JP2011085284A - ヒートポンプ式暖房装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプ式暖房装置において、ヒートポンプに中温の液体が送られる場合でも、ヒートポンプのＣＯＰを向上させる。
【解決手段】ヒートポンプ式暖房装置１Ａは、低圧段圧縮機２７、高圧段圧縮機２１、放熱器２２、膨張機２５および蒸発器２６を含む冷媒回路３と、加熱液体を生成するために放熱器２２を経由して液体を循環させる循環路５と、加熱液体の熱を放出する暖房機４とを備えている。冷媒回路３には、放熱器２２で放熱した高圧冷媒から低圧冷媒へ熱を移動させる内部熱交換器２３Ａが設けられている。循環路５を流れる液体は、放熱器２２へ流入する前に、液体冷却用熱交換器２４において内部熱交換器２３Ａから流出した高圧冷媒によって冷却される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ（冷凍サイクル装置）によって生成した加熱液体を利用して暖房を行うヒートポンプ式暖房装置に関する。

従来から、ヒートポンプによって温水を生成し、この温水を利用して暖房を行うヒートポンプ式暖房装置が知られている。例えば特許文献１には、図８に示すようなヒートポンプ式暖房装置１００が開示されている。このヒートポンプ式暖房装置１００は、冷媒を循環させる冷媒回路１０を有するヒートポンプ２００と、水を循環させる循環路１６とを備えている。

冷媒回路１０は、圧縮機１１、放熱器１２、膨張弁１３および蒸発器１４が配管でこの順に接続されて構成されている。循環路１６は貯湯タンク１５を有しており、貯湯タンク１５から抜き出された水が放熱器１２に送られて温水が生成され、この温水が貯湯タンク１５に貯められる。貯湯タンク１５に貯められた温水は、例えば居室内に配置された暖房機１７に送られ、ここで放熱した後に貯湯タンク１５に戻される。

ところで、近年では、ヒートポンプに内部熱交換器を設けることも提案されている。例えば、特許文献２には、給湯用のヒートポンプとして、図９に示すような内部熱交換器１８を備えたヒートポンプ２０１が開示されている。内部熱交換器１８は、放熱器１２から流出した高圧冷媒と蒸発器１４から流出した低圧冷媒との間で熱交換を行わせるためのものである。この構成により、圧縮機１１へ吸入される低圧冷媒の温度が上昇し、より高い温度の温水が生成される。

また、特許文献３には、図１０（ａ）に示すようなヒートポンプ２０２が開示されている。このヒートポンプ２０２では、冷媒を放熱させる放熱器として第１放熱器１２Ａと第２放熱器１２Ｂが設けられており、第１放熱器１２Ａで放熱した高圧冷媒が内部熱交換器１８で放熱した後に、第２放熱器１２Ｂに導かれてさらに放熱するようになっている。一方、流通路１９を流れる水は、図１０（ｂ）に示すように、第２放熱器１２Ｂで加熱された後に第１放熱器１２Ａでさらに加熱される。

特開２００８−３９３０６号公報 特開２００６−３００４８７号公報 特開２００２−１６２１２３号公報

ところで、図８に示すヒートポンプ式暖房装置１００では、例えば暖房運転が長時間行われる場合に、暖房機１７で水の温度がそれほど低下せずに、ヒートポンプ２００の放熱器１２に中温（例えば、４０〜６０°程度）の水が供給されることがある。しかしながら、このように中温の水が放熱器１２に供給されると、放熱器１２での熱交換効率が低下し、ヒートポンプ２００のＣＯＰ（Coefficient of Performance）が低下する。なお、この問題は、図９に示すヒートポンプ式暖房装置１００のヒートポンプとして、図９に示すヒートポンプ２０１又は図１０（ａ）に示すヒートポンプ２０２を採用した場合でも同様である。

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、ヒートポンプ式暖房装置において、ヒートポンプに中温の液体が送られる場合でも、ヒートポンプのＣＯＰを向上させることである。

本発明は、上記の課題を解決するために、冷媒を予備圧縮する低圧段圧縮機と、前記低圧段圧縮機で予備圧縮された作動流体をさらに圧縮するための高圧段圧縮機と高圧冷媒を放熱させる放熱器、高圧冷媒を低圧冷媒にし得られた動力によって前記低圧段圧縮機を駆動させる膨張機、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を経由して液体を循環させる循環路と、前記加熱液体の熱を放出する暖房機と、前記冷媒回路に設けられた、前記放熱器で放熱した高圧冷媒から低圧冷媒へ熱を移動さ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によって、前記循環路を流れる液体を前記放熱器へ流入する前に冷却する液体冷却用熱交換器と、を備えたヒートポンプ式暖房装置を提供する。

上記のように構成された本発明のヒートポンプ式暖房装置によれば、ヒートポンプに中温の液体が送られる場合でも、放熱器に低温の液体を導入でき、また、膨張機の入り口冷媒の温度を高めることが出来るので、ヒートポンプのＣＯＰを向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係るヒートポンプ式暖房装置の概略構成図 図１に示すヒートポンプ式暖房装置に用いられたヒートポンプのモリエル線図 本発明の第１実施形態の変形例に係るヒートポンプ式暖房装置の概略構成図 本発明の第２実施形態に係るヒートポンプ式暖房装置の概略構成図 図４に示すヒートポンプ式暖房装置に用いられたヒートポンプのモリエル線図 本発明の第３実施形態に係るヒートポンプ式暖房装置の概略構成図 本発明の第４実施形態に係るヒートポンプ式暖房装置の概略構成図 従来のヒートポンプ式暖房装置の概略構成図 従来のヒートポンプの概略構成図 （ａ）は従来の他のヒートポンプの概略構成図（ｂ）は（ａ）に示すヒートポンプにおける第１および第２放熱器を通過する冷媒と水の温度を示すグラフ

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るヒートポンプ式暖房装置１Ａを示している。このヒートポンプ式暖房装置１Ａは、冷媒を循環させる冷媒回路３を有するヒートポンプ２０Ａと、液体を循環させる循環路５と、機器の全体的な制御を行う制御装置６とを備えている。

循環路５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、加熱液体の熱を放出する暖房機４が循環路５に組み込まれており、液体が停留することなく循環し、生成された加熱液体が暖房機４で直接放熱するようになっている。すなわち、循環路５は暖房回路としても機能する。

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、本発明の液体は、必ずしもこれに限定されるものではなく、冷凍回路３を循環する冷媒から熱を受け取り、暖房機４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、冷媒を予備圧縮する低圧段圧縮機２７、低圧段圧縮機２７から吐出された冷媒を高圧冷媒にする高圧段圧縮機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し、得られた動力によって低圧段圧縮機２７を駆動する膨張機２５、低圧冷媒を吸熱させる蒸発器２６、およびこれらの機器をこの順に接続する第１〜第５配管３１〜３５で構成されている。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２６では、ファン２６ａ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２３Ａが設けられており、第２配管３２には、内部熱交換器２３Ａよりも下流側に液体冷却用熱交換器２４が設けられている。

内部熱交換器２３Ａ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、放熱器２２で放熱した高圧冷媒から低圧冷媒へ熱を移動させるものである。液体冷却用熱交換器２４は、内部熱交換器２３Ａから流出した高圧冷媒によって、循環路５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。

暖房機４は、温水の放熱により例えば居室内を暖房するものである。暖房機４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。

循環路５は、暖房機４から液体冷却用熱交換器２４へ水を導く供給管５１と、液体冷却用熱交換器２４から放熱器２２へ水を導く中継管５２と、放熱器２２から暖房機４へ温水となった水を導く回収管５３とを含む。本実施形態では、供給管５１にポンプ６２が設けられている。また、供給管５１には、暖房機４から供給管５１に流入した水の温度を検出する温度センサ６１が設けられている。

供給管５１のポンプ６２よりも下流側の部分と中継管５２とは、バイパス管５４によって接続されている。具体的に、供給管５１には三方弁６３が設けられており、この三方弁６３にバイパス管５４の上流端が接続されている。バイパス管５４の下流端は、中継管５２の途中に接続されている。

三方弁６３は、バイパス管５４を通さずに水を循環させる、すなわち液体用熱交換器２４と放熱器２２の双方を経由して水を循環させるか、バイパス管５４を通して水を循環させる、すなわち放熱器２２のみを経由して水を循環させるか、を切り替えるものであり、本発明の切り替え手段を構成する。なお、本発明の切り替え手段は、三方弁６３で構成されている必要はなく、例えば、バイパス管５４に設けられた開閉弁、および供給管５１におけるバイパス管５４がつながる位置よりも下流側に設けられた開閉弁によって構成されていてもよい。

制御装置６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、上述したヒートポンプ２０Ａならびにポンプ６２、温度センサ６１および三方弁６３と接続されている。

次に、制御装置６が行う制御について具体的に説明する。

制御装置６は、例えばユーザーによって図略の暖房スイッチがＯＮにされると、ヒートポンプ２０Ａを稼働させるとともにポンプ６２を回転させる。これにより、放熱器２２で水が加熱されて温水が生成されるとともに、この温水が暖房機４に送られて暖房が行われる。

この暖房運転の間、制御装置６は、温度センサ６１によって供給管５１に流入した水の温度をモニタリングする。そして、温度センサ６１で検出される水温度が予め設定された設定温度（例えば、２０℃）未満のとき（以下「低温状態」という。）は、制御装置６は、水がバイパス管５４を通して循環されるように三方弁６３を制御する。具体的に、制御装置６は、三方弁６３を、供給管５１の三方弁６３よりも上流側部分５１ａとバイパス管５４とが連通する状態にセットする。これにより、放熱器２２のみを経由する第１ルートが選択される。

低温状態では、冷媒回路３を循環する冷媒は、次のように作動する。冷媒は、低圧段圧縮機２７および高圧段圧縮機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５を流れる水に放熱する。放熱器２２から流出した冷媒は、内部熱交換器２３Ａ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２３Ａから流出した冷媒は、液体冷却用熱交換器２４をそのまま通過し、膨張機２５によって減圧され、低温・低圧に膨張する。膨張した冷媒は、蒸発器２６に流入し、ここで空気から吸熱する。蒸発器２６から流出した冷媒は、内部熱交換器２３Ａ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２３Ａから流出した冷媒は、再び低圧段圧縮機２７へ吸入されて圧縮される。

一方、循環路５（第１ルート）を循環する水は、放熱器２で加熱されて温水とされた後に、暖房機４に流入して大気中に放熱する。暖房機４にて放熱した水は、再び放熱器２に流入して温水とされる。

逆に、温度センサ６１で検出される水温度が前記設定温度以上のとき（以下「中温状態」という。）は、制御装置６は、水がバイパス管５４を通さずに循環されるように三方弁６３を制御する。具体的に、制御装置６は、三方弁６３を、供給管５１の三方弁６３よりも上流側部分５１ａと下流側部分５１ｂとが連通する状態にセットする。これにより、液体用熱交換器２４と放熱器２２の双方を経由する第２ルートが選択される。

中温状態では、液体冷却用熱交換器２４へ流入する水の温度は、液体冷却用熱交換器２４へ流入する冷媒の温度よりも高くなる。冷媒回路３を循環する冷媒は、次のように作動する。冷媒は、低圧段圧縮機２７および高圧段圧縮機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５を流れる水に放熱する。放熱器２２から流出した冷媒は、内部熱交換器２３Ａ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２３Ａから流出した冷媒は、液体冷却用熱交換器２４に流入し、ここで循環路５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２４へ流入する水の温度近くまで加熱される。液体冷却用熱交換器２４から流出した冷媒は、膨張機２５によって減圧され、低温・低圧に膨張した後に、蒸発器２６に流入し、ここで空気から吸熱する。蒸発器２６から流出した冷媒は、内部熱交換器２３Ａ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２３Ａから流出した冷媒は、再び低圧段圧縮機２７へ吸入されて圧縮される。

一方、循環路５（第２ルート）を循環する水は、放熱器２で加熱されて温水とされた後に、暖房機４に流入して大気中に放熱することにより、中温水となる。暖房機４から流出した中温水は、液体冷却用熱交換器２４に流入し、ここで内部熱交換器２３Ａ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。低温になった水は、再び放熱器２に流入して温水とされる。

図２は、本実施形態で用いられたヒートポンプ２０Ａの中温状態でのモリエル線図を示したものである。図中の破線は、図９に示すような液体冷却用熱交換器を有しないヒートポンプ２０１のモリエル線図である。なお、図２中のＡ〜Ｇ、Ｉの点は、図１中のＡ〜Ｇ、Ｉの・印の状態を表す。

液体冷却用熱交換器を有しない図９に示すヒートポンプ２０１では、放熱器を通過する冷媒の温度は、圧縮機によって高温になったＴｄ’（Ｂ’点)から、暖房機からの戻り中温水の温度Ｔｗ１近傍のＴ_GC’（Ｃ’点）に低下する。放熱器を出た冷媒は、内部熱交換器を通過することによりさらに低温となった後に、膨張機で減圧される。減圧された冷媒のエンタルピーは、蒸発器を通過することによりＨ２’（Ｆ’点）からＨ１’（Ｇ’点）に増加し、内部熱交換器を通過することによりさらに増加する。

一方、本実施形態で用いられたヒートポンプ２０Ａでは、放熱器２２に流入する水は、液体冷却用熱交換器２４で冷却されるため、その温度はＴｗ２（＜Ｔｗ１）となる。それに伴って放熱器２２の出口冷媒温度は、Ｔ_GC（Ｃ点）と従来のヒートポンプ２０１に比べて低くなる。放熱器２２を出た冷媒は、内部熱交換器５によってＴ_IH（Ｄ点）まで温度を下げた後に、液体冷却用熱交換器２４にてＴ_EX（Ｅ点）まで温められる。その後、冷媒は、膨張機２５にて減圧される。減圧後の冷媒のエンタルピーＨ２（Ｆ点）は、図に示すように従来のヒートポンプ２０１のＨ２’と比べて、冷媒が液体冷却用熱交換器２４によって温められてから減圧される分、高くなる（Ｈ２＞Ｈ２’）。このため、蒸発器４でのエンタルピー幅（ΔＨ＝Ｈ１−Ｈ２）は、従来のヒートポンプ２０１でのエンタルピー幅（ΔＨ’＝Ｈ１’−Ｈ２’）と比べて小さくなる。

以上のように、本実施形態のヒートポンプ式暖房装置１Ａでは、ヒートポンプ２０Ａに中温水が送られる場合でも、放熱器２２に低温の水を導入できる。従って、ヒートポンプ２０ＡのＣＯＰを向上させることができる。

また、本実施形態によれば、従来のヒートポンプ２０１に比べて、放熱器２２の出口冷媒温度を低くできるので、放熱器２２の出口冷媒温度に対する最適高圧（ヒートポンプのＣＯＰが最大となる高圧）を下げることができる。このため、冷凍サイクルの高圧と低圧の差圧を小さくできるので、高圧段圧縮機２１の圧縮部に加わる差圧力を軽減できる。これによって、冷媒の漏れ損失および摺動損失が軽減されるため、高圧段圧縮機２１の効率を向上させることができる。また、冷凍サイクルの高圧を下げることができるので、冷媒回路３の信頼性も向上させることができる。また、構成部材の耐圧強度を下げることができるので、暖房装置を安価に製造することができる。

また、高圧段圧縮機２１の吐出圧力が下がることで、高圧段圧縮機２１の吐出冷媒温度を低くでき、高温の吐出冷媒に起因する部材の劣化を低減でき、機器の信頼性を向上させることができる。特に、外気温度が極端に低下する場合（−５〜−１５℃程度）の圧縮機吐出冷媒の高温化対策に効果を発揮する。

また、一般的に、膨張機へ吸入される冷媒のエンタルピーが大きいほど、断熱膨張変化時のエンタルピー変化幅（ΔＨ）は大きくなる。膨張機で回収できる動力エネルギーは、このエンタルピー変化幅に比例することから、膨張機へ吸入される冷媒のエンタルピーが大きいほど、膨張機で回収できる動力エネルギーは大きくなる。このため、液体冷却用熱交換器を有しないヒートポンプでの膨張機が回収できる膨張エネルギーよりも、本実施形態で用いられた膨張機２５が回収できる膨張エネルギーは、著しく大きくなる。その結果、回収した膨張エネルギーによって低圧段圧縮機２７を駆動させたときの圧力上昇幅が大きくなり、高圧段圧縮機２７に必要な入力を軽減させることができるので、ヒートポンプ２０ＡのＣＯＰを飛躍的に向上させることができる。

また、本実施形態における冷媒回路３では、最適高圧を下げることができるので、膨張機２５に作用する高圧と低圧の差を小さくできる。このため、冷媒の漏れ損失および摺動損失が軽減されることで、膨張機２５の効率を向上させることができ、より多くの膨張エネルギーを得ることができる。

さらに、蒸発器２６でのエンタルピー幅が小さくなることから、低圧が従来のヒートポンプ２０１に比べて上昇する。このため、冷凍サイクルの高圧と低圧の差圧をさらに小さくできるので、高圧段圧縮機２１の圧縮部に加わる差圧力をいっそう軽減できる。また、蒸発器２６内部の圧力が上昇することにより、蒸発器２６の平均温度が上昇する。その結果、着霜に伴うデフロスト運転の負荷を低減できるため、ヒートポンプ２０Ａの消費エネルギーを小さくでき、機器の効率を向上させることができる。

ところで、特許文献３に開示された図１０（ａ）に示すヒートポンプ２０２は、一見して本実施形態のヒートポンプ２０Ａと似たような構成を有しているようにも見える。しかしながら、特許文献３のヒートポンプ２０２では、内部熱交換器１８を挟んで第１放熱器１２Ａと第２放熱器１２Ｂが配置されていて、図１０（ｂ）に示すように冷媒および水の温度は下降または上昇し続けるだけであり、本実施形態のヒートポンプ２０Ａによる作用とは明らかに異なる。さらに、特許文献３には、水の循環について記載されていないばかりでなく、水が中温水になってヒートポンプに戻されることも記載されていない。

なお、本実施形態では、バイパス管５４および切り替え手段である三方弁６３が設けられていて、水の循環を第１ルートと第２ルートのどちらで行うかを選択できるようになっているが、これらを省略して、水が液体冷却用熱交換器２４と放熱器２２の双方を常に通るようにしてもよい。ただし、本実施形態のように、循環路５にバイパス管５４と切り替え手段を設けておくことは、温度センサ６１で検出される水温度が予め設定された設定温度未満のときに、水が第２ルートを通って液体冷却用熱交換器２４にて冷媒によって加熱されるのを防ぐことができ、放熱器２２に流入する水の温度が可能な限り低くなるように第１ルートと第２ルートを切り替え、冷凍サイクルの効率を高く保つことができるという点で好ましい。

また、本実施形態で用いる液体冷却用熱交換器２４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２４，２２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、暖房装置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。

＜変形例＞
なお、前記実施形態では、冷媒回路３で加熱した温水を暖房機４で大気中に放熱させているが、暖房機４は、例えば給湯もしくは融雪などの加熱源として用いられてもよい。これらの用途においても、上記と同様の効果が得られることは言うまでもない。

また、前記実施形態では、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、前記実施形態では、放熱器２２を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る内部熱交換器２３Ａを用いたが、図３に示すように、放熱器２２から流出した高圧冷媒と蒸発器２６へ流入する前の低圧冷媒との間で熱交換を行わせる内部熱交換器２３Ｂを用いてもよい。

また、高圧段圧縮機２１を、主圧縮機とこれに並列に接続された副圧縮機で構成することも可能である。

また、本実施形態では、膨張機を減圧手段として用いているが、冷媒差圧で動力回収する流体圧モータを用いても同様の効果を得ることができる。

なお、上述した変形例は、後述する実施形態においても適用可能である。

（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暖房装置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暖房装置１Ｂは、第１実施形態のヒートポンプ式暖房装置１Ａとほぼ同様な構成である。そのため、同一機能部品については同一の符号を付し、同様な構成およびその動作についての説明を省略する。なお、この点は、後述する第３〜第４実施形態においても同様である。

本実施形態のヒートポンプ式暖房装置１Ｂが第１実施形態のヒートポンプ式暖房装置１Ａと異なる点は、膨張機２５の下流側に気液分離器２８を設け、気液分離器２８の気相空間と低圧段圧縮機２７の吐出管とを連通するガスバイパス配管３６と、気液分離器２８の液相空間と蒸発器２６との間に設けられた膨張弁２９とが用いられている点のみである。本実施形態でも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

図５は、本実施形態で用いられたヒートポンプ２０Ｂの中温状態でのモリエル線図を示したものである。

本実施形態で用いられたヒートポンプ２０Ｂでは、放熱器２２を出た冷媒は、内部熱交換器２３Ａによって温度を下げた後、液体冷却用熱交換器２４にてＥ点まで温められて膨張機２５に吸入される。そして、冷媒はＪ点まで膨張した後、気液分離器２８の中で、気相と液相に分離する。この時の気相冷媒がＫ点、液相冷媒がＬ点である。液相冷媒は、膨張弁２９でＦ点まで減圧された後、蒸発器２６に流入する。一方、気相冷媒は、低圧段圧縮機の吐出側配管である第５配管３５にガスバイパス配管３６を経て合流する。

以上の様に、本実施形態のヒートポンプ式暖房装置１Ｂでは、液体冷却用熱交換器２４で冷媒のエンタルピーを大きくしてから膨張機２５で減圧させ、減圧後の気相割合が大きい冷媒状態でも、気液分離器２８によって気相冷媒を蒸発器２６をバイパスさせて運転することができるので、蒸発器２６に過剰の気相冷媒が流入することによる圧力損失を防ぐことで、ヒートポンプ２０ＢのＣＯＰを向上させることができる。

また、本実施形態における冷媒回路３では、高圧段圧縮機２１の吸入側冷媒の状態（Ａ点）は、膨張機２５の減圧後冷媒の気相冷媒（Ｋ点）と、低圧段圧縮機２７の吐出冷媒とが混合するため、冷媒密度は上昇する。（モリエル線図では、等圧線上では左に位置するほど密度が高くなる）このため、高圧段圧縮機２１が吐出する冷媒質量流量が大きくなるため、放熱器２２での放熱能力を高めることができる。

（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暖房装置１Ｃを示している。本実施形態のヒートポンプ式暖房装置１Ｃが第１実施形態のヒートポンプ式暖房装置１Ａと異なる点は、循環路５が暖房機４の代わりに貯湯タンク５０で構成されている点である。

貯湯タンク５０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。貯湯タンク５０の下部は、供給管５１によって液体冷却用熱交換器２４と接続され、貯湯タンク５０の上部は、回収管５３によって放熱器２２と接続されている。そして、ポンプ６２が回転させられると、供給管３１によって貯湯タンク５０の下部から液体冷却用熱交換器２４へ水が導かれるとともに、回収管５３によって放熱器２２から貯湯タンク５０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５０内には温水が上側から貯められる。また、本実施形態では、供給管５１に設けられた温度センサ６１によって、貯湯タンク５０から供給管５１に流入した水の温度が検出される。

一方、暖房機４は、送り管８１によって貯湯タンク５０の上部と接続されているとともに、戻し管８２によって貯湯タンク５０の下部と接続されている。本実施形態では、戻し管８２に暖房用ポンプ６５が設けられているが、暖房用ポンプ６５は送り管８１に設けられていてもよい。暖房用ポンプ６５は、制御装置６に接続されている。そして、暖房用ポンプ６５が回転させられると、貯湯タンク５０に貯められた温水が送り管８１を通じて暖房機４に送られるとともに、暖房機４で放熱した温水が戻し管８２を通じて貯湯タンク５０に戻される。すなわち、貯湯タンク５０、送り管８１、暖房機４および戻し管８２は、暖房回路８を構成する。

次に、制御装置６が行う制御について具体的に説明する。

＜貯湯運転＞
制御装置６は、貯湯タンク５０に設けられた図略のセンサによって貯湯タンク５０内の温水量が少ないと判定すると、ヒートポンプ２０Ｃを稼働させるとともにポンプ６２を回転させる。これにより、放熱器２２で水が加熱されて温水が生成されるとともに、この温水が貯湯タンク５０に送られて貯湯が行われる。

この貯湯運転の間、制御装置６は、温度センサ６１によって供給管５１に流入した水の温度をモニタリングする。そして、温度センサ６１で検出される水温度が予め設定された設定温度未満のとき（低温状態）は、制御装置６は、水がバイパス管５４を通して循環されるように三方弁６３を制御する。具体的に、制御装置６は、三方弁６３を、供給管５１の三方弁６３よりも上流側部分５１ａとバイパス管５４とが連通する状態にセットする。これにより、放熱器２２のみを経由する第１ルートが選択される。

低温状態では、冷媒回路３を循環する冷媒は、第１実施形態と同様に作動する。一方、循環路５（第１ルート）を循環する水は、放熱器２で加熱されて温水とされた後に、貯湯タンク５０に貯められる。貯湯タンク５０の下部から抜き出された水は、再び放熱器２に流入して温水とされる。

逆に、温度センサ６１で検出される水温度が前記設定温度以上のとき（中温状態）は、制御装置６は、水がバイパス管５４を通さずに循環されるように三方弁６３を制御する。具体的に、制御装置６は、三方弁６３を、供給管５１の三方弁６３よりも上流側部分５１ａと下流側部分５１ｂとが連通する状態にセットする。これにより、液体用熱交換器２４と放熱器２２の双方を経由する第２ルートが選択される。

中温状態では、液体冷却用熱交換器２４へ流入する水の温度は、液体冷却用熱交換器２４へ流入する冷媒の温度よりも高くなる。冷媒回路３を循環する冷媒は、第１実施形態と同様に作動する。一方、循環路５（第２ルート）を循環する水は、放熱器２で加熱されて温水とされた後に、貯湯タンク５０に貯められる。貯湯タンク５０の下部には、暖房機４で十分に放熱できずに中温水となった水が貯められている。貯湯タンク５０の下部から抜き出された中温水は、液体冷却用熱交換器２４に流入し、ここで内部熱交換器２３Ａ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。低温になった水は、再び放熱器２に流入して温水とされる。

＜暖房運転＞
制御装置６は、例えばユーザーによって図略の暖房スイッチがＯＮにされると、暖房用ポンプ６５を回転させる。これにより、貯湯タンク５０内に貯められた温水が暖房機４に送られて暖房が行われる。

本実施形態でも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態では、沸きあがった温水を貯湯タンク５０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２０Ａで温め直す前に、貯湯タンク５０に貯留している温水を暖房機４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５０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。

＜変形例＞
貯湯タンク５０には、貯湯タンク５０に水道水を供給する給水管９１（図７参照）を設けてもよい。このようにすることで、暖房機４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４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４へ流入する水の温度を制御可能となるため、貯湯タンク５０には暖房機４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４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５０に蓄える蓄熱量を増加させるこができるので、ヒートポンプ２０Ａの運転を長時間停止しても暖房回路８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９１を接続してもよい。

また、貯湯タンク５０に、貯湯タンク５０から温水を取り出す出湯管９２（図７参照）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。

なお、前記実施形態においても、気液分離器２８を備えたヒートポンプ２０Ｂを採用可能であることは言うまでもない。

（第４実施形態）
図７は、本発明の第５実施形態に係るヒートポンプ式暖房装置１Ｄを示している。本実施形態のヒートポンプ式暖房装置１Ｄが第４実施形態のヒートポンプ式暖房装置１Ｃと異なる点は、貯湯タンク５０内にタンク内熱交換器８３が配設されている点である。また、貯湯タンク５０の下部には給水管９１が接続されており、貯湯タンク５０の上部には出湯管９２が接続されている。

タンク内熱交換器８３は、貯湯タンク５０に貯められた温水によって第２の液体である熱媒体を加熱するためのものである。タンク内熱交換器８３は、送り管８１および戻し管８２によって暖房機４と接続されている。そして、暖房用ポンプ６５が回転させられると、タンク内熱交換器８３で加熱された熱媒体が送り管８１を通じて暖房機４に送られ、暖房機４で放熱した熱媒体が戻し管８２を通じてタンク内熱交換器８３に戻される。熱媒体としては、例えば不凍液を用いることも可能であるが、安価で大量入手可能な水を用いることが好ましい。

なお、制御装置６が行う制御は、第３実施形態と同じであるため、その説明は省略する。ただし、暖房運転時には、貯湯タンク５０内に貯められた温水と熱交換した熱媒体が暖房機４で放熱することにより、すなわち温水の熱が熱媒体を介して暖房機４で放出されることにより暖房が行われる。

本実施形態でも、第３実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明のヒートポンプ式暖房装置は、暖房機で発生する中温水を利用しながらヒートポンプのＣＯＰを向上させる手段として有用である。

１Ａ〜１Ｄ ヒートポンプ式暖房装置
２０Ａ〜２０Ｂ ヒートポンプ
２１ 高圧段圧縮機
２２ 放熱器
２３Ａ，２３Ｂ 内部熱交換器
２４ 液体冷却用熱交換器
２５ 膨張機
２６ 蒸発器
２７ 低圧段圧縮機
３ 冷媒回路
４ 暖房機
５ 循環路
５０ 貯湯タンク
５１ 供給管
５２ 中継管
５３ 回収管
５４ バイパス管
６ 制御装置
６１ 温度センサ
８１ 送り管
８２ 戻し管
８３ タンク内熱交換器
９１ 給水管
９２ 給湯管

Claims (13)

1. 冷媒を予備圧縮する低圧段圧縮機と、
   前記低圧段圧縮機で予備圧縮された作動流体をさらに圧縮するための高圧段圧縮機と
   高圧冷媒を放熱させる放熱器、高圧冷媒を低圧冷媒にし得られた動力によって前記低圧段圧縮機を駆動させる膨張機、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を経由して液体を循環させる循環路と、
   前記加熱液体の熱を放出する暖房機と、
   前記冷媒回路に設けられた、前記放熱器で放熱した高圧冷媒から低圧冷媒へ熱を移動さ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によって、前記循環路を流れる液体を前記放熱器へ流入する前に冷却する液体冷却用熱交換器と、
   を備えたヒートポンプ式暖房装置。
2. 前記液体冷却用熱交換器へ流入する液体の温度は、前記液体冷却用熱交換器へ流入する高圧冷媒の温度よりも高い、請求項１に記載のヒートポンプ式暖房装置。
3. 前記内部熱交換器は、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ものである、請求項１または２に記載のヒートポンプ式暖房装置。
4. 前記内部熱交換器は、前記放熱器から流出した高圧冷媒と前記蒸発器へ流入する前の低圧冷媒との間で熱交換を行わせるものである、請求項１または２に記載のヒートポンプ式暖房装置。
5. 前記膨張機と前記低圧段圧縮機は一軸で連結されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒートポンプ式暖房装置。
6. 前記膨張機の冷媒下流側に設けた気液分離器と、
   前記気液分離器の気相空間と前記低圧段圧縮機の吐出管とを連通するガスバイパス配管と、
   前記気液分離器の液相空間と前記蒸発器との間に設けられた減圧手段と、
   を備えた請求項１〜５のいずれかに一項に記載のヒートポンプ式暖房装置。
7. 前記循環路は、前記暖房機から前記液体冷却用熱交換器へ液体を導く供給管と、前記液体冷却用熱交換器から前記放熱器へ液体を導く中継管と、前記放熱器から前記暖房機へ加熱液体となった液体を導く回収管とを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載のヒートポンプ式暖房装置。
8. 前記循環路は、前記加熱液体を貯めるタンクと、前記タンクから前記液体冷却用熱交換器へ液体を導く供給管と、前記液体冷却用熱交換器から前記放熱器へ液体を導く中継管と、前記放熱器から前記タンクへ加熱液体となった液体を導く回収管とを含み、
   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１〜６のいずれか一項に記載のヒートポンプ式暖房装置。
9. 前記循環路は、前記加熱液体を貯めるタンクと、前記タンクから前記液体冷却用熱交換器へ液体を導く供給管と、前記液体冷却用熱交換器から前記放熱器へ液体を導く中継管と、前記放熱器から前記タンクへ加熱液体となった液体を導く回収管とを含み、
   前記タンク内に配設され、前記タンクに貯められた加熱液体によって熱媒体を加熱するタンク内熱交換器と、
   前記タンク内熱交換器で加熱された熱媒体を前記暖房機に送る送り管と、
   前記暖房機で放熱した熱媒体を前記タンク内熱交換器に戻す戻し管と、をさらに備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載のヒートポンプ式暖房装置。
10. 前記液体は水であり、前記加熱液体は温水であり、
    前記タンクに水道水を供給する給水管と、前記タンクから温水を取り出す出湯管と、
    をさらに備える、請求項８または９に記載のヒートポンプ式暖房装置。
11. 前記循環路は、前記供給管と前記中継管とを接続するバイパス管と、前記液体を前記バイパス管を通さずに循環させるか前記バイパス管を通して循環させるかを切り替える切り替え手段をさらに含む、請求項７〜１０のいずれか一項に記載のヒートポンプ式暖房装置。
12. 前記供給管には、当該供給管に流入した液体の温度を検出する温度センサが設けられており、
    前記温度センサで検出される液体温度が所定温度未満のときは前記液体が前記バイパス管を通して循環され、前記温度センサで検出される液体温度が前記所定温度以上のときは前記液体が前記バイパス管を通さずに循環されるように、前記切り替え手段を制御する制御装置をさらに備える、請求項１１に記載のヒートポンプ式暖房装置。
13. 前記冷媒は二酸化炭素である、請求項１〜１２のいずれかに記載のヒートポンプ式暖房装置。

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