JP3855903B2

JP3855903B2 - ヒートポンプ装置

Info

Publication number: JP3855903B2
Application number: JP2002280818A
Authority: JP
Inventors: 真一坂本; 勲高橋
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2022-09-26
Also published as: JP2004116892A

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】
ヒートポンプ装置として、従来から図４に示すようなヒートポンプ式給湯機があり、この場合、貯湯タンク７０を有するタンクユニット７１と、冷凍サイクル７２を有するヒートポンプユニット７３とを備える。また、冷凍サイクル７２は、圧縮機７４と水熱交換器７５と膨張弁７７と空気熱交換器７８とを順に接続して構成される。そして、タンクユニット７１は、上記貯湯タンク７０と循環路７９とを備え、この循環路７９には、水循環用ポンプ８０と熱交換路８１とが介設されている。この場合、熱交換路８１は水熱交換器７５にて構成される。
【０００３】
上記ヒートポンプ装置においては、圧縮機７４を駆動させると共に、ポンプ８０を駆動（作動）させると、貯湯タンク７０の底部に設けた取水口から貯溜水（温湯）が循環路７９に流出し、これが熱交換路８１を流通する。そのときこの温湯は水熱交換器７５によって加熱され（沸き上げられ）、湯入口から貯湯タンク７０の上部に返流される。これによって、貯湯タンク７０に高温の温湯を貯めるものである。
【０００４】
そして、ヒートポンプユニット７３の冷凍サイクル７２においては、高圧配管側、つまり圧縮機７４と水熱交換器７５とを接続する冷媒配管７６には高圧遮断器（ＨＰＳ）８２が介設されている。すなわち、高圧側が何らかの原因で異常に上昇した場合に、この高圧遮断器８２を動作させると共に、圧縮機７４を停止させるのである。
【０００５】
ところで、負荷変動や起動時等に高圧が一時的に通常時よりも上昇することもある。このようなときにおいても、高圧遮断器８２が作動して、圧縮機７４が停止することになる。しかしながら、高圧遮断器８２が作動した場合、ヒートポンプ装置をそのまま再起動させることができず、メンテナンス要員（サービスマン）が点検を行わなければならなかった。すなわち、高圧遮断器８２が作動すれば、ヒートポンプ装置を長期（長時間）にわたって使用することができなくなり、ユーザーは快適生活を営むことができないおそれがあった。そのため、この図５に示すように、高圧側に圧力センサ８３を設け、高圧遮断器８２の実際の作動圧力よりも所定値だけ低い基準圧力を予め設定しておき、この圧力センサ８３にて検出した高圧側圧力がこの基準圧力を越えたときに、制御手段からの指令にて圧縮機７４を停止させるものがあった。なお、圧力センサを用いて高圧保護を行うものとしては、例えば、特願２００２−２１１４５の明細書に記載のものがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記図５にようなヒートポンプ装置において、冷媒に炭酸ガス等の自然冷媒を使用すれば、高圧側が超臨界圧力で運転することになって、高圧側は極めて高圧（１０ＭＰａ以上）となる。このため、使用する圧力センサ８３はこれに耐えてその圧力を検出する必要があり、高品質のセンサを使用しなければならず、コスト高となっていた。
【０００７】
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、高圧遮断器（保安用圧力スイッチ）の作動を抑制して、運転を長時間継続させることが可能でしかも低コストにて製造す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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで請求項１のヒートポンプ装置は、冷凍サイクルの高圧側が超臨界圧力で運転するヒートポンプユニット２を備えたヒートポンプ装置において、上記冷凍サイクルが高圧異常のときに作動すべき保安用圧力スイッチ２４と、この保安用圧力スイッチ２４の作動圧力よりも低い圧力で作動する制御用圧力スイッチ２５とを高圧側に設け、上記制御用圧力スイッチ２５が作動したときに、上記ヒートポンプユニット２の圧縮機１５の駆動を停止させるべく構成し、さらに、高圧側圧力を推定して、この推定圧力が、上記制御用圧力スイッチ２５の作動圧力よりも低い所定圧力以上となれば、高圧側圧力が上記制御用圧力スイッチ２５の作動圧力を越えないように、この圧縮機１５の運転周波数を低下させることを特徴としている。
【０００９】
請求項１のヒートポンプ装置では、高圧異常のときに作動すべき保安用圧力スイッチ２４の作動圧力よりも低い圧力で作動する制御用圧力スイッチ２５とを高圧側に設けているので、高圧異常が発生した場合に、保安用圧力スイッチ２４が作動する前に制御用圧力スイッチ２５が作動することになる。このため、高価な圧力センサを使用せずに、保安用圧力スイッチ２４の作動を回避することができる。また、冷媒に炭酸ガス等の自然冷媒を使用することができる。また、上記ヒートポンプ装置では、制御用圧力スイッチ２５が作動したときにヒートポンプユニット２の圧縮機１５の駆動を停止するので、制御用圧力スイッチ２５が作動しても、制御用圧力スイッチ２５を簡単に復帰させることができる。このため、長期の運転休止を回避して安定した運転再開が可能となる。さらに、上記ヒートポンプ装置では、推定圧力が、上記制御用圧力スイッチ２５の作動圧力よりも低い所定圧力以上となれば、ヒートポンプユニット２の圧縮機１５の運転周波数を低下させることによって、圧縮機１５を停止させる上記制御用圧力スイッチ２５の作動圧力を越えないようにすることができる。このため、高圧異常による圧縮機１５の停止を確実に回避して、このヒートポンプ装置の連続運転を可能としている。
【００１２】
請求項２のヒートポンプ装置は、制御用圧力スイッチ２５の作動後の圧縮機１５の再駆動では、上記制御用圧力スイッチ２５の作動圧力を越えないように、上記ヒートポンプユニット２の圧縮機１５の運転周波数を制御することを特徴としている。
【００１３】
上記請求項２のヒートポンプ装置では、制御用圧力スイッチ２５の作動後の圧縮機１５の再駆動では、上記制御用圧力スイッチ２５の作動圧力を越えないように、上記ヒートポンプユニット２の圧縮機１５の運転周波数を制御するので、この再駆動においては、制御用圧力スイッチ２５の作動を回避して連続運転が可能となる。
【００１６】
請求項３のヒートポンプ装置は、圧縮機１５の運転周波数、圧縮機入力電流、及び外気温度等に基づいて上記高圧側圧力を推定することを特徴としている。
【００１７】
上記請求項３のヒートポンプ装置では、圧縮機１５の運転周波数、圧縮機入力電流、及び外気温度等に基づいて上記高圧側圧力を推定するので、高圧側圧力を簡単かつ確実に推定することができ、しかも、その推定した高圧側圧力は信頼性に優れる。
【００１８】
【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、貯湯タンク３に貯められた温水をヒートポンプユニット２にて沸き上げてこの貯湯タンク３に貯えるヒートポンプ式給湯機であり、貯湯タンク３に貯湯された温湯が図示省略の浴槽等に供給される。すなわち、貯湯タンク３には、その底壁に給水口５が設けられると共に、その上壁に出湯口６が設けられている。そして、給水口５から貯湯タンク３に水道水が供給され、出湯口６から高温の温湯が出湯される。また、貯湯タンク３には、その底壁に取水口１０が開設されると共に、側壁（周壁）の上部に湯入口１１が開設され、取水口１０と湯入口１１とが循環路１２にて連結されている。そして、この循環路１２に水循環用ポンプ１３と熱交換路１４とが介設されている。なお、給水口５には給水用流路８が接続されている。
【００１９】
そして、ヒートポンプユニット２の冷凍サイクルは、圧縮機１５と、熱交換路１４を構成する水熱交換器１６と、減圧機構（電動膨張弁）１７と、空気熱交換器１８とを順に接続して構成される。すなわち、圧縮機１５と水熱交換器１６とを冷媒通路１９にて接続し、水熱交換器１６と電動膨張弁１７とを冷媒通路２０にて接続し、電動膨張弁１７と空気熱交換器１８とを冷媒通路２１にて接続し、空気熱交換器１８と圧縮機１５とをアキュームレータ２２が介設された冷媒通路２３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（例えば、炭酸ガス）を用いる。すなわち、冷凍サイクルの高圧側が超臨界圧力で運転することになる。なお、図１において、２９ａは外気温度を検出する外気温度検出用サーミスタである。
【００２０】
また、冷媒通路１９には、高圧遮断器としての保安用圧力スイッチ（ＨＰＳ）２４と、制御用圧力スイッチ（ＨＰＳ）２５とが介設されている。この場合、制御用圧力スイッチ２５の作動圧力は保安用圧力スイッチ２４の作動圧力よりも低く設定されている。さらに、上記圧縮機１５にはインバータ２６が接続され、このインバータ２６への入力電流値を検出する後述する入力電流検出手段２７としての変成器（ＣＴ）２７ａが設けられている。なお、空気熱交換器１８にはこの空気熱交換器１８の能力を調整するファン２８が付設されている。
【００２１】
したがって、圧縮機１５を駆動させると共に、水循環用ポンプ１３を駆動（作動）させると、貯湯タンク３の底部に設けた取水口１０から貯溜水（低温水）が流出し、これが循環路１２の熱交換路１４を流通する。そのときこの温湯は水熱交換器１６によって加熱され（沸き上げられ）、湯入口１１から貯湯タンク３の上部に返流される。このような動作を継続して行うことによって、貯湯タンク３に高温の温湯を貯湯することができる。
【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、外気温度検出手段２９と、入力電流検出手段２７と、制御手段３０等を備える。そして、入力電流検出手段２７は上記変成器２７ａにて構成でき、圧縮機１５の入力電流を検出する。さらに、外気温度検出手段２９は外気温度検出用サーミスタ２９ａにて構成することができる。なお、上記制御手段３０等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。
【００２３】
上記ヒートポンプ装置において、制御用圧力スイッチ２５がなければ、高圧側が何らかの原因で異常に上昇した場合に、上記保安用圧力スイッチ２４が作動して圧縮機１５を停止させることになる。しかしながら、保安用圧力スイッチ２４が作動した場合、一時的な高圧上昇であっても、直ちに再度の運転を行うことができない。このため、一時的な高圧上昇の場合には、この保安用圧力スイッチ２４を作動させないのが好ましい。そこで、このヒートポンプ装置では、上記のように、作動圧力が保安用圧力スイッチ２４の作動圧力よりも低く設定される制御用圧力スイッチ２５を設け、高圧側圧力が上昇した場合に、保安用圧力スイッチ２４が作動（動作）する前に、制御用圧力スイッチ２５を作動させるようにしている。そして、制御用圧力スイッチ２５が作動した際に、制御手段３０からの指令にて上記圧縮機１５を停止させることとしている。なお、この一時的な高圧上昇は、この実施の形態のように、水循環用ポンプ１２を有する場合、この水循環用ポンプ１２にごみやエア（空気）が入り込んだりすることによって生じる。
【００２４】
このように、上記ヒートポンプ装置によれば、高圧異常が発生した場合に、保安用圧力スイッチ２４が作動する前に制御用圧力スイッチ２５が作動することになり、保安用圧力スイッチ２４の作動を回避することができる。ところで、制御用圧力スイッチ２５が作動して圧縮機１５を停止させた場合の再駆動は、上記制御用圧力スイッチ２５の作動圧力を越えないように、上記ヒートポンプユニット２の圧縮機１５の運転周波数を制御する。これにより、この再駆動においては、制御用圧力スイッチ２５の作動を回避して連続運転が可能となる。
【００２５】
また、このヒートポンプ装置では、高圧側圧力を、圧縮機１５の運転周波数、圧縮機入力電流、及び外気温度等に基づいて推定するようにしている。この場合次の数１の式から推定することができる。なお、圧縮機入力電流は上記入力電流検出手段２７にて検出でき、外気温度は上記外気温度検出手段２９にて検出できる。
【００２６】
【数１】

【００２７】
そして、上記のように推定される圧力値（ＰＲ）を図３に示すように、Ａ〜Ｄのゾーンに分けてゾーン毎に圧縮機１５の周波数の上記制御手段３０で上限制限を行う。Ａゾーン（復帰ゾーン）は通常使用エリアであり、この制御（ピークカット制御）による周波数の上限制限を行わないゾーンであり、Ｂゾーン（無変化ゾーン）は現在の周波数の上限制限では、異常高圧になるおそれが少ないため、周波数の上限制限を変化させないゾーンであり、Ｃゾーン（垂下ゾーン）は現在の周波数の上限制限では、異常高圧になるおそれがあるため、周波数の上限制限を垂下（低下）させるゾーンであり、Ｄゾーン（停止ゾーン）は異常に高圧が上昇しているとして、圧縮機１５を停止させるゾーンである。
【００２８】
上記各ゾーンは、図３に示すように、ＰＲＰＣ１´〜ＰＲＰＣ４に基づいて設定される。この場合、ＰＲＰＣ１´〜ＰＲＰＣ３´は、ＰＲＰＣ１〜ＰＲＰＣ３に制御用圧力スイッチ２５による停止回数に応じた補正値ＰＲＰＣＢを減じたものとする。ここで、ＰＲＰＣ１とは、復帰域確定圧力であって、例えば、１２．０ＭＰａであり、ＰＲＰＣ２とは、無変化域確定圧力であって、例えば、１２．２ＭＰａであり、ＰＲＰＣ３とは、垂下域確定圧力であって、例えば、１２．３ＭＰａであり、ＰＲＰＣ４とは、制御用圧力スイッチ２５の作動圧力であって、例えば、１２．５ＭＰａである。そして、このＰＲＰＣ４を保安用圧力スイッチ２４の実際の作動圧力よりも低く設定している。また、補正値ＰＲＰＣＢは、定数（例えば０．４ＭＰａ）に制御用圧力スイッチ２５の作動により停止した回数を乗じた値であって、この値をＰＲＰＣ１〜ＰＲＰＣ３から差し引く。なお、再起動した後、所定時間（例えば、１時間）経過毎に、逆に補正値ＰＲＰＣＢを加え、元のＰＲＰＣ１〜ＰＲＰＣ３に近づける。
【００２９】
圧縮機１５に周波数が上昇する場合において、ＰＲＰＣ２´未満がＡの復帰ゾーンであり、ＰＲＰＣ２´とＰＲＰＣ３´との間の範囲がＢの無変化ゾーンであり、ＰＲＰＣ３´とＰＲＰＣ４との間の範囲がＣの垂下ゾーンであり、ＰＲＰＣ４を越える範囲が停止ゾーンとなる。また、下降する場合において、ＰＲＰＣ４を越える範囲が停止ゾーンであり、ＰＲＰＣ４とＰＲＰＣ２´との間の範囲がＣの垂下ゾーンであり、ＰＲＰＣ２´とＰＲＰＣ１´との間の範囲がＢの無変化ゾーンであり、ＰＲＰＣ１´未満がＡの復帰ゾーンである。なお、この図３において、閾値（線上）は増加（上昇）時及び減少（下降）時ともに、その上のゾーンとする。
【００３０】
また、ゾーンが変化したときは、圧縮機１５の周波数の上限制限を変更する。例えば、Ａ→ＢやＢ→Ｃに圧力が増加した場合、圧縮機１５の周波数をΔＦＰ１だけ垂下させる。ここで、ΔＦＰ１は、ゾーン変化時周波数変化幅であり、例えば、２又は４Ｈｚである。Ａ→Ｃに増加したときには、Ａ→Ｂ、Ｂ→Ｃの上記処理を行う。
【００３１】
次に、各ゾーン内での処理（ゾーンが変化しない場合の処理）を説明する。Ａゾーンでは、この制御（ピークカット制御）による周波数の上限制限を解除する。また、Ｂゾーンでは、制限周波数ＦＰＯＵＴを変化させず、Ｃゾーンでは、ＴＰ２毎にΔＦＰ３の割合で制限周波数ＦＰＯＵＴを垂下させる。ここで、ＴＰ２は垂下域での上限周波数変更間隔タイマであって、例えば、２０秒であり、ΔＦＰ３は垂下域での周波数変化幅であって、例えば、２〜４Ｈｚである。そして、Ｅゾーンでは、圧縮機１５の運転を停止する。
【００３２】
このヒートポンプ装置では、高圧が上昇して、図３の垂下ゾーンに達すれば、圧縮機１５の周波数を低下（垂下）させるので、停止ゾーンに達するのを回避することができる。すなわち、高圧側圧力が上記圧縮機１５の停止圧力を越えないように、上記圧縮機１５の周波数を制御して、上記圧縮機１５の停止を防止することができる。これによって、長時間の継続運転が可能となり、貯湯タンク３に温湯を貯めることができ、ユーザーは安心して湯を使用することができる。
【００３３】
また、停止ゾーンを決定するＰＲＰＣ４は保安用圧力スイッチ２４の実際の作動圧力よりも所定値だけ低い圧力であり、高圧側の圧力が上昇して仮に停止ゾーンに入ったとしても、保安用圧力スイッチ２４を作動させることなく、制御用圧力スイッチ２５を作動させて、圧縮機１５を停止させることができる。このため、水循環用ポンプ１３へのごみ入り込み等のような一時的な高圧上昇の場合には、これらの原因を除去することによって、再起動が可能となり、長期（長時間）の運転停止を回避することができる。これに対して、保安用圧力スイッチ２４が作動すれば、高圧異常が一時的な場合であっても、直ちに運転を再開させることができず、いわゆるサービスマンが点検する必要があり、運転停止時間が大となって、湯を使えない状態が生じ、不便な生活を営むことになる。
【００３４】
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、図３におけるＡ〜Ｄの区分の基準となる圧力値の変更は自由である。この場合、停止ゾーン及び垂下ゾーンを決定する圧力値は任意に設定できるが、あまりに低下すれば運転エリアが狭くなるので、保安用圧力スイッチ２４を作動させず、しかもあまり運転エリアが狭くならない範囲で設定する必要がある。また、垂下ゾーンの周波数の垂下周波数としても、変更可能であるが、通常使用エリアよりも低下しないようにする必要がある。なお、冷媒回路（冷凍サイクル）の冷媒としては、炭酸ガス以外に、エチレン、エタン、酸化窒素等の超臨界で使用する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に使用することができる。
【００３５】
【発明の効果】
請求項１のヒートポンプ装置によれば、高圧異常が発生した場合に、保安用圧力スイッチが作動する前に制御用圧力スイッチが作動することになる。このため、保安用圧力スイッチの作動を回避することができる。これによって、一時的に高圧異常が発生して圧縮機を停止させた場合等における運転再開が容易となる。しかも、高価な圧力センサを使用せずに済み、製造コストの低減を図れ、安価に高品質の製品を提供することができる。また、冷媒に炭酸ガス等の自然冷媒を使用することができ、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。また、上記ヒートポンプ装置によれば、制御用圧力スイッチが作動しても、制御用圧力スイッチを簡単に復帰させることができる。このため、長期の運転休止を回避して安定した運転再開が可能となる。さらに、上記ヒートポンプ装置によれば、圧縮機停止防止の信頼性が向上し、このヒートポンプ装置の連続運転を可能としている。
【００３７】
請求項２のヒートポンプ装置によれば、制御用圧力スイッチの作動後の圧縮機の再駆動では、制御用圧力スイッチの作動圧力を越えないように、圧縮機の運転周波数を制御するので、この再駆動においては、制御用圧力スイッチの作動を回避して連続運転が可能となる。
【００３９】
請求項３のヒートポンプ装置によれば、高圧側圧力を簡単かつ確実に推定することができ、しかも、その推定した高圧側圧力は信頼性に優れる。これにより、この推定した圧力に基づく圧縮機の停止回避が安定する。
【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圧力区分を示すグラフ図である。
【図４】従来のヒートポンプ装置の簡略図である。
【符号の説明】
２ヒートポンプユニット
１５圧縮機
２４保安用圧力スイッチ
２５制御用圧力スイッチ

Claims

冷凍サイクルの高圧側が超臨界圧力で運転するヒートポンプユニット（２）を備えたヒートポンプ装置において、上記冷凍サイクルが高圧異常のときに作動すべき保安用圧力スイッチ（２４）と、この保安用圧力スイッチ（２４）の作動圧力よりも低い圧力で作動する制御用圧力スイッチ（２５）とを高圧側に設け、上記制御用圧力スイッチ（２５）が作動したときに、上記ヒートポンプユニット（２）の圧縮機（１５）の駆動を停止させるべく構成し、さらに、高圧側圧力を推定して、この推定圧力が、上記制御用圧力スイッチ（２５）の作動圧力よりも低い所定圧力以上となれば、高圧側圧力が上記制御用圧力スイッチ（２５）の作動圧力を越えないように、この圧縮機（１５）の運転周波数を低下させることを特徴とするヒートポンプ装置。
制御用圧力スイッチ（２５）の作動後の圧縮機（１５）の再駆動では、上記制御用圧力スイッチ（２５）の作動圧力を越えないように、上記ヒートポンプユニット（２）の圧縮機（１５）の運転周波数を制御することを特徴とする請求項１のヒートポンプ装置。
圧縮機（１５）の運転周波数、圧縮機入力電流、及び外気温度等に基づいて上記高圧側圧力を推定することを特徴とする請求項１又は請求項２のヒートポンプ装置。