【手続補正書】
【提出日】平成16年9月1日(2004.9.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】  明細書
【発明の名称】  ヒートポンプ装置の制御方法およびそれを用いたヒートポンプ装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】  圧縮機、放熱器、減圧装置、蒸発器を冷媒配管によって環状に接続して構成されるヒートポンプ装置において、前記減圧装置出口から前記圧縮機までの間に圧力検出手段を具備し、前記圧力検出手段が冷媒の臨界圧力に近づくまたは超えると、前記蒸発器の冷凍能力を減少させる吸熱量変化手段により前記蒸発器内の圧力を減少させるヒートポンプ装置の制御方法。
【請求項２】  圧縮機、放熱器、減圧装置、蒸発器を冷媒配管によって環状に接続して構成されるヒートポンプ装置において、前記減圧装置出口から前記圧縮機までの間に圧力検出手段を具備し、前記圧力検出手段が冷媒の臨界圧力に近づくまたは超えると、前記蒸発器の冷凍能力を減少させる吸熱量変化手段により前記蒸発器内の圧力を減少させるものであって、この吸熱量変化手段は、前記蒸発器のファン速度を通常運転より減少または停止させることを特徴とするヒートポンプ装置の制御方法。
【請求項３】  前記圧力検出手段として、前記冷媒配管に取りつけた温度検出手段を用いることを特徴とする請求項２記載のヒートポンプ装置の制御方法。
【請求項４】  前記温度検出手段として、前記減圧装置と前記蒸発器の中間点との間に設けた温度検出手段を用いることを特徴とする請求項３記載のヒートポンプ装置の制御方法。
【請求項５】  上記請求項１〜４のいずれか１項に記載の制御方法を用いるヒートポンプ装置。
【請求項６】  ヒートポンプ装置に使用される冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする請求項５記載のヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、臨界圧力を超えた範囲で使用するヒートポンプ装置の制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術として、ヒートポンプ装置は図７に示すような圧縮機１、放熱器（凝縮器）２、減圧装置３、蒸発器４を環状に接続して構成され、特に臨界圧力以上まで加圧される冷媒（例えば二酸化炭素）を使用した場合、このヒートポンプ装置のモリエル線図は図８となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、日本での過負荷条件（４３℃）で蒸発器が空冷式のファンによって吸込空気から吸熱する場合、図２に示すようなモリエル線図となる。つまり、蒸発器内の圧力が臨界圧力Ｐｃに近づくことにより、蒸発潜熱△ｈｅが急激に減少する。この装置の圧縮機運転回転数、減圧装置の絞り開度、放熱量が一定とした場合、この吸熱側の過負荷条件により、蒸発器の能力は著しく低下し、吐出圧力及び吐出温度等の冷凍サイクルが不安定になる。更に、前記減圧装置の弁開度が電気的に調整可能な場合、吐出温度等の急激な変化によって弁開度の増減が発生し、圧力の増減を生じる。圧力の急増は、設計圧力の増大につながり冷凍サイクル部品の耐圧強化のため多大なコストを招き、また保安用の圧力スイッチにより高圧保護制御を行っている場合、頻繁に高圧保護制御が作動し、運転できないといった問題を生じる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の本発明のヒートポンプ装置の制御方法は、圧縮機、放熱器、減圧装置、蒸発器を冷媒配管によって環状に接続して構成されるヒートポンプ装置において、前記減圧装置出口から前記圧縮機までの間に圧力検出手段を具備し、前記圧力検出手段が冷媒の臨界圧力に近づくまたは超えると、前記蒸発器の冷凍能力を減少させる吸熱量変化手段により前記蒸発器内の圧力を減少させることを特徴とする。請求項２記載の本発明のヒートポンプ装置の制御方法は、圧縮機、放熱器、減圧装置、蒸発器を冷媒配管によって環状に接続して構成されるヒートポンプ装置において、前記減圧装置出口から前記圧縮機までの間に圧力検出手段を具備し、前記圧力検出手段が冷媒の臨界圧力に近づくまたは超えると、前記蒸発器の冷凍能力を減少させる吸熱量変化手段により前記蒸発器内の圧力を減少させるものであって、この吸熱量変化手段は、前記蒸発器のファン速度を通常運転より減少または停止させることを特徴とする。
【０００５】
請求項３記載の本発明のヒートポンプ装置の制御方法は、前記圧力検出手段として、前記冷媒配管に取りつけた温度検出手段を用いることを特徴とする。
【０００６】
請求項４記載の本発明のヒートポンプ装置の制御方法は、前記温度検出手段として、前記減圧装置と前記蒸発器の中間点との間に設けた温度検出手段を用いることを特徴とする。
【０００７】
請求項５記載の本発明のヒートポンプ装置は、上記請求項１〜４のいずれか１項に記載の制御方法を用いることを特徴とする。請求項６記載の本発明のヒートポンプ装置は、前記ヒートポンプ装置に使用される冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ装置の制御方法は、圧縮機、放熱器、減圧装置、蒸発器を冷媒配管によって環状に接続して構成されるヒートポンプ装置において、前記減圧装置出口から前記圧縮機までの間に圧力検出手段を具備し、前記圧力検出手段が冷媒の臨界圧力に近づくまたは超えると、前記蒸発器の冷凍能力を減少させる吸熱量変化手段により前記蒸発器内の圧力を減少させるものである。本発明の第２の実施の形態におけるヒートポンプ装置の制御方法は、圧力検出手段が冷媒の臨界圧力に近づくまたは超えると、蒸発器の冷凍能力を減少させる吸熱量変化手段により蒸発器内の圧力を減少させるものであって、前記吸熱量変化手段は、前記蒸発器のファンの速度を通常運転より減少または停止させるものである。これらによれば、蒸発器の負荷が高い等によって発生する臨界圧力付近までの圧力上昇を未然に検知し、吸熱量を減少させることにより、蒸発器における蒸発潜熱を確保し、安定した運転が確保できる。その結果、蒸発器の負荷が高い状態でも急激な圧力上昇及び減少変化が発生せず、圧力容器や機能部品（電磁膨張弁、開閉弁等）の設計圧力低減が可能となり、信頼性確保の為のコスト増大（肉圧アップ等）を防止できる。吸熱量変化手段は、蒸発器に設けた既存部品を使用することが可能となり、機能付加によるコスト増大を防止することが可能である。
【０００９】
本発明の第３の実施の形態におけるヒートポンプ装置の制御方法は、圧力検出手段として、前記冷媒配管に取りつけた温度検出手段を用いるものである。これによれば、冷媒２相域の温度を検出することにより圧力を推定可能とする為、圧力検出手段（圧力スイッチ、圧力センサ）等の複雑な構造及びシール機能を有しない安価な温度センサで、低圧側の圧力を推定することができる。
【００１０】
本発明の第４の実施の形態におけるヒートポンプ装置の制御方法は、温度検出手段として、前記減圧装置と前記蒸発器の中間点との間に設けた温度検出手段を用いるものである。これによれば、蒸発器の負荷が過負荷条件になったり、過渡的に蒸発器内の冷媒が過熱域となっても、常時冷媒２相域であるため、精度良く圧力を推定することができる。
【００１１】
本発明の第５の実施の形態におけるヒートポンプ装置は、上記第１〜４の実施の形態におけるヒートポンプ装置の制御方法を用いるヒートポンプ装置である。これにより、様々な負荷に対して安定した冷凍サイクル制御を、コストの増大を可能な限り伴わない手段で可能とした、臨界圧力を超える冷媒を使用するヒートポンプ装置を提供できる。本発明の第６の実施の形態におけるヒートポンプ装置は、ヒートポンプ装置に使用される冷媒が、二酸化炭素である。この場合、サイクル内の圧力が冷媒の臨界圧力以上まで加圧されるが、低圧側部品を臨界圧力以下で運転することができ、急激な高圧上昇を防止することで高圧部品の設計圧力、更には耐圧部品を臨界圧力以下で運転することで低圧部品の設計圧力を各々抑制させ、圧力容器（蒸発器）や機能部品（膨張弁）のシステムコストを抑制することができる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００１３】
（第１の実施例）
図１は、第一の実施例におけるヒートポンプ装置を示したものである。本実施例のヒートポンプ装置は、圧縮機１、放熱器２、減圧装置３、蒸発器４を冷媒配管５によって環状に接続して構成され、冷媒として二酸化炭素を使用している。
【００１４】
図２は、本装置におけるモリエル線図（ｐ−ｈ線図）を示したものである。圧縮機１は、吸引した冷媒を臨界圧力Ｐｃ以上まで圧縮して吐出し、吐出された高温高圧の冷媒は、貯湯槽６内から供給された液体（水）と放熱器２を介して熱交換される。放熱器２を流れる冷媒(二酸化炭素)は圧縮機１によって臨界圧力Ｐｃ以上に加圧されている為、放熱器２を通過する液体に放熱して温度低下しても凝縮（冷媒２相域）することはない。減圧装置３は、放熱器２から流出する冷媒(二酸化炭素)を減圧する装置のことで、毛細管によるキャピラリーチューブや制御装置によって弁開度を電気的に制御する電磁式膨張弁である。冷媒(二酸化炭素)は、この減圧装置３によって冷媒２相域となるまで減圧されたのち、蒸発器４によって吸熱冷媒が蒸発気化した後、再び圧縮機１に吸引される。しかし、図２に示すように、蒸発器側の負荷が過負荷条件（空冷の場合、吸込空気温度が４３℃以上、水冷の場合、入水温度が４５℃以上）となると、蒸発器内圧力△Ｐe（図２では減圧装置出口〜蒸発器入口での圧力）が臨界圧力Ｐｃに近づくことにより、蒸発潜熱△ｈｅが急激に減少する。この装置の圧縮機運転回転数、減圧装置の絞り開度、放熱量が一定とした場合、この吸熱側の過負荷条件により、蒸発器の能力は著しく低下し、吐出圧力及び吐出温度等の冷凍サイクルが不安定になる。更に、前記減圧装置の弁開度が電気的に調整可能な場合、吐出温度等の急激な変化によって弁開度の増減が発生し、更に圧力の増減を生じる。圧力の急増は、設計圧力の増大につながり冷凍サイクル部品の耐圧強化のため多大なコストを招き、また保安用の圧力スイッチにより高圧保護制御を行っている場合、頻繁に高圧保護制御が作動し、運転できないといった問題を生じる。このような課題を解決する為に、本発明は減圧装置３出口から圧縮機１までの低圧側に圧力検出手段１２を具備し、圧力検出手段１２が使用する冷媒の臨界圧力Ｐｃに近づくまたは超えると、マイクロコンピュータ１０により蒸発器側の冷凍能力を減少させる吸熱量変化手段（図１の場合、蒸発器側ファン１１）を通常運転時より減少または停止させることにより、蒸発器４内の圧力を減少させ、定格条件に近い蒸発圧力Ｐｅ１を得ることができ、圧縮機の吐出・吸入における圧力及び温度を安定して運転させることができる。
【００１５】
なお、吸熱量変化手段は、水冷における蒸発器４側ポンプの速度を減少または停止させたり、蒸発器４の開口面積を減少させたり、吸熱負荷より低い媒体を付加（例えば、冷却水噴霧等）する付加手段も同様の効果がある。
【００１６】
（第２の実施例）
図３は、第２の実施例におけるヒートポンプ装置を示したものである。図１の圧力検出手段１２に対して、低圧側ヒートポンプ装置の冷媒配管５に温度検出手段１３を設ける構成である。これによれば、冷媒２相域の温度を検出することにより圧力を推定可能となる為、圧力検出手段（圧力スイッチ、圧力センサ）等の複雑な構造及びシール機能を有しない安価な温度センサで、低圧側の圧力を推定することができる。また、除霜用センサと共用化することでコストアップ無く安価な装置を提供することが可能となる。
【００１７】
（第３の実施例）
図４は、第３の実施例におけるヒートポンプ装置を示したものである。本発明は、温度検出手段１３が、減圧装置３と蒸発器３の中間点との間に設ける構成となる。ここで本実施例の作用を図５及び図６を用いて説明する。図５は、ヒートポンプ装置における圧縮機１等の機能部品が動作し、冷凍サイクルの各部の圧力及び温度が安定した状態を示したものであり、図６は、圧縮機１が起動した時や負荷が急変した場合の過渡的な状態を示したものである。図５より、使用される冷媒が二酸化炭素で安定した状態の場合、圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒は放熱器２の入口から減圧装置入口３−ａまで臨界圧力域の冷媒状態となり、減圧装置３により気液２相の冷媒状態１５−ｂとなり、蒸発器４により冷媒は蒸発し、蒸発器４を出た後、冷媒は気相域１５−ｃとなり圧縮機１に吸引されるため、温度検出手段１３−ａにより、気液二相域の冷媒温度を検出することにより、低圧側圧力を推定することが可能である。しかし、図６のような蒸発器側の負荷が高くなる過負荷条件では、図２で説明した通り、蒸発器４内の圧力が臨界圧力Ｐｃに近づき蒸発潜熱△Ｐｅが減少する為に、蒸発器中間点から蒸発器出口まで気相域の冷媒状態１５−ｃとなり、安定した運転状態でも温度検出手段１３−ａでは、冷媒気相（過熱）域での温度を検出することができず、正確な圧力を推定することができない。そこで、減圧装置出口３−ｂと蒸発器の中間点４−ａとの間に温度検出手段１３−ｂを設けることにより、過負荷における安定運転状態や圧縮機起動等の過渡運転時でも、気液二相域冷媒状態における温度を検出し正確な圧力を推定することが可能となる。したがって、使用する冷媒が二酸化炭素のような過負荷時に低圧側圧力が臨界圧力に近づく二酸化炭素のような冷媒でも、温度検出手段13-bにより低圧側ヒートポンプ装置の圧力を推定し、吸熱量変化手段、すなわち吸熱側ファン１１の速度を減少または停止させることにより、安定運転可能な圧力まで低圧側ヒートポンプ装置の圧力を減少させることが可能である。なお、第１〜３実施例に示したように、貯湯槽６内の液体は、給湯用に用いるだけではなく、床暖房用、室内空調用としても使用して良く、また、放熱器２の放熱手段として貯湯槽６の液体を用いず、ファン１４により放熱しても良い。
【００１８】
更に、圧縮機１の冷媒吸込側に冷媒を貯留するアキュムレータが設置されていても、第１〜３実施例の効果は同様に得られる。
【００１９】
また、減圧装置３において弁開度を電気的に制御可能な電磁式膨張弁によって、蒸発器４内の圧力を減圧することが可能であるが、その際、吐出圧力が急増するため、得策ではない。
【００２０】
【発明の効果】
上記の実施例から明らかなように、本発明は、臨界圧力を超える冷媒を使用するヒートポンプ装置において、様々な負荷に対して安定した冷凍サイクル制御をコストの増大を可能な限り伴わない手段で可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の第１の実施例におけるヒートポンプ装置の冷凍サイクル図
【図２】
本発明の第１の実施例における運転動作の説明図
【図３】
本発明の第２の実施例におけるヒートポンプ装置の冷凍サイクル図
【図４】
本発明の第３の実施例におけるヒートポンプ装置の冷凍サイクル図
【図５】
本発明の第３の実施例におけるヒートポンプ装置の標準負荷・定格運転時の冷媒状態説明図
【図６】
本発明の第３の実施例におけるヒートポンプ装置の過負荷条件・定格運転時の冷媒状態説明図
【図７】
従来の実施例におけるヒートポンプ装置の冷凍サイクル図
【図８】
従来の実施例における運転動作の説明図
【符号の説明】
１    圧縮機
２    放熱器
３    減圧装置
３−ａ  減圧装置入口
３−ｂ  減圧装置出口
４    蒸発器（蒸発器）
４−ａ  蒸発器中間点
５    冷媒配管
６    貯湯槽
７    ポンプ（ウォーターポンプ）
８    水配管
１０  マイクロコンピュータ（制御部）
１１  蒸発器側ファン
１２  圧力検出手段
１３  温度検出手段（センサ）
１３−ａ  温度検出手段（請求項２の手段）
１３−ｂ  温度検出手段（請求項３の手段）
１４    放熱器側ファン
１５    管内冷媒状態（二酸化炭素）
１５−ａ  臨界圧力域の冷媒状態
１５−ｂ  気液二相域の冷媒状態
１５−ｃ  気相（過熱）域の冷媒状態