(57)【要約】【課題】運転中に、簡単に、効果的にガス欠判定や、オーバーチャージ判定を行うことができる冷凍システムを提供する。【解決手段】圧縮機２、蒸発器３、および電動膨張弁５を備えた熱源側ユニット１と、ガスクーラ１１を備えた給湯ユニット１０とを、ユニット間配管１７で接続し、この冷凍サイクル内には、運転中に高圧側が超臨界圧力となる冷媒を封入したヒートポンプ装置において、高圧側の冷媒温度を測定する温度測定手段２０と、運転中の高圧側圧力を、蒸発器３の出口温度、出口圧力、および給水温度のパラメータにより設定される目標高圧側圧力と一致させるように、電動膨張弁５の弁開度を制御する制御手段２３と、この制御手段２３により電動膨張弁５の弁開度を絞った場合、温度測定手段２０により測定された高圧側の温度が所定の温度を越えて上昇したとき、冷媒のガス欠状態が発生したと判定する判定手段２３とを備えたことを特徴とする。【選択図】      図１
2004360952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、蒸発器、電動膨張弁およびガスクーラを備え、この冷凍サイクル内には、運転中に高圧側が超臨界圧力となる冷媒を封入したヒートポンプ装置において、
高圧側の冷媒温度を測定する温度測定手段と、
運転中の高圧側圧力を、目標高圧側圧力と一致させるように、電動膨張弁の弁開度を制御する制御手段と、
この制御手段により電動膨張弁の弁開度を絞った場合、温度測定手段により測定された高圧側の温度が所定の温度を越えて上昇したとき、冷媒のガス欠状態が発生したと判定する判定手段と
を備えたことを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項２】
圧縮機、蒸発器、電動膨張弁およびガスクーラを備え、この冷凍サイクル内には、運転中に高圧側が超臨界圧力となる冷媒を封入したヒートポンプ装置において、
高圧側の冷媒温度を測定する温度測定手段と、
運転中の高圧側圧力を、目標高圧側圧力と一致させるように、電動膨張弁の弁開度を制御する制御手段と、
この制御手段により電動膨張弁の弁開度を開いた場合、運転中の高圧側圧力が低下し、温度測定手段により測定された高圧側の温度が所定の温度を越えて下降したとき、オーバーチャージであると判定する判定手段と
を備えたことを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項３】
電動膨張弁と蒸発器との間の低圧配管に接続された冷媒貯留装置と、判定手段によりオーバーチャージであると判定された場合、この冷媒貯留装置内にガスクーラの冷媒を追い出す追い出し手段とを備えたことを特徴とする請求項２記載のヒートポンプ装置。
【請求項４】
追い出し手段が、冷媒貯留装置とガスクーラとを接続するバイパス管と、このバイパス管に接続された開閉弁とを備えて構成されていることを特徴とする請求項２又は３記載のヒートポンプ装置。
【請求項５】
圧縮機、蒸発器、および電動膨張弁を備えた熱源側ユニットと、ガスクーラを備えた給湯ユニットとを有し、両ユニットをユニット間配管で接続したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載のヒートポンプ装置。
【請求項６】
給湯用機器に用いられることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載のヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍サイクル内に、運転中に高圧側が超臨界圧力となる冷媒を封入したヒートポンプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、圧縮機、蒸発器、および電動膨張弁を備えた熱源側ユニットと、ガスクーラを備えた給湯ユニットとを、ユニット間配管で接続したヒートポンプ装置（例えば、給湯用機器）が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
この種のものでは、運転中に冷媒不足が発生したか否かを判定するガス欠判定手段や、冷凍サイクル内の冷媒量が、オーバーチャージであるか否かを判定する判定手段を備えたものが提案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２３４８１１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来から提案されているガス欠判定手段や、オーバーチャージ判定手段は、いわゆる相変化する冷媒を対象としたガス欠判定手段であり、運転中に高圧側が超臨界圧力となる、いわゆる相変化しない冷媒を対象とした判定手段ではなく、このような判定手段では、運転中に高圧側が超臨界圧力となる冷媒のガス欠判定や、オーバーチャージ判定を、簡単に、しかも効果的に行うことができないという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、運転中に、簡単に、効果的にガス欠判定や、オーバーチャージ判定を行うことができる冷凍システムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、圧縮機、蒸発器、電動膨張弁およびガスクーラを備え、この冷凍サイクル内には、運転中に高圧側が超臨界圧力となる冷媒を封入したヒートポンプ装置において、高圧側の冷媒温度を測定する温度測定手段と、運転中の高圧側圧力を、目標高圧側圧力と一致させるように、電動膨張弁の弁開度を制御する制御手段と、この制御手段により電動膨張弁の弁開度を絞った場合、温度測定手段により測定された高圧側の温度が所定の温度を越えて上昇したとき、冷媒のガス欠状態が発生したと判定する判定手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の発明は、圧縮機、蒸発器、電動膨張弁およびガスクーラを備え、この冷凍サイクル内には、運転中に高圧側が超臨界圧力となる冷媒を封入したヒートポンプ装置において、高圧側の冷媒温度を測定する温度測定手段と、運転中の高圧側圧力を、目標高圧側圧力と一致させるように、電動膨張弁の弁開度を制御する制御手段と、この制御手段により電動膨張弁の弁開度を開いた場合、運転中の高圧側圧力が低下し、温度測定手段により測定された高圧側の温度が所定の温度を越えて下降したとき、オーバーチャージであると判定する判定手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項３記載の発明は、請求項２記載のものにおいて、電動膨張弁と蒸発器との間の低圧配管に接続された冷媒貯留装置と、判定手段によりオーバーチャージであると判定された場合、この冷媒貯留装置内にガスクーラの冷媒を追い出す追い出し手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載のものにおいて、追い出し手段が、冷媒貯留装置とガスクーラとを接続するバイパス管と、このバイパス管に接続された開閉弁とを備えて構成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項記載のものにおいて、圧縮機、蒸発器、および電動膨張弁を備えた熱源側ユニットと、ガスクーラを備えた給湯ユニットとを有し、両ユニットをユニット間配管で接続したことを特徴とする。
【００１２】
請求項６記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項記載のものにおいて、給湯用機器に用いられることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態を示す冷媒回路図である。この冷凍装置３０は、圧縮機２、アキュムレータ４、蒸発器３、室外膨張弁５を備えた熱源側ユニット１と、ガスクーラ１１、貯湯タンク１３、循環ポンプ１５を備えた給湯ユニット（利用側ユニット）１０とを有し、これらをガス管３１、及び液管３３からなるユニット間配管１７で接続して構成されている。
【００１５】
貯湯ユニット１０では、ガスクーラ１１の一端がガス管３１に接続され、ガスクーラ１１の他端が液管３３に接続されている。
【００１６】
このガスクーラ１１には、水配管１６が接続され、この水配管１６には、循環ポンプ１５を介して、貯湯タンク１３が接続されている。
【００１７】
上記構成では、熱源側ユニット１、給湯ユニット１０からなる冷凍サイクル内に、配管接続後の冷媒チャージフリーを念頭においた、適正量の二酸化炭素冷媒が封入されている。すなわち、この冷凍サイクル内には、ユニット間配管１７の施工時における、予定される最大の配管長から、予定される最小の配管長までのいずれの配管長のユニット間配管１７が使用されたとしても、配管接続後に冷媒チャージの必要がないチャージフリーを念頭においた、適正量の二酸化炭素冷媒が封入されている。具体的には、ユニット間配管１７の配管長の内、予定される最長の配管長に対応した量の冷媒がチャージされており、いわゆる最大の配管長のユニット間配管１７で施工した場合以外は、余剰となった液冷媒が、アキュムレータ（冷媒貯留装置）４内に貯留される。
【００１８】
このアキュムレータ４の容量は、熱源側ユニット１と給湯ユニット１０とを、最長配管長のユニット間配管１７で接続した場合に必要な冷媒量と、最小配管長のユニット間配管１７で接続した場合に必要な冷媒量との差分に相当する冷媒量を保有できる容量以上に設定されている。
【００１９】
実際には、工場出荷の段階で、ユニット間配管１７の配管長の内、予定される最長の配管長に対応した量の冷媒が、予め、熱源側ユニット１内にチャージされており、現場では、この熱源側ユニット１と、給湯ユニット１０とを、ユニット間配管１７で接続して構成されている。
【００２０】
つぎに、冷凍装置３０の動作を説明する。
【００２１】
給湯ユニット１０では、圧縮機２の吐出冷媒が、ガス管３１を通じてガスクーラ１１に導かれ、このガスクーラ１１で、水配管１６を通る水が加熱されて、高温となった水が貯湯タンク１３に貯えられる。
【００２２】
二酸化炭素冷媒が使用され、高圧の高い超臨界サイクルとなるため、ガスクーラ１１での利用側温度を高く設定することが可能になり、ここに貯えられた湯は、約８０℃以上の高温になる。この貯湯タンク１３に貯えられた湯は、図示を省略した配管を介して各種設備へ送られる。
【００２３】
二酸化炭素冷媒が封入された場合、図２のエンタルピ・圧力（ｐｓ）線図に示すように、高圧ガス管１１内は運転中に超臨界圧力で運転される。高圧ガス管１１内が、超臨界圧力で運転される冷媒には、二酸化炭素冷媒のほかに、例えばエチレン、ディボラン、エタン、酸化窒素等が挙げられる。
【００２４】
図２において、圧縮機出口は状態Ａ、ガスクーラ１１入口は状態Ｂで示される。冷媒は、ガスクーラ１１を通って循環し、そこで状態Ｃまで冷却され、熱を水に放出する。ついで、冷媒は、室外膨張弁５での圧力低下により、状態Ｄに至り、ここではガス／液体の２相混合体が形成される。冷媒は、蒸発器３において、液相の蒸発により熱を吸収する。状態Ｅは、蒸発器出口の状態であり、ガス相の冷媒は、ここから圧縮機２の吸込管に向かう。
【００２５】
上記超臨界サイクルにおいて、圧縮機２から吐出される高圧単相ガス冷媒は、凝縮されないが、ガスクーラ１１において温度低下が起こる。ガスクーラ１１における冷媒の最終温度は、水の温度よりも数度高い。そして、高圧ガスはガスクーラ１１で、数度低い状態Ｃまで冷却される。
【００２６】
ＣＯ２冷媒を用いた冷凍システムでは、図３のエントロピ・圧力（ｐｉ）線図に示すように、成績係数εを最大とするための高圧圧力（目標高圧圧力）が、圧縮機２の吸込状態（点ａ）、及び等温線ｃの条件から設定される。すなわち、ガスクーラ１１における水の温度が高くなると、成績係数εは、圧縮圧力Ｐ２がある値の所で最大になる。圧縮機２の吸込状態ａ、および水温度ｔｃが与えられた場合（点ａでのエントロピｉａは一定）、成績係数εを極大とするための圧縮圧力Ｐ２の値は、以下のように求められる。成績係数εの式
【００２７】
【数１】
2004360952.tif 000003
【００２８】
をＰ２で微分すれば、ｉａは不変であるから
【００２９】
【数２】
2004360952.tif 000004
【００３０】
従って、成績係数εが極大になるための条件式は
【００３１】
【数３】
2004360952.tif 000005
【００３２】
このサイクルを、図３に示すように、ａｂｃｄとすれば、
【００３３】
【数４】
2004360952.tif 000006
【００３４】
は等温線ｔｃの点ｃにおける接線の傾斜を表し、
【００３５】
【数５】
2004360952.tif 000007
【００３６】
は点ａを通る等エントロピ線の点ｂにおける接線の傾斜を表す。これらの２接線と点ａを通る水平線との交点をｈおよびｊとすれば、
【００３７】
【数６】
2004360952.tif 000008
【００３８】
ゆえに式（１）の条件は、
【００３９】
【数７】
2004360952.tif 000009
【００４０】
すなわち
【００４１】
【数８】
2004360952.tif 000010
【００４２】
この条件は点ｂおよびｃを通る接線は点ａを通る垂直線上の同一点ｅにおいて相交わることを示している。この条件を満足するように点ｂ或いは点ｃの位置を定めれば、成績係数εは最大になる。等エントロピ線の曲率ははなはだ小さいから、第一次近似としてはこの線を直線と仮定し、従って、点ｊをａに一致させると、式（２）により点ｈも点ａに一致する。ゆえに点ａよりｔｃなる等温線に接線を引き接点をｃ１とすると、ｃ１に相当する圧力が第一次近似のＰ２の値になる。第二次近似をするには、ｃ１より水平線を引き等エントロピ線との交点をｂ１とし、ｂ１よりそれに接線を引いてａを通る垂直線との交点よりｔｃなる等温線に接線を引き、その接点に相当する圧力が第二次近似のＰ２の値になる。これを数回繰り返すと、最後に正しいｃ点およびｂ点の位置が定まり、もっとも成績のよい冷凍サイクルが定まる。
【００４３】
ここで、図３の点ａは、冷媒の温度、圧力により定まり、等温線ｃは、ガスクーラ１１を循環する給水温度＋α℃（例えば、５℃程度）により定まる。従って、目標高圧圧力は、蒸発器３の出口温度と圧力、並びに給水温度のパラメータにより設定される。
【００４４】
圧縮機２の吐出側には、図１に示すように、高圧側の冷媒温度を測定する温度センサ（温度測定手段）２０と、高圧側の冷媒圧力を測定する圧力センサ（圧力測定手段）２１とが設けられる。
【００４５】
この圧力センサ２１からの圧力信号は、コントローラ（制御手段）２３に送られ、このコントローラ２３は、運転中の高圧側圧力を、上述した蒸発器３の出口温度、出口圧力、およびガスクーラ１１での給水温度のパラメータにより設定される目標高圧側圧力と一致させるように、室外膨張弁（電動膨張弁）５の弁開度を制御する。例えば、運転中の高圧側圧力を、目標高圧側圧力に上昇させる場合には、室外膨張弁５の弁開度を絞る。
【００４６】
ところで、アキュムレータ（冷媒貯留装置）４内に液冷媒が貯留されていない場合、この室外膨張弁５の弁開度を絞っても、運転中の高圧側圧力は上昇に転じず、高圧側の冷媒温度（吐出温度）が異常上昇する。この現象は、いわゆる冷媒不足、すなわちガス欠である。
【００４７】
本実施形態では、コントローラ２３により室外膨張弁５の弁開度を制御した場合、温度センサ２０により測定された高圧側の温度が、予め設定された所定の温度を越えたときに、上記コントローラ（判定手段）２３によって、冷凍サイクル内に冷媒ガス欠状態が発生したと判定される。
【００４８】
これに対し、冷凍サイクル内が、オーバーチャージ気味の場合、運転中の高圧側圧力は、目標高圧側圧力よりも高くなる。
【００４９】
この場合、本実施形態では、ガスクーラ１１から冷媒を抜いて、運転中の高圧側圧力を、目標高圧側圧力に降下させるために、室外膨張弁５の弁開度が開かれる。この室外膨張弁５の弁開度を開くことにより、運転中の高圧側圧力が低下し、しかも、温度センサ２０による冷媒の吐出温度が正常であれば、コントローラ（判定手段）２３によって、冷媒量が、オーバーチャージではなく、ほぼ規定量であると判定される。冷凍サイクル内が、異常なオーバーチャージ、例えば、アキュムレータ４からオーバーフローする程度にオーバーチャージである場合、圧縮機２に液バックする冷媒量が多くなり、温度センサ２０により測定される圧縮機２の吐出温度が異常低下する。
【００５０】
この場合、コントローラ（判定手段）２３によって、異常なオーバーチャージであると判定される。
【００５１】
図４は、別の実施形態を示す。
【００５２】
この実施形態では、電動膨張弁５と蒸発器３との間の低圧配管に冷媒貯留装置５０が接続され、この冷媒貯留装置５０とガスクーラ１１とを接続するバイパス管５２が設けられ、このバイパス管５２に開閉弁５４が接続される。そして、コントローラ（判定手段）２３によって、冷凍サイクル内が、異常なオーバーチャージであると判定された場合、開閉弁５４が開かれ、この冷媒貯留装置５０内にガスクーラ１１の冷媒が追い出される。
【００５３】
これによれば、圧縮機２に液バックする冷媒量が少なくなり、異常なオーバーチャージによる弊害が抑制される。
【００５４】
以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。
【００５５】
【発明の効果】
本発明では、従来のものに比べ、簡単に、効果的にガス欠判定や、オーバーチャージ判定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る冷凍装置の一実施の形態を示す冷媒回路図である。
【図２】超臨界サイクルのエンタルピ・圧力線図である。
【図３】超臨界サイクルのエントロピ・圧力線図である。
【図４】別の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１  熱源側ユニット
２  圧縮機
３  蒸発器
１０  給湯ユニット
１１  ガスクーラ
２０  温度センサ（温度測定手段）
２１  圧力センサ（圧力測定手段）
２３  コントローラ（制御手段）
５０  冷媒貯留装置
５２  バイパス管
５４  開閉弁
【図１】
2004360952.tif 000011
【図２】
2004360952.tif 000012
【図３】
2004360952.tif 000013
【図４】
2004360952.tif 000014