JPWO2017068649A1 - ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

主回路（１１０）は、圧縮機（１０）、室外熱交換器（２０）、主膨張弁（３０）および室内熱交換器（４０）を含み、冷媒を循環可能に構成される。バイパス流路（１３０）は、主回路（１１０）を流れる冷媒が室外熱交換器（２０）を迂回するように構成される。三方弁（６０）は、圧縮機（１０）から吐出される冷媒の流量に対する室外熱交換器（２０）を流れる冷媒の流量の比率を調整可能に構成される。分岐流路（１３０）は、室外熱交換器（２０）と主膨張弁（３０）との間に接続され、主回路（１１０）を流れる冷媒の一部を分岐可能に構成される。副膨張弁（７０）は、分岐流路（１３０）を流れる冷媒の流量を調整可能に構成される。内部熱交換器（８０）は、分岐流路（１３０）を流れる冷媒と、室外熱交換器（２０）から主膨張弁（３０）に流れる冷媒との間で熱交換する。

Description

本発明はヒートポンプシステムに関し、より特定的には、冷媒の少なくとも一部が室外熱交換器を迂回するように構成されたバイパス流路を備えたヒートポンプシステムに関する。

ヒートポンプシステムの冷房運転時に室外熱交換器（凝縮器）における冷媒の凝縮圧力が過度に低い場合、室内熱交換器（蒸発器）に霜が付着したり、過剰な除湿が行なわれたりするなどの不具合が生じ得る。そのため、凝縮圧力の低下を抑制するための技術が提案されている。

たとえば特開２０００−５５４４４号公報（特許文献１）は、凝縮器を通る冷媒の流量と、凝集器をバイパスする冷媒の流量との比率を調整する三方弁を備えた空気調和器を開示する。この空気調和器の制御手段は、所定条件の成立時に（具体的には膨張弁が全開のとき、圧縮機の圧縮比が許容最低圧縮比以下のとき、または再熱器の再熱量が所定値以下のときに）、凝縮圧力を高める方向に三方弁を制御する。

特開２０００−５５４４４号公報

たとえば特許文献１に開示された空気調和器が冷房運転さえる場合、上記所定条件の成立時には、所定条件の不成立時と比べて、三方弁の開度を変化させることにより、凝縮器を迂回する冷媒の流量が大きく設定される。これにより、凝縮圧力の低下を抑制することができる。

その一方で、凝縮器を迂回する冷媒の流量が増加した分だけ、凝縮器を流れる冷媒の流量が減少する。そのため、凝縮器における冷媒から外気への放熱量が小さくなるので、凝縮器における冷媒温度の低下量が小さくなり得る。そうすると、凝縮器から流出して膨張弁に流入する冷媒について、必要な過冷却度が確保できない可能性がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ヒートポンプシステムの冷房運転時において、凝縮圧力の低下を抑制しつつ、膨張弁に流入する冷媒の過冷却度を確保可能な技術を提供することである。

また、ヒートポンプシステムの暖房運転時にも同様の課題が起こり得る。すなわち、たとえば外気温が高い場合に暖房運転を行なうと、外気温が低い場合と比べて、室外熱交換器（蒸発器）における冷媒の蒸発圧力が高くなる。つまり、室外熱交換器から流出して圧縮機へと流入する冷媒の圧力が高くなるので、圧縮機における圧縮比が低くなる。この場合には、三方弁の開度変化により、蒸発器を迂回する冷媒の流量を大きく設定ことによって、蒸発圧力の上昇を抑制することができる。

その一方で、蒸発器を迂回する冷媒の流量が増加した分だけ、蒸発器を流れる冷媒の流量が減少する。そのため、蒸発器における外気から冷媒への吸熱量が小さくなるので、蒸発器における冷媒温度の上昇量が小さくなり得る。そうすると、蒸発器から流出して圧縮機に流入する冷媒について、必要な過熱度が確保できない可能性がある。

本発明の他の目的は、ヒートポンプシステムの暖房運転時において、蒸発圧力の上昇を抑制しつつ、圧縮機に流入する冷媒の過熱度を確保可能な技術を提供することである。

本発明のある局面に従うヒートポンプシステムは、主回路と、バイパス流路と、流量調整器と、分岐流路と、第２の膨張弁と、副熱交換器とを備える。主回路は、圧縮機、室外熱交換器、第１の膨張弁および室内熱交換器を含み、冷媒を循環可能に構成される。バイパス流路は、主回路を流れる冷媒が室外熱交換器を迂回するように構成される。流量調整器は、圧縮機から吐出される冷媒の流量に対する室外熱交換器を流れる冷媒の流量の比率を調整可能に構成される。分岐流路は、室外熱交換器と第１の膨張弁との間に接続され、主回路を流れる冷媒の一部を分岐可能に構成される。第２の膨張弁は、分岐流路を流れる冷媒の流量を調整可能に構成される。副熱交換器は、分岐流路を流れる冷媒と、室外熱交換器から第１の膨張弁に流れる冷媒との間で熱交換する。

本発明の他の局面に従うヒートポンプシステムは、主回路と、バイパス流路と、流量調整器と、分岐流路と、第２の膨張弁と、副熱交換器とを備える。主回路は、圧縮機、室外熱交換器、第１の膨張弁および室内熱交換器を含み、冷媒を循環可能に構成される。バイパス流路は、主回路を流れる冷媒が室外熱交換器を迂回するように構成される。流量調整器は、圧縮機から吐出される冷媒の流量に対する室外熱交換器を流れる冷媒の流量の比率を調整可能に構成される。分岐流路は、圧縮機と室内熱交換器との間に接続され、主回路を流れる冷媒の一部を分岐可能に構成される。第２の膨張弁は、分岐流路を流れる冷媒の流量を調整可能に構成される。副熱交換器は、分岐流路を流れる冷媒と、室外熱交換器から圧縮機へと流れる冷媒との間で熱交換する。

上記構成によれば、凝縮圧力が過度に低い場合には、凝縮圧力が適切な範囲内の場合と比べて、流量調整器により上記比率を低下させることができる。これにより、バイパス流路を介して室外熱交換器を迂回する冷媒の流量が増加するので、凝縮圧力の低下を抑制することができる。さらに、必要な過冷却度が確保できていない場合には、第２の膨張弁を介して分岐流路を流れる冷媒の流量を増加させることができる。これにより、副熱交換器において、主回路を流れる冷媒と、第２の膨張弁により減圧された冷媒との間で交換される熱量が大きくなる。その結果、主回路を流れる冷媒の温度が低下するので、膨張弁に流入する冷媒の過冷却度をより確実に確保することができる。よって、ヒートポンプシステムの冷房運転時において、凝縮圧力の低下を抑制しつつ、過冷却度を確保することができる。

また、詳細は後述するが、ヒートポンプシステムの暖房運転時においても上記と同様に、蒸発圧力の上昇を抑制しつつ、圧縮機に流入する冷媒の過熱度を確保することができる。

実施の形態１に係るヒートポンプシステムの構成を概略的に示すブロック図である。 三方弁の構成を模式的に示す図である。 実施の形態１にて実行される三方弁および副膨張弁の制御を説明するためのフローチャートである。 実施の形態１にて実行される三方弁および副膨張弁の制御に対応するＰｈ線図である。 実施の形態１の変形例に係るヒートポンプシステムの構成を概略的に示すブロック図である。 実施の形態２に係るヒートポンプシステムの構成を概略的に示すブロック図である。 実施の形態２にて実行される三方弁および副膨張弁の制御を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１に係るヒートポンプシステムの構成を概略的に示すブロック図である。図１を参照して、ヒートポンプシステム１００は、主回路１１０と、制御装置５００とを備える。主回路１１０は、圧縮機１０と、室外熱交換器２０と、主膨張弁３０と、室内熱交換器４０と、配管５０とを含む。ヒートポンプシステム１００の冷房運転時における冷媒の流れを矢印ＲＥＦで示す。

圧縮機１０は、たとえばインバータ（図示せず）によって駆動される容量可変型の圧縮機である。圧縮機１０により圧縮されて高温高圧となったガス冷媒は、室外熱交換器２０に流入する。

室外熱交換器２０は、たとえば伝熱管および放熱フィン（図示せず）を含んで構成された熱交換器である。ヒートポンプシステム１００の冷房運転時には、室外熱交換器２０は凝縮器として機能する。室外熱交換器２０において、ガス冷媒は、外気に放熱することにより凝縮して液冷媒となる。

主膨張弁（第１の膨張弁）３０は、たとえばステッピングモータ（図示せず）により開度が制御可能な絞り弁である。主膨張弁３０は冷媒の流量（単位時間当たりに冷媒が流れる量）を調整するために用いられる。また、主膨張弁３０は、室外熱交換器２０により凝縮された高圧の液冷媒を膨張させることにより、液冷媒を減圧する。これにより、冷媒は気液二相冷媒となり、室内熱交換器４０に流入する。

室内熱交換器４０は、室外熱交換器２０と同様に、伝熱管および放熱フィン（図示せず）を含んで構成された熱交換器である。ヒートポンプシステム１００の冷房運転時には、室内熱交換器４０は蒸発器として機能する。室内熱交換器４０において、空気は冷媒によって冷却される。一方、冷媒は温められて気液二相冷媒から低圧のガス冷媒となる。その後、ガス冷媒は圧縮機１０に戻り、圧縮機１０により再び圧縮されて吐出される。

このように、主回路１１０は、圧縮機１０と室外熱交換器２０と主膨張弁３０と室内熱交換器４０とが、この順に配管５０により接続されることによって形成されている。なお、主回路１１０は、いずれも図示しないが、アキュムレータ（低圧受液器）、レシーバ（高圧受液器）、またはオイルセパレータ（油分離器）をさらに含んでもよい。

ヒートポンプシステム１００は、バイパス流路１２０と、三方弁６０と、分岐流路１３０と、内部熱交換器８０と、副膨張弁７０とをさらに備える。また、ヒートポンプシステム１００は、圧力センサ９１と、温度センサ９２，９３とをさらに備える。

バイパス流路１２０は、室外熱交換器２０の上流側と下流側との間に接続される。バイパス流路１２０は、主回路１１０を流れる冷媒が室外熱交換器２０を迂回するように構成されている。

三方弁６０は、主回路１１０とバイパス流路１２０との接続部に接続される。三方弁６０の開度は、制御装置５００からの制御信号によって変更される。三方弁６０の構成については図２にて詳細に説明する。

分岐流路１３０は、室外熱交換器２０と主膨張弁３０との間に接続される。分岐流路１３０は、主回路１１０を流れる冷媒の一部を分岐可能に構成される。

副膨張弁（第２の膨張弁）７０は、分岐流路１３０に設けられる。副膨張弁７０は、たとえばステッピングモータ（図示せず）により開度が制御可能な絞り弁である。すなわち、副膨張弁７０は、分岐流路１３０を流れる冷媒の流量を調整可能に構成される。

内部熱交換器（副熱交換器）８０は、分岐流路１３０を流れる冷媒と、室外熱交換器２０から主膨張弁３０に流れる冷媒との間で熱交換する。内部熱交換器８０にて熱交換が行なわれた冷媒は、室内熱交換器４０から圧縮機１０へと流れる冷媒に合流する。

圧力センサ９１は、圧縮機１０の吐出側に設けられる。圧力センサ９１は、圧縮機１０から吐出される冷媒の圧力（吐出圧力）を検出して、その検出結果を示す信号を制御装置５００に出力する。圧縮機１０の吐出圧力は、室外熱交換器２０における凝縮圧力Ｐｃとほぼ等しい。そのため、圧力センサ９１により吐出圧力を検出することによって、凝縮圧力Ｐｃを取得することができる。

温度センサ９２は、圧縮機１０の吐出側に設けられる。温度センサ９２は、たとえばサーミスタを含んで構成され、圧縮機１０から吐出される冷媒の温度（吐出温度）を検出する。温度センサ９３は、内部熱交換器８０の出口側に設けられる、温度センサ９３は、たとえばサーミスタを含んで構成され、内部熱交換器８０における冷媒の凝縮温度を検出する。各センサは、その検出結果を示す信号を制御装置５００に出力する。

制御装置５００は、いずれも図示しないが、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）などのメモリと、入出力インターフェイスとを含んで構成される。制御装置５００は、上述の各センサからの検出信号に基づいて、予めＲＯＭなどに格納されたプログラムをＣＰＵがＲＡＭに読み出して実行することによって各機器を制御する。

より具体的に、制御装置５００は、主膨張弁３０の開度を調整することによって、冷媒の吐出温度を目標値に制御する吐出温度制御を実行する。また、制御装置５００は、各センサからの検出信号に基づいて、三方弁６０および副膨張弁７０を制御する。制御装置５００による三方弁６０および副膨張弁７０の制御の詳細については後述する。

図２は、三方弁６０の構成を模式的に示す図である。図１および図２（Ａ）を参照して、三方弁６０は、圧縮機１０から吐出された冷媒が流入する入力ポートＩＮと、冷媒を室外熱交換器２０へと流出させるための出力ポートＯＵＴ１と、冷媒をバイパス流路１２０へと流出させるための出力ポートＯＵＴ２と、弁体６１とを有する。

弁体６１の角度θは、たとえば０°以上９０°以下の範囲で変更可能である。角度θを変更することにより、入力ポートＩＮに流入する冷媒の流量に対する出力ポートＯＵＴ１から流出する冷媒の流量の比率Ｒを調整することができる。言い換えると、比率Ｒは、圧縮機１０から吐出された冷媒の流量に対する室外熱交換器２０を流れる冷媒の流量の比率である。

たとえば、図２（Ｂ）に示すように弁体６１の角度θを０°に調整すると、バイパス流路１２０へと向かう冷媒の流れが遮断される。つまり、すべての冷媒が室外熱交換器２０を流れることになるので、比率Ｒは１になる。一方、図２（Ｃ）に示すように弁体６１の角度θを９０°に調整すると、室外熱交換器２０へと向かう冷媒の流れが遮断される。つまり、すべての冷媒がバイパス流路１２０を流れることになるので、比率Ｒは０になる。このように、図２（Ｂ）に示す状態と図２（Ｃ）に示す状態との間で弁体６１の角度θを調整することにより、比率Ｒを設定することができる。

なお、三方弁６０は、本発明に係る「流量調整器」に相当する。ただし、本発明に係る「流量調整器」の構成は三方弁６０に限られるものではない。たとえば、三方弁６０に代えて、圧縮機１０および室外熱交換器２０の間の流路と、バイパス流路１２０とに１つずつ二方弁を設けてもよい。２つの二方弁の各々の開度を調整することにより、比率Ｒを設定することができる。

また、三方弁６０として、冷媒温度に応じて開度が自動調整される感温式の弁を採用することも考えられる。しかし、本実施の形態のように電子制御弁を採用することにより、たとえば冷媒温度の急変時（ヒートポンプシステム１００の起動時など）においても冷媒温度に依存せずに所望の角度θに弁体６１を制御することが可能である。よって、比率Ｒを設定する際の自由度を向上させることができる。

ここで、凝縮圧力（室外熱交換器２０において冷媒が凝縮するときの飽和圧力）Ｐｃが過度に低い場合には種々の不具合が生じ得る。たとえば、室内熱交換器４０に霜が付着したり、過剰な除湿が行なわれたりする場合がある。そのため、凝縮圧力Ｐｃを適切な範囲内に維持することが望ましい。ヒートポンプシステム１００によれば、凝縮圧力Ｐｃが基準値Ｐ１未満になった場合には、凝縮圧力Ｐｃが基準値Ｐ１以上の場合と比べて、三方弁６０の弁体６１の角度θを調整することにより、比率Ｒを低下させることができる。これにより、バイパス流路１２０を介して室外熱交換器２０を迂回する冷媒の流量が増加するので、凝縮圧力Ｐｃの低下を抑制することができる。

その一方で、室外熱交換器２０を迂回する冷媒の流量が増加する分だけ、室外熱交換器２０を流れる冷媒の流量が減少する。そのため、室外熱交換器２０における冷媒から外気への放熱量が小さくなるので、室外熱交換器２０における冷媒温度の低下量が小さくなる。そうすると、室外熱交換器２０から流出して主膨張弁３０に流入する冷媒について、必要な過冷却度ΔＴｃが確保できない可能性がある。

過冷却度ΔＴｃが確保できないとは、主膨張弁３０に流入する冷媒が気液二相状態となることを意味する。気液二相冷媒の平均密度は、液冷媒の平均密度よりも低い。そのため、気液二相冷媒について所望の必要な冷却能力を実現するためには、液冷媒の場合と比べて、主膨張弁３０を流れる冷媒の流量を大きくすることが求められる。つまり、主膨張弁３０の開度を大きくする必要がある。しかし、一般に、膨張弁の開度には上限値が存在する。主膨張弁３０の開度が上限値に達すると、主膨張弁３０を流れる冷媒の流量をそれ以上大きくすることはできない。したがって、気液二相冷媒の場合には所望の冷媒能力を実現することができない可能性がある。

そこで、実施の形態１によれば、室外熱交換器２０を流れる冷媒の流量の比率Ｒを三方弁６０の制御により低下させた場合に、副膨張弁７０の開度をさらに制御する。より具体的には、主膨張弁３０に流入する冷媒の過冷却度ΔＴｃが基準値Ｔ２を下回るときには、過冷却度ΔＴｃが基準値Ｔ２を上回るときと比べて、内部熱交換器８０を流れる冷媒の流量が大きくなるように副膨張弁７０の開度が制御される。これにより、主回路１１０を流れる冷媒と、副膨張弁７０での減圧により冷却された冷媒との間で交換される熱量が大きくなる。よって、上述のように副膨張弁７０の開度が制御されない場合と比べて、主回路１１０を流れる冷媒温度が低くなるので、主膨張弁３０に流入する冷媒の過冷却度をより確実に確保することができる。

図３は、実施の形態１にて実行される三方弁６０および副膨張弁７０の制御を説明するためのフローチャートである。図３および後述する図７に示されるフローチャートの各ステップ（以下、Ｓで略す）は、所定時間が経過する毎または所定条件が成立する毎にメインルーチンから呼び出されて実行される。

図１〜図３を参照して、Ｓ１０において、制御装置５００は、室外熱交換器２０における凝縮圧力Ｐｃを算出する。凝縮圧力Ｐｃは、圧力センサ９１により検出される吐出圧力に基づき算出することができる。

Ｓ２０において、制御装置５００は、凝縮圧力Ｐｃが基準値Ｐ１（第１の基準値）未満であるか否かを判定する。基準値Ｐ１は、室内熱交換器４０に霜の付着等の上述の不具合が生じない値であり、かつ、圧縮機１０の圧縮比が過度に高くなることによる圧縮機１０の異常が起こらない値であることが好ましい。

凝縮圧力Ｐｃが基準値Ｐ１未満の場合（Ｓ２０においてＹＥＳ）、制御装置５００は、バイパス流路１２０へと向かう冷媒の流量が大きくなる方向に三方弁６０の弁体６１の角度θを調整する。図２に示した例においては角度θを増加させる。これにより、圧縮機１０から吐出される冷媒の流量に対する室外熱交換器２０を流れる冷媒の流量の比率Ｒが低下する（Ｓ３０）。その結果、バイパス流路１２０を介して室外熱交換器２０を通過せずに室外熱交換器２０の下流側へと至る冷媒の割合が増加するため、凝縮圧力Ｐｃが上昇する。よって、凝縮圧力Ｐｃの低下を抑制することができる。

その一方で、室外熱交換器２０における冷媒から外気への放熱量が小さくなるので、主膨張弁３０に流入する冷媒の過冷却度ΔＴｃが過度に小さくなり得る。そのため、Ｓ４０において、制御装置５００は、主膨張弁３０に流入する冷媒の過冷却度ΔＴｃを算出する。過冷却度ΔＴｃは、温度センサ９３により検出された冷媒温度（内部熱交換器８０の出口側における冷媒温度）に基づき算出することができる。

Ｓ５０において、制御装置５００は、過冷却度ΔＴｃが基準値Ｔ２（第２の基準値）未満であるか否かを判定する。基準値Ｔ２の設定手法については後述する。

過冷却度ΔＴｃが基準値Ｔ２以上の場合（Ｓ５０においてＮＯ）、制御装置５００は処理をＳ７０に進める。Ｓ７０において、制御装置５００は、主膨張弁３０に流入する冷媒について十分な過冷却度ΔＴｃが確保されているとして、副膨張弁７０の開度を維持する（あるいは副膨張弁７０の開度を小さく調整する）。

これに対し、過冷却度ΔＴｃが基準値Ｔ２未満の場合（Ｓ５０においてＹＥＳ）、制御装置５００は処理をＳ６０に進める。Ｓ６０において、制御装置５００は、過冷却度ΔＴｃが基準値Ｔ２以上の場合と比べて、副膨張弁７０の開度を大きく設定する。これにより、分岐流路１３０の流れる冷媒の流量が増加するので、内部熱交換器８０において、主回路１１０を流れる冷媒と、副膨張弁７０での減圧により冷却された冷媒との間で交換される熱量が大きくなる。よって、過冷却度ΔＴｃが基準値Ｔ２以上の場合と比べて、主回路１１０を流れる冷媒温度が低くなる。したがって、主膨張弁３０に流入する冷媒の過冷却度ΔＴｃをより確実に確保することができる。

なお、Ｓ２０にて凝縮圧力Ｐｃが基準値Ｐ１以上の場合（Ｓ２０においてＹＥＳ）、制御装置５００は、三方弁６０の弁体６１の角度θを維持するか、あるいはバイパス流路１２０へと向かう冷媒の流量が小さくなる方向に角度θを調整する（Ｓ８０）。図２に示した例においては角度θを維持するか減少させる。これにより、比率Ｒは、維持されるか増加する。Ｓ６０，Ｓ７０，Ｓ８０のいずれかの処理が終了すると、処理はメインルーチンへと戻される。

ここでは本発明に係る「冷媒の凝縮度合を示す状態値」として凝縮圧力Ｐｃが用いられる例について説明したが、「状態値」はこれに限定されるものではない。本発明に係る「状態値」は、室外熱交換器２０を流れる冷媒温度、圧縮機１０からの冷媒の吐出温度、または圧縮機１０における冷媒の圧縮比であってもよい。

図４は、実施の形態１にて実行される三方弁６０および副膨張弁７０の制御に対応するＰｈ線図である。図４において、横軸は比エンタルピーｈ［単位：ｋＪ／ｋｇ］を表し、縦軸は圧力Ｐ［単位：ＭＰａ］を表す。

図１および図４を参照して、Ａ点は、低圧のガス冷媒（過熱蒸気）の状態を示す。Ａ点からＢ点への過程は、圧縮機１０による断熱圧縮過程である。Ｂ点は、冷媒が圧縮機１０により圧縮された状態を示す。Ｄ点は、三方弁６０を介して室外熱交換器２０を迂回した冷媒と、室外熱交換器２０により凝縮された冷媒とが混合した状態を示す。Ｅ点は、冷媒が室外熱交換器２０にて凝縮され、さらに冷媒の一部が内部熱交換器８０により冷却されることによって得られた過冷却状態を示す。Ｅ点からＦ点への過程は、主膨張弁３０による冷媒の膨張過程を示す。Ｅ点からＧ点への過程は、副膨張弁７０による冷媒の膨張過程を示す。Ｅ点からＧ点への過程、およびＦ点からＧ点への過程は、室内熱交換器４０における蒸発過程を示す。

以上のように、実施の形態１によれば、ヒートポンプシステム１００の冷房運転時において、凝縮圧力Ｐｃの低下を抑制しつつ、主膨張弁３０に流入する冷媒について、必要な過冷却度ΔＴｃを確保することができる。

また、多くの場合、膨張弁に含まれる狭い流路を気液二相冷媒が通過すると、異音または振動が発生し得る。これは、気液二相状態の冷媒では気相部分と液相部分とが均一に混合されていないので、通過する冷媒の密度が時間的に変化し得るためであると考えられる。実施の形態１によれば、必要な過冷却度ΔＴｃが確保されることにより、液冷媒が主膨張弁３０に流入することになるので、異音および振動の発生を防止することができる。

さらに、凝縮圧力Ｐｃが過度に低い場合には、圧縮機１０の圧縮比も適正値よりも低くなり得る。圧縮比が適正値未満の場合には、圧縮比が適正値以上の場合と比べて、圧縮機１０の駆動周波数を増加させることにより、圧縮比を高めることも考えられる。しかし、圧縮機１０の駆動周波数の増加に伴い、冷媒の蒸発圧力Ｐｅが低下する。一般に、蒸発圧力が基準値を下回ると、圧縮機は停止される。その後、蒸発圧力が基準値を上回るまで回復すると、圧縮機は再び駆動される。つまり、圧縮機の駆動および停止が繰り返される可能性がある（このような制御は「低圧カット制御」とも称される）。実施の形態１によれば、凝縮圧力Ｐｃの低下を抑制し、それにより圧縮比の過度の低下を抑制することができる。したがって、圧縮機１０の低圧カット制御が実行される状態に圧縮機１０が至ることが防止される。言い換えると、圧縮機１０の運転を安定化させることができる。

ここで、主膨張弁３０に流入する冷媒の過冷却度ΔＴｃに関して設定される基準値Ｔ２（図３のＳ５０参照）について説明する。基準値Ｔ２は、室内熱交換器４０が室外熱交換器２０よりも高い位置に設けられた場合であっても、主膨張弁３０に流入する冷媒の過冷却状態が維持されるように設定することが好ましい。この理由について以下に説明する。

仮に室内熱交換器４０が室外熱交換器２０よりも低い位置に設けられた場合、室外熱交換器２０から室内熱交換器４０へと向かう冷媒の流れは下降流となる。そのため、液冷媒にかかる重力により生じた圧力が主膨張弁３０に印加される。よって、主膨張弁３０での膨張により液冷媒の圧力が減少しても冷媒の沸騰は抑制される。

これに対し、室内熱交換器４０が室外熱交換器２０よりも高い位置に設けられた場合、室外熱交換器２０から室内熱交換器４０へと向かう冷媒の流れは上昇流となる。そのため、冷媒の流れが下降流の場合と異なり、重力による圧力が主膨張弁３０に印加されることはない。よって、主膨張弁３０にて液冷媒の圧力が減少した際に冷媒の減圧沸騰が起こり、冷媒が気液二相状態となる可能性がある。そうすると、上述の異音または振動の問題が起こり得る。したがって、基準値Ｔ２は、主膨張弁３０において、圧力低下後であっても冷媒の過冷却状態が維持されるように設定することが好ましい。

［変形例］
実施の形態１では、圧縮機から吐出された冷媒の全部がバイパス流路を介して室外熱交換器を迂回可能な構成について説明した。変形例においては、冷媒の一部のみが室外熱交換器を迂回可能な構成例を説明する。

図５は、実施の形態１の変形例に係るヒートポンプシステムの構成を概略的に示すブロック図である。図５を参照して、ヒートポンプシステム１００Ａは、室外熱交換器２０Ａ、バイパス流路１２０Ａ、および三方弁６０Ａの構成が、実施の形態１に係るヒートポンプシステム１００（図１参照）における対応する構成と異なる。

室外熱交換器２０Ａ内部に設けられた流路に沿う所定の位置に接続部Ｃ１が設けられている。図示しないが、室外熱交換器２０Ａは、接続部Ｃ１よりも上流側の熱交換器と、接続部Ｃ１よりも下流側の熱交換器とに２つに分割されている。三方弁６０Ａの入力ポートＩＮは、接続部Ｃ１にバイパス流路１２０Ａによって接続されている。室外熱交換器２０を流れる冷媒の一部は、上流側の熱交換器のみを通り、接続部Ｃ１を介して室外熱交換器２０外部へと流出する。一方、残りの冷媒は、上流側の熱交換器および下流側の熱交換器の両方を流れる。

三方弁６０Ａの出力ポートＯＵＴ１は、室外熱交換器６０内部の流路について接続部Ｃ１よりも下流側の接続部Ｃ２にバイパス流路１２０Ａによって接続されている。三方弁６０Ａの出力ポートＯＵＴ２は、主回路１１０について室外熱交換器２０Ａよりも下流側にバイパス流路１２０Ａによって接続されている。なお、ヒートポンプシステム１００Ａの室外熱交換器２０Ａ、バイパス流路１２０Ａ、および三方弁６０Ａ以外の構成は、実施の形態１に係るヒートポンプシステム１００の対応する構成と同等であるため、詳細な説明は繰り返さない。

図２にて説明したように、一般に、三方弁の開度は、弁体の角度によって調節される。たとえば弁体の角度が０°以上９０°以下の可動範囲で１°毎に変更可能な構成を想定する。この場合、三方弁によって調整可能な流量比（第１の出力ポートから流出する冷媒の流量と、第２の出力ポートから流出する冷媒の流量との比率）は、９０通りしか調整できないことになる。そのため、三方弁の入力ポートに流入する冷媒の流量が比較的大きい場合には、第１の出力ポートと第２の出力ポートとの間で流量の微調整を行なうことは難しい。

これに対し、本変形例によれば、圧縮機１０から吐出された冷媒のうち、一部のみが室外熱交換器２０内部にて分岐して三方弁６０Ａの入力ポートＩＮ１に流入する。そのため、実施の形態１のように、圧縮機１０から吐出された冷媒の全部について、室外熱交換器２０を迂回させることはできない。一方で、圧縮機１０から吐出された冷媒の流量が等しい場合、実施の形態１と比べて、三方弁６０Ａの入力ポートＩＮに流入する冷媒の流量が小さくなるので、流量の微調整を三方弁６０Ａによって行なうことができる。その結果、凝縮圧力Ｐｃの調整幅を、より小さくすることが可能になる。

逆の観点から説明すると、実施の形態１に係るヒートポンプシステム１００においては、変形例１に係るヒートポンプシステム１００Ａのように、冷媒を取り出すために室外熱交換器２０が２つに分割されていない。したがって、実施の形態１では室外熱交換器２０のコストを低減することができる。

なお、三方弁６０Ａよりも下流側のバイパス流路１２０Ａに、室外熱交換器２０Ａと同等の圧力損失が生じる絞り（毛細管）を設けてもよい。この絞りにより生じる圧力損失によって、三方弁６０Ａが閉鎖状態から開度を増加させた場合に冷媒の流量が急激に増加することを防止できる。

また、実施の形態１にて説明したように、三方弁６０Ａに代えて２つの二方弁を設けてもよい。図示しないが、一方は、図５における三方弁６０Ａの出力ポートＯＵＴ１と接続部Ｃ２との間に設けられる。他方は、三方弁６０Ａの出力ポートＯＵＴ２と、主回路１１０について室外熱交換器２０Ａよりも下流側との間に設けられる。この場合、三方弁を設ける場合と比べて弁の数が大きくなるものの、一般に二方弁の方が三方弁と比べて開度の調整幅が小さいので、流量の微調整に適している。

［実施の形態２］
実施の形態１では、ヒートポンプシステムの冷房運転時の構成および制御について説明した。実施の形態２においては、ヒートポンプシステムの暖房運転時の構成および制御について説明する。

図６は、実施の形態２に係るヒートポンプシステムの構成を概略的に示すブロック図である。図６を参照して、ヒートポンプシステム１００Ｂの暖房運転時においては、室外熱交換器２０が蒸発器として機能し、室内熱交換器４０が凝縮器として機能する。さらに、ヒートポンプシステム１００Ｂは、分岐流路１３０Ｂ、副膨張弁７０Ｂ、および内部熱交換器８０Ｂの構成が、実施の形態１に係るヒートポンプシステム１００（図１参照）における対応する構成と異なる。また、ヒートポンプシステム１００Ｂは、温度センサ９２に代えて温度センサ９４を備える点において、図１に示すヒートポンプシステム１００と異なる。

分岐流路１３０Ｂは、圧縮機１０と室内熱交換器４０との間に接続される。分岐流路１３０Ｂは、主回路１１０を流れる冷媒の一部を分岐可能に構成される。副膨張弁７０Ｂは、分岐流路１３０Ｂに設けられる。

内部熱交換器８０Ｂは、分岐流路１３０Ｂを流れる冷媒と、室外熱交換器２０から圧縮機１０に流れる冷媒との間で熱交換する。内部熱交換器８０Ｂにて熱交換が行なわれた冷媒は、室外熱交換器２０から圧縮機１０へと流れる冷媒に合流する。

温度センサ９４は室内熱交換器４０に設けられる。温度センサ９４は、室内熱交換器４０における冷媒の蒸発温度を検出し、その検出結果を示す信号を制御装置５００に出力する。なお、ヒートポンプシステム１００Ｂの分岐流路１３０Ｂ、副膨張弁７０Ｂ、および内部熱交換器８０Ｂ以外の構成は、実施の形態１に係るヒートポンプシステム１００の対応する構成と同等であるため、詳細な説明は繰り返さない。

たとえば外気温が高い場合に暖房運転を行なうと、外気温が低い場合と比べて、室外熱交換器２０における冷媒の蒸発圧力Ｐｅが高くなり得る。つまり、室外熱交換器２０から流出して圧縮機１０へと流入する冷媒の圧力が高くなるので、圧縮機１０に吸入される冷媒の圧力と、圧縮機１０から吐出される冷媒の圧力との差が小さくなり得る。すなわち、圧縮機１０における圧縮比が低くなる可能性がある。

実施の形態２においては、室外熱交換器２０へと流れる冷媒の全部または一部について、バイパス流路１２０を介して室外熱交換器２０を迂回させる。これにより、室外熱交換器２０にて熱交換される冷媒の流量が減るので、蒸発圧力Ｐｅの上昇が抑制される。よって、外気温が比較的高い場合の暖房運転時においても圧縮機１０の圧縮比の低下を抑制することができる。

ここで、液冷媒が圧縮されても液冷媒の体積は変化しない。そのため、圧縮機１０により過剰な液冷媒を圧縮すると、圧縮機１０の異常が起こり得る。よって、圧縮機１０に吸入される冷媒がガス冷媒（気相単相の冷媒）であることは必須である。しかし、ヒートポンプシステム１００Ｂの暖房運転時に主膨張弁３０を通過した冷媒は気液二相冷媒である。このため、主膨張弁３０から三方弁６０に至り、さらに圧縮機１０に吸入される冷媒は、気液二相状態である場合がある。

そこで、実施の形態２においては、たとえば冷媒温度が基準値Ｔ３以上の場合には、冷媒温度が基準値Ｔ３未満の場合と比べて、副膨張弁７０の開度を大きく設定することにより、内部熱交換器８０を流れる冷媒の流量を増加させる。これにより、圧縮機１０から吐出された高温高圧のガス冷媒と、主膨張弁３０から三方弁６０へと至る気液二相冷媒との間で交換される熱量が大きくなる。その結果、圧縮機１０に吸入される冷媒を完全にガス化させることが可能になるので、圧縮機１０の異常を防止することができる。

図７は、実施の形態２にて実行される三方弁６０および副膨張弁７０の制御を説明するためのフローチャートである。図６および図７を参照して、Ｓ１０において、制御装置５００は、室外熱交換器２０における蒸発圧力Ｐｅを算出する。蒸発圧力Ｐｅは、たとえば温度センサ９４を用いて検出された室内熱交換器４０の蒸発温度を飽和圧力に換算することにより算出することができる。

Ｓ１２０において、制御装置５００は、蒸発圧力Ｐｅが基準値Ｐ３（第３の基準値）以上であるか否かを判定する。蒸発圧力Ｐｅが基準値Ｐ３以上の場合（Ｓ１２０においてＹＥＳ）、制御装置５００は、バイパス流路１２０へと向かう冷媒の流量が大きくなる方向に三方弁６０の弁体６１の角度θを調整する。これにより、圧縮機１０から吐出される冷媒の流量に対する室外熱交換器２０を流れる冷媒の流量の比率Ｒが低下する（Ｓ１３０）。その結果、室外熱交換器２０を通過せずに室外熱交換器２０の下流側へと至る冷媒の割合が増加するため、蒸発圧力Ｐｅが低下する。よって、蒸発圧力Ｐｅの上昇を抑制することができる。

その一方で、室外熱交換器２０における外気から冷媒への吸熱量が小さくなるため、圧縮機１０に流入する冷媒の加熱度ΔＴｅは小さくなる。そのため、Ｓ１４０において、制御装置５００は、圧縮機１０に流入する冷媒の加熱度ΔＴｅを算出する。加熱度ΔＴｅは、たとえば温度センサ９３により検出された冷媒温度（内部熱交換器８０の出口側における冷媒温度）に基づき算出することができる。

Ｓ１５０において、制御装置５００は、過熱度ΔＴｅが基準値Ｔ４（第４の基準値）未満であるか否かを判定する。過熱度ΔＴｅが基準値Ｔ４以上の場合（Ｓ１５０においてＮＯ）、制御装置５００は、圧縮機１０に流入する冷媒について十分な過熱度ΔＴｅが確保されているとして、副膨張弁７０Ｂの開度を維持する（あるいは副膨張弁７０Ｂの開度を小さく調整する）（Ｓ１７０）。

これに対し、過熱度ΔＴｅが基準値Ｔ４未満の場合（Ｓ１５０においてＹＥＳ）、制御装置５００は、過熱度ΔＴｅが基準値Ｔ４以上の場合と比べて、副膨張弁７０Ｂの開度を大きく設定する（Ｓ１６０）。これにより、分岐流路１３０Ｂを流れる冷媒の流量が増加するので、内部熱交換器８０Ｂにおいて、圧縮機１０から吐出された高温高圧のガス冷媒と、主膨張弁３０から三方弁６０へと至る気液二相冷媒との間で交換される熱量が大きくなる。よって、過熱度ΔＴｅが基準値Ｔ４以上の場合と比べて、主回路１１０を流れる冷媒の温度が高くなる。したがって、圧縮機１０に流入する冷媒の過熱度ΔＴｅをより確実に確保することができる。

なお、実施の形態２と変形例とを組み合わせてもよい。すなわち、実施の形態２においても、冷媒の一部のみが室外熱交換器を迂回可能な構成を採用することができる。

また、実施の形態１，２では、１台の室内機のみが含まれるヒートポンプシステムについて説明した。しかし、本発明は、複数台の室内機（すなわち複数の主膨張弁および複数の室内熱交換器）を含むヒートポンプシステムにも適用可能である。そのようなシステムの例としては、ビル用のマルチ空調システムが挙げられる。

本発明は、マルチ空調システムの冷房主体運転において、冷房および暖房の混在運転が行なわれる場合にも適用することができる。この場合、冷房中の室内機における吸熱量と暖房中の室内機における放熱量との差が小さくなるに従い、室外熱交換器における放熱量が小さくなる。そのため、場合によっては、１台の室内機のみを含むシステムの冷房運転時と比べて、室外熱交換器での放熱量を小さくすることが望ましい。本発明は、このような場合に適用することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００，１００Ａ，１００Ｂ ヒートポンプシステム、１０ 圧縮機、２０，２０Ａ 室外熱交換器、３０ 主膨張弁、４０ 室内熱交換器、５０ 配管、６０，６０Ａ 三方弁、６１ 弁体、７０ 副膨張弁、８０，８０Ｂ 内部熱交換器、９１ 圧力センサ、９２〜９４ 温度センサ、１１０ 主回路、１２０，１２０Ａ バイパス流路、１３０，１３０Ｂ 分岐流路、５００ 制御装置。

Claims (7)

1. 圧縮機、室外熱交換器、第１の膨張弁および室内熱交換器を含み、冷媒を循環可能に構成された主回路と、
   前記主回路を流れる冷媒が前記室外熱交換器の少なくとも一部を迂回するように構成されたバイパス流路と、
   前記圧縮機から吐出される冷媒の流量に対する前記室外熱交換器を流れる冷媒の流量の比率を調整可能に構成された流量調整器と、
   前記室外熱交換器と前記第１の膨張弁との間に接続され、前記主回路を流れる冷媒の一部を分岐可能に構成された分岐流路と、
   前記分岐流路を流れる冷媒の流量を調整可能に構成された第２の膨張弁と、
   前記分岐流路を流れる冷媒と、前記室外熱交換器から前記第１の膨張弁へと流れる冷媒との間で熱交換する副熱交換器とを備える、ヒートポンプシステム。
2. 前記流量調整器および前記第２の膨張弁を制御する制御装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記室外熱交換器における冷媒の凝縮度合を示す状態値が第１の基準値を下回る場合には、
   前記状態値が前記第１の基準値を上回る場合と比べて、前記室外熱交換器を流れる冷媒の比率が小さくなるように前記流量調整器を制御し、かつ、
   前記第１の膨張弁に流入する冷媒の過冷却度が第２の基準値を下回るときには、前記過冷却度が前記第２の基準値を上回るときと比べて、前記副熱交換器を流れる冷媒の流量が大きくなるように前記第２の膨張弁を制御する、請求項１に記載のヒートポンプシステム。
3. 前記第２の基準値は、前記室内熱交換器が前記室外熱交換器よりも高い位置に設けられた場合であっても、前記第１の膨張弁に流入する冷媒が過冷却状態を維持するように設定される、請求項２に記載のヒートポンプシステム。
4. 前記状態値は、前記室外熱交換器を流れる冷媒の温度、前記室外熱交換器における冷媒の凝縮圧力、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度、および、前記圧縮機における冷媒の圧縮比のうちの少なくとも１つを含む、請求項２または３に記載のヒートポンプシステム。
5. 圧縮機、室外熱交換器、第１の膨張弁および室内熱交換器を含み、冷媒を循環可能に構成された主回路と、
   前記主回路を流れる冷媒が前記室外熱交換器の少なくとも一部を迂回するように構成されたバイパス流路と、
   前記圧縮機から吐出される冷媒の流量に対する前記室外熱交換器を流れる冷媒の流量の比率を調整可能に構成された流量調整器と、
   前記圧縮機と前記室内熱交換器との間に接続され、前記主回路を流れる冷媒の一部を分岐可能に構成された分岐流路と、
   前記分岐流路を流れる冷媒の流量を調整可能に構成された第２の膨張弁と、
   前記分岐流路を流れる冷媒と、前記室外熱交換器から前記圧縮機へと流れる冷媒との間で熱交換する副熱交換器とを備える、ヒートポンプシステム。
6. 前記流量調整器および前記第２の膨張弁を制御する制御装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記冷媒の蒸発圧力が第３の基準値を上回る場合には、
   前記蒸発圧力が前記第３の基準値を下回る場合と比べて、前記室外熱交換器を流れる冷媒の比率が小さくなるように前記流量調整器を制御し、かつ、
   前記第１の膨張弁に流入する冷媒の過熱度が第４の基準値を下回るときには、前記過熱度が前記第４の基準値を上回るときと比べて、前記副熱交換器を流れる冷媒の流量が大きくなるように前記第２の膨張弁を制御する、請求項５に記載のヒートポンプシステム。
7. 前記第４の基準値は、前記圧縮機に流入する冷媒がガス冷媒となるように設定される、請求項６に記載のヒートポンプシステム。

Images