JPS59219665A - ヒ−トポンプ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は圧縮機の冷凍回路を用いたヒートポンプ装置に
係り、特に高温度が得られるヒートポンプ装置に関する
ものである。

〔発明の背景〕

従来、圧縮式の冷媒回路をヒートポンプ装置として用い
高温を発生する装置としては、特開昭５０−１１４０３
３、特開昭５０−１１８３４２、特開昭４７−２９９３
４などが提案されている。

特開昭５０−１１４０３３．および特開昭５０−１１８
３４２は、圧縮機の吐出側に空調用凝縮器とは別の温水
製造用凝縮器を設け、圧縮機より吐出されたガス冷媒の
過熱温度成分を使って高湛水を得るようにした、いわゆ
る空調機付随の温水製造装置である。空調機は、一般に
圧縮機の熱損傷や冷媒、潤滑油の熱分解を避けるため、
凝縮温度が５０′ｃ程度以下と比較的低い状態で運転さ
れる。したがって、この温水製造方式では、冷媒がもつ
過熱温度成分の熱量が少なく、その温度レベルも低いこ
とから、多量の湛水やより高湛水を得ようとすると、補
助の％気ヒータやボイラで追加加熱しなければならない
。

オだ、特開昭４７−２９９３４は、二組のヒートポンプ
式冷媒回路を用い、吐湯側ヒートポンプ式冷媒回路の駅
路型から放出された熱を高温側ヒートポンプ式冷媒回路
の熱源として使い、高温側ヒートポンプ式冷媒回路の凝
縮温度を低部側よりかなり高くすることによって高湛水
を得るようにしたもので、一般に二元冷凍サイクルと呼
ばれているものである。この例では、高温側ヒートポン
プ式冷媒回路に高渦榮件でも蒸気圧があまり高くならな
い冷媒を用いているため、冷媒回路内の圧力が異常に上
昇することもなく８０℃以上の高温水が得られる。しか
しとの例の構成では、成績係数は、単段のヒートポンプ
式冷媒回路のものに比べて大幅な向上は望めない。この
冷媒回路の基本構成は、第１図に示す如く、第１圧縮機
１、熱交換器２、第１膨張弁３、蒸発器４で構成される
第１σ氏段１り冷媒回路と、第２圧縮機５、凝縮器６、
第２膨張弁７、上記熱交換器２で構成される第２（高段
側）冷媒回路を、熱交換＠２を介して連結したものであ
る。熱交換器２は、高段側冷媒回路の蒸発器として作用
するとともに、低段側冷媒回路の凝縮器として作用する
。外部の熱媒体との熱交換はない。被加熱媒体は高段側
冷媒回路の凝縮器６だけで加熱される。例えば、被加熱
媒体として常温の空気を６０〜８０℃に加熱する場合に
は、第２図に示すように、凝縮＠６の凝禰温度ｔＣ２は
必要とする空気出口温度より必然的に５〜１０“Ｃ高く
なる。このだめ、凝縮器６への空気の入口付近では、凝
縮温度ｔＣ２と空気の温度差が４０〜８０’Ｃと非常に
大きくなり、凝縮器６は伝熱性能の面で必要以りに余裕
ある大形のものとなってし寸う。

以上の如く、高段側冷媒回路の凝縮器６だけで、しかも
非常に高い凝縮温度で加熱作用が行われるため、成績係
数の悪い運転を余儀なくされた。

さらに、別の従来例としては、実開昭４９−７８８４９
、実開昭５４−６０７５４のような二段圧縮式ヒートポ
ンプ装置がある。これらは、高温の熱媒体を発生させて
利用するものではなく、蒸発器で冷却された低温の熱媒
体を利用するものである。実開昭４９−７８８４９は二
段圧縮機を使い、低段側の圧縮機で吐出されたガス冷媒
を、高段側の凝縮器で凝縮しだ液冷媒と受液器で合流さ
せ、飽和に近いガス冷媒にしてから高段側の圧縮機に吸
入させる構造となっている。低段側の蒸発器で酸基側熱
媒体より汲上げた熱は、高段側の凝縮器から外部に放出
され、低段側圧縮機の吐出田力部である中間圧力部と外
部との熱交換関係はない。中間圧力部では、低段側圧縮
機の高温の吐出ガスと、高段側の液冷媒との冷（ｕｔシ
ステム内の冷媒相互の熱交換だけが行われる。したがっ
て、との冷凍システムで高温の熱媒体を得ようとしても
低段側圧縮機吐出ガスの熱が利用できず、二元冷凍シス
テム同様単段冷凍システムに比べて成績係数の悪い運転
となる。しかし、高段側圧縮機は飽和に近いガス冷媒を
吸込み、吐出ガス温度が比較的低く押えられるため、圧
縮機の熱損傷や潤滑油、冷媒の分解の危険は少ない。実
開昭５４−６０７５４は、２台の圧縮機を用いている点
と、低段側圧縮機の吐出ガスと高段側の液冷媒を合流さ
せずに熱交換関係に構成している点だけが、実開昭４９
−７８８４９と違う。運転の作用効果は、はとんど同じ
であるため、説明を省略する。

〔発明の目的〕

本発明は上記に鑑みて発明されたもので、高温風や高湛
水が得られ、且つ運転効駆の高い圧縮式冷媒回路を用い
たヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため本発明は、圧縮機、凝縮器、膨
張弁、蒸発器を環状に配管接続してなる第１冷媒回路と
、圧縮機、凝縮器、膨張弁を環状に配管接続してなる第
２冷媒回路を備え、第１冷媒回路の膨張弁、圧縮機間の
高モラインと、第２冷媒回路の膨張弁、ｍｌ縮機間の転
用ラインとを熱交換ｚ：（で接続し、被加熱媒体を第１
冷媒回路の凝縮潜熱で加熱後、更に、第２冷媒回路の凝
縮潜熱茫ずき説明する。第１圧縮機１１、第１凝縮器１
２、熱交換器１８、第１膨張弁１３、蒸発器１４の各機
器、および第２圧縮機１５、第２凝縮器１６、第２膨張
弁１７、熱交換器１８の各機器は、それぞれ環状に連結
されて、第１冷媒回路（低段側冷媒回路）と第２冷媒回
路（高段側冷媒回路）をｔｆｆ成している。このヒート
ポンプサイクルの運転は、次のようにして行われる。第
１田縮機１１より吐出されたガス冷媒は、配管２１を通
って、まず第１凝縮器１２に入る。ここでは、凝縮温度
シＣ１で流通空気Ａを加熱、冷媒自体は凝縮液化する。

未凝縮の冷媒は、次の熱交換器１８で高段側冷媒回路の
蒸発温度ｔｅ２（ｔｃ　１）ｔｃ２　）の液冷媒の蒸発
潜熱によって完全に液化される。熱交換器１８Ｖｉ低段
側冷媒回路では凝縮器の一部として作用する。つづいて
第１膨張弁１３に導かれ、さらに蒸発器１４では外部熱
源から熱を吸収し、自らは蒸発して第１圧縮機１１の吸
入側に戻り、低段側冷媒回路を形成する。一方、第２圧
縮機１５で圧縮されて吐出されたガス冷媒は、第２凝縮
器１６内で第１凝縮器１２の凝縮温度ｔｃｌＪ：り高い
凝縮温度ｔｃ２で凝縮液化、同時に第１凝縮器１２で加
熱された被加熱媒体の空気Ａを追加熱する。この液冷媒
は、第２膨張弁１７で減圧されて熱交換器１８に流入し
、前述したように蒸発温度ｔｅ２で、これより高い温度
レベルにある低段側冷媒回路の凝縮温度ｔｃ＋のガス冷
媒の凝縮潜熱によって完全に気化する。熱交換器１８は
、高段側冷媒回路の蒸発器として作用する。ガス冷媒は
、さらに第２圧ｍ機１５の吸入側に戻り、高段側冷媒回
路を形成する。したがってこの冷媒回路では、熱源から
蒸発器１４で汲上げた熱と第１ＥＥ縮機１１によりの 加えられた熱を合わせたもの〜半分が、熱交換器１８を
介して高段側冷媒回路に与えられる。残りの半分は、第
１＃縮器１２から流通空気Ａに与えられる。さらに熱交
換器１８を介して高段側冷媒回路に受渡された熱は、第
２圧縮機１５により加えられた熱とともに第２凝縮器１
６で流通空気Ａを追加熱する。なお、本実施例では、熱
交換器１８を第１凝縮器１２の出口側に設けているが、
破イが１８′で示すように第１圧縮機１１と第１凝縮蕗
１２の間の配管２１に設置するようにしてもよい。また
第５図に示すように、第１凝縮器１２と熱交換？５１８
とを並列に接続してもよい。図中第３図と同一部分は同
符号を付しその説明を省略する」二記運転により、空気
は、第４図に示ず茹＜、まず比較的低い凝縮温度（ｔｃ
＋）の第１凝縮２ｊ１２で加熱され、さらにより高い凝
縮温度（ｔｃ２）の第２凝縮’ｄ’＋　ｌ　６で追加熱
し、すべて高い凝縮温度にする必要がないため、その分
だけ第２Ｅ縮機１５の容量が小さくてすみ、消費電力が
減って成績係数の高い運転が行える。被加熱媒体に空気
の替りに水を用いると、高湛水を取出すこともできる。

また特別に高温の発生を必要としない場合には、高段側
冷媒回路の運転を停止し、低段側冷媒回路のみの運転と
する容量制御運転が行える。第１図０ようなに冷凍サイ
ハでは・高段・低段側ザイクルのうち、どちらか一方を
停止する運転モードは不可能である。更に、第１凝縮器
１２と第２凝縮器１６の伝熱面積を合計したものは、例
えば第１図の従来例の凝縮器６の伝熱面積と同程度にす
ることができ、また第６図に示す如く、第１凝縮器１２
のコイル１２′を流通空気Ａの上流側に、第２凝縮鼎１
６のコイル１６′を下流側に置いた一体構造の熱交換器
とし、製品を簡素化することもできる。また２つの凝縮
器１２．１６で、それぞれ別々に被加熱媒体を加熱し、
温度レベルの異なる熱媒体を取出すようにすることもで
きる。更に、２つの圧縮機が、それぞれ別の冷媒回路に
組込まれているため、例えば、実開昭５４−６０７５４
のような二股圧縮冷媒回路では細心の注意を必要とする
２台の圧縮機の運転制御や、各圧縮機内の油昂制甫１を
考慮しなくてよく、システムの信頼性が高い。また高段
側冷媒回路に高沸点冷媒を使用することにより、高圧圧
力をあ捷り高くならないようにすることもできる。

次に他の実施例を第７図に示す。

この実施例は、第３図の熱交換器１８と第１凝縮益１２
を一体にして、熱交換器１１２としたものである。冷凍
サイクルは、第１圧縮機１１、熱交換器（凝縮６）＋１
２、第１膨張弁１３、蒸発器１４を環状に配管接続し圧
第１冷媒回路（低段側冷媒回路）を形成し、第２ＦＥ縮
機１５、第２凝縮器１６、第２膨張弁１７、熱交換器（
蒸発２Ｋ）１１２を環状に配管接続して第２冷媒回路（
高段側冷媒回路）を形成している。

上記熱交換器１１２の構成としては、第８図に示すよう
に、低段側冷媒回路の凝縮用コイル１２１′と高段側冷
媒回路の蒸発用コイル１２４′を適宜間隔を保ってフィ
ン１２５に固定し、クロスフィン形熱交換器を形成した
ものである。このように構成することにより、低段側冷
媒回路の凝縮潜熱を高段側冷媒回路の蒸発熱源とすると
同時に、被加熱媒体の空気をも加熱することができ、シ
ステムを簡単化することができる。また、この熱交換器
１１２の下流側に配置される高段側冷媒回路の凝縮器１
６を、熱交換器１１２と一体構造にすれば、より一層簡
素化したシステムにすることができる。

第９図は更に他の実施例を示し、この実施例が第３図の
実施例と相異するところは、冷暖房切換用の四方弁を設
けたこと、及び二つの冷媒回路を熱的に接続する熱交換
器の構造が相違することである。

第１圧縮機１１、四方弁１０、第１利用側熱交換器２１
２、熱交換器１１８、第１膨張弁１３、熱源側熱交換器
２１４は、それぞれ図示の如く接続されて第１冷媒回路
（主冷媒回路）を構成している。一方、第２１Ｅ縮機１
５、第２利用側熱交換器２１６、第２膨張弁１７、熱交
換器１１８も環状に接続されて第２冷媒回路（補助冷媒
回路）を構成している。２つの独立した冷媒回路は、熱
交換器１．　ｌ　８により熱的に連結されている。熱交
換器１１８は、第１０図に示すように二重管熱交換器構
造となっており、主冷媒回路の冷媒は暖房時には内管１
１８ｂと外管１１８ａの間を出入口１１８′ａから１１
８”ａに向けて流れ、一方補助冷媒回路の冷媒は内管１
１８１）を出入Ｃ１１１Ｂ’ｌ）から１　ｔ　ｓ”ｂに
向けて互いに対向して流れ、２つの冷媒回路の冷媒は内
管１１８ｂの壁面を介して熱交換可能な状態におかれて
いる。さらに、この二重管熱交換器は、蓄熱材１９で充
たされた蓄熱槽２０に収められており、主冷媒回路の冷
媒は外管１＋８＆の壁面を介して蓄熱材１９とも熱交換
できるように構成されている。

このヒートポンプサイクルの運転は、次のようにして行
われる。暖房運転時には、第１圧縮機１１より吐出され
たガス冷媒は、四方弁１０を通って、まず第１利用側熱
交換器２１２に入る。ここでは、凝縮温度ｔｃ１で流通
空気入を加熱し、その作用で冷媒自体は凝縮液化される
。未凝縮の冷媒は、次の熱交換器１１８で蓄熱材１９へ
の放熱と補助冷媒回路の蒸発温度ｔｅ２　（ｔｃ＋　）
　ｔθ２）の液冷媒の蒸発潜熱によって完全に液化さ′
れる。熱交換器１１８で液化した冷媒は、第１膨張弁１
３で減圧され、さらに熱源側熱交換器２１４では、外部
より熱を吸収し、自らは蒸発する。つづいて第１ＥＥ縮
機１１の吸入側に戻り、主冷媒回路を形成する。一方、
第２Ｅ縮機１５で圧縮されて吐出された高温のガス冷媒
は、第２利用側熱交換器２１で第１利用側熱交換器２１
２で加熱した空気を追加熱する。液となった冷媒は、第
２膨張弁１７で減圧されて熱交換器１１８に流入する。

ここでは、前述したように、蒸発温度ｔθ２で、これよ
り高い温度レベルにある低段側冷媒回路から凝縮温度ｔ
ｃＩで放出するガス冷媒の凝縮潜熱によって完全に気化
される。熱交換器１１８は、補助冷媒回路の蒸発器とし
て作用する。ガス化した冷媒は、つづいて第２圧縮機１
５の吸入側に戻り、補助冷媒回路を形成する。この暖房
ザイクルでは、熱源側熱交換器２１４で汲上げた熱と第
１Ｅ縮機１１により加えられた熱を合わせたものの約半
分が、熱交換器１１８を介して補助冷媒回路に与えられ
る。残りの半分は、第１利用側熱交換器２１２から流通
空気Ａに与えられる。さらに、熱交換器１１８を介して
補助冷媒回路に受渡された熱は、第２圧縮機１５により
加えられた熱とともに、第２利用側熱交換姦２１６で流
通空気Ａの追加熱として与えられる。

本実施例によれば、次のような利点がある。

９ｊ気福１度が低く暖房負荷が大きい時には、上記説明
の如く、補助圧縮機１５も運転することによって暖房能
力を増強し、起動時の立上り時間を短縮することができ
る。

また上記のように、補助ヒータを心太としないため、従
来に比べて成績係数を高く保つことができる。また、同
時に、より高温の空気を吹出して起動時に生じる室内の
冷風空間をなくすことができ、快適暖房を実現すること
ができる。また、蓄熱材１９に夜間電力、その他の熱源
を使って加熱しておくか、前日の暖房運転時の熱を保存
できるように構成すると、起動時の立上り時間をさらに
短縮することができる。

寸だ、室温が所定の温度に達した後や暖房負荷があまり
大きくない場合には、第２圧縮機１５を停止する容量制
御運転を行うようにすることもできる。このときには、
主冷媒回路の高圧ガス冷媒を第１利用側熱交換器２１２
で完全に凝縮液化するように運転すればよい。具体的手
段としては、流通空気Ａの風量を増すなどの方法がある
。

さらに本実施例では、熱交換器１１８を蓄熱槽を一体構
造にしたため、冷凍装置を非常にコンパクト化すること
ができる。

暖房運転が継続すると、熱源側熱交換器２１４の表面に
外気中の水分が箱として付着して熱交換性能が低下する
ため、暖房能力が次第に減少してくる。これを避けるた
め、除霜が行われる。除霜運転は、第２圧縮機１５を停
止し、四方弁１ｏを冷房サイクルに切換えることによっ
て開始される。第１Ｉｆ縮機１１より吐出された高温の
ガス冷媒ば、四方弁１０を介して熱源側熱交換器２１４
に導かれ、その凝縮潜熱によって熱交換器表面の側熱交
換器の外管１１８ａの壁面を介して暖房運転時に温めら
れた蓄熱材１９と熱交換して気化する。ガス化した冷媒
は、第１利用側熱交換器２１２、四方弁１０を通って第
１圧縮機１１の吸入側に戻り、除用ザイクルを形成する
。第１利用側熱交換詣２１２には、冷媒が気化した状態
で流入し空気と熱交換しないため、流通空気Ａを冷風に
することはない。この結果、除用時の不快感を防止する
ことができる。

次に、冷房運転は第２圧縮機１５を停止し、四方弁１０
を除霜運転と同じ状態に切換えて行う。

第１圧縮機１１よシ吐出された高温のガス冷媒は、四方
弁１０を介して熱源側熱交換器２１４に導かれ、外部に
熱を放出、自らは液化する。この液冷媒は、第１膨張弁
１３で減圧された後、熱交換器１１８を介して第１利用
側熱交換器２１２に導一方冷媒はガス化し、さらに四方
弁１０を通って第１田縮機１１の吸入側に戻り、冷房サ
イクルを形成する。この冷房サイクルでは、熱交換器１
１８は蓄熱材１９が冷却された！、五の休止状態にある
。しかし、空気流通方向Ａに蓄熱材用熱交換器を設置し
、これに蓄熱材１９を自然循環または液ポンプなどで導
くようにすれば、室温の変化が少ない快適冷房を行うこ
ともできる。さらに、第１１図の如く補助冷媒回路にも
主冷媒回路と同じように四方弁３０を挿入して逆サイク
ル運転が行えるようにすると、熱交換器１１８が補助冷
媒回路の凝縮器として働らき、第１利用側熱交換器２１
゜２で冷却された空気を、″第２利用側熱交換器２１６
でさらに冷却することができ、冷房能力の増強をはかる
ことが出来る。同第９図は熱交換器を主冷媒回路の第１
利用側熱交換器２１２と第１膨張弁１３の間と、補助冷
媒回路の第２田縮機１５と第２膨張弁１７との間に設置
しているが、破線１１Ｂ’ｆ示すように、四方弁１０と
第１利用側熱交換器２１２との間に設置してもよい。ま
た第１２図に更に他の実施例を示す如く熱交換ｇｉｌ１
８の主冷媒回路側の接続経路を第１利用側熱交換器２１
２に並列に配設した経路２１′としてもよい。その他の
部分は第９図の実施例と同様であるから同符号を利しそ
の説明を省略する。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、被加熱媒体を比較
的低い凝縮温度と高い凝縮温度の二段階で加熱するよう
にしたため、成績係数の高い運転が行える。また、蓄熱
槽を設けた実施例によれば暖房能力を更に増強し起動時
の立上り時間を短縮するとともに、除昂時の冷風吹出し
を防止することができる。また成績係数も向上すること
が出来る０

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の高温用サイクル（二元冷凍サイクル）
の系統図、第２図はこのサイクルによる空気の加熱状況
の説明図である。第３図は、本発明の一実施例を示す高
温用サイクルの系統図、第４図はこのサイクルによる空
気の加熱状況の説明図、第５図は他の実施例を示す高温
用サイクルの系統図、第６図は第３図に示すサイクルの
凝縮器の一形式を示す構造図、第７図は更に他の実施例
を示す高温用サイクルの系統図、第８図は第７図に示す
サイクルの熱交換ＩＢの一形式を示す構造図である。第
９図は更に他の実施例を示す冷凍サイクルの系統図、第
１０図は第９図に示すサイクルの熱伝達装置部分の一形
式を示す構造図、第１１図は第９図に示すサイクルの変
形を示す部分図、第１２図は更に他の実施例を示す冷凍
サイクルの系統図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１圧縮機、第１凝縮器、第１膨張弁、第１蒸発器
   を１県状に配ＬＩｆ接続してなる第１冷媒回路と、第２
   ＥＥ縮機、第２凝縮器〜第２膨張弁を環状に配管接続し
   てなる第２冷媒回路を備え、第１冷媒回路の圧縮機、膨
   張弁間の高圧ラインと、第２冷媒回路の膨張弁、圧縮機
   間の低圧ラインを熱交換器で接続し、被加熱媒体を第１
   冷媒回路の凝縮潜熱で加熱後、更に、第２冷媒回路の凝
   縮潜熱で加熱することを特徴とするヒートポンプ装置。 ２、熱交換器を、第２冷媒回路の蒸発器としてなる特許
   請求の範囲第１項記載のヒートポンプ装置。 ３゜熱交換器が、第１冷媒回路の凝縮器と並列接続され
   た高圧ラインに設けられている特許請求の範囲第１項記
   載のヒートポンプ装置。 と熱交換するように形成してなる特許請求の範囲第１ｍ
   記載のヒートポンプ装置。 ５、第１田縮機、四方弁、第１利用側熱交換器、第１膨
   張弁、熱源側熱交換器を逆転可能に、旧状に配管接続し
   ７た第１冷媒回路と、第２ａＥ縮槻、第２利用側熱交換
   謂、第２減圧装置Δを環状に配管接続した第２冷媒回路
   を備え、第１冷媒回路の四方弁より第１膨張弁に至る高
   圧ラインと、第２冷媒回路の第２１彬脹弁とイ１２圧縮
   機間の低圧ラインを熱交［ｆで］う！続し、被加熱媒体
   を第１冷媒回路の凝縮潜熱で加熱後、更に、第２冷媒回
   路の凝縮潜熱で加熱することを特徴とするヒートポンプ
   装置６　熱交換器が、二重管式で形成され、蓄熱槽内に
   収納されて形成されている特許請求の範囲第５項記載の
   ヒートポンプ装置。 ７　熱交換器が、第１冷媒回路の第１利用側熱交換器と
   第１膨張弁の間にライン設けられている特許請求の範囲
   第５項または第６項記載のヒートポンプ装置。 ８、熱交１１ｙ８器が、四方弁と第１利用側熱交換指の
   間のラインに設けられている特許請求の範囲第５項また
   は第６項記載のヒートポンプ装置。 ９、熱交換器が、第１冷媒回路の第１利用側熱交換器と
   並列接続されたラインに設けられている特許請求の範囲
   第５項記載のヒートポンプ装置。