(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮して吐出する複数の圧縮機と、
圧縮機からの冷媒を凝縮する第１の熱交換器と、
第１の熱交換器によって凝縮された冷媒の流量を調節する流量調節弁と、
流量調節弁を通過した冷媒を減圧する開度調節可能な膨張弁と、
膨張弁によって減圧された冷媒を用いて温度調節対象を冷却する第２の熱交換器と、
第２の熱交換器に流入する冷媒の温度と第２の熱交換器から流出する冷媒の温度との間の温度差に基づいて膨張弁の開度を制御するとともに、圧縮機の運転台数および回転数に応じて流量調節弁の開度を制御する制御装置と、を有するヒートポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、凝縮器（第１の熱交換器）と蒸発器（第２の熱交換器）との間の冷媒流路に、冷媒の流量を調節するために開度の調節が可能な膨張弁を備えるヒートポンプが知られている。例えば、特許文献１に記載されたヒートポンプは、温度式自動膨張弁を備える。温度式自動膨張弁は、圧縮機に入る直前の冷媒の温度（過熱度）に基づいてその開度を調節する。これにより、膨張弁を通過する冷媒の流量が一定に維持されている。また、特許文献１は、温度式自動膨張弁を電子制御の膨張弁に置換可能なことも開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−２０７４９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、多数の蒸発器を接続するヒートポンプの場合、定格容量を基準に凝縮器出口側経路の流量係数を設定すると部分負荷運転時に流量抵抗が小さいために凝縮器での滞留時間が不足して冷媒の凝縮作用が低下するという問題がある。
【０００５】
ところが、特許文献１に記載されたヒートポンプの場合、蒸発器が必要とする冷媒流量の変化に応じて圧縮機の吐出流量が変化した場合（圧縮機の回転数が変化しても）、膨張弁の開度を制御して凝縮器出口側経路の流量係数を冷媒流量に見合った値に調整する構成を開示していない。
【０００６】
そこで、本発明は、ヒートポンプにおいて、蒸発器が必要とする冷媒流量が変化したときに、凝縮器出口側経路の流量係数を冷媒流量に見合った値に調整することで最適な凝縮圧力を保ち冷媒の凝縮作用を向上することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記技術的課題を解決するために、本発明の一態様によれば、
冷媒を圧縮して吐出する複数の圧縮機と、
圧縮機からの冷媒を凝縮する第１の熱交換器と、
第１の熱交換器によって凝縮された冷媒の流量を調節する流量調節弁と、
流量調節弁を通過した冷媒を減圧する開度調節可能な膨張弁と、
膨張弁によって減圧された冷媒を用いて温度調節対象を冷却する第２の熱交換器と、
第２の熱交換器に流入する冷媒の温度と第２の熱交換器から流出する冷媒の温度との間の温度差に基づいて膨張弁の開度を制御するとともに、圧縮機の運転台数および回転数に応じて流量調節弁の開度を制御する制御装置と、を有するヒートポンプが提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ヒートポンプにおいて、蒸発器が必要とする冷媒流量が変化したときに、凝縮器出口側経路の流量係数を冷媒流量に見合った値に調整することで最適な凝縮圧力を保ち冷媒の凝縮作用を向上できる。また、運転条件により凝縮器の過冷却度調整が可能となり、冷凍サイクルの効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施の形態に係るヒートポンプの構成を示す回路図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
図１は、本発明の一実施の形態に係るヒートポンプの構成を示す回路図である。本実施の形態の場合、ヒートポンプは、空気調和機に組み込まれているヒートポンプである。図１において、実線は、冷媒が流れる冷媒流路（冷媒管）を示している。また、図１に示す回路図では、説明を簡略化するために、フィルタなどのヒートポンプの構成要素が省略されている。
【００１２】
図１に示すように、ヒートポンプ１０は、外気と熱交換を行う室外機１２と、室内空気と熱交換を行う少なくとも一基の室内機１４とを有する。なお、本実施の形態の場合、ヒートポンプ１０は二基の室内機１４を有する。
【００１３】
室外機１２は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機１６と、冷媒と外気との熱交換を行う熱交換器（第１の熱交換器）１８と、四方弁２０とを有する。一方、室内機１４は、冷媒と室内空気との熱交換を行う熱交換器２２を有する。
【００１４】
圧縮機１６は、ガスエンジン２４によって駆動される。本実施の形態の場合、二基の圧縮機１６と一基のガスエンジン２４とが室外機１２に搭載されている。また、一基のガスエンジン２４によって圧縮機１６の少なくとも一方が選択的に駆動される。なお、圧縮機１６を駆動する駆動源は、ガスエンジン２４に限らず、例えばモータやガソリンエンジンなどであってもよい。
【００１５】
圧縮機１６の吐出ポート１６ａから吐出された高温・高圧のガス状冷媒は、四方弁２０によって室外機１２の熱交換器１８または室内機１４の熱交換器２２に向けられる。暖房運転の場合、圧縮機１６から吐出されたガス状冷媒は、室内機１４の熱交換器２２に送られる。一方、冷房運転の場合、ガス状冷媒は室外機１２の熱交換器１８に送られる。
【００１６】
圧縮機１６の吐出経路上、すなわち圧縮機１６の吐出ポート１６ａと四方弁２０との間の冷媒流路上には、冷媒に含まれるオイルを分離するオイルセパレータ３０が設けられている。
【００１７】
暖房運転の場合、圧縮機１６から吐出されて四方弁２０（実線）を通過した高温・高圧のガス状冷媒は、少なくとも一基の室内機１４の熱交換器２２で室内空気（温度調節対象）と熱交換を行う。すなわち、熱交換器２２を介して、冷媒から室内空気に熱が移動する。その結果、冷媒は、低温・高圧の液状態にされる。
【００１８】
なお、室内機１４それぞれは、開度調節可能な膨張弁３２を備える。膨張弁３２は、冷媒流路上において、室内機１４の熱交換器２２と室外機１２の熱交換器１８との間に位置するように、室内機１４に設けられている。膨張弁３２が開弁状態のとき、冷媒は室内機１４の熱交換器２２を通過することができる。室内機１４が停止しているとき、膨張弁３２は閉じている。
【００１９】
レシーバ３４が室外機１２に設けられている。暖房運転時、レシーバ３４は、室内機１４の熱交換器２２で室内空気と熱交換を行った後の低温・高圧の液状冷媒を一時的に蓄えるバッファタンクである。室内機１４の熱交換器２２から流出した液状冷媒は、逆止弁３６を通過してレシーバ３４内に流入する。
【００２０】
暖房運転時、レシーバ３４内の低温・高圧の液状冷媒は、室外機１２の熱交換器１８に送られる。レシーバ３４と熱交換器１８との間の冷媒流路には、逆止弁３８と膨張弁４０とが設けられている。膨張弁４０は、開度調節可能な膨張弁である。暖房運転時において、膨張弁４０は圧縮機１６の吸入ポート１６ｂの冷媒過熱度が所定温度以上となるように開度を制御する。なお、吸入ポート１６ｂの冷媒過熱度は、圧力センサ６８で検出した圧力に対応する飽和蒸気温度と例えば、温度センサ６６で検出する冷媒温度との温度差のことであり、検出する冷媒温度が飽和蒸気温度よりも所定温度(例えば、５℃)以上となるように制御する。レシーバ３４から流出した低温・高圧の液状冷媒は、膨張弁４０によって膨張され（減圧され）、低温・低圧の液状態（霧状態）にされる。
【００２１】
暖房運転時、膨張弁４０を通過した低温・低圧の液状冷媒は、室外機１２の熱交換器１８で外気と熱交換を行う。すなわち、熱交換器１８を介して、外気から冷媒に熱が移動する。その結果、冷媒は、低温・低圧のガス状態にされる。
【００２２】
アキュムレータ４２が室外機１２に設けられている。暖房運転時、アキュムレータ４２は、室外機１２の熱交換器１８で外気と熱交換を行った後の低温・低圧のガス状冷媒を一時的に蓄える。アキュムレータ４２は、圧縮機１６の吸入経路（圧縮機１６の吸入ポート１６ｂと四方弁２０との間の冷媒流路）に設けられている。
【００２３】
アキュムレータ４２内の低温・低圧のガス状冷媒は、圧縮機１６内に吸入されて圧縮される。その結果、冷媒は、高温・高圧のガス状態にされ、暖房運転時には再び室内機１４の熱交換器２２に向かって送られる。
【００２４】
また、アキュムレータ４２に流入する冷媒は、通常、上記膨張弁４０または後述の膨張弁３２の開度制御によってガス状冷媒だけなので、開閉弁６２は、通常の空調運転では開かれている。そして、開閉弁６２は、停止中および起動初期や空調負荷の急減時等で液状冷媒が存在する期間閉じられ、液状冷媒がアキュムレータ４２内に貯められる。
【００２５】
さらに、ヒートポンプ１０は、暖房運転時の冷媒流れにおいて熱交換器１８と並列に蒸発補助用熱交換器６４を有する。
【００２６】
熱交換器１８による熱交換だけでは、吸入ポート１６ｂの冷媒過熱度が所定温度以上とならないような場合、例えば、外気温度０℃未満の場合に蒸発補助用熱交換器６４の方にレシーバ３４の液状冷媒を流す。そのために、レシーバ３４と蒸発補助用熱交換器６４との間には、開度調節可能な膨張弁７０が設けられている。
【００２７】
ヒートポンプ１０の制御装置（図示せず）は、吸入ポート１６ｂの冷媒過熱度が所定温度以下の場合、膨張弁７０を開く。
【００２８】
膨張弁７０が開くと、レシーバ３４から蒸発補助用熱交換器６４の方に液状冷媒の少なくとも一部が、膨張弁７０を流れ、低温・低圧の霧状にされる。
【００２９】
膨張弁７０を通過した霧状の冷媒は、蒸発補助用熱交換器６４で、例えばガスエンジン２４の高温な排気ガスや冷却液など（すなわちガスエンジン２４の廃熱）によって加熱される。それにより、膨張弁７０を通過して蒸発補助用熱交換器６４に流入した霧状の冷媒は、高温・低圧のガス状態にされる。この蒸発補助用熱交換器６４で加熱された高温のガス状冷媒は、熱交換器１８を通過した冷媒よりも大きい過熱度となって四方弁２０とアキュムレータ４２との間の冷媒流路に合流する。それにより、四方弁２０を通過して圧縮機１６に戻るガス状冷媒に含まれる液状冷媒が、蒸発補助用熱交換器６４からの高温のガス状冷媒によって加熱されて蒸発する（ガス化する）。その結果として、アキュムレータ４２に流入する冷媒は、ほぼガス状態にされる。
【００３０】
一方、冷房運転の場合、圧縮機１６の吐出ポート１６ａから吐出された高温・高圧のガス状冷媒は、四方弁２０（二点鎖線）を介して、室外機１２の熱交換器１８に移動する。その熱交換器１８で外気と熱交換することにより、冷媒は、低温・高圧の液状態にされる。
【００３１】
熱交換器１８から流出した冷媒は、開閉弁５０および逆止弁５２を通過してレシーバ３４内に流入する。なお、この開閉弁５０は、暖房運転時には閉じている。
【００３２】
また、詳細は後述するが、冷房運転時において、場合によっては、熱交換器１８から流出した冷媒は、開閉弁５０および逆止弁５２のみを通過して、またはそれに加えて膨張弁４０および逆止弁５４も通過してレシーバ３４内に流入する。
【００３３】
冷房運転時、レシーバ３４内に流入した冷媒は、逆止弁５６を通過して室内機１４の膨張弁３２を通過する。冷房運転時では、膨張弁３２は熱交換器２２の出口の冷媒過熱度が所定値以上となるように後述の如く開度を制御する。膨張弁３２を通過することにより、冷媒は、減圧されて冷温・低圧の液状態（霧状態）にされる。
【００３４】
膨張弁３２を通過した冷媒は、室内機１４の熱交換器２２を通過し、そこで室内空気と熱交換を行う。それにより、冷媒は、室内空気から熱を奪う（室内空気を冷却する）。その結果として、冷媒は、低温・低圧のガス状態にされる。そして、熱交換器２２を流出した冷媒は、四方弁２０、アキュムレータ４２を通過して圧縮機１６に戻る。
【００３５】
また、冷房効率を向上させるために、ヒートポンプ１０は、レシーバ３４から逆止弁５６に向かう冷媒を冷却するための冷却用熱交換器５８を有する。
【００３６】
冷却用熱交換器５８は、レシーバ３４から逆止弁５６に向かう液状冷媒と霧状冷媒との間で熱交換が行われるように、すなわち液状冷媒を霧状冷媒で冷却するように構成されている。この霧状冷媒は、冷却用熱交換器５８から逆止弁５６に向かう液状冷媒の一部を膨張弁６０によって霧状にしたもの（減圧したもの）である。この膨張弁６０は、冷却用熱交換器５８による液状冷媒の冷却を選択的に行うために、開度調節可能な弁である。
【００３７】
ヒートポンプ１０の制御装置（図示せず）が膨張弁６０を制御することによって該膨張弁６０が少なくとも部分的に開くと、冷却用熱交換器５８を通過して逆止弁５６を通過する前の液状冷媒の一部が膨張弁６０を通過して霧状にされる（減圧される）。膨張弁６０によって霧状にされた冷媒は、冷却用熱交換器５８内に流入し、レシーバ３４から流出して逆止弁５６を通過する前の液状冷媒から熱を奪い、それによりガス化する。その結果として、室内機１４の熱交換器２２に、膨張弁６０が閉じた状態の時に比べて低温な液状冷媒が流入する。
【００３８】
一方、レシーバ３４から流出して逆止弁５６を通過する前の液状冷媒から熱を奪ったガス状冷媒は、冷却用熱交換器５８から圧縮機１６に直接戻される。
【００３９】
これまでは、冷媒に関するヒートポンプ１０の構成要素について概略的に説明してきた。ここからは、冷房運転時に行うヒートポンプ１０の制御についてさらに説明する。
【００４０】
図１に示すように、複数の室内機１４それぞれは、冷媒の温度を検出する温度センサ８２を有する。温度センサ８２は、冷房運転時における室内機１４の熱交換器２２に対する下流側で冷媒の温度を検出する、すなわち熱交換器２２から流出する冷媒の温度を検出する。
【００４１】
ヒートポンプ１０の制御装置は、圧力センサ６８で検出した圧力に対応する飽和蒸気温度に対して温度センサ８２で検出する冷媒温度が所定温度(例えば、５℃)以上となるように室内機１４の膨張弁３２の開度を制御する。
【００４２】
また、冷房運転時において、ヒートポンプ１０の制御装置は、室内機１４の熱交換器２２に供給する冷媒の流量に基づいて、膨張弁４０の開度制御について説明する。
【００４３】
ここで、膨張弁４０は、流量係数が定格冷房運転の冷媒流量と適合するものが選定される。定格冷房運転とは、例えば、外気温度が３５℃で接続されている室内機１４が全て冷房運転を要求されている状況である。
【００４４】
このように膨張弁４０が選定されているときに外気温度が定格運転時の設定温度よりも低い温度（例えば、３０℃）の場合や冷房運転を要求されている室内機１４が全台数よりも少ない台数の場合は、ヒートポンプ１０の制御装置は、それに応じて圧縮機１６の運転台数および回転数を定格運転時よりも小さくして冷媒流量を減少する。
【００４５】
このとき、膨張弁４０が全開のままであると、流路抵抗が小さいために最適な凝縮圧力が保てず凝縮不足となる場合がある。そこで、ヒートポンプ１０の制御装置は、圧縮機１６の運転台数および回転数に応じて膨張弁４０の開度を減少させる。例えば、定格運転時の膨張弁４０の開度が１００％であるとすると、冷媒循環量の低下に伴い最適な凝縮圧力を保てず性能が低下するため、圧縮機１６の運転台数及び回転数に応じた冷媒流量に対して最適な膨張弁開度まで減少させる。
【００４６】
このように、冷房運転時において、室内機１４の熱交換器２２に供給する冷媒流量に基づいて（すなわち圧縮機１６の運転台数および回転数に基づいて）膨張弁４０の開度を制御することにより、すなわち膨張弁４０を流量調節弁として機能させることにより、最適な凝縮圧力を保ち冷媒の凝縮作用を向上できる。また、運転条件により凝縮器の過冷却度調整が可能となり、ヒートポンプ１０の冷房効率を向上させることができる。
【００４７】
以上、上述の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明の実施の形態はこれに限らない。
【００４８】
例えば、上述の実施の形態の場合、膨張弁４０は、暖房運転時には冷媒を減圧する減圧弁として機能し、冷房運転時には冷媒流量を調節する流量調節弁として機能する。しかし、本発明の実施の形態はこれに限らない。
【００４９】
例えば、膨張弁４０をバイパスする冷媒流路を設け、そのバイパス流路に流量調節弁と開閉弁を設けてもよい。これにより、冷房運転時において、膨張弁４０を用いることなく、バイパス流路の流量調節弁によって複数の室内機１４の供給する冷媒流量を調節することができる。
【００５０】
また例えば、上述の実施の形態の場合、ヒートポンプ１０は、温度調節対象として室内空気の温度制御を行う空気調和機であったが本発明の実施の形態はこれに限らない。本発明の実施の形態に係るヒートポンプは、例えば、冷媒によって水の温度調整を行うチラーであってもよい。この場合、室内機１４の熱交換器２２の代わりに水／冷媒熱交換器を設ける。すなわち、本発明に係るヒートポンプは、広義には、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、圧縮機からの冷媒を凝縮する第１の熱交換器と、第１の熱交換器によって凝縮された冷媒の流量を調節する流量調節弁と、流量調節弁を通過した冷媒を減圧する開度調節可能な膨張弁と、膨張弁によって減圧された冷媒を用いて温度調節対象を冷却する第２の熱交換器と、第２の熱交換器に流入する冷媒の温度と第２の熱交換器から流出する冷媒の温度との間の温度差に基づいて膨張弁の開度を制御するとともに、第２の熱交換器に供給する冷媒流量に基づいて流量調節弁の開度を制御する制御装置と、を有する。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、２つの熱交換器の間に開度調節が可能な膨張弁を備えるヒートポンプに適用可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１０    ヒートポンプ
１６    圧縮機
１８    第１の熱交換器
２２    第２の熱交換器
３２    膨張弁
４０    流量調節弁（膨張弁）
【図１】
0006339036.tif 000002