JP2014119157A - ヒートポンプ式加熱装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡易な構成で、加熱能力の向上が十分に図られるヒートポンプ式加熱装置、を提供する。
【解決手段】ヒートポンプ式加熱装置は、室内側熱交換器26と、低圧側圧縮機31と、高圧側圧縮機32と、室内側熱交換器26から送られた冷媒を減圧する第1減圧装置36と、第1減圧装置36から送られた冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器38と、気液分離器38の液相側に接続され、気液分離器38から送られた冷媒を減圧し、減圧した冷媒を室外側熱交換器27に向けて送る第2減圧装置37と、気液分離器38の気相側に接続され、気液分離器38から送られた冷媒を、低圧側圧縮機31と高圧側圧縮機32との間の管路上に導くインジェクション管路51と、高圧側圧縮機32に流入する冷媒を過熱ガス状態または飽和蒸気状態とするために、第2減圧装置37における冷媒の減圧比を制御する制御部46とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】ヒートポンプ式加熱装置は、室内側熱交換器26と、低圧側圧縮機31と、高圧側圧縮機32と、室内側熱交換器26から送られた冷媒を減圧する第1減圧装置36と、第1減圧装置36から送られた冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器38と、気液分離器38の液相側に接続され、気液分離器38から送られた冷媒を減圧し、減圧した冷媒を室外側熱交換器27に向けて送る第2減圧装置37と、気液分離器38の気相側に接続され、気液分離器38から送られた冷媒を、低圧側圧縮機31と高圧側圧縮機32との間の管路上に導くインジェクション管路51と、高圧側圧縮機32に流入する冷媒を過熱ガス状態または飽和蒸気状態とするために、第2減圧装置37における冷媒の減圧比を制御する制御部46とを備える。
【選択図】図1
Description
この発明は、一般的には、ヒートポンプ式加熱装置に関し、より特定的には、ヒートポンプサイクル上に2つの圧縮機が設けられた2段圧縮式のヒートポンプ式加熱装置に関する。
従来のヒートポンプ式加熱装置に関して、たとえば、特開平8−210709号公報には、室外空気温度が−20℃であっても暖房運転が可能であることを目的とした、寒冷地向けヒートポンプ空調機が開示されている(特許文献1)。
特許文献1に開示されたヒートポンプ空調機においては、スクロール圧縮機と、四方弁と、室内空気熱交換器と、レシーバと、室外冷媒制御弁と、室外空気熱交換器とが順次、配管により接続されている。レシーバとスクロール圧縮機との間には、スクロール圧縮機に液冷媒をインジェクションするためのバイパス流路が液インジェクション冷媒制御弁を介して設けられている。液インジェクション冷媒制御弁は、圧縮機の吐出側温度と目標吐出温度との差によって制御され、さらに室外冷媒制御弁は、室外空気熱交換器の前後に設けられた温度センサの温度差が、室外空気熱交換器の冷媒出口の冷媒過熱度になるように制御される。
また、特開平11−132575号公報には、液管に介装した気液分離器から、ガスインジェクション用のバイパス配管を通して圧縮機に返流されるガス冷媒中への液冷媒の混入に伴う圧縮機の信頼性の低下を防止することを目的とした、空気調和機が開示されている(特許文献2)。
特許文献2に開示された空気調和機においては、圧縮機に、室外熱交換器と室内熱交換器とが順次接続されて、冷媒循環回路が形成されている。室外熱交換器と室内熱交換器との間の液管には、気液分離器が介装されている。気液分離器と圧縮機の吸込側との間には、気液分離器内のガス冷媒を圧縮機に返流させるガスインジェクション用のバイパス配管と、バイパス配管を通しての流路を開閉する開閉弁とが設けられている。圧縮機の吐出温度と、冷媒循環回路を循環する冷媒の凝縮温度との差が基準温度差よりも小さくなった場合に、開閉弁が閉操作される。その基準温度差は、圧縮機の運転周波数が高いほど大きく設定される。
また、特開2007−263440号公報には、暖房運転時、圧縮過程で圧縮機に抽入する冷媒のインジェクション量を適正に調整することによって、低負荷の時には高運転効率で運転し、高負荷の時には暖房能力を向上することを目的とした、空気調和装置が開示されている(特許文献3)。
特許文献3に開示された空気調和装置は、室内熱交換器から流出した冷媒の一部をインジェクション用減圧装置を介して圧縮機の圧縮過程に抽入するインジェクション管と、圧縮機の回転数を負荷の大きさに応じて制御する圧縮機回転数制御手段と、圧縮機の出口部の吐出ガス過熱度または吐出温度が目標値になるようにインジェクション用減圧装置を制御するインジェクション制御手段を備える。その目標値は、圧縮機回転数制御手段により制御される圧縮機の回転数が高い場合に小さく、圧縮機の回転数が低い場合に大きく設定される。
空気調和機や給湯装置といったヒートポンプ式加熱装置として、ヒートポンプサイクル上に、低圧側圧縮機および高圧側圧縮機の2つの圧縮機が設けられた2段圧縮式のものがある。しかしながら、2段圧縮式のヒートポンプ式加熱装置では、高圧側圧縮機における冷媒の吸い込み温度および吐出温度が上昇し、圧縮機の動作範囲を超えるという問題がある。かかる問題を解決する方法として、低圧側圧縮機および高圧側圧縮機間の管路と、室内熱交換器(凝縮器)および室外熱交換器(蒸発器)間の管路とを接続するようにインジェクション管を設け、室内熱交換器および室外熱交換器間の管路を流通する冷媒の一部を、インジェクション管を通じて低圧側圧縮機および高圧側圧縮機間の管路に注入する方法が考えられる。この場合、高圧側圧縮機における冷媒の吸い込み温度を低下させて、信頼性を保った運転を実現することができる。
このようなインジェクション管を用いたヒートポンプ式加熱装置では、最適な冷媒量で低圧側圧縮機および高圧側圧縮機間にインジェクションすることによって、加熱能力の向上が図られることが要求される。また、上述の特許文献1から3にはインジェクション管を用いた各種の装置が開示されているがいずれの装置でも、冷媒のインジェクション制御がインジェクション管の管路上に設けられた開閉弁または減圧装置によって実施されている。この場合、装置を安価に製造することができないという課題がある。
そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、簡易な構成で、加熱能力の向上が十分に図られるヒートポンプ式加熱装置を提供することである。
この発明に従ったヒートポンプ式加熱装置は、冷媒と被加熱流体との間で熱交換を行なう第1熱交換器と、冷媒と室外空気との間で熱交換を行なう第2熱交換器と、第2熱交換器から送られた冷媒を圧縮する低圧側圧縮機と、低圧側圧縮機から送られた冷媒を圧縮し、圧縮した冷媒を第1熱交換器に向けて送る高圧側圧縮機と、第1熱交換器から送られた冷媒を減圧する第1減圧装置と、第1減圧装置から送られた冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器と、気液分離器の液相側に接続され、気液分離器から送られた冷媒を減圧し、減圧した冷媒を第2熱交換器に向けて送る第2減圧装置と、気液分離器の気相側に接続され、気液分離器から送られた冷媒を、低圧側圧縮機と高圧側圧縮機との間の管路上に導くインジェクション管路と、高圧側圧縮機に流入する冷媒を過熱ガス状態または飽和蒸気状態とするために、第2減圧装置における冷媒の減圧比を制御する制御部とを備える。
このように構成されたヒートポンプ式加熱装置によれば、インジェクション管路を流れる冷媒と、低圧側圧縮機から吐出された高温、高圧の気相冷媒とを合流させて、過熱ガス状態または飽和蒸気状態の冷媒を高圧側圧縮機に流入させる。これにより、高圧側圧縮機における加熱能力を十分に向上させることができる。この際、気液分離器から送られた冷媒を減圧する第2減圧装置を利用して、高圧側圧縮機に流入する冷媒の過熱ガス状態または飽和蒸気状態を得るため、ヒートポンプ式加熱装置を簡易な構成にできる。
また好ましくは、ヒートポンプ式加熱装置は、第1減圧装置と気液分離器との間の管路上に設けられ、冷媒の温度T1を検出する第1温度検出部と、低圧側圧縮機と高圧側圧縮機との間の管路上に設けられ、インジェクション管路を流れる冷媒が合流した後の冷媒の温度T2を検出する第2温度検出部とをさらに備える。制御部は、第1温度検出部で検出された冷媒の温度T1と、第2温度検出部で検出された冷媒の温度T2との比較に基づいて、第2減圧装置における冷媒の減圧比を制御する。
さらに好ましくは、制御部は、第2温度検出部で検出された冷媒の温度T2が第1温度検出部で検出された冷媒の温度T1と等しくなる状態が、予め定めた時間だけ続いた場合に、第2減圧装置における冷媒の減圧比を小さくする。
また好ましくは、ヒートポンプ式加熱装置は、第1減圧装置と気液分離器との間の管路上に設けられ、冷媒の温度T1を検出する第1温度検出部と、高圧側圧縮機と第1熱交換器との間の管路上に設けられ、冷媒の温度T3および圧力Pをそれぞれ検出する第3温度検出部および圧力検出部とをさらに備える。制御部は、p(圧力)−h(比エンタルピ)線図において、第1温度検出部で検出された冷媒の温度T1から定まる中間圧力線と、第3温度検出部および圧力検出部で検出された冷媒の温度T3および圧力Pから定まる点を通る等エントロピ線との交点から、比エンタルピH´を特定し、その比エンタルピH´と、中間圧線上における飽和蒸気の比エンタルピHとの比較に基づいて、第2減圧装置における冷媒の減圧比を制御する。
このように構成されたヒートポンプ式加熱装置によれば、第1温度検出部で検出された温度T1を冷媒が気液二相状態であるところの温度とみなして、第2減圧装置における冷媒の減圧比を制御する。
また好ましくは、ヒートポンプ式加熱装置は、第1減圧装置と気液分離器との間の管路上に設けられ、冷媒の温度T1を検出する第1温度検出部と、低圧側圧縮機と高圧側圧縮機との間の管路上に設けられ、インジェクション管路を流れる冷媒が合流した後の冷媒の温度T2を検出する第2温度検出部と、インジェクション管路上に設けられ、冷媒の温度T4を検出する第4温度検出部をさらに備える。制御部は、T1>T4の関係が成立する場合に、第1温度検出部で検出された冷媒の温度T1と、第2温度検出部で検出された冷媒の温度T2との比較に基づいて、第2減圧装置における冷媒の減圧比を制御し、T1<T4の関係が成立する場合に、第4温度検出部で検出された冷媒の温度T4と、第2温度検出部で検出された冷媒の温度T2との比較に基づいて、第2減圧装置における冷媒の減圧比を制御する。
このように構成されたヒートポンプ式加熱装置によれば、T1>T4の関係が成立する場合、第1温度検出部で検出された温度T1を冷媒が気液二相状態であるところの温度とみなして、第2減圧装置における冷媒の減圧比を制御し、T1<T4の関係が成立する場合、第4温度検出部で検出された冷媒の温度T4を気液二相状態であるところの温度とみなして、第2減圧装置における冷媒の減圧比を制御する。
また好ましくは、ヒートポンプ式加熱装置は、低圧側圧縮機と高圧側圧縮機との間の管路であって、インジェクション管路を流れる冷媒が合流した後の冷媒が流れる管路上に設けられ、液冷媒を貯留するバッファ部をさらに備える。
このように構成されたヒートポンプ式加熱装置によれば、高圧側圧縮機に流入する冷媒をより確実に過熱ガス状態または飽和蒸気状態とすることができる。
以上に説明したように、この発明に従えば、簡易な構成で、加熱能力の向上が十分に図られるヒートポンプ式加熱装置を提供することができる。
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。
(実施の形態1)
図1は、この発明の実施の形態1におけるヒートポンプ式加熱装置を示す回路図である。図1を参照して、本実施の形態におけるヒートポンプ式加熱装置は、代表的には、ヒートポンプ式給湯機やヒートポンプ式暖房機に適用される。ヒートポンプ式加熱装置は、その回路構成として、冷凍回路20およびインジェクション回路50を有する。冷凍回路20およびインジェクション回路50には、冷媒として、たとえばR410Aが封入されている。
図1は、この発明の実施の形態1におけるヒートポンプ式加熱装置を示す回路図である。図1を参照して、本実施の形態におけるヒートポンプ式加熱装置は、代表的には、ヒートポンプ式給湯機やヒートポンプ式暖房機に適用される。ヒートポンプ式加熱装置は、その回路構成として、冷凍回路20およびインジェクション回路50を有する。冷凍回路20およびインジェクション回路50には、冷媒として、たとえばR410Aが封入されている。
冷凍回路20は、環状に延びて、ヒートポンプサイクルを構成している。冷凍回路20の経路上には、室内側熱交換器(凝縮器)26および室外側熱交換器(蒸発器)27が設けられている。室内側熱交換器26は、ヒートポンプサイクルを循環する冷媒と、被加熱流体(水または空気)との間で熱交換を行なう。室外側熱交換器27は、ヒートポンプサイクルを循環する冷媒と外気(室外空気)との間で熱交換を行なう。
冷凍回路20の経路上には、第1減圧装置36、気液分離器38および第2減圧装置37がさらに設けられている。第1減圧装置36、気液分離器38および第2減圧装置37は、室内側熱交換器26と室外側熱交換器27との間に設けられている。第1減圧装置36、気液分離器38および第2減圧装置37は、冷凍回路20における冷媒の流れ方向において直列に並んでいる。室内側熱交換器26から室外側熱交換器27に向かう冷凍回路20の経路上において、第1減圧装置36、気液分離器38および第2減圧装置37は挙げた順に並んでいる。
第1減圧装置36は、室内側熱交換器26から送られた冷媒を減圧する。第1減圧装置36は、室内側熱交換器26における冷媒の過冷却を制御するための減圧装置として設けられている。気液分離器38は、第1減圧装置36から送られた冷媒を気相状態の冷媒と液相状態の冷媒(液冷媒)とに分離する。気液分離器38は、気相状態の冷媒が配置される気相冷媒空間38aと、液相状態の冷媒が配置される液相冷媒空間38bとを有する。第2減圧装置37は、配管を通じて気液分離器38の液相冷媒空間38bに接続されている。第2減圧装置37は、気液分離器38から送られた液冷媒を減圧する。第2減圧装置37は、室外側熱交換器27における冷媒の過熱度と、後述するインジェクション回路50によるインジェクション冷媒量とを制御するための減圧装置として設けられている。本実施の形態では、第1減圧装置36および第2減圧装置37として膨張弁が用いられている。
冷凍回路20の経路上には、低圧側圧縮機31および高圧側圧縮機32がさらに設けられている。低圧側圧縮機31および高圧側圧縮機32は、室外側熱交換器27と室内側熱交換器26との間に設けられている。低圧側圧縮機31および高圧側圧縮機32は、冷凍回路20における冷媒の流れ方向において直列に並んでいる。室外側熱交換器27から室内側熱交換器26に向かう冷凍回路20の経路上において、低圧側圧縮機31および高圧側圧縮機32は挙げた順に並んでいる。低圧側圧縮機31は、室外側熱交換器27から送られた低圧の冷媒を中間圧まで圧縮する。高圧側圧縮機32は、低圧側圧縮機31から送られた中間圧の冷媒をさらに高圧に圧縮する。
本実施の形態では、低圧側圧縮機31が、冷媒の吐出容量を制御可能な可変容量タイプの圧縮機(たとえば、回転数を変更可能なインバータ仕様の圧縮機)であり、高圧側圧縮機32が、回転数が一定速タイプの圧縮機である。なお、低圧側圧縮機31および高圧側圧縮機32の少なくともいずれか一方が、可変容量タイプであればよく、回転数が一定速の低圧側圧縮機と可変容量の高圧側圧縮機との組み合わせや、可変容量の低圧側圧縮機と可変容量の高圧側圧縮機との組み合わせであってもよい。なお、低圧側圧縮機が容量可変タイプである場合、高負荷時における運転可能範囲が広がる。
インジェクション回路50は、冷媒が流通可能なインジェクション管路51から構成されている。インジェクション管路51は、気液分離器38の気相冷媒空間38aに分離された冷媒の一部を、低圧側圧縮機31と高圧側圧縮機32との間の冷凍回路20へと導くように設けられている。
より具体的には、インジェクション管路51は、その両端が、気液分離器38の気相冷媒空間38aと、低圧側圧縮機31と高圧側圧縮機32との間の冷凍回路20とにそれぞれ繋がるように設けられている。インジェクション管路51の冷媒入り口は、気液分離器38の気相冷媒空間38aに接続され、インジェクション管路51の冷媒出口は、低圧側圧縮機31と高圧側圧縮機32との間の冷凍回路20に接続されている。
本実施の形態では、インジェクション管路51の経路上に、冷媒の流れを許容、遮蔽する開閉弁や、冷媒流量の調整が可能な流量調整弁が設けられていない。
冷凍回路20の経路上には、バッファ部41およびバッファ部42がさらに設けられている。バッファ部41およびバッファ部42は、液冷媒を貯留可能なアキュムレータにより構成されている。バッファ部41は、冷凍回路20の経路上において、室外側熱交換器27と低圧側圧縮機31との間に設けられている。バッファ部42は、冷凍回路20の経路上において、低圧側圧縮機31と高圧側圧縮機32との間に設けられている。インジェクション管路51が冷凍回路20に接続される位置を接続部53という場合に、バッファ部42は、接続部53と高圧側圧縮機32との間に設けられている。バッファ部41およびバッファ部42は、それぞれ、低圧側圧縮機31および高圧側圧縮機32に液冷媒が侵入して圧縮機の信頼性が低下することを防ぐために設けられている。
図2は、図1中のヒートポンプ式加熱装置による冷凍サイクルを示すモリエル線図である。
モリエル線図はP−h線図ともいわれ、縦軸を圧力[MPa]、横軸を比エンタルピ[kJ/kg]としている。モリエル線図は、冷凍サイクルに用いる冷媒の圧力や比エンタルピ、温度、相状態、エンタルピ、比体積などの冷媒固有の特性を示す図である。図2中に示すA〜Hの冷媒状態は、それぞれ、図1中のA〜Hにおける冷媒状態に対応する。
図1および図2を参照して、まず、高圧側圧縮機32から吐出されたガス冷媒(状態A)は、室内側熱交換器(凝縮器)26に流入し、凝縮した高温の液冷媒(状態B)となる。この高温の液冷媒が第1減圧装置36を通過することによって、冷媒の圧力、温度が低下する(状態C)。このとき、内部熱交換器などの装置が設けられていない場合、一般的に、冷媒は気液二相状態にある。
次に、冷媒は、気液分離器38へ流入して、気相と液相とに分離される。分離された液冷媒(状態D)が第2減圧装置37を通過することによって、冷媒の圧力、温度がさらに低下する(状態E)。次に、冷媒が室外側熱交換器27を通過することによって、冷媒は外気から吸熱して蒸発する(状態F)。状態Fの冷媒は、低圧側圧縮機31に流入して、中間圧力まで圧縮される(状態G)。
一方、気液分離器38の気相冷媒空間38aに分離された冷媒(インジェクション冷媒)は、インジェクション管路51を通って、低圧側圧縮機31から吐出された冷媒と合流する。インジェクション冷媒の温度は、低圧側圧縮機31から吐出された冷媒の温度よりも低いため、インジェクション冷媒合流後の冷媒温度は、低下する(状態H)。
加熱運転時、外気温が低温となって蒸発圧力が低下すると圧縮比が大きくなるが、低圧側圧縮機31による圧縮工程の後であって、高圧側圧縮機32による圧縮工程の前の段階で、中間圧の冷媒にインジェクション冷媒を注入して冷媒流量を増大させることによって、吐出温度を異常に上昇させることなく加熱(暖房)能力を確保することができる。このように、インジェクション冷媒による効果によって、たとえば、外気温が−20℃程度の極低温であっても、十分な加熱能力を得ることができる。
ヒートポンプ式加熱装置は、制御部46と、第1温度検出部としての温度検出部61と、第2温度検出部としての温度検出部61とをさらに有する。
温度検出部61は、第1減圧装置36と気液分離器38との間に設けられている。温度検出部61は、第1減圧装置36の吐出位置に設けられている。温度検出部61は、第1減圧装置36から吐出され、気液分離器38に流入する冷媒の温度T1を検出する。温度検出部62は、低圧側圧縮機31と高圧側圧縮機32との間に設けられている。温度検出部62は、高圧側圧縮機32と接続部53との間に設けられている。温度検出部62は、バッファ部42と接続部53との間に設けられている。温度検出部62は、低圧側圧縮機31から吐出された冷媒であって、インジェクション管路51を流れる冷媒が合流した後の冷媒の温度T2を検出する。温度検出部62は、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒の温度T2を検出する。
制御部46は、温度検出部61で検出された冷媒の温度T1と、温度検出部62で検出された冷媒の温度T2との比較に基づいて、第2減圧装置37における冷媒の減圧比を制御する。制御部46は、温度検出部61で検出された冷媒の温度T1と、温度検出部62で検出された冷媒の温度T2との差に基づいて、第2減圧装置37における冷媒の減圧比を制御する。
本実施の形態におけるヒートポンプ式加熱装置においては、温度検出部61で検出された冷媒の温度T1および温度検出部62で検出された冷媒の温度T2に基づいて、第2減圧装置37の開度を制御し、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒を、気相のみの過熱ガス状態から飽和蒸気状態までの状態とする。これにより、加熱負荷の大小や圧縮機の回転数に関わらず高圧側圧縮機32に吸い込まれる冷媒を所望の状態に保持して、ヒートポンプ式加熱装置の加熱能力を高めたり、COP(Coefficient Of Performance)を高く維持したりできる。
さらに本実施の形態におけるヒートポンプ式加熱装置においては、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒の状態を制御するための装置をインジェクション管路51には設けず、加熱運転時における冷媒の流れ方向に対して室外側熱交換器27の上流側に設けられた第2減圧装置37を利用する。これにより、インジェクション管路に減圧装置を設け、インジェクション冷媒の流量を直接的に制御する場合と同等の効果が得られ、かつ、インジェクション管路に開閉弁または減圧装置を設置する必要がないことにより、安価に装置を構成することができる。
続いて、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒の状態の上記制御方法について具体的に説明する。まず、圧縮機の回転数は、加熱能力を最も直接的に調整できる操作量であるため、可変容量タイプの低圧側圧縮機31の回転数を負荷に応じて制御する。たとえば、使用者が設定した目標加熱温度または装置内に予め設定された目標加熱温度と、測定された加熱温度との偏差に応じて、低圧側圧縮機31の回転数を増減する。
図3は、図1中のヒートポンプ式加熱装置において、高圧側圧縮機の吸い込み位置における冷媒の状態の制御のフローチャートを示す図である。図中に示す制御フローは、制御部46にて実行する。
図1および図3を参照して、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒の状態の制御の前に、運転開始時、上記の低圧側圧縮機31の回転数制御、第1減圧装置36の開度調整による室内側熱交換器26の出口の過冷却制御、および第2減圧装置37の開度調整による室外側熱交換器27の出口の過熱度制御を実施する。封入される冷媒は、これら一連の制御が完了した状態でインジェクション冷媒が気相状態となるように設定されている。
高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒の状態の制御に際しては、まず、温度検出部61により第1減圧装置36と気液分離器38との間の冷媒の温度T1を検出し、温度検出部62により高圧側圧縮機32の吸い込み位置の冷媒の温度T2を検出する。検出された温度T1および温度T2を制御部46に格納する(S101)。
次に、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における目標冷媒温度T2SPを決定する(S102)。
冷凍回路20上において、温度検出部61が設けられた第1減圧装置36と気液分離器38との間の冷媒は、気液二相状態である。また、温度検出部61が設けられた位置と温度検出部62が設けられた位置との間には減圧装置が存在しておらず、両者の位置の冷媒圧力は同一である。さらに、冷媒が、飽和蒸気状態から気液二相状態までの間にあるとき、気相と液相との割合によって冷媒の乾き度は変化するが、冷媒の温度は変化しない。このため、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒を飽和蒸気状態とする場合、目標冷媒温度T2SP=T1に設定すればよい。
ここでは、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒が飽和蒸気状態に近い過熱ガス状態となるように、目標冷媒温度T2SP=T1+α(αは任意に定めた値)に設定する(S102)。一例を挙げれば、αは5℃である。αは、0℃を超え10℃以下の値であることが好ましく、0℃を超え5℃以下の値であることがさらに好ましい。
次に、温度T2と目標冷媒温度T2SPとを比較する(S103)。T2>T2SP(T2−T1>α)の関係を満たすとき、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒が目標とする状態よりも過熱側にシフトしているとみなして、第2減圧装置37の開度を小さくする(第2減圧装置37における冷媒の減圧比を大きくする)(S104)。気液分離器38における液冷媒量が増大し、やがて気液分離器38内に液冷媒があふれてインジェクション管路51に流入する。これにより、インジェクション管路51における冷媒が気相のみの状態から気液二相状態に変化し、インジェクション管路51から、低圧側圧縮機31と高圧側圧縮機32との間の管路への冷媒流入密度が増大する。一方、T2≦T2SP(T2−T1≦α)の関係を満たすとき、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒が目標とする状態よりも飽和蒸気側にシフトしているとみなして、第2減圧装置37の開度を大きくする(第2減圧装置37における冷媒の減圧比を小さくする)(S105)。
第2減圧装置37の操作後からt秒間、待機する(S106)。その後、温度T1および温度T2を測定し(S101)、S102以降のステップを繰り返すことによって、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒を所望の状態に維持する。
上記のS102に示すステップにおいて、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒が飽和蒸気状態となるように、目標冷媒温度T2SP=T1に設定した場合、第2減圧装置37の開度を小さくすると、インジェクション管路51において液冷媒の割合が増加する。しかしながら、冷媒温度は飽和蒸気状態から気液二相状態になっても変化しないため、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒の温度は、インジェクション管路51からの液冷媒の流入にもかかわらず変化しない。このような場合に、第2減圧装置37の開度の下限値を設定する方法として、T2SP(T1)=T2の状態が予め定めた時間β秒だけ続いた時に、飽和蒸気状態を超えて気液二相状態になっていると判断する方法がある。この方法では、T2SP(T1)=T2の状態がβ秒だけ続いた時に、第2減圧装置37の開度を大きくすることによって、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒の状態を過熱ガス側に戻す。一例を挙げれば、βは10秒である。
図4は、図1中のヒートポンプ式加熱装置の変形例を示す回路図である。図4を参照して、本変形例におけるヒートポンプ式加熱装置では、冷凍回路20の経路上に、内部熱交換器43がさらに設けられている。内部熱交換器43は、室内側熱交換器26と第1減圧装置36との間に設けられている。インジェクション管路51は、内部熱交換器43を通るように設けられている。内部熱交換器43は、室内側熱交換器26から流出した冷媒と、インジェクション管路51を流れる冷媒との間で熱交換を行なう。
このような構成によれば、インジェクション管路51に液相状態の冷媒が流入する場合に、その液相が内部熱交換器43にて加熱されることによって気化し、結果、インジェクション冷媒の流量が増加することによる加熱能力の向上が見込まれる。
次に、本実施の形態におけるヒートポンプ式加熱装置において加熱能力の向上が図られる理由について説明する。
インジェクション冷媒の供給は、加熱側の冷媒流量を増加させて加熱能力を増加させる作用があり、また、高圧側圧縮機32の吐出温度を下げられるため、高圧側圧縮機32の運転圧力比の限界をより大きくできる。加熱側の冷媒流量を増加させるためには、気相状態のインジェクション冷媒よりも、気液二相状態のインジェクション冷媒の方が有効である。しかしながら、気液二相状態のインジェクション冷媒を過度に供給すると、COPの悪化と、液圧縮による圧縮機の信頼性の低下とを招く懸念がある。すなわち、インジェクション冷媒中の液相冷媒が、低圧側圧縮機31から吐出される高温ガス冷媒によって相変化され、高圧側圧縮機32に吸い込まれる冷媒が飽和蒸気状態になる程度が最適である。
そこで、本実施の形態では、第1減圧装置36と気液分離器38の間の冷媒の温度T1と、高圧側圧縮機32の吸い込み位置の冷媒の温度T2とに基づき、第2減圧装置37の開度調整を行ない、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒が飽和蒸気状態から、飽和蒸気状態に近い過熱ガス状態に保持することによって、加熱側の冷媒流量を増加させたサイクルを保つ。凝縮温度や蒸発温度、圧縮機の回転数が同条件である場合、サイクルの能力を決定付ける最大の要因は、高圧側圧縮機32の吸い込み圧力であるといえる(図2中の状態H)。インジェクション冷媒の流量が増えると吸い込む冷媒の圧力が高く、密度が大きくなり、室内側熱交換器26における冷媒流量が増加する。その吸い込み圧力を従前と同等の値に設定しておけば、本実施の形態では、加熱側の冷媒流量を増加させて、従前と同等以上の加熱能力を実現することができる。
高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒を飽和蒸気状態にするためには、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒温度をその位置の圧力に対する飽和蒸気温度とすればよい。この場合、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒の飽和蒸気温度が必要になるが、本実施の形態では、第1減圧装置36と気液分離器38との間の冷媒温度T1を用いることで、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒の飽和蒸気温度を容易に設定することができる。
高圧側圧縮機32の吸い込み位置の直前で液相冷媒が流入すると、高圧側圧縮機32の圧縮工程の開始点が飽和蒸気状態に近づくことになる。このため、本実施の形態では、低圧側圧縮機31の吐出冷媒にインジェクション冷媒を合流させることで冷媒温度を確実に低下させ、高圧側圧縮機32の吐出冷媒の温度が低く抑えられるため、圧縮機の運転圧力比の限界を大きくすることができる。
次に、本実施の形態におけるヒートポンプ式加熱装置において制御性の向上が図られる理由について説明する。
本実施の形態における制御方法は、加熱負荷に応じた圧縮機の回転数制御と、低圧側圧縮機31の吐出冷媒の温度によるインジェクション制御と、冷媒の流れ方向において室内側熱交換器26の後の減圧装置を制御するための制御手段とを備えており、サイクルを2つの減圧装置により制御可能である。これにより、制御因子である減圧装置や制御手段の数を最小限度に抑えて、制御性を向上させることができる。
低負荷時、たとえば外気温が高いとき、インジェクション冷媒の量が多いためにCOPが低下しすぎるという問題がある。このような問題は、インジェクション管路51に開閉弁を設け、外気温度などに基づいて開閉操作することによって解決される。
図5は、気液分離器における分岐前の冷媒量に対するインジェクション量比と、暖房能力およびCOPとの関係を示すグラフである。図5中では、横軸がインジェクション量比を示し、縦軸が暖房能力およびCOPの実験値を示す。
図5を参照して、第2減圧装置37の開度を小さくしてインジェクション冷媒の流量を増加させていくと、暖房能力が向上する。さらにインジェクション状態が気液二相状態になるとインジェクション冷媒の流量はさらに増加するため、暖房能力が高い値を取る。しかしながら、インジェクション管路51に多量の液冷媒が流れると暖房能力の低下に繋がる。一方、COPは、インジェクション量の増加に伴って緩やかに低下する。
以上に説明した、この発明の実施の形態1におけるヒートポンプ式加熱装置の構造についてまとめて説明すると、本実施の形態におけるヒートポンプ式加熱装置は、冷媒と被加熱流体との間で熱交換を行なう第1熱交換器としての室内側熱交換器26と、冷媒と室外空気との間で熱交換を行なう第2熱交換器としての室外側熱交換器27と、室外側熱交換器27から送られた冷媒を圧縮する低圧側圧縮機31と、低圧側圧縮機31から送られた冷媒を圧縮し、圧縮した冷媒を室内側熱交換器26に向けて送る高圧側圧縮機32と、室内側熱交換器26から送られた冷媒を減圧する第1減圧装置36と、第1減圧装置36から送られた冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器38と、気液分離器38の液相側に接続され、気液分離器38から送られた冷媒を減圧し、減圧した冷媒を室外側熱交換器27に向けて送る第2減圧装置37と、気液分離器38の気相側に接続され、気液分離器38から送られた冷媒を、低圧側圧縮機31と高圧側圧縮機32との間の管路上に導くインジェクション管路51と、高圧側圧縮機32に流入する冷媒を過熱ガス状態または飽和蒸気状態とするために、第2減圧装置37における冷媒の減圧比を制御する制御部46とを備える。
このように構成された、この発明の実施の形態におけるヒートポンプ式加熱装置によれば、制御性に優れるとともに、加熱能力の向上が十分に図られるヒートポンプ式加熱装置を実現することができる。
なお、本実施の形態では、高圧側圧縮機32に液冷媒が侵入することをより確実に防ぐために、高圧側圧縮機32の吸い込み位置にバッファ部42が設けられている。このような構成においては、制御部46は、高圧側圧縮機32の吸い込み位置の冷媒が気相状態から気液二相状態になった直後の状態となるように、第2減圧装置37を制御してもよい。この場合、高圧側圧縮機32の吸い込み位置の冷媒が多少の液冷媒を含んだ状態であっても、その液冷媒はバッファ部42に捕獲されるため、高圧側圧縮機32に吸い込まれる冷媒は飽和蒸気状態または過熱ガス状態となる。
また、高圧側圧縮機32の吸い込み位置には、バッファ部42が設けられなくてもよい。この場合、好ましくは、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒の状態をやや過熱ガス側にシフトさせるように、目標冷媒温度T2SP=T1+αの式中のαを設定する。これにより、高圧側圧縮機32に液冷媒が侵入することをより確実に防ぐことができる。
(実施の形態2)
図6は、この発明の実施の形態2におけるヒートポンプ式加熱装置を示す回路図である。本実施の形態におけるヒートポンプ式加熱装置は、実施の形態1におけるヒートポンプ式加熱装置と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造についてはその説明を繰り返さない。
図6は、この発明の実施の形態2におけるヒートポンプ式加熱装置を示す回路図である。本実施の形態におけるヒートポンプ式加熱装置は、実施の形態1におけるヒートポンプ式加熱装置と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造についてはその説明を繰り返さない。
図6を参照して、本実施の形態におけるヒートポンプ式加熱装置は、温度検出部61に加えて、第3温度検出部としての温度検出部66と、圧力検出部67とをさらに有する。
温度検出部66は、高圧側圧縮機32と室内側熱交換器26との間に設けられている。温度検出部66は、高圧側圧縮機32の吐出位置に設けられている。温度検出部66は、高圧側圧縮機32から吐出され、室内側熱交換器26に流入する冷媒の温度T3を検出する。圧力検出部67は、高圧側圧縮機32と室内側熱交換器26との間に設けられている。圧力検出部67は、高圧側圧縮機32の吐出位置に設けられている。圧力検出部67は、高圧側圧縮機32から吐出され、室内側熱交換器26に流入する冷媒の圧力Pを検出する。
図7は、図6中のヒートポンプ式加熱装置において、高圧側圧縮機の吸い込み位置における冷媒の状態の制御のフローチャートを示す図である。図8は、図6中のヒートポンプ式加熱装置において実行される制御を説明するためのモリエル線図である。
図6から図8を参照して、本実施の形態では、まず、温度検出部61により第1減圧装置36と気液分離器38との間の冷媒の温度T1を検出し、温度検出部66および圧力検出部67により高圧側圧縮機32の吐出側の冷媒の温度T3および圧力Pを検出する。検出された温度T1、温度T3および圧力Pを制御部46に格納する(S201)。
次に、第1減圧装置36と気液分離器38との間の冷媒の温度T1を、冷媒が気液二相状態であるところの温度とみなし、冷媒の物性値を用いてこの温度T1から中間圧力線301(D→C→H→G)をp−h線図上に定める。また、温度T3および圧力Pから定まる点A´を通る等エントロピ線X´をp−h線図上に定める。中間圧力線301と等エントロピ線X´との交点が、現在のサイクルにおいての高圧側圧縮機32の吸い込み位置における比エンタルピH´であり、中間圧力線301と冷媒の飽和蒸気線302との交点が、飽和蒸気状態の冷媒の比エンタルピHである(S202)。
この場合に、p−h線図上に定められた等エントロピ線X´が、飽和蒸気状態の冷媒の比エンタルピHを通る等エントロピ線Xに重なり、H´=Hの関係を満たすとき、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒が飽和蒸気状態にある。p−h線図上に定められた等エントロピ線X´が等エントロピ線Xよりも飽和蒸気線302の外側にシフトしており(図8中の等エントロピ線X´1)、H´>Hの関係を満たすとき、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒が過熱ガス状態にある。p−h線図上に定められた等エントロピ線X´が等エントロピ線Xよりも飽和蒸気線302の内側にシフトしており(図8中の等エントロピ線X´2)、H´<Hの関係を満たすとき、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒が気液2相状態であって、液相が多い状態にある。
次に、制御部46は、H´と、H+α(αは任意に定めた値)とを比較する(S203)。H+α≦H´の関係を満たすとき、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒が目標とする状態よりも過熱側にシフトしているとみなして、第2減圧装置37の開度を小さくする(S205)。H+α>H´の関係を満たすとき、制御部46は、Hと、H´とを比較する(S204)。H−H´≧0(H≧H´)の関係を満たすとき、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒が目標とする状態よりも飽和蒸気側にシフトしているとみなして、第2減圧装置37の開度を大きくする(S206)。
H−H´<0(H<H´)の関係を満たすとき、第2減圧装置37の操作後からt秒間、待機する(S207)。S205およびS206のステップの後、第2減圧装置37の操作後からt秒間、待機する(S207)。その後、温度T1,T3および圧力P1を測定し(S201)、S202以降のステップを繰り返すことによって、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒を所望の状態に維持する。
このように本実施の形態では、温度検出部61で検出された冷媒の温度T1、温度検出部63で検出された冷媒の温度T3および圧力検出部で検出された圧力Pに基づいて、第2減圧装置37の開度を制御し、高圧側圧縮機32の吸い込み位置における冷媒を、過熱ガス状態から飽和蒸気状態までの状態とする。
このように構成された、この発明の実施の形態2におけるヒートポンプ式加熱装置によれば、実施の形態1に記載の効果を同様に得ることができる。
なお、高圧側圧縮機32の吸い込み位置にバッファ部42が設けられる回路構成において、気相状態から気液二相状態になった直後の状態の冷媒を供給することで、インジョクション流量を増やすことができる点については、実施の形態1と同様である。特に本実施の形態では、気液二相状態の冷媒に占める液相の割合を、比エンタルピを通じて特定することが可能であるため、バッファ部42の大きさに合わせて液相の割合を多めに設定したインジェクション冷媒を供給することができる。
(実施の形態3)
図9は、この発明の実施の形態3におけるヒートポンプ式加熱装置を示す回路図である。本実施の形態におけるヒートポンプ式加熱装置は、実施の形態1におけるヒートポンプ式加熱装置と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造についてはその説明を繰り返さない。
図9は、この発明の実施の形態3におけるヒートポンプ式加熱装置を示す回路図である。本実施の形態におけるヒートポンプ式加熱装置は、実施の形態1におけるヒートポンプ式加熱装置と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造についてはその説明を繰り返さない。
図9を参照して、本実施の形態におけるヒートポンプ式加熱装置は、温度検出部61および温度検出部62に加えて、第4温度検出部としての温度検出部71をさらに有する。温度検出部71は、インジェクション管路51上に設けられている。温度検出部71は、インジェクション管路51を流れる冷媒の温度T4を検出する。
第2減圧装置37の開度の制御方法は、図3中のフローチャートに示すものと基本的には同じである。しかしながら、第1減圧装置36から吐出される冷媒は、外気温が低い場合に配管が冷やされたり、内部熱交換器(図4を参照)を含むサイクルにおいて、インジェクション冷媒との熱交換によって過冷却状態になったりして、液冷媒状態になる可能性がある。このとき、温度検出部61で検出された冷媒温度を、高圧側圧縮機32の吸い込み位置での冷媒温度とみなすことが困難となる。そのような場合であっても、本実施の形態では、インジェクション管路51を流れるの冷媒の温度を検出する温度検出部71を設けることによって、インジェクション管路51を流れる冷媒温度T4と、第1減圧装置36の吐出側の冷媒温度T1とを比較し、気液二相状態の冷媒温度を判断する。
すなわち、T4=T1の関係を満たす場合、いずれの検出位置における冷媒も気液二相状態であるため、図3中のS102のステップにおいてT1またはT4を利用する。T1>T4の関係を満たすとき、インジェクション管路51を流れる冷媒が過冷却状態の可能性があるため、図3中のS102のステップにおいてT1を利用する。T1<T4の関係を満たすとき、外気温や内部熱交換器の影響により、第1減圧装置36の後の冷媒が過冷却されて液冷媒状態である可能性があるため、図3中のS102のステップにおいてT4を利用する。
このように構成された、この発明の実施の形態3におけるヒートポンプ式加熱装置によれば、実施の形態1に記載の効果を同様に奏することができる。
なお、以上に説明した実施の形態1〜3に記載のヒートポンプ式加熱装置を適宜組み合わせて、新たなヒートポンプ式加熱装置を構成してもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
この発明は、たとえば、ヒートポンプ式給湯機やヒートポンプ式暖房機などに適用される。
20 冷凍回路、26 室内側熱交換器、27 室外側熱交換器、31 低圧側圧縮機、32 高圧側圧縮機、36 第1減圧装置、37 第2減圧装置、38 気液分離器、38a 気相冷媒空間、38b 液相冷媒空間、41,42 バッファ部、43 内部熱交換器、46 制御部、50 インジェクション回路、51 インジェクション管路、53 接続部、61,62,63,66,71 温度検出部、67 圧力検出部、301 中間圧力線、302 飽和蒸気線。
Claims (5)
- 冷媒と被加熱流体との間で熱交換を行なう第1熱交換器と、
冷媒と室外空気との間で熱交換を行なう第2熱交換器と、
前記第2熱交換器から送られた冷媒を圧縮する低圧側圧縮機と、
前記低圧側圧縮機から送られた冷媒を圧縮し、圧縮した冷媒を前記第1熱交換器に向けて送る高圧側圧縮機と、
前記第1熱交換器から送られた冷媒を減圧する第1減圧装置と、
前記第1減圧装置から送られた冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器と、
前記気液分離器の液相側に接続され、前記気液分離器から送られた冷媒を減圧し、減圧した冷媒を前記第2熱交換器に向けて送る第2減圧装置と、
前記気液分離器の気相側に接続され、前記気液分離器から送られた冷媒を、前記低圧側圧縮機と前記高圧側圧縮機との間の管路上に導くインジェクション管路と、
前記高圧側圧縮機に流入する冷媒を過熱ガス状態または飽和蒸気状態とするために、前記第2減圧装置における冷媒の減圧比を制御する制御部とを備える、ヒートポンプ式加熱装置。 - 前記第1減圧装置と前記気液分離器との間の管路上に設けられ、冷媒の温度T1を検出する第1温度検出部と、
前記低圧側圧縮機と前記高圧側圧縮機との間の管路上に設けられ、前記インジェクション管路を流れる冷媒が合流した後の冷媒の温度T2を検出する第2温度検出部とをさらに備え、
前記制御部は、前記第1温度検出部で検出された冷媒の温度T1と、前記第2温度検出部で検出された冷媒の温度T2との比較に基づいて、前記第2減圧装置における冷媒の減圧比を制御する、請求項1に記載のヒートポンプ式加熱装置。 - 前記制御部は、前記第2温度検出部で検出された冷媒の温度T2が前記第1温度検出部で検出された冷媒の温度T1と等しくなる状態が、予め定めた時間だけ続いた場合に、前記第2減圧装置における冷媒の減圧比を小さくする、請求項2に記載のヒートポンプ式加熱装置。
- 前記第1減圧装置と前記気液分離器との間の管路上に設けられ、冷媒の温度T1を検出する第1温度検出部と、
前記高圧側圧縮機と前記第1熱交換器との間の管路上に設けられ、冷媒の温度T3および圧力Pをそれぞれ検出する第3温度検出部および圧力検出部とをさらに備え、
前記制御部は、p(圧力)−h(比エンタルピ)線図において、前記第1温度検出部で検出された冷媒の温度T1から定まる中間圧力線と、前記第3温度検出部および前記圧力検出部で検出された冷媒の温度T3および圧力Pから定まる点を通る等エントロピ線との交点から、比エンタルピH´を特定し、前記比エンタルピH´と、前記中間圧線上における飽和蒸気の比エンタルピHとの比較に基づいて、前記第2減圧装置における冷媒の減圧比を制御する、請求項1から3のいずれか1項に記載のヒートポンプ式加熱装置。 - 前記低圧側圧縮機と前記高圧側圧縮機との間の管路であって、前記インジェクション管路を流れる冷媒が合流した後の冷媒が流れる管路上に設けられ、液冷媒を貯留するバッファ部をさらに備える、請求項1から4のいずれか1項に記載のヒートポンプ式加熱装置。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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