(57)【要約】【課題】流量計を用いずに冷媒流量を求めることができるヒートポンプ装置を提供する。【解決手段】ヒートポンプ装置１０は蒸発器１６と、低段圧縮機１８ａと、高段圧縮機１８ｂと、凝縮器２０と、高段膨張弁２２と、気液分離器２４と、低段膨張弁２６と、気液分離器２４の気相側出口から導入された中間圧冷媒を中圧気相流路２８ｂに導入する中間配管３２と、高段圧縮機１８ｂの吐出口における冷媒の高圧気相圧力Ｐａを検出する高圧気相圧力計３４および高圧気相温度Ｔａを検出する高圧気相温度計３６と、中間配管３２における冷媒の中圧気相圧力Ｐｓを検出する中圧気相圧力計４２とを有する。制御部１４の演算部４６は、高圧気相圧力Ｐａ、高圧気相温度Ｔａ、中圧気相圧力Ｐｓおよび高段圧縮機１８ｂの断熱効率ηａｄに基づいて中圧気相密度ρｓを算出する中圧気相密度算出部５６を有する。【選択図】図１
2020026920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低圧冷媒を外部熱源で蒸発させる蒸発器と、
蒸発した低圧冷媒を圧縮して中間圧冷媒にする低段圧縮機と、
中間圧冷媒を圧縮して高圧冷媒にする高段圧縮機と、
高圧冷媒を凝縮させ被加熱媒体を加熱する凝縮器と、
凝縮した高圧冷媒を減圧膨張して中間圧にする高段膨張機構と、
前記高段膨張機構から導入された中間圧冷媒を気液分離する気液分離器と、
前記気液分離器の気相側出口から導入された中間圧冷媒を前記低段圧縮機の吐出口と前記高段圧縮機の吸入口との間の中圧気相流路に導入する中間配管と、
前記気液分離器の液相側出口から導入された中間圧冷媒を減圧膨張して低圧にし、前記蒸発器に導入する低段膨張機構と、
前記高段圧縮機の吐出口における冷媒の高圧気相圧力を検出する高圧気相圧力検出手段と、
前記高段圧縮機の吐出口における冷媒の高圧気相温度を検出する高圧気相温度検出手段と、
前記中間配管または前記中圧気相流路における冷媒の中圧気相圧力を検出する中圧気相圧力検出手段と、
前記高段圧縮機の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記高段圧縮機の断熱効率、体積効率および押しのけ量を示す特性データを記憶する記憶部と、
前記高圧気相圧力、前記高圧気相温度、前記中圧気相圧力および前記断熱効率に基づいて、前記中圧気相流路の中圧気相密度を算出する中圧気相密度算出部と、
前記中圧気相密度、前記回転数、前記押しのけ量および前記体積効率に基づいて、前記冷媒流量を算出する冷媒流量算出部と、
を有することを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のヒートポンプ装置において、
前記低段圧縮機と前記高段圧縮機は一体型多段圧縮機であることを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のヒートポンプ装置において、
前記高圧気相圧力および前記高圧気相温度に基づいて、前記高段圧縮機の吐出口における高圧気相エンタルピを算出する高圧気相エンタルピ算出部と、
前記高圧気相エンタルピおよび前記断熱効率に基づいて、前記中圧気相流路の中圧気相温度を算出する中圧気相温度算出部と、
を有し、
前記中圧気相密度算出部は、前記中圧気相温度および前記中圧気相圧力に基づいて、前記中圧気相密度を算出することを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載のヒートポンプ装置において、
前記高圧気相圧力および前記高圧気相温度に基づいて、前記高段圧縮機の吐出口における高圧気相エンタルピを算出する高圧気相エンタルピ算出部を有し、
前記中圧気相密度算出部は、
前記中圧気相密度に相当する仮定中圧気相密度を仮定し、前記高圧気相エンタルピおよび前記仮定中圧気相密度に基づいて、前記断熱効率に相当する仮定断熱効率を算出し、前記断熱効率と前記仮定断熱効率との差に基づいて前記仮定中圧気相密度を再仮定することによりループ計算を行い、
前記差が閾値以下となったときに前記仮定中圧気相密度を前記中圧気相密度とすることを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項５】
低圧冷媒を外部熱源で蒸発させる蒸発器と、
蒸発した低圧冷媒を圧縮して中間圧冷媒にする低段圧縮機と、
中間圧冷媒を圧縮して高圧冷媒にする高段圧縮機と、
高圧冷媒を凝縮させ被加熱媒体を加熱する凝縮器と、
凝縮した高圧冷媒を減圧膨張して中間圧にする高段膨張機構と、
前記高段膨張機構から導入された中間圧冷媒を気液分離する気液分離器と、
前記気液分離器の気相側出口から導入された中間圧冷媒を前記低段圧縮機の吐出口と前記高段圧縮機の吸入口との間の中圧気相流路に導入する中間配管と、
前記気液分離器の液相側出口から導入された中間圧冷媒を減圧膨張して低圧にし、前記蒸発器に導入する低段膨張機構と、
を有するヒートポンプ装置における前記凝縮器を流れる冷媒流量を求める冷媒流量演算方法において、
前記高段圧縮機の吐出口における冷媒の高圧気相圧力、前記高段圧縮機の吐出口における冷媒の高圧気相温度、前記中圧気相流路または前記中間配管における冷媒の中圧気相圧力および前記高段圧縮機の断熱効率に基づいて、前記中圧気相流路の中圧気相密度を算出する中圧気相密度算出ステップと、
前記中圧気相密度、前記高段圧縮機の回転数、前記高段圧縮機の押しのけ量および前記高段圧縮機の体積効率に基づいて、前記冷媒流量を算出する冷媒流量算出ステップと、
を有することを特徴とする冷媒流量演算方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒循環回路における蒸発器において外部熱源によって冷媒を蒸発させ、凝縮器において冷媒を凝縮させるとともに被加熱媒体を加熱するヒートポンプ装置、およびヒートポンプ装置において凝縮器を流れる冷媒の流量を演算する冷媒流量演算方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプ装置では冷媒循環回路を形成し、回路中の蒸発器において外部熱源によって冷媒を蒸発させ、凝縮器において冷媒を凝縮させるとともに被加熱媒体を加熱する。ヒートポンプ装置では圧縮機および膨張弁をそれぞれ２段構成にした２段圧縮２段膨張サイクルのものがある。２段圧縮２段膨張サイクルでは、圧縮を２段階にすることで圧縮機単段当たりの圧縮比が低減でき、また、低段側の冷媒流量を必要最小限とすることで低段側の圧縮動力を最小化することができるため、単段サイクルに比べて効率化することができる（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１１９１５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ヒートポンプ装置において凝縮器によって被加熱媒体の加熱をする際に、その出力制御を行うためには凝縮器を流れる冷媒の流量を検出する必要がある。そのために従来は管路の途中に流量計を設けていた。流量計は高価であることから、廉価かつ簡易な手段で冷媒流量を求めることが望まれている。
【０００５】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、流量計を用いずに冷媒流量を求めることができるヒートポンプ装置および冷媒流量演算方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、低圧冷媒を外部熱源で蒸発させる蒸発器と、蒸発した低圧冷媒を圧縮して中間圧冷媒にする低段圧縮機と、中間圧冷媒を圧縮して高圧冷媒にする高段圧縮機と、高圧冷媒を凝縮させ被加熱媒体を加熱する凝縮器と、凝縮した高圧冷媒を減圧膨張して中間圧にする高段膨張機構と、前記高段膨張機構から導入された中間圧冷媒を気液分離する気液分離器と、前記気液分離器の気相側出口から導入された中間圧冷媒を前記低段圧縮機の吐出口と前記高段圧縮機の吸入口との間の中圧気相流路に導入する中間配管と、前記気液分離器の液相側出口から導入された中間圧冷媒を減圧膨張して低圧にし、前記蒸発器に導入する低段膨張機構と、前記高段圧縮機の吐出口における冷媒の高圧気相圧力を検出する高圧気相圧力検出手段と、前記高段圧縮機の吐出口における冷媒の高圧気相温度を検出する高圧気相温度検出手段と、前記中間配管または前記中圧気相流路における冷媒の中圧気相圧力を検出する中圧気相圧力検出手段と、前記高段圧縮機の回転数を検出する回転数検出手段と、前記高段圧縮機の断熱効率、体積効率および押しのけ量を示す特性データを記憶する記憶部と、前記高圧気相圧力、前記高圧気相温度、前記中圧気相圧力および前記断熱効率に基づいて、前記中圧気相流路の中圧気相密度を算出する中圧気相密度算出部と、前記中圧気相密度、前記回転数、前記押しのけ量および前記体積効率に基づいて、前記冷媒流量を算出する冷媒流量算出部と、を有することを特徴とする。
【０００７】
前記低段圧縮機と前記高段圧縮機は一体型多段圧縮機であってもよい。
【０００８】
前記高圧気相圧力および前記高圧気相温度に基づいて、前記高段圧縮機の吐出口における高圧気相エンタルピを算出する高圧気相エンタルピ算出部と、前記高圧気相エンタルピおよび前記断熱効率に基づいて、前記中圧気相流路の中圧気相温度を算出する中圧気相温度算出部と、を有し、前記中圧気相密度算出部は、前記中圧気相温度および前記中圧気相圧力に基づいて、前記中圧気相密度を算出してもよい。
【０００９】
前記高圧気相圧力および前記高圧気相温度に基づいて、前記高段圧縮機の吐出口における高圧気相エンタルピを算出する高圧気相エンタルピ算出部を有し、前記中圧気相密度算出部は、前記中圧気相密度に相当する仮定中圧気相密度を仮定し、前記高圧気相エンタルピおよび前記仮定中圧気相密度に基づいて、前記断熱効率に相当する仮定断熱効率を算出し、前記断熱効率と前記仮定断熱効率との差に基づいて前記仮定中圧気相密度を再仮定することによりループ計算を行い、前記差が閾値以下となったときに前記仮定中圧気相密度を前記中圧気相密度としてもよい。
【００１０】
また、本発明にかかる冷媒流量演算方法は、低圧冷媒を外部熱源で蒸発させる蒸発器と、蒸発した低圧冷媒を圧縮して中間圧冷媒にする低段圧縮機と、中間圧冷媒を圧縮して高圧冷媒にする高段圧縮機と、高圧冷媒を凝縮させ被加熱媒体を加熱する凝縮器と、凝縮した高圧冷媒を減圧膨張して中間圧にする高段膨張機構と、前記高段膨張機構から導入された中間圧冷媒を気液分離する気液分離器と、前記気液分離器の気相側出口から導入された中間圧冷媒を前記低段圧縮機の吐出口と前記高段圧縮機の吸入口との間の中圧気相流路に導入する中間配管と、前記気液分離器の液相側出口から導入された中間圧冷媒を減圧膨張して低圧にし、前記蒸発器に導入する低段膨張機構と、を有するヒートポンプ装置における前記凝縮器を流れる冷媒流量を求める冷媒流量演算方法において、前記高段圧縮機の吐出口における冷媒の高圧気相圧力、前記高段圧縮機の吐出口における冷媒の高圧気相温度、前記中圧気相流路または前記中間配管における冷媒の中圧気相圧力および前記高段圧縮機の断熱効率に基づいて、前記中圧気相流路の中圧気相密度を算出する中圧気相密度算出ステップと、前記中圧気相密度、前記高段圧縮機の回転数、前記高段圧縮機の押しのけ量および前記高段圧縮機の体積効率に基づいて、前記冷媒流量を算出する冷媒流量算出ステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明にかかるヒートポンプ装置および冷媒流量演算方法では、高圧気相圧力、高圧気相温度、中圧気相圧力および高段圧縮機の断熱効率に基づいて、中圧気相流路の中圧気相密度を算出し、さらに該中圧気相密度を用いて冷媒流量を算出する。これにより流量計を用いずに冷媒流量を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施の形態にかかるヒートポンプ装置を示すブロック図である。
【図２】図２は、ヒートポンプ装置のｐ−ｈ線図である。
【図３】図３は、制御部のブロック図である。
【図４】図４は、ヒートポンプ装置の制御手順を示すフローチャートである。
【図５】図５は、ヒートポンプ装置の制御手順の変形例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明にかかるヒートポンプ装置および冷媒流量演算方法の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態であるヒートポンプ装置１０を示すブロック図である。ヒートポンプ装置１０は、冷媒循環回路である回路部１２と、該回路部１２を制御する制御部１４と、回路部１２と制御部１４との間に設けられたインバータ１３とを有する。
【００１５】
回路部１２は冷媒の循環する順に、蒸発器１６と、圧縮機１８と、凝縮器２０と、高段膨張弁（高段膨張機構）２２と、気液分離器２４と、低段膨張弁（低段膨張機構）２６とを有する。なお、図１の回路部１２は基本的な構成を示しており、回路中にさらに別の要素が設けられていてもよい。蒸発器１６と圧縮機１８とは流路２８ａで接続され、圧縮機１８と凝縮器２０とは流路２８ｃで接続され、凝縮器２０と高段膨張弁２２とは流路２８ｄで接続され、高段膨張弁２２と気液分離器２４とは流路２８ｅで接続され、気液分離器２４の液相出口と低段膨張弁２６とは流路２８ｆで接続され、低段膨張弁２６と蒸発器１６とは流路２８ｇで接続されている。
【００１６】
以下の説明では冷媒の状態を中圧液相、中圧気相、高圧気相、高圧液相と表すが、これらはそれぞれの流路における代表的な状態を示す便宜的な呼称であり、例えば運転開始直後には各相が多少混在することもあり得る。
【００１７】
蒸発器１６は低圧冷媒を外部熱源で蒸発させて低圧気相冷媒とする。外部熱源は例えば他のシステムから供給される排温水である。
【００１８】
圧縮機１８は低段圧縮機１８ａと高段圧縮機１８ｂが一体となった２段圧縮型（つまり、多段圧縮機）であり、低段圧縮機１８ａの吐出口と高段圧縮機１８ｂの吸入口との間の中圧気相流路２８ｂは圧縮機１８の筺体内部に設けられている。圧縮機１８は例えば１軸型スクロール圧縮機である。低段圧縮機１８ａは低圧気相冷媒を圧縮して中圧気相冷媒とする。高段圧縮機１８ｂは中圧気相冷媒を圧縮して高圧気相冷媒とする。凝縮器２０は高圧気相冷媒を凝縮させて高圧液相冷媒とするとともに被加熱媒体を加熱する。被加熱媒体は、例えば図示しないポンプから供給される水であり、凝縮器２０によって水蒸気となって利用される。
【００１９】
高段膨張弁２２は高圧液相冷媒を減圧膨張させて中圧冷媒とする。気液分離器２４は中圧冷媒を気液分離する。低段膨張弁２６は気液分離器の液相側出口から導入された冷媒を減圧膨張させて低圧冷媒とし、蒸発器１６に導入する。
【００２０】
回路部１２はさらに、気液分離器２４の気相側出口から導入された冷媒を中圧気相流路２８ｂに導入して合流させる中間配管３２を有する。回路部１２は２段圧縮２段膨張サイクルを形成し、気液分離器２４および中間配管３２を境として図１における下半分が低段回路であり、上半分が高段回路である。
【００２１】
また、回路部１２は、高圧気相圧力計３４と、高圧気相温度計３６と、高圧液相圧力計３８と、高圧液相温度計４０と、中圧気相圧力計４２とを有する。なお、図１においては圧力計、温度計の一部の信号線は複数を１本にまとめて図示している。また、電気信号線は破線で示している。
【００２２】
高圧気相圧力計３４は高段圧縮機１８ｂの吐出口における冷媒の高圧気相圧力Ｐａを検出する。高圧気相温度計３６は高段圧縮機１８ｂの吐出口における冷媒の高圧気相温度Ｔａを検出する。高圧気相圧力計３４および高圧気相温度計３６は流路２８ｃのいずれの箇所に設けてもよいが、該流路２８ｃの途中に何らかの機器が設けられている場合には、該機器と高段圧縮機１８ｂとの間に設けるとよい。
【００２３】
高圧液相圧力計３８は凝縮器２０の吐出口における冷媒の高圧液相圧力Ｐｂを検出する。凝縮器２０における圧力低下が小さい場合には高圧気相圧力計３４または高圧液相圧力計３８のいずれか一方を省略して、近似的にＰｂ＝Ｐａとしてもよい。仮に高圧気相圧力計３４を省略する場合には、高圧液相圧力計３８が高圧気相圧力検出手段を兼ねる。高圧液相温度計４０は凝縮器２０の吐出口における冷媒の高圧液相温度Ｔｂを検出する。中圧気相圧力計４２は中圧気相圧力Ｐｓを検出する。この中圧気相圧力Ｐｓは中圧気相流路２８ｂまたは中間配管３２における冷媒の圧力であるが、このうち中圧気相流路２８ｂは圧縮機１８の筺体内部にあることから、中圧気相圧力計４２は中間配管３２に設けられている。なお、各圧力計は他の圧力検出手段で代用可能であり、同様に温度計は他の温度検出手段で代用可能であることはもちろんである。
【００２４】
インバータ１３は制御部１４から供給される指令値としての回転数Ｎとなるように圧縮機１８の回転数制御を行う。
【００２５】
図２に基づいてヒートポンプ装置１０の熱サイクルを示すｐ−ｈ線図について説明する。図２において、図１における流路２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ，２８ｅ，２８ｆ，２８ｇに相当する箇所を順に符号Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌｄ，Ｌｅ，Ｌｆ，Ｌｇで示す。これらの符号Ｌａ〜Ｌｇは図１における流路２８ａ〜２８ｇについても併記している。
【００２６】
蒸発器１６ではＬｇ点からＬａ点へ移り、飽和蒸気線を超えて過熱蒸気となる。低段圧縮機１８ａでは圧縮によりＬａ点からＬｂ０点を経由してＬｂ点へ移る。比エンタルピｈがＬｂ０点からＬｂ点までわずかに下がるのは、中間配管３２からの中圧気相冷媒が合流するためである。高段圧縮機１８ｂでは圧縮によりＬｂ点からＬｃ点へ移り、圧力Ｐと比エンタルピｈが増大する。なお、理想圧縮工程ではＬｂ点からＬｃｉ点に移ることになるが、Ｌｂ点からＬｃ点までの傾斜はＬｂ点からＬｃｉ点までの傾斜に比べて小さくなっている。このＬｂ点からＬｃ点までの圧縮経路は、高段圧縮機１８ｂの断熱効率ηａｄにより定まる。断熱効率ηａｄについては後述する。
【００２７】
凝縮器２０では凝縮によりＬｃ点からＬｄ点に移り、飽和蒸気線を超え、さらに飽和液線を超えて過冷却状態となる。高段膨張弁２２では膨張によりＬｄ点からＬｅ点に移り、再び飽和蒸気線を超えて気液混合状態となる。Ｌｅ点は中圧気相圧力Ｐｓとなっている。気液分離器２４では気相と液相に分離されて、気相は飽和蒸気線上へと移り、圧縮機１８の中間気相経路２８ｂと合流し、Ｌｂ点に移る。液相は飽和液線上へと移る。低段膨張弁２６では膨張によりＬｆ点からＬｇ点に移る。
【００２８】
図３に示すように、制御部１４は、記憶部４４と、演算部４６と、回転数制御部４８とを有する。制御部１４は必ずしも回路部１２の近くに設置されている必要はなく、例えば通信回線を介して接続されていてもよい。記憶部４４、演算部４６および回転数制御部４８は必ずしも一体的に設けられている必要はなく、例えば記憶部４４はクラウド式であってもよい。
【００２９】
記憶部４４はプログラムやデータを記憶する部分であり、例えばハードディスクであって、特性データ５０を記憶している。特性データ５０は圧縮機１８にかかる特性を示すデータであり、特に高段圧縮機１８ｂについての断熱効率ηａｄ、体積効率ηＶ、押しのけ容積Ｖを示すデータを記憶している。これらの断熱効率ηａｄ、体積効率ηＶ、押しのけ容積Ｖは、直接的な数値として記憶されていてもよいし、１以上のパラメータから何らかの変換によって求められる間接的な記憶であってもよく、実質的に断熱効率ηａｄ、体積効率ηＶ、押しのけ容積Ｖを示すデータであればよい。
【００３０】
断熱効率ηａｄは、高段圧縮機１８ｂが冷媒を圧縮する際に理想的な場合の仕事と比べて、実際に要する仕事との比率である。体積効率ηＶは、高段圧縮機１８ｂにおける吸入口から吐出口までの冷媒の漏れを考慮した効率である。押しのけ容積Ｖは、入力軸１回転当りに押し出される冷媒体積である。特性データ５０には、さらに回路部１２やその要素にかかる他の特性について記憶されていてもよい。
【００３１】
演算部４６は、高圧気相エンタルピ算出部５２と、中圧気相温度算出部５４と、中圧気相密度算出部５６と、冷媒流量算出部５８と、熱出力算出部６０とを有する。これらの各算出部は演算部４６の中で明確に区別される必要はなく、例えば一部が重複していてもよいし、いずれかの算出部が他の算出部に含まれていてもよい。演算部４６は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）等の処理装置にプログラムを実行させること、すなわち、ソフトウェアにより実現してもよいし、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）等のハードウェアにより実現してもよいし、ソフトウェア及びハードウェアを併用して実現してもよい。
【００３２】
高圧気相エンタルピ算出部５２は、高圧気相圧力Ｐａおよび高圧気相温度Ｔａに基づいて、高段圧縮機１８ｂの吐出口における高圧気相エンタルピｈａを算出する。
【００３３】
中圧気相温度算出部５４は、高圧気相圧力Ｐａ、高圧気相温度Ｔａ、中圧気相圧力Ｐｓおよび断熱効率ηａｄに基づいて中圧気相温度Ｔｓを算出する。この中圧気相温度Ｔｓは中圧気相流路２８ｂにおける冷媒の温度（つまり、図２におけるＬｂ点の温度）であるが、該中圧気相流路２８ｂは圧縮機１８の筺体内部にあることから、温度計を設けることは困難であり、中圧気相温度算出部５４による算出が有用である。また、この部分の温度計を省略することでそれだけ廉価となる。中圧気相温度Ｔｓを求めるための途中計算として、中圧気相流路２８ｂにおける中間エンタルピｈｓ（つまり、図２におけるＬｂ点のエンタルピ）を求めてもよい。
【００３４】
中圧気相密度算出部５６は、中圧気相圧力Ｐｓおよび中圧気相温度Ｔｓに基づいて、中圧気相流路２８ｂの中圧気相密度ρｓを算出する。中圧気相密度ρｓは冷媒固有の物性値であり、ρｓ＝ｆｓ（Ｐｓ、Ｔｓ）、という状態方程式に基づいて求められる。ところで、高圧気相エンタルピ算出部５２、中圧気相温度算出部５４および中圧気相密度算出部５６を一まとめとしてみると、中圧気相密度ρｓは高圧気相圧力Ｐａ、高圧気相温度Ｔａ、中圧気相圧力Ｐｓおよび断熱効率ηａｄの４つのパラメータで算出され、パラメータの数が少なくて演算負荷が小さいが、条件によってはさらに別のパラメータを付加的に利用してもよい。
【００３５】
冷媒流量算出部５８は、中圧気相密度ρｓ、回転数Ｎ、押しのけ容積Ｖおよび体積効率ηＶに基づいて、凝縮器２０を流れる冷媒の冷媒流量Ｇを算出する。冷媒流量Ｇは質量流量であって、Ｇ＝ρｓ・Ｎ・Ｖ・ηＶにより求められる。押しのけ容積Ｖおよび体積効率ηＶは特性データ５０から供給される。回転数Ｎは回転数制御部４８から供給されるので、該回転数制御部４８は回転数検出手段を兼ねることになるが、圧縮機１８の実回転数を検出するセンサ（回転数検出手段）を別途設けてもよい。
【００３６】
熱出力算出部６０は凝縮器２０が被加熱媒体を加熱する熱出力Ｑを算出する。熱出力算出部６０は、まず、高圧液相圧力Ｐｂおよび高圧液相温度Ｔｂに基づいて、凝縮器２０の吐出口におけるエンタルピｈｂを算出する。そして熱出力Ｑを、Ｑ＝Ｇ・（ｈａ−ｈｂ）として求める。高圧気相エンタルピｈａは、高圧気相エンタルピ算出部５２で求められたものを利用できるが、流路２８ｃに何らかの機器が設けられている場合には、該機器の下流側で凝縮器２０の吸入口直前の圧力および温度からエンタルピｈａ’を求め、熱出力Ｑを、Ｑ＝Ｇ・（ｈａ’−ｈｂ）として求めると一層正確になる。
【００３７】
回転数制御部４８は、凝縮器２０による熱出力Ｑが目的値となるようにインバータ１３の回転数制御を行い、冷媒流量Ｇが調整される。さらに、凝縮器２０が加熱する被加熱媒体の供給量を調整してもよい。
【００３８】
図４は、ヒートポンプ装置１０の制御手順を示すフローチャートであり、本実施の形態にかかる流量演算方法が含まれる。この手順は微小時間ごとに繰り返し実行される。
【００３９】
ステップＳ１は高圧気相エンタルピ算出ステップであり、高圧気相エンタルピ算出部５２により高圧気相エンタルピｈａが算出される。ステップＳ２は中圧気相温度算出ステップであり、中圧気相温度算出部５４により中圧気相温度Ｔｓが算出される。ステップＳ３は中圧気相密度算出ステップであり中圧気相密度算出部５６により中圧気相密度ρｓが算出される。ステップＳ４は冷媒流量算出ステップであり、冷媒流量算出部５８により冷媒流量Ｇが算出される。ステップＳ５は熱出力算出ステップであり、熱出力算出部６０により熱出力Ｑが算出される。ステップＳ６は回転数制御ステップであり、回転数制御部４８によりインバータ１３の回転数Ｎが制御される。
【００４０】
このように、ヒートポンプ装置１０および冷媒流量演算方法においては、圧縮機１８内部の中圧気相流路２８ｂに温度センサを設けることが困難であるが、高圧気相圧力Ｐａ、高圧気相温度Ｔａ、中圧気相圧力Ｐｓおよび断熱効率ηａｄに基づいて中圧気相温度Ｔｓが算出され、さらに中圧気相密度ρｓが求められる。これにより熱出力Ｑが求まり、適正な出力制御を行うことができる。
【００４１】
さらに、高価な流量計（例えば冷媒流量計や蒸気流量計など）が不要となりシステムを簡易かつ廉価に構成することができる。
【００４２】
冷媒流量Ｇを求める一連の計算過程において、断熱効率ηａｄの値は高段圧縮機１８ｂの運転状態（圧力差、圧力比、回転数など）に基づいて調整・補正すると一層正確な計算が可能となる。次に説明する図５のフローチャートの例でも同様である。
【００４３】
次に、冷媒流量Ｇを求める手順の変形例を図５に基づいて説明する。
【００４４】
図５のステップＳ１１において、まず高圧気相エンタルピｈａを算出する。これは上記のステップＳ１と同じ高圧気相エンタルピ算出ステップである。
【００４５】
ステップＳ１２において、中圧気相密度ρｓに相当する仮定中圧気相密度ρｓ’を想定される適当な値に仮定する。仮定中圧気相密度ρｓ’の初期値は固定値であってもよい。ここで添え字の「’」は仮定値を示すものとする。以下同様である。
【００４６】
ステップＳ１３において、仮定中圧気相密度ρｓ’と中圧気相圧力Ｐｓとに基づいて仮定中間エンタルピｈｓ’、ｈｓ’＝ｆ（ρｓ’、Ｐｓ）を求める。仮定中間エンタルピｈｓ’は、上記の中間エンタルピｈｓの仮定値に相当する。
【００４７】
ステップＳ１４において、仮定断熱効率ηａｄ’を求める。仮定断熱効率ηａｄ’は、上記の断熱効率ηａｄの仮定値に相当するもので、ηａｄ’＝（ｈｄ＿ａｄ−ｈｓ’）／（ｈｄ−ｈｓ’）として求められる。ここでｈｄ＿ａｄは、理想吐出エンタルピ、つまり等エントロピ過程で変化した際のエンタルピである。等エントロピ過程は図２の点Ｌｂ〜点Ｌｃｉを結ぶ線上で変化する。ｈｄは実吐出エンタルピである。図２では、ｈｄ＿ａｄは概念的に点Ｌｃｉに相当し、ｈｄは概念的に点Ｌｃに相当する。
【００４８】
ステップＳ１５において、記憶されている断熱効率ηａｄと算出された仮定断熱効率ηａｄ’とを比較する。断熱効率ηａｄと仮定断熱効率ηａｄ’とが等しくまたは差が十分に小さければ（Ｙ）ステップＳ１７へ移り、差が存在しまたは閾値以上（Ｎ）であればステップＳ１６へ移る。
【００４９】
ステップＳ１６においては、ソルバーにより仮定中圧気相密度ρｓ’を変更・再仮定してステップＳ１３へ戻る。ステップＳ１３へ戻ることによりステップＳ１３〜Ｓ１６の間でループ計算が行われ、断熱効率ηａｄと仮定断熱効率ηａｄ’との差は次第に小さくなるように収束し、やがてステップＳ１７へ移ることになる。
【００５０】
ステップＳ１７においては、断熱効率ηａｄと仮定断熱効率ηａｄ’とが等しくまたは差が十分に小さくなっている。このとき、中圧気相密度ρｓと仮定中圧気相密度ρｓ’とが等しくまたは差が十分に小さくなっている。そこで、ρｓ＝ρｓ’と代入処理をすることによって中圧気相密度ρｓが確定し、求められたことになる。この後、ステップＳ１８おいては熱出力Ｑを算出し、ステップＳ１９においてはインバータ１３の回転数制御を行う。これらは上記のステップＳ５およびステップＳ６と同じ処理である。
【００５１】
このような中圧気相密度ρｓの演算方法では、途中段階で中圧気相温度Ｔｓを求める必要がない。また、ソルバーおよびループによる収束計算は計算機による計算の用途に有用である。
【００５２】
高圧気相圧力Ｐａ、高圧気相温度Ｔａ、中圧気相圧力Ｐｓおよび断熱効率ηａｄに基づいて、中圧気相密度ρｓを算出する手順はさらに様々な方法があり得る。冷媒流量Ｇは、各種の方法により得られた中圧気相密度ρｓに基づいて算出される。
【００５３】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。
【符号の説明】
【００５４】
１０  ヒートポンプ装置
１２  回路部
１３  インバータ
１４  制御部
１６  蒸発器
１８  圧縮機
１８ａ  低段圧縮機
１８ｂ  高段圧縮機
２０  凝縮器
２２  高段膨張弁（高段膨張機構）
２４  気液分離器
２６  低段膨張弁（低段膨張機構）
２８ｂ  中圧気相流路
３２  中間配管
３４  高圧気相圧力計（高圧気相圧力検出手段）
３６  高圧気相温度計（高圧気相温度検出手段）
３８  高圧液相圧力計
４０  高圧液相温度計
４２  中圧気相圧力計（中圧気相圧力検出手段）
４４  記憶部
４６  演算部
４８  回転数制御部
５０  特性データ
５２  高圧気相エンタルピ算出部
５４  中圧気相温度算出部
５６  中圧気相密度算出部
５８  冷媒流量算出部
６０  熱出力算出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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