JP2006097930A - ヒートポンプ式加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 除霜運転と流体加熱運転とを並行して行う。
【解決手段】 制御装置２００は、可変式膨張弁３０と電磁開閉弁６１との開度を調節して、ホットガスバイパス流路６０を介して圧縮機１０が吐出する高温高圧冷媒を冷媒蒸発器４０に供給して冷媒蒸発器４０に発生した霜を除去する除霜運転と、圧縮機１０が吐出する高温高圧冷媒を冷媒蒸発器２０に供給して流体を加熱する流体加熱運転とを同時に行う。
これにより、貯湯式給湯装置に利用した場合、除霜運転中に給湯用水加熱を行うことができるため、除霜運転前に水配管Ｒ２内の給湯用水加熱（凍結防止）運転を行う必要が無くなり、除霜のための時間が短くなり、貯湯タンク７０への沸き上げ時間も短くすることができる。また、床暖房などの暖房装置に利用した場合、除霜運転中にブライン加熱を行うことができるため、熱源水が途切れて暖房フィーリングを悪くするということを防ぐことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、低温側の熱を高温側に移動させて流体を加熱する蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを用いた加熱装置に関するものであり、特に低圧側熱交換器の除霜運転に関するものであり、給湯装置や暖房装置などヒートポンプ式加熱装置で発生する温熱を利用する装置に適用して有効である。

図５・図６は、従来の技術に係るヒートポンプ式加熱装置１００の模式図であり、給湯装置や暖房装置など主に温熱を利用する一般的な装置の熱源機として利用されている。そして、図５のヒートポンプ式加熱装置１００において、低温となる低圧側熱交換器（冷媒蒸発器）４０に発生した霜を除去する場合、つまり除霜運転時には、膨脹弁３０を略全開として圧縮機１０から高圧側熱交換器２０を経て流出する高圧冷媒（ホットガス）を減圧することなく低圧側熱交換器４０に導き、低圧側熱交換器４０を加熱して徐霜している。

また、図６に示すヒートポンプ式加熱装置１００において除霜運転をする場合には、膨脹弁３０を閉じた状態でホットガスバイパス流路６０を開閉弁６１で開き、高圧側熱交換器２０をバイパスさせて圧縮機１０からのホットガスを低圧側熱交換器４０に導き、低圧側熱交換器４０を加熱して徐霜している。

この他、除霜運転に関する従来技術として、特許文献１の貯湯式給湯器では、除霜運転中に水配管が凍結するのを防止するため、除霜運転に入る前に給湯用水加熱（凍結防止）運転を行い、水配管内の水温を上げた後に除霜運転に移行することが示されている。また、特許文献２の蒸気圧縮式冷凍機では、低圧側熱交換器と気液分離器とのそれぞれにホットガスを供給することで除霜運転時間の短縮を図ったものが示されている。
特開２００３−１３９４０５号公報 特開２００４−１６３０８４号公報

しかしながら、従来技術のヒートポンプ式加熱装置を貯湯式給湯装置に利用した場合、除霜運転中は給湯用水加熱を行わないため、上記したように除霜運転前に水配管内の給湯用水加熱（凍結防止）運転を行わなければならず、除霜のための時間が長くかかり、貯湯タンクへの沸き上げ時間が長くかかるという問題点がある。

また、従来技術のヒートポンプ式加熱装置を床暖房などの暖房装置に利用した場合、除霜運転中はブライン加熱を行わないため、熱源水が途切れて暖房フィーリングが悪くなるという問題点がある。また、除霜運転終了後に再加熱を行う際、暖房立ち上がりに時間遅れを生じるという問題がある。本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、除霜運転と流体加熱運転とを並行して行うことのできるヒートポンプ式加熱装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項７に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、低温側の熱を高温側に移動させて流体を加熱する蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを用いた加熱装置であり、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、圧縮機（１０）が吐出する高温高圧冷媒と被加熱流体とを熱交換させる高圧側熱交換器（２０）と、高圧側熱交換器（２０）から流出した冷媒を等エンタルピ的に減圧膨脹させるとともに、その絞り開度を可変できる可変式減圧手段（３０）と、可変式減圧手段（３０）にて減圧された低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（４０）とを環状に接続した冷媒回路（Ｒ１）と、圧縮機（１０）の吐出側と高圧側熱交換器（２０）との間から分岐して、可変式減圧手段（３０）と低圧側熱交換器（４０）との間に接続したホットガスバイパス流路（６０）と、ホットガスバイパス流路（６０）の流通を制御する開閉手段（６１）と、上記各機器の作動を制御する制御手段（２００）とを有し、
制御手段（２００）は、可変式減圧手段（３０）と開閉手段（６１）との開度を調節して、ホットガスバイパス流路（６０）を介して圧縮機（１０）が吐出する高温高圧冷媒を低圧側熱交換器（４０）に供給して低圧側熱交換器（４０）に発生した霜を除去する除霜運転と、圧縮機（１０）が吐出する高温高圧冷媒を高圧側熱交換器（２０）に供給して流体を加熱する流体加熱運転とを同時に行うことを特徴としている。

この請求項１に記載の発明によれば、例えば本発明のヒートポンプ式加熱装置（１００）を貯湯式給湯装置に利用した場合、除霜運転中に給湯用水加熱を行うことができるため、除霜運転前に流体回路（Ｒ２）内の給湯用水加熱（凍結防止）運転を行う必要が無くなり、除霜のための時間が短くなり、貯湯タンク（７０）への沸き上げ時間も短くすることができる。これにより、必要貯湯熱量の早期確保、およびランニングコストの低減が可能となる。

また、本発明のヒートポンプ式加熱装置（１００）を床暖房などの暖房装置に利用した場合、除霜運転中にブライン加熱を行うことができるため、熱源水が途切れて暖房フィーリングを悪くするということを防ぐことができる。また、除霜運転終了後の再加熱することがなくなるため、暖房立ち上がりに時間遅れを生じるという問題も無くすことができる。

また、請求項２に記載の発明では、低温側の熱を高温側に移動させて流体を加熱する蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを用いた加熱装置であり、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、圧縮機（１０）が吐出する高温高圧冷媒と被加熱流体とを熱交換させる高圧側熱交換器（２０）と、低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（４０）と、高圧側熱交換器（２０）から流出した冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル（８０ａ）と、ノズル（８０ａ）の絞り開度を可変する可変絞り機構（８０ｄ）とを有し、ノズル（８０ａ）から噴射する高い速度の冷媒流により低圧側熱交換器（４０）にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機（１０）の吸入圧を上昇させる可変式エジェクタ（８０）と、可変式エジェクタ（８０）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離し、気相冷媒を圧縮機（１０）の吸引側に供給し、液相冷媒を低圧側熱交換器（４０）に供給する気液分離手段（５０）と、圧縮機（１０）の吐出側と高圧側熱交換器（２０）との間から分岐して、気液分離手段（５０）と低圧側熱交換器（４０）との間に接続したホットガスバイパス流路（６０）と、ホットガスバイパス流路（６０）の流通を制御する開閉手段（６１）と、上記各機器の作動を制御する制御手段（２００）とを有し、
制御手段（２００）は、可変絞り機構（８０ｄ）と開閉手段（６１）との開度を調節して、ホットガスバイパス流路（６０）を介して圧縮機（１０）が吐出する高温高圧冷媒を低圧側熱交換器（４０）に供給して低圧側熱交換器（４０）に発生した霜を除去する除霜と、圧縮機（１０）が吐出する高温高圧冷媒を高圧側熱交換器（２０）に供給して流体を加熱する流体加熱とを同時に行うことを特徴としている。

この請求項２に記載の発明によれば、例えば本発明のヒートポンプ式加熱装置（１００）を貯湯式給湯装置に利用した場合、除霜運転中に給湯用水加熱を行うことができるため、除霜運転前に流体回路（Ｒ２）内の給湯用水加熱（凍結防止）運転を行う必要が無くなり、除霜のための時間が短くなり、貯湯タンク（７０）への沸き上げ時間も短くすることができる。これにより、必要貯湯熱量の早期確保、およびランニングコストの低減が可能となる。

また、本発明のヒートポンプ式加熱装置（１００）を床暖房などの暖房装置に利用した場合、除霜運転中にブライン加熱を行うことができるため、熱源水が途切れて暖房フィーリングを悪くするということを防ぐことができる。また、除霜運転終了後の再加熱することがなくなるため、暖房立ち上がりに時間遅れを生じるという問題も無くすことができる。また、冷凍サイクルの低圧側を昇圧し、加熱能力を向上させるエジェクタ（８０）を減圧手段として用いたエジェクタサイクルを使用することで、除霜運転と流体加熱運転とを同時に行ううえで、必要加熱能力の確保に有利となる。

また、請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２のいずれかに記載のヒートポンプ式加熱装置（１００）において、除霜と同時に行う流体加熱により、高圧側熱交換器（２０）と貯湯タンク（７０）もしくは暖房器具（９０）とを接続する流体回路（Ｒ２）の凍結防止を行うことを特徴としている。

この請求項３に記載の発明によれば、例えば本発明のヒートポンプ式加熱装置（１００）を貯湯式給湯装置に利用した場合、除霜運転中に給湯用水加熱を行うことができるため、高圧側熱交換器（２０）と貯湯タンク（７０）とを接続する流体回路（Ｒ２）の凍結防止に利用することができる。また、本発明のヒートポンプ式加熱装置（１００）を床暖房などの暖房装置に利用した場合、除霜運転中にブライン加熱を行うことができるため、高圧側熱交換器（２０）と暖房器具（９０）とを接続する流体回路（Ｒ２）の凍結防止に利用することができる。

また、請求項４に記載の発明では、請求項３に記載のヒートポンプ式加熱装置（１００）における流体回路（Ｒ２）において、貯湯タンク（７０）もしくは暖房器具（９０）の近傍側に、貯湯タンク（７０）もしくは暖房器具（９０）をバイパスさせて流体回路（Ｒ２）を短絡させる流体短絡路（７２）と、流体の流れを貯湯タンク（７０）もしくは暖房器具（９０）側か流体短絡路（７２）側かに切り換える流路切換手段（７３）を設けるとともに、
制御手段（２００）は、除霜と同時に行う流体加熱により流体回路（Ｒ２）の凍結防止を行う場合は、流体流れが流体短絡路（７２）側となるよう流路切換手段（７３）を制御することを特徴としている。

この請求項４に記載の発明によれば、除霜運転中に流体回路（Ｒ２）の凍結防止のために加熱した低温度の水を、貯湯タンク（７０）内に流入させて貯湯温度を乱すことを防ぐことができる。また、流体回路（Ｒ２）の凍結防止のために加熱した低温度のブラインを、暖房器具（９０）内に流入させて暖房フィーリングを悪くするということを防ぐことができる。

また、請求項５に記載の発明では、請求項１または請求項２のいずれかに記載のヒートポンプ式加熱装置（１００）において、除霜と同時に行う流体加熱により、高圧側熱交換器（２０）と流体回路（Ｒ２）で接続された暖房器具（９０）を用いて暖房を行うことを特徴としている。この請求項５に記載の発明によれば、熱源水が途切れることがなく、フィーリングの良い暖房を行うことができる。

また、請求項６に記載の発明では、請求項１または請求項２のいずれかに記載のヒートポンプ式加熱装置（１００）において、制御手段（２００）は、除霜と流体加熱とを同時に行う場合、圧縮機（１０）の回転数を除霜と流体加熱とで必要な熱量を発生させる回転数に制御することを特徴としている。この請求項６に記載の発明によれば、省エネルギーとすることができる。

また、請求項７に記載の発明では、請求項１ないし請求項８のいずれか１つに記載のヒートポンプ式加熱装置（１００）において、低温側の熱を高温側に移動させる場合には、圧縮機（１０）の吐出圧を冷媒の臨界圧力以上とすることを特徴としている。この請求項７に記載の発明によれば、冷凍サイクルの高圧側で高温冷媒と熱交換し、被加熱流体の温度を高くすることが可能となるため、凍結防止運転の信頼性を向上させることができる。ちなみに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について添付した図面を参照しながら詳細に説明する。図１の（ａ）は本発明の第１実施形態におけるヒートポンプ式加熱装置１００の模式図であり、（ｂ）は（ａ）のヒートポンプ式加熱装置１００と貯湯タンク７０との接続状態を示す外観模式図である。尚、本実施形態は、本発明に係るヒートポンプ式加熱装置を貯湯式給湯装置に適用したものである。

本実施形態の貯湯式給湯装置は、蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを用いたヒートポンプ式加熱装置１００にて、主に夜間で給湯用水を高温に沸き上げ、その高温水を貯湯タンク７０に貯蔵しておき、必要時に貯湯タンク７０内の高温水を用いて給湯を行うものである。

ヒートポンプ式加熱装置１００内は、大きく分けてヒートポンプサイクルの冷媒回路Ｒ１と、給湯関係の流体回路としての水回路Ｒ２とで構成されている。まず冷媒回路Ｒ１は、圧縮機１０は冷媒を吸入圧縮するもので、本実施形態では電動モータと圧縮機構とが一体化された電動圧縮機を採用している。水冷媒熱交換器２０は、被加熱流体である給湯用水と圧縮機１０から吐出される高温・高圧冷媒とを熱交換して給湯用水を加熱する高圧側熱交換器である。

本実施形態では、圧縮機１０の吐出圧力を冷媒の臨界圧力以上として所望の温度を得ているので、水冷媒熱交換器２０内で冷媒は、相変化して凝縮することなく温度を低下させながらエンタルピを低下させていく。ちなみに、本実施形態では、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）を採用している。

可変式膨脹弁３０は、水冷媒熱交換器２０から流出した冷媒を等エンタルピ的に減圧膨脹させるとともに、その絞り開度を可変できる可変式減圧手段であり、本実施形態では、後述する制御装置（制御手段）２００により高圧側冷媒の圧力が所定範囲となるように可変式膨脹弁３０の絞り開度が可変制御されている。

冷媒蒸発器４０は、可変式膨脹弁３０にて減圧された低圧冷媒を蒸発させる低温側熱交換器であり、アキュムレータ５０は、圧縮機１０の吸入側に設けられて流入する冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離し、気相冷媒を圧縮機１０に供給する気液分離手段である。尚、密度差により分離された冷凍機油を圧縮機１０の吸入側に戻すための図示しないオイル戻し回路を有している。ちなみに冷凍機油とは、圧縮機１０内の摺動部を潤滑するための潤滑油であり、ヒートポンプ式加熱装置では、通常、冷媒中に冷凍機油を混合することによって圧縮機１０に供給している。

これらの機器を環状に接続して冷凍サイクルの冷媒回路Ｒ１を形成している。また、ホットガスバイパス流路６０は、圧縮機１０の吐出側と水冷媒熱交換器２０との間から分岐して、可変式膨脹弁３０と冷媒蒸発器４０との間に接続した冷媒通路であり、このホットガスバイパス流路６０には、ホットガスバイパス流路６０に流れ込む冷媒量を制御する開閉手段としての電磁開閉弁６１が設けられており、この電磁開閉弁６１は制御装置２００により制御されている。

給湯関係の水回路Ｒ２は、給湯用水の加熱手段である上記水冷媒熱交換器２０の給湯用水通路と、給湯用水を循環させる循環ポンプ７１と、給湯用水および高温水を貯留する貯湯タンク７０とを環状に接続して構成される。循環ポンプ７１は、貯湯タンク７０内の下部に設けられた図示しない低温水流出部から冷水を水冷媒熱交換器２０の給湯用水通路を通して貯湯タンク７０の上部に設けられた図示しない高温水流入部から還流する様に水流を発生させる。

この循環ポンプ７１は、内蔵するモータの回転数に応じて流水量を調節することができ、制御装置２００により通電制御される。貯湯タンクは、耐蝕性に優れた金属製（例えばステンレス製）で断熱構造を有し、高温の給湯用水を長時間にわたって保温することができる。

また、本発明に係る構成として、水回路Ｒ２における貯湯タンク７０の近傍側に、貯湯タンク７０をバイパスさせて往復の水回路Ｒ２を短絡させる水短絡路（流体短絡路）７２と、水の流れを貯湯タンク７０側か水短絡路７２側かに切り換える流路切換手段としての三方弁７３を設けている。

制御装置２００は、上述したヒートポンプサイクルの各冷凍機器を制御する制御手段であり、ＣＰＵ・ＲＯＭ・ＲＡＭ・Ｉ／Ｏポートなどの機能を含んで構成され、それ自体は周知の構造を持つマイクロコンピュータを内蔵している。また、本貯湯式給湯装置のセンサ群として、水冷媒熱交換器２０の出入口水温を検出する入口水温センサ２１・出口水温センサ２２、外気温度を検出する外気温センサ４１、冷媒蒸発器４０の出口冷媒温度を検出する出口冷媒温センサ４２を備えている。

これらセンサ群からのセンサ信号は、図示しない入力回路（Ａ／Ｄ変換回路）によってＡ／Ｄ変換された後に、制御装置２００に入力されるように構成されていると共に、制御装置２００からは圧縮機１０・可変式膨脹弁３０・電磁開閉弁６１・循環ポンプ７１・三方弁７３などに制御出力を出すように構成されている。

次に、本実施形態の作動概要を説明する。図２は、本発明のヒートポンプ式加熱装置１００の制御装置２００における全体制御のフローチャートである。本プログラムがスタートすると、先ずステップＳ１０で給湯用水の加熱運転を開始する。次のステップＳ２０では、除霜運転が必要か否かの判定を行う。

具体的な判定条件として、外気温センサ４１で検出される外気温度が１０℃以下であり、且つその外気温度と入口冷媒温センサ４２で検出される冷媒蒸発器４０の入口冷媒温度との温度差が１０℃以上の場合は着霜する可能性があるため除霜運転要としている。その判定結果がＹＥＳで除霜運転要の場合はステップＳ３０へ進む。

ステップＳ３０では、三方弁７３で水回路Ｒ２を短絡させたうえ循環ポンプ７１を駆動させ、水冷媒熱交換器２０で加熱した給湯用水を水回路Ｒ２に循環させて水回路Ｒ２の凍結防止運転を開始する。次のステップＳ４０では電磁開閉弁６１を開いてホットガスバイパス流路６０から冷媒蒸発器４０にホットガスを供給して除霜を開始する。

次のステップＳ５０では、凍結防止運転を終了しても良いか否かの判定を行う。具体的な判定条件として、凍結防止運転中に出入口水温センサ２１・２２で検出される水温が１０℃以上となれば凍結防止運転は終了しても良いとしている。その判定結果がＹＥＳで凍結防止運転は終了しても良い場合はステップＳ６０へと進み、凍結防止運転の終了処理を行ってからステップＳ７０へ進む。また、ステップＳ５０での判定結果がＮＯで凍結防止運転を終了できない場合は直接ステップＳ７０へと進む。

ステップＳ７０では、除霜運転を終了しても良いか否かの判定を行う。具体的な判定条件として、出口冷媒温センサ４２で検出される冷媒温度が１０℃以上となれば除霜運転は終了しても良いとしている。その判定結果がＮＯで除霜運転を終了できない場合はステップＳ４０へと戻って除霜運転を続行するとともに、ステップＳ５０とステップＳ７０との判定を繰り返す。

また、ステップＳ７０での判定結果がＹＥＳで除霜運転を終了しても良い場合はステップＳ８０へと進み、除霜運転の終了処理を行ってからステップＳ１０へと戻る。また、ステップＳ２０での判定結果がＮＯで除霜運転不要の場合はステップＳ９０へと進む。ステップＳ９０では、加熱運転を終了しても良いか否かの判定を行う。具体的な判定条件として、貯湯タンク７０の図示しない水温センサで検出される水温が沸き上げ終了の条件を満たした場合、加熱運転は終了しても良いこととなる。

その判定結果がＮＯで加熱運転を終了できない場合はステップＳ１０へと戻って加熱運転を続行するとともに、ステップＳ２０とステップＳ９０との判定を繰り返す。そして、ステップＳ９０での判定結果がＹＥＳで加熱運転を終了しても良い場合はステップＳ１００へ進んで加熱運転終了処理を行って本プログラムを終了し、再度起動されるのを待機することとなる。

次に、本実施形態の特徴とその効果について述べる。先ず、低温側の熱を高温側に移動させて流体を加熱する蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを用いた加熱装置であり、冷媒を吸入圧縮する圧縮機１０と、圧縮機１０が吐出する高温高圧冷媒と給湯用水とを熱交換させる水冷媒熱交換器２０と、水冷媒熱交換器２０から流出した冷媒を等エンタルピ的に減圧膨脹させるとともに、その絞り開度を可変できる可変式膨脹弁３０と、可変式膨脹弁３０にて減圧された低圧冷媒を蒸発させる冷媒蒸発器４０とを環状に接続した冷媒回路Ｒ１と、圧縮機１０の吐出側と水冷媒熱交換器２０との間から分岐して、可変式膨脹弁３０と冷媒蒸発器４０との間に接続したホットガスバイパス流路６０と、ホットガスバイパス流路６０の流通を制御する電磁開閉弁６１と、上記各機器の作動を制御する制御装置２００とを有し、
制御装置２００は、可変式膨脹弁３０と電磁開閉弁６１との開度を調節して、ホットガスバイパス流路６０を介して圧縮機１０が吐出する高温高圧冷媒を冷媒蒸発器４０に供給して冷媒蒸発器４０に発生した霜を除去する除霜運転と、圧縮機１０が吐出する高温高圧冷媒を水冷媒熱交換器２０に供給して流体を加熱する流体加熱運転とを同時に行うようになっている。

これによれば、例えば本実施形態のようにヒートポンプ式加熱装置１００を貯湯式給湯装置に利用した場合、除霜運転中に給湯用水加熱を行うことができるため、除霜運転前に水回路Ｒ２内の給湯用水加熱（凍結防止）運転を行う必要が無くなり、除霜のための時間が短くなり、貯湯タンク７０への沸き上げ時間も短くすることができる。これにより、必要貯湯熱量の早期確保、およびランニングコストの低減が可能となる。

また、除霜と同時に行う給湯用水加熱により、水冷媒熱交換器２０と貯湯タンク７０とを接続する水回路Ｒ２の凍結防止を行っている。これによれば、例えば本実施形態のようにヒートポンプ式加熱装置１００を貯湯式給湯装置に利用した場合、除霜運転中に給湯用水加熱を行うことができるため、水冷媒熱交換器２０と貯湯タンク７０とを接続する水回路Ｒ２の凍結防止に利用することができる。

また、水回路Ｒ２において、貯湯タンク７０の近傍側に、貯湯タンク７０をバイパスさせて水回路Ｒ２を短絡させる水短絡路７２と、流体の流れを貯湯タンク７０側か水短絡路７２側かに切り換える三方弁７３を設けるとともに、制御装置２００は、除霜と同時に行う給湯用水加熱により水回路Ｒ２の凍結防止を行う場合は、水流れが水短絡路７２側となるよう三方弁７３を制御する。これによれば、除霜運転中に水回路Ｒ２の凍結防止のために加熱した低温度の水を、貯湯タンク７０内に流入させて貯湯温度を乱すことを防ぐことができる。

また、制御装置２００は、除霜と給湯用水加熱とを同時に行う場合、圧縮機１０の回転数を除霜と給湯用水加熱とで必要な熱量を発生させる回転数に制御している。これによれば、省エネルギーとすることができる。また、低温側の熱を高温側に移動させる場合には、圧縮機１０の吐出圧を冷媒の臨界圧力以上としている。これによれば、冷凍サイクルの高圧側で高温冷媒と熱交換し、給湯用水の温度を高くすることが可能となるため、凍結防止運転の信頼性を向上させることができる。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態におけるヒートポンプ式加熱装置１００の模式図である。上述した第１実施形態と異なる特徴は、可変式減圧手段として可変式エジェクタ８０を用いた可変式エジェクタサイクルとして構成している点である。この可変式エジェクタサイクルとは、水冷媒熱交換器２０から流出した冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル８０ａと、ノズル８０ａの絞り開度を可変する可変絞り機構８０ｄとを有し、ノズル８０ａから噴射する高い速度の冷媒流により冷媒蒸発器４０にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機１０の吸入圧を上昇させる可変式エジェクタ８０を用いたヒートポンプ式加熱装置である。

尚、本実施形態では、ノズル８０ａの絞り開度は、可変絞り機構８０ｄにより高圧側冷媒の圧力が所定範囲となるように可変制御される。また、ノズル８０ａから噴射する駆動流と冷媒蒸発器４０から吸引された吸引流とは、混合部８０ｂで互いの運動量が保存されるように混合されて昇圧し、その後、冷媒通路断面積を徐々に拡大するディフューザ８０ｃにて動圧が静圧に変換されて更に昇圧される。

尚、エジェクタサイクルでは、エジェクタ８０のポンプ作用（ＪＩＳ Ｚ ８１２６ 番号２．１．２．３など参照）により、アキュムレータ５０→冷媒蒸発器４０→エジェクタ８０（混合部８０ｂ→ディフューザ８０ｃ）→アキュムレータ５０の順に冷媒が循環し、圧縮機１０のポンプ作用により、圧縮機１０→水冷媒熱交換器２０→エジェクタ８０→アキュムレータ５０→圧縮機１０の順に冷媒が循環する。このため、アキュムレータ５０は、エジェクタ８０から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離し、気相冷媒用出口が圧縮機１０の吸引側に接続され、液相冷媒用出口が蒸発器４０に接続されている。

また、本実施形態の要部として、圧縮機１０の吐出側と水冷媒熱交換器２０との間から分岐して、アキュムレータ５０と冷媒蒸発器４０との間に接続したホットガスバイパス流路６０と、そのホットガスバイパス流路６０の流通を制御する開閉手段としての電磁開閉弁６１が設けられており、この電磁開閉弁６１は制御装置２００により制御されている。次に、本実施形態の特徴とその効果について述べる。

低温側の熱を高温側に移動させて流体を加熱する蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを用いた加熱装置であり、冷媒を吸入圧縮する圧縮機１０と、圧縮機１０が吐出する高温高圧冷媒と給湯用水とを熱交換させる水冷媒熱交換器２０と、低圧冷媒を蒸発させる冷媒蒸発器４０と、水冷媒熱交換器２０から流出した冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル８０ａと、ノズル８０ａの絞り開度を可変する可変絞り機構８０ｄとを有し、ノズル８０ａから噴射する高い速度の冷媒流により冷媒蒸発器４０にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機１０の吸入圧を上昇させる可変式エジェクタ８０と、可変式エジェクタ８０から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離し、気相冷媒を圧縮機１０の吸引側に供給し、液相冷媒を冷媒蒸発器４０に供給するアキュムレータ５０と、圧縮機１０の吐出側と水冷媒熱交換器２０との間から分岐して、アキュムレータ５０と冷媒蒸発器４０との間に接続したホットガスバイパス流路６０と、ホットガスバイパス流路６０の流通を制御する電磁開閉弁６１と、上記各機器の作動を制御する制御装置２００とを有し、
制御装置２００は、可変絞り機構８０ｄと電磁開閉弁６１との開度を調節して、ホットガスバイパス流路６０を介して圧縮機１０が吐出する高温高圧冷媒を冷媒蒸発器４０に供給して冷媒蒸発器４０に発生した霜を除去する除霜と、圧縮機１０が吐出する高温高圧冷媒を水冷媒熱交換器２０に供給して給湯用水を加熱する給湯用水加熱とを同時に行うようになっている。

これによれば、例えば本実施形態のようにヒートポンプ式加熱装置１００を貯湯式給湯装置に利用した場合、除霜運転中に給湯用水加熱を行うことができるため、除霜運転前に水回路Ｒ２内の給湯用水加熱（凍結防止）運転を行う必要が無くなり、除霜のための時間が短くなり、貯湯タンク７０への沸き上げ時間も短くすることができる。これにより、必要貯湯熱量の早期確保、およびランニングコストの低減が可能となる。また、冷凍サイクルの低圧側を昇圧し、加熱能力を向上させるエジェクタ８０を減圧手段として用いたエジェクタサイクルを使用することで、除霜運転と給湯用水加熱運転とを同時に行ううえで、必要加熱能力の確保に有利となる。

（第３実施形態）
図４は、本発明の第３実施形態におけるヒートポンプ式加熱装置１００の模式図である。上述した第１実施形態と異なる点は、高圧側熱交換器をブライン（熱交換媒体）冷媒熱交換器２０として貯湯タンク７０の代わりに暖房器具としての床暖房パネル９０を接続して暖房装置として構成している点である。

本暖房装置は、大きく分けてブラインを加熱するヒートポンプ式加熱装置１００と、床暖房パネル９０へのブライン回路Ｒ２とで構成されている。床暖房パネル９０は、住居居室の床板下に配置される配管パネルである。本実施形態ではブラインとして水を用いているが不凍液などであっても良い。そして、このような床暖房は、人体が直接床材に触れても快適な暖房感が得られるよう、ブラインを熱く感じない６０℃程度の温度で供給し、冷たく感じない４０℃程度の温度で戻ってくるよう、流量を制御装置２００により通電制御される。

また、本発明に係る構成として、ブライン回路Ｒ２における床暖房パネル９０の近傍側に、床暖房パネル９０をバイパスさせて往復のブライン回路Ｒ２を短絡させるブライン短絡路（流体短絡路）７２と、ブラインの流れを床暖房パネル９０側かブライン短絡路７２側かに切り換える流路切換手段としての三方弁７３を設けている。

次に、本実施形態の特徴とその効果について述べる。先ず、低温側の熱を高温側に移動させて流体を加熱する蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを用いた加熱装置であり、冷媒を吸入圧縮する圧縮機１０と、圧縮機１０が吐出する高温高圧冷媒とブラインとを熱交換させるブライン冷媒熱交換器２０と、ブライン冷媒熱交換器２０から流出した冷媒を等エンタルピ的に減圧膨脹させるとともに、その絞り開度を可変できる可変式膨脹弁３０と、可変式膨脹弁３０にて減圧された低圧冷媒を蒸発させる冷媒蒸発器４０とを環状に接続した冷媒回路Ｒ１と、圧縮機１０の吐出側とブライン冷媒熱交換器２０との間から分岐して、可変式膨脹弁３０と冷媒蒸発器４０との間に接続したホットガスバイパス流路６０と、ホットガスバイパス流路６０の流通を制御する電磁開閉弁６１と、上記各機器の作動を制御する制御装置２００とを有し、
制御装置２００は、可変式膨脹弁３０と電磁開閉弁６１との開度を調節して、ホットガスバイパス流路６０を介して圧縮機１０が吐出する高温高圧冷媒を冷媒蒸発器４０に供給して冷媒蒸発器４０に発生した霜を除去する除霜運転と、圧縮機１０が吐出する高温高圧冷媒をブライン冷媒熱交換器２０に供給してブラインを加熱するブライン加熱運転とを同時に行っている。

これによれば、例えば本実施形態のようにヒートポンプ式加熱装置１００を床暖房などの暖房装置に利用した場合、除霜運転中にブライン加熱を行うことができるため、熱源水が途切れて暖房フィーリングを悪くするということを防ぐことができる。また、除霜運転終了後の再加熱することがなくなるため、暖房立ち上がりに時間遅れを生じるという問題も無くすことができる。

また、除霜と同時に行うブライン加熱により、ブライン冷媒熱交換器２０と床暖房パネル９０とを接続するブライン回路Ｒ２の凍結防止を行っている。これによれば、例えば本実施形態のヒートポンプ式加熱装置１００を床暖房などの暖房装置に利用した場合、除霜運転中にブライン加熱を行うことができるため、ブライン冷媒熱交換器２０と床暖房パネル９０とを接続するブライン回路Ｒ２の凍結防止に利用することができる。

また、ブライン回路Ｒ２において、床暖房パネル９０の近傍側に、床暖房パネル９０をバイパスさせてブライン回路Ｒ２を短絡させるブライン短絡路７２と、ブラインの流れを床暖房パネル９０側かブライン短絡路７２側かに切り換える三方弁７３を設けるとともに、制御装置２００は、除霜と同時に行うブライン加熱によりブライン回路Ｒ２の凍結防止を行う場合は、ブライン流れがブライン短絡路７２側となるよう三方弁７３を制御するようにしている。

これによれば、除霜運転中にブライン回路Ｒ２の凍結防止のために加熱した低温度のブラインを、床暖房パネル９０内に流入させて暖房フィーリングを悪くするということを防ぐことができる。また、除霜と同時に行うブライン加熱により、ブライン冷媒熱交換器２０とブライン回路Ｒ２で接続された床暖房パネル９０を用いて暖房を行っている。これによれば、熱源水が途切れることがなく、フィーリングの良い暖房を行うことができる。

（その他の実施形態）
上述の実施形態において、ホットガスバイパス流路６０を電磁開閉弁６１によって開閉する例にあっては、電磁開閉弁６１に代えてホットガスバイパス流路６０と圧縮機１０の吐出側とを接続する部位に三方弁を設けても良い。また、上述の実施形態では、冷媒を二酸化炭素として高圧側圧力を臨界圧力以上としたが、本発明はこれに限定されるものではない。また、上述の実施形態において、除霜運転開始の判定は、冷媒蒸発器４０の出口冷媒温度に限らず、冷媒蒸発器４０の入口冷媒温度を検出して判定するようにしても良い。

また、上述の実施形態では、外気温度が１０℃以下の場合であって、外気温度と蒸発器４０から流出する冷媒温度との差が所定値以上となったときに、蒸発器４０に霜が発生したものとみなして除霜運転を行ったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばタイマー手段により所定時間毎に定期的に除霜運転を行うなどしても良い。また、上述の第３実施形態では、床暖房を例に本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ブラインを加熱して利用する浴室乾燥やパネルヒータなどに用いても良い。

（ａ）は本発明の第１実施形態におけるヒートポンプ式加熱装置１００の模式図であり、（ｂ）は（ａ）のヒートポンプ式加熱装置１００と貯湯タンク７０との接続状態を示す外観模式図である。 本発明のヒートポンプ式加熱装置１００の制御装置２００における全体制御のフローチャートである。 本発明の第２実施形態におけるヒートポンプ式加熱装置１００の模式図である。 本発明の第３実施形態におけるヒートポンプ式加熱装置１００の模式図である。 従来の技術に係るヒートポンプ式加熱装置１００の模式図である。 従来の技術に係るヒートポンプ式加熱装置１００の模式図である。

符号の説明

１０…圧縮機
２０…水冷媒熱交換器、ブライン冷媒熱交換器（高圧側熱交換器）
３０…可変式膨脹弁（可変式減圧手段）
４０…冷媒蒸発器（低圧側熱交換器）
５０…アキュムレータ（気液分離手段）
６０…ホットガスバイパス流路
６１…電磁開閉弁（開閉手段）
７０…貯湯タンク
７２…水短絡路、ブライン短絡路（流体短絡路）
７３…三方弁（流路切換手段）
８０…可変式エジェクタ
８０ａ…ノズル
８０ｄ…可変絞り機構
９０…床暖房パネル（暖房器具）
２００…制御装置（制御手段）
Ｒ１…冷媒回路
Ｒ２…水回路、ブライン回路（流体回路）

Claims (7)

1. 低温側の熱を高温側に移動させて流体を加熱する蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを用いた加熱装置であり、
   冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、
   前記圧縮機（１０）が吐出する高温高圧冷媒と被加熱流体とを熱交換させる高圧側熱交換器（２０）と、
   前記高圧側熱交換器（２０）から流出した冷媒を等エンタルピ的に減圧膨脹させるとともに、その絞り開度を可変できる可変式減圧手段（３０）と、
   前記可変式減圧手段（３０）にて減圧された低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（４０）とを環状に接続した冷媒回路（Ｒ１）と、
   前記圧縮機（１０）の吐出側と前記高圧側熱交換器（２０）との間から分岐して、前記可変式減圧手段（３０）と前記低圧側熱交換器（４０）との間に接続したホットガスバイパス流路（６０）と、
   前記ホットガスバイパス流路（６０）の流通を制御する開閉手段（６１）と、
   上記各機器の作動を制御する制御手段（２００）とを有し、
   前記制御手段（２００）は、前記可変式減圧手段（３０）と前記開閉手段（６１）との開度を調節して、前記ホットガスバイパス流路（６０）を介して前記圧縮機（１０）が吐出する高温高圧冷媒を前記低圧側熱交換器（４０）に供給して前記低圧側熱交換器（４０）に発生した霜を除去する除霜運転と、前記圧縮機（１０）が吐出する高温高圧冷媒を前記高圧側熱交換器（２０）に供給して流体を加熱する流体加熱運転とを同時に行うことを特徴とするヒートポンプ式加熱装置。
2. 低温側の熱を高温側に移動させて流体を加熱する蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを用いた加熱装置であり、
   冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、
   前記圧縮機（１０）が吐出する高温高圧冷媒と被加熱流体とを熱交換させる高圧側熱交換器（２０）と、
   低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（４０）と、
   前記高圧側熱交換器（２０）から流出した冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル（８０ａ）と、前記ノズル（８０ａ）の絞り開度を可変する可変絞り機構（８０ｄ）とを有し、前記ノズル（８０ａ）から噴射する高い速度の冷媒流により前記低圧側熱交換器（４０）にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して前記圧縮機（１０）の吸入圧を上昇させる可変式エジェクタ（８０）と、
   前記可変式エジェクタ（８０）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離し、気相冷媒を前記圧縮機（１０）の吸引側に供給し、液相冷媒を前記低圧側熱交換器（４０）に供給する気液分離手段（５０）と、
   前記圧縮機（１０）の吐出側と前記高圧側熱交換器（２０）との間から分岐して、前記気液分離手段（５０）と前記低圧側熱交換器（４０）との間に接続したホットガスバイパス流路（６０）と、
   前記ホットガスバイパス流路（６０）の流通を制御する開閉手段（６１）と、
   上記各機器の作動を制御する制御手段（２００）とを有し、
   前記制御手段（２００）は、前記可変絞り機構（８０ｄ）と前記開閉手段（６１）との開度を調節して、前記ホットガスバイパス流路（６０）を介して前記圧縮機（１０）が吐出する高温高圧冷媒を前記低圧側熱交換器（４０）に供給して前記低圧側熱交換器（４０）に発生した霜を除去する除霜と、前記圧縮機（１０）が吐出する高温高圧冷媒を前記高圧側熱交換器（２０）に供給して流体を加熱する流体加熱とを同時に行うことを特徴とするヒートポンプ式加熱装置。
3. 除霜と同時に行う流体加熱により、前記高圧側熱交換器（２０）と貯湯タンク（７０）もしくは暖房器具（９０）とを接続する流体回路（Ｒ２）の凍結防止を行うことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のヒートポンプ式加熱装置。
4. 前記流体回路（Ｒ２）において、前記貯湯タンク（７０）もしくは前記暖房器具（９０）の近傍側に、前記貯湯タンク（７０）もしくは前記暖房器具（９０）をバイパスさせて前記流体回路（Ｒ２）を短絡させる流体短絡路（７２）と、流体の流れを前記貯湯タンク（７０）もしくは前記暖房器具（９０）側か前記流体短絡路（７２）側かに切り換える流路切換手段（７３）を設けるとともに、
   前記制御手段（２００）は、除霜と同時に行う流体加熱により流体回路（Ｒ２）の凍結防止を行う場合は、流体流れが前記流体短絡路（７２）側となるよう前記流路切換手段（７３）を制御することを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ式加熱装置。
5. 除霜と同時に行う流体加熱により、前記高圧側熱交換器（２０）と流体回路（Ｒ２）で接続された暖房器具（９０）を用いて暖房を行うことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のヒートポンプ式加熱装置。
6. 前記制御手段（２００）は、除霜と流体加熱とを同時に行う場合、前記圧縮機（１０）の回転数を除霜と流体加熱とで必要な熱量を発生させる回転数に制御することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のヒートポンプ式加熱装置。
7. 低温側の熱を高温側に移動させる場合には、前記圧縮機（１０）の吐出圧を冷媒の臨界圧力以上とすることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１つに記載のヒートポンプ式加熱装置。

Images