JP2012063066A

JP2012063066A - 蒸気圧縮式ヒートポンプおよびその制御方法

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Publication number: JP2012063066A
Application number: JP2010207104A
Authority: JP
Inventors: Kimio Akazawa; 公雄赤澤; Akira Fukushima; 亮福島
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2012-03-29
Anticipated expiration: 2030-09-15
Also published as: JP5649388B2

Abstract

【課題】外部負荷へ提供する温熱媒体温度を適正値に保つことができる蒸気圧縮式ヒートポンプを提供する。
【解決手段】圧縮機３へ流入する冷媒の流量を調整するＩＧＶ２１と、圧縮機３によって圧縮された冷媒により外部負荷へと提供する温水を加熱する温熱生成熱交換器６と、温熱生成熱交換器６から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁９と、膨張弁９から導かれた冷媒を熱源水との熱交換によって蒸発させる蒸発器５と、圧縮機３の回転数、ＩＧＶ２１の開度、及び、膨張弁９の開度を制御する制御部７とを備えた蒸気圧縮式ヒートポンプ１において、制御部７は圧縮機３によって冷媒が超臨界状態まで圧縮された場合に、ＩＧＶ２１の開度を略全開とした上で、温熱生成熱交換器６における温水出口温度Ｔｂに基づいて圧縮機３の回転数を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、温熱を出力する蒸気圧縮式ヒートポンプおよびその制御方法に関するものである。

従来より、ヒートポンプサイクルによって温水（温熱）を供給する蒸気圧縮式ヒートポンプが知られている。このようなヒートポンプでは、例えば下記特許文献１に示すように、圧縮機にて圧縮した後の吐出冷媒が超臨界状態となることがある。当該特許文献１に記載されたヒートポンプは、いわゆるパッケージエアコンを前提としており、圧縮機としてはスクロール圧縮機やロータリ圧縮機等の容量式圧縮機を用いている。容量式圧縮機を用いる場合には、出力熱量の制御は圧縮機の回転数によって制御することができる。
一方、特許文献２に示すように、パッケージエアコンよりも大きな容量の熱源機として遠心圧縮機（ターボ圧縮機）を用いたヒートポンプが知られている。この場合、パッケージエアコンのスクロール圧縮機やロータリ圧縮機等の容量式圧縮機と異なり、遠心圧縮機の回転数は、その圧縮方式の性質上、一般には出力熱量の制御を主たる制御対象とせず、冷媒の高低圧差であるヘッド差を主たる制御対象とし、出力熱量の制御は吸込冷媒流量調整手段（例えばインレットガイドベーン（ＩＧＶ））で行っている。

特開２００８−６４４３９号公報特開２００７−２２５１４０号公報

しかし、遠心圧縮機によって冷媒が超臨界状態まで圧縮された場合には、出力熱量の要求が大きく吸込冷媒流量調整手段が略全開とされており、吸込冷媒流量調整手段による出力熱量の制御が困難となっていた。したがって、高圧冷媒が超臨界状態となる場合には、外部負荷へ提供する温熱媒体温度を適正値に保つことが困難となる。
このため、温熱媒体の入口温度変化、温熱媒体の流量変化、熱源媒体の入口温度変化、低圧側の熱源媒体の流量変化、ヒートポンプの設置環境に依存する雰囲気温度変化等のサイクルの外乱が生じると安定した運転を確保することができないという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、外部負荷へ提供する温熱媒体温度を適正値に保つことができる蒸気圧縮式ヒートポンプおよびその制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の蒸気圧縮式ヒートポンプおよびその制御方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる蒸気圧縮式ヒートポンプは、冷媒を圧縮する遠心圧縮機と、該遠心圧縮機へ流入する冷媒の流量を調整する吸込冷媒流量調整手段と、前記遠心圧縮機によって圧縮された冷媒により外部負荷へと提供する温熱媒体を加熱する温熱生成熱交換器と、該温熱生成熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、前記遠心圧縮機の回転数、前記吸込冷媒流量調整手段の開度、及び、前記膨張弁の開度を制御する制御部とを備えた蒸気圧縮式ヒートポンプにおいて、前記制御部は前記遠心圧縮機によって前記冷媒が超臨界状態まで圧縮された場合に、前記吸込冷媒流量調整手段の開度を略全開とした上で、前記温熱生成熱交換器における前記温熱媒体の出口温度に基づいて前記遠心圧縮機の回転数を制御することを特徴とする。

スクロール圧縮機やロータリ圧縮機等の容量式圧縮機と異なり、遠心圧縮機の回転数は、その圧縮方式の性質上、一般には出力熱量の制御を主たる制御対象とせず、冷媒の高低圧差であるヘッド差を主たる制御対象とし、出力熱量の制御は吸込冷媒流量調整手段（例えばインレットガイドベーン（ＩＧＶ））で行っている。しかし、遠心圧縮機によって冷媒が超臨界状態まで圧縮された場合には、出力熱量の要求が大きく吸込冷媒流量調整手段が略全開とされており、吸込冷媒流量調整手段による出力熱量の制御が困難となっていた。そこで、本発明では、冷媒が超臨界状態まで圧縮された場合には、吸込冷媒流量調整手段の開度を略全開とした上で、温熱生成熱交換器における温熱媒体の出口温度に基づいて遠心圧縮機の回転数を制御することにより出力熱量を制御することとした。例えば、温熱媒体の出口温度が目標値よりも低い場合は遠心圧縮機の回転数を増加させ、温熱媒体の出口温度が目標値よりも高い場合は遠心圧縮機の回転数を減少させる。
これにより、外部負荷の直接的な要求量である温熱媒体の出口温度を制御できる（温熱媒体温度制御）ので、温熱媒体の入口温度変化、温熱媒体の流量変化、熱源媒体の入口温度変化、熱源媒体の流量変化、雰囲気温度変化等のサイクルの外乱に影響されずに高品質の温熱媒体を外部負荷に提供することができる。

さらに、前記制御部は、ヒートポンプサイクルにおける前記冷媒の高低圧力差であるヘッド差を前記膨張弁の開度によって制御することを特徴とする。

上述の発明において遠心圧縮機の回転数によって出口温熱媒体温度を制御して出力熱量を制御することとした上で、ヒートポンプサイクルにおける冷媒の高低圧力差であるヘッド差を膨張弁の開度によって制御することとした。すなわち、従来の一般の遠心圧縮機を用いたヒートポンプでは遠心圧縮機の回転数によってヘッド差を制御することとしていたが、本発明では遠心圧縮機の回転数によって出口温熱媒体温度を制御することとしたので、ヘッド差は膨張弁によって制御することとした（膨張弁ヘッド差制御）。膨張弁によってヘッド差を制御することにより、温熱生成熱交換器における圧力を所望値に維持することができるので、温熱生成熱交換器内部に保有する冷媒量を適性に制御することとなり、安定的なヒートポンプサイクルを実現できる。

さらに、前記制御部は、前記温熱生成熱交換器における入口温熱媒体温度と出口冷媒温度との差が所望値となるように前記膨張弁の開度を制御することを特徴とする。

膨張弁の開度によってヘッド差を制御する際に、温熱生成熱交換器における入口温熱媒体温度と出口冷媒温度との差が所望値となるように制御することとした。これにより、温熱生成熱交換器内部に保有する冷媒量を適性に制御することとなり、安定的なヒートポンプサイクルを実現できる。
例えば、入口温熱媒体温度と出口冷媒温度との温度差が所望値よりも小さい場合は高圧が上昇気味であると判断して膨張弁開度を大きくし、入口温熱媒体温度と出口冷媒温度との温度差が所望値よりも大きい場合は高圧が不足気味であると判断して膨張弁開度を小さくする。

さらに、前記制御部は、前記遠心式圧縮機の吐出冷媒圧力、前記遠心圧縮機の吐出冷媒温度、前記遠心圧縮機の吸込冷媒温度、前記吐出冷媒圧力と前記遠心圧縮機の吸込冷媒圧力との差圧、前記吐出冷媒温度と前記吸込冷媒温度との温度差、及び、前記蒸発器における蒸発温度のうちのいずれか１つ又は複数を用いて、所望値となるように前記膨張弁の開度を制御することを特徴とする。

吐出冷媒圧力、吐出冷媒温度、吸込冷媒温度、吐出冷媒圧力と吸込冷媒圧力との差圧、吐出冷媒温度と吸込冷媒温度との温度差、蒸発温度のいずれかを用いることにより、温熱生成熱交換器における冷媒の圧力を間接的に得ることができる。したがって、これらの値のいずれかを用いることにより、温熱生成熱交換器内部に保有する冷媒量を適性に制御することとなり、安定的なヒートポンプサイクルを実現できる。

さらに、前記制御部は、前記遠心圧縮機によって圧縮された前記冷媒の吐出冷媒圧力が第１圧力閾値に達した場合には、該遠心圧縮機の回転数を増加させずに固定することを特徴とする。

温熱生成熱交換器における温熱媒体の出口温度に基づいて遠心圧縮機の回転数を制御していくと、遠心圧縮機の回転数が上がるとともに吐出冷媒圧力も上がりすぎて機器の耐圧を超えるおそれがある。そこで、吐出冷媒圧力が第１圧力閾値に達した場合には、遠心圧縮機の回転数を増加させずに固定することとした（吐出圧力制御）。
また、このように遠心圧縮機の回転数を固定することとしたので、遠心圧縮機の回転数による温熱媒体温度の制御（温熱媒体温度制御）が停止されることになる。これにより、吐出圧力制御と温熱媒体温度制御との干渉がなくなり、安定にシステムを運転することができる。

さらに、前記制御部は、前記遠心圧縮機によって圧縮された前記冷媒の吐出冷媒圧力が前記第１圧力閾値を超えて第２圧力閾値に達した場合には、該遠心圧縮機の回転数を減少させることを特徴とする。

吐出冷媒圧力が第１圧力閾値を超えて第２圧力閾値まで達した場合には、遠心圧縮機の回転数を減少させることにより、さらに機器の保護を図ることとした。

さらに、前記制御部は、前記遠心圧縮機によって圧縮された前記冷媒の吐出冷媒圧力が第３圧力閾値に達した場合には、前記膨張弁の開度を増加させることを特徴とする。

吐出冷媒圧力が第３圧力閾値に達した場合には、機器保護のため、膨張弁開度を増加させることにより、冷媒吐出圧力を低下させることとした。
第３圧力閾値としては、上述の第１圧力閾値と同等とすることが好ましい。

さらに、前記制御部は、前記遠心圧縮機によって圧縮された前記冷媒の吐出冷媒温度が第１温度閾値に達した場合には、該遠心圧縮機の回転数を増加させずに固定することを特徴とする。

温熱生成熱交換器における温熱媒体の出口温度に基づいて遠心圧縮機の回転数を制御していくと、遠心圧縮機の回転数が上がるとともに吐出冷媒温度も上がりすぎて機器の耐温を超えるおそれがある。そこで、吐出冷媒温度が第１温度閾値に達した場合には、遠心圧縮機の回転数を増加させずに固定することとした（吐出温度制御）。
また、このように遠心圧縮機の回転数を固定することとしたので、遠心圧縮機の回転数による温熱媒体温度の制御（温熱媒体温度制御）が停止されることになる。これにより、吐出圧力制御と温熱媒体温度制御との干渉がなくなり、安定にシステムを運転することができる。

さらに、前記制御部は、前記遠心圧縮機によって圧縮された前記冷媒の吐出冷媒温度が前記第１温度閾値を超えて第２温度閾値に達した場合には、該遠心圧縮機の回転数を減少させることを特徴とする。

吐出冷媒温度が第１温度閾値を超えて第２温度閾値まで達した場合には、遠心圧縮機の回転数を減少させることにより、さらに機器の保護を図ることとした。

さらに、前記制御部は、前記遠心圧縮機によって圧縮された前記冷媒の吐出冷媒温度が第３温度閾値に達した場合には、前記膨張弁の開度を増加させることを特徴とする。

吐出冷媒圧力が第３温度閾値に達した場合には、機器保護のため、膨張弁開度を増加させることにより、冷媒吐出圧力を低下させて吐出冷媒温度を下げることとした。
第３温度閾値としては、上述の第１温度閾値と同等とすることが好ましい。

さらに、前記温熱生成熱交換器から前記蒸発器へと向かう冷媒と、前記蒸発器から前記遠心圧縮機へと向かう冷媒とを熱交換させるインタークーラ、及び、前記温熱生成熱交換器から前記インタークーラへ向かう冷媒をバイパスさせて前記蒸発器へと導くインタークーラバイパス流路に設けられたインタークーラバイパス弁を備え、前記制御部は、前記遠心圧縮機によって圧縮された前記冷媒の吐出冷媒温度が所定値以上となった場合には、前記インタークーラバイパス弁の開度を増加させることを特徴とする。

インタークーラバイパス弁の開度を増加させることにより、インタークーラにおける交換熱量が小さくなり吸込冷媒温度が下がり、結果として吐出冷媒温度を下げることができる。

さらに、前記制御部は、請求項１により得られた前記遠心圧縮機の回転数と、請求項５または６あるいは請求項８または９によって得られた前記遠心圧縮機の回転数とが入力され、過去の入力値を積分して最終回転数を出力する積分器を備えていることを特徴とする。

請求項１の温熱媒体温度制御に基づいて得られた回転数と、請求項５または６の吐出圧力制御によって得られた回転数あるいは請求項８または９の吐出温度制御によって得られた回転数とが入力される積分器を設け、最終段にて積分演算を行うこととしたので、温熱媒体温度制御、吐出圧力制御、吐出温度制御にかかわらず回転数を連続的に制御することができる。

さらに、前記制御部は、請求項２から４のいずれかにより得られた前記膨張弁の開度と、請求項７または１０によって得られた膨張弁の開度とが入力され、過去の入力値を積分して最終開度を出力する積分器を備えていることを特徴とする。

請求項２から４のいずれかに記載の膨張弁ヘッド差制御に基づいて得られた膨張弁開度と、請求項７の吐出圧力制御によって得られた膨張弁開度または請求項１０の吐出温度制御によって得られた膨張弁開度とが入力される積分器を設け、最終段にて積分演算を行うこととしたので、膨張弁ヘッド差制御、吐出圧力制御、吐出温度制御にかかわらず膨張弁開度を連続的に制御することができる。

さらに、前記遠心圧縮機によって圧縮された前記冷媒の一部を前記蒸発器の下流側へと導くホットガスバイパス流路に設けられたホットガスバイパス弁を備え、前記外部負荷へと出力する出力熱量が所定値以下となった場合に、前記ホットガスバイパス弁の開度を増加させることを特徴とする。

外部負荷への出力熱量が所定値以下となった場合に、ホットガスバイパス弁の開度を増加させることにより、低負荷時であっても冷媒循環量を確保することができる。これにより、圧縮機がサージまたは旋回失速に陥ることを回避できる。
また、ホットガスバイパス弁の開度については、外部負荷が増加してホットガスバイパス弁を閉めていくときの開度のスケジュールと、外部負荷が減少してホットガスバイパス弁を開けていくときの開度のスケジュールを異ならせてヒステリシスを持たせることが更に好ましい。これにより、システムに大きな影響を与えるホットガスバイパス弁の開度変更を少なくし、安定的にシステムを運転することができる。

また、本発明の蒸気圧縮式ヒートポンプの制御方法は、冷媒を圧縮する遠心圧縮機と、該遠心圧縮機へ流入する冷媒の流量を調整する吸込冷媒流量調整手段と、前記遠心圧縮機によって圧縮された冷媒により外部負荷へと提供する温熱媒体を加熱する温熱生成熱交換器と、該温熱生成熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、該膨張弁から導かれた冷媒を熱源媒体との熱交換によって蒸発させる蒸発器と、前記遠心圧縮機の回転数、前記吸込冷媒流量調整手段の開度、及び、前記膨張弁の開度を制御する制御部とを備えた蒸気圧縮式ヒートポンプの制御方法において、前記制御部は、前記遠心圧縮機によって前記冷媒が超臨界状態まで圧縮された場合に、前記吸込冷媒流量調整手段の開度を略全開とした上で、前記温熱生成熱交換器における前記温熱媒体の出口温度に基づいて前記遠心圧縮機の回転数を制御することを特徴とする。

冷媒が超臨界状態まで圧縮された場合には、吸込冷媒流量調整手段の開度を略全開とした上で、温熱生成熱交換器における温熱媒体の出口温度に基づいて遠心圧縮機の回転数を制御することにより出力熱量を制御することとしたので、外部負荷の直接的な要求量である温熱媒体の出口温度を制御でき、温熱媒体の入口温度変化、温熱媒体の流量変化、低圧側の熱源媒体の入口温度変化、熱源媒体の流量変化、ヒートポンプの設置環境に依存する雰囲気温度変化等のサイクルの外乱に影響されずに高品質の温熱媒体を外部負荷に提供することができる。

本発明の一実施形態に係る蒸気圧縮式ヒートポンプの冷媒回路を示した概略構成図である。制御部による圧縮機回転数指令値の演算を示したブロック図である。圧力閾値における切り替えの例を示した図である。制御部による膨張弁開度指令値の演算を示したブロック図である。図２の変形例を示したブロック図である。図４の変形例を示したブロック図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、遠心式（ターボ式）の圧縮機（以下単に「圧縮機」という。）を用いたターボヒートポンプ（蒸気圧縮式ヒートポンプ）１の概略構成図が示されている。冷媒としては、例えば代替フロン冷媒（Ｒ１３４ａ）が用いられる。

ターボヒートポンプ１は、冷媒を圧縮する圧縮機３と、外部から供給される熱源水（熱源媒体）と冷媒とが熱交換する蒸発器５と、温水（温熱）を出力する温熱生成熱交換器６と、蒸発器５と温熱生成熱交換器６との間に設けられた膨張弁９とを備えている。これら圧縮機３、蒸発器５、温熱生成熱交換器６及び膨張弁９によって、主系統の冷媒回路が構成されている。

圧縮機３は、高圧力比が得られる遠心圧縮機となっている。圧縮機３は、軸線周りに回転する羽根車１９を二段備えている。羽根車１９の冷媒流れ上流側には、流入する冷媒の流量を調節するＩＧＶ（インレットガイドベーン；吸込冷媒流量調整手段）２１が設けられている。ＩＧＶ２１の開度は、制御部７によってＩＧＶ用電動モータＭが駆動されることによって調整される。
圧縮機３は、増速機１８を介して接続された電動機１７によって駆動される。電動機１７は、制御部７によって制御され、インバータ２０による周波数制御によって回転数が適宜変更され得るようになっている。
圧縮機３の吸込側には吸込冷媒圧力Ｐ０を計測する圧力センサおよび吸込冷媒温度Ｔ０を計測する温度センサが、圧縮機３の吐出側には吐出冷媒圧力Ｐ１を計測する圧力センサおよび吐出冷媒温度Ｔ１を計測する温度センサが、それぞれ設けられている。これらセンサの出力値は、それぞれ制御部７へと送られる。

蒸発器５は、例えば、シェル・アンド・チューブ式の熱交換器とされている。蒸発器５には、熱源水配管１３が接続されており、この熱源水配管１３内を流れる熱源水とシェル内の冷媒とが熱交換を行い、熱源水から与えられる熱によってシェル内の冷媒が蒸発する。

温熱生成熱交換器６は、例えば、シェル・アンド・チューブ式の熱交換器とされている。温熱生成熱交換器６には、温水配管１１が接続されており、この温水配管１１内を流れる水とシェル内の冷媒とが熱交換を行う。温水配管１１は、空調用室内機等の外部負荷と接続されている。温水配管１１には、温水入口温度Ｔａ及び温水出口温度Ｔｂを測定する温度センサがそれぞれ設けられている。また、図示しないが、温水配管１１には温水流量を計測する流量センサが設けられている。これらセンサからの出力値は、制御部７へと送られる。
温熱生成熱交換器６の冷媒出口には、出口冷媒温度Ｔ３を計測する温度センサが設けられており、この温度センサの出力値は制御部７へと送られる。

膨張弁９は、蒸発器５と温熱生成熱交換器６との間の冷媒配管に設けられており、温熱生成熱交換器６から導かれた液冷媒を絞ることによって等エンタルピ膨張させるものである。膨張弁９の開度は、制御部７によって制御される。

温熱生成熱交換器６と膨張弁９との間には、インタークーラ１０が設けられている。インタークーラ１０は、温熱生成熱交換器６から導かれた冷媒と、蒸発器５にて蒸発した冷媒とを熱交換する熱交換器である。このインタークーラ１０によって、圧縮機３へと吸い込まれる冷媒の温度が調整される。
インタークーラ１０と膨張弁９とを接続するインタークーラ下流側冷媒配管２３には、インタークーラ流量調整弁２５が設けられている。温熱生成熱交換器６とインタークーラ１０とを接続するインタークーラ上流側冷媒配管２４と、インタークーラ下流側冷媒配管２３との間には、インタークーラ１０をバイパスして冷媒を流すインタークーラバイパス冷媒配管２７が設けられており、このインタークーラバイパス冷媒配管２７には冷媒流量を調整するインタークーラバイパス弁２８が設けられている。インタークーラ流量調整弁２５とインタークーラバイパス弁２８の開度を制御部７によって適宜調整することにより、インタークーラ１０へと送り込む温熱生成熱交換器６からの高温冷媒の流量を調整する。
インタークーラ下流側冷媒配管２３には、インタークーラ流量調整弁２５と膨張弁９との間から分岐して吸込冷媒配管２９へと至るインジェクション配管３０が設けられている。インジェクション配管３０にはインジェクション弁３１が設けられている。このインジェクション弁３１の開度は、制御部７によって制御される。インジェクション弁３１にて所望量に調整された冷媒を吸込冷媒配管２９へ吹き込むことにより、圧縮機３へと供給される吸込冷媒の温度を蒸発温度よりも低くできる。

圧縮機３の吐出側と蒸発器５の下流側との間には、ホットガスバイパス配管３４が設けられている。ホットガスバイパス配管３４には、ホットガスバイパス弁３５が設けられており、制御部７によってその開度が制御されるようになっている。ホットガスバイパス弁３５は、高負荷の場合には全閉とされており、低負荷となり所定値を下回った場合に開となり漸次開度が増大されるようになっている。これにより、圧縮機３がサージまたは旋回失速に陥ることを回避できる。
なお、ホットガスバイパス弁３５の開度については、外部負荷が増加してホットガスバイパス弁３５を閉めていくときの開度のスケジュールと、外部負荷が減少してホットガスバイパス弁３５を開けていくときの開度のスケジュールを異ならせてヒステリシスを持たせることが更に好ましい。これにより、システムに大きな影響を与えるホットガスバイパス弁３５の開度変更の回数を少なくし、安定的にシステムを運転することができる。

次に、上記構成のターボヒートポンプ１の動作について説明する。
圧縮機３は、電動機１７によって駆動され、制御部７によるインバータ制御により所定周波数で回転させられる。
蒸発器５及びインタークーラ１０から吸い込まれた低圧ガス冷媒は、圧縮機３によって超臨界状態まで圧縮される。このとき、ＩＧＶ２１は全開とされている。
圧縮機３から吐出された冷媒は、温熱生成熱交換器６へと導かれる。温熱生成熱交換器６において、高温高圧のガス冷媒は略等圧的に冷却され、高圧低温の冷媒となる。この際に得られる放出熱によって、温水配管１１内を流れる温水が加熱される。制御部７は、出口温水温度Ｔｂが所望値となるように、圧縮機３の回転数を制御する。

温熱生成熱交換器６において高圧低温とされた冷媒は、インタークーラ上流側冷媒配管２４を通り、インタークーラ１０へと導かれる。インタークーラ１０では、温熱生成熱交換器６からの高温冷媒と蒸発器５にて蒸発した冷媒との熱交換が行われる。インタークーラ１０での交換熱量は、制御部７によってインタークーラ流量調整弁２５及びインタークーラバイパス弁２８の開度を調整することによって制御される。
インタークーラ１０にて熱交換を終えた高圧冷媒は、インタークーラ下流側冷媒配管２３を通り膨張弁９へと導かれ、この膨張弁９によって等エンタルピ的に膨張させられる。膨張弁９の開度は、制御部７によって所望のヘッド差（ヒートポンプサイクルにおける冷媒の高低圧差）が得られるように制御される。

膨張弁９によって膨張された冷媒は、蒸発器５へと導かれ、蒸発器５にて熱源水と熱交換することによって蒸発させられる。蒸発器５において蒸発した低圧ガス冷媒は、インタークーラ１０にて所定温度だけ上昇させられる。圧縮機３へと吸い込まれる冷媒の温度を低下させたい場合には、制御部によってインジェクション弁３１の開度を調整することによって低温冷媒を吸込冷媒配管２９へと吹き込む。その後、ガス冷媒は、圧縮機３へと導かれ、再び圧縮される。

次に、図２を用いて、本発明の温水温度制御（温熱媒体温度制御）及び吐出圧力制御について説明する。以下の説明では、上述したように、吐出冷媒圧力Ｐ１が臨界圧力以上となっており、かつ、ＩＧＶ２１の開度が略全開（ＩＧＶ開度による温度調整が殆どできない状態）になっていることを前提とする。そして、本実施形態の制御部７は、温熱生成熱交換器６の出口温水温度Ｔｂに基づいて圧縮機３の回転数を制御することにより出力熱量を制御する。また、後述するように（図４参照）、制御部７は、ヒートポンプサイクルにおける冷媒の高低圧力差であるヘッド差を膨張弁９の開度によって制御する。

［温水温度制御（ＰＩ制御）］
図２に示されているように、温度センサによって計測された出口温水温度Ｔｂと、予め設定された出口温水温度設定値ｔｂ^＊との差分を差分器４０にて演算した後、所定の比例ゲインを与える。その後、信号を２つに分け、一方の信号に対しては不完全微分を行い、他方の信号に対しては所定の積分時間（CON 30）で除算を行い、これらを加算器４２にて合算する。
なお、図２，図４及び図５において、「CON」は定数を意味し、その後の数値（例えば「30」）は与えられる仮の定数値を意味する。この定数値は本実施形態の説明の便宜上仮に与えた数値である。
加算器４２にて合算された信号は、第１スイッチ４４及び第２スイッチ４６がオン（下方側の接点）になっている場合には（図２ではスイッチ４４，４６はオフ（上方側の接点）になっている）、これらスイッチ４４，４６を通り、積分器４８に入力される。積分器４８では、過去の入力値を積分した後に圧縮機回転数指令値を出力する。このように、圧縮機回転数の指令値は、出口温水温度Ｔｂに基づいてＰＩ制御されるようになっている。

［吐出圧力制御］
一方で、圧縮機３から吐出される吐出冷媒圧力Ｐ１が過剰となった場合に機器の保護をかけるために吐出圧力制御が行われる。
図２の上方に示されているように、圧力センサによって計測された吐出冷媒圧力Ｐ１が入力され、第１圧力スイッチ５０にて第１圧力閾値（同図では53）でONまたはOFFに切り替えられる。すなわち、第１圧力閾値以上であればONとなり、第１圧力閾値未満であればOFFとなる。
なお、図２，図４及び図５において、圧力スイッチ（図２の符号５０、５２等）や温度スイッチ（図５の符号６０，６２等）にて与えられる閾値の数値は、本実施形態の説明の便宜上仮に与えた数値である。
第１圧力スイッチ５０にてONになると、第１スイッチ４４では上方の接点が選択され「CON 0」が選択される。すなわち、定数０（ゼロ）が与えられることになり、回転数指令値に対して変化を施さず回転数指令値を固定することを意味する。他方、第１圧力スイッチ５０にてOFFになると、第１スイッチ４４では下方の接点が選択され、出口温水温度Ｔｂに基づく信号が積分器４８へ入力されることになる。

吐出冷媒圧力Ｐ１は、第２圧力スイッチ５２にも同時に導かれ、第２圧力閾値（同図では54）でONまたはOFFに切り替えられる。すなわち、第２圧力閾値以上であればONとなり、第１圧力閾値未満であればOFFとなる。
第２圧力スイッチ５２にてONになると、第２スイッチ４６では上方の接点が選択され「CON -100」が選択される。すなわち、負の値である定数-100が信号に与えられることになり、回転数指令値を減ずることを意味する。他方、第２圧力スイッチ５２にてOFFになると、第２スイッチ４６では下方の接点が選択され、出口温水温度Ｔｂに基づく信号が積分器４８へ入力されることになる。

以上の通り、吐出圧力制御では、第１圧力閾値に達すると回転数指令値をそれ以上増加させずに固定し、さらに第２圧力閾値に達すると回転数指令値を減ずる制御が行われる。
さらに、膨張弁９でも吐出圧力制御を行うようになっており、後述する図４に示すように、吐出冷媒圧力Ｐ１が第１圧力閾値（図４では53）に達した場合には、第３圧力スイッチ５３がＯＮとなり、スイッチ４４ｂにて「CON +100」が選択されて、膨張弁９の開度が増大する（開く）ようになっている。なお、第３圧力スイッチ５３で用いる圧力閾値としては、図２の第１圧力閾値に合わせることが好ましいが、これ以外の閾値を用いても良い。

図２に示したように、出口温水温度Ｔｂの差分に比例ゲインをかけた信号と、吐出圧力制御を行った信号とが並列的に入力されるように、これらの信号の下流側に積分器４８を配置するようにした。このように最終段にて積分演算を行うこととしたので、温水温度制御や吐出圧力制御にかかわらず圧縮機回転数指令値を連続的に出力することができる。

なお、圧力スイッチ５０，５２，５３（および後述する温度スイッチ６０，６２，６３も同様）については、閾値にてON及びOFFを切り替える際に、図３（ａ）に示すように閾値（例えば53）にて切り替えるようにしても良いし、図３（ｂ）に示すようにON方向およびOFF方向のそれぞれに対して切替の閾値（例えばOFF方向では52.5，ON方向では53.5）をずらしてヒステリシスをもたせるようにしても良い。図３（ｂ）のようにヒステリシスをもたせれば、ON及びOFFの切り替え回数が低減され安定な（滑らかな）制御が実現できる。

［膨張弁ヘッド差制御］
次に、図４を用いて膨張弁９の制御について説明する。
膨張弁９は、ヒートポンプサイクルにおける冷媒の高低圧力差であるヘッド差に基づいて制御される。図４に示した実施形態は、出口冷媒温度Ｔ３と入口温水温度Ｔａとの差に基づいて制御される。すなわち、出口冷媒温度Ｔ３と入口温水温度Ｔａとの温度差は、温熱生成熱交換器６における圧力（高圧）に対応し（温度差が大きい場合は冷媒圧力が低いことを意味し、温度差が小さい場合は冷媒圧力が高いことを意味する）、この冷媒圧力の高圧値は膨張弁９によってヘッド差を調整することによって変化させることができる。

図４のブロック図は、図２と概略同様なので、同一機能を有する構成要素については図２の符号に添え字“ｂ”を加え、その説明を省略する。
また、図４の吐出圧力制御についても既に説明したので、その説明は省略する。
本実施形態の膨張弁ヘッド差制御では、出口冷媒温度Ｔ３と入口温水温度Ｔａとの温度差に基づいて膨張弁開度を制御し、温度差が大きい場合は膨張弁開度指令値を減じて（絞り）高圧を高め、温度差が小さい場合は膨張弁開度指令値を増大させて（開けて）高圧を低めるようにする。これにより、温熱生成熱交換器６における交換熱量が調整され、温熱生成熱交換器６の内部に保有する冷媒量を適性に制御することとなり、安定的なヒートポンプサイクルを実現できる。

また、図２と同様に、図４に示したように、出口冷媒温度Ｔ３と入口温水温度Ｔａとの差の計測値と設定値との差分に比例ゲインをかけた信号と、吐出圧力制御を行った信号とが並列的に入力されるように、これらの信号の下流側に積分器４８ｂを配置するようにした。このように最終段にて積分演算を行うこととしたので、温水温度制御や吐出圧力制御にかかわらず圧縮機回転数指令値を連続的に出力することができる。

［変形例１；吐出温度制御］
なお、図２では、機器保護のために吐出冷媒圧力Ｐ１を用いた吐出圧力制御を行ったが、これに代えて、図５に示すように吐出冷媒温度Ｔ１を用いた吐出温度制御を行ってもよい。図５において、図２と同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
第１温度スイッチ６０及び第２温度スイッチ６２では、図２の圧力スイッチ５０，５２と同様の動作をする。すなわち、第１温度閾値を超えた場合には第１温度スイッチ５０がONとなり、第１スイッチ４４にて圧縮機回転数指令値が固定されるようになっており、第２温度閾値を超えた場合には第２温度スイッチ６２がONとなり、第２スイッチ４６にて圧縮機回転数指令値が減じられるようになっている。
さらに、膨張弁９でも吐出温度制御を行うようになっており、後述する図６に示すように、吐出冷媒温度Ｔ１が第１温度閾値（図６では53）に達した場合には、第３温度スイッチ６３がＯＮとなり、スイッチ４４ｂにて「CON +100」が選択されて、膨張弁９の開度が増大する（開く）ようになっている。なお、第３温度スイッチ６３で用いる温度閾値としては、図５の第１温度閾値に合わせることが好ましいが、これ以外の閾値を用いても良い。

［変形例２；膨張弁ヘッド差制御］
図４に示した膨張弁ヘッド差制御では、出口冷媒温度Ｔ３と入口温水温度Ｔａとの差に基づいて膨張弁開度を制御することとしたが、これに代えて、図６に示すように吐出冷媒圧力Ｐ１に基づいて制御しても良い。吐出冷媒圧力Ｐ１についても、膨張弁９の開度調整によってヘッド差を調整すれば制御することができる。なお、図６の各符号は、図４と同様の構成要素については同一符号を用いており、これらの説明については省略する。
このように吐出冷媒圧力Ｐ１を制御することとしても、温熱生成熱交換器６における高圧を制御することができるので、温熱生成熱交換器６における交換熱量が調整され、温熱生成熱交換器６の内部に保有する冷媒量を適性に制御することとなり、安定的なヒートポンプサイクルを実現できる。

さらに、図６の吐出冷媒圧力Ｐ１代えて、圧縮機３の吐出冷媒温度Ｔ１（図１参照）、圧縮機３の吸込冷媒温度Ｔ０（図１参照）、吐出冷媒圧力Ｐ１と圧縮機３の吸込冷媒圧力Ｐ０（図１参照）との差圧、吐出冷媒温度Ｔ１と吸込冷媒温度Ｔ０との温度差、及び、蒸発器５における蒸発温度のうちのいずれか１つ又は複数を用いることとしても、同様に温熱生成熱交換器６における高圧を制御することができるので、温熱生成熱交換器６における交換熱量が調整され、温熱生成熱交換器６の内部に保有する冷媒量を適性に制御することとなり、安定的なヒートポンプサイクルを実現できる。

また、吐出温度制御として、吐出冷媒温度Ｔ１が所定値以上となった場合には、インタークーラバイパス弁２８の開度を増加させることとしてもよい。インタークーラバイパス弁２８の開度を増加させることにより、インタークーラ１０における交換熱量が小さくなり吸込冷媒温度Ｔ０が下がり、結果として吐出冷媒温度を下げることができるからである。さらに、吐出温度制御として、吐出冷媒温度Ｔ１が所定値以上となった場合には、インジェクション弁３１の開度を増大させて吸込冷媒温度を下げるようにしても良い。

以上の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
冷媒が超臨界状態まで圧縮された場合には、ＩＧＶ２１の開度を略全開とした上で、温熱生成熱交換器６における温熱媒体の出口温度に基づいて圧縮機３の回転数を制御することにより出力熱量を制御することとした。
これにより、外部負荷の直接的な要求量である温水の出口温度Ｔｂを制御できる（温熱媒体温度制御）ので、温水の入口温度変化、温水の流量変化、熱水の入口温度変化、熱源水の流量変化、ヒートポンプの設置環境に依存する雰囲気温度変化等のサイクルの外乱に影響されずに高品質の温熱媒体を外部負荷に提供することができる。

また、圧縮機３の回転数によって温水出口温度Ｔｂを制御して出力熱量を制御することとした上で、ヒートポンプサイクルにおける冷媒の高低圧力差であるヘッド差を膨張弁９の開度によって制御することとした（膨張弁ヘッド差制御）。このように、膨張弁９によってヘッド差を制御することにより、温熱生成熱交換器６における圧力を所望値に維持することができるので、温熱生成熱交換器６内部に保有する冷媒量を適性に制御することとなり、安定的なヒートポンプサイクルを実現できる。

１ターボヒートポンプ（蒸気圧縮式ヒートポンプ）
３圧縮機（遠心圧縮機）
５蒸発器
６温熱生成熱交換器
９膨張弁
１０インタークーラ
２１ＩＧＶ（吸込冷媒流量調整手段）

Claims

冷媒を圧縮する遠心圧縮機と、
該遠心圧縮機へ流入する冷媒の流量を調整する吸込冷媒流量調整手段と、
前記遠心圧縮機によって圧縮された冷媒により外部負荷へと提供する温熱媒体を加熱する温熱生成熱交換器と、
該温熱生成熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、
該膨張弁から導かれた冷媒を熱源媒体との熱交換によって蒸発させる蒸発器と、
前記遠心圧縮機の回転数、前記吸込冷媒流量調整手段の開度、及び、前記膨張弁の開度を制御する制御部と、
を備えた蒸気圧縮式ヒートポンプにおいて、
前記制御部は、
前記遠心圧縮機によって前記冷媒が超臨界状態まで圧縮された場合に、
前記吸込冷媒流量調整手段の開度を略全開とした上で、
前記温熱生成熱交換器における前記温熱媒体の出口温度に基づいて前記遠心圧縮機の回転数を制御することを特徴とする蒸気圧縮式ヒートポンプ。
前記制御部は、ヒートポンプサイクルにおける前記冷媒の高低圧力差であるヘッド差を前記膨張弁の開度によって制御することを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式ヒートポンプ。
前記制御部は、前記温熱生成熱交換器における入口温熱媒体温度と出口冷媒温度との差が所望値となるように前記膨張弁の開度を制御することを特徴とする請求項２に記載の蒸気圧縮式ヒートポンプ。
前記制御部は、前記遠心式圧縮機の吐出冷媒圧力、前記遠心圧縮機の吐出冷媒温度、前記遠心圧縮機の吸込冷媒温度、前記吐出冷媒圧力と前記遠心圧縮機の吸込冷媒圧力との差圧、前記吐出冷媒温度と前記吸込冷媒温度との温度差、及び、前記蒸発器における蒸発温度のうちのいずれか１つ又は複数を用いて、所望値となるように前記膨張弁の開度を制御することを特徴とする請求項２に記載の蒸気圧縮式ヒートポンプ。
前記制御部は、前記遠心圧縮機によって圧縮された前記冷媒の吐出冷媒圧力が第１圧力閾値に達した場合には、該遠心圧縮機の回転数を増加させずに固定することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の蒸気圧縮式ヒートポンプ。
前記制御部は、前記遠心圧縮機によって圧縮された前記冷媒の吐出冷媒圧力が前記第１圧力閾値を超えて第２圧力閾値に達した場合には、該遠心圧縮機の回転数を減少させることを特徴とする請求項５に記載の蒸気圧縮式ヒートポンプ。
前記制御部は、前記遠心圧縮機によって圧縮された前記冷媒の吐出冷媒圧力が第３圧力閾値に達した場合には、前記膨張弁の開度を増加させることを特徴とする請求項５または６に記載の蒸気圧縮式ヒートポンプ。
前記制御部は、前記遠心圧縮機によって圧縮された前記冷媒の吐出冷媒温度が第１温度閾値に達した場合には、該遠心圧縮機の回転数を増加させずに固定することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の蒸気圧縮式ヒートポンプ。
前記制御部は、前記遠心圧縮機によって圧縮された前記冷媒の吐出冷媒温度が前記第１温度閾値を超えて第２温度閾値に達した場合には、該遠心圧縮機の回転数を減少させることを特徴とする請求項８に記載の蒸気圧縮式ヒートポンプ。
前記制御部は、前記遠心圧縮機によって圧縮された前記冷媒の吐出冷媒温度が第３温度閾値に達した場合には、前記膨張弁の開度を増加させることを特徴とする請求項８または９に記載の蒸気圧縮式ヒートポンプ。
前記温熱生成熱交換器から前記蒸発器へと向かう冷媒と、前記蒸発器から前記遠心圧縮機へと向かう冷媒とを熱交換させるインタークーラ、及び、
前記温熱生成熱交換器から前記インタークーラへ向かう冷媒をバイパスさせて前記蒸発器へと導くインタークーラバイパス流路に設けられたインタークーラバイパス弁、
を備え、
前記制御部は、前記遠心圧縮機によって圧縮された前記冷媒の吐出冷媒温度が所定値以上となった場合には、前記インタークーラバイパス弁の開度を増加させることを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の蒸気圧縮式ヒートポンプ。
前記制御部は、請求項１により得られた前記遠心圧縮機の回転数と、請求項５または６あるいは請求項８または９によって得られた前記遠心圧縮機の回転数とが入力され、過去の入力値を積分して最終回転数を出力する積分器を備えていることを特徴とする請求項５，６，８及び９のいずれかに記載の蒸気圧縮式ヒートポンプ。
前記制御部は、請求項２から４のいずれかにより得られた前記膨張弁の開度と、請求項７または１０によって得られた膨張弁の開度とが入力され、過去の入力値を積分して最終開度を出力する積分器を備えていることを特徴とする請求項７または１０に記載の蒸気圧縮式ヒートポンプ。
前記遠心圧縮機によって圧縮された前記冷媒の一部を前記蒸発器の下流側へと導くホットガスバイパス流路に設けられたホットガスバイパス弁を備え、
前記外部負荷へと出力する出力熱量が所定値以下となった場合に、前記ホットガスバイパス弁の開度を増加させることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の蒸気圧縮式ヒートポンプ。
冷媒を圧縮する遠心圧縮機と、
該遠心圧縮機へ流入する冷媒の流量を調整する吸込冷媒流量調整手段と、
前記遠心圧縮機によって圧縮された冷媒により外部負荷へと提供する温熱媒体を加熱する温熱生成熱交換器と、
該温熱生成熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、
該膨張弁から導かれた冷媒を熱源媒体との熱交換によって蒸発させる蒸発器と、
前記遠心圧縮機の回転数、前記吸込冷媒流量調整手段の開度、及び、前記膨張弁の開度を制御する制御部と、
を備えた蒸気圧縮式ヒートポンプの制御方法において、
前記制御部は、
前記遠心圧縮機によって前記冷媒が超臨界状態まで圧縮された場合に、
前記吸込冷媒流量調整手段の開度を略全開とした上で、
前記温熱生成熱交換器における前記温熱媒体の出口温度に基づいて前記遠心圧縮機の回転数を制御することを特徴とする蒸気圧縮式ヒートポンプの制御方法。
前記制御部は、ヒートポンプサイクルにおける前記冷媒の高低圧力差であるヘッド差を前記膨張弁の開度によって制御することを特徴とする請求項１５に記載の蒸気圧縮式ヒートポンプの制御方法。