JP4396569B2 - Refrigeration cycle and heat pump water heater using the same - Google Patents
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Description
本発明は、ヒートポンプ式給湯装置などに使用する冷凍サイクルの性能向上に関するものである。 The present invention relates to an improvement in the performance of a refrigeration cycle used in a heat pump hot water supply apparatus or the like.
従来、ヒートポンプ式給湯装置を運転していると蒸発器に霜が付着して、蒸発器における熱交換の効率が低下する場合がある。それに対して、蒸発器の霜を取り除くことを目的
として、蒸発器の除霜手段の開発が行われている(例えば、特許文献1参照)。図5は従来の冷凍サイクルを用いたヒートポンプ式給湯装置の構成図である。以下図5を用いて従来の冷凍サイクルを用いたヒートポンプ式給湯装置について説明する。
Conventionally, when a heat pump type hot water supply apparatus is operated, frost adheres to the evaporator, and the efficiency of heat exchange in the evaporator may decrease. On the other hand, the defrosting means of an evaporator is developed for the purpose of removing the frost of an evaporator (for example, refer patent document 1). FIG. 5 is a configuration diagram of a heat pump type hot water supply apparatus using a conventional refrigeration cycle. Hereinafter, a heat pump type hot water supply apparatus using a conventional refrigeration cycle will be described with reference to FIG.
図5におけるヒートポンプ式給湯装置は、冷媒を圧縮する圧縮機101、冷媒と外気との熱交換を行う蒸発器102、冷媒を減圧する減圧装置103、冷媒と水との熱交換を行う放熱器104、冷媒の循環路を切り替える四方弁105より構成され、図5に示すように冷媒配管106を用いて接続される冷凍サイクル部と、お湯を貯湯する貯湯槽107、貯湯槽107に水を供給する給水口108、貯湯槽107からお湯を取り出す湯取り出し口109、水の流量を調節するためのポンプ110を図5に示すように接続される給湯部で構成される。
5 includes a compressor 101 that compresses a refrigerant, an evaporator 102 that performs heat exchange between the refrigerant and the outside air, a
次に従来の冷凍サイクルを用いたヒートポンプ式給湯装置の動作について説明する。従来の冷凍サイクルを用いたヒートポンプ式給湯装置は圧縮機101で冷媒を圧縮し、四方弁105の実線矢印で表している回路を通って放熱器104に導かれ、高温ガス状となった冷媒を用いて放熱器104で水と冷媒とが熱交換を行い、水からお湯にするものである。しかしヒートポンプ式給湯装置を使用していると、蒸発器102に霜が付着し、冷媒と外気との熱交換の効率が低下する場合がある。
Next, the operation of a heat pump hot water supply apparatus using a conventional refrigeration cycle will be described. A heat pump type hot water supply apparatus using a conventional refrigeration cycle compresses a refrigerant by a compressor 101, is led to a
そこで蒸発器102に霜が発生すると、水への加熱をやめ、冷媒が四方弁105の点線矢印で表している回路を通るように、四方弁の回路を切り替える。その結果、圧縮機101で圧縮された温度の高い冷媒は凝縮器102に供給され、その冷媒によって霜を取り除くことができる。
しかしながら、上記従来の冷凍サイクルでは、蒸発器102に霜が発生すると、加熱をやめ、霜を取る運転を行うため、霜取りを行っている間は、加熱を行うことができず、連続的なお湯の供給ができないという課題を有していた。 However, in the above-described conventional refrigeration cycle, when frost is generated in the evaporator 102, the heating is stopped and the operation for removing the frost is performed. Had the problem of being unable to supply.
本発明は上記課題を解決するもので、蒸発器に霜が付着しても連続運転を可能とする使用性の高い冷凍サイクルを提供することを目的とする。 This invention solves the said subject, and it aims at providing the refrigeration cycle with high usability which enables a continuous operation even if frost adheres to an evaporator.
前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機、前記圧縮された冷媒から放熱する放熱器、前記放熱器下流の冷媒を減圧する減圧装置、冷媒と空気とを熱交換する蒸発器を順次接続した冷媒回路と、前記圧縮機の運転周波数を変更する圧縮機周波数制御手段と、前記蒸発器に供給される空気の温度を検出する空気温度検出手段と、前記減圧装置の下流から前記圧縮機の吸入までの流路内の冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段とを備え、冷媒温度Tsが0℃以上となる空気温度Tgを予め算出しておき、前記空気温度検出手段で検出する温度が、前記冷媒温度Tsが0℃以上となる予め算出されている空気温度Tg以上であっても、前記冷媒温度検出手段で検出する冷媒温度Tsが0℃未満の時は、前記圧縮機の運転周波数を増加するものである。 In order to solve the conventional problems, a refrigeration cycle according to the present invention includes a compressor that compresses a refrigerant, a radiator that radiates heat from the compressed refrigerant, a decompression device that decompresses refrigerant downstream of the radiator, and refrigerant and air. A refrigerant circuit that sequentially connects evaporators that exchange heat with each other, compressor frequency control means that changes the operating frequency of the compressor, air temperature detection means that detects the temperature of air supplied to the evaporator, Refrigerant temperature detection means for detecting the temperature of the refrigerant in the flow path from the downstream side of the decompression device to the suction of the compressor, and calculating in advance an air temperature Tg at which the refrigerant temperature Ts becomes 0 ° C. or higher. Even if the temperature detected by the air temperature detecting means is equal to or higher than a pre-calculated air temperature Tg at which the refrigerant temperature Ts is 0 ° C. or higher, the refrigerant temperature Ts detected by the refrigerant temperature detecting means is less than 0 ° C. in case of, before It is to increase the operating frequency of the compressor.
これによって、前記空気温度検出手段および前記冷媒温度検出手段で検出したそれぞれの温度結果によって、前記圧縮機の運転周波数を増加して運転することで、ヒートポンプ式給湯装置の加熱能力の低下を補い、加熱能力の低下に伴う湯量不足を防止することができる。 Thus, by the air temperature detecting means and the coolant temperature detecting means each temperature result detected by, by operation to increase the operation frequency of the compressor, compensate a reduction in the heating capacity of the heat pump type hot water supply device In addition, it is possible to prevent a shortage of hot water accompanying a decrease in heating capacity.
また、本発明の冷凍サイクルは、前記蒸発器の冷媒流路の略中間点に前記冷媒温度検出手段を取り付けたものである。 In the refrigeration cycle of the present invention, the refrigerant temperature detecting means is attached to a substantially middle point of the refrigerant flow path of the evaporator.
これによって、より精度よく冷媒の温度を検出することができ、圧縮機を過度の周波数で運転することを防止することができる。 As a result, the temperature of the refrigerant can be detected with higher accuracy, and the compressor can be prevented from operating at an excessive frequency.
蒸発器に霜が付着しても連続運転を可能とする、使用性の高い冷凍サイクルを提供することができる。 It is possible to provide a highly usable refrigeration cycle that enables continuous operation even if frost adheres to the evaporator.
第1の発明は、冷媒を圧縮する圧縮機、前記圧縮された冷媒から放熱する放熱器、前記放熱器下流の冷媒を減圧する減圧装置、冷媒と空気とを熱交換する蒸発器を順次接続した冷媒回路と、前記圧縮機の運転周波数を変更する圧縮機周波数制御手段と、前記蒸発器に供給される空気の温度を検出する空気温度検出手段と、前記減圧装置の下流から前記圧縮機の吸入までの流路内の冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段とを備え、冷媒温度Tsが0℃以上となる空気温度Tgを予め算出しておき、前記空気温度検出手段で検出する温度が、前記冷媒温度Tsが0℃以上となる予め算出されている空気温度Tg以上であっても、前記冷媒温度検出手段で検出する冷媒温度Tsが0℃未満の時は、前記圧縮機の運転周波数を増加することで、変更した周波数で圧縮機を運転し、ヒートポンプ式給湯装置の能力低下を補い、能力低下が原因で発生する湯量不足を防止することができる。 1st invention connected in order the compressor which compresses a refrigerant | coolant, the radiator which thermally radiates from the said compressed refrigerant | coolant, the decompression device which decompresses the refrigerant | coolant downstream of the said radiator, and the evaporator which heat-exchanges a refrigerant | coolant and air A refrigerant circuit, compressor frequency control means for changing the operating frequency of the compressor, air temperature detection means for detecting the temperature of air supplied to the evaporator, and suction of the compressor from the downstream side of the decompression device Refrigerant temperature detecting means for detecting the temperature of the refrigerant in the flow path up to, and calculating in advance an air temperature Tg at which the refrigerant temperature Ts is 0 ° C. or higher, and the temperature detected by the air temperature detecting means is Even if the refrigerant temperature Ts is equal to or higher than a previously calculated air temperature Tg at which the refrigerant temperature Ts is 0 ° C. or higher, when the refrigerant temperature Ts detected by the refrigerant temperature detecting means is lower than 0 ° C. , the operating frequency of the compressor is set. by increase, change Was operated compressor frequency compensates for lowering ability of the heat pump type hot water supply apparatus, it is possible to prevent the hot water shortage capacity decrease caused by.
第2の発明は、特に第1の冷凍サイクルにおいて、前記蒸発器の冷媒流路の略中間点までに前記冷媒温度検出手段を取り付けたことにより、冷媒温度検出手段を、冷媒が気液2相の状態である可能性が高い部位に設けているので、より精度よく圧力を推定することができ、前記圧縮機を過度に運転させることを防止することができる。 According to a second aspect of the invention, particularly in the first refrigeration cycle, the refrigerant temperature detecting means is attached to a substantially middle point of the refrigerant flow path of the evaporator, whereby the refrigerant temperature detecting means is connected to the gas-liquid two-phase. Therefore, the pressure can be estimated with higher accuracy, and the compressor can be prevented from operating excessively.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1におけるヒートポンプ式給湯装置の構成図である。実施の形態1におけるヒートポンプ式給湯装置は、冷媒を圧縮する圧縮機1、圧縮された冷媒から放熱する放熱器2、放熱器下流の冷媒を減圧する減圧装置3、冷媒と外気とを熱交換する蒸発器4を備え、これを順次、冷媒配管5によって環状に接続した冷媒回路と、放熱器2により加熱されたお湯を貯湯する貯湯槽6、貯湯槽6に水を供給する給水口7、貯湯槽6からお湯を取り出す湯取り出し口8、貯湯槽6から放熱器2へ供給する水の流量を調節するためのウォータポンプ9を備えた給湯部より構成される。また蒸発器4に供給される空気の温度を検出する空気温度検出手段11と、圧縮機の運転周波数を変更することができる圧縮機周波数制御手段12を配設する。さらに減圧装置3の下流から圧縮機1の吸入に至る流路の冷媒配管5上には、冷媒温度検出手段10を配設する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram of a heat pump hot water supply apparatus according to
なお、実施の形態1における減圧装置3とは、熱のやり取りを行うことなく圧力を下げる手段のことをいい、電子膨張弁やキャピラリチューブが上げられる。また圧縮機周波数制御手段12は、圧縮機1の運転周波数を変更するインバータ回路13および空気の温度や冷媒の温度から圧縮機1の運転周波数を決定し、インバータ回路13に指令を出すマイクロコンピュータ14で構成される。
The
以上のように構成されたヒートポンプ式給湯装置について、以下その動作、作用を説明する。 About the heat pump type hot-water supply apparatus comprised as mentioned above, the operation | movement and an effect | action are demonstrated below.
ヒートポンプ式給湯装置は、蒸発器4に供給される空気の温度Tgを、空気温度検出手段11により検出し、その空気の温度Tgにより所望の運転周波数Fgにて圧縮機の運転を行う。本発明の実施の形態1における空気温度検出手段11とは温度センサーのことをいう。
The heat pump type hot water supply apparatus detects the temperature Tg of air supplied to the
ここで図2は、本発明の実施の形態1における蒸発器4に供給される空気の温度と、蒸発器4の冷媒の温度との関係を表した図である。図2に示されるように、空気の温度Tgが7℃以上ならばTsが0℃以上になるように設計されている。しかしながら、湿度が低下したり、蒸発器4の吸い込み口に何らかの障害物があることで通風が妨害されたり、逆風や積雪などの自然条件など予想外の障害が発生し、蒸発器4に供給される空気の温度が十分に確保できていても蒸発器4の冷媒温度が0℃未満になる場合がある。つまり空気の温度Tgが7℃であるにも関わらずTsが0℃未満となり、霜が発生してしまうことがある。
Here, FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the temperature of the air supplied to the
そこで次に、冷媒温度検出手段10により蒸発器4の冷媒の温度Tsを検出する。実施の形態1においては、冷媒温度検出手段10は蒸発器の出口近傍の冷媒流路に配設し、冷媒の温度Tsを検出する。ここでTgが7℃以上であり、Tsが0℃未満の時には、ヒートポンプ式給湯装置の加熱能力が低下していると判断し、圧縮機周波数制御手段12により圧縮機の運転周波数をFgからα(実施の形態1においては、α=10r/sec)だけ増加させたFsに変更する。このように圧縮機1の運転周波数を通常のFgからFsに変更することで、能力低下による不足した加熱能力を補うことができ、水からお湯にする加熱運転を止めることなく連続した運転を継続できる。その結果、加熱能力の低下が原因で発生する湯量不足を防止することができる。
Therefore, next, the refrigerant temperature detection means 10 detects the refrigerant temperature Ts of the
なお本実施の形態1においては蒸発器4に供給される空気の温度を7℃以上と設定したが、実施の形態1に限定されるものではなく、0℃〜7℃の間で値を設定してもよい。また実施の形態1におけるαの値も10r/secに限るものではない。また冷媒温度検出手段10は、銅管表面に取り付ける温度センサーであるが、冷媒の圧力を直接検知する圧力センサーにおいても同様の効果を得ることができる。また圧縮機1の吸入側に冷媒を貯留するアキュームレータが設置されていても、同様の効果を得ることができる。
In the first embodiment, the temperature of the air supplied to the
(実施の形態2)
図3は、本発明の実施の形態2におけるヒートポンプ式給湯装置を示した図である。実施の形態2のヒートポンプ式給湯装置は、実施の形態1のヒートポンプ式給湯装置の冷媒温度検出手段10を、蒸発器4の冷媒流路の略中間地点に配設したものである。ここで実施の形態2の効果について図3、図4を用いて説明する。上記実施の形態1と同一部品については、同一の符号を付して説明を省略し、その構成および作用についても実施の形態1と同様であるので説明は省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a diagram showing a heat pump hot water supply apparatus according to
図4(a)(b)は図3のA部詳細図であり、図4(a)は本発明の実施の形態2における蒸発器の冷媒状態説明図(標準負荷運転時)であり、図4(b)は本発明の実施の形態2における蒸発器の冷媒状態説明図(過負荷運転時)である。図中の白色矢印は冷媒の流れ方向を示す。
4 (a) and 4 (b) are detailed views of part A of FIG. 3, and FIG. 4 (a) is an explanatory diagram of the refrigerant state of the evaporator according to
図3において、圧縮機1から吐出された高温高圧の冷媒は、放熱器2を通じ、減圧装置3により気液2相の状態となる。そして蒸発器4を通じて冷媒は蒸発し、蒸発器4から出た後は気相の状態となり圧縮機1に吸引される。ここでヒートポンプ式給湯装置の運転時における冷媒回路の各部における圧力および温度が安定している時には、図4(a)に示すように冷媒は気液2相状態(B部)で蒸発器4を通過することができるが、蒸発器4側
の負荷が高くなるときには、図4(b)に示すように蒸発器4の冷媒流路の略中間地点までの冷媒は気液2相の状態(C部)となり、蒸発器4の冷媒回路の略中間点より下流側から蒸発器4の出口までは気相の状態(D部)となる場合がある。そのため実施の形態1のように蒸発器4の出口近傍に冷媒温度検出手段10を設けると、冷媒が気相の域にあるため正確な圧力測定ができない場合があり、過度な加熱能力を補ってしまう。
In FIG. 3, the high-temperature and high-pressure refrigerant discharged from the
そこで、蒸発器4の冷媒流路の略中間地点に冷媒温度検出手段10を設けることで気液2相の状態における温度を検出し、正確な圧力を推定することが可能となる。これにより圧縮機1における低圧側の圧力が推定できるので、蒸発器4の能力低下も精度良く推定でき、実施の形態1において発生する可能性のある過度な加熱能力での運転を防ぎ、常時、所望の加熱能力による運転が可能である。また圧縮機1の吸入側に冷媒を貯留するアキュームレータが設置されていても、同様の効果を得ることができる。
Therefore, by providing the refrigerant temperature detecting means 10 at a substantially middle point of the refrigerant flow path of the
以上のように、本発明にかかる冷凍サイクルは、空気の温度と冷媒の温度を検知し、それに応じて圧縮機の運転周波数を変更し運転させることで、屋外の様々な気象や設置条件により発生するヒートポンプ式給湯装置の能力低下を、補うことができるので、ヒートポンプ式給湯装置以外にも、冷媒の温度低下によって能力が低下する圧縮機を備えた装置にも適用できる。 As described above, the refrigeration cycle according to the present invention is generated by various outdoor weather and installation conditions by detecting the temperature of the air and the temperature of the refrigerant and changing the operation frequency of the compressor accordingly. Since the capability reduction of the heat pump type hot water supply apparatus can be compensated, the present invention can be applied not only to the heat pump type hot water supply apparatus but also to an apparatus including a compressor whose capability is reduced due to a temperature decrease of the refrigerant.
また貯湯槽6内の液体は、給湯に用いるだけではなく、床暖房用、室内空調用としても使用できる。その場合、液体を用いることなく、ファンで放熱してもよい。
The liquid in the
1 圧縮機
2 放熱器
3 減圧装置
4 蒸発器
5 冷媒配管
6 貯湯槽
7 給水口
8 湯取り出し口
9 ウォータポンプ
10 冷媒温度検出手段
11 空気温度検出手段
12 圧縮機周波数制御手段
13 インバータ回路
14 マイクロコンピュータ
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