JP6132028B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒を用いたヒートポンプ装置に関するものである。

近年、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、等エントロピー線の傾斜が急峻で圧縮機からの吐出冷媒の過熱度が小さくなるので、液圧縮による損傷を回避するため、吸入を過熱状態とするのに蒸発器から圧縮機の間の冷媒を加熱している。

しかし、特有の特性を持った冷媒すなわち、Ｐ−ｈ線図上での等エントロピー線が低圧側では過熱域にあり、高圧側では飽和ガス線と２点以上の交点若しくは接点を有する特性を持つ単一冷媒及び混合冷媒を含む冷媒を用いたヒートポンプ装置においては、吸入部が過熱状態にあっても過熱の度合いによって圧縮機の圧縮行程中に冷媒が液化し液圧縮する可能性がある。

これに対する解決手段として、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の冷凍装置は、圧縮機の吸入点の過熱度を検知する検知手段と、検知手段のデータに基づいて等エントロピー線と飽和ガス線が途中で接点を持つエントロピーより大きくなる様に圧縮機の吸入点の過熱度を制御する制御手段を備えたものである。特許文献１ではこのような構成を採用することで、冷媒回路に封入する冷媒としてＰ−ｈ線図上での等エントロピー線が低圧側では過熱域にあり、高圧側では飽和ガス線と２点以上の交点若しくは接点を有する特性を持つ単一冷媒及び混合冷媒を含む冷媒を用いた場合における圧縮機の圧縮行程中の液圧縮を回避するようになっている。

特開２０１２−１４１０７０号公報

ところで、上記の特有の特性を持つ冷媒を用いた圧縮機では、吸入側の過熱度と吐出側の過熱度を比較すると、一般に吐出側の過熱度が小さくなる傾向にある。従って、上記の従来の特許文献１のように圧縮機の吸入側の過熱度を制御しても、吐出側の過熱度によっては圧縮機の圧縮行程中に冷媒が液化し液圧縮する可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、上述したような特有の特性を持った冷媒を用いた場合でも、圧縮機の吐出状態を所定以上の過熱度として、圧縮行程中の圧縮機内での液圧縮を確実に回避することにより、圧縮機の信頼性を向上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。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るヒートポンプ装置は、少なくとも圧縮機、凝縮器、絞り膨張器、及び蒸発器を順次接続管で接続して環状の冷媒回路を構成し、前記冷媒回路に封入する冷媒としてＰ−ｈ線図上での等エントロピー線が低圧側では過熱域にあり、高圧側では飽和ガス線と２点以上の交点若しくは接点を有する特性を持つ冷媒を用いたヒートポンプ装置であって、前記圧縮機の吸入側の冷媒状態を検知する吸入側検知手段と、前記圧縮機の吐出側の吐出圧力と吐出温度とに基づいて前記圧縮機の吐出側の冷媒状態を検知する吐出側検知手段と、前記吸入側検知手段と前記吐出側検知手段との出力に基づいて前記圧縮機の吸入側の冷媒状態または前記圧縮機の吐出側の冷媒状態を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記吸入側検知手段の出力に基づいて前記吸入側の冷媒状態を加熱域となるように制御する第１制御モードと、前記吐出側検知手段の出力に基づいて前記吐出側の冷媒状態を加熱域となるように制御する第２制御モードとを有し、該第１制御モードの実行中に前記吐出側検知手段による検知を行うと共に前記吐出圧力から算出した飽和温度と前記圧縮機の吐出温度が所定の温度差以上となった際に前記第２制御モードに切り替えることを特徴とする。

前記制御手段は、当該ヒートポンプ装置の起動時に前記第１制御モードを実行してもよい。

前記第２制御モードでは、前記制御手段は、前記吐出圧力から算出した飽和温度と前記圧縮機の吐出温度が所定の温度差以上となるように前記吐出側の冷媒状態を制御してもよい。

前記吸入側検知手段は、前記圧縮機の吸入圧力と吸入温度から前記冷媒状態を検知し、
前記第１制御モードでは、前記制御手段は、前記吸入圧力から算出した飽和温度と前記圧縮機の吸入温度が所定の温度差以上となるように前記吸入側の冷媒状態を制御してもよい。

前記絞り膨張器は膨張弁であり、前記制御手段は、前記膨張弁の開度の調整、又は、前記膨張弁の開度及び前記圧縮機の回転数の調整により、前記冷媒状態の調整を行うようにしてもよい。

本発明に係るヒートポンプ装置によれば、制御手段によって圧縮機の吐出側の冷媒状態を所定以上の過熱度にすることで、圧縮行程中の冷媒が常に過熱域となるように調整できる。従って、圧縮機内での液圧縮を回避することができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係るヒートポンプ装置の実施の形態を示す概略構成図である。 図２は、特有の特性を持つ冷媒の一例としてのＲ２４５ｆａのＰ−ｈ線図である。 図３は、図１に示すヒートポンプ装置の制御フローの一例を示すフローチャートである。

以下に、本発明に係るヒートポンプ装置の実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１に示すように、本発明の実施の形態のヒートポンプ装置１は、冷媒を圧縮する圧縮機２と、冷媒と給水の熱を熱交換する凝縮器３と、冷媒を減圧する絞り膨張器５と、冷媒と排熱の熱を交換する蒸発器４とを順次、冷媒配管（接続管）６で接続した環状の冷媒回路により構成されている。

圧縮機２の吐出側には冷媒配管６の表面温度を検知する吐出温度検知手段１１が設けられ、同じく圧縮機２の吐出側には冷媒配管６内部の冷媒圧力を検知する吐出圧力検知手段１２が設けられている。また、圧縮機２の吸入側には冷媒配管６の表面温度を検知する吸入温度検知手段１３が設けられ、同じく圧縮機２の吸入側には冷媒配管６内部の冷媒圧力を検知する吸入圧力検知手段１４が設けられている。なお、図１の例では、ヒートポンプ装置に必須であるその他の温度・圧力検知手段やサイトグラスなどの冷媒用構成機器は図示を省略している。

ここで、ヒートポンプ装置１の冷媒回路に封入する冷媒としては、Ｐ−ｈ線図上での等エントロピー線が低圧側では過熱域にあり、高圧側では飽和ガス線と２点以上の交点若しくは接点を有する特性を持つ単一冷媒及び混合冷媒を含む冷媒を用いている。このような特有の特性を持つ冷媒としては、例えば図２に示すようなＰ−ｈ線図上での等エントロピー線が低圧側では過熱域にあり、高圧側では飽和ガス線と２点以上の交点若しくは接点を有する冷媒であるＲ２４５ｆａを用いることができる。例えば、図２において、等エントロピー線であるＡ線と飽和ガス線とは、２つの交点であるＡ１点及びＡ２点で交差している。

このヒートポンプ装置１は、吐出温度検知手段１１及び吐出圧力検知手段１２を介して圧縮機２の吐出側の冷媒状態を検知する吐出側検知手段１５と、吸入温度検知手段１３及び吸入圧力検知手段１４を介して圧縮機２の吸入側の冷媒状態を検知する吸入側検知手段１６と、圧縮機２の吐出側及び吸入側の冷媒状態を調整する制御手段１７とを備えている。

吐出側検知手段１５は、吐出圧力検知手段１２により検知された圧縮機２の吐出圧力と、吐出温度検知手段１１により検知された温度とを制御手段１７に出力するようになっている。吸入側検知手段１６は、吸入圧力検知手段１４により検知された圧縮機２の吸入圧力と、吸入温度検知手段１３により検知された温度とを制御手段１７に出力するようになっている。

制御手段１７は、吸入側検知手段１６の出力に基づいて圧縮行程中の冷媒が常に過熱域となるように、絞り膨張器５の開度を調整することで圧縮機２の吸入側の冷媒状態を調整する第１制御モード（第１制御段階）を有する。第１制御モードが実行されると、制御手段１７は、吸入圧力検知手段１４により検知された吸入圧力時の飽和温度を算出すると共に、算出した飽和温度と、吸入温度検知手段１３により検知された温度との差を算出して圧縮機２の吸入側の過熱度を求め、この過熱度がゼロにならないように絞り膨張器５の開度を増減調整する。そこで、本実施の形態では、絞り膨張器５として電子膨張弁を用いている。

制御手段１７は、さらに、吐出側検知手段１５の出力に基づいて圧縮行程中の冷媒が常に過熱域となるように、絞り膨張器５の開度を調整することで圧縮機２の吐出側の冷媒状態を調整する第２制御モード（第２制御段階）を有する。第２制御モードが実行されると、制御手段１７は、吐出圧力検知手段１２により検知された吐出圧力時の飽和温度を算出すると共に、算出した飽和温度と、吐出温度検知手段１１により検知された温度との差を算出して圧縮機２の吐出側の過熱度を求め、この過熱度と予め設定した所定の値との比較結果に基づいて、吐出側の過熱度が所定値以上となるように絞り膨張器５の開度を増減調整する。

次に、以上のように構成されたヒートポンプ装置１の動作及び作用について、図３に示すフローチャートを参照して説明する。

当該ヒートポンプ装置１が運転停止状態から起動されると、先ず、図３のステップＳ１において、制御手段１７は、第１制御モードを実行する。

第１制御モードが実行されると、吸入圧力検知手段１４により検知された圧縮機２の吸入圧力、及び吸入温度検知手段１３により検知された温度が、吸入側検知手段１６から制御手段１７へと出力される。制御手段１７は、吸入側検知手段１６からの出力に基づいて圧縮機２の吸入側の過熱度を求め、求めた吸入側の過熱度がゼロとならないように絞り膨張器５の開度を調整する。具体的には、制御手段１７は、絞り膨張器５の開度を絞ることで冷媒の圧縮機２への流入量を減少させて過熱度を増加させ、これにより吸入側の過熱度を常にプラスに維持するように制御する。詳細は後述するが、この第１制御モードは、ヒートポンプ装置１の起動時専用の制御モードであり、定常運転時には第２制御モードが実行される。

第１制御モードの実行中にも、吐出圧力検知手段１２により検知された圧縮機２の吐出圧力、及び吐出温度検知手段１１により検知された温度が、吐出側検知手段１５から制御手段１７に出力される。制御手段１７は、吐出側検知手段１５からの出力に基づいて圧縮機２の吐出側の過熱度を求め、求めた過熱度と予め設定した所定値とを大小比較する（ステップＳ２）。

すなわち、制御手段１７は、第１制御モードの実行中に吐出側の過熱度が所定値以上となったか否かの監視と判定を続け（ステップＳ２のＮｏ）、所定値以上となった場合（ステップＳ２のＹｅｓ）に第２制御モードに切り換え、以降はこの第２制御モードを実行する（ステップＳ３）。従って、ステップＳ２での所定値とは、第１制御モードから第２制御モードへの切り替えのタイミングを規定した切替タイミング設定値であり、吐出側の過熱度の指標として、例えば２Ｋ（ケルビン）が設定される。

第２制御モードが実行されると、吐出圧力検知手段１２により検知された圧縮機２の吐出圧力、及び吐出温度検知手段１１により検知された温度が、吐出側検知手段１５から制御手段１７へと出力される。制御手段１７は、吐出側検知手段１５からの出力に基づいて吐出側の過熱度を求め、求めた過熱度と予め設定した所定値（例えば５Ｋ（ケルビン））とを大小比較し、圧縮機２の吐出温度が所定の温度差以上となるように絞り膨張器５の開度を調整する。制御手段１７は、例えば、ヒートポンプ装置１の運転中に、求めた過熱度が所定値よりも小さくなった場合は、絞り膨張器５の開度を絞るように調整する。こうすることで冷媒の圧縮機２への流入量が減少し過熱度は増加する。逆に、過熱度が所定値よりも大きくなった場合は、絞り膨張器５の開度を開くように調整する。こうすることで圧縮機２への冷媒流入量が増加し過熱度は減少する。

このような第２制御モードは、ヒートポンプ装置１の起動時の第１制御モードが完了した後の定常運転中に実行される制御モードであり、絞り膨張器５の開度を調整することで圧縮機２の吐出側の冷媒状態を所定値以上の過熱度に調整する。この調整によって吐出側の過熱度を常にプラスにしておけば、吸入側の過熱度もプラスになるので、圧縮行程中の冷媒が全ての行程で飽和域となることを避けて必ず過熱域となるように調整でき、圧縮機２内での液圧縮を確実に防止することができる。

但し、ヒートポンプ装置１の運転が完全に停止してから数時間以上経過し、装置が完全に冷え切った状態から起動する起動時（冷温起動時）等において、圧縮機２が冷えた状態から定常運転時の温度域まで加熱されるまでの間は、上記第２制御モードを実行することが難しい。すなわち、一般的に圧縮機は、高い圧力に耐えられるよう鉄やアルミ等の金属で製造されており、これらの金属は密度が大きく圧縮機の熱容量も大きい。このため、冷温起動時には、圧縮機２の吸入側での過熱度が十分に大きい場合であっても、圧縮機２の筐体が冷えているため、圧縮された冷媒の一部がまだ冷たい圧縮機２の内部（圧縮部〜吐出口）で冷やされて一部が凝縮する。従って、圧縮機２の金属筐体が十分に加熱されるまでは、吐出側の過熱度がゼロの状態が続くため、吐出側の過熱度を所定値以上に維持する第２制御モードを起動時から実行しようとすると、ヒートポンプ装置１の起動自体が困難となり或いは不安定となる場合がある。

そこで、当該ヒートポンプ装置１では、起動時には、吸入側の冷媒状態を制御する第１制御モードを実行する。この第１制御モードの実行中は、圧縮機２の吸入側の過熱度が十分に大きい状態（例えば、１０Ｋ）であっても、吐出側の過熱度はゼロの状態が継続され、圧縮機２の筐体（特に圧縮部）が十分に加熱された時点で、吐出側の過熱度はゼロからプラスの値に転じる。すなわち、第１制御モードを実行していると、タイミングの前後はあってもいずれ吐出側の過熱度が所定値（切替タイミング設定値）を超えるため、第１制御モードの実行中は、吐出側の冷媒状態を監視しておく。そして、吐出側の過熱度が所定値（切替タイミング設定値）に到達したタイミングで吐出側の冷媒状態を制御する第２制御モードに切り替える。これにより、ヒートポンプ装置１が冷温状態等であっても円滑に且つ安定した起動が可能となり、起動後の定常運転中は、第２制御モードによって吐出側の過熱度が常にプラスに維持されるため、吸入側の過熱度もプラスになり、定常運転に移行して冷媒流量が増加した状態であっても確実に液圧縮を防止し、安定的に運転することができる。

なお、ヒートポンプ装置１が、例えば、冷温起動の可能性がない環境で使用され、或いは冷温起動の可能性がない仕様となっている場合等には、第１制御モードは省略してもよく、この場合には起動時から第２制御モードを実行すればよい。

以上説明したように、ヒートポンプ装置１によれば、圧縮機２の吐出側の冷媒状態を検知する吐出側検知手段１５と、吐出側検知手段１５の出力に基づいて圧縮行程中の冷媒が常に過熱域となるように圧縮機２の吐出側の冷媒状態を調整する制御手段１７とを備える。このように、制御手段１７によって圧縮機２の吐出側の冷媒状態を所定以上の過熱度にすることで、圧縮行程中の冷媒が常に過熱域となるように調整できる。従って、圧縮機２内での液圧縮を回避することができる。

ヒートポンプ装置１では、圧縮機２の吸入側の冷媒状態を検知する吸入側検知手段１６を備え、制御手段１７は、吸入側検知手段１６の出力に基づいて圧縮行程中の冷媒が常に過熱域となるように圧縮機２の吸入側の冷媒状態を調整可能である。この際、制御手段１７は、吸入側検知手段１６の出力に基づいて吸入側の冷媒状態を調整する第１制御モードと、吐出側検知手段１５の出力に基づいて吐出側の冷媒状態を調整する第２制御モードとを切り替えて実行する。これにより、ヒートポンプ装置１が冷温状態等であっても第１制御モードを実行することで円滑に且つ安定した起動が可能となる。また、起動後に定常運転に移行した際には第２制御モードが実行されるため、吐出側の過熱度を常にプラスに維持することで、液圧縮を防止した安定的な運転が可能となる。

この場合、ヒートポンプ装置１の起動時には第１制御モードを実行し、該第１制御モードの実行中に吐出側検知手段１５による検知を行うと共に吐出圧力から算出した飽和温度と圧縮機２の吐出温度が所定の温度差以上となった際に第２制御モードに切り替えるように制御されると、起動運転から定常運転へと円滑に移行しつつ、圧縮機２での液圧縮を防止することができる。

上記では、制御手段１７による圧縮機２の吐出側及び吸入側の冷媒状態の調整は、電子膨張弁である絞り膨張器５の開度調整によって行うものとしたが、絞り膨張器５の開度調整と合わせて圧縮機２の回転数を調整することで行ってもよい。そうすると、例えばヒートポンプ装置１の起動時間が短縮可能になる等の利点がある。また、絞り膨張器５が電子膨張弁ではなく、温度膨張弁や圧力膨張弁の場合には自由度の高い開度調整が難しく、その場合には圧縮機２の回転数制御と組み合わせることで、冷媒状態をより円滑に調整することができる。

また、上記では、吸入側検知手段１６として、吸入温度検知手段１３及び吸入圧力検知手段１４を介して圧縮機２の吸入側の冷媒状態を検知するものを例示したが、吸入側検知手段１６は、蒸発器４の入口側と出口側の冷媒温度を検知する温度検知手段を介して、これら入口側と出口側の冷媒温度の温度差に基づき、圧縮機２の吸入側の冷媒状態を検知するものであってもよい。

以上のように、本発明に係るヒートポンプ装置は、特有の特性を持った冷媒、すなわち、Ｐ−ｈ線図上での等エントロピー線が低圧側では過熱域にあり、高圧側では飽和ガス線と２点以上の交点若しくは接点を有する特性を持つ冷媒を用いたヒートポンプ装置に有用であり、特に、圧縮行程中の圧縮機内での液圧縮を確実に回避することにより、圧縮機の信頼性を向上するのに適している。

１ ヒートポンプ装置
２ 圧縮機
３ 凝縮器
４ 蒸発器
５ 絞り膨張器
６ 冷媒配管（接続管）
１１ 吐出温度検知手段
１２ 吐出圧力検知手段
１３ 吸入温度検知手段
１４ 吸入圧力検知手段
１５ 吐出側検知手段
１６ 吸入側検知手段
１７ 制御手段

Claims (5)

1. 少なくとも圧縮機、凝縮器、絞り膨張器、及び蒸発器を順次接続管で接続して環状の冷媒回路を構成し、前記冷媒回路に封入する冷媒としてＰ−ｈ線図上での等エントロピー線が低圧側では過熱域にあり、高圧側では飽和ガス線と２点以上の交点若しくは接点を有する特性を持つ冷媒を用いたヒートポンプ装置であって、
   前記圧縮機の吸入側の冷媒状態を検知する吸入側検知手段と、
   前記圧縮機の吐出側の吐出圧力と吐出温度とに基づいて前記圧縮機の吐出側の冷媒状態を検知する吐出側検知手段と、
   前記吸入側検知手段と前記吐出側検知手段との出力に基づいて前記圧縮機の吸入側の冷媒状態または前記圧縮機の吐出側の冷媒状態を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記吸入側検知手段の出力に基づいて前記吸入側の冷媒状態を加熱域となるように制御する第１制御モードと、前記吐出側検知手段の出力に基づいて前記吐出側の冷媒状態を加熱域となるように制御する第２制御モードとを有し、該第１制御モードの実行中に前記吐出側検知手段による検知を行うと共に前記吐出圧力から算出した飽和温度と前記圧縮機の吐出温度が所定の温度差以上となった際に前記第２制御モードに切り替えることを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 請求項１に記載のヒートポンプ装置において、
   前記制御手段は、当該ヒートポンプ装置の起動時に前記第１制御モードを実行することを特徴とするヒートポンプ装置。
3. 請求項１又は２に記載のヒートポンプ装置において、
   前記第２制御モードでは、前記制御手段は、前記吐出圧力から算出した飽和温度と前記圧縮機の吐出温度が所定の温度差以上となるように前記吐出側の冷媒状態を制御することを特徴とするヒートポンプ装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置において、
   前記吸入側検知手段は、前記圧縮機の吸入圧力と吸入温度から前記冷媒状態を検知し、
   前記第１制御モードでは、前記制御手段は、前記吸入圧力から算出した飽和温度と前記圧縮機の吸入温度が所定の温度差以上となるように前記吸入側の冷媒状態を制御することを特徴とするヒートポンプ装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置において、
   前記絞り膨張器は膨張弁であり、
   前記制御手段は、前記膨張弁の開度の調整、又は、前記膨張弁の開度及び前記圧縮機の回転数の調整により、前記冷媒状態の調整を行うことを特徴とするヒートポンプ装置。

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