專利名稱：熱泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及作為空調(diào)機、供熱水機等而有用的熱泵，更詳細(xì)地，涉及具備利用膨脹機回收能量的機構(gòu)的熱泵。
背景技術(shù)：
在取代膨脹閥而使用了膨脹機的熱泵中，能夠作為電力或動力而回收制冷劑膨脹的能量。作為膨脹機通常使用容積式膨脹機，所述容積式膨脹機具有用于導(dǎo)入制冷劑并使其膨脹的容量可變的空間。就利用膨脹機進(jìn)行的能量回收而言，在作為制冷劑使用二氧化碳、且高壓側(cè)達(dá)到超臨界狀態(tài)的跨臨界循環(huán)中，其意義尤其重大。
就膨脹機而言，若在其結(jié)構(gòu)上制冷劑不沿著規(guī)定的方向通過則無法回收能量。但是，在作為空調(diào)機而使用的熱泵中，由于需要將配置于室內(nèi)的熱交換器在制暖運轉(zhuǎn)時作為散熱器、在制冷運轉(zhuǎn)時作為蒸發(fā)器而使用，因此基本上在制冷運轉(zhuǎn)和制暖運轉(zhuǎn)時需要使制冷劑相反流動。
日本特開2001-66006號公開了可在制冷運轉(zhuǎn)及制暖運轉(zhuǎn)時的雙方利用膨脹機進(jìn)行能量回收的熱泵。該熱泵設(shè)計成通過四通閥的切換，在制冷、制暖的任一運轉(zhuǎn)時，使制冷劑沿同一方向在膨脹機中流動。另外，在該熱泵中，為了將由膨脹機回收的能量原封不動地消費于壓縮機的運轉(zhuǎn)中，膨脹機和壓縮機與同一的旋轉(zhuǎn)軸連接即直接連結(jié)。
在直接連結(jié)了膨脹機和壓縮機的熱泵中，由于膨脹機和壓縮機以相同的旋轉(zhuǎn)速度工作，因此無法對應(yīng)于運轉(zhuǎn)條件使膨脹機和壓縮機的排量比變化。即，該種熱泵具有密度比一定的限制。因此，直接連結(jié)了膨脹機和壓縮機的熱泵雖在能量的回收效率上優(yōu)越，但是難以進(jìn)行對應(yīng)于運轉(zhuǎn)條件的平滑的運轉(zhuǎn)。日本特開2003-121018號公開了緩和該困難的熱泵。
如圖14所示，日本特開2003-121018號，與日本特開2001-66006號同樣，公開了如下設(shè)計的熱泵，即在管體111配置2個四通閥151、153，通過四通閥151、153的切換，在制冷、制暖的任一運轉(zhuǎn)時，使制冷劑沿著同一方向在膨脹機103及壓縮機101中流動(參照該公報圖4)。在使用了該熱泵的空調(diào)機中，在制暖時，在四通閥151、153內(nèi)選擇由實線表示的路徑，室內(nèi)熱交換器152作為散熱器而發(fā)揮功能，室外熱交換器154作為蒸發(fā)器而發(fā)揮功能。在該空調(diào)機中，在制冷時，在四通閥151、153內(nèi)選擇由虛線表示的路徑，室內(nèi)熱交換器152作為蒸發(fā)器而發(fā)揮功能，室外熱交換器154作為散熱器而發(fā)揮功能。在該熱泵中，膨脹機103及壓縮機101直接連結(jié)而共有一個旋轉(zhuǎn)軸，該旋轉(zhuǎn)軸由電動機105驅(qū)動。
在日本特開2003-121018號公開的熱泵中，在與膨脹機103并聯(lián)地配置的旁通回路112上配置有膨脹閥(旁通閥)107，進(jìn)而也與膨脹機103串聯(lián)地配置有膨脹閥106。而且，對應(yīng)于運轉(zhuǎn)條件，控制膨脹閥106或膨脹閥107的開度。儲蓄罐100通過暫時地貯留制冷劑而防止制冷劑向膨脹機103的流入過多。
如上所述，直接連結(jié)了膨脹機和壓縮機的熱泵在能量的回收這一點上優(yōu)越，但是無法對應(yīng)于運轉(zhuǎn)條件使膨脹機和壓縮機的排量比變化。例如，若以制冷運轉(zhuǎn)時的標(biāo)準(zhǔn)條件為基準(zhǔn)設(shè)計膨脹機，則制暖運轉(zhuǎn)時膨脹機的排量相對要求值過大。因此，在日本特開2003-121018號公開的熱泵中，在制暖運轉(zhuǎn)時，膨脹閥107全閉，適當(dāng)控制膨脹閥106的開度。另一方面，在制冷運轉(zhuǎn)時，有時膨脹機103的排量比要求值小。該情況下，膨脹閥106全開，適當(dāng)控制膨脹閥107的開度。
于是，日本特開2003-121018號公開的熱泵通過在使膨脹閥106、107的一方全開或全閉的狀態(tài)下調(diào)整另一方的開度，可以避免密度比一定的限制，進(jìn)行對應(yīng)于運轉(zhuǎn)條件的平滑的循環(huán)動作。
圖15是表示如圖14所示的熱泵的冷凍循環(huán)的莫里爾圖，橫軸H表示焓，縱軸P表示壓力。從壓縮機101噴出的處于高壓PH的狀態(tài)a的制冷劑在作為散熱器而發(fā)揮功能的室內(nèi)熱交換器152或室外熱交換器154中散熱而到達(dá)狀態(tài)b。制冷劑由膨脹閥106等焓膨脹而到達(dá)狀態(tài)c，進(jìn)而在膨脹機103內(nèi)等焓膨脹而到達(dá)低壓PL的狀態(tài)d。制冷劑在作為政法器而發(fā)揮功能的室外熱交換器154或室內(nèi)熱交換器152中吸熱并且超過與飽和蒸氣線的交點(狀態(tài)e)而到達(dá)作為過熱蒸氣狀態(tài)的狀態(tài)f后，再次流入壓縮機101中。在該熱泵中，利用膨脹機103回收與狀態(tài)c和狀態(tài)d的焓差W2相當(dāng)?shù)哪芰?。因此，在該熱泵中基本上只要對壓縮機101投入與從狀態(tài)a和狀態(tài)f的焓差W1減去焓差W2而得到的值(W1-W2)相當(dāng)?shù)膭恿纯伞?br> 如上所述，在日本特開2003-121018號公開的熱泵中，若膨脹機103的排量比要求值小，則開放膨脹閥107，制冷劑的一部分在旁通回路112中流動。但是，隨著在旁通回路112中流動的制冷劑的流量增加，冷凍循環(huán)的高壓側(cè)壓力PH和低壓側(cè)壓力PL的差減小，伴隨于此，流入壓縮機101中的制冷劑的過熱(superheat)的程度(過熱度)也減小。
該變化由圖15一并表示。若膨脹閥107的開度增大，則冷凍循環(huán)(a～f)向冷凍循環(huán)(a’～f’)轉(zhuǎn)移。如圖15所示，伴隨著該轉(zhuǎn)移，高壓側(cè)壓力從PH降低到PH’，低壓側(cè)壓力從PL上升到PL’。而且，表示制冷劑的過熱度的大小的狀態(tài)f和狀態(tài)e的焓差從SH減小到SH’。
若制冷劑的過熱度SH減小，則難以確保壓縮機101的可靠性并且難以進(jìn)行穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)。若過熱度SH過小，則制冷劑的一部分在保持液體的狀態(tài)下流入壓縮機101中，從而有在壓縮機101中進(jìn)行應(yīng)當(dāng)避免的液壓縮之患。
另外，在日本特開2003-121018號公開的控制中，為了確保平滑的運轉(zhuǎn)，而調(diào)整膨脹閥106、107的開度，作為其結(jié)果，高壓側(cè)壓力PH變動。但是，由于冷凍循環(huán)的高壓側(cè)壓力PH對熱泵的效率系數(shù)(coefficient ofperformance；COP)帶來影響，因此不僅從確保平滑的運轉(zhuǎn)的觀點，而且從提高效率系數(shù)的觀點考慮也優(yōu)選適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行膨脹閥的控制。
還有，效率系數(shù)(COP)是表示得到的能量相對投入熱泵中的能量的比的無量綱的數(shù)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于在直接連結(jié)了膨脹機和壓縮機的熱泵中，確保壓縮機的可靠性，并且可進(jìn)行效率良好的運轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的熱泵具有壓縮機；散熱器；膨脹機；蒸發(fā)器；管體，其形成制冷劑按順序經(jīng)由所述壓縮機、所述散熱器、所述膨脹機、及所述蒸發(fā)器而循環(huán)的循環(huán)路徑、及制冷劑并不經(jīng)由所述膨脹機而從所述散熱器向所述蒸發(fā)器流動的旁通路徑；第一節(jié)流裝置，其配置于所述散熱器和所述膨脹機之間或所述膨脹機和所述蒸發(fā)器之間的所述循環(huán)路徑上，且開度可變；第二節(jié)流裝置，其配置于所述旁通路徑上，且開度可變；控制裝置，其調(diào)整所述第一節(jié)流裝置的開度及所述第二節(jié)流裝置的開度。在該熱泵中，所述壓縮機和所述膨脹機與相同的旋轉(zhuǎn)軸連接。
進(jìn)而，在本發(fā)明的熱泵中，所述控制裝置實施第一控制，所述第一控制當(dāng)在所述循環(huán)路徑中循環(huán)的制冷劑的高壓側(cè)壓力PH、和基于熱泵的效率系數(shù)達(dá)到最優(yōu)的值而確定的規(guī)定值PHT的差不在規(guī)定范圍PHDR內(nèi)時，變更所述第二節(jié)流裝置的開度使得所述壓力PH和所述規(guī)定值PHT的差的絕對值變小。而且，在所述第一控制結(jié)束后實施第二控制，所述第二實施控制當(dāng)流入所述壓縮機的制冷劑的過熱度SH、和作為預(yù)先確定的正的值的規(guī)定值SHT的差不在規(guī)定范圍SHDR內(nèi)時，變更所述第一節(jié)流裝置的開度使得所述過熱度和所述規(guī)定值SHT的差的絕對值變小。
在本發(fā)明中，在調(diào)整第二節(jié)流裝置，確保平滑的循環(huán)動作且提高效率系數(shù)時，繼續(xù)調(diào)整第一節(jié)流裝置，控制制冷劑的過熱度。通過該控制，在直接連結(jié)了壓縮機和膨脹機的熱泵中，能夠確保壓縮機的可靠性，并且進(jìn)行對應(yīng)于運轉(zhuǎn)條件的平滑且有效的運轉(zhuǎn)。


圖1是表示本發(fā)明的熱泵的結(jié)構(gòu)的一例的圖；圖2是表示本發(fā)明的熱泵的結(jié)構(gòu)的另一例的圖；圖3是表示控制裝置所實施的控制的一例的流程圖；圖4是按壓縮機的噴出制冷劑溫度Td來表示室外氣溫T和壓縮機的噴出制冷劑壓力Pd的關(guān)系的圖；圖5是表示控制裝置所實施的控制的另一例的流程圖；圖6是例示伴隨著控制裝置所實施的控制的冷凍循環(huán)的變化的莫里爾圖；圖7是表示本發(fā)明的熱泵的結(jié)構(gòu)的又一例的圖；圖8是表示本發(fā)明的熱泵的結(jié)構(gòu)的又一例的圖；
圖9是表示本發(fā)明的熱泵的結(jié)構(gòu)的又一例的圖；圖10是表示本發(fā)明的熱泵的結(jié)構(gòu)的又一例的圖；圖11是表示具備四通閥的本發(fā)明的熱泵的結(jié)構(gòu)的例；圖12是表示作為制冷劑使用了氟里昂時的、散熱器的制冷劑的位置和制冷劑的溫度的關(guān)系的圖；圖13是表示作為制冷劑使用了二氧化碳時的、散熱器的制冷劑的位置和制冷劑的溫度的關(guān)系的圖；圖14表示現(xiàn)有的熱泵的結(jié)構(gòu)的圖；圖15是表示伴隨著在現(xiàn)有的熱泵中實施的控制的制冷劑循環(huán)的變化的莫里爾圖。
具體實施例方式
以下，參照

本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。還有，在以下的說明中，對相同的部件或步驟標(biāo)注相同的符號，省略重復(fù)的說明。
圖1表示本發(fā)明的熱泵的一方式的結(jié)構(gòu)。熱泵71作為用于發(fā)揮熱泵的基本功能的主要結(jié)構(gòu)單元而具備壓縮機1、散熱器2、膨脹機3、蒸發(fā)器4。這些主要結(jié)構(gòu)單元通過管體11連接，所述管體11形成制冷劑按順序經(jīng)由壓縮機1、散熱器2、膨脹機3、及蒸發(fā)器4而循環(huán)的循環(huán)路徑。管體12的一端與散熱器2和膨脹機3之間的管體11連接，其另一端與膨脹閥3和蒸發(fā)器4之間的管體11連接。管體12形成了制冷劑不經(jīng)由膨脹機3而從散熱器2向蒸發(fā)器4流動的旁通路徑。
制冷劑沿著如圖1的箭頭所示的方向循環(huán)，并且在散熱器2中釋放在蒸發(fā)器4中吸收的熱。由此，該系統(tǒng)作為從蒸發(fā)器4向散熱器2吸取熱的熱泵而發(fā)揮功能。壓縮機1及膨脹機3與一個旋轉(zhuǎn)軸(軸)10連接。壓縮機1通過從與軸10連接的電動機5賦予的動力和利用膨脹機3回收的動力而工作。直接連結(jié)了壓縮機1和膨脹機3、且以相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的熱泵由于無法由壓縮機1的轉(zhuǎn)速獨立地控制膨脹機3的轉(zhuǎn)速，因此受到所謂的密度比一定的限制。為了避免該限制，而在熱泵71中，管體12形成了制冷劑的旁通回路，且在該旁通回路上配置有膨脹閥7。
在熱泵71中，在散熱器2和膨脹機3之間配置有作為第一節(jié)流裝置的第一膨脹閥6，在旁通回路上配置有作為第二節(jié)流裝置的第二膨脹閥7。若著眼于與膨脹機3的關(guān)系而表達(dá)，則第一膨脹閥6與膨脹機3串聯(lián)地配置，第二膨脹閥7與膨脹機3并聯(lián)地配置。膨脹閥6、7的開度可利用控制裝置(控制器)30控制。若利用控制器30將第二膨脹閥7的開度設(shè)定為最小(即，成為全閉狀態(tài))，則循環(huán)的制冷劑不在旁通回路中流動，而全部流入膨脹機3中。
在熱泵71中，在蒸發(fā)器4和壓縮機1之間配置有對流入壓縮機1中的制冷劑的溫度進(jìn)行測定的溫度傳感器(第一溫度檢測機構(gòu))23，在蒸發(fā)器4上配置有對蒸發(fā)器4的制冷劑的溫度進(jìn)行檢測的溫度傳感器(第二溫度檢測機構(gòu))24。若能夠特定流入壓縮機1中的制冷劑的溫度、和在蒸發(fā)器中制冷劑蒸發(fā)的溫度(制冷劑蒸發(fā)器溫度)，則能夠算出該制冷劑的過熱度SH。于是，熱泵為了特定過熱度SH還可以具有檢測流入壓縮機中的制冷劑的溫度的第一溫度檢測機構(gòu)及檢測蒸發(fā)器的制冷劑的溫度的第二溫度檢測機構(gòu)。
在熱泵71中，也配置有測定室外氣溫T的溫度傳感器25。如后所述，若室外氣溫T變高，則增大第二膨脹閥7的開度的必要性變高。于是，熱泵還可以具有檢測系統(tǒng)外的溫度的第三溫度檢測機構(gòu)?！跋到y(tǒng)外的溫度”具體是指流入散熱器2中而被加熱的介質(zhì)的溫度，例如外氣的溫度或流入的水的溫度。
在熱泵71中，在壓縮機1和散熱器2之間配置有測定從壓縮機1噴出的制冷劑的壓力Pd的壓力傳感器21。壓力Pd與冷凍循環(huán)的高壓側(cè)壓力PH相當(dāng)。于是，熱泵為了特定壓力PH還可具有檢測從壓縮機噴出的制冷劑的壓力的壓力檢測機構(gòu)。
冷凍循環(huán)的高壓側(cè)壓力PH也能夠由壓力Pd以外的測定值算出。例如，可測定室外氣溫T、和從壓縮機1噴出的制冷劑的溫度Td，由這些溫度T、Td算出壓力PH。溫度傳感器的設(shè)置可以比壓力傳感器的設(shè)置更廉價地實施。另外，若設(shè)置壓力傳感器，則制冷劑容易從壓力傳感器的安裝部分泄露。因此，優(yōu)選只使用溫度傳感器來特定壓力PH。
圖2例示用于實施該算出的熱泵。在熱泵72中，在壓縮機1和散熱器2之間取代了壓力傳感器21而配置有對從壓縮機1噴出的制冷劑的溫度Td進(jìn)行測定的溫度傳感器22。于是，熱泵為了特定壓力PH還可具有檢測系統(tǒng)外的溫度的第三溫度檢測機構(gòu)、和檢測從壓縮機噴出的制冷劑的溫度的第四溫度檢測機構(gòu)。
壓力傳感器21及溫度傳感器22、23、24、25均與控制器30連接，基于來自這些傳感器的信號，控制器30調(diào)整膨脹閥6、7的開度。這些傳感器只要使用現(xiàn)有公知的傳感器即可。溫度傳感器例如可以是熱敏電阻。
以下，說明利用控制器30進(jìn)行的熱泵72(參照圖2)的控制。在此，例示以冬天的循環(huán)條件為基準(zhǔn)而決定了膨脹機3的驅(qū)動缸容積(正確地說，膨脹機3的驅(qū)動缸容積相對壓縮機1的驅(qū)動缸容積的比)時的控制。該情況下，隨著系統(tǒng)外的氣氛溫度(室外氣溫T)變高，相對膨脹機3的排量的要求值變大，若室外氣溫T達(dá)到規(guī)定溫度，則要求值超過膨脹機3的排量。即，若室外氣溫T達(dá)到規(guī)定值以上，則欲流入膨脹機3中的制冷劑的體積流量變得比驅(qū)動缸容積大。
與壓縮機直接連結(jié)的膨脹機3的轉(zhuǎn)速無法與壓縮機1的轉(zhuǎn)速分離地進(jìn)行控制。因此，若如上所述要求值過大，則需要通過開放第二膨脹閥7使制冷劑的一部分在旁通路徑中流動，來確保平滑的運轉(zhuǎn)。但是，若制冷劑的一部分在旁通路徑中流動，則冷凍循環(huán)的高壓側(cè)壓力PH降低，伴隨于此，流入壓縮機1中的制冷劑的過熱度SH也減少。若過熱度SH變小，則產(chǎn)生液體的制冷劑流入壓縮機中之患，從而無法確保壓縮機的可靠性。另外，伴隨著高壓側(cè)壓力PH的降低，熱泵的效率系數(shù)(COP)也變化。
在參照圖3而如下說明的控制中，高壓側(cè)壓力被控制成適當(dāng)?shù)闹?，也控制制冷劑過熱度SH。
首先，通過來自溫度傳感器25的信號來輸入室外氣溫T(步驟1；S1)。接著，對比室外氣溫T和預(yù)先設(shè)定的溫度Ta，若室外氣溫T在溫度Ta以上，則轉(zhuǎn)移到步驟3，若室外氣溫T不足溫度Ta，則返回到步驟1(步驟2；S2)。在室外氣溫T是溫度Ta以上時，關(guān)閉的第二膨脹閥7開放，制冷劑的一部分流入形成旁通路徑的管體12中(步驟3，S3)。
在步驟S3中，可以開放第二膨脹閥7直至預(yù)先設(shè)定的規(guī)定開度，也可以開放第二膨脹閥7直至與溫度差(T-Ta)對應(yīng)的開度。溫度Ta例如只要基于膨脹機3的驅(qū)動缸容積相對壓縮機1的驅(qū)動缸容積的比而設(shè)定即可。
在此，在室外氣溫T不足溫度Ta時，使第二膨脹閥7全閉，制冷劑的整個量流入膨脹機3中。該控制對利用膨脹機3進(jìn)行的能量的回收效率的提高是有利的。但是，并不限定于此，也可以在實施步驟S3前預(yù)先將制冷劑的一部分導(dǎo)入旁通路徑。該情況下，步驟S3不是“將關(guān)閉的第二膨脹閥開放”的控制，而是“增大第二膨脹閥的開度”的控制。
接著，基于來自溫度傳感器22、25的信號，算出冷凍循環(huán)的高壓側(cè)壓力PH(步驟4；S4)。在具備壓力傳感器21的熱泵71的情況下，只要原封不動地使用利用傳感器21求得的值即可。接著，對比壓力PH和預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)壓力PHT，若壓力PH不與目標(biāo)壓力PHT一致，則轉(zhuǎn)移到步驟6以后，若一致，則轉(zhuǎn)移到步驟9以后(步驟5；S5)。
高壓側(cè)壓力PH例如基于如圖4所示的關(guān)系圖算出。若確定室外氣溫T及從壓縮機噴出的制冷劑的溫度(壓縮機的噴出制冷劑溫度)Td，則能夠求出從壓縮機噴出的制冷劑的壓力(壓縮機的噴出制冷劑壓力)Pd。
目標(biāo)壓力PHT基于將熱泵的效率系數(shù)最優(yōu)化而得到的值而確定。熱泵的效率系數(shù)成為最優(yōu)的壓力的值例如對應(yīng)于散熱器的加熱能力(在供熱水器中取4.5kW、6.0kW等值)、室外氣溫(在供熱水器中與入水溫度相當(dāng))而變化。對效率系數(shù)賦予影響的代表性因子是室外氣溫。只要預(yù)先通過實驗測定效率系數(shù)成為最優(yōu)的值，并基于其結(jié)果，作為規(guī)定變數(shù)(例如室外氣溫)的函數(shù)，確定目標(biāo)壓力PHT即可。
目標(biāo)壓力PHT優(yōu)選是在應(yīng)用于熱泵中的運轉(zhuǎn)條件中與熱泵的效率系數(shù)成為最優(yōu)的值(最優(yōu)值)一致的值，不過不需要與最優(yōu)值嚴(yán)格地一致，或不需要始終與其一致。例如，可以按規(guī)定范圍的室外氣溫設(shè)定一個目標(biāo)壓力PHT。該情況下，目標(biāo)壓力PHT對應(yīng)于室外氣溫或入水溫度的變化而階段性地變化。這樣預(yù)先設(shè)定的、以室外氣溫為代表的變數(shù)和目的壓力PHT的關(guān)系預(yù)先輸入控制器30中，基于對應(yīng)于運轉(zhuǎn)條件而確定的該變數(shù)而確定目標(biāo)壓力PHT。
在壓力PH和目標(biāo)壓力PHT不相等時，判斷壓力PH是否比目標(biāo)壓力PHT大(步驟6；S6)。然后，若壓力PH比目標(biāo)壓力PHT大，則較大地變更第二膨脹閥7的開度(步驟7；S7)，若壓力PH比目標(biāo)壓力PHT小，則較小地變更第二膨脹閥7的開度(步驟8；S8)。
若經(jīng)由步驟7則壓力PH降低，若經(jīng)由步驟8則壓力PH上升。然后，返回到步驟4再次算出壓力PH，在步驟5中算出的壓力PH與目標(biāo)壓力PHT對比。于是，重復(fù)由步驟4～8構(gòu)成的循環(huán)控制，直至壓力PH與目標(biāo)壓力PHT一致。
在該循環(huán)控制中，步驟7或8的開度的變更的程度最好很小。這是因為，若一下子較大地變更開度，則壓力PH變得難以收斂于目標(biāo)壓力PHT附近。
若確認(rèn)在步驟5中壓力PH和目標(biāo)壓力PHT一致，則冷凍循環(huán)的高壓側(cè)壓力PH的控制(第一控制)暫且結(jié)束，實施制冷劑的過熱度SH的控制(第二控制)。
在第二控制中，首先，算出過熱度SH(步驟9；S9)。在熱泵72中，基于由溫度傳感器23測定的溫度，參照制冷劑的飽和蒸氣線(具體地，參照由溫度傳感器24測定的制冷劑蒸發(fā)溫度)，算出過熱度SH。接著，對比過熱度SH和預(yù)先確定的目標(biāo)過熱度SHT，若過熱度SH不與目標(biāo)過熱度SHT一致，則轉(zhuǎn)移到步驟11以后，若一致，則返回到步驟4(步驟10；S10)。
作為目標(biāo)過熱度的規(guī)定值SHT只要根據(jù)熱泵或制冷劑的種類、假定的使用條件等而適當(dāng)確定即可，通常，是位于超過0℃且20℃以下這一范圍的值。過熱度如上所述可以利用溫度差表示，不過正確地說，上述溫度差是被過熱(superheat)的該制冷劑的溫度、和與該制冷劑的壓力的飽和蒸氣線的交點所表示的溫度(該壓力的沸點)的差。
為了確保壓縮機的可靠性，優(yōu)選過熱度SH大于某種程度以上。但是，若過熱度SH過大，則需要投入壓縮機中的動力變大。若考慮此，則規(guī)定值SHT優(yōu)選是5℃以上的值，更優(yōu)選是10℃以下的值。若將過熱度SH控制于適當(dāng)?shù)姆秶?，則能夠確保壓縮機1的可靠性，且防止動力向壓縮機1中的投入變得大于必要以上。過熱度SH的適當(dāng)控制不僅有利于壓縮機1的可靠性的提高，也有利于熱泵的效率系數(shù)的進(jìn)一步提高。
在過熱度SH和目標(biāo)過熱度SHT不相等時，判斷過熱度SH是否大于目標(biāo)過熱度SHT(步驟11；S11)。然后，若過熱度SH大于目標(biāo)過熱度SHT則較大地變更第一膨脹閥6的開度(步驟12；S12)，若過熱度SH小于目標(biāo)過熱度SHT則較小地變更第一膨脹閥6的開度(步驟13；S13)。
若經(jīng)由步驟12則過熱度SH降低，若經(jīng)由步驟13則過熱度SH上升。根據(jù)在步驟7、8中說明的理由，步驟12、13的開度的變更的程度也最好很小。這是因為，通過經(jīng)由步驟12或13，使過熱度SH可靠地接近目標(biāo)過熱度SHT。
在實施了步驟12、13之后，返回到步驟4，再次實施壓力PH的控制。于是，在如圖3所示的控制中，在過熱度SH的控制(第二控制)結(jié)束之后，進(jìn)而實施高壓側(cè)壓力PH的控制(第一控制)。
若只控制高壓側(cè)壓力PH，則如日本特開2003-121018號公開所示，只要實施在使膨脹閥的一方全開或全閉的狀態(tài)下調(diào)整另一方的開度的控制即可。相對于此，在如圖3所示的控制中，在適當(dāng)?shù)卣{(diào)整第二膨脹閥7的開度這一第一控制結(jié)束之后，在保持第二膨脹閥7的開度的狀態(tài)(即，不變更)下，在第二控制中調(diào)整第一膨脹閥6的開度。
還有，在圖3中雖未表示，不過在熱泵71、72中，也可以在欲流入膨脹機3中的制冷劑的體積流量比膨脹機3的驅(qū)動缸容積小的溫度區(qū)域中，實施保持使第二膨脹閥7全閉的狀態(tài)，并且調(diào)整第一膨脹閥6的開度這一控制。該控制也可以在從步驟2返回到步驟1時在這些步驟之間實施。
在如圖3所示的控制中，針對壓力PH而確認(rèn)了與目標(biāo)壓力PHT的一致之后結(jié)束該控制，并轉(zhuǎn)移到過熱度SH的控制，不過在未針對過熱度SH而確認(rèn)與目標(biāo)過熱度SHT的一致的情況下結(jié)束該控制，并返回到壓力PH的控制。這是更加重視了冷凍循環(huán)的高壓側(cè)壓力PH的適當(dāng)控制的結(jié)果。但是，并不限定于此，也可以針對過熱度SH而確認(rèn)了與目標(biāo)過熱度SHT的一致之后結(jié)束該控制。用于進(jìn)行該控制的流程圖如圖5所示。
在如圖5所示的例中，在步驟12或13結(jié)束之后，返回到步驟9，繼續(xù)進(jìn)行控制。該情況下，第二控制也是重復(fù)進(jìn)行直至過熱度SH與目標(biāo)值SHT一致的循環(huán)控制。在是循環(huán)控制的情況下，有時不通過是否與目標(biāo)值一致，而是通過過熱度SH和目標(biāo)值SHT的差是否在規(guī)定范圍SHDR內(nèi)，來實施步驟10的判斷是適當(dāng)?shù)摹Ｈ鐖D5所示的控制的其他步驟與圖3的控制例同樣地實施。
除了如圖5所示的變更以外，也可以對壓力PH及過熱度SH的控制施加種種的變更。本發(fā)明的控制并不限定于如圖3、5所示的控制例。
例如，在上述說明中，以壓力PH和目標(biāo)壓力PHT是否一致，換言之，以壓力PH和目標(biāo)壓力PHT的差是否為0為判斷對象，不過也可以取而代之，以壓力PH和目標(biāo)壓力PHT的差是否在規(guī)定范圍PHDR內(nèi)為判斷對象。該情況下，只要取代步驟5，判斷壓力PH和目標(biāo)壓力PHT的差是否在規(guī)定范圍PHDR內(nèi)即可。差是否在規(guī)定范圍PHDR內(nèi)的判斷也可以不通過直接算出差而進(jìn)行，例如也可以通過算出比，并判斷該比是否在換算成該比的規(guī)定范圍PHDR內(nèi)來進(jìn)行。就過熱度SH的控制而言，也同樣。
規(guī)定范圍PHDR、SHDR的大小只要通過熱泵的用途等適當(dāng)設(shè)定即可，不過優(yōu)選是被相當(dāng)限定的范圍。若列舉一例，則規(guī)定范圍PHDR通過從壓力PH(MPa)減去目標(biāo)壓力PHT(MPa)而得到的值來表示，優(yōu)選是-1.2MPa以上且1.2MPa以下，進(jìn)而-0.8MPa以上且0.8MPa以下。規(guī)定范圍SHDR通過從過熱度SH(℃)減去目標(biāo)過熱度SHT(℃)而得到的值來表示，優(yōu)選設(shè)定為超過-(SHT)℃且20℃以下、進(jìn)而超過-(SHT)℃且10℃以下的范圍，為了上述值不為負(fù)，例如也可以將規(guī)定范圍SHDR設(shè)定為超過0℃的值。所謂“超過-(SHT)℃且20℃以下”在目標(biāo)過熱度SHT是10℃的情況下，是“超過-10℃且20℃以下”的范圍。
另外，例如，也可以在步驟8之后，追加判斷第二膨脹閥7是否全閉的步驟，在該追加的步驟中，若判斷為第二膨脹閥7全閉，則返回到步驟1。在追加的步驟中，若判斷為第二膨脹閥7未全閉，則返回到步驟4重復(fù)進(jìn)行控制。
另外，例如，也可以在壓力PH的控制之前進(jìn)行過熱度SH的控制，在步驟3之后實施步驟9。該情況下，控制過熱度SH，接著控制壓力PH，然后再次控制過熱度SH。也可以根據(jù)熱泵的用途或設(shè)計內(nèi)容，不實施步驟1～3，從步驟4或9開始控制。
如以上說明所述，控制器(控制裝置)30在制冷劑的高壓側(cè)壓力PH和作為目標(biāo)的規(guī)定值PHT的差不在規(guī)定范圍PHDR內(nèi)時，實施變更第二膨脹閥(第二節(jié)流裝置)7的開度的壓力控制(第一控制)，使得壓力PH和規(guī)定值PHT的差的絕對值變小(壓力PH接近于規(guī)定值PHT的差)(S4～S8)。
然后，在第一控制結(jié)束之后，在流入壓縮機中的制冷劑的過熱度SH和預(yù)先確定的正的值的規(guī)定值SHT的差不在規(guī)定范圍SHDR內(nèi)時，實施變更年第一膨脹閥(第一節(jié)流裝置)6的開度的過熱度控制(第二控制)，使得過熱度SH和規(guī)定值SHT的差的絕對值變小(過熱度SH接近于規(guī)定值SHT)(S9～S13)。
在第一控制中，控制裝置優(yōu)選變更第二節(jié)流裝置，使得壓力PH和規(guī)定值PHT的差達(dá)到規(guī)定范圍PHDR內(nèi)。另外，在第二控制中，控制裝置可以變更第一節(jié)流裝置，使得過熱度SH和規(guī)定值SHT的差達(dá)到規(guī)定范圍SHDE內(nèi)。
如上述的控制列所述，控制裝置也可以在第二控制結(jié)束之后，在壓力PH和規(guī)定值PHT的差不在規(guī)定范圍PHDR內(nèi)時，進(jìn)一步實施第一控制。這是為了考慮第二控制產(chǎn)生的壓力PH的變化，對壓力PH進(jìn)行再控制。
如上述所例示，作為具體的控制，在第一控制中，當(dāng)壓力PH比規(guī)定值PHT高，且壓力PH和規(guī)定值PHT的差不在規(guī)定范圍PHDR時，增大第二節(jié)流裝置的開度，當(dāng)壓力PH比規(guī)定值PHT低，且壓力PH和規(guī)定值PHT的差不在規(guī)定范圍PHDR時，減小第二節(jié)流裝置的開度。
另外，在第二控制中，當(dāng)過熱度SH比規(guī)定值SHT高，且過熱度SH和規(guī)定值SHT的差不在規(guī)定范圍SHDR時，增大第一節(jié)流裝置的開度，當(dāng)過熱度SH比規(guī)定值SHT低，且過熱度SH和規(guī)定值SHT的差不在規(guī)定范圍SHDR時，減小第一節(jié)流裝置的開度。
在如圖3、5例示的控制中，分別具體地特定壓力PH及過熱度SH的值，基于該值調(diào)整膨脹閥，由此控制壓力PH及過熱度SH。但是，壓力PH及過熱度SH的控制可以使用與壓力PH或過熱度SH關(guān)聯(lián)的代替參數(shù)而間接地進(jìn)行。
例如，針對冷凍循環(huán)的高壓側(cè)壓力PH的控制也可以測定流入壓縮機1中的制冷劑的體積流量相對流入膨脹機3中的制冷劑的體積流量的比RV，基于該RV、和壓縮機1的容積相對膨脹機3的容積的比RC進(jìn)行測定。比RV和RC的大小關(guān)系是與高壓側(cè)壓力PH關(guān)聯(lián)的代替參數(shù)RP，也可以針對該參數(shù)設(shè)定與目標(biāo)壓力PHT關(guān)聯(lián)的控制目標(biāo)RPT。
于是，在上述的控制中，控制裝置也可以并不直接對比壓力PH和規(guī)定值PHT，而是對比與壓力PH關(guān)聯(lián)的規(guī)定的特性RP和與規(guī)定值PHT關(guān)聯(lián)的針對該特性RP的規(guī)定值RPT，由此判斷壓力PH和規(guī)定值PHT的差是否在規(guī)定范圍PHDR內(nèi)。
圖6表示利用上述的控制進(jìn)行的冷凍循環(huán)的變化。最初的冷凍循環(huán)(a1～f1)若在第一控制中較大地變更需要使比目標(biāo)壓力PHT高的高壓側(cè)壓力降低的第二膨脹閥7的開度，則向冷凍循環(huán)(a2～f2)轉(zhuǎn)移。該冷凍循環(huán)若在第二控制中較小地變更需要確保相對大的過熱度的第一膨脹閥6的開度，則向冷凍循環(huán)(a3～f3)轉(zhuǎn)移。該冷凍循環(huán)若在再次實施的第一控制中較大地變更需要使高壓側(cè)壓力降低的第二膨脹閥7的開度，則向冷凍循環(huán)(a4～f4)轉(zhuǎn)移。
還有，如圖6所示，若使冷凍循環(huán)的高壓側(cè)壓力成為超臨界狀態(tài)，則在冷凍循環(huán)內(nèi)的高低壓差變大，膨脹機3的能量回收功能的貢獻(xiàn)變大。為了實現(xiàn)這種情形，只要是壓縮機壓縮制冷劑的熱泵即可。
能夠應(yīng)用本發(fā)明的熱泵的結(jié)構(gòu)并不限定于圖1、2的例。例如，在圖1、2中，管體12形成了旁通膨脹機3及第一膨脹閥6的旁通路徑，不過也可以是與管體11連接使得形成只旁通膨脹機3的旁通路徑的熱泵73(參照圖7)。另外，也可以是管體12形成只旁通膨脹機3的旁通路徑，且第一膨脹閥6配置于膨脹機3的下游側(cè)的熱泵75(參照圖9)。在這些結(jié)構(gòu)中，通過應(yīng)用與上述同樣的控制，能夠適當(dāng)控制高壓側(cè)壓力PH和過熱度SH。
另外，也可以多個控制器分擔(dān)而擔(dān)負(fù)控制器30的功能。在如圖10所例示的熱泵76中，第一控制器31為了控制壓力PH及過熱度SH而擔(dān)負(fù)調(diào)整第一膨脹閥6及第二膨脹閥7的開度的功能(S4～S8、S10～S13)，第二膨脹閥32擔(dān)負(fù)接受來自溫度傳感器23、24的信號而算出過熱度SH的功能(S9)，第三膨脹閥33擔(dān)負(fù)測定室外氣溫T，并根據(jù)其結(jié)果而開放第二膨脹閥7的控制(S1～S3)。
另外，也可以是配置了四通閥51、53的熱泵。如圖11例示的熱泵77可以作為空調(diào)機使用，所述空調(diào)機可以利用四通閥51、53的切換來選擇選擇制暖運轉(zhuǎn)和制冷運轉(zhuǎn)。在制暖運轉(zhuǎn)時，在四通閥51、53中選擇由實線表示的路徑，室外熱交換器54作為散熱器而發(fā)揮功能，室內(nèi)熱交換器52作為蒸發(fā)器而發(fā)揮功能。在該熱泵77中，若應(yīng)用上述所例示的控制，則能夠適當(dāng)?shù)乜刂聘邏簜?cè)壓力PH和過熱度SH。
在上述例示的控制中，測定從壓縮機噴出的制冷劑的壓力Pd(PH)，或為了算出該壓力PH而測定從壓縮機噴出的制冷劑的溫度。也可利用該操作來進(jìn)行熱泵的異常時對策。具體來說，在具有上述例示的結(jié)構(gòu)的熱泵中，當(dāng)壓力PH超過規(guī)定的臨界壓力時及/或當(dāng)從壓縮機1噴出的制冷劑的溫度超過規(guī)定的臨界溫度時，控制器30可以通過采取如下的對策來實施異常時對策，即控制器30識別異常，將第一熱膨脹閥6及/或第二熱膨脹閥7的開度較大地調(diào)整為規(guī)定的開度以上。在此，規(guī)定的開度設(shè)定為超過由第一控制及第二控制確定的控制范圍的大小的開度為好。通過該對策，能夠使制冷劑的壓力及溫度快速地降低。
若這樣控制，則即使在制冷劑的高壓側(cè)壓力PH或溫度因運轉(zhuǎn)狀態(tài)的急劇變化或某種要因而達(dá)到異常值的情況下，也可以在短時間內(nèi)消除該異常值。還有，臨界壓力及臨界溫度因制冷劑或熱泵的結(jié)構(gòu)等而不同，不過若敘述作為制冷劑使用了二氧化碳的情況，則作為臨界壓力可例示12MPa，作為臨界溫度可例示115℃。
為了進(jìn)行上述的異常時對策，本發(fā)明的熱泵在壓力PH超過規(guī)定的臨界壓力時，或從壓縮機噴出的制冷劑的溫度超過規(guī)定的臨界溫度時，控制裝置優(yōu)選超過第一控制及第二控制的開度的變更范圍而較大地變更從第一節(jié)流裝置及第二節(jié)流裝置選擇的至少一方的開度。
圖12及圖13表示設(shè)定為作為制冷劑使用了二氧化碳并使冷凍循環(huán)的高壓側(cè)的壓力超過二氧化碳的臨界壓力的情況(圖12)、和作為制冷劑使用了氟里昂的情況(圖13)的蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑和空氣(被加熱氣體)的溫度變化。在任一情況下，制冷劑都在溫度T0時流入散熱器中，通過與空氣的熱交換來加熱空氣。以二氧化碳為制冷劑時的溫度差ΔT變得比以氟里昂為制冷劑時的溫度差ΔT大。這是因為，與氟里昂不同，二氧化碳在散熱器內(nèi)不進(jìn)行相變化。二氧化碳適合作為用于將被加熱介質(zhì)加熱為高的溫度的制冷劑。
(工業(yè)上的可利用性)本發(fā)明在改良作為空調(diào)機、供熱水機、餐具干燥機、生活垃圾干燥處理機等而有用的熱泵上具有高的利用價值。
權(quán)利要求
1.一種熱泵，具有壓縮機；散熱器；膨脹機；蒸發(fā)器；管體，其形成制冷劑按順序經(jīng)由所述壓縮機、所述散熱器、所述膨脹機、及所述蒸發(fā)器而循環(huán)的循環(huán)路徑、及制冷劑并不經(jīng)由所述膨脹機而從所述散熱器向所述蒸發(fā)器流動的旁通路徑；第一節(jié)流裝置，其配置于所述散熱器和所述膨脹機之間或所述膨脹機和所述蒸發(fā)器之間的所述循環(huán)路徑上，且開度可變；第二節(jié)流裝置，其配置于所述旁通路徑上，且開度可變；控制裝置，其調(diào)整所述第一節(jié)流裝置的開度及所述第二節(jié)流裝置的開度，所述壓縮機和所述膨脹機與相同的旋轉(zhuǎn)軸連接，所述控制裝置，實施第一控制，所述第一控制是，當(dāng)在所述循環(huán)路徑中循環(huán)的制冷劑的高壓側(cè)壓力PH、和基于熱泵的效率系數(shù)達(dá)到最優(yōu)的值而確定的規(guī)定值PHT的差不在規(guī)定范圍PHDR內(nèi)時，變更所述第二節(jié)流裝置的開度使得所述壓力PH和所述規(guī)定值PHT的差的絕對值變小，在所述第一控制結(jié)束后，實施第二控制，所述第二實施控制是，當(dāng)流入所述壓縮機的制冷劑的過熱度SH、和作為預(yù)先確定的正的值的規(guī)定值SHT的差不在規(guī)定范圍SHDR內(nèi)時，變更所述第一節(jié)流裝置的開度使得所述過熱度和所述規(guī)定值SHT的差的絕對值變小。
2.如權(quán)利要求1所述的熱泵，所述控制裝置在所述第一控制中變更所述第二節(jié)流裝置的開度，使得所述壓力PH和所述規(guī)定值PHT的差達(dá)到所述規(guī)定范圍PHDR內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的熱泵，所述控制裝置在所述第二控制中變更所述第一節(jié)流裝置的開度，使得所述過熱度SH和所述規(guī)定值SHT的差達(dá)到所述規(guī)定范圍SHDR內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1所述的熱泵，所述控制裝置在所述第二控制結(jié)束后，在所述壓力PH和所述規(guī)定值PHT的差不在規(guī)定范圍PHDR內(nèi)時，進(jìn)一步實施所述第一控制。
5.如權(quán)利要求1所述的熱泵，其中，在所述第一控制中，在所述壓力PH比所述規(guī)定值PHT高、且所述壓力PH和所述規(guī)定值PHT的差不在所述規(guī)定范圍PHDR內(nèi)時，增大所述第二節(jié)流裝置的開度，在所述壓力PH比所述規(guī)定值PHT低、且所述壓力PH和所述規(guī)定值PHT的差不在所述規(guī)定范圍PHDR內(nèi)時，減小所述第二節(jié)流裝置的開度。
6.如權(quán)利要求1所述的熱泵，其中，在所述第二控制中，在所述過熱度SH比所述規(guī)定值SHT高、且所述過熱度SH和所述規(guī)定值SHT的差不在所述規(guī)定范圍SHDR內(nèi)時，增大所述第一節(jié)流裝置的開度，在所述過熱度SH比所述規(guī)定值SHT低、且所述過熱度SH和所述規(guī)定值SHT的差不在所述規(guī)定范圍SHDR內(nèi)時，減小所述第一節(jié)流裝置的開度。
7.如權(quán)利要求1所述的熱泵，其中，所述規(guī)定值SHT是處于超過0℃且20℃以下這一范圍的數(shù)值。
8.如權(quán)利要求1所述的熱泵，其中，為了特定所述過熱度SH，還具有檢測流入所述壓縮機中的制冷劑的溫度的第一溫度檢測機構(gòu)及檢測所述蒸發(fā)器中的制冷劑的溫度的第二溫度檢測機構(gòu)。
9.如權(quán)利要求1所述的熱泵，其中，為了特定所述壓力PH，還具有檢測從所述壓縮機噴出的制冷劑的壓力的壓力檢測機構(gòu)。
10.如權(quán)利要求1所述的熱泵，其中，為了特定所述壓力PH，還具有檢測系統(tǒng)外的溫度的第三溫度檢測機構(gòu)、和檢測從所述壓縮機噴出的制冷劑的溫度的第四溫度檢測機構(gòu)。
11.如權(quán)利要求1所述的熱泵，其中，所述控制裝置并不直接對比所述壓力PH和所述規(guī)定值PHT，而是通過對比與所述壓力PH關(guān)聯(lián)的規(guī)定的特性RP、和與所述規(guī)定值PHT關(guān)聯(lián)的、針對該特性RP的規(guī)定值RPT來判斷所述壓力PH和所述規(guī)定值PHT的差是否在所述規(guī)定范圍PHDR內(nèi)。
12.如權(quán)利要求1所述的熱泵，其中，在所述壓力PH超過規(guī)定的臨界壓力時、或從所述壓縮機噴出的制冷劑的溫度超過規(guī)定的臨界溫度時，所述控制裝置超過所述第一控制及所述第二控制的開度的變更范圍而較大地變更從所述第一節(jié)流裝置及所述第二節(jié)流裝置中選擇的至少一方的開度。
13.如權(quán)利要求1所述的熱泵，其中，所述壓縮機按照從所述壓縮機噴出的制冷劑達(dá)到超臨界狀態(tài)的方式壓縮制冷劑。
全文摘要
本發(fā)明提供一種熱泵，壓縮機和膨脹機與相同的旋轉(zhuǎn)軸連接，在制冷劑的循環(huán)路徑上配置有第一節(jié)流裝置，在膨脹機的旁通路徑上配置有第二節(jié)流裝置，且控制裝置調(diào)整這些節(jié)流裝置的開度。控制裝置實施第一控制，所述第一控制為了使冷凍循環(huán)的高壓側(cè)壓力PH接近基于熱泵的效率系數(shù)(COP)成為最優(yōu)的值而確定的規(guī)定值，而調(diào)整第一節(jié)流裝置的開度，且在第一控制結(jié)束后，實施第二控制，所述第二控制為了使過熱度SH接近正的規(guī)定值而調(diào)整第二節(jié)流裝置的開度。于是，可以進(jìn)行熱泵的平滑且穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)。
文檔編號F25B1/00GK1957213SQ20058001658
公開日2007年5月2日 申請日期2005年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月9日
發(fā)明者本間雅也, 藥丸雄一, 田村朋一郎, 齋藤哲哉 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社