JP4947197B2 - ヒートポンプシステム - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態に係るヒートポンプシステム1の概略構成図である。
ヒートポンプ回路10は、一次冷媒としての二酸化炭素が循環している自然冷媒を用いた回路である。ヒートポンプ回路10は、圧縮機構20、主膨張弁3、蒸発器4、冷媒配管10a〜10l、エコノマイザ熱交換器7、エコノマイザ膨張弁7a、インジェクション流路11、液ガス熱交換器8、液ガス膨張弁8b、および、液ガス熱交流路12等を備えている。なお、図2において、図1のヒートポンプ回路10中の各点の状態を示すにおける圧力−エンタルピ線図を示す。
給湯回路90は、貯湯タンク95内にある水を、ガスクーラ6およびインタークーラ5において、ヒートポンプ回路10の熱により沸き上げるための回路である。給湯回路90の貯湯タンク95は、分岐点Wおよび給水管94を介して、外部から下端部分に水は供給され、内部に水を蓄える。貯湯タンク95の上端近傍からは給湯管98が延びている。給湯管98と、分岐点Wから延びる給湯バイパス管99とは、合流点Zに設けられた温度調節弁93において混合比率が調節されて、適切な温度の水となって利用箇所に供給される。この温度調節弁93の混合比率は、制御部2が制御する。
制御部2は、上述した吸入冷媒温度センサTA、吸入冷媒圧力センサPA、インタークーラ前冷媒温度センサTB、インタークーラ後冷媒温度センサTC、吐出冷媒温度センサTD、吐出冷媒圧力センサPD、ガスクーラ後冷媒温度センサTE、循環往き路温度センサTG、循環戻り路温度センサTJ、ガスクーラ側給湯出口温度センサTH、インタークーラ側給湯出口温度センサTIおよび外気温度等を把握することにより、圧縮機構20、主膨張弁3、エコノマイザ膨張弁7a、液ガス膨張弁8a、ファン4f、混合弁91、および、給湯ポンプ92等を制御する。
(2−1)圧縮機構20について
制御部2は、ヒートポンプ回路10において、高段側圧縮機構26の吐出冷媒温度(吐出冷媒温度センサTDが検知する温度)が目標冷媒温度であって、吐出冷媒圧力(吐出冷媒圧力センサPDが検知する圧力)が目標冷媒圧力となるように、駆動モータ29の出力制御を行っている。なお、目標冷媒温度および目標冷媒圧力は、外気温度や各種運転条件等に応じて、適宜制御部2が調整してもよいし、ユーザが制御部2に入力することにより調節するようにしてもよい。ここで、制御部2は、ヒートポンプ回路10の全体を制御することにより、高段側圧縮機構26が吐出する冷媒について、所定上限冷媒温度を超えることがないように、かつ、所定上限冷媒圧力を超えることがないように、調整している。なお、本実施形態では冷媒として二酸化炭素を採用しているため、高段側圧縮機構26の吐出冷媒圧力は臨界圧力を超えた状態になっている。
制御部2は、高段側圧縮機構26が吸入する冷媒が、目標冷媒圧力および目標冷媒温度より定まる中間冷媒圧力において所定の過熱度の状態となるように、エコノマイザ膨張弁7aの開度を制御する。エコノマイザ膨張弁7aの開度を上げた場合には、インジェクション流路11を介して第3中間圧管25の合流点Dに流入する冷媒量が増えるため、高段側圧縮機構26の吸入冷媒の過熱度を小さくさせることができる。
制御部2は、低段側圧縮機構22の吸入冷媒が所定の過熱度を有する状態となるように、主膨張弁3および液ガス膨張弁8aの弁開度を調節する。ここで、制御部2は、吸入冷媒温度センサTAおよび吸入冷媒圧力センサPAから得られた値によって、低段側圧縮機構22の吸入冷媒の過熱度を把握する。
制御部2は、低段側圧縮機構22の吸入冷媒が所定の過熱度を有する状態となるように、外気温度等に基づいてファン4fによる風量を制御することで、蒸発器4における蒸発能力を調節している。
給湯回路90では、図示しない入力手段を介して加熱目標温度がユーザから入力される。制御部2は、循環戻り路90hを流れる水の温度がこの加熱目標温度になるように、混合弁91における混合比率および給湯ポンプ92における水流量を制御する。なお、制御部2は、少なくとも、高段側圧縮機構26の吐出温度が、給湯回路90の加熱目標温度を超える温度になるように圧縮機構20を制御している。
混合弁91は、具体的には、ヒートポンプ回路10におけるインタークーラ5の出口の冷媒温度Ticout(第3中間圧管25を流れる冷媒温度としてインタークーラ後冷媒温度センサTCが検知する温度)と、ヒートポンプ回路10におけるガスクーラ6の出口の冷媒温度Tgcout(第3冷媒配管10cを流れる冷媒温度としてガスクーラ後冷媒温度センサTEが検知する温度)と、が等しくなるように、インタークーラ側給湯流路90A側の水の流量とガスクーラ側給湯流路90B側の水の流量の分配比率を調整する。
給湯ポンプ92は、具体的には、合流点Y後の循環戻り路90hを流れる水の温度(循環戻り路温度センサTJが検知する温度)が、加熱目標温度になるように流量を調節する。具体的には、ガスクーラ6の第2冷媒配管10bを流れる冷媒温度が加熱目標温度よりも高温であって、インタークーラ5の第2中間圧管24を流れる冷媒温度も加熱目標温度より高温である場合には、給湯ポンプ92の流量を下げると、ガスクーラ6やインタークーラ5において水が加熱される時間を長くすることができるため循環戻り路90hを流れる水の温度を上げることができ、給湯ポンプ92の流量を上げると、ガスクーラ6やインタークーラ5において水が加熱される時間を短くすることができるため循環戻り路90hを流れる水の温度を下げることができる。
図3に、外気温度や、入水温度、加熱目標温度等の条件が異なる場合について、その条件毎に、ヒートポンプ回路10のCOPが最も良好な値となる『インタークーラ側給湯流路90Aに流す水の分配割合』をプロットしたグラフである。ここで、図3における各プロットの状態では、インタークーラ5の出口冷媒温度とガスクーラ6の出口冷媒温度とが等しくなっており、かつ、COPが最適となっている。
図4に、外気温度が7℃であり、低段側圧縮機構22の吐出冷媒温度Td1が55℃であり、高段側圧縮機構26の吐出冷媒温度Td2が70℃であり、入水温度が30℃である水を加熱目標温度の55℃に上げる場合において、インタークーラ側給湯流路90Aに流す水の分配割合に対する、COPの値の関係を示す。
以上の図3、図4および図5の関係より、ヒートポンプ回路10のCOPを良好にするために、制御部2は、図6のフローチャートに示すような制御を行っている。
(7−1)
上記実施形態のヒートポンプシステム1では、圧縮機構20が容積比固定型であるため、低段側圧縮機構22の吐出冷媒温度を高段側圧縮機構26の吐出冷媒温度とは無関係に制御することができず、インタークーラ5に流入する冷媒温度が給湯回路90の加熱目標温度に満たない場合であっても、所定成績係数条件を満たしている場合には、積極的にインタークーラ側給湯流路90Aに水を流すように混合弁91を制御している。これにより、圧縮機構20が容積比固定型であっても、COPを良好にさせることができる。
上記実施形態のヒートポンプシステム1では、インタークーラ側給湯流路90Aを流れる水の流速について孔食を抑制できる所定流速を超えた流速に保つことが給湯回路90における加熱目標温度を達成するためには困難になってきた場合に、制御部2は、インタークーラ側給湯流路90Aを流れる水の流速を、孔食を抑制できる所定流速に維持するか、もしくは、インタークーラ側給湯流路90Aにおける水の流れを止めるように制御している。
以上、本発明の一実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、この実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。他の実施形態としては、例えば、以下の態様が挙げられる。
上記実施形態のヒートポンプシステム1では、給湯回路90を備えたヒートポンプシステム1について例に挙げて説明した。
上記実施形態のヒートポンプシステム1では、インタークーラ5の出口冷媒温度とガスクーラ6の出口冷媒温度とが所定範囲内に近づくように制御する場合について例に挙げて説明した。
上記実施形態では、インタークーラ側給湯流路90Aにおける水の流速について、孔食が生じる程度の流速か否かを判断するための値と、ステップS18においてインタークーラ側給湯流路90Aの流速として維持される値と、が同じ場合について例に挙げて説明した。
2 制御部
3 主膨張弁(膨張機構)
4 蒸発器
5 インタークーラ(第1熱交換器)
6 ガスクーラ(第2熱交換器)
8a 液ガス膨張弁(膨張機構)
10 ヒートポンプ回路
20 圧縮機構
22 低段側圧縮機構
26 高段側圧縮機構
90 給湯回路(熱負荷回路)
90A インタークーラ側給湯流路(第1路)
90B ガスクーラ側給湯流路(第2路)
91 混合弁(流量調節機構)
92 給湯ポンプ
201 ヒートポンプシステム
X 分岐点(分岐部分)
Y 合流点(合流部分)
Claims (6)
- 容積比が一定の関係にある低段側圧縮機構(22)と高段側圧縮機構(26)とを含む圧縮機構(20)と、膨張機構(3、8a)と、蒸発器(4)と、を少なくとも有しており、冷媒が循環するヒートポンプ回路(10)と、
分岐部分(X)と、合流部分(Y)と、前記分岐部分(X)と前記合流部分(Y)とを接続する第1路(90A)と、前記第1路(90A)と合流することなく前記分岐部分(X)と前記合流部分(Y)とを接続する第2路(90B)と、を有しており、流体が流れる熱負荷回路(90、290)と、
前記低段側圧縮機構(22)の吐出側から前記高段側圧縮機構(26)の吸入側に向けて流れる前記冷媒と、前記第1路(90A)を流れる前記流体と、の間で熱交換を行わせる第1熱交換器(5)と、
前記高段側圧縮機構(26)から前記膨張機構(3、8a)に向けて流れる前記冷媒と、前記第2路(90B)を流れる前記流体と、の間で熱交換を行わせる第2熱交換器(6)と、
前記第1路(90A)を流れる前記流体の流量と前記第2路(90B)を流れる前記流体の流量との比率を調節可能な流量調節機構(91)と、
前記熱負荷回路(90、290)を流れる合流後の前記流体の加熱目標温度よりも前記第1熱交換器(5)に流入する冷媒の温度が低いときには、前記第1熱交換器(5)に流入する冷媒の温度と前記第2熱交換器(6)に流入する冷媒の温度と前記加熱目標温度との関係が所定条件を満たした場合に、前記第1熱交換器(5)に前記流体を流すことを許容するように前記流量調節機構(91)を制御する制御部(2)と、
を備え、
前記所定条件は、前記第1熱交換器(5)に流入する冷媒の温度、前記第2熱交換器(6)に流入する冷媒の温度および前記加熱目標温度に基づいて定まる状況下において、前記第1熱交換器(5)に前記流体を流さないよりも流したほうが前記ヒートポンプ回路(10)におけるエネルギ消費効率が高いことである、
ヒートポンプシステム(1、201)。 - 前記第1熱交換器(5)に前記流体を流さないよりも流したほうが前記ヒートポンプ回路(10)におけるエネルギ消費効率が高いか否かは、前記第1熱交換器(5)に流入する冷媒の温度と前記加熱目標温度との差分と前記第2熱交換器(6)に流入する冷媒の温度と前記加熱目標温度との差分との比を、所定値と比べることにより、前記制御部(2)が判断する、
請求項1に記載のヒートポンプシステム(1、201)。 - 前記制御部(2)は、前記第1熱交換器(5)に前記流体を流す場合には、
前記ヒートポンプ回路のうち前記第1熱交換器(5)の出口を流れる前記冷媒の温度と、前記ヒートポンプ回路のうち前記第2熱交換器(6)の出口を流れる前記冷媒の温度と、の比が1となる場合を含む所定温度条件を満たす状態を維持させるように、
若しくは、
前記ヒートポンプ回路のうち前記第1熱交換器(5)の出口を流れる前記冷媒の温度と、前記ヒートポンプ回路のうち前記第2熱交換器(6)の出口を流れる前記冷媒の温度と、の差を小さくさせるように、
前記流量調節機構(91)を操作する流量調節制御を行う、
請求項1または2に記載のヒートポンプシステム(1、201)。 - 前記制御部(2)は、
前記第1熱交換器(5)に流入する冷媒の温度よりも前記第2熱交換器(6)に流入する冷媒の温度の方が高い場合において、前記流量調節制御を行うことにより前記第1熱交換器(5)に流す前記流体の流量が所定流量未満になる場合には、
前記第1熱交換器(5)に流す前記流体の流量が前記所定流量で維持されるように前記流量調節機構(91)を制御しつつ、前記高段側圧縮機構(26)の吐出冷媒の目標温度を上げるように前記ヒートポンプ回路(10)を制御するという高段吐出温度制御を行う、
請求項3に記載のヒートポンプシステム(1、201)。 - 前記制御部(2)は、
前記高段側圧縮機構(26)の吐出冷媒の目標温度が所定の上限温度を超えない範囲で前記高段吐出温度制御を行い、
前記上限温度を超える場合には、前記第1熱交換器(5)には前記流体を流さずに前記第2熱交換器(6)には前記流体を流すように前記流量調節機構を制御する、
請求項4に記載のヒートポンプシステム(1、201)。 - 前記流量調節機構は、前記分岐部分(X)の上流側、もしくは、前記合流部分(Y)の下流側に設けられており、通過する前記流体の流量を調節可能なポンプ(92)をさらに有しており、
前記制御部(2)は、前記熱負荷回路(90、290)を流れる合流後の前記流体の加熱目標温度となるように、前記ポンプ(92)の流量を制御する、
請求項1から5のいずれか1項に記載のヒートポンプシステム(1、201)。
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