JP2013120041A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】圧縮機電流検出手段を具備することなく圧縮機消費電力を推定し、吐出圧力を高い精度で推定することができる、安価な冷凍サイクル装置を提供すること。
【解決手段】圧縮機で消費される電力を推定する圧縮機消費電力推定手段として、前記冷凍サイクル装置に供給される電源の電流値を検出する電源電流検出手段と、前記電源の電圧を整流、平滑した直流電圧より算出する電源電圧検出手段と、前記電源電流検出手段と前記電源電圧検出手段にて検出された値から力率を算出する力率推定手段とを備え、前記蒸発器温度と前記外気温度と前記圧縮機回転数と前記圧縮機消費電力とを用いて前記圧縮機より吐出される冷媒の圧力を推定する吐出圧力推定手段を備え、前記吐出圧力推定手段により推定した吐出圧力に基づいて前記圧縮機または前記膨張弁を制御して動作させる。
【選択図】図1

Description

本発明は、高圧側において超臨界となり得る物質を冷媒として用いる冷凍サイクル装置に関するものである。
図6は従来のヒートポンプ給湯機に搭載の冷凍サイクル装置の構成図である。冷媒回路5は、圧縮機1、放熱器2、膨張弁3、蒸発器4の順で環状に接続され、構成されている。入水配管6と出湯配管7は放熱器2に接続されている。また、圧力スイッチ8は、圧縮機1と放熱器2との間の冷媒回路5から分岐した分岐配管10に連結されている。スイッチ手段9は、冷凍サイクル装置に供給されるAC電源回路上に備えられる(例えば、特許文献1参照)。
圧縮機1から吐出された高圧の冷媒は放熱器2へ供給され、放熱器2において水と熱交換を行って放熱した後に膨張弁3に供給される。膨張弁3にて減圧された後、蒸発器4に供給されて吸熱した後、圧縮機1へ吸入される。圧縮機1から吐出される冷媒の吐出圧力が臨界圧力以下である冷凍サイクル装置(例えば、R410Aを冷媒として使用する空気調和機に搭載の冷凍サイクル装置)においては、凝縮器の凝縮温度から吐出圧力を推定し、吐出圧力の異常上昇を認知することができるものの、吐出圧力が臨界圧力を超える冷凍サイクル装置(例えば、二酸化炭素を冷媒として使用するヒートポンプ給湯機に搭載の冷凍サイクル装置)においては、放熱器2の温度から吐出圧力を推定することが難しい。そこで、圧力スイッチ8は、圧縮機1が吐出する冷媒の圧力が予め設定された閾値を超えたときに動作し、スイッチ手段9は、圧力スイッチ8の動作に伴ってオンからオフへと切り替えてAC電源回路を遮断する。これらを備えることによって、高圧側において冷媒が超臨界状態となる冷凍サイクル装置においても、吐出圧力の異常上昇を認知することができ、冷凍サイクル装置の運転を停止して、吐出圧力の異常上昇を防止する役割を果たす。
また、図7は、別の従来のヒートポンプ給湯機に搭載の冷凍サイクル装置の構成図である。吐出圧力を冷凍サイクル装置の運転状態から推定する吐出圧力推定手段11と、圧縮機1の電動機へ流れる電流値を検出する圧縮機電流検出手段12と、電動機の回転速度を検出する圧縮機回転速度検出手段13と、放熱器2から膨張弁3へ送られる冷媒の温度を検出する放熱器出口温度検出手段14と、蒸発器4での冷媒温度を検出する蒸発器温度検出手段15とを備え、吐出圧力推定手段11が少なくとも圧縮機電流検出手段12、圧縮機回転速度検出手段13、放熱器出口温度検出手段14及び蒸発器温度検出手段15が検出した値に基づいて、吐出圧力推定手段11が、予め記録されている電動機の消費電力と吐出圧力の相関関係から吐出圧力を推定する(例えば、特許文献2参照)。
そして、吐出圧力推定手段11を備えることにより、圧力スイッチや圧力センサーのような圧力検出手段を備えずとも、吐出圧力の認知を可能としている。
特許第4222227号公報 特開2010−2090号公報
しかしながら、特許文献1に記載の冷凍サイクル装置においては、圧力スイッチ8や分
岐配管10が圧縮機1から吐出される冷媒の温度と略同一温度に上昇する(約90〜120℃)ため、これらの部分からの熱漏洩を生じてしまい、冷凍サイクル装置のエネルギー消費効率を低下させてしまうという課題を有していた。
また、特許文献2に記載の冷凍サイクル装置においては、圧力スイッチや圧力センサーなどの圧力検出手段を備えずに、冷凍サイクル装置の運転状態から吐出圧力を推定する吐出圧力推定手段11を備えており、圧力検出手段を備えることによる熱漏洩は生じないものの、圧縮機動力の算出に用いる圧縮機電流検出手段12を具備する必要があり、冷凍サイクル装置のコストアップにつながる課題を有していた。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、圧力センサーや圧力スイッチなどの圧力検出手段や圧縮機電流検出手段を備えることなく、安価な構成で圧縮機の吐出圧力を推定できる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、少なくとも圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器が環状に接続されて冷媒が循環する冷媒回路と、前記蒸発器を循環する冷媒の温度を検出する蒸発器温度検出手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記圧縮機の回転数を検出する圧縮機回転数検出手段とを備えた冷凍サイクル装置において、前記圧縮機で消費される電力を推定する圧縮機消費電力推定手段として、前記冷凍サイクル装置に供給される電源の電流値を検出する電源電流検出手段と、前記電源の電圧を整流、平滑した直流電圧より算出する電源電圧検出手段と、前記電源電流検出手段と前記電源電圧検出手段にて検出された値から力率を算出する力率推定手段とを備え、前記蒸発器温度と前記外気温度と前記圧縮機回転数と前記圧縮機消費電力とを用いて前記圧縮機より吐出される冷媒の圧力を推定する吐出圧力推定手段を備え、前記吐出圧力推定手段により推定した吐出圧力に基づいて前記圧縮機または前記膨張弁を制御して動作させるものである。
これによって、圧縮機電流検出手段を備える必要なしに圧縮機消費電力を推定し、それゆえ吐出圧力を高い精度で推定することを可能とし、吐出圧力の異常上昇の発生を正しく認知し、冷凍サイクル装置の運転を停止して、設計圧力を超える異常圧力での運転を防止することができる。
吐出圧力推定に用いる圧縮機消費電力の算出手段として、電源電流値を検出する電源電流検出手段と、電源電圧値を算出する電源電圧検出手段と、電源電流検出手段と電源電圧検出手段にて検出された値から力率を算出する力率推定手段などから圧縮機の吐出圧力を算出することにより、圧力スイッチ、圧力センサー、圧縮機電流検出手段を具備する必要がなく、安価かつ精度良く圧縮機の吐出圧力を推定することが可能となる。
本発明の実施の形態1における冷凍サイクル装置の構成図 同実施の形態1における電源電流値と電源電圧値に対する力率の相関図 同実施の形態1における送風機回転数に対する送風機消費電力の相関図 同実施の形態1における電源電流値に対する制御部消費電力の相関図 同実施の形態1における圧縮機消費電力と蒸発器温度に対する推定吐出圧力の相関図 従来の冷凍サイクル装置の構成図 従来の他の冷凍サイクル装置の構成図
第1の発明は、少なくとも圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器が環状に接続されて冷媒が循環する冷媒回路と、前記蒸発器を循環する冷媒の温度を検出する蒸発器温度検出手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記圧縮機の回転数を検出する圧縮機回転数検出手段とを備えた冷凍サイクル装置において、前記圧縮機で消費される電力を推定する圧縮機消費電力推定手段として、前記冷凍サイクル装置に供給される電源の電流値を検出する電源電流検出手段と、前記電源の電圧を整流、平滑した直流電圧より算出する電源電圧検出手段と、前記電源電流検出手段と前記電源電圧検出手段にて検出された値から力率を算出する力率推定手段とを備え、前記蒸発器温度と前記外気温度と前記圧縮機回転数と前記圧縮機消費電力とを用いて前記圧縮機より吐出される冷媒の圧力を推定する吐出圧力推定手段を備え、前記吐出圧力推定手段により推定した吐出圧力に基づいて前記圧縮機または前記膨張弁を制御して動作させることにより、圧縮機電流検出手段を備える必要なしに圧縮機消費電力を推定し、それゆえ吐出圧力を高い精度で推定することを可能とし、吐出圧力の異常上昇の発生を正しく認知し、冷凍サイクル装置の運転を停止して、設計圧力を超える異常圧力での運転を防止することができる。
第2の発明は、特に、第1の発明において、前記電源電圧検出手段にて検出する電源電圧値は前記圧縮機の運転前に行なうことにより、電源電圧値を精度良く算出することが可能となる。
第3の発明は、特に、第1または2の発明において、前記蒸発器内の冷媒蒸発促進のための送風機と、前記送風機の回転数を検出する送風機回転数検出手段と、検出された回転数より、前記送風機にて消費される電力を算出する送風機消費電力推定手段とを備え、前記圧縮機消費電力値は前記送風機消費電力値分を減算した値とすることにより、前記圧縮機消費電力をより精度よく算出し、吐出圧力を高い精度で推定することが可能となる。
第4の発明は、特に、第1から3のいずれか1つの発明において、少なくとも前記圧縮機、前記膨張弁、前記送風機等を制御する制御部と、前記制御部で消費される電力を前記電源電流検出手段にて検出された電流値より算出する制御部消費電力推定手段を備え、前記圧縮機消費電力値は前記制御部消費電力値分を減算した値とすることにより、前記圧縮機消費電力をより精度よく算出し、吐出圧力を高い精度で推定することが可能となる。
第5の発明は、特に、第1から4のいずれか1つの発明において、前記吐出圧力推定手段により推定した吐出圧力が予め設定された目標値に一致するように前記圧縮機または減圧機構を制御して動作させることにより、冷凍サイクル装置を高いエネルギー効率で運転することができる。
第6の発明は、特に、第1から5のいずれか1つの発明において、前記吐出圧力推定手段により推定した吐出圧力が予め設定された閾値を超えると前記圧縮機または減圧機構を制御して動作させることにより、冷凍サイクル装置の吐出圧力の異常上昇を防止することができる。
第7の発明は、特に、第1から6のいずれか1つの発明において、圧縮機駆動時、冷媒回路の高圧は超臨界圧力で運転することにより、吐出圧力を高い精度で推定することができる。
第8の発明は、特に、冷媒として、二酸化炭素を用いることにより、冷媒が漏洩しても燃焼の危険がなく、安心して冷凍サイクル装置を運転することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の
形態によって本発明が限定されるものではない。
(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態における冷凍サイクル装置の構成図である。図1に示すように、制御部18には、電源電流検出手段19、電源電圧検出手段20、力率推定手段21、送風機回転数検出手段22、送風機消費電力推定手段23、制御部消費電力推定手段24、圧縮機消費電力推定手段25、圧縮機回転数検出手段28、膨張弁制御手段26、圧縮機制御手段27、吐出圧力推定手段11を備える。
また、冷媒回路5側には圧縮機1、放熱器2、膨張弁3および蒸発器4が環状に接続されて構成され、冷媒として二酸化炭素が循環し、入水配管6、出湯配管7、蒸発器内の冷媒蒸発促進のための送風機17、蒸発器温度検出手段15、外気温度検出手段16、吐出温度検出手段29を備える。蒸発器温度検出手段15は、蒸発器4の冷媒入口の配管表面上に設けられる。外気温度検出手段16は、蒸発器4へと導入される空気の温度を検出するように、蒸発器4の風上側に設けられる。吐出温度検出手段29は、圧縮機1から放熱器2へと冷媒を導入する配管の表面上に設けられる。
以上のように構成された冷凍サイクル装置について、以下にその動作および作用を説明する。
冷凍サイクル装置が運転を行っている場合、圧縮機1の回転数fcは、放熱器2における加熱能力が目標値となるように、予め設定された回転数に圧縮機制御手段27により決定される。これによって、冷凍サイクル装置は、運転条件に応じて必要な加熱能力を満足する圧縮機回転数を選択して運転を行うことができる。
膨張弁3の開度は、吐出温度検出手段29が検出する吐出温度Tdが予め設定された目標値に一致するように、膨張弁制御手段26により制御され決定される。このようにすることによって、冷凍サイクル装置のエネルギー消費効率が最大になるように膨張弁3を制御して動作させることができる。なお、膨張弁制御手段26は、外気温度が高くなるほど冷媒の過熱度が大きくなるように膨張弁3を制御するため、圧縮機1に吸入される冷媒の過熱度は外気温度Tatと相関を有する。
電源電流検出手段19は、冷凍サイクル装置に供給される全電流値IHPを検出し、検出した電流値IHPを信号として圧縮機消費電力推定手段25に送る。
電源電圧検出手段20は、圧縮機1の運転前に電源電圧を整流、平滑した整流平滑回路の直流電圧より算出した値より電源電圧値VHPを検出し、検出した電源電圧値VHPを信号として圧縮機消費電力推定手段25に送る。ただし電源電圧値VHP値の検出、更新については力率改善回路等の影響を受け無いように、運転中は行なわないこととする。
図2は電源電流値と電源電圧値に対する力率の相関図である。力率推定手段21は、電源電流検出手段19にて検出された電流値IHPと電源電圧検出手段20にて検出された電圧値VHPより、あらかじめ決定された図2から力率を算出し、力率値PFHPを信号として圧縮機消費電力推定手段25に送る。
蒸発器温度検出手段15は、蒸発器4の冷媒側入口における配管表面の温度を検出し、蒸発器4における冷媒の温度Teを信号として吐出圧力推定手段11に送る。蒸発器温度検出手段15は、配管表面の温度を検出しているため、冷凍サイクル装置の運転が略定常状態である場合は、検出した蒸発器温度Teと配管内部の冷媒温度が略同一になる。
外気温度検出手段16は、蒸発器4へと導入される空気の温度を検出し、外気温度Tatを信号として吐出圧力推定手段11に送る。
圧縮機回転数検出手段28は、圧縮機の回転数を検出し、圧縮機回転数fHZを信号として吐出圧力推定手段11に送る。
図3は送風機回転数に対する送風機消費電力の相関図である。送風機消費電力推定手段23は、送風機17の回転数を検出する送風機回転数検出手段22にて検出された回転数FMrpmより、あらかじめ決定された図3から送風機消費電力を算出し、送風機消費電力Wfを信号として圧縮機消費電力推定手段25に送る。
図4は電源電流値に対する制御部消費電力の相関図である。制御部消費電力推定手段24は、電源電流検出手段19にて検出された電源電流値IHPより、あらかじめ決定された図4から制御部消費電力を算出し、制御部消費電力Wpを信号として圧縮機消費電力推定手段25に送る。
圧縮機消費電力推定手段25は、電源電流検出手段19より信号として送られた電源電流値IHP、電源電圧検出手段20より信号として送られた電源電圧値VHP、力率推定手段21より信号として送られた力率値PFHPより冷凍サイクル消費電力WHPを算出する。また、送風機消費電力推定手段23より信号として送られた送風機消費電力値Wfと制御部消費電力推定手段24より信号として送られた制御部消費電力Wpを冷凍サイクル消費電力WHPから減算し、圧縮機消費電力Wcを算出して、算出された圧縮機消費電力Wcを信号として吐出圧力推定手段11に送る。
図5は、圧縮機消費電力と蒸発器温度に対する推定吐出圧力の相関図である。吐出圧力推定手段11は、圧縮機消費電力推定手段25より信号として送られた圧縮機消費電力Wcと、蒸発器温度検出手段15より信号として送られた蒸発器温度Teとにより、あらかじめ決定された図5を用いて、吐出圧力Pdを推定する。なお、外気温度検出手段16より信号として送られた外気温度Tatと、圧縮機回転数検出手段28より信号として送られた圧縮機回転数fHZとにより、外気温度や圧縮機回転数変動の影響などを吐出圧力Pdに補正をかけることにより、より検出精度を向上させることが可能となる。
圧縮機制御手段27は、吐出圧力推定手段11が前述のようにして推定した吐出圧力Pdが予め設定された閾値P0を超えると、冷凍サイクル装置に圧力の異常上昇が発生したと判断して運転を停止する。
以上のように、本実施の形態においては、圧縮機電流検出手段を備える必要なしに圧縮機消費電力Wcを推定し、それゆえ吐出圧力を高い精度で推定することを可能とする。そして、吐出圧力の異常上昇の発生を正しく認知し、冷凍サイクル装置の運転を停止して、設計圧力を超える異常圧力での運転を防止することができる。
なお、本実施の形態の圧縮機制御手段27は、吐出圧力推定手段11により推定した吐出圧力Pdが、予め設定された閾値P0を超えると、圧縮機1の回転数を低下させるものであってもよい。このようにすることにより、冷凍サイクル装置の起動直後などの過渡状態においても、冷凍サイクル装置の圧力の異常上昇発生を正しく判断し、圧縮機1の回転数を低下させて、設計圧力を超える吐出圧力の異常上昇を抑制することができる。
なお、本実施の形態の膨張弁制御手段26は、吐出圧力推定手段11により推定した吐出圧力Pdが、予め設定された閾値P0を超えると、膨張弁3の開度を大きくするものであってもよい。このようにすることにより、冷凍サイクル装置の起動直後などの過渡状態
においても、圧力の異常上昇発生を正しく判断し、膨張弁3の開度を大きくして、設計圧力を超える吐出圧力の異常上昇を抑制することができる。
以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、圧力センサーや圧力スイッチなどを備えずとも、超臨界状態を含む圧縮機からの吐出圧力を推定することができ、ヒートポンプ給湯機や温水暖房装置など、高圧側で冷媒を超臨界状態で使用する冷凍サイクル装置において、エネルギー効率の向上や保護装置の用途にも適用できる。
1 圧縮機
2 放熱器
3 膨張弁
4 蒸発器
5 冷媒回路
6 入水配管
7 出湯配管
8 圧力スイッチ
9 スイッチ手段
10 分岐配管
11 吐出圧力推定手段
12 圧縮機電流検出手段
13 圧縮機回転速度検出手段
14 放熱器出口温度検出手段
15 蒸発器温度検出手段
16 外気温度検出手段
17 送風機
18 制御部
19 電源電流検出手段
20 電源電圧検出手段
21 力率推定手段
22 送風機回転数検出手段
23 送風機消費電力推定手段
24 制御部消費電力推定手段
25 圧縮機消費電力推定手段
26 膨張弁制御手段
27 圧縮機制御手段
28 圧縮機回転数検出手段
29 吐出温度検出手段

Claims (8)

  1. 少なくとも圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器が環状に接続されて冷媒が循環する冷媒回路と、前記蒸発器を循環する冷媒の温度を検出する蒸発器温度検出手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記圧縮機の回転数を検出する圧縮機回転数検出手段とを備えた冷凍サイクル装置において、前記圧縮機で消費される電力を推定する圧縮機消費電力推定手段として、前記冷凍サイクル装置に供給される電源の電流値を検出する電源電流検出手段と、前記電源の電圧を整流、平滑した直流電圧より算出する電源電圧検出手段と、前記電源電流検出手段と前記電源電圧検出手段にて検出された値から力率を算出する力率推定手段とを備え、前記蒸発器温度と前記外気温度と前記圧縮機回転数と前記圧縮機消費電力とを用いて前記圧縮機より吐出される冷媒の圧力を推定する吐出圧力推定手段を備え、前記吐出圧力推定手段により推定した吐出圧力に基づいて前記圧縮機または前記膨張弁を制御して動作させることを特徴とする冷凍サイクル装置。
  2. 前記電源電圧検出手段にて検出する電源電圧値は前記圧縮機の運転前に行なうことを特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
  3. 前記蒸発器内の冷媒蒸発促進のための送風機と、前記送風機の回転数を検出する送風機回転数検出手段と、検出された回転数より、前記送風機にて消費される電力を算出する送風機消費電力推定手段とを備え、前記圧縮機消費電力値は前記送風機消費電力値分を減算した値とすることを特徴とする請求項1または2に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 少なくとも前記圧縮機、前記膨張弁、前記送風機等を制御する制御部と、前記制御部で消費される電力を前記電源電流検出手段にて検出された電流値より算出する制御部消費電力推定手段を備え、前記圧縮機消費電力値は前記制御部消費電力値分を減算した値とすることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。
  5. 前記吐出圧力推定手段により推定した吐出圧力が予め設定された目標値に一致するように前記圧縮機または減圧機構を制御して動作させることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。
  6. 前記吐出圧力推定手段により推定した吐出圧力が予め設定された閾値を超えると前記圧縮機または減圧機構を制御して動作させることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。
  7. 圧縮機駆動時、冷媒回路の高圧は超臨界圧力で運転することを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。
  8. 冷媒として、二酸化炭素を用いることを特徴とする請求項7に記載の冷凍サイクル装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2018179333A1 (ja) * 2017-03-31 2018-10-04 日本電気株式会社 冷媒圧縮式ヒートポンプ利用機器、冷媒圧縮式ヒートポンプの診断装置及び冷媒圧縮式ヒートポンプの診断方法

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