JP6233499B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents
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Description
また、本発明のヒートポンプ装置は、密閉容器と、密閉容器の内部に設けられた圧縮要素と、密閉容器の外部から吸入される低圧冷媒を密閉容器の内部空間へ放出せずに圧縮要素へ導く第一吸入通路と、圧縮要素により圧縮された高圧冷媒を密閉容器の内部空間へ放出せずに密閉容器の外部へ吐出する第一吐出通路と、第一吐出通路から吐出された後に熱交換をした高圧冷媒を圧縮せずに密閉容器の内部空間へ放出する第二吸入通路と、密閉容器の内部空間の高圧冷媒を圧縮せずに密閉容器の外部へ吐出する第二吐出通路とを有する圧縮機と、第一吐出通路から吐出された高圧冷媒の熱で対象流体を加熱する第一熱交換器と、第二吐出通路から吐出された高圧冷媒の熱で対象流体を加熱する第二熱交換器と、第二熱交換器を通過した高圧冷媒を膨張させて低圧冷媒にする膨張部と、膨張部を通過した低圧冷媒を蒸発させる蒸発器と、高加熱運転と、第一熱交換器及び第二熱交換器の合計の加熱量が高加熱運転に比べて小さい低加熱運転とを行う制御手段と、を備え、制御手段は、低加熱運転のとき、第二吸入通路の冷媒の状態が過熱ガス状態になるように、膨張部の開度、圧縮機の容量、及び対象流体の流量のうちの少なくとも一つを制御し、高加熱運転のときには圧縮要素から吐出される冷媒の圧力が臨界圧力を超える圧力になるとともに第一熱交換器から出る対象流体の温度が冷媒の臨界温度を超える温度になり、低加熱運転のときには圧縮要素から吐出される冷媒の圧力が臨界圧力以下の圧力になるとともに第一熱交換器から出る対象流体の温度が臨界温度より低い温度になり、制御手段は、低加熱運転のとき、圧縮要素に吸入される冷媒の温度と、圧縮要素から吐出される冷媒の温度と、蒸発器の蒸発飽和温度とに基づいて、第二吸入通路の冷媒の過熱度を推定し、その推定結果に基づいて、膨張部の開度、圧縮機の容量、及び対象流体の流量のうちの少なくとも一つを制御するものである。
図1は、本発明の実施の形態1のヒートポンプ装置を示す構成図である。図1に示すように、本実施の形態1のヒートポンプ装置1は、水を加熱するヒートポンプユニット2と、貯湯タンク10と、制御装置50とを有する。貯湯タンク10は、上側が高温で下側が低温になる温度成層を形成して水を貯留する。貯湯タンク10の下部と、ヒートポンプユニット2の入口12とは、入口配管11を介して接続されている。入口配管11の途中には、ポンプ13が設置されている。貯湯タンク10の上部には、上部配管14の一端が接続されている。上部配管14の他端側は、二つに分岐して、給湯混合弁15の第一入口と風呂混合弁16の第一入口とにそれぞれ接続されている。ヒートポンプユニット2の出口17は、出口配管18を介して、上部配管14の途中の位置に接続されている。ヒートポンプユニット2の詳細については後述する。本実施の形態1では、加熱する対象流体が水である場合について説明するが、本発明における対象流体は、例えばブライン、不凍液など、水以外の流体でも良い。
C3=C1×Rhp+C2×(1−Rhp) ・・・(1)
SHsi=Ts2−Tc ・・・(2)
Twp≒Twgc1i ・・・(3)
Qgc1=Gr×Cpr×(Td1−Ts2) ・・・(4)
ただし、Grは冷媒流量、Cprは冷媒の定圧比熱、Td1は圧縮要素吐出温度である。冷媒流量Grは、圧縮機3の容量及び外気温度などから推定できる。圧縮要素吐出温度Td1は、吐出温度センサ51で検知できる。
Qgc1=Agc1×Kgc1×ΔTgc1 ・・・(5)
ただし、Agc1は第一熱交換器4の伝熱面積、Kgc1は第一熱交換器4の熱通過率、ΔTgc1は第一熱交換器4での冷媒と水の温度差である。Agc1は固定値である。Kgc1は、ほぼ一定値とみなせる。ΔTgc1は、算術平均温度差とすると、次式で算出できる。
ΔTgc1=(Td1+Ts2)/2−(Two+Twgc1i)/2 ・・・(6)
ただし、Twoはヒートポンプ出口温度である。算術平均温度差は上記(6)式で簡易に算出できる。また、ΔTgc1として、対数平均温度差を用いても良い。その場合には、より正確にΔTgc1を算出できる。
Tc=Twp+ΔTp ・・・(7)
ただし、ΔTpはピンチポイントでの冷媒と水の温度差である。ピンチポイントでの冷媒と水の温度差ΔTpは、約1℃〜3℃程度である。上記(7)式で算出した凝縮飽和温度Tcを上記(2)式に代入することで第二吸入通路36の冷媒の過熱度SHsiを求めることができる。図8のステップS12では、以上のようにして、圧縮要素吐出温度Td1、第二吸入通路36の冷媒温度Ts2、及びヒートポンプ出口温度Twoに基づいて、第二吸入通路36の冷媒の過熱度SHsiを推定できる。
Qgc1=Gw×Cpw×(Two−Twgc1i) ・・・(8)
ただし、Gwは水流量、Cpwは水の比熱である。水流量Gwは、ポンプ13の駆動速度から推定できる。あるいは流量センサで水流量Gwを検知しても良い。上記(4)式及び(5)式のいずれか一方と、上記(8)とを連立することで、圧縮要素吐出温度Td1、第二吸入通路36の冷媒温度Ts2、及びヒートポンプ出口温度Twoに基づいて、第一熱交換器4の水入口の水温Twgc1iを推定できる。そのようにして推定したTwgc1iがピンチポイントでの水温Twpに等しいとみなし、上記(7)式及び(2)式を用いることで、第二吸入通路36の冷媒の過熱度SHsiを推定できる。
Qgc1=F×(Td1−Two) ・・・(9)
上記(4)式及び(9)式を連立することで、圧縮要素吐出温度Td1及びヒートポンプ出口温度Twoに基づいて、第二吸入通路36の冷媒温度Ts2を推定できる。また、上記(8)式及び(9)式を連立することで、圧縮要素吐出温度Td1及びヒートポンプ出口温度Twoに基づいて、第一熱交換器4の水入口の水温Twgc1iを推定できる。そのようにして推定したTwgc1iがピンチポイントでの水温Twpに等しいとみなし、上記(7)式及び(2)式を用いることで、第二吸入通路36の冷媒の過熱度SHsiを推定できる。
Td1=Ts1×(Pd1/Ps1)(n−1)/n ・・・(10)
ただし、Pd1は圧縮要素吐出圧力である。圧縮要素吸入温度Ts1は、図2及び図6中のAに温度センサを設けることで検知できる。圧縮要素吐出温度Td1は、図2及び図6中のBに設けた吐出温度センサ51で検知できる。
(1)貯湯運転時すなわち高加熱運転時には、圧縮要素吐出圧力Pd1が超臨界圧になり、第一熱交換器4及び第二熱交換器5の冷媒は凝縮しない。このため、COPが最大になるように膨張弁6で冷媒流量を制御できる。
(2)湯張り運転時すなわち低加熱運転時には、第二吸入通路36の冷媒の状態が過熱ガス状態になるように制御することで、密閉容器31の内部空間38に気液二相冷媒が流入することを確実に防止できる。これにより、信頼性を高めつつ、冷媒流量を適正に制御できる。その結果、効率の良い運転ができる。
(3)ヒートポンプ出口温度センサ30、吐出温度センサ51及び冷媒温度センサ52等の温度センサの検知温度に基づいて、第二吸入通路36の冷媒の過熱度SHsiを推定できる。このため、高価な圧力センサを用いずに、低加熱運転時の第二吸入通路36の冷媒の状態が過熱ガス状態になるように制御できる。
(4)低加熱運転時にも密閉容器31への気液二相冷媒の流入を確実に防止できるので、密閉容器31に液冷媒が蓄積されない。密閉容器31に蓄積された液冷媒が圧縮要素32あるいは電動要素33により加熱されると、冷凍機油と混合している液冷媒が気化することで冷凍機油が発泡する。冷凍機油が発泡すると、冷凍機油がガス冷媒に混合し、冷凍機油がガス冷媒に伴って第二吐出通路37から流出する。その結果、密閉容器31内の冷凍機油が不足し、圧縮機3の摺動部の潤滑不良が生じる。また、第二熱交換器5に冷凍機油が滞留し、冷媒の伝熱が阻害されて、性能が低下する。これに対し、本実施の形態1によれば、密閉容器31に液冷媒が蓄積されないので、これらの弊害を確実に防止できる。
次に、図9を参照して、本発明の実施の形態2について説明するが、上述した実施の形態1との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。図9は、本発明の実施の形態2のヒートポンプ装置1の低加熱運転での制御装置50の制御動作を示すフローチャートである。図9のステップS11からステップS13は実施の形態1と同様であるので説明を省略する。本実施の形態2では、ステップS13で第二吸入通路36の冷媒の過熱度SHsiが参照値α以下である場合には、制御装置50は、圧縮機3の容量が大きくなるように圧縮機3を制御すること(例えば圧縮機3の駆動速度を速くすること)で、第二吸入通路36の冷媒の過熱度SHsiを上昇させる(ステップS15)。これにより、本実施の形態2では、第二吸入通路36の冷媒の状態をより確実に過熱ガス状態に維持することができる。本実施の形態2は、上述した事項以外は実施の形態1と同様であるので、これ以上の説明を省略する。
次に、図10を参照して、本発明の実施の形態3について説明するが、上述した実施の形態1との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。図10は、本発明の実施の形態3のヒートポンプ装置1の低加熱運転での制御装置50の制御動作を示すフローチャートである。図10のステップS11からステップS13は実施の形態1と同様であるので説明を省略する。本実施の形態3では、ステップS13で第二吸入通路36の冷媒の過熱度SHsiが参照値α以下である場合には、制御装置50は、水流量が低くなるようにポンプ13を制御することで、第二吸入通路36の冷媒の過熱度SHsiを上昇させる(ステップS16)。水流量を低くすると、圧縮要素吐出圧力が上昇するが、圧力−エンタルピ線図の飽和蒸気線が左上に傾いているため、圧力が上昇するほど飽和ガスのエンタルピが小さくなる。その結果、過熱度SHsiが大きくなる。本実施の形態3によれば、第二吸入通路36の冷媒の状態をより確実に過熱ガス状態に維持することができる。本実施の形態3は、上述した事項以外は実施の形態1と同様であるので、これ以上の説明を省略する。
次に、図11及び図12を参照して、本発明の実施の形態4について説明するが、上述した実施の形態1との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。図11は、本発明の実施の形態4のヒートポンプ装置1が備えるヒートポンプユニット2を示す構成図である。図11に示すように、本実施の形態4のヒートポンプユニット2は、実施の形態1と同様の構成に加え、第一吐出通路35から第一熱交換器4を経由せずに第二吸入通路36へ冷媒を流すバイパス流路55と、このバイパス流路55に設けられたバイパス弁56とをさらに備える。バイパス流路55は、第一熱交換器4の冷媒流路をバイパスする流路である。バイパス弁56は、バイパス流路55を通る冷媒の量を可変にする流路制御要素である。バイパス弁56を閉じた状態では、第一吐出通路35から吐出された過熱ガス状態の冷媒がすべて第一熱交換器4を通る状態になる。すなわち、実施の形態1と同様の状態になる。これに対し、バイパス弁56を開いた状態では、第一吐出通路35から吐出された過熱ガス状態の冷媒は、第一熱交換器4の冷媒流路と、バイパス流路55とに分かれて流れる。そして、第一熱交換器4の冷媒流路を通過した冷媒と、バイパス流路55を通過した冷媒とが合流し、第二吸入通路36へ流れる。
Claims (4)
- 密閉容器と、前記密閉容器の内部に設けられた圧縮要素と、前記密閉容器の外部から吸入される低圧冷媒を前記密閉容器の内部空間へ放出せずに前記圧縮要素へ導く第一吸入通路と、前記圧縮要素により圧縮された高圧冷媒を前記密閉容器の内部空間へ放出せずに前記密閉容器の外部へ吐出する第一吐出通路と、前記第一吐出通路から吐出された後に熱交換をした高圧冷媒を圧縮せずに前記密閉容器の内部空間へ放出する第二吸入通路と、前記密閉容器の内部空間の高圧冷媒を圧縮せずに前記密閉容器の外部へ吐出する第二吐出通路とを有する圧縮機と、
前記第一吐出通路から吐出された高圧冷媒の熱で対象流体を加熱する第一熱交換器と、
前記第二吐出通路から吐出された高圧冷媒の熱で前記対象流体を加熱する第二熱交換器と、
前記第二熱交換器を通過した高圧冷媒を膨張させて低圧冷媒にする膨張部と、
前記膨張部を通過した低圧冷媒を蒸発させる蒸発器と、
高加熱運転と、前記第一熱交換器及び前記第二熱交換器の合計の加熱量が前記高加熱運転に比べて小さい低加熱運転とを行う制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記低加熱運転のとき、前記第二吸入通路の冷媒の状態が過熱ガス状態になるように、前記膨張部の開度、前記圧縮機の容量、及び前記対象流体の流量のうちの少なくとも一つを制御し、
前記高加熱運転のときには前記圧縮要素から吐出される冷媒の圧力が臨界圧力を超える圧力になるとともに前記第一熱交換器から出る前記対象流体の温度が冷媒の臨界温度を超える温度になり、前記低加熱運転のときには前記圧縮要素から吐出される冷媒の圧力が前記臨界圧力以下の圧力になるとともに前記第一熱交換器から出る前記対象流体の温度が前記臨界温度より低い温度になり、
前記制御手段は、前記低加熱運転のとき、前記圧縮要素から吐出される冷媒の温度と、前記第二吸入通路の冷媒の温度と、前記第一熱交換器から出る前記対象流体の温度とに基づいて、前記第二吸入通路の冷媒の過熱度を推定し、その推定結果に基づいて、前記膨張部の開度、前記圧縮機の容量、及び前記対象流体の流量のうちの少なくとも一つを制御するヒートポンプ装置。 - 密閉容器と、前記密閉容器の内部に設けられた圧縮要素と、前記密閉容器の外部から吸入される低圧冷媒を前記密閉容器の内部空間へ放出せずに前記圧縮要素へ導く第一吸入通路と、前記圧縮要素により圧縮された高圧冷媒を前記密閉容器の内部空間へ放出せずに前記密閉容器の外部へ吐出する第一吐出通路と、前記第一吐出通路から吐出された後に熱交換をした高圧冷媒を圧縮せずに前記密閉容器の内部空間へ放出する第二吸入通路と、前記密閉容器の内部空間の高圧冷媒を圧縮せずに前記密閉容器の外部へ吐出する第二吐出通路とを有する圧縮機と、
前記第一吐出通路から吐出された高圧冷媒の熱で対象流体を加熱する第一熱交換器と、
前記第二吐出通路から吐出された高圧冷媒の熱で前記対象流体を加熱する第二熱交換器と、
前記第二熱交換器を通過した高圧冷媒を膨張させて低圧冷媒にする膨張部と、
前記膨張部を通過した低圧冷媒を蒸発させる蒸発器と、
高加熱運転と、前記第一熱交換器及び前記第二熱交換器の合計の加熱量が前記高加熱運転に比べて小さい低加熱運転とを行う制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記低加熱運転のとき、前記第二吸入通路の冷媒の状態が過熱ガス状態になるように、前記膨張部の開度、前記圧縮機の容量、及び前記対象流体の流量のうちの少なくとも一つを制御し、
前記高加熱運転のときには前記圧縮要素から吐出される冷媒の圧力が臨界圧力を超える圧力になるとともに前記第一熱交換器から出る前記対象流体の温度が冷媒の臨界温度を超える温度になり、前記低加熱運転のときには前記圧縮要素から吐出される冷媒の圧力が前記臨界圧力以下の圧力になるとともに前記第一熱交換器から出る前記対象流体の温度が前記臨界温度より低い温度になり、
前記制御手段は、前記低加熱運転のとき、前記圧縮要素に吸入される冷媒の温度と、前記圧縮要素から吐出される冷媒の温度と、前記蒸発器の蒸発飽和温度とに基づいて、前記第二吸入通路の冷媒の過熱度を推定し、その推定結果に基づいて、前記膨張部の開度、前記圧縮機の容量、及び前記対象流体の流量のうちの少なくとも一つを制御するヒートポンプ装置。 - 前記制御手段は、前記高加熱運転のとき、前記圧縮要素から吐出される冷媒の温度または前記蒸発器から出る冷媒の過熱度が目標値になるように、前記膨張部により冷媒流量を制御する請求項1または請求項2に記載のヒートポンプ装置。
- 貯湯タンクを備え、
前記制御手段は、前記第一熱交換器及び前記第二熱交換器で加熱された水を前記貯湯タンクに流入させる貯湯運転のときは前記高加熱運転を行い、前記第一熱交換器及び前記第二熱交換器で加熱された水を浴槽へ供給する湯張り運転のときは前記低加熱運転を行う請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
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