JP2006138612A - ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 超臨界冷媒を使用して、４方向切換弁を用いずに冷暖房（給湯）システムを実現できると共に、除霜時間を短縮でき、また除霜運転から暖房運転等に移行する過渡時の液バック量減少化を実現する。
【解決手段】 除霜時、熱源側熱交換器１１と高圧ガス管３との間の切換弁７を開、低圧ガス管６との間の切換弁８を閉、利用側熱交換器１２と高圧ガス管３との間の切換弁９を閉、低圧ガス管６との間の切換弁１０を開として、両熱交換器１１，１２と液管１７との間の膨張弁１５，１６により冷媒循環量を制御して除霜を行い、除霜制御終了時、高圧センサ２１を用いて冷媒を超臨界状態まで昇圧させてから、通常運転に切り換える。
【選択図】 図１

Description

本願発明は、冷暖房（給湯を含む）システム等のヒートポンプシステムに係わり、特に冷媒に二酸化炭素等の超臨界冷媒を使用したヒートポンプシステムの除霜技術に関するものである。

従来、フルオロカーボン（フロン）冷媒による冷暖房システムでは、圧縮機吐出管と吸込管に取り付けた４方向切換弁で、逆サイクルによる除霜制御を行っていた。一方、二酸化炭素（炭酸ガス）のような超臨界冷媒は、高圧側がフルオロカーボン冷媒より３〜４倍高く、高圧側と低圧側の差圧が非常に大きくなるが、４方向切換弁は面シールを用いているので高圧側と低圧側の差圧が大きくなると、どうしてもリーク等の不具合が発生し、シール技術が非常に困難となるので、現在の技術では、この超高圧に不具合なく対応できる４方向切換弁は存在しない。

また、現在実用化されている超臨界冷媒を使用したシステムは、給湯等の単サイクルシステムであったため、除霜は圧縮機吐出側冷媒を減圧弁等制御弁を通して蒸発器入口側に流入させるガスサイクル除霜方式であった。図４は、この除霜時の作用をモリエル線図（圧力−エンタルピ線図）で示したもので、破線部分は通常のヒートポンプ運転で、実線部分が除霜運転ガスサイクルを示しており、ａ−ｂ間で圧縮、ｂ−ｃ間で減圧、ｃ−ａ間で除霜される。すなわち、除霜用のエネルギー（ｃ−ａ）は圧縮機入力分（ａ−ｂ）のみである。このため除霜時間が長くかかった。

また、二酸化炭素冷媒等の超臨界冷媒を使用し、圧縮機の吐出管に接続された高圧ガス管と圧縮機の吸込管に接続された低圧ガス管にそれぞれ切換弁を介して熱源側熱交換器と利用側熱交換器の一端側が接続され、各熱交換器の他端側が膨張弁を介してそれぞれ液管に接続され、前記圧縮機と各切換弁や各膨張弁等を制御手段で制御して冷房運転や暖房運転あるいは給湯運転を行うようにしたヒートポンプシステム（冷凍装置）が既に提案されている（例えば、特許文献１参照）。

上記特許文献１に記載のものは、二酸化炭素冷媒等の超臨界冷媒を使用し、４方向切換弁を用いずに電磁開閉弁による切換弁を用いて、高圧ガス管と低圧ガス管と液管の３本配管（３ＷＡＹ）で、熱源側熱交換器として室外熱交換器を有する室外ユニットと、利用側熱交換器として室内熱交換器を有する複数の室内ユニットと給湯ユニットを備えた冷凍装置で、給湯ユニットを運転しながら、複数の室内ユニットを同時に冷房運転もしくは暖房運転可能とし、または、これらの冷房運転と暖房運転とを混在して実施可能とすると共に、高圧ガス管内が冷凍装置の運転中は超臨界圧力で運転されるため、冷媒が、高圧ガス管内で凝縮することがなく、フロン冷媒のように、液化して高圧ガス管内に寝込む（凝縮滞留する）ことがなくなる。
特開２００４−２２６０１８号公報

以上のように、従来、超臨界冷媒を使用した給湯等の単サイクルシステムでは、除霜は圧縮機吐出側冷媒を減圧弁等制御弁を通して蒸発器入口側に流入させるガスサイクル除霜方式であったため、除霜用のエネルギーは図４の如く圧縮機入力分のみで、このため除霜時間が長くかかっていた。

また、特許文献１には除霜についての開示はない。特許文献１記載の冷凍装置は、前述したように運転中は超臨界圧力で運転されるため、冷媒が高圧ガス管内で凝縮することがなく、フロン冷媒のように液化して高圧ガス管内に寝込むことはないが、暖房運転や給湯運転時に蒸発器となる室外熱交換器に着霜が生じた場合に逆サイクル除霜を行うと、圧縮機から吐出された冷媒は室外熱交換器で除霜しながら凝縮液化する。従って、除霜終了後に暖房運転等に戻ると、室外熱交換器内の凝縮液化冷媒が一気に液バックして、圧縮機の吸込管にアキュムレータ（気液分離器）が備えられていても、それをオーバーフローして圧縮機に流入するので、圧縮機のオイル挙動が不安定になり、耐久性に悪影響を及ぼす。また、液バックが起こると、その分、暖房運転等の立ち上がりも遅くなる。

そこで、本願発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、超臨界冷媒を使用して、４方向切換弁を用いずに冷暖房（給湯）システムを実現できると共に、その除霜時間を短縮でき、また除霜運転から暖房運転等に移行する過渡時の液バック量減少化を実現できるヒートポンプシステムを提供することを目的とするものである。

上記のような目的を達成するために、本願発明は、超臨界冷媒を使用し、圧縮機の吐出管に接続された高圧ガス管と圧縮機の吸込管に接続された低圧ガス管にそれぞれ切換弁を介して熱源側熱交換器と利用側熱交換器の一端側が接続され、各熱交換器の他端側が膨張弁を介してそれぞれ液管に接続され、前記圧縮機と各切換弁や各膨張弁等を制御手段で制御して冷房運転や暖房運転あるいは給湯運転を行うようにしたヒートポンプシステムにおいて、除霜時、前記熱源側熱交換器と高圧ガス管との間の切換弁を開とし、低圧ガス管との間の切換弁を閉とするとともに、前記利用側熱交換器と高圧ガス管との間の切換弁を閉とし、低圧ガス管との間の切換弁を開として、両熱交換器と液管との間の膨張弁により冷媒循環量を制御して除霜を行うことを特徴とするものである。

また、前記冷媒の超臨界状態を検出する検出手段を備え、前記検出手段により冷媒の超臨界状態を検出してから除霜運転を終了させ、通常運転に切り換えることを特徴とするものである。

さらに、前記液管内を流れる冷媒を気液分離し、分離した気相冷媒を前記圧縮機に供給するための中間圧レシーバを備えたことを特徴とするものである。

また、前記冷媒の超臨界状態を検出する検出手段として圧力センサを用いたことを特徴とするものである。

また、前記超臨界冷媒として二酸化炭素冷媒を使用したことを特徴とするものである。

本願発明によれば、超臨界冷媒を使用して、４方向切換弁を用いずに冷暖房（給湯）システムを実現できると共に、逆サイクル除霜が実現できるので、熱源側熱交換器の逆サイクル除霜時には利用側熱交換器が蒸発器として機能して、この蒸発器側から吸熱ができ、圧縮機入力と共に除霜用熱として利用できるため、除霜時間を短縮できる。

また、冷媒の超臨界状態を検出する検出手段を備えて、除霜制御終了時に冷媒を凝縮しない超臨界状態まで昇圧することにより、除霜運転から暖房運転等に移行する過渡時の液バック量減少化を実現でき、これにより圧縮機の耐久性向上とともに、立ち上がりスピードも速くなる。

さらに、液管に、冷媒を気液分離し、分離した気相冷媒を圧縮機に供給するための中間圧レシーバを備えたことにより、液管から膨張弁には飽和液線のエンタルピを有する液相冷媒が流入するので、利用側熱交換器又は熱源側熱交換器が蒸発器として機能するときに、その入口と出口との間のエンタルピ差は大きくしながら、圧縮機の圧縮仕事量を小さくすることができ、二酸化炭素冷媒による冷凍サイクルの冷凍能力を大きくすることができると共に、その成績係数を向上させることができる。

また、冷媒の超臨界状態を検出する検出手段として圧力センサを用いたことにより、冷媒の超臨界状態をほぼ確実に検出できる。

また、超臨界冷媒として二酸化炭素冷媒を使用したことにより、自然系冷媒の中でも二酸化炭素冷媒は毒性や可燃性がないため，除害設備を設ける必要もない利点がある。

以下、本願発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本願発明の一実施形態に係るヒートポンプシステムの冷媒回路図、図２はその作用を示すモリエル線図（圧力−エンタルピ線図）である。

図１に示す冷媒回路には、冷媒として自然系冷媒で高圧側が超臨界状態で運転される二酸化炭素（炭酸ガス）冷媒が用いられている。二酸化炭素冷媒は、約７３気圧以上、約３１℃以上で、液体でも気体でもないが、それらの特性を併せ持った超臨界状態となる。

上記二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機１は高圧圧縮が可能な２段圧縮式のもので、その高段圧縮要素側の吐出管２は高圧ガス管３に接続され、低段圧縮要素側の吸込管４はアキュムレータ（気液分離器）５を介して低圧ガス管６に接続されている。

高圧ガス管３と低圧ガス管６には、それぞれ切換弁（電磁開閉弁）７，８，９，１０を介して熱源側熱交換器１１と利用側熱交換器１２の一端側が接続されている。熱源側熱交換器１１は具体的には室外熱交換器等で、外気との熱交換を促進するための送風ファン１３が備えられている。また、利用側熱交換器１２は具体的には室内熱交換器等で、室内空気との熱交換を促進すると共に冷風や温風を吹き出すための送風ファン１４が備えられている。

上記各熱交換器１１，１２の他端側は、電子制御弁から成る膨張弁（減圧弁）１５，１６を介してそれぞれ液管（細管）１７に接続されており、上述した圧縮機１と各切換弁７〜１０や各ファン１３，１４や各膨張弁１５，１６等を図示しないマイコン等から成る制御手段で制御することにより、冷房運転や暖房運転等を行うことができるように構成されている。なお、利用側熱交換器１２として、前述した特許文献１に記載されているように室内熱交換器を有する複数の室内ユニットと給湯ユニットを備えれば、給湯ユニットを運転しながら、複数の室内ユニットを同時に冷房運転もしくは暖房運転可能となり、または、これらの冷房運転と暖房運転とを混在して実施可能となる。

さらに、本実施形態においては、液管１７内を流れる冷媒を気液分離し、分離した気相冷媒を圧縮機１に供給するための中間圧レシーバ１８が備えられている。この中間圧レシーバ１８は液管１７を流れる気液混合冷媒の双方向の流れに対応したもので、例えば多数の貫通孔が形成された仕切板１９により双方向の気液分離を実現できる。この中間圧レシーバ１８で分離された気相冷媒は、２段圧縮式の圧縮機１における高段圧縮要素の吸入側に供給されるように構成されている。

また、圧縮機１の吐出管２には、二酸化炭素冷媒の超臨界状態を検出するための高圧センサ２１が取り付けられており、この高圧センサ２１の検出出力が図示しない制御手段を構成するマイコンに入力されるようになっている。

以上の構成において、冷房運転時には、図１の熱源側熱交換器１１の高圧側切換弁７が開、低圧側切換弁８が閉、利用側熱交換器１２の高圧側切換弁９が閉、低圧側切換弁１０が開となり、膨張弁１５，１６は絞り作用で運転される。

これにより、圧縮機１で圧縮されて高温高圧となった冷媒は超臨界状態となって（図２のａ−ｂ−ｃ−ｄ）、吐出管２から高圧ガス管３を通り高圧側切替弁７を介して熱源側熱交換器１１に流入する。熱源側熱交換器１１に流入した冷媒は、ファン１３による送風によって外気と熱交換して冷却されるが超臨界状態であるので凝縮はしない（図２のｄ−ｅ）。

熱源側熱交換器１１で冷却された超臨界状態の冷媒は、絞り作用の膨張弁１５を介して減圧膨張して中間圧レシーバ１８に流入する（図２のｅ−ｆ）。この間に冷媒は飽和液腺ＳＬを通過し超臨界状態を脱して一部が液化し気液混合冷媒となって中間圧レシーバ１８に流入する。中間圧レシーバ１８に流入した気液混合冷媒は、ここで気相冷媒と液相冷媒に分離され、分離した気相冷媒は圧縮機１の高段圧縮要素の吸入側に供給される（図２のｆ−ｃ）。一方、気相冷媒が分離された液相冷媒は、気相冷媒のエンタルピ分が失われて飽和液腺ＳＬまでエンタルピが低下する（図２のｆ−ｇ）。

中間圧レシーバ１８で気相冷媒が分離された液相冷媒は、絞り作用の膨張弁１６を介して減圧膨張して利用側熱交換器１２に流入する（図２のｇ−ｈ）。利用側熱交換器１２では、液相冷媒がファン１４による送風によって室内空気と熱交換して蒸発気化し、冷却された空気が冷風となって室内に吹き出される一方、飽和蒸気線ＳＶを超えて完全に気相となった冷媒は利用側熱交換器１２から低圧側切換弁１０を介して低圧ガス管６、吸込管４に設けられたアキュムレータ５を通して圧縮機１に吸入される（図２のｈ−ａ）。そして、上述した冷凍サイクルが繰り返される。

一方、暖房（あるいは給湯）運転の場合は、図１の熱源側熱交換器１１の高圧側切換弁７が閉、低圧側切換弁８が開、利用側熱交換器１２の高圧側切換弁９が開、低圧側切換弁１０が閉となり、膨張弁１５，１６は絞り作用で運転される。

これにより、圧縮機１で圧縮されて高温高圧となった冷媒は超臨界状態となって（図２のａ−ｂ−ｃ−ｄ）、吐出管２から高圧ガス管３を通り高圧側切替弁９を介して利用側熱交換器１２に流入する。利用側熱交換器１２では、ファン１４による送風によって室内空気と熱交換して加熱された空気が温風となって室内に吹き出される一方、冷媒は冷却されるが超臨界状態であるので凝縮はしない（図２のｄ−ｅ）。

熱源側熱交換器１２で冷却された超臨界状態の冷媒は、絞り作用の膨張弁１６を介して減圧膨張して中間圧レシーバ１８に流入する（図２のｅ−ｆ）。この間に冷媒は飽和液腺ＳＬを通過し超臨界状態を脱して一部が液化し気液混合冷媒となって中間圧レシーバ１８に流入する。中間圧レシーバ１８に流入した気液混合冷媒は、ここで気相冷媒と液相冷媒に分離され、分離した気相冷媒は圧縮機１の高段圧縮要素の吸入側に供給される（図２のｆ−ｃ）。一方、気相冷媒が分離された液相冷媒は、気相冷媒のエンタルピ分が失われて飽和液腺ＳＬまでエンタルピが低下する（図２のｆ−ｇ）。

中間圧レシーバ１８で気相冷媒が分離された液相冷媒は、絞り作用の膨張弁１５を介して減圧膨張して熱源側熱交換器１１に流入する（図２のｇ−ｈ）。熱源側熱交換器１２では、液相冷媒がファン１３による送風によって外気と熱交換して蒸発気化し、飽和蒸気線ＳＶを超えて完全に気相となった冷媒は熱源側熱交換器１１から低圧側切換弁８を介して低圧ガス管６、吸込管４に設けられたアキュムレータ５を通して圧縮機１に吸入される（図２のｈ−ａ）。そして、上述した冷凍サイクルが繰り返される。

上記熱源側熱交換器１１での冷媒の蒸発気化によって、気化熱を奪われて冷却された熱源側熱交換器１１に着霜が生じた場合は、着霜によって熱交換効率が低下するので、除霜運転が行われる。

この除霜時には、一旦圧縮機１を止め、各切換弁７〜１０を閉とし、膨張弁１５，１６は開の状態で圧力バランスしてから除霜運転に入る。圧力バランスしてから除霜運転に入るのは、高圧冷媒と低圧冷媒の衝突による大きな切換冷媒音の発生を防ぐためである。

除霜運転時には、熱源側熱交換器１１の高圧側切換弁７を開、低圧側切換弁８を閉、利用側熱交換器１２の高圧側切換弁９を閉、低圧側切換弁１０を開として、膨張弁１５，１６は絞り作用で圧縮機１を運転する。除霜中は、熱源側熱交換器１１のファン１３は停止、利用側熱交換器１２のファン１４は停止もしくは冷風が吹き出さない程度の微風で運転される。

圧縮機１から吐出された冷媒は熱源側熱交換器１１で除霜しながら凝縮される。すなわち、圧縮機１から吐出された冷媒が着霜した熱源側熱交換器１１に流入すると、ファン１３が停止状態に制御されているので、外気との熱交換が抑制されて熱源側熱交換器１１が加熱して着霜が除霜される。除霜中は除霜熱が奪われて冷媒は凝縮するが、膨張弁１５，１６の絞り作用で適度に減圧され、利用側熱交換器１２で蒸発気化して、圧縮機１に吸い込まれる。

除霜制御終了時、圧縮機１を運転継続すると、圧縮機１の吐出圧力は徐々に上昇し、熱源側熱交換機１１内の冷媒は超臨界状態となる。従って、熱源側熱交換器１１内は凝縮液がほとんどない状態となり内部冷媒量は減少する。余剰冷媒は中間圧レシーバ１８に保有される。上記熱源側熱交換機１１内の冷媒の超臨界状態は、圧縮機１の吐出圧力の上昇を圧縮機吐出管２に備えられた高圧センサ２１で検出し、二酸化炭素冷媒の超臨界圧力である約７３気圧以上になったのを制御手段を構成するマイコンで検知することにより、冷媒の超臨界状態をほぼ確実に検出することができ、これを検出してから暖房（あるいは給湯）運転に復帰する。

暖房（あるいは給湯）運転復帰時には、除霜運転時と同様に一旦圧縮機１を停止し、各切換弁７〜１０を閉、膨張弁１５，１６は開とすると、熱源側熱交換器１１内の冷媒は利用側熱交換器１２に流れ、熱源側熱交換器１１内の内部冷媒量はより減少する。その後、前述した暖房（あるいは給湯）運転の通常運転に入ると、熱源側熱交換器１１の内部冷媒量は一層減少し、圧縮機１への液バック量はより少なくなり、圧縮機１の耐久性向上とともに、立ち上がりスピードも速くなる。

このように、本システムでは、二酸化炭素冷媒のような超臨界冷媒を使用しても、切換弁７〜１０を用いた高圧ガス管３と低圧ガス管６及び液管１７の３本配管（３ＷＡＹ）により、従来の４方向切換弁と同様な逆サイクル除霜が実現できる。図３は本システムによる除霜時の作用をモリエル線図で示したもので、図のａ−ｂ−ｃ−ｄは除霜運転中のヒートポンプ運転サイクルを示し、ａ−ｂ’−ｃ’−ｄ’からａ−ｂ１−ｃ１−ｄ１は圧縮機１吐出圧力が徐々に上昇して超臨界状態に至る除霜終了時のヒートポンプ運転サイクルを示している。この本実施形態の図３と従来の図４とを比較しても分かるように、本実施形態における熱源側熱交換器１１の逆サイクル除霜時には、利用側熱交換器１２が蒸発器として機能して、この蒸発器側から吸熱ができ（ｄ−ｄ’−ｄ１−ａ）、圧縮機入力分（ａ−ｂ−ｂ’−ｂ１）と共に除霜用熱として利用できるので、除霜時間を短縮できる。

また、本実施形態においては、液管１７に上述したような双方向の中間圧レシーバ１８を備えたことにより、液管１７から膨張弁１５，１６には、図２に示したように飽和液線ＳＬのエンタルピを有する液相冷媒が流入するので、利用側熱交換器１２又は熱源側熱交換器１１が蒸発器として機能するときに、その入口と出口との間のエンタルピ差を大きくすることができる。また、中間圧レシーバ１８で分離された中間圧を有する気相冷媒が２段圧縮式の圧縮機１における高段圧縮要素の吸入側に導かれるので、圧縮機１の圧縮仕事量を小さくすることができる。

従って、利用側熱交換器１２又は熱源側熱交換器１１が蒸発器として機能するときに、その入口と出口との間のエンタルピ差は大きくしながら、圧縮機１の圧縮仕事量を小さくすることができるので、二酸化炭素冷媒による冷凍サイクルの冷凍能力を大きくすることができると共に、その成績係数を向上させることができる。

また、２段圧縮式の圧縮機１を用いているので、上述した作用効果を１台の圧縮機で実現でき、省スペース化や低コスト化を図ることができる。

なお、上記実施形態では、冷媒の超臨界状態を検出する検出手段として高圧センサ２１を用いて超臨界状態をほぼ確実に検出できるようにしたが、各種条件下において超臨界状態となる冷媒温度や経過時間を実験等により予め測定しておいて、その値にある程度の余裕を設けて温度センサやタイマにより超臨界状態を検出することも考えられる。

また、高圧側が超臨界状態で運転される冷媒には、二酸化炭素冷媒のほかに、例えばエチレン、ディボラン、エタン、酸化窒素等が挙げられるが、自然系冷媒の中でも二酸化炭素冷媒は毒性や可燃性がないため，除害設備を設ける必要もない利点がある。

本願発明の一実施形態に係るヒートポンプシステムの冷媒回路図。 その作用を示すモリエル線図。 本願発明の逆サイクル除霜方式による除霜時の作用を示すモリエル線図。 従来のガスサイクル除霜方式による除霜時の作用を示すモリエル線図。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 吐出管
３ 高圧ガス管
４ 吸込管
５ アキュムレータ
６ 低圧ガス管
７〜１０ 切換弁
１１ 熱源側熱交換器
１２ 利用側熱交換器
１３，１４ 送風ファン
１５，１６ 膨張弁
１７ 液管
１８ 中間圧レシーバ
２１ 高圧センサ

Claims (5)

1. 超臨界冷媒を使用し、圧縮機の吐出管に接続された高圧ガス管と圧縮機の吸込管に接続された低圧ガス管にそれぞれ切換弁を介して熱源側熱交換器と利用側熱交換器の一端側が接続され、各熱交換器の他端側が膨張弁を介してそれぞれ液管に接続され、前記圧縮機と各切換弁や各膨張弁等を制御手段で制御して冷房運転や暖房運転あるいは給湯運転を行うようにしたヒートポンプシステムにおいて、
   除霜時、前記熱源側熱交換器と高圧ガス管との間の切換弁を開とし、低圧ガス管との間の切換弁を閉とするとともに、前記利用側熱交換器と高圧ガス管との間の切換弁を閉とし、低圧ガス管との間の切換弁を開として、両熱交換器と液管との間の膨張弁により冷媒循環量を制御して除霜を行うことを特徴とするヒートポンプシステム。
2. 前記冷媒の超臨界状態を検出する検出手段を備え、前記検出手段により冷媒の超臨界状態を検出してから除霜運転を終了させ、通常運転に切り換えることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプシステム。
3. 前記液管内を流れる冷媒を気液分離し、分離した気相冷媒を前記圧縮機に供給するための中間圧レシーバを備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のヒートポンプシステム。
4. 前記冷媒の超臨界状態を検出する検出手段として圧力センサを用いたことを特徴とする請求項２記載のヒートポンプシステム。
5. 前記超臨界冷媒として二酸化炭素冷媒を使用したことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のヒートポンプシステム。