JP2013120039A - ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で蒸発器の凍結防止機能を発揮させながらも、圧縮機の中間圧力域に流入する冷媒の温度を精度良く制御する。
【解決手段】圧縮機２、放熱器３、膨張弁４、蒸発器５をこの順で環状に接続した冷凍サイクルを有するヒートポンプシステム１００であって、前記放熱器３及び前記膨張弁４の間に設けられ、前記放熱器３からの冷媒を前記蒸発器５下部を経由して前記蒸発器５下部を加熱したのちに前記膨張弁４に流入させる凍結防止流路６と、前記圧縮機２の低段側圧縮機構で圧縮された冷媒を前記蒸発器５下部を経由して前記圧縮機２の中間圧力域に流入させる中間圧力流路７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプシステムに関するものである。

従来のヒートポンプシステムとしては、例えば特許文献１に示すように、二段圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器を環状に接続してなる冷凍サイクルと、放熱器及び膨張弁の間を流れる冷媒と蒸発器及び二段圧縮機の間を流れる冷媒とを熱交換する高低圧熱交換器と、放熱器及び高低圧熱交換器の間から分岐して二段圧縮機間の中間接続部に接続するバイパス回路と、バイパス回路に設けたインジェクション用膨張弁とを備えたヒートポンプ給湯機がある（特許文献１の図１０参照）。

このヒートポンプ給湯機では、高低圧熱交換器により、圧縮機の入口における過熱度を大きくできるように構成されている。具体的には、冷媒が高低圧熱交換器を通過して、通常圧縮機の入口の過熱度が大きくなるように構成されている。また、冷媒が高低圧熱交換器を通過して、通常膨張弁の入口の過冷却度が大きくなるように構成されている。

しかしながら、上記構成のヒートポンプ給湯機においては、二段圧縮機間の中間接続部にインジェクションされる冷媒の温度を前記インジェクション用膨張弁のみで単独で制御することは極めて難しい。この場合には、膨張弁及びインジェクション用膨張弁の両方を制御する必要がある。

また、放熱器及び膨張弁の間を流れる冷媒と蒸発器及び２段圧縮機の間を流れる冷媒とを熱交換する高低圧熱交換器により冷媒の温度を制御することも考えられるが必ずしも効果的ではない。さらに条件によっては二段圧縮機に流入する低圧冷媒の密度が小さくなり、低段側圧縮機構から吐出される冷媒の温度が高くなることが予想され、ＣＯＰが低下することもあり得る。

なお、前記高低圧熱交換器の替わりに圧縮機の入口における過熱度制御を行う過熱制御回路を有するものも考えられている。

ところが、この過熱制御回路を用いたものでは、低段側圧縮機構に流入する冷媒の温度を通じて高段側圧縮機構から吐出される冷媒の温度を制御することになり、高段側圧縮機構から吐出される冷媒の温度の制御性が悪いという問題がある。

一方で、蒸発器は外気温度が低下すると、特に蒸発器の下段部にドレン水の影響で凍結（着霜）する恐れがある。蒸発器が凍結（着霜）すると蒸発器の能力が低下しまうことから、従来は、蒸発器に外部からホットガスを流入させたり、外部にヒータを設けることによって、凍結を防止する手立てが施されている。

しかしながら外部からの熱源によって蒸発器を加熱する構成では、構成が複雑化する恐れがある。

特開２００７−２７８６８６号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決すべくなされたものであり、簡単な構成で蒸発器の凍結防止機能を発揮させながらも、圧縮機の中間圧力域に流入する冷媒の温度を精度良く制御することを可能にすることができることを主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係るヒートポンプシステムは、圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器をこの順で環状に接続した冷凍サイクルを有するヒートポンプシステムであって、前記放熱器及び前記膨張弁の間に設けられ、前記放熱器からの冷媒を前記蒸発器下部を経由して前記蒸発器下部を加熱したのちに前記膨張弁に流入させる凍結防止流路と、前記圧縮機の低段側圧縮機構で圧縮された冷媒を前記蒸発器下部を経由して前記圧縮機の中間圧力域に流入させる中間圧力流路とを備えることを特徴とする。

このようなものであれば、凍結防止流路が放熱器からの冷媒を蒸発器下部を経由させることから外部の熱源を必要とすることなく簡単な構成により蒸発器の凍結を防止することができる。また、中間圧力流路により低段側圧縮機構で圧縮された冷媒を蒸発器下部を経由して圧縮機の中間圧力域に流入させるので、簡単な構成により中間圧力域に流入する冷媒温度を直接的に制御することができ、高段側圧縮機構から吐出される冷媒温度を精度良く制御することができる。これにより、ヒートポンプの冷暖房性能を向上させることができる。

中間圧力流路の具体的な実施の態様としては、前記中間圧力流路が、前記低段側圧縮機構で圧縮された冷媒を前記蒸発器下部を経由して前記冷凍防止流路の冷媒と熱交換したのちに前記中間圧力域に流入させることが望ましい。

凍結防止機能を有するヒートポンプサイクルの部品点数を可及的に少なくするとともに、配管の複雑化を防止するためには、前記蒸発器と前記凍結防止流路を構成する配管の一部が一体化されていることが望ましい。この具体的な実施の態様としては、前記凍結防止回路が前記蒸発器の最下段に配置された伝熱管を用いて構成されていることが望ましい。

冷媒温度制御機能を有するヒートポンプサイクルの部品点数を可及的に少なくするとともに、配管の複雑化を防止するためには、前記蒸発器と前記中間圧力流路を構成する配管の一部が一体化されていることが望ましい。この具体的な実施の態様としては、前記中間圧力流路が前記蒸発器の最下段に配置された伝熱管を用いて構成されていることが望ましい。

圧縮機の高段側圧縮機構から吐出される冷媒温度を一層精度良く制御するためには、前記放熱器の下流から分岐して前記圧縮機に冷媒を流入させるバイパス回路と、前記バイパス回路に設けられたインジェクション用膨張弁と、前記バイパス回路における膨張弁の下流側を流れる冷媒と前記放熱器及び前記膨張弁の間を流れる冷媒との間で熱交換を行う中間熱交換器とを有することが望ましい。

このように構成した本発明によれば、簡単な構成で蒸発器の凍結防止機能を発揮させながらも、圧縮機の中間圧力域に流入する冷媒の温度を制御することを可能にすることができる。

本実施形態にヒートポンプシステムの構成を示す模式図。 同実施形態の蒸発器下部の構成を示す模式図。 変形実施形態にヒートポンプシステムの構成を示す模式図。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係るヒートポンプシステム１００は、給湯機システム、空調システム等に組み込まれるものであり、二段圧縮機２、放熱器３、膨張弁４及び蒸発器５をこの順に環状に接続し、内部に例えば二酸化炭素等の冷媒を流通させることで、冷凍サイクルを営むように構成したものである。

そして、このヒートポンプシステム１００は、放熱器３及び膨張弁４の間に設けられ、放熱器３からの冷媒を蒸発器５下部を経由して蒸発器５下部を加熱したのちに前記膨張弁４に流入させる凍結防止流路６と、二段圧縮機２の低段側圧縮機構で圧縮された冷媒を蒸発器５下部を経由して二段圧縮機２の中間圧力域に流入させる中間圧力流路７とを備える。

凍結防止流路６は、その配管の一部が蒸発器５と一体化して形成されている。詳細には、蒸発器５の最下段外側（外気側）に設けられた伝熱管６Ｈを用いて構成されている。この伝熱管６Ｈは、銅製からなるヘアピンコイルである。

また、中間圧力流路７は、その配管の一部が蒸発器５と一体化して形成されている。詳細には、蒸発器５の最下段内側（前記凍結防止流路６の伝熱管６Ｈと並列）に設けられた伝熱管７Ｈを用いて構成されている。この伝熱管７Ｈは、前記凍結防止流路６の伝熱管６Ｈと同様に、銅製からなるヘアピンコイルである。

このように構成した本実施形態に係るヒートポンプシステム１００によれば、凍結防止流路６が放熱器３からの冷媒を蒸発器５下部を経由させることから外部の熱源を必要とすることなく簡単な構成により蒸発器５の凍結を防止することができる。

また、中間圧力流路７により低段側圧縮機構で圧縮された冷媒を蒸発器５下部を経由して二段圧縮機２の中間圧力域に流入させるので、簡単な構成により中間圧力域の冷媒温度を直接的に制御することができ、高段側圧縮機構から吐出される冷媒温度を精度良く制御することができる。これにより、ヒートポンプの冷暖房性能を向上させることができる。なお、外気温度が低いほど二段圧縮機２から吐出される冷媒の温度が上昇し冷却能力が要請されることになるが、中間圧力流路７が蒸発器５下部を利用しているので、外気温度が低いほど冷却効果が大きくなり合理的である。

さらに蒸発器５と凍結防止流路６の一部配管及び中間圧力流路７の一部配管を一体化させているので部品点数を削減できるとともに、配管の複雑化を防止することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記実施形態では、図２に示すように、放熱器３下流の流路から分岐して圧縮機２に冷媒を流入させるバイパス回路８と、当該バイパス回路８に設けられたインジェクション用膨張弁９と、インジェクション用膨張弁９下流側を流れる冷媒と前記放熱器３及び膨張弁４の間を流れる冷媒との間で熱交換を行う中間熱交換器１０とを有するものであって良い。

また、前記実施形態では、圧縮機として二段圧縮機を用いた例を示したが、その他、中間圧力流路により中間圧力域に冷媒を流入させることができる圧縮機であれば良く、スクロール圧縮機等を用いても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・ヒートポンプシステム
２ ・・・圧縮機
３ ・・・放熱器
４ ・・・膨張弁
５ ・・・蒸発器
６ ・・・凍結防止流路
６Ｈ ・・・第１伝熱管
７ ・・・中間圧力流路
７Ｈ ・・・第２伝熱管

Claims (7)

1. 圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器をこの順で環状に接続した冷凍サイクルを有するヒートポンプシステムであって、
   前記放熱器及び前記膨張弁の間に設けられ、前記放熱器からの冷媒を前記蒸発器下部を経由して前記蒸発器下部を加熱したのちに前記膨張弁に流入させる凍結防止流路と、
   前記圧縮機の低段側圧縮機構で圧縮された冷媒を前記蒸発器下部を経由して前記圧縮機の中間圧力域に流入させる中間圧力流路とを備えるヒートポンプシステム。
2. 前記中間圧力流路が、前記低段側圧縮機構で圧縮された冷媒を前記蒸発器下部を経由して前記冷凍防止流路の冷媒と熱交換したのちに前記中間圧力域に流入させる請求項１記載のヒートポンプシステム。
3. 前記蒸発器と前記凍結防止流路を構成する配管の一部が一体化されている請求項１又は２記載のヒートポンプシステム。
4. 前記蒸発器と前記中間圧力流路を構成する配管の一部が一体化されている請求項１乃至３のいずれかに記載のヒートポンプシステム。
5. 前記凍結防止流路が前記蒸発器の最下段に配置された伝熱管を用いて構成されている請求項１乃至４のいずれかに記載のヒートポンプシステム。
6. 前記中間圧力流路が前記蒸発器の最下段に配置された伝熱管を用いて構成されている請求項１乃至５のいずれかに記載のヒートポンプシステム。
7. 前記放熱器の下流から分岐して前記圧縮機に冷媒を流入させるバイパス回路と、前記バイパス回路に設けられたインジェクション用膨張弁と、前記バイパス回路における膨張弁の下流側を流れる冷媒と前記放熱器及び前記膨張弁の間を流れる冷媒との間で熱交換を行う中間熱交換器とを有する請求項１乃至６のいずれかに記載のヒートポンプシステム。