JP2013204851A - ヒートポンプ式加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】極低温の外気環境下であっても、被加熱流体の加熱運転を行ないながら除霜運転も同時に行なうことが可能なヒートポンプ式加熱装置、を提供する。
【解決手段】ヒートポンプ式暖房給湯機は、冷媒と被加熱流体との間で熱交換を行なう凝縮器２６と、冷媒と室外空気との間で熱交換を行なう蒸発器２７と、蒸発器２７から送られた冷媒を圧縮する下段圧縮機３１と、下段圧縮機３１から送られた冷媒を圧縮する上段圧縮機３２とを有し、ヒートポンプサイクルを構成する冷凍回路２１と、冷凍回路２１から分岐し、蒸発器２７に付着した霜を取り除くための冷媒が流れるバイパス回路５１とを備える。バイパス回路５１は、冷凍回路２１を通じて蒸発器２７に供給される冷媒よりも高温の冷媒が流通する位置で冷凍回路２１に接続され、その位置から導いた冷媒を、冷凍回路２１とは独立して蒸発器２７に流通させるように設けられる。
【選択図】図１

Description

この発明は、一般的には、ヒートポンプ式加熱装置に関し、より特定的には、ヒートポンプサイクル上に２つの圧縮機が設けられた２段圧縮式のヒートポンプ式加熱装置に関する。

従来のヒートポンプ式加熱装置に関して、たとえば、特開２０１０−２３６７３６号公報には、蒸発器に発生した霜を取り除く除霜運転の時間を短縮することを目的としたヒートポンプ式給湯機が開示されている（特許文献１）。

図１６は、特許文献１に開示されたヒートポンプ式給湯機を示す構成図である。図１６を参照して、ヒートポンプ式給湯機は、貯湯回路１０１Ｋと、給湯回路１０２Ｋと、冷媒回路Ｒと、中間インジェクション回路Ｍとを有する。

冷媒回路Ｒは、冷媒配管を環状に接続して構成されている。冷媒回路Ｒの経路上には、２段圧縮式の能力を調節可能な圧縮機１０１と、冷媒対水熱交換器１０３と、冷却器１０４と、内部熱交換器１０５と、第１電動膨張弁１０６と、蒸発器１０７とが設けられている。中間インジェクション回路Ｍは、冷媒対水熱交換器１０３と冷却器１０４との間の冷媒回路Ｒから分岐され、冷媒対水熱交換器１０３から吐出した冷媒の一部を圧縮機１０１の低圧側と高圧側との中間に戻すように設けられている。中間インジェクション回路Ｍの経路上には、電磁開閉弁１１０と、第２電動膨張弁１１１と、冷却器１０４とが設けられている。

ヒートポンプ式給湯機は、蒸発器１０７に発生付着した霜を取り除くための分岐路１１３をさらに有する。分岐路１１３は、中間インジェクション回路Ｍの冷却器１０４と、圧縮機１０１の高圧側および低圧側の中間位置との間から分岐し、冷媒回路Ｒの蒸発器１０７に戻るように設けられている。分岐路１１３の経路上には、除霜用電磁弁１１２が設けられている。

マイナス５℃以下の温度が検出された場合、第１電動膨張弁１０６が完全開成状態とされるとともに、除霜用電磁弁１１２が開操作される。このとき、冷媒が、圧縮機１０１の低圧側と高圧側との中間から分岐路１１３を介して冷媒回路Ｒに供給される。これにより、分岐路１１３を介する中圧の高温ガス冷媒と、完全開成状態の第１電動膨張弁１０６を介する高圧の高温ガス冷媒とが、蒸発器１０７に流れ、蒸発器１０７に発生した霜が取り除かれる。

特開２０１０−２３６７３６号公報

特許文献１に開示されるように、低圧側の圧縮機と高圧側の圧縮機とを備える２段圧縮式のヒートポンプ式加熱装置が知られている。しかしながら、特許文献１に開示されたヒートポンプ式給湯機では、除霜運転時に、第１電動膨張弁１０６を完全開成状態とし、除霜用電磁弁１１２を開状態とすることにより、分岐路１１３を流れる冷媒が、蒸発器１０７の上流側で冷媒回路Ｒを流れる冷媒と合流する。この場合、冷媒が、圧縮機１０１の低圧側と高圧側との中間位置と、蒸発器１０７との間で同一圧力となるため、実質的には１段圧縮サイクルの能力しか発揮できなくなる。このように、低圧側の圧縮機と高圧側の圧縮機とを備えているにもかかわらず、２段圧縮サイクルの能力が制限されるような場合、極低温の外気環境下で暖房性能が十分に発揮されない懸念がある。

また、蒸発器に着霜する時の外気温は０℃以下であるが、その外気温において除霜運転を実行しようとすると、蒸発器内の冷媒の温度を少なくとも０℃よりも高くしなければならない。一方、暖房運転時には、蒸発器内の冷媒の温度を外気よりも低い温度に設定して、外気から冷媒に吸熱する必要がある。

これに対して、特許文献１に開示されたヒートポンプ式給湯機では、除霜運転時、分岐路１１３を流れる冷媒と冷媒回路Ｒを流れる冷媒とを合流させて蒸発器１０７に送り込み、蒸発器１０７では冷媒から外気に放熱している。この場合、除湿運転が蒸発器１０７から外気への放熱過程である一方、暖房運転は外気から蒸発器１０７への吸熱過程であるため、除霜運転と暖房運転とを同時に行なうことができない。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、極低温の外気環境下であっても、被加熱流体の加熱運転を行ないながら除霜運転も同時に行なうことが可能なヒートポンプ式加熱装置を提供することである。

この発明に従ったヒートポンプ式加熱装置は、冷媒と被加熱流体との間で熱交換を行なう第１熱交換器と、冷媒と室外空気との間で熱交換を行なう第２熱交換器と、第２熱交換器から送られた冷媒を圧縮する低圧側圧縮機と、低圧側圧縮機から送られた冷媒を圧縮する高圧側圧縮機とを有し、ヒートポンプサイクルを構成する冷凍回路と、冷凍回路から分岐し、第２熱交換器に付着した霜を取り除くための冷媒が流れるバイパス回路とを備える。バイパス回路は、冷凍回路を通じて第２熱交換器に供給される冷媒よりも高温の冷媒が流通する位置で冷凍回路に接続され、その位置から導いた冷媒を、冷凍回路とは独立して第２熱交換器に流通させるように設けられる。

このように構成されたヒートポンプ式加熱装置によれば、バイパス回路が、冷媒を冷凍回路とは独立して第２熱交換器に流通させるように設けられるため、冷凍回路に流れる冷媒を用いて室外空気から第２熱交換器への吸熱過程を実行し、バイパス回路を流れるより高温の冷媒を用いて第２熱交換器から室外空気への放熱過程を実行することができる。この際、低圧側圧縮機と高圧側圧縮機とによって２段圧縮サイクルの能力が発揮されることにより、極低温の外気環境下であっても、被加熱流体の加熱運転を行ないながら除霜運転も同時に行なうことができる。

また好ましくは、冷凍回路は、第１熱交換器と第２熱交換器との間に、第１熱交換器から送られた冷媒を減圧する第１減圧器と、第１減圧器から送られた冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器と、気液分離器から送られた液相の冷媒を減圧する第２減圧器とをさらに有する。気液分離器で分離された気相の冷媒の一部を、低圧側圧縮機と高圧側圧縮機との間の冷凍回路へと導くインジェクション回路をさらに備える。

このように構成されたヒートポンプ式加熱装置によれば、インジェクション回路を通じて、低圧側圧縮機と高圧側圧縮機との間の冷凍回路に低温の冷媒を混合させる。これにより、高圧側圧縮機から吐出される冷媒の温度を低下させ、高圧側圧縮機の信頼性を向上させることができる。

また好ましくは、バイパス回路の冷媒入り口が、気液分離器の気相側に接続される。また好ましくは、バイパス回路の冷媒入り口が、気液分離器の液相側に接続される。また好ましくは、バイパス回路の冷媒入り口が、第１減圧器と気液分離器との間の冷凍回路に接続される。また好ましくは、バイパス回路の冷媒入り口が、第１熱交換器と第１減圧器との間の冷凍回路に接続される。また好ましくは、バイパス回路の冷媒入り口が、高圧側圧縮機と第１熱交換器との間の冷凍回路に接続される。

このように構成されたヒートポンプ式加熱装置によれば、バイパス回路に、冷凍回路を通じて第２熱交換器に供給される冷媒よりも高温の冷媒を引き込み、その冷媒を用いて第２熱交換器から室外空気への放熱過程を実行する。

また好ましくは、バイパス回路の冷媒出口が、低圧側圧縮機と高圧側圧縮機との間の冷凍回路に接続される。このように構成されたヒートポンプ式加熱装置によれば、第２熱交換器から室外空気への放熱過程を経た冷媒を、低圧側圧縮機と高圧側圧縮機との間の冷凍回路に戻す。

また好ましくは、インジェクション回路およびバイパス回路は、各回路の経路上に設けられ、冷媒流れを許容もしくは遮断する第１開閉弁および第２開閉弁をそれぞれ有する。第２開閉弁が開状態とされる第２熱交換器の除霜時、第１開閉弁が閉状態とされる。

このように構成されたヒートポンプ式加熱装置によれば、インジェクション回路を通じて低圧側圧縮機と高圧側圧縮機との間の冷凍回路に冷媒を混合させる替わりに、バイパス回路を流れる冷媒を低圧側圧縮機と高圧側圧縮機との間の冷凍回路に混合させることによって、被加熱流体の加熱運転と除霜運転とを並進させる。

また好ましくは、バイパス回路の冷媒出口が、気液分離器の液相側に接続される。このように構成されたヒートポンプ式加熱装置によれば、第２熱交換器から室外空気への放熱過程を経た冷媒を、気液分離器の液相側に戻す。

また好ましくは、インジェクション回路およびバイパス回路は、各回路の経路上に設けられ、冷媒流れを許容もしくは遮断する第１開閉弁および第２開閉弁をそれぞれ有する。第２開閉弁が開状態とされる第２熱交換器の除霜時、第１開閉弁が開状態とされる。このように構成されたヒートポンプ式加熱装置によれば、インジェクション回路を通じて低圧側圧縮機と高圧側圧縮機との間の冷凍回路に冷媒を混合させることによって、被加熱流体の加熱運転と除霜運転とを並進させる。

また好ましくは、第２熱交換器には、一方向から室外空気が供給される。第２熱交換器において、バイパス回路は、冷凍回路よりも第２熱交換器に供給される室外空気の流れの上流側に配置される。このように構成されたヒートポンプ式加熱装置によれば、第２熱交換器に供給される室外空気の流れの上流側でより霜が発生し易いため、その位置にバイパス回路が配置される。

また好ましくは、ヒートポンプサイクルを循環する冷媒がＲ４１０Ａであり、冷媒の凝縮温度が５５℃であり、低圧側圧縮機および高圧側圧縮機の各圧縮機の最大圧縮比が７．５である時に、冷媒の蒸発温度が−１７℃以下の場合であっても、第１熱交換器による被加熱流体の加熱運転と、第２熱交換器の除霜運転とが同時に実施可能である。

以上に説明したように、この発明に従えば、極低温の外気環境下であっても、被加熱流体の加熱運転を行ないながら除霜運転も同時に行なうことが可能なヒートポンプ式加熱装置を提供することができる。

この発明の実施の形態におけるヒートポンプ式暖房給湯機を示す回路図である。 図１中のヒートポンプ式暖房給湯機の第１変形例を示す回路図である。 図１中のヒートポンプ式暖房給湯機の第２変形例を示す回路図である。 図１中のヒートポンプ式暖房給湯機の第３変形例を示す回路図である。 図１中のヒートポンプ式暖房給湯機の第４変形例を示す回路図である。 図１中のヒートポンプ式暖房給湯機の第５変形例を示す回路図である。 図１中のヒートポンプ式暖房給湯機の第６変形例を示す回路図である。 図１中のヒートポンプ式暖房給湯機の第７変形例を示す回路図である。 図１中のヒートポンプ式暖房給湯機の第８変形例を示す回路図である。 図１中のヒートポンプ式暖房給湯機の第９変形例を示す回路図である。 図１から図１０中の蒸発器における、冷凍回路およびバイパス回路の配管の位置関係を示す斜視図である。 １段圧縮式の冷凍サイクルを示すモリエル線図である。 ２段圧縮式の冷凍サイクルを示すモリエル線図である。 １段圧縮式の冷凍サイクルを示す回路図である。 外気温と、インジェクション回路における冷媒の温度との関係を示すグラフである。 特許文献１に開示されたヒートポンプ式給湯機を示す構成図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、この発明の実施の形態におけるヒートポンプ式暖房給湯機を示す回路図である。図１を参照して、本実施の形態におけるヒートポンプ式暖房給湯機は、冷凍回路２１と、インジェクション回路４１と、バイパス回路５１とを有する。

冷凍回路２１は、環状に延びる配管を有し、ヒートポンプサイクルを構成している。冷凍回路２１の経路上には、凝縮器２６および蒸発器２７が設けられている。凝縮器２６は、ヒートポンプサイクルを循環する冷媒と、被加熱流体（水または空気）との間で熱交換を行なう。蒸発器２７は、ヒートポンプサイクルを循環する冷媒と外気（室外空気）との間で熱交換を行なう。

冷凍回路２１の経路上には、第１膨張弁３６、気液分離器３８および第２膨張弁３７がさらに設けられている。第１膨張弁３６、気液分離器３８および第２膨張弁３７は、凝縮器２６と蒸発器２７との間に設けられている。第１膨張弁３６、気液分離器３８および第２膨張弁３７は、冷凍回路２１における冷媒の流れ方向において直列に並んでいる。凝縮器２６から蒸発器２７に向かう冷凍回路２１の経路上において、第１膨張弁３６、気液分離器３８および第２膨張弁３７は挙げた順に並んでいる。第１膨張弁３６は、凝縮器２６から送られた冷媒を減圧する第１減圧器として設けられている。気液分離器３８は、第１膨張弁３６から送られた冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する。気液分離器３８は、気相冷媒が配置される気相冷媒空間３８ａと、液相冷媒が配置される液相冷媒空間３８ｂとを有する。第２膨張弁３７は、気液分離器３８から送られた液相冷媒を減圧する第２減圧器として設けられている。

冷凍回路２１の経路上には、下段圧縮機３１および上段圧縮機３２がさらに設けられている。下段圧縮機３１および上段圧縮機３２は、蒸発器２７と凝縮器２６との間に設けられている。下段圧縮機３１および上段圧縮機３２は、冷凍回路２１における冷媒の流れ方向において直列に並んでいる。蒸発器２７から凝縮器２６に向かう冷凍回路２１の経路上において、下段圧縮機３１および上段圧縮機３２は挙げた順に並んでいる。下段圧縮機３１は、蒸発器２７から送られた冷媒を圧縮する低圧側圧縮機として設けられている。上段圧縮機３２は、下段圧縮機３１から送られた冷媒をさらに圧縮する高圧側圧縮機として設けられている。

インジェクション回路４１は、気液分離器３８で分離された気相冷媒の一部を、下段圧縮機３１と上段圧縮機３２との間の冷凍回路２１へと導くように設けられている。

より具体的には、インジェクション回路４１は、その両端が、気液分離器３８の気相冷媒空間３８ａと、下段圧縮機３１と上段圧縮機３２との間の冷凍回路２１とにそれぞれ繋がるように設けられている。インジェクション回路４１の冷媒入り口は、気液分離器３８の気相冷媒空間３８ａに接続され、インジェクション回路４１の冷媒出口は、下段圧縮機３１と上段圧縮機３２との間の冷凍回路２１に接続されている。

インジェクション回路４１の経路上には、第１開閉弁４２が設けられている。第１開閉弁４２は、開閉操作されることによって、インジェクション回路４１における冷媒流れを許容もしくは遮断する。

バイパス回路５１は、冷凍回路２１を通じて蒸発器２７に供給される冷媒よりも高温の冷媒が流通する位置で冷凍回路２１に接続され、その位置から導いた冷媒を、冷凍回路２１とは独立して蒸発器２７に流通させるように設けられている。

より具体的には、バイパス回路５１は、その両端が、気液分離器３８の気相冷媒空間３８ａと第１開閉弁４２との間のインジェクション回路４１と、第１開閉弁４２と冷凍回路２１との間のインジェクション回路４１とにそれぞれ繋がるように設けられている。バイパス回路５１の冷媒入り口は、インジェクション回路４１を介して気液分離器３８の気相側に接続され、バイパス回路５１の冷媒出口は、インジェクション回路４１を介して下段圧縮機３１と上段圧縮機３２との間の冷凍回路２１に接続されている。

バイパス回路５１の経路上には、蒸発器２７に加えて、第２開閉弁５２および第３膨張弁５３が設けられている。蒸発器２７、第２開閉弁５２および第３膨張弁５３は、バイパス回路５１における冷媒の流れ方向において直列に並んでいる。気液分離器３８の気相冷媒空間３８ａから冷凍回路２１に向かうバイパス回路５１の経路上において、蒸発器２７、第２開閉弁５２および第３膨張弁５３は挙げた順に並んでいる。第２開閉弁５２は、開閉操作されることによって、バイパス回路５１における冷媒流れを許容もしくは遮断する。第３膨張弁５３は、バイパス回路５１における冷媒の流量を調整することを目的に設けられている。

なお、バイパス回路５１に第２開閉弁５２および第３膨張弁５３の２つの弁を設ける理由は、以下の通りである。すなわち、一般的に空調冷凍サイクルに用いられる電磁膨張弁は、最も弁を閉じた状態でも完全に閉じることはできない。このため、本実施の形態では、バイパス回路５１における冷媒の流量をゼロとするために、流路を完全に閉じることが可能な第２開閉弁５２が設置されている。第３膨張弁５３が流路を完全に閉じることができる構造を有すれば、第２開閉弁５２を省略することが可能であり、この場合、第３膨張弁５３が開閉弁として機能する。

図２から図１０は、図１中のヒートポンプ式暖房給湯機の変形例を示す回路図である。図２から図１０中に示すヒートポンプ式暖房給湯機の変形例では、バイパス回路５１の冷媒入り口および冷媒出口のいずれか、もしくはその両方の接続位置が、図１中のヒートポンプ式暖房給湯機と異なる。

図２を参照して、本変形例では、バイパス回路５１の冷媒入り口が、インジェクション回路４１を介して気液分離器３８の気相側に接続され、バイパス回路５１の冷媒出口が、気液分離器３８の液相側に接続されている。

図３を参照して、本変形例では、バイパス回路５１の冷媒入り口が、気液分離器３８の液相側に接続され、バイパス回路５１の冷媒出口が、インジェクション回路４１を介して下段圧縮機３１と上段圧縮機３２との間の冷凍回路２１に接続されている。

図４を参照して、本変形例では、バイパス回路５１の冷媒入り口が、気液分離器３８の液相側に接続され、バイパス回路５１の冷媒出口が、気液分離器３８の液相側に接続されている。

図５を参照して、本変形例では、バイパス回路５１の冷媒入り口が、第１膨張弁３６と気液分離器３８との間の冷凍回路２１に接続され、バイパス回路５１の冷媒出口が、インジェクション回路４１を介して下段圧縮機３１と上段圧縮機３２との間の冷凍回路２１に接続されている。

図６を参照して、本変形例では、バイパス回路５１の冷媒入り口が、第１膨張弁３６と気液分離器３８との間の冷凍回路２１に接続され、バイパス回路５１の冷媒出口が、気液分離器３８の液相側に接続されている。

図７を参照して、本変形例では、バイパス回路５１の冷媒入り口が、凝縮器２６と第１膨張弁３６との間の冷凍回路２１に接続され、バイパス回路５１の冷媒出口が、インジェクション回路４１を介して下段圧縮機３１と上段圧縮機３２との間の冷凍回路２１に接続されている。

図８を参照して、本変形例では、バイパス回路５１の冷媒入り口が、凝縮器２６と第１膨張弁３６との間の冷凍回路２１に接続され、バイパス回路５１の冷媒出口が、気液分離器３８の液相側に接続されている。

図９を参照して、本変形例では、バイパス回路５１の冷媒入り口が、上段圧縮機３２と凝縮器２６との間の冷凍回路２１に接続され、バイパス回路５１の冷媒出口が、インジェクション回路４１を介して下段圧縮機３１と上段圧縮機３２との間の冷凍回路２１に接続されている。

図１０を参照して、本変形例では、バイパス回路５１の冷媒入り口が、上段圧縮機３２と凝縮器２６との間の冷凍回路２１に接続され、バイパス回路５１の冷媒出口が、気液分離器３８の液相側に接続されている。

続いて、冷凍回路２１、インジェクション回路４１およびバイパス回路５１の各回路における冷媒流れについて説明する。

最初に、冷凍回路２１について説明する。まず、下段圧縮機３１で冷媒が圧縮される。さらにその冷媒が上段圧縮機３２によりさらに高圧に圧縮される。

このように２段圧縮方式を採る理由は、以下の通りである。すなわち、凝縮器２６と蒸発器２７との間の冷媒の温度差が小さいとその圧力差も小さくなり、凝縮器２６と蒸発器２７との間の冷媒の温度差が大きいとその圧力差も大きくなる。凝縮器２６と蒸発器２７との間の冷媒の温度差が小さい場合、たとえば、外気温が比較的高く、蒸発器２７における冷媒の温度が一段圧縮方式で可能な圧縮比以下の範囲であれば、一段圧縮方式によりヒートポンプサイクルを構成することができる。一方、凝縮器２６と蒸発器２７との間の冷媒の温度差が大きくなり、１段圧縮方式では必要な圧力差が得られない場合は、２段圧縮方式とする必要がある。

次に、上段圧縮機３２から送られた冷媒は、凝縮器２６において被加熱流体との熱交換によって放熱する。たとえば、被加熱流体として室内の空気が供給された場合、暖房の熱源として利用することができ、被加熱流体として水が供給された場合、給湯や床暖房等のセントラルヒーティングの熱源として利用することができる。凝縮器２６において被加熱流体と熱交換した冷媒は、熱を奪われる。その結果、凝縮器２６の冷媒入り口で気相であった冷媒が、凝縮器２６の冷媒出口で液相になる。

次に、凝縮器２６から送られた冷媒は、第１膨張弁３６を通過することによって、その圧力と温度とが低下し、液相から気液混合状態となる。次に、第１膨張弁３６から送られた気液混合状態の冷媒は、気液分離器３８において気相と液相とに分離される。液相冷媒空間３８ｂから送られた液相冷媒の一部は、第２膨張弁３７を通過することによって、その圧力と温度とがさらに低下し、液相から気液混合状態となる。

次に、第２膨張弁３７から送られた気液混合状態の冷媒は、蒸発器２７において外気との熱交換によって吸熱し、気相となる。蒸発器２７から送られた冷媒は、下段圧縮機３１で再び圧縮される。冷凍回路２１では、以上に説明した過程が繰り返されることによって、ヒートポンプサイクルが実行される。

インジェクション回路４１について説明する。インジェクション回路４１は、気液分離器３８の気相冷媒空間３８ａに配置された気相冷媒の一部を、下段圧縮機３１の吐出口から吐出される冷媒と混合し、混合された冷媒を上段圧縮機３２の吸い込み口に送り込むことによって、上段圧縮機３２の吐出口から吐出される冷媒温度を低下させることを目的に設けられている。

インジェクション回路４１からの冷媒と、下段圧縮機３１の吐出口から吐出された冷媒とが混合された冷媒は、下段圧縮機３１の吐出口から吐出される冷媒よりも低い温度を有する。すなわち、上段圧縮機３２の吸い込み口に吸い込まれる冷媒の温度を、インジェクション回路４１がない場合よりも低下させることができ、その結果、上段圧縮機３２の吐出口から吐出される冷媒の温度を低下させることができる。これにより、上段圧縮機３２から吐出される冷媒温度を抑制し、上段圧縮機３２の信頼性向上や、より大きな圧力差（温度差）での運転が可能となる。

バイパス回路５１について説明する。バイパス回路５１は、冷凍回路２１を流れる冷媒の一部を分岐して蒸発器２７に供給し、蒸発器２７に付着した霜を取り除くことを目的に設けられている。

図１から図１０中に示す全ての形態において、除霜運転をせずに暖房運転のみを行なう場合には、インジェクション回路４１に冷媒を流すために、第１開閉弁４２を開状態とする。また、除霜運転は実施しないため、第２開閉弁５２を閉状態とする。

図１から図１０中には、除霜運転時の冷媒流れが矢印によって示されている。また、第１開閉弁４２の矢印に付された×印は、弁として冷媒を流さない閉状態を示している。

バイパス回路５１の冷媒出口が、インジェクション回路４１を介して下段圧縮機３１と上段圧縮機３２との間の冷凍回路２１に接続されている図１、図３、図５、図７および図９の形態では、除霜運転時、バイパス回路５１上の第２開閉弁５２および第３膨張弁５３を開状態とし、インジェクション回路４１上の第１開閉弁４２を閉状態とする。これにより、気液分離器３８の気相冷媒空間３８ａに配置された気相冷媒の一部が、バイパス回路５１を流れて蒸発器２７に供給される。蒸発器２７において外気に放熱した冷媒は、下段圧縮機３１と上段圧縮機３２との間の冷凍回路２１に戻される。このとき、バイパス回路５１を流れる冷媒は、蒸発器２７の除霜の機能に加えて、インジェクション回路４１による機能も発揮している。

バイパス回路５１の冷媒出口が、気液分離器３８の液相側に接続されている図２、図４、図６、図８および図１０の形態では、除霜運転時、バイパス回路５１上の第２開閉弁５２および第３膨張弁５３を開状態とし、インジェクション回路４１上の第１開閉弁４２を開状態とする。本形態では、バイパス回路５１において蒸発器２７の除霜によって液化された冷媒を、第２膨張弁３７の上流側で冷凍回路２１に戻す。これにより、蒸発器２７に供給される冷媒の流量の低下を防ぐことができる。

図１１は、図１から図１０中の蒸発器における、冷凍回路およびバイパス回路の配管の位置関係を示す斜視図である。図１１を参照して、蒸発器２７には、図示しないファンの回転によって、矢印７１に示す一方向から外気が供給される。図中の右側に相当する蒸発器２７の側面が、外気の吸い込み口であり、図中の左側に相当する蒸発器２７の側面が、外気の吹き出し口である。

蒸発器２７は、蒸発器２７に供給される外気と、蒸発器２７に流れる冷媒との間で熱交換するための熱交換フィン６０を有する。冷凍回路２１およびバイパス回路５１は、それぞれ、冷媒配管６６および冷媒配管６１を有する。冷媒配管６６および冷媒配管６１は、熱交換フィン６０を貫通しながら図１１中の上下方向に延びている。冷媒配管６６と冷媒配管６１とは、互いに独立した配管として設けられており、各配管を流れる冷媒が交じり合うことはない。

本実施の形態では、冷凍回路２１およびバイパス回路５１が、それぞれ、複数本の冷媒配管６６および複数本の冷媒配管６１を有する。複数本の冷媒配管６６は、蒸発器２７に供給される外気流れに直交する方向に並び、複数本の冷媒配管６１は、蒸発器２７に供給される外気流れに直交する方向に並んでいる。複数本の冷媒配管６６と複数本の冷媒配管６１とは、蒸発器２７に供給される外気の流れ方向においてずれた位置に設けられている。冷媒配管６６と冷媒配管６１とは、蒸発器２７に供給される外気の流れ方向から見て、互いに重なり合わない位置に設けられている。

バイパス回路５１は、冷凍回路２１よりも蒸発器２７に供給される外気流れの上流側に配置されている。すなわち、バイパス回路５１の冷媒配管６１は、蒸発器２７における外気の吸い込み口側に配置され、冷凍回路２１の冷媒配管６６は、蒸発器２７における外気の吹き出し口側に配置されている。蒸発器２７では、外気の吸い込み口側に霜が付着し易いため、そのような位置にバイパス回路５１の冷媒配管６１を配置することによって、除霜運転時、蒸発器２７に付着した霜を効率的に取り除くことができる。

なお、図１１中に示す冷媒配管６６および冷媒配管６１の配置は一例であり、本発明では特に限定されない。各配管に流れる冷媒の流れは、平行流、対交流および直交流のいずれであってもよいし、その他の流れであってもよい。

本実施の形態におけるヒートポンプ式暖房給湯機によれば、極低温（たとえば、−１７℃以下）の外気環境下であっても、暖房運転を行ないながら除霜運転も同時に行なうことができる。続いて、本実施の形態におけるヒートポンプ式暖房給湯機によって奏されるこのような作用効果について説明する。

図１２は、１段圧縮式の冷凍サイクルを示すモリエル線図である。図１３は、２段圧縮式の冷凍サイクルを示すモリエル線図である。図１４は、１段圧縮式の冷凍サイクルを示す回路図である。

一例として、冷凍回路２１に流す冷媒がＲ４１０Ａ、凝縮器２６での冷媒の温度（凝縮温度）が５５℃（このときの冷媒の圧力は３．４３ＭＰａ）、凝縮器２６の出口での過冷却度が１０℃、蒸発器２７出口での過熱度が１０℃、二段圧縮でのインジェクション回路４１での圧力が（蒸発器２７内の圧力）×（凝縮器２６内の圧力）の平方根、圧縮機での圧縮工程が断熱圧縮（等エントロピ過程）、圧縮機１台当たりに許容される最大圧縮比（圧縮機の吐出圧力を圧縮機の吸い込み圧力で割った値の許容最大値）が７．５である条件を想定する。図１２中には、上記条件における１段圧縮式の冷凍サイクルが示され、図１３中には、上記条件における２段圧縮式の冷凍サイクルが示されている。

なお、モリエル線図はＰ−ｈ線図ともいわれ、縦軸を圧力、横軸を比エンタルピとしている。モリエル線図は、冷凍サイクルに用いる冷媒の圧力や比エンタルピ、温度、相状態、エンタルピ、比体積などの冷媒固有の特性を示す図である。

最初に、「−１７℃以下の外気環境下での暖房運転」の実現性に関連して、１段圧縮式の冷凍サイクルの限界を説明する。

図１２および図１４を参照して、１段圧縮式の冷凍サイクルにおける暖房運転の状態を考えると、まず、ガス状の冷媒が、圧縮機３０で圧縮されて凝縮器２６側に吐出される。このとき、上記条件のもと、図１２中に示すモリエル線図により、圧縮機３０の吐出圧力および凝縮器２６内の冷媒の圧力は３．４３ＭＰａである。冷媒は、凝縮器２６内で被加熱流体と熱交換することにより、ガス状態から徐々に液状態に相変化する。但し、相変化状態は、温度一定で５５℃である。冷媒は凝縮器２６内で完全に液化され、過冷却度１０℃の上記条件では、凝縮器出口における冷媒の温度が４５℃となる。

その後、膨張弁３５で膨張された冷媒は気液二相状態となり、冷媒の圧力と温度とが低下する。冷媒の温度は、減圧された圧力によって一義的に決まる。すなわち、圧縮機３０の最大圧縮比が７．５であるため、圧縮機３０の低圧側の最低圧力は０．４６ＭＰａとなり、このときの冷媒の温度は−１６．３℃となる。

このため、暖房運転において、凝縮器２６内の冷媒の温度を５５℃とする必要がある場合、蒸発器２７内の冷媒の温度を−１６．３℃より低い温度に設定することができない。したがって、「−１７℃以下の外気環境下での暖房運転」の実現性についてはいえば、１段圧縮冷凍サイクルでは原理的に不可能となる。なお、ここでは、蒸発器２７内の冷媒の温度は外気温と比較して１０℃程度低い温度と仮定している。つまり、一段圧縮冷凍サイクルにおいては、蒸発器２７内の冷媒の温度が上記−１６．３℃の場合、対応できる外気温はおおよそ−６．３℃となる。

次に、２段圧縮サイクルの暖房運転について、代表的に図８中の回路図を参考にして同様に考察する。

図８および図１３を参照して、まず、ガス状の冷媒が、上段圧縮機３２で圧縮されて凝縮器２６側へ吐出される。このとき、上記条件のもと、図１３中に示すモリエル線図により、上段圧縮機３２の吐出圧力および凝縮器２６内の冷媒の圧力は３．４３ＭＰａである。冷媒は、凝縮器２６内で被加熱流体と熱交換することにより、ガス状態から徐々に液状態に相変化する。但し、相変化状態は温度一定で５５℃である。冷媒は凝縮器２６内で完全に液化され、過冷却度１０℃の上記条件では、凝縮器出口における冷媒の温度が４５℃となる。

その後、第１膨張弁３６で膨張された冷媒は気液二相状態となり、冷媒の圧力と温度とが低下し、それぞれ、インジェクション回路４１での冷媒の圧力と温度とになる。ここで、前述と同様に、蒸発器２７内の冷媒の温度が、外気温と比較して１０℃程度低い温度と仮定すると、たとえば、−２５℃の外気温下での暖房運転を実現するには、蒸発器２７内の冷媒の温度は−３５℃程度でなければならない。このとき、冷媒Ｒ４１０Ａの圧力は０．２２ＭＰａである。インジェクション回路４１での冷媒の圧力は、上記条件のもと、（蒸発器２７内の圧力）×（凝縮器２６内の圧力）の平方根より０．８７ＭＰａであり、このときの冷媒温度は３．４℃である。

第１膨張弁３６から送り出された冷媒は気液分離器３８に入り、その内部で気相と液相に分離される。分離された液相冷媒は、蒸発器２７の方向（第２膨張弁３７の方向）に流れ、分離された気相冷媒は、インジェクション回路４１を流れて、最終的には下段圧縮機３１から吐出された冷媒と合流して上段圧縮機３２に吸い込まれる。

なお、暖房運転時、第１開閉弁４２は開状態とされ、インジェクション回路４１に冷媒が流される。一方、気液分離器３８で液相に分離された冷媒は、第２膨張弁３７によってさらに減圧、低温とされた二相状態となる。その冷媒は、蒸発器２７を流れる間、外気から吸熱する。その後、冷媒は、下段圧縮機３１に吸入、圧縮、吐出され、再び上段圧縮機３２に吸入される。

上記条件により、圧縮機１台当たりに許容される最大圧縮比は７．５である。これに対して、暖房運転時の２段圧縮における下段圧縮機３１および上段圧縮機３２の圧縮比はともに３．９５であり、許容される最大圧縮比７．５よりも小さい。このため、２段圧縮とすることにより、凝縮温度５５℃および蒸発温度−３５℃の条件での暖房運転が可能となる。

次に、「暖房運転を行ないながら除霜運転も同時に行なうこと」の実現性について説明する。

本実施の形態におけるヒートポンプ式暖房給湯機では、冷凍回路２１とバイパス回路５１とが、蒸発器２７内で互いに独立した経路として設けられている。このため、冷凍回路２１およびバイパス回路５１の各回路を流れる冷媒の圧力、温度を、独立して制御することができる。

代表的に図８中の回路を参照して除霜運転時のバイパス回路５１内の冷媒の状態を説明すると、まず、凝縮器２６と第１膨張弁３６との間にバイパス回路５１の始点（冷媒流れの上流側の始点）があり、第３膨張弁５３および第２開閉弁５２を開状態とすることにより、バイパス回路５１に冷媒が流れる。このとき、バイパス回路５１の始点における冷媒は、液相であり、その圧力は３．４３ＭＰａ、温度は４５℃である。その液相冷媒が、第２膨張弁３７から吐出された冷媒と混じり合うことなく、別の経路で蒸発器２７内を流れて蒸発器２７と熱交換し、除霜する。

外気温が−２５℃である場合、第２膨張弁３７から蒸発器２７に送り出された冷凍回路２１の冷媒の温度は−３５℃である。一方、バイパス回路５１の冷媒の温度は４５℃である。上記条件のもと、インジェクション回路４１での圧力を（蒸発器内の圧力）×（凝縮器内の圧力）の平方根とすると、このときのインジェクション回路４１での冷媒の圧力は０．８７ＭＰａであり、温度は３．４℃である。

このようにインジェクション回路４１での冷媒の温度は０℃よりも高いため、図１などに示すように、インジェクション回路４１の冷媒を、除霜運転時にバイパス回路５１に流す冷媒として用いることも可能である。

蒸発器２７を出たバイパス回路５１内の冷媒は、第２開閉弁５２および第３膨張弁５３を順に通過する。その後、冷媒は、インジェクション回路４１の圧力まで低下し、気液分離器３８と第２膨張弁３７との間の液相の冷媒と合流する。

このような構成により、２段圧縮冷凍サイクルにおいて、たとえば、外気温−２５℃環境下であっても、暖房運転と除霜運転との同時運転が可能となる。暖房のみの運転時と比較して、暖房運転に加えて除霜運転を行なう場合、蒸発器２７における外気から冷媒への吸熱量が減少する。このため、暖房能力は除霜に利用される冷媒が有する熱量分だけ減少することになる。この際、下段圧縮機３１または上段圧縮機３２の運転回転数を大きくして全冷媒流量を増加することによって、凝縮器２６での暖房能力を維持することができる。

図１５は、外気温と、インジェクション回路における冷媒の温度との関係を示すグラフである。図１５中に示す関係は、冷媒がＲ４１０Ａ、凝縮器２６内の冷媒の温度が５５℃程度である場合である。

バイパス回路５１の始点の位置は、除霜のため、少なくとも水が凍結する温度０℃より高い温度を有する冷媒がバイパス回路５１に導入されるように、決定される必要がある。インジェクション回路４１における冷媒圧力は（蒸発器内の圧力）×（凝縮器内の圧力）の平方根であるため、前述の通り、外気温−２５℃のときでもバイパス回路５１内の蒸発器２７での冷媒の温度は、図１５中に示すとおり、インジェクション回路４１よりも上流の冷媒を用いれば、０℃より高い温度であるので除霜することができる。

以上に説明した、この発明の実施の形態におけるヒートポンプ式暖房給湯機の構成についてまとめて説明すると、本実施の形態におけるヒートポンプ式加熱装置としてのヒートポンプ式暖房給湯機は、冷媒と被加熱流体との間で熱交換を行なう第１熱交換器としての凝縮器２６と、冷媒と室外空気との間で熱交換を行なう第２熱交換器としての蒸発器２７と、蒸発器２７から送られた冷媒を圧縮する低圧側圧縮機としての下段圧縮機３１と、下段圧縮機３１から送られた冷媒を圧縮する高圧側圧縮機としての上段圧縮機３２とを有し、ヒートポンプサイクルを構成する冷凍回路２１と、冷凍回路２１から分岐し、蒸発器２７に付着した霜を取り除くための冷媒が流れるバイパス回路５１とを備える。バイパス回路５１は、冷凍回路２１を通じて蒸発器２７に供給される冷媒よりも高温の冷媒が流通する位置で冷凍回路２１に接続され、その位置から導いた冷媒を、冷凍回路２１とは独立して蒸発器２７に流通させるように設けられる。

冷凍回路２１は、凝縮器２６と蒸発器２７との間に、凝縮器２６から送られた冷媒を減圧する第１減圧器としての第１膨張弁３６と、第１膨張弁３６から送られた冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器３８と、気液分離器３８から送られた液相の冷媒を減圧する第２減圧器としての第２膨張弁３７とをさらに有する。ヒートポンプ式暖房給湯機は、気液分離器３８で分離された気相の冷媒の一部を、下段圧縮機３１と上段圧縮機３２との間の冷凍回路２１へと導くインジェクション回路４１をさらに備える。

バイパス回路の冷媒出口は、下段圧縮機３１と上段圧縮機３２との間の冷凍回路２１、または気液分離器３８の液相側に接続され、除霜運転時には、バイパス回路５１に冷媒が流通される。

このように構成された、この発明の実施の形態におけるヒートポンプ式暖房給湯機によれば、−１７℃以下の低外気温の環境下であっても、被加熱流体の加熱運転を行ないながら除霜運転も同時に行なうことができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、たとえば、ヒートポンプ式給湯機やヒートポンプ式暖房給湯機などに適用される。

２１ 冷凍回路、２６ 凝縮器、２７ 蒸発器、３０ 圧縮機、３１ 下段圧縮機、３２ 上段圧縮機、３５ 膨張弁、３６ 第１膨張弁、３７ 第２膨張弁、３８ 気液分離器、３８ａ 気相冷媒空間、３８ｂ 液相冷媒空間、４１ インジェクション回路、４２ 第１開閉弁、５１ バイパス回路、５２ 第２開閉弁、５３ 第３膨張弁、６０ 熱交換フィン、６１，６６ 冷媒配管、１０１ 圧縮機、１０１Ｋ 貯湯回路、１０２Ｋ 給湯回路、１０３ 冷媒対水熱交換器、１０４ 冷却器、１０５ 内部熱交換器、１０６ 第１電動膨張弁、１０７ 蒸発器、１１０ 電磁開閉弁、１１１ 第２電動膨張弁、１１２ 除霜用電磁弁、１１３ 分岐路。

Claims (13)

1. 冷媒と被加熱流体との間で熱交換を行なう第１熱交換器と、冷媒と室外空気との間で熱交換を行なう第２熱交換器と、前記第２熱交換器から送られた冷媒を圧縮する低圧側圧縮機と、前記低圧側圧縮機から送られた冷媒を圧縮する高圧側圧縮機とを有し、ヒートポンプサイクルを構成する冷凍回路と、
   前記冷凍回路から分岐し、前記第２熱交換器に付着した霜を取り除くための冷媒が流れるバイパス回路とを備え、
   前記バイパス回路は、前記冷凍回路を通じて前記第２熱交換器に供給される冷媒よりも高温の冷媒が流通する位置で前記冷凍回路に接続され、その位置から導いた冷媒を、前記冷凍回路とは独立して前記第２熱交換器に流通させるように設けられる、ヒートポンプ式加熱装置。
2. 前記冷凍回路は、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間に、前記第１熱交換器から送られた冷媒を減圧する第１減圧器と、前記第１減圧器から送られた冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器と、前記気液分離器から送られた液相の冷媒を減圧する第２減圧器とをさらに有し、
   前記気液分離器で分離された気相の冷媒の一部を、前記低圧側圧縮機と前記高圧側圧縮機との間の前記冷凍回路へと導くインジェクション回路をさらに備える、請求項１に記載のヒートポンプ式加熱装置。
3. 前記バイパス回路の冷媒入り口が、前記気液分離器の気相側に接続される、請求項２に記載のヒートポンプ式加熱装置。
4. 前記バイパス回路の冷媒入り口が、前記気液分離器の液相側に接続される、請求項２または３に記載のヒートポンプ式加熱装置。
5. 前記バイパス回路の冷媒入り口が、前記第１減圧器と前記気液分離器との間の前記冷凍回路に接続される、請求項２から４のいずれか１項に記載のヒートポンプ式加熱装置。
6. 前記バイパス回路の冷媒入り口が、前記第１熱交換器と前記第１減圧器との間の前記冷凍回路に接続される、請求項２から５のいずれか１項に記載のヒートポンプ式加熱装置。
7. 前記バイパス回路の冷媒入り口が、前記高圧側圧縮機と前記第１熱交換器との間の前記冷凍回路に接続される、請求項２から６のいずれか１項に記載のヒートポンプ式加熱装置。
8. 前記バイパス回路の冷媒出口が、前記低圧側圧縮機と前記高圧側圧縮機との間の前記冷凍回路に接続される、請求項２から７のいずれか１項に記載のヒートポンプ式加熱装置。
9. 前記インジェクション回路および前記バイパス回路は、各回路の経路上に設けられ、冷媒流れを許容もしくは遮断する第１開閉弁および第２開閉弁をそれぞれ有し、
   前記第２開閉弁が開状態とされる前記第２熱交換器の除霜時、前記第１開閉弁が閉状態とされる、請求項８に記載のヒートポンプ式加熱装置。
10. 前記バイパス回路の冷媒出口が、前記気液分離器の液相側に接続される、請求項２から９のいずれか１項に記載のヒートポンプ式加熱装置。
11. 前記インジェクション回路および前記バイパス回路は、各回路の経路上に設けられ、冷媒流れを許容もしくは遮断する第１開閉弁および第２開閉弁をそれぞれ有し、
    前記第２開閉弁が開状態とされる前記第２熱交換器の除霜時、前記第１開閉弁が開状態とされる、請求項１０に記載のヒートポンプ式加熱装置。
12. 前記第２熱交換器には、一方向から室外空気が供給され、
    前記第２熱交換器において、前記バイパス回路は、前記冷凍回路よりも前記第２熱交換器に供給される室外空気の流れの上流側に配置される、請求項１から１１のいずれか１項に記載のヒートポンプ式加熱装置。
13. ヒートポンプサイクルを循環する冷媒がＲ４１０Ａであり、冷媒の凝縮温度が５５℃であり、前記低圧側圧縮機および前記高圧側圧縮機の各圧縮機の最大圧縮比が７．５である時に、
    冷媒の蒸発温度が−１７℃以下の場合であっても、前記第１熱交換器による被加熱流体の加熱運転と、前記第２熱交換器の除霜運転とが同時に実施可能である、請求項１から１２のいずれか１項に記載のヒートポンプ式加熱装置。