(57)【要約】【課題】  複数の圧縮機および前記圧縮機のいづれかと一体型である膨張機を搭載したヒートポンプ装置において、圧縮機の適切な均油制御を行う。【解決手段】  第一の圧縮機２および第二の圧縮機１を並列に接続した圧縮部と、放熱器４と、前記第二の圧縮機２と一体型である膨張機５と、蒸発器６とを順次環状に接続して冷媒を循環させるヒートポンプ装置であって、  前記第一の圧縮機１の吐出部に設けられた第一の減圧手段７と、前記第二の圧縮機２の吐出部に設けられた第二の減圧手段８と、前記第一および第二の圧縮機１，２を繋ぐ均油管９とをさらに有し、前記第一および第二の減圧手段７，８を交互に作動させることよって均油運転制御を行うことを特徴とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の圧縮機および第二の圧縮機を並列に接続した圧縮部と、放熱器と、前記第一の圧縮機と一体型である膨張機と、蒸発器とを順次環状に接続して冷媒を循環させるヒートポンプ装置であって、
前記第一の圧縮機の吐出部に設けられた第一の減圧手段と、前記第二の圧縮機の吐出部に設けられた第二の減圧手段と、前記第一および第二の圧縮機を繋ぐ均油管とをさらに有し、前記第一および第二の減圧手段を交互に作動させることよって均油運転制御を行うことを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項２】
前記第一または第二の減圧手段の作動による減圧量が5〜100kPaの範囲である事を特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【請求項３】
前記第一または第二の減圧手段の一回の作動時間が5分以内である事を特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ装置。
【請求項４】
第一の圧縮機および第二の圧縮機を並列に接続した圧縮部と、放熱器と、前記第一の圧縮機と一体型である膨張機と、蒸発器とを順次環状に接続して冷媒を循環させるヒートポンプ装置であって、
前記第一または第二の圧縮機の吐出部に設けられた減圧手段と、前記第一および第二の圧縮機を繋ぐ均油管とをさらに有し、前記減圧手段の作動と作動の解除を交互に行う事で均油運転を行う事を特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項５】
前記減圧手段の作動による減圧量が5〜100kPaの範囲である事を特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ装置。
【請求項６】
減圧手段の一回の作動時間が5分以内である事を特徴とする請求項４または５に記載のヒートポンプ装置。
【請求項７】
前記第一または第二の圧縮機の運転周波数を調整して冷凍サイクルの高圧側圧力およびスーパーヒートを制御する制御手段を設けた事を特徴とする請求項１〜６に記載のヒートポンプ装置。
【請求項８】
前記圧縮部の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段を設け、前記制御手段では、検出された吐出圧力が所定値になっていない場合に、前記第二の圧縮機の容量を調整して前記吐出圧力を制御し、前記吐出圧力が所定値になっている場合に、前記第一の圧縮機の容量を調整してスーパーヒートを制御する事を特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
【請求項９】
外気温度検出手段と前記圧縮部の吐出温度を検出する吐出温度検出手段とを設け、前記制御手段では、前記外気温度検出手段で検出された外気温度と前記吐出温度検出手段で検出された吐出温度を元に吐出圧力を推算し、推算した前記吐出圧力が所定値になっていない場合に、前記第一の圧縮機の容量を調整して前記吐出圧力を制御し、前記吐出圧力が所定値になっている場合に、前記第二の圧縮機の容量を調整してスーパーヒートを制御する事を特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
【請求項１０】
前記均油管の設置位置が前記第一または第二の圧縮機の必要油面高さよりも上方である事を特徴とする請求項１〜９のいづれかに記載のヒートポンプ装置。
【請求項１１】
前記均油管の設置位置が前記第一または第二の圧縮機の給油ポンプ吸込口よりも上方に
あり、かつ電動機よりも下方である事を特徴とする請求項１〜９のいづれかに記載のヒートポンプ装置。
【請求項１２】
前記第一または第二の圧縮機は、電動機下方にシリンダを設置した往復型圧縮機であって、前記均油管の設置位置が給油ポンプ吸入口よりも上方にあり、かつ前記シリンダよりも下方である事を特徴とする請求項１〜９のいづれかに記載のヒートポンプ装置。
【請求項１３】
前記第一または第二の圧縮機は、電動機回転軸が水平に設置されるものであって、前記均油管の設置位置が給油ポンプ吸込口よりも上方にあり、かつ前記電動機軸よりも下方である事を特徴とする請求項１〜９のいづれかに記載のヒートポンプ装置。
【請求項１４】
前記第二の圧縮機の積算運転時間が１〜２時間となるタイミングで前記均油運転を行う事を特徴とする請求項１〜１３のいづれかに記載のヒートポンプ装置。
【請求項１５】
前記ヒートポンプ装置起動直後に前記均油運転を行う事を特徴とする請求項１〜１４のいづれかに記載のヒートポンプ装置。
【請求項１６】
除霜運転中に前記均油運転を行う事を特徴とする請求項１〜１５のいづれかに記載のヒートポンプ装置。
【請求項１７】
前記第二の圧縮機と前記第一の圧縮機との運転周波数の差が大きくなるにつれて、前記均油運転をより頻繁に行う事を特徴とする請求項１〜１６のいづれかに記載のヒートポンプ装置。
【請求項１８】
外気温度が低くなるにつれて、前記均油運転を頻繁に行う事を特徴とする請求項１〜１７のいづれかに記載のヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給湯機や空調機などに用いる、膨張機と複数の圧縮機を搭載したヒートポンプ装置（その均油制御）に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、冷凍サイクルの更なる高効率化を図る手段として、膨張弁に代えて膨張機を備え、冷媒が膨張する過程でその圧力エネルギーを膨張機によって電力又は動力の形で回収し、その回収分だけ圧縮機の入力を低減する動力回収サイクルが提案されており、あらゆる条件で回収動力を確保し、高効率を維持するものとして、第一の圧縮機、第二の圧縮機および第一の圧縮機に同一軸で連結された膨張機を持ち、冷凍サイクルの高圧を所定の目標値となるように第二圧縮機の容量を調節するものがある。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１２は、特許文献１に記載された従来のヒートポンプ装置１を示す構成図である。
【０００４】
図１２において、ヒートポンプ装置は冷媒回路１０と制御手段であるコントローラ５０とを備えており、前記冷媒回路１０には、室内熱交換器１１、室外熱交換器１２、第一の四路切換弁１３、第二の四路切換弁１４、第一の電動機３１により回転駆動される第一の圧縮機２１と、第二の電動機３２により回転駆動される第二の圧縮機２２と第一の圧縮機２１と一軸で連結された膨張機２３とが設けられており、第一の圧縮機２１と第二の圧縮機２２は互いに並列接続されている。
【０００５】
前記コントローラ５０は、冷凍サイクルの高圧が所定の目標値となるように、第二の圧縮機２２の容量調節を行うように構成されている。具体的に、このコントローラ５０は、高圧Phの測定値が目標値よりも高ければ、第二の電動機３２の回転速度を低下させて第二の圧縮機２２の容量を削減し、逆に、高圧Phの測定値が目標値よりも低ければ、第二の電動機３２の回転速度を上昇させて第二の圧縮機２２の容量を増大させる。
【０００６】
従って、第一の圧縮機２１だけでは押しのけ量が不足するような運転条件においても、第二の圧縮機２２を運転することで押しのけ量の不足分を補うことができ、適切な条件で冷凍サイクルを継続させることができる。そして、それまで冷媒を膨張弁等で予め膨張させてから膨張機２３へ流入させなければならなかった運転条件においても、放熱後の高圧冷媒を予め膨張させずに膨張機２３へ導入することができ、膨張機２３で得られる動力の低下を回避できるとしていた。
【０００７】
また、ヒートポンプ装置の高出力化の為に圧縮機を複数台設置したヒートポンプ装置があるが、各圧縮機間で冷凍機油保持量の不均衡が発生し、信頼性および効率の面で問題となっている。その問題を解決する為の方法として、各圧縮機の冷凍機油保持量を均衡させる構造が提案されている。（例えば、特許文献２参照）
図１３は、特許文献２に記載された従来のヒートポンプ装置２を示す構成図である。
【０００８】
図１３において、Aは室外ユニット、Bは分岐ユニット、C、D、Eは室内ユニットである。室外ユニットAは2台の能力可変圧縮機1、2を備え、その圧縮機1、2を逆止弁3、4をそれぞれ介して並列に接続している。そして、圧縮機1、2、四方弁5、室外熱交換器6、暖房用膨張弁7と冷房サイクル形成用逆止弁8の並列体、リキッドタンク9、電動式流量調整弁11、21、31、冷房用膨張弁12、22、32と暖房サイクル形成用逆止弁13、23、33の並列体、室内熱交換器14、24、34、ガス側開閉弁（電磁開閉弁）15、25、35、アキュムレータ10などを順次連通し、ヒートポンプ式冷凍サイクルを構成している。
【０００９】
さらに、圧縮機１の冷媒吐出側配管にオイルセパレータ４１を設け、そのオイルセパレータ４１から圧縮機１の冷媒吸込側配管にかけてオイルバイパス管４２を設ける。同様に圧縮機２の冷媒吐出側配管にオイルセパレータ４３を設け、そのオイルセパレータ４３から圧縮機２の冷媒吸込側配管にかけてオイルバイパス管４４を設ける。そして、図１４に示すように、圧縮機１，２のそれぞれケース底部を均油管４５で連通する。さらに、冷凍サイクルの高圧側配管に圧力センサー４６を取付ける。
【００１０】
そして、圧縮機１，２の２台運転時、均油運転として以下の運転を行う。
【００１１】
圧縮機１の運転周波数をまず一定値だけステップアップし、設定時間taに達するまでの間、圧力センサ４６の検出圧力Pdが変化しないように、圧縮機２の運転周波数を下げる。設定時間taに達したら、圧縮機１の運転周波数を一定値だけステップダウンし、同じく設定時間taに達するまでの間圧力センサ４６の検出圧力Pdが変化しないように圧縮機２の運転周波数を上げる。
【００１２】
こうして、再び設定時間taに達したら、圧縮機１、２の運転周波数を元に戻す。そして設定時間tbを経過する毎に、上記ステップアップ、ステップダウンの均油運転を繰り返す。
【００１３】
このように、圧縮機１，２の間に均油管４５を設けるとともに、圧縮機１，２の２台運転時、圧縮機１，２の運転周波数を交互に上下させることにより、圧縮機１，２の冷凍機油が均油管４５を通して効率よく流通し、圧縮機１，２間の均油効果が得られるとしていた。
【特許文献１】特開２００４−２１２００６号公報
【特許文献２】特開平１−１２７８６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、図１２に示す特許文献１に記載の従来の動力回収サイクルで発生する冷凍機湯保持量の不均衡を解消するために、特許文献２に記載の従来の均油運転を行おうとすると、例えば、特許文献２に従えば、均油運転を行う為に第一の圧縮機の容量をステップアップさせると、第一の圧縮機と一体型である膨張機の容量も増加するので、高圧圧力は低下する。従って、第二の圧縮機の制御は、特許文献１に従えば容量を増加させる方向となるが、特許文献２に従えば容量を低下させる方向となり、矛盾が生じる。また、特許文献１に従って、第二の圧縮機の制御を容量を増加させる方向に行ってしまうと、どちらの圧縮機も容量の増加する方向に制御される事となり、均油運転は成り立たなくなる。したがって、従来の方法では、ヒートポンプ装置の高効率化と信頼性の向上を両立させる事ができない。
【００１５】
本発明は、前記従来の課題に鑑みてなされたものであり、圧縮機を複数台設置した動力回収サイクルにおいても、冷凍サイクルを最適な高圧圧力とスーパーヒートに制御することで回収動力を確保しつつ、それぞれの圧縮機に保持される冷凍機油量の均衡を保つ事で、高効率かつ高信頼性の冷凍サイクルを実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するため、本発明のヒートポンプ装置は、第一の圧縮機および第二の圧縮機を並列に接続した圧縮部と、放熱器と、前記第一の圧縮機と一体型である膨張機と、蒸発器とを順次環状に接続して冷媒を循環させるヒートポンプ装置であって、
前記第一の圧縮機の吐出部に設けられた第一の減圧手段と、前記第二の圧縮機の吐出部
に設けられた第二の減圧手段と、前記第一および第二の圧縮機を繋ぐ均油管とをさらに有し、前記第一および第二の減圧手段を交互に作動させることよって均油運転制御を行うことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の別のヒートポンプ装置は、第一の圧縮機および第二の圧縮機を並列に接続した圧縮部と、放熱器と、前記第一の圧縮機と一体型である膨張機と、蒸発器とを順次環状に接続して冷媒を循環させるヒートポンプ装置であって、
前記第一または第二の圧縮機の吐出部に設けられた減圧手段と、前記第一および第二の圧縮機を繋ぐ均油管とをさらに有し、前記減圧手段の作動と作動の解除を交互に行う事で均油運転を行う事を特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のヒートポンプ装置によれば、圧縮機を複数台設置した動力回収システムにおいても、最適な高圧圧力とスーパーヒートに制御する事ができ、さらに簡単な方法で圧縮機内に保持される冷凍機油を均一に保つ事もできるので、高出力で高効率かつ信頼性の高い冷凍サイクルを安価に実現する事ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（実施形態１）
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の第１実施形態におけるヒートポンプ装置の構成図である。
【００２１】
図１において、本実施形態のヒートポンプ装置は、冷媒を高温高圧に圧縮する第一の圧縮機１および前記第一の圧縮機と互いに並列に設置される第二の圧縮機２とを含む圧縮部と、高温高圧になった冷媒を冷却して周囲へ放熱させる放熱器４と、放熱器４よりも冷媒の流れ方向に対して下流側に配設されて冷媒を減圧膨張することにより動力を取り出す前記第一の圧縮機１と一体型である膨張機５と、冷媒が周りから熱を奪って蒸発する蒸発器６とによって冷媒回路３を構成している。そして本実施形態による冷凍サイクルには、前記第一の圧縮機および前記第二の圧縮機の下流側に第一の減圧手段７と第二の減圧手段８とが設置されている。
【００２２】
なお、本発明において、減圧手段とは、冷媒流路を可変に狭くして冷媒の流れを妨害するもので、たとえば、絞り弁である。減圧手段を作動することにより、減圧手段より下流側の冷媒圧力は低下し、減圧手段より上流側は、冷媒圧力は上昇する。
【００２３】
さらに、前記第一の圧縮機１と前記第二の圧縮機２は均油管９によって連結されている。この均油管の設置位置は圧縮機の必要油面高さよりも上方である。
【００２４】
また、前記第一の圧縮機１の出口配管には第一の圧縮機１の吐出部冷媒の圧力を検出する例えば圧力センサーである吐出圧力検出手段１１が配設されており、さらに、前記第一の圧縮機１および前記第二の圧縮機の入口配管には第一の圧縮機１および第二の圧縮機２の吸込部冷媒の圧力を検出する例えば圧力センサーである圧縮機吸込冷媒圧力検出手段１３および温度を検出する例えば温度センサーである圧縮機吸込冷媒温度検出手段１４が配設されており、これらの圧力および温度検出手段１１〜１４からの信号により、冷凍サイクルの高圧圧力およびスーパーヒートを導出し、前記第一の圧縮機１の運転周波数や前記第二の圧縮機２の運転周波数を制御する制御手段２０が備えられている。
【００２５】
次に、上記ヒートポンプ装置の作動について説明する。
【００２６】
第一の圧縮機１および第二の圧縮機２で吐出された冷媒は、高温高圧となり放熱器４に入り、ここで放熱して冷却される。その後、膨張機５に導かれた冷媒は、機械エネルギーを発生させるとともに、自らも温度低下し、エンタルピを減少させる。その後、蒸発器６において、吸熱してガス状となり第一の圧縮機１および第二の圧縮機２へ戻される。このとき膨張機５で回収した機械エネルギーは、膨張機５と同一軸で連結された第一の圧縮機１を駆動するための補助動力として利用される。
【００２７】
次に、あらゆる条件において冷凍サイクルを安定させ、膨張機５による動力回収量を確保する事で高効率を実現する制御の方法について、図２のフローチャートを元に説明する。図２は、本実施形態における最適な圧縮機の運転周波数制御のフローチャートである。
【００２８】
第一の圧縮機１と同一の軸で連結された膨張機５のシリンダ容積を冬期のサイクル条件を基準に決定した場合、周囲の雰囲気温度が冬期よりも高くなると、膨張機５に流入しようとする冷媒の体積流量がシリンダ容積よりも大きくなってしまうため、冷凍サイクルの高圧圧力Phが目標値Pxよりも大きくなってしまい、圧縮機で消費される電力が必要以上に増大し、効率的な運転を行えなくなってしまう。また、周囲の雰囲気温度が冬期よりも低くなると、冷媒温度と雰囲気温度との温度差が小さくなるため、蒸発器６での熱交換量が減少し、冷媒が蒸発しきれなくなり圧縮機に液冷媒が流入してしまい、冷凍サイクルの効率低下、圧縮機の破損などの問題が発生する。
【００２９】
そこで、図２のフローチャートに示す手順で、運転状態が変化しても高圧側圧力及びスーパーヒートを最適に制御し、十分な能力を発揮しつつ、動力回収量を確保する事で、消費電力を抑え、液圧縮を防ぐことで信頼性も備えた運転を行う方法について説明する。  
【００３０】
図２のフローチャートの流れを以下に説明する。
【００３１】
まず、ステップ１で外気温度検出手段１６からの検出信号により外気温度Tを検出しステップ２に移る。ステップ２では、検出された外気温度Tを元に目標圧力Pxを決定しステップ３に移る。ステップ３では、吐出圧力検出手段１１からの検出信号により吐出圧力Phを検出する。ステップ４で吐出圧力Phと目標値Pxを比較する。吐出圧力PhとPxの差が所定値Pyより大きければステップ５に移り、吐出圧力PhとPxの差が所定値Pzより小さければステップ６に移り、吐出圧力PhとPxの差が所定値Pzよりも大きく所定値Pyより小さければステップ７へ移る。
【００３２】
ステップ５では、制御手段２０により、第二の圧縮機２の運転周波数を所定値Fy減少させる。ステップ６では、制御手段２０により、第二の圧縮機２の運転周波数を所定値Fz増加させる。
【００３３】
なお、ステップ５およびステップ６での所定値FyおよびFzは、吐出圧力PhとPxの差の大きさによって変化するものとしてもよい。例えば、吐出圧力PhとPxの差がPyの2倍以上となった場合には、所定値も2倍とするなどである。
【００３４】
ステップ７では低圧圧力検出手段１３からの検出信号により低圧圧力Plを検出し、ステップ８に移る。ステップ８では、圧縮機吸込部温度検出手段１４からの検出信号により、圧縮機吸込温度Tsを検出する。ステップ９では、検出された低圧圧力Plと圧縮機吸込温度Tsから圧縮機吸込部におけるスーパーヒートThを計算し、ステップ１０に移る。ステップ１０でスーパーヒートThが所定値Tyより大きければステップ１１に移り、スーパーヒートThが所定値Tzより小さければステップ１２に移り、スーパーヒートThが所定値Tzより大きく所定値Tyよりも小さければステップ１に戻る。
【００３５】
ステップ１１では、制御手段２０により、第一の圧縮機１の運転周波数を所定値Fa増加させる。ステップ１２では、制御手段２０により、第一の圧縮機１の運転周波数を所定値Fb減少させる。
【００３６】
次に、冷凍機油保持量が不均衡となった場合にも、その不均衡を改善させ、信頼性を確保する均油運転を行う方法について、図４のフローチャートを用いて説明する。
【００３７】
図４のフローチャートの流れを以下に説明する。
【００３８】
まず、ステップ１で第一の減圧手段を作動させる。減圧手段は作動させる前は減圧手段としての機能を果たしておらず、作動させたときには例えば流路を狭くする事で上流側と下流側の流体に圧力差を発生させる。この時の減圧量は5〜100kPaの範囲にある事が望ましい。これは実施形態２においても同様である。この際この減圧量は、減圧手段の前後の圧力差を計測する差圧計により計測しながら減圧量を調整するとしても良い。または、あらかじめ、減圧手段の作動量と減圧量との関係を、設計または実験により求め、制御手段に記憶しておき、記憶された作動量に基づいて、減圧手段を制御しても良い。ステップ２では、第一の減圧手段が作動してからの経過時間Tが所定値Ta以上であるかを判断し、所定値Taよりも小さい時には作動を続け、所定値Ta以上である時にはステップ３に移る。この時の所定値Taは５分以下である事が望ましい。これは実施形態２においても同様である。
【００３９】
以上のステップ１〜３の作動により、第一の圧縮機１のシェル内の圧力が第二の圧縮機２のシェル内の圧力よりも大きくなり、第一の圧縮機１から第二の圧縮機２へ均油管を介した流体の移動が発生する。この時、第一の圧縮機１の均油管接続部より上方に存在していた余分な冷凍機油は、第二の圧縮機２に確実に輸送される。
【００４０】
一方、ステップ４で第二の減圧手段を作動させる。この時の減圧量も上述の通り、５〜１００kPaの範囲にある事が望ましい。ステップ５では、第二の減圧手段が作動してからの経過時間Tが所定値Ta以上であるかを判断し、所定値Taよりも小さい時には作動を続け、所定値Ta以上である時にはステップ６に移る。この時の所定値Taは５分以下である事が望ましい。
【００４１】
以上のステップ４〜６の作動により、第二の圧縮機２のシェル内の圧力が第１の圧縮機１のシェル内の圧力よりも大きくなり、第二の圧縮機２から第一の圧縮機１へ均油管を介した流体の移動が発生する。この時、第二の圧縮機２の均油管接続部より上方に存在していた余分な冷凍機油は、第一の圧縮機１に確実に輸送される。
【００４２】
１〜６の作動により、第一の圧縮機１および第二の圧縮機２のどちらにも十分な冷凍機油の保持量が確保され、信頼性を確保する事ができる。
【００４３】
次に、どのような運転条件下においても十分な冷凍機油の保持量を確保するように、均油運転を行うタイミングを制御する方法について、図９のフローチャートを元に説明する。これは実施形態２においても同様である。
【００４４】
図９のフローチャートの流れを以下に説明する。
【００４５】
まず、ステップ１でヒートポンプ装置が起動してからの積算運転時間Tと所定値Tbとを比較する。積算運転時間Tが所定値Tbよりも小さい場合にはステップ１に戻り、積算運転時間Tが所定値Tb以上である場合にはステップ２に移る。ステップ２では、均油運転を行い、均油運転が終了したら、ステップ３にて積算運転時間Tをリセットし、ステップ１に
戻る。ここで、所定値Tbは、第一の圧縮機１と第二の圧縮機２の運転周波数の差が大きいほど小さくなるとしてもよい。例えば、第一の圧縮機１と第二の圧縮機２の運転周波数の差が10Hz以上である場合には、所定値Tbを1/2にするといったものである。さらに、所定値Tbは、外気温度が低くなるにつれて小さくなるとしても良い。例えば、外気温度が10℃下がった場合には、所定値Tbを3/4にするといったものである。
【００４６】
以上のような本実施形態のヒートポンプ装置により、複数の圧縮機といずれかの圧縮機と同一軸で連結された膨張機を設置したヒートポンプ装置において、圧縮機の運転周波数を最適に制御する事で、運転状態が変化しても最適な高圧側圧力に制御し、さらにスーパーヒート制御することによって、高効率化を図るとともに、圧縮機吐出部に設置した減圧弁を作動させる事でそれぞれの圧縮機に十分な冷凍機油を保持させ、信頼性を向上させることもできる。
【００４７】
（実施形態２）
本発明の実施形態２について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００４８】
図５は、本発明の第２実施形態におけるヒートポンプ装置の構成図である。
【００４９】
図５において、本実施形態のヒートポンプ装置は、冷媒を高温高圧に圧縮する第一の圧縮機１および前記第一の圧縮機と互いに並列に設置される第二の圧縮機２とを含む圧縮部と、高温高圧になった冷媒を冷却して周囲へ放熱させる放熱器４と、放熱器４よりも冷媒の流れ方向に対して下流側に配設されて冷媒を減圧膨張することにより動力を取り出す前記第一の圧縮機１と一体型である膨張機５と、冷媒が周りから熱を奪って蒸発する蒸発器６とによって冷媒回路３を構成している。そして本実施形態による冷凍サイクルには、前記第一の圧縮機の圧縮機の下流側に減圧手段７が設置されている。ここで、減圧手段７は第二の圧縮機の下流側に設置としても良く、冷凍機油の保持量が増えやすい圧縮機の下流側に設置する事が望ましい。
【００５０】
さらに、前記第一の圧縮機１と前記第二の圧縮機２は均油管９によって連結されている。この均油管の設置位置は例えば図６に示すように圧縮機の給油ポンプ吸込口２２よりも上方にあり、かつ電動機２１よりも下方であるものでもよい。これにより、圧縮機以外の冷凍サイクル機器内例えば熱交換器などに冷凍機油が滞留し、各圧縮機内保持される冷凍機油の総量が減少した場合にも相互に最低限必要な油を確保することができるので、圧縮機以外の冷凍サイクル機器に冷凍機油が滞留しやすいシステムにおいても、安全性を確保する事ができる。または、図７に示すように電動機２１下方にシリンダ２３を設置した往復型圧縮機を設置したシステムにおいては、圧縮機の給油ポンプ吸込口２２よりも上方にあり、かつシリンダ２３よりも下方であるものでもよい。これにより、電動機２１下方にシリンダ２３を設置した往復型圧縮機を設置したシステムにおいて均油運転を行った際にはシリンダ周辺の油の滞留を低減する事ができるので、シリンダが作動する際の抵抗の低減、振動の低減、熱移動の低減などの効果が期待できる。または、図８に示すように電動機回転軸２４が水平である圧縮機を設置したシステムにおいては、圧縮機の給油ポンプ吸込口２２よりも上方にあり、かつ前記電動機２１よりも下方であるものでもよい。これにより、電動機回転軸２４が水平である圧縮機を設置したシステムにおいて均油運転を行った際には、電動機回転軸周辺の油の滞留を低減する事ができるので、電動機回転軸が回転する際の抵抗の低減、振動の低減、熱移動の低減などの効果が期待できる。これらは実施形態１においても同様である。
【００５１】
また、前記第一の圧縮機１の出口配管には第一の圧縮機１の吐出部冷媒の温度を検出する例えば温度センサーである吐出温度検出手段１２が配設されており、さらに、前記第一の圧縮機１および前記第二の圧縮機の入口配管には第一の圧縮機１および第二の圧縮機２
の吸込部冷媒の温度を検出する例えば温度センサーである圧縮機吸込冷媒温度検出手段１４が配設されており、前記蒸発器６の上流側配管には低圧側の冷媒飽和温度を検出する例えば温度センサーである低圧側冷媒飽和温度検出手段１５が配設されており、さらに、外気温度を検出する例えば温度センサーである外気温度検出手段１６を備えている。外気温検出手段１６と吐出温度検出手段１２により検出された外気温と吐出温度から、例えば図３のような予め作成して置いた外気温と吐出温度から吐出圧力を推算するためのテーブルを用いて、吐出圧力を検知し、さらに、圧縮機吸込部温度検出手段１４と低圧側冷媒飽和温度検出手段１５からスーパーヒートを導出し、前記第一の圧縮機１の運転周波数や前記第二の圧縮機２の運転周波数を制御する制御手段２０が備えられている。
【００５２】
次に、上記ヒートポンプ装置の作動について説明する。
【００５３】
第一の圧縮機１および第二の圧縮機２で吐出された冷媒は、高温高圧となり放熱器４に入り、ここで放熱して冷却される。その後、膨張機５に導かれた冷媒は、機械エネルギーを発生させるとともに、自らも温度低下し、エンタルピを減少させる。その後、蒸発器６において、吸熱してガス状となり第一の圧縮機１および第二の圧縮機２へ戻される。このとき膨張機５で回収した機械エネルギーは、膨張機５と同一軸で連結された第一の圧縮機１を駆動するための補助動力として利用される。
【００５４】
次に、あらゆる条件において冷凍サイクルを安定させ、膨張機５による動力回収量を確保する事で高効率を実現する制御の方法について、図２のフローチャートを元に説明する。図２は、本実施形態における最適な圧縮機の運転周波数制御のフローチャートである。
【００５５】
ところで、第一の圧縮機１と同一の軸で連結された膨張機５のシリンダ容積を冬期のサイクル条件を基準に決定した場合、周囲の雰囲気温度が冬期よりも高くなると、膨張機５に流入しようとする冷媒の体積流量がシリンダ容積よりも大きくなってしまうため、冷凍サイクルの高圧圧力Phが目標値Pxよりも大きくなってしまい、圧縮機で消費される電力が必要以上に増大し、効率的な運転を行えなくなってしまう。また、周囲の雰囲気温度が冬期よりも低くなると、冷媒温度と雰囲気温度との温度差が小さくなるため、蒸発器６での熱交換量が減少し、冷媒が蒸発しきれなくなり圧縮機に液冷媒が流入してしまい、冷凍サイクルの効率低下、圧縮機の破損などの問題が発生する。
【００５６】
そこで、図１６のフローチャートに示す手順で、運転状態が変化しても高圧側圧力及びスーパーヒートを最適に制御し、十分な能力を発揮しつつ、動力回収量を確保する事で、消費電力を抑え、液圧縮を防ぐことで信頼性も備えた運転を行う方法について説明する。
【００５７】
図１６のフローチャートの流れを以下に説明する。
【００５８】
まず、ステップ１で外気温度検出手段１６からの検出信号により外気温度Tを検出しステップ２に移る。ステップ２では、検出された外気温度Tを元に目標圧力Pxを決定しステップ３に移る。ステップ３では、吐出圧力検出手段１１からの検出信号により吐出圧力Phを検出する。ステップ４で吐出圧力Phと目標値Pxを比較する。吐出圧力PhとPxの差が所定値Pyより大きければステップ５に移り、吐出圧力PhとPxの差が所定値Pzより小さければステップ６に移り、吐出圧力PhとPxの差が所定値Pzよりも大きく所定値Pyより小さければステップ７へ移る。
【００５９】
ステップ５では、制御手段２０により、第一の圧縮機１の運転周波数を所定値Fy増加させる。ステップ６では、制御手段２０により、第一の圧縮機１の運転周波数を所定値Fz減少させる。
【００６０】
なお、ステップ５およびステップ６での所定値FyおよびFzは、吐出圧力PhとPxの差の大きさによって変化するものとしてもよい。例えば、吐出圧力PhとPxの差がPyの2倍以上となった場合には、所定値も2倍とするなどである。
【００６１】
ステップ７では低圧側冷媒飽和温度検出手段１５からの検出信号により低圧側冷媒飽和温度Tlを検出し、ステップ８に移る。ステップ８では、圧縮機吸込部温度検出手段１４からの検出信号により、圧縮機吸込温度Tsを検出する。ステップ９では、検出された低圧側冷媒飽和温度Tlと圧縮機吸込温度Tsから圧縮機吸込部におけるスーパーヒートThを計算し、ステップ１０に移る。ステップ１０でスーパーヒートThが所定値Tyより大きければステップ１１に移り、スーパーヒートThが所定値Tzより小さければステップ１２に移り、スーパーヒートThが所定値Tzより大きく所定値Tyよりも小さければステップ１に戻る。
【００６２】
ステップ１１では、制御手段２０により、第二の圧縮機２の運転周波数を所定値Fa減少させる。ステップ１２では、制御手段２０により、第二の圧縮機２の運転周波数を所定値Fb増加させる。
【００６３】
次に、冷凍機油保持量が不均衡となった場合にも、その不均衡を改善させ、信頼性を確保する均油運転を行う方法について、図１５のフローチャートを用いて説明する。
【００６４】
図１５のフローチャートの流れを以下に説明する。
【００６５】
まず、ステップ１で減圧手段を作動させる。減圧手段は作動させる前は減圧手段としての機能を果たしておらず、作動させたときに減圧手段として機能する。ステップ２では、減圧手段が作動してからの経過時間Tが所定値Ta以上であるかを判断し、所定値Taよりも小さい時には作動を続け、所定値Ta以上である時にはステップ３に移り、その後均油運転を終了する。
【００６６】
以上のステップ１〜３の作動により、第一の圧縮機１のシェル内の圧力が第二の圧縮機２のシェル内の圧力よりも大きくなり、第一の圧縮機１から第二の圧縮機２へ均油管を介した流体の移動が発生する。この時、第一の圧縮機１の均油管接続部より上方に存在していた余分な冷凍機油は、第二の圧縮機２に確実に輸送される。
【００６７】
従って、第一の圧縮機１には必要以上の油が保持されず、なおかつ十分な量の油は保持される。また、第一の圧縮機１から排出された余分な油は、第二の圧縮機２に供給されるので、第二の圧縮機２にも十分な量の油が保持される。従ってどちらの圧縮機にも十分な冷凍機油の保持量が確保され、信頼性を確保する事ができる。
【００６８】
次に、どのような運転条件下においても十分な冷凍機油の保持量を確保するように、均油運転を行うタイミングを制御する方法について、図１０のフローチャートを元に説明する。これは実施形態１においても同様である。
【００６９】
図１０のフローチャートでは、ヒートポンプ装置が起動した直後に均油運転を行い、その後通常運転を行うとしている。これにより、ヒートポンプ装置が起動し、圧縮機が運転を始める際には常に両方の圧縮機に十分な冷凍機油が確保されているので、どのような運転状況かにおいても信頼性を確保する事ができる。また、図１１に示すように、除霜運転が開始された直後に均油運転を行うとしても良い。これにより、通常の運転状態に影響を及ぼす事無く均油運転を行う事ができ、さらなる効率向上を図る事ができる。ここで除霜運転とは、例えば熱交換器に霜が付着した際にヒーター等により熱交換器を加熱し、霜を溶かして除去する運転の事を言う。
【００７０】
以上のような実施形態２のヒートポンプ装置により、複数の圧縮機といずれかの圧縮機と同一軸で連結された膨張機を設置したヒートポンプ装置において、圧縮機の運転周波数を最適に制御する事で、運転状態が変化しても最適な高圧側圧力に制御し、さらにスーパーヒート制御することによって、高効率化を図るとともに、圧縮機吐出部に設置した減圧弁を作動させる事でそれぞれの圧縮機に十分な冷凍機油を保持させ、信頼性を向上させることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明にかかるヒートポンプ装置は、圧縮機及びシステムの信頼性・高効率化を図ることができ、給湯機、冷凍・空調機器や乾燥装置など、他の用途のヒートポンプ装置としても利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】実施形態１におけるヒートポンプ装置の構成図
【図２】実施形態１における最適な高圧制御及び最適なスーパーヒート制御のフローチャート
【図３】実施形態２における外気温と吐出温度から吐出圧力を推算するためのテーブル
【図４】実施形態１における最適な均油運転制御のフローチャート
【図５】実施形態２におけるヒートポンプ装置の構成図
【図６】実施形態２における圧縮機および均油管の構成図
【図７】実施形態２の変形例における圧縮機および均油管の変形例の構成図
【図８】実施形態２の変形例における圧縮機および均油管の変形例の構成図
【図９】実施形態１における最適な均油運転タイミングを制御するためのフローチャート
【図１０】実施形態２における最適な均油運転タイミングを制御するためのフローチャート
【図１１】実施形態２の変形例における最適な均油運転タイミングを制御するためのフローチャート
【図１２】従来のヒートポンプ装置１を示す構成図
【図１３】従来のヒートポンプ装置２を示す構成図
【図１４】従来のヒートポンプ装置２における、各圧縮機および均油管を示す斜視図
【図１５】実施形態２における最適な均油運転制御のフローチャート
【図１６】実施形態２における最適な高圧制御及び最適なスーパーヒート制御のフローチャート
【符号の説明】
【００７３】
１  第一の圧縮機
２  第二の圧縮機
３  冷媒回路
４  放熱器
５  膨張機
６  蒸発器
７  第一の絞り装置
８  第二の絞り装置
９  均油管
１１  吐出圧力検出手段
１２  吐出温度検出手段
１３  低圧圧力検出手段
１４  圧縮機吸込部温度検出手段
１５  低圧側冷媒飽和温度検出手段
１６  外気温度検出手段
２０  制御手段
２１  電動機
２２  給油ポンプ吸込口
２３  圧縮機シリンダ
２４  電動機回転軸
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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