JP2020098047A - ヒートポンプシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】多段圧縮式のヒートポンプ回路を備え、利用側熱媒体回路の構成と、利用側熱媒体の流量制御の簡素化とを、両立したヒートポンプシステムを提供すること。【解決手段】高段側圧縮機構１１ｂ、低段側圧縮機構１１ａを含む圧縮機構１１、第１膨張装置１５、熱源側熱交換器１６を少なくとも有するヒートポンプ回路１０と、高段側圧縮機構１１ｂから第１膨張装置１５へ流れる冷媒と利用側熱媒体回路３０を流れる利用側熱媒体と熱交換する利用側熱交換器１２と、利用側熱交換器１２から第１膨張装置１５の間で、ヒートポンプ回路１０を流れる冷媒から分流し、第２膨張装置１８により減圧された後に、インタークーラ１７を流出後の冷媒と合流した冷媒を、高段側圧縮機構１１ｂに吸入させるインジェクション冷媒回路２０と、を備え、利用側熱交換器１２とインタークーラ１７とは、利用側熱媒体回路３０において直列に接続しているヒートポンプシステム。【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、この種のヒートポンプシステムは、多段圧縮式のヒートポンプ回路において、低段側の圧縮機から吐出された冷媒と、高段側の圧縮機から吐出された冷媒との両方を、水の加熱に利用するヒートポンプシステムの提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載された従来のヒートポンプシステムは、容積比が一定の関係にある低段側圧縮機構と高段側圧縮機構とを有している圧縮機構と、膨張機構と、蒸発器と、を少なくとも有しており、冷媒が循環するヒートポンプ回路を備えている。
また、低段側圧縮機構の吐出側から高段側圧縮機構の吸入側に向けて流れる冷媒と、熱負荷回路の第１路を流れる流体との間で熱交換を行わせるインタークーラを備えている。
また、高段側圧縮機構から膨張機構に向けて流れる冷媒と、熱負荷回路の第２路を流れる流体との間で熱交換を行わせるガスクーラを備えている。
る。
そして、それぞれのインタークーラ、ガスクーラを並列に流れる水流量は、混合弁で調節され、それぞれのインタークーラ、ガスクーラで加熱された後に合流する構成となっている。
国際公開第２０１２／００８４３１号
しかしながら、前記従来のヒートポンプシステムは、インタークーラとガスクーラに水を並列に流すので、水の分配比を調整する装置が必要となり、水側回路構成が複雑となるという課題を有していた。
また、インタークーラとガスクーラに水を並列に流し、インタークーラ、ガスクーラで加熱された後に合流する構成となっているため、水流量や出湯温度の調整等、制御が複雑となるという課題も有していた。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、多段圧縮式のヒートポンプ回路を備え、利用側熱媒体回路の構成と、利用側熱媒体の流量制御の簡素化とを、両立したヒートポンプシステムを提供することを目的とする。
前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプシステムは、高段側圧縮機構および低段側圧縮機構を含む圧縮機構、第１膨張装置、熱源側熱交換器、を少なくとも有していて、冷媒が循環するヒートポンプ回路と、利用側熱媒体が流れる利用側熱媒体回路と、前記高段側圧縮機構から前記第１膨張装置へと流れる前記冷媒と、前記利用側熱媒体回路を流れる前記利用側熱媒体と熱交換する利用側熱交換器と、前記低段側圧縮機構から吐出された前記冷媒と、前記利用側熱媒体回路を流れる前記利用側熱媒体と熱交換するインタークーラと前記利用側熱交換器から前記第１膨張装置までの間で、前記ヒートポンプ回路を流れる前記冷媒から分流し、第２膨張装置により減圧された後に、前記インタークーラを流出後の前記冷媒と合流し、その合流した前記冷媒を、前記高段側圧縮機構に吸入させるインジェクション冷媒回路と、制御装置と、を備え、前記利用側熱交換器と前記インタークーラとは、前記利用側熱媒体回路において直列に接続していることを特徴とするものである。
これにより、利用側熱交換器とインタークーラとは、利用側熱媒体回路において直列に接続しているので、並列接続に比べて利用側熱媒体回路の構成を簡素にできる。また、利用側熱媒体の搬送量を調整しやすくなり、容易に利用側熱媒体の温度調整もできる。
また、利用側熱交換器とインタークーラを流れる利用側熱媒体の流量は、並列接続時に比べて多くなるので、利用側熱交換器とインタークーラを流れる利用側熱媒体の熱伝達率が向上し、利用側熱交換器とインタークーラにおける熱交換効率が高まるため、ヒートポンプシステムの省エネルギー性を向上できる。
本発明によれば、多段圧縮式のヒートポンプ回路を備え、利用側熱媒体回路の構成と、利用側熱媒体の流量制御の簡素化とを、両立したヒートポンプシステムを提供できる。
本発明の実施の形態１におけるヒートポンプシステムの構成図 同ヒートポンプシステムの動作時のヒートポンプ回路を流れる冷媒の理想的な状態を示すモリエル線図（Ｐ−ｈ線図） 同ヒートポンプ回路の全体加熱能力に対するインタークーラの加熱能力の比率と、ヒートポンプ回路のＣＯＰとの関係を示す図 同ヒートポンプ回路におけるインジェクション比率と、ヒートポンプ回路の全体加熱能力に対するインタークーラの加熱能力の比率との関係を示す図
第１の発明は、高段側圧縮機構および低段側圧縮機構を含む圧縮機構、第１膨張装置、熱源側熱交換器、を少なくとも有していて、冷媒が循環するヒートポンプ回路と、利用側熱媒体が流れる利用側熱媒体回路と、前記高段側圧縮機構から前記第１膨張装置へと流れる前記冷媒と、前記利用側熱媒体回路を流れる前記利用側熱媒体と熱交換する利用側熱交換器と、前記低段側圧縮機構から吐出された前記冷媒と、前記利用側熱媒体回路を流れる前記利用側熱媒体と熱交換するインタークーラと前記利用側熱交換器から前記第１膨張装置までの間で、前記ヒートポンプ回路を流れる前記冷媒から分流し、第２膨張装置により減圧された後に、前記インタークーラを流出後の前記冷媒と合流し、その合流した前記冷媒を、前記高段側圧縮機構に吸入させるインジェクション冷媒回路と、制御装置と、を備え、前記利用側熱交換器と前記インタークーラとは、前記利用側熱媒体回路において直列に接続していることを特徴とヒートポンプシステムである。
これにより、利用側熱交換器とインタークーラとは、利用側熱媒体回路において直列に接続しているので、並列接続に比べて利用側熱媒体回路の構成を簡素にできる。また、利用側熱媒体の搬送量を調整しやすくなり、容易に利用側熱媒体の温度調整もできる。
また、利用側熱交換器とインタークーラを流れる利用側熱媒体の流量は、並列接続時に比べて多くなるので、利用側熱交換器とインタークーラを流れる利用側熱媒体の熱伝達率が向上し、利用側熱交換器とインタークーラにおける熱交換効率が高まるため、ヒートポンプシステムの省エネルギー性を向上できる。
第２の発明は、特に、第１の発明において、搬送装置を有し、前記搬送装置が駆動すると、前記利用側熱媒体回路を流れる前記利用側熱媒体は、前記利用側熱交換器、前記インタークーラの順に流れることを特徴とするものである。
これにより、利用側熱交換器には低温の利用側熱媒体が流入し、高段側圧縮機構から吐出された冷媒と熱交換するので、利用側熱交換器の出口の冷媒の温度が低下し、利用側熱交換器側のエンタルピー差が拡大するとともに、熱源側熱交換器に低エンタルピー状態で冷媒が流入するため、熱源側熱交換器での吸熱量が増加し、ヒートポンプシステムの運転効率を向上できる。
一方、インタークーラには、利用側熱交換器で加熱された利用側熱媒体が流入し、低段側圧縮機構から吐出された冷媒と熱交換するため、インタークーラの出口の冷媒の温度が高くなり、高段側圧縮機構に吸入される冷媒の温度も高くなる。
このため、インジェクション冷媒回路において、高段側圧縮機構に吸入させる冷媒量を増加させても、高段側圧縮機構から吐出される冷媒の温度を高く維持できるので、利用側熱媒体の高温化と高能力化とを実現できる。
第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、前記利用側熱交換器における加熱能力Ｑ１と、前記インタークーラにおける加熱能力Ｑ２との関係が、Ｑ１＞Ｑ２となるように、前記冷媒と前記利用側熱媒体は、前記利用側熱交換器と前記インタークーラとを、それぞれ流れることを特徴とするものである。
これにより、インタークーラにおける利用側熱媒体と冷媒とが熱交換する際のエンタルピーの変化量が、利用側熱交換器における利用側熱媒体と冷媒とが熱交換する際のエンタルピーの変化量よりも小さいため、インタークーラを流れる利用側熱媒体の流速を小さくでき、利用側熱媒体の流動音を低減できる。
第４の発明は、特に、第３の発明において、前記利用側熱交換器における加熱能力Ｑ１と前記インタークーラにおける加熱能力Ｑ２との合計に対するインタークーラ１７の加熱能力の比が、１５％〜２５％であることを特徴とするものである。
これにより、ヒートポンプ回路の全体加熱能力（利用側熱交換器とインタークーラの合計の加熱能力）に対するインタークーラの加熱能力の比が略２０％のときに、ヒートポンプ回路のＣＯＰが最大となる。
したがって、ヒートポンプ回路の全体加熱能力（利用側熱交換器とインタークーラの合計の加熱能力）に対するインタークーラの加熱能力の比が１５％〜２５％となるように、ヒートポンプ回路を流れる冷媒循環量や、利用側熱媒体回路を流れる利用側熱媒体の搬送量を設定すれば、ヒートポンプシステムを高い運転効率で運転させることができる。
第５の発明は、特に、第３または第４の発明において、前記利用側熱交換器の利用側熱媒体側流路断面積Ｓ１と、前記インタークーラの利用側熱媒体側流路断面積Ｓ２との関係が、Ｓ１＜Ｓ２であることを特徴とするものである。
これにより、Ｓ１＜Ｓ２により、インタークーラを流れる利用側熱媒体の流速を小さくでき、インタークーラにおける利用側熱媒体の流動音を低減できる。
第６の発明は、特に、第１〜第５のいずれかの発明において、前記利用側熱交換器と前記第１膨張装置との間を流れる高圧冷媒と、前記インジェクション冷媒回路の前記第２膨張装置により減圧された中圧冷媒とを熱交換する中間熱交換器を備えたことを特徴とするものである。
これにより、インジェクション冷媒回路において、高段側圧縮機構に吸入させる冷媒の温度を高くすることができるので、高段側圧縮機構に吸入させる冷媒量を増加させても、高段側圧縮機構から吐出される冷媒の温度を高く維持でき、利用側熱媒体の高温化と高能力化とを実現できる。
第７の発明は、特に、第１〜第６のいずれかの発明において、前記利用側熱交換器と前記第１膨張装置の間を流れる高圧冷媒と、前記熱源側熱交換器と前記低段側圧縮機構との間を流れる低圧冷媒とを熱交換する、内部熱交換器を備えたことを特徴とするものである。
これにより、低段側圧縮機構に吸入される冷媒の温度が上昇し、冷媒は加熱状態で圧縮されるので、低段側圧縮機構から吐出される冷媒の温度も上昇する。したがって、インタークーラの入口の冷媒の温度が上昇するので、利用側熱媒体の高温化と高能力化とを実現できる。
第８の発明は、特に、第１〜第７のいずれかの発明において、前記冷媒として、二酸化炭素を用いることを特徴とする前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とするものである。
これにより、利用側熱交換器において、高段側圧縮機構から第１膨張装置へと流れる二酸化炭素冷媒は超臨界の状態なので、前記利用側熱媒体回路を流れる前記利用側熱媒体との熱交換効率を上昇させたヒートポンプシステムを提供できる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプシステムの構成図を示すものである。
ヒートポンプシステム１は、ヒートポンプ回路１０と、利用側熱媒体回路３０と、ヒートポンプシステム１の運転動作を制御する制御装置１９と、から構成されている。
ヒートポンプ回路１０は、多段式である圧縮機構１１、冷媒の放熱器の機能を有する利用側熱交換器１２と、第１膨張装置１５と、冷媒の蒸発器である熱源側熱交換器１６と、が環状に接続し形成されており、冷媒（例えば、二酸化炭素（ＣＯ２））が循環している。
なお、冷媒としては、利用側熱媒体の高温化させるためには、二酸化炭素を用いるのが最適だが、例えば、Ｒ４０７Ｃ等の非共沸混合冷媒、Ｒ４１０Ａ等の擬似共沸混合冷媒、または、Ｒ３２等の単一冷媒を用いることもできる。
冷媒を圧縮する多段式の圧縮機構１１は、低段側圧縮機構１１ａと高段側圧縮機構１１ｂとから構成されている。なお、多段式の圧縮機構」１１を構成する低段側圧縮機構１１ａと、高段側圧縮機構１１ｂの容積比は一定で、駆動軸を共通化させ、１つの容器内に配置した１台の圧縮機で構成されている。
本実施の形態では、圧縮機構１１が、低段側圧縮機構１１ａと高段側圧縮機構１１ｂとが１つの容器内に配置されている多段式の圧縮機構１１を用いて説明するが、低段側圧縮機構１１ａと高段側圧縮機構１１ｂとが、それぞれが独立した２台の圧縮機から構成されている多段式の圧縮機構１１の構成であってもよい。
また、冷媒の放熱器の機能を有する利用側熱交換器１２では、高段側圧縮機構１１ｂから吐出された高温・高圧の冷媒と、利用側熱媒体回路３０を流れる利用側熱媒体（例えば、水）とが熱交換し、加熱された利用側熱媒体（例えば、高温水）が、利用側熱媒体回路３０を流れ、利用側熱媒体端末３２で、給湯および／または暖房に使用される。
また、利用側熱交換器１２で加熱され、利用側熱媒体回路３０を流れている利用側熱媒体を、低段側圧縮機構１１ａから吐出された冷媒で、更に加熱するように、インタークーラ１７が設けられている。
また、ヒートポンプ回路１０の利用側熱交換器１２から第１膨張装置１５までの間と、圧縮機構１１とを接続する、インジェクション冷媒回路２０が設けられている。インジェクション冷媒回路２０は、利用側熱交換器１２から第１膨張装置１５までの間の配管から分岐された冷媒が、高段側圧縮機構１１ｂに吸入されるように、圧縮機構１１に接続されている。
そして、インジェクション冷媒回路２０には、中間熱交換器１３と第２膨張装置１８が設けられていて、中間熱交換器１３と第２膨張装置１８とを介して中間圧となった冷媒が、高段側圧縮機構１１ｂに吸入されるように圧縮機構１１に接続されている配管に、利用側熱媒体回路３０を流れている利用側熱媒体を、低段側圧縮機構１１ａから吐出され、インタークーラ１７で加熱した後の冷媒が流れる配管が、接続されている。
インジェクション冷媒回路２０においては、利用側熱交換器１２を通過後、第１膨張装置１５までの間に分岐された、一部の高圧冷媒、または、中間熱交換器１３を通過後の一部の高圧冷媒は、第２膨張装置１８により減圧されて、中間圧冷媒となった後に、中間熱交換器１３でヒートポンプ回路１０を流れる高圧冷媒と熱交換する。
そして、低段側圧縮機構１１ａから吐出され、インタークーラ１７において、利用側熱媒体回路３０を流れている利用側熱媒体を加熱した後と合流して、高段側圧縮機構１１ｂに吸入される。
利用側熱媒体回路３０は、利用側熱交換器１２、インタークーラ１７、搬送ポンプである搬送装置３１、利用側熱媒体端末３２が順次接続されて形成されている。
ヒートポンプ回路１０には、高段側圧縮機構１１ｂの吐出側の配管に、高圧側圧力検出装置５１が設けられている。なお、高圧側圧力検出装置５１は、高段側圧縮機構１１ｂの吐出側から、第１膨張装置１５の上流側までの、ヒートポンプ回路１０に設けられていて、ヒートポンプ回路１０の高圧冷媒の圧力を検出できればよい。
また、インジェクション冷媒回路２０には、第２膨張装置１８の下流側に、中間圧側圧力検出装置５２が設けられている。
利用側熱媒体回路３０には、利用側熱交換器１２に流入する利用側熱媒体の温度を検出する利用側熱交換器熱媒体流入温度センサ５３と、利用側熱交換器１２を流出する利用側熱媒体の温度を検出する利用側熱交換器熱媒体流出温度センサ５４と、インタークーラ１７から流出する利用側熱媒体の温度を検出するインタークーラ熱媒体流出温度センサ５５と、が設けられている。
制御装置１９は、高圧側圧力検出装置５１及び中間圧側圧力検出装置５２からの検出圧力、利用側熱交換器熱媒体流入温度センサ５３、利用側熱交換器熱媒体流出温度センサ５４及びインタークーラ熱媒体流出温度センサ５５からの検出温度によって、低段側圧縮機構１１ａ及び高段側圧縮機構１１ｂの運転周波数、第１膨張装置１５と第２膨張装置１８の減圧量、及び、搬送装置３１の搬送量を制御して、ヒートポンプ回路１０を、図２に示すような冷媒の状態とする。
ヒートポンプ回路１０とインジェクション冷媒回路２０を流れる冷媒の循環量は、低段側圧縮機構１１ａ及び高段側圧縮機構１１ｂの運転周波数と、第１膨張装置１５、第２膨張装置１８の減圧量により調整することができる。
図２は、本発明の実施の形態１における、外気温度７℃、入水温度４７℃、蒸発温度２．５℃の条件での、ヒートポンプ回路１０を流れる冷媒の理想的な状態を示すモリエル線図（Ｐ−ｈ線図）である。
図２のａ〜ｊ点、および、Ａ〜Ｂ点は、図１に示すヒートポンプ回路１０における各ポイントに相当する。
以下、図２に基づいて、ヒートポンプシステム１の動作時のヒートポンプ回路１０の冷媒の状態について説明する。
まず、高段側圧縮機構１１ｂから吐出される高圧冷媒（ａ点）は、利用側熱交換器１２で利用側熱媒体回路３０を流れる利用側熱媒体に放熱した後に、冷媒分岐点Ａでヒートポンプ回路１０から一部分岐する。
そして、分岐した冷媒は、第２膨張装置１８により中間圧まで減圧されて中間圧冷媒（ｉ点）となり、中間熱交換器１３で、利用側熱交換器１２で放熱した後のヒートポンプ回路１０を流れる高圧冷媒により加熱される（ｊ点）。一方、利用側熱交換器１２で放熱した後のヒートポンプ回路１０を流れる高圧冷媒は、中間熱交換器１３を介して、インジェクション冷媒回路２０を流れる中間圧冷媒（ｉ点）によって冷却される（ｂ点）。
その後、内部熱交換器１４を介して、熱源側熱交換器１６を流出した低温低圧の冷媒によって冷却され、エンタルピーが低減された状態（ｃ点）で、第１膨張装置１５にて減圧される。
これにより、熱源側熱交換器１６に流入する冷媒（ｄ点）の冷媒エンタルピーも低減され、熱源側熱交換器１６に流入する時点での冷媒乾き度（全冷媒に対して気相成分が占める重量比率）が低下して冷媒の液成分が増大するので、熱源側熱交換器１６において外気からの吸熱量が増大する。
熱源側熱交換器１６を流出した低圧冷媒（ｅ点）は、内部熱交換器１４を介して加熱され、低段側圧縮機構１１ａの吸入側（ｆ点）に戻る。その後、ヒートポンプ回路１０を流れる冷媒は、低段側圧縮機構１１ａで中間圧まで圧縮され高温となり（ｇ点）、インタークーラ１７で、利用側熱交換器１２を流出した利用側熱媒体を更に加熱し、低エンタルピー状態となる（ｈ点）。
一方、先にも述べたが、熱源側熱交換器１６において、蒸発に寄与しない気相成分に相当する量の冷媒は、インジェクション冷媒回路２０にバイパスされて、低温の中間圧冷媒（ｉ点）となり、中間熱交換器１３にてヒートポンプ回路１０を流れる高圧冷媒によって加熱されて、冷媒エンタルピーが高まった状態（ｊ点）で、インタークーラ１７出口冷媒と合流し（冷媒合流点Ｂ）、高段側圧縮機構１１ｂに吸入され圧縮される。
従って、高段側圧縮機構１１ｂの吸入側（Ｂ点）では、低段側圧縮機構１１ａの吸入側（ｄ点）より冷媒圧力が高いため冷媒密度も高く、かつ、インタークーラ１７出口冷媒と合流した冷媒が吸入され、高段側圧縮機構１１ｂで更に圧縮されて吐出されるため、利用側熱交換器１２に流入する冷媒流量が大幅に増大し、利用側熱交換器１２での加熱能力が大幅に増大する。
加えて、利用側熱交換器１２で加熱された利用側熱媒体を、低段側圧縮機構１１ａから吐出された冷媒で、インタークーラ１７を介して加熱するので、利用側熱媒体の高温化、高能力化が実現できる。
ここで、本発明の実施の形態１によれば、図１に示すように、利用側熱媒体が流れる利用側熱媒体回路３０において、利用側熱交換器１２とインタークーラ１７とは直列に接続され、利用側熱媒体は、利用側熱交換器１２、インタークーラ１７と順に流れ、加熱される。
これにより、利用側熱交換器１２とインタークーラ１７を流れる利用側熱媒体の流量は、並列接続時に比べて多くなるので、利用側熱交換器１２とインタークーラ１７を流れる利用側熱媒体の熱伝達率が向上し、利用側熱交換器１２とインタークーラ１７における熱交換効率が高まるため、ヒートポンプシステム１の省エネルギー性を向上できる。
さらに、利用側熱交換器１２には利用側熱媒体端末３２から低温の利用側熱媒体が流入し、高段側圧縮機構１１ｂから吐出された冷媒と熱交換するため、利用側熱交換器１２の出口冷媒温度が低下し、利用側熱交換器１２のエンタルピー差が拡大する。加えて、熱源側熱交換器１６に低エンタルピー状態で冷媒が流入するため、熱源側熱交換器１６での吸熱量が増加し、ヒートポンプ回路１０の運転効率を向上できる。
一方、インタークーラ１７には、利用側熱交換器１２で加熱された利用側熱媒体が流入し、低段側圧縮機構１１ａから吐出された冷媒と熱交換するため、インタークーラ１７から流出する冷媒の温度が高くなるため、高段側圧縮機構１１ｂに吸入される冷媒の温度も高くなる。
したがって、インジェクション冷媒回路２０を流れる冷媒量を増加させても、高段側圧縮機構１１ｂから吐出される冷媒の温度を高く維持できるので、利用側熱媒体の高温化と高能力化を実現できる。
図３は、外気温度７℃、入水温度４７℃、蒸発温度２．５℃の条件での、インタークーラ１７の加熱能力とヒートポンプ回路１０の全体加熱能力（利用側熱交換器１２とインタークーラ１７の合計の加熱能力）との比と、ヒートポンプ回路１０の運転効率（ＣＯＰ）との関係を示した図である。
図３に示すように、ヒートポンプ回路１０の全体加熱能力（利用側熱交換器１２とインタークーラ１７の合計の加熱能力）に対するインタークーラ１７の加熱能力の比が略２０％のときに、ヒートポンプ回路１０のＣＯＰが最大となる。
これにより、ヒートポンプ回路１０の全体加熱能力（利用側熱交換器１２とインタークーラ１７の合計の加熱能力）に対するインタークーラ１７の加熱能力の比を、１５％〜２５％となるように、ヒートポンプ回路１０を流れる冷媒循環量や、利用側熱媒体回路３０を流れる利用側熱媒体の搬送量を調整すれば良い。
具体的には、制御装置１９が、低段側圧縮機構１１ａ及び高段側圧縮機構１１ｂの運転周波数、第１膨張装置１５と第２膨張装置１８の減圧量、及び、搬送装置３１の回転数を調整すれば良い。
図４は、外気温度７℃、入水温度４７℃、蒸発温度２．５℃の条件での、ヒートポンプ回路１０におけるインジェクション比率（インジェクション冷媒回路２０側の冷媒循環量とヒートポンプ回路１０側の冷媒循環量との比）と、ヒートポンプ回路１０の全体加熱能力（利用側熱交換器１２とインタークーラ１７の合計の加熱能力）に対するインタークーラ１７の加熱能力の比率との関係を示す図である。
先に、図３に基づいて、ヒートポンプ回路１０の全体加熱能力（利用側熱交換器１２とインタークーラ１７の合計の加熱能力）に対するインタークーラ１７の加熱能力の比が略２０％のときに、ヒートポンプ回路１０のＣＯＰが最大となる。
これにより、ヒートポンプ回路１０の全体加熱能力（利用側熱交換器１２とインタークーラ１７の合計の加熱能力）に対するインタークーラ１７の加熱能力の比が１５％〜２５％となるように、ヒートポンプ回路１０を流れる冷媒循環量や、利用側熱媒体回路３０を流れる利用側熱媒体の搬送量を調整すれば良いことについて述べている。
したがって、このような状態を実現するには、図４に示すように、ヒートポンプ回路１０におけるインジェクション比率、すなわち、ヒートポンプ回路１０側の冷媒循環量に対するインジェクション冷媒回路２０側の冷媒循環量の比は略５０％が最適で、３０％〜６０％となるように、制御装置１９が、第１膨張装置１５と第２膨張装置１８の減圧量を調整すれば良い。
なお、ヒートポンプ回路１０の全体加熱能力（利用側熱交換器１２とインタークーラ１７の合計の加熱能力）に対するインタークーラ１７の加熱能力の比が増加するのは、中間圧が高い運転条件であるが、利用側熱交換器１２への利用側熱媒体の流入温度より、インタークーラ１７への利用側熱媒体の流入温度が高く、かつ、高段側圧縮機構１１ｂから吐出された冷媒の圧力の方が、高段側圧縮機構１１ｂの吸入圧力より高いという条件を満たす状態で、ヒートポンプシステム１が運転する限り、利用側熱交換器１２の加熱能力Ｑ１は、インタークーラの加熱能力Ｑ２より高くなる。
ここで、インタークーラ１７の利用側熱媒体側流路断面積Ｓ２を、利用側熱交換器１２の利用側熱媒体側流路断面積Ｓ１よりも大きくしておくことで、インタークーラを流れる利用側熱媒体の流速を小さくでき、インタークーラ１７における利用側熱媒体の流動音を低減できる。
以上のように、本発明の実施の形態１のヒートポンプシステムにおいては、利用側熱媒体が流れる利用側熱媒体回路３０において、利用側熱交換器１２とインタークーラ１７とは直列に接続している。
これにより、並列接続に比べて利用側熱媒体回路３０の構成を簡素にできる。また、搬送装置３１によって利用側熱媒体の搬送量を調整することで、容易に利用側熱媒体の温度調整もできる。
また、利用側熱交換器１２と、インタークーラ１７を流れる利用側熱媒体の流量は、並列接続時に比べて多くなるので、利用側熱交換器１２と、インタークーラ１７を流れる利用側熱媒体の熱伝達率が向上し、利用側熱交換器１２と、インタークーラ１７における熱交換効率が高まるため、ヒートポンプシステム１としての省エネルギー性を向上できる。
さらに、搬送装置３１が駆動すると、利用側熱媒体回路を流れる利用側熱媒体は、利用側熱交換器１２、インタークーラ１７と順に流れるので、利用側熱交換器１２には低温の利用側熱媒体が流入し、高段側圧縮機構１１ｂから吐出された冷媒と熱交換するので、利用側熱交換器１２の出口の冷媒の温度が低下し、利用側熱交換器１２側のエンタルピー差が拡大するとともに、熱源側熱交換器１６に低エンタルピー状態で冷媒が流入するため、熱源側熱交換器１６での吸熱量が増加し、ヒートポンプシステム１の運転効率を向上できる。
以上のように、本発明にかかるヒートポンプシステムは、多段圧縮式のヒートポンプ回路を備え、利用側熱媒体回路の構成と、利用側熱媒体の流量制御の簡素化とを、両立できるので、利用側熱媒体を加熱するヒートポンプシステムに有用である。
１ ヒートポンプシステム
１０ ヒートポンプ回路
１１ 圧縮機構
１１ａ 低段側圧縮機構
１１ｂ 高段側圧縮機構
１２ 利用側熱交換器（放熱器）
１３ 中間熱交換器
１４ 内部熱交換器
１５ 第１膨張装置
１６ 熱源側熱交換器（蒸発器）
１７ インタークーラ
１８ 第２膨張装置
１９ 制御装置
２０ インジェクション冷媒回路
３０ 利用側熱媒体回路
３１ 搬送装置（搬送ポンプ）
３２ 利用側熱媒体端末
５１ 高圧側圧力検出装置
５２ 中間圧側圧力検出装置
５３ 利用側熱交換器熱媒体流入温度センサ
５４ 利用側熱交換器熱媒体流出温度センサ
５５ インタークーラ熱媒体流出温度センサ

Claims (8)

  1. 高段側圧縮機構および低段側圧縮機構を含む圧縮機構、第１膨張装置、熱源側熱交換器、を少なくとも有していて、冷媒が循環するヒートポンプ回路と、
    利用側熱媒体が流れる利用側熱媒体回路と、
    前記高段側圧縮機構から前記第１膨張装置へと流れる前記冷媒と、前記利用側熱媒体回路を流れる前記利用側熱媒体と熱交換する利用側熱交換器と、
    前記低段側圧縮機構から吐出された前記冷媒と、前記利用側熱媒体回路を流れる前記利用側熱媒体と熱交換するインタークーラと
    前記利用側熱交換器から前記第１膨張装置までの間で、前記ヒートポンプ回路を流れる前記冷媒から分流し、第２膨張装置により減圧された後に、前記インタークーラを流出後の前記冷媒と合流し、その合流した前記冷媒を、前記高段側圧縮機構に吸入させるインジェクション冷媒回路と、
    制御装置と、
    を備え、
    前記利用側熱交換器と前記インタークーラとは、前記利用側熱媒体回路において直列に接続していることを特徴とするヒートポンプシステム。
  2. 搬送装置を有し、前記搬送装置が駆動すると、前記利用側熱媒体回路を流れる前記利用側熱媒体は、前記利用側熱交換器、前記インタークーラの順に流れることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプシステム。
  3. 前記利用側熱交換器における加熱能力Ｑ１と、前記インタークーラにおける加熱能力Ｑ２との関係が、Ｑ１＞Ｑ２となるように、前記冷媒と前記利用側熱媒体は、前記利用側熱交換器と前記インタークーラとを、それぞれ流れることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプシステム。
  4. 前記利用側熱交換器における加熱能力Ｑ１と前記インタークーラにおける加熱能力Ｑ２との合計に対するインタークーラの加熱能力の比が、１５％〜２５％であることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプシステム。
  5. 前記利用側熱交換器の利用側熱媒体側流路断面積Ｓ１と、前記インタークーラの利用側熱媒体側流路断面積Ｓ２との関係が、Ｓ１＜Ｓ２であることを特徴とする請求項３または４に記載のヒートポンプシステム。
  6. 前記利用側熱交換器と前記第１膨張装置との間を流れる高圧冷媒と、前記インジェクション冷媒回路の前記第２膨張装置により減圧された中圧冷媒とを熱交換する中間熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム。
  7. 前記利用側熱交換器と前記第１膨張装置の間を流れる高圧冷媒と、前記熱源側熱交換器と前記低段側圧縮機構との間を流れる低圧冷媒とを熱交換する、内部熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム。
  8. 前記冷媒として、二酸化炭素を用いることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム。
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