JP4642100B2

JP4642100B2 - ヒートポンプ装置

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Publication number: JP4642100B2
Application number: JP2008223531A
Authority: JP
Inventors: 守濱田; 史武畝崎; 佳宏高橋; 建吾高橋; 和樹岡田; 進一内野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-09-01
Filing date: 2008-09-01
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2028-09-01
Also published as: US20110132019A1; EP2918954B1; EP2918954A1; EP2320168A1; WO2010023975A1; US8745999B2; JP2010060150A; EP2320168A4; CN102138048A; CN102138048B; EP2320168B1

Description

本発明は、除霜運転が可能なヒートポンプ装置に関し、特に蒸発器への着霜による性能低下を正確に検知し、最適なタイミングで除霜運転を開始させる除霜開始判定制御処理を実行するヒートポンプ装置に関するものである。

通常、ヒートポンプ装置における蒸発器では、蒸発温度が０℃以下で、かつ、空気の露点温度以下の場合、蒸発器表面に霜が成長する着霜現象が起きる。このような着霜現象が起きると、蒸発器における通風抵抗の増加及び熱抵抗の増加を招くことになり、蒸発器での運転効率が低下してしまうことになる。そこで、ヒートポンプ装置では、圧縮機からの吐出冷媒を蒸発器に導き、蒸発器表面に成長した霜を取り除く除霜運転（デフロスト運転）が必要となってくる。

従来から、蒸発器に付着した霜を溶解させる除霜運転を実行できるヒートポンプ装置が存在する。そのようなものとして、「ＣＯＰ(成績係数)の平均値が最大になるように、デフロストの突入タイミングを定めている空気調和機」が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この空気調和機は、暖房運転中に室内熱交温度と室内温度と電流値を用いて平均ＣＯＰを算出し、今回の平均ＣＯＰが前回の平均ＣＯＰよりも小さくなったときにデフロストの開始を指令するものである。

特開平１０−１１１０５０号公報（第３頁、第３図）

特許文献１に記載の空気調和機においては、室内熱交温度、室内空気温度及び圧縮機入力を用いて平均ＣＯＰを推算し、平均ＣＯＰが下がり始めたところで除霜運転を開始するものである。しかしながら、能力を室内熱交温度と室内空気温度との差としているため、着霜につれて室内熱交温度が低下し、かつ、室内空気温度も低下してしまうことになる。そのため、能力一定で圧縮機入力だけが低下し、逆にＣＯＰは上がってしまうという誤判定する可能性がある。

また、特許文献１に記載の空気調和機においては、除霜開始を判定する際に、除霜運転については考慮されていないか、前回の除霜運転時のＣＯＰを用いるようになっている。除霜運転を考慮していない場合は、除霜運転も含めた１サイクル平均ＣＯＰが悪くなってしまう可能性がある。前回の除霜運転時のＣＯＰを用いている場合も、前回の除霜運転時のＣＯＰは前回の暖房運転に対するものであり、運転状況及び負荷等が変わっている今回の暖房運転に適用した場合、ＣＯＰとしては悪くなってしまう可能性がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、最も効率がよくなる（ＣＯＰが最大となる）最適なタイミングで除霜運転開始を可能としたヒートポンプ装置を提供することを目的としている。

本発明に係るヒートポンプ装置は、圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器が順次接続された冷媒回路を有するヒートポンプ装置であって、前記凝縮器の飽和温度を検出する凝縮温度検出手段と、前記蒸発器の飽和温度を検出する蒸発温度検出手段と、前記凝縮温度検出手段の検出値から推算した暖房能力を前記凝縮温度検出手段の検出値と前記蒸発温度検出手段の検出値の差または前記差から推算した消費電力で除した値により、運転効率を推測する制御部と、を有し、前記制御部は、推測した前記運転効率が、前記運転効率を運転開始から現時点まで平均した値から現時点で除霜運転を行った場合の運転開始から除霜運転終了までの平均運転効率を推算した値まで低下した場合に除霜運転を開始することを特徴とする。

本発明に係るヒートポンプ装置は、圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器が順次接続された冷媒回路を有するヒートポンプ装置であって、前記凝縮器の飽和温度を検出する凝縮温度検出手段と、前記圧縮機の運転電流を検出する圧縮機運転電流検出手段と、前記凝縮温度検出手段の検出値から推算した暖房能力を前記圧縮機運転電流検出手段の検出値または前記検出値から推算した消費電力で除した値により、運転効率を推測し、推測した前記運転効率が、前記運転効率を運転開始から現時点まで平均した値から現時点で除霜運転を行った場合の運転開始から除霜運転終了までの運転効率を推算した値まで低下した際に除霜運転を開始する制御部と、を有することを特徴とする。

本発明に係るヒートポンプ装置によれば、凝縮温度と蒸発温度から暖房ＣＯＰを正確に推算し、かつ、除霜運転を含めた１サイクル平均ＣＯＰを推算することにより、１サイクル平均ＣＯＰが最もよくなる最適なタイミングで除霜運転を開始することが可能となり、省エネとなる。

本発明に係るヒートポンプ装置によれば、圧縮機の運転電流から暖房ＣＯＰを正確に推算し、かつ、除霜運転を含めた１サイクル平均ＣＯＰを推算することにより、１サイクル平均ＣＯＰが最もよくなる最適なタイミングで除霜運転を開始することが可能となり、省エネとなる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００の冷媒回路構成を示す概略構成図である。図１に基づいて、ヒートポンプ装置１００の冷媒回路構成及び動作について説明する。このヒートポンプ装置１００は、冷媒を循環させることで、冷房運転あるいは暖房運転を実行するものである。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

図１に示すように、ヒートポンプ装置１００は、圧縮機１と、凝縮器２と、膨張手段３と、蒸発器４と、を冷媒配管１５で順次直列に接続して構成されている。また、凝縮器２の近傍には凝縮器用ファン５及び凝縮温度検出手段１１が、蒸発器４の近傍には蒸発器用ファン６及び蒸発温度検出手段１２が、それぞれ設けられている。さらに、凝縮温度検出手段１１及び蒸発温度検出手段１２が検出した検出値は、ヒートポンプ装置１００の全体を統括制御する制御部５０に送られるようになっている。

圧縮機１は、冷媒配管１５を流れる冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態とするものである。凝縮器２は、冷媒配管１５を導通する冷媒と空気との間で熱交換を行ない、冷媒を凝縮するものである。膨張手段３は、冷媒配管１５を導通する冷媒を減圧して膨張させるものである。この膨張手段３は、たとえば電子膨張弁等で構成するとよい。蒸発器４は、冷媒配管１５を導通する冷媒と空気との間で熱交換を行ない、その冷媒を蒸発するものである。凝縮器用ファン５は、凝縮器２に空気を供給するものである。蒸発器用ファン６は、蒸発器４に空気を供給するものである。凝縮温度検出手段１１は、凝縮器２の飽和温度を検出するものである。蒸発温度検出手段１２は、蒸発器４の飽和温度を検出するものである。

制御部５０は、マイクロコンピュータ等で構成されており、上述した各検出手段からの検出値（凝縮温度検出手段１１で検出された凝縮温度情報、及び、蒸発温度検出手段１２で検出された蒸発温度情報）に基づいて圧縮機１の駆動周波数、凝縮器用ファン５及び蒸発器用ファン６の回転数、冷媒の流路切替装置である四方弁（図示省略）の切替、及び、膨張手段３の開度を制御する機能を有している。なお、制御部５０については、図２で詳細に説明するものとする。

ここで、ヒートポンプ装置１００の動作について簡単に説明する。
ヒートポンプ装置１００が運転を開始すると、まず圧縮機１が駆動される。そして、圧縮機１で圧縮された高温・高圧のガス冷媒は、圧縮機１から吐出され凝縮器２に流入する。この凝縮器２では、流入したガス冷媒が、流体に放熱しながら凝縮し、低温・高圧の冷媒となる。この冷媒は、凝縮器２から流出し、膨張手段３で減圧され、気液二相冷媒となる。この気液二相冷媒は、蒸発器４に流入する。蒸発器４に流入した冷媒は、流体から吸熱することで、蒸発ガス化する。この冷媒は、蒸発器４から流出し、圧縮機１に再度吸入される。また、ヒートポンプ装置１００の運転中、凝縮温度検出手段１１及び蒸発温度検出手段１２からの検出値が制御部５０に送られている。

図２は、ヒートポンプ装置１００の電気的な概略構成を示すブロック図である。図２に基づいて、制御部５０の機能について詳細に説明する。図２に示すように、制御部５０は、メモリ５１と、演算部５２と、を有している。凝縮温度検出手段１１あるいは蒸発温度検出手段１２で検出された検出値は、制御部５０のメモリ５１へ送られ、格納される。メモリ５１に格納された検出値は、演算部５２によって演算される。つまり、制御部５０は、メモリ５１及び演算部５２での算出結果情報に基づいて、圧縮機１、四方弁（図示省略）、膨張手段３、凝縮器用ファン５、及び、蒸発器用ファン６の各駆動部へ制御信号を送るようになっている。

この場合、暖房運転時の運転効率を表す瞬間ＣＯＰ＝ＣＯＰを凝縮温度Ｔｃ、蒸発温度Ｔｅを用いて下記式（１）から推算するものとする。なお、式（１）は、カルノー効率の定義式である。消費電力は、Ｔｃ−Ｔｅで推算したものである。
式（１）
ＣＯＰ＝（Ｔｃ＋２７３．１５）／（Ｔｃ−Ｔｅ）

図３は、時間とＣＯＰとの関係を示すグラフである。図３に基づいて、ヒートポンプ装置１００の時間とＣＯＰとの関係について説明する。図３では、横軸が時間を、縦軸がＣＯＰをそれぞれ表している。蒸発器４での冷媒と空気との熱交換においては、冷媒の温度が０℃以下で空気の露点温度以下である場合は、空気中に含まれる水分が蒸発器４へ付着し、霜へと成長する着霜現象が発生する。蒸発器４での着霜現象が進むと、通風抵抗の増加及び熱抵抗の増加により、蒸発器４における熱交換量が減少し、図３に示すように瞬間ＣＯＰが低下するため、除霜運転が必要となってくる。

式（１）に示した瞬間ＣＯＰ＝ＣＯＰは、着霜とともにＴｃよりもＴｅの低下が大きく、着霜による瞬間ＣＯＰの低下を正確に捉えることができる。たとえば、凝縮温度Ｔｃについては、運転開始時にＴｃ＝４９℃であったものが除霜開始直前にはＴｃ＝４７℃となり約２℃低下することになる。それに対し、蒸発温度Ｔｅは、運転開始時にＴｅ＝−２℃であったものが除霜開始直前にはＴｅ＝−６となり約４℃低下し、着霜とともにＣＯＰが低下することになる。

図４は、時間とＣＯＰとの関係を示すグラフである。図４に基づいて、ヒートポンプ装置の１サイクル平均ＣＯＰについて説明する。除霜運転を伴う運転の場合の運転効率は、図４に示すように通常運転開始から除霜運転終了までを１サイクルとし、その１サイクル平均ＣＯＰにより評価される。すなわち、１サイクル平均ＣＯＰが最も高くなるタイミングで除霜運転を開始することが重要となり、このタイミングで除霜運転を開始すれば省エネを効果的に実現できることになる。

図５は、ヒートポンプ装置１００の除霜開始判定制御に関する処理の流れの一例を示すフローチャートである。図６は、瞬間ＣＯＰと平均ＣＯＰとの関係を示すグラフである。図７は、瞬間ＣＯＰと１サイクル平均ＣＯＰとの関係を示すグラフである。図８は、瞬間ＣＯＰと平均ＣＯＰとの関係を示すグラフである。図９は、ヒートポンプ装置１００の除霜開始判定制御に関する処理の流れの他の一例を示すフローチャートである。図５〜図９に基づいて、ヒートポンプ装置１００の除霜開始判定制御に関する処理の流れについて説明する。図６〜図８では、横軸が時間を、縦軸がＣＯＰを、それぞれ表している。

ヒートポンプ装置１００が運転を開始すると、制御部５０は、凝縮温度検出手段１１で検出された検出値である凝縮温度Ｔｃ、及び、蒸発温度検出手段１２で検出された値出値である除霜温度Ｔｅから上記式（１）で表される瞬間ＣＯＰ＝ＣＯＰの演算を行なう（ステップＳ１０１）。その後、図６に示すように通常運転開始から現時点までの平均ＣＯＰ＝ＣＯＰ＿ＡＶＥを計算する（ステップＳ１０２）。図７に示すように１サイクルＣＯＰ＝ＣＯＰ＿ＣＹＣＬＥが最も高くなる除霜開始タイミングは、瞬間ＣＯＰ＝ＣＯＰが着霜により１サイクル平均ＣＯＰ＝ＣＯＰ＿ＣＹＣＬＥまで低下したときである。

現時点で除霜運転を開始したときの１サイクル平均＝ＣＯＰ＿ＣＹＣＬＥは、通常運転開始から現時点までの平均ＣＯＰ＝ＣＯＰ＿ＡＶＥを用いて下記式（２）のように表される。
式（２）
ＣＯＰ＿ＣＹＣＬＥ＝Ｃ×ＣＯＰ＿ＡＶＥ

上記式（２）の右辺におけるＣは、図７に示すように除霜運転による平均ＣＯＰの低下を考慮したものである。このＣについては、予め設定されている定数であってもよい。たとえば、除霜により１サイクル平均ＣＯＰが暖房運転時の平均ＣＯＰ＝ＣＯＰ＿ＡＶＥの９６％となる場合は、Ｃ＝０．９６となる。これは、除霜方式、機器のスペックにより最適値は異なるため、その都度最適値に設定してもよい。

現時点で除霜運転を開始した場合の１サイクル平均ＣＯＰを上記式（２）から算出し、現時点の瞬間ＣＯＰ＝ＣＯＰと比較する（ステップＳ１０３）。比較した結果、下記式（３）に示すような関係が成立したら除霜運転を開始する（ステップＳ１０３；ＹＥＳ）。一方、下記式（３）が成立していない場合は（ステップＳ１０３；ＮＯ）、ステップＳ１０１に戻り、前記工程を繰り返す。
式（３）
ＣＯＰ＝ＣＯＰ＿ＣＹＣＬＥ

ステップＳ１０３においては、図８に示すように、現時点の瞬間ＣＯＰが、１サイクル平均ＣＯＰではなく現時点までの平均ＣＯＰ＝ＣＯＰ＿ＡＶＥまで低下したときに除霜運転を開始するようにしてもよい。このときのフローチャートは、図９に示す通りで、ステップＳ２０３においては、下記式（４）が成立したときに除霜運転を開始することになる。なお、それ以外のステップについては、図５と同様である。
式（４）
ＣＯＰ＝ＣＯＰ＿ＡＶＥ

図１０は、ヒートポンプ装置１００に圧縮機運転時間計測手段１３を備えた状態の冷媒回路構成を示す概略構成図である。図１１は、ヒートポンプ装置１００の瞬間ＣＯＰと１サイクル平均ＣＯＰとの関係を示すグラフである。図１０及び図１１に基づいて、圧縮機１の運転時間がある一定時間を経過した後に除霜開始判定を行なう場合について説明する。図１０に示すように、圧縮機１には圧縮機運転時間計測手段１３が設けられている。この圧縮機運転時間計測手段１３での計測時間は、制御部５０に送られるようになっている。

ある一定時間とは、圧縮機１の起動直後は、冷凍サイクルが安定していないため、圧縮機１の起動から冷凍サイクルが十分安定するまでの時間、たとえば２０分程度に設定してもよいし、除霜開始判定に問題なければ更に短く設定してもよい。したがって、図１０及び図１１から、ヒートポンプ装置１００は、圧縮機１の駆動時間がある一定時間を経過した後に除霜開始判定を行なうようにしてもよい。なお、ある一定時間は、変更できるようにしておくとよい。

たとえば、前回の除霜時間が５分以下であれば、ある一定時間を３０分、前回の除霜時間が５分以上であれば、ある一定時間を２０分とそれぞれ設定すれば、着霜量により、判定開始時間を変えることができる。

図１２は、ヒートポンプ装置１００の瞬間ＣＯＰと１サイクル平均ＣＯＰとの関係を示すグラフである。図１３は、ヒートポンプ装置１００の除霜開始判定制御に関する処理の流れの更に他の一例を示すフローチャートである。図１２及び図１３に基づいて、瞬間ＣＯＰ＝ＣＯＰが１サイクル平均ＣＯＰ＝ＣＯＰ＿ＣＹＣＬＥをある一定時間連続して下回った場合に除霜運転を開始する場合の処理の流れについて説明する。図１２では、横軸が時間を、縦軸がＣＯＰを、それぞれ表している。なお、図１３で特段の説明をしていない部分は、図５で説明した内容と同様である。

ヒートポンプ装置１００は、図１２に示すように瞬間ＣＯＰ＝ＣＯＰが１サイクル平均ＣＯＰ＝ＣＯＰ＿ＣＹＣＬＥをある一定時間連続して下回った場合に除霜運転を開始するようにしてもよい。このときのフローチャートは、図１３に示すとおりである。ステップＳ３０４でタイマＴＩＭＥＲをカウントし、ステップＳ３０５でタイマＴＩＭＥＲがある一定時間ｔを経過したと判定されれば除霜運転を開始する（ステップＳ３０５；ＹＥＳ）。一定時間ｔを経過する前にステップＳ３０３の条件を外れた場合は（ステップＳ３０３；ＮＯ）、タイマＴＩＭＥＲをリセットし、判定をやり直す。このようにすることで、ノイズ等の急激な変化で瞬間ＣＯＰ＝ＣＯＰが１サイクル平均ＣＯＰ＝ＣＯＰ＿ＣＹＣＬＥを下回った場合に、誤った除霜運転開始を避けることが可能となる。

図１４は、ヒートポンプ装置１００のＣＯＰの時間変化量と時間との関係を示すグラフである。図１５は、ヒートポンプ装置１００の除霜開始判定制御に関する処理の流れの更に他の一例を示すフローチャートである。図１４及び図１５に基づいて、瞬間ＣＯＰ＝ＣＯＰが１サイクル平均ＣＯＰ＝ＣＯＰ＿ＣＹＣＬＥを下回り、かつ、瞬間ＣＯＰ＝ＣＯＰのある一定時間内における変化量ΔＣＯＰまたは蒸発温度Ｔｅのある一定時間内における変化量ΔＴｅが予め設定された値Ｘを一定時間ｔ連続で下回った場合に除霜運転を開始する際の処理の流れについて説明する。図１４では、横軸が時間を、縦軸がΔＣＯＰまたはΔＴｅを、それぞれ表している。なお、図１５で特段の説明をしていない部分は、図５で説明した内容と同様である。

ヒートポンプ装置１００は、瞬間ＣＯＰ＝ＣＯＰが１サイクル平均ＣＯＰ＝ＣＯＰ＿ＣＹＣＬＥを下回り、かつ、図１４に示すように瞬間ＣＯＰ＝ＣＯＰのある一定時間内における変化量ΔＣＯＰまたは蒸発温度Ｔｅのある一定時間内における変化量ΔＴｅが予め設定された値Ｘを一定時間ｔ連続で下回った場合に除霜運転を開始するようにしてもよい。このときのフローチャートは、図１５に示すとおりである。ステップＳ４０４でΔＣＯＰまたはΔＴｅがＸを下回ったら（ステップＳ４０４；ＹＥＳ）、ステップＳ４０５でタイマＴＩＭＥＲのカウントを開始し、ステップＳ４０６でタイマＴＩＭＥＲがある一定時間ｔ経過したと判定されれば除霜運転を開始する（ステップＳ４０６；ＹＥＳ）。

一定時間ｔ経過する前にステップＳ４０３またはステップＳ４０４の条件を外れた場合は（ステップＳ４０３；ＮＯまたはステップＳ４０４；ＮＯ）、タイマＴＩＭＥＲをリセットし、判定をやり直す。このようにすることで、ノイズ等の急激な変化や圧縮機周波数変化、負荷変動による一時的なＣＯＰ変化で、誤った除霜運転開始を避けることが可能となる。なお、この実施の形態１における凝縮温度検出手段１１としては、サーミスタで直接温度を測定する手段でもよいし、圧力センサから凝縮温度を換算する手段でもよいし、その他凝縮温度が推定できる手段でもよい。また、この実施の形態１における蒸発温度検出手段１２としては、サーミスタで直接温度を測定する手段でもよいし、圧力センサから蒸発温度を換算する手段でもよいし、その他蒸発温度が推定できる手段でもよい。

実施の形態２．
図１６は、本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ装置１００ａの冷媒回路構成を示す概略構成図である。図１６に基づいて、ヒートポンプ装置１００ａの冷媒回路構成及び動作について説明する。このヒートポンプ装置１００ａは、冷媒を循環させることで、冷房運転あるいは暖房運転を実行するものである。なお、この実施の形態２では、実施の形態１と同一部分には同一符号を付し、実施の形態１との相違点を中心に説明するものとする。

図１６に示すように、ヒートポンプ装置１００ａは、圧縮機１と、凝縮器２と、膨張手段３と、蒸発器４と、を冷媒配管１５で順次直列に接続して構成されている。また、凝縮器２の近傍には凝縮器用ファン５及び凝縮温度検出手段１１が、蒸発器４の近傍には蒸発器用ファン６が、圧縮機１には圧縮機１の運転電流を検出する圧縮機運転電流検出手段１４が、それぞれ設けられている。さらに、凝縮温度検出手段１１及び圧縮機運転電流検出手段１４が検出した検出値は、ヒートポンプ装置１００の全体を統括制御する制御部５０に送られるようになっている。つまり、ヒートポンプ装置１００ａは、蒸発温度検出手段１２が設けられておらず、圧縮機運転電流検出手段１４が設けられている点で、ヒートポンプ装置１００と相違している。

ここで、ヒートポンプ装置１００ａの動作について簡単に説明する。
ヒートポンプ装置１００ａが運転を開始すると、まず圧縮機１が駆動される。そして、圧縮機１で圧縮された高温・高圧のガス冷媒は、圧縮機１から吐出され凝縮器２に流入する。この凝縮器２では、流入したガス冷媒が、流体に放熱しながら凝縮し、低温・高圧の冷媒となる。この冷媒は、凝縮器２から流出し、膨張手段３で減圧され、気液二相冷媒となる。この気液二相冷媒は、蒸発器４に流入する。蒸発器４に流入した冷媒は、流体から吸熱することで、蒸発ガス化する。この冷媒は、蒸発器４から流出し、圧縮機１に再度吸入される。また、ヒートポンプ装置１００の運転中、凝縮温度検出手段１１及び圧縮機運転電流検出手段１４からの検出値が制御部５０に送られている。

図１７は、ヒートポンプ装置１００ａの電気的な概略構成を示すブロック図である。図１７に基づいて、制御部５０の機能について詳細に説明する。図１７に示すように、制御部５０は、メモリ５１と、演算部５２と、を有している。凝縮温度検出手段１１あるいは圧縮機運転電流検出手段１４で検出された検出値は、制御部５０のメモリ５１へ送られ、格納される。メモリ５１に格納された検出値は、演算部５２によって演算される。つまり、制御部５０は、メモリ５１及び演算部５２での算出結果情報に基づいて、圧縮機１、四方弁（図示省略）、膨張手段３、凝縮器用ファン５、及び、蒸発器用ファン６の各駆動部へ制御信号を送るようになっている。

この場合、暖房運転時の運転効率を表すＣＯＰを凝縮温度Ｔｃ、圧縮機運転電流Ａｃを用いて下記式（５）から推算するものとする。消費電力は、Ａｃで推算したものである。
式（５）
ＣＯＰ＝（Ｔｃ＋２７３．１５）／Ａｃ

上述したように、蒸発器４での冷媒と空気との熱交換においては、冷媒の温度が０℃以下で空気の露点温度以下である場合は、空気中に含まれる水分が蒸発器４へ付着し、霜へと成長する着霜現象が発生する。蒸発器４での着霜現象が進むと、通風抵抗の増加及び熱抵抗の増加により、蒸発器４における熱交換量が減少し、図３に示したようにＣＯＰが低下するため、除霜運転が必要となってくる。除霜運転を伴う運転の場合のＣＯＰは、図４に示したように通常運転開始から除霜運転終了までを１サイクルとし、その１サイクル平均ＣＯＰにより評価される。すなわち、１サイクル平均ＣＯＰが最も高くなるタイミングで除霜運転を開始することが重要となり、このタイミングで除霜運転を開始すれば省エネを効果的に実現できることになる。

図１８は、ヒートポンプ装置１００ａの除霜開始判定制御に関する処理の流れの一例を示すフローチャートである。図１８に基づいて、ヒートポンプ装置１００ａの除霜開始判定制御に関する処理の流れについて説明する。ヒートポンプ装置１００ａが運転を開始すると、制御部５０は、凝縮温度検出手段１１で検出された検出値である凝縮温度Ｔｃ、及び、圧縮機運転電流検出手段１４で検出された値出値である圧縮機運転電流Ａｃから上記式（５）で表される瞬間ＣＯＰ＝ＣＯＰの演算を行なう（ステップＳ５０１）。

その後、図６に示したように通常運転開始から現時点までの平均ＣＯＰ＝ＣＯＰ＿ＡＶＥを計算する（ステップＳ５０２）。図７に示したように１サイクルＣＯＰ＝ＣＯＰ＿ＣＹＣＬＥが最も高くなる除霜開始タイミングは、瞬間ＣＯＰ＝ＣＯＰが着霜により１サイクル平均ＣＯＰ＝ＣＯＰ＿ＣＹＣＬＥまで低下したときである。現時点で除霜運転を開始したときの１サイクル平均＝ＣＯＰ＿ＣＹＣＬＥは、通常運転開始から現時点までの平均ＣＯＰ＝ＣＯＰ＿ＡＶＥを用いて下記式（６）のように表される。
式（６）
ＣＯＰ＿ＣＹＣＬＥ＝Ｃ×ＣＯＰ＿ＡＶＥ

上記式（６）の右辺におけるＣは、図７に示したように除霜運転による平均ＣＯＰの低下を考慮したものである。このＣについては、予め設定されている定数であってもよい。たとえば、除霜により１サイクル平均ＣＯＰが暖房運転時の平均ＣＯＰ＝ＣＯＰ＿ＡＶＥの９６％となる場合は、Ｃ＝０．９６となる。これは、除霜方式、機器のスペックにより最適値は異なるため、その都度最適値に設定してもよい。

現時点で除霜運転を開始した場合の１サイクル平均ＣＯＰを上記式（６）から算出し、現時点の瞬間ＣＯＰ＝ＣＯＰと比較する（ステップＳ５０３）。比較した結果、下記式（７）に示すような関係が成立したら除霜運転を開始する（ステップＳ５０３；ＹＥＳ）。一方、下記式（７）が成立していない場合は（ステップＳ５０３；ＮＯ）、ステップＳ５０１に戻り、前記工程を繰り返す。
式（７）
ＣＯＰ＝ＣＯＰ＿ＣＹＣＬＥ

図１９は、ヒートポンプ装置１００ａに圧縮機運転時間計測手段１３を備えた状態の冷媒回路構成を示す概略構成図である。図２０は、ヒートポンプ装置１００ａの瞬間ＣＯＰと１サイクル平均ＣＯＰとの関係を示すグラフである。図１９及び図２０に基づいて、圧縮機１の運転時間がある一定時間を経過した後に除霜開始判定を行なう場合について説明する。図１９に示すように、圧縮機１には圧縮機運転時間計測手段１３が設けられている。この圧縮機運転時間計測手段１３での計測時間は、制御部５０に送られるようになっている。

図２１は、ヒートポンプ装置１００ａの瞬間ＣＯＰと１サイクル平均ＣＯＰとの関係を示すグラフである。図２２は、ヒートポンプ装置１００ａの除霜開始判定制御に関する処理の流れの他の一例を示すフローチャートである。図２１及び図２２に基づいて、瞬間ＣＯＰ＝ＣＯＰが１サイクル平均ＣＯＰ＝ＣＯＰ＿ＣＹＣＬＥをある一定時間連続して下回った場合に除霜運転を開始する場合の処理の流れについて説明する。図２１では、横軸が時間を、縦軸がＣＯＰを、それぞれ表している。なお、図２２で特段の説明をしていない部分は、図１８で説明した内容と同様である。

ヒートポンプ装置１００ａは、図２１に示すように瞬間ＣＯＰ＝ＣＯＰが１サイクル平均ＣＯＰ＝ＣＯＰ＿ＣＹＣＬＥをある一定時間連続して下回った場合に除霜運転を開始するようにしてもよい。このときのフローチャートは、図２２に示すとおりである。ステップＳ６０４でタイマＴＩＭＥＲをカウントし、ステップＳ６０５でタイマＴＩＭＥＲがある一定時間ｔを経過したと判定されれば除霜運転を開始する（ステップＳ６０５；ＹＥＳ）。一定時間ｔを経過する前にステップＳ６０３の条件を外れた場合は（ステップＳ６０３；ＮＯ）、タイマＴＩＭＥＲをリセットし、判定をやり直す。このようにすることで、ノイズ等の急激な変化で瞬間ＣＯＰ＝ＣＯＰが１サイクル平均ＣＯＰ＝ＣＯＰ＿ＣＹＣＬＥを下回った場合に、誤った除霜運転開始を避けることが可能となる。

図２３は、ヒートポンプ装置１００ａのＣＯＰの時間変化量と時間との関係を示すグラフである。図２４は、ヒートポンプ装置１００ａの除霜開始判定制御に関する処理の流れの更に他の一例を示すフローチャートである。図２３及び図２４に基づいて、瞬間ＣＯＰ＝ＣＯＰが１サイクル平均ＣＯＰ＝ＣＯＰ＿ＣＹＣＬＥを下回り、かつ、瞬間ＣＯＰ＝ＣＯＰのある一定時間内における変化量ΔＣＯＰが予め設定された値Ｘを一定時間ｔ連続で下回った場合に除霜運転を開始する際の処理の流れについて説明する。図２３では、横軸が時間を、縦軸がΔＣＯＰを、それぞれ表している。なお、図２４で特段の説明をしていない部分は、図１８で説明した内容と同様である。

ヒートポンプ装置１００ａは、瞬間ＣＯＰ＝ＣＯＰが１サイクル平均ＣＯＰ＝ＣＯＰ＿ＣＹＣＬＥを下回り、かつ、図２３に示すように瞬間ＣＯＰ＝ＣＯＰのある一定時間内における変化量ΔＣＯＰが予め設定された値Ｘを一定時間ｔ連続で下回った場合に除霜運転を開始するようにしてもよい。このときのフローチャートは、図２４に示すとおりである。ステップＳ７０４でΔＣＯＰがＸを下回ったら（ステップＳ７０４；ＹＥＳ）、ステップＳ７０５でタイマＴＩＭＥＲのカウントを開始し、ステップＳ７０６でタイマＴＩＭＥＲがある一定時間ｔ経過したと判定されれば除霜運転を開始する（ステップＳ７０６；ＹＥＳ）。

一定時間ｔ経過する前にステップＳ７０３またはステップＳ７０４の条件を外れた場合は（ステップＳ７０３；ＮＯまたはステップＳ７０４；ＮＯ）、タイマＴＩＭＥＲをリセットし、判定をやり直す。このようにすることで、ノイズ等の急激な変化や圧縮機周波数変化、負荷変動による一時的なＣＯＰ変化で、誤った除霜運転開始を避けることが可能となる。なお、この実施の形態２における凝縮温度検出手段１１としては、サーミスタで直接温度を測定する手段でもよいし、圧力センサから凝縮温度を換算する手段でもよいし、その他凝縮温度が推定できる手段でもよい。

実施の形態１及び実施の形態２では、冷凍サイクル内を循環する冷媒の種類を説明していないが、冷媒の種類を特に限定するものではなく、たとえば二酸化炭素や炭化水素、ヘリウム等のような自然冷媒、ＨＦＣ４１０ＡやＨＦＣ４０７Ｃ等の代替冷媒のような塩素を含まない冷媒、もしくは既存の製品に使用されているＲ２２やＲ１３４ａ等のフロン系冷媒のいずれでもよい。また、圧縮機１は、レシプロ、ロータリー、スクロール、あるいは、スクリュー等の各種タイプのいずれのものを用いてもよく、回転数可変可能のものでもよく、回転数固定のものでもよい。

実施の形態１に係るヒートポンプ装置の冷媒回路構成を示す概略構成図である。ヒートポンプ装置の電気的な概略構成を示すブロック図である。時間とＣＯＰとの関係を示すグラフである。時間とＣＯＰとの関係を示すグラフである。ヒートポンプ装置の除霜開始判定制御に関する処理の流れの一例を示すフローチャートである。瞬間ＣＯＰと平均ＣＯＰとの関係を示すグラフである。瞬間ＣＯＰと１サイクル平均ＣＯＰとの関係を示すグラフである。瞬間ＣＯＰと平均ＣＯＰとの関係を示すグラフである。ヒートポンプ装置の除霜開始判定制御に関する処理の流れの他の一例を示すフローチャートである。ヒートポンプ装置に圧縮機運転時間計測手段を備えた状態の冷媒回路構成を示す概略構成図である。ヒートポンプ装置の瞬間ＣＯＰと１サイクル平均ＣＯＰとの関係を示すグラフである。ヒートポンプ装置の瞬間ＣＯＰと１サイクル平均ＣＯＰとの関係を示すグラフである。ヒートポンプ装置の除霜開始判定制御に関する処理の流れの更に他の一例を示すフローチャートである。ヒートポンプ装置のＣＯＰの時間変化量と時間との関係を示すグラフである。ヒートポンプ装置の除霜開始判定制御に関する処理の流れの更に他の一例を示すフローチャートである。実施の形態２に係るヒートポンプ装置の冷媒回路構成を示す概略構成図である。ヒートポンプ装置の電気的な概略構成を示すブロック図である。ヒートポンプ装置の除霜開始判定制御に関する処理の流れの一例を示すフローチャートである。ヒートポンプ装置に圧縮機運転時間計測手段を備えた状態の冷媒回路構成を示す概略構成図である。ヒートポンプ装置の瞬間ＣＯＰと１サイクル平均ＣＯＰとの関係を示すグラフである。ヒートポンプ装置の瞬間ＣＯＰと１サイクル平均ＣＯＰとの関係を示すグラフである。ヒートポンプ装置の除霜開始判定制御に関する処理の流れの他の一例を示すフローチャートである。ヒートポンプ装置のＣＯＰの時間変化量と時間との関係を示すグラフである。ヒートポンプ装置の除霜開始判定制御に関する処理の流れの更に他の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１圧縮機、２凝縮器、３膨張手段、４蒸発器、５凝縮器用ファン、６蒸発器用ファン、１１凝縮温度検出手段、１２蒸発温度検出手段、１３圧縮機運転時間計測手段、１４圧縮機運転電流検出手段、１５冷媒配管、５０制御部、５１メモリ、５２演算部、１００ヒートポンプ装置、１００ａヒートポンプ装置。

Claims

圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器が順次接続された冷媒回路を有するヒートポンプ装置であって、
前記凝縮器の飽和温度を検出する凝縮温度検出手段と、
前記蒸発器の飽和温度を検出する蒸発温度検出手段と、
前記凝縮温度検出手段の検出値から推算した暖房能力を前記凝縮温度検出手段の検出値と前記蒸発温度検出手段の検出値の差または前記差から推算した消費電力で除した値により、運転効率を推測する制御部と、を有し、
前記制御部は、
推測した前記運転効率が、前記運転効率を運転開始から現時点まで平均した値から現時点で除霜運転を行った場合の運転開始から除霜運転終了までの平均運転効率を推算した値まで低下した場合に除霜運転を開始する
ことを特徴とするヒートポンプ装置。
圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器が順次接続された冷媒回路を有するヒートポンプ装置であって、
前記凝縮器の飽和温度を検出する凝縮温度検出手段と、
前記圧縮機の運転電流を検出する圧縮機運転電流検出手段と、
前記凝縮温度検出手段の検出値から推算した暖房能力を前記圧縮機運転電流検出手段の検出値または前記検出値から推算した消費電力で除した値により、運転効率を推測し、推測した前記運転効率が、前記運転効率を運転開始から現時点まで平均した値から現時点で除霜運転を行った場合の運転開始から除霜運転終了までの運転効率を推算した値まで低下した際に除霜運転を開始する制御部と、を有する
ことを特徴とするヒートポンプ装置。
前記圧縮機の運転時間を計測する圧縮機運転時間計測手段を備え、
前記制御部は、
前記圧縮機運転時間計測手段の検出時間が所定の時間以上となった場合に前記請求項１又は２に記載の態様に行い、除霜運転を開始する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプ装置。
前記除霜運転が開始されて終了した後の運転において、
前記所定の時間は、
前記除霜運転時間に基づいて決定される
ことを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ装置。
前記制御部は、
推測した前記運転効率が所定の値まで低下した場合で、かつ、前記運転効率が所定の値を一定時間連続で下回った場合に除霜運転を開始する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
前記制御部は、
前記運転効率が所定の値を下回った場合で、かつ、前記運転効率の一定時間内における変化量が予め設定された値を一定時間連続で下回った場合に除霜運転を開始する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
前記制御部は、
前記運転効率が所定の値を下回った場合で、かつ、前記蒸発温度の一定時間内における変化量が予め設定された値を一定時間連続で下回った場合に除霜運転を開始する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。