(57)【要約】【課題】ユニット間配管の配管接続時における、いわゆるチャージフリーを実現したヒートポンプ装置を提供する。【解決手段】圧縮機２、蒸発器３、電動膨張弁５およびガスクーラ１１を環状に配設して冷凍サイクルを構成し、これら冷凍サイクル構成品のうち、少なくともガスクーラ１１を配設した一方のユニット１０（４１）と、少なくとも蒸発器３を配設した他方のユニット１（４０）とを、ユニット間配管１７で接続し、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である。そして、高圧側の状態量を測定する測定手段２１と、この測定手段により測定された状態量に応じて、電動膨張弁の弁開度を制御し、その状態量を所定の状態量に維持する制御手段２３とを備えている。【選択図】      図１
2005048963.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環状に配設して冷凍サイクルを構成し、これら冷凍サイクル構成品のうち、少なくともガスクーラを配設した一方のユニットと、少なくとも蒸発器を配設した他方のユニットとを、ユニット間配管で接続し、前記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、
高圧側の状態量を測定する測定手段と、
この測定手段により測定された状態量に応じて、前記電動膨張弁の弁開度を制御し、当該状態量を所定の状態量に維持する制御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、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利用側ユニットとを、ユニット間配管で接続し、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、
高圧側の状態量を測定する測定手段と、
この測定手段により測定された状態量に応じて、前記電動膨張弁の弁開度を制御し、当該状態量を所定の状態量に維持する制御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】
ユニット間配管の配管長の内、予定される最長の配管長に対応した量の冷媒を、予め、熱源側ユニットにチャージすることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ装置。
【請求項４】
電動膨張弁と圧縮機間の低圧配管に、余剰の冷媒を貯留する冷媒貯留装置を備え、ユニット間配管の配管長に応じ、前記制御手段による制御によって、冷媒貯留装置に余剰の冷媒を貯留することを特徴とする請求項２又は３に記載のヒートポンプ装置。
【請求項５】
高圧側の目標状態量を、蒸発器の出口温度、出口圧力、及び給水等の利用側冷媒のパラメータに従って設定することを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ装置。
【請求項６】
前記冷媒貯留装置の容量が、熱源側ユニットと利用側ユニットとを、最長配管長のユニット間配管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ことを特徴とする請求項４に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、冷凍サイクル内へ、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利用側ユニットとを、ユニット間配管で接続し、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が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
この種のものでは、ヒートポンプ装置を現場施工する場合、別々に梱包して工場出荷された熱源側ユニットと、利用側ユニットとを、現場で、ユニット間配管を用いて配管接続するのが一般的である。
【０００４】
なお、ヒートポンプ装置の用語は、いわゆるヒートポンプだけでなく、冷凍サイクルを含むものとする。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２３４８１１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の構成では、ユニット間配管の配管長が、通常の配管長よりも長くなった場合、現場配管長に見合った量の冷媒を、現場でチャージする必要が生じる。しかし、この場合、オーバーチャージが問題となる。特に、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では、オーバーチャージになった場合、電動膨張弁を絞る制御を行うと、冷媒が、ガスクーラに移動し、高圧圧力が異常上昇するという問題がある。
【０００７】
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、ユニット間配管の配管接続時における、いわゆるチャージフリーを実現したヒートポンプ装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、圧縮機、蒸発器、電動膨張弁およびガスクーラを環状に配設して冷凍サイクルを構成し、これら冷凍サイクル構成品のうち、少なくともガスクーラを配設した一方のユニットと、少なくとも蒸発器を配設した他方のユニットとを、ユニット間配管で接続し、前記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、高圧側の状態量を測定する測定手段と、この測定手段により測定された状態量に応じて、前記電動膨張弁の弁開度を制御し、当該状態量を所定の状態量に維持する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、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利用側ユニットとを、ユニット間配管で接続し、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、高圧側の状態量を測定する測定手段と、この測定手段により測定された状態量に応じて、前記電動膨張弁の弁開度を制御し、当該状態量を所定の状態量に維持する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２記載のものにおいて、ユニット間配管の配管長の内、予定される最長の配管長に対応した量の冷媒を、予め、熱源側ユニットにチャージすることを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項２又は３に記載のものにおいて、電動膨張弁と圧縮機間の低圧配管に、余剰の冷媒を貯留する冷媒貯留装置を備え、ユニット間配管の配管長に応じ、前記制御手段による制御によって、冷媒貯留装置に余剰の冷媒を貯留することを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項２記載のものにおいて、高圧側の目標状態量を、蒸発器の出口温度、出口圧力、及び給水等の利用側冷媒のパラメータに従って設定することを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項４記載のものにおいて、前記冷媒貯留装置の容量が、熱源側ユニットと利用側ユニットとを、最長配管長のユニット間配管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ことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明におけるヒートポンプ装置の第１実施形態を、図１ないし図３の図面に基づき説明する。
【００１５】
図１は、本発明におけるヒートポンプ装置の第１実施形態を示す冷媒回路図である。このヒートポンプ装置３０は、圧縮機２、アキュムレータ４、蒸発器３、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、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。また、圧縮機２、アキュムレータ４、蒸発器３、電動膨張弁５及びガスクーラ１１が環状に配設されてヒートポンプサイクルとしての冷凍サイクルを構成している。
【００１６】
給湯ユニット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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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で接続するものである。
【００２１】
つぎに、ヒートポンプ装置３０の動作を説明する。
【００２２】
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。
【００２３】
冷凍サイクルには、二酸化炭素冷媒が使用されており、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。
【００２４】
冷凍サイクル内に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３１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。
【００２５】
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、電動膨張弁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。
【００２６】
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。
【００２７】
ＣＯ２冷媒を用いたヒートポンプ装置では、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
【００２８】
【数１】
2005048963.tif 000003
【００２９】
をＰ２で微分すれば、ｉａは不変であるから
【００３０】
【数２】
2005048963.tif 000004
【００３１】
従って、成績係数εが極大になるための条件式は
【００３２】
【数３】
2005048963.tif 000005
【００３３】
このサイクルを、図３に示すように、ａｂｃｄとすれば、
【００３４】
【数４】
2005048963.tif 000006
【００３５】
は等温線ｔｃの点ｃにおける接線の傾斜を表し、
【００３６】
【数５】
2005048963.tif 000007
【００３７】
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、
【００３８】
【数６】
2005048963.tif 000008
【００３９】
ゆえに式（１）の条件は、
【００４０】
【数７】
2005048963.tif 000009
【００４１】
すなわち
【００４２】
【数８】
2005048963.tif 000010
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
上記構成では、圧縮機２の吐出側に、高圧側の温度を測定する温度センサ２０と、高圧側の圧力（状態量）を測定する圧力センサ（測定手段）２１が設けられる。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、測定された圧力に応じて、電動膨張弁５の弁開度を制御する。
【００４６】
すなわち、このコントローラ２３は、ユニット間配管１７の配管長に関係なく、高圧側の圧力を所定の圧力に維持するように、電動膨張弁５の弁開度を制御する。例えば、ユニット間配管１７の配管長が長い場合には、電動膨張弁５の弁開度を閉じ気味に制御して、高圧側の圧力を所定の圧力に維持する一方、アキュムレータ（冷媒貯留装置）４内の液冷媒の貯留量を減少させ、ユニット間配管１７の配管長が短い場合には、電動膨張弁５の弁開度を開き気味に制御して、高圧側の圧力を所定の圧力に維持する一方、アキュムレータ内の液冷媒の貯留量を増大させる。
【００４７】
これによれば、ユニット間配管１７の配管長に応じ、コントローラ２３による制御によって、アキュムレータ４に余剰の液冷媒を貯留するため、ユニット間配管１７の配管長に応じた冷媒チャージが不要になり、いわゆるチャージフリーのヒートポンプ装置が提供される。
【００４８】
前記した本発明におけるヒートポンプ装置の第１実施形態では、いわゆるチャージフリーが実現され、現場で、冷媒をチャージする必要がなくなる。そのため、オーバーチャージが解消され、オーバーチャージにより生じる問題が解消される。
【００４９】
次に本発明におけるヒートポンプ装置の第２実施形態について、図４を用いて説明する。図４は第２実施形態のヒートポンプ装置の冷媒回路図である。なお、この第２実施形態の説明において、前記第１実施形態の構成要素に対応する構成要素には、同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５０】
このヒートポンプ装置３０は、蒸発器３を備えたエバポレータユニット４０と、圧縮機２、アキュムレータ４、電動膨張弁５、ガスクーラ１１、貯湯タンク１３および循環ポンプ１５を備えた給湯ユニット（利用側ユニット）４１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。
【００５１】
給湯ユニット４１では、アキュムレータ４に繋がる一端がガス管３１に接続され、電動膨張弁５に繋がる他端が液管３３に接続されている。
【００５２】
また、前記ガスクーラ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。
【００５３】
上記構成では、エバポレータユニット４０、給湯ユニット４１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。
【００５４】
このアキュムレータ４の容量は、エバポレータユニット４０と給湯ユニット４１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。
【００５５】
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、給湯ユニット４１内にチャージされており、現場では、このエバポレータユニット４０と、給湯ユニット４１とを、ユニット間配管１７で接続して構成されている。
【００５６】
上記構成では、第１実施形態のヒートポンプ装置３０と同様に、圧縮機２の吐出側に、高圧側の温度を測定する温度センサ２０と、高圧側の圧力（状態量）を測定する圧力センサ（測定手段）２１が設けられる。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、測定された圧力に応じて、電動膨張弁５の弁開度を制御する。
【００５７】
すなわち、このコントローラ２３は、ユニット間配管１７の配管長に関係なく、高圧側の圧力を所定の圧力に維持するように、電動膨張弁５の弁開度を制御する。例えば、ユニット間配管１７の配管長が長い場合には、電動膨張弁５の弁開度を閉じ気味に制御して、高圧側の圧力を所定の圧力に維持する一方、アキュムレータ（冷媒貯留装置）４内の液冷媒の貯留量を減少させ、ユニット間配管１７の配管長が短い場合には、電動膨張弁５の弁開度を開き気味に制御して、高圧側の圧力を所定の圧力に維持する一方、アキュムレータ内の液冷媒の貯留量を増大させる。
【００５８】
これによれば、ユニット間配管１７の配管長に応じ、コントローラ２３による制御によって、アキュムレータ４に余剰の液冷媒を貯留するため、ユニット間配管１７の配管長に応じた冷媒チャージが不要になり、いわゆるチャージフリーのヒートポンプ装置が提供される。
【００５９】
この第２実施形態のヒートポンプ装置の動作説明は、前記した第１実施形態のヒートポンプ装置３０の動作と同じであるため、その説明を省略する。
【００６０】
以上、第１及び第２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。
【００６１】
【発明の効果】
本発明では、ユニット間配管の配管接続時における、いわゆるチャージフリーを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示すヒートポンプ装置の冷媒回路図である。
【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】本発明の第２実施形態を示すヒートポンプ装置の冷媒回路図である。
【符号の説明】
１  熱源側ユニット（他方のユニット）
２  圧縮機
３  蒸発器
４  アキュムレータ（冷媒貯留装置）
５  電動膨張弁
１０  給湯ユニット（一方のユニット）（利用側ユニット）
１１  ガスクーラ
１７  ユニット間配管
２１  圧力センサ（測定手段）
２３  コントローラ（制御手段）
３１  ガス管
３３  液管
４０  エバポレータユニット（他方のユニット）
４１  給湯ユニット（一方のユニット）
【図１】
2005048963.tif 000011
【図２】
2005048963.tif 000012
【図３】
2005048963.tif 000013
【図４】
2005048963.tif 000014