(57)【要約】【課題】  圧力センサ自身に故障があっても、応急的なヒートポンプサイクルの作動を可能とするヒートポンプ装置を提供する。【解決手段】  同期モータ１２によって駆動される圧縮機１１が配設されるヒートポンプサイクル１と、圧縮機１１の吐出側の圧力値を検出する圧力検出部７５と、前記圧力値に応じて、同期モータ１２を制御する制御部２とを備えるヒートポンプ装置において、制御部２は、同期モータ１２の制御値あるいはヒートポンプサイクル１の所定部位における温度値の少なくとも一方から、圧縮機１１の吐出側の推定圧力値を算出する圧力推定手段と、圧力検出部７５自身の異常有無を判定する異常有無判定手段とを有し、異常有無判定手段によって、圧力検出部７５自身の異常を認めた時は、圧力推定手段によって得られた推定圧力値を基に、モータ１２を制御する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期モータ（１２）によって駆動される圧縮機（１１）が配設されるヒートポンプサイクル（１）と、
前記圧縮機（１１）の吐出側の圧力値を検出する圧力検出部（７５）と、
前記圧力検出部（７５）から得られた前記圧力値に応じて、前記同期モータ（１２）を制御する制御部（２）とを備えるヒートポンプ装置において、
前記制御部（２）は、前記同期モータ（１２）の制御値あるいは前記ヒートポンプサイクル（１）の所定部位における温度値の少なくとも一方から、前記圧縮機（１１）の吐出側の推定圧力値を算出する圧力推定手段（Ｓ１００〜Ｓ１３０）と、
前記圧力検出部（７５）自身の異常有無を判定する異常有無判定手段（Ｓ２００〜Ｓ２５０）とを有し、
前記異常有無判定手段（Ｓ２００〜Ｓ２５０）によって、前記圧力検出部（７５）自身の異常を認めた時は、前記圧力推定手段（Ｓ１００〜Ｓ１３０）によって得られた前記推定圧力値を基に、前記モータ（１２）を制御することを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項２】
前記異常有無判定手段（Ｓ２００〜Ｓ２５０）は、前記圧力推定手段（Ｓ１００〜Ｓ１３０）によって算出された前記推定圧力値と、前記圧力検出部（７５）から得られた前記圧力値との差に基づいて、前記圧力検出部（７５）自身の異常有無を判定することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【請求項３】
前記異常有無判定手段（Ｓ２００〜Ｓ２５０）は、前記圧力推定手段（Ｓ１００〜Ｓ１３０）によって算出された前記推定圧力値と、前記圧力検出部（７５）から得られた前記圧力値との差が予め定めた所定値より大きく、且つ、その状態が予め定めた所定時間以上継続した時に、前記圧力検出部（７５）自身の異常有りと判定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期モータによって圧縮機が駆動されるヒートポンプ装置に関するものであり、給湯器に用いて好適である。
【背景技術】
【０００２】
従来のヒートポンプ装置として、例えば、特許文献１に示されるものが知られている。即ち、このヒートポンプ装置においては、高温の冷媒と給湯水との間で熱交換を行う水熱交換器の出口側冷媒と入口側給湯水との温度差が所定の値になるように、圧縮機の吐出側圧力を制御しながら効率的な熱交換（湯の沸き上げ）を行うようにしている。
【０００３】
尚、圧縮機の吐出側圧力は、圧力センサによって検出されるようにしており、通常、上記の制御に加えて、ヒートポンプサイクルの保護のために、検出される圧力値が予め定めた許容値を外れると（例えば、異常高圧になると）、サイクルを停止するようにしている。
【特許文献１】特開２００２−１３８０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、圧力センサ自身の故障により、圧力異常と判定（実際は誤判定）されると、ヒートポンプサイクルによる湯の沸き上げが可能であるにもかかわらずサイクル停止となって、ユーザにとっては不便を強いられることになる。
【０００５】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、圧力センサ自身に故障があっても、応急的なヒートポンプサイクルの作動を可能とするヒートポンプ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００７】
請求項１に記載の発明では、同期モータ（１２）によって駆動される圧縮機（１１）が配設されるヒートポンプサイクル（１）と、圧縮機（１１）の吐出側の圧力値を検出する圧力検出部（７５）と、圧力検出部（７５）から得られた圧力値に応じて、同期モータ（１２）を制御する制御部（２）とを備えるヒートポンプ装置において、制御部（２）は、同期モータ（１２）の制御値あるいはヒートポンプサイクル（１）の所定部位における温度値の少なくとも一方から、圧縮機（１１）の吐出側の推定圧力値を算出する圧力推定手段（Ｓ１００〜Ｓ１３０）と、圧力検出部（７５）自身の異常有無を判定する異常有無判定手段（Ｓ２００〜Ｓ２５０）とを有し、異常有無判定手段（Ｓ２００〜Ｓ２５０）によって、圧力検出部（７５）自身の異常を認めた時は、圧力推定手段（Ｓ１００〜Ｓ１３０）によって得られた推定圧力値を基に、モータ（１２）を制御することを特徴としている。
【０００８】
これにより、圧力検出部（７５）自身の異常（故障）があった場合でも、推定圧力値を用いて応急的なヒートポンプサイクル（１）の作動が可能となり、ユーザに不便を強いることが無くなる。
【０００９】
請求項２に記載の発明のように、異常有無判定手段（Ｓ２００〜Ｓ２５０）は、圧力推定手段（Ｓ１００〜Ｓ１３０）によって算出された推定圧力値と、圧力検出部（７５）から得られた圧力値との差に基づいて、圧力検出部（７５）自身の異常有無を判定することができる。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明のように、異常有無判定手段（Ｓ２００〜Ｓ２５０）は、圧力推定手段（Ｓ１００〜Ｓ１３０）によって算出された推定圧力値と、圧力検出部（７５）から得られた圧力値との差が予め定めた所定値より大きく、且つ、その状態が予め定めた所定時間以上継続した時に、圧力検出部（７５）自身の異常有りと判定することで、異常判定の精度を向上させることができる。
【００１１】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図８に示す図面に基づいて説明する。尚、図１はヒートポンプ装置１００の概略構成を示す模式図、図２は圧縮機１１の吐出側圧力を推定するためのフローチャート、図３は圧縮機１１の圧縮角度に対する同期モータ１２の必要トルクを示すグラフ、図４〜図７は上記図２での演算フローに使用される各種特性値間の関係を示す制御特性図、図８は圧力センサ７５の異常有無を判定するためのフローチャートである。
【００１３】
本実施形態は、本発明に係るヒートポンプ装置１００を、家庭用の貯湯式給湯器に適用したものであり、ヒートポンプサイクル１と制御ユニット２とから成る。
【００１４】
ヒートポンプサイクル１は、二酸化炭素を冷媒として、高圧側圧力が臨界点を超えて使用される超臨界サイクルとしており、図１に示すように、電動圧縮機１０、給湯用熱交換器２０、エジェクタ（減圧手段）３０、アキュムレータ４０、室外熱交換器５０、内部熱交換器６０、およびこれらを環状に接続する冷媒配管７０等で構成されている。
【００１５】
電動圧縮機１０は、内蔵される同期モータ１２によって圧縮機１１が駆動されるものであって、気相冷媒を臨界圧力以上に圧縮して吐出する。
【００１６】
給湯用熱交換器２０は、圧縮機１１の吐出口より吐出された高温高圧の冷媒と給湯水との間で熱交換する（給湯水を加熱する）水−冷媒熱交換器であり、冷媒が流通する冷媒通路部と給湯水が流通する水通路部とにより構成されている。給湯用熱交換器２０の冷媒通路部は冷媒流路管により構成され、冷媒通路部が水通路部の表面に熱交換可能に密着するように配置された熱交換構造となっている。
【００１７】
給湯用熱交換器２０の水通路部は、給湯水を流通する給水通路（流水路）８０の一部を構成しており、ポンプ９０の作動により給水通路８０内を流れる給湯水を、給湯用熱交換器２０内で高温高圧冷媒との熱交換によって給湯用の高温の湯とするようになっている。
【００１８】
室外熱交換器（蒸発器）５０は、外気と液相冷媒とを熱交換させて液相冷媒を蒸発させることにより外気から吸熱するための熱源用熱交換器である。また、エジェクタ３０は、給湯用熱交換器２０から流出する冷媒を減圧膨張させて室外熱交換器５０にて蒸発した気相冷媒を吸引すると共に、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機１１の吸入圧を上昇させるものである。
【００１９】
因みに、エジェクタ３０は、給湯用熱交換器２０から流出した高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を略等エントロピ的に減圧膨張させるノズル部と、ノズル部から噴射する高い速度の冷媒流により室外熱交換器５０にて蒸発した気相冷媒を吸引しながら、ノズル部から噴射する冷媒流と混合する混合部、およびノズル部から噴射する冷媒と室外熱交換器５０から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ等の昇圧部からなるものである。
【００２０】
エジェクタ３０のノズル部は、ノズル開度を調節するための図示しないニードル弁を有しており、ニードル弁は図示しないステッピングモータの作動によりノズル部の軸線方向に駆動するようになっている。
【００２１】
また、アキュムレータ４０は、エジェクタ３０から流出した冷媒が流入すると共に、その流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄える気液分離器であり、分離された気相冷媒は内部熱交換器６０を介して圧縮機１１に吸引され、分離された液相冷媒は室外熱交換器５０側に吸引されるようになっている。
【００２２】
内部熱交換器６０は、アキュムレータ４０から導出され室外熱交換器５０の一部において外気と熱交換した低圧気相冷媒と、エジェクタ３０にて減圧される前の高圧側の冷媒とを熱交換する（低圧気相冷媒を過熱する）熱交換器であり、この内部熱交換器６０により低圧気相冷媒のエンタルピを増加させて、給湯用熱交換器２０における加熱能力を向上させるようにしている。
【００２３】
尚、ヒートポンプサイクル１には、圧縮機１１の吐出側と室外熱交換器５０の上流側とを連通する連通配管７８と、この連通配管７８の経路を開閉する電磁弁７９が設けられている。この連通配管７８は除霜用の冷媒配管であって、電磁弁７９が開弁すると、連通配管７８を介して高温冷媒が室外熱交換器５０に導入され、室外熱交換器５０の除霜を行うことができるようになっている。
【００２４】
図１に示すように、冷媒配管７０には、圧縮機１１の吐出冷媒温度を検出する吐出温サーミスタ７１、給湯用熱交換器２０下流側の出口冷媒温度を検出する冷媒出口サーミスタ７２、室外熱交換器５０上流側のエバ入口冷媒温度を検出するエバ入口サーミスタ７３、室外熱交換器５０下流側のエバ出口冷媒温度を検出するフロストサーミスタ７４、およびエジェクタ３０上流側においてヒートポンプサイクル１の高圧側冷媒圧力（本発明における圧縮機１１の吐出側圧力値に対応）を検出する圧力センサ（本発明における圧力検出部に対応）７５が設けられている。
【００２５】
また、室外熱交換器５０の空気流れ上流側面には、電動ファン５１の作動により室外熱交換器５０を通過する前の外気温度を検出する外気サーミスタ５２が設けられている。
【００２６】
一方、給水通路８０には、給湯用熱交換器２０上流側の入口水温度を検出する給水サーミスタ８１、および給湯用熱交換器２０下流側の出口水温度を検出する給湯サーミスタ８２が設けられている。
【００２７】
上記各サーミスタ５２、７１〜７４、８１、８２からの温度情報、および圧力センサ７５からの圧力情報は、制御ユニット（本発明における制御部に対応）２に入力される。そして、この制御ユニット２は、上記各情報および図示しない操作手段や検出手段からの入力信号に基づいて、電動圧縮機１０のモータ１２、エジェクタ３０、電動ファン５１、電磁弁７９、ポンプ９０等を作動制御するようになっている。また、制御ユニット２は、図４〜図７に示す制御特性図を予め記憶しており、後述する代替運転を行う。
【００２８】
次に、上記構成に基づくヒートポンプ装置１００の作動について説明する。制御ユニット２は、外気サーミスタ５２からの外気温度に応じて、電動圧縮機１０の回転数を設定し、モータ１２を作動させて圧縮機１１を駆動することで、ヒートポンプサイクル１内の冷媒を循環させる。そして、給湯サーミスタ８２で得られる出口水温度が、ユーザの設定する湯の設定温度（目標温度）となるようにポンプ９０の作動回転数を制御する。
【００２９】
この時、給湯用熱交換器２０での湯の沸き上げが最適効率となるように、冷媒出口サーミスタ７２で得られる出口冷媒温度と、給水サーミスタ８１で得られる入口水温度との差が予め定めた所定値（例えば、１０度）となるように、エジェクタ３０のノズル開度を制御する。
【００３０】
更に、給水サーミスタ８１での入口水温度が所定温度以上になると、圧力センサ７５によって得られる高圧側冷媒圧力が所定圧力となるように、エジェクタ３０のノズル開度を制御する。
【００３１】
尚、ヒートポンプサイクル１の保護制御として、吐出温サーミスタ７１での吐出冷媒温度が所定温度を超えると、エジェクタ３０のノズル開度を制御（開く側にする）することで温度低下を図り、また、圧力センサ７５での高圧側冷媒圧力が許容圧力範囲を超えると、電動圧縮機１０のモータ１２、ポンプ９０を停止して、ヒートポンプ装置１００を停止させる。
【００３２】
また、各温度サーミスタ５２、７３、７４での外気温度、エバ入口冷媒温度、エバ出口冷媒温度から、室外熱交換器５０における凍結（霜付き）有無を判定し、凍結有りと判定すると、電磁弁７９を開き、給湯用熱交換器２０から高温の冷媒を室外熱交換器５０に流入させて除霜する。更に、外気温度に対して、エバ入口冷媒温度およびエバ出口冷媒温度の差が所定値より大きい場合は、冷媒の充填量不足と判定して、ヒートポンプ装置１００の作動を停止させる。
【００３３】
ところで、上記ヒートポンプサイクル１の保護制御において、万一、圧力センサ７５自身が異常をきたしている（故障している）と、ヒートポンプサイクル１での、湯の沸き上げが可能であるにも関わらず、ヒートポンプ装置１００は停止され、ユーザにとっては不便を強いられることになる。そこで、本発明においては、以下のように、圧力センサ７５を用いずに高圧側圧力を推定し、更に、圧力センサ７５の異常有無を判定して、異常有りの場合にはヒートポンプサイクル１の代替運転を行うようにしている。以下、その詳細について図２〜図８を用いて説明する。
【００３４】
図２に示すフローチャートは、本発明における圧力推定手段に対応するものであり、モータ１２の制御値およびヒートポンプサイクル１の所定部位における検出温度から、圧力センサ７５で得られる高温側冷媒圧力に相当する推定吐出圧力を算出するものである。
【００３５】
まず、ステップＳ１００で圧縮機１１駆動時のモータ１２の平均トルクを算出する。圧縮機１１の駆動においては、図３に示すように、圧縮角度（圧縮機１１の回転）に応じて必要トルクが変動する。即ち、圧縮時においてはピークトルク値を示し、その後の吐出、吸入時においては、必要トルクは低下し、ロウアトルク値を示す。上記平均トルクは、ピークトルク値とロウアトルク値との平均値である。そして、モータ（同期モータ）１２の制御においては、図４に示すように、モータ１２に供給している電流値（制御値）と平均トルクとの間には相関があり、現在供給している電流値から平均トルクを算出する。
【００３６】
次に、ステップＳ１１０で、外気サーミスタ５２からの外気温度、およびエバ入口サーミスタ７３からのエバ入口冷媒温度の値を取得し、ステップＳ１２０で、ピークトルク値を算出する。これは、図５に示すように、外気温度に対応するエバ入口温度に、内部熱交換器６０による過熱度を加味することで、圧縮機１１への吸入温度を得るようにしており、更に、この時の吸入温度に対応する吸入圧力（内部熱交換器６０等の圧損も考慮）を算出する。そして、図６に示すように、圧縮機１１の圧縮特性から上記ステップＳ１００で得た平均トルクと、吸入圧力とに対するピークトルクを算出する。
【００３７】
次に、ステップＳ１３０で高圧側推定圧力を算出する。これは、図７に示すように、圧縮機１１の圧縮特性から、上記ステップＳ１２０で得たピークトルクに対する高低圧差（圧力上昇分）を算出し、上記ステップＳ１２０で得た吸入圧力に上記高低圧差を加えることで、推定吐出圧力を算出する。
【００３８】
このように得られた推定吐出圧力を用いて、次に、圧力センサ７５自身の異常有無を判定して、その判定に応じたヒートポンプサイクル１の運転を行う。図８に示すフローチャートは、本発明における異常有無判定手段に対応するものであり、以下、その制御内容について説明する。
【００３９】
まず、ステップＳ２００で、圧力センサ７５からの高圧側冷媒圧力が許容圧力を外れて（例えば許容上限圧力を超えて）、圧力異常と認められるか否かを判定する。否と判定すれば、ステップＳ２１０で通常の制御を行う。しかし、ステップＳ２００で圧力異常有りと判定すると、ステップＳ２２０で、圧力センサ７５から検出された実際の出力値（高圧側冷媒圧力値）と上記圧力推定手段（図２のフロー）によって得られた推定吐出圧力値との差が所定値より大きいか否かを判定する。差が所定値より小さい、即ち、実際の出力値と推定吐出圧力値とが同等の値を示す時は、圧力センサ７５自身の故障は無いと考え、ステップＳ２３０で、本来の圧力異常（ヒートポンプサイクル１内の高圧側冷媒圧力が許容圧力を外れる）と捉える。尚、その後は、ヒートポンプ装置１００を停止すると共に、ユーザに圧力異常を通知（ユーザのリモコンに表示等）する。
【００４０】
しかしながら、ステップＳ２２０で、実際の出力値と推定吐出圧力値との差が所定値より大きいと判定すると、ステップＳ２４０に進み、この時の差が所定時間継続しているか否かを判定する。否と判定すれば上記ステップＳ２３０に進み、本来の圧力異常と捉えるが、所定時間継続していると判定すると、ステップＳ２５０で、圧力センサ７５自身の異常（故障）と捉える。そして、圧力センサ７５による実際の出力値に代えて、推定吐出圧力値を用いて、ヒートポンプサイクル１の作動を制御（代替運転）する。尚、この場合、制御ユニット２は、圧力センサ７５の異常（故障）をユーザに通知（ユーザのリモコンに表示等）する。
【００４１】
これにより、圧力センサ７５自身の異常（故障）があった場合でも、推定吐出圧力値を用いて応急的なヒートポンプサイクル１の作動が可能となり、ユーザに不便を強いることが無くなる。
【００４２】
この圧力センサ７５自身の異常（故障）判定時に使用する推定吐出圧力は、同期モータ１２制御時の電流値から得られる平均トルク値と、ヒートポンプサイクル１の本来の制御に必要とされるサーミスタ（外気サーミスタ５２、エバ入口サーミスタ７３）からの温度値とから得られるようにしているので、新たに部品を追加する必要が無い。
【００４３】
また、圧力センサ７５の異常有無判定において、実際の出力値と推定吐出圧力値との差が所定値より大きく、その状態が所定時間継続しているか否かを見るようにしているので、異常判定の精度を向上させることができる。
【００４４】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図９に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、推定吐出圧力の算出方法を変更したものである。
【００４５】
ここでは、モータ１２の平均トルクに基づくピークトルクを算出する事無く、吐出温サーミスタ７１での吐出冷媒温度を加えて用いるようにしている。即ち、上記第１実施形態のように、吸入温度から吸入圧力を算出した後に、圧縮機１１の圧縮特性から得られる圧縮時の勾配線（図９中の１〜３）と、吐出温サーミスタ７１で得られた吐出冷媒温度との交点から推定吐出圧力を算出するようにしている。更に具体的には、例えば、吸入温度がＥ、吐出冷媒温度がＢとして得られると、モリエル線図の飽和蒸気線から立上がる圧縮時の勾配線２と、吐出冷媒温度線Ｂとの交点が推定吐出圧力として算出されることになる。これにより、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４６】
（その他の実施形態）
上記第１、第２実施形態では、本発明のヒートポンプ装置１００を貯湯式給湯器に適用するものとして説明したが、これに限らず、家庭用や車両用の空調装置に適用しても良い。
【００４７】
また、上記各実施形態では、ヒートポンプサイクル１は、二酸化炭素を冷媒とし、超臨界サイクルを成すものとして説明したが、これに限らず通常のサイクル（フロン系の冷媒を用い、高圧側が臨界圧力を越えないもの）に適用しても良い。
【００４８】
また、ヒートポンプサイクル１の減圧手段として、エジェクタ３０を用いたが、通常の膨張弁として、膨張弁から室外熱交換器５０、圧縮機１１に順次繋がるものとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明を適用した第１、第２実施形態におけるヒートポンプ装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】圧縮機の吐出側圧力を推定するためのフローチャートである。
【図３】圧縮機の圧縮角度に対する同期モータの必要トルクを示すグラフである。
【図４】同期モータの電流値に対する平均トルクの関係を示す制御特性図である。
【図５】外気温度に対する吸入温度、吸入圧力の関係を示す制御特性図である。
【図６】平均トルクに対するピークトルクの関係を示す制御特性図である。
【図７】ピークトルクに対する高低圧差、吐出圧力の関係を示す制御特性図である。
【図８】圧力センサの異常有無を判定するためのフローチャートである。
【図９】第２実施形態における吐出側圧力算出のための制御特性図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  ヒートポンプサイクル
２  制御ユニット（制御部）
１１  圧縮機
１２  同期モータ
７５  圧力センサ（圧力検出部）
１００  ヒートポンプ装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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