JP2015068564A - Heat pump system and heat pump type water heater - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二つの独立した圧縮機を直列に連結した二段圧縮式のヒートポンプシステムに関する。 The present invention relates to a two-stage compression heat pump system in which two independent compressors are connected in series.
省エネネルギーを目的に給湯システムのヒートポンプ化が進んでいる。
この冷媒システムとして、低段側圧縮機と高段側圧縮機が直列に接続された冷媒回路を備え、その冷媒回路で冷媒を循環させる二段圧縮冷凍サイクルが知られている(例えば、特許文献1〜3)。
The hot water supply system is becoming a heat pump for the purpose of energy saving energy.
As this refrigerant system, there is known a two-stage compression refrigeration cycle that includes a refrigerant circuit in which a low-stage compressor and a high-stage compressor are connected in series, and circulates refrigerant in the refrigerant circuit (for example, Patent Documents). 1-3).
二段圧縮冷凍サイクルを常に効率の良い状態で運転をするためには、低段側及び高段側の2つの圧縮機をそれぞれ独立した回転数で運転させる必要がある。そのために最も大きな課題となるのは,2つの圧縮機にそれぞれ含まれる冷凍機油の油面レベルの制御である。1つのハウジングの内部に低段側及び高段側の2つの圧縮機構を搭載している圧縮機と異なり、2つの独立した圧縮機を直列に連結する場合には、2つの圧縮機の間で冷凍機油の量を適切な均等なレベルに保つことが、二つの圧縮機を健全に運転するために必要である。
本発明は、この技術的課題に基づいてなされたもので、運転を停止したり、あるいは、複雑な運転操作したりすることなく、2つの圧縮機の冷凍機油の量を均等に保つのが容易な二段圧縮ヒートポンプシステムを提供することを目的とする。本発明は、加えて、この二段圧縮式ヒートポンプシステムを備える高効率なヒートポンプ給湯器を提供することを目的とする。
In order to always operate the two-stage compression refrigeration cycle in an efficient state, it is necessary to operate the two compressors on the low-stage side and the high-stage side at independent rotation speeds. Therefore, the biggest problem is the control of the oil level of the refrigeration oil contained in each of the two compressors. Unlike a compressor in which two low-stage and high-stage compression mechanisms are mounted inside a single housing, when two independent compressors are connected in series, the two compressors Keeping the amount of refrigeration oil at an appropriate even level is necessary for the healthy operation of the two compressors.
The present invention has been made on the basis of this technical problem, and it is easy to keep the amount of refrigerating machine oil of the two compressors equal without stopping the operation or performing complicated operation. An object of the present invention is to provide a two-stage compression heat pump system. In addition, an object of the present invention is to provide a highly efficient heat pump water heater provided with this two-stage compression heat pump system.
かかる目的のもと、本発明の二段圧縮式のヒートポンプシステムは、低段側圧縮機と高段側圧縮機を備え、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機構と、高段側圧縮機の吐出側に設けられるオイルセパレータと、圧縮機構で圧縮された冷媒と熱交換対象とを熱交換する第1熱交換器と、第1熱交換器から流出する冷媒を減圧膨張させる膨張弁と、膨張弁にて減圧膨張された冷媒と熱交換対象とを熱交換する第2熱交換器と、低段側圧縮機と高段側圧縮機を繋ぎ、低段側圧縮機と高段側圧縮機の間で冷凍機油を流通させる均油経路と、オイルセパレータと高段側圧縮機の吸入側の間を繋ぐ主戻り配管と、主戻り配管と均油経路とを繋ぐ油戻り経路と、油戻り経路に設けられる油戻り用開閉弁と、冷媒を、低段側圧縮機と高段側圧縮機をこの順に流す二段圧縮経路と、低段側圧縮機と高段側圧縮機の一方だけを流す一段圧縮経路と、を選択的に切り替える冷媒経路切換え機構と、を備えることを特徴とする。
例えばヒートポンプ式の給湯器を想定すると、機器の高圧圧力は水と冷媒の熱交換器(水対冷媒熱交換器)に入ってくる水温(例えば、35〜75℃の範囲)に依存して決まるため、水温によって圧縮機の吸入側と吐出側の圧力差が大きく変わり得る。水対冷媒熱交換器の入口水温が低い状態で二段圧縮運転を行うと、低段側圧縮機と高段側圧縮機の間の差圧が小さくなる。この圧縮機間の差圧によって、戻される冷凍機油の量が決まる。そこで、本発明は、二段圧縮運転を行っている最中に、低段側圧縮機と高段側圧縮機の間の差圧が低くなると、一段圧縮運転に切り替えられるようにする。
For this purpose, the two-stage compression heat pump system of the present invention comprises a low-stage compressor and a high-stage compressor, compresses and discharges refrigerant, and discharges from the high-stage compressor. An oil separator provided on the side, a first heat exchanger that exchanges heat between the refrigerant compressed by the compression mechanism and a heat exchange target, an expansion valve that decompresses and expands the refrigerant flowing out of the first heat exchanger, and an expansion valve The second heat exchanger that exchanges heat between the refrigerant expanded under reduced pressure and the heat exchange target, and the low-stage compressor and the high-stage compressor are connected to each other between the low-stage compressor and the high-stage compressor. The oil leveling path through which the refrigeration oil flows, the main return pipe connecting the oil separator and the suction side of the high stage compressor, the oil return path connecting the main return pipe and the oil leveling path, and the oil return path. A two-stage pressure that causes the oil return on-off valve and refrigerant to flow through the low-stage compressor and the high-stage compressor in this order. And a refrigerant path switching mechanism that selectively switches between a compression path and a one-stage compression path through which only one of the low-stage compressor and the high-stage compressor flows.
For example, assuming a heat pump type water heater, the high pressure of the device is determined depending on the water temperature (for example, in the range of 35 to 75 ° C.) entering the heat exchanger of water and refrigerant (water-to-refrigerant heat exchanger). Therefore, the pressure difference between the suction side and the discharge side of the compressor can vary greatly depending on the water temperature. When the two-stage compression operation is performed in a state where the inlet water temperature of the water-to-refrigerant heat exchanger is low, the differential pressure between the low-stage compressor and the high-stage compressor is reduced. The pressure difference between the compressors determines the amount of refrigerating machine oil that is returned. Therefore, according to the present invention, when the differential pressure between the low-stage compressor and the high-stage compressor becomes low during the two-stage compression operation, the first-stage compression operation is switched.
本発明のヒートポンプシステムにおいて、二段圧縮経路が選択されている最中に、以下の条件(1)〜条件(3)のいずれかを満たすと、冷媒の経路が、一段圧縮経路に切り換えられる。
条件(1):TW ≦ TR
TW;第1熱交換器の熱交換対象が水の場合に、水と冷媒の熱交換器(水熱交)に入ってくる水温, TR;規定値
条件(2):(PHO−PLI) ≦ ΔPR1
PLI;低段側圧縮機の吸入圧力 PHO;高段側圧縮機の吐出圧力 規定値:ΔPR1
条件(3)(PLO−PLI) ≦ ΔPR2
PLI;低段側圧縮機の吸入圧力 PLO;低段側圧縮機の吐出圧力 規定値:ΔPR2
In the heat pump system of the present invention, when any of the following conditions (1) to (3) is satisfied while the two-stage compression path is selected, the refrigerant path is switched to the one-stage compression path.
Condition (1): T W ≦ T R
T W ; When the heat exchange target of the first heat exchanger is water, the water temperature entering the heat exchanger (hydrothermal exchange) of water and refrigerant, T R ; Specified value condition (2): (P HO − PLI ) ≦ ΔP R1
P LI ; suction pressure of the low stage compressor P HO ; discharge pressure of the high stage compressor Specified value: ΔP R1
Condition (3) (P LO -P LI ) ≦ ΔP R2
P LI ; Low-stage compressor suction pressure P LO ; Low-stage compressor discharge pressure Specified value: ΔP R2
本発明のヒートポンプシステムにおいて、冷媒経路切換え機構が、一段圧縮経路を選択すると、油戻り用開閉弁を開くことで、オイルセパレータからの冷凍機油を、高段側圧縮機を経由することなく、油戻り経路を介して均油経路に戻すことができる。
以上の構成の油戻り経路、均油経路を設けることにより、低段側圧縮機、高段側圧縮機のそれぞれの冷凍機油の量が不足したときに油量の回復が容易にできる。
In the heat pump system of the present invention, when the refrigerant path switching mechanism selects the one-stage compression path, the oil return on / off valve is opened, so that the refrigeration oil from the oil separator can be supplied to the oil without going through the high-stage compressor. It is possible to return to the oil leveling path via the return path.
By providing the oil return path and the oil equalization path having the above-described configuration, the oil amount can be easily recovered when the amount of refrigeration oil in each of the low-stage compressor and the high-stage compressor is insufficient.
本発明のヒートポンプシステムにおいて、戻り用開閉弁の開閉、及び、均油用開閉弁の開閉は、低段側圧縮機における予測される冷凍機油の量、及び、高段側圧縮機における予測される冷凍機油の量に基づいて制御することが好ましい。
ヒートポンプシステムが備えている圧力センサ、温度センサ検知結果から求められる2つの圧縮機それぞれの油量に基づいて、適切なタイミングで冷凍機油を制御することができる。
In the heat pump system of the present invention, the opening and closing of the return on-off valve and the opening and closing of the oil equalizing on-off valve are predicted for the amount of refrigeration oil expected in the low-stage compressor and in the high-stage compressor. It is preferable to control based on the amount of refrigerating machine oil.
Refrigerating machine oil can be controlled at an appropriate timing based on the respective oil amounts of the two compressors obtained from the pressure sensor and temperature sensor detection results provided in the heat pump system.
以上説明したヒートポンプシステムの第1熱交換器を、冷媒と水とを熱交換させて水を加熱する水対冷媒熱交換器とするヒートポンプ式給湯機は、低段側圧縮機及び高段側圧縮機の冷凍機油の量が確保されるので、安定して高効率な給湯を実現できる。 The heat pump type hot water heater in which the first heat exchanger of the heat pump system described above is a water-to-refrigerant heat exchanger that heats water by exchanging heat between refrigerant and water includes a low-stage compressor and a high-stage compressor. Since the amount of refrigerating machine oil is secured, stable and highly efficient hot water supply can be realized.
本発明によれば、低段側圧縮機と高段側圧縮機の運転を停止することなく、第1電磁弁と第2電磁弁の開閉という簡易な操作だけで、低段側圧縮機と高段側圧縮機における冷凍機油の均一化を図ることができる。 According to the present invention, the low-stage compressor and the high-stage compressor can be connected to the high-stage compressor and the high-stage compressor only by a simple operation of opening and closing the first solenoid valve and the second solenoid valve without stopping the operation of the high-stage compressor. It is possible to make the refrigerating machine oil uniform in the stage side compressor.
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
以下、添付する図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
[第1実施形態]
第1実施形態に係るヒートポンプシステム1は、図1に示すように、冷媒を圧縮して吐出する低段側圧縮機10a及び高段側圧縮機10bと、高段側圧縮機10bで圧縮された冷媒と熱交換の対象となる流体とを熱交換させる第1熱交換器11と、第1熱交換器11から流出する冷媒を減圧膨張させる膨張弁(以下、単に膨張弁)12と、膨張弁12にて減圧膨張された冷媒と熱交換対象となる流体を熱交換させる第2熱交換器13と、を備え、冷媒の循環方向に沿ってこの順に直列に接続されている。本実施形態においては、第1熱交換器11は、例えば水と熱交換することで放熱する凝縮器として機能することができ、また、第2熱交換器13は、外気と熱交換することで吸熱する蒸発器として機能することができる。
ヒートポンプシステム1は、低段側圧縮機10aと高段側圧縮機10bの接続状態を以下のように切り替える四方切換え弁14を備えている。つまり、四方切換え弁14は、冷媒が低段側圧縮機10aと高段側圧縮機10bの両者を通過する二段圧縮運転(二段圧縮経路)と、冷媒が低段側圧縮機10aだけを通過するが高段側圧縮機10bを迂回する一段圧縮運転(一段圧縮経路)と、を切り替える。
また、ヒートポンプシステム1は、低段側圧縮機10aに保持される冷凍機油と高段側圧縮機10bに保持される冷凍機油の油量を均等に保つための均油機構20を備える。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the accompanying drawings.
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
[First Embodiment]
As shown in FIG. 1, the
The
Further, the
ヒートポンプシステム1は、低段側圧縮機10aと高段側圧縮機10bを繋ぐ配管L1と、高段側圧縮機10bと第1熱交換器11を繋ぐ配管L2と、第1熱交換器11と第2熱交換器13を繋ぐ配管L3と、第2熱交換器13と低段側圧縮機10aを繋ぐ配管L4とを備えることで、冷媒が循環する冷媒回路を構成する。この中で、低段側圧縮機10aにとって配管L4が吸入側配管を、低段側圧縮機10aと高段側圧縮機10bを繋ぐ配管L1が中間圧配管を、高段側圧縮機10bにとって配管L2が吐出側配管を構成する。
また、ヒートポンプシステム1は、低段側圧縮機10aの吐出側(配管L1)と高段側圧縮機10bの吐出側(配管L2)を繋ぐ配管L5を備えている。前述した四方切換え弁14は、配管L5の低段側圧縮機10aの吐出側の接続端に設けられている。四方切換え弁14は、低段側圧縮機10aから吐出される冷媒を、配管L1をそのまま通って高段側圧縮機10bに吸入されるか、又は、配管L5を通り、さらに配管L2を通って第1熱交換器11に供給するかを切り換える。この切り替えにより、二段圧縮経路と一段圧縮経路)との切り替えが実現される。
なお、低段側圧縮機10aと高段側圧縮機10bを区別することなく圧縮機構10と総称することがある。
The
The
The low-
次に、ヒートポンプシステム1は、配管L2上にオイルセパレータ26を備えている。オイルセパレータ26は、高段側圧縮機10bと油戻し配管27により直接的に接続されている。油戻し配管27は固定絞り27aを備えている。
オイルセパレータ26は、二段圧縮運転の最中には、高段側圧縮機10bから吐出される冷媒から冷凍機油を分離し、戻り配管27を介して高段側圧縮機10bに戻す。オイルセパレータ26は、一段圧縮運転の最中には、低段側圧縮機10aから吐出される冷媒から冷凍機油を分離し、油戻し配管27を介して高段側圧縮機10bに戻す。
Next, the
During the two-stage compression operation, the
以下、ヒートポンプシステム1の各構成要素を順に説明する。
[圧縮機構10]
低段側圧縮機10aは、一体に構成された電動モータにより回転駆動されることにより、第2熱交換器13を通過した低温低圧の冷媒を吸入して中間圧まで圧縮し、高段側圧縮機10bに向けて吐出する。
低段側圧縮機10aに適用される圧縮機構としては、スクロール型圧縮機構や、ロータリ式圧縮機構など公知の形式の圧縮機構を適用できる。高段側圧縮機10bも同様である。
高段側圧縮機10bは、低段側圧縮機10aから吐出された冷媒を吸入して圧縮し、高温高圧の冷媒として第1熱交換器11に向けて吐出する。
Hereinafter, each component of the
[Compression mechanism 10]
The low-
As a compression mechanism applied to the low-
The
[第1熱交換器11]
第1熱交換器11は、熱交換の対象となる水、空気などの流体と高温高圧の冷媒とを熱交換させることによって当該流体を加熱する。高段側圧縮機10bから吐出された高温高圧の冷媒は、ここで冷却され凝縮される。第1熱交換器11は、公知の熱交換器を用いることができる。次に説明する第2熱交換器13も同様である。
第1熱交換器11は、熱交換の対象が空気の場合には、送風ファン11fを付設しており、送風ファン11fにより送風された空気が第1熱交換器11を通過する過程で、冷媒と熱交換される。
[First heat exchanger 11]
The
When the heat exchange target is air, the
[膨張弁12、第2熱交換器13]
第2熱交換器13は、膨張弁12を通過して減圧膨張された冷媒と外気(送風空気)との間で熱交換を行うものであり、この熱交換の過程で冷媒は蒸発し、外気から熱を吸収する。第2熱交換器13にも、送風ファン13fが付設されており、送風ファン13fにより送風された空気と冷媒とが熱交換されることで、低圧冷媒を蒸発させて吸熱作用を生じさせる。
膨張弁12は、例えば、ニードル状の弁体と、弁体を駆動するためのパルスモータとを備えた膨張弁を用いることができる。
[
The
As the
[均油機構20]
均油機構20は、低段側圧縮機10aと高段側圧縮機10bを繋ぐ均油配管21と、均油配管21と油戻し配管27を繋ぐバイパス配管23と、バイパス配管23に設けられる電磁弁25と、を備える。
均油機構20は、均油配管21を通じて低段側圧縮機10aと高段側圧縮機10bの間で冷凍機油を流通させる。また、均油機構20は、バイパス配管23を介して、高段側圧縮機10bの吐出側から均油配管21に冷凍機油を戻す。このバイパス配管23の機能は、一段圧縮運転が行われている際に発揮されることで、均油配管21に必要な差圧を与える。
均油配管21は、低段側圧縮機10a及び高段側圧縮機10bの各々が必要とする冷凍機油の量を示す油面を基準とすると、その基準油面の直上において低段側圧縮機10a及び高段側圧縮機10bと接続される。
[Oil leveling mechanism 20]
The
The
If the
[ヒートポンプシステム1の動作]
以下、ヒートポンプシステム1の動作を説明する。
ヒートポンプシステム1は、冷媒が循環し、二段圧縮運転が行われる。ただし、特定の条件を備えると、一段圧縮運転が行われる。
[Operation of heat pump system 1]
Hereinafter, the operation of the
In the
はじめに、二段圧縮運転について説明する。
二段圧縮運転のときは、図2(a)に示すように、配管L1(L11とL12)が連通するように四方切換え弁14が切換えられており、低段側圧縮機10aで中間圧まで加圧された冷媒は、配管L11、四方切換え弁14、配管L12を通って、高段側圧縮機10bに吸入される。図2(a)において、矢印は冷媒が流れる向きを示している。後述する図2(b)も同様である。
高段側圧縮機10bで高温高圧まで圧縮されてから吐出された高圧冷媒が、配管L2を通って第1熱交換器11に流入し、熱交換対象に対して放熱する。第1熱交換器11で放熱した高圧冷媒は、配管L3を通って膨張弁12を通過する過程で膨張して低圧冷媒となる。この低圧冷媒は、さらに配管L3を通って第2熱交換器13へ流入し、室外空気から吸熱して蒸発する。その後、第2熱交換器13から流出した低圧冷媒は、配管L4を通って低段側圧縮機10aへ吸入される。
First, the two-stage compression operation will be described.
At the time of the two-stage compression operation, as shown in FIG. 2 (a), the four-
The high-pressure refrigerant discharged after being compressed to high temperature and high pressure by the high-
低段側圧縮機10aへ吸入された低圧冷媒は、圧縮されて中間圧冷媒となった後に配管L1へ吐出される。低段側圧縮機10aから配管L1へ吐出された中間圧冷媒は、高段側圧縮機10bへ吸入される。高段側圧縮機10bへ吸入された冷媒は、圧縮されて高圧冷媒となった後に配管L2へ吐出される。
The low-pressure refrigerant sucked into the low-
ヒートポンプシステム1は、以上説明した冷媒の圧縮、凝縮、膨張及び蒸発のサイクルが繰り返される過程で、均油配管21を通じて冷凍機油を流通させることで、低段側圧縮機10aと高段側圧縮機10bの各々の油面レベルを必要な範囲に確保する。
ここで、圧縮機から吐出される冷媒に含まれる冷凍機油を圧縮機に戻す方式としては、圧縮機の吐出側に冷媒と油を分離するオイルセパレータと称される機器を配置し、分離した冷凍機油をキャピラリチューブなどの固定絞りを備える油戻し回路を経由して圧縮機の吸入側に戻す方式が一般的である。
ところが、例えばヒートポンプ式の給湯器を想定すると、機器の高圧圧力は水と冷媒の熱交換器(水対冷媒熱交換器)に入ってくる水温(例えば、35〜75℃の範囲)に依存して決まるため、水温によって圧縮機の吸入側と吐出側の圧力差が大きく変わり得る。水対冷媒熱交換器の入口水温が低い状態で二段圧縮運転を行うと、低段側圧縮機10aと高段側圧縮機10bの間の差圧が小さくなる。この圧縮機間の差圧によって、戻される冷凍機油の量が決まる。そこで、本実施形態は、二段圧縮運転を行っている最中に、低段側圧縮機10aと高段側圧縮機10bの間の差圧が低くなると、一段圧縮運転に切り替えるとともに、電磁弁25を開く。こうして、ヒートポンプシステム1は、オイルセパレータ26からバイパス配管23を介して、高段側圧縮機10bを経由することなく均油配管21に冷凍機油を戻すことで、均油機構20における差圧を常に規定値以上に保つことができる。しかも、ヒートポンプシステム1は、油戻し配管27にある固定絞り27a及び高段側圧縮機10bを経由することなく、低段側圧縮機10aに油を戻すことができるので、固定絞り27aや高段側圧縮機10bで圧力損失が生じて油戻し流量が低下するのを防げる。
The
Here, as a method of returning the refrigeration oil contained in the refrigerant discharged from the compressor to the compressor, a device called an oil separator that separates the refrigerant and oil is arranged on the discharge side of the compressor, and the separated refrigeration is performed. Generally, the machine oil is returned to the intake side of the compressor via an oil return circuit having a fixed throttle such as a capillary tube.
However, assuming a heat pump type water heater, for example, the high pressure of the device depends on the water temperature (for example, in the range of 35 to 75 ° C.) entering the heat exchanger of water and refrigerant (water-to-refrigerant heat exchanger). Therefore, the pressure difference between the suction side and the discharge side of the compressor can vary greatly depending on the water temperature. When the two-stage compression operation is performed in a state where the inlet water temperature of the water-to-refrigerant heat exchanger is low, the differential pressure between the low-
ヒートポンプシステム1は、二段圧縮運転を行っている最中に、以下の(1)〜(3)の条件を備えると、一段圧縮運転に切り替える。以下の条件は、いずれも、低段側圧縮機10aと高段側圧縮機10bの間の差圧が低くなることの指標である。条件(1)〜(3)の規定値TR、ΔPR1及びΔPR2は、一義的に定まるものでなく、適用されるヒートポンプシステム1の各構成要素、運転条件に対応して定めることになる。なお、水温TW、吸入圧力PLI、吐出圧力PLO及び吐出圧力PHOは、図示を省略するが、第1熱交換器11に付設される温度センサ、低段側圧縮機10a、高段側圧縮機10bに付設される圧力センサにより検出される。検出された情報は、図示を省略する制御部に送られる。制御部は、取得した水温TW、吸入圧力PLI、吐出圧力PLO及び吐出圧力PHOに関する情報を用いて、条件(1)〜(3)を判定する。制御部は、一段圧縮運転の最中も、条件(1)〜(3)を判定し続ける。
The
(1)水と冷媒の熱交換器(水熱交)に入ってくる水温:TW, 規定値:TR
TW ≦ TR
(2)低段側圧縮機10aの吸入圧力PLI,高段側圧縮機10bの吐出圧力PHO 規定値:ΔPR1
(PHO−PLI) ≦ ΔPR1
(3)低段側圧縮機10aの吸入圧力PLI,吐出圧力PLO 規定値:ΔPR2
(PLO−PLI) ≦ ΔPR2
(1) Water temperature entering the heat exchanger (hydrothermal exchange) of water and refrigerant: T W , Specified value: T R
T W ≦ T R
(2) suction pressure P LI of the low-
(P HO -P LI) ≦ ΔP R1
(3) Suction pressure P LI and discharge pressure P LO specified values of
(P LO −P LI ) ≦ ΔP R2
[二段圧縮運転 → 一段圧縮運転]
制御部は、二段圧縮運転を行っている最中に、条件(1)〜(3)のいずれかを満足すると判定すると、四方切換え弁14を図2(b)に示す一段圧縮運転の位置に切り換えるよう指示する。また、制御部40は、電磁弁25を開くように指示する。そうすると、ヒートポンプシステム1は、以下のように動作する。
低段側圧縮機10aで高圧まで圧縮されてから吐出された高圧冷媒は、配管L11、四方切換え弁14及び配管L5を通って第1熱交換器11に流入し、熱交換対象に対して放熱する。なお、ここでは、低段側圧縮機10aは、二段圧縮運転のときよりも運転能力を向上して、冷媒を高圧まで圧縮する。また、高段側圧縮機10bは運転が停止される。
第1熱交換器11で放熱した高圧冷媒は、配管L3を通って膨張弁12を通過する過程で膨張して低圧冷媒となる。この低圧冷媒は、さらに配管L3を通って第2熱交換器13へ流入し、室外空気から吸熱して蒸発する。その後、第2熱交換器13から流出した低圧冷媒は、配管L4を通って低段側圧縮機10aへ吸入される。
一段圧縮運転は、以上説明した冷媒の圧縮、凝縮、膨張及び蒸発のサイクルが繰り返される過程で、電磁弁25が開いているので、冷凍機油はバイパス配管23を通って、高段側圧縮機10bを経由することなく均油配管21に戻される。したがって、均油機構20における差圧を常に規定値以上に保つことができるので、低段側圧縮機10aと高段側圧縮機10bの間の油面をバランスよく保つことができる。
[Two-stage compression operation → One-stage compression operation]
When the control unit determines that any one of the conditions (1) to (3) is satisfied during the two-stage compression operation, the controller switches the four-
The high-pressure refrigerant discharged after being compressed to high pressure by the low-
The high-pressure refrigerant radiated by the
In the one-stage compression operation, the
以上説明したヒートポンプシステム1は、二段圧縮運転と一段圧縮運転を切り替えるのに、四方切換え弁14を用いているが、本発明はこれに限定されない。図3に示されるように、ヒートポンプシステム2は、2つの電磁弁14a、14bを各々配管L1、L5に配置し、選択的に開閉を制御することで、二段圧縮運転と一段圧縮運転を切り替えることができる。図3に示す例の場合、電磁弁14aを開くとともに電磁弁14bを閉じると二段圧縮運転を行い、電磁弁14aを閉じるとともに電磁弁14bを開けると二段圧縮運転を行う。なお、図1と同じ要素には、図1と同じ符号を図3に付している。図4も同様である。
The
図1は、オイルセパレータ26が低段側圧縮機10a及び高段側圧縮機10bの両者に対応して設けられた例を示しているが、図4に示すヒートポンプシステム4のように、低段側圧縮機10aの吐出側であって四方切換え弁14の手前に低段側圧縮機10a用のオイルセパレータ28を備えることができる。オイルセパレータ28は、油戻し配管29により均油配管21に繋げられている。
オイルセパレータ26は、二段圧縮運転及び一段圧縮運転のいずれの最中にも、低段側圧縮機10aから吐出される冷媒から冷凍機油を分離し、油戻し配管29及び均油配管21を介して低段側圧縮機10aに戻す。したがって、図4に示すヒートポンプシステム4は、低段側圧縮機10aに効率よく冷凍機油を戻すことができる。
FIG. 1 shows an example in which the
The
[第2実施形態]
以下、第1実施形態として説明したヒートポンプシステム1を適用したヒートポンプ式の給湯・空調機100を、本発明の第2実施形態として説明する。
給湯・空調機100は、図5に示すように、ヒートポンプ系統200と、水系統300と、から構成されている。
[ヒートポンプ系統200]
ヒートポンプ系統200は、第1実施形態で説明したヒートポンプシステム1(図1)に示したオイルセパレータ26を一つだけ設けた回路を利用したものであり、室外の空気(外気)と冷媒との間で熱交換を行う。ヒートポンプ系統200は、ヒートポンプシステム1に対応する要素がある場合には、第1実施形態と同じ符号を付して、その説明を省略する。ただし、第1熱交換器11は、水対冷媒熱交換器11と読み替えるものとする。水対冷媒熱交換器11は、水系統300側の水と冷媒とを熱交換させることによって水を加熱する。また、第2熱交換器13は、熱源側空気熱交換器13と読み替えるものとする。さらに、ヒートポンプ系統200は、ヒートポンプシステム1が備えていない以下の要素を含んでいる。
[Second Embodiment]
Hereinafter, a heat pump type hot water supply /
As shown in FIG. 5, the hot water supply /
[Heat pump system 200]
The
ヒートポンプ系統200は、高段側圧縮機10bの吐出側の配管L2と低段側圧縮機10aの吸入側の配管L4との間に四方切替え弁15を備えており、この四方切替え弁15により冷媒の循環方向を可逆させ、熱源側空気熱交換器13を経て水対冷媒熱交換器11へと時計回りに冷媒を循環させる冷房サイクル(デフロストサイクル)と、水対冷媒熱交換器11を経て熱源側空気熱交換器13へと反時計回りに冷媒を循環させる暖房サイクルとのいずれか一方が選択可能とされている。
The
ヒートポンプ系統200は、熱源側空気熱交換器13、水対冷媒熱交換器11および四方切替え弁15の他に、水対冷媒熱交換器11の出口側冷媒温度をコントロールする減圧手段としての第1膨張弁12aと、冷媒を気液分離する中間圧レシーバ16aと、過冷却コイル17と、中間圧冷媒を減圧する第2膨張弁12bと、アキュムレータ18とが冷媒回路上に備えている。アキュムレータ18は、熱源側空気熱交換器13で蒸発し切れなかった液状の冷媒を分離する。
また、ヒートポンプ系統200は、中間圧レシーバ16aで分離された中間圧の冷媒ガスを高段側圧縮機10bに吸込まれる中間圧の冷媒ガス中に注入する電磁弁16b、逆止弁16c及びインジェクション管16dを備えるインジェクション回路16を備えている。
なお、電磁弁16bは、例えば、中間圧レシーバ16aの内部が液冷媒で一杯になっている起動時に、液冷媒が高段側圧縮機10bに供給されないようにするため、インジェクション回路16を閉塞する弁としての役目も担っている。
In addition to the heat source side
The
The
また、ヒートポンプ系統200は、均油配管21と並列にサブ配管121を備え、このサブ配管121は電磁弁122を備えている。同様に、ヒートポンプ系統200は、戻り配管27と並列にサブ配管127を備え、このサブ配管127は電磁弁128を備えている。なお、サブ配管121,127は、いずれも絞りを備えている。
サブ配管121,127は、均油配管21,戻り配管27を流れる冷凍機油の量に制限があるために、より多くの冷凍機油を流したいときに、電磁弁122,128を開く。
The
The
[水系統300]
水系統300は、ポンプ307を介して循環される水がヒートポンプ系統200に設けられている水対冷媒熱交換器11で冷媒から吸熱して温水とされ、その温水を負荷側のラジエータ(利用側熱交換器)303との間で循環させることにより、暖房用の熱源等として利用する温水循環流路301を備えている。この温水循環流路301には、流量割合を調整可能な三方切替え弁306を介して温水循環流路301から温水を導入し、その温水を蓄熱温水として蓄えることができる蓄熱タンク305が接続されている。
[Water system 300]
In the
蓄熱タンク305は、水対冷媒熱交換器11で加熱された温水を、ラジエータ303に循環する温水循環流路301中に設けられている三方切替え弁306を介してその上部から蓄熱温水を取水し、必要なタイミングで温水循環流路301側に放出する。
The
また、蓄熱タンク305には、貯湯されている蓄熱温水の熱を利用して加熱された給湯用の温水を供給するサニタリ水供給回路(図示を省略)、必要に応じて通電される電気ヒータ(図示を省略)が設けられている。
The
以上のように構成されている水系統300は、三方切替え弁306の開閉を制御して選択切替えすることにより、ラジエータ303に温水を供給する暖房運転または蓄熱タンク305に温水を供給する蓄熱運転のいずれか一方を選択して実施し、あるいは、ラジエータ303および蓄熱タンク305の両方に温水を分割供給して温水による暖房運転及び蓄熱運転の両方を同時に実施可能な構成とされている。
また、水系統300は、蓄熱タンク305から水循環ポンプ307によって供給された加熱対象としての水が、水対冷媒熱交換器11においてヒートポンプ系統200の冷媒と熱交換することで加熱される。
The
The
一方、ヒートポンプ系統200において、暖房サイクルが選択されると、低温低圧のガス冷媒が圧縮機構10(低段側圧縮機10a,高段側圧縮機10b)で圧縮され、高温高圧のガス冷媒としてヒートポンプ系統200に吐出される。このガス冷媒は、図5中に実線矢印で示されるように、四方切替え弁14により水対冷媒熱交換器11に導かれて時計回りに循環される。この場合、水対冷媒熱交換器11は、水循環ポンプ307により循環される水系統300の水と高温高圧ガス冷媒とを熱交換させる熱交換器であり、冷媒の凝縮により放熱される凝縮熱が水を加熱する凝縮器として機能する。この結果、ヒートポンプ系統200を流れる高温高圧のガス冷媒は、凝縮して高温高圧の液冷媒となり、水系統300を流れる水は冷媒から吸熱して温水となる。
On the other hand, in the
水対冷媒熱交換器11で凝縮された冷媒は、全開の第1膨張弁12aを通って中間圧レシーバ16aに流入する。この中間圧レシーバ16aでは、冷媒の気液分離が行われるとともに、分離された中間圧のガス冷媒は、電磁弁16b、逆止弁16cを通って低段側圧縮機10aと高段側圧縮機10bの間の中間圧にインジェクションされる。
The refrigerant condensed in the water-to-
一方、中間圧レシーバ16aで分離された液状の冷媒は、過冷却コイル17を経由して第2膨張弁12bにより減圧され、低温低圧の気液二相の冷媒となって熱源側空気熱交換器13に導かれる。蒸発器として機能する熱源側空気熱交換器13に導入された気液二相冷媒は、外気と熱交換することにより外気から吸熱して気化する。
このように、熱源側空気熱交換器13を通過することにより、外気から吸熱して気化した低温低圧のガス冷媒は、再び四方切替え弁15を経て低段側圧縮機10aに吸引される。こうして低段側圧縮機10aに吸引された低温低圧のガス冷媒は、低段側圧縮機10aと高段側圧縮機10bで順番に圧縮されて高温高圧のガス冷媒となり、以下同様の経路を循環して気液の状態変化を繰り返す。この際、低温となる熱源側空気熱交換器13の外周面に、空気中の水分等が氷結して着霜現象が生じることがある。
On the other hand, the liquid refrigerant separated by the
In this way, the low-temperature and low-pressure gas refrigerant that has been vaporized by absorbing heat from the outside air by passing through the heat source side
着霜は、熱源側空気熱交換器13での冷媒と外気との熱交換を阻害し、熱交換効率を低下させるため、霜の堆積の有無を検知することにより、適当な運転時間毎にデフロスト運転を実施して霜を除去する必要がある。このデフロスト運転は、上述のヒートポンプ系統200において、四方切替え弁15を切替えて冷媒の循環方向を逆転させ、図6中の破線矢印の向きに冷媒を循環させる冷房サイクル(デフロストサイクル)に切替え、高段側圧縮機10bから吐出された高温高圧のガス冷媒を熱源側空気熱交換器13に導入し、その放熱(凝縮熱)で熱源側空気熱交換器13に付着している霜を融解することによって行われる。
The frost formation inhibits the heat exchange between the refrigerant and the outside air in the heat source side
このリバースサイクル方式によるデフロスト運転時には、水対冷媒熱交換器11は、蒸発器として機能し、温水循環流路301を流れる水から吸熱して冷媒を気化させ、その熱を用いて熱源側空気熱交換器13に着霜した霜を融解することとなる。この際、水温が低下しすぎると、水対冷媒熱交換器11内で水が凍結し、熱交換器破損のリスクが発生する。このため、デフロスト時、水対冷媒熱交換器11に循環される水温と共に冷媒の蒸発温度が低下しすぎないようにする必要がある。
During the defrost operation by the reverse cycle method, the water-to-
以上説明した給湯・空調機100においても、第1実施形態と同様に、二段圧縮運転を行っている最中に、以下の(1)〜(3)の条件を備えると、一段圧縮運転に切り替える。この切り替えは、図2(a),(b)を参照して説明した通りである。
(1)水と冷媒の熱交換器(水熱交)に入ってくる水温:TW, 規定値:TR
TW ≦ TR
(2)低段側圧縮機10aの吸入圧力PLI,高段側圧縮機10bの吐出圧力PHO 規定値:ΔPR1
(PHO−PLI) ≦ ΔPR1
(3)低段側圧縮機10aの吸入圧力PLI,吐出圧力PLO 規定値:ΔPR2
(PLO−PLI) ≦ ΔPR2
In the hot water supply /
(1) Water temperature entering the heat exchanger (hydrothermal exchange) of water and refrigerant: T W , Specified value: T R
T W ≦ T R
(2) suction pressure P LI of the low-
(P HO -P LI) ≦ ΔP R1
(3) Suction pressure P LI and discharge pressure P LO specified values of
(P LO −P LI ) ≦ ΔP R2
[二段圧縮運転 → 一段圧縮運転]
一段圧縮運転に切り替えられると、低段側圧縮機10aで高圧まで圧縮されてから吐出された高圧冷媒は、配管L11、四方切換え弁14及び配管L5を通って水対冷媒熱交換器11に流入し、熱交換対象に対して放熱する。なお、ここでは、低段側圧縮機10aは、二段圧縮運転のときよりも運転能力を向上して、冷媒を高圧まで圧縮する。また、高段側圧縮機10bは運転が停止される。
[Two-stage compression operation → One-stage compression operation]
When switched to the single-stage compression operation, the high-pressure refrigerant discharged after being compressed to high pressure by the low-
以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
例えば、第1実施形態で述べた本発明における最低限の要素を除く部分は任意である。したがって、本発明を室内用熱交換器をさらに備える給湯・空調機に適用することもできるし、逆に、貯湯機能のみを備えるヒートポンプ式の給湯器に適用することもできる。
As described above, the present invention has been described based on the embodiment. However, the configuration described in the above embodiment may be selected or changed to another configuration as long as it does not depart from the gist of the present invention.
For example, the portions excluding the minimum elements in the present invention described in the first embodiment are arbitrary. Therefore, the present invention can be applied to a hot water supply / air conditioner further provided with an indoor heat exchanger, and conversely, can also be applied to a heat pump type water heater provided with only a hot water storage function.
1,2,3,4 ヒートポンプシステム
10a 低段側圧縮機
10b 高段側圧縮機
11 第1熱交換器,水対冷媒熱交換器
11f 送風ファン
12 膨張弁
12a 第1膨張弁
12b 第2膨張弁
13 第2熱交換器,熱源側空気熱交換器
13f 送風ファン
14,15 四方切換え弁
14a,14b 電磁弁
16 インジェクション回路
16a 中間圧レシーバ
16b 電磁弁
16c 逆止弁
16d インジェクション管
17 過冷却コイル
18 アキュムレータ
20 均油機構
21 均油配管
23 バイパス配管
25 電磁弁
26,28 オイルセパレータ
27,29 油戻し配管
100 給湯・空調機
121,127 サブ配管
122,128 電磁弁
200 ヒートポンプ系統
300 水系統
301 温水循環流路
303 ラジエータ
305 蓄熱タンク
306 三方切換え弁
307 水循環ポンプ
L1,L11,L12,L2,L3,L4,L5 配管
1, 2, 3, 4
Claims (5)
前記高段側圧縮機の吐出側に設けられるオイルセパレータと、
前記圧縮機構で圧縮された前記冷媒と熱交換対象とを熱交換する第1熱交換器と、
前記第1熱交換器から流出する前記冷媒を減圧膨張させる膨張弁と、
前記膨張弁にて減圧膨張された冷媒と熱交換対象とを熱交換する第2熱交換器と、
前記低段側圧縮機と前記高段側圧縮機を繋ぎ、前記低段側圧縮機と前記高段側圧縮機の間で冷凍機油を流通させる均油経路と、
前記オイルセパレータと前記高段側圧縮機の吸入側の間を繋ぐ主戻り配管と、
前記主戻り配管と前記均油経路とを繋ぐ油戻り経路と、
前記油戻り経路に設けられる油戻り用開閉弁と、
前記冷媒を、前記低段側圧縮機と前記高段側圧縮機をこの順に流す二段圧縮経路と、前記低段側圧縮機と前記高段側圧縮機の一方だけを流す一段圧縮経路と、を選択的に切り替える、冷媒経路切換え機構と、
を備えることを特徴とするヒートポンプシステム。 A compression mechanism that includes a low-stage compressor and a high-stage compressor, and compresses and discharges the refrigerant;
An oil separator provided on the discharge side of the high stage compressor;
A first heat exchanger that exchanges heat between the refrigerant compressed by the compression mechanism and a heat exchange target;
An expansion valve for decompressing and expanding the refrigerant flowing out of the first heat exchanger;
A second heat exchanger for exchanging heat between the refrigerant expanded under reduced pressure by the expansion valve and the heat exchange target;
An oil equalizing path that connects the low-stage compressor and the high-stage compressor, and distributes refrigeration oil between the low-stage compressor and the high-stage compressor;
A main return pipe connecting the oil separator and the suction side of the high stage compressor;
An oil return path connecting the main return pipe and the oil leveling path;
An oil return on-off valve provided in the oil return path;
A two-stage compression path for flowing the refrigerant through the low-stage compressor and the high-stage compressor in this order; a single-stage compression path for flowing only one of the low-stage compressor and the high-stage compressor; A refrigerant path switching mechanism for selectively switching,
A heat pump system comprising:
請求項1に記載のヒートポンプシステム。
条件(1):TW ≦ TR
TW;第1熱交換器の熱交換対象が水の場合に、水と冷媒の熱交換器(水熱交)に入ってくる水温, TR;規定値
条件(2):(PHO−PLI) ≦ ΔPR1
PLI;低段側圧縮機の吸入圧力 PHO;高段側圧縮機の吐出圧力 規定値:ΔPR1
条件(3)(PLO−PLI) ≦ ΔPR2
PLI;低段側圧縮機の吸入圧力 PLO;低段側圧縮機の吐出圧力 規定値:ΔPR2 While the two-stage compression path is selected, if any one of the following conditions (1) to (3) is satisfied, the refrigerant path is switched to the one-stage compression path.
The heat pump system according to claim 1.
Condition (1): T W ≦ T R
T W ; When the heat exchange target of the first heat exchanger is water, the water temperature entering the heat exchanger (hydrothermal exchange) of water and refrigerant, T R ; Specified value condition (2): (P HO − PLI ) ≦ ΔP R1
P LI ; suction pressure of the low stage compressor P HO ; discharge pressure of the high stage compressor Specified value: ΔP R1
Condition (3) (P LO -P LI ) ≦ ΔP R2
P LI ; Low-stage compressor suction pressure P LO ; Low-stage compressor discharge pressure Specified value: ΔP R2
前記油戻り用開閉弁を開くことで、前記オイルセパレータからの前記冷凍機油が、前記高段側圧縮機を経由することなく、前記油戻り経路を介して前記均油経路に戻される、
請求項1又は請求項2に記載のヒートポンプシステム。 When the refrigerant path switching mechanism selects the one-stage compression path,
By opening the oil return on-off valve, the refrigerating machine oil from the oil separator is returned to the oil leveling path via the oil return path without passing through the high stage compressor.
The heat pump system according to claim 1 or 2.
前記低段側圧縮機における予測される冷凍機油の量、及び、前記高段側圧縮機における予測される冷凍機油の量に基づいて制御される、
請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。 Opening and closing of the return on-off valve and opening and closing of the oil equalizing on-off valve
Controlled based on the predicted amount of refrigeration oil in the low stage compressor and the predicted amount of refrigeration oil in the high stage compressor,
The heat pump system according to any one of claims 1 to 3.
ことを特徴とするヒートポンプ式給湯器。 The first heat exchanger of the heat pump system according to any one of claims 1 to 4 is a water-to-refrigerant heat exchanger that heats water by causing heat exchange between the refrigerant and water.
A heat pump type water heater characterized by that.
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