JP2723339B2 - ヒートポンプ暖房装置 - Google Patents

ヒートポンプ暖房装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、空気調和装置、より詳細には、ヒートポン
プ暖房装置に関する。
（従来の技術） 能力可変のヒートポンプ暖房装置においては、例えば
リモートコントローラによって室温に関する設定温度が
設定されると、室内温度と設定温度との間の偏差に応じ
て圧縮機の回転速度すなわち暖房能力が制御される。そ
の場合、圧縮機は、温度偏差の大きい、いわゆる暖房負
荷の大きいときは、より高い回転速度で駆動され、温度
偏差の小さい、いわゆる暖房負荷の小さいときは、より
低い回転速度で駆動される。
（発明が解決しようとする課題） 室内温度が設定温度よりもかなり低い状況の下で暖房
装置の運転を開始した場合、室内温度が設定温度に向か
って次第に上昇して行き、両者の差が次第に小さくなる
につれて、圧縮機の回転速度も次第に低下する。圧縮機
の回転速度が低下すると、暖房装置から室内に吹き出さ
れる空気の温度も低下する。そのため、暖房運転中、室
内温度が設定温度に近付いてくると、室内の人間にとっ
て肌寒く感じ、それにより不快感を持つことがあった。
したがって本発明の目的は、室内温度と設定温度との
間の偏差が小さい場合でも、吹き出し温度の低下によっ
て室内の人間に不快感を与えることの無いヒートポンプ
暖房装置を提供することにある。
〔発明の構成〕
（課題を解決するための手段） この目的を達成するために本発明は、圧縮機、凝縮
器、および蒸発器を含んで構成された冷凍サイクルと、
凝縮器により熱交換された空気を室内に吹き出す室内フ
ァンと、圧縮機を駆動する第１の駆動手段と、室内ファ
ンを駆動する第２の駆動手段と、室内温度を検出する第
１の検出手段と、室内ファンから吹き出される空気の温
度を検出する第２の検出手段と、室内温度を設定する第
１の設定手段と、第１の検出手段によって検出された室
内温度が第１の設定手段によって設定された温度以下で
あるときに、第２の検出手段によって検出された吹出し
温度が所定の範囲内の値をとるように圧縮機の速度を、
第１の駆動手段を介して制御する第１の制御手段と、第
１の検出手段によって検出された室内温度が第１の設定
手段によって設定された温度に対して低いほど高速回転
させ、検出された室内温度が制定された温度に近いほど
低速回転させるように、室内ファンの速度を、第２の駆
動手段を介して制御する第２の制御手段とを備えたヒー
トポンプ暖房装置を提案するものである。
（作 用） 上記構成のヒートポンプ暖房装置においては、暖房装
置の吹出し温度が所定の範囲内の値をとるように圧縮機
の速度を制御するため、室温が低い値から設定温度に到
達するまでの間、吹出し温度の低下がなく、室内の人間
に肌寒さや不快感を与えることがない。
また、室内ファンの速度を、室内温度がその設定値に
対して低いほど高速回転させ、室内温度がその設定値に
近いほど低速回転させるため、室内温度が設定値に近付
くに伴って暖房装置の暖房能力が低減され、空調負荷に
見合った運転が可能となる。
すなわち、室温がその設定値に対し大幅に低い場合に
は、室内ファンは高速回転され、凝縮器の温度が低下す
る方向となるが、この変化に対抗して吹出し温度を所定
範囲内に維持するように、圧縮機の速度は高められる。
一方、室温が設定値に近付くと室内ファンの速度は低速
回転され、この結果、凝縮器の室内空気との熱交換量が
低下し、吹出し温度が上昇する。そこで、吹出し温度を
所定範囲内に維持するために、圧縮機の速度は低下され
る。このように、室温が低いところから設定値に到達す
るまで、吹出し温度を所定範囲内に維持したまま、室温
が設定値に近付くに伴って暖房装置の暖房能力が低減さ
れ、空調負荷に見合った運転となる。
（実施例） 第１図は本発明の第１実施例に従うヒートポンプ暖房
装置を示すブロック図である。この実施例に従う暖房装
置は、圧縮機（CP）３、凝縮器４、膨張弁５、および蒸
発器６を含んで構成された冷凍サイクル２を備えてい
る。凝縮器４によって暖められた空気は室内ファン７に
よって室内に吹き出される。ファン７はファンモータ８
によって駆動される。圧縮機３は圧縮機モータ９によっ
て駆動される。凝縮器４からファン７を介して室内に吹
き出される空気の温度すなわち吹き出し温度Tbがファン
７の吹出し側に設けられた温度センサ10によって検出さ
れる。吹出し温度を検出するために、凝縮器４に取付け
られた凝縮器温度センサの出力を用いることもできる。
その場合、凝縮器温度センサの出力を、ファン７の吹出
し風量に応じて修正することによって、吹出し温度が求
められる。ファンモータ８は制御装置20によりファンモ
ータ駆動回路11を介して制御され、圧縮機モータ９は制
御装置20によりインバータ12を介して制御される。
制御装置20には温度センサ10によって検出された吹出
し温度Tbのほかに、室温センサ13によって検出された室
温Ta、および室温設定器14によって設定された設定温度
Tsが入力される。ファン７は、設定温度Tsと室温Taとの
間の偏差すなわち温度偏差ΔTa（＝Ts−Ta）に応じた風
量となるように室内ファン速度制御器21によりファンモ
ータ駆動回路11およびファンモータ８を介して速度制御
される。駆動回路11は、例えばサイリスタを用いて構成
される。他方、室温Taおよび設定室温Tsは温度比較器22
により比較され、Ta≦Tsという関係にあるときインバー
タONの信号を出す。このインバータONの信号を受けてイ
ンバータ制御器23は、吹出し温度設定器24によって設定
された設定温度Tcと、温度センサ10によって検出された
吹出し温度Tbとの間の偏差ΔTcに応じた速度で圧縮機モ
ータ９が回転するようにインバータ12の出力周波数およ
び電圧を制御する。インバータ制御器23には、後述のご
とく時間に従った制御を行うためにタイム25が附属して
いる。なお、制御装置20内の各構成部分は、マイクロコ
ンピュータのソフトウェアによって実現される。
速度制御器21によるファン７の風量の設定は、第２図
の制御態様に従って行われる。すなわち、温度偏差ΔTa
＝Ts−Taに応じて５つの風量ゾーンF1,F2,F3,F4,F5に区
分され、ゾーンF1では最高風量UH、ゾーンF2では高風量
Ｈ、ゾーンF3では並（中）風量Ｍ、ゾーンF4では低風量
Ｌ、さらにゾーンF5では最低風量ULがそれぞれ設定され
る。なお、第２図にはハンチング動作の防止のためのヒ
ステリシス制御技術に従う風量設定方式が示されてお
り、矢印Ｐで示されているように、温度偏差ΔTaが減少
過程にあるときと増加過程にあるときとで、ゾーンの境
界値がわずかにずれている。この場合、偏差ΔTaが減少
過程にあるときのゾーン境界値の方が増加過程にあると
きのそれよりも相対的に小さい。
インバータ制御器23による圧縮機３の速度設定すなわ
ち能力設定は第３図の態様に従って行われる。第３図に
おいては、吹出し温度Tbに応じて、通常制御時の吹出し
温度の上限設定値Tcu及び下限設定値Tcd、並びにシフト
ダウン制御時の上限設定値Tcu′及び下限設定値Tcd′が
設定され、それぞれの設定値により圧縮機３の設定速度
が、通常制御時は高速ゾーンC11（速度Ｈ）、中速ゾー
ンC12（速度Ｍ）及び低ゾーンC13（速度Ｌ）に区分さ
れ、同時にシフトダウン制御時は、それぞれ低速側にシ
フトされた高速ゾーンC21（速度Ｈ′）、中速ゾーンC22
（速度Ｍ′）及び低速ゾーンC23（速度Ｌ′）に区分さ
れている。この場合も、吹出し温度Tbの設定値Tcに関し
てヒステリシス特性を与えるべく、温度低下過程にある
ときと、上昇過程にあるときとで各設定値がわずかに異
なっている。
次に、上記構成を有する暖房装置の制御動作につき、
第4A図及び第4B図のフローチャートを参照しながら説明
する。
暖房装置の電源が投入されると、制御装置20は制御動
作を開始し、まず、圧縮機３の、運転時間経過と速度制
御態様との関係を表わすフラグＦをクリア（ステップS1
0）し、センサ13によって検出された室温Taと室温設定
器14によって設定された設定温度Tsとを読み込んで（ス
テップS11）、温度TaとTsの比較を行う（ステップS1
2）。ここで、Ta≦Tsではない、すなわちTa＞Tsである
こと判断されたときは、室温Taが設定温度Tsを超えてい
るから、室内に高温の空気を吹出す必要がない。よっ
て、圧縮機３つまりは冷凍サイクル２を運転する必要は
なく、圧縮機OFF指令信号を出力し、室内ファン７を最
低風量ULに設定して運転する（ステップS13）。
一方、ステップS12において、Ta≦Tsであると判断さ
れたときは、ファン７が、ΔTa＝Ts−Taに基づき、第２
図の風量区分に従って設定された吹き出し風量に従って
運転される（ステップS14）。ファン７は、ファンモー
タ駆動回路11およびファンモータ８を介して設定風量が
達成されるような速度で駆動される。この後、圧縮機３
が運転中であるかどうかがチェックされ（ステップS1
5）、運転中でないと判断されたときは、予め定められ
た起動速度で運転され（ステップS16）、ステップS11へ
戻る。圧縮機３はインバータ制御器23によりインバータ
12および圧縮機モータ９を介して運転される。ステップ
S15で圧縮機運転中と判断されたときは、圧縮機３の起
動過程内にあるかどうかを確認するために、圧縮機起動
からの経過時間が１分以内かどうかがチェックされる
（ステップS17）。その結果、１分以内であると判断さ
れたときは、圧縮機３の速度を高速Ｈに設定（ステップ
S18）し、ステップS11へ戻る。ステップS17において、
１分経過したと判断されたときは圧縮機起動過程を終え
たものとしてステップS19（第4B図）へ移行する。
ステップS19において吹出し温度Tbを読込み、それが
第３図の３つのゾーンC11,C12,C13のうちのいずれに属
するかを判断する（ステップS20）。ここで判断された
ゾーンに従ってステップS31またはステップS41またはス
テップS51へ進む。
ステップS31においては、フラグＦに関し、Ｆ＝ａか
どうかを判断する。Ｆ＝ａでないときは、Ｆ＝ａの処理
（ステップS32）を行い、タイマ24をスタート（ステッ
プS33）させてステップS11へ戻る。ステップS31におい
てＦ＝ａであると判断されたらタイマ24のスタートから
５分経過したかどうかをチェック（ステップS34）す
る。５分経過しない限りステップS11へ戻る。ステップS
34において５分経過と判断されたら、タイム24をリセッ
ト（ステップS35）し、圧縮機３の速度が“L"でない限
り、速度を１ステップダウン（ステップS36）させてタ
イマ24をスタート（ステップS37）させてから、ステッ
プS11へ戻る。
ステップS41においては、フラグＦに関し、Ｆ＝ｂの
処理（ステップS41）を行い、タイマ24をリセット（ス
テップS42）してステップS11へ戻る。
ステップS51においては、フラグＦに関し、Ｆ＝ｃか
どうかを判断する。Ｆ＝ｃでないときは、Ｆ＝ｃの処理
（ステップS52）を行い、タイマ24をスタート（ステッ
プS53）させてステップS1へ戻る。ステップS51において
Ｆ＝ｃであると判断されたらタイマ24のスタートから５
分経過したかどうかをチェック（ステップS54）する。
５分経過しない限りステップS11へ戻る。ステップS54に
おいて５分経過と判断されたら、タイマ24をリセット
（ステップS55）し、圧縮機３の速度が“H"でない限
り、それを１ステップアップ（ステップS56）させ、タ
イマ24をスタート（ステップS57）させてから、ステッ
プS11へ戻る。
第５図は、第１図ないし第４図を用いて説明した本発
明の一実施例を従う制御態様と従来技術に従う制御態様
とを図示したタイミングチャートである。曲線51は本発
明に従う制御を行ったときの吹出し温度Tbを示すもので
あり、曲線52は室温Taを示し、また線53は圧縮機３の速
度を示している。
第５図は室温Taが設定値Tsを大幅に下まわる状態で暖
房運転を開始する場合の挙動を例示したものである。暖
房運転がスタートすると、当初は温度偏差ΔTaが大きい
ので、室内ファン７は第２図に従い最高風量UHで運転さ
れ（ステップS14）、それと同時に圧縮機３が起動され
る（ステップS16）。以後、１分経過までは、圧縮機３
は最高速度Ｈで運転される。圧縮機起動から１分経過す
ると、Ta＞TS（すなわち、ΔTa＝Ts−Ta＜０）とならな
い限り圧縮機３は運転され続け、その運転の速度はステ
ップS20での判断結果に従う。当初は凝縮器温度Tbが低
いので、第３図のゾーンC13に属し、ステップS51以下の
ステップを通る。しかし、圧縮機３はすでに最適速度Ｈ
で運転されているので、速度のステップアップを行うこ
とはない。時刻t1で吹出し温度Tbが設定値Tcuを超えて
ゾーンC11に入るとステップS32及びS33においてタイマ2
5がスタートされ、５分経過した時刻t2でコンプレッサ
３の速度が１ステップダウンされ（ステップS36）、そ
の経過、圧縮機３は中速Ｍで運転され、改めてタイマ25
がスタートする（ステップS37）。圧縮機３が中速Ｍに
ステップダウンされることにより吹出し温度Tbはわずか
に低下し始め、時刻t2から５分後の時点ではゾーンC12
に属しているので、タイマ25がリセットされるのみで、
圧縮機３は中速Ｍで運転され続ける。吹出し温度Tbがさ
らに低下して時刻t3で設定値Tcdを下まわると、タイマ2
5がスタートされ（ステップS53）、５分経過後の時刻t4
でタイマ25がリセットされると共に圧縮機速度が１ステ
ップアップされ（ステップS56）、圧縮機３は高速Ｈで
運転される。これにより、吹出し温度Tbは再び上昇し始
める。時刻t5で吹出し温度Tbが設定値Tcuを超えてゾー
ンC11に入ると、５分後の時点t6で圧縮機３の速度が中
速Ｍにステップダウンされる（ステップS36）。時刻t6
から更に５分経過した時刻t7で吹出し温度Tbがなおゾー
ンC11内にあれば、圧縮機速度はさらに低速Ｌにステッ
プダウンされる。これにより吹出し温度Tbが徐々に低下
し、時刻t8で設定値Tcdを下まわり、ゾーンC13に入る
と、５分経過した時刻t9で圧縮機速度は中速Ｍにステッ
プアップされる。時刻t10で吹出し温度Tbが設定値Tcuを
超えると、５分経過後の時刻t11で圧縮機速度は低速Ｌ
にステップダウンされる。以上の圧縮機３による吹出し
温度Tbの制御により、室温Ta（曲線52）は設定値Tsに向
かって徐々に上昇して行き、Ta＞Tsとなると圧縮機３は
OFFされる（ステップS13）。Ta≦Tsとなれば、圧縮機運
転が再開される。
以上の制御過程の間、室内ファン７は室温に関する温
度偏差ΔTa＝Ts−Taに応じ、第２図のゾーン区分に従っ
て、ΔTaが大きいときは相対的に高風量で、ΔTaが小さ
いときは相対的に低風量で運転される。
第５図には破線54,55,56により従来の制御装置によっ
て暖房制御を行った場合の吹出し温度Tb′（曲線54）、
室温Ta′（曲線55）、及び圧縮機の運転速度（線56）の
時間点推移が示されている。この場合、圧縮機３の運転
速度（線56）は温度偏差ΔTa＝Ts−Taに依存しており、
圧縮機３は、偏差ΔTaの値に応じて最初は高速Ｈで、そ
の後わずかな間は中速Ｍで、ΔTaが小さくなければ低速
Ｌで運転される。圧縮機速度がステップダウンされるこ
とにより、吹出し温度Tb′（曲線54）は低下する。この
間、室内ファンは等風量で運転される。以上により、室
温Ta′（曲線55）は、わずかに緩やかに上昇することに
なる。
曲線51で示す吹出し温度Tbと曲線54で示す吹出し温度
Tb′とを比較すれば、本発明に従う場合、温度偏差ΔTa
＝Ts−Taが小さくなり、したがって暖房負荷が小さくな
った場合でも、圧縮機３の速度を比較的高めに設定され
るので室内ファン７からの吹出し温度Tbが比較的高く、
しかも室内ファン７からの風量が減少されるので、室内
の人間に肌寒さによる不快感を与えることがない。
なお、暖房運転による室内温度Taの上昇に伴い、温度
偏差ΔTa＝Ts−Taが所定値よりも小さくなった時点で、
吹出し温度Tbについての設定値Tuc′,Tcdをそれぞれわ
ずかにシフトダウンさせて新たな設定値Tcu′,Tcd′を
設定することにより、暖房効果をあまり損うことなく暖
房装置の消費エネルギーを節約することができる。第６
図は、そのような運転を行ったときの制御態様を示すも
のである。第６図には、室温設定値Tsに関して、上昇過
程にあるときの設定値Ts1と低下過程にあるときの設定
値Ts2が図示されている。両設定値の差ΔTs＝Ts1−Ts2
はヒステリシス特性を与えるためのヒステリシス幅であ
る。第６図の場合、温度偏差ΔTaが所定値以下になるま
では、吹出し温度に関して設定値Tcu′,Tcdに基づいて
圧縮機速度の制御が第５図の場合と同様の原理で行われ
る。温度偏差ΔTaが所定値よりも小さくなった時点t20
で吹出し温度に関し設定値Tcu′,Tcdから新たな設定値T
cu′,Tcd′にシフトダウンさせる。以下の制御は第4A図
および第4B図に示すフローチャートに従って行われる。
吹出し温度設定値のシフトダウンを行った時点t20で吹
出し温度Tbは設定値Tcu′を超えているので、その５分
後の時刻t21に圧縮機速度が低速Ｌにステップダウンさ
れる。Tb≦Tcd′なることにより、その５分後の時刻t22
に圧縮機速度を中速度Ｍにステップアップする。その
後、Tb＞Tcu′となることにより、その５分後の時刻t32
に圧縮機速度を再び低速度Ｌにステップダウンする。時
刻t24においてTa＞Ts（すなわち、ΔTa＝Ts−Ta＜０）
になると、圧縮機３は運転OFFとされる。これにより吹
出し温度Tbは設定値Tcd′に以下に急激に低下し、また
室温Taは徐々に低下する。時刻T25でTa≦Ts2になると、
圧縮機３が再起動され、高速Ｈで運転される。吹出し温
度Tbが上昇して行き、Tb≧Tcu′になると、それから５
分経過した時点t26で低速Ｌにステップダウンする。
以上のように制御することにより、第５図の圧縮機速
度との比較から分かるように、室温Taをあまり低下させ
ることなく、平均的により低い速度で運転され、それに
より消費エネルギーを節約することができる。
上述した実施例に従う制御態様のほかに、以下に記載
するような制御態様も考えられる。即ち、室内ファン７
から室内に吹き出される吹出し風量が凝縮器温度により
一義的に決定される場合には、室温Taの上昇に伴なって
室温Taが設定温度Tsに接近すると、圧縮機モータ９の回
転速度が低下し、これにより凝縮器温度が低下するの
で、これによって室内ファン７からの吹出し風の風量も
低下することとなって室内の温度分布にバラツキが生じ
得る。
そこで、このような不具合を解消するために、例え
ば、室内ファン７から吹出し風の温度Tbが45℃に設定さ
れている場合には、温度Tbが45℃未満までの領域では圧
縮機モータ９の回転速度を上昇させて吹出し風の温度Tb
が45℃に到達するようにし、最終的には、所定の吹出し
風量（例えばＬタップ）で吹出し風温度Tbが45℃になる
ように圧縮機モータ９の回転速度を上昇させる制御を行
う。このような態様で制御を行った場合と従来例とを比
較すれば、第１表に示すような暖房感評価例が得られ
る。
上述した制御態様以外にも、暖房装置が高温の吹出し
風を室内に吹き出す運転を実施しているときには、室温
Taを設定温度Tsよりも１℃〜５℃シフトアップする方法
や、比較器22から圧縮機モータ９の運転を停止するため
の信号が出力されたときにも圧縮機モータ９を運転停止
とすることなく、最低の周波数で運転継続とする方法も
考えられる。
上記２つの方法を採用することによって、ユーザーの
暖房感のを更に向上させることができる。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、室内温度が設
定値以下であるとき、圧縮機は吹出し温度が所定の範囲
内の値をとるように速度制御され、室内ファンは検出さ
れた室内温度が設定された温度に対して低いほど高速回
転し、検出された室内温度が設定された温度に近いほど
低速回転するように速度制御されるので、室内温度が低
いところから設定値に到達するまで、吹出し温度を所定
範囲内に維持することができ、吹出し温度の低下がな
く、室内の人間に肌寒さや不快感を与えることがない。
また、室温が設定値に近付くに伴って暖房装置の暖房能
力が低減され、空調負荷に見合った運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明によるヒートポンプ暖房装置の一実施例
を示すブロック図、第２図は第１図の暖房装置における
室内ファンの制御態様を説明するための線図、第３図は
第１図の暖房装置における圧縮機の制御態様を説明する
ための線図、第４図は第１図の暖房装置の制御動作を説
明するためのフローチャート、第５図は本発明の暖房装
置による一制御態様と従来装置による制御態様とを比較
対照して示すタイムチャート、第６図は本発明の暖房装
置による他の制御態様を示すタイムチャートである。 ２……冷凍サイクル、３……圧縮機、４……凝縮器、５
……膨張弁、６……蒸発器、７……室内ファン、８……
ファンモータ、９……圧縮機モータ、10……温度セン
サ、11……ファンモータ駆動回路、12……インバータ、
13……室温センサ、14……室温設定器、20……制御装
置、21……室内ファン速度制御器、22……比較器、23…
…インバータ制御器、24……吹出し温度設定器、25……
タイマ。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】圧縮機、凝縮器、および蒸発器を含んで構
    成された冷凍サイクルと、 前記凝縮器により熱交換された空気を室内に吹き出す室
    内ファンと、 前記圧縮機を駆動する第１の駆動手段と、 前記室内ファンを駆動する第２の駆動手段と、 室内温度を検出する第１の検出手段と、 前記室内ファンから吹き出される空気の温度を検出する
    第２の検出手段と、 室内温度を設定する第１の設定手段と、 前記第１の検出手段によって検出された室内温度が前記
    第１の設定手段によって設定された温度以下であるとき
    に、前記第２の検出手段によって検出された吹出し温度
    が所定の範囲内の値をとるように前記圧縮機の速度を、
    前記第１の駆動手段を介して制御する第１の制御手段
    と、 前記第１の検出手段によって検出された室内温度が前記
    第１の設定手段によって設定された温度に対して低いほ
    ど高速回転させ、検出された室内温度が設定された温度
    に近いほど低速回転させるように、前記室内ファンの速
    度を、前記第２の駆動手段を介して制御する第２の制御
    手段と を備えたヒートポンプ暖房装置。
  2. 【請求項２】前記第２の制御手段は、前記第１の検出手
    段によって検出された室内温度と前記第１の設定手段に
    よって設定された温度との間の偏差に応じて、予め定め
    られた複数ステップのうちのいずれかを室内ファンの設
    定速度として設定することを特徴とする請求項１記載の
    ヒートポンプ暖房装置。
  3. 【請求項３】前記第１の制御手段は前記圧縮機に対して
    複数ステップの速度を設定することができ、前記圧縮機
    の運転にもかかわらず前記第２の検出手段によって検出
    された吹出し温度が所定範囲内の温度から遠ざかると
    き、前記ステップの範囲内で、前記吹出し温度が前記所
    定範囲内の温度に近付くように前記圧縮機の設定速度を
    所定時間ごとに１ステップずつ変化させることを特徴と
    する請求項１記載のヒートポンプ暖房装置。
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