JP2006023002A

JP2006023002A - ヒートポンプ

Info

Publication number: JP2006023002A
Application number: JP2004200658A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Wakamoto; 慎一若本; Toshihide Koda; 利秀幸田; Hajime Yoshiyasu; 一吉安
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-07-07
Filing date: 2004-07-07
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2024-07-07
Also published as: JP4608971B2

Abstract

【課題】給湯器などに使用されるヒートポンプでは、高温の湯を得るために、圧縮機入口での冷媒の過熱度（圧縮機入口での圧力での飽和温度と冷媒温度との差）を大きく取り、圧縮機から吐出される冷媒の温度が高くなるように運転している。そのため、圧縮機で消費する電力量が大きくなり、給湯器用のヒートポンプは効率が悪い運転をしている。
【解決手段】熱源により冷媒に熱を与える第１熱交換器６と、第１熱交換器６で熱を与えられた冷媒を圧縮する第１圧縮機１と、第１圧縮機１で圧縮された冷媒を圧縮する第２圧縮機２と、第２圧縮機２で圧縮された冷媒から熱を奪う第２熱交換器４と、第２熱交換器４で熱を奪われた冷媒を第１熱交換器６に戻す帰還路５と、第１圧縮機１から吐出される冷媒よりも高温になるように第２圧縮機２に入る冷媒を加熱する冷媒加熱手段３とを備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、給湯器などに使用されるヒートポンプに関するものである。

給湯器などに使用されるヒートポンプでは、約７０℃〜約９０℃の範囲という高温の湯を得るために、圧縮機入口での冷媒の過熱度（圧縮機入口での圧力での飽和温度と冷媒温度との差）を大きく取り、圧縮機から吐出される冷媒の温度が沸かす湯の温度よりも高くなるように運転している。ヒートポンプで２台以上の圧縮機を直列に接続することはよく行われている。（例えば、特許文献１を参照）

特開平６−２９６６号公報

圧縮機入口での冷媒の過熱度が高いほど、同じ出力を得るために圧縮機で消費する電力量が大きくなり、給湯器用のヒートポンプは効率が悪い運転をしている。ヒートポンプの効率を改善する技術が望まれている。

この発明に係るヒートポンプは、熱源により冷媒に熱を与える第１熱交換器と、該第１熱交換器で熱を与えられた冷媒を圧縮する第１圧縮機と、該第１圧縮機で圧縮された冷媒を圧縮する第２圧縮機と、該第２圧縮機で圧縮された冷媒から熱を奪う第２熱交換器と、該第２熱交換器で熱を奪われた冷媒を前記第１熱交換器に戻す帰還路と、前記第１圧縮機から吐出される冷媒よりも高温になるように前記第２圧縮機に入る冷媒を加熱する冷媒加熱手段とを備えたものである。

また、熱源により冷媒に熱を与える第１熱交換器と、該第１熱交換器で熱を与えられた冷媒を圧縮する圧縮途中に流体を吸入する中間圧吸入口を有する中間圧インジェクション圧縮機と、該中間圧インジェクション圧縮機で圧縮された冷媒から熱を奪う第２熱交換器と、該第２熱交換器で熱を奪われた冷媒を前記第１熱交換器に戻す帰還路と、前記中間圧インジェクション圧縮機の前記中間圧吸入口よりも高圧側に入る冷媒の温度が前記中間圧インジェクション圧縮機で圧縮された冷媒の前記中間圧吸入口での温度よりも高くなるように加熱する冷媒加熱手段とを備えたものである。

この発明に係るヒートポンプは、熱源により冷媒に熱を与える第１熱交換器と、該第１熱交換器で熱を与えられた冷媒を圧縮する第１圧縮機と、該第１圧縮機で圧縮された冷媒を圧縮する第２圧縮機と、該第２圧縮機で圧縮された冷媒から熱を奪う第２熱交換器と、該第２熱交換器で熱を奪われた冷媒を前記第１熱交換器に戻す帰還路と、前記第１圧縮機から吐出される冷媒よりも高温になるように前記第２圧縮機に入る冷媒を加熱する冷媒加熱手段とを備えたものなので、同じ出力を得るために必要な圧縮機仕事量を低減できるという効果が有る。

また、熱源により冷媒に熱を与える第１熱交換器と、該第１熱交換器で熱を与えられた冷媒を圧縮する圧縮途中に流体を吸入する中間圧吸入口を有する中間圧インジェクション圧縮機と、該中間圧インジェクション圧縮機で圧縮された冷媒から熱を奪う第２熱交換器と、該第２熱交換器で熱を奪われた冷媒を前記第１熱交換器に戻す帰還路と、前記中間圧インジェクション圧縮機の前記中間圧吸入口よりも高圧側に入る冷媒の温度が前記中間圧インジェクション圧縮機で圧縮された冷媒の前記中間圧吸入口での温度よりも高くなるように加熱する冷媒加熱手段とを備えたものなので、同じ出力を得るために必要な圧縮機仕事量を低減できるという効果が有る。

実施の形態１．
図１に、実施の形態１でのヒートポンプの構成を説明する図を示す。このヒートポンプは、給湯器などで湯を沸かす熱源として使用する２段圧縮のヒートポンプである。このヒートポンプの冷媒は、地球環境に悪影響を与える度合いが少ない二酸化炭素とする。このヒートポンプは、冷媒を圧縮する低圧側の第１圧縮機１と、高圧側の第２圧縮機２と、第１圧縮機１から吐出され第２圧縮機２に入る冷媒を加熱する冷媒加熱手段３と、第２圧縮機２から吐出される冷媒から熱を奪って水を加熱する放熱器４と、放熱器４から出る冷媒を減圧する減圧弁５と、減圧弁５により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器６と、これらの間で冷媒を流す冷媒配管７から構成する。放熱器４には水配管８があり、ポンプ９により水配管８の中を加熱される水が流れる。

冷媒は、第１圧縮機１、冷媒加熱手段３、第２圧縮機２、放熱器４、減圧弁５及び蒸発器６の間で、冷媒配管７により、この順番に流れて循環する。蒸発器６が第１熱交換器であり、放熱器４が第２熱交換器である。減圧弁５とその両側の冷媒配管７Ａと冷媒配管７Ｂとが帰還路であり、放熱器４と蒸発器６との間をつなぐ。
冷媒加熱手段３は、第２圧縮機２から吐出されて第１圧縮機１の吸入口に戻る冷凍機油が持つ熱や他のヒートポンプや蓄熱装置などの廃熱を利用して、冷媒を加熱するものとする。なお、冷凍機油は圧縮機の動作を滑らかにするための潤滑油である。冷凍機油は冷媒とともに圧縮機で圧縮される。圧縮機から吐出された冷凍機油は、分離されて特別の配管で圧縮機の吸入口に戻す場合もあれば、分離しないで冷媒とともに流す場合もある。

次に動作を説明する。冷媒の状態変化を説明する温度エントロピ図を、図２に示す。実線がこの発明に係るヒートポンプの動作を示す軌跡であり、破線が従来のヒートポンプの動作を示す軌跡である。この発明に係る方式を本方式と呼ぶ。冷媒の状態と対応する位置を説明する図を、図３に示す。図３では点を意味する記号を四角で囲んで表示する。
第１圧縮機１に吸入される冷媒は、図２に示す点Ａで示される低温低圧の気体である。第１圧縮機１で断熱圧縮されることにより、冷媒は点Ｂで示される中間圧の気体となる。なお、厳密には圧縮機内部の表面と冷媒との間で僅かな熱の伝導は有る。この伝導で伝わる熱量はヒートポンプが移動させる熱量と比較すると無視できるほど小さいので、圧縮機では断熱圧縮すると考える。

冷媒加熱手段３でほぼ定圧で加熱されて、冷媒は点Ｃで示される点Ｂよりも温度が高い状態になる。そして、冷媒が第２圧縮機２でさらに圧縮されて、冷媒は点Ｄで示される高温高圧の気体となる。点Ｄでの冷媒は、圧力一定で温度が低下しても液体になることがない超臨界の領域である。
放熱器４で水を加熱しながら冷媒の温度が低下して、点Ｅで示す低温高圧の状態に点Ｄから変化する。ここで、ヒートポンプの出力を満足するように、点Ｄと点Ｅの位置が決められる。減圧弁５で減圧されると、冷媒は点Ｆで示す低温低圧の気液二相状態になる。そして、蒸発器６で外気から熱を奪って液体の冷媒が蒸発して、気体の状態である点Ａの位置に戻る。

一方、冷媒加熱手段３がない従来のヒートポンプで同じ出力を得る場合の動作は以下のようになる。出力を同じにするために、第２圧縮機２、放熱器４及び減圧弁５は本方式の場合と同様に動作し、冷媒の状態の軌跡はＣ−Ｄ−Ｅ−Ｆとなる。第１圧縮機１と蒸発器６の動作は、本方式と従来とでは異なる。第１圧縮機１では冷媒の状態が点Ａ２から点Ｃになるように断熱圧縮する。そして、蒸発器６では、冷媒の状態を点Ｆから点Ａ２まで変化させるように定圧で加熱する。なお、点Ａ２は点Ａよりも温度すなわち過熱度が高い。
点Ａ２が点Ａよりも温度すなわち過熱度が高くなる理由を説明する。本方式では第１圧縮機１で圧縮した後に冷媒加熱手段３により点Ｂから点Ｃまで加熱するのに対して、従来方式では冷媒加熱手段３による加熱がないので、第１圧縮機１での圧縮後に本方式と同じ点Ｃになるためには、第１圧縮機１に入る冷媒の温度を本方式よりも高くする必要があるからである。

一般にヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）は、以下の式で計算される。成績係数が高いほど少ないエネルギーで多くの熱量を得る事ができる。つまり、成績係数が高いほど高性能のヒートポンプである。
成績係数＝利用できる熱量／圧縮機仕事量
ここで、圧縮機仕事量は、温度エントロピ図では、ヒートポンプの１サイクルの軌跡が囲む面積になる。利用できる熱量は、点Ｄと点Ｅの位置により決まる。

図２から分かるように、本方式のヒートポンプでは、ハッチングを施した軌跡Ａ−Ａ２−Ｃ−Ｂ−Ａで囲まれる部分の面積だけ、従来よりも圧縮機仕事量が少ない。つまり、本方式のヒートポンプでは、従来のヒートポンプよりも成績係数が高い値になる。なお、冷媒加熱手段３での熱源は、第２圧縮機２から吐出されて第１圧縮機１の吸入口に戻る冷凍機油や他のヒートポンプや蓄熱装置などの廃熱を利用するので、そのエネルギー量を成績係数の分母として考慮する必要がない。

本方式のヒートポンプで従来よりも圧縮機仕事量が少なくなることを、別の角度から説明する。図４に、冷媒の状態変化を説明する圧力エンタルピ図を示す。図２と同様に、実線で本方式のヒートポンプの軌跡を表現し、破線で従来のヒートポンプの軌跡を表現する。点を表す記号の意味は、図２の場合と同じとする。
圧縮機仕事量は、圧縮機の入口と出口でのエンタルピ差である。そのため、本方式での圧縮機仕事量は、軌跡Ａ−Ｂでのエンタルピの増分ΔＨ１と軌跡Ｃ−Ｄでのエンタルピの増分ΔＨ２の和である。従来のヒートポンプでは、軌跡Ａ２−Ｄでのエンタルピ増分ΔＨが圧縮機仕事量になる。

図４から分かるように、温度が低くエンタルピが小さい冷媒を所定の圧力まで圧縮するのに要する圧縮機仕事量は、温度が高くエンタルピが大きい冷媒の場合と比較して小さい。つまり、図４における軌跡Ａ−Ｂの傾きの方が、軌跡Ａ２−Ｄの傾きよりも大きい。そのため、ΔＨ１＋ΔＨ２＜ΔＨとなり、本方式の圧縮機仕事量の方が小さくなる。

本方式による圧縮機仕事量の削減量に関して考察する。圧縮機仕事量の削減量を変数ＤＨで表現することとする。まず、変数の定義から以下が成立する。
ＤＨ＝ΔＨ−ΔＨ１−ΔＨ２（式１）
従来の軌跡Ａ−Ａ２で蒸発器６により冷媒に与えられる熱量をＱ１とし、本方式の軌跡Ｂ−Ｃで冷媒加熱手段３により冷媒に与えられる熱量をＱ２とすると、図における位置Ａから位置Ｄに移動するのに必要なエンタルピ量は、どの経路をとっても同じになるので、以下が成立する。
ΔＨ１＋Ｑ２＋ΔＨ２＝Ｑ１＋ΔＨ（式２）
（式２）を（式１）に代入して、以下の式を得る。
ＤＨ＝Ｑ２−Ｑ１（式３）
（式３）より、冷媒加熱手段３により冷媒に与えられる熱量Ｑ２と蒸発器６により冷媒に与えられる熱量Ｑ１との差が、圧縮機仕事量の削減量ＤＨとなることが分かる。つまり、冷媒加熱手段３により従来よりも多くの熱量を冷媒に与えると、従来よりも多い熱量の分だけの圧縮機仕事量を削減できる。

冷媒加熱手段３を付加することでヒートポンプへの何らかの機械的入力が増加する場合でも、増加する機械的入力の量が（式３）で表現される圧縮機仕事量の減少量よりも小さければ、ヒートポンプの効率を改善できる。
図４から、（式３）で計算される圧縮機仕事量の削減量ＤＨを大きくするには、点Ｂと点Ｃの圧力を高くして、Ｑ２を大きくすればよいことが分かる。ただし、点Ｂと点Ｃの圧力を高くすると温度も高くなるので、冷媒加熱手段３が利用する熱源の温度を高くする必要がある。なお、第１圧縮機１の吸入口での圧力、第１圧縮機１の吐出口での圧力すなわち第２圧縮機２の吸入口での圧力、第２圧縮機２の吐出口での圧力は、さまざまな要因を考慮して総合的に決める。

この実施の形態１では、２個の圧縮機が直列に接続される場合で説明したが、３個以上の圧縮機が直列に接続する場合にも適用できる。直列に接続された圧縮機の間であればどこに冷媒加熱手段を配置しても、圧縮機の間に冷媒加熱手段を配置しない場合と比較して、ヒートポンプの圧縮機仕事量を低減できるという効果がある。
３個以上の圧縮機がある場合も、圧縮機仕事量の削減量ＤＨを大きくするには、冷媒の流れから見て最下流の最も圧力が高い圧縮機に入る冷媒を加熱することが有効である。冷媒加熱手段３が利用できる熱源の温度に制約がある場合は、複数箇所で冷媒を加熱するようにして、冷媒に与える熱量をできるだけ大きくなるようにする。
直列に接続する少なくとも２個の圧縮機を有するヒートポンプであれば、並列に接続される圧縮機が存在してもよい。

この実施の形態１では、二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプで説明したが、冷媒は二酸化炭素以外でもよい。また、給湯器で利用する場合で説明したが、蓄熱装置などで利用するようにしてもよい。
以上のことは、他の実施の形態でもあてはまる。

実施の形態２．
図５に、実施の形態２でのヒートポンプの構成を説明する図を示す。実施の形態２は、第２圧縮機２から吐出される冷凍機油の熱を利用する冷媒加熱手段３としての具体的な構成を備えるように、実施の形態１を変更したものである。なお、冷凍機油の量は、圧縮機内では冷媒の量の１０％程度である。

実施の形態１での図１と異なる点だけを説明する。油分離器１０、冷媒加熱用熱交換器１１及び第２減圧弁１２と、これら及び第１圧縮機１の吸入側の冷媒配管７とを接続する冷凍機油配管１３が追加されている。図１に有った冷媒加熱手段３は、これらの構成に置き換わっているので、図５では存在しない。
油分離器１０は第２圧縮機２と放熱器４の間にあり、冷媒から冷凍機油を分離する。油分離器１０で分離された高温高圧の冷凍機油は、冷凍機油配管１３により冷媒加熱用熱交換器１１に送られる。冷媒加熱用熱交換器１１では、高温高圧の冷凍機油により第１圧縮機１から吐出されて第２圧縮機２に入る冷媒を加熱する。第２減圧弁１２は、冷媒加熱用熱交換器１１からの冷凍機油を減圧する。第２減圧弁１２からの冷凍機油配管１３は、第１圧縮機１の吸入側で冷媒配管７に接続する。
この実施の形態２と同様だが冷媒加熱用熱交換器１１だけを有しない構成のヒートポンプは、従来から存在している。冷媒加熱用熱交換器１１を追加しているのが、この実施の形態２の特徴である。この実施の形態２では、冷媒加熱用熱交換器１１が冷媒加熱手段である。

次に動作を説明する。この実施の形態２でも、冷媒の状態変化は、実施の形態１の場合と同様になる。ここで、Ｂ−Ｃの状態変化は、冷媒加熱用熱交換器１１で冷凍機油の熱により冷媒が加熱されることを意味する。
油分離器１０で分離された高温高圧の冷凍機油は、冷媒加熱用熱交換器１１で第１圧縮機１から吐出される冷媒（冷凍機油を含む）を加熱して、温度が下がる。冷媒加熱用熱交換器１１で温度が下がった冷凍機油は、第２減圧弁１２で減圧されて、第１圧縮機１の吸入側で冷媒と混合される。

従来は、油分離器１０で分離された高温高圧の冷凍機油は、途中で冷媒加熱に利用されることなくそのまま第１圧縮機１の吸入口に戻されていた。これに対して、高温高圧の冷凍機油の熱を冷媒加熱用熱交換器１１で利用して、第１圧縮機１から吐出され第２圧縮機２に入る冷媒を加熱するようにした点が、この実施の形態２での構成のポイントである。
この実施の形態２でも、圧縮機での圧縮機仕事量が低減できる。なお、冷媒加熱用熱交換器１１で利用する冷凍機油の熱量は、従来は有効に利用していなかったものであり、このような構成にしても、ヒートポンプに対する機械的入力は増加しない。

実施の形態３．
図６に、実施の形態３でのヒートポンプの構成を説明する図を示す。この実施の形態３は、放熱器４から出る冷媒の一部を第２圧縮機２の吸入口に戻すバイパス路も存在するヒートポンプにおいて、第２圧縮機２の吸入口に戻る冷媒を冷凍機油で加熱するようにしたものである。

実施の形態３でのヒートポンプは、実施の形態２と同様な、第１圧縮機１、第２圧縮機２、放熱器４、減圧弁５、蒸発器６、油分離器１０、第２減圧弁１２とこれらをつなぐ冷媒配管７と冷凍機油配管１３を有する。放熱器４に接続される水配管８とポンプ９も有る。さらにこれらに加えて、放熱器４と減圧弁５の間にある冷媒配管７Ａの途中から冷媒を第２圧縮機２の吸入口に戻すバイパス路である第３減圧弁１４及びバイパス冷媒配管７Ｃと、バイパス冷媒配管７Ｃを流れる冷媒に冷媒配管７Ａを流れる冷媒の熱を移動させる過冷却用熱交換器１５と、油分離器８で分離された高温高圧の冷凍機油の熱でバイパス冷媒配管７Ｃを流れる冷媒を加熱する冷媒加熱用熱交換器１１とが有る。
ここで、第１圧縮機１の吐出口と第２圧縮機２の吸入口とを結ぶ冷媒配管７は、バイパス冷媒配管７Ｃとの接合点で区分して、第１圧縮機１の側を冷媒配管７Ｄとし、第２圧縮機２の側を冷媒配管７Ｅとする。

冷媒は２重のループで循環する。１個のループは、第１圧縮機１、第２圧縮機２、油分離器１０、放熱器４、過冷却用熱交換器１５、減圧弁５及び蒸発器６を通るループである。もう１個のループは、第２圧縮機２、油分離器１０、放熱器４、過冷却用熱交換器１５、第３減圧弁１４、バイパス冷媒配管７Ｃを通るループである。バイパス冷媒配管７Ｃを通る冷媒の量は、全体の５〜１０％程度である。

次に動作を説明する。実施の形態３のヒートポンプでの冷媒の状態変化を説明する温度エントロピ図を図７に示す。図７(a)に蒸発器６を通る冷媒の軌跡を示し、図７(b)にバイパス冷媒配管７Ｃを通る冷媒の軌跡を示す。実線が本方式のヒートポンプの軌跡であり、破線が冷媒加熱用熱交換器１１を有しない従来のヒートポンプの軌跡である。この実施の形態３におけるヒートポンプの構成での、冷媒の状態と対応する位置を説明する図を、図８に示す。
蒸発器６を通る冷媒は、第１圧縮機１に吸入されてから放熱器４を出るまでは、実施の形態１の場合と同様な、Ａ−Ｂ−Ｃ−ＤーＥという軌跡を通る。点Ｅのように軌跡の角にない点では、黒丸で点の位置を示す。
実施の形態２では冷媒加熱用熱交換器１１で冷媒が加熱されることにより、Ｂ−Ｃの変化が発生していたのに対して、この実施の形態３でのＢ−Ｃの変化は、バイパス冷媒配管７Ｃからの冷媒と混合されることを意味する。
放熱器４を出た冷媒は、過冷却用熱交換器１５によりさらに熱を奪われて、点Ｅ２で示される点Ｅよりも温度が低い状態に移動する。減圧弁５で減圧されることにより、低温低圧の気液２相の状態である点Ｆ２に冷媒の状態は移動する。蒸発器６では、外気から熱を奪って液体の冷媒が蒸発して、点Ａで示される気体の状態に戻る。

バイパス冷媒配管７Ｃを通る冷媒は、第２圧縮機２に吸入されてから過冷却用熱交換器１５を出るまでは、蒸発器６を通る冷媒と同じＣ−Ｄ−Ｅ−Ｅ２という軌跡を通る。過冷却用熱交換器１５を出ると第３減圧弁１４により減圧されて、冷媒は中間圧力の気体である点Ｇで示される状態になる。過冷却用熱交換器１５で放熱器４から出る冷媒により加熱されて、少し温度が上昇した点Ｈで示される状態になる。そして、冷媒加熱用熱交換器１１で第２圧縮機２から吐出される高温高圧の冷凍機油により加熱されて、冷媒の状態は中間圧力で高温の点Ｊで示される状態に変化する。第２圧縮機２の吸入側で第１圧縮機１から吐出される冷媒と混合されて、冷媒の温度が下がり点Ｃで示される状態に変化する。

冷媒加熱用熱交換器１１を有しない従来のヒートポンプで本方式と同じ出力を得る場合の動作は、以下のようになる。出力を本方式と同じにすることから、第２圧縮機２に吸入されてから冷媒配管７Ａを通って過冷却用熱交換器１５を出るまでの冷媒の状態変化の軌跡は、本方式と同じＣ−Ｄ−Ｅ−Ｅ２となる。
バイパス冷媒配管７Ｃを通る冷媒は、減圧弁５を通って過冷却用熱交換器１５を出るまでも、従来のヒートポンプでも本方式と同じ軌跡Ｅ２−ＧーＨにより状態が変化する。第２圧縮機２に吸入される前に第１圧縮機１から吐出される冷媒と混合されて温度が上がり、点Ｈから点Ｃで示される状態に変化する。

蒸発器６を通る冷媒は、減圧弁５では本方式と同様に点Ｅ２から点Ｆ２に状態が変化する。蒸発器６では、本方式での点Ａよりも温度すなわち過熱度が高い点Ａ３まで加熱される。過熱度が高いＡ３まで加熱する理由は、第１圧縮機１での圧縮後にバイパス配管７Ｃからの点Ｈという本方式での点Ｊよりも低温の冷媒と混合して、本方式と同じ点Ｃで示される状態とする必要があるからである。
圧縮前に点Ａ３で示される冷媒の状態は、第１圧縮機１で圧縮されて第２圧縮機２の吸入口である点Ｃよりも高温高エントロピの点Ｃ２まで移動する。そして、バイパス冷媒配管７Ｃからの点Ｈで示される状態の低温低エントロピの冷媒と混合されて、点Ｃで示される状態となる。

従来のヒートポンプと比較すると、本方式の蒸発器６を通る冷媒では、軌跡Ａ−Ａ３−Ｃ２−Ｃ−Ｂ−Ａで囲まれる面積分だけ圧縮機仕事量が少なくなる。本方式のバイパス冷媒配管７Ｃを通る冷媒では、軌跡Ｈ−Ｃ−Ｊ−Ｈで囲む面積はゼロであるため、圧縮機仕事量は変化しない。このように、この実施の形態３でも圧縮機仕事量を低減して、ヒートポンプの成績係数を向上できるという効果が有る。

この実施の形態３では、冷媒加熱用熱交換器１１でバイパス冷媒配管７Ｃを流れる冷媒だけを加熱したが、バイパス冷媒配管７Ｃ、冷媒配管７Ｄ及び冷媒配管７Ｅの中の何れか少なくとも一つを流れる冷媒を加熱するようにしてもよい。第２圧縮機２に入る冷媒を第１圧縮機１から吐出される冷媒よりも高温になるように加熱するものであれば、冷媒加熱用熱交換器１１はどのようなものでもよい。なお、加熱前の冷媒の温度はバイパス冷媒配管７Ｃを流れる冷媒が最も低いので、バイパス冷媒配管７Ｃを流れる冷媒と熱交換する方がより多くの熱を冷媒に与えることができ、圧縮機仕事量の低減量をより大きくできる。
２台の圧縮機を備えた場合で説明したが、中間圧力の流体を吸入可能な中間圧吸入口を有する１台の中間圧インジェクション圧縮機で、中間圧吸入口から吸入される冷媒を冷媒加熱用熱交換器１１で加熱する場合でも、同様の効果が得られる。

実施の形態４．
図９に、実施の形態４でのヒートポンプの構成を説明する図を示す。この実施の形態４は、放熱器４から出る冷媒の一部と高温高圧の冷凍機油とを、中間圧インジェクション圧縮機の中間圧力の吸入口から吸入するようにしたヒートポンプである。
この実施の形態４でも、実施の形態３と同様な、放熱器４、減圧弁５、蒸発器６、油分離器１０、第２減圧弁１２、第３減圧弁１４及び過冷却用熱交換器１５と、これらの間の冷媒配管７Ａ、冷媒配管７Ｂ、バイパス冷媒配管７Ｃなどの冷媒配管７とを有する。放熱器４に接続される水配管８とポンプ９も有る。

２台の圧縮機の替わりに１台の中間圧インジェクション圧縮機１６が有る。冷凍機油配管１３は、冷凍機油を中間圧インジェクション圧縮機１６の低圧の吸入口である低圧吸入口１６Ａではなく中間圧力の吸入口である中間圧吸入口１６Ｂに戻す。冷媒加熱用熱交換器１１がなくて、第２減圧弁１２からの冷凍機油配管１３とバイパス冷媒配管７Ｃとが、中間圧インジェクション圧縮機１６の中間圧吸入口１６Ｂの手前にある配管接続個所１３Ａで接続される。
冷凍機油配管１３をバイパス冷媒配管７Ｃと配管接続個所１３Ａで接続することが、実施の形態４での冷媒加熱手段である。

次に動作を説明する。放熱器４、減圧弁５、蒸発器６、油分離器１０、第２減圧弁１２、第３減圧弁１４及び過冷却用熱交換器１５は、実施の形態３の場合と同様に動作する。中間圧インジェクション圧縮機１６は低温低圧の冷媒を低圧吸入口１６Ａから吸入し、中間圧吸入口１６Ｂからは高温の冷凍機油と混合されたバイパス冷媒配管７Ｃからの冷媒を吸入する。中間圧吸入口１６Ｂから吸入される冷媒は、低圧吸入口１６Ａから吸入さる冷媒よりも高温である。

中間圧吸入口１６Ｂから吸入された冷凍機油は中間圧インジェクション圧縮機１６の内部表面を伝って冷凍機油は低圧吸入口１６Ａの方にも移動する。そのため、中間圧吸入口１６Ｂから冷凍機油を注入しても、低圧吸入口１６Ａから中間圧吸入口１６Ｂまでの間で冷凍機油が不足して潤滑が不十分になる事態は発生しない。

実施の形態４のヒートポンプでの冷媒の状態変化を説明する温度エントロピ図は、実施の形態３と同様な図７となる。ただし、点Ｂが中間圧インジェクション圧縮機１６の中間圧吸入口１６Ｂからの冷媒と混合される前の冷媒の状態を意味し、点Ｃは混合された後の状態を意味する。
この実施の形態４でも圧縮機仕事量を低減して、ヒートポンプの成績係数を向上できるという効果が有る。このように、中間圧インジェクション圧縮機１６の中間圧吸入口１６Ｂよりも高圧側に入る冷媒の温度が中間圧インジェクション圧縮機１６で圧縮された冷媒の中間圧吸入口１６Ｂでの温度よりも高くなるように加熱することができれば、冷媒加熱手段はどのようなものでもよい。

中間圧インジェクション圧縮機の場合で説明したが、２台の圧縮機を直列に接続し、後段の圧縮機にバイパス冷媒配管７Ｃからの冷媒を混合して吸入させるヒートポンプでも、高温高圧の冷凍機油をバイパス冷媒配管７Ｃからの冷媒に混合することは適用でき、同様の効果が得られる。さらには、バイパス冷媒配管７Ｃを有しない２段圧縮のヒートポンプでも、第２圧縮機２から吐出された高温高圧の冷凍機油を第２圧縮機２の吸入口に戻すようにしてもよい。

実施の形態５．
図１０に、実施の形態５でのヒートポンプの構成を説明する図を示す。この実施の形態５は、中間圧インジェクション圧縮機１６の中間圧吸入口１６Ｂに冷凍機油だけを注入するようにした場合である。
この実施の形態５でも、実施の形態２と同様な、放熱器４、減圧弁５、蒸発器６及び第２減圧弁１２と、これらの間の冷媒配管７とを有する。放熱器４に接続される水配管８とポンプ９も有る。

この実施の形態５での中間圧インジェクション圧縮機１６は、高圧密閉型の構造である。密閉容器１６Ｃの中に、電動機１６Ｄと圧縮機構１６Ｅとが有る。ここで、圧縮機構とは、圧縮機から動力源（電動機）を除いたものとする。密閉容器１６Ｃの中には高圧高温の気体の冷媒が充満しており、密閉容器１６Ｃの下部には冷凍機油が溜まっている。
低圧吸入口１６Ａには蒸発器６からの冷媒配管７が接続される。中間圧吸入口１６Ｂには、第２減圧弁１２からの冷凍機油配管１３が接続される。中間圧インジェクション圧縮機１６の圧縮機構１６Ｅが圧縮した冷媒を吐出する吐出口１６Ｆは、密閉容器１６Ｃの内部にある。密閉容器１６Ｃの底と第２減圧弁１２の間も冷凍機油配管１３が接続される。密閉容器１６Ｃの上の面には、放熱器４への冷媒配管７が有る。
中間圧吸入口１６Ｂに接続される冷凍機油配管１３が、実施の形態５での冷媒加熱手段である。

次に動作を説明する。放熱器４、減圧弁５及び蒸発器６は、実施の形態２と同様に動作する。中間圧インジェクション圧縮機１６は、低圧吸入口１６Ａから吸入した冷媒を圧縮する。中間圧吸入口１６Ｂから高温の冷凍機油が吸入されるので、冷媒は圧縮されるだけの場合よりも高温になる。中間圧インジェクション圧縮機１６の吐出口１６Ｆから密閉容器１６Ｃの中に、高温高圧の冷媒と冷凍機油が吐出される。液体の冷凍機油は、密閉容器１６Ｃの内部で下方に落ちてきて、冷媒と分離される。密閉容器１６Ｃの下部には、冷凍機油が溜まる。冷媒は、密閉容器１６Ｃの上の面に接続される冷媒配管７により、放熱器４に送られる。密閉容器１６Ｃの内部では冷凍機油がいくらか浮遊しているので、この冷媒配管７に流れ出る冷媒の中には、いくらかの冷凍機油も含まれる。このように密閉容器１６Ｃと冷媒配管７と冷凍機油配管１３とにより、冷媒から冷凍機油を分離できる。

密閉容器１６Ｃの下部に溜まった冷凍機油は、第２減圧弁１２の反対側が減圧されているため、冷凍機油配管１３の中に吸い込まれる。第２減圧弁１２で減圧された冷凍機油は、中間圧インジェクション圧縮機１６の中間圧吸入口１６Ｂにおける冷媒の圧力とほぼ等しい。冷凍機油は、中間圧インジェクション圧縮機１６の中間圧吸入口１６Ｂに吸入される。

実施の形態５のヒートポンプでの冷媒の状態変化を説明する温度エントロピ図は、実施の形態１と同様な図２となる。この実施の形態５でも圧縮機仕事量を低減して、ヒートポンプの成績係数を向上できるという効果が有る。

油分離器１０を持たないで圧縮機の密閉容器と配管の配置を利用して冷凍機油を分離することは、他の実施の形態でも適用できる。

この発明の実施の形態１でのヒートポンプの構成を説明する図である。この発明の実施の形態１での冷媒の状態変化を説明する温度エントロピ図である。この発明の実施の形態１での冷媒の状態と対応する位置を説明する図である。この発明の実施の形態１での冷媒の状態変化を説明する圧力エンタルピ図である。この発明の実施の形態２でのヒートポンプの構成を説明する図である。この発明の実施の形態３でのヒートポンプの構成を説明する図である。この発明の実施の形態３での冷媒の状態変化を説明する温度エントロピ図である。この発明の実施の形態３での冷媒の状態と対応する位置を説明する図である。この発明の実施の形態４でのヒートポンプの構成を説明する図である。この発明の実施の形態５でのヒートポンプの構成を説明する図である。

符号の説明

１：第１圧縮機
２：第２圧縮機
３：冷媒加熱手段
４：放熱器（第２熱交換器）
５：減圧弁（帰還路）
６：蒸発器（第１熱交換器）
７：冷媒配管
７Ａ：冷媒配管（帰還路）
７Ｂ：冷媒配管（帰還路）
７Ｃ：バイパス冷媒配管
７Ｄ：冷媒配管
７Ｅ：冷媒配管
８：水配管
９：ポンプ
１０：油分離器
１１：冷媒加熱用熱交換器（冷媒加熱手段）
１２：第２減圧弁
１３：冷凍機油配管（冷媒加熱手段）
１３Ａ：配管接続個所（冷媒加熱手段）
１４：第３減圧弁
１５：過冷却用熱交換器
１６：中間圧インジェクション圧縮機
１６Ａ：低圧吸入口
１６Ｂ：中間圧吸入口
１６Ｃ：密閉容器
１６Ｄ：電動機
１６Ｅ：圧縮機構
１６Ｆ：吐出口

Claims

熱源により冷媒に熱を与える第１熱交換器と、該第１熱交換器で熱を与えられた冷媒を圧縮する第１圧縮機と、該第１圧縮機で圧縮された冷媒を圧縮する第２圧縮機と、該第２圧縮機で圧縮された冷媒から熱を奪う第２熱交換器と、該第２熱交換器で熱を奪われた冷媒を前記第１熱交換器に戻す帰還路と、前記第１圧縮機から吐出される冷媒よりも高温になるように前記第２圧縮機に入る冷媒を加熱する冷媒加熱手段とを備えたヒートポンプ。
前記冷媒加熱手段が前記第２圧縮機から吐出される潤滑油の熱を利用することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ。
熱源により冷媒に熱を与える第１熱交換器と、該第１熱交換器で熱を与えられた冷媒を圧縮する圧縮途中に流体を吸入する中間圧吸入口を有する中間圧インジェクション圧縮機と、該中間圧インジェクション圧縮機で圧縮された冷媒から熱を奪う第２熱交換器と、該第２熱交換器で熱を奪われた冷媒を前記第１熱交換器に戻す帰還路と、前記中間圧インジェクション圧縮機の前記中間圧吸入口よりも高圧側に入る冷媒の温度が前記中間圧インジェクション圧縮機で圧縮された冷媒の前記中間圧吸入口での温度よりも高くなるように加熱する冷媒加熱手段とを備えたヒートポンプ。
前記冷媒加熱手段が前記中間インジェクション圧縮機から吐出される潤滑油の熱を利用することを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ。