JP2014224649A

JP2014224649A - ヒートポンプシステム

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Publication number: JP2014224649A
Application number: JP2013104303A
Authority: JP
Inventors: 岡田　和人; Kazuto Okada; 和人岡田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2014-12-04
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: JP6071741B2; WO2014185265A1

Abstract

【課題】ヒートポンプシステムにおいて、圧縮機の圧縮行程における状態変化線の傾きが、圧縮機の吸込圧力と吐出圧力との間の飽和蒸気線の傾きより急峻となる場合であっても、高効率かつ安定した運転を実現する。【解決手段】圧縮機１１と凝縮器１２との間の循環ライン１６に設けられた吐出圧力検出手段２１、吐出温度検出手段２２、圧縮機１１に吸い込まれる作動媒体の吸込圧力を検出する吸込圧力検出手段３１、および蒸発器１４から流出された蒸発用媒体の温度を検出する蒸発器出口側蒸発用媒体温度検出手段３２を備え、吐出圧力検出手段２１、吐出温度検出手段２２、吸込圧力検出手段３１、および蒸発器出口側蒸発用媒体温度検出手段３２での検出値に基づいて、圧縮機１１の圧縮行程における作動媒体の過熱度が所定の値以上となるように、循環ライン膨張弁１３の開度を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプシステムに関するものである。

近年、排熱を回収し高温再生するヒートポンプが開発され、産業用の加温・加熱プロセスへの導入も広がりつつある。特に昨今のヒートポンプでは、冷水と温水の両方を取り出すことが可能であり、ＣＯ_２削減および省エネの効果は大きい。

特許文献１には、冷媒通路に圧縮機、凝縮器、膨張装置、および蒸発器が介設されたヒートポンプシステムが開示されている。このヒートポンプシステムの凝縮器および蒸発器は、対向流型熱交換器である。このヒートポンプシステムでは、圧縮機の設計圧力を超えることなく、また、熱交換器を大型化することなく、高温の温水を高効率で得るために、温水の出口と入口の温度差以下（および冷水の出口と入口の温度差以下）となるような露点と沸点の温度差を有する混合冷媒が用いられている。この混合冷媒には、例えばＨＦＣ１３４ａ＋ＨＦＣ２４５ｆａ＋α、ＨＦＣ１３４ａ＋ＨＦＣ２４５ｃａ＋α、ＨＦＣ１３４ａ＋ＨＦＣ２３６ｅａ＋α、ＨＦＣ２４５ｆａ＋ＨＦＣ２４５ｃａ＋αが挙げられる。

しかしながら、前記ヒートポンプシステムでは、混合冷媒の成分に、例えばＨＦＣ２４５ｆａを含む場合、モリエル線図上における圧縮機の圧縮行程における状態変化線の傾きが、圧縮機の吸込圧力と吐出圧力との間の飽和蒸気線の傾きより急峻となる可能性がある。このため、圧縮機での圧縮行程において混合冷媒が湿り状態に陥りやすく、圧縮機の効率が大きく低下することや、操業条件が変動した場合に液圧縮状態に陥ること等の不具合が生じるデメリットがあった。

特開平１０−６２０２３号公報

本発明は、ヒートポンプシステムにおいて、モリエル線図上における圧縮機の圧縮行程における状態変化線の傾きが、圧縮機の吸込圧力と吐出圧力との間の飽和蒸気線の傾きより急峻となる場合であっても高効率かつ安定した運転を実現することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明のヒートポンプシステムは、圧縮機、凝縮器、循環ライン膨張弁、および蒸発器が循環ラインに順に介設されるとともに、前記凝縮器と前記循環ライン膨張弁の間の前記循環ラインの作動媒体と、前記蒸発器と前記圧縮機の間の前記循環ラインの作動媒体とが熱交換可能な循環ライン熱交換器が設けられたヒートポンプシステムにおいて、前記圧縮機と前記凝縮器との間の前記循環ラインに設けられ、前記圧縮機から吐出された作動媒体の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段と、前記圧縮機と前記凝縮器との間の前記循環ラインに設けられ、前記圧縮機から吐出された作動媒体の吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、前記循環ライン熱交換器と前記圧縮機との間の前記循環ラインに設けられ、前記圧縮機に吸い込まれる作動媒体の吸込圧力を検出する吸込圧力検出手段と、蒸発用媒体を前記蒸発器から流出させる蒸発用媒体流出ラインに設けられ、前記蒸発器から流出された前記蒸発用媒体の温度を検出する蒸発器出口側蒸発用媒体温度検出手段とを備え、前記吐出圧力検出手段、前記吐出温度検出手段、前記吸込圧力検出手段、及び前記蒸発器出口側蒸発用媒体温度検出手段での検出値に基づいて、前記圧縮機の圧縮行程における作動媒体の過熱度が所定の値以上となるように、前記循環ライン膨張弁の開度を制御するようにした。

この構成によれば、吐出圧力検出手段、吐出温度検出手段、吸込圧力検出手段、及び蒸発器出口側蒸発用媒体温度検出手段での検出値に基づいて、圧縮機の圧縮行程における作動媒体の過熱度が所定の値以上となるように、循環ライン膨張弁の開度を制御するので、圧縮行程における作動媒体が湿り状態になることを回避し、前記作動媒体を過熱した状態、すなわち過熱蒸気の状態に維持できる。これにより、ヒートポンプシステムにおいて、モリエル線図上における圧縮機の圧縮行程における状態変化線の傾きが、圧縮機の吸込圧力と吐出圧力との間の飽和蒸気線の傾きより急峻となる場合であっても、高効率かつ安定した運転を実現できる。したがって、ヒートポンプシステムの冷凍能力（加熱能力）とＣＯＰを良好に維持できる。また、ヒートポンプシステムの操業条件が変動した場合でも、圧縮機は液圧縮状態に陥ることなく安定した運転を維持することで圧縮機の寿命の短縮を回避できる。

前記作動媒体はＨＦＣ２４５ｆａ、ＨＦＣ２４５ｆａ＋ＨＦＣ１３４ａ、およびＨＦＣ３６５ｍｆｃのいずれか１つを含むことが好ましい。この構成によれば、圧縮機の設計圧力を超えることなく、また、凝縮器および蒸発器を大型化することなく、高温の温水を高効率で得ることができる。

前記作動媒体はＨＦＯ１２３４ｚｅ、またはＨＦＯ１２３４ｙｆを含むことが好ましい。この構成によれば、環境負荷の小さなヒートポンプシステムを構成できる。

前記凝縮器と前記循環ライン熱交換器の間の前記循環ラインから分岐し、該循環ラインの作動媒体を前記圧縮機の中間圧力部に戻すための戻しラインと、前記凝縮器と前記循環ライン熱交換器の間の前記循環ラインの作動媒体と前記戻しラインの作動媒体とが熱交換可能なエコノマイザ熱交換器、および前記戻しラインのエコノマイザ熱交換器の上流に設けられたエコノマイザ膨張弁とを有するエコノマイザと、前記戻しラインの前記エコノマイザ熱交換器の下流における作動媒体の圧力を検出する戻し媒体圧力検出手段と、前記戻しラインの前記エコノマイザ熱交換器の下流における作動媒体の温度を検出する戻し媒体温度検出手段とを備え、前記戻し媒体圧力検出手段および前記戻し媒体温度検出手段での検出値に基づいて、前記戻しラインから前記圧縮機へ供給される作動媒体の過熱度が所定の値以上となるように、前記エコノマイザ膨張弁の開度を制御することが好ましい。この構成によれば、戻し媒体圧力検出手段および戻し媒体温度検出手段での検出値に基づいて、戻しラインから圧縮機へ供給される作動媒体の過熱度が所定の値以上となるように、エコノマイザ膨張弁の開度を制御するので、作動媒体の循環量を増加させ、圧縮行程において作動媒体を十分過熱された状態に保つことで、ヒートポンプシステムを高効率に維持し、かつ、加熱能力を増大させることができる。

本発明によれば、吐出圧力検出手段、吐出温度検出手段、吸込圧力検出手段、及び蒸発器出口側蒸発用媒体温度検出手段での検出値に基づいて、圧縮機の圧縮行程における作動媒体の過熱度が所定の値以上となるように、循環ライン膨張弁の開度を制御するので、圧縮行程における作動媒体が湿り状態になることを回避し、前記作動媒体を過熱した状態に維持できる。これにより、ヒートポンプシステムにおいて、モリエル線図上における圧縮機の圧縮行程における状態変化線の傾きが、圧縮機の吸込圧力と吐出圧力との間の飽和蒸気線の傾きより急峻となる場合であっても高効率かつ安定した運転を実現できる。したがって、ヒートポンプシステムの冷凍能力（加熱能力）とＣＯＰを良好に維持できる。また、ヒートポンプシステムの操業条件が変動した場合でも、圧縮機は液圧縮状態に陥ることなく安定した運転を維持することで圧縮機の寿命の短縮を回避できる。

本発明の第１実施形態のヒートポンプシステムの構成を示す図。吐出温度センサの検出値Ｔｄと吐出飽和温度Ｔｓとの差である過熱度を示す図。作動媒体の過熱度と循環ライン膨張弁の開閉との関係を示す図。本発明の第２実施形態のヒートポンプシステムの構成を示す図。ヒートポンプシステムにおける作動媒体であるＨＦＣ２４５ｆａの状態変化を示すモリエル線図。ＨＦＣ２４５ｆａ／ＨＦＣ１３４ａ＝５０／５０のモリエル線図。ＨＦＣ３６５ｍｆｃのモリエル線図。ＨＦＯ１２３４ｚｅのモリエル線図。ＨＦＯ１２３４ｙｆのモリエル線図。ＨＦＣ４０７Ｅのモリエル線図。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態のヒートポンプシステム１０の構成を示す。ヒートポンプシステム１０は、圧縮機１１、凝縮器１２、循環ライン膨張弁１３、蒸発器１４、および循環ライン熱交換器１５を備えている。これらは、作動媒体を循環させる循環ライン１６に介設されている。前記作動媒体（例えばＨＦＣ２４５ｆａ）の特性上、このヒートポンプシステム１０では、モリエル線図上における圧縮機１１の圧縮行程における状態変化線の傾きが、圧縮機１１の吸込圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄとの間の飽和蒸気線の傾きより急峻となる。なお、飽和蒸気線の傾きは作動媒体によって決定される。

圧縮機１１は、２段スクリュ圧縮機である。該２段スクリュ圧縮機は、作動媒体を圧縮する第１段スクリュ圧縮機と、該第１段スクリュ圧縮機で圧縮された作動媒体をさらに圧縮する第２段スクリュ圧縮機を有している。第１段および第２段スクリュ圧縮機は、ケーシング内に形成したロータ室に雌雄一対のスクリュロータを収容している。そして、第１段および第２段スクリュ圧縮機は、スクリュロータを回転させることにより、ロータ室をスクリュロータによって区分して形成した内部空間において作動媒体を圧縮する容積式圧縮機である。第１段スクリュ圧縮機の吐出口と第２段スクリュ圧縮機の吸込口とは、中間圧力部１１ａによって接続されている。

凝縮器１２は、圧縮機１１の下流に配置されている。凝縮器１２には、例えばクーリングタワーで製造される冷却水のような凝縮用媒体を凝縮器１２に流入させる凝縮用媒体流入ライン１７、および凝縮用媒体を凝縮器１２から流出させる凝縮用媒体流出ライン１８を備えている。凝縮器１２は、凝縮用媒体と作動媒体との熱交換により、循環ライン１６の作動媒体を冷却して液化させる熱交換器である。凝縮器１２では、凝縮用媒体の流量または出入口温度差は、一定に維持されている。したがって、凝縮器１２の出口における作動媒体は、通常モリエル線図上における飽和液線近傍あるいは左側（過冷却）に位置する状態になっている。凝縮器１２では、凝縮用媒体は加熱される。

循環ライン膨張弁１３は、凝縮器１２の下流に配置されている。循環ライン膨張弁１３は、凝縮器１２において液化した作動媒体を、断熱状態で膨張気化させて低圧・低温にする。循環ライン膨張弁１３の開度は、後述の制御装置２３によって制御される。

蒸発器１４は、循環ライン膨張弁１３の下流に配置されている。蒸発器１４には、工場等のプロセス冷却用冷水戻り等の蒸発用媒体を蒸発器１４に流入させる蒸発用媒体流入ライン１９、および蒸発用媒体を蒸発器１４から流出させる蒸発用媒体流出ライン２０を備えている。蒸発器１４は、蒸発用媒体と作動媒体との熱交換により、循環ライン１６の作動媒体を加熱して蒸発させる熱交換器である。蒸発器１４では、蒸発用媒体の流量または出入口温度差は、一定に維持されている。したがって、蒸発器１４の出口における作動媒体は、モリエル線図上における飽和蒸気線近傍あるいは左側に位置する状態になっている。蒸発器１４では、蒸発用媒体は冷却される。

循環ライン熱交換器１５は、凝縮器１２と循環ライン膨張弁１３の間の循環ライン１６に配置されるとともに、蒸発器１４と圧縮機１１の間の循環ライン１６に配置されている。循環ライン熱交換器１５は、凝縮器１２と循環ライン膨張弁１３の間の循環ライン１６の作動媒体と、蒸発器１４と圧縮機１１の間の循環ライン１６の作動媒体とが熱交換可能な熱交換器である。循環ライン熱交換器１５により、蒸発器１４の入口の作動媒体の乾き度を小さくし、蒸発器１４の出口での作動媒体を過熱状態としない（湿り状態のままとする）ことで、蒸発器１４での伝熱性能を高く維持することができるとともに、圧縮機１１の吸込口での作動媒体を過熱状態とすることができる。

循環ライン熱交換器１５と圧縮機１１の間の循環ライン１６には、圧縮機１１に吸い込まれる作動媒体の吸込圧力Ｐｓを検出する吸込圧力センサ（吸込圧力検出手段）３１が設けられている。圧縮機１１と凝縮器１２の間の循環ライン１６には、圧縮機１１から吐出された作動媒体の吐出圧力Ｐｄを検出する吐出圧力センサ（吐出圧力検出手段）２１が設けられている。また、圧縮機１１と凝縮器１２の間の循環ライン１６には、圧縮機１１から吐出された作動媒体の吐出温度を検出する吐出温度センサ（吐出温度検出手段）２２が設けられている。蒸発用媒体流出ライン２０には、前記蒸発用媒体の温度（冷水出口温度Ｔ_２）を検出する冷水出口温度センサ（蒸発器出口側蒸発用媒体温度検出手段）３２が設けられている。

ヒートポンプシステム１０には、構成要素を制御する制御装置２３が設けられている。制御装置２３は、記憶装置を備えている。該記憶装置には、圧力基準飽和蒸気表のデータが記憶されている。

図２は、ヒートポンプシステム１０における作動媒体の状態変化を示すモリエル線図（Ｐ−ｉ線図）である。

点Ａから点Ｂまでの状態変化線は、圧縮行程に対応している。点Ａは、圧縮機１１に供給される作動媒体の状態を示す。点Ｉは、第１段スクリュ圧縮機の吐出口の作動媒体の状態を示す。点Ｂは、圧縮機（第２段スクリュ圧縮機）１１の吐出口の作動媒体の状態を示す。点Ｂにおける圧力は、凝縮器１２の凝縮圧力である。点Ａから点Ｉを経て点Ｂまでの状態変化線上では、作動媒体は過熱蒸気の状態である。点Ｂの圧力および温度は、吐出圧力センサ２１および吐出温度センサ２２によってそれぞれ検出されている。

点Ｂから点Ｃ_２までの状態変化線は、凝縮行程に対応している。該凝縮行程では、圧力が一定の状態で、過熱蒸気から飽和液（場合によっては過冷却液）に相変化する。つまり、圧縮機１１から吐出されたガスである作動媒体は、凝縮器１２で凝縮して液体となる。

図２において、線分ＢＣのうち、飽和蒸気線より右側の部分では、作動媒体は過熱蒸気の状態である。線分ＢＣと飽和蒸気線との交点Ｃ_１では、作動媒体は乾き飽和蒸気の状態である。線分ＢＣのうち、飽和蒸気線より左側の部分であり、かつ飽和液線より右側の部分では、作動媒体は湿り蒸気の状態である。線分ＢＣと飽和液線との交点Ｃ_２では、作動媒体は飽和液の状態である。線分ＢＣの飽和液線より左側の部分では、作動媒体は過冷却液の状態である。点Ｃ_２は、循環ライン熱交換器１５と凝縮器１２の間の循環ライン１６における作動媒体の状態を示す。点Ｃは、循環ライン熱交換器１５と循環ライン膨張弁１３の間の循環ライン１６における作動媒体の状態を示す。循環ライン熱交換器１５と凝縮器１２の間の循環ライン１６の作動媒体と、蒸発器１４と循環ライン熱交換器１５の間の作動媒体とは、循環ライン熱交換器１５を介して、互いに熱交換する。該熱交換により、点Ｃ_２の作動媒体は、点Ｃ（循環ライン膨張弁１３上流）の状態（過冷却液）に変化する。

点Ｃから点Ｄまでの状態変化線は、膨張行程に対応している。該膨張行程では、凝縮器１２で液化した作動媒体が、循環ライン膨張弁１３を通過することによって、膨張して気化する。前記膨張行程は断熱状態で行われるため、比エンタルピは変化しない。作動媒体は、循環ライン膨張弁１３を通過後、循環ライン膨張弁１３の通過前よりも、低温・低圧になる。

線分ＣＤの飽和液線より上側の部分では、作動媒体は過冷却液の状態である。線分ＣＤと飽和液線との交点Ｄ_１では、作動媒体は飽和液の状態である。線分ＣＤの、飽和液線より下側の部分では、作動媒体は湿り蒸気の状態である。

点Ｄから点Ｅまでの状態変化線は、蒸発行程に対応している。該蒸発行程では、循環ライン膨張弁１３を通過した作動媒体は、圧力が一定の状態で、蒸発器１４で加熱されて蒸発する。蒸発した作動媒体は、循環ライン熱交換器１５に供給される。

線分ＤＡのうち、飽和蒸気線より左側の部分では、作動媒体は湿り蒸気の状態である。線分ＤＡの飽和蒸気線より右側の部分では、作動媒体は過熱蒸気の状態である。点Ｅの作動媒体は、凝縮器１２から循環ライン熱交換器１５に流入する循環ライン１６の作動媒体との熱交換により、点Ａ（圧縮機１１の上流）の状態（過熱蒸気）に変化し、圧縮機１１に供給される。

吸込圧力Ｐｓを支配的に決定するのは冷水出口温度Ｔ_２である。このため、冷水出口温度Ｔ_２と吸込圧力Ｐｓの基本的関係を吐出圧力Ｐｄに応じて記述した「基本データベース」を、制御装置２３に内蔵された記憶手段に予め記録しておく。なお、圧縮機１１に吸い込まれ、更に圧縮機１１から吐出される作動媒体が十分な過熱蒸気であるように維持することのできる、冷水出口温度Ｔ_２と吸込圧力Ｐｓの対のデータ（前記の「基本的関係」）を、理論や実験に基づいて求め、そのデータを制御装置２３の内部の記録装置に予め記録したものが、ここでいう「基本データベース」である。「圧縮機１１に吸い込まれ、更に圧縮機１１から吐出される作動媒体が十分な過熱蒸気であること」とは、「作動媒体が圧縮機１１の圧縮行程の全行程にて過熱蒸気に維持されること」、あるいは「圧縮機１１の圧縮行程における作動媒体の過熱度が所定の値（例えばゼロより大で、且つ、３０℃以下の所定の値）以上になること」、と換言できる。

そして、吸込圧力センサ３１と冷水出口温度センサ３２によって、実際に計測された冷水出口温度Ｔ_２と吸込圧力Ｐｓとが、その基本データベースに記録された冷水出口温度Ｔ_２と吸込圧力Ｐｓの基本的関係を維持するよう、循環ライン膨張弁１３の開度を制御する（この制御にはいわゆるＰＩＤ制御などが適用される）。それによって、圧縮機１１の吸込口の作動媒体の過熱度、更には圧縮機１１の吐出口の作動媒体の過熱度を所望の範囲に制御可能となり、圧縮機１１の圧縮行程における作動媒体を過熱蒸気に維持することができる。

また、負荷変動等が大きい場合には吐出温度が所望の範囲からずれる場合がある。このとき、循環ライン膨張弁１３の開度、ひいては吸込圧力Ｐｓを前記の「基本データベース」に基づいて制御するのみでは、圧縮機１１の圧縮行程での作動媒体が過熱蒸気である状態を維持することが難しくなるという懸念が生じる。

この懸念を解消するため、ヒートポンプシステム１０では、吐出圧力Ｐｄに応じた吸込圧力補正係数（吐出圧力Ｐｄが低いほど、吸込圧力Ｐｓが低くなるように、吐出圧力Ｐｄに基づいて吸込圧力Ｐｓのデータを補正するための係数）、吐出過熱度補正係数（吐出過熱度が低いほど、吸込圧力Ｐｓが低くなるように、吐出過熱度に基づいて吸込圧力Ｐｓのデータを補正するための係数）が制御装置２３に内蔵された記憶手段に予め記録されている。そして、ヒートポンプシステム１０は、それら吸込圧力補正係数と吐出過熱度補正係数、さらに吐出圧力センサ２１、吐出温度センサ２２によって実際に計測される吐出圧力Ｐｄ、吐出温度Ｔｄにより、吸込圧力Ｐｓの制御値を修正するよう構成されている。

このように構成すれば、前記の懸念は解消され、負荷変動等が大きい場合でも圧縮機１１の圧縮行程での作動媒体が過熱蒸気である状態を安定して維持することが可能となる。なお、あらかじめ記録されている吐圧圧力と飽和蒸気温度（この飽和蒸気温度は、作動媒体の種類に応じて、一義的に定められる）との関係を示すデータから、吐出圧力センサ２１によって実際に計測される吐出圧力Ｐｄに応じた飽和蒸気温度Ｔｄ＿ｓａｔが求められ、吐出温度センサ２２によって実際に計測される吐出温度Ｔｄと前記の飽和蒸気温度Ｔｄ＿ｓａｔとの差によって吐出過熱度は求められる。

図３に示すように、前記過熱度が、所定の値（例えば２０〜３０℃）である場合（点Ｂ_１）、制御装置２３は、循環ライン膨張弁１３の開度を変更しない。この場合、蒸発器１４の入口から圧縮機１１の吸込口までの間の循環ライン１６の圧力は点Ｄ_１の状態の圧力であり、圧縮機１１の吸込口の作動媒体の状態は点Ａ_１の状態の圧力である。

前記過熱度が、所定の値（例えば２０〜３０℃）より大きい場合（点Ｂ_２）、凝縮器１２の出口の作動媒体の状態は、点Ｃの状態である。蒸発器１４の入口から圧縮機１１の吸込口までの間の循環ライン１６の作動媒体の状態は、点Ｄ_２の状態である。圧縮機１１の吸込口の作動媒体の状態は、点Ａ_２の状態である。この場合、特に状態を変更する必要はないが、前記過熱度が高すぎると、圧縮機１１の油の耐熱性の問題が生じる可能性がある。したがって、前記過熱度が高すぎ、例えば、吐出温度Ｔｄが圧縮機１１の油の耐熱上の上限値より高くなる場合、制御装置２３により、循環ライン膨張弁１３の開度が予め定められた所定の値だけ現状の値より大きくなるように制御してもよい。そうすることによって、蒸発器１４の入口から圧縮機１１の吸込口までの間の循環ライン１６の圧力は点Ｄ_２から点Ｄ_１の状態の圧力に上昇する。そうすると、圧縮機１１の吸込口の作動媒体の状態は点Ａ_２から点Ａ_１の状態になり、作動媒体の過熱度が所望の範囲になる。

前記過熱度が、所定の値（例えば２０〜３０℃）より小さい場合（点Ｂ_３）、凝縮器１２の出口の作動媒体の状態は、点Ｃの状態である。蒸発器１４の入口から圧縮機１１の吸込口までの間の循環ライン１６の作動媒体の状態は、点Ｄ_３の状態である。圧縮機１１の吸込口の作動媒体の状態は、点Ａ_３の状態である。これらの状態を変更するために、制御装置２３は、循環ライン膨張弁１３の開度を小にする。したがって、蒸発器１４の入口から圧縮機１１の吸込口までの間の循環ライン１６の作動媒体の圧力は点Ｄ_３から点Ｄ_１の状態の圧力に低下する。そうすると、圧縮機１１の吸込口の作動媒体の状態は点Ａ_３から点Ａ_１の状態になり、作動媒体の過熱度が所望の範囲になる。

本発明によれば、吐出圧力センサ２１、吐出温度センサ２２、吸込圧力センサ３１、及び冷水出口温度センサ３２での検出値に基づいて、圧縮機１１から吐出される作動媒体の過熱度が所定の値以上となるように、循環ライン膨張弁１３の開度を制御するので、圧縮行程における作動媒体が湿り状態になることを回避し、前記作動媒体を過熱された状態に維持できる。これにより、ヒートポンプシステムにおいて、モリエル線図上における圧縮機１１の圧縮行程における状態変化線の傾きが、圧縮機１１の吸込圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄとの間の飽和蒸気線の傾きより急峻となる場合であっても高効率かつ安定した運転を実現できる。したがって、ヒートポンプシステム１０の冷凍能力（加熱能力）とＣＯＰを良好に維持できる。また、ヒートポンプシステム１０の操業条件が変動した場合でも、圧縮機１１は液圧縮状態に陥ることなく安定した運転を維持することで圧縮機１１の寿命の短縮を回避できる。

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態のヒートポンプシステム１０の構成を示す。本実施形態において、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。

本実施形態では、凝縮器１２と循環ライン熱交換器１５の間の循環ライン１６から分岐し、循環ライン１６の作動媒体を圧縮機１１の中間圧力部１１ａに戻すための戻しライン２８が設けられている。ヒートポンプシステム１０には、凝縮器１２と循環ライン熱交換器１５の間の循環ライン１６の作動媒体と戻しライン２８の作動媒体とが熱交換可能なエコノマイザ熱交換器２４が設けられている。ヒートポンプシステム１０には、戻しライン２８のエコノマイザ熱交換器２４の上流に、エコノマイザ膨張弁２５が設けられている。エコノマイザ熱交換器２４とエコノマイザ膨張弁２５とはエコノマイザを構成している。ヒートポンプシステム１０には、戻しライン２８のエコノマイザ熱交換器２４の下流における作動媒体の圧力を検出する戻し媒体圧力センサ（戻し媒体圧力検出手段）２６が設けられている。ヒートポンプシステム１０には、戻しライン２８のエコノマイザ熱交換器２４の下流における作動媒体の温度を検出する戻し媒体温度センサ（戻し媒体温度検出手段）２７が設けられている。

戻し媒体圧力センサ２６および戻し媒体温度センサ２７により、戻しライン２８の作動媒体（点Ｆ）の圧力Ｐｅおよび温度Ｔｅが検出されると、制御装置２３は、記憶装置より作動媒体の過熱度を算出し、所望の過熱度（５〜１５℃程度）となるようエコノマイザ膨張弁２５の開度を調整する。開度を調整してエコノマイザ膨張弁２５を通過した作動媒体（Ｆ→Ｇ_４〜６）は、凝縮器１２から移動してきた循環ライン１６の作動媒体（Ｃ_２）と、エコノマイザ熱交換器２４を介して熱交換する。該熱交換により、図５に示すように、点Ｇ_４〜６の作動媒体は、点Ｈ_４〜６の状態へと変化し、圧縮機１１の低段通過後の点Ｉ_４〜Ｉ_６の作動媒体と混合され、点Ｊ_４〜６（圧縮機１１の中間圧力部１１ａ上流）の状態（過熱蒸気）に変化する。循環ライン１６の作動媒体（Ｃ_２）は、点Ｆ（エコノマイザ熱交換器２４下流の循環ライン１６）の状態（過冷却液）に変化する。そして、点Ｆの作動媒体は、蒸発器１４の下流の作動媒体との循環ライン熱交換器１５における熱交換により、点Ｃ（循環ライン膨張弁１３上流）の状態（過冷却液）に変化する。

前記過熱度が、所定の値（例えば２０〜３０℃）である場合（点Ｂ_４）、制御装置２３は、エコノマイザ膨張弁２５の開度を変更しない。この場合、圧縮機１１の中間圧力部１１ａの作動媒体の状態は点Ｊ_４の状態である。

前記過熱度が、所定の値（例えば２０〜３０℃）より小さい場合（点Ｂ_６）、制御装置２３は、作動媒体の圧力と温度から予め記憶しておいたデータベースより過熱度を求め、所望の過熱度となるよう、エコノマイザ膨張弁２５の開度を小にする。そうすると、圧縮機１１の中間圧力部１１ａの作動媒体の状態は点Ｊ_６から点Ｊ_４の状態になり、作動媒体の過熱度は所望の範囲になる（点Ｂ_６→点Ｂ_４）。

前記過熱度が、所定の値（例えば２０〜３０℃）より大きい場合（点Ｂ_５）、特に状態を変更する必要はないが、前記過熱度が高すぎると、圧縮機１１の油の耐熱性の問題が生じる可能性がある。したがって、前記過熱度が高すぎる場合、制御装置２３により、エコノマイザ膨張弁２５の開度が大きくなるように制御してもよい。そうすることによって、圧縮機１１の中間圧力部１１ａの作動媒体の状態は点Ｊ_５から点Ｊ_４の状態になり、作動媒体の過熱度は所望の範囲になる（点Ｂ_５→点Ｂ_４）。

この構成によれば、戻し媒体圧力センサ２６および戻し媒体温度センサ２７での検出値に基づいて、戻しライン２８から圧縮機１１へ供給される作動媒体の過熱度が所定の値以上となるように、エコノマイザ膨張弁２５の開度を制御するので、作動媒体の循環量を増加させ、圧縮行程において作動媒体を十分過熱された状態に保つことで、ヒートポンプシステム１０を高効率に維持し、かつ、加熱能力を増大させることができる。

なお、本発明のヒートポンプシステム１０は、前記実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、作動媒体は、ＨＦＣ２４５ｆａ／ＨＦＣ１３４ａ＝５０／５０（図６）、ＨＦＣ３６５ｍｆｃ（図７）、ＨＦＯ１２３４ｚｅ（図８）、ＨＦＯ１２３４ｙｆ（図９）、ＨＦＣ４０７Ｅ（図１０）、ＨＦＯ１２３４ｚｅ＋ＨＦＣ３２＋α、ＨＦＯ１２３４ｙｆ＋ＨＦＣ３２＋αのいずれかであってもよい。また、圧縮機１１は二段圧縮機に限るものではなく、単段圧縮機でもよい。

１０ヒートポンプシステム
１１圧縮機
１１ａ中間圧力部
１２凝縮器
１３循環ライン膨張弁
１４蒸発器
１５循環ライン熱交換器
１６循環ライン
１７凝縮用媒体流入ライン
１８凝縮用媒体流出ライン
１９蒸発用媒体流入ライン
２０蒸発用媒体流出ライン
２１吐出圧力センサ（吐出圧力検出手段）
２２吐出温度センサ（吐出温度検出手段）
２３制御装置
２４エコノマイザ熱交換器
２５エコノマイザ膨張弁
２６戻し媒体圧力センサ（戻し媒体圧力検出手段）
２７戻し媒体温度センサ（戻し媒体温度検出手段）
２８戻しライン
３１吸込圧力センサ（吸込圧力検出手段）
３２冷水出口温度センサ（蒸発器出口側蒸発用媒体温度検出手段）

Claims

圧縮機、凝縮器、循環ライン膨張弁、および蒸発器が循環ラインに順に介設されるとともに、前記凝縮器と前記循環ライン膨張弁の間の前記循環ラインの作動媒体と、前記蒸発器と前記圧縮機の間の前記循環ラインの作動媒体とが熱交換可能な循環ライン熱交換器が設けられたヒートポンプシステムにおいて、
前記圧縮機と前記凝縮器との間の前記循環ラインに設けられ、前記圧縮機から吐出された作動媒体の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段と、
前記圧縮機と前記凝縮器との間の前記循環ラインに設けられ、前記圧縮機から吐出された作動媒体の吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、
前記循環ライン熱交換器と前記圧縮機との間の前記循環ラインに設けられ、前記圧縮機に吸い込まれる作動媒体の吸込圧力を検出する吸込圧力検出手段と、
蒸発用媒体を前記蒸発器から流出させる蒸発用媒体流出ラインに設けられ、前記蒸発器から流出された前記蒸発用媒体の温度を検出する蒸発器出口側蒸発用媒体温度検出手段と
を備え、
前記吐出圧力検出手段、前記吐出温度検出手段、前記吸込圧力検出手段、及び前記蒸発器出口側蒸発用媒体温度検出手段での検出値に基づいて、前記圧縮機の圧縮行程における作動媒体の過熱度が所定の値以上となるように、前記循環ライン膨張弁の開度を制御することを特徴とするヒートポンプシステム。
前記作動媒体はＨＦＣ２４５ｆａ、ＨＦＣ２４５ｆａ＋ＨＦＣ１３４ａ、およびＨＦＣ３６５ｍｆｃのいずれか１つを含むことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプシステム。
前記作動媒体はＨＦＯ１２３４ｚｅ、またはＨＦＯ１２３４ｙｆを含むことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプシステム。
前記凝縮器と前記循環ライン熱交換器の間の前記循環ラインから分岐し、該循環ラインの作動媒体を前記圧縮機の中間圧力部に戻すための戻しラインと、
前記凝縮器と前記循環ライン熱交換器の間の前記循環ラインの作動媒体と前記戻しラインの作動媒体とが熱交換可能なエコノマイザ熱交換器、および前記戻しラインのエコノマイザ熱交換器の上流に設けられたエコノマイザ膨張弁とを有するエコノマイザと、
前記戻しラインの前記エコノマイザ熱交換器の下流における作動媒体の圧力を検出する戻し媒体圧力検出手段と、
前記戻しラインの前記エコノマイザ熱交換器の下流における作動媒体の温度を検出する戻し媒体温度検出手段と
を備え、
前記戻し媒体圧力検出手段および前記戻し媒体温度検出手段での検出値に基づいて、前記戻しラインから前記圧縮機へ供給される作動媒体の過熱度が所定の値以上となるように、前記エコノマイザ膨張弁の開度を制御することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム。