JP2012127572A - ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で蒸発器の凍結防止機能を発揮させながらも、圧縮機の入口における過熱度制御を可能にする。
【解決手段】圧縮機２、放熱器３、膨張弁４、蒸発器５をこの順で環状に接続した冷凍サイクルを有する暖房給湯システムであって、放熱器３及び膨張弁４の間に設けられ、放熱器３からの冷媒を蒸発器５下部を経由して蒸発器５下部を加熱したのちに膨張弁４に流入させる凍結防止流路６と、蒸発器５及び圧縮機２の間に設けられ、蒸発器５からの冷媒を蒸発器５下部を経由して凍結防止流路６のガス冷媒と熱交換したのちに圧縮機２に流入させる過熱度制御流路７とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプシステムに関するものである。

従来のヒートポンプシステムとしては、例えば特許文献１に示すように、２段圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器を環状に接続してなる冷凍サイクルと、放熱器及び膨張弁の間を流れる冷媒と蒸発器及び２段圧縮機の間を流れる冷媒とを熱交換する高低圧熱交換器と、放熱器及び高低圧熱交換器の間から分岐して２段圧縮機間の中間接続部に接続するインジェクション回路と、インジェクション回路に設けたインジェクション回路用膨張弁とを備えたヒートポンプ給湯機がある（特許文献１の図１０参照）。

このヒートポンプ給湯機では、高低圧熱交換器により、圧縮機の入口における過熱度を大きくできるように構成されている。具体的には、冷媒が高低圧熱交換器を通過して、通常圧縮機の入口の過熱度が大きくなるように構成されている。また、冷媒が高低圧熱交換器を通過して、通常膨張弁の入口の過冷却度が大きくなるように構成されている。

しかしながら、通常過熱度を大きくするように構成したものでは、条件によっては、圧縮機における圧縮効率が悪くなってしまうという問題がある。例えば、過熱しすぎると、圧縮機に流入するガス密度が小さくなり、圧縮機の能力を十分に発揮することができなくなってしまう。ここで圧縮機の回転数を増加させることによって、圧縮能力を補うことも考えられるが、圧縮機の性能又は現時点での回転数によっては、回転数を増加させることが難しい場合もある。

一方で、蒸発器は外気温度が低下すると、特に蒸発器の下段部にドレン水の影響で凍結（着霜）する恐れがある。蒸発器が凍結（着霜）すると蒸発器の能力が低下しまうことから、従来は、蒸発器に外部からホットガスを流入させたり、外部にヒータを設けることによって、凍結を防止する手立てが施されている。

しかしながら外部からの熱源によって蒸発器を加熱する構成では、構成が複雑化する恐れがある。

特開２００７−２７８６８６号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決すべくなされたものであり、簡単な構成で蒸発器の凍結防止機能を発揮させながらも、圧縮機の入口における過熱度制御を可能にすることができることを主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係るヒートポンプシステムは、圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器をこの順で環状に接続した冷凍サイクルを有するヒートポンプシステムであって、前記放熱器及び前記膨張弁の間に設けられ、前記放熱器からの冷媒を前記蒸発器下部を経由して前記蒸発器下部を加熱したのちに前記膨張弁に流入させる凍結防止流路と、前記蒸発器及び前記圧縮機の間に設けられ、前記蒸発器からの冷媒を前記蒸発器下部を経由して前記凍結防止流路の冷媒と熱交換したのちに前記圧縮機に流入させる過熱度制御流路とを備え、前記過熱度制御流路が、前記蒸発器下部を経由する第１制御流路と、前記蒸発器下部を経由しない第２制御流路と、前記蒸発器からの冷媒が流れる流路を前記第１制御流路又は前記第２制御流路に切り替える切り替え機構とを有することを特徴とする。

このようなものであれば、凍結防止流路が放熱器からの冷媒を蒸発器下部を経由させることから外部の熱源を必要とすることなく簡単な構成により蒸発器の凍結を防止することができる。また、蒸発器からの冷媒を凍結防止流路の冷媒と熱交換したのちに圧縮機に流入させる過熱度制御流路が、第１制御流路及び第２制御流路に分岐しており、切り替え機構によって必要に応じて切り替えることができるので、圧縮機の入口における過熱度制御を可能にすることができる。

過熱度制御を自動的に行うためには、所定の条件に応じて前記切り替え機構を制御する制御装置を有することが望ましい。

切り替え機構の具体的な実施の態様としては、前記切り替え機構が、前記第１制御流路及び前記第２制御流路にそれぞれ設けられた開閉弁、又は、前記第１制御流路及び前記第２制御流路の分岐点に設けられた三方弁からなることが望ましい。

また、本発明に係るヒートポンプシステムは、圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器をこの順で環状に接続した冷凍サイクルを有するヒートポンプシステムであって、前記放熱器及び前記膨張弁の間に設けられ、前記放熱器からの冷媒を前記蒸発器下部を経由して前記蒸発器下部を加熱したのちに前記膨張弁に流入させる凍結防止流路と、前記蒸発器及び前記圧縮機の間に設けられ、前記蒸発器からの冷媒を前記蒸発器下部を経由して前記凍結防止流路の冷媒と熱交換したのちに前記圧縮機に流入させる過熱度制御流路とを備え、前記過熱度制御流路が、前記蒸発器下部を経由する第１制御流路と、前記蒸発器下部を経由しない第２制御流路と、前記蒸発器からの冷媒を前記第１制御流路及び前記第２制御流路に分配する分配機構とを有することを特徴とする。

このようなものであれば、凍結防止流路が放熱器からの冷媒を蒸発器下部を経由させることから外部の熱源を必要とすることなく簡単な構成により蒸発器の凍結を防止することができる。また、蒸発器からの冷媒を凍結防止流路の冷媒と熱交換したのちに圧縮機に流入させる過熱度制御流路が、第１制御流路及び第２制御流路に分岐しており、分配機構によって必要に応じて冷媒の分配量を調整できるので、圧縮機の入口における過熱度を所望の値に制御することができる。

過熱度を所望の値に自動制御するためには、所定の条件に応じて前記分配機構を制御する制御装置を有することが望ましい。

分配機構の具体的な実施の態様としては、前記分配機構が、前記第１制御流路及び前記第２制御流路にそれぞれ設けられた流量制御弁であることが望ましい。

凍結防止機能及び過熱度制御機能を有するヒートポンプサイクルの部品点数を可及的に少なくするとともに、配管の複雑化を防止するためには、前記蒸発器と前記凍結防止流路を構成する配管の一部が一体化されていることが望ましい。この具体的な実施の態様としては、前記凍結防止回路が前記蒸発器の最下段に配置された伝熱管を用いて構成されていることが望ましい。

凍結防止機能及び過熱度制御機能を有するヒートポンプサイクルの部品点数を可及的に少なくするとともに、配管の複雑化を防止するためには、前記蒸発器と前記過熱度制御流路を構成する配管の一部が一体化されていることが望ましい。この具体的な実施の態様としては、前記過熱度制御回路が前記蒸発器の最下段に配置された伝熱管を用いて構成されていることが望ましい。

このように構成した本発明によれば、蒸発器の凍結防止機能を発揮させながらも、圧縮機の入口における過熱度制御を可能にすることができる。

本実施形態にヒートポンプシステムの構成を示す模式図。 同実施形態の蒸発器下部の構成を示す模式図。 変形実施形態にヒートポンプシステムの構成を示す模式図。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係るヒートポンプシステム１００は、給湯機システム、空調システム等に組み込まれるものであり、圧縮機２、放熱器３、膨張弁４及び蒸発器５をこの順に環状に接続し、内部に例えば二酸化炭素等の冷媒を流通させることで、冷凍サイクルを営むように構成したものである。

そして、このヒートポンプシステム１００は、放熱器３及び膨張弁４の間に設けられ、放熱器３からの冷媒を蒸発器５下部を経由して蒸発器５下部を加熱したのちに前記膨張弁４に流入させる凍結防止流路６と、蒸発器５及び圧縮機２の間に設けられ、蒸発器５からの冷媒を蒸発器５下部を経由して凍結防止流路６の冷媒と熱交換したのちに圧縮機２に流入させる過熱度制御流路７とを備える。

凍結防止流路６は、その配管の一部が蒸発器５と一体化して形成されている。詳細には、蒸発器５の最下段外側（外気側）に設けられた伝熱管６Ｈを用いて構成されている。この伝熱管６Ｈは、銅製からなるヘアピンコイルである。

また、過熱度制御流路７は、蒸発器５下部を経由して圧縮機２に連通する第１制御流路７１と、蒸発器５下部を経由しないで圧縮機２に連通する第２制御流路７２とに分岐しており、さらに蒸発器５からのガス冷媒を第１制御流路７１又は第２制御流路７２に分配する分配機構７３を有する。第１制御流路７１及び第２制御流路７２は、圧縮機２に流入する下流側で合流している。

第１制御流路７１は、その配管の一部が蒸発器５と一体化して形成されている。詳細には、蒸発器５の最下段内側（前記凍結防止流路６の伝熱管６Ｈと並列）に設けられた伝熱管７Ｈを用いて構成されている。この伝熱管７Ｈは、前記凍結防止流路６の伝熱管６Ｈと同様に、銅製からなるヘアピンコイルである。

この分配機構７３は、過熱度制御流路７の分岐点近傍において第１制御流路７１及び第２制御流路７２それぞれに設けられた第１流量制御弁７３１及び第２流量制御弁７３２から構成されている。そして、この第１流量制御弁７３１及び第２流量制御弁７３２は制御装置８によってその弁開度が制御される。

制御装置８は、ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏチャネル、ディスプレイ等の出力機器、キーボードなどの入力機器、ＡＤコンバータ等を有したいわゆるコンピュータであり、前記メモリに格納したプログラムにしたがってＣＰＵやその周辺機器が動作することによって、ヒートポンプシステム１００の各部、具体的には、第１流量制御弁７３１及び第２流量制御弁７３２を制御する。

そして、制御装置８は圧縮機２の吸入管又は吐出管に設けられた冷媒圧力センサ又は冷媒温度センサ等の検出圧力又は検出温度に基づいて、第１流量制御弁７３１及び第２流量制御弁７３２に制御信号を出力して第１制御流路７１及び第２制御流路７２に分配される冷媒の流量を調整する。

また、制御装置８は、過熱度制御が必要な場合には、上記のとおり第１流量制御弁７３１及び第２流量制御弁７３２を動作させて過熱度制御機能を働かせるが、過熱度制御が必要ない場合には、第１流量制御弁７３１を閉塞するとともに第２流量制御弁７３２を開放して過熱度制御機能を停止させる。なお、第１流量制御弁７３１及び第２流量制御弁７３２を動作させることには、第１流量制御弁７３１のみを開放し、第２流量制御弁７３２を閉塞する場合と第１流量制御弁７３１及び第２流量制御弁７３２をともに開放する場合とがある。また流量制御弁７３１、７３１を開放することには、流量制御弁７３１、７３２を全開することだけでなく、部分開放することも含む。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係るヒートポンプシステム１００によれば、凍結防止流路６が放熱器３からの冷媒を蒸発器５下部を経由させることから外部の熱源を必要とすることなく簡単な構成により蒸発器５の凍結を防止することができる。

また、蒸発器５からの冷媒を凍結防止流路６の冷媒と熱交換したのちに圧縮機２に流入させる過熱度制御流路７が、第１制御流路７１及び第２制御流路７２に分岐しており、分配機構７３によって必要に応じて冷媒の分配量を調整できるので、圧縮機２の入口における過熱度を所望の値に制御することができる。つまり低圧部の過熱度制御を選択的に行えるようにしているので、高圧吐出における冷媒制御を、従来よりも精度良く行えるようになり、給湯温度や暖房温度の幅広い要求に対応できるようになる。

さらに蒸発器５と凍結防止流路６の一部配管及び過熱度制御流路７の一部配管を一体化させているので部品点数を削減できるとともに、配管の複雑化を防止することができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば、前記実施形態では、過熱度制御流路７が分配機能を有するものであったが、切り替え機構を有するものであってもよい。この切り替え機構は、蒸発器５からの冷媒が流れる流路を第１制御流路７１又は第２制御流路７２に切り替えるものであり、第１制御流路７１及び第２制御流路７２にそれぞれ設けられた開閉弁、又は、第１制御流路７１及び第２制御流路７２の分岐点に設けられた三方弁から構成することが考えられる。

また図３に示すように、放熱器３下流の流路から分岐して圧縮機２に冷媒を流入させるインジェクション回路９と、当該インジェクション回路９に設けられたインジェクション回路用膨張弁１０と、インジェクション回路９における膨張弁１０下流側を流れる冷媒及び前記放熱器３及び膨張弁４の間を流れる冷媒の間で熱交換を行う中間熱交換器１１とを有するものであって良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・ヒートポンプシステム
２ ・・・圧縮機
３ ・・・放熱器
４ ・・・膨張弁
５ ・・・蒸発器
６ ・・・凍結防止流路
６Ｈ ・・・第１伝熱管
７ ・・・過熱度制御流路
７１ ・・・第１制御流路
７２ ・・・第２制御流路
７３ ・・・分配機構
７Ｈ ・・・第２伝熱管
７３１・・・第１流量制御弁
７３２・・・第２流量制御弁
８ ・・・制御装置

Claims (11)

1. 圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器をこの順で環状に接続した冷凍サイクルを有するヒートポンプシステムであって、
   前記放熱器及び前記膨張弁の間に設けられ、前記放熱器からの冷媒を前記蒸発器下部を経由して前記蒸発器下部を加熱したのちに前記膨張弁に流入させる凍結防止流路と、前記蒸発器及び前記圧縮機の間に設けられ、前記蒸発器からの冷媒を前記蒸発器下部を経由して前記凍結防止流路の冷媒と熱交換したのちに前記圧縮機に流入させる過熱度制御流路とを具備し、
   前記過熱度制御流路が、前記蒸発器下部を経由する第１制御流路と、前記蒸発器下部を経由しない第２制御流路と、前記蒸発器からの冷媒が流れる流路を前記第１制御流路又は前記第２制御流路に切り替える切り替え機構とを有する請求項１記載のヒートポンプシステム。
2. 所定の条件に応じて前記切り替え機構を制御する制御装置を有する請求項１記載のヒートポンプシステム。
3. 前記切り替え機構が、前記第１制御流路及び前記第２制御流路にそれぞれ設けられた開閉弁、又は、前記第１制御流路及び前記第２制御流路の分岐点に設けられた三方弁からなる請求項１又は２記載の暖房冷房システム。
4. 圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器をこの順で環状に接続した冷凍サイクルを有するヒートポンプシステムであって、
   前記放熱器及び前記膨張弁の間に設けられ、前記放熱器からの冷媒を前記蒸発器下部を経由して前記蒸発器下部を加熱したのちに前記膨張弁に流入させる凍結防止流路と、前記蒸発器及び前記圧縮機の間に設けられ、前記蒸発器からの冷媒を前記蒸発器下部を経由して前記凍結防止流路の冷媒と熱交換したのちに前記圧縮機に流入させる過熱度制御流路とを具備し、
   前記過熱度制御流路が、前記蒸発器下部を経由する第１制御流路と、前記蒸発器下部を経由しない第２制御流路と、前記蒸発器からの冷媒を前記第１制御流路又は前記第２制御流路に分配する分配機構とを有するヒートポンプシステム。
5. 所定の条件に応じて前記分配機構を制御する制御装置を有する請求項４記載のヒートポンプシステム。
6. 前記分配機構が、前記第１制御流路及び前記第２制御流路にそれぞれ設けられた流量制御弁である請求項４又は５記載のヒートポンプシステム。
7. 前記蒸発器と前記凍結防止流路を構成する配管の一部が一体化されている請求項１乃至６のいずれかに記載のヒートポンプシステム。
8. 前記蒸発器と前記過熱度制御流路を構成する配管の一部が一体化されている請求項１乃至７のいずれかに記載のヒートポンプシステム。
9. 前記凍結防止回路が前記蒸発器の最下段に配置された伝熱管を用いて構成されている請求項１乃至８のいずれかに記載のヒートポンプシステム。
10. 前記過熱度制御回路が前記蒸発器の最下段に配置された伝熱管を用いて構成されている請求項１乃至９のいずれかに記載のヒートポンプシステム。
11. 圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器をこの順で環状に接続した冷凍サイクルを有し、前記放熱器及び前記膨張弁の間に設けられ、前記放熱器からの冷媒を前記蒸発器下部を経由して前記蒸発器下部を加熱したのちに前記膨張弁に流入させる凍結防止流路と、前記蒸発器及び前記圧縮機の間に設けられ、前記蒸発器からの冷媒を前記蒸発器下部を経由して前記凍結防止流路の冷媒と熱交換したのちに前記圧縮機に流入させる過熱度制御流路とを具備し、前記過熱度制御流路が、前記蒸発器下部を経由する第１制御流路と、前記蒸発器下部を経由しない第２制御流路とからなるヒートポンプシステムの制御方法であって、
    所定の条件に応じて、前記蒸発器からの冷媒を前記第１制御流路と前記第２制御流路に分配することを特徴とするヒートポンプシステムの制御方法。