(57)【要約】【課題】圧縮機が吸入する冷媒流量が減少することによって圧縮機がサージングすることを防止する、ことを目的とする。【解決手段】ターボヒートポンプ１は、冷媒を圧縮する圧縮機３、圧縮機３によって圧縮された冷媒により外部負荷へと提供する温熱媒体を加熱する温熱生成熱交換器６、温熱生成熱交換器６から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁９、膨張弁９から導かれた冷媒を熱源媒体との熱交換によって蒸発させる蒸発器５、及び圧縮機３の吐出側と蒸発器５の下流側との間で冷媒を流通させるＨＧＢＰ配管３４に設けられたＨＧＢＰ弁３５、を備える。ターボヒートポンプ１の制御装置７は、ターボヒートポンプ１に対する要求能力にかかわらず、圧縮機３に吸入される冷媒流量が圧縮機３のサージングを回避するために必要とする冷媒流量であるサージング回避冷媒流量以上となるように、膨張弁９の開度を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮された冷媒により外部負荷へと提供する温熱媒体を加熱する温熱生成熱交換器と、
前記温熱生成熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、
前記膨張弁から導かれた冷媒を熱源媒体との熱交換によって蒸発させる蒸発器と、
を備えたヒートポンプの制御装置であって、
前記ヒートポンプに対する要求能力にかかわらず、前記圧縮機に吸入される冷媒流量が前記圧縮機のサージングを回避するために必要とする冷媒流量であるサージング回避冷媒流量以上となるように、前記膨張弁の開度を制御することを特徴とするヒートポンプの制御装置。
【請求項２】
前記ヒートポンプは、前記圧縮機の吐出側と前記蒸発器の下流側との間で冷媒を流通させるホットガスバイパス配管に設けられたホットガスバイパス弁を備え、
前記膨張弁を通過する冷媒流量は、少なくとも前記ホットガスバイパス弁を通過する冷媒流量を前記サージング回避冷媒流量から減算することで算出されることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプの制御装置。
【請求項３】
フィードフォワード制御によって前記膨張弁の第１開度を算出する第１制御手段と、
フィードバック制御によって前記膨張弁の第２開度を算出する第２制御手段と、
前記膨張弁を通過する冷媒流量が、前記サージング回避冷媒流量以上となるよう前記膨張弁の第３開度を算出する第３制御手段と、
前記第１開度に前記第２開度を合算した開度と前記第３開度とのうち、大きい開度を前記膨張弁の開度として選択する選択手段と、
を備えた請求項１又は請求項２記載のヒートポンプの制御装置。
【請求項４】
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮された冷媒により外部負荷へと提供する温熱媒体を加熱する温熱生成熱交換器と、
前記温熱生成熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、
前記膨張弁から導かれた冷媒を熱源媒体との熱交換によって蒸発させる蒸発器と、
前記圧縮機の吐出側と前記蒸発器の下流側との間で冷媒を流通させるホットガスバイパス配管に設けられたホットガスバイパス弁と、
を備えたヒートポンプの制御装置であって、
前記ヒートポンプに対する要求能力にかかわらず、前記圧縮機に吸入される冷媒流量が前記圧縮機のサージングを回避するために必要とする冷媒流量であるサージング回避冷媒流量以上となるように、前記ホットガスバイパス弁の開度を制御することを特徴とするヒートポンプの制御装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れか１項記載の制御装置を備えたヒートポンプ。
【請求項６】
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮された冷媒により外部負荷へと提供する温熱媒体を加熱する温熱生成熱交換器と、
前記温熱生成熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、
前記膨張弁から導かれた冷媒を熱源媒体との熱交換によって蒸発させる蒸発器と、
を備えたヒートポンプの制御方法であって、
前記膨張弁を通過する冷媒流量が、前記圧縮機のサージングを回避するために必要とする冷媒流量であるサージング回避冷媒流量以上となるように前記膨張弁の開度を制御することを特徴とするヒートポンプの制御方法。
【請求項７】
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮された冷媒により外部負荷へと提供する温熱媒体を加熱する温熱生成熱交換器と、
前記温熱生成熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、
前記膨張弁から導かれた冷媒を熱源媒体との熱交換によって蒸発させる蒸発器と、
前記圧縮機の吐出側と前記蒸発器の下流側との間で冷媒を流通させるホットガスバイパス配管に設けられたホットガスバイパス弁と、
を備えたヒートポンプの制御方法であって、
前記ヒートポンプに対する要求能力にかかわらず、前記圧縮機に吸入される冷媒流量が前記圧縮機のサージングを回避するために必要とする冷媒流量であるサージング回避冷媒流量以上となるように、前記ホットガスバイパス弁の開度を制御することを特徴とするヒートポンプの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温熱を出力するヒートポンプの制御装置、ヒートポンプ、及びヒートポンプの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ヒートポンプサイクルによって温水（温熱）を供給するヒートポンプが知られている。
【０００３】
ここで、特許文献１には、膨張弁の開度を所望の凝縮器圧力、蒸発器圧力、及び冷媒流量に対応させて算出するターボ冷凍機の制御装置が記載されている。この場合、膨張弁は要求される能力を確保するために必要な冷媒流量を制御することとなるが、圧縮機の運転点は考慮されていない。
このため、圧縮機の運転点がサージングラインに近づいた場合、サージングを回避させるために、圧縮機の吐出側と蒸発器の下流側との間で冷媒を流通させるホットガスバイパス配管に設けられたホットガスバイパス弁の開度を増加させることによって、圧縮機に流入する冷媒流量を増加させる回避動作が実行される。
【０００４】
なお、圧縮機の運転点がサージングラインに近づく場合とは、例えば、以下のような場合がある。負荷流量の低下もしくは負荷の入口温度の上昇、すなわち負荷減少のために、加熱能力が低下して温熱生成熱交換器を循環する冷媒流量が低下する場合、負荷の入口温度の上昇により、温熱生成熱交換器の冷媒出口温度が上昇する場合、熱源水温度の低下により、冷媒の蒸発温度が低下し、膨張弁の前後差圧が増加する場合である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４７２７１４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、膨張弁の開度は圧縮機の運転点を考慮せずに制御されるため、冷媒流量を減少させるように動作する可能性があった。例えば、上述した温熱生成熱交換器の冷媒出口温度が上昇する場合や膨張弁の前後差圧が増加する場合では、膨張弁の開度は閉方向へ調整され、温熱生成熱交換器を循環する冷媒流量が低下する。
このような場合にはホットガスバイパス弁によるサージングの回避動作が間に合わずに、圧縮機がサージングする場合があった。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、圧縮機が吸入する冷媒流量が減少することによって圧縮機がサージングすることを防止できる、ヒートポンプの制御装置、ヒートポンプ、及びヒートポンプ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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のヒートポンプの制御装置、ヒートポンプ、及びヒートポンプの制御方法は以下の手段を採用する。
【０００９】
本発明の第一態様に係るヒートポンプの制御装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された冷媒により外部負荷へと提供する温熱媒体を加熱する温熱生成熱交換器と、前記温熱生成熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁から導かれた冷媒を熱源媒体との熱交換によって蒸発させる蒸発器と、を備えたヒートポンプの制御装置であって、前記ヒートポンプに対する要求能力にかかわらず、前記圧縮機に吸入される冷媒流量が前記圧縮機のサージングを回避するために必要とする冷媒流量であるサージング回避冷媒流量以上となるように、前記膨張弁の開度を制御することを特徴とする。
【００１０】
本構成によれば、ヒートポンプは、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機によって圧縮された冷媒により外部負荷へと提供する温熱媒体を加熱する温熱生成熱交換器と、温熱生成熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張弁から導かれた冷媒を熱源媒体との熱交換によって蒸発させる蒸発器と、を備える。
【００１１】
圧縮機の運転点がサージングラインに近づいた場合、例えば、ホットガスバイパス弁の開度を増加させることによって、圧縮機に流入する冷媒流量を増加させるサージングの回避動作が実行される。しかしながら、膨張弁の開度は圧縮機の運転点を考慮せずに制御されていたため、冷媒流量を減少させるように動作する可能性があった。このような場合にはホットガスバイパス弁によるサージングの回避動作が間に合わない場合があった。
【００１２】
そこで、本構成は、ヒートポンプに対する要求能力にかかわらず、圧縮機に吸入される冷媒流量が、圧縮機のサージングを回避するために必要とする冷媒流量であるサージング回避冷媒流量以上となるように膨張弁の開度を制御する。これにより、圧縮機に流入する冷媒流量は、例え、ヒートポンプに対して要求される能力が低い場合であっても、常にサージング回避冷媒流量以上となる。
従って、本構成は、圧縮機が吸入する冷媒流量が減少することによって圧縮機がサージングすることを防止できる。
【００１３】
上記第一態様では、前記ヒートポンプは、前記圧縮機の吐出側と前記蒸発器の下流側との間で冷媒を流通させるホットガスバイパス配管に設けられたホットガスバイパス弁を備え、前記膨張弁を通過する冷媒流量は、少なくとも前記ホットガスバイパス弁を通過する冷媒流量を前記サージング回避冷媒流量から減算することで算出されることが好ましい。
【００１４】
本構成によれば、少なくともホットガスバイパス弁を通過する冷媒流量をサージング回避冷媒流量から減算することによって、膨張弁を通過する冷媒流量を算出するので、膨張弁を通過させる冷媒流量を簡易に算出することができる。
【００１５】
上記第一態様では、フィードフォワード制御によって前記膨張弁の第１開度を算出する第１制御手段と、フィードバック制御によって前記膨張弁の第２開度を算出する第２制御手段と、前記膨張弁を通過する冷媒流量が、前記サージング回避冷媒流量以上となるよう前記膨張弁の第３開度を算出する第３制御手段と、前記第１開度に前記第２開度を合算した開度と前記第３開度とのうち、大きい開度を前記膨張弁の開度として選択する選択手段と、を備えることが好ましい。
【００１６】
本構成によれば、膨張弁を通過する冷媒流量を常に、ヒートポンプに対する要求能力を満たすために必要とする冷媒流量と共にサージング回避冷媒流量を満たす冷媒流量とすることができる。
【００１７】
本発明の第二態様に係るヒートポンプの制御装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された冷媒により外部負荷へと提供する温熱媒体を加熱する温熱生成熱交換器と、前記温熱生成熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁から導かれた冷媒を熱源媒体との熱交換によって蒸発させる蒸発器と、前記圧縮機の吐出側と前記蒸発器の下流側との間で冷媒を流通させるホットガスバイパス配管に設けられたホットガスバイパス弁と、を備えたヒートポンプの制御装置であって、前記ヒートポンプに対する要求能力にかかわらず、前記圧縮機に吸入される冷媒流量が前記圧縮機のサージングを回避するために必要とする冷媒流量であるサージング回避冷媒流量以上となるように、前記ホットガスバイパス弁の開度を制御することを特徴とする。
【００１８】
本構成によれば、ヒートポンプに対する要求能力にかかわらず、圧縮機に吸入される冷媒流量が圧縮機のサージングを回避するために必要とする冷媒流量であるサージング回避冷媒流量以上となるように、ホットガスバイパス弁の開度が制御される。これにより、圧縮機に流入する冷媒流量は、例え、ヒートポンプに対して要求される能力が低い場合であっても、常にサージング回避冷媒流量以上となる。
従って、本構成は、圧縮機が吸入する冷媒流量が減少することによって圧縮機がサージングすることを防止できる。
【００１９】
本発明の第三態様に係るヒートポンプは、上記記載の制御装置を備える。
【００２０】
本発明の第四態様に係るヒートポンプの制御方法は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された冷媒により外部負荷へと提供する温熱媒体を加熱する温熱生成熱交換器と、前記温熱生成熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁から導かれた冷媒を熱源媒体との熱交換によって蒸発させる蒸発器と、を備えたヒートポンプの制御方法であって、前記膨張弁を通過する冷媒流量が、前記圧縮機のサージングを回避するために必要とする冷媒流量であるサージング回避冷媒流量以上となるように前記膨張弁の開度を制御することを特徴とする。
【００２１】
本発明の第五態様に係るヒートポンプの制御方法は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された冷媒により外部負荷へと提供する温熱媒体を加熱する温熱生成熱交換器と、前記温熱生成熱交換器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁から導かれた冷媒を熱源媒体との熱交換によって蒸発させる蒸発器と、前記圧縮機の吐出側と前記蒸発器の下流側との間で冷媒を流通させるホットガスバイパス配管に設けられたホットガスバイパス弁と、を備えたヒートポンプの制御方法であって、前記ヒートポンプに対する要求能力にかかわらず、前記圧縮機に吸入される冷媒流量が前記圧縮機のサージングを回避するために必要とする冷媒流量であるサージング回避冷媒流量以上となるように、前記ホットガスバイパス弁の開度を制御する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、圧縮機が吸入する冷媒流量が減少することによって圧縮機がサージングすることを防止できる、という優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態に係るターボヒートポンプの冷媒回路を示した概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る実施形態に係る制御装置における膨張弁開度制御に関する機能ブロック図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る圧縮機の特性曲線を示した図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るターボヒートポンプの冷凍サイクル図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明に係るヒートポンプの制御装置、ヒートポンプ、及びヒートポンプの制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２５】
〔第１実施形態〕
以下に、本発明にかかる第１実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、遠心式（ターボ式）の圧縮機を用いたターボヒートポンプ１の概略構成図が示されている。冷媒としては、例えば代替フロン冷媒（Ｒ１３４ａ）が用いられる。
【００２６】
ターボヒートポンプ１は、冷媒を圧縮する圧縮機３と、外部から供給される熱源水（熱源媒体）と冷媒とが熱交換する蒸発器５と、温水（温熱媒体）を出力する温熱生成熱交換器６と、蒸発器５と温熱生成熱交換器６との間に設けられた膨張弁９とを備えている。これら圧縮機３、蒸発器５、温熱生成熱交換器６及び膨張弁９によって、主系統の冷媒回路が構成されている。
【００２７】
圧縮機３は、高圧力比が得られる遠心圧縮機となっている。圧縮機３は、軸線周りに回転する羽根車１９を二段備えている。羽根車１９の冷媒流れ上流側には、流入する冷媒流量を調節するＩＧＶ（インレットガイドベーン；吸込冷媒流量調整手段）２１が設けられている。ＩＧＶ２１の開度は、制御装置７によってＩＧＶ用電動モータＭが駆動されることによって調整される。
圧縮機３は、増速機１８を介して接続された電動機１７によって駆動される。電動機１７は、制御装置７によって制御され、インバータ２０による周波数制御によって回転数が適宜変更され得るようになっている。
圧縮機３の吸込側には吸込冷媒圧力Ｐ０を計測する圧力センサおよび吸込冷媒温度Ｔ０を計測する温度センサが、圧縮機３の吐出側には吐出冷媒圧力Ｐ１を計測する圧力センサおよび吐出冷媒温度Ｔ１を計測する温度センサが、それぞれ設けられている。これらセンサの出力値は、それぞれ制御装置７へと送られる。なお、圧縮機３は、冷媒を超臨界圧力で吐出する。
【００２８】
蒸発器５は、例えば、プレート式の熱交換器とされている。蒸発器５には、熱源水配管１３が接続されており、この熱源水配管１３内を流通する熱源水と熱交換器内の冷媒とが熱交換を行い、熱源水から与えられる熱によって熱交換器内の冷媒が蒸発する。
【００２９】
温熱生成熱交換器６は、例えば、プレート式の熱交換器とされている。温熱生成熱交換器６には、温水配管１１が接続されており、この温水配管１１内を流通する水と熱交換器内の冷媒とが熱交換を行う。温水配管１１は、プロセス用加熱機器等の外部負荷と接続されている。温水配管１１には、熱媒入口温度Ｔａ及び熱媒出口温度Ｔｂを測定する温度センサがそれぞれ設けられている。また、図示しないが、温水配管１１には温水流量を計測する流量センサが設けられている。これらセンサからの出力値は、制御装置７へと送られる。
温熱生成熱交換器６の冷媒出口には、温水熱交出口冷媒温度Ｔ２を計測する温度センサが設けられており、この温度センサの出力値は制御装置７へと送られる。
【００３０】
膨張弁９は、蒸発器５と温熱生成熱交換器６との間の冷媒配管に設けられており、温熱生成熱交換器６から導かれた液冷媒を絞ることによって等エンタルピ膨張させるものである。膨張弁９の開度は、制御装置７によって制御される。
【００３１】
温熱生成熱交換器６と膨張弁９との間には、インタークーラ１０が設けられている。インタークーラ１０は、温熱生成熱交換器６から導かれた冷媒と、蒸発器５にて蒸発した冷媒とを熱交換する熱交換器である。このインタークーラ１０によって、圧縮機３へと吸い込まれる冷媒の温度が調整される。
インタークーラ１０と膨張弁９とを接続するインタークーラ下流側冷媒配管２３には、インタークーラ流量調整弁２５が設けられている。温熱生成熱交換器６とインタークーラ１０とを接続するインタークーラ上流側冷媒配管２４と、インタークーラ下流側冷媒配管２３との間には、インタークーラ１０をバイパスして冷媒を流すインタークーラバイパス冷媒配管２７が設けられており、このインタークーラバイパス冷媒配管２７には冷媒流量を調整するインタークーラバイパス弁２８が設けられている。インタークーラ流量調整弁２５とインタークーラバイパス弁２８の開度を制御装置７によって適宜調整することにより、インタークーラ１０へと送り込む温熱生成熱交換器６からの高温冷媒流量を調整する。
インタークーラ下流側冷媒配管２３には、インタークーラ流量調整弁２５と膨張弁９との間から分岐して吸込冷媒配管２９へと至るインジェクション配管３０が設けられている。インジェクション配管３０にはインジェクション弁３１が設けられている。このインジェクション弁３１の開度は、制御装置７によって制御される。インジェクション弁３１にて所望量に調整された冷媒を吸込冷媒配管２９へ吹き込むことにより、圧縮機３へと供給される吸込冷媒の温度を調整する。
また、蒸発器５とインタークーラ１０との間には、冷媒を蓄えるためのアキュムレータ（不図示）が設けられている。
【００３２】
圧縮機３の吐出側と蒸発器５の下流側との間には、ホットガスバイパス（以下、「ＨＧＢＰ」という。）配管３４が設けられている。ＨＧＢＰ配管３４には、ＨＧＢＰ弁３５が設けられており、制御装置７によってその開度が制御されるようになっている。ＨＧＢＰ弁３５は、高負荷の場合には全閉とされており、低負荷となり所定値を下回った場合に開となり漸次開度が増大されるようになっている。これにより、圧縮機３がサージングまたは旋回失速に陥ることを回避できる。
なお、ＨＧＢＰ弁３５の開度については、外部負荷が増加してＨＧＢＰ弁３５を閉めていくときの開度のスケジュールと、外部負荷が減少してＨＧＢＰ弁３５を開けていくときの開度のスケジュールを異ならせてヒステリシスを持たせることが更に好ましい。これにより、システムに大きな影響を与えるＨＧＢＰ弁３５の開度変更の回数を少なくし、安定的にシステムを運転することができる。
【００３３】
次に、上記構成のターボヒートポンプ１の動作について説明する。
圧縮機３は、電動機１７によって駆動され、制御装置７によるインバータ制御により所定周波数で回転させられる。
圧縮機３から吐出された冷媒は、温熱生成熱交換器６へと導かれる。温熱生成熱交換器６において、高温高圧のガス冷媒は略等圧的に冷却され、高圧低温の冷媒となる。この際に得られる放出熱によって、温水配管１１内を流通する温水が加熱される。
【００３４】
温熱生成熱交換器６において高圧低温とされた冷媒は、インタークーラ上流側冷媒配管２４を通過してインタークーラ１０へと導かれる。インタークーラ１０では、温熱生成熱交換器６からの高温液冷媒と蒸発器５にて蒸発した低温ガス冷媒との熱交換が行われる。インタークーラ１０での交換熱量は、制御装置７によってインタークーラ流量調整弁２５及びインタークーラバイパス弁２８の開度を調整することによって制御される。
インタークーラ１０にて熱交換を終えた高圧冷媒は、インタークーラ下流側冷媒配管２３を通過して膨張弁９へと導かれ、この膨張弁９によって等エンタルピ的に膨張させられる。膨張弁９の開度は、制御装置７によって所望のヘッド差（ヒートポンプサイクルにおける冷媒の高低圧差）が得られるように制御される。
【００３５】
膨張弁９によって膨張された冷媒は、蒸発器５へと導かれ、蒸発器５にて熱源水と熱交換することによって蒸発させられる。蒸発器５において蒸発した低圧ガス冷媒は、インタークーラ１０にて所定温度だけ上昇させられる。圧縮機３へと吸い込まれる冷媒の温度を低下させたい場合には、制御部によってインジェクション弁３１の開度を調整することによって低温冷媒を吸込冷媒配管２９へと吹き込む。その後、ガス冷媒は、圧縮機３へと導かれ、再び圧縮される。
【００３６】
制御装置７は、膨張弁９の開度（以下、「膨張弁開度」という。）を制御する膨張弁開度制御、ＩＧＶ２１のベーン開度を制御するベーン開度制御、インバータ２０による周波数制御、ＨＧＢＰ弁３５の開度を制御するＨＧＢＰ弁開度制御、並びにインタークーラ流量調整弁２５の開度及びインタークーラバイパス弁２８の開度を制御するインタークーラ流量制御等を行う。
なお、制御装置７は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random
Access Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。そして、各種制御に係る機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種制御が実現される。
【００３７】
図２は、本第１実施形態に係る制御装置７における膨張弁開度制御に係る機能ブロック図である。
【００３８】
制御装置７は、ＦＦ制御部４０、ＦＢ制御部４１、サージング回避制御部４２、合算部４３、及び高値選択部４４を備える。
【００３９】
ＦＦ制御部４０は、温熱生成熱交換器６で行う熱交換に必要とする冷媒流量に基づくフィードフォワード制御によって、膨張弁９の開度（以下、「ＦＦ制御開度」という。）を算出し、合算部４３へ出力する。
【００４０】
ＦＢ制御部４１は、温熱生成熱交換器６の冷媒出口の温度の計測値（温水熱交出口冷媒温度Ｔ２）と設定値との差に基づくフィードバック制御によって、膨張弁９の開度（以下、「ＦＢ制御開度」という。）を算出し、合算部４３へ出力する。
【００４１】
サージング回避制御部４２は、ターボヒートポンプ１に対する要求能力にかかわらず、圧縮機３に吸入される冷媒流量が、圧縮機３のサージングを回避するために必要とする冷媒流量であるサージング回避冷媒流量以上となるよう膨張弁９の開度（以下、「サージング回避開度」という。）を算出し、高値選択部４４へ出力する。
【００４２】
合算部４３は、ＦＢ制御部４１から入力されたＦＢ制御開度とＦＦ制御部４０から入力されたＦＦ制御開度とを合算し、高値選択部４４へ出力する。
【００４３】
高値選択部４４は、合算部４３から入力された合算値とサージング回避制御部４２から入力されたサージング回避開度とのうち、大きい開度を膨張弁９の開度として、膨張弁９へ出力する。
【００４４】
次に、ＦＦ制御部４０、ＦＢ制御部４１、及びサージング回避制御部４２による膨張弁９の開度の算出について詳細に説明する。
【００４５】
ＦＦ制御部４０は、設定した熱媒出口温度Ｔｂとするための温熱生成熱交換器６で交換するべき熱量（以下、「温熱生成熱交換器交換熱量」）から求められる冷媒流量をｓｅｔ条件とし、現在の温熱生成熱交換機交換熱量から求められる冷媒流量をｎｏｗ条件として演算し、各々に対応する膨張弁９の開度を算出し、按分によりＦＦ制御開度を決定する。以下、ｓｅｔ条件による膨張弁９の開度の算出方法について説明する。なお、ｎｏｗ条件による膨張弁９の開度については、変数の末尾に付される「_set」を「_now」とすることで、算出する。
【００４６】
まず、温熱生成熱交換器交換熱量Ｑcon_set[kW]が、熱媒流量Ｇw[m3/s]、熱媒比熱Ｃpw[kJ/kg・K]、熱媒密度ρw[kg/m3]、熱媒出口温度Ｔｂの設定値Ｔwout_set[℃]、及び熱媒入口温度Ｔwin[℃]（熱媒入口温度Ｔａ）から（１）式に基づいて算出される。なお、ｎｏｗ条件では、熱媒出口温度Ｔｂの設定値Ｔwout_setの替わりである熱媒出口温度Ｔwout_nowとして、現在の熱媒出口温度Ｔｂが用いられる。
【数１】
2013194922.tif 000003
【００４７】
膨張弁９を通過する冷媒流量Ｇexv_set[kg/s]は、温熱生成熱交換器６を流通する冷媒流量と一致するので、下記（２）式，（３）式から冷媒流量Ｇexv_setが算出される。なお、圧縮機３が吐出する冷媒のエンタルピをｈd[kJ/kg]とし、温熱生成熱交換器６の出口における冷媒のエンタルピをｈcon[kJ/kg]とすることで、（３）式から温熱生成熱交換器６における冷媒のエンタルピ落差Δｈcon[kJ/kg]が算出される。
【数２】
2013194922.tif 000004
【数３】
2013194922.tif 000005
【００４８】
膨張弁９のＣｖ値Ｃｖexv_set[-]は、冷媒流量Ｇexv_set、膨張弁９の入口における冷媒密度ρexv[kg/m3]、及び膨張弁９の前後差圧ΔＰexv[MPa]から下記（４）式に基づいて算出される。
【数４】
2013194922.tif 000006
【００４９】
そして、（５）式に示されるように、膨張弁９のバルブ特性に基づいて、膨張弁９のＣｖ値Ｃｖexv_setを開度Ｆexv_set[%]に変換する。
【数５】
2013194922.tif 000007
【００５０】
ＦＦ制御部４０は、同様にして算出したｎｏｗ条件による膨張弁９の開度Ｆexv_nowと開度Ｆexv_setとの按分（平均）により、ＦＦ制御開度を決定する。これにより、熱媒出口温度Ｔｂは、急激に変化することが抑制されつつ、徐々に設定値Ｔwout_setとされる。
【００５１】
なお、上述したＦＦ制御部４０によるＦＦ制御開度の算出方法は、一例であり、ｎｏｗ条件による膨張弁９の開度Ｆexv_nowを算出することなく、ｓｅｔ条件により算出した開度Ｆexv_setをＦＦ制御開度として決定してもよい。また、ＦＦ制御部４０は、温水熱交出口冷媒温度Ｔ２及び冷媒圧力等、他の制御量が設定値となるように、ＦＦ制御開度を算出してもよい。
【００５２】
ＦＢ制御部４１は、温水熱交出口冷媒温度Ｔ２が予め設定された設定値となるように、フィードバック制御によりＦＢ制御開度を算出する。
例えば、ＦＢ制御部４１は、温水熱交出口冷媒温度Ｔ２が設定値よりも低い場合は、膨張弁９の開度が大きくなるように、温水熱交出口冷媒温度Ｔ２が設定値よりも高い場合は、膨張弁９の開度が小さくなるように、温水熱交出口冷媒温度Ｔ２と設定値との差に基づいてＦＢ制御開度を算出する。
【００５３】
なお、上述したＦＢ制御部４１によるＦＢ制御開度の算出方法は、一例であり、熱媒出口温度Ｔｂ及び冷媒圧力等、他の制御量が設定値となるように、ＦＢ制御開度を算出制御してもよい。
【００５４】
そして、算出されたＦＦ制御開度及びＦＢ制御開度は、合算部４３によって合算される。
【００５５】
ここで、サージング回避冷媒流量について、圧縮機３の特性曲線を示した図３を参照して説明する。
圧縮機３が図３に示される特性曲線上の吸込冷媒圧力及び回転数が一定となる点Ｂで運転されている状態で、例えば、運転時に温水温度が上昇した場合、温熱生成熱交換器６が汚れた場合、不凝縮ガスが存在した場合等に、圧縮機３の吐出冷媒圧力も上昇し、その結果、圧縮機３の冷媒流量が減少して、圧縮機３の運転点は特性曲線上の点Ｂから点Ｂ’へ移る。そして、吐出冷媒圧力がさらに上昇すると、圧縮機３の運転点は点Ｂ’から点Ｃ（限界点）へ移る。吐出冷媒圧力が点Ｃに相当する圧力を超えると、圧縮機３はサージング状態となる。
このことから、図３に示される圧縮機３の特性曲線上の点Ｃにおける冷媒流量がサージング回避冷媒流量となる。
【００５６】
次に、サージング回避制御部４２によるサージング回避開度の算出について説明する。
圧縮機３に流入する圧縮機冷媒流量Ｇcomp[kg/s]は、（６）式に示されるように、膨張弁９やＨＧＢＰ弁３５といった各種弁を通過した弁流量Ｇb[kg/s]、及びその他の流路を通過した冷媒流量である他冷媒流量Ｇohters[kg/s]の合計である。
【数６】
2013194922.tif 000008
弁流量Ｇb[kg/s]は、膨張弁９を通過した流量である膨張弁冷媒流量Ｇexv[kg/s]、ＨＧＢＰ弁３５を通過した流量であるＨＧＢＰ冷媒流量Ｇhg[kg/s]から（７）式のように表わされる。
【数７】
2013194922.tif 000009
【００５７】
図４は、ターボヒートポンプ１の冷凍サイクル図（モリエル線図）の一例である。図４には、冷媒圧力とエンタルピの変化と共に、圧縮機循環冷媒流量Ｇcomp、膨張弁冷媒流量Ｇexv、ＨＧＢＰ冷媒流量Ｇhg、及び他冷媒流量Ｇohtersの流れが示されている（図４における破線）。図４に示されるｈexvは膨張弁９を通過する冷媒のエンタルピ、ｈconは温熱生成熱交換器６の出口における冷媒のエンタルピ、ｈgeは蒸発器５の出口における冷媒のエンタルピ、ｈsは圧縮機３の入口における冷媒のエンタルピ、ｈdは圧縮機３が吐出する冷媒のエンタルピである。
【００５８】
他冷媒流量Ｇohtersは、圧縮機３のモータの冷却用冷媒流量Ｇmotor、エダクタへ流れる冷媒、及び圧縮機３からリークする冷媒等である。図４には、他冷媒流量Ｇohtersとして冷却用冷媒流量Ｇmotorの流れを示している。冷却用冷媒流量Ｇmotorは、膨張弁９の前方から取出され、圧縮機３のモータを冷却した後に、蒸発器５の出口側（アキュムレータ）へ流れる。なお、冷却用冷媒流量Ｇmotorは、例えば冷媒流量全体の数％である。
【００５９】
そして、吐出冷媒圧力と吸込冷媒圧力との差圧である圧縮機高低差圧から圧縮機３の特性によって決定されるサージング回避冷媒流量Ｇsurg[kg/s]を、（８）式に示されるように、圧縮機冷媒流量Ｇcompが上回ることによってサージングは回避される。
【数８】
2013194922.tif 000010
【００６０】
このため、（６）式において圧縮機冷媒流量Ｇcompをサージング回避冷媒流量Ｇsurgとすることによって、ＨＧＢＰ冷媒流量Ｇhgと他冷媒流量Ｇohtersをサージング回避冷媒流量Ｇsurgから減算して膨張弁冷媒流量Ｇexvを算出する（９）式が導かれる。
【数９】
2013194922.tif 000011
【００６１】
サージング回避制御部４２は、（９）式によって算出された膨張弁冷媒流量Ｇexvを通過させる膨張弁９の開度を、膨張弁９のＣｖ特性に基づいて算出し、サージング回避開度とする。
【００６２】
このように、サージング回避制御部４２は、膨張弁９を通過する冷媒流量を、少なくともＨＧＢＰ弁３５を通過する冷媒流量をサージング回避冷媒流量から減算することによって算出するので、膨張弁９を通過させる冷媒流量を簡易に算出することができる。
【００６３】
そして、高値選択部４４は、合算部４３から入力された合算値とサージング回避制御部４２から入力されたサージング回避開度とを比較し、より大きい開度を膨張弁９へ出力する。従って、制御装置７は、膨張弁９を通過する冷媒流量を常に、ターボヒートポンプ１に対する要求能力を満たすために必要とする冷媒流量と共にサージング回避冷媒流量を満たす冷媒流量とすることができる。
【００６４】
以上説明したように、本第１実施形態に係るターボヒートポンプ１の制御装置７は、膨張弁９を通過する冷媒流量が、圧縮機３のサージングを回避するために必要とする冷媒流量であるサージング回避冷媒流量以上となるように膨張弁９の開度を制御する。従って、圧縮機３に流入する冷媒流量は、例え、ターボヒートポンプ１に対して要求される能力が低い場合であっても、常にサージング回避冷媒流量以上となるので、圧縮機３が吸入する冷媒流量が減少することによって圧縮機３がサージングすることが防止される。
【００６５】
なお、本第１実施形態に係るターボヒートポンプ１は、ＨＧＢＰ配管３４及びＨＧＢＰ弁３５を備えない形態としてもよい。この形態の場合、膨張弁冷媒流量Ｇexvは、下記（１０）式から算出されることとなる。
【数１０】
2013194922.tif 000012
【００６６】
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態について説明する。
【００６７】
なお、本第２実施形態に係るターボヒートポンプ１の構成は、図１に示す第１実施形態に係るターボヒートポンプ１の構成と同様であるので説明を省略する。
本第２実施形態に係る制御装置７は、ターボヒートポンプ１に対する要求能力にかかわらず、圧縮機３に吸入される冷媒流量が圧縮機３のサージングを回避するために必要とする冷媒流量であるサージング回避冷媒流量以上となるように、ＨＧＢＰ弁３５の開度を制御する。
【００６８】
具体的には、ＨＧＢＰ冷媒流量Ｇhgは、下記（１１）式に示されるように、膨張弁冷媒流量Ｇexvと他冷媒流量Ｇohtersをサージング回避冷媒流量Ｇsurgから減算することで算出される。なお、本第２実施形態に係る膨張弁冷媒流量Ｇexvは、上述したＦＦ制御部４０によって算出されたＦＦ制御開度、及びＦＢ制御部４１によって算出されたＦＢ制御開度の合算値である。
【数１１】
2013194922.tif 000013
【００６９】
本第２実施形態に係る制御装置７は、（１１）式によって算出されたＨＧＢＰ冷媒流量Ｇhgを通過させるＨＧＢＰ弁３５の開度を、ＨＧＢＰ弁３５のＣｖ特性に基づいて算出してサージング回避開度とし、ＨＧＢＰ弁３５へ出力する。
【００７０】
従って、本第２実施形態に係る圧縮機３に流入する冷媒流量は、例え、ターボヒートポンプ１に対して要求される能力が低い場合であっても、常にサージング回避冷媒流量以上となる。これにより、ターボヒートポンプ１は、圧縮機３が吸入する冷媒流量が減少することによって圧縮機３がサージングすることを防止する。
【００７１】
以上、本発明を、上記各実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記各実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記各実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、該変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【００７２】
例えば、上記各実施形態では、圧縮機３は冷媒を超臨界圧力で吐出する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、圧縮機３は冷媒を超臨界圧力未満で吐出する形態としてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１  ターボヒートポンプ
３  圧縮機
５  蒸発器
６  温熱生成熱交換器
７  制御装置
９  膨張弁
１０  インタークーラ
３４  ＨＧＢＰ配管
３５  ＨＧＢＰ弁
４０  ＦＦ制御部
４１  ＦＢ制御部
４２  サージング回避制御部
４３  合算部
４４  高値選択部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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