JP2020079650A - ヒートポンプ装置の制御方法及びヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機入口側の熱交換媒体の過熱度を精度良く制御可能にし、これによって、液バック現象を防止し、かつ高ＣＯＰと高加熱能力とを可能にする。【解決手段】一実施形態に係るヒートポンプ装置の制御方法は、ＣＯ２を熱交換媒体循環路に設けられる圧縮機、ガスクーラ、膨張弁及び蒸発器を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器と、前記熱交換媒体循環路に設けられたバイパス路と、該バイパス路に設けられた熱交換媒体タンクと、前記熱交換媒体タンクの入口側に設けられた第１開閉弁と、前記熱交換媒体タンクの出口側に設けられた第２開閉弁と、を備えるヒートポンプ装置の制御方法であって、前記圧縮機の入口側で前記熱交換媒体の温度及び圧力を計測し過熱度を求める計測ステップと、前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁を開閉制御して前記熱交換媒体循環路を循環する前記熱交換媒体の流量を制御することで前記過熱度を目標範囲内に入るように制御する過熱度制御ステップと、を備える。【選択図】図７

Description

本開示は、ヒートポンプ装置の制御方法及びヒートポンプ装置に関する。

ヒートポンプ装置は、熱交換媒体の循環路に圧縮機などのヒートポンプサイクル構成機器が設けられてヒートポンプサイクルを構成する。圧縮機吐出側で熱交換媒体が高温高圧状態となることで、被加熱水を高温まで加熱でき、高温水を得ることができる。特に、ＣＯ_２などの熱交換媒体は圧縮機吐出側で超臨界状態となるため、９０℃程度の熱水を得ることができる。
圧縮機の入口側では、液状の熱交換媒体が圧縮機に流入することで生じるいわゆる液バック現象を防止し、かつ成績係数（ＣＯＰ）及び加熱能力を高めることができる過熱度に調整する必要がある。

通常、圧縮機入口における熱交換媒体の過熱度の調整は膨張弁の開度調整によって行われる。
特許文献１には、ヒートポンプ装置において、膨張弁の開度を制御することで、圧縮機入口側の熱交換媒体の過熱度を制御することが開示されている。

特開２００３−１９４４３号公報

特許文献１のように、膨張弁の開度制御によって圧縮機入口側の熱交換媒体の過熱度を制御する方法は、膨張弁と圧縮機との間の熱交換媒体循環路に例えば熱交換器などの機器が介在すると、膨張弁の開度に対して圧縮機入口側の過熱度が一義的に対応しなくなり、従って、過熱度の制御精度が低下するおそれがある。

少なくとも一実施形態は、上記課題に鑑み、ヒートポンプ装置において、圧縮機入口側の熱交換媒体の過熱度を精度良く制御可能にし、これによって、スラッギングの発生を防止し、かつ高ＣＯＰと高加熱能力とを可能にすることを目的とする。

（１）少なくとも一実施形態に係るヒートポンプ装置の制御方法は、
熱交換媒体循環路と、
該熱交換媒体循環路に設けられる圧縮機、ガスクーラ、膨張弁及び蒸発器を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器と、
前記熱交換媒体循環路に設けられたバイパス路と、
該バイパス路に設けられた熱交換媒体タンクと、
前記熱交換媒体タンクの入口側で前記熱交換媒体循環路に設けられた第１開閉弁と、
前記熱交換媒体タンクの出口側で前記熱交換媒体循環路に設けられた第２開閉弁と、
を備え、ＣＯ_２を熱交換媒体とするヒートポンプ装置の制御方法であって、
前記圧縮機の入口側で前記熱交換媒体の温度及び圧力を計測し過熱度を求める計測ステップと、
前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁を開閉制御して前記熱交換媒体循環路を循環する前記熱交換媒体の流量を制御することで前記過熱度を目標範囲内に入るように制御する過熱度制御ステップと、
を備える。

ヒートポンプ装置において、例えば、夏期と冬期とでは、蒸発器で熱交換媒体と熱交換する被冷却媒体（外気、熱源水等）の温度、及びガスクーラで熱交換媒体と熱交換する被加熱媒体（被加熱水、外気等）の温度などの外的条件が異なるので、熱交換媒体循環路を循環する熱交換媒体の必要流量が異なる。
そこで、この実施形態に係るヒートポンプ装置では、熱交換媒体循環路にバイパス路を設け、このバイパス路に熱交換媒体タンクを設け、この熱交換媒体タンクに熱交換媒体を出し入れすることで、熱交換媒体循環路を流れる熱交換媒体の流量を調整可能にしている。

さらに、熱交換媒体タンクに貯留する熱交換媒体量を調整することで、熱交換媒体循環路を流れる熱交換媒体の流量を制御し、これによって、圧縮機入口側の熱交換媒体の過熱度（以下単に「過熱度」とも言う。）を精度良く目標範囲内に制御できる。目標範囲として、高ＣＯＰと高加熱能力とが可能となる範囲を選択する。
これによって、液状の熱交換媒体が圧縮機に流入する液バック現象を防止でき、かつ高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。

（２）一実施形態では、前記（１）の方法において、
前記過熱度制御ステップは、
前記蒸発器で前記熱交換媒体と熱交換する被冷却媒体の蒸発器入口温度及び前記ガスクーラで前記熱交換媒体と熱交換する被加熱媒体のガスクーラ入口温度に基づいて、前記過熱度の目標値を設定する目標値設定ステップと、
前記目標値より前記過熱度が大きい上限閾値及び前記目標値より前記過熱度が小さい下限閾値を設定し、前記計測ステップで計測された過熱度が前記上限閾値以下及び前記下限閾値以上となるように、前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁を開閉制御する制御ステップと、
を備える。

上記（２）の方法によれば、上記目標値設定ステップにおいて、被冷却媒体の蒸発器入口温度及び被加熱媒体のガスクーラ入口温度に基づいて、過熱度の目標値を設定するので、被冷却媒体の入口温度及び被加熱媒体の入口温度が変っても、過熱度を目標範囲内に制御できる。
また、目標値を挟んで上限閾値及び下限閾値を設定し、過熱度がこれら閾値の間となるように制御することで、過熱度を確実に目標範囲に制御できる。

（３）一実施形態では、前記（２）の方法において、
前記目標値設定ステップにおいて、
前記被冷却媒体の蒸発器入口温度、前記被加熱媒体のガスクーラ入口温度及び前記過熱度の目標値との間で予め設定された相関に基づいて、前記目標値を設定する。
上記（３）の方法によれば、被冷却媒体の蒸発器入口温度、被加熱媒体のガスクーラ入口温度、及び過熱度の目標値との相関を予め求めておき、この相関に基づいて過熱度の目標値を設定し、この目標値となるように過熱度を制御するため、液バック防止と、高ＣＯＰ及び高加熱能力とを確実に実現できる。

（４）一実施形態では、前記（２）又は（３）の方法において、
前記計測ステップで計測した過熱度の計測値と前記目標値設定ステップで設定した前記目標値との差分から、前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁の開放時間を求める演算ステップを備える。
上記（４）の方法によれば、過熱度の計測値と目標値との差分から第１開閉弁及び第２開閉弁の開放時間を求め、求めた開放時間に基づいて第１開閉弁及び第２開閉弁を開閉することで、過熱度を早期に目標値に近づけることができる。

（５）一実施形態では、前記（４）の方法において、
前記演算ステップにおいて、
前記差分の絶対値が同一のとき前記第１開閉弁の開放時間を前記第２開閉弁の開放時間より長く設定する。
上記（５）の方法によれば、過熱度の計測値と目標値との差分の絶対値が同一のとき、第１開閉弁の開放時間を第２開閉弁の開放時間より長く設定することで、熱交換媒体タンクに流入する熱交換媒体の量を熱交換媒体タンクから排出する量より多くする。これによって、液バックが起こる危険度を低減できる。

（６）一実施形態では、前記（１）〜（５）の何れかの方法において、
前記ガスクーラの出口側の前記熱交換媒体と前記蒸発器の出口側の前記熱交換媒体とを熱交換する熱交換ステップを備える。
上記熱交換ステップを行うことで、ヒートポンプ装置のＣＯＰを向上できる。また、上記熱交換ステップが行われる場合であっても、熱交換媒体タンクに貯留する熱交換媒体量を調整することで、過熱度を精度良く目標範囲内に制御できる。

（７）一実施形態では、前記（１）〜（６）の何れかの方法において、
前記ヒートポンプ装置の運転モードは、
第１運転モードと、
前記第１運転モードより加熱能力が高い第２運転モードと、
を含む複数の運転モードを有する。
上記（７）の方法によれば、ヒートポンプ装置の運転を上記複数の運転モードに切り替えることで、高ＣＯＰを得ながら、例えば、出湯量、出湯温度、省エネ等の目標性能のうちどれかを主目的とする運転が可能になる。

（８）一実施形態では、前記（１）〜（７）の何れかの方法において、
前記熱交換媒体の圧縮機吐出圧が目標吐出圧となるように前記膨張弁の開度を制御する膨張弁開度制御ステップを備える。
上記（８）の方法によれば、熱交換媒体の圧縮機吐出圧（以下、「圧縮機吐出圧」又は単に「吐出圧」とも言う。）が目標吐出圧となるように、膨張弁の開度を制御することで、吐出圧を精度良く目標吐出圧にすることができると共に、高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。
このように、熱交換媒体循環路を流れる熱交換媒体の循環量制御と、吐出圧の制御とを併用することで、液バックを防止でき、かつ高ＣＯＰと高加熱能力とを達成できる。

（９）一実施形態では、前記（２）〜（８）の何れかの方法において、
前記被冷却媒体は外気又は熱源水である。
上記（９）の方法によれば、被冷却媒体が外気又は熱源水であるとき、液バックを防止し、かつ高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。

（１０）一実施形態では、前記（２）〜（９）の何れかの方法において、
前記被加熱媒体は被加熱水又は外気である。
上記（１０）の方法によれば、被冷却媒体が被加熱水又は外気であるとき、液バックを防止でき、かつ高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。

（１１）少なくとも一実施形態に係るヒートポンプ装置は、
熱交換媒体循環路と、
該熱交換媒体循環路に設けられる圧縮機、ガスクーラ、膨張弁及び蒸発器を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器と、
前記熱交換媒体循環路に設けられたバイパス路と、
該バイパス路に設けられた熱交換媒体タンクと、
前記熱交換媒体タンクの入口に設けられた第１開閉弁と、
前記熱交換媒体タンクの出口に設けられた第２開閉弁と、
を備え、ＣＯ_２を熱交換媒体とするヒートポンプ装置であって、
前記圧縮機の入口側で前記熱交換媒体の温度を計測する第１温度センサと、
前記圧縮機の入口側で前記熱交換媒体の圧力を計測する圧力センサと、
前記第１温度センサ及び前記圧力センサで計測した計測値から過熱度を求め、前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁を制御して前記過熱度を目標範囲内に入るように制御する制御部と、
を備える。

上記（１１）の構成によれば、上記制御部によって、第１温度センサ及び圧力センサで計測した計測値から過熱度を求め、第１開閉弁及び第２開閉弁を制御して過熱度を目標範囲内に入るように制御するので、液バックを防止でき、かつ高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。

（１２）一実施形態では、前記（１１）の構成において、
前記蒸発器で前記熱交換媒体と熱交換する被冷却媒体の蒸発器入口温度を計測する第２温度センサと、
前記ガスクーラで前記熱交換媒体と熱交換する被加熱媒体のガスクーラ入口温度を計測する第３温度センサと、
を備え、
前記制御部は、
前記被冷却媒体の入口温度、前記被加熱媒体の入口温度及び前記過熱度の目標値との間で予め設定された相関を記憶する記憶部と、
前記被冷却媒体の蒸発器入口温度及び前記被加熱媒体のガスクーラ入口温度に基づいて、前記過熱度の目標値と、前記目標値より過熱度が大きい上限閾値及び前記目標値より過熱度が小さい下限閾値とを設定する演算部と、
を含み、
前記第１温度センサ及び前記圧力センサの計測値から求められた過熱度が前記上限閾値以下及び前記下限閾値以上となるように第１開閉弁及び前記第２開閉弁を開閉制御するものである。

上記（１２）の構成によれば、被冷却媒体の蒸発器入口温度及び被加熱媒体のガスクーラ入口温度に基づいて、過熱度の目標値を設定するので、被冷却媒体の入口温度及び被加熱媒体の入口温度が変っても、過熱度を目標範囲内に制御でき、これによって、液バックの防止と高ＣＯＰ及び高加熱能力とが可能になる。
また、目標値を挟んで上限閾値及び下限閾値を設定し、過熱度をこれら閾値の間になるように制御することで、過熱度を確実に目標範囲に制御できる。

（１３）一実施形態では、前記（１１）又は（１２）の構成において、
前記ヒートポンプ装置は、箱形ケーシングの内部に前記超臨界ヒートポンプサイクル構成機器が収納されたヒートポンプユニットである。
上記（１３）の構成によれば、ヒートポンプ装置をヒートポンプユニットとすることで、ヒートポンプ装置をコンパクト化でき、これによって、ヒートポンプ装置の設置が容易になり、ヒートポンプ装置の用途を拡大できる。

少なくとも一実施形態によれば、圧縮機入口側の熱交換媒体の過熱度が精度良く目標範囲に制御可能になり、これによって、液バックを防止でき、かつ高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。

一実施形態に係るヒートポンプ装置の系統図である。 一実施形態に係るヒートポンプ装置の系統図である。 一実施形態に係るヒートポンプ装置の系統図である。 一実施形態に係るヒートポンプ装置の系統図である。 一実施形態に係るヒートポンプ装置の制御部のブロック線図である。 一実施形態に係るヒートポンプユニットの斜視図である。 一実施形態に係るヒートポンプ装置の制御方法の工程図である。 一実施形態に係るヒートポンプ装置の運転モードを示す図表である。 一実施形態に係るヒートポンプ装置の制御方法の工程図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１〜図４は幾つかの実施形態に係るヒートポンプ装置１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ）を示す。
図１〜図４において、ヒートポンプ装置１０（１０Ａ〜１０Ｄ）は、ＣＯ_２を熱交換媒体とし、熱交換媒体としてＣＯ_２が循環するＣＯ_２循環路１４に、圧縮機１６、ガスクーラ１８（１８ａ、１８ｂ）、膨張弁２０及び蒸発器２２（２２ａ、２２ｂ）を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器１２を備える。
また、ＣＯ_２循環路１４にバイパス路２４が設けられ、バイパス路２４にＣＯ_２タンク２６が設けられる。ＣＯ_２タンク２６の入口側のバイパス路２４に第１開閉弁２８を備え、ＣＯ_２タンク２６の出口側のバイパス路２４に第２開閉弁３０を備える。

蒸発器２２において、熱交換媒体は被冷却媒体の保有熱を採取して気化し、ガスクーラ１８において、熱交換媒体は被加熱媒体と熱交換して冷却され、被加熱媒体は加熱される。熱交換媒体がＣＯ_２のとき、ＣＯ_２は圧縮機１６の吐出側で超臨界状態となるため、ガスクーラ１８で加熱された被加熱媒体として、例えば９０℃程度の高温水が得られる。
また、被冷却媒体の蒸発器入口温度及びガスクーラ入口温度等の外的条件によって、ＣＯ_２循環路１４を循環する熱交換媒体の必要流量は異なる。そこで、第１開閉弁２８及び第２開閉弁３０の開閉動作を制御することで、ＣＯ_２タンク２６へのＣＯ_２の出入りを調整し、ＣＯ_２タンク２６に貯留される熱交換媒体の貯留量を調整することで、ＣＯ_２循環路１４を循環する熱交換媒体の流量を調整する。

ヒートポンプ装置１０（１０Ａ〜１０Ｄ）は、さらに、圧縮機１６の入口側でＣＯ_２循環路１４に熱交換媒体の温度を計測する第１温度センサ３２と、熱交換媒体の圧力を計測する圧力センサ３４とを備える。制御部３６は、第１温度センサ３２及び圧力センサ３４で計測した計測値から過熱度を求め、第１開閉弁２８及び第２開閉弁３０を制御して過熱度を目標範囲内に入るように制御する。該目標範囲として、液バック現象を防止し、かつ高ＣＯＰ及び高加熱能力の運転が可能な過熱度が選択される。

上記構成によれば、制御部３６によって、第１開閉弁２８及び第２開閉弁３０の開閉を制御して過熱度を目標範囲内に入るように制御するので、液バックを防止でき、かつ高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。

幾つかの実施形態では、図１及び図３に示すように、蒸発器２２（２２ａ）は、外気を被冷却媒体とし、熱交換媒体は外気と熱交換して外気から熱を採取して気化する空気熱源熱交換器である。
一実施形態では、この空気熱源熱交換器は、入口ヘッダ４０と、出口ヘッダ４２と、これらヘッダ間に架設される複数の伝熱管４４を含む。複数の伝熱管４４は、夫々外気が流通可能な間隔を有して並列に配置され、複数の伝熱管４４の間を流れる空気流ａ１を形成するためのファン４６を有する。
複数の伝熱管４４の間に空気流ａ１が形成されることで、外気と熱交換媒体との熱交換効率を向上できる。

幾つかの実施形態では、図１及び図３に示すように、ガスクーラ１８（１８ａ）は、被加熱水ｗ１を被加熱媒体とし、熱交換媒体は被加熱水ｗ１を加熱する。
一実施形態では、ガスクーラ１８（１８ａ）に被加熱水路４８が導設され、ポンプ５０によって被加熱水路４８に被加熱水ｗ１が循環する。被加熱水ｗ１は熱交換媒体によって加熱され、温水となって需要先に供給される。

図１及び図３に示す実施形態によれば、被冷却媒体が外気（空気流ａ１）であり、被加熱媒体が被加熱水ｗ１であるときに、液バックを防止し、かつ高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。

幾つかの実施形態では、蒸発器２２（２２ｂ）は、図２及び図４に示すように、熱源水ｗ２を被冷却媒体とし、熱交換媒体は熱源水ｗ２と熱交換して熱源水ｗ２から熱を採取して気化する水熱源熱交換器である。熱源水循環路５２が該水熱源熱交換器に導設される。
一実施形態では、該水熱源熱交換器は熱交換効率の良いプレート型熱交換器が用いられる。

幾つかの実施形態では、図２及び図４に示すように、ガスクーラ１８（１８ｂ）に空気ダクト５４が設けられ、ファン５６によって空気ダクト５４の内部に外気が導入されて空気流ａ２が形成される。空気流ａ２はガスクーラ１８で熱交換媒体と熱交換し、熱交換媒体によって加熱され、加熱源として例えば乾燥装置などの需要先に供給される。

図２及び図４に示す実施形態によれば、被冷却媒体が熱源水ｗ２であり、被加熱媒体が被加熱水ｗ１であるときに、液バックを防止でき、かつ高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。

他の実施形態として、蒸発器２２が、ＣＯ_２循環路１４に対して空気熱源熱交換器と水熱源蒸発器とが並列に設けられ、熱交換媒体が空気熱源熱交換器又は水熱源蒸発器に切替え可能に供給される実施形態がある。
この実施形態においても、液バックを防止でき、かつ高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。また、空気熱源熱交換器と水熱源蒸発器とで熱交換媒体の必要流量が異なる場合、ＣＯ_２タンク２６の熱交換媒体貯留量を調整することで、夫々に必要な流量とすることができる。

幾つかの実施形態では、図１〜図４に示すように、蒸発器２２で熱交換媒体と熱交換する被冷却媒体の蒸発器入口温度を計測する第２温度センサ５８と、ガスクーラ１８で熱交換媒体と熱交換する被加熱媒体のガスクーラ入口温度を計測する第３温度センサ６０と、を備える。

制御部３６は、図５に示すように、記憶部６２と演算部６４とを有する。記憶部６２には、被冷却媒体の入口温度、被加熱媒体の入口温度及び過熱度の目標値との間で予め設定された相関が記憶される。演算部６４では、被冷却媒体の蒸発器入口温度及び被加熱媒体のガスクーラ入口温度に基づいて、過熱度の目標値と、この目標値より過熱度が大きい上限閾値及びこの目標値より過熱度が小さい下限閾値とを設定する。
制御部３６は、第１温度センサ３２及び圧力センサ３４の計測値から求められた過熱度が上限閾値以下及び下限閾値以上となるように第１開閉弁２８及び第２開閉弁３０を開閉制御する。

上記実施形態によれば、被冷却媒体の蒸発器入口温度及び被加熱媒体のガスクーラ入口温度に基づいて、過熱度の目標値を設定するので、被冷却媒体の入口温度及び被加熱媒体の入口温度が変っても、過熱度を目標範囲内に制御でき、これによって、液バックの防止と高ＣＯＰ及び高加熱能力とが可能になる。
また、目標値を挟んで上限閾値及び下限閾値を設定し、過熱度をこれら閾値の間になるように制御することで、過熱度を確実に目標範囲に制御できる。

第２温度センサ５８は、図１及び図３に示す実施形態では、空気熱源熱交換器の入口側の空気流ａ１に面して設けられ、図２及び図４に示す実施形態では、水熱源蒸発器の入口側の熱源水循環路５２に設けられる。
第３温度センサ６０は、図１及び図３に示す実施形態では、ガスクーラ１８（１８ａ）に対して入口側の被加熱水路４８に設けられ、図２及び図４に示す実施形態では、ガスクーラ１８（１８ｂ）に対して入口側の空気ダクト５４に設けられる。

一実施形態では、図６に示すように、ヒートポンプ装置１０は、箱形ケーシング７０の内部に超臨界ヒートポンプサイクル構成機器１２が収納されたヒートポンプユニット１０（１０Ｅ）で構成される。
この実施形態によれば、ヒートポンプ装置１０をヒートポンプユニット１０（１０Ｅ）とすることでコンパクト化でき、これによって、ヒートポンプ装置１０の設置が容易になり、ヒートポンプ装置１０の用途を拡大できる。

ヒートポンプユニット１０（１０Ｅ）の一実施形態として、図６に示すように、蒸発器２２（２２ａ）として一対の空気熱源熱交換器を備える。空気流ａ１は、ファン４６の稼働によって箱形ケーシング７０の正面７０ａ及び背面７０ｂの上部領域に形成された空気取込口７２から箱形ケーシング７０の内部に入り、パネル状に形成された蒸発器（空気熱源熱交換器）２２（２２ａ）を構成する複数の伝熱管４４の間を通り抜け、箱形ケーシング７０の上面７０ｃに形成された空気流出口７４から流出する。一実施形態では、ファン４６は空気流出口７４に設けられる。
このように、上部領域に一対の空気熱源熱交換器及びファン４６を含む熱交換ユニット７６が配置され、下部に、圧縮機１６、ガスクーラ１８（１８ａ）及び膨張弁２０等を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器１２が配置されるため、熱交換ユニット７６の伝熱面積を増加でき、熱交換量を増加できる。

一実施形態に係るヒートポンプ装置の制御方法は、図７に示すように、まず、圧縮機１６の入口側で、第１温度センサ３２で熱交換媒体の温度を計測し、圧力センサ３４で熱交換媒体の圧力を計測し、これらの計測値から過熱度を求める（計測ステップＳ１０）。
次に、第１開閉弁２８及び第２開閉弁３０を開閉制御し、ＣＯ_２タンク２６の熱交換媒体の貯留量を調整し、これによって、ＣＯ_２循環路１４を循環する熱交換媒体の流量を制御することで、過熱度を目標範囲内に入るように制御する（過熱度制御ステップＳ１２）。目標範囲として、液バックを防止し、高ＣＯＰと高加熱能力とが可能となる範囲を選択する。
これによって、液状の熱交換媒体が圧縮機１６に流入する液バック現象を防止でき、かつ高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。

一実施形態では、過熱度制御ステップＳ１２において、目標値設定ステップＳ１４と制御ステップＳ１６〜Ｓ２４とを行う。
目標値設定ステップＳ１４では、蒸発器２２で熱交換媒体と熱交換する被冷却媒体の蒸発器入口温度、及びガスクーラ１８で熱交換媒体と熱交換する被加熱媒体のガスクーラ入口温度に基づいて、過熱度の目標値ＳＨsetを設定する。
制御ステップＳ１６〜Ｓ２２では、目標値ＳＨsetより過熱度が大きい上限閾値ＳＨmax及び目標値ＳＨsetより過熱度が小さい下限閾値ＳＨminを設定し（ステップＳ１６ａ及びＳ１６ｂ）、計測ステップＳ１０で計測された過熱度ＳＨが上限閾値ＳＨmax以下及び下限閾値ＳＨmin以上となるように、第１開閉弁２８及び第２開閉弁３０を開閉制御する（ステップＳ１８〜Ｓ２４）。

この実施形態によれば、目標値設定ステップＳ１４において、被冷却媒体の蒸発器入口温度及び被加熱媒体のガスクーラ入口温度に基づいて、過熱度の目標値ＳＨsetを設定するので、被冷却媒体の入口温度及び被加熱媒体の入口温度が変っても、過熱度を目標範囲内に制御できる。
また、目標値ＳＨsetを挟んで上限閾値ＳＨmax及び下限閾値ＳＨminを設定し、過熱度がこれら閾値の間となるように制御することで、確実に過熱度ＳＨを目標範囲に制御できる。

一実施形態では、目標値設定ステップＳ１４において、被冷却媒体の蒸発器入口温度、被加熱媒体のガスクーラ入口温度及び過熱度の目標値ＳＨ_setとの間で予め設定された相関に基づいて、目標値ＳＨsetを設定する。
この実施形態によれば、被冷却媒体の蒸発器入口温度、被加熱媒体のガスクーラ入口温度、及び過熱度の目標値ＳＨsetとの相関に基づいて目標値ＳＨsetを設定し、この目標値ＳＨsetとなるように過熱度を制御するため、液バック防止と、高ＣＯＰ及び高加熱能力とを確実に達成できる。

一実施形態では、下記（１）式のように、液バックを防止でき、かつ高ＣＯＰと高加熱能力とが可能な過熱度の目標値ＳＨ_setを、被冷却媒体の蒸発器入口温度Ｔ_２及び被加熱媒体のガスクーラ入口温度Ｔ_３の関数として予め求めておく。
ＳＨset ＝Ｆ_１（Ｔ_２、Ｔ_３） （１）
上記関数で求めた目標値ＳＨsetとなるように、第１開閉弁２８及び第２開閉弁３０を開閉制御することで、入口温度Ｔ_２及びＴ_３が変動しても、液バックを防止でき、かつ高ＣＯＰと高加熱能力とを得ることができる。

一実施形態では、図５に示すように、圧縮機１６の駆動モータの回転数を可変とするインバータ６６を設ける。
制御ステップＳ１６〜Ｓ２４において、インバータ６６による圧縮機１６の回転数制御を併用することで、過熱度ＳＨを目標値ＳＨsetに制御しやすくなる。
一実施形態では、圧縮機は、例えば、往復動式圧縮機が用いられ、往復動式圧縮機の回転数を制御する。

一実施形態では、計測ステップＳ１０で計測した過熱度の計測値と目標値ＳＨ_setとの差分から、第１開閉弁２８及び第２開閉弁３０の開放時間Ｓ_１及びＳ_２を求める（演算ステップＳ２０ａ及びＳ２０ｂ）。
この実施形態によれば、過熱度の計測値と目標値ＳＨ_setとの差分から第１開閉弁２８及び第２開閉弁３０の開放時間を求めることで、過熱度を早期に目標値ＳＨ_setに近づけることができる。

一実施形態では、演算ステップＳ２０ａ及びＳ２０ｂにおいて、上記差分の絶対値が同一のとき第１開閉弁２８の開放時間Ｓ_１を第２開閉弁３０の開放時間Ｓ_２より長く設定する（Ｓ_２＜Ｓ_１）。
この実施形態によれば、Ｓ_２＜Ｓ_１によってＣＯ_２タンク２６に流入する熱交換媒体量がＣＯ_２タンク２６から排出する量より多くなるため、熱交換媒体の循環量調整時に液バックが起こる危険度を低減できる。

一実施形態では、図１〜図４に示すように、熱交換器３８を備え、ガスクーラ１８の出口側の熱交換媒体と蒸発器２２の出口側の熱交換媒体とを熱交換する。
これによって、ヒートポンプ装置１０のＣＯＰを向上できる。また、熱交換器３８が存在しても、ＣＯ_２タンク２６に貯留する熱交換媒体量を調整することで、過熱度を精度良く目標範囲内に制御できる。

一実施形態では、ヒートポンプ装置１０の運転モードは、第１運転モードと、第１運転モードより加熱能力が高い第２運転モードと、を含む複数の運転モードを有する。
この実施形態では、ヒートポンプ装置１０が複数の運転モードに切替え可能であるため、高ＣＯＰを得ながら、例えば、出湯量、出湯温度、省エネ等の目標性能のうちどれかを主目的とする運転に切り替えることができる。

一実施形態では、図８に示すように、ヒートポンプ装置１０は、省エネを目的とした省エネモード、加熱能力を高めたパワーモード、及び省エネモードとパワーモードとの中間モードである標準モードの３種類の運転モードに切替え可能になっている。これらの運転モードごとに、入口温度Ｔ_２及びＴ_３との異なる相関で過熱度の目標値ＳＨsetを設定する。
これによって、高ＣＯＰを得ながら、各運転モードの目的に応じた運転が可能になる。

一実施形態では、図８に示すように、運転モードごと及び被冷却媒体の入口温度に応じて異なる領域Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・及びＧごとに、異なる相関で目標値ＳＨsetを設定する。
このように、きめ細かく目標吐出圧を設定することで、被冷却媒体の入口温度Ｔ_２及びＴ_３が変動しても高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。
一実施形態では、上記（１）式で領域Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・及びＧごとに入口温度Ｔ_２及びＴ_３の係数を夫々異ならせて目標値ＳＨsetを算出する。

一実施形態では、図９に示すように、ＣＯ_２循環路１４の熱交換媒体の循環量制御に加えて、熱交換媒体の圧縮機吐出圧が目標吐出圧Ｐsetとなるように前記膨張弁の開度を制御するステップＳ３２を行う。
この実施形態では、膨張弁２０として開度制御可能な膨張弁を用い、例えば、開度制御可能な電子式膨張弁を用いる。
図３及び図４は、熱交換媒体の循環量制御と共に、膨張弁開度制御を行うヒートポンプ装置１０（１０Ｃ、１０Ｄ）の実施形態を示す。

この実施形態によれば、熱交換媒体の圧縮機吐出圧を精度良く目標吐出圧Ｐsetにすることができると共に、これによって、高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。
このように、ＣＯ_２循環路１４を流れる熱交換媒体の循環量制御と、吐出圧の制御とを併用することで、液バックを防止し、かつ高ＣＯＰと高加熱能力とを達成できる。

一実施形態では、膨張弁開度制御ステップＳ３２の前段で、蒸発器２２における被冷却媒体（例えば、空気流ａ１、熱源水ｗ１等）の入口温度Ｔ_２及びガスクーラ１８における被加熱媒体（例えば、熱源水ｗ２、空気流ａ２等）の入口温度Ｔ_３に基づいて、目標吐出圧Ｐsetを設定し、設定された目標吐出圧となるように膨張弁２０の開度を制御する（吐出圧設定ステップＳ３０）。
吐出圧は、蒸発器２２における被冷却媒体の入口温度Ｔ_２及びガスクーラ１８における被加熱媒体の入口温度Ｔ_３等の外的条件によって変動する。
この実施形態では、これらの外的条件を考慮して目標吐出圧を設定するので、これらの外的条件が変動しても、ヒートポンプ装置１０は高ＣＯＰと高加熱能力を得ることができる。

一実施形態では、吐出圧設定ステップＳ３０において、被冷却媒体の入口温度、被加熱媒体の入口温度及び圧縮機吐出側の熱交換媒体の目標吐出圧の間で予め設定された相関に基づいて、目標吐出圧を設定する。
この実施形態では、上記外的条件と圧縮機吐出圧との間の相関を予め求めておき、この相関に基づいて目標吐出圧を設定するので、上記外的条件が変動しても、高い確率で高ＣＯＰと高加熱能力を得ることができる。

一実施形態では、下記（２）式のように、高ＣＯＰと高加熱能力とが可能な目標吐出圧Ｐsetを被冷却媒体の入口温度Ｔ_２及び被加熱媒体の入口温度Ｔ_３の関数として予め求めておく。
Ｐset ＝Ｆ_２（Ｔ_２、Ｔ_３） （２）
上記関数で求めた目標吐出圧Ｐsetとなるように、膨張弁２０の開度を制御することで、入口温度Ｔ_２及びＴ_３が変動しても、ヒートポンプ装置１０は高ＣＯＰと高加熱能力とを得ることができる。

一実施形態では、図９に示すように、被冷却媒体の入口温度が高温度域のときに入口温度が低温度域のときより圧縮機１６の回転数を減少させる（回転数制御ステップＳ３４）。
この実施形態によれば、被冷却媒体の入口温度が高温度域のときに入口温度が低温度域のときより圧縮機１６の回転数を減少させることで、吐出圧を目標吐出圧Ｐsetに精度良く制御でき、これによって、高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。

一実施形態では、図９に示すように、運転モードの変更が必要になったとき、吐出圧設定ステップＳ３０に戻り、新たに目標吐出圧を設定する（ステップＳ３６）。

一実施形態では、図９に示すように、外的条件が変わったとき、吐出圧設定ステップＳ３０に戻り、新たに目標吐出圧を設定する（ステップＳ３８）。

少なくとも一実施形態によれば、ＣＯ_２を熱交換媒体とするヒートポンプ装置において、圧縮機入口側の熱交換媒体の過熱度を精度良く制御可能にし、これによって、液バック現象を防止し、かつ高ＣＯＰと高加熱能力とを実現できる。

１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ） ヒートポンプ装置
１０（１０Ｅ） ヒートポンプユニット
１２ 超臨界ヒートポンプサイクル構成機器
１４ ＣＯ_２循環路
１６ 圧縮機
１８（１８ａ、１８ｂ） ガスクーラ
２０ 膨張弁
２２（２２ａ、２２ｂ） 蒸発器
２４ バイパス路
２６ ＣＯ_２タンク
２８ 第１開閉弁
３０ 第２開閉弁
３２ 第１温度センサ
３４ 圧力センサ
３６ 制御部
３８ 熱交換器
４０ 入口ヘッダ
４２ 出口ヘッダ
４４ 伝熱管
４６、５６ ファン
４８ 被加熱水路
５０ ポンプ
５２ 熱源水循環路
５４ 空気ダクト
６０ 第３温度センサ
６６ モータインバータ
７０ 箱形ケーシング
７０ａ 正面
７０ｂ 背面
７０ｃ 上面
７２ 空気取込口
７４ 空気流出口
７６ 熱交換ユニット
ａ１、ａ２ 空気流
ｗ１ 被加熱水
ｗ２ 熱源水

Claims (13)

1. 熱交換媒体循環路と、
   該熱交換媒体循環路に設けられる圧縮機、ガスクーラ、膨張弁及び蒸発器を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器と、
   前記熱交換媒体循環路に設けられたバイパス路と、
   該バイパス路に設けられた熱交換媒体タンクと、
   前記熱交換媒体タンクの入口側で前記熱交換媒体循環路に設けられた第１開閉弁と、
   前記熱交換媒体タンクの出口側で前記熱交換媒体循環路に設けられた第２開閉弁と、
   を備え、ＣＯ_２を熱交換媒体とするヒートポンプ装置の制御方法であって、
   前記圧縮機の入口側で前記熱交換媒体の温度及び圧力を計測し過熱度を求める計測ステップと、
   前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁を開閉制御して前記熱交換媒体循環路を循環する前記熱交換媒体の流量を制御することで前記過熱度を目標範囲内に入るように制御する過熱度制御ステップと、
   を備えることを特徴とするヒートポンプ装置の制御方法。
2. 前記過熱度制御ステップは、
   前記蒸発器で前記熱交換媒体と熱交換する被冷却媒体の蒸発器入口温度及び前記ガスクーラで前記熱交換媒体と熱交換する被加熱媒体のガスクーラ入口温度に基づいて、前記過熱度の目標値を設定する目標値設定ステップと、
   前記目標値より前記過熱度が大きい上限閾値及び前記目標値より前記過熱度が小さい下限閾値を設定し、前記計測ステップで計測された過熱度が前記上限閾値以下及び前記下限閾値以上となるように、前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁を開閉制御する制御ステップと、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
3. 前記目標値設定ステップにおいて、
   前記被冷却媒体の蒸発器入口温度、前記被加熱媒体のガスクーラ入口温度及び前記過熱度の目標値との間で予め設定された相関に基づいて、前記目標値を設定することを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
4. 前記計測ステップで計測した過熱度の計測値と前記目標値設定ステップで設定した前記目標値との差分から、前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁の開放時間を求める演算ステップを備えることを特徴とする請求項２又は３に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
5. 前記演算ステップにおいて、
   前記差分の絶対値が同一のとき前記第１開閉弁の開放時間を前記第２開閉弁の開放時間より長く設定することを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
6. 前記ガスクーラの出口側の前記熱交換媒体と前記蒸発器の出口側の前記熱交換媒体とを熱交換する熱交換ステップを備えることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
7. 前記ヒートポンプ装置の運転モードは、
   第１運転モードと、
   前記第１運転モードより加熱能力が高い第２運転モードと、
   を含む複数の運転モードを有することを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
   
8. 前記熱交換媒体の圧縮機吐出圧が目標吐出圧となるように前記膨張弁の開度を制御する膨張弁開度制御ステップを備えることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
9. 前記被冷却媒体は外気又は熱源水であることを特徴とする請求項２乃至８の何れか一項に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
10. 前記被加熱媒体は被加熱水又は外気であることを特徴とする請求項２乃至９の何れか一項に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
11. 熱交換媒体循環路と、
    該熱交換媒体循環路に設けられる圧縮機、ガスクーラ、膨張弁及び蒸発器を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器と、
    前記熱交換媒体循環路に設けられたバイパス路と、
    該バイパス路に設けられた熱交換媒体タンクと、
    前記熱交換媒体タンクの入口に設けられた第１開閉弁と、
    前記熱交換媒体タンクの出口に設けられた第２開閉弁と、
    を備え、ＣＯ_２を熱交換媒体とするヒートポンプ装置であって、
    前記圧縮機の入口側で前記熱交換媒体の温度を計測する第１温度センサと、
    前記圧縮機の入口側で前記熱交換媒体の圧力を計測する圧力センサと、
    前記第１温度センサ及び前記圧力センサで計測した計測値から過熱度を求め、前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁を制御して前記過熱度を目標範囲内に入るように制御する制御部と、
    を備えることを特徴とするヒートポンプ装置。
12. 前記蒸発器で前記熱交換媒体と熱交換する被冷却媒体の蒸発器入口温度を計測する第２温度センサと、
    前記ガスクーラで前記熱交換媒体と熱交換する被加熱媒体のガスクーラ入口温度を計測する第３温度センサと、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記被冷却媒体の入口温度、前記被加熱媒体の入口温度及び前記過熱度の目標値との間で予め設定された相関を記憶する記憶部と、
    前記被冷却媒体の蒸発器入口温度及び前記被加熱媒体のガスクーラ入口温度に基づいて、前記過熱度の目標値と、前記目標値より過熱度が大きい上限閾値及び前記目標値より過熱度が小さい下限閾値とを設定する演算部と、
    を含み、
    前記第１温度センサ及び前記圧力センサの計測値から求められた過熱度が前記上限閾値以下及び前記下限閾値以上となるように第１開閉弁及び前記第２開閉弁を開閉制御するものであることを特徴とする請求項１１に記載のヒートポンプ装置。
13. 前記ヒートポンプ装置は、箱形ケーシングの内部に前記超臨界ヒートポンプサイクル構成機器が収納されたヒートポンプユニットであることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のヒートポンプ装置。

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