JP6029879B2 - ヒートポンプ式加熱装置 - Google Patents

Description

この発明は、一般的には、ヒートポンプ式加熱装置に関し、より特定的には、ヒートポンプサイクル上に２つの圧縮機が設けられた２段圧縮式のヒートポンプ式加熱装置に関する。

従来のヒートポンプ式加熱装置に関して、たとえば、特開平８−２１０７０９号公報には、室外空気温度が−２０℃であっても暖房運転が可能であることを目的とした、寒冷地向けヒートポンプ空調機が開示されている（特許文献１）。

特許文献１に開示されたヒートポンプ空調機においては、スクロール圧縮機と、四方弁と、室内空気熱交換器と、レシーバと、室外冷媒制御弁と、室外空気熱交換器とが順次、配管により接続されている。レシーバとスクロール圧縮機との間には、スクロール圧縮機に液冷媒をインジェクションするためのバイパス流路が液インジェクション冷媒制御弁を介して設けられている。液インジェクション冷媒制御弁は、圧縮機の吐出側温度と目標吐出温度との差によって制御され、さらに室外冷媒制御弁は、室外空気熱交換器の前後に設けられた温度センサの温度差が、室外空気熱交換器の冷媒出口の冷媒過熱度になるように制御される。

また、特開平１１−１３２５７５号公報には、液管に介装した気液分離器から、ガスインジェクション用のバイパス配管を通して圧縮機に返流されるガス冷媒中への液冷媒の混入に伴う圧縮機の信頼性の低下を防止することを目的とした、空気調和機が開示されている（特許文献２）。

特許文献２に開示された空気調和機においては、圧縮機に、室外熱交換器と室内熱交換器とが順次接続されて、冷媒循環回路が形成されている。室外熱交換器と室内熱交換器との間の液管には、気液分離器が介装されている。気液分離器と圧縮機の吸込側との間には、気液分離器内のガス冷媒を圧縮機に返流させるガスインジェクション用のバイパス配管と、バイパス配管を通しての流路を開閉する開閉弁とが設けられている。圧縮機の吐出温度と、冷媒循環回路を循環する冷媒の凝縮温度との差が基準温度差よりも小さくなった場合に、開閉弁が閉操作される。その基準温度差は、圧縮機の運転周波数が高いほど大きく設定される。

また、特開２００７−２６３４４０号公報には、暖房運転時、圧縮過程で圧縮機に抽入する冷媒のインジェクション量を適正に調整することによって、低負荷の時には高運転効率で運転し、高負荷の時には暖房能力を向上することを目的とした、空気調和装置が開示されている（特許文献３）。

特許文献３に開示された空気調和装置は、室内熱交換器から流出した冷媒の一部をインジェクション用減圧装置を介して圧縮機の圧縮過程に抽入するインジェクション管と、圧縮機の回転数を負荷の大きさに応じて制御する圧縮機回転数制御手段と、圧縮機の出口部の吐出ガス過熱度または吐出温度が目標値になるようにインジェクション用減圧装置を制御するインジェクション制御手段を備える。その目標値は、圧縮機回転数制御手段により制御される圧縮機の回転数が高い場合に小さく、圧縮機の回転数が低い場合に大きく設定される。

特開平８−２１０７０９号公報 特開平１１−１３２５７５号公報 特開２００７−２６３４４０号公報

空気調装置や給湯装置といったヒートポンプ式加熱装置として、ヒートポンプサイクル上に、低圧側圧縮機および高圧側圧縮機の２つの圧縮機が設けられた２段圧縮式のものがある。しかしながら、２段圧縮式のヒートポンプ式加熱装置では、高圧側圧縮機における冷媒の吸い込み温度および吐出温度が上昇し、圧縮機の動作範囲を超えるという問題がある。かかる問題を解決する方法として、低圧側圧縮機および高圧側圧縮機間の管路と、室内熱交換器（凝縮器）および室外熱交換器（蒸発器）間の管路とを接続するようにインジェクション管を設け、室内熱交換器および室外熱交換器間の管路を流通する冷媒の一部を、インジェクション管を通じて低圧側圧縮機および高圧側圧縮機間の管路に注入する方法が考えられる。この場合、高圧側圧縮機における冷媒の吸い込み温度を低下させて、信頼性を保った運転を実現することができる。

このようなインジェクション管を用いたヒートポンプ式加熱装置では、最適な冷媒量で低圧側圧縮機および高圧側圧縮機間にインジェクションすることによって、加熱能力の向上が図られることが要求される。また、上述の特許文献１から３にはインジェクション管を用いた各種の装置が開示されているがいずれの装置でも、冷媒のインジェクション制御がインジェクション管の管路上に設けられた開閉弁または減圧装置によって実施されている。この場合、装置を安価に製造することができないという課題がある。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、簡易な構成で、加熱能力の向上が十分に図られるヒートポンプ式加熱装置を提供することである。

この発明に従ったヒートポンプ式加熱装置は、冷媒と被加熱流体との間で熱交換を行なう第１熱交換器と、冷媒と室外空気との間で熱交換を行なう第２熱交換器と、第２熱交換器から送られた冷媒を圧縮する低圧側圧縮機と、低圧側圧縮機から送られた冷媒を圧縮する高圧側圧縮機と、第１熱交換器から送られた冷媒を減圧する第１減圧装置と、第１減圧装置から送られた冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器と、気液分離器の液相側に接続され、気液分離器から送られた冷媒を減圧する第２減圧装置と、気液分離器の気相側に接続され、気液分離器から送られた冷媒を、低圧側圧縮機と高圧側圧縮機との間の管路上に導くインジェクション管路と、インジェクション管路を流れる冷媒が気液二相状態となるように、第２減圧装置における冷媒の減圧比を制御する制御部とを備える。

このように構成されたヒートポンプ式加熱装置によれば、インジェクション管路を流れる気液二相状態の冷媒と、低圧側圧縮機から吐出された高温、高圧の気相冷媒とが合流して、飽和蒸気状態またはこれに近い状態となった冷媒が、高圧側圧縮機に流入することになる。これにより、圧側圧縮機と高圧側圧縮機との間に最適な冷媒量でインジェクションし、加熱能力を十分に向上させることができる。この際、気液分離器から送られた冷媒を減圧する第２減圧装置を利用して、インジェクション管路を流れる冷媒を気液二相状態とするため、ヒートポンプ式加熱装置を簡易な構成にできる。

また好ましくは、制御部は、さらに、インジェクション管路を流れる気液二相状態の冷媒に占める液相の割合が所定値以上とならないように、第２減圧装置における冷媒の減圧比を制御する。

このように構成されたヒートポンプ式加熱装置によれば、液冷媒が高圧側圧縮機に流入することに起因する圧縮機の信頼性の低下や、運転効率の低下を防ぐことができる。

また好ましくは、ヒートポンプ式加熱装置は、低圧側圧縮機と高圧側圧縮機との間の管路上に設けられ、インジェクション管路を流れる冷媒が合流する前の冷媒の温度を検出する第１温度検出部をさらに備える。制御部は、第１温度検出部で検出された冷媒温度の時間履歴に基づいて、第２減圧装置における冷媒の減圧比を制御する。

また好ましくは、ヒートポンプ式加熱装置は、インジェクション管路上に設けられ、インジェクション管路に流れる冷媒の温度を検出する第２温度検出部と、低圧側圧縮機と高圧側圧縮機との間の管路上に設けられ、インジェクション管路を流れる冷媒が合流した後の冷媒の温度を検出する第３温度検出部とをさらに備える。制御部は、第２温度検出部で検出された冷媒温度と、第３温度検出部で検出された冷媒温度との差に基づいて、第２減圧装置における冷媒の減圧比を制御する。

また好ましくは、ヒートポンプ式加熱装置は、低圧側圧縮機と高圧側圧縮機との間の管路上に設けられ、インジェクション管路を流れる冷媒が合流した後の冷媒の温度を検出する第４温度検出部をさらに備える。制御部は、第４温度検出部で検出された冷媒温度の時間履歴に基づいて、第２減圧装置における冷媒の減圧比を制御する。

このように構成されたヒートポンプ式加熱装置によれば、インジェクション管路を流れる冷媒の状態と相関関係のある各種の温度履歴や温度差を利用して、第２減圧装置における冷媒の減圧比を制御する。

また好ましくは、ヒートポンプ式加熱装置は、低圧側圧縮機と高圧側圧縮機との間の管路であって、インジェクション管路を流れる冷媒が合流した後の冷媒が流れる管路上に設けられ、液冷媒を貯留するバッファ部をさらに備える。

このように構成されたヒートポンプ式加熱装置によれば、液冷媒が高圧側圧縮機に流入することに起因する圧縮機の信頼性の低下をより確実に防ぐことができる。

以上に説明したように、この発明に従えば、簡易な構成で、加熱能力の向上が十分に図られるヒートポンプ式加熱装置を提供することができる。

この発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式加熱装置を示す回路図である。 図１中のヒートポンプ式加熱装置による冷凍サイクルを示すモリエル線図である。 図１中のヒートポンプ式加熱装置において、インジェクション冷媒量の制御のフローチャートを示す図である。 図１中のヒートポンプ式加熱装置の第１変形例を示す回路図である。 気液分離器における分岐前の冷媒量に対するインジェクション量比と、暖房能力およびＣＯＰとの関係を示すグラフである。 図１中のヒートポンプ式加熱装置の第２変形例を示す回路図である。 図６中のヒートポンプ式加熱装置において、インジェクション冷媒量の制御のフローチャートを示す図である。 図１中のヒートポンプ式加熱装置の第３変形例を示す回路図である。 図８中のヒートポンプ式加熱装置において、インジェクション冷媒量の制御のフローチャートを示す図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式加熱装置を示す回路図である。図１を参照して、本実施の形態におけるヒートポンプ式加熱装置は、代表的には、ヒートポンプ式給湯機やヒートポンプ式暖房機に適用される。ヒートポンプ式加熱装置は、その回路構成として、冷凍回路２０およびインジェクション回路５０を有する。冷凍回路２０およびインジェクション回路５０には、冷媒として、たとえばＲ４１０Ａが封入されている。

冷凍回路２０は、環状に延びて、ヒートポンプサイクルを構成している。冷凍回路２０の経路上には、室内側熱交換器（凝縮器）２６および室外側熱交換器（蒸発器）２７が設けられている。室内側熱交換器２６は、ヒートポンプサイクルを循環する冷媒と、被加熱流体（水または空気）との間で熱交換を行なう。室外側熱交換器２７は、ヒートポンプサイクルを循環する冷媒と外気（室外空気）との間で熱交換を行なう。

冷凍回路２０の経路上には、第１減圧装置３６、気液分離器３８および第２減圧装置３７がさらに設けられている。第１減圧装置３６、気液分離器３８および第２減圧装置３７は、室内側熱交換器２６と室外側熱交換器２７との間に設けられている。第１減圧装置３６、気液分離器３８および第２減圧装置３７は、冷凍回路２０における冷媒の流れ方向において直列に並んでいる。室内側熱交換器２６から室外側熱交換器２７に向かう冷凍回路２０の経路上において、第１減圧装置３６、気液分離器３８および第２減圧装置３７は挙げた順に並んでいる。

第１減圧装置３６は、室内側熱交換器２６から送られた冷媒を減圧する。第１減圧装置３６は、室内側熱交換器２６における冷媒の過冷却を制御するための減圧装置として設けられている。気液分離器３８は、第１減圧装置３６から送られた冷媒を気相状態の冷媒と液相状態の冷媒（液冷媒）とに分離する。気液分離器３８は、気相状態の冷媒が配置される気相冷媒空間３８ａと、液相状態の冷媒が配置される液相冷媒空間３８ｂとを有する。第２減圧装置３７は、配管を通じて気液分離器３８の液相冷媒空間３８ｂに接続されている。第２減圧装置３７は、気液分離器３８から送られた液冷媒を減圧する。第２減圧装置３７は、室外側熱交換器２７における冷媒の過熱度と、後述するインジェクション回路５０よるインジェクション冷媒量とを制御するための減圧装置として設けられている。本実施の形態では、第１減圧装置３６および第２減圧装置３７として膨張弁が用いられている。

冷凍回路２０の経路上には、低圧側圧縮機３１および高圧側圧縮機３２がさらに設けられている。低圧側圧縮機３１および高圧側圧縮機３２は、室外側熱交換器２７と室内側熱交換器２６との間に設けられている。低圧側圧縮機３１および高圧側圧縮機３２は、冷凍回路２０における冷媒の流れ方向において直列に並んでいる。室外側熱交換器２７から室内側熱交換器２６に向かう冷凍回路２０の経路上において、低圧側圧縮機３１および高圧側圧縮機３２は挙げた順に並んでいる。低圧側圧縮機３１は、室外側熱交換器２７から送られた低圧の冷媒を中間圧まで圧縮する。高圧側圧縮機３２は、低圧側圧縮機３１から送られた中間圧の冷媒をさらに高圧に圧縮する。

本実施の形態では、低圧側圧縮機３１が、冷媒の吐出容量を制御可能な可変容量タイプの圧縮機（たとえば、回転数を変更可能なインバータ仕様の圧縮機）であり、高圧側圧縮機３２が、回転数が一定速タイプの圧縮機である。なお、低圧側圧縮機３１および高圧側圧縮機３２の少なくともいずれか一方が、可変容量タイプであればよく、回転数が一定速の低圧側圧縮機と可変容量の高圧側圧縮機との組み合わせや、可変容量の低圧側圧縮機と可変容量の高圧側圧縮機との組み合わせであってもよい。なお、低圧側圧縮機が容量可変タイプである場合、高負荷時における運転可能範囲が広がる。

インジェクション回路５０は、冷媒が流通可能なインジェクション管路５１から構成されている。インジェクション管路５１は、気液分離器３８の気相冷媒空間３８ａに分離された冷媒の一部を、低圧側圧縮機３１と高圧側圧縮機３２との間の冷凍回路２０へと導くように設けられている。

より具体的には、インジェクション管路５１は、その両端が、気液分離器３８の気相冷媒空間３８ａと、低圧側圧縮機３１と高圧側圧縮機３２との間の冷凍回路２０とにそれぞれ繋がるように設けられている。インジェクション管路５１の冷媒入り口は、気液分離器３８の気相冷媒空間３８ａに接続され、インジェクション管路５１の冷媒出口は、低圧側圧縮機３１と高圧側圧縮機３２との間の冷凍回路２０に接続されている。

本実施の形態では、インジェクション管路５１の経路上に、冷媒の流れを許容、遮蔽する開閉弁や、冷媒流量の調整が可能な流量調整弁が設けられていない。

冷凍回路２０の経路上には、バッファ部４１およびバッファ部４２がさらに設けられている。バッファ部４１およびバッファ部４２は、液冷媒を貯留可能なアキュムレータにより構成されている。バッファ部４１は、冷凍回路２０の経路上において、室外側熱交換器２７と低圧側圧縮機３１との間に設けられている。バッファ部４２は、冷凍回路２０の経路上において、低圧側圧縮機３１と高圧側圧縮機３２との間に設けられている。インジェクション管路５１が冷凍回路２０に接続される位置を接続部５３という場合に、バッファ部４２は、接続部５３と高圧側圧縮機３２との間に設けられている。バッファ部４１およびバッファ部４２は、それぞれ、低圧側圧縮機３１および高圧側圧縮機３２に液冷媒が侵入して圧縮機の信頼性が低下することを防ぐために設けられている。

図２は、図１中のヒートポンプ式加熱装置による冷凍サイクルを示すモリエル線図である。

モリエル線図はＰ−ｈ線図ともいわれ、縦軸を圧力［ＭＰａ］、横軸を比エンタルピ［ｋＪ／ｋｇ］としている。モリエル線図は、冷凍サイクルに用いる冷媒の圧力や比エンタルピ、温度、相状態、エンタルピ、比体積などの冷媒固有の特性を示す図である。図２中に示すＡ〜Ｈの冷媒状態は、それぞれ、図１中のＡ〜Ｈにおける冷媒状態に対応する。

図１および図２を参照して、まず、高圧側圧縮機３２から吐出されたガス冷媒（状態Ａ）は、室内側熱交換器（凝縮器）２６に流入し、凝縮した高温の液冷媒（状態Ｂ）となる。この高温の液冷媒が第１減圧装置３６を通過することによって、冷媒の圧力、温度が低下する（状態Ｃ）。

次に、冷媒は、気液分離器３８へ流入して、気相と液相とに分離される。分離された液冷媒（状態Ｄ）が第２減圧装置３７を通過することによって、冷媒の圧力、温度がさらに低下する（状態Ｅ）。次に、冷媒が室外側熱交換器２７を通過することによって、冷媒は外気から吸熱して蒸発する（状態Ｆ）。状態Ｆの冷媒は、低圧側圧縮機３１に流入して、中間圧力まで圧縮される（状態Ｇ）。

一方、気液分離器３８の気相冷媒空間３８ａに分離された冷媒（インジェクション冷媒）は、インジェクション管路５１を通って、低圧側圧縮機３１から吐出された冷媒と合流する。インジェクション冷媒の温度は、低圧側圧縮機３１から吐出された冷媒の温度よりも低いため、インジェクション冷媒合流後の冷媒温度は、低下する（状態Ｈ）。

加熱運転時、外気温が低温となって蒸発圧力が低下すると圧縮比が大きくなるが、低圧側圧縮機３１による圧縮工程の後であって、高圧側圧縮機３２による圧縮工程の前の段階で、中間圧の冷媒にインジェクション冷媒を注入して冷媒流量を増大させることによって、吐出温度を異常に上昇させることなく加熱（暖房）能力を確保することができる。このように、インジェクション冷媒による効果によって、たとえば、外気温が−２０℃程度の極低温であっても、十分な加熱能力を得ることができる。

ヒートポンプ式加熱装置は、温度検出部６１および制御部４６をさらに有する。温度検出部６１は、低圧側圧縮機３１と高圧側圧縮機３２との間に設けられている。温度検出部６１は、低圧側圧縮機３１と接続部５３との間に設けられている。温度検出部６１は、低圧側圧縮機３１から吐出された冷媒であって、インジェクション管路５１を流れる冷媒が合流する前の冷媒の温度を検出する。制御部４６は、温度検出部６１で検出された冷媒温度の時間履歴に基づいて、第２減圧装置３７における冷媒の減圧比を制御する。

本実施の形態におけるヒートポンプ式加熱装置においては、低圧側圧縮機３１から吐出された冷媒の温度履歴に基づき第２減圧装置３７の開度を制御することによって、インジェクション冷媒を気相のみの状態から、液相が混合し始める直後の気液二相状態とする。これにより、圧縮機の負荷の大小に関わらず適切な量のインジェクション冷媒に保持して、加熱能力を高めることができる。

さらに本実施の形態におけるヒートポンプ式加熱装置においては、そのインジェクション冷媒の状態を制御するための装置をインジェクション管路５１には設けず、加熱運転時における冷媒の流れ方向に対して室外側熱交換器２７の上流側に設けられた第２減圧装置３７を利用することによって、インジェクション管路に減圧装置を設け、インジェクション冷媒の流量を直接的に制御する場合と同等の効果が得られ、かつ、インジェクション管路に開閉弁または減圧装置を設置する必要がないことにより、安価に装置を構成することができる。

続いて、インジェクション冷媒量の上記制御方法について具体的に説明する。まず、圧縮機の回転数は、加熱能力を最も直接的に調整できる操作量であるため、可変容量タイプの低圧側圧縮機３１の回転数を負荷に応じて制御する。たとえば、使用者が設定した目標加熱温度または装置内に予め設定された目標加熱温度と、測定された加熱温度との偏差に応じて、低圧側圧縮機３１の回転数を増減する。

図３は、図１中のヒートポンプ式加熱装置において、インジェクション冷媒量の制御のフローチャートを示す図である。図中に示す制御フローは、制御部４６にて実行する。

図１および図３を参照して、インジェクション冷媒量の制御の前に、運転開始時、上記の低圧側圧縮機３１の回転数制御、第１減圧装置３６の開度調整による室内側熱交換器２６の出口の過冷却制御、および第２減圧装置３７の開度調整による室外側熱交換器２７の出口の過熱度制御を実施する。封入される冷媒は、これら一連の制御が完了した状態でインジェクション冷媒が気相状態となるように設定されている。

インジェクション冷媒量の制御の実行に際しては、まず、温度検出部６１により低圧側圧縮機３１から吐出された冷媒の温度Ｔ１を検出し、その温度Ｔ１を制御部４６に格納する（Ｓ１０１）。次に、第２減圧装置３７の開度を任意のステップ数だけ小さくする（Ｓ１０２）。第２減圧装置３７の開度を小さくすると、第２減圧装置３７における冷媒の減圧比が大きくなる。このとき、気液分離器３８における液冷媒量が増大し、やがて気液分離器３８内に液冷媒があふれてインジェクション管路５１に流入し、インジェクション管路５１における気相状態の冷媒が気液二相状態に変化する。

任意の時間ｔが経過した後、温度検出部６１により低圧側圧縮機３１から吐出された冷媒の温度Ｔ１´を再度検出し、その温度Ｔ１´を制御部４６に格納する（Ｓ１０３）。制御部４６は、Ｔ１´−Ｔ１を算出し、その値がΔＴ４以上であるか否かを判断する（Ｓ１０４）。ΔＴ４は、インジェクション冷媒が、気相状態から、気相の一部が液相に変わり始める状態になるまでの低圧側圧縮機３１の吐出冷媒の温度差であり、ΔＴ４を変化させつつインジェクション冷媒の状態を観察する実験によって予め特定しておく。一例を挙げれば、ｔ＝３０ｓｅｃのとき、ΔＴ４＝３℃である。

Ｔ１´−Ｔ１＜ΔＴ４の関係を満たす場合、Ｓ１０２に戻って、第２減圧装置３７の開度をさらに小さくする。Ｔ１´−Ｔ１≧ΔＴ４の関係を満たす場合、制御部４６は、Ｔ１´−Ｔ１の値がΔＴ５以下であるか否かを判断する（Ｓ１０５）。ΔＴ５は、インジェクション冷媒が、気相状態から、気相の一部が液相に変わって、さらにインジェクション管路５１に液冷媒が流れすぎる状態となるまでの低圧側圧縮機３１の吐出冷媒の温度差であり、ΔＴ５を変化させつつインジェクション冷媒の状態を観察する実験によって予め特定しておく。一例を挙げれば、ｔ＝３０ｓｅｃのとき、ΔＴ５＝１５℃である。

上記制御フローでは、温度Ｔ１が制御開始時に検出され、以後定数としているが、これに限られず、温度Ｔ１をＴ１´のある一定時間前の検出値として定義することもできる。たとえば、Ｔ１´のｔ秒前の温度Ｔ１として常に可変であることも可能である。

なお、低圧側圧縮機３１の吐出冷媒の温度差と、インジェクション冷媒の状態との間には、一定の相関関係が存在し、その関係は、低圧側圧縮機３１の回転数や第１減圧装置３６および第２減圧装置３７の開度に影響を受けない。

Ｔ１´−Ｔ１＞ΔＴ５の関係を満たす場合、インジェクション冷媒の液相割合が大きすぎるため、第２減圧装置３７の開度を大きくする（Ｓ１０６）。Ｔ１´−Ｔ１≦ΔＴ５の関係を満たす場合、Ｓ１０３に戻って、温度検出部６１により低圧側圧縮機３１から吐出された冷媒の温度Ｔ１´を再び検出する。

すなわち、本実施の形態におけるインジェクション冷媒量の制御方法においては、第２減圧装置３７の開度を変更する前の低圧側圧縮機３１の吐出冷媒の温度と、第２減圧装置３７の開度を変更した後の同地点の冷媒の温度との差を求め、その値が任意の範囲内に収まるように第２減圧装置３７の開度を調整する。この際、第２減圧装置３７の開度調整のステップ数は、制御精度を上げるのであれば小さい値に設定し、目標開度まで早く制御するのであれば大きい値に設定すればよい。

第１減圧装置３６により室内側熱交換器２６の過冷却度を制御し、第２減圧装置３７により室外側熱交換器２７の過熱度を制御した時、気液分離器３８の働きによってインジェクション管路５１に流入する冷媒の状態は気相である。その状態から、第２減圧装置３７の開度をさらに小さくすると、室外側熱交換器２７の側に流出する液冷媒の量が制限され、気液分離器３８内に液冷媒があふれてインジェクション管路５１に流入する。この場合、高圧側圧縮機３２に液冷媒が流入し、液圧縮を行なうことによって圧縮機の信頼性が悪化する懸念が生じるが、本実施の形態では、高圧側圧縮機３２の吸い込み側に設けられたバッファ部４２によって、この懸念を解消することができる。

しかしながら、バッファ部４２に貯留可能な冷媒の量には限度があり、インジェクション管路５１を流れる液冷媒の量が増えすぎると、圧縮機の信頼性が悪化する可能性が高まる。また、インジェクション管路５１を流れる液冷媒の量が増えすぎると、ヒートポンプ式加熱装置のＣＯＰ（Coefficient Of Performance）が低下するという問題がある。

そこで本実施の形態におけるヒートポンプ式加熱装置では、第２減圧装置３７の開度を小さくする過程で、インジェクション冷媒が気相のみの状態から液相が混合し始める、その直後の気液二相状態を保つように制御する。低圧側圧縮機３１の吐出冷媒とインジェクション冷媒とが合流する前の冷媒状態が、気相＋気相状態から、気相＋気液二相状態となることによって、気液二相冷媒の液冷媒が相変化により気相となり、その結果、室内側熱交換器２６への冷媒流量が増加して、加熱能力が上昇する。つまり、本実施の形態では、圧縮機の回転数や外気温によらず、低圧側圧縮機３１の吐出冷媒に合流する前のインジェクション冷媒の状態が、気相状態から気液二相状態になった直後になるように、第２減圧装置３７を制御することによって、容易にサイクルを制御することができる。

次に、本実施の形態におけるヒートポンプ式加熱装置において加熱能力の向上が図られる理由について説明する。

インジェクション冷媒の供給は、加熱側の冷媒流量を増加させて加熱能力を増加させる作用があり、また、圧縮機の運転圧力比の限界をより大きくする。加熱側の冷媒流量を増加させるためには、気相状態のインジェクション冷媒よりも、液相状態のインジェクション冷媒の方が有効である。しかしながら、液相状態のインジェクション冷媒を過度に供給すると、ＣＯＰの悪化と液圧縮による圧縮機の信頼性の低下を招く懸念がある。すなわち、インジェクション冷媒中の液相が、低圧側圧縮機３１から吐出される高温ガス冷媒によって相変化され、飽和蒸気状態になる程度のインジェクションが好ましい。

そこで、本実施の形態では、低圧側圧縮機３１から吐出された冷媒の温度履歴に基づいて容易に判断可能な状態である、インジェクション冷媒が気相状態から気液二相状態になった直後の状態を保持することによって、加熱側の冷媒流量を増加させたサイクルを保つ。凝縮温度や蒸発温度、圧縮機の回転数が同条件である場合、サイクルの能力を決定付ける最大の要因は、高圧側圧縮機３２の吸い込み圧力であるといえる（図２中の状態Ｈ）。その吸い込み圧力を従前と同等の値に設定しておけば、本実施の形態では、加熱側の冷媒流量を増加させて加熱能力を増加できるため、従前と同等以上の加熱能力を実現することができる。

高圧側圧縮機３２の吸い込み前に液相の冷媒が流入すると、高圧側圧縮工程の開始点が飽和蒸気状態に近づくことになる。これにより、低圧側圧縮機３１の吐出冷媒の温度をインジェクション冷媒により確実に低下させ、高圧側圧縮機３２の吐出冷媒の温度を抑えることから、圧縮機の運転圧力比の限界を大きくすることができる。

次に、本実施の形態におけるヒートポンプ式加熱装置において制御性の向上が図られる理由について説明する。

本実施の形態における制御方法は、加熱負荷に応じた圧縮機の回転数制御と、低圧側圧縮機３１の吐出冷媒の温度によるインジェクション制御と、冷媒の流れ方向において室内側熱交換器２６の後の減圧装置を制御するための制御手段とを備えており、サイクルを２つの減圧装置により制御可能である。これにより、制御因子である減圧装置や制御手段の数を最小限度に抑えて、制御性を向上させることができる。

図４は、図１中のヒートポンプ式加熱装置の第１変形例を示す回路図である。図４を参照して、本変形例におけるヒートポンプ式加熱装置では、冷凍回路２０の経路上に、内部熱交換器４３がさらに設けられている。内部熱交換器４３は、室内側熱交換器２６と第１減圧装置３６との間に設けられている。インジェクション管路５１は、内部熱交換器４３を通るように設けられている。内部熱交換器４３は、室内側熱交換器２６から流出した冷媒と、インジェクション管路５１を流れる冷媒との間で熱交換を行なう。

このような構成によれば、インジェクション管路５１に液相状態の冷媒が流入する場合に、その液相が内部熱交換器４３にて加熱されることによって気化し、結果、インジェクション冷媒の流量が増加することによる加熱能力の向上が見込まれる。

低負荷時、たとえば外気温が高いとき、インジェクション冷媒の量が多いためにＣＯＰが低下しすぎるという問題がある。このような問題は、インジェクション管路５１に開閉弁を設け、外気温度などに基づいて開閉操作することによって解決される。

図５は、気液分離器における分岐前の冷媒量に対するインジェクション量比と、暖房能力およびＣＯＰとの関係を示すグラフである。図５中では、横軸がインジェクション量比を示し、縦軸が暖房能力およびＣＯＰの実験値を示す。

図５を参照して、第２減圧装置３７の開度を小さくしてインジェクション冷媒の流量を増加させていくと、暖房能力が向上する。さらにインジェクション状態が気液二相状態になるとインジェクション冷媒の流量はさらに増加するため、暖房能力が高い値を取る。しかしながら、インジェクション管路５１に多量の液冷媒が流れると暖房能力の低下に繋がる。一方、ＣＯＰは、インジェクション量の増加に伴って緩やかに低下する。

以上に説明した、この発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式加熱装置は、冷媒と被加熱流体との間で熱交換を行なう第１熱交換器としての室内側熱交換器２６と、冷媒と室外空気との間で熱交換を行なう第２熱交換器としての室外側熱交換器２７と、室外側熱交換器２７から送られた冷媒を圧縮する低圧側圧縮機３１と、低圧側圧縮機３１から送られた冷媒を圧縮する高圧側圧縮機３２と、室内側熱交換器２６から送られた冷媒を減圧する第１減圧装置３６と、第１減圧装置３６から送られた冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器３８と、気液分離器３８の液相側に接続され、気液分離器３８から送られた冷媒を減圧する第２減圧装置３７と、気液分離器３８の気相側に接続され、気液分離器３８から送られた冷媒を、低圧側圧縮機３１と高圧側圧縮機３２との間の管路上に導くインジェクション管路５１と、インジェクション管路５１を流れる冷媒が気液二相状態となるように、第２減圧装置３７における冷媒の減圧比を制御する制御部４６とを備える。

このように構成された、この発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式加熱装置によれば、制御性に優れるとともに、加熱能力の向上が十分に図られるヒートポンプ式加熱装置を実現することができる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、インジェクション冷媒の状態を制御する方法の各種変形例について説明する。以下、実施の形態１におけるヒートポンプ式加熱装置と比較して、重複する構造についてその説明を繰り返さない。

図６は、図１中のヒートポンプ式加熱装置の第２変形例を示す回路図である。図７は、図６中のヒートポンプ式加熱装置において、インジェクション冷媒量の制御のフローチャートを示す図である。

図６および図７を参照して、ヒートポンプ式加熱装置は、図１中の温度検出部６１に替えて、温度検出部６２および温度検出部６３を有する。温度検出部６２は、インジェクション管路５１に設けられている。温度検出部６２は、低圧側圧縮機３１と高圧側圧縮機３２との間の管路上に合流する前のインジェクション管路５１を流れる冷媒の温度を検出する。温度検出部６３は、低圧側圧縮機３１と高圧側圧縮機３２との間に設けられている。温度検出部６３は、接続部５３と高圧側圧縮機３２との間に設けられている。温度検出部６３は、低圧側圧縮機３１から吐出された冷媒であって、インジェクション管路５１を流れる冷媒が合流した後の冷媒の温度を検出する。温度検出部６３は、高圧側圧縮機３２に吸い込まれる冷媒の温度を検出する。制御部４６は、温度検出部６２で検出された冷媒温度と、温度検出部６３で検出された冷媒温度との差に基づいて、第２減圧装置３７における冷媒の減圧比を制御する。

本変形例においても、インジェクション冷媒量の制御の前に、運転開始時、低圧側圧縮機３１の回転数制御、第１減圧装置３６の開度調整による室内側熱交換器２６の出口の過冷却制御、および第２減圧装置３７の開度調整による室外側熱交換器２７の出口の過熱度制御を実施する。封入される冷媒は、これら一連の制御が完了した状態でインジェクション冷媒が気相状態となるように設定されている。

インジェクション冷媒量の制御の実行に際しては、まず、温度検出部６２によりインジェクション合流前の冷媒の温度Ｔ２を検出し、温度検出部６３により高圧側圧縮機３２に吸い込まれる冷媒の温度Ｔ３を検出し、これらの温度Ｔ２およびＴ３を制御部４６に格納する（Ｓ１１１）。次に、制御部４６は、Ｔ３−Ｔ２を算出し、その値が０よりも大きいか否かを判断する（Ｓ１１２）。Ｔ３−Ｔ２＞０の関係を満たす場合、第２減圧装置３７の開度を任意のステップ数だけ小さくする(Ｓ１１３)。一方、Ｔ３−Ｔ２≦０の関係を満たす場合、第２減圧装置３７の開度を任意のステップ数だけ大きくする (ステップ１１４)。

すなわち、本実施の形態におけるインジェクション冷媒量の制御方法においては、インジェクション冷媒の温度Ｔ２に比べて、高圧側圧縮機３２に吸い込まれる冷媒の温度Ｔ３において室外側熱交換器２７の過熱度が取れている状況であれば、第２減圧装置３７の開度を小さくして、インジェクション冷媒の流量を増加させる。一方、室外側熱交換器２７の過熱度が取れなくなった状況であれば、第２減圧装置３７の開度を大きくして、高圧側圧縮機３２の吸い込み部において冷媒の状態が飽和蒸気になるよう制御する。

第２減圧装置３７の開度調整のステップ数は、制御精度を上げるのであれば小さい値に設定し、目標開度まで早く制御するのであれば大きい値に設定すればよい。また、本変形例では、過熱度を取れているか否かを０を基準に判断したが、インジェクション冷媒を少な目に設定したい場合には、任意の値であるＴ６を設定し、上記のＳ１１２においてＴ３−Ｔ２＞Ｔ６を満たすか否かを判断すればよい。

図８は、図１中のヒートポンプ式加熱装置の第３変形例を示す回路図である。図９は、図８中のヒートポンプ式加熱装置において、インジェクション冷媒量の制御のフローチャートを示す図である。

図８および図９を参照して、ヒートポンプ式加熱装置は、図１中の温度検出部６１に替えて、温度検出部６４を有する。温度検出部６４は、低圧側圧縮機３１と高圧側圧縮機３２との間に設けられている。温度検出部６４は、接続部５３と高圧側圧縮機３２との間に設けられている。温度検出部６４は、低圧側圧縮機３１から吐出された冷媒であって、インジェクション管路５１を流れる冷媒が合流した後の冷媒の温度を検出する。温度検出部６４は、高圧側圧縮機３２に吸い込まれる冷媒の温度を検出する。制御部４６は、温度検出部６４で検出された冷媒温度の時間履歴に基づいて、第２減圧装置３７における冷媒の減圧比を制御する。

本変形例においても、インジェクション冷媒量の制御の前に、運転開始時、低圧側圧縮機３１の回転数制御、第１減圧装置３６の開度調整による室内側熱交換器２６の出口の過冷却制御、および第２減圧装置３７の開度調整による室外側熱交換器２７の出口の過熱度制御を実施する。封入される冷媒は、これら一連の制御が完了した状態でインジェクション冷媒が気相状態となるように設定されている。

インジェクション冷媒量の制御の実行に際しては、まず、温度検出部６４により高圧側圧縮機３２に吸い込まれる冷媒の温度Ｔ３を検出し、その温度Ｔ３を制御部４６に格納する（Ｓ１２１）。次に、第２減圧装置３７における冷媒の減圧比が大きくなるように、第２減圧装置３７の開度を任意のステップ数だけ小さくする（Ｓ１２２）。

任意の時間ｔが経過した後、温度検出部６４により高圧側圧縮機３２に吸い込まれる冷媒の温度Ｔ３´を再度検出し、その温度Ｔ３´を制御部４６に格納する（Ｓ１２３）。インジェクション管路５１に液冷媒が流れ始めると冷媒流量が増加することになるため、低圧側圧縮機３１の吐出冷媒の温度を効果的に下げることができ、結果的に、高圧側圧縮機３２の吸い込み冷媒の温度も下がる。制御部４６は、Ｔ３−Ｔ３´を算出し、その値がΔＴ７以上であるか否かを判断する（Ｓ１２４）。ΔＴ７は、インジェクション冷媒が、気相状態から、気相の一部が液相に変わり始める状態になるまでの高圧側圧縮機３２の吸い込み冷媒の温度差であり、ΔＴ７を変化させつつインジェクション冷媒の状態を観察する実験によって予め特定しておく。一例を挙げれば、ｔ＝３０ｓｅｃのとき、ΔＴ７＝３℃である。

Ｔ３−Ｔ３´＜ΔＴ７の関係を満たす場合、Ｓ１２２に戻って、第２減圧装置３７の開度をさらに小さくする。Ｔ３−Ｔ３´≧ΔＴ７の関係を満たす場合、制御部４６は、Ｔ３−Ｔ３´の値がΔＴ８以下であるか否かを判断する（Ｓ１２５）。ΔＴ８は、インジェクション冷媒が、気相状態から、気相の一部が液相に変わって、さらにインジェクション管路５１に液冷媒が流れすぎる状態となるまでの高圧側圧縮機３２の吸い込み冷媒の温度差であり、ΔＴ８を変化させつつインジェクション冷媒の状態を観察する実験によって予め特定しておく。一例を挙げれば、ｔ＝３０ｓｅｃのとき、ΔＴ８＝１５℃である。

Ｔ３−Ｔ３´＞ΔＴ８の関係を満たす場合、インジェクション冷媒の液相割合が大きすぎるため、第２減圧装置３７の開度を大きくする（Ｓ１２６）。Ｔ３−Ｔ３´≦ΔＴ８の関係を満たす場合、Ｓ１２３に戻って、温度検出部６１により低圧側圧縮機３１から吐出された冷媒の温度Ｔ３´を再び検出する。

第２減圧装置３７の開度調整のステップ数は、制御精度を上げるのであれば小さい値に設定し、目標開度まで早く制御するのであれば大きい値に設定すればよい。

このように構成された、この発明の実施の形態２におけるヒートポンプ式加熱装置によれば、実施の形態１に記載の効果を同様に奏することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、たとえば、ヒートポンプ式給湯機やヒートポンプ式暖房機などに適用される。

２０ 冷凍回路、２６ 室内側熱交換器、２７ 室外側熱交換器、３１ 低圧側圧縮機、３２ 高圧側圧縮機、３６ 第１減圧装置、３７ 第２減圧装置、３８ 気液分離器、３８ａ 気相冷媒空間、３８ｂ 液相冷媒空間、４１，４２ バッファ部、４３ 内部熱交換器、４６ 制御部、５０ インジェクション回路、５１ インジェクション管路、５３ 接続部、６１，６２，６３，６４ 温度検出部。

Claims (6)

1. 冷媒と被加熱流体との間で熱交換を行なう第１熱交換器と、
   冷媒と室外空気との間で熱交換を行なう第２熱交換器と、
   前記第２熱交換器から送られた冷媒を圧縮する低圧側圧縮機と、
   前記低圧側圧縮機から送られた冷媒を圧縮する高圧側圧縮機と、
   前記第１熱交換器から送られた冷媒を減圧する第１減圧装置と、
   前記第１減圧装置から送られた冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器と、
   前記気液分離器の液相側に接続され、前記気液分離器から送られた冷媒を減圧する第２減圧装置と、
   前記気液分離器の気相側に接続され、前記気液分離器から送られた冷媒を、前記低圧側圧縮機と前記高圧側圧縮機との間の管路上に導くインジェクション管路と、
   前記インジェクション管路を流れる冷媒が気液二相状態となるように、前記第２減圧装置における冷媒の減圧比を制御する制御部とを備え、
   前記インジェクション管路には、前記インジェクション管路を流れる冷媒の状態を制御可能な装置が設けられておらず、
   前記制御部は、
   前記低圧側圧縮機の回転数制御、前記第１減圧装置の開度調整による前記第１熱交換器の出口の過冷却制御、および、前記第２減圧装置の開度調整による前記第２熱交換器の出口の過熱度制御を実施し、前記インジェクション管路を流れる冷媒を気相状態とするステップと、
   前記インジェクション管路を流れる冷媒を気相状態とするステップの後、前記インジェクション管路を流れる冷媒が気液二相状態となるように、前記第２減圧装置における冷媒の減圧比を制御するステップとを実行するように構成されている、ヒートポンプ式加熱装置。
2. 冷媒と被加熱流体との間で熱交換を行なう第１熱交換器と、
   冷媒と室外空気との間で熱交換を行なう第２熱交換器と、
   前記第２熱交換器から送られた冷媒を圧縮する低圧側圧縮機と、
   前記低圧側圧縮機から送られた冷媒を圧縮する高圧側圧縮機と、
   前記第１熱交換器から送られた冷媒を減圧する第１減圧装置と、
   前記第１減圧装置から送られた冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器と、
   前記気液分離器の液相側に接続され、前記気液分離器から送られた冷媒を減圧する第２減圧装置と、
   前記気液分離器の気相側に接続され、前記気液分離器から送られた冷媒を、前記低圧側圧縮機と前記高圧側圧縮機との間の管路上に導くインジェクション管路と、
   前記インジェクション管路を流れる冷媒が気液二相状態となるように、前記第２減圧装置における冷媒の減圧比を制御する制御部と、
   前記低圧側圧縮機と前記高圧側圧縮機との間の管路上に設けられ、前記インジェクション管路を流れる冷媒が合流する前の冷媒の温度を検出する第１温度検出部とを備え、
   前記制御部は、前記第１温度検出部で検出された冷媒温度の時間履歴に基づいて、前記第２減圧装置における冷媒の減圧比を制御する、ヒートポンプ式加熱装置。
3. 冷媒と被加熱流体との間で熱交換を行なう第１熱交換器と、
   冷媒と室外空気との間で熱交換を行なう第２熱交換器と、
   前記第２熱交換器から送られた冷媒を圧縮する低圧側圧縮機と、
   前記低圧側圧縮機から送られた冷媒を圧縮する高圧側圧縮機と、
   前記第１熱交換器から送られた冷媒を減圧する第１減圧装置と、
   前記第１減圧装置から送られた冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器と、
   前記気液分離器の液相側に接続され、前記気液分離器から送られた冷媒を減圧する第２減圧装置と、
   前記気液分離器の気相側に接続され、前記気液分離器から送られた冷媒を、前記低圧側圧縮機と前記高圧側圧縮機との間の管路上に導くインジェクション管路と、
   前記インジェクション管路を流れる冷媒が気液二相状態となるように、前記第２減圧装置における冷媒の減圧比を制御する制御部と、
   前記インジェクション管路上に設けられ、前記インジェクション管路に流れる冷媒の温度を検出する第２温度検出部と、
   前記低圧側圧縮機と前記高圧側圧縮機との間の管路上に設けられ、前記インジェクション管路を流れる冷媒が合流した後の冷媒の温度を検出する第３温度検出部とを備え、
   前記制御部は、前記第２温度検出部で検出された冷媒温度と、前記第３温度検出部で検出された冷媒温度との差に基づいて、前記第２減圧装置における冷媒の減圧比を制御する、ヒートポンプ式加熱装置。
4. 冷媒と被加熱流体との間で熱交換を行なう第１熱交換器と、
   冷媒と室外空気との間で熱交換を行なう第２熱交換器と、
   前記第２熱交換器から送られた冷媒を圧縮する低圧側圧縮機と、
   前記低圧側圧縮機から送られた冷媒を圧縮する高圧側圧縮機と、
   前記第１熱交換器から送られた冷媒を減圧する第１減圧装置と、
   前記第１減圧装置から送られた冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器と、
   前記気液分離器の液相側に接続され、前記気液分離器から送られた冷媒を減圧する第２減圧装置と、
   前記気液分離器の気相側に接続され、前記気液分離器から送られた冷媒を、前記低圧側圧縮機と前記高圧側圧縮機との間の管路上に導くインジェクション管路と、
   前記インジェクション管路を流れる冷媒が気液二相状態となるように、前記第２減圧装置における冷媒の減圧比を制御する制御部と、
   前記低圧側圧縮機と前記高圧側圧縮機との間の管路上に設けられ、前記インジェクション管路を流れる冷媒が合流した後の冷媒の温度を検出する第４温度検出部とを備え、
   前記制御部は、前記第４温度検出部で検出された冷媒温度の時間履歴に基づいて、前記第２減圧装置における冷媒の減圧比を制御する、ヒートポンプ式加熱装置。
5. 前記制御部は、さらに、前記インジェクション管路を流れる気液二相状態の冷媒に占める液相の割合が所定値以上とならないように、前記第２減圧装置における冷媒の減圧比を制御する、請求項１から４のいずれか１項に記載のヒートポンプ式加熱装置。
6. 前記低圧側圧縮機と前記高圧側圧縮機との間の管路であって、前記インジェクション管路を流れる冷媒が合流した後の冷媒が流れる管路上に設けられ、液冷媒を貯留するバッファ部をさらに備える、請求項１から５のいずれか１項に記載のヒートポンプ式加熱装置。

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