JP2013249967A - 温水生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高価な冷媒用圧力センサを使用せずに、吐出冷媒過熱度制御を実現できる温水生成装置を提供すること。
【解決手段】圧縮機２１から吐出する冷媒の温度を検出する吐出冷媒温度検出手段７０と、凝縮器２２へ流入する冷媒の温度を検出する入口冷媒温度検出手段７１と、凝縮器２２から流出する熱媒体の温度を検出する出口熱媒体温度検出手段７３と、冷媒の流量を検出する冷媒流量検出手段７と、熱媒体の流量を検出する熱媒体流量検出手段９とを備え、入口冷媒温度検出手段７１の検出値、出口熱媒体温度検出手段７３の検出値、冷媒流量検出手段７の検出値、熱媒体流量検出手段９の検出値に基づいて凝縮器２２の飽和温度を算出し、飽和温度と吐出冷媒温度検出手段７０の検出値との温度差を制御することを特徴とする温水生成装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、温水生成装置に関するものである。

従来、冷媒回路の凝縮器としてフィンアンドチューブ式が使用され、伝熱管内中をフロン冷媒が流動する場合、中央部付近の伝熱管表面の温度を冷媒の飽和凝縮温度と見なし、凝縮圧力を算出し、高圧圧力としてサイクル制御に使用されている。

また、凝縮器として二重管式熱交換器が使用され、内側管内に冷媒を流す場合は、伝熱管表面の温度から冷媒の飽和凝縮温度を検出することができないため、高圧側において冷媒が飽和状態にある冷媒配管の温度を検出することにより、その温度を冷媒の飽和凝縮温度と見なして凝縮圧力を算出する冷凍サイクル装置が知られている。例えば、特許文献１には、図５に示すような冷凍サイクル装置１００が開示されている。

この冷凍サイクル装置１００は、冷媒を循環させる冷媒回路１１０と、バイパス回路１２０とを備えている。冷媒回路１１０は、圧縮機１１１、凝縮器１１２、二重管熱交換器１１４、主膨張弁１１３および蒸発器１１５が配管により環状に接続されて構成されている。

バイパス回路１２０は、二重管熱交換器１１４と主膨張弁１１３の間で冷媒回路１１０から分岐し、二重管熱交換器１１４を経由して蒸発器１１５と圧縮機１１１の間で冷媒回路１１０につながっている。また、バイパス回路１２０には、二重管熱交換器１１４よりも上流側にバイパス膨張弁１２１が設けられている。凝縮器１１２と二重管熱交換器１１４とを接続する冷媒配管には、第１温度センサ１４１が設置されている。

上記冷凍サイクルにおいて、凝縮器１１２と二重管熱交換器１１４との間の高圧冷媒配管を流れる冷媒の飽和温度を第１温度センサ１４１により検出し、その飽和温度から凝縮圧力を算出する制御装置１１７とを備えることにより、高圧側冷媒用圧力センサを使用せずに、温度センサによる圧力検出が可能となる。この検出した高圧圧力値を使用して冷凍サイクル制御を行うものである。

特開２００６−２７５４３８号公報

しかしながら、前記従来の構成では、冷凍サイクル中の凝縮器の出口側における冷媒温度から冷媒飽和温度を検出するためには、凝縮器出口側の冷媒を二相状態となるように運転する必要がある。

従って、運転状態が変化して凝縮器出口側の冷媒が二相状態でなくなれば飽和温度を検出不可能になり、その結果、飽和温度から飽和圧力を検出することも不可能になる。

また、凝縮器における冷媒が二相状態となる領域での冷媒温度を検出する場合でも、凝縮器が冷媒流路と水流路を交互に配置するプレート熱交換器単独の場合や、内管側に冷媒が流動する二重管熱交換器単独の場合は、高圧側において冷媒が飽和状態にある冷媒配管
の温度を検出することが不可能である。

本発明は、このような事情に鑑み、高価な冷媒用圧力センサを使用せずに、吐出冷媒過熱度制御を実現できる温水生成装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の温水生成装置は、圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器が環状に接続された冷媒回路と、前記凝縮器において冷媒と熱媒体とが熱交換する熱媒体回路と、前記圧縮機から吐出する冷媒の温度を検出する吐出冷媒温度検出手段と、前記凝縮器へ流入する冷媒の温度を検出する入口冷媒温度検出手段と、前記凝縮器から流出する熱媒体の温度を検出する出口熱媒体温度検出手段と、冷媒の流量を検出する冷媒流量検出手段と、熱媒体の流量を検出する熱媒体流量検出手段と、制御装置とを備え、前記制御装置が、前記入口冷媒温度検出手段の検出値、前記出口熱媒体温度検出手段の検出値、前記冷媒流量検出手段の検出値、前記熱媒体流量検出手段の検出値に基づいて前記凝縮器の飽和温度を算出し、前記飽和温度と前記吐出冷媒温度検出手段の検出値との温度差を制御することを特徴とするものである。

これにより、凝縮器における冷媒流量、熱媒体流量、入口熱媒体温度、及び出口熱媒体温度に加えて、冷媒過熱域における冷媒側熱交換量と熱媒体側熱交換量とが等しいことより得られる凝縮器の飽和冷媒温度と、圧縮機の吐出冷媒温度との差より、圧縮機の吐出冷媒過熱度が検出できる。

したがって、凝縮器がプレート熱交換器や内管側に冷媒を流動させる二重管熱交換器を使用する場合でも、高価な圧力センサを使用せずに、圧縮機の吐出冷媒過熱度を検出できるため、安価で吐出冷媒過熱度制御を実現することができる。

本発明によれば、高価な冷媒用圧力センサを使用せずに、吐出冷媒過熱度制御を実現できる温水生成装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る温水生成装置の概略構成図 同温水生成装置の吐出冷媒過熱度制御フローチャート 同吐出圧力算出の原理説明図 同温水生成装置の過冷却度制御フローチャート 従来の冷凍サイクル装置の概略構成図

第１の発明は、圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器が環状に接続された冷媒回路と、前記凝縮器において冷媒と熱媒体とが熱交換する熱媒体回路と、前記圧縮機から吐出する冷媒の温度を検出する吐出冷媒温度検出手段と、前記凝縮器へ流入する冷媒の温度を検出する入口冷媒温度検出手段と、前記凝縮器から流出する熱媒体の温度を検出する出口熱媒体温度検出手段と、冷媒の流量を検出する冷媒流量検出手段と、熱媒体の流量を検出する熱媒体流量検出手段と、制御装置とを備え、前記制御装置が、前記入口冷媒温度検出手段の検出値、前記出口熱媒体温度検出手段の検出値、前記冷媒流量検出手段の検出値、前記熱媒体流量検出手段の検出値に基づいて前記凝縮器の飽和温度を算出し、前記飽和温度と前記吐出冷媒温度検出手段の検出値との温度差を制御することを特徴とする温水生成装置である。

これにより、凝縮器における冷媒流量、熱媒体流量、入口熱媒体温度、及び出口熱媒体
温度に加えて、冷媒過熱域における冷媒側熱交換量と熱媒体側熱交換量とが等しいことより得られる凝縮器の飽和冷媒温度と、圧縮機の吐出冷媒温度との差より、圧縮機の吐出冷媒過熱度が検出できる。

したがって、凝縮器がプレート熱交換器や内管側に冷媒を流動させる二重管熱交換器を使用する場合でも、高価な圧力センサを使用せずに、圧縮機の吐出冷媒過熱度を検出できるため、安価で吐出冷媒過熱度制御を実現することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の温水生成装置において、前記飽和温度と前記吐出冷媒温度検出手段の検出値との温度差が、所定値以上の場合には、前記圧縮機の運転周波数を小さくすることを特徴とするものである。

これにより、圧縮機による圧縮仕事が減少し、吐出圧力が低下して吐出温度も低下し、凝縮器の飽和冷媒温度と圧縮機の吐出冷媒温度との差である吐出冷媒過熱度が小さくなる方向に作用する。

第３の発明は、特に、第１の発明の温水生成装置において、前記飽和温度と前記吐出冷媒温度検出手段の検出値との温度差が、所定値より小さい場合には、前記圧縮機の運転周波数を大きくすることを特徴とするものである。

これにより、圧縮機による圧縮仕事が増加し、吐出圧力が上昇して吐出温度も上昇し、凝縮器の飽和冷媒温度と圧縮機の吐出冷媒温度との差である吐出冷媒過熱度が大きくなる方向に作用する。

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。

（実施の形態１）
図１に、本発明の第１実施の形態に係る温水生成装置１を示す。この温水生成装置１は、冷媒を循環させる冷媒回路２と、温水を循環させる水回路３と、制御装置４とを備えている。冷媒としては、例えば、Ｒ４０７Ｃ等の非共沸混合冷媒、Ｒ４１０Ａ等の擬似共沸混合冷媒、または単一冷媒等を用いることができる。

本実施の形態では、温水生成装置１は、冬季暖房運転により生成された温水を暖房に利用する温水生成装置を構成しており、凝縮器２２において、高温冷媒と低温水との間で熱交換を行わせて水の加熱運転を行う。

冷媒回路２は、圧縮機２１、四方弁２３、放熱器としての凝縮器２２、膨張弁２４および蒸発器２５が配管により環状に接続されて構成され、水回路３は、凝縮器２２の水側熱交換部、水ポンプ３１が接続されている。凝縮器２２は外側流路に水が流動し、内側流路に冷媒が流動する冷媒対水熱交換器、例えば、二重管式熱交換器とし、蒸発器２５はフィンチューブ熱交換器とする。

また、冷媒回路２に冷媒の流動方向を切り換えるための四方弁２３が設けられ、冷媒回路２にて加熱運転を行い、水回路３にて温水生成運転を行う。図１では、加熱運転による温水生成時の冷媒および温水の流れ方向を矢印で示している。

具体的には、水回路３において凝縮器２２の水側熱交換部が接続されており、凝縮器２２を介して高温冷媒と水が熱交換して加熱された温水が水回路３の負荷側に搬送されるようになっている。加熱された温水は、例えばラジエータ等の熱交換ユニット（図示せず）
に、直接的または貯湯タンク（図示せず）を介して送られ、これにより暖房が行われる。

そのために、冷媒回路２には、圧縮機２１の吐出側冷媒温度Ｔｄを検出する吐出温度センサ７０、凝縮器２２の入口側冷媒温度Ｔｒ１を検出する凝縮器入口冷媒温度センサ７１、および凝縮器２２の出口側冷媒温度Ｔｒ２を検出する凝縮器出口冷媒温度センサ７２が設けられている。

一方、水回路３には、凝縮器２２の出口側温水温度Ｔｗを検出する凝縮器出口温水温度センサ７３が設けられている。

また、制御装置４は、温度検出手段５、飽和温度演算手段６、圧縮機周波数制御手段７、膨張弁制御手段８、および水ポンプ制御手段９から構成され、温度検出手段５は吐出温度センサ７０、凝縮器入口冷媒温度センサ７１、凝縮器出口冷媒温度センサ７２、および凝縮器出口温水温度センサ７３による検出値を取り込み、それらの検出値を飽和温度演算手段６に入力する。

飽和温度演算手段６では、温度検出手段５により検出された吐出温度Ｔｄ、凝縮器入口冷媒温度Ｔｒ１、および凝縮器出口温水温度Ｔｗを取り込み、また圧縮機周波数制御手段７から指示される圧縮機２１の運転周波数Ｆｑｒを用いて冷媒流量Ｇｒを、水ポンプ制御手段９から指示される水ポンプ３１の運転周波数Ｆｑｗを用いて温水流量Ｇｗを検出する。

ここで、凝縮器２２における冷媒側伝熱性能は冷媒流量Ｇｒに依存し、凝縮器２２における温水側伝熱性能は温水流量Ｇｗに依存するため、凝縮器２２における冷媒と温水の最小温度差ｄＴは冷媒流量Ｇｒと温水流量Ｇｗにより検出できる。

上記凝縮器入口冷媒温度Ｔｒ１、凝縮器出口温水温度Ｔｗ、冷媒流量Ｇｒ、温水流量Ｇｗ、および最小温度差ｄＴより、凝縮器２２における飽和温度Ｔｓａｔを演算する。

以上のように構成された温水生成装置１の運転動作について説明する。

加熱運転では圧縮機２１から吐出された高圧ガス冷媒は、凝縮器２２に流入し、水回路３において凝縮器２２に供給された水と熱交換して水を加熱し、冷媒自身は放熱して液化凝縮し、飽和液状態または過冷却液状態となる。

凝縮器２２から流出した高圧液冷媒は、膨張弁２４によって減圧されて膨張した後に、蒸発器２５に流入する。フィンチューブ熱交換器である蒸発器２５に流入した低圧二相冷媒は、ここで蒸発して空気側から吸熱して、冷媒自身は加熱され、飽和ガスまたは過熱ガス状態となり、圧縮機２１に吸入される。

この温水生成装置１では加熱能力制御のために、圧縮機２１の運転容量、すなわち運転周波数Ｆｑｒを所定値に設定して冷媒の循環量を制御し、かつ膨張弁２４により減圧量を制御する。

本発明に関連する温水生成運転時の吐出冷媒過熱度制御アルゴリズムについて、図２に示すフローチャート、および図３に示す凝縮器における冷媒・水の温度変化概念図を参照して以下に詳細に説明する。

制御装置４では、所定時間間隔ごとに吐出冷媒過熱度ＳＨｄを制御する動作を行う。

まず、ステップＳ１にて、吐出温度Ｔｄ、凝縮器２２の入口冷媒温度Ｔｒ１、凝縮器２２の出口温水温度Ｔｗの検出を行う。

ステップＳ２にて、圧縮機周波数制御手段７から指示される圧縮機２１の運転周波数Ｆｑと、水ポンプ制御手段９から指示される水ポンプ３１の運転回転数Ｒｐを検出する。

ステップＳ３にて、圧縮機２１の運転周波数Ｆｑと圧縮機の圧縮室排除容積を用いて冷媒流量Ｇｒを算出し、水ポンプ３１の運転回転数Ｒｐを用いて温水流量Ｇｗを算出する。

そして、ステップＳ４にて、凝縮器２２において冷媒側伝熱性能が冷媒流量Ｇｒに依存し、温水側伝熱性能が温水流量Ｇｗに依存することより、冷媒流量Ｇｒ、および温水流量Ｇｗの検出値を用いた相関式により、凝縮器２２における冷媒と温水の最小温度差ｄＴを算出する。

次に、ステップＳ５にて、凝縮器２２の冷媒過熱域（図３参照）における冷媒側の熱交換量Ｑｒと温水側の熱交換量Ｑｗが等しいという関係に、凝縮器入口冷媒温度Ｔｒ１、凝縮器出口温水温度Ｔｗ、冷媒流量Ｇｒ、温水流量Ｇｗ、および最小温度差ｄＴを考慮することにより、凝縮器２２における飽和温度Ｔｓａｔを演算する。

ステップＳ６にて、圧縮機２１の吐出温度Ｔｄと、ステップＳ５にて算出した凝縮器２２における飽和温度Ｔｓａｔとの差異より、圧縮機２１の吐出冷媒過熱度ＳＨｄを算出する。

そして、ステップＳ７にて、ステップＳ６にて算出された吐出冷媒過熱度ＳＨｄと目標過熱度ＳＨｏとの差異の絶対値が所定値Ｃ１以下であれば、目標範囲内にあると判断して、ステップＳ１に戻り、前記絶対値が所定値Ｃ１を超える場合、ステップＳ８に移行する。

ステップＳ８にて、ステップＳ６にて算出された吐出冷媒過熱度ＳＨｄと目標過熱度ＳＨｏとの差異が所定値Ｃ１を超える場合、目標過熱度ＳＨｏに対する過熱度不足であると判断して、ステップＳ１０に移行して、圧縮機２１の運転周波数Ｆｑを所定値だけ増加させた後、ステップＳ１に戻る。

一方、ステップＳ８にて、ステップＳ６にて算出された吐出冷媒過熱度ＳＨｄと目標過熱度ＳＨｏとの差異が所定値Ｃ１以下である場合、目標過熱度ＳＨｏに対する過熱度が過大であると判断して、ステップＳ９に移行して、圧縮機２１の運転周波数Ｆｑを所定値だけ低減させた後、ステップＳ１に戻る。

以上のように、温水生成運転時の吐出冷媒過熱度制御は、ステップＳ１〜ステップＳ１０の動作を繰り返し、凝縮器入口冷媒温度Ｔｒ１、凝縮器出口温水温度Ｔｗ、冷媒流量Ｇｒ、温水流量Ｇｗ、および最小温度差ｄＴの検出値を基にして、凝縮器２２における飽和温度Ｔｓａｔを算出し、圧縮機２１の吐出温度Ｔｄとの差温、すなわち冷媒過熱度ＳＨｄが目標値となるように、圧縮機２１の運転周波数Ｆｑの制御を行う。

その結果、凝縮器がプレート熱交換器や内管側に冷媒を流動させる二重管熱交換器を使用する場合でも、高価な圧力センサを使用せずに、圧縮機の吐出冷媒過熱度を検出できるため、安価で吐出冷媒過熱度制御を実現することができる。

次に、本発明に関連する温水生成運転時の冷媒過冷却度制御アルゴリズムについて、図４に示すフローチャート、および図３に示す凝縮器における冷媒・水の温度変化概念図を
参照して以下に詳細に説明する。

なお、温水生成装置１を構成要素は同一であり、異なるのは制御装置４において、所定時間間隔ごとに過冷却度ＳＣを制御する動作を行う点である。具体的な制御では図４に示すフローチャートにおいて、ステップＳ１ａ、ステップＳ６ａ、ステップＳ７ａ、ステップＳ８ａ、ステップＳ９ａ、およびステップＳ１０ａが、図２に示す圧縮機吐出過熱度制御のフローチャートと異なる。

まず、ステップＳ１ａにて、吐出温度Ｔｄ、凝縮器２２の入口冷媒温度Ｔｒ１、凝縮器２２の出口温水温度Ｔｗに加えて、凝縮器２２の出口冷媒温度Ｔｒ２の検出を行う。

ステップＳ２にて、圧縮機周波数制御手段７から指示される圧縮機２１の運転周波数Ｆｑと、水ポンプ制御手段９から指示される水ポンプ３１の運転回転数Ｒｐを検出する。

ステップＳ３にて、圧縮機２１の運転周波数Ｆｑと圧縮機の圧縮室排除容積を用いて冷媒流量Ｇｒを算出し、水ポンプ３１の運転回転数Ｒｐを用いて温水流量Ｇｗを算出する。

そして、ステップＳ４にて、凝縮器２２において冷媒側伝熱性能が冷媒流量Ｇｒに依存し、温水側伝熱性能が温水流量Ｇｗに依存することより、冷媒流量Ｇｒ、および温水流量Ｇｗの検出値を用いた相関式により、凝縮器２２における冷媒と温水の最小温度差ｄＴを算出する。

次に、ステップＳ５にて、凝縮器２２の冷媒過熱域（図３参照）における冷媒側の熱交換量Ｑｒと温水側の熱交換量Ｑｗが等しいという関係に、凝縮器入口冷媒温度Ｔｒ１、凝縮器出口温水温度Ｔｗ、冷媒流量Ｇｒ、温水流量Ｇｗ、および最小温度差ｄＴを考慮することにより、凝縮器２２における飽和温度Ｔｓａｔを演算する。

ステップＳ６ａにて、凝縮器２２の出口冷媒温度Ｔｒ２と、ステップＳ５にて算出した凝縮器２２における飽和温度Ｔｓａｔとの差異より、凝縮器２２の出口における冷媒過冷却度ＳＣを算出する。

そして、ステップＳ７ａにて、ステップＳ６ａにて算出された冷媒過冷却度ＳＣと目標過冷却度ＳＣｏとの差異の絶対値が所定値Ｃ２以下であれば、目標範囲内にあると判断して、ステップＳ１に戻り、前記絶対値が所定値Ｃ２を超える場合、ステップＳ８ａに移行する。

ステップＳ８ａにて、ステップＳ６ａにて算出された冷媒過冷却度ＳＣと目標過冷却度ＳＣｏとの差異の絶対値が所定値Ｃ２を超える場合、目標過冷却度ＳＣｏに対する過冷却度が過大であると判断して、ステップＳ１０ａに移行して、膨張弁２４の開度を所定値だけ開けた後、ステップＳ１に戻る。

一方、ステップＳ８ａにて、ステップＳ６ａにて算出された冷媒過冷却度ＳＣと目標過冷却度ＳＣｏとの差異が所定値Ｃ２以下である場合、目標過冷却度ＳＣｏに対する過冷却度ＳＣが過小であると判断して、ステップＳ９ａに移行して、膨張弁２４の開度を所定値だけ閉じた後、ステップＳ１に戻る。

以上のように、温水生成運転時の冷媒過冷却度制御は、ステップＳ１〜ステップＳ１０の動作を繰り返し、凝縮器入口冷媒温度Ｔｒ１、凝縮器出口冷媒温度Ｔｒ２、凝縮器出口温水温度Ｔｗ、冷媒流量Ｇｒ、温水流量Ｇｗ、および最小温度差ｄＴの検出値を基にして、凝縮器２２における飽和温度Ｔｓａｔを算出し、凝縮器出口冷媒温度Ｔｒ２との差温、
すなわち冷媒過冷却度ＳＣが目標値となるように、膨張弁２４の開度の制御を行う。

その結果、凝縮器がプレート熱交換器や内管側に冷媒を流動させる二重管熱交換器を使用する場合でも、高価な圧力センサを使用せずに、凝縮器出口の冷媒過冷却度を検出できるため、安価で吐出冷媒過熱度制御を実現することができる。

本発明は、冷凍サイクル装置によって水を加熱し、その水を暖房・給湯に利用する温水生成装置に特に有用である。

１ 温水生成装置
２ 冷媒回路
３ 水回路（熱媒体回路）
４ 制御装置
７ 圧縮機周波数制御手段（冷媒流量検出手段）
８ 膨張弁制御手段
９ 水ポンプ制御手段（熱媒体流量検出手段）
２１ 圧縮機
２２ 凝縮器
２４ 膨張弁（膨張手段）
２５ 蒸発器
３１ 水ポンプ（熱媒体循環手段）
７０ 吐出温度センサ（吐出冷媒温度検出手段）
７１ 凝縮器入口冷媒温度センサ（入口冷媒温度検出手段）
７２ 凝縮器出口冷媒温度センサ（出口冷媒温度検出手段）
７３ 凝縮器出口温水温度センサ（出口熱媒体温度検出手段）

Claims (3)

1. 圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器が環状に接続された冷媒回路と、前記凝縮器において冷媒と熱媒体とが熱交換する熱媒体回路と、前記圧縮機から吐出する冷媒の温度を検出する吐出冷媒温度検出手段と、前記凝縮器へ流入する冷媒の温度を検出する入口冷媒温度検出手段と、前記凝縮器から流出する熱媒体の温度を検出する出口熱媒体温度検出手段と、冷媒の流量を検出する冷媒流量検出手段と、熱媒体の流量を検出する熱媒体流量検出手段と、制御装置とを備え、前記制御装置が、前記入口冷媒温度検出手段の検出値、前記出口熱媒体温度検出手段の検出値、前記冷媒流量検出手段の検出値、前記熱媒体流量検出手段の検出値に基づいて前記凝縮器の飽和温度を算出し、前記飽和温度と前記吐出冷媒温度検出手段の検出値との温度差を制御することを特徴とする温水生成装置。
2. 前記飽和温度と前記吐出冷媒温度検出手段の検出値との温度差が、所定値以上の場合には、前記圧縮機の運転周波数を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の温水生成装置。
3. 前記飽和温度と前記吐出冷媒温度検出手段の検出値との温度差が、所定値より小さい場合には、前記圧縮機の運転周波数を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の温水生成装置。