JP5430667B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、エジェクタを備えるヒートポンプ装置に関する。

特許文献１には、エジェクタを用いた動力回収運転と、エジェクタを用いず通常の膨張弁を用いた減圧運転とを状況に応じて切り替える空気調和機についての記載がある。
この空気調和機では、高圧側の圧力が低下した場合に、動力回収運転から減圧運転に切り替える。これにより、エジェクタの駆動動力が不足することで蒸発器への冷媒循環量不足が発生し、効率が悪化することを抑制する。

特開２００８−１１６１２４号公報

特許文献１に記載された空気調和機では、外気温度が高いときに暖房運転を行う場合等の負荷が小さい場合に、効率が悪くなることを抑制できる。しかし、外気温度が低いときに暖房運転を行う場合等の負荷が大きい場合に、能力を高めて運転することができない。
この発明は、負荷の状態に応じて、効率のよい高効率運転と能力の高い高能力運転とを切り替え可能としたヒートポンプ装置を提供することを目的とする。特に、この発明は、高効率運転と高能力運転とのどちらも効率よく運転可能な回路構成のヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

この発明に係るヒートポンプ装置は、例えば、
圧縮機の吐出側と第１熱交換器の一方の口とが配管により接続され、前記第１熱交換器の他方の口とエジェクタの第１入口とが配管により接続され、前記エジェクタの出口と気液分離器の入口とが配管により接続され、前記気液分離器のガス側出口と前記圧縮機の吸入側とが配管により接続されるとともに、前記気液分離器の液側出口と第２熱交換器の一方の口とが配管により接続され、前記第２熱交換器の他方の口と前記エジェクタの第２入口とが配管により接続され、冷媒が循環する主冷媒回路と、
前記主冷媒回路における前記第１熱交換器の前記他方の口と前記エジェクタの前記第１入口との間の第１接続点から、前記主冷媒回路における前記気液分離器の前記液側出口と前記第２熱交換器の前記一方の口との間の第２接続点までを配管で接続し、配管の途中に第１膨張機構が設けられた第１副冷媒回路と、
前記主冷媒回路における前記第１熱交換器の前記他方の口と前記エジェクタの前記第１入口との間の第３接続点を流れる冷媒の一部を、前記エジェクタを通過させることなくバイパスさせて前記圧縮機へ流入させる第２副冷媒回路であって、途中に第２膨張機構が設けられた第２副冷媒回路とを備え、
前記第１副冷媒回路における前記第１接続点と前記第１膨張機構との間を流れる冷媒と、前記第２副冷媒回路における前記第２膨張機構を通過した後の冷媒とを熱交換させる第３熱交換器が設けられた
ことを特徴とする。

この発明に係るヒートポンプ装置は、エジェクタを用いる主冷媒回路と、エジェクタをバイパスさせる２つの副冷媒回路とを備える。負荷の状態に応じて、冷媒を流す回路を切り替えることにより、高効率運転と高能力運転とを切り替えることが可能である。また、主冷媒回路と２つの副冷媒回路との分岐位置や、第３熱交換器の設置位置などが最適化されているため、高効率運転と高能力運転とのどちらも効率的に運転可能である。

実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００の構成図。 ヒートポンプ装置１００の制御部１０の説明図。 エジェクタ４の構成図。 エジェクタサイクルのＰ−ｈ線図。 エジェクタ利用運転を行う場合における冷媒の流れを示す図。 インジェクション運転を行う場合における冷媒の流れを示す図。 単純バイパス運転を行う場合における冷媒の流れを示す図。 除霜運転を行う場合における冷媒の流れを示す図。 実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００についての外気温度と暖房能力との関係、及び外気温度とＣＯＰとの関係を示す図。 エジェクタ４の他の構成を示す図。 複合運転を行う場合における冷媒の流れを示す図。 実施の形態２に係るヒートポンプ装置１００についての外気温度と暖房能力との関係、及び外気温度とＣＯＰとの関係を示す図。

実施の形態１．
まず、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００の構成について説明する。
図１は、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００の構成図である。
図１に示すように、ヒートポンプ装置１００は、実線で示す主冷媒回路１０１と、破線で示す副冷媒回路１０２，１０３とを備える。

主冷媒回路１０１では、圧縮機１の吐出口１Ｂと熱交換器２（第１熱交換器）とが、四方弁７を介して配管により接続される。また、熱交換器２とエジェクタ４の第１入口４１とが、配管により接続される。また、エジェクタ４の出口４６と気液分離器５の入口５Ａとが、配管により接続される。また、気液分離器５のガス側出口５Ｂと圧縮機１の吸入口１Ａとが、配管により接続される。さらに、気液分離器５の液側出口５Ｃと熱交換器３（第２熱交換器）とが、配管により接続される。また、熱交換器３とエジェクタ４の第２入口４２とが、四方弁７を介して配管により接続される。
なお、四方弁７は、第１流路（図１の四方弁７における実線の流路）と、第２流路（図１の四方弁７における破線の流路）とを切り替える。第１流路は、圧縮機１の吐出口１Ｂと熱交換器２とを接続するとともに、熱交換器３とエジェクタ４の第２入口４２とを接続する流路である。一方、第２流路は、圧縮機１の吐出口１Ｂと熱交換器３とを接続するとともに、熱交換器２とエジェクタ４の第２入口４２とを接続する流路である。
また、主冷媒回路１０１には、後述する分岐点２１（第１接続点，第３接続点）とエジェクタ４の第１入口４１との間の配管に、電子膨張弁である第３膨張弁１３（開閉弁）が設けられている。また、主冷媒回路１０１には、気液分離器５の液側出口５Ｃと後述する合流点２２（第２接続点）との間の配管に、電子膨張弁である第４膨張弁１４（開閉弁）が設けられている。
なお、主冷媒回路１０１には、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）系冷媒のＲ４１０あるいは自然冷媒であるプロパンやＣＯ_２等の冷媒が封入されている。

副冷媒回路１０２，１０３は、熱交換器２とエジェクタ４の第１入口４１との間の分岐点２１で、主冷媒回路１０１から配管が分岐して設けられる。副冷媒回路１０２，１０３は、分岐点２３で第１副冷媒回路１０２と第２副冷媒回路１０３とに分岐する。
第１副冷媒回路１０２は、分岐点２３から、主冷媒回路１０１における気液分離器５の液側出口５Ｃと熱交換器３との間の合流点２２までを配管で接続する。なお、第１副冷媒回路１０２には、配管の途中に電子膨張弁である第１膨張弁１１（第１膨張機構）が設けられている。
第２副冷媒回路１０３は、分岐点２３から、圧縮機１に設けられたインジェクションパイプ２５までを接続する。なお、第２副冷媒回路１０３には、配管の途中に電子膨張弁である第２膨張弁１２（第２膨張機構）が設けられている。
なお、インジェクションパイプ２５は、圧縮機１における中間圧空間に接続される。中間圧空間とは、圧縮機１が吸入口１Ａから吸入した冷媒を低圧から高圧まで圧縮する場合に、吸入口１Ａから吸入した冷媒が圧縮機１において低圧よりも高く高圧よりも低い中間圧となる空間のことである。つまり、中間圧空間とは、圧縮機１において吸入口１Ａから吸入した冷媒が圧縮途中の段階となる空間のことである。例えば、低段圧縮部と高段圧縮部とが直列に連結された二段圧縮機であれば、低段圧縮部と高段圧縮部とを繋ぐ流路が中間圧空間である。また、吸入口から吸入した冷媒を１つの圧縮部で低圧から高圧まで圧縮する単段圧縮機であれば、吸入口から吸入した冷媒が中間圧となる圧縮部内（圧縮室内）の空間が中間圧空間である。したがって、第２副冷媒回路１０３は、いわゆるインジェクション回路である。

また、ヒートポンプ装置１００は、第１副冷媒回路１０２における分岐点２３と第１膨張弁１１との間を流れる冷媒と、第２副冷媒回路１０３における第２膨張弁１２とインジェクションパイプ２５との間を流れる冷媒とを熱交換させる第３熱交換器６（過冷却器）を備える。

図２は、ヒートポンプ装置１００の制御部１０の説明図である。
図２に示すように、ヒートポンプ装置１００は、温度センサＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４、制御部１０を備える。
温度センサＴ１は、圧縮機１の吐出側の冷媒温度を検出する。
温度センサＴ２は、暖房運転時における熱交換器２の出口側の冷媒温度を検出する。つまり、温度センサＴ２は、暖房運転時に、冷媒の過冷却度を検出する。
温度センサＴ３は、暖房運転時における熱交換器３の出口側の冷媒温度を検出する。つまり、温度センサＴ３は、暖房運転時に、冷媒の過熱度を検出する。
温度センサＴ４は、外気温度を検出する。
制御部１０は、温度センサＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４が検出した温度に応じて、膨張弁１１，１２，１３，１４の開度を制御する。例えば、制御部１０は、温度センサＴ４が検出した外気温度や、温度センサＴ１が検出した冷媒温度に応じて、第２膨張弁１２を制御する。また、制御部１０は、温度センサＴ４が検出した外気温度や、温度センサＴ２が検出した冷媒温度に応じて、第３膨張弁１３を制御する。また、制御部１０は、温度センサＴ４が検出した外気温度や、温度センサＴ３が検出した冷媒温度に応じて、第１膨張弁１１、第４膨張弁１４を制御する。
また、制御部１０は、暖房運転、冷房運転、除霜運転等の運転内容に応じて、四方弁７の設定を制御する。
なお、制御部１０は、マイクロコンピュータなどのコンピュータである。

次に、エジェクタ４の構成と動作について説明する。
図３は、エジェクタ４の構成図である。
図３に示すように、エジェクタ４は、第１入口４１と第２入口４２との２つの入口と、１つの出口４６とを備える。また、エジェクタ４は、ノズル部４３と、混合部４４と、ディフューザ部４５とを備える。混合部４４とディフューザ部４５とを総称して昇圧部と呼ぶ。
第１入口４１から駆動流となる高圧の液冷媒が流入する。第１入口４１から流入した冷媒は、ノズル部４３で減圧膨張されるとともに加速され、混合部４４へ噴射される。つまり、ノズル部４３は、冷媒の圧力エネルギーを運動エネルギーに等エントロピー的に変換して、冷媒を減圧膨張させ、混合部４４へ噴射する。
ノズル部４３から混合部４４へ噴射された高速の冷媒流の巻き込み作用により、第２入口４２から冷媒を混合部４４へ吸引する。そして、混合部４４では、ノズル部４３から噴射された冷媒と第２入口４２から吸引された冷媒とが混合される。この際、ノズル部４３から噴射された冷媒の運動エネルギーと、第２入口４２から吸引された冷媒の運動エネルギーとの和が保存されるように冷媒が混合されることにより、混合部４４において冷媒の圧力が上昇して気液二相の冷媒になる。
ディフューザ部４５は、混合部４４側から出口４６側へ向かって流路断面積が徐々に拡大している。そのため、ディフューザ部４５では、混合部４４側から流入した冷媒の速度エネルギーが圧力エネルギーに変換され、圧力が上昇する。そして、出口４６から冷媒が流出する。

次に、エジェクタ４を利用したエジェクタサイクルの効果について説明する。
図４は、エジェクタサイクルのＰ−ｈ線図である。なお、図４において、実線はエジェクタサイクルを示し、破線は一般的な膨張弁サイクルを示す。一般的な膨張弁サイクルとは、圧縮機、凝縮機、膨張弁、蒸発器が順次配管で接続されたヒートポンプサイクルのことである。
図４に示すように、エジェクタサイクルでは、圧縮機１を出た高温高圧の冷媒が、熱交換器２で放熱して冷却され、第１入口４１からエジェクタ４へ流入する。そして、第１入口４１からエジェクタ４へ流入した冷媒は、上述したように、ノズル部４３で減圧膨張される。さらに、ノズル部４３から噴射された低温の冷媒は、混合部４４で、熱交換器３から流出した高温の冷媒と混合され、温度が上昇する。さらに、ディフューザ部４５で冷媒が昇圧され、気液分離器５へ流入して、気液分離される。気液分離器５で分離されたガス冷媒は圧縮機１へ吸入され、液冷媒は熱交換器３へ流入する。
このように動作することにより、エジェクタサイクルにおいて圧縮機１が吸入する冷媒の圧力は、一般的な膨張弁サイクルにおいて圧縮機が吸入する冷媒の圧力よりもΔＰだけ高い。圧縮機１が吸入する冷媒の圧力がΔＰだけ高い分、圧縮機１へ供給する動力を低減させることができ、ＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を高くすることができる。

なお、エジェクタ４は、上述したように、ノズル部４３、混合部４４、ディフューザ部４５を備える二相流エジェクタである。エジェクタ４の各部分の寸法は、ヒートポンプサイクルにおける負荷（例えば、外気温度２℃以上７℃未満）での高低圧や循環流量から最適になるようチューニングされ、設計されている。

通常の膨張弁では、冷媒を膨張させる際、圧力エネルギーが損失となっていた。これに対して、エジェクタ４は、上述したように、ノズル部４３で冷媒を膨張させる際、冷媒の圧力エネルギーを運動エネルギーに変換し、さらに、混合部４４とディフューザ部４５とで運動エネルギーを圧力エネルギーに変換する。これにより、損失となっていた圧力エネルギーの一部を回収する。

次に、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００の動作について説明する。ここでは、暖房運転を例として説明する。ここでいう暖房運転には、居室内の空気を暖める暖房だけでなく、水に熱を与えて温水を作る給湯も含む。
図５から図８は、運転状態毎のヒートポンプ装置１００における冷媒の流れを示す図である。図５から図８において、矢印は冷媒の流れを表す。また、膨張弁１１，１２，１３，１４の符号の横に括弧書きで示した“開”，“閉”は、膨張弁１１，１２，１３，１４の開度を表す。“開”であれば、その膨張機構の開度が所定の開度よりも大きく、冷媒が流れる状態であることを表す。“閉”であれば、その膨張機構の開度が所定の開度よりも小さく（例えば、全閉であり）、冷媒が流れない状態であることを表す。また、実線の回路は冷媒が流れる回路を示し、破線の回路は冷媒が流れない回路を示す。

まず、エジェクタ４を利用したエジェクタ利用運転を行う場合について説明する。エジェクタ利用運転は、負荷が中程度の場合に実行される。負荷について詳しくは後述するが、負荷が中程度の場合とは、例えば、外気温度が２℃以上７℃未満の場合である。「外気温度が２℃以上７℃未満」は年間の暖房運転における標準的な温度帯であり、暖房運転全時間の約半分を占める温度帯である。そのため、この温度帯で運転効率（ＣＯＰ）を高めることで全運転における効率向上に最も寄与でき、ヒートポンプ装置が年間に使用する電力を大きく削減することが可能になる。なお、ＣＯＰを高めるためにエジェクタ４を利用するが、ヒートポンプ装置の高圧側圧力がある程度高くないとエジェクタ４の効果が引き出せないため、暖房負荷が低くなる温度（ここでは、７℃以上）では使用しない。

図５は、エジェクタ利用運転を行う場合における冷媒の流れを示す図である。
負荷が中程度の場合、制御部１０は、第１膨張弁１１と第２膨張弁１２とを全閉に設定するとともに、第３膨張弁１３と第４膨張弁１４とを所定の開度よりも大きく、適切な量の冷媒が流れる開度に設定する。また、制御部１０は、四方弁７を第１流路（図５の四方弁７における実線の流路）に設定する。

この場合、圧縮機１から吐出された高温、高圧のガス冷媒は、熱交換器２で放熱して凝縮し、液化して中温、高圧の液冷媒になる。つまり、熱交換器２は、暖房運転では放熱器（凝縮機）として動作する。なお、上述したように、暖房運転には、居室内の空気を暖める暖房だけでなく、水に熱を与えて温水を作る給湯も含む。したがって、熱交換器２は、冷媒と空気とを熱交換してもよいし、冷媒と水を熱交換してもよい。そして、中温、高圧の液冷媒は、分岐点２１から全てエジェクタ４側へ流れ、第１入口４１からエジェクタ４へ流入する。
第１入口４１からエジェクタ４へ流入した冷媒は、図３に基づき説明した通り、ノズル部４３で減圧、加速され、混合部４４へ噴射される。混合部４４へ噴射された冷媒は、第２入口４２から流入する冷媒ガスと混合され、ある程度圧力が上昇して気液二相になる。そして、気液二相冷媒は、ディフューザ部４５でさらに圧力が上昇して、エジェクタ４の出口４６から流出する。
エジェクタ４を流出した冷媒は、気液分離器５へ流入する。気液分離器５では、流入した気液二相冷媒が液冷媒とガス冷媒とに分離される。分離されたガス冷媒は、ガス側出口５Ｂから流出して圧縮機１に吸入される。また、ガス側出口５Ｂを構成するＵ字管には図示されていない油戻し穴が設けられ、気液分離器５内に滞留した油が圧縮機１へ返される。一方、分離された液冷媒は、液側出口５Ｃから流出し第４膨張弁１４で減圧された後、熱交換器３で空気から熱を奪って蒸発してガス冷媒になる。つまり、熱交換器３は、暖房運転では蒸発器として動作する。熱交換器３から流出したガス冷媒は、エジェクタ４の第２入口４２から混合部４４へ吸引され、上述した通りノズル部４３から噴射した冷媒と混合される。
そして、圧縮機１へ吸入された冷媒は、圧縮され、高温、高圧のガス冷媒となって吐出され、再び熱交換器２へ流入する。

エジェクタ利用運転では、エジェクタ４を利用することにより、通常の膨張弁では損失となっていた冷媒の圧力エネルギーを回収することで、圧縮機１が吸入する冷媒の圧力が高くなる。そのため、ヒートポンプ装置１００の効率がよくなる。

次に、エジェクタ４を利用せずインジェクション運転を行う場合について説明する。インジェクション運転は、外気温が低くなることに伴い暖房能力が不足し、エジェクタ利用運転よりも高い暖房能力が必要となる場合に実行される。つまり、インジェクション運転は、負荷が大きい場合に実行される。負荷が大きい場合とは、例えば、外気温度が２℃未満の場合である。

図６は、インジェクション運転を行う場合における冷媒の流れを示す図である。
負荷が大きい場合、制御部１０は、第３膨張弁１３と第４膨張弁１４とを全閉に設定するとともに、第１膨張弁１１と第２膨張弁１２とを所定の開度よりも大きく、適切な量の冷媒が流れる開度に設定する。例えば、制御部１０は、熱交換器３の出口過熱度が５℃以上１０℃未満となるように、第１膨張弁１１の開度を制御して冷媒の流量を調整する。また、制御部１０は、圧縮機１の吐出温度が所定の温度を超えない適切な温度となるように、第２膨張弁１２の開度を制御して冷媒の流量を調整する。また、制御部１０は、四方弁７を第１流路（図６の四方弁７における実線の流路）に設定する。

この場合、エジェクタ利用運転の場合と同様に、圧縮機１から吐出された高温、高圧のガス冷媒は、熱交換器２で放熱して凝縮し、液化して中温、高圧の液冷媒となる。そして、中温、高圧の液冷媒は、分岐点２１からエジェクタ４側へは流れず、全て副冷媒回路１０２，１０３へ流入する。副冷媒回路１０２，１０３を流れる冷媒は、分岐点２３で一部が第１副冷媒回路１０２へ分配され、残りが第２副冷媒回路１０３へ分配される。
第２副冷媒回路１０３へ分配された冷媒は、第２膨張弁１２で膨張され、気液二相の冷媒になる。第２膨張弁１２で膨張した第２副冷媒回路１０３を流れる冷媒と第１副冷媒回路１０２を流れる冷媒とは、第３熱交換器６で熱交換され、第２副冷媒回路１０３を流れる冷媒は加熱され、第１副冷媒回路１０２を流れる冷媒は冷却される。
第３熱交換器６で冷却された後の第１副冷媒回路１０２を流れる冷媒は、第１膨張弁１１で膨張され、熱交換器３へ流入する。熱交換器３へ流入した冷媒は、熱交換器３で空気から熱を奪って蒸発してガス冷媒になる。熱交換器３から流出したガス冷媒は、エジェクタ４の第２入口４２から混合部４４、ディフューザ部４５を通って、気液分離器５へ流入する。気液分離器５へ流入した冷媒は、第４膨張弁１４が閉鎖されているため液側出口５Ｃからは流出せず、ガス側出口５Ｂから流出して圧縮機１へ吸入され、圧縮される。
一方、第３熱交換器６で加熱された後の第２副冷媒回路１０３を流れる冷媒は、インジェクションパイプ２５から圧縮機１における中間圧空間へ注入される。

インジェクション運転では、圧縮機１の中間圧空間へ熱交換器２（凝縮器）から流出した冷媒が注入される。その結果、冷媒の循環量が増加し、暖房能力が高くなる。

次に、エジェクタ４を利用せず、インジェクション運転を行わない単純バイパス運転を行う場合について説明する。単純バイパス運転は、負荷が小さい場合に実行される。負荷が小さい場合とは、例えば、外気温度が７℃以上の場合である。

図７は、単純バイパス運転を行う場合における冷媒の流れを示す図である。
負荷が小さい場合、制御部１０は、第２膨張弁１２と第３膨張弁１３と第４膨張弁１４とを全閉に設定するとともに、第１膨張弁１１を所定の開度よりも大きく、適切な量の冷媒が流れる開度に設定する。例えば、制御部１０は、熱交換器３の出口過熱度が５℃以上１０℃未満となるように、第１膨張弁１１の開度を制御して冷媒の流量を調整する。また、制御部１０は、四方弁７を第１流路（図７の四方弁７における実線の流路）に設定する。

この場合、エジェクタ利用運転の場合と同様に、圧縮機１から吐出された高温、高圧のガス冷媒は、熱交換器２で放熱して凝縮し、液化して中温、高圧の液冷媒となる。そして、中温、高圧の液冷媒は、分岐点２１からエジェクタ４側へは流れず、全て副冷媒回路１０２，１０３へ流入する。副冷媒回路１０２，１０３へ流入した冷媒は、分岐点２３で全て第１副冷媒回路１０２側へ流れる。第１副冷媒回路１０２を流れる冷媒は、第１膨張弁１１で膨張され、熱交換器３へ流入する。熱交換器３へ流入した冷媒は、熱交換器３で空気から熱を奪って蒸発してガス冷媒になる。熱交換器３から流出したガス冷媒は、エジェクタ４の第２入口４２から混合部４４、ディフューザ部４５を通って、気液分離器５へ流入する。気液分離器５へ流入した冷媒は、第４膨張弁１４が閉鎖されているため液側出口５Ｃからを流出せず、ガス側出口５Ｂから流出して圧縮機１へ吸入され、圧縮される。
つまり、単純バイパス運転では、一般的な暖房運転が行われる。

負荷が低い場合には、高圧側の圧力が低くなる。つまり、第１入口４１から流入する冷媒の圧力が低くなる。そのため、ノズル部４３では十分な駆動力を得ることができず、混合部４４において第２入口４２から冷媒を十分に吸引できない。その結果、熱交換器３（蒸発器）への冷媒循環量が減ってしまい、効率が悪くなる。しかし、単純バイパス運転では、エジェクタ４を利用せずバイパスさせることにより、熱交換器３への冷媒循環量が減ることを防止でき、効率の悪化を抑制できる。

次に、除霜運転について説明する。低外気温で暖房運転を行った場合、熱交換器３に着霜するため、除霜運転を行う必要がある。

図８は、除霜運転を行う場合における冷媒の流れを示す図である。
除霜運転を行う場合、制御部１０は、第２膨張弁１２と第３膨張弁１３と第４膨張弁１４とを全閉に設定するとともに、第１膨張弁１１を所定の開度よりも大きく、適切な量の冷媒が流れる開度に設定する。例えば、制御部１０は、熱交換器２の出口過熱度が５℃以上１０℃未満となるように、第１膨張弁１１の開度を制御して冷媒の流量を調整する。また、制御部１０は、四方弁７を第２流路（図８の四方弁７における破線の流路）に設定する。

この場合、圧縮機１から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、熱交換器３で空気へ放熱して凝縮し、液化して、高圧の液冷媒となる。この際、熱交換器３に着いた霜を溶かす。つまり、熱交換器３は、除霜運転では放熱器（凝縮機）として動作する。熱交換器３から流出した液冷媒は、第１膨張弁１１で減圧される。第１膨張弁１１で減圧された冷媒は、熱交換器２へ流入し、吸熱してある程度蒸発する。熱交換器２から流出したガス冷媒は、エジェクタ４の第２入口４２から混合部４４、ディフューザ部４５を通って、気液分離器５へ流入する。気液分離器５へ流入した冷媒は、第４膨張弁１４が閉鎖されているため液側出口５Ｃからを流出せず、ガス側出口５Ｂから流出して圧縮機１へ吸入され、圧縮される。

次に、ヒートポンプ装置１００についての負荷と暖房能力との関係、及び負荷とＣＯＰとの関係を説明する。なお、ここでは、負荷を表す指標として外気温度を用いて説明する。
図９は、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００についての外気温度と暖房能力との関係、及び外気温度とＣＯＰとの関係を示す図である。図９において、実線は、ヒートポンプ装置１００の暖房能力及びＣＯＰを示す。一方、破線は、一般的なヒートポンプ装置の暖房能力及びＣＯＰを示す。なお、実線と破線とが重なる部分については実線のみが示されている。したがって、実線と破線との両方が示された部分が、一般的なヒートポンプ装置とヒートポンプ装置１００とで差がある部分である。
つまり、一般的なヒートポンプ装置と本願発明のヒートポンプ装置１００とでは、外気温度が２℃以上７℃未満の場合におけるＣＯＰと、外気温度が２℃未満の場合における暖房能力とに差がある。

外気温度が２℃以上７℃未満である場合、ヒートポンプ装置１００はエジェクタ利用運転を行う。上述したように、エジェクタ利用運転では、減圧過程における圧力エネルギーをエジェクタ４により回収する。そのため、一般的なヒートポンプ装置のＣＯＰ（図９の符号３３で示すＣＯＰ）に比べ、ヒートポンプ装置１００のＣＯＰ（図９の符号３２で示すＣＯＰ）は高くなる。
また、外気温度が２度未満である場合、ヒートポンプ装置１００はインジェクション運転を行う。上述したように、インジェクション運転では、圧縮機１の中間圧空間へ冷媒が注入され冷媒流量が増加する。そのため、一般的なヒートポンプ装置の暖房能力（図９の符号３１で示す暖房能力）に比べ、ヒートポンプ装置１００の暖房能力（図９の符号３０で示す暖房能力）は高くなる。
また、外気温度が７℃以上である場合、ヒートポンプ装置１００は単純バイパス運転を行う。上述したように、単純バイパス運転では、エジェクタ４を利用せずバイパスさせる。そのため、外気温度が上昇し負荷が下がることにより、エジェクタ４の駆動動力が不足して、蒸発器として動作する熱交換器３への冷媒循環量が不足することがない。その結果、一般的なヒートポンプ装置と比べＣＯＰが低くなることがない。

以上のように、ヒートポンプ装置１００は、負荷の状態に応じて、冷媒を流す回路を切り替えることにより、全体として、効率がよく、また能力が高い運転をすることができる。

なお、上記説明では、制御部１０は、暖房運転時の外気温度に応じて膨張弁１１，１２，１３，１４等の制御を行うとした。ここで、ヒートポンプ装置１００は、図示されていない負荷検出部を備え、外気温度は、図示されていない負荷検出部によって検出される。

また、上記説明では、制御部１０は、暖房運転時の外気温度が２℃未満であるか、２℃以上７℃未満であるか、７℃以上であるかによって、膨張弁１１，１２，１３，１４等の制御を行った。しかし、２℃や７℃という温度は一例であり、これに限定されるものではない。

また、上記説明では、負荷を判断する指標として外気温度を用いた。しかし、負荷を判断する指標は外気温度に限定されるものではない。
ここで、負荷とは、熱交換器２において主冷媒回路１０１を流れる冷媒と熱交換される流体の温度を所定の温度にするのに必要な熱量である必要負荷である。つまり、負荷とは、空調運転であれば、居室内の空気の温度を所定の温度にするのに必要な熱量であり、給湯運転であれば、供給する水の温度を所定の温度にするのに必要な温度である。

そこで、負荷検出部は、負荷を判断する指標として、外気温度ではなく、熱交換器３の蒸発圧力や温度を検出してもよいし、冷媒循環量の指標となる圧縮機周波数を検出してもよい。また、負荷検出部は、空調において暖める部屋の室内温度や、出湯温度や、給水温度のような負荷側の温度を検出してもよいし、熱交換器２の凝縮圧力や温度等の高圧側の情報を検出してもよい。なお、出湯温度とは、熱交換器２が冷媒と水等の液体とを熱交換する熱交換器である場合において、熱交換器２で加熱された後の水等の液体の温度である。給水温度とは、熱交換器２が冷媒と水等の液体とを熱交換する熱交換器である場合において、熱交換器２で加熱される前の水等の液体の温度である。
そして、制御部１０は、これらの指標から負荷の大きさを判断して、膨張弁１１，１２，１３，１４等の制御を行うとしてもよい。

また、負荷検出部は、複数の指標を検出して負荷を判断してもよい。
例えば、負荷検出部は、外気温度と給水温度とを検出してもよい。この場合、例えば、制御部１０は、外気温度が２℃以上７℃未満で、かつ給水温度が高い（例えば、３５℃以上）場合の場合に、エジェクタ利用運転を行う。また、制御部１０は、外気温度が２℃未満又は給水温度が低い（例えば、３５℃未満）場合、インジェクション運転を行い、外気温度が７℃以上の場合、単純バイパス運転を行うとしてもよい。
また、例えば、負荷検出部は、外気温度と圧縮機周波数とを検出してもよい。この場合、例えば、制御部１０は、外気温度が２℃以上７℃未満、かつ圧縮機周波数が大きい（例えば、圧縮機１の定格能力の９０％以上となる周波数）場合、エジェクタ利用運転を行うとしてもよい。また、制御部１０は、外気温度が２℃未満又は圧縮機周波数が低い（例えば、圧縮機１の定格能力の９０％未満となる周波数）場合、インジェクション運転を行い、外気温度が７℃以上の場合、単純バイパス運転を行うとしてもよい。

いずれの指標を用いて負荷を判断する場合であっても、制御部１０は、予め設定した第１の負荷よりも負荷が大きいと判断した場合、インジェクション運転を行うように制御する。また、制御部１０は、前記第１の負荷よりも負荷が低く、前記第１の負荷よりも低く設定した第２の負荷よりも負荷が大きいと判断した場合、エジェクタ利用運転を行うように制御する。また、制御部１０は、前記第２の負荷よりも負荷が小さいと判断した場合、単純バイパス運転を行うように制御する。
なお、第１の負荷、第２の負荷は、制御部１０が備えるメモリに予め設定されているものとする。

また、制御部１０は、負荷の大きさ以外に、エジェクタ４のノズル部４３での絞り量が不足又は過剰である状態や、エジェクタ４のノズル部４３がゴミ詰まり等により閉塞した状態になった場合に、インジェクション運転又は単純バイパス運転を行うように制御してもよい。エジェクタ４が上記の状態になった場合、エジェクタ４を利用した運転を行うと、効率が悪くなる。そこで、エジェクタ４をバイパスさせて冷媒を流すインジェクション運転又は単純バイパス運転を行い、効率の悪化を防止する。
なお、図３に示すように、エジェクタ４のノズル部４３を、絞り量を調整できない固定絞りとした場合、外気温度や室内温度の変化に伴い蒸発温度が上昇又は低下することにより、エジェクタ４での絞り量が不足又は過剰となる。したがって、負荷検出部は、外気温度や室内温度を検出することにより、エジェクタ４での絞り量が不足又は過剰となっている状態を検出できる。また、負荷検出部は、冷媒回路各部の温度や圧力からエジェクタ４での絞り量が不足又は過剰となっている状態を検出することも可能である。また、負荷検出部は、熱交換器３の出口過熱度が所定の温度よりも高くなっていることを検出することにより、エジェクタ４のノズル部４３が閉塞したことを検出してもよい。

また、上記説明では、第４膨張弁１４を電子膨張弁とした。しかし、第４膨張弁１４は、逆止弁であってもよい。第４膨張弁１４が逆止弁である場合、気液分離器５と合流点２２とをつなぐ配管に、第４膨張弁１４と直列に接続された絞り機構を設ける必要がある。

また、上記説明では、図３に示すように、エジェクタ４が固定絞りである例を示した。しかし、図１０に示すように、エジェクタ４が電磁コイル４７とニードル４８とを備え、電磁コイル４７を制御することにより、ニードル４８でノズル部４３の径を変化させて、ノズル部４３を通る冷媒の流量を制御可能にしてもよい。
上記説明では、第３膨張弁１３の開度制御することにより、エジェクタ４の第１入口４１から流入する冷媒の流量を調整した。しかし、電磁コイル４７を制御することにより、ニードル４８でノズル部４３を通る冷媒の流量を制御可能にした場合、電磁コイル４７を制御することにより、エジェクタ４の第１入口４１から流入する冷媒の流量を調整してもよい。

また、上記説明では、冷媒の一例としてＲ４１０やプロパンを上げた。しかし、冷媒はプロパンに限らず、低ＧＷＰ（Ｇｌｏｂａｌ Ｗａｒｍｉｎｇ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）であるＨＦＯ（ハイドロフルオロオレフィン）系の冷媒や、ＨＦＯ系の冷媒を混合した混合冷媒を用いてもよい。これらの冷媒は、可燃性あるいは微燃性である。しかし、熱交換器２が室外機に備えられている場合であれば、室内側の空間に可燃性冷媒が進入することはなく、安全に使用できる。

実施の形態２．
実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００は、外気温度が２℃以上７℃未満の場合、エジェクタ利用運転を行い、外気温度が２℃未満の場合、エジェクタ４を用いず、インジェクション運転を行うとした。つまり、実施の形態１では、外気温度に応じて、エジェクタ４を用いる運転と、インジェクション運転とを選択的に切り替えた。
実施の形態２に係るヒートポンプ装置１００は、新たに、外気温度として２℃よりも低いＢ℃という基準温度を設定する。そして、ヒートポンプ装置１００は、外気温度がＢ℃以上２℃未満の場合、エジェクタ４を用いるとともに、第２副冷媒回路１０３へも冷媒を流す複合運転を行う。また、ヒートポンプ装置１００は、外気温度がＢ℃未満の場合、エジェクタ４を用いないインジェクション運転を行う。
つまり、実施の形態２に係るヒートポンプ装置１００が備える制御部１０は、前記第１の負荷よりも負荷が高く、前記第１の負荷よりも高く設定された第３の負荷よりも負荷が小さい場合、複合運転を行うように制御する。また、制御部１０は、前記第３の負荷よりも負荷が大きい場合、インジェクション運転を行うように制御する。

図１１は、複合運転を行う場合における冷媒の流れを示す図である。
複合運転を行う場合、制御部１０は、第１膨張弁１１と第２膨張弁１２と第３膨張弁１３と第４膨張弁１４とを所定の開度よりも大きく、適切な量の冷媒が流れる開度に設定する。また、制御部１０は、四方弁７を第１流路（図１１の四方弁７における実線の流路）に設定する。
圧縮機１から吐出された高温、高圧のガス冷媒は、熱交換器２で放熱して凝縮し、液化して中温、高圧の液冷媒となって分岐点２１から一部がエジェクタ４へ流入し、残りが副冷媒回路１０２，１０３へ流入する。副冷媒回路１０２，１０３へ流入した冷媒は、分岐点２３で一部が第１副冷媒回路１０２へ分配され、残りが第２副冷媒回路１０３へ分配される。つまり、全ての回路を冷媒が流れる。

なお、実施の形態２に係るヒートポンプ装置１００は、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００と同様に、負荷が中程度である外気温度が２℃以上７℃未満の場合、エジェクタ４を用いた運転を行う。また、ヒートポンプ装置１００は、負荷が小さい外気温度が７℃以上の場合、単純バイパス運転を行う。また、ヒートポンプ装置１００は、外気温度がＢ℃未満の場合、エジェクタ４を用いないインジェクション運転を行う。

図１２は、実施の形態２に係るヒートポンプ装置１００についての外気温度と暖房能力との関係、及び外気温度とＣＯＰとの関係を示す図である。図１２に示す外気温度と暖房能力との関係、及び外気温度とＣＯＰとの関係について、図９とは異なる部分のみを説明する。
外気温度がＢ℃以上２℃未満である場合、ヒートポンプ装置１００は複合運転を行う。そのため、一般的なヒートポンプ装置の暖房能力（図１２の符号３１で示す暖房能力）に比べ、実施の形態２に係るヒートポンプ装置１００の暖房能力（図１２の符号３４で示す暖房能力）は高くなる。しかし、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００の暖房能力（図９の符号３０で示す暖房能力）に比べ、実施の形態２に係るヒートポンプ装置１００の暖房能力は若干低くなる。
一方、外気温度がＢ℃以上２℃未満である場合、一般的なヒートポンプ装置のＣＯＰ（図１２の符号３６で示すＣＯＰ）に比べ、実施の形態２に係るヒートポンプ装置１００のＣＯＰ（図１２の符号３５で示すＣＯＰ）は高くなる。つまり、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００のＣＯＰに比べ、実施の形態２に係るヒートポンプ装置１００のＣＯＰは高くなる。

すなわち、実施の形態２に係るヒートポンプ装置１００は、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００に比べ、負荷が大きい場合における能力と効率のバランスの取れた運転を行うことができる。

なお、実施の形態１と同様に、負荷を判断する指標は外気温度に限らず、他の指標であってもよい。

以上をまとめると次のようになる。
ヒートポンプ装置１００は、圧縮機と、前記圧縮機から吐出した冷媒を放熱して冷却する放熱器と、前記放熱器から出た冷媒を減圧膨張し膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して前記圧縮機の吸入圧力を高めるエジェクタと、前記エジェクタから出た冷媒をガス冷媒と液冷媒に分ける気液分離器と、気液分離器から分離された液冷媒を蒸発させる蒸発器とが順次配管で環状に接続されて構成された冷媒回路と、
前記気液分離器の液冷媒出口部と前記エジェクタの高圧側入口部とが、第１絞り装置を介して配管で接続された副冷媒回路と、
を備えた冷凍サイクル装置において、前記副冷媒回路の高圧側上流部と前記第１絞り装置との間に過冷却器を設けたことを特徴とする。

また、ヒートポンプ装置１００は、前記気液分離器の液冷媒出口部に開閉弁を設けたことを特徴とする。

さらに、前記開閉弁を逆止弁としたことを特徴とする。

また、さらに、前記過冷却器の冷熱源は、副冷媒回路の冷媒の一部を減圧した低圧二相冷媒であることを特徴とする。

また、前記過冷却器で蒸発した冷媒を圧縮機の圧縮途中の中間圧力部分へバイパスすることを特徴とする。

前記冷媒回路と、前記副冷媒回路とを外気温度に応じて切り替えることを特徴とする。

前記外気温度とは、比較的高温の第１外気温度と低温の第２外気温度からなることを特徴とする。

前記第１外気温度以上では前記過冷却器を使用せず、前記第１外気温度未満では、前記過冷却器を使用することを特徴とする。

前記第２外気温度以上では前記エジェクタを使用せず、前記第１外気温度以上、前記第２外気温度未満では、前記エジェクタを使用することを特徴とする。

１ 圧縮機、１Ａ 吸入口、１Ｂ 吐出口、２ 熱交換器、３ 熱交換器、４ エジェクタ、５ 気液分離器、５Ａ 入口、５Ｂ ガス側出口、５Ｃ 液側出口、６ 第３熱交換器、７ 四方弁、８ 第４熱交換器、１０ 制御部、１１ 第１膨張弁、１２ 第２膨張弁、１３ 第３膨張弁、１４ 第４膨張弁、１５，１６ 電磁弁、１７，１８ 毛細管、２１，２３ 分岐点、２２，２４ 合流点、２５ インジェクションパイプ、４１ 第１入口、４２ 第２入口、４３ ノズル部、４４ 混合部、４５ ディフューザ部、４６ 出口、４７ 電磁コイル、４８ ニードル、１００ ヒートポンプ装置、１０１ 主冷媒回路、１０２ 第１副冷媒回路、１０３ 第２副冷媒回路。

Claims (7)

1. 圧縮機の吐出側と第１熱交換器とが配管により接続され、前記第１熱交換器とエジェクタの第１入口とが配管により接続され、前記エジェクタの出口と気液分離器の入口とが配管により接続され、前記気液分離器のガス側出口と前記圧縮機の吸入側とが配管により接続されるとともに、前記気液分離器の液側出口と第２熱交換器とが配管により接続され、前記第２熱交換器と前記エジェクタの第２入口とが配管により接続され、冷媒が循環する主冷媒回路と、
   前記主冷媒回路における前記第１熱交換器と前記エジェクタの前記第１入口との間の第１接続点から、前記主冷媒回路における前記気液分離器の前記液側出口と前記第２熱交換器との間の第２接続点までを配管で接続し、配管の途中に第１膨張機構が設けられた第１副冷媒回路と、
   前記主冷媒回路における前記第１熱交換器と前記エジェクタの前記第１入口との間の第３接続点から、前記圧縮機に設けられたインジェクションパイプまでを配管で接続し、前記圧縮機において前記主冷媒回路から吸入された冷媒が圧縮途中の段階になる中間圧空間へ前記第３接続点を流れる冷媒を前記インジェクションパイプから注入する第２副冷媒回路であって、途中に第２膨張機構が設けられた第２副冷媒回路と、
   前記第１副冷媒回路における前記第１接続点と前記第１膨張機構との間を流れる冷媒と、前記第２副冷媒回路における前記第２膨張機構を通過した後の冷媒とを熱交換させる第３熱交換器と、
   前記１熱交換器を流出した冷媒が前記エジェクタの前記第１入口へ流入する量を制御する制御弁と、
   前記第１熱交換器を流れる冷媒と熱交換される流体の温度を所定の温度にするのに必要な熱量である必要負荷に応じて、前記制御弁の開度と、前記第１膨張機構の開度と、前記第２膨張機構の開度とを制御する制御部であって、前記必要負荷が、予め設定された第１の負荷より大きく、前記第１の負荷よりも高く設定された第３の負荷以下の場合には、前記制御弁と前記第１膨張機構と前記第２膨張機構との開度を所定の開度よりも大きくし、前記必要負荷が、前記第３の負荷より大きい場合には、前記制御弁の開度を前記所定の開度よりも小さくし、前記第１膨張機構と前記第２膨張機構との開度を前記所定の開度よりも大きくする制御部と
   を備えることを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 前記制御部は、前記必要負荷が、前記第１の負荷以下で、前記第１の負荷よりも低く設定された第２の負荷より大きい場合には、前記制御弁の開度を所定の開度よりも大きくし、前記第１膨張機構と前記第２膨張機構との開度を前記所定の開度よりも小さくする
   ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
3. 前記制御部は、前記必要負荷が、前記第２の負荷以下の場合には、前記制御弁と前記第２膨張機構との開度を所定の開度よりも小さくし、前記第１膨張機構の開度を前記所定の開度よりも大きくする
   ことを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ装置。
4. 前記制御弁は、前記第１接続点と前記エジェクタの前記第１入口との間に設けられた開閉弁である
   ことを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載のヒートポンプ装置。
5. 前記エジェクタは、
   前記第１入口から流入した冷媒を減圧、加速して噴射するノズル部と、
   前記ノズル部が噴射した冷媒と前記第２入口から吸入した冷媒とを混合して、昇圧する昇圧部とを備え、
   前記制御弁は、前記ノズル部の開度を調整する絞り機構である
   ことを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載のヒートポンプ装置。
6. 前記主冷媒回路には、前記気液分離器の前記液側出口と前記第２接続点との間に開閉弁が設けられた
   ことを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載のヒートポンプ装置。
7. 前記開閉弁は、前記気液分離器の液側出口から前記第２接続点へ向かう流れを許し、前記第２接続点から前記気液分離器の液側出口へ向かう流れを許さない逆止弁である
   ことを特徴とする請求項６に記載のヒートポンプ装置。

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