JP2005048963A

JP2005048963A - Heat pump device

Info

Publication number: JP2005048963A
Application number: JP2003181988A
Authority: JP
Inventors: Kunimori Sekigami; 邦衛関上; Hideo Maeda; 秀雄前田; Sadahiro Takizawa; 禎大滝沢; Hajime Mutsukawa; 元六川
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Air Conditioners Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Air Conditioners Co Ltd
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2005-02-24

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat pump device capable of realizing so-called charge-free in connecting pipes of inter-unit piping. <P>SOLUTION: In this heat pump device, a freezing cycle is constituted by circularly arranging a compressor 2, an evaporator 3, an electric expansion valve 5 and a gas cooler 11, one unit 41 provided with at least the gas cooler 11 among the components of the freezing cycle and the other unit 40 provided with at least the evaporator 3 are connected by the inter-unit piping 17, and a refrigerant reaching a supercritical pressure at its high-pressure side during the operation is sealed in the freezing cycle. This heat pump device comprises a measuring means 21 for measuring a state quantity at the high-pressure side, and a control means 23 for controlling a valve opening of the electric expansion valve in accordance with the state quantity measured by the measuring means, and keeping the state quantity at a specific state quantity. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍サイクル内へ、運転中に高圧側が超臨界圧力となる冷媒を封入したヒートポンプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、圧縮機、蒸発器および電動膨張弁を備えた熱源側ユニットと、ガスクーラを備えた利用側ユニットとを、ユニット間配管で接続し、この冷凍サイクル内には、運転中に高圧側が超臨界圧力となる冷媒を封入したヒートポンプ装置が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
この種のものでは、ヒートポンプ装置を現場施工する場合、別々に梱包して工場出荷された熱源側ユニットと、利用側ユニットとを、現場で、ユニット間配管を用いて配管接続するのが一般的である。
【０００４】
なお、ヒートポンプ装置の用語は、いわゆるヒートポンプだけでなく、冷凍サイクルを含むものとする。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２３４８１１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の構成では、ユニット間配管の配管長が、通常の配管長よりも長くなった場合、現場配管長に見合った量の冷媒を、現場でチャージする必要が生じる。しかし、この場合、オーバーチャージが問題となる。特に、運転中に高圧側が超臨界圧力となる冷媒を封入したヒートポンプ装置では、オーバーチャージになった場合、電動膨張弁を絞る制御を行うと、冷媒が、ガスクーラに移動し、高圧圧力が異常上昇するという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、ユニット間配管の配管接続時における、いわゆるチャージフリーを実現したヒートポンプ装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、圧縮機、蒸発器、電動膨張弁およびガスクーラを環状に配設して冷凍サイクルを構成し、これら冷凍サイクル構成品のうち、少なくともガスクーラを配設した一方のユニットと、少なくとも蒸発器を配設した他方のユニットとを、ユニット間配管で接続し、前記冷凍サイクル内には、運転中に高圧側が超臨界圧力となる冷媒を封入したヒートポンプ装置において、高圧側の状態量を測定する測定手段と、この測定手段により測定された状態量に応じて、前記電動膨張弁の弁開度を制御し、当該状態量を所定の状態量に維持する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、圧縮機、蒸発器、および電動膨張弁を備えた熱源側ユニットと、ガスクーラを備えた利用側ユニットとを、ユニット間配管で接続し、この冷凍サイクル内には、運転中に高圧側が超臨界圧力となる冷媒を封入したヒートポンプ装置において、高圧側の状態量を測定する測定手段と、この測定手段により測定された状態量に応じて、前記電動膨張弁の弁開度を制御し、当該状態量を所定の状態量に維持する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２記載のものにおいて、ユニット間配管の配管長の内、予定される最長の配管長に対応した量の冷媒を、予め、熱源側ユニットにチャージすることを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項２又は３に記載のものにおいて、電動膨張弁と圧縮機間の低圧配管に、余剰の冷媒を貯留する冷媒貯留装置を備え、ユニット間配管の配管長に応じ、前記制御手段による制御によって、冷媒貯留装置に余剰の冷媒を貯留することを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項２記載のものにおいて、高圧側の目標状態量を、蒸発器の出口温度、出口圧力、及び給水等の利用側冷媒のパラメータに従って設定することを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項４記載のものにおいて、前記冷媒貯留装置の容量が、熱源側ユニットと利用側ユニットとを、最長配管長のユニット間配管で接続した場合に必要な冷媒量と、最小配管長のユニット間配管で接続した場合に必要な冷媒量との差分に相当する冷媒量を保有できる容量以上に設定されていることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明におけるヒートポンプ装置の第１実施形態を、図１ないし図３の図面に基づき説明する。
【００１５】
図１は、本発明におけるヒートポンプ装置の第１実施形態を示す冷媒回路図である。このヒートポンプ装置３０は、圧縮機２、アキュムレータ４、蒸発器３、電動膨張弁５を備えた熱源側ユニット１と、ガスクーラ１１、貯湯タンク１３、循環ポンプ１５を備えた給湯ユニット（利用側ユニット）１０とを有し、これらをガス管３１及び液管３３からなるユニット間配管１７で接続して構成されている。また、圧縮機２、アキュムレータ４、蒸発器３、電動膨張弁５及びガスクーラ１１が環状に配設されてヒートポンプサイクルとしての冷凍サイクルを構成している。
【００１６】
給湯ユニット１０では、ガスクーラ１１の一端がガス管３１に接続され、ガスクーラ１１の他端が液管３３に接続されている。
【００１７】
このガスクーラ１１には、水配管１６が接続され、この水配管１６には、循環ポンプ１５を介して、貯湯タンク１３が接続されている。
【００１８】
上記構成では、熱源側ユニット１、給湯ユニット１０からなる冷凍サイクル内に、配管接続後の冷媒チャージフリーを念頭においた、適正量の二酸化炭素冷媒が封入されている。すなわち、この冷凍サイクル内には、ユニット間配管１７の施工時における、予定される最大の配管長から、予定される最小の配管長までのいずれの配管長のユニット間配管１７が使用されたとしても、配管接続後に冷媒チャージの必要がないチャージフリーを念頭においた、適正量の二酸化炭素冷媒が封入されている。具体的には、ユニット間配管１７の配管長の内、予定される最長の配管長に対応した量の冷媒がチャージされており、いわゆる最大の配管長のユニット間配管１７で施工した場合以外は、余剰となった液冷媒が、アキュムレータ（冷媒貯留装置）４内に貯留される。
【００１９】
このアキュムレータ４の容量は、熱源側ユニット１と給湯ユニット１０とを、最長配管長のユニット間配管１７で接続した場合に必要な冷媒量と、最小配管長のユニット間配管１７で接続した場合に必要な冷媒量との差分に相当する冷媒量を保有できる容量以上に設定されている。
【００２０】
実際には、工場出荷の段階で、ユニット間配管１７の配管長の内、予定される最長の配管長に対応した量の冷媒が、予め、熱源側ユニット１内にチャージされており、現場では、この熱源側ユニット１と、給湯ユニット１０とを、ユニット間配管１７で接続するものである。
【００２１】
つぎに、ヒートポンプ装置３０の動作を説明する。
【００２２】
給湯ユニット１０では、圧縮機２の吐出冷媒が、ガス管３１を通じてガスクーラ１１に導かれ、このガスクーラ１１で、水配管１６を通る水が加熱されて、高温となった水が貯湯タンク１３に貯えられる。
【００２３】
冷凍サイクルには、二酸化炭素冷媒が使用されており、高圧の高い超臨界サイクルとなるため、ガスクーラ１１での利用側温度を高く設定することが可能になり、ここに貯えられた湯は、約８０℃以上の高温になる。この貯湯タンク１３に貯えられた湯は、図示を省略した配管を介して各種設備へ送られる。
【００２４】
冷凍サイクル内に二酸化炭素冷媒が封入された場合、図２のエンタルピ・圧力（ｐｓ）線図に示すように、高圧ガス管１１内は運転中に超臨界圧力で運転される。高圧ガス管３１内が、超臨界圧力で運転される冷媒には、二酸化炭素冷媒のほかに、例えばエチレン、ディボラン、エタン、酸化窒素等が挙げられる。
【００２５】
図２において、圧縮機出口は状態Ａ、ガスクーラ１１入口は状態Ｂで示される。冷媒は、ガスクーラ１１を通って循環し、そこで状態Ｃまで冷却され、熱を水に放出する。ついで、冷媒は、電動膨張弁５での圧力低下により、状態Ｄに至り、ここではガス／液体の２相混合体が形成される。冷媒は、蒸発器３において、液相の蒸発により熱を吸収する。状態Ｅは、蒸発器出口の状態であり、ガス相の冷媒は、ここから圧縮機２の吸込管に向かう。
【００２６】
上記超臨界サイクルにおいて、圧縮機２から吐出される高圧単相ガス冷媒は、凝縮されないが、ガスクーラ１１において温度低下が起こる。ガスクーラ１１における冷媒の最終温度は、水の温度よりも数度高い。そして、高圧ガスはガスクーラ１１で、数度低い状態Ｃまで冷却される。
【００２７】
ＣＯ２冷媒を用いたヒートポンプ装置では、図３のエントロピ・圧力（ｐｉ）線図に示すように、成績係数εを最大とするための高圧圧力（目標高圧圧力）が、圧縮機２の吸込状態（点ａ）、及び等温線ｃの条件から設定される。すなわち、ガスクーラ１１における水の温度が高くなると、成績係数εは、圧縮圧力Ｐ２がある値の所で最大になる。圧縮機２の吸込状態ａ、および水温度ｔｃが与えられた場合（点ａでのエントロピｉａは一定）、成績係数εを極大とするための圧縮圧力Ｐ２の値は、以下のように求められる。成績係数εの式
【００２８】
【数１】

【００２９】
をＰ２で微分すれば、ｉａは不変であるから
【００３０】
【数２】

【００３１】
従って、成績係数εが極大になるための条件式は
【００３２】
【数３】

【００３３】
このサイクルを、図３に示すように、ａｂｃｄとすれば、
【００３４】
【数４】

【００３５】
は等温線ｔｃの点ｃにおける接線の傾斜を表し、
【００３６】
【数５】

【００３７】
は点ａを通る等エントロピ線の点ｂにおける接線の傾斜を表す。これらの２接線と点ａを通る水平線との交点をｈおよびｊとすれば、
【００３８】
【数６】

【００３９】
ゆえに式（１）の条件は、
【００４０】
【数７】

【００４１】
すなわち
【００４２】
【数８】

【００４３】
この条件は点ｂおよびｃを通る接線は点ａを通る垂直線上の同一点ｅにおいて相交わることを示している。この条件を満足するように点ｂ或いは点ｃの位置を定めれば、成績係数εは最大になる。等エントロピ線の曲率ははなはだ小さいから、第一次近似としてはこの線を直線と仮定し、従って、点ｊをａに一致させると、式（２）により点ｈも点ａに一致する。ゆえに点ａよりｔｃなる等温線に接線を引き接点をｃ１とすると、ｃ１に相当する圧力が第一次近似のＰ２の値になる。第二次近似をするには、ｃ１より水平線を引き等エントロピ線との交点をｂ１とし、ｂ１よりそれに接線を引いてａを通る垂直線との交点よりｔｃなる等温線に接線を引き、その接点に相当する圧力が第二次近似のＰ２の値になる。これを数回繰り返すと、最後に正しいｃ点およびｂ点の位置が定まり、もっとも成績のよい冷凍サイクルが定まる。
【００４４】
ここで、図３の点ａは、冷媒の温度、圧力により定まり、等温線ｃは、ガスクーラ１１を循環する給水温度＋α℃（例えば、５℃程度）により定まる。従って、目標高圧圧力は、蒸発器３の出口温度と圧力、並びに給水温度のパラメータにより設定される。
【００４５】
上記構成では、圧縮機２の吐出側に、高圧側の温度を測定する温度センサ２０と、高圧側の圧力（状態量）を測定する圧力センサ（測定手段）２１が設けられる。この圧力センサ２１からの圧力信号は、コントローラ（制御手段）２３に送られ、このコントローラ２３は、測定された圧力に応じて、電動膨張弁５の弁開度を制御する。
【００４６】
すなわち、このコントローラ２３は、ユニット間配管１７の配管長に関係なく、高圧側の圧力を所定の圧力に維持するように、電動膨張弁５の弁開度を制御する。例えば、ユニット間配管１７の配管長が長い場合には、電動膨張弁５の弁開度を閉じ気味に制御して、高圧側の圧力を所定の圧力に維持する一方、アキュムレータ（冷媒貯留装置）４内の液冷媒の貯留量を減少させ、ユニット間配管１７の配管長が短い場合には、電動膨張弁５の弁開度を開き気味に制御して、高圧側の圧力を所定の圧力に維持する一方、アキュムレータ内の液冷媒の貯留量を増大させる。
【００４７】
これによれば、ユニット間配管１７の配管長に応じ、コントローラ２３による制御によって、アキュムレータ４に余剰の液冷媒を貯留するため、ユニット間配管１７の配管長に応じた冷媒チャージが不要になり、いわゆるチャージフリーのヒートポンプ装置が提供される。
【００４８】
前記した本発明におけるヒートポンプ装置の第１実施形態では、いわゆるチャージフリーが実現され、現場で、冷媒をチャージする必要がなくなる。そのため、オーバーチャージが解消され、オーバーチャージにより生じる問題が解消される。
【００４９】
次に本発明におけるヒートポンプ装置の第２実施形態について、図４を用いて説明する。図４は第２実施形態のヒートポンプ装置の冷媒回路図である。なお、この第２実施形態の説明において、前記第１実施形態の構成要素に対応する構成要素には、同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５０】
このヒートポンプ装置３０は、蒸発器３を備えたエバポレータユニット４０と、圧縮機２、アキュムレータ４、電動膨張弁５、ガスクーラ１１、貯湯タンク１３および循環ポンプ１５を備えた給湯ユニット（利用側ユニット）４１とを有し、これらをガス管３１、及び液管３３からなるユニット間配管１７で接続して構成されている。
【００５１】
給湯ユニット４１では、アキュムレータ４に繋がる一端がガス管３１に接続され、電動膨張弁５に繋がる他端が液管３３に接続されている。
【００５２】
また、前記ガスクーラ１１には、水配管１６が接続され、この水配管１６には循環ポンプ１５を介して、貯湯タンク１３が接続されている。
【００５３】
上記構成では、エバポレータユニット４０、給湯ユニット４１からなる冷凍サイクル内に、配管接続後の冷媒チャージフリーを念頭においた、適正量の二酸化炭素冷媒が封入されている。すなわち、この冷凍サイクル内には、ユニット間配管１７の施工時における、予定される最大の配管長から、予定される最小の配管長までのいずれの配管長のユニット間配管１７が使用されたとしても、配管接続後に冷媒チャージの必要がないチャージフリーを念頭においた、適正量の二酸化炭素冷媒が封入されている。具体的には、ユニット間配管１７の配管長の内、予定される最長の配管長に対応した量の冷媒がチャージされており、いわゆる最大の配管長のユニット間配管１７で施工した場合以外は、余剰となった液冷媒が、アキュムレータ（冷媒貯留装置）４内に貯留される。
【００５４】
このアキュムレータ４の容量は、エバポレータユニット４０と給湯ユニット４１とを、最長配管長のユニット間配管１７で接続した場合に必要な冷媒量と、最小配管長のユニット間配管１７で接続した場合に必要な冷媒量との差分に相当する冷媒量を保有できる容量以上に設定されている。
【００５５】
実際には、工場出荷の段階で、ユニット間配管１７の配管長の内、予定される最長の配管長に対応した量の冷媒が、予め、給湯ユニット４１内にチャージされており、現場では、このエバポレータユニット４０と、給湯ユニット４１とを、ユニット間配管１７で接続して構成されている。
【００５６】
上記構成では、第１実施形態のヒートポンプ装置３０と同様に、圧縮機２の吐出側に、高圧側の温度を測定する温度センサ２０と、高圧側の圧力（状態量）を測定する圧力センサ（測定手段）２１が設けられる。この圧力センサ２１からの圧力信号は、コントローラ（制御手段）２３に送られ、このコントローラ２３は、測定された圧力に応じて、電動膨張弁５の弁開度を制御する。
【００５７】
すなわち、このコントローラ２３は、ユニット間配管１７の配管長に関係なく、高圧側の圧力を所定の圧力に維持するように、電動膨張弁５の弁開度を制御する。例えば、ユニット間配管１７の配管長が長い場合には、電動膨張弁５の弁開度を閉じ気味に制御して、高圧側の圧力を所定の圧力に維持する一方、アキュムレータ（冷媒貯留装置）４内の液冷媒の貯留量を減少させ、ユニット間配管１７の配管長が短い場合には、電動膨張弁５の弁開度を開き気味に制御して、高圧側の圧力を所定の圧力に維持する一方、アキュムレータ内の液冷媒の貯留量を増大させる。
【００５８】
これによれば、ユニット間配管１７の配管長に応じ、コントローラ２３による制御によって、アキュムレータ４に余剰の液冷媒を貯留するため、ユニット間配管１７の配管長に応じた冷媒チャージが不要になり、いわゆるチャージフリーのヒートポンプ装置が提供される。
【００５９】
この第２実施形態のヒートポンプ装置の動作説明は、前記した第１実施形態のヒートポンプ装置３０の動作と同じであるため、その説明を省略する。
【００６０】
以上、第１及び第２実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。
【００６１】
【発明の効果】
本発明では、ユニット間配管の配管接続時における、いわゆるチャージフリーを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示すヒートポンプ装置の冷媒回路図である。
【図２】超臨界サイクルのエンタルピ・圧力線図である。
【図３】超臨界サイクルのエントロピ・圧力線図である。
【図４】本発明の第２実施形態を示すヒートポンプ装置の冷媒回路図である。
【符号の説明】
１熱源側ユニット（他方のユニット）
２圧縮機
３蒸発器
４アキュムレータ（冷媒貯留装置）
５電動膨張弁
１０給湯ユニット（一方のユニット）（利用側ユニット）
１１ガスクーラ
１７ユニット間配管
２１圧力センサ（測定手段）
２３コントローラ（制御手段）
３１ガス管
３３液管
４０エバポレータユニット（他方のユニット）
４１給湯ユニット（一方のユニット）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat pump device in which a refrigerant whose high pressure side becomes a supercritical pressure during operation is enclosed in a refrigeration cycle.
[0002]
[Prior art]
Generally, a heat source side unit equipped with a compressor, an evaporator, and an electric expansion valve is connected to a use side unit equipped with a gas cooler with inter-unit piping, and in this refrigeration cycle, the high pressure side is supercritical during operation. There is known a heat pump device in which a refrigerant to be pressure is sealed (see Patent Document 1).
[0003]
With this type of equipment, when the heat pump device is installed on site, it is common to connect the heat source side unit separately packed and shipped from the factory to the user side unit using piping between units at the site. It is.
[0004]
Note that the term heat pump device includes not only a so-called heat pump but also a refrigeration cycle.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-234811 [0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional configuration, when the pipe length of the inter-unit pipe becomes longer than the normal pipe length, it is necessary to charge the refrigerant in an amount corresponding to the site pipe length on the site. However, in this case, overcharge becomes a problem. In particular, in a heat pump device that contains a refrigerant whose high-pressure side becomes supercritical pressure during operation, if the electric expansion valve is controlled when overcharging occurs, the refrigerant moves to the gas cooler and the high-pressure pressure rises abnormally There is a problem of doing.
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a heat pump device that solves the problems of the above-described conventional technology and realizes so-called charge-free operation when connecting pipes between units.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, a compressor, an evaporator, an electric expansion valve, and a gas cooler are annularly arranged to constitute a refrigeration cycle, and among these refrigeration cycle components, at least one unit in which a gas cooler is arranged And at least the other unit provided with the evaporator is connected by inter-unit piping, and in the refrigeration cycle, in the heat pump device in which the refrigerant whose high pressure side becomes supercritical pressure during operation is sealed, Measuring means for measuring the state quantity; and control means for controlling the valve opening of the electric expansion valve according to the state quantity measured by the measuring means and maintaining the state quantity at a predetermined state quantity. It is characterized by that.
[0009]
According to the second aspect of the present invention, a heat source side unit including a compressor, an evaporator, and an electric expansion valve is connected to a use side unit including a gas cooler by inter-unit piping. In a heat pump device in which a refrigerant whose high pressure side becomes supercritical pressure is sealed during operation, a measuring means for measuring a state quantity on the high pressure side, and a valve of the electric expansion valve according to the state quantity measured by the measuring means Control means for controlling the opening and maintaining the state quantity at a predetermined state quantity.
[0010]
The invention according to claim 3 is the one according to claim 2, wherein the heat source side unit is charged in advance with an amount of refrigerant corresponding to the longest expected pipe length among the pipe lengths of the inter-unit pipes. It is characterized by.
[0011]
Invention of Claim 4 is a thing of Claim 2 or 3, Comprising: The low pressure piping between an electric expansion valve and a compressor is equipped with the refrigerant | coolant storage apparatus which stores an excess refrigerant | coolant. Accordingly, excess refrigerant is stored in the refrigerant storage device under the control of the control means.
[0012]
The invention according to claim 5 is characterized in that, in the invention according to claim 2, the target state quantity on the high-pressure side is set according to the parameters of the refrigerant on the use side such as the outlet temperature of the evaporator, the outlet pressure, and water supply. To do.
[0013]
The invention according to claim 6 is the refrigerant according to claim 4, wherein the refrigerant storage device has a capacity required when the heat source side unit and the use side unit are connected by the inter-unit pipe having the longest pipe length. It is characterized by being set to be equal to or larger than the capacity capable of holding the refrigerant amount corresponding to the difference between the amount and the refrigerant amount required when connecting with the inter-unit pipe having the minimum pipe length.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a first embodiment of a heat pump device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
[0015]
FIG. 1 is a refrigerant circuit diagram showing a first embodiment of a heat pump device according to the present invention. The heat pump device 30 includes a heat source side unit 1 including a compressor 2, an accumulator 4, an evaporator 3, and an electric expansion valve 5, and a hot water supply unit (use side unit) including a gas cooler 11, a hot water storage tank 13, and a circulation pump 15. 10 and these are connected by an inter-unit pipe 17 composed of a gas pipe 31 and a liquid pipe 33. Moreover, the compressor 2, the accumulator 4, the evaporator 3, the electric expansion valve 5, and the gas cooler 11 are arrange | positioned cyclically | annularly, and the refrigerating cycle as a heat pump cycle is comprised.
[0016]
In the hot water supply unit 10, one end of the gas cooler 11 is connected to the gas pipe 31, and the other end of the gas cooler 11 is connected to the liquid pipe 33.
[0017]
A water pipe 16 is connected to the gas cooler 11, and a hot water storage tank 13 is connected to the water pipe 16 via a circulation pump 15.
[0018]
In the above configuration, an appropriate amount of carbon dioxide refrigerant is sealed in the refrigeration cycle including the heat source unit 1 and the hot water supply unit 10 in consideration of refrigerant charge-free after pipe connection. That is, in this refrigeration cycle, the inter-unit pipe 17 having any pipe length from the maximum planned pipe length to the minimum planned pipe length when the inter-unit pipe 17 is constructed is used. However, an appropriate amount of carbon dioxide refrigerant is enclosed in consideration of charge-free, which does not require refrigerant charge after pipe connection. Specifically, the amount of refrigerant corresponding to the expected longest pipe length among the pipe lengths of the inter-unit pipes 17 is charged. The surplus liquid refrigerant is stored in the accumulator (refrigerant storage device) 4.
[0019]
The capacity of the accumulator 4 is determined when the heat source side unit 1 and the hot water supply unit 10 are connected by the inter-unit pipe 17 having the longest pipe length and the inter-unit pipe 17 having the minimum pipe length. The capacity is set to be equal to or larger than the capacity capable of holding the refrigerant amount corresponding to the difference from the necessary refrigerant amount.
[0020]
Actually, at the factory shipment stage, an amount of refrigerant corresponding to the longest expected pipe length of the pipe lengths of the inter-unit pipes 17 is charged in the heat source unit 1 in advance. The heat source side unit 1 and the hot water supply unit 10 are connected by an inter-unit pipe 17.
[0021]
Next, the operation of the heat pump device 30 will be described.
[0022]
In the hot water supply unit 10, the refrigerant discharged from the compressor 2 is guided to the gas cooler 11 through the gas pipe 31, and the water passing through the water pipe 16 is heated by the gas cooler 11, and the hot water is stored in the hot water storage tank 13. It is done.
[0023]
Since the refrigeration cycle uses a carbon dioxide refrigerant and becomes a supercritical cycle with a high pressure, it becomes possible to set a high use side temperature in the gas cooler 11, and the hot water stored here is about It becomes a high temperature of 80 ° C or higher. The hot water stored in the hot water storage tank 13 is sent to various facilities via a pipe not shown.
[0024]
When carbon dioxide refrigerant is sealed in the refrigeration cycle, the high-pressure gas pipe 11 is operated at a supercritical pressure during operation, as shown in the enthalpy / pressure (ps) diagram of FIG. In addition to the carbon dioxide refrigerant, for example, ethylene, diborane, ethane, nitric oxide and the like can be cited as the refrigerant in which the inside of the high-pressure gas pipe 31 is operated at a supercritical pressure.
[0025]
In FIG. 2, the compressor outlet is shown in state A, and the gas cooler 11 inlet is shown in state B. The refrigerant circulates through the gas cooler 11 where it is cooled to state C and releases heat into the water. Subsequently, the refrigerant reaches the state D due to the pressure drop at the electric expansion valve 5, where a gas / liquid two-phase mixture is formed. The refrigerant absorbs heat in the evaporator 3 by evaporation of the liquid phase. State E is the state of the evaporator outlet, and the gas-phase refrigerant is directed from here to the suction pipe of the compressor 2.
[0026]
In the supercritical cycle, the high-pressure single-phase gas refrigerant discharged from the compressor 2 is not condensed, but a temperature drop occurs in the gas cooler 11. The final temperature of the refrigerant in the gas cooler 11 is several degrees higher than the temperature of water. The high-pressure gas is cooled to a state C that is several degrees lower by the gas cooler 11.
[0027]
In the heat pump device using the CO2 refrigerant, as shown in the entropy / pressure (pi) diagram of FIG. 3, the high pressure pressure (target high pressure) for maximizing the coefficient of performance ε is the suction state of the compressor 2 ( It is set from the conditions of point a) and isotherm c. That is, when the temperature of water in the gas cooler 11 increases, the coefficient of performance ε becomes maximum at a certain value of the compression pressure P2. When the suction state a of the compressor 2 and the water temperature tc are given (the entropy ia at the point a is constant), the value of the compression pressure P2 for maximizing the coefficient of performance ε is obtained as follows. . Formula for coefficient of performance ε [0028]
[Expression 1]

[0029]
If P is differentiated by P2, ia is invariant.
[Expression 2]

[0031]
Therefore, the conditional expression for maximizing the coefficient of performance ε is:
[Equation 3]

[0033]
If this cycle is abcd as shown in FIG.
[0034]
[Expression 4]

[0035]
Represents the slope of the tangent at point c of the isotherm tc,
[0036]
[Equation 5]

[0037]
Represents the slope of the tangent at point b of the isentropic line passing through point a. If the intersections of these two tangents and the horizontal line passing through point a are h and j,
[0038]
[Formula 6]

[0039]
Therefore, the condition of equation (1) is
[0040]
[Expression 7]

[0041]
That is, [0042]
[Equation 8]

[0043]
This condition indicates that tangent lines passing through points b and c intersect at the same point e on a vertical line passing through point a. If the position of point b or point c is determined so as to satisfy this condition, the coefficient of performance ε is maximized. Since the curvature of the isentropic line is very small, this line is assumed to be a straight line as a first approximation. Therefore, when the point j is made to coincide with a, the point h also coincides with the point a according to the equation (2). Therefore, if a tangent line is drawn from the point a to the isothermal line tc and the contact point is c1, the pressure corresponding to c1 becomes the value of P2 of the first approximation. To make a second order approximation, draw a horizontal line from c1 and let the intersection point with the isentropic line be b1, draw a tangent line from b1 and draw a tangent line to the isothermal line tc from the intersection point with the vertical line passing through a, The pressure corresponding to the contact becomes the value of P2 of the second approximation. If this is repeated several times, the correct positions of c point and b point are finally determined, and the best refrigeration cycle is determined.
[0044]
Here, the point a in FIG. 3 is determined by the temperature and pressure of the refrigerant, and the isotherm c is determined by the feed water temperature circulating through the gas cooler 11 + α ° C. (for example, about 5 ° C.). Accordingly, the target high pressure is set by parameters of the outlet temperature and pressure of the evaporator 3 and the feed water temperature.
[0045]
In the above configuration, the temperature sensor 20 that measures the temperature on the high-pressure side and the pressure sensor (measuring means) 21 that measures the pressure (state quantity) on the high-pressure side are provided on the discharge side of the compressor 2. The pressure signal from the pressure sensor 21 is sent to a controller (control means) 23, which controls the valve opening degree of the electric expansion valve 5 in accordance with the measured pressure.
[0046]
That is, the controller 23 controls the valve opening degree of the electric expansion valve 5 so as to maintain the high-pressure side pressure at a predetermined pressure regardless of the pipe length of the inter-unit pipe 17. For example, when the pipe length of the inter-unit pipe 17 is long, the valve opening degree of the electric expansion valve 5 is controlled to close and the pressure on the high pressure side is maintained at a predetermined pressure, while the accumulator (refrigerant storage device) When the storage amount of the liquid refrigerant in 4 is reduced and the pipe length of the inter-unit pipe 17 is short, the opening degree of the electric expansion valve 5 is controlled to open and the pressure on the high pressure side is set to a predetermined pressure. While maintaining, the storage amount of the liquid refrigerant in the accumulator is increased.
[0047]
According to this, since the surplus liquid refrigerant is stored in the accumulator 4 under the control of the controller 23 according to the pipe length of the inter-unit pipe 17, the refrigerant charge according to the pipe length of the inter-unit pipe 17 becomes unnecessary. A so-called charge-free heat pump device is provided.
[0048]
In the first embodiment of the heat pump device according to the present invention described above, so-called charge-free is realized, and it is not necessary to charge the refrigerant on site. For this reason, overcharge is eliminated, and problems caused by overcharge are eliminated.
[0049]
Next, 2nd Embodiment of the heat pump apparatus in this invention is described using FIG. FIG. 4 is a refrigerant circuit diagram of the heat pump device of the second embodiment. In the description of the second embodiment, components corresponding to the components of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0050]
The heat pump device 30 includes an evaporator unit 40 including an evaporator 3, a hot water supply unit (use side unit) 41 including a compressor 2, an accumulator 4, an electric expansion valve 5, a gas cooler 11, a hot water storage tank 13, and a circulation pump 15. These are connected by an inter-unit pipe 17 including a gas pipe 31 and a liquid pipe 33.
[0051]
In the hot water supply unit 41, one end connected to the accumulator 4 is connected to the gas pipe 31, and the other end connected to the electric expansion valve 5 is connected to the liquid pipe 33.
[0052]
A water pipe 16 is connected to the gas cooler 11, and a hot water storage tank 13 is connected to the water pipe 16 via a circulation pump 15.
[0053]
In the above configuration, an appropriate amount of carbon dioxide refrigerant is sealed in the refrigeration cycle including the evaporator unit 40 and the hot water supply unit 41 in consideration of refrigerant charge-free after the pipe connection. That is, in this refrigeration cycle, the inter-unit pipe 17 having any pipe length from the maximum planned pipe length to the minimum planned pipe length when the inter-unit pipe 17 is constructed is used. However, an appropriate amount of carbon dioxide refrigerant is enclosed in consideration of charge-free, which does not require refrigerant charge after pipe connection. Specifically, the amount of refrigerant corresponding to the expected longest pipe length among the pipe lengths of the inter-unit pipes 17 is charged. The surplus liquid refrigerant is stored in the accumulator (refrigerant storage device) 4.
[0054]
The capacity of the accumulator 4 is necessary when the evaporator unit 40 and the hot water supply unit 41 are connected by the inter-unit pipe 17 having the longest pipe length and the inter-unit pipe 17 having the minimum pipe length. The capacity is set to be equal to or greater than the capacity capable of holding the refrigerant amount corresponding to the difference from the refrigerant amount.
[0055]
Actually, an amount of refrigerant corresponding to the longest expected pipe length among the pipe lengths of the inter-unit pipes 17 is charged in the hot water supply unit 41 in advance at the factory shipment stage. The evaporator unit 40 and the hot water supply unit 41 are connected by an inter-unit pipe 17.
[0056]
In the above configuration, as with the heat pump device 30 of the first embodiment, on the discharge side of the compressor 2, a temperature sensor 20 that measures the temperature on the high-pressure side and a pressure sensor that measures the pressure (state quantity) on the high-pressure side ( Measuring means) 21 is provided. The pressure signal from the pressure sensor 21 is sent to a controller (control means) 23, which controls the valve opening degree of the electric expansion valve 5 in accordance with the measured pressure.
[0057]
That is, the controller 23 controls the valve opening degree of the electric expansion valve 5 so as to maintain the high-pressure side pressure at a predetermined pressure regardless of the pipe length of the inter-unit pipe 17. For example, when the pipe length of the inter-unit pipe 17 is long, the valve opening degree of the electric expansion valve 5 is controlled to close and the pressure on the high pressure side is maintained at a predetermined pressure, while the accumulator (refrigerant storage device) When the storage amount of the liquid refrigerant in 4 is reduced and the pipe length of the inter-unit pipe 17 is short, the opening degree of the electric expansion valve 5 is controlled to open and the pressure on the high pressure side is set to a predetermined pressure. While maintaining, the storage amount of the liquid refrigerant in the accumulator is increased.
[0058]
According to this, since the surplus liquid refrigerant is stored in the accumulator 4 by the control of the controller 23 according to the pipe length of the inter-unit pipe 17, the refrigerant charge according to the pipe length of the inter-unit pipe 17 becomes unnecessary. A so-called charge-free heat pump device is provided.
[0059]
The description of the operation of the heat pump device of the second embodiment is the same as the operation of the heat pump device 30 of the first embodiment described above, and therefore the description thereof is omitted.
[0060]
As mentioned above, although this invention was demonstrated based on 1st and 2nd embodiment, this invention is not limited to this.
[0061]
【The invention's effect】
In the present invention, it is possible to realize so-called charge-free at the time of pipe connection of the inter-unit pipe.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a refrigerant circuit diagram of a heat pump device showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enthalpy / pressure diagram of a supercritical cycle.
FIG. 3 is an entropy / pressure diagram of a supercritical cycle.
FIG. 4 is a refrigerant circuit diagram of a heat pump device showing a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Heat source side unit (the other unit)
2 Compressor 3 Evaporator 4 Accumulator (refrigerant storage device)
5 Electric expansion valve 10 Hot water supply unit (one unit) (use side unit)
11 Gas cooler 17 Inter-unit piping 21 Pressure sensor (measuring means)
23 Controller (control means)
31 Gas pipe 33 Liquid pipe 40 Evaporator unit (the other unit)
41 Hot water supply unit (one unit)

Claims

A compressor, an evaporator, an electric expansion valve, and a gas cooler are annularly arranged to constitute a refrigeration cycle. Among these refrigeration cycle components, at least one unit provided with a gas cooler and at least an evaporator are provided. In the heat pump device in which the other unit is connected by inter-unit piping, and in the refrigeration cycle, a refrigerant whose high pressure side becomes supercritical pressure during operation is sealed,
Measuring means for measuring the state quantity on the high-pressure side;
A heat pump apparatus comprising: control means for controlling a valve opening degree of the electric expansion valve according to a state quantity measured by the measuring means and maintaining the state quantity at a predetermined state quantity.

A heat source side unit equipped with a compressor, an evaporator, and an electric expansion valve is connected to a user side unit equipped with a gas cooler with inter-unit piping. In this refrigeration cycle, the high pressure side is supercritical pressure during operation. In the heat pump device enclosing the refrigerant to be
Measuring means for measuring the state quantity on the high-pressure side;
A heat pump apparatus comprising: control means for controlling a valve opening degree of the electric expansion valve according to a state quantity measured by the measuring means and maintaining the state quantity at a predetermined state quantity.

The heat pump device according to claim 2, wherein the heat source side unit is charged in advance with an amount of refrigerant corresponding to the longest expected pipe length among the pipe lengths of the inter-unit pipes.

A low-pressure pipe between the electric expansion valve and the compressor is provided with a refrigerant storage device that stores excess refrigerant, and excess refrigerant is stored in the refrigerant storage device by the control of the control unit according to the pipe length of the inter-unit pipe. The heat pump apparatus according to claim 2 or 3, wherein

3. The heat pump device according to claim 2, wherein the target state quantity on the high pressure side is set according to parameters of the use side refrigerant such as an outlet temperature of the evaporator, an outlet pressure, and water supply.

The capacity of the refrigerant storage device is necessary when the heat source side unit and the usage side unit are connected by the inter-unit pipe having the longest pipe length and the refrigerant quantity required by the inter-unit pipe having the minimum pipe length. The heat pump apparatus according to claim 4, wherein the heat pump apparatus is set to be equal to or larger than a capacity capable of holding a refrigerant amount corresponding to a difference from the refrigerant amount.