JP5645502B2 - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、給湯用熱交換器に対して冷媒循環回路が接続されているヒートポンプ給湯装置、例えば、ＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置に関するものである。

給湯用熱交換器に対して冷媒循環回路が接続されているヒートポンプ給湯装置としては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。

特開２０１０−９６４６１号公報

また、近年においては、図８に示すような、ＣＯ_２冷媒循環回路を備えたヒートポンプ給湯装置が提案されている。
図８に示すように、近年提案されているＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置８１は、冷媒循環回路２にて構成されるＣＯ_２冷媒を用いた超臨界サイクルのヒートポンプユニット３を備えている。

ヒートポンプユニット３は、ＣＯ_２冷媒を２段圧縮する２段圧縮機４と、冷媒ガスを放熱する放熱器（ガスクーラ）６と、放熱器６の出口側冷媒温度をコントロールする第１電子膨張弁（減圧手段）７と、冷媒を気液分離する中間圧レシーバ８と、中間圧冷媒を減圧する第２電子膨張弁（減圧手段）１０と、ファン（図示せず）からの外気と冷媒とを熱交換する吸熱器（空気熱交換器）１１とをこの順に冷媒配管にて接続した閉サイクルの冷媒循環回路２により構成されている。
なお、放熱器（ガスクーラ）６は、水循環回路２２を流れる水と冷媒とを熱交換させ、水を加熱して温水を製造する給湯用熱交換器としての機能も有している。

また、ヒートポンプユニット３には、中間圧レシーバ８で分離された中間圧の冷媒ガスを２段圧縮機４の高段側の圧縮機構に吸込まれる中間圧の冷媒ガス中にインジェクション（注入）する電磁弁１６を備えたガスインジェクション回路１７が設けられている。
なお、電磁弁１６は、例えば、中間圧レシーバ８内が液冷媒で一杯になっている起動時に、液冷媒が２段圧縮機４に供給されないようにするため、ガスインジェクション回路１７を閉塞する弁としての役目も担っている。

しかしながら、近年提案されているＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置８１では、ガスインジェクション回路１７の途中に電磁弁１６を設けなければならず、そのため、図９において●４で示すように、中間圧レシーバ８で分離された中間圧の冷媒ガスが、気液２相状態で２段圧縮機４の高段側の圧縮機構に吸込まれることになり、２段圧縮機４の信頼性確保の観点から好ましくない。
なお、図８中の●１から●４はそれぞれ、図９中の●１から●４に対応している。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、中間圧レシーバで分離された中間圧の冷媒ガスが、気液２相状態で２段圧縮機の高段側の圧縮機構に吸込まれることを防止することができ、２段圧縮機の信頼性を確保することができるヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明の第１の形態に係るヒートポンプ給湯装置は、２段圧縮機、オイルセパレータ、放熱器、減圧手段および吸熱器を備えた冷媒循環回路と、前記オイルセパレータで分離された潤滑油を前記２段圧縮機の上流側に位置する前記冷媒循環回路に戻す油戻し回路と、前記放熱器の下流側に設けられている中間圧レシーバで分離されたガス冷媒を２段圧縮機にインジェクションするガスインジェクション回路と、を備えたヒートポンプ給湯装置であって、前記油戻し回路を通過する潤滑油と、前記ガスインジェクション回路を通過する冷媒との間で熱交換を行わせる熱交換器を備えている。

本発明の第１の形態に係るヒートポンプ給湯装置によれば、油戻し回路を通過する潤滑油によりガスインジェクション回路を通過する冷媒が加熱され（温められ）、例えば、図２に示すように、中間圧レシーバで分離された中間圧の冷媒ガスは、過熱ガスの状態（気体状態）で２段圧縮機に供給されることになる。
これにより、気液２相状態で２段圧縮機の高段側の圧縮機構に吸込まれることを防止することができ、２段圧縮機の信頼性を確保することができる。
また、ガスインジェクション回路を通過する冷媒を加熱した（温めた）潤滑油は、２段圧縮機の上流側に位置する冷媒循環回路に戻されることになる。
これにより、潤滑油の吹き上げによるＯＣ％増加のリスクを低減させることができ、サイクル効率を向上させることができる。

本発明の第２の形態に係るヒートポンプ給湯装置は、２段圧縮機、オイルセパレータ、放熱器、減圧手段および吸熱器を備えた冷媒循環回路と、前記放熱器の下流側に設けられている中間圧レシーバで分離されたガス冷媒を前記２段圧縮機にインジェクションするガスインジェクション回路と、を備えたヒートポンプ給湯装置であって、前記オイルセパレータで分離された潤滑油が通過する油戻し回路の下流端が、前記ガスインジェクション回路の途中に接続されている。

本発明の第２の形態に係るヒートポンプ給湯装置によれば、油戻し回路を介して供給された潤滑油によりガスインジェクション回路を通過する冷媒が加熱され（温められ）、例えば、図４に示すように、中間圧レシーバで分離された中間圧の冷媒ガスは、過熱ガスの状態（気体状態）で２段圧縮機に供給されることになる。
これにより、気液２相状態で２段圧縮機の高段側の圧縮機構に吸込まれることを防止することができ、２段圧縮機の信頼性を確保することができる。
また、上述の熱交換器が不要となるので、構成の簡略化を図ることができ、製造コストの低減化を図ることができる。

上記ヒートポンプ給湯装置において、前記熱交換器よりも下流側に位置する前記ガスインジェクション回路、または油戻し回路の下流端が接続された合流点よりも下流側に位置する前記ガスインジェクション回路に、前記ガスインジェクション回路を通過する冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と、前記ガスインジェクション回路を通過する冷媒の温度を検出する温度検出手段とが設けられているとさらに好適である。

このようなヒートポンプ給湯装置によれば、ガスインジェクション回路を通過する冷媒の圧力および温度から、例えば、マイクロコンピュータ等の演算装置を用いて、２段圧縮機に供給される（流入する）冷媒の過熱度が演算され、２段圧縮機に供給される（流入する）冷媒の過熱度が把握されて、２段圧縮機に供給される（流入する）冷媒の過熱度が低く、２段圧縮機に気液２相の冷媒が供給されそう（流入しそう）な場合には、従来からガスインジェクション回路の途中に設けられている流量調整手段を用いて前記ガスインジェクション回路における冷媒の流量を低減させ、２段圧縮機への液バックが防止されることになる。
これにより、気液２相状態で２段圧縮機の高段側の圧縮機構に吸込まれることを確実に防止することができ、２段圧縮機の信頼性をさらに向上させることができる。

本発明の第３の形態に係るヒートポンプ給湯装置は、２段圧縮機、オイルセパレータ、放熱器、減圧手段および吸熱器を備えた冷媒循環回路と、前記オイルセパレータで分離された潤滑油を中間圧に圧縮された冷媒中にインジェクションする油戻し回路と、前記放熱器の下流側に設けられている中間圧レシーバで分離されたガス冷媒を前記２段圧縮機にインジェクションするガスインジェクション回路と、を備えたヒートポンプ給湯装置であって、前記油戻し回路を通過する潤滑油と、前記ガスインジェクション回路を通過する冷媒との間で熱交換を行わせる熱交換器を備えている。

本発明の第３の形態に係るヒートポンプ給湯装置によれば、油戻し回路を通過する潤滑油によりガスインジェクション回路を通過する冷媒が加熱され（温められ）、例えば、図７に示すように、中間圧レシーバで分離された中間圧の冷媒ガスは、過熱ガスの状態（気体状態）で２段圧縮機に供給されることになる。
これにより、気液２相状態で２段圧縮機の高段側の圧縮機構に吸込まれることを防止することができ、２段圧縮機の信頼性を確保することができる。
また、ガスインジェクション回路を通過する冷媒を加熱した（温めた）潤滑油は、中間圧に圧縮された冷媒中に戻されることになる。
これにより、潤滑油の吹き上げによるＯＣ％増加のリスクを低減させることができ、サイクル効率を向上させることができる。

本発明に係るヒートポンプ給湯装置によれば、中間圧レシーバで分離された中間圧の冷媒ガスが、気液２相状態で２段圧縮機の高段側の圧縮機構に吸込まれることを防止することができ、２段圧縮機の信頼性を確保することができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係るＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置の回路構成図である。 本発明の第１実施形態に係るＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置のＰ−ｈ線図である。 本発明の第２実施形態に係るＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置の回路構成図である。 本発明の第２実施形態に係るＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置のＰ−ｈ線図である。 本発明の第３実施形態に係るＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置の回路構成図である。 本発明の第４実施形態に係るＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置の回路構成図である。 本発明の第４実施形態に係るＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置のＰ−ｈ線図である。 従来のＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置の回路構成図である。 従来のＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置のＰ−ｈ線図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１および図２を用いて説明する。
図１は本実施形態に係るＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置の回路構成図、図２は本実施形態に係るＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置のＰ−ｈ線図である。
図１に示すように、本実施形態に係るＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置１は、冷媒循環回路２にて構成されるＣＯ_２冷媒を用いた超臨界サイクルのヒートポンプユニット３を備えている。

ヒートポンプユニット３は、例えば、低段側がロータリ圧縮機構、高段側がスクロール圧縮機構とされているＣＯ_２冷媒を２段圧縮する２段圧縮機４と、冷媒ガス中の潤滑油を分離するオイルセパレータ５と、冷媒ガスを放熱する放熱器（ガスクーラ）６と、放熱器６の出口側冷媒温度をコントロールする第１電子膨張弁（減圧手段）７と、冷媒を気液分離する中間圧レシーバ８と、中間圧冷媒を減圧する第２電子膨張弁（減圧手段）１０と、ファン（図示せず）からの外気と冷媒とを熱交換する吸熱器（空気熱交換器）１１とをこの順に冷媒配管にて接続した閉サイクルの冷媒循環回路２により構成されている。

また、ヒートポンプユニット３には、オイルセパレータ５で分離された油を吸熱器（空気熱交換器）１１と２段圧縮機４との間に戻す油戻し回路１３と、中間圧レシーバ８で分離された中間圧の冷媒ガスを２段圧縮機４の高段側のスクロール圧縮機構に吸込まれる中間圧の冷媒ガス中にインジェクション（注入）する電磁弁１６を備えたガスインジェクション回路１７とが設けられている。
なお、放熱器（ガスクーラ）６は、水循環回路２２を流れる水と冷媒とを熱交換させ、水を加熱して温水を製造する給湯用熱交換器としての機能も有している。

さて、本実施形態に係るＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置１には、油戻し回路１３を通過する潤滑油（および冷媒）と、ガスインジェクション回路１７を通過するＣＯ_２冷媒との間で熱交換を行わせ、ガスインジェクション回路１７を通過するＣＯ_２冷媒を加熱する熱交換器（加熱器）２０が設けられている。

本実施形態に係るＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置１によれば、油戻し回路１３を通過する潤滑油によりガスインジェクション回路１７を通過する冷媒が加熱され（温められ）、例えば、図２に示すように、中間圧レシーバ８で分離された中間圧の冷媒ガスは、過熱ガスの状態（気体状態）で２段圧縮機４に供給されることになる。
これにより、気液２相状態で２段圧縮機４の高段側のスクロール圧縮機構に吸込まれることを防止することができ、２段圧縮機４の信頼性を確保することができる。
また、ガスインジェクション回路１７を通過する冷媒を加熱した（温めた）潤滑油は、２段圧縮機４の上流側に位置する冷媒循環回路２に戻されることになる。
これにより、潤滑油の吹き上げによるＯＣ％増加のリスクを低減させることができ、サイクル効率を向上させることができる。
なお、図１中の●１から●５および□６から□８はそれぞれ、図２中の●１から●５および□６から□８に対応している。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態について、図３および図４を用いて説明する。
図３は本実施形態に係るＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置の回路構成図、図４は本実施形態に係るＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置のＰ−ｈ線図である。
図３に示すように、本実施形態に係るＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置３１は、油戻し回路１３の下流端（末端）が、２段圧縮機４と電磁弁１６との間に位置する冷媒配管に接続されているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、上述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

本実施形態に係るＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置３１によれば、油戻し回路１３を介して供給された潤滑油によりガスインジェクション回路１７を通過する冷媒が加熱され（温められ）、例えば、図４に示すように、中間圧レシーバ８で分離された中間圧の冷媒ガスは、過熱ガスの状態（気体状態）で２段圧縮機４に供給されることになる。
これにより、気液２相状態で２段圧縮機４の高段側の圧縮機構に吸込まれることを防止することができ、２段圧縮機４の信頼性を確保することができる。
また、上述の熱交換器２０が不要となるので、構成の簡略化を図ることができ、製造コストの低減化を図ることができる。
なお、図３中の●１から●５および□６から□７はそれぞれ、図４中の●１から●５および□６から□７に対応している。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態について、図５を用いて説明する。
図５は本実施形態に係るＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置の回路構成図である。
図５に示すように、本実施形態に係るＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置５１は、２段圧縮機４と熱交換器（加熱器）２０との間に位置するガスインジェクション回路１７に、圧力計（圧力検出手段）５２および温度計（温度検出手段）５３が設けられているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、上述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

本実施形態に係るＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置５１によれば、ガスインジェクション回路１７を通過する冷媒の圧力および温度から、例えば、マイクロコンピュータ等の演算装置（図示せず）を用いて、２段圧縮機４に供給される（流入する）冷媒の過熱度が演算され、２段圧縮機４に供給される（流入する）冷媒の過熱度が把握されて、２段圧縮機４に供給される（流入する）冷媒の過熱度が低く、２段圧縮機４に気液２相の冷媒が供給されそう（流入しそう）な場合には、従来からガスインジェクション回路１７の途中に設けられている電磁弁１６が閉じられ、２段圧縮機４への液バックが防止されることになる。
これにより、気液２相状態で２段圧縮機４の高段側の圧縮機構に吸込まれることを確実に防止することができ、２段圧縮機４の信頼性をさらに向上させることができる。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態について、図６および図７を用いて説明する。
図６は本実施形態に係るＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置の回路構成図、図７は本実施形態に係るＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置のＰ−ｈ線図である。
図６に示すように、本実施形態に係るＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置６１は、油戻し回路１３の下流端（末端）が、中間圧レシーバ８で分離された中間圧の冷媒ガスを加熱する（温める）のに利用された潤滑油（および冷媒）が２段圧縮機４の高段側のスクロール圧縮機構に吸込まれる中間圧の冷媒ガス中にインジェクション（注入）されるように接続されているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、上述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

本実施形態に係るＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯装置６１によれば、油戻し回路１３を通過する潤滑油によりガスインジェクション回路１７を通過する冷媒が加熱され（温められ）、例えば、図７に示すように、中間圧レシーバ８で分離された中間圧の冷媒ガスは、過熱ガスの状態（気体状態）で２段圧縮機４に供給されることになる。
これにより、気液２相状態で２段圧縮機４の高段側の圧縮機構に吸込まれることを防止することができ、２段圧縮機４の信頼性を確保することができる。
また、ガスインジェクション回路１７を通過する冷媒を加熱した（温めた）潤滑油は、中間圧に圧縮された冷媒中に戻されることになる。
これにより、潤滑油の吹き上げによるＯＣ％増加のリスクを低減させることができ、サイクル効率を向上させることができる。
なお、図１中の●１から●５および□６から□８はそれぞれ、図２中の●１から●５および□６から□８に対応している。

ここで、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更・変形が可能である。
例えば、上述した実施形態では、ＣＯ_２冷媒を冷媒として用いたものを一具体例として挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、Ｒ４１０Ａ等の別の冷媒を用いたものにも適用することができる。
また、第１実施形態、第３実施形態、第４実施形態のところで説明したキャピラリチューブ１８は、必ずしも熱交換器２０の下流側に位置する油戻し回路１３の途中に設ける必要はなく、熱交換器２０の上流側に位置する油戻し回路１３の途中に設けるようにしてもよい。

さらに、第１実施形態、第３実施形態、第４実施形態のところで説明した２段圧縮機４は、単段圧縮機を２つ直列に接続する形態でも良い。
さらにまた、第１実施形態、第３実施形態、第４実施形態のところで説明した電磁弁１６は、電子膨張弁に代表される流量調整手段でも良い。
さらにまた、第１実施形態、第３実施形態、第４実施形態のところで説明した放熱器（ガスクーラ）６は、冷媒と水を熱交換する形態に限定するものではなく、冷媒と空気を熱交換する形態でも良い。なお、冷媒と空気とを熱交換する形態の場合、ファンが追加されることになる。
さらにまた、第１実施形態、第３実施形態、第４実施形態のところで説明した放熱器（ガスクーラ）６は、Ｒ４１０Ａ等の別の冷媒を用いた場合、放熱器（凝縮器）に置き換えても良い。なお、Ｒ４１０Ａの場合、放熱器６を流れる冷媒は、冷媒の臨界圧力を下回る圧力となるため、放熱器の冷媒は凝縮することになる。

１ ヒートポンプ給湯装置
２ 冷媒循環回路
４ ２段圧縮機
５ オイルセパレータ
６ 放熱器：給湯用熱交換器
７ 第１電子膨張弁（減圧手段）
８ 中間圧レシーバ
１０ 第２電子膨張弁（減圧手段）
１１ 吸熱器
１３ 油戻し回路
１７ ガスインジェクション回路
２０ 熱交換器
２２ 水循環回路（水流路）
３１ ヒートポンプ給湯装置
５１ ヒートポンプ給湯装置
５２ 圧力計（圧力検出手段）
５３ 温度計（温度検出手段）
６１ ヒートポンプ給湯装置

Claims (2)

1. ２段圧縮機、オイルセパレータ、放熱器、減圧手段および吸熱器を備えた冷媒循環回路と、
   前記オイルセパレータで分離された潤滑油を前記２段圧縮機の上流側に位置する前記冷媒循環回路に戻す油戻し回路と、
   前記放熱器の下流側に設けられている中間圧レシーバで分離されたガス冷媒を前記２段圧縮機にインジェクションするガスインジェクション回路と、を備えたヒートポンプ給湯装置であって、
   前記油戻し回路を通過する潤滑油と、前記ガスインジェクション回路を通過する冷媒との間で熱交換を行わせる熱交換器と、
   前記ガスインジェクション回路を通過する冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記ガスインジェクション回路のうちの前記熱交換器よりも下流側を通過する冷媒の温度を検出する温度検出手段とを備え、
   前記圧力検出手段により検出された圧力と前記温度検出手段により検出された温度とに基づいて、前記ガスインジェクション回路から前記２段圧縮機に供給される冷媒の過熱度が演算され、前記２段圧縮機に気液２相状態の冷媒が供給される程度に前記過熱度が低い場合に、流量調整手段を用いて前記ガスインジェクション回路における冷媒の流量を低減させることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
2. ２段圧縮機、オイルセパレータ、放熱器、減圧手段および吸熱器を備えた冷媒循環回路と、
   前記放熱器の下流側に設けられている中間圧レシーバで分離されたガス冷媒を前記２段圧縮機にインジェクションするガスインジェクション回路と、を備えたヒートポンプ給湯装置であって、
   前記オイルセパレータで分離された潤滑油が通過する油戻し回路の下流端が、前記ガスインジェクション回路の途中に接続され、
   前記ガスインジェクション回路を通過する冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記ガスインジェクション回路のうちの前記油戻し回路の下流端が接続された合流点よりも下流側を通過する冷媒の温度を検出する温度検出手段とを備え、
   前記圧力検出手段により検出された圧力と前記温度検出手段により検出された温度とに基づいて、前記ガスインジェクション回路から前記２段圧縮機に供給される冷媒の過熱度が演算され、前記２段圧縮機に気液２相状態の冷媒が供給される程度に前記過熱度が低い場合に、流量調整手段を用いて前記ガスインジェクション回路における冷媒の流量を低減させることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。

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