JP2011043273A - ヒートポンプ式加熱液体システム - Google Patents

Abstract

【課題】膨張機一体型圧縮機を用いたヒートポンプ式加熱液体システムにおいて、膨張機による効率の良い動力回収を実現できるようにする。
【解決手段】ヒートポンプ式加熱液体システム１Ａは、圧縮機２１、放熱器２２、回転軸２０により圧縮機２１と連結された膨張機２３、および蒸発器２４を含む冷媒回路３と、放熱器２２に液体を供給する供給路４Ａとを備えている。冷媒回路３には、内部熱交換器５１が設けられており、内部熱交換器５１から流出した高圧冷媒と供給路４Ａを流れる液体との間では液体用熱交換器２５で熱交換が行われる。供給路４Ａには、液体用熱交換器２５をバイパスする液体バイパス路５２が設けられており、液体用熱交換器２５を流れる液体の流量と液体バイパス路５２を流れる液体の流量の比率は、流量変更手段によって変更される。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクル装置によって生成した加熱液体を例えば暖房等に利用するヒートポンプ式加熱液体システムに関する。

近年、冷凍サイクル装置の更なる高効率化を図る手段として、膨張弁に代えて膨張機を用い、冷媒が膨張する過程でその冷媒が有するエネルギーを膨張機によって動力の形で回収し、その回収分だけ圧縮機の駆動に要する電力を低減する動力回収式の冷凍サイクル装置が提案されている。また、そのような冷凍サイクル装置として、膨張機と圧縮機とを回転軸で連結した膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

一般に、上述のような膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置は、圧縮機と、放熱器と、膨張機と、蒸発器とが順次接続された冷媒回路を備えており、この冷媒回路中の圧縮機と膨張機とが回転軸により連結されている。また、回転軸には、通常は圧縮機と膨張機の間に、回転軸を回転させる電動機が設けられる。冷媒は、圧縮機において中温低圧の状態から高温高圧の状態へと圧縮された後、放熱器において中温高圧状態へと冷却される。その後、冷媒は、膨張機において低温低圧状態へと膨張した後、蒸発器で加熱されて中温低圧状態に戻る。膨張機は、冷媒が有するエネルギーを回収して回転軸を回転させる回転エネルギーに変換する。この回転エネルギーは圧縮機を駆動する仕事の一部として利用され、その結果、電動機の動力が低減されることとなる。

ここで、圧縮機において圧縮室が流入側から遮断された直後における該圧縮室の容積をＶｃｓ、膨張機において膨張室が流入側から遮断された直後における該膨張室の容積をＶｅｓ、回転軸の回転数をＮとすると、圧縮機の吸入側での冷媒の体積流量は（Ｖｃｓ×Ｎ）となり、膨張機の吸入側での冷媒の体積流量は（Ｖｅｓ×Ｎ）となる。圧縮機での質量流量と膨張機での質量流量とは等しく、この質量流量をＧとすると、圧縮機の吸入側での冷媒の密度は｛Ｇ／（Ｖｃｓ×Ｎ）｝となり、膨張機の吸入側での冷媒の密度は｛Ｇ／（Ｖｅｓ×Ｎ）｝となる。これらの式より、圧縮機の吸入側での冷媒の密度と膨張機の吸入側の冷媒の密度との比（密度比）は、｛Ｇ／（Ｖｃｓ×Ｎ）｝／｛Ｇ／（Ｖｅｓ×Ｎ）｝、すなわち、（Ｖｅｓ／Ｖｃｓ）となり、一定値に拘束される。

上記冷凍サイクル装置のように、圧縮機の吸入側と膨張機の吸入側とにおける冷媒の密度比が一定値に拘束されると、冷凍サイクルの自由な制御が阻害される。具体的には、冷凍サイクル装置は、所定の熱源温度において、高圧側圧力（圧縮機から吐出され膨張機に吸入されるまでの冷媒の圧力）が最適圧力（ＣＯＰ（Coefficient of Performance）が最大となる圧力）となるように設計されている。一方で、冷凍サイクルの高圧側圧力および低圧側圧力（膨張機から吐出され圧縮機に吸入されるまでの冷媒の圧力）は、加熱すべき液体または吸熱対象の温度変化等の運転条件により変化する。そのため、通常は運転条件によって、圧縮機の吸入側の冷媒の密度と膨張機の吸入側の冷媒の密度との比が変動する。しかし、上述の冷凍サイクル装置では、密度比が一定値（Ｖｅｓ／Ｖｃｓ）に拘束されるため、冷媒の温度と圧力を自由に制御できない。そのため、運転条件が所定のものから外れると、膨張機の理想吸入冷媒体積流量に対して過剰の冷媒が膨張機に流入したり、逆に膨張機に吸入される冷媒体積流量が不足したりして、高圧側圧力を最適圧力に保つことができなくなる課題があった。この課題を回避するため、膨張機をバイパスするバイパス路を設けて膨張機を通過する冷媒の量を調整したり、膨張機に吸入される冷媒を減圧する予備膨張弁を設けたりする手段がある。

またその他の解決手段として、膨張機の膨張室に、膨張室と連通する補助室を設け、運転条件に応じて補助室の容積を変更することにより膨張機の容積自体を変更可能とする膨張機が提案されている（例えば、特許文献２参照）。当該膨張機では、運転条件に応じて膨張機の容積を変更することにより、膨張機において冷媒の膨張エネルギーを効率良く回収することとしている。

特開２００１−１１６３７１号公報 特開２００６−４６２５７号公報

しかしながら、膨張機をバイパスするバイパス路を設けたり、膨張機に吸入される冷媒を減圧する予備膨張弁を設けたりする手段では、膨張機で動力回収されるべき冷媒の一部をバイパスさせたり、膨張機に吸入される前に冷媒を減圧してしまうことにより、膨張機で回収すべきエネルギーが無駄に消費されてしまう。また、特許文献２に開示された膨張機では、補助室により膨張機自体の容積を変化させることはできるが、補助室内の冷媒は膨張したとしてもピストンの回転動力には寄与せず、補助室は無駄に膨張するデッドスペースになってしまうため、十分なエネルギーを膨張機で回収することができない。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、膨張機一体型圧縮機を用いたヒートポンプ式加熱液体システムにおいて、膨張機による効率の良い動力回収を実現できるようにすることである。

本発明は、第１の側面から、低圧冷媒を高圧冷媒にする圧縮機、高圧冷媒を放熱させる放熱器、高圧冷媒を低圧冷媒にする膨張機であって回転軸により前記圧縮機と連結された膨張機、および低圧冷媒を吸熱させる蒸発器、を含む冷媒回路と、加熱液体を生成するために前記放熱器に液体を供給する供給路と、前記冷媒回路に設けられた、前記放熱器から流出した高圧冷媒と前記蒸発器から流出した低圧冷媒との間で熱交換を行わせる内部熱交換器と、前記内部熱交換器から流出した高圧冷媒と前記供給路を流れる液体との間で熱交換を行わせる液体用熱交換器と、前記供給路に設けられた、前記液体用熱交換器をバイパスする液体バイパス路と、前記液体用熱交換器を流れる液体の流量と前記液体バイパス路を流れる液体の流量の比率を変更する流量変更手段と、を備えるヒートポンプ式加熱液体システムを提供する。

また、本発明は、第２の側面から、低圧冷媒を高圧冷媒にする圧縮機、高圧冷媒を放熱させる放熱器、高圧冷媒を低圧冷媒にする膨張機であって回転軸により前記圧縮機と連結された膨張機、および低圧冷媒を吸熱させる蒸発器、を含む冷媒回路と、加熱液体を生成するために前記放熱器に液体を供給する供給路と、前記冷媒回路に設けられた、前記放熱器から流出した高圧冷媒と前記蒸発器から流出した低圧冷媒との間で熱交換を行わせる内部熱交換器と、前記内部熱交換器から流出した高圧冷媒と前記供給路を流れる液体との間で熱交換を行わせる液体用熱交換器と、前記冷媒回路に設けられた、前記液体用熱交換器をバイパスする冷媒バイパス路と、前記液体用熱交換器を流れる高圧冷媒の流量と前記冷媒バイパス路を流れる高圧冷媒の流量の比率を変更する流量変更手段と、を備えるヒートポンプ式加熱液体システムを提供する。

さらに、本発明は、第３の側面から、低圧冷媒を高圧冷媒にする圧縮機、高圧冷媒を放熱させる放熱器、高圧冷媒を低圧冷媒にする膨張機であって回転軸により前記圧縮機と連結された膨張機、および低圧冷媒を吸熱させる蒸発器、を含む冷媒回路と、加熱液体を生成するために前記放熱器に液体を供給する供給路と、前記冷媒回路に設けられた、前記放熱器から流出した高圧冷媒と前記蒸発器から流出した低圧冷媒との間で熱交換を行わせる内部熱交換器と、前記内部熱交換器から流出した高圧冷媒と前記供給路を流れる液体との間で熱交換を行わせる液体用熱交換器と、前記冷媒回路に設けられた、前記内部熱交換器をバイパスする冷媒バイパス路と、前記内部熱交換器を流れる高圧冷媒の流量と前記冷媒バイパス路を流れる高圧冷媒の流量の比率または前記内部熱交換器を流れる低圧冷媒の流量と前記冷媒バイパス路を流れる低圧冷媒の流量の比率を変更する流量変更手段と、を備えるヒートポンプ式加熱液体システムを提供する。

また、本発明は、第４の側面から、低圧冷媒を高圧冷媒にする圧縮機、高圧冷媒を放熱させる放熱器、高圧冷媒を低圧冷媒にする膨張機であって回転軸により前記圧縮機と連結された膨張機、および低圧冷媒を吸熱させる蒸発器、を含む冷媒回路と、加熱液体を生成するために前記放熱器に液体を供給する供給路と、前記放熱器から流出した高圧冷媒と前記供給路を流れる液体との間で熱交換を行わせる液体用熱交換器と、前記液体用熱交換器から流出した液体を前記放熱器に流入する前に前記蒸発器から流出した低圧冷媒と熱交換させる液体用中間熱交換器と、前記供給路に設けられた、前記液体用中間熱交換器をバイパスする液体バイパス路と、前記液体用中間熱交換器を流れる液体の流量と前記液体バイパス路を流れる液体の流量の比率を変更する流量変更手段と、を備えるヒートポンプ式加熱液体システムを提供する。

上記のように構成された本発明のヒートポンプ式加熱液体システムによれば、密度比一定の制約を受けながらも、膨張機による効率の良い動力回収を実現することができる。

本発明の第１実施形態に係るヒートポンプ式加熱液体システムの概略構成図 図１に示すヒートポンプ式加熱液体システムに用いられる冷凍サイクル装置のモリエル線図 本発明の第１実施形態の変形例に係るヒートポンプ式加熱液体システムの概略構成図 本発明の第２実施形態に係るヒートポンプ式加熱液体システムの概略構成図 本発明の第２実施形態の変形例に係るヒートポンプ式加熱液体システムの概略構成図 本発明の第３実施形態に係るヒートポンプ式加熱液体システムのモリエル線図 本発明のその他の実施形態に係るヒートポンプ式加熱液体システムの部分的な構成図

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係るヒートポンプ式加熱液体システム１Ａを示している。このヒートポンプ式加熱液体システム１Ａは、加熱液体を生成し、その加熱液体を暖房機７０で放熱させて暖房を行う暖房装置である。ただし、本発明のヒートポンプ式加熱液体システムは、これに限定されるものではなく、例えば給湯もしくは融雪などの用途に用いられるものであってもよい。

具体的に、ヒートポンプ式加熱液体システム１Ａは、冷媒を循環させる冷媒回路３を有する冷凍サイクル装置（ヒートポンプ）２と、液体を循環させる循環路４と、暖房機７０を含む暖房回路７と、機器の全体的な制御を行う制御装置８とを備えている。

循環路４は、加熱液体を生成するために後述する放熱器２２を経由して液体を循環させるものである。本実施形態では、熱媒体である液体として水が用いられている。ただし、液体は、必ずしもこれに限定されるものではなく、冷媒回路３を循環する冷媒から熱を受け取り、暖房機７０にて大気中に放熱可能なものであればなんでもよい。例えば、液体として、水にプロピレングリコール等を混入した不凍液を用いたり、オイルを用いたりすることも可能である。以下では、液体が水であり、加熱液体が温水であるとして説明する。

冷媒回路３は、低圧冷媒を高圧冷媒にする圧縮機２１、高圧冷媒を放熱させる放熱器２２、高圧冷媒を低圧冷媒にする膨張機２３、低圧冷媒を吸熱させる蒸発器２４、およびこれらの機器をこの順に接続する第１〜第４配管３１〜３４で構成されている。膨張機２３は、回転軸２０により圧縮機２１と連結されており、回転軸２０には、当該回転軸２０を回転させる電動機（図示せず）が設けられている。

ここで、「膨張機」とは、冷媒の吸入と吐出を行うことにより動力を回収するとともに冷媒を膨張させるものをいう。すなわち、膨張機２３は、吸入した冷媒の膨張エネルギーを回転エネルギーに変換するものであってもよいし、吸入した冷媒の圧力エネルギーを回転エネルギーに変換する流体圧モータであってもよい。

放熱器２２では、放熱器２２を通過する水と冷媒との間で熱交換が行われて水が加熱される。蒸発器２４では、ファン２４ａによって送風される空気と冷媒との間で熱交換が行われて冷媒が吸熱する。本実施形態では、冷媒回路３に、高圧側で超臨界状態となる二酸化酸素が冷媒として充填されている。また、冷媒回路３には、第２配管３２と第４配管３４に跨って内部熱交換器５１が設けられており、第２配管３２には、内部熱交換器５１よりも下流側に液体用熱交換器２５が設けられている。

内部熱交換器５１は、放熱器２２から流出した高圧冷媒と蒸発器２６から流出した低圧冷媒との間で熱交換を行わせて、放熱後の高圧冷媒によって吸熱後の低圧冷媒をさらに加熱するものである。液体用熱交換器２５は、内部熱交換器５１から流出した高圧冷媒と後述する供給路４Ａを流れる水との間で熱交換を行わせて、内部熱交換器５１で放熱した高圧冷媒によって供給路４Ａを流れる水を放熱器２２に流入する前に冷却するものである。なお、内部熱交換器５１に流入する低圧冷媒の温度は外気温よりも十分に低く、供給路４Ａを流れる水の温度が外気温よりも低くなることは想定し難いことから、供給路４Ａを流れる水は、その温度に拘わらずに、液体用熱交換器２５で冷却されることになる。ただし、本実施形態では、ヒートポンプ式加熱液体システム１Ａが暖房装置として構成されているので、供給路４Ａには、外気温よりも高いがそのまま暖房に使うには不十分な温度（例えば、４０〜６０℃程度）の水（以下「中温水」という。）が主に流れる。

循環路４は、温水を貯める貯湯タンク６と、貯湯タンク６から放熱器２２に水を供給する供給路４Ａと、放熱器２２で生成された温水を回収する回収路４Ｂとを含む。供給路４Ａは、上述した液体用熱交換器２５を通っている。換言すれば、液体用熱交換器２５は、冷媒回路３の第２配管３２と供給路４Ａとに跨って設けられている。本実施形態では、供給路４Ａに貯湯用ポンプ８２が設けられている。

貯湯タンク６は、鉛直方向に延びる円筒状の密閉容器であり、内部は水で満たされている。供給路４Ａの上流端は貯湯タンク６の下部に接続されており、回収路４Ｂの下流端は貯湯タンク６の上部に接続されている。そして、制御装置８によって貯湯用ポンプ８２が回転させられると、供給路４Ａによって貯湯タンク６の下部から液体用熱交換器２５を介して放熱器２２へ水が導かれるとともに、回収路４Ｂによって放熱器２２から貯湯タンク６の上部へ温水となった水が導かれる。これにより、貯湯タンク６内には温水が上側から貯められる。

暖房回路７は、温水を放熱させる暖房機７０の他に、貯湯タンク６に貯められた温水を暖房機７０に送る送り管７１と、暖房機７０で放熱した温水を貯湯タンク６に戻す戻し管７２とを含む。送り管７１の上流端は貯湯タンク６の上部に接続されており、戻し管８２の下流端は貯湯タンク６の下部に接続されている。本実施形態では、戻し管８２に暖房用ポンプ８３が設けられているが、暖房用ポンプ８３は送り管８１に設けられていてもよい。そして、制御装置８によって暖房用ポンプ８３が回転させられることにより、貯湯タンク６内に貯められた温水が暖房機７０に送られて暖房が行われる。暖房機７０としては、例えば、居室内に設置されるラジエータを採用してもよいし、床に敷設される温水パネルを採用してもよい。

さらに、本実施形態では、膨張機２３による動力回収効率を高めるための構成が採用されている。具体的には、循環路４の供給路４Ａに、液体用熱交換器２５をバイパスする液体バイパス路５２が設けられている。

供給路４Ａの液体用熱交換器２５よりも上流側であって液体バイパス路５２が分岐する位置よりも下流側には、開度調整可能な第１流量調整弁５ａが設けられている。一方、液体バイパス路５２には、開度調整可能な第２流量調整弁５ｂが設けられている。これらの流量調整弁５ａ，５ｂは、液体用熱交換器２５を流れる水の流量と液体バイパス路５２を流れる水の流量の比率を変更するものであり、本発明の流量変更手段を構成する。ただし、本発明の流量変更手段は、これに限定されるものではなく、例えば、供給路４Ａの液体バイパス路５２が分岐する位置に設けられた分配弁で構成されていてもよい。

また、冷媒回路３の第１配管３１には、放熱器２２に流入する高圧冷媒の温度を検出する温度センサ８１が設けられている。

制御装置８は、マイクロコンピュータまたはＤＳＰ（digital signal processor）などで構成されており、上述した冷凍サイクル装置２、各種ポンプ８２，８３、温度センサ８１、ならびに第１流量調整弁５ａおよび第２流量調整弁５ｂと接続されている。そして、制御装置８は、温度センサ８１で検出される温度に基づいて、冷凍サイクル装置２の効率が最も高くなるように第１流量調整弁５ａおよび第２流量調整弁５ｂを制御する。

以下では、貯湯タンク６の下部に中温水が貯められていることを前提に、貯湯用ポンプ８２および暖房用ポンプ８３の双方を稼働させる暖房運転における、冷媒回路３を循環する冷媒および循環路４を循環する水の動作、ならびに制御装置８が行う制御について説明する。なお、暖房運転開始時には、第１流量調整弁５ａおよび第２流量調整弁５ｂがそれぞれ制御装置８によって所定の開度に維持される。

冷媒は、圧縮機２１によって高温・高圧に圧縮された後に、放熱器２２に流入し、ここで循環路４を循環する水に放熱する。放熱器２２から流出した冷媒は、内部熱交換器５１に流入し、ここで蒸発器２６から流出した冷媒にさらに放熱する。内部熱交換器５１から流出した冷媒は、液体冷却用熱交換器２５に流入し、ここで供給路４Ａを流れる水と熱交換することにより液体冷却用熱交換器２５へ流入する中温水の温度近くまで加熱される。液体冷却用熱交換器２５から流出した冷媒は、膨張機２３によって減圧され、低温・低圧に膨張した後に、蒸発器２４に流入し、ここで空気から吸熱する。蒸発器２４から流出した冷媒は、内部熱交換器５１に流入し、ここで放熱器２２から流出した冷媒からさらに吸熱する。内部熱交換器５１から流出した冷媒は、再び圧縮機２１へ吸入されて圧縮される。

一方、循環路４を循環する水は、放熱器２２で加熱されて温水とされた後に、貯湯タンク６に貯められる。貯湯タンク６に貯められた温水は、貯湯タンク６の上部から抜き出され、暖房機７０で放熱して中温水となった後に貯湯タンク６の下部に戻される。貯湯タンク６の下部に貯められた中温水は供給路４Ａを通じて貯湯タンク６の下部から抜き出される。貯湯タンク６の下部から抜き出された中温水のうち第１流量調整弁５ａを通過する直流分は、液体冷却用熱交換器２５に流入し、ここで内部熱交換器５１から流出した冷媒と熱交換することで冷却されて低温になる。貯湯タンク６の下部から抜き出された中温水のうち第２流量調整弁５ｂを通過する分流分は、液体バイパス路５２を流れた後に、液体用熱交換器２５で冷却された直流分と合流する。合流後の比較的に低温の水は、再び放熱器２２に流入して温水とされる。

図２は、冷凍サイクル装置２のモリエル線図を示したものである。図中の実線は、第１流量調整弁１０ａおよび第２流量調整弁１０ｂをそれぞれ最適な開度に設定し、適正流量の中温水が液体バイパス路５２を流れるようにした状態（以下「最適バイパス状態」という。）でのモリエル線図である。破線は、最適状態から液体バイパス路５２を流れる中温水の流量を減少させた場合、つまり第１流量調整弁１０ａの開度を所定量だけ上げ、かつ、第２流量調整弁１０ｂの開度を所定量だけ下げた状態（以下「少バイパス状態」という。）でのモリエル線図である。一点鎖線は、最適状態から液体バイパス路５２を流れる中温水の流量を増加させた場合、つまり第１流量調整弁１０ａの開度を所定量だけ下げ、かつ、第２流量調整弁１０ｂの開度を所定量だけ上げた状態（以下「多バイパス状態」という。）でのモリエル線図である。なお、図２中のＡ〜Ｇの点は、図１中のＡ〜Ｇの×印の状態を表す。

図２のモリエル線図について、実線のモリエル線図を例にして簡単に説明する。圧縮機２１によって、冷媒は状態Ａから状態Ｂまで圧縮される。その後、放熱器２２を通過し、水に熱を与える事で状態Ｃまで温度をさげる（エンタルピー減少）。内部熱交換器５１で、さらに蒸発器２４から流出した冷媒に熱を与える事でさらに温度を下げ（状態Ｄ）、その後、液体用熱交換器２５にて、中温水から熱を受け取り、状態Ｅまで加熱される。膨張機２３によって状態Ｆまで減圧された後、蒸発器２４にて大気から熱を吸収し状態Ｇまでエンタルピーを増加させ、内部熱交換器５１にて放熱器２から流出した冷媒から熱を受け取り、状態Ａまで移行し、再び圧縮機２１にて圧縮される。

ここで、放熱器２２によって出力される加熱能力は、圧縮機２１の出口冷媒状態Ｂから放熱器２２の出口冷媒状態Ｃまでのエンタルピー差（Ｂ−Ｃ）に比例する。しかし、本実施形態では、中温水を一旦冷却した後、放熱器２２で再加熱するため、放熱器２２に流入する水を、元の中温水の温度まで再加熱する部分に関与する能力は、冷媒回路３として有効な加熱能力ではない。その再加熱に要する熱量は、内部熱交換器５１の高圧側出口冷媒が中温水熱交換器７にて中温水から与えられる熱量（Ｅ−Ｄ）に等しく、この熱量分を放熱器２での出口冷媒状態Ｃから考慮したポイントが図中の状態Ｈである（Ｈ−Ｃ＝Ｅ−Ｄ）。つまり、放熱器２２で出力される有効加熱能力はＢ−Ｈである。一方圧縮機２１で必要な動力はＢ−Ａであり、これらの比（Ｂ−Ｈ／Ｂ−Ａ）が理論ＣＯＰとなる。

少バイパス状態、最適バイパス状態、多バイパス状態の各状態での膨張機２３の入口冷媒の温度はＴ_E1、Ｔ_E、Ｔ_E2であり、それらはＴ_E1＞Ｔ_E＞Ｔ_E2の関係にある。ここで、圧縮機２１に吸入される冷媒の密度はρ_COMで一定であり、膨張機２３は圧縮機２１と一軸で直結された容積型機械であるから、膨張機２３に吸入される冷媒の密度も図に示すようにρ_EXPで一定である。少バイパス状態、最適バイパス状態、多バイパス状態の各状態での膨張機２３の入口冷媒の圧力はＰ１、Ｐ、Ｐ２であり、また、各状態での放熱器２２の出口冷媒の温度はＣ１、Ｃ、Ｃ２である。これらは、Ｃ１＜Ｃ＜Ｃ２の関係にある。そして、最適バイパス状態とは、上述した理論ＣＯＰが最大となる状態のことである。

すなわち、図２は、ある状態から、バイパス量を減らせば高圧側圧力を上げることができ、バイパス量を増やせば高圧側圧力を下げることができることを示している。制御装置８は、温度センサ８１で検出される温度から導き出される圧力が最適高圧Ｐ（理論ＣＯＰが最大となる高圧側圧力）よりも大きいか小さいかを判定し、その差が小さくなるように第１流量調整弁５ａおよび第２流量調整弁５ｂを制御する。

以上のように、本実施形態では、制御装置８が、理論ＣＯＰが最大になるように、すなわち温度センサ８１で検出される温度から導き出される圧力が最適高圧Ｐになるように、第１流量調整弁５ａおよび第２流量調整弁５ｂの開度を調節する。これにより、密度比一定の制約を受けながらも、膨張機２３による効率の良い動力回収を実現することができる。

また、本実施形態では、沸きあがった温水を貯湯タンク６に一旦貯留することができるので、例えば暖房を一時的に停止した後に再び運転させる場合に、暖房運転の停止によって冷えてしまった水をヒートポンプ２で温め直す前に、貯湯タンク６に貯留している温水を暖房機７０に送り込むことで、すばやく暖房運転を再開することができる。

また、本実施形態によれば、夜間の安価な電気料金で高温の温水を生成し、この温水を貯湯タンク６に貯めることができるため、暖房運転にかかるランニングコストを下げることができる。

また、本実施形態で用いる液体用熱交換器２５と放熱器２２はどちらも水と冷媒を熱交換させる熱交換器であるので、それら２５，２２を一体の水冷媒熱交換器として製造することも可能である。この場合は、水冷媒熱交換器を構成する冷媒流路と水流路とをそれぞれ二分割にすればよい。このようにすれば、熱交換器をコンパクトに設計可能になるので、ヒートポンプ式加熱液体システム１Ａを構成するユニット（例えば、ヒートポンプユニット）を小型化できるのに加え、製造コストを低減させることができる。

なお、中温水対策という観点からは、貯湯タンク６から供給路４Ａに流入する水の温度が低い場合には、バイパス路５２のみに水が流れるように、第１流量調整弁５ａが全閉にされ、第２流量調整弁５ｂが全開にされてもよい。

＜変形例＞
前記実施形態では、供給路４Ａに液体用熱交換器２５をバイパスする液体バイパス路５２が設けられているが、図３に示す変形例のヒートポンプ式加熱液体システム１Ａ’のように、冷媒回路３に液体用熱交換器２５をバイパスする冷媒バイパス路５３を設けてもよい。この場合には、冷媒回路３の液体用熱交換器２５よりも上流側であって冷媒バイパス路５３が分岐する位置よりも下流側に第１流量調整弁５ｃを設け、冷媒バイパス路５３には第２流量調整弁５ｄを設ければよい。これらの流量調整弁５ｃ，５ｄは、液体用熱交換器２５を流れる高圧冷媒の流量と冷媒バイパス路５３を流れる高圧冷媒の流量の比率を変更するものであり、本発明の流量変更手段を構成する。そして、これらの流量調整弁５ｃ，５ｄを前記実施形態と同様に制御することで、膨張機２３の入口冷媒の温度を調整し、高圧側圧力を理論ＣＯＰが最大になる最適高圧Ｐに保つことができる。

貯湯タンク６には、貯湯タンク６に水道水を供給する給水管を設けてもよい。このようにすることで、暖房機７０に流入する温水と水道水とを混ぜたり熱交換させたりして暖房機７０に流入する温水の温度を自由に制御することがでる。さらに、水道水によって暖房機７０へ流入する水の温度を制御可能となるため、貯湯タンク６には暖房機７０で使用する温水より高い温度の温水を貯留しておいても、暖房機７０には最適な温度を流入させることができる。このため、貯湯タンク６に蓄える蓄熱量を増加させるこができるので、冷凍サイクル装置２の運転を長時間停止しても暖房回路７での暖房運転を持続することができる。あるいは、送り管８１に混合弁を設け、この混合弁に給水管を接続してもよい。

また、貯湯タンク６に、貯湯タンク６から温水を取り出す出湯管を設けてもよい。このようにすることで、暖房運転を行いながら、給湯も行うことができる。

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係るヒートポンプ式加熱液体システム１Ｂを示している。図４に示すように、第２実施形態のヒートポンプ式加熱液体システム１Ｂは、第１実施形態のヒートポンプ式加熱液体システム１Ａとほぼ同様な構成である。このため、本実施形態では、第１実施形態と同一機能部品については同一の符号を適用し、同様な構成およびその動作についての説明を省略する。この点は、後述する第３実施形態でも同様である。

本実施形態のヒートポンプ式加熱液体システム１Ｂが第１実施形態のヒートポンプ式加熱液体システム１Ａと異なる点は、液体用熱交換器２５をバイパスするバイパス路が設けられておらず、冷媒回路３の高圧側に内部熱交換器５１をバイパスする冷媒バイパス路５４が設けられている点である。そして、冷媒回路３の内部熱交換器５１よりも下流側であって冷媒バイパス路５４がつながる位置よりも上流側には、開度調整可能な第１流量調整弁５ｅが設けられている。一方、冷媒バイパス路５４には、開度調整可能な第２流量調整弁５ｆが設けられている。これらの流量調整弁５ｅ，５ｆは、内部熱交換器５１を流れる高圧冷媒の流量と冷媒バイパス路５４を流れる高圧冷媒の流量の比率を変更するものであり、本発明の流量変更手段を構成する。そして、これらの流量調整弁５ｅ，５ｆを第１実施形態と同様に制御することで、膨張機２３の入口冷媒の温度を調整し、高圧側圧力を理論ＣＯＰが最大になる最適高圧Ｐに保つことができる。

＜変形例＞
前記実施形態では、冷媒回路３の高圧側に内部熱交換器５１をバイパスする冷媒バイパス路５４が設けられているが、図５に示す変形例のヒートポンプ式加熱液体システム１Ｂ’のように、冷媒回路３の低圧側に内部熱交換器５１をバイパスする冷媒バイパス路５５を設けても、同様の効果を得られる事は言うまでもない。図５に示す変形例では、冷媒回路３の内部熱交換器５１よりも下流側であって冷媒バイパス路５５がつながる位置よりも上流側に第１流量調整弁５ｇが設けられ、冷媒バイパス路５５に第２流量調整弁５ｈが設けられている。これらの流量調整弁５ｇ，５ｈは、内部熱交換器５１を流れる低圧冷媒の流量と冷媒バイパス路５５を流れる低圧冷媒の流量の比率を変更するものであり、本発明の流量変更手段を構成する。

（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態に係るヒートポンプ式加熱液体システム１Ｃを示している。図６に示すように、第３実施形態のヒートポンプ式加熱液体システム１Ｃでは、内部熱交換器が用いられておらず、代わりに、供給路４Ａの液体用熱交換器２５の下流側の部分と冷媒回路３の第４配管３４とに跨って液体用中間熱交換器５６が設けられている。この液体用中間熱交換器５６は、液体用熱交換器２５から流出した水を放熱器２２に流入する前に蒸発器２４から流出した低圧冷媒と熱交換させるものである。

さらに、本実施形態では、供給路４Ａに、液体用中間熱交換器５６をバイパスする液体バイパス路５７が設けられている。また、供給路４Ａの液体用中間熱交換器５６よりも上流側であって液体バイパス路５７が分岐する位置よりも下流側には、開度調整可能な第１流量調整弁５ｉが設けられている。一方、液体バイパス路５７には、開度調整可能な第２流量調整弁５ｊが設けられている。これらの流量調整弁５ｉ，５ｊは、液体用中間熱交換器５６を流れる水の流量と液体バイパス路５７を流れる水の流量の比率を変更するものであり、本発明の流量変更手段を構成する。そして、これらの流量調整弁５ｉ，５ｊを第１実施形態と同様に制御することで、膨張機２３の入口冷媒の温度を調整し、高圧側圧力を理論ＣＯＰが最大になる最適高圧Ｐに保つことができる。

なお、本実施形態における冷凍サイクル装置２のモリエル線図は、図２に示すモリエル線図と基本的に同じであり、Ｃの点がないだけである。

＜変形例＞
前記実施形態では、供給路４Ａに液体用中間熱交換器５７をバイパスする液体バイパス路５７が設けられているが、図示は省略するが、冷媒回路３に液体用中間熱交換器５６をバイパスする冷媒バイパス路を設けることも可能である。

（その他の実施形態）
前記各実施形態およびそれらの変形例では、貯湯タンク６内に貯められた温水の熱が暖房にのみ利用されるようになっているが、図７に示すように、貯湯タンク６内に貯められた温水の熱を給湯に利用することも可能である。

図７に示す例では、貯湯タンク６内に給湯用熱交換器９３が配設されており、この給湯用熱交換器９３に、給水管９１と出湯管９２が貯湯タンク６を貫通して接続されている。そして、給水管９１によって給湯用熱交換器９３に水道水が供給され、出湯管９２によって給湯用熱交換器９３から加熱された水道水が取り出される。すなわち、本実施形態では、給水管９１から出湯管９２に水道水を流しながら、貯湯タンク６内の温水で水道水を加熱して温水を生成できるになっている。

また、前記各実施形態およびそれらの変形例では、冷媒として二酸化炭素を用いているが、本発明の冷媒は、放熱器２２の出口冷媒の温度の低下によって、最適高圧が下がる特性を持つ冷媒であればなんでもよい。また、放熱器２２の出口冷媒温度が下がることで、放熱器２２の入口冷媒と出口冷媒の温度差は広がるため、放熱器２２での熱交換効率は向上し、結果高圧は低下する。このため、フロン系冷媒のように通常の運転では、高圧側で超臨界状態とならない冷媒であっても上記と同様の効果を得られることは言うまでもない。

さらに、前記各実施形態およびそれらの変形例では、第１配管３１に温度センサ８１が設けられているが、第１配管３１には放熱器２２に流入する高圧冷媒の圧力を検出する圧力センサが設けられていて、制御装置８は、その圧力センサで検出される圧力に基づいて冷凍サイクル装置２の効率が最も高くなるように第１流量調整弁および第２流量調整弁を制御するようになっていてもよい。

また、冷媒回路３中には、圧縮機２１と並列に第２の圧縮機を設けてもよい。

さらには、貯湯タンク６を省略して、供給路４Ａの上流端および回収路４Ｂの下流端を暖房機７０に直接接続し、循環路と暖房回路とを共通にすることも可能である。

本発明のヒートポンプ式加熱液体システムは、特に、暖房機で発生する中温水を利用しながら冷凍サイクル装置のＣＯＰを向上させる手段として有用である。

１Ａ，１Ａ’，１Ｂ，１Ｂ’，１Ｃ ヒートポンプ式加熱液体システム
２ 冷凍サイクル装置（ヒートポンプ）
２０ 回転軸
２１ 圧縮機
２２ 放熱器
２３ 膨張機
２４ 蒸発器
２５ 液体用熱交換器
３ 冷媒回路
４Ａ 供給路
４Ｂ 回収路
５ａ，５ｃ，５ｅ，５ｇ，５ｉ 第１流量調整弁（流量変更手段）
５ｂ，５ｄ，５ｆ，５ｈ，５ｊ 第２流量調整弁（流量変更手段）
５１ 内部熱交換器
５２，５７ 液体バイパス路
５３，５４，５５ 冷媒バイパス路
５６ 液体用中間熱交換器
６ 貯湯タンク
７ 暖房機
８ 制御装置

Claims (9)

1. 低圧冷媒を高圧冷媒にする圧縮機、高圧冷媒を放熱させる放熱器、高圧冷媒を低圧冷媒にする膨張機であって回転軸により前記圧縮機と連結された膨張機、および低圧冷媒を吸熱させる蒸発器、を含む冷媒回路と、
   加熱液体を生成するために前記放熱器に液体を供給する供給路と、
   前記冷媒回路に設けられた、前記放熱器から流出した高圧冷媒と前記蒸発器から流出した低圧冷媒との間で熱交換を行わせる内部熱交換器と、
   前記内部熱交換器から流出した高圧冷媒と前記供給路を流れる液体との間で熱交換を行わせる液体用熱交換器と、
   前記供給路に設けられた、前記液体用熱交換器をバイパスする液体バイパス路と、
   前記液体用熱交換器を流れる液体の流量と前記液体バイパス路を流れる液体の流量の比率を変更する流量変更手段と、
   を備えるヒートポンプ式加熱液体システム。
2. 低圧冷媒を高圧冷媒にする圧縮機、高圧冷媒を放熱させる放熱器、高圧冷媒を低圧冷媒にする膨張機であって回転軸により前記圧縮機と連結された膨張機、および低圧冷媒を吸熱させる蒸発器、を含む冷媒回路と、
   加熱液体を生成するために前記放熱器に液体を供給する供給路と、
   前記冷媒回路に設けられた、前記放熱器から流出した高圧冷媒と前記蒸発器から流出した低圧冷媒との間で熱交換を行わせる内部熱交換器と、
   前記内部熱交換器から流出した高圧冷媒と前記供給路を流れる液体との間で熱交換を行わせる液体用熱交換器と、
   前記冷媒回路に設けられた、前記液体用熱交換器をバイパスする冷媒バイパス路と、
   前記液体用熱交換器を流れる高圧冷媒の流量と前記冷媒バイパス路を流れる高圧冷媒の流量の比率を変更する流量変更手段と、
   を備えるヒートポンプ式加熱液体システム。
3. 低圧冷媒を高圧冷媒にする圧縮機、高圧冷媒を放熱させる放熱器、高圧冷媒を低圧冷媒にする膨張機であって回転軸により前記圧縮機と連結された膨張機、および低圧冷媒を吸熱させる蒸発器、を含む冷媒回路と、
   加熱液体を生成するために前記放熱器に液体を供給する供給路と、
   前記冷媒回路に設けられた、前記放熱器から流出した高圧冷媒と前記蒸発器から流出した低圧冷媒との間で熱交換を行わせる内部熱交換器と、
   前記内部熱交換器から流出した高圧冷媒と前記供給路を流れる液体との間で熱交換を行わせる液体用熱交換器と、
   前記冷媒回路に設けられた、前記内部熱交換器をバイパスする冷媒バイパス路と、
   前記内部熱交換器を流れる高圧冷媒の流量と前記冷媒バイパス路を流れる高圧冷媒の流量の比率または前記内部熱交換器を流れる低圧冷媒の流量と前記冷媒バイパス路を流れる低圧冷媒の流量の比率を変更する流量変更手段と、
   を備えるヒートポンプ式加熱液体システム。
4. 低圧冷媒を高圧冷媒にする圧縮機、高圧冷媒を放熱させる放熱器、高圧冷媒を低圧冷媒にする膨張機であって回転軸により前記圧縮機と連結された膨張機、および低圧冷媒を吸熱させる蒸発器、を含む冷媒回路と、
   加熱液体を生成するために前記放熱器に液体を供給する供給路と、
   前記放熱器から流出した高圧冷媒と前記供給路を流れる液体との間で熱交換を行わせる液体用熱交換器と、
   前記液体用熱交換器から流出した液体を前記放熱器に流入する前に前記蒸発器から流出した低圧冷媒と熱交換させる液体用中間熱交換器と、
   前記供給路に設けられた、前記液体用中間熱交換器をバイパスする液体バイパス路と、
   前記液体用中間熱交換器を流れる液体の流量と前記液体バイパス路を流れる液体の流量の比率を変更する流量変更手段と、
   を備えるヒートポンプ式加熱液体システム。
5. 前記放熱器に流入する高圧冷媒の圧力または温度に基づいて、前記流量変更手段を制御する制御装置をさらに備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒートポンプ式加熱液体システム。
6. 前記放熱器で生成された加熱液体を回収する回収路と、
   前記供給路の上流端および前記回収路の下流端が接続された、加熱液体を貯めるタンクと、
   をさらに備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のヒートポンプ式加熱液体システム。
7. 前記加熱液体を放熱させる暖房機と、
   前記タンクに貯められた加熱液体を前記暖房機に送る送り管と、
   前記暖房機で放熱した加熱液体を前記タンクに戻す戻し管と、
   をさらに備える、請求項６に記載のヒートポンプ式加熱液体システム。
8. 前記タンク内に配設された給湯用熱交換器と、
   前記給湯用熱交換器に水道水を供給する給水管と、
   前記給湯用熱交換器から加熱された水道水を取り出す出湯管と、
   をさらに備える、請求項７に記載のヒートポンプ式加熱液体システム。
9. 前記冷媒は二酸化炭素である、請求項１〜８のいずれか一項に記載のヒートポンプ式加熱液体システム。

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