JP4845605B2 - 冷凍サイクル装置及びヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、２段圧縮式の圧縮機、加熱用熱交換器、冷却器、第１電動膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で環状に接続してなる冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置に関する。また、循環ポンプ、加熱用熱交換器及び暖房装置を温水配管で環状に接続してなる温水回路と、２段圧縮式の圧縮機、前記加熱用熱交換器、冷却器、第１電動膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で環状に接続してなる冷媒回路とを備えたヒートポンプ式給湯機に関する。

この種のヒートポンプ式給湯機は、特許文献１などに開示されている。この種のヒートポンプ式給湯機においては、加熱能力を高めるために、前記加熱用熱交換器と前記冷却器との間の前記冷媒回路から分岐され、その途中に第２電動膨張弁及び前記冷却器を有し、前記加熱用熱交換器から吐出した冷媒の一部を前記圧縮機の低圧側と高圧側との中間に冷媒を戻す中間インジェクション回路を更に設けて、スプリットサイクル運転（一段膨張中間冷却）をすることが考えられる。
特開２００３−１３９３９１号公報

しかし従来は、第２電動膨張弁を僅か開いた状態として、２段圧縮式の圧縮機の高圧側の冷媒吐出温度に基づいて第１電動膨張弁を開閉度合いを制御することにより、暖房能力を調整していた。この場合、第２電動膨張弁をかなり絞っていると、第１電動膨張弁の開閉度合いが、そのまま圧縮機の高圧側の冷媒吐出温度に影響を与えるが、第２電動膨張弁をあまり絞らないと、第１電動膨張弁の開閉度合いと前記冷媒吐出温度とが逆に作用する場合が起こり、制御が困難となる。即ち、正常の場合には、第１電動膨張弁を絞ると冷媒吐出温度が上がり、開くと冷媒吐出温度が下がるのが、第１電動膨張弁を絞ると冷媒吐出温度が下がり、開くと冷媒吐出温度が上がることとなり、制御が困難となり、暖房能力の調整ができにくくなっていた。

そこで本発明は、加熱用熱交換器から吐出した冷媒の一部を圧縮機の低圧側と高圧側との中間に冷媒を戻す中間インジェクション回路を設けて、スプリットサイクル運転（一段膨張中間冷却）をする場合に、暖房能力の調整が良好に行なうことができる冷凍サイクル装置及びヒートポンプ式給湯機を提供することを目的とする。

このため第１の発明は、２段圧縮式の圧縮機、加熱用熱交換器、冷却器、蒸発器、前記冷却器の出口と前記蒸発器入口との間に設けられて前記冷却器の冷媒出口側の冷媒圧力を減圧する第１電動膨張弁を冷媒配管で環状に接続してなる冷媒回路と、前記加熱用熱交換器と前記冷却器との間の前記冷媒回路から分岐され、その途中に第２電動膨張弁及び前記冷却器を有し、前記加熱用熱交換器から吐出した冷媒の一部を前記圧縮機の低圧側と高圧側との中間に冷媒を戻す中間インジェクション回路とを備えた冷凍サイクル装置であって、
前記圧縮機の低圧側の冷媒吐出温度を検出するもので前記圧縮機の低圧側と高圧側との中間より低圧側寄りに設けられた温度検出センサと、
前記第２電動膨張弁を一定の開度状態に固定した状態下において前記温度検出センサが第１所定温度以下になったこと又は第１所定温度を下回ったことを検出すると前記冷媒回路に冷媒がより少なく流れるように前記第１電動膨張弁を制御すると共に第２所定温度以上になったこと又は第２所定温度を上回ったことを検出すると前記冷媒回路に冷媒がより多く流れるように前記第１電動膨張弁を制御する制御装置とを設けたことを特徴とする。

また第２の発明は、循環ポンプ、加熱用熱交換器及び暖房装置を温水配管で環状に接続してなる温水回路と、２段圧縮式の圧縮機、前記加熱用熱交換器、冷却器、蒸発器、前記冷却器の出口と前記蒸発器入口との間に設けられて前記冷却器の冷媒出口側の冷媒圧力を減圧する第１電動膨張弁を環状に接続してなる冷媒回路と、前記加熱用熱交換器と前記冷却器との間の前記冷媒回路から分岐され、その途中に第２電動膨張弁及び前記冷却器を有し、前記加熱用熱交換器から吐出した冷媒の一部を前記圧縮機の低圧側と高圧側との中間に冷媒を戻す中間インジェクション回路とを備えたヒートポンプ式給湯機であって、
前記圧縮機の低圧側の冷媒吐出温度を検出するもので前記圧縮機の低圧側と高圧側との中間より低圧側寄りに設けられた温度検出センサと、
前記第２電動膨張弁を一定の開度状態に固定した状態下において前記温度検出センサが第１所定温度以下になったこと又は第１所定温度を下回ったことを検出すると前記冷媒回路に冷媒がより少なく流れるように前記第１電動膨張弁を制御すると共に第２所定温度以上になったこと又は第２所定温度を上回ったことを検出すると前記冷媒回路に冷媒がより多く流れるように前記第１電動膨張弁を制御する制御装置とを設けたことを特徴とする。

以上のように本発明は、加熱能力を高めるために、加熱用熱交換器から吐出した冷媒の一部を圧縮機の低圧側と高圧側との中間に冷媒を戻す中間インジェクション回路を設けて、スプリットサイクル運転（一段膨張中間冷却）をする場合に、暖房能力の調整が良好に行なうことができる冷凍サイクル装置及びヒートポンプ式給湯機を提供することができる。

本発明の実施の形態を図面を参照して、以下説明する。図１は本発明が適用されるヒートポンプ式給湯機の回路説明図で、このヒートポンプ式給湯機は後述するが、循環ポンプ、加熱用熱交換器及び暖房装置を温水配管で環状に接続してなる温水回路Ｋと、２段圧縮式の能力が調整可能な圧縮機、前記加熱用熱交換器、冷却器、第１電動膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で環状に接続してなる冷媒回路Ｒと、前記加熱用熱交換器と前記冷却器との間の前記冷媒回路Ｒから分岐され、その途中に第２電動膨張弁及び前記冷却器を有し、前記加熱用熱交換器から吐出した冷媒の一部を前記圧縮機の低圧側と高圧側との中間に冷媒を戻す中間インジェクション回路Ｍとを主要構成としている。

前記冷媒回路Ｒは高圧側が超臨界圧力となる冷媒を用いる遷臨界冷媒サイクル装置を構成し、以下詳述するが、２段圧縮式の能力が調整可能な圧縮機１、マフラ２、加熱用熱交換器３、冷却器４、第１電動膨張弁６及び蒸発器７及びアキュムレータ８を冷媒配管ＲＨで環状に接続される。

１は二酸化炭素を冷媒として吸入圧縮し高温高圧にする能力調整が可能な内部中間圧型２段圧縮式ロータリコンプレッサ（以下、「圧縮機」という。）で、第１及び第２の回転圧縮要素１Ａ、１Ｂを備えている。２は前記圧縮機１の冷媒出口側に接続されて圧縮機１から吐出される冷媒の圧力脈動を減衰・軽減して騒音を低減するマフラ、３は冷媒流路３Ａと水流路３Ｂとを備えて冷媒と水とを熱交換させる冷媒対水熱交換器である加熱用熱交換器、４は一次流路４Ａ及び二次流路４Ｂとを備えた冷却器、６は冷却器４の一次流路４Ａの出口側に接続され冷媒を減圧する減圧手段としての第１電動膨張弁、７は前記第１電動膨張弁６で減圧された冷媒を蒸発させ外気と熱交換する蒸発器、８は蒸発器７の出口側と圧縮機1の吸入側との間に接続された気液分離器であるアキュムレータである。

前記中間インジェクション回路Ｍは、第２電動膨張弁１１、冷却器４の二次流路４Ｂとを備え、前記第２電動膨張弁１１が開くと、前記圧縮機１の高圧側と低圧側との中間に冷媒を戻す回路である。そして、二酸化炭素を冷媒として用いる際には、冷媒がガス化した状態、即ち超臨界域で用いることとなる。この超臨界域では、二酸化炭素は高圧となり、蒸気密度も高いため、内部高圧の圧縮機では密閉容器に負荷がかかるという問題があるが、内部中間圧とした内部中間圧型２段圧縮式ロータリコンプレッサである圧縮機１を用いることとした。

１２は前記蒸発器７に発生付着した霜が一定以上となったことを検出センサ（図示せず）が検出すると開く除霜用電磁弁で、前記圧縮機１の高圧側と低圧側との中間との間から分岐して前記蒸発器７に戻る分岐路１３の中間位置に配設される。

前記温水回路Ｋは、循環ポンプ１４、加熱用熱交換器３の水流路３Ｂ及び暖房装置１５を温水配管ＯＨで環状に接続して構成される。

次に、図２の制御ブロック図に基づいて説明する。マイクロコンピュータ（以下、「マイコン」という。）４０は、本ヒートポンプ式給湯機における前記冷媒回路Ｒを備えた室外機としてのヒートポンプユニットの動作を含めた暖房に係る全動作を統括制御するＣＰＵ（セントラル・プロセッシング・ユニット）４１、各種データを記憶する記憶装置としてのＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）４２、冷凍サイクル動作に係るプログラムを含めた給湯動作に係るプログラムを格納するＲＯＭ（リ−ド・オンリー・メモリ）４３から構成されている。そして、ＣＰＵ４１は前記ＲＡＭ４２に記憶されたデータに基づき、前記ＲＯＭ４３に格納されたプログラムに従い、本ヒートポンプ式給湯機の冷凍サイクル動作を含めた暖房に係る動作を統括制御する。

４５は運転スイッチで、４６は前記圧縮機１の低圧側の冷媒吐出温度を検出するもので前記圧縮機1の低圧側と高圧側との中間より低圧側寄りに設けられた温度検出センサである。

以上の構成により、図３のフローチャートに基づき動作について説明する。先ず、使用者が運転スイッチ４５を操作してオンすると、マイコン４０は圧縮機１をオンさせて運転を開始される。そして、マイコン４０は第１電動膨張弁６をオンさせて完全閉成状態から完全開成状態までを０ステップから５００ステップとしたときの３００ステップの状態で開き、また第２電動膨張弁１１をその開度を同じく５０ステップの状態（僅か開く状態）に固定するように制御する。

従って、冷媒回路Ｒでは、圧縮機１が１００Ｈｚ程度の運転周波数で運転するので、圧縮機１→マフラ２→冷媒対水熱交換器３の冷媒流路３Ａ→冷却器４の一次流路４Ａ→第１電動膨張弁６→蒸発器７→アキュムレータ８→圧縮機１の順に冷媒が流れる。

また、前述したように、加熱能力を高めるべく、マイコン４０は第２電動膨張弁１１をその開度を５０ステップの状態（僅か開く状態）に固定するように制御するので、中間インジェクション回路Ｍにも冷媒が流れて、前記圧縮機１の高圧側と低圧側との中間、即ち第１の回転圧縮要素１Ａと第２の回転圧縮要素１Ｂとの間にも戻される。即ち、加熱用熱交換器３の冷媒流路３Ａを介する冷媒は第２電動膨張弁１１、冷却器４の二次流路４Ｂ、前記圧縮機１の第１の回転圧縮要素１Ａと第２の回転圧縮要素１Ｂとの間にも戻される。

このスプリットサイクル運転がなされている状態において、目標吐出温度ＴＤが６０℃と設定されているので、運転を開始して間もないので、温度検出センサ４６が検出する前記圧縮機１の低圧側の冷媒吐出温度Ｄ１が目標吐出温度ＴＤから２℃を差引いた温度より小さい間は、マイコン４０は第１電動膨張弁６を所定ステップずつ絞るように制御する。

やがて、前記圧縮機１の低圧側の冷媒吐出温度Ｄ１が上昇して、冷媒吐出温度Ｄ１が目標吐出温度ＴＤから２℃を差引いた温度より大きくなると、次にマイコン４０は温度検出センサ４６が検出する冷媒吐出温度Ｄ１と目標吐出温度ＴＤに２℃を加えた温度とを比較する。

この比較結果が、温度検出センサ４６が検出する冷媒吐出温度Ｄ１が目標吐出温度ＴＤに２℃を加えた温度より大きくない場合には、マイコン４０は前記第１電動膨張弁６の開度をこのままの状態に維持するように制御する。

このように、冷媒吐出温度Ｄ１が目標吐出温度ＴＤに２℃を加えた温度より大きくない場合には、前記第１電動膨張弁６の開度をそのまま維持し続ける。

ここで、冷媒吐出温度Ｄ１が目標吐出温度ＴＤに２℃を加えた温度より大きくなると、前記第１電動膨張弁６を所定ステップずつ開くように制御するので、前記第１電動膨張弁６が開くに伴い、前記圧縮機１の低圧側の冷媒吐出温度Ｄ１が下降することとなる。

従って、この冷媒吐出温度Ｄ１の下降により、冷媒吐出温度Ｄ１が目標吐出温度ＴＤに２℃を加えた温度より大きくなくなると、前記第１電動膨張弁６の開度をこのまま維持し続けるように制御する。

なお、暖房装置１５による暖房運転を行う場合には、暖房スイッチを操作すると、マイコン４０は循環ポンプ１４を通電させ、温水配管ＯＨに加熱用熱交換器３により熱交換された温水を循環させ、内蔵する送風機を運転させることにより暖房装置１５により暖房が可能となる。

以上のように本発明は、２段圧縮式の圧縮機１の低圧側の冷媒吐出温度を検出するもので前記圧縮機１の低圧側と高圧側との中間より低圧側寄りに設けられた温度検出センサ４６と、前記温度検出センサ４６が第１所定温度を下回ったことを検出すると冷媒回路に冷媒がより少なく流れるように第１電動膨張弁６を制御すると共に第２所定温度を上回ったことを検出すると冷媒回路に冷媒がより多く流れるように前記第１電動膨張弁６を制御するマイコン４０とを設けたものである。

従って、本発明は、スプリットサイクル運転（一段膨張中間冷却）をする場合に、暖房能力の調整が良好に行なうことができる冷凍サイクル装置及びヒートポンプ式給湯機を提供することができる。

なお、前記温度検出センサ４６が第１所定温度を下回ったことを検出すると冷媒回路に冷媒がより少なく流れるように第１電動膨張弁６を制御すると共に第２所定温度を上回ったことを検出すると冷媒回路に冷媒がより多く流れるように前記第１電動膨張弁６を制御するようにしたが、前記温度検出センサ４６が第１所定温度以下になったことを検出すると冷媒回路に冷媒がより少なく流れるように第１電動膨張弁６を制御すると共に第２所定温度以上になったことを検出すると冷媒回路に冷媒がより多く流れるように制御してもよい。

以上本発明の実施態様について説明したが、上述の説明に基づいて当業者にとって種々の代替例、修正又は変形が可能であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で前述の種々の代替例、修正又は変形を包含するものである。

ヒートポンプ式給湯機の回路説明図である。 制御ブロック図である。 フローチャートを示す図である。

符号の説明

１ 圧縮機
３ 加熱用熱交換器
６ 第１電動膨張弁
１１ 第２電動膨張弁
１５ 暖房装置
４０ マイコン
４６ 温度検出センサ
Ｒ 冷媒回路
Ｋ 温水回路
Ｍ 中間インジェクション回路

Claims (2)

1. ２段圧縮式の圧縮機、加熱用熱交換器、冷却器、蒸発器、前記冷却器の出口と前記蒸発器入口との間に設けられて前記冷却器の冷媒出口側の冷媒圧力を減圧する第１電動膨張弁を冷媒配管で環状に接続してなる冷媒回路と、前記加熱用熱交換器と前記冷却器との間の前記冷媒回路から分岐され、その途中に第２電動膨張弁及び前記冷却器を有し、前記加熱用熱交換器から吐出した冷媒の一部を前記圧縮機の低圧側と高圧側との中間に冷媒を戻す中間インジェクション回路とを備えた冷凍サイクル装置であって、
   前記圧縮機の低圧側の冷媒吐出温度を検出するもので前記圧縮機の低圧側と高圧側との中間より低圧側寄りに設けられた温度検出センサと、
   前記第２電動膨張弁を一定の開度状態に固定した状態下において前記温度検出センサが第１所定温度以下になったこと又は第１所定温度を下回ったことを検出すると前記冷媒回路に冷媒がより少なく流れるように前記第１電動膨張弁を制御すると共に第２所定温度以上になったこと又は第２所定温度を上回ったことを検出すると前記冷媒回路に冷媒がより多く流れるように前記第１電動膨張弁を制御する制御装置とを設けたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 循環ポンプ、加熱用熱交換器及び暖房装置を温水配管で環状に接続してなる温水回路と、２段圧縮式の圧縮機、前記加熱用熱交換器、冷却器、蒸発器、前記冷却器の出口と前記蒸発器入口との間に設けられて前記冷却器の冷媒出口側の冷媒圧力を減圧する第１電動膨張弁を冷媒配管で環状に接続してなる冷媒回路と、前記加熱用熱交換器と前記冷却器との間の前記冷媒回路から分岐され、その途中に第２電動膨張弁及び前記冷却器を有し、前記加熱用熱交換器から吐出した冷媒の一部を前記圧縮機の低圧側と高圧側との中間に冷媒を戻す中間インジェクション回路とを備えたヒートポンプ式給湯機であって、
   前記圧縮機の低圧側の冷媒吐出温度を検出するもので前記圧縮機の低圧側と高圧側との中間より低圧側寄りに設けられた温度検出センサと、
   前記第２電動膨張弁を一定の開度状態に固定した状態下において前記温度検出センサが第１所定温度以下になったこと又は第１所定温度を下回ったことを検出すると前記冷媒回路に冷媒がより少なく流れるように前記第１電動膨張弁を制御すると共に第２所定温度以上になったこと又は第２所定温度を上回ったことを検出すると前記冷媒回路に冷媒がより多く流れるように前記第１電動膨張弁を制御する制御装置とを設けたことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。

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