WO2009101818A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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WO2009101818A1
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compressor
refrigeration cycle
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rotational speed
refrigerant
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Yuichi Yakumaru
Katsuji Taniguchi
Masaya Honma
Subaru Matsumoto
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Panasonic Corporation
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Definitions

  • the present invention relates to a refrigeration cycle apparatus.
  • an expander and a compressor are connected by a rotating shaft, and the power obtained by the expander is used for driving the compressor to obtain a coefficient of performance (COP).
  • a refrigeration cycle apparatus is known that improves the performance of the performance. This refrigeration cycle apparatus has a weak point that efficiency is not good under operating conditions different from ideal design conditions. This is because the expander and the compressor are connected by a rotating shaft, and the displacement ratio between the expander and the compressor cannot be changed.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-212006 proposes a refrigeration cycle apparatus as shown in FIG.
  • the refrigeration cycle apparatus includes a first compressor 21, an expander 23 connected to the first compressor 21, and a second compressor 22 arranged in parallel with the first compressor 21.
  • the high pressure of the cycle is higher than the target value, it means that the total displacement amount of the first compressor 21 and the second compressor 22 is larger than the ideal value. Therefore, the amount of displacement is reduced by lowering the rotational speed of the second compressor 22.
  • the high pressure of the cycle approaches the target value. Conversely, if the high pressure of the cycle is lower than the target value, the rotational speed of the second compressor 22 is increased. Thus, efficient operation can be performed by adjusting the rotation speed of the second compressor 22.
  • a control method that alternately adjusts the rotational speed of the first compressor 21 and the rotational speed of the second compressor 22 is also conceivable, but there is still concern about the stability of the system and the control is expected to be complicated. Is done. In that sense, a control method that fixes the rotational speed of the first compressor 21 and adjusts the rotational speed of the second compressor 22 makes sense.
  • the present invention A first compressor; A second compressor connected in parallel to the first compressor in a refrigerant circuit; A radiator that cools the refrigerant compressed by each of the compressors; An expander coupled to the rotating shaft of the first compressor; An evaporator for evaporating the refrigerant expanded by the expander;
  • the rotation speed of the first compressor is changed as a process for increasing the coefficient of performance of the refrigeration cycle apparatus.
  • the first process including the steps is performed as the process for increasing the coefficient of performance.
  • a refrigeration cycle apparatus is provided.
  • the first process is executed or the second process is executed according to the determination result. Select whether or not. If the temperature of the heat medium is within a predetermined temperature range, the first process is executed, and if the temperature of the heat medium is not within the predetermined temperature range, the second process is executed. In this way, the efficiency becomes higher than simply increasing and decreasing the rotational speed of the second compressor. Details of the reason will be described later. Further, since it is not necessary to alternately adjust the rotation speed of the first compressor and the rotation speed of the second compressor, the control of each compressor is easy and the stability of the system is improved.
  • the block diagram which shows the refrigerating-cycle apparatus concerning 1st Embodiment of this invention.
  • Graph showing the relationship between incoming water temperature and COP (outside air temperature: 2 ° C)
  • Graph showing the relationship between incoming water temperature and COP (outside air temperature: 16 ° C) Relationship between outside air temperature and optimum density ratio (incoming water temperature: 35 ° C)
  • Relationship diagram between incoming water temperature and optimum density ratio (incoming water temperature: 2 ° C) Relationship diagram between high pressure and COP in supercritical cycle
  • the relationship diagram of the rotation speed and high pressure of each compressor in the refrigeration cycle apparatus of the first embodiment Relationship diagram between the number of rotations of the first compressor and the high pressure in the refrigeration cycle apparatus not provided with the second compressor
  • Flowchart of control according to the first embodiment Schematic showing a COP profile realized by the control shown in the flowchart of FIG.
  • FIG. 10A The block diagram which shows the refrigerating-cycle apparatus concerning 2nd Embodiment of this invention. Graph showing the relationship between incoming water temperature and COP (outside air temperature: 2 ° C) Flowchart of control according to the second embodiment Configuration diagram showing a conventional refrigeration cycle apparatus
  • the refrigeration cycle apparatus 100 of the present embodiment includes a first compressor 101, a second compressor 102, a radiator 103, an expander 104, and an evaporator 105.
  • the refrigerant circuit 200 is formed by connecting these devices with piping.
  • the first compressor 101 and the second compressor 102 each compress the refrigerant.
  • the radiator 103 cools the refrigerant compressed by the first compressor 101 and the refrigerant compressed by the second compressor 102.
  • the expander 104 expands the refrigerant cooled by the radiator 103.
  • the evaporator 105 heats the refrigerant expanded by the expander 104.
  • the second compressor 102 is provided in parallel with the first compressor 101.
  • the refrigerant circuit is branched on the downstream side of the evaporator 105 so that the refrigerant is guided to each of the first compressor 101 and the second compressor 102.
  • the refrigerant circuit 200 is merged on the upstream side of the radiator 103 so that the entire amount of the compressed refrigerant flows into the radiator 103.
  • the refrigerant circuit 200 is filled with a refrigerant such as carbon dioxide or hydrofluorocarbon.
  • a water heat exchanger can be used for the radiator 103 and an air heat exchanger can be used for the evaporator 105.
  • an air heat exchanger can be used for both the radiator 103 and the evaporator 105.
  • the radiator 103 is a water heat exchanger.
  • a water circuit 129 is passed through the radiator 103, and water (heat medium) flowing through the water circuit 129 and refrigerant flowing through the refrigerant circuit 200 exchange heat with the radiator 103.
  • the first compressor 101, the second compressor 102, and the expander 104 are each composed of a displacement type fluid machine such as a scroll type, a rotary type, or a reciprocating type.
  • the energy released by the refrigerant during expansion is recovered by the expander 104 in the form of power.
  • the first compressor 101 and the expander 104 are connected by a rotating shaft 123 so that the recovered power is used in the first compressor 101.
  • a motor 110 for driving the rotating shaft 123 is disposed between the first compressor 101 and the expander 104. Since the rotation shaft 123 is connected, in this embodiment, the rotation speed of the first compressor 101 and the rotation speed of the expander 104 are always equal.
  • a dedicated motor 111 is connected to the second compressor 102.
  • the motor 110 and the motor 111 can control the rotation speed separately. In other words, the rotational speed of the first compressor 101 and the rotational speed of the second compressor 102 can be controlled independently. Thereby, the restriction
  • the first compressor 101, the motor 110, the rotating shaft 123, and the expander 104 are accommodated in a common sealed container (not shown).
  • This type of fluid machine is disclosed in, for example, WO 2006/035934.
  • the 2nd compressor 102 and the motor 111 are also accommodated in the common airtight container (not shown).
  • the refrigeration cycle apparatus 100 further includes a controller 115 as a means for controlling operation, a first inverter 125 that supplies power to the motor 110, and a second inverter 127 that supplies power to the motor 111.
  • the controller 115 is a DSP (Digital Signal Processor) including an A / D conversion circuit, an input / output circuit, an arithmetic circuit, a storage device, and the like.
  • the controller 115 controls the inverters 125 and 127 to adjust the rotational speeds of the motor 110 and the motor 111, that is, the rotational speeds of the first compressor 101 and the second compressor 102.
  • the refrigerant circuit 200 is provided with a radiator outlet temperature sensor 112 that detects the temperature of the refrigerant at the outlet of the radiator 103 and a pressure sensor 117 that detects the pressure of the refrigerant at the outlet of the radiator 103.
  • a radiator outlet temperature sensor 112 that detects the temperature of the refrigerant at the outlet of the radiator 103
  • a pressure sensor 117 that detects the pressure of the refrigerant at the outlet of the radiator 103.
  • an ambient temperature sensor 113 that detects an ambient temperature around the evaporator 105 (for example, an outside air temperature) is provided.
  • the water circuit 129 is provided with an incoming water temperature sensor 114 that detects the temperature of water (heat medium) to be heated by the radiator 103.
  • temperature detection elements such as thermistors and thermocouples can be used.
  • the pressure sensor 117 include those using a semiconductor element. The signal of each sensor is input to the controller 115.
  • the suction volume of the first compressor 101 and the suction volume of the second compressor 102 may be different, but it is advantageous that they are equal. This is because the cost can be reduced by using a common fluid machine for the first compressor 101 and the second compressor 102.
  • the “inhalation volume” is a confined volume at the completion of inhalation.
  • “High pressure of the refrigeration cycle” means the pressure of the refrigerant discharged from the first compressor 101 and the second compressor 102 and guided to the expander 104 through the radiator 103.
  • the “optimal density ratio” means a density ratio at which the COP is considered to be the highest in design.
  • Second compressor suction volume 4cc Expansion machine suction volume: 0.8cc Fixed rotation speed of the first compressor: 60Hz Fixed rotation speed of the second compressor: 60Hz Refrigerant: Carbon dioxide Outside temperature: 2 ° C or 16 ° C
  • the graph in which the COP monotonously decreases indicates that the rotation speed of the first compressor 101 is fixed at 60 Hz, while the rotation speed of the second compressor 102 is adjusted so that the optimum density ratio is obtained.
  • the result is shown.
  • the incoming water temperature and the rotation speed of the second compressor 102 are not proportional.
  • the graphs having extreme values are the results when the rotation speed of the first compressor 101 is adjusted to obtain the optimum high pressure while the rotation speed of the second compressor 102 is fixed at 60 Hz. Is shown.
  • the incoming water temperature and the rotation speed of the first compressor 101 are not proportional.
  • the COP was calculated from the motor power consumption, the boiling temperature, the incoming water temperature, and the amount of hot water.
  • the control (ii) for adjusting the rotation speed of the second compressor 102 so that the optimum density ratio is obtained while fixing the rotation speed of the first compressor 101 to a predetermined value such a tendency appears.
  • the control (i) in which the rotational speed of the first compressor 101 is adjusted so as to obtain the optimum high pressure while the rotational speed of the second compressor 102 is fixed to a predetermined value the COP does not increase or decrease monotonously. A peak appears at a certain incoming water temperature.
  • the highest COP can always be obtained only by performing the control (i) or (ii) described above. Should be. But the reality is different. As apparent from FIGS. 2 and 3, the control method in which the COP of the refrigeration cycle apparatus 100 becomes the highest is switched depending on the operating conditions. Just because the optimum density ratio is obtained does not mean that the optimum high pressure is obtained.
  • a higher COP can be obtained by performing the above-described control (i) when the incoming water temperature is in the range of 35 to 45 ° C.
  • a higher COP can be obtained by performing the control (ii).
  • FIG. 3 when the outside air temperature is 16 ° C., a higher COP can be obtained by performing control (i) when the incoming water temperature is in the range of 40 to 47 ° C., and control (ii) is performed outside that range. By doing so, a higher COP is obtained.
  • a heater using the refrigeration cycle apparatus 100 has a heating circuit (corresponding to the water circuit 129 shown in FIG. 1) in which hot water circulates. Therefore, the temperature of water to be heated by the radiator 103 is generally about 30 to 50 ° C. Therefore, in order to efficiently operate the refrigeration cycle apparatus 100, it is desirable to switch the control method according to operating conditions such as the incoming water temperature and the outside air temperature.
  • the incoming water temperatures T1 and T2 at which the control method should be switched depend on the fixed rotational speeds of the first compressor 101 and the second compressor 102. That is, if the fixed rotational speed changes, the COP profile also differs from the shape shown in FIGS.
  • the rated rotational speed of the first compressor 101 is adopted as the fixed rotational speed of the first compressor 101 in the control (ii)
  • the second compression The rated rotational speed of the machine 102 can be adopted as the fixed rotational speed of the second compressor 102 in the control (i).
  • the adjustment range of the capacity of the refrigeration cycle apparatus 100 becomes wide.
  • the suction volume of the first compressor 101 is Vc
  • the suction volume of the expander 104 is Ve
  • the rotation speed of the first compressor 101 is Hz1
  • the rotation speed of the second compressor 102 is Hz2
  • at the inlet of the first compressor 101
  • the specific volume of the refrigerant is Mc
  • the specific volume of the refrigerant at the inlet of the expander 104 is Me
  • the weight circulation amount of the refrigerant in the refrigeration cycle apparatus 100 G
  • the optimum density ratio increases as the outside air temperature decreases.
  • the optimum density ratio increases as the incoming water temperature decreases.
  • the optimum density ratio is influenced by various factors such as the refrigerant intake refrigerant temperature, the specifications of the refrigeration cycle apparatus, and the refrigerant charge amount.
  • the outside air temperature is 7 ° C. (winter conditions) and the target value (optimum density ratio) of the density ratio Q is 10.
  • the suction volume Vc of the first compressor 101 is 4 cc
  • the rotation speed Hz1 of the first compressor 101 is 60 Hz
  • the suction volume Ve of the expander 104 is 0.8 cc
  • the rotation speed Hz2 of the second compressor 102 is 60 Hz. is there.
  • the outside air temperature is 25 ° C. (summer condition) and the target value of the density ratio Q is 8, the rotational speed Hz2 of the second compressor 102 is 36 Hz.
  • the second compressor 102 is controlled so that the optimum density ratio is obtained.
  • the rotation speed of the second compressor 102 By changing the rotation speed of the second compressor 102 while fixing the rotation speed of the first compressor 101 to a predetermined value, only the volume flow rate of the compressed refrigerant can be increased or decreased while keeping the volume flow rate of the expander 104 constant.
  • the adjustment range of the density ratio is increased. This advantage is especially significant in areas where the temperature difference between day and night and seasons is significant, as the difference in optimum density ratio also increases.
  • the rotational speed of the first compressor 101 is adjusted in order to obtain the optimum high pressure. When the rotation speed of the first compressor 101 changes, the rotation speed of the expander 104 also changes. Therefore, when the first compressor 101 is used, fine adjustment of the high pressure of the refrigeration cycle is easy.
  • Refrigeration cycle using carbon dioxide as a refrigerant forms a supercritical cycle in which the refrigerant is in a supercritical state on the high pressure side (portion from the compressor through the radiator to the expander). Therefore, as shown in FIG. 6, the COP has a peak with respect to the high pressure. However, the optimum high pressure corresponding to the peak varies depending on the temperature of the refrigerant at the outlet of the radiator 103, the outside air temperature, and the like. FIG. 6 is an example when the degree of superheat is 5 ° C. and the incoming water temperature is 35 ° C.
  • the optimum high pressure can be calculated from the state of the refrigeration cycle. Specifically, the optimum high pressure can be calculated based on the detection results of the radiator outlet temperature sensor 112 and the ambient temperature sensor 113. The most effective means of changing the high pressure is to change the rotational speed of the compressor. The high pressure can be arbitrarily adjusted by changing the rotational speed of the first compressor 101.
  • the controller 115 periodically executes the control shown in FIG. First, in step 201, it is determined whether or not an activation trigger for the refrigeration cycle apparatus 100 has been acquired.
  • Activation trigger includes a trigger for notifying the controller 115 that the operation should be started, a trigger for notifying the controller 115 that the required capacity for the refrigeration cycle apparatus 100 has been changed, and the like. For example, when the user opens the faucet and starts using hot water, when the heating switch is turned on, or when the amount of hot water stored in the tank falls below a predetermined amount, it automatically starts at midnight. Occurs when hot water storage operation is performed. The latter trigger occurs, for example, when the user changes the set temperature of heating, or when the strength of heating is changed from weak to strong.
  • Required capacity means the capacity that the refrigeration cycle apparatus 100 should exhibit.
  • step 205 If the refrigeration cycle apparatus 100 is not in operation, or if the required capacity has changed even during operation, the initial setting process in steps 202 to 204 is executed. On the other hand, if the refrigeration cycle apparatus 100 is already in operation and there is no change in the required capacity, steps 202 to 204 are omitted, and the processing after step 205 is executed.
  • step 202 first, the required capacity is calculated based on the user's instruction, which is information included in the activation trigger.
  • the “user instruction” is, for example, “refreshing operation” or “additional hot water operation” selected by the user using a remote controller or the like.
  • the required capacity (for example, 5 kW) is set so that the temperature of the hot water is 50 ° C. during the “additional cooking operation”, and the required capacity (for example, 4 kW) is set so that the temperature of the hot water becomes 40 ° C. Set.
  • the refrigeration cycle apparatus 100 is applied to a heater, for example, the required capacity is set according to the room temperature set by the user.
  • the controller 115 may automatically set the required capacity based on parameters such as the outside air temperature, the required amount of hot water, and the incoming water temperature.
  • initial rotational speeds of the first compressor 101 and the second compressor 102 are determined so that the required capacity can be exhibited. Specifically, the initial rotational speeds of the first compressor 101 and the second compressor 102 are determined in advance so as to correspond to the required capacity. The initial rotational speed of the first compressor 101 and the initial rotational speed of the second compressor 102 may be the same or different. Further, the initial rotational speed may be determined based on the detection results of the ambient temperature sensor 113 and the incoming water temperature sensor 114 as well as the required capacity. An instruction is given to inverters 125 and 127 so that first compressor 101 and second compressor 102 operate at the determined initial rotational speed.
  • step 204 the incoming water temperature is detected and the current control mode of the refrigeration cycle apparatus 100 is set.
  • the “density ratio control mode” for executing the control (ii) described above is set, and the memory To remember.
  • the “high pressure control mode” for executing the control (i) described above is set and stored in the memory.
  • step 205 in order to recognize the operation state of the refrigeration cycle apparatus 100, signals are acquired from the radiator outlet temperature sensor 112, the ambient temperature sensor 113, and the incoming water temperature sensor 114 to detect each temperature.
  • step 206 it is determined whether or not the detected incoming water temperature is within a predetermined temperature range T1 to T2.
  • the “predetermined temperature range” is a temperature range determined in accordance with the ambient temperature around the evaporator 105. As described with reference to FIGS. 2 and 3, for example, when the outside air temperature is 2 ° C., the “predetermined temperature range” is 35 to 45 ° C., and when the outside air temperature is 16 ° C. The “predetermined temperature range” is 40 to 47 ° C.
  • the “predetermined temperature range” is the fixed rotational speed of the second compressor 102 and density ratio control when the first process is executed in the high pressure control mode. It is also a temperature range determined corresponding to the fixed rotational speed of the first compressor 101 when the second process is executed in the mode.
  • the “first process” is a process including a step of changing the rotational speed of the first compressor 101.
  • the “second process” is a process including a step of changing the rotational speed of the second compressor 102.
  • the COP of the refrigeration cycle apparatus can be maximized by adjusting the high pressure of the refrigeration cycle to the optimum high pressure Pm. Accordingly, the process proceeds to step 207, where it is first determined whether it is necessary to switch the control mode. If it is necessary to switch the control mode, the rotational speed of each compressor is adjusted in step 208.
  • the control mode is switched from the density ratio control mode to the high pressure control mode. That is, as shown in FIG. 10B, the COP profile follows a line from point P 1 to point P 2 .
  • the rotation speed (fixed rotation speed) of the first compressor 101 at the point P 1 is 60 Hz and the rotation speed of the second compressor 102 is 45 Hz.
  • the rotation speed of the first compressor 101 at the point P 2 is 48 Hz, and the rotation speed (fixed rotation speed) of the second compressor 102 is 60 Hz.
  • the optimum high pressure Pm (target high pressure) that can maximize the COP is calculated.
  • the optimum high pressure Pm is closely related to the incoming water temperature and the radiator outlet temperature. If a correlation equation (or correlation table) between the incoming water temperature and the optimum high pressure Pm is input to the controller 115 in advance, the optimum high pressure Pm can be obtained based on the detected incoming water temperature. The same applies to the case where the radiator outlet temperature is used instead of the incoming water temperature.
  • step 210 the actual high pressure Pd is detected by the pressure sensor 117, and the detected high pressure Pd is compared with the optimum high pressure Pm. If Pd ⁇ Pm, the routine proceeds to step 211 where the rotation speed of the first compressor 101 is increased. If Pd ⁇ Pm, the routine proceeds to step 212 where the rotational speed of the first compressor 101 is decreased.
  • the actual high pressure Pd can be obtained (estimated) without using the pressure sensor 117.
  • the high pressure of the refrigeration cycle is closely related to parameters such as the rotational speed of the compressor and the outside air temperature. Therefore, the actual high pressure Pd may be obtained using a correlation table in which high pressures are described in a form corresponding to such parameters.
  • a correlation table in which the rotation speed of the first compressor 101 for obtaining the optimum high pressure Pm is described in a form corresponding to the incoming water temperature may be input to the controller 115 in advance.
  • the rotational speed of the first compressor 101 can be uniquely determined according to the incoming water temperature.
  • step 213 it is first determined whether it is necessary to switch the control mode. If it is necessary to switch the control mode, the rotational speed of each compressor is adjusted in step 214. Steps 213 and 214 are the same as steps 207 and 208 described above.
  • an optimum density ratio Qm target density ratio
  • the optimum density ratio Qm is closely related to the incoming water temperature and the outside air temperature. If a correlation equation (or correlation table) between the incoming water temperature and the optimum density ratio Qm is input to the controller 115 in advance, the optimum density ratio Qm can be obtained based on the detected incoming water temperature. The same applies to the case where the outside air temperature is used instead of the incoming water temperature.
  • step 216 the actual density ratio Q is compared with the optimum density ratio Qm.
  • the routine proceeds to step 217, where the rotational speed of the second compressor 102 is increased.
  • the routine proceeds to step 218, where the rotational speed of the second compressor 102 is decreased.
  • the actual density ratio Q can be calculated based on the aforementioned equation (2).
  • processing for correcting the rotational speed of the first compressor 101 or the rotational speed of the second compressor 102 may be executed. Specifically, due to the change in the rotation speed of the first compressor 101 or the rotation speed of the second compressor 102, is the rotation speed of each compressor necessary and sufficient to exhibit the required capacity? Judge whether. When the capacity is insufficient, the rotation speed of each compressor is increased by multiplying the rotation speed of each compressor by a correction coefficient that can compensate for the insufficient capacity. Similarly, when the capacity is excessive, the rotational speed of each compressor is decreased by multiplying the rotational speed of each compressor by a correction coefficient that can reduce the excessive capacity.
  • the controller 115 performs the first compression at that time so as to satisfy the required capacity for the refrigeration cycle apparatus 100.
  • the apparatus further includes means for correcting the rotational speed of the machine 101 and / or the rotational speed of the second compressor 102. By performing such correction, it is possible to operate with necessary and sufficient capacity while maintaining COP high. Note that when the correction is made, the fixed rotational speed changes, so the temperature range T1 to T2 also changes.
  • the controller 115 performs the first process as a process for increasing the COP of the refrigeration cycle apparatus 100, while the incoming water
  • the first process is a process including a step of changing the rotation speed of the first compressor 101.
  • the second process is a process including a step of changing the rotation speed of the second compressor 102.
  • Steps 211 and 212 of the first process are steps of changing the rotation speed of the first compressor 101 so that the refrigerant pressure Pd on the high pressure side of the refrigeration cycle approaches the optimum high pressure Pm at which COP can be maximized (optimum high pressure). control).
  • Steps 217 and 218 of the second process are the optimum density at which the density ratio Q between the inlet refrigerant density ⁇ e of the expander 104 and the inlet refrigerant density ⁇ c of the first compressor 101 (or the second compressor 102) can maximize COP.
  • This is a step of changing the rotational speed of the second compressor 102 so as to approach the ratio Qm (optimum density ratio control).
  • the first process it is determined whether the current high pressure Pd needs to be changed by comparing the high pressure Pd with the optimum high pressure Pm.
  • the second process it is determined whether the current density ratio Q needs to be changed by comparing the density ratio Q with the optimum density ratio Qm.
  • the density ratio Q is too small, the rotation speed of the second compressor 102 is increased, and when the density ratio Q is too large, the rotation speed of the second compressor 102 is decreased.
  • the controller 115 has initial setting means for setting the number. After the start of the refrigeration cycle apparatus 100, when the incoming water temperature is within a predetermined temperature range T1 to T2, the initial operation in which the first compressor 101 and the second compressor 102 are operating at each initial rotation speed. Based on the high pressure Pd in the state, the first process (steps 209 to 212) is executed. If the incoming water temperature is not within the predetermined temperature range T1 to T2, the second process (steps 215 to 218) is executed based on the density ratio Q in the initial operation state. In this way, the refrigeration cycle apparatus 100 can be started smoothly.
  • the high pressure Pd is compared with the optimum high pressure Pm.
  • the optimum high pressure Pm may have a certain range. That is, when the high pressure Pd exceeds the optimum high pressure Pm + ⁇ , the rotational speed of the first compressor 101 is reduced, while when the high pressure Pd falls below Pm ⁇ , the rotational speed of the first compressor 101 is increased.
  • the optimum density ratio Qm may have a certain range. That is, when the density ratio Q exceeds the optimum density ratio Qm + ⁇ , the rotation speed of the second compressor 102 is reduced, while when the density ratio Q falls below the optimum density ratio Qm ⁇ , the rotation speed of the second compressor 102 is reduced. Raise. By providing such a dead zone, it is not necessary to frequently change the rotational speed even if the high pressure Pd fluctuates somewhat. A similar dead zone may be provided at temperatures T1 and T2.
  • the refrigeration cycle apparatus 300 of the present embodiment is different from the first embodiment in that it further includes an injection circuit 132 having a flow control valve 134.
  • the injection circuit 132 connects the outlet of the radiator 103 and the intermediate pressure part of the expander 104 via a flow rate control valve 134.
  • a valve controller 136 that adjusts the opening degree of the flow control valve 134 is connected to the controller 115.
  • the refrigerant flow rate of the injection circuit 132 changes according to the opening degree of the flow rate adjustment valve 134.
  • the “intermediate pressure part” is a part provided to mix the high-pressure refrigerant with the refrigerant in the expansion process. Typically, the intermediate pressure part is an opening facing the expansion chamber.
  • the COP can be kept high by flowing the surplus refrigerant through the injection circuit 132 while operating the second compressor 102 at a rotational speed near the rated value.
  • the control method (control mode) that can maximize the COP of the refrigeration cycle apparatus 300 is switched depending on the operating conditions.
  • the control (i) described in the first embodiment is performed when the incoming water temperature is in the range of 36 to 43 ° C. By doing so, a higher COP is obtained. Outside that range, a higher COP can be obtained by performing control (ii). This indicates that the temperature range in which the control method should be switched to obtain a higher COP depends not only on the radiator outlet temperature and the outside air temperature but also on the configuration of the refrigeration cycle apparatus.
  • FIG. 13 shows a flowchart of control in the present embodiment. Steps 301 to 316 are the same as steps 201 to 216 described in the first embodiment.
  • the current density ratio Q is compared with the optimum density ratio Qm. If Q ⁇ Qm, the routine proceeds to step 317, where the rotational speed of the second compressor 102 is increased. When Q ⁇ Qm, the routine proceeds to step 318, where the rotational speed of the second compressor 102 is decreased and at the same time the opening degree of the flow control valve 134 is increased. Even when the actual density ratio Q cannot be adjusted to the optimum density ratio Qm only by adjusting the rotational speed of the second compressor 102, the flow rate adjusting valve 134 provided in the injection circuit 132 allows the refrigeration cycle apparatus 300 to operate. COP can be increased.
  • a series of controls may be performed using the refrigerant temperature or the outside air temperature at the outlet of the radiator 103.
  • the radiator 103 is a heat exchanger other than the water heat exchanger (for example, an air heat exchanger)
  • the temperature of the heat medium such as air to be heated by the radiator 103 is used instead of the incoming water temperature. it can.
  • the present invention can be applied to refrigeration cycle apparatuses for various uses such as a water heater, a heater, a bathroom dryer, and an air conditioner.

Abstract

　冷凍サイクル装置１００は、第１圧縮機１０１と、冷媒回路２００において第１圧縮機１０１に並列に接続された第２圧縮機１０２と、各圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器１０３と、第１圧縮機１０１の回転軸に連結された膨張機１０４と、膨張機１０４で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器１０５と、コントローラ１１５とを備えている。コントローラ１１５は、放熱器１０３に流入する熱媒体の温度が予め定められた温度範囲内にある場合には、当該冷凍サイクル装置１００の成績係数（ＣＯＰ）を高めるための処理として第１圧縮機１０１の回転数を変更するステップを含む第１処理を実行する一方、放熱器１０３に流入する熱媒体の温度が予め定められた温度範囲内にない場合には、成績係数を高めるための処理として第２圧縮機１０２の回転数を変更するステップを含む第２処理を実行する効率向上手段を有する。

Description

冷凍サイクル装置
　本発明は、冷凍サイクル装置に関する。
　例えば特開２００１－１１６３７１号公報に記載されているように、膨張機と圧縮機を回転軸で連結し、膨張機で得られた動力を圧縮機の駆動に利用して成績係数（ＣＯＰ：coefficient of performance）の向上を図る冷凍サイクル装置が知られている。この冷凍サイクル装置には、設計上の理想条件とは異なる運転条件での効率が芳しくない弱点がある。なぜなら、膨張機と圧縮機とが回転軸で連結されており、膨張機と圧縮機の押しのけ容積の比を変更できないからである。
　どのような運転条件でも高いＣＯＰが得られるように、膨張機をバイパスするバイパス回路を設けたり、膨張機の上流側に予膨張弁を設けたりする提案がある。すなわち、膨張機の押しのけ量が不足する場合には、放熱後の冷媒の一部をバイパス回路に流して冷媒の循環量を確保する。逆に、膨張機の押しのけ量が過剰な場合には、予膨張弁で冷媒を減圧して冷媒の比容積を予め増大させる。
　ただし、バイパス回路や予膨張弁を使用すると膨張機で回収できる動力が減少し、ＣＯＰの向上効果が薄れる。この問題を受けて、特開２００４－２１２００６号公報では、図１４に示すような冷凍サイクル装置が提案されている。この冷凍サイクル装置は、第１圧縮機２１、第１圧縮機２１に連結された膨張機２３および第１圧縮機２１に並列に配置された第２圧縮機２２を備えている。サイクルの高圧が目標値よりも高い場合、第１圧縮機２１と第２圧縮機２２の押しのけ量の合計値が理想値よりも大きいことを意味する。したがって、第２圧縮機２２の回転数を下げてその押しのけ量を減らす。すると、膨張機２３を流れる冷媒の量が減るので、サイクルの高圧が目標値に近づく。逆に、サイクルの高圧が目標値よりも低ければ、第２圧縮機２２の回転数を上げる。このように、第２圧縮機２２の回転数を調節することで、効率のよい運転を行える。
　第１圧縮機２１の回転数と第２圧縮機２２の回転数とを交互に調節する制御方法も考えられるが、システムの安定性の面で不安が残るし、制御が複雑になることも予想される。その意味において、第１圧縮機２１の回転数を固定し、第２圧縮機２２の回転数を調節する制御方法は理にかなっている。
　ところが、本発明者らが詳細な検討を行なったところ、第２圧縮機２２の回転数のみを上げ下げするよりも効率をよくできる制御方法が存在することを突き止めた。
　すなわち、本発明は、
　第１圧縮機と、
　冷媒回路において前記第１圧縮機に並列に接続された第２圧縮機と、
　前記各圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
　前記第１圧縮機の回転軸に連結された膨張機と、
　前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
　前記放熱器で加熱されるべき熱媒体の温度が予め定められた温度範囲内にある場合には、当該冷凍サイクル装置の成績係数を高めるための処理として前記第１圧縮機の回転数を変更するステップを含む第１処理を実行する一方、前記放熱器で加熱されるべき前記熱媒体の温度が前記予め定められた温度範囲内にない場合には、前記成績係数を高めるための処理として前記第２圧縮機の回転数を変更するステップを含む第２処理を実行する効率向上手段を有するコントローラと、
　を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。
　上記本発明では、放熱器で加熱されるべき熱媒体の温度が所定の温度範囲内にあるかどうかを判断し、その判断結果に応じて、第１処理を実行するのか第２処理を実行するのかを選択する。熱媒体の温度が所定の温度範囲内にあれば第１処理を実行し、熱媒体の温度が所定の温度範囲内になければ第２処理を実行する。このようにすれば、単純に第２圧縮機の回転数を上げ下げするよりも効率がよくなる。その理由の詳細は後述する。また、第１圧縮機の回転数と第２圧縮機の回転数とを交互に調節しなくても済むので、各圧縮機の制御も容易であり、システムの安定性も高まる。
本発明の第１実施形態にかかる冷凍サイクル装置を示す構成図 入水温度とＣＯＰの関係を示すグラフ（外気温度：２℃） 入水温度とＣＯＰの関係を示すグラフ（外気温度：１６℃） 外気温度と最適密度比の関係図（入水温度：３５℃） 入水温度と最適密度比の関係図（入水温度：２℃） 超臨界サイクルの高圧とＣＯＰの関係図 第１実施形態の冷凍サイクル装置における各圧縮機の回転数と高圧との関係図 第２圧縮機が設けられていない冷凍サイクル装置における第１圧縮機の回転数と高圧との関係図 第１実施形態にかかる制御のフローチャート 図９のフローチャートに示す制御で実現されるＣＯＰプロファイルを示す概略図 図１０Ａの部分拡大図 本発明の第２実施形態にかかる冷凍サイクル装置を示す構成図 入水温度とＣＯＰの関係を示すグラフ（外気温度：２℃） 第２実施形態にかかる制御のフローチャート 従来の冷凍サイクル装置を示す構成図
（第１実施形態）
　図１に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置１００は、第１圧縮機１０１と、第２圧縮機１０２と、放熱器１０３と、膨張機１０４と、蒸発器１０５とを備えている。これらの機器が配管で接続されることによって冷媒回路２００が形成されている。第１圧縮機１０１および第２圧縮機１０２は、それぞれ、冷媒を圧縮する。放熱器１０３は、第１圧縮機１０１で圧縮された冷媒および第２圧縮機１０２で圧縮された冷媒を冷却する。膨張機１０４は、放熱器１０３で冷却された冷媒を膨張させる。蒸発器１０５は、膨張機１０４で膨張した冷媒を加熱する。冷媒回路２００において、第２圧縮機１０２は、第１圧縮機１０１に対して並列に設けられている。第１圧縮機１０１および第２圧縮機１０２のそれぞれに冷媒が導かれるように、蒸発器１０５の下流側で冷媒回路が分岐している。圧縮された冷媒の全量が放熱器１０３に流入するように、放熱器１０３の上流側で冷媒回路２００が合流している。冷媒回路２００には、二酸化炭素やハイドロフルオロカーボン等の冷媒が充填されている。
　冷凍サイクル装置１００が給湯機に適用される場合、放熱器１０３に水熱交換器を使用でき、蒸発器１０５に空気熱交換器を使用できる。冷凍サイクル装置１００が空調機に適用される場合、放熱器１０３および蒸発器１０５の両者に空気熱交換器を使用できる。本実施形態では、放熱器１０３が水熱交換器である例を示している。放熱器１０３の内部には、水回路１２９が通されており、水回路１２９を流れる水（熱媒体）と冷媒回路２００を流れる冷媒とが放熱器１０３で熱交換する。
　第１圧縮機１０１、第２圧縮機１０２および膨張機１０４は、それぞれ、スクロール型、ロータリ型、レシプロ型等の容積型流体機械で構成されている。冷媒が膨張時に開放するエネルギーは、膨張機１０４によって動力の形で回収される。回収動力が第１圧縮機１０１で使用されるように、第１圧縮機１０１と膨張機１０４とが回転軸１２３によって連結されている。第１圧縮機１０１と膨張機１０４との間には、回転軸１２３を駆動するためのモータ１１０が配置されている。回転軸１２３で連結されているため、本実施形態では、第１圧縮機１０１の回転数と膨張機１０４の回転数とが常に等しい。他方、第２圧縮機１０２には、専用のモータ１１１が接続されている。モータ１１０とモータ１１１とは別々に回転数を制御可能である。言い換えれば、第１圧縮機１０１の回転数と第２圧縮機１０２の回転数とを独立して制御可能である。これにより、密度比一定の制約を回避できる。
　第１圧縮機１０１、モータ１１０、回転軸１２３および膨張機１０４は、共通の密閉容器（図示せず）内に収容されている。このタイプの流体機械は、例えば国際公開２００６／０３５９３４号パンフレットに開示されている。同様に、第２圧縮機１０２およびモータ１１１も共通の密閉容器（図示せず）内に収容されている。
　冷凍サイクル装置１００は、さらに、運転を制御する手段としてのコントローラ１１５と、モータ１１０に給電する第１インバータ１２５と、モータ１１１に給電する第２インバータ１２７とを備えている。具体的に、コントローラ１１５には、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置等を含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）が用いられる。コントローラ１１５は、インバータ１２５および１２７を制御することによって、モータ１１０およびモータ１１１の回転数、すなわち、第１圧縮機１０１および第２圧縮機１０２の回転数を調節する。
　冷媒回路２００には、放熱器１０３の出口における冷媒の温度を検出する放熱器出口温度センサ１１２と、放熱器１０３の出口における冷媒の圧力を検出する圧力センサ１１７とが設けられている。蒸発器１０５の近傍には、蒸発器１０５の周囲の雰囲気温度（例えば外気温度）を検出する雰囲気温度センサ１１３が設けられている。水回路１２９には、放熱器１０３で加熱されるべき水（熱媒体）の温度を検出する入水温度センサ１１４が設けられている。これらの温度センサには、サーミスタや熱電対などの温度検出素子を使用できる。圧力センサ１１７としては、半導体素子を使用したものが挙げられる。各センサの信号はコントローラ１１５に入力される。
　第１圧縮機１０１の吸入容積と、第２圧縮機１０２の吸入容積とは、異なっていてもよいが、等しい方が有利である。第１圧縮機１０１と第２圧縮機１０２とに共通の流体機械を用いることによって、コストを低減できるからである。なお、「吸入容積」とは、吸入完了時の閉じ込め容積のことである。
　次に、冷凍サイクル装置１００の運転について説明する。
　まず、冷凍サイクル装置１００を給湯式暖房機に適用したときの当該冷凍サイクル装置１００のＣＯＰの変化を調べるために行なった予備実験について説明する。この予備実験では、(i)第２圧縮機１０２の回転数を所定値に固定する一方、最適高圧が得られるように第１圧縮機１０１の回転数を調節する制御と、(ii)第１圧縮機１０１の回転数を所定値に固定する一方、最適密度比が得られるように第２圧縮機１０２の回転数を調節する制御とを試した。「最適高圧」とは、冷媒の物性の観点からＣＯＰが最高になると考えられる、冷凍サイクルの高圧を意味する。「冷凍サイクルの高圧」とは、第１圧縮機１０１および第２圧縮機１０２から吐出され、放熱器１０３を経て膨張機１０４に導かれる冷媒の圧力を意味する。「最適密度比」とは、設計上ＣＯＰが最高になると考えられる密度比を意味する。「密度比」とは、第１圧縮機１０１の入口における冷媒の密度ρeと膨張機１０４の入口における冷媒の密度ρcとの比Ｑ（Ｑ＝ρe／ρc）を意味する。予備実験の条件は以下の通りである。結果を図２および図３に示す。図２および図３の縦軸および横軸は、それぞれ、冷凍サイクル装置１００のＣＯＰと入水温度センサ１１４の検出温度を表している。
　第１圧縮機の吸入容積：４ｃｃ
　第２圧縮機の吸入容積：４ｃｃ
　膨張機の吸入容積：０．８ｃｃ
　第１圧縮機の固定回転数：６０Ｈｚ
　第２圧縮機の固定回転数：６０Ｈｚ
　冷媒：二酸化炭素
　外気温度：２℃または１６℃
　図２および図３において、ＣＯＰが単調減少しているグラフは、第１圧縮機１０１の回転数を６０Ｈｚに固定する一方、最適密度比が得られるように第２圧縮機１０２の回転数を調節した場合の結果を示している。入水温度が低ければ低いほど第２圧縮機１０２の回転数は高く、入水温度が高ければ高いほど第２圧縮機１０２の回転数は低い。ただし、入水温度と第２圧縮機１０２の回転数とは比例していない。
　図２および図３において、極値を有するグラフは、第２圧縮機１０２の回転数を６０Ｈｚに固定する一方、最適高圧が得られるように第１圧縮機１０１の回転数を調節した場合の結果を示している。入水温度が低ければ低いほど第１圧縮機１０１の回転数は高く、入水温度が高ければ高いほど第１圧縮機１０１の回転数は低い。ただし、入水温度と第１圧縮機１０１の回転数とは比例していない。なお、ＣＯＰは、モータの消費電力、沸き上げ温度、入水温度および給湯量から算出した。
　図２および図３に示す結果をさらに検討する。
　一般に、入水温度が低ければ低いほど放熱器１０３での熱交換効率がよくなるので、入水温度に対してＣＯＰが単調に増減する傾向を予測できる。第１圧縮機１０１の回転数を所定値に固定する一方、最適密度比が得られるように第２圧縮機１０２の回転数を調節する制御(ii)によると、そのような傾向が現れている。しかし、第２圧縮機１０２の回転数を所定値に固定する一方、最適高圧が得られるように第１圧縮機１０１の回転数を調節する制御(i)によると、ＣＯＰが単調に増減せず、ある特定の入水温度にピークが現れる。このような結果が得られた理由は必ずしも明らかではないが、第１圧縮機１０１と膨張機１０４とが回転軸１２３で連結されていること、および超臨界冷媒である二酸化炭素の物性が影響しているものと考えられる。
　二酸化炭素等の超臨界冷媒を作動流体に使用し、圧縮機と回転軸で連結された膨張機を搭載した冷凍サイクル装置のＣＯＰを高めるには、以下の２つのポイントに特に留意する必要がある。１つのポイントは、密度比Ｑを最適密度比に調節することである。他の１つのポイントは、冷凍サイクルの高圧を最適高圧に調節することである。
　仮に、実際の密度比Ｑが最適密度比に一致したときに自動的に最適高圧が得られているのであれば、上述した制御(i)または(ii)を行うだけで常に最高のＣＯＰが得られるはずである。しかし、現実は異なっている。図２および図３から明らかなように、冷凍サイクル装置１００のＣＯＰが最も高くなる制御方法は運転条件によって切り替わる。最適密度比が得られているからといって、最適高圧が得られているとは限らない。
　図２に示すように、例えば外気温度が２℃のときは、入水温度が３５～４５℃の範囲では上述した制御(i)を行うことでより高いＣＯＰが得られ、その範囲外では上述した制御(ii)を行うことでより高いＣＯＰが得られる。図３に示すように、外気温度が１６℃のときは、入水温度が４０～４７℃の範囲では制御(i)を行うことでより高いＣＯＰが得られ、その範囲外では制御(ii)を行うことでより高いＣＯＰが得られる。
　例えば、冷凍サイクル装置１００を用いた暖房機は、温水が循環する暖房回路（図１に示す水回路１２９に相当する）を有している。そのため、放熱器１０３で加熱されるべき水の温度が３０～５０℃程度になるのが一般的である。したがって、冷凍サイクル装置１００を効率よく運転するには、入水温度や外気温度等の運転条件に応じて制御方法を切り替えることが望ましい。
　また、制御方法を切り替えるべき入水温度Ｔ１およびＴ２は、第１圧縮機１０１および第２圧縮機１０２の固定回転数にも依存する。つまり、固定回転数が変われば、ＣＯＰプロファイルも図２および図３に示す形とは異なるものになる。例えば、冷凍サイクル装置１００の能力の調節範囲が重要でない場合には、第１圧縮機１０１の定格回転数を制御（ii）における第１圧縮機１０１の固定回転数として採用し、かつ第２圧縮機１０２の定格回転数を制御（i）における第２圧縮機１０２の固定回転数として採用できる。他方、制御方法を切り替えるべき入水温度Ｔ１およびＴ２が、外気温度および固定回転数に対応して定められていると、冷凍サイクル装置１００の能力の調節範囲が広くなる。
　次に、密度比Ｑおよび最適密度比について詳しく説明する。
　第１圧縮機１０１の吸入容積をＶc、膨張機１０４の吸入容積をＶe、第１圧縮機１０１の回転数をＨｚ1、第２圧縮機１０２の回転数をＨｚ2、第１圧縮機１０１の入口における冷媒の比容積をＭc、膨張機１０４の入口における冷媒の比容積をＭe、冷凍サイクル装置１００における冷媒の重量循環量をＧとすると、下記式（１）の関係が成立する。
　Ｖc*Ｈｚ1：Ｖe*Ｈｚ1＝Ｍc*（Ｈｚ1／（Ｈｚ1＋Ｈｚ2））*Ｇ：Ｍe*Ｇ・・・（１）
　第１圧縮機１０１の入口における冷媒の密度ρcと膨張機１０４の入口における冷媒の密度ρeを用いて式（１）を展開すると、次式（２）が得られる。
　ρe／ρc＝（Ｖc／Ｖe）*（（Ｈｚ1＋Ｈｚ2）／Ｈｚ1）・・・（２）
　右辺のＶc／Ｖeは設計値であり、これを任意に変更するのは困難である。したがって、所望の密度比Ｑ（Ｑ＝ρe／ρc）を得るためには、第１圧縮機１０１の回転数Ｈｚ1および／または第２圧縮機１０２の回転数Ｈｚ2を調節する必要がある。ここで、図４に示すように、外気温度が低くなればなるほど最適密度比は大きくなる。図５に示すように、入水温度が低くなればなるほど最適密度比は大きくなる。その他、最適密度比は圧縮機の吸入冷媒温度、冷凍サイクル装置の仕様、冷媒充填量等の様々な要因から影響を受ける。
　例えば、外気温度が７℃（冬期条件）、密度比Ｑの目標値（最適密度比）が１０である場合を考える。第１圧縮機１０１の吸入容積Ｖcを４ｃｃ、第１圧縮機１０１の回転数Ｈｚ1を６０Ｈｚ、膨張機１０４の吸入容積Ｖeを０．８ｃｃとすると、第２圧縮機１０２の回転数Ｈｚ2は６０Ｈｚである。外気温度が２５℃（夏期条件）で密度比Ｑの目標値が８である場合には、第２圧縮機１０２の回転数Ｈｚ2は３６Ｈｚである。
　本実施形態では、最適密度比が得られるように第２圧縮機１０２を制御する。第１圧縮機１０１の回転数を所定値に固定しつつ第２圧縮機１０２の回転数を変化させると、膨張機１０４の体積流量を一定に保ちながら圧縮冷媒の体積流量のみを増減できるので、密度比の調節幅が大きくなる利点がある。昼夜や季節間の温度差が激しい地域では最適密度比の差も大きくなるので、この利点が特に意義を持つ。また、本実施形態では、最適高圧を得るために第１圧縮機１０１の回転数を調節する。第１圧縮機１０１の回転数が変化すると、膨張機１０４の回転数も変化する。そのため、第１圧縮機１０１を使用すると冷凍サイクルの高圧の微調節が容易である。
　次に、冷凍サイクルの高圧および最適高圧について詳しく説明する。
　二酸化炭素を冷媒に使用した冷凍サイクルは、高圧側（圧縮機から放熱器を経て膨張機に至る部分）で冷媒が超臨界状態となる超臨界サイクルを形成する。そのため、図６に示すように、高圧に対してＣＯＰがピークを持つ。しかし、ピークに対応する最適高圧は、放熱器１０３の出口における冷媒の温度や外気温度等によって変化する。図６は、過熱度が５℃、入水温度が３５℃のときの例である。
　最適高圧は冷凍サイクルの状態から計算できる。具体的には、放熱器出口温度センサ１１２および雰囲気温度センサ１１３の検出結果に基づいて最適高圧を計算できる。高圧を変化させる最も有効な手段は、圧縮機の回転数を変化させることである。第１圧縮機１０１の回転数を変化させることによって高圧を任意に調節できる。
　確認実験として、各圧縮機の回転数と高圧との関係を季節毎に調べた。結果を図７に示す。例えば中間期条件では、実際の高圧（図７中にひし形の印で表されたデータ）が最適高圧（図７中に×印で表されたデータ）に一致するように第１圧縮機１０１の回転数を調節し、必要な加熱能力が得られるように第２圧縮機１０２の回転数を調節した。第１圧縮機１０１および第２圧縮機１０２を適切に制御することにより、冬期、中間期および夏期の全てにおいて、実際の高圧と最適高圧とを一致させることができた。
　また、第２圧縮機が設けられていない冷凍サイクル装置における、第１圧縮機の回転数と高圧との関係も季節毎に調べた。結果を図８に示す。冬期条件では実際の高圧と最適高圧とがよく一致したが、中間期条件および夏期条件では実際の高圧が最適高圧から大きく乖離した。これは、第１圧縮機および膨張機が冬期条件をベースに設計されているからである。第２圧縮機が設けられていない場合、密度比Ｑが回転数に関係なく常に一定になるため（密度比一定の制約）、高圧は成り行き任せになる。冬期だけなら高いＣＯＰが得られるが、通年のＣＯＰは芳しくない。
　次に、各圧縮機の制御手順について、図９のフローチャートを参照して説明する。冷凍サイクル装置１００が給湯機（暖房機を含む）に適用された例について説明する。
　コントローラ１１５は、図９に示す制御を定期的に実行する。まず、ステップ２０１において、冷凍サイクル装置１００の起動契機を取得したかどうかを判断する。「起動契機」には、運転を開始すべき旨をコントローラ１１５に通知する契機や、冷凍サイクル装置１００に対する要求能力が変更されたことをコントローラ１１５に通知する契機等が含まれる。前者の契機は、例えば、ユーザーが蛇口を開いて湯を使用し始めたとき、暖房のスイッチをオンしたとき、タンクに貯めた湯の量が所定量以下となったとき、深夜に自動的に貯湯運転を行なうとき等に発生する。後者の契機は、例えば、ユーザーが暖房の設定温度を変更したとき、暖房の強さを弱から強に変更したとき等に発生する。「要求能力」とは、冷凍サイクル装置１００が発揮するべき能力を意味する。
　冷凍サイクル装置１００が運転中でない場合、または、運転中であっても要求能力に変更があった場合には、ステップ２０２～２０４の初期設定処理を実行する。他方、冷凍サイクル装置１００が既に運転中であり、かつ要求能力に変更がない場合には、ステップ２０２～２０４を省略してステップ２０５以降の処理を実行する。
　ステップ２０２では、まず、起動契機に含まれた情報であるユーザーの指示等に基づいて要求能力を計算する。冷凍サイクル装置１００が風呂の給湯機に適用されるのであれば、「ユーザーの指示」とは、例えばユーザーがリモコン等で選択する「追い炊き運転」や「足し湯運転」である。「追い炊き運転」のときは出湯温度が５０℃になるように要求能力（例えば５ｋＷ）を設定し、「足し湯運転」のときは出湯温度が４０℃になるように要求能力（例えば４ｋＷ）を設定する。冷凍サイクル装置１００が暖房機に適用されるのであれば、例えば、ユーザーが設定した室温に応じて要求能力が設定される。また、コントローラ１１５が外気温度、必要な湯量、入水温度等のパラメータに基づいて要求能力を自動で設定することもある。
　次に、ステップ２０３において、要求能力を発揮できるように第１圧縮機１０１および第２圧縮機１０２の各初期回転数を決定する。具体的には、要求能力に対応する形で第１圧縮機１０１および第２圧縮機１０２の各初期回転数が予め定められている。第１圧縮機１０１の初期回転数と第２圧縮機１０２の初期回転数とは同一であってもよいし、異なっていていてもよい。また、要求能力だけでなく、雰囲気温度センサ１１３や入水温度センサ１１４の検出結果に基づいて初期回転数が決定されてもよい。決定された初期回転数で第１圧縮機１０１および第２圧縮機１０２が動作するように、インバータ１２５，１２７に指示を与える。
　次に、ステップ２０４において、入水温度を検出して、冷凍サイクル装置１００の現在の制御モードを設定する。図１０Ａに示すように、入水温度がＴ１よりも小さい場合、または入水温度がＴ２よりも大きい場合には、先に説明した制御（ii）を実行する「密度比制御モード」を設定し、メモリに記憶する。他方、入水温度がＴ１～Ｔ２の範囲内にある場合には、先に説明した制御（i）を実行する「高圧制御モード」を設定し、メモリに記憶する。
　次に、ステップ２０５において、当該冷凍サイクル装置１００の運転状態を認識するために、放熱器出口温度センサ１１２、雰囲気温度センサ１１３および入水温度センサ１１４から信号を取得して各温度を検出する。
　次に、ステップ２０６において、検出された入水温度が予め定められた温度範囲Ｔ１～Ｔ２内にあるかどうかを判断する。「予め定められた温度範囲」は、蒸発器１０５の周囲の雰囲気温度に対応して定められた温度範囲である。図２および図３を参照して説明したように、例えば、外気温度が２℃の場合には「予め定められた温度範囲」は３５～４５℃であり、外気温度が１６℃の場合には「予め定められた温度範囲」は４０～４７℃である。
　また、各圧縮機の固定回転数が一定でない場合、「予め定められた温度範囲」は、高圧制御モードで第１処理を実行する際の第２圧縮機１０２の固定回転数、および密度比制御モードで第２処理を実行する際の第１圧縮機１０１の固定回転数に対応して定められた温度範囲でもある。後述するように、「第１処理」は、第１圧縮機１０１の回転数を変更するステップを含む処理である。同様に、「第２処理」は、第２圧縮機１０２の回転数を変更するステップを含む処理である。
　入水温度が温度範囲Ｔ１～Ｔ２内にある場合、冷凍サイクルの高圧を最適高圧Ｐｍに合わせることによって冷凍サイクル装置のＣＯＰを最も高くできる。したがって、ステップ２０７に移り、まず、制御モードを切り替える必要があるかどうかを判断する。制御モードを切り替える必要がある場合には、ステップ２０８で各圧縮機の回転数を調節する。
　図１０Ａに示すように、入水温度が徐々に上昇してＴ１を超えたとき、制御モードが密度比制御モードから高圧制御モードに切り替わる。つまり、図１０Ｂに示すように、ＣＯＰプロファイルが点Ｐ1から点Ｐ2に向かうラインを辿る。例えば、点Ｐ1における第１圧縮機１０１の回転数（固定回転数）が６０Ｈｚであり、第２圧縮機１０２の回転数が４５Ｈｚであるとする。また、点Ｐ2における第１圧縮機１０１の回転数が４８Ｈｚであり、第２圧縮機１０２の回転数（固定回転数）が６０Ｈｚであるとする。固定回転数で運転するべき圧縮機を第１圧縮機１０１から第２圧縮機１０２に切り替えるので、点Ｐ1から点Ｐ2への変化の過程で各圧縮機の回転数の調節を行う。もちろん、固定回転数で運転するべき圧縮機を第２圧縮機１０２から第１圧縮機１０１に切り替える場合もある。なお、各圧縮機の回転数が急激に変化すると、サイクルが不安定になる可能性があるので、ステップ２０８における各圧縮機の回転数の変化は、なるべく緩やかであることが好ましい。
　次に、ステップ２０９において、ＣＯＰを最も高くできる最適高圧Ｐｍ（目標高圧）を計算する。よく知られているように、最適高圧Ｐｍは入水温度や放熱器出口温度と密接に関係している。入水温度と最適高圧Ｐｍとの相関式（または相関テーブル）をコントローラ１１５に予めインプットしておけば、検出された入水温度に基づいて、最適高圧Ｐｍを求めることができる。入水温度に代えて、放熱器出口温度を用いる場合でも同様である。
　次に、ステップ２１０において、圧力センサ１１７によって実際の高圧Ｐｄを検出し、検出した高圧Ｐｄと最適高圧Ｐｍとの大小を比較する。Ｐｄ＜Ｐｍの場合はステップ２１１に移り、第１圧縮機１０１の回転数を上げる。Ｐｄ≧Ｐｍの場合はステップ２１２に移り、第１圧縮機１０１の回転数を下げる。なお、圧力センサ１１７を使用せずに実際の高圧Ｐｄを求める（推定する）こともできる。よく知られているように、冷凍サイクルの高圧は、圧縮機の回転数や外気温度等のパラメータと密接に関係している。したがって、そのようなパラメータに対応する形で高圧が記述された相関テーブルを使用して実際の高圧Ｐｄを求めてもよい。
　なお、最適高圧Ｐｍを得るための第１圧縮機１０１の回転数が入水温度に対応する形で記述された相関テーブルがコントローラ１１５に予めインプットされていてもよい。その相関テーブルを参照することにより、入水温度に応じて第１圧縮機１０１の回転数を一義的に決定できる。
　他方、入水温度が温度範囲Ｔ１～Ｔ２内にない場合、密度比Ｑを最適密度比Ｑｍに一致させることによって冷凍サイクル装置のＣＯＰを最も高くできる。ステップ２１３に移り、まず、制御モードを切り替える必要があるかどうかを判断する。制御モードを切り替える必要がある場合には、ステップ２１４で各圧縮機の回転数を調節する。ステップ２１３および２１４の処理は、先に説明したステップ２０７および２０８と同じ処理である。
　次に、ステップ２１５において、ＣＯＰを最も高くできる最適密度比Ｑｍ（目標密度比）を計算する。図４および図５を参照して説明したように、最適密度比Ｑｍは入水温度や外気温度と密接に関係している。入水温度と最適密度比Ｑｍとの相関式（または相関テーブル）をコントローラ１１５に予めインプットしておけば、検出された入水温度に基づいて、最適密度比Ｑｍを求めることができる。入水温度に代えて、外気温度を用いる場合でも同様である。
　ステップ２１６では、実際の密度比Ｑと最適密度比Ｑｍとの大小を比較する。Ｑ＜Ｑｍの場合はステップ２１７に移り、第２圧縮機１０２の回転数を上げる。Ｑ≧Ｑｍの場合はステップ２１８に移り、第２圧縮機１０２の回転数を下げる。実際の密度比Ｑは、前述した（２）式に基づいて計算できる。
　なお、ステップ２０６～２１８の処理を実行した後、第１圧縮機１０１の回転数または第２圧縮機１０２の回転数を補正する処理を実行してもよい。具体的には、第１圧縮機１０１の回転数または第２圧縮機１０２の回転数を変更したことに起因して、各圧縮機の回転数が要求能力を発揮するのに必要十分であるかどうかを判断する。能力が足りない場合には、不足している能力を補償しうる補正係数を各圧縮機の回転数に乗じて、各圧縮機の回転数を上げる。同様に、能力が過剰な場合には、過剰な能力を削減しうる補正係数を各圧縮機の回転数に乗じて、各圧縮機の回転数を下げる。言い換えると、コントローラ１１５は、第１処理（ステップ２０９～２１２）または第２処理（ステップ２１５～２１８）が実行された後に、当該冷凍サイクル装置１００に対する要求能力を満たすようにその時点の第１圧縮機１０１の回転数および／または第２圧縮機１０２の回転数を補正する手段をさらに有する。このような補正を行うことで、ＣＯＰを高く維持しつつ、必要十分な能力での運転が可能になる。なお、補正を行うと固定回転数が変化するので、温度範囲Ｔ１～Ｔ２も変化する。
　以上のように、コントローラ１１５は、入水温度が予め定められた温度範囲Ｔ１～Ｔ２内にある場合には、当該冷凍サイクル装置１００のＣＯＰを高めるための処理として第１処理を実行する一方、入水温度が予め定められた温度範囲Ｔ１～Ｔ２内にない場合には、ＣＯＰを高めるための処理として第２処理を実行する効率向上手段を有する。第１処理（ステップ２０９～２１２）は、第１圧縮機１０１の回転数を変更するステップを含む処理である。第２処理（ステップ２１５～２１８）は、第２圧縮機１０２の回転数を変更するステップを含む処理である。冷凍サイクル装置１００の運転状態に応じて２つの制御方法（制御モード）を切り替えることによって、全ての運転条件において優れたＣＯＰが得られる。
　第１処理のステップ２１１および２１２は、冷凍サイクルの高圧側における冷媒の圧力ＰｄがＣＯＰを最も高くできる最適高圧Ｐｍに近づくように第１圧縮機１０１の回転数を変更するステップである（最適高圧制御）。第２処理のステップ２１７および２１８は、膨張機１０４の入口冷媒密度ρeと第１圧縮機１０１（または第２圧縮機１０２）の入口冷媒密度ρcとの密度比ＱがＣＯＰを最も高くできる最適密度比Ｑｍに近づくように第２圧縮機１０２の回転数を変更するステップである（最適密度比制御）。
　具体的に、第１処理において、高圧Ｐｄと最適高圧Ｐｍとを比較することによって現在の高圧Ｐｄを変更する必要があるかどうかを判断する。高圧Ｐｄが低すぎる場合には第１圧縮機１０１の回転数を上げ、高圧Ｐｄが高すぎる場合には第１圧縮機１０１の回転数を下げる。第２処理において、密度比Ｑと最適密度比Ｑｍとを比較することによって現在の密度比Ｑを変更する必要があるかどうかを判断する。密度比Ｑが小さすぎる場合には第２圧縮機１０２の回転数を上げ、密度比Ｑが大きすぎる場合には第２圧縮機１０２の回転数を下げる。このような第１処理および第２処理を適切に実行することによって、全ての運転条件において優れたＣＯＰが得られる。
　また、本実施形態では、当該冷凍サイクル装置１００の起動契機を取得することを条件として、当該冷凍サイクル装置１００に対する要求能力を発揮しうる第１圧縮機１０１および第２圧縮機１０２の各初期回転数を設定する初期設定手段をコントローラ１１５が有する。冷凍サイクル装置１００の起動後、入水温度が予め定められた温度範囲Ｔ１～Ｔ２内にある場合には、第１圧縮機１０１および第２圧縮機１０２が各初期回転数で動作している初期動作状態での高圧Ｐｄに基づいて、第１処理（ステップ２０９～２１２）を実行する。入水温度が予め定められた温度範囲Ｔ１～Ｔ２内にない場合には、その初期動作状態での密度比Ｑに基づいて、第２処理（ステップ２１５～２１８）を実行する。このようにすれば、冷凍サイクル装置１００をスムーズに起動できる。
　図１０Ａに示すように、温度Ｔ１およびＴ２で密度比制御モードと高圧制御モードとの切り替えを行う結果、温度Ｔ１よりも低い入水温度および温度Ｔ２よりも高い入水温度では、入水温度の上昇に応じてＣＯＰが単調減少する。温度範囲Ｔ１～Ｔ２では、入水温度の上昇に応じてＣＯＰが増加および減少して１つの極値を示す。
　なお、本実施形態では、ステップ２１０において、高圧Ｐｄと最適高圧Ｐｍとの大小を比較している。ただし、最適高圧Ｐｍが一定の範囲を有していてもよい。すなわち、高圧Ｐｄが最適高圧Ｐｍ＋αを超えたときに第１圧縮機１０１の回転数を下げる一方、高圧ＰｄがＰｍ－αを下回ったときに第１圧縮機１０１の回転数を上げる。同様に、最適密度比Ｑｍが一定の範囲を有していてもよい。すなわち、密度比Ｑが最適密度比Ｑｍ＋αを超えたときに第２圧縮機１０２の回転数を下げる一方、密度比Ｑが最適密度比Ｑｍ－αを下回ったときに第２圧縮機１０２の回転数を上げる。このような不感帯を設けることにより、高圧Ｐｄが多少ふらついたとしても回転数の変更を頻繁にせずに済む。同様の不感帯を温度Ｔ１およびＴ２に設けてもよい。
（第２実施形態）
　図１１に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置３００は、流量調節弁１３４を有するインジェクション回路１３２をさらに備えている点で第１実施形態と相違する。インジェクション回路１３２は、放熱器１０３の出口と膨張機１０４の中間圧部とを流量調節弁１３４を介して接続している。流量調節弁１３４の開度を調節するバルブコントローラ１３６がコントローラ１１５に接続されている。インジェクション回路１３２の冷媒流量は、流量調節弁１３４の開度に応じて変化する。なお、「中間圧部」とは、膨張過程の冷媒に高圧冷媒を混ぜるために設けられた部分である。典型的に、中間圧部は、膨張室内に面している開口部である。
　第１実施形態で説明したように、外気温度が２５℃（夏期条件）の場合、最適密度比Ｑｍが８であり、このときの第２圧縮機１０２の回転数Ｈｚ2は３６Ｈｚである。しかし、第２圧縮機１０２を低回転数で運転することは信頼性の観点で好ましくない。また、モータの効率が最大になる回転数（例えば６０Ｈｚ）で第２圧縮機１０２を運転することが望ましい。本実施形態によると、第２圧縮機１０２を定格付近の回転数で運転しつつ、インジェクション回路１３２に余剰冷媒を流すことによってＣＯＰを高く保てる。
　また、第１実施形態と同様、冷凍サイクル装置３００のＣＯＰを最も高くできる制御方法（制御モード）は、運転条件によって切り替わる。図１２に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置３００によると、例えば外気温度が２℃のときは、入水温度が３６～４３℃の範囲では第１実施形態で説明した制御(i)を行うことでより高いＣＯＰが得られる。その範囲外では制御(ii)を行うことでより高いＣＯＰが得られる。このことは、より高いＣＯＰを得るために制御方法を切り替えるべき温度範囲が、放熱器出口温度や外気温度だけでなく、冷凍サイクル装置の構成に依存することを表している。
　本実施形態における制御のフローチャートを図１３に示す。ステップ３０１～３１６は、第１実施形態で説明したステップ２０１～２１６と同じである。ステップ３１６で現在の密度比Ｑと最適密度比Ｑｍとを比較し、Ｑ＜Ｑｍの場合はステップ３１７に移り、第２圧縮機１０２の回転数を上げる。Ｑ≧Ｑｍの場合はステップ３１８に移り、第２圧縮機１０２の回転数を下げると同時に、流量調節弁１３４の開度を大きくする。第２圧縮機１０２の回転数を調節するだけでは実際の密度比Ｑを最適密度比Ｑｍに合わせることができない場合でも、インジェクション回路１３２に設けた流量調節弁１３４の働きにより、冷凍サイクル装置３００のＣＯＰを高めることができる。
（変形例）
　放熱器１０３の冷媒側出口において、冷媒の温度と水の温度との間には、密接な関係がある。例えば、ある給湯機では、（放熱器の出口における冷媒の温度）≒（入水温度＋５℃）の関係が成立する。したがって、放熱器出口温度センサ１１２の検出結果に基づいて放熱器１０３で加熱されるべき水の温度（入水温度）を間接的に検出してもよい。その場合、入水温度センサ１１４を省略できるので、コスト低減に資する。また、外気温度から入水温度を間接的に検出することも考えられる。すなわち、入水温度に代えて、放熱器１０３の出口における冷媒の温度または外気温度を用いて一連の制御を行ってもよい。また、放熱器１０３が水熱交換器以外の熱交換器（例えば空気熱交換器）である場合は、入水温度に代えて、放熱器１０３で加熱されるべき空気等の熱媒体の温度を使用できる。
　本発明は、給湯機、暖房機、浴室乾燥機、空気調和装置など、様々な用途の冷凍サイクル装置に適用できる。                                                                         

Claims (8)

  1. 　第１圧縮機と、
    　冷媒回路において前記第１圧縮機に並列に接続された第２圧縮機と、
    　前記各圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
    　前記第１圧縮機の回転軸に連結された膨張機と、
    　前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
    　前記放熱器で加熱されるべき熱媒体の温度が予め定められた温度範囲内にある場合には、当該冷凍サイクル装置の成績係数を高めるための処理として前記第１圧縮機の回転数を変更するステップを含む第１処理を実行する一方、前記放熱器で加熱されるべき前記熱媒体の温度が前記予め定められた温度範囲内にない場合には、前記成績係数を高めるための処理として前記第２圧縮機の回転数を変更するステップを含む第２処理を実行する効率向上手段を有するコントローラと、
    　を備えた、冷凍サイクル装置。
  2. 　前記予め定められた温度範囲は、前記蒸発器の周囲の雰囲気温度に対応して定められた温度範囲である、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
  3. 　前記予め定められた温度範囲は、さらに、前記第１処理を実行する際の前記第２圧縮機の回転数、および前記第２処理を実行する際の前記第１圧縮機の回転数に対応して定められた温度範囲である、請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 　前記第１圧縮機の回転数を変更するステップは、冷凍サイクルの高圧側における冷媒の圧力Ｐｄが前記成績係数を最も高くできる最適高圧Ｐｍに近づくように前記第１圧縮機の回転数を変更するステップであり、
    　前記第２圧縮機の回転数を変更するステップは、前記膨張機の入口冷媒密度ρeと前記圧縮機の入口冷媒密度ρcとの密度比Ｑが前記成績係数を最も高くできる最適密度比Ｑｍに近づくように前記第２圧縮機の回転数を変更するステップである、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
  5. 　前記効率向上手段は、
    　前記第１処理において、前記圧力Ｐｄと前記最適高圧Ｐｍとを比較することによって現在の前記圧力Ｐｄを変更する必要があるかどうかを判断するとともに、前記圧力Ｐｄが低すぎる場合には前記第１圧縮機の回転数を上げ、前記圧力Ｐｄが高すぎる場合には前記第１圧縮機の回転数を下げる一方、
    　前記第２処理において、前記密度比Ｑと前記最適密度比Ｑｍとを比較することによって現在の前記密度比Ｑを変更する必要があるかどうかを判断するとともに、前記密度比Ｑが小さすぎる場合には前記第２圧縮機の回転数を上げ、前記密度比Ｑが大きすぎる場合には前記第２圧縮機の回転数を下げる、請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
  6. 　当該冷凍サイクル装置の起動契機を取得することを条件として、当該冷凍サイクル装置に対する要求能力を発揮しうる前記第１圧縮機および前記第２圧縮機の各初期回転数を設定する初期設定手段を前記コントローラがさらに有する、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
  7. 　前記放熱器の出口における冷媒の温度を検出する放熱器出口温度センサをさらに備え、
    　前記放熱器出口温度センサの検出結果に基づいて前記放熱器で加熱されるべき熱媒体の温度を間接的に検出する、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
  8. 　流量調節弁を有し、前記放熱器の出口と前記膨張機の中間圧部とを前記流量調節弁を介して接続するインジェクション回路をさらに備え、
    　前記第２処理が、前記流量調節弁の開度を変更するステップをさらに含む、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。

                                                                                  
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