特開 2022-184310 熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022184310

(43)【公開日】2022-12-13

(54)【発明の名称】熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 1/00 20060101AFI20221206BHJP

   F24H 15/375 20220101ALI20221206BHJP

【ＦＩ】

F25B1/00 371B

F25B1/00 361D

F25B1/00 371J

F25B1/00 399Y

F24H4/02 Q

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021092080

(22)【出願日】2021-06-01

(71)【出願人】

【識別番号】505461072

【氏名又は名称】東芝キヤリア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】弁理士法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 晋也

(72)【発明者】

【氏名】須賀 徹

【テーマコード（参考）】

3L122

【Ｆターム（参考）】

3L122AA02

3L122AA23

3L122AC21

3L122BA41

3L122BC13

3L122BC18

3L122BC22

3L122DA22

3L122EA62

3L122GA06

3L122GA09

(57)【要約】

【課題】冷媒の圧力を検出することなく、圧縮機の低差圧運転時に圧縮比を使用範囲内に維持可能な熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置を提供する。
【解決手段】熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置１は、圧縮機１１、第一熱交換器１３、膨張弁１５、および第二熱交換器１６を有する冷凍サイクル５と、利用側機器２７と、冷凍サイクル５の第一熱交換器１３と利用側機器２７とを接続して熱媒体を循環させる熱媒体流路５８と、冷凍サイクル５のいずれかの箇所の温度を検出する温度センサと、圧縮機１１が吸込圧と吐出圧との差異が小さい低差圧運転をする場合には、圧縮機１１の圧縮比が使用範囲を外れないように温度センサが検出する温度に基づいて圧縮機１１の運転周波数の下限値を変化させる制御部２９と、を備えている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧縮機、第一熱交換器、絞り装置、および第二熱交換器を有する冷凍サイクルと、
利用側機器と、
前記冷凍サイクルの前記第一熱交換器と前記利用側機器とを接続して熱媒体を循環させる媒体流路と、
前記冷凍サイクルのいずれかの箇所の温度を検出する温度センサと、
前記圧縮機が吸込圧と吐出圧との差異が小さい低差圧運転をする場合には、前記圧縮機の圧縮比が使用範囲を外れないように前記温度センサが検出する温度に基づいて前記圧縮機の運転周波数の下限値を変化させる制御部と、を備える熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置。

【請求項2】

前記利用側機器で所望する前記熱媒体の設定温度を入力可能な入力部を備え、
前記温度センサは、前記第二熱交換器が設置される場所の雰囲気温度を検出し、
前記制御部は、前記雰囲気温度の高低、および前記設定温度の高低に応じて前記運転周波数の下限値を変化させる請求項１に記載の熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記雰囲気温度が高くなるほど前記運転周波数の下限値を上昇させ、かつ前記設定温度が低くなるほど前記運転周波数の下限値を上昇させる請求項２に記載の熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置。

【請求項4】

前記温度センサは、前記第一熱交換器に流れる熱媒体の温度および前記第二熱交換器が設置される場所の雰囲気温度を検出し、
前記制御部は、前記雰囲気温度の高低、および前記熱媒体の温度の高低に応じて前記運転周波数の下限値を変化させる請求項１に記載の熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置。

【請求項5】

前記熱媒体の温度は、前記第一熱交換器から流れ出る熱媒体の温度である請求項４に記載の熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置。

【請求項6】

前記熱媒体の温度は、前記第一熱交換器に流れ込む熱媒体の温度である請求項４に記載の熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置。

【請求項7】

前記制御部は、前記雰囲気温度が高くなるほど前記運転周波数の下限値を上昇させ、かつ前記熱媒体の温度が低くなるほど前記運転周波数の下限値を上昇させる請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明に係る実施形態は、熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来のヒートポンプ式冷凍サイクルを備えた冷凍装置、例えば、中大型の空気調和装置は、圧縮機の吐出側に設けられる高圧センサと、圧縮機の吸込側に設けられる低圧センサと、を備えている。空気調和装置は、これら圧力センサの検出する圧力に基づいて、圧縮機の吐出側の圧力、圧縮機の吸込側の圧力、および圧縮比が適正な範囲に納まるよう、圧縮機の運転周波数を制御する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平１０－１８５３７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来の空気調和装置は、圧縮機の吐出側の圧力、圧縮機の吸込側の圧力、および圧縮比が圧縮機の仕様で決められている使用範囲に納まるように圧縮機の運転周波数を制御するために、圧縮機の吐出側に設けられる高圧センサと、圧縮機の吸込側に設けられる低圧センサと、を必要とする。

【0005】

ところで、熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置は、対象となる温水などの熱媒体を設定温度に維持する必要がある。そこで、熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置は、外気温が高く、利用側の設定温度が低い運転条件の下、利用側を循環する熱媒体の温度が設定温度付近に上昇すると、低能力となるように圧縮機の運転周波数を徐々に下げ、最終的に圧縮機の回転周波数を低下させる。このときの圧縮機の運転状態は、吸込圧と吐出圧との差異が小さい低差圧運転となる。ここで極端に低い低差圧運転では、圧縮比が圧縮機の使用範囲を外れる虞がある。

【0006】

圧縮機の低差圧運転時に圧縮比を使用範囲内に維持するために、従来の空気調和装置のように圧縮機の吸込側と吐出側との２つの圧力センサを設けて圧縮機の運転周波数を制御することが考えられる。しかしながら、装置全体の信頼性、圧力センサ故障時の対応、装置の製造性、装置の製造コストなどを鑑みれば、圧力センサを用いることなく、圧縮機の低差圧運転時の圧縮比を使用範囲に保つことが望まれる。

【0007】

そこで、本発明は、冷媒の圧力を検出することなく、圧縮機の低差圧運転時に圧縮比を使用範囲内に維持可能な熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記の課題を解決するため本発明の実施形態に係る熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置は、圧縮機、第一熱交換器、絞り装置、および第二熱交換器を有する冷凍サイクルと、利用側機器と、前記冷凍サイクルの前記第一熱交換器と前記利用側機器とを接続して熱媒体を循環させる媒体流路と、前記冷凍サイクルのいずれかの箇所の温度を検出する温度センサと、前記圧縮機が吸込圧と吐出圧との差異が小さい低差圧運転をする場合には、前記圧縮機の圧縮比が使用範囲を外れないように前記温度センサが検出する温度に基づいて前記圧縮機の運転周波数の下限値を変化させる制御部と、を備えている。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態に係る熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置のブロック図。

【図2】圧縮機の吸込圧力と、吐出圧力と、圧縮比の使用範囲との関係を模式的に表現する図。

【図3】本発明の実施形態に係る熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置が実行する圧縮機の運転周波数の下限値制御のフローチャート。

【図4】本発明の実施形態に係る熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置が圧縮機の運転周波数の下限値の補正処理に用いる補正値を概略的に表す図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明に係る熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置の実施形態について図１から図４を参照して説明する。なお、複数の図面中、同一または相当する構成には同一の符号が付されている。

【0011】

図１は、本発明の実施形態に係る熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置のブロック図である。

【0012】

図１に示すように、本実施形態に係る熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置１は、循環する冷媒と外気との間で熱交換を行い、かつ循環する冷媒と循環する熱媒体との間で熱交換を行う熱源ユニット２と、熱源ユニット２によって暖められた熱媒体を循環させて利用する負荷ユニット３と、を備えている。

【0013】

なお、以下の説明では、熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置１を単に「ヒートポンプ装置１」と記載する。

【0014】

熱源ユニット２は、冷凍サイクル５を備えている。冷凍サイクル５は、圧縮機１１と、四方弁１２と、第一熱交換器１３と、絞り装置としての膨張弁１５と、第二熱交換器１６と、これらの部品を順次接続する冷媒配管１７と、を備えている。圧縮機１１は、これらの冷凍サイクル部品に冷媒を循環させる。冷凍サイクル５を循環する冷媒は、例えばＲ４１０Ａ、またはＲ３２である。

【0015】

第一熱交換器１３は、一般的に水熱交換器とも呼ばれ、冷媒と不可ユニット３を循環する熱媒体との間で熱交換させる熱交換器であり、熱媒体を加熱する場合には、凝縮器として機能し、第二熱交換器１６が蒸発器として機能するよう、冷媒の流れ方向を制御する四方弁１１により冷媒配管１７を流れる冷媒の流通方向を設定する。

【0016】

圧縮機１１は、高圧容器と、高圧容器に収容される圧縮機構と、高圧容器に収容されてインバータ装置２５を電源として圧縮機構を駆動するＤＣブラシレスモータと、を備えている。圧縮機１１は、圧縮機構で冷媒を圧縮して昇圧し、高温高圧状態の冷媒を吐出する。圧縮機１１は、インバータ装置２５によって運転周波数が変更される。圧縮機１１の回転数を上げることで、高温部分へ移動する熱量が増加し、回転数を下げることで、高温部分へ移動する熱量が低下する。

【0017】

膨張弁１５は、例えば電子膨張弁（Ｐｕｌｓｅ Ｍｏｔｏｒ Ｖａｌｖｅ：ＰＭＶ）である。膨張弁１５の開度は、冷凍サイクルの状態に応じて調節される。膨張弁１５は、第一熱交換器１３と第二熱交換器１６との間の冷媒配管１７に直列に設けられている。膨張弁１５は、冷媒を減圧して低温低圧状態の冷媒を流出させる。

【0018】

第二熱交換器１６は、空気熱交換器とも呼ばれる。第二熱交換器１６は、冷媒配管１７内の冷媒と第二熱交換器１６の雰囲気、通常は外気との間で熱交換を行う。

【0019】

また、熱源ユニット２は、第二熱交換器１６で熱交換された後の外気を吹き出す送風ファン２１と、冷凍サイクル５の各部の温度を検出する複数の温度センサと、商用交流電源Ｅに接続されて圧縮機１１のＤＣブラシレスモータを可変速駆動するインバータ装置２５と、ユーザによる操作を受け付ける入力装置であるコントローラ２６（入力部）と、熱源ユニット２および利用側機器２７の運転条件としての設定の内容と運転状態とを表示する表示部２８と、コントローラ２６の操作に基づいて熱源ユニット２の運転および利用側機器２７の運転を制御する制御部２９と、を備えている。

【0020】

各部に設けられる複数の温度センサは、圧縮機１１の吸込側の冷媒配管１７に設けられて圧縮機１１に吸い込まれる冷媒の温度ＴＳを検出する吸込温度センサ４１と、従来と同様に圧縮機１１の吐出側の冷媒配管１７に取付けられて圧縮機１１から吐出される冷媒の温度ＴＤを検出する吐出温度センサ４２と、冷媒配管１７に設けられて第一熱交換器１３から流れ出る熱交換後の冷媒の温度ＴＣ（凝縮温度）を検出する冷媒出口側温度センサ４３と、第二熱交換器１６に設けられて第二熱交換器１６を流通する冷媒の温度ＴＥ(蒸発温度)を検出する冷媒温度センサ４５と、外気温ＴＯを検出する外気温度センサ４６と、を含んでいる。

【0021】

外気温度センサ４６は、正確な外気温を検出するために、送風ファン２１の送風方向において第二熱交換器１６の上流側に配置されている。

【0022】

なお、熱源ユニット２は、冷凍サイクル５を循環する冷媒の圧力を検出する圧力センサは備えられていない。

【0023】

負荷ユニット３は、負荷ユニット３と熱源ユニット２とで共有する第一熱交換器１３と、利用側機器、例えば温水タンク５１と、温水タンク５１内の液体（湯）と第一熱交換器１３で熱交換された後の熱媒体との間で熱交換を行う利用側熱交換器５２と、を備えている。

【0024】

熱媒体回路は閉回路として図示されているが、閉回路である必要はない。熱媒体回路は、熱媒体を循環させる循環ポンプ５３、熱媒体の循環流量を一定に保つ定流量弁５５、熱媒体の逆流を防ぐ逆止弁５６、温水タンク５１、流量計５７、および第一熱交換器１３を接続して熱媒体としての水を循環させる熱媒体流路５８を備えている。熱媒体は、一般的に水であるが、凍結防止のために不凍液を用いても良い。

【0025】

ヒートポンプ装置１のユーザは、コントローラ２６から負荷ユニット３で所望する設定温度を入力する。ヒートポンプ装置１は、負荷ユニット３において外部に利用する温水タンク５１内の温水等の液体を常に高温に維持するために用いられる。このため、コントローラ２６において設定される熱媒体の設定温度は、温水利用側の要望によって決められる。この設定温度は、例えば３０℃～６４℃であり、暖房を目的とした空調機の設定温度よりも高温となる。

【0026】

循環ポンプ５３は、運転により第一熱交換器１３と利用側機器２７との間で熱媒体を循環させる。なお、循環ポンプ５３、定流量弁５５と、逆止弁５６、および流量計５７は、負荷ユニット３側の熱媒体流路５８に設けられていても良いし、熱源ユニット２側の熱媒体流路５８に設けられていても良い。冷媒配管１７を循環する冷媒が熱媒体流路５８を循環する熱媒体より高温であれば、熱媒体は、第一熱交換器１３で加熱され、利用側熱交換器５２（放熱器)で温水タンク５１内の液体を加熱し、放熱して第一熱交換器１３に返送される。

【0027】

熱媒体流路５８は、配管継手５９、５９を備えている。これら配管継手５９、５９は、熱源ユニット２と負荷ユニット３とを着脱可能に接続している。

【0028】

熱源ユニット２は、熱媒体の温度を制御するために、第一熱交換器１３の入口側に設けられて第一熱交換器１３に流れ込む熱媒体の温度ＴＷＩを検出する熱媒体入口温度センサ７１と、第一熱交換器１３の出口側に設けられて第一熱交換器１３から流れ出る熱媒体の温度ＴＷＯを検出する熱媒体出口温度センサ７２と、を備えている。温度ＴＷＩは、第一熱交換器１３で冷凍サイクル５の冷媒と熱交換を行う以前の熱媒体の温度(戻り温度)であり、温度ＴＷＯは、第一熱交換器１３で冷凍サイクル５の冷媒と熱交換を行った後の熱媒体の温度（往き温度）である。

【0029】

負荷ユニット３は、熱媒体流路５８を循環する熱媒体の流量を検出する流量計５７を備えていても良い。なお、熱媒体の循環流量は、流量計５７で検出する他に、循環ポンプ５３の回転数に対応して予め記憶される流量であっても良いし、手動入力で設定される流量であっても良い。

【0030】

制御部２９は、プロセッサ、メモリ、およびその周辺回路などのハードウェア資源を備えている。制御部２９は、プロセッサが各種プログラムを実行することで、ソフトウェアによる情報処理がハードウェア資源を用いて実現されるコンピューターで構成されている。

【0031】

また、制御部２９は、コントローラ２６への入力操作に基づいて熱源ユニット２の運転、および負荷ユニット３の運転を制御する。すなわち、制御部２９は、コントローラ２６を用いたユーザの入力操作に基づいて圧縮機１１、インバータ装置２５、四方弁１２、膨張弁１５、および送風ファン２１の動作を制御する。

【0032】

さらに、制御部２９は、吸込温度センサ４１、吐出温度センサ４２、冷媒出口側温度センサ４３、冷媒温度センサ４５、外気温度センサ４６、熱媒体入口温度センサ７１、および熱媒体出口温度センサ７２による各部位の温度の検出値、および検出または算出される熱媒体の循環流量のうちの一つ以上に基づいて、圧縮機１１の運転停止やその回転数、四方弁１２の方向、膨張弁１５の開度、および送風ファン２１の運転停止やその回転数を制御する。例えば、熱媒体出口温度センサ７２の検出温度とコントローラ２６で設定された熱媒体の設定温度との差に応じて圧縮機１１の回転数、すなわちインバータ装置２５の出力周波数は決定される。また、冷媒出口側温度センサ４３の検出温度である凝縮温度は、第一熱交換器等の冷凍サイクル部品が異常高圧になることを防止する等に用いられる。すなわち、冷媒出口側温度センサ４３の検出温度である凝縮温度が所定値、例えば６５℃、を超えると圧縮機１１の回転数を低下させる。

【0033】

なお、冷凍サイクル５は、第一熱交換器１３で熱媒体を加熱する運転中に生じた第二熱交換器１６に生じた霜を取り除くために、四方弁１２によって冷媒配管１７を流れる冷媒の流通方向を切替えて除霜運転を実施する。除霜運転を実施する際、ヒートポンプ装置１は、四方弁１２を反転させて熱媒体を加熱する冷媒の流れと逆向きの冷媒の流れを冷凍サイクル５に生じさせる。すなわち、冷凍サイクル５は、圧縮機１１、四方弁１２、第二熱交換器１６、膨張弁１５、第一熱交換器１３、四方弁１２、および圧縮機１１の順に冷媒を流通させる。この除霜運転中は、第二熱交換器１６は凝縮器として機能し、第一熱交換器１３は蒸発器として機能する。凝縮器として機能する第二熱交換器１６は、表面に付着した霜を溶解する。

【0034】

また、除霜運転が不要な温暖地域向けでは、冷凍サイクル５は、四方弁１２を備えていない、水の加熱専用であっても良い。この場合、圧縮機１１の吐出側は、冷媒配管１７を介して第一熱交換器１３に接続され、圧縮機１１の吸込側は冷媒配管１７を介して第二熱交換器１６に接続される。

【0035】

図２の横軸は圧縮機１１の吸込圧力であり、図２の縦軸は圧縮機１１の吐出圧力であり、横軸の左端は圧縮機１１の起動時などの過渡期を除く圧縮機１１の安定運転中に使用可能な最低吸込圧力値である。図２の線分Ａは、圧縮機１１の圧縮比の使用範囲の下限である。

【0036】

図２に示すように、圧縮機１１の圧縮比の使用範囲の下限は、圧縮機１１の吸込圧力および吐出圧力に比例する右上がりの線分Ａで表現できる。この線分Ａより下方の状態で圧縮機１１を定常運転することは圧縮機の信頼性の観点から許容されない。つまり、定常運転時の圧縮機１１の圧縮比は、線分Ａ以上の領域Ｂに属することが求められる。

【0037】

吸込圧と吐出圧との差異が小さい、低圧縮比の状態は、線分Ａの近傍に位置する

【0038】

本実施形態に係るヒートポンプ装置１は、冷凍サイクル５に圧力センサを備えていない。そのため、ヒートポンプ装置１は、圧力センサが検出する圧力に基づいて、圧縮機の吐出圧力、圧縮機の吸込圧力、および圧縮比が使用可能範囲（領域Ｂ）に納まるように圧縮機１１の運転周波数を制御することはできない。

【0039】

ここで、圧縮機１１の圧縮比を使用範囲に納めるために、圧縮機１１の線分Ａ以上の領域Ｂに入らないように予めインバータ装置２５の出力周波数、すなわち圧縮機１１の運転周波数の下限値を高めに設定することが考えられる。しかしながら、運転周波数の下限値を高くすると、冷凍サイクル５の最小能力が上昇することになり、ヒートポンプ装置１の加熱能力の範囲が狭くなり、効率が低下する。なお、圧縮機１１の吐出圧力、圧縮機１１の吸込圧力、および圧縮比が使用範囲を逸脱した場合には圧縮機１１の故障リスクが上昇するため、好ましくない。

【0040】

そこで、本実施形態に係るヒートポンプ装置１の制御部２９は、圧縮機１１の運転状態が吸込圧と吐出圧との差異が小さい低差圧運転である場合には、圧縮機１１の圧縮比が使用範囲を外れないように、冷凍サイクル５のいずれかの箇所の温度を検出する温度センサが検出する温度に基づいて圧縮機１１の運転周波数の下限値を変化させる。

【0041】

図３は、本発明の実施形態に係る熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置が実行する圧縮機の運転周波数の下限値制御のフローチャートである。以下の説明において、フローチャート中の各ステップＳ＊をＳ＊で表記する。

【0042】

図３に示すように、ヒートポンプ装置１の制御部２９は、運転を開始すると、熱媒体の第一熱交換器１３の出口温度ＴＷＯとコントローラ２６に設定される熱媒体の設定温度ＴＷＯｔとの大小関係が判定される（Ｓ１）。具体的には、圧縮機１１が停止中においては、出口温度ＴＷＯが設定温度ＴＷＯｔの値以下か否かを判断する（ステップＳ１）。一方、圧縮機１１が運転中の場合は、出口温度ＴＷＯが（設定温度ＴＷＯｔ＋α）の値を超えたか否かが判断される。

【0043】

ここで圧縮機１１が運転中にステップＳ１の判断が肯定された場合、つまり（温度ＴＷＯ）＞（設定温度ＴＷＯｔ）＋αの場合、および圧縮機１１停止中に（温度ＴＷＯ）＞（設定温度ＴＷＯｔ）の場合には（Ｓ１ Ｙｅｓ）、制御部２９は、圧縮機１１を停止させ、または圧縮機１１の停止を維持して（Ｓ２）、Ｓ１に戻る。ここでデファレンシャル値αは、例えば２℃である。

【0044】

Ｓ１の判断が否定される場合、つまり圧縮機１１が運転中に（温度ＴＷＯ）≦（設定温度ＴＷＯｔ）＋αの場合および圧縮機１１が停止中に（温度ＴＷＯ）≦（設定温度ＴＷＯｔ）の場合（Ｓ１ Ｙｅｓ）には、続くステップで圧縮機１１が運転開始もしくは運転継続される。具体的には制御部２９は、圧縮機１１が停止中か否かを判断する（Ｓ３）。制御部２９は、圧縮機１１が停止している場合には（Ｓ３ Ｙｅｓ）、圧縮機１１を起動し（Ｓ４）、実質的に同時に圧縮機１１の起動タイマの計時を開始して（Ｓ５）、Ｓ１に戻る。

【0045】

また、Ｓ３の判断が否定される場合、つまり圧縮機１１が運転中の場合には（Ｓ３ Ｎｏ）、圧縮機１１の運転が継続されＳ６に移動して、以降圧縮機１１の運転周波数を決定する制御に入る。続いて制御部２９は、第一熱交換器１３から流れ出る熱媒体の温度ＴＷＯが設定温度ＴＷＯｔより低いか否かを判断する（Ｓ６）。制御部２９は、第一熱交換器１３から流れ出る熱媒体の温度ＴＷＯが設定温度ＴＷＯｔより低い場合、つまり（温度ＴＷＯ）＜（設定温度ＴＷＯｔ）の場合には（Ｓ６ Ｙｅｓ）、圧縮機１１の運転周波数の設定値を所定時間毎に増加させる（Ｓ７）。また、第一熱交換器１３から流れ出る熱媒体の温度ＴＷＯが設定温度ＴＷＯｔ以上の場合、つまり（温度ＴＷＯ）≧（設定温度ＴＷＯｔ）の場合には、圧縮機１１の運転周波数の設定値を所定時間毎に減少させる（Ｓ８）。なお、Ｓ７における運転周波数の増加は、例えば５Ｈｚ／３０秒であり、Ｓ８における運転周波数の減少は、例えば５Ｈｚ／６０秒である。運転周波数の増加割合および減少割合は、同じであっても良いし、異なっていても良い。また、極端なオーバーシュートを防止するためにＳ６の判定条件のデファレンシャルを設けてＴＷＯ＜ＴＷＯｔ―β、ここで例えばβは２℃である、としても良い。

【0046】

本実施形態においては、上述のように圧縮機１１の運転周波数を積分（Ｉ）制御で決定したが、（温度ＴＷＯ）―（設定温度ＴＷＯｔ）の温度差に基づき比例積分（ＰＩ）制御で決定しても良いし、さらにはＰＩＤ制御として微分制御を組み込んで適切な運転周波数を決定しても良い。

【0047】

次いで、制御部２９は、圧縮機１１が起動してから所定の待機時間が経過したか否かを判断する（Ｓ９）。所定の時間は、圧縮機１１の起動過渡において運転周波数の下限値の補正処理（以下に説明するＳ１２からＳ１５）が実行されることを避けるために設定されている。所定の時間は、例えば６００秒に設定される。

【0048】

Ｓ９の判断が否定される場合、つまり圧縮機１１が起動してから所定の待機時間が経過していない場合には（Ｓ９ Ｎｏ）、制御部２９は、インバータ装置２５を介して圧縮機１１を前述のＳ７、Ｓ８で決定した設定周波数で駆動させて（Ｓ１０）、Ｓ１に戻る。なお、Ｓ１０における設定周波数は、圧縮機１１が起動してから所定の待機時間が経過した後には、Ｓ７、Ｓ８の他に、これから説明する運転周波数の下限値の補正処理によっても変更される。

【0049】

Ｓ９の判断が肯定される場合、つまり圧縮機１１が起動してから所定の待機時間（６００秒）が経過した後（Ｓ９ Ｙｅｓ）には、制御部２９は、起動タイマの計時を初期化（零値化:リセット）して（Ｓ１１）、後述する運転周波数の下限値の補正処理を実行する。

【0050】

図４に基づき圧縮機１１の運転周波数の下限値の補正処理を説明する。

【0051】

図４に示すように、ヒートポンプ装置１の制御部２９は、設定温度ＴＷＯｔと第二熱交換器１６が設置される場所の雰囲気温度である外気温ＴＯとから補正値ΔＬＨｚを算出する。この補正値ΔＬＨｚは、圧縮機１１の運転周波数の下限値を上昇させるための補正値であって、正の値である。

【0052】

補正値ΔＬＨｚは、外気温ＴＯが高くなるほど大きく、かつ設定温度ＴＷＯｔが低くなるほど大きい。換言すると、補正値ΔＬＨｚは、外気温ＴＯが低くなるほど小さく、かつ設定温度ＴＷＯｔが高くなるほど小さい。補正値ΔＬＨｚは、図４において上右側の直角な角を有する直角三角形状の領域Ｃにおいて、負の値となる。この領域Ｃでは、補正値ΔＬＨｚは、零値に設定される。つまり領域Ｃでは、（補正値ΔＬＨｚ）＝０である。

【0053】

また、補正値ΔＬＨｚが正の値の領域では、本実施形態における運転周波数の下限値を上昇させる制御を行わなければ、圧縮機１１の圧縮比が使用範囲を逸脱する虞がある（図２における線分Ａより下方の領域にプロットされる）。

【0054】

ここで、外気基準値ａ、外気補正値ｂ、設定基準値ｃとして補正値ΔＬＨｚは、次のように算出される。なお、外気基準値ａ、外気補正値ｂ、設定基準値ｃは、予め実験的に定められた固定値である。
［数１］
（補正値ΔＬＨｚ）＝（補正量Ｘ）＋（補正量Ｙ）
（補正量Ｘ）＝（外気温ＴＯ）＋（（外気温ＴＯ）－（外気基準値ａ））×（外気補正値ｂ）－（設定温度ＴＷＯｔ）
（補正量Ｙ）＝（設定基準値ｃ）－（設定温度ＴＷＯｔ）

【0055】

なお、図４に示すとおり、補正値ΔＬＨｚは、零値以上に設定される。言い換えれば、補正値ΔＬＨｚの計算結果が、負の値になれば、零に変更される。

【0056】

そして、圧縮機１１の運転周波数の初期下限値ＬＨｚ、圧縮機１１の運転周波数の補正後の下限値ＬＨｚ′として圧縮機１１の運転周波数の下限値ＬＨｚ′は次のように補正される。
［数２］
（補正後の下限値ＬＨｚ′）＝（初期下限値ＬＨｚ）＋（補正値ΔＬＨｚ）

【0057】

なお、圧縮機１１の運転周波数の初期下限値ＬＨｚは、使用されている圧縮機１１を通常運転範囲において不具合なく運転できる最低の運転周波数値に設定される。この初期下限値ＬＨｚは、一般的なロータリ圧縮機では、例えば１２から３０ヘルツ（Ｈｚ）である。

【0058】

なお、外気基準値ａ、外気補正値ｂ、および設定基準値ｃは、冷凍サイクル５の能力、および負荷ユニット３の負荷によって異なる。外気基準値ａおよび設定基準値ｃは、ヒートポンプ装置１および圧縮機１１の仕様に基づき実験的に定められる。外気補正値ｂは、［数２］の補正によって圧縮機１１の圧縮比が図２の線分Ａ以上の領域Ｂに属するように実験によって設定される。

【0059】

図３に戻って、制御部２９は、［数１］で算出される、図４に図示された関係を有する補正値ΔＬＨｚを算出し（Ｓ１２）、［数２］で算出される補正後の下限値ＬＨｚ′を算出する（Ｓ１３）。なお、補正後の下限値ＬＨｚ′は、（補正値ΔＬＨｚ）＞０の場合にのみ初期下限値ＬＨｚより大きい数値に設定される。

【0060】

次いで、制御部２９は、ステップＳ７、Ｓ８において決定した圧縮機１１の運転周波数の設定値が補正後の下限値ＬＨｚ′より小さいか否かを判断する（Ｓ１４）。圧縮機１１の運転周波数の設定値が補正後の下限値ＬＨｚ′より小さい場合には（Ｓ１４ Ｙｅｓ）、制御部２９は、圧縮機１１の運転周波数の設定値を下限値ＬＨｚ′に変更し（Ｓ１５）、インバータ装置２５を介して圧縮機１１を運転周波数の設定値で駆動させ（Ｓ１０）た後、Ｓ１に戻る。

【0061】

他方、圧縮機１１の運転周波数の設定値が補正後の下限値ＬＨｚ′以上の場合には（Ｓ１４ Ｎｏ）、制御部２９は、インバータ装置２５を介して圧縮機１１をステップＳ７、Ｓ８において決定した運転周波数の設定値で駆動させて（Ｓ１０）、Ｓ１に戻る。

【0062】

以上説明したように、本実施形態に係るヒートポンプ装置１は、圧縮機１１が低差圧運転をする場合には、圧縮機１１の圧縮比が使用範囲を外れないように温度センサが検出する温度に基づいて圧縮機１１の運転周波数の下限値を変化させる。そのため、ヒートポンプ装置１は、冷凍サイクル５に圧力センサを設けることなく、圧縮機１１の圧縮比を使用範囲内に維持しながら運転することで圧縮機１１の故障リスクを低減できる。 また、本実施形態に係るヒートポンプ装置１は、外気温ＴＯの高低、および負荷ユニット３の設定温度ＴＷＯｔの高低に応じて圧縮機１１の運転周波数の下限値を変化させる。つまり、ヒートポンプ装置１は、一般的なヒートポンプ装置１が備え、かつ急激な温度変化に曝されることのない外気温度センサ４６と、一般的にユーザが所望する負荷ユニット３の設定温度ＴＷＯｔと、に基づいて圧縮機１１の運転周波数の下限値を変化させる。そのため、ヒートポンプ装置１は、圧縮機１１の圧縮比が使用範囲を逸脱しないよう圧縮機１１の運転周波数の制御に供する専用の温度センサや圧力センサを必要とせず、極めて低コストで圧縮機１１の故障リスクを低減できる。

【0063】

さらに、本実施形態に係るヒートポンプ装置１は、外気温ＹＯが高くなるほど圧縮機１１の運転周波数の下限値を上昇させ、かつ負荷ユニット３の設定温度ＴＷＯｔが低くなるほど圧縮機１１の運転周波数の下限値を上昇させる。そのため、ヒートポンプ装置１は、高低の幅広い外気温ＴＯ、および高低の幅広い設定温度ＴＷＯｔに対応して圧縮機１１の圧縮比を使用範囲内に維持しながら低差圧運転させて圧縮機１１の故障リスクを低減できる。

【0064】

したがって、本実施形態に係るヒートポンプ装置１は、冷媒の圧力を検出することなく、圧縮機１１の低差圧運転時に圧縮比を使用範囲内に維持できる。

【0065】

なお、圧縮機１１が低差圧運転となるのは、熱媒体の温度が設定温度ＴＷＯｔに近づいた状態である。すなわち、このような状態下では、熱媒体入口温度センサ７１で検出される第一熱交換器１３に流れ込む熱媒体の温度ＴＷＩおよび熱媒体出口温度センサ７２によって検出される第一熱交換器１３から流れ出る熱媒体の温度ＴＷＯは、（設定温度ＴＷＯｔ）に近い値を示す。そこで、補正値ΔＬＨｚの算出において用いられている［数２］中の（設定温度ＴＷＯｔ）を、熱媒体入口温度センサ７１で検出される第一熱交換器１３に流れ込む熱媒体の温度ＴＷＩまたは熱媒体出口温度センサ７２によって検出される第一熱交換器１３から流れ出る熱媒体の温度ＴＷＯに置き換えても良い。この場合、熱媒体の温度が設定温度ＴＷＯｔから低い側に離れた状態において、補正値ΔＬＨｚが大きい値となるが、もともとこのような状況では圧縮機１１の運転周波数は高く制御されているため、補正値ΔＬＨｚが大きくなって圧縮機１１の運転周波数の下限値ＬＨｚ′が高く設定されたとしても本来の熱媒体の温度制御に対する悪影響はほとんどない。この場合、［数２］中の各係数である外気基準値ａ、外気補正値ｂは、そのまま使用することができ、設定基準値ｃは、若干変更することが望ましい。

【0066】

また、熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置１を構成する熱源ユニット２は、一体の筐体に収納されていても良いし、第一熱交換器１３と他の冷凍サイクル構成部品とを別々の筐体に収納した二筐体の構成であっても良い。

【0067】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0068】

１…熱媒体循環型加熱ヒートポンプ装置、２…熱源ユニット、３…負荷ユニット、５…冷凍サイクル、１１…圧縮機、１３…第一熱交換器、１６…第二熱交換器、２５…インバータ装置、２６…コントローラ(入力部)、２７…利用側機器、２８…表示部、２９…制御部、４１…吸込温度センサ、４２…吐出温度センサ、４３…冷媒出口側温度センサ、４５…冷媒温度センサ、４６…外気温度センサ、５１…温水タンク、５２…利用側熱交換器、７１…熱媒体入口温度センサ、７２…熱媒体出口温度センサ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】