WO2006062190A1

WO2006062190A1 - ヒートポンプ

Info

Publication number: WO2006062190A1
Application number: PCT/JP2005/022655
Authority: WO
Inventors: Masaya Honma; Yuuichi Yakumaru; Tomoichiro Tamura; Tetsuya Saito
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2004-12-09
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2006-06-15
Also published as: JPWO2006062190A1; CN100422661C; JP3929067B2; US20070068178A1; CN1957213A

Abstract

　本発明のヒートポンプは、圧縮機と膨張機とが同じ回転軸に接続されており、冷媒の循環経路に第１絞り装置が、膨張機のバイパス経路に第２絞り装置がそれぞれ配置されており、これら絞り装置の開度を制御装置が調整する。制御装置は、冷凍サイクルの高圧側圧力ＰＨをヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）が最適となる値に基づいて定められた所定値に近づけるために第１絞り装置の開度を調整する第１制御を実施し、第１制御が終了した後に、過熱度ＳＨを正の所定値に近づけるために第２絞り装置の開度を調整する第２制御を実施する。こうして、ヒートポンプの円滑かつ安定した運転が可能となる。

Description

ヒートポンプ技術分野

[0001] 本発明は、空調機、給湯機などとして有用であるヒートポンプに関し、より詳しくは、膨張機によりエネルギーを回収する機構を備えたヒートポンプに関する。

背景技術

[0002] 膨張弁に代えて膨張機を用いたヒートポンプでは、冷媒が膨張するエネルギーを電力または動力として回収できる。膨張機としては、冷媒を導入して膨張させるための容量可変の空間を有する容積式膨張機が用いられることが多い。膨張機によるェネルギ一の回収は、冷媒として二酸化炭素を用い、高圧側が超臨界状態に達する遷臨界サイクルにおいて、特にその意義が大きい。

[0003] 膨張機は、その構造上、所定の方向に沿って冷媒が通過しないとエネルギーを回収できない。しかし、空調機として用いるヒートポンプでは、室内に設置した熱交翻を、暖房運転時には放熱器として、冷房運転時には蒸発器として、使用する必要があるため、基本的に、冷房運転時と暖房運転時とにおいて冷媒を反対に流す必要がある。

[0004] 特開 2001— 66006号は、冷房運転時および暖房運転時の双方において膨張機によるエネルギー回収が可能なヒートポンプを開示している。このヒートポンプは、四方弁の切り換えにより、冷房、暖房のいずれの運転時においても、冷媒が膨張機を同一方向に流れるように設計されている。また、このヒートポンプでは、膨張機で回収したエネルギーをそのまま圧縮機の運転に費やすために、膨張機と圧縮機とが同一の回転軸に接続、即ち直結されている。

[0005] 膨張機と圧縮機とが直結されたヒートポンプでは、膨張機と圧縮機とが同じ回転速度で作動するため、膨張機と圧縮機との押しのけ容積比を運転条件に応じて変化させることができない。即ち、この種のヒートポンプは密度比一定の制約を有する。このため、膨張機と圧縮機とが直結されたヒートポンプは、エネルギーの回収効率には優れているが、運転条件に応じた円滑な運転が困難であった。特開 2003— 121018 号は、この困難を緩和するヒートポンプを開示している。

[0006] 図 14に示すように、特開 2003— 121018号は、特開 2001— 66006号と同様、管体 111【こ 2つの四方弁 151, 153を酉己置し、四方弁 151, 153の切り換免【こより、冷房、暖房のいずれの運転時においても、冷媒が膨張機 103および圧縮機 101を同一方向に流れるように設計されたヒートポンプを開示して、る（同公報図 4参照)。このヒートポンプを用いた空調機では、暖房時には、四方弁 151, 153内において実線で示された経路が選択され、室内熱交 152が放熱器として機能し、室外熱交換器 154が蒸発器として機能する。この空調機では、冷房時には、四方弁 151, 153内において破線で示された経路が選択され、室内熱交 152が蒸発器として機能し、室外熱交 154が放熱器として機能する。このヒートポンプでは、膨張機 103および圧縮機 101が直結して 1つの回転軸を共有し、この回転軸がモータ 105により駆動される。

[0007] 特開 2003— 121018号に開示されたヒートポンプでは、膨張機 103と並列に配置されたバイパス回路 112に膨張弁 (バイパス弁） 107が配置され、さらに膨張機 103と直列にも膨張弁 106が配置されている。そして、運転条件に応じて、膨張弁 106または膨張弁 107の開度が制御される。レシーバ 100は、冷媒を一時的に貯留することにより、膨張機 103への冷媒の流入過多を防止する。

[0008] 上述のように、膨張機と圧縮機とが直結されたヒートポンプは、エネルギーの回収という点では優れているが、膨張機と圧縮機との押しのけ容積比を運転条件に応じて変化させることができない。例えば、冷房運転時の標準的な条件を基準として膨張機が設計されて、ると、暖房運転時には膨張機の押しのけ容積が要求値に対して大きすぎることになる。このため、特開 2003— 121018号に開示されたヒートポンプでは、暖房運転時には、膨張弁 107が全閉され、膨張弁 106の開度が適宜制御される。他方、冷房運転時には、膨張機 103の押しのけ容積が要求値よりも小さくなることがある。この場合には、膨張弁 106が全開され、膨張弁 107の開度が適宜制御される。

[0009] このように、特開 2003— 121018号が開示するヒートポンプは、膨張弁 106, 107 の一方を全開または全閉した状態で他方の開度を調整することにより、密度比一定の制約を回避し、運転条件に応じた円滑なサイクル動作を可能としている。 [0010] 図 15は、図 14に示したヒートポンプにおける冷凍サイクルを示すモリエル線図であり、横軸 Hはェンタルピを縦軸 Pは圧力をそれぞれ示す。圧縮機 101から吐出された高圧 PHの状態 aにある冷媒は、放熱器として機能する室内熱交換器 152または室外熱交翻154において放熱して状態 bに至る。冷媒は、膨張弁 106で等ェンタルピ膨張して状態 cに至り、さらに膨張機 103内で等エントロピ膨張して低圧 PLの状態 dに至る。冷媒は、蒸発器として機能する室外熱交換器 154または室内熱交換器 15 2において吸熱しながら、飽和蒸気線との交点 (状態 e)を超えて過熱蒸気状態である状態 fに至った後、再び圧縮機 101に流入する。このヒートポンプでは、膨張機 103 により、状態 cと状態 dとのェンタルピ差 Wに相当するエネルギーが回収される。この

2

ため、このヒートポンプには、基本的に、ェンタルピ差 Wを状態 aと状態 fとのェンタル

2

ピ差 Wカゝら差し引いた値 (W— W )に相当する動力を圧縮機 101に投入すれば足

1 1 2

りる。

発明の開示

[0011] 上記のように、特開 2003— 121018号が開示するヒートポンプでは、膨張機 103の押しのけ容積が要求値よりも小さくなると、膨張弁 107が開かれて冷媒の一部がバイパス回路 112に流される。しかし、バイノス回路 112を流れる冷媒の流量を増やすにつれて、冷凍サイクルの高圧側圧力 PHと低圧側圧力 PLとの差は小さくなり、これに伴って圧縮機 101に流入する冷媒の過熱 (スーパーヒート)の程度 (過熱度)も小さくなる。

[0012] この変化を図 15に併せて示す。膨張弁 107の開度を大きくすると、冷凍サイクル (a 〜f)が冷凍サイクル (a，〜； Πへと移行する。図 15に示したように、この移行に伴い、高圧側圧力は PH力も PH'に低下し、低圧側圧力は PLから PL'へと上昇する。そして、冷媒の過熱度の大きさを示す状態 fと状態 eとのェンタルピ差は SH力も SH'へと減少する。

[0013] 冷媒の過熱度 SHが小さくなると、圧縮機 101の信頼性を確保しながら安定した運転を行うことが困難となる。過熱度 SHが小さいと、冷媒の一部が液体のまま圧縮機 1 01に流入し、圧縮機 101において避けるべき液圧縮が行われるおそれがあるためである。 [0014] また、特開 2003— 121018号が開示する制御では、円滑な運転の確保のために膨張弁 106, 107の開度が調整されており、その結果として高圧側圧力 PHが変動している。し力し、冷凍サイクルの高圧側圧力 PHはヒートポンプの成績係数（coefficien t of performance; COP)〖こ影響を及ぼすため、膨張弁の制御は、円滑な運転の確保のみならず、成績係数を向上させる観点からも適切に行うことが望ましい。

[0015] なお、成績係数 (COP)は、ヒートポンプに投入したエネルギーに対する、得られたエネルギーの比を示す無次元の数値である。

[0016] そこで、本発明は、膨張機と圧縮機とが直結されたヒートポンプにおいて、圧縮機の信頼性を確保しながら、効率が良い運転を可能とすることを目的とする。

[0017] 本発明のヒートポンプは、圧縮機と、放熱器と、膨張機と、蒸発器と、前記圧縮機、前記放熱器、前記膨張機、および前記蒸発器をこの順に経由して冷媒が循環する循環経路、ならびに前記膨張機を経由することなく前記放熱器力前記蒸発器へと冷媒が流れるバイパス経路、を形成する管体と、前記放熱器と前記膨張機との間または前記膨張機と前記蒸発器との間の前記循環経路に配置された、開度が可変である第 1絞り装置と、前記バイパス経路に配置された、開度が可変である第 2絞り装置と、前記第 1絞り装置の開度および前記第 2絞り装置の開度を調整する制御装置と、を有する。このヒートポンプでは、前記圧縮機と前記膨張機とが同じ回転軸に接続される。

[0018] さらに、本発明のヒートポンプでは、前記制御装置が、前記循環経路を循環する冷媒の高圧側圧力 PHと、ヒートポンプの成績係数が最適となる値に基づいて定められた所定値 PHとの差が所定範囲 PH 内にない場合には、前記圧力 PHと前記所定

T DR

値 PHとの差の絶対値が小さくなるように前記第 2絞り装置の開度を変更する、第 1

T

制御を実施する。そして、前記第 1制御を終了した後に、前記圧縮機に流入する冷媒の過熱度 SHと、予め定められた正の値である所定値 SHとの差が所定範囲 SH

T D

内にない場合には、前記過熱度 SHと前記所定値 SHとの差の絶対値が小さくなる

R T

ように前記第 1絞り装置の開度を変更する、第 2制御を実施する。

[0019] 本発明では、第 2絞り装置を調整して、円滑なサイクル動作を確保しつつ成績係数の向上を図った場合には、引き続き第 1絞り装置を調整して冷媒の過熱度を制御することとした。この制御により、圧縮機と膨張機とが直結されたヒートポンプにおいても、圧縮機の信頼性を確保しながら、運転条件に応じた円滑かつ効率的な運転を行うことができる。

図面の簡単な説明

[0020] [図 1]図 1は、本発明のヒートポンプの構成の一例を示す図である。

[図 2]図 2は、本発明のヒートポンプの構成の別の例を示す図である。

[図 3]図 3は、制御装置が実施する制御の一例を示すフローチャートである。

[図 4]図 4は、外気温 Tと圧縮機の吐出冷媒圧力 Pdとの関係を圧縮機の吐出冷媒温度 Tdごとに示す図である。

[図 5]図 5は、制御装置が実施する制御の別の例を示すフローチャートである。

[図 6]図 6は、制御装置が実施する制御に伴う冷凍サイクルの変化を例示するモリエル線図である。

[図 7]図 7は、本発明のヒートポンプの構成のまた別の例を示す図である。

[図 8]図 8は、本発明のヒートポンプの構成のまた別の例を示す図である。

[図 9]図 9は、本発明のヒートポンプの構成のまた別の例を示す図である。

[図 10]図 10は、本発明のヒートポンプの構成のまた別の例を示す図である。

[図 11]図 11は、四方弁を備えた本発明のヒートポンプの構成の例を示す図である。

[図 12]図 12は、冷媒としてフロンを用いた場合の、放熱器における冷媒の位置と冷媒の温度との関係を示す図である。

[図 13]図 13は、冷媒として二酸ィ匕炭素を用いた場合の、放熱器における冷媒の位置と冷媒の温度との関係を示す図である。

[図 14]図 14は、従来のヒートポンプの構成を示す図である。

[図 15]図 15は、従来のヒートポンプにおヽて実施されて!、た制御に伴う冷凍サイクルの変化を示すモリエル線図である。

発明を実施するための最良の形態

[0021] 以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同じ部材ゃステップには同じ符号を付し、説明の重複を避ける場合がある [0022] 図 1に、本発明のヒートポンプの一形態の構成図を示す。ヒートポンプ 71は、圧縮機 1と、放熱器 2と、膨張機 3と、蒸発器 4とをヒートポンプの基本的な機能を発揮するための主要な構成要素として備えている。これら主要な構成要素は、圧縮機放熱器 2、膨張機 3、および蒸発器 4をこの順に経由して冷媒が循環する循環経路を形成する管体 11により接続されている。管体 12は、その一端が放熱器 2と膨張機 3との間の管体 11に接続され、その他端が膨張機 3と蒸発器 4との間の管体 11に接続されている。管体 12は、膨張機 3を経由することなく放熱器 2から蒸発器 4へと冷媒が流れるノィパス経路を形成してヽる。

[0023] 冷媒は、図 1に矢印で示した方向に沿って循環しながら、蒸発器 4で吸収した熱を放熱器 2で放出する。これにより、このシステムは、蒸発器 4から放熱器 2へと熱を汲み上げるヒートポンプとして機能する。圧縮機 1および膨張機 3は、一つの回転軸 (シャフト） 10に接続されている。圧縮機 1は、シャフト 10に接続された電動機 5から与えられる動力と、膨張機 3により回収される動力とにより作動する。圧縮機 1と膨張機 3とが直結され、同じ回転数で回転するヒートポンプは、膨張機 3の回転数を圧縮機 1の回転数力も独立して制御できないため、いわゆる密度比一定の制約を受ける。この制約を回避するため、ヒートポンプ 71では、管体 12が冷媒のバイパス経路を形成し、このノィパス経路に膨張弁 7が配置されて、る。

[0024] ヒートポンプ 71には、放熱器 2と膨張機 3との間に第 1絞り装置である第 1膨張弁 6 が配置され、バイパス経路に第 2絞り装置である第 2膨張弁 7が配置されている。膨張機 3との関係に着目して表現すれば、第 1膨張弁 6は膨張機 3に直列に、第 2膨張弁 7は膨張機 3に並列に配置されていることになる。膨張弁 6, 7の開度は、制御装置 (コントローラ） 30により制御可能である。コントローラ 30により第 2膨張弁 7の開度が最も小さく設定されると (即ち全閉状態となると)、循環する冷媒は、バイパス経路を流れず、すべて膨張機 3に流入する。

[0025] ヒートポンプ 71には、蒸発器 4と圧縮機 1との間に、圧縮機 1に流入する冷媒の温度を測定する温度センサ (第 1温度検出手段） 23が配置されており、蒸発器 4には、蒸発器 4における冷媒の温度を検出する温度センサ (第 2温度検出手段） 24が配置されている。圧縮機 1に流入する冷媒の温度と、蒸発器において冷媒が蒸発する温度 (冷媒蒸発温度)とが特定できれば、当該冷媒の過熱度 SHを算出することができる。このように、ヒートポンプは、過熱度 SHを特定するために、圧縮機に流入する冷媒の温度を検出する第 1温度検出手段および蒸発器における冷媒の温度を検出する第 2温度検出手段をさらに有して、てもよ、。

[0026] ヒートポンプ 71には、外気温 Tを測定する温度センサ 25も配置されている。後述するように、外気温 Tが高くなると、第 2膨張弁 7の開度を大きくする必要性が高まる。このように、ヒートポンプは、系外の温度を検出する第 3温度検出手段をさらに有していてもよい。「系外の温度」は、具体的には、放熱器 2に流入して加熱される媒体の温度、例えば外気の温度や流入する水の温度が適当である。

[0027] ヒートポンプ 71には、圧縮機 1と放熱器 2との間に、圧縮機 1から吐出される冷媒の圧力 Pdを測定する圧力センサ 21が配置されている。圧力 Pdは、冷凍サイクルの高圧側圧力 PHに相当する。このように、ヒートポンプは、圧力 PHを特定するために、圧縮機から吐出される冷媒の圧力を検出する圧力検出手段をさらに有していてもよい。

[0028] 冷凍サイクルの高圧側圧力 PHは、圧力 Pd以外の測定値力も算出することもできる。例えば、外気温 Tと、圧縮機 1から吐出される冷媒の温度 Tdとを測定し、これらの温度 T, Tdから圧力 PHを算出することが可能である。温度センサの設置は圧力センサの設置よりも安価に実施できる。また、圧力センサを設置すると、圧力センサの取り付け部分から冷媒が漏洩しやすくなる。このため、温度センサのみを用いて圧力 PHを特定することが望ましい。

[0029] この算出を実施するためのヒートポンプを図 2に例示する。ヒートポンプ 72には、圧縮機 1と放熱器 2との間に、圧力センサ 21に代えて、圧縮機 1から吐出される冷媒の温度 Tdを測定する温度センサ 22が配置されている。このように、ヒートポンプは、圧力 PHを特定するために、系外の温度を検出する第 3温度検出手段と、圧縮機から吐出される冷媒の温度を検出する第 4温度検出手段と、をさらに有していてもよい。

[0030] 圧力センサ 21および温度センサ 22, 23, 24, 25はすべてコントローラ 30に接続されており、これらセンサ力もの信号に基づいて、コントローラ 30が膨張弁 6, 7の開度を調整する。これらセンサは、従来力も知られているものを用いればよい。温度センサは例えばサーミスタであってもよ、。 [0031] 以下、コントローラ 30によるヒートポンプ 72 (図 2参照）の制御について説明する。ここでは、膨張機 3のシリンダ容積 (正確には、圧縮機 1のシリンダ容積に対する膨張機 3のシリンダ容積の比）を冬のサイクル条件を基準に決定した場合についての制御を例示する。この場合、系外の雰囲気温度 (外気温 T)が高くなるにつれて膨張機 3の押しのけ容積に対する要求値が大きくなり、外気温 Tが所定温度に達すると、要求値が膨張機 3の押しのけ容積を上回る。即ち、外気温 Tが所定値以上になると、膨張機 3に流入しょうとする冷媒の体積流量がシリンダ容積よりも大きくなる。

[0032] 圧縮機に直結された膨張機 3の回転数は、圧縮機 1の回転数カゝら切り離して制御することができない。このため、上記のように要求値が過大となると、第 2膨張弁 7を開いて冷媒の一部をバイパス経路に流すことにより、円滑な運転を確保する必要が生じる。しかし、冷媒の一部がバイパス経路に流れると、冷凍サイクルの高圧側圧力 PH が低下し、これに伴って圧縮機 1に流入する冷媒の過熱度 SHも減少する。過熱度 S Hが小さくなると、圧縮機に液体の冷媒が流入するおそれが生じ、圧縮機の信頼性を確保することができない。また、高圧側圧力 PHの低下に伴って、ヒートポンプの成績係数 (COP)も変化する。

[0033] 図 3を参照しながら以下に説明する制御では、高圧側圧力 PHが適切な値に制御され、冷媒過熱度 SHも制御される。

[0034] まず、温度センサ 25からの信号により外気温 Tが入力される (ステップ 1 ; S1)。次に、外気温 Tと予め定められた温度 Taとが対比され、外気温 Tが温度 Ta以上であればステップ 3に移行し、外気温 Tが温度 Ta未満であればステップ 1に戻る（ステップ 2 ; S 2)。外気温 Tが温度 Ta以上である場合には、閉じていた第 2膨張弁 7が開かれ、バィパス経路を形成する管体 12に冷媒の一部が流入する (ステップ 3； S3)。

[0035] ステップ 3では、予め定められた所定の開度にまで第 2膨張弁 7を開いてもよいし、温度差 (T— Ta)に応じた開度にまで第 2膨張弁 7を開いてもよい。温度 Taは、例えば、圧縮機 1のシリンダ容積に対する膨張機 3のシリンダ容積の比に基づ!/、て定めればよい。

[0036] ここでは、外気温 Tが温度 Ta未満である場合には、第 2膨張弁 7を全閉して冷媒の全量が膨張機 3に流入するようにした。この制御は、膨張機 3によるエネルギーの回収効率の向上に有利である。しかし、これに限らず、ステップ 3を実施する前に冷媒の一部をバイパス経路に導入しておいてもよい。この場合、ステップ 3は、「閉じていた第 2膨張弁を開く」制御ではなぐ「第 2膨張弁の開度を大きくする」制御となる。

[0037] 引き続き、温度センサ 22, 25からの信号に基づき、冷凍サイクルの高圧側圧力 PH が算出される (ステップ 4； S4)。圧力センサ 21を備えたヒートポンプ 71の場合には、センサ 21により求めた値をそのまま用いればよい。次に、圧力 PHと予め定められた目標圧力 PHとが対比され、圧力 PHが目標圧力 PHに一致しなければステップ 6

T T

以降に、一致していればステップ 9以降に移行する (ステップ 5 ; S5)。

[0038] 高圧側圧力 PHは、例えば、図 4に示した関係図に基づいて算出できる。外気温 T および圧縮機力吐出される冷媒の温度 (圧縮機の吐出冷媒温度) Tdが定まれば、圧縮機から吐出される冷媒の圧力 (圧縮機の吐出冷媒圧力） Pdを求めることは可能である。

[0039] 目標圧力 PHは、ヒートポンプの成績係数を最適化する値に基づいて定められる。

T

ヒートポンプの成績係数が最適となる圧力の値は、例えば、放熱器の加熱能力（給湯器では 4. 5kW、 6. OkWなどといった値をとる）、外気温 (給湯器では入水温度に相当する)などに応じて変化する。成績係数に影響を与える代表的因子は外気温である。成績係数が最適となる値を、予め実験により測定しておき、その結果に基づいて、所定の変数 (例えば外気温)の関数として、目標圧力 PH

Tを定めておけばよい。

[0040] 目標圧力 PHは、ヒートポンプに適用される運転条件においてヒートポンプの成績

T

係数が最適となる値 (最適値)と一致する値とすることが望ましいが、最適値と厳密に一致する必要はなぐあるいは常に一致している必要はない。例えば、所定範囲の外気温ごとに 1つの目標圧力 PHを設定してもよい。この場合は、外気温や入水温度

T

の変化に応じて目標圧力 PHは段階的に変化することになる。こうして予め定められ

T

た、外気温に代表される変数と目標圧力 PHとの関係がコントローラ 30に予め入力

T

され、運転条件に応じて定まる当該変数に基づいて目標圧力 PHが定められる。

T

[0041] 圧力 PHと目標圧力 PHとが等しくな、場合には、圧力 PHが目標圧力 PHよりも

T T

大きいか否かが判断される (ステップ 6 ; S6)。そして、圧力 PHが目標圧力 PHよりも

T

大きければ第 2膨張弁 7の開度が大きく変更され (ステップ 7； S7)、圧力 PHが目標圧力 PHよりも小さければ第 2膨張弁 7の開度が小さく変更される (ステップ 8 ; S8)。

T

[0042] ステップ 7を経由すると圧力 PHは低下し、ステップ 8を経由すると圧力 PHは上昇する。その後、ステップ 4に戻って再び圧力 PHが算出され、ステップ 5において算出された圧力 PHが目標圧力 PHと対比される。こうして、圧力 PHが目標圧力 PHと一

T T

致するまで、ステップ 4〜8からなるループ制御が繰り返される。

[0043] このループ制御では、ステップ 7または 8における開度の変更の程度はごく僅かにとどめるとよい。開度を一度に大きく変更すると、圧力 PHが目標圧力 PH近傍に収束

T

しにくくなるためである。

[0044] ステップ 5において圧力 PHと目標圧力 PHとの一致が確認されると、冷凍サイクル

T

の高圧側圧力 PHの制御 (第 1制御）は一旦終了し、冷媒の過熱度 SHの制御 (第 2 制御）が実施される。

[0045] 第 2制御では、まず、過熱度 SHが算出される (ステップ 9 ; S9)。ヒートポンプ 72では、温度センサ 23で測定された温度に基づき、冷媒の飽和蒸気線を参照して (具体的には温度センサ 24で測定された冷媒蒸発温度を参照して）、過熱度 SHが算出される。次に、過熱度 SHと予め定められた目標過熱度 SHとが対比され、過熱度 SH

T

が目標過熱度 SHに一致しなければステップ 11以降に移行し、一致していればステ

T

ップ 4に戻る（ステップ 10； S10)。

[0046] 目標過熱度とする所定値 SHは、ヒートポンプや冷媒の種類、想定される使用条件

T

などによって適宜定めればよいが、通常は、 0°Cを超え 20°C以下の範囲にある値が適している。過熱度は、上記のように温度差により示すことができる力上記温度差は、正確に言えば、過熱 (スーパーヒート)された当該冷媒の温度から、当該冷媒の圧力における飽和蒸気線との交点が示す温度（当該圧力における沸点）との差である。

[0047] 圧縮機の信頼性を確保するためには過熱度 SHはある程度以上大きいことが望ましい。しかし、過熱度 SHが大きすぎると圧縮機に投入すべき動力が大きくなる。これを考慮すると、所定値 SHは、 5°C以上の値が好ましぐ 10°C以下の値がより好まし

T

い。過熱度 SHを適切な範囲に制御すると、圧縮機 1の信頼性を確保し、かつ圧縮機 1への動力の投入が必要以上に大きくなることを防止できる。過熱度 SHの適切な制御は、圧縮機 1の信頼性のみならず、ヒートポンプの成績係数の更なる向上にも資するものである。

[0048] 過熱度 SHと目標過熱度 SHとが等しくな、場合には、過熱度 SHが目標過熱度 S

T

Hよりも大きいか否かが判断される (ステップ 11 ; Sl l)。そして、過熱度 SHが目標

T

過熱度 SHよりも大きければ第 1膨張弁 6の開度が大きく変更され (ステップ 12 ; S12

T

)、過熱度 SHが目標過熱度 SHよりも小さければ第 1膨張弁 6の開度が小さく変更さ τ

れる（ステップ 13 ; S13)。

[0049] ステップ 12を経由すると過熱度 SHは低下し、ステップ 13を経由すると過熱度 SH は上昇する。ステップ 7, 8で説明した理由により、ステップ 12または 13における開度の変更の程度もごく僅かにとどめるとよい。ステップ 12またはステップ 13を経由することにより、確実に過熱度 SHが目標過熱度 SHに近づくようにするためである。

T

[0050] ステップ 12または 13の実施の後、ステップ 4に戻って再び圧力 PHの制御が実施される。このように、図 3に示した制御では、過熱度 SHの制御（第 2制御）が終了した後、さらに高圧側圧力 PHの制御 (第 1制御）が実施される。

[0051] 高圧側圧力 PHのみを制御するのであれば、特開 2003— 121018号が開示するように、膨張弁の一方を全開または全閉した状態で他方の開度を調整する制御を実施すれば足りる。これに対し、図 3に示した制御では、第 2膨張弁 7の開度を適切に調整する第 1制御が終了した後、第 2膨張弁 7の開度をそのままの状態として (即ち、変更することなく）、第 2制御において第 1膨張弁 6の開度の調整が行われる。

[0052] なお、図 3には示していないが、ヒートポンプ 71, 72においても、膨張機 3に流入しようとする冷媒の体積流量が膨張機 3のシリンダ容積よりも小さい温度域では、第 2膨張弁 7を全閉した状態を保持しつつ、第 1膨張弁 6の開度を調整する制御を実施してもよい。この制御は、ステップ 2からステップ 1に戻るときにこれらステップの間において実施することができる。

[0053] 図 3に示した制御では、圧力 PHについては目標圧力 PHとの一致を確認した後に

T

その制御を終了して過熱度 SHの制御に移行した力過熱度 SHについては目標過熱度 SHとの一致を確認することなくその制御を終了して圧力 PHの制御に戻ること

T

としている。これは、冷凍サイクルの高圧側圧力 PHの適切な制御をより重視した結果である。しかし、これに限らず、過熱度 SHについても、目標過熱度 SHとの一致を確認した後にその制御を終了してもよい。この制御を行うためのフローチャートを図 5に例示する。

[0054] 図 5に示した制御例では、ステップ 12または 13を終了した後、ステップ 9に戻って制御が継続される。この場合は、第 2制御も、過熱度 SHが目標値 SHと一致するま

T

で繰り返されるループ制御となる。ループ制御とする場合は、ステップ 10における判断を目標値との一致するか否か、ではなぐ過熱度 SHと目標値 SHとの差が所定範

T

囲 SH 内になる力否力、により実施するほうが適切なこともある。図 5に示した制御

DR

のその他のステップは、図 3の制御例と同様に実施される。

[0055] 図 5に例示した変更以外にも、圧力 PHおよび過熱度 SHの制御には種々の変更を加えることができる。本発明の制御は、図 3, 5に示した制御例に限られるわけではない。

[0056] 例えば、上記では、圧力 PHについて目標圧力 PHとの一致、言い換えれば、圧力

T

PHと目標圧力 PHとの差力^であるか否かを判断対象としたが、これに代えて、圧力

T

PHと目標圧力 PHとの差が所定範囲 PH 内にあることを判断対象としてもよい。こ

T DR

の場合は、ステップ 5に代えて、圧力 PHと目標圧力 PHとの差が所定範囲 PH 内

T DR

にある力否かを判断すればよ!、。差が所定範囲 PH 内にある力否かの判断は、差

DR

を直接算出して行わなくてもよぐ例えば比を算出し、その比が当該比に換算された所定範囲 PH 内にあるか否かを判断することによって行っても構わない。過熱度 S

DR

Hの制御についても、同様である。

[0057] 所定範囲 PH 、 SH の大きさは、ヒートポンプの用途などによって適宜設定すればよいが、ごく限られた範囲とすることが望ましい。一例を挙げると、所定範囲 PH

DR

は、圧力 PH (MPa)から目標圧力 PH (MPa)を差し引いた値により表示して、 1.

τ

2MPa以上 1. 2MPa以下、さらには 0. 8MPa以上 0. 8MPa以下が好適である。所定範囲 SH は、過熱度 SH (°C)から目標過熱度 SH (°C)を差し引いた値により

DR T

表示して、一（SH ) °Cを超え 20°C以下、さらには一（SH ) °Cを超え 10°C以下、とな

T T

るように定めた範囲が好適である力上記値が負とならないように、例えば所定範囲 S H を 0°Cを超える値として定めてもよい。「―（SH ) °Cを超え 20°C以下」とは、目標

DR T

過熱度 SH力^ 0°Cの場合は、「— 10°Cを超え 20°C以下」の範囲である。 [0058] また例えば、ステップ 8の後、第 2膨張弁 7が全閉となっている力否かを判断するステツプを追加し、この追加のステップにおいて第 2膨張弁 7が全閉であると判断されればステップ 1に戻ることとしてもよ、。追加のステップにお、て第 2膨張弁 7が全閉でないと判断されれば、制御は、ステップ 4に戻って繰り返される。

[0059] また例えば、圧力 PHの制御に先立って過熱度 SHの制御を行うベぐステップ 3の次にステップ 9を実施しても差し支えはない。この場合は、過熱度 SHが制御され、引き続き圧力 PHが制御され、その後再び過熱度 SHが制御されることになる。ヒートポンプの用途や設計内容によっては、ステップ 1〜3を実施することなくステップ 4または 9から制御を開始してもよ、。

[0060] 以上説明したとおり、コントローラ (制御装置） 30は、冷媒の高圧側圧力 PHと目標とする所定値 PHとの差が所定範囲 PH 内にない場合には、圧力 PHと所定値 PH

T DR T

との差の絶対値力、さくなるように (圧力 PHが所定値 PHに近づくように）、第 2膨張

T

弁 (第 2絞り装置) 7の開度を変更する圧力制御 (第 1制御)を実施する（S4〜S8)。

[0061] そして、第 1制御を終了した後に、圧縮機に流入する冷媒の過熱度 SHと予め定められた正の値である所定値 SHとの差が所定範囲 SH 内にない場合には、過熱度

T DR

SHと所定値 SHとの差の絶対値が小さくなるように (過熱度 SHが所定値 SHに近

T T

づくように)、第 1膨張弁 (第 1絞り装置) 6の開度を変更する過熱度制御 (第 2制御)を実施する（S9〜S13)。

[0062] 第 1制御においては、制御装置が、圧力 PHと所定値 PHとの差が所定範囲 PH

T DR

内となるように、第 2絞り装置の開度を変更することが好ましい。また、第 2制御においては、制御装置が、過熱度 SHと所定値 SHとの差が所定範囲 SH 内となるように、

T DR

第 1絞り装置の開度を変更してもよい。

[0063] 上記の制御例のように、制御装置は、第 2制御を終了した後に、圧力 PHと所定値 P Hとの差が所定範囲 PH 内にない場合には、第 1制御をさらに実施してもよい。第

T DR

2制御による圧力 PHの変化を考慮して、圧力 PHを再制御するためである。

[0064] 上記で例示したように、具体的な制御として、第 1制御にぉ、ては、圧力 PHが所定値 PHよりも高ぐかつ圧力 PHと所定値 PHとの差が所定範囲 PH 内にない場合

T T DR

には、第 2絞り装置の開度が大きくされ、圧力 PHが所定値 PHよりも低ぐかつ圧力 PHと所定値 PHとの差が所定範囲 PH 内にない場合には、第 2絞り装置の開度が

T DR

/J、さくされる。

[0065] また、第 2制御においては、過熱度 SHが所定値 SHよりも高ぐかつ過熱度 SHと

T

所定値 SHとの差が所定範囲 SH 内にない場合には、第 1絞り装置の開度が大き

T DR

くされ、過熱度 SHが所定値 SHよりも低ぐかつ過熱度 SHと所定値 SHとの差が所

T T

定範囲 SH 内にない場合には、第 1絞り装置の開度が小さくされる。

DR

[0066] 図 3、図 5に例示した制御では、圧力 PHおよび過熱度 SHの値をそれぞれ具体的に特定し、その値に基づいて膨張弁を調整することにより、圧力 PHおよび過熱度 S Hを制御した。しかし、圧力 PHおよび過熱度 SHの制御は、圧力 PHまたは過熱度 S Hに関連づけられる代替パラメータを用いて間接的に行うことが可能である。

[0067] 例えば、冷凍サイクルの高圧側圧力 PHについての制御は、膨張機 3に流入する冷媒の体積流量に対する圧縮機 1に流入する冷媒の体積流量の比 RVを測定し、この比 RVと、膨張機 3の容積に対する圧縮機 1の容積の比 RCとに基づいて行うことも可能である。比 RVと比 RCとの大小関係は、高圧側圧力 PHに関連づけられる代替パラメータ RPであり、このパラメータについて目標圧力 PHに関連づけられる制御目標 R

T

P

Tを設定することちでさる。

[0068] このように、上記の制御では、制御装置が、圧力 PHと所定値 PHとを直接対比す

T

ることなく、圧力 PHに関連づけられる所定の特性 RPと、所定値 PHに関連づけられ

T

る、当該特性 RPについての所定値 RPと、を対比することにより、圧力 PHと所定値 P

T

Hとの差が所定範囲 PH 内にあるか否力、を判断する、こととしてもよい。

T DR

[0069] 図 6に、上記の制御による冷凍サイクルの変化を示す。当初の冷凍サイクル (a〜f )は、第 1制御において目標圧力 PHよりも高い高圧側圧力を低下させるベく第 2膨

T

張弁 7の開度が大きく変更されると、冷凍サイクル (a〜f )へと移行する。この冷凍サ

2 2

イタルは、第 2制御において相対的に大きい過熱度を確保するべく第 1膨張弁 6の開度が小さく変更されると冷凍サイクル (a〜f )へと移行する。この冷凍サイクルは、再

3 3

び実施される第 1制御において高圧側圧力を低下させるベく第 2膨張弁 7の開度が大きく変更されると冷凍サイクル (a〜f )へと移行する。

4 4

[0070] なお、図 6に示したように、冷凍サイクルの高圧側圧力を超臨界状態とすると、冷凍サイクル内での高低圧差が大きくなり、膨張機 3のエネルギー回収機能の寄与が大きくなる。これを実現するためには、圧縮機から吐出される冷媒が超臨界状態となるように、圧縮機が冷媒を圧縮するヒートポンプとすればょヽ。

[0071] 本発明を適用できるヒートポンプの構成は、図 1, 2の例示に限られない。例えば、図 1, 2では、管体 12が膨張機 3および第 1膨張弁 6をバイパスするバイパス経路を形成して、たが、膨張機 3のみをバイパスするバイパス経路を形成するように管体 11に接続されたヒートポンプ 73としてもよい（図 7参照)。また、第 1膨張弁 6が膨張機 3の上流側にではなく下流側に配置されたヒートポンプ 74としてもよい（図 8参照)。さらに、管体 12が膨張機 3のみをバイパスするバイパス経路を形成し、第 1膨張弁 6が膨張機 3の下流側に配置されたヒートポンプ 75としてもよい（図 9参照)。これらの構成においても、上記と同様の制御を適用することにより、高圧側圧力 PHと過熱度 SHとを適切に制御できる。

[0072] また、複数のコントローラが分担してコントローラ 30の機能を担うこととしてもよい。図 10に例示したヒートポンプ 76では、第 1コントローラ 31が圧力 PHおよび過熱度 SH を制御するために第 1膨張弁 6および第 2膨張弁 7の開度を調整する機能を担い (S4 〜S8, S10〜S13)、第 2コントローラ 32力 S温度センサ 23, 24からの信号を受けて過熱度 SHを算出する機能を担い（S9)、第 3コントローラ 33が外気温 Tを測定し、その結果に応じて第 2膨張弁 7を開く制御（S1〜S3)を担って、る。

[0073] また、四方弁 51, 53を配置したヒートポンプとしてもよい。図 11に例示したヒートポンプ 77は、四方弁 51, 53の切り替えにより、暖房運転と冷房運転とを選択できる空調機として使用できる。暖房運転時には、四方弁 51, 53において実線で示した経路が選択され、室内熱交換器 52が放熱器、室外熱交換器 54が蒸発器としてそれぞれ機能する。冷房運転時には、四方弁 51, 53において破線で示した経路が選択され、室外熱交換器 54が放熱器、室内熱交換器 52が蒸発器としてそれぞれ機能する。このヒートポンプ 77においても、上記に例示したとおりの制御を適用すれば、高圧側圧力 PHと過熱度 SHとを適切に制御できる。

[0074] 上記に例示した制御では、圧縮機から吐出される冷媒の圧力 Pd(PH)を測定し、あるいはこの圧力 PHを算出するために圧縮機から吐出された冷媒の温度が測定される。これを利用し、ヒートポンプの異常時対応を行ってもよい。異常時対応は、具体的には、上記に例示した構成を有するヒートポンプにおいて、圧力 PHが所定の限界圧力を超える場合、および Zまたは圧縮機 1から吐出される冷媒の温度が所定の限界温度を超える場合には、コントローラ 30が異常と認識し、第 1膨張弁 6および/または第 2膨張弁 7の開度を所定の開度以上に大きく調整する対応をとることにより実施できる。ここで、所定の開度は、第 1制御および第 2制御で定められている制御範囲を超える大きさの開度に設定するとよい。この対応により、冷媒の圧力および温度を素早く低下させることができる。

[0075] このように制御すると、運転状態の急激な変化や何らかの要因により、冷媒の高圧側圧力 PHや温度が異常値に達した場合においても、その異常値を短時間で解消することが可能となる。なお、限界圧力および限界温度は、冷媒ゃヒートポンプの構成などによって異なるが、冷媒として二酸ィ匕炭素を用いた場合について述べると、限界圧力としては 12MPa、限界温度としては 115°Cを例示できる。

[0076] 上記のような異常時対応を行うベぐ本発明のヒートポンプは、圧力 PHが所定の限界圧力を超える場合、または圧縮機力吐出される冷媒の温度が所定の限界温度を超える場合に、制御装置が、第 1絞り装置および第 2絞り装置から選ばれる少なくとも一方の開度を、第 1制御および第 2制御における開度の変更範囲を超えて大きく変更することが好ましい。

[0077] 図 12および図 13に、冷媒として二酸ィ匕炭素を用いて冷凍サイクルの高圧側の圧力を二酸ィ匕炭素の臨界圧力を超えるように設定した場合 (図 12)と、冷媒としてフロンを用いた場合 (図 13)とにおける、蒸発器内の冷媒と空気 (被加熱媒体)との温度変化を示す。いずれの場合も冷媒は、温度 Tで放熱器に流入し、空気との熱交換によ

0

り空気を加熱する。二酸化炭素を冷媒とした場合の温度差 ΔΤは、フロンを冷媒とした場合の温度差 ΔΤよりも大きくなる。これは、フロンと異なり、二酸化炭素が放熱器内で相変化しないためである。二酸化炭素は、被加熱媒体を高い温度に加熱するための冷媒として適している。

産業上の利用可能性

[0078] 本発明は、空調機、給湯機、食器乾燥機、生ゴミ乾燥処理機などとして有用なヒートポンプの改良を実現するものとして高い利用価値を有する。

Claims

請求の範囲

[1] 圧縮機と、放熱器と、膨張機と、蒸発器と、

前記圧縮機、前記放熱器、前記膨張機、および前記蒸発器をこの順に経由して冷媒が循環する循環経路、ならびに前記膨張機を経由することなく前記放熱器力前記蒸発器へと冷媒が流れるバイパス経路、を形成する管体と、

前記放熱器と前記膨張機との間または前記膨張機と前記蒸発器との間の前記循環経路に配置された、開度が可変である第 1絞り装置と、

前記バイパス経路に配置された、開度が可変である第 2絞り装置と、

前記第 1絞り装置の開度および前記第 2絞り装置の開度を調整する制御装置と、を有し、

前記圧縮機と前記膨張機とが同じ回転軸に接続され、

前記制御装置が、

前記循環経路を循環する冷媒の高圧側圧力 PHと、ヒートポンプの成績係数が最適となる値に基づいて定められる所定値 PHとの差が所定範囲 PH 内にない場合

T DR

には、前記圧力 PHと前記所定値 PHとの差の絶対値が小さくなるように前記第 2絞

T

り装置の開度を変更する、第 1制御を実施し、

前記第 1制御を終了した後に、

前記圧縮機に流入する冷媒の過熱度 SHと、予め定められた正の値である所定値 SHとの差が所定範囲 SH 内にない場合には、前記過熱度 SHと前記所定値 SH

T DR T

との差の絶対値が小さくなるように前記第 1絞り装置の開度を変更する、第 2制御を実施する、

ヒートポンプ。

[2] 前記制御装置が、

前記第 1制御において、前記圧力 PHと前記所定値 PHとの差が前記所定範囲 P

T

H 内となるように、前記第 2絞り装置の開度を変更する、請求項 1に記載のヒートポ

DR

ンプ。

[3] 前記制御装置が、

前記第 2制御において、前記過熱度 SHと前記所定値 SHとの差が前記所定範囲 SH 内となるように、前記第 1絞り装置の開度を変更する、請求項 1に記載のヒート

DR

ポンプ。

[4] 前記制御装置が、

前記第 2制御を終了した後に、

前記圧力 PHと前記所定値 PHとの差が所定範囲 PH 内にない場合には、

T DR

前記第 1制御をさらに実施する、請求項 1に記載のヒートポンプ。

[5] 前記第 1制御において、

前記圧力 PHが前記所定値 PHよりも高ぐかつ前記圧力 PHと前記所定値 PHと

T T

の差が前記所定範囲 PH 内にない場合には、前記第 2絞り装置の開度が大きくさ

DR

れ、

前記圧力 PHが前記所定値 PHよりも低ぐかつ前記圧力 PHと前記所定値 PHと

T T

の差が前記所定範囲 PH 内にない場合には、前記第 2絞り装置の開度が小さくさ

DR

れる、

請求項 1に記載のヒートポンプ。

[6] 前記第 2制御において、

前記過熱度 SHが前記所定値 SHよりも高ぐかつ前記過熱度 SHと前記所定値 S

T

Hとの差が前記所定範囲 SH 内にない場合には、前記第 1絞り装置の開度が大き

T DR

くされ、

前記過熱度 SHが前記所定値 SHよりも低ぐかつ前記過熱度 SHと前記所定値 S

T

Hとの差が前記所定範囲 SH 内にない場合には、前記第 1絞り装置の開度が小さ

T DR

くされる、

請求項 1に記載のヒートポンプ。

[7] 前記所定値 SHを 0°Cを超え 20°C以下の範囲にある数値とする、請求項 1に記載

T

のヒートポンプ。

[8] 前記過熱度 SHを特定するために、前記圧縮機に流入する冷媒の温度を検出する第 1温度検出手段および前記蒸発器における冷媒の温度を検出する第 2温度検出手段をさらに有する、請求項 1に記載のヒートポンプ。

[9] 前記圧力 PHを特定するために、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を検出する圧力検出手段をさらに有する、請求項 1に記載のヒートポンプ。

[10] 前記圧力 PHを特定するために、系外の温度を検出する第 3温度検出手段と、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を検出する第 4温度検出手段と、をさらに有する、請求項 1に記載のヒートポンプ。

[11] 前記制御装置が、

前記圧力 PHと前記所定値 PHとを直接対比することなぐ

T

前記圧力 PHに関連づけられる所定の特性 RPと、前記所定値 PHに関連づけられ

T

る、当該特性 RPについての所定値 RPと、を対比することにより、

T

前記圧力 PHと前記所定値 PH との差が前記所定範囲 PH 内にある力否力、を判

T DR

断する、請求項 1に記載のヒートポンプ。

[12] 前記圧力 PHが所定の限界圧力を超える場合、または前記圧縮機から吐出される冷媒の温度が所定の限界温度を超える場合に、

前記制御装置が、前記第 1絞り装置および前記第 2絞り装置から選ばれる少なくとも一方の開度を、前記第 1制御および前記第 2制御における開度の変更範囲を超えて大きく変更する、請求項 1に記載のヒートポンプ。

[13] 前記圧縮機力吐出される冷媒が超臨界状態となるように、前記圧縮機が冷媒を圧縮する、請求項 1に記載のヒートポンプ。