JP5447968B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ装置に関し、さらに詳しく言えば、給湯および／または床暖房用の温水を生成する第１冷凍回路と、室内空調用の第２冷凍回路とを有する低外気対応型のヒートポンプ装置に関するものである。

例えば、特許文献１には、冷媒を用いたヒートポンプシステム式の暖房装置において、水−冷媒熱交換器通過後の冷媒と、圧縮機の中間圧縮段にインジェクションされる冷媒とを冷媒間熱交換器（内部熱交換器）で熱交換することにより、圧縮機の吐出温度の上昇を防ぎながら、高温の湯が得られるようにした発明が記載されている。

上記発明は、暖房運転を目的とした装置であることから、水−冷媒熱交換器に流入する水の温度、すなわち暖房の戻り温度は比較的高温となる。そのため、低外気温時に、蒸発圧力Ｐｅと凝縮圧力Ｐｃの相乗平均圧力√（Ｐｅ・Ｐｃ）（以下、「中間圧」という）に冷媒をインジェクションすれば、水の戻り温度が高いために、冷媒間熱交換器の冷媒入口温度＞インジェクション冷媒温度となり熱回収することができる。

しかしながら、貯湯タイプの給湯・床暖房のように、タンク底部に貯まっている低温の水を使用する場合には、何らかの対策を講じないかぎり、凝縮器通過後の冷媒温度とインジェクション冷媒温度とが近い温度になってしまうことから、冷媒間熱交換器を設置しても、インジェクション冷媒側への熱回収をすることができない、という問題がある。

特開２００６−１１２７０８号公報

したがって、本発明の課題は、給湯および／または床暖房用の温水を生成する第１冷凍回路と、室内空調用の第２冷凍回路とを有し、外気温度に応じて単段サイクルとインジェクションサイクルの切り替えが可能であり、貯湯タンクを用いる給湯方式のように、水−冷媒熱交換器の水入口温度が低い場合であっても、冷媒間熱交換器でのインジェクション冷媒側への熱回収を行うことができるようにしたヒートポンプ装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、温水を生成する第１冷凍回路と、室内空調用の第２冷凍回路とを有するヒートポンプ装置において、上記第１冷凍回路は、インジェクションポートを有する第１圧縮機と、上記第１圧縮機の冷媒吐出側に接続された温水生成用の水−冷媒熱交換器と、上記水−冷媒熱交換器の冷媒流出側から分岐され上記インジェクションポート至る分岐配管内に設けられた冷媒間熱交換器と、上記水−冷媒熱交換器と上記冷媒間熱交換器との間に接続された第１膨張弁と、上記水−冷媒熱交換器の冷媒流出側と上記第１圧縮機の冷媒吸入側との間に接続された第１室外熱交換器と、上記分岐管の分岐点と上記第１室外熱交換器との間に設けられた第２膨張弁とを備え、上記第２冷凍回路は、第２圧縮機と、室内熱交換器と、第２室外熱交換器と、上記室内熱交換器と上記第２室外熱交換器との間に接続された第３膨張弁とを含む冷媒循環系を有し、上記第２冷凍回路の上記冷媒循環系内の冷媒配管の一部分が上記冷媒間熱交換器内に挿通され、上記第１圧縮機にインジェクションされる冷媒と上記第２冷凍回路の冷媒との間で熱交換が行われることを特徴としている。

外気温度に応じて単段サイクルからインジェクションサイクルへの切り替え、もしくはその逆の切り替え可能とするため、上記冷媒循環系内の冷媒の流れ方向が暖房空調時であるとして、上記冷媒循環系には、上記第２圧縮機の冷媒吐出側から上記冷媒間熱交換器に至り、上流側に第１開閉弁、下流側に第２開閉弁を有する第１配管と、上記冷媒間熱交換器から引き出され上記第３膨張弁を介して上記第２室外熱交換器に至る第２配管と、上記室内熱交換器および第３開閉弁を含み上記第１配管に対してバイパス的に接続される第３配管とが含まれ、上記第１，第２膨張弁および上記第１ないし第３開閉弁が運転モードに応じて所定に制御される。

本発明の好ましい態様によれば、上記第１配管における上記第３配管の合流点と上記第２開閉弁との間の配管部分を上記第２配管に接続する第４開閉弁を有する第４配管と、上記運転モードを制御する制御手段とをさらに備え、上記制御手段により、上記流量調整弁および上記第１，２開閉弁がともに閉、上記第３，４開閉弁が開とされ、上記第１ないし第３膨張弁が所定の開度に制御されることにより、上記第１，第２の各冷凍回路がそれぞれ独立に運転される。

これに対して、上記制御手段により、上記第１，２開閉弁が開、上記第３，４開閉弁が閉とされ、上記流量調整弁および上記第１ないし第３膨張弁が所定の開度に制御されることにより、上記第２冷凍回路による室内空調が行われることなく、上記冷媒間熱交換器での熱交換が行われて、上記第１冷凍回路がインジェクションサイクルによる運転モードで動作することになる。

また、上記制御手段により、上記第２，３開閉弁が開、上記第１，４開閉弁が閉とされ、上記流量調整弁および上記第１ないし第３膨張弁が所定の開度に制御されることにより、上記第２冷凍回路による室内空調が行われるとともに、上記冷媒間熱交換器での熱交換が行われて、上記第１冷凍回路がインジェクションサイクルによる運転モードで動作する。

本発明によれば、室内空調用の第２冷凍回路の冷媒循環系内の冷媒配管の一部分が、給湯や床暖房用の温水を生成する第１冷凍回路の冷媒間熱交換器内に挿通され、第１冷凍回路の第１圧縮機にインジェクションされる冷媒と第２冷凍回路の冷媒との間で熱交換が可能であることにより、低外気温時には、２つの冷凍回路を用いて第１冷凍回路をインジェクションサイクルによる運転モードで動作させ、高外気温時には、第１冷凍回路と第２冷凍回路とを切り離して個別に運転可能であり、常に２つの冷凍回路を同時に運転する必要がなく、全体として効率のよいヒートポンプ装置が提供される。

本発明の実施形態に係るヒートポンプ装置を示す冷媒回路図。

次に、図１により、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１を参照して、この実施形態に係るヒートポンプ装置は、基本的な構成として、温水生成用の第１冷凍回路１０と、室内空調用の第２冷凍回路２０と、給湯および床暖房用の貯湯タンク３０とを備えている。

第１冷凍回路１０は、インジェクションポート１１ａを有する例えば２段圧縮型の第１圧縮機１１と、第１圧縮機１１の冷媒吐出側に接続された水−冷媒熱交換器１２と、水−冷媒熱交換器１２の冷媒流出側に直列に接続された第１膨張弁１３および第２膨張弁１４と、第２膨張弁１４の冷媒流出側と第１圧縮機１１の冷媒吸入側との間に接続された第１室外熱交換器１５とを備える。

この第１冷凍回路１０の冷媒主配管系において、第１膨張弁１３と第２膨張弁１４との間からインジェクションポート１１ａに至る枝管１８が分岐され、この枝管１８内に流量調整弁１６と冷媒間熱交換器１７が設けられる。なお、枝管１８は逆止弁１９を介してインジェクションポート１１ａに接続される。

第２冷凍回路２０は、第２圧縮機２１と、四方弁２２と、室内熱交換器２３と、第２室外熱交換器２４と、室内熱交換器２３と第２室外熱交換器２４との間に接続された第３膨張弁２５とを含む冷媒循環系を備える。

四方弁２２が図示実線状態にある時、冷媒循環系内の冷媒の流れ方向が暖房空調時であるとして、第２冷凍回路２０の冷媒循環系には、第２圧縮機２１の冷媒吐出側から冷媒間熱交換器１７に至る第１配管２６と、冷媒間熱交換器１７から引き出され第３膨張弁２５を介して第２室外熱交換器２４に至る第２配管２７と、室内熱交換器２３を含み第１配管２６に対してバイパス的に接続される第３配管２８と、冷媒間熱交換器１７に対する冷媒流入側の第１配管２６と冷媒流出側の第２配管２７との間に接続される第４配管２９とが含まれている。

第１配管２６には、上流側（第２圧縮機２１側）に第１開閉弁２６ａが設けられ、下流側（冷媒間熱交換器１７側）に第２開閉弁２６ｂが設けられる。

第３配管２８には、第３開閉弁２８ａが設けられ、第３配管２８は、第１配管２６のうちの第１開閉弁２６ａの上流側と下流側との間に接続される。第１配管２６と第３配管２８の合流点を２８ｂとして、第１配管２６の第２開閉弁２６ｂは、その合流点２８ｂと冷媒間熱交換器１７との間に配置される。

また、第４配管２９は、第１配管２６における第３配管２８の合流点２８ｂと第２開閉弁２６ｂとの間の配管部分を第２配管２７に接続し、この第４配管２９には、第４開閉弁２９ａが設けられる。

貯湯タンク３０は、タンク底部の水をタンク上部に循環させ、その一部分が水−冷媒熱交換器１２内に通される第１ポンプ３１ａを含む水循環回路３１を有する。

また、貯湯タンク３０には、タンク内に挿入され、室内の床暖房パネル３２に温水を循環させる第２ポンプ３３ａを含む温水循環回路３３が設けられている。

また、貯湯タンク３０の下部には、水補給管３４ａが接続され、貯湯タンク３０の上部には、給湯栓３５が接続されている。給湯栓３５からのお湯は、水道管３４ｂから水栓３６にて流量調整された水と混合され、第３ポンプ３７から給湯に供される。

このヒートポンプ装置は、運転モード等を制御する制御手段４０を備える。制御手段４０は、ＣＰＵ（中央演算処理ユニット）やマイクロコンピーュータ等からなり、外気温度や第１圧縮機１１の吐出温度に応じて、第１冷凍回路１０内の流量調整弁１６、第１，第２膨張弁１３，１４、第２冷凍回路２０内の第３膨張弁２５や第１ないし第４開閉弁２６ａ，２６ｂ，２８ａ，２９ａ等を制御する。

次に、各運転モードについて説明する。制御手段４０は、基本的に外気温（Ｔｄ）が高外気温度（例えば、Ｔｄ＞−２℃）のときと、低外気温度（例えば、Ｔｄ≦−２℃）のときとで、第１冷凍回路１０と第２冷凍回路２０をそれぞれ独立運転とするか、併用運転とするかを選択する。

［高外気温時]
まず、高外気温時には、冷媒間熱交換器１７の流量調整弁１６を「全閉」、第１開閉弁２６ａおよび第２開閉弁２６ｂをともに「閉」、第３開閉弁２８ａおよび第４開閉弁２９ａをともに「開」とする。

第１冷凍回路１０において、低温低圧のガス冷媒は第１圧縮機１１にて所定の圧力にまで圧縮された後、水−冷媒熱交換器１２で貯留タンク３０の下部に貯められた水と熱交換して凝縮する。その後、冷媒は第１膨張弁１３，第２膨張弁１４を通過して蒸発圧力にまで膨張し、第１室外熱交換器１５にて外気と熱交換して蒸発したうえで、第１圧縮機１１に戻される。これにより、貯湯タンク３０内に温水が貯められ、その温水が給湯や床暖房に使用される。

第２冷凍回路２０側では、暖房空調であれば、四方弁２２が図示実線の状態に切り替えられ、低温低圧のガス冷媒は第２圧縮機２１にて所定の圧力にまで圧縮された後、四方弁２２および第３開閉弁２８ａを通過し、室内熱交換器２３にて室内空気と熱交換して凝縮する。その後、冷媒は第３開閉弁２９ａを通って第３膨張弁２５に至り、第３膨張弁２５にて蒸発圧力まで膨張したうえで、第２室外熱交換器２４にて外気と熱交換して蒸発し、四方弁２２を通って第２圧縮機２１に戻される。

また、冷房空調であれば、四方弁２２が図示鎖線の状態に切り替えられ、低温低圧のガス冷媒は第２圧縮機２１にて所定の圧力にまで圧縮された後、四方弁２２を通過し、第２室外熱交換器２４にて外気と熱交換して凝縮する。その後、冷媒は第３膨張弁２５で蒸発圧力にまで膨張したのち、第４開閉弁２９ａを通って室内熱交換器２３に至り室内空気と熱交換して蒸発し、四方弁２２を通って第２圧縮機２１に戻される。

このように、高外気温時には、第１冷凍回路１０と第２冷凍回路２０とが、それぞれ、独立して運転されることから、ユーザーは、給湯，床暖房，暖房空調，冷房空調のいずれか一つもしくはその組み合わせ（「給湯＋暖房空調」，「給湯＋冷房空調」，「床暖房＋暖房空調」，「給湯＋床暖房＋暖房空調」，「給湯＋床暖房」）を選択することができる。

［低外気温時で、室内空調不要時]
低外気温時で、室内空調（暖房空調）が不要である場合には、第１開閉弁２６ａおよび第２開閉弁２６ｂがともに「開」で、第３開閉弁２８ａおよび第４開閉弁２９ａがともに「閉」とされ、冷媒間熱交換器１７の流量調整弁１６および第１ないし第３膨張弁１３，１４，２５の弁開度が所定の開度に制御され、冷媒間熱交換器１７に第２冷凍回路２０の冷媒が供給され、第１冷凍回路１０がインジェクションサイクルにて運転される。

すなわち、第１膨張弁１３で中間圧にまで膨張された冷媒の一部が第２冷凍回路２０の高圧側の冷媒と冷媒熱交換器１７で熱交換した後、第１圧縮機１１で中間圧まで圧縮された冷媒と合流する。そして、合流した冷媒は、さらに所定の圧力にまで圧縮されて、水−冷媒熱交換器１２で貯湯タンク３０の下部に貯められた水と熱交換して凝縮する。

第１冷凍回路１０の第１膨張弁１３にて中間圧にまで膨張した冷媒は、第１圧縮機１１の中間段にインジェクションされる冷媒と第２膨張弁１４に流入する冷媒に分流される。第１圧縮機１１の中間段にインジェクションされる冷媒は、上記したように、冷媒間熱交換器１７で第２冷凍回路２０の熱源冷媒と熱交換されるが、第２膨張弁１４に流入する冷媒はさらに膨張して所定の蒸発圧力となり、第１室外熱交換器１５で外気と熱交換して蒸発した後、第１圧縮機１１に戻される。

他方の第２冷凍回路２０においては、低温低圧のガス冷媒は第２圧縮機２１にて所定の圧力にまで圧縮された後、四方弁２２，第１開閉弁２６ａおよび第２開閉弁２６ｂを通って冷媒間熱交換器１７に至り、第１冷凍回路１０のインジェクション冷媒と熱交換し、その後、第３膨張弁２５で蒸発圧力にまで膨張し、第２室外熱交換器２４で外気と熱交換して蒸発し、四方弁２２を経て第２圧縮機２１に戻される。

［低外気温時で、室内空調必要時]
低外気温時で、室内空調（暖房空調）が必要である場合には、第２開閉弁２６ｂおよび第３開閉弁２８ａがともに「開」で、第１開閉弁２６ａおよび第４開閉弁２９ａがともに「閉」とされ、冷媒間熱交換器１７の流量調整弁１６および第１ないし第３膨張弁１３，１４，２５の弁開度が所定の開度に制御され、冷媒間熱交換器１７に第２冷凍回路２０の冷媒が供給され、第１冷凍回路１０がインジェクションサイクルにて運転される。

この場合には、第１冷凍回路１０は、上記と同じく、インジェクションサイクルにて運転され、第２冷凍回路２０においては、低温低圧のガス冷媒は第２圧縮機２１にて所定の圧力にまで圧縮された後、四方弁２２および第３開閉弁２８ａを経て室内熱交換器２３に至り、室内空気と熱交換して凝縮する。その後、冷媒は第２開閉弁２６ｂより冷媒間熱交換器１７に入り、第１冷凍回路１０のインジェクション冷媒と熱交換し、第３膨張弁２５にて蒸発圧力にまで膨張する。その後、第２室外熱交換器２４で外気と熱交換して蒸発し、四方弁２２を経て第２圧縮機２１に戻される。

なお、低外気温時、ユーザーは、給湯，床暖房，暖房空調のいずれか一つもしくはその組み合わせ（「給湯＋暖房空調」，「床暖房＋暖房空調」，「給湯＋床暖房＋暖房空調」）を選択することができる。

この低外気温時の運転において、貯湯タンク３０から水−冷媒熱交換器１２に流れる水の温度が低いと、水−冷媒熱交換器１２の出口側冷媒と冷媒間熱交換器１７の入口側冷媒の温度が同程度となり、インジェクションポート１１ａの冷媒に熱を与えることができないが、本発明によれば、冷媒間熱交換器１７で第２冷凍回路２０の冷媒と熱交換させることで、インジェクションポート１１ａの冷媒に熱を与えることができるため、インジェクション冷媒量を増大させられる。これにより、第１圧縮機１１の低圧側への冷媒量が低下するため、圧縮機の運転効率の向上、ひいてはサイクル効率が向上する。

１０ 第１冷凍回路
１１ 第１圧縮機
１２ 水−冷媒熱交換器
１３ 第１膨張弁
１４ 第２膨張弁
１５ 第１室外熱交換器
１６ 流量調整弁
１７ 冷媒間熱交換器
１８ 枝管
２０ 第２冷凍回路
２１ 第２圧縮機
２２ 四方弁
２３ 室内熱交換器
２４ 第２室外熱交換器
２５ 第３膨張弁
２６ 第１配管
２６ａ 第１開閉弁
２６ｂ 第２開閉弁
２７ 第２配管
２８ 第３配管
２８ａ 第３開閉弁
２９ 第４配管
２９ａ 第４開閉弁
３０ 貯湯タンク
３１ 水循環回路
３２ 床暖房パネル
３３ 温水循環回路
３５ 給湯栓

Claims (5)

1. 温水を生成する第１冷凍回路と、室内空調用の第２冷凍回路とを有するヒートポンプ装置において、
   上記第１冷凍回路は、インジェクションポートを有する第１圧縮機と、上記第１圧縮機の冷媒吐出側に接続された温水生成用の水−冷媒熱交換器と、上記水−冷媒熱交換器の冷媒流出側から分岐され上記インジェクションポート至る分岐配管内に設けられた冷媒間熱交換器と、上記水−冷媒熱交換器と上記冷媒間熱交換器との間に接続された第１膨張弁と、上記水−冷媒熱交換器の冷媒流出側と上記第１圧縮機の冷媒吸入側との間に接続された第１室外熱交換器と、上記分岐管の分岐点と上記第１室外熱交換器との間に設けられた第２膨張弁とを備え、
   上記第２冷凍回路は、第２圧縮機と、室内熱交換器と、第２室外熱交換器と、上記室内熱交換器と上記第２室外熱交換器との間に接続された第３膨張弁とを含む冷媒循環系を有し、
   上記第２冷凍回路の上記冷媒循環系内の冷媒配管の一部分が上記冷媒間熱交換器内に挿通され、上記第１圧縮機にインジェクションされる冷媒と上記第２冷凍回路の冷媒との間で熱交換が行われることを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 上記冷媒循環系内の冷媒の流れ方向が暖房空調時であるとして、上記冷媒循環系には、上記第２圧縮機の冷媒吐出側から上記冷媒間熱交換器に至り、上流側に第１開閉弁、下流側に第２開閉弁を有する第１配管と、上記冷媒間熱交換器から引き出され上記第３膨張弁を介して上記第２室外熱交換器に至る第２配管と、上記室内熱交換器および第３開閉弁を含み上記第１配管に対してバイパス的に接続される第３配管とが含まれ、
   上記第１，第２膨張弁および上記第１ないし第３開閉弁が運転モードに応じて所定に制御され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. 上記第１配管における上記第３配管の合流点と上記第２開閉弁との間の配管部分を上記第２配管に接続する第４開閉弁を有する第４配管と、上記運転モードを制御する制御手段とをさらに備え、上記制御手段により、上記流量調整弁および上記第１，２開閉弁がともに閉、上記第３，４開閉弁が開とされ、上記第１ないし第３膨張弁が所定の開度に制御されることにより、上記第１，第２の各冷凍回路がそれぞれ独立に運転され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. 上記第１配管における上記第３配管の合流点と上記第２開閉弁との間の配管部分を上記第２配管に接続する第４開閉弁を有する第４配管と、上記運転モードを制御する制御手段とをさらに備え、上記制御手段により、上記第１，２開閉弁が開、上記第３，４開閉弁が閉とされ、上記流量調整弁および上記第１ないし第３膨張弁が所定の開度に制御されることにより、上記第１冷凍回路がインジェクションサイクルによる運転モードで動作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。
5. 上記第１配管における上記第３配管の合流点と上記第２開閉弁との間の配管部分を上記第２配管に接続する第４開閉弁を有する第４配管と、上記運転モードを制御する制御手段とをさらに備え、上記制御手段により、上記第２，３開閉弁が開、上記第１，４開閉弁が閉とされ、上記流量調整弁および上記第１ないし第３膨張弁が所定の開度に制御されることにより、上記第１冷凍回路がインジェクションサイクルによる運転モードで動作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。

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