JP2007198681A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の性能を常に高く維持し、熱交換能力を低下させることがなく、圧縮機の信頼性を維持できるヒートポンプ装置を提供すること。
【解決手段】圧縮機３１、放熱器３２、主絞り装置３３、蒸発器３４を順次接続して冷媒回路を構成し、前記放熱器３２の上流側に設けられ、前記圧縮機３１から吐出された冷媒と潤滑油とを分離する油分離手段３９を備え、前記油分離手段３９で分離した潤滑油を前記圧縮機３１に流入させることを特徴とするもので、圧縮機３１より吐出した潤滑油が冷媒循環回路にはほとんど流れず圧縮機３１の吸入側に流入するため、より多くの潤滑油がメカ部に送られるので、高温の給湯運転でも潤滑油量を確保でき、メカ部の隙間のシール性が良好となって十分な圧縮ができ、高効率な運転が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明はヒートポンプ装置に関する。

従来、この種のヒートポンプ装置は、たとえばヒートポンプ給湯機として利用された図４に示すものがある
図４は従来のヒートポンプ給湯機のサイクル構成図であり、圧縮機１、給湯用熱交換器２、絞り装置３、蒸発器４からなる冷媒循環回路と、貯湯槽５、循環ポンプ６、前記給湯用熱交換器２、補助加熱器１９を接続した給湯回路からなり、前記圧縮機１より吐出された高温高圧の過熱ガス冷媒は圧縮機１の潤滑油と混合した状態で前記給湯用熱交換器２に流入し、ここで前記循環ポンプ６から送られてきた給湯水を加熱する。

そして、凝縮液化した冷媒は前記絞り装置３で減圧され、前記蒸発器４に流入し、ここで大気熱を吸熱して蒸発ガス化し、前記圧縮機１にもどる。一方、前記給湯用熱交換器２で加熱された湯は前記貯湯槽５の上部に流入し、上から次第に貯湯されていく。

そして、前記給湯用熱交換器２の入口水温が設定値に達すると水温検知器２０が検知し、前記圧縮機１によるヒートポンプ運転を停止して、前記補助加熱器１９の単独運転に切り換えるものである。なお、ここでは圧縮機１はシェル内が略吐出圧力となっている高圧シェル型圧縮機を搭載している（例えば、特許文献１参照）。
特開昭６０−１６４１５７号公報

しかしながら、上記のような従来の構成では、給湯用に供する湯をたとえば９０℃程度に高温加熱する場合には、給湯用熱交換器２での冷媒凝縮温度を高くする必要があり、そのためには圧縮機１の吐出ガス圧力を上昇し、吐出ガス温度を上昇させる必要がある。

圧縮機１は高圧シェル型圧縮機であるので、メカ部から吐出された高温高圧の潤滑油を含んだ吐出ガスがシェル内に一旦吐出され、モータ部を冷却して、自らはさらに高温のガスとなって圧縮機１の外部に吐出されるためシェル内は高温の状態となる。
また、圧縮機１のシェル下部には潤滑油が貯留されており、油ポンプによりメカ部に送られ、メカ部を潤滑する。先に述べたようにシェル内は高温のため、貯留されている潤滑油の温度は吐出ガスと同程度に高く、メカ部に送られる潤滑油もシェル内のメカ回転軸を通ってメカ部に高温のまま送られる。

一般的に圧縮機１の潤滑油は温度が上がるほどその粘度が低下するため、高温の潤滑油はメカ部の隙間のシール性が悪いため、十分な圧縮ができなくなる。そのため従来の構成では、高温でも潤滑油の粘度を比較的高く保てるようにするため、低温での粘度を必要以上に高いものを使用していた。そのため、通常の給湯運転時には、潤滑油の粘性抵抗によりメカ部の機械効率が低下し、圧縮機効率が低下し、ヒートポンプ性能が低下していた。

また、高温の給湯を長時間運転する場合には、潤滑油が長時間高温となるため潤滑油の劣化が早まり、圧縮機の信頼性に悪い影響を及ぼしていた。

さらにまた、圧縮機１の潤滑油は、吐出ガス冷媒と共に冷媒循環回路を流れるため、給湯用熱交換器２や蒸発器４の冷媒配管壁面に付着して流れることにより熱抵抗となって伝
熱を阻害し、熱交換能力が低下するという課題を有していた。

本発明は前記従来の課題を解決するものであり、圧縮機の性能を常に高く維持し、熱交換能力を低下させることがなく、圧縮機の信頼性を維持できるヒートポンプ装置を提供することを目的とするものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ装置は、圧縮機、放熱器、主絞り装置、蒸発器を順次接続して冷媒回路を構成し、前記放熱器の上流側に設けられ、前記圧縮機から吐出された冷媒と潤滑油とを分離する油分離手段を備え、前記油分離手段で分離した潤滑油を前記圧縮機に流入させることを特徴とするもので、圧縮機より吐出した潤滑油が冷媒循環回路にはほとんど流れず圧縮機の吸入側に流入するため、より多くの潤滑油がメカ部に送られるので、高温の給湯運転でも潤滑油量を確保でき、メカ部の隙間のシール性が良好となって十分な圧縮ができ、高効率な運転が可能となる。また、潤滑油が冷媒循環回路にはほとんど流れないので、油膜により熱交換性能が低下することがなくなり、さらに高効率な運転が可能となる。

本発明によれば、圧縮機の性能を常に高く維持し、熱交換能力を低下させることがなく、圧縮機の信頼性を維持できるヒートポンプ装置を提供できる。

第１の発明は、圧縮機、放熱器、主絞り装置、蒸発器を順次接続して冷媒回路を構成し、前記放熱器の上流側に設けられ、前記圧縮機から吐出された冷媒と潤滑油とを分離する油分離手段を備え、前記油分離手段で分離した潤滑油を前記圧縮機に流入させることを特徴とするもので、圧縮機より吐出した潤滑油が冷媒循環回路にはほとんど流れず圧縮機の吸入側に流入するため、より多くの潤滑油がメカ部に送られるので、高温の給湯運転でも潤滑油量を確保でき、メカ部の隙間のシール性が良好となって十分な圧縮ができ、高効率な運転が可能となる。また、潤滑油が冷媒循環回路にはほとんど流れないので、油膜により熱交換性能が低下することがなくなり、さらに高効率な運転が可能となる。

さらに、油分離手段の作用により、冷媒回路には潤滑油がほとんど流れることはないため、油膜により熱交換性能が低下することがなくなり、さらに高効率な運転が可能となる。

第２の発明は、特に、第１の発明の前記油分離手段で分離した潤滑油を、冷却する補助熱交換器を設けることにより、潤滑油が冷却され、温度の下がった潤滑油が吸入ガスと共にメカ部に送られるので、高温の給湯運転でも、メカ部の隙間のシール性が良好となって十分な圧縮ができ、高効率な運転が可能となる。

第３の発明は、特に、第２の発明の補助熱交換器の潤滑油の流路の入口側または出口側に副絞り装置を設けることにより、圧縮機に戻る潤滑油の流量を適度に制御でき、メカ部のシール性を良好に保つことができる。

第４の発明は、特に、第２または第３の発明の補助熱交換器で潤滑油と熱交換する冷却熱源として、主絞り装置の出口から圧縮機の入口までの間の冷媒を用いたことにより、熱交換効率が良くなり、補助熱交換器を小型にして、高効率な運転が可能となる。

第５の発明は、特に、第２または第３の発明の補助熱交換器で潤滑油と熱交換する冷却熱源として、放熱器入口から主絞り装置入口までの間の冷媒を用いることにより、放熱器
出口温度が上昇するので、蒸発器入口エンタルピーが増加するので、空気からの吸熱量を少なくできるので、低圧が上昇し、圧縮機の必要動力が減少できるので高効率な運転が可能となる。

第６の発明は、特に、第２または第３の発明の補助熱交換器で潤滑油と熱交換する冷却熱源として、放熱器の吸熱源を用いることにより、吸熱源の放熱器への入口温度が上昇して加熱能力に寄与でき、高効率なヒートポンプ装置を構成できる。

第７の発明は、特に、第１から第６の発明のいずれかの放熱器の吸熱源として給湯水を用いたことにより、給湯水の放熱器への入口温度が上昇して加熱能力に寄与でき、また、水部品による回路構成が可能なため耐圧部品を設ける必要がなく、安価なヒートポンプ装置を構成できる。

第８の発明は、特に、第１から第７の発明の冷媒として炭酸ガスを用いたことにより、給湯水の高温化を高効率で実現すると共に、冷媒が外部に漏れた場合にも、地球温暖化への影響は非常に少なくなる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

なお、各実施の形態において、同じ構成、同じ動作をする部分については同一符号を付与し、詳細な説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ装置の構成図を示すものである。

図１において、圧縮機３１、放熱器３２、主絞り装置３３、蒸発器３４を順に環状に接続し、冷媒として炭酸ガスを封入して冷媒循環回路を形成し、蒸発器３４は外気を送風するためのファン３５を備えている。また、貯湯槽３６、循環ポンプ３７、放熱器３２を順に接続した給湯回路を形成しており、圧縮機３１より吐出された高温高圧の過熱ガス冷媒は放熱器３２に流入し、ここで循環ポンプ３７から送られてきた給湯水を加熱するようになっている。

圧縮機１の吐出配管３８は油分離手段３９と接続され、前記油分離手段３９にて冷媒と分離された潤滑油は、吸入配管４２に接続に接続される配管４０に流出する構成となっている。一方、前記油分離手段３９で分離された冷媒は、配管４１を介して放熱器３２に流入する構成となっている。なお、本実施の形態においては、油分離手段３９にて冷媒と分離された潤滑油は、吸入配管４２に接続に接続される配管４０に流入する構成となっているが、直接圧縮機１のシリンダー内に流入する構成としてもよい。

圧縮機１は、吸入配管４２から低圧の冷媒ガスを吸入し、吐出配管３８より高圧の冷媒ガスを吐出する。また、圧縮機１の内部には潤滑油４３が貯留されており、圧縮機1のメカ部を潤滑する役目をなしている。なお、通常は潤滑油のほとんどが圧縮機１の内部に留まっているが、一部は、圧縮して吐出する冷媒と共に吐出配管３８より流出するものである。

さらに、主絞り装置３３と蒸発器３４との間に、補助熱交換器４４を設けてあり、主絞り装置３３を出た冷媒と配管４０とが補助熱交換器４４で間接的に熱交換する。また、配管４０は補助熱交換器４４を介して吸入配管４２と接続しており、補助熱交換器４４と吸
入配管４２の間には副絞り装置４５を備えている。また、冷媒としては炭酸ガスが封入されている。

以上のように構成されたヒートポンプ装置について、以下に、その動作、作用を説明する。

圧縮機３１で高温高圧の超臨界状態に圧縮された冷媒（炭酸ガス）は、放熱器３２で給湯回路を流れる水と熱交換し、自らは中温高圧の冷媒となり、主絞り装置３３で減圧された後、蒸発器３４に流入し、ここでファン３５により送風された外気と熱交換して蒸発ガス化し、再度、圧縮機３１に帰還する冷媒回路を循環する。一方、循環ポンプ３７で貯湯槽３６の下部より放熱器３２に送られた給湯水は加熱され、高温の湯となって貯湯槽３６の上部に貯湯されていく。

この場合、圧縮機３１より吐出され吐出配管３８に流出した冷媒と潤滑油の混合流体は、共に油分離手段３９に流入し、ここで、たとえば混合流体の旋回流れを生成させることにより潤滑油は遠心力で容器外側に付着した後、油分離手段下部に落下し、一方、冷媒は圧力差によって上部より流出していくような構造を用いることにより、潤滑油と冷媒が分離される。

分離された冷媒は、前述のように冷媒回路を循環するが、循環する冷媒中には潤滑油がほとんど含まれることがないため、放熱器３２や蒸発器３４において、潤滑油が熱交換器の壁面に付着流動して熱抵抗となり、熱抵抗になるようなことはなく、十分な熱交換器性能が得られるため、高効率な運転が可能となる。一方、分離された潤滑油は、配管４０を介して補助熱交換器４４で冷媒回路の蒸発器３４の入口の低温の冷媒と間接的に熱交換し、潤滑油の温度が低下した状態で、副絞り装置４５で潤滑油流量を適度に調整されて吸入配管４２に流入する。

ここにおいては、吸入配管４２に流入する潤滑油の温度が低いため、粘度は比較的高くなり、冷媒ガスを圧縮する圧縮室（図示せず）の隙間を十分にシールすることが可能となり体積効率が向上して、圧縮機効率が向上する。また、メカ部の軸受けや機械的接触部（図示せず）における潤滑も十分に保てるので、信頼性も向上するものである。

このように、本実施の形態においては、油分離手段３９の作用によって、冷媒回路には、ほとんど冷媒のみを循環させて熱交換器の性能を引き出し、一方、潤滑油は、温度を低下させて吸入配管４２を通ってメカ部に送られるので、特に高温の給湯運転でも潤滑油の粘度が低下することがなくなり、メカ部の隙間のシール性が良好となって体積効率が向上して十分な圧縮ができ、高効率な運転が可能となるものである。

さらに、補助熱交換器４４内を流れる冷却熱源として、蒸発器３４と圧縮機３１の間の冷媒を用いることにより、圧縮機３１の吸入ガス温度を上昇させ、吐出ガス温度を上昇させることができるので、高温給湯運転時に高圧を低下させることができて、さらに高効率な運転が可能となる。

さらに、冷媒として炭酸ガスを用いたことにより、給湯水の高温化を高効率で実現すると共に、冷媒が外部に漏れた場合にも、地球温暖化への影響は非常に少なくなるものである。

なお、副絞り装置４５は補助熱交換器４４の上流下流いずれに設けてもほぼ同様の効果が得られ、これらも本発明に含まれる。さらに、補助熱交換器４２は、二重管構造や外接式熱交換器等の形状等でもよく、これらも本発明に含まれる。

また、油分離機３９を圧縮機３１の外部に設け、吐出配管３８と接続する構成を記載したが、油分離機３９を圧縮機３１の内部に設けた場合にも同様の効果が得られ、これらも本発明に含まれる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態におけるヒートポンプ装置の構成図を示すものである。図２において、実施の形態１で示した図１と同様の構成で同様の機能を有する部品については同一の番号を付してあり、説明は省略する。

本実施の形態においては、放熱器３２と主絞り装置３３との間に、補助熱交換器５０を設けてあり、放熱器３２を出た冷媒と配管４０を流れる潤滑油とが補助熱交換器５０で間接的に熱交換する。また、冷媒としては炭酸ガスが封入されている。

以上のように構成されたヒートポンプ給湯装置について、以下その動作、作用を説明する。

圧縮機３１より吐出され吐出配管３８に流出した冷媒と潤滑油の混合流体は、共に油分離手段３９に流入し、分離された冷媒は、冷媒回路を循環するが、循環する冷媒中には潤滑油がほとんど含まれることがないため、放熱器３２や蒸発器３４において、潤滑油が熱交換器の壁面に付着流動して熱抵抗となり、熱抵抗になるようなことはなく、十分な熱交換器性能が得られるため、高効率な運転が可能となる。一方、分離された潤滑油は、配管４０を介して補助熱交換器５０で冷媒回路の放熱器３２出口の比較的低温の冷媒と間接的に熱交換し、潤滑油の温度が低下した状態で、副絞り装置４５で潤滑油流量を適度に調整されて吸入配管４２に流入する。

ここにおいては、吸入配管４２に流入する潤滑油の温度が低いため、粘度は比較的高くなり、冷媒ガスを圧縮する圧縮室（図示せず）の隙間を十分にシールすることが可能となり体積効率が向上して、圧縮機効率が向上する。

また、メカ部の軸受けや機械的接触部（図示せず）における潤滑も十分に保てるので、信頼性も向上するものである。

また、補助熱交換器４４で潤滑油と熱交換する冷却熱源として、放熱器３２入口から前記主絞り装置入口までの間の冷媒を用いることにより、放熱器出口温度が上昇するため、蒸発器３４入口の冷媒のエンタルピーが増加し、空気からの吸熱量を少なくできるので、低圧が上昇し、圧縮機３１の必要動力が減少できるので高効率な運転が可能となる。

さらに、冷媒として炭酸ガスを用いたことにより、給湯水の高温化を高効率で実現すると共に、冷媒が外部に漏れた場合にも、地球温暖化への影響は非常に少なくなるものである。

なお、副絞り装置４５は補助熱交換器４４の上流下流いずれに設けてもほぼ同様の効果が得られ、これらも本発明に含まれる。さらに、補助熱交換器４４は、二重管構造や外接式熱交換器等の形状等でもよく、これらも本発明に含まれる。

また、油分離機３９を圧縮機３１の外部に設け、吐出配管３８と接続する構成を記載したが、油分離機３９を圧縮機３１の内部に設けた場合にも同様の効果が得られ、これらも本発明に含まれる。

（実施の形態３）
図３は、本発明の第３の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の構成図を示すものである。図３において、実施の形態１で示した図１と同様の構成で同様の機能を有する部品については同一の番号を付してあり、説明は省略する。

本実施の形態においては、循環ポンプ３７と放熱器３２との間に、補助熱交換器６０を設けてあり、循環ポンプ３７より吐出された市水と配管４０を流れる潤滑油とが補助熱交換器６０で間接的に熱交換する。また、冷媒としては炭酸ガスが封入されている。

以上のように構成されたヒートポンプ給湯装置について、以下その動作、作用を説明する。

圧縮機３１より吐出され吐出配管３８に流出した冷媒と潤滑油の混合流体は、共に油分離手段３９に流入し、分離された冷媒は、冷媒回路を循環するが、循環する冷媒中には潤滑油がほとんど含まれることがないため、放熱器３２や蒸発器３４において、潤滑油が熱交換器の壁面に付着流動して熱抵抗となり、熱抵抗になるようなことはなく、十分な熱交換器性能が得られるため、高効率な運転が可能となる。

一方、分離された潤滑油は、配管４０を介して補助熱交換器６０で循環ポンプ３７出口の比較的低温の給湯水と間接的に熱交換し、潤滑油の温度が低下した状態で、副絞り装置４５で潤滑油流量を適度に調整されて吸入配管４２に流入する。

ここにおいては、吸入管に流入する潤滑油４１の温度が低いため、粘度は比較的高く、冷媒ガスを圧縮する圧縮室（図示せず）の隙間を十分にシールすることが可能となり体積効率が向上して、圧縮機効率が向上する。さらに、メカ部の軸受けや機械的接触部（図示せず）における潤滑も十分に保てるので、信頼性も向上するものである。

このように、本実施の形態においては、シェル内の潤滑油が冷却され、温度の下がった潤滑油が吸入管を通ってメカ部に送られるので、特に高温の給湯運転でも潤滑油の粘度が低下することがなくなり、メカ部の隙間のシール性が良好となって体積効率が向上して十分な圧縮ができ、高効率な運転が可能となるものである。

また、補助熱交換器６０の吸熱源として給湯水を用いたことにより、給湯水の放熱器３２への入口温度が上昇して加熱能力に寄与でき、また、水側は冷媒のような耐圧部品を設ける必要がなく、安価なヒートポンプ装置を構成できる。

さらに、冷媒として炭酸ガスを用いたことにより、給湯水の高温化を高効率で実現すると共に、冷媒が外部に漏れた場合にも、地球温暖化への影響は非常に少なくなるものである。

なお、副絞り装置６１は補助熱交換器６０の上流下流いずれに設けても同様の効果が得られ、これらも本発明に含まれる。さらに、補助熱交換器６１は、二重管構造や外接式熱交換器等の形状等でもよく、これらも本発明に含まれる。

また、油分離機３９を圧縮機３１の外部に設け、吐出配管３８と接続する構成を記載したが、油分離機３９を圧縮機３１の内部に設けた場合にも同様の効果が得られ、これらも本発明に含まれる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ装置は、給湯機の高性能化や信頼性向上が
可能となるので、高温を得るヒートポンプ給湯機や高温風を得る空調機等の用途に適用できる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ装置の構成図 本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ装置の構成図 本発明の実施の形態３におけるヒートポンプ装置の構成図 従来のヒートポンプ給湯装置の構成図

符号の説明

３１ 圧縮機
３２ 放熱器
３３ 主絞り装置
３４ 蒸発器
３５ ファン
３６ 貯湯槽
３７ 循環ポンプ
３８ 吐出配管
３９ 油分離機
４０、４１ 配管
４２ 吸入配管
４３ 潤滑油
４４、５０、６０ 補助熱交換器
４５ 副絞り装置

Claims (8)

1. 圧縮機、放熱器、主絞り装置、蒸発器を順次接続して冷媒回路を構成し、前記放熱器の冷媒流路上流側に設けられ、前記圧縮機から吐出された冷媒と潤滑油とを分離する油分離手段を備え、前記油分離手段で分離した潤滑油を前記圧縮機に流入させることを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 油分離手段で分離した潤滑油を冷却する補助熱交換器を設けたことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
3. 補助熱交換器の潤滑油の流路の入口側または出口側に副絞り装置を設けたことを特徴とする請求項２記載のヒートポンプ装置。
4. 補助熱交換器で潤滑油と熱交換する冷却熱源として、主絞り装置の出口から圧縮機の入口までの間の冷媒を用いたことを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
5. 補助熱交換器で潤滑油と熱交換する冷却熱源として、放熱器入口から主絞り装置入口までの間の冷媒を用いたことを特徴とする請求項２または３記載のヒートポンプ装置。
6. 補助熱交換器で潤滑油と熱交換する冷却熱源として、放熱器の吸熱源を用いたことを特徴とする請求項２または３記載のヒートポンプ装置。
7. 放熱器の吸熱源として給湯水を用いたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
8. 冷媒として炭酸ガスを用いたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。

Images