JP5516162B2 - 冷凍サイクル装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本願発明は、冷凍サイクル装置およびその制御方法に関し、特に冷媒量を調整する容器を備えていない冷凍サイクル装置およびその制御方法に関する。

例えば、給湯器に用いられるエジェクタを備える冷凍サイクル装置では、アキュムレータあるいはレシーバのような冷媒量を調整する容器を備えている。調整された冷媒量は、エジェクタの上流でエジェクタの駆動側と吸引側へ分岐し、エジェクタで適切な昇圧値が得られるよう分流される。エジェクタは通常、膨張エネルギーを回収し、昇圧することで圧縮機の仕事を低減し、消費電力を低減する役割をもつ（特許文献１参照）。ところが、近年冷媒量を調整する容器を備えていない冷凍サイクル装置が用いられるようになってきた（特許文献２参照）。

特開２００５−１２７７１１号公報 特開２００９−９７７８６号公報

冷媒量を調整する容器を備えていない冷凍サイクルでは、例えば、外気温度が低いあるいは給水温度が高いなどの余剰冷媒が発生する運転条件では高圧が高くなり、冷凍サイクルの性能が低下する場合があった。

本発明者は、余剰冷媒が発生する運転条件では、吸引側の分岐流路の分流比を高くすることで、吸引側の分岐流路に配置された空気熱交換器の冷媒密度を大きくし、その結果吸引側の空気熱交換器に余剰冷媒を貯留することができることを見出した。本発明は、冷媒量を調整する容器を備えていない冷凍サイクルにおいて、サイクル内を循環する冷媒量を調整可能とすることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の冷凍サイクル装置は、
冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（１０）と、
前記圧縮機（１０）から吐出された高温冷媒と給水との熱交換を行う水冷媒熱交換器（
２０）と、
前記水冷媒熱交換器（２０）の下流側で分岐する第１通路（２３）および第２通路（２
５）と、
前記第１通路に配置され、弁開度を制御することにより前記第１通路（２３）を少なくとも開閉可能な、前記前記第１通路（２３）を流れる冷媒と前記第２通路（２５）を通過した冷媒を混合する絞り手段（３０：６５，６６）と、
前記第２通路に配置され、弁開度が制御可能な膨張弁（４０）と、
前記膨張弁（４０）の下流に配置され、出口側が前記第１通路に接続し低圧冷媒を蒸発する第２通路空気冷媒熱交換器（４５）と、
を備え、
余剰冷媒が発生する条件が成立するとき、前記第１通路（２３）に対する前記第２通路（２５）に流入する冷媒の分流比を大きくするように、前記絞り手段（３０：６５，６６）あるいは前記膨張弁（４０）の開度を制御することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によると、余剰冷媒を第２通路空気冷媒熱交換器（４５）に貯留することができ、冷凍サイクルの効率の低下を防ぐことができる。

請求項２に記載の冷凍サイクル装置は、
給水温度を検知する給水温度センサ（５１）と、
外気温を検知する外気温センサ（５２）と、
を備え、
前記給水温度センサ（５１）により検知された給水温度が予め定められた給水温度より高いこと、前記外気温センサ（５２）により検知された外気温が予め定められた外気温度より低いこと、の少なくとも一方が成立すると、前記余剰冷媒が発生する条件が成立するとする。

請求項２に記載の発明によると、給水温度が高いこと、外気温度が高いことを余剰冷媒の発生する条件として、冷凍サイクルの効率の低下を防ぐことができる。

請求項３に記載の冷凍サイクル装置は、
前記絞り手段（３０：６５，６６）は、エジェクタ（３０）である。

請求項３に記載の発明によると、エジェクタを用いる冷凍サイクル装置において、冷凍サイクルの効率の低下を防ぐことができる。

請求項４に記載の冷凍サイクル装置は、
前記エジェクタ（３０）の流出側温度を検出する流出側温度センサ（５３）と
前記エジェクタ（３０）の吸引側温度を検出する吸引側温度センサ（５４）と
を備え、
前記給水温度と前記外気温度に基づいて決定された、前記エジェクタ（３０）の流出側温度と吸引側温度の差の目標値である目標温度差と、前記流出側温度センサ（５３）と前記吸引側温度センサ（５４）により検出された前記流出側温度と前記吸引側温度との温度差である検出温度差とを比較して、前記目標温度差が前記検出温度差より小さい場合は、エジェクタ（３０）の開度を小さくするか、あるいは前記膨張弁（４０）の開度を大きくする。

請求項４に記載の発明によると、エジェクタを使用する冷凍サイクル装置で、エジェクタ（３０）の流出側温度と吸引側温度の差を目標値として弁開度を制御することで、冷凍サイクルの効率の低下を防ぐことができる。

請求項５に記載の冷凍サイクル装置は、
前記エジェクタ（３０）の開度を検知するエジェクタ開度センサ（５５）と、
前記膨張弁（４０）の開度を検知する膨張弁開度センサ（５６）と、
を備え、
前記給水温度と前記外気温度に基づいて決定された、前記エジェクタ（３０）の開度の目標値であるエジェクタ目標開度と、前記エジェクタ開度センサ（５５）により検出されたエジェクタ開度との比較と、前記給水温度と前記外気温度に基づいて決定された、膨張弁（４０）の開度の目標値である膨張弁目標開度と前記膨張弁開度センサ（５６）により検出された膨張弁開度との比較とのいずれか一方を行い、
前記エジェクタ目標開度が前記検出されたエジェクタ開度より小さい場合は、前記エジェクタ（３０）の開度を小さくし、前記膨張弁目標開度が前記検出された膨張弁開度より小さい場合は、前記膨張弁（４０）の開度を大きくする。

請求項５に記載の発明によると、エジェクタを使用する冷凍サイクル装置で、エジェクタ（３０）または膨張弁（４０）の開度を目標値としてそれぞれの開度を制御することで、冷凍サイクルの効率の低下を防ぐことができる。

請求項６に記載の発明によると、
前記絞り手段（３０：６５，６６）の流出側に第１通路空気熱交換器（３５）が配置される。

請求項７に記載の発明によると、
前記水冷媒交換器下流側と前記圧縮機吸引側とで熱交換する内部熱交換器（６０）が配置される。

請求項８に記載の冷凍サイクル制御方法は、
請求項１に記載された冷凍サイクル装置の冷凍サイクルを制御する冷凍サイクル制御方法であって、
余剰冷媒が発生する条件が成立するか否か判断し、
余剰冷媒が発生する条件が成立するとき、前記第２通路（２５）に流入する冷媒の分流比を大きくするように、前記絞り手段（３０：６５，６６）あるいは前記膨張弁（４０）の開度を制御することを特徴とする。

請求項８に記載の発明によると、余剰冷媒を第２通路空気冷媒熱交換器（４５）に貯留することができ、冷凍サイクルの効率の低下を防ぐことができる。

請求項９に記載の冷凍サイクル制御方法は、
前記冷凍サイクル装置は、
給水温度を検知する給水温度センサ（５１）と、
外気温を検知する外気温センサ（５２）と、
を備え、
前記冷凍サイクル制御方法は、
前記給水温度センサ（５１）により検知された給水温度が予め定められた給水温度より高いこと、前記外気温センサ（５２）により検知された外気温が予め定められた外気温度より低いこと、の少なくとも一方が成立すると、前記余剰冷媒が発生する条件が成立するとする。

請求項９に記載の発明によると、給水温度が高いこと、外気温度が高いことを余剰冷媒の発生する条件として、冷凍サイクルの効率の低下を防ぐことができる。

請求項１０に記載の発明は、前記絞り手段（３０：６５，６６）は、エジェクタ（３０）である。

請求項１０に記載の発明によると、エジェクタを用いる冷凍サイクル装置において、冷凍サイクルの効率の低下を防ぐことができる。

請求項１１に記載の冷凍サイクル制御方法は、
前記冷凍サイクル装置は、
前記エジェクタ（３０）の流出側温度を検出する流出側温度センサ（５３）と
前記エジェクタ（３０）の吸引側温度を検出する吸引側温度センサ（５４）と
を備え、
前記冷凍サイクル制御方法は、
前記給水温度と前記外気温度に基づいて、前記エジェクタ（３０）の流出側温度と吸引側温度の差の目標値である目標温度差を決定し、
前記流出側温度センサ（５３）により検出された前記流出側温度と、前記吸引側温度センサ（５４）により検出された前記吸引側温度との差をとって検出温度差を求め、
前記目標温度差が前記検出温度差より小さい場合は、エジェクタ（３０）の開度を小さくするか、あるいは前記膨張弁（４０）の開度を大きくする。

請求項１１に記載の発明によると、エジェクタを使用する冷凍サイクル装置で、エジェクタ（３０）の流出側温度と吸引側温度の差を目標値として弁開度を制御することで、冷凍サイクルの効率の低下を防ぐことができる。

請求項１２に記載の冷凍サイクル制御方法は、
前記エジェクタ（３０）の開度を検知するエジェクタ開度センサ（５５）と、
前記膨張弁（４０）の開度を検知する膨張弁開度センサ（５６）と、
を備え、
前記エジェクタ（３０）の開度の目標値であるエジェクタ目標開度と前記膨張弁（４０）開度の目標値である膨張弁目標開度のいずれか一方を、前記給水温度と前記外気温度に基づいて決定し、
前記エジェクタ開度センサ（５５）により検出されたエジェクタ開度と前記エジェクタ目標開度との比較と、前記膨張弁開度センサ（５６）により検出された膨張弁開度と前記膨張弁目標開度との比較のいずれか一方を実行し、
前記エジェクタ目標開度が前記検出されたエジェクタ開度より小さい場合は、前記エジェクタ（３０）の開度を小さくし、
前記膨張弁目標開度が前記検出された膨張弁開度より小さい場合は、前記膨張弁（４０）の開度を大きくする。

請求項１２に記載の発明によると、エジェクタを使用する冷凍サイクル装置で、エジェクタ（３０）または膨張弁（４０）の開度を目標値としてそれぞれの開度を制御することで、冷凍サイクルの効率の低下を防ぐことができる。
なお、各部材のカッコ内の符号は、後述する実施形態との対応関係を示すもので、本願発明を限定するものではない。

本発明の冷凍サイクル装置の一実施形態が適用された給湯器の概要を示す図である。 図１の冷凍サイクルにおいて外気温度が異なる場合の成績係数（ＣＯＰ）を比較したグラフを示す図である。 エジェクタの駆動側と吸引側の分流比による冷凍サイクルの相違を示す図である。 温度差を目標値とする沸き上げ制御のフローの一例を示す図である。 エジェクタ開度を目標値とする沸き上げ制御のフローの一例を示す図である。 温度差を目標値とする制御とエジェクタ開度を目標値とする制御を組み合わせた沸き上げ制御のフローの一例を示す図である。 温度差を目標値とする制御とエジェクタ開度を目標値とする制御を組み合わせた沸き上げ制御の他の例を示す図である。 図１の冷凍サイクル装置に内部熱交換器を付加した冷凍サイクル装置の一例を示す図である。 図８の冷凍サイクル装置から第１通路空気冷媒熱交換器を除去した冷凍サイクル装置の一例を示す図である。 図１の冷凍サイクル装置のエジェクタに代えて代替部品を使用する冷凍サイクル装置の一例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の冷凍サイクル装置を用いる給湯器の一例を示す図である。貯湯タンク８０内の給湯水は、貯湯タンク８０の水出口と水冷媒熱交換器２０の水入口との間に配置された電動ポンプ８２により、水循環通路８１を循環する。なお、電動ポンプ８２は水循環通路８１もしくは貯湯タンク８０に配置されても良い。給湯水は、水循環通路８１に配置された水冷媒交換器２０内の水通路を通過する際に熱交換により加熱される。貯湯タンク８０内の給湯水は、貯湯タンク８０の上部に設けられた出湯口から出湯され、例えば台所や風呂に給湯される。なお、貯湯タンク８０内へは貯湯タンク８０の下部に設けられた給水口から給水される。

冷凍サイクル装置は、冷媒が循環する閉回路であり、圧縮機１０と、水冷媒熱交換器２０を備える。さらに、水冷媒熱交換器２０の出口側に分岐点を有し、冷媒は分岐点から第１通路２３と第２通路２５とに分流する。第１通路２３には、エジェクタ３０とエジェクタ３０の流出側空気熱交換器となる第１通路空気熱交換器３５が配置されている。第２通路２５には、膨張弁４０とエジェクタ３０の吸引側空気熱交換器となる第２通路空気熱交換器４５が配置されている。第１通路空気熱交換器３５から流出する冷媒は圧縮機１０に流入する。

圧縮機１０は、内蔵する電動モータによって圧縮機構を駆動して冷媒を圧縮させる電動圧縮機であって、吸入冷媒を臨界圧力以上になるまで圧縮して吐出する。本実施形態の冷媒としては、圧縮機１０の吐出口側冷媒の圧力すなわち高圧圧力が臨界圧力以上（超臨界状態）となる二酸化炭素が用いられる。

水冷媒熱交換器２０は、圧縮機１０から吐出された高温冷媒と水循環通路８１内を流れる給湯水との間で熱交換して給湯水を加熱する高圧側熱交換器である。

水冷媒熱交換器２０の冷媒出口側には、分岐点を介して絞り手段としてのエジェクタ３０が接続されている。エジェクタ３０は、ノズル部３１、冷媒吸引口３６、混合部３２、ディフューザ部３３を備える。ノズル部３１は、ノズル開度すなわちエジェクタ開度を可変して減圧量を調節できる可変ノズルであり、ステッピングモータ等の駆動手段によりニードル弁体等を駆動してノズル開度を調整できるようになっている。

ノズル部３１は、水冷媒熱交換器２０を通過した高圧冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させる。冷媒吸引口３６は、ノズル部３１から噴射する高速度の冷媒流により空気熱交換器５０からの気相冷媒を吸入する。混合部３２は、ノズル部３１から噴射される冷媒流と冷媒吸引口３６から吸引された気相冷媒とを混合する。ディフューザ部３３は、混合部３２の下流側に設けられた昇圧部である。

ディフューザ部３３は、冷媒の通路面積を徐々に拡大する形状に形成され、冷媒流れを減速して冷媒圧力を上昇させる作用、つまり、冷媒の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する作用を果たす。

エジェクタ３０の出口側には、吸熱作用を果たす第１通路空気熱交換器３５が配置される。第１通路空気熱交換器３５は、エジェクタ３０によって減圧された低圧冷媒と室外空気３８とで熱交換させることにより、低圧冷媒を蒸発させる吸熱用の熱交換器である。第１通路空気熱交換器３５には、電動ファン４７により外気３８を送風する。

分岐点から分岐した第２通路２５には、膨張弁４０が配置される。膨張弁４０は、水冷媒交換器２０から流出した液相冷媒等を等エンタルピ的に減圧して膨張させる。本実施形態の膨張弁４０は電子膨張弁であって、開度を調節することにより冷媒量を調節することができる。なお、場合によっては所定の流路抵抗を与える、例えばキャピラリチューブであってもよい。

膨張弁４０の下流側の第２通路空気熱交換器４５は、膨張弁４０によって減圧された低圧冷媒と室外空気とで熱交換させることにより、低圧冷媒を蒸発させる。第２通路空気熱交換器４５に対しても、電動ファン４７により外気３８が送風される。第２通路空気熱交換器４５第１通路空気熱交換器３５の出口側は、エジェクタ３０の冷媒吸引口３６に接続される。

冷凍サイクル装置を制御する制御部７０は、プロセッサ（ＣＰＵ）、メモリ（ＲＡＭ）、不揮発性メモリ（ＲＯＭ）等を含むコンピュータ制御回路を有する。本実施形態における冷凍サイクル装置の制御条件を決定するために、制御部７０に各種のセンサからの信号が入力し、制御部７０により処理され、エジェクタ開度あるいは膨張弁開度を制御する信号が出力される。

水循環通路８１の水冷媒熱交換器２０の入り口側に配置されている給水温度センサ５１は、水冷媒熱交換器２０に流入する給水温度を検出する。第１通路空気熱交換器３５に送風される外気の上流側に配置される外気温センサ５２は、外気温を検出する。また、第１通路空気熱交換器３５の入り口側に温度センサ５３が配置され、エジェクタ３０の流出側の温度を検出する。第２通路空気熱交換器４５の入り口側に温度センサ５４が配置され、エジェクタ３０の吸引側の温度を検出する。通常、温度センサ５３、５４の検出温度の差は、所定の温度差になるように制御され、エジェクタによる昇圧量を確保する。

さらに、エジェクタ開度を検出するエジェクタ開度センサ５５と、膨張弁開度を検出する膨張弁開度センサ５６が配置されている。これらのセンサ５１〜５６からの信号は制御部７０に入力し、制御部７０は、入力された信号に基づいてエジェクタ開度あるいは膨張弁開度を制御する。

次に、図２および図３（ａ）（ｂ）を参照して、図１に記載の冷凍サイクル装置に適用される本願発明の作用を説明する。

図２は、図１に示す冷凍サイクルにおいて外気温度が異なる場合の成績係数（ＣＯＰ）を比較したグラフを示す図である。図３は、エジェクタの駆動側と吸引側の分流比による冷凍サイクルの相違を示す図であり、図１の冷凍サイクルを簡略化し、ｐ−ｈ線図上のサイクルと合致するように示されている。図３で、９１は飽和液線、９２は飽和蒸気線である。

図２のグラフの横軸は、規定量を基準とした冷媒封入量を表し、縦軸は冷凍サイクルのＣＯＰを表す。外気温１６℃でＣＯＰが最大値Ｐ１をとるように、規定量の冷媒が封入されている。外気温１６℃でＣＯＰが最大値Ｐ１をとる曲線Ｌ１は、エジェクタの駆動側と吸引側とで所定の温度差を保つように制御し、エジェクタの昇圧量を確保する運転を行う場合を示している。

図３（ａ）は、外気温１６℃でＣＯＰが最大値Ｐ１をとる制御をｐ−ｈ線図で説明する図である。図３（ａ）では、エジェクタ３０の駆動側（第１通路２３）とエジェクタ３０の吸引側（第２通路２５）とが所定の圧力差すなわち温度差を保つように制御される。この場合、第１通路２３と第２通路２５の分流比は、例えば０．５対０．５である。エジェクタ３０と膨張弁４０とに同量の冷媒を流し、エジェクタ３０による昇圧量を確保している。図３（ａ）では、吸引側熱交換器である第２通路空気熱交換器４５の出口ではほとんどすべてが気体となっており、等密度線（図示せず）で示すと、例えば１１００から８００まで減少している。

外気温が下がり、例えば−２０℃となると、図３（ａ）の制御では、冷媒の最適量が大きくずれて、図２の曲線Ｌ１ではなく、図２の曲線Ｌ２に沿って制御されることになる。図２からわかるように、外気−２０℃では、余剰冷媒が１２５ｇ発生している。この結果、規定量の冷媒量ではＣＯＰが最大値より小さい値Ｐ２で運転されることになり、性能が低下する。

本実施形態では、低い外気温では、図３（ｂ）に示すような運転となるように制御する。すなわち、第１通路２３を流れる冷媒を少なくして、第２通路２５に流れる冷媒を多くするように制御する。すなわち、第２通路の分流比を大きくする。第２通路が１、第１通路が０のような分流比でもよい。このように、エジェクタ吸引側へ分流する比率を高くすることで、吸引側空気熱交換器出口のエンタルピーが小さくなり、第２通路空気熱交換器４５の冷媒密度を大きくすることができる。この結果、第２通路空気熱交換器４５内に余剰冷媒を貯めることができる。図３（ｂ）に示すように制御することにより、外気−２０℃の最適冷媒量を増やすことができる。すなわち、ＣＯＰのピークが図２のグラフで右方向にずれて、太線で示す曲線Ｌ３の点Ｐ３とすることができ、低い外気温に対しても最適冷媒量とすることができる。

例えば、図３（ｂ）において、第１通路２５にほとんど冷媒を通さず、ほとんどすべての冷媒を第２通路に流すように制御すると、第２通路では、今まで０．５の冷媒が流れていたのが、ほぼ１．０の冷媒が流れる。これにより、第２通路空気熱交換器４５の出口でもすべてが気体とならずに液体として残ることになる。第２通路空気熱交換器４５の出口で、等密度線では１１００から１０００まで減少する程度である。したがって、第２通路空気熱交換器４５の平均密度が高くなって、第２通路空気熱交換器４５に冷媒を貯蔵することができ、冷凍サイクルを流れる最適冷媒量を与えることができる。

図４は、図１に示す、エジェクタの流出側と吸引側の温度差を目標値とする沸き上げ制御のフローの一例を示す図である。本例によると、通常の運転条件では従来どおりエジェクタ３０による昇圧量を確保するために、第１通路空気熱交換器３５の入り口と第２通路空気熱交換器４５の温度差を所定量に保つように制御する。しかし、冷媒が余るような条件、例えば外気温度が低いあるいは給水温度が高いという条件では、その温度差を通常必要とされる値より小さくするように制御する。

沸き上げ処理を開始すると、ステップＳ１で、外気温度と給水温度が検知される。外気温度は、第１通路空気熱交換器３５の空気流の上流側に配置された外気温度センサ５２で検知される。給水温度は、水冷媒熱交換器２０の水入口に配置された給水温度センサ５１により検知される。

ステップＳ２では、第１通路空気熱交換器３５の入り口と第２通路空気熱交換器４５の入り口の温度差の目標値である目標温度差Ｔ０が決定される。まず、図４に示す外気温度と目標温度差Ｔ１との予め定められている対応関係に従って、外気温度から決定される目標温度差Ｔ１が求められ、図４に示す給水温度と目標温度差Ｔ２との予め定められている対応関係に従って、給水温度から決定される目標温度差Ｔ２が求められる。次いで、目標温度差Ｔ１とＴ２が加算され、目標温度差Ｔ０が決定される。

図４に示すように、外気温度と目標温度差Ｔ１との対応関係の一例は、外気温度が所定値より低くなると直線的にあるいは段階的に目標温度差を低くする。また、給水温度と目標温度差Ｔ２との対応関係の一例は、給水温度が所定値より高くなると直線的にあるいは段階的に目標温度差を低くする。外気温度と目標温度差Ｔ１との予め定められている対応関係および給水温度と目標温度差Ｔ２との予め定められている対応関係は、制御装置のメモリにテーブルとして格納しておくことができる。

ステップＳ３では、第１通路空気熱交換器３５の入り口の温度を検出器５３により検出し、第２通路空気熱交換器４５の入り口の温度が検出器５４により検出する。そして、検出器５３と検出器５４で検知された温度の差を求める。このようにして、第１通路空気熱交換器３５の入り口と第２通路空気熱交換器４５の入り口の温度差を検知する。

ステップＳ４では、ステップＳ３で検知した温度差とステップＳ２で検知した目標温度差Ｔ０が比較される。比較の結果、目標温度差Ｔ０が検知された温度差より小さい場合は、エジェクタ３０のノズル開度が小さくする。このようにして、検知された温度差が目標温度差Ｔ０と一致するまで、エジェクタ３０のノズル開度を小さくする。また、目標温度差Ｔ０が検出された温度差より大きい場合は、エジェクタ３０のノズル開度を大きくする。

例えば、外気温度が急激に下がったような場合、目標温度差Ｔ１が下がり、そのため設定される目標温度差Ｔ０も下がるので、エジェクタ３０の開度を小さくする。給水温度が急激に高くなった場合も同様で、目標温度差Ｔ０も下がるので、エジェクタ３０の開度を小さくする。エジェクタ３０の開度が小さくなると第１通路２３を流れる冷媒量は少なくなり、第２通路２５に流れる冷媒量は多くなる。第２通路２５に流れる冷媒量が多くなると、第２通路空気熱交換器４５の密度が高くなり、第２通路空気熱交換器４５に過剰冷媒を貯めることができる。したがって、冷凍サイクルの流れる冷媒を適正な量に調節することができる。なお、エジェクタ３０の開度が小さくされているときに、外気温度が高くなるか、あるいは給水温度が低くなると、エジェクタ３０の開度を大きくするように制御される。

本実施形態では、第１通路２３と第２通路２５との冷媒の分流比を変える制御を行っているので、エジェクタ３０の開度を調整するのではなく、膨張弁４０の開度を調整することもできる。膨張弁４０の開度を調整する場合、ステップＳ５のエジェクタ開度を小さくする制御に代えて、膨張弁４０の開度を大きくする制御を行うようにすればよい。また、ステップＳ６では、エジェクタ開度を大きくする制御に代えて、膨張弁４０の開度を小さくする制御を行うようにすればよい。

図５は、図１のエジェクタ３０のエジェクタ開度を目標値とする沸き上げ制御のフローの一例を示す図である。図４のフローでは、エジェクタの流出側と吸引側の温度差の目標値を決定し、決定した目標温度差と実際に検出した温度差とを比較して、両者が一致するように、エジェクタ３０の開度を制御する。図５のフローでは、エジェクタ３０の開度の目標値を決定し、決定した目標開度と実際に検出した開度とを比較して、両者が一致するように、エジェクタ３０の開度を制御する。

一般に、エジェクタの流出側と吸引側の目標温度差は、１℃あるいは２℃程度あるいはそれらより小さい値であるので、目標温度差が非常に小さくなると、温度検出器であるサーミスタの計測誤差等により、温度差を正確に検知することが困難なことある。このような場合には、図５に示すエジェクタの開度を目標値とする制御が有効である。

図５のステップＳ１、Ｓ１５、Ｓ１６は、図４のステップＳ１、Ｓ５、Ｓ６と同じであり、図４のステップＳ２〜Ｓ４は、図５のステップＳ１２〜Ｓ１４の「目標温度差Ｔ０」「温度差」が、エジェクタの「目標開度Ｎ０」、「開度」に変わっただけで、制御の内容は同様であるので、図５のフローの説明は省略する。

図５に記載のように、外気温度とエジェクタ開度Ｎ１との予め定められている対応関係および給水温度とエジェクタ開度Ｎ２との予め定められている対応関係は、制御装置のメモリにテーブルとして格納しておくことができる。

なお、膨張弁４０の開度を目標値としても同様な制御を行うことができる。ただし、エジェクタ３０の開度の大小関係と、膨張弁４０の開度の大小関係は逆になる。例えば目標膨張弁開度についても、外気温度が高くなり所定値以上になると直線的あるいは段階的に小さくなり、給水温度が高くなり所定値以上になると大きくなる。

図６は、図４のエジェクタの流出側と吸引側の温度差を目標値とする制御と、図５のエジェクタの開度を目標値とする制御とを組み合わせた制御フローである。

沸き上げ処理が開始すると、図４、５のフローと同様に、ステップＳ１で、外気温度と給水温度が検知される。次いで、ステップＳ１１で、外気温度が予め定められた温度Ａ以下、例えば０℃以下であるか、あるいは給水温度が予め定められた温度Ｂ以上、例えば３０℃以上であるか、が判定される。

ステップ１１で、外気温度が予め定められた温度Ａより大きく、かつ給水温度が予め定められた温度Ｂより小さい場合、ステップＳ２に進み、以降ステップＳ３〜ステップＳ６まで、図４のフローに従って、エジェクタの流出側と吸引側の温度差を目標値としてエジェクタ開度の制御が行われる。

ステップ１１で、外気温度が予め定められた温度Ａ以下であるか、あるいは給水温度が予め定められた温度Ｂ以上である場合、ステップＳ１２に進み、以降ステップＳ１３〜ステップＳ１６まで、図５のフローに従ってエジェクタ開度を目標値としてエジェクタ開度の制御が行われる。

図６では、外気温度が予め定められた温度Ａ以下であるか、あるいは給水温度が予め定められた温度Ｂ以上である場合に、エジェクタ開度を目標にして制御する。これは、エジェクタの流出側と吸引側の温度差を目標にした制御では、温度差が非常に小さくなると、温度検出素子の誤差等により制御が困難となる場合があるからである。エジェクタ開度を検出する場合は、温度差が小さくなっても正確な値を得ることができる。

図７は、本実施形態のフローの他の１例である。図７のフローは、図６のフローにおけるエジェクタ開度を目標値とする制御において、エジェクタ開度を検出した後は、エジェクタの流出側と吸引側の温度差を目標値とする制御を行うものである。図７では、温度差を目標値とする制御に統一されるので、図６のように、エジェクタ開度を目標値とする制御と温度差を目標値とする制御とを切り替える必要はない。

沸き上げ処理を開始すると、ステップＳ１で、外気温度と給水温度が検知される。外気温度は、第１通路空気熱交換器３５の空気流の上流側に配置された外気温度センサ５２で検知される。給水温度は、水冷媒熱交換器２０の水入口に配置された給水温度センサ５１により検知される。

ステップ１１では、検知された外気温度と予め定められた温度Ａとが比較され、検知された給水温度が予め定められた温度Ｂと比較される。検知された外気温度と予め定められた温度Ａより大きく、かつ給水温度が予め定められた温度Ｂより小さい場合、ステップＳ２１に進む。ステップＳ２１では、外気温または給水温度により定められる、エジェクタの流出側と吸引側の目標温度差Ｄと、現在の目標温度差とが比較される。

ここで、外気温度および給水温度により定められる目標温度差Ｄは、第１通路空気熱交換器３５の入り口と第２通路空気熱交換器４５の入り口の温度差の目標値である目標温度差Ｔ０に等しく、図４のステップＳ２と同様に求められる。すなわち、図４に示す外気温度と目標温度差Ｔ１との予め定められている対応関係に従って、外気温度から決定される目標温度差Ｔ１が求められ、図４に示す給水温度と目標温度差Ｔ２との予め定められている対応関係に従って、給水温度から決定される目標温度差Ｔ２が求められる。次いで、目標温度差Ｔ１とＴ２が加算され、目標温度差Ｔ０すなわち目標温度差Ｄが決定される。前述のように、外気温度と目標温度差Ｔ１との予め定められている対応関係および給水温度と目標温度差Ｔ２との予め定められている対応関係Ｔ２は、制御装置のメモリにテーブルとして格納しておくことができる。

ステップＳ２１で、現在の目標温度差が、外気温度および給水温度により定められる目標温度差Ｄより大きい場合は、ステップＳ３に進む。現在の目標温度差が外気温度および給水温度により定められる目標温度差Ｄ以下の場合は、エジェクタの吸引側と駆動側とで必要な圧力差が与えられない。したがって、ステップＳ２２で、現在の目標温度差に目標温度の変化量である所定の値Ｅ℃を加えた値を現在の目標温度とする。この後、ステップＳ３に進む。なお、図７のフロー中の記号「＝」は右辺の値を左辺の変数に代入することを表す。

ステップＳ１１で、外気温度が予め定められた温度Ａ以下であるか、あるいは給水温度が予め定められた温度Ｂ以上である場合、ステップＳ２３で、現在のエジェクタ開度が、ステップＳ１で検知された外気温または給水温度により定められるエジェクタの目標開度Ｃと比較される。

目標開度Ｃは、図５に示す目標開度Ｎ０に対応するもので、図５に示す外気温度と開度との予め定められている対応関係に従って、外気温度から決定される目標開度Ｎ１が求められ、図５に示す給水温度と目標開度との予め定められている対応関係に従って、給水温度から決定される目標開度Ｎ２が求められる。次いで、目標開度Ｎ１とＮ２が加算され、目標開度Ｎ０すなわち目標開度Ｃが決定される。外気温度と目標開度Ｎ１との予め定められている対応関係および給水温度と目標開度Ｎ２との予め定められている対応関係は、制御装置の７０のメモリにテーブルとして格納しておくことができる。

ステップＳ２３で、現在のエジェクタ開度が目標開度Ｃ以上である場合、ステップＳ２４に進む。現在のエジェクタ開度が目標開度Ｃ以上であるので現在の開度を小さくする制御が必要である。ステップＳ２４では、エジェクタの開度を直接制御するのではなく。開度を、エジェクタの流出側と吸引側の温度差温度差に換算して、温度差を目標値として制御する。すなわち、現在の目標温度差から予め定められた変化量であるＥ℃を引いたものを新たな目標温度として、ステップＳ３に進む。ステップＳ２３で、現在のエジェクタ開度が目標開度Ｃより小さい場合は、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３〜Ｓ６は、図４のフローと同様である。すなわち、ステップＳ３では、検出器５３と検出器５４で検知された温度の差から、第１通路空気熱交換器３５の入り口と第２通路空気熱交換器４５の入り口の温度差が検出される。

ステップＳ４では、ステップＳ３で検出された温度差と現在の目標温度差が比較される。比較の結果、目標温度差が検出された温度差より小さい場合は、エジェクタ３０のノズル開度が小さくなるように制御される。すなわち、検出される温度差が目標温度差と一致するまで、エジェクタ３０のノズル開度を小さくする。また、目標温度差が検出された温度差より大きい場合は、エジェクタ３０のノズル開度が大きくなるように制御する。

ステップＳ５、Ｓ６の後は、ステップＳ１に戻って本フローのステップを繰り返すことにより、外気温度あるいは給水温度によって定められるエジェクタ開度、あるいは外気温度あるいは給水温度によって定められる目標温度差が実現できる。

図４〜６のフローと同様に、図７のフローにおいても、エジェクタ３０の開度を調節することに代えて、膨張弁４０の開度を調節するようにしてもよい。この場合、エジェクタ３０の開度を大きくする必要があるときは膨張弁４０の開度を小さくし、エジェクタ３０の開度を小さくする必要があるときは膨張弁４０の開度を大きくする。

図８は、図１の実施形態の冷凍サイクルに内部熱交換器を付加した例を示す図である。
内部熱交換器６０は、水冷媒交換機２０を流出した高圧冷媒と、圧縮機１０に流入する低圧冷媒とで熱交換を行うものである。内部熱交換器６０は、高圧冷媒が流れる高圧冷媒流路と、低圧冷媒が流れる低圧冷媒流路とを一体的に有しており、高圧冷媒流路を流れる冷媒の流れ方向と低圧冷媒流路を流れる冷媒の流れ方向とが対向するように構成されている。内部熱交換器６０により、エジェクタ３０、膨張弁４０入口の高圧冷媒の温度を下げることにより、減圧した時の冷媒のガス化を抑制し、空気熱交換器３５、４５の吸熱量が増すことによって効率を高めることができる。

図９は、図８の内部熱交換器を有する冷凍サイクル装置からエジェクタ３０の流出側の空気熱交換器を省略したものである。内部熱交換器６０を配置したことから、エジェクタ３０の流出側の空気熱交換器すなわち第１通路空気熱交換器３５を省略することができる。本発明では、吸引側空気熱交換器である第２通路空気熱交換器に冷媒を貯留するものであるから、図８の冷凍サイクル装置から第１通路熱交換器３５を省略しても、所期の目的を達成することができるとともに、より小型化を図ることができ、コストを削減することができる。

図１０は、図１の冷凍サイクル装置のエジェクタを代替部品に取り替えてなる例を示す図である。エジェクタの昇圧効果を必要としない場合、図１のエジェクタ３０に代えて、弁開度を制御可能な膨張弁６５と、第２通路熱交換器の流出側と接続するＴ字配管のような合流部６６とを用いることができる。エジェクタを使用しない場合は、温度差を目標値とする制御はできないので、膨張弁６５あるいは第２通路の膨張弁４５の開度を目標値とする制御を行う。

さらに簡略化すると、膨張弁に代えて電磁弁を用い、電磁弁と合流部とで形成することもできる。この場合は、電磁弁を制御する場合は電磁弁の開閉を制御することになる。なお、図９の第２通路空気冷媒熱交換器を使用しないで、内部熱交換器６０を使用する冷凍サイクルにおいても、エジェクタ３０に代えて、図１０に示す膨張弁と合流部あるいは電磁弁と合流部を用いることもできる。

１０ 圧縮機
２０ 水冷媒熱交換器
２３ 第１通路
２５ 第２通路
３０ エジェクタ
３１ ノズル部
３２ 混合部
３３ ディフューザ部
３５ 第１通路空気熱交換器
３６ 冷媒吸引口
３８ 外気
４０ 膨張弁
４５ 第２通路空気熱交換器
４７ 電動ファン
５１〜５４ 温度センサ
５５ エジェクタ開度センサ
５６ 膨張弁開度センサ
６０ 内部熱交換器
６５ 膨張弁
６６ 合流部
７０ 制御部
８０ 貯湯タンク
８１ 水循環通路
８２ 電動ポンプ
９１ 飽和液線
９２ 飽和蒸気線

Claims (12)

1. 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（１０）と、
   前記圧縮機（１０）から吐出された高温冷媒と給水との熱交換を行う水冷媒熱交換器（２０）と、
   前記水冷媒熱交換器（２０）の下流側で分岐する第１通路（２３）および第２通路（２５）と、
   前記第１通路に配置され、弁開度を制御することにより前記第１通路（２３）を少なくとも開閉可能な、前記前記第１通路（２３）を流れる冷媒と前記第２通路（２５）を通過した冷媒を混合する絞り手段（３０：６５，６６）と、
   前記第２通路に配置され、弁開度が制御可能な膨張弁（４０）と、
   前記膨張弁（４０）の下流に配置され、出口側が前記第１通路に接続し低圧冷媒を蒸発する第２通路空気冷媒熱交換器（４５）と、
   を備え、
   余剰冷媒が発生する条件が成立するとき、前記第１通路（２３）に対する前記第２通路（２５）に流入する冷媒の分流比を大きくするように、前記絞り手段（３０：６５，６６）あるいは前記膨張弁（４０）の開度を制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 給水温度を検知する給水温度センサ（５１）と、
   外気温を検知する外気温センサ（５２）と、
   を備え、
   前記給水温度センサ（５１）により検知された給水温度が予め定められた給水温度より高いこと、前記外気温センサ（５２）により検知された外気温が予め定められた外気温度より低いこと、の少なくとも一方が成立すると、前記余剰冷媒が発生する条件が成立するとする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記絞り手段（３０：６５，６６）は、エジェクタ（３０）である請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記エジェクタ（３０）の流出側温度を検出する流出側温度センサ（５３）と
   前記エジェクタ（３０）の吸引側温度を検出する吸引側温度センサ（５４）と
   を備え、
   前記給水温度と前記外気温度に基づいて決定された、前記エジェクタ（３０）の流出側温度と吸引側温度の差の目標値である目標温度差と、前記流出側温度センサ（５３）と前記吸引側温度センサ（５４）により検出された前記流出側温度と前記吸引側温度との温度差である検出温度差とを比較して、前記目標温度差が前記検出温度差より小さい場合は、エジェクタ（３０）の開度を小さくするか、あるいは前記膨張弁（４０）の開度を大きくする、請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（１０）と、
   前記圧縮機（１０）から吐出された高温冷媒と給水との熱交換を行う水冷媒熱交換器（２０）と、
   前記水冷媒熱交換器（２０）の下流側で分岐する第１通路（２３）および第２通路（２５）と、
   前記第１通路に配置され、弁開度を制御することにより前記第１通路（２３）を少なくとも開閉可能な、前記前記第１通路（２３）を流れる冷媒と前記第２通路（２５）を通過した冷媒を混合する絞り手段としてのエジェクタ（３０）と、
   前記第２通路に配置され、弁開度が制御可能な膨張弁（４０）と、
   前記膨張弁（４０）の下流に配置され、出口側が前記第１通路に接続する第２通路空気冷媒熱交換器（４５）と、
   給水温度を検知する給水温度センサ（５１）と、
   外気温を検知する外気温センサ（５２）と、
   前記エジェクタ（３０）の開度を検知するエジェクタ開度センサ（５５）と、
   前記膨張弁（４０）の開度を検知する膨張弁開度センサ（５６）と、
   を備え、
   前記給水温度センサ（５１）により検知された給水温度が予め定められた給水温度より高いこと、前記外気温センサ（５２）により検知された外気温が予め定められた外気温度より低いこと、の少なくとも一方が成立すると、余剰冷媒が発生する条件が成立し、前記余剰冷媒が発生する条件が成立するとき、前記第２通路（２５）に流入する冷媒の分流比を大きくするように、前記エジェクタ（３０）あるいは前記膨張弁（４０）の開度を制御し、
   前記給水温度と前記外気温度に基づいて決定された、前記エジェクタ（３０）の開度の目標値であるエジェクタ目標開度と、前記エジェクタ開度センサ（５５）により検出されたエジェクタ開度との比較と、前記給水温度と前記外気温度に基づいて決定された、膨張弁（４０）の開度の目標値である膨張弁目標開度と前記膨張弁開度センサ（５６）により検出された膨張弁開度との比較とのいずれか一方を行い、
   前記エジェクタ目標開度が前記検出されたエジェクタ開度より小さい場合は、前記エジェクタ（３０）の開度を小さくし、前記膨張弁目標開度が前記検出された膨張弁開度より小さい場合は、前記膨張弁（４０）の開度を大きくする、ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
6. 前記絞り手段（３０：６５，６６）の流出側に第１通路空気熱交換器（３５）が配置された請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記水冷媒交換器下流側と前記圧縮機吸引側とで熱交換する内部熱交換器（６０）が配置された請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
8. 請求項１に記載された冷凍サイクル装置の冷凍サイクルを制御する冷凍サイクル制御方法であって、
   余剰冷媒が発生する条件が成立するか否か判断し、
   余剰冷媒が発生する条件が成立するとき、前記第２通路（２５）に流入する冷媒の分流比を大きくするように、前記絞り手段（３０：６５，６６）あるいは前記膨張弁（４０）の開度を制御することを特徴とする冷凍サイクル制御方法。
9. 前記冷凍サイクル装置は、
   給水温度を検知する給水温度センサ（５１）と、
   外気温を検知する外気温センサ（５２）と、
   を備え、
   前記冷凍サイクル方法は、
   前記給水温度センサ（５１）により検知された給水温度が予め定められた給水温度より高いこと、前記外気温センサ（５２）により検知された外気温が予め定められた外気温度より低いこと、の少なくとも一方が成立すると、前記余剰冷媒が発生する条件が成立するとする請求項８に記載の冷凍サイクル制御方法。
10. 前記絞り手段（３０：６５，６６）は、エジェクタ（３０）である請求項９に記載の冷凍サイクル制御方法。
11. 前記冷凍サイクル装置は、
    前記エジェクタ（３０）の流出側温度を検出する流出側温度センサ（５３）と
    前記エジェクタ（３０）の吸引側温度を検出する吸引側温度センサ（５４）と
    を備え、
    前記冷凍サイクル制御方法は、
    前記給水温度と前記外気温度に基づいて、前記エジェクタ（３０）の流出側温度と吸引側温度の差の目標値である目標温度差を決定し、
    前記流出側温度センサ（５３）により検出された前記流出側温度と、前記吸引側温度センサ（５４）により検出された前記吸引側温度との差をとって検出温度差を求め、
    前記目標温度差が前記検出温度差より小さい場合は、エジェクタ（３０）の開度を小さくするか、あるいは前記膨張弁（４０）の開度を大きくする、請求項１０に記載の冷凍サイクル制御方法。
12. 前記エジェクタ（３０）の開度を検知するエジェクタ開度センサ（５５）と、
    前記膨張弁（４０）の開度を検知する膨張弁開度センサ（５６）と、
    を備え、
    前記エジェクタ（３０）の開度の目標値であるエジェクタ目標開度と前記膨張弁（４０）開度の目標値である膨張弁目標開度のいずれか一方を、前記給水温度と前記外気温度に基づいて決定し、
    前記エジェクタ開度センサ（５５）により検出されたエジェクタ開度と前記エジェクタ目標開度との比較と、前記膨張弁開度センサ（５６）により検出された膨張弁開度と前記膨張弁目標開度との比較のいずれか一方を実行し、
    前記エジェクタ目標開度が前記検出されたエジェクタ開度より小さい場合は、前記エジェクタ（３０）の開度を小さくし、
    前記膨張弁目標開度が前記検出された膨張弁開度より小さい場合は、前記膨張弁（４０）の開度を大きくする、請求項１０に記載の冷凍サイクル制御方法。

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