JP3801168B2 - Heat pump water heater - Google Patents
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Description
本発明は、圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を冷媒配管で接続したヒートポンプ回路を備えた給湯機に関するもので、特に圧縮機起動時の冷凍サイクル安定化技術に関する。 The present invention relates to a water heater provided with a heat pump circuit in which a compressor, a heat exchanger for hot water supply, an expansion valve, and an evaporator are connected by refrigerant piping, and particularly relates to a refrigeration cycle stabilization technique at the time of starting the compressor.
従来から能力可変の圧縮機を用いたヒートポンプサイクルを用いた給湯機が提案されている(例えば特許文献1参照)。 Conventionally, a water heater using a heat pump cycle using a variable capacity compressor has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
能力可変圧縮機としては図6に示すようなスクロール圧縮機が用いられる。図6は代表的なスクロール圧縮機の断面図で、鏡板から渦巻きラップが立ち上がる固定スクロール101および旋回スクロール102を噛み合わせて双方間に圧縮室103を形成し、旋回スクロール102を自転拘束機構104による自転の拘束のもとに円軌道に沿って旋回させたとき圧縮室103が容積を変えながら移動することで冷媒の吸入、圧縮、吐出を行う。旋回スクロール102とこれの背面側をバックアップする固定部材105との間に、旋回スクロール102の背面の中央部に潤滑用のオイルにより高圧を与える高圧部106が設けられ、この高圧部106との間をシールリング107によって仕切られ前記背面の外周部に前記高圧部106よりも低い所定の圧力(背圧)を印加する背圧室108を設け、これらの高圧と背圧により、旋回スクロール102を固定スクロール部品101に押しつけることで、旋回スクロール102が固定スクロール部品101から離れて転覆するようなことがないようにしている(例えば特許文献2参照)。
ところが、上記のようなスクロール圧縮機を用いた冷凍サイクルにおいては、高圧冷媒圧力が低く、低圧冷媒圧力が高い時、即ち圧縮比が低い運転状態の場合には、旋廻スクロールを固定スクロースに押し付ける力より、圧縮室で圧縮された高圧冷媒圧力の力が大きくなり、旋廻スクロールが固定スクロールから離れてしまい、高圧の圧縮室内の冷媒が低圧の圧縮室へ漏洩してしまう、いわゆる転覆が起こり、十分な圧縮ができず、冷凍サイクルに流れる冷媒循環量が低下し、その結果、冷凍能力も低下するという課題がある。 However, in the refrigeration cycle using the scroll compressor as described above, when the high-pressure refrigerant pressure is low and the low-pressure refrigerant pressure is high, that is, in an operating state where the compression ratio is low, the force that presses the rotating scroll against the fixed sucrose. As a result, the pressure of the high-pressure refrigerant compressed in the compression chamber increases, the turning scroll moves away from the fixed scroll, and the refrigerant in the high-pressure compression chamber leaks into the low-pressure compression chamber. Therefore, there is a problem that the amount of refrigerant circulating through the refrigeration cycle is reduced, and as a result, the refrigeration capacity is also reduced.
また、低圧縮比での転覆を抑えるために、旋回スクロールの背面に働く押し付け力を大きくすると、高圧縮比の運転条件において、旋回スクロールに過大な押し付け力が発生し、異常磨耗を引き起こすことがあるため、旋回スクロールの背面に働く押し付け力をあまり大きくできないという課題があった。 In addition, if the pressing force acting on the back of the orbiting scroll is increased in order to suppress rollover at a low compression ratio, an excessive pressing force may be generated on the orbiting scroll and cause abnormal wear under high compression ratio operating conditions. For this reason, there is a problem that the pressing force acting on the back of the orbiting scroll cannot be increased.
特に、ヒ−トポンプの運転起動時は、スクロール圧縮機の起動に合わせ送風機を起動すると蒸発器の圧力が高くなり、冷凍サイクルの圧力差が小さくなるため、圧力差が確保できるまでスクロール圧縮機の運転が不安定になり、転覆状態になりスクロール圧縮機の信頼性を低下させたり冷媒配管が大きく振動して、異常な騒音を発生するという課題を有していた。 In particular, when the heat pump is activated, the evaporator pressure increases and the pressure difference of the refrigeration cycle decreases when the blower is activated in accordance with the activation of the scroll compressor. The operation becomes unstable, and it becomes a capsized state, and there is a problem that the reliability of the scroll compressor is lowered or the refrigerant piping is vibrated greatly to generate abnormal noise.
本発明は、ヒ−トポンプ装置の起動時にヒ−トポンプ装置内の冷凍サイクルにおいて圧力差を確保し、スクロール圧縮機の運転が不安定になり転覆状態なる時間を最短にすることでスクロール圧縮機の信頼性を確保したり冷媒配管の騒音、振動を防止することができるヒートポンプ装置を提供することを目的とする。 The present invention secures a pressure difference in the refrigeration cycle in the heat pump device when the heat pump device is started, and minimizes the time during which the operation of the scroll compressor becomes unstable and overturns. It is an object of the present invention to provide a heat pump device that can ensure reliability and prevent noise and vibration of refrigerant piping.
上記課題を解決するため本発明は、圧縮機の起動から所定時間経過してから蒸発器の送風装置を起動することを特徴とし、ヒ−トポンプの蒸発器の圧力が高くなるのを防ぎ冷凍サイクルにおいて圧力差を確保して運転できるため、スクロール圧縮機の運転が不安定になり転覆状態なる時間を最短にすることでスクロール圧縮機の信頼性を確保したり冷媒配管の騒音、振動を防止することができる。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is characterized in that the evaporator blower is started after a predetermined time has elapsed since the start of the compressor, and prevents the pressure of the evaporator of the heat pump from becoming high. Since the operation of the scroll compressor becomes unstable and the time for the rollover state is minimized, the reliability of the scroll compressor is ensured and the noise and vibration of the refrigerant piping are prevented. be able to.
本発明によれば、ヒ−トポンプ装置の起動時にヒ−トポンプ装置内の冷凍サイクルにおいて圧力差を確保し、スクロール圧縮機の運転が不安定になり転覆状態になる時間を最短することでスクロール圧縮機の信頼性を確保したり冷媒配管の騒音、振動を防止することができる。 According to the present invention, when the heat pump device is started, a pressure difference is ensured in the refrigeration cycle in the heat pump device, and the scroll compression is achieved by minimizing the time during which the operation of the scroll compressor becomes unstable and overturns. The reliability of the machine can be ensured and the noise and vibration of the refrigerant piping can be prevented.
第1の発明は、スクロール圧縮機、給湯用熱交換器、減圧装置、蒸発器を冷媒配管によって環状に接続して構成されるヒートポンプ回路と、前記ヒートポンプ回路の蒸発器能力を変化させる送風装置と、前記減圧装置の出口から前記スクロール圧縮機までの低圧側に設けた圧力検出手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段とを備え、前記圧力検出手段での検出値が所定値に達した時に、前記送風装置を起動させ、外気温度が所定値以上の場合には、前記圧力検出手段での検出値が所定値に達してから所定時間後に、前記送風装置を起動させるものであり、ヒ−トポンプの蒸発器の圧力が高くなるのを防ぎ冷凍サイクルにおいて圧力差を確保して運転できるため、より確実にスクロール圧縮機の運転が不安定になり転覆状態なる時間を最短にすることでスクロール圧縮機の信頼性を確保したり冷媒配管の騒音、振動を防止することができる。また外気温度が所定値以上の場合には、圧力検出手段による起動をしないようにして、所定時間後に起動するようにしているので、送風装置起動によりヒートポンプ装置内の蒸発器の圧力が急上昇しやすい外気温度が高い場合に十分低圧を下げてから送風装置を起動することができ、スクロール圧縮機が再度転覆状態になるのを防ぐことができスクロール圧縮機の信頼性を確保することができる。 A first invention includes a scroll compressor, a hot water supply heat exchanger, a decompression device, a heat pump circuit configured by annularly connecting an evaporator with a refrigerant pipe, and a blower that changes the evaporator capacity of the heat pump circuit. The pressure detection means provided on the low pressure side from the outlet of the decompression device to the scroll compressor, and the outside air temperature detection means for detecting the outside air temperature, the detection value in the pressure detection means has reached a predetermined value Sometimes, when the blower is started and the outside air temperature is equal to or higher than a predetermined value, the blower is started after a predetermined time after the detected value of the pressure detecting means reaches a predetermined value. -Since the pressure of the evaporator of the pump is prevented from being increased and the operation can be performed while ensuring a pressure difference in the refrigeration cycle, the operation of the scroll compressor becomes unstable more reliably and the time for the overturning state is minimized. Noise of the refrigerant pipe or to ensure the reliability of the scroll compressor by, it is possible to prevent vibration. In addition, when the outside air temperature is equal to or higher than a predetermined value, the pressure detection means is not activated, and is activated after a predetermined time, so that the pressure of the evaporator in the heat pump device is likely to rise rapidly due to activation of the blower device. When the outside air temperature is high, the blower can be started after sufficiently lowering the low pressure, so that the scroll compressor can be prevented from being overturned again, and the reliability of the scroll compressor can be ensured.
第2の発明は、送風装置の回転数を段階的に上昇させるものであり、送風装置を起動した後、ヒートポンプの蒸発器の圧力を急上昇させず段階的に上げることができるため送風装置起動によりスクロール圧縮機が圧縮比がとれず再度転覆状態なるのをより確実に防ぐことができスクロール圧縮機の信頼性を信頼性を確保したり冷媒配管の騒音、振動を防止することができる。 In the second invention, the rotational speed of the blower is increased stepwise, and after the blower is started, the pressure of the evaporator of the heat pump can be raised stepwise without sudden increase. It is possible to more reliably prevent the scroll compressor from being overwhelmed again because the compression ratio cannot be obtained, so that the reliability of the scroll compressor can be ensured and the noise and vibration of the refrigerant piping can be prevented.
第3の発明は、ヒートポンプ回路を冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとしたもので、給湯の水または空気を加熱することにより、給湯用熱交換器内の冷媒は臨界圧力以上に加圧されているので、給湯用熱交換器の水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。従って、給湯用熱交換器の全域で冷媒と水との間の温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。 In a third aspect of the invention, the heat pump circuit is a supercritical heat pump cycle in which the pressure of the refrigerant is equal to or higher than the critical pressure. By heating the hot water or air, the refrigerant in the hot water heat exchanger is equal to or higher than the critical pressure. Therefore, it does not condense even if the temperature drops due to the heat of the hot water supply heat exchanger. Therefore, it becomes easy to form a temperature difference between the refrigerant and water over the entire area of the heat exchanger for hot water supply, so that hot water can be obtained and the heat exchange efficiency can be increased.
第4の発明は、使用する冷媒を二酸化炭素としたもので、比較的安価でかつ安定な二酸化炭素を冷媒に使用することにより、製品コストを抑えるとともに、信頼性を向上させることができる。また、二酸化炭素はオゾン破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数も代替冷媒HFC−407Cの約1700分の1と非常に小さいため、地球環境に優しい製品を提供できる。 In the fourth invention, carbon dioxide is used as a refrigerant to be used. By using carbon dioxide, which is relatively inexpensive and stable, as a refrigerant, product cost can be suppressed and reliability can be improved. In addition, carbon dioxide has an ozone depletion coefficient of zero and a global warming coefficient of about 1/700 of the alternative refrigerant HFC-407C, which is very small.
以下、本発明の実施形態におけるヒートポンプ給湯機について図面を用いて説明する。 Hereinafter, a heat pump water heater in an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施形態1におけるヒートポンプ給湯機の構成図を示したものである。また、図2は本実施形態におけるヒートポンプ装置の運転動作のモリエル線図であり通常時とスクロール圧縮機の転覆時を示してある。ヒートポンプ回路は、スクロール圧縮機1、給湯用熱交換器2、減圧装置3、蒸発器4を冷媒配管5で接続し冷媒を循環させている。そしてヒートポンプ回路の蒸発器能力を変化させる送風装置9が取り付けられている。このヒートポンプ回路では、二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側では臨界圧を越える
状態で運転することが好ましい。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a configuration diagram of a heat pump water heater in
また貯湯回路は、貯湯槽6、吸熱器2を水配管8で接続しポンプ7より水を循環させている。給湯用熱交換器2は、ヒートポンプ装置では放熱器、貯湯装置では吸熱器の熱交換器として利用している。ヒートポンプ装置の放熱器2の冷媒と貯湯装置の吸熱器2の水にて熱交換する水冷媒熱交換器である。この吸熱した水は温水になり、貯湯槽6に貯めて利用している。
In the hot water storage circuit, the hot
スクロール圧縮機1は、吸引した冷媒を圧縮して吐出し、吐出された高温高圧の冷媒は、貯湯槽6内から供給された液体(水)と給湯用熱交換器2を介して熱交換される。給湯用熱交換器2を流れる冷媒(二酸化炭素)はスクロール圧縮機1によって加圧されている為、給湯用熱交換器2を通過する液体に放熱して温度低下しても凝縮(冷媒2相域)することはない。減圧装置3は、給湯用熱交換器2から流出する冷媒(二酸化炭素)を減圧する装置のことで、弁開度を電気的に制御する電磁式膨張弁である。冷媒(二酸化炭素)は、この減圧装置3によって冷媒2相域となるまで減圧されたのち、蒸発器4によって吸熱冷媒が蒸発気化した後、再びスクロール圧縮機1に吸引される。
The
しかし、蒸発器4側の負荷が大きい、つまり外気温高い場合やスクロール圧縮機1の起動時などは図2に示すように冷凍サイクルの圧力差がとれなくなり、スクロール圧縮機1の運転、冷凍サイクルが不安定になり、スクロール圧縮機1が転覆状態になる。さらに、スクロール圧縮機1や冷媒配管5が大きく振動して、異常な騒音を発生する。特に運転開始時(起動時)は、冷凍サイクルが不安定(転覆状態)になりやすい。
However, when the load on the
図3は送風装置とヒートポンプ回路の冷凍サイクル高低圧のタイムチャートである。送風装置9の回転数は、運転周波数により一律に決められており、従来の制御においては図3の1点鎖線で示すように起動時もスクロール圧縮機の起動と同時に指示運転周波数から決定される目標回転数になるため、起動時は蒸発器4の圧力が大きくなり、差圧が取れなくなりスクロール圧縮機1が転覆したまま起動し転覆が回復する程度まで冷凍サイクルの高低圧差が取れるのに時間がかかってしまう。
FIG. 3 is a time chart of the refrigeration cycle high and low pressure of the blower and the heat pump circuit. The rotational speed of the blower 9 is uniformly determined by the operating frequency, and in the conventional control, as indicated by the one-dot chain line in FIG. Since the target rotational speed is reached, the pressure of the
このような課題を解決する為に、本発明における制御では、ヒ−トポンプ回路が起動時、すなわちスクロール圧縮機1の起動後に送風装置9を所定時間(T)停止してから起動するため、蒸発器4の圧力(低圧)の下がりが早く短時間で冷凍サイクルの高低圧差を確保できスクロール圧縮機1の運転が不安定になり転覆状態になる時間を最短にすることができ、スクロール圧縮機1の信頼性を確保したり冷媒配管5の騒音、振動を防止することができる。
In order to solve such a problem, in the control according to the present invention, when the heat pump circuit is activated, that is, after the
(実施の形態2)
図4は本発明の第2の実施形態におけるヒートポンプ装置起動時の送風装置と冷凍サイクル高低圧のタイムチャートである。本形態では、圧力検出手段10を具備し、図4に示すようにスクロール圧縮機1起動後、圧力検出手段10が所定圧力P以下になるまで送風装置9を停止してから送風装置9を起動するというものであり、スクロール圧縮機1が転覆状態から確実に復帰するよう所定圧力Pを設定することで十分低圧を下げた状態で送風装置を起動するため、より確実にスクロール圧縮機の運転が不安定になり転覆状態なる時間を最短にすることができスクロール圧縮機の信頼性を確保したり冷媒配管の騒音、振動を防止することができる。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a time chart of the air blower and the refrigeration cycle high / low pressure when the heat pump device according to the second embodiment of the present invention is started. In this embodiment, the pressure detection means 10 is provided, and after the
(実施の形態3)
本実施形態は、外気温度を検出する外気温度検出手段11を具備し、外気温度が所定の温度以上の場合にはスクロール圧縮機1起動後、圧力検出手段10が所定圧力P以下にな
っても送風装置9を所定時間(T)停止してから送風装置9を起動するというものであり、送風装置9起動によりヒートポンプ装置内の蒸発器4の圧力が急上昇しやすい外気温度が高い場合にもスクロール圧縮機1が再度転覆状態ならないように十分に低圧を下げてから送風装置9を起動するため送風装置9の起動によりスクロール圧縮機1が再度転覆状態なるのを確実に防ぐことができスクロール圧縮機1の信頼性を確保したり冷媒配管の騒音、振動を防止することができる。
(Embodiment 3)
The present embodiment includes an outside air temperature detecting means 11 for detecting the outside air temperature. When the outside air temperature is equal to or higher than a predetermined temperature, even if the
(実施の形態4)
図5は本実施形態におけるヒートポンプ回路起動時の送風装置のタイムチャートである。図5に示すように送風装置9の風量を所定時間T1ごとに所定値N回転(rpm)だけ段階的にUPするというものであり、送風装置9の風量を一気にではなく段階的にUPするため目標回転数が大きい場合にも送風装置9を起動した後、ヒートポンプ装置内の蒸発器4の圧力を急上昇させず段階的に上げることができるため送風装置9起動によりスクロール圧縮機1の圧縮比がとれず再度転覆状態なるのをより確実に防ぐことができスクロール圧縮機1の信頼性を信頼性を確保したり冷媒配管の騒音、振動を防止することができる。
(Embodiment 4)
FIG. 5 is a time chart of the blower when the heat pump circuit is activated in the present embodiment. As shown in FIG. 5, the air volume of the blower 9 is increased stepwise by a predetermined value N rotation (rpm) every predetermined time T1, and the airflow of the blower 9 is increased stepwise instead of all at once. Even when the target rotational speed is large, after the blower 9 is started, the pressure of the
なお、上記の各実施形態では、貯湯タンクを有する場合で説明したが、給湯用熱交換器で加熱したお湯をそのまま出湯する、瞬間湯沸かし式のヒートポンプ給湯装置であってもよい。なお、貯湯槽6内の液体は、給湯用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して良い。更に、スクロール圧縮機1の冷媒吸込側に冷媒を貯留するアキュムレータが設置されていてもよい。
In addition, although each said embodiment demonstrated the case where it had a hot water storage tank, you may be the instantaneous water heater type heat pump hot-water supply apparatus which takes out the hot water heated with the heat exchanger for hot water supply as it is. Note that the liquid in the
以上のように、本発明は、冷媒として高圧側で凝縮する冷媒だけでなく、超臨界状態となりうる冷媒(例えば、R32、二酸化炭素、エタン、エチレン、酸化窒素およびそれらを含む混合冷媒など)を用いた給湯装置(給湯器)、給湯用熱交換器で加熱したお湯をそのまま出湯する瞬間湯沸かしを行う給湯装置(給湯器)、空調機、車両用空調機(カーエアコン)等の用途でも適用できる。 As described above, the present invention is not limited to a refrigerant that condenses on the high pressure side as a refrigerant, but a refrigerant that can be in a supercritical state (for example, R32, carbon dioxide, ethane, ethylene, nitrogen oxide, and a mixed refrigerant containing them). It can also be used in applications such as water heaters used (hot water heaters), hot water heaters (water heaters) that instantaneously boil hot water heated by a heat exchanger for hot water supply, air conditioners, and vehicle air conditioners (car air conditioners). .
101 スクロール圧縮機
102 給湯用熱交換器
104 蒸発器
109 送風装置
110 圧力検出手段(センサ)
111 外気温度検出手段(センサ)
DESCRIPTION OF
111 Outside temperature detection means (sensor)
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