JP2014009829A - 冷凍サイクル装置及びそれを備えた温水生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】制御安定性と省エネルギー性に優れた冷凍サイクル装置を提供すること。
【解決手段】熱源側熱媒体と熱交換する熱源側冷媒回路２と、利用側熱媒体と熱交換する利用側冷媒回路３とが、カスケード熱交換器２２を介して熱的に接続される二元冷凍サイクルを備える冷凍サイクル装置１Ａにおいて、熱源側熱媒体温度および利用側熱媒体温度に基づいて目標冷媒圧力を決定し、前記目標冷媒圧力を目標として利用側圧縮機３１の容量制御を行うとともに、利用側熱媒体温度と前記目標冷媒圧力に基づいて、熱源側圧縮機２１の容量制御を行うので、制御目標値が安定して、各冷凍サイクルの安定性が向上するとともに、各冷凍サイクル間での干渉影響が低減して、高効率な運転状態を維持し、省エネルギー性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、利用側冷媒回路と熱源側冷媒回路とがカスケード熱交換器を介して接続される二元冷凍サイクルを備えた、冷凍サイクル装置に関するものである。

従来、この種の冷凍サイクル装置および温水生成装置は、高温の温風または温水あるいは低温の冷風または冷水を生成することを目的のひとつとして、二元冷凍サイクルが利用されている（例えば、特許文献１を参照）。

図４は、特許文献１に記載された従来の冷凍サイクル装置を示すものである。

図４に示すように、冷凍サイクル装置１００は、熱源側冷媒を循環させる熱源側冷媒回路１１０と、利用側冷媒を循環させる利用側冷媒回路１２０と、温水を循環させる温水回路１３０とを備えている。熱源側冷媒回路１１０は、熱源側圧縮機１１１、熱源側四方弁１１２、利用側冷媒と熱交換し、凝縮器として機能するカスケード熱交換器１１３、熱源側膨張弁１１４および空気と熱交換し蒸発器として機能する熱源側熱交換器１１５が配管により環状に接続されて構成されている。

また、利用側冷媒回路１２０は、利用側圧縮機１２１、利用側四方弁１２２、温水と熱交換し凝縮器として機能する利用側熱交換器１２３、利用側膨張弁１２４、および熱源側冷媒と熱交換し、蒸発器として機能するカスケード熱交換器１１３が、配管により環状に接続されて構成されている。

一方、温水回路１３０は、循環ポンプ１３１、利用側冷媒と熱交換し温水を生成する利用側熱交換器１２３、および、例えば貯湯タンクやファンコンベクターのような放熱器１３２が配管により環状に接続されて構成されている。

さらに、冷凍サイクル装置１００は、熱源側圧縮機１１１から吐出される冷媒の圧力（熱源側圧縮機吐出圧力）Ｐｄｌを検出する熱源側圧力センサ１５１と、利用側圧縮機１２１から吐出される冷媒の圧力（利用側圧縮機吐出圧力）Ｐｄｕを検出する利用側圧力センサ１５２と、圧縮機制御部１４１を備える。

圧縮機制御部１４１は、利用側熱交換器１２３の出口における温水の温度目標値である所定の目標温水温度に基づいて、所定の目標熱源側吐出飽和温度と所定の目標利用側吐出飽和温度を決定し、熱源側圧縮機吐出圧力Ｐｄｌに相当する飽和温度である熱源側吐出飽和温度が、目標熱源側吐出飽和温度になるように、熱源側圧縮機１１１の容量制御を行うとともに、利用側圧縮機吐出圧力Ｐｄｕに相当する飽和温度である熱源側吐出飽和温度が所定の目標利用側吐出飽和温度になるように利用側圧縮機１２１の容量制御を行う。

特開２０１０−１９６９５１号公報

しかしながら、前記従来の構成では、熱源側圧縮機は熱源側吐出飽和温度を、利用側圧縮機は利用側吐出飽和温度を目標として、それぞれ個別に容量制御するので、一方の圧縮
機が容量変化した場合には、カスケード熱交換器における吸熱能力または放熱能力が変化するために、他方の冷凍サイクルの圧縮機吐出飽和温度も変化する。そのため、各圧縮機に冷凍サイクル同士の干渉によるハンチング現象が発生する。その結果、効率の良い安定な冷凍サイクルが形成できず、運転効率が低下するという課題を有していた。

また、各圧縮機の目標吐出飽和温度は、目標温水温度のみに基づいて決定されるので、熱源側熱媒体温度や利用側の熱負荷の違いによる様々な二元冷凍サイクルの運転状態において、運転効率を考慮した目標吐出飽和温度に設定することができない。その結果、省エネルギー性が低下するという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、熱源側圧縮機および利用側圧縮機の運転容量を適切に制御することで、安定で効率のよい冷凍サイクルを形成し、省エネルギー性の高い冷凍サイクル装置を提供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、熱源側冷媒を圧縮する熱源側圧縮機、前記熱源側冷媒の放熱器または蒸発器として機能するカスケード熱交換器、熱源側膨張手段、前記熱源側冷媒の蒸発器または凝縮器として機能する熱源側熱交換器、を有する熱源側冷媒回路と、利用側冷媒を圧縮する利用側圧縮機、前記利用側冷媒の放熱器または蒸発器として機能する利用側熱交換器、利用側膨張手段、前記利用側冷媒の蒸発器または凝縮器として機能し、前記熱源側冷媒と前記利用側冷媒との間で熱交換する前記カスケード熱交換器、を有する利用側冷媒回路と、前記熱源側熱交換器において前記熱源側冷媒と熱交換される、熱源側熱媒体の温度を検出する第１温度センサと、前記利用側熱交換器において前記利用側冷媒と熱交換される、利用側熱媒体の温度を検出する第２温度センサと、前記カスケード熱交換器を流通する熱源側冷媒または利用側冷媒の圧力を検出する圧力センサと、制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記圧力センサの検出値が、前記第１温度センサおよび前記第２温度センサの検出値に基づいて決定される目標冷媒圧力となるように、前記利用側圧縮機の運転動作の制御を行うとともに、前記制御装置は、前記熱源側圧縮機を、前記第１温度センサの検出値と前記目標冷媒圧力とに基づいて決定される冷媒循環量で運転することを特徴とするものである。

これにより、状態の変化速度が圧力と比較して十分に遅い、熱源側および利用側の熱媒体温度に基づいて圧縮機の制御目標値が決定されるので、各々の冷凍サイクルの安定性が向上し、また、各冷凍サイクル間での干渉を低減して、冷凍サイクル全体の安定性を向上させることができる。

また、各熱媒体温度から、それぞれの冷凍サイクルの蒸発圧力または凝縮圧力が推定できるので、利用側圧縮機の吸入冷媒圧力または熱源側圧縮機の吐出冷媒圧力の効率の最適点を推定して、高い効率で運転することができる。

本発明によれば、冷凍サイクルの安定性と効率が向上した、省エネルギー性に優れた冷凍サイクル装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の概略構成図 従来の冷凍サイクル装置における運転開始時の冷凍サイクル経時変化を示すグラフ 本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の運転制御のフローチャート 従来の冷凍サイクル装置の概略構成図

第１の発明は、熱源側冷媒を圧縮する熱源側圧縮機、前記熱源側冷媒の放熱器または蒸発器として機能するカスケード熱交換器、熱源側膨張手段、前記熱源側冷媒の蒸発器または凝縮器として機能する熱源側熱交換器、を有する熱源側冷媒回路と、利用側冷媒を圧縮する利用側圧縮機、前記利用側冷媒の放熱器または蒸発器として機能する利用側熱交換器、利用側膨張手段、前記利用側冷媒の蒸発器または凝縮器として機能し、前記熱源側冷媒と前記利用側冷媒との間で熱交換する前記カスケード熱交換器、を有する利用側冷媒回路と、前記熱源側熱交換器において前記熱源側冷媒と熱交換される、熱源側熱媒体の温度を検出する第１温度センサと、前記利用側熱交換器において前記利用側冷媒と熱交換される、利用側熱媒体の温度を検出する第２温度センサと、前記カスケード熱交換器を流通する熱源側冷媒または利用側冷媒の圧力を検出する圧力センサと、制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記圧力センサの検出値が、前記第１温度センサおよび前記第２温度センサの検出値に基づいて決定される目標冷媒圧力となるように、前記利用側圧縮機の運転動作の制御を行うとともに、前記制御装置は、前記熱源側圧縮機を、前記第２温度センサの検出値と前記目標冷媒圧力とに基づいて決定される冷媒循環量で運転することを特徴とする冷凍サイクル装置である。

これにより、利用側圧縮機の運転容量は、状態の変化速度が圧力と比較して十分に遅い利用熱媒体の温度と、熱源熱媒体の温度とに基づいて決定されるので、利用側圧縮機の運転容量は安定する。

また、利用側圧縮機の運転容量が安定するので、利用側冷媒回路から熱源側冷媒回路への干渉影響が小さくなり、熱源側圧縮機容量の制御安定性が向上する。

さらに、熱源側熱媒体温度から熱源側冷媒回路における冷凍サイクルの蒸発圧力または凝縮圧力が推定できるとともに、利用側熱媒体温度から、利用側冷媒回路における冷凍サイクルの凝縮圧力または蒸発圧力を推定することができる。

これにより、運転中の二元冷凍サイクルにおいて、効率が高くなる利用側圧縮機の吸入冷媒圧力または熱源側圧縮機の吐出冷媒圧力が推定できるので、様々な運転状態において、高い運転効率となる目標冷媒圧力に設定し、圧縮機容量を制御することができる。

したがって、常に、効率が高く、安定な二元冷凍サイクル状態を実現して、機器の省エネルギー性が向上する。

第２の発明は、特に、第１の発明において、前記制御装置は、前記熱源側圧縮機を、前記第２温度センサの検出値と前記目標冷媒圧力と前記利用側熱媒体の温度の目標値である目標利用側熱媒体温度とに基づいて決定される冷媒循環量で運転することを特徴とするものである。

これにより、利用熱媒体温度と所定の目標利用側熱媒体温度との比較により、利用側で必要とされる加熱能力または冷却能力が判断できる。その結果、熱源側圧縮機による冷媒循環量、つまり、熱源側圧縮機の運転容量を必要能力に応じて設定することができ、不足容量または過剰容量で運転されることが防止できる。

したがって、必要能力の増加時または減少時においても、高い運転効率を維持することができ、省エネルギー性をより向上させることができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、前記冷凍サイクル装置の運転電流または消費電力を検出する電流電力検出手段を備え、前記制御装置は、前記目標冷媒圧力を、前記電流電力検出手段の検出値が小さくなるように補正することを特徴とするものである。

これにより、常に消費電力が小さくなるように圧縮機が容量制御される。したがって、利用側および熱源側における幅広い運転環境条件の変化に対し、常に最高の運転効率となるように冷凍サイクル装置を運転することができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明の冷凍サイクル装置を備える温水生成装置において、前記利用側熱媒体は、水、または、不凍液であり、前記利用側熱交換器にて加温された前記利用側熱媒体を、給湯と暖房の少なくとも一方に利用することを特徴とするものである。

これにより、放熱器は、水−空気熱交換器や不凍液−水熱交換器など、種類を限定する必要がない。したがって、利用側熱交換器により加温された熱媒体を、暖房機器（温風機、ラジエータ、床暖房パネル等）や給湯機器などに幅広く使用することができる。

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は、本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置および温水生成装置の概略構成図を示すものである。図１において、冷凍サイクル装置１Ａは、熱源側冷媒を循環させる熱源側冷媒回路２と、利用側冷媒を循環させる利用側冷媒回路３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Ｒ１３４ａ等の単一冷媒等を用いることができる。

熱源側冷媒回路２は、容量可変型の熱源側圧縮機２１、熱源側四方弁２５、利用側冷媒と熱交換し凝縮器または蒸発器として機能するカスケード熱交換器２２、熱源側膨張弁（熱源側膨張手段）２３および蒸発器または凝縮器として機能する熱源側熱交換器２４が配管により環状に接続されて構成されている。

なお、ここでいう容量とは、１周期ごとに圧縮機から吐出される冷媒量を指すものである。よって、圧縮機の回転数を変更することで、圧縮機からの吐出冷媒量を制御し、また、それに応じて、圧縮機の吐出圧力も変動する。

利用側冷媒回路３は、容量可変型の利用側圧縮機３１、利用側四方弁３５、凝縮器または蒸発器として機能する利用側熱交換器３２、利用側膨張弁（利用側膨張手段）３３および熱源側冷媒と熱交換し蒸発器または凝縮器として機能するカスケード熱交換器２２が配管により環状に接続されて構成されている。

熱源側冷媒回路２の熱源側冷媒と、利用側冷媒回路３の利用側冷媒とは、互いに独立し、混合することはないが、カスケード熱交換器２２を介して熱交換可能な構成となっている。カスケード熱交換器２２には、二重管式熱交換器やプレート式熱交換器が用いられる。

本実施の形態では、冷凍サイクル装置１Ａが、生成した温水を給湯や暖房に利用する温水生成装置の加熱手段を構成しており、利用側熱交換器３２が、利用側冷媒と利用側熱媒体としての水との間で熱交換を行わせて水を加熱する、熱交換器となっている。利用側熱
交換器３２には、二重管式熱交換器やプレート式熱交換器が使用される。

より具体的には、利用側熱交換器３２と、水ポンプ７１と、例えば貯湯タンクやファンコンベクター等の放熱器７２とが配管により環状に接続されている温水回路７が備えられており、利用側熱交換器３２で加熱された温水が放熱器７２で放熱され、蓄熱や暖房が行われる。

通常運転では、熱源側冷媒回路２は、熱源側圧縮機２１から吐出された冷媒が四方弁２５を介してカスケード熱交換器２２に送られ、利用側冷媒回路３は、利用側圧縮機３１から吐出された冷媒が四方弁３５を介して利用側熱交換器３２に送られる。

一方、デフロスト運転では、熱源側冷媒回路２は、熱源側圧縮機２１から吐出された冷媒が四方弁２５を介して熱源側熱交換器２４に送られ、利用側冷媒回路３は、利用側圧縮機３１から吐出された冷媒が四方弁３５を介してカスケード熱交換器２２に送られる。図１では、通常運転時の冷媒の流れ方向を矢印で示している。以下、通常運転における冷媒の状態変化を説明する。

熱源側冷媒回路２において、熱源側圧縮機２１から吐出された高圧の熱源側冷媒は、カスケード熱交換器２２に流入し、利用側冷媒回路３を循環する冷凍サイクルにおける低圧の利用側冷媒へと放熱して熱交換する。カスケード熱交換器２２から流出した高圧の熱源側冷媒は、熱源側膨張弁２３によって減圧されて膨張した後に、熱源側熱交換器２４に流入する。熱源側熱交換器２４に流入した低圧の熱源側冷媒は、ここで空気から吸熱し、蒸発する。熱源側熱交換器２４において蒸発した低圧の熱源側冷媒は、再度、熱源側圧縮機２１に吸入される。

一方、利用側冷媒回路３においては、カスケード熱交換器２２における熱源側冷媒の放熱によって、利用側冷媒回路３を循環する冷凍サイクルにおける低圧の利用側冷媒が加熱されて蒸発する。カスケード熱交換器２２において蒸発した低圧の利用側冷媒は、利用側圧縮機３１に吸入され、冷凍サイクルにおける高圧まで圧縮された後に、吐出される。利用側圧縮機３１から吐出された高圧の利用側冷媒は、利用側熱交換器３２に流入し、循環ポンプ７１によって温水回路７を循環する水媒体と熱交換して放熱する。利用側熱交換器３２から流出した高圧の利用側冷媒は、利用側膨張弁３３によって減圧されて膨張した後に、再び、カスケード熱交換器２２に流入する。

本実施の形態の冷凍サイクル装置１Ａの構成は、上述のように、カスケード熱交換器２２において、利用側冷媒回路３を循環する低圧の利用側冷媒が、熱源側冷媒回路２を循環する高圧の熱源側冷媒の放熱によって加熱されるようになっているので、利用側冷媒回路３における冷凍サイクルの凝縮温度は、熱源側冷媒回路２における冷凍サイクルの凝縮温度よりも高温にすることができる。

したがって、利用側熱交換器３２における利用側冷媒の放熱によって、高温の水媒体を得ることができるようになっている。

しかしながら、熱源側冷媒回路２および利用側冷媒回路３により形成される各冷凍サイクルは、カスケード熱交換器２２により熱的に接続されているため、一方の冷媒回路における圧縮機の運転容量が変化した場合には、カスケード熱交換器２２における吸熱能力または放熱能力が変化し、もう一方の冷媒回路の冷凍サイクル状態も変化することになる。

すなわち、各圧縮機の運転容量変化により、熱源側および利用側の冷凍サイクルは互いに干渉するので、例えば、各圧縮機の運転容量を、各冷凍サイクルの吐出圧力が所定の目
標値となるように、各々制御した場合は、図２に示すように、圧縮機運転容量の変化によって、ハンチング現象が生じ、運転効率の低い運転が継続されることで省エネルギー性を損なう可能性がある。

また、二元冷凍サイクルを高い効率で運転するためには、カスケード熱交換器２２における熱源側凝縮温度または利用側蒸発温度を、熱源側冷媒回路２における蒸発温度と利用側冷媒回路３における凝縮温度に対応した適正温度に調整する必要がある。

したがって、省エネルギー性を確保しながら幅広い用途や環境条件において、高温の水媒体を生成して活用するためには、この熱源側圧縮機２１および利用側圧縮機３１の運転容量を適切に制御することが、重要である。

以下、運転制御の動作について説明する。熱源側冷媒回路２には、熱源側熱交換器２４の空気媒体入り口側における空気媒体の温度（空気温度）Ｔａを検出する第１温度センサ５１と、熱源側圧縮機２１が吐出する冷媒の圧力（熱源側吐出圧力）Ｐｄを検出する圧力センサ６１と、が設けられている。一方、温水回路７には、利用側熱交換器３２から流出する水媒体の温度（温水温度）Ｔｗを検出する第２温度センサ５２が設けられている。

また、制御装置４には、冷凍サイクル装置１Ａの運転電流Ｉａを検出する電流センサ４１が設けられている。

制御装置４は、各種のセンサ４１、５１、５２，６１で検出される検出値などに基づいて、熱源側圧縮機２１および利用側圧縮機３１の回転数、熱源側四方弁２５および利用側四方弁３５の切り換え、ならびに熱源側膨張弁２３および利用側膨張弁３３の開度を調整する。

本実施の形態では、制御装置４は、空気温度Ｔａと温水温度Ｔｗから、まず、所定の圧力目標値Ｐｄｔを決定し、その後、運転電流Ｉａが最小となるように圧力目標値Ｐｄｔを補正しながら、熱源側吐出圧力Ｐｄが所定の圧力目標値Ｐｄｔとなるように利用側圧縮機３１の運転容量を制御する。

また、制御装置４は、温水温度Ｔｗ、温水温度Ｔｗと操作用リモコン（図示なし）などによって予め設定された温水温度Ｔｗの目標値である目標温水温度Ｔｗｔとの偏差、および、所定の圧力目標値Ｐｄｔ、に基づいて決定される圧縮機容量で、熱源側圧縮機２１を運転させる。

次に、制御装置４の通常運転開始時における熱源側圧縮機および利用側圧縮機の容量制御を、図３に示すフローチャートを参照して詳細に説明する。

制御装置４は、常にタイマを動作させ、一定時間間隔で、ステップＳ１からステップＳ１４までの処理を周期的に行う。以下の添え字（ｎ）は、制御周期におけるループ回数を示すものである。

まず、制御装置４は、第１温度センサ５１で空気温度Ｔａ（ｎ）を検出するとともに、第２温度センサ５２で温水温度Ｔｗ（ｎ）を検出する（ステップＳ１）。次に、目標冷媒圧力として、所定の圧力目標値Ｐｄｔ（ｎ）を、Ｐｄｔ（ｎ）＝ｆ｛Ｔａ（ｎ），Ｔｗ（ｎ）｝により算出し、決定する（ステップＳ２）。

関数ｆ｛Ｔａ（ｎ），Ｔｗ（ｎ）｝は、空気温度Ｔａと温水温度Ｔｗの組み合わせによる多数の運転条件下において、冷凍サイクル装置１Ａの運転効率が略最大となる熱源側圧
縮機２１の吐出圧力Ｐｄを実験的に求めて、導出した式である。

そして、圧力センサ６１で熱源側吐出圧力Ｐｄ（ｎ）を検出し（ステップＳ３）、熱源側吐出圧力Ｐｄ（ｎ）が所定の圧力目標値Ｐｄｔ（ｎ）と等しくなるように利用側圧縮機３１の運転容量を調整する（ステップＳ４）。

次に、制御装置４は、所定の目標温水温度Ｔｗｔと現在の温水温度Ｔｗ（ｎ）の偏差ΔＴｗｔ（ｎ）を、ΔＴｗｔ（ｎ）＝Ｔｗｔ−Ｔｗ（ｎ）により算出する（ステップＳ５）。そして、熱源側圧縮機２１の運転容量Ｒｓ（ｎ）を、Ｒｓ（ｎ）＝ｆ｛ΔＴｗｔ（ｎ），Ｔａ（ｎ），Ｐｄｔ（ｎ）｝により算出し、調整する（ステップＳ６）。

関数ｆ｛ΔＴｗｔ（ｎ），Ｔａ（ｎ），Ｐｄｔ（ｎ）｝は、偏差ΔＴｗｔと必要加熱能力の関係と、空気温度Ｔａおよび圧力目標値Ｐｄｔの多数の組み合わせにおける加熱能力と熱源側圧縮機２１の運転容量との関係を実験的に求め、この２つの関係から導出した式である。

その後、制御装置４は、前回の制御周期で検出した空気温度Ｔａ（ｎ−１）と今回の制御周期で検出した空気温度Ｔａ（ｎ）との差分の絶対値ΔＴａ（ｎ）をΔＴａ（ｎ）＝｜Ｔａ（ｎ）−Ｔａ（ｎ−１）｜により算出するとともに、ΔＴａ（ｎ）と予め設定された所定の偏差１とを比較し、ΔＴａ（ｎ）が所定の偏差１未満か否かを判断する。

また、同時に前回の制御周期で検出した温水温度Ｔｗ（ｎ−１）と今回の制御周期で検出した温水温度Ｔｗ（ｎ）との差分の絶対値ΔＴｗ（ｎ）をΔＴｗ（ｎ）＝｜Ｔｗ（ｎ）−Ｔｗ（ｎ−１）｜により算出するとともに、ΔＴｗ（ｎ）と予め設定された所定の偏差２とを比較し、ΔＴｗ（ｎ）が所定の偏差２未満か否かを判断する（ステップＳ７）。

ΔＴａ（ｎ）が所定の偏差１未満かつΔＴｗ（ｎ）が所定の偏差２未満ではない場合（ステップＳ７でＮＯ）、空気温度Ｔａまたは温水温度Ｔｗの変化が大きく、冷凍サイクルが安定状態ではないと判断し、運転電流Ｉａによる圧力目標Ｐｄｔの補正を行わずに、ステップＳ１に戻る。

一方、ΔＴａ（ｎ）が所定の偏差１未満かつΔＴｗ（ｎ）が所定の偏差２未満の場合は（ステップＳ７でＹＥＳ）、空気温度Ｔａまたは温水温度Ｔｗの変化が小さく、冷凍サイクルが安定状態であると判断し、運転電流Ｉａによる圧力目標Ｐｄｔの補正を実行する。

そこで、制御装置４は、電流センサ４１で運転電流Ｉａ（ｎ）を検出し（ステップＳ８）、前回の制御周期で検出した運転電流Ｉａ（ｎ−１）と今回の制御周期で検出した運転電流Ｉａ（ｎ）を比較し、今回の運転電流Ｉａ（ｎ）が前回の運転電流Ｉａ（ｎ−１）未満か否かを判断する（ステップＳ９）。

今回の運転電流Ｉａ（ｎ）が前回の運転電流Ｉａ（ｎ−１）未満の場合には（ステップＳ９でＹＥＳ）、今回の圧力目標値Ｐｄｔの補正により運転効率が向上したと判断し、係数Ａに１を代入する（ステップＳ１０）。

一方、今回の運転電流Ｉａ（ｎ）が前回の運転電流Ｉａ（ｎ−１）以上の場合には（ステップＳ９でＮＯ）、今回の圧力目標値Ｐｄｔの補正により運転効率が低下したと判断し、係数Ａに−１を代入する（ステップＳ１１）。

次に、制御装置４は、今回の圧力目標値Ｐｄｔ（ｎ）と前回の圧力目標値Ｐｄｔ（ｎ−１）を比較し、今回の圧力目標値Ｐｄｔ（ｎ）が前回の圧力目標値Ｐｄｔ（ｎ−１）未満
か否かを判断する（ステップＳ１２）。今回の圧力目標値Ｐｄｔ（ｎ）が前回の圧力目標値Ｐｄｔ（ｎ−１）未満の場合には（ステップＳ１２でＹＥＳ）、今回の制御周期では圧力目標値Ｐｄｔを前回より低く設定したと判断し、今回の圧力目標値Ｐｄｔ（ｎ）から所定量Ｂに係数Ａを乗じたものを減じ、次回の圧力目標値Ｐｄｔ（ｎ）を決定して（ステップＳ１３）、ステップＳ３に戻る。

一方、今回の圧力目標値Ｐｄｔ（ｎ）が前回の圧力目標値Ｐｄｔ（ｎ−１）以上の場合には（ステップＳ１２でＮＯ）、今回の制御周期では圧力目標値Ｐｄｔを前回より高く設定したと判断し、今回の圧力目標値Ｐｄｔ（ｎ）から所定量Ｂに係数Ａを乗じたものを加え、次回の圧力目標値Ｐｄｔ（ｎ）を決定して（ステップＳ１４）、ステップＳ３に戻る。

このように、ある制御ループにおける電流値および圧力目標値と、その前の制御ループにおける電流値および圧力目標値とを比較することで、常に消費電力が少なくなるように圧力目標値Ｐｄｔを補正する。

以上のように、本実施の形態における冷凍サイクル装置は、冷凍サイクル装置１Ａの運転電流Ｉａを検出する電流センサ４１を具備する制御装置４と、熱源側冷媒回路２において空気温度Ｔａを検出する第１温度センサ５１と、熱源側吐出圧力Ｐｄを検出する圧力センサ６１と、温水回路７において温水温度Ｔｗを検出する第２温度センサ５２と、を備える構成である。

制御装置４は、第１温度センサ５１で検出される空気温度Ｔａと第２温度センサ５２で検出される温水温度Ｔｗに基づいて、所定の圧力目標値Ｐｄｔを決定し、圧力センサ６１の検出値が圧力目標値Ｐｄｔとなるように、利用側圧縮機３１の容量制御を行うとともに、第１温度センサ５１で検出される空気温度Ｔａ、圧力目標値Ｐｄｔ、および、第２温度センサ５２で検出される温水温度Ｔｗと予め設定された所定の目標温水温度Ｔｗｔとの偏差ΔＴｗｔから決定される圧縮機容量で、熱源側圧縮機２１を運転する。

これによって、熱源側圧縮機２１の運転容量は、状態の変化速度が圧力と比較して十分に遅い温水温度Ｔｗと、利用側圧縮機３１の容量変化による影響が小さい空気温度Ｔａとに基づいて決定されるので、利用側圧縮機３１の容量変化による干渉を抑制することができ、熱源側圧縮機２１の運転容量は安定する。

また、熱源側圧縮機２１の運転容量が安定するので、利用側圧縮機３１の容量制御対象となる熱源側吐出圧力Ｐｄは、冷凍サイクルの干渉影響がなくなり、利用側圧縮機３１の容量制御が安定する。

また、温水温度Ｔｗと所定の目標温水温度Ｔｗｔとの比較により、利用側で必要とされる加熱能力が判断できる。その結果、熱源側圧縮機２１の運転容量を必要能力に応じて設定することができ、不足容量または過剰容量で運転されることが防止できる。

さらに、空気温度Ｔａから、熱源側冷媒回路２における冷凍サイクルの蒸発圧力が推定できるとともに、温水温度Ｔｗから、利用側冷媒回路３における冷凍サイクルの凝縮圧力を推定することができる。これにより、運転中の二元冷凍サイクルにおいて、効率が高くなる熱源側圧縮機２１の吐出冷媒圧力が推定できるので、様々な運転状態において、高い運転効率となる目標冷媒圧力Ｐｄｔを設定して、制御することが可能となる。

したがって、常に、効率が高く、安定な二元冷凍サイクル状態を実現して、機器の省エネルギー性が向上する。

また、制御装置４は、電流センサ４１で検出される運転電流Ｉａが最小となるように圧力目標値Ｐｄｔを補正する。

これにより、常に二元冷凍サイクルの運転電流が小さくなるように利用側圧縮機３１が容量制御される。

したがって、利用側および熱源側における幅広い運転環境条件の変化に対し、常に最高の運転効率で運転することができる。

なお、図１では、圧力センサ６１が熱源側冷媒回路２におけるカスケード熱交換器２２入口部近傍に設けられているが、圧力センサ６１は、熱源側冷媒回路２における熱源側圧縮機２１と熱源側膨張弁２３の間の高圧冷媒が流れる配管上であればどの位置に設けられていてもよい。また、圧力センサ６１は、利用側冷媒回路３における利用側膨張弁３３と利用側圧縮機３１との間の低圧冷媒が流れる配管上であればどの位置に設けられていてもよい。

また、本実施の形態では、第２温度センサは、利用側熱交換器３２から流出する水媒体の温度を検出するようにしたが、利用側熱交換器３２に流入する水媒体の温度、または、利用側熱交換器３２の流路内における水媒体温度を検出するようにしてもよい。

また、本実施の形態では、電流センサ４１で検出される運転電流Ｉａが小さくなるように圧力目標値Ｐｄｔを補正したが、電力センサを用いて、消費電力が最小になるように圧力目標値Ｐｄｔを補正してもよい。

さらに、本発明の実施の形態では、利用側冷媒回路３における冷凍サイクルによって、水媒体が加熱されるが、加熱される媒体は、ブラインであってもよいし、放熱器７２は、ラジエータやファンコンベクター、床暖房パネル、貯湯タンクであってもよい。

以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、圧縮機の運転容量を適切に制御することで、冷凍サイクルの安定性および省エネルギー性を向上させることができるので、温水生成、給湯、空調調和などの用途に用いられる冷凍サイクル装置として適用することができる。

１Ａ 冷凍サイクル装置
２ 熱源側冷媒回路
３ 利用側冷媒回路
４ 制御装置
２１ 熱源側圧縮機
２２ カスケード熱交換器
２３ 熱源側膨張弁（熱源側膨張手段）
２４ 熱源側熱交換器
３１ 利用側圧縮機
３２ 利用側熱交換器
３３ 利用側膨張弁（利用側膨張手段）
４１ 電流センサ（電流電力検出手段）
５１ 第１温度センサ
５２ 第２温度センサ
６１ 圧力センサ

Claims (4)

1. 熱源側冷媒を圧縮する熱源側圧縮機、前記熱源側冷媒の放熱器または蒸発器として機能するカスケード熱交換器、熱源側膨張手段、前記熱源側冷媒の蒸発器または凝縮器として機能する熱源側熱交換器、を有する熱源側冷媒回路と、
   利用側冷媒を圧縮する利用側圧縮機、前記利用側冷媒の放熱器または蒸発器として機能する利用側熱交換器、利用側膨張手段、前記利用側冷媒の蒸発器または凝縮器として機能し、前記熱源側冷媒と前記利用側冷媒との間で熱交換する前記カスケード熱交換器、を有する利用側冷媒回路と、
   前記熱源側熱交換器において前記熱源側冷媒と熱交換される、熱源側熱媒体の温度を検出する第１温度センサと、
   前記利用側熱交換器において前記利用側冷媒と熱交換される、利用側熱媒体の温度を検出する第２温度センサと、
   前記カスケード熱交換器を流通する熱源側冷媒または利用側冷媒の圧力を検出する圧力センサと、
   制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記圧力センサの検出値が、前記第１温度センサおよび前記第２温度センサの検出値に基づいて決定される目標冷媒圧力となるように、前記利用側圧縮機の運転動作の制御を行うとともに、
   前記制御装置は、前記熱源側圧縮機を、前記第２温度センサの検出値と前記目標冷媒圧力とに基づいて決定される冷媒循環量で運転することを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記制御装置は、前記熱源側圧縮機を、前記第２温度センサの検出値と前記目標冷媒圧力と前記利用側熱媒体の温度の目標値である目標利用側熱媒体温度とに基づいて決定される冷媒循環量で運転することを特徴とする、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記冷凍サイクル装置の運転電流または消費電力を検出する電流電力検出手段を備え、前記制御装置は、前記目標冷媒圧力を、前記電流電力検出手段の検出値が小さくなるように補正することを特徴とする、請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記利用側熱媒体は、水、または、不凍液であり、前記利用側熱交換器にて加温された前記利用側熱媒体を、給湯と暖房の少なくとも一方に利用することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置を備える温水生成装置。