JP7485111B1 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の信頼性を確保しつつ効率のよい運転が可能なヒートポンプ装置を提供する。
【解決手段】本発明の一形態に係るヒートポンプ装置は、圧縮機と、水と冷媒とを熱交換する利用側熱交換器と、電子膨張弁と、熱源側熱交換器と、圧縮機の回転数および電子膨張弁の開度を制御する制御手段と、を備える。制御手段は、所定の吐出上限温度と吐出下限温度に基づいて電子膨張弁を制御し、圧縮機の負荷の大きさに応じて吐出上限温度を設定し、吐出温度が吐出下限温度未満のときは吐出温度が吐出下限温度以上となるように電子膨張弁の開度を小さくし、吐出温度が吐出上限温度以上のときは吐出温度が吐出上限温度未満となるように電子膨張弁の開度を大きくし、吐出温度が吐出下限温度以上吐出上限温度未満のときはサブクールが目標サブクールとなるように電子膨張弁の開度を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ式の温水暖房機などのヒートポンプ装置に関する。

ヒートポンプ装置として、冷媒が熱交換する対象が空気である空気調和機と、冷媒が熱交換する対象が水である温水暖房機とが知られている。温水暖房機は、圧縮機と、利用側熱交換器と、電子膨張弁と、熱源側熱交換器とを有する冷媒回路を備え、圧縮機で圧縮された高温のガス冷媒を利用側熱交換器で水と熱交換させて、冷媒が放熱する熱により水を加温する（例えば特許文献１参照）。

温水暖房機は、空気調和機に比べ、利用側熱交換器を小さくすることができる。これは、空気に比べて水の方が熱伝達率が高く、冷媒と水の伝熱面積を小さくできるためである。温水暖房機として用いられるヒートポンプ装置は、利用側熱交換器が小さいことに起因して、運転の効率が高いサブクール範囲が狭くなる。そのため、サブクール範囲を適切に調整しないと、運転の効率が低下してしまうおそれがある。
そこで、特許文献１に記載の装置では、凝縮圧力と圧縮機の回転数とから目標サブクールを求め、冷媒回路のサブクールが目標サブクールとなるように電子膨張弁の開度を調整している。これにより、サブクールを最適に調整できるため、効率のよい運転が可能となる。

特開２０１１－６９５７０号公報

しかしながら、サブクールに応じて電子膨張弁を調整した場合、吸入冷媒の状態や吐出温度は成り行きとなる。このため、設置状態や冷媒充填量のばらつきなどの影響で、吐出温度が高すぎたり低すぎたりする場合があり、圧縮機の信頼性が低下するおそれがある。また、冷媒の種類によっては、吐出温度が低くなりやすい場合もあれば、高くなりやすい場合もある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、圧縮機の信頼性を確保しつつ効率のよい運転が可能なヒートポンプ装置を提供することにある。

本発明の一形態に係るヒートポンプ装置は、
圧縮機と、水と冷媒とを熱交換する利用側熱交換器と、電子膨張弁と、熱源側熱交換器とが配管で接続された冷媒回路と、
前記圧縮機から吐出される冷媒の温度である吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、
前記利用側熱交換器から流出する冷媒のサブクールを検出するサブクール検出手段と、
前記圧縮機の負荷の大きさを検出する負荷検出手段と、
前記圧縮機の回転数および前記電子膨張弁の開度を制御する制御手段と、を備える。
前記制御手段は、
所定の吐出上限温度と吐出下限温度に基づいて前記電子膨張弁を制御し、
前記圧縮機の負荷の大きさに応じて前記吐出上限温度を設定し、
前記吐出温度が前記吐出下限温度未満のときは前記吐出温度が前記吐出下限温度以上となるように前記電子膨張弁の開度を小さくし、
前記吐出温度が前記吐出上限温度以上のときは前記吐出温度が前記吐出上限温度未満となるように前記電子膨張弁の開度を大きくし、
前記吐出温度が前記吐出下限温度以上前記吐出上限温度未満のときは前記サブクールが前記目標サブクールとなるように前記電子膨張弁の開度を制御する。

前記負荷検出手段は、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力である吐出圧力を検出する吐出圧力検出部と、前記圧縮機に吸入される冷媒の圧力である吸入圧力を検出する吸入圧力検出部と、を有してもよい。
前記制御手段は、少なくとも前記吐出圧力と前記吸入圧力とに基づいて算出される、前記圧縮機に吸入される冷媒を飽和蒸気としたときの吐出温度である仮想吐出温度に基づいて、前記吐出上限温度を設定してもよい。

前記吐出下限温度は、前記圧縮機に定められた所定の最低過熱度に基づいて予め設定されてもよい。
前記制御手段は、前記圧縮機の全負荷領域にわたって、前記吐出上限温度が前記吐出下限温度よりも高くなるように前記吐出上限温度を設定してもよい。

さらに前記制御手段は、前記仮想吐出温度に補正値を加算することで前記吐出上限温度を設定してもよい。

さらに前記制御手段は、前記圧縮機の負荷が低いほど前記補正値を大きくしてもよい。
例えば、前記ヒートポンプ装置は前記圧縮機の負荷の大きさに応じて予め設定された複数の温度値を記憶する記憶部をさらに備え、前記制御手段は、前記補正値を、前記圧縮機の現在の負荷の大きさに基づいて前記複数の温度値から選択してもよい。

前記制御手段は、前記吐出圧力と前記吸入圧力との差である差圧が大きいほど、前記圧縮機の負荷が大きいと判定してもよい。

前記冷媒回路に封入される冷媒は、典型的には、１０℃の飽和蒸気における比熱比が１．２５未満の冷媒である。

本発明によれば、圧縮機の信頼性を確保しつつ効率のよい運転が可能なヒートポンプ装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るヒートポンプ装置の冷媒回路図である。 外気温度が７℃の場合におけるサブクールとＣＯＰとの関係について温水暖房機（図中黒丸）と空気調和機（図中黒四角）とを比較して示す図である。 上記ヒートポンプ装置における制御装置の構成を示すブロック図である。 目標サブクールテーブルの一例を示す図である。 目標サブクールの抽出方法を説明する概念図である。 吐出上限温度補正値の決定方法を説明する概念図である。 冷媒および運転状態が異なる２つの条件下における吐出上限温度と吐出下限温度の一例を示す図である。 上記制御装置において実行される処理手順の一例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

［ヒートポンプ装置の基本構成］
図１は、本発明の一実施形態に係るヒートポンプ装置１００の冷媒回路図である。本実施形態のヒートポンプ装置１００は、ヒートポンプ式の床暖房装置（温水暖房機）である。

ヒートポンプ装置１００は、圧縮機１１、四方弁１２、利用側熱交換器１３、電子膨張弁１４および室外熱交換器である熱源側熱交換器１５が配管で順次接続された冷媒回路１０と、制御手段としての制御装置２０とを備える。

冷媒回路１０に封入される冷媒の種類は特に限定されず、例えば、自然冷媒である炭化水素系冷媒、フロン系冷媒等が採用可能である。特に本実施形態では、後述するように、圧縮機１１から吐出される冷媒の温度である吐出温度の下限温度（以下、吐出下限温度ともいう）と上限温度（以下、吐出上限温度ともいう）との逆転が発生する可能性のある冷媒、より具体的には、１０℃の飽和蒸気における比熱比γ（定圧モル比熱Ｃｐと定積モル比熱Ｃｖとの比率：Ｃｐ／Ｃｖ））が１．２５未満の冷媒が用いられる。この種の冷媒としては、例えば、Ｒ２９０（比熱比γ：１．２４）、Ｒ１２３４ｙｆ（比熱比γ：１．１７）、Ｒ４５４Ｃ（比熱比γ：１．２４）などが挙げられる。

圧縮機１１は、低温低圧の冷媒を圧縮して高温高圧の冷媒を吐出する容量可変式の圧縮機である。圧縮機１１から吐出された高温高圧の冷媒は、配管９１を介して四方弁１２のポートａに供給される。

四方弁１２は、ポートａ、ポートｂ、ポートｃおよびポートｄを有する流路切替弁である。四方弁１２は、制御装置２０からの指令に基づいて、図１において実線で示すようにポートａとポートｂが連通しポートｃとポートｄが連通する第１の状態と、図１において破線で示すようにポートａとポートｄが連通しポートｂとポートｃが連通する第２の状態とのいずれかに切り替えられる。四方弁１２は、暖房運転を行うときは第１の状態に切り替えられ、熱源側熱交換器１５の除霜運転を行うときは第２の状態に切り替えられる。四方弁１２が第１の状態に切り替えられているとき、冷媒は、冷媒回路１０を図１において矢印で示す方向に循環する。

四方弁１２のポートｂは、配管９２を介して利用側熱交換器１３と接続される。四方弁１２のポートｃは、配管９５を介して圧縮機１１の吸入口に接続される。四方弁１２のポートｄは、配管９４を介して熱源側熱交換器１５と接続される。

利用側熱交換器１３は、圧縮機１１から吐出された高温高圧の冷媒と床暖房パネル１８を通過する水との熱交換を行う放熱器（凝縮器）である。利用側熱交換器１３は、水と冷媒の間の熱交換ができる、例えばプレート型熱交換器、二重管式熱交換器や多管式熱交換器などの種々の型式の熱交換器が採用できる。利用側熱交換器１３において水と熱交換した冷媒は、配管９３を介して電子膨張弁１４および熱源側熱交換器１５へ順に供給される。

ヒートポンプ装置１００は、利用側熱交換器１３、床暖房パネル１８および温水用ポンプ１９が順次接続されることで形成された温水回路９６をさらに備える。温水回路９６では、利用側熱交換器１３において冷媒と熱交換された水（温水）が循環する。温水は、温水回路９６を図１において矢印で示す方向に循環する。温水回路９６は、床暖房パネル１８に設けられた蛇行通路９６ａを有し、蛇行通路９６ａを流れる温水により床暖房パネル１８を加温する。

電子膨張弁１４は、利用側熱交換器１３から配管９３を介して流出した冷媒を減圧するための減圧器である。電子膨張弁１４は、制御装置２０からの指令に基づいて開度が制御される。

熱源側熱交換器１５は、電子膨張弁１４から流出した冷媒と外気との熱交換を行う蒸発器である。熱源側熱交換器１５の種類は特に限定されず、例えば空気と冷媒の間の熱交換ができるパラレルフロー型熱交換器、フィンチューブ型熱交換器、プレートフィン型熱交換器などの種々の型式の熱交換器が採用できる。熱源側熱交換器１５の近傍には図示しない送風用のファンが配置されてもよい。

熱源側熱交換器１５において外気と熱交換した冷媒は、配管９４、第１の状態にある四方弁１２および配管９５を介して圧縮機１１へ戻される。なお配管９５には、配管９５を通って圧縮機１１へ戻される冷媒から液相状態の冷媒を分離するための図示しないアキュムレータが設けられてもよい。

なお、配管９１には、圧縮機１１から吐出される冷媒の温度である吐出温度を検出する吐出温度検出手段としての吐出温度センサ３１と、圧縮機１１から吐出される冷媒の圧力である吐出圧力を検出する吐出圧力検出部としての吐出圧力センサ３２が設けられている。また、利用側熱交換器１３と電子膨張弁１４との間の配管９３には、利用側熱交換器１３から流出する冷媒の温度を検出する冷媒温度センサ３３が設けられている。さらに、配管９５には、圧縮機１１に吸入される冷媒の圧力である吸入圧力を検出する吸入圧力検出部としての吸入圧力センサ３４が設けられている。そして、温水循環路９６における利用側熱交換器１３の出口側には、出湯温度を検出する出湯温度センサ３５が設けられている。

制御装置２０は、ＣＰＵやメモリ等を含むコンピュータであり、ヒートポンプ装置１００の運転を統括的に制御する。より具体的に、制御装置２０は、吐出温度センサ３１、吐出圧力センサ３２、冷媒温度センサ３３、吸入圧力センサ３４、出湯温度センサ３５などの検出値に基づいて、圧縮機１１の回転数や電子膨張弁１４の開度等を指示する信号を出力し、それぞれを制御する。

例えば、制御装置２０は、出湯温度センサ３４で検出された現在の出湯温度、つまり、利用側熱交換器１３で温められた水の温度が、予め設定された目標の温度（目標出湯温度）になるように圧縮機１１を回転させる。

また、制御装置２０は、吐出圧力センサ３２の検出値と冷媒温度センサ３３の検出値とに基づいて、利用側熱交換器１３から流出する冷媒のサブクール（過冷却度）を算出し、この算出結果が目標値となるように電子膨張弁１４の開度を制御する。吐出圧力センサ３２および冷媒温度センサ３３は、冷媒のサブクールを検出するサブクール検出手段に相当する。

一般に、温水暖房機は、空気調和機に比べ、利用側熱交換器を小さくすることができる。これは、空気に比べて水の方が熱伝達率が高く、冷媒と水の伝熱面積を小さくできるためである。温水暖房機として用いられるヒートポンプ装置は、利用側熱交換器が小さいことに起因して、高い運転効率が得られるサブクールの範囲が狭くなる。つまり、サブクールと、運転効率を表すＣＯＰ（Coefficient Of Performance：成績係数）との関係において、空気調和機に比較して温水暖房機では、サブクールの変化がＣＯＰに与える影響が大きく、サブクールを狭い範囲に維持すように厳密にサブクールの制御をしないとＣＯＰが悪化して効率の悪い運転になる場合がある。

例えば図２に、外気温度が７℃の場合におけるサブクールとＣＯＰとの関係について温水暖房機（図中黒丸）と空気調和機（図中黒四角）とを比較して示す。図２に示すように、温水暖房機は、空気調和機と比較して、サブクールが５℃以上になるとＣＯＰが著しく低くなり、サブクールの変化がＣＯＰに与える影響が大きいことが読み取れる。水は空気に比べ熱伝達率が高いが、サブクール領域では冷媒側の熱伝達率が著しく低下して熱通過率に大きな差がなくなる（熱通過率は熱抵抗の和の逆数であるため熱抵抗が大きい箇所が支配的となる）。そのため、サブクールを増加させた時の熱交換器全体に占める二相領域の割合は、温水暖房機の方が急激に減少する。熱通過率の高い二相領域の面積が急激に減少することで、吐出圧力が上昇することになり、サブクールの上昇につれてＣＯＰが急激に低下する。このように温水暖房機においては、サブクールが適切な範囲に維持されるように調整しないと、運転の効率が急激に低下してしまうことになる。

そこで、凝縮圧力と圧縮機の回転数とから目標サブクールを求め、冷媒回路のサブクールが目標サブクールとなるように電子膨張弁の開度を制御するサブクール制御が知られている（例えば特許文献１参照）。サブクール制御は、現在のサブクールから目標サブクールを減算し、減算結果がプラスのときにはその減算結果の値に対応して電子膨張弁の開度を大きくし、減算結果がマイナスのときにはその減算結果の値に対応して電子膨張弁の開度を小さくする。これにより、サブクールを最適に調整できるため、効率のよい運転が可能となる。

しかしながら、サブクールに応じて電子膨張弁を調整した場合、目標吐出温度を基準に電子膨張弁の開度を制御する場合と異なり、圧縮機への吸入冷媒の状態や吐出温度は成り行きとなる。このため、配管９２、配管９３の長さや冷媒充填量のばらつきなどの影響で、吐出温度が高すぎたり低すぎたりする場合があり、圧縮機の信頼性が低下するおそれがある。

例えば、吐出温度には吐出下限温度と吐出上限温度が設定される。吐出下限温度は、圧縮機１１に定められた所定の最低過熱度に基づいて予め設定される。所定の最低過熱度は、圧縮機の潤滑性を確保するために最低限必要な過熱度であり、例えば、圧縮機１１の仕様として定められた最低限必要な吐出ＳＨである。このため、吐出温度が吐出下限温度未満の場合にサブクール制御が実行されると、圧縮機に吸入される冷媒の湿り度が過度に大きくなるおそれがある。一方、吐出上限温度は、圧縮機の保護を目的として設定される。したがって吐出温度が吐出上限温度以上の場合にサブクール制御が実行されると、吐出温度が過度に上昇するおそれがある。

また、吐出下限温度および吐出上限温度は冷媒の種類や圧縮機の運転状態等に応じて異なるため、使用する冷媒の種類によっては吐出温度が低くなりやすい場合もあれば、高くなりやすい場合もある。

このような問題を解決するため、制御装置２０は、冷媒の種類に応じて予め設定された吐出上限温度および吐出下限温度（所定温度範囲ともいう）に基づいて電子膨張弁１４の開度を制御する。制御装置２０は、圧縮機１１の負荷の大きさに応じて吐出上限温度を設定する。例えば、吐出温度が所定温度範囲外の場合は、吐出温度が所定温度範囲に収まるように電子膨張弁１４の開度を制御する。そして、吐出温度が所定温度範囲内の場合は、サブクールが目標値になるように電子膨張弁１４の開度を制御する。具体的には、制御装置２０は、吐出温度が吐出下限温度未満のときは吐出温度が吐出下限温度以上となるように電子膨張弁１４の開度を小さくし、吐出温度が吐出上限温度以上のときは吐出温度が吐出上限温度未満となるように電子膨張弁１４の開度を大きくし、吐出温度が吐出下限温度以上吐出上限温度未満のときはサブクールが目標サブクールとなるように電子膨張弁１４の開度を制御する。

［制御装置の詳細］
以下、制御装置２０の詳細について説明する。図３は、制御装置２０の構成を示すブロック図である。

図３に示すように、制御装置２０は、目標サブクール抽出部２１と、負荷判定部２２と、吐出上限温度設定２３と、吐出温度判定部２４と、記憶部２５とを有する。目標サブクール抽出部２１、負荷判定部２２、吐出上限温度設定部２３および吐出温度判定部２４は、制御装置２０のＣＰＵの機能ブロックであり、記憶部２５は、半導体メモリその他の記憶装置である。

（目標サブクール抽出部）
目標サブクール抽出部２１は、制御装置２０が圧縮機１１に指示した回転数、吐出圧力センサ３２の検出値に基づいて目標サブクールを抽出する。記憶部２５には、利用側熱交換器１３における冷媒の凝縮圧力状態と圧縮機１１の回転数とに基づいて予め求めておいた目標サブクールテーブルが記憶されている。目標サブクール抽出部２１は、制御装置２０が圧縮機１１に指示した回転数および吐出圧力センサ３２に基づいて記憶部２５に記憶された目標サブクールテーブルから目標サブクールを抽出する。制御装置２０は吐出圧力センサ３２および冷媒温度センサ３３の各検出値に基づいて算出される現在のサブクールが目標サブクールとなるように電子膨張弁１４の開度を制御する。現在のサブクールは、吐出圧力センサ３２の検出値を飽和温度に換算した値から冷媒温度センサ３３の検出値を減算することで算出される。

図４は、目標サブクールテーブルの一例を示している。ここでは、目標サブクールテーブルは、左側が項目を示しており、上から下の順に、「凝縮圧力状態」、「凝縮圧力閾値（ＭＰａＧ」、「回転数（ｒｐｓ（rotation per second））」となっている。

「凝縮圧力状態」は、凝縮圧力が上昇しているか、下降しているかを区別するものである。実際には、制御装置２０が所定周期で取得する吐出圧力センサ３２の検出値が前回の検出値に対して下から上に変化したときは「上昇中」と判断し、前回の検出値に対して上から下に変化したときは「下降中」と判断する。

「回転数」は３つのゾーン（７０ｒｐｓ以上、４０ｒｐｓ以上７０ｒｐｓ未満、４０ｒｐｓ未満）に分けられている。「凝縮圧力閾値」は、図５に示すように３つのゾーンに分けられており、ゾーン毎に目標サブクールが設定されている。これら３つのゾーンを区分する凝縮圧力閾値は、制御におけるハンチングを低減するため、凝縮圧力の上昇／下降に対応してヒステリシスをもたせてある。

例えば圧縮機１１の回転数が４０ｒｐｓ以上７０ｒｐｓ未満の場合において、圧力上昇傾向のときは、凝縮圧力閾値を３．０ＭＰａＧ未満、３．０ＭＰａＧ以上３．６ＭＰａＧ未満、３．６ＭＰａＧ以上のゾーンに分け、それぞれ、圧力が小さいゾーンから順に目標サブクールを１０℃、８℃、６℃と規定している。逆に、圧力減少傾向のときは、凝縮圧力閾値を２．８ＭＰａＧ未満、２．８ＭＰａＧ以上３．４ＭＰａＧ未満、３．４ＭＰａＧ以上のゾーンに分け、それぞれ、圧力が小さいゾーンから順に目標サブクールを１０℃、８℃、６℃と規定している。目標サブクールは、凝縮圧力と圧縮機１１の回転数ごとにＣＯＰが最も高くなるサブクールに決定されているため、凝縮圧力が変化しても、これに対応して目標サブクールを切り替えることで、凝縮圧力が変化しても高いＣＯＰを維持可能な厳密なサブクールの制御を行うことができる。

また、圧縮機１１の回転数が４０ｒｐｓ未満の場合においては、凝縮圧力が小さいゾーンから順に目標サブクールが６℃、５℃、４℃と規定されており、圧縮機１１の回転数が７０ｒｐｓ以上の場合においては、凝縮圧力が小さいゾーンから順に目標サブクールが１２℃、１０℃、７℃と規定されている。

なお、図４における凝縮圧力閾値、回転数および目標サブクールの各値はあくまでも一例であり、冷媒の種類や設置条件、運転条件などに応じて任意に変更可能である。

（負荷判定部）
負荷判定部２２は、圧縮機１１の負荷の大きさを判定する。本実施形態において負荷判定部２２は、吐出圧力（高圧）と吸入圧力（低圧）との差圧に基づいて圧縮機１１の負荷を算出し、算出した負荷の大きさが予め設定された複数のゾーンのいずれに属するかを判定する。吐出圧力センサ３２および吸入圧力センサ３４は、圧縮機１１の負荷の大きさを検出する負荷検出手段に相当する。

図６は、上記複数の領域を説明する概念図であり、圧縮機１１の負荷の大きさに応じて選択される吐出上限温度補正値の決定方法を示している。ここでは、図６に示すように３つのゾーンに分けられており、ゾーン毎に吐出上限温度補正値が設定されている。これら３つのゾーンを区分する差圧は、制御におけるハンチングを低減するため、差圧の上昇／下降に対応してヒステリシスをもたせてある。

吐出上限温度補正値は、圧縮機１１の負荷の大きさ（差圧）が小さいほど高い温度値に設定される。例えば、差圧が上昇傾向のときは、圧力閾値を１．５ＭＰａ未満、１．５ＭＰａ以上２．３ＭＰａ未満、２．３ＭＰａ以上のゾーンに分け、それぞれ、圧力が小さいゾーンから順に吐出上限温度補正値を３０℃、１５℃、０℃と規定している。逆に、差圧が減少傾向のときは、圧力閾値を１．３ＭＰａ未満、１．３ＭＰａ以上２．１ＭＰａ未満、２．１ＭＰａ以上のゾーンに分け、それぞれ、圧力が小さいゾーンから順に吐出上限温度補正値を３０℃、１５℃、０℃と規定している。なお、吐出上限温度補正値や圧力閾値は、冷媒の種類に応じて任意に設定でき、実験等を予め行うことによって決定されて記憶部２５に記憶される。

このように記憶部２５には、圧縮機１１の負荷の大きさに応じて予め設定された複数の温度値（図６の例では３０℃、１５℃および０℃）が記憶されており、負荷判定部２２は、吐出上限温度補正値を、圧縮機１１の現在の負荷の大きさに基づいて上記複数の温度値から選択する。なお、差圧が所定の閾値（２．３ＭＰａ（差圧上昇時）または２．１ＭＰａ（差圧下降時））以上のときは温度値（吐出上限温度補正値）が０℃であるため、差圧が当該閾値以上のときは吐出上限温度の補正は行われず、記憶部２５に記憶された仮想吐出温度が吐出上限温度として扱われる。

（吐出上限温度設定部）
吐出上限温度設定部２３は、圧縮機１１の負荷の大きさに応じて吐出上限温度を設定する。吐出上限温度は、記憶部２５に記憶された仮想吐出温度に対して、圧縮機１１の負荷の大きさに応じて求められた吐出上限温度補正値（図６参照）を加算することで吐出上限温度を設定する。

仮想吐出温度とは、吐出圧力と吸入圧力とに基づいて算出される、圧縮機１１に吸入される冷媒を飽和蒸気（乾き度が１）としたときの吐出温度であり、理想的な冷凍サイクルに調整された場合の吐出温度を意味する。仮想吐出温度の算出パラメータには、吐出圧力および吸入圧力のほか、圧縮機１１の回転数が含まれてもよい。

ここで、使用される冷媒が比熱比γの小さい冷媒であるほど、仮想吐出温度は低くなる。そのため、例えばＲ２９０などのように比熱比γが小さい冷媒では、圧縮機１１の運転状態（負荷の大きさ）に応じて吐出上限温度と吐出下限温度の逆転（吐出上限温度＜吐出下限温度）が生じるおそれがある。このような場合、上記逆転が生じることで目的とするサブクール制御を安定に行うことができなくなる。本実施形態では、圧縮機１１の負荷の大きさに応じて判定された吐出上限温度補正値を仮想吐出温度に加算することで、吐出上限温度と吐出下限温度の逆転を防止し、これにより適切なサブクール制御を実現して高いＣＯＰを維持するようにしている。

図７は、冷媒としてＲ２９０が使用されたときの吐出上限温度と吐出下限温度の一例を、吐出上限温度と吐出下限温度の逆転が比較的生じにくい冷媒（Ｒ３２（１０℃の飽和蒸気における比熱比γ：１．５３））と比較して示している。例えば、蒸発温度が０℃、凝縮温度が３７℃のときの運転状態（状態１）においては、冷媒がＲ３２（最低過熱度：１５℃）の場合は、吐出下限温度が５２℃、吐出上限温度が７３．５℃であり、これらの間に２０℃以上の温度差があるのに対して、冷媒がＲ２９０の場合（最低過熱度：１０℃）は、同じ運転状態（状態１）において、吐出下限温度が４７℃、吐出上限温度が４６．７℃となり、吐出上限温度と吐出下限温度が逆転する。

また、蒸発温度が２℃、凝縮温度が５７℃のときの運転状態（状態２）では、冷媒がＲ３２の場合は、吐出下限温度が７２℃、吐出上限温度が１１０．８℃であり、これらの間に約４０℃の温度差があるのに対して、冷媒がＲ２９０の場合は、同じ運転状態（状態２）において、吐出下限温度が６７℃、吐出上限温度が６９．７℃となり、吐出上限温度が吐出下限温度に接近するため、これらの間の温度差を維持するのが困難になる。

圧縮機１１の負荷が大きい場合には、吐出上限温度と吐出下限温度の逆転や、吐出上限温度と吐出下限温度の接近は発生しないが、図７に示した状態１および状態２のように圧縮機１１の負荷が比較的小さい場合の運転状態では、このような逆転や接近が発生する。そこで、本実施形態では、圧縮機１１の負荷が小さいほど大きな温度補正値（この例では３０℃）を仮想吐出温度に加算することで吐出上限温度を高くし、これにより吐出上限温度と吐出下限温度との逆転を防ぐようにしている。

また、圧縮機１１の負荷の大きさに応じた吐出上限温度補正値を複数設定しておくことで、時々刻々と変化する圧縮機１１の運転状態に適応したサブクール制御を実現することができる。

記憶部２５には、目標サブクールテーブル（図４）、吐出上限温度補正値（図６）、仮想吐出温度のほか、吐出下限温度が記憶される。吐出上限温度設定部２３は、圧縮機１１の全負荷領域にわたって、吐出上限温度が吐出下限温度よりも高くなるように吐出上限温度を設定する。

（吐出温度判定部）
吐出温度判定部２４は、圧縮機１１から吐出される冷媒の温度（吐出温度）と記憶部２５に記憶された吐出下限温度および吐出上限温度とを比較し、吐出温度が吐出下限温度以上吐出上限温度未満であるか否かを判定する。

制御装置２０は、吐出温度が吐出下限温度未満のときは、吐出温度が吐出下限温度以上となるように電子膨張弁１４の開度を小さくする。また、制御装置２０は、吐出温度が吐出上限温度以上のときは、吐出温度が吐出上限温度未満となるように電子膨張弁１４の開度を大きくする。そして、制御装置２０は、吐出温度が吐出下限温度以上吐出上限温度未満のときは、サブクールが目標サブクールとなるように電子膨張弁１４の開度を制御する。

［ヒートポンプ装置の動作］
続いて、制御装置２０において実行される具体的な制御手順について、ヒートポンプ装置１００の動作とともに説明する。図８は、制御装置２０において実行される処理手順の一例を示すフローチャートである。

制御装置２０はまず、温水用ポンプ１９の運転を開始させて温水回路９６に水（温水）を循環させるとともに、四方弁１２を図１に示す第１の状態に切り替える。そして制御装置２０は、出湯温度センサ３５の検出値が、予め設定されている目標出湯温度となるように圧縮機１１の回転数を決定して起動させることでヒートポンプ装置１００を運転する（ＳＴ１０１）。

冷媒回路１０における冷媒の循環が安定するまでの所定時間が経過した後、制御装置２０は、圧縮機１１から吐出される冷媒の圧力（吐出圧力）と圧縮機に吸入される冷媒の圧力（吸入圧力）を取得する（ＳＴ１０２）。吐出圧力は、吐出圧力センサ３２から取得され、吸入圧力は、吸入圧力センサ３４から取得される。

制御装置２０（負荷判定部２２）は、取得した吐出圧力および吸入圧力に基づいて圧縮機１１の負荷の大きさ（差圧）を算出し、これが予め設定された所定の閾値以上であるか否かを判定する（ＳＴ１０３）。

所定の閾値とは、吐出上限温度に所定の補正値（図６）を加算すべきか否かを判定するための圧力値（吐出圧力と吸入圧力との差圧）であり、図６の例では２．３ＭＰａ（差圧上昇時）または２．１ＭＰａ（差圧下降時）である。制御装置２０（吐出上限温度設定部２３）は、差圧が上記所定の閾値未満のときは（ＳＴ１０３においてＮｏ）、吐出上限温度を補正する（ＳＴ１０４）。

吐出上限温度の補正は、吐出上限温度補正値を仮想吐出温度に加算することにより行われる。吐出上限温度補正値は、図６に示したように吐出圧力と吸入圧力との差圧の大きさに応じて予め段階的に設定された温度値が選択される。これにより、圧縮機１１の負荷の大きさ（差圧）が小さいほど仮想吐出温度に対して高い吐出上限温度が設定される。

なお、圧縮機１１の負荷の大きさが所定の閾値以上のときは（ＳＴ１０３においてＹｅｓ）、吐出上限温度を補正することなく、吐出上限温度として記憶部２５に予め記憶された仮想吐出温度が引き続き採用される。

続いて制御装置２０（吐出温度判定部２４）は、吐出温度が吐出下限温度未満であるか否かを判定する（ＳＴ１０５）。吐出温度は、吐出温度センサ３１から取得される。吐出温度が吐出下限温度未満のとき（ＳＴ１０５においてＹｅｓ）、制御装置２０は、吐出温度が吐出下限温度以上となるように電子膨張弁１４の開度を小さくし（ＳＴ１０６）、ＳＴ１０２に処理を戻す。吐出温度が吐出下限温度以上のときは（ＳＴ１０５においてＮｏ）、電子膨張弁１４の開度を制御することなくＳＴ１０７に移行する。

続いて制御装置２０は、吐出温度が吐出上限温度以上であるか否かを判定する（ＳＴ１０７）。吐出温度が吐出上限温度以上のとき（ＳＴ１０７においてＹｅｓ）、制御装置２０は、吐出温度が吐出上限温度未満となるように電子膨張弁１４の開度を大きくし（ＳＴ１０８）、ＳＴ１０２に処理を戻す。吐出温度が吐出上限温度未満のときは（ＳＴ１０７においてＮｏ）、電子膨張弁１４の開度を制御することなくＳＴ１０９に移行する。

ＳＴ１０５～１０８により、吐出温度が吐出下限温度以上吐出上限温度未満となるように電子膨張弁１４の開度が制御される。この状態で制御装置２０は、サブクール制御を実行する（ＳＴ１０９）。なお、ＳＴ１０９のサブクール制御は、目標サブクールと現在のサブクールに基づく前述の制御である。

すなわち制御装置２０（目標サブクール抽出部２１）は、圧縮機１１の回転数および利用側熱交換器１３における冷媒の凝縮圧力に基づいて、記憶部２５に記憶された目標サブクールテーブル（図４）から目標サブクールを抽出する。凝縮圧力は、例えば吐出圧力センサ３２の検出値に基づいて算出することができる。

続いて制御装置２０は、吐出圧力センサ３２および冷媒温度センサ３３の検出値に基づいて現在のサブクールを算出し、この算出されたサブクールと、目標サブクールテーブル（図４）から抽出した目標サブクールとを比較し、この差によって電子膨張弁１４の開度を調整する。つまり、制御装置２０は、現在のサブクールから目標サブクールを減算し、この減算結果がプラスの時には、その減算結果の値に対応して電子膨張弁１４の開度を大きくするように制御し、この減算結果がマイナスの時には、その減算結果の値に対応して電子膨張弁１４の開度を小さくするように制御する。このような制御をすることで現在のサブクールが、常に目標サブクール値となるように制御されることになり、結果的にＣＯＰが高い状態で維持されることになる。

制御装置２０は、ＳＴ１０２～１０９の処理を所定周期で繰り返し実行することで、吐出温度を所定の吐出下限温度以上吐出上限温度未満に維持した状態でサブクール制御が実行される。

本実施形態によれば、吐出温度を吐出下限温度以上に維持できるため、圧縮機１１への過度な湿り冷媒蒸気の吸入を回避できる。また、圧縮機１１の負荷の大きさに応じて吐出上限温度を設定するとともに、吐出温度を吐出上限温度未満に維持するようにしているため、吐出温度の過度な上昇を回避できる。これにより、目的とするサブクール制御を安定に行うことができるため、圧縮機１１の信頼性を確保しつつ、ヒートポンプ装置１００のＣＯＰを高い状態に維持できる。

また本実施形態によれば、少なくとも吐出圧力と吸入圧力とに基づいて算出される仮想吐出温度に基づいて、吐出上限温度を設定するようにしているため、理想的な冷凍サイクルに調整された場合の吐出温度を基準として吐出上限温度を決定でき、これにより圧縮機１１の負荷の大きさに応じた適切な上限値に吐出温度を設定することができる。

また本実施形態によれば、圧縮機１１の全負荷領域にわたって、吐出上限温度が吐出下限温度よりも高くなるように吐出上限温度を設定するようにしているため、吐出上限温度と吐出下限温度との逆転が生じ易い冷媒を使用した場合でも、当該逆転による制御破綻を引き起こすことなく目的とするサブクール制御を安定して実行することができる。

また本実施形態によれば、仮想吐出温度に補正値を加算することで吐出上限温度を設定するようにしているため、圧縮機１１の負荷の大きさが時々刻々と変化する場合においても吐出上限温度を適切に設定することができる。

また本実施形態によれば、圧縮機１１の負荷が低いほど上記補正値を大きくするようにしているため、吐出上限温度の設定を圧縮機１１の負荷に応じて適切に設定することができる。

また本実施形態によれば、上記補正値を、圧縮機１１の現在の負荷の大きさに基づいて複数の温度値から選択するようにしているため、複雑な計算処理によって補正値を算出する場合に比べて制御の簡素化とシステム構築コストの低減を図ることができる。

さらに本実施形態によれば、吐出圧力と吸入圧力との差である差圧が大きいほど、圧縮機１１の負荷が大きいと判定するようにしているため、圧縮機１１の負荷の判定に必要とされるパラメータを別途必要とすることなく、既存のセンサを用いて圧縮機１１の負荷の大きさを判定することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば以上の実施形態では、圧縮機１１の負荷の大きさの判定に吐出圧力と吸入圧力との差圧を用いたが、これに限られない。例えば、吐出圧力あるいは吐出温度のみを参照して圧縮機１１の負荷の大きさを判定してもよい。さらに、圧縮機１１の回転数や圧縮機１１を駆動するモータの電流値などを参照して圧縮機１１の負荷の大きさを判定してもよい。

また以上の実施形態では、吐出上限温度と吐出下限温度の逆転に伴う制御破綻を回避するために、圧縮機１１の負荷の大きさに応じて吐出上限温度を変化させるようにしたが、これに限られない。例えば、上記逆転が生じるおそれのある圧縮機１１の低負荷状態においては吐出上限温度を無視し、図８のＳＴ１０７、ＳＴ１０８の処理を行わないようにしたり、当該低負荷状態においても上記逆転が生じないような吐出上限温度となるように吐出上限温度に下限値を設定したりしてもよい。

さらに以上の実施形態では、吐出圧力を検出するための吐出圧力センサ３２を圧縮機１１の吐出口と四方弁１２との間の配管９１上に設置したが、圧縮機１１の吐出口から電子膨張弁１４の間であれば吐出圧力センサ３２の設置場所は特に限定されない。また、利用側熱交換器１３に熱交温度センサを設置し、その検出値（凝縮温度）に基づいて吐出圧力が算出されてもよい。

同様に、吸入圧力を検出するための吸入圧力センサ３４を四方弁１２と圧縮機１１の吸入口との間の配管９５上に設置したが、電子膨張弁１４から圧縮機１１の吸入口の間であれば吸入圧力センサ３４の設置場所は特に限定されない。また、熱源側熱交換器１５に熱交温度センサを設置し、その検出値（蒸発温度）に基づいて吸入圧力が算出されてもよい。

さらに以上の実施形態では、ヒートポンプ装置１００として温水暖房機（床暖房装置）を例に挙げて説明したが、これに限られず、ヒートポンプ式の給湯装置などにも本発明は適用可能である。

１０…冷媒回路
１１…圧縮機
１２…四方弁
１３…利用側熱交換器
１４…電子膨張弁
１５…熱源側熱交換器
２０…制御装置
２１…目標サブクール抽出部
２２…負荷判定部
２３…吐出上限温度設定部
２４…吐出温度判定部
２５…記憶部
３１…吐出温度センサ
３２…吐出圧力センサ
３３…冷媒温度センサ
３４…吸入圧力センサ
１００…ヒートポンプ装置

Claims (8)

1. 圧縮機と、水と冷媒とを熱交換する利用側熱交換器と、電子膨張弁と、熱源側熱交換器とが配管で接続された冷媒回路と、
   前記圧縮機から吐出される冷媒の温度である吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、
   前記利用側熱交換器から流出する冷媒のサブクールを検出するサブクール検出手段と、
   前記圧縮機の負荷の大きさを検出する負荷検出手段と、
   前記圧縮機の回転数および前記電子膨張弁の開度を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、
   所定の吐出上限温度と吐出下限温度に基づいて前記電子膨張弁を制御し、
   前記圧縮機の負荷の大きさに応じて前記吐出上限温度を設定し、
   前記吐出温度が前記吐出下限温度未満のときは前記吐出温度が前記吐出下限温度以上となるように前記電子膨張弁の開度を小さくし、
   前記吐出温度が前記吐出上限温度以上のときは前記吐出温度が前記吐出上限温度未満となるように前記電子膨張弁の開度を大きくし、
   前記吐出温度が前記吐出下限温度以上前記吐出上限温度未満のときは前記サブクールが目標サブクールとなるように前記電子膨張弁の開度を制御する
   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であって、
   前記負荷検出手段は、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力である吐出圧力を検出する吐出圧力検出部と、前記圧縮機に吸入される冷媒の圧力である吸入圧力を検出する吸入圧力検出部と、を有し、
   前記制御手段は、少なくとも前記吐出圧力と前記吸入圧力とに基づいて算出される、前記圧縮機に吸入される冷媒を飽和蒸気としたときの吐出温度である仮想吐出温度に基づいて、前記吐出上限温度を設定する
   ヒートポンプ装置。
3. 請求項２に記載のヒートポンプ装置であって、
   前記吐出下限温度は、前記圧縮機に定められた所定の最低過熱度に基づいて予め設定され、
   前記制御手段は、前記圧縮機の全負荷領域にわたって、前記吐出上限温度が前記吐出下限温度よりも高くなるように前記吐出上限温度を設定する
   ヒートポンプ装置。
4. 請求項３に記載のヒートポンプ装置であって、
   前記制御手段は、前記仮想吐出温度に補正値を加算することで前記吐出上限温度を設定する
   ヒートポンプ装置。
5. 請求項４に記載のヒートポンプ装置であって、
   前記制御手段は、前記圧縮機の負荷が低いほど前記補正値を大きくする
   ヒートポンプ装置。
6. 請求項５に記載のヒートポンプ装置であって、
   前記圧縮機の負荷の大きさに応じて予め設定された複数の温度値を記憶する記憶部をさらに備え、
   前記制御手段は、前記補正値を、前記圧縮機の現在の負荷の大きさに基づいて前記複数の温度値から選択する
   ヒートポンプ装置。
7. 請求項１に記載のヒートポンプ装置であって、
   前記負荷検出手段は、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力である吐出圧力を検出する吐出圧力検出部と、前記圧縮機に吸入される冷媒の圧力である吸入圧力を検出する吸入圧力検出部と、を有し、
   前記制御手段は、前記吐出圧力と前記吸入圧力との差である差圧が大きいほど、前記圧縮機の負荷が大きいと判定する
   ヒートポンプ装置。
8. 請求項１～６のいずれか１つに記載のヒートポンプ装置であって、
   前記冷媒回路に封入される冷媒は、１０℃の飽和蒸気における比熱比が１．２５未満の冷媒である
   ヒートポンプ装置。

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