JP2006071177A - エジェクタ式ヒートポンプサイクル - Google Patents

Abstract

【課題】 高外気温時においても冷媒水熱交換器２０の出口側で検出する圧力値を用いて安定的に圧縮機１０の吐出圧力制御を行う。
【解決手段】 制御装置７０は、圧縮機１０に吸入される冷媒の吸入密度と圧縮機１０の回転数とから高圧側の冷媒流量を算出し、その冷媒流量から冷媒水熱交換器２０での圧力損失を算出し、高圧側圧力センサ２１で検出される圧力値に算出される圧力損失を加えた圧力値を圧縮機１０の吐出圧力として制御するようにしている。
これによれば、高圧側の冷媒流量を算出して冷媒水熱交換器２０の圧力損失を見込むことにより、冷媒水熱交換器２０出口に配設した高圧側圧力センサ２１の圧力検出値から圧縮機１０の吐出圧力を精度良く推定することができ、安定した吐出圧力制御を行うことができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍サイクルのうち、冷媒を減圧膨張させながら膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機の吸入圧を上昇させるエジェクタを有するエジェクタ式ヒートポンプサイクルに関するものであり、特に高圧側が冷媒の臨界圧力以上で運転される冷凍サイクルに適用される。

従来技術として、高圧側熱交換器の冷媒下流側に設けた高圧側圧力センサにて高圧側の冷媒圧力を検出して圧縮機の吐出圧力を制御するエジェクタ式ヒートポンプサイクルがある。

しかしながら、上記のような構成のエジェクタ式ヒートポンプサイクルにおいて、外気からの吸熱温度が高い時に高い加熱能力を設定すると、同じ圧縮機回転数でも冷媒流量が増加するために高圧側熱交換器の圧力損失が大きくなり、高圧側熱交換器出口の圧力センサでは圧縮機での吐出圧力が推定できなくなるという問題点がある。

特に、エジェクタを用いたヒートポンプサイクルでは吸熱温度が高い条件下では高圧側熱交換器内がガス化するためエジェクタによる昇圧が大きくなり、圧縮機の吸入圧力が上昇して吸入密度が大きくなり冷媒流量の増加がより大きくなる。

このため高圧側熱交換器出口の圧力で圧力制御を行うと必要以上に吐出圧力が高くなり、機器の寿命を縮めてしまうこととなる。ちなみに、高圧側熱交換器の出口側に圧力センサを設けているのは、圧縮機出口側（高圧側熱交換器入口側）では冷媒が高温すぎて圧力センサを設けられないためである。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、高外気温時においても高圧側熱交換器の出口側で検出する圧力値を用いて安定的に圧縮機の吐出圧力制御を行うことのできるエジェクタ式ヒートポンプサイクルを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項２に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルであって、圧縮機（１０）にて冷媒の臨界圧力以上まで圧縮された高温高圧の冷媒を放冷する高圧側熱交換器（２０）と、高圧側熱交換器（２０）の冷媒下流側に設けられて高圧側の冷媒圧力を検出する高圧側圧力検出手段（２１）と、低温低圧の冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（３０）と、高圧冷媒を減圧膨張させるノズル（４１）を有し、ノズル（４１）から噴射する高い速度の冷媒流により低圧側熱交換器（３０）にて蒸発した気相冷媒を吸引すると共に、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機（１０）の吸入圧を上昇させるエジェクタ（４０）と、エジェクタ（４０）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を圧縮機（１０）の吸入側に供給し、液相冷媒を低圧側熱交換器（３０）側に供給する気液分離手段（５０）と、ヒートポンプサイクルの状態を制御する制御手段（７０）とを備えたエジェクタ式ヒートポンプサイクルにおいて、
制御手段（７０）は、圧縮機（１０）に吸入される冷媒の吸入密度と圧縮機（１０）の回転数とから高圧側の冷媒流量を算出し、その冷媒流量から高圧側熱交換器（２０）での圧力損失を算出し、高圧側圧力検出手段（２１）で検出される圧力値に算出される圧力損失を加えた圧力値を圧縮機（１０）の吐出圧力として制御することを特徴としている。

この請求項１に記載の発明によれば、高圧側の冷媒流量を算出して高圧側熱交換器（２０）の圧力損失を見込むことにより、高圧側熱交換器（２０）出口に配設した高圧側圧力検出手段（２１）の圧力検出値から圧縮機（１０）の吐出圧力を精度良く推定することができ、安定した吐出圧力制御を行うことができる。

高外気温で加熱温度が高いときのヒートポンプサイクルの運転は、外気からの吸熱温度によって蒸発圧力が上がって吐出温度が下がるため、加熱温度を確保するために高圧を上げる必要がある。実機では高圧側は機器の設計耐圧で制限があるため、高圧が限界になると被加熱流体の供給量を下げて加熱温度を確保するため、加熱能力が減少してしまう。

一方冷媒側は、高圧側熱交換器（２０）出口の温度が上がり、膨張損失エネルギーが大きくなるためエジェクタ（４０）による昇圧が大きくなり、低圧系の圧力が上がる。このような状態ではエジェクタ（４０）の昇圧の関係で圧縮機（１０）に吸入される冷媒の吸入密度が急激に上がるため、同じ圧縮機（１０）の回転数でも冷媒流量が増加し、結果として高圧側熱交換器（２０）の圧力損失が増大する。

このため、高圧側熱交換器（２０）出口の高圧側圧力検出手段（２１）で検出される圧力値にて目標圧力に対する吐出圧力制御を行うと、吐出圧力が必要以上に上がってしまう。そこで、特に外気温度が高いときには高圧側熱交換器（２０）の圧力損失を推定し、高圧側圧力検出手段（２１）の検出値に圧力損失を加えて圧力制御を行うことで実際の吐出圧力を制御することができる。

このように、高圧側圧力検出手段（２１）の配設された高圧側熱交換器（２０）出口での圧力値と、実際の圧縮機（１０）の吐出圧力との乖離が大きくなる高外気温条件において必要以上に吐出圧力が上がることがなくなるため、機器に過大な圧力を掛けることを防止することができる。尚、高圧側圧力検出手段（２１）で検出される圧力値をそのまま用い、制御手段（７０）での目標圧力を圧力損失分だけ低く補正して吐出圧力制御を行うようにしても良い。

また、請求項２に記載の発明では、吸入密度は、圧縮機（１０）の吸入圧力、圧縮機（１０）の吸入温度、低圧側熱交換器（３０）の入口・出口圧力、低圧側熱交換器（３０）の入口冷媒温度、外気温度、エジェクタ（４０）の出口圧力、エジェクタ（４０）の出口冷媒温度のいずれか、もしくは２つ以上の組み合わせによって推定することを特徴としている。

この請求項２に記載の発明によれば、本エジェクタ式ヒートポンプサイクルを用いた装置を制御するために各部に設けた圧力センサや温度センサの検出値を用いて吸入密度も算出することができるため、装置のコストを抑えることができる。ちなみに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るエジェクタ式ヒートポンプサイクルの全体構成模式図である。本実施形態のエジェクタ式ヒートポンプサイクルは、超臨界ヒートポンプサイクルを用いて給湯用水を高温（本実施形態での沸き上げ温度は９０℃）に加熱して給湯を行うヒートポンプ式給湯器に適用したものである。

尚、超臨界ヒートポンプサイクルとは、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルを言い、例えば二酸化炭素・エチレン・エタン・酸化窒素などを冷媒とするヒートポンプサイクルである。ヒートポンプ式給湯器は大きく分けて、主に後述する冷凍サイクル機器が収納されたヒートポンプユニットと、主に図示しない貯湯タンクが収納されたタンクユニットとよりなる。

また、ヒートポンプユニット内は、大きく分けてヒートポンプサイクルの冷媒回路と、給湯関係の給湯水加熱回路とで構成されている。まず冷媒回路は、冷媒を圧縮する圧縮機１０と、給湯用水の加熱手段である冷媒水熱交換器（高圧側熱交換器）２０と、冷媒減圧手段であるエジェクタ４０と、大気から吸熱するための冷媒空気熱交換器（低圧側熱交換器）３０とを図１に示すような冷媒配管経路で接続して構成され、冷媒として臨界温度の低い二酸化炭素（以下、ＣＯ_２と略す）冷媒が封入されている。

尚、冷媒回路に接続されている６０は、冷媒水熱交換器２０から流出した高圧冷媒（エジェクタ４０にて減圧される前の冷媒）と、後述する気液分離器５０から流出して圧縮機１０に吸入される低圧冷媒とを熱交換する内部熱交換器である。

圧縮機１０は、内蔵する駆動モータと、吸引したガス冷媒を臨界圧力以上の高圧にまで昇圧して吐出する高圧圧縮部とで構成しており、これらが密閉容器内に収納されている。そして、装置全体の制御手段である制御装置７０により通電制御される。尚、圧縮機１０は冷媒水熱交換器２０の加熱能力を大きくするときには圧縮機１０の回転数を増大させて、圧縮機１０から吐出する冷媒の流量を増大させ、一方、加熱能力を小さくするときには圧縮機１０の回転数を低下させ、圧縮機１０から吐出する冷媒の流量を減少させる。

冷媒水熱交換器２０は、高圧圧縮部で昇圧された高温高圧のガス冷媒と給湯用水とを熱交換して給湯用水を加熱するもので、高圧冷媒通路に隣接して給湯水通路が設けられ、その高圧冷媒通路を流れる冷媒の流れ方向と給湯水通路を流れる給湯用水の流れ方向とが対向するように構成されている。

ちなみに、本実施形態では、冷媒としてＣＯ_２を用いているので、冷媒水熱交換器２０内の冷媒圧力は冷媒の臨界圧力以上となり、且つ、冷媒水熱交換器２０内で冷媒が凝縮することなく、冷媒入口側から冷媒出口側に向かうほど冷媒温度が低下するような温度分布を有する。

冷媒空気熱交換器３０は、屋外空気と液相冷媒とを熱交換させ、液相冷媒を蒸発させることにより屋外空気から吸熱する熱交換器である。また、外気ファン３０ａは、冷媒空気熱交換器３０へ外気を供給する送風手段であり、制御装置７０により通電制御される。エジェクタ４０は冷媒を減圧膨張させて冷媒空気熱交換器３０にて蒸発した気相冷媒を吸引すると共に、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機１０の吸入圧を上昇させるものである。尚、エジェクタ４０の詳細は、後述する。

気液分離器５０は、エジェクタ４０から流出した冷媒が流入すると共に、その流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して液冷媒を蓄える気液分離器であり、気液分離器５０の気相冷媒流出口は圧縮機１０の吸引側に接続され、液相冷媒流出口は冷媒空気熱交換器３０の流入側に接続される。

ここで、エジェクタ４０の構造について図２を用いて説明する。エジェクタ４０は、流入する高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル４１、ノズル４１から噴射する高い速度の冷媒流により冷媒空気熱交換器３０にて蒸発した気相冷媒を吸引しながらノズル４１から噴射する冷媒流と混合する混合部４２、およびノズル４１から噴射する冷媒と冷媒空気熱交換器３０から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ４３などからなるものである。

尚、混合部４２においては、ノズル４１から噴射する冷媒流の運動量と、冷媒空気熱交換器３０からエジェクタ４０に吸引される冷媒流の運動量との和が保存されるように混合するので、混合部４２においても冷媒の静圧が上昇する。一方、ディフューザ４３においては、通路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の動圧を静圧に変換するので、エジェクタ４０においては、混合部４２およびディフューザ４３の両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、混合部４２とディフューザ４３とを総称して昇圧部と呼ぶ。

つまり、理想的なエジェクタ４０においては、混合部４２で２種類の冷媒流の、運動量の和が保存されるように冷媒圧力が増大し、ディフューザ４３でエネルギーが保存されるように冷媒圧力が増大することが望ましい。ちなみに、ノズル４１の周りには、ボディ４４により形成された吸引室４５が形成されており、冷媒空気熱交換器３０から吸引された気相冷媒は、吸引室４５を経由して混合部４２に流れる。

給湯関係の給湯水加熱回路は、給湯用水の加熱手段である上記冷媒水熱交換器２０の給湯水通路と、給湯用水を循環させる図示しないウォーターポンプと、給湯用水を貯留する貯湯タンクとを環状に接続して構成される。ウォーターポンプは、貯湯タンク内の下部に設けられた低温水流出部から冷水を冷媒水熱交換器２０の給湯水通路を通して貯湯タンクの上部に設けられた高温水流入部から還流する様に水流を発生させる。また、このウォーターポンプは内蔵するモータの回転数に応じて流水量を調節することができ、制御装置７０により通電制御される。

貯湯タンクは、耐蝕性に優れた金属製（例えばステンレス製）で断熱構造を有し、高温の給湯用水を長時間にわたって保温することができる。貯湯タンクに貯留された給湯用水は、出湯時に低温水混合手段である図示しない給湯混合弁で、貯湯タンク上部の高温水流出部からの高温水と水道からの冷水とを混合して温度調節した後、主に台所や風呂などに給湯される。尚、給湯混合弁も制御装置７０により通電制御される。

そして、制御装置７０は、上述したヒートポンプサイクルの各冷凍機器を制御する制御手段であり、ＣＰＵ・ＲＯＭ・ＲＡＭ・Ｉ／Ｏポートなどの機能を含んで構成され、それ自体は周知の構造を持つマイクロコンピュータを内蔵している。

尚、本ヒートポンプサイクルのセンサ群として、圧縮機１０の吸入圧力・吸入温度を検出する吸入圧力センサ１１・吸入温度センサ１２、冷媒水熱交換器２０の出口側に配設されて圧縮機１０の吐出圧力を検出するための高圧側圧力センサ（高圧側圧力検出手段）２１、冷媒空気熱交換器３０の入口圧力・出口圧力・入口冷媒温度を検出する冷媒空気熱交換器入口圧力センサ３１・冷媒空気熱交換器出口圧力センサ３２・冷媒空気熱交換器入口温度センサ３３、外気温度を検出する外気温度センサ３４、エジェクタ４０の出口圧力・出口温度を検出するエジェクタ出口圧力センサ４６・エジェクタ出口温度センサ４７などがある。

これらセンサ群からのセンサ信号は、図示しない入力回路（Ａ／Ｄ変換回路）によってＡ／Ｄ変換された後に、制御装置７０に入力されるように構成されていると共に、制御装置７０からはウォーターポンプ・圧縮機１０・外気ファン３０ａなどに制御出力を出すように構成されている。

次に、本発明の要部である制御装置７０での制御概要を説明する。図３は本発明の一実施形態におけるヒートポンプサイクル制御のフローチャートである。本制御がスタートするとまず、ステップＳ１にて、吸入圧力センサ１１で検出される圧縮機吸入圧力・吸入温度センサ１２で検出される圧縮機吸入温度・冷媒空気熱交換器入口圧力センサ３１で検出される低圧側熱交換器入口圧力・冷媒空気熱交換器出口圧力センサ３２で検出される低圧側熱交換器出口圧力・冷媒空気熱交換器入口温度センサ３３で検出される低圧側熱交換器入口冷媒温度・外気温度センサ３４で検出される外気温度・エジェクタ出口圧力センサ４６で検出されるエジェクタ出口圧力・エジェクタ出口温度センサ４７で検出されるエジェクタ出口冷媒温度のいずれかを取り込み、これらの圧力や温度のいずれか、もしくはこれらの圧力と温度との組み合わせにて圧縮機１０が吸入する冷媒の吸入密度を算出する。

次のステップＳ２では、ステップＳ１で算出した吸入密度と圧縮機１０の回転数から高圧側冷媒流量を算出し、この高圧側冷媒流量から高圧側熱交換器２０での圧力損失を算出する。そして次のステップＳ３では、高圧側圧力センサ２１で検出される高圧側熱交換器出口圧力にステップＳ２で算出した圧力損失を加えた値を圧縮機１０の吐出圧力として、ヒートポンプサイクルの状態を制御するものである。

次に、本実施形態での特徴と、その効果について述べる。まず、制御装置７０は、圧縮機１０に吸入される冷媒の吸入密度と圧縮機１０の回転数とから高圧側の冷媒流量を算出し、その冷媒流量から高圧側熱交換器２０での圧力損失を算出し、高圧側圧力センサ２１で検出される圧力値に算出される圧力損失を加えた圧力値を圧縮機１０の吐出圧力として制御するようにしている。

これによれば、高圧側の冷媒流量を算出して高圧側熱交換器２０の圧力損失を見込むことにより、高圧側熱交換器２０の出口側に配設した高圧側圧力センサ２１の圧力検出値から圧縮機１０の吐出圧力を精度良く推定することができ、安定した吐出圧力制御を行うことができる。

高外気温で加熱温度が高いときのヒートポンプサイクルの運転は、外気からの吸熱温度によって蒸発圧力が上がって吐出温度が下がるため、加熱温度を確保するために高圧を上げる必要がある。実機では高圧側は機器の設計耐圧で制限があるため、高圧が限界になると被加熱流体の供給量を下げて加熱温度を確保するため、加熱能力が減少してしまう。

一方冷媒側は、高圧側熱交換器２０出口の温度が上がり、膨張損失エネルギーが大きくなるためエジェクタ４０による昇圧が大きくなり、低圧系の圧力が上がる。このような状態ではエジェクタ４０の昇圧の関係で圧縮機１０に吸入される冷媒の吸入密度が急激に上がるため、同じ圧縮機１０の回転数でも冷媒流量が増加し、結果として高圧側熱交換器２０の圧力損失が増大する。

このため、高圧側熱交換器２０出口の高圧側圧力センサ２１で検出される圧力値にて目標圧力に対する吐出圧力制御を行うと、吐出圧力が必要以上に上がってしまう。そこで、特に外気温度が高いときには高圧側熱交換器２０の圧力損失を推定し、高圧側圧力センサ２１の検出値に圧力損失を加えて圧力制御を行うことで実際の吐出圧力を制御することができる。

このように、高圧側圧力センサ２１の配設された高圧側熱交換器２０出口での圧力値と、実際の圧縮機１０の吐出圧力との乖離が大きくなる高外気温条件において必要以上に吐出圧力が上がることがなくなるため、機器に過大な圧力を掛けることを防止することができる。尚、高圧側圧力センサ２１で検出される圧力値をそのまま用い、制御装置７０での目標圧力を圧力損失分だけ低く補正して吐出圧力制御を行うようにしても良い。

また、吸入密度は、圧縮機１０の吸入圧力、圧縮機１０の吸入温度、低圧側熱交換器（３０）の入口・出口圧力、低圧側熱交換器（３０）の入口冷媒温度、外気温度、エジェクタ（４０）の出口圧力、エジェクタ（４０）の出口冷媒温度のいずれか、もしくは２つ以上の組み合わせによって推定するようにしている。

これによれば、本エジェクタ式ヒートポンプサイクルを用いた装置を制御するために各部に設けた圧力センサや温度センサの検出値を用いて吸入密度も算出することができるため、装置のコストを抑えることができる。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、本発明に係るエジェクタ式ヒートポンプサイクルを給湯器に適用したが、本発明はこれに限定されるものでなく、空調装置やショーケースなど、その他の大気から吸熱を行う冷凍装置に適用することができる。

本発明の実施形態に係るエジェクタ式ヒートポンプサイクルの全体構成模式図である。 本発明の実施形態に係るエジェクタ４０の断面模式図である。 本発明の一実施形態におけるヒートポンプサイクル制御のフローチャートである。

符号の説明

１０…圧縮機
２０…冷媒水熱交換器（高圧側熱交換器）
２１…高圧側圧力センサ（高圧側圧力検出手段）
３０…冷媒空気熱交換器（低圧側熱交換器）
４０…エジェクタ
４１…ノズル
５０…気液分離器
７０…制御装置（制御手段）

Claims (2)

1. 低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルであって、
   圧縮機（１０）にて冷媒の臨界圧力以上まで圧縮された高温高圧の冷媒を放冷する高圧側熱交換器（２０）と、
   前記高圧側熱交換器（２０）の冷媒下流側に設けられて高圧側の冷媒圧力を検出する高圧側圧力検出手段（２１）と、
   低温低圧の冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（３０）と、
   高圧冷媒を減圧膨張させるノズル（４１）を有し、前記ノズル（４１）から噴射する高い速度の冷媒流により前記低圧側熱交換器（３０）にて蒸発した気相冷媒を吸引すると共に、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して前記圧縮機（１０）の吸入圧を上昇させるエジェクタ（４０）と、
   前記エジェクタ（４０）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を前記圧縮機（１０）の吸入側に供給し、液相冷媒を前記低圧側熱交換器（３０）側に供給する気液分離手段（５０）と、
   ヒートポンプサイクルの状態を制御する制御手段（７０）とを備えたエジェクタ式ヒートポンプサイクルにおいて、
   前記制御手段（７０）は、前記圧縮機（１０）に吸入される冷媒の吸入密度と前記圧縮機（１０）の回転数とから高圧側の冷媒流量を算出し、その冷媒流量から前記高圧側熱交換器（２０）での圧力損失を算出し、前記高圧側圧力検出手段（２１）で検出される圧力値に算出される圧力損失を加えた圧力値を前記圧縮機（１０）の吐出圧力として制御することを特徴とするエジェクタ式ヒートポンプサイクル。
2. 前記吸入密度は、前記圧縮機（１０）の吸入圧力、前記圧縮機（１０）の吸入温度、前記低圧側熱交換器（３０）の入口・出口圧力、前記低圧側熱交換器（３０）の入口冷媒温度、外気温度、前記エジェクタ（４０）の出口圧力、前記エジェクタ（４０）の出口冷媒温度のいずれか、もしくは２つ以上の組み合わせによって推定することを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ式ヒートポンプサイクル。

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