(57)【要約】【課題】  圧力スイッチ等の高価な部品を用いることなく、ヒートポンプが本来備えているハードウェアのみを利用して、圧縮機の吐出圧力を推定して、圧縮機の吐出圧力を基準値以下に保つ。【解決手段】圧縮機の駆動電流の大きさを検出する電流検出部２９を備え、電流制御部２８は、前記駆動電流の制限を前記圧縮機の回転数によって変化する関数の形で記憶し、前記駆動電流が前記制限を超えると、前記インバータ駆動式圧縮機の回転数を制限する周波数制限指令を圧縮機運転周波数決定手段２５に与える。または前記膨張弁の開度を開く方向に調節する開度補正指令を膨張弁開度決定手段２７に与える。【選択図】        図２
2006078146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータ駆動式圧縮機と、前記インバータ駆動式圧縮機から吐出する冷媒を冷却する温水冷媒熱交換器と、前記熱交換器を出た前記冷媒を減圧させる膨張弁と、前記膨張弁を出た前記冷媒を加熱して前記インバータ駆動式圧縮機に戻す空気冷媒熱交換器と、前記インバータ駆動式圧縮機の出口における前記冷媒の温度が一定になるように前記膨張弁の開度を調整する制御手段を有するヒートポンプにおいて、
前記インバータ駆動式圧縮機の駆動電流の大きさを検出する電流検出部を備え、前記制御手段は、前記駆動電流の制限を前記インバータ駆動式圧縮機の回転数によって変化する関数の形で記憶し、前記駆動電流が前記制限を超えると、前記インバータ駆動式圧縮機の回転数を制限、または前記膨張弁の開度を開く方向に調節することを特徴とするヒートポンプ。
【請求項２】
インバータ駆動式圧縮機と、前記インバータ駆動式圧縮機から吐出する冷媒を給湯用温水で冷却する温水冷媒熱交換器と、前記温水冷媒熱交換器を出た前記冷媒を減圧させる膨張弁と、前記膨張弁を出た前記冷媒を外気で加熱して前記インバータ駆動式圧縮機に戻す空気冷媒熱交換器と、前記インバータ駆動式圧縮機の出口における前記冷媒の温度が一定になるように前記膨張弁の開度を調整する制御手段と、前記温水冷媒熱交換器との間で前記給湯用温水を循環させる床暖房パネルを有する床暖房装置において、
前記インバータ駆動式圧縮機の駆動電流の大きさを検出する電流検出部を備え、前記制御手段は、前記駆動電流の制限を前記インバータ駆動式圧縮機の回転数によって変化する関数の形で記憶し、前記駆動電流が前記制限を超えると、前記インバータ駆動式圧縮機の回転数を制限、または前記膨張弁の開度を開く方向に調節することを特徴とする床暖房装置。
【請求項３】
インバータ駆動式圧縮機と、前記インバータ駆動式圧縮機から吐出する冷媒を給湯用温水で冷却する温水冷媒熱交換器と、前記熱交換器を出た前記冷媒を減圧させる第１の膨張弁と、前記膨張弁を出た前記冷媒を外気で加熱して前記インバータ駆動式圧縮機に戻す空気冷媒熱交換器と、前記温水冷媒熱交換器との間で前記給湯用温水を循環させる床暖房パネルと、前記インバータ駆動式圧縮機から吐出する前記冷媒を分岐する分岐配管と、前記分岐配管から流れる前記冷媒と室内の空気との間で熱交換する室内熱交換器と、前記室内熱交換器を出た前記冷媒を減圧させる第２の膨張弁と、前記第２の膨張弁から流出した前記冷媒を前記空気冷媒熱交換器に流す配管と、前記インバータ駆動式圧縮機の出口における前記冷媒の温度が一定になるように前記膨張弁の開度を調整する制御手段を有する空気調和装置において、
前記インバータ駆動式圧縮機の駆動電流の大きさを検出する電流検出部を備え、前記制御手段は、前記駆動電流の制限を前記インバータ駆動式圧縮機の回転数によって変化する関数の形で記憶し、前記駆動電流が前記制限を超えると、前記インバータ駆動式圧縮機の回転数を制限、または前記膨張弁の開度を開く方向に調節することを特徴とする空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプおよびヒートポンプを備えた床暖房装置、空調装置に関するものであり、特にヒートポンプの圧縮機の高負荷運転を防止するとともに、圧縮機出口冷媒温度を効率のよい温度に制御する制御手段に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプは冷媒回路中の冷媒に圧縮・凝縮・減圧および蒸発の操作を加えることによって、低温の熱源から熱を取り出す装置である。一般にヒートポンプが取り出す熱量はヒートポンプを駆動するための熱量（主として圧縮機の動力）より大きいから、ヒートポンプを給湯機器や暖房機器に利用すると、小さな熱量消費で大きな熱量を取り出すことができる。したがって、灯油をボイラで燃やして湯を沸かすより、灯油でヒートポンプを駆動して、低熱源（通常は外気を低熱源とする）から熱を得て湯を沸かす方が灯油の消費が少なくてすむ。
【０００３】
そのため、今日、ヒートポンプを利用した給湯器が各種、提案されている。例えば、特許文献１には、圧縮機と室外熱交換器、室内熱交換器、蓄冷熱槽および給湯熱交換器を接続した冷媒回路中の冷媒の流れを切り替えることにより、冷暖房・給湯・蓄熱・蓄冷を行う多機能ヒートポンプシステムが開示されている。
【０００４】
ヒートポンプでは、低熱源から加熱対象に運ぶ熱量を、ヒートポンプを駆動する動力で割った比率（ＣＯＰ：Coefficient of performance 、成績係数という）を最大にすることが求められるので、ＣＯＰが最大になるような圧縮機出口での冷媒温度（最適圧縮機出口温度）が選ばれ、膨張弁の開度を調整して圧縮機出口における冷媒の温度を最適圧縮機出口温度に保つように制御されている。
【０００５】
ところで、一般にヒートポンプは外気を低熱源としているが、外気温度は季節によって大きく変動する。外気温度が高くなると、圧縮機入口での冷媒温度が上昇し、圧縮機出口温度を一定に保つためには、圧縮機出口での冷媒蒸気の圧力すなわち、圧縮機の吐出圧力を大きくしなければならない。しかしながら、圧縮機の吐出圧力は圧縮機の機械強度によって制限されるから、単純に圧縮機出口での冷媒温度を最適圧縮機出口温度に保つだけの制御を行えば、圧縮機の損傷を招いてしまう。
【０００６】
また、特許文献２には、圧縮機の出口に圧力スイッチを備えて、圧縮機の吐出圧力を検出し、吐出圧力が基準圧力を超えると、圧縮機出口温度の制御目標を低下させるヒートポンプ式給湯装置が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２７０９２０号公報
【特許文献２】特開２００１−２６３８０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、圧縮機出口冷媒温度の制御目標を低く設定すると、ＣＯＰが悪くなるという問題があった。また、圧力スイッチは高価なので、圧力スイッチをヒートポンプに備えることはコストの上昇につながるという問題があった。また、信頼性向上の見地からも、構成部品を増やすことは好ましくなかった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、圧力スイッチ等の高価な部品を用いることなく、ヒートポンプが本来備えているハードウェアのみを利用して、圧縮機の吐出圧力を推定して、圧縮機の吐出圧力を基準値以下に保ち、圧縮機出口冷媒温度を効率のよい温度に制御することにより、安価で信頼性が高く、また、ＣＯＰの良いヒートポンプ、およびヒートポンプを備えた床暖房装置、空気調和装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るヒートポンプの構成は、インバータ駆動式圧縮機と、前記インバータ駆動式圧縮機から吐出する冷媒を冷却する温水冷媒熱交換器と、前記熱交換器を出た前記冷媒を減圧させる膨張弁と、前記膨張弁を出た前記冷媒を加熱して前記インバータ駆動式圧縮機に戻す空気冷媒熱交換器と、前記インバータ駆動式圧縮機の出口における前記冷媒の温度が一定になるように前記膨張弁の開度を調整する制御手段を有するヒートポンプにおいて、前記インバータ駆動式圧縮機の駆動電流の大きさを検出する電流検出部を備え、前記制御手段は、前記駆動電流の制限を前記インバータ駆動式圧縮機の回転数によって変化する関数の形で記憶し、前記駆動電流が前記制限を超えると、前記インバータ駆動式圧縮機の回転数を制限、または前記膨張弁の開度を開く方向に調節することを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、インバータ駆動式圧縮機の回転数および駆動電流に基づいて、吐出圧力を推定して、吐出圧力が制限を超えないように、前記回転数の制限または膨張弁の開度を開く方向に調節するので、安価で信頼性の高いヒートポンプを提供することができる。
【００１２】
本発明に係る床暖房装置の構成は、インバータ駆動式圧縮機と、前記インバータ駆動式圧縮機から吐出する冷媒を給湯用温水で冷却する温水冷媒熱交換器と、前記温水冷媒熱交換器を出た前記冷媒を減圧させる膨張弁と、前記膨張弁を出た前記冷媒を外気で加熱して前記インバータ駆動式圧縮機に戻す空気冷媒熱交換器と、前記インバータ駆動式圧縮機の出口における前記冷媒の温度が一定になるように前記膨張弁の開度を調整する制御手段と、前記温水冷媒熱交換器との間で前記給湯用温水を循環させる床暖房パネルを有する床暖房装置において、前記インバータ駆動式圧縮機の駆動電流の大きさを検出する電流検出部を備え、前記制御手段は、前記駆動電流の制限を前記インバータ駆動式圧縮機の回転数によって変化する関数の形で記憶し、前記駆動電流が前記制限を超えると、前記インバータ駆動式圧縮機の回転数を制限、または前記膨張弁の開度を開く方向に調節することを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、インバータ駆動式圧縮機の回転数および駆動電流に基づいて、吐出圧力を推定して、吐出圧力が制限を超えないように、前記回転数の制限または膨張弁の開度を開く方向に調節するので、安価で信頼性の高い床暖房装置を提供することができる。
【００１４】
本発明に係る空気調和装置の構成は、インバータ駆動式圧縮機と、前記インバータ駆動式圧縮機から吐出する冷媒を給湯用温水で冷却する温水冷媒熱交換器と、前記熱交換器を出た前記冷媒を減圧させる第１の膨張弁と、前記膨張弁を出た前記冷媒を外気で加熱して前記インバータ駆動式圧縮機に戻す空気冷媒熱交換器と、前記温水冷媒熱交換器との間で前記給湯用温水を循環させる床暖房パネルと、前記インバータ駆動式圧縮機から吐出する前記冷媒を分岐する分岐配管と、前記分岐配管から流れる前記冷媒と室内の空気との間で熱交換する室内熱交換器と、前記室内熱交換器を出た前記冷媒を減圧させる第２の膨張弁と、前記第２の膨張弁から流出した前記冷媒を前記空気冷媒熱交換器に流す配管と、前記インバータ駆動式圧縮機の出口における前記冷媒の温度が一定になるように前記膨張弁の開度を調整する制御手段を有する空気調和装置において、前記インバータ駆動式圧縮機の駆動電流の大きさを検出する電流検出部を備え、前記制御手段は、前記駆動電流の制限を前記インバータ駆動式圧縮機の回転数によって変化する関数の形で記憶し、前記駆動電流が前記制限を超えると、前記インバータ駆動式圧縮機の回転数を制限、または前記膨張弁の開度を開く方向に調節することを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、吐出圧力を推定して、吐出圧力が制限を超えないように、前記回転数の制限または膨張弁の開度を開く方向に調節するので、安価で信頼性の高い空気調和装置を提供することができるとともに、圧縮機出口冷媒温度も一定であるため、常に効率の良い暖房運転が可能になる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明によれば圧縮機の回転数と駆動電流から、吐出圧力を推定して、吐出圧力が制限を超えないように、前記回転数の制限または膨張弁の開度を開く方向に調節するので、外気温が高い場合や、設定暖房温度が高い高負荷な状況であっても、圧縮機の損傷を避けることができる。また、圧力スイッチ等の高価な部品を用いることなく、ヒートポンプが本来備えているハードウェアのみを利用するので、信頼性の高いヒートポンプ、およびヒートポンプを備えた床暖房装置、空気調和装置を安価に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の実施例に係る空気調和装置の回路図である。
【００１９】
図１において、１は空気調和装置である。空気調和装置１は四方弁２によって冷媒の流れる方向を切り替えて、冷房モードと暖房モードを切り替えることができ、図は暖房モード、つまり空気調和装置１を暖房機として使用する状態を示している。また、空気調和装置１は冷媒の熱で加熱した温水が循環する床暖房パネル３と、冷媒の熱で直接室内の空気を暖める室内機ユニット４を備えている。なお、図１では、説明の便宜のために、冷媒の流れを破線で示し、温水の流れを１点鎖線で示している。
【００２０】
まず、床暖房パネル３に係る回路について説明する。５はインバータモータ６で駆動されて冷媒蒸気を圧縮する圧縮機であり、その吐出口には冷媒の温度を検出する第１のサーミスタ７が備えられている。圧縮機５を出た高温の冷媒の流れは分岐管８で、室内機ユニット４に行く流れと、温水−冷媒熱交換器９に行く流れに分かれる。
【００２１】
温水−冷媒熱交換器９は冷媒と温水の間で熱交換を行う装置であり、冷媒の熱で加熱されて温水−冷媒熱交換器９を出た温水は、給水タンク１０に蓄えられ、循環ポンプ１１によって床暖房パネル３に送られ、床暖房パネル３内を循環し、温水−冷媒熱交換器９に戻って来る。本実施例では、温水の温度は温水−冷媒熱交換器９の出口で４０℃、床暖房パネル３内で３５℃、温水−冷媒熱交換器９に戻ってきた時は３０℃になるように設計されている。また、冷媒の温度は、圧縮機５の吐出口で７０℃、温水−冷媒熱交換器９の入口で６５℃、出口で５０℃で設計されている。圧縮機５の吐出口での冷媒温度７０℃は、圧縮機５および温水−冷媒熱交換器９の効率の組み合わせが最適になるように決められた温度である。なお、１２は床暖房パネル３から温水−冷媒熱交換器８に戻ってきた温水の温度を検出する第２のサーミスタである。
【００２２】
温水−冷媒熱交換器９を出た冷媒は第１の電子膨張弁１３を通って減圧され低温の液体になり、合流管１４で室内機ユニット４から戻ってきた冷媒と合流して室外機ユニット１５に流れる。室外機ユニット１５は冷媒と室外の空気の間で熱交換を行う熱交換器である。第１の電子膨張弁１３は電子制御により開度を自在に調整可能な膨張弁であり、その開度によって、圧縮機５の吐出圧力が増減する。
【００２３】
室外機ユニット１５に入った低温の液体冷媒は外気で加熱されて蒸気になり、四方弁２を通って、圧縮機５に戻る。
【００２４】
次に、室内機ユニット４に係る回路について説明する。室内機ユニット４は前記冷媒と室内の空気の間で熱交換する室内熱交換器であり、分岐管８から室内機ユニット４に流れる高温の冷媒は、室内の空気と熱交換して冷やされて液化し、第２の電子膨張弁１６を通って減圧されて低温になり、合流管１４で温水−冷媒熱交換器９から戻ってきた冷媒と合流して室外機ユニット１５に流れる。
【００２５】
ここで、空気調和装置１の制御装置について説明する。図２は空気調和装置１の制御ブロック図である。図２において、２１は空気調和装置１の制御装置である。制御装置２１は、ユーザが所望する暖房温度、床暖房パネル３から戻った温水の温度、圧縮機５の吐出口における冷媒の温度、および圧縮機５駆動用のインバータモータ６の駆動電流を入力して、インバータモータ６の運転周波数、第１および第２の電子膨張弁１３，１６の開度を出力して、空気調和装置１の運転を制御する制御装置である。
【００２６】
２２はリモコンである。ユーザが所望の暖房温度をリモコン２２に入力すると、前記暖房温度は設定温度決定手段２３に伝えられる。設定温度決定手段２３は前記暖房温度に応じた戻り温水温度（床暖房パネル３から温水−冷媒熱交換器９に戻ってきた温水の温度）の目標値（設定温度）を設定して、温調制御部２４に伝える。また、第２のサーミスタ１２で計測した前記戻り温水温度の計測値も温調制御部２４に入力される。温調制御部２４は前記目標値（設定温度）と前記計測値を比較して、インバータモータ６に指示する周波数（運転周波数）を、圧縮機運転周波数決定手段２５に伝える。
【００２７】
２６は圧縮機５の吐出口での冷媒の温度（吐出温度）を制御する吐出温度制御部である。前述したように圧縮機５の吐出口での冷媒の温度（吐出温度）は７０℃が最適だから、吐出温度制御部２６は第１のサーミスタ７で計測された前記吐出温度が７０℃になるように、第１および第２の電子膨張弁１３，１６の開度を増減する。つまり、前記吐出温度が７０℃より高ければ開度を大きくし、７０℃より低ければ開度を小さくする指令を膨張弁開度決定手段２７に与える。
【００２８】
２８は電流制御部である。電流制御部２８は、インバータモータ６の駆動電流の制限値を運転周波数の関数の形で記憶し、インバータモータ６の駆動電流が前記制限値を超えると、第１および第２の電子膨張弁１３，１６を開くか、インバータモータ６の運転周波数を下げて、インバータモータ６の駆動電流を低減する制御装置である。電流制御部２８には、インバータモータ６に流れる駆動電流（実電流）を計測する電流検出部２９から電流値が、第１のサーミスタ７から圧縮機５の吐出口での冷媒の温度（吐出温度）が、膨張弁開度決定手段２７から第１および第２の電子膨張弁１３，１６の開度が、圧縮機運転周波数決定手段２５からインバータモータ６の運転周波数がそれぞれ入力される。これらの入力を受けて、電流制御部２８は、インバータモータ６の運転周波数を制限する周波数制限指令を圧縮機運転周波数決定手段２５に、第１および第２の電子膨張弁１３，１６を開く開度補正指令を膨張弁開度決定手段２７にそれぞれ出力する。なお、電流制御部２８が実行する制御の詳細は後述する。
【００２９】
３０は圧縮機制御部である。圧縮機制御部３０は圧縮機運転周波数決定手段２５から運転周波数の指令を受けて、前記運転周波数になるようにインバータモータ６に電流を供給するインバータである。
【００３０】
３１は膨張弁制御部である。膨張弁制御部３１は膨張弁開度決定手段２７から膨張弁開度指令を受けて、第１および第２の電子膨張弁１３，１６を開閉する制御装置である。  
【００３１】
図３は、電流制御部２８で実行される電流制御を説明するフローチャートである。以下、図に付したステップ番号を引用して電流制御の詳細を説明する。
【００３２】
（ＳＴＥＰ１）電流検出部２９で検出したインバータモータ６の駆動電流（実電流値）と制限電流値を比較して、実電流値が制限電流値を超えていれば、ＳＴＥＰ２に進み、実電流値が制限電流値以下であれば、ＳＴＥＰ９に進む。
ここで、制限電流値はインバータモータ６の運転周波数の大小によって変化する関数である。具体的に言えば、電流制御部２８内に、１２段階の運転周波数とそれに対応する制限電流値の対応表が予め記憶されていて、電流制御部２８は圧縮機運転周波数決定手段２５から入力されるインバータモータ６の運転周波数を前記対応表に当てはめて制限電流値を決定する。
【００３３】
前記対応表は運転周波数毎に圧縮機５の吐出圧力が一定値以下になるような駆動電流の値を、実験または計算で求めて作成する。
【００３４】
（ＳＴＥＰ２）演算周期がタイムアップしていれば、ＳＴＥＰ３に進み、タイムアップしていなければ、何もしないで終了する。
【００３５】
（ＳＴＥＰ３）演算周期を２０秒にセットして、ＳＴＥＰ４に進む。
【００３６】
（ＳＴＥＰ４）第１および第２の電子膨張弁１３，１６の開度が上限に達していれば（これ以上、第１および第２の電子膨張弁１３，１６を開けられないので）、ＳＴＥＰ５に進み、前記開度が前記上限に達していなければ、ＳＴＥＰ６に進む。
【００３７】
（ＳＴＥＰ５）インバータモータ６の制限周波数を３．３Ｈｚ下げる周波数制限指令を圧縮機運転周波数決定手段２５に与えて終了する（これを受けて、圧縮機運転周波数決定手段２５は、インバータモータの運転周波数を３．３Ｈｚ減ずる指令を圧縮機制御部３０に与える）。
【００３８】
（ＳＴＥＰ６）第１のサーミスタ７で計測した圧縮機５の出口での冷媒の温度（吐出温度）と最適圧縮機出口温度（目標温度＝７０℃）を比較して、前記吐出温度が前記目標温度に達していなければ、ＳＴＥＰ７に進み、前記吐出温度が前記目標温度以上ならば、ＳＴＥＰ８に進む。
【００３９】
（ＳＴＥＰ７）インバータモータ６の運転周波数が下限周波数を超えていれば、ＳＴＥＰ５に進み、前記運転周波数が下限周波数以下ならば、ＳＴＥＰ８に進む。
【００４０】
（ＳＴＥＰ８）第１および第２の電子膨張弁１３，１６を４パルス分開く開度補正指令を膨張弁開度決定手段２７に出力して、終了する。
【００４１】
（ＳＴＥＰ９）第１および第２の電子膨張弁１３，１６の開度を開く開度補正指令をクリアして（ＳＴＥＰ８で出力した開度補正指令を０にする）、ＳＴＥＰ１０に進む。
【００４２】
（ＳＴＥＰ１０）演算周期がタイムアップしていれば、ＳＴＥＰ１１に進み、タイムアップしていなければ、何もしないで終了する。
【００４３】
（ＳＴＥＰ１１）電流検出部２９で検出したインバータモータ６の駆動電流（実電流）と制限電流値から０．１Ａを減じた値を比較して、前記実電流が（制限電流値−０．１Ａ）以上ならば、ＳＴＥＰ１２に進み、前記実電流が（制限電流値−０．１Ａ）未満であれば、ＳＴＥＰ１３に進む。
【００４４】
（ＳＴＥＰ１２）演算周期を２０秒にセットして終了する。
【００４５】
（ＳＴＥＰ１３）前記インバータモータの制限周波数を２Ｈｚ上げる周波数制限指令を圧縮機運転周波数決定手段２５に与えて、ＳＴＥＰ１４に進む。
【００４６】
（ＳＴＥＰ１４）演算周期を６０秒にセットして終了する。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の本発明の実施例に係る空気調和装置の回路図である。
【図２】本発明の実施例に係る空気調和装置の制御ブロック図である。
【図３】電流制御部２８で実行される電流制御を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００４８】
１  空気調和装置
２  四方弁
３  床暖房パネル
４  室内機ユニット
５  圧縮機
６  インバータモータ
７  第１のサーミスタ
８  分岐管
９  温水−冷媒熱交換器
１０  給水タンク
１１  循環ポンプ
１２  第２のサーミスタ
１３  第１の電子膨張弁
１４  合流管
１５  室外機ユニット
１６  第２の電子膨張弁
２１  制御装置
２２  リモコン
２３  設定温度決定手段
２４  温調制御部
２５  圧縮機運転周波数決定手段
２６  吐出温度制御部
２７  膨張弁開度決定手段
２８  電流制御部
２９  電流検出部
３０  圧縮機制御部
３１  膨張弁制御部
【図１】
2006078146.tif 000003
【図２】
2006078146.tif 000004
【図３】
2006078146.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成16年9月15日(2004.9.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
【図１】本発明の実施例に係る空気調和装置の回路図である。
【図２】本発明の実施例に係る空気調和装置の制御ブロック図である。
【図３】電流制御部２８で実行される電流制御を説明するフローチャートである。