JP5475874B2 - ヒートポンプシステム - Google Patents
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Description
−全体−
図1は、本発明の一実施形態にかかるヒートポンプシステム1の概略構成図である。ヒートポンプシステム1は、蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを利用して水媒体を加熱する運転等を行うことが可能な装置である。ここでは、ヒートポンプシステム1は、水媒体の加熱によって暖房運転及び/又は給湯運転を行うことが可能である。
熱源ユニット2は、屋外に設置されており、冷媒連絡管13、14を介して利用ユニット4に接続されており、冷媒回路10の一部を構成している。
液冷媒連絡管13は、液側閉鎖弁33を介して熱源側液冷媒管27に接続されている。液冷媒連絡管13は、切換機構23が熱源側放熱運転状態において冷媒の放熱器として機能する熱源側熱交換器26の出口から熱源ユニット2外に冷媒を導出することが可能な冷媒管である。また、液冷媒連絡管13は、切換機構23が熱源側蒸発運転状態において熱源ユニット2外から冷媒の蒸発器として機能する熱源側熱交換器26の入口に冷媒を導入することが可能な冷媒管でもある。
ガス冷媒連絡管14は、ガス側閉鎖弁34を介して第2熱源側ガス冷媒管25に接続されている。ガス冷媒連絡管14は、切換機構23が熱源側放熱運転状態において熱源ユニット2外から圧縮機21の吸入に冷媒を導入することが可能な冷媒管である。また、ガス冷媒連絡管14は、切換機構23が熱源側蒸発運転状態において圧縮機21の吐出から熱源ユニット2外に冷媒を導出することが可能な冷媒管でもある。
利用ユニット4は、屋内に設置されており、冷媒連絡管13、14を介して熱源ユニット2に接続されており、冷媒回路10の一部を構成している。また、利用ユニット4は、水媒体連絡管15、16を介して貯湯ユニット9及び水媒体暖房ユニット7に接続されており、水媒体回路70の一部を構成している。
貯湯ユニット9は、屋内に設置されており、水媒体連絡管15、16を介して利用ユニット4に接続されており、水媒体回路70の一部を構成している。
水媒体暖房ユニット7は、屋内に設置されている。水媒体暖房ユニット7は、水媒体連絡管15、16を介して利用ユニット4に接続されており、水媒体回路70の一部を構成している。
水媒体連絡管15は、貯湯ユニット9の熱交換コイル92の出口及び水媒体冷暖房ユニット7の熱交換パネル71の出口に接続されている。水媒体連絡管16は、貯湯ユニット9の熱交換コイル92の入口及び水媒体冷暖房ユニット7の熱交換パネル71の入口に接続されている。水媒体連絡管16には、水媒体回路70を循環する水媒体を貯湯ユニット9及び水媒体暖房ユニット7の両方、又は、貯湯ユニット9及び水媒体暖房ユニット7のいずれか一方に供給するかの切り換えを行うことが可能な水媒体切換機構161が設けられている。この水媒体切換機構161は、三方弁からなる。
利用側制御部69と熱源側制御部39とが伝送線等を介して接続されることによって、ヒートポンプシステム1の運転制御を行う制御部1aが構成されており、以下の運転や各種制御を行うようになっている。
次に、ヒートポンプシステム1の動作について説明する。
水媒体暖房ユニット7を用いた暖房運転のみを行う場合には、冷媒回路10においては、切換機構23が熱源側放熱運転状態(図1の切換機構23の破線で示された状態)に切り換えられる。また、水媒体回路70においては、水媒体切換機構161が水媒体暖房ユニット7に水媒体を供給する状態に切り換えられる。
貯湯ユニット9を用いた給湯運転のみを行う場合には、冷媒回路10においては、切換機構23が熱源側放熱運転状態(図1の切換機構23の破線で示された状態)に切り換えられる。また、水媒体回路70においては、水媒体切換機構161が貯湯ユニット9に水媒体を供給する状態に切り換えられる。
水媒体暖房ユニット7及び貯湯ユニット9を用いた暖房運転及び給湯運転を同時に行う場合には、冷媒回路10においては、切換機構23が熱源側放熱運転状態(図1の切換機構23の破線で示された状態)に切り換えられる。また、水媒体回路70においては、水媒体切換機構161が水媒体暖房ユニット7及び貯湯ユニット9に水媒体を供給する状態に切り換えられる。
ヒートポンプシステム1では、上記のように、冷媒回路10を循環する冷媒が利用側熱交換器41において放熱することによって、水媒体回路70を循環する水媒体が加熱されるようになっている。このとき、利用側熱交換器41において、安定的に高温の水媒体を得るためには、冷凍サイクルにおける高圧が安定するように制御することが好ましい。
ヒートポンプシステム1では、上記のように、冷媒回路10を循環する冷媒が、熱源側膨張弁28において減圧されて、低圧の気液二相状態になり、その後、熱源側熱交換器26において蒸発するようになっている。このとき、圧縮機21に吸入される冷媒の状態を安定させるためには、冷媒の蒸発器として機能する熱源側熱交換器26の出口における冷媒の状態が安定するように制御することが好ましい。
ヒートポンプシステム1では、圧縮機21の保護や運転効率の低下防止等の観点から、吐出温度Tdが過度に上昇することを抑える必要があるため、上記のように、バイパス回路30を設けて、バイパス回路30を構成するバイパス管31を流れる液冷媒を圧縮機21の吸入側に導入する液インジェクションを行うようにしている。
Xs=(Xe×Ge+Xi×Gi)/(Ge+Gi) ・・・式A
Xs=(Xe×CVe+Xi×CVi)/(CVe+CVi) ・・・式B
Xsa≦(Xe×CVe+Xi×CVi)/(CVe+CVi) ・・・式C
CVi≦(Xe−Xsa)/(Xsa−Xi)×CVe ・・・式D
(Ki×OPi/OPis)≦(Xe−Xsa)/(Xsa−Xi)
×(Ke×OPe/OPes) ・・・式E
ここで、Ke及びKiは、それぞれ熱源側膨張弁28の流路抵抗の基準値である主回路側基準圧力損失係数及びバイパス膨張弁32の流路抵抗の基準値であるバイパス側基準圧力損失係数である。OPes及びOPisは、それぞれ主回路側基準圧力損失係数Keにおける熱源側膨張弁28の開度及びバイパス側基準圧力損失係数Kiにおけるバイパス膨張弁32の開度である。
OPi≦(Xe−Xsa)/(Xsa−Xi)
×(Ke×OPis)/(Ki×OPes)×OPe ・・・式F
すなわち、バイパス膨張弁32の開度OPiは、熱源側膨張弁28の開度OPeとの相関式である式Fを満たす開度範囲内に収まるように液インジェクション制御を行うことが好ましいことになる。そうすると、式Fにおけるバイパス膨張弁32の開度OPiを上限開度OPixとすると、式Fは、次式で表される。
OPix=β×γ×OPe ・・・式G
ここで、βは、式Fに示すように、許容乾き度Xsa、バイパス側乾き度Xi、及び、主回路側乾き度Xeによって決定される乾き度係数である。γは、式Fに示すように、主回路側基準圧力損失係数Ke、及び、バイパス側基準圧力損失係数Kiによって決定される圧損係数である。尚、熱源側膨張弁28及びバイパス膨張弁32の弁特性がリニアでない場合には、式Eにおける(Ki×OPi/OPis)及び(Ke×OPe/OPes)が異なるものとなる(これに応じて、式F、Gも異なるものとなる)が、上限開度OPixの考え方は、上記と同様である。
上記の液インジェクション制御時においては、圧縮機21の容量変化が生じて吐出温度Tdが目標吐出温度Tdsからずれると、吐出温度Tdが目標吐出温度Tdsになるようにバイパス減圧機構としてのバイパス膨張弁32が制御される(図3のステップS11〜S18)。
ここで、nは、乗数である。尚、予測開度OPifは、上式を用いて得られるものに限定されず、圧縮機21の容量変化の程度に応じて得られるものであればよい。
以上、本発明の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、これら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。
上記のヒートポンプシステムでは、冷媒として、HFC−410Aが使用されているが、これに限定されず、他の冷媒を使用してもよい。
上記のヒートポンプシステムでは、水媒体の利用先として、水媒体暖房ユニットと貯湯ユニットとが設けられているが、いずれか一方のみでもよいし、また、他の利用先が設けられていてもよい。
上記のヒートポンプシステムでは、利用ユニットと貯湯ユニットとが別体のユニットとなっているが、利用ユニットと貯湯ユニットとが一体のユニットになっていてもよい。
上記のヒートポンプシステムでは、熱源ユニットと利用ユニットとが別体のユニットとなっているが、熱源ユニットと利用ユニットとが一体のユニットになっていてもよい。
上記のヒートポンプシステムでは、1つの熱源ユニットに1つの利用ユニットが接続されているが、1つの熱源ユニットに複数の利用ユニットが接続されていてもよい。
上記のヒートポンプシステムでは、冷媒の放熱器としての利用側熱交換器において加熱された水媒体の熱を利用する構成であるが、これに限定されず、例えば、高温の空気が必要であれば、冷媒の放熱器としての利用側熱交換器において加熱された空気の熱を利用する構成であっても適用可能である。
1a 制御部
2 熱源ユニット
20 主冷媒回路
21 圧縮機
26 熱源側熱交換器(蒸発器)
28 熱源側膨張弁(主減圧機構)
30 バイパス回路
31 バイパス管
32 バイパス膨張弁
41 利用側熱交換器(放熱器)
70 水媒体回路
Ke 主回路側基準圧力損失係数
Ki バイパス側基準圧力損失係数
OPe 熱源側膨張弁の開度(主減圧機構の開度)
OPif 予測開度
OPix 上限開度
Td 吐出温度
Tds 目標吐出温度
Xe 主回路側乾き度
Xi バイパス側乾き度
Xsa 許容乾き度
β 乾き度係数
γ 圧損係数
Claims (4)
- 冷媒の圧縮を行う可変容量式の圧縮機(21)と、前記圧縮機において圧縮された冷媒の放熱を行う放熱器(41)と、前記放熱器において放熱した冷媒の減圧を行う可変式の主減圧機構(28)と、前記主減圧機構において減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器(26)とを接続して構成される主冷媒回路(20)と、
前記主冷媒回路の前記放熱器の出口から前記主減圧機構までの間の部分と前記圧縮機の吸入側とを接続するバイパス管(31)と、前記バイパス管を流れる液冷媒の減圧を行うバイパス減圧機構(32)とを有するバイパス回路(30)と、
前記圧縮機、前記主減圧機構及び前記バイパス減圧機構の制御を行う制御部(1a)とを備え、
前記バイパス減圧機構は、可変式であり、
前記制御部は、前記圧縮機から吐出された冷媒の温度である吐出温度(Td)が所定の目標吐出温度(Tds)になるように前記バイパス減圧機構を制御する液インジェクション制御を行い、前記液インジェクション制御における前記バイパス減圧機構の上限開度(OPix)を前記主減圧機構の開度(OPe)との相関値によって決定し、
前記相関値は、前記主減圧機構の流路抵抗の基準値である主回路側基準圧力損失係数(Ke)、及び、前記バイパス減圧機構の流路抵抗の基準値であるバイパス側基準圧力損失係数(Ki)によって決定される係数である圧損係数(γ)を含んでいる、
ヒートポンプシステム(1)。 - 前記相関値は、前記圧縮機(21)に吸入される冷媒の乾き度の許容限度に相当する許容乾き度(Xsa)、前記バイパス管(31)の出口における冷媒の乾き度であるバイパス側乾き度(Xi)、及び、前記蒸発器(26)の出口における冷媒の乾き度である主回路側乾き度(Xe)によって決定される係数である乾き度係数(β)を含んでいる、請求項1に記載のヒートポンプシステム(1)。
- 冷媒の圧縮を行う可変容量式の圧縮機(21)と、前記圧縮機において圧縮された冷媒の放熱を行う放熱器(41)と、前記放熱器において放熱した冷媒の減圧を行う可変式の主減圧機構(28)と、前記主減圧機構において減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器(26)とを接続して構成される主冷媒回路(20)と、
前記主冷媒回路の前記放熱器の出口から前記主減圧機構までの間の部分と前記圧縮機の吸入側とを接続するバイパス管(31)と、前記バイパス管を流れる液冷媒の減圧を行うバイパス減圧機構(32)とを有するバイパス回路(30)と、
前記圧縮機、前記主減圧機構及び前記バイパス減圧機構の制御を行う制御部(1a)とを備え、
前記バイパス減圧機構は、可変式であり、
前記制御部は、前記圧縮機から吐出された冷媒の温度である吐出温度(Td)が所定の目標吐出温度(Tds)になるように前記バイパス減圧機構を制御する液インジェクション制御を行い、前記液インジェクション制御における前記バイパス減圧機構の上限開度(OPix)を前記主減圧機構の開度(OPe)との相関値によって決定し、
前記制御部は、前記液インジェクション制御時において前記圧縮機の容量を変化させる場合に、前記バイパス減圧機構の開度を、前記圧縮機の容量変化の程度に応じて予測される開度である予測開度(OPif)に変更する、
ヒートポンプシステム(1)。 - 前記放熱器(41)は、前記圧縮機(21)において圧縮された冷媒の放熱によって水媒体を加熱する熱交換器であり、前記放熱器において加熱された水媒体の熱を利用するための水媒体回路(70)に接続されている、請求項1〜3のいずれかに記載のヒートポンプシステム(1)。
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