(57)【要約】【課題】冷媒のエンタルピ差を演算し、実験データに基づく断熱効率を用いて吐出圧力を推定することによって、高い精度で吐出圧力を推定して、吐出圧力の異常上昇防止や冷凍サイクルの高効率運転に用いることができる冷凍サイクル装置を提供すること。【解決手段】少なくとも圧縮機１、放熱器２、減圧機構３、蒸発器４が環状に接続されて冷媒が循環する冷媒回路５と、吐出圧力を推定する吐出圧力推定手段２８とを備え、前記吐出圧力推定手段２８において、前記圧縮機１から吐出される冷媒の圧力を、演算式を用いて推定することを特徴とする冷凍サイクル装置で、圧力検出手段や圧力スイッチを備えずとも吐出圧力を適切に推定し、推定した吐出圧力を用いて、吐出圧力の異常上昇を防止し、冷凍サイクル装置を高い効率で運転させたりすることを可能にするという効果を奏する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも圧縮機、放熱器、減圧機構、蒸発器が環状に接続されて冷媒が循環する冷媒回路と、吐出圧力を推定する吐出圧力推定手段とを備え、前記吐出圧力推定手段において、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を、演算式を用いて推定することを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
少なくとも圧縮機、放熱器、減圧機構、蒸発器が環状に接続されて冷媒が循環する冷媒回路と、前記蒸発器の冷媒二層域の温度を検出する温度検出手段と、前記圧縮機の吸入温度を検出する検出手段とを備え、前記蒸発器の冷媒二層域の温度を検出する温度検出手段の検出値、前記圧縮機の吸入温度を検出する検出手段の検出値に基づいて、前記圧縮機の吸入エントロピを算出し、供給電源から冷媒に伝達されたエネルギー量と冷媒循環量とから圧縮機における冷媒の比エンタルピ差を算出することを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項３】
圧縮機の回転数を検出する圧縮機回転数検出手段と、電源電流を検出する電流検出手段とを備え、前記圧縮機回転数検出手段が検出した圧縮機回転数に基づいて、冷媒循環量を算出し、前記電流検出手段において検出した電源電流に基づいて、供給電源から冷媒に伝達されたエネルギー量を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
電源電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記電圧検出手段が検出した電圧値に基づいて、供給電源から冷媒に伝達されたエネルギー量を算出することを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
冷媒として、二酸化炭素を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧側で超臨界状態となり得る冷媒を用い、ヒートポンプ給湯機や空気調和機などに搭載される冷凍サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の冷凍サイクル装置は、図９に示すような構造を有していた．なお、以下では、冷媒の冷却熱を用いて温水を生成するヒートポンプ給湯機に搭載の冷凍サイクル装置を代表例として用いて述べる。
【０００３】
図９において、１は圧縮機、２は放熱器、３は膨張弁、４は蒸発器であり、これらはこの順で環状に構成され、冷媒サイクル５を形成している。なお、６は圧力スイッチであり、圧縮機１と放熱器２との間に備えている。
【０００４】
また、１１は貯湯タンク、１２は積層ポンプ、１３は三方弁、１４は給湯混合弁であり、貯湯タンク１１の底部から積層ポンプ１２、放熱器２、三方弁１３を経て貯湯タンク１１の頂部へ還流する沸き上げ回路１６を構成し、給湯混合弁１４は供給水配管と貯湯タンク１１からの給湯配管の混合部に設けられている。
【０００５】
以上のように構成された冷凍サイクル装置について、以下にその動作を説明する。
【０００６】
圧縮機１から吐出された超臨界状態の高圧冷媒は放熱器２へ供給され、放熱器２において水と熱交換を行い、温度の低下した冷媒は膨張弁３に供給される。膨張弁３にて減圧された後、蒸発器４に供給されて吸熱した後、圧縮機１へ吸入される。なお、圧力スイッチ６は、吐出圧力が一定値に達すると作動して、電源供給回路の電気的接続を切断するものである。
【０００７】
一方、放熱器２において加熱される水は、貯湯タンク１１の底部より供給され、放熱器２において加熱された後に、温水となって貯湯タンク１１の頂部に還流される。
【０００８】
圧力スイッチ６は、吐出圧力が設計圧力を超えて異常上昇した場合に、安全を確保するために備えられている。
【０００９】
そのため、一般に、圧力スイッチ６が作動する圧力は、冷凍サイクル装置の設計圧力程度に設定されている。特に、吐出圧力を非常に高くして（約１０ＭＰａ）動作させる二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプ給湯機に搭載の冷凍サイクル装置おいては、その果たす役割は大きい。
【００１０】
しかしながら、圧力スイッチ６は吐出圧力の異常上昇に対する保安装置としては大きな役割を果たすが、吐出圧力を制御して冷凍サイクル装置を高い効率で動作させることはできない。また、冷媒を超臨界状態にして動作させる冷凍サイクル装置においては、吐出圧力が非常に高くなるため、圧力スイッチを含む冷媒回路からの冷媒漏洩も危惧される。
【００１１】
このような課題を解決する冷凍サイクル装置として、以下に記載の冷凍サイクル装置がある（例えば、特許文献１参照）。これに記載の冷凍サイクル装置は、冷凍サイクル装置の各部温度や圧縮機回転数などの動作状態から吐出圧力を推定する吐出圧力推定手段を備え、冷凍サイクル装置を高い効率で運転させることができるものであるが、この吐出推定手段を用いれば圧力スイッチを備えずとも、推定した吐出圧力が設計圧力を超えて異常上
昇した場合に圧縮機を停止するなどして吐出圧力の異常上昇を防止することができる。
【特許文献１】特開２００４−３６９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら上記従来の構成では、蒸発器における冷媒の蒸発温度、放熱器出口における冷媒温度、圧縮機の回転数、および圧縮機駆動電力の４つの物理量および運転状態を示す変数に対して吐出圧力を一義的に決定するため、四次元的に多量のデータを所有しておく必要がある。
【００１３】
そのため、高い精度で吐出圧力を推定しようとすると、それらのデータを保存する制御用マイコンまたはＲＯＭに大容量を必要とし、データ量を低減しようとすると、推定する吐出圧力の精度が損なわれるという課題があった。
【００１４】
本発明は上記の課題を解決するものであり、冷媒のエンタルピ差を演算し、実験データに基づく断熱効率を用いて吐出圧力を推定することによって、高い精度で吐出圧力を推定して、吐出圧力の異常上昇防止や冷凍サイクルの高効率運転に用いることができる冷凍サイクル装置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】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明は、少なくとも圧縮機、放熱器、減圧機構、蒸発器が環状に接続されて冷媒が循環する冷媒回路と、吐出圧力を推定する吐出圧力推定手段とを備え、前記吐出圧力推定手段において、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を、演算式を用いて推定することを特徴とする冷凍サイクル装置で、推定された吐出圧力を冷凍サイクル装置の運転制御に用いるものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、冷媒のエンタルピ差を演算し、実験データに基づく断熱効率を用いて吐出圧力を推定することによって、必要とするデータ量を少なくしながらも、高い精度で吐出圧力を推定して、吐出圧力の異常上昇防止や冷凍サイクルの高効率運転に用いることができる冷凍サイクル装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
第１の発明は、少なくとも圧縮機、放熱器、減圧機構、蒸発器が環状に接続されて冷媒が循環する冷媒回路と、吐出圧力を推定する吐出圧力推定手段とを備え、前記吐出圧力推定手段において、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を、演算式を用いて推定することを特徴とする冷凍サイクル装置で、圧力検出手段や圧力スイッチを備えずとも吐出圧力を適切に推定し、推定した吐出圧力を用いて、吐出圧力の異常上昇を防止し、冷凍サイクル装置を高い効率で運転させたりすることを可能にするという効果を奏する。
【００１８】
第２の発明は、少なくとも圧縮機、放熱器、減圧機構、蒸発器が環状に接続されて冷媒が循環する冷媒回路と、前記蒸発器の冷媒二層域の温度を検出する温度検出手段と、前記圧縮機の吸入温度を検出する検出手段とを備え、前記蒸発器の冷媒二層域の温度を検出する温度検出手段の検出値、前記圧縮機の吸入温度を検出する検出手段の検出値に基づいて、前記圧縮機の吸入エントロピを算出し、供給電源から冷媒に伝達されたエネルギー量と冷媒循環量とから圧縮機における冷媒の比エンタルピ差を算出することを特徴とするもので、吸入圧力を検知するための圧力検出手段を備えずとも、蒸発器入口冷媒温度を飽和温度として、吸入圧力を推定することができる。
【００１９】
第３の発明は、圧縮機の回転数を検出する圧縮機回転数検出手段と、電源電流を検出す
る電流検出手段とを備え、前記圧縮機回転数検出手段が検出した圧縮機回転数に基づいて、冷媒循環量を算出し、前記電流検出手段において検出した電源電流に基づいて、供給電源から冷媒に伝達されたエネルギー量を算出することを特徴とするもので、吐出圧力を圧縮機回転数、電源電流が変化しても適切に吐出圧力を推定することができる。
【００２０】
第４の発明は、電源電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記電圧検出手段が検出した電圧値に基づいて、供給電源から冷媒に伝達されたエネルギー量を算出することを特徴とするもので、電源電圧が変動しても、冷凍サイクル装置が消費する電力を正確に検出することができ、適切に吐出圧力を推定することができる。
【００２１】
第５の発明は、冷媒として二酸化炭素を用いるもので、高圧側で超臨界状態となり得る冷媒を用いる冷凍サイクル装置においても、圧力検出手段や圧力スイッチを備えずとも吐出圧力を適切に推定し、推定した吐出圧力を用いて、吐出圧力の異常上昇を防止し、冷凍サイクル装置を高い効率で運転させたりすることを可能にするという効果を奏する。
【００２２】
以下、本発明の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機搭載の冷凍サイクル装置について、図面を参照しながら述べる。なお、実施の形態は、ヒートポンプ給湯機搭載の冷凍サイクル装置について述べるが、本発明の実施の形態はヒートポンプ給湯機に限定されるものでなく、空気調和機などに搭載の冷凍サイクル装置であってもよい。
【００２３】
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の構成について述べる。構成図を図１に示す。図１において、２１は蒸発器入口温度検出手段、２２は圧縮機吸入温度検出手段、２３は外気温度検出手段、２４は吸入圧力演算手段、２５は圧縮機回転数検出手段、２６は電圧検出手段、２７は電流検出手段、２８は吐出圧力推定手段である。
【００２４】
次に、上記のように構成された冷凍サイクル装置の動作および作用について述べる。冷媒サイクル５を循環する冷媒と、沸き上げ回路１６を循環する水の動作は従来の冷凍サイクル装置と同様であるので、ここでは説明を省略する。吐出圧力推定手段２８は一定の時間間隔（例えば、１０秒）ごとに吐出圧力を推定し、推定された吐出圧力が予め定められた所定の圧力以下であれば、現状の運転状態を維持し、推定された吐出圧力が予め定められた所定の圧力を超えると圧縮機１の回転数を下げる、もしくは運転を停止したり、膨張弁３の開度を大きくしたりするなどの保安措置をとる。
【００２５】
以下では、吐出圧力推定手段２８における吐出圧力の推定方法について述べる。本実施の形態における吐出圧力推定手段２８は、供給電源から冷媒に伝達されたエネルギー量Ｗと冷媒の循環量Ｇｒから圧縮機１における冷媒の比エンタルピ差ΔｈＣＯＭＰを演算し、演算された比エンタルピ差ΔｈＣＯＭＰと圧縮機１の各種効率（機械効率、断熱効率、体積効率）を用いて吐出圧力を推定するものである。
【００２６】
図２に概念を示す。まず、圧縮機吸入冷媒の諸状態量（圧力、密度、比エンタルピ、エントロピ）を決定する。蒸発器の冷媒二層域の温度を検出する蒸発器入口温度検出手段２１において検出した蒸発器入口温度ＴＥＩを用いて、吸入圧力演算手段２４において吸入圧力ＰＳを推定する。吸入圧力演算手段２４は、例えば、図３に示すような物性対応図を有して吸入圧力ＰＳを推定してもよいし、推算式を用いて推定してもよい。
【００２７】
次に、推定された吸入圧力ＰＳと圧縮機吸入温度検出手段２２において検出された圧縮機吸入温度ＴＳを用いて、吸入密度ｄＳ（ｋｇ／ｍ３）、吸入比エンタルピｈＳ（ｋＪ／ｋｇ）および吸入エントロピＳＳ（ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ））を決定する。このとき、例えば、図４〜図６に示すような対応図を用いてもよい。
【００２８】
続いて、圧縮機１において供給電源から冷媒に伝達されたエネルギー量Ｗを求め、冷媒の循環量Ｇｒを用いて圧縮機１における比エンタルピ差ΔｈＣＯＭＰを演算によって決定する。圧縮機１において冷媒に伝達されるエネルギー量Ｗは、電圧検出手段２６において検出された電源電圧Ｖ、電流検出手段２７において検出された電源電流Ｉおよび圧縮機１の機械効率ηｍにより決まる。
【００２９】
ここで、圧縮機１の機械効率ηｍは、図７に示すように外気温度Ｔａｔに依存するものとする。一方、冷媒の循環量Ｇｒは圧縮機回転数検出手段２５において検出された圧縮機回転数ｆ、圧縮機１の圧縮室容積ＶＣ、吸入密度ｄＳおよび体積効率ηｖによって決まる。これらを用いて、圧縮機１における比エンタルピ差ΔｈＣＯＭＰは次のような式１で演算される。
【００３０】
【数１】
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【００３１】
圧縮機１における圧縮過程が完全断熱圧縮であれば、前もって決定した吸入比エンタルピｈＳおよび吸入エントロピＳＳとを用いて吐出圧力Ｐｄを決定することができるが、圧縮機１における圧縮過程は完全な断熱圧縮ではなく、１未満の断熱効率ηＣで圧縮されるのが通常であるため、演算した圧縮機比エンタルピ差ΔｈＣＯＭＰを用いて、吐出エンタルピｈｄを決定しても吐出エントロピＳｄが不明であるため、吐出圧力Ｐｄを決定することはできない。そこで、式２のように圧縮機比エンタルピ差ΔｈＣＯＭＰを断熱効率ηＣで補正する。
【００３２】
【数２】
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【００３３】
そして圧縮機比エンタルピ差ΔｈＣＯＭＰや完全断熱圧縮としたときの理論圧縮機比エンタルピ差ΔｈＣＯＭＰ（ｔｈｅｏ）を演算して、式３のように理論吐出エンタルピｈｄ（ｔｈｅｏ）を決定し、決定した理論吐出エンタルピｈｄ（ｔｈｅｏ）と吸入エンタルピＳＳを用いて吐出圧力Ｐｄ（ＭＰａ）を決定する。このとき、例えば、図８に示すような対応図を用いてもよい。
【００３４】
【数３】
2010002090.tif 000005
【００３５】
上記のような推定方法により吐出圧力を推定する吐出圧力推定手段２８を備えることによって、吸入圧力ＰＳ、吸入密度ｄＳ、吸入比エンタルピｈＳ、および吸入エントロピＳＳなどの状態量や機械効率ηｍを新たに決定する必要があるが、いずれも２つ以下の物理量により一義的に決定することができ、吐出圧力Ｐｄについても理論吐出エンタルピｈｄ（ｔｈｅｏ）と吸入エンタルピＳＳの２つの物理量により一義的に決定することができる。
【００３６】
そのため、従来技術に記載のような４つの物理量や運転状態を示す変数より一義的に吐出圧力を決定する吐出圧力推定手段と比べて、必要とするデータ量を大幅に低減すること
ができる。このようにすることによって、精度を損なうことなく吐出圧力を推定することができるため、必要とするデータ量を低減することを可能とし、それらのデータを保存する制御用マイコンやＲＯＭを小容量化することができる。
【００３７】
本実施の形態によれば、上記の構成により、高圧側で超臨界状態となり得る冷媒を用いる冷凍サイクル装置において、圧縮機回転数、電源電流および外気温度などの冷凍サイクルの運転状態を用いて比エンタルピ差ΔｈＣＯＭＰを演算して吐出圧力を推定することによって、推定に用いるデータ量を低減しながらも高い精度で吐出圧力を推定し、吐出圧力の推定に用いるデータなどを保存する制御用マイコンまたはＲＯＭの小容量化を実現できるという効果を奏する。
【００３８】
なお、電圧検出手段や圧縮機吸入温度検出手段など各種検出手段を備えない場合は、各々を一定値として吐出圧力を推定するものとする。例えば、電圧検出手段を備えない場合においては、冷凍サイクル装置が使用される環境を想定して電圧値を２００Ｖなどと設定として推定を行う。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、圧力スイッチや吐出圧力検出手段などを含む冷媒回路からの冷媒漏洩の危険性を回避できるという効果も有し、ヒートポンプ給湯機や車両用空調装置の省エネルギー化および安全な運転に対して有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の構成図
【図２】同吐出圧力演算方法の概念図
【図３】同蒸発器温度ＴＥＩと吸入圧力ＰＳの物性対応図
【図４】同吸入圧力ＰＳおよび吸入温度ＴＳと吸入密度ｄＳの物性対応図
【図５】同吸入圧力ＰＳおよび吸入温度ＴＳと吸入比エンタルピｈＳの物性対応図
【図６】同吸入圧力ＰＳおよび吸入温度ＴＳと吸入エントロピＳＳの物性対応図
【図７】同圧縮機機械効率ｈＣの外気温度特性図
【図８】同理論吐出エンタルピｈｄ（ｔｈｅｏ）および吸入エントロピＳＳと吐出圧力Ｐｄの物性対応図
【図９】従来のヒートポンプ給湯機搭載の冷凍サイクル装置の構成図
【符号の説明】
【００４１】
１  圧縮機
２  放熱器
３  膨張弁
４  蒸発器
５  冷媒回路
２１  蒸発器入口温度検出手段
２２  圧縮機吸入温度検出手段
２３  外気温度検出手段
２４  吸入圧力演算手段
２５  圧縮機回転数検出手段
２６  電圧検出手段
２７  電流検出手段
２８  吐出圧力推定手段
【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】
2010002090.tif 000010
【図６】
2010002090.tif 000011
【図７】
2010002090.tif 000012
【図８】
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【図９】
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