JP6771988B2 - ヒートポンプ装置及びその制御方法 - Google Patents
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Description
すなわち、本発明にかかるヒートポンプ装置は、冷媒を低圧から中間圧まで圧縮する低段圧縮機と、前記中間圧とされた冷媒を高圧まで圧縮する高段圧縮機と、前記高圧とされた冷媒と利用側熱媒体とを熱交換させる利用側熱交換器と、該利用側熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる室外熱交換器と、前記利用側熱交換器にて要求される目標高圧まで冷媒を圧縮するように前記高段圧縮機の回転数を制御するとともに、該目標高圧と前記低圧との相乗平均となる目標中間圧となるように前記低段圧縮機の回転数を制御する制御部とを備えたヒートポンプ装置であって、前記制御部は、前記室外熱交換器における冷媒圧力が第1閾値以下となった場合に、前記低段圧縮機の回転数を減じるとともに、この回転数の減少量に応じて前記高段圧縮機の回転数を増加するように制御することを特徴とする。
そこで、室外熱交換器の冷媒圧力が第1閾値以下となった場合に、低段圧縮機の回転数を減じることとして、室外熱交換器における冷媒圧力の低下を抑制することとした。一方で、高段圧縮機は、低段圧縮機が減じられた回転数の減少量に応じて回転数を増加するように制御することとして、ヒートポンプ装置としての出力を可及的に維持する能力優先制御を行うこととした。
以上により、低外気温時においても室外熱交換器における冷媒圧力を過剰に低下させることなく、ヒートポンプ装置としての出力を可及的に維持することができる。
第1閾値としては、例えば−15℃以上−8℃以下の飽和温度に相当する冷媒圧力とされる。
第2閾値としては、例えば−20℃以上−14℃以下の飽和温度に相当する冷媒圧力とされる。
図1には、ヒートポンプ装置1の概略構成が示されている。なお、本実施形態ではヒートポンプ装置として説明するが、四方弁25を切り替えることによって冷凍サイクルを行う装置として使用することもできる。
熱源機3は、低段圧縮機7と、高段圧縮機9と、室外熱交換器11と、過冷却熱交換器13とを備えている。
低段圧縮機7の吸込圧力Psは、アキュムレータ52の上流側に設けた低圧圧力センサ14によって計測され、計測後の出力が制御部10へと送信される。なお、低段圧縮機7の吸込圧力Psは、室外熱交換器11に取り付けた室外機交換器温度センサ12の計測値から制御部10にて演算しても良い。具体的には、室外熱交換器温度センサ12の出力が制御部10へと送信され、制御部10にて室外熱交換器11における計測温度を冷媒飽和温度として低圧LPを演算する。そして、この低圧LPを吸込圧力Psとして用いる。
高段圧縮機9から吐出された冷媒は、高段オイルセパレータ23を通り、冷媒に随伴されるオイルを除去した後に、四方弁25へと導かれる。高段オイルセパレータ23にて分離されたオイルは、低段返送流路24を介して高段圧縮機9へと戻される。
同図に示されているように、低段圧縮機7にて冷媒が低圧LPに相当する吸込圧力Psから中間圧Pmまで昇圧され、高段圧縮機9にて冷媒が中間圧Pmから高圧Pdまで昇圧される。高圧Pdまで昇圧された冷媒は、利用側熱交換器32にて凝縮させられて液化される(B点)。このときの凝縮熱が利用側熱交換器32を通過する温水に与えられ、温水が加熱される。温水の加熱温度は60℃以上とされ、例えば80℃に設定される。
ヒートポンプ装置1は、室外熱交換器11における冷媒圧力とされる低圧LPが後述する第1閾値P1まで下がらない場合には、COP優先運転を行う。COP優先運転は、低段圧縮機7と高段圧縮機9とによって2段圧縮を行うヒートポンプ運転において最も効率が良いとされる運転とされる。具体的には、低段圧縮機7と高段圧縮機の圧力比が等しい等圧力比とされ、下式(1)にて表される。
Pm/Ps=Pd/Pm ・・・(1)
上式(1)より、中間圧Pmは、以下のように求められる。
Pm=(Ps・Pd)1/2 ・・・(2)
したがって、COP優先運転では、制御部10は、中間圧Pmを吸込圧力Psと高圧Pdの相乗平均となるように運転する。
また、制御部10は、上式(2)に示した中間圧Pmが得られるように、低段圧縮機7の回転数を制御する。このとき、吸込圧力Psは低圧圧力センサ14で得られた低圧LPを用い、高圧Pdは高圧圧力センサ21の計測値を用いる。
冬季のように外気温度が低下してくると低圧LPも低下する。低圧LPが低下すると負圧となるおそれがあるので、低圧LPが第2閾値P2以下となった場合には、低段圧縮機7及び高段圧縮機9の回転数を低下させて低圧低下を回避するように保護制御を行う。具体的には、制御部10は、COP優先運転のように等圧力比を保ちながら、低段圧縮機7及び高段圧縮機9の回転数を低下させる。この場合、高段圧縮機9の回転数も低下するので、ヒートポンプとしての能力は低下する。第2閾値としては、例えば−20℃以上−14℃以下の飽和温度に対応する冷媒圧力とされる。
低圧保護制御が行われるとヒートポンプとしての能力が低下するので、低圧保護制御が行われる直前までは能力を可及的に確保する能力優先運転を行う。具体的には、第2閾値P2よりも大きい圧力として第1閾値P1を定め、第1閾値P1以下となり第2閾値P2を下回るまでは、能力優先運転を行う。能力優先運転は、制御部10の指令により、低段圧縮機7の回転数を減じるとともに、この減少量に応じて高段圧縮機9の回転数を増加する。第1閾値としては、例えば−15℃以上−8℃以下の飽和温度に相当する冷媒圧力とされる。
先ず、ステップS1にて、運転指令がONとされ、リモコン設定により、利用側である温水の出口温度が設定される。
そして、ステップS2では、制御部10の指令によって、設定された温水出口温度に相当する目標高圧Pdとなるように高段圧縮機9の回転数が制御される。
そして、ステップS3では、制御部10の指令によって、式(2)に示したように、高段圧縮機9と同じ圧力比となる目標中間圧力Pmとなるように、低段圧縮機7の回転数が制御される。ステップS2及びS3により、COP優先運転が行われる。
同図に示されているように、低圧LPが第1閾値P1を下回るとCOP優先運転から能力優先運転に切り替わり、第2閾値P2を下回ると低圧保護制御に切り替わり、第3閾値P3を下回ると低圧保護停止に切り替わる。また、低圧LPが第3閾値P3よりも大きい値である第2解除値R2を超えるとヒートポンプ装置1を再起動して復帰させ、第1閾値P1よりも大きい第1解除値R1を超えるとCOP優先運転まで復帰させる。
冷媒を低段圧縮機7で吸込圧力Psから中間圧Pmまで圧縮した後に高段圧縮機9で高圧Pdまで圧縮する2段圧縮を行う冷凍サイクルでは、高圧Pdと低圧である吸込圧力Psとの相乗平均となるように中間圧Pmを制御することがCOPを向上させる観点からは好ましい。しかし、外気温度が低下して室外熱交換器11における冷媒圧力である低圧LPが低下すると、冷媒の高低圧差を確保するために高段圧縮機9及び低段圧縮機7の回転数を増加させる必要があるが、低段圧縮機7の回転数を増加させると低段圧縮機7の吸込冷媒の圧力Psが低下して低圧LPがさらに低下してしまうおそれがある。
そこで、低圧LPが第1閾値P1以下となった場合に、低段圧縮機7の回転数を減じることとして、低圧LPの低下を抑制することとした。一方で、高段圧縮機9は、低段圧縮機7が減じられた回転数の減少量に応じて回転数を増加するように制御することとして、ヒートポンプ装置1としての出力を可及的に維持する能力優先制御を行うこととした。
以上により、低外気温時においても低圧LPを過剰に低下させることなく、ヒートポンプ装置としての出力を可及的に維持することができる。
3 熱源機
5 利用側熱交換器ユニット
7 低段圧縮機
9 高段圧縮機
10 制御部
11 室外熱交換器
12 室外熱交換器温度センサ
13 過冷却熱交換器
14 低圧圧力センサ
15 中間圧圧力センサ
17 低段オイルセパレータ
19 低段返送流路
21 高圧圧力センサ
22 高段吐出温度センサ
23 高段オイルセパレータ
24 高段返送流路
26 第1冷媒配管
28 第1操作弁
30 第1接続配管
32 利用側熱交換器
34 温水循環配管
36 利用側膨張弁
38 第2接続配管
40 第2操作弁
42 レシーバ
44 過冷却用膨張弁
46 ガスインジェクション管
50 膨張弁
52 アキュムレータ
LP 低圧
Ps 吸込圧力(低圧)
Pm 中間圧
Pd 高圧
P1 第1閾値
P2 第2閾値
P3 第3閾値
Td 吐出温度
Claims (3)
- 冷媒を低圧から中間圧まで圧縮する低段圧縮機と、
前記中間圧とされた冷媒を高圧まで圧縮する高段圧縮機と、
前記高圧とされた冷媒と利用側熱媒体とを熱交換させる利用側熱交換器と、
該利用側熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、
該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる室外熱交換器と、
前記利用側熱交換器にて要求される目標高圧まで冷媒を圧縮するように前記高段圧縮機の回転数を制御するとともに、該目標高圧と前記低圧との相乗平均となる目標中間圧となるように前記低段圧縮機の回転数を制御する制御部と、
を備えたヒートポンプ装置であって、
前記制御部は、前記室外熱交換器における冷媒圧力が第1閾値以下となった場合に、前記低段圧縮機の回転数を減じるとともに、この回転数の減少量に応じて前記高段圧縮機の回転数を増加するように制御することを特徴とするヒートポンプ装置。 - 前記制御部は、前記室外熱交換器における冷媒圧力が前記第1閾値よりも低い第2閾値となった場合に、前記高段圧縮機の回転数を減じるように制御することを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプ装置。
- 冷媒を低圧から中間圧まで圧縮する低段圧縮機と、
前記中間圧とされた冷媒を高圧まで圧縮する高段圧縮機と、
前記高圧とされた冷媒と利用側熱媒体とを熱交換させる利用側熱交換器と、
該利用側熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、
該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる室外熱交換器と、
を備えたヒートポンプ装置の制御方法であって、
前記利用側熱交換器にて要求される目標高圧まで冷媒を圧縮するように前記高段圧縮機の回転数を制御するとともに、該目標高圧と前記低圧との相乗平均となる目標中間圧となるように前記低段圧縮機の回転数を制御し、
前記室外熱交換器における冷媒圧力が第1閾値以下となった場合に、前記低段圧縮機の回転数を減じるとともに、この回転数の減少量に応じて前記高段圧縮機の回転数を増加するように制御することを特徴とするヒートポンプ装置の制御方法。
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