CN104755856A - 热泵装置 - Google Patents

Abstract

一种热泵装置，通过配管连接压缩制冷剂的压缩机(1)、作为进行制冷剂与加热对象的热交换的散热器的室外热交换器(2)、通过调整开度来进行制冷剂的减压的膨胀阀(4)以及作为进行热交换对象与制冷剂的热交换的蒸发器的室内热交换器(3)，从而构成制冷剂回路，该热泵装置具备：检测作为热交换对象的外部空气的温度的外部空气温度传感器(41)；检测压缩机(1)排出的制冷剂的排出温度的排出温度传感器(21)；以及当判断为压缩机(1)的转速为最大且热交换对象的温度低于设定温度时，根据排出温度来控制膨胀阀(4)的开度的控制器(101)。

Description

热泵装置

技术领域

本发明涉及空调装置等热泵装置。

背景技术

为了对对象进行加热或冷却，存在利用制冷剂进行热的输送的热泵装置。作为热泵装置，例如有空调装置等。一般的热泵式空调装置将压缩机、四通阀、室外侧热交换器、膨胀阀等配置在室外机。另外，将室内热交换器配置在室内机。这些构成设备经由制冷剂管连接而构成制冷剂回路。

这样的空调装置中，根据来自控制器(控制装置)的频率指令，通过变换器装置来控制驱动频率即压缩机的转速(驱动频率)。此时，控制器输入来自被设置在压缩机吸入侧并检测压缩机入口温度、饱和温度等的传感器(检测装置)的信号。并且，作为控制装置的控制器，根据信号中包含的传感器的检测值来确定制冷剂回路中的过热度，并控制膨胀阀的开度，以使过热度恒定(例如参考专利文献1)。

控制器通过进行如上所述的控制，可以有效地使用制冷剂的传热系数高的两相区的制冷剂，因此能够高效率地运转空调装置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特公平6-94954号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，当在低外部空气温度条件下进行制热运转时，制冷剂的蒸发压力降低，从而压缩机的吸入密度降低，制冷剂流量减少。因此，制热能力下降。

在一般的控制中，为了防止制热能力下降，会提高压缩机的转速，增加制冷剂流量。但是，当压缩机以最大转速驱动时，不能再进一步提高转速。因此，存在不能用压缩机的转速控制来应对向负荷的能力提供的问题。

用于解决课题的手段

为了解决这样的问题，本发明的热泵装置中，通过配管连接压缩制冷剂的压缩机、进行制冷剂与加热对象的热交换的散热器、通过调整开度来进行制冷剂的减压的减压装置以及进行热交换对象与制冷剂的热交换的蒸发器，从而构成制冷剂回路，该热泵装置具备：热交换对象温度传感器，检测热交换对象的温度；排出温度传感器，检测压缩机排出的制冷剂的排出温度；以及控制器，当判断为压缩机的转速为最大且热交换对象的温度低于设定温度时，根据排出温度来控制减压装置的开度。

发明的效果

根据本发明，控制器根据热交换对象的温度，进行根据排出温度的减压装置的开度控制，因此可以得到一种空调装置，不仅能够由压缩机提高能力，而且能够通过开度控制提高能力。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1的空调装置的结构的图。

图2是表示本发明的实施方式1的控制器101的信号的输入输出关系的图。

图3是表示本发明的实施方式1的干度x与制冷剂流量G的关系的图。

图4是表示本发明的实施方式1的干度x与焓差Δh的关系的图。

图5是表示本发明的实施方式1的干度x与能力Qc的关系的图。

图6是表示本发明的实施方式1的外部空气温度与制冷剂的目标排出温度的关系的图。

图7是表示本发明的实施方式1的进行保护运转时的外部空气温度与制冷剂的目标排出温度的关系的图。

图8是表示本发明的实施方式1的控制器101进行的控制的流程图。

具体实施方式

实施方式1

下面，根据附图详细说明本发明的实施方式1。在各图中，标注了相同附图标记的设备等表示相同的或与之相当的设备，这在说明书的全文中是通用的。另外，说明书全文所表示的构成要素的方式仅仅是举例说明，本发明并不仅限定于说明书内的记载。另外，关于温度、压力等的高低，并非特别由绝对值的关系来确定高低等，而是在系统、装置等的状态、动作等中相对地确定。另外，在附图中，各构成构件的大小的关系有时会与实际情况不同。

图1是表示本发明的实施方式1的空调装置的结构的图。在本实施方式中，以图1所示的空调装置作为热泵装置的一个例子进行说明。图1所示的空调装置中，通过配管连接室外机10和室内机11，从而构成制冷剂循环的制冷剂回路(热泵回路)。室外机10具有压缩机1、室外侧热交换器2、膨胀阀4和四通阀5。另外，室内机11具有室内热交换器3。

压缩机1对吸入了的制冷剂进行压缩并排出。在此，压缩机1具备变换器装置等，能够通过任意地改变转速(驱动频率)来细微地改变压缩机1的容量(每单位时间排出制冷剂的量)。四通阀5根据来自后述的控制器101的指示，根据制冷运转时和制热运转时来切换制冷剂的流动。

室外侧热交换器2进行制冷剂与室外的空气(外部空气)的热交换。例如，在制热运转时发挥蒸发器的功能，进行从室内机11流入的低压的制冷剂与外部空气的热交换，使制冷剂蒸发、气化。另外，在制冷运转时发挥散热器(包括冷凝器；以下也一样)的功能，进行从四通阀5侧流入并在压缩机1被压缩的制冷剂与外部空气的热交换。此时，室外侧热交换器2使制冷剂散热等(在此发挥冷凝器的功能，使制冷剂冷凝、液化)。室外侧鼓风机6使外部空气通过室外侧热交换器2，从而使制冷剂与外部空气高效率地进行热交换。对于室外侧鼓风机6，也可以通过利用变换器装置任意地改变风扇马达的运转频率，使旋转速度细微地变化。作为减压装置的膨胀阀4对制冷剂进行减压等。本实施方式的膨胀阀4由电子膨胀阀构成，该电子膨胀阀根据来自后述的控制器101的指示来改变开度，从而调节例如热交换器内的制冷剂的压力、温度等。

另一方面，在室内机11中，室内热交换器3进行制冷剂与空调对象空间的空气(室内空气)的热交换。例如，在制热运转时，发挥散热器的功能，进行从室外机10侧流入的制冷剂与室内空气的热交换(在此用作冷凝器)。此时，室内热交换器3使制冷剂散热等，并向室外机10侧流出。另一方面，在制冷运转时，发挥蒸发器的功能，例如进行通过膨胀阀4而变成了低压状态的制冷剂与室外空气的热交换，使制冷剂吸收室外空气的热而蒸发、气化，并向室外机10侧流出。室内侧鼓风机7使室内空气通过室外侧热交换器2，从而与制冷剂高效率地进行热交换。

下面说明空调装置所具有的传感器类。本实施方式的空调装置具有检测制冷剂的温度的温度传感器和检测压力的压力传感器。排出侧温度传感器21检测压缩机1的排出侧的制冷剂温度(排出温度)。吸入侧温度传感器22检测压缩机1的吸入侧的制冷剂温度(吸入温度)。外部空气温度传感器41检测室外侧热交换器2的上风侧的外部空气温度。吸入温度传感器42检测室内热交换器3的上风侧的吸入温度(室内温度)。另外，排出侧压力传感器31检测压缩机1的排出侧的制冷剂的压力。并且，吸入侧压力传感器32检测压缩机1的吸入侧的制冷剂的压力(吸气压力)。利用吸入侧温度传感器22和吸入侧压力传感器32所检测出的温度和压力，能够确定压缩机1的吸入侧(蒸发器的制冷剂流出侧)的制冷剂的过热度。在此，吸入侧压力传感器32的位置不限定于图1所示的位置，只要是在从四通阀5到压缩机1的吸入侧的区间即可。另外，通过将排出侧压力传感器31的压力换算成饱和温度，能够确定空调装置的冷凝温度。

图2是表示本发明的实施方式1的控制器101的信号的输入输出关系的图。下面说明空调装置的通信系统。控制器101根据从上述的传感器类输送的信号，进行运算等处理，控制空调装置内的设备(执行元件)。尤其是在本实施方式中，根据来自传感器类的信号，控制膨胀阀4的开度，以使压缩机1的吸入侧的制冷剂的过热度或压缩机1排出的制冷剂的温度(排出温度)恒定。此时，根据外部空气温度传感器41检测出的外部空气温度，选择是进行根据过热度的控制(过热度控制)还是进行根据排出温度的控制(排出温度控制)。

下面根据制冷剂的流动，说明实施方式1的空调装置的动作。首先，说明制热运转。在制热运转中，将四通阀5切换成实线所示的连接关系。由压缩机1压缩并排出的高温高压的气体制冷剂通过四通阀5，从室外机10流出。然后流入室内机11。

在室内机11中，高温高压的气体制冷剂通过室内热交换器3。此时，通过与室内空气进行热交换而冷凝、液化。冷凝、液化了的制冷剂(液体制冷剂)从室内机11流出，流入室外机10。

流入室外机10的制冷剂通过膨胀阀4。在膨胀阀4被减压的制冷剂在室外侧热交换器2内通过，与外部空气进行热交换，从而蒸发、气化。蒸发、气化了的制冷剂(气体制冷剂)通过四通阀5，再次被吸入压缩机1。这样，空调装置的制冷剂循环，进行空气调节(制热)。

下面根据制冷剂的流动说明制冷运转。在制冷运转中，将四通阀5切换成虚线所示的连接关系。由压缩机1压缩并排出的高温高压的气体制冷剂通过四通阀5，流入室外侧热交换器2。并且，在室外侧热交换器2内通过并与外部空气进行热交换而冷凝、液化了的制冷剂(液体制冷剂)通过膨胀阀4。在膨胀阀4被减压而变成了气液两相状态的制冷剂从室外机10流出。

从室外机10流出的制冷剂通过配管而流入室内机11。并且，在膨胀阀4被减压而变成了气液两相状态的制冷剂流入室内热交换器3。在室内热交换器3内通过并与室内空气进行热交换而蒸发、气化了的制冷剂(气体制冷剂)从室内机11流出。

从室内机11流出的气体制冷剂流入室外机10。然后，通过四通阀5，再次被吸入压缩机1。这样，空调装置的制冷剂循环，进行空气调节(制冷)。

本发明的空调装置在制热运转时尤其能发挥效果，因此以下对制热运转时的控制动作等进行说明。

首先，说明能够通过控制过热度高效率运转的原理。为了高效率地运转空调装置，基本来说，进行控制以使得蒸发器的制冷剂流入口与制冷剂流出口之间的制冷剂焓差增大即可。但是，当制冷剂焓差变得过大，在蒸发器内制冷剂变成气液两相的部分(两相部分)减少，过热气体(气相)部分增加。由于过热气体部分的传热性能比两相部分低，所以在蒸发器整体的传热性能会降低。因此，从蒸发器的传热性能的角度来看，进行使蒸发器内的过热气体部分尽可能变少的控制，能够更为高效率地运转空调装置。

因此，权衡两者，控制器101根据吸入侧温度传感器22检测出的吸入温度和换算吸入压力传感器检测出的吸入压力而得到的饱和温度来确定制冷剂的过热度。并且，控制膨胀阀4的开度，以使干度达到1.0左右(过热度0K)。通过进行这样的根据过热度的开度控制，能够在作为蒸发器的室内热交换器3进行有效地使用了传热性能好的两相区的热交换，从而能够高效率地运转空调装置(以下称为效率运转)。

在此，考虑到吸入侧温度传感器22和作为饱和温度传感器的吸入侧压力传感器32的检测精度，将过热度控制在0K实际上很困难。因此，控制膨胀阀4的开度，以使过热度至少不会低于0K。例如，控制膨胀阀4，以使过热度达到3K以上的某值。由此，即使在运算的过热度与实际的过热度之间存在3K的偏差的情况下，也能够将实际的过热度控制在0K以上。

下面说明通过控制排出温度来提高能力(制热能力)的原理。如果设制冷剂流量为G、制冷剂的冷凝器入口焓为h1、冷凝器出口焓为h2，则能力Qc能够用Qc＝G×(h1-h2)表示。另外，如果设吸入密度为ρ、压缩机转速为n、压缩机行程容积为Vst，则制冷剂流量G能够用G＝ρ×n×Vst表示。

上述的效率运转是控制过热度而使得干度x为1.0的运转。另一方面，为了提高能力，优选使吸入侧的制冷剂为湿润状态(干度x小于1.0)(以下将提高能力的运转称为能力运转)。

图3是表示本发明的实施方式1的干度x与制冷剂流量G的关系的图。当干度x变小时，吸入密度ρ上升。因此，制冷剂流量G增加。

图4是表示本发明的实施方式1的干度x与焓差Δh的关系的图。在制冷剂为湿润状态的压缩机1的压缩工序中，制冷剂在进行等焓变化的同时被加压，所以排出温度降低。因此，冷凝器的制冷剂流入口的焓h1减少，焓差Δh(＝h1-h2)变小。

图5是表示本发明的实施方式1的干度x与能力Qc的关系的图。如上所述，当使压缩机1的吸入侧的制冷剂为湿润状态时，制冷剂流量G增加，焓差Δh(＝h1-h2)减小。因此，在干度x为1.0以下的某值时，能力Qc具有峰值。

根据上述，在能力运转中，控制膨胀阀4的开度，以使压缩机1的吸入侧的制冷剂达到使能力为最大的干度x。在此，在压缩机1的吸入侧的制冷剂是湿润状态的情况下，压缩机1的吸入侧的制冷剂温度与制冷剂饱和气体的温度的差小，不能确定过热度。因此，不能进行过热度控制。

例如，假定压缩机1的压缩工序中的制冷剂进行等焓变化，则能够根据排出温度、冷凝温度以及蒸发温度来判断压缩机1的吸入侧的制冷剂的状态。由于冷凝温度和蒸发温度由室内温度和外部空气温度决定，因此，吸入侧的制冷剂的状态根据排出温度而变化。因此，能够利用膨胀阀4的开度来控制压缩机1的排出温度，并且能够控制压缩机1的吸入侧的干度x。

根据上述，通过控制压缩机1排出的制冷剂的排出温度，能够进行能力运转。在此，使能力为最大的排出温度为控制器101设定的目标排出温度。由于能力为最大的排出温度根据外部空气温度而不同，因此，排出温度控制中的目标排出温度根据外部空气温度而不同。

图6是表示本发明的实施方式1的外部空气温度与制冷剂的目标排出温度的关系的图。如图6所示，能力为最大的排出温度(目标排出温度)随着外部空气温度降低而升高，但在某个温度(最大值)下具有峰值，当超过峰值，随着外部空气温度降低而降低。

图7是表示本发明的实施方式1的进行保护运转时的外部空气温度与制冷剂的目标排出温度的关系的图。例如，为了保护制冷剂、配管等，有时会优选不超过上限温度。但是，根据制冷剂等的不同，有时存在能力为最大的排出温度在上限温度以上的外部空气温度的区域(范围)。因此，在该区域中进行排出温度控制的情况下，进行避免超过上限温度的运转(保护运转)。图7中的阈值A和阈值B是指，设能力为最大的排出温度在上限温度以上的区域(范围)的下限值为阈值A，设上限值为阈值B。在此，在上限温度高于图6中的最大值的排出温度的情况下，不存在能力为最大的排出温度在上限温度以上的区域，因此无须进行保护运转。

图8是表示本发明的实施方式1的控制器101进行的控制的流程图。在本实施方式的空调装置中，控制器101选择进行效率运转或进行能力运转，从而进行控制。

首先，根据排出侧温度传感器21的检测，判断排出温度是否超过设定于空调装置的上限温度(S1)。如果判断为排出温度高于上限温度，则比较外部空气温度与阈值A和阈值B，判断外部空气温度是否高于阈值A且低于阈值B(A＜外部空气温度＜B)(S2)。如果判断为外部空气温度高于阈值A且低于阈值B，则使上限温度为目标排出温度，为了降低排出温度，进行膨胀阀4的开度、压缩机1的转速等的控制等排出温度控制(S3)。

另外，如图7所示，当外部空气温度不高于阈值A或者不低于阈值B时，即使在低于上限温度的排出温度下也能够提高能力。因此，在S2中，如果判断为外部空气温度不高于阈值A或者不低于阈值B(外部空气温度在阈值A以下或在阈值B以上)，则根据外部空气温度将能力为最大的排出温度设定为目标排出温度(S8)。并且，控制膨胀阀4来控制膨胀阀4的开度(S9)，以使排出温度(排出侧温度传感器21检测出的温度)达到目标排出温度，从而进行提高能力运转。

另一方面，在S1中，如果判断为排出温度不高于上限温度(排出温度在上限温度以下)，则根据吸入温度传感器42检测出的吸入温度，判断空调对象空间的温度是否达到了使用者设定的温度(设定温度)(S4)。如果判断为空调对象空间的温度是设定温度，则无须提高能力，因此，确定过热度(S10)，控制膨胀阀4的开度(S11)，进行效率运转。

另外，如果判断为空调对象空间的温度不是设定温度，则改变压缩机1的转速(S5)。此时，在空调对象空间的温度低于设定温度的情况下，增大压缩机1的转速。在空调对象空间的温度高于设定温度的情况下，减小压缩机1的转速。

然后，判断在压缩机1改变的转速是否是被设定的最大转速(S6)。如果判断为改变的转速不是最大转速，则还有能够通过压缩机1的转速来提高能力的余地。因此，确定过热度(S10)，控制膨胀阀4的开度(S11)，从而进行效率运转(不进行通过膨胀阀4的开度控制来实现的能力提高)。

另一方面，如果判断为压缩机1是最大转速，则比较外部空气温度和阈值A，判断外部空气温度是否低于阈值A(S7)。在此，如图6所示，在能力为最大的排出温度不超过上限温度的情况下，阈值A为最大值。

如果判断为外部空气温度不低于阈值A(外部空气温度在阈值A以上)，则确定过热度(S10)，控制膨胀阀4的开度(S11)，从而进行效率运转。如果判断为外部空气温度低于阈值A，则根据外部空气温度，将能力为最大的排出温度设定为目标排出温度(S8)。然后，控制膨胀阀4，从而控制成排出温度达到目标排出温度(S9)。

如上所述，根据实施方式1的空调装置，控制器101在膨胀阀4的开度控制中，根据作为蒸发器的室外热交换器3的热交换对象即外部空气的温度，不仅能够选择根据过热度的效率运转，还能够选择根据排出温度的提高能力运转，因此能够兼顾与负荷对应的提高能力和运转效率地进行控制。此时，根据低的外部空气温度来降低目标排出温度，从而能够进一步提高装置的能力。例如，在如下的情况下，根据排出温度的能力提高运转是有效的：压缩机1是最大转速但仍需要能力；温度比能力为最大的排出温度达到最大值的外部空气温度低；能力降低；不能检测出过热度。另一方面，在能够确保能力或即使不根据排出温度进行控制也能够确保能力这样的情况下，通过进行根据过热度的控制，能够实现高效率的运转。另外，在能力为最大的排出温度在上限温度以上的外部空气温度的区域，通过使目标排出温度为上限温度，能够在进行压缩机1、制冷剂等的保护的同时进行运转。

在此，例如，如图6所示，在制冷剂是R32的情况下，为了使能力为最大，降低从压缩机1的排出温度，使压缩机1的吸入侧的制冷剂变成湿润状态即可。例如与R410A等这样的比热比小于R32的制冷剂相比，能够有效地发挥提高能力的效果。

实施方式2

在上述的实施方式1中，以空调装置为例进行了说明，但并不特别限定。例如，也能够应用于热水储存装置等使室外热交换器侧发挥蒸发器的作用的其他热泵装置。

另外，在实施方式1中，在制热运转时，在作为蒸发器的室外侧热交换器2中进行了制冷剂与外部空气的热交换，但也可以将其他流体(水等)等作为制冷剂的热交换对象。此时，外部空气温度传感器41成为检测作为热交换对象的流体等的温度的热交换对象温度传感器。

附图标记说明

1压缩机，2室外侧热交换器，3室内热交换器，4膨胀阀，5四通阀，6室外侧鼓风机，7室内侧鼓风机，10室外机，11室内机，21排出温度传感器，22吸入侧温度传感器，31排出压力传感器，32吸入压力传感器，41外部空气温度传感器，42室内空气温度传感器，101控制器。

Claims (5)

1.一种热泵装置，通过配管连接压缩制冷剂的压缩机、进行所述制冷剂与加热对象的热交换的散热器、通过调整开度来进行所述制冷剂的减压的减压装置以及进行热交换对象与所述制冷剂的热交换的蒸发器，从而构成制冷剂回路，所述热泵装置具备：

热交换对象温度传感器，检测所述热交换对象的温度；

排出温度传感器，检测所述压缩机排出的制冷剂的排出温度；以及

控制器，当判断为所述压缩机的转速为最大且所述热交换对象的温度低于设定温度时，根据所述排出温度来控制所述减压装置的开度。

2.根据权利要求1所述的热泵装置，其特征在于，

当所述控制器判断为所述压缩机的转速不是最大或所述热交换对象的温度在所述设定温度以上时，所述控制器根据所述制冷剂的过热度来控制所述减压装置的开度。

3.根据权利要求1或2所述的热泵装置，其特征在于，

所述设定温度为与能力为最大的排出温度的最大值对应的所述热交换对象的温度。

4.根据权利要求1或2所述的热泵装置，其特征在于，

在相对于所述热交换对象的温度、能力为最大的排出温度是与在所述排出温度的上限温度以上的范围对应的温度的情况下，所述控制器使目标排出温度为所述上限温度，进行根据所述排出温度的控制。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的热泵装置，其特征在于，

所述制冷剂为R32。