熱泵以及熱泵的熱介質流量運算方法
2023-06-15 07:29:11
專利名稱：熱泵以及熱泵的熱介質流量運算方法
技術領域：
本發明涉及一種熱泵以及熱泵的熱介質流量運算方法。
背景技術：
例如，使用渦輪制冷機作為實現地區集中冷熱源設備或半導體製造工廠等的空調 等的機器。在圖4中表示使用現有的渦輪制冷機的熱源系統的一構成圖。如圖4所示，渦 輪制冷機50將從空調或空氣盤管(fan coil)等外部載荷51供應的冷水(熱介質)冷卻 至規定的溫度，將冷卻後的冷水供應給外部載荷51。在從冷水流看的渦輪制冷機50的上遊 側設置壓送冷水的冷水泵52。此外，在冷水泵52的下遊側設置測量從冷水泵52流出的冷 水流量的冷水流量計53。該冷水流量計53的輸出被送至進行渦輪制冷機50的控制的控制 裝置(圖示略)，將該冷水流量用作控制參數之一來進行渦輪制冷機的控制。現有技術文獻專利文獻專利文獻1 日本特開2009-20似62號公報例如，在上述那樣的熱源系統中，作為對從渦輪制冷機輸出的冷水的流量進行測 量的冷水流量計，使用電磁流量計。但是，電磁流量計價格貴，存在很難引入的情況。此外，一般公知一種使用價格低於電磁流量計的差壓傳感器並根據差壓來算出流 量的方法。但是，渦輪制冷機容易產生冷水等熱介質的壓力變動，當要將一般的差壓傳感器 適用於渦輪制冷機上時，被測量的值的差異多，從而存在不能滿足所要求的精度的問題。
發明內容
本發明鑑於這樣的情況而提出，提供一種熱泵以及熱泵的熱介質流量運算方法， 即使在使用低價格的差壓傳感器的情況下，也可以以足夠的精度獲得熱介質流量。為了解決上述課題，本發明採用以下的手段。本發明的第一方式為一種熱泵，其具有第一熱交換器，其對從外部載荷流入的熱介質進行冷卻或者加熱；第二熱交換器，其與外部氣體或者冷卻水進行熱交換；製冷劑循環路，其使製冷劑在所述第一熱交換器和所述第二熱交換器之間循環； 以及渦輪壓縮機，其設置在該製冷劑循環路上，其中，所述熱泵具有差壓測量機構，其測量所述第一熱交換器的所述熱介質的入口側 壓力和出口側壓力的差壓；以及控制機構，其具有所述第一熱交換器的損耗係數，基於該損 耗係數和從所述差壓測量機構輸出的差壓，算出所述第一熱交換器的所述熱介質的流量，所述控制機構使用所述熱介質的流量來進行控制，並且將該熱介質的流量發送給 設備側的裝置。
根據上述構成，使用差壓傳感器測量第一熱交換器的熱介質的入口側壓力和出口 側壓力的差壓，使用該測量數據和在所述第一熱交換器上固有的損耗係數來算出第一熱交 換器的熱介質的流量。因此，通過廉價並且簡易的構成，可以得到充分滿足所要求的精度的 熱介質流量。在上述熱泵中，所述控制機構可以求出修正項，使用所述修正項來修正所述熱介 質的流量，其中所述修正項依存於所述第一熱交換器中所述熱介質的保有量引起的所述出 口側壓力的測量時間延遲。如此，由於使用修正項來修正流量，所述修正項依存於基於第一熱交換器中熱介 質的保有量的出口側壓力的測量時間延遲，所以可以消除基於第一熱交換器的熱介質的保 有量的誤差，可以提高熱介質流量的運算精度。在上述熱泵中，所述控制機構可以通過將當前的所述渦輪壓縮機的消耗動力和所 述第二熱交換器的交換熱量代入表示所述渦輪壓縮機的消耗動力、所述第一熱交換器的交 換熱量和所述第二熱交換器的交換熱量的關係的關係式中，從而求出所述第一熱交換器的 取得交換熱量，從所述第一熱交換器的取得交換熱量來決定所述第一熱交換器的所述熱介 質的取得流量範圍，在通過運算求出的所述熱介質的流量超過所述熱介質的流量範圍的情況 下，基於所述熱介質的流量範圍決定所述熱介質的流量，並將該值發送至所述設備側裝置。根據這樣的構成，控制機構保有在渦輪壓縮機的消耗動力、第一熱交換器的交換 熱量和第二熱交換器的交換熱量之間成立的關係式，使用該關係式來決定第一熱交換器的 熱介質流量的取得範圍，在基於所述差壓傳感器的測量數據而算出的冷水流量超過所述熱 介質流量的取得範圍的情況下，決定從所述關係式得到的第一熱交換器的熱介質流量，並 將該值發送至設備側裝置。因此，可以使用上述關係式來評價基於差壓傳感器的測量數據的可靠性，可以檢 測差壓傳感器的異常。此外，即使在檢測出差壓傳感器的異常的情況下，由於將從上述關係 式求出的熱介質的流量發送至設備側裝置，所以可以繼續進行對設備側裝置的數據傳送。本發明的第二方式為一種熱泵的熱介質流量運算方法，所述熱泵具有第一熱交 換器，其對從外部載荷流入的熱介質進行冷卻或者加熱；第二熱交換器，其與外部氣體或者 冷卻水進行熱交換；製冷劑循環路，其使製冷劑在所述第一熱交換器和所述第二熱交換器 之間循環；以及渦輪壓縮機，其設置在所述製冷劑循環路上，其中，在所述第一熱交換器的所述熱介質的流入出入口設置測量入口側壓力和出口側 壓力的差壓的差壓測量機構，基於所述第一熱交換器的損耗係數和從所述差壓測量機構輸出的差壓，算出所述 第一熱交換器的所述熱介質的流量。發明效果根據本發明，即使在使用低價格的差壓傳感器的情況下，也起到能夠以足夠精度 取得熱介質流量的效果。
圖1是表示本發明的第一實施方式的熱源系統的概略構成的圖2是表示本發明的第一實施方式的渦輪制冷機的概略構成的圖；圖3是用於說明基於蒸發器的冷水保有流量來修正冷水流量的情況的圖；圖4是表示現有的熱源系統的概略構成的圖。圖中11-渦輪制冷機；60-渦輪壓縮機；62-冷凝器；66-蒸發器；70-轉換器；F2-流量 計；PEin、PEout-差壓傳感器；Tout、Tin-溫度傳感器。
具體實施例方式(第一實施方式)以下，對於本發明的第一實施方式的熱泵使用附圖進行說明。在本實施方式中，以 熱泵為渦輪制冷機的情況為例進行說明，但是並不限於此。例如，取代渦輪制冷機，也可以 為冷卻機(chiller)、吸收制冷機等。圖1表示適用本實施方式的渦輪制冷機的熱源系統1的概略構成。熱源系統1例 如設置於建築物或工廠設備。如圖1所示，熱源系統1具有3臺渦輪制冷機11，所述渦輪制 冷機11相對於供應給空調或空氣盤管等外部載荷3的冷水(熱介質)提供冷熱。這些渦 輪制冷機11相對於外部載荷3並列設置。在從冷水流看的各渦輪制冷機11的上遊側分別設置有壓送冷水的冷水泵21。通 過這些冷水泵21將來自回流集管(return header) 32的冷水送至各渦輪制冷機11。各冷 水泵21由變頻電機(inverter motor)驅動，由此，通過改變轉速而控制流量可變。在各渦輪制冷機11中得到的冷水聚集在供給集管(supply header) 310聚集在供 給集管31的冷水被供應給外部載荷3。在外部載荷3被供應給空調等而升溫的冷水被送到 回流集管32。冷水在回流集管32分支，並被送到各渦輪制冷機11。在各渦輪制冷機11的上遊側的冷水配管上設置有用於測量流入各渦輪制冷機11 的冷水溫度的冷水入口溫度傳感器四。該冷水入口溫度傳感器四的輸出分別被送到後述 的各渦輪制冷機11的控制面板74(參照圖幻。並且，如果支路配管33的支路閥34全閉， 則也可以代替冷水入口溫度傳感器而使用在回流集管32的上遊側的冷水配管上設置的溫 度傳感器^b。圖2表示渦輪制冷機11的詳細構成。渦輪制冷機11為實現二級壓縮二級膨脹低溫處理循環(sub cool cycle)的構 成。該渦輪制冷機11具有渦輪壓縮機60，其壓縮製冷劑；冷凝器(第二熱交換器)62，其 使由渦輪壓縮機60壓縮的高溫高壓的氣體製冷劑凝結；低溫處理器(sub-cooler) 63，其對 在冷凝器62凝結的液體製冷劑給予過冷卻；高壓膨脹閥64，其令來自低溫處理器63的液 體製冷劑膨脹；中間冷卻器67，其與高壓膨脹閥64連接並且與渦輪壓縮機60的中間段以 及低壓膨脹閥65連接；以及蒸發器(第一熱交換器)66，其使在低壓膨脹閥65的作用下膨 脹的液體製冷劑蒸發。渦輪壓縮機60為離心式的二級壓縮機，並通過由轉換器70控制轉速的電動機72 驅動。由控制面板74控制轉換器70的輸出。並且，渦輪壓縮機60可以為轉速一定的定速壓 縮機。在渦輪壓縮機60的製冷劑吸入口設有控制吸入製冷劑流量的進口導向葉片(inlet guide vanes)(以下稱為「 IGV」)76，從而可以控制渦輪制冷機11的容量。
在冷凝器62設有用於測量凝結製冷劑壓力的凝結製冷劑壓力傳感器Pc。傳感器 Pc的輸出被送至控制面板74。低溫處理器63設置在冷凝器62的製冷劑流下遊側，以對凝結的製冷劑給予過冷 卻。在低溫處理器63的製冷劑流下遊側的緊接著之後，設有測量過冷卻後的製冷劑溫度的 溫度傳感器iTs。在冷凝器62以及低溫處理器63中插穿有用於對它們進行冷卻的冷卻傳熱管80。 通過流量計F2測量冷卻水流量，通過溫度傳感器Tcout測量冷卻水出口溫度，通過溫度傳 感器Tcin測量冷卻水入口溫度。冷卻水當在未圖示的冷卻塔中向外部排熱後，重新被引導 向冷凝器62以及低溫處理器63。在中間冷卻器67上設有用於測量中間壓力的壓力傳感器PM。在蒸發器66的冷水出入口設有用於測量冷水的出入差壓的差壓傳感器PEin、 PEout0通過在蒸發器66中被吸熱而可以得到額定溫度(例如7°C)的冷水。在蒸發器66 中插穿有用於對供應給外部載荷的冷水進行冷卻的冷水傳熱管82。通過溫度傳感器Tout 測量冷水出口溫度，通過Tin來測量冷水入口溫度。在冷凝器62的氣相部和蒸發器66的氣相部之間設有熱氣支路(hot gasbypass) 管79。並且，設有用於控制在熱氣支路管79內流動的製冷劑的流量的熱氣支路閥78。通 過用熱氣支路閥78調整熱氣支路流量，從而可以實現在IGV76中控制不充分的非常小的載 荷區域下的容量控制。此外，在圖2所示的渦輪制冷機11中，說明了設置冷凝器62以及低溫處理器63， 利用製冷劑在冷卻塔中在與排熱到外部的冷卻水之間進行熱交換，從而加熱冷卻水的情 況，但是，例如也可以為這樣的構成，取代冷凝器62以及低溫處理器63而配置空氣熱交換 器，在空氣熱交換器中在外部氣體和製冷劑之間進行熱交換。此外，適用於本實施方式的渦輪制冷機11不限定於上述的僅具有製冷功能的渦 輪制冷機，例如，可以僅具有暖氣功能，或者具有製冷功能以及暖氣功能這兩者的機器。此 外，與製冷劑進行熱交換的介質可以為水也可以為空氣。在圖2中，通過各傳感器測量的測量數據被傳送給控制面板74，在控制面板74中 進行基於這些測量數據的各種控制。以下，對於本發明的特徵部分即蒸發器66中的冷水的流量測量進行具體說明。控制面板74保有蒸發器66的預先損耗係數ζ。控制面板74在以下的(1)式中， 通過由差壓傳感器的測量點PEin以及PEout測量的差壓ΔΡ使用損耗係數ζ，從而算出流 量Q。這裡，A為截面面積，ζ為損耗係數，P為熱介質的密度，ν為流速。Q = ξ^ΑΡ = ξ^Ρ η — Pout(1)
權利要求
1.一種熱泵，其具有第一熱交換器，其對從外部載荷流入的熱介質進行冷卻或者加熱；第二熱交換器，其與外部氣體或者冷卻水進行熱交換；製冷劑循環路，其使製冷劑在所述第一熱交換器和所述第二熱交換器之間循環；以及渦輪壓縮機，其設置在該製冷劑循環路上，其中，所述熱泵具有差壓測量機構，其測量所述第一熱交換器的所述熱介質的入口側壓力 和出口側壓力的差壓；以及控制機構，其具有所述第一熱交換器的損耗係數，基於該損耗系 數和從所述差壓測量機構輸出的差壓，算出所述第一熱交換器的所述熱介質的流量，所述控制機構使用所述熱介質的流量來進行控制，並且將該熱介質的流量發送給設備 側的裝置。
2.如權利要求1所述的熱泵，其中，所述控制機構求出修正項，使用所述修正項來修正所述熱介質的流量，其中所述修正 項依存於所述第一熱交換器中所述熱介質的保有量引起的所述出口側壓力的測量時間延遲。
3.如權利要求1或2所述的熱泵，其中，所述控制機構通過將當前的所述渦輪壓縮機的消耗動力和所述第二熱交換器的交換 熱量代入表示所述渦輪壓縮機的消耗動力、所述第一熱交換器的交換熱量和所述第二熱交 換器的交換熱量的關係的關係式中，從而求出所述第一熱交換器的取得交換熱量，從所述 第一熱交換器的取得交換熱量來決定所述第一熱交換器的所述熱介質的取得流量範圍，在 通過運算求出的所述熱介質的流量超過所述熱介質的流量範圍的情況下，基於所述熱介質 的流量範圍決定所述熱介質的流量，並將該值發送至所述設備側裝置。
4.一種熱泵的熱介質流量運算方法，所述熱泵具有第一熱交換器，其對從外部載荷 流入的熱介質進行冷卻或者加熱；第二熱交換器，其與外部氣體或者冷卻水進行熱交換； 製冷劑循環路，其使製冷劑在所述第一熱交換器和所述第二熱交換器之間循環；以及渦輪 壓縮機，其設置在所述製冷劑循環路上，其中，在所述第一熱交換器的所述熱介質的流入出入口設置測量入口側壓力和出口側壓力 的差壓的差壓測量機構，基於所述第一熱交換器的損耗係數和從所述差壓測量機構輸出的差壓，算出所述第一 熱交換器的所述熱介質的流量。
全文摘要
本發明提供一種熱泵以及熱泵的熱介質流量運算方法，即使在使用低價格的流量傳感器的情況下，也以足夠精度取得熱介質流量。所述熱泵具有蒸發器，其對從外部載荷流入的熱介質進行冷卻或者加熱；冷凝器，其與外氣或者冷卻水進行熱交換；製冷劑循環路，其使製冷劑在蒸發器和冷凝器之間循環；以及渦輪壓縮機，其設置在所述製冷劑循環路上，所述熱泵具有差壓傳感器，其測量蒸發器的冷水的入口側壓力和出口側壓力的差壓；以及控制面板，其具有蒸發器的損耗係數，基於該損耗係數和從差壓傳感器輸出的壓差算出蒸發器的冷水的流量，控制面板使用算出的冷水的流量進行控制，並且將該冷水的流量發送到設備側裝置上。
文檔編號F25B30/02GK102121766SQ201010599959
公開日2011年7月13日 申請日期2010年12月17日 優先權日2010年1月8日
發明者上田憲治, 松尾實 申請人:三菱重工業株式會社