JP5573526B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、高圧側において超臨界となり得る物質を冷媒として用いる冷凍サイクル装置に関するものである。

従来、この種の冷凍サイクル装置には、冷媒の圧力が異常に上昇したことを検知する圧力スイッチを備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。

図９はヒートポンプ給湯機に搭載の冷凍サイクル装置であり、１は圧縮機、２は放熱器、３は膨張弁、４は蒸発器であり、これらはこの順で環状に構成され、冷媒回路５を形成している。１４は入水配管、１５は出湯配管である。また、５１は圧力スイッチであり、圧縮機１と放熱器２との間の冷媒回路５から分岐した分岐配管５５に連結して備えられる。５２はスイッチ手段であり、冷凍サイクル装置に供給されるＡＣ電源回路上に備えられる。ＡＣ電源回路上は冷凍サイクル装置の制御基板６上に構成されている。

圧縮機１から吐出された高圧の冷媒は放熱器２へ供給され、放熱器２において水と熱交換を行って放熱した後に膨張弁３に供給される。膨張弁３にて減圧された後、蒸発器４に供給されて吸熱した後、圧縮機１へ吸入される。圧縮機１から吐出される冷媒の吐出圧力が臨界圧力以下である冷凍サイクル装置（例えば、Ｒ４１０Ａを冷媒として使用する空気調和機に搭載の冷凍サイクル装置）においては、凝縮器の凝縮温度から吐出圧力を推定し、吐出圧力の異常上昇を認知することができるものの、吐出圧力が臨界圧力を超える冷凍サイクル装置（例えば、二酸化炭素を冷媒として使用するヒートポンプ給湯機に搭載の冷凍サイクル装置）においては、放熱器２の温度から吐出圧力を推定することが難しい。

そこで、圧力スイッチ５１は、圧縮機１が吐出する冷媒の圧力が予め設定された閾値を超えたときに動作し、スイッチ手段５２は、圧力スイッチ５１の動作に伴ってオンからオフへと切り替えてＡＣ電源回路を遮断する。これらを備えることによって、高圧側におい
て冷媒が超臨界状態となる冷凍サイクル装置においても、吐出圧力の異常上昇を認知することができ、冷凍サイクル装置の運転を停止して、吐出圧力の異常上昇を防止する役割を果たす。

あるいは、圧力スイッチに替えて、吐出圧力を推定する吐出圧力推定手段を備えたもののある（例えば、特許文献２参照）。図１０に示す冷凍サイクル装置は、圧力スイッチや圧力センサーのような圧力検出手段を備えず、吐出圧力を冷凍サイクル装置の運転状態から推定する吐出圧力推定手段１１を備えている。そして、圧縮機１の電動機へ流れる電流を検出する圧縮機電流値検出手段７と、電動機の回転速度を検出する圧縮機回転速度検出手段５３と、放熱器２から膨張弁３へ送られる冷媒の温度を検出する放熱器出口温度検出手段５４と、蒸発器４での冷媒温度を検出する蒸発器温度検出手段８とを備え、吐出圧力推定手段１１が少なくとも圧縮機電流値検出手段７、圧縮機回転速度検出手段５３、放熱器出口温度検出手段５４及び蒸発器温度検出手段８が検出した値に基づいて、吐出圧力推定手段１１が、予め記録されている電動機の消費電力と吐出圧力の相関関係から吐出圧力を推定する。この吐出圧力推定手段１１を備えることにより、圧力スイッチや圧力センサーを備えずとも、吐出圧力の認知を可能としている。

特許第４２２２２２７号公報 特開２００４−３６９２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の冷凍サイクル装置においては、圧力スイッチ５１や分岐配管５５が圧縮機１から吐出される冷媒の温度と略同一温度に上昇する（約９０〜１２０℃）ため、これらの部分からの熱漏洩を生じてしまい、冷凍サイクル装置のエネルギー消費効率を低下させてしまうという課題を有していた。

一方、特許文献２に記載の冷凍サイクル装置においては、圧力スイッチや圧力センサーなどの圧力検出手段を備えずに、冷凍サイクル装置の運転状態から吐出圧力を推定する吐出圧力推定手段１１を備えており、圧力検出手段を備えることによる熱漏洩は生じないものの、冷凍サイクル装置の起動直後などの過渡状態においては、蒸発器４における冷媒温度が急激な変化するため、蒸発器温度検出手段８が検出する蒸発器温度が時間遅れを有して蒸発器における真の冷媒温度を正しく検出することができず、吐出圧力の推定精度が損なわれてしまうという課題を有していた。

本発明は、前記従来の２つの課題を解決するもので、圧力センサーや圧力スイッチなどの圧力検出手段を冷媒回路５から分岐させて備えず、冷凍サイクル装置の起動直後などの過渡状態においても、蒸発器４における冷媒温度を正しく検出し、高い精度で吐出圧力を推定することができる吐出圧力推定手段１１を備える冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の冷凍サイクル装置は、少なくとも圧縮機、冷媒が被加熱流体に放熱する放熱器、冷媒を膨張させる減圧機構、送風ファンによって送られた外気と冷媒とを熱交換させる蒸発器が冷媒配管で環状に接続されて冷媒が循環する冷媒回路と、前記圧縮機に供給される電流を検出する圧縮機電流値検出手段と、前記冷媒配管の表面上に設けられ、前記蒸発器を循環する冷媒の温度を検出する蒸発器温度検出手段と、前記送風ファンによって前記蒸発器へと導入される外気の温度を外気温度として検出する
外気温度検出手段と、少なくとも前記圧縮機電流値検出手段が検出した電流値と前記蒸発器温度検出手段が検出した蒸発器温度とを用いて前記圧縮機の吐出圧力の推定値を算出する吐出圧力推定手段と、を備え、前記吐出圧力推定手段は、前記圧縮機が起動してからの所定時間において、前記外気温度に応じて修正された前記蒸発器温度を用いて、前記吐出圧力の推定値を算出することを特徴とするものである。

これによって、冷凍サイクル装置の運転が起動直後などの過渡状態において、蒸発器における冷媒温度が急激に変化し、蒸発器温度検出手段により検出する蒸発器温度が時間遅れを有して蒸発器における真の冷媒温度を正しく検出することができなくても、外気温度検出手段により検出する外気温度とから蒸発器における真の冷媒温度を正しく推定することができ、吐出圧力を高い精度で推定することが可能となる。

本発明の冷凍サイクル装置は、外気温度を検出して、圧縮機の電流値、蒸発器温度と外気温度とを用いて吐出圧力を推定することによって、冷凍サイクル装置の運転が起動直後などの過渡状態においても、吐出圧力を高い精度で推定し、推定した吐出圧力に基づいて圧縮機または減圧機構を制御して動作させることができる。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の概略構成図 本発明の実施の形態１における蒸発器遅れ温度ΔＴｅと外気温度Ｔａｔの相関図 本発明の実施の形態１における圧縮機の電流値と蒸発器温度に対する推定吐出圧力の相関図 本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置起動後の蒸発器遅れ温度の修正値を示す図 本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置起動後の蒸発器温度Ｔｅの経時変化図 本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置起動後の吐出圧力Ｐｄの経時変化図 本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置起動後の吐出圧力Ｐｄの修正値を示す図 本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置起動後の吐出圧力ＰｄとＣＯＰの経時変化図 従来の冷凍サイクル装置の概略構成図 別の従来の冷凍サイクル装置の概略構成図

第１の発明は、少なくとも圧縮機、冷媒が被加熱流体に放熱する放熱器、冷媒を膨張させる減圧機構、送風ファンによって送られた外気と冷媒とを熱交換させる蒸発器が冷媒配管で環状に接続されて冷媒が循環する冷媒回路と、前記圧縮機に供給される電流を検出する圧縮機電流値検出手段と、前記冷媒配管の表面上に設けられ、前記蒸発器を循環する冷媒の温度を検出する蒸発器温度検出手段と、前記送風ファンによって前記蒸発器へと導入される外気の温度を外気温度として検出する外気温度検出手段と、少なくとも前記圧縮機電流値検出手段が検出した電流値と前記蒸発器温度検出手段が検出した蒸発器温度とを用いて前記圧縮機の吐出圧力の推定値を算出する吐出圧力推定手段と、を備え、前記吐出圧力推定手段は、前記圧縮機が起動してからの所定時間において、前記外気温度に応じて修正された前記蒸発器温度を用いて、前記吐出圧力の推定値を算出することを特徴とする冷凍サイクル装置である。これにより、冷凍サイクル装置の起動直後などの過渡状態において、蒸発器における冷媒温度が急激に変化し、蒸発器温度検出手段が検出する蒸発器温度
が時間遅れを有して蒸発器における真の冷媒温度を正しく検出することができなくても、外気温度検出手段により検出する外気温度とから蒸発器における真の冷媒温度を推定することができ、過渡状態においても、吐出圧力を高い精度で推定することが可能となる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記外気温度に応じて前記蒸発器温度を修正する際の修正値は、前記外気温度が低いときよりも高いときのほうが大きいことを特徴とするものである。これにより、高い精度で真の蒸発器温度を推定することができる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明において、前記外気温度に応じて前記蒸発器温度を修正する際の修正値は、前記圧縮機が起動してからの経過時間が短いときよりも長いときのほうが小さいことを特徴とするものである。これにより、高い精度で真の蒸発器温度を推定することができる。

第４の発明は、特に、第１から第３のいずれかの発明において、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度検出手段を備え、前記吐出圧力推定手段は、前記電流値と前記蒸発器温度とを用いて算出される吐出圧力に前記吐出温度検出手段が検出した吐出温度に応じて定まる前記吐出圧力の修正値を加えて、前記吐出圧力の推定値を算出することを特徴とすることにより、冷凍サイクル装置の起動直後などの過渡状態において、圧縮機から吐出される冷媒温度が定常状態に達していなくても、吐出温度検出手段が検出する吐出温度により、圧縮機本体や圧縮機に接続される周辺配管の温度上昇に消費されるエネルギー消費量を推定することができ、圧縮機に供給される動力のうち冷媒に供給されるエネルギーを推定して、過渡状態においても、より高い精度で吐出圧力を推定することができる。

第５の発明は、特に、第１から第４のいずれかの発明において、吐出圧力推定手段により推定した吐出圧力が予め設定された吐出圧力の目標値に一致するように前記圧縮機の回転速度を調整することにより、冷凍サイクル装置を高いエネルギー効率で運転することができる。

第６の発明は、特に、第１から第４のいずれかの発明において、吐出圧力推定手段により推定した吐出圧力が予め設定された吐出圧力の目標値に一致するように前記減圧機構を流れる冷媒の循環量を調整することにより、冷凍サイクル装置を高いエネルギー効率で運転することができる。

第７の発明は、特に、第１から第４のいずれかの発明において、吐出圧力推定手段により推定した吐出圧力が予め設定された閾値を超えると前記圧縮機の回転速度を低下させることにより、冷凍サイクル装置の吐出圧力の異常上昇を防止することができる。

第８の発明は、特に、第１から第４のいずれかの発明において、吐出圧力推定手段により推定した吐出圧力が予め設定された閾値を超えると前記減圧機構を流れる冷媒の循環量を低下させることにより、冷凍サイクル装置の吐出圧力の異常上昇を防止することができる。

なお、冷前記圧縮機の駆動時には、前記冷媒回路の高圧側の冷媒は超臨界状態となる冷凍サイクル装置においても、吐出圧力を高い精度で推定することができる。また、冷媒として、二酸化炭素を用いることにより、冷媒が漏洩しても燃焼の危険がなく、安心して冷凍サイクル装置を運転することができる。以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置の構成図である。図１は、例えば、ヒートポンプ給湯機に搭載される冷凍サイクル装置であり、圧縮機１、放熱器２、本発明の減圧機構としての膨張弁３、蒸発器４を備え、それらを環状に接続し、冷媒回路５を構成している。放熱器２は、冷媒と熱交換する水を貯湯タンク（図示せず）の下方より循環ポンプ（図示せず）を介して供給させる入水配管１４と、その水を貯湯タンクの上方に戻す出湯配管１５を備えている。そして、冷媒回路５は、冷媒として二酸化炭素が循環する。

蒸発器を循環する冷媒の温度を検出する蒸発器温度検出手段８は、蒸発器４の冷媒入口の配管表面上に設けられる。外気温度検出手段９は、蒸発器４へと導入される空気の温度を検出するように、蒸発器４の風上側に設けられる。吐出温度検出手段１０は、圧縮機１から放熱器２へと冷媒を導入する配管の表面上に設けられる。

また、圧縮機１の回転速度や膨張弁３の開度を制御する制御基板６の回路上には、圧縮機１に供給される電流を検出する圧縮機電流値検出手段７と、少なくとも圧縮機電流値検出手段７が検出した電流値と蒸発器温度検出手段８が検出した蒸発器温度と外気温度検出手段９が検出した外気温度とを用いて圧縮機１より吐出される冷媒の圧力を推定する吐出圧力推定手段１１と、圧縮機１の回転速度を調整する圧縮機制御手段１２と、膨張弁３の開度を調整する膨張弁制御手段１３とを備えている。

以上のように構成された冷凍サイクル装置について、以下にその動作および作用を説明する。

圧縮機１を運転すると、高圧まで圧縮されて吐出された冷媒は、放熱器２に送られ、循環ポンプの動力にて入水配管１４を通ってきた低温水と熱交換して放熱する。これにより、加熱された低温水は、高温水となり、出湯配管１５を通り、貯湯タンクに送られ、高温の温水として貯湯される。

放熱器２から流出する冷媒は、膨張弁３で減圧膨張され、蒸発器４に送られ、送風ファンにて送られた空気と熱交換して、蒸発してガス化する。このガス化した冷媒は、再度、圧縮機１に吸入され、再度圧縮される過程を繰り返し、低温水は徐々に加熱される。

加熱され貯湯タンクに貯湯された温水は、蛇口やシャワーなどの給湯端末（図示せず）から給湯されることで、この冷凍サイクル装置は、例えば、給湯機として利用できる。

まず、吐出圧力が予め設定された閾値Ｐ０以下の場合の圧縮機制御手段１２、膨張弁制御手段１３の制御動作について説明する。

冷凍サイクル装置が運転を行っている場合、圧縮機１の回転速度ｆｃは、放熱器２における加熱能力が目標値となるように、予め設定された回転速度になるように圧縮機制御手段１２により調整される。これによって、冷凍サイクル装置は、運転条件に応じて必要な加熱能力を満足する回転速度を選択して運転を行うことができる。

膨張弁３の開度は、吐出温度検出手段１０が検出する吐出温度Ｔｄが予め設定された目標値に一致するように、膨張弁制御手段１３により調整される。このようにすることによって、冷凍サイクル装置のエネルギー消費効率が最大になるように膨張弁３を制御して動作させることができる。なお、膨張弁制御手段１３は、外気温度が高くなるほど圧縮機１に吸入される冷媒の過熱度が大きくなるように、吐出温度Ｔｄの目標値が予め設定されているため、膨張弁３が調整されることにより、圧縮機１に吸入される冷媒の過熱度は外気温度Ｔａｔと相関を有する。ここで、圧縮機１に吸入される冷媒の過熱度とは、圧縮機１
に吸入される冷媒温度と圧縮機１に吸入される冷媒の飽和温度との差である。

次に、吐出圧力が予め設定された閾値Ｐ０を越えた場合の圧縮機制御手段１２の制御動作について説明する。

圧縮機制御手段１２は、吐出圧力が予め設定された閾値Ｐ０を超えると、冷凍サイクル装置に圧力の異常上昇が発生したと判断して圧縮機１の運転を停止する。

さらに、吐出圧力推定手段１１が行う吐出圧力推定方法について説明する。

圧縮機電流値検出手段７は、制御基板６を介して圧縮機１に供給される電流の値を検出し、検出した電流値Ｉｃを信号として吐出圧力推定手段１１に送る。

蒸発器温度検出手段８は、蒸発器４の冷媒側入口における配管表面の温度を検出し、蒸発器４における冷媒の温度を信号として吐出圧力推定手段１１に送る。蒸発器温度検出手段８は、配管表面の温度を検出しているため、冷凍サイクル装置の運転が略定常状態である場合は、検出した蒸発器温度Ｔｅと配管内部の冷媒温度が略同一になるが、冷凍サイクル装置が起動直後（例えば、圧縮機１の起動直後）など過渡状態である場合は、蒸発器４における冷媒温度が急激に変化するため、検出した蒸発器温度Ｔｅは時間遅れを有して配管内部の冷媒温度と一致しない。

図２に示すように、蒸発器温度検出手段８が検出する蒸発器温度Ｔｅと配管内部の冷媒温度（実際の蒸発器４における冷媒温度）との差である蒸発器遅れ温度ΔＴｅは、外気温度Ｔａｔが高くなるほど大きくなる傾向にある。これは、蒸発器温度検出手段８が検出する蒸発器温度が冷凍サイクル装置の運転前には外気温度Ｔａｔに近い温度になっているためである。また、蒸発器遅れ温度ΔＴｅは、冷凍サイクル装置の起動直前まで蒸発器温度検出手段８がほぼ外気温度と同じ温度を検出しているため、冷凍サイクル装置の起動直後が最も大きく、時間経過とともに縮小して、一定の値へと漸近してく。これは、蒸発器温度検出手段８が検出する蒸発器温度が時間経過とともに蒸発器４における冷媒温度へと漸近していくためである。

外気温度検出手段９は、蒸発器４へと導入される空気の温度を検出し、外気温度Ｔａｔを信号として吐出圧力推定手段１１に送る。

冷凍サイクル装置の運転が略定常状態であり、蒸発器温度検出手段８が検出する蒸発器温度Ｔｅが、十分に配管内部の冷媒温度に一致している場合は、図３に示す推定吐出圧力の相関図に基づき、電流値Ｉｃおよび蒸発器温度Ｔｅ用いて、吐出圧力Ｐｄを推定する。

一方、冷凍サイクル装置が起動直後など過渡状態である場合は、前述の通り、蒸発器温度検出手段８が検出する蒸発器温度Ｔｅが時間遅れを有して蒸発器４における真の冷媒温度と一致しないが、予め把握しておいた図２に示す外気温度、蒸発器遅れ温度ΔＴｅおよび圧縮機起動後の経過時間の相関に基づいて、図４に示すような修正値を用いて真の蒸発器温度を推定する。図４は、圧縮機１の起動後に所定時間（図４の場合には、１分ごと）経過した時点での外気温度ごとの蒸発器遅れ温度ΔＴｅを用いた補正値を示している。

図５に、冷凍サイクル装置起動後の蒸発器温度Ｔｅの経時変化を示す。図５の実線は、実際の蒸発器温度であり、長破線は蒸発器遅れ温度ΔＴｅを用いて修正を行わない場合の推定値であり、短破線は蒸発器遅れ温度ΔＴｅを用いて補正を行った場合の推定値である。

このように、蒸発器温度検出手段８が検出した蒸発器温度Ｔｅを蒸発器遅れ温度ΔＴｅを用いて修正することによって、図５に示すように、修正しない場合よりも高い精度で真の蒸発器温度を推定することができる。

そして、修正した蒸発器温度Ｔｅを用いて、図３に示す推定吐出圧力の相関図から吐出圧力Ｐｄを推定する。このようにすることにより、冷凍サイクル装置の起動直後に蒸発器温度検出手段８が検出する蒸発器温度Ｔｅが時間遅れを有しても、外気温度Ｔａｔと圧縮機起動後の経過時間に基づいて適切に蒸発器温度を推定し、図６に示すように、蒸発器遅れ温度ΔＴｅを修正しない場合よりも高い精度で吐出圧力Ｐｄを推定することができる。

なお、図５に示すように、蒸発器遅れ温度ΔＴｅを用いた修正を行った場合には、図４で説明した所定時間ごとに修正を行うため、所定時間の間隔で推定値が大きく変化する、すなわち、推定値は経過時間に対して階段状に変化する。しかし、所定時間を適切な長さ（例えば、本実施の形態の場合には１分間隔）とすれば、吐出圧力Ｐｄを推定する上では、問題とならない。

圧縮機制御手段１２は、吐出圧力推定手段１１が前述のようにして推定した吐出圧力Ｐｄが予め設定された閾値Ｐ０を超えると、冷凍サイクル装置に圧力の異常上昇が発生したと判断して運転を停止する。蒸発器遅れ温度ΔＴｅを修正しない場合は、図６に示すように、吐出圧力Ｐｄを高めに推定して真の吐出圧力が閾値Ｐ０に到達していないにも関わらず異常と判断し、冷凍サイクル装置の運転を停止させてしまっていたが、このようにすることにより、冷凍サイクル装置の起動直後に蒸発器温度検出手段８が検出する蒸発器温度Ｔａｔが時間遅れを有しても、正しく冷凍サイクル装置の圧力の異常上昇発生を判断して運転を停止することができる。

以上のように、本実施の形態においては吐出圧力推定手段１１が、圧縮機電流値検出手段７が検出する電流値Ｉｃと蒸発器温度検出手段８が検出する蒸発器温度Ｔｅと外気温度検出手段９が検出する外気温度Ｔａｔとを用いて吐出圧力Ｐｄを推定することにより、冷凍サイクル装置の起動直後などの過渡状態において、蒸発器温度検出手段８が検出する蒸発器温度Ｔｅが蒸発器４における冷媒温度に対して時間遅れを有していても、外気温度Ｔａｔと圧縮機起動後の経過時間とを用いて蒸発器温度を正しく推定するように作用する。これによって、冷凍サイクル装置が起動直後などの過渡状態にあっても、吐出圧力の異常上昇の発生を正しく認知し、冷凍サイクル装置の運転を停止して、設計圧力を超える異常圧力での運転を防止することができる。

（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態における冷凍サイクル装置の構成は、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

また、冷凍サイクル装置が運転を行っている場合の圧縮機回転速度の決定方法、圧縮機電流値検出手段７、蒸発器温度検出手段８、外気温度検出手段９および吐出温度検出手段１０の動作は実施の形態１と同様であるので説明は省略する。

以下に本実施の形態が、実施の形態１と異なる点について説明する。

本実施の形態の圧縮機制御手段１２は、吐出圧力推定手段１１により推定した吐出圧力が、予め設定された閾値Ｐ０を超えると、実施の形態１のように圧縮機１を停止させる替わりに、圧縮機１の回転速度を低下させる。このようにすることにより、冷凍サイクル装置の起動直後などの過渡状態において、吐出圧力推定手段１１が推定する吐出圧力Ｐｄの精度が多少悪くても、圧縮機１の回転速度を低下させて、吐出圧力Ｐｄを一旦低下させる
ことにより、圧縮機１の運転を安全に継続することができる。そして、圧縮機１の運転を継続することで、冷凍サイクル装置の圧力の異常上昇発生を正しく判断し、設計圧力を超える吐出圧力の異常上昇を抑制することができる。

また、本実施の形態の膨張弁制御手段１３は、吐出圧力推定手段１１により推定した吐出圧力が、予め設定された閾値Ｐ０を超えると、膨張弁３の開度を大きくする。これにより、膨張弁３を流れる冷媒の循環量が増加し、吐出圧力Ｐｄが低下する。このようにすることにより、冷凍サイクル装置の起動直後などの過渡状態において、膨張弁３の開度を大きくして、吐出圧力Ｐｄを一旦低下させることにより、圧縮機１の運転を安全に継続することができる。そして、圧縮機１の運転を継続することで、冷凍サイクル装置の圧力の異常上昇発生を正しく判断し、設計圧力を超える吐出圧力の異常上昇を抑制することができる。

（実施の形態３）
本発明の第３の実施の形態における冷凍サイクル装置の構成は、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

また、冷凍サイクル装置が運転を行っている場合の圧縮機回転速度の決定方法、圧縮機電流値検出手段７、蒸発器温度検出手段８、外気温度検出手段９および吐出温度検出手段１０の動作は実施の形態１と同様であるので説明は省略する。

実施の形態１と異なる本実施の形態の吐出圧力推定方法について以下に説明する。

吐出温度検出手段１０は、圧縮機１から吐出される冷媒が循環する配管表面の温度を検出し、吐出温度Ｔｄを信号として吐出圧力推定手段１１に送る。吐出温度検出手段１０は、配管表面温度を検出しているため、蒸発器温度Ｔｅと同様に、冷凍サイクル装置の運転が略定常状態である場合は、検出した吐出温度Ｔｄと配管内部の冷媒温度と略同一になるが、冷凍サイクル装置が起動直後など過渡状態にある場合は、圧縮機１から吐出される冷媒温度が急激に変化するため、検出した吐出温度Ｔｄは時間遅れを有して配管内部の冷媒温度と一致しない。吐出温度検出手段１０が検出する吐出温度Ｔｄは、冷凍サイクル装置の起動後、時間経過とともに、圧縮機１から吐出される冷媒温度へと漸近していく。

吐出圧力推定手段１１は、圧縮機電流値検出手段７が検出する電流値Ｉｃ、蒸発器温度検出手段８が検出する蒸発器温度Ｔｅ、外気温度検出手段９が検出する外気温度Ｔａｔに加えて、吐出温度検出手段１０が検出する吐出温度Ｔｄに基づいて吐出圧力Ｐｄを推定する。

冷凍サイクル装置の運転が略定常状態であり、吐出温度検出手段１０が検出する吐出温度Ｔｄが、十分に配管内部の冷媒温度に漸近している場合は、図３に示す予め用意した推定吐出圧力の相関図、電流値Ｉｃおよび蒸発器温度Ｔｅを用いて、吐出圧力Ｐｄを推定する。

一方、冷凍サイクル装置が起動直後など過渡状態である場合は、圧縮機１やその周囲に接続される配管の温度が十分に上昇しておらず、圧縮機１に供給される動力のうち一部しか冷媒にエネルギーとして供給されないため、吐出温度検出手段１０が検出する吐出温度Ｔｄと冷媒に供給されたエネルギーの相関を予め把握し、この相関に基づいて作成した図７に示すような吐出圧力の修正値を加えて真の吐出圧力Ｐｄを推定する。図７は、吐出温度Ｔｄごとの吐出圧力Ｐｄの補正値を示している。

このようにすることにより、冷凍サイクル装置の起動直後など過渡状態において、圧縮
機１やその周囲に接続される配管の温度が十分に上昇していなくても、吐出温度検出手段１０が検出する吐出温度Ｔｄに基づいて、より正確な吐出圧力Ｐｄを推定することができる。

図８に、冷凍サイクル装置起動後の吐出圧力ＰｄとＣＯＰの経時変化を示す。図８において、吐出圧力Ｐｄを示す図の実線は実際の吐出圧力であり、長破線は吐出温度Ｔｄを用いて修正を行わない場合の推定値であり、短破線は吐出温度Ｔｄを用いて修正を行った場合の推定値である。ＣＯＰを示す図の長破線は吐出温度Ｔｄを用いて修正を行わない場合のＣＯＰであり、短破線は吐出温度Ｔｄを用いて修正を行った場合のＣＯＰである。

図８に示すように、吐出温度Ｔｄを用いて修正を行わない場合には、高めに推定していた吐出圧力Ｐｄを、吐出温度Ｔｄを用いて修正を行うことで、実際の吐出圧力に近い値に、高い精度で推定することができる。

膨張弁３の開度は、吐出圧力推定手段１１が推定した吐出圧力Ｐｄが予め定められた目標値となるように膨張弁制御手段１３によって制御される。図８に示すように、吐出温度Ｔｄを用いて修正を行わない吐出圧力Ｐｄを用いる場合は、吐出圧力Ｐｄを高めに推定してしまい、膨張弁３の開度が過度に小さくなるように制御してしまい、ＣＯＰが低下してしまうが、吐出温度Ｔｄを用いて修正を行った吐出圧力Ｐｄを用いることによって、冷凍サイクル装置の起動直後など過渡状態において、冷凍サイクル装置のエネルギー消費効率が最大となるように膨張弁３を制御して動作させることができる。

以上のように、本実施の形態においては吐出圧力推定手段１１が、圧縮機電流値検出手段７が検出する電流値Ｉｃ、蒸発器温度検出手段８が検出する蒸発器温度Ｔｅ、外気温度検出手段９が検出する外気温度Ｔａｔと吐出温度検出手段１０が検出する吐出温度Ｔｄとを用いて吐出圧力Ｐｄを推定することにより、冷凍サイクル装置の起動直後などの過渡状態において、圧縮機１やその周辺に接続される配管の温度が十分に上昇していなくても、吐出温度検出手段１０が検出する吐出温度Ｔｄを用いてより正確な吐出圧力Ｐｄを正しく推定できる。

これによって、冷凍サイクル装置が起動直後などの過渡状態にあっても、吐出圧力Ｐｄを正しく推定して、推定した吐出圧力Ｐｄを用いて膨張弁３の開度、すなわち、膨張弁３を流れる冷媒の循環量を調整し、冷凍サイクル装置のエネルギー消費効率が最大となるように運転させることができる。

なお、圧縮機制御手段１２は、吐出圧力推定手段１１により推定した吐出圧力が、予め設定された閾値Ｐ０を超えると、圧縮機１の回転速度を低下させるものとしてもよい。また、膨張弁制御手段１３は、吐出圧力推定手段１１により推定した吐出圧力が、予め設定された閾値Ｐ０を超えると、膨張弁３の開度を大きくするものとしてもよい。このようにすることにより、冷凍サイクル装置の起動直後などの過渡状態において、吐出圧力推定手段１１が推定する吐出圧力Ｐｄの精度が多少悪くても、吐出圧力Ｐｄを一旦低下させることにより、圧縮機１の運転を安全に継続することができる。そして、圧縮機１の運転を継続することで、冷凍サイクル装置の圧力の異常上昇発生を正しく判断し、設計圧力を超える吐出圧力の異常上昇を抑制することができる。

以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、圧力センサーや圧力スイッチなどを備えずとも、超臨界状態を含む圧縮機からの吐出圧力を推定することができ、ヒートポンプ給湯機や温水暖房装置など、高圧側で冷媒を超臨界状態で使用する冷凍サイクル装置において、エネルギー効率の向上や保護装置の用途にも適用できる。

１ 圧縮機
２ 放熱器
３ 膨張弁
４ 蒸発器
５ 冷媒回路
６ 制御基板
７ 圧縮機電流値検出手段
８ 蒸発器温度検出手段
９ 外気温度検出手段
１０ 吐出温度検出手段
１１ 吐出圧力推定手段
１２ 圧縮機制御手段
１３ 膨張弁制御手段
１４ 入水配管
１５ 出湯配管
５１ 圧力スイッチ
５２ スイッチ手段
５３ 圧縮機回転速度検出手段
５４ 放熱器出口温度検出手段
５５ 分岐配管

Claims (8)

1. 少なくとも圧縮機、冷媒が被加熱流体に放熱する放熱器、冷媒を膨張させる減圧機構、送風ファンによって送られた外気と冷媒とを熱交換させる蒸発器が冷媒配管で環状に接続されて冷媒が循環する冷媒回路と、
   前記圧縮機に供給される電流を検出する圧縮機電流値検出手段と、
   前記冷媒配管の表面上に設けられ、前記蒸発器を循環する冷媒の温度を検出する蒸発器温度検出手段と、
   前記送風ファンによって前記蒸発器へと導入される外気の温度を外気温度として検出する外気温度検出手段と、
   少なくとも前記圧縮機電流値検出手段が検出した電流値と前記蒸発器温度検出手段が検出した蒸発器温度とを用いて前記圧縮機の吐出圧力の推定値を算出する吐出圧力推定手段と、を備え、
   前記吐出圧力推定手段は、前記圧縮機が起動してからの所定時間において、前記外気温度に応じて修正された前記蒸発器温度を用いて、前記吐出圧力の推定値を算出することを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記外気温度に応じて前記蒸発器温度を修正する際の修正値は、前記外気温度が低いときよりも高いときのほうが大きいことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記外気温度に応じて前記蒸発器温度を修正する際の修正値は、前記圧縮機が起動してからの経過時間が短いときよりも長いときのほうが小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度検出手段を備え、
   前記吐出圧力推定手段は、前記電流値と前記蒸発器温度とを用いて算出される吐出圧力に前記吐出温度検出手段が検出した吐出温度に応じて定まる前記吐出圧力の修正値を加えて、前記吐出圧力の推定値を算出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記吐出圧力推定手段により推定した前記吐出圧力が予め設定された吐出圧力目標値に一
   致するように前記圧縮機の回転速度を調整することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記吐出圧力推定手段により推定した前記吐出圧力が予め設定された吐出圧力目標値に一致するように前記減圧機構を流れる冷媒の循環量を調整することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記吐出圧力推定手段により推定した前記吐出圧力が予め設定された閾値を超えると前記圧縮機の前記回転速度を低下させることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記吐出圧力推定手段により推定した前記吐出圧力が予め設定された閾値を超えると前記減圧機構を流れる冷媒の循環量を増大させることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。