published as: JP2003222449A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ヒートポンプ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ヒートポンプ装置は、一般には図８に示すように、圧縮機５１と、利用側熱交換器（水熱交換器）５２と、電動膨張弁５３と、熱源側熱交換器（空気熱交換器）５４とを順次接続してなる。そして、このヒートポンプ装置には適量の冷媒が充填され、圧縮機５１を駆動させると、冷媒が、利用側熱交換器５２と電動膨張弁５３と熱源側熱交換器５４とを順次流れる。従って、ヒートポンプ装置内の冷媒がなんらかの原因で漏れた場合、すなわち、ガス欠状態となった場合、圧縮機５１からの吐出ガス温度が上昇して、圧縮機５１の信頼性を低下させていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来では、正規の冷媒量に対して７０〜８０％ぐらいに低下したとしても、圧縮機５１の駆動により、冷媒循環回路内をある程度の量の冷媒が循環するので、ガス欠状態であることをユーザ等は正確に把握することが困難であった。そのため、ガス欠状態での運転が継続されて、圧縮機５１の信頼性の低下を招くとともに、最悪の場合には圧縮機が焼損する場合があった。
【０００４】
この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、確実にガス欠運転を検出することができ、圧縮機の信頼性の向上を図ることができるヒートポンプ装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１のヒートポンプ装置は、圧縮機１と、利用側熱交換器２と、電動膨張弁３と、熱源側熱交換器４とを順次接続し、上記圧縮機１が停止状態でありかつ均圧制御を行っていない状態で、回路内冷媒圧力が外気飽和相当圧力よりも低い基準圧力未満であるときに、ガス欠状態とするガス欠判定を行うヒートポンプ装置であって、上記外気飽和相当圧力は、上記圧縮機１の吐出管温度、圧縮機の吸入管温度、及び熱源側熱交換器温度等の回路温度のうちで最も低い温度に基づいて算出することを特徴としている。
【００１４】
上記請求項１のヒートポンプ装置では、ガス欠状態では、冷媒循環回路内の冷媒圧力が外気飽和相当圧力よりも低くなることを利用している。すなわち、圧縮機１が停止状態でありかつ均圧制御を行っていない状態で、回路内冷媒圧力が外気飽和相当圧力よりも低い基準圧力未満であるときに、ガス欠状態とするガス欠判定を行うものである。これにより、運転前にガス欠状態であるとユーザ等は把握することができる。また、外気飽和相当圧力は、上記圧縮機１の吐出管温度、圧縮機１の吸入管温度、及び熱源側熱交換器等の回路温度のうちで最も低い温度に基づいて算出するので、判定の信頼性の向上を図ることができる。
【００１９】
請求項２のヒートポンプ装置は、冷媒に超臨界で使用する超臨界冷媒を用いたことを特徴としている。
【００２０】
上記請求項２のヒートポンプ装置では、超臨界冷媒を用いるので、高圧が臨界圧力よりも高い凝縮飽和温度がない。また、外気温度が所定温度（例えば、４３℃位）までいわゆる暖房サイクルで運転することになり、正規の冷媒量であっても、空気熱交換器の空気熱交サーミスタの検出位置によっては過熱度がつくことがある。このため、従来から空調機等で行っている空気温度と熱交換温度との差によるガス欠判定を行うことができない。しかしながら、請求項２のヒートポンプ装置では、冷媒圧力を利用して、ガス欠を検知することができる。しかも、オゾン層の破壊、環境汚染等の問題がなく、地球環境にやさしいヒートポンプ装置となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、この発明のヒートポンプ装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１はこのヒートポンプ装置の簡略図を示し、このヒートポンプ装置は、圧縮機１と、利用側熱交換器２と、電動膨張弁（減圧機構）３と、熱源側熱交換器（蒸発器）４とを順に接続して構成される。すなわち、圧縮機１の吐出管５を利用側熱交換器２に接続し、利用側熱交換器２と電動膨張弁（電動弁）３とを冷媒通路６にて接続し、電動膨張弁３と熱源側熱交換器４とを冷媒通路７にて接続し、熱源側熱交換器４と圧縮機１とをアキュームレータ８が介設された冷媒通路９にて接続している。また、冷媒に超臨界で使用する超臨界冷媒（炭酸ガス）を用いる。さらに、熱源側熱交換器４にはこの熱源側熱交換器４の能力を調整するファン１０が付設されている。なお、圧縮機１はインバータにより運転制御されるので、例えば、変成器（ＣＴ）からなる入力電流センサを備える。
【００２２】
ところで、このヒートポンプ装置の制御部は、図２に示すように、吸入管温度検出手段１１と、吐出管温度検出手段１２と、入力電流検出手段１３と、熱源側熱交換器温度検出手段（空気熱交換器温度検出手段）１５と、圧力検出手段１６と、各種データが設定される設定手段１７と、各検出手段１１、１２、１３、１４、１５、１６等からのデータ（数値）等が入力される制御手段１８とを備える。
【００２３】
図１に示すように、吸入管温度検出手段１１は冷媒通路９（圧縮機１の吸入管）に付設された吸入管サーミスタ１１ａにて構成することができ、吐出管温度検出手段１２は圧縮機１の吐出管５に付設された吐出管サーミスタ１２ａにて構成することができ、入力電流検出手段１３は圧縮機１の入力電流センサ（変成器）にて構成でき、熱源側熱交換器温度検出手段１５は空気熱熱交換器４に付設される空気熱交サーミスタ１５ａにて構成することができ、圧力検出手段１６は吐出管５に付設された圧力センサ１６ａにて構成することができる。なお、上記制御手段１８は例えばマイクロコンピュータを用いて構成することができる。
【００２４】
上記のように構成されたヒートポンプ装置によれば、圧縮機１を駆動させると、冷媒が、順次、圧縮機１→利用側熱交換器２→電動膨張弁３→熱源側熱交換器５→圧縮機１と流れる。これによって、高圧高温の冷媒が利用側熱交換器２を流れ、この利用側熱交換器２が、例えば、水熱交換器であれば、この水熱交換器を通過する水を加熱することができる。
【００２５】
すなわち、このヒートポンプ装置における冷媒循環回路には、この回路を循環する適量の冷媒が充填されている。しかしながら、各配管等の接続部にシール不良等があれば、冷媒循環回路内の冷媒が抜けて、冷媒が不足するガス欠状態となる場合があった。そこで、このヒートポンプ装置では、ガス欠状態を検出することができるガス欠検出手段を設けている。ガス欠検出手段には、圧縮機の入力電流値を利用するもの、圧縮機の吐出管温度を利用するもの、及びこの発明の特徴である回路内冷媒圧力を利用するものを採用することができる。
【００２６】
圧縮機１の出力周波数と入力電流値との関係を示す図５のように、ガス欠運転時の入力電流値が正常運転時に比べて小さいので、この入力電流値を検知することによって、ガス欠状態であることがわかる。この場合、基準周波数以上で上記圧縮機１を運転する必要がある。すなわち、検出時の運転周波数ＦＯＵＴ≧ガス欠確定周波数ＦＧＡＳである必要がある。ＦＧＡＳは例えば、５６Ｈｚである。そして、上記入力電流検出手段１３にて検出した入力電流値をＩＩＮとした場合、ＩＩＮ≦ＡＧ１×ＦＯＵＴ＋ＢＧ１である必要がある。また、ＡＧ１はガス欠異常確定電流値係数であり、ＢＧ１はガス欠異常確定電流値係数であり、これらは上記設定手段１７にて設定される。この場合、ヒートポンプ装置がデフロスト回路を有する場合には、デフロスト運転（除霜運転）を行っていないことが前提である。すなわち、▲１▼圧縮機１が運転中、▲２▼除霜制御中でない、▲３▼ＦＯＵＴ≧ＦＧＡＳ、▲４▼ＩＩＮ≦ＡＧ１×ＦＯＵＴ＋ＢＧ１の全ての条件を満たした状態が所定時間（５〜１５分程度）継続した場合がガス欠状態であるといえる。この場合、ＡＧ１×ＦＯＵＴ＋ＢＧ１を基準電流値と呼べば、ガス欠状態の上記▲４▼の条件としては、入力電流値がこの基準電流値以下となることである。
【００２７】
このため、上記▲１▼〜▲４▼までの全ての条件を所定時間（５〜１５分程度）満たしていると、上記制御手段１８が判定すれば、ガス欠状態としてガス欠信号を出力する。しかしながら、この場合、ガス欠であるとの判定は、ガス欠信号が所定回数（例えば、６回）出力されたときに行う。すなわち、圧縮機１を停止した後、再度運転を行って、所定時間（５〜１５分程度）の間上記▲１▼〜▲４▼の全ての条件を満たした状態が継続するかの判定を行う。そして、所定回数（例えば、６回）出力されれば、圧縮機１を停止して、ガス欠検知として、システムダウン（圧縮機１の運転を禁止）とする。
【００２８】
このように、入力電流値を検出することによって、ガス欠状態であれば、簡単にかついち早くこのガス欠を検知することができる。これによって、ガス欠状態での運転継続を回避することができ、圧縮の信頼性の低下を防止することが、さらには、ガス欠状態での長期の運転による圧縮機１の損傷を防止することができる。
【００２９】
ところで、上記ヒートポンプ装置は、上記吐出管温度検出手段１２にて吐出管５の温度は検出され、この吐出管５の温度を目標吐出管温度となるように、電動膨張弁３の開度を調整（制御）する運転を行っている。すなわち、図６に示すように、規定量の冷媒がヒートポンプ装置に充填されていれば、冷凍サイクルは図６に示す実線となる。なお、図６でＤＯＳＥＴとは、目標吐出管温度である。しかしながら、ガス欠運転時には、冷凍サイクルは仮想線で示すようになり、過熱ぎみの運転となって、吐出管温度が上昇するようになる。このため、電動膨張弁３が所定開度に開いているのもかかわらず、吐出管温度が高い場合には冷凍サイクルがガス欠ゾーンに入るので、ガス欠状態であるといえる。従って、このヒートポンプ装置では、電動膨張弁３を所定開度以上に開いた状態で、圧縮機１の吐出管温度が目標吐出管温度よりも高い基準温度以上の状態が所定時間継続したときに、ガス欠状態としてガス欠信号を出力するようにしている。
【００３０】
この場合、目標吐出管温度制御中、吐出管温度高温時電動弁制御中、周波数変更時電動弁制御中のいずれかである必要があり、ＤＯ≧ＡＧ２×ＤＯＳＥＴ＋ＢＧ２でかつＥＶＭＫ≧ＥＶＭＫＧＡＳ２である必要がある。ここで、ＤＯは上記吐出管温度検出手段１２にて検出した吐出管温度であり、ＤＯＳＥＴは目標吐出管温度である。また、ＡＧ２はガス欠異常確定吐出管温度係数であり、ＢＧ２はガス欠異常確定吐出管温度係数であり、これらは上記設定手段１７にて設定される。なお、ＡＧ２は例えば１であり、かつＢＧ２は所定温度であり、例えば１５℃である。また、ＥＶＭＫは電動膨張弁（電動弁）３の開度であり、ＥＶＭＫＧＡＳ２はガス欠異常確定電動弁開度（所定開度）である。この場合、ガス欠異常確定電動弁開度として、例えば３２０パルスまたは全開とする。このため、吐出管温度≧目標吐出管温度＋１５であり、かつ電動膨張弁（電動弁）３の開度が所定開度（例えば、３２０パルス）以上であるときが、ガス欠状態であるといえる。この場合、目標吐出管温度＋１５を基準温度と呼べば、ガス欠状態の条件として、吐出管温度がこの基準温度以上である必要がある。
【００３１】
次に、図３を使用してガス欠判定方法（吐出管温度を利用する方法）を説明する。この場合、ヒートポンプ装置を、利用側熱交換器２が水熱交換器として機能する給湯機に使用した。このため、沸き上げ運転を開始して、ステップＳ０に示すように、圧縮機１の運転を開始する。次に、ステップＳ１で目標吐出管温度制御開始条件成立か否かを判定する。条件成立であれば、ステップＳ２へ移行して目標吐出管温度制御を行う。ステップＳ１で条件不成立であれば、成立するまで待つ。
【００３２】
ところで、ガス欠判定には、吐出管温度以外の入力電流値を使用するものがあるので、このような場合には、ステップＳ３に示すように、割り込み処理を行う必要があり、この際、ステップＳ４のように、圧縮機１を停止すると共に、ガス欠確定タイマ（ＴＧＡＳ２）のカウントをリセットして、ステップＳ０へ移行する必要がある。
【００３３】
ステップＳ２で目標吐出管温度制御を行うようになれば、ステップＳ５へ移行する。ステップＳ５では、吐出管温度≧目標吐出管温度＋所定温度でかつ主減圧電動弁（電動膨張弁３）が所定開度以上か否かを判定する。ここで、所定温度は例えば、１５℃位であり、所定開度は３２０パルス又は全開状態とする。そして、このステップＳ５の条件が成立した場合に、ステップＳ６へ移行し、不成立の場合にステップＳ７へ移行する。すなわち、ステップＳ５の条件が成立した場合、ガス欠状態であると推定され、ステップ６で上記ガス欠確定タイマ（ＴＧＡＳ２）のカウントを開始する。また、ステップＳ５の条件が成立しない場合、ガス欠状態でないと判定され、ステップＳ７へ移行して、ガス欠確定タイマ（ＴＧＡＳ２）をリセットする。
【００３４】
ステップ６でガス欠確定タイマ（ＴＧＡＳ２）のカウントを開始すれば、ステップＳ８へ移行して、ガス欠確定タイマ（ＴＧＡＳ２）のカウント時間（例えば、１０分）が経過したか否かの判定を行う。すなわち、ステップＳ５での判定でガス欠状態が所定時間（例えば、１０分間）継続した場合に、ガス欠信号を送信する。また、ステップＳ７でガス欠確定タイマ（ＴＧＡＳ２）がリセットされれば、このヒートポンプ装置が使用されている給湯機の沸き上げ運転が終了かを判定する。すなわち、ステップＳ９で沸き上がりか否かを判定し、沸き上がっていれば、ステップＳ１０へ移行して、圧縮機１を停止して、沸き上げ運転を終了し、沸き上がっていなければ、ステップＳ２へ戻る。
【００３５】
ステップＳ８でガス欠信号が送信されれば、ステップＳ１１へ移行して、異常状態の判定を確定するために、ステップＳ８までのステップを再度実行する。すなわち、圧縮機１の運転を停止して、ステップＳ０からの判定を行う。なお、ステップＳ１１のＮＧＡＳは上記工程におけるガス欠異常の検知（検出）回数を示し、ステップＳ１２でこのガス欠異常検知回数が規定回数（例えば、６回）を越えたか否かを判定する。越えなければ、ステップＳ４に戻り、越えれば、ステップＳ１３へ移行して圧縮機１を停止し、さらに、ガス欠検知として、システムダウン（圧縮機１の運転を禁止）とする。
【００３６】
このように、吐出管温度を用いても、ガス欠を検知することができ、これによって、ガス欠状態での運転を回避することができ、圧縮機１の信頼性の低下を防止することができる。さらには、ガス欠状態での長期の運転による圧縮機１の損傷を防止することができる。
【００３７】
また、ガス欠（冷媒が規定量よりも少なくなる）が進むと、図７に示すように、冷媒循環回路の冷媒圧力が外気飽和相当圧力以下となる。このため、圧縮機１が停止状態でありかつ均圧制御を行ってない状態で、回路内冷媒圧力が外気飽和相当圧力よりも低い基準圧力未満であるときに、ガス欠状態とするガス欠判定を行うことができる。この場合、圧縮機１が停止中であり、電源投入時又は圧縮機１の停止後所定時間（例えば、１５０秒）経過後であり、ＰＲ＜ＡＧ３×Ｔ^２＋ＢＧ３×Ｔ＋ＣＧ３である必要がある。ここで、ＰＲとは圧力検出手段１６が検出した冷媒圧力である。また、ＡＧ３はガス欠異常確定温度係数であり、ＢＧ３はガス欠異常確定温度係数であり、ＣＧ３はガス欠異常復帰温度係数であり、これらは上記設定手段１７にて設定される。この場合、ＡＧ３×Ｔ^２＋ＢＧ３×Ｔ＋ＣＧ３を上記基準圧力と呼ぶことができる。
【００３８】
また、このガス欠異常からの復帰は、ＡＧ３×Ｔ^２＋ＢＧ３×Ｔ＋ＣＧ３Ｄである必要がある。ここで、ＣＧ３Ｄはガス欠異常復帰温度係数である。ガス欠異常からの復帰の条件とは、ガス欠状態でないと判定できる条件である。ところで、ガス欠判定の条件に使用するＴ、及びガス欠異常からの復帰の条件に使用するＴは、吐出管温度、吸入管温度、熱源側熱交換器温度、及び、冷媒調整器を有する場合は冷媒調整器温度のうちで最低の温度である。この場合、吐出管温度は上記吐出管温度検出手段１２にて検出することができ、吸入管温度は吸入管温度検出手段１１にて検出することができ、熱源側熱交換器温度は空気熱交換温度検出手段１５にて検出することができ、冷媒調整器温度はこの調整器に設けられる調整器温度検出手段（温度検出サーミスタ）にて検出することができる。このため、吐出管温度、吸入管温度、熱源側熱交換器温度、及び冷媒調整器の温度を検出する各温度検出サーミスタが不良でないことが必要である。なお、上記冷媒調整器とは、高圧側に設けられ、ヒートポンプ装置内の余剰冷媒を溜めることができ、ヒートポンプ装置内の冷媒循環量を調整するものである。なお、この種のヒートポンプ装置にはこの冷媒調整器を一般に備えている。
【００３９】
次に、この冷媒圧力を利用したガス欠検知方法を図４を使用して説明する。まず、ステップＳ１４で、上記タイマ（ＴＧＡＳ２）をリセットすると共に、ガス欠判定タイマ（ＴＧＡＳ３）をオーバした状態とする。次に、ガス欠判定タイマ（ＴＧＡＳ３）のカウントを開始して、ステップＳ１５でガス欠判定タイマ（ＴＧＡＳ３）のカウント時間（例えば、１５０秒）が経過したか否かを判定する。そして、経過していれば、ステップＳ１６へ移行し、経過していなければ、ステップＳ１７へ移行する。
【００４０】
ステップＳ１６で、圧力値＞所定値１であるかの判定を行う。ここで、圧力値とは、圧力検出手段１６にて検出した圧力であり、所定値１とは、上記のように、ＡＧ３×Ｔ^２＋ＢＧ３×Ｔ＋ＣＧ３Ｄで表すことができる。この際、ＡＧ３を例えば０とすると、所定値１は、０．０９９×Ｔ＋２．６４３となる。すなわち、ステップＳ１６でこの条件が成立した場合には、ガス欠状態でないと判定され、ステップＳ１７へ移行することになり、条件が成立しない場合、ガス欠状態であるかを確定するため、ステップＳ１８へ移行する。
【００４１】
ステップＳ１８では、ガス検知中か、又は圧力値＜所定値２であるかの判定を行う。ここで、圧力値とは、圧力検出手段１６にて検出した圧力であり、所定値２とは、ＡＧ３×Ｔ^２＋ＢＧ３×Ｔ＋ＣＧ３で表すことができる。また、ＡＧ３を例えば０とすると、所定値２は、０．０９９×Ｔ＋２．１４３となる。
【００４２】
ステップＳ１８で、この条件が成立した場合、ステップＳ１９へ移行し、条件が成立しない場合、ステップＳ１７へ移行することになる。ステップＳ１９ではガス欠検知中として圧縮機１の運転を禁止し、ステップＳ１５へ戻る。すなわち、ガス検知中であるか、又は圧力値＜所定値２の関係が成り立てば、圧縮機１が運転されないようにする。そして、ステップＳ１９でガス欠を検知して圧縮機１の運転を禁止した場合、この圧縮機１が停止されている状態でのガス欠状態を検知するモードに戻る。また、ステップＳ１７では、沸き上げ条件が成立しているかを判定する。ステップＳ１７で条件が成立するならば、ステップＳ２０へ移行して沸き上げ運転を開始し、条件が不成立であれば、ステップＳ２１へ移行して、ガス欠判定タイマ（ＴＧＡＳ３）のカウントを開始してステップＳ１５に戻る。ステップＳ２０で沸き上げ運転が開始されれば、ステップＳ２２でガス欠判定タイマ（ＴＧＡＳ２）及びガス欠判定タイマ（ＴＧＳ）をリセットして、ステップＳ２１へ移行する。
【００４３】
このように、図４に示す方法によれば、運転停止中に、ガス欠か否かの判定を行うことができ、ガス欠状態での運転を回避することができ、圧縮機１等の損傷を防止することができる。
【００４４】
以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、ガス欠信号を出力する場合、ユーザ等にいち早く知らせるために、ガス欠を検知したことを知らせる音を発生させてもよい。なお、ヒートポンプ装置の冷媒として炭酸ガスを用いるのが好ましいが、その他、ジクロロジフルオロメタン（Ｒ−１２）やクロロジフルオロメタン（Ｒ−２２）のような冷媒であっても、オゾン層の破壊、環境汚染等の問題から、１，１，１，２−テトラフルオロエタン（Ｒ−１３４ａ）のような代替冷媒であってもよい。また、このヒートポンプ装置は、給湯機以外の各種冷凍機のヒートポンプ装置に使用することができる。
【００４９】
【発明の効果】
請求項１のヒートポンプ装置によれば、ガス欠状態では、冷媒循環回路内の冷媒圧力が外気飽和相当圧力よりも低くなることを利用して、ガス欠状態とするガス欠判定を行うものである。これにより、運転前にガス欠状態であるとユーザ等は把握することができ、運転に際しては、圧縮機の信頼性を確保できると共に、圧縮機等の損傷を防止することができる。また、判定の信頼性の向上を図ることができ、圧縮機等の損傷を有効に防止することができる。
【００５２】
請求項２のヒートポンプ装置によれば、冷媒圧力を利用して、ガス欠を検知することができる。しかも、オゾン層の破壊、環境汚染等の問題がなく、地球環境にやさしいヒートポンプ装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のヒートポンプ装置の実施の形態を示す簡略図である。
【図２】上記ヒートポンプ装置の制御部の簡略ブロック図である。
【図３】上記ヒートポンプ装置のガス欠検出方法を示すフローチャート図である。
【図４】上記ヒートポンプ装置の他のガス欠検出方法を示すフローチャート図である。
【図５】上記ヒートポンプ装置の圧縮機の出力周波数と入力電流との関係を示すグラフ図である。
【図６】上記ヒートポンプ装置の正常状態とガス欠状態の冷凍サイクルを示すグラフ図である。
【図７】上記ヒートポンプ装置の正常状態とガス欠状態の冷媒圧力と温度との関係を示すグラフ図である。
【図８】従来のヒートポンプ装置の簡略図である。
【符号の説明】
１圧縮機
２利用側熱交換器
３電動膨張弁
４熱源側熱交換器

Claims

圧縮機（１）と、利用側熱交換器（２）と、電動膨張弁（３）と、熱源側熱交換器（４）とを順次接続し、上記圧縮機（１）が停止状態でありかつ均圧制御を行っていない状態で、回路内冷媒圧力が外気飽和相当圧力よりも低い基準圧力未満であるときに、ガス欠状態とするガス欠判定を行うヒートポンプ装置であって、上記外気飽和相当圧力は、上記圧縮機（１）の吐出管温度、圧縮機の吸入管温度、及び熱源側熱交換器温度等の回路温度のうちで最も低い温度に基づいて算出することを特徴とするヒートポンプ装置。
冷媒に超臨界で使用する超臨界冷媒を用いたことを特徴とする請求項１のヒートポンプ装置。