JP2008116184A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 給湯や空調を行う冷凍サイクル装置において、システムの信頼性を向上させるとともに、排熱を有効利用する。
【解決手段】 本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機１１と、給湯用熱交換器１２と暖房用熱交換器１６とが並列に配置された並列回路と、膨張機構１５と、室外熱交換器１４とを順次環状に接続してなる主冷媒回路と、並列回路内で暖房用熱交換器１６の下流側に設けられ、冷媒の流量を調整する流量制御弁１７とを設け、高圧が設定値以上になったときに流量制御弁１７を開くように制御する。
本構成によって、給湯用熱交換器１２への高温入水時に高圧の異常上昇を抑制して冷凍サイクル装置の信頼性を確保しつつ、所望の加熱能力を得ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、給湯や空調を行う、冷凍サイクル装置に関する。

従来、給湯を行う冷凍サイクル装置では、貯湯タンク下部から流出した冷水が冷凍サイクル装置の給湯用熱交換器に流入し、圧縮機から吐出した高温冷媒と熱交換して温水となり、貯湯タンク上部へ戻る動作を貯湯タンク内の水の温度が所定温度（例えば中間期、夏期では６５℃、冬期では９０℃）になるまで運転される。冷凍サイクル運転初期では、貯湯タンク上部に温水が貯まり、下部には冷水が貯まる、つまり温度成層を形成しており、貯湯タンク下部からは常に冷水が給湯用熱交換器に供給されるが、運転後期になり貯湯タンクが温水で満たされ始めると貯湯タンク下部の冷水の温度も徐々に上昇し、冷凍サイクル装置の給湯用熱交換器へ供給させる水の温度も高くなる。それに伴って、給湯用熱交換器出口の冷媒温度も上昇し、高圧が上昇して冷凍サイクル装置の信頼性を損ねていた。

そこで、特許文献１に開示されたヒートポンプ給湯装置では、給湯用熱交換器への入水温度が標準温度より高ければ圧縮機の規定周波数を減少させて高圧上昇を抑制していた。図９、図１０は特許文献１に記載された従来のヒートポンプ装置およびその運転フローチャートを示すものである。

図９において、貯湯タンク２０内の温度センサ２０Ａ、２０Ｂ，２０Ｃ、２０Ｄによって、貯湯タンク２０内の湯量が所定値以下となったことを検出すると、ヒートポンプ回路１０を動作させて貯湯運転を開始する。ヒートポンプ回路１０では、圧縮機１１で圧縮された冷媒は、給湯用熱交換器１２で放熱し、メイン膨張弁１３Ａ及びキャピラリチューブ１３Ｂで減圧された後、蒸発器１４にて吸熱し、ガス状態で圧縮機１１に吸入される。一方、循環ポンプ２３の運転により、貯湯タンク２０内の水は、底部配管２２を通って水用配管１２Ａに導かれ、水用配管１２Ａで加熱された温水は、上部循環用配管２４を取って貯湯タンク２０に戻される。圧縮機１１での能力制御及び膨張弁１３での開度制御は、温度センサ１０Ａで検出される冷媒吐出温度が、予め設定された温度を維持するように制御される。図１０は圧縮機１１の周波数決定制御のブロック図である。規定周波数設定手段４１では、予め基準となる運転周波数を設定している。入水負荷設定手段では、入水温度によって、その温度範囲を複数の区間に区分し、それぞれの区分において増減する周波数を設定している。即ち、この入水負荷設定手段４２では、入水温度が標準温度より高ければ規定周波数を減少させ、入水温度が標準温度より低ければ規定周波数を増加させるように設定している。
特開２００５−１４７５４２号公報

しかしながら、高圧上昇を抑制するために圧縮機の運転周波数を減少させると、冷媒循環量が減少し、給湯用熱交換器での給湯加熱能力が低下するため、所望の温水温度および沸き上げ時間を達成できないと言う課題を有していた。

本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、給湯用熱交換器へ高温水が入水した場合において、給湯用熱交換器と並列に接続された暖房用熱交換器へ一部冷媒を流入させて高圧を設定値まで減少させ、冷凍サイクル装置の信頼性を確保しつつ、所望の加熱能力を得ることを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置においては、圧縮機と、給湯用熱交換器と暖房用熱交換器とが並列に配置された並列回路と、膨張機構と、室外熱交換器とを順次環状に接続してなる主冷媒回路と、並列回路内で暖房用熱交換器の下流側に設けられ、冷媒の流量を調整する流量制御弁とを設け、高圧が設定値以上になったときに流量制御弁を開くように制御する。

本構成によって、給湯用熱交換器への高温入水時に高圧の異常上昇を抑制して冷凍サイクル装置の信頼性を確保しつつ、所望の加熱能力を得ることができる。

本発明のヒートポンプ装置によれば、給湯用熱交換器への高温入水時に高圧の異常上昇を抑制して冷凍サイクル装置の信頼性を確保しつつ、所望の加熱能力を得ることができる。

本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、給湯用熱交換器と暖房用熱交換器とが並列に配置された並列回路と、膨張機構と、蒸発器とを順次環状に接続してなる主冷媒回路と、並列回路内で暖房用熱交換器の下流側に設けられ、冷媒の流量を調整する流量制御弁とを設け、高圧が設定値以上になったときに流量制御弁を開くように制御する。

これにより、給湯用熱交換器への高温入水時に高圧の異常上昇を抑制できるため、冷凍サイクル装置の信頼性を確保することができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、背景技術と同一構成については同一符号を付す。

図１において、本実施形態の冷凍サイクル装置は、冷媒を高温高圧に圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１から吐出された高温高圧冷媒を２方向に分岐させ、一方を貯湯タンク２０の低温水と熱交換させて高温高圧冷媒を冷却する給湯用熱交換器１２と、他方を室内暖房、床暖房、浴室暖房等に利用する暖房用熱交換器１６と、並列回路内の暖房用熱交換器１６側に設けられた冷媒循環量を調整する流量制御弁１７と、給湯用放熱器１２から流出した冷媒と暖房用熱交換器１６から流出した冷媒とを混合させた後、減圧膨張させる膨張機構１５と、室外ファン１８から流れる空気と熱交換させて大気から吸熱する蒸発器１４から構成される。

給湯を行う運転では、貯湯タンク２０の下部から流出した冷水が冷凍サイクル装置の給湯用熱交換器１２に流入し、圧縮機１１から吐出した高温冷媒と熱交換して温水となり、貯湯タンク２０上部へ戻る動作を貯湯タンク２０内の水の温度が所定温度（例えば中間期、夏期では６５℃、冬期では９０℃）になるまで運転される。冷凍サイクル運転初期では、貯湯タンク２０上部に温水が貯まり、下部には冷水が貯まる、つまり温度成層を形成しており、貯湯タンク２０下部からは常に冷水が給湯用熱交換器１２に供給されるが、運転後期になると貯湯タンク２０下部の冷水の温度が上昇し、冷凍サイクル装置の給湯用熱交換器１２への入水温度が高くなり、高圧の異常上昇を招く。ここで、冷凍サイクル装置の給湯用熱交換器１２への入水温度が高くなると高圧が上昇する理由について図２をもとに説明する。図２は、通常運転時と給湯用熱交換器へ流入する水の温度が高くなったとき（沸き終い時）の圧力-比エンタルピ線図である。高温冷媒と低温水を熱交換させる際、給湯用熱交換器へ流入する低温水の温度が上昇すると給湯用熱交換器から流出する冷媒の温度も上昇するため、給湯用熱交換器出口冷媒のエンタルピが増加する。膨張機構が例えば
膨張弁の場合、給湯用熱交換器から出た冷媒は等エントロピー変化で減圧膨張するため蒸発器入口の冷媒エンタルピも増加することになる。よって蒸発器内にホールドされている冷媒の平均密度は減少することになり、蒸発器の容積は一定であることから蒸発器にホールドされる冷媒重量は減少する。冷凍サイクル内の冷媒重量は一定であるので、給湯用熱交換器へ流入する水温が上昇したことによって蒸発器でホールドしきれなくなった冷媒は高圧側へ移動するため圧力は上昇することになる。沸き終い時は、一点鎖線で示すような高圧、給湯用熱交換出口冷媒温度、圧縮機吐出温度が上昇した圧力-比エンタルピ線図になる。この高圧異常上昇を回避するための制御方法を図３のフローチャートをもとに説明する。

まず、Ｓ１で冷媒圧力検出手段３７の検出値を読み、設定値Ｐa（例えば１３MPa）以下になっているか判断する。ここで設定値ＰaになっていなければＳ２に移り、制御手段２１によって流量制御弁１７を冷媒圧力検出手段３７の値が設定値以下になるように開く。設定値ＰaになっていればＳ３に移り運転を継続する。Ｓ２とＳ３の後はまたＳ１に戻って再度図２のフローチャートを貯湯タンク内の温水温度が設定値（例えば中間期、夏期では６５℃、冬期では９０℃）になるまで継続させる。

なお、流量制御弁１７の設置場所は図１においては暖房用熱交換器１６の下流側であるが、上流側であっても構わない。

また、その他の代替手段として図４に示すような高圧側の冷媒温度（給湯用熱交換器１２の出口から膨張機構１５の間の配管の冷媒温度）を検出しても良い。つまり、給湯用熱交換器１２へ流入する水の温度が上昇すると、給湯用熱交換器１２出口冷媒温度も上昇し、高圧も上昇するため高圧が設定値以上となる給湯用熱交換器１２出口冷媒の温度をあらかじめ導出しておいて、高圧が設定値以上となった場合に図３のフローチャートと同様に流量制御弁１７を開くように制御する。

なお、その他の代替手段として、例えば図５に示すように給湯用熱交換器へ流入する水の入水温度（入水温度検出手段３８で検知）と圧縮機周波数（圧縮機周波数検出手段３９で検知）から予測しても良い。つまり、図６に示すような給湯用熱交換器入水温度と圧縮機周波数、高圧との関係をあらかじめ実験等により導出しておき、高圧が設定値以上であるかどうかを推測する。圧縮機周波数と給湯用熱交換器への入水温度が増加するにつれて高圧も上昇するため、図６に示すような関係が導ける。図６に示す高圧が設定値以上（図に示す点線より上方）となる圧縮機周波数と入水温度の条件においては高圧が設定値以上となったと判断し、図３のフローチャートと同様に流量制御弁１７を開くように制御する。

また、従来であれば高圧の異常上昇を抑制するために圧縮機周波数を小さくしたり、膨張弁を開いたり、さらには圧縮機と膨張弁をバイパスさせるバイパス回路を設けバイパス回路に冷媒を流すようにしていた。しかし、このシステムは給湯と暖房を行う多機能システムであるがゆえに、暖房用熱交換器を設置している流路がバイパス回路の役割を果たすため、バイパス回路を新たに設置する必要がなくコストメリットも出る。また、流量制御弁１７をわずかに開くだけで高圧低減効果は得られることから、給湯用熱交換器１２への循環量低減もわずかなものであり、また圧縮機周波数を下げる必要はなく膨張機構１５の開度も大きくする必要がないため給湯能力を低減させることなく高圧異常上昇を抑制することができる。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、背景技術と同一構成については同一符号を付す。

図７において、本実施形態のヒートポンプ装置は、図１に示すヒートポンプ装置において、暖房用熱交換器１６と並列に放熱手段２７と蒸発器１４とを２次冷媒配管２６を介して接続し、２次冷媒配管２６に循環ポンプ２５を備えた構成とする。

ここで、実施の形態２の制御方法を図８の制御フローチャート図を用いて説明する。制御フローチャートのS2、S3までは図３と同様であるが、S2で流量制御弁を開いた後S4に移り循環ポンプを起動させる。

通常であれば高圧の異常上昇を検知して流量制御弁１７を開くことで高圧の異常上昇を抑制はできるが、高温冷媒の一部が並列回路のもう一方の流路をそのまま流れ膨張機構１５で減圧されるため高温冷媒の熱を無駄にすることになるが、この構成にすることにより、今まで無駄にしていた高温冷媒の熱を有効利用することができる。例えば、冬期に運転を行っている場合、冷媒の蒸発温度が0℃以下になると蒸発器のフィンに着霜が起こり、従来は冷凍サイクル装置の運転を止めるもしくは膨張弁を開いて霜を融かしていたため、霜を融かしている間は給湯や暖房が行えなかったが、この構成で制御を行うことで蒸発器１４に高温冷媒の熱が伝わり、給湯や暖房運転を止めることなく霜を融かすことができる。さらに夏期、中間期、冬期を通して、蒸発器における冷媒沸点上昇が起こり、高低圧力差が小さくなることで圧縮機動力が低減し、ＣＯＰが向上する。

また、本実施形態においては、図７において、冷媒圧力検出手段３７を用いた場合に付いて説明した。しかしながら、実施形態１と同様に、図４〜６に開示されているように、高圧推定手段を用いた場合にも本実施形態は有効である。

以上、本発明の実施の形態１および２について説明したが、本発明で使用する冷媒はCO2等の高圧側が超臨界となって作動する冷媒が望ましい。本発明のように給湯機能を有するシステムにおいてはフロン系冷媒のような凝縮域を有する冷媒よりもCO2等の高圧側が超臨界となって作動する冷媒のほうが高温加熱に有利であるからである。

本発明にかかる冷凍サイクル装置は、給湯機、冷凍・空調機器や乾燥装置などの冷凍サイクル装置として利用することができる。

本発明の実施の形態１における、冷凍サイクル装置の構成図 本発明の実施の形態１における、沸き終い時の圧力-比エンタルピ線図 本発明の実施の形態１における、冷凍サイクル装置の制御フローチャート 本発明の実施の形態１における、冷凍サイクル装置の構成図 本発明の実施の形態１における、冷凍サイクル装置の構成図 本発明の実施の形態１における、冷凍サイクル装置の構成図 本発明の実施の形態２における、冷凍サイクル装置の構成図 本発明の実施の形態２における、冷凍サイクル装置の制御フローチャート 従来の冷凍サイクル装置図 従来の冷凍サイクル装置の制御フローチャート

符号の説明

１０ ヒートポンプ回路
１０Ａ 温度センサ（吐出温度検出手段）
１０Ｂ 圧力センサ（吐出圧力検出手段）
１０Ｃ 温度センサ（外気温度検出手段）
１１ 圧縮機
１２ 給湯用熱交換器
１２Ａ 水用配管
１３Ａ 第１開閉弁
１３Ｂ キャピラリーチューブ
１４ 蒸発器
１５ 膨張機構
１６ 暖房用熱交換器
１７ 流量制御弁
１８ 室外ファン
１９ 使用端末
２０ 貯湯タンク
２０Ａ、２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ 温度センサ
２１ 制御手段
２２ 底部配管
２３ 第１の循環ポンプ
２４ 上部循環用配管
２５ 第２の循環ポンプ
２６ ２次冷媒配管
２７ 放熱手段
３０Ａ 流量センサ
３０Ｂ 温度センサ
３３ 出湯用配管
３４ 混合弁
３５ 出水用配管
３６ 冷媒温度検出手段
３７ 冷媒圧力検出手段
３８ 入水温度検出手段
３９ 圧縮機周波数検出手段
４１ 規定周波数設定手段
４２ 入水負荷設定手段
４３ 外気負荷設定手段
４４ 入水負荷決定手段
４５ 外気負荷決定手段
４６ 目標周波数決定手段

Claims (4)

1. 圧縮機と、給湯用熱交換器と暖房用熱交換器とが並列に配置された並列回路と、膨張機構と、蒸発器とを順次環状に接続してなる主冷媒回路と、前記並列回路内で前記暖房用熱交換器側に設けられ、冷媒の流量を調整する流量制御弁とを備え、
   前記圧縮機の吐出側と前記膨張機構の入口までの間の主冷媒回路の高圧が予め定められた設定値以上になると、前記流量制御弁の開度を大きくする冷凍サイクル装置。
2. 前記主冷媒回路を流れる冷媒を一次冷媒とし、
   前記暖房用熱交換器と、前記蒸発器と、二次冷媒を循環させる循環ポンプとを配管を介して接続する二次冷媒回路をさらに有し、
   前記暖房用熱交換器および前期蒸発器において、前記一次冷媒と前記二次冷媒とが熱交換し、
   前記高圧が予め定められた設定値以上になると、前記流量制御弁の開度を調整し、かつ、前記循環ポンプを作動させる請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記給湯用熱交換器の出口から前記膨張機構の入口の間に設けられた冷媒温度検出手段と、前記冷媒温度検出手段によって測定された冷媒温度により高圧を推定する手段とをさらに備え、
   前記高圧が予め定められた設定値以上になると、前記流量制御弁の開度を調整する請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記給湯用熱交換器の入口水配管に水温度検出手段と、前記圧縮機の周波数を検出する圧縮機周波数検出手段をさらに備え、
   前記水温度検出手段の検出値と前記圧縮機周波数検出手段の検出値から高圧を推測し、推測値が予め定められた設定値以上になると、前記流量制御弁の開度を調整する請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。

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