JP4857866B2

JP4857866B2 - 冷凍装置

Info

Publication number: JP4857866B2
Application number: JP2006099385A
Authority: JP
Inventors: 真一坂本; 雄次堀内
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007271214A

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯器の冷凍装置に関する。

従来、ヒートポンプ式給湯器の冷凍装置としては、ＣＯ２を冷媒とする圧縮式冷凍回路で構成されるものが広く利用されている。特に、圧縮機の運転周波数を選択することによってヒートポンプの能力を可変することができるインバータタイプは、外気温と給湯負荷に基づいて、運転制御されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−３４５０９９号公報

しかしながら、一般にＣＯ２を冷媒とする冷凍装置は、低外気条件、特に−２０℃以下になると、給湯負荷が増加する上に、冷媒循環量が減少する傾向にある。このような状況下では、圧縮機の内部温度が急上昇し、圧縮機を故障させることがある。そのため、低外気条件下で運転されたときに、圧縮機を温度上昇から保護することができる冷凍装置が要望されている。

本発明の課題は、上記要望に鑑み、低外気条件下における圧縮機保護制御を備えた冷凍装置を提供することにある。

第１発明に記載の冷凍装置は、ＣＯ２を冷媒とする圧縮式冷凍回路で構成され、運転周波数の選択によって能力が変更される圧縮機を備えた冷凍装置であって、吐出管温度センサと制御手段とをさらに備えている。吐出管温度センサは、圧縮機の吐出管温度を検出する。制御手段は、圧縮機の吐出管温度を目標吐出管温度に近づけていく。その目標吐出管温度は、運転状態に基づいて設定される。さらに、制御手段は、外気温度が所定値以下のとき、吐出管温度センサの検出値を、外気温度が所定値より高いときと比べて高めに補正し、補正後の値を圧縮機の吐出管温度として読み取り、圧縮機の吐出管温度を下げて圧縮機の内部温度が所定温度を超えないように抑制する圧縮機保護制御を行う。

ここでは、外気温度が所定値以下のときに吐出管温度検出値の補正量が大きくとられることで、実際の吐出管温度と目標吐出管温度との間に余裕ができる。このため、圧縮機内部の温度上昇が抑制され、圧縮機の熱的損傷が防止される。

第２発明に記載の冷凍装置は、第１発明に記載の冷凍装置であって、制御手段が第１補正手段と第２補正手段とを有している。第１補正手段は、外気温度が所定値より高いときに吐出管温度センサの検出値を補正する。第２補正手段は、外気温度が所定値以下のときに吐出管温度センサの検出値を第１補正手段よりも高めに補正する。

ここでは、圧縮機にとって過負荷になり易い低外気条件になったとき、吐出管温度が実際より高くなるように補正される。このため、圧縮機内部の温度上昇が抑制され、圧縮機の熱的損傷が防止される。

第３発明に記載の冷凍装置は、第ＣＯ２を冷媒とする圧縮式冷凍回路で構成され、運転周波数の選択によって能力が変更される圧縮機を備えた冷凍装置であって、吐出管温度センサと制御手段とをさらに備えている。吐出管温度センサは、圧縮機の吐出管温度を検出する。制御手段は、圧縮機の吐出管温度を目標吐出管温度に近づけていく。その目標吐出管温度は、運転状態に基づいて設定される。さらに、制御手段は、外気温度が所定値以下のとき、目標吐出管温度を、外気温度が所定値より高いときと比べて低く設定し、圧縮機の吐出管温度を下げて圧縮機の内部温度が所定温度を超えないように抑制する圧縮機保護制御を行う。

ここでは、圧縮機にとって過負荷になり易い低外気条件になったときに、目標吐出管温度が低くなる。このため、圧縮機内部の温度上昇が抑制され、圧縮機の熱的損傷が防止される。

第４明に記載の冷凍装置は、第３発明に記載の冷凍装置であって、制御手段が第１設定手段と第２設定手段とを有している。第１設定手段は、外気温度が所定値より高いときに圧縮機の目標吐出管温度を設定する。第２設定手段は、外気温度が前記所定値以下のときに圧縮機の目標吐出管温度を第１設定手段よりも低く設定する。所定の低外気条件のとき、目標吐出管温度が第２設定手段によって設定される。

ここでは、圧縮機にとって過負荷になり易い低外気条件になったときに、目標吐出管温度が低くなるように設定される。このため、圧縮機内部の温度上昇が抑制され、圧縮機の熱的損傷が防止される。

第５発明に記載の冷凍装置は、第１発明から第４発明のいずれかに記載の冷凍装置であって、外気温度の所定値が−２０℃以下である。

ここでは、外気温−２０℃の状況下で冷凍装置が運転されても、圧縮機内部の温度上昇は抑制される。このため、圧縮機の熱的損傷が防止される。

第１発明に係る冷凍装置は、外気温度が所定値以下のときに吐出管温度検出値の補正量が大きくとられることで、実際の吐出管温度と目標吐出管温度との間に余裕ができる。このため、圧縮機内部の温度上昇が抑制され、圧縮機の熱的損傷が防止される。

第２発明に係る冷凍装置は、圧縮機にとって過負荷になり易い低外気条件になったときに、吐出管温度が実際より高くなるように補正される。このため、圧縮機内部の温度上昇が抑制され、圧縮機の熱的損傷が防止される。

第３発明に係る冷凍装置は、圧縮機にとって過負荷になり易い低外気条件になったときに、目標吐出管温度が低くなる。このため、圧縮機内部の温度上昇が抑制され、圧縮機の熱的損傷が防止される。

第４発明に係る冷凍装置は、圧縮機にとって過負荷になり易い低外気条件になったときに、目標吐出管温度が低くなるように設定される。このため、圧縮機内部の温度上昇が抑制され、圧縮機の熱的損傷が防止される。

第５発明に係る冷凍装置は、外気温−２０℃の状況下で冷凍装置が運転されても、圧縮機内部の温度上昇は抑制される。このため、圧縮機の熱的損傷が防止される。

＜ヒートポンプ式給湯器の構成＞
ヒートポンプ式給湯装置のシステムを図１に示す。ヒートポンプ式給湯装置１は、冷凍装置２と貯湯装置３とによって構成されている。冷凍装置２は、マフラー２１ａ、圧縮機２１、水熱交換器２２内の冷媒管２２ａ、減圧手段としての膨張弁２３、及び空気熱交換器２４が、冷媒配管２５によって環状に接続された圧縮式の冷凍回路２０を有する。

また、冷凍回路２０には、水熱交換器２２から出る高圧高温の冷媒と、空気熱交換器２４から出る低圧低温の冷媒との間で熱交換を行うため、液ガス熱交換器２６が配置されている。具体的には、水熱交換器２２と膨張弁２３とを連結する冷媒通路と、空気熱交換器２４と圧縮機２１とを連結する冷媒通路との間で熱交換が行われる。

貯湯装置３は、貯湯タンク３１、水熱交換器２２内の水管２２ｂ及び水循環ポンプ３２が、水配管３５によって環状に接続された水循環回路３０を有する。

冷凍装置２には、設置場所の外気温を検出する外気温センサ８、圧縮機２１の吐出管温度を検出する吐出管温度センサ９、及び空気熱交換器２４の温度を検出する温度センサ１０が設けられており、これらのセンサの検出信号は、マイコン６（図３参照）に入力される。

＜冷凍装置の構造＞
図２は、冷凍装置の内部構造を示す断面図である。図２において、断熱壁２ｃの右側区画が機械室２ａであり、断熱壁２ｃの左側区画がファン室２ｂである。機械室２ａには、圧縮機２１、膨張弁２３が配置されている。

ファン室２ｂには、図２正面視において、前方にファン２７が配置されている。ファン２７の後方には、ファン２７を駆動するモータ（図示せず）が、モータ支持台２８に固定された状態で配置されている。ファン室２ｂの下方には、断熱壁２ｄを隔てて水熱交換器２２が配置されている。水熱交換器２２内にて、冷媒管２２ａ（図１参照）を流れる冷媒と、水管２２ｂ（図１参照）を流れる水との間で熱交換が行われる。

また、図２において、空気熱交換器２４は、ファン室２ｂの左側壁と背面壁に沿って配置されており、空気熱交換器２４の左端は機械室２ａの中央まで延出している。制御ボックス４は、機械室２ａの上部とファン室２ｂの上部を跨ぐように配置されている。制御ボックス４には、マイコン６（図３参照）、インバータ７（図３参照）を搭載した制御装置５が内蔵されている。

＜冷凍装置の運転制御＞
図３は、冷凍装置の制御ブロック図である。マイコン６は、外気温センサ８、空気熱交換器２４の温度センサ１０からの検出信号に基づき、目標吐出管温度設定部６２で目標吐出管温度を設定する。そして、マイコン６は、吐出管温度センサ９で検出される吐出管温度が目標吐出管温度に近づくように、膨張弁開度制御部６３を介して膨張弁２３の開度を制御する。なお、目標吐出管温度の設定に必要なデータは、マイコン６内に予め記憶されている。

さらに、マイコン６は、冷凍装置２の炊上能力に及ぼす外気温の影響を考慮して、さらに給湯負荷が一日の時間帯によって変化することを考慮して、インバータ制御部６４を介して圧縮機２１の運転周波数を制御している。例えば、外気温が低く、給湯負荷が大きい時間帯では、湯切れを防止するため、効率を無視して圧縮機２１の運転周波数を高める。一方、外気温が高く、給湯負荷が小さい時間帯では、圧縮機２１の運転周波数を高効率点に設定する。

＜吐出管温度センサの検出値補正＞
マイコン６は、冷媒の吐出温度を直接に検出することはできないため、圧縮機２１の吐出管表面に設置された吐出管温度センサ９によって吐出管温度を監視している。但し、吐出管温度センサ９自身もある程度の体積を有するので、設置されている吐出管の温度を正確に検出しているとは言えず、吐出管温度センサ９の検出値と、実際の吐出管温度との間にはズレが存在する。そこで、外気温ｔ１に対する吐出管温度センサ９の検出値と実際の吐出管温度との差を補正する補正量が実験的に求められ、マイコン６の温度補正部６１の第１補正手段６１ａ内に記憶されている。実際には、吐出管温度センサ９の検出値の補正された値が、目標吐出管温度に近づくように、膨張弁開度制御部６３を介して膨張弁２３の開度が制御されている。

給湯負荷が大きいとき、マイコン６は、圧縮機２１を保護する目的で、吐出管温度が１２０℃を超えないように圧縮機２１の運転制御を行う。実際に、吐出管温度が１２０℃のとき、圧縮機２１の内部温度は、１４０℃〜１４５℃に到達しており、内部温度がさらに上昇して１５０℃を超えると、圧縮機２１内部のマグネットの磁力低下、オイルの劣化が発生し故障に至る。したがって、本実施形態では、吐出管温度の上限を１２０℃と設定している。

但し、外気温ｔ１が−２０℃以下のときは、圧縮機２１が過負荷になり易いので、さらなる安全措置として吐出管温度センサ９の検出値の補正量を大きくとり、実際の吐出管温度が１２０℃に達する前に吐出管温度センサ９の検出値を１２０℃にする必要がある。そこで、外気温ｔ１が−２０℃以下のときの補正量が実験的に求められ、マイコン６の温度補正部６１の第２補正手段６１ｂに記憶されている。

つまり、吐出管温度センサ９の検出値は、外気温ｔ１＞−２０℃の温度範囲では、第１補正手段６１ａによって補正され、外気温ｔ１≦−２０℃の温度範囲では、第２補正手段６１ｂによって補正される。

＜圧縮機保護制御ロジック＞
図４は、圧縮機保護制御のフローチャートである。外気温センサ８で外気温ｔ１を検出し（Ｓ１）、吐出管温度センサ９で吐出管温度ｔ２を検出する（Ｓ２）。そして、外気温ｔ１が−２０℃より高いか否かを判定し（Ｓ３）、Ｙｅｓの場合は、ｔ２を第１補正手段６１ａで補正する（Ｓ４）。Ｓ３においてＮｏの場合は、ｔ２を第２補正手段６１ｂで補正する（Ｓ５）。ｔ２の補正後の値を冷媒の吐出管温度Ｔとして、吐出管温度Ｔが１２０℃未満であるか否かを判定し（Ｓ６）、Ｙｅｓならば、目標吐出管温度Ｔｍと吐出管温度Ｔとを比較して膨張弁の開度を決定し（Ｓ７）、膨張弁の開閉動作を行う（Ｓ８）。一方、Ｓ６でＮｏ、すなわち吐出管温度Ｔが１２０℃以上ならば、圧縮機２１の温度上昇を抑制するために、運転周波数を下げ（Ｓ９）、圧縮機２１を保護する。

図５は、外気温と補正量との関係を示すグラフである。補正量は外気温によって異なり、特に、外気温が−２０℃以下のときの補正量は、他の外気温（−２０℃〜０℃）のときの補正量に比べて大きくなっている。これは、−２０℃を境に冷媒の循環量が低下し、圧縮機２１に吸い込まれる冷媒ガスが減少し、圧縮機２１内部を冷却する機能が低下する。すなわち、外気温が−２０℃以下のときは、圧縮機２１内の温度上昇速度が速いので、補正量を大きくすることによって、圧縮機２１内部の温度上昇が抑制されているのである。一方、外気温が−２０℃〜０℃のときは、吐出管温度センサ９の検出値と、冷媒の吐出温度とのズレを補正するだけでよいので、補正量は小さい。

例えば、外気温−２０℃〜０℃の範囲においては、吐出管温度センサ９によって検出された吐出管表面温度が１１８℃のとき、マイコン６は、冷媒の吐出温度を１２０℃として読み取り、圧縮機２１の運転周波数を下げて、冷媒の吐出温度が１２０℃を超えないように制御する。外気温−２０℃以下の範囲においては、吐出管温度センサ９によって検出された吐出管表面温度が１１６℃のとき、マイコン６は、冷媒の吐出温度を１２０℃として読み取り、圧縮機２１の運転周波数を下げて、冷媒の吐出温度が１２０℃を超えないように制御する。

＜特徴＞
（１）
この冷凍装置２は、所定の低外気条件のとき、圧縮機２１の吐出管温度を下げるための圧縮機保護制御を行う。つまり、圧縮機２１にとって過負荷になり易い低外気条件になったときに、吐出管温度を下げることによって、圧縮機の負荷を軽減させる。このため、外気温に起因する過負荷から圧縮機２１を保護することができる。

（２）
この冷凍装置２は、外気温センサ８の検出値が−２０℃より高いとき、吐出管温度センサ９の検出値を第１補正手段６１ａによって補正する。また、外気温センサ８の検出値が−２０℃以下のとき、吐出管温度センサ９の検出値を第２補正手段６１ｂによって補正する。第２補正手段６１ｂによる補正量は、第１補正手段６１ａによる補正量よりも大きいため、外気温が−２０℃以下という過酷な条件でも、吐出管温度が、１２０℃未満に保持され、圧縮機２１内部の急激な温度上昇は抑制され、圧縮機の熱的損傷が未然に防止される。

＜変形例＞
上記の実施形態では、外気温−２０℃以下のときに吐出管温度センサ９の検出値の補正量を大きくすることによって実際の吐出管温度を低く抑える手段を採用したが、外気温―２０℃以下のときに目標吐出管温度を低くする手段でもよい。図６は、本変形例における冷凍装置の制御ブロック図である。

マイコン６は、外気温センサ８、空気熱交換器温度センサ１０からの検出信号に基づき、目標吐出管温度設定部６２の第１設定手段６２ａによって目標吐出管温度を設定する。そして、マイコン６は、吐出管温度センサ９で検出される吐出管温度が目標吐出管温度に近づくように、膨張弁開度制御部６３を介して膨張弁２３の開度を制御する。なお、目標吐出管温度の設定に必要なデータは、目標吐出管温度設定部６２に予め記憶されている。

外気温ｔ１が−２０℃以下のときは、圧縮機２１が過負荷になり易いので、さらなる安全措置として第２設定手段６２ｂによって目標吐出管温度が低く設定される。なお、外気温ｔ１が−２０℃以下のときの目標吐出管温度は実験的に求められ、マイコン６の目標吐出管温度設定部６２に予め記憶されている。

つまり、目標吐出管温度は、外気温ｔ１＞−２０℃の温度範囲では、第１設定手段６２ａによって設定され、外気温ｔ１≦−２０℃の温度範囲では、第２設定手段６２ｂによって設定される。

＜変形例の圧縮機保護制御ロジック＞
図７は、変形例における圧縮機保護制御のフローチャートである。外気温センサ８で外気温ｔ１を検出し（Ｓ１１）、吐出管温度センサ９で吐出管温度ｔ２を検出する（Ｓ１２）。そして、検出された吐出管温度の誤差補正を行う（Ｓ１３）。なお、Ｓ１３における誤差補正とは、吐出管温度センサ９の検出値と、実際の吐出管温度との間に存在するズレを修正するものである。なお、ここでは、補正後の吐出管温度をＴとする。

その後、外気温ｔ１が−２０℃より高いか否かを判定し（Ｓ１４）、Ｙｅｓの場合は、第１設定手段６２ａで目標吐出管温度Ｔｍを設定する（Ｓ１５）。Ｓ３においてＮｏの場合は、第２設定手段６２ｂで目標吐出管温度Ｔｍを設定する（Ｓ１６）。吐出管温度ｔ２が１２０℃未満であるか否かを判定し（Ｓ１７）、Ｙｅｓならば、目標吐出管温度Ｔｍと吐出管温度Ｔとを比較して膨張弁２３の開度を決定し（Ｓ１８）、膨張弁の開閉動作を行う（Ｓ１９）。一方、Ｓ６でＮｏ、すなわち吐出管温度Ｔが１２０℃以上ならば、圧縮機２１の温度上昇を抑制するために、運転周波数を下げて（Ｓ２０）、圧縮機２１を保護する。

＜変形例の特徴＞
この冷凍装置２は、外気温センサ８の検出値が−２０℃より高いとき、目標吐出管温度を第１設定手段６２ａによって設定する。また、外気温センサ８の検出値が−２０℃以下のとき、目標吐出管温度を第２設定手段６２ｂによって設定する。第２設定手段６２ｂによる設定値は、第１設定手段６２ａによる設定値よりも低いので、外気温が−２０℃以下という過酷な条件でも、吐出管温度が、１２０℃未満に保持され、圧縮機内部の急激な温度上昇は抑制され、圧縮機の熱的損傷が未然に防止される。

＜他の実施形態＞
以上、本発明について説明したが、具体的な構成は、上記の実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

たとえば、上記実施形態では低外気条件であるか否かを、外気温センサ８から検出される外気温値に基づいて検出していたが、蒸発温度、低圧側圧力、或いは高低圧差に基づいて低外気条件を検出してもよい。

以上のように本発明によれば、低外気条件下でも圧縮機が安全に運転されるので、寒冷地向けのヒートポンプ給湯器の冷凍装置に有用である。

ヒートポンプ式給湯器のシステム。本発明の一実施形態に係る冷凍装置の内部構造を示す断面図。同実施形態に係る冷凍装置の制御ブロック図。同実施形態の圧縮機保護制御のフローチャート。同実施形態の外気温と補正量との関係を示すグラフ。同実施形態の変形例に係る冷凍装置の制御ブロック図。同実施形態の変形例の圧縮機保護制御のフローチャート

１ヒートポンプ式給湯器
２冷凍装置
６マイコン（制御手段）
８外気温センサ
９吐出管温度センサ
６１ａ第１補正手段
６１ｂ第２補正手段
６２ａ第１設定手段
６２ｂ第２設定手段

Claims

ＣＯ２を冷媒とする圧縮式冷凍回路で構成され、運転周波数の選択によって能力が変更される圧縮機（２１）を備えた冷凍装置（２）であって、
前記圧縮機（２１）の吐出管温度を検出する吐出管温度センサ（９）と、
前記圧縮機（２１）の吐出管温度を、運転状態に基づいて設定される目標吐出管温度に近づけていく制御手段（６）と、
をさらに備え、
前記制御手段（６）は、外気温度が所定値以下のとき、前記吐出管温度センサ（９）の検出値を、外気温度が前記所定値より高いときと比べて高めに補正し、前記補正後の値を前記圧縮機（２１）の吐出管温度として読み取り、前記圧縮機（２１）の吐出管温度を下げて圧縮機の内部温度が所定温度を超えないように抑制する圧縮機保護制御を行う、
冷凍装置（２）。
前記制御手段（６）は、
外気温度が前記所定値より高いときに前記吐出管温度センサ（９）の検出値を補正する第１補正手段（６１ａ）と、
外気温度が前記所定値以下のときに前記吐出管温度センサ（９）の検出値を前記第１補正手段（６１ａ）よりも高めに補正する第２補正手段（６１ｂ）と、
を有する、
請求項１に記載の冷凍装置（２）
ＣＯ２を冷媒とする圧縮式冷凍回路で構成され、運転周波数の選択によって能力が変更される圧縮機（２１）を備えた冷凍装置（２）であって、
前記圧縮機（２１）の吐出管温度を検出する吐出管温度センサ（９）と、
前記圧縮機（２１）の吐出管温度を、運転状態に基づいて設定される目標吐出管温度に近づけていく制御手段（６）と、
をさらに備え、
前記制御手段（６）は、外気温度が所定値以下のとき、前記目標吐出管温度を、外気温度が前記所定値より高いときと比べて低く設定し、前記圧縮機（２１）の吐出管温度を下げて圧縮機の内部温度が所定温度を超えないように抑制する圧縮機保護制御を行う、
冷凍装置（２）。
前記制御手段（６）は、
外気温度が前記所定値より高いときに前記圧縮機（２１）の目標吐出管温度を設定する第１設定手段（６２ａ）と、
外気温度が前記所定値以下のときに前記圧縮機（２１）の目標吐出管温度を前記第１設定手段（６２ｂ）よりも低く設定する第２設定手段（６２ｂ）と、
を有する、
請求項３に記載の冷凍装置（２）
外気温度の前記所定値が、−２０℃以下である、
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の冷凍装置（２）。