JP6071741B2 - ヒートポンプシステム - Google Patents

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Description

本発明は、ヒートポンプシステムに関するものである。
近年、排熱を回収し高温再生するヒートポンプが開発され、産業用の加温・加熱プロセスへの導入も広がりつつある。特に昨今のヒートポンプでは、冷水と温水の両方を取り出すことが可能であり、CO削減および省エネの効果は大きい。
特許文献1には、冷媒通路に圧縮機、凝縮器、膨張装置、および蒸発器が介設されたヒートポンプシステムが開示されている。このヒートポンプシステムの凝縮器および蒸発器は、対向流型熱交換器である。このヒートポンプシステムでは、圧縮機の設計圧力を超えることなく、また、熱交換器を大型化することなく、高温の温水を高効率で得るために、温水の出口と入口の温度差以下(および冷水の出口と入口の温度差以下)となるような露点と沸点の温度差を有する混合冷媒が用いられている。この混合冷媒には、例えばHFC134a+HFC245fa+α、HFC134a+HFC245ca+α、HFC134a+HFC236ea+α、HFC245fa+HFC245ca+αが挙げられる。
しかしながら、前記ヒートポンプシステムでは、混合冷媒の成分に、例えばHFC245faを含む場合、モリエル線図上における圧縮機の圧縮行程における状態変化線の傾きが、圧縮機の吸込圧力と吐出圧力との間の飽和蒸気線の傾きより急峻となる可能性がある。このため、圧縮機での圧縮行程において混合冷媒が湿り状態に陥りやすく、圧縮機の効率が大きく低下することや、操業条件が変動した場合に液圧縮状態に陥ること等の不具合が生じるデメリットがあった。
特開平10−62023号公報
本発明は、ヒートポンプシステムにおいて、モリエル線図上における圧縮機の圧縮行程における状態変化線の傾きが、圧縮機の吸込圧力と吐出圧力との間の飽和蒸気線の傾きより急峻となる場合であっても高効率かつ安定した運転を実現することを課題とする。
前記課題を解決するための手段として、本発明のヒートポンプシステムは、圧縮機、凝縮器、循環ライン膨張弁、および蒸発器が循環ラインに順に介設されるとともに、前記凝縮器と前記循環ライン膨張弁の間の前記循環ラインの作動媒体と、前記蒸発器と前記圧縮機の間の前記循環ラインの作動媒体とが熱交換可能な循環ライン熱交換器が設けられたヒートポンプシステムにおいて、前記循環ライン熱交換器は、前記蒸発器入口での作動媒体の乾き度を小さくして、前記蒸発器出口における作動媒体を湿り蒸気の状態とするとともに、前記圧縮機の上流における作動媒体を過熱蒸気の状態とするものであって、前記圧縮機と前記凝縮器との間の前記循環ラインに設けられ、前記圧縮機から吐出された作動媒体の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段(21)と、前記圧縮機と前記凝縮器との間の前記循環ラインに設けられ、前記圧縮機から吐出された作動媒体の吐出温度を検出する吐出温度検出手段(22)と、前記循環ライン熱交換器と前記圧縮機との間の前記循環ラインに設けられ、前記圧縮機に吸い込まれる作動媒体の吸込圧力を検出する吸込圧力検出手段(31)と、蒸発用媒体を前記蒸発器から流出させる蒸発用媒体流出ラインに設けられ、前記蒸発器から流出された前記蒸発用媒体の温度を検出する蒸発器出口側蒸発用媒体温度検出手段(32)とを備え、前記吐出圧力検出手段(21)、前記吐出温度検出手段(22)、前記吸込圧力検出手段(31)、及び前記蒸発器出口側蒸発用媒体温度検出手段(32)での検出値に基づいて、前記圧縮機の圧縮行程における作動媒体の過熱度が所定の値以上となるように、前記循環ライン膨張弁(13)の開度を制御するものであり、前記凝縮器と前記循環ライン熱交換器の間の前記循環ラインから分岐し、該循環ラインの作動媒体を前記圧縮機の中間圧力部に戻すための戻しライン(28)と、前記凝縮器と前記循環ライン熱交換器の間の前記循環ラインの作動媒体と前記戻しラインの作動媒体とが熱交換可能なエコノマイザ熱交換器(24)、および前記戻しラインのエコノマイザ熱交換器の上流に設けられたエコノマイザ膨張弁(25)とを有するエコノマイザと、前記戻しラインの前記エコノマイザ熱交換器の下流における作動媒体の圧力を検出する戻し媒体圧力検出手段(26)と、
前記戻しラインの前記エコノマイザ熱交換器の下流における作動媒体の温度を検出する戻し媒体温度検出手段(27)とを備え、前記戻し媒体圧力検出手段(26)および前記戻し媒体温度検出手段(27)での検出値に基づいて、前記戻しラインから前記圧縮機へ供給される作動媒体の過熱度が所定の値以上となるように、前記エコノマイザ膨張弁(25)の開度を制御することを特徴とするヒートポンプシステム。
この構成によれば、吐出圧力検出手段、吐出温度検出手段、吸込圧力検出手段、及び蒸発器出口側蒸発用媒体温度検出手段での検出値に基づいて、圧縮機の圧縮行程における作動媒体の過熱度が所定の値以上となるように、循環ライン膨張弁の開度を制御するので、圧縮行程における作動媒体が湿り状態になることを回避し、前記作動媒体を過熱した状態、すなわち過熱蒸気の状態に維持できる。これにより、ヒートポンプシステムにおいて、モリエル線図上における圧縮機の圧縮行程における状態変化線の傾きが、圧縮機の吸込圧力と吐出圧力との間の飽和蒸気線の傾きより急峻となる場合であっても、高効率かつ安定した運転を実現できる。したがって、ヒートポンプシステムの冷凍能力(加熱能力)とCOPを良好に維持できる。また、ヒートポンプシステムの操業条件が変動した場合でも、圧縮機は液圧縮状態に陥ることなく安定した運転を維持することで圧縮機の寿命の短縮を回避できる。また、この構成によれば、戻し媒体圧力検出手段および戻し媒体温度検出手段での検出値に基づいて、戻しラインから圧縮機へ供給される作動媒体の過熱度が所定の値以上となるように、エコノマイザ膨張弁の開度を制御するので、作動媒体の循環量を増加させ、圧縮行程において作動媒体を十分過熱された状態に保つことで、ヒートポンプシステムを高効率に維持し、かつ、加熱能力を増大させることができる。
前記作動媒体はHFC245fa、HFC245fa+HFC134a、およびHFC365mfcのいずれか1つを含むことが好ましい。この構成によれば、圧縮機の設計圧力を超えることなく、また、凝縮器および蒸発器を大型化することなく、高温の温水を高効率で得ることができる。
前記作動媒体はHFO1234ze、またはHFO1234yfを含むことが好ましい。この構成によれば、環境負荷の小さなヒートポンプシステムを構成できる。
本発明によれば、吐出圧力検出手段、吐出温度検出手段、吸込圧力検出手段、及び蒸発器出口側蒸発用媒体温度検出手段での検出値に基づいて、圧縮機の圧縮行程における作動媒体の過熱度が所定の値以上となるように、循環ライン膨張弁の開度を制御するので、圧縮行程における作動媒体が湿り状態になることを回避し、前記作動媒体を過熱した状態に維持できる。これにより、ヒートポンプシステムにおいて、モリエル線図上における圧縮機の圧縮行程における状態変化線の傾きが、圧縮機の吸込圧力と吐出圧力との間の飽和蒸気線の傾きより急峻となる場合であっても高効率かつ安定した運転を実現できる。したがって、ヒートポンプシステムの冷凍能力(加熱能力)とCOPを良好に維持できる。また、ヒートポンプシステムの操業条件が変動した場合でも、圧縮機は液圧縮状態に陥ることなく安定した運転を維持することで圧縮機の寿命の短縮を回避できる。
本発明の第1実施形態のヒートポンプシステムの構成を示す図。 吐出温度センサの検出値Tdと吐出飽和温度Tsとの差である過熱度を示す図。 作動媒体の過熱度と循環ライン膨張弁の開閉との関係を示す図。 本発明の第2実施形態のヒートポンプシステムの構成を示す図。 ヒートポンプシステムにおける作動媒体であるHFC245faの状態変化を示すモリエル線図。 HFC245fa/HFC134a=50/50のモリエル線図。 HFC365mfcのモリエル線図。 HFO1234zeのモリエル線図。 HFO1234yfのモリエル線図。 HFC407Eのモリエル線図。
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態のヒートポンプシステム10の構成を示す。ヒートポンプシステム10は、圧縮機11、凝縮器12、循環ライン膨張弁13、蒸発器14、および循環ライン熱交換器15を備えている。これらは、作動媒体を循環させる循環ライン16に介設されている。前記作動媒体(例えばHFC245fa)の特性上、このヒートポンプシステム10では、モリエル線図上における圧縮機11の圧縮行程における状態変化線の傾きが、圧縮機11の吸込圧力Psと吐出圧力Pdとの間の飽和蒸気線の傾きより急峻となる。なお、飽和蒸気線の傾きは作動媒体によって決定される。
圧縮機11は、2段スクリュ圧縮機である。該2段スクリュ圧縮機は、作動媒体を圧縮する第1段スクリュ圧縮機と、該第1段スクリュ圧縮機で圧縮された作動媒体をさらに圧縮する第2段スクリュ圧縮機を有している。第1段および第2段スクリュ圧縮機は、ケーシング内に形成したロータ室に雌雄一対のスクリュロータを収容している。そして、第1段および第2段スクリュ圧縮機は、スクリュロータを回転させることにより、ロータ室をスクリュロータによって区分して形成した内部空間において作動媒体を圧縮する容積式圧縮機である。第1段スクリュ圧縮機の吐出口と第2段スクリュ圧縮機の吸込口とは、中間圧力部11aによって接続されている。
凝縮器12は、圧縮機11の下流に配置されている。凝縮器12には、例えばクーリングタワーで製造される冷却水のような凝縮用媒体を凝縮器12に流入させる凝縮用媒体流入ライン17、および凝縮用媒体を凝縮器12から流出させる凝縮用媒体流出ライン18を備えている。凝縮器12は、凝縮用媒体と作動媒体との熱交換により、循環ライン16の作動媒体を冷却して液化させる熱交換器である。凝縮器12では、凝縮用媒体の流量または出入口温度差は、一定に維持されている。したがって、凝縮器12の出口における作動媒体は、通常モリエル線図上における飽和液線近傍あるいは左側(過冷却)に位置する状態になっている。凝縮器12では、凝縮用媒体は加熱される。
循環ライン膨張弁13は、凝縮器12の下流に配置されている。循環ライン膨張弁13は、凝縮器12において液化した作動媒体を、断熱状態で膨張気化させて低圧・低温にする。循環ライン膨張弁13の開度は、後述の制御装置23によって制御される。
蒸発器14は、循環ライン膨張弁13の下流に配置されている。蒸発器14には、工場等のプロセス冷却用冷水戻り等の蒸発用媒体を蒸発器14に流入させる蒸発用媒体流入ライン19、および蒸発用媒体を蒸発器14から流出させる蒸発用媒体流出ライン20を備えている。蒸発器14は、蒸発用媒体と作動媒体との熱交換により、循環ライン16の作動媒体を加熱して蒸発させる熱交換器である。蒸発器14では、蒸発用媒体の流量または出入口温度差は、一定に維持されている。したがって、蒸発器14の出口における作動媒体は、モリエル線図上における飽和蒸気線近傍あるいは左側に位置する状態になっている。蒸発器14では、蒸発用媒体は冷却される。
循環ライン熱交換器15は、凝縮器12と循環ライン膨張弁13の間の循環ライン16に配置されるとともに、蒸発器14と圧縮機11の間の循環ライン16に配置されている。循環ライン熱交換器15は、凝縮器12と循環ライン膨張弁13の間の循環ライン16の作動媒体と、蒸発器14と圧縮機11の間の循環ライン16の作動媒体とが熱交換可能な熱交換器である。循環ライン熱交換器15により、蒸発器14の入口の作動媒体の乾き度を小さくし、蒸発器14の出口での作動媒体を過熱状態としない(湿り状態のままとする)ことで、蒸発器14での伝熱性能を高く維持することができるとともに、圧縮機11の吸込口での作動媒体を過熱状態とすることができる。
循環ライン熱交換器15と圧縮機11の間の循環ライン16には、圧縮機11に吸い込まれる作動媒体の吸込圧力Psを検出する吸込圧力センサ(吸込圧力検出手段)31が設けられている。圧縮機11と凝縮器12の間の循環ライン16には、圧縮機11から吐出された作動媒体の吐出圧力Pdを検出する吐出圧力センサ(吐出圧力検出手段)21が設けられている。また、圧縮機11と凝縮器12の間の循環ライン16には、圧縮機11から吐出された作動媒体の吐出温度を検出する吐出温度センサ(吐出温度検出手段)22が設けられている。蒸発用媒体流出ライン20には、前記蒸発用媒体の温度(冷水出口温度T)を検出する冷水出口温度センサ(蒸発器出口側蒸発用媒体温度検出手段)32が設けられている。
ヒートポンプシステム10には、構成要素を制御する制御装置23が設けられている。制御装置23は、記憶装置を備えている。該記憶装置には、圧力基準飽和蒸気表のデータが記憶されている。
図2は、ヒートポンプシステム10における作動媒体の状態変化を示すモリエル線図(P−i線図)である。
点Aから点Bまでの状態変化線は、圧縮行程に対応している。点Aは、圧縮機11に供給される作動媒体の状態を示す。点Iは、第1段スクリュ圧縮機の吐出口の作動媒体の状態を示す。点Bは、圧縮機(第2段スクリュ圧縮機)11の吐出口の作動媒体の状態を示す。点Bにおける圧力は、凝縮器12の凝縮圧力である。点Aから点Iを経て点Bまでの状態変化線上では、作動媒体は過熱蒸気の状態である。点Bの圧力および温度は、吐出圧力センサ21および吐出温度センサ22によってそれぞれ検出されている。
点Bから点Cまでの状態変化線は、凝縮行程に対応している。該凝縮行程では、圧力が一定の状態で、過熱蒸気から飽和液(場合によっては過冷却液)に相変化する。つまり、圧縮機11から吐出されたガスである作動媒体は、凝縮器12で凝縮して液体となる。
図2において、線分BCのうち、飽和蒸気線より右側の部分では、作動媒体は過熱蒸気の状態である。線分BCと飽和蒸気線との交点Cでは、作動媒体は乾き飽和蒸気の状態である。線分BCのうち、飽和蒸気線より左側の部分であり、かつ飽和液線より右側の部分では、作動媒体は湿り蒸気の状態である。線分BCと飽和液線との交点Cでは、作動媒体は飽和液の状態である。線分BCの飽和液線より左側の部分では、作動媒体は過冷却液の状態である。点Cは、循環ライン熱交換器15と凝縮器12の間の循環ライン16における作動媒体の状態を示す。点Cは、循環ライン熱交換器15と循環ライン膨張弁13の間の循環ライン16における作動媒体の状態を示す。循環ライン熱交換器15と凝縮器12の間の循環ライン16の作動媒体と、蒸発器14と循環ライン熱交換器15の間の作動媒体とは、循環ライン熱交換器15を介して、互いに熱交換する。該熱交換により、点Cの作動媒体は、点C(循環ライン膨張弁13上流)の状態(過冷却液)に変化する。
点Cから点Dまでの状態変化線は、膨張行程に対応している。該膨張行程では、凝縮器12で液化した作動媒体が、循環ライン膨張弁13を通過することによって、膨張して気化する。前記膨張行程は断熱状態で行われるため、比エンタルピは変化しない。作動媒体は、循環ライン膨張弁13を通過後、循環ライン膨張弁13の通過前よりも、低温・低圧になる。
線分CDの飽和液線より上側の部分では、作動媒体は過冷却液の状態である。線分CDと飽和液線との交点Dでは、作動媒体は飽和液の状態である。線分CDの、飽和液線より下側の部分では、作動媒体は湿り蒸気の状態である。
点Dから点Eまでの状態変化線は、蒸発行程に対応している。該蒸発行程では、循環ライン膨張弁13を通過した作動媒体は、圧力が一定の状態で、蒸発器14で加熱されて蒸発する。蒸発した作動媒体は、循環ライン熱交換器15に供給される。
線分DAのうち、飽和蒸気線より左側の部分では、作動媒体は湿り蒸気の状態である。線分DAの飽和蒸気線より右側の部分では、作動媒体は過熱蒸気の状態である。点Eの作動媒体は、凝縮器12から循環ライン熱交換器15に流入する循環ライン16の作動媒体との熱交換により、点A(圧縮機11の上流)の状態(過熱蒸気)に変化し、圧縮機11に供給される。
吸込圧力Psを支配的に決定するのは冷水出口温度Tである。このため、冷水出口温度Tと吸込圧力Psの基本的関係を吐出圧力Pdに応じて記述した「基本データベース」を、制御装置23に内蔵された記憶手段に予め記録しておく。なお、圧縮機11に吸い込まれ、更に圧縮機11から吐出される作動媒体が十分な過熱蒸気であるように維持することのできる、冷水出口温度Tと吸込圧力Psの対のデータ(前記の「基本的関係」)を、理論や実験に基づいて求め、そのデータを制御装置23の内部の記録装置に予め記録したものが、ここでいう「基本データベース」である。「圧縮機11に吸い込まれ、更に圧縮機11から吐出される作動媒体が十分な過熱蒸気であること」とは、「作動媒体が圧縮機11の圧縮行程の全行程にて過熱蒸気に維持されること」、あるいは「圧縮機11の圧縮行程における作動媒体の過熱度が所定の値(例えばゼロより大で、且つ、30℃以下の所定の値)以上になること」、と換言できる。
そして、吸込圧力センサ31と冷水出口温度センサ32によって、実際に計測された冷水出口温度Tと吸込圧力Psとが、その基本データベースに記録された冷水出口温度Tと吸込圧力Psの基本的関係を維持するよう、循環ライン膨張弁13の開度を制御する(この制御にはいわゆるPID制御などが適用される)。それによって、圧縮機11の吸込口の作動媒体の過熱度、更には圧縮機11の吐出口の作動媒体の過熱度を所望の範囲に制御可能となり、圧縮機11の圧縮行程における作動媒体を過熱蒸気に維持することができる。
また、負荷変動等が大きい場合には吐出温度が所望の範囲からずれる場合がある。このとき、循環ライン膨張弁13の開度、ひいては吸込圧力Psを前記の「基本データベース」に基づいて制御するのみでは、圧縮機11の圧縮行程での作動媒体が過熱蒸気である状態を維持することが難しくなるという懸念が生じる。
この懸念を解消するため、ヒートポンプシステム10では、吐出圧力Pdに応じた吸込圧力補正係数(吐出圧力Pdが低いほど、吸込圧力Psが低くなるように、吐出圧力Pdに基づいて吸込圧力Psのデータを補正するための係数)、吐出過熱度補正係数(吐出過熱度が低いほど、吸込圧力Psが低くなるように、吐出過熱度に基づいて吸込圧力Psのデータを補正するための係数)が制御装置23に内蔵された記憶手段に予め記録されている。そして、ヒートポンプシステム10は、それら吸込圧力補正係数と吐出過熱度補正係数、さらに吐出圧力センサ21、吐出温度センサ22によって実際に計測される吐出圧力Pd、吐出温度Tdにより、吸込圧力Psの制御値を修正するよう構成されている。
このように構成すれば、前記の懸念は解消され、負荷変動等が大きい場合でも圧縮機11の圧縮行程での作動媒体が過熱蒸気である状態を安定して維持することが可能となる。なお、あらかじめ記録されている吐圧圧力と飽和蒸気温度(この飽和蒸気温度は、作動媒体の種類に応じて、一義的に定められる)との関係を示すデータから、吐出圧力センサ21によって実際に計測される吐出圧力Pdに応じた飽和蒸気温度Td_satが求められ、吐出温度センサ22によって実際に計測される吐出温度Tdと前記の飽和蒸気温度Td_satとの差によって吐出過熱度は求められる。
図3に示すように、前記過熱度が、所定の値(例えば20〜30℃)である場合(点B)、制御装置23は、循環ライン膨張弁13の開度を変更しない。この場合、蒸発器14の入口から圧縮機11の吸込口までの間の循環ライン16の圧力は点Dの状態の圧力であり、圧縮機11の吸込口の作動媒体の状態は点Aの状態の圧力である。
前記過熱度が、所定の値(例えば20〜30℃)より大きい場合(点B)、凝縮器12の出口の作動媒体の状態は、点Cの状態である。蒸発器14の入口から圧縮機11の吸込口までの間の循環ライン16の作動媒体の状態は、点Dの状態である。圧縮機11の吸込口の作動媒体の状態は、点Aの状態である。この場合、特に状態を変更する必要はないが、前記過熱度が高すぎると、圧縮機11の油の耐熱性の問題が生じる可能性がある。したがって、前記過熱度が高すぎ、例えば、吐出温度Tdが圧縮機11の油の耐熱上の上限値より高くなる場合、制御装置23により、循環ライン膨張弁13の開度が予め定められた所定の値だけ現状の値より大きくなるように制御してもよい。そうすることによって、蒸発器14の入口から圧縮機11の吸込口までの間の循環ライン16の圧力は点Dから点Dの状態の圧力に上昇する。そうすると、圧縮機11の吸込口の作動媒体の状態は点Aから点Aの状態になり、作動媒体の過熱度が所望の範囲になる。
前記過熱度が、所定の値(例えば20〜30℃)より小さい場合(点B)、凝縮器12の出口の作動媒体の状態は、点Cの状態である。蒸発器14の入口から圧縮機11の吸込口までの間の循環ライン16の作動媒体の状態は、点Dの状態である。圧縮機11の吸込口の作動媒体の状態は、点Aの状態である。これらの状態を変更するために、制御装置23は、循環ライン膨張弁13の開度を小にする。したがって、蒸発器14の入口から圧縮機11の吸込口までの間の循環ライン16の作動媒体の圧力は点Dから点Dの状態の圧力に低下する。そうすると、圧縮機11の吸込口の作動媒体の状態は点Aから点Aの状態になり、作動媒体の過熱度が所望の範囲になる。
本発明によれば、吐出圧力センサ21、吐出温度センサ22、吸込圧力センサ31、及び冷水出口温度センサ32での検出値に基づいて、圧縮機11から吐出される作動媒体の過熱度が所定の値以上となるように、循環ライン膨張弁13の開度を制御するので、圧縮行程における作動媒体が湿り状態になることを回避し、前記作動媒体を過熱された状態に維持できる。これにより、ヒートポンプシステムにおいて、モリエル線図上における圧縮機11の圧縮行程における状態変化線の傾きが、圧縮機11の吸込圧力Psと吐出圧力Pdとの間の飽和蒸気線の傾きより急峻となる場合であっても高効率かつ安定した運転を実現できる。したがって、ヒートポンプシステム10の冷凍能力(加熱能力)とCOPを良好に維持できる。また、ヒートポンプシステム10の操業条件が変動した場合でも、圧縮機11は液圧縮状態に陥ることなく安定した運転を維持することで圧縮機11の寿命の短縮を回避できる。
(第2実施形態)
図4は、本発明の第2実施形態のヒートポンプシステム10の構成を示す。本実施形態において、第1実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、凝縮器12と循環ライン熱交換器15の間の循環ライン16から分岐し、循環ライン16の作動媒体を圧縮機11の中間圧力部11aに戻すための戻しライン28が設けられている。ヒートポンプシステム10には、凝縮器12と循環ライン熱交換器15の間の循環ライン16の作動媒体と戻しライン28の作動媒体とが熱交換可能なエコノマイザ熱交換器24が設けられている。ヒートポンプシステム10には、戻しライン28のエコノマイザ熱交換器24の上流に、エコノマイザ膨張弁25が設けられている。エコノマイザ熱交換器24とエコノマイザ膨張弁25とはエコノマイザを構成している。ヒートポンプシステム10には、戻しライン28のエコノマイザ熱交換器24の下流における作動媒体の圧力を検出する戻し媒体圧力センサ(戻し媒体圧力検出手段)26が設けられている。ヒートポンプシステム10には、戻しライン28のエコノマイザ熱交換器24の下流における作動媒体の温度を検出する戻し媒体温度センサ(戻し媒体温度検出手段)27が設けられている。
戻し媒体圧力センサ26および戻し媒体温度センサ27により、戻しライン28の作動媒体(点F)の圧力Peおよび温度Teが検出されると、制御装置23は、記憶装置より作動媒体の過熱度を算出し、所望の過熱度(5〜15℃程度)となるようエコノマイザ膨張弁25の開度を調整する。開度を調整してエコノマイザ膨張弁25を通過した作動媒体(F→G4〜6)は、凝縮器12から移動してきた循環ライン16の作動媒体(C)と、エコノマイザ熱交換器24を介して熱交換する。該熱交換により、図5に示すように、点G4〜6の作動媒体は、点H4〜6の状態へと変化し、圧縮機11の低段通過後の点I〜Iの作動媒体と混合され、点J4〜6(圧縮機11の中間圧力部11a上流)の状態(過熱蒸気)に変化する。循環ライン16の作動媒体(C)は、点F(エコノマイザ熱交換器24下流の循環ライン16)の状態(過冷却液)に変化する。そして、点Fの作動媒体は、蒸発器14の下流の作動媒体との循環ライン熱交換器15における熱交換により、点C(循環ライン膨張弁13上流)の状態(過冷却液)に変化する。
前記過熱度が、所定の値(例えば20〜30℃)である場合(点B)、制御装置23は、エコノマイザ膨張弁25の開度を変更しない。この場合、圧縮機11の中間圧力部11aの作動媒体の状態は点Jの状態である。
前記過熱度が、所定の値(例えば20〜30℃)より小さい場合(点B)、制御装置23は、作動媒体の圧力と温度から予め記憶しておいたデータベースより過熱度を求め、所望の過熱度となるよう、エコノマイザ膨張弁25の開度を小にする。そうすると、圧縮機11の中間圧力部11aの作動媒体の状態は点Jから点Jの状態になり、作動媒体の過熱度は所望の範囲になる(点B→点B)。
前記過熱度が、所定の値(例えば20〜30℃)より大きい場合(点B)、特に状態を変更する必要はないが、前記過熱度が高すぎると、圧縮機11の油の耐熱性の問題が生じる可能性がある。したがって、前記過熱度が高すぎる場合、制御装置23により、エコノマイザ膨張弁25の開度が大きくなるように制御してもよい。そうすることによって、圧縮機11の中間圧力部11aの作動媒体の状態は点Jから点Jの状態になり、作動媒体の過熱度は所望の範囲になる(点B→点B)。
この構成によれば、戻し媒体圧力センサ26および戻し媒体温度センサ27での検出値に基づいて、戻しライン28から圧縮機11へ供給される作動媒体の過熱度が所定の値以上となるように、エコノマイザ膨張弁25の開度を制御するので、作動媒体の循環量を増加させ、圧縮行程において作動媒体を十分過熱された状態に保つことで、ヒートポンプシステム10を高効率に維持し、かつ、加熱能力を増大させることができる。
なお、本発明のヒートポンプシステム10は、前記実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、作動媒体は、HFC245fa/HFC134a=50/50(図6)、HFC365mfc(図7)、HFO1234ze(図8)、HFO1234yf(図9)、HFC407E(図10)、HFO1234ze+HFC32+α、HFO1234yf+HFC32+αのいずれかであってもよい。また、圧縮機11は二段圧縮機に限るものではなく、単段圧縮機でもよい。
10 ヒートポンプシステム
11 圧縮機
11a 中間圧力部
12 凝縮器
13 循環ライン膨張弁
14 蒸発器
15 循環ライン熱交換器
16 循環ライン
17 凝縮用媒体流入ライン
18 凝縮用媒体流出ライン
19 蒸発用媒体流入ライン
20 蒸発用媒体流出ライン
21 吐出圧力センサ(吐出圧力検出手段)
22 吐出温度センサ(吐出温度検出手段)
23 制御装置
24 エコノマイザ熱交換器
25 エコノマイザ膨張弁
26 戻し媒体圧力センサ(戻し媒体圧力検出手段)
27 戻し媒体温度センサ(戻し媒体温度検出手段)
28 戻しライン
31 吸込圧力センサ(吸込圧力検出手段)
32 冷水出口温度センサ(蒸発器出口側蒸発用媒体温度検出手段)

Claims (3)

  1. 圧縮機、凝縮器、循環ライン膨張弁、および蒸発器が循環ラインに順に介設されるとともに、前記凝縮器と前記循環ライン膨張弁の間の前記循環ラインの作動媒体と、前記蒸発器と前記圧縮機の間の前記循環ラインの作動媒体とが熱交換可能な循環ライン熱交換器が設けられたヒートポンプシステムにおいて、
    前記循環ライン熱交換器は、前記蒸発器入口での作動媒体の乾き度を小さくして、前記蒸発器出口における作動媒体を湿り蒸気の状態とするとともに、前記圧縮機の上流における作動媒体を過熱蒸気の状態とするものであって、
    前記圧縮機と前記凝縮器との間の前記循環ラインに設けられ、前記圧縮機から吐出された作動媒体の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段(21)と、
    前記圧縮機と前記凝縮器との間の前記循環ラインに設けられ、前記圧縮機から吐出された作動媒体の吐出温度を検出する吐出温度検出手段(22)と、
    前記循環ライン熱交換器と前記圧縮機との間の前記循環ラインに設けられ、前記圧縮機に吸い込まれる作動媒体の吸込圧力を検出する吸込圧力検出手段(31)と、
    蒸発用媒体を前記蒸発器から流出させる蒸発用媒体流出ラインに設けられ、前記蒸発器から流出された前記蒸発用媒体の温度を検出する蒸発器出口側蒸発用媒体温度検出手段(32)と
    を備え、
    前記吐出圧力検出手段(21)、前記吐出温度検出手段(22)、前記吸込圧力検出手段(31)、及び前記蒸発器出口側蒸発用媒体温度検出手段(32)での検出値に基づいて、前記圧縮機の圧縮行程における作動媒体の過熱度が所定の値以上となるように、前記循環ライン膨張弁(13)の開度を制御するものであり、
    前記凝縮器と前記循環ライン熱交換器の間の前記循環ラインから分岐し、該循環ラインの作動媒体を前記圧縮機の中間圧力部に戻すための戻しライン(28)と、
    前記凝縮器と前記循環ライン熱交換器の間の前記循環ラインの作動媒体と前記戻しラインの作動媒体とが熱交換可能なエコノマイザ熱交換器(24)、および前記戻しラインのエコノマイザ熱交換器の上流に設けられたエコノマイザ膨張弁(25)とを有するエコノマイザと、
    前記戻しラインの前記エコノマイザ熱交換器の下流における作動媒体の圧力を検出する戻し媒体圧力検出手段(26)と、
    前記戻しラインの前記エコノマイザ熱交換器の下流における作動媒体の温度を検出する戻し媒体温度検出手段(27)と
    を備え、
    前記戻し媒体圧力検出手段(26)および前記戻し媒体温度検出手段(27)での検出値に基づいて、前記戻しラインから前記圧縮機へ供給される作動媒体の過熱度が所定の値以上となるように、前記エコノマイザ膨張弁(25)の開度を制御することを特徴とするヒートポンプシステム。
  2. 前記作動媒体はHFC245fa、HFC245fa+HFC134a、およびHFC365mfcのいずれか1つを含む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. 前記作動媒体はHFO1234ze、またはHFO1234yfを含む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。
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