JP4860267B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ装置に関する。

圧縮機と凝縮器と膨張弁と蒸発器とを介設した冷媒循環流路を有するヒートポンプ装置において、例えば特許文献１および２に記載されているように、凝縮器に冷却ファンで通風して凝縮器中の冷媒を冷却する空冷式の凝縮器を用いるものが公知である。

従来のヒートポンプ装置は、負荷に合わせて圧縮機の回転数を増減する手段を有するのが一般的である。その一方、凝縮器の作用は、雰囲気温度などに任され、通常、管理されていない。このため、凝縮器の冷却ファンは、低負荷時にも、最大負荷に合わせた風量を通風し続け、必要以上のエネルギーを消費するという問題があった。
特開平７−６３４２７号公報 特開平７−１２００８６号公報

そこで、前記問題点に鑑みて、本発明は、凝縮器の冷却ファンが無駄なエネルギーを消費しないヒートポンプ装置を提供することを課題とする。

前記問題点を解決するために、本発明によるヒートポンプ装置は、冷媒が封入され、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、前記冷媒と被冷却媒体との間で熱交換する蒸発器とが介設された冷媒循環流路と、前記凝縮器に通風する冷却ファンと、前記被冷却媒体の前記蒸発器入口における温度を検出する温度センサと、前記被冷却媒体の前記蒸発器出口における温度を検出する温度センサとを有し、前記圧縮機は、前記蒸発器出口における温度に基づき、当該温度を一定に保つように回転数制御され、負荷率に応じて、前記冷却ファンの回転数を定め、負荷率を示す値として、前記蒸発器入口における温度と前記蒸発器出口における温度との差分を用い、前記差分が小さくなるに従い、前記冷却ファンの回転数を低くするものとする。

この構成によれば、ヒートポンプ装置の負荷率、つまり、蒸発器において冷媒と被冷却媒体との間で交換すべき熱量に応じて、冷却ファンの回転数を増減することで、冷却ファンが凝縮器に必要以上の空気を通風させないようにできる。このようにして、冷却ファンに無駄なエネルギーを消費させないことで、ヒートポンプ全体の効率を高く維持することができる。

また、本発明のヒートポンプ装置では、一般的な圧縮機の回転数制御によって被冷却媒体の蒸発器出口における温度を一定に保ち、被冷却媒体の蒸発器入口における温度と蒸発器出口における温度との差分によってヒートポンプ装置の負荷率を直接測定し、冷却ファンの消費エネルギーを必要最小限度に制御することができる。

また、本発明のヒートポンプ装置において、外気温度を計測する外気温度センサを有し計測された外気温度が低いときには、前記冷却ファンの回転数を低くする度合いを大きくしてもよい。

この構成によれば、外気温度にかかわらず、冷却ファンの消費エネルギーを必要最小限度に制御することができる。

以上のように、本発明によれば、ヒートポンプ装置の負荷率に応じて、冷却ファンによる凝縮器の通風量を最適化するので、ヒートポンプ装置全体の効率を高く維持することができる。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態であるヒートポンプ装置１を示す。ヒートポンプ装置１は、スクリュ圧縮機２と凝縮器３と受液器４と蒸発弁５と蒸発器６とが介設され、冷媒が封入された冷媒循環流７を有している。ヒートポンプ装置１は、冷媒が蒸発器６において冷却水やブラインなどの被冷却媒体から熱を奪い、凝縮器３において空気中に熱を放出するものである。

スクリュ圧縮機２は、圧縮機モータ８で駆動され、圧縮機モータ８は、圧縮機インバータ９によって回転数制御されている。

また、ヒートポンプ装置１は、凝縮器３に外気を通風させる冷却ファン１０が設けられており、冷却ファン１０を回転させるファンモータ１１は、ファンインバータ１２によって回転数を制御可能である。

ヒートポンプ装置１は、さらに、圧縮機インバータ９およびファンインバータ１２の周波数を制御する制御装置１３と、蒸発器６の出口における被冷却媒体の温度を計測する温度センサ１４とを有している。

制御装置１３は、従来のヒートポンプ装置と同様に、温度センサ１４が検出する温度を予め設定された温度に保つように、圧縮機インバータ９の周波数、つまりスクリュ圧縮機２の回転数をＰＩＤ制御する。この制御によれば、制御装置１３は、蒸発器６における冷媒と被冷却媒体との交換熱量、ひいては、ヒートポンプ装置１の負荷率が高くなるほど、スクリュ圧縮機２の回転数が高くなる。

さらに、制御装置１３は、上記制御による圧縮機インバータ９の設定周波数に応じて、ファンインバータ１２の設定周波数を変更する。つまり、制御装置１３は、ヒートポンプ装置１の負荷率に応じて冷却ファン１０の回転数を制御する。

ここで、冷却ファン１０の回転数制御について説明するために、図２に、冷却ファン１０の定格に対する回転数比を変化させたときの、ヒートポンプ装置１の全体効率である成績係数（ＣＯＰ）の変化が、負荷率によってどのように異なるかをグラフに示す。なお、本実施形態においては、上述したＰＩＤ制御に基づき決定されるスクリュ圧縮機２の回転数を所定の回転数、例えば３６７５ｒｐｍで除した値を負荷率としている。

図示するように、いずれの負荷率においても、ある回転数比において最大効率を示すが、負荷率が低いほど、最大効率を示すファン１０の回転数比が低いことが分かる。具体的には、外気温度２５℃において、最大効率を示す冷却ファン１０の回転数比は、負荷率８０％のときに０．８、負荷率５０％のときに０．７５、負荷率３５％のときに０．６５、負荷率２５％のときにやはり０．６５程度である。また、外気温度１５℃において、最大効率を示すファン１０の回転数比は、負荷率２５％のときに０．５５程度である。なお、負荷率が低いほど、最大効率を示す冷却ファン１０の低いと上述したが、外気温度２５度の場合には、負荷率２５％以下では最大効率を示す冷却ファン１０の回転数比は略一定となっている。

以上の効率変化をふまえて、ヒートポンプ装置１では、外気温度２５℃のデータに基づく図３に示すように、負荷率に応じて冷却ファン１０の回転数を定める。具体的には、ヒートポンプ装置１は、負荷率３５％以下では冷却ファン１０の定格に対する回転数比を０．６５に設定し、負荷率が３５％を超え、５０％以下のときは冷却ファン１０の回転数比を０．７５に設定し、負荷率が５０％を超え、８０％以下のときは冷却ファン１０の回転数比を０．８に設定し、負荷率が８０％を超えるときは冷却ファン１０の回転数比を１．０に設定する。

冷却ファン１０の負荷率に応じた最適な回転数比は、破線で示すように、連続的に変化するが、ヒートポンプ装置１においては、制御の安定性などを考慮して、上記のような段階的な回転数制御を行う。尚、実際の制御において、負荷率はスクリュ圧縮機２の回転数に略比例するので、制御装置１３は、圧縮機インバータ９の設定周波数に応じてファンインバータ１２の設定周波数を定める。

このようにして、本実施形態のヒートポンプ装置１は、負荷率の変動に応じて、冷却ファン１０の回転数を変化させることで、全体の効率を高く維持することができる。

さらに、本発明の異なる実施形態について説明する。
図４は、本発明の第２実施形態であるヒートポンプ装置１ａを示す。このヒートポンプ装置１ａは、第１実施形態のヒートポンプ装置１と多くの構成を同じくするが、さらに、蒸発器６の入口における被冷却媒体の温度を計測する温度センサ１５を有している。

制御装置１３は、従来のヒートポンプ装置と同様に、ひいては、ヒートポンプ装置１と同様に、温度センサ１４が検出する被冷却媒体の温度を予め設定された温度に保つように、圧縮機インバータ９の周波数、つまり、スクリュ圧縮機２の回転数をＰＩＤ制御する。さらに、制御装置１３は、温度センサ１５にて検出された蒸発器６の入口における被冷却媒体の温度と、温度センサ１４にて検出された蒸発器６の出口における被冷却媒体の温度との差分に応じて、冷却ファン１０の回転数を制御する。

具体的には、蒸発器６の入口における被冷却媒体の温度（温度センサ１５にて検出された温度）をＴｓとし、蒸発器６の出口における被冷却媒体の温度（温度センサ１４にて検出された温度）をＴｄとし、負荷率をＬとした場合、予め定められた温度ＴｔｈよりＴｓが高くならない範囲内で、制御装置１３は、負荷率ＬをＬ＝（Ｔｓ−Ｔｄ）／（Ｔｔｈ−Ｔｄ）×１００％で算出する。

例えば、上記ＰＩＤ制御にて蒸発器６の出口における被冷却媒体の温度を７℃で一定に保つように設定され、予め定められた温度Ｔｔｈが１２℃である場合を考えるとＴｄは、理想的には７℃になるので、その理想状態にて、Ｔｓが１２℃であれば、負荷率Ｌは１００％と算出される。同様に、Ｔｓが１１℃であれば、負荷率Ｌは８０％、Ｔｓが１０℃であれば負荷率Ｌは６０％、Ｔｓが９℃であれば、負荷率Ｌは４０％、Ｔｓが８℃であれば、負荷率Ｌは２０％と算出される。負荷率Ｌが算出されれば、ヒートポンプ装置１ａは、上述のヒートポンプ装置１と同様に、図３に示すように、負荷率Ｌに応じて冷却ファン１０の回転数と定める。

さらに、本発明の第３実施形態について説明する。
図５は、本発明の第３実施形態のヒートポンプ装置１ｂを示す。このヒートポンプ装置１ｂは、第１実施形態のヒートポンプ装置１と多くの構成を同じくするが、さらに、凝縮器３の周囲の外気温度を計測する外気温度センサ１６を有している。

制御装置１３は、従来のヒートポンプ装置と同様に、ひいては、ヒートポンプ装置１と同様に、温度センサ１４が検出する被冷却媒体の温度を予め設定された温度に保つように、圧縮機インバータ９の周波数、つまり、スクリュ圧縮機２の回転数をＰＩＤ制御する。

ところで、上述した図２に示された外気温度２５℃で負荷率２５％の場合の曲線と、外気温度１５℃で負荷率１５％の曲線を見て分かるとおり、外気温度が低下するにつれ、最大効率を示すファン１０の回転数比も低下する。具体的には、上述したとおり、外気温度２５℃で負荷率２５％のときに０．６５程度であった「最大効率を示す冷却ファン１０の回転数比」は、外気温度１５℃で同じ負荷率２５％のときには０．５５程度に低下する。

なお、本発明者らは、負荷率２５％以外の場合であっても、外気温度が低下するにつれて「最大効率を示す冷却ファン１０の回転数比」が低下することを知見した。これは、外気温度が低下してくると、主にスクリュ圧縮機２の動力と冷却ファン１０の動力からなる全体動力の中で、冷却ファン１０の動力の割合が大きくなってくることから、冷却ファン１０の風力変化時の性能変化が大きく、最適な風量が低風量側に移行することを意味している。

本実施形態のヒートポンプ装置１ｂは、上述した知見に基づき、外気温度を外気温度センサ１６で計測して、計測された外気温度が「所定の温度」以下に低下した場合（外気温度が低いとき）には、スクリュ圧縮機２の回転数が低いときに冷却ファン１０の回転数を低くする度合いを大きくするように、逆に、外気温度が「所定の温度」以上に上昇した場合（外気温度が高いとき）には、スクリュ圧縮機２の回転数が低いときに冷却ファン１０の回転数を低くする度合いを小さくするように、構成されている。なお、ここでいう前者の「所定の温度」は、後者の「所定の温度」以下であればよく、両者が同一であることは必須ではない。

具体的には、例えば次のとおりである。
予め、上述の図３に準じ、且つ、外気温度毎に異なるグラフ、すなわち外気温度毎に異なる複数の「負荷率と冷却ファン回転数との関係を示すグラフ」のデータ（図３、図６、図７のデータ）を制御装置１３は保持する。そして制御装置１３は外気温度が１５℃より高く、３５℃より低い場合は上述の図３に基づいて、外気温度が１５℃以下の場合は図６に基づいて、外気温度が３５℃以上の場合は図７に基づいて、冷却ファン１０の回転数を定める。

図３、図６、図７を見て分かるとおり、外気温度にかかわらず、負荷率が低下するに従い、冷却ファン１０の定格に対する回転数比は段階的に低下される。ただし、図面上の段差は、図７よりも図３、さらに図３よりも図６のほうが大きくなっている。そのことから分かるように、冷却ファン１０の定格に対する回転数比が低下される場合のその低下の度合いは外気温度が低いほど大きくされている。すなわち、ここでは、外気温度が１５℃以下に低下した場合には、スクリュ圧縮機２の回転数が低いときに冷却ファン１０の回転数を低くする度合いを大きくするように、逆に外気温度が３５℃以上に上昇した場合には、スクリュ圧縮機２の回転数が低いときに冷却ファン１０の回転数を低くする度合いを小さくするように、構成されている。

このように外気温度の変化を把握し、それを冷却ファン１０の制御に利用するように構成することで、外気温度の変化にかかわらず、全体の効率を維持できるという利点がある。

なお、第２実施形態のヒートポンプ装置１ａに外気温度を計測する外気温度センサを付加し、上述の第３実施形態と同様に、外気温度を冷却ファン１０の制御に利用するように構成してもよい。

無論、「負荷率と冷却ファン回転数との関係を示すグラフ」は上述のような３つに限らず、もっと多数のデータを制御装置１３が保持するようにしてもよい。また、冷却ファン１０の回転数を段階的に変化させるのではなく、負荷率や外気温度の関数として、例えばＰＩＤ制御などによって連続的に変化させてもよい。

なお、本発明にいうヒートポンプ装置は上述のものに限らない。上述したものは、蒸発器６において冷媒と被冷却媒体を熱交換して、冷却された被冷却媒体を活用する機能を有するものであるが、本発明にいうヒートポンプ装置はその機能のみを有するものに限定されず、いわゆる冷暖房の機能を切換可能なものであってもよい。例えば、本発明のヒートポンプ装置は、上述した図１のものに、さらに４方弁等の介設された切換流路を具備し、その４方弁等の開閉にて、冷媒循環流路の冷媒の流れを切り換えることによって、図１における凝縮器３に蒸発器の役割を担わせるとともに、図１における蒸発器６に凝縮器の役割を担わせるようにし、被冷却媒体と称している媒体を冷却するのみでなく暖めることもできるように構成したものであってもよい。

本発明の第１実施形態のヒートポンプ装置の概略図。 図１のヒートポンプにおける冷却ファンの回転数比と成績係数比との関係を負荷率毎に示すグラフ。 図１のヒートポンプにおける負荷率と冷却ファン回転数との関係を示すグラフ。 本発明の第２実施形態のヒートポンプ装置の概略図。 本発明の第３実施形態のヒートポンプ装置の概略図。 図５のヒートポンプの外気温度１５℃以下における、負荷率と冷却ファン回転数との関係を示すグラフ。 図５のヒートポンプの外気温度３５℃以上における、負荷率と冷却ファン回転数との関係を示すグラフ。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ ヒートポンプ装置
２ スクリュ圧縮機
３ 凝縮器
５ 膨張弁
６ 蒸発器
７ 冷媒循環流路
９ 圧縮機インバータ
１０ 冷却ファン
１２ ファンインバータ
１３ 制御装置
１４ 温度センサ
１５ 温度センサ
１６ 外気温度センサ

Claims (2)

1. 冷媒が封入され、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、前記冷媒と被冷却媒体との間で熱交換する蒸発器とが介設された冷媒循環流路と、
   前記凝縮器に通風する冷却ファンと、
   前記被冷却媒体の前記蒸発器入口における温度を検出する温度センサと、
   前記被冷却媒体の前記蒸発器出口における温度を検出する温度センサとを有し、
   前記圧縮機は、前記蒸発器出口における温度に基づき、当該温度を一定に保つように回転数制御され、
   負荷率に応じて、前記冷却ファンの回転数を定め、
   負荷率を示す値として、前記蒸発器入口における温度と前記蒸発器出口における温度との差分を用い、
   前記差分が小さくなるに従い、前記冷却ファンの回転数を低くすることを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 外気温度を計測する外気温度センサを有し、
   計測された外気温度が低いときには、前記差分が小さいときに前記冷却ファンの回転数を低くする度合いを大きく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。

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