JP5814387B2 - カスケードフローティング中温ヒートポンプシステム - Google Patents

Description

ヒートポンプは、しばしば、対象空間またはゾーン、たいていは住宅や商業ビルの屋内エリアに加熱または冷却作用を提供するために使用される。ほとんどの一般的なタイプのヒートポンプは空気源ヒートポンプであり、これは、対象空間と別な空間内の、たいていは周囲環境の空気との間で熱を伝達しかつ増幅させる。暖房、換気、および空調/冷凍（ＨＶＡＣ/Ｒ）用途では、ヒートポンプは、多くの場合、蒸気圧縮式冷凍サイクルを利用するが、ここで、循環する冷媒は、ある空間から熱を吸収し、続いて他の場所に熱を放出する媒体として使用される。

単段蒸気圧縮ヒートポンプシステムにおいて、冷媒は、熱を吸収して蒸気を生成する蒸発器を通り、続いて、熱を放出する冷却器に入る前に必要な圧力上昇を実現する圧縮機へと流れる。冷媒は、次いで、蒸発器に戻る前に、熱膨張デバイス（ＴＸＶ）などの膨張デバイスを用いて低圧力へと膨張させられる。ファンやブロアはまた、しばしば、対象空間あるいは周囲環境に加熱または冷却作用を伝達するために使用される。単段蒸気圧縮システムは、低い周囲温度での冷媒の低い吸引圧力ならびに効率よく高い圧縮比で圧縮機を動作させると共に大きな比体積を伴う冷媒を圧縮する困難さに起因して、寒冷気候の加熱用途に関して実用的ではない。

ある公知の寒冷気候加熱解決策は多段カスケードヒートポンプシステムであり、ここでは、複数の独立した蒸気圧縮サイクルが、直ぐ下段のサイクルの凝縮冷媒の熱を除去する高段のサイクルの蒸発器によって互いに結合される。多段カスケードシステムの各サイクルは、通常、その動作条件に最も適するように選択された冷媒と共に、その温度に適した異なる冷媒を使用する。多段カスケードヒートポンプシステムは、単段システムと比較した場合、より低い蒸発温度、より小さな圧縮比、そしてより高い圧縮体積効率に関する利点を有する。

二段カスケードシステムは、数十年にわたってＨＶＡＣ/Ｒで使用されてきた。だが、これらの二段カスケードシステムは、下段における凝縮温度と上段における蒸発温度とのオーバーラップに起因する固有の非効率さを抱えている。この欠点は、部分的に、液体蒸気熱交換器および過熱低減器の導入によって回避することができる。だが、エネルギー効率が改善されたカスケードヒートポンプシステムの開発が継続的に求められている。

本明細書に開示されるのはヒートポンプシステムの実施形態であり、これは、第１の圧縮機と、第１の凝縮器と、第１の膨張弁と、第１の蒸発器とを有する第１の段を備える。当該システムはまた、第２の圧縮機と、第２の凝縮器と、第２の膨張弁と、第２の蒸発器とを有する第２の段を備える。第１の凝縮器および第２の蒸発器は、第１の凝縮器から第２の蒸発器へと熱を汲み上げるように配置される。第１の圧縮機および第２の圧縮機の少なくともいずれかは可変速度圧縮機である。当該システムはまた、少なくとも第１の圧縮機および第２の圧縮機の速度を制御するよう構成された電子制御モジュールを備える。複数のエアハンドラーに熱を伝達するために複数の凝縮器を使用可能であることは当業者にとって自明である。本発明の一実施形態では、各段に二つの可変速度圧縮機を用いているが、利点のいくつかは、一つの可変速度圧縮機および一つの固定速度圧縮機の使用によっても達成可能であることは当業者にとって自明である。ある実施形態では、第１の圧縮機あるいは第２の圧縮機のいずれかは固定速度圧縮機である。ある実施形態では、第１の圧縮機および第２の圧縮機の両方は可変速度圧縮機である。ある実施形態では、第１の圧縮機、第２の圧縮機あるいは両方は可変周波数駆動部から動力供給を受ける。ある実施形態では、第１の圧縮機、第２の圧縮機あるいは両方は、電子式整流モーターによって動力供給を受ける。ある実施形態では、第１の膨張弁、第２の膨張弁、あるいは両方は、パルス熱膨張弁である。ある実施形態では、上記ヒートポンプシステムは、さらに、少なくとも一つの可変速度ファンまたはブロアを備える。ある実施形態では、上記ヒートポンプシステムはさらに、電子制御モジュールに対して温度データを送信するように構成された複数の温度センサを備える。ある実施形態では、上記ヒートポンプシステムはさらに、第１の段から電子制御モジュールへと吸入圧力データを送信するよう構成された圧力センサを備える。ある実施形態では、上記ヒートポンプシステムはさらに、第１の段における第１の冷媒および第２の段における第２の冷媒を備える。ある実施形態では、第１の冷媒は第２の冷媒と異なっている。ある実施形態では、上記ヒートポンプシステムはさらに、第３の圧縮機、第３の凝縮器、第３の膨張弁および第３の蒸発器を有しかつ第２の凝縮器から熱を第３の蒸発器へと汲み上げるよう構成された第３の段を備える。

やはり本明細書に開示されているのは、カスケードヒートポンプシステムを制御するための方法の実施形態であり、当該方法は、第１の圧縮機、第１の凝縮器および第１の蒸発器を有する第１のヒートポンプ段を提供するステップと、第２の圧縮機、第２の凝縮器および第２の蒸発器を有する第２のヒートポンプ段を提供するステップであって、第１の蒸発器および第２の凝縮器は、第１の凝縮器から第２の蒸発器へと熱を汲み上げるように配置され、かつ、第１の圧縮機および第２の圧縮機の少なくともいずれかが可変速度圧縮機であるステップと、所定の熱的負荷においてシステムの性能係数を最大化するために第１および第２の圧縮機の少なくとも一方の速度を制御するステップとを具備する。ある実施形態では、第１の圧縮機あるいは第２の圧縮機のいずれかは固定速度圧縮機である。ある実施形態では、第１の圧縮機および第２の圧縮機の両方が可変速度圧縮機である。ある実施形態では、速度を制御することは、少なくとも一つのセンサからデータを受け取ることを含む。ある実施形態では、センサは圧力センサあるいは温度センサである。ある実施形態では、第１の圧縮機および第２の圧縮機の少なくともいずれかの速度は、可変周波数駆動部への電力を制御することによって制御される。ある実施形態では、第１の圧縮機および第２の圧縮機の少なくともいずれかの速度が、電子式整流モーターへの電力を制御することによって制御される。ある実施形態では、カスケードヒートポンプシステムを制御するための方法はさらに、第１の蒸発器に対して空気を吹き付けるよう構成されたファンの速度を制御することを含む。ある実施形態では、カスケードヒートポンプシステムを制御するための方法はさらに、第２の蒸発器に対して空気を吹き付けるよう構成されたファンの速度を制御することを含む。ある実施形態では、カスケードヒートポンプシステムを制御するための方法はさらに、第１の凝縮器と第１の蒸発器との間にパルス熱膨張弁を設けることを含む。ある実施形態では、カスケードヒートポンプシステムを制御するための方法はさらに、第２の凝縮器と第２の蒸発器との間にパルス熱膨張弁を設けることを含む。

共通の単段、単一速度ヒートポンプを備えた建物を示す図である。 一実施形態である、可変速度二段カスケードフローティング中温ヒートポンプ（ＣＦＩＴＨＰ）システムの概略図である。 最大化された全体システム効率を実現するために、圧縮機およびファン/ブロアの速度を動的に調整する制御プロセスの一実施形態を示すフローチャートである。

カスケードヒートポンプシステムの効率を高めるために、圧縮機およびファンまたはブロアは、独立して可変速度で動作させることができる。その結果、段間の中温、したがって各サイクルにおける温度上昇を、最大化された全体効率をもたらすように調整することができる。

可変速度制御は、カスケードヒートポンプシステムが、加熱または冷却用途のいずれに関しても、大容量および動作係数（ＣＯＰ）の両方を維持することを可能とする。本明細書で使用しているように、容量とは、ヒートポンプが対象空間内に熱を放出するか、あるいはそこから熱を除去することができる速度（レート）を意味する。ＣＯＰは、ヒートポンプのエネルギー効率の指標である。加熱に関して、カスケードヒートポンプシステムのＣＯＰは、システムに投入される仕事量に対する、対象空間へとシステムによって汲み上げられる（すなわち伝達される）熱量の比率として以下の式で定義される。
ＣＯＰ_heating＝Ｑ_Ｈ/ΣＷ_ｉ
ここで、Ｑ_Ｈはシステム加熱容量（対象空間へと凝縮器を横切って伝達される熱）であり、そしてΣＷ_ｉはシステムに投入される仕事の合計を示している。エアコンディショニング/冷却に関しては、ＣＯＰは、システムに入力される仕事量に対する、対象空間からシステムによって伝達される熱の比率として以下の式で定義される。
ＣＯＰ_cooling＝Ｑ_Ｃ/ΣＷ_ｉ
ここで、Ｑｃはシステム冷却容量（対象空間から蒸発器を横切って伝達される熱）であり、そしてΣＷ_ｉはシステムに投入される仕事の合計を表す。

図１は、住宅あるいは商業ビルを加熱または冷却するように構成されたヒートポンプシステムのための一般的な構成を示している。ヒートポンプシステム１１０は、少なくとも一つの圧縮機１２０と、室外蒸発器/凝縮器１３０と、膨張弁１４０と、室内蒸発器/凝縮器１５０とを含み、この全ては、冷媒（図示せず）を運ぶ配管１６０を介して流体連通状態にある。ファン１７０およびブロア１８０は、屋外周囲環境１０５または建物１９０の室内対象空間１９５のいずれかに、蒸発器/凝縮器１３０，１５０の加熱または冷却効果を伝達するように示されている。図１に示すヒートポンプシステムは、単一速度、単段蒸気圧縮システムである。

カスケードフローティング中温ヒートポンプ
図２は、対象空間２９８に熱を供給するように構成された状態で示された、可変速度、二段カスケードフローティング中間温度ヒートポンプ（ＣＦＩＴＨＰ）システム２００の一実施形態を示す概略図である。ＣＦＩＴＨＰシステム２００は、二つの蒸気圧縮システム（すなわち段）２２０，２４０を含むが、これらはカスケード熱交換器２３０によって互いに結合されており、ここで、第２の段の蒸発器２４８内の冷媒は、第１の段２２０の凝縮冷媒を含む凝縮器２２４から供給される熱を用いて蒸発させられる。

各段２２０，２４０は、冷媒が圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器を通過する熱力学的蒸気圧縮サイクルを利用する。第１の段２２０および第２の段２４０のサイクルは、それぞれ、ポイント２０１−２０４および２０５−２０８によって特定される。２０１から２０２へは、第１の段２２０の冷媒が圧縮機２２２によって圧縮されて、第１の段２２０の冷媒の圧力を高める。２０２から２０３へは、第１の段２２０の冷媒は、続いて、凝縮器２２４によって、蒸気から飽和または過冷却液体に変換され、これによって、カスケード熱交換器２３０の第２の段２４０の蒸発部２４８内へと熱Ｑ_ｘを放出する。２０３と２０４との間では、第１の段２２０の冷媒は膨張弁２２６を通過するが、これは第１の段２２０の冷媒を減圧し、これによって第１の段２２０の冷媒を冷却する。２０４から２０１へは、第１の段２２０の冷媒が蒸発器２２８を通過するが、ここで、第１の段２２０の冷媒は周囲環境２９６から熱Ｑ_Ｃを取り込んで、第１の段２２０の冷媒を飽和状態のまたは僅かに加熱された蒸気にする。

２０５から２０６へは、第２の段２４０の冷媒は第２の段２４０の冷媒の圧力を高める圧縮機２４２で圧縮される。２０６から２０７へは、第２の段２４０の冷媒は、続いて、凝縮器２４４によって飽和状態のまたは過冷却液体へと蒸気から変換され、これによって対象空間２９８内に熱Ｑ_Ｈを放出する。２０７と２０８との間では、第２の段２４０の冷媒は膨張弁２４６を通過するが、これは第２の段の２４０の冷媒を減圧し、これによって第２の段２４０の冷媒を冷却する。２０８から２０５へは、第２の段２４０の冷媒が蒸発器２４８を経て移動するが、ここで、第２の段２４０の冷媒はカスケード熱交換器２３０を介して第１の段２２０の凝縮器２２４から熱Ｑ_ｘを取り込んで、第２の段２４０の冷媒を蒸気にする。

カスケード熱交換器２３０は、第１の段２２０の凝縮器２２４と、第２の段２４０の蒸発器２４８との間で効率的な熱伝達をもたらす。カスケード熱交換器は、これに限定されるわけではないが、チューブ・イン・チューブ型、多管型、プレート型、マイクロチャネルまたはミニチャンネル型、そして螺旋型熱交換器を含む、いかなるタイプの熱交換器であってもよい。

第２および第１の段の間の動作温度の違いに起因して、最も効率的な解決策は、たいてい、各段において異なる冷媒を使用することである。具体的には、第２の段２４０の冷媒は、通常、第１の段２２０の冷媒よりも高い沸点を持つべきである。第２の段における高沸点冷媒の使用は、低い圧力、しばしば低い圧縮比、したがって、より少ない第２の段の圧縮機の仕事しか必要としない。たとえば、ＣＦＩＴＨＰシステムは、第２の段においてＲ−１３４ａを、そして第１の段においてＲ−４１０ａを使用してもよい。Ｒ−１３４ａの沸点は、４０°Ｆだけ、Ｒ−４１０ａの沸点よりも高い。だが、いくつかの実施形態では、ＣＦＩＴＨＰシステムは、第１の段で高沸点冷媒を、そして第２の段で低沸点冷媒を使用する。たとえば、ＣＦＩＴＨＰシステムは、第２の段においてＲ−４１０ａを、そして第１の段においてＲ−１３４ａを使用してもよい。同様に、いくつかの実施形態では、ＣＦＩＴＨＰシステムは、両方の段で同じ冷媒を使用する。これに限定されるわけではないが、Ｒ−１２、Ｒ−２２、Ｒ−２９０、Ｒ−４０４ａ、Ｒ−４０７ｃ、Ｒ−４１７ａ、Ｒ−５００、Ｒ−５０２、Ｒ−６００ａ、Ｒ−７１７およびＲ−７４４を含む、他の冷媒が使用されてもよい。

さらに、ファンあるいはブロア２６２，２６４は、凝縮器２４４/２２４あるいは蒸発器２４８/２２８からの加熱または冷却効果を割り当てるために利用することができる。「ファン」および「ブロア」との両方の用語は、ガス、通常は空気内に流れを引き起こす任意のデバイスを広く含むように本明細書中では同義的に使用されている。

図２に示すように、ＣＦＩＴＨＰシステム２００は、対象空間２９８に対して周囲環境２９６から熱を汲み上げるように構成されている。だが、いくつかの実施形態では、冷媒の流れは逆転されることがあり、この結果、蒸発器２２８/２４８は凝縮器として機能し、そして凝縮器２２４/２４４は蒸発器として機能する。このような逆流運転では、ＣＦＩＴＨＰシステム２００は、周囲環境２９６から対象空間２９８へと熱を汲み出し、対象空間２９８を冷却するであろう。冷媒流れの逆転、したがって熱伝達の方向の反転は、当該技術分野では公知の逆転弁を用いて達成することができる。

図２に示すように、単一の凝縮器２４４が対象空間２９８に熱を供給するために使用される。だが、いくつかの実施形態では、複数の凝縮器を、たとえば、複数のエアハンドラーに熱を供給することによって、対象空間２９８に熱を供給するために使用することができる。同様に、ＣＦＩＴＨＰシステム２００が対象空間２９８を冷却するように構成される場合、複数の蒸発器を、たとえば、複数のエアハンドラーに冷却作用を提供することにより、使用することができる。

さらに図２に示すのは、ＣＦＩＴＨＰシステム２００の最大化効率を提供する電子システム制御である。電子制御モジュール（ＥＣＯＭ）２７０は、圧縮機２２２，２４２にそれぞれ電力を供給する二つのＶＦＤｓ２７２，２７４に、そしてファン/ブロア２６２，２６８にそれぞれ電力を供給する二つのＶＦＤｓ２７６，２７８に接続された状態で示されている。ＥＣＯＭ２７０はさらに、システムを制御するために使用することができるＥＣＯＭにデータを送信するセンサ２８０，２８２，２８４，２８６に接続されている。たとえば、センサ２８０は、ＥＣＯＭに次のデータ、すなわち第１の段の吸い込み圧力、第１の段の吸い込み温度、あるいは周囲環境温度を送信するように構成されてもよい。センサ２８２および２８４は、それぞれ、第１の段の凝縮器温度データおよび第２の段の蒸発器温度データを送信するように構成することができる。同様に、センサ２８６は、次のデータ、たとえば、対象空間（たとえば室内）温度、第２の段の凝縮温度または第２の段の凝縮圧力を送信するように構成されてもよい。ＥＣＯＭ２７０はまた、サーモスタット２８８に接続することができる。センサによってＥＣＯＭに送信することができる他のデータは、圧縮機速度、ファンまたはブロアの速度、冷媒の体積流量、圧縮機のような個々のシステムコンポーネントの電気的特性（たとえば、アンペア数、電圧、および/または位相角）を含むことができる。ＥＣＯＭに伝達される情報、ならびにセンサおよびサーモスタットの種類、数および位置は、システムの構成に応じて変えることができる。たとえば、ある実施形態では、ＣＦＩＴＨＰシステム２００は、第１の段の吸い込み圧力データを送信するように構成されたセンサと、室内（すなわち対象空間）温度データを送信するように構成されたセンサとを含む。センサに加えて、ある実施形態では、ＥＣＯＭは、さらに、ユーザ入力デバイス２９０および電子メモリ２９２からデータを受信することができる。ある実施形態では、ユーザ入力デバイスはユーザインターフェースを含む。以下でさらに説明するように、受信されたデータを用いて、ＥＣＯＭ２７０は、独立してかつ動的に、ＣＯＰにより測定された所与の容量に関して最大化されたシステム効率を達成するために、圧縮機２２２，２４２およびファン/ブロア２６２，２６４の速度を変化させる。

図２に示す実施形態は二つの段を有するが、ある実施形態は、三つ以上の段を有するカスケードヒートポンプシステムを含む。さらに、ある実施形態では、公知のカスケードヒートポンプシステムの構成は、可変速度圧縮機で圧縮機を置き換え、さらに、可変速度圧縮機の速度を制御するように構成された電子制御モジュールを提供することによって改変される。このように、いくつかの実施形態では、図２に示されるカスケードシステムの構成に限定されるものではなく、むしろ、本明細書で説明される可変速度圧縮機制御の付加によって、既知のカスケードシステムの改良（これは、図２に示されるシステムからの構成に関して変化し得る）を目的としている。

同様に、図２に示される実施形態は二つの可変速度圧縮機を有するが、ある実施形態では、ただ一つの段が可変速度圧縮機を使用し、一方、別な段は固定速度圧縮機を使用する。当業者にとって、二つの可変速度圧縮機を使用することに由来する利点のいくつかは、一つの固定速度圧縮機と共に一つの可変速度圧縮機を用いることで実現できることは明らかである。

可変速度圧縮機制御
図２に示す実施形態では、圧縮機２２２，２４２は、可変周波数ドライブ（ＶＦＤｓ）としても知られている、可変速度ドライブ（ＶＳＤｓ）によって電力を供給される。これらのＶＦＤｓは、米国特許出願番号第１２/５１０１３９号および第１２/５１０１４０号において説明されており、これらは、この引用によって、その全体が本明細書中に明示的に組み込まれる。ＶＦＤｓは、トルクと効率を維持しながら、モーターに印加する周波数および/または電圧を変えることによって、電気モーターの速度を変化させる。圧縮機２２２，２４２に電力を供給するためのＶＦＤｓの使用は、カスケードヒートポンプシステムにおいて使用される場合に、数多くの効率性の利点を提供する。

まず、カスケードヒートポンプシステムにおける圧縮機に電力を供給するためのＶＦＤｓの使用は、システムが、最も高い全体システムＣＯＰを得るためにカスケード熱交換器内の中間温度を調整する（すなわち「変動させる」）ことを可能とする。所与の対象空間温度および周囲温度に関して、システムの全体的ＣＯＰは各サイクルにおける温度上昇と共に変化するが、これはカスケード熱交換器における中間温度に依存する。

第二に、カスケードヒートポンプシステム内の圧縮機に電力を供給するためのＶＦＤｓの使用は、カスケード熱交換器２３０内の第１の段２２０の凝縮器２２４と第２の段２４０の蒸発器２４８との間の温度オーバーラップを最適化することによって、システムの効率をさらに増加させる。圧縮機２２２，２４２の各々の可変速度は、オーバーラップを最適化するために、ＣＦＩＴＨＰシステム２００が、第１の段２２０の凝縮器温度を、そして第２の段２４０の蒸発器温度を独立して調整することを可能とする。これは、所与の容量にて、蒸気圧縮段２２０，２４０のそれぞれに関する最大化された効率の熱力学的「スイートスポット」での動作を可能とする。

第１の段２２０の凝縮器２２４と第２の段２４０の蒸発器２４８との間の熱の効率的な伝達を実現するためのカスケード熱交換器２３０に関して、下段凝縮器と上段蒸発器との間の、ある温度差ΔΤが必要である。同じ理由により、第２の段の凝縮器と対象空間の温度との間ならびに第１の段の蒸発器と周囲環境温度との間にも、あるΔΤが必要である。ΔΤは熱交換器（すなわち凝縮器または蒸発器）を横切って移動させられる熱エネルギー（熱流束）の関数である。部分負荷条件において、熱流束は小さく、したがって低いΔΤしか必要としない。凝縮器２２４，２４４および蒸発器２２８，２４８の温度を独立して制御することにより、ＣＦＩＴＨＰシステム２００は、各熱交換器に関して、最大全体システム効率に対応する理想値へとΔΤを制御することができる（ここで温度オーバーラップが最適化される）。

第三に、ＶＦＤｓの使用によって、オン・オフ循環させられるシステムへの制限が排除される。たとえば、ＶＦＤｓを有するヒートポンプシステムは、その温度が制御された環境の加熱または冷却負荷に応じた速度で圧縮機を動作させることができる。たとえば、制御された環境が、５０００ワットの加熱を必要とする場合、圧縮機は、必要な５０００ワットの熱を提供することに対応した速度で動作させることができる。これは、システムの改善されたエネルギー効率を実現する。なぜなら、圧縮機を繰り返し起動および停止することに付随するエネルギー効率の悪さが回避され、そして伝熱面は、より高い効率で機能するからである。

同様に、圧縮機がオンまたはオフのいずれかである従来型のヒートポンプシステムと比較した場合に、制御された環境でのセットポイント付近での温度不感帯が劇的に低減される。従来型のヒートポンプシステムでは、オンとオフの間で頻繁な状態変化を防止するために、制御システムは、不感帯特性と連動する。このようなシステムでは、温度エクスカーションが不感帯に相当する。たとえば、あるシステムでは、システムの不感帯は４°Ｆである。温度が７２°Ｆに設定されている場合には、いったん環境の温度が７２°Ｆになると、圧縮機がオフにされる。だが、４°Ｆの不感帯によって、環境の温度が６８°Ｆになるまで圧縮機が再びオンにされることはない。対照的に、圧縮機を制御するＶＦＤｓを備えたヒートポンプシステムにおいて、電子制御システムは、環境の温度の正確な制御を実現するために、圧縮機の速度を徐々に増減させる。結果として、不感帯はほとんど、あるいは全く存在しなくなり、したがって、温度の一貫性と消費電力との間のトレードオフが著しく低減される。

圧縮機に電力を供給するためにＶＦＤｓを使用することの代替例として、圧縮機の速度を可変制御するためのその他の手段を利用する実施形態が本発明の範囲内にあることは当業者にとって明白である。たとえば、当技術分野で周知の電子整流モーター（ＥＣＭｓ）使用することができる。ＥＣＭｓは電子制御回路によって駆動され、これはＥＣＭのための可変速度制御を実現することができる。たとえば、ＥＣＭに対して可変速度制御を実現するために、制御回路が、モーターに供給される電圧を低減させるために使用できる。同時に、実質的に滑らかな制御電圧が、モーターに供給される可変電圧に依存して、パルス幅変調器を制御するために加えられてもよく、これは、モーターへのエネルギーの流れをも制御する出力パルスを生成する。

圧縮機に関する可変速制御を提供するためのＶＦＤｓの使用に対するその他の代替例は、これに限定されるわけではないが、直接制御を含む。直接制御では、ＤＣモーターの速度が、電機子電圧または磁界電流を変化させることによって制御される。

ファン/ブロア速度制御
図２に示す実施形態では、ＣＦＩＴＨＰシステム２００はまた、一つ以上のファン/ブロア２６２，２６４を利用する。圧縮機と比較して、ファンおよびブロア電力要件は、固定速度運転ではなく、可変速度運転によって、より動的に影響を受ける。５０％負荷での単一速度ファンまたはブロアに関して、電力消費は運転時間ベースで約５０％である。だが、可変速運転においては、調速ファン原理に基づいて、空気流量が５０％であるとき電力のわずか１２.５％が必要となるだけである。最新のモーター技術によって、実質的に、この性能向上の全てを実現することができる。

凝縮器および蒸発器の性能もまた熱的負荷の変化の影響を強く受ける。熱交換器の各々の効率は、熱的負荷の減少に伴って増加する。これは、蒸発器温度を高め、凝縮器温度を低下させる作用があり、これによって圧縮機の負荷が、したがって消費電力が低減される。このように、圧縮機の速度を変化させることへの付加またはその代替として、電子制御システムは、ファン/ブロア速度を変化させることができ、これはまたカスケード熱交換器の中間温度に影響を与える。

圧縮機と同様、可変速度ファンまたはブロア動作は、これに限定されるわけではないがＶＦＤｓ、ＥＣＭｓ、あるいはダイレクトモーター制御を含む、可変速度制御を実現する、いかなる手段を用いて達成されてもよい。

ファンおよび/またはブロアの数、配置、形式およびの速度制御は、所与のシステムに関する要求および制約が与えられれば変更可能である。たとえば、ある実施形態においては、ＣＦＩＴＨＰシステムは、ただ一つの単一速度屋外（すなわち周囲環境）ファンと、ＥＣＭによって給電される一つの可変速度屋内（すなわち対象空間）ブロアを使用することができる。他の実施態様においては、可変速度型ファン/ブロアは使用されない。

電子制御システム
一実施形態では、ＣＦＩＴＨＰシステム２００は、圧縮機２２２，２４２およびファン/ブロア２６２，２６４の少なくとも一方の可変速運転を制御する電子制御モジュール（ＥＣＯＭ）２７０を含んでいる。ＥＣＯＭは、回路基板の形態をとることができるが、汎用コンピュータ、あるいは入力を受け、入力を分析し、そして制御信号を出力することができるその他のデバイスを含んでいてもよい。

図３は一つの具現化された制御プロセスを示すフローチャートであり、これを用いてＥＣＯＭ２７０は、ＣＯＰによって測定された、最大全体システム効率を達成するために、圧縮機２２２，２４２およびファン/ブロア２６２，２６４の一つ以上の速度を動的に変化させる。まず、ステップ３１０において、ＥＣＯＭは、システムの制御に用いられるデータを入力する。ある実施形態では、これらのデータは、これらに限定されるわけではないが、対象空間（たとえば屋内）温度、周囲温度、第１の段の凝縮器内の温度、第２の段の蒸発器内の温度、システムコンポーネントの電気的特性（たとえば、アンペア数、電圧、および/または位相角）、圧縮機速度およびファン/ブロア速度を含む。一実施形態では、ヒートポンプ動作を最適化するために使用されるデータは、第１の段の吸引圧力および室内（すなわち対象空間）温度を含む。第１の段の吸い込み圧力に代わるものとして、第１の段の吸い込み温度や屋外（すなわち周囲）温度を提供することができる。また、室内温度に代わるものとして、第１の段の凝縮温度または第２の段の凝縮圧力を提供することができる。システム制御のために使用される他のデータは、たとえば、使用される冷媒と熱物性、そして圧縮機およびファン/ブロアの効率曲線の値を含むことができる。これらのデータのいくつかは、システム内の一つ以上のセンサ２８０，２８２，２８４，２８６から入力されてもよく、一方、その他は、これに限定されるわけではないが、たとえば、電子メモリ２９２、サーモスタット２８８あるいはユーザ入力デバイス２９０を含む、その他のソースから入力されてもよい。

次に、制御プロセスのステップ３２０において、ＥＣＯＭ２７０は、システムの熱的負荷を特定する。一実施形態では、熱的負荷は予め決定され、ユーザ入力によって、あるいは電子メモリから提供することができる。別の実施形態では、ＥＣＯＭは、熱的負荷として電流伝送システム容量を使用する。他の実施形態では、ＥＣＯＭは、室内温度と所望の温度との差に基づいて熱的負荷を特定する。別な実施形態では、サーモスタット２８８からの空間調整のための第２の段コールが、この第２の段コールが緩和されるまで容量を増加させるために使用される。熱的負荷の特定に関して、目的は、所望の温度に対象空間２９８を維持する熱流束を提供することである。所望の温度は、たとえば、サーモスタット２８８、ユーザ入力デバイス２９０、電子メモリ２９２、またはその他のソースを用いて提供できる。いくつかの実施形態では、ＥＣＯＭは、熱的負荷を特定するために、ある時間にわたって対象空間の温度をモニターする。一実施形態では、室内温度が入力され、続いて、室内温度の時間速度変化が、ヒートポンプ容量を増加あるいは減少させるために温度対時間を特定するために計算される。提供される容量は、直接、室内温度が変化する速度に影響を与える。したがって、ＥＣＯＭは、室内温度の変化の目標速度に対応するように熱的負荷を設定することができる。室内温度の変化の目標速度は、これに限定されるわけではないが、エネルギー効率、快適性、騒音レベル、ユーザ入力、時刻、および/またはセンサ入力を含む複数の考慮事項の影響を受けてもよい。一実施形態では、ＥＣＯＭは、一連の先の室内温度を与えられれば、たとえば、外挿法または線形回帰を用いて、システムの将来の要求負荷を予測する。ＥＣＯＭは、続いて、目下の要求負荷の代わりに、将来の要求負荷を満たすために熱的負荷を特定することができる。

次に、制御プロセスのステップ３３０において、ＥＣＯＭ２７０は、熱的負荷のための最大システムＣＯＰをもたらす理想的な圧縮機速度およびファン/ブロア速度を特定する。ＥＣＯＭは、熱的負荷のための、下部および上部サイクル温度上昇の最も効率的な組み合わせを（したがって理想的な圧縮機およびファン/ブロア速度）を特定するために最適化プロセスを使用する。この最適化プロセスは、これに限定されるわけではないが、圧縮機容量およびさまざまな吸い込み温度/圧力に関する効率曲線、対象空間への熱の排出/供給のためのファン/ブロア効率曲線、そして各熱交換器を横切る効率的な熱流束にとって必要な温度オーバーラップを含む、効率に影響を与える数多くのファクターを考慮する。最適化プロセスは、最も効率的な第１のサイクルおよび第２のサイクル温度上昇を、そして、これら理想的な温度上昇を実現するのに必要な対応する理想的な圧縮機およびファン/ブロア速度を特定する。当業者にとって、そうした最適化プロセスをどのように展開するかは明らかであり、これは、たとえば、理論、経験的データ、または両者の組み合わせを用いて導き出すことができる。

たとえば、ある実施形態では、最適化プロセスは、潜在的な温度上昇の範囲に関する熱的負荷でのシステムＣＯＰを計算し、続いて最も高い全体システムＣＯＰに対応する温度上昇を選択することによって、理想的な圧縮機およびファン/ブロア速度を特定する。続いて、最適化プロセスは、選択された温度上昇に対応する理想的な圧縮機速度およびファン/ブロア速度を特定する。ＥＣＯＭは、潜在的な温度上昇の各組を達成するために圧縮機およびファン/ブロアによって必要とされる仕事からシステムのＣＯＰを計算することができる。圧縮機およびファン/ブロアによって必要とされる仕事は、圧縮機およびファン/送風効率曲線によって決定することができる。最適化プロセスはまた、各熱交換器を横切る効率の良い熱流束にとって必要な温度のオーバーラップを考慮する。この例は、圧縮機およびファン/ブロアの理想的な速度の特定を説明したものであるが、ある実施形態では、理想的な圧縮機速度のみが特定される。

次に、制御プロセスのステップ３４０において、ＥＣＯＭ２７０は、熱的負荷に見合う最大システムＣＯＰに到達するために、圧縮機速度およびファン/ブロア速度を、その理想的な速度へと調整する。これを達成するために、ＥＣＯＭは、最適化プロセスによって特定された理想的な速度と一致するように、必要に応じて速度を増加させるか、減少させるか、または維持するために、各コントローラ２７２，２７４，２７６および２７８にデータ（たとえば信号）を送信する。ある実施形態では、ＥＣＯＭ２７０は、実際の提供されたシステム容量と仕事入力を測定し、そしてこれらの値を最適化プロセスにおいて特定されたものと比較することによって、システムＣＯＰが最大化されたことを確認する。他の実施形態では、ＥＣＯＭは、提供されたシステム容量が熱的負荷に見合うことを確認する。ＥＣＯＭが、ＣＯＰが最大化されていないか、または、熱的負荷が満たされていないことを特定した場合、それは補正調整を行うことができる。この補正調整は、たとえば、一つ以上の圧縮機および/またはファン/ブロア速度を増加または減少させることを含み得る。ＥＣＯＭはまた、実際の測定条件を反映するように最適化プロセスのために使用するデータを調整し得る。

ステップ３４０の後、ＥＣＯＭ２７０は、ステップ３１０に戻るサイクルの前に、所定の時間だけ待機する。所定の時間には、たとえば、０.０１秒、０.０５秒、０.１秒、０.０２秒、０.５秒、１秒、２秒、５秒、１０秒、３０秒、１分、２分、１０分、１時間、１日、あるいはこれよりも短いか、長いか、あるいはその間にある値が含まれ得る。他の実施形態では、制御プロセスは、所定の時間の待機を伴わずに、直ちに繰り返される。ある実施形態では、制御プロセスは、たとえば、ユーザ入力、時刻、日付、またはセンサ入力を含む、特定の時間の経過以外の事象発生時に繰り返される。

ある実施形態では、熱的負荷を特定するステップと、理想的なシステムの状態を決定するステップとが同時に行われる。たとえば、熱的負荷、および対象空間の温度変化の対応する速度が、システムＣＯＰの関数として特定されてもよい。たとえば、より高い熱的負荷が所望の温度への対象空間温度を上昇させる場合により効率的であるならば、熱的負荷は、増大したエネルギー効率をもたらすために、より高い値に設定されるであろう。たとえば、最大システム容量、快適さ、最低温度変化速度およびノイズなどの、いくつかの考慮事項は、依然として、本実施形態における熱的負荷特定のための制限を提供し得る。

最大の全体システム効率を達成するためのこの方法は、人員により行うことができるが、ＥＣＯＭ２７０の使用は、より迅速で、より正確なシステム調整を実現する。

パルス冷媒流動制御
ＣＦＩＴＨＰシステム２００の一実施形態では、膨張弁２２６，２４６は米国特許番号第５，６７５，９８２号、第６，８４３，０６４号および第５，７１８，１２５号に記載されたようなパルス熱膨張弁（ＰＴＸＶｓ）を備えるが、これらは、この引用によって、その全体が明示的に本明細書中に組み込まれる。

従来型の熱膨張弁（ＴＸＶｓ）とは異なり、ＰＴＸＶｓは冷媒の流れを調節するためにパルスを出す。ＰＴＸＶｓの使用はさまざまな利益をもたらす。従来型のＴＸＶｓは、概して、±７°Ｆの範囲内で冷媒過熱を調節する一方、ＰＴＸＶｓは±０．５゜Ｆに等しい過熱の正確な調整を可能とする。このように、ＰＴＸＶｓは、蒸発器の表面積を完全に利用することによって、ヒートポンプのＣＯＰを向上させる。同様に、ＰＴＸＶは、冷媒が圧縮機に入る前に完全に蒸発していない場合に発生し得る潜在的なフラッディングを排除することで圧縮機を保護する。ＰＴＸＶはまた、流量および圧力条件の変化に対する非常に迅速な応答を有する。脈動効果はまた蒸発器および凝縮器の熱伝達を向上させる。なぜなら、液体の脈動は、これらの熱交換器内の熱および流体力学的境界を破壊し、これによって、その効率を高めるからである。

ＰＴＸＶｓの使用もまた有益である。というのは、ＣＦＩＴＨＰシステムは圧縮機速度を変化させることを利用し、これは、凝縮器への、そして蒸発器への可変冷媒の流れをもたらすからである。従来型のＴＸＶｓは、たいてい、その応答に関して、過度に緩慢であり、変動する冷媒流れを扱うか、それを利用することは、そしてハントしかつ充満させることはできず、これによって蒸発器の効率およびシステム性能を低減させるであろう。このような可変冷媒流れの所望の利点を実現するために、本実施形態によれば、ＰＴＸＶｓが、蒸発器を枯渇させたり充満させたりすることなく、全ての冷媒流量において、あらゆる範囲の蒸発器加熱制御を創出するために使用される。このような冷媒制御は、可変圧縮機速度に由来する低い冷媒流量において特に重要である。従来型の膨張装置は、全流量で動作するように設計されており、低い流量では効率が悪く、変動する流量が、再び、蒸発器を枯渇させかつ/または充満させる。ＰＴＸＶｓは広範囲の容量にわたって動作可能であり、これに限定されるわけではないが、１.５：１，２：１，３：１，４：１，５：１，６：１，７：１，８：１，９：１および１０：１を含む高いターンダウン比をもたらす。ターンダウン比は、最小の制御された冷媒流量に対する最大の制御された冷媒流量の比として定義される。ＰＴＸＶｓは、米国特許第５，６７５，９８２および第６，８４３，０６４号に開示されたような機械弁、あるいは米国特許第５，７１８，１２５号に開示されたタイプの電動弁であってもよい。そのようなバルブは、圧縮機および凝縮器からの可変冷媒流動範囲にわたる蒸発器への冷媒流れを制御するように動作する。

〔動作例〕
実施例１：コンピュータシミュレーション
上記のようなシステムのエネルギー効率の利点を調査するために、the National Institute of Standards and Technologyによって作製されたソフトウェア「Cycle_Ｄバージョン４」が使用された。

以下の三つの場合、すなわち（１）Ｒ‐４１０ａを使用する単一速度単段ヒートポンプ；（２）下段でＲ‐４１０ａを、そして上段でＲ‐１３４ａを使用する単一速度二段カスケードヒートポンプ；そして（３）下段でＲ‐４１０ａを、そして上段でＲ‐１３４ａを使用する可変速度二段ＣＦＩＴＨＰについて調査した。その結果を以下の表にまとめる。

コンピュータシミュレーション結果
上表に示されるように、同じ蒸発器温度、凝縮器温度、そして実質的に同一の加熱能力を仮定すると、ＣＦＩＴＨＰシステムは、単一速度単段システムおよび単一速度二段カスケードシステムの両方と比較して、最も高いＣＯＰ_heatingを提供した。ＣＦＩＴＨＰシステムに関する３.２のＣＯＰ_heatingは、単一速度二段カスケードシステムよりも１２.３％高く、そして単一速度単段システムよりも２３％高かった。

１０５ 屋外周囲環境
１１０ ヒートポンプシステム
１２０ 圧縮機
１３０ 凝縮器
１４０ 膨張弁
１５０ 凝縮器
１６０ 配管
１７０ ファン
１８０ ブロア
１９０ 建物
１９５ 室内対象空間
２００ ＣＦＩＴＨＰシステム
２０１〜２０４ ポイント
２２０ 第１の段
２２２ 圧縮機
２２４ 凝縮器
２２６ 膨張弁
２２８ 蒸発器
２３０ カスケード熱交換器
２４０ 第２の段
２４２ 圧縮機
２４４ 凝縮器
２４６ 膨張弁
２４８ 蒸発器
２６２，２６４ ブロア
２７０ 電子制御モジュール（ＥＣＯＭ）
２７２，２７４，２７６ コントローラ
２８０，２８２，２８４，２８６ センサ
２８８ サーモスタット
２９０ ユーザ入力デバイス
２９２ 電子メモリ
２９６ 周囲環境
２９８ 対象空間

Claims (23)

1. ヒートポンプシステムであって、
   第１の圧縮機と、第１の凝縮器と、第１の膨張弁と、第１の蒸発器と、を有する第１の段と、
   第２の圧縮機と、第２の凝縮器と、第２の膨張弁と、第２の蒸発器と、を有する第２の段と、
   複数のセンサと、
   前記システムの動作係数（ＣＯＰ）を向上させるために、前記複数のセンサからの入力を受けるとともに、前記第１の段と前記第２の段の間の中間温度を変動させるように構成されている電子制御モジュールと、を備え、
   前記第１の凝縮器および前記第２の蒸発器は、前記第１の凝縮器から前記第２の蒸発器へと熱を汲み上げるように配置されており、かつ、前記第１の圧縮機および前記第２の圧縮機の少なくとも一方は可変速度圧縮機であることを特徴とするヒートポンプシステム。
2. 前記第１の圧縮機は固定速度圧縮機であることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプシステム。
3. 前記第１の圧縮機および前記第２の圧縮機の両方は可変速度圧縮機であることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプシステム。
4. 前記可変速度圧縮機は可変周波数駆動部から動力供給を受けることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプシステム。
5. 前記可変速度圧縮機は電子式整流モーターによって動力供給を受けることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプシステム。
6. 前記第１の段はさらに第１の膨張弁を備え、かつ、前記第２の段はさらに第２の膨張弁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システム。
7. 前記第１の膨張弁および前記第２の膨張弁はパルス熱膨張弁であることを特徴とする請求項６に記載のヒートポンプシステム。
8. 少なくとも一つの可変速度ファンまたはブロアをさらに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システム。
9. 前記電子制御モジュールに対して温度データを送信するように構成された複数の温度センサをさらに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システム。
10. 前記第１の段から前記電子制御モジュールへと吸入圧力データを送信するよう構成された圧力センサをさらに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システム。
11. 前記第１の段における第１の冷媒および前記第２の段における第２の冷媒をさらに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システム。
12. 前記第１の冷媒は前記第２の冷媒と異なっていることを特徴とする請求項１１に記載のヒートポンプシステム。
13. 第３の圧縮機と、第３の凝縮器と、第３の膨張弁と、第３の蒸発器と、を有し、かつ、前記第２の凝縮器から前記第３の蒸発器へと熱を汲み上げるよう構成された第３の段をさらに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システム。
14. カスケードヒートポンプシステムを制御するための方法であって、
    第１の圧縮機、第１の凝縮器および第１の蒸発器を有する第１のヒートポンプ段を提供するステップと、
    第２の圧縮機、第２の凝縮器および第２の蒸発器を有する第２のヒートポンプ段を提供するステップであって、前記第１の蒸発器および第２の凝縮器は、前記第１の凝縮器から前記第２の蒸発器へと熱を汲み上げるように配置され、かつ、前記第１の圧縮機および前記第２の圧縮機の少なくとも一方が可変速度圧縮機であるステップと、
    複数のセンサを提供するステップと、
    前記複数のセンサからの入力を受け取るステップと、
    前記システムの動作係数を最大化するために、前記第１のヒートポンプ段と前記第２のヒートポンプ段の間の中間温度を動的に変動させるステップと、
    を具備することを特徴とする方法。
15. 前記第１の圧縮機あるいは前記第２の圧縮機のいずれかは固定速度圧縮機であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記第１の圧縮機および前記第２の圧縮機の両方が可変速度圧縮機であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
17. 前記センサは圧力センサあるいは温度センサであることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
18. 前記可変速度圧縮機の速度は、可変周波数駆動部への電力を制御することによって制御されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
19. 前記可変速度圧縮機の速度は、電子式整流モーターへの電力を制御することによって制御されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
20. 前記第１の蒸発器に対して空気を吹き付けるよう構成されたファンの速度を制御することをさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
21. 前記第２の蒸発器に対して空気を吹き付けるよう構成されたファンの速度を制御することをさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
22. 前記第１の凝縮器と前記第１の蒸発器との間にパルス熱膨張弁を設けることをさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
23. 前記第２の凝縮器と前記第２の蒸発器との間にパルス熱膨張弁を設けることをさらに含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。

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