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
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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、CO2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。
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、CO2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。
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、CO2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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、CO2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。
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、CO2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。
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。
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。
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。
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。
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、CO2を熱交換媒体とし、熱交換媒体としてCO2が循環するCO2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、CO2循環路14にバイパス路24が設けられ、バイパス路24にCO2タンク26が設けられる。CO2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、CO2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。
図1〜図4において、ヒートポンプ装置10(10A〜10D)は、CO2を熱交換媒体とし、熱交換媒体としてCO2が循環するCO2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、CO2循環路14にバイパス路24が設けられ、バイパス路24にCO2タンク26が設けられる。CO2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、CO2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CO2のとき、CO2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、CO2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、CO2タンク26へのCO2の出入りを調整し、CO2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、CO2循環路14を循環する熱交換媒体の流量を調整する。
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、CO2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、CO2タンク26へのCO2の出入りを調整し、CO2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、CO2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CO2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。
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。
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。
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、CO2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、CO2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。
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、CO2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。
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。
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。
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。
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。
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、CO2タンク26の熱交換媒体の貯留量を調整し、これによって、CO2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。
次に、第1開閉弁28及び第2開閉弁30を開閉制御し、CO2タンク26の熱交換媒体の貯留量を調整し、これによって、CO2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)。
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。
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SHset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。
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SHsetを、被冷却媒体の蒸発器入口温度T2及び被加熱媒体のガスクーラ入口温度T3の関数として予め求めておく。
SHset =F1(T2、T3) (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T2及びT3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。
SHset =F1(T2、T3) (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T2及びT3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。
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SHset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S1及びS2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SHset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SHsetに近づけることができる。
この実施形態によれば、過熱度の計測値と目標値SHset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SHset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S1を第2開閉弁30の開放時間S2より長く設定する(S2<S1)。
この実施形態によれば、S2<S1によってCO2タンク26に流入する熱交換媒体量がCO2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。
この実施形態によれば、S2<S1によってCO2タンク26に流入する熱交換媒体量がCO2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、CO2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。
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、CO2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。
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T2及びT3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。
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T2及びT3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T2及びT3の係数を夫々異ならせて目標値SHsetを算出する。
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T2及びT3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T2及びT3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、CO2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、CO2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。
このように、CO2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T2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T3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T2及びガスクーラ18における被加熱媒体の入口温度T3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。
吐出圧は、蒸発器22における被冷却媒体の入口温度T2及びガスクーラ18における被加熱媒体の入口温度T3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。
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T2及び被加熱媒体の入口温度T3の関数として予め求めておく。
Pset =F2(T2、T3) (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T2及びT3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。
Pset =F2(T2、T3) (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T2及びT3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。
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、CO2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 CO2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 CO2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
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 CO2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 CO2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)
- 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、CO2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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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、CO2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。 - 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。 - 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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