JPWO2011010473A1 - ヒートポンプ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
実際、空気調和機においては、一般に除霜運転中の熱源側の送風機は停止している。そのため、熱源で十分に採熱されず、液バックが発生し易い。
圧縮機と第1熱交換器と膨張機構と第2熱交換器とが順次接続された冷媒回路と、
暖房運転時には冷媒が前記圧縮機、前記第1熱交換器、前記膨張機構、前記第2熱交換器の順に循環するようにし、除霜運転時には冷媒が前記圧縮機、前記第2熱交換器、前記膨張機構、前記第1熱交換器の順に循環するようにして、前記暖房運転と前記除霜運転とを切り替える切替部と、
前記除霜運転時における前記第1熱交換器での冷媒の過熱度を検出する過熱度検出部と、
前記切替部により前記暖房運転から前記除霜運転に切り替えられた場合、前記冷媒回路を循環する冷媒の循環量を増加させるとともに、前記過熱度検出部が検出した過熱度が所定の目標値になるように前記圧縮機の動作周波数を制御する制御部と
を備えることを特徴とする。
図1は、実施の形態1に係るヒートポンプ給湯器の冷媒回路構成図である。図2は、図1に示す冷媒回路における暖房運転時の冷媒の流れを示す図である。図3は、図1に示す冷媒回路における除霜運転時の冷媒の流れを示す図である。なお、図2,3において、破線矢印は冷媒の流れを示し、実線矢印は水の流れを示す。
また、ヒートポンプ給湯器は、主冷媒回路の第1熱交換器3と膨張機構4との間と、膨張機構4と第2熱交換器5との間とを膨張機構4をバイパスして接続するバイパス回路7を備える。なお、バイパス回路7には、開閉弁6が設けられている。
さらに、主冷媒回路には、第1熱交換器3と膨張機構4との間に第1温度検出部10が設けられ、四方弁2と圧縮機1との間には第2温度検出部11が設けられる。特に、第1温度検出部10は、第1熱交換器3と膨張機構4との間におけるバイパス回路7の接続点よりも第1熱交換器3よりの位置に設けられる。なお、第1温度検出部10と第2温度検出部11とは過熱度検出部の一例である。
また、さらに、ヒートポンプ給湯器は、全体の動作を制御する制御部(図示していない)を備える。なお、制御部は、例えば、マイクロコンピュータ等のコンピュータである。
つまり、圧縮機1から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁2を通り第1熱交換器3へ流入する。第1熱交換器3へ流入したガス冷媒は、水に放熱しながら凝縮し、液冷媒となって膨張機構4へ流入する。膨張機構4へ流入した冷媒は、低温低圧の気液二相冷媒に減圧された後、第2熱交換器5へ流入する。第2熱交換器5へ流入した気液二相冷媒は、空気から吸熱しながら低圧のガス冷媒となって圧縮機1に戻る。
つまり、圧縮機1から吐出された高温高圧のガス冷媒が、四方弁2を通り第2熱交換器5へ流入する。第2熱交換器5へ流入したガス冷媒は、放熱して霜を融かしながら凝縮し、液冷媒となって膨張機構4へ流入する。膨張機構4へ流入した冷媒は、低温低圧の気液二相冷媒に減圧された後、第1熱交換器3で水から吸熱しながら低圧のガス冷媒となって圧縮機1に戻る。なお、除霜運転時には、ファン8は停止している。
暖房運転開始から除霜開始まで(つまり、暖房運転時)の積算加熱量をQh_SUM(J)、積算消費電力量をWh_SUM(J)とし、除霜運転中の水からの積算吸熱量をQd_SUM(J)、積算消費電力量をWd_SUM(J)とする。このとき、暖房運転開始から除霜運転終了までを1サイクルとしたサイクル平均COPは、式1で表される。
<式1>
サイクル平均COP=(Qh_SUM(J)−Qd_SUM(J))/(Wh_SUM(J)+Wd_SUM(J))
ここで、式1の分子は水への積算加熱量(J)であるため、暖房運転時の積算加熱量Qh_SUM(J)から除霜運転中に水から吸熱する熱量Qd_SUM(J)を引いている。
<式2>
除霜に使用される積算熱量(J)=Qd_SUM(J)+Wd_SUM(J)
図6に示すように、開閉弁6を閉じて除霜運転した場合、圧縮機1から吐出された高温高圧のガス冷媒(図6の点1)が、第2熱交換器5で放熱して霜を融かしながら凝縮し液冷媒となり(図6の点2)、膨張機構4で低温低圧の気液二相冷媒に減圧され(図6の点3)、第1熱交換器3で水から吸熱しながら低圧のガス冷媒となって(図6の点4)、圧縮機1に戻る。
この場合、図6に示すモリエル線図において、点2から点3までの幅の広さが示すように、水を熱源として除霜運転を行う場合、膨張機構4部分の抵抗が大きい。そのため、水からの吸熱量に対する冷媒の循環量が少なくなってしまう。その結果、圧縮機1の吸入時における冷媒の過熱度が大きく(図6参照)、圧縮機1の吸入時における冷媒の温度が熱源である水温近くまで高くなり、圧縮機1の吐出温度が高くなってしまう。
<式3>
Qd_SUM(J)+Wd_SUM(J)=Q_min+Q_loss
つまり、圧縮機1の吐出温度が上昇して空気への放熱であるQ_lossが上昇すると、除霜に使用される積算熱量(J)であるQd_SUM(J)+Wd_SUM(J)が大きくなってしまう。これは、除霜運転中に水から吸熱する熱量Qd_SUM(J)と、積算消費電力量Wd_SUM(J)とがともに増加することを意味する。つまり、圧縮機1の吐出温度が上昇して空気への放熱であるQ_lossが上昇すると、式1で示したサイクル平均COPが低下してしまう。
また、膨張機構4での圧力損失によっても、圧縮機入力が増大し、Wd_SUM(J)が増え、式1で示したサイクル平均COPは低下してしまう。
図7に示すように、開閉弁6を開けて除霜運転した場合、圧縮機1から吐出された高温高圧のガス冷媒(図7の点5)が、第2熱交換器5で放熱して霜を融かしながら凝縮し液冷媒となり(図7の点6)、バイパス回路7(及び膨張機構4)で低温低圧の気液二相冷媒に減圧され(図7の点7)、第1熱交換器3で水から吸熱して(図7の点8)、圧縮機1に戻る。
この場合、図6と図7とを比較することで分かるように、開閉弁6を開けたことにより、膨張機構4部分の抵抗が小さくなり(図6の点2,3間の幅>図7の点6,7間の幅)、冷媒の循環量が多くなる。すなわち、開閉弁6を開けたことにより、バイパス回路7を冷媒が流れるようになり、冷媒の循環量が多くなる。また、ヒートポンプ給湯器における冷媒の高低圧差が小さくなる。
冷媒循環量が十分に確保されているため、圧縮機1の吸入時における冷媒の過熱度が小さくなる。そのため、圧縮機1の吐出温度が上昇することが抑制され、放熱ロスが低減される。つまり、空気への放熱であるQ_lossが低減される。また、冷媒の高低圧差が小さくなることにより、圧縮機入力が低減され、Wd_SUM(J)が低減する。したがって、式1で示したサイクル平均COPが向上する。
この場合、制御部が圧縮機1の動作周波数を変化させ熱交換量を調整することで、圧縮機1への吸入冷媒過熱度SHが適正値となるようにする。吸入冷媒過熱度SHは、第2温度検出部11が検出する温度と第1温度検出部10が検出する温度との差である。
具体的には、液バックが発生している場合、制御部は圧縮機1の動作周波数を低下させて熱交換量を減少させることで、吸入冷媒過熱度SHを大きくする。圧縮機1の動作周波数を低下させて吸入冷媒過熱度SHを適正値にすることで、液バック防止だけでなく、圧縮機入力が低減される。
暖房負荷は、暖房運転時の運転状況から計算(推測)される。例えば、暖房負荷は、暖房運転中の圧縮機1の積算回転数を暖房運転時間で除した値により計算する。
図8に示すヒートポンプ給湯器は、図1に示すヒートポンプ給湯器に加え、圧縮機周波数検出部12を備える。その他は、図1に示すヒートポンプ給湯器と同一である。圧縮機周波数検出部12は、圧縮機1に接続され、圧縮機1の動作周波数を検出する。そのため、圧縮機周波数検出部12は、暖房運転中の圧縮機1の積算回転数を検出することができる。
つまり、制御部は、圧縮機周波数検出部12により検出した暖房運転中の圧縮機1の積算回転数と、暖房運転時間とから暖房負荷を計算できる。なお、暖房運転時間は、ヒートポンプ給湯器が備えるタイマー(時間計測部)により計測することで得られる。
暖房負荷と圧縮機積算回転数/暖房運転時間との関係は、図9に示すように、暖房負荷が大きい場合ほど、圧縮機積算回転数/暖房運転時間が大きくなり、暖房負荷が小さいほど、圧縮機積算回転数/暖房運転時間が小さくなる。
一方、暖房負荷が所定の値以下の場合(暖房負荷が小さい場合)は、早期に暖房運転に復帰する必要が無い。そのため、制御部は、除霜運転に時間はかかるものの、消費電力を低減させることができるように制御する。除霜運転中の圧縮機1の動作周波数を低くするほど、除霜能力Qd(W)は低下し除霜時間は長くなるものの、圧縮機入力が低減する。つまり、除霜運転中の圧縮機1の動作周波数を低くするほど、除霜運転中の積算消費電力量Wd_SUM(J)が低減する。そこで、所定の値よりも暖房負荷が小さい場合は、例えば、第2温度検出部11が検出する冷媒の温度が水温になるような吸入冷媒過熱度SHに吸入冷媒過熱度SHの目標値を設定して、圧縮機1の動作周波数を低くすることで、さらなる省エネ効果が得られる。
また、上記説明では、暖房負荷が所定の値よりも大きい場合は高い動作周波数で圧縮機1を運転し、暖房負荷が所定の値以下の場合は低い動作周波数で圧縮機1を運転するとした。しかし、暖房負荷が大きいほど圧縮機1の動作周波数を高くし、暖房負荷が小さいほど圧縮機1の動作周波数を低くしてもよい。
(S11)では、制御部は、除霜運転開始とともに暖房運転時の圧縮機積算回転数/暖房運転時間、つまり暖房負荷を算出する。
(S12)では、制御部は、四方弁2と開閉弁6とを切り替える。つまり、制御部は、冷媒の循環順序が暖房運転時と逆になるように四方弁2を切り替えるとともに、開閉弁6を開く。また、併せて、制御部は膨張機構4を全閉にしてもよい。
(S13)では、(S11)で算出した暖房負荷が所定の値より大きいか否かを判定する。暖房負荷が所定の値より大きい場合(S13でYES)、処理を(S14)へ進める。一方、暖房負荷が所定の値以下の場合(S13でNO)、処理を(S15)へ進める。
(S14)では、制御部は、吸入冷媒過熱度SHの目標値を小さい値に(例えば3[K]に)設定し、設定した吸入冷媒過熱度SHになるように高い動作周波数で除霜運転終了まで動作させる。
(S15)では、制御部は、吸入冷媒過熱度SHの目標値を大きい値に設定し、設定した吸入冷媒過熱度SHになるように低い動作周波数で除霜運転終了まで動作させる。
なお、ヒートポンプ装置がヒートポンプ空気調和機であれば、第1熱交換器3は、いわゆる室内機に設けられ、冷媒と空気とを熱交換する熱交換器となる。
図11は、実施の形態2に係るヒートポンプ給湯器の冷媒回路構成図である。図12は、図11に示す冷媒回路における暖房運転から除霜運転に切り替わったときの冷媒の流れを示す図である。図13は、図11に示す冷媒回路における除霜運転に切り替え後所定の時間経過したときの冷媒の流れを示す図である。図14は、図11に示す冷媒回路における除霜運転から暖房運転に切り替えるときの冷媒の流れを示す図である。なお、図12から図14において、破線矢印は冷媒の流れを示し、実線矢印は水の流れを示す。
実施の形態1に係るヒートポンプ給湯器における膨張機構4が、実施の形態2に係るヒートポンプ給湯器では第1膨張機構20、液溜め21、第2膨張機構22により構成される。つまり、実施の形態2に係るヒートポンプ給湯器の主冷媒回路は、圧縮機1、第1熱交換器3、第1膨張機構20、液溜め21、第2膨張機構22、第2熱交換器5が順次接続されて形成される。
また、バイパス回路7は、第1熱交換器3と第1膨張機構20との間と、第2膨張機構22と第2熱交換器5との間とを、第1膨張機構20、液溜め21、第2膨張機構22をバイパスして接続する。
さらに、第1温度検出部10は第1熱交換器3と第1膨張機構20との間に設けられ、第2温度検出部11は四方弁2と圧縮機1との間に設けられる。特に、第1温度検出部10は、第1熱交換器3と第1膨張機構20との間におけるバイパス回路7の接続点よりも第1熱交換器3よりの位置に設けられる。
そして、所定の時間経過したら、つまり液溜め21に冷媒が溜まったら、制御部は、四方弁2を実施の形態1の暖房運転時と同じように設定して、暖房運転を行う。
(S21)は、図10に示す(S11)と同一である。
(S22)では、制御部は、図12に示すように、第1膨張機構20を開き(全開にし)、第2膨張機構22を閉じ(全閉にし)、開閉弁6を閉じ、四方弁2を実施の形態1の除霜運転時と同じように設定する。そして、液溜め21に溜まった冷媒を取り出す。
(S23)では、液溜め21に溜まった冷媒を取り出した後、制御部は、図13に示すように、第1膨張機構20を閉じ(全閉にし)、開閉弁6を開ける。
(S24)から(S26)は、それぞれ図10に示す(S13)から(S15)と同一である。
そして、除霜運転から暖房運転に切り替える場合、制御部は、図14に示すように、開閉弁6を閉じてから、第1膨張機構20と第2膨張機構22とを開ける。これにより、液溜め21に冷媒を溜め、その後、四方弁2を切り替えて暖房運転を開始する。
なお、ヒートポンプ装置がヒートポンプ空気調和機であれば、第1熱交換器3は、いわゆる室内機に設けられ、冷媒と空気とを熱交換する熱交換器となる。
以上の実施の形態に係るヒートポンプ給湯装置は、
圧縮機1、四方弁2、水−冷媒熱交換器(第1熱交換器3)、膨張機構4、空気−冷媒熱交換器(第2熱交換器5)が順次接続された主冷媒回路において、前記水−冷媒熱交換器と前記空気−冷媒熱交換器をバイパスするバイパス回路7を備え、前記バイパス回路7は開閉弁6を備え、前記空気−冷媒熱交換器を除霜する除霜運転時に前記水−冷媒熱交換器で蒸発した冷媒の過熱度を検出する冷媒過熱度検出部(第1温度検出部10、第2温度検出部11)を備え、除霜運転時には前記開閉弁6を開にして前記バイパス回路7に冷媒を流し、前期冷媒過熱度検出部の検出値が所定の目標値になるように圧縮機周波数を変更するようにしたことを特徴とする。
Claims (8)
- 圧縮機と第1熱交換器と膨張機構と第2熱交換器とが順次接続された冷媒回路と、
暖房運転時には冷媒が前記圧縮機、前記第1熱交換器、前記膨張機構、前記第2熱交換器の順に循環するようにし、除霜運転時には冷媒が前記圧縮機、前記第2熱交換器、前記膨張機構、前記第1熱交換器の順に循環するようにして、前記暖房運転と前記除霜運転とを切り替える切替部と、
前記除霜運転時における前記第1熱交換器での冷媒の過熱度を検出する過熱度検出部と、
前記切替部により前記暖房運転から前記除霜運転に切り替えられた場合、前記冷媒回路を循環する冷媒の循環量を増加させるとともに、前記過熱度検出部が検出した過熱度が所定の目標値になるように前記圧縮機の動作周波数を制御する制御部と
を備えることを特徴とするヒートポンプ装置。 - 前記制御部は、暖房に必要な熱量である暖房負荷に応じて前記目標値を変更する
ことを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプ装置。 - 前記制御部は、暖房負荷が所定の値よりも大きい場合における前記目標値よりも、暖房負荷が前記所定の値よりも小さい場合における前記目標値を大きくすることで、暖房負荷が所定の値よりも大きい場合よりも、暖房負荷が前記所定の値よりも小さい場合には前記圧縮機の動作周波数を低くする
ことを特徴とする請求項2に記載のヒートポンプ装置。 - 前記ヒートポンプ装置は、さらに、
暖房運転時における前記圧縮機の積算回転数を検出する圧縮機周波数検出部と、
暖房運転時間を計測する時間計測部とを備え、
前記制御部は、前記圧縮機周波数検出部が検出した暖房運転時における前記圧縮機の積算回転数を、前記時間計測部が計測した前記暖房運転時間で除した値から前記暖房負荷を算出する
ことを特徴とする請求項2又は3に記載のヒートポンプ装置。 - 前記ヒートポンプ装置は、さらに、
開閉弁を有し、前記冷媒回路における前記第1熱交換器と前記膨張機構との間と、前記膨張機構と前記第2熱交換器との間とを、前記膨張機構をバイパスして接続するバイパス回路を備え、
前記制御部は、前記暖房運転から前記除霜運転に切り替えられた場合、前記バイパス回路が有する前記開閉弁を開くことにより、前記冷媒回路を循環する冷媒の循環量を増加させる
ことを特徴とする請求項1から4までのいずれかに記載のヒートポンプ装置。 - 前記制御部は、前記暖房運転から前記除霜運転に切り替えられた場合、前記膨張機構の開度を広げることにより、前記冷媒回路を循環する冷媒の循環量を増加させる
ことを特徴とする請求項1から4までのいずれかに記載のヒートポンプ装置。 - 前記ヒートポンプ装置は、さらに、
開閉弁を有し、前記冷媒回路における前記第1熱交換器と前記膨張機構との間と、前記膨張機構と前記第2熱交換器との間とを、前記膨張機構をバイパスして接続するバイパス回路を備え、
前記膨張機構は、第1熱交換器側から第2熱交換器へ順に、第1膨張機構、液溜め、第2膨張機構が順次接続されて構成され、
前記制御部は、前記暖房運転から前記除霜運転に切り替えられた場合、前記第1膨張機構を開けるとともに前記第2膨張機構を閉じ、所定の時間が経過すると、前記第1膨張機構を閉じるとともに、前記バイパス回路が有する前記開閉弁を開く
ことを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプ装置。 - 前記制御部は、前記除霜運転から前記暖房運転に切り替える場合、前記バイパス回路が有する前記開閉弁を閉じるとともに前記第1の膨張機構と前記第2膨張機構とを開き、所定の時間が経過すると、前記切替部を切り替えて前記圧縮機、前記第1熱交換器、前記膨張機構、前記第2熱交換器の順に冷媒が循環するようにする
ことを特徴とする請求項7に記載のヒートポンプ装置。
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