JP5070301B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関する。
例えば特開2001−116371号公報に記載されているように、膨張機と圧縮機を回転軸で連結し、膨張機で得られた動力を圧縮機の駆動に利用して成績係数(COP:coefficient of performance)の向上を図る冷凍サイクル装置が知られている。この冷凍サイクル装置には、設計上の理想条件とは異なる運転条件での効率が芳しくない弱点がある。なぜなら、膨張機と圧縮機とが回転軸で連結されており、膨張機と圧縮機の押しのけ容積の比を変更できないからである。
どのような運転条件でも高いCOPが得られるように、膨張機をバイパスするバイパス回路を設けたり、膨張機の上流側に予膨張弁を設けたりする提案がある。すなわち、膨張機の押しのけ量が不足する場合には、放熱後の冷媒の一部をバイパス回路に流して冷媒の循環量を確保する。逆に、膨張機の押しのけ量が過剰な場合には、予膨張弁で冷媒を減圧して冷媒の比容積を予め増大させる。
ただし、バイパス回路や予膨張弁を使用すると膨張機で回収できる動力が減少し、COPの向上効果が薄れる。この問題を受けて、特開2004−212006号公報では、図14に示すような冷凍サイクル装置が提案されている。この冷凍サイクル装置は、第1圧縮機21、第1圧縮機21に連結された膨張機23および第1圧縮機21に並列に配置された第2圧縮機22を備えている。サイクルの高圧が目標値よりも高い場合、第1圧縮機21と第2圧縮機22の押しのけ量の合計値が理想値よりも大きいことを意味する。したがって、第2圧縮機22の回転数を下げてその押しのけ量を減らす。すると、膨張機23を流れる冷媒の量が減るので、サイクルの高圧が目標値に近づく。逆に、サイクルの高圧が目標値よりも低ければ、第2圧縮機22の回転数を上げる。このように、第2圧縮機22の回転数を調節することで、効率のよい運転を行える。
特開2001−116371号公報 特開2004−212006号公報
第1圧縮機21の回転数と第2圧縮機22の回転数とを交互に調節する制御方法も考えられるが、システムの安定性の面で不安が残るし、制御が複雑になることも予想される。その意味において、第1圧縮機21の回転数を固定し、第2圧縮機22の回転数を調節する制御方法は理にかなっている。
ところが、本発明者らが詳細な検討を行なったところ、第2圧縮機22の回転数のみを上げ下げするよりも効率をよくできる制御方法が存在することを突き止めた。
すなわち、本発明は、
第1圧縮機と、
冷媒回路において前記第1圧縮機に並列に接続された第2圧縮機と、
前記各圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
前記第1圧縮機の回転軸に連結された膨張機と、
前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記放熱器で加熱されるべき熱媒体の温度が予め定められた温度範囲内にある場合には、当該冷凍サイクル装置の成績係数を高めるための処理として前記第1圧縮機の回転数を変更するステップを含む第1処理を実行する一方、前記放熱器で加熱されるべき前記熱媒体の温度が前記予め定められた温度範囲内にない場合には、前記成績係数を高めるための処理として前記第2圧縮機の回転数を変更するステップを含む第2処理を実行する効率向上手段を有するコントローラと、
を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。
上記本発明では、放熱器で加熱されるべき熱媒体の温度が所定の温度範囲内にあるかどうかを判断し、その判断結果に応じて、第1処理を実行するのか第2処理を実行するのかを選択する。熱媒体の温度が所定の温度範囲内にあれば第1処理を実行し、熱媒体の温度が所定の温度範囲内になければ第2処理を実行する。このようにすれば、単純に第2圧縮機の回転数を上げ下げするよりも効率がよくなる。その理由の詳細は後述する。また、第1圧縮機の回転数と第2圧縮機の回転数とを交互に調節しなくても済むので、各圧縮機の制御も容易であり、システムの安定性も高まる。
本発明の第1実施形態にかかる冷凍サイクル装置を示す構成図 入水温度とCOPの関係を示すグラフ(外気温度:2℃) 入水温度とCOPの関係を示すグラフ(外気温度:16℃) 外気温度と最適密度比の関係図(入水温度:35℃) 入水温度と最適密度比の関係図(入水温度:2℃) 超臨界サイクルの高圧とCOPの関係図 第1実施形態の冷凍サイクル装置における各圧縮機の回転数と高圧との関係図 第2圧縮機が設けられていない冷凍サイクル装置における第1圧縮機の回転数と高圧との関係図 第1実施形態にかかる制御のフローチャート 図9のフローチャートに示す制御で実現されるCOPプロファイルを示す概略図 図10Aの部分拡大図 本発明の第2実施形態にかかる冷凍サイクル装置を示す構成図 入水温度とCOPの関係を示すグラフ(外気温度:2℃) 第2実施形態にかかる制御のフローチャート 従来の冷凍サイクル装置を示す構成図
(第1実施形態)
図1に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置100は、第1圧縮機101と、第2圧縮機102と、放熱器103と、膨張機104と、蒸発器105とを備えている。これらの機器が配管で接続されることによって冷媒回路200が形成されている。第1圧縮機101および第2圧縮機102は、それぞれ、冷媒を圧縮する。放熱器103は、第1圧縮機101で圧縮された冷媒および第2圧縮機102で圧縮された冷媒を冷却する。膨張機104は、放熱器103で冷却された冷媒を膨張させる。蒸発器105は、膨張機104で膨張した冷媒を加熱する。冷媒回路200において、第2圧縮機102は、第1圧縮機101に対して並列に設けられている。第1圧縮機101および第2圧縮機102のそれぞれに冷媒が導かれるように、蒸発器105の下流側で冷媒回路が分岐している。圧縮された冷媒の全量が放熱器103に流入するように、放熱器103の上流側で冷媒回路200が合流している。冷媒回路200には、二酸化炭素やハイドロフルオロカーボン等の冷媒が充填されている。
冷凍サイクル装置100が給湯機に適用される場合、放熱器103に水熱交換器を使用でき、蒸発器105に空気熱交換器を使用できる。冷凍サイクル装置100が空調機に適用される場合、放熱器103および蒸発器105の両者に空気熱交換器を使用できる。本実施形態では、放熱器103が水熱交換器である例を示している。放熱器103の内部には、水回路129が通されており、水回路129を流れる水(熱媒体)と冷媒回路200を流れる冷媒とが放熱器103で熱交換する。
第1圧縮機101、第2圧縮機102および膨張機104は、それぞれ、スクロール型、ロータリ型、レシプロ型等の容積型流体機械で構成されている。冷媒が膨張時に開放するエネルギーは、膨張機104によって動力の形で回収される。回収動力が第1圧縮機101で使用されるように、第1圧縮機101と膨張機104とが回転軸123によって連結されている。第1圧縮機101と膨張機104との間には、回転軸123を駆動するためのモータ110が配置されている。回転軸123で連結されているため、本実施形態では、第1圧縮機101の回転数と膨張機104の回転数とが常に等しい。他方、第2圧縮機102には、専用のモータ111が接続されている。モータ110とモータ111とは別々に回転数を制御可能である。言い換えれば、第1圧縮機101の回転数と第2圧縮機102の回転数とを独立して制御可能である。これにより、密度比一定の制約を回避できる。
第1圧縮機101、モータ110、回転軸123および膨張機104は、共通の密閉容器(図示せず)内に収容されている。このタイプの流体機械は、例えば国際公開2006/035934号パンフレットに開示されている。同様に、第2圧縮機102およびモータ111も共通の密閉容器(図示せず)内に収容されている。
冷凍サイクル装置100は、さらに、運転を制御する手段としてのコントローラ115と、モータ110に給電する第1インバータ125と、モータ111に給電する第2インバータ127とを備えている。具体的に、コントローラ115には、A/D変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置等を含むDSP(Digital Signal Processor)が用いられる。コントローラ115は、インバータ125および127を制御することによって、モータ110およびモータ111の回転数、すなわち、第1圧縮機101および第2圧縮機102の回転数を調節する。
冷媒回路200には、放熱器103の出口における冷媒の温度を検出する放熱器出口温度センサ112と、放熱器103の出口における冷媒の圧力を検出する圧力センサ117とが設けられている。蒸発器105の近傍には、蒸発器105の周囲の雰囲気温度(例えば外気温度)を検出する雰囲気温度センサ113が設けられている。水回路129には、放熱器103で加熱されるべき水(熱媒体)の温度を検出する入水温度センサ114が設けられている。これらの温度センサには、サーミスタや熱電対などの温度検出素子を使用できる。圧力センサ117としては、半導体素子を使用したものが挙げられる。各センサの信号はコントローラ115に入力される。
第1圧縮機101の吸入容積と、第2圧縮機102の吸入容積とは、異なっていてもよいが、等しい方が有利である。第1圧縮機101と第2圧縮機102とに共通の流体機械を用いることによって、コストを低減できるからである。なお、「吸入容積」とは、吸入完了時の閉じ込め容積のことである。
次に、冷凍サイクル装置100の運転について説明する。
まず、冷凍サイクル装置100を給湯式暖房機に適用したときの当該冷凍サイクル装置100のCOPの変化を調べるために行なった予備実験について説明する。この予備実験では、(i)第2圧縮機102の回転数を所定値に固定する一方、最適高圧が得られるように第1圧縮機101の回転数を調節する制御と、(ii)第1圧縮機101の回転数を所定値に固定する一方、最適密度比が得られるように第2圧縮機102の回転数を調節する制御とを試した。「最適高圧」とは、冷媒の物性の観点からCOPが最高になると考えられる、冷凍サイクルの高圧を意味する。「冷凍サイクルの高圧」とは、第1圧縮機101および第2圧縮機102から吐出され、放熱器103を経て膨張機104に導かれる冷媒の圧力を意味する。「最適密度比」とは、設計上COPが最高になると考えられる密度比を意味する。「密度比」とは、第1圧縮機101の入口における冷媒の密度ρeと膨張機104の入口における冷媒の密度ρcとの比Q(Q=ρe/ρc)を意味する。予備実験の条件は以下の通りである。結果を図2および図3に示す。図2および図3の縦軸および横軸は、それぞれ、冷凍サイクル装置100のCOPと入水温度センサ114の検出温度を表している。
第1圧縮機の吸入容積:4cc
第2圧縮機の吸入容積:4cc
膨張機の吸入容積:0.8cc
第1圧縮機の固定回転数:60Hz
第2圧縮機の固定回転数:60Hz
冷媒:二酸化炭素
外気温度:2℃または16℃
図2および図3において、COPが単調減少しているグラフは、第1圧縮機101の回転数を60Hzに固定する一方、最適密度比が得られるように第2圧縮機102の回転数を調節した場合の結果を示している。入水温度が低ければ低いほど第2圧縮機102の回転数は高く、入水温度が高ければ高いほど第2圧縮機102の回転数は低い。ただし、入水温度と第2圧縮機102の回転数とは比例していない。
図2および図3において、極値を有するグラフは、第2圧縮機102の回転数を60Hzに固定する一方、最適高圧が得られるように第1圧縮機101の回転数を調節した場合の結果を示している。入水温度が低ければ低いほど第1圧縮機101の回転数は高く、入水温度が高ければ高いほど第1圧縮機101の回転数は低い。ただし、入水温度と第1圧縮機101の回転数とは比例していない。なお、COPは、モータの消費電力、沸き上げ温度、入水温度および給湯量から算出した。
図2および図3に示す結果をさらに検討する。
一般に、入水温度が低ければ低いほど放熱器103での熱交換効率がよくなるので、入水温度に対してCOPが単調に増減する傾向を予測できる。第1圧縮機101の回転数を所定値に固定する一方、最適密度比が得られるように第2圧縮機102の回転数を調節する制御(ii)によると、そのような傾向が現れている。しかし、第2圧縮機102の回転数を所定値に固定する一方、最適高圧が得られるように第1圧縮機101の回転数を調節する制御(i)によると、COPが単調に増減せず、ある特定の入水温度にピークが現れる。このような結果が得られた理由は必ずしも明らかではないが、第1圧縮機101と膨張機104とが回転軸123で連結されていること、および超臨界冷媒である二酸化炭素の物性が影響しているものと考えられる。
二酸化炭素等の超臨界冷媒を作動流体に使用し、圧縮機と回転軸で連結された膨張機を搭載した冷凍サイクル装置のCOPを高めるには、以下の2つのポイントに特に留意する必要がある。1つのポイントは、密度比Qを最適密度比に調節することである。他の1つのポイントは、冷凍サイクルの高圧を最適高圧に調節することである。
仮に、実際の密度比Qが最適密度比に一致したときに自動的に最適高圧が得られているのであれば、上述した制御(i)または(ii)を行うだけで常に最高のCOPが得られるはずである。しかし、現実は異なっている。図2および図3から明らかなように、冷凍サイクル装置100のCOPが最も高くなる制御方法は運転条件によって切り替わる。最適密度比が得られているからといって、最適高圧が得られているとは限らない。
図2に示すように、例えば外気温度が2℃のときは、入水温度が35〜45℃の範囲では上述した制御(i)を行うことでより高いCOPが得られ、その範囲外では上述した制御(ii)を行うことでより高いCOPが得られる。図3に示すように、外気温度が16℃のときは、入水温度が40〜47℃の範囲では制御(i)を行うことでより高いCOPが得られ、その範囲外では制御(ii)を行うことでより高いCOPが得られる。
例えば、冷凍サイクル装置100を用いた暖房機は、温水が循環する暖房回路(図1に示す水回路129に相当する)を有している。そのため、放熱器103で加熱されるべき水の温度が30〜50℃程度になるのが一般的である。したがって、冷凍サイクル装置100を効率よく運転するには、入水温度や外気温度等の運転条件に応じて制御方法を切り替えることが望ましい。
また、制御方法を切り替えるべき入水温度T1およびT2は、第1圧縮機101および第2圧縮機102の固定回転数にも依存する。つまり、固定回転数が変われば、COPプロファイルも図2および図3に示す形とは異なるものになる。例えば、冷凍サイクル装置100の能力の調節範囲が重要でない場合には、第1圧縮機101の定格回転数を制御(ii)における第1圧縮機101の固定回転数として採用し、かつ第2圧縮機102の定格回転数を制御(i)における第2圧縮機102の固定回転数として採用できる。他方、制御方法を切り替えるべき入水温度T1およびT2が、外気温度および固定回転数に対応して定められていると、冷凍サイクル装置100の能力の調節範囲が広くなる。
次に、密度比Qおよび最適密度比について詳しく説明する。
第1圧縮機101の吸入容積をVc、膨張機104の吸入容積をVe、第1圧縮機101の回転数をHz1、第2圧縮機102の回転数をHz2、第1圧縮機101の入口における冷媒の比容積をMc、膨張機104の入口における冷媒の比容積をMe、冷凍サイクル装置100における冷媒の重量循環量をGとすると、下記式(1)の関係が成立する。
Vc*Hz1:Ve*Hz1=Mc*(Hz1/(Hz1+Hz2))*G:Me*G・・・(1)
第1圧縮機101の入口における冷媒の密度ρcと膨張機104の入口における冷媒の密度ρeを用いて式(1)を展開すると、次式(2)が得られる。
ρe/ρc=(Vc/Ve)*((Hz1+Hz2)/Hz1)・・・(2)
右辺のVc/Veは設計値であり、これを任意に変更するのは困難である。したがって、所望の密度比Q(Q=ρe/ρc)を得るためには、第1圧縮機101の回転数Hz1および/または第2圧縮機102の回転数Hz2を調節する必要がある。ここで、図4に示すように、外気温度が低くなればなるほど最適密度比は大きくなる。図5に示すように、入水温度が低くなればなるほど最適密度比は大きくなる。その他、最適密度比は圧縮機の吸入冷媒温度、冷凍サイクル装置の仕様、冷媒充填量等の様々な要因から影響を受ける。
例えば、外気温度が7℃(冬期条件)、密度比Qの目標値(最適密度比)が10である場合を考える。第1圧縮機101の吸入容積Vcを4cc、第1圧縮機101の回転数Hz1を60Hz、膨張機104の吸入容積Veを0.8ccとすると、第2圧縮機102の回転数Hz2は60Hzである。外気温度が25℃(夏期条件)で密度比Qの目標値が8である場合には、第2圧縮機102の回転数Hz2は36Hzである。
本実施形態では、最適密度比が得られるように第2圧縮機102を制御する。第1圧縮機101の回転数を所定値に固定しつつ第2圧縮機102の回転数を変化させると、膨張機104の体積流量を一定に保ちながら圧縮冷媒の体積流量のみを増減できるので、密度比の調節幅が大きくなる利点がある。昼夜や季節間の温度差が激しい地域では最適密度比の差も大きくなるので、この利点が特に意義を持つ。また、本実施形態では、最適高圧を得るために第1圧縮機101の回転数を調節する。第1圧縮機101の回転数が変化すると、膨張機104の回転数も変化する。そのため、第1圧縮機101を使用すると冷凍サイクルの高圧の微調節が容易である。
次に、冷凍サイクルの高圧および最適高圧について詳しく説明する。
二酸化炭素を冷媒に使用した冷凍サイクルは、高圧側(圧縮機から放熱器を経て膨張機に至る部分)で冷媒が超臨界状態となる超臨界サイクルを形成する。そのため、図6に示すように、高圧に対してCOPがピークを持つ。しかし、ピークに対応する最適高圧は、放熱器103の出口における冷媒の温度や外気温度等によって変化する。図6は、過熱度が5℃、入水温度が35℃のときの例である。
最適高圧は冷凍サイクルの状態から計算できる。具体的には、放熱器出口温度センサ112および雰囲気温度センサ113の検出結果に基づいて最適高圧を計算できる。高圧を変化させる最も有効な手段は、圧縮機の回転数を変化させることである。第1圧縮機101の回転数を変化させることによって高圧を任意に調節できる。
確認実験として、各圧縮機の回転数と高圧との関係を季節毎に調べた。結果を図7に示す。例えば中間期条件では、実際の高圧(図7中にひし形の印で表されたデータ)が最適高圧(図7中に×印で表されたデータ)に一致するように第1圧縮機101の回転数を調節し、必要な加熱能力が得られるように第2圧縮機102の回転数を調節した。第1圧縮機101および第2圧縮機102を適切に制御することにより、冬期、中間期および夏期の全てにおいて、実際の高圧と最適高圧とを一致させることができた。
また、第2圧縮機が設けられていない冷凍サイクル装置における、第1圧縮機の回転数と高圧との関係も季節毎に調べた。結果を図8に示す。冬期条件では実際の高圧と最適高圧とがよく一致したが、中間期条件および夏期条件では実際の高圧が最適高圧から大きく乖離した。これは、第1圧縮機および膨張機が冬期条件をベースに設計されているからである。第2圧縮機が設けられていない場合、密度比Qが回転数に関係なく常に一定になるため(密度比一定の制約)、高圧は成り行き任せになる。冬期だけなら高いCOPが得られるが、通年のCOPは芳しくない。
次に、各圧縮機の制御手順について、図9のフローチャートを参照して説明する。冷凍サイクル装置100が給湯機(暖房機を含む)に適用された例について説明する。
コントローラ115は、図9に示す制御を定期的に実行する。まず、ステップ201において、冷凍サイクル装置100の起動契機を取得したかどうかを判断する。「起動契機」には、運転を開始すべき旨をコントローラ115に通知する契機や、冷凍サイクル装置100に対する要求能力が変更されたことをコントローラ115に通知する契機等が含まれる。前者の契機は、例えば、ユーザーが蛇口を開いて湯を使用し始めたとき、暖房のスイッチをオンしたとき、タンクに貯めた湯の量が所定量以下となったとき、深夜に自動的に貯湯運転を行なうとき等に発生する。後者の契機は、例えば、ユーザーが暖房の設定温度を変更したとき、暖房の強さを弱から強に変更したとき等に発生する。「要求能力」とは、冷凍サイクル装置100が発揮するべき能力を意味する。
冷凍サイクル装置100が運転中でない場合、または、運転中であっても要求能力に変更があった場合には、ステップ202〜204の初期設定処理を実行する。他方、冷凍サイクル装置100が既に運転中であり、かつ要求能力に変更がない場合には、ステップ202〜204を省略してステップ205以降の処理を実行する。
ステップ202では、まず、起動契機に含まれた情報であるユーザーの指示等に基づいて要求能力を計算する。冷凍サイクル装置100が風呂の給湯機に適用されるのであれば、「ユーザーの指示」とは、例えばユーザーがリモコン等で選択する「追い炊き運転」や「足し湯運転」である。「追い炊き運転」のときは出湯温度が50℃になるように要求能力(例えば5kW)を設定し、「足し湯運転」のときは出湯温度が40℃になるように要求能力(例えば4kW)を設定する。冷凍サイクル装置100が暖房機に適用されるのであれば、例えば、ユーザーが設定した室温に応じて要求能力が設定される。また、コントローラ115が外気温度、必要な湯量、入水温度等のパラメータに基づいて要求能力を自動で設定することもある。
次に、ステップ203において、要求能力を発揮できるように第1圧縮機101および第2圧縮機102の各初期回転数を決定する。具体的には、要求能力に対応する形で第1圧縮機101および第2圧縮機102の各初期回転数が予め定められている。第1圧縮機101の初期回転数と第2圧縮機102の初期回転数とは同一であってもよいし、異なっていていてもよい。また、要求能力だけでなく、雰囲気温度センサ113や入水温度センサ114の検出結果に基づいて初期回転数が決定されてもよい。決定された初期回転数で第1圧縮機101および第2圧縮機102が動作するように、インバータ125,127に指示を与える。
次に、ステップ204において、入水温度を検出して、冷凍サイクル装置100の現在の制御モードを設定する。図10Aに示すように、入水温度がT1よりも小さい場合、または入水温度がT2よりも大きい場合には、先に説明した制御(ii)を実行する「密度比制御モード」を設定し、メモリに記憶する。他方、入水温度がT1〜T2の範囲内にある場合には、先に説明した制御(i)を実行する「高圧制御モード」を設定し、メモリに記憶する。
次に、ステップ205において、当該冷凍サイクル装置100の運転状態を認識するために、放熱器出口温度センサ112、雰囲気温度センサ113および入水温度センサ114から信号を取得して各温度を検出する。
次に、ステップ206において、検出された入水温度が予め定められた温度範囲T1〜T2内にあるかどうかを判断する。「予め定められた温度範囲」は、蒸発器105の周囲の雰囲気温度に対応して定められた温度範囲である。図2および図3を参照して説明したように、例えば、外気温度が2℃の場合には「予め定められた温度範囲」は35〜45℃であり、外気温度が16℃の場合には「予め定められた温度範囲」は40〜47℃である。
また、各圧縮機の固定回転数が一定でない場合、「予め定められた温度範囲」は、高圧制御モードで第1処理を実行する際の第2圧縮機102の固定回転数、および密度比制御モードで第2処理を実行する際の第1圧縮機101の固定回転数に対応して定められた温度範囲でもある。後述するように、「第1処理」は、第1圧縮機101の回転数を変更するステップを含む処理である。同様に、「第2処理」は、第2圧縮機102の回転数を変更するステップを含む処理である。
入水温度が温度範囲T1〜T2内にある場合、冷凍サイクルの高圧を最適高圧Pmに合わせることによって冷凍サイクル装置のCOPを最も高くできる。したがって、ステップ207に移り、まず、制御モードを切り替える必要があるかどうかを判断する。制御モードを切り替える必要がある場合には、ステップ208で各圧縮機の回転数を調節する。
図10Aに示すように、入水温度が徐々に上昇してT1を超えたとき、制御モードが密度比制御モードから高圧制御モードに切り替わる。つまり、図10Bに示すように、COPプロファイルが点P1から点P2に向かうラインを辿る。例えば、点P1における第1圧縮機101の回転数(固定回転数)が60Hzであり、第2圧縮機102の回転数が45Hzであるとする。また、点P2における第1圧縮機101の回転数が48Hzであり、第2圧縮機102の回転数(固定回転数)が60Hzであるとする。固定回転数で運転するべき圧縮機を第1圧縮機101から第2圧縮機102に切り替えるので、点P1から点P2への変化の過程で各圧縮機の回転数の調節を行う。もちろん、固定回転数で運転するべき圧縮機を第2圧縮機102から第1圧縮機101に切り替える場合もある。なお、各圧縮機の回転数が急激に変化すると、サイクルが不安定になる可能性があるので、ステップ208における各圧縮機の回転数の変化は、なるべく緩やかであることが好ましい。
次に、ステップ209において、COPを最も高くできる最適高圧Pm(目標高圧)を計算する。よく知られているように、最適高圧Pmは入水温度や放熱器出口温度と密接に関係している。入水温度と最適高圧Pmとの相関式(または相関テーブル)をコントローラ115に予めインプットしておけば、検出された入水温度に基づいて、最適高圧Pmを求めることができる。入水温度に代えて、放熱器出口温度を用いる場合でも同様である。
次に、ステップ210において、圧力センサ117によって実際の高圧Pdを検出し、検出した高圧Pdと最適高圧Pmとの大小を比較する。Pd<Pmの場合はステップ211に移り、第1圧縮機101の回転数を上げる。Pd≧Pmの場合はステップ212に移り、第1圧縮機101の回転数を下げる。なお、圧力センサ117を使用せずに実際の高圧Pdを求める(推定する)こともできる。よく知られているように、冷凍サイクルの高圧は、圧縮機の回転数や外気温度等のパラメータと密接に関係している。したがって、そのようなパラメータに対応する形で高圧が記述された相関テーブルを使用して実際の高圧Pdを求めてもよい。
なお、最適高圧Pmを得るための第1圧縮機101の回転数が入水温度に対応する形で記述された相関テーブルがコントローラ115に予めインプットされていてもよい。その相関テーブルを参照することにより、入水温度に応じて第1圧縮機101の回転数を一義的に決定できる。
他方、入水温度が温度範囲T1〜T2内にない場合、密度比Qを最適密度比Qmに一致させることによって冷凍サイクル装置のCOPを最も高くできる。ステップ213に移り、まず、制御モードを切り替える必要があるかどうかを判断する。制御モードを切り替える必要がある場合には、ステップ214で各圧縮機の回転数を調節する。ステップ213および214の処理は、先に説明したステップ207および208と同じ処理である。
次に、ステップ215において、COPを最も高くできる最適密度比Qm(目標密度比)を計算する。図4および図5を参照して説明したように、最適密度比Qmは入水温度や外気温度と密接に関係している。入水温度と最適密度比Qmとの相関式(または相関テーブル)をコントローラ115に予めインプットしておけば、検出された入水温度に基づいて、最適密度比Qmを求めることができる。入水温度に代えて、外気温度を用いる場合でも同様である。
ステップ216では、実際の密度比Qと最適密度比Qmとの大小を比較する。Q<Qmの場合はステップ217に移り、第2圧縮機102の回転数を上げる。Q≧Qmの場合はステップ218に移り、第2圧縮機102の回転数を下げる。実際の密度比Qは、前述した(2)式に基づいて計算できる。
なお、ステップ206〜218の処理を実行した後、第1圧縮機101の回転数または第2圧縮機102の回転数を補正する処理を実行してもよい。具体的には、第1圧縮機101の回転数または第2圧縮機102の回転数を変更したことに起因して、各圧縮機の回転数が要求能力を発揮するのに必要十分であるかどうかを判断する。能力が足りない場合には、不足している能力を補償しうる補正係数を各圧縮機の回転数に乗じて、各圧縮機の回転数を上げる。同様に、能力が過剰な場合には、過剰な能力を削減しうる補正係数を各圧縮機の回転数に乗じて、各圧縮機の回転数を下げる。言い換えると、コントローラ115は、第1処理(ステップ209〜212)または第2処理(ステップ215〜218)が実行された後に、当該冷凍サイクル装置100に対する要求能力を満たすようにその時点の第1圧縮機101の回転数および/または第2圧縮機102の回転数を補正する手段をさらに有する。このような補正を行うことで、COPを高く維持しつつ、必要十分な能力での運転が可能になる。なお、補正を行うと固定回転数が変化するので、温度範囲T1〜T2も変化する。
以上のように、コントローラ115は、入水温度が予め定められた温度範囲T1〜T2内にある場合には、当該冷凍サイクル装置100のCOPを高めるための処理として第1処理を実行する一方、入水温度が予め定められた温度範囲T1〜T2内にない場合には、COPを高めるための処理として第2処理を実行する効率向上手段を有する。第1処理(ステップ209〜212)は、第1圧縮機101の回転数を変更するステップを含む処理である。第2処理(ステップ215〜218)は、第2圧縮機102の回転数を変更するステップを含む処理である。冷凍サイクル装置100の運転状態に応じて2つの制御方法(制御モード)を切り替えることによって、全ての運転条件において優れたCOPが得られる。
第1処理のステップ211および212は、冷凍サイクルの高圧側における冷媒の圧力PdがCOPを最も高くできる最適高圧Pmに近づくように第1圧縮機101の回転数を変更するステップである(最適高圧制御)。第2処理のステップ217および218は、膨張機104の入口冷媒密度ρeと第1圧縮機101(または第2圧縮機102)の入口冷媒密度ρcとの密度比QがCOPを最も高くできる最適密度比Qmに近づくように第2圧縮機102の回転数を変更するステップである(最適密度比制御)。
具体的に、第1処理において、高圧Pdと最適高圧Pmとを比較することによって現在の高圧Pdを変更する必要があるかどうかを判断する。高圧Pdが低すぎる場合には第1圧縮機101の回転数を上げ、高圧Pdが高すぎる場合には第1圧縮機101の回転数を下げる。第2処理において、密度比Qと最適密度比Qmとを比較することによって現在の密度比Qを変更する必要があるかどうかを判断する。密度比Qが小さすぎる場合には第2圧縮機102の回転数を上げ、密度比Qが大きすぎる場合には第2圧縮機102の回転数を下げる。このような第1処理および第2処理を適切に実行することによって、全ての運転条件において優れたCOPが得られる。
また、本実施形態では、当該冷凍サイクル装置100の起動契機を取得することを条件として、当該冷凍サイクル装置100に対する要求能力を発揮しうる第1圧縮機101および第2圧縮機102の各初期回転数を設定する初期設定手段をコントローラ115が有する。冷凍サイクル装置100の起動後、入水温度が予め定められた温度範囲T1〜T2内にある場合には、第1圧縮機101および第2圧縮機102が各初期回転数で動作している初期動作状態での高圧Pdに基づいて、第1処理(ステップ209〜212)を実行する。入水温度が予め定められた温度範囲T1〜T2内にない場合には、その初期動作状態での密度比Qに基づいて、第2処理(ステップ215〜218)を実行する。このようにすれば、冷凍サイクル装置100をスムーズに起動できる。
図10Aに示すように、温度T1およびT2で密度比制御モードと高圧制御モードとの切り替えを行う結果、温度T1よりも低い入水温度および温度T2よりも高い入水温度では、入水温度の上昇に応じてCOPが単調減少する。温度範囲T1〜T2では、入水温度の上昇に応じてCOPが増加および減少して1つの極値を示す。
なお、本実施形態では、ステップ210において、高圧Pdと最適高圧Pmとの大小を比較している。ただし、最適高圧Pmが一定の範囲を有していてもよい。すなわち、高圧Pdが最適高圧Pm+αを超えたときに第1圧縮機101の回転数を下げる一方、高圧PdがPm−αを下回ったときに第1圧縮機101の回転数を上げる。同様に、最適密度比Qmが一定の範囲を有していてもよい。すなわち、密度比Qが最適密度比Qm+αを超えたときに第2圧縮機102の回転数を下げる一方、密度比Qが最適密度比Qm−αを下回ったときに第2圧縮機102の回転数を上げる。このような不感帯を設けることにより、高圧Pdが多少ふらついたとしても回転数の変更を頻繁にせずに済む。同様の不感帯を温度T1およびT2に設けてもよい。
(第2実施形態)
図11に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置300は、流量調節弁134を有するインジェクション回路132をさらに備えている点で第1実施形態と相違する。インジェクション回路132は、放熱器103の出口と膨張機104の中間圧部とを流量調節弁134を介して接続している。流量調節弁134の開度を調節するバルブコントローラ136がコントローラ115に接続されている。インジェクション回路132の冷媒流量は、流量調節弁134の開度に応じて変化する。なお、「中間圧部」とは、膨張過程の冷媒に高圧冷媒を混ぜるために設けられた部分である。典型的に、中間圧部は、膨張室内に面している開口部である。
第1実施形態で説明したように、外気温度が25℃(夏期条件)の場合、最適密度比Qmが8であり、このときの第2圧縮機102の回転数Hz2は36Hzである。しかし、第2圧縮機102を低回転数で運転することは信頼性の観点で好ましくない。また、モータの効率が最大になる回転数(例えば60Hz)で第2圧縮機102を運転することが望ましい。本実施形態によると、第2圧縮機102を定格付近の回転数で運転しつつ、インジェクション回路132に余剰冷媒を流すことによってCOPを高く保てる。
また、第1実施形態と同様、冷凍サイクル装置300のCOPを最も高くできる制御方法(制御モード)は、運転条件によって切り替わる。図12に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置300によると、例えば外気温度が2℃のときは、入水温度が36〜43℃の範囲では第1実施形態で説明した制御(i)を行うことでより高いCOPが得られる。その範囲外では制御(ii)を行うことでより高いCOPが得られる。このことは、より高いCOPを得るために制御方法を切り替えるべき温度範囲が、放熱器出口温度や外気温度だけでなく、冷凍サイクル装置の構成に依存することを表している。
本実施形態における制御のフローチャートを図13に示す。ステップ301〜316は、第1実施形態で説明したステップ201〜216と同じである。ステップ316で現在の密度比Qと最適密度比Qmとを比較し、Q<Qmの場合はステップ317に移り、第2圧縮機102の回転数を上げる。Q≧Qmの場合はステップ318に移り、第2圧縮機102の回転数を下げると同時に、流量調節弁134の開度を大きくする。第2圧縮機102の回転数を調節するだけでは実際の密度比Qを最適密度比Qmに合わせることができない場合でも、インジェクション回路132に設けた流量調節弁134の働きにより、冷凍サイクル装置300のCOPを高めることができる。
(変形例)
放熱器103の冷媒側出口において、冷媒の温度と水の温度との間には、密接な関係がある。例えば、ある給湯機では、(放熱器の出口における冷媒の温度)≒(入水温度+5℃)の関係が成立する。したがって、放熱器出口温度センサ112の検出結果に基づいて放熱器103で加熱されるべき水の温度(入水温度)を間接的に検出してもよい。その場合、入水温度センサ114を省略できるので、コスト低減に資する。また、外気温度から入水温度を間接的に検出することも考えられる。すなわち、入水温度に代えて、放熱器103の出口における冷媒の温度または外気温度を用いて一連の制御を行ってもよい。また、放熱器103が水熱交換器以外の熱交換器(例えば空気熱交換器)である場合は、入水温度に代えて、放熱器103で加熱されるべき空気等の熱媒体の温度を使用できる。
本発明は、給湯機、暖房機、浴室乾燥機、空気調和装置など、様々な用途の冷凍サイクル装置に適用できる。

Claims (8)

  1. 第1圧縮機と、
    冷媒回路において前記第1圧縮機に並列に接続された第2圧縮機と、
    前記各圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
    前記第1圧縮機の回転軸に連結された膨張機と、
    前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
    前記放熱器で加熱されるべき熱媒体の温度が予め定められた温度範囲内にある場合には、当該冷凍サイクル装置の成績係数を高めるための処理として前記第1圧縮機の回転数を変更するステップを含む第1処理を実行する一方、前記放熱器で加熱されるべき前記熱媒体の温度が前記予め定められた温度範囲内にない場合には、前記成績係数を高めるための処理として前記第2圧縮機の回転数を変更するステップを含む第2処理を実行する効率向上手段を有するコントローラと、
    を備えた、冷凍サイクル装置。
  2. 前記予め定められた温度範囲は、前記蒸発器の周囲の雰囲気温度に対応して定められた温度範囲である、請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
  3. 前記予め定められた温度範囲は、さらに、前記第1処理を実行する際の前記第2圧縮機の回転数、および前記第2処理を実行する際の前記第1圧縮機の回転数に対応して定められた温度範囲である、請求項2に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 前記第1圧縮機の回転数を変更するステップは、冷凍サイクルの高圧側における冷媒の圧力Pdが前記成績係数を最も高くできる最適高圧Pmに近づくように前記第1圧縮機の回転数を変更するステップであり、
    前記第2圧縮機の回転数を変更するステップは、前記膨張機の入口冷媒密度ρeと前記圧縮機の入口冷媒密度ρcとの密度比Qが前記成績係数を最も高くできる最適密度比Qmに近づくように前記第2圧縮機の回転数を変更するステップである、請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
  5. 前記効率向上手段は、
    前記第1処理において、前記圧力Pdと前記最適高圧Pmとを比較することによって現在の前記圧力Pdを変更する必要があるかどうかを判断するとともに、前記圧力Pdが低すぎる場合には前記第1圧縮機の回転数を上げ、前記圧力Pdが高すぎる場合には前記第1圧縮機の回転数を下げる一方、
    前記第2処理において、前記密度比Qと前記最適密度比Qmとを比較することによって現在の前記密度比Qを変更する必要があるかどうかを判断するとともに、前記密度比Qが小さすぎる場合には前記第2圧縮機の回転数を上げ、前記密度比Qが大きすぎる場合には前記第2圧縮機の回転数を下げる、請求項4に記載の冷凍サイクル装置。
  6. 当該冷凍サイクル装置の起動契機を取得することを条件として、当該冷凍サイクル装置に対する要求能力を発揮しうる前記第1圧縮機および前記第2圧縮機の各初期回転数を設定する初期設定手段を前記コントローラがさらに有する、請求項5に記載の冷凍サイクル装置。
  7. 前記放熱器の出口における冷媒の温度を検出する放熱器出口温度センサをさらに備え、
    前記放熱器出口温度センサの検出結果に基づいて前記放熱器で加熱されるべき熱媒体の温度を間接的に検出する、請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
  8. 流量調節弁を有し、前記放熱器の出口と前記膨張機の中間圧部とを前記流量調節弁を介して接続するインジェクション回路をさらに備え、
    前記第2処理が、前記流量調節弁の開度を変更するステップをさらに含む、請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
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