JP2012241967A - 超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプおよび給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧を低下させずに運転可能とすることにより、加熱能力を高めることができる超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプを提供することを目的とする。
【解決手段】ＣＯ２冷媒が作動媒体とされ、圧縮機９、放熱器１１、内部熱交換器１４、減圧手段１５Ａ，１５Ｂ、蒸発器１７Ａ，１７Ｂおよび低圧気液分離器２６が、この順に配管接続されて冷媒循環回路１８が構成されている超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプ２において、低圧気液分離器２６は、内部熱交換器１４の出口側と圧縮機９との間を接続する吸入配管１８Ａ中に配設されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＯ２冷媒を用いた超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプおよび該ヒートポンプを適用した給湯機に関するものである。

冷媒としてＣＯ２冷媒を用いている超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプにおいて、その放熱器を冷媒／水熱交換器となし、該冷媒／水熱交換器により冷媒と水とを熱交換させ、水を加熱して温水を製造するようにしたヒートポンプ式給湯機が、例えば特許文献１，２等により従来から知られている。

一方、ＣＯ２冷媒を作動媒体としている超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルおよびそれを用いた空気調和機にあって、圧縮機、放熱器、内部熱交換器、減圧手段、蒸発器および低圧気液分離器等をこの順に接続して冷媒循環回路を構成し、前記低圧気液分離器を蒸発器と内部熱交換器との間の低圧ガス配管中に配設するとともに、前記冷媒循環回路中に、中間圧気液分離器およびガスインジェクション回路を設けたものが、例えば特許文献３−５等により従来から知られている。

特許第４２８７８５２号公報 特許第４４６２１０３号公報 特公平７−１８６０２号公報 特開平１１−６３６９４号公報 特許第３６１４３３０号公報

ＣＯ２冷媒を用いた超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、内部熱交換器やガスインジェクション回路を設けることによって、運転効率の向上を図ることは周知であり、低沸点冷媒の低圧側での熱交換を利用する機器（冷房や冷凍・冷蔵用機器等）の場合、上記の如く、低圧気液分離器を蒸発器と内部熱交換器との間に配設することが理想的（エンタルピー差を大きくできる）である。しかしながら、同一のサイクル構成であっても、高圧側での熱交換を利用する機器（暖房、給湯用機器等）の場合、特に外気温が低い（低圧が低い）運転条件下において、圧縮機の吐出温度が上昇するという問題が発生する。

つまり、低圧気液分離器を蒸発器と内部熱交換器との間に配設した場合、図２中に破線で示されるように、低圧ガス冷媒が内部熱交換器で高圧側冷媒と熱交換されることにより加熱され、過熱度が大きくなって圧縮機に吸入されるため、圧縮機からの吐出温度が上昇する。吐出温度が上昇し過ぎると、冷媒回路を構成している機器の構成材料や冷凍機油の化学的安定を損なう恐れがあることから、吐出温度を１４０℃程度に制限している。その結果、吐出温度が１４０℃を超えないように高圧を低下せざるを得なくなり、その分加熱能力が低下してしまうという課題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、給湯用等のように、高圧側での熱交換を利用するＣＯ２冷媒を用いた超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプにおいて、高圧を低下させずに運転可能とすることにより、加熱能力を高めることができる超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプおよび給湯機を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明の超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプおよび給湯機は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプは、ＣＯ２冷媒が作動媒体とされ、該冷媒を圧縮する圧縮機、高温高圧の冷媒を放熱させる放熱器、該放熱器から流出される冷媒と前記圧縮機に吸入される低圧冷媒とを熱交換する内部熱交換器、該内部熱交換器を経た冷媒を減圧する減圧手段、該減圧手段で減圧された気液二相冷媒を蒸発させる蒸発器、および該蒸発器で蒸発された冷媒を気液分離してガス冷媒のみを前記圧縮機に吸入させる低圧気液分離器が、この順に配管接続されて冷媒循環回路が構成されている超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプにおいて、前記低圧気液分離器は、前記内部熱交換器の出口側と前記圧縮機との間を接続する吸入配管中に配設されていることを特徴とする。

本発明によれば、ＣＯ２冷媒を用いた超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプにおいて、低圧気液分離器が、内部熱交換器の出口側と圧縮機との間を接続する吸入配管中に配設されているため、内部熱交換器の出口における低圧冷媒を飽和状態とすることにより、低圧気液分離器を介して圧縮機に吸入される冷媒の過熱度を、低圧気液分離器を蒸発器と内部熱交換器との間に設けているものに比べ、小さめにコントロールし、圧縮機の吐出温度上昇を抑制することができる。従って、圧縮機の吐出温度が制限されたとしても、その制限温度を超えないように高圧圧力を高めにして運転し、加熱能力を増大することによって、ヒートポンプの高性能化を図ることができる。

さらに、本発明の超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプは、上記の超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプにおいて、前記放熱器と前記内部熱交換器との間に、中間圧減圧手段および中間圧気液分離器が設けられ、該中間圧気液分離器で分離された冷媒ガスを前記圧縮機にインジェクションするガスインジェクション回路が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、放熱器と内部熱交換器との間に、中間圧減圧手段および中間圧気液分離器が設けられ、該中間圧気液分離器で分離された冷媒ガスを圧縮機にインジェクションするガスインジェクション回路が設けられているため、内部熱交換器による冷媒の過冷却効果およびガスインジェクション回路によるガスインジェクション効果（エコノマイザ効果）によって、ＣＯＰ（成績係数）の向上および加熱能力の向上を図ることができる。従って、ヒートポンプを一層高性能化することができる。

さらに、本発明の超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプは、上記の超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプにおいて、前記圧縮機は、密閉ハウジング内に低段側圧縮機と高段側圧縮機とを備えた２段圧縮機とされ、前記ガスインジェクション回路からの冷媒ガスが、前記高段側圧縮機に吸込まれる中間圧の冷媒ガス中にインジェクションされるように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、圧縮機が、密閉ハウジング内に低段側圧縮機と高段側圧縮機とを備えた２段圧縮機とされ、ガスインジェクション回路からの冷媒ガスが、高段側圧縮機に吸込まれる中間圧の冷媒ガス中にインジェクションされるように構成されているため、中間圧気液分離器で分離され、ガスインジェクション回路を介してガスインジェクションされる中間圧の冷媒ガスの圧力損失を最小限に抑制し、ガスインジェクション効果によって高い加熱能力と高いＣＯＰ（成績係数）を得ることができる。従って、２段圧縮機による効率の向上とガスインジェクション効果によって、ヒートポンプの更なる高性能化を図ることができる。

さらに、本発明にかかる給湯機は、上述のいずれかの超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプの前記放熱器が、冷媒と水とを熱交換させて水を加熱する冷媒／水熱交換器とされ、該冷媒／水熱交換器により温水が製造可能とされていることを特徴とする。

本発明によれば、上述のいずれかの超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプの放熱器が、冷媒と水とを熱交換させて水を加熱する冷媒／水熱交換器とされ、該冷媒／水熱交換器を介して温水が製造可能とされているため、超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプを運転して温水を製造する給湯運転時、ヒートポンプ側の高圧圧力を高めに維持して運転できることから、冷媒／水熱交換器での冷媒による水の加熱能力を増大することができる。従って、給湯能力を向上し、給湯機を高性能化することができる。

本発明の超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプによると、内部熱交換器の出口における低圧冷媒を飽和状態とすることにより、低圧気液分離器を介して圧縮機に吸入される冷媒の過熱度を、低圧気液分離器を蒸発器と内部熱交換器との間に設けているものに比べ、小さめにコントロールし、圧縮機の吐出温度上昇を抑制することができるため、圧縮機の吐出温度が制限されたとしても、その制限温度を超えないように高圧圧力を高めにして運転し、加熱能力を増大することによって、ヒートポンプの高性能化を図ることができる。

本発明の給湯機によると、超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプを運転して温水を製造する給湯運転時、ヒートポンプ側の高圧圧力を高めに維持して運転できることから、冷媒／水熱交換器での冷媒による水の加熱能力を増大することができるため、給湯能力を向上し、給湯機を高性能化することができる。

本発明の一実施形態に係る超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプを用いた給湯機の概略構成図である。 図１に示す超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプのモリエル線図である。

以下に、本発明の一実施形態について、図１および図２を参照して説明する。
図１には、本発明の一実施形態に係る超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプを用いた給湯機の概略構成図が示され、図２には、そのヒートポンプのモリエル線図が示されている。
給湯機１は、ＣＯ２冷媒を用いた超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプ２と、図示省略の貯湯タンクユニットに接続される水循環系路３とを備えている。水循環系路３は、超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプ２における放熱器（冷媒／水熱交換器）１１の水側流路に接続された給水側系路３Ａと、該冷媒／水熱交換器１１で製造された温水を取出す温水取出し側系路３Ｂとを備え、給水側系路３Ａには、水ポンプ４および流量制御弁５が設けられている。

上記ヒートポンプ２は、密閉ハウジング６内に低段側圧縮機７および高段側圧縮機８が内蔵されている２段圧縮機（圧縮機）９と、冷媒ガス中の潤滑油を分離するオイルセパレータ１０と、冷媒ガスを放熱する放熱器（冷媒／水熱交換器）１１と、冷媒を中間圧に減圧する電子膨張弁（中間圧減圧手段）１２と、気液分離機能付きの中間圧レシーバ（中間圧気液分離器）１３と、中間圧冷媒と２段圧縮機９へと吸入される低圧冷媒とを熱交換する内部熱交換器１４と、中間圧冷媒を低温低圧の気液二相冷媒に減圧するメイン電子膨張弁（減圧手段）１５Ａ，１５Ｂと、２台のファン１６Ａ，１６Ｂから送風される外気と冷媒とを熱交換させる複数系統の蒸発器（空気熱交換器）１７Ａ，１７Ｂとがこの順に配管接続された閉サイクルの冷媒循環回路１８を備えている。なお、このような冷媒循環回路１８は、公知である。

上記ヒートポンプ２の放熱器１１は、一方の冷媒側流路に２段圧縮機９から吐出された高温高圧の冷媒ガスが循環され、他方の水側流路に水循環系路３を介して水が循環されることにより水と冷媒ガスとが熱交換される冷媒／水熱交換器とされている。そして、この冷媒／水熱交換器１１において、高温高圧の冷媒ガスで水を加熱することによって温水が製造されるように構成されている。

また、上記ヒートポンプ２には、オイルセパレータ１０で分離された油を２段圧縮機９の吸入配管１８Ａ側に戻す油戻し回路１９が設けられ、この油戻し回路１９には、二重管熱交換器２０と、電磁弁およびキャピラリチューブ等により構成された油量調整機構２１とが設けられている。更に、上記ヒートポンプ２には、低外気温下での運転時、蒸発器１７Ａ，１７Ｂの表面に霜が生成した場合、この霜を２段圧縮機９から吐出された高温高圧のホットガス冷媒を蒸発器１７Ａ，１７Ｂに導入して除霜するためのホットガスバイパス回路２２が設けられている。該ホットガスバイパス回路２２には、霜の生成を検知して開閉される電磁弁２３が設けられている。

また、上記ヒートポンプ２には、気液分離機能付きの中間圧レシーバ（中間圧気液分離器）１３で分離された中間圧冷媒ガスを、油戻し回路１９に設けられている二重管熱交換器２０を経由して、２段圧縮機９の高段側圧縮機８に吸込まれる中間圧ガス雰囲気とされている密閉ハウジング６内にインジェクションするガスインジェクション回路２４が設けられている。このガスインジェクション回路２４には、必要に応じてガスインジェクション回路２４を開閉できるように電磁弁２５が設けられている。

さらに、上記冷媒循環回路１８には、内部熱交換器１４の出口側と、２段圧縮機９との間を接続する吸入配管１８Ａ中に、低圧気液分離器（アキュームレータ）２６が配設された構成とされている。この低圧気液分離器（アキュームレータ）２６は、低圧冷媒ガス中に含まれる液分を分離し、ガス冷媒のみを２段圧縮機９に吸入されるように機能するものである。

以上に説明の構成により、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
上記給湯機１において、ＣＯ２冷媒を用いている超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプ２が運転されると、２段圧縮機９により２段圧縮された高温高圧の冷媒ガスは、オイルセパレータ１０で冷媒中の油が分離された後、放熱器（冷媒／水熱交換器）１１に導入され、ここで水循環系路３の給水側系路３Ａから水側流路に流通される水と熱交換される。この水は高温高圧冷媒ガスからの放熱により加熱、昇温された後、温水取出し側系路３Ｂを経て貯湯タンク（図示省略）に戻り、貯湯タンク内の貯湯量が所定量に到達するまで、連続的に放熱器（冷媒／水熱交換器）１１にて冷媒と水との熱交換が継続され、貯湯量が所定量に到達すると、貯湯運転が終了されるようになっている。

放熱器１１で水と熱交換して冷却された冷媒は、中間圧電子膨張弁（中間圧減圧手段）１２により減圧されて中間圧レシーバ１３に至り、ここで気液分離される。中間圧レシーバ１３で分離された中間圧のガス冷媒は、電磁弁２５および二重管熱交換器２０を経てガスインジェクション回路２４により２段圧縮機９の密閉ハウジング６内の中間圧の冷媒ガス中にインジェクションされ、高段側圧縮機８に吸入されて再圧縮される。このガスインジェクションによるエコノマイザ効果によって、ヒートポンプ２による加熱能力および成績係数（ＣＯＰ）を向上させ、給湯能力を増大することができる。

一方、中間圧レシーバ１３で分離された液冷媒は、内部熱交換器１４において蒸発器１７Ａ，１７Ｂで蒸発された低圧の冷媒ガスと熱交換されて過冷却された後、メイン電子膨張弁（減圧手段）１５Ａ，１５Ｂにより減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となって蒸発器（空気熱交換器）１７Ａ，１７Ｂに流入される。蒸発器（空気熱交換器）１７Ａ，１７Ｂに流入した冷媒は、ファン１６Ａ，１６Ｂを介して送風される外気と熱交換され、外気から吸熱して蒸発ガス化される。

蒸発器１７Ａ，１７Ｂでガス化された冷媒は、内部熱交換器１４で中間圧液冷媒と熱交換され、中間圧液冷媒の過冷却に供された後、低圧気液分離器（アキュームレータ）２６に至り、ここで気液分離される。これによって、液分が分離されたガス冷媒のみが２段圧縮機９に吸い込まれ、再圧縮される。以下、同様の動作を繰り返すことにより、温水の製造に供される。なお、貯湯運転時、蒸発器１７Ａ，１７Ｂに霜が堆積した場合、それを検知して電磁弁２３を開とし、２段圧縮機９から吐出されたホットガス冷媒をオイルセパレータ１０の下流からホットガスバイパス回路２２を介して蒸発器１７Ａ，１７Ｂに導入することによって、除霜運転を行うことができる。

斯くして、本実施形態によると、蒸発器１７Ａ，１７Ｂで蒸発された冷媒を気液分離してガス冷媒のみを２段圧縮機９に吸入させる低圧気液分離器２６を、蒸発器１７Ａ，１７Ｂ下流側の吸入配管１８Ａに設けられている内部熱交換器１４の低圧冷媒出口側と２段圧縮機９との間を接続する吸入配管１８Ａ中に配設した構成としている。このため、内部熱交換器１４出口の低圧冷媒を飽和状態とすることによって、低圧気液分離器２６を介して２段圧縮機９に吸入される冷媒の過熱度を、低圧気液分離器２６を蒸発器１７Ａ，１７Ｂと内部熱交換器１４との間に設けているものに比べ、小さめにコントロールし、２段圧縮機９からの冷媒の吐出温度上昇を抑制することができる。

つまり、図２に示すＣＯ２冷媒を用いた超臨界サイクルのモリエル線図のように、低圧気液分離器２６を内部熱交換器１４の下流側に設けることにより、図１の超臨界サイクル上の内部熱交換器１４の入口Ａ点と出口Ｂ点、および２段圧縮機９の吸入口Ｃ点における冷媒の状態を、モリエル線図上のＡ，Ｂ，Ｃ点のように略飽和状態とし、２段圧縮機９に吸入される冷媒の過熱度を小さめにコントロールすることができ、これによって、図２中に破線で示される低圧気液分離器が蒸発器と内部熱交換器間に設けられている従来のものに比べ、冷媒吐出温度の上限が、例えば１４０℃に制限された場合でも、１４０℃を超えない範囲で高圧圧力を高めに維持して運転することができる。

その結果、２段圧縮機９の吐出温度が制限されたとしても、その制限温度を超えないように高圧圧力を高めにして運転し、加熱能力を増大することによって、超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプ２、ひいては給湯機１の高性能化を図ることができる。

また、本実施形態においては、放熱器（冷媒／水熱交換器）１１と内部熱交換器１４との間に、中間圧電子膨張弁（中間圧減圧手段）１２および気液分離機能付きの中間圧レシーバ（中間圧気液分離器）１３が設けられ、該中間圧レシーバ１３で分離された冷媒ガスを２段圧縮機９にインジェクションするガスインジェクション回路２４が設けられているため、内部熱交換器１４による冷媒の過冷却効果およびガスインジェクション回路２４によるガスインジェクション効果（エコノマイザ効果）によって、ＣＯＰ（成績係数）の向上および加熱能力の向上を図ることができる。従って、超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプ２および給湯機１を一層高性能化することができる。

さらに、ヒートポンプ２に適用される圧縮機は、密閉ハウジング６内に低段側圧縮機７および高段側圧縮機８が設けられた２段圧縮機９とされ、ガスインジェクション回路２４からの冷媒ガスが、高段側圧縮機８に吸込まれる中間圧の冷媒ガス中にインジェクションされるように構成されている。このため、中間圧レシーバ（中間圧気液分離器）１３で分離され、ガスインジェクション回路２４を介してガスインジェクションされる中間圧の冷媒ガスの圧力損失を最小限に抑制し、ガスインジェクション効果によって高い加熱能力と高いＣＯＰ（成績係数）を得ることができる。従って、２段圧縮機９による効率の向上とガスインジェクション効果によって、超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプ２および給湯機１の更なる高性能化を図ることができる。

なお、本発明は、上記実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。例えば、上記実施形態では、圧縮機として２段圧縮機９を用いた例について説明したが、単段圧縮機を用いたものにも同様に適用できることは云うまでもなく、更に、単段圧縮機を用いた場合でも、ガスインジェクション回路２４を設けることができることはもちろんである。

また、上記実施形態では、メイン電子膨張弁１５Ａ，１５Ｂおよび蒸発器１７Ａ，１７Ｂを複数系統並列に接続し、蒸発器１７Ａ，１７Ｂに対応させてファン１６Ａ，１６Ｂを２台設置している例について説明したが、これらは１系統であってもよいことはもちろんである。

１ 給湯機
２ 超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプ
３ 水循環系路
６ 密閉ハウジング
７ 低段側圧縮機
８ 高段側圧縮機
９ ２段圧縮機（圧縮機）
１１ 放熱器（冷媒／水熱交換器）
１２ 中間圧電子膨張弁（中間圧減圧手段）
１３ 中間圧レシーバ（中間圧気液分離器）
１４ 内部熱交換器
１５Ａ，１５Ｂ メイン電子膨張弁（減圧手段）
１７Ａ，１７Ｂ 蒸発器
１８ 冷媒循環回路
１８Ａ 吸入配管
２４ ガスインジェクション回路
２６ 低圧気液分離器（アキュームレータ）

Claims (4)

1. ＣＯ２冷媒が作動媒体とされ、該冷媒を圧縮する圧縮機、高温高圧の冷媒を放熱させる放熱器、該放熱器から流出される冷媒と前記圧縮機に吸入される低圧冷媒とを熱交換する内部熱交換器、該内部熱交換器を経た冷媒を減圧する減圧手段、該減圧手段で減圧された気液二相冷媒を蒸発させる蒸発器、および該蒸発器で蒸発された冷媒を気液分離してガス冷媒のみを前記圧縮機に吸入させる低圧気液分離器が、この順に配管接続されて冷媒循環回路が構成されている超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプにおいて、
   前記低圧気液分離器は、前記内部熱交換器の出口側と前記圧縮機との間を接続する吸入配管中に配設されていることを特徴とする超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプ。
2. 前記放熱器と前記内部熱交換器との間に、中間圧減圧手段および中間圧気液分離器が設けられ、該中間圧気液分離器で分離された冷媒ガスを前記圧縮機にインジェクションするガスインジェクション回路が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプ。
3. 前記圧縮機は、密閉ハウジング内に低段側圧縮機と高段側圧縮機とを備えた２段圧縮機とされ、前記ガスインジェクション回路からの冷媒ガスが、前記高段側圧縮機に吸込まれる中間圧の冷媒ガス中にインジェクションされるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプ。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の超臨界蒸気圧縮式ヒートポンプの前記放熱器が、冷媒と水とを熱交換させて水を加熱する冷媒／水熱交換器とされ、該冷媒／水熱交換器により温水が製造可能とされていることを特徴とする給湯機。
   

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