JP3631244B2

JP3631244B2 - ヒートポンプ装置

Info

Publication number: JP3631244B2
Application number: JP2004175681A
Authority: JP
Inventors: 晴久山崎; 洋向山
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2001-07-02
Filing date: 2004-06-14
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2022-07-02
Also published as: JP2004294059A

Description

本発明は、二段圧縮型圧縮機を用いたヒートポンプ装置に関する。

一般に、圧縮機、ガスクーラ、減圧装置および蒸発器を有する冷凍サイクルを備え、このガスクーラで加熱した水を給湯可能に構成したヒートポンプ式給湯装置が知られている。

この種のものでは、従来、冷凍サイクルに塩素を含むフロン（ＨＣＦＣ２２等）を冷媒として使用していたが、これはオゾン層保護の観点から使用が規制されつつあり、その代替冷媒としての塩素を含まないフロン（ＨＣＦ）にあっても地球温暖化係数が高いことから、地球温暖化防止京都会議（ＣＯＰ３）において規制対象物質に指定された。

そこで、フロンのような合成物ではなく、自然界に存在する物質を冷凍サイクルに冷媒として使用する動きが高まり、特に、冷凍サイクルにＣＯ₂冷媒を使用する検討が進められた。

このＣＯ₂冷媒を使用した場合、冷凍サイクルの高圧側が超臨界となる遷臨界サイクル（Transcritical Cycle）になるため、ヒートポンプ式給湯装置における給湯のように、水の昇温幅が大きい加熱プロセスでは高い成績係数（ＣＯＰ）を期待することができる。

しかし、その反面、冷媒を高圧に圧縮しなければならず、近年、圧縮機に内部中間圧二段圧縮型圧縮機が採用されている。

この種のものでは、冷凍サイクルを構成する機器類がヒートポンプユニットとして屋外に設置される場合が多く、例えば冬期等において、蒸発器の除霜運転が必要になる場合が多い。

この場合、圧縮機からの吐出冷媒をガスクーラおよび減圧装置をバイパスして蒸発器に供給し、この蒸発器を冷媒熱により加熱して除霜するホットガス除霜運転を行うのが一般的であるが、二段圧縮型圧縮機を使用した場合の除霜回路は未だ提案されていない。

そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、二段圧縮型圧縮機を使用した場合の効率のよい除霜運転を可能にしたヒートポンプ装置を提供することにある。

本発明は、１個のシェルケースで構成され且つ一段目で中間圧に圧縮された冷媒を前記シェルケース内を経由して二段目に導き、この二段目で前記冷媒を高圧に圧縮して吐出する内部中間圧二段圧縮型のロータリー式圧縮機と、ガスクーラと、減圧装置と、蒸発器と、を有する冷凍サイクルを備えたヒートポンプ装置において、前記二段目で圧縮する前の前記冷媒を前記蒸発器に導く除霜回路を備えたことを特徴とする。

本発明は、請求の範囲第１項記載のものにおいて、除霜運転時には、前記一段目で圧縮された冷媒を前記二段目に導くと共に当該冷媒の一部を前記蒸発器に導くことを特徴とする。

本発明は、請求の範囲第１項又は第２項記載のものにおいて、前記二段目から吐出される冷媒を前記ガスクーラおよび前記減圧装置をバイパスして前記蒸発器に導く高圧除霜回路をさらに備えたことを特徴とする。

本発明は、請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか一項記載のものにおいて、前記冷凍サイクルには高圧側が超臨界域で作動する冷媒が充填使用されていることを特徴とする。

本発明は、請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか一項記載のものにおいて、前記冷媒がＣＯ ₂ 冷媒であることを特徴とする。

本発明は、請求の範囲第１項乃至第５項のいずれか一項記載のものにおいて、前記除霜回路には前記シェルケース内を真空引き可能な開閉弁が設けられていることを特徴とする。

本発明は、請求の範囲第１項乃至第６項のいずれか一項記載のものにおいて、前記一段目で圧縮された冷媒のオイル混合比率が、前記二段目から吐出される冷媒のオイル混合比率よりも少ないことを特徴とする。

本発明によれば、内部中間圧二段圧縮型圧縮機を使用した場合の効率のよい除霜運転が可能になる。

以下、本発明の一実施形態を、図面に基づいて説明する。

図１は、二段圧縮型ロータリー式圧縮機を使用したヒートポンプ装置を示している。１は圧縮機を示し、この圧縮機１には、実線で示す冷媒配管を介して、ガスクーラ（高圧側熱交換器）３、減圧装置（膨張弁）５、蒸発器（低圧側熱交換器）７が順に接続されて、冷凍サイクルが構成されている。

この冷凍サイクルにはＣＯ₂冷媒が使用される。ＣＯ₂冷媒はオゾン破壊係数が０で、地球温暖化係数が１であるため、環境への負荷が小さく、毒性、可燃性がなく安全で安価である。このＣＯ₂冷媒を使用した場合、冷凍サイクルの高圧側が超臨界となる遷臨界サイクル（Transcritical Cycle）になるため、ヒートポンプ式給湯装置における給湯のように、水の昇温幅が大きい加熱プロセスでは高い成績係数（ＣＯＰ）を期待することができる。

しかし、その反面、冷媒を高圧に圧縮しなければならず、圧縮機１には内部中間圧二段圧縮型圧縮機が採用されている。

この内部中間圧二段圧縮型圧縮機１は、シェルケース１１の内部に電動機部１２と、この電動機部１２により駆動される圧縮部１３とを有して構成されている。この圧縮部１３は二段圧縮の構成を有し、一段目の圧縮部１５と、二段目の圧縮部１７とからなる。

一段目の圧縮部１５の吸込みポート１５Ａから吸い込まれた冷媒は、この圧縮部１５で中間圧Ｐ１に圧縮された後、一旦、吐出ポート１５Ｂからシェルケース１１内に吐出され、このシェルケース１１内を経た後、管路２１を通って二段目の圧縮部１７の吸込みポート１７Ａに導かれ、この二段目の圧縮部１７で高圧Ｐ２に圧縮されて吐出ポート１７Ｂから吐出される。

上記ガスクーラ３は、ＣＯ₂冷媒が流れる冷媒コイル９と、水が流れる水コイル１０とからなり、この水コイル１０は水配管を介して図示を省略した貯湯タンクに接続されている。水配管には図示を省略した循環ポンプが接続され、この循環ポンプが駆動されて貯湯タンクの水がガスクーラ３を循環し、ここで加熱されて貯湯タンクに貯湯される。

このヒートポンプ装置はヒートポンプユニットとして屋外に設置されるため、蒸発器７に付着した霜の除去が必要になる。

そこで、本実施形態では、圧縮機１の二段目１７の高圧Ｐ２冷媒を、ガスクーラ３および減圧装置５をバイパスして蒸発器７に導くための、除霜用電磁弁３１、バイパス管３２を含むホットガス除霜回路３３が設けられる。このホットガス除霜運転では、バイパス管３２に設けられた通常時閉の除霜用電磁弁３１が開かれる。

この除霜運転が行われると、圧縮機１の高圧冷媒が蒸発器７に送られ、この蒸発器７が加熱されて付着した霜が除去される。

本実施形態では、内部中間圧二段圧縮型圧縮機１を使用した場合の効率のよい除霜運転が可能になる。

また、除霜運転しながら高圧Ｐ２冷媒が、ガスクーラ３に導かれるため、除霜運転時におけるガスクーラ３の温度低下が少なくなり、通常運転再開時の定常運転に移行するまでの時間を短縮することができる。

ただし、この除霜運転が行われた場合、圧縮機１の高圧Ｐ２冷媒が蒸発器７に直接供給されるため、吐出圧Ｐ２よりもシェルケース１１の内圧が高くなって冷媒がシェルケース１１内に寝込んだり、圧縮機１のベーン背圧がかからなくなって、いわゆるベーン飛びが発生し、異常音が発生したりする場合がある。シェルケース１１の内圧が高くなる理由として、圧縮機１の一段目の排除容積が二段目の排除容積よりも大きいこと、或いは冷媒循環経路の抵抗バランスが崩れること等が挙げられる。シェルケース１１内に冷媒が寝込むと、冷媒循環量が不足し十分な除霜が行われない。

図２は、別の実施形態を示す。

そのため、この別の実施形態では、圧縮機１の一段目１５の中間圧Ｐ１冷媒を、ガスクーラ３および減圧装置５をバイパスして蒸発器７に導くための、除霜用電磁弁１３１、バイパス管１３２を含むホットガス除霜回路１３３が設けられる。この除霜運転では、バイパス管１３２に設けられた通常時閉の除霜用電磁弁１３１が開かれる。

この場合、中間圧Ｐ１の冷媒が蒸発器７に導かれるため、吐出圧Ｐ２よりもシェルケース１１の内圧が高くなることがなく、それらの圧力差が少なくなるため、シェルケース１１内への冷媒の寝込み、或いはベーン飛びに起因した圧縮機１からの異常音の発生等が防止される。

一方、この種の圧縮機１において、一段目で吐出された中間圧Ｐ１の冷媒に含まれる冷凍機オイルの混合比率と、二段目で吐出された高圧Ｐ２の冷媒に含まれる冷凍機オイルの混合比率とでは、その混合比率が異なる。すなわち、中間圧Ｐ１の冷媒に含まれるオイルの混合比率は、高圧Ｐ２の冷媒に含まれるオイルの混合比率に比べて少ないのが一般的である。

そのため、本実施形態では、図１に示すものに比べ、除霜運転時におけるオイルの吐出量が減少し、シェルケース内の残存オイル量を十分確保できるので、圧縮機１の耐久性を向上させることができる。

図３は、さらに別の実施形態を示す。

この実施形態では、図２の除霜回路１３３に加えて、圧縮機１の二段目１７の高圧Ｐ２冷媒を、ガスクーラ３および減圧装置５をバイパスして蒸発器７に導くための、除霜用中間電磁弁２３１、バイパス管２３２を含むホットガス除霜回路２３３が設けられる。この除霜運転では、両方の通常時閉の除霜用電磁弁１３１、２３１が開かれる。本実施形態では、図２の実施形態と同様の効果が得られる。

ところで、このヒートポンプ装置の組み立て時には、内部中間圧となる圧縮機１のシェルケース１１内を真空引きした後、その冷凍サイクル内に冷媒が封入される。これを真空引きする場合、一段目の吸込ポート、或いは二段目の吐出ポートのどちらか一方から、もしくは両方から真空引きするが、いずれから真空引きしても、その作業は困難である。

この実施形態では、バイパス管２３２に除霜用中間電磁弁２３１が設けられているため、ここからの真空引きが可能になる。従って、シェルケース１１内の真空引きが容易になり、冷凍サイクル内の不純物ガスの残存量が減少し、冷凍サイクル内を循環する冷凍機オイルの耐久性劣化が少なくなり、圧縮機１の耐久性を向上させることができる。

図４は、さらに別の実施形態を示す。

この実施形態は、図３の実施形態とほぼ同様構成であり、異なる構成としては、圧縮機１における一段目の冷媒のすべてではなく、その一部をシェルケース１１内に供給し、残りを一段目の吐出ポート１５Ｂから管路５１を介して直接二段目の吸込みポート１７Ａに供給している。本構成でも、上述した実施形態とほぼ同様の効果を得ることができ、本圧縮機は、図１の除霜回路、図２の除霜回路等にも適用が可能である。

以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものでないことは明らかである。

以上のように、本発明は、内部中間圧二段圧縮型圧縮機を使用した場合の効率のよい除霜運転を可能にしたヒートポンプ装置に適している。

本発明によるヒートポンプ装置の一実施形態を示す回路図である。別の実施形態を示す回路図である。さらに別の実施形態を示す回路図である。さらに別の実施形態を示す回路図である。

符号の説明

１圧縮機
３ガスクーラ
５減圧装置
７蒸発器
９冷媒コイル
１０水コイル
１１シェルケース
１３圧縮部
１５一段目の圧縮部
１５Ａ吸込みポート
１７二段目の圧縮部
１７Ａ吸込みポート
３１，１３１，２３１除霜用電磁弁
３２，１３２，２３２バイパス管
３３，１３３，２３３ホットガス除霜回路
Ｐ１中間圧
Ｐ２高圧

Claims

１個のシェルケースで構成され且つ一段目で中間圧に圧縮された冷媒を前記シェルケース内を経由して二段目に導き、この二段目で前記冷媒を高圧に圧縮して吐出する内部中間圧二段圧縮型のロータリー式圧縮機と、ガスクーラと、減圧装置と、蒸発器と、を有する冷凍サイクルを備えたヒートポンプ装置において、
前記二段目で圧縮する前の前記冷媒を前記蒸発器に導く除霜回路を備えたことを特徴とするヒートポンプ装置。
除霜運転時には、前記一段目で圧縮された冷媒を前記二段目に導くと共に当該冷媒の一部を前記蒸発器に導くことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
前記二段目から吐出される冷媒を前記ガスクーラおよび前記減圧装置をバイパスして前記蒸発器に導く高圧除霜回路をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のヒートポンプ装置。
前記冷凍サイクルには高圧側が超臨界域で作動する冷媒が充填使用されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項記載のヒートポンプ装置。
前記冷媒がＣＯ ₂ 冷媒であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項記載のヒートポンプ装置。
前記除霜回路には前記シェルケース内を真空引き可能な開閉弁が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項記載のヒートポンプ装置。
前記一段目で圧縮された冷媒のオイル混合比率が、前記二段目から吐出される冷媒のオイル混合比率よりも少ないことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項記載のヒートポンプ装置。