JP6119895B1

JP6119895B1 - ヒートポンプ装置

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Publication number: JP6119895B1
Application number: JP2016046802A
Authority: JP
Inventors: 吉成小田; 泰二森; 拓人小池
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2015-10-27
Filing date: 2016-03-10
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2036-03-10
Also published as: JP2017083155A

Abstract

【課題】圧縮機の起動時における液バック状態を確実に回避するとともに圧縮機の起動時間を短くすることができるヒートポンプ装置を提供すること。【解決手段】冷媒を用いたヒートポンプサイクルを有するヒートポンプ装置であって、圧縮機２０の吐出側と圧縮機２０の吸入側とをバイパス弁７１を介して接続するバイパス管路７０と、ヒートポンプ装置の起動時に、圧縮機２０の吸入側における冷媒圧力Ｐｉｎ、熱源温水温度Ｔｗ、圧縮機２０の吸入側における冷媒過熱度ΔＴｉｎ、圧縮機２０の吐出側における冷媒過熱度ΔＴｏｕｔ、圧縮機２０の吸入側における冷媒温度Ｔｉｎのうちの少なくとも１つに基づきバイパス弁７１を開閉制御する制御部１８と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機の起動時における液バック状態を確実に回避するとともに圧縮機の起動時間を短くすることができるヒートポンプ装置に関する。

高温領域で使用される低圧冷媒を用いたヒートポンプ装置では、液圧縮による圧縮機の損傷を回避するため、圧縮機の吸入側、吐出側双方で過熱状態となるように制御を行っている。これに関連する制御手段として、例えば、特許文献１に示すものが知られている。特許文献１のヒートポンプ装置では、起動時には圧縮機吸入側、通常運転時には圧縮機吐出側で冷媒過熱度を制御することで、より安定した起動ができるようになっている。

国際公開第２０１５／０５６６４８号

しかし、上記のようなヒートポンプサイクルでは、熱源となる温水の温度が運転可能な下限温度付近であると、圧縮機に吸入される冷媒過熱度が十分に上がらず、通常運転に切り替わるまでに長時間を要することがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、圧縮機の起動時における液バック状態を確実に回避するとともに圧縮機の起動時間を短くすることができるヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるヒートポンプ装置は、冷媒を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器、前記凝縮器で凝縮された冷媒を減圧する膨張機構、及び熱源温水から熱を回収して冷媒を蒸発させる蒸発器を環状に接続したヒートポンプサイクルを有するヒートポンプ装置であって、前記圧縮機の吐出側と前記圧縮機の吸入側とをバイパス弁を介して接続するバイパス管路と、前記ヒートポンプ装置の起動時に、前記圧縮機の吸入側における冷媒圧力、前記熱源温水の熱量、前記圧縮機の吸入側における冷媒過熱度、前記圧縮機の吐出側における冷媒過熱度、前記圧縮機の吸入側における冷媒温度のうちの少なくとも１つに基づき前記バイパス弁を開閉制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記バイパス管路の圧縮機吸入側接続点は、前記蒸発器と前記膨張機構との間であることを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記バイパス管路の前記圧縮機吸入側接続点は、前記圧縮機と前記蒸発器との間であることを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記バイパス管路の前記圧縮機吸入側接続点は、前記圧縮機吸入側の冷媒温度を検出する温度検出部の上流側であることを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記圧縮機と前記凝縮器との間に逆止弁を備え、前記バイパス管路の圧縮機吐出側接続点は、前記圧縮機と前記逆止弁との間であることを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記圧縮機と前記バイパス管路の前記圧縮機吐出側接続点との間にフレキシブル配管を介在させたことを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記フレキシブル配管は、前記圧縮機の振動に対応して屈曲可能に配置されることを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記制御部は、前記圧縮機の吸入側における冷媒圧力が下限値未満、前記熱源温水の熱量が下限値未満、前記圧縮機の吸入側における冷媒過熱度が下限値未満、前記圧縮機の吐出側における冷媒過熱度が下限値未満、前記圧縮機の吸入側における冷媒温度が下限値未満、の少なくとも１つの条件が成立した場合に前記バイパス弁を開制御することを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記制御部は、前記バイパス弁の開状態時に、前記圧縮機の吸入側における冷媒圧力が上限値以上、前記熱源温水の熱量が上限値以上、前記圧縮機の吸入側における冷媒過熱度が上限値以上、前記圧縮機の吐出側における冷媒過熱度が上限値以上、前記圧縮機の吸入側における冷媒温度が上限値以上、前記圧縮機の吸入側における冷媒圧力が第１設定値以上で冷媒過熱度が第２設定値以上、の少なくとも１つの条件が成立した場合に前記バイパス弁を閉制御することを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記制御部は、前記バイパス弁の開度を制御することにより前記開閉制御を行うことを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記制御部は起動運転モード、通常運転モードの少なくとも２つの運転モードを持ち、前記起動運転モードは前記バイパス弁を開閉制御するモードであり、前記ヒートポンプ装置の起動時には前記起動運転モードとすることを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記制御部は、前記起動運転モード時に前記圧縮機の吸入側における冷媒過熱度が上限値以上の場合に前記通常運転モードに移行することを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記制御部は、前記ヒートポンプ装置の起動時は起動運転モードとなり、前記起動運転モード時に前記圧縮機の吐出側における冷媒過熱度が上限値以上の場合に通常運転モードに移行することを特徴とする。

本発明によれば、圧縮機の吐出側と圧縮機の吸入側とをバイパス弁を介して接続するバイパス管路を設け、制御部が、ヒートポンプ装置の起動時に、前記圧縮機の吸入側における冷媒圧力、熱源温水の熱量、前記圧縮機の吸入側における冷媒過熱度、前記圧縮機の吐出側における冷媒過熱度、前記圧縮機の吸入側における冷媒温度のうちの少なくとも１つに基づき前記バイパス弁を開閉制御するようにしているので、圧縮機の起動時における液バック状態を確実に回避するとともに圧縮機の起動時間を短くすることができる。

本発明の実施の形態に係る排熱回収ヒートポンプ装置の全体構成図である。飽和ガス線と等エントロピー線とを含むＲ２４５ｆａのＰ−ｈ線図である。図１に示したヒートポンプ部の構成を示す斜視図である。図１に示したバイパス管路を含むヒートポンプ部の拡大斜視図である。起動運転モード制御部による起動運転モード制御処理を含む制御部の制御処理の一例を示すフローチャートである。図１に示した排熱回収ヒートポンプ装置におけるバイパス管路の冷媒戻り先を蒸発器と膨張機構との間に設けた一例を示す図である。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

（全体構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る排熱回収ヒートポンプ装置１０の全体構成図である。排熱回収ヒートポンプ装置１０は、工場排水等の温水から排熱を回収し、回収した排熱を利用して水蒸気を生成するシステムであり、生成した水蒸気は乾燥装置や殺菌装置等の外部の蒸気利用設備に送られる。

図１に示すように、排熱回収ヒートポンプ装置１０は、水を蒸発させて水蒸気を生成し、外部へと送り出す蒸気生成部１２と、温水供給部１４によって供給される温水（熱源温水）から熱を回収し、この熱を蒸気生成部１２での蒸気生成のための熱源として供給するヒートポンプ部１６と、制御部１８とを備える。

ヒートポンプ部１６は、冷媒を圧縮する圧縮機２０と、圧縮機２０で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器２２と、凝縮器２２を出た冷媒を減圧する膨張機構２４と、熱源温水から熱を回収して冷媒を蒸発させる蒸発器２６とを環状に接続したヒートポンプサイクルを有したヒートポンプ装置である。本実施の形態では、凝縮器２２の出口側と膨張機構２４の入口側との間に加熱器２８を接続している。膨張機構２４は、例えば電子膨張弁である。

ヒートポンプサイクルに流れる冷媒は、図２に示すように、Ｐ−ｈ線図上での等エントロピー線Ｌ１が低圧側で過熱域にあり、高圧側で飽和ガス線Ｌ２と等エントロピー線Ｌ１とが２点以上の交点もしくは接点を有する特性を持つ冷媒である。この冷媒は、例えば、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン（構造式：ＣＨＦ_２ＣＨ_２ＣＦ_３、Ｒ２４５ｆａ）である。図２は、Ｒ２４５ｆａのＰ−ｈ線図を示しており、飽和ガス線Ｌ２と等エントロピー線Ｌ１とが交点ＰＰ１，ＰＰ２の２点で交わっている。

圧縮機２０で圧縮されて高温高圧となった冷媒は、凝縮器２２で蒸気生成部１２を循環する水と熱交換して冷却され凝縮する。凝縮器２２を出た冷媒は、加熱器２８で給水経路３０を流れる水を予熱してさらに冷却された後、膨張機構２４で断熱膨張され、蒸発器２６で温水供給部１４の温水経路３２を流れる熱源温水から吸熱して蒸発して圧縮機２０へと戻る。

ヒートポンプ部１６の冷媒経路には、圧縮機２０の吸入側の冷媒圧力Ｐｉｎ及び冷媒温度Ｔｉｎをそれぞれ検出する吸入圧力センサ３４及び吸入温度センサ３５と、圧縮機２０の吐出側の冷媒圧力Ｐｏｕｔ及び冷媒温度Ｔｏｕｔをそれぞれ検出する吐出圧力センサ３６及び吐出温度センサ３７と、膨張機構２４の入口側の冷媒の温度Ｔａを検出する入口温度センサ３８と、蒸発器２６に流入する熱源温水の熱量を検出する手段として熱源温水温度センサ２９とが設置され熱源温水の温度Ｔｗを測定している。熱源温水の熱量として、本実施形態では熱源温水の温度Ｔｗを熱量の基準としているが、熱源温水の温度変動が少ない場合などは、熱源温水温度センサ２９の代わりに熱源温水流量センサを設け、熱源温水の流量を熱量の基準としてもよい。また、熱源温水温度センサ２９と熱源温水流量センサの双方を設け、熱源温水の流量と温度から算出される熱流量を熱量の基準としてもよい。以降、本実施形態では、熱源温水の温度Ｔｗを熱量の基準とした場合の制御を代表例として説明する。

圧縮機２０の吐出側と吸入側との間は、バイパス弁７１を介して接続されるバイパス管路７０が設けられる。このバイパス弁７１は、ヒートポンプ装置の起動時に、制御部１８によって開閉制御される。バイパス弁７１が開のとき、圧縮機２０の吐出側の冷媒が吸入側に流入する。このバイパス弁７１の制御については後述する。

蒸気生成部１２は、ヒートポンプ部１６を循環する冷媒を熱源として水を蒸発させて蒸気を生成する凝縮器２２と、凝縮器２２で生成される水と蒸気を含む気液二相流を蒸気と水とに分離する水蒸気分離器４２と、水蒸気分離器４２で分離された蒸気を外部の蒸気利用設備に供給する蒸気供給経路４４と、水蒸気分離器４２で分離された水を給水経路３０から供給される水と合流させて凝縮器２２から水蒸気分離器４２へと導く水循環経路４６とを有する。

水蒸気分離器４２は、鉛直方向に沿った円筒状容器で構成され、下端壁に接続された水循環経路４６に接続された給水経路３０から水が給水補給されることで容器内部に水を貯留する。給水経路３０は、図示しない水道管や水タンクからの水（給水）を給水ポンプ４８によって加熱器２８を経て水循環経路４６まで導入する。給水ポンプ４８は制御部１８の制御下に、水蒸気分離器４２内に貯留された水の水位を測定する水位センサ５０の検出値（水位）に基づきインバータ（ＩＮＶ）５２を介してその運転回転数が制御される。水蒸気分離器４２には、内部の蒸気圧が所定圧力以上になった際に開放される圧力逃がし弁５４が接続されている。

水循環経路４６は、水蒸気分離器４２の下端壁から凝縮器２２までを連通する液管４６ａと、凝縮器２２から水蒸気分離器４２の上部側壁までを連通する蒸気管４６ｂとから構成されている。液管４６ａには水が流通し、蒸気管４６ｂには水及び蒸気を含む気液二相流が流通する。液管４６ａには循環ポンプ５６が設けられている。循環ポンプ５６は制御部１８の制御下に、インバータ（ＩＮＶ）５８を介してその運転回転数が制御される。

蒸気供給経路４４は、水蒸気分離器４２の上端壁に接続され、蒸気管４６ｂから当該水蒸気分離器４２内に供給され、ここで水が分離された後の蒸気を外部に送り出す経路である。蒸気供給経路４４には、流れる蒸気の圧力を調整する圧力調整弁（蒸気圧力調整手段）６０が設置されている。圧力調整弁６０は、制御部１８の制御下に、圧力センサ６２で測定される水蒸気分離器４２内の蒸気圧力に基づきその開度が調整される。圧力調整弁６０の開度を適宜調整することにより、排熱回収ヒートポンプ装置１０から外部に送り出される蒸気の流量や圧力を制御できる。蒸気供給経路４４を流れる蒸気の圧力を調整する蒸気圧力調整手段としては、圧力調整弁６０に代えて又はこれと共に蒸気を圧縮する蒸気圧縮機を用いてもよい。

制御部１８は、インバータ（ＩＮＶ）４０を介して圧縮機２０の運転回転数を制御する。制御部１８は、ヒートポンプ装置の起動時に起動運転モードとなり、起動運転モード制御部１８ａに対して起動運転モード制御を行わせる。また、制御部１８は、起動運転モード制御が終了した時点で通常運転モードとなり、通常運転モード制御部１８ｂに対して通常運転モード制御を行わせる。

起動運転モード制御部１８ａは、ヒートポンプ装置の起動時に、起動運転モード制御を行う。この起動運転モード制御は、圧縮機２０の吸入側における冷媒圧力Ｐｉｎ、熱源温水温度Ｔｗ、圧縮機２０の吸入側における冷媒過熱度ΔＴｉｎ、圧縮機２０の吐出側における冷媒過熱度ΔＴｏｕｔ、圧縮機２０の吸入側における冷媒温度Ｔｉｎのうちの少なくとも１つに基づきバイパス弁７１を開閉制御するとともに、各センサ３４〜３８の検出値をもとにインバータ４０を介して圧縮機２０の運転回転数を制御する。

通常運転モード制御部１８ｂは、バイパス弁７１が閉となって起動運転モード制御が終了した時点から、各センサ３４〜３８の検出値に基づき圧縮機２０の運転制御を行うことで、ヒートポンプ部１６の加熱出力を制御する。すなわち、通常運転モード制御部１８ｂは、各センサ３４〜３８の検出値をもとに、圧縮機２０の吐出側から膨張機構２４の入口側までの冷媒のエンタルピ差と、ヒートポンプサイクルの冷媒循環量との積であるヒートポンプ加熱出力を算出し、この算出したヒートポンプ加熱出力が目標加熱出力となるように、圧縮機２０の運転回転数を制御する。なお、通常運転モード制御部１８ｂによる制御時、バイパス弁７１は閉状態となっている。

なお、制御部１８は、さらに給水ポンプ４８、循環ポンプ５６及び圧力調整弁６０の制御を行うものであってもよいが、これら蒸気生成部１２側は図示しない別の制御部によって制御してもよい。

ここで、図１、図３、図４に示すように、バイパス管路７０の圧縮機吸入側の接続点ＰＴ２は、蒸発器２６と圧縮機２０との間の管路ＬＮ１上に設けられる。また、接続点ＰＴ２は、圧縮機吸入側の冷媒温度を検出する吸入温度センサ３５の上流側に設けられる。これによって、吸入温度センサ３５は、バイパス管路７０からの冷媒を含めた冷媒温度を検出することができるので、バイパス弁７１を開にしたときであっても、精度の高い温度検出を行うことができる。

一方、バイパス管路７０の圧縮機吐出側の接続点ＰＴ１は、圧縮機２０と凝縮器２２との間の管路ＬＮ２上に設けられる。また、接続点ＰＴ１と凝縮器２２との間の管路ＬＮ２上に逆止弁８０が配置される。この逆止弁８０を設けることによって、凝縮器２２側から、バイパス管路７０を介した冷媒の逆流を防止することができる。

さらに、接続点ＰＴ１と圧縮機２０との間の管路ＬＮ２の一部にフレキシブル配管８１を介在させている。フレキシブル配管８１は、圧縮機２０の振動に対して屈曲可能に配置されている。図３、図４において、フレキシブル配管８１の下流端部は、筐体等に取り付けられたブラケット１００によって固定されている。そして、フレキシブル配管８１の上流端部、すなわち、−Ｚ方向の端部は、ＸＹ平面方向（水平方向）に屈曲可能である。一方、圧縮機２０は、レシプロエンジンを用いており、Ｖ型エンジンではあるが、対になる気筒が互い違いに上下するため、気筒間でＺ方向の振動は相殺され、主としてＸ方向に振動する。ここで、フレキシブル配管８１は、Ｘ方向の振動を吸収することができるので、下流に配置された接続点ＰＴ１への振動が少なくなる。接続点ＰＴ１には、細径のバイパス管路７０が接続されており、この接続部は、管路ＬＮ２に比してバイパス管路７０が細径であるため、応力集中が生じやすい構造となっているが、振動が伝わらず、しかも、ブラケット１００で固定されているので、応力集中が生じにくくなる。なお、図３、図４に示すように、逆止弁８０もブラケット１００によって固定されている。

（起動運転モード制御処理の一例）
ここで、図５に示したフローチャートを参照して、起動運転モード制御部１８ａによる起動運転モード制御処理を含む制御部１８の制御処理の一例について説明する。図５に示すように、まず、制御部１８は、起動指示を受けたか否かを判断する（ステップＳ１０１）。制御部１８は、起動指示を受けなかった場合（ステップＳ１０１，Ｎｏ）には、ステップＳ１０１の判断処理を繰り返す。一方、制御部１８は、起動指示を受けた場合（ステップＳ１０１，Ｙｅｓ）には、圧縮機２０を起動し（ステップＳ１０２）、起動運転モード制御部１８ａに対して起動運転モード制御を行わせる。起動運転モード制御部１８ａは、まず、圧縮機２０の吸入側における冷媒圧力Ｐｉｎが下限値Ｐｉｎｌｏｗ未満か否かを判断する（ステップＳ１０３）。冷媒圧力Ｐｉｎが下限値Ｐｉｎｌｏｗ未満である場合（ステップＳ１０３，Ｙｅｓ）には、バイパス弁７１を開にして（ステップＳ１０４）、圧縮機２０を運転する。

その後、起動運転モード制御部１８ａは、冷媒圧力Ｐｉｎが上限値Ｐｉｎｈｉｇｈ（＞下限値Ｐｉｎｌｏｗ）以上であるか否かを判断する（ステップＳ１０６）。冷媒圧力Ｐｉｎが上限値Ｐｉｎｈｉｇｈ以上でない場合（ステップＳ１０６，Ｎｏ）には、バイパス弁７１を開にした状態でステップＳ１０６の判断処理を繰り返す。一方、冷媒圧力Ｐｉｎが上限値Ｐｉｎｈｉｇｈ以上である場合（ステップＳ１０６，Ｙｅｓ）には、バイパス弁７１を閉にして（ステップＳ１０７）、圧縮機２０を運転する。

その後、起動運転モード制御部１８ａは、圧縮機２０の吐出側における冷媒過熱度が、あらかじめ通常運転移行条件として設定した規定値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１０８）。規定値以上であった場合（ステップＳ１０８，Ｙｅｓ）には、制御部１８は起動運転モード制御部１８ａによる制御から通常運転モード制御部１８ｂによる制御に切り替える。規定値未満であった場合（ステップＳ１０８，Ｎｏ）には、再度圧縮機２０の吸入側における冷媒圧力の判定（ステップＳ１０３）を繰り返す。なお、通常運転移行条件としてその他の移行条件（例えば熱源温水の温度条件、圧縮機起動後タイマ条件など）を規定してもよい。また、これらの１以上の条件を組み合わせたＡＮＤ条件あるいはＯＲ条件とし、ＡＮＤ条件あるいはＯＲ条件を満足した場合に通常運転モード制御に移行するようにしてもよい。

起動運転モード制御部１８ａは、冷媒圧力Ｐｉｎが下限値Ｐｉｎｌｏｗ未満でない場合（ステップＳ１０３，Ｎｏ）には、さらに圧縮機起動後の経過時間があらかじめ設定した規定値以内か否かを判断する（ステップＳ１０５）。圧縮機起動後の経過時間があらかじめ設定した規定値を超えた場合（ステップＳ１０５，Ｎｏ）には、ステップＳ１０４に移行してバイパス弁７１を開にする。一方、圧縮機起動後の経過時間があらかじめ設定した規定値以内である場合（ステップＳ１０５，Ｙｅｓ）には、ステップＳ１０８に移行する。この制御を行う場合、圧縮機起動後の経過時間があらかじめ設定した規定値を超え（ステップＳ１０５，Ｎｏ）に、かつ、圧縮機２０の吸入側における冷媒圧力が上限値以上（ステップＳ１０６，Ｙｅｓ）の場合に、バイパス弁７１のチャタリングが発生することを防止するため、バイパス弁７１に例えば１０秒の不感時間を設けている。この時間は、機器の構成や運転条件によって適宜設定することができる。

起動運転モード制御部１８ａは、圧縮機２０の吐出側における冷媒過熱度が規定値以上でない場合（ステップＳ１０８，Ｎｏ）には、ステップＳ１０３に移行して上述した起動運転モード制御を繰り返す。一方、起動運転モード制御部１８ａは、圧縮機２０の吐出側における冷媒過熱度が規定値以上である場合（ステップＳ１０８，Ｙｅｓ）には、起動運転モード制御を終了し、制御部１８は、起動運転モードから通常運転モードに移行して通常運転モード制御部１８ｂによる通常運転モード制御を行い（ステップＳ１０９）、本処理を終了する。

なお、図５で示した起動運転モード制御処理では、圧縮機２０の吸入側における冷媒圧力Ｐｉｎが下限値Ｐｉｎｌｏｗ未満の場合にバイパス弁７１を開にするようにしていたが、これに限らず、熱源温水温度Ｔｗが下限値Ｔｗｌｏｗ未満の場合にバイパス弁７１を開にしてもよい。また、圧縮機２０の吸入側における冷媒過熱度ΔＴｉｎが下限値ΔＴｉｎｌｏｗ未満の場合にバイパス弁７１を開にしてもよい。また、圧縮機２０の吐出側における冷媒過熱度ΔＴｏｕｔが下限値ΔＴｏｕｔｌｏｗ未満の場合にバイパス弁７１を開にしてもよい。また、圧縮機２０の吸入側における冷媒温度Ｔｉｎが下限値Ｔｉｎｌｏｗ未満の場合にバイパス弁７１を開にしてもよい。さらに、起動運転モード制御処理では、これらの１以上の条件を組み合わせたＡＮＤ条件あるいはＯＲ条件とし、ＡＮＤ条件あるいはＯＲ条件を満足した場合にバイパス弁７１を開にするようにしてもよい。

さらに、上述した起動運転モード制御処理によるバイパス弁７１は、開または閉にする開閉制御であったが、これに限らず、起動運転モード制御部１８ａは、ＰＩＤ制御によるバイパス弁７１の開度調整を行うようにしてもよい。例えば、起動運転モード制御部１８ａは、冷媒圧力Ｐｉｎが下限値Ｐｉｎｌｏｗ未満の場合に、冷媒圧力Ｐｉｎに応じてバイパス弁７１を開にし、冷媒圧力Ｐｉｎが迅速に上限値Ｐｉｎｈｉｇｈ（目標値）に近づくようにバイパス弁７１の開度調整を行う。そして、起動運転モード制御部１８ａは、冷媒圧力Ｐｉｎが一定時間、上限値Ｐｉｎｈｉｇｈ以上となった場合にバイパス弁７１を閉にする。

また、図５で示した起動運転モード制御処理では、圧縮機２０の吸入側における冷媒圧力Ｐｉｎが上限値Ｐｉｎｈｉｇｈ以上の場合にバイパス弁７１を閉にするようにしていたが、これに限らず、熱源温水温度Ｔｗが上限値Ｔｗｈｉｇｈ以上の場合にバイパス弁７１を閉にしてもよい。また、圧縮機２０の吸入側における冷媒過熱度ΔＴｉｎが上限値ΔＴｉｎｈｉｇｈ以上の場合にバイパス弁７１を閉にしてもよい。また、圧縮機２０の吐出側における冷媒過熱度ΔＴｏｕｔが上限値ΔＴｏｕｔｈｉｇｈ以上の場合にバイパス弁７１を閉にしてもよい。また、圧縮機２０の吸入側における冷媒温度Ｔｉｎが上限値Ｔｉｎｈｉｇｈ以上の場合にバイパス弁７１を閉にしてもよい。さらに、起動運転モード制御処理では、これらの１以上の条件を組み合わせたＡＮＤ条件あるいはＯＲ条件とし、ＡＮＤ条件あるいはＯＲ条件を満足した場合にバイパス弁７１を閉にするようにしてもよい。

例えば、冷媒圧力Ｐｉｎが上限値（第１設定値）Ｐｉｎｈｉｇｈ以上であり、かつ、冷媒過熱度ΔＴｉｎが上限値（第２設定値）ΔＴｉｎｈｉｇｈ以上の場合にバイパス弁７１を閉にする。

さらに、バイパス弁７１を開にして起動運転モード制御を行う条件とバイパス弁７１を閉にして通常運転モード制御に移行する条件とを異なるカテゴリの条件で組み合わせてもよい。例えば、冷媒圧力Ｐｉｎが下限値Ｐｉｎｌｏｗ未満の場合にバイパス弁７１を開にし、冷媒過熱度ΔＴｏｕｔが上限値ΔＴｏｕｔｈｉｇｈ以上の場合にパイパス弁７１を閉にする制御を行ってもよい。

また、図５では、ステップＳ１０３において、冷媒圧力Ｐｉｎが下限値Ｐｉｎｌｏｗ未満でない場合（ステップＳ１０３，Ｎｏ）に、さらにステップＳ１０５で、圧縮機起動後の経過時間があらかじめ設定した規定値以内か否かを判断し、圧縮機起動後の経過時間があらかじめ設定した規定値を超えた場合（ステップＳ１０５，Ｎｏ）にバイパス弁７１を開にし（ステップＳ１０４）、圧縮機起動後の経過時間があらかじめ設定した規定値以内である場合（ステップＳ１０５，Ｙｅｓ）に圧縮機２０の吐出側における冷媒過熱度が、あらかじめ通常運転移行条件として設定した規定値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１０８）ようにしていた。しかし、これに限らず、ステップＳ１０５の判断処理を削除し、冷媒圧力Ｐｉｎが下限値Ｐｉｎｌｏｗ未満でない場合（ステップＳ１０３，Ｎｏ）に、直ちに圧縮機２０の吐出側における冷媒過熱度が、あらかじめ通常運転移行条件として設定した規定値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１０８）ようにしてもよい。この処理は、圧縮機２０の吸入側における冷媒圧力が下限値以上であれば、液バックが生じないと推測されるため、バイパス弁７１の閉状態を維持したまま、圧縮機２０の吐出側における冷媒過熱度条件のみを基準として通常運転モード制御への切替を行おうとするものである。

なお、上述した熱源温水の温度Ｔｗは、蒸発器２６の上流側の温度であってもよいし、蒸発器２６の下流側の温度であってもよい。さらに、熱源温水の温度Ｔｗに代わり、蒸発器本体の温度を基準としてもよい。また、蒸発器２６の上流側の熱源温水温度と下流側の熱源温水温度との温度差を、上述したバイパス弁７１の開閉の条件として用いてもよい。

上述した実施の形態では、パイパス管路７０における圧縮機２０の吸入側（冷媒の戻り先）は、圧縮機２０と蒸発器２６との間の接続点ＰＴ２に接続されていたが、これに限らず、図６に示すように、パイパス管路７０における圧縮機２０の吸入側を蒸発器２６と膨張機構２４との間の管路ＬＮ３上の接続点ＰＴ３に接続してもよい。図６に示したバイパス管路７０の配置では、戻った冷媒によって蒸発器２６の蒸発を促進することができる利点を有する。一方、図１に示したバイパス管路７０の配置では、バイパス弁７１を開にした場合の応答速度を速くすることができる利点を有する。

本実施の形態では、ヒートポンプ装置の起動時に、圧縮機２０の吸入側における冷媒圧力Ｐｉｎ、熱源温水温度Ｔｗ、圧縮機２０の吸入側における冷媒過熱度ΔＴｉｎ、圧縮機２０の吐出側における冷媒過熱度ΔＴｏｕｔ、圧縮機２０の吸入側における冷媒温度Ｔｉｎのうちの少なくとも１つに基づきバイパス弁７１を開閉制御するようにしている。この結果、圧縮機２０の起動時における液バック状態を確実に回避するとともに圧縮機２０の起動時間を短くすることができる。

なお、従来、圧縮機の吐出側から吸入側に冷媒をバイパスするバイパス管路（ホットガスバイパス）を設けているものがあるが、このバイパス管路は、通常運転時における、急激な負荷変動に対応するための容量制御を行う機能を有するものであり、本実施の形態における、圧縮機起動時に確実に液バック状態を回避するとともに圧縮機の起動時間を短縮するために用いるバイパス管路とは異なる機能を有するものである。なお、通常運転時に、従来のバイパス管路を用いた長期間にわたる容量制御では、圧縮機吸入側の冷媒過熱度が上昇しすぎてしまう問題をもたらす。

１０排熱回収ヒートポンプ装置
１２蒸気生成部
１４温水供給部
１６ヒートポンプ部
１８制御部
１８ａ起動運転モード制御部
１８ｂ通常運転モード制御部
２０圧縮機
２２凝縮器
２４膨張機構
２６蒸発器
２８加熱器
２９熱源温水温度センサ
３０給水経路
３２温水経路
３４吸入圧力センサ
３５吸入温度センサ
３６吐出圧力センサ
３７吐出温度センサ
３８入口温度センサ
４０，５２，５８インバータ
４２水蒸気分離器
４４蒸気供給経路
４６水循環経路
７０バイパス管路
７１バイパス弁
８０逆止弁
８１フレキシブル配管
１００ブラケット
ＬＮ１，ＬＮ２，ＬＮ３管路
ＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３接続点

Claims

冷媒を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器、前記凝縮器で凝縮された冷媒を減圧する膨張機構、及び熱源温水から熱を回収して冷媒を蒸発させる蒸発器を環状に接続したヒートポンプサイクルを有するヒートポンプ装置であって、
前記冷媒は、高圧側で飽和ガス線と等エントロピー線とが２点以上の交点もしくは接点を有し、
前記圧縮機の吐出側と前記圧縮機の吸入側とをバイパス弁を介して接続するバイパス管路と、
前記バイパス弁を開閉制御する起動運転モードと、前記バイパス弁を閉制御して通常運転を行う通常運転モードとを切り替える制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記起動運転モードにおいて、
前記圧縮機の吸入側における冷媒圧力が上限値以上、前記熱源温水の熱量が上限値以上、前記圧縮機の吸入側における冷媒過熱度が上限値以上、前記圧縮機の吸入側における冷媒温度が上限値以上、前記圧縮機の吸入側における冷媒過熱度が前記冷媒過熱度の上限値より低い第２設定値以上かつ冷媒圧力が前記冷媒圧力の上限値より低い第１設定値以上、の少なくとも１つの条件が成立した場合に前記バイパス弁を閉制御し、
前記バイパス弁が閉状態かつ、前記圧縮機の吐出側における冷媒過熱度が上限値以上の場合に前記通常運転モードに移行することを特徴とするヒートポンプ装置。
前記制御部は、前記圧縮機の吸入側における冷媒圧力が下限値未満、前記熱源温水の熱量が下限値未満、前記圧縮機の吸入側における冷媒過熱度が下限値未満、前記圧縮機の吐出側における冷媒過熱度が下限値未満、前記圧縮機の吸入側における冷媒温度が下限値未満、の少なくとも１つの条件が成立した場合に前記バイパス弁を開制御することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
前記制御部は、前記バイパス弁の開度を制御することにより前記開閉制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ装置。
前記バイパス管路の径は、前記圧縮機と前記凝縮器との間の配管の径よりも小さく、
前記圧縮機と前記バイパス管路の圧縮機吐出側接続点との間の配管にフレキシブル配管を介在させ、
前記フレキシブル配管の下流端部をブラケットによって固定したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
前記圧縮機吐出側接続点と前記凝縮器との間に逆止弁を備え、
前記逆止弁をブラケットによって固定したことを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ装置。
前記フレキシブル配管は、前記圧縮機の振動方向に対応して屈曲可能に配置されることを特徴とする請求項４または５に記載のヒートポンプ装置。
前記バイパス管路の圧縮機吸入側接続点は、前記蒸発器と前記膨張機構との間であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
前記バイパス管路の圧縮機吸入側接続点は、前記圧縮機と前記蒸発器との間であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
前記バイパス管路の前記圧縮機吸入側接続点は、圧縮機吸入側の冷媒温度を検出する温度検出部の上流側であることを特徴とする請求項８に記載のヒートポンプ装置。