JPH08121893A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷房運転時には圧縮機から吐出される冷媒の
量を増すことができ、暖房運転時には大きな揚程を得る
ことができ、また、低負荷運転時の効率低下を防ぐとと
もに広範囲で容量制御ができ、年間を通じて高効率で運
転することができるヒートポンプ装置を提供する。 【構成】 ２台の圧縮機１，２、熱源側熱交換器５、絞
り機構７、利用側熱交換器６、およびこれらを結ぶ冷媒
流路を備えたヒートポンプ装置において、冷房運転時に
は、上記２台の圧縮機１，２の並列運転もしくは１台の
みの運転とし、暖房運転時には、上記２台の圧縮機１，
２を直列に運転するように切り換えることのできる開閉
弁１１〜１７を備えた冷媒配管１８〜２６を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ヒートポンプ装置に係
り、複数台の圧縮機により運転されるヒートポンプ装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】まず、従来のヒートポンプ装置を図３を
参照して説明する。図３は、従来のヒートポンプ装置の
冷凍サイクル系統図である。図３に示すヒートポンプ装
置は、駆動機３１により駆動される一台の圧縮機３０、
熱源側熱交換器３３、絞り機構３４、利用側熱交換器３
２、およびこれらを結ぶ冷媒流路を備えたもので、３
７，３８，３９，４０は、冷房運転時と暖房運転時と
で、圧縮機３０から吐出されたガス冷媒が流れる冷媒流
路を、熱源側熱交換器に流れる流路と、利用側熱交換器
に流れる流路とに切り換える制御弁に係る開閉弁であ
る。

【０００３】冷房運転時には、圧縮機３０から吐出され
たガス冷媒は、図中に実線矢印で示すように、冷媒配管
４２および開閉弁４０を経て熱源側熱交換器３３に入
り、伝熱管３６を流れる冷却水を加熱することによって
凝縮液化する。この液冷媒は絞り機構３４を経て利用側
熱交換器３２に入り、伝熱管３５を流れる冷水を冷却す
ることによって蒸発気化し、その後、開閉弁３８および
冷媒配管４１を経て圧縮機３０に吸入され、上記サイク
ルを繰り返す。その間、開閉弁３７，３９は閉となって
いる。

【０００４】暖房運転時には、圧縮機３０から吐出され
たガス冷媒は、図中に破線矢印で示すように、冷媒配管
４２および開閉弁３９を経て利用側熱交換器３２に入
り、伝熱管３５を流れる温水を加熱することによって凝
縮液化する。この液冷媒は絞り機構３４を経て熱源側熱
交換器３３に入り、伝熱管３６内を流れる冷却水から吸
熱することによって蒸発気化し、その後、配管４３およ
び開閉弁３７を経て圧縮機３０に吸入され、上記サイク
ルを繰り返す。その間、開閉弁３８，４０は閉となって
いる。

【０００５】このような従来のヒートポンプでは、暖房
時に必要とされる大きな揚程を得ることができるような
圧縮機を用いている。また、２台以上の圧縮機を組み合
わせた冷凍装置およびその一方を容量制御して運転する
冷凍装置も既に知られており、複数台の圧縮機を並列に
運転することにより大きな冷房能力を得ることができ
る。

【０００６】また、例えば、特開平６−２９７３号公報
には、１つのロータに複数の羽根車を連設してなる多段
遠心圧縮機を備えたヒートポンプ装置において、冷房運
転時にはガス冷媒が羽根車群を並列に通過し、暖房運転
時には直列に通過するように冷媒通路を切り換えること
のできるヒートポンプ装置が開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記図３に示す従来の
ヒートポンプ装置において、冷房運転時に圧縮機３０に
必要とされる揚程は暖房運転時に比べて小さいにも拘ら
ず、同じ圧縮機３０が運転されるため、冷房運転時に圧
縮機３０の効率が低下するという問題があった。そこ
で、暖房運転時に必要とされる揚程を得ることができる
暖房用圧縮機と、冷房用圧縮機の両方を備えたヒートポ
ンプ装置が提案されたが、これは装置が大型かつ複雑に
なるため、設備費が高くなり、なおかつ、冷房時には暖
房用圧縮機が、暖房時には冷房用圧縮機が使用されない
という問題があった。

【０００８】これに対処するため、特開平６−２９７３
号公報記載のように、複数の羽根車を連設して設け、冷
房時にはガス冷媒が羽根車群を並列に通過し、暖房時に
は直列に通過するように冷媒通路を切り換えることので
きるヒートポンプ装置が提案されたが、冷房運転中に低
負荷運転となった場合、並列運転されている羽根車が一
軸のため効率が悪いという問題があり、なおかつ、回転
数制御を電動機で行う場合、インバータの容量が大きく
なり、高価となるという問題があった。

【０００９】本発明は、上記従来技術の問題点を解決す
るためになされたもので、冷房運転時には圧縮機から吐
出される冷媒の量を増すことができ、暖房運転時には大
きな揚程を得ることができ、年間を通じて高効率で運転
することができるヒートポンプ装置を提供することを第
一の目的とする。また、本発明の第二の目的は、低負荷
運転時の効率低下を防ぐとともに広範囲で容量制御がで
きるヒートポンプ装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記第一の目的を達成す
るために、本発明のヒートポンプ装置に係る第一の発明
の構成は、複数台の圧縮機、熱源側熱交換器、絞り機
構、利用側熱交換器、およびこれらを結ぶ冷媒流路を備
えたヒートポンプ装置において、冷房運転時には、上記
複数台の圧縮機の並列運転もしくは１台のみの運転と
し、暖房運転時には、上記複数台の圧縮機を直列に運転
するように切り換えることのできる冷媒流路を構成した
ものである。

【００１１】より詳しくは、冷房運転時と暖房運転時と
で、圧縮機より吐出されたガス冷媒が流れる冷媒流路
を、熱源側熱交換器に流れる流路と、利用側熱交換器に
流れる流路とに切り換えうるように制御弁を設けたもの
である。

【００１２】また、上記第一の目的を達成するために、
本発明のヒートポンプ装置に係る第二の発明の構成は、
複数台の圧縮機、凝縮器、絞り機構、蒸発器、およびこ
れらを結ぶ冷媒流路を備えたヒートポンプ装置におい
て、冷房運転時には、上記複数台の圧縮機の並列運転も
しくは１台のみの運転とし、暖房運転時には、上記複数
台の圧縮機を直列に運転するようにし、冷房運転時と暖
房運転時とで、圧縮機より吐出されたガス冷媒が流れる
冷媒流路を同一流路とし、冷房運転時には、凝縮器側に
冷却水、蒸発器側に冷水を流し、暖房運転時には、凝縮
器側に温水、蒸発器側に冷却水を流すように、水側配管
を切り換える構成としたものである。

【００１３】さらに、上記第二の目的を達成するため
に、本発明に係るヒートポンプ装置は、上記第一，第二
の発明の構成において、複数台の圧縮機のうち、少なく
とも１台の圧縮機は可変速型、他の圧縮機は定速型とし
たものである。

【００１４】なお、付記すると、本発明の代表的な構成
は次のとおりである。本発明は、一定回転数で運転する
圧縮機と可変速で運転する圧縮機とからなる２台の圧縮
機を備えたヒートポンプ装置において、負荷が大きい場
合、冷房運転時には２台の圧縮機を並列に運転し、負荷
が小さいときは１台のみを運転することで効率の良い冷
房運転を行うことができる。また、暖房運転時には２台
の圧縮機を直列に運転するように切り換えうる冷媒通路
を設けることにより、冷房時および暖房時の揚程の違い
による冷房時の効率低下を防ぎ、年間を通じて効率の良
い運転をすることが可能である。圧縮機を電動機で駆動
する場合は、１台のみインバータを用いることで十分に
効率の良い運転をすることができる。

【００１５】

【作用】上記技術的手段による働きは次のとおりであ
る。第一の発明においては、ヒートポンプ装置の冷房運
転時には冷媒が各圧縮機を並列に流過することにより効
率低下を防ぐことができ、暖房運転時には冷媒が各圧縮
機を直列に流過し２段に圧縮されることにより、必要と
される揚程を確保し、温水を得ることができる。また、
冷房運転時および暖房運転時のどちらについても、可変
速型圧縮機を用いることで広範囲にわたる容量制御を可
能とする。冷房時、特に低負荷の場合は圧縮機１台のみ
の運転とし、部分負荷効率を向上することができる。ま
た、１台の圧縮機をインバータを用いて回転数制御する
ことにより、効率を向上することができる。

【００１６】特に、上記第一の発明において、冷房運転
時と暖房運転時とでガス冷媒が流れる冷媒流路を切り換
えることで、利用側冷（温）水と熱源水とを切り換える
ことなく年間を通じて運転することができる。

【００１７】また、第二の発明においては、冷房時は蒸
発器内伝熱管を流れる水を冷房に使用し、暖房時は凝縮
器内伝熱管を流れる水を暖房に使用するように切り換え
ることができるような水側配管を設けることにより、ヒ
ートポンプ装置の冷媒配管を切り換えることなく年間を
通じて運転することができ、冷媒配管を簡単にすること
ができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の各実施例を図１および図２を
参照して説明する。 〔実施例 １〕図１は、本発明の第一の実施例に係るヒ
ートポンプ装置の冷凍サイクル系統図である。図１にお
いて、１，２は、例えば昇圧用の羽根車（図示せず）を
備えた２台の圧縮機、３，４は、圧縮機１，２の駆動
機、５は利用側熱交換器、６は熱源側熱交換器、７は絞
り機構、８は、利用側熱交換器５に設けた冷（温）水の
流通する伝熱管、９は、熱源側熱交換器６に設けた冷却
水の流通する伝熱管である。１１〜１７は、冷房運転時
と暖房運転時とで、圧縮機１，２から吐出されたガス冷
媒が流れる冷媒流路を、熱源側熱交換器６に流れる流路
と、利用側熱交換器５に流れる流路とに切り換える制御
弁に係る開閉弁、１８〜２６は、冷媒流路に係る冷媒配
管である。

【００１９】図１に示すヒートポンプ装置の冷凍サイク
ルは、図３に示した従来のものと比べると、２台の圧縮
機１，２、それぞれの圧縮機に接続される駆動機３，
４、および開閉弁１３，１４，１５を備え、２台の圧縮
機について、冷房運転時は並列に、暖房運転時は直列に
冷媒が流れるように切り換えることのできる冷媒配管を
設けてあり、圧縮機１，２のうち、一方は定速型で、も
う一方は可変速型となっており、他の部分については図
３に示す従来のものと同様の構成である。

【００２０】冷房運転時は、図１中に実線矢印で示すよ
うに、冷媒配管１８を通ったガス冷媒は、冷媒配管１９
を経て圧縮機１に、また開閉弁１３、冷媒配管２１を経
て圧縮機２にそれぞれ分離して吸入され、各圧縮機１，
２を並列に通過し、圧縮機１で圧縮されたガス冷媒は冷
媒配管２０、開閉弁１５を経て、また圧縮機２で圧縮さ
れたガス冷媒は冷媒配管２２を経て合流し冷媒配管２３
を流れる。その後、ガス冷媒は開閉弁１７を経て熱源側
熱交換器６に入り、伝熱管９を流れる冷却水を加熱する
ことで凝縮液化する。その液冷媒は、絞り機構７を経て
利用側熱交換器５で伝熱管８を流れる冷水を冷却するこ
とによって蒸発気化し、その後、冷媒配管２５および開
閉弁１２を経て冷媒配管１８を通り、上記サイクルを繰
り返す。この間、開閉弁１１，１４，１６は閉じてい
る。

【００２１】暖房運転時は、図１中に破線矢印で示すよ
うに、冷媒配管１８を通ったガス冷媒は、冷媒配管１９
を経て圧縮機１に吸入され、圧縮されたガス冷媒は冷媒
配管２０、開閉弁１４、冷媒配管２１を経て圧縮機２で
さらに圧縮されたのち、冷媒配管２２，２３、開閉弁１
６を経て利用側熱交換器５で伝熱管８を流れる温水を加
熱することで凝縮液化する。この液冷媒は絞り機構７を
経て熱源側熱交換器６に入り、伝熱管９を流れる冷却水
から吸熱することによって蒸発気化し、その後、冷媒配
管２４、開閉弁１１を経て冷媒配管１８を通り、上記サ
イクルを繰り返す。この間、開閉弁１２，１３，１５，
１７は閉じている。

【００２２】こうして、冷房運転時には、２台の圧縮機
を並列に通って圧縮されるガス冷媒の量は、暖房運転時
のガス冷媒量に比べて多いので、従来のヒートポンプ装
置に比べて大きな冷房能力を得ることができる。また、
暖房運転時には、冷媒ガスが２台の圧縮機を直列に通っ
て圧縮されるので、冷房運転時に比べ大きな揚程を得る
ことができる。したがって、年間を通じて高効率でヒー
トポンプ装置を運転することができる。さらには、冷房
時に低負荷運転となった場合は、圧縮機を１台のみの運
転に切り換えることができ、効率低下を防ぐことができ
る。

【００２３】さらに、２台の圧縮機のうち一方を可変速
型とすることで、暖房時および冷房時のどちらについて
も幅広い容量制御範囲を得ることができ、圧縮機１台の
みをインバータ制御するので設備費が安価となる。特
に、冷房運転時と暖房運転時とで、冷媒流路を切り換え
うるような開閉弁を備えた配管系を設けることで、利用
側冷（温）水と熱源水とを切り換えることがないので、
例えば、汚れのある水を熱源水として使用する場合に利
用側水配管を汚さずに済むことになり、メンテナンス上
有効である。

【００２４】〔実施例 ２〕図２は、本発明の第二の実
施例に係るヒートポンプ装置の冷凍サイクル系統図であ
る。図中、図１と同一符号のものは、第一の実施例と同
等部分であるので、その説明を省略する。図２の実施例
が、図１の実施例と相違するところは、開閉弁１１，１
２，１６，１７を持たず、また開閉弁１１，１６を備え
た冷媒配管２４，２６も設けられていないものである。
図２において、５Ａは蒸発器、６Ａは凝縮器、８Ａは、
蒸発器５Ａに設けた伝熱管、９Ａは、凝縮器６Ａに設け
た伝熱管である。

【００２５】図２に示す第二の実施例において、冷房運
転時は、冷媒配管１８Ａを通ったガス冷媒は、冷媒配管
１９を経て圧縮機１に、また、開閉弁１３、冷媒配管２
１を経て圧縮機２にそれぞれ分離して吸入され、各圧縮
機１，２を並列に通過し、圧縮機１で圧縮されたガス冷
媒は冷媒配管２０、開閉弁１５を経て、また圧縮機２で
圧縮されたガス冷媒は冷媒配管２２を経て合流し冷媒配
管２３Ａを流れる。その後、ガス冷媒は凝縮器６Ａに入
り、伝熱管９Ａを流れる冷却水を加熱することで凝縮液
化したのち、絞り機構７を経て蒸発器５Ａで伝熱管８Ａ
を流れる冷水を冷却することによって蒸発気化し、その
後、冷媒配管１８Ａを通り、上記サイクルを繰り返す。
この間、開閉弁１４は閉じている。

【００２６】一方、暖房運転時は、冷媒配管１８Ａを通
ったガス冷媒は、冷媒配管１９を経て圧縮機１に吸入さ
れ、圧縮されたガス冷媒は冷媒配管２０、開閉弁１４、
冷媒配管２１を経て圧縮機２でさらに圧縮されたのち、
冷媒配管２２，２３Ａを経て凝縮器６Ａで伝熱管９Ａを
流れる温水を加熱することで凝縮液化する。この液冷媒
は絞り機構７を経て蒸発器５Ａに入り、伝熱管８Ａを流
れる冷却水から吸熱することによって蒸発気化し、その
後、冷媒配管１８Ａを通り、上記サイクルを繰り返す。
この間、開閉弁１３，１５は閉じている。

【００２７】こうして、冷房運転時と暖房運転時とで水
側配管を切り換えることで、冷房時は伝熱管８Ａを流れ
る水を冷房に使用し、暖房時は伝熱管９Ａを流れる水を
暖房に使用するので、図３に示す従来のヒートポンプ装
置に比べて冷媒配管を簡単にすることができ、設備費を
安価にすることができる。

【００２８】なお、上記各実施例は、２台の圧縮機を備
えたヒートポンプ装置について説明したが、本発明は２
台の圧縮機に限定されるものではなく、２台以上の複数
の圧縮機を備えたヒートポンプ装置に適用できるもので
ある。また、圧縮機の圧縮機構部の構造についても限定
するものではない。

【００２９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、冷房運転時には圧縮機から吐出される冷媒の量を
増すことができ、暖房運転時には大きな揚程を得ること
ができ、年間を通じて高効率で運転することができるヒ
ートポンプ装置を提供することができる。また、本発明
によれば、低負荷運転時の効率低下を防ぐとともに広範
囲で容量制御ができるヒートポンプ装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例に係るヒートポンプ装置
の冷凍サイクル系統図である。

【図２】本発明の第二の実施例に係るヒートポンプ装置
の冷凍サイクル系統図である。

【図３】従来のヒートポンプ装置の冷凍サイクル系統図
である。

【符号の説明】

１，２…圧縮機、５…利用側熱交換器、５Ａ…蒸発器、
６…熱源側熱交換器、６Ａ…凝縮器、７…絞り機構、
８，８Ａ，９，９Ａ…伝熱管、１１〜１７…開閉弁、１
８〜２６…冷媒配管、１８Ａ，２３Ａ…冷媒配管。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数台の圧縮機、熱源側熱交換器、絞り
   機構、利用側熱交換器、およびこれらを結ぶ冷媒流路を
   備えたヒートポンプ装置において、 冷房運転時には、上記複数台の圧縮機の並列運転もしく
   は１台のみの運転とし、暖房運転時には、上記複数台の
   圧縮機を直列に運転するように切り換えることのできる
   冷媒流路を構成したことを特徴とするヒートポンプ装
   置。
2. 【請求項２】 冷房運転時と暖房運転時とで、圧縮機よ
   り吐出されたガス冷媒が流れる冷媒流路を、熱源側熱交
   換器に流れる流路と、利用側熱交換器に流れる流路とに
   切り換えうるように制御弁を設けたことを特徴とする請
   求項１記載のヒートポンプ装置。
3. 【請求項３】 複数台の圧縮機、凝縮器、絞り機構、蒸
   発器、およびこれらを結ぶ冷媒流路を備えたヒートポン
   プ装置において、 冷房運転時には、上記複数台の圧縮機の並列運転もしく
   は１台のみの運転とし、暖房運転時には、上記複数台の
   圧縮機を直列に運転するようにし、 冷房運転時と暖房運転時とで、圧縮機より吐出されたガ
   ス冷媒が流れる冷媒流路を同一流路とし、 冷房運転時には、凝縮器側に冷却水、蒸発器側に冷水を
   流し、暖房運転時には、凝縮器側に温水、蒸発器側に冷
   却水を流すように、水側配管を切り換える構成としたこ
   とを特徴とするヒートポンプ装置。
4. 【請求項４】 複数台の圧縮機のうち、少なくとも１台
   の圧縮機は可変速型、他の圧縮機は定速型としたことを
   特徴とする請求項１ないし３記載のいずれかのヒートポ
   ンプ装置。