JP7025086B1 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

冷媒循環回路の高圧空間で冷媒を回収又は放出するバッファタンク内の温度を効率よく調整することが可能なヒートポンプ装置を提供する本技術は、例えば、圧縮機と、ガスクーラと、冷媒熱交換器と、冷媒膨張弁と、蒸発器とが冷媒循環回路を構成するように接続されたヒートポンプ装置であって、一端が冷媒膨張弁の高圧側に接続され、冷媒を貯蔵可能に配置されたバッファタンクと、一端が圧縮機の高圧側に接続され、他端が蒸発器の低圧側に接続され、バッファタンクと熱交換可能に配置された第１の冷媒配管とを含み、第１の冷媒配管が、圧縮機の高圧側とバッファタンクとの間に、第１の冷媒配管の開閉を制御可能に配置された第１の制御弁と、バッファタンクと前記蒸発器の低圧側との間に、冷媒の流量を制御可能に配置された第１の流量調整器とを含む、ヒートポンプ装置を含む。

Description

本技術は、ヒートポンプ装置に関する。

ヒートポンプ装置、例えば二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプ給湯機は、気温、水温及び給湯要求などの運転状況が変動しやすい環境で運転することが多い。このため、冷媒循環回路における高圧空間及び低圧空間の圧力が変動しやすく、正常運転を維持するために冷媒循環回路で循環する冷媒の量を速やかに適正に調整することが求められている。

特許第３６０２１１６号公報 中国実案第２０９２１４１１３号公報

日本特許第３６０２１１６号に開示されたヒートポンプ給湯機は、バッファタンクに付設したヒータを予め設定した最低気温及び最高気温で動作させることによりバッファタンクを加熱して、バッファタンク内の冷媒を放出するように構成されている。

中国実案第２０９２１４１１３号に開示されたヒートポンプ給湯機は、加熱手段だけではなく、冷却手段も備えた冷媒量調整機構によってバッファタンク内の冷媒を昇温又は降温させるように構成されている。

図５には、ヒートポンプ装置、例えばヒートポンプ給湯機における冷媒量調整機構の基本構成を示している。図５に示すように、冷媒量調整機構は、バッファタンク２１と、加熱部２２１と、冷却部２２２とを備えている。バッファタンク２１は、二酸化炭素冷媒を貯蔵するための容器本体２１１を有し、当該容器本体２１１の内部が冷媒分流配管Ｔｂ２を介して高圧側冷媒配管Ｔｈと連通するようになっている。冷媒加熱回路２２１は、加熱冷媒配管Ｔ１ｓと、第１制御弁２２１ａと、冷媒分流配管Ｔｂ３とを備えている。加熱冷媒配管Ｔ１ｓは、一端が第１制御弁２２１ａを介して冷媒分流配管Ｔｂ３によって圧縮機１１の高圧側Ｈｓの高圧冷媒配管Ｔｈに接続され、他端が冷媒分流配管Ｔｂ３によって冷媒膨張弁１４の低圧側Ｌｂの低圧冷却配管Ｔｌに接続されている。第１制御弁２２１ａが開いている場合のみ、圧縮機１１の高圧側Ｈｓからの高温の冷媒は、加熱冷媒配管Ｔ１ｓを介して容器本体２１１と熱交換し、そして冷媒膨張弁１４の低圧側Ｌｂへ流れるようになっている。一方、冷媒冷却回路２２２は、冷却冷媒配管Ｔ２ｓと、第２制御弁２２２ａと、冷媒分流配管Ｔｂ４とを備えている。冷却冷媒配管Ｔ２ｓは、一端が第２制御弁２２２ａを介して冷媒分流配管Ｔｂ４によって冷媒膨張弁１４の低圧側Ｌｂの低圧冷媒配管Ｔｌに接続され、他端が冷媒分流配管Ｔｂ４を介して蒸発器１５の下流側の低圧冷媒配管Ｔｌに接続されている。第２制御弁２２２ａが開いている場合のみ、冷媒膨張弁１４の低圧側Ｌｂからの低温冷媒は、冷却冷媒配管Ｔ２ｓを介して容器本体２１１と熱交換し、そして蒸発器１５の下流側に流れるようになっている。

しかしながら、図５に示す冷媒量調整機構において、圧縮機１１の高圧側Ｈｓから導入した高温の冷媒が第１制御弁２２１を経由して吐出した時に圧力が大幅に下がるため、加熱冷媒配管Ｔ１ｓを流れる冷媒の温度が大幅に下がってしまう。そのため、短時間で容器本体２１１内の温度を上昇させることが難しい。また、蒸発器１５の下流側から第２制御弁を経由して冷却冷媒配管Ｔ２ｓに流れる低温の冷媒は、容器本体２１１と熱交換した後そのまま冷媒熱交換器１３の上流側へ流れるため、冷却冷媒配管Ｔ２ｓ全体的に圧力差が小さく、冷媒の流量が不安定になり易い。そのため、短時間でバッファタンク内の温度を下げることが難しい。さらに、加熱冷媒配管Ｔ１ｓの下流側の冷媒分流配管Ｔｂ３が膨張弁１４の冷媒出口と蒸発器１５の冷媒入口との間に接続されているが、この空間は、冷媒液と飽和冷媒ガスとが混合の状態で存在し、冷媒が蒸発器１５に流れ込み空気と熱交換し冷却される空間であり、加熱冷媒配管Ｔ１ｓから排出される温度の高い（例えば５０℃）過熱ガスが入り込むと、冷媒の冷却に悪影響を与えることになる。

冷媒の温度の調整範囲がより広く、調整精度がより高く、加熱・冷却制御の応答がより速いバッファタンクを有するヒートポンプ装置が望まれる。

バッファタンクが冷媒を速やかに適正に放出又は回収するヒートポンプ装置が望まれる。

冷媒循環回路の高圧空間で冷媒を回収又は放出するバッファタンク内の温度を効率よく調整することが可能なヒートポンプが望まれる。

また、ヒートポンプ給湯器において、従来、季節による気温の変化に追従し、最適な効率で運転するには、バッファタンク内に存在する冷媒の加熱と冷却によって、最適量を調整すれば良いだけであった。つまり、季節や一日の時間的な気温変動など、高々時間単位の変化に追従すれば十分であった。ところが、近年、貯湯運転（水道水を加熱し65～90℃で貯湯タンクにお湯をためる）だけでなく、床暖房などのための蓄熱タンク（タンク内全体が均一に近く、設定温度は45～55℃に設定されることが多い）の温水を加熱する循環・蓄熱運転も頻繁に行われるようになった。

このような場合、１つのシステム内に貯湯タンク及び蓄熱タンクという２種類のタンクが付属し、貯湯運転から蓄熱運転、又は貯湯運転から蓄熱運転に切り替える際に、それぞれのタンクを切替えてヒートポンプ装置を運転する必要がある。その場合、貯湯運転（例えば20℃水道水を90℃に水熱交換器で加熱）で必要な高圧側冷媒量と、循環・加熱運転（例えば55→60℃）でヒートポンプ加熱する場合に必要な冷媒量では、約30%冷媒量を減らす必要がある。このためには、バッファタンクの温度を30℃程度下げ、冷媒を吸収する必要がある。瞬時の運転切替に対応できるよう、極力短時間でバッファタンクの温度を調整できることが望まれる。

仮にバッファ温度の低下が遅れた場合、吸収できなかった冷媒は、一旦アキュムレータに吐き出され蓄積されるところ、アキュムレータの蓄積量を超えた冷媒がさらに圧縮機まで流れ込み、冷媒液圧縮と呼ばれる運転状態となることを避ける必要がある。そのために、バッファタンクの冷却（例えばバッファ表面30℃→10℃以下への制御）を、秒又は分単位で行うことが望まれる。

本技術は、例えば、圧縮機と、ガスクーラと、冷媒熱交換器と、冷媒膨張弁と、蒸発器とが冷媒循環回路を構成するように接続されたヒートポンプ装置であって、一端が冷媒膨張弁の高圧側に接続され、冷媒を貯蔵可能に配置されたバッファタンクと、一端が圧縮機の高圧側に接続され、他端が蒸発器の下流側に接続され、バッファタンクと熱交換可能に配置された第１の冷媒配管とを含み、第１の冷媒配管が、圧縮機の高圧側とバッファタンクとの間に、第１の冷媒配管の開閉を制御可能に配置された第１の制御弁と、バッファタンクと前記蒸発器の下流側との間に、冷媒の流量を制御可能に配置された第１の流量調整器とを含む、ヒートポンプ装置を含む。

本技術によれば、例えば、高圧空間で冷媒を回収又は放出するバッファタンク内の温度を短時間で広い範囲で調整することができるため、冷媒循環回路で循環する冷媒の量を迅速かつ適正に調整することが可能である。つまり、加熱部において、冷媒は、第１制御弁を介して圧縮機の高圧側から導入され、第１抵抗部を介して蒸発器の下流側へ排出されるようになっているため、冷媒排出側の圧力が低くなって、加熱部全体の圧力が高くなる。そのため、高温の冷媒をより安定的に導入することができる。同時に、加熱冷媒配管の下流側に第１抵抗部が接続されていることにより、加熱冷媒配管の上流側の圧力が上昇するので、第１制御弁から吐出する冷媒の圧力の低下が抑制され、そして、加熱冷媒配管を流れる冷媒の温度の降下が抑制される。そのため、バッファタンク内の温度を速やかに上昇させることが可能である。一方、冷却部において、冷媒は、第２制御弁を介して冷媒膨張弁の高圧側から導入され、蒸発器の下流側へ排出されるようになっているため、冷媒導入側（上流側ともいう）の圧力が高くなって、冷却部全体の圧力差が大きくなるので、低温の冷媒をより効率的に導入することができ、同時に、第２抵抗部を流れることにより温度が下がった後の冷媒が冷却冷媒配管に流れるため、バッファタンク内の冷媒を速やかに冷却することが可能である。

本技術は、例えば、圧縮機の高圧側と、ガスクーラと、冷媒熱交換器の高圧部と、冷媒膨張弁の高圧側とは、冷媒循環経路の一部となる高圧冷媒配管を介して順次に接続されて冷媒循環回路の高圧空間を構成し、冷媒膨張弁の低圧側と、蒸発器と、冷媒熱交換器の低圧部と、圧縮機の低圧側とは、冷媒循環経路の一部となる低圧冷媒配管を介して順次に接続されて冷媒循環回路の低圧空間を構成し、蒸発器の排出側から圧縮機の導入側までの区間内にアキュムレータが接続され、圧縮機の高圧側と冷媒膨張弁の低圧側との間に冷媒分流回路が設けられ、バッファタンクは、高圧冷媒配管から分岐した冷媒分流配管に接続され、制御部は、圧縮機に導入される冷媒の過熱度を含む運転情報に基づいて第１制御弁、第２制御弁の開閉を制御してもよい。

上記構造によれば、例えば、高圧空間の占める割合が小さく、より安全かつ効率の高い循環回路を構成することができるとともに、年間を通じて気温に応じて循環回路で循環する冷媒量をより迅速かつ正確に調整することができる。また、圧縮機に導入される冷媒の過熱度を含む運転情報に基づいて温度調整部を制御する制御部を備えているため、運転状況に応じて冷媒循環回路の高圧空間で循環する冷媒の量を迅速かつ適正に調整することができる。その結果、冷媒循環回路における高圧空間の圧力や低圧空間側の過熱度が適正に維持されるため、ヒートポンプ装置の安全性、安定性及び運転効率を向上させることができる。

また、上記ヒートポンプ装置において、例えば、加熱冷媒配管及び冷却冷媒配管は、それぞれ、バッファタンクの外壁上又は容器内部に配置されてもよい。当該構造によれば、例えば、簡単な構造でバッファタンク内の温度を容易に調整することができる。

また、上記ヒートポンプ装置において、例えば、第１抵抗部は、キャピラリーチューブであってもよい。当該構成によれば、バッファタンクと熱交換後の冷媒の流通路を狭くすることができる。

また、上記ヒートポンプ装置において、例えば、前記第２抵抗部は、キャピラリーチューブであってもよい。当該構成によれば、冷却冷媒配管に導入される前の冷媒の流通路を狭くすることができる。

本技術の実施例によるヒートポンプ装置の基本構造を示す構成図である。 図１のヒートポンプ装置におけるバッファタンクの温度を調整する温度調整部を示す構成図である。 図２の温度調整部を制御する制御部の動作を示すブロック図である。 図３の制御部で行われる制御を説明するためのフローチャートである。 ヒートポンプ装置の基本構造を示す構成図である。

図１は、本技術の一実施例によるヒートポンプ装置の基本構造を示す構成図である。図１に示すように、本実施例のヒートポンプ装置１は、圧縮機１０と、ガスクーラ２０と、冷媒熱交換器３０と、冷媒膨張弁４０と、蒸発器５０とを備えており、これらの圧縮機１０、ガスクーラ２０、冷媒熱交換器３０、冷媒膨張弁４０及び蒸発器５０は、順次に接続されて冷媒循環回路を構成している。当該冷媒循環回路には、二酸化炭素である冷媒が充填されている。冷媒は、フロン又は代替フロンであってもよく、メタン、プロパン等の自然冷媒であってもよい。また、ヒートポンプ装置１は、給湯器、空気調和機、冷房機、暖房機、又は冷凍機であってもよい。本実施例においては、便宜上、給湯器の例について説明する。

具体的には、圧縮機１０の高圧側Ｈｓと、ガスクーラ２０と、冷媒熱交換器３０の高圧部Ｈｔと、冷媒膨張弁４０の高圧側Ｈｂとは、冷媒循環経路の一部となる高圧冷媒配管Ｔｈ（図１に太線で示す）を介して順次に接続されて冷媒循環回路の高圧空間（高圧回路、高圧配管系統ともいう。以下同じ）を構成し、冷媒膨張弁４０の低圧側Ｌｂと、蒸発器５０と、冷媒熱交換器３０の低圧部Ｌｔと、圧縮機１０の低圧側Ｌｓとは、冷媒循環経路の一部となる低圧冷媒配管Ｔｌ（図１破線で示す）を介して順次に接続されて冷媒循環回路の低圧空間（低圧回路、低圧配管系統ともいう。以下同じ）を構成する。圧縮機１０は、低圧側Ｌｓから導入したガス状態の冷媒を圧縮して高圧高温の冷媒を高圧側Ｈｓから排出する。

ガスクーラ２０は、二重管方式の向流型熱交換器であり、水ポンプ２１などによって供給された水を、高圧冷媒配管Ｔｈからの高圧高温の冷媒と熱交換させることにより加熱し、昇温され出湯する。

冷媒熱交換器３０は、ガスクーラ２０で水と熱交換した後の冷媒を低圧空間の冷媒と熱交換させるためのものであり、その高圧部Ｈｔが高圧冷媒配管Ｔｈに接続され、その低圧部Ｌｔが低圧冷媒配管Ｔｌに接続される。なお、冷媒熱交換器３０の高圧部Ｈｔの下流側に、フィルタの役割を果たすストレーナ３２が設けられている。
冷媒膨張弁４０は、高圧側Ｈｂから導入した高圧中低温の冷媒を膨張させて、圧力が低下した冷媒を低圧側Ｌｂから排出させる。

蒸発器５０は、例えば、日本イトミック社熱源機ＣＨＰ-８０Ｙ２のような、送風機５１付の空気熱交換器であり、送風機５１によって導入された外気と冷媒膨張弁４０からの冷媒との熱交換を行わせることにより冷媒を蒸発させて排出するように構成されている。蒸発器５０の排出側は、低圧冷媒配管Ｔｌを介して冷媒熱交換器３０の低圧部Ｌｔと接続しており、蒸発器５０から排出された冷媒は、冷媒熱交換器３０の高圧部Ｈｔに流れる冷媒と熱交換して、さらに蒸発されるようになっている。

また、冷媒熱交換器３０の低圧部Ｌｔの下流側と圧縮機１０の低圧側Ｌｓとの間に、低圧冷媒配管Ｔｌを介してアキュムレータ３１が接続されている。このアキュムレータ３１は、蒸発器５０からの冷媒が十分に蒸発されておらず、冷媒熱交換器３０で加熱されても十分に乾燥できない場合に、液体として圧縮機１０に吸い込まれるのを防ぐために設けられた保護装置である。

また、圧縮機１０の高圧側Ｈｓと冷媒膨張弁４０の低圧側Ｌｂとの間に、冷媒分流制御弁４２及び流量調整器４１が設けられている。流量調整器４１はキャピラリーチューブであってよい。当該冷媒分流制御弁４２及び流量調整器４１は、冷媒分流配管Ｔｂ１とともに冷媒分流回路を構成しており、この冷媒分流回路を介して、高圧空間の冷媒が低圧空間に分流される。この冷媒分流回路は、除霜回路として、蒸発器５０に霜が付着した場合のみ冷媒分流制御弁４２が開き、高圧空間からの高温冷媒を蒸発器５０に送って霜を融かすようになっている。

上述したヒートポンプ装置１の冷媒循環回路は、閉ループになっているため、充填される冷媒の量が一定で変わることがない。しかしながら、気温によって、蒸発器５０での空気熱交換器の蒸発温度が変わるため、低圧空間の冷媒量の密度が気温に応じて変化する。そのため、高圧空間及び低圧空間における冷媒量の分布は、気温によって大きく変化する。高気温時（例えば夏）では、冷媒が蒸発しやすいため、低圧空間で循環する冷媒の密度が上昇する。つまり、低圧空間の冷媒量が増加し、高圧空間の冷媒量が減少する。一般に、高圧空間で循環する冷媒の量が足りなくなると、成績係数（ＣＯＰ）の低下、圧縮機の破損などが発生することが考えられる。これに対して、高気温時にも正常な運転を維持ことができるように、冷媒循環回路に多めに冷媒を充填することも考えられる。しかしながら、冷媒循環回路で循環する冷媒の量が多すぎる場合、低気温時（例えば冬）では、冷媒が蒸発し難くなるため、低圧空間で循環する冷媒の量が減少し、高圧空間で循環する冷媒の量が増加して、高圧空間の圧力が上昇する。一般に、高圧空間の圧力が必要以上に上昇すると、高圧圧力スイッチが動作して運転停止したり、成績係数（ＣＯＰ）が低下したりすることが考えられる。したがって、気温に応じて、冷媒循環回路、特に高圧空間で循環する冷媒の量を適切に調整する必要がある。

それに対して、本実施例では、冷媒膨張弁４０の高圧側Ｈｂにおいて、冷媒循環経路で循環する冷媒の量を調整するためのバッファタンク９０が設置されている。当該バッファタンク９０は、二酸化炭素冷媒を貯蔵するための容器であって、外壁の全体が断熱材で覆われており、内部の冷媒が外気と熱交換し難くなっている。バッファタンク９０の内部は、高圧冷媒配管Ｔｈから分岐した冷媒分流配管Ｔｂ２に接続され、当該冷媒分流配管Ｔｂ２を介して高圧側冷媒配管Ｔｈと連通するようになっている。したがって、バッファタンク９０は、冷媒分流配管Ｔｂ２を介して、高圧冷媒配管Ｔｈからの冷媒を回収し、又は冷媒を高圧冷媒配管Ｔｈへ放出することが可能になっている。また、高圧冷媒配管Ｔｈから分岐した冷媒分流配管Ｔｂ２には制御弁や制御手段はなく、冷媒が出入り自由となるようにしてもよい。この場合、バッファタンクの制御は表面温度のみで簡単となる利点がある。

バッファタンク９０によって冷媒を回収又は放出するために、当該バッファタンク９０内の温度を調整する温度調整部１００（図３参照）と、運転状況に応じて温度調整部１００を制御する制御部１２０（図３参照）とが設置されている。図２は、バッファタンク９０内の温度を調整する温度調整部１００の構成を示す構成図である。図２及び図３に示すように、温度調整部１００は、バッファタンク９０内の温度を上昇させる加熱部１０１と、バッファタンク９０内の温度を降下させる冷却部１０２とを備えている。

加熱部１０１は、バッファタンク９０内の温度を加熱するための加熱冷媒配管Ｔ１ｓと、加熱冷媒配管Ｔ１ｓの上流端に接続されて加熱冷媒配管Ｔ１ｓの開閉を制御する第１制御弁１０１ｖと、加熱冷媒配管Ｔ１ｓの下流端に接続された第１抵抗部１０１ｒとを備えている。

加熱冷媒配管Ｔ１ｓは、断熱材とバッファタンク９０の外壁との間でコイル状にバッファタンク９０を巻き付くように配置されて、バッファタンク９０の外壁と熱交換することにより、バッファタンク９０内の温度を上昇させる。この加熱冷媒配管Ｔ１ｓは、上流端が第１制御弁１０１ｖを介して、冷媒分流配管Ｔｂ１から分岐した冷媒分流配管Ｔ１ｈに接続されて圧縮機１０の高圧側Ｈｓから高温の冷媒を導入し、下流端が第１抵抗部１０１ｒを介して、蒸発器５０の下流側の低圧冷却配管Ｔｌから分岐した冷媒分流配管Ｔ１ｌに接続されて、バッファタンク９０と熱交換した後の冷媒を蒸発器５０の下流側へ排出するようになっている。

第１抵抗部１０１ｒは、冷媒の流量を制限可能な流量調整器であってよく、冷媒の流通路が狭くなったキャピラリーチューブであってよい。この第１抵抗部１０１ｒが加熱冷媒配管Ｔ１ｓの下流端に接続されているため、加熱冷媒配管Ｔ１ｓの上流端の圧力が高くなる。そのため、第１制御弁１０１ｖから吐出する冷媒の圧力が低下して加熱冷媒配管Ｔ１ｓを流れる冷媒の温度が大幅に下がることを避けることができる。

冷却部１０２は、バッファタンク９０内の温度を降下させるための冷却冷媒配管Ｔ２ｓと、冷却冷媒配管Ｔ２ｓの開閉を制御する第２制御弁１０２ｖと、冷却冷媒配管Ｔ２ｓの上流端に接続された第２抵抗部１０２ｒとを備えている。

冷却冷媒配管Ｔ２ｓは、断熱材とバッファタンク９０外壁との間でコイル状にバッファタンク９０を巻き付くように配置されて、バッファタンク９０の外壁と熱交換することによりバッファタンク９０内の温度を降下させる。この冷却冷媒配管Ｔ２ｓは、上流端が第２抵抗部１０２ｒを介して第２制御弁１０２ｖに接続され、さらに第２制御弁１０２ｖを介して、冷媒膨張弁４０の高圧側Ｈｂの高圧冷媒配管Ｔｈから分岐した冷媒分流配管Ｔ２ｈに接続されて冷媒を導入し、下流端が蒸発器５０の下流側の低圧冷却配管Ｔｌに接続されて、バッファタンク９０と熱交換した後の冷媒を蒸発器５０の下流側へ排出するようになっている。

第２抵抗部１０２ｒは、冷媒の流量を制限可能な流量調整器であってよく、冷媒の流通路が狭くなったキャピラリーチューブであってよい。この第２抵抗部１０２ｒが加熱冷媒配管Ｔ２ｓの上流端に接続されているため、冷媒膨張弁４０の高圧側Ｈｂの高圧冷媒配管Ｔｈからの冷媒が、まず第２抵抗部１０２ｒを流れて温度が下がってから冷却冷媒配管Ｔ２ｓに流れるため、冷却効果が高くなる。

図３は、上述した温度調整部１００を制御する制御部１２０の動作を示すブロック図である。図３に示すように、制御部１２０は、加熱部１０１（第１制御弁１０１ｖ）及び冷却部１０２（第２制御弁１０２ｖ）とそれぞれ接続されている。制御部１２０は、運転状況を反映することができる状態変数に基づいて高圧空間で循環する冷媒の量が不足であるか否かを判断し、冷媒の量が不足であると判断した場合、加熱部１０１を運転させる（第１制御弁１０１ｖを開く）ことによりバッファタンク９０を加熱して、冷媒をバッファタンク９０から冷媒膨張弁４０の高圧側Ｈｂへ排出させ、一方、冷媒の量が過剰であると判断した場合、冷却部１０２を運転させる（第２制御弁１０２ｖを開く）ことによりバッファタンク９０を冷却して、冷媒膨張弁４０の高圧側Ｈｂから冷媒をバッファタンク９０内に回収するように制御を行う。

ここでは、第１制御弁１０１ｖは、電磁弁であってよく、制御部１２０からの制御信号に基づいて開閉するようになっている。第１制御弁１０１ｖが開いている場合、圧縮機１０の高圧側Ｈｓからの高温の冷媒は、加熱冷媒配管Ｔ１ｓに導入されてバッファタンク９０と熱交換してから蒸発器５０の下流側へ排出されるようになっている。第１制御弁１０１ｖが閉じている場合、圧縮機１０の高圧側Ｈｓの冷媒が遮断されるようになっている。

同様に、第２制御弁１０２ｖは、電磁弁であってよく、制御部１２０からの制御信号に基づいて開閉するようになっている。第２制御弁１０２ｖが開いている場合、冷媒膨張弁４０の高圧側Ｈｂからの冷媒は、第２抵抗１０２ｒを経由して、圧力及び温度が下がってから冷却冷媒配管Ｔ２ｓに流れ、バッファタンク９０と熱交換してから蒸発器５０の下流側へ排出されるようになっている。第２制御弁１０２ｖが閉じている場合、冷媒膨張弁４０の高圧側Ｈｂの冷媒が遮断されるようになっている。

本実施例において、加熱部１０１と冷却部１０２を制御する制御部１２０は、蒸発器５０での空気熱交換器の蒸発温度ｔｊと、圧縮機１０の導入側の冷媒導入温度ｔｉとに基づいて、圧縮機１０に導入される冷媒の過熱度ＳＨを計算し、算出した過熱度ＳＨにより、高圧空間で循環する冷媒の量が適正か否かを判断する。

具体的には、過熱度ＳＨが、圧縮機１０の導入側の冷媒導入温度ｔｉと空気熱交換器の蒸発温度ｔｊとの差で計算され、即ち、ＳＨ＝ｔｉ－ｔｊである。過熱度ＳＨが目標範囲（ＳＨｌ～ＳＨｈ、例えば、５～１５ｄｅｇ℃）以内であれば、冷媒循環回路で循環している冷媒の量が適正と判断される。気温が低くなると、過熱度ＳＨが下がり、過熱度ＳＨが下限値ＳＨｌ以下になった場合、蒸発器で冷媒が十分に乾燥しておらず、高圧空間で循環している冷媒量が過剰になっていることを示す。このような状況が続くと、一般に、運転効率の低下、圧縮機の破損、劣化などが発生するおそれがある。逆に、気温が高くなると、過熱度ＳＨが上昇し、過熱度ＳＨが上限値ＳＨｈ以上になった場合、低圧空間の冷媒の温度が高すぎ、循環している冷媒が不足していることを示す。このような状況が続くと、一般に、成績係数（ＣＯＰ）の低下が発生することが考えられる。したがって、過熱度ＳＨが気温などの運転状況を反映する状態変数の１つである。この原理に基づいて、制御部１２０は、圧縮機１０に導入される冷媒の過熱度ＳＨを運転状況が反映される情報として利用することにより、温度調整部１００を制御する。

図４は、制御部１２０が行う制御を説明するフローチャートである。図４に示すように、制御部１２０は、例えば温度センサなどを介して、蒸発器５０の空気熱交換器の蒸発温度ｔｊ及び圧縮機１０の導入側の冷媒導入温度ｔｉを取得して（ステップＳ１）、圧縮機１０に導入される冷媒の過熱度ＳＨ（ＳＨ＝ｔｉ－ｔｊ）を計算し（ステップＳ２）、算出した過熱度ＳＨが正常範囲の下限値ＳＨｌより小さいか否かを判断し（ステップＳ３）、過熱度ＳＨが下限値ＳＨｌより小さい（ＳＨ＜ＳＨｌである）場合（Ｙ）、冷却信号Ｉｃを第制御弁１０２ｖへ出力して（Ｓ４）、ステップＳ１に戻り、逆に、過熱度ＳＨが正常範囲の下限値ＳＨｌより小さくない（ＳＨ＜ＳＨｌではない）場合（Ｎ）、過熱度ＳＨが正常範囲の上限値ＳＨｈより大きいか否かを判断し（ステップＳ５）、過熱度ＳＨが上限値ＳＨｈより大きい（ＳＨ＞ＳＨｈである）場合（Ｙ）、加熱信号Ｉｈを第１制御弁１０１ｖへ出力して（ステップＳ６）、ステップＳ１に戻り、逆に、過熱度ＳＨが正常範囲の上限値ＳＨｈより大きくない（ＳＨ＞ＳＨｈではない）場合（Ｎ）、ステップＳ１に戻る操作を繰り返して行う。

加熱部１０１において、第１制御弁１０１ｖが、制御部１２０から制御信号Ｉｈを受信している間に、ずっと開放状態を維持し、加熱冷媒配管Ｔ１ｓに圧縮機１０の高圧側Ｈｓの高圧冷媒配管Ｔｈから高温の冷媒が流れ込んでバッファタンク９０を加熱し、そして、制御部１２０からの制御信号Ｉｈが中断されると、第１制御弁１０１ｖが閉じるようになり、圧縮機１０の高圧側Ｈｓの高温冷媒が遮断されてバッファタンク９０の加熱が中止するようになっている。

バッファタンク９０は、加熱冷媒配管Ｔ１ｓによって加熱されると、内部の温度が高くなるにつれて圧力が上昇するため、冷媒が冷媒分流配管Ｔｂ２を介して高圧冷媒配管Ｔｈに放出される。

冷却部１０２において、第２制御弁１０２ｖが制御部１２０から制御信号Ｉｃを受信している間に、ずっと開放状態を維持し、冷媒膨張弁４０の高圧側Ｈｂの高圧冷媒配管Ｔｈからの冷媒が第２抵抗１０２ｒを経由して低温になってから冷却冷媒配管Ｔ２ｓに流れ込んでバッファタンク９０を冷却し、そして、制御部１２０からの制御信号Ｉｃが中断されると、第２制御弁１０２ｖが閉じるようになり、冷媒膨張弁４０の高圧側Ｈｂからの冷媒が遮断されることによりバッファタンク９０の冷却が中止するようになっている。

バッファタンク９０は、冷却冷媒配管Ｔ２ｓによって冷却されると、内部の温度が低くなるにつれて圧力が下がるため、冷媒膨張弁４０の高圧側Ｈｂの高圧冷媒配管Ｔｈから冷媒を吸い込むようになっている。

このように、バッファタンク９０は、運転状況に応じて、高圧空間において、冷媒循環経路に冷媒を放出したり、冷媒循環経路から冷媒を回収したりすることによって、冷媒循環回路、特に高圧空間で循環する冷媒の量を適正に保つようになっている。

本実施例において、上述したように、加熱部１０１は、第１制御弁１０１ｖを介して圧縮機１０の高圧側Ｈｓから高温の冷媒を導入し、熱交換後の冷媒を蒸発器５０の下流側へ排出するようになっているため、加熱部１０１の冷媒導入側と冷媒排出側との圧力差が大きくなるため、高温の冷媒をより効率的に導入することができる。さらに、加熱冷媒配管Ｔ１ｓの下流側に冷媒の流通路が狭くなった第１抵抗部１０１ｒが接続されているため、加熱冷媒配管Ｔ１ｓの上流端の圧力が高くなり、第１制御弁１０１ｖから吐出する冷媒の圧力の低下が抑制されて、加熱冷媒配管Ｔ１ｓに流れる冷媒の温度が大幅に下がることを避けることができる。その結果、バッファタンク９０を短時間で所定の温度まで加熱することが可能である。一方、冷却部１０２は、第２制御弁１０２ｖを介して冷媒を冷媒膨張弁４０の高圧側Ｈｂから導入し、熱交換後の冷媒を蒸発器５０の下流側へ排出するようになっているため、冷却部１０２の冷媒導入側と冷媒排出側との圧力差が大きくなるため、低温の冷媒をより効率的に導入することができる。しかも、冷却冷媒配管Ｔ２ｓの上流端に冷媒の流通路が狭くなった第２抵抗部が接続されているので、冷媒はまず第２抵抗部を流れて温度が下がってから冷却冷媒配管Ｔ２ｓに流れる。したがって、低温の冷媒を冷却冷媒配管Ｔ２ｓに導入することができる。そのため、バッファタンク９０を短時間で所定の温度まで冷却することが可能である。

したがって、本実施例のヒートポンプ装置１によれば、運転状況に応じて、高圧空間で冷媒を回収又は放出するバッファタンク９０を短時間で昇温又は降温することができるため、冷媒循環回路で循環する冷媒の量を迅速かつ正確に調整することが可能である。その結果、ヒートポンプ装置１の運転安定性、安全性及び運転効率を向上させることができる。

本技術は、上述した実施例には限定されず、適宜変更が可能である。

例えば、上述した実施例では、制御部１２０は、圧縮機１０に導入される冷媒の過熱度ＳＨを、運転状況を反映する情報とし、当該過熱度ＳＨに基づいて温度調整部１００を制御しているが、本技術はこれに限定されず、制御部１２０は、運転状況を反映することができる他の情報（例えば、冷媒の温度、圧力など）に基づいて温度調整部１００を制御することもできる。

また、上述した実施例において、加熱冷媒配管Ｔ１ｓ及び冷却冷媒配管Ｔ２ｓをそれぞれ、バッファタンク９０の外壁を覆う断熱材とバッファタンク９０の外壁との間に配置しているが、これに限らず、加熱冷媒配管Ｔ１ｓ及び／又は冷却冷媒配管Ｔ２ｓをバッファタンク９０の内部に配置してもよい。

本発明は、その主旨又は主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

本技術は、例えば、冷媒循環回路の高圧空間で冷媒を回収又は放出するバッファタンク内の温度を効率よく調整することが可能なヒートポンプ装置を提供する。

１ ヒートポンプ装置
１０ 圧縮機
２０ ガスクーラ
３０ 冷媒熱交換器
４０ 冷媒膨張弁
５０ 蒸発器

Claims (20)

1. 圧縮機と、ガスクーラと、冷媒熱交換器と、冷媒膨張弁と、蒸発器とが冷媒循環回路を構成するように接続されたヒートポンプ装置であって、
   一端が前記冷媒膨張弁の高圧側に接続され、冷媒を貯蔵可能に配置されたバッファタンクと、
   一端が前記圧縮機の高圧側に接続され、他端が前記蒸発器の下流側に接続され、前記バッファタンクと熱交換可能に配置された第１の冷媒配管とを含み、
   前記第１の冷媒配管が、
   前記圧縮機の高圧側と前記バッファタンクとの間に、前記第１の冷媒配管の開閉を制御可能に配置された第１の制御弁と、
   前記バッファタンクと前記蒸発器の下流側との間に、冷媒の流量を制御可能に配置された第１の流量調整器とを含む、
   ヒートポンプ装置。
2. さらに、一端が前記冷媒膨張弁の高圧側に接続され、他端が前記蒸発器の下流側に接続され、前記バッファタンクと熱交換可能に配置された第２の冷媒配管とを含み、
   前記第２の冷媒配管が、
   前記冷媒膨張弁の高圧側と前記バッファタンクとの間に、前記第２の冷媒配管の開閉を制御可能に配置された第２の制御弁と、
   前記冷媒膨張弁の高圧側と前記バッファタンクとの間に、冷媒の流量を制御可能に配置された第２の流量調整器とを含む、
   請求項1に記載のヒートポンプ装置。
3. 前記ヒートポンプ装置が、給湯器、空気調和機、冷房機、暖房機、又は冷凍機である、
   請求項1に記載のヒートポンプ装置。
4. 前記バッファタンクが、冷媒を前記冷媒循環経路に放出し又は前記冷媒循環経路から回収するように構成された、
   請求項1に記載のヒートポンプ装置。
5. 前記第１の冷媒配管が、前記圧縮機の高圧側から冷媒を導入して前記バッファタンクを熱交換により加熱し、前記バッファタンクと熱交換した後の冷媒を前記蒸発器の下流側へ排出するように構成された、
   請求項1に記載のヒートポンプ装置。
6. 前記第２の冷媒配管が、前記冷媒膨張弁の高圧側から冷媒を導入して前記バッファタンクを熱交換により冷却し、前記バッファタンクと熱交換した後の冷媒を前記蒸発器の下流側へ排出するように構成された、
   請求項２に記載のヒートポンプ装置。
7. 前記第１の流量調整器が冷媒の流量を制限するように構成された、
   請求項1に記載のヒートポンプ装置。
8. 前記第１の流量調整器がキャピラリーチューブを含む、
   請求項７に記載のヒートポンプ装置。
9. 前記第１の冷媒配管の少なくとも一部が、前記バッファタンクの外壁上又は内部に配置された、
   請求項1に記載のヒートポンプ装置。
10. さらに、前記圧縮機に導入される冷媒の過熱度を含む運転情報に基づいて前記第１の制御弁の開閉を制御するように構成された、
    請求項1に記載のヒートポンプ装置。
11. 前記冷媒が、二酸化炭素、メタン、プロパン、フロン、代替フロンのうち少なくとも１つを含む、
    請求項1に記載のヒートポンプ装置。
12. 前記圧縮機と、前記ガスクーラと、前記冷媒熱交換器と、前記冷媒膨張弁とが、前記冷媒循環回路の高圧空間を構成するように順次接続され、
    前記冷媒膨張弁と、前記蒸発器と、前記冷媒熱交換器３０と、前記圧縮機１０とが、前記冷媒循環回路の低圧空間を構成するように順次接続された、
    請求項1に記載のヒートポンプ装置。
13. 前記ガスクーラが、熱交換器を介して供給された水を加熱するように構成された、
    請求項1に記載のヒートポンプ装置。
14. 前記冷媒熱交換器が、前記ガスクーラで熱交換した後の冷媒を前記低圧空間の冷媒と熱交換させるように構成された、
    請求項1に記載のヒートポンプ装置。
15. 前記冷媒熱交換器と前記圧縮機との間に、アキュムレータを含む、
    請求項1に記載のヒートポンプ装置。
16. 前記バッファタンクが、前記冷媒循環回路から冷媒を回収し、又は前記冷媒循環回路へ冷媒を放出するように構成された、
    請求項1に記載のヒートポンプ装置。
17. 前記第１の制御弁が電磁弁である、
    請求項1に記載のヒートポンプ装置。
18. 前記圧縮機の導入側の冷媒導入温度と前記蒸発器の蒸発温度との差が所定の値より大きい場合に前記第１の制御弁を開放するように構成された、
    請求項1に記載のヒートポンプ装置。
19. 前記圧縮機の導入側の冷媒導入温度と前記蒸発器の蒸発温度との差が所定の値より小さい場合に前記第２の制御弁を開放するように構成された、
    請求項２に記載のヒートポンプ装置。
20. 圧縮機と、ガスクーラと、冷媒熱交換器と、冷媒膨張弁と、蒸発器とが冷媒循環回路を構成するように接続され、一端が前記冷媒膨張弁の高圧側に接続され、冷媒を貯蔵可能に配置されたバッファタンクと、一端が前記圧縮機の高圧側に接続され、他端が前記蒸発器の下流側に接続され、前記バッファタンクと熱交換可能に配置された第１の冷媒配管と、一端が前記冷媒膨張弁の高圧側に接続され、他端が前記蒸発器の下流側に接続され、前記バッファタンクと熱交換可能に配置された第２の冷媒配管とを含むヒートポンプの制御方法であって、
    前記第１の冷媒配管が、前記圧縮機の高圧側と前記バッファタンクとの間に、前記第１の冷媒配管の開閉を制御可能に配置された第１の制御弁を含み、前記第２の冷媒配管が、前記冷媒膨張弁の高圧側と前記バッファタンクとの間に、前記第２の冷媒配管の開閉を制御可能に配置された第２の制御弁を含み、
    前記圧縮機の導入側の冷媒導入温度と前記蒸発器の蒸発温度との差が所定の値より小さい場合に前記第２の制御弁を開放することと、
    前記圧縮機の導入側の冷媒導入温度と前記蒸発器の蒸発温度との差が所定の値より大きい場合に前記第１の制御弁を開放することとを含む、
    ヒートポンプの制御方法。
    

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