(57)【要約】【課題】臨界圧力を超えた状態で冷媒を使用するヒ−トポンプ装置において、コスト増加を招くことなく、安定した冷凍サイクルを実現することで、使用性の高いヒ−トポンプ装置を提供すること。【解決手段】圧縮機１、放熱器２、減圧手段３、蒸発器４を順次接続して構成された冷媒回路と、前記蒸発器４の能力を調整する吸熱量変化手段１１と、前記蒸発器４に供給される空気の温度を検出する温度検知手段１４とを備え、前記温度検出手段１４の検出値が、使用されている冷媒の臨界圧力に相当する温度近傍に達する、または、それを超えると、前記吸熱量変化手段１１により前記蒸発器４内の圧力を減少させる構成としたもので、臨界圧力を超えた状態で冷媒を使用するヒ−トポンプ装置において、コスト増加を招くことなく、安定した冷凍サイクルを実現することで、使用性の高いヒ−トポンプ装置を提供できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、放熱器、減圧手段、蒸発器を順次接続して構成された冷媒回路と、前記蒸発器の能力を調整する吸熱量変化手段と、前記蒸発器に供給される空気の温度を検出する温度検知手段とを備え、前記温度検出手段の検出値が、使用されている冷媒の臨界圧力に相当する温度近傍に達する、または、それを超えると、前記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構成としたヒ−トポンプ装置の制御方法。
【請求項２】
蒸発器に外気を供給するファンを備え、前記ファンの回転速度を通常運転より減少させる、または、前記ファンを停止させることで、蒸発器内の圧力を減少させる構成とした請求項１記載のヒ−トポンプ装置の制御方法。
【請求項３】
冷媒は二酸化炭素であることを特徴とする請求項１または２項に記載のヒ−トポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、臨界圧力を超えた範囲で使用するヒ−トポンプ装置の制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術として、ヒ−トポンプ装置は、図５に示すような、圧縮機１、放熱（凝縮）器２、減圧手段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−トポンプ装置のモリエル線図は、図６に示すようになる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特表平３−５０３２０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、日本での過負荷条件（外気温度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、減圧手段の絞り開度、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。
【０００４】
更に、前記減圧手段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、設計圧力の増大に至り、ひいては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、また安全保護装置として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。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、臨界圧力を超えた状態で冷媒を使用するヒ−トポンプ装置において、コスト増加を招くことなく、安定した冷凍サイクルを実現することで、使用性の高いヒ−トポンプ装置の制御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】
上記課題を解決するために本発明のヒ−トポンプ装置の制御方法は、圧縮機、放熱器、減圧手段、蒸発器を順次接続して構成された冷媒回路と、前記蒸発器の能力を調整する吸熱量変化手段と、前記蒸発器に供給される空気の温度を検出する温度検知手段とを備え、前記温度検出手段の検出値が、使用されている冷媒の臨界圧力に相当する温度近傍に達する、または、それを超えると、前記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構成としたもので、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。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、臨界圧力を超えた状態で冷媒を使用するヒ−トポンプ装置において、コスト増加を招くことなく、安定した冷凍サイクルを実現することで、使用性の高いヒ−
トポンプ装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
第１の発明は、圧縮機、放熱器、減圧手段、蒸発器を順次接続して構成された冷媒回路と、前記蒸発器の能力を調整する吸熱量変化手段と、前記蒸発器に供給される空気の温度を検出する温度検知手段とを備え、前記温度検出手段の検出値が、使用されている冷媒の臨界圧力に相当する温度近傍に達する、または、それを超えると、前記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構成としたヒ−トポンプ装置の制御方法で、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】
吸熱量変化手段は、室外機の設置状態により蒸発器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。
【００１０】
また蒸発器に供給される空気の温度（外気温度）を検出することにより、蒸発器の圧力を相関的に検出すること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、蒸発器に配設された熱交換器温度センサ）等の複雑な構造及びシ−ル機能を有しない安価な外気温度センサで、低圧側の圧力を推定することができる。
【００１１】
第２の発明は、特に第１の発明において、蒸発器に外気を供給するファンを備え、前記ファンの回転速度を通常運転より減少させる、または、前記ファンを停止させることで、蒸発器内の圧力を減少させる構成としたもので、また、蒸発器の空気吸い込み側で常時外気温度センサによる検知を行い、蒸発圧力を推定している為、過渡的な冷媒流動変動による蒸発圧力の変化に誤差を生じさせること無く、過負荷条件下での蒸発圧力の上昇を抑制することができる。
【００１２】
第３の発明は、特に第１または第２の発明において、冷媒は二酸化炭素であることを特徴とするもので、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。
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、第１の実施の形態におけるヒ−トポンプ装置を示したものである。本実施の形態のヒ−トポンプ装置は、圧縮機１、放熱（凝縮）器２、減圧手段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た冷媒回路を備え、冷媒として二酸化炭素を使用している。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。
【００１５】
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。減圧手段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−チュ−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、この減圧手段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。
【００１６】
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では減圧手段出口〜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、減圧手段の絞り開度、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。
【００１７】
更に、前記減圧手段３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、また安全保護装置として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。
【００１８】
このような課題を解決する為に、本発明は減圧手段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−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。
【００１９】
前記吸熱量変化手段は、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。
【００２０】
図３は、本実施の形態におけるヒ−トポンプ装置を流れる冷媒状態を示したものである。図５の圧力検出手段１２として、低圧側ヒ−トポンプ装置の蒸発器吸い込み空気側に外気温度検出手段１４を設ける構成としている。本実施の形態におけるヒ−トポンプ装置は、蒸発器４に外気を供給し、減圧手段３通過後の冷媒を蒸発させる構成としている。
【００２１】
これによれば、外気温度（蒸発器４の吸い込み空気の温度）を検出し、蒸発圧力を相関的に推定可能となる為、圧力検出手段（圧力スイッチ、圧力センサ、蒸発器に配設された熱交換器温度センサ）等の複雑な構造及びシ−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。
【００２２】
ここで本実施の形態の作用を図３及び図４を用いて説明する。図３は、ヒ−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４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３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（凝縮）器２の入口から減圧手段入口３−ａまで臨界圧力域の冷媒状態となり、減圧手段３により気液２相の冷媒状態１６−ｂとなり、蒸発器４により冷媒は蒸発し,放熱器４を出た後、冷媒は気相域１６−ｃとなり圧縮機１に吸引されるため、外気温度検出手段１４により、蒸発器空気吸い込み側の外気温度を検出することにより、外気温度と相関的に低圧側圧力を推定することが可能である。
【００２３】
しかし、図４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蒸発圧力検出手段１２では、冷媒気相（過熱）域での圧力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、蒸発器４の空気吸い込み側に温度検出手段１４を設け、外気温度変化に応じた冷媒状態を推定し、外気温度に対して蒸発器のファン速度を変化させることにより、過負荷における冷凍サイクル安定運転状態や圧縮機起動等の過渡運転時での冷凍サイクル不安定状態を圧力センサや熱交換器温度センサで検知状態が不安定に認識することなく、吸い込み側空気の外気温度と気液二相域冷媒状態における相関特性により蒸発圧力を推定することが可能となる。
【００２４】
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、外気温度検出手段１３により低圧側ヒ−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−トポンプ装置の圧力を減少させることが可能である。
【００２５】
なお、本実施の形態に示したように、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、室内空調よう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。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−タが設置されていても、本実施の形態の効果は同様に得られる。また、減圧手段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、得策ではないことを付記する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるヒ−トポンプ装置の冷凍サイクル図
【図２】同ヒ−トポンプ装置の運転動作の説明図（モリエル線図）
【図３】同ヒ−トポンプ装置の冷媒状態説明図（標準負荷・定格運転時）
【図４】同ヒ−トポンプ装置の冷媒状態説明図（過負荷条件・定格運転時）
【図５】従来のヒ−トポンプ装置の冷凍サイクル図
【図６】従来の実施の形態における運転動作の説明図（モリエル線図）
【符号の説明】
【００２７】
１    圧縮機
２    放熱器
３  減圧手段
３−ａ  減圧手段入口
３−ｂ  減圧手段出口
４  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−タ−ポンプ）
８  水配管
１０  マイクロコンピュ−タ（制御部）
１１  蒸発器側ファン
１２  圧力検出手段
１３  熱交換器（蒸発器）温度検出センサ
１４  外気温度検出手段（センサ）
１５  放熱器側ファン
１６  管内冷媒状態（二酸化炭素）
１６−ａ  臨界圧力域の冷媒状態
１６−ｂ  気液二相域の冷媒状態
１６−ｃ  気相（過熱）域の冷媒状態
【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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【図６】
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