JP2018204849A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧圧力が上がりにくい場合を回避する。【解決手段】循環液を冷却及び加熱可能なヒートポンプ装置１は、外気−冷媒熱交換器３１と、循環液−冷媒熱交換器３２と、レシーバ２３と、ブリッジ回路１８と、絞り回路１９と、制御部８０と、を備える。レシーバ２３は、外気−冷媒熱交換器３１及び循環液−冷媒熱交換器３２に接続される。ブリッジ回路１８は、循環液の冷却時には外気−冷媒熱交換器３１からの冷媒を、循環液の加熱時には循環液−冷媒熱交換器３２からの冷媒を、レシーバ２３へ供給する。絞り回路１９は、レシーバ２３とブリッジ回路１８とを接続する冷媒経路に配置される。制御部８０は、循環液の冷却時において外気の温度が予め定められた第１温度よりも低い場合、又は、循環液の加熱時において循環液の温度が予め定められた第２温度よりも低い場合に、絞り回路１９における冷媒の流れ易さを冷媒回路の圧力に応じて変更する。【選択図】図１

Description

本発明は、供給される循環液を冷却及び加熱することが可能なヒートポンプ装置の構成に関する。

従来から、熱交換器を用いて循環液の温度を調整するとともに、配管を用いて循環液を外部装置との間で循環させることで、外部装置に冷熱又は温熱を供給するヒートポンプ装置が知られている。

特許文献１には、循環液を冷却及び加熱するものではないが、冷房及び暖房が可能な空気調和機の冷凍サイクルが開示されている。この空気調和機は、室内熱交換器と室外熱交換器の間に、余剰冷媒を貯留するためのレシーバを有している。また、特許文献１の空気調和機は逆止弁ブリッジ回路を備え、この逆止弁ブリッジ回路により、冷房運転時は、室外熱交換器からの冷媒がレシーバへ流入し、暖房運転時は、室内熱交換器からの冷媒がレシーバへ流入する。

特許文献１の空気調和機において、レシーバと、逆止弁ブリッジ回路と、の間には、第１の絞り装置が設けられている。この構成で、冷房運転時は、圧縮機から吐出された高温高圧のガス冷媒が室外熱交換器での熱交換により液体の冷媒となるが、この液体の冷媒がレシーバへ流入する前に第１の絞り装置によって中圧まで減圧される。一方、暖房運転時は、圧縮機から吐出された高温高圧のガス冷媒が室内熱交換器での熱交換により液体の冷媒となるが、この液体の冷媒がレシーバへ流入する前に第１の絞り装置によって中圧まで減圧される。

特開２００２−２７７０７９号公報

ところで、循環液を冷却及び加熱するヒートポンプ装置は、運転に適した環境で稼動する場合だけでなく、例えば、冷媒の流量が少ない場合、外気温が低い状況で冷却を行いたい場合、又は、循環液温度が低い状況で加熱を行いたい場合等においても、冷媒を圧縮機で圧縮したときの圧力（高圧圧力）が十分に高いことが望まれる。

しかしながら、特許文献１においては、空気調和機において逆止弁ブリッジ回路とレシーバとの間に第１の絞り装置が設けられているものの、この絞りの開度を状況に応じてどのように制御するかについて、特に触れられていない。従って、ヒートポンプ装置の高性能化等の観点から改善の余地が残されていた。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、高圧圧力が上がりにくい場合を回避することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の観点によれば、供給される循環液を冷却及び加熱することが可能なヒートポンプ装置における以下の構成が提供される。即ち、このヒートポンプ装置は、第１熱交換器と、第２熱交換器と、レシーバと、ブリッジ回路と、絞り部と、制御部と、を備える。前記第１熱交換器は、外気と冷媒との間で熱交換を行う。前記第２熱交換器は、前記循環液と前記冷媒との間で熱交換を行う。前記レシーバは、前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器に接続される。前記ブリッジ回路は、前記循環液の冷却時には前記第１熱交換器からの前記冷媒を前記レシーバへ供給し、前記循環液の加熱時には前記第２熱交換器からの前記冷媒を前記レシーバへ供給する。前記絞り部は、前記レシーバと前記ブリッジ回路とを接続する冷媒経路に配置される。前記制御部は、前記循環液の冷却時において前記外気の温度が予め定められた第１温度よりも低い場合、又は、前記循環液の加熱時において前記循環液の温度が予め定められた第２温度よりも低い場合に、前記絞り部における冷媒の流れ易さを冷媒回路の圧力に応じて変更する。

これにより、循環液の冷却運転時及び加熱運転時の何れにおいても、冷媒の高圧圧力が得られにくい状況を絞り部の制御によって回避することができるので、良好なサイクルを実現することができる。

前記のヒートポンプ装置においては、前記第１温度は２１℃以下であることが好ましい。

これにより、循環液の冷却時において外気温が低い状況に対し、冷媒回路の圧力に応じた絞り部の制御を適切に行うことができる。

前記のヒートポンプ装置においては、前記第２温度は、加熱運転時における循環液の温度設定範囲の下限以下の温度であることが好ましい。

これにより、循環液の加熱時において循環液の温度が低い状況に対し、冷媒回路の圧力に応じた絞り部の制御を適切に行うことができる。

前記のヒートポンプ装置においては、前記冷媒の高圧圧力が予め定められた判定範囲から外れている場合に、前記絞り部における冷媒の流れ易さを冷媒回路の圧力に応じて変更することが好ましい。

これにより、高圧圧力が上がりにくい場合、及び、過負荷により圧力が過剰に高くなっている場合等において、冷媒回路の圧力を適切に制御することができる。

前記のヒートポンプ装置においては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、前記制御部は、第１制御と、第２制御と、を選択的に行う。前記第１制御において、前記制御部は、前記絞り部における冷媒の流れ易さを冷媒回路の圧力に応じて変更する。前記第２制御において、前記制御部は、前記絞り部で行われる過冷却の強さを、目標過冷却度と現在の過冷却度との差に応じて変更する。

これにより、共通の絞り部を用いて、高圧圧力を良好に得たい状況と、冷媒に適切な強さで過冷却を行いたい状況と、の両方に対応することができる。

前記のヒートポンプ装置においては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、前記制御部は、前記第２制御を、前記循環液の冷却時においては、前記外気の温度が前記第１温度以上であり、かつ、前記冷媒の高圧圧力が予め定められた第１判定範囲内であるときに行う。前記制御部は、前記第２制御を、前記循環液の加熱時においては、前記循環液の温度が前記第２温度以上であり、かつ、前記冷媒の高圧圧力が予め定められた第２判定範囲内であるときに行う。

これにより、状況に応じた適切な制御を行うことができる。

前記のヒートポンプ装置においては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、前記制御部は、前記目標過冷却度を、前記冷媒回路における冷媒の循環流量に基づいて求める。前記制御部は、前記現在の過冷却度を、前記第１熱交換器又は前記第２熱交換器から前記絞り部に至る冷媒経路において検出された冷媒の温度と、冷媒の高圧圧力と、を用いて求める。

これにより、目標過冷却度を実質的に負荷に応じて定めることができるとともに、第１熱交換器又は第２熱交換器の出口等で冷媒の圧力を検出することなく、冷媒の過冷却度を取得することができる。これにより、簡素な構成で冷媒の過冷却度を適切に制御することができるので、性能の優れたヒートポンプ装置を実現することができる。

前記のヒートポンプ装置においては、前記絞り部は、互いに並列に接続された複数の弁を備えることが好ましい。

これにより、絞り部における冷媒の流れ易さを、状況に応じて柔軟に変更することができる。

前記のヒートポンプ装置においては、前記絞り部は、開度を調整可能な膨張弁を備えることが好ましい。

これにより、絞り部によって、冷媒に与えられる過冷却の強さを調整することができる。

本発明の一実施形態に係るヒートポンプ装置の冷媒回路図。 絞り回路を制御するための構成を示す機能ブロック図。 循環液を冷却する場合の制御部の処理を示すフローチャート。 循環液を加熱する場合の制御部の処理を示すフローチャート。

次に、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は、本実施形態に係るヒートポンプ装置１の冷媒回路図である。

図１に示すヒートポンプ装置１はヒートポンプチラーとして構成されており、外気−冷媒熱交換器（第１熱交換器）３１と、循環液−冷媒熱交換器（第２熱交換器）３２と、を備える。ヒートポンプ装置１は、外気−冷媒熱交換器３１と、循環液−冷媒熱交換器３２と、の間で冷媒を介して熱交換を行うことで、循環液−冷媒熱交換器３２に供給される循環液を冷却したり加熱したりすることができる。

本明細書において、冷媒とは熱を運ぶ媒体を意味し、ヒートポンプ装置１に導入された循環液を冷却するために用いられる場合と、循環液を加熱するために用いられる場合と、を含む概念である。循環液がヒートポンプ装置１において冷却される場合は、外部装置９０に冷熱が供給され、循環液がヒートポンプ装置１において加熱される場合は、外部装置９０に温熱が供給される。循環液としては、例えば水を用いることができるが、これに限定されない。

ヒートポンプ装置１（循環液−冷媒熱交換器３２）と、外部装置９０と、の間は、１対の循環液配管９１によって接続されている。循環液は、この循環液配管９１で循環するように構成される。ヒートポンプ装置１で冷却又は加熱された循環液は、外部装置９０に送られて冷熱又は温熱を供給した後、ヒートポンプ装置１に戻される。

ヒートポンプ装置１は、コンプレッサ１１を備える。このコンプレッサ１１は、駆動源としてのエンジン１２によって駆動される。本実施形態において、このエンジン１２は、ガスを燃料とするガスエンジンとして構成されているが、ガス以外の燃料（重油、灯油等）を用いても良い。また、コンプレッサ１１は、エンジン１２以外の駆動源（例えば、電動モータ）によって駆動されても良い。

アキュムレータ１３は、冷媒を液とガスとに分離して、ガス状態の冷媒をコンプレッサ１１に供給する。これにより、コンプレッサ１１による液圧縮が防止される。コンプレッサ１１は、駆動されることにより、アキュムレータ１３からガス状態の冷媒を吸入する。冷媒は、コンプレッサ１１により断熱的に圧縮されることで過熱状態となり、高温かつ高圧のガス状となる。コンプレッサ１１は、このガス状の冷媒をオイルセパレータ１５へ吐出する。

オイルセパレータ１５は、ガス状の冷媒から、コンプレッサ１１用の潤滑油を分離する。この分離された潤滑油は、図略の油戻し回路によってコンプレッサ１１に戻される。オイルセパレータ１５によって潤滑油が分離されたガス状の冷媒は、四方弁１７へ供給される。

四方弁１７は、４つのポートを有する切替弁として構成されている。四方弁１７は、循環液を冷却する冷却運転時と、循環液を加熱する加熱運転時とで、冷媒の供給先を異ならせるように切り替えることができる。

最初に、冷却運転時の冷媒の流れについて説明する。

循環液を冷却する場合、四方弁１７は、図１の実線で示すようにポート同士を接続することで、２つの外気−冷媒熱交換器３１へガス状の冷媒を供給する。外気−冷媒熱交換器３１としては、例えば、プレートフィンチューブ式の熱交換器を用いることができる。外気−冷媒熱交換器３１では外気と高温の冷媒との間で熱交換が行われ、これにより冷媒は凝縮して、高圧の液状に変化する。即ち、このとき、外気−冷媒熱交換器３１は凝縮器として機能する。外気−冷媒熱交換器３１で熱交換されて液状となった冷媒は、複数の逆止弁から構成される公知のブリッジ回路１８を通過した後、絞り回路（絞り部）１９を経由して、レシーバ２３へ供給される。なお、絞り回路１９は、その絞り効果によって、外気−冷媒熱交換器３１の出口の冷媒に過冷却を付与することが可能であり、その詳細については後述する。

レシーバ２３から出た高圧の液状の冷媒は、過冷却用熱交換器２４を通過することにより過冷却が行われた後、膨張弁２６を通過することにより減圧され、低温かつ低圧の霧状（気液混合状態）となる。その後、冷媒は、ブリッジ回路１８を経由して、循環液−冷媒熱交換器３２へ供給される。循環液−冷媒熱交換器３２としては、例えば、プレート式の熱交換器を用いることができる。循環液−冷媒熱交換器３２では、循環液と低温の冷媒との間で熱交換が行われ、これにより、循環液を冷却することができる。この熱交換に伴って冷媒の霧状の部分が蒸発し、低温かつ低圧のガス状に変化する。即ち、このとき、循環液−冷媒熱交換器３２は蒸発器として機能する。その後、冷媒は、四方弁１７を経由してアキュムレータ１３に戻される。

次に、加熱運転時の冷媒の流れについて説明する。

循環液を加熱する場合、四方弁１７は、図１の破線で示すようにポート同士を接続することで、循環液−冷媒熱交換器３２へガス状の冷媒を供給する。循環液−冷媒熱交換器３２では、循環液と高温の冷媒との間で熱交換が行われ、これにより、循環液を加熱することができる。これにより冷媒は凝縮して、低温かつ高圧の液状に変化する。即ち、このとき、循環液−冷媒熱交換器３２は凝縮器として機能する。循環液−冷媒熱交換器３２で熱交換されて液状になった冷媒は、ブリッジ回路１８及び絞り回路１９を経由して、レシーバ２３へ供給される。

レシーバ２３から出た低温かつ高圧の液状の冷媒は、過冷却用熱交換器２４を通過することにより過冷却が行われた後、膨張弁２６を通過することにより減圧され、低温かつ低圧の霧状（気液混合状態）となる。その後、冷媒は、ブリッジ回路１８を経由して、外気−冷媒熱交換器３１へ供給される。外気−冷媒熱交換器３１では、外気と低温の冷媒との間で熱交換が行われる。この熱交換に伴って冷媒の霧状の部分が蒸発し、低温かつ低圧のガス状に変化する。即ち、このとき、外気−冷媒熱交換器３１は蒸発器として機能する。その後、冷媒は、四方弁１７を経由してアキュムレータ１３に戻される。

次に、冷媒に過冷却を付与可能であり、かつ、その過冷却度を調整可能な絞り回路１９について、詳細に説明する。

この絞り回路１９は、ブリッジ回路１８とレシーバ２３とを接続する冷媒経路に配置されている。絞り回路１９は、ブリッジ回路１８から流入する低温かつ高圧の液状の冷媒に対して例えば絞り膨張を行うことによって、上流側の熱交換器（外気−冷媒熱交換器３１又は循環液−冷媒熱交換器３２）の出口の冷媒に対して過冷却を付与することができる。

絞り回路１９は、互いに並列に接続された、第１路４１と、第２路４２と、第３路４３と、第４路４４と、を備える。

第１路４１には、第１開閉弁５１が配置されている。この第１開閉弁５１は電磁弁として構成されており、電気信号に基づいて、第１路４１における冷媒の流れを許容する状態と、阻止する状態と、の間で切り換えることができる。

第２路４２には、第２開閉弁５２が配置されている。この第２開閉弁５２は第１開閉弁５１と同様に電磁弁として構成されており、電気信号に基づいて第２路４２を開閉することができる。

第３路４３には、膨張弁５３が配置されている。この膨張弁５３は、第３路４３を流れる冷媒を減圧することができる。また、この膨張弁５３は、冷媒を減圧する度合いを変更するために、その開度を調節可能に構成されている。

第４路４４は、例えばキャピラリ管等の細管として構成され、固定絞りとして冷媒の流量を制限できるように構成されている。

以上の構成で、第１開閉弁５１及び第２開閉弁５２の開閉の組合せにより、絞り回路１９における冷媒の流れ易さを複数段階で変更することができる。また、膨張弁５３の開度を変更することで、減圧されてレシーバ２３に流入する冷媒の割合を変更することができる。

次に、レシーバ２３を出た冷媒に対して過冷却を付与する過冷却用熱交換器２４を説明する。

過冷却用熱交換器２４は、レシーバ２３と膨張弁２６との間に配置されており、レシーバ２３から膨張弁２６に流れる液状の冷媒を冷却することができる。具体的に説明すると、過冷却用熱交換器２４を出た液状の冷媒の一部は、膨張弁２７によって減圧されて霧状にされるとともに過冷却用熱交換器２４に流れ、レシーバ２３から流れる液状の冷媒との間で熱交換が行われる。これにより、膨張弁２６に対し、より低温な液状の冷媒を供給することができる。

次に、絞り回路１９を制御するためにヒートポンプ装置１が備える電気的構成について説明する。図２は、絞り回路１９を制御するための構成を示す機能ブロック図である。

図２に示すように、ヒートポンプ装置１は、絞り回路１９を制御するための制御部８０を備える。

具体的に説明すると、この制御部８０は公知のコンピュータとして構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備える。そして、前記ＲＯＭには、絞り回路１９を適宜するためのプログラムが記憶されている。このハードウェア及びソフトウェアの協働により、このコンピュータを、絞り回路１９を制御する制御部８０として動作させることができる。

次に、制御部８０が行う制御のために情報を取得するための各種のセンサを説明する。

ヒートポンプ装置１は、高圧センサ７１と、循環液温度センサ７３と、第１温度センサ７６と、第２温度センサ７７と、外気温センサ７４と、を備える。これらのセンサは、何れも制御部８０に電気的に接続されている。

高圧センサ７１は、図１に示すように、コンプレッサ１１とオイルセパレータ１５の間の冷媒の経路に配置されており、冷媒の圧力を検出することができる。この高圧センサ７１による検出結果は、冷媒の凝縮温度を推定するために用いられる。

第１温度センサ７６は、外気−冷媒熱交換器３１からブリッジ回路１８に至る冷媒の経路に配置されており、冷媒の温度を検出することができる。この第１温度センサ７６が検出した温度は、冷却運転時の過冷却度を計算するために用いられる。

第２温度センサ７７も第１温度センサ７６と同様の構成を有しており、循環液−冷媒熱交換器３２からブリッジ回路１８に至る冷媒の経路に配置される。この第２温度センサ７７が検出した温度は、加熱運転時の過冷却度を計算するために用いられる。

循環液温度センサ７３は、ヒートポンプ装置１に供給される循環液の温度を検出することができる。循環液温度センサ７３は、循環液−冷媒熱交換器３２において、循環液が供給される入口の近傍に配置されている。

外気温センサ７４は、外気の温度を検出することができる。この外気温センサ７４は、例えば、エンジン１２を配置するためにヒートポンプ装置１に形成される図示しないエンジンルームの換気口に配置することができるが、これに限定されない。

制御部８０は、第１開閉弁５１、第２開閉弁５２及び膨張弁５３のそれぞれに電気的に接続されている。制御部８０は、上記のセンサから入力された情報に基づいて、第１開閉弁５１、第２開閉弁５２及び膨張弁５３に対して電気信号を出力して制御する。

この構成のヒートポンプ装置１が使用される状況は様々であり、例えば、冷媒の流量が少ない場合、外気温が低い状況で循環液の冷却を行いたい場合、又は、循環液温度が低い状況で循環液の加熱を行いたい場合等も想定される。一般的に、これらの場合においては、回路内での冷媒圧力が低くなるので、十分な高圧圧力が得られにくい傾向にある。

この点、本実施形態のヒートポンプ装置１は、制御部８０が以下のようにして絞り回路１９の流れ易さを適宜制御することで、良好なサイクルを実現するように構成されている。

まず、冷却運転時のフローについて、図３を参照して説明する。図３は、循環液を冷却する場合の制御部８０の処理を示すフローチャートである。

図３の処理が開始されると、制御部８０は、外気温センサ７４の検出結果に基づき、外気の温度が所定の閾値（第１温度）より低いか否かを判断する（ステップＳ１０１）。この第１温度は適宜定めることができるが、好ましくは２０℃以下、更に好ましくは１５℃以下の温度とすることができる。別の観点で言えば、日本工業規格のＢ８６１３に規定するウォータチリングユニットの冷却試験に関し、熱源が空冷式である場合の凍結条件として定められる乾球温度が２１℃であるので、第１温度は、この２１℃以下とすることが望ましい。本実施形態では、第１温度は１０℃に定められている。

外気温が上記の第１温度より低い場合には、冷媒回路における圧力が低下するために、十分に高い高圧圧力を実現しにくい状態であると考えられる。そこで、この場合、制御部８０は、絞り回路１９より上流側での冷媒の圧力が適切となるように、第１開閉弁５１、第２開閉弁５２及び膨張弁５３のうち少なくとも何れかの開閉を制御する（ステップＳ１０２）。なお、ステップＳ１０２の制御の具体例については後述する。その後、処理はステップＳ１０１に戻る。

ステップＳ１０１の判断で、外気温が第１温度と等しいかそれよりも高い場合、制御部８０は、高圧センサ７１の検出結果に基づき、ヒートポンプ装置１における冷媒の圧力が所定の範囲（第１判定範囲）に入っているか否かを判断する（ステップＳ１０３）。この第１判定範囲は、コンプレッサ１１の仕様で定められている適正な圧力範囲、例えば、コンプレッサの保護のための圧力範囲等に基づいて定められる。言い換えれば、ステップＳ１０３における第１判定範囲は、コンプレッサ１１の性能等に応じて様々に設定され得る。

ステップＳ１０３の判断で、冷媒の圧力が上記の第１判定範囲内に入っていない場合、制御部８０は、外気温が第１温度より低い場合と同様に、絞り回路１９より上流側での冷媒の圧力が適切となるように、第１開閉弁５１、第２開閉弁５２及び膨張弁５３のうち少なくとも何れかを制御する（ステップＳ１０２）。その後、処理はステップＳ１０１に戻る。

ステップＳ１０２の処理としては様々なものが考えられるが、例えば以下のように制御することができる。

ステップＳ１０１において、外気温センサ７４で得られる外気の温度の値が閾値より低い場合、又は、ステップＳ１０３において、高圧センサ７１で得られる高圧圧力の値が第１判定範囲から低い側に外れる場合は、ステップＳ１０２で、制御部８０は、第１開閉弁５１を閉じ、第２開閉弁５２を閉じる。次に、制御部８０は、高圧センサ７１が検出した圧力が所定の範囲（第１圧力制御範囲）より低い側に外れている場合は、膨張弁５３の開度を現在より減少させ、高い側に外れている場合は、膨張弁５３の開度を現在より増加させる制御を、一定の周期で繰り返す。なお、この制御で用いられる第１圧力制御範囲は、ステップＳ１０３の判断で用いられる第１判定範囲とは異なるが、当該第１判定範囲を考慮して定められることは勿論である。

これにより、例えば、コンプレッサ１１の性能維持のために好ましくない程に高圧圧力が低い場合に、第１開閉弁５１、第２開閉弁５２及び膨張弁５３を閉じることで、高圧圧力の上昇を促して、コンプレッサ１１を良好に保護することができる。また、外気温が低い場合でも、絞り回路１９において冷媒が流れにくくする制御を行うことで、高圧圧力が上がり易くすることができる。一方、高圧圧力が上昇するのに伴って膨張弁５３の開度が増加するように制御されるので、高圧圧力の制御がオーバーシュートして上がり過ぎるのを抑制することができる。

一方、ステップＳ１０３において、高圧センサ７１から得られる高圧圧力の値が第１判定範囲から高い側に外れる場合は、ステップＳ１０２で、制御部８０は、第１開閉弁５１及び第２開閉弁５２を開くように制御する。ただし、第１開閉弁５１及び第２開閉弁５２のうち一方だけを開いても良い。これにより、絞り回路１９において絞りが実質的に行われなくなるので、例えば何らかの理由で過負荷が生じている場合において、高圧圧力の過剰な上昇を回避することができる。

これにより、絞り回路１９の上流側で適切な高圧圧力が得られ、ヒートポンプ装置１において良好なサイクルを実現することができる。

ステップＳ１０３の判断で、冷媒の圧力が上記の第１判定範囲内に入っている場合、制御部８０は、冷媒の循環量を推定するとともに、これに応じた最適な過冷却度となるように、第１開閉弁５１、第２開閉弁５２及び膨張弁５３のうち少なくとも何れかを制御する（ステップＳ１０４）。

以下、この過冷却調整制御について詳細に説明する。まず、制御部８０は、ヒートポンプ装置１において冷媒が循環する循環流量を求める。この冷媒の循環流量は、コンプレッサ１１の回転数を（例えばエンジン回転数に基づいて）求めるとともに、この回転数と、コンプレッサ１１における冷媒吐出し量と、に基づいて求めることができる。一般的に、低負荷運転時には冷媒の循環流量が少なくなる一方、高負荷運転時には循環流量が多くなる。従って、冷媒の循環流量は、ヒートポンプ装置１の負荷を実質的に示すものであるということができる。

そして、制御部８０は、得られた冷媒の循環流量に基づいて、当該循環流量の場合に目標とする過冷却度を計算により求める。この目標過冷却度の計算は、冷媒の循環流量と、設計者が意図する目標過冷却度と、の関係を表す関数を予め作成して制御部８０に記憶させ、この関数を用いることにより行うことができる。ただし、上記の関係は、関数に限定されず、例えばマップによって表現することもできる。

次に、制御部８０は、外気−冷媒熱交換器３１の出口における飽和液温度を取得する。

本来、この飽和液温度を求めるには冷媒の圧力が必要になる。しかし、本実施形態においては図１に示すように、外気−冷媒熱交換器３１の出口に圧力センサが設けられていない。

そこで、制御部８０は、冷媒の循環流量と、当該循環流量において外気−冷媒熱交換器３１の部分等で生じる圧力損失と、の関係について、予め実験等により求めた結果を、関数又はマップ等の形で記憶している。制御部８０は、計算により得られた循環流量を当該関数に代入することで、圧力損失を求める。そして、制御部８０は、得られた圧力損失と、高圧センサ７１が検出した圧力と、を用いることにより、外気−冷媒熱交換器３１の出口の圧力を推定することができる。

そして、制御部８０は、この圧力の推定値に基づいて飽和液温度を求めるように構成されている。

過冷却度は、飽和液温度と、実際の冷媒温度と、の差で表される。従って、制御部８０は、上記の計算により得られた飽和液温度から、第１温度センサ７６の検出値を減算することにより、過冷却度を求める。

上記の結果を踏まえて、第１開閉弁５１、第２開閉弁５２及び膨張弁５３の制御が行われる。具体的には、制御部８０は、第１開閉弁５１を開き、第２開閉弁５２を閉じた状態とした上で、得られた過冷却度（現在の過冷却度）と、目標過冷却度と、を比較する。現在の過冷却度が目標過冷却度よりも小さかった場合には、制御部８０は、膨張弁５３の開度を小さくするように制御する。この結果、膨張弁５３が冷媒に付与する過冷却を強めることができる。一方、現在の過冷却度が目標過冷却度よりも大きかった場合には、制御部８０は、膨張弁５３の開度を大きくするように制御する。この結果、膨張弁５３が冷媒に付与する過冷却を弱めることができる。

制御部８０は、現在の過冷却度及び目標過冷却度を一定の周期で再計算し、新しい結果に基づいて、膨張弁５３の開度の制御を行う。この反復により、冷媒の循環流量に応じた適切な過冷却度を安定して実現し、高性能なヒートポンプ装置１を得ることができる。

次に、本実施形態における加熱運転時のフローについて、図４を参照して説明する。

図４の処理が開始されると、制御部８０は、循環液温度センサ７３から得られた循環液の温度が所定の閾値（第２温度）より低くなっているか否かを判断する（ステップＳ２０１）。この第２温度は適宜定めることができるが、好ましくは３０℃以下、更に好ましくは２５℃以下の温度とすることができる。別の観点で言えば、第２温度は、チラーを加熱運転する場合の温度設定範囲（本実施形態では、３５℃から５５℃までの範囲）の下限以下とすることが望ましい。本実施形態では、第２温度は２０℃に定められている。

ステップＳ２０１の判断で、循環液の温度が上記の第２温度より低い場合には、絞り回路１９より上流側での冷媒の圧力が適切となるように、第１開閉弁５１、第２開閉弁５２及び膨張弁５３のうち少なくとも何れかを制御する（ステップＳ２０２）。なお、ステップＳ２０２の制御の具体例については後述する。その後、処理はステップＳ２０１に戻る。

ステップＳ２０１の判断で、循環液の温度が第２温度と等しいかそれよりも高い場合、制御部８０は、高圧センサ７１の検出結果に基づき、ヒートポンプ装置１における冷媒の圧力が所定の範囲（第２判定範囲）に入っているか否かを判断する（ステップＳ２０３）。このステップＳ２０３の判断は、上述の冷却運転時のフローにおけるステップＳ１０３と同様である。ステップＳ２０３の判断で、冷媒の圧力が上記の第２判定範囲内に入っていない場合、制御部８０は、上記のステップＳ２０２の処理を行う。その後、処理はステップＳ２０１に戻る。

ステップＳ２０２の処理としては様々なものが考えられるが、例えば以下のように制御することができる。

即ち、高圧センサ７１で得られる高圧圧力の値が、所定圧力Ｐ１よりも低い場合は、制御部８０は、第１開閉弁５１を閉じ、第２開閉弁５２を閉じるとともに、膨張弁５３を全閉状態とする。

高圧センサ７１で得られる高圧圧力の値が、上記の圧力Ｐ１を上回っている場合は、制御部８０は、第１開閉弁５１を閉じ、第２開閉弁５２を開く。そして、制御部８０は、高圧センサ７１が検出した圧力が所定の範囲（第２圧力制御範囲）より低い側に外れている場合は、膨張弁５３の開度を現在より減少させ、高い側に外れている場合は、膨張弁５３の開度を現在より増加させる制御を、一定の周期で繰り返す。なお、この制御で用いられる第２圧力制御範囲は、ステップＳ２０３の判断で用いられる第２判定範囲とは異なるが、当該第２判定範囲を考慮して定められることは勿論である。

ステップＳ２０３の判断で、冷媒の圧力が上記の第２判定範囲内に入っている場合は、制御部８０は、冷媒の循環量を推定するとともに、これに応じた最適な過冷却度となるように、第１開閉弁５１、第２開閉弁５２及び膨張弁５３のうち少なくとも何れかを制御する（ステップＳ２０４）。

このステップＳ２０４の処理は、上述の冷却運転時のフローにおけるステップＳ１０４の処理と殆ど同様であるので、詳細な説明は省略する。ただし、ステップＳ２０４の処理では、第１開閉弁５１及び第２開閉弁５２の両方が開かれた状態で、膨張弁５３の開度が制御される。また、ステップＳ２０４で飽和液温度を求めるときは、圧力損失として、外気−冷媒熱交換器３１ではなく循環液−冷媒熱交換器３２の部分で生じる圧力損失が用いられる。また、過冷却度は、飽和液温度から、第２温度センサ７７の検出値を減算することにより求められる。

これにより、加熱運転時において循環液の温度が低い場合でも、絞り回路１９の上流側において適切な高圧圧力が得られ、ヒートポンプ装置１において良好なサイクルを実現することができる。更に、冷媒の循環流量に応じた適切な過冷却度を実現できるので、ヒートポンプ装置１の性能を向上させることができる。

以上に説明したように、本実施形態のヒートポンプ装置１は、供給される循環液を冷却及び加熱することが可能に構成されている。ヒートポンプ装置１は、外気−冷媒熱交換器３１と、循環液−冷媒熱交換器３２と、レシーバ２３と、ブリッジ回路１８と、絞り回路１９と、制御部８０と、を備える。外気−冷媒熱交換器３１は、外気と冷媒との間で熱交換を行う。循環液−冷媒熱交換器３２は、循環液と冷媒との間で熱交換を行う。レシーバ２３は、外気−冷媒熱交換器３１及び循環液−冷媒熱交換器３２に接続される。ブリッジ回路１８は、循環液の冷却時には外気−冷媒熱交換器３１からの冷媒をレシーバ２３へ供給し、循環液の加熱時には循環液−冷媒熱交換器３２からの冷媒をレシーバ２３へ供給する。絞り回路１９は、レシーバ２３とブリッジ回路１８とを接続する冷媒経路に配置される。制御部８０は、循環液の冷却時において外気の温度が予め定められた閾値（第１温度）よりも低い場合、又は、循環液の加熱時において循環液の温度が予め定められた閾値（第２温度）よりも低い場合に、絞り回路１９における冷媒の流れ易さを冷媒回路の圧力に応じて変更する（ステップＳ１０１、ステップＳ１０２、ステップＳ２０１、ステップＳ２０２）。

これにより、循環液の冷却運転時及び加熱運転時の何れにおいても、冷媒の高圧圧力が得られにくい状況を絞り回路１９の制御によって回避することができるので、良好なサイクルを実現することができる。

また、本実施形態のヒートポンプ装置１において、前記第１温度は、２１℃以下の温度、具体的には１０℃である。

これにより、循環液の冷却時において外気温が低い状況に対し、冷媒回路の圧力に応じた絞り回路１９の制御を適切に行うことができる。

また、本実施形態のヒートポンプ装置１において、前記第２温度は、加熱運転時における循環液の温度設定範囲の下限以下（３５℃以下）の温度、具体的には１５℃である。

これにより、循環液の加熱時において循環液の温度が低い状況に対し、冷媒回路の圧力に応じた絞り回路１９の制御を適切に行うことができる。

また、本実施形態のヒートポンプ装置１において、制御部８０は、冷媒の高圧圧力が予め定められた判定範囲（第１判定範囲又は第２判定範囲）から外れている場合に、絞り回路１９における冷媒の流れ易さを冷媒回路の圧力に応じて変更する（ステップＳ１０２、ステップＳ１０３、ステップＳ２０２、ステップＳ２０３）。

これにより、高圧圧力が上がりにくい場合、及び、過負荷により圧力が過剰に高くなっている場合等において、冷媒回路の圧力を適切に制御することができる。

また、本実施形態のヒートポンプ装置１において、制御部８０は、第１制御と、第２制御と、を選択的に行う。前記第１制御において、制御部８０は、絞り回路１９における冷媒の流れ易さを冷媒回路の圧力に応じて変更する（図３のステップＳ１０２、図４のステップＳ２０２）。前記第２制御において、制御部８０は、絞り回路１９で行われる過冷却の強さを、目標過冷却度と現在の過冷却度との差に応じて変更する（図３のステップＳ１０４、図４のステップＳ２０４）。

これにより、共通の絞り回路１９を用いて、高圧圧力を良好に得たい状況と、冷媒に適切な強さで過冷却を行いたい状況と、の両方に対応することができる。

また、本実施形態のヒートポンプ装置１において、制御部８０は、前記第２制御を、循環液の冷却時においては、外気の温度が前記第１温度以上であり、かつ、冷媒の高圧圧力が予め定められた第１判定範囲内であるときに行う（図３のステップＳ１０１、ステップＳ１０３、ステップＳ１０４）。制御部８０は、前記第２制御を、循環液の加熱時においては、循環液の温度が前記第２温度以上であり、かつ、冷媒の高圧圧力が予め定められた第２判定範囲内であるときに行う（図４のステップＳ２０１、ステップＳ２０３、ステップＳ２０４）。

これにより、状況に応じた適切な制御を行うことができる。

また、本実施形態のヒートポンプ装置１において、制御部８０は、前記目標過冷却度を、冷媒回路における冷媒の循環流量に基づいて求める。制御部８０は、前記現在の過冷却度を、外気−冷媒熱交換器３１又は循環液−冷媒熱交換器３２から絞り回路１９に至る冷媒経路において検出された冷媒の温度（第１温度センサ７６又は第２温度センサ７７の検出温度）と、冷媒の高圧圧力（高圧センサ７１の検出圧力）と、を用いて求める。

これにより、目標過冷却度を実質的に負荷に応じて定めることができるとともに、外気−冷媒熱交換器３１又は循環液−冷媒熱交換器３２の出口等で冷媒の圧力を検出することなく、冷媒の過冷却度を取得することができる。これにより、簡素な構成で冷媒の過冷却度を適切に制御することができるので、性能の優れたヒートポンプ装置１を実現することができる。

また、本実施形態のヒートポンプ装置１において、絞り回路１９は、互いに並列に接続された複数の弁（第１開閉弁５１、第２開閉弁５２、及び膨張弁５３）を備える。

これにより、絞り回路１９における冷媒の流れ易さを、状況に応じて柔軟に変更することができる。

また、本実施形態のヒートポンプ装置１において、絞り回路１９は、開度を調整可能な膨張弁５３を備える。

これにより、絞り回路１９によって、冷媒に与えられる過冷却の強さを調整することができる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

冷媒の循環流量を上述と同様にコンプレッサ１１の回転数から求め、この冷媒流量が少ない場合に、絞り回路１９を冷媒が流れにくくなるように第１開閉弁５１、第２開閉弁５２、及び膨張弁５３を制御しても良い。

高圧センサ７１が検出する圧力が所定値以上になった場合に、制御部８０が、第１開閉弁５１、第２開閉弁５２及び膨張弁５３が全て全開状態となるように制御しても良い。これにより、過負荷による圧力上昇を効果的に緩和することができる。

絞り回路１９は、第１開閉弁５１及び第２開閉弁５２を備える構成に代えて、開閉弁を１つだけ備える構成とすることもできる。また、開閉弁は３つ以上備えられても良い。更には、膨張弁が複数並列に配置されても良い。

外気−冷媒熱交換器３１の数を１つ又は３つ以上に変更することができる。また、循環液−冷媒熱交換器３２の数を２つ以上に変更することができる。

レシーバ２３から出た冷媒に過冷却を付与する過冷却用熱交換器２４については、省略することもできる。

本発明は、エンジンで駆動されるコンプレッサと、電動モータで駆動されるコンプレッサと、を備えるハイブリッド型のヒートポンプ装置に適用することもできる。

１ ヒートポンプ装置
１８ ブリッジ回路
１９ 絞り回路（絞り部）
２３ レシーバ
３１ 外気−冷媒熱交換器（第１熱交換器）
３２ 循環液−冷媒熱交換器（第２熱交換器）
８０ 制御部

Claims (9)

1. 供給される循環液を冷却及び加熱することが可能なヒートポンプ装置であって、
   外気と冷媒との間で熱交換を行う第１熱交換器と、
   前記循環液と前記冷媒との間で熱交換を行う第２熱交換器と、
   前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器に接続されるレシーバと、
   前記循環液の冷却時には前記第１熱交換器からの前記冷媒を前記レシーバへ供給し、前記循環液の加熱時には前記第２熱交換器からの前記冷媒を前記レシーバへ供給するブリッジ回路と、
   前記レシーバと前記ブリッジ回路とを接続する冷媒経路に配置される絞り部と、
   前記循環液の冷却時において前記外気の温度が予め定められた第１温度よりも低い場合、又は、前記循環液の加熱時において前記循環液の温度が予め定められた第２温度よりも低い場合に、前記絞り部における冷媒の流れ易さを冷媒回路の圧力に応じて変更する制御部と、
   を備えることを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 請求項１に記載のヒートポンプ装置であって、
   前記第１温度は２１℃以下であることを特徴とするヒートポンプ装置。
3. 請求項１又は２に記載のヒートポンプ装置であって、
   前記第２温度は、加熱運転時における循環液の温度設定範囲の下限以下の温度であることを特徴とするヒートポンプ装置。
4. 請求項１から３までの何れか一項に記載のヒートポンプ装置であって、
   前記冷媒の高圧圧力が予め定められた判定範囲から外れている場合に、前記絞り部における冷媒の流れ易さを冷媒回路の圧力に応じて変更することを特徴とするヒートポンプ装置。
5. 請求項１から４までの何れか一項に記載のヒートポンプ装置であって、
   前記制御部は、
   前記絞り部における冷媒の流れ易さを冷媒回路の圧力に応じて変更する第１制御と、
   前記絞り部で行われる過冷却の強さを、目標過冷却度と現在の過冷却度との差に応じて変更する第２制御と、
   を選択的に行うことを特徴とするヒートポンプ装置。
6. 請求項５に記載のヒートポンプ装置であって、
   前記制御部は、前記第２制御を、
   前記循環液の冷却時においては、前記外気の温度が前記第１温度以上であり、かつ、前記冷媒の高圧圧力が予め定められた第１判定範囲内であるときに行い、
   前記循環液の加熱時においては、前記循環液の温度が前記第２温度以上であり、かつ、前記冷媒の高圧圧力が予め定められた第２判定範囲内であるときに行うことを特徴とするヒートポンプ装置。
7. 請求項５又は６に記載のヒートポンプ装置であって、
   前記制御部は、前記目標過冷却度を、前記冷媒回路における冷媒の循環流量に基づいて求め、
   前記制御部は、前記現在の過冷却度を、前記第１熱交換器又は前記第２熱交換器から前記絞り部に至る冷媒経路において検出された冷媒の温度と、冷媒の高圧圧力と、を用いて求めることを特徴とするヒートポンプ装置。
8. 請求項１から７までの何れか一項に記載のヒートポンプ装置であって、
   前記絞り部は、互いに並列に接続された複数の弁を備えることを特徴とするヒートポンプ装置。
9. 請求項１から８までの何れか一項に記載のヒートポンプ装置であって、
   前記絞り部は、開度を調整可能な膨張弁を備えることを特徴とするヒートポンプ装置。

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