JP6372307B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents
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Description
図1に示すように、熱媒体回路(20)は、熱媒体としての水が循環する閉回路である。熱媒体回路(20)には、貯留タンク(21)と、循環ポンプ(22)と、加熱熱交換器(40)の一次側流路(41)が接続されている。
図1に示すように、冷媒回路(30)は、冷媒(例えばR245fa)が充填される閉回路である。冷媒回路(30)では、冷媒が循環することで蒸気圧縮式の冷凍サイクルが行われる。冷媒回路(30)は、室外に設置される室外ユニット(31)に収容されている。冷媒回路(30)には、圧縮機(32)と、加熱熱交換器(40)と、冷媒回収部(45)と、膨張機構(50)と、室外熱交換器(53)と、四方切換弁(55)と、ガス抜き部(60)とが設けられる。冷媒回路(30)には、圧縮機(32)の吸入側にアキュムレータが設けられていない。つまり、冷媒回路(30)は、アキュムレータレス式に構成され、これにより室外ユニット(31)の小型化とコストダウンが図られている。
圧縮機(32)は、吸入した冷媒を高圧圧力まで圧縮し吐出する。図1に示すように、圧縮機(32)は、中空円筒状のケーシング(33)と、該ケーシング(33)に収容されるモータ(34)及び圧縮機構(35)を有している。ケーシング(33)には、吸入管(36)(吸入部)が接続しており、ケーシング(33)の内部と吸入管(36)とが直に連通している。圧縮機構(35)には、吐出管(37)が接続されており、この吐出管(37)がケーシング(33)を貫通して外部まで延びている。モータ(34)は圧縮機構(35)と駆動軸(38)を介して連結し、圧縮機構(35)を回転駆動する。本実施形態の圧縮機構(35)は、スクロール式の圧縮機構で構成されるが、回転式の圧縮機構であれば、ロータリ式、揺動ピストン式(スイング式)等の他の方式を採用してもよい。
冷媒回路(30)には、加熱熱交換器(40)の二次側流路(42)が接続される。加熱熱交換器(40)は、一次側流路(41)を流れる水と二次側流路(42)を流れる冷媒とを熱交換させる利用側熱交換器を構成している。加熱熱交換器(40)は、対向流式の熱交換器で構成される。
冷媒回収部(45)は、ブリッジ回路(46)とレシーバ(47)とを有している。
ブリッジ回路(46)は、4つの配管(46a,46b,46c,46d)と、各配管(46a.46b,46c,46d)に1つずつ接続される4つの逆止弁(CV1,CV2,CV3,CV4)を有している。ブリッジ回路(46)では、4つの配管(46a,46b,46c,46d)がブリッジ状に接続されている。第1配管(46a)には第1逆止弁(CV1)が、第2配管(46b)には第2逆止弁(CV2)が、第3配管(46c)には第3逆止弁(CV3)が、第4配管(46d)には第4逆止弁(CV4)がそれぞれ接続される。各逆止弁(CV1,CV2,CV3,CV4)は、図1の矢印で示す方向の冷媒の流通を許容し、その逆方向の冷媒の流通を禁止する。第1配管(46a)の流出端と第2配管(46b)の流入端は、加熱熱交換器(40)の二次側流路(42)の液側端部と連通する。第2配管(46b)の流出端と第3配管(46c)の流出端とは、レシーバ(47)の流入管(48)と連通する。第2配管(46b)の流入端と第3配管(46c)の流出端とは、室外熱交換器(53)の液側端部と連通する。第4配管(46d)の流入端と第1配管(46a)の流入端とは、レシーバ(47)の流出管(49)と連通する。
レシーバ(47)は、縦長の中空円筒状の容器で構成されている。レシーバ(47)の頂部には、流入管(48)が接続され、レシーバ(47)の底部には、流出管(49)が接続されている。レシーバ(47)では、流入管(48)より流入した冷媒(例えば気液二相冷媒)がガス冷媒と液冷媒とに分離する。つまり、レシーバ(47)の内部では、下部に液溜まりが形成され、上部にガス溜まりが形成される。
膨張機構(50)は、流入側膨張弁(51)と流出側膨張弁(52)とを有している。流入側膨張弁(51)は流入管(48)に接続され、流出側膨張弁(52)は流出管(49)に接続される。各膨張弁(51,52)は、開度が調整可能な例えば電子膨張弁で構成される。
室外熱交換器(53)は、例えばフィン・アンド・チューブ式の熱交換器で構成される。室外熱交換器(53)の近傍には、室外ファン(54)が設置される。室外熱交換器(53)では、室外ファン(54)が搬送する空気と冷媒とが熱交換する。室外熱交換器(53)は、熱源側熱交換器を構成している。
四方切換弁(55)は、圧縮機(32)の吐出管(37)と連通する第1ポートと、圧縮機(32)の吸入管(36)と連通する第2ポートとを有している。四方切換弁(55)は、室外熱交換器(53)のガス側端部と連通する第3ポートと、加熱熱交換器(40)の二次側流路(42)のガス側端部と連通する第4ポートとを有している。四方切換弁(55)は、第1ポートと第4ポートが連通し且つ第2ポートと第3ポートが連通する第1状態(図1の実線で示す状態)と、第1ポートと第3ポートが連通し且つ第2ポートと第4ポートが連通する第2状態(図1の破線で示す状態)とに切り換わる。四方切換弁(55)が第1状態になると、通常の冷凍サイクル(加熱運転)が実行される。四方切換弁(55)が第2状態になると、デフロストサイクル(デフロスト運転)が実行される。つまり、四方切換弁(55)は、通常冷凍サイクルとデフロストサイクルとを相互に切り換える切換動作を行う切換機構を構成している。
ガス抜き部(60)は、ガス抜き管(61)とガス抜き弁(62)(開閉弁)とを有し、レシーバ(47)の冷媒(主としてガス冷媒)を圧縮機(32)の吸入管(36)に吸入させるように構成されている。ガス抜き管(61)の流入端は、レシーバ(47)の上部(ガス溜まりに対応する部分)に接続されている。ガス抜き管(61)の流出端は、吸入管(36)と繋がっている。ガス抜き弁(62)は、例えば電磁開閉弁で構成され、ガス抜き管(61)を開閉可能に構成される。
高温ヒートポンプ装置(10)は、各種のセンサとして、高圧圧力センサ(71)、低圧圧力センサ(72)、第1温度センサ(73)、第2温度センサ(74)、及び第3温度センサ(75)を有している。高圧圧力センサ(71)は、圧縮機(32)から吐出された高圧冷媒(吐出管(37)を流れる吐出冷媒)の圧力Pdを検出する高圧検出部を構成している。低圧圧力センサ(72)は、圧縮機(32)に吸入される低圧冷媒(吸入管(36)を流れる吸入冷媒)の圧力Psを検出する。
高温ヒートポンプ装置(10)は、各構成機器を制御する制御部(80)を備えている。制御部(80)は、信号入力部(81)、圧縮機制御部(82)、弁制御部(83)、及び切換制御部(84)を有している。
本実施形態に係る高温ヒートポンプ装置(10)は、加熱運転(通常冷凍サイクル)とデフロスト運転(デフロストサイクル)とを切り換えて行う。
加熱運転について、図2及び図6を参照しながら説明する。加熱運転では、加熱熱交換器(40)で熱媒体回路(20)の水が加熱される。加熱運転では、加熱熱交換器(40)が凝縮器となり、室外熱交換器(53)が蒸発器となる冷凍サイクルが行われる。
次いで、デフロスト運転について、図3及び図6を参照しながら説明する。デフロスト運転は、上述した加熱運転中に室外熱交換器(53)の伝熱管の表面に付着した霜を融かす運転である。
ところで、上述した加熱運転では、加熱熱交換器(40)の二次側流路(42)で冷媒が凝縮する。このため、二次側流路(42)の内部には、液冷媒が溜まり込んだ状態となる。このような状態から、即座に上記デフロスト運転へ移行すると、加熱熱交換器(40)に溜まった液冷媒が圧縮機(32)に吸入されてしまう。そこで、本実施形態の高温ヒートポンプ装置(10)では、加熱運転からデフロスト運転に切り換わる直前において、このようないわゆる液バック現象を回避するために、第1液回収動作を行うようにしている。この第1液回収動作について図4、図6、図7を参照しながら説明する。
上述したデフロスト運転では、除霜が行われる室外熱交換器(53)で冷媒が凝縮する。このため、室外熱交換器(53)の内部には、液冷媒が溜まり込んだ状態となる。このような状態から、即座に上記加熱運転へ移行すると、室外熱交換器(53)に溜まった液冷媒が圧縮機(32)に吸入されてしまう。そこで、本実施形態の高温ヒートポンプ装置(10)では、デフロスト運転から加熱運転に切り換わる直前において、このようないわゆる液バック現象を回避するために、第2液回収動作を行うようにしている。この第2液回収動作について、図5〜図7を参照しながら説明する。
上記実施形態によれば、加熱運転(通常冷凍サイクル)とデフロスト運転(デフロストサイクル)との切換動作の前に高圧圧力を上昇させるため、切換動作後には、蒸発器に切り換わった熱交換器(40,53)の冷媒の乾き度を増大できる。この結果、この熱交換器(40,53)から圧縮機(32)に吸入される液冷媒の量を低減することができる。
上述した実施形態については以下のような変形例の構成としてもよい。
変形例1は、上記実施形態と液回収動作中における高圧冷媒の圧力の上昇方法が異なるものである。具体的に、変形例1では、図8に示すように、第1液回収動作や第2液回収動作において、流入側膨張弁(51)が全開に制御される。一方、変形例1では、第1液回収動作の開始時から所定時間t1が経過すると、最低回転数であった圧縮機(32)の回転数が徐々に増大する。これにより、第1液回収動作では、徐々に高圧圧力Pdが上昇し、この高圧圧力Pdが閾値Aを越える。すると、第1液回収動作が終了しデフロスト運転が行われる。
変形例2は、上記実施形態と液回収動作中における高圧冷媒の圧力の上昇方法が異なるものである。具体的に、変形例2では、図9に示すように、第1液回収動作の開始時から所定時間t1が経過すると、全開であった流入側膨張弁(51)の開度が徐々に小さく絞られ、且つ最低回転数であった圧縮機(32)の回転数が徐々に増大する。これにより、第1液回収動作では、高圧圧力Pdが速やかに上昇して閾値Aを越える。すると、第1液回収動作が終了しデフロスト運転が行われる。
上記実施形態では、第1液回収動作、デフロスト運転、及び第2液回収動作のいずれにおいても循環ポンプ(22)を停止状態(OFF状態)としている。しかし、第1液回収動作、デフロスト運転、及び第2液回収動作の全部、または少なくとも1つ以上において循環ポンプ(22)を運転状態(ON状態)としてもよい。
20 熱媒体回路
22 循環ポンプ
30 冷媒回路
32 圧縮機
40 加熱熱交換器(利用側熱交換器)
45 冷媒回収部
47 レシーバ
50 膨張機構
51 流入側膨張弁
52 流出側膨張弁
53 室外熱交換器(熱源側熱交換器)
55 四方切換弁(切換機構)
60 ガス抜き部
71 高圧圧力センサ(高圧検出部)
Claims (7)
- 圧縮機(32)と、利用側熱交換器(40)と、膨張機構(50)と、熱源側熱交換器(53)とが設けられ、冷媒が循環して冷凍サイクルを行うように構成された冷媒回路(30)を備えたヒートポンプ装置であって、
上記冷媒回路(30)には、
上記圧縮機(32)で圧縮された冷媒が上記利用側熱交換器(40)で凝縮し、上記熱源側熱交換器(53)で蒸発する通常冷凍サイクルと、上記圧縮機(32)で圧縮された冷媒が上記熱源側熱交換器(53)、上記利用側熱交換器(40)を順に流れるデフロストサイクルとを相互に切り換える切換動作を行う切換機構(55)と、
上記熱源側熱交換器(53)の液側端部と利用側熱交換器(40)の液側端部との間に接続され、上記熱源側熱交換器(53)と利用側熱交換器(40)のうち凝縮器として機能する熱交換器(40,53)を通過した冷媒が流入するレシーバ(47)を有する冷媒回収部(45)と、
上記レシーバ(47)で分離されたガス冷媒を運転状態の上記圧縮機(32)に吸入させるガス抜き動作を行うガス抜き部(60)とが設けられ、
上記膨張機構(50)は、上記レシーバ(47)の流出側に設けられる流出側膨張弁(52)を有し、
上記冷媒回路(30)は、上記切換動作前に、上記流出側膨張弁(52)の開度を上記通常冷凍サイクル時の開度よりも小さくしながら上記ガス抜き動作を行うとともに、該ガス抜き動作の開始より所定時間経過後に上記冷媒回路(30)の高圧を上昇させる液回収動作を実行するように構成されている
ことを特徴とするヒートポンプ装置。 - 請求項1において、
上記膨張機構(50)は、上記レシーバ(47)の流入側に設けられる流入側膨張弁(51)を有し、
上記流入側膨張弁(51)は、上記液回収動作中に開度が小さくなることで上記冷媒回路(30)の高圧を上昇させるように構成されている
ことを特徴とするヒートポンプ装置。 - 請求項1又は2において、
上記圧縮機(32)は、上記液回収動作中に回転数を増大することで上記冷媒回路(30)の高圧を上昇させるように構成される
ことを特徴とするヒートポンプ装置。 - 請求項3において、
上記圧縮機(32)は、上記液回収動作の開始から所定の期間に亘って、該圧縮機(32)の回転数を最低回転数とするように構成される
ことを特徴とするヒートポンプ装置。 - 請求項4において、
上記通常冷凍サイクル中の上記利用側熱交換器(40)が加熱する熱媒体が流れるとともに、該熱媒体を循環させる循環ポンプ(22)を有する熱媒体回路(20)を備え、
上記循環ポンプ(22)は、上記通常冷凍サイクルから上記デフロストサイクルへの切換動作の前の上記液回収動作中に、停止するように構成される
ことを特徴とするヒートポンプ装置。 - 請求項1乃至5のいずれか1つにおいて、
上記通常冷凍サイクル中の上記利用側熱交換器(40)が加熱する熱媒体が流れるとともに、該熱媒体を循環させる循環ポンプ(22)を有する熱媒体回路(20)を備え、
上記循環ポンプ(22)は、上記デフロストサイクル中に停止するように構成される
ことを特徴とするヒートポンプ装置。 - 請求項1乃至6のいずれか1つにおいて、
上記冷媒回路(30)の高圧圧力を検出する高圧検出部(71)を備え、
上記冷媒回路(30)は、上記液回収動作中において上記高圧検出部(71)の検出圧力が閾値を越えると、上記液回収動作を完了し上記切換動作を行うように構成される
ことを特徴とするヒートポンプ装置。
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