JP2007017014A - 冷凍サイクル装置の制御方法およびそれを用いた冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膨張時の圧力エネルギーを回収可能な膨張機構を備えた冷凍サイクル装置において、効率の良い除霜運転を可能とすること。
【解決手段】圧縮機構２、熱源側熱交換器６、動力回収を行う膨張機構５、利用側熱交換器３を備えた冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器６の除霜を行う除霜運転時に、前記膨張機構５の回転数を通常運転時より大きくすることを特徴とするもので、低圧側圧力が上昇し熱源側熱交換器６を流れる冷媒の温度が上昇するとともに、高温冷媒を膨張機構５で膨脹により温度低下させることなく熱源側熱交換器６に導入できるため、効率よく除霜が行える。
【選択図】図１

Description

本発明は、動力を回収する膨張機構を備えた冷凍サイクル装置の制御方法、および、それを用いた冷凍サイクル装置に関する。

圧縮機、利用側熱交換器、減圧器および外気を熱源とする熱源側熱交換器からなる冷凍サイクル装置において、熱源側熱交換器が蒸発器として作用する場合で、外気温度が低い場合には熱源側熱交換器に着霜が生じ、能力が低下することがある。

従来、熱源側熱交換器についた霜を除霜する方法として、利用流体搬送手段を停止するとともに減圧器の開度を通常運転時より大きくする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

これによれば、圧縮機で吐出された高温冷媒が利用側熱交換器で放熱する熱エネルギー量を少なくでき、かつ、減圧器での減圧による温度低下を小さくできるために、圧縮機より吐出された高温冷媒が大きく温度低下することなく熱源側熱交換器まで到達して、除霜を行うことができるとされている。

また、別の従来の除霜方法として、利用側熱交換器を通さずに圧縮機の吐出側から熱源側熱交換器に高圧冷媒が流れるようにバイパス流路を構成し、さらにバイパス流路に電磁弁等を配置し、除霜運転時にはこの電磁弁を開とし、高温冷媒を熱源側熱交換器に導入させる除霜方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

一方、圧縮機、利用側熱交換器、減圧器および外気を熱源とする熱源側熱交換器からなる冷凍サイクル装置において、減圧器のかわりに膨張時の圧力エネルギーを回収可能な膨張機構を設けて、膨張時の圧力エネルギーを動力として回収し、ＣＯＰを向上させる冷凍サイクル装置が提案されている（例えば、特許文献３）。
特開２００１−８２８０２号公報 特開２００１−１０８２５６号公報 特開昭５１−６５４５６号公報

上記のような膨張時の圧力エネルギーを回収可能な膨張機構を備えた冷凍サイクル装置の場合、減圧器が設けられていないために、減圧器の開度を大きくする除霜方法は実現できないという課題があった。

また、膨張機構を備えた冷凍サイクル装置において、電磁弁を開としバイパス流路に高温冷媒を流す除霜方法を行うと、膨張機構を備えた冷凍サイクル装置の特性から、膨張機構を用いない冷凍サイクル装置に比較して、高圧側圧力が大きく低下し、圧縮機から吐出される高温冷媒の温度が過度に低下するために効率のよい除霜が実現できないという課題があった。

そこで、本発明は、上記課題を解決するため、膨張時の圧力エネルギーを回収可能な膨張機構を備えた冷凍サイクル装置において、効率の良い除霜運転を可能とすることを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に、前記膨張機構の回転数を通常運転時より大きくすることを特徴とするもので、低圧側圧力が上昇し熱源側熱交換器を流れる冷媒の温度が上昇するとともに、高温冷媒を膨張機構で膨脹により温度低下させることなく熱源側熱交換器に導入できるため、効率よく除霜が行える。

また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に、前記膨張機構で動力回収を行わないことを特徴とするもので、低圧側圧力が上昇し熱源側熱交換器を流れる冷媒の温度が上昇するとともに、高温冷媒を膨張機構で膨脹により温度低下させることなく熱源側熱交換器に導入できるため、効率よく除霜が行える。

また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に、前記圧縮機構の回転数を通常運転時より小さくすることを特徴とするもので、低圧側圧力が上昇し熱源側熱交換器を流れる冷媒の温度が上昇するとともに、高温冷媒を膨張機構で膨脹により温度低下させることなく熱源側熱交換器に導入できるため、効率よく除霜が行える。

また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、前記膨張機構をバイパスするバイパス流路、前記バイパス流路上に設けられた第１減圧器を備えた冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に、前記第１減圧器の開度を通常運転時より大きくするとともに、前記膨張機構の回転数を通常運転時より大きくすることを特徴とするもので、高温冷媒をバイパス流路を経て熱源側熱交換器に直接導入できるとともに、高圧側圧力の過度の低下による高温冷媒の過度の温度低下を防止できるため、効率よく除霜が行える。

また、本発明の冷凍サイクル装置の制御方法は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、前記膨張機構をバイパスするバイパス流路、前記バイパス流路上に設けられた第１減圧器、前記膨張機構に流入する冷媒を減圧する第２減圧器を備えた冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に、前記第１減圧器の開度を通常運転時より大きくするとともに、前記第２減圧器の開度を通常運転時より小さくすることを特徴とするもので、高温冷媒をバイパス流路を経て熱源側熱交換器に直接導入できるとともに、高圧側圧力の過度の低下による高温冷媒の過度の温度低下を防止できるため、効率よく除霜が行える。

本発明の冷凍サイクル装置の制御方法およびそれを用いた冷凍サイクル装置は、膨張機を備えた冷凍サイクル装置において、効率の良い除霜運転を可能とする。

第１の発明は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に膨張機構の回転数を通常運転時より大きくすることにより、低圧側圧力が上昇し熱源側熱交換器を流れる冷媒の温度が上昇するとともに、高温冷媒を膨張機構で膨脹により温度低下させることなく熱源側熱交換器に導入できるため、効率よく除霜が行える。

第２の発明は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に膨張機構で動力回収を行わないことにより、低圧側圧力が上昇し熱源側熱交換器を流れる冷媒の温度が上昇するとともに、高温冷媒を膨張機構で膨脹により温度低下させることなく熱源側熱交換器に導入できるため、効率よく除霜が行える。

第３の発明は、特に、第２の発明の膨張機構を惰行運転させることにより、低圧側圧力が上昇し熱源側熱交換器を流れる冷媒の温度が上昇するとともに、高温冷媒を膨張機構で膨脹により温度低下させることなく熱源側熱交換器に導入できるため、効率よく除霜が行える。

第４の発明は、特に、第２の発明の膨張機構を力行運転させることにより、低圧側圧力が上昇し熱源側熱交換器を流れる冷媒の温度が上昇するとともに、高温冷媒を膨張機構で膨脹により温度低下させることなく熱源側熱交換器に導入できるため、効率よく除霜が行える。

第５の発明は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に圧縮機構の回転数を通常運転時より小さくすることにより、低圧側圧力が上昇し熱源側熱交換器を流れる冷媒の温度が上昇するとともに、高温冷媒を膨張機構で膨脹により温度低下させることなく熱源側熱交換器に導入できるため、効率よく除霜が行える。

第６の発明は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、膨張機構をバイパスするバイパス流路、バイパス流路上に設けられた第１減圧器を備えた冷凍サイクル装置において、熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に第１減圧器の開度を通常運転時より大きくするとともに、膨張機構の回転数を通常運転時より大きくすることにより、高温冷媒をバイパス流路を経て熱源側熱交換器に直接導入できるとともに、高圧側圧力の過度の低下による高温冷媒の過度の温度低下を防止できるため、効率よく除霜が行える。

第７の発明は、圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、膨張機構をバイパスするバイパス流路、バイパス流路上に設けられた第１減圧器、膨張機構に流入する冷媒を減圧する第２減圧器を備えた冷凍サイクル装置において、熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に前記第１減圧器の開度を通常運転時より大きくするとともに、第２減圧器の開度を通常運転時より小さくすることにより、高温冷媒をバイパス流路を経て熱源側熱交換器に直接導入できるとともに、高圧側圧力の過度の低下による高温冷媒の過度の温度低下を防止できるため、効率よく除霜が行える。

第８の発明は、特に、第１から７のいずれかの発明の冷凍サイクル装置に、利用側熱交換器に利用流体を搬送する利用流体搬送手段を設け、除霜運転時に、前記利用流体搬送手段の回転数を通常運転時より小さくする、あるいは、前記利用流体搬送手段を停止させることを特徴とするもので、高温冷媒が利用側熱交換器で放熱してしまうことを低減できるので、さらに効率よく除霜を行うことができる。

第９の発明は、特に、第１から８のいずれかの発明の制御方法を用いた冷凍サイクル装置であり、低圧側圧力が上昇し熱源側熱交換器を流れる冷媒の温度が上昇するとともに、高温冷媒を膨張機構で膨脹により温度低下させることなく熱源側熱交換器に導入できるため、効率よく除霜が行える。あるいは、高温冷媒をバイパス流路を経て熱源側熱交換器に直接導入できるとともに、高圧側圧力の過度の低下による高温冷媒の過度の温度低下を防止できるため、効率よく除霜が行える。あるいは、高温冷媒が利用側熱交換器で放熱して
しまうことを低減できるので、さらに効率よく除霜を行うことができる。

第１０の発明は、バイパス流路は、圧縮機構と膨張機構との間の冷媒を、膨張機構と熱源側熱交換器の間へと導入するように構成された冷凍サイクル装置であって、特に、第６または７のいずれかの発明の制御方法を用いることにより、高温冷媒をバイパス流路を経て、熱源側熱交換器に直接導入できるとともに、高圧側圧力の過度の低下による高温冷媒の過度の温度低下を防止できるため、効率よく除霜が行える。

第１１の発明は、バイパス流路は、圧縮機構と利用側熱交換器との間の冷媒を、膨張機構と熱源側熱交換器の間へと導入するように構成された冷凍サイクル装置であって、特に、第６または７のいずれかの発明の制御方法を用いることにより、高温冷媒をバイパス流路を経て熱源側熱交換器に直接導入できるとともに、高圧側圧力の過度の低下による高温冷媒の過度の温度低下を防止でき、さらに、高温冷媒が利用側熱交換器で放熱してしまうことを低減できるので、さらに効率よく除霜が行える。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。例えば、以下の実施の形態では、給湯機を例にとり説明するが、本発明が給湯機に限定されるものではなく、空気調和機などであってもよい。

（実施の形態１）
本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置の制御方法を、図１に概略構成図を示す冷凍サイクル装置を用いて説明する。

図１の冷凍サイクル装置は、電動機１により駆動される圧縮機構２、利用側熱交換器としての放熱器３の冷媒流路、発電機４により動力回収される膨張機構５、熱源側熱交換器としての蒸発器６などからなり、冷媒として例えばＣＯ_２冷媒が封入されている冷媒回路Ａと、利用流体搬送手段としての給水ポンプ７、放熱器３の流体流路、および給湯タンク８などからなる流体回路Ｂとから構成されている。さらに、この冷凍サイクル装置は熱源流体搬送手段としての送風装置９を備えており、送風装置９は、熱源側熱交換器としての蒸発器６に熱源流体（例えば、外気）を送風する。

また、電動機１の回転数を制御する圧縮機構制御手段１０、発電機４の回転数を制御する膨張機構制御手段１１を備えている。膨張機構制御手段１１により、膨張機構５からの回転エネルギーを回収し電力を得る回生運転、あるいは、発電機４に電力を与えて発電機４および膨張機構５を回転させる力行運転、あるいは、発電機４および膨張機構５から電力回収もせず電力を与えもしない惰行運転のいずれかの運転を発電機４および同軸に接続された膨張機構５で行うことができる。さらに、給水ポンプ７の回転数を制御する給水ポンプ制御手段１２、圧縮機構制御手段１０や膨張機構制御手段１１や給水ポンプ制御手段１２などに制御信号により指示を与える電子制御手段１３を備えている。

次に、上述のように構成された冷凍サイクル装置の通常運転時の動作について説明する。冷媒回路Ａでは、ＣＯ_２冷媒を、圧縮機構２で臨界圧力を越える圧力まで圧縮する。その圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、放熱器３の冷媒流路を流れる際に、放熱器３の流体流路を流れる水に放熱し冷却される。その後、冷媒は膨張機構５で減圧され低温低圧の気液二相状態となる。膨張機構５で回収された膨張時の圧力エネルギーは、発電機４に伝達され、電力として回収される。

すなわち、膨張時の圧力エネルギーを動力として回収しＣＯＰを向上させることができる。膨張機構５で減圧された冷媒は蒸発器６に供給される。蒸発器６では、冷媒は送風装
置９によって送り込まれた外気によって加熱され、気液二相またはガス状態となる。蒸発器６を流出した冷媒は、再び、圧縮機構２に吸入される。一方、流体回路Ｂでは、給湯タンク８の底部から給水ポンプ７により放熱器３の流体流路へ送り込まれた利用流体（例えば、水）は、放熱器３の冷媒流路を流れる冷媒により加熱され、高温の流体（例えば、お湯）となり、その高温流体を給湯タンク８の頂部から貯める。このようなサイクルを繰り返すことにより、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、給湯機として利用できる。

次に、除霜運転時の動作について説明する。外気温度を検知する外気温度検知手段（図示せず）や熱源側熱交換器（本実施の形態では蒸発器６）の温度を検知する熱源側熱交換器温度検知手段（図示せず）などに信号により、電子制御手段１３が蒸発器６の除霜が必要と判断した場合には、通常運転から除霜運転に切り換えられ、膨張機構制御手段１１に制御信号が送られる。膨張機構制御手段１１は、発電機４の負荷を大きくし、膨張機構５の回転数を通常運転時より大きくなるように制御する。

これにより、以下に説明する膨張機構５を備えた冷凍サイクル装置の特徴から、効率よく除霜を行うことができる。圧縮機構２のシリンダ容積をＳｃ、回転数をＨｃ、吸入密度をＤｃ、膨張機構５のシリンダ容積をＳｅ、回転数をＨｅ、吸入密度をＨｅとすると、圧縮機構２を流れる冷媒の体積循環量Ｖｃは「Ｓｃ×Ｈｃ」、膨張機構５を流れる冷媒の体積循環量Ｖｅは「Ｓｅ×Ｈｅ」で表せる。

また、圧縮機構２を流れる冷媒の質量循環量Ｇｃは「Ｖｃ×Ｄｃ＝Ｓｃ×Ｈｃ×Ｄｃ」、膨張機構５を流れる冷媒の質量循環量Ｇｅは「Ｖｅ×Ｄｅ＝Ｓｅ×Ｈｅ×Ｄｅ」で表せる。ここで、冷媒回路Ａは閉回路であるためＧｃとＧｅは等しく、「Ｓｃ×Ｈｃ×Ｄｃ＝Ｓｅ×Ｈｅ×Ｄｅ」の関係が成立する。これを変形すると「（Ｓｃ／Ｓｅ）×（Ｈｃ／Ｈｅ）＝Ｄｅ／Ｄｃ」となる。（Ｓｃ／Ｓｅ）は冷凍サイクル装置が備えている圧縮機構２と膨張機構５により決まる定数であるので、「（Ｈｃ／Ｈｅ）∝（Ｄｅ／Ｄｃ）」の関係が成立する。

ここで、本実施の形態の制御方法では、除霜運転時には膨張機構５の回転数（Ｈｅ）を通常運転時より大きくなるように制御するので、圧縮機構２の回転数（Ｈｃ）が一定であれば、（Ｈｃ／Ｈｅ）は小さくなる。したがって、圧縮機構２の吸入密度（Ｄｃ）は大きくなるように、かつ、膨張機構５の吸入密度（Ｄｅ）は小さくなるように冷凍サイクルはバランスしようとする。よって、圧縮機構２の吸入圧力、すなわち、低圧側圧力は上昇し、膨張機構５の吸入圧力、すなわち、高圧側圧力は低下する。このため、低圧側圧力の上昇により、蒸発器６を流れる冷媒の温度が上昇するため、効率よく除霜を行うことができる。

また、高圧側圧力が低下するといっても、圧縮機構２から吐出された冷媒の温度は、除霜するには十分に高い。加えて、高圧側圧力が低下するため、膨張機構５での膨張により冷媒の温度が大きく低下することを防止できる。すなわち、高温冷媒を温度低下させることなく蒸発器６に導入できるために、効率よく除霜を行うことができる。さらに、膨張機構５は回生運転を続けるため、除霜運転中であっても膨張時の圧力エネルギーを動力として回収しＣＯＰを向上させるといった副次的なメリットを有する。

さらに、以下のような制御方法をあわせて実施すると効果的である。除霜運転時には、電子制御手段１３から膨張機構制御手段１１とともに、給水ポンプ制御手段１２に制御信号を送り、膨張機構５の回転数を大きくするとともに、給水ポンプ７の回転数を小さくする、あるいは、給水ポンプ７を停止させるように制御する。この場合、給水ポンプ７の回転数を小さくする、あるいは、給水ポンプ７を停止させることで、圧縮機構２から吐出された高温冷媒が、放熱器３で放熱してしまうことを低減できる。すなわち、高温冷媒を温
度低下させることなく蒸発器６に導入できるために、上述の効果に加えて、さらに効率よく除霜を行うことができる。

なお、冷媒はＣＯ_２冷媒であるとして説明したが、これ以外の冷媒であっても同様の効果が得られる。さらに、冷凍サイクル装置に、放熱器３出口と膨張機構５入口との間の冷媒と、蒸発器６出口と圧縮機構２入口との間の冷媒とを熱交換する補助熱交換器などを備えていても同様の効果が得られる。

（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態における冷凍サイクル装置の制御方法を、第１の実施の形態と同様に、図１に示す冷凍サイクル装置を用いて説明する。

除霜運転時には、電子制御手段１３から膨張機構制御手段１１に制御信号が送られ、発電機４および膨張機構５を通常運転時の回生運転から、電力回収もせず電力を与えもしない惰行運転になるように制御する。膨張機構５を回生運転から惰行運転にすると、圧縮機構２からみた負荷が小さくなるので、高圧側圧力が低下するとともに、低圧側圧力は上昇する。したがって、低圧側圧力の上昇により、蒸発器６を流れる冷媒の温度が上昇するため、効率よく除霜を行うことができる。

また、高圧側圧力が低下するといっても、圧縮機構２から吐出された冷媒の温度は、除霜するには十分に高い。加えて、高圧側圧力が低下するため、膨張機構５での膨張により冷媒の温度が大きく低下することを防止できる。すなわち、高温冷媒を温度低下させることなく蒸発器６に導入できるために、効率よく除霜を行うことができる。

本実施の形態の制御方法では、膨張機構５は動力を回収しＣＯＰを向上させることはできないが、除霜運転時間は通常運転時間に比べて短いので大きな問題とはならず、膨張機構制御手段１１が行う制御が比較的容易になるといった副次的なメリットを有する。

さらに、以下のような制御方法をあわせて実施すると効果的である。除霜運転時には、電子制御手段１３から膨張機構制御手段１１とともに、給水ポンプ制御手段１２に制御信号を送り、膨張機構５を惰行運転するとともに、給水ポンプ７の回転数を小さくする、あるいは、給水ポンプ７を停止させるように制御する。

この場合、給水ポンプ７の回転数を小さくする、あるいは、給水ポンプ７を停止させることで、圧縮機構２から吐出された高温冷媒が、放熱器３で放熱してしまうことを低減できる。すなわち、高温冷媒を温度低下させることなく蒸発器６に導入できるために、上述の効果に加えて、さらに効率よく除霜を行うことができる。

（実施の形態３）
本発明の第３の実施の形態における冷凍サイクル装置の制御方法を、第１の実施の形態と同様に、図１に示す冷凍サイクル装置を用いて説明する。

除霜運転時には、電子制御手段１３から膨張機構制御手段１１に制御信号が送られ、発電機４および膨張機構５を通常運転時の回生運転から、発電機４に電力を与えて発電機４および膨張機構５を回転させる力行運転になるように制御する。膨張機構５を回生運転から力行運転にすると、圧縮機構２からみた負荷がさらに小さくなるので、高圧側圧力が低下するとともに、低圧側圧力は上昇する。したがって、低圧側圧力の上昇により、蒸発器６を流れる冷媒の温度が上昇するため、効率よく除霜を行うことができる。

また、高圧側圧力が低下するといっても、圧縮機構２から吐出された冷媒の温度は、除
霜するには十分に高い。加えて、高圧側圧力が低下するため、膨張機構５での膨張により冷媒の温度が大きく低下することを防止できる。すなわち、高温冷媒を温度低下させることなく蒸発器６に導入できるために、効率よく除霜を行うことができる。

本実施の形態の制御方法では、膨張機構５は動力を回収しＣＯＰを向上させることはできないが、除霜運転時間は通常運転時間に比べて短いので大きな問題とはならず、膨張機構制御手段１１が行う制御が比較的容易になるといった副次的なメリットを有する。

さらに、以下のような制御方法をあわせて実施すると効果的である。除霜運転時には、電子制御手段１３から膨張機構制御手段１１とともに、給水ポンプ制御手段１２に制御信号を送り、膨張機構５を力行運転するとともに、給水ポンプ７の回転数を小さくする、あるいは、給水ポンプ７を停止させるように制御する。

この場合、給水ポンプ７の回転数を小さくする、あるいは、給水ポンプ７を停止させることで、圧縮機構２から吐出された高温冷媒が、放熱器３で放熱してしまうことを低減できる。すなわち、高温冷媒を温度低下させることなく蒸発器６に導入できるために、上述の効果に加えて、さらに効率よく除霜を行うことができる。

（実施の形態４）
本発明の第４の実施の形態における冷凍サイクル装置の制御方法を、第１の実施の形態と同様に、図１に示す冷凍サイクル装置を用いて説明する。

除霜運転時には、電子制御手段１３から圧縮機制御手段１０に制御信号が送られ、電動機１の回転数、すなわち、圧縮機構２の回転数を通常運転時より小さくなるように制御する。圧縮機構２の回転数（Ｈｃ）が小さくなれば、膨張機構５の回転数（Ｈｅ）との比である（Ｈｃ／Ｈｅ）は小さくなるので、第１の実施の形態で説明したように、膨張機構５を備えた冷凍サイクル装置の特徴により、圧縮機構２の吸入密度（Ｄｃ）は大きくなるように、かつ、膨張機構５の吸入密度（Ｄｅ）は小さくなるように冷凍サイクルはバランスしようとする。

したがって、圧縮機構２の吸入圧力、すなわち、低圧側圧力は上昇し、膨張機構５の吸入圧力、すなわち、高圧側圧力は低下する。したがって、低圧側圧力の上昇により、蒸発器６を流れる冷媒の温度が上昇するため、効率よく除霜を行うことができる。

また、高圧側圧力が低下するといっても、圧縮機構２から吐出された冷媒の温度は、除霜するには十分に高い。加えて、高圧側圧力が低下するため、膨張機構５での膨張により冷媒の温度が大きく低下することを防止できる。すなわち、高温冷媒を温度低下させることなく蒸発器６に導入できるために、効率よく除霜を行うことができる。

さらに、以下のような制御方法をあわせて実施すると効果的である。除霜運転時には、電子制御手段１３から圧縮機制御手段１０とともに、給水ポンプ制御手段１２に制御信号を送り、膨張機構２の回転数を小さくするとともに、給水ポンプ７の回転数を小さくする、あるいは、給水ポンプ７を停止させるように制御する。

この場合、給水ポンプ７の回転数を小さくする、あるいは、給水ポンプ７を停止させることで、圧縮機構２から吐出された高温冷媒が、放熱器３で放熱してしまうことを低減できる。すなわち、高温冷媒を温度低下させることなく蒸発器６に導入できるために、上述の効果に加えて、さらに効率よく除霜を行うことができる。

なお、本実施の形態で説明した圧縮機構２の回転数を制御する制御方法と第１から第３
の実施の形態のいずれかで説明した発電機４、および、膨張機構５を制御する制御方法とを組み合わせても、効率のよい除霜運転が可能である。

（実施の形態５）
本発明の第５の実施の形態における冷凍サイクル装置の制御方法を、図２に概略構成図を示す冷凍サイクル装置を用いて説明する。図２において、図１と同様の構成要素は図１と同じ番号を与え、説明を省略する。

図２の冷凍サイクル装置は、放熱器３および膨張機構５をバイパスする第１バイパス流路２１を備えている。第１バイパス流路２１は圧縮機構２と利用側熱交換器である放熱器３との間の高温冷媒を膨張機構５と熱源側熱交換器である蒸発器６の間へと導入するように構成されている。さらに、第１バイパス流路２１に設けられた第１減圧器としての第１電磁弁２２、第１電磁弁２２の開閉を制御する第１電磁弁制御手段２３を備えている。この冷凍サイクル装置の通常運転時の動作は、第１の実施の形態で説明したものと同様であるため説明を省略する。

除霜運転時には、電子制御手段１３から膨張機構制御手段１１、第１電磁弁制御手段２３に制御信号が送られ、第１電磁弁２２を開とするとともに、発電機４の負荷を小さくし、膨張機構５の回転数を通常運転時より小さくなるように制御する。第１電磁弁２２を開とすることにより、圧縮機構２から吐出された高温冷媒は放熱器３および膨張機構５をバイパスする第１バイパス流路２１を経て、蒸発器６の入口に直接、導入できるために、高温冷媒を放熱や膨張による温度低下をさせることがないので、蒸発器６を効率よく除霜を行うことができる。

さらに、第１電磁弁２２を開とすると、通常運転時より高圧側圧力が低下するが、本実施の形態では膨張機構５の回転数を通常運転時より小さくなるように制御するため、膨張機構５を用いない冷凍サイクル装置に比べて高圧側圧力が過度に低下しすぎることを防止できる。すなわち、圧縮機構２から吐出される高温冷媒の温度が過度に低下することを防止でき、蒸発器６を効率よく除霜を行うことができる。

なお、第１減圧器として、第１電磁弁２２のかわりに開度が調整できる電動膨張弁を用いても同等の効果が得られることは明らかである。また、本実施の形態では、第１バイパス流路２１は放熱器３および膨張機構５をバイパスするものとして説明したが、放熱器３はバイパスせず、放熱器３と膨張機構５との間の比較的高温の冷媒を膨張機構５と熱源側熱交換器である蒸発器６の間へと導入するように構成してもよい。

この場合、以下のような制御方法をあわせて実施すると効果的である。除霜運転時には、電子制御手段１３から膨張機構制御手段１１、第１電磁弁制御手段２３とともに、給水ポンプ制御手段１２に制御信号を送り、第１電磁弁２２を開とし、膨張機構５の回転数を小さくするとともに、給水ポンプ７の回転数を小さくする、あるいは、給水ポンプ７を停止させるように制御する。この場合、給水ポンプ７の回転数を小さくする、あるいは、給水ポンプ７を停止させることで、圧縮機構２から吐出された高温冷媒が、放熱器３で放熱してしまうことを低減できる。すなわち、高温冷媒を温度低下させることなく蒸発器６に導入できるために、上述の効果に加えて、さらに効率よく除霜を行うことができる。

（実施の形態６）
本発明の第６の実施の形態における冷凍サイクル装置の制御方法を、図３に概略構成図を示す冷凍サイクル装置を用いて説明する。図３において、図１と同様の構成要素は図１と同じ番号を与え、説明を省略する。

図３の冷凍サイクル装置は、電動機３１により駆動される圧縮機構３２、利用側熱交換器としての放熱器３の冷媒流路、圧縮機構３２および電動機３１と一本の軸で連結され、動力回収される膨張機構３５、熱源側熱交換器としての蒸発器６などからなり、冷媒として例えばＲ４１０Ａが封入されている冷媒回路Ａと、利用流体搬送手段としての給水ポンプ７、放熱器３の流体流路、および給湯タンク８などからなる流体回路Ｂとから構成されている。

さらに、図３の冷凍サイクル装置は、膨張機構３５をバイパスする第２バイパス流路３６、第２バイパス流路３６に設けられた第１減圧器としての第１電動膨張弁３７、膨張機構３５に流入する冷媒を予め減圧する第２減圧器としての第２電動膨張弁３８、第１電動膨張弁３７の開度を制御する第１電動膨張弁制御手段３９、第２電動膨張弁３８の開度を制御する第２電動膨張弁制御手段４０を備えている。

まず、上述のように構成された冷凍サイクル装置の通常運転時の動作について説明する。圧縮機構３２により圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、放熱器３の冷媒流路を流れる際に、放熱器３の流体流路を流れる水に放熱し冷却される。その後、必要に応じて、冷媒は第２電動膨張弁３８によって適当な密度となるように中間的な圧力まで減圧され、膨張機構３５に流入する。

そこで、冷媒は膨張機構３５で減圧され低温低圧の気液二相状態となる。このとき膨張機構３５で回収された膨張時の圧力エネルギーは、連結された軸を通じて圧縮機構３２の駆動を補助する。すなわち、膨張時の圧力エネルギーを動力として回収しＣＯＰを向上させることができる。膨張機構３５で減圧された冷媒は蒸発器６に供給される。蒸発器６では、冷媒は送風装置９によって送り込まれた外気によって加熱され、気液二相またはガス状態となる。

蒸発器６を流出した冷媒は、再び、圧縮機構２に吸入される。一方、流体回路Ｂでは、給湯タンク８の底部から給水ポンプ７により放熱器３の流体流路へ送り込まれた利用流体（例えば、水）は、放熱器３の冷媒流路を流れる冷媒により加熱され、高温の流体（例えば、お湯）となり、その高温流体を給湯タンク８の頂部から貯める。このようなサイクルを繰り返すことにより、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、給湯機として利用できる。

次に、除霜運転時の動作について説明する。除霜運転時には、電子制御手段１３から第１電動膨張弁制御手段３９、第２電動膨張弁制御手段４０に制御信号が送られ、第１電動膨張弁３７の開度を通常運転時より大きくするとともに、第２電動膨張弁３８の開度を通常運転時より小さくなるように制御する。第１電動膨張弁３７の開度を大きくすることにより、圧縮機構３２から吐出された高温冷媒は膨張機構３５をバイパスする第２バイパス流路３６を経て、蒸発器６の入口に直接、導入できるために、高温冷媒を膨張による温度低下をさせることなく、蒸発器６を効率よく除霜を行うことができる。

さらに、第１電動膨張弁３７を開とすると、通常運転時より高圧側圧力が低下するが、本実施の形態では第２電動膨張弁３８の開度を通常運転時より小さくなるように制御するため、膨張機構３５を用いない冷凍サイクル装置に比べて高圧側圧力が過度に低下しすぎることを防止できる。すなわち、圧縮機構３２から吐出される高温冷媒の温度が過度に低下することを防止でき、蒸発器６を効率よく除霜を行うことができる。

さらに、以下のような制御方法をあわせて実施すると効果的である。除霜運転時には、電子制御手段１３から第１電動膨張弁制御手段３９、第２電動膨張弁制御手段４０とともに、給水ポンプ制御手段１２に制御信号を送り、第１電動膨張弁３７を開とし、第２電動膨張弁３８の開度を小さくするとともに、給水ポンプ７の回転数を小さくする、あるいは
、給水ポンプ７を停止させるように制御する。

この場合、給水ポンプ７の回転数を小さくする、あるいは、給水ポンプ７を停止させることで、圧縮機構３２から吐出された高温冷媒が、放熱器３で放熱してしまうことを低減できる。すなわち、高温冷媒を温度低下させることなく蒸発器６に導入できるために、上述の効果に加えて、さらに効率よく除霜を行うことができる。

なお、第１減圧器として第１電動膨張弁３７のかわりに開か閉かのいずれかにしか調節できない電磁弁を用いても同等の効果が得られることは明らかである。また、冷媒はＲ４１０Ａであるとして説明したが、これ以外の冷媒であっても同様の効果が得られる。

（実施の形態７）
本発明の第７の実施の形態における冷凍サイクル装置の制御方法を、図４に概略構成図を示す冷凍サイクル装置を用いて説明する。図４において、図３と同様の構成要素は図３と同じ番号を与え、説明を省略する。

図４の冷凍サイクル装置は、放熱器３および膨張機構３５をバイパスする第３バイパス流路５１を備えている。第３バイパス流路５１は、圧縮機構３２と利用側熱交換器である放熱器３との間の高温冷媒を膨張機構３５と熱源側熱交換器である蒸発器６の間へと導入するように構成されている。さらに、第３バイパス流路５１に設けられた第１減圧器としての第２電磁弁５２、第２電磁弁５２の開閉を制御する第２電磁弁制御手段５３を備えている。

除霜運転時には、電子制御手段１３から第２電動膨張弁制御手段４０、第２電磁弁制御手段５３に制御信号が送られ、第２電磁弁５２の開度を開とするとともに、第２電動膨張弁３８の開度を通常運転時より小さくなるように制御する。第２電磁弁５２を開とすることにより、圧縮機構３２から吐出された高温冷媒は膨張機構３５をバイパスする第３バイパス流路５１を経て、蒸発器６の入口に直接、導入できるために、高温冷媒を放熱や膨張による温度低下をさせることなく、蒸発器６を効率よく除霜を行うことができる。

さらに、第２電磁弁５２を開とすると、通常運転時より高圧側圧力が低下するが、本実施の形態では第２電動膨張弁３８の開度を通常運転時より小さくなるように制御するため、膨張機構３５を用いない冷凍サイクル装置に比べて高圧側圧力が過度に低下しすぎることを防止できる。すなわち、圧縮機構３２から吐出される高温冷媒の温度が過度に低下することを防止でき、蒸発器６を効率よく除霜を行うことができる。

なお、第１減圧器として第２電磁弁５２のかわりに開度が調整できる電動膨張弁を用いても同等の効果が得られることは明らかである。

本発明の冷凍サイクル装置の制御方法およびそれを用いた冷凍サイクル装置は、膨張機構を備えた冷凍サイクル装置において、効率の良い除霜運転を可能となるため、膨張機構を備えた給湯機、空気調和機などの用途に適用できる。

本発明の実施の形態１〜４における冷凍サイクル装置を示す構成図 本発明の実施の形態５における冷凍サイクル装置を示す構成図 本発明の実施の形態６における冷凍サイクル装置を示す構成図 本発明の実施の形態７における冷凍サイクル装置を示す構成図

符号の説明

１、３１ 電動機
２、３２ 圧縮機構
３ 利用側熱交換器（放熱器）
４ 発電機
５、３５ 膨張機構
６ 熱源側熱交換器（蒸発器）
７ 利用流体搬送手段（給水ポンプ）
８ 給湯タンク
９ 熱源流体搬送手段（送風装置）
１０ 圧縮機構制御手段
１１ 膨張機構制御手段
１２ 給水ポンプ制御手段
１３ 電子制御手段
２１ 第１バイパス流路
２２ 第１電磁弁
２３ 第１電磁弁制御手段
３６ 第２バイパス流路
３７ 第１電動膨張弁
３８ 第２電動膨張弁
３９ 第１電動膨張弁制御手段
４０ 第２電動膨張弁制御手段
５１ 第３バイパス流路
５２ 第２電磁弁
５３ 第２電磁弁制御手段
Ａ 冷媒回路
Ｂ 流体回路

Claims (11)

1. 圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に、前記膨張機構の回転数を通常運転時より大きくすることを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
2. 圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に、前記膨張機構で動力回収を行わないことを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
3. 除霜運転時に、膨張機構を惰行運転させることを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル装置の制御方法。
4. 除霜運転時に、膨張機構を力行運転させることを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル装置の制御方法。
5. 圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に、前記圧縮機構の回転数を通常運転時より小さくすることを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
6. 圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、前記膨張機構をバイパスするバイパス流路、前記バイパス流路上に設けられた第１減圧器を備えた冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に、前記第１減圧器の開度を通常運転時より大きくするとともに、前記膨張機構の回転数を通常運転時より大きくすることを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
7. 圧縮機構、熱源側熱交換器、動力回収を行う膨張機構、利用側熱交換器、前記膨張機構をバイパスするバイパス流路、前記バイパス流路上に設けられた第１減圧器、前記膨張機構に流入する冷媒を減圧する第２減圧器を備えた冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転時に、前記第１減圧器の開度を通常運転時より大きくするとともに、前記第２減圧器の開度を通常運転時より小さくすることを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
8. 冷凍サイクル装置に、利用側熱交換器に利用流体を搬送する利用流体搬送手段を設け、除霜運転時に、前記利用流体搬送手段の回転数を通常運転時より小さくする、あるいは、前記利用流体搬送手段を停止させることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置の制御方法。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置の制御方法を用いた冷凍サイクル装置。
10. バイパス流路を、圧縮機構と膨張機構との間の冷媒を、前記膨張機構と熱源側熱交換器との間へと導入するように構成するとともに、請求項６または７に記載の冷凍サイクル装置の制御方法を用いることを特徴とする冷凍サイクル装置。
11. バイパス流路を、圧縮機構と利用側熱交換器との間の冷媒を、前記膨張機構と熱源側熱交換器の間へと導入するように構成するとともに、請求項６または７に記載の制御方法を用いることを特徴とする冷凍サイクル装置。

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