JP3929067B2 - ヒートポンプ - Google Patents

Description

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。

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。膨張機によるエネルギーの回収は、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。

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換器を、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。

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。

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。

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に２つの四方弁１５１，１５３を配置し、四方弁１５１，１５３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いる（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、室内熱交換器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、室内熱交換器１５２が蒸発器として機能し、室外熱交換器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。

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。

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いると、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。

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。

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はエンタルピを縦軸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または室外熱交換器１５４において放熱して状態ｂに至る。冷媒は、膨張弁１０６で等エ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１５２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とのエンタルピ差Ｗ₂に相当するエネルギーが回収される。このため、このヒートポンプには、基本的に、エンタルピ差Ｗ₂を状態ａと状態ｆとのエンタルピ差Ｗ₁から差し引いた値（Ｗ₁−Ｗ₂）に相当する動力を圧縮機１０１に投入すれば足りる。

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、バイパス回路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。

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’〜ｆ’）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から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とのエンタルピ差はＳＨからＳＨ’へと減少する。

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１０１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。

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。しかし、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（coefficient of performance; ＣＯＰ）に影響を及ぼすため、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。

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。

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。

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から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、同じ回転数で回転するように直結されている。

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_Tとの差が所定範囲ＰＨ_DR内にない場合には、前記圧力ＰＨと前記所定値ＰＨ_T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_Tとの差が所定範囲ＳＨ_DR内にない場合には、前記過熱度ＳＨと前記所定値ＳＨ_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。

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。

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、同じ部材や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。

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１、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へと冷媒が流れるバイパス経路を形成している。

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の回転数から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、このバイパス経路に膨張弁７が配置されている。

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。

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いてもよい。

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。

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。

冷凍サイクルの高圧側圧力ＰＨは、圧力Ｐｄ以外の測定値から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。

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。

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、これらセンサからの信号に基づいて、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、従来から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い。

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に流入しよ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。

圧縮機に直結された膨張機３の回転数は、圧縮機１の回転数か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ＳＨ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。

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。

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；Ｓ２）。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、バイ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）。

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いて定めればよい。

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」制御ではなく、「第２膨張弁の開度を大きくする」制御となる。

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_Tとが対比され、圧力ＰＨが目標圧力ＰＨ_Tに一致しなければステップ６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）。

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および圧縮機から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。

目標圧力ＰＨ_T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。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、６．０ｋＷ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。

目標圧力ＰＨ_T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く、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_Tを設定してもよい。この場合は、外気温や入水温度の変化に応じて目標圧力ＰＨ_Tは段階的に変化することになる。こうして予め定められた、外気温に代表される変数と目標圧力ＰＨ_Tとの関係がコントローラ３０に予め入力され、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_Tが定められる。

圧力ＰＨと目標圧力ＰＨ_Tとが等しくない場合には、圧力ＰＨが目標圧力ＰＨ_Tよりも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_Tよりも大きければ第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_T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）。

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_Tと対比される。こうして、圧力ＰＨが目標圧力ＰＨ_Tと一致するまで、ステップ４〜８からなるループ制御が繰り返される。

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_T近傍に収束しにくくなるためである。

ステップ５において圧力ＰＨと目標圧力ＰＨ_Tとの一致が確認されると、冷凍サイクルの高圧側圧力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。

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_Tとが対比され、過熱度ＳＨが目標過熱度ＳＨ_T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ップ４に戻る（ステップ１０；Ｓ１０）。

目標過熱度とする所定値ＳＨ_Tは、ヒートポンプや冷媒の種類、想定される使用条件などによって適宜定めればよいが、通常は、０℃を超え２０℃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が、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。

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_Tは、５℃以上の値が好ましく、１０℃以下の値がより好ましい。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。

過熱度ＳＨと目標過熱度ＳＨ_Tとが等しくない場合には、過熱度ＳＨが目標過熱度ＳＨ_Tよりも大きいか否かが判断される（ステップ１１；Ｓ１１）。そして、過熱度ＳＨが目標過熱度ＳＨ_T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）、過熱度ＳＨが目標過熱度ＳＨ_Tよりも小さければ第１膨張弁６の開度が小さく変更される（ステップ１３；Ｓ１３）。

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_Tに近づくようにするためである。

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。

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。

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。

図３に示した制御では、圧力ＰＨについては目標圧力ＰＨ_Tとの一致を確認した後にその制御を終了して過熱度ＳＨの制御に移行したが、過熱度ＳＨについては目標過熱度ＳＨ_T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_T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。

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_Tと一致するま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、ではなく、過熱度ＳＨと目標値ＳＨ_Tとの差が所定範囲ＳＨ_DR内になるか否か、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。

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。

例えば、上記では、圧力ＰＨについて目標圧力ＰＨ_Tとの一致、言い換えれば、圧力ＰＨと目標圧力ＰＨ_Tとの差が０であるか否かを判断対象としたが、これに代えて、圧力ＰＨと目標圧力ＰＨ_Tとの差が所定範囲ＰＨ_DR内にあることを判断対象としてもよい。この場合は、ステップ５に代えて、圧力ＰＨと目標圧力ＰＨ_Tとの差が所定範囲ＰＨ_DR内にあるか否かを判断すればよい。差が所定範囲ＰＨ_DR内にあるか否かの判断は、差を直接算出して行わなくてもよく、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_DR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ＳＨの制御についても、同様である。

所定範囲ＰＨ_DR、ＳＨ_DR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_T（ＭＰａ）を差し引いた値により表示して、−１．２ＭＰａ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_DRは、過熱度ＳＨ（℃）から目標過熱度ＳＨ_T（℃）を差し引いた値により表示して、−（ＳＨ_T）℃を超え２０℃以下、さらには−（ＳＨ_T）℃を超え１０℃以下、となるように定めた範囲が好適であるが、上記値が負とならないように、例えば所定範囲ＳＨ_DRを０℃を超える値として定めてもよい。「−（ＳＨ_T）℃を超え２０℃以下」とは、目標過熱度ＳＨ_Tが１０℃の場合は、「−１０℃を超え２０℃以下」の範囲である。

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か否かを判断するステップを追加し、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い。追加のステップにおいて第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。

また例えば、圧力ＰＨの制御に先立って過熱度ＳＨの制御を行うべく、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い。

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_Tとの差が所定範囲ＰＨ_DR内にない場合には、圧力ＰＨと所定値ＰＨ_Tとの差の絶対値が小さくなるように（圧力ＰＨが所定値ＰＨ_Tに近づくように）、第２膨張弁（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）。

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_Tとの差が所定範囲ＳＨ_DR内にない場合には、過熱度ＳＨと所定値ＳＨ_T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_Tに近づくように）、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）。

第１制御においては、制御装置が、圧力ＰＨと所定値ＰＨ_Tとの差が所定範囲ＰＨ_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_Tとの差が所定範囲ＳＨ_DR内となるように、第１絞り装置の開度を変更してもよい。

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ＰＨ_Tとの差が所定範囲ＰＨ_DR内にない場合には、第１制御をさらに実施してもよい。第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。

上記で例示したように、具体的な制御として、第１制御においては、圧力ＰＨが所定値ＰＨ_Tよりも高く、かつ圧力ＰＨと所定値ＰＨ_Tとの差が所定範囲ＰＨ_DR内にない場合には、第２絞り装置の開度が大きくされ、圧力ＰＨが所定値ＰＨ_Tよりも低く、かつ圧力ＰＨと所定値ＰＨ_Tとの差が所定範囲ＰＨ_DR内にない場合には、第２絞り装置の開度が小さくされる。

また、第２制御においては、過熱度ＳＨが所定値ＳＨ_Tよりも高く、かつ過熱度ＳＨと所定値ＳＨ_Tとの差が所定範囲ＳＨ_DR内にない場合には、第１絞り装置の開度が大きくされ、過熱度ＳＨが所定値ＳＨ_Tよりも低く、かつ過熱度ＳＨと所定値ＳＨ_Tとの差が所定範囲ＳＨ_DR内にない場合には、第１絞り装置の開度が小さくされる。

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ＳＨ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ＳＨ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。

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_Tに関連づけられる制御目標ＲＰ_Tを設定することもできる。

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_Tとを直接対比することなく、圧力ＰＨに関連づけられる所定の特性ＲＰと、所定値ＰＨ_Tに関連づけられる、当該特性ＲＰについての所定値ＲＰ_Tと、を対比することにより、圧力ＰＨと所定値ＰＨ_Tとの差が所定範囲ＰＨ_DR内にあるか否か、を判断する、こととしてもよい。

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（ａ₁〜ｆ₁）は、第１制御において目標圧力ＰＨ_Tよりも高い高圧側圧力を低下させるべく第２膨張弁７の開度が大きく変更されると、冷凍サイクル（ａ₂〜ｆ₂）へと移行する。この冷凍サイクルは、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（ａ₃〜ｆ₃）へと移行する。この冷凍サイクルは、再び実施される第１制御において高圧側圧力を低下させるべく第２膨張弁７の開度が大きく変更されると冷凍サイクル（ａ₄〜ｆ₄）へと移行する。

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よい。

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いたが、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。

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が温度センサ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）を担っている。

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。

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／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。

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、冷媒やヒートポンプの構成などによって異なるが、冷媒として二酸化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℃を例示できる。

上記のような異常時対応を行うべく、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、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。

図１２および図１３に、冷媒として二酸化炭素を用いて冷凍サイクルの高圧側の圧力を二酸化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Ｔ₀で放熱器に流入し、空気との熱交換により空気を加熱する。二酸化炭素を冷媒とした場合の温度差ΔＴは、フロンを冷媒とした場合の温度差ΔＴ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。

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。

本発明のヒートポンプの構成の一例を示す図である。 本発明のヒートポンプの構成の別の例を示す図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 冷媒として二酸化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。 従来のヒートポンプの構成を示す図である。 従来のヒートポンプにおいて実施されてい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。

Claims (13)

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から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、同じ回転数で回転するように直結され、
   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_Tとの差が所定範囲ＰＨ_DR内にない場合には、前記圧力ＰＨと前記所定値ＰＨ_T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_Tとの差が所定範囲ＳＨ_DR内にない場合には、前記過熱度ＳＨと前記所定値ＳＨ_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_Tとの差が前記所定範囲ＰＨ_DR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_Tとの差が前記所定範囲ＳＨ_DR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_Tとの差が所定範囲ＰＨ_DR内にない場合には、
   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_Tよりも高く、かつ前記圧力ＰＨと前記所定値ＰＨ_Tとの差が前記所定範囲ＰＨ_DR内にない場合には、前記第２絞り装置の開度が大きくされ、
   前記圧力ＰＨが前記所定値ＰＨ_Tよりも低く、かつ前記圧力ＰＨと前記所定値ＰＨ_Tとの差が前記所定範囲ＰＨ_DR内にない場合には、前記第２絞り装置の開度が小さくされる、
   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_Tよりも高く、かつ前記過熱度ＳＨと前記所定値ＳＨ_Tとの差が前記所定範囲ＳＨ_DR内にない場合には、前記第１絞り装置の開度が大きくされ、
   前記過熱度ＳＨが前記所定値ＳＨ_Tよりも低く、かつ前記過熱度ＳＨと前記所定値ＳＨ_Tとの差が前記所定範囲ＳＨ_DR内にない場合には、前記第１絞り装置の開度が小さくされる、
   請求項１に記載のヒートポンプ。
7. 前記所定値ＳＨ_Tを０℃を超え２０℃以下の範囲にある数値とする、請求項１に記載のヒートポンプ。
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_Tとを直接対比することなく、
    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_Tに関連づけられる、当該特性ＲＰについての所定値ＲＰ_Tと、を対比することにより、
    前記圧力ＰＨと前記所定値ＰＨ_Tとの差が前記所定範囲ＰＨ_DR内にあるか否か、を判断する、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. 前記圧縮機から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。

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