WO2019021961A1 - ヒートポンプ熱源機の外気温度検出システム - Google Patents

ヒートポンプ熱源機の外気温度検出システム Download PDF

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air temperature
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blower fan
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Inventor
智明 田邊
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東芝キヤリア株式会社
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    • F24F11/00Control or safety arrangements
    • F24F11/70Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof
    • F24F11/72Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the supply of treated air, e.g. its pressure
    • F24F11/74Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the supply of treated air, e.g. its pressure for controlling air flow rate or air velocity
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
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    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/70Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to an outside air temperature detection system of a heat pump heat source unit.
  • the outdoor unit of air conditioning described in Patent Document 1 is configured to cause air to flow through the outdoor heat exchanger by the blower fan, and is a position on the air circulation upstream side of the outdoor heat exchanger, Have an ambient temperature sensor at the affected location. Moreover, when the amount of air flowing through the outdoor heat exchanger decreases, this air conditioning outdoor unit stops the output of the detected outside temperature and simulates the detected outside temperature immediately before the stop as the subsequent outside temperature. A correction means is provided.
  • An embodiment of the present invention has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and an outside air temperature sensor installed in a condenser or an evaporator which exchanges heat between air and air blown from a blower fan is a blower fan. It is an object of the present invention to provide an outside air temperature detection system of a heat pump heat source machine capable of accurately detecting outside air temperature even when the air flow rate is low.
  • An outside air temperature detection system of a heat pump heat source machine includes a refrigeration cycle in which a compressor, a condenser, an expansion valve, and an evaporator are sequentially connected to circulate a refrigerant, and the condenser and the evaporator
  • One of the units is provided with a blower fan, and heat exchange between the air blown from the blower fan and the refrigerant, and an outside air temperature sensor for detecting the outside air temperature, and detection of the outside air temperature detected by the outside air temperature sensor
  • the compressor and the blower fan are controlled by the controller based on the value, when the blower amount by the blower fan is less than a predetermined value, the detected value from the outside air temperature sensor is determined by the controller It is not used for control, and the air flow rate by the air blowing fan is set to the predetermined air pressure every predetermined time when the air blowing amount by the air blowing fan is less than the predetermined value.
  • the blower fan is operated with the above constant value and the air blowing time at that time set to a constant time, and the detected value of the outside air temperature detected by the outside air temperature sensor at the end of this operation is controlled by the control device. It is characterized in that it is configured to be used.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a control system having the control device of FIG. 1;
  • Explanatory drawing explaining the zone of the outside temperature detected by the outside temperature sensor of FIG. 5 is a table showing the relationship between the rotational speeds of the first and second blower fans of FIG. 1 and the fan taps. The relationship between each zone of the outside air temperature of FIG. 3 and the operating frequency of the compressor of FIG. 1 and the fan tap of FIG. 4 is shown, (A) is a chart regarding the first blower fan, (B) is a chart regarding the second blower fan .
  • the graph which shows the fan tap and the driving
  • the flowchart which mainly shows the control procedure of the main routine of a ventilation fan which the control apparatus of FIG. 1 performs.
  • the flowchart which shows the control procedure of the subroutine of the ventilation fan which the control apparatus of FIG. 1 performs mainly.
  • FIG. 1 is a system diagram showing a refrigeration cycle and the like of a heat pump heat source unit to which an outside air temperature detection system of a heat pump heat source unit according to an embodiment is applied.
  • the heat pump heat source machine 10 shown in FIG. 1 includes a compressor 12, a four-way valve 13, a condenser (air heat exchanger 14 or water heat exchanger 15), an expansion valve 16, an evaporator (water heat exchanger 15 or air heat).
  • the exchanger 14), the four-way valve 13, and the accumulator 17 are sequentially connected by the refrigerant pipe 18 and have a refrigeration cycle 11 in which the refrigerant circulates.
  • the refrigeration cycle 11 includes the compressor 12, the four-way valve 13, the air heat exchanger 14 as the condenser, the expansion valve 16, the water heat exchanger 15 as the evaporator,
  • the valve 13 and the accumulator 17 are sequentially connected by the refrigerant pipe 18 so as to circulate the refrigerant annularly.
  • the refrigeration cycle 11 is not shown, at the heating operation switching position of the four-way valve 13, the compressor 12, the four-way valve 13, the water heat exchanger 15 as a condenser, the expansion valve 16, air heat exchange as an evaporator
  • the heater 14, the four-way valve 13 and the accumulator 17 are sequentially connected by the refrigerant pipe 18 so that the refrigerant circulates in an annular manner.
  • the compressor 12 compresses the refrigerant and discharges it as a high temperature and high pressure state.
  • the refrigerant used in the present embodiment is, for example, R410A or R32 or the like.
  • the expansion valve 16 decompresses the refrigerant to a low temperature and low pressure state.
  • the four-way valve 13 switches the flow of the refrigerant in the refrigeration cycle 11, and switches the flow of the refrigerant between the heating operation and the cooling operation as described above.
  • the air heat exchanger 14 includes air and refrigerant blown from a plurality of, for example, two blower fans (first blower fan 21 and second blower fan 22) installed near the air heat exchanger 14. Heat exchange takes place.
  • the first blower fan 21 is located below the air heat exchanger 14 and far from the outside air temperature sensor 34 (described later), and the second blower fan 22 is located above the air heat exchanger 14 and outside air temperature sensor 34. It is installed in the position near each.
  • the water heat exchanger 15 performs heat exchange between the refrigerant and water (specifically, water or antifreeze liquid, and the same applies to the following), and is connected to the load 24 via the water pipe 23.
  • the water pipe 23 is provided with a circulating pump 25 rotating at a constant speed, and the action of the circulating pump 25 causes the water pipe 23 to circulate water between the water heat exchanger 15 and the load 24. The water is cooled or heated.
  • the state change, the action, and the like of the refrigerant during the cooling operation of the above-described refrigeration cycle 11 will be described with reference to FIG.
  • the high-temperature and high-pressure refrigerant discharged from the compressor 12 passes through the four-way valve 13 in the air heat exchanger (condenser) 14, exchanges heat with the air (outside air) led by the blower fans 21 and 22, dissipates heat and condenses Do.
  • the refrigerant condensed by the air heat exchanger 14 is changed to a low temperature and low pressure state by the expansion valve 16 and flows into the water heat exchanger (evaporator) 15.
  • the low-temperature low-pressure refrigerant exchanges heat with water in the water heat exchanger 15, evaporates, and cools the water by heat absorption.
  • the refrigerant evaporated in the water heat exchanger 15 is returned to the compressor 12 after flowing through the four-way valve 13 into the accumulator 17.
  • the high-temperature and high-pressure refrigerant discharged from the compressor 12 passes through the four-way valve 13, exchanges heat with water in the water heat exchanger 15, condenses, and heats the water by radiating heat.
  • the refrigerant condensed by the water heat exchanger 15 is changed to a low temperature and low pressure state by the expansion valve 16 and flows into the air heat exchanger 14.
  • the low-temperature low-pressure refrigerant exchanges heat with the air (outside air) led by the blower fans 21 and 22 in the air heat exchanger 14 to absorb heat and evaporate.
  • the evaporated refrigerant flows into the accumulator 17 through the four-way valve 13 and is returned to the compressor 12.
  • a discharge side pressure sensor 26 and a discharge side temperature sensor 28 are provided on the discharge side of the compressor 12, and a suction side pressure sensor 27 and a suction side temperature sensor 29 are provided on the suction side. Be done.
  • a condenser outlet temperature sensor 30 is installed on the refrigerant pipe 18 at the outlet side of the air heat exchanger 14, and an evaporator inlet temperature sensor 31 is installed on the inlet side of the water heat exchanger 15.
  • a water inlet temperature sensor 32 is installed on the inlet side to the water heat exchanger 15, and a water outlet temperature sensor 33 is installed on the outlet side from the water heat exchanger 15.
  • the air heat exchanger 14 is provided with an outside air temperature sensor 34 for detecting the outside air temperature TO.
  • the detection values of the above-described sensors 26 to 34 are input to the control device 35 shown in FIGS. 1 and 2.
  • the control device 35 controls the compressor 12, the four-way valve 13, the expansion valve 16, the first blower fan 21 and the second blower fan 22 based on the detection values from the respective sensors 26 to 34.
  • the controller 35 activates the compressor 12 when the detected value of the water outlet temperature sensor 33 (water outlet temperature TWO) becomes larger than the water outlet temperature threshold (target water outlet temperature bTWOs + offset ON), and the refrigeration cycle 11 Start the cooling operation.
  • the controller 35 stops the compressor 12 when the detected value (water inlet temperature TWI) of the water inlet temperature sensor 32 becomes lower than the water inlet temperature threshold (target water inlet temperature bTWIs).
  • control device 3 controls the compressor 12, the first blower fan 21 and the second blower fan 22 based on the detection value of the outside air temperature sensor 34. For example, when the detection value (outside air temperature TO) of the outside air temperature sensor 34 at the start of the cooling operation of the refrigeration cycle 11 is lower than a predetermined outside air temperature low threshold (when it is in T zone described later) While the first blower fan 21 is stopped, and a single fan operation is performed in which only the second blower fan 22 is operated, the operating frequency of the compressor 12 is lowered.
  • a predetermined outside air temperature low threshold when it is in T zone described later
  • the outside air temperature TO when the outside air temperature TO is low, the heat radiation capacity of the air heat exchanger 14 as a condenser becomes high, so the rotational speeds of the first blower fan 21 and the second blower fan 22 are reduced, and It is possible to set the operating frequency low. Therefore, when the outside air temperature TO is lower than the predetermined outside air temperature low threshold, the single fan operation in which only the second blower fan 22 is operated is enabled.
  • the controller 35 divides the outside air temperature TO into zones (T zone, S zone, R zone, Q zone, P zone, O zone, U zone) shown in FIG. 3 and is detected by the outside air temperature sensor 34
  • the first blower fan 21 and the second blower fan 22 are controlled for each zone to which the detected value of the outside air temperature TO falls.
  • a single fan operation is performed in which only the second blower fan 22 is operated.
  • a differential of 1 K (Kelvin) is provided at the time of each zone change of the temperature raising and temperature lowering. This prevents abrupt and frequent changes of the refrigeration cycle 11 during zone changes.
  • control device 35 controls the fan rotational speed of the first blower fan 21 and the second blower fan 22 using the fan taps shown in FIG. 4.
  • the number of rotations of the first blower fan is m1, m2, m3, ..., m14, m15 (m1 ⁇ m2 ⁇ m3 ⁇ ... ⁇ m14 ⁇ m15)
  • the number of rotations of the second blower fan is m1, m2- ⁇ , m3- ⁇ , ..., m14- ⁇ , m15- ⁇ are set. That is, the number of rotations of the first blower fan 21 is set to a number of rotations higher than the number of rotations of the second blower fan 22 by ⁇ .
  • the same rotational speed is set at the minimum rotational speed.
  • the control device 35 sets the maximum value and the minimum value of the rotational speeds of the first blower fan 21 and the second blower fan 22 to the zone of the outside air temperature TO and the operating frequency of the compressor 12.
  • the number of revolutions of the first blower fan 21 and the second blower fan 22 is controlled within the range of the maximum value and the minimum value.
  • the control device 35 sets the maximum value and the minimum value of the respective rotational speeds of the first blower fan 21 and the second blower fan 22 shown in FIG. 5 to the detected value of the discharge side temperature sensor 28 (discharge side temperature TD), It correct
  • part of the first blower fan 21 and the second blower fan 22 is operated (that is, the first blower fan 21 is stopped and only the second blower fan 22 is operated) as described above.
  • the amount of air flowing in the air heat exchanger 14 as a condenser decreases, so the outside air temperature sensor 34 installed in the air heat exchanger 14 is affected by the radiation heat from the air heat exchanger 14.
  • the outside air temperature TO can not be accurately detected.
  • the control device 35 does not take in the detection value from the outside air temperature sensor 34 and does not use it for control at the time of the single fan operation where the air flow amount flowing in the air heat exchanger 14 is less than a predetermined value.
  • the control device 35 uses the detection value of the outside air temperature TO detected by the outside air temperature sensor 34 If this can not be done, efficient operation of the refrigeration cycle 11 can not be performed according to the change of the outside air temperature TO.
  • the control device 35 controls the first blower fan 21 and the second blower fan 22 every predetermined time during single fan operation in which the amount of air flowing in the air heat exchanger 14 is less than the predetermined value. All the fans are operated (that is, both the first and second blower fans 21 and 22 are operated), and the amount of air flowing through the air heat exchanger 14 is maintained at a constant value equal to or more than the predetermined value. And the blowing time at that time is set to a fixed time.
  • every predetermined time is a time interval, for example, every two hours, in which the outside air temperature does not greatly fluctuate.
  • the implementation of both fan operation does not affect the refrigeration cycle 11, and the air heat exchanger as a condenser does not affect the fixed value of the amount of air flowing in the air heat exchanger 14 and the fixed time of the air blowing time at that time.
  • the outside air temperature sensor 34 installed at 14 is the minimum value that is not affected by the radiant heat from the air heat exchanger 14.
  • the constant value of the amount of air flowing in the air heat exchanger 14 and the constant time of the air blowing time at this time are set differently according to the operating frequency f of the compressor 12.
  • the fan rotational speed (fan tap FT) for achieving a constant value of the air flow amount flowing in the air heat exchanger 14 and the constant time of the air blowing time at that time i.e., the operation continuation time TA
  • the frequency f is f ⁇ 30
  • the fan tap FT is W5
  • the operation continuation time TA is 10 minutes
  • the fan tap FT is W7 and the fan rotates.
  • the number is increased and the operation duration time TA is shortened to 6 minutes.
  • the control device 35 performs both fan operation at predetermined time intervals of the single fan operation as described above, and sets the air flow amount flowing in the air heat exchanger 14 to a constant value and sets the air flow time at that time to a constant time
  • the detected value of the outside air temperature TO detected by the outside air temperature sensor 34 is taken in, and the outside air temperature TO used for control is updated using this detected value.
  • the control device 35 operates the first blower fan 21 and the second blower fan 22 installed in the vicinity of the air heat exchanger 14 as a condenser (both fan operation).
  • the air blowing amount of the first and second air blowing fans 21 and 22 flowing in the air heat exchanger 14 is set to a constant value and the air blowing time at that time is set to a predetermined time.
  • the outside air temperature sensor 34 installed in the air heat exchanger 14 functions as the air heat exchanger 14 for the constant value of the air flow rate by the first air blowing fan 21 and the second air blowing fan 22 and the constant time of air blowing time at that time.
  • This is the minimum value that is not affected by radiant heat from
  • the fan rotational speed (fan tap FT) for realizing a constant value of the air flow amount flowing in the air heat exchanger 14 and the constant time of the air flow time at that time (that is, the operation continuation time TA)
  • control device 35 performs both fan operation when the compressor 12 is stopped, and the amount of air blown by the first blower fan 21 and the second blower fan 22 flowing in the air heat exchanger 14 is constant.
  • the detected value of the outside air temperature TO detected by the outside air temperature sensor 34 is fetched, and the outside air temperature TO used for control using this detected value Update
  • the controller 35 determines whether the detected value of the water outlet temperature sensor 33 (water outlet temperature TWO) is larger than the water outlet temperature threshold (target water outlet temperature bTWOs + offset ON). (S1) If larger, start the compressor 12 to cause the refrigeration cycle 11 to start the cooling operation (S2).
  • the control device 35 determines whether the detected value of the outside air temperature TO detected by the outside air temperature sensor 34 corresponds to the T zone (see FIG. 3) (S3).
  • the control device 35 is disposed in the vicinity of the air heat exchanger 14 as a condenser.
  • the both fan operation which makes both the ventilation fan 21 and the 2nd ventilation fan 22 drive is implemented (S4).
  • step S3 when the detected value of the outside air temperature TO is in the T zone, the control device 35 performs the one-fan operation of stopping the first blower fan 21 and operating the second blower fan 22 (S5).
  • the control device 35 determines whether a predetermined time, that is, a continuation time of the single-fan operation has passed, for example, 2 hours since the single-fan operation of step S5 is started (S6).
  • the control device 35 returns to step S3 when the operation continuation time of the single fan operation does not pass, for example, 2 hours in step S6, and when it is elapsed, both are caused by the first blower fan 21 and the second blower fan 22.
  • the fan operation is performed (S7). In this fan operation, the rotational speeds of the second blower fan 21 and the second blower fan 22 are determined based on the fan tap FT (see FIG. 6) determined by the operating frequency f of the compressor 12.
  • the control device 35 determines whether or not the operation continuation time since the start of the both fan operation in step S7 has reached the operation continuation time TA (see FIG. 6) (S8). When the operation continuation time of both fan operation does not reach the operation continuation time TA in this step S8, the control device 35 continues the both fan operation of step S7.
  • the control device 35 takes in the detected value of the outside air temperature TO detected by the outside air temperature sensor 34, and performs control using this detected value.
  • the outside air temperature TO used for is updated (S4).
  • the updated outside air temperature TO is used for control after step S1.
  • the controller 35 determines that the detected value (water inlet temperature TWI) of the water inlet temperature sensor 32 is the water inlet temperature threshold (target water) as shown in FIG. It is determined whether or not the inlet temperature bTWIs) or less is reached (S11), and the compressor 12 is stopped when the temperature is below (S12).
  • the control device 35 determines whether or not the operation continuation time since the start of the both fan operation in step S13 has reached the operation continuation time TA (S14).
  • the control device 35 When the operation continuation time of both fan operation does not reach the operation continuation time TA in this step S14, the control device 35 continues the both fan operation of step S13. When the operation continuation time of both fan operation reaches the operation continuation time TA in step S14, the control device 35 takes in the detected value of the outside air temperature TO detected by the outside air temperature sensor 34, and performs control using this detected value.
  • the outside air temperature TO used for is updated (S15). The updated outside air temperature TO is used for control after step S1 shown in FIG.
  • the control device 35 is a piece in which the amount of air blown by the first blower fan 21 and the second blower fan 22 is less than a predetermined value. Both fan operation which makes the 1st ventilation fan 21 and the 2nd ventilation fan 22 operate is carried out for every predetermined time (for example, 2 hours) at the time of fan operation.
  • the air flow rate in the air heat exchanger 14 by the first air blowing fan 21 and the second air blowing fan 22 is set to a constant value equal to or more than the predetermined value, and the air blowing time at that time is set to a constant time.
  • Each of the constant value of the air flow rate and the constant time of the air blowing time is determined by the fan tap FT and the operation duration time TA, which are determined by the operating frequency f of the compressor 12, as shown in FIG.
  • the control device 35 takes in the detection value of the outside air temperature TO detected by the outside air temperature sensor 34 at the end of the above-described both fan operation, and updates the outside air temperature TO used for control using this detection value.
  • the outside air temperature sensor 34 installed in the air heat exchanger 14 during single-fan operation in which the air flow in the air heat exchanger 14 by the first air blowing fan 21 and the second air blowing fan 22 is less than a predetermined value
  • the outside air temperature sensor 34 is an air heat exchanger due to the end of the above-mentioned both fan operations performed every predetermined time during the single fan operation.
  • the ambient temperature TO can be accurately detected without being affected by the radiant heat from 14.
  • the outside air temperature TO used for control is updated using the detection value of the outside air temperature accurately detected, and the compressor 12 is properly controlled by the outside air temperature.
  • the refrigeration cycle 11 can be operated efficiently.
  • the control device 35 operates the first blower fan 21 and the second blower fan 22 together to set the inside of the air heat exchanger 14. Both fan operations are carried out with the air flow rate of the air flow rate constant as a constant value and the air flow time at that time as a constant time.
  • the control device 35 takes in the detection value of the outside air temperature TO detected by the outside air temperature sensor 34 at the end of the above-described both fan operation, and updates the outside air temperature TO used for control using this detection value.
  • the outside air temperature sensor 34 can accurately detect the outside air temperature TO without being affected by the heat radiation from the air heat exchanger. .
  • the outside air temperature TO used for control is updated, and the compressor 12 is appropriately controlled by the outside air temperature TO.
  • the refrigeration cycle 11 of the machine 10 can be operated efficiently.
  • the operating frequency f of the compressor 12 is as high as ff45 and 30 ⁇ f ⁇ 45.
  • the operation duration time TA of both fan operations can be shortened compared to the case where f ⁇ 30 and low. For this reason, the refrigeration cycle 11 of the heat pump heat source machine 10 can be operated efficiently by shortening both fan operation as described above, especially when the outside air temperature is low and the single fan operation should be originally performed.
  • both fan operation is carried out so that the air blowing amount is a constant value and the air blowing time at that time becomes a predetermined time
  • the detected outside air temperature TO detected by the outside air temperature sensor 34 may be used to update the outside air temperature TO used for control.
  • 10 heat pump heat source machine
  • 11 refrigeration cycle
  • 12 compressor
  • 14 air heat exchanger (condenser, evaporator)
  • 15 water heat exchanger (evaporator, condenser)
  • 16 expansion valve

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Abstract

圧縮機12、凝縮器としての空気熱交換器14、膨張弁16及び蒸発器としての水熱交換器15が順次接続された冷凍サイクル11を有し、空気熱交換器が、送風ファン21、22から送風される空気と冷媒とを熱交換させると共に、外気温度を検出する外気温度センサ34を備え、外気温度センサによる外気温度の検出値に基づいて、圧縮機及び送風ファンが制御装置35により制御されるヒートポンプ熱源機10において、送風ファンによる送風量が所定値未満の片ファン運転の所定時間毎に、送風ファンによる送風量を前記所定値以上の一定値で且つそのときの送風時間を一定時間に設定した両ファン運転を実施し、この運転終了時に外気温度センサによる外気温度の検出値が、制御装置により制御に使用される。

Description

ヒートポンプ熱源機の外気温度検出システム
 本発明の実施形態は、ヒートポンプ熱源機の外気温度検出システムに関する。
 特許文献1に記載の空調室外機は、送風ファンによって室外熱交換器に空気を流通させるべく構成され、室外熱交換器の空気流通上流側の位置であって、室外熱交換器からの輻射熱の影響を受ける位置に外気温度センサを有する。また、この空調室外機は、室外熱交換器を流通する空気量が減少したときに、検出外気温の出力を停止し、停止直前の検出外気温をそれ以後の外気温として擬似出力する外気温補正手段を備える。
特許第3019081号公報
 ところが、上述の空調室外機では、外気温補正手段が検出外気温の出力を停止してから、この状態で長時間運転が継続されると、外気温度センサが検出した外気温の検出値が、制御に使用される外気温度として長時間更新されなくなる。このため、正確に検出された外気温度の検出値を用いて圧縮機を制御できなくなるので、冷凍サイクルの効率的な運転を実現できない恐れがある。
 本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、送風ファンから送風される空気と冷媒とを熱交換する凝縮器または蒸発器に設置された外気温度センサが、送風ファンによる送風量が低い場合にも外気温度を正確に検出できるヒートポンプ熱源機の外気温度検出システムを提供することを目的とする。
 本発明の実施形態におけるヒートポンプ熱源機の外気温度検出システムは、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器が順次接続されて冷媒が循環する冷凍サイクルを有し、前記凝縮器と前記蒸発器の一方が送風ファンを備えると共に、この送風ファンから送風される空気と前記冷媒とを熱交換させ、更に外気温度を検出する外気温度センサを備え、この外気温度センサにて検出される外気温度の検出値に基づいて、前記圧縮機及び前記送風ファンが制御装置により制御されるヒートポンプ熱源機において、前記送風ファンによる送風量が所定値未満のときには、前記外気温度センサからの検出値が前記制御装置により制御に使用されず、前記送風ファンによる送風量が所定値未満のときの所定時間毎に、前記送風ファンによる送風量を前記所定値以上の一定値で且つそのときの送風時間を一定時間に設定して前記送風ファンを運転し、この運転終了時に前記外気温度センサにより検出された外気温度の検出値が、前記制御装置により制御に使用されるよう構成されたことを特徴とするものである。
一実施形態に係るヒートポンプ熱源機の外気温度検出システムが適用されたヒートポンプ熱源機の冷凍サイクル等を示す系統図。 図1の制御装置を有する制御系を示すブロック図。 図1の外気温度センサにより検出される外気温度のゾーンを説明する説明図。 図1の第1及び第2送風ファンの回転数とファンタップとの関係を示す図表。 図3の外気温度の各ゾーンと図1の圧縮機の運転周波数と図4のファンタップとの関係を示し、(A)は第1送風ファンに関する図表、(B)は第2送風ファンに関する図表。 制御に使用される外気温度を更新するために実施される両ファン運転時のファンタップと運転継続時間とを、圧縮機の運転周波数との関係で示す図表。 図1の制御装置が実行する主に送風ファンのメインルーチンの制御手順を示すフローチャート。 図1の制御装置が実行する主に送風ファンのサブルーチンの制御手順を示すフローチャート。
 以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
 図1は、一実施形態に係るヒートポンプ熱源機の外気温度検出システムが適用されたヒートポンプ熱源機の冷凍サイクル等を示す系統図である。この図1に示すヒートポンプ熱源機10は、圧縮機12、四方弁13、凝縮器(空気熱交換器14または水熱交換器15)、膨張弁16、蒸発器(水熱交換器15または空気熱交換器14)、四方弁13、及びアキュムレータ17が冷媒配管18により順次接続されて、冷媒が循環する冷凍サイクル11を有する。
 つまり、冷凍サイクル11は、四方弁13の冷却運転切換位置では、圧縮機12、四方弁13、凝縮器としての空気熱交換器14、膨張弁16、蒸発器としての水熱交換器15、四方弁13及びアキュムレータ17が冷媒配管18により順次接続されて、冷媒が環状に循環するよう構成される。また、冷凍サイクル11は、図示しないが、四方弁13の加熱運転切換位置では、圧縮機12、四方弁13、凝縮器としての水熱交換器15、膨張弁16、蒸発器としての空気熱交換器14、四方弁13及びアキュムレータ17が、冷媒配管18により順次接続されて、冷媒が環状に循環するよう構成される。
 ここで、圧縮機12は、冷媒を圧縮して高温高圧状態として吐出する。また、本実施形態に用いられる冷媒は、例えばR410AまたはR32等である。更に、膨張弁16は、冷媒を減圧して低温低圧状態とする。また、四方弁13は、冷凍サイクル11における冷媒の流れを切り換えるものであり、前述の如く、加熱運転時と冷却運転時とで冷媒の流れを切り換える。
 空気熱交換器14は、この空気熱交換器14の近傍に設置された複数台、例えば2台の送風ファン(第1送風ファン21、第2送風ファン22)から送風される空気と冷媒との間で熱交換を行う。例えば、第1送風ファン21は、空気熱交換器14の下方で且つ外気温度センサ34(後述)から遠い位置に、第2送風ファン22は、空気熱交換器14の上方で且つ外気温度センサ34に近い位置にそれぞれ設置される。また、水熱交換器15は、冷媒と水(具体的には水または不凍液。以下同様)との間で熱交換を行うものであり、水配管23を介して負荷24に接続される。水配管23には、定速回転する循環ポンプ25が配設され、この循環ポンプ25の作用で、水熱交換器15と負荷24との間で水配管23により水が循環する間に、この水が冷却または加熱される。
 上述の冷凍サイクル11の冷却運転時における冷媒の状態変化及び作用等を、図1を用いて説明する。圧縮機12から吐出された高温高圧の冷媒は、四方弁13を通り空気熱交換器(凝縮器)14で、送風ファン21、22により導かれた空気(外気)と熱交換して放熱し凝縮する。この空気熱交換器14で凝縮した冷媒は、膨張弁16にて低温低圧状態に変化して水熱交換器(蒸発器)15に流入する。低温低圧の冷媒は、水熱交換器15において水と熱交換して蒸発し、吸熱により水を冷却する。この水熱交換器15で蒸発した冷媒は、四方弁13を通りアキュムレータ17に流入した後に圧縮機12に戻される。
 また、冷凍サイクル11の加熱運転時における冷媒の状態変化及び作用等を説明する。圧縮機12から吐出された高温高圧の冷媒は、四方弁13を通り水熱交換器15で水と熱交換して凝縮し、放熱により水を加熱する。水熱交換器15にて凝縮した冷媒は、膨張弁16にて低温低圧状態に変化して空気熱交換器14に流入する。低温低圧の冷媒は、空気熱交換器14で、送風ファン21、22により導かれた空気(外気)と熱交換して吸熱し蒸発する。この蒸発した冷媒は、四方弁13を経てアキュムレータ17に流入した後に圧縮機12に戻される。以下の説明は、空気熱交換器14が凝縮器として機能する冷凍サイクル11の冷却運転時の場合について述べる。
 図1に示すように、冷媒配管18には、圧縮機12の吐出側に吐出側圧力センサ26及び吐出側温度センサ28が、吸込側に吸込側圧力センサ27及び吸込側温度センサ29がそれぞれ設置される。更に、冷媒配管18には、空気熱交換器14の出口側に凝縮器出口温度センサ30が、水熱交換器15の入口側に蒸発器入口温度センサ31がそれぞれ設置される。また、水配管23には、水熱交換器15への入口側に水入口温度センサ32が、水熱交換器15からの出口側に水出口温度センサ33がそれぞれ設置される。更に、空気熱交換器14には、外気温度TOを検出する外気温度センサ34が設置されている。
 上述の各センサ26~34の検出値は、図1及び図2に示す制御装置35に入力される。この制御装置35は、各センサ26~34からの検出値に基づいて圧縮機12、四方弁13、膨張弁16、第1送風ファン21及び第2送風ファン22を制御する。
 例えば、制御装置35は、水出口温度センサ33の検出値(水出口温度TWO)が水出口温度閾値(目標水出口温度bTWOs+オフセットON)よりも大きくなると圧縮機12を起動させて、冷凍サイクル11に冷却運転を開始させる。また、制御装置35は、水入口温度センサ32の検出値(水入口温度TWI)が水入口温度閾値(目標水入口温度bTWIs)以下になったときに圧縮機12を停止させる。
 また、制御装置3は、外気温度センサ34の検出値に基づいて圧縮機12、第1送風ファン21及び第2送風ファン22を制御する。例えば、冷凍サイクル11の冷却運転開始時における外気温度センサ34の検出値(外気温度TO)が、所定の外気温度低閾値よりも低い場合(後述のTゾーンにある場合)には、制御装置35は第1送風ファン21を停止させ、第2送風ファン22のみを運転させる片ファン運転を実施させると共に、圧縮機12の運転周波数を低下させる。
 一般に、外気温度TOが低い場合には、凝縮器としての空気熱交換器14の放熱能力が高くなるので、第1送風ファン21及び第2送風ファン22の回転数を低下させ、圧縮機12の運転周波数を低く設定することが可能になる。従って、外気温度TOが所定の外気温度低閾値よりも低いときには、第2送風ファン22のみを運転させる片ファン運転が可能になる。
 ここで、制御装置35は、外気温度TOを図3に示す各ゾーン(Tゾーン、Sゾーン、Rゾーン、Qゾーン、Pゾーン、Oゾーン、Uゾーン)に区分し、外気温度センサ34により検出された外気温度TOの検出値が該当するゾーン毎に、特に第1送風ファン21、第2送風ファン22を制御する。例えば、外気温度TOがTゾーンにあるときには、第2送風ファン22のみを運転する片ファン運転を行うなどである。尚、外気温度TOの各ゾーンには、昇温と降温のそれぞれのゾーン変更時に1K(ケルビン)のディファレンシャルが設けられている。これにより、ゾーンの変更時における冷凍サイクル11の急峻且つ頻繁な変更が防止される。
 また、制御装置35は、第1送風ファン21、第2送風ファン22のファン回転数を図4に示すファンタップを用いて制御している。ここで、第1送風ファンの回転数をm1、m2、m3、・・・、m14、m15(m1<m2<m3<・・・<m14<m15)とすると、第2送風ファンの回転数はm1、m2―α、m3―α、・・・、m14―α、m15―αと設定されている。すなわち、第1送風ファン21の回転数は第2送風ファン22の回転数よりもαだけ高い回転数に設定されている。最低回転数では同一の回転数の設定となっている。例えば、最低回転数であるm1=200rpsとし、α=20とする場合、第1送風ファン21及び第2送風ファン22がファンタップのW5で制御されるときには、第1送風ファン21はm5=360rpsの回転数とし、第2送風ファン22はm5-α=340rpsの回転数としてそれぞれ制御される。
 また、制御装置35は、図5に示すように、第1送風ファン21、第2送風ファン22のそれぞれの回転数の最大値と最小値を、外気温度TOのゾーン及び圧縮機12の運転周波数fによって決定し、この最大値と最小値の範囲で、第1送風ファン21及び第2送風ファン22の回転数を制御する。更に制御装置35は、図5に示す第1送風ファン21、第2送風ファン22のそれぞれの回転数の最大値と最小値を、吐出側温度センサ28の検出値(吐出側温度TD)や、凝縮器出口温度センサ30の検出値(凝縮器出口温度TE)によって補正する。
 ところで、図1に示すように、第1送風ファン21、第2送風ファン22の一部を稼働させる(つまり、第1送風ファン21を停止させ且つ第2送風ファン22のみを運転させる)前述の片ファン運転時には、凝縮器としての空気熱交換器14内を流れる送風量が減少するので、この空気熱交換器14に設置された外気温度センサ34は、空気熱交換器14からの輻射熱の影響を受けて外気温度TOを正確に検出することができなくなる。このため、制御装置35は、空気熱交換器14内を流れる送風量が所定値未満になる上記片ファン運転時には、外気温度センサ34からの検出値を取り込まず、制御に使用しない。
 しかしながら、片ファン運転が長時間に及んだときには外気温度TOが大きく変動することがあり、この場合にも、外気温度センサ34にて検出された外気温度TOの検出値を制御装置35が使用できなくなると、外気温度TOの変化に応じた冷凍サイクル11の効率的な運転が実施できなくなる。
 そこで、本実施形態では、制御装置35は、空気熱交換器14内を流れる空気量が所定値未満になる片ファン運転時の所定時間毎に、第1送風ファン21、第2送風ファン22の全てを稼働させる(つまり、第1送風ファン21及び第2送風ファン22を共に運転させる)両ファン運転を実施して、空気熱交換器14内を流れる送風量を前記所定値以上の一定値で且つそのときの送風時間を一定時間に設定する。
 ここで、上記所定時間毎は、外気温度が大きく変動しない時間間隔、例えば2時間毎である。また、空気熱交換器14内を流れる空気量の一定値及びそのときの送風時間の一定時間は、両ファン運転の実施が冷凍サイクル11に影響を与えず、且つ凝縮器としての空気熱交換器14に設置された外気温度センサ34が、この空気熱交換器14からの輻射熱の影響を受けることがなくなる最小の値である。
 更に、空気熱交換器14内を流れる空気量の一定値及びそのときの送風時間の一定時間は、図6に示すように、圧縮機12の運転周波数fに応じて異なって設定される。例えば、空気熱交換器14内を流れる送風量の一定値を実現するファン回転数(ファンタップFT)と、そのときの送風時間の一定時間(即ち運転継続時間TA)は、圧縮機12の運転周波数fがf<30であれば、ファンタップFTがW5に、運転継続時間TAが10分になり、圧縮機12の運転周波数が高いf≧45では、ファンタップFTがW7となってファン回転数が上昇し、運転継続時間TAが6分となって短縮される。
 制御装置35は、上述のような片ファン運転の所定時間毎に両ファン運転を実施して、空気熱交換器14内を流れる送風量を一定値で且つそのときの送風時間を一定時間に設定した上記両ファン運転の終了時に、外気温度センサ34により検出された外気温度TOの検出値を取り込み、この検出値を用いて、制御に使用する外気温度TOを更新する。
 また、制御装置35は、圧縮機12の停止時においても、凝縮器としての空気熱交換器14の近傍に設置された第1送風ファン21及び第2送風ファン22を運転して(両ファン運転)、この空気熱交換器14内を流れる第1送風ファン21、第2送風ファン22による送風量を一定値で且つそのときの送風時間を一定時間に設定する。
 この場合、第1送風ファン21、第2送風ファン22による送風量の一定値及びそのときの送風時間の一定時間は、空気熱交換器14に設置された外気温度センサ34が空気熱交換器14からの輻射熱の影響を受けなくなる最小の値である。また、空気熱交換器14内を流れる送風量の一定値を実現するファン回転数(ファンタップFT)と、そのときの送風時間の一定時間(即ち運転継続時間TA)は、図6に示すように、圧縮機12の運転周波数fがf=0のときであり、ファンタップFTがW5で、運転継続時間TAが3分になる。
 制御装置35は、上述のように、圧縮機12の停止時に両ファン運転を実施し、空気熱交換器14内を流れる第1送風ファン21、第2送風ファン22による送風量を一定値で且つそのときの送風時間を一定時間に設定した上記両ファン運転の終了時に、外気温度センサ34により検出された外気温度TOの検出値を取り込み、この検出値を用いて、制御に使用する外気温度TOを更新する。
 次に、制御装置35が実行する主に第1送風ファン21、第2送風ファン22の制御手順を、図7及び図8を用いて説明する。
 図7に示すように、制御装置35は、水出口温度センサ33の検出値(水出口温度TWO)が、水出口温度閾値(目標水出口温度bTWOs+オフセットON)よりも大きいか否かを判断し(S1)、大きい場合に圧縮機12を起動して、冷凍サイクル11に冷却運転を開始させる(S2)。
 次に、制御装置35は、外気温度センサ34にて検出された外気温度TOの検出値がTゾーン(図3参照)に該当するか否かを判断する(S3)。外気温度TOの検出値がTゾーン以外のSゾーン~Uゾーン(図3参照)のいずれかにあるときには、制御装置35は、凝縮器としての空気熱交換器14の近傍に設置された第1送風ファン21及び第2送風ファン22を共に運転させる両ファン運転を実施する(S4)。
 ステップS3において、外気温度TOの検出値がTゾーンにあるときには、制御装置35は、第1送風ファン21を停止し且つ第2送風ファン22の運転させる片ファン運転を実施する(S5)。次に、制御装置35は、ステップS5の片ファン運転を開始してから所定時間、即ち片ファン運転の継続時間が例えば2時間を経過しているか否かを判断する(S6)。
 制御装置35は、ステップS6で片ファン運転の運転継続時間が例えば2時間を経過していないときには、ステップS3に戻り、経過しているときには、第1送風ファン21及び第2送風ファン22による両ファン運転を実施させる(S7)。この両ファン運転では、第2送風ファン21及び第2送風ファン22の回転数は、圧縮機12の運転周波数fにより定められたファンタップFT(図6参照)に基づいて決定される。
 制御装置35は、ステップS7の両ファン運転を開始してからの運転継続時間が、運転継続時間TA(図6参照)に到達したか否かを判断する(S8)。制御装置35は、このステップS8で両ファン運転の運転継続時間が運転継続時間TAに到達していないときには、ステップS7の両ファン運転を継続する。
 制御装置35は、ステップS8で両ファン運転の運転継続時間が運転継続時間TAに到達したときには、外気温度センサ34により検出された外気温度TOの検出値を取り込み、この検出値を用いて、制御に使用する外気温度TOを更新する(S4)。この更新された外気温度TOはステップS1以降の制御に使用される。
 図7のステップS2における冷凍サイクル11の冷却運転の開始後、制御装置35は、図8に示すように、水入口温度センサ32の検出値(水入口温度TWI)が水入口温度閾値(目標水入口温度bTWIs)以下になったか否かを判断し(S11)、以下になったときに圧縮機12を停止させる(S12)。
 制御装置35は、ステップS12で圧縮機12を停止させた後に、第1送風ファン21及び第2送風ファン22による両ファン運転を実施させる(S13)。この両ファン運転では、第1送風ファン21と第2送風ファン22の回転数は、図6に示すように、圧縮機12の運転周波数fがf=0のときのファンタップFT(W5)により決定される。
 制御装置35は、ステップS13の両ファン運転を開始してからの運転継続時間が、運転継続時間TAに到達したか否かを判断する(S14)。この運転継続時間TAは、図6に示すように、圧縮機12の運転周波数fがf=0のときの運転継続時間TA(3分)である。
 制御装置35は、このステップS14で両ファン運転の運転継続時間が運転継続時間TAに到達していないときには、ステップS13の両ファン運転を継続させる。制御装置35は、ステップS14で両ファン運転の運転継続時間が運転継続時間TAに到達したときには、外気温度センサ34により検出された外気温度TOの検出値を取り込み、この検出値を用いて、制御に使用する外気温度TOを更新する(S15)。この更新された外気温度TOが、図7に示すステップS1以降の制御に使用される。
 以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果(1)~(3)を奏する。
 (1)図1及び図7に示すように、制御装置35は、凝縮器としての空気熱交換器14内で第1送風ファン21、第2送風ファン22による送風量が所定値未満となる片ファン運転時の所定時間(例えば2時間)毎に、第1送風ファン21及び第2送風ファン22を共に運転させる両ファン運転を実施させる。
 この両ファン運転では、第1送風ファン21及び第2送風ファン22による空気熱交換器14内の送風量を前記所定値以上の一定値で、且つそのときの送風時間を一定時間に設定する。上記送風量の一定値と送風時間の一定時間のそれぞれは、図6に示すように、圧縮機12の運転周波数fによって定まるファンタップFTと運転継続時間TAのそれぞれにより決定される。制御装置35は、上述の両ファン運転の終了時に、外気温度センサ34により検出された外気温度TOの検出値を取り込み、この検出値を用いて、制御に使用する外気温度TOを更新する。
 このため、第1送風ファン21、第2送風ファン22による空気熱交換器14内での送風量が所定値未満と低い片ファン運転時に、空気熱交換器14に設置された外気温度センサ34が空気熱交換器14からの輻射熱の影響を受ける場合であっても、この片ファン運転時の所定時間毎に実施される上述の両ファン運転の終了によって、外気温度センサ34は、空気熱交換器14からの輻射熱の影響を受けない状態で外気温度TOを正確に検出できる。この結果、正確に検出された外気温度の検出値を用いて、制御に使用する外気温度TOが更新されることで、この外気温度により圧縮機12が適正に制御されて、ヒートポンプ熱源機10の冷凍サイクル11を効率的に運転させることができる。
 (2)図1及び図8に示すように、制御装置35は、圧縮機12の運転停止後には、第1送風ファン21及び第2送風ファン22を共に運転させて、空気熱交換器14内の送風量を一定値とし且つそのときの送風時間を一定時間とする両ファン運転を実施させる。この両ファン運転における空気熱交換器14内の送風量の一定値は、図6の圧縮機12の運転周波数fがf=0のときのファンタップFTにより決定されるファン回転数により定まり、このときの送風時間の一定時間は、図6の圧縮機12の運転周波数fがf=0のときの運転継続時間TAにより定まる。制御装置35は、上述の両ファン運転の終了時に、外気温度センサ34により検出された外気温度TOの検出値を取り込み、この検出値を用いて、制御に使用する外気温度TOを更新する。
 このため、圧縮機12の停止後に実施される上述の両ファン運転の終了によって、外気温度センサ34は、空気熱交換器からの熱輻射の影響を受けない状態で外気温度TOを正確に検出できる。この結果、正確に検出された外気温度TOの検出値を用いて、制御に使用される外気温度TOが更新されることで、この外気温度TOにより圧縮機12が適正に制御されて、ヒートポンプ熱源機10の冷凍サイクル11を効率的に運転させることができる。
 (3)図6に示すように、制御に使用される外気温度TOを更新するために実施する両ファン運転では、圧縮機12の運転周波数fがf≧45、30≦f<45と高い場合の方が、f<30と低い場合に比べて、両ファン運転の運転継続時間TAを短縮できる。このため、特に、外気温度が低く本来片ファン運転を実施するべきときに、上述のように両ファン運転を短縮することで、ヒートポンプ熱源機10の冷凍サイクル11を効率的に運転できる。
 以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
 例えば、本実施形態では、外気温度センサ34が設置される空気熱交換器14が凝縮器として機能する場合を述べたが、この空気熱交換器14を蒸発器として機能させる場合においても、片ファン運転時の所定時間毎にまたは圧縮機12の停止時に、両ファン運転を、その送風量が一定値で且つそのときの送風時間が一定時間となるように実施して、この両ファン運転終了時に外気温度センサ34により検出された外気温度TOの検出値を用いて、制御に使用される外気温度TOを更新してもよい。
 10…ヒートポンプ熱源機、11…冷凍サイクル、12…圧縮機、14…空気熱交換器(凝縮器、蒸発器)、15…水熱交換器(蒸発器、凝縮器)、16…膨張弁、21…第1送風ファン、22…第2送風ファン、34…外気温度センサ、35…制御装置、f…運転周波数、TO…外気温度。

Claims (5)

  1. 圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器が順次接続されて冷媒が循環する冷凍サイクルを有し、
     前記凝縮器と前記蒸発器の一方が送風ファンを備えると共に、この送風ファンから送風される空気と前記冷媒とを熱交換させ、更に外気温度を検出する外気温度センサを備え、
     この外気温度センサにて検出される外気温度の検出値に基づいて、前記圧縮機及び前記送風ファンが制御装置により制御されるヒートポンプ熱源機において、
     前記送風ファンによる送風量が所定値未満のときには、前記外気温度センサからの検出値が前記制御装置により制御に使用されず、
     前記送風ファンによる送風量が所定値未満のときの所定時間毎に、前記送風ファンによる送風量を前記所定値以上の一定値で且つそのときの送風時間を一定時間に設定して前記送風ファンを運転し、この運転終了時に前記外気温度センサにより検出された外気温度の検出値が、前記制御装置により制御に使用されるよう構成されたことを特徴とするヒートポンプ熱源機の外気温度検出システム。
  2. 圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器が順次接続されて冷媒が循環する冷凍サイクルを有し、
     前記凝縮器と前記蒸発器の一方が送風ファンを備えると共に、この送風ファンから送風される空気と前記冷媒とを熱交換させ、更に外気温度を検出する外気温度センサを備え、
     この外気温度センサにて検出される外気温度の検出値に基づいて、前記圧縮機及び前記送風ファンが制御装置により制御されるヒートポンプ熱源機において、
     前記圧縮機の停止時には、前記送風ファンによる送風量を一定値で且つそのときの送風時間を一定時間に設定して前記送風ファンを運転し、この運転終了時に前記外気温度センサにより検出された外気温度の検出値が、前記制御装置により制御に使用されるよう構成されたことを特徴とするヒートポンプ熱源機の外気温度検出システム。
  3. 前記送風ファンが複数台設置され、
     前記送風ファンの一部が稼働されることで、この送風ファンによる送風量が所定値未満になり、前記送風ファンの全てが稼働されることで、この送風ファンによる送風量が一定値で且つそのときの送風時間が一定時間に設定されることを特徴とする請求項1または2に記載のヒートポンプ熱源機の外気温度検出システム。
  4. 前記送風ファンによる送風量が一定値で且つそのときの送風時間が一定時間に設定されることで、凝縮器または蒸発器に設置された外気温度センサが、前記凝縮器または前記蒸発器からの輻射熱の影響を受けなくなるよう構成されたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のヒートポンプ熱源機の外気温度検出システム。
  5. 前記送風ファンによる送風量の一定値及びそのときの送風時間の一定時間は、圧縮機の運転周波数に応じて異なって設定されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のヒートポンプ熱源機の外気温度検出システム。
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JP2016075455A (ja) * 2014-10-09 2016-05-12 東芝キヤリア株式会社 ヒートポンプ式熱源装置

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