JPWO2012086089A1 - ヒートポンプ装置の運転制御方法及び装置 - Google Patents

ヒートポンプ装置の運転制御方法及び装置 Download PDF

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Abstract

全気筒運転下で、許容最大負荷から潤滑油ポンプ２８の流量を確保し得る潤滑下限負荷までの間の往復動圧縮機１６の容量制御を、往復動圧縮機１６を駆動する駆動モータ２４の回転数を制御して行い、潤滑下限負荷以下の往復動圧縮機１６の容量制御を、運転気筒数を減じる制御と駆動モータ２４の回転数制御とを組み合わせて行ないながら、高温水ｈの凝縮器１８の出口温度を設定範囲に保持する。また、往復動圧縮機１６の吸入路１４ａに加熱機構７０Ａを設け、運転中又は起動時の往復動圧縮機１６への冷媒液の液バックを防止する。

Description

本発明は、ＮＨ３冷媒を用いたヒートポンプ装置によって、所望温度の高温水又は低温水を安定供給可能にした運転制御方法及び運転制御装置に関する。
従来からヒートポンプ装置の作動冷媒として、地球環境保全の観点から、フロンに代わり、オゾン層破壊係数（ＯＤＰ），地球温暖化係数（ＧＷＰ）が少ない自然冷媒の活用が推進されてきた。自然冷媒であるＣＯ２は、ＯＤＰ＝０、ＧＷＰ＝１と小さく、給湯では、高温給湯が可能であり、ＣＯＰも高いため、家庭用や業務用の給湯機として実用されている。
しかし、ＣＯ２冷媒は、周囲雰囲気温度において一般冷媒よりも圧力が高いため、既存設備が使用できず、ＣＯ２圧力対応の設備を配管系も含めて新設となるので、設備費が高コストとなるという問題がある。そこで、ＯＤＰ＝０、ＧＷＰ≒０の自然冷媒であり、蒸発潜熱が大きく、冷却能力又は加熱能力が高いＮＨ３冷媒を使用したヒートポンプ装置が製品化され、高温水を製造する省エネ型のボイラ代替機能として実用化されている。
特許文献１及び特許文献２には、ＮＨ３冷媒を用いたヒートポンプ装置が開示されている。
特開２００８−２５５９１９号公開公報 国際公開ＷＯ２０１０−１３５９０号公開公報
ヒートポンプ装置では、製造した高温水の利用先として、暖房、給湯、産業プロセス加熱、洗浄、殺菌、融雪等がある。これらの用途では、一定温度の温水を継続して供給する運転が求められる。また、負荷が低下した場合、負荷側からの環水温度が上がるため、ヒートポンプ装置の容量制御を行なう必要がある。また、ヒートポンプ装置の熱源や周囲温度の変化によっても、ヒートポンプ装置の冷却能力又は加熱能力が異なってくるため、これらの変化に対応した運転制御を行なう必要がある。一定温度の温水を継続して供給するためには、負荷や周囲温度の変動に合わせて、圧縮機の容量を比例制御する必要がある。
また、ＮＨ３冷媒は、例えば、５０〜１００℃の高温水を製造するためには、ヒートポンプサイクルの低圧側で１．５ＭＰａ、高圧側では５ＭＰａを超える圧力となる。そのため、運転条件及び周囲温度等の変動要素により、冷媒圧力が左右され、停止時の吸入配管、圧縮機、吐出配管及び運転時の吸入配管、圧縮機の冷媒側表面温度が、ＮＨ３冷媒ガス圧力の飽和温度以下に低下してＮＨ３冷媒ガスが液化するという問題がある。
また、圧縮機吸入路のＮＨ３冷媒ガス圧力が高くなったとき、吸入配管の温度がそれに追従できず、高温化したＮＨ３冷媒ガスが吸入配管に接触して液化する場合もある。液化冷媒が圧縮機に吸入されると、ピストンやピストンリング等の金属接触が起こり、機器、部品が損傷するおそれがある。
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、ＮＨ３冷媒を用いたヒートポンプ装置において、負荷や周囲環境の変動に対しても、ＣＯＰを低下させることなく、常に所望温度、例えば５０〜９０℃の高温水等を供給可能にすることを目的とする。
また、運転中又は運転停止時に圧縮機への液バックをなくし、圧縮機を構成する機器、部品等の損傷を防止することを第２の目的とする。
かかる目的を達成するため、本発明のヒートポンプ装置の運転制御方法は、ＮＨ３を冷媒とし、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を備え、ヒートポンプサイクルを構成するヒートポンプ装置の運転制御方法において、凝縮器又は蒸発器でＮＨ３冷媒と熱交換する熱交換流体の凝縮器又は蒸発器での出口温度を検出する第１工程と、全気筒運転下で、許容最大負荷から潤滑油ポンプの流量を確保し得る潤滑下限負荷までの間の往復動圧縮機の容量制御を、往復動圧縮機を駆動する駆動モータの回転数制御によって行いながら、熱交換流体の凝縮器又は蒸発器での出口温度を設定範囲に保持する第２工程と、潤滑下限負荷以下の往復動圧縮機の容量制御を、運転気筒数を減じる制御と前記駆動モータの回転数制御とを組み合わせて行ないながら、熱交換流体の凝縮器又は蒸発器での出口温度を設定範囲に保持する第３工程と、からなるものである。
本発明方法では、圧縮機として、比較的低コストでかつ容量制御が容易な往復動圧縮機を用いている。そして、熱交換流体の凝縮器又は蒸発器での出口温度を検出しながら、許容最大負荷から潤滑油ポンプの流量を確保し得る潤滑下限負荷までの間の往復動圧縮機の容量制御を、全気筒運転しながら駆動モータの回転数制御によって行なう。また、それ以下の負荷では、気筒数制御と駆動モータの回転数制御とを組み合わせて行なうようにしたものである。
これによって、高いＣＯＰを維持しながら、負荷に対する比例制御を可能にしている。また、負荷に対する比例制御を可能にすることによって、圧縮機吸入配管での冷媒の液化を防止するようにしている。さらに、熱交換流体の凝縮器又は蒸発器での出口温度を設定範囲に保持することで、高低所望温度の熱交換流体を製造可能になる。
圧縮機の容量を減少させると、冷媒循環量が減少するので、蒸発器の蒸発能力に余裕が生じることから、蒸発温度が上昇し、それにより吸入圧力が上昇する。そのため、過度的に吸入配管の温度がＮＨ３冷媒の飽和温度を下回り、ＮＨ３冷媒ガスの凝縮液化が生じる可能性がある。
本発明方法において、往復動圧縮機の冷媒吸入路に設けられた加熱機構によって、該冷媒吸入路に流入するＮＨ３冷媒を飽和温度以上に保持し、ＮＨ３冷媒の往復動圧縮機への液バックを防止するようにするとよい。
この場合、圧縮機の容量減の制御を行なう前に、予め加熱機構を作動させておくとよい。これによって、ヒートポンプ装置の運転中又は停止中に、ＮＨ３冷媒の圧縮機への液バックを確実に防止できる。そのため、圧縮機を構成する機器、部品の潤滑性を良好に保持できるので、圧縮機摺動部の異常摩耗を防止できる。
本発明方法において、往復動圧縮機の吸入路に設けられた遮断弁によって、ヒートポンプ装置の停止時該吸入路を遮断し、往復動圧縮機の起動時の液バックを防止するとよい。ヒートポンプ装置の熱源が多種多様に異なる場合、ヒートポンプ装置の停止時に、圧縮機の温度が低いとき、前記遮断弁で吸入路を遮断することにより、吸入路から圧縮機への液バックを防ぎ、圧縮機起動時の潤滑油フォーミング及び圧縮機摺動部の異常摩耗を確実に防止できる。
本発明方法において、往復動圧縮機の停止時に、往復動圧縮機の吐出路の高圧冷媒ガスを吸入遮断弁のある蒸発器側(低圧部)へ逃がすことにより、往復動圧縮機の高低圧力差を最少にし、往復動圧縮機の高圧部での液化を防止するようにするとよい。往復動圧縮機の停止直後に、吐出路の高圧冷媒ガスを低圧の蒸発器側に逃がすことにより、圧縮機吐出路側が周囲温度により冷却され、圧縮室内部のＮＨ３冷媒が液凝縮し、次の起動時に往復動圧縮機の内部機器に損傷を与える危険性を軽減することができる。
また、本発明方法において、往復動圧縮機の起動時に、往復動圧縮機の吐出路の高圧冷媒ガスを吸入遮断弁のある蒸発器側(低圧部)へ逃がすことにより、往復動圧縮機の高低圧力差を最少にし、該往復動圧縮機の起動トルクを低減させるようにするとよい。圧縮機の起動時に、吸入路と吐出路との圧力差が少ないほど、圧縮機の駆動モータの起動トルクが小さくて済む。そのため、圧縮機の起動時に、圧縮機の吐出路の高圧を低圧の蒸発器側に均圧させることで、駆動モータの起動トルクを低減できる。
前記本発明方法の実施に直接使用可能な本発明のヒートポンプ装置の運転制御装置は、ＮＨ３を冷媒とし、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を備え、ヒートポンプサイクルを構成するヒートポンプ装置の運転制御装置において、圧縮機が、複数の気筒と、これら気筒のピストンを駆動する駆動モータと、該駆動モータによって駆動される潤滑油ポンプとを備えた往復動圧縮機であり、凝縮器又は蒸発器でＮＨ３冷媒と熱交換する熱交換流体の凝縮器又は蒸発器での出口温度を検出する温度センサと、許容最大負荷から潤滑油ポンプの流量が往復動圧縮機の潤滑状態を保持し得る潤滑下限負荷までの間の往復動圧縮機の容量制御を、往復動圧縮機を駆動する駆動モータの回転数制御によって行うと共に、潤滑下限負荷以下の往復動圧縮機の容量制御を、前記駆動モータの回転数制御と気筒数制御とを組み合わせて行ない、熱交換流体の凝縮器又は蒸発器での出口温度を設定範囲に保持するコントローラと、を備えているものである。
本発明装置では、圧縮機として、比較的低コストでかつ容量制御が容易な往復動圧縮機を用いている。熱交換流体の凝縮器又は蒸発器での出口温度を検出しながら、許容最大負荷から潤滑油ポンプの流量を確保し得る潤滑下限負荷までの間の往復動圧縮機の容量制御を、全気筒運転しながら駆動モータの回転数制御によって行なう。また、それ以下の負荷では、気筒数制御と駆動モータの回転数制御とを組み合わせて行なうようにしたものである。
これによって、高いＣＯＰを維持しながら、負荷に対する比例制御を可能にしている。また、負荷に対する比例制御を可能にすることによって、圧縮機吸入配管での冷媒の液化を防止するようにしている。また、熱交換流体の凝縮器又は蒸発器での出口温度を設定範囲に保持することで、所望温度の熱媒体を製造可能になる。
本発明装置において、往復動圧縮機の冷媒吸入路に加熱機構を設け、該冷媒吸入路に流入するＮＨ３冷媒を飽和温度以上に保持し、ＮＨ３冷媒の往復動圧縮機への液バックを防止するようにするとよい。このように、ＮＨ３冷媒を飽和温度以上に保持することで、ＮＨ３冷媒の液化を防止し、これによって、ヒートポンプ装置の運転中又は停止中に、ＮＨ３冷媒の圧縮機への液バックを確実に防止できる。そのため、圧縮機を構成する機器、部品の潤滑性を良好に保持できるので、圧縮機摺動部の異常摩耗を防止できる。
本発明装置において、前記加熱機構が、往復動圧縮機の吸入路に設けられた加熱ヒータであるとよい。これによって、簡素かつ低コストな構成で、ＮＨ３冷媒の圧縮機への液バックを確実に防止できる。
前記加熱機構は、圧縮機の吸入路を二重管構造にし、往復動圧縮機から吐出した冷媒ガス又は凝縮器出口側の冷媒液を該二重管構造の外側管に導入し、該冷媒ガス又は冷媒液の保有熱で吸入路を加熱するようにするとよい。これによって、冷媒の保有熱を利用するので、特別なエネルギー源を必要としない利点がある。
前記加熱機構は、圧縮機から吐出した冷媒ガスの一部を分岐させ、吸入路に注入させて、該冷媒ガスの保有熱で吸入路を加熱するようにしたものでもよい。冷媒ガスの顕熱分を吸入路の加熱に利用できるので、加熱効率を向上できる。
前記加熱機構は、圧縮機を着脱型の保温ジャケットで覆うものであるとよい。これによって、設備工事を簡素化かつ低コストにできる。
本発明装置において、往復動圧縮機の停止時又は起動時に、往復動圧縮機の吐出路の高圧ガスを吸入遮断弁の蒸発器側(低圧部)へ逃がす均圧機構を設けるようにするとよい。往復動圧縮機の停止直後に、吐出路の高圧ガスを低圧の蒸発器側に逃がすことにより、圧縮機高圧側が周囲温度により冷却され、内部のＮＨ３冷媒が液凝縮し、次の起動時に往復動圧縮機の内部機器に損傷を与える危険性を軽減することができる。
また、往復動圧縮機の起動時に、吐出路の高圧を蒸発器側低圧に均圧させることで、起動時の駆動モータの起動トルクを低減できる。
前記均圧機構が、往復動圧縮機の吐出路又は凝縮器に熱交換器を設け、ヒートポンプ装置の停止時に該熱交換器に冷却媒体を流し、冷媒ガスを凝縮液化して吐出路の冷媒ガス圧を低減するものであるとよい。これによって、圧縮機の吸入路と吐出路との圧力差を小さくでき、圧縮機駆動モータの起動トルクを低減できる。なお、前記冷却媒体の温度又は流量を調整することで、吐出路の冷媒圧力を精度良く調整でき、そのため、吸入路と吐出路との圧力差を精度良く調整できる。
本発明装置において、ヒートポンプサイクル構成機器を備えた第２のヒートポンプ装置が設けられ、ヒートポンプ装置の蒸発器が第２のヒートポンプ装置の高圧側冷媒経路に組み込まれ、第２のヒートポンプ装置の冷媒の保有熱を熱源とするカスケードコンデンサとして構成され、該第２のヒートポンプ装置の高圧側冷媒経路の圧力調整を行なって、熱交換流体の凝縮器出口温度を設定範囲に保持するようにするとよい。これによって、熱交換流体を高温化でき、高い温度の熱交換流体を必要とする需要先の要求に応じることができる。
また、第２のヒートポンプ装置の保有熱を熱源として利用するとき、第２のヒートポンプ装置の凝縮温度が、例えば季節により、夏期は凝縮温度が４０℃となり、冬期は凝縮温度が１５℃となり、熱源温度が大きく変動する。凝縮温度が１５℃となれば、ＣＯＰは低減すると共に汲み上げる熱量が減少して、熱交換流体を要求温度にできない場合がある。これに対し、第２のヒートポンプ装置の高圧側冷媒経路の圧力調整を行なうことにより、熱交換流体を設定温度に調整できる。
なお、第２のヒートポンプ装置を設けた前記構成において、第２のヒートポンプ装置の凝縮後の冷媒液をカスケードコンデンサで過冷却させ、過冷却した冷媒液を第２のヒートポンプ装置の低圧側冷媒循環路に戻すように構成するとよい。これによって、第２のヒートポンプ装置の冷凍効果を向上できる。
また、カスケードコンデンサが第２のヒートポンプ装置の凝縮器と並列に配置され、該凝縮器の冷媒流量を調整して該凝縮器の凝縮圧力を調整するように構成するとよい。これによって、カスケードコンデンサの熱源を確保しながら、夏期においては、第２のヒートポンプ装置の凝縮負荷の一部をカスケードコンデンサで分担軽減し、第２のヒートポンプ装置の凝縮器の冷媒凝縮温度を低減することにより、ＣＯＰを向上させた高効率運転が可能になる。冬期においては、第２のヒートポンプ装置の凝縮負荷を低減させ、カスケードコンデンサの熱源に供する側の比率を増加させることにより、ヒートポンプ装置の高効率運転が可能となる。
従って、ヒートポンプ装置の熱交換流体の凝縮器出口温度を高い方向に可変制御運転する場合、第２のヒートポンプ装置と平行して凝縮負荷を制御することにより、カスケードコンデンサと熱交換する凝縮液の温度を上げて高効率運転が容易となる。これらの夏期及び冬期の運転条件を計画制御することにより、ヒートポンプ装置及び第２のヒートポンプ装置の通年の総合運転効率を最適化できる。これによって、ヒートポンプ装置の所期凝縮圧力相当の熱源温度が確保できるので、熱交換流体を所期温度まで高温化できる。
前記構成において、カスケードコンデンサが第２のヒートポンプ装置の凝縮器と圧縮機との間に直列に配置され、該凝縮器の冷媒流量を調整するか、又はカスケードコンデンサと凝縮器との間に設けた吐出圧力調整弁により該凝縮器の凝縮圧力を調整するように構成するとよい。これによって、第２のヒートポンプ装置の冷媒の過熱分を含め顕熱分を有効に利用できるため、第２ヒートポンプ装置の容量が小さい場合でも、カスケードコンデンサの熱源を確保できる。また、吐出圧力調整弁で第２のヒートポンプ装置の冷媒ガスの凝縮圧力を制御することで、凝縮温度を低減し、これによって、第２のヒートポンプ装置の運転効率を向上できる。
本発明方法によれば、ＮＨ３を冷媒とし、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を備え、ヒートポンプサイクルを構成するヒートポンプ装置の運転制御方法において、凝縮器又は蒸発器でＮＨ３冷媒と熱交換する熱交換流体の凝縮器又は蒸発器での出口温度を検出する第１工程と、全気筒運転下で、許容最大負荷から潤滑油ポンプの流量を確保し得る潤滑下限負荷までの間の前記往復動圧縮機の容量制御を、往復動圧縮機を駆動する駆動モータの回転数を制御して行いながら、熱交換流体の凝縮器又は蒸発器での出口温度を設定範囲に保持する第２工程と、潤滑下限負荷以下の往復動圧縮機の容量制御を、運転気筒数を減じる制御と駆動モータの回転数制御とを組み合わせて行ないながら、熱交換流体の凝縮器又は蒸発器での出口温度を設定範囲に保持する第３工程と、からなるので、高いＣＯＰを維持しながら、負荷に対する比例制御を可能にし、これによって、所望温度の熱交換流体の製造を可能にし、かつ圧縮機吸入配管での冷媒の液化を防止できる。
本発明装置によれば、ＮＨ３を冷媒とし、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を備え、ヒートポンプサイクルを構成するヒートポンプ装置の運転制御装置において、圧縮機が、複数の気筒と、これら気筒のピストンを駆動する駆動モータと、該駆動モータによって駆動される潤滑油ポンプとを備えた往復動圧縮機であり、凝縮器又は蒸発器でＮＨ３冷媒と熱交換する熱交換流体の凝縮器又は蒸発器での出口温度を検出する温度センサと、許容最大負荷から潤滑油ポンプの流量が往復動圧縮機の潤滑状態を保持し得る潤滑下限負荷までの間の往復動圧縮機の容量制御を、往復動圧縮機を駆動する駆動モータの回転数制御によって行うと共に、潤滑下限負荷以下の往復動圧縮機の容量制御を、駆動モータの回転数制御と気筒数制御とを組み合わせて行ない、熱交換流体の凝縮器又は蒸発器での出口温度を設定範囲に保持するコントローラと、を備えているので、前記本発明方法と同様の作用効果を得ることができる。
本発明方法及び装置の第１実施形態に係るヒートポンプ装置の全体構成図である。 前記第１実施形態で圧縮機吸入路に設けられた加熱機構を示す説明図である。 圧縮機の容量制御方法を示す線図であり、比較例を示す。 圧縮機の容量制御方法を示す線図であり、第１実施形態の容量制御を示す。 圧縮機の容量制御方法を示す線図であり、例外的な容量制御を示す。 圧縮機の容量制御に対する温水温度の追従性に係る実験データを示す線図であり、比較例としての容量制御を示す。 圧縮機の容量制御に対する温水温度の追従性に係る実験データを示す線図であり、本発明の容量制御を示す。 別な加熱機構を示す説明図である。 さらに別な加熱機構を示す説明図である。 さらに別な加熱機構を示す説明図である。 本発明方法及び装置の第２実施形態に係るヒートポンプ装置の全体構成図である。 本発明方法及び装置の第３実施形態に係るヒートポンプ装置の全体構成図である。
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
本発明方法及び装置の第１実施形態を図１〜図２、図３Ａ〜図３Ｃ及び図４Ａ、図４Ｂに基づいて説明する。図１に、本実施形態のヒートポンプ装置１０Ａを示す。ヒートポンプ装置１０Ａは、ＮＨ３を冷媒とする高圧側ヒートポンプ装置１２と、低圧側ヒートポンプ装置４０とから構成されている。低圧側ヒートポンプ装置４０で用いられる冷媒の種類は特に限定されない。ＮＨ３冷媒を用いてもよい。
高圧側ヒートポンプ装置１２は、ＮＨ３冷媒が循環する冷媒循環路１４ａ〜１４ｃに、多気筒型往復動圧縮機１６、例えば６気筒を備えた往復動圧縮機１６と、凝縮器１８と、膨張弁２０と、カスケードコンデンサ２２とが設けられて構成されている。多気筒型往復動圧縮機１６は、駆動モータ２４と、駆動モータ２４の回転数を制御するインバータ装置２６と、クランク軸の回転と連動して、クランクケース３０内に溜まった潤滑油ｏを圧縮機内の各機器及び部品に供給する潤滑油ポンプ２８とを備えている。
低圧側ヒートポンプ装置４０は、冷媒循環路４２ａ〜４２ｅに、圧縮機４４と、凝縮器４６と、レシーバ４８と、膨張弁５０と、サージドラム５２とが設けられて構成されている。圧縮機４４の種類は特に限定されない。また、サージドラム５２と蒸発器５４との間は、第２の冷媒循環路５６ａ及び５６ｂで接続され、サージドラム５２から液ポンプ５８によって蒸発器５４に冷媒液が循環されている。蒸発器５４には、各種冷却用途の冷水又は冷凍冷蔵装置（図示省略）などで製造される冷却媒体ｗが循環する循環管６０が組み込まれ、冷却媒体ｗが蒸発器５４に送られてくる。蒸発器５４で冷媒液と冷却媒体ｗとが熱交換され、冷媒液の一部が冷媒ガスとなって、サージドラム５２に戻される。
サージドラム５２内の冷媒ガスは、圧縮機４４に送られて圧縮された後、凝縮器４６で凝縮される。凝縮した冷媒液ｒ１は、一旦レシーバ４８に貯留された後、膨張弁５０を通って一部がガス化し、サージドラム５２に戻される。冷媒循環路４２ａを通る冷媒ガスの一部ｒ２は、分岐管６２ａを通り、高圧側ヒートポンプ装置１２のカスケードコンデンサ２２に導入される。カスケードコンデンサ２２は、凝縮器４６に対して、並列となるように、冷媒循環路４２ａ〜４２ｅに接続されている。
カスケードコンデンサ２２に導入された冷媒ガスｒ２は、カスケードコンデンサ２２でＮＨ３冷媒と配管を介して間接熱交換し、ＮＨ３冷媒に吸熱される。カスケードコンデンサ２２で液化された冷媒は、分岐管６２ｂを通って冷媒循環路４２ｄに戻る。なお、冷媒循環路４２ａには、凝縮器４６の上流側で流量調整弁６４が設けられている。この流量調整弁６４で凝縮器４６に入る冷媒ガスの流量を調整することで、分岐管６２ａからカスケードコンデンサ２２に送られる冷媒ガスｒ２の凝縮圧力を調整する。
カスケードコンデンサ２２で冷媒ガスｒ２と熱交換し気化したＮＨ３冷媒ガスは、多気筒型往復動圧縮機１６に送られ、ここで圧縮された後、凝縮器１８で凝縮される。凝縮器１８には、高温水の循環路３４が接続され、高温水が供給先Ａから凝縮器１８に連続的に循環している。ＮＨ３冷媒ガスは、この高温水と熱交換し、冷却されて凝縮する。凝縮器１８で５０〜１００℃に加熱された高温水ｈは、供給先Ａに供給される。供給先Ａでは、暖房、給湯、産業用プロセスの加熱源、洗浄、殺菌又は融雪等に使用される。
凝縮したＮＨ３冷媒液は、膨張弁２０で減圧され、カスケードコンデンサ２２で低圧側ヒートポンプ装置４０の冷媒ガスｒ２と熱交換して気化する。凝縮器１８の循環路３４の出口側には高温水ｈの温度を検出する温度センサ３６が設けられている。
コントローラ６６には、温度センサ３６の検出値が入力される。また、コントローラ６６は、往復動圧縮機１６の吸入弁の動作を制御して運転気筒数を調整すると共に、インバータ装置２６を制御して往復動圧縮機１６の回転数を制御できる。また、コントローラ６６は、圧縮機４４の駆動モータ４５を、インバータ装置（図示省略）等を介して制御すると共に、膨張弁２０、５０及び流量調整弁６４の開度を制御できる。
また、多気筒型往復動圧縮機１６と凝縮器１８間の吐出路１４ｂに、冷却器３２が設けられている。冷却器３２には冷却水ｃが循環しており、冷却器３２を通るＮＨ３冷媒ガスを冷却水ｃで冷却し、ＮＨ３冷媒ガスの圧力を低減している。
また、図２に示すように、往復動圧縮機１６の吸入路１４ａには、加熱機構７０Ａが設けられている。図２において、この加熱機構７０Ａは、吸入路１４ａを構成する吸入配管に、加熱ヒータを内蔵して吸入配管を被覆した保温材７０２と、吸入配管の温度を検出する温度センサ７０４と、吸入配管を流れるＮＨ３冷媒ガスの温度及び圧力を検出する温度センサ７０６及び圧力センサ７０８とで構成されている。また、吸入配管には、ヒートポンプ装置１０の停止時に吸入配管を遮断する遮断弁７２が設けられている。これらセンサの検出値はコントローラ６６に入力され、遮断弁７２の動作は、コントローラ６６によって制御される。
かかる構成において、コントローラ６６によって、往復動圧縮機１６の駆動モータ２４の回転数と、気筒数とを制御しながらヒートポンプ装置１０Ａを運転する。図３Ａに示すように、多気筒型往復動圧縮機１６が回転数を一定にし、気筒数制御のみで、温度センサ３６で検出される高温水ｈの温度を設定範囲に制御する場合、多気筒型往復動圧縮機１６の容量制御は段階的なステップ状のものとなる。例えば、多気筒型往復動圧縮機１６を２気筒ずつ増減制御する場合、多気筒型往復動圧縮機１６の容量は、１００％、６７％及び３３％と段階的な制御となる。図３Ａ〜図３Ｃの横軸は、多気筒型往復動圧縮機１６の許容最高回転数かつ全気筒運転での能力を１００％としている。縦軸は、１００％容量時のＣＯＰを１としたものである。
図３Ａに示すように、気筒数のみの制御では、温度センサ３６の検出値を設定範囲に制御しようとするとき、該検出値が設定範囲にうまく合わず、ハンチングする場合がある。図３Ｂは、気筒数制御と回転数制御とを組み合わせた本実施形態の制御方法を示す。１００％容量から圧縮機の回転数を下げ、潤滑油ポンプ２８が往復動圧縮機１６の潤滑性能を維持できる最低回転数になる容量までは、全気筒運転下で圧縮機の回転数を下げていくことで、容量制御を行なう。それ以下の容量に落とすときは、運転気筒数を４気筒に落とし、逆に各気筒の回転数を上げる。往復動圧縮機では、回転数が低いほうがＣＯＰを向上できるので、なるべく低い回転数で運転するようにする。
６気筒運転のとき、許容最高回転数が１５００ｒｐｍで、最低回転数が９００ｒｐｍとする。このとき、４気筒運転での許容最高回転数での運転を、６気筒での最低回転数での運転と比べ、数％減となるように設定することで、気筒数が変わっても圧縮機の容量を連続的にＰＩＤ制御できる。４気筒運転から２気筒運転に移行する場合も同様に設定する。
図３Ｃは、温水需要の高負荷運転時間が長く続き、温水需要がなくても低負荷運転を継続する必要がある場合の例外的な運転方法である。この場合、６気筒運転中は回転数制御を行ない、４気筒運転及び２気筒運転中は、最低回転数のみで運転することで、高いＣＯＰでの運転が可能となる。
本実施形態では、温度センサ３６で高温水ｈの温度を検出し、この検出値が設定範囲になるように、往復動圧縮機１６の回転数と気筒数とを制御する。また、運転中、温度センサ７０４，７０６及び圧力センサ７０８を検出しながら、ＮＨ３冷媒ガスの圧力変動によっても、ＮＨ３冷媒ガスが液化しないように、加熱機構７０Ａを作動させておく。ヒートポンプ装置１０Ａの起動時にも、予め加熱機構７０Ａを作動させて温度制御を行なう。ヒートポンプ装置１０Ａの運転停止時には、遮断弁７２で吸入路１４ａを遮断することで、起動時の液バックを防止する。例えば蒸発器５４の熱源である冷水ｗの循環が冷凍冷蔵装置側の特別な事由により停止せず、高圧側ヒートポンプ装置１２側が停止し、蒸発器５４側より冷媒温度が下がる場合に、往復動圧縮機１６側での起動時の冷媒液化を防止する。
また往復動圧縮機１６の起動前に、冷却器３２を作動させ、吐出路１４ｂの冷媒圧力を低減させておく。これによって、往復動圧縮機１６の起動トルクを低減できる。
また、コントローラ６６で流量調整弁６４の開度を制御することで、凝縮器４６の凝縮圧力を制御している。また、カスケードコンデンサ２２での低圧側ヒートポンプ装置４０の冷媒ガスの凝縮圧力を制御することにより、高温水ｈの温度を設定範囲に合わせるために必要な高圧側ヒートポンプ装置１２の作動条件を確保できる。
図４Ａ、図４Ｂは、６気筒を備えた往復動圧縮機で、２気筒ずつの増減制御を行なった場合の運転例を示す。図４Ａは、比較例として、気筒数のみの制御を行なった例であり、図４Ｂは、気筒数制御と回転数制御とを組み合わせた本実施形態の制御を行なった例である。制御対象は、凝縮器１８の出口温水温度である。図４Ａでは、供給先Ａの負荷の連続的な時間変化に対して、往復動圧縮機１６の能力が段階的に変化する。温水出口温度が設定温度に対して上下し、偏差が生じる。また、供給先Ａの負荷量によっては、往復動圧縮機１６の容量がハンチングする。
図４Ｂでは、供給先Ａの負荷の連続的な時間変化に対して、往復動圧縮機１６の能力が連続的に追従しており、供給先Ａの負荷と圧縮機能力とはほとんど一致している。そのため、温水出口温度と設定温度との間にほとんど偏差が生じていない。
本実施形態によれば、使用先Ａの負荷変動に対して、往復動圧縮機１６の容量を、往復動圧縮機１６の回転数制御と気筒数制御とを組み合わせて行なうことで、往復動圧縮機１６の容量制御を連続的にＰＩＤ制御できる。そのため、高温水ｈの温度を精度良く設定範囲に合わせることができる。従って、供給先Ａに５０〜１００℃の高温水を常に継続して供給できる。また、コントローラ６６で、流量調整弁６４の開度を制御し、低圧側ヒートポンプ装置４０の凝縮器４６の凝縮圧力を調整しているので、高温水ｈの温度を設定温度に合わせるための高圧側ヒートポンプ装置１２の作動を容易にできる。
また、往復動圧縮機１６の吸入路１４ａを、運転中又は起動時においても、加熱機構７０ＡによってＮＨ３冷媒の飽和温度以上に保持しているので、ＮＨ３冷媒ガスが液化せず、往復動圧縮機１６への冷媒液の液バックが生じない。これによって、圧縮機摺動部の異常摩耗を防止できると共に、圧縮機起動時の潤滑油フォーミングを防止できる。また、ヒートポンプ装置１０Ａの停止時には、遮断弁７２で吸入配管を遮断しているので、停止中でも液バックが生じない。
また、カスケードコンデンサ２２が低圧側ヒートポンプ装置４０の凝縮器４６と並列に配置され、凝縮器４６に送られる冷媒流量を流量調整弁６４で調整することにより、低圧側ヒートポンプ装置４０の運転条件が変化しても、流量調整弁６４でカスケードコンデンサ２２に送る冷媒ガス量を調整できる。そのため、高圧側ヒートポンプ装置１２の熱源を確保しながら、夏期においては、低圧側ヒートポンプ装置４０の凝縮負荷の一部をカスケードコンデンサ２２で分担軽減すると共に、凝縮器４６の冷媒凝縮温度を低減することにより、ＣＯＰを向上させた高効率運転が可能になる。
冬期においては、低圧側ヒートポンプ装置４０の凝縮負荷を高圧側ヒートポンプ装置１２で低減させ、低圧側ヒートポンプ装置４０の凝縮冷媒液の保有熱量のうち、高圧側ヒートポンプ装置１２の熱源に供する側の比率を増加させることにより、ヒートポンプ装置１０の高効率運転が可能となる。
従って、ヒートポンプ装置１２において、ＮＨ３冷媒の凝縮器１８の出口温度を高い方向に可変制御運転する場合、低圧側ヒートポンプ装置４０と平行して凝縮負荷を制御することにより、カスケードコンデンサ２２と熱交換する低圧側ヒートポンプ装置４０の凝縮液の温度を上げて高効率運転が容易となる。これら夏期及び冬期の運転条件を計画制御することにより、ヒートポンプ装置１０の通年の総合運転効率を最適化できる。これによって、ヒートポンプ装置１０の所期凝縮圧力相当の熱源温度が確保できるので、受熱流体を所期温度まで高温化できる。
次に、加熱機構７０Ａの変形例を図５により説明する。この加熱機構７０Ｂは、吸入路１４ａを構成する吸入配管を二重管構造にするものである。即ち、吸入配管を内側管とし、その外側に外側管７１２を設け、凝縮器１８と外側管７１２とを接続する枝管７１４ａ及び７１４ｂを設けている。枝管７１４ａには、コントローラ６６によって開閉を制御される開閉弁７１６を設けている。その他の構成は、加熱機構７０Ａと同一である。
加熱機構７０Ｂでは、必要時に外側管７１２に凝縮器１８から高温の凝縮した冷媒液を導入し、吸入配管を加熱している。加熱機構７０Ｂでは、加熱源として冷媒液の保有熱を利用しているので、特別なエネルギー源を必要としない利点がある。さらに冷媒液は、吸入路１４ａでの熱交換によって過冷却されるため、ヒートポンプ装置１０ＡのＣＯＰ向上に寄与する。
次に、加熱機構７０Ａのさらに別な変形例を図６により説明する。図６の加熱機構７０Ｃは、往復動圧縮機１６の吸入路１４ａと吐出路１４ｂとを接続するバイパス路７１８を設けると共に、バイパス路７１８にコントローラ６６によって開閉を制御される開閉弁７２０を設けている。その他の構成は、加熱機構７０Ａと同一である。
加熱機構７０Ｃでは、必要時に開閉弁７２０を開け、吐出冷媒ガスを吸入路１４ａに導入することで、吸入路１４ａを加熱する。加熱機構７０Ｃでは、吐出冷媒ガスを吸入路１４ａに直接導入することで、吐出冷媒ガスの顕熱を熱源として利用できるので、加熱効率を向上できる利点がある。
なお、この変形例において、バイパス路７１８を吸入路１４ａの周囲に螺旋形状に配置し、吐出冷媒ガスの顕熱で吸入路１４ａを加熱し、加熱後の吐出冷媒ガスを吐出路１４ｂに戻すように構成してもよい。あるいは吸入配管を、図５に示すように二重管構造とし、外側管にバイパス路７１８を接続して吐出冷媒ガスを導入し、その顕熱で内側管を加熱し、加熱後、吐出冷媒ガスを吐出路１４ｂに戻すようにしてもよい。これらの構成例では、吐出路１４ｂの冷媒ガス圧を、バイパス路７１８の通過時の圧力損失ΔＰをだけ高くする必要がある。そのため、バイパス路７１８の分岐部より下流側の吐出路１４ｂに絞りを設けて、吐出冷媒ガス圧を高め、この絞りの下流側吐出路１４ｂに戻り冷媒ガスの接続部を設けるようにする。
次に、加熱機構７０Ａのさらに別な変形例を図７により説明する。この加熱機構７０Ｄは、往復動圧縮機１６を構成するヘッドカバー２５、圧縮機構・ピストン・シリンダスリーブ類２７、潤滑油ポンプ２８及びクランクケース３０をすべて覆う着脱式の断熱ジャケット７２２と、クランクケース３０内の潤滑油を加温するオイルヒータ７２４と、シリンダ壁の温度を検出する温度センサ７２６と、吸入冷媒ガス圧を検出する圧力センサ７２８と、吸入冷媒ガス温度を検出する温度センサ７３０とを備えている。これらセンサの検出値はコントローラ６６に入力される。さらに、吸入配管内冷媒ガスの温度及び圧力を検出する温度センサ７０６と圧力センサ７０８（図示省略）とを設けている。
この加熱機構７０Ｄによれば、簡単かつ低コストな手段で往復動圧縮機１６をすべて保温できる。また、断熱ジャケット７２２は着脱式であるので、必要時に設置すればよく、取り扱いが容易である。
断熱ジャケット７２２は、往復動圧縮機停止後、周囲温度により圧縮機内部で冷媒ガスの液化を防止するため、往復動圧縮機１６の全体を保温する。オイルヒータ７２４により一定高温に維持されたクランクケース３０内の潤滑油ｏからの熱伝導により、コントローラ６６によって、圧縮機の内部機器およびヘッドカバー２５に至る圧縮機全体を、停止中の圧縮機内部の冷媒ガス圧の飽和温度以上に保持し、冷媒の液化を防止する。それにより、通常の往復動圧縮機起動時の冷凍機油フォーミングによる油圧低下防止効果とともに、冷媒液が介在することによる圧縮機構成部品の損傷を防止する。
前記第１実施形態において、往復動圧縮機１６の気筒数制御において、運転する気筒数を６，４，２に設定したが、これに限定する必要はなく、運転気筒数を奇数又は整数に設定してもよい。
前記第１実施形態においては、カスケードコンデンサ２２の熱源として、低圧側ヒートポンプ装置４０から送られる冷媒液以外に、隣接した工場のプロセス流体、冷却塔排熱水、下水処理水、冷房排熱水、廃蒸気等の廃熱や、温泉熱、湖水、河川水、海水、地下水、土壌、外気等が保有する自然熱を熱源としてもよい。
（実施形態２）
次に、本発明方法及び装置の第２実施形態を図８により説明する。本実施形態のヒートポンプ装置１０Ｂは、低圧側ヒートポンプ装置４０で、圧縮機４４の吐出冷媒ガスを吐出路４２ａを介して直接カスケードコンデンサ２２に導入している。また、熱交換後の冷媒をカスケードコンデンサ２２から戻す分岐管６２ｂを、凝縮器４６に接続している。そして、分岐管６２ｂにコントローラ６６によって開度を制御される吐出圧力調整弁６８を設けている。即ち、カスケードコンデンサ２２を凝縮器４６に対してその上流側に直列に配置している。その他の構成は第１実施形態と同一である。
本実施形態によれば、カスケードコンデンサ２２を凝縮器４６の上流側に直列に配置しているので、低圧側ヒートポンプ装置４０の容量が小さい場合でも、過熱冷媒ガスの顕熱分を含め、高圧側ヒートポンプ装置１２に対する熱源供給能力を十分に確保できる。従って、高圧側ヒートポンプ装置１２で、より高温の高温水ｈを製造できる。また、吐出圧力調整弁６８によって、低圧側ヒートポンプ装置４０の凝縮器４６の凝縮圧力を制御し、凝縮器４６での凝縮圧力を低減することで、凝縮温度を低下させ、これによって、低圧側ヒートポンプ装置４０のＣＯＰを向上できる。
（実施形態３）
次に、本発明方法及び装置の第２実施形態を図９により説明する。本実施形態のヒートポンプ装置１０Ｃは、圧縮機４４から吐出された冷媒ガスは、凝縮器４６で凝縮した後、レシーバ４８に一旦貯留される。レシーバ４８に貯留された冷媒液ｒ１は、冷媒循環路４２ｃを通ってカスケードコンデンサ２２に送られ、高圧側ヒートポンプ装置１２の熱源に供される。冷媒液ｒ１は、カスケードコンデンサ２２で熱源に供された後、冷媒循環路４２ｄを経てサージドラム５２に戻される。その他の構成は、前記第１実施形態と同一である。
本実施形態によれば、前記第１実施形態で得られる作用効果に加えて、低圧側ヒートポンプ装置４０で凝縮した冷媒液ｒ１を高圧側ヒートポンプ装置１２の熱源に供することで、冷媒液ｒ１を過冷却し、低圧側ヒートポンプ装置４０の冷凍効果を増大できる。
なお、前記第１実施形態から第３実施形態まで、いずれも凝縮器１８で所望温度の高温水ｈを製造する場合の例であったが、本発明はこれに限定されず、蒸発器５４で所望温度の低温水、あるいはその他の低温冷媒を製造する場合にも適用できる。
本発明によれば、ＮＨ３冷媒を用いたヒートポンプ装置において、負荷や周囲環境の変動に対しても、ＣＯＰを低下させることなく、常に所望温度の高温流体又は低温流体を様々な用途に安定供給できる。

Claims (17)

  1. ＮＨ３を冷媒とし、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を備え、ヒートポンプサイクルを構成するヒートポンプ装置の運転制御方法において、
    前記圧縮機が、複数の気筒と、これら気筒のピストンを駆動する駆動モータと、該駆動モータによって駆動される潤滑油ポンプとを備えた往復動圧縮機であり、
    前記凝縮器又は蒸発器でＮＨ３冷媒と熱交換する熱交換流体の凝縮器又は蒸発器での出口温度を検出する第１工程と、
    全気筒運転下で、許容最大負荷から潤滑油ポンプの流量を確保し得る潤滑下限負荷までの間の前記往復動圧縮機の容量制御を、往復動圧縮機を駆動する駆動モータの回転数制御により行いながら、前記熱交換流体の凝縮器又は蒸発器での出口温度を設定範囲に保持する第２工程と、
    前記潤滑下限負荷以下の往復動圧縮機の容量制御を、運転気筒数を減じる制御と前記駆動モータの回転数制御とを組み合わせて行ないながら、熱交換流体の凝縮器又は蒸発器での出口温度を設定範囲に保持する第３工程と、からなることを特徴とするヒートポンプ装置の運転制御方法。
  2. 前記往復動圧縮機の冷媒吸入路に設けられた加熱機構によって、該冷媒吸入路に流入するＮＨ３冷媒を飽和温度以上に保持し、ＮＨ３冷媒の往復動圧縮機への液バックを防止する第４工程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装置の運転制御方法。
  3. 前記往復動圧縮機の吸入路に設けられた遮断弁によって、ヒートポンプ装置の停止時該吸入路を遮断し、往復動圧縮機の起動時の液バックを防止するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプ装置の運転制御方法。
  4. 前記往復動圧縮機の停止時に、往復動圧縮機の吐出路の高圧冷媒ガスを蒸発器側と均圧させ、往復動圧縮機の高圧部での液化を防止する第５工程を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載のヒートポンプ装置の運転制御方法。
  5. 前記往復動圧縮機の起動時に、往復動圧縮機の吐出路の高圧冷媒ガスを蒸発器側と均圧させ、該往復動圧縮機の起動トルクを低減させる第６工程を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載のヒートポンプ装置の運転制御方法。
  6. ＮＨ３を冷媒とし、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を備え、ヒートポンプサイクルを構成するヒートポンプ装置の運転制御装置において、
    前記圧縮機が、複数の気筒と、これら気筒のピストンを駆動する駆動モータと、該駆動モータによって駆動される潤滑油ポンプとを備えた往復動圧縮機であり、
    前記凝縮器又は蒸発器でＮＨ３冷媒と熱交換する熱交換流体の凝縮器又は蒸発器での出口温度を検出する温度センサと、
    許容最大負荷から潤滑油ポンプの流量が往復動圧縮機の潤滑状態を保持し得る潤滑下限負荷までの間の前記往復動圧縮機の容量制御を、往復動圧縮機を駆動する駆動モータの回転数制御を行うと共に、潤滑下限負荷以下の往復動圧縮機の容量制御を、前記駆動モータの回転数制御と気筒数制御とを組み合わせて行ない、熱交換流体の凝縮器又は蒸発器での出口温度を設定範囲に保持するコントローラと、を備えていることを特徴とするヒートポンプ装置の運転制御装置。
  7. 前記往復動圧縮機の冷媒吸入路に加熱機構を設け、該冷媒吸入路に流入するＮＨ３冷媒を飽和温度以上に保持し、ＮＨ３冷媒の往復動圧縮機への液バックを防止するようにしたことを特徴とする請求項６に記載のヒートポンプ装置の運転制御装置。
  8. 前記加熱機構が、往復動圧縮機の吸入路に設けられた加熱ヒータであることを特徴とする請求項７に記載のヒートポンプ装置の運転制御装置。
  9. 前記加熱機構が、往復動圧縮機の吸入路を二重管構造にし、往復動圧縮機から吐出した冷媒ガス又は凝縮器出口側の冷媒液を該二重管構造の外側管に導入し、該冷媒ガス又は冷媒液の保有熱で前記吸入路を加熱するようにしたものであることを特徴とする請求項７に記載のヒートポンプ装置の運転制御装置。
  10. 前記加熱機構が、往復動圧縮機から吐出した冷媒ガスの一部を分岐させ、吸入路に注入させて、該冷媒ガスの保有熱で吸入路を加熱するようにしたものであることを特徴とする請求項７に記載のヒートポンプ装置の運転制御装置。
  11. 前記加熱機構が、往復動圧縮機を着脱型の保温ジャケットで覆うものであることを特徴とする請求項７に記載のヒートポンプ装置の運転制御装置。
  12. 前記往復動圧縮機の停止時又は起動時に、往復動圧縮機の吐出路の高圧冷媒ガスを蒸発器側と均圧させる均圧機構を設けたことを特徴とする請求項６に記載のヒートポンプ装置の運転制御装置。
  13. 前記均圧機構が、往復動圧縮機の吐出路又は凝縮器に熱交換器を設け、ヒートポンプ装置の停止時に該熱交換器に冷却媒体を流し、冷媒ガスを凝縮液化して吐出路の冷媒ガス圧を低減するものであることを特徴とする請求項１２に記載のヒートポンプ装置の運転制御装置。
  14. ヒートポンプサイクル構成機器を備えた第２のヒートポンプ装置が設けられ、前記蒸発器が第２のヒートポンプ装置の高圧側冷媒経路に組み込まれ、第２のヒートポンプ装置の冷媒の保有熱を熱源とするカスケードコンデンサとして構成され、
    該第２のヒートポンプ装置の高圧側冷媒経路の圧力調整を行なって、前記熱交換流体の凝縮器出口温度を設定範囲に保持するようにしたことを特徴とする請求項６に記載のヒートポンプ装置の運転制御装置。
  15. 前記第２のヒートポンプ装置の凝縮した冷媒液を前記カスケードコンデンサで過冷却させ、過冷却した冷媒液を第２のヒートポンプ装置の低圧側冷媒循環路に戻すように構成したことを特徴とする請求項１４に記載のヒートポンプ装置の運転制御装置。
  16. 前記カスケードコンデンサが第２のヒートポンプ装置の凝縮器と並列に配置され、該凝縮器の冷媒流量を調整して該凝縮器の凝縮圧力を調整するように構成したことを特徴とする請求項１４に記載のヒートポンプ装置の運転制御装置。
  17. 前記カスケードコンデンサが第２のヒートポンプ装置の凝縮器と圧縮機との間に直列に配置され、該凝縮器の冷媒流量を調整するか、又はカスケードコンデンサと凝縮器との間に設けた吐出圧力調整弁により該凝縮器の凝縮圧力を調整するように構成したことを特徴とする請求項１４に記載のヒートポンプ装置の運転制御装置。
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