JP5875396B2 - ヒートポンプの制御装置、ヒートポンプ、及びヒートポンプの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、温熱を出力するヒートポンプの制御装置、ヒートポンプ、及びヒートポンプの制御方法に関するものである。

従来より、ヒートポンプサイクルによって温水（温熱）を供給するヒートポンプが知られている。

ここで、特許文献１には、高圧冷媒と低圧冷媒とを熱交換する内部熱交換器を有する超臨界冷凍サイクルにおいて、成績係数及び冷凍能力の向上を図りつつ、冷媒配管の経路を単純化する超臨界冷凍サイクルが記載されている。
具体的には、超臨界冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出する冷媒を冷却するとともに、内部の圧力が冷媒の臨界圧力以上となる放熱器（温熱生成熱交換器）と、放熱器から流出する冷媒を減圧するとともに、高圧側の冷媒圧力を制御する圧力制御弁と、圧力制御弁にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器から流出する低圧側の冷媒と圧力制御弁にて減圧される前の高圧側の冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器とを備える。そして、圧力制御弁が、内部熱交換器を流出した冷媒の温度に基づいて高圧側の冷媒圧力を制御する。

特開２００１−１０８３０８号公報

ここで、ヒートポンプは、圧縮機によって圧縮された冷媒により、外部負荷へと提供する温熱媒体を加熱する温熱生成熱交換器の負荷率が低下すると、冷媒流量が減少し、圧縮機にサージングが発生する可能性がある。

ヒートポンプでは、内部熱交換器での交換熱量を圧縮機の吐出温度を制御するために変化させるので、内部熱交換器から流出した冷媒の温度が運転状態によって変化する。このため、特許文献１に記載されているように、内部熱交換器から流出した冷媒の温度を用いて冷媒圧力を制御することは困難である。温熱生成熱交換器の負荷率が減少した場合に、冷媒圧力を制御することによって、冷媒流量を制御して圧縮機のサージングを防止することは難しい。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、温熱生成熱交換器の負荷率が低下しても、圧縮機のサージングを防止することができる、ヒートポンプの制御装置、ヒートポンプ、及びヒートポンプの制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のヒートポンプの制御装置、ヒートポンプ、及びヒートポンプの制御方法は以下の手段を採用する。

本発明の第一態様に係るヒートポンプの制御装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された冷媒により外部負荷へと提供する温熱媒体を加熱する温熱生成熱交換器と、前記温熱生成熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁から導かれた冷媒を熱源媒体との熱交換によって蒸発させる蒸発器と、備えたヒートポンプの制御装置であって、前記温熱生成熱交換器の出口冷媒温度の設定値である出口冷媒温度設定値を、前記温熱生成熱交換器における負荷率が上昇した場合に低下させ、該負荷率が低下した場合に上昇させ、該出口冷媒温度設定値に基づいて前記膨張弁の開度を制御することを特徴とする。

本構成によれば、ヒートポンプは、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機によって圧縮された冷媒により外部負荷へと提供する温熱媒体を加熱する温熱生成熱交換器と、温熱生成熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張弁から導かれた冷媒を熱源媒体との熱交換によって蒸発させる蒸発器と、を備える。

ここで、温熱生成熱交換器の負荷率が低下すると、冷媒流量が減少し、圧縮機にサージングが発生する可能性がある。なお、温熱生成熱交換器における負荷率とは、すなわちヒートポンプの負荷率である。

そこで、温熱生成熱交換器の出口冷媒温度設定値が、温熱生成熱交換器における負荷率が上昇した場合に低下され、該負荷率が低下した場合に上昇され、該出口冷媒温度設定値に基づいて膨張弁の開度が制御される。
負荷率の低下に応じて出口冷媒温度設定値を上昇させると、温熱生成熱交換器における冷媒のエンタルピ落差が減少する。このため、熱量を確保するために膨張弁の開度を大きくし、冷媒流量を増加させる必要が生じる。すなわち、負荷率の低下に応じて冷媒流量が増加することとなり、圧縮機のサージングが発生し難くなる。

このように、本構成は、出口冷媒温度設定値を負荷率に反比例して変化させるので、温熱生成熱交換器の負荷率が低下しても、圧縮機のサージングを防止することができる。

上記第一態様では、前記出口冷媒温度設定値及び前記出口冷媒温度の計測値に基づいて、前記膨張弁の開度を制御することが好ましい。

本構成によれば、出口冷媒温度設定値を用いたフィードバック制御により膨張弁の開度を制御することとなり、温熱生成熱交換器の負荷率が低下しても、圧縮機のサージングを簡易な構成で防止することができる。

上記第一態様では、前記温熱生成熱交換器の入口冷媒温度から算出されるエンタルピと前記出口冷媒温度設定値から算出されるエンタルピとの差である前記温熱生成熱交換器における冷媒のエンタルピ落差で、前記温熱生成熱交換器による前記温熱媒体に対する交換熱量を除算して得られた冷媒流量を用いて、前記膨張弁の開度を制御することが好ましい。

本構成によれば、出口冷媒温度設定値を用いたフィードフォワード制御により膨張弁の開度を制御することとなり、温熱生成熱交換器の負荷率が低下しても、圧縮機のサージングを簡易な構成で防止することができる。

上記第一態様では、前記出口冷媒温度設定値と前記出口冷媒温度の計測値とに基づいて、前記膨張弁の開度を算出する第１開度演算手段と、前記温熱生成熱交換器の入口冷媒温度から算出されるエンタルピと前記出口冷媒温度設定値から算出されるエンタルピとの差である前記温熱生成熱交換器における冷媒のエンタルピ落差で、前記温熱生成熱交換器による前記温熱媒体に対する交換熱量を除算して得られた冷媒流量を用いて、前記膨張弁の開度を算出する第２開度演算手段とを備え、前記第１開度演算手段によって算出された開度と前記第２開度演算手段によって算出された開度とを合算した開度によって、前記膨張弁の開度を制御することが好ましい。

本構成によれば、出口冷媒温度設定値を用いたフィードバック制御とフィードフォワード制御との組み合わせによりにより膨張弁の開度を制御することとなり、出口冷媒温度を、より早く出口冷媒温度設定値とすることができる。

上記第一態様では、前記ヒートポンプは、前記温熱生成熱交換器から前記蒸発器へと向かう冷媒と、前記蒸発器から前記圧縮機へと向かう冷媒とを熱交換させるインタークーラと、前記インタークーラを流れる冷媒流量を調整する流量調整弁と、を備え、前記圧縮機の吐出冷媒温度の計測値と該吐出冷媒温度の設定値との差に基づいて、前記流量調整弁の開度を制御することが好ましい。

本構成によれば、流量調整弁でインタークーラへ向かう冷媒流量が制御されることとなるので、インタークーラにおける交換熱量を容易に制御することができ、圧縮機へと吸い込まれる冷媒の温度を調整し易くなる。その結果、温熱生成熱交換器の出口冷媒温度も出口冷媒温度設定値に制御され易くなり、圧縮機のサージングがより確実に防止されることとなる。

上記第一態様では、前記流量調整弁が、前記温熱生成熱交換器から前記インタークーラへ向かう冷媒流量を調整するインタークーラ流量調整弁、及び前記温熱生成熱交換器から前記インタークーラへ向かう冷媒をバイパスさせて前記蒸発器へと導くインタークーラバイパス流路に設けられたインタークーラバイパス弁であり、前記インタークーラ流量調整弁の開度及び前記インタークーラバイパス弁の開度の一方を変化させるときに他方を変化させないことが好ましい。

本構成によれば、インタークーラ流量調整弁の開度及びインタークーラバイパス弁の開度を同時に制御することはないので、インタークーラへ向かう冷媒流量が急変することを防止できる。

本発明の第二態様に係るヒートポンプは、上記記載の制御装置を備えたことを特徴とする。

本発明の第三態様に係るヒートポンプの制御方法は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された冷媒により外部負荷へと提供する温熱媒体を加熱する温熱生成熱交換器と、前記温熱生成熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁から導かれた冷媒を熱源媒体との熱交換によって蒸発させる蒸発器と、を備えたヒートポンプの制御方法であって、前記温熱生成熱交換器の出口冷媒温度の設定値である出口冷媒温度設定値を、前記温熱生成熱交換器における負荷率が上昇した場合に低下させ、該負荷率が低下した場合に上昇させ、該出口冷媒温度設定値に基づいて前記膨張弁の開度を制御することを特徴とする。

本発明によれば、温熱生成熱交換器の負荷率が低下しても、圧縮機のサージングを防止することができる、という優れた効果を有する。

本発明の第１実施形態に係るターボヒートポンプの冷媒回路を示した概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係る制御装置における膨張弁開度制御に関する機能ブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る負荷率と温水熱交出口冷媒温度設定値との関係を示すグラフである。 本発明の第１実施形態に係る制御装置におけるベーン開度制御に係る機能ブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る制御装置における圧縮機インバータ周波数制御及びＨＧＢＰ弁開度制御に係る機能ブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る圧縮機マップを示した図である。 本発明の第１実施形態に係る制御装置におけるインタークーラ流量制御に係る機能ブロック図である。 本発明の第１実施形態に係るＰＩ演算部で算出されたＰＩ演算値、インタークーラ流量調整弁開度、及びインタークーラバイパス弁開度の関係を示している。 本発明の第２実施形態に係る制御装置における膨張弁開度制御に関する機能ブロック図である。 本発明の第３実施形態に係る制御装置における膨張弁開度制御に関する機能ブロック図である。

以下に、本発明に係るヒートポンプの制御装置、ヒートポンプ、及びヒートポンプの制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。

〔第１実施形態〕
以下に、本発明にかかる第１実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、遠心式（ターボ式）の圧縮機を用いたターボヒートポンプ１の概略構成図が示されている。冷媒としては、例えば代替フロン冷媒（Ｒ１３４ａ）が用いられる。

ターボヒートポンプ１は、冷媒を圧縮する圧縮機３と、外部から供給される熱源水（熱源媒体）と冷媒とが熱交換する蒸発器５と、温水（温熱媒体）を出力する温熱生成熱交換器６と、蒸発器５と温熱生成熱交換器６との間に設けられた膨張弁９とを備えている。これら圧縮機３、蒸発器５、温熱生成熱交換器６及び膨張弁９によって、主系統の冷媒回路が構成されている。

圧縮機３は、高圧力比が得られる遠心圧縮機となっている。圧縮機３は、軸線周りに回転する羽根車１９を二段備えている。羽根車１９の冷媒流れ上流側には、流入する冷媒流量を調節するＩＧＶ（インレットガイドベーン；吸込冷媒流量調整手段）２１が設けられている。ＩＧＶ２１の開度は、制御装置７によってＩＧＶ用電動モータＭが駆動されることによって調整される。
圧縮機３は、増速機１８を介して接続された電動機１７によって駆動される。電動機１７は、制御装置７によって制御され、インバータ２０による周波数制御によって回転数が適宜変更され得るようになっている。
圧縮機３の吸込側には吸込冷媒圧力Ｐ０を計測する圧力センサおよび吸込冷媒温度Ｔ０を計測する温度センサが、圧縮機３の吐出側には吐出冷媒圧力Ｐ１を計測する圧力センサおよび吐出冷媒温度Ｔ１を計測する温度センサが、それぞれ設けられている。これらセンサの出力値は、それぞれ制御装置７へと送られる。なお、圧縮機３は、冷媒を超臨界圧力で吐出する。

蒸発器５は、例えば、シェル・アンド・チューブ式の熱交換器とされている。蒸発器５には、熱源水配管１３が接続されており、この熱源水配管１３内を流れる熱源水とシェル内の冷媒とが熱交換を行い、熱源水から与えられる熱によってシェル内の冷媒が蒸発する。

温熱生成熱交換器６は、例えば、シェル・アンド・チューブ式の熱交換器とされている。温熱生成熱交換器６には、温水配管１１が接続されており、この温水配管１１内を流れる水とシェル内の冷媒とが熱交換を行う。温水配管１１は、空調用室内機等の外部負荷と接続されている。温水配管１１には、熱媒入口温度Ｔａ及び熱媒出口温度Ｔｂを測定する温度センサがそれぞれ設けられている。また、図示しないが、温水配管１１には温水流量を計測する流量センサが設けられている。これらセンサからの出力値は、制御装置７へと送られる。
温熱生成熱交換器６の冷媒出口には、温水熱交出口冷媒温度Ｔ２を計測する温度センサが設けられており、この温度センサの出力値は制御装置７へと送られる。

膨張弁９は、蒸発器５と温熱生成熱交換器６との間の冷媒配管に設けられており、温熱生成熱交換器６から導かれた液冷媒を絞ることによって等エンタルピ膨張させるものである。膨張弁９の開度は、制御装置７によって制御される。

温熱生成熱交換器６と膨張弁９との間には、インタークーラ１０が設けられている。インタークーラ１０は、温熱生成熱交換器６から導かれた冷媒と、蒸発器５にて蒸発した冷媒とを熱交換する熱交換器である。このインタークーラ１０によって、圧縮機３へと吸い込まれる冷媒の温度が調整される。
インタークーラ１０と膨張弁９とを接続するインタークーラ下流側冷媒配管２３には、インタークーラ流量調整弁２５が設けられている。温熱生成熱交換器６とインタークーラ１０とを接続するインタークーラ上流側冷媒配管２４と、インタークーラ下流側冷媒配管２３との間には、インタークーラ１０をバイパスして冷媒を流すインタークーラバイパス冷媒配管２７が設けられており、このインタークーラバイパス冷媒配管２７には冷媒流量を調整するインタークーラバイパス弁２８が設けられている。インタークーラ流量調整弁２５とインタークーラバイパス弁２８の開度を制御装置７によって適宜調整することにより、インタークーラ１０へと送り込む温熱生成熱交換器６からの高温冷媒流量を調整する。
インタークーラ下流側冷媒配管２３には、インタークーラ流量調整弁２５と膨張弁９との間から分岐して吸込冷媒配管２９へと至るインジェクション配管３０が設けられている。インジェクション配管３０にはインジェクション弁３１が設けられている。このインジェクション弁３１の開度は、制御装置７によって制御される。インジェクション弁３１にて所望量に調整された冷媒を吸込冷媒配管２９へ吹き込むことにより、圧縮機３へと供給される吸込冷媒の温度を蒸発温度よりも低くできる。
また、蒸発器５とインタークーラ１０との間には、冷媒を蓄えるためのアキュムレータ（不図示）が設けられている。

圧縮機３の吐出側と蒸発器５の下流側との間には、ホットガスバイパス（以下、「ＨＧＢＰ」という。）配管３４が設けられている。ＨＧＢＰ配管３４には、ＨＧＢＰ弁３５が設けられており、制御装置７によってその開度が制御されるようになっている。ＨＧＢＰ弁３５は、高負荷の場合には全閉とされており、低負荷となり所定値を下回った場合に開となり漸次開度が増大されるようになっている。これにより、圧縮機３のサージング又は旋回失速に陥ることを回避できる。
なお、ＨＧＢＰ弁３５の開度については、外部負荷が増加してＨＧＢＰ弁３５を閉めていくときの開度のスケジュールと、外部負荷が減少してＨＧＢＰ弁３５を開けていくときの開度のスケジュールを異ならせてヒステリシスを持たせることが更に好ましい。これにより、システムに大きな影響を与えるＨＧＢＰ弁３５の開度変更の回数を少なくし、安定的にシステムを運転することができる。

次に、上記構成のターボヒートポンプ１の動作について説明する。
圧縮機３は、電動機１７によって駆動され、制御装置７によるインバータ制御により所定周波数で回転させられる。
蒸発器５及びインタークーラ１０から吸い込まれた低圧ガス冷媒は、圧縮機３によって超臨界状態まで圧縮される。このとき、ＩＧＶ２１は全開とされている。
圧縮機３から吐出された冷媒は、温熱生成熱交換器６へと導かれる。温熱生成熱交換器６において、高温高圧のガス冷媒は略等圧的に冷却され、高圧低温の冷媒となる。この際に得られる放出熱によって、温水配管１１内を流れる温水が加熱される。制御装置７は、熱媒出口温度Ｔｂが所望値となるように、圧縮機３の回転数を制御する。

温熱生成熱交換器６において高圧低温とされた冷媒は、インタークーラ上流側冷媒配管２４を通過してインタークーラ１０へと導かれる。インタークーラ１０では、温熱生成熱交換器６からの高温冷媒と蒸発器５にて蒸発した冷媒との熱交換が行われる。インタークーラ１０での交換熱量は、制御装置７によってインタークーラ流量調整弁２５及びインタークーラバイパス弁２８の開度を調整することによって制御される。
インタークーラ１０にて熱交換を終えた高圧冷媒は、インタークーラ下流側冷媒配管２３を通過して膨張弁９へと導かれ、この膨張弁９によって等エンタルピ的に膨張させられる。膨張弁９の開度は、制御装置７によって所望のヘッド差（ヒートポンプサイクルにおける冷媒の高低圧差）が得られるように制御される。

膨張弁９によって膨張された冷媒は、蒸発器５へと導かれ、蒸発器５にて熱源水と熱交換することによって蒸発させられる。蒸発器５において蒸発した低圧ガス冷媒は、インタークーラ１０にて所定温度だけ上昇させられる。圧縮機３へと吸い込まれる冷媒の温度を低下させたい場合には、制御部によってインジェクション弁３１の開度を調整することによって低温冷媒を吸込冷媒配管２９へと吹き込む。その後、ガス冷媒は、圧縮機３へと導かれ、再び圧縮される。

制御装置７は、膨張弁９の開度（以下、「膨張弁開度」という。）を制御する膨張弁開度制御、ＩＧＶ２１のベーン開度を制御するベーン開度制御、インバータ２０による周波数制御、ＨＧＢＰ弁３５の開度（以下、「ＨＧＢＰ弁開度」という。）を制御するＨＧＢＰ弁開度制御、並びにインタークーラ流量調整弁２５の開度（以下、「インタークーラ流量調整弁開度」という。）及びインタークーラバイパス弁２８の開度（以下、「インタークーラバイパス弁開度」という。）を制御するインタークーラ流量制御等を行う。
なお、制御装置７は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random
Access Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。そして、各種制御に係る機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種制御が実現される。

図２は、本第１実施形態に係る制御装置７における膨張弁開度制御に係る機能ブロック図である。

制御装置７は、設定値演算部４０、減算部４１、及びＰＩ演算部４２を備え、温熱生成熱交換器６の出口冷媒温度の設定値である温水熱交出口冷媒温度設定値、及び温熱生成熱交換器６の出口冷媒温度の計測値である温水熱交出口冷媒温度Ｔ２に基づいて、膨張弁開度を制御する。

設定値演算部４０は、負荷率に応じた温水熱交出口冷媒温度設定値を演算し、減算部４１へ出力する。

減算部４１は、設定値演算部４０から入力された温水熱交出口冷媒温度設定値を温度センサから入力された温水熱交出口冷媒温度Ｔ２で減算し、ＰＩ演算部４２へ出力する。

ＰＩ演算部４２は、減算部４１から入力された減算値に基づいて、温水熱交出口冷媒温度Ｔ２が温水熱交出口冷媒温度設定値となるように、ＰＩ制御等によって膨張弁開度を算出し、膨張弁９へ出力する。

ここで、ターボヒートポンプ１は、温熱生成熱交換器６の負荷率が低下すると、冷媒流量が減少し、圧縮機３にサージングが発生する可能性がある。なお、温熱生成熱交換器６における負荷率とは、すなわちターボヒートポンプ１の負荷率である。
このため、制御装置７が備える設定値演算部４０は、温熱生成熱交換器６における負荷率が上昇した場合に低下し、該負荷率が低下した場合に上昇するように、温水熱交出口冷媒温度設定値を演算する。

図３は、負荷率と温水熱交出口冷媒温度設定値との関係を示すグラフである。設定値演算部４０は、図３に示されるグラフに基づいたデータを用いて、負荷率に応じた温水熱交出口冷媒温度設定値を演算する。なお、このデータは、制御装置７に予め記憶されている。

図３に示されるように、温水熱交出口冷媒温度設定値は、負荷率に反比例している。温水熱交出口冷媒温度設定値は、下限が温水熱交入口冷媒温度（吐出冷媒温度Ｔ１）よりも高い値とされている。また、温水熱交出口冷媒温度設定値は、ターボヒートポンプ１を停止させることとなる負荷率に達するまで上昇する。なお、図３のグラフは一例であり、これに限られない。

そして、温熱生成熱交換器６の交換熱量Ｑcon[kW]、温熱生成熱交換器６を流通する冷媒流量Ｇcon[kg/s]、圧縮機３が吐出する冷媒のエンタルピ（以下、「温熱生成熱交入口エンタルピ」という。）ｈd[kJ/kg]、及び温熱生成熱交換器６の出口における冷媒のエンタルピ（以下、「温熱生成熱交出口エンタルピ」という。）ｈcon[kJ/kg]は、下記（１）式で表わされる関係を有している。

負荷率の低下に応じて温水熱交出口冷媒温度設定値を上昇させると、温熱生成熱交出口エンタルピｈconが増加するので、温熱生成熱交換器６における冷媒のエンタルピ落差（ｈd-ｈcon）が減少する。このため、制御装置７は、熱量を確保するために膨張弁開度を大きくし、冷媒流量Ｇconを増加させる必要が生じる。すなわち、負荷率の低下に応じて冷媒流量Ｇconが増加することとなり、圧縮機３のサージングが発生し難くなる。
このように、制御装置７は、温水熱交出口冷媒温度設定値を負荷率に反比例して変化させるので、温熱生成熱交換器６の負荷率が低下しても、圧縮機３のサージングを防止することができる。

また、本第１実施形態に係る制御装置７は、温水熱交出口冷媒温度設定値を用いたフィードバック制御により膨張弁開度を制御することとなり、温熱生成熱交換器６の負荷率が低下しても、圧縮機３のサージングを簡易な構成で防止することができる。

図４は、本第１実施形態に係る制御装置７におけるベーン開度制御に係る機能ブロック図である。

制御装置７は、減算部４５、及びＰＩ演算部４６を備え、熱媒出口温度Ｔｂの設定値である熱媒出口温度設定値と温度センサによって計測された熱媒出口温度Ｔｂとに基づいて、膨張弁開度を制御する。

減算部４５は、熱媒出口温度設定値を温度センサから入力された熱媒出口温度Ｔｂで減算し、ＰＩ演算部４６へ出力する。

ＰＩ演算部４６は、減算部４５から入力された減算値に基づいて、熱媒出口温度Ｔｂが熱媒出口温度設定値となるように、ＰＩ制御等によってＩＧＶ２１のベーン開度を算出し、ＩＧＶ２１へ出力する。

図５は、本第１実施形態に係る制御装置７における圧縮機インバータ周波数制御及びＨＧＢＰ弁開度制御に係る機能ブロック図である。

制御装置７は、圧力変数演算部５０、流量変数演算部５１、及び決定部５２を備え、圧縮機３の空力特性マップである圧縮機マップ５３を用いて、インバータ２０の周波数及びＨＧＢＰ弁３５の開度を制御する。圧縮機マップ５３は、予め圧縮機３の運転試験を綿密に行い、圧力変数に対する流量変数のマップ上に、圧縮機３が旋回失速を起こす旋回失速線が示されたものである。例えば、図６に示すような圧縮機マップ５３が得られる。この圧縮機マップ５３において、旋回失速線Ｌよりも下側の領域は、旋回失速やサージングを起こさない安定領域Ｓとされ、旋回失速線Ｌよりも上側の領域は、旋回失速やサージングを起こす不安定領域ＮＳとされる。本第１実施形態において、この圧縮機マップ５３は、ベーン開度が最大開度である１００％のものである（最大開度時マップ）。また圧縮機マップ５３には、同一の機械マッハ数を示す等機械マッハ数線Ｍが複数示されており、上方に行くに従い機械マッハ数は大きくなる。なお、制御装置は、複数の異なるベーン開度毎の圧縮機マップ５３を複数記憶している。

圧力変数演算部５０は、吸込冷媒圧力Ｐ０及び吐出冷媒圧力Ｐ１が入力され、圧力変数を算出し、決定部５２へ出力する。

圧力変数Ωは、圧縮機３のヘッドに基づく無次元数であり、吐出冷媒圧力Ｐ１、吸込冷媒圧力Ｐ０、及び吸込冷媒圧力Ｐ０から算出される飽和温度Ｔｅから得られる冷媒ガスのエンタルピ落差Δｈ１と、飽和温度Ｔｅにおける音速ａとから、下記（２）式により得られる。

流量変数演算部５１は、ターボヒートポンプ１による交換熱量である温熱生成熱交換器６の交換熱量Ｑcon、冷媒密度、及び温熱生成熱交換器６における冷媒のエンタルピ落差（以下、「温熱生成熱交出入口エンタルピ落差」という。）が入力され、流量変数θを算出し、決定部５２へ出力する。

温熱生成熱交換器６の交換熱量Ｑconは、下記（３）式に示されるように、熱媒出口温度Ｔｂから熱媒入口温度Ｔａを減算した値に、熱媒流量ｑ及び熱媒の比熱Ｃを乗じて得られる。

交換熱量Ｑconと、温熱生成熱交換出入口エンタルピ落差Δｈ２とに基づいて、下記（４）式により、冷媒流量Ｇcon（重量流量）が得られる。

ここで、ｋは定数である。

そして、冷媒密度を用いて冷媒流量Ｇcon（質量流量）を体積流量に変換した冷媒流量Ｇｖと、羽根車１９の外径Ｄと、飽和温度Ｔｅにおける音速ａとに基づいて、下記（５）式により、流量変数θが算出される。流量変数θは、圧縮機３の吸込風量に基づく無次元数である。

決定部５２は、入力された圧力変数Ωと流量変数θとから、圧縮機マップ５３に基づいて圧縮機インバータ周波数及びＨＧＢＰ弁開度を決定する。

まず、圧力変数Ωと圧縮機マップ５３の旋回失速線Ｌから得られた関数に基づいて、設定値最小回転数が得られる。つまり、圧力変数Ω一定の線と圧縮機マップ５３の旋回失速線Ｌとが交わる点は、その圧力変数Ωを得るための最小機械マッハ数を示す。従って、この最小機械マッハ数から、圧縮機３の設定値最小回転数が得られる。そして、決定部５２は、設定値最小回転数とするための圧縮機インバータ周波数を決定する。

次に、決定部５２は、安定領域の流量変数とするために不足している流量からＨＧＢＰ弁開度を決定する。

図７は、本第１実施形態に係る制御装置７におけるインタークーラ流量制御に係る機能ブロック図である。インタークーラ流量制御は、インタークーラ１０を流れる冷媒流量を調整する流量調整弁である、インタークーラ流量調整弁２５及びインタークーラバイパス弁２８の開度を制御することによって、インタークーラ１０の交換熱量を調整する。

制御装置７は、減算部６０、ＰＩ演算部６１、及び開度変換部６２Ａ，６２Ｂを用いて、吐出冷媒温度Ｔ１と吐出冷媒温度Ｔ１の設定値である吐出冷媒温度設定値との差に基づいて、インタークーラ流量調整弁開度及びインタークーラバイパス弁開度を制御する。

減算部６０は、吐出冷媒温度設定値を温度センサから入力された吐出冷媒温度Ｔ１で減算し、ＰＩ演算部６１へ出力する。

ＰＩ演算部６１は、減算部６０から入力された減算値に基づいて、吐出冷媒温度Ｔ１が吐出冷媒温度設定値となるように、ＰＩ制御等によってインタークーラに流す冷媒流量を示すＰＩ演算値を算出し、開度変換部６２Ａ，６２Ｂへ出力する。

開度変換部６２Ａは、ＰＩ演算部６１から入力されたＰＩ演算値に基づいて、インタークーラ流量調整弁開度を算出し、インタークーラ流量調整弁２５へ出力する。

開度変換部６２Ｂは、ＰＩ演算部６１から入力されたＰＩ演算値に基づいて、インタークーラバイパス弁開度を算出し、インタークーラバイパス弁２８へ出力する。

図８は、ＰＩ演算部６１で算出されたＰＩ演算値、インタークーラ流量調整弁開度、及びインタークーラバイパス弁開度の関係を示している。ＰＩ演算部６１から入力されるＰＩ演算値は、例えばインタークーラ１０に流すことができる最大の冷媒流量を１００％とした場合に対する割合で示される。
そして、図８に示されるように、インタークーラ流量調整弁開度を示す開度指令値は、予め定められた所定値に達するまで比例して上昇する。これによって、インタークーラ１０に流される冷媒流量は増加し、インタークーラ１０による交換熱量は増加することとなる。しかし、開度指令値は、所定値に達するとそれ以上上昇しない。このように、インタークーラ流量調整弁開度が大きくなるとインタークーラ１０による交換熱量は増加し、インタークーラ流量調整弁開度が小さくなるとインタークーラ１０による交換熱量は減少する。
一方、インタークーラバイパス弁開度を示す開度指令値は、インタークーラ流量調整弁開度が上記所定値に達するまで変化しない。しかし、インタークーラバイパス弁開度を示す開度指令値は、インタークーラ流量調整弁開度が所定値に達すると減少する。これによって、インタークーラバイパス冷媒配管２７を流れる冷媒流量は減少するので、インタークーラ上流側冷媒配管２４を流れる冷媒流量、すなわちインタークーラ１０に流れる冷媒流量は増加し、インタークーラ１０による交換熱量は増加することとなる。このように、インタークーラバイパス弁開度が小さくなるとインタークーラ１０による交換熱量は増加し、インタークーラバイパス弁開度が大きくなるとインタークーラ１０による交換熱量は減少する。

上記のように、制御装置７は、インタークーラ流量調整弁２５及びインタークーラバイパス弁２８で温熱生成熱交換器６からインタークーラ１０へ向かう冷媒流量を制御するので、インタークーラ１０における交換熱量を容易に制御することができ、吸込冷媒温度Ｔ０を調整し易くなる。その結果、温水熱交入口冷媒温度である吐出冷媒温度Ｔ１が安定することとなるので、温水熱交出口冷媒温度Ｔ２も温水熱交出口冷媒温度設定値に達するように制御され易くなり、圧縮機３のサージングがより確実に防止されることとなる。

また、制御装置７は、インタークーラ流量調整弁開度及びインタークーラバイパス弁開度の一方を変化させるときに他方を変化させない。すなわち、インタークーラ流量調整弁の開度及びインタークーラバイパス弁の開度を同時に制御されることはないので、制御装置７は、インタークーラ１０へ向かう冷媒流量が急変することを防止できる。

以上説明したように、本第１実施形態に係る制御装置７は、温水熱交出口冷媒温度設定値を、温熱生成熱交換器６における負荷率が上昇した場合に低下させ、該負荷率が低下した場合に上昇させ、温水熱交出口冷媒温度設定値に基づいて膨張弁開度を制御する。従って、制御装置７は、温熱生成熱交換器６の負荷率が低下しても、圧縮機３のサージングを防止することができる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態について説明する。

なお、本第２実施形態に係るターボヒートポンプ１の構成は、図１に示す第１実施形態に係るターボヒートポンプ１の構成と同様であるので説明を省略する。

図９は、本第２実施形態に係る制御装置７における膨張弁開度制御に関する機能ブロック図である。
本第２実施形態に係る制御装置７は、演算ブロック６５Ａ，６５Ｂ、除算部６６、開度変換部６７を備え、温熱生成熱交出入口エンタルピ落差で温熱生成熱交換器６による温熱媒体に対する交換熱量を除算して得られた冷媒流量を用いて、膨張弁開度を制御する。

演算ブロック６５Ａは、上記（３）式を用いて交換熱量Ｑconを算出する。

ここで、温熱生成熱交出入口エンタルピ落差は、温熱生成熱交換器６の入口冷媒温度である吐出冷媒温度Ｔ１から算出される温熱生成熱交入口エンタルピｈdと温水熱交出口冷媒温度設定値から算出される温熱生成熱交出口エンタルピｈconとの差から算出される。温水熱交出口冷媒温度設定値は、設定値演算部４０から出力される設定値が用いられる。

冷媒流量Ｇconは、上記（１）式に基づいた下記（６）式に表わされるように、温熱生成熱交出入口エンタルピ落差で交換熱量Ｑconを除算することによって算出される。冷媒流量Ｇconは、温熱生成熱交換器６及び膨張弁９を通過する冷媒流量である。

また、膨張弁９のＣｖ値（以下、「膨張弁Ｃｖ値」という。）をＫ、膨張弁９の前後差圧を吐出冷媒圧力Ｐ１と吸込冷媒圧力Ｐ０との差とし、膨張弁９の上流側の冷媒密度をρとすると、膨張弁９を通過することとなる冷媒流量Ｇconは下記（７）式で表される。

そして、下記（８）式に示されるように、（６）式と（７）式から膨張弁Ｃｖ値Ｋが算出される。

ここで、演算ブロック６５Ｂは、（８）式における分母を算出する。
さらに、除算部６６は、膨張弁Ｃｖ値Ｋを算出し、開度変換部６７へ出力する。

開度変換部６７は、除算部６６から入力された膨張弁Ｃｖ値に基づいて、膨張弁開度を算出し、膨張弁９へ出力する。

以上説明したように、本第２実施形態に係る制御装置７は、温水熱交出口冷媒温度設定値を用いたフィードフォワード制御により膨張弁開度を制御することとなり、温熱生成熱交換器６の負荷率が低下しても、圧縮機３のサージングを簡易な構成で防止することができる。

〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態について説明する。

なお、本第３実施形態に係るターボヒートポンプ１の構成は、図１に示す第１実施形態に係るターボヒートポンプ１の構成と同様であるので説明を省略する。

図１０は、本第３実施形態に係る制御装置７における膨張弁開度制御に関する機能ブロック図である。なお、図１０における図２，図９と同一の構成部分については図２，図９と同一の符号を付して、その説明を省略する。

本第３実施形態に係る制御装置７は、フィードバック開度演算部７０Ａ、フィードフォワード開度演算部７０Ｂ、及び合算部７１を備える。

フィードバック開度演算部７０Ａは、図２に示される第１実施形態に係る制御装置７における膨張弁開度制御に相当する機能を有する。すなわち、フィードバック開度演算部７０Ａは、温水熱交出口冷媒温度設定値を用いたフィードバック制御により膨張弁開度を算出する。
また、フィードフォワード開度演算部７０Ｂは、図９に示される第２実施形態に係る制御装置７における膨張弁開度制御に相当する機能を有する。すなわち、フィードフォワード開度演算部７０Ｂは、温水熱交出口冷媒温度設定値を用いたフィードフォワード制御により膨張弁開度を算出する。

そして、合算部７１は、フィードバック開度演算部７０Ａによって算出された膨張弁開度とフィードフォワード開度演算部７０Ｂによって算出された膨張弁開度とを合算し、膨張弁９へ出力する。

本第３実施形態に係る制御装置７は、まず、フィードフォワード開度演算部７０Ｂによってフィードフォワード制御により膨張弁開度を算出する。そして、この開度の膨張弁９を通過した冷媒流量では、温水熱交出口冷媒温度設定値と温水熱交出口冷媒温度Ｔ２とに差が生じている場合、フィードバック開度演算部７０Ａによるフィードバック制御によって、該差に応じた膨張弁開度が算出され、合算部７１によってフィードフォワード開度演算部７０Ｂで算出された膨張弁開度に合算される。

これにより、例えば、負荷率が大きく変化する場合等にフィードバック制御のみで膨張弁９を制御すると、フィードバック制御が利き過ぎ、オーバーシュートしてしまい膨張弁９の制御が安定しない可能性がある。本第３実施形態に係る制御装置７は、フィードフォワード制御によって膨張弁９の開度を変化させ、冷媒流量を変化させた後にフィードフォワード制御によって膨張弁９の開度が制御されることとなるので、膨張弁９の開度を安定して制御することができる。

以上説明したように、本第３実施形態に係る制御装置７は、温水熱交出口冷媒温度設定値を用いたフィードバック制御とフィードフォワード制御との組み合わせによりにより膨張弁開度を制御することとなり、温水熱交出口冷媒温度Ｔ２を、より早く温水熱交出口冷媒温度設定値とすることができる。

以上、本発明を、上記各実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記各実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

例えば、上記各実施形態では、ターボヒートポンプ１が、インタークーラ流量調整弁２５及びインタークーラバイパス弁２８を備える形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、インタークーラ流量調整弁２５及びインタークーラバイパス弁２８の何れか一方を備える形態としてもよい。

また、上記各実施形態では、インタークーラ流量調整弁２５及びインタークーラバイパス弁２８が冷媒の高温側に設けられる形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、冷媒の低温側に設けられてもよい。この形態の場合、インタークーラ流量調整弁２５が、蒸発器５からインタークーラ１０へ向かう冷媒流量を調整する弁とされ、インタークーラバイパス弁２８が、蒸発器５からインタークーラ１０へ向かう冷媒をバイパスさせて圧縮機３へと導く流路に設けられた弁とされることとなる。

また、上記各実施形態では、制御装置７が、インタークーラ流量調整弁開度を大きくした後に、インタークーラバイパス弁開度を小さくする形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、インタークーラ流量調整弁開度及びインタークーラバイパス弁開度を同時に制御しなければよく、インタークーラ流量調整弁開度及びインタークーラバイパス弁開度を交互に制御する形態としてもよい。

また、上記各実施形態では、圧縮機３は冷媒を超臨界圧力で吐出する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、圧縮機３は冷媒を超臨界圧力未満で吐出する形態としてもよい。

１ ターボヒートポンプ
３ 圧縮機
５ 蒸発器
６ 温熱生成熱交換器
７ 制御装置
９ 膨張弁
１０ インタークーラ
２５ インタークーラ流量調整弁
２８ インタークーラバイパス弁
４０ 設定値演算部
４２ ＰＩ演算部
７０Ａ フィードバック開度演算部
７０Ｂ フィードフォワード開度演算部
７１ 合算部

Claims (12)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機によって圧縮された冷媒により外部負荷へと提供する温熱媒体を加熱する温熱生成熱交換器と、
   前記温熱生成熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、
   前記膨張弁から導かれた冷媒を熱源媒体との熱交換によって蒸発させる蒸発器と、
   を備えたヒートポンプの制御装置であって、
   前記温熱生成熱交換器の出口冷媒温度の設定値である出口冷媒温度設定値を、前記温熱生成熱交換器における負荷率が上昇した場合に低下させ、該負荷率が低下した場合に上昇させ、該出口冷媒温度設定値を上昇させた場合に前記膨張弁の開度を大きくして冷媒流量を増加させることを特徴とするヒートポンプの制御装置。
2. 前記出口冷媒温度設定値及び前記出口冷媒温度の計測値に基づいて、前記膨張弁の開度を制御することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプの制御装置。
3. 前記温熱生成熱交換器の入口冷媒温度から算出されるエンタルピと前記出口冷媒温度設定値から算出されるエンタルピとの差である前記温熱生成熱交換器における冷媒のエンタルピ落差で、前記温熱生成熱交換器による前記温熱媒体に対する交換熱量を除算して得られた冷媒流量を用いて、前記膨張弁の開度を制御することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプの制御装置。
4. 前記出口冷媒温度設定値と前記出口冷媒温度の計測値とに基づいて、前記膨張弁の開度を算出する第１開度演算手段と、
   前記温熱生成熱交換器の入口冷媒温度から算出されるエンタルピと前記出口冷媒温度設定値から算出されるエンタルピとの差である前記温熱生成熱交換器における冷媒のエンタルピ落差で、前記温熱生成熱交換器による前記温熱媒体に対する交換熱量を除算して得られた冷媒流量を用いて、前記膨張弁の開度を算出する第２開度演算手段と、
   を備え、
   前記第１開度演算手段によって算出された開度と前記第２開度演算手段によって算出された開度とを合算した開度によって、前記膨張弁の開度を制御することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプの制御装置。
5. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機によって圧縮された冷媒により外部負荷へと提供する温熱媒体を加熱する温熱生成熱交換器と、
   前記温熱生成熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、
   前記膨張弁から導かれた冷媒を熱源媒体との熱交換によって蒸発させる蒸発器と、
   を備え、前記温熱生成熱交換器の出口冷媒温度の設定値である出口冷媒温度設定値を、前記温熱生成熱交換器における負荷率が上昇した場合に低下させ、該負荷率が低下した場合に上昇させ、該出口冷媒温度設定値に基づいて前記膨張弁の開度を制御するヒートポンプの制御装置であって、
   前記温熱生成熱交換器の入口冷媒温度から算出されるエンタルピと前記出口冷媒温度設定値から算出されるエンタルピとの差である前記温熱生成熱交換器における冷媒のエンタルピ落差で、前記温熱生成熱交換器による前記温熱媒体に対する交換熱量を除算して得られた冷媒流量を用いて、前記膨張弁の開度を制御することを特徴とするヒートポンプの制御装置。
6. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機によって圧縮された冷媒により外部負荷へと提供する温熱媒体を加熱する温熱生成熱交換器と、
   前記温熱生成熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、
   前記膨張弁から導かれた冷媒を熱源媒体との熱交換によって蒸発させる蒸発器と、
   を備え、前記温熱生成熱交換器の出口冷媒温度の設定値である出口冷媒温度設定値を、前記温熱生成熱交換器における負荷率が上昇した場合に低下させ、該負荷率が低下した場合に上昇させ、該出口冷媒温度設定値に基づいて前記膨張弁の開度を制御するヒートポンプの制御装置であって、
   前記出口冷媒温度設定値と前記出口冷媒温度の計測値とに基づいて、前記膨張弁の開度を算出する第１開度演算手段と、
   前記温熱生成熱交換器の入口冷媒温度から算出されるエンタルピと前記出口冷媒温度設定値から算出されるエンタルピとの差である前記温熱生成熱交換器における冷媒のエンタルピ落差で、前記温熱生成熱交換器による前記温熱媒体に対する交換熱量を除算して得られた冷媒流量を用いて、前記膨張弁の開度を算出する第２開度演算手段と、
   を備え、
   前記第１開度演算手段によって算出された開度と前記第２開度演算手段によって算出された開度とを合算した開度によって、前記膨張弁の開度を制御することを特徴とするヒートポンプの制御装置。
7. 前記ヒートポンプは、
   前記温熱生成熱交換器から前記蒸発器へと向かう冷媒と、前記蒸発器から前記圧縮機へと向かう冷媒とを熱交換させるインタークーラと、
   前記インタークーラを流れる冷媒流量を調整する流量調整弁と、
   を備え、
   前記圧縮機の吐出冷媒温度の計測値と該吐出冷媒温度の設定値との差に基づいて、前記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載のヒートポンプの制御装置。
8. 前記流量調整弁は、前記温熱生成熱交換器から前記インタークーラへ向かう冷媒流量を調整するインタークーラ流量調整弁、及び前記温熱生成熱交換器から前記インタークーラへ向かう冷媒をバイパスさせて前記蒸発器へと導くインタークーラバイパス流路に設けられたインタークーラバイパス弁であり、
   前記インタークーラ流量調整弁の開度及び前記インタークーラバイパス弁の開度の一方を変化させるときに他方を変化させないことを特徴とする請求項７記載のヒートポンプの制御装置。
9. 請求項１から請求項８の何れか１項記載の制御装置を備えたことを特徴とするヒートポンプ。
10. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機によって圧縮された冷媒により外部負荷へと提供する温熱媒体を加熱する温熱生成熱交換器と、
    前記温熱生成熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、
    前記膨張弁から導かれた冷媒を熱源媒体との熱交換によって蒸発させる蒸発器と、
    を備えたヒートポンプの制御方法であって、
    前記温熱生成熱交換器の出口冷媒温度の設定値である出口冷媒温度設定値を、前記温熱生成熱交換器における負荷率が上昇した場合に低下させ、該負荷率が低下した場合に上昇させ、該出口冷媒温度設定値を上昇させた場合に前記膨張弁の開度を大きくして冷媒流量を増加させることを特徴とするヒートポンプの制御方法。
11. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機によって圧縮された冷媒により外部負荷へと提供する温熱媒体を加熱する温熱生成熱交換器と、
    前記温熱生成熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、
    前記膨張弁から導かれた冷媒を熱源媒体との熱交換によって蒸発させる蒸発器と、
    を備え、前記温熱生成熱交換器の出口冷媒温度の設定値である出口冷媒温度設定値を、前記温熱生成熱交換器における負荷率が上昇した場合に低下させ、該負荷率が低下した場合に上昇させ、該出口冷媒温度設定値に基づいて前記膨張弁の開度を制御するヒートポンプの制御方法であって、
    前記温熱生成熱交換器の入口冷媒温度から算出されるエンタルピと前記出口冷媒温度設定値から算出されるエンタルピとの差である前記温熱生成熱交換器における冷媒のエンタルピ落差で、前記温熱生成熱交換器による前記温熱媒体に対する交換熱量を除算して得られた冷媒流量を用いて、前記膨張弁の開度を制御することを特徴とするヒートポンプの制御方法。
12. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機によって圧縮された冷媒により外部負荷へと提供する温熱媒体を加熱する温熱生成熱交換器と、
    前記温熱生成熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、
    前記膨張弁から導かれた冷媒を熱源媒体との熱交換によって蒸発させる蒸発器と、
    を備え、前記温熱生成熱交換器の出口冷媒温度の設定値である出口冷媒温度設定値を、前記温熱生成熱交換器における負荷率が上昇した場合に低下させ、該負荷率が低下した場合に上昇させ、該出口冷媒温度設定値に基づいて前記膨張弁の開度を制御するヒートポンプの制御方法であって、
    前記出口冷媒温度設定値と前記出口冷媒温度の計測値とに基づいて、前記膨張弁の開度を算出する第１工程と、
    前記温熱生成熱交換器の入口冷媒温度から算出されるエンタルピと前記出口冷媒温度設定値から算出されるエンタルピとの差である前記温熱生成熱交換器における冷媒のエンタルピ落差で、前記温熱生成熱交換器による前記温熱媒体に対する交換熱量を除算して得られた冷媒流量を用いて、前記膨張弁の開度を算出する第２工程と、
    前記第１工程によって算出された開度と前記第２工程によって算出された開度とを合算した開度によって、前記膨張弁の開度を制御する第３工程と、
    を有することを特徴とするヒートポンプの制御方法。

Images