JP2018119708A - 冷媒回路システム及び制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、利用側の冷媒温度として80℃以上の高温が要求される高温ヒートポンプでは、冷媒の圧縮比が大となる。そのため、高温ヒートポンプの冷媒回路には、COP(Coefficient Of Performance)の向上を目的として多段の圧縮機構成とガスインジェクション回路とが設けられていることがある。
以下、本発明の第一実施形態による冷媒回路システムを図1〜図6を参照して説明する。
図1は、本発明の第一実施形態における冷媒回路システムを示す第一の図である。
冷媒回路システム1は、例えば給湯器に用いる高温ヒートポンプの冷媒回路である。冷媒回路システム1は、外部から供給された給水を所定の利用側設定温度(利用者が要求する給水の設定温度、例えば80℃など)に上昇させ、この温水をユーザに供給する。本実施形態の冷媒回路システム1では、冷媒にR1234yf等のHFO系の低圧冷媒を用いる。低圧冷媒とは、運転時の高低差圧が低い特性を有する冷媒である。R1234yf等の冷媒は、環境への影響が少ない低GWP(Global Warming Potential:地球温暖化係数)冷媒として、従来広く利用されてきた冷媒の代替として検討されている。
図1が示すとおり冷媒回路システム1は、高段側圧縮機10A、低段側圧縮機10B、利用側熱交換器(凝縮器)11、第1膨張弁12、レシーバ13、切替弁14、過熱熱交換器15、第2膨張弁16、熱源側熱交換器(蒸発器)17、アキュムレータ20、それらを接続する主配管18、過熱熱交換器15を通過する冷媒の通路をバイパスするバイパス配管19、高段側圧縮機10Aと低段側圧縮機10Bとを接続する二方弁21、第3膨張弁22、中間熱交換器23、インジェクション配管24、制御装置100を含んで構成される。なお、第3膨張弁22、中間熱交換器23、インジェクション配管24はガスインジェクション回路を構成する。
なお、図1に示す冷媒回路システム1の具体的な構成は、冷媒回路システム1の基本的な構成を模式的に示したものであって、さらに他の構成要素が含まれていてもよい。
図1は、制御装置100が冷媒の経路が主配管18側となるように切替弁14を切り替えたときの冷媒回路を示している。冷媒がバイパス配管19ではなく、過熱熱交換器15を通過する場合、第2膨張弁16の上流側を流れる冷媒から、熱源側熱交換器17から低段側圧縮機10Bへ流れる冷媒に熱の移動が生じる。これにより、熱源側熱交換器17によって気化された冷媒の温度が上昇し、冷媒が過熱熱交換器15を通過しない場合と比較して、より高温の冷媒が低段側圧縮機10Bに供給される。これにより、R1234yf等の低圧冷媒を用いた場合でも、圧縮機10Aの吐出側温度を所望の高温に到達させることができる。以下、図1で例示する冷媒が過熱熱交換器15を通過する場合の冷媒回路を過熱回路と呼ぶ場合がある。
図2は、制御装置100が切替弁14を冷媒の経路をバイパス配管19側へ切り替えたときの冷媒回路を示している。冷媒がバイパス配管19を通過する場合(過熱熱交換器15を通過しない場合)、第2膨張弁16の上流側を流れる冷媒と、熱源側熱交換器17から低段側圧縮機10Bへ流れる冷媒との間で熱交換が生じない。制御装置100は、低段側圧縮機10Bの吸入側温度の上昇により高段側圧縮機10Aの吐出側温度が過度に上昇した場合、図2に示すように切替弁14を切り替えて、冷媒がバイパス配管19を流れるように制御する。これにより、低段側圧縮機10Bの吸入側温度の上昇による高段側圧縮機10Aの吐出側温度の過度な上昇を抑え、圧縮機10Aの吐出側温度を所望の高温に維持することができる。以下、図2で例示する冷媒がバイパス配管19を通過する場合の冷媒回路を非過熱回路と呼ぶ場合がある。
図3は、冷媒回路システム1を動作させたときの冷凍サイクルを表した圧力とエンタルピの関係線図である。図3のP−h線図において各記号はそれぞれ次の状態を示す。すなわち、A1およびA1´は高段側圧縮機10Aが吐出した冷媒の状態、A2は利用側熱交換器11の出口側での冷媒の状態、A3は第1膨張弁12の出口側での冷媒の状態、A4およびA4´は第2膨張弁16の入口側での冷媒の状態、A5およびA5´は第2膨張弁16の出口側での冷媒の状態、A6およびA6´は低段側圧縮機10Bの吸入側での冷媒の状態、A7およびA7´は低段側圧縮機10Bが吐出した冷媒の状態、A8は第3膨張弁22の出口側での冷媒の状態、A9およびA9´は高段側圧縮機10Aの吸入側での冷媒の状態、をそれぞれ示している。
これらのうち、A1´、A2、A3、A4´、A5´、A6´、A7´、A8、A9´で示される点線のグラフは、制御装置100が冷媒が熱交換を行うように切替弁14を主配管18側に切り替えたとき(過熱回路)のP−h線図である。一方、A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9で示される実線のグラフは、制御装置100が冷媒が熱交換を行わないように切替弁14をバイパス配管19側に切り替えたとき(非過熱回路)のP−h線図である。
上記の説明のように、過熱回路では、低段側圧縮機10Bに流入する冷媒は、第2膨張弁16へ流入する冷媒によって過熱熱交換器15で加熱される(状態A6´)。その影響で、高段側圧縮機10Aの吸入側(状態A7´)および吐出側(状態A9´)のエンタルピが上昇する。一方、第2膨張弁16へ流入する冷媒は、過熱熱交換器15での熱交換により熱源側熱交換器17から低段側圧縮機10Bの吸入側へ流れる冷媒によって冷却される(状態A4´、A5´)。
このように、本実施形態の過熱回路によれば、高段側圧縮機10Aの吐出側温度を高温にすることができるので、低圧冷媒を用いたとしてもエンタルピ差Δi´によって所望の利用側設定温度を得ることができる。
図4は、本発明の第一実施形態における制御装置による制御方法を説明する図である。
図4は、温度センサ31が計測した高段側圧縮機10Aの吐出側温度に基づいて制御装置100が行う高段側圧縮機10Aおよび低段側圧縮機10Bの動作や、切替弁14の切り替え制御を説明する図である。
図4において横軸は高段側圧縮機10Aの吐出側温度、縦軸は制御装置100による制御を示している。
図中、目標値は、高段側圧縮機10Aの吐出側温度の目標値である。制御装置100は、切替弁14を何れか一方に切り替えたうえで、高段側圧縮機10Aの吐出側温度が目標値となるように、高段側圧縮機10Aおよび低段側圧縮機10Bの回転数を制御する。
過熱切替制御値は、制御装置100が、冷媒回路システム1が過熱回路を構成するように切替弁14を切り替える温度である。制御装置100は、高段側圧縮機10Aの吐出側温度が、目標値より低い過熱切替制御値未満へ低下すると、冷媒が過熱熱交換器15を通過するように切替弁14を切り替える制御を行う。
非過熱切替制御値は、制御装置100が、冷媒回路システム1が非過熱回路を構成するように切替弁14を切り替える温度である。制御装置100は、高段側圧縮機10Aの吐出側温度が、目標値を超え過熱切替制御値以上となると、冷媒が過熱熱交換器15ではなくバイパス配管19を通過するように切替弁14を切り替える制御を行う。
第2解除値は、制御装置100による高段側圧縮機10Aおよび低段側圧縮機10Bの回転数の制限を解除する温度である。高段側圧縮機10Aの吐出側温度が第2解除値未満になると、制御装置100が、高段側圧縮機10Aおよび低段側圧縮機10Bの回転数の制限を停止し、通常の回転数制御を行う。
第1解除値は、制御装置100による高段側圧縮機10Aおよび低段側圧縮機10Bの停止制限を解除する温度である。高段側圧縮機10Aの吐出側温度が第1解除値未満になると、制御装置100は、高段側圧縮機10Aおよび低段側圧縮機10Bの運転を再開する。
前提として、制御装置100は、所定の時間間隔で温度センサ31が計測した温度の情報を取得し、取得した温度の情報を内蔵する記憶部(図示せず)に記録する。また、冷媒にはR1234yfが用いられる。
また、熱交換器(過熱熱交換器15)を通過する冷媒の流量を調整することにより、圧縮機(低段側圧縮機10B)の吸入側へ流入する冷媒の過度な温度上昇を防ぎ、適切な温度に維持することができる。これにより、圧縮機(高段側圧縮機10A)の吐出側温度を所望の目標温度に維持することができる。
上記の例では、目標値に圧縮機(高段側圧縮機10A)の吐出側の目標温度を設定し、制御装置100は、この目標値が過熱切替制御値や非過熱切替制御値となることに基づいて、切替弁14の切り替えを行った。他の例として、制御装置100は、圧縮機に関係する他の温度、例えば圧縮機(高段側圧縮機10A、低段側圧縮機10B)のドーム下温度(圧縮機ケーシング下の温度)、圧縮機(低段側圧縮機10B)の吸入側温度の目標値に基づいて切替弁14の切り替え制御を行っても良い。また、制御装置100は、温度センサ32が計測した温度、圧力センサ33が計測した圧力に基づいて、圧縮機(低段側圧縮機10B)の吸入側の過熱度を監視し、吸入側の過熱度が適切な範囲の温度となるように切替弁14の切り替え制御を行ってもよい。適切な吸入側の過熱度は、冷媒によって異なるが、例えばR1234yfの場合、過熱度が0〜40度の範囲となるように制御する。
図6は、本発明の第一実施形態における冷媒回路システムを示す第三の図である。
図6に例示する冷媒回路システム1Aでは、バイパス配管19´は、熱源側熱交換器17とアキュムレータ20を接続する配管において過熱熱交換器15をバイパスするように設けられる。また、切替弁14´は、熱源側熱交換器17からアキュムレータ20側へ流れる冷媒にとっての過熱熱交換器15の入口側に設けられる。制御装置100は、高段側圧縮機10Aの吐出側温度が非過熱切替制御値以上となれば、冷媒がバイパス配管19´を通過するように切替弁14´を切り替える。また、高段側圧縮機10Aの吐出側温度が過熱切替制御値未満となれば、制御装置100は、冷媒が過熱熱交換器15を通過するように切替弁14´を切り替える。
以下、本発明の第二実施形態による冷媒回路システムを図7〜図8を参照して説明する。
蒸発器の上流側に設けられた膨張弁に流入する冷媒の熱を利用して、熱交換器によって圧縮機の吸入側へ流入する冷媒の温度を上昇させる構成および当該熱交換器を通過する冷媒の流量を調整する構成は、ガスインジェクション回路を備えない冷媒回路に適用することも可能である。
図7は、本発明の第二実施形態における冷媒回路システムを示す図である。
図7が示すとおり冷媒回路システム1Bは、高段側圧縮機10A、低段側圧縮機10B、利用側熱交換器11、第1膨張弁12、レシーバ13、切替弁14、過熱熱交換器15、第2膨張弁16、熱源側熱交換器17、アキュムレータ20、それらを接続する主配管18、過熱熱交換器15を通過する冷媒の通路をバイパスするバイパス配管19、高段側圧縮機10Aと低段側圧縮機10Bとを接続する二方弁21、制御装置100を含んで構成される。また、冷媒回路システム1には、温度センサ31、温度センサ32、圧力センサ33、温度センサ34が設けられている。
図8は、本実施形態に係る冷媒回路システム1Bの冷凍サイクルを表した圧力とエンタルピの関係線図である。図8において各記号はそれぞれ次の状態を示す。すなわち、B1およびB1´は高段側圧縮機10Aが吐出した冷媒の状態、B2は利用側熱交換器11の出口側での冷媒の状態、B3およびB3´は第2膨張弁16の入口側での冷媒の状態、B4およびB4´は第2膨張弁16の出口側での冷媒の状態、B5およびB5´は低段側圧縮機10Bの吸入側での冷媒の状態、をそれぞれ示している。
上記の説明のように、過熱回路では、低段側圧縮機10Bに流入する冷媒は、第2膨張弁16へ流入する冷媒によって過熱熱交換器15で加熱される(状態B5´)。その影響で、高段側圧縮機10Aの吐出側(状態B1´)のエンタルピが上昇する。一方、第2膨張弁16へ流入する冷媒は、過熱熱交換器15での熱交換により熱源側熱交換器17から低段側圧縮機10Bの吸入側へ流れる冷媒によって冷却される(状態B3´、B4´)。
なお、第一実施形態、第二実施形態において、圧縮機の数は2段でなく、3段や4段またはそれ以上であってもよい。
以下、本発明の第二実施形態による冷媒回路システムを図9〜図10を参照して説明する。
蒸発器の上流側に設けられた膨張弁に流入する冷媒の熱を利用して熱交換することにより、圧縮機の吸入側へ流入する冷媒の温度を上昇させる構成および熱交換する冷媒量を調整する構成は、多段圧縮機を備えない冷媒回路に適用することも可能である。
図9は、本発明の第三実施形態における冷媒回路システムを示す図である。
図9が示すとおり冷媒回路システム1Cは、圧縮機10、利用側熱交換器11、切替弁14、過熱熱交換器15、膨張弁16´、熱源側熱交換器17、アキュムレータ20、それらを接続する主配管18、過熱熱交換器15を通過する冷媒の通路をバイパスするバイパス配管19、制御装置100を含んで構成される。また、冷媒回路システム1には、圧縮機10の出口側に温度センサ31、圧縮機10の吸入側に温度センサ32および圧力センサ33、過熱熱交換器15のアキュムレータ20側の出口側に温度センサ34が設けられている。
図10は、本実施形態に係る冷媒回路システム1Cの冷凍サイクルを表した圧力とエンタルピの関係線図である。図10において各記号はそれぞれ次の状態を示す。すなわち、C1およびC1´は圧縮機10が吐出した冷媒の状態、C2は利用側熱交換器11の出口側での冷媒の状態、C2およびC2´は膨張弁16´の入口側での冷媒の状態、C3およびC3´は膨張弁16´の出口側での冷媒の状態、C4およびC4´は圧縮機10の吸入側での冷媒の状態、をそれぞれ示している。
10・・・圧縮機
10A・・・高段側圧縮機
10B・・・低段側圧縮機
11・・・利用側熱交換器
12・・・第1膨張弁
13・・・レシーバ
14・・・切替弁
15・・・過熱熱交換器
16・・・第2膨張弁
16´・・・膨張弁
17・・・熱源側熱交換器
18・・・主配管
19・・・バイパス配管
20・・・アキュムレータ
21・・・二方弁
22・・・第3膨張弁
23・・・中間熱交換器
24・・・インジェクション配管
31、32、34・・・温度センサ
33・・・圧力センサ
100・・・制御装置
Claims (14)
- 冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる利用側熱交換器と、
前記冷媒を減圧する膨張弁と、
前記膨張弁にて減圧された前記冷媒を蒸発させる熱源側熱交換器と、
前記膨張弁に流入する前記冷媒と、前記熱源側熱交換器から前記圧縮機に流入する前記冷媒と、の間で熱交換を行う過熱熱交換器と、
前記過熱熱交換器を通過する前記冷媒の流れをバイパスするバイパス回路と、
前記過熱熱交換器を通過する前記冷媒の流量を調整する流量調整手段と、
を備える冷媒回路システム。 - 冷媒を圧縮する直列に接続された複数の圧縮機と、
前記複数の圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる利用側熱交換器と、
前記冷媒の一部を貯留するレシーバと、
前記レシーバから流出する前記冷媒を減圧する膨張弁と、
前記膨張弁にて減圧された前記冷媒を蒸発させる熱源側熱交換器と、
前記膨張弁に流入する前記冷媒と、前記熱源側熱交換器から前記圧縮機に流入する前記冷媒との間で熱交換を行う過熱熱交換器と、
前記過熱熱交換器を通過する前記冷媒の流れをバイパスするバイパス回路と、
前記過熱熱交換器を通過する前記冷媒の流量を調整する流量調整手段と、
を備える冷媒回路システム。 - 前記レシーバから流出する前記冷媒の一部を分岐し、当該分岐した冷媒を、前記複数の圧縮機のうち所定の圧縮機の吸入側に供給するガスインジェクション回路
をさらに備える請求項2に記載の冷媒回路システム。 - 前記バイパス回路は、前記利用側熱交換器から前記過熱熱交換器を通過して前記膨張弁に至る冷媒の経路のうち、前記過熱熱交換器をバイパスする経路として設けられる、
請求項1から請求項3の何れか1項に記載の冷媒回路システム。 - 前記バイパス回路は、前記熱源側熱交換器から前記過熱熱交換器を通過して前記圧縮機に至る冷媒の経路のうち、前記過熱熱交換器をバイパスする経路として設けられる、
請求項1から請求項3の何れか1項に記載の冷媒回路システム。 - 前記流量調整手段を制御する制御装置、をさらに備え、
前記制御装置は、前記圧縮機に関する温度が所定の非過熱切替制御値以上となると、前記過熱熱交換器を通過する前記冷媒の流量が減少するように前記流量調整手段を制御する、
請求項1から請求項5の何れか1項に記載の冷媒回路システム。 - 前記制御装置は、前記圧縮機に関する温度が所定の過熱切替制御値未満となると、前記過熱熱交換器を通過する前記冷媒の流量が増加するように前記流量調整手段を制御する、
請求項6に記載の冷媒回路システム。 - 前記制御装置は、前記圧縮機に関する温度に代えて、前記過熱熱交換器の出口側の温度が所定の閾値以上となると、前記過熱熱交換器を通過する前記冷媒の流量が減少するように前記流量調整手段を制御する、
請求項6に記載の冷媒回路システム。 - 前記制御装置は、前記圧縮機に関する温度に代えて、前記過熱熱交換器の出口側の温度が所定の閾値未満となると、前記過熱熱交換器を通過する前記冷媒の流量が増加するように前記流量調整手段を制御する、
請求項7に記載の冷媒回路システム。 - 前記制御装置は、前記圧縮機の吸入側の過熱度が所定の範囲内となるように前記流量調整手段を制御する、
請求項6から請求項9の何れか1項に記載の冷媒回路システム。 - 前記制御装置は、前記圧縮機に関する温度が、前記非過熱切替制御値より高い所定の第1制限値以上となると前記圧縮機の回転数を低下させ、前記第1制限値より高い所定の第2制限値以上となると前記圧縮機を停止する、
請求項6から請求項10の何れか1項に記載の冷媒回路システム。 - 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる利用側熱交換器と、前記冷媒を減圧する膨張弁と、前記冷媒を蒸発させる熱源側熱交換器と、前記膨張弁に流入する前記冷媒と、前記熱源側熱交換器から前記圧縮機に流入する前記冷媒との間で熱交換を行う過熱熱交換器と、前記過熱熱交換器を通過する前記冷媒の流れをバイパスするバイパス回路と、前記過熱熱交換器を通過する前記冷媒の流量を調整する流量調整手段と、を備える冷媒回路システムを制御する制御方法であって、
前記流量調整手段は、前記圧縮機に関する温度に基づいて、前記過熱熱交換器を通過する前記冷媒の流量を調整する、
制御方法。 - 加熱サイクルを構成する冷媒回路において、前記冷媒回路が備える膨張弁へ流入する冷媒と、前記冷媒回路が備える蒸発器から流出した冷媒とを熱交換し、前記冷媒回路が備える圧縮機へ流入する前記冷媒を加熱する、
制御方法。 - 前記圧縮機の吐出側温度に基づいて、前記熱交換する前記冷媒の流量を調整する、
請求項13に記載の制御方法。
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