JP6820205B2 - 冷媒回路システム及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒回路システム及び制御方法に関する。

従来から多段圧縮機を備える冷媒回路において、冷却能力およびＣＯＰ（Coefficient Of Performance：成績係数）の向上のため、凝縮器で凝縮された高圧冷媒の一部を分岐し、分岐した冷媒を圧縮機にインジェクションするようにしたインジェクション回路付きの冷媒回路が知られている。例えば、特許文献１には、インジェクション回路付きの冷媒回路において、負荷の高低や、凝縮圧力と蒸発圧力の比に応じてインジェクション回路の動作と非動作とを切り替え、ＣＯＰを向上させる技術について記載がある。

また、ヒートポンプを用いた給湯器には、温度の低い給水を設定温度まで昇温してその温水を供給する一過式システムと呼ばれる方式と、一定温度の給水を循環させて設定温度まで昇温しその温水を供給する循環式システムと呼ばれる方式が存在する。一過式システムの給湯器では、低温（例えば５℃）の給水を設定温度（例えば８０℃）まで昇温する。一方、循環式システムの給湯器では所定温度（例えば７５℃）の給水を設定温度（例えば８０℃）まで昇温する。

特開２００３−１８５２８６号公報

ところで、一過式システムと循環式システムの両方に対応する給湯器を考えた場合、このような給湯器が備える冷媒回路では、利用側入口温度が変化する状況下で、利用側出口温度が所定の設定温度となるように給水を昇温する必要がある。このような冷媒回路における効率的な運転を行うための制御方法は、これまでに提供されていない。

そこでこの発明は、上述の課題を解決することのできる冷媒回路システム及び制御方法を提供することを目的としている。

本発明の第１の態様は、冷媒を圧縮する複数の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる利用側熱交換器と、前記利用側熱交換器から流出する前記冷媒を減圧する第１膨張弁と、前記第１膨張弁で減圧された前記冷媒の一部を貯留するレシーバと、前記レシーバから流出する前記冷媒を減圧する第２膨張弁と、前記第２膨張弁にて減圧された前記冷媒を蒸発させる熱源側熱交換器と、を接続した主流回路と、前記レシーバから流出する前記冷媒の一部を分岐し、当該分岐した冷媒を、前記複数の圧縮機のうち、最も低段側を除く所定の圧縮機の吸入側に供給するインジェクション回路であって、前記分岐した一部の冷媒を減圧する第３膨張弁と、前記第３膨張弁を通過した前記冷媒と前記主流回路を通過する冷媒との熱交換を行う中間熱交換器と、を備えるインジェクション回路と、前記利用側熱交換器によって熱の供給を受ける利用側媒体の前記利用側熱交換器の入口側における入口温度と、前記利用側媒体の前記利用側熱交換器の出口側における出口温度との差に基づいて、前記インジェクション回路の動作と非動作とを切り替える制御装置と、を備える冷媒回路システムである。

本発明の第２の態様における前記制御装置は、前記入口温度と前記出口温度との差が所定の第１閾値以上の場合、前記第３膨張弁を全閉に制御する。

本発明の第３の態様における前記制御装置は、前記入口温度と前記出口温度との差が所定の第２閾値以下の場合、前記第３膨張弁を０より大きな所定の開度に制御する。

本発明の第４の態様における前記制御装置は、前記利用側媒体の出口温度の目標値に基づいて前記複数の圧縮機のうち、最も高段側に設けられた圧縮機の回転数を制御し、前記利用側媒体の入口温度に基づく前記利用側熱交換器の出口側温度を目標値として前記第１膨張弁の開度を制御する。

本発明の第５の態様における前記制御装置は、前記入口温度に代えて、前記冷媒の前記利用側熱交換器の出口側における温度である出口温度と、前記出口温度との差に基づいて、前記インジェクション回路の動作と非動作とを切り替える。

本発明の第６の態様における前記制御装置は、前記入口温度と、前記出口温度に代えて凝縮圧力飽和温度または吐出圧力飽和温度との差に基づいて、前記インジェクション回路の動作と非動作とを切り替える。

本発明の第７の態様は、冷媒を圧縮する複数の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる利用側熱交換器と、前記利用側熱交換器から流出する前記冷媒を減圧する第１膨張弁と、前記第１膨張弁で減圧された前記冷媒の一部を貯留するレシーバと、前記レシーバから流出する前記冷媒を減圧する第２膨張弁と、前記第２膨張弁にて減圧された前記冷媒を蒸発させる熱源側熱交換器と、を接続した主流回路と、前記レシーバから流出する前記冷媒の一部を分岐し、当該分岐した冷媒を、前記複数の圧縮機のうち、最も低段側を除く所定の圧縮機の吸入側に供給するインジェクション回路であって、前記分岐した一部の冷媒を減圧する第３膨張弁と、前記第３膨張弁を通過した前記冷媒と前記主流回路を通過する冷媒との熱交換を行う中間熱交換器と、を備えるインジェクション回路と、を備える冷媒回路システムにおいて、前記利用側熱交換器によって熱の供給を受ける利用側媒体の前記利用側熱交換器の入口側における入口温度と、前記利用側媒体の前記利用側熱交換器の出口側における出口温度との差に基づいて、前記インジェクション回路の動作と非動作とを切り替える、制御方法である。

本発明によれば、運転条件が変化する状況で、冷媒回路を効率良く運転することができる。

本発明の一実施形態における冷媒回路システムの一例を示す図である。 本発明の一実施形態における利用側入口温度と凝縮器出口温度の関係を示す図である。 本発明の一実施形態における冷媒回路システムの第一のＰ−ｈ線図である。 本発明の一実施形態における冷媒回路システムの第二のＰ−ｈ線図である。 本発明の一実施形態における冷媒回路システムにおけるインジェクション回路の効果を説明する図である。 本発明の一実施形態におけるインジェクション回路の切り替え判定方法の一例を説明する図である。 本発明の一実施形態における制御装置のフローチャートである。

＜実施形態＞
以下、本発明の一実施形態による冷媒回路システムを図１〜図７を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態における冷媒回路システムの一例を示す図である。
冷媒回路システム１は、給湯器に用いられる冷媒回路である。冷媒回路システム１は、外部から供給された給水（熱の供給を受ける利用側媒体）を所定の設定目標温度（例えば８０℃）に上昇させ、この温水をユーザに供給する。本実施形態では、ユーザに供給する給水の設定目標温度（出湯温度）は一定で、外部から供給される給水の温度が変化する。循環式システムでは供給される給水の温度は、出湯温度と差が小さい戻り温度（例えば７５℃）となり、温水を戻さない一過式システムでは給水の温度は、常温（外気温）付近の温度（例えば５℃）となる。なお、給水の設定目標温度を、利用側出口温度と呼ぶ。また、外部からの供給される給水の温度を利用側入口温度と呼ぶ。

図１が示すとおり冷媒回路システム１は、高段側圧縮機１０Ａと、低段側圧縮機１０Ｂと、利用側熱交換器（凝縮器）１１と、第１膨張弁１２と、レシーバ１３と、第２膨張弁１４と、熱源側熱交換器（蒸発器）１５と、アキュムレータ１６と、これらを接続する主流配管１７と、を含んで構成される主流回路と、インジェクション配管２０と、第３膨張弁２１と、中間熱交換器２２を含んで構成されるインジェクション回路と、制御装置１００と、で構成される。
なお、図１に示す冷媒回路システム１の具体的な構成は、冷媒回路システム１の基本的な構成を模式的に示したものであって、さらに他の構成要素が含まれていてもよい。

高段側圧縮機１０Ａ、低段側圧縮機１０Ｂは冷媒を圧縮して高圧冷媒を吐出する。低段側圧縮機１０Ｂと高段側圧縮機１０Ａとは直列に接続されている。低段側圧縮機１０Ｂの吸入側は、アキュムレータ１６に接続されている。また、低段側圧縮機１０Ｂの吐出側は、高段側圧縮機１０Ａの吸入側に接続される。低段側圧縮機１０Ｂは、アキュムレータ１６から供給された低圧冷媒を吸入して圧縮を行い、中間圧力冷媒を高段側圧縮機１０Ａ側へ吐出する。また、高段側圧縮機１０Ａの吸入側には、インジェクション配管２０が接続されており、後述するようにインジェクション配管２０から中間圧力冷媒が供給される。
高段側圧縮機１０Ａ、低段側圧縮機１０Ｂの回転数は、インバータ回路により制御装置１００によって制御される。本実施形態では、高段側圧縮機１０Ａの回転数は、高段側圧縮機１０Ａの吐出圧力飽和温度が、予め設定された利用側出口温度（例えば８０℃）に合わせた所定の温度（例えば８２℃）となるように、制御装置１００により制御される。このように本実施形態では、利用側出口温度に応じて目標高圧が決まり、利用側入口温度の変化（例えば５℃と７５℃）によらず、その値は一定に制御される。高段側圧縮機１０Ａが吐出した高温高圧の冷媒は利用側熱交換器１１へ供給される。

利用側熱交換器１１は、凝縮器として機能する。利用側熱交換器１１に供給された高圧冷媒は、ユーザが利用する給水と熱交換して放熱し、凝縮されて液化される。一方、利用側熱交換器１１へと供給された給水は、高圧冷媒から吸熱し、所定の設定目標温度（利用側出口温度）に昇温され、ユーザに提供される。なお、図中、点線矢印は、給水の流れ方向を示し、実線矢印は、冷媒の流れ方向を示している。
第１膨張弁１２は、冷媒を減圧する流量制御弁である。利用側熱交換器１１による熱交換後の高圧冷媒は、第１膨張弁１２で減圧、膨張されレシーバ１３へ供給される。第１膨張弁１２の開度は、制御装置１００によって制御される。本実施形態では、制御装置１００は、利用側熱交換器１１の出口側温度が、利用側入口温度に基づく所定の温度となるように第１膨張弁１２の開度を制御する。利用側入口温度に基づく所定の温度とは、利用側入口温度より所定の値（例えば２℃）だけ高い温度である。例えば、一過式システムの場合、利用側熱交換器１１の出口側温度の設定目標温度は７℃、循環式システムで運転する場合は、利用側熱交換器１１の出口側温度の設定目標温度は７７℃などとなる。図２に本実施形態における利用側入口温度と凝縮器出口温度（利用側熱交換器１１の出口側温度）の関係を示す。図２において実線は、利用側熱交換器１１の出口側温度を示している。図２に示すように、利用側熱交換器１１の出口側温度は、破線が示す利用側入口温度より常に所定の温度（例えば２℃）だけ高い目標値に制御される。制御装置１００は、第１膨張弁１２の開度を調整することでこの目標値を実現する。

レシーバ１３は、供給された冷媒の一部を一時的に貯留する圧力容器である。レシーバ１３では、気体と液体の２相の冷媒が混在して貯留される。レシーバ１３の上流側には上記の第１膨張弁１２が、下流側にはインジェクション配管２０への分岐と、中間熱交換器２２と、第２膨張弁１４がそれぞれ設けられている。レシーバ１３から流出した冷媒の一部は、インジェクション配管２０へ分岐され、残りの冷媒は主流回路を流れる。
第２膨張弁１４は、冷媒を減圧する流量制御弁である。主流回路を流れる液冷媒は中間熱交換器２２において、インジェクション配管２０を流れる（分岐した）一部の冷媒との熱交換により冷却され、第２膨張弁１４において減圧、膨張され低圧冷媒となる。

熱源側熱交換器１５は、蒸発器として機能する。熱源側熱交換器１５は、第２膨張弁１４から流入した低圧冷媒を、外気等の熱源からの吸熱により蒸発させる。本実施形態では、蒸発温度が一定となるように、制御装置１００により第２膨張弁１４の開度が制御される。熱源側熱交換器１５を通過した冷媒はアキュムレータ１６へ供給される。冷媒は、アキュムレータ１６で気体と液体に分離され、気体の冷媒のみが低段側圧縮機１０Ｂへ吸入される。低段側圧縮機１０Ｂは冷媒を圧縮して高段側圧縮機１０Ａ側へ吐出する。

一方、レシーバ１３の下流側で分岐した冷媒は、インジェクション配管２０を介して、高段側圧縮機１０Ａの吸入側へ供給される。インジェクション配管２０には、第３膨張弁２１と、中間熱交換器２２が設けられている。
第３膨張弁２１は、分岐した一部の冷媒を減圧する流量制御弁である。
中間熱交換器２２は、第３膨張弁２１を通過する冷媒と主流配管１７を通過する冷媒との熱交換を行う。第３膨張弁２１によって減圧された冷媒は、中間熱交換器２２での熱交換によって加熱され、高段側圧縮機１０Ａへ戻され再圧縮される。このインジェクション回路によって、公知のように冷凍サイクルのＣＯＰを向上させることができる。

制御装置１００は、マイコン等のコンピュータ装置である。制御装置１００は、例えば、上記したように高段側圧縮機１０Ａや第１膨張弁１２など冷媒回路を構成する機器を制御する。特に本実施形態では、制御装置１００は、インジェクション回路の動作と非動作とを切り替える制御を行う。なお、インジェクション回路が動作する場合はインジェクション回路に冷媒が流れ、非動作の場合はインジェクション回路には冷媒が流れない。
また、冷媒回路システム１には、温度センサ、圧力センサ等の検知手段が設置されている。例えば、利用側熱交換器１１の給水（利用側媒体）が通過する入口と出口にはそれぞれ、温度センサ３１、温度センサ３２が設けられている。温度センサ３１は利用側入口温度を、温度センサ３２は利用側出口温度をそれぞれ計測する。また、利用側熱交換器１１の出口側には温度センサ３３が設けられている。温度センサ３３は、利用側熱交換器１１の出口側の冷媒の温度を計測する。温度センサ３１、温度センサ３２、温度センサ３３は計測した温度の情報を制御装置１００へ出力する。また、利用側熱交換器１１の入口側には圧力センサ３４が設けられている。圧力センサ３４は、利用側熱交換器１１の入口側の冷媒の圧力を計測する。また、高段側圧縮機１０Ａの吐出側には圧力センサ３５が設けられている。圧力センサ３５は、高段側圧縮機１０Ａの吐出側の冷媒の圧力を計測する。圧力センサ３４、圧力センサ３５は、計測した圧力の情報を制御装置１００へ出力する。
このほかにも例えば、熱源側熱交換器の出口側には温度センサ（図示せず）や圧力センサ（図示せず）が設けられており、制御装置１００は、これらのセンサによる計測値に基づいて蒸発温度を一定に制御する。
次に図１に例示した冷媒回路システム１において利用側入口温度が変化した場合の冷媒回路の効率について説明する。

まず、利用側入口温度が高温の場合について説明する。
図３は、本発明の一実施形態における冷媒回路システムの第一のＰ−ｈ線図である。
図３は、冷媒回路システム１を動作させたときの冷凍サイクルを表した圧力とエンタルピの関係線図である。図３において実線で示した線図は、利用側入口温度が高温（７５℃）の場合（循環式システム）のインジェクション回路を動作させたときのＰ−ｈ線図である。図３の実線のＰ−ｈ線図において各記号はそれぞれ次の状態を示す。すなわち、Ａ１は高段側圧縮機１０Ａが吐出した冷媒の状態、Ａ２は利用側熱交換器１１の出口側での冷媒の状態、Ａ３は第１膨張弁１２の出口側での冷媒の状態、Ａ４は第２膨張弁１４の入口側での冷媒の状態、Ａ５は第２膨張弁１４の出口側での冷媒の状態、Ａ６は熱源側熱交換器１５の出口側での冷媒の状態、Ａ７は低段側圧縮機１０Ｂが吐出した冷媒の状態、Ａ８は第３膨張弁２１の出口側での冷媒の状態、Ａ９は高段側圧縮機１０Ａの吸入側での冷媒の状態、をそれぞれ示している。

利用側入口温度が高温（７５℃）の場合、高段側圧縮機１０Ａから吐出される高温高圧の冷媒（状態Ａ１）は、利用側熱交換器１１にて放熱して凝縮液化し、高圧の液冷媒（状態Ａ２）となる。そして第１膨張弁１２を通過して減圧された冷媒（状態Ａ３）のうち主流回路を流れる冷媒は、中間熱交換器２２で冷却され（状態Ａ４）、第２膨張弁１４に至る。そして、冷媒は、第２膨張弁１４によってさらに減圧され（状態Ａ５）、熱源側熱交換器１５へと流入して蒸発し、低圧ガス冷媒（状態Ａ６）となる。低圧ガス冷媒は、低段側圧縮機１０Ｂにより中間圧力まで昇圧され（状態Ａ７）、高段側圧縮機１０Ａの吸入側に供給される。一方、インジェクション回路に分岐した冷媒は、第３膨張弁２１によって中間圧力まで減圧され（状態Ａ８）、中間熱交換器２２を介して吸熱し、インジェクション配管２０を介して高段側圧縮機１０Ａの吸入側に供給される。ここで、インジェクション配管２０を介して供給された冷媒と低段側圧縮機１０Ｂにより圧縮された冷媒とが混合し、温度が低下（状態Ａ９）した中間圧力の冷媒は、高段側圧縮機１０Ａに供給される。高段側圧縮機１０Ａは、中間圧力の冷媒を圧縮し高温高圧の冷媒（状態Ａ１）を吐出する。以降は、同じサイクルを繰り返す。

一方、図３において破線の線図は、利用側入口温度が高温であって、インジェクション回路の動作が無しの場合のＰ−ｈ線図である。インジェクション回路の動作が無しの場合、中間熱交換器２２による状態Ａ３から状態Ａ４へのプロセス、状態Ａ８から状態Ａ９へのプロセスが無いため、点線で示した形状のＰ−ｈ線図となる。

インジェクション回路の動作ありの場合と無しの場合を比べると、インジェクション回路の動作ありの場合は、第３膨張弁２１の前後における圧力差が大きく（状態Ａ３と状態Ａ８の圧力差）、インジェクション配管２０へ流入する冷媒の流量を確保することができる。そのため、蒸発器（熱源側熱交換器１５）へ流入する冷媒循環量を低減することができ、ＣＯＰが向上する。また、冷媒循環量の低減により、冷媒圧損を低減する効果も見込める。

次に利用側入口温度が低温の場合について説明する。
図４は、本発明の一実施形態における冷媒回路システムの第二のＰ−ｈ線図である。
図４は、冷媒回路システム１を動作させたときの冷凍サイクルを表した圧力とエンタルピの関係線図である。図４において実線で示した線図は、利用側入口温度が低温（５℃）の場合（一過式システム）のインジェクション回路を動作させたときのＰ−ｈ線図である。図４の実線のＰ−ｈ線図において各記号はそれぞれ次の状態を示す。すなわち、Ｂ１は高段側圧縮機１０Ａが吐出した冷媒の状態、Ｂ２は利用側熱交換器１１の出口側での冷媒の状態、Ｂ３は第１膨張弁１２の出口側での冷媒の状態、Ｂ４は第２膨張弁１４の入口側での冷媒の状態、Ｂ５は第２膨張弁１４の出口側での冷媒の状態、Ｂ６は熱源側熱交換器１５の出口側での冷媒の状態、Ｂ７は低段側圧縮機１０Ｂが吐出した冷媒の状態、Ｂ８は第３膨張弁２１の出口側での冷媒の状態、Ｂ９は高段側圧縮機１０Ａの吸入側での冷媒の状態、をそれぞれ示している。

利用側入口温度が低温（５℃）の場合、高段側圧縮機１０Ａから吐出される高温高圧の冷媒（状態Ｂ１）は、利用側熱交換器１１にて放熱して凝縮液化し、高圧の液冷媒（状態Ｂ２）となる。そして第１膨張弁１２を通過して減圧された冷媒（状態Ｂ３）のうち主流回路を流れる冷媒は、中間熱交換器２２で冷却され（状態Ｂ４）、第２膨張弁１４に至る。そして、冷媒は、第２膨張弁１４によってさらに減圧され（状態Ｂ５）、熱源側熱交換器１５へと流入して蒸発し、低圧ガス冷媒（状態Ｂ６）となる。低圧ガス冷媒は、低段側圧縮機１０Ｂにより中間圧力まで昇圧され（状態Ｂ７）、高段側圧縮機１０Ａの吸入側に供給される。一方、インジェクション回路に分岐した冷媒は、第３膨張弁２１によって中間圧力まで減圧され（状態Ｂ８）、中間熱交換器２２を介して吸熱し、インジェクション配管２０を介して高段側圧縮機１０Ａの吸入側に供給される。ここで、インジェクション配管２０を介して供給された冷媒と低段側圧縮機１０Ｂにより圧縮された冷媒とが混合し、温度が低下（状態Ｂ９）した中間圧力の冷媒は、高段側圧縮機１０Ａに供給される。高段側圧縮機１０Ａは、中間圧力の冷媒を圧縮し高温高圧の冷媒（状態Ｂ１）を吐出する。以降は、同じサイクルを繰り返す。

図４において破線の線図は、利用側入口温度が低温であって、インジェクション回路の動作が無しの場合のＰ−ｈ線図である。インジェクション回路の動作が無しの場合、中間熱交換器２２による状態Ｂ３から状態Ｂ４へのプロセス、状態Ｂ８から状態Ｂ９へのプロセスが無いため、点線で示した形状のＰ−ｈ線図となる。

インジェクション回路の動作ありの場合と無しの場合を比べると、インジェクション回路の動作ありの場合は、第３膨張弁２１の前後における圧力差が小さく（状態Ｂ３と状態Ｂ８の圧力差）、インジェクション配管２０へ流入する冷媒の流量を確保することができない。そのため、実線の線図の形状と破線の線図の形状とを比較して分かるとおり、インジェクション回路の動作ありの場合と無しの場合とではあまり違いが無く、インジェクション回路による効果が少ない。図４が示すように、凝縮器出口温度を極力下げて（状態Ｂ２の点をなるべく左に位置する点で運転する）、凝縮器（利用側熱交換器１１）における入口側と出口側とのエンタルピ差が出るようにすることで、蒸発器に流入する冷媒循環量を低減することができＣＯＰの向上が見込めるが、本実施形態では、図２で説明したように利用側入口温度に応じて凝縮器出口側の目標温度を設定するので、利用側媒体（給水）の温度が低ければ凝縮器出口温度を下げることができ、エンタルピ差を稼ぐことによってインジェクション回路を動作させなくても効率の良い運転ができる。
また、利用側入口温度が低温の場合、低差圧によりインジェクション回路を流れる冷媒が少なくなってＣＯＰに対する効果が少ない上に、安定した運転を行うには低流量域における流量制御を行う必要があるが、流量制御弁の特性によっては制御が難しくなる可能性がある。インジェクション回路の動作を停止することにより、そのような課題を回避することができる。

図５は、本発明の一実施形態における冷媒回路システムにおけるインジェクション回路の効果を説明する図である。
図５は、インジェクション回路の動作がありの場合のＣＯＰと無しの場合のＣＯＰとをプロットしたグラフである。インジェクション回路の動作がありの場合のＣＯＰは丸印で示され、インジェクション回路の動作が無しの場合のＣＯＰは三角印で示されている。図５の縦軸はＣＯＰ、横軸は凝縮器（利用側熱交換器１１）の出口側温度である。凝縮器の出口側温度は、利用側入口温度より２℃高く設定され、この設定目標温度を達成できるように制御装置１００によって制御される。また、図５のグラフの前提条件として、利用側出口温度を８０℃、凝縮温度（利用側熱交換器１１入口での冷媒の温度）を８２℃ｓ、蒸発温度（熱源側熱交換器１５出口での冷媒の温度）を１５℃ｓ、外気温を２５℃、中間圧力飽和温度を４５．２℃ｓとする。

例えば、凝縮器出口温度が４５℃のときインジェクション回路の動作ありと無しとでＣＯＰは同程度となり、６０℃付近ではインジェクション回路の動作ありの場合のＣＯＰが無しの場合のＣＯＰを上回っている。また、６０℃付近ではその差がより大きくなっている。また、凝縮器出口温度が４５℃以下の範囲ではインジェクション回路の動作ありの場合と無しの場合とでは有意な差が見られない（４５℃以下では丸印の表示を省略してある）。つまり、図３、図４でも説明したように凝縮器出口温度が高くなる程、インジェクション回路を動作させることによるＣＯＰ向上の効果が高くなり、凝縮器出口温度が低い程、インジェクション回路の動作がＣＯＰに与える影響が小さくなる。そして、凝縮器出口温度が４５℃以下となるとインジェクション回路の動作ありの場合と無しの場合とで差がほとんど無くなることが分かる。従って、本実施形態では、制御装置１００が凝縮器出口温度の高低に応じてインジェクション回路の動作ありと無しとを切り替える。

図６は、本発明の一実施形態におけるインジェクション回路の切り替え判定方法の一例を説明する図である。
図６は、温度センサ３２が計測した利用側出口温度から、温度センサ３１が計測した利用側入口温度を減じた温度差ΔＴに基づいて、制御装置１００がインジェクション回路の動作をありと無しとで切り替える判定条件を示している。例えば、温度差ΔＴが４０℃（第２閾値）以下であれば、制御装置１００は、インジェクション回路の動作をありにすると判定する。一方、温度差ΔＴが５０℃（第１閾値）以上であれば、制御装置１００は、インジェクション回路の動作を無しにすると判定する。例えば、利用側出口温度が８０℃の場合、利用側入口温度が４０℃以上であれば、制御装置１００は、インジェクション回路の動作をありに制御すると判定する。また、利用側入口温度が３０℃以下であれば、制御装置１００は、インジェクション回路の動作を無しに制御すると判定する。このような制御とすることで、図５で説明したように循環式システムの場合はインジェクション回路の動作を有効にし、一過式システムの場合はインジェクション回路の動作を無効にする。これにより冷媒回路システム１のＣＯＰを向上することができる。

また、図６が示すように「インジェクション回路の動作あり」、「インジェクション回路の動作無し」の判定においてヒステリシス幅が設けられている。ヒステリシス幅を設けることで、例えば、温度センサ３１、３２の検出誤差や凝縮器の利用側入口での給水温度の変化等による温度差ΔＴの変動によって、インジェクション回路の動作がありと無しとで頻繁に切り替わり、制御が不安定になるのを防ぐことができる。

図６では、以下の式（１）で求めた値に基づいてインジェクション回路の切り替え判定を行う場合を例に説明を行った。
切替判定評価値 ＝ 温度センサ３２が計測した利用側出口温度 −
温度センサ３１が計測した利用側入口温度・・・（１）
切替判定評価値は、以下の各式で計算してもよい。

（利用側入口温度の代用として凝縮器出口温度を使用）
切替判定評価値 ＝ 温度センサ３２が計測した利用側出口温度 −
温度センサ３３が計測した利用側熱交換器の出口側温度・・・（２）
利用側熱交換器の出口側温度は利用側入口温度より２℃高い温度に設定される。従って、式（２）によって切り替え判定を行う場合、制御装置１００は、例えば温度差ΔＴが３８℃以下であればインジェクションありと判定し、温度差ΔＴが４８℃以上であれば、インジェクション無しと判定する。

（利用側出口温度の代用として凝縮圧力飽和温度を使用）
切替判定評価値 ＝ 圧力センサ３４が計測した圧力の飽和温度 −
温度センサ３１が計測した利用側入口温度・・・（３）
（利用側出口温度の代用として吐出圧力飽和温度を使用）
切替判定評価値 ＝ 圧力センサ３５が計測した圧力の飽和温度 −
温度センサ３１が計測した利用側入口温度・・・（４）
式（３）、（４）によって判定する場合も凝縮圧力飽和温度や吐出圧力飽和温度と利用側出口温度の差に基づいて上記の判定条件の値を調整する。なお、制御装置１００は内蔵する記憶部（図示せず）に圧力と飽和温度の変換テーブルを記憶しており、この変換テーブルに基づいて、各圧力での飽和温度を計算する。

さらに式（２）と式（３）または式（２）と式（４）とを組み合わせて、例えば、圧力センサ３４が計測した圧力の飽和温度から温度センサ３３が計測した利用側熱交換器の出口側温度を減じた値を切替判定評価値として用いてもよい。

次に図７を用いて、インジェクションあり無しの切り替え制御の処理の流れについて説明する。
図７は、本発明の一実施形態における制御装置のフローチャートである。
前提として、図５で説明したとおり、利用側出口温度、凝縮温度、蒸発温度、中間圧力飽和温度は一定に制御するとする。また、制御装置１００は、所定の時間間隔で温度センサ３１、温度センサ３２、温度センサ３３が計測した温度の情報と、圧力センサ３４、圧力センサ３５が計測した圧力の情報を取得し、取得した温度や圧力の情報を内蔵する記憶部（図示せず）に記録する。また、制御装置１００は、利用側出口温度（設定目標温度）に基づいて高段側圧縮機１０Ａの回転数（周波数）を制御し、利用側入口温度に基づいて第１膨張弁１２の開度を制御し、蒸発温度に基づいて第２膨張弁１４の開度を制御している。また、制御装置１００は、インジェクション回路の動作ありと無しとを制御しており、インジェクション回路無しの場合、第３膨張弁２１を全閉とし、インジェクション回路ありの場合、第３膨張弁２１の弁開度を０より大きな所定の開度に制御する。また、インジェクション回路の動作ありの場合、制御装置１００は、所定の中間圧力を目標に第３膨張弁２１の弁開度を制御する。

まず、制御装置１００は、上記の式（１）により切替判定評価値を計算する（ステップＳ１１）。次に制御装置１００は、インジェクション回路の動作ありかどうかを判定する（ステップＳ１２）。例えば、第３膨張弁２１の弁開度が０より大きければ、制御装置１００は、インジェクション回路動作ありと判定し、第３膨張弁２１が全閉であれば、インジェクション回路動作無しと判定する。

インジェクション回路動作ありと判定した場合（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、制御装置１００は、ステップＳ１１で計算した切替判定評価値（図６の温度差ΔＴ）が第１閾値（図６の例では５０℃）以上かどうかを判定する（ステップＳ１３）。切替判定評価値が第１閾値以上の場合（ステップＳ１３；Ｙｅｓ）、制御装置１００はインジェクション回路の動作を無しに制御する（ステップＳ１４）。具体的には、制御装置１００は、第３膨張弁２１を全閉にする。切替判定評価値が第１閾値未満の場合（ステップＳ１３；Ｎｏ）、制御装置１００はインジェクション回路の動作の切り替えを行わない（ステップＳ１７）。つまり、制御装置１００は、中間圧力を目標とした第３膨張弁２１の弁開度の制御を継続する。

一方、インジェクション回路動作無しと判定した場合（ステップＳ１２；Ｎｏ）、制御装置１００は、切替判定評価値（図６の温度差ΔＴ）が第２閾値（図６の例では４０℃）以下かどうかを判定する（ステップＳ１５）。切替判定評価値が第２閾値以下の場合（ステップＳ１５；Ｙｅｓ）、制御装置１００はインジェクション回路の動作をありに制御する（ステップＳ１６）。具体的には、制御装置１００は、第３膨張弁２１を開に切り替え、所定の中間圧力を目標とした弁開度に制御する。切替判定評価値が第２閾値を上回る場合（ステップＳ１５；Ｎｏ）、制御装置１００はインジェクション回路の動作の切り替えを行わない（ステップＳ１７）。つまり、制御装置１００は、第３膨張弁２１を全閉とした状態を継続する。

本実施形態によれば、利用側出口温度を一定に設定する多段ヒートポンプにおいて、利用側出口温度と利用側入口温度の差によって、インジェクション回路の動作を決定する。具体的には、温度差が小さい場合は、インジェクション回路の動作を行う。これにより、凝縮器出口温度を高く、中間熱交換器２２によるインジェクション回路と主流回路の熱交換量を大きく、インジェクション回路を流れる冷媒の流量を多く、主流回路の冷媒流量を低減することが可能で、ＣＯＰを向上させることができる。一方、温度差が大きい場合は、インジェクション回路を流れる冷媒の流量が減ってインジェクション回路が無い場合の冷媒回路との差が小さくなる。従って、この場合は、インジェクション回路の動作を停止する。これにより、インジェクション回路を流れる冷媒による圧損を無くすことができる。また、温度差が大きい場合は、凝縮器出口温度を低くできるため、エンタルピ差を確保することでＣＯＰを向上することができ、冷媒循環量を低減できるので、圧縮機の回転数の上昇を抑え、効率の良い運転点で運転することができる。このようにインジェクション回路の動作の切り替えを行うことで、冷媒回路システム１は、利用側入口温度の変化に対応して（一過式システムに対しても循環式システムに対しても）効率よく運転できる。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。また、この発明の技術範囲は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、圧縮機の台数は２台でなくても複数台（例えば３台）であればよい。

１・・・冷媒回路システム
１０Ａ・・・高段側圧縮機
１０Ｂ・・・低段側圧縮機
１１・・・利用側熱交換器
１２・・・第１膨張弁
１３・・・レシーバ
１４・・・第２膨張弁
１５・・・熱源側熱交換器
１６・・・アキュムレータ
１７・・・主流配管
２０・・・インジェクション配管
２１・・・第３膨張弁
２２・・・中間熱交換器
３１、３２、３３・・・温度センサ
３４、３５・・・圧力センサ
１００・・・制御装置

Claims (7)

1. 冷媒を圧縮する複数の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる利用側熱交換器と、前記利用側熱交換器から流出する前記冷媒を減圧する第１膨張弁と、前記第１膨張弁で減圧された前記冷媒の一部を貯留するレシーバと、前記レシーバから流出する前記冷媒を減圧する第２膨張弁と、前記第２膨張弁にて減圧された前記冷媒を蒸発させる熱源側熱交換器と、を接続した主流回路と、
   前記レシーバから流出する前記冷媒の一部を分岐し、当該分岐した冷媒を、前記複数の圧縮機のうち、最も低段側を除く所定の圧縮機の吸入側に供給するインジェクション回路であって、前記分岐した一部の冷媒を減圧する第３膨張弁と、前記第３膨張弁を通過した前記冷媒と前記主流回路を通過する冷媒との熱交換を行う中間熱交換器と、を備えるインジェクション回路と、
   前記利用側熱交換器によって熱の供給を受ける利用側媒体の前記利用側熱交換器の入口側における入口温度と、前記利用側媒体の前記利用側熱交換器の出口側における出口温度との差に基づいて、前記インジェクション回路の動作と非動作とを切り替える制御装置と、
   を備える冷媒回路システム。
2. 前記制御装置は、前記入口温度と前記出口温度との差が所定の第１閾値以上の場合、前記第３膨張弁を全閉に制御する、
   請求項１に記載の冷媒回路システム。
3. 前記制御装置は、前記入口温度と前記出口温度との差が所定の第２閾値以下の場合、前記第３膨張弁を０より大きな所定の開度に制御する、
   請求項１または請求項２に記載の冷媒回路システム。
4. 前記制御装置は、前記利用側媒体の出口温度の目標値に基づいて前記複数の圧縮機のうち、最も高段側に設けられた圧縮機の回転数を制御し、
   前記利用側媒体の入口温度に基づく前記利用側熱交換器の出口側温度を目標値として前記第１膨張弁の開度を制御する、
   請求項１から請求項３の何れか１項に記載の冷媒回路システム。
5. 前記制御装置は、前記入口温度に代えて、前記冷媒の前記利用側熱交換器の出口側における温度である出口側温度と、前記出口温度との差に基づいて、前記インジェクション回路の動作と非動作とを切り替える、
   請求項１から請求項３の何れか１項に記載の冷媒回路システム。
6. 前記制御装置は、前記入口温度と、前記出口温度に代えて凝縮圧力飽和温度または吐出圧力飽和温度との差に基づいて、前記インジェクション回路の動作と非動作とを切り替える、
   請求項１から請求項４の何れか１項に記載の冷媒回路システム。
7. 冷媒を圧縮する複数の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる利用側熱交換器と、前記利用側熱交換器から流出する前記冷媒を減圧する第１膨張弁と、前記第１膨張弁で減圧された前記冷媒の一部を貯留するレシーバと、前記レシーバから流出する前記冷媒を減圧する第２膨張弁と、前記第２膨張弁にて減圧された前記冷媒を蒸発させる熱源側熱交換器と、を接続した主流回路と、前記レシーバから流出する前記冷媒の一部を分岐し、当該分岐した冷媒を、前記複数の圧縮機のうち、最も低段側を除く所定の圧縮機の吸入側に供給するインジェクション回路であって、前記分岐した一部の冷媒を減圧する第３膨張弁と、前記第３膨張弁を通過した前記冷媒と前記主流回路を通過する冷媒との熱交換を行う中間熱交換器と、を備えるインジェクション回路と、を備える冷媒回路システムにおいて、
   前記利用側熱交換器によって熱の供給を受ける利用側媒体の前記利用側熱交換器の入口側における入口温度と、前記利用側媒体の前記利用側熱交換器の出口側における出口温度との差に基づいて、前記インジェクション回路の動作と非動作とを切り替える、
   制御方法。

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