JP2004116892A - ヒートポンプ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】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である。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とを高圧側に設けた。
【選択図】 図1
Description
【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とを高圧側に設けた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。
【0010】
請求項2のヒートポンプ装置は、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ことを特徴としている。
【0011】
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。
【0012】
請求項3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3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。
【0014】
請求項4のヒートポンプ装置は、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、高圧側圧力が上記ヒートポンプユニット2の圧縮機15の停止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。
【0015】
上記請求項4の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の停止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。
【0016】
請求項5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5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。
【0036】
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り、湯が不足する状態を回避することができる。
【0037】
請求項3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。
【0038】
請求項4の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。これにより、湯が不足する状態を安定して回避することができる。
【0039】
請求項5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し、湯が不足する状態を一層安定して回避することができる。
【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 (5)
- 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)とを高圧側に設けた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)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ことを特徴とする請求項1のヒートポンプ装置。
- 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又は請求項2のヒートポンプ装置。
- 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、高圧側圧力が上記ヒートポンプユニット(2)の圧縮機(15)の停止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請求項1〜請求項3のいずれか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〜請求項4のいずれかのヒートポンプ装置。
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