JP2010197007A - ヒートポンプシステム - Google Patents

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拓郎 山田
Atsushi Yoshimi
敦史 吉見
Noriyuki Okuda
則之 奥田
Shuji Fujimoto
修二 藤本
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Abstract

【課題】多段圧縮形式が採用されたヒートポンプサイクルによって複数の熱負荷に対応する場合にヒートポンプサイクルの運転効率を向上させることが可能なヒートポンプシステムを提供する。
【解決手段】二酸化炭素冷媒が循環するヒートポンプ回路10は、低段側圧縮機21、高段側圧縮機25、膨張弁5a、蒸発器4を有している。暖房用熱媒体としての水が循環する暖房回路60は、ラジエータ61を有している。給湯用水が循環する給湯回路90は、貯湯タンク91を有している。中間圧熱交換器40では、低段側圧縮機21から高段側圧縮機25に向かう二酸化炭素冷媒によって、暖房用熱媒体を温める。高圧熱交換器52では、高段側圧縮機25から膨張弁5に向かう二酸化炭素冷媒によって、暖房用熱媒体を暖める。中間圧熱交換器40もしくは第2高圧熱交換器52を流れる二酸化炭素冷媒は、給湯用水を暖める。
【選択図】図1

Description

本発明は、ヒートポンプシステムに関する。
従来より、一次冷媒が循環するヒートポンプ回路と、二次冷媒が循環する二次側サイクルと、を用いて暖房運転を行うシステムが知られている。
例えば、特許文献1(特開2004―177067号公報)に記載されているヒートポンプ式空気調和機では、高圧側の一次冷媒と低圧側の一次冷媒とを熱交換させ、暖められた低圧側の一次冷媒の熱を用いて暖房用の二次冷媒の加熱を補助することにより、効率の向上を図っている。
上述の特許文献1(特開2004―177067号公報)に記載のヒートポンプ式空気調和器は、圧縮機構が1つだけの単段圧縮形式を想定しているため、圧縮機構において大きな駆動力が必要となってしまっている。これに対して、ヒートポンプ回路を複数の圧縮機構を直列して構成される多段圧縮システムとして、各圧縮機構の間を流れる一次冷媒を冷却させることで、冷凍サイクルの効率を向上させることが可能である。
発明者らは、このような多段圧縮形式が採用されたヒートポンプ回路を利用して、複数の熱負荷に対応させようと考え、例えば、ある第1の熱負荷を低段側の圧縮機構の吐出冷媒が有している熱によって処理し、他の熱負荷である第2の熱負荷をより高段側の圧縮機構の吐出冷媒が有している熱によって処理する、というヒートポンプシステムについて着目している。また、発明者らは、上記のヒートポンプシステムとは別に、第1の熱負荷を高段側の圧縮機構の吐出冷媒が有している熱によって処理し、第2の熱負荷をより低段側の圧縮機構の吐出冷媒が有している熱によって処理する、というヒートポンプシステムについて着目している。
しかし、これらの発明者らが着目したヒートポンプシステムでは、例えば、第1の熱負荷と第2の熱負荷等とで必要となる熱量もしくは温度が異なる場合がある。このため、第1の熱負荷と第2の熱負荷等に対応しつつ、ヒートポンプシステムとして効率的な運転を行うことが困難になることがある。
本発明の課題は、多段圧縮形式が採用されたヒートポンプ回路によって複数の熱負荷に対応する場合に、ヒートポンプ回路の運転効率を向上させることが可能なヒートポンプシステムを提供することにある。
第1発明のヒートポンプシステムは、ヒートポンプ回路、第1熱負荷回路、第2熱負荷回路、第1熱交換器、および、第2熱交換器を備えている。ヒートポンプ回路は、少なくとも低段側圧縮機構、高段側圧縮機構、膨張機構、および、蒸発器を有している。このヒートポンプ回路は、一次冷媒が循環している。第1熱負荷回路は、第1熱負荷処理部を有している。この第1熱負荷回路は、第1流体が循環している。第2熱負荷回路は、第2熱負荷処理部を有している。この第2熱負荷回路は、第2流体が循環している。第1熱交換器は、少なくとも低段側圧縮機構の吐出側から高段側圧縮機構の吸入側に向けて流れる一次冷媒を通過させる。第2熱交換器は、少なくとも高段側圧縮機構から膨張機構に向けて流れる一次冷媒を通過させる。第1流体は、第1熱交換器を流れる一次冷媒との間で熱交換を行うだけでなく、第2熱交換器を流れる一次冷媒との間でも熱交換を行う。第2流体は、第1熱交換器を流れる一次冷媒および第2熱交換器を流れる一次冷媒の少なくともいずれか一方との間で熱交換を行う。なお、圧縮機構としては、多段式圧縮システムであればよい。例えば、少なくとも高段側圧縮機構と低段側圧縮機構との2つ以上を備えていればよく、さらに圧縮機構を備えてもよい。
このヒートポンプシステムでは、ヒートポンプ回路では、多段圧縮形式が採用されており、第1熱交換器において一次冷媒を冷却することが可能であるため、単段冷凍サイクルと比較してヒートポンプ回路の運転効率を良好にすることができる。そして、第2流体が第1熱交換器を流れる一次冷媒との間で熱交換を行う場合において、第1熱交換器を流れる一次冷媒から得ることが可能な熱量よりも第2熱負荷処理部において要求される熱量が少ない場合がある。この場合には、第1流体は、ヒートポンプ回路の運転効率を良好にすることができる範囲において第1熱交換器を流れる一次冷媒からさらに熱量を得つつ、第2熱交換器を流れる一次冷媒からも熱量を得ることで、第1熱負荷処理部において要求される熱量に対応することができる。これにより、ヒートポンプ回路の運転効率を良好にしつつ、第1熱交換器を流れる一次冷媒からの熱と第2熱交換器を流れる一次冷媒からの熱とを有効利用することが可能になる。また、第2流体が第2熱交換器を流れる一次冷媒との間で熱交換を行う場合において、第2熱交換器を流れる一次冷媒から得ることが可能な熱量よりも第2熱負荷処理部において要求される熱量が少ない場合がある。この場合には、第1流体は、ヒートポンプ回路の運転効率を良好にすることができる範囲において第2熱交換器を流れる一次冷媒からさらに熱量を得つつ、第1熱交換器を流れる一次冷媒からも熱量を得ることで、第1熱負荷処理部において要求される熱量に対応することができる。これにより、ヒートポンプ回路の運転効率を良好にしつつ、第1熱交換器を流れる一次冷媒からの熱と第2熱交換器を流れる一次冷媒からの熱とを有効利用することが可能になる。
第2発明のヒートポンプシステムは、第1発明のヒートポンプシステムにおいて、第1熱負荷回路と第2熱負荷回路との少なくともいずれか一方は、第1分岐部分、第2分岐部分、第1分岐路、および、第2分岐路を有している。第1分岐路は、第1分岐部分と第2分岐部分とを接続している。第2分岐路は、第1分岐路と合流することなく第1分岐部分と第2分岐部分とを接続している。第1熱交換器は、低段側圧縮機構の吐出側から高段側圧縮機構の吸入側に向けて流れる一次冷媒と、第1分岐路を流れる第1流体もしくは第2流体と、の間で熱交換を行わせる。第2熱交換器は、高段側圧縮機構から膨張機構に向けて流れる一次冷媒と、第2分岐路を流れる第1流体もしくは第2流体と、の間で熱交換を行わせる。
例えば、第1流体もしくは第2流体を、第1熱交換器を通過させて暖めた後に第2熱交換器を通過させる場合には、第2熱交換器に流入しようとする第1流体もしくは第2流体はすでに暖められているため、第2熱交換器を流れる一次冷媒の熱を十分に有効利用することができない。同様に、第1流体もしくは第2流体を、第2熱交換器を通過させて暖めた後に第1熱交換器を通過させる場合には、第1熱交換器に流入しようとする第1流体もしくは第2流体はすでに暖められているため、第1熱交換器を流れる一次冷媒の熱を十分に利用することができず、多段圧縮形式のヒートポンプ回路の運転効率を向上させることが困難になる場合がある。
これに対して、このヒートポンプシステムでは、対象となる第1熱負荷処理部から流れ出てきた第1流体もしくは第2熱負荷処理部から流れ出てきた第2流体を分割して、第1分岐路を介して第1熱交換器まで流し、第2分岐路を介して第2熱交換器まで流すことで、暖められていない状態の第1流体もしくは第2流体を供給することができる。これにより、高段側圧縮機構が吸入する一次冷媒もしくは膨張機構に向けて流れていく一次冷媒をより冷却することが可能になる。
第3発明のヒートポンプシステムは、第1発明のヒートポンプシステムにおいて、第1熱負荷処理部は、配置されている対象空間の空気を暖める暖房用熱交換器である。第1流体は、二次冷媒である。第1熱負荷回路は、第1分岐部分、第2分岐部分、第1分岐路、および、第2分岐路を有している。第1分岐路は、第1分岐部分と第2分岐部分とを接続する。第2分岐路は、第1分岐路と合流することなく第1分岐部分と第2分岐部分とを接続する。第1熱交換器は、低段側圧縮機構の吐出側から高段側圧縮機構の吸入側に向けて流れる一次冷媒と、第1分岐路を流れる二次冷媒と、の間で熱交換を行わせる。第2熱交換器は、高段側圧縮機構から膨張機構に向けて流れる一次冷媒と、第2分岐路を流れる二次冷媒と、の間で熱交換を行わせる。
このヒートポンプシステムでは、二次冷媒は、第1熱交換器を流れる一次冷媒との間で熱交換を行うことができ、第2熱交換器を流れる一次冷媒との間でも熱交換を行うことができる。これにより、第1熱負荷処理部において暖房用として必要な程度の温度まで二次冷媒を暖めるために必要な熱を、第1熱交換器を流れる一次冷媒および第2熱交換器を流れる一次冷媒から得ることができる。
第4発明のヒートポンプシステムは、第1発明から第3発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、第2熱負荷処理部は、給湯用のタンクである。第2流体は、給湯用の水である。
このヒートポンプシステムでは、給湯に必要となる温度まで水を加熱するために、第1熱交換器を流れる一次冷媒および第2熱交換器を流れる一次冷媒の少なくともいずれか一方のうち、効果的に熱交換を行うことが可能な温度の一次冷媒が流れている部分から熱を受けることが可能になる。
第5発明のヒートポンプシステムは、第1発明から第4発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、高段側圧縮機構が吐出する一次冷媒の圧力は、一次冷媒の臨界圧力を超える圧力である。
このヒートポンプシステムでは、高段側圧縮機構が吐出する一次冷媒の圧力が臨界圧力を超えているので、第2熱交換器を流れる第1流体もしくは第2流体と一次冷媒とが熱交換を行うことで、一次冷媒の温度は第2熱交換器を流れていくに従って温度が下がっていく。このように、第2熱交換器において一次冷媒の温度が変化しており、第2熱交換器を流れる一次冷媒の温度範囲に幅が生じているため、第1流体もしくは第2流体は、必要となる温度範囲を選択して熱交換を行わせることが可能になる。
第6発明のヒートポンプシステムは、第5発明のヒートポンプシステムにおいて、低段側圧縮機構から高段側圧縮機構に向けて流れる一次冷媒は、超臨界状態もしくは過熱度を有する状態である。
このヒートポンプシステムでは、高段側圧縮機構が吸入する一次冷媒が超臨界状態もしくは過熱度を有する状態となっているので、第1熱交換器を流れる第1流体もしくは第2流体と一次冷媒とが熱交換を行うことで、一次冷媒の温度は第1熱交換器を流れていくに従って温度が下がっていく。このように、第1熱交換器においても一次冷媒の温度が変化しており、第1熱交換器を流れる一次冷媒の温度範囲に幅が生じているため、第1流体もしくは第2流体は、第1熱交換器においても必要となる温度範囲を選択して熱交換を行わせることが可能になる。
第7発明のヒートポンプシステムは、第1発明から第6発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、第2熱交換器は、一次冷媒の流れ方向における上流側に配置される上流第2熱交換器、下流側に配置される下流第2熱交換器、および、上流第2熱交換器と下流第2熱交換器との間に配置される中流第2熱交換器を有している。第1流体と一次冷媒との熱交換は、上流第2熱交換器で行われることなく、下流第2熱交換器で行われることなく、中流第2熱交換器で行われる。第2流体と一次冷媒との熱交換は、少なくとも、上流第2熱交換器および下流第2熱交換器で行われる。
このヒートポンプシステムでは、第1熱負荷処理部における第1流体の温度変化範囲が、第2熱負荷処理部における第2流体の温度変化範囲に含まれている場合には、高段側圧縮機構が吐出する一次冷媒のうち高温状態の一次冷媒との熱交換と低温状態の一次冷媒との熱交換とを第2流体との熱交換に割り当てて、中温状態の一次冷媒を第1流体との熱交換に利用することができる。これにより、第1流体および第2流体と、一次冷媒と、の温度差を小さく抑えたままで、第2熱交換器における熱交換を行わせることができるため、熱交換効率を向上させることが可能になる。
第8発明のヒートポンプシステムは、第1発明から第6発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、第2熱交換器は、一次冷媒の流れ方向における上流側に配置される上流第2熱交換器、および、下流側に配置される下流第2熱交換器を有している。
第1流体と一次冷媒との熱交換は、上流第2熱交換器で行われることなく、下流第2熱交換器で行われる。第2流体と一次冷媒との熱交換は、上流第2熱交換器で行われる。
このヒートポンプシステムでは、第2熱負荷処理部において必要とされる第2流体の温度が、第1熱負荷処理部において必要とされる第1流体の温度よりも高い場合において、高段側圧縮機構が吐出する一次冷媒のうち高温状態の一次冷媒との熱交換を第2流体との熱交換に割り当てて、低温状態の一次冷媒を第1流体との熱交換に利用することができる。このため、下流第2熱交換器において第1流体によって冷却された一次冷媒を、第2流体との間で熱交換を行わせることなく膨張機構まで送ることができる。これにより、第2流体の熱負荷が小さくなった場合であっても、下流第2熱交換器において第1流体によって冷却された一次冷媒を、第2流体が暖めてしまう運転状態を回避することが可能になる。
第9発明のヒートポンプシステムは、第7発明または第8発明のヒートポンプシステムにおいて、第1熱交換器および第2熱交換器の少なくとも一部は、一次冷媒が、第1流体とだけでなく第2流体とも熱交換を行っている部分を有している。
このヒートポンプシステムでは、一次冷媒の有する熱を第1流体と第2流体とが同時に受け取る部分が設けられているために、第1熱交換器および第2熱交換器の伝熱管長さを短く抑えることができる。これにより、熱交換器をコンパクト化させることが可能になる。
第10発明のヒートポンプシステムは、第7発明から第9発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、第1流体と一次冷媒との間で熱交換が行われる部分では、第1流体の流れ方向と一次冷媒の流れ方向とは対向流の関係にある。
このヒートポンプシステムでは、第1熱交換器および第2熱交換器における一次冷媒と第1流体との熱交換によって、第1流体の温度を効率良く上げつつ、一次冷媒の温度を効率良く下げることが可能になる。
第11発明のヒートポンプシステムは、第7発明から第10発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、第2流体と一次冷媒との間で熱交換が行われる部分では、第2流体の流れ方向と一次冷媒の流れ方向とは対向流の関係にある。
このヒートポンプシステムでは、第1熱交換器および第2熱交換器の少なくともいずれか一方における一次冷媒と第2流体との熱交換によって、第2流体の温度を効率良く上げつつ、一次冷媒の温度を効率良く下げることが可能になる。
第12発明のヒートポンプシステムは、第1発明から第11発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、ヒートポンプ回路は、インジェクション分岐部分、インジェクション路、インジェクション熱交換器、および、減圧機構を有している。インジェクション分岐部分は、第2熱交換器を通過して膨張機構に向かう一次冷媒の一部を分岐させている。インジェクション路は、インジェクション分岐部分を低段側圧縮機構と高段側圧縮機構との間に接続している。インジェクション熱交換器は、インジェクション分岐部分から膨張機構側に向けて流れる一次冷媒と、インジェクション路を流れる一次冷媒と、の間で熱交換を行わせている。減圧機構は、インジェクション路におけるインジェクション熱交換器への入口と、インジェクション分岐部分と、の間に設けられている。
このヒートポンプシステムでは、インジェクション熱交換器を通過して膨張機構に向かう冷媒を冷却させることでヒートポンプ回路の能力を増大させることができる。低段側圧縮機構と高段側圧縮機構との間にインジェクション路を通過した一次冷媒を供給することで、高段側圧縮機構が吸入する一次冷媒を冷却させることができる。これにより、ヒートポンプ回路の成績係数を向上させることが可能になる。
なお、例えば、ヒートポンプ回路の運転効率を向上させるための第1熱交換器を通過する一次冷媒の冷却効果が十分でない場合(暖房負荷が小さい場合等)であっても、インジェクション路を流れる一次冷媒によって運転効率を向上させることができる。
第13発明のヒートポンプシステムは、第12発明のヒートポンプシステムにおいて、インジェクション分岐部分は、第2熱交換器を通過してインジェクション熱交換器に向かう一次冷媒の一部をインジェクション路へ分岐させる位置に設けられている。
このヒートポンプシステムでは、低段側圧縮機構から高段側圧縮機構に向かう一次冷媒を冷却し過ぎて能力を落としてしまうことを回避することが可能になる。
第14発明のヒートポンプシステムは、第12発明のヒートポンプシステムにおいて、インジェクション分岐部分は、インジェクション熱交換器を通過して膨張機構に向かう一次冷媒の一部をインジェクション路へ分岐させる位置に設けられている。
このヒートポンプシステムでは、低段側圧縮機構から高段側圧縮機構に向かう一次冷媒を効果的に冷却させることが可能になる。
第15発明のヒートポンプシステムは、第12発明から第14発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、インジェクション路は、インジェクション分岐部分を低段側圧縮機構と第1熱交換器との間に接続している。
このヒートポンプシステムでは、高段側圧縮機構の吐出冷媒温度として目標温度が得られるように高段側圧縮機構の圧縮比が上げられることにより、高低の圧縮比をできるだけ近づけて運転効率を上げるために低段側圧縮機構の吐出冷媒圧力および温度を上げざるを得ない状況において、第1熱交換器における一次冷媒との熱交換によって第1流体もしくは第2流体が加熱され過ぎてしまうことを回避することが可能になる。
第16発明のヒートポンプシステムは、第12発明から第14発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、インジェクション路は、インジェクション分岐部分を第1熱交換器と高段側圧縮機構との間に接続している。
このヒートポンプシステムでは、低段側圧縮機構から吐出されて冷やされることなく高温状態を維持した一次冷媒を第1熱交換器に供給することができる。これにより、第1熱交換器で一次冷媒と熱交換される第1流体もしくは第2流体の温度をより高温に上げることが可能になる。
第17発明のヒートポンプシステムは、第1発明から第16発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、ヒートポンプ回路は、第2熱交換器を通過して膨張機構に向かう一次冷媒と、蒸発器を通過して低段側圧縮機構の吸入側に向かう一次冷媒と、の間で熱交換を行わせる一次冷媒間熱交換器をさらに有している。
このヒートポンプシステムでは、膨張機構に向かう一次冷媒の密度を上げることで膨張機構を通過する一次冷媒の量を増大させて循環量を増やすことが可能になる。低段側圧縮機構が吸入する一次冷媒の過熱度を上げることにより、低段側圧縮機構が吐出する一次冷媒の目標温度に到達させるために低段側圧縮機構において必要となる圧縮比を小さく抑えることが可能になる。これにより、循環量を増やしつつ運転効率を向上させることが可能になる。
第18発明のヒートポンプシステムは、第1発明から第17発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、ヒートポンプ回路は、一次冷媒間熱交換器をバイパスするバイパス路をさらに有している。
このヒートポンプシステムでは、低段側圧縮機構が吸入する一次冷媒の過熱度が上がり過ぎてしまうことを抑制して、循環量の低下を抑えることが可能になる。
第19発明のヒートポンプシステムは、第18発明のヒートポンプシステムにおいて、ヒートポンプ回路は、バイパス路は、通過する一次冷媒の量を調節可能なバイパス流量調節弁をさらに有している。
このヒートポンプシステムでは、一次冷媒間熱交換器を利用する程度を調節することが可能になる。
第20発明のヒートポンプシステムは、第1発明から第11発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、ヒートポンプ回路は、一次冷媒間熱交換器、インジェクション分岐部分、インジェクション路、インジェクション熱交換器、および、減圧機構をさらに有している。一次冷媒間熱交換器は、第2熱交換器を通過して膨張機構に向かう一次冷媒と、蒸発器を通過して低段側圧縮機構の吸入側に向かう一次冷媒と、の間で熱交換を行わせる。インジェクション分岐部分は、第2熱交換器を通過して膨張機構に向かう一次冷媒の一部を分岐させている。インジェクション路は、インジェクション分岐部分を低段側圧縮機構と高段側圧縮機構との間に接続している。インジェクション熱交換器は、インジェクション分岐部分から膨張機構側に向けて流れる一次冷媒と、インジェクション路を流れる一次冷媒と、の間で熱交換を行わせている。減圧機構は、インジェクション路におけるインジェクション熱交換器への入口とインジェクション分岐部分との間に設けられている。
このヒートポンプシステムでは、膨張機構に向かう一次冷媒を、一次冷媒間熱交換器およびインジェクション熱交換器によって冷却することができる。これにより、膨張機構を通過する冷媒密度を向上させて、ヒートポンプ回路における一次冷媒の循環量を増大させることが可能になる。
第21発明のヒートポンプシステムは、第20発明のヒートポンプシステムにおいて、一次冷媒は、インジェクション熱交換器を通過した後に、一次冷媒間熱交換器を通過する。
このヒートポンプシステムでは、一次冷媒間熱交換器を流れる一次冷媒を、ヒートポンプ回路において最も低い温度の一次冷媒が流れている低段側圧縮機構の吸入一次冷媒によって冷却することができる。これにより、膨張機構に向かう一次冷媒の密度を上げることにより、ヒートポンプ回路における一次冷媒の循環量を増大させることが可能になる。
第22発明のヒートポンプシステムは、第20発明のヒートポンプシステムにおいて、一次冷媒は、一次冷媒間熱交換器を通過した後に、インジェクション熱交換器を通過する。
このヒートポンプシステムでは、インジェクション熱交換器で冷やされていない温度状態の一次冷媒によって、低段側圧縮機構が吸入する一次冷媒を暖めることができる。これにより、低段側圧縮機構が吸入する一次冷媒の過熱度をより大きく上げることが可能になる。
第23発明のヒートポンプシステムは、第1発明から第11発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、ヒートポンプ回路は、気液分離機構、インジェクション路、および、液相路をさらに有している。気液分離機構は、膨張機構から蒸発器に向かう一次冷媒を気相と液相とに分離する。インジェクション路は、低段側圧縮機構と高段側圧縮機構との間に対して気液分離機構内の気相領域を接続する。液相路は、気液分離機構内の液相領域を蒸発器側に導く。
このヒートポンプシステムでは、気液分離機構によって液状態の一次冷媒が低減されているため、気体状態の一次冷媒を低段側圧縮機構と高段側圧縮機構との間に供給することができる。このため、高段側圧縮機構が吸入する一次冷媒を冷却させる場合に、高段側圧縮機構が吸入する一次冷媒が湿り状態になりにくいようにできる。
第24発明のヒートポンプシステムは、第23発明のヒートポンプシステムにおいて、ヒートポンプ回路は、液相路を通過する一次冷媒の圧力を下げる気液分離後減圧機構をさらに有している。
このヒートポンプシステムでは、第2熱交換器を通過した一次冷媒の状態が超臨界状態であっても、膨張機構によって一段階減圧されることで、一次冷媒を気液二相状態にすることができる。そして、気液分離機構で気体状態の一次冷媒が分離された液状態の一次冷媒は、気液分離後減圧機構によってさらに減圧される。このように、一次冷媒を段階的に減圧することで、インジェクション路を流れる一次冷媒の温度が低下し過ぎる状態を回避することが可能になる。
第25発明のヒートポンプシステムは、第1発明から第24発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、低段側圧縮機構および高段側圧縮機構は、それぞれ回転駆動することで圧縮仕事を行うための共通の回転軸を有している。
このヒートポンプシステムでは、回転軸を共通化させつつ180度の位相差を設けることで、駆動効率を上げることが可能になる。
第26発明のヒートポンプシステムは、第1発明から第25発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、一次冷媒は、二酸化炭素である。
このヒートポンプシステムでは、自然冷媒を用いてヒートポンプ回路の冷凍サイクルを実現できる。
以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。
第1発明では、ヒートポンプ回路の運転効率を良好にしつつ、第1熱交換器を流れる一次冷媒からの熱と第2熱交換器を流れる一次冷媒からの熱とを有効利用することが可能になる。
第2発明では、高段側圧縮機構が吸入する一次冷媒もしくは膨張機構に向けて流れていく一次冷媒をより冷却することが可能になる。
第3発明では、第1熱負荷処理部において暖房用として必要な程度の温度まで二次冷媒を暖めるために必要な熱を、第1熱交換器を流れる一次冷媒および第2熱交換器を流れる一次冷媒から得ることができる。
第4発明では、給湯に必要となる温度まで水を加熱するために、第1熱交換器を流れる一次冷媒および第2熱交換器を流れる一次冷媒の少なくともいずれか一方のうち、効果的に熱交換を行うことが可能な温度の一次冷媒が流れている部分から熱を受けることが可能になる。
第5発明では、第1流体もしくは第2流体は、必要となる温度範囲を選択して熱交換を行わせることが可能になる。
第6発明では、第1熱交換器においても一次冷媒の温度が変化しており、第1熱交換器を流れる一次冷媒の温度範囲に幅が生じているため、第1流体もしくは第2流体は、第1熱交換器においても必要となる温度範囲を選択して熱交換を行わせることが可能になる。
第7発明では、第1流体および第2流体と、一次冷媒と、の温度差を小さく抑えたままで、第2熱交換器における熱交換を行わせることができるため、熱交換効率を向上させることが可能になる。
第8発明では、第2流体の熱負荷が小さくなった場合であっても、下流第2熱交換器において第1流体によって冷却された一次冷媒を、第2流体が暖めてしまう運転状態を回避することが可能になる。
第9発明では、熱交換器をコンパクト化させることが可能になる。
第10発明では、第1流体の温度を効率良く上げつつ、一次冷媒の温度を効率良く下げることが可能になる。
第11発明では、第2流体の温度を効率良く上げつつ、一次冷媒の温度を効率良く下げることが可能になる。
第12発明では、ヒートポンプ回路の成績係数を向上させることが可能になる。
第13発明では、低段側圧縮機構から高段側圧縮機構に向かう一次冷媒を冷却し過ぎて能力を落としてしまうことを回避することが可能になる。
第14発明では、低段側圧縮機構から高段側圧縮機構に向かう一次冷媒を効果的に冷却させることが可能になる。
第15発明では、第1熱交換器における一次冷媒との熱交換によって第1流体もしくは第2流体が加熱され過ぎてしまうことを回避することが可能になる。
第16発明では、第1熱交換器で一次冷媒と熱交換される第1流体もしくは第2流体の温度をより高温に上げることが可能になる。
第17発明では、循環量を増やしつつ運転効率を向上させることが可能になる。
第18発明では、低段側圧縮機構が吸入する一次冷媒の過熱度が上がり過ぎてしまうことを抑制して、循環量の低下を抑えることが可能になる。
第19発明では、一次冷媒間熱交換器を利用する程度を調節することが可能になる。
第20発明では、膨張機構を通過する冷媒密度を向上させて、ヒートポンプ回路における一次冷媒の循環量を増大させることが可能になる。
第21発明では、膨張機構に向かう一次冷媒の密度を上げることにより、ヒートポンプ回路における一次冷媒の循環量を増大させることが可能になる。
第22発明では、低段側圧縮機構が吸入する一次冷媒の過熱度をより大きく上げることが可能になる。
第23発明では、高段側圧縮機構が吸入する一次冷媒を冷却させる場合に、高段側圧縮機構が吸入する一次冷媒が湿り状態になりにくいようにできる。
第24発明では、一次冷媒を段階的に減圧することで、インジェクション路を流れる一次冷媒の温度が低下し過ぎる状態を回避することが可能になる。
第25発明では、回転軸を共通化させつつ180度の位相差を設けることで、駆動効率を上げることが可能になる。
第26発明では、自然冷媒を用いてヒートポンプ回路の冷凍サイクルを実現できる。
本発明の第1実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第1実施形態にかかるヒートポンプ回路の圧力−エンタルピ線図である。 第1実施形態にかかるヒートポンプ回路の温度−エントロピ線図である。 第2実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第3実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第4実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第5実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第5実施形態の変形例Aにかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第5実施形態の変形例Bにかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第5実施形態の変形例Cにかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第6実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第6実施形態の変形例Aにかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第7実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第8実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第9実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第10実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第11実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第12実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第13実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 参考例にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。
<1>第1実施形態
<1−1>ヒートポンプシステム1の構成
図1は、本発明の一実施形態である第1実施形態にかかるヒートポンプシステム1の概略構成図である。
ヒートポンプシステム1は、ヒートポンプ回路10、暖房回路60、給湯回路90、中間圧水熱交換器40、および、高圧水熱交換器50を備えている。ヒートポンプシステム1は、ヒートポンプ回路10によって得られる熱を、暖房回路60を介して暖房用の熱として利用するだけでなく、給湯回路90を介して給湯用の熱として利用するシステムである。
(中間圧水熱交換器40)
中間圧水熱交換器40では、ヒートポンプ回路10を循環する一次冷媒としての二酸化炭素と、暖房回路60を循環する二次冷媒としての水と、の間で熱交換を行わせる。
(高圧水熱交換器50)
高圧水熱交換器50は、第1高圧水熱交換器51、第2高圧水熱交換器52、および、第3高圧水熱交換器53を有している。第1高圧水熱交換器51では、ヒートポンプ回路10を循環する一次冷媒としての二酸化炭素と、給湯回路90を循環する給湯用の水と、の間で熱交換を行わせる。第2高圧水熱交換器52では、ヒートポンプ回路10を循環する一次冷媒としての二酸化炭素と、暖房回路60を循環する二次冷媒としての水と、の間で熱交換を行わせる。第3高圧水熱交換器53では、ヒートポンプ回路10を循環する一次冷媒としての二酸化炭素と、給湯回路90を循環する給湯用の水と、の間で熱交換を行わせる。
(ヒートポンプ回路10)
ヒートポンプ回路10は、一次冷媒としての二酸化炭素が循環している自然冷媒を用いた回路である。ヒートポンプ回路10は、低段側圧縮機21、高段側圧縮機25、エコノマイザ熱交換器7、インジェクション路70、一次冷媒間熱交換器8、一次バイパス80、膨張弁5a、蒸発器4、中間圧管23、高圧管27、低圧管20、ファン4f、および、制御部11を備えている。蒸発器4は、例えば、屋外に設置されている。
中間圧管23は、低段側圧縮機21の吐出側と高段側圧縮機25の吸入側とを接続している。中間圧管23は、第1中間圧管23a、第2中間圧管23b、第3中間圧管23c、および、第4中間圧管23dを有している。第1中間圧管23aは、低段側圧縮機21の吐出側と、中間圧水熱交換器40の上流側端部と、を低段吐出ポイントBを介しつつ、接続している。この第1中間圧管23aには、通過する一次冷媒の圧力を検知する中間圧圧力センサ23P、および、通過する一次冷媒の温度を検知する中間圧温度センサ23Tが取り付けられている。第2中間圧管23bは、二次冷媒としての暖房用の水と混ざり合うことがないように、内部に一次冷媒としての二酸化炭素を流しつつ、中間圧水熱交換器40内を通過している。第3中間圧管23cは、中間圧水熱交換器40の下流側端部とインジェクション合流ポイントDとを、中間圧水熱交換器通過ポイントCを介して接続している。第4中間圧管23dは、インジェクション合流ポイントDと、高段側圧縮機25の吸入側と、を接続している。
高圧管27は、高段側圧縮機25の吐出側と、膨張弁5もしくは一次バイパス膨張弁5bと、を接続している。高圧管27は、第1高圧管27a、第2高圧管27b、第3高圧管27c、第4高圧管27d、第5高圧管27e、第6高圧管27f、第7高圧管27g、第8高圧管27h、第9高圧管27i、第10高圧管27j、第11高圧管27k、第12高圧管27l、および、第13高圧管27mを有している。第1高圧管27aは、高段側圧縮機25の吐出側と、第1高圧水熱交換器51と、を高段吐出ポイントEを介しつつ、接続している。この第1高圧管27aには、通過する一次冷媒の圧力を検知する高圧圧力センサ27P、および、通過する一次冷媒の温度を検知する高圧温度センサ27Tが取り付けられている。第2高圧管27bは、給湯用の水と混ざり合うことがないように、内部に一次冷媒としての二酸化炭素を流しつつ、第1高圧水熱交換器51内を通過している。第3高圧管27cは、第1高圧水熱交換器51の下流側端部と、第2高圧水熱交換器52の上流側端部と、を第1高圧ポイントFを介しつつ、接続している。第4高圧管27dは、暖房用二次冷媒としての水と混ざり合うことがないように、内部に一次冷媒としての二酸化炭素を流しつつ、第2高圧水熱交換器52内を通過している。第5高圧管27eは、第2高圧水熱交換器52の下流側端部と、第3高圧水熱交換器53の上流側端部と、を第2高圧ポイントGを介しつつ、接続している。第6高圧管27fは、暖房用二次冷媒としての水と混ざり合うことがないように、内部に一次冷媒としての二酸化炭素を流しつつ、第3高圧水熱交換器53内を通過している。第7高圧管27gは、第3高圧水熱交換器53の下流側端部と、第3高圧ポイントHと、を接続している。第8高圧管27hは、第3高圧ポイントHと、エコノマイザ熱交換器7中の膨張弁5a側に向かう一次冷媒の流れ方向における上流側端部と、を接続している。第9高圧管27iは、インジェクション路70を流れる一次冷媒との間で混ざり合うことがないように、内部に一次冷媒を流しつつ、エコノマイザ熱交換器7を通過している。第10高圧管27jは、エコノマイザ熱交換器7中の膨張弁5a側に向かう一次冷媒の流れ方向における下流側端部と、第4高圧ポイントIと、を接続している。第11高圧管27kは、第4高圧ポイントIと、一次冷媒間熱交換器8中の膨張弁5a側に向かう一次冷媒の流れ方向における上流側端部と、を接続している。第12高圧管27lは、低圧管20を流れる一次冷媒との間で混ざり合うことがないように、内部に一次冷媒を流しつつ、一次冷媒間熱交換器8を通過している。第13高圧管27mは、一次冷媒間熱交換器8中の膨張弁5a側に向かう一次冷媒の流れ方向における下流側端部と、膨張弁5aと、を第5高圧ポイントJを介しつつ、接続している。
低圧管20は、第1低圧管20a、第2低圧管20b、第3低圧管20c、第4低圧管20d、および、第5低圧管20eを有している。第1低圧管20aは、膨張弁5aと、第3低圧ポイントMと、を第1低圧ポイントKを介して接続している。第2低圧管20bは、第3低圧ポイントMと、蒸発器4の上流側端部と、を接続している。第3低圧管20cは、蒸発器4の下流側端部と、一次冷媒間熱交換器8の低圧管20中の一次冷媒の流れ方向における上流側端部と、を第4低圧ポイントNを介しつつ、を接続している。第4低圧管20dは、第12高圧管27lを流れる一次冷媒との間で混ざり合うことがないように、内部に一次冷媒を流しつつ、一次冷媒間熱交換器8を通過している。第5低圧管20eは、一次冷媒間熱交換器8の低圧管20中の一次冷媒の流れ方向における下流側端部と、低段側圧縮機21の吸入側である吸入ポイントAと、を接続している。この第5低圧管20eには、通過する一次冷媒の圧力を検知する低圧圧力センサ20P、および、通過する一次冷媒の温度を検知する低圧温度センサ20Tが取り付けられている。
インジェクション路70は、インジェクション膨張弁73、第1インジェクション管72、第2インジェクション管74、第3インジェクション管75、および、第4インジェクション管76を有している。第1インジェクション管72は、第3高圧ポイントHと、インジェクション膨張弁73と、を接続している。第2インジェクション管74は、インジェクション膨張弁73と、エコノマイザ熱交換器7中のインジェクション路70を流れる一次冷媒の流れ方向における上流側端部と、をインジェクション中間圧ポイントQを介しつつ、接続している。第3インジェクション管75は、第9高圧管27iを流れる一次冷媒との間で混ざり合うことがないように、内部に一次冷媒を流しつつ、エコノマイザ熱交換器7を通過している。第4インジェクション管76は、エコノマイザ熱交換器7中のインジェクション路70を流れる一次冷媒の流れ方向における下流側端部と、インジェクション合流ポイントDと、をエコノマイザ熱交後ポイントRを介しつつ、接続している。このように、ヒートポンプ回路10では、インジェクション路70が採用されているため、ヒートポンプ回路の成績係数を向上させることができている。そして、例えば、暖房負荷が小さい場合等、ヒートポンプ回路10の効率向上のための中間圧水熱交換器40における一次冷媒の冷却効果を十分に得られない場合であっても、このインジェクション路70を通過するインジェクション量を増大させることで、運転効率を向上させることができる。なお、ヒートポンプ回路10では、インジェクション合流ポイントDは、中間圧水熱交換器40と高段側圧縮機25との間に設けられている。このため、低段側圧縮機21から吐出された高温の一次冷媒は、中間圧水熱交換器40に到達する前に冷やされることがなく、高温状態を維持したままで中間圧水熱交換器40に供給することができる。このため、中間圧水熱交換器40を通過する暖房用の水を十分高温にすることができている。さらに、第3高圧ポイントHは、エコノマイザ熱交換器7の上流側において一次冷媒の一部をインジェクション路70へ分岐させることができる位置に設けられている。このため、低段側圧縮機21から高段側圧縮機25に向かう一次冷媒を冷却し過ぎてしまうことによる能力低下を回避することがきている。
一次バイパス80は、第14高圧管27n、第6低圧管20f、および、一次バイパス膨張弁5bを有している。第14高圧管27nは、第4高圧ポイントIと、一次バイパス膨張弁5bと、を接続している。第6低圧管20fは、一次バイパス膨張弁5bと、第3低圧ポイントMと、第2低圧ポイントLを介して接続している。なお、一次バイパス80に一次バイパス膨張弁5bが設けられているため、制御部11は、一次冷媒間熱交換器8側を通過する一次冷媒の量を調節することができる。このため、低段側圧縮機21が吸入する一次冷媒が適当な過熱度を有するように調節することが可能になっている。具体的には、制御部11は、一次バイパス膨張弁5bの弁開度を下げた場合には、一次冷媒間熱交換器8を通過する一次冷媒の流量が増大し、低段側圧縮機21が吸入する一次冷媒の過熱度を上げることができ、これにより、低段側圧縮機21の吐出冷媒温度が目標温度となるために必要となる圧縮比を小さく抑えることができる。また、制御部11は、一次バイパス膨張弁5bの弁開度を上げた場合には、一次冷媒間熱交換器8を通過する一次冷媒の流量が減少し、低段側圧縮機21が吸入する一次冷媒の過熱度を下げることができ、これにより、低段側圧縮機21の吸入冷媒密度が著しく減少して循環量を確保できなくなってしまう事態を回避することができる。
制御部11は、上述した中間圧圧力センサ23P、中間圧温度センサ23T、高圧圧力センサ27P、高圧温度センサ27T、低圧圧力センサ20P、および、低圧温度センサ20T等が検知する値に基づいて、低段側圧縮機21、高段側圧縮機25、インジェクション膨張弁73、膨張弁5a、一次バイパス膨張弁5b、ファン4f等を制御する。
(暖房回路60)
暖房回路60は、二次冷媒としての水が循環している。暖房回路60は、ラジエータ61、分流機構62、暖房往き管65、暖房戻り管66、中間圧側分岐路67、および、高圧側分岐路68を有している。分流機構62は、暖房混合弁64、および、暖房ポンプ63を含んでいる。ラジエータ61は、暖房を行う対象となる空間に設置されており、内部を二次冷媒としての暖かい水が流れることにより、対象空間の空気を暖めて暖房を行う。ラジエータ61には、内部を流れる暖房用の水の温度を検知するためのラジエータ温度センサ61Tが設けられている。ラジエータ61は、図示しないが、暖房ポンプ63から送られてくる暖かい水を受け入れるための往き口と、ラジエータ61において放熱した後の水を中間圧水熱交換器40および第2高圧水熱交換器52に送り出すための戻り口と、を有している。暖房戻り管66は、ラジエータ61の戻り口と、暖房分岐ポイントXとを接続している。暖房分岐ポイントXでは、ラジエータ61における放熱を終えた水を、中間圧水熱交換器40側に送る中間圧側分岐路67と、第2高圧水熱交換器52側に送る高圧側分岐路68と、に分流させる。中間圧側分岐路67は、第1中間圧側分岐路67a、第2中間圧側分岐路67b、および、第3中間圧側分岐路67cを有している。第1中間圧側分岐路67aは、分岐ポイントXと、中間圧水熱交換器40における中間圧側分岐路67中の水の流れ方向における上流側端部と、を接続している。第2中間圧側分岐路67bは、第2中間圧管23b内を流れている一次冷媒としての二酸化炭素と混ざり合うことがないように、内部に二次冷媒としての暖房用の水を流しつつ、中間圧水熱交換器40内を通過している。ここで、中間圧水熱交換器40では、第2中間圧管23b内を流れている一次冷媒としての二酸化炭素と、第2中間圧側分岐路67b内を流れている暖房用二次冷媒としての水とは、互いに対向する方向に流れている対向流形式が採用されている。第3中間圧側分岐路67cは、中間圧水熱交換器40における中間圧側分岐路67中の水の流れ方向における下流側端部と、暖房合流ポイントYと、を接続している。第3中間圧側分岐路67cには、通過する暖房用の水の温度を検知するための中間圧側分岐路温度センサ67Tが設けられている。高圧側分岐路68は、第1高圧側分岐路68a、第2高圧側分岐路68b、および、第3高圧側分岐路68cを有している。第1高圧側分岐路68aは、分岐ポイントXと、第2高圧水熱交換器52における高圧側分岐路68中の水の流れ方向における上流側端部と、を接続している。第2高圧側分岐路68bは、第4高圧管27d内を流れている一次冷媒としての二酸化炭素と混ざり合うことがないように、内部に二次冷媒としての暖房用の水を流しつつ、第2高圧水熱交換器52内を通過している。ここで、第2高圧水熱交換器52では、第4高圧管27d内を流れている一次冷媒としての二酸化炭素と、第2高圧側分岐路68b内を流れている暖房用二次冷媒としての水とは、互いに対向する方向に流れている対向流形式が採用されている。第3高圧側分岐路68cは、第2高圧水熱交換器52における高圧側分岐路68中の水の流れ方向における下流側端部と、暖房合流ポイントYと、を接続している。第3高圧側分岐路68cには、通過する暖房用の水の温度を検知するための高圧側分岐路温度センサ68Tが設けられている。なお、第1中間圧側分岐路67aを流れている暖房用の水の温度、および、第1高圧側分岐路68aを流れている暖房用の水の温度は、いずれも暖房分岐ポイントXで分岐されたまま、外部との熱のやりとりが無いため、同一の温度分布となっている。これに対して、第3中間圧側分岐路67cを流れている暖房用の水の温度は、中間圧水熱交換器40において第2中間圧管23bを流れる一次冷媒との熱交換によって得られる熱量に応じた温度となる。また、第3高圧側分岐路68cを流れている暖房用の水の温度は、第2高圧水熱交換器52において第4高圧管27dを流れている一次冷媒との熱交換によって得られる熱量に応じた温度となる。このため、第3中間圧側分岐路67cを流れている暖房用の水の温度と、第3高圧側分岐路68cを流れている暖房用の水の温度とは、異なる温度になる場合がある。暖房往き管65は、暖房合流ポイントYと、ラジエータ61の往き口と、を接続している。この暖房往き管65の途中には、暖房往き管65を通過する暖房用の水の流量を調節する暖房ポンプ63が設けられている。暖房混合弁64は、第3中間圧側分岐路67cを通過した暖房用の水と、第3高圧側分岐路68cを通過した暖房用の水と、が合流する暖房傍流ポイントYに設けられている。暖房混合弁64は、第3中間圧側分岐路67c側に接続されている部分の開度および第3高圧側分岐路68c側に接続されている部分の開度をそれぞれ調節することにより、中間圧側分岐路67に流す暖房用の水の流量と、第3高圧側分岐路68cに流す暖房用の水の流量と、の比率を調節する。
なお、制御部11は、上述したラジエータ温度センサ61T、中間圧側分岐路温度センサ67T、高圧側分岐路温度センサ68T等が検知する温度等に基づいて、ラジエータ61において要求される温度の二次冷媒を供給することができるように、暖房混合弁64における分流比率および暖房ポンプ63の流量を制御する。
(給湯回路90)
給湯回路90は、給湯用の水が循環している。給湯回路90は、貯湯タンク91、給水管94、給湯管98、給湯バイパス管99、給湯混合弁93、給湯ヒートポンプ管95、および、給湯ポンプ92を有している。貯湯タンク91には、図示しないが、循環往き口、および、循環戻り口が設けられている。図示しない外部の市水を通じた後、給水管94を介して、常温の水が、貯湯タンク91の下端部近傍から貯湯タンク91内へと供給される。給湯ヒートポンプ管95は、第1給湯ヒートポンプ管95a、第2給湯ヒートポンプ管95b、第3給湯ヒートポンプ管95c、第4給湯ヒートポンプ管95d、第5給湯ヒートポンプ管95e、および、第6給湯ヒートポンプ管95fを有している。第1給湯ヒートポンプ管95aは、貯湯タンク91の循環往き口と、給湯ポンプ92と、を接続している。第1給湯ヒートポンプ管95aには、通過する給湯用の水の温度を検知する給湯入水温度センサ94Tが設けられている。第2給湯ヒートポンプ管95bは、給湯ポンプ92と、第3高圧水熱交換器53における給湯ヒートポンプ管95中の水の流れ方向における上流側端部と、を接続している。第3給湯ヒートポンプ管95cは、第6高圧管27f内を流れている一次冷媒としての二酸化炭素と混ざり合うことがないように、内部に給湯用の水を流しつつ、第3高圧水熱交換器53内を通過している。ここで、第3高圧水熱交換器53では、第6高圧管27f内を流れている一次冷媒としての二酸化炭素と、第3給湯ヒートポンプ管95c内を流れている給湯用の水とは、互いに対向する方向に流れている対向流形式が採用されている。第4給湯ヒートポンプ管95dは、第3高圧水熱交換器53における給湯ヒートポンプ管95中の水の流れ方向における下流側端部と、第1高圧水熱交換器51における給湯ヒートポンプ管95中の水の流れ方向における上流側端部と、を接続している。第4給湯ヒートポンプ管95dでは、通過する給湯用の水の温度を検知する給湯中間温度センサ95Tが設けられている。第2高圧水熱交換器52では、給湯用の水と、一次冷媒としての二酸化炭素と、の間での熱交換は行われていない。第5給湯ヒートポンプ管95eは、第2高圧管27b内を流れている一次冷媒としての二酸化炭素と混ざり合うことがないように、内部に給湯用の水を流しつつ、第1高圧水熱交換器51内を通過している。ここで、第1高圧水熱交換器51では、第2高圧管27b内を流れている一次冷媒としての二酸化炭素と、第5給湯ヒートポンプ管95e内を流れている給湯用の水とは、互いに対向する方向に流れている対向流形式が採用されている。第6給湯ヒートポンプ管95fは、第1高圧水熱交換器51における給湯ヒートポンプ管95中の水の流れ方向における下流側端部と、貯湯タンク91の循環戻り口とを接続している。第6給湯ヒートポンプ管95fには、通過する給湯用の水の温度を検知する給湯出湯温度センサ98Tが設けられている。給湯管98は、貯湯タンク91の上端部近傍から貯湯タンク91内に溜められているお湯を、図示しない利用される場所まで導く。給水管94は、貯湯タンク91側に向かう流れから分岐させる分岐部分である給水分岐ポイントWが設けられている。給湯管98は、貯湯タンク91から利用される場所に向かう流れに合流させる給湯合流ポイントZが設けられている。給湯バイパス管99は、この給水分岐ポイントWと、この給湯合流ポイントZと、を接続している。給湯合流ポイントZには、給湯管98を通じて貯湯タンク91から送られてくるお湯と、給湯バイパス管99を通じて市水から供給される常温の水と、の混合比率を調節できる給湯混合弁93が設けられている。この給湯混合弁93における混合比率が調節されることにより、利用される場所に送られる水の温度が調節される。
なお、制御部11は、上述した給湯入水温度センサ94T、給湯中間温度センサ95T、給湯出湯温度センサ98T等が検知する温度等に基づいて、給湯ポンプ92の流量を制御する。
<1−2>ヒートポンプ回路10の運転
図2は、ヒートポンプシステム1が運転された場合の圧力−エンタルピ線図である。図3は、ヒートポンプシステム1が運転された場合の温度−エントロピ線図である。
以下、一次冷媒の温度分布状態について、1つの具体例を挙げつつ説明する。
低段側圧縮機21は、低圧管20を流れてきた22℃程度の一次冷媒(点A)を、目標吐出温度が90℃程度に到達するように圧縮を行う(点B)。なお、ここで低圧管20を流れる一次冷媒の圧力は、蒸発器4を設置している周囲温度によって、一次冷媒としての二酸化炭素を蒸発させることが可能な圧力となるまで下げられた圧力(蒸発圧力)となるように制御部11によって調節されている。
低段側圧縮機21から吐出された一次冷媒は、第1中間圧管23aを通じて、中間圧水熱交換器40内の第2中間圧管23bに流入する。中間圧水熱交換器40に流入した一次冷媒は、第2中間圧側分岐路67bを通過している暖房用二次冷媒としての水との間で熱交換を行うことで、35℃程度まで冷却される(点C)。ここで、中間圧水熱交換器40における一次冷媒と二次冷媒とは対向流形式で流れているため、中間圧水熱交換器40内の第2中間圧管23bの出口近傍では、ラジエータ61で放熱して冷えた状態の30℃程度の二次冷媒によって効果的に冷却される。
中間圧水熱交換器40を通過した一次冷媒は、第3中間圧管23cのインジェクション合流点Dにおいて、インジェクション路70を通じて流入してくる27℃程度の一次冷媒と合流することで、さらに冷却され、30℃程度となる(点D)。ここで、インジェクション合流点Dにおいて合流した後の一次冷媒は、過熱度を有するか、もしくは、超臨界状態となるように、制御部11が制御を行う。さらに、ここで、インジェクション合流点Dにおいて合流した後の一次冷媒は、低段側圧縮機21における圧縮比と同一の圧縮比で高段側圧縮機25を駆動させつつ高段側圧縮機25から吐出される一次冷媒の目標温度が低段側圧縮機21から吐出される一次冷媒の目標温度と同じ90℃とすることができるように、制御部11によって制御される。すなわち、制御部11は、高段側圧縮機25に吸入される一次冷媒は中間圧水熱交換器40およびインジェクション路70での熱収支を調節できるように制御を行う。
インジェクション合流点Dで合流した一次冷媒は、高段側圧縮機25に吸入され、目標吐出温度が低段側圧縮機21の吐出冷媒の目標温度と同じ温度である90℃程度に到達するように、さらに一次冷媒を圧縮させる。ここでは、高段側圧縮機25は、一次冷媒の吐出冷媒圧力が一次冷媒の超臨圧力を超える圧力になるまで圧縮するように、制御部11によって制御されている(点E)。
高段側圧縮機25によって吐出された一次冷媒は、第1高圧管27aを通じて、第1高圧水熱交換器51内の第2高圧管27bに流入する。第1高圧水熱交換器51に流入した一次冷媒は、第5給湯ヒートポンプ管95eを通過している給湯用の水との間で熱交換を行うことで、85℃程度まで冷却される(点F)。一次冷媒は、臨界圧力を超えた状態を維持しながら放熱を行うため、連続的に温度変化が生じる。ここで、第1高圧水熱交換器51における一次冷媒と二次冷媒とは対向流形式で流れているため、第1高圧水熱交換器51内の第2高圧管27bの出口近傍では、未だ十分に加熱されていない30℃程度の給湯用の水によって効果的に冷却される。
第1高圧水熱交換器51を通過した一次冷媒は、第3高圧管27cを通じて、第2高圧水熱交換器52内の第4高圧管27dに流入する。第2高圧水熱交換器52に流入した一次冷媒は、第2高圧側分岐路68bを通過している暖房用二次冷媒としての水との間で熱交換を行うことで、35℃程度まで冷却される(点G)。ここで、第2高圧水熱交換器52における一次冷媒と二次冷媒とは対向流形式で流れているため、第2高圧水熱交換器52内の第4高圧管27dの出口近傍では、ラジエータ61で放熱して冷えた状態の30℃程度の二次冷媒によって効果的に冷却される。
第2高圧水熱交換器52を通過した一次冷媒は、第5高圧管27eを通じて、第3高圧水熱交換器53内の第6高圧管27fに流入する。第3高圧水熱交換器53に流入した一次冷媒は、第3給湯ヒートポンプ管95cを通過している給湯用の水との間で熱交換を行うことで、さらに冷却され、30℃程度となる(点H)。ここで、第3高圧水熱交換器53における一次冷媒と二次冷媒とは対向流形式で流れているため、第3高圧水熱交換器53内の第6高圧管27fの出口近傍では、貯湯タンク91において混ざり合うことで市水の温度からわずかに上昇した程度である20℃程度の給湯用の水によって効果的に冷却される。そして、第3高圧水熱交換器53を通過した一次冷媒は、第7高圧管27gを通じて第3高圧ポイントHに到達する。
このように、高圧水熱交換器50を流れる一次冷媒を超臨界状態とすることで放熱過程における温度変化を生じさせている。そして、高圧水熱交換器50が3つの熱交換器に別れており、暖房回路60を循環する二次冷媒としての水の温度変化範囲(30℃〜65℃)が給湯回路90における給湯用の水の温度変化範囲(20℃〜90℃)に含まれていることに対応させるように、高段側圧縮機25が吐出する一次冷媒のうち比較的高温状態である一次冷媒との熱交換、および、比較的低温状態である一次冷媒との熱交換とを給湯用の熱交換に割り当てている。そして、中間温度状態である一次冷媒との熱交換を暖房用の二次冷媒との熱交換に割り当てている。これにより、一次冷媒と給湯用の水との熱交換だけでなく一次冷媒と暖房用の水との熱交換のいずれにおいても、熱交換を行う流体同士の温度差を小さく抑えることができ、熱交換効率を向上させることができている。
第3高圧ポイントHに到達した一次冷媒は、第8高圧管27hを通じて膨張弁5a側に向かう流れと、インジェクション路70側に向かう流れと、に分流される。ここでの分流程度は、制御部11が、インジェクション膨張弁73の弁開度を調節することにより制御される。インジェクション路70側に分流された一次冷媒は、第1インジェクション管72を通じた後、インジェクション膨張弁73において減圧され、23℃程度まで一次冷媒の温度が下がる(点Q)。
インジェクション膨張弁73において減圧された一次冷媒は、第2インジェクション管74を通じて、エコノマイザ熱交換器7内の第3インジェクション管75に流入する。エコノマイザ熱交換器7に流入した一次冷媒は、第9高圧管27iを流れる30℃程度の一次冷媒との間で熱交換を行い、27℃程度まで加熱される(点R)。
エコノマイザ熱交換器7内の第3インジェクション管75を通過した27℃程度の一次冷媒は、第4インジェクション管76を通じて、上述したインジェクション合流点Dにおいて、中間圧管23を流れている一次冷媒と合流する。
第3高圧ポイントHに到達した一次冷媒のうち、インジェクション路70側に流れていかない30℃程度の一次冷媒は、第8高圧管27hを通じて、エコノマイザ熱交換器7内の第9高圧管27iに流入する。エコノマイザ熱交換器7内の第9高圧管27iに流入した30℃程度の一次冷媒は、上述したように、第3インジェクション管75を流れる27℃程度の一次冷媒との間で熱交換を行うことで、25℃程度までさらに冷却される(点I)。エコノマイザ熱交換器7内の第9高圧管27iを通過した一次冷媒は、第10高圧管27jを通じて第4高圧ポイントIに到達する。
第4高圧ポイントIに到達した一次冷媒は、一次バイパス80側に向かう流れと、第11高圧管27k側に向かう流れと、に分流される。ここでの分流程度は、制御部11が、一次バイパス膨張弁5bの弁開度を制御することにより調節される。第11高圧管27kを流れた一次冷媒は、一次冷媒間熱交換器8内の第12高圧管27lに流入する。一次冷媒間熱交換器8内の第12高圧管27lに流入した25℃程度の一次冷媒は、第4低圧管20dを流れる−3℃程度の一次冷媒との間で熱交換を行い、20℃程度まで冷却される(点J)。
一次冷媒間熱交換器8内の第12高圧管12を通過した一次冷媒は、第13高圧管27mを通じて、膨張弁5aまで流れる。膨張弁5aでは、制御部11によって弁開度が調節されることで、通過する一次冷媒の減圧程度が調節され、通過した一次冷媒の冷媒圧力が下がり、冷媒温度も−3℃程度まで下がる(点K)。ここでは、一次冷媒は、制御部11による減圧程度の調節によって、臨界圧力以下の圧力となるまで減圧され、気液二相状態となる。
なお、ヒートポンプ回路10では、一次冷媒をエコノマイザ熱交換器7によって冷却させるだけでなく、さらに一次冷媒間熱交換器8によって冷却させることができる。そして、一次冷媒間熱交換器8を流れる一次冷媒は、ヒートポンプ回路10において最も低い温度の一次冷媒が流れている低段側圧縮機21の吸入側の一次冷媒によって冷却することができる。これにより、膨張弁5aを通過する一次冷媒の密度を上げることができ、ヒートポンプ回路10における一次冷媒の循環量を増大させることができている。
膨張弁5aを通過した一次冷媒は、第1低圧管20aを通じて、第3低圧ポイントMまで流れていき、第6低圧管20fを流れてくる一次冷媒と合流する(点M)。
第4高圧ポイントIに到達した一次冷媒のうち、第11高圧管27k側に流れていかない25℃程度の一次冷媒は、一次バイパス80側に流れていき、第14高圧管27nを通じて、一次バイパス膨張弁5bまで流れていく。一次バイパス膨張弁5bは、制御部11によって弁開度が調節されることで、通過する一次冷媒の減圧程度が調節され、通過した一次冷媒の冷媒圧力が下がり、冷媒温度も−3℃程度まで下がる(点L)。ここでも、点Kと同様に、一次冷媒は、制御部11による減圧程度の調節によって、臨界圧力以下の圧力となるまで減圧され、気液二相状態となる。
一次バイパス膨張弁5bを通過した一次冷媒は、第6低圧管20fを通じて、第3低圧ポイントMまで流れていき、上述した第1低圧管20aを通じて流れてきた一次冷媒と合流する(点M)。
第3低圧ポイントMで合流した−3℃程度の一次冷媒は、第2低圧管20bを通じて、蒸発器4に流入する。蒸発器4に流入した一次冷媒は、蒸発器4に対してファン4fによって積極的に供給される空気との間で熱交換を行う。蒸発器4での熱交換によって、気液二相状態の−3℃程度の一次冷媒は、温度を一定に維持したままで蒸発して(潜熱変化を行って)乾き度が増大していき、飽和状態に近い状態となる(点N)。
蒸発器4を通過した一次冷媒は、第3低圧管20cを通じて、一次冷媒間熱交換器8内の第4低圧管20dに流入する。一次冷媒間熱交換器8内の第4低圧管20dを流れる−3℃程度の一次冷媒は、上述したように、第12高圧管27lを流れる25℃程度の一次冷媒との間で熱交換を行うことで、22℃程度まで加熱され、過熱度がついた状態となる(点A)。
一次冷媒間熱交換器8内の第4低圧管20dを通過した一次冷媒は、過熱状態となって、低段側圧縮機21に吸入される。
ヒートポンプ回路10では、以上のようにして、一次冷媒が循環している。
<1−3>暖房回路60の運転
ラジエータ61が設置された空間を暖めるために、ラジエータ61には、65℃程度の二次冷媒としての水が供給されるように、制御部11が制御を行っている。
以下、暖房用の二次冷媒の温度分布状態について、1つの具体例を挙げつつ説明する。
ラジエータ61内を通過しながら放熱をした暖房用の二次冷媒としての水は、ラジエータ61の性能および暖房負荷の程度にもよるが、35℃程度の温度に下がって、暖房戻り管66を通じて、暖房分岐ポイントXまで流れていく。
暖房分岐ポイントXでは、中間圧側分岐路67に向かう流れと、高圧側分岐路68側に向かう流れとに分けられる。
暖房分岐ポイントXから中間圧側分岐路67側に向けて流れた二次冷媒は、第1中間圧側分岐路67aを通じて、中間圧水熱交換器40内の第2中間圧側分岐路67bに流入していく。中間圧水熱交換器40内の第2中間圧側分岐路67bを流れる二次冷媒は、上述したように、第2中間圧管23bを通過する一次冷媒によって加熱されることで、30℃程度の二次冷媒の温度が65℃程度まで上げられる。なお、上述したように、中間圧水熱交換器40内での一次冷媒と二次冷媒とは対向流形式で流れているため、中間圧水熱交換器40内の第2中間圧側分岐路67bの出口近傍は、比較的高温である90℃程度の一次冷媒によって効率的に加熱される。そして、中間圧水熱交換器40内の第2中間圧側分岐路67bを通過して65℃程度まで暖められた二次冷媒は、第3中間圧側分岐路67cを通過して、暖房合流ポイントYまで流れていく。
暖房分岐ポイントXから高圧側分岐路68側に向けて流れた二次冷媒は、第1高圧側分岐路68aを通じて、第2高圧水熱交換器52内の第2高圧側分岐路68bに流入していく。第2高圧水熱交換器52内の第2高圧側分岐路68bを流れる二次冷媒は、上述したように、第4高圧管27dを通過する一次冷媒によって加熱されることで、30℃程度の二次冷媒の温度が65℃程度まで上げられる。なお、上述したように、第2高圧水熱交換器52内での一次冷媒と二次冷媒とは対向流形式で流れているため、第2高圧水熱交換器52内の第2高圧側分岐路68bの出口近傍は、比較的高温である85℃程度の一次冷媒によって効率的に加熱される。そして、第2高圧水熱交換器52内の第2高圧側分岐路68bを通過して65℃程度まで暖められた二次冷媒は、第3高圧側分岐路68cを通過して、暖房合流ポイントYまで流れていく。
暖房合流ポイントYでは、第3中間圧側分岐路67cを通過してきた二次冷媒と、第3高圧側分岐路68cを通過してきた二次冷媒と、が合流する。なお、制御部11が、暖房混合弁64における、中間圧側分岐路67側の弁開度と高圧側分岐路68側の弁開度とを調節することにより、中間圧側分岐路67側を流れる二次冷媒の流量と高圧側分岐路68側を流れる二次冷媒の流量とを調節することができる。これにより、制御部11は、暖房回路60を循環している二次冷媒が、中間圧水熱交換器40側で加熱される程度と、第2高圧水熱交換器52側で加熱される程度の比率を調節しつつ、暖房ポンプ63を通過する二次冷媒の流量を調節することで、暖房合流ポイントYにおいて合流した二次冷媒の温度をラジエータ61において要求される温度となるように制御することができる。
このようにして、暖房合流ポイントYにおいて合流した65℃程度まで加熱された二次冷媒は、暖房往き管65を通じてラジエータ61まで供給される。暖房回路60では、以上のようにして二次冷媒が循環している。
<1−4>給湯回路90の運転
貯湯タンク91内に90℃程度のお湯を溜められるように、制御部11は、給湯ポンプ92の流量制御を行っている。
以下、給湯用の水の温度分布状態について、1つの具体例を挙げつつ説明する。
市水が流入した貯湯タンク91の下方の比較的低温の水は、20℃程度の温度で給湯ヒートポンプ管95に向けて流れていく。
第1給湯ヒートポンプ管95aおよび第2給湯ヒートポンプ管95bを通過した20℃程度の給湯用の水は、第3高圧水熱交換器53内の第3給湯ヒートポンプ管95cに流入していく。第3高圧水熱交換器53内の第3給湯ヒートポンプ管95cを流れる給湯用の水は、上述したように、第3高圧水熱交換器53内の第6高圧管27fを通過する35℃程度の一次冷媒によって加熱されることで、20℃程度の給湯用の水の温度が30℃程度まで上げられる。なお、上述したように、第3高圧水熱交換器53内での一次冷媒と二次冷媒とは対向流形式で流れているため、第3高圧水熱交換器53内の第3給湯ヒートポンプ管95cの出口近傍は、比較的高温である35℃程度の一次冷媒によって効率的に加熱される。
第3高圧水熱交換器53において30℃程度に暖められた給湯用の水は、第4給湯ヒートポンプ管95dを通過して、第1高圧水熱交換器51内の第5給湯ヒートポンプ管95eに流入する。第1高圧水熱交換器51内の第5給湯ヒートポンプ管95eを流れる給湯用の水は、上述したように、第1高圧水熱交換器51内の第2高圧管27bを通過する90℃程度の一次冷媒によって加熱されることで、30℃程度の給湯用の水の温度が90℃程度まで上げられる。なお、上述したように、第1高圧水熱交換器51内での一次冷媒と二次冷媒とは対向流形式で流れているため、第1高圧水熱交換器51内の第5給湯ヒートポンプ管95eの出口近傍は、比較的高温である90℃程度の一次冷媒によって効率的に加熱される。
第1高圧水熱交換器51において90℃程度まで加熱された給湯用の水は、第6給湯ヒートポンプ管95fを通過して、貯湯タンク91の上方に流入する。
このようにして、給湯回路90を給湯用の水が循環することで、貯湯タンク91内に溜められている給湯用の水の温度を上げていくことができる。
<1−5>第1実施形態の特徴
第1実施形態のヒートポンプシステム1におけるヒートポンプ回路10では、多段圧縮形式が採用されており、中間圧水熱交換器40において一次冷媒を冷却することが可能であるため、単段冷凍サイクルと比較してヒートポンプ回路10の運転効率を良好にすることができる。
また、給湯用の水を要求される水温にまで上げるために必要な熱を高圧水熱交換器50を流れる一次冷媒から得た場合であっても、なお高圧水熱交換器50を流れる一次冷媒の温度が暖房用の二次冷媒を加熱できる温度範囲となっている。このため、ヒートポンプ回路10の運転効率を良好にすることができる範囲内において、高圧水熱交換器50の一部である第2高圧水熱交換器52を流れる一次冷媒の熱を、暖房用の二次冷媒を加熱するために有効利用することができている。これにより、ヒートポンプ回路10の運転効率を良好にしつつ、高圧水熱交換器50を流れる一次冷媒の熱を有効利用することができている。
なお、例えば、低段側圧縮機21の吐出冷媒の目標温度を、ラジエータ61で必要とされている温度(例えば65℃)および給湯の目標温度(例えば90℃)のいずれにも満たない運転を行う場合には、仮に、中間圧水熱交換器40で暖房負荷に対応しつつ高圧水熱交換器50で給湯負荷に対応する等というように、熱交換器と負荷とを一対一に対応させてしまうと暖房負荷に対応しきれなくなる等、いずれかの負荷を処理しきれなくなってしまう。これに対して、第1実施形態のヒートポンプシステム1では、暖房負荷に対応するための暖房回路60は、中間圧水熱交換器40だけでなく第2高圧水熱交換器52からも熱を得ることができている。このため、仮に、低段側圧縮機21の吐出目標温度もしくは高段側圧縮機25の吐出目標温度のいずれかが、暖房負荷の要求温度(給湯負荷の要求温度よりも要求温度が低い)に対応できていない場合であっても、対応できている方の一次冷媒が流れている熱交換器により多くの暖房用の二次冷媒が流れていくように暖房混合弁64を制御部11が制御して、暖房負荷を処理することができる。
また、例えば、暖房用の二次冷媒もしくは給湯用の水を、中間圧水熱交換器40で暖めた後に高圧水熱交換器50でさらに暖めようとする場合には、高圧水熱交換器50に流入しようとする暖房用の二次冷媒もしくは給湯用の水はすでに暖められているため、高圧水熱交換器50を流れる一次冷媒の有する熱を十分に有効利用することができない。すなわち、モリエル線図上で一次冷媒の放熱工程におけるエンタルピ変化を十分にとることができない。同様に、暖房用の二次冷媒もしくは給湯用の水を、高圧水熱交換器50で暖めた後に中間圧水熱交換器40で暖めようとする場合には、中間圧水熱交換器40に流入しようとする暖房用の二次冷媒もしくは給湯用の水はすでに暖められているため、中間圧水熱交換器40を流れる一次冷媒の有する熱を十分に利用することができず、多段圧縮形式のヒートポンプ回路10の運転効率を向上させることが困難になる場合がある。
これに対して、第1実施形態のヒートポンプシステム1では、ヒートポンプ回路10において、ラジエータ61において冷やされた二次冷媒を分割して、中間圧側分岐路67を通過させつつ中間圧水熱交換器40で行う加熱と、高圧側分岐路68を通過させつつ第2高圧水熱交換器52で行う加熱と、に分けている。このため、ラジエータ61で冷やされた後であって未だ暖められていない状態の二次冷媒を、中間圧水熱交換器40および第2高圧水熱交換器52に供給することができる。これにより、高段側圧縮機25が吸入する一次冷媒の冷却効果を向上させつつ、中間圧管23を流れる一次冷媒の熱を十分に有効利用することができている。
なお、ヒートポンプ回路10では、インジェクション路70が設けられているため、中間圧水熱交換器40を通過する一次冷媒の量よりも高圧水熱交換器50を通過する一次冷媒の方が流量が大きい。このため、低段側圧縮機21の目標吐出温度と高段側圧縮機25の目標吐出温度とを同等に制御した場合であっても、中間圧水熱交換器40において得られる熱量よりも高圧水熱交換器50において得られる熱量の方が多い。このヒートポンプシステム1では、このように高圧水熱交換器50側の方が得られる熱量が多いことを考慮して、給湯負荷および暖房負荷の両方に対応する熱交換器として中間圧水熱交換器40側ではなく高圧水熱交換器50を選定している。これにより、より効率的なヒートポンプシステム1を実現することができている。
<2>第2実施形態
第2実施形態のヒートポンプシステム201は、図4に示すように、第1実施形態のヒートポンプシステム1において一次バイパス80(第14高圧管27n、一次バイパス膨張弁5b、第6低圧管20f)が設けられることなく、循環する一次冷媒の全てが一次冷媒間熱交換器8を通過するシステムである。他の構成は上記第1実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。
ヒートポンプ回路10を循環する一次冷媒の全てを一次冷媒間熱交換器8において熱交換させても能力および効率に問題が生じにくい使用環境の場合には、部品点数を削減ができるだけでなく、一次バイパス膨張弁5bの制御が不要になる。
<3>第3実施形態
第3実施形態のヒートポンプシステム301は、図5に示すように、中間圧管23に対する一次冷媒のインジェクションが行われず、中間圧管23を流れる一次冷媒の冷却は中間圧水熱交換器40において全て行われるシステムである。すなわち、第3実施形態のヒートポンプシステム301は、第1実施形態のヒートポンプシステム1において、エコノマイザ熱交換器7、インジェクション路70(インジェクション膨張弁73、第1インジェクション管72、第2インジェクション管74、第3インジェクション管75、第4インジェクション管76)、第8高圧管27h、第9高圧管27i、第10高圧管27j、第3中間圧管23c、および、第4中間圧管23dが設けられることなく、代わりに第33中間圧管323cおよび第38高圧管327hが設けられたシステムである。第33中間圧管323cは、中間圧水熱交換器40内の第2中間圧管23bと、高段側圧縮機25の吸入側とを接続している。第38高圧管327hは、第3高圧水熱交換器53内の第6高圧管27fと、第4高圧ポイントIとを接続している。他の構成は上記第1実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。
このヒートポンプシステム301では、高段側圧縮機25が吸入する冷媒が湿り状態となってしまうほど冷却される状態を回避することができ、部品点数を少なく抑えて回路構成を単純化させることができる。
<4>第4実施形態
第4実施形態のヒートポンプシステム401は、図6に示すように、インジェクション路70側への分岐がエコノマイザ熱交換器7の下流側に配置されたシステムである。すなわち、第4実施形態のヒートポンプシステム401は、第1実施形態のヒートポンプシステム1において、第3高圧ポイントHの代わりに第43高圧ポイント4Hを、第7高圧管27gの代わりに第47高圧管427gを、第8高圧管27hの代わりに第48高圧管427hを、第9高圧管27iの代わりに第49高圧管427iを、第10高圧管27jの代わりに第410高圧管427jを、それぞれ設けたシステムである。第43高圧ポイント4Hは、ヒートポンプ回路10における一次冷媒の流れ方向において、エコノマイザ熱交換器7の下流側であって第4高圧ポイントIの上流側に設けられており、インジェクション路70が分岐している。第47高圧管427gは、第3高圧水熱交換器53内の第6高圧管27fと、エコノマイザ熱交換器7内の第48高圧管427hと、を接続している。第49高圧管427iは、エコノマイザ熱交換器7内の第48高圧管427hと、第43高圧ポイント4Hと、を接続している。第410高圧管427jは、第43高圧ポイント4Hと、第4高圧ポイントIと、を接続している。他の構成は上記第1実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。
このヒートポンプシステム401では、第1実施形態のヒートポンプシステム1のインジェクション路70を流れる一次冷媒と比較して、インジェクション路70を流れる一次冷媒の温度をより低温にすることができるため、インジェクション合流ポイントDでの冷却効果を向上させることができる。
<5−1>第5実施形態
第5実施形態のヒートポンプシステム501は、図7に示すように、第1実施形態のヒートポンプシステム1において第3高圧水熱交換器53を取り除いたシステムである。すなわち、第5実施形態のヒートポンプシステム501は、第1実施形態のヒートポンプシステム1において、第2給湯ヒートポンプ管95b、第3給湯ヒートポンプ管95c、第4給湯ヒートポンプ管95dの代わりに第52給湯ヒートポンプ管595bを、第5高圧管27e、第6高圧管27f、第7高圧管27gの代わりに第55高圧管527eを、それぞれ設けたシステムである。ここでは、第1実施形態のヒートポンプシステム1において用いられている給湯中間温度センサ95Tが不要になっている。なお、第52給湯ヒートポンプ管595bは、給湯ポンプ92と、第1高圧水熱交換器51内の第5給湯ヒートポンプ管95eの給湯用の水の流れにおける上流側端部と、を接続している。第55高圧管527eは、第2高圧水熱交換器52内の第4高圧管27dの一次冷媒の流れ方向における下流側端部と、第3高圧ポイントHと、を接続している。他の構成は上記第1実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。
このヒートポンプシステム501では、例えば、貯湯タンク91内に蓄えられている給湯用の水の温度が上昇しており、給湯入水温度センサ94Tが検知する給湯用の水の温度が、第2高圧水熱交換器52内の第4高圧管27dの出口を通過する一次冷媒の温度よりも高い場合であっても、第3高圧ポイントHに向かう一次冷媒を暖めてしまうことがなく、給湯用の水を冷やしてしまうことがない。このため、給湯負荷が小さい状況においても、効率の良い運転が可能となっている。
<5―2>第5実施形態の変形例
(A)
図8に示すように、上記第5実施形態のヒートポンプシステム501において、第4実施形態で説明したインジェクション路470を適用しつつ、第47高圧管427gの代わりに上述の第55高圧管527eを用いたヒートポンプシステム501Aとしてもよい。
この場合には、さらに第4実施形態のヒートポンプシステム401に類似した効果を得ることができる。
(B)
図9に示すように、上記第5実施形態のヒートポンプシステム501において、第3実施形態で説明したようにインジェクション路70を削除しつつ、上述の第55高圧管527eの接続先を第4高圧ポイントIとしたヒートポンプシステム501Bとしてもよい。
この場合には、さらに第3実施形態のヒートポンプシステム301に類似した効果を得ることができる。
(C)
図10に示すように、上記第5実施形態の変形例(B)のヒートポンプシステム501Bにおいて、第2実施形態で説明したように一次バイパス80を削除したヒートポンプシステム501Cとしてもよい。
この場合には、さらに第2実施形態のヒートポンプシステム201に類似した効果を得ることができる。
<6−1>第6実施形態
第6実施形態のヒートポンプシステム601は、図11に示すように、インジェクション路70を有していない第3実施形態のヒートポンプシステム301において、気液分離インジェクション路630を設けたシステムである。気液分離インジェクション路630は、分離前気液管631、気液分離器632、分離後液管633、分離後気管634、分離後気管開閉弁635、および、気液分離膨張弁605を有している。分離前気液管631は、第3低圧ポイントMから気液分離器632の上方の気相空間まで伸びている。気液分離器632は、分離前気液管631から流れ込んでくる一次冷媒を上方空間における気相領域と、下方空間における液相領域と、に分離する。分離後液管633は、気液分離器632の液相領域に存在している一次冷媒を気液分離膨張弁605まで導く。気液分離膨張弁605では、通過する一次冷媒の圧力をさらに下げる。分離後気管634は、気液分離器632の気相領域に存在している一次冷媒をインジェクション合流ポイントDまで導く。分離後気管開閉弁635は、分離後気管634における一次冷媒の通過を許可する状態もしくは許可しない状態とを切り換えることができる。他の構成は上記第1実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。
このヒートポンプシステム601では、膨張弁5aおよび/または一次バイパス膨張弁5bにおける一次冷媒の減圧は、中間圧管23を流れる一次冷媒と同等の臨界圧力より低い圧力まで下げられることで、気液二相状態となる。このうち液状態の一次冷媒は、気液分離膨張弁605において低圧管20を流れる一次冷媒の圧力まで下げられる。そして、分離後気管634は気液分離器632の気相領域から伸びているため、分離後気管634には、液状態の一次冷媒が混ざり込みにくく、気体状態の一次冷媒が流れることになる。これにより、インジェクション合流ポイントDで中間圧管23を流れる一次冷媒と合流した後において、高段側圧縮機25が吸入する一次冷媒が湿り状態になりにくい。これにより、高段側圧縮機25が吸入する冷媒密度を高めて効率を上げつつ、高段側圧縮機25での液圧縮を防止することが可能になっている。なお、膨張弁5aにおける一次冷媒の減圧では、低圧管20を流れている一次冷媒の圧力まで下げられることなく、中間圧管23を流れている一次冷媒の圧力の程度までしか下げられないため、分離後気管634を流れる一次冷媒の温度が下がり過ぎることによって生じうる高段側圧縮機25の液圧縮の発生、を抑制できるようになっている。
<6―2>第6実施形態の変形例
(A)
図12に示すように、上記第6実施形態のヒートポンプシステム601において、第5実施形態で説明したように第3高圧水熱交換器53を有していないヒートポンプシステム601Aとしてもよい。他の構成は上記第1実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。
<7>第7実施形態
第7実施形態のヒートポンプシステム701は、図13に示すように、第1実施形態のヒートポンプシステム1においてインジェクション合流ポイントDの位置を、低段側圧縮機21の吐出側と中間圧水熱交換器40内の第2中間圧管23bの下流側端部とを接続している第1中間圧管23aの途中に設けられたインジェクション合流ポイント7Dとしたシステムである。他の構成は上記第1実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。
このヒートポンプシステム701では、例えば、高段側圧縮機25の吐出冷媒温度として目標温度が得られるように高段側圧縮機25の圧縮比が上げられつつこの高段側圧縮機25の圧縮比と同等の圧縮比で低段側圧縮機21を運転させて駆動効率を上げようとする場合に、低段側圧縮機21の吐出冷媒温度が、中間圧水熱交換器40において加熱される暖房用の二次冷媒にとって高すぎるようになる場合がある。このような場合であっても、インジェクション合流ポイント7Dを第1中間圧管23aの途中に設けることで、暖房用二次冷媒の温度の上がり過ぎを抑制することが可能になる。
<8>第8実施形態
第8実施形態のヒートポンプシステム801は、図14に示すように、第1実施形態のヒートポンプシステム1におけるエコノマイザ熱交換器7と一次冷媒間熱交換器8との順序を逆にしたシステムである。すなわち、第8実施形態のヒートポンプシステム801は、第1実施形態のヒートポンプシステム1における第3高圧ポイントHの代わりに第3低圧ポイントMの下流側における第83中間圧ポイント8Hを設け、この第83中間圧ポイント8Hからインジェクション路870を分岐させたシステムである。第810高圧管827jは、第3高圧水熱交換器53内の第6高圧管27fの下流側端部と、第4高圧ポイントIと、を接続している。第87高圧管827gは、第3低圧ポイントMと、第83中間圧ポイント8Hと、を接続している。第88高圧管827hは、第83中間圧ポイント8Hと、エコノマイザ熱交換器7内の第89高圧管827iの上流側端部と、を接続している。他の構成は上記第1実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。
このヒートポンプシステム801では、一次冷媒間熱交換器8では、エコノマイザ熱交換器7で冷やされる前の比較的暖かい一次冷媒によって、低段側圧縮機21が吸入する一次冷媒を暖めることができる。これにより、低段側圧縮機21が吸入する一次冷媒の過熱度をより大きく上げることができる。
<9>第9実施形態
第9実施形態のヒートポンプシステム901は、図15に示すように、第1実施形態のヒートポンプシステム1における第2高圧水熱交換器52においても、給湯用の水を温めるようにしたシステムである。すなわち、第9実施形態のヒートポンプシステム901は、第1実施形態のヒートポンプシステム1における第4給湯ヒートポンプ管95dの代わりに、第95上流接続管995x、第95給湯ヒートポンプ管995d、および、第95下流接続管995yを、それぞれ設け、第95上流接続管995xを通過する給湯用の水の温度を検知する上流接続温度センサ95Txおよび第95下流接続管995yを通過する給湯用の水の温度を検知する下流接続温度センサ95Tyを設けたシステムである。他の構成は上記第1実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。
このヒートポンプシステム901では、例えば、第2高圧水熱交換器52において、第4高圧管27dから放出される熱のうち第2高圧側分岐路68bを流れる暖房用の二次冷媒が吸収しきれない熱を、第95給湯ヒートポンプ管995dを流れる給湯用の水が吸収することができるため、第4高圧管27dから放出される熱のロスを小さく抑えて有効利用することができる。また、一次冷媒の有する熱を暖房用の二次冷媒と給湯用の水との両方が同時に受け取る部分が設けられることになるため、給湯用の水を要求される水温まで加熱するのに必要な熱交換器の大きさをコンパクトにすることができる。
<10>第10実施形態
第10実施形態のヒートポンプシステム1xは、図16に示すように、第1実施形態のヒートポンプシステム1において暖房回路60の暖房用二次冷媒の流れ方を中間圧水熱交換器40と第2高圧水熱交換器52とで直列にしたシステムである。すなわち、第10実施形態のヒートポンプシステム1xは、第1実施形態のヒートポンプシステム1において、第3中間圧側分岐路67cおよび第1高圧側分岐路68aの代わりに中高圧連絡路678を設けたシステムである。中高圧連絡路678は、中間圧水熱交換器40内の第2中間圧管23bの下流側端部と、第2高圧水熱交換器52内の第2高圧側分岐路68bの下流側端部と、を接続している。他の構成は上記第1実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。
このヒートポンプシステム1xでは、例えば、制御部11が、中間圧水熱交換器40を通過する一次冷媒の温度よりも第2高圧水熱交換器52を通過する一次冷媒の方が高温になるようにヒートポンプ回路10を運転制御している場合には、暖房用の二次冷媒を、中間圧水熱交換器40から第2高圧水熱交換器52の順に徐々に暖めていくことができる。これにより、加熱効率を向上させつつ、中間圧水熱交換器40および第2高圧水熱交換器52において一次冷媒からの熱を効率的に得ることができる。
<11−1>第11実施形態
第11実施形態のヒートポンプシステム2xは、図17に示すように、第1実施形態のヒートポンプシステム1において給湯回路90を流れる給湯用の水についても、暖房用の二次冷媒と同様に、高圧水熱交換器50側だけでなく中間圧水熱交換器40においても一次冷媒との間で熱交換を行うようにしたシステムである。すなわち、第11実施形態のヒートポンプシステム2xは、中間圧水熱交換器40を通過した一次冷媒と給湯用の水との間で熱交換を行わせる第2中間圧水熱交換器153を備えている。第2分岐給湯ヒートポンプ管195bは、第2給湯ヒートポンプ管95bの途中で分岐した後に、第2中間圧水熱交換器153の下流側端部まで伸びている。第2中間圧水熱交換器153では、第2分岐給湯ヒートポンプ管195bを介して第3分岐給湯ヒートポンプ管195cに流入する給湯用の水と、中間圧水熱交換器40を通過した後に第3中間圧管23cの一部である第11中間圧管123cに流入する一次冷媒と、の間で熱交換を行わせる。第2中間圧水熱交換器153内の第3分岐給湯ヒートポンプ管195cを通過した給湯用の水は、第4分岐給湯ヒートポンプ管195dを通じて、分岐給湯混合弁193まで流れ、第4給湯ヒートポンプ管95dを通過してきた給湯用の水と合流する。分岐給湯混合弁193において合流した給湯用の水は、合流給湯連絡管196を通じて、第1高圧水熱交換器51内の第5給湯ヒートポンプ管95eに流入する。他の構成は上記第1実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。
このヒートポンプシステム2xでは、例えば、貯湯タンク91からヒートポンプ回路10側に流れ出る給湯用の水の温度が、市水の温度である常温に近い状態である場合には、中間圧水熱交換器40内の第2中間圧管23bを通過しながら冷却された後の一次冷媒であっても、高段側圧縮機25で液圧縮が生じない範囲で、さらに冷却したほうが効率が上がる場合がある。このような場合には、第11実施形態のヒートポンプシステム2xでは、給湯用の冷たい水を、高圧水熱交換器50側だけでなく、中間圧水熱交換器40の下流側と高段側圧縮機25の吸入側との間を流れる一次冷媒の熱を利用して加熱することができる。
<11―2>第11実施形態の変形例
(A)
上記第11実施形態のヒートポンプシステム2xでは、低段側圧縮機21から高段側圧縮機25に向けて一次冷媒が流れている中間圧管23において、暖房用の二次冷媒との間での熱交換(中間圧水熱交換器40)だけでなく、給湯用の水との間での熱交換(第2中間圧水熱交換器153)を行う場合について、例に挙げて説明した。
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で、以下のような熱交換が可能なヒートポンプシステムであってもよい。
例えば、低段側圧縮機21から高段側圧縮機25に向けて一次冷媒が流れている中間圧管23において、第1実施形態の高圧水熱交換器50における一次冷媒と暖房用の二次冷媒と給湯用の水との間での熱交換のように、3カ所で熱交換を行うことができるようにしてもよい。この場合においても、高圧水熱交換器50と同様に、給湯用の水と中間圧管23を流れる一次冷媒との熱交換は、暖房用の二次冷媒と一次冷媒との熱交換が行われている上流側と下流側との2カ所に別れて行われるようにすることが好ましい。
(B)
また、給湯用の水については、高圧水熱交換器50における一次冷媒との熱交換を行わせることなく、低段側圧縮機21から高段側圧縮機25に向けて一次冷媒が流れている中間圧管23において熱交換を行うようにしてもよい。
<12>第12実施形態
第12実施形態のヒートポンプシステム3xは、図18に示すように、第1実施形態のヒートポンプシステム1において、暖房回路60においてバイパス路が設けられたシステムである。すなわち、第12実施形態のヒートポンプシステム3xは、第1実施形態のヒートポンプシステム1における暖房回路60において、暖房戻り管66の途中の暖房バイパス分岐ポイントZと、暖房合流ポイントYと、を接続する暖房バイパス路69をさらに設け、第1実施形態における暖房混合弁64の代わりに第12暖房混合弁164を設けたシステムである。第12暖房混合弁164では、暖房バイパス路69から流れてくるラジエータ61で放熱を終えたばかりの冷たい暖房用の二次冷媒と、中間圧側分岐路67を介して流れてくる暖められた暖房用の二次冷媒と、高圧側分岐路68を介して流れてくる暖められた暖房用の二次冷媒と、の混合比率が、制御部11の指示により調節される。他の構成は上記第1実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。
このヒートポンプシステム3xでは、例えば、運転効率を向上させるためにヒートポンプ回路10における一次冷媒の温度を比較的高温にする必要がある場合等では、中間圧側分岐路67を介して流れてくる暖められた暖房用の二次冷媒の温度や、高圧側分岐路68を介して流れてくる暖められた暖房用の二次冷媒の温度が、ラジエータ61において要求される温度を超えてしまうことがある。これに対して、ヒートポンプシステム3xでは、このように中間圧側分岐路67を介して流れてくる暖められた暖房用の二次冷媒の温度や高圧側分岐路68を介して流れてくる暖められた暖房用の二次冷媒の温度が、ラジエータ61において要求される温度を超えてしまった場合であっても、暖房バイパス路69を介して流れてくる冷たい二次冷媒の混合比率を上げるように制御部11が制御している。これにより、ラジエータ61における要求温度を満たす二次冷媒を供給することができる。
<13>第13実施形態
第13実施形態のヒートポンプシステム4xは、図19に示すように、第1実施形態のヒートポンプシステム1において、エコノマイザ熱交換器7および第3高圧ポイントHが、第3低圧ポイントと、一次冷媒間熱交換器8に向かう流れと一次バイパス80に向かう流れとで分岐する部分と、によって挟まれるように構成されたシステムである。すなわち、第13実施形態のヒートポンプシステム4xは、第1実施形態のヒートポンプシステム1における第4高圧ポイントIが変更され、第3高圧ポイントHの上流側であって第3高圧水熱交換器53よりも下流側の第13高圧ポイント13Iとなっている、第13一次バイパス80xおよび第13インジェクション路70xを備えたシステムである。第7高圧管127gは、第3高圧水熱交換器53内の第6高圧管27fの下流側端部と、第13高圧ポイント13Iと、を接続している。バイパス上流エコノマイザ高圧管127nは、第13高圧ポイント13Iと、第3高圧ポイントHと、を接続している。バイパス下流エコノマイザ高圧管127jは、エコノマイザ熱交換器7内の第9高圧管27iの下流側端部と、一次バイパス膨張弁5bと、の間を接続している。他の構成は上記第1実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。
このヒートポンプシステム3xでは、例えば、膨張弁5aに向かう一次冷媒を、エコノマイザ熱交換器7によって冷却させる流路と、一次冷媒間熱交換器8によって冷却させる流路と、に別れているため、どちらでどれだけ一次冷媒を冷却させるかを調節することができるようになる。
<14>上記各実施形態について適用可能な変形例の例
上記第1実施形態から第13実施形態において各ヒートポンプシステムを具体的に説明した。しかし、本発明は、これに限られるものではく、発明の要旨を変更しない範囲で、各実施形態のヒートポンプシステムを以下に述べるような形態としたものも、本発明に含まれる。
<14−1>
上記各実施形態では、一次冷媒として二酸化炭素を用いた場合について例に挙げて説明した。
しかし、上記いずれの実施形態においても、一次冷媒として、二酸化炭素以外の冷媒であるエチレン、エタンや酸化窒素等を採用してもよい。この場合、採用された冷媒としては、高段側圧縮機25の吐出冷媒圧力が超臨圧力を超えて用いられ、かつ、各圧縮機の駆動力を小さく抑えることができる冷媒が好ましい。
<14−2>
上記各実施形態では、暖房回路60においては、二次冷媒としての水が循環する場合について例に挙げて説明した。
しかし、上記いずれの実施形態においても、二次冷媒としては、水に限られず、他の熱媒体としてブライン等を用いてもよい。
<14−3>
上記各実施形態では、低段側圧縮機21と高段側圧縮機25とがそれぞれ設けられている場合について例に挙げて説明した。
しかし、上記いずれの実施形態においても、低段側圧縮機21と高段側圧縮機25とにおいて共通の駆動軸が採用されている、いわゆる一軸二段、もしくは、一軸多段タイプの圧縮機構が設けられていてもよい。この場合には、各圧縮機構において180度の位相差を設けることで、駆動効率を上げることが可能になる。
<14−4>
上記各実施形態では、低段側圧縮機21と高段側圧縮機25とが直列に接続された場合について例に挙げて説明した。
しかし、上記いずれの実施形態においても、3つ以上の圧縮機構が直列に接続された形態を用いてもよい。その場合には、各圧縮機構の間を流れる一次冷媒の熱を用いて熱負荷処理を行うようにしてもよい。
また、圧縮機構は、2つ以上の直列接続回路が設けられていれば、さらに他の圧縮機構を並列もしくは直列に設けてもよい。
<14−5>
上記各実施形態では、中間圧圧力センサ23P、中間圧温度センサ23T、高圧圧力センサ27P、高圧温度センサ27T、低圧圧力センサ20P、および、低圧温度センサ20T等が設けられているヒートポンプ回路10について例に挙げて説明した。
しかし、上記いずれの実施形態においても、これらのセンサだけでなく、例えば、インジェクション合流ポイントDと高段側圧縮機25の吸入側との間の第4中間圧管23dを流れる冷媒の温度を検知する高段吸入温度センサを設けるようにしてもよい。これにより、中間圧水熱交換器40を通過した後であって、インジェクション合流ポイントDにおいて合流された後であって、高段側圧縮機25に吸入される直前の一次冷媒の状態を確実に把握することができるようになる。
<15>上記各実施形態およびその変形例の組合せ
上記第1実施形態から第13実施形態およびその各変形例について、それぞれのヒートポンプシステムを説明した。これらの各ヒートポンプは、上記記載の範囲内において互いに矛盾しない範囲で適宜組み合わせて得られるヒートポンプシステムも、本発明に含まれる。
(参考例)
図20に、参考例としてのヒートポンプシステム1zを示す。
ヒートポンプシステム1zは、ヒートポンプ回路10、第1熱負荷回路60、第2熱負荷回路90、および、高圧水熱交換器50を備えている。ヒートポンプ回路10は、低段側圧縮機21、高段側圧縮機25、膨張弁5a、蒸発器4、インジェクション合流ポイントD、インジェクション分岐部分H(上記実施形態の第3高圧ポイントHに相当)、インジェクション路70、エコノマイザ熱交換器7、および、インジェクション膨張弁73を有している。このヒートポンプ回路10は、一次冷媒としての二酸化炭素が循環している。第1熱負荷回路60は、ラジエータ61等の第1熱負荷処理部61を有している。この第1熱負荷回路60は、第1流体(例えば、二次冷媒としての水)が循環している。第2熱負荷回路90は、貯湯タンク91等の第2熱負荷処理部91を有している。この第2熱負荷回路90は、第2流体(例えば、給湯用の水)が循環している。高圧水熱交換器50は、高段側圧縮機25から膨張弁5aに向けて流れる一次冷媒を通過させる。第1流体は、高圧水熱交換器50を流れる一次冷媒の一部との間で熱交換を行う。第2流体は、高圧水熱交換器50を流れる一次冷媒の他の一部との間で熱交換を行う。具体的には、高圧水熱交換器50は、第1高圧水熱交換器51と、第2高圧水熱交換器52と、第3高圧水熱交換器53と、に別れており、第1高圧水熱交換器51および第3高圧水熱交換器53では一次冷媒と第2流体との間で熱交換が行われ、第2高圧水熱交換器52では一次冷媒と第1流体との間で熱交換が行われる。インジェクション分岐部分Hは、高圧水熱交換器50と膨張弁5aとの間に設けられている。インジェクション合流ポイントDは、低段側圧縮機21と高段側圧縮機25との間に設けられている。インジェクション路70は、インジェクション分岐部分Hにおいて分岐した一次冷媒をインジェクション合流ポイントDに導く。エコノマイザ熱交換器7は、インジェクション路70を流れる一次冷媒と、インジェクション分岐部分Hから膨張弁5aに向けて流れる一次冷媒と、の間で熱交換を行わせる。インジェクション膨張弁73は、インジェクション路70におけるエコノマイザ熱交換器7への入口と、インジェクション分岐部分Hと、の間に設けられ、通過する一次冷媒を減圧させる。なお、他の構成については、上記実施形態に対応する部分を含んでいるため、説明を省略する。
ヒートポンプシステム1zのヒートポンプ回路10では、多段圧縮形式が採用されているため、一段当たりの圧縮比を小さく抑えることができる。そして、インジェクション路70が設けられているため、高段側圧縮機25が吸入する冷媒を冷却することができ、ヒートポンプ回路10のサイクル効率を向上させることができている。さらに、高段側圧縮機25が吐出する一次冷媒の熱を用いて、第1熱負荷だけでなく、第2熱負荷にも対応できるようになっている。
本発明の冷凍装置は、多段圧縮形式が採用されたヒートポンプ回路によって複数の熱負荷に対応する場合にヒートポンプ回路の運転効率を向上させることが可能になるため、多段圧縮式の圧縮要素を備えたヒートポンプ回路を用いて複数の熱負荷を処理するにヒートポンプシステムに適用した場合に特に有用である。
1 ヒートポンプシステム
4 蒸発器
4f ファン
5a 膨張弁(膨張機構)
5b 一次バイパス膨張弁(膨張機構)
7 エコノマイザ熱交換器
8 一次冷媒間熱交換器
10 ヒートポンプ回路
11 制御部
20 低圧管
20a〜f 第1〜6低圧管
20P 低圧圧力センサ
20T 低圧温度センサ
21 低段側圧縮機(低段側圧縮機構)
23 中間圧管
23a〜d 第1〜4中間圧管
23P 中間圧圧力センサ
23T 中間圧温度センサ
25 高段側圧縮機(高段側圧縮機構)
27 高圧管
27a〜n 第1〜14高圧管
27P 高圧圧力センサ
27T 高圧温度センサ
40 中間圧水熱交換器(第1熱交換器)
50 高圧水熱交換器(第2熱交換器)
51 第1高圧水熱交換器(上流第2熱交換器)
52 第2高圧水熱交換器(第2熱交換器、中流第2熱交換器)
53 第3高圧水熱交換器(下流第2熱交換器)
60 暖房回路(第1熱負荷回路)
61 ラジエータ(第1熱負荷処理部、暖房用熱交換器)
61T ラジエータ温度センサ
62 分流機構
63 暖房ポンプ
64 暖房混合弁
65 暖房往き管
66 暖房戻り管
67 中間圧側分岐路(第1分岐路)
67T 中間圧側分岐路温度センサ
67a〜c 第1〜3中間圧側分岐路
68 高圧側分岐路(第2分岐路)
68T 高圧側分岐路温度センサ
70 インジェクション路
72 第1インジェクション管
73 インジェクション膨張弁(減圧機構)
74 第2インジェクション管
75 第3インジェクション管
76 第4インジェクション管
80 一次バイパス
90 給湯回路(第2熱負荷回路)
91 貯湯タンク(第2熱負荷処理部、給湯用のタンク)
92 給湯ポンプ
93 給湯混合弁
94 給水管
94T 給湯入水温度センサ
95 給湯ヒートポンプ管
95a〜f 第1〜6給湯ヒートポンプ管
95T 給湯中間温度センサ
98 給湯管
98T 給湯出湯温度センサ
99 給湯バイパス管
401 ヒートポンプシステム
501 ヒートポンプシステム
501A ヒートポンプシステム
601 ヒートポンプシステム
601A ヒートポンプシステム
605 気液分離膨張弁(気液分離後減圧機構)
632 気液分離器(気液分離機構)
633 分離後液管(液相路)
701 ヒートポンプシステム
770 インジェクション路
801 ヒートポンプシステム
901 ヒートポンプシステム
A 吸入ポイント
B 低段吐出ポイント
C 中間圧水熱交換器通過ポイント
D インジェクション合流ポイント
E 高段吐出ポイント
F 第1高圧ポイント
G 第2高圧ポイント
H 第3高圧ポイント(インジェクション分岐部分)
I 第4高圧ポイント
J 第5高圧ポイント
K 第1低圧ポイント
L 第2低圧ポイント
M 第3低圧ポイント
N 第4低圧ポイント
Q インジェクション中間圧ポイント
R エコノマイザ熱交後ポイント
X 暖房分岐ポイント(第1分岐部分)
Y 暖房合流ポイント(第2分岐部分)
W 給水分岐ポイント
Z 給湯合流ポイント
特開2004―177067号公報

Claims (26)

  1. 少なくとも低段側圧縮機構(21)、高段側圧縮機構(25)、膨張機構(5a、5b)、および、蒸発器(4)を有しており、一次冷媒が循環するヒートポンプ回路(10)と、
    第1熱負荷処理部(61)を有しており、第1流体が循環する第1熱負荷回路(60)と、
    第2熱負荷処理部(91)を有しており、第2流体が循環する第2熱負荷回路(90)と、
    少なくとも前記低段側圧縮機構(21)の吐出側から前記高段側圧縮機構(25)の吸入側に向けて流れる前記一次冷媒を通過させる第1熱交換器(40)と、
    少なくとも前記高段側圧縮機構(25)から前記膨張機構(5a、5b)に向けて流れる前記一次冷媒を通過させる第2熱交換器(50、52)と、
    を備え、
    前記第1流体は、前記第1熱交換器(40)を流れる前記一次冷媒との間で熱交換を行うだけでなく、前記第2熱交換器(50、52)を流れる前記一次冷媒との間でも熱交換を行い、
    前記第2流体は、前記第1熱交換器(40)を流れる前記一次冷媒および前記第2熱交換器(50、52)を流れる前記一次冷媒の少なくともいずれか一方との間で熱交換を行う、
    ヒートポンプシステム(1)。
  2. 前記第1熱負荷回路(60)と前記第2熱負荷回路(90)との少なくともいずれか一方は、第1分岐部分(X)、第2分岐部分(Y)、前記第1分岐部分(X)と前記第2分岐部分(Y)とを接続する第1分岐路(67)、前記第1分岐路(67)と合流することなく前記第1分岐部分(X)と前記第2分岐部分(Y)とを接続する第2分岐路(68)を有しており、
    前記第1熱交換器(40)は、前記低段側圧縮機構(21)の吐出側から前記高段側圧縮機構(25)の吸入側に向けて流れる前記一次冷媒と、前記第1分岐路(67)を流れる前記第1流体もしくは前記第2流体と、の間で熱交換を行わせ、
    前記第2熱交換器(52)は、前記高段側圧縮機構(25)から前記膨張機構(5a、5b)に向けて流れる前記一次冷媒と、前記第2分岐路(68)を流れる前記第1流体もしくは前記第2流体と、の間で熱交換を行わせる、
    請求項1に記載のヒートポンプシステム(1)。
  3. 前記第1熱負荷処理部(61)は、配置されている対象空間の空気を暖める暖房用熱交換器(61)であり、
    前記第1流体は、二次冷媒であり、
    前記第1熱負荷回路(60)は、第1分岐部分(X)、第2分岐部分(Y)、前記第1分岐部分(X)と前記第2分岐部分(Y)とを接続する第1分岐路(67)、前記第1分岐路(67)と合流することなく前記第1分岐部分(X)と前記第2分岐部分(Y)とを接続する第2分岐路(68)を有しており、
    前記第1熱交換器(40)は、前記低段側圧縮機構(21)の吐出側から前記高段側圧縮機構(25)の吸入側に向けて流れる前記一次冷媒と、前記第1分岐路(67)を流れる前記二次冷媒と、の間で熱交換を行わせ、
    前記第2熱交換器(52)は、前記高段側圧縮機構(25)から前記膨張機構(5a、5b)に向けて流れる前記一次冷媒と、前記第2分岐路(68)を流れる前記二次冷媒と、の間で熱交換を行わせる、
    請求項1に記載のヒートポンプシステム(1)。
  4. 前記第2熱負荷処理部(91)は、給湯用のタンクであり、
    前記第2流体は、給湯用の水である、
    請求項1から3のいずれか1項に記載のヒートポンプシステム(1)。
  5. 前記高段側圧縮機構(25)が吐出する前記一次冷媒の圧力は、前記一次冷媒の臨界圧力を超える圧力である、
    請求項1から4のいずれか1項に記載のヒートポンプシステム(1)。
  6. 前記低段側圧縮機構(21)から前記高段側圧縮機構(25)に向けて流れる前記一次冷媒は、超臨界状態もしくは過熱度を有する状態である、
    請求項5に記載のヒートポンプシステム(1)。
  7. 前記第2熱交換器(50、52)は、前記一次冷媒の流れ方向における上流側に配置される上流第2熱交換器(51)、下流側に配置される下流第2熱交換器(53)、および、前記上流第2熱交換器(51)と前記下流第2熱交換器(53)との間に配置される中流第2熱交換器(52)を有しており、
    前記第1流体と前記一次冷媒との熱交換は、前記上流第2熱交換器(51)で行われることなく、前記下流第2熱交換器(53)で行われることなく、前記中流第2熱交換器(52)で行われ、
    前記第2流体と前記一次冷媒との熱交換は、少なくとも、前記上流第2熱交換器(51)および前記下流第2熱交換器(53)で行われる、
    請求項1から6のいずれか1項に記載のヒートポンプシステム(1)。
  8. 前記第2熱交換器(50)は、前記一次冷媒の流れ方向における上流側に配置される上流第2熱交換器(51)、および、下流側に配置される下流第2熱交換器(52)を有しており、
    前記第1流体と前記一次冷媒との熱交換は、前記上流第2熱交換器(51)で行われることなく、前記下流第2熱交換器(52)で行われ、
    前記第2流体と前記一次冷媒との熱交換は、前記上流第2熱交換器(51)で行われる、
    請求項1から6のいずれか1項に記載のヒートポンプシステム(501)。
  9. 前記第1熱交換器(40)および前記第2熱交換器(50)の少なくとも一部は、前記一次冷媒が、前記第1流体とだけでなく前記第2流体とも熱交換を行っている部分を有している、
    請求項7または8に記載のヒートポンプシステム(901)。
  10. 前記第1流体と前記一次冷媒との間で熱交換が行われる部分では、前記第1流体の流れ方向と前記一次冷媒の流れ方向とは対向流の関係にある、
    請求項7から9のいずれか1項に記載のヒートポンプシステム(1)。
  11. 前記第2流体と前記一次冷媒との間で熱交換が行われる部分では、前記第2流体の流れ方向と前記一次冷媒の流れ方向とは対向流の関係にある、
    請求項7から10のいずれか1項に記載のヒートポンプシステム(1)。
  12. 前記ヒートポンプ回路(10)は、前記第2熱交換器(50)を通過して前記膨張機構(5a、5b)に向かう前記一次冷媒の一部を分岐させるインジェクション分岐部分(H)と、前記インジェクション分岐部分(H)を前記低段側圧縮機構(21)と前記高段側圧縮機構(25)との間に接続するインジェクション路(70)と、前記インジェクション分岐部分(H)から前記膨張機構(5a、5b)側に向けて流れる前記一次冷媒と前記インジェクション路(70)を流れる前記一次冷媒との間で熱交換を行わせるインジェクション熱交換器(7)と、前記インジェクション路(70)における前記インジェクション熱交換器(7)への入口と前記インジェクション分岐部分(H)との間に設けられた減圧機構(73)とをさらに有している、
    請求項1から11のいずれか1項に記載のヒートポンプシステム(1)。
  13. 前記インジェクション分岐部分(H)は、前記第2熱交換器(50)を通過して前記インジェクション熱交換器(7)に向かう前記一次冷媒の一部を前記インジェクション路(70)へ分岐させる位置に設けられている、
    請求項12に記載のヒートポンプシステム(1)。
  14. 前記インジェクション分岐部分(H)は、前記インジェクション熱交換器(7)を通過して前記膨張機構(5a、5b)に向かう前記一次冷媒の一部を前記インジェクション路(70)へ分岐させる位置に設けられている、
    請求項12に記載のヒートポンプシステム(401、501A)。
  15. 前記インジェクション路(770)は、前記インジェクション分岐部分(H)を前記低段側圧縮機構(21)と前記第1熱交換器(40)との間に接続している、
    請求項12から14のいずれか1項に記載のヒートポンプシステム(701)。
  16. 前記インジェクション路(70)は、前記インジェクション分岐部分(H)を前記第1熱交換器(40)と前記高段側圧縮機構(25)との間に接続している、
    請求項12から14のいずれか1項に記載のヒートポンプシステム(1)。
  17. 前記ヒートポンプ回路(10)は、前記第2熱交換器(50)を通過して前記膨張機構(5a)に向かう前記一次冷媒と、前記蒸発器(4)を通過して前記低段側圧縮機構(21)の吸入側に向かう前記一次冷媒と、の間で熱交換を行わせる一次冷媒間熱交換器(8)をさらに有している、
    請求項1から16のいずれか1項に記載のヒートポンプシステム(1)。
  18. 前記ヒートポンプ回路(10)は、前記一次冷媒間熱交換器(8)をバイパスするバイパス路(80)をさらに有している、
    請求項17に記載のヒートポンプシステム(1)。
  19. 前記ヒートポンプ回路(10)は、前記バイパス路(80)は、通過する前記一次冷媒の量を調節可能なバイパス流量調節弁(5b)をさらに有している、
    請求項18に記載のヒートポンプシステム(1)。
  20. 前記ヒートポンプ回路(10)は、
    前記第2熱交換器(50)を通過して前記膨張機構(5a、5b)に向かう前記一次冷媒と、前記蒸発器(4)を通過して前記低段側圧縮機構(21)の吸入側に向かう前記一次冷媒と、の間で熱交換を行わせる一次冷媒間熱交換器(8)と、
    前記第2熱交換器(50)を通過して前記膨張機構(5a、5b)に向かう前記一次冷媒の一部を分岐させるインジェクション分岐部分(H)と、前記インジェクション分岐部分(H)を前記低段側圧縮機構(21)と前記高段側圧縮機構(25)との間に接続するインジェクション路(70)と、前記インジェクション分岐部分(H)から前記膨張機構(5a、5b)側に向けて流れる前記一次冷媒と前記インジェクション路(70)を流れる前記一次冷媒との間で熱交換を行わせるインジェクション熱交換器(7)と、前記インジェクション路(70)における前記インジェクション熱交換器(7)への入口と前記インジェクション分岐部分(H)との間に設けられた減圧機構(74)と、
    をさらに有している、
    請求項1から11のいずれか1項に記載のヒートポンプシステム(1)。
  21. 前記一次冷媒は、前記インジェクション熱交換器(7)を通過した後に、前記一次冷媒間熱交換器(8)を通過する、
    請求項20に記載のヒートポンプシステム(1)。
  22. 前記一次冷媒は、前記一次冷媒間熱交換器(8)を通過した後に、前記インジェクション熱交換器(7)を通過する、
    請求項20に記載のヒートポンプシステム(801)。
  23. 前記ヒートポンプ回路(10)は、前記膨張機構(5a、5b)から前記蒸発器(4)に向かう前記一次冷媒を気相と液相とに分離する気液分離機構(632)と、前記低段側圧縮機構(21)と前記高段側圧縮機構(25)との間に対して前記気液分離機構(632)内の気相領域を接続するインジェクション路(634)と、前記気液分離機構(632)内の液相領域を前記蒸発器(4)側に導く液相路(633)と、をさらに有している、
    請求項1から11のいずれか1項に記載のヒートポンプシステム(601、601A)。
  24. 前記ヒートポンプ回路(10)は、前記液相路(633)を通過する前記一次冷媒の圧力を下げる気液分離後減圧機構(605)をさらに有している、
    請求項23に記載のヒートポンプシステム(601、601A)。
  25. 前記低段側圧縮機構(21)および前記高段側圧縮機構(25)は、それぞれ回転駆動することで圧縮仕事を行うための共通の回転軸を有している、
    請求項1から24のいずれか1項に記載のヒートポンプシステム(1)。
  26. 前記一次冷媒は、二酸化炭素である、
    請求項1から25のいずれか1項に記載のヒートポンプシステム(1)。
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