JP2015028401A - 超臨界式ヒートポンプサイクル及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超臨界式ヒートポンプサイクルの安定した運転を実現させる。【解決手段】高圧側で超臨界状態となり得る冷媒を用い、少なくとも遠心式圧縮機、放熱器、膨張弁、及び蒸発器を備える超臨界式ヒートポンプサイクルであって、放熱器の出口側における冷媒状態が、モリエル線図上において冷媒の臨界点を回避するように設定された所定の制御線Ｌに沿って変化するように、膨張弁の開度を制御する。例えば、制御線は、冷媒圧力が臨界点圧力未満であり、かつ、比エンタルピが臨界点に対応する比エンタルピ未満である第１通過点Ｐ１と、冷媒圧力が前記臨界点圧力よりも大きく、かつ、比エンタルピが前記臨界点に対応する比エンタルピ未満である第２通過点Ｐ２とを通るように設定されている。【選択図】図８

Description

本発明は、高圧側で超臨界状態となり得る冷媒を利用した超臨界式ヒートポンプサイクル及びその制御方法に関するものである。

従来、高圧側で超臨界状態となり得る冷媒（例えば、代替フロン（Ｒ１３４ａ）、二酸化炭素など）を用いたヒートポンプサイクルが知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなヒートポンプサイクルでは、定格出力時の圧縮機吐出側圧力が超臨界圧力となることから、例えば、図１１に示すように、起動から定格点まで移行する間に、放熱器の出口側の冷媒状態が臨界点を通過するおそれがある。

特開２００１−１９４０１７号公報

臨界点付近では、冷媒の熱物性の変化が比較的大きい。したがって、放熱器の冷媒出口温度に基づいて膨張弁の開度を制御する場合に、放熱器の出口側における冷媒状態が臨界点付近を通過してしまうと、温度及び比熱の変化率が変わってしまい、膨張弁の開度制御が不安定となり、ひいては、ヒートポンプサイクルの運転状態が不安定となる可能性があった。

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、超臨界式ヒートポンプサイクルの安定した運転を実現させることのできる超臨界式ヒートポンプサイクル及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、高圧側で超臨界状態となり得る冷媒を用い、少なくとも遠心圧縮機、放熱器、膨張弁、及び吸熱器を備える超臨界式ヒートポンプサイクルであって、前記放熱器の出口側における冷媒状態が、モリエル線図上において冷媒の臨界点を回避するように設定された所定の制御線に沿って変化するように、前記膨張弁の開度を制御する制御手段を具備する超臨界式ヒートポンプサイクルを提供する。

本発明によれば、放熱器の出口側の冷媒状態が、モリエル線図上において冷媒の臨界点を回避するように設定された所定の制御線に沿って変化するように、膨張弁の開度を制御するので、放熱器の出口側の冷媒状態が臨界点付近に移行することを防止することができる。これにより、膨張弁の開度制御が不安定になることを回避することができ、安定した運転にヒートポンプサイクルの運転に寄与することができる。

例えば、前記制御手段は、前記放熱器の出口側における冷媒状態が、モリエル線図上において冷媒の臨界点を回避するように設定された所定の制御線の情報を記憶する記憶手段と、起動時において、前記放熱器の出口側状態が前記制御線に沿って変化するように、前記膨張弁の開度を制御する膨張弁制御手段とを有する。

前記制御線は、冷媒圧力が前記臨界点圧力未満であり、かつ、比エンタルピが前記臨界点に対応する比エンタルピ未満である第１通過点と、冷媒圧力が前記臨界点圧力よりも大きく、かつ、比エンタルピが前記臨界点に対応する比エンタルピ未満である第２通過点とを通るように設定されていてもよい。

前記制御線は、冷媒圧力が前記臨界点圧力未満であり、かつ、比エンタルピが前記臨界点に対応する比エンタルピよりも大きい第１通過点と、冷媒圧力が前記臨界点圧力よりも大きく、かつ、比エンタルピが前記臨界点に対応する比エンタルピよりも大きい第２通過点とを通るように設定されていてもよい。

更に、上記超臨界式ヒートポンプサイクルは、前記放熱器から前記吸熱器へと向かう冷媒と、前記吸熱器から前記遠心圧縮機へと向かう冷媒とを熱交換させるインタークーラを備え、前記制御手段は、前記遠心圧縮機の冷媒吐出圧力が定格圧力よりも小さな値に設定されている所定の第１圧力以上である場合に、冷媒が前記インタークーラを経由するように冷媒回路を切り替えることとしてもよい。

このように、インタークーラを冷媒吐出圧力が比較的小さな値であるうちから利用することにより、前記放熱器の出口側の冷媒状態を高エンタルピ側に移動させることが可能となる。

本発明は、高圧側で超臨界状態となり得る冷媒を用い、少なくとも遠心圧縮機、放熱器、膨張弁、及び吸熱器を備える超臨界式ヒートポンプサイクルの制御方法であって、前記放熱器の出口側における冷媒状態が、モリエル線図上において冷媒の臨界点を回避するように設定された所定の制御線に沿って変化するように、前記膨張弁の開度を制御する超臨界式ヒートポンプサイクルの制御方法を提供する。

本発明によれば、超臨界式ヒートポンプサイクルの運転を安定させることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る超臨界式ヒートポンプサイクルの概略構成図である。 図１の制御部の機能ブロック図である。 定格運転時におけるモリエル線図の一例を示した図である。 起動時における制御フローを示した図である。 膨張弁の開度制御フローを示した図である。 図５に示した目標開度の設定フローを示した図である。 図５に示した現在開度の算出フローを示した図である。 記憶部に格納されている制御線の一例を示した図である。 本発明の一実施形態に係る超臨界式ヒートポンプサイクルにおける放熱器出口点の移行状態を示した図である。 本発明の変形例１に係る制御線の一例を示した図である。 従来の放熱器出口点の移行状態を示した図である。

以下、本発明の一実施形態に係る超臨界式ヒートポンプサイクル及びその制御方法について図面を参照して説明する。
図１には、本実施形態に係る超臨界式ヒートポンプサイクルの概略構成図が示されている。超臨界式ヒートポンプサイクル１は、遠心式（ターボ式）の圧縮機（以下、単に「圧縮機」という。）３と、放熱器５と、膨張弁６と、及び蒸発器（吸熱器）７とが環状に接続された主系統の冷媒回路を備える。冷媒としては、例えば、代替フロン（例えば、Ｒ１３４ａなど）や二酸化炭素など、高圧側において超臨界状態となり得る冷媒が用いられる。

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、流入する冷媒の流量を調節するＩＧＶ（インレットガイドベーン）２１が設けられている。ＩＧＶ２１の開度は、制御部１０によってＩＧＶ用電動モータ２２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、インバータ２０が制御部１０によって周波数制御されることにより、回転数が適宜変更され得るようになっている。

圧縮機３の吸込側には冷媒吸込圧力Ｐｓを測定する圧力センサ３１が設けられている。また、圧縮機３の吐出側には冷媒吐出圧力Ｐｄを測定する圧力センサ３２および冷媒吐出温度Ｔｄを測定する温度センサ３３が設けられている。

放熱器５は、例えば、ブレージング・プレート式の熱交換器とされている。放熱器５には、熱媒配管１１が接続されており、この熱媒配管１１内を流れる熱媒とプレート内の冷媒とが熱交換を行う。熱媒配管１１は、産業用乾燥炉等の外部負荷と接続されている。熱媒配管１１には、熱媒入口温度Ｔｗｉｎを測定する温度センサ３４、熱媒出口温度Ｔｗｏｕｔを測定する温度センサ３５、及び熱媒流量Ｇｗを測定する流量センサ３６が設けられている。
放熱器５の冷媒出口には、冷媒出口圧力Ｐｃｏｎを測定する圧力センサ３７及び冷媒出口温度Ｔｃｏｎを測定する温度センサ３８が設けられている。

膨張弁６は、放熱器５と蒸発器７との間の冷媒配管に設けられており、放熱器５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６の開度は、制御部１０によって制御される。
蒸発器７は、例えば、ブレージング・プレート式の熱交換器とされている。蒸発器７には、熱源水配管１３が接続されており、この熱源水配管１３内を流れる熱源水とプレート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プレート内の冷媒が蒸発する。なお、図１では図示を省略しているが、熱源水配管１３には、冷水入口温度及び冷水出口温度を測定する温度センサがそれぞれ設けられている。

放熱器５と膨張弁６との間には、インタークーラ８が設けられている。インタークーラ８は、放熱器５から導かれた冷媒と、蒸発器７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８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。
放熱器５とインタークーラ８とを接続するインタークーラ上流側冷媒配管２３と、インバークーラ８と膨張弁６とを接続するインタークーラ下流側冷媒配管２４との間には、インタークーラ８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２５が設けられている。このインタークーラバイパス冷媒配管２５には、冷媒流量を調整するインタークーラバイパス弁（以下「ＩＣＢＰ弁」という。）２６が設けられている。ＩＣＢＰ弁２６の開度が制御部１０によって適宜調整されることにより、インタークーラ８への冷媒流量が調整される。

インタークーラ下流側冷媒配管２４において、膨張弁６の入口付近には、膨張弁６の冷媒入口圧力Ｐｅｘｖを測定する圧力センサ３９及び冷媒入口温度Ｔｅｘｖを計測する温度センサ４０が設けられている。
上記各センサ３１〜４０の測定値は、制御部１０へと送られる。

圧縮機３の吐出側と蒸発器７の下流側との間には、ホットガスバイパス配管２７が設けられている。ホットガスバイパス配管２７には、ホットガスバイパス弁（以下「ＨＧＢＰ弁」という。）２８が設けられており、制御部１０によって開度が制御されるようになっている。ＨＧＢＰ弁２８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がサージまたは旋回失速に陥ることを回避できる。
なお、ＨＧＢＰ弁２８の開度については、外部負荷が増加してＨＧＢＰ弁２８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２８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２８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。

制御部１０は、例えば、マイクロコンピュータを有し、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の主記憶装置、補助記憶装置、外部の機器と通信を行うための通信装置などを備えている。補助記憶装置は、コンピュータ読取可能な記録媒体であり、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。この補助記憶装置１３には、超臨界式ヒートポンプサイクル１の運転制御を実現するための各種制御プログラムが格納されており、ＣＰＵ１１が補助記憶装置から主記憶装置にプログラムを読み出し、実行することにより種々の処理を実現させる。

図２は、制御部１０の機能ブロック図である。図２に示すように、制御部１０は、記憶部５１、圧縮機制御部５２、ＩＧＶ制御部５３、ＨＧＢＰ弁制御部５４、膨張弁制御部５５、及びＩＣＢＰ弁制御部５６を主な構成として備えている。

次に、上記構成の超臨界式ヒートポンプサイクル１の定格運転時における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、制御部１０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。これにより、圧縮機３に吸い込まれた低圧ガス冷媒は、超臨界状態まで圧縮される（図３に示されたモリエル線図におけるＡ点）。このとき、ＩＧＶ２は熱媒出口温度Twoutが定格温度となるように制御される。
圧縮機３から吐出された冷媒は、放熱器５へと導かれる。放熱器５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（図３に示されたモリエル線図におけるＢ点）。この際に得られる放出熱によって、熱媒配管１１内を流れる熱媒が加熱される。制御部１０は、圧縮機の吸込圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄの差と冷媒流量から、圧縮機３の回転数を制御する。

放熱器５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２３を通り、インタークーラ８へと導かれる。インタークーラ８では、放熱器５からの高温冷媒と蒸発器７にて蒸発した低温冷媒との熱交換が行われる。インタークーラ８での交換熱量は、制御部１０によってＩＣＢＰ弁２６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８にて熱交換を終えた高圧冷媒は（図３に示されたモリエル線図におけるＣ点）、インタークーラ下流側冷媒配管２４を通り膨張弁６へと導かれ、この膨張弁６によって等エンタルピ的に膨張させられる（図３に示されたモリエル線図におけるＤ点）。膨張弁６の開度は、制御部１０によって必要な放熱器冷媒流量を確保する開度となるように制御される。

膨張弁６によって膨張された冷媒は、蒸発器７へと導かれ、蒸発器７にて熱源水と熱交換することによって蒸発させられる（図３に示されたモリエル線図におけるＥ点）。蒸発器７において蒸発した低圧ガス冷媒は、インタークーラ８にて所定温度だけ上昇させられる（図３に示されたモリエル線図におけるＦ点）。その後、ガス冷媒は、圧縮機３へと導かれ、再び圧縮される（図３に示されたモリエル線図におけるＡ点）。

次に、超臨界式ヒートポンプサイクル１の起動時における制御について、図４〜図７を参照して説明する。
図４は、起動時における制御フローを示した図、図５は膨張弁６の開度制御フローを示した図、図６は膨張弁開度制御における目標開度の設定フローを示した図、図７は膨張弁開度制御における現在開度の算出フローを示した図である。
まず、停止状態において、ＩＧＶ２１の開度は全閉、ＨＧＢＰ弁２８の開度は全開、膨張弁６は全閉、ＩＣＢＰ弁２６は全開の状態とされている。
この状態において、起動指令が制御部１０に入力されると、制御部１０は、図４に示される起動時の制御フローを実行する。

まず、制御部１０の圧縮機制御部５２は、インバータ２０の通電を開始し、モータ１７を駆動することにより、圧縮機３を起動させる（図４のステップＳＡ１）。このとき、圧縮機制御部５２は、圧縮機３の回転数を予め設定されている初期回転数まで所定レートで徐々に上昇させるよう制御を行う。次に、圧縮機回転数が初期回転数よりも小さい値に設定されている第１閾値以上となると（ステップＳＡ２において「ＹＥＳ」）、圧縮機制御部５２による圧縮機３の制御に加えて、ＩＧＶ制御部５３によるＩＧＶ２１の制御、ＨＧＢＰ弁制御部５４によるＨＧＢＰ弁２８の制御、膨張弁制御部５５による膨張弁６の開度制御がそれぞれ開始される。

具体的には、圧縮機３の制御では、引き続き、回転数を所定のレートで上昇させ、初期回転数に到達すると（ステップＳＡ３において「ＹＥＳ」）、後述する膨張弁６の開度制御と協調して、放熱器５の出口側の冷媒状態が臨界点を回避して、定格点まで移行するように、回転数を制御する（ステップＳＡ４）。
ＩＧＶ２１の開度制御では、予め設定されている初期開度まで所定のレートで開度を増加させ、その後は、熱媒出口温度Twoutが目標温度となるように外部負荷に応じた制御を行う（ステップＳＡ５）。
ＨＧＢＰ弁２８の開度制御では、一旦、全開状態から全閉状態とした後に、全閉状態から予め設定されている初期開度まで所定のレートで開度を増加させ、その後は、圧縮機が旋回失速やサージングとならないよう、サージング回避に必要な流量が確保されるように制御を行う（ステップＳＡ６）。
膨張弁６の開度制御では、放熱器５の出口側の冷媒状態が臨界点を回避して、定格点まで移行できるように、膨張弁６の開度が制御される（ステップＳＡ７）。

膨張弁６の開度制御については、まず、前提として、制御部１０の記憶部５１に、放熱器５の出口側における冷媒状態（以下、「放熱器出口点」という。）が、モリエル線図上において冷媒の臨界点を回避するように設定された所定の制御線の情報が格納されている。
図８に、本実施形態における制御線の一例を示す。図８に示すように、制御線Ｌは、冷媒圧力が臨界点圧力未満であり、かつ、比エンタルピが臨界点に対応する比エンタルピ未満である第１通過点Ｐ１と、冷媒圧力が臨界点圧力よりも大きく、かつ、比エンタルピが臨界点に対応する比エンタルピ未満である第２通過点Ｐ２とを通るように設定されている。

膨張弁制御部５５は、この制御線Ｌに沿って放熱器出口点が変化するように、膨張弁６の開度を制御する。
まず、膨張弁６の開度を予め設定されている所定の初期開度まで増加させ（図５のステップＳＢ１）、その後、当該超臨界式ヒートポンプサイクル１内において熱交換可能な状態にあるかを判定する（ステップＳＢ２）。具体的には、放熱器５において、熱媒出口温度Twoutが冷媒吐出圧力Ｐｄから演算される冷媒飽和温度よりも低い状態にあり、かつ、蒸発器７において、冷媒吸込圧力Psから演算される冷媒飽和温度が熱源水出口温度より低い状態にあるかを判定する。この結果、この熱交換可能な状態にあると判定すると（ステップＳＢ２において「ＹＥＳ」）、続いて、目標開度の設定を行う（ステップＳＢ３）。

目標開度の設定では、図６に示すように、まず、放熱器５の目標交換熱量を演算する（ステップＳＣ１）。放熱器５の目標交換熱量Qcon_set[kW]は、例えば、以下の（１）式を用いて演算される。

Qcon_set[kW]=Gw[m³/s]×Cpw[kJ/kgK]×ρw[kg/m³]×(Twout_set[^oC]-Twin[^oC])
（１）

（１）式において、Gw[m³/s]は熱媒流量であり、流量センサ３６の測定値が用いられる。Cpw[kJ/kgK]は熱媒比熱であり、出口熱媒温度Twoutの測定値と入口熱媒温度Twinの測定値の平均値から決定される。ρw[kg/m³]は熱媒密度であり、出口熱媒温度Twoutの測定値から決定される。Twout_set[^oC]は、熱媒目標出口温度であり、負荷側の要求に応じて予め設定される。Twin[^oC]は、熱媒入口温度であり、温度センサ３４の測定値が用いられる。

続いて、目標膨張弁通過流量と目標循環冷媒流量とが等しいと仮定し、このときの目標冷媒流量Gexv_set[kJ/s]を演算する（ステップＳＣ２）。

Gexv_set[kJ/s]=Qcon_set[kW]/Δhcon_set[kJ/kg] （２）

（２）式において、Qcon_set[kW]は、（１）式で算出された放熱器５の目標交換熱量Δhcon_set[kJ/kg]は、放熱器５におけるエンタルピの目標落差であり、以下の（３）式で算出される。

Δhcon_set[kJ/kg]=hd[kJ/kg]-hcon_set[kJ/kg] （３）

（３）式において、hd[kJ/kg]は放熱器５の入口エンタルピであり、温度センサ３３の測定値である冷媒吐出温度Tdと、圧力センサ３２の測定値である冷媒吐出圧力Pdとを所定の演算式に代入することにより演算される。
hcon_set[kJ/kg]は、放熱器５の目標出口エンタルピであり、記憶部５１に格納されている制御線Ｌ（図８参照）と、放熱器５の交換熱量Qconとから決定される。

次に、膨張弁６の目標Cv値Cvexv_set[-]を演算する（ステップＳＣ３）。膨張弁６の目標Cv値Cvexv_set[-]は、以下の（４）式により算出される。

Cvexv_set[-]=f(Gexv_set[kJ/s],ρexv[kg/m3],ΔPexv[MPa]) （４）

（４）式に示すように、膨張弁６の目標Cv値Cvexv_set[-]は、目標冷媒流量Gexv_set[kJ/s]、膨張弁前密度ρexv[kg/m3]、膨張弁前後圧力差ΔPexv[MPa]をパラメータとして含む所定の演算式を用いて算出される。
目標冷媒流量Gexv_set[kJ/s]は、上記（２）式の演算結果が用いられる。膨張弁前密度ρexv[kg/m3]は、膨張弁６の冷媒入口温度Texv[^oC]及び冷媒入口圧力Pexv[MPa]を所定の演算式に入力することで算出される。膨張弁前後圧力差ΔPexv[MPa]は、膨張弁６の冷媒入口圧力Pexv[MPa]と圧縮機３の冷媒吸込圧力Ps[MPa]との差分である。

次に、上記（４）式で得た目標Cv値Cvexv_set[-]を、膨張弁６のバルブ特性から決定される関数に入力することで、膨張弁６の目標開度Fexv_set[%]を得る（ステップＳＣ４）。

Fexv_set[%]=f(Cvexv_set[-]) （５）

このようにして、膨張弁６の目標開度Fexv_set[%]が演算されると、続いて、現在の膨張弁開度を算出する（図５のステップＳＢ４）。
現在の膨張弁開度の演算では、図７に示すように、まず、現在の放熱器５の交換熱量を演算する（ステップＳＤ１）。放熱器５の交換熱量Qcon[kW]は、例えば、以下の（６）式を用いて演算される。

Qcon[kW]=Gw[m³/s]×Cpw[kJ/kgK]×ρw[kg/m³](Twout[^oC]-Twin[^oC]) （６）

（６）式に示すように、放熱器５の交換熱量Qcon[kW]は、上述した（１）式において、目標熱媒出口温度Twout_set[^oC]に代えて、温度センサ３５によって測定された熱媒出口温度Twoutを用いることで算出される。

続いて、膨張弁通過流量の現在値と循環冷媒流量の現在値とが等しいと仮定し、現在の冷媒流量Gexv[kJ/s]を演算する（ステップＳＤ２）。

Gexv[kJ/s]=Qcon[kW]/Δhcon[kJ/kg] （７）

（７）式に示すように、冷媒流量Gexv[kJ/s]は、（６）式で算出された放熱器５の交換熱量Qcon[kW]及び放熱器５におけるエンタルピの落差Δhcon[kJ/kg]を用いて演算される。
エンタルピの落差Δhcon[kJ/kg]は、以下の（８）式に示すように、上記（３）式における放熱器５の目標出口エンタルピhcon_set[kJ/kg]に代えて、現在の放熱器５の出口エンタルピhcon[kJ/kg]を用いることで、算出される。

Δhcon[kJ/kg]=hd[kJ/kg]-hcon[kJ/kg] （８）

現在の放熱器５の出口エンタルピhcon[kJ/kg]は、放熱器５の冷媒出口温度Tconと、放熱器５の冷媒出口圧力Pconとを所定の演算式に代入することにより演算される。

次に、膨張弁６のCv値Cvexv[-]を演算する（ステップＳＤ３）。膨張弁６のCv値Cvexv[-]は、以下の（９）式に示すように、上記（４）式における目標冷媒流量Gexv_set[kJ/s]に代えて、上記（７）式の演算結果である冷媒流量Gexv[kJ/s]を用いることで算出される。

Cvexv[-]=f(Gexv[kJ/s],ρexv[kg/m3],ΔPexv[MPa]) （９）

次に、上記（９）式で得た膨張弁のCv値Cvexv[-]を、膨張弁６のバルブ特性から決定される関数に入力することで、膨張弁６の現在開度を得る（ステップＳＤ４）。これを式で表わすと以下の（１０）式となる。

Fexv[%]=f(Cvexv[-]) （１０）

このようにして、膨張弁６の現在開度を得ると、続いて、目標開度Fexv_set[%]と現在開度Fexv[%]とを按分することにより、演算開度FexvFF[%]を設定する（図５のステップＳＢ５）。演算開度FexvFF[%]は、以下の（１１）式により得られる。

FexvFF[%]=α×Fexv_set[%]+(1-α)×Fexv[%] （１１）

上記（１１）式においてαは任意に設定される係数である。

続いて、図５のステップＳＢ６では、放熱器５の冷媒出口温度Tconを予め設定されている設定温度に到達させるような演算開度FexvFBをPID制御などを用いて演算する。
ここで、放熱器５の冷媒出口温度Tconが設定温度未満である場合には、膨張弁６の弁開度が増加する方向に制御され、放熱器５の冷媒出口温度Tconが設定温度を超えている場合には、膨張弁６の弁開度が減少する方向に制御される。

次に、図５のステップＳＢ７では、以下の（１２）式に表わされるように、ステップＳＢ５で得られた演算開度FexvFF[%]と、ステップＳＢ６で得られた演算開度FexvFB[%]とを足し合わせることにより、膨張弁開度指令Fexv^*[%]を算出する。

Fexv^*[%]=FexvFF[%]+FexvFB[%] （１２）

そして、以降においては、上記のような膨張弁開度指令Fexv^*[%]の演算が所定のサンプリング間隔で繰り返し行われることにより（ステップＳＢ３〜ＳＢ７）、図１０に示すように、放熱器出口点が制御線Ｌに沿うようにして定格点まで移行することとなる。

そして、上記のような膨張弁６などの開度制御が行われることにより、圧縮機３の冷媒吐出圧力Ｐｄが定格圧力に達すると（図４のステップＳＡ８において「ＹＥＳ」）、制御部１０のＩＣＢＰ弁制御部５６はＩＣＢＰ弁２６を閉める方向に制御する（図４のステップＳＡ９）。これにより、インタークーラ８に冷媒が流れることとなり、例えば、図９の定格時にその一例が示されているように、放熱器出口点は、比エンタルピが増加する方向に移動することとなる。

以上説明したように、本実施形態に係る超臨界式ヒートポンプサイクル１及びその制御方法によれば、以下の作用効果を有する。
放熱器出口点が、モリエル線図上において冷媒の臨界点を回避するように設定された所定の制御線Ｌに沿って変化するように、膨張弁６の開度及び圧縮機３の回転数を制御するので、放熱器出口点が臨界点付近に移行することを防止することができる。これにより、膨張弁６の開度制御が不安定になることを回避することができ、安定したヒートポンプサイクルの運転に寄与することができる。

ここで、圧縮機３の回転数制御については、上記放熱器５の目標出口エンタルピhcon_set[kJ/kg]をパラメータとして用いて圧縮機３の回転数指令が演算される。具体的には、放熱器５の目標出口エンタルピhcon_set[kJ/kg]を用いて、目標冷媒流量Gexv_set[kJ/s]が演算され（上記（２）式を参照）、この目標冷媒流量Gexv_set[kJ/s]と圧縮機の吸込圧力Psと吐出圧力Pdの差とを用いて、圧縮機３の回転数指令が算出される。

なお、上述した制御線Ｌの設定は、臨界点付近における所定の領域について設定されていればよく、この所定の領域内に限って制御線Ｌに沿った制御を行うこととしてもよい。ここで、上記所定の領域外においては、例えば、上述した（３）式において、放熱器５の目標出口エンタルピhcon_set[kJ/kg]を用いる代わりに、放熱器５の冷媒出口温度Tcon及び冷媒出口圧力Pconとを所定の演算式に代入することにより得られる放熱器５の出口エンタルピhcon[kJ/kg]を用いて、膨張弁開度指令を算出してもよい。

また、本実施形態では、冷媒吐出圧力Ｐｄが定格圧力に達した場合に、ＩＣＢＰ弁２６を閉じる方向に制御して、インタークーラ８を経由するサイクルに切り替えたが、これに代えて、冷媒吐出圧力Ｐｄが定格圧力に達する前（例えば、冷媒吐出圧力Ｐｄが定格圧力よりも小さな値に設定されている所定の第１圧力に達した）場合に、ＩＣＢＰ弁２６を閉じる方向に制御して、インタークーラ８を経由するサイクルに切り替えることとしてもよい。

〔変形例１〕
本実施形態では、図８に示すような制御線Ｌを設定していたが、制御線Ｌの設定経路はこの例に限定されない。例えば、図１０に示すように、冷媒圧力が臨界点圧力未満であり、かつ、比エンタルピが冷媒の臨界点に対応する比エンタルピよりも大きい第１通過点Ｐ１´と、冷媒圧力が臨界点圧力よりも大きく、かつ、比エンタルピが冷媒の臨界点に対応する比エンタルピよりも大きい第２通過点Ｐ２´とを通るように制御線Ｌ´を設定することとしてもよい。

以上、本発明についての実施形態及びその変形例について述べてきたが、本発明は上述の実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々変形実施が可能である。
例えば、上述した実施形態では、放熱器５において昇温された熱媒を外部負荷に供給することとしていたが、例えば、蒸発器７において冷却した熱媒を外部負荷に供給することとしてもよい。すなわち、本発明は、熱媒を昇温する場合、冷却する場合のいずれにも適用することができる。

１ 超臨界式ヒートポンプサイクル
３ 遠心圧縮機
５ 放熱器
６ 膨張弁
７ 蒸発器
８ インタークーラ
１０ 制御部
５１ 記憶部
５５ 膨張弁制御部

Claims (6)

1. 高圧側で超臨界状態となり得る冷媒を用い、少なくとも遠心圧縮機、放熱器、膨張弁、及び吸熱器を備える超臨界式ヒートポンプサイクルであって、
   前記放熱器の出口側における冷媒状態が、モリエル線図上において冷媒の臨界点を回避するように設定された所定の制御線に沿って変化するように、前記膨張弁の開度を制御する制御手段を具備する超臨界式ヒートポンプサイクル。
2. 前記制御手段は、
   前記放熱器の出口側における冷媒状態が、モリエル線図上において冷媒の臨界点を回避するように設定された所定の制御線の情報を記憶する記憶手段と、
   起動時において、前記放熱器の出口側状態が前記制御線に沿って変化するように、前記膨張弁の開度を制御する膨張弁制御手段と
   を具備する請求項１に記載の超臨界式ヒートポンプサイクル。
3. 前記制御線は、冷媒圧力が前記臨界点圧力未満であり、かつ、比エンタルピが前記臨界点に対応する比エンタルピ未満である第１通過点と、冷媒圧力が前記臨界点圧力よりも大きく、かつ、比エンタルピが前記臨界点に対応する比エンタルピ未満である第２通過点とを通るように設定されている請求項１または請求項２に記載の超臨界式ヒートポンプサイクル。
4. 前記制御線は、冷媒圧力が前記臨界点圧力未満であり、かつ、比エンタルピが前記臨界点に対応する比エンタルピよりも大きい第１通過点と、冷媒圧力が前記臨界点圧力よりも大きく、かつ、比エンタルピが前記臨界点に対応する比エンタルピよりも大きい第２通過点とを通るように設定されている請求項１または請求項２に記載の超臨界式ヒートポンプサイクル。
5. 前記放熱器から前記吸熱器へと向かう冷媒と、前記吸熱器から前記遠心圧縮機へと向かう冷媒とを熱交換させるインタークーラを備え、
   前記制御手段は、前記遠心圧縮機の冷媒吐出圧力が定格圧力よりも小さな値に設定されている所定の第１圧力以上である場合に、冷媒が前記インタークーラを経由するように冷媒回路を切り替える請求項１から請求項４のいずれかに記載の超臨界式ヒートポンプサイクル。
6. 高圧側で超臨界状態となり得る冷媒を用い、少なくとも遠心圧縮機、放熱器、膨張弁、及び吸熱器を備える超臨界式ヒートポンプサイクルの制御方法であって、
   前記放熱器の出口側における冷媒状態が、モリエル線図上において冷媒の臨界点を回避するように設定された所定の制御線に沿って変化するように、前記膨張弁の開度を制御する超臨界式ヒートポンプサイクルの制御方法。
   

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