JP5515568B2 - ヒートポンプサイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ式の床暖房装置や給湯装置等のヒートポンプサイクル装置に係わり、より詳細には、冷媒回路に配置された弁の開閉を運転状態に応じて適切に制御するヒートポンプサイクル装置に関する。

従来、ヒートポンプサイクル装置の一例として冷凍装置があり、圧縮機の吐出温度を制御するために圧縮機に液冷媒をインジェクションするインジェクション配管と、このインジェクション配管に電磁開閉弁と流量制御弁とを備えた冷凍回路が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示されている冷凍回路は、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とが順次接続され、圧縮機の中間圧力部に電磁開閉弁と減圧装置である流量制御弁とを介してインジェクション配管が接続されている。この冷凍装置では、圧縮機の中間圧力部に液冷媒をインジェクションして圧縮機の吐出温度を制御すると共に、圧縮機の停止前に電磁開閉弁を閉じてインジェクション配管内に残留した冷媒を回収した後に圧縮機を停止するので、圧縮機を再始動した際に、圧力変動の繰り返しによりインジェクション配管で発生する液冷媒の脈動を抑えている。

一方、ヒートポンプサイクル装置の１つであり、ヒートポンプ式床暖房装置等、利用側熱交換器で水と冷媒との熱交換が行われるヒートポンプサイクル装置が存在する。このヒートポンプサイクル装置も上述した冷凍回路と同様に、圧縮機と、凝縮器と、第１膨張弁と、蒸発器とが順次接続され、圧縮機に電磁開閉弁と、入力する制御信号のパルス数によって開度が制御される第２膨張弁とを介してインジェクション配管が接続されている。

このようなヒートポンプサイクル装置では、暖房運転や冷房運転あるいは除霜運転といった運転モードが選択できるが、各運転モードにおいて圧縮機に液冷媒をインジェクションする（以下、インジェクションＯＮと記載する）か、あるいは、圧縮機に液冷媒をインジェクションしない（以下、インジェクションＯＦＦと記載する）かは、室外空気温度や目標となる出湯温度（設定温度）等といった運転条件により異なる。

例えば、暖房運転時に室外空気温度が低温で高温出湯が要求される場合は、利用側熱交換器での冷媒流量を大きくするためにインジェクションＯＮとする必要がある。また、暖房運転時に室外空気温度が低温でない場合や高温出湯が要求されない場合、あるいは、冷房運転や除霜運転の場合はインジェクションＯＦＦとされる。

インジェクションＯＦＦとする場合は、インジェクション配管に冷媒を流さないためにインジェクション配管に設置された電磁開閉弁あるいは第２膨張弁を閉じる必要がある。この時、方向性のない電磁開閉弁に比べ安価である、方向性を有する電磁開閉弁（一方向の流体の流れを止めたり流したりすることを想定した電磁弁）を用いた場合には、電磁開閉弁あるいは第２膨張弁のどちらか一方を閉じてインジェクション配管を閉じようとすると、以下のような問題があった。

まず、電磁開閉弁のみでインジェクション配管を閉じようとした場合の問題について説明する。暖房運転時と冷房／除霜運転時とでは冷媒回路を流れる冷媒の方向が逆方向となり、インジェクション配管の両端での冷媒圧力の高低も暖房運転時と冷房／除霜運転時とでは逆となる、つまり、暖房運転時と冷房／除霜運転時とでインジェクション配管の両端での冷媒圧力差が逆となる。

電磁開閉弁は前述の通り方向性を有するため、電磁開閉弁を設置する際は、通常、最も使用頻度の高い一の運転モード時におけるインジェクション配管の圧縮機接続側と、その反対側との冷媒圧力差に対応するよう設置するが、この冷媒圧力差と逆となる運転モードで運転を行った場合に、逆方向からの冷媒の圧力によって電磁開閉弁の弁本体が押されて開閉し、弁本体が閉じる際に弁本体が弁筐体の一部（例えば弁受け部）に当たって当たり音が発生する虞があり、また、弁本体の開閉に伴う磨耗等による信頼性低下を招く虞があった。

次に、第２膨張弁のみでインジェクション配管を閉じようとした場合の問題について説明する。一般に電磁開閉弁に比べて第２膨張弁の開閉動作は遅いため、インジェクションＯＮ（膨張弁が開いている状態）からインジェクションＯＦＦに切り替わる際に第２膨張弁を迅速に閉じることができないので、急峻に冷媒の流れを遮断できずインジェクション配管内に冷媒が侵入する虞があった。

以上説明したような事情による不具合の発生を防止するために、インジェクションＯＦＦの時に電磁開閉弁と第２膨張弁とを共に閉じる必要があるが、電磁開閉弁と第２膨張弁とを共に閉じると、両方の弁の間に冷媒が閉じ込められていまい、冷媒回路から冷媒を抜き取る場合、例えば、冷媒回路の配管の一部から冷媒の漏れが発生し、修理のために冷媒回路に滞留する冷媒をすべて抜き取る必要がある場合は、電磁開閉弁と膨張弁との間に閉じ込められた冷媒が回収できないという問題があった。また、電磁開閉弁と膨張弁との間に冷媒が閉じ込められた状態でヒートポンプサイクル装置の運転を行うと、冷媒回路を循環する冷媒量が不足するという問題があった。

特開２００２−１３０８５０号公報（第２〜３頁、第１図）

本発明は以上述べた問題点を解決し、インジェクション配管に配置された電磁開閉弁及び膨張弁の開閉制御を適切に行えるヒートポンプサイクル装置を提供することを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するものであって、本発明のヒートポンプサイクル装置は、インジェクション配管に設置された電磁開閉弁及び膨張弁の開閉制御を、運転モードやインジェクションＯＮ／ＯＦＦ、圧縮機停止時といった運転状態に応じた制御とするものである。

また、インジェクションＯＦＦ時におけるインジェクション配管に配置された電磁開閉弁及び第２膨張弁の開閉制御において、圧縮機の運転時と停止時とで開閉制御が異なる制御とするものである。

本発明のヒートポンプサイクル装置は、インジェクション配管に方向性を有する電磁開閉弁を用いた場合に、インジェクションＯＦＦ時に確実にインジェクション配管への冷媒の侵入を防止できるとともに、第２膨張弁が閉じることによって電磁開閉弁に逆方向からの圧力が加わることがなく、これに起因する弁当たり音や弁の摩耗を防ぐことができる。また、圧縮機停止時に電磁開閉弁と第２膨張弁との間に冷媒が閉じ込められることを防止することができるため、冷媒回路から冷媒をすべて抜き取る必要がある場合に電磁開閉弁と第２膨張弁との間に冷媒が残留することがなく、また、ヒートポンプサイクル装置の運転時に冷媒回路に封入された冷媒をすべて使い切ることができる。

本発明の実施例におけるヒートポンプサイクル装置の構成図である。 本発明の実施例における第２膨張弁／電磁開閉弁制御テーブルである。 本発明による制御を説明するフローチャートであり、（Ａ）はメインルーチン、（Ｂ）は電磁開閉弁／第２膨張弁制御ルーチンである。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。実施例としては、床暖房装置や給湯装置等の室内ユニットを有し、利用側熱交換器で水と冷媒との熱交換が行われるヒートポンプサイクル装置を例として説明することとする。尚、本発明は以下の実施形態に限定されることはなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。

図１は、本発明によるヒートポンプサイクル装置の構成を示している。このヒートポンプサイクル装置１００は室外機４０と室内機５０とで構成されており、室外機４０は圧縮機１、四方弁２、第１膨張弁４、室外熱交換器５、アキュムレータ６、制御手段１０、第２膨張弁１５、電磁開閉弁１６、操作弁１７を備えている。また、室内機５０は冷媒と水との熱交換を行う利用側熱交換器３、室内ユニット１１、温水用ポンプ１７、ユニオン１８を備えている。

冷媒用配管１２は、室外機４０の冷媒配管である室外機配管１２ａと、室内機５０の冷媒配管である室内側配管１２ｂと、室外機４０と室内機５０とを接続する接続配管１２ｃとで構成されており、室外機４０と室内機５０とは、室外機配管１２ａが操作弁１７を介して、室内側配管１２ｂがユニオン１８を介して接続配管１２ｃで接続されている。室外機４０と室内機５０とが接続されることによって、圧縮機１、四方弁２、利用側熱交換器３、第１膨張弁４、室外熱交換器５、アキュムレータ６が順に冷媒用配管１２で接続され、これにより冷媒回路が構成されている。

また、室外側配管１２ａの操作弁１７と第１膨張弁４との間の接続点１９と図示しない圧縮機１の冷媒注入口とは、第２膨張弁１５と電磁開閉弁１６とを有するインジェクション配管１４で接続されている。尚、電磁開閉弁１６は方向性を有し、制御信号（ソレノイドを稼働させる電力）を入力した際に開となり制御信号を入力していないときは閉じているものである。本発明では、主に暖房運転が行われることを想定して、電磁開閉弁１６を図１で接続点１９から圧縮機１への冷媒の流れを止める方向で接続点１９と第２膨張弁１５との間に配置しているが、主に冷房運転を行われることが想定される場合は、電磁開閉弁１６を暖房運転時の冷媒流れ方向に応じた方向で、圧縮機１と第２膨張弁１５との間に設置すればよい。

また、室外熱交換器５には室外空気温度を検出するための外気温センサ２１が、圧縮機１の吐出口付近には冷媒の吐出温度を検出するための吐出温度センサ２２が、利用側熱交換器３と第１膨張弁４の間には第１膨張弁付近の冷媒温度を検出する冷媒温度センサ２３が、それぞれ設置されている。さらには、冷媒用配管１２の圧縮機１吐出側（四方弁２から冷媒用配管１２へ冷媒が流入する箇所）には、圧縮機１の吐出圧力を検出するための圧力センサ３０が配置されている。

一方、室内機５０の利用側熱交換器３には、室内側配管１２ｂと水用配管１３とが接続されており、水用配管１３には室内ユニット１１に水を循環させるための温水用ポンプ１７が接続され、冷媒と熱交換された水が循環するように構成されている。また、利用側熱交換器３の水の出口付近には出湯温度を検出する出湯温度センサ２４が配置されている。また、利用側熱交換器３には、室内側配管１２ｂを流れる冷媒の温度を検出する熱交温度センサ２０が配置されている。

尚、図１では暖房運転時の冷媒流れ方向を矢印６０で、第２膨張弁１５と電磁開閉弁１６とが開いてインジェクション配管１４に冷媒が流れた場合（インジェクションＯＮ時）の冷媒流れ方向を矢印６１で、水用配管１３の温水の流れ方向を矢印６２で、それぞれ示している。また、冷房運転時の冷媒流れ方向は暖房運転時の冷媒流れ方向と逆方向となるが、矢印による冷媒流れ方向の記載は省略している。

以上説明した構成を有するヒートポンプサイクル装置１００の暖房運転時における運転動作は以下のようになる。ユーザーが室内機５０のリモコン等を操作してスイッチをオンすると、ヒートポンプサイクル装置１００が運転を開始し、制御手段１０は温水用ポンプ１７を回転させ、利用側熱交換器３と室内ユニット１１との間で水を循環させる。

同時に制御手段１０は、出湯温度センサ２４で検出された現在の出湯温度、つまり、利用側熱交換器３で暖められた水の温度が、予め設定された目標の温度（設定温度）になるように圧縮機１を回転させる。圧縮機１で高圧高温のガスとなった冷媒は四方弁２を通過し、利用側熱交換器３で熱を放出して液体となり、さらに第１膨張弁４で減圧されて室外熱交換器５で蒸発して室外空気と熱交換し、ガスとなって再び圧縮機１で圧縮される過程を繰り返す。尚、四方弁２は冷房及び除霜運転時に冷媒の循環方向を逆転させるために用いられる。

また、制御手段１０は、各温度センサで検出した温度や吐出圧力センサ３０で検出した圧力に基づき、あるいは、図示しないリモコン等による使用者からの運転要求に応じて、圧縮機１と四方弁２と温水用ポンプ１７と電磁開閉弁１６と第１膨張弁４及び第２膨張弁１５の駆動制御を行っている。尚、圧縮機１の運転制御は、制御手段１０が図示しないインバータの出力周波数を現在の出湯温度と設定温度との差に応じて制御することにより行われ、冷房運転や暖房運転において出湯温度が設定温度に到達すれば制御手段１０は圧縮機１を停止し、出湯温度が設定温度より所定の温度下がれば制御手段１０は圧縮機１の運転を再び開始する制御を行う。

さらには、制御手段１０は、現在の圧縮機１の回転数や圧力センサ３０で検出した吐出圧力を凝縮圧力として扱い（凝縮圧力は圧力センサ３０で検出した吐出圧力とほぼ同じとなるため）、この凝縮圧力に対応した目標過冷却度を決定し、現在の過冷却度との差に応じて第１膨張弁４の開度を制御することによって、目標過冷却度での運転を継続し高成績係数での運転となるよう制御する。

次に運転状態の違いによる第２膨張弁１５及び電磁開閉弁１６の開閉制御について説明する。制御手段１０の記憶部には、図２に示す第２膨張弁／電磁開閉弁制御テーブルが記憶されている。この第２膨張弁／電磁開閉弁制御テーブルは各運転条件に応じた第２膨張弁１５及び電磁開閉弁１６の開閉制御内容が定められており、左欄の項目が運転状態を示し、上から順に、『暖房運転』（インジェクションＯＦＦ／ＯＮ）、『冷房/除霜運転』、『圧縮機停止時』となっている。尚、図２で『閉』は第２膨張弁１５及び電磁開閉弁１６を閉じる制御、『開』は第２膨張弁１５及び電磁開閉弁１６を開く制御であることをそれぞれ示している。

運転モードが暖房運転でかつインジェクションＯＦＦである場合、制御手段１０は図２の第２膨張弁／電磁開閉弁制御テーブルを参照して第２膨張弁１５は全開及び電磁開閉弁１６は閉じる制御であると認識し、第２膨張弁１５に制御信号を送信して全開にすると共に、電磁開閉弁１６には制御信号を送信しないことによって電磁開閉弁１６を閉じる。また、運転モードが暖房運転でかつインジェクションＯＮである場合、制御手段１０は図２の第２膨張弁／電磁開閉弁制御テーブルを参照して第２膨張弁１５は所定の開度で開く及び電磁開閉弁１６は開く制御であると認識し、第２膨張弁１５を現在の圧縮機１の回転数及び圧力センサ３０で検出した凝縮圧力に応じた開度で開くよう制御信号を送信して所定量開くと共に、電磁開閉弁１６に制御信号を送信して開く。

このように暖房運転時の第２膨張弁１５及び電磁開閉弁１６の開閉制御を行えば、インジェクションＯＮの時は、第２膨張弁１５を現在の圧縮機１の回転数及び圧力センサ３０で検出した凝縮圧力に応じた開度で開くことによって、圧縮機１への液冷媒インジェクション量を制御できる。また、インジェクションＯＦＦの時は、第２膨張弁１５を全開にすることによって、停電等によりヒートポンプサイクル装置１００の電力供給が急に遮断された場合でも第２膨張弁１５と電磁開閉弁１６との間に冷媒が閉じ込められることがなく、室外機４０の修理時等に冷媒をすべて抜き取ることができる。

運転モードが冷房運転あるいは除霜運転の場合は、制御手段１０は図２の第２膨張弁／電磁開閉弁制御テーブルを参照して第２膨張弁１５及び電磁開閉弁１６の両方の弁を閉じる制御であると認識し、第２膨張弁１５に制御信号を出力して閉じると共に、電磁開閉弁１６には制御信号を出力しないことによって電磁開閉弁１６を閉じる。このように冷房／除霜運転時の第２膨張弁１５及び電磁開閉弁１６の開閉制御を行えば、電磁開閉弁１６が迅速に閉じることによって、暖房運転のインジェクションＯＮから冷房運転あるいは除霜運転に切り替わった際にインジェクション配管に冷媒が侵入することを防ぐことができると共に、第２膨張弁１５も閉じているため電磁開閉弁１６に逆方向からの冷媒圧力が加わることがなく、逆方向からの冷媒の圧力によって電磁開閉弁の弁本体が押されて開閉し、弁本体が閉じる際に弁本体が弁筐体の一部（例えば弁受け部）に当たることにより発生する騒音や、弁本体の開閉に伴う磨耗等による信頼性低下を防止することができる。

圧縮機１を停止した時は、制御手段１０は図２の第２膨張弁／電磁開閉弁制御テーブルを参照して第２膨張弁１５は全開とし、電磁開閉弁１６は閉じる制御であると認識し、第２膨張弁１５に制御信号を送信して全開とし、電磁開閉弁１６に制御信号を送信しないことによって電磁開閉弁１６を閉じる。このように圧縮機１停止時の第２膨張弁１５及び電磁開閉弁１６の開閉制御を行えば、冷房運転時のポンプダウンの際に第２膨張弁１５と電磁開閉弁１６との間にある冷媒を回収できると共に、停電等によりヒートポンプサイクル装置１００の電力供給が急に遮断された場合でも第２膨張弁１５と電磁開閉弁１６との間に冷媒が閉じ込められることがなく、室外機４０の修理時等に冷媒をすべて抜き取ることができる。

また、以上説明した実施例では、暖房運転でのインジェクションＯＦＦ時や圧縮機１の停止時に第２膨張弁を全開とし第２膨張弁１５と電磁開閉弁１６との間に冷媒が閉じ込められないようにするので、ヒートポンプサイクル装置１００の冷媒回路に封入された冷媒をすべて使い切ることができる。尚、本実施例では暖房運転でのインジェクションＯＦＦ時や圧縮機１の停止時に第２膨張弁を全開としているが、これに限るものではなく、第２膨張弁１５を冷媒が通過できる程度の開度であればよい。

次に図３に示すヒートポンプサイクル装置１００の制御フローチャートを用いて、制御手段１０での処理の流れについて説明する。図３（Ａ）はヒートポンプサイクル装置１００のメインルーチンである。また、図３（Ｂ）は本発明による電磁開閉弁／第２膨張弁制御ルーチンを示している。この電磁開閉弁／第２膨張弁制御ルーチンは、メインルーチンと並行して動作するようになっており、第２膨張弁１５及び電磁開閉弁１６の開閉制御を行う。

尚、図３のフローチャートにおいて、ＳＴはステップを表し、これに続く数字はステップ番号を表している。また、図３では、本発明による第２膨張弁１５と電磁開閉弁１６の開閉制御に関する処理を中心にして説明しており、これ以外の処理、例えばユーザーの設定操作処理や詳細な出湯温度管理制御等の一般的な処理の説明は省略している。

図３（Ａ）に示すように制御手段１０は制御を開始すると、まず、温水用ポンプ１７の回転を開始させ、利用側熱交換器３と室内ユニット１１との間で水を循環させる（ＳＴ１）。そして、出湯温度センサ２４から循環する水の温度、つまり、出湯温度を検出して入力する（ＳＴ２）。次に出湯温度センサ２４の検出値が、予め設定されている出湯温度となるように圧縮機１の回転数を決定して回転させてヒートポンプサイクル装置１００を運転する（ＳＴ３）。この時、圧縮機１の回転数に応じて第１膨張弁４の開度は制御されている。

次に制御手段１０は、現在の圧縮機１の回転数や凝縮圧力とから目標過冷却度を決定し、現在の過冷却度との差に応じて第１膨張弁４の開度を調整し（ＳＴ４）、ヒートポンプサイクル装置１００が目標過冷却度での運転を継続できるよう制御する。

次に制御手段１０は、ユーザーからの運転停止指示や出湯温度が目標となる温度に到達したこと等によって、圧縮機１を停止するか否かを判断する（ＳＴ５）。圧縮機１を停止しなければ（ＳＴ５−Ｎｏ）、ＳＴ２にジャンプする。圧縮機１を停止すれば（ＳＴ５−Ｙｅｓ）、制御手段１０は図２の第２膨張弁／電磁開閉弁制御テーブルを参照して第２膨張弁１５を全開とし、電磁開閉弁１６を閉じて（ＳＴ６）、処理を終了する。

一方、図３（Ｂ）に示すように、前述したメインルーチン処理と平行して、制御手段１０は、ユーザーからの運転モード指示が暖房運転であるか否かを判断する（ＳＴ１０）。運転モードが暖房運転であれば（ＳＴ１０−Ｙｅｓ）、制御手段１０はユーザーが指示した設定温度に対応した出湯温度と外気温センサ２１で検出した室外空気温度を参照し、室外空気温度が低温でかつ出湯温度が高いか否か、すなわち、インジェクションをＯＮするか否かを判断する（ＳＴ１１）。

インジェクションＯＮであれば（ＳＴ１２−Ｙｅｓ）、制御手段１０は図２の第２膨張弁／電磁開閉弁制御テーブルを参照して電磁開閉弁１６を開くと共に、圧縮機１の回転数及び凝縮圧力に応じた開度で第２膨張弁１５を開き、ＳＴ１０にジャンプする。実際の制御では、制御手段１０はインジェクションＯＮ時にまず第２膨張弁１５を一旦全閉とした後電磁開閉弁１６を開き、その後圧縮機１の回転数及び凝縮圧力に応じた開度で第２膨張弁１５を開くことによって、圧縮機１への冷媒の突入を防いでいる。

尚、ＳＴ１１でインジェクションをＯＮしない場合、すなわちインジェクションＯＦＦの場合（ＳＴ１１−Ｎｏ）は、制御手段１０は図２の第２膨張弁／電磁開閉弁制御テーブルを参照して第２膨張弁１５を全開とし、電磁開閉弁１６を閉じて（ＳＴ１３）ＳＴ１０にジャンプする。また、ＳＴ１０で運転モードが暖房運転でない場合、すなわち冷房運転もしくは除霜運転である場合（ＳＴ１０−Ｎｏ）、制御手段１０は図２の第２膨張弁／電磁開閉弁制御テーブルを参照して電磁開閉弁１６と第２膨張弁１５とを共に閉じ（ＳＴ１４）、ＳＴ１０にジャンプする。

以上説明した通り、本発明によれば、インジェクション配管に方向性を有する電磁開閉弁を用いたときでも、インジェクションＯＦＦ時に確実にインジェクション配管への冷媒の侵入を防止できるとともに、第２膨張弁が閉じることによって電磁開閉弁に逆方向からの圧力が加わることがなく、これに起因する弁当たり音や弁の摩耗を防ぐことができる。また、圧縮機停止時に電磁開閉弁と第２膨張弁との間に冷媒が閉じ込められることを防止することができるため、冷媒回路から冷媒をすべて抜き取る必要がある場合に電磁開閉弁と第２膨張弁との間に冷媒が残留することがない。

１ 圧縮機
２ 四方弁
３ 利用側熱交換器
４ 第１膨張弁
５ 室外熱交換器
１０ 制御手段
１２ 冷媒用配管
１２ａ 室外側配管
１２ｂ 室内側配管
１２ｃ 接続配管
１３ 水用配管
１４ インジェクション配管
１５ 第２膨張弁
１６ 電磁開閉弁
１７ 操作弁
１８ ユニオン
２０ 熱交温度センサ
２１ 外気温センサ
２３ 冷媒温度センサ
２４ 出湯温度センサ
３０ 圧力センサ
４０ 室外機
５０ 室内機
１００ ヒートポンプサイクル装置

Claims (1)

1. 圧縮機と、利用側熱交換器と、第１膨張弁と、室外熱交換器とを接続した冷媒回路を備え、前記冷媒回路は、前記圧縮機に液冷媒をインジェクションするための方向性を有する電磁開閉弁と第２膨張弁とインジェクション配管とを備えたヒートポンプサイクル装置であって、
   前記ヒートポンプサイクル装置が冷房運転を行っている際に、前記圧縮機が運転している場合は前記電磁開閉弁及び前記第２膨張弁を閉じ、前記圧縮機が運転を停止した場合は前記電磁開閉弁を閉じると共に前記第２膨張弁を開くことを特徴とするヒートポンプサイクル装置。
   

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