JP2009138973A

JP2009138973A - ヒートポンプ及びその運転方法

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Publication number: JP2009138973A
Application number: JP2007313750A
Authority: JP
Inventors: Natsuo Kanzaki; 奈津夫神崎; Tomokazu Tashimo; 友和田下; Nagakazu Shimotahira; 修和下田平
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-12-04
Filing date: 2007-12-04
Publication date: 2009-06-25

Abstract

【課題】吐出温度と駆動モータの過熱、更には動力アップを抑制しつつ、５５〜７０℃といった比較的高温の温水が取出し可能な、容積式圧縮機を用いたヒートポンプ及びその運転方法を提供すること。
【解決手段】圧縮機２、凝縮器３、主膨張弁４及び蒸発器５がこれらの順に冷媒循環流路６に介設され、内部に冷媒を封入されたヒートポンプ及びその運転方法において、前記圧縮機２が容積式圧縮機であって、前記冷媒にＲ１３４ａを用いると共に、前記蒸発器５出口における冷媒気体を乾き度０．７〜０．９８の湿り気体とする機能を有してなるヒートポンプ１及びその運転方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、比較的高温の温水を取り出し可能な、容積式圧縮機を用いたヒートポンプ及びその運転方法に関するものである。

京都議定書に基づくＣＯ_２削減と低ランニングコストを目指し、近年、チラー（冷凍機）やヒートポンプの性能は大幅に改善されつつある。例えば、水冷のスクリュチラーのＣＯＰ（成績係数）は、２０００年（平成１２年）以前には３．８程度であったが、近年では５以上のものが市場に現出している（例えば、株式会社神戸製鋼所製のハイエフミニではＣＯＰが５．６の機種が上市されている）。また、ターボチラーでも、ＣＯＰが５弱から最高の高効率機ではＣＯＰが６．４のものが上市されている。

尚、チラー（冷凍機）には、その冷熱源によって区別すると、大別して、電動式（圧縮式）と吸収式がある。電動式（圧縮式）は、電動式の圧縮機を使用し、冷媒の圧縮、凝縮、膨張、蒸発というサイクルにより冷水・温水を生成するものである。これに対して、吸収式は、臭化リチウム（ＬｉＢｒ）水溶液等の吸収力を利用するものであって、真空下で冷媒としての水等を蒸発させ、気化熱を奪って冷媒を低温化するものである。

近年では、上述の２つの方式のなかでも、特に電動式チラーの高効率化が進んでいる。例えば、半導体のクリーンルームに適用されるような産業用の空調の用途では、従来では吸収式のものが採用されていたが、近年では電動式のものに多くが置き換わりつつある。

この様に高効率化が進められている電動式のチラーやヒートポンプにおいて、圧縮、凝縮、膨張、蒸発というサイクルにおける膨張の過程をどのように制御するかというところは重要な課題である。例えば、チラーにおいて、吸込圧力検出手段と蒸発器の出口に被冷却流体温度検出手段と設け、吸込圧力と被冷却流体温度との関係式から吸込圧力目標値を演算し、その吸込圧力目標値に吸込圧力がなる様に膨張弁を制御する方法を具備するものが知られている（特許文献１参照）。

また、チラーや一般空調用のヒートポンプで多く採用されている半密閉モータは、吸込ガスで冷却されるものが一般的である（特許文献２参照）。モータの冷却をいかに効率的に行うかは、そのモータを採用したチラーやヒートポンプの高効率化に大きく影響する。
発明協会公開技報公技番号２００４−５０３１２７号特開２０００−２２０８９３号公報

そこで先ず、従来例に係る電動式ヒートポンプの問題点に関し、添付図５を参照しながら説明する。図５は、従来例に係る一般的な電動式（圧縮式）ヒートポンプの系統図である。

従来例に係る電動式ヒートポンプ２１は、冷媒を圧縮する圧縮機２２と、冷媒を冷却する凝縮器２３と、冷媒の流量を制御する主膨張弁２４と、冷媒と水（冷却対象）との間で熱交換をする蒸発器２５とが介設された冷媒循環流路２６を有する。この様な従来例に係る電動式ヒートポンプ２１の凝縮器２３の温水出口温度ｔ２は、一般の空調分野で要求される温度の関係上、４５〜５０℃であるのが一般的であった。

ところが、近年、ヒートポンプの用途拡大のため、４５〜５０℃であった温水出口温度ｔ２を、ホテル等の施設での温水の取り出しのニーズの高まりに伴い、５５〜７０℃といった比較的高温にすることが検討されつつある。ただし、この様な比較的高温の温水を取出可能とするには、以下に説明する様な解決すべき３点の問題点があった。

＜問題点１＞
一般の冷媒の場合、温度１１０℃を超えると、冷媒と冷却油の共存化で冷媒の分解等が発生する。温度１１０℃という限界値からの余裕を考慮すると、温度９０℃〜１００℃程度が圧縮機２２の吐出温度ｔｄの上限となる。即ち、比較的高温の温水の取出しを目指すと圧縮機２２の吐出温度ｔｄも高温となるため、従来の構成のヒートポンプ２１、冷媒では、上述の理由から、比較的高温の温水を取出すことに制約がある。

例えば、上述の構成のヒートポンプ２１に、空調用途で設計された圧縮機を採用し、冷水出口温度ｔ１（上述の従来例でいうところの「被冷却水温度」）≒１５℃、温水出口温度ｔ２≒７０℃の条件で運転すると吐出温度は１００〜１１０℃となり、前記限界値を超過することとなる。

＜問題点２＞
比較的高温の温水の取出しを必要とする産業上の用途では、必要とされる冷水出口温度ｔ１が高くなる場合が多く、その場合には圧縮機２２の吸込温度ｔｓもまた高くなる。そして、例えば、冷水出口温度ｔ１が３０〜４０℃となると吸込温度ｔｓは３５〜４５℃となる。すなわち、通常の空調用途での圧縮機２２の吸込温度ｔｓを１５〜２０℃とすると、それより２０℃程度も高くなることになる。このため、従来例に係るヒートポンプ２１では、圧縮機２２の駆動モータ（吸込ガスで冷却されるタイプのもの（前述の半密閉モータ等））の冷却性能は大幅に低減することになる。

＜問題点３＞
従来、容積式圧縮機に用いられる冷媒としては、通常Ｒ４０７系、Ｒ４０４ａ等が使用されている。但し、それらの冷媒の場合、温水出口温度ｔ２が従来の５０℃から７０℃に高温化されると、動力は４０％程度もアップすることになる。このため、駆動モータの許容電力や設計圧力の大幅見直しが必要となる。

従って、本発明の目的は、吐出温度と駆動モータの過熱、更には動力アップを抑制しつつ、５５〜７０℃程度の比較的高温の温水が取出し可能な、容積式圧縮機を用いたヒートポンプ及びその運転方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１に係るヒートポンプの運転方法が採用した手段は、圧縮機、凝縮器、主膨張弁及び蒸発器がこれらの順に冷媒循環流路に介設され、内部に冷媒を封入されたヒートポンプの運転方法において、前記圧縮機が容積式圧縮機であって、前記冷媒にＲ１３４ａを用いると共に、前記蒸発器出口における冷媒気体を乾き度０．７〜０．９８の湿り気体となし、この湿り気体を前記圧縮機の吸込気体として運転することを特徴とするものである。

本発明の請求項２に係るヒートポンプの運転方法が採用した手段は、請求項１に記載のヒートポンプの運転方法において、前記主膨張弁を、吸込圧力検知手段により検出された圧縮機の吸込圧力と、吐出圧力検出手段により検出された圧縮機の吐出圧力と、吐出温度検出手段により検出された吐出温度の各出力信号を基に、冷媒のモリエル線図に基づき予め組み込まれた弁制御手段によって開度制御することを特徴とするものである。

本発明の請求項３に係るヒートポンプの運転方法が採用した手段は、請求項１に記載のヒートポンプの運転方法において、前記主膨張弁を、蒸発器の冷水出口温度と吸込圧力検知手段により検出された圧縮機の吸込圧力の各出力信号を基に、冷媒のモリエル線図に基づき予め組み込まれた弁制御手段によって開度制御することを特徴とするものである。

本発明の請求項４に係るヒートポンプが採用した手段は、圧縮機、凝縮器、主膨張弁及び蒸発器がこれらの順に冷媒循環流路に介設され、内部に冷媒を封入されたヒートポンプにおいて、前記圧縮機が容積式圧縮機であって、前記冷媒にＲ１３４ａを用いると共に、前記蒸発器出口における冷媒気体を乾き度０．７〜０．９８の湿り気体とする機能を有してなることを特徴とするものである。

本発明の請求項５に係るヒートポンプが採用した手段は、請求項４に記載のヒートポンプにおいて、前記ヒートポンプが制御装置を有し、前記蒸発器の冷水出口に冷水出口温度検出手段が、前記圧縮機の吸込口に吸込圧力検出手段が、この圧縮機の吐出口に吐出圧力検出手段及び吐出温度検出手段が設けられると共に、前記主膨張弁が、前記吸込圧力検知手段により検出された圧縮機の吸込圧力と、前記吐出圧力検出手段によって検出された圧縮機の吐出圧力と、前記吐出温度検出手段によって検出された吐出温度の各出力信号を基に、冷媒のモリエル線図に基づき前記制御装置内に予め組み込まれた弁制御手段によって開度制御されてなることを特徴とするものである。

本発明の請求項６に係るヒートポンプが採用した手段は、請求項４に記載のヒートポンプにおいて、前記ヒートポンプが制御装置を有し、前記蒸発器の冷水出口に冷水出口温度検出手段が、前記圧縮機の吸込口に吸込圧力検出手段が設けられると共に、前記主膨張弁が、前記冷水出口温度検出手段により検出された冷水出口温度と、前記吸込圧力検知手段により検出された圧縮機の吸込圧力の各出力信号を基に、冷媒のモリエル線図に基づき前記制御装置内に予め組み込まれた弁制御手段によって開度制御されてなることを特徴とするものである。

本発明の請求項１に係るヒートポンプの運転方法によれば、圧縮機、凝縮器、主膨張弁及び蒸発器がこれらの順に冷媒循環流路に介設され、内部に冷媒を封入されたヒートポンプの運転方法において、前記圧縮機が容積式圧縮機であって、前記冷媒にＲ１３４ａを用いると共に、前記蒸発器出口における冷媒気体を乾き度０．７〜０．９８の湿り気体となし、この湿り気体を前記圧縮機の吸込気体として運転するので、取出温度が５５〜７０℃程度となる温水を安定して取出し可能とすることができる。

また、前記蒸発器に後続する圧縮機の吸込気体を湿り状態とすることによって、吸込気体によるモータ冷却を従来のガス顕熱冷却から、湿り状態の液の潜熱で冷却できるため、モータ冷却性能が大幅にアップし、駆動モータ過熱を防止できる（駆動モータ冷却に必要な冷媒液量は循環冷媒流量の１％程度）。更に、駆動モータの冷却で蒸発する分を除いた残りの冷媒液で圧縮過程での冷媒ガス過熱を防止できるので、新たに液インジェクション等で吐出温度を制御しなくても、低い吐出温度を保持し吐出温度の過熱を防止する。

また、本発明の請求項２に係るヒートポンプの運転方法によれば、前記主膨張弁を、吸込圧力検知手段により検出された圧縮機の吸込圧力と、吐出圧力検出手段により検出された圧縮機の吐出圧力と、吐出温度検出手段により検出された吐出温度の各出力信号を基に、冷媒のモリエル線図に基づき予め組み込まれた弁制御手段によって開度制御するので、冷水出口の実温度に基づく運転制御が可能となる。

更に、本発明の請求項３に係るヒートポンプの運転方法によれば、前記主膨張弁を、蒸発器の冷水出口温度と吸込圧力検知手段により検出された圧縮機の吸込圧力の各出力信号を基に、冷媒のモリエル線図に基づき予め組み込まれた弁制御手段によって開度制御する
ので、上記同様冷水出口の実温度に基づく運転制御が可能となる。

一方、本発明の請求項４に係るヒートポンプによれば、圧縮機、凝縮器、主膨張弁及び蒸発器がこれらの順に冷媒循環流路に介設され、内部に冷媒を封入されたヒートポンプにおいて、前記圧縮機が容積式圧縮機であって、前記冷媒にＲ１３４ａを用いると共に、前記蒸発器出口における冷媒気体を乾き度０．７〜０．９８の湿り気体とする機能を有してなるので、取出温度５５〜７０℃程度の温水の取出しを安定して可能となる。

また、Ｒ１３４ａは、通常用いられているＲ４０７系、Ｒ４０４ａより設計圧力や動力を低減可能な冷媒であるので、高温取出仕様のヒートポンプにおいても、Ｒ４０７系やＲ４０４ａをＲ１３４ａに置換することによって、通常の空調用に設計されたヒートポンプや圧縮機を仕様変更少なく、あるいは仕様変更することなく転用可能となる。

更に、前記圧縮機の吸込気体が湿り状態にされるので、吸込気体によるモータ冷却を従来のガス顕熱冷却から、湿り状態の液の潜熱で冷却できる。その結果、駆動モータ冷却性能が大幅に向上し、駆動モータ過熱を防止できる。また、モータ冷却で蒸発する分を除いた残りの冷媒液で圧縮過程での冷媒ガス過熱を防止できるので、新たに液インジェクション等で吐出温度を制御しなくても、低い吐出温度を保持し吐出温度の過熱を防止できる。

また更に、本発明の請求項５に係るヒートポンプによれば、前記ヒートポンプが制御装置を有し、前記蒸発器の冷水出口に冷水出口温度検出手段が、前記圧縮機の吸込口に吸込圧力検出手段が、この圧縮機の吐出口に吐出圧力検出手段及び吐出温度検出手段が設けられると共に、前記主膨張弁が、前記吸込圧力検知手段により検出された圧縮機の吸込圧力と、前記吐出圧力検出手段によって検出された圧縮機の吐出圧力と、前記吐出温度検出手段によって検出された吐出温度の各出力信号を基に、冷媒のモリエル線図に基づき前記制御装置内に予め組み込まれた弁制御手段によって開度制御されてなるので、冷水出口の実温度に基づく運転制御が可能なヒートポンプを提供し得る。

本発明の請求項６に係るヒートポンプによれば、前記ヒートポンプが制御装置を有し、前記蒸発器の冷水出口に冷水出口温度検出手段が、前記圧縮機の吸込口に吸込圧力検出手段が設けられると共に、前記主膨張弁が、前記冷水出口温度検出手段により検出された冷水出口温度と、前記吸込圧力検知手段により検出された圧縮機の吸込圧力の各出力信号を基に、冷媒のモリエル線図に基づき前記制御装置内に予め組み込まれた弁制御手段によって開度制御されてなるので、上記同様冷水出口の実温度に基づく運転制御が可能なヒートポンプを提供し得る。

先ず、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ及びその運転方法を、添付図１〜３を参照しながら以下説明する。図１は本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ及びその運転方法を説明するための系統図、図２はスクリュ圧縮機における吐出圧力Ｐｄと圧縮比（Ｐｄ／Ｐｓ）と断熱効率ηadとの間の関係を示す図、図３（ａ）はヒートポンプの概要を説明するためのモリエル線図、図３（ｂ）は本発明の実施の形態１に係るヒートポンプサイクルを説明するためのモリエル線図である。

本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ１は、冷媒を圧縮する容積式圧縮機２と、冷媒を冷却する凝縮器３と、冷媒の流量を制限する主膨張弁４と、冷媒と水（冷却対象）との間で熱交換をする蒸発器５とが介設され、内部に冷媒を封入され前記機器を順次循環するよう構成された冷媒循環流路６を有する。前記冷媒としてはＲ１３４ａを用いるのが好ましい。

Ｒ１３４ａは、通常用いられているＲ４０７系、Ｒ４０４ａより設計圧力や動力を低減可能な冷媒である上、高温取出仕様のヒートポンプにおいても、Ｒ４０７系やＲ４０４ａをＲ１３４ａに置換することによって、通常の空調用に設計されたヒートポンプや圧縮機を仕様変更少なく、あるいは仕様変更することなく転用可能となるためである。

前記圧縮機２は、駆動モータ１１で駆動され、その回転数は、制御装置１０に組み込まれた回転制御手段１０ａからインバータ１２へ送信された所定の周波数信号によって制御される。即ち、圧縮機２は、その回転数を回転制御手段１０ａ、インバータ１２によって任意に調整可能とすることで、容量制御可能に構成されている。前記圧縮機２としては、機構内の体積の変化により吸込んだ気体に圧力を付与する往復圧縮機、スクリュ圧縮機、スクロール圧縮機及びロータリ圧縮機等の容積式圧縮機が好ましい。この様な容積式圧縮機は、種々の温水や冷水の取出条件変化による圧縮比の変化に対して、安定した運転が可能であること、及び圧縮機吸込の液ミストに対して信頼性が高いためである。

そして、本発明に係るヒートポンプ１は、前記蒸発器５出口における冷媒気体を乾き度０．７〜０．９８の湿り気体となし、この湿り気体を前記圧縮機２の吸込気体として運転するので、取出温度が５５〜７０℃程度となる温水を安定して取出し可能とすることができる。また、前記蒸発器５に後続する圧縮機２の吸込気体を湿り状態とすることによって、吸込気体による駆動モータ１１の冷却を従来のガス顕熱冷却から、湿り状態の液の潜熱で冷却できるため、モータ冷却性能が大幅にアップし、駆動モータ１１の過熱を防止できる。

本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ１には、更に、圧縮機２の吸込圧力Ｐｓを検知する吸込圧力検知手段７と、圧縮機２の吐出圧力Ｐｄを検知する吐出圧力検出手段８と、吐出温度Ｔｄを検出する吐出温度検出手段９とが備えられている。

前記回転制御手段１０ａは、ヒートポンプ１の熱利用が冷水主体なのか温水主体なのかにより冷水出口温度Ｔ１（冷水主体の場合）もしくは温水出口温度Ｔ２（温水主体の場合）が一定となるように、圧縮機２の回転数をインバータ１２を介してＰＩＤ制御する。このヒートポンプ１には、蒸発器５の冷水出口に冷水出口温度検出手段１３が供えられ、この冷水出口温度検出手段１３によって検出された冷水出口温度Ｔ１の出力信号が、前記回転制御手段１０ａに入力されるように構成されている。

即ち、このヒートポンプ１の熱利用は冷水主体であり、冷水出口温度検出手段１３の温度信号に基づいて、冷水出口温度Ｔ１が一定の冷水となる様に、前記回転制御手段１０ａによって圧縮機２の回転数をＰＩＤ制御するように構成されている。

一方、主膨張弁４は、制御装置１０内に予め組み込まれた弁制御手段１０ｂによって開度が制御される電子膨張弁である。前記弁制御手段１０ｂは、吸込圧力検知手段７によって検出された吸込圧力Ｐｓと、吐出圧力検出手段８によって検出された吐出圧力Ｐｄと、吐出温度検出手段９によって検出された吐出温度Ｔｄの各出力信号を基に、前記制御装置１０内の記憶手段１０ｃに予め記憶された後述のモリエル線図に基づき、前記主膨張弁４の開度制御を行う様に構成されている。

この様な主膨張弁４の開度制御方法の構成に関し、以下更に詳細に説明する。
（１）先ず、吸込圧力検知手段７によって検出された吸込圧力Ｐｓの出力信号、吐出圧力検出手段８によって検出された吐出圧力Ｐｄの出力信号及び吐出温度検出手段９によって検出された吐出温度Ｔｄの出力信号が、前記弁制御手段１０ｂに送信・入力される。

（２）入力信号を受けたこの弁制御手段１０ｂにおいては、制御装置１０に内蔵された記憶手段１０ｃに予め収納されているモリエル線図の飽和温度のデータと入力された吐出圧力Ｐｄ信号の値に基づき、前記制御装置１０内に組み込まれた演算手段１０ｄによって、吐出側における冷媒の飽和点（後述する図３（ｂ）の点Ｇに相当）における飽和温度（凝縮温度）Ｔｄsatが導出される。

（３）前記圧縮機２として、例えばスクリュ圧縮機を用いた場合、吐出圧力Ｐｄと圧縮比（Ｐｄ／Ｐｓ）と断熱効率ηadとの間には、図２に示す様な関係があり、吐出圧力Ｐｄが高くなると断熱効率ηadが低下する傾向にある。図２に相当するデータは、前記制御装装置１０内の前記記憶手段１０ｃに予め収納されている。そして、弁制御手段１０ｂは、入力された吸込圧力Ｐｓ及び吐出圧力Ｐｄの値と、前記記憶手段１０ｃに収納された前記データに基づき、断熱効率ηadの概略値が求められる。

ここで、図３（ａ）に示したモリエル線図の概要について説明しておく。本発明に係るヒートポンプサイクル（冷凍機の場合は、冷凍サイクルと称す）は、容積式圧縮機２により気体を圧縮する圧縮行程ａｂ、凝縮器３により圧縮気体を冷却する凝縮行程ｂｃ、主絞り弁４により圧縮気体を減圧させる膨張行程ｃｄ、膨張した気体を蒸発させる蒸発行程ｄａからなる。そして、モリエル線図ｅｆの左側の領域は過冷却状態、前記線図ｆｇの右側の領域は乾き気体からなる過熱状態、前記線図ｅｆｇが凸状に囲む領域は湿り状態を示している。

（４）図３（ｂ）に示した本発明に係る冷媒のモリエル線図において、圧縮機２の吐出圧がＰｄ_１とすれば、この吐出圧Ｐｄ_１の凝縮線Ｌｄ１と断熱効率ηad＝１００％の場合の等エントロピ圧縮線Ｌｅとが交差する点Ｅは、凝縮行程にあって断熱効率ηadが１００％となる状態を示している。前記制御装置１０内の記憶手段１０ｃには、このモリエル線図に相当するデータが予め収納されている。そして、前記制御装置１０内の演算手段１０ｄによって、上記の手順で求めた「断熱効率ηadの概略値」と「上記Ｅ点を含む、モリエル線図のデータ」とから、断熱効率と実効率が等しい場合の圧縮線Ｌｃ及び前記凝縮線Ｌｄ１の交点Ｆが算出される。

（５）次いで、前記演算手段１０ｄによって、制御したい吐出温度ラインＬｔと前記圧縮線Ｌｄ１との交点Ｂを求め、この点Ｂを通る圧縮線Ｌｃ１と吸込圧力Ｐｓ_１の蒸発線Ｌｓ１との交点Ａが求められ、圧縮行程における吸込のポイントＡが導かれる。その結果、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ１のヒートポンプサイクルは、ＡＢＣＤ各点を結ぶサイクル状態で運転される。

（６）しかしながら、前記弁制御手段１０ｂにより、上記交点Ｂの状態と、実機の吐出圧検出手段８及び吐出温度検出手段９によって検出される吐出圧Ｐｄ及び吐出温度Ｔｄとが比較され、実機の吐出ポイントが上記交点Ｂより湿り状態にある場合（図４（ｂ）において、実機の吐出ポイントが交点Ｂより左側にある場合）には、主膨張弁４を所定開度だけ閉じ吐出側の過熱度を上昇させる。逆に、実機での吐出ポイントが上記交点Ｂより乾き状態（過熱状態）にある場合（図４（ｂ）において、実機の吐出ポイントが交点Ｂより右側にある場合）には、前記主膨張弁４を所定開度だけ開け吐出側の過熱度を低下させる。

（７）図３（ｂ）において、吐出圧力がＰｄ_１の上記ヒートポンプサイクルＡＢＣＤに対して、吐出圧力がＰｄ_１より高い場合（Ｐｄ_２）のヒートポンプサイクルを破線で、吐出圧力がＰｄ_１より低い場合（Ｐｄ₃）のヒートポンプサイクルを２点鎖線で例示する。仮に、各々の条件において、制御したい吐出温度Ｔｄが一定となる様に吐出の過熱度を制御すると、吸込状態は点Ａ２〜点Ａ３の範囲の圧力及びエンタルピ状態に変化する。

尚、同一吐出温度Ｔｄに制御する場合には、冷水出口温度Ｔ１が同一でも吐出圧力Ｐｄが高い（Ｐｄ_２）ほど吸込は湿り状態となり、吐出圧力Ｐｄが低い（Ｐｄ₃）ほど吸込は飽和に近づくことが分かる。吸込気体が湿り状態になればなるほど蒸発器５内での平均乾き度が低くなるため、蒸発伝熱性能は上昇する関係で、吸込圧力(Ｐｓ)は湿り度が大きくなるに従って高くなる。

（８）上記の様に、得られた温水取出温度Ｔ２（結果的には吐出圧力Ｐｄ）の変化に応じて、圧縮機２の吐出温度Ｔｄの制御目標を定めると、吸込状態はある範囲に制御されることになり、吐出過熱度を制御することによって、温水取出温度Ｔ２を５５〜７０℃程度とした場合の圧縮機２の吸込気体、即ち、蒸発器５出口における冷媒の乾き度を０．７〜０．９８の湿り気体として制御することになる。

＜実施例＞
次に、凝縮器ピンチ温度差２℃、蒸発器ピンチ温度差５℃の条件下で、温水出口温度Ｔ２を５５〜７０℃の範囲、冷水出口温度Ｔ１を５〜４０℃の範囲、蒸発器出口過熱度を５℃としたとき、冷媒にＲ１３４ａを用いた従来例に係るヒートポンプと、本発明に係るヒートポンプのシミュレーション結果につき、以下表１を参照しながら説明する。表１は、冷媒にＲ１３４ａを用いた場合の従来例と本発明とを比較してまとめたものである。

表１において、ｔｄは従来例に係る圧縮機吐出温度を、Ｔｄは本発明に係る圧縮機吐出温度を示す。即ち、従来例に係る圧縮機吐出温度ｔｄは、実施例−１，６，１１，１２，１６〜１８に示される様に、許容上限温度９０℃を越えてしまう。

一方、前記蒸発器５出口における冷媒の乾き度を０．７（実施例−１６）〜０．９８（実施例−５）の湿り気体となし、この湿り気体を前記圧縮機２の吸込気体として運転することによって、本発明に係る圧縮機２の吐出温度Ｔｄが９０℃を超えることなく、温水取出温度Ｔ２が５５〜７０℃程度となる温水を、安定して取出し可能とすることができる。また、前記蒸発器５に後続する圧縮機２の吸込気体を湿り状態とすることによって、吸込気体によるモータ冷却を従来のガス顕熱冷却から、湿り状態の液の潜熱で冷却できるため、モータ冷却性能が大幅にアップし、駆動モータ過熱を防止できるのである。

次に、本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ及びその運転方法を、以下添付図４を参照しながら説明する。図４は本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ及びその運転方法を説明するための系統図である。但し、本発明の実施の形態２が上記実施の形態１と相違するところは、制御装置１０に内蔵された弁制御手段１０ｂの構成に相違があり、この相違以外は上記実施の形態１と全く同構成であるから、以下その相違する点について説明する。

即ち、上記実施の形態１においては、冷水出口温度検出手段１３により検出された冷水出口温度Ｔ１の出力信号は、回転制御手段１０ａのみに入力されるように構成され、冷水出口温度検出手段１３による冷水出口温度Ｔ１の出力信号を入力として、回転制御手段１０ａが、インバータ１２を介して圧縮機２の駆動モータ１１の回転制御を行うよう構成されていた。これに対し、本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ及びその運転方法は、冷水出口温度検出手段１３により検出された冷水出口温度Ｔ１の出力信号は、前記回転制御手段１０ａのみならず弁制御手段１０ｂにも入力されるように構成されている。

そして、冷水出口温度検出手段１３による冷水出口温度Ｔ１の出力信号と吸込圧力検知手段７による吸込圧力Ｐｓの出力信号を入力信号として、回転制御手段１０ａが、インバータ１２を介して圧縮機２の駆動モータ１１の回転制御を行う一方、前記弁制御手段１０ｂは、主膨張弁４の開度制御を行うよう構成されたものである。

ところで、前述した本発明の実施の形態１においては、吐出過熱度をある範囲で制御することにより、圧縮機２の吸込気体をある湿り範囲で制御する制御方法を具現化したものであったが、その実施の形態１に係る説明で述べた通り、吐出圧力Ｐｄに応じて吸込のあるべき湿り状態が変化する際に、吸込圧力Ｐｓは変化する。

即ち、冷水出口温度Ｔｗ一定条件においても、圧縮機２の吸込気体の湿り度大（乾き度小）であれば吸込圧力Ｐｓは高くなる一方、吸込気体の湿り度小（乾き度大）であれば吸込圧力Ｐｓは低下することから、圧縮機２の吸込圧力Ｐｓを制御することによって、吸込気体を所定の湿り度の範囲に制御できる共に、吐出気体も所定の温度内に制御することが可能である（図４（ｂ）を用いて説明した本発明の実施の形態１の逆）。

一方で、吸込圧力Ｐｓを支配的に決定するのは冷水出口温度Ｔ１である。このため、冷水出口温度Ｔ１と吸込圧力Ｐｓの基本的関係を記述した基本データベースを作成の上、吐出圧力Ｐｄに応じて制御するべき吸込圧力Ｐｓを修正するデータベースを、制御装置１０に内蔵された記憶手段１０ｃに予め収納しておくことによって、吸込気体を所定の湿り状態に制御することが可能である。厳密には、容量（回転数あるいはスライド弁開度）制御でも制御すべき吸込圧力Ｐｓはわずかに変化するため、容量制御による吸込圧力Ｐｓの制御値の修正を加えることができるようにすれば、更に精度の良い制御が可能である。

また、理論、実験から求めた上記制御目標値で吸込み圧力Ｐｓを制御した場合でも、負荷変動等が大きい場合には吐出温度が所定範囲内からずれる場合もあるため、吐出圧力Ｐｄに応じた吐出温度（吐出の過熱度と同義）により、吸込圧力Ｐｓの制御値を修正できるようにすれば、より安定した制御が可能となる。

以上述べた通り、本発明に係るヒートポンプ及びそれらの運転方法によれば、圧縮機が容積式圧縮機であって、前記冷媒にＲ１３４ａを用いると共に、前記蒸発器出口における気体の乾き度を０．７〜０．９８の湿り気体とする機能を有してなるので、温水取出温度５５〜７０℃程度での温水の取り出しを安定して達成することができる。また、高温取出仕様のヒートポンプにおいても、Ｒ４０７系やＲ４０４ａをＲ１３４ａに置換することによって、通常の空調用に設計されたヒートポンプや圧縮機を仕様変更少なく、あるいは仕様変更することなく転用可能となる。

更に、前記圧縮機の吸込ガスが湿り状態にされるので、駆動モータ冷却性能が大幅に向上して、駆動モータ過熱を防止できる。また、モータ冷却で蒸発する分を除いた残りの冷媒液で圧縮過程での冷媒ガス過熱を防止できるので、新たに液インジェクション等で吐出温度を制御しなくても、低い吐出温度を保持し吐出温度の過熱を防止できる。

尚、本発明においてはヒートポンプを例として述べたが、本発明の主旨はチラー（冷凍機）に対しても適用可能なことは言うまでもない。また、本発明における圧縮機には、上述した様に、回転数やスライド弁開度を任意に調整したり、いわゆるピストン弁を用いて圧縮した冷媒の一部を吸込側に帰還させたり、様々な容量制御の機能を有するものを適用し得る。

本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ及びその運転方法を説明するための系統図である。本発明の実施の形態1に係り、スクリュ圧縮機における吐出圧力Ｐｄと圧縮比（Ｐｄ／Ｐｓ）と断熱効率ηadとの間の関係を示す図である。図（ａ）はヒートポンプの概要を説明するためのモリエル線図、図（ｂ）は本発明の実施の形態１に係るヒートポンプサイクルを説明するためのモリエル線図である。本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ及びその運転方法を説明するための系統図である。従来例に係る一般的な電動式（圧縮式）ヒートポンプの系統図である。

符号の説明

Ｍ：駆動モータ，ＩＮＶ：インバータ，
Ｐｓ：吸込圧力，Ｐｄ：吐出圧力，
Ｔｄ：吐出温度，Ｔ１：冷水出口温度，Ｔ２：温水出口温度，
ａｂｃｄ，ＡＢＣＤ：ヒートポンプサイクル，
Ｌｄ１：吐出圧Ｐｄ_１の凝縮線，
Ｌｅ：断熱効率ηad＝１００％の場合の等エントロピ圧縮線，
Ｌｃ：断熱効率と実効率が等しい場合の圧縮線，
Ｌｔ：制御したい吐出温度線，
Ｌｃ１：点Ｂを通る圧縮線，
Ｌｓ１：吸込圧力Ｐｓ_１の蒸発線，
Ｅ：凝縮線Ｌｄ１と等エントロピ圧縮線Ｌｅとが交差する点，
Ｆ：断熱効率と実効率が等しい場合の圧縮線Ｌｃ及び前記凝縮線Ｌｄ１の交点，
Ｇ：吐出気体における冷媒の飽和点，
１：ヒートポンプ，２：（容積式）圧縮機，３：凝縮器，
４：主膨張弁，５：蒸発器，６：冷媒循環流路，
７：吸込圧力検出手段，８：吐出圧力検出手段，９：吐出温度検出手段，
１０：制御装置，１０ａ：回転制御手段，１０ｂ：弁制御手段，
１０ｃ：記憶手段，１０ｄ：演算手段，
１１：駆動モータ，１２：インバータ，１３：冷水出口温度検出手段

Claims

圧縮機、凝縮器、主膨張弁及び蒸発器がこれらの順に冷媒循環流路に介設され、内部に冷媒を封入されたヒートポンプの運転方法において、前記圧縮機が容積式圧縮機であって、前記冷媒にＲ１３４ａを用いると共に、前記蒸発器出口における冷媒気体を乾き度０．７〜０．９８の湿り気体となし、この湿り気体を前記圧縮機の吸込気体として運転することを特徴とするヒートポンプの運転方法。
前記主膨張弁を、吸込圧力検知手段により検出された圧縮機の吸込圧力と、吐出圧力検出手段により検出された圧縮機の吐出圧力と、吐出温度検出手段により検出された吐出温度の各出力信号を基に、冷媒のモリエル線図に基づき予め組み込まれた弁制御手段によって開度制御することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプの運転方法。
前記主膨張弁を、蒸発器の冷水出口温度と吸込圧力検知手段により検出された圧縮機の吸込圧力の各出力信号を基に、冷媒のモリエル線図に基づき予め組み込まれた弁制御手段によって開度制御することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプの運転方法。
圧縮機、凝縮器、主膨張弁及び蒸発器がこれらの順に冷媒循環流路に介設され、内部に冷媒を封入されたヒートポンプにおいて、前記圧縮機が容積式圧縮機であって、前記冷媒にＲ１３４ａを用いると共に、前記蒸発器出口における冷媒気体を乾き度０．７〜０．９８の湿り気体とする機能を有してなることを特徴とするヒートポンプ。
前記ヒートポンプが制御装置を有し、前記蒸発器の冷水出口に冷水出口温度検出手段が、前記圧縮機の吸込口に吸込圧力検出手段が、この圧縮機の吐出口に吐出圧力検出手段及び吐出温度検出手段が設けられると共に、前記主膨張弁が、前記吸込圧力検知手段により検出された圧縮機の吸込圧力と、前記吐出圧力検出手段によって検出された圧縮機の吐出圧力と、前記吐出温度検出手段によって検出された吐出温度の各出力信号を基に、冷媒のモリエル線図に基づき前記制御装置内に予め組み込まれた弁制御手段によって開度制御されてなることを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ。
前記ヒートポンプが制御装置を有し、前記蒸発器の冷水出口に冷水出口温度検出手段が、前記圧縮機の吸込口に吸込圧力検出手段が設けられると共に、前記主膨張弁が、前記冷水出口温度検出手段により検出された冷水出口温度と、前記吸込圧力検知手段により検出された圧縮機の吸込圧力の各出力信号を基に、冷媒のモリエル線図に基づき前記制御装置内に予め組み込まれた弁制御手段によって開度制御されてなることを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ。