JP2015117919A - ヒートポンプシステム、及び、ヒートポンプ式給湯器 - Google Patents

Abstract

【課題】運転を停止したり、あるいは、複雑な運転操作したりすることなく、少なくとも二つの圧縮機の冷凍機油の量を均等に保つのが容易なヒートポンプシステムを提供する。
【解決手段】第１熱交換器１１から流出する冷媒を減圧膨張させる膨張弁１２と、膨張弁１２にて減圧膨張された冷媒が熱交換対象と熱交換する第２熱交換器１３と、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂを繋ぎ、両者の間で冷凍機油を流通させる均油管２０と、低段側圧縮機１０ａから吐出される冷媒に含まれる冷凍機油を分離する低段側のオイルセパレータ２７と、高段側圧縮機１０ｂから吐出される冷媒に含まれる冷凍機油を分離し、オイルセパレータ２７よりも油分離効率が高い高段側のオイルセパレータ２８と、備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、二つの独立した圧縮機を直列に連結した二段圧縮式のヒートポンプシステムに関する。

省エネネルギーを目的に給湯システムのヒートポンプ化が進んでいる。
この冷媒システムとして、低段側圧縮機と高段側圧縮機が直列に接続された冷媒回路を備え、その冷媒回路で冷媒を循環させる二段圧縮冷凍サイクルが知られている（例えば、特許文献１〜３）。

特開平５−９３５５２号公報 特開平６−２９６６号公報 特開２００９−１６８３３０号公報

二段圧縮冷凍サイクルを常に効率の良い状態で運転をするためには、低段側及び高段側の二つの圧縮機をそれぞれ独立した回転数で運転させる必要がある。そのために最も大きな課題となるのは，二つの圧縮機にそれぞれ含まれる冷凍機油の油面レベルの制御である。１つのハウジングの内部に低段側及び高段側の二つの圧縮機構を搭載している圧縮機と異なり、二つの独立した圧縮機を直列に連結する場合には、二つの圧縮機の間で冷凍機油の量を適切な均等なレベルに保つことが、二つの圧縮機を健全に運転するために必要である。
本発明は、この技術的課題に基づいてなされたもので、運転を停止したり、あるいは、複雑な運転操作したりすることなく、少なくとも二つの圧縮機の冷凍機油の量を均等に保つのが容易なヒートポンプシステムを提供することを目的とする。本発明は、加えて、このヒートポンプシステムを備える高効率なヒートポンプ給湯器を提供することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明のヒートポンプシステムは、低段側圧縮機と高段側圧縮機を備え、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機構と、圧縮機構で圧縮された冷媒と熱交換対象が熱交換する第１熱交換器と、第１熱交換器から流出する冷媒を減圧膨張させる膨張弁と、膨張弁にて減圧膨張された冷媒と熱交換対象が熱交換する第２熱交換器と、低段側圧縮機と前記高段側圧縮機を繋ぎ、低段側圧縮機と高段側圧縮機の間で冷凍機油を流通させる均油管と、低段側圧縮機から吐出される冷媒に含まれる冷凍機油を分離する低段側オイルセパレータと、低段側オイルセパレータで分離された冷凍機油を低段側圧縮機に戻す低段側戻し配管と、高段側圧縮機から吐出される冷媒に含まれる冷凍機油を分離し、低段側オイルセパレータよりも油分離効率が高い高段側オイルセパレータと、高段側オイルセパレータで分離された冷凍機油を高段側圧縮機に戻す高段側戻し配管と、を備えることを特徴とする。

本発明のヒートポンプシステムにおいて、低段側オイルセパレータと高段側圧縮機の間に、中間圧の冷媒を供給するインジェクション配管が接続される場合には、低段側オイルセパレータと高段側オイルセパレータは、油分離効率の関係が以下の式（２）を満足することが望まれる。高段側圧縮機には、低段側圧縮機よりも、インジェクションされる冷媒に含まれる分だけ冷凍機油が多く吸入されることを考慮する必要があるためである。
Ｒ_Ｈ ＞ １−（１−Ｒ_Ｈ）×Ｖ_Ｌ ／ Ｖ_Ｈ …（２）
Ｒ_Ｌ：低段側オイルセパレータの油分離効率 Ｒ_Ｈ：高段側オイルセパレータの油分離効率
Ｖ_Ｌ：低段側圧縮機の吐出油流量 Ｖ_Ｈ：高段側圧縮機の吐出油流量

以上説明したヒートポンプシステムの第１熱交換器を、冷媒と水とを熱交換させて水を加熱する水対冷媒熱交換器とするヒートポンプ式給湯器は、低段側圧縮機及び高段側圧縮機の冷凍機油の量が確保されるので、安定して高効率な給湯を実現できる。

本発明によれば、圧縮機構の運転を停止することなく、かつ、均油弁の開／閉という簡易な操作により、圧縮機構間における冷凍機油の均一化を図ることができる。しかも、本発明によると、均油管に冷媒が流れているものと判断すると、開いている均油弁を閉じるので、冷媒が均油管を流れることで生じる圧縮機構の空費を避けることができる。

第１実施形態に係る冷凍サイクルの回路構成を示す図である。 第２実施形態に係る冷凍サイクルの回路構成を示す図である。 第１実施形態に係る冷凍サイクルを用いたヒートポンプ式の給湯・空調機の回路構成を示す図である。 図３の構成に係るヒートポンプ式の給湯・空調機の回路構成を示す図であり、図３とは異なる運転モードを示している。

以下、添付する図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
［第１実施形態］
第１実施形態に係るヒートポンプシステム１は、図１に示すように、冷媒を圧縮して吐出する低段側圧縮機１０ａ及び高段側圧縮機１０ｂと、高段側圧縮機１０ｂで圧縮された冷媒と熱交換の対象となる流体とを熱交換させる第１熱交換器１１と、第１熱交換器１１から流出する冷媒を減圧膨張させる膨張弁１２と、膨張弁１２にて減圧膨張された冷媒と熱交換の対象となる流体を熱交換させる第２熱交換器１３と、を備え、冷媒の循環方向に沿ってこの順に直列に接続されている。本実施形態において、第１熱交換器１１は、例えば水と熱交換することで放熱する凝縮器として機能し、また、第２熱交換器１３は、外気と熱交換することで吸熱する蒸発器として機能することができる。
ヒートポンプシステム１は、低段側圧縮機１０ａに保持される冷凍機油と高段側圧縮機１０ｂに保持される冷凍機油の油量を均等に保つための均油管２０を備える。

ヒートポンプシステム１は、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂを繋ぐ配管Ｌ１と、高段側圧縮機１０ｂと第１熱交換器１１を繋ぐ配管Ｌ２と、第１熱交換器１１と第２熱交換器１３を繋ぐ配管Ｌ３と、第２熱交換器１３と低段側圧縮機１０ａを繋ぐ配管Ｌ４とを備えることで、冷媒が循環する冷媒回路を構成する。この中で、低段側圧縮機１０ａにとって配管Ｌ４が吸入側配管を、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂを繋ぐ配管Ｌ１が中間圧配管を、高段側圧縮機１０ｂにとって配管Ｌ２が吐出側配管を構成する。
なお、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂを区別することなく、圧縮機構１０と総称することがある。

また、ヒートポンプシステム１は、低段側圧縮機１０ａの吐出側にオイルセパレータ２７を、高段側圧縮機１０ｂの吐出側にオイルセパレータ２８を備えている。低段側圧縮機１０ａから吐出された冷媒に含まれる冷凍機油はオイルセパレータ２７において冷媒から分離され、戻し配管２７Ｌを経由して低段側圧縮機１０ａに戻される。同様に、高段側圧縮機１０ｂから吐出された冷媒に含まれる冷凍機油はオイルセパレータ２８において冷媒から分離され、戻し配管２８Ｌを経由して低段側圧縮機１０ａに戻される。

以下、ヒートポンプシステム１の各構成要素を順に説明する。
［圧縮機構１０］
低段側圧縮機１０ａは、一体に構成された電動モータにより回転駆動されることにより、第２熱交換器１３を通過した低温低圧の冷媒を吸入して中間圧まで圧縮し、高段側圧縮機１０ｂに向けて吐出する。
低段側圧縮機１０ａに適用される圧縮機構としては、スクロール型圧縮機構や、ロータリ式圧縮機構など公知の形式の圧縮機構を適用できる。高段側圧縮機１０ｂも同様である。
高段側圧縮機１０ｂは、低段側圧縮機１０ａから吐出された冷媒を吸入して圧縮し、高温高圧の冷媒として第１熱交換器１１に向けて吐出する。

［第１熱交換器１１］
第１熱交換器１１は、熱交換の対象となる水、空気などの流体と高温高圧の冷媒とを熱交換させることによって流体を加熱する。高段側圧縮機１０ｂから吐出された高温高圧の冷媒は、ここで冷却され凝縮される。第１熱交換器１１は、公知の熱交換器を用いることができる。次に説明する第２熱交換器１３も同様である。
第１熱交換器１１は、熱交換の対象が空気の場合には、送風ファン１１ｆを付設しており、送風ファン１１ｆにより送風された空気が第１熱交換器１１を通過する過程で冷媒と熱交換される。

［膨張弁１２、第２熱交換器１３］
第２熱交換器１３は、膨張弁１２を通過して減圧膨張された冷媒と外気との間で熱交換を行うものであり、この熱交換の過程で冷媒は蒸発し、外気から熱を吸収する。第２熱交換器１３にも、送風ファン１３ｆが付設されており、送風ファン１３ｆにより送風された空気と冷媒とが熱交換されることで、低圧冷媒を蒸発させて吸熱作用を生じさせる。
膨張弁１２は、例えば、ニードル状の弁体と、弁体を駆動するためのパルスモータとを備えた電子膨張弁から構成される。

［均油管２０］
均油管２０は、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂを繋ぎ、本実施形態の場合には、高段側圧縮機１０ｂから低段側圧縮機１０ａに向けて冷凍機油を流す。
低段側圧縮機１０ａ及び高段側圧縮機１０ｂは、正常な運転に必要とされる冷凍機油の量を示す基準油面が各々に設定されており、均油管２０は、基準油面に対応する位置で低段側圧縮機１０ａ，高段側圧縮機１０ｂに接続される。そして、均油管２０の各々の接続端が冷凍機油に常に浸かっていることが、ヒートポンプシステム１の運転を行う上で好ましい。

ヒートポンプシステム１においては、高段側圧縮機１０ｂから低段側圧縮機１０ａに向けて冷凍機油が均油管２０を流れる。高段側圧縮機１０ｂの内部の圧力が低段側圧縮機１０ａの内部の圧力よりも高いからである。ただし、高段側圧縮機１０ｂから低段側圧縮機１０ａに向けて冷凍機油が流れるのは、高段側圧縮機１０ｂにおける均油管２０の接続端が冷凍機油に浸かっていることが前提である。この前提がないと、均油管２０は冷媒の通路となってしまう。そうすると、低段側圧縮機１０ａで圧縮された冷媒の一部が低段側圧縮機１０ａに向けて逆戻りすることになる。これは、低段側圧縮機１０ａにおいて、冷媒を圧縮する動力が空費されることを意味する。したがって、均油管２０に開閉弁を設けて、冷凍機油が均油管２０を流れていないときには、冷媒が低段側圧縮機１０ａに流れないように均油管２０を閉塞することが好ましい。

［オイルセパレータ２７，２８］
オイルセパレータ２７，２８の機能は前述の通りであるが、本実施形態は油分離効率の異なるオイルセパレータ２７，２８を用いる。具体的には、１段目の低段側圧縮機１０ａの吐出側に設けられるオイルセパレータ２７は、２段目の高段側圧縮機１０ｂの吐出側に設けられるオイルセパレータ２８よりも、同じ流量の油（冷凍機油）が通過するときの油分離効率が低いものが適用される。よって、同じ流量の油を前提として、オイルセパレータ２８の方がオイルセパレータ２７に比べて、より多くの冷凍機油を冷媒から分離することができる。
以上のように油分離効率の低いオイルセパレータ２７と油分離効率の高いオイルセパレータ２８を用いることで、常に２段目の高段側圧縮機１０ｂに冷凍機油が溜りやすくしている。

上市されているオイルセパレータ２７，２８は、油分離効率、あるいは、油分離性能といった表記が示されているので、これにしたがってオイルセパレータ２７，２８を選定すればよい。例えば、メッシュを通過させることで油を冷媒から分離させるオイルセパレータにおいては、メッシュのサイズが大きいほど油分離効率が高く、メッシュの目開きが小さいほど油分離効率が高くなる。

［ヒートポンプシステム１の動作］
以下、ヒートポンプシステム１の動作を説明する。
ヒートポンプシステム１は、冷媒が循環し、二段圧縮冷凍サイクルが実行される。

ヒートポンプシステム１において、高段側圧縮機１０ｂから吐出された高温高圧の冷媒は、配管Ｌ２を通って第１熱交換器１１に流入し、熱交換対象に対して放熱する。第１熱交換器１１で放熱した冷媒は、配管Ｌ３を通って膨張弁１２を通過する過程で膨張して低圧冷媒となる。この低圧冷媒は、さらに配管Ｌ３を通って第２熱交換器１３へ流入し、室外空気から吸熱して蒸発する。その後、第２熱交換器１３から流出した低圧冷媒は、配管Ｌ４を通って低段側圧縮機１０ａへ吸入される。

低段側圧縮機１０ａへ吸入された低圧冷媒は、圧縮されて中間圧の冷媒となった後に配管Ｌ１へ吐出される。低段側圧縮機１０ａから配管Ｌ１へ吐出された中間圧の冷媒は、高段側圧縮機１０ｂへ吸入される。高段側圧縮機１０ｂへ吸入された冷媒は、圧縮されて高圧冷媒となった後に配管Ｌ２へ吐出される。

以上の動作の過程において、オイルセパレータ２７はオイルセパレータ２８よりも油分離効率が低いので、常に２段目の高段側圧縮機１０ｂに冷凍機油が溜りやすい。そして、均油管２０は、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂを繋いでいる。したがって、高段側圧縮機１０ｂに余剰に溜った冷凍機油は、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂの圧力の差に基づいて、均油管２０を低段側圧縮機１０ａに向けて流れる。

以上説明したように、本実施形態によると、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂの運転を停止することなく、高段側から低段側に冷凍機油を供給し、両者の冷凍機油の均一化を図ることができる。
これにより，２つの圧縮機の間の油面高さを均等にするときは，高圧側となる２段目圧縮機から低圧側となる１段目圧縮機に対して差圧による油搬送を行う形になる。
このため，均油を圧縮機運転中だけで行うことができ，圧縮機を停止して１段目圧縮機から２段目圧縮機に油を搬送するといったプロセスが不要になる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係るヒートポンプシステム１は、図２に示すように、インジェクション管１６ｃが配管Ｌ１であって、オイルセパレータ２７と高段側圧縮機１０ｂの間に接続されており、インジェクション管１６ｃを介して適宜のガス冷媒が低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂの間の中間圧の配管Ｌ１に注入される。つまり、ヒートポンプシステム１は、ガスインジェクションを行う。適宜のガス冷媒としては、例えば、第４実施形態に示されるエコノマイザ回路１６により生成することができるし、他の部位で生成される中間圧のガス冷媒を用いることができる。

ガスインジェクションを行うヒートポンプシステム１は、オイルセパレータ２７の油分離効率に対してオイルセパレータ２８の油分離効率を所定値以上大きい値に設定することが必要である。理由は以下の通りである。
インジェクション管１６ｃをオイルセパレータ２７と２段目の高段側圧縮機１０ｂの間に接続してガスインジェクションする場合には、インジェクションされる冷媒の流量が１段目の低段側圧縮機１０ａが吐出する冷媒の流量に加算される。したがって，オイルセパレータ２７を通過する冷媒流量よりも、オイルセパレータ２８を通過する冷媒流量の方が多くなる。このため、オイルセパレータ２７とオイルセパレータ２８の油分離効率の差が小さいと、オイルセパレータ２７の油分離量がオイルセパレータ２８の油分離量より多くなるおそれがある。そうすると、低段側圧縮機１０ａから高段側圧縮機１０ｂに冷凍機油を搬送するプロセスが必要になってしまうが、これは本発明の目的からずれてしまう。そこで、オイルセパレータ２７とオイルセパレータ２８の油分離効率の差を規定することで、ガスインジェクションを行うヒートポンプシステム１においても、オイルセパレータ２７による油分離量よりもオイルセパレータ２８の油分離量となるようにする。

以上説明したように、オイルセパレータ２７と高段側圧縮機１０ｂの間にガスインジェクションを行うヒートポンプシステム１においても、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂの運転を停止することなく、高段側から低段側に冷凍機油を供給し、両者の冷凍機油の均一化を図ることができる。
第２実施形態において、低段側のオイルセパレータ２７と高段側のオイルセパレータ２８は、油分離効率の関係が以下の式（２）を満足することが望まれる。高段側圧縮機１０ｂには、低段側圧縮機１０ａよりも、インジェクションされる冷媒に含まれる分だけ冷凍機油が多く吸入されることを考慮する必要があるためである。なお、油流量Ｖ_Ｌ，Ｖ_Ｈは、吐出される冷媒流量に冷媒中の油混入比率を掛けることで求めることができる。
Ｒ_Ｈ ＞ １−（１−Ｒ_Ｈ）×Ｖ_Ｌ ／ Ｖ_Ｈ …（２）
Ｒ_Ｌ：低段側オイルセパレータの油分離効率 Ｒ_Ｈ：高段側オイルセパレータの油分離効率
Ｖ_Ｌ：低段側圧縮機の吐出油流量 Ｖ_Ｈ：高段側圧縮機の吐出油流量

［第３実施形態］
以下、第１実施形態として説明したヒートポンプシステム１を適用したヒートポンプ式の給湯・空調機１００を、本発明の第４実施形態として説明する。
給湯・空調機１００は、図３及び図４に示すように、ヒートポンプ系統２００と、水系統３００と、から構成されている。

［ヒートポンプ系統２００］
ヒートポンプ系統２００は、第１実施形態で説明したヒートポンプシステム１を利用したものであり、室外の空気（外気）と冷媒との間で熱交換を行う。ヒートポンプシステム１に対応する要素がある場合には、第１実施形態と同じ符号を付して、その説明を省略する。ただし、第１熱交換器１１は、水対冷媒熱交換器１１と読み替えるものとする。水対冷媒熱交換器１１は、水系統３００側の水と冷媒とを熱交換させることによって水を加熱する。また、第２熱交換器１３は、熱源側空気熱交換器１３と読み替えるものとする。さらに、ヒートポンプ系統２００は、ヒートポンプシステム１が備えていない以下の要素を含んでいる。

ヒートポンプ系統２００は、高段側圧縮機１０ｂの吐出側の配管Ｌ２と低段側圧縮機１０ａの吸入側の配管Ｌ４との間に四方切替え弁１５を備えており、この四方切替え弁１５により冷媒の循環方向を可逆させ、熱源側空気熱交換器１３を経て水対冷媒熱交換器１１へと反時計回りに冷媒を循環させる冷房サイクル（デフロストサイクル）と、水対冷媒熱交換器１１を経て熱源側空気熱交換器１３へと時計回りに冷媒を循環させる暖房サイクルとのいずれか一方が選択可能とされている。

ヒートポンプ系統２００は、熱源側空気熱交換器１３、水対冷媒熱交換器１１および四方切替え弁１５の他、絞り機構としての冷房用膨張弁１２ａ、暖房用膨張弁１２ｂ及びレシーバ１８が設けられている。この冷房用膨張弁１２ａおよび暖房用膨張弁１２ｂは、レシーバ１８を挟んで直列に配置されている。
また、ヒートポンプ系統２００は、配管Ｌ３にエコノマイザ回路１６が設けられている。エコノマイザ回路１６は、エコノマイザ用熱交換器１６ａと、エコノマイザ用膨張弁１６ｂと、インジェクション管１６ｃを備えている。水対冷媒熱交換器１１を経た液冷媒は、その一部がエコノマイザ用膨張弁１６ｂを経てエコノマイザ用熱交換器１６ａに導入され、配管Ｌ３を流れる液冷媒と熱交換させて蒸発した後、このガス冷媒を低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂの間の中間圧の配管Ｌ１にインジェクション管１６ｃを介して注入される。
また、ヒートポンプ系統２００は、低段側圧縮機１０ａの吐出側にオイルセパレータ２７を、高段側圧縮機１０ｂの吐出側にオイルセパレータ２８を備えている。低段側圧縮機１０ａから吐出された冷媒に含まれる冷凍機油はオイルセパレータ２７において冷媒から分離され、戻し配管２７Ｌを介して低段側圧縮機１０ａに戻される。同様に、高段側圧縮機１０ｂから吐出された冷媒に含まれる冷凍機油はオイルセパレータ２８において冷媒から分離され、戻し配管２８Ｌを介して高段側圧縮機１０ｂに戻される。

［水系統３００］
水系統３００は、水循環ポンプ３０７を介して循環される水がヒートポンプ系統２００に設けられている水対冷媒熱交換器１１で冷媒から吸熱して温水とされ、その温水を負荷側のラジエータ３０３との間で循環させることにより、暖房用の熱源等として利用する温水循環流路３０１を備えている。この温水循環流路３０１には、流量割合を調整可能な三方切替え弁３０６を介して温水循環流路３０１から温水を導入し、その温水を蓄熱温水として蓄えることができる蓄熱タンク３０５が接続されている。

蓄熱タンク３０５は、水対冷媒熱交換器１１で加熱された温水を、ラジエータ３０３に循環する温水循環流路３０１中に設けられている三方切替え弁３０６を介してその上部から蓄熱温水を取水し、必要なタイミングで温水循環流路３０１側に放出する。

また、蓄熱タンク３０５には、貯湯されている蓄熱温水の熱を利用して加熱された給湯用の温水を供給するサニタリ水供給回路（図示を省略）、必要に応じて通電される電気ヒータ（図示を省略）が設けられている。

以上のように構成されている水系統３００は、三方切替え弁３０６を選択切替えすることにより、ラジエータ３０３に温水を供給する暖房運転または蓄熱タンク３０５に温水を供給する蓄熱運転のいずれか一方を選択して実施し、あるいは、ラジエータ３０３および蓄熱タンク３０５の両方に温水を分割供給して温水による暖房運転及び蓄熱運転の両方を同時に実施可能な構成とされている。
また、水系統３００は、蓄熱タンク３０５から水循環ポンプ３０７によって供給された加熱対象としての水が、水対冷媒熱交換器１１においてヒートポンプ系統２００の冷媒と熱交換することで加熱される。

一方、ヒートポンプ系統２００において、暖房サイクルが選択されると、低温低圧のガス冷媒が圧縮機構１０（低段側圧縮機１０ａ，高段側圧縮機１０ｂ）で圧縮され、高温高圧のガス冷媒としてヒートポンプ系統２００に吐出される。このガス冷媒は、図３に実線矢印で示されるように、四方切替え弁１５により水対冷媒熱交換器１１に導かれて時計回りに循環される。この場合、水対冷媒熱交換器１１は、水循環ポンプ３０７により循環される水系統３００の水と高温高圧ガス冷媒とを熱交換させる熱交換器であり、冷媒の凝縮により放熱される凝縮熱が水を加熱する凝縮器として機能する。この結果、ヒートポンプ系統２００を流れる高温高圧のガス冷媒は、凝縮して高温高圧の液冷媒となり、水系統３００を流れる水は冷媒から吸熱して温水となる。

水対冷媒熱交換器１１で凝縮された冷媒は、全開の冷房用膨張弁１２ａを通ってレシーバ１８に流入する。このレシーバ１８では、冷媒の気液分離が行われるとともに、循環する冷媒量の調整が行われる。レシーバ１８の下流側には、高温高圧の液冷媒を減圧する暖房用膨張弁１２ｂが配置されている。暖房用膨張弁１２ｂを冷媒が通過することにより、高温高圧の液冷媒は減圧されて低温低圧の気液二相冷媒となり、熱源側空気熱交換器１３に導かれる。蒸発器として機能する熱源側空気熱交換器１３に導入された気液二相冷媒は、外気と熱交換することにより外気から吸熱して気化する。

このように、熱源側空気熱交換器１３を通過することにより、外気から吸熱して気化した低温低圧のガス冷媒は、再び四方切替え弁１５を経て低段側圧縮機１０ａに吸引される。こうして低段側圧縮機１０ａに吸引された低温低圧のガス冷媒は、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂで順番に圧縮されて高温高圧のガス冷媒となり、以下同様の経路を循環して気液の状態変化を繰り返す。この際、低温となる熱源側空気熱交換器１３の外周面に、空気中の水分等が氷結して着霜現象が生じることがある。

着霜は、熱源側空気熱交換器１３での冷媒と外気との熱交換を阻害し、熱交換効率を低下させるため、霜の堆積の有無を検知することにより、適当な運転時間毎にデフロスト運転を実施して霜を除去する必要がある。このデフロスト運転は、上述のヒートポンプ系統２００において、四方切替え弁１５を切替えて冷媒の循環方向を逆転させ、図４中の一点差線の矢印方向に冷媒を循環させる冷房サイクル（デフロストサイクル）に切替え、高段側圧縮機１０ｂから吐出された高温高圧のガス冷媒を熱源側空気熱交換器１３に導入し、その放熱（凝縮熱）で熱源側空気熱交換器１３に付着している霜を融解することによって行われる。

このリバースサイクル方式によるデフロスト運転時には、水対冷媒熱交換器１１は、蒸発器として機能し、温水循環流路３０１を流れる水から吸熱して冷媒を気化させ、その熱を用いて熱源側空気熱交換器１３に着霜した霜を融解することとなる。この際、水温が低下しすぎると、水対冷媒熱交換器１１内で水が凍結し、熱交換器破損のリスクが発生する。このため、デフロスト時、水対冷媒熱交換器１１に循環される水温と共に冷媒の蒸発温度が低下しすぎないようにする必要がある。

以上説明した給湯・空調機１００においても、第１実施形態と同様にして、給湯・空調機１００の運転中に、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂの間に設けられる均油管２０を、高段側圧縮機１０ｂ側から低段側圧縮機１０ａの側に向けて冷凍機油が流れる。これは、高段側圧縮機１０ｂと低段側圧縮機１０ａの圧力の差に基づいて必然的に生じるものであり、一切の操作を伴うことなく、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂにおける冷凍機油の均一化を図ることができる。

以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
例えば、第１実施形態で述べた本発明における最低限の要素を除く部分は任意である。例えば、室内用熱交換器をさらに備える給湯・空調機に本発明を適用することもできるし、逆に、貯湯機能のみを備えるヒートポンプ式給湯器に適用することもできる。

また、第１〜第４実施形態のヒートポンプシステムは、２つの圧縮機を直列に接続したが、３つ以上の圧縮機を直列に接続することもできる。この場合、低段側から高段側に向けて、設けられるオイルセパレータのそれぞれの油分離効率を高く設定すればよい。

１ ヒートポンプシステム
１０ａ 低段側圧縮機
１０ｂ 高段側圧縮機
１１ 第１熱交換器，水対冷媒熱交換器
１１ｆ 送風ファン
１２ 膨張弁
１２ａ 冷房用膨張弁
１２ｂ 暖房用膨張弁
１３ 第２熱交換器，熱源側空気熱交換器
１３ｆ 送風ファン
１５ 四方切替え弁
１６ エコノマイザ回路
１６ａ エコノマイザ用熱交換器
１６ｂ エコノマイザ用膨張弁
１６ｃ インジェクション管
１８ レシーバ
２０ 均油管
２７，２８ オイルセパレータ
２７Ｌ，２８Ｌ 戻し配管
１００ 給湯・空調機
２００ ヒートポンプ系統
３００ 水系統
３０１ 温水循環流路
３０３ ラジエータ
３０５ 蓄熱タンク
３０６ 三方切替え弁
３０７ 水循環ポンプ
Ｌ１〜Ｌ４ 配管

Claims (3)

1. 低段側圧縮機と高段側圧縮機を備え、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機構と、
   前記圧縮機構で圧縮された前記冷媒が熱交換対象と熱交換する第１熱交換器と、
   前記第１熱交換器から流出する前記冷媒を減圧膨張させる膨張弁と、
   前記膨張弁にて減圧膨張された前記冷媒が熱交換対象と熱交換する第２熱交換器と、
   前記低段側圧縮機と前記高段側圧縮機を繋ぎ、前記低段側圧縮機と前記高段側圧縮機の間で冷凍機油を流通させる均油管と、
   前記低段側圧縮機から吐出される前記冷媒に含まれる冷凍機油を分離する低段側オイルセパレータと、
   前記低段側オイルセパレータで分離された前記冷凍機油を前記低段側圧縮機に戻す低段側戻し配管と、
   前記高段側圧縮機から吐出される前記冷媒に含まれる冷凍機油を分離し、前記低段側オイルセパレータよりも油分離効率が高い高段側オイルセパレータと、
   前記高段側オイルセパレータで分離された前記冷凍機油を前記高段側圧縮機に戻す高段側戻し配管と、
   を備えることを特徴とするヒートポンプシステム。
2. 前記低段側オイルセパレータと前記高段側圧縮機の間に、中間圧の冷媒を供給するインジェクション配管が接続され、
   前記低段側オイルセパレータと前記高段側オイルセパレータは、油分離効率の関係が、以下の式（１）を満足する、請求項１に記載のヒートポンプシステム。
   Ｒ_Ｈ ＞ １−（１−Ｒ_Ｈ）×Ｖ_Ｌ ／ Ｖ_Ｈ …（１）
   Ｒ_Ｌ：低段側オイルセパレータの油分離効率 Ｒ_Ｈ：高段側オイルセパレータの油分離効率
   Ｖ_Ｌ：低段側圧縮機の吐出油流量 Ｖ_Ｈ：高段側圧縮機の吐出油流量
3. 請求項１又は請求項２に記載のヒートポンプシステムの前記第１熱交換器が、冷媒と水とを熱交換させて水を加熱する水対冷媒熱交換器である、
   ことを特徴とするヒートポンプ式給湯器。

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