JP4417396B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明はヒートポンプ装置、特に、冷凍サイクルを構成する冷媒回路と、該冷媒回路に熱的に接続された貯水回路とを有するヒートポンプ装置に関するものである。

圧縮機と、放熱器と、膨張弁と、蒸発器と、冷媒容器と、を順次接続して冷凍サイクルを構成する冷媒回路と、放熱器において熱的に接続され、放熱器において昇温した水を蓄えるための貯湯槽と、水ポンプを順次接続してなる貯水回路と、によって構成されるヒートポンプ装置が知られている。
そして、ヒートポンプ装置における除霜方法として、除霜運転時に膨張弁開度を大きくし、かつ水ポンプを停止させることにより、除霜中の放熱器への放熱量を抑制して除霜を行う発明が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、二酸化炭素を冷媒として、圧縮機、放熱器、放熱器出口と吸入ラインとを熱交換する内部熱交換器、減圧器、蒸発器を有する主回路と、放熱器の入口と出口とを開閉弁を介してバイパスするバイパス回路と、蒸発器の温度を検出する蒸発温度検出手段と、圧縮機の吸入温度を検出する吸入温度検出手段と、を備えたヒートポンプ装置が開示されている。かかるヒートポンプ装置は、吸入温度が蒸発温度よりも低い場合に、バイパス弁を開いて内部熱交換器の入口温度を上昇させ、内部熱交換器における熱交換量を大きくすることにより、圧縮機吸入冷媒温度が上昇して、圧縮機への液バックを防止するものである（例えば、特許文献２参照）。

特許第３２９７６５７号公報（第３―４頁、第１図） 特開２００３−２１４７１３号公報（第３頁、第１図）

しかしながら、特許文献１に開示されたヒートポンプ装置は、膨張弁を全開近くまで開くことにより吐出温度の上昇を困難にするため、水ポンプを停止しても放熱器内の水は沸騰しにくいが、除霜に必要な熱源である圧縮機入力も増加しない。また、圧縮機への液バックを防止するために圧縮機の吸入側に冷媒容器が必要となり、冷媒容器追加に伴う製造コストがアップするという問題や、封入冷媒量が増加するという問題があった。

また、特許文献２に開示されたヒートポンプ装置は、蒸発器へ霜が付着して蒸発器の性能が低下しても、吸入温度が蒸発温度以上であればバイパス弁を開かない場合が発生する。このため、除霜運転中に圧縮機の熱量が放熱器で放熱され、蒸発器に付着した霜を融かすための熱量が低下することにより、除霜時間が長くなり、ヒートポンプ装置の低外気における時間当りの運転効率が悪化するという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、除霜運転時に余剰冷媒が発生しても、冷媒容器を用いずに圧縮機への液バックを抑制し、かつ放熱器内の水を沸騰させずに圧縮機入力を大きくして除霜時間を短くし、低外気における時間当りの運転効率を向上させることができるヒートポンプ装置を得ることを目的とする。

本発明に係るヒートポンプ装置は、冷凍サイクルを形成する主回路と、該主回路の一部をバイパスする熱回収路と、を有するヒートポンプ装置であって、
前記主回路が、冷媒を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機において圧縮された冷媒の温熱を放出させる、熱回収用熱交換器を構成する熱回収器高圧部と、
該熱回収器高圧部を経由した冷媒の温熱を放出させる放熱器と、
該放熱器を経由した冷媒の温熱を放出させる、高低圧熱交換器を構成する熱交換器高圧部と、
該熱交換器高圧部を経由した冷媒を減圧する減圧装置と、
該減圧装置において減圧された冷媒に温熱を受け渡す吸熱器と、
該吸熱器を経由した冷媒に前記熱交換器高圧部において放出された温熱を受け入れる、高低圧熱交換器を構成する熱交換器低圧部と、
前記圧縮機、前記熱回収器高圧部、前記放熱器、前記熱交換器高圧部、前記減圧装置、前記吸熱器、前記熱交換器低圧部、および前記圧縮機を順次接続する主配管と、を具備し、
前記熱回収路が、流入しようとする冷媒を通過または停止させる熱回収用開閉弁と、
該熱回収用開閉弁を通過した冷媒に前記熱回収器高圧部において放出された温熱を受け入れる、熱回収用熱交換器を構成する熱回収器低圧部と、
前記主回路の熱交換器高圧部と減圧装置との間、前記熱回収用開閉弁、前記熱回収器低圧部、および前記主回路の減圧装置と吸熱器との間、を順次接続する熱回収用配管と、を具備する。

本発明に係るヒートポンプ装置は、前記熱回収路を有するため、蒸発器に付着した霜を融かすために行う除霜運転時において、余剰冷媒が発生しても冷媒容器を用いずに圧縮機への液バックを抑制することができると共に、放熱器内の水を沸騰させることなく圧縮機入力を大きくすることができるため、除霜時間が短くなり、ヒートポンプ装置の低外気における時間当りの運転効率が向上する。

[実施の形態１]
図１は本発明の実施形態１に係るヒートポンプ装置を示す構成図である。図１において、ヒートポンプ装置１００は、二酸化炭素(以下ＣＯ２)を冷媒とした給湯機であって、主回路５０ｍおよび熱回収路５０ｓとを備えた熱源装置５０と、熱源装置５０から温熱を受け入れる貯湯装置６０と、これらを制御する制御装置４０と、から構成されている。
なお、本発明は給湯機に限定されるものではなく、たとえば、貯湯装置６０に替えて空気を調和する空調装置を設置してもよい。

（主回路）
主回路５０ｍは、冷媒を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１において圧縮された冷媒の温熱を放出させる熱回収用熱交換器６を構成する熱回収器高温部６ａと、熱回収器高温部６ａを経由した冷媒の温熱を放出させる放熱器（以下「水熱交換器」と称す）２を構成する放熱器高温部２ａと、放熱器高温部２ａを経由した冷媒の温熱を放出させる、高低圧熱交換器５を構成する熱交換器高温部５ａと、熱交換器高温部５ａを経由した冷媒を減圧する減圧装置（以下「膨張弁」と称す）３と、膨張弁３において減圧された冷媒に温熱を受け渡す吸熱器（以下「空気熱交換器」と称す）４と、空気熱交換器４を経由した冷媒に熱交換器高温部５ａにおいて放出された温熱を受け入れる高低圧熱交換器５を構成する熱交換器低圧部５ｂと、を有している。
なお、空気熱交換器４では、ファン４ｆによって送られた大気から温熱を吸収（大気に冷熱を放出）している。

そして、圧縮機１、熱回収用熱交換器６の熱回収器高温部６ａ、水熱交換器２の放熱器高温部２ａ、高低圧熱交換器５の熱交換器高温部５ａ、膨張弁３、空気熱交換器４、高低圧熱交換器５の熱交換器低圧部５ｂ、および圧縮機１を順次接続する主配管１６、６２、２５、５３、３４、４５、５１と、を具備している。
なお、構成要素Ｊと構成要素Ｋとを連結する配管を「主配管ＪＫ」、たとえば、圧縮機１と熱回収用熱交換器６の熱回収器高温部６ａとを連結する配管を「主配管１６」としている。

（熱回収路）
熱回収路５０ｓは、流入しようとする冷媒を通過または停止させる熱回収用開閉弁５７ｖと、熱回収用開閉弁５７ｖを通過した冷媒を減圧する熱回収用減圧装置（以下「キャピラリ」と称す）７と、キャピラリ７において減圧された冷媒に熱回収器高温部６ａにおいて放出された温熱を受け入れる熱回収用熱交換器６を構成する熱回収器低圧部６ｂと、を有している。
そして、主回路５０ｍの主配管５３（熱交換器高温部５ａと膨張弁３とを連結している）に設けられた分岐部Ｐ５３とキャピラリ７とを連結する熱回収用配管５７と、キャピラリ７と熱回収器低圧部６ｂとを連結する熱回収用配管７６と、熱回収器低圧部６ｂと主回路５０ｍの主配管３４（膨張弁３と空気熱交換器４とを連結している）に設けられた合流部Ｐ３４とを連結する熱回収用配管６４と、を有している。なお、熱回収用開閉弁５７ｖは熱回収用配管５７に設置されている。

（貯湯装置）
貯湯装置６０は、水熱交換器２の放熱器高温部２ａにおいて放熱された温熱を受け入れる水熱交換器２を構成する放熱器低温部（以下「水加熱部」と称す）２ｂと、水熱交換器２において加熱された水を貯留する貯湯タンク９と、水熱交換器２へ送水する水ポンプ８とを有している。
そして、水加熱部２ｂと水ポンプ８とが水配管２８によって連結され、水ポンプ８と貯湯タンク９とが水配管８９によって連結され、貯湯タンク９と水加熱部２ｂとが水配管９２によって連結され、貯水回路６０ｍが形成されている。
また、水配管９２には循環弁９２ｖが設置されている。さらに、水配管９２は、循環弁９２ｖと水加熱部２ｂとの間において分岐し、該分岐部に給水弁９２ｗが設置されている。
したがって、循環弁９２ｖと給水弁９２ｗとの開閉を切り替えることによって、貯湯タンク９内の湯量を増加させる貯湯運転（循環弁９２ｖ閉、給水弁９２ｗ開）と、貯湯タンク９内の水温を保つ保温運転（循環弁９２ｖ開、給水弁９２ｗ閉）とを、選択的に実行することができる。

（制御装置）
制御装置４０は、熱源装置５０内には、空気熱交換器４の入口冷媒温度を検知する蒸発温度検知手段３０ａと、空気熱交換器４の周囲空気温度を検知する外気温度検知手段３０ｂと、熱回収用開閉弁５７ｖ、ファン４ｆ、膨張弁３、圧縮機１、水ポンプ８、循環弁９２ｖおよび給水弁９２ｗを制御するものであって、運転状態に合わせて熱源装置５０および貯湯装置６０を制御できる機能を有する。

（貯湯運転）
図２は、図１に示すヒートポンプ装置における貯湯運転中のサイクル状態について説明するモリエル線図である。図２において、Ｌ３０１（実線）および１、２、３、４、５、６、７は貯湯運転における冷媒状態を示し、Ｌ３０２（一点鎖線）は外気温度相当の飽和圧力を示している。貯湯運転時は、圧縮機１から吐出した高温高圧冷媒（２）は、熱回収用熱交換器６を通過して水熱交換器２へ流入する（３）。
水熱交換器２では、冷媒が貯湯回路６０ｍを循環する水へ放熱（温熱を受け渡すに同じ）しながら温度低下することで貯湯装置６０を循環する水を昇温する。
水熱交換器２から流出した冷媒（４）は、高低圧熱交換器５で放熱してさらに温度が低下し（５）、膨張弁３によって減圧され（６）、低温低圧冷媒となる。そして、かかる低温低圧冷媒は空気熱交換器４で空気から温熱を吸熱し蒸発する（７）。空気熱交換器４から流出した冷媒は、高低圧熱交換器５で加熱されてガス化し（１）、圧縮機１に吸引されサイクルを形成する。

ところが、外気温度が低い場合、例えば０℃以下の条件における貯湯運転では、空気熱交換器４の表面温度が低下するため空気熱交換器４の表面に霜が付着して熱交換効率が低下し、空気熱交換器４の冷媒温度が低下する。
さらに、貯湯運転を続けると空気熱交換器４に付着した霜が成長し、水熱交換器２で効率良く加熱を行うための十分な熱量を外気から吸熱することができなくなる。そのため、蒸発温度検知手段３０ａで検知した蒸発温度が所定値以下になると、制御装置４０によって熱回収用開閉弁５７ｖが開けられ、熱源装置５０は除霜準備運転の後、除霜運転を開始することになる。

（除霜準備運転）
図３は、図１に示すヒートポンプ装置における除霜準備運転中のサイクル状態について説明するモリエル線図である。図３において、Ｌ３０１（実線）および１、２、３、４、５、６、６ｘ、６ｙ、７は除霜準備運転中の冷媒状態を示し、Ｌ３０２（一点鎖線）は外気温度相当の飽和圧力を示している。除霜準備運転を開始し、熱回収用開閉弁５７ｖを開くことにより、高低圧熱交換器５と膨張弁３の間の分岐部Ｐ５３から冷媒の一部が分岐し、熱回収路５０ｓへ冷媒が流れ、熱回収用開閉弁５７ｖを通過しキャピラリ７で減圧された低温低圧冷媒（６ｘ）が熱回収用熱交換器６へ流入する。
この時、圧縮機１から吐出した高温高圧冷媒（２）は、熱回収用熱交換器６へ流入し、熱回収用熱交換器６において熱回収路５０ｓ側の冷媒へ放熱し、圧縮機１から吐出した冷媒よりも温度の低い状態（３）で水熱交換器２へ流入する。その後、水熱交換器２に流入して貯水回路６０ｍの水へ放熱し（４）、さらに高低圧熱交換器５で放熱して低温高圧冷媒（５）となり膨張弁３で減圧される（６ｘ）。

そして、膨張弁３と空気熱交換器４の間の合流部Ｐ３４（分岐部に同じ）において、膨張弁３から流出する冷媒（６ｘ） と、熱回収用熱交換器６で加熱された冷媒（６ｙ）とが合流し、空気熱交換器４へ流入する（６）。
除霜準備運転中では、蒸発温度は上昇するが、外気温度よりも低いため空気熱交換器４で冷媒は蒸発する（７）。そして、空気熱交換器４から流出した冷媒は、高低圧熱交換器５で加熱され、ガス化した冷媒（１）が圧縮機１に吸引されサイクルを形成する。

その後、水熱交換器２へ流入する冷媒（３）の温度はさらに低下し、水熱交換器２から流出する冷媒（４）の温度及び蒸発温度は上昇を続け、圧縮機１の入力よりも水熱交換器２の熱交換量が小さくなり、空気熱交換器４で冷媒から空気へ放熱が起こり、図４に示す除霜運転時のサイクル状態となり、除霜運転へ切り替わる。

（除霜運転）
図４は、図１に示すヒートポンプ装置における除霜運転中のサイクル状態について説明するモリエル線図である。図４において、Ｌ３０１および１、２、３、４、５、６、６ｘ、６ｙ、７は除霜運転における冷媒状態を示し、Ｌ３０２（一点鎖線）は外気温度相当の飽和圧力を示している。除霜運転中は、空気熱交換器４を流通する冷媒温度が外気温度Ｌ３０２以上となるため、冷媒の熱が空気側へ放熱されて、空気熱交換器４の出口における冷媒の乾き度が低下する（７）。
その結果、貯湯運転時よりも空気熱交換器４内に存在する冷媒量が増加することで余剰冷媒が処理され、圧縮機１から吐出する冷媒圧力上昇が抑制されることになる。そして、空気熱交換器４を流出した二相冷媒は高低圧熱交換器５の熱交換器低圧部５ｂにおいて、熱交換器高温部５ａへ流入する高温高圧冷媒から温熱を受け入れて加熱され、ガス化し（１）、圧縮機１へ吸引されサイクルを形成する。

以上のように、貯湯運転と除霜運転とではサイクル状態が異なり、貯湯運転と除霜運転をつなぐ運転である除霜準備運転によって、サイクル状態を変えていく操作が必要となる。以下に、かかる運転の切り替え方法について説明する。

（運転切り替え方法）
図５は、図１に示すヒートポンプ装置における運転の切り替え方法について説明するためのフローチャートである。前述したように、貯湯運転時に空気熱交換器４に霜が付着すると、蒸発温度（Ｔｅｉ）が低下する。
よって、空気熱交換器４への着霜状態を蒸発温度で判定することができるため、蒸発温度検知手段３０ａで検知した蒸発温度（Ｔｅｉ）が所定値（Ｔ１）以下になると（Ｓ１０２）、制御装置４０が除霜準備運転開始を判断し、熱回収用開閉弁５７ｖを開いて除霜準備運転を開始する（Ｓ１０３）。
そして、蒸発温度（Ｔｅｉ）が所定値（Ｔｘ）以上になると（Ｓ１０４）、除霜運転へ切り替わる（Ｓ１０５）。除霜運転において空気熱交換器４に付着した霜が融けると蒸発温度（Ｔｅｉ）が上昇し、蒸発温度（Ｔｅｉ）が所定値（Ｔ２）以上になると（Ｓ１０６）、再び貯湯運転へ切り替わり（Ｓ１０７）、貯湯を開始する。

除霜準備運転から除霜運転へ切り替わるための基準となる目標蒸発温度Ｔｘは、空気熱交換器４に付着した霜が融ける温度以上であればよく、外気が０℃以上の場合は、例えば氷の融点である０℃とする。もしくは、空気熱交換器４に付着した霜は外気温度に近づくため、外気が０℃以下の場合は外気温度でもよい。

（アクチュエータ制御方法：除霜準備運転）
図６〜図８は、図１に示すヒートポンプ装置における各アクチュエータの制御方法について説明するためのものであって、図６はタイムチャート、図７および図８は圧縮機１および膨張弁３の具体的な制御例である。
図６において、除霜準備運転では、除霜運転時間短縮のため、早く蒸発温度を所定値以上にすることが重要である。そのために、熱源装置５０内の圧縮機１、膨張弁３およびファン４ｆと、貯湯装置６０内の水ポンプ８を、制御装置４０を用いて制御する。
熱回収用開閉弁５７ｖを開いて貯湯運転から除霜準備運転へ切り替わると（Ｐ１）、圧縮機１の回転数を低下させ、膨張弁３の開度を大きくすることにより、空気熱交換器４内の冷媒量が増加し、蒸発温度が上昇する。この時、ファン４ｆを稼動させておくことにより、空気熱交換器４の出口における冷媒乾き度が急激に低下して圧縮機１へ液バックしないようにする。

図７において、圧縮機１の回転数および膨張弁３の開度を除霜運転開始と同時に大きく変化させると、空気熱交換器４内の冷媒量が急激に増加し、過渡的に圧縮機１の入口における冷媒乾き度が１以下（Ｌ３０４）となり、圧縮機１へ液バックする。
そこで、圧縮機１の回転数および膨張弁３の開度を所定の時間間隔で段階的に、例えば図８に示すように圧縮機１の回転数を２０秒毎に２０ｒｐｓ低下し、膨張弁３の開度を２０秒毎に２５ｐｕｌｓｅ増加させる、といったように制御する。そうすると、圧縮機１の入口における冷媒乾き度は常に１以上となり、圧縮機１へ液バックすることなく、除霜準備運転から除霜運転へ切り替えることができる。

（アクチュエータ制御方法：除霜運転）
次に、除霜運転における、各アクチュエータの制御方法について図６を用いて説明する。除霜運転に入ると（Ｐ２）、ファン４ｆを停止し、空気熱交換器４から放熱させることにより蒸発温度が上昇し、空気熱交換器４に付着した霜を融かすことができる。なお、膨張弁３の開度を小さくして圧縮機１の吐出温度を高くする、もしくは圧縮機１の回転数を増加させる、などにより圧縮機１の入力を増加させれば、除霜運転時間が短くなる。

除霜運転中に水ポンプを停止、もしくは流量を小さくすると、水熱交換器２内に水が沸騰することが懸念されるが、熱回収用熱交換器６によって水熱交換器２の入口における冷媒温度が１００℃以下になるように熱回収用熱交換器６の放熱能力（たとえば、長さ等）を選定することで、水熱交換器２の水加熱部２ｂにおいて水が沸騰することを防止することができる。

そして、蒸発温度が予め設定された温度以上になると制御装置４０は除霜終了（Ｐ３）を判断し、熱回収用開閉弁５７ｖを閉じ、ファン４ｆを稼動させ、圧縮機１の回転数、水ポンプ８の流量、膨張弁３の開度を所定値として、貯湯運転を開始する。

以上説明したように、実施の形態１のヒートポンプ装置によれば、高低圧熱交換器５によって圧縮機１へ吸引される冷媒をガス化できるため圧縮機１への液バックを抑制でき、かつ水熱交換器２内の水の沸騰を防止しつつ圧縮機１の入力を増加できるため、除霜時間が短くなり、ヒートポンプ装置の低外気における時間当りの運転効率が向上する。

（高低圧熱交換器、熱回収用熱交換器）
図１４〜図１７は、図１に示す高低圧熱交換器および熱回収用熱交換器を説明するものであって、図１４および図１５は構造の一例を模式的に示す斜視図、図１６および図１７は熱特性を示す相関図である。なお、熱回収用熱交換器６の構成は高低圧熱交換器５の構成と同じであるため、熱回収用熱交換器６について説明する。
図１４において例示する高低圧熱交換器は二重管タイプである。高低圧熱交換器５は高温冷媒と低温冷媒を熱交換させるもので、例えば外管（熱交換器高温部に同じ）５ａに高温冷媒が流れ、内管（熱交換器低圧部に同じ）５ｂに低温冷媒が流れるものであって、高温冷媒と低温冷媒とは互いに反対方向に流れる「対向流」となるように構成されている。ここで、伝熱面積（Ａ）は内管５ｂの外面の表面積（πＤ×Ｌ、Ｄ：内管５ｂの外径、Ｌ：内管５ｂの長さ）とする。

図１６および図１７に示すように、伝熱面積（Ａ）の増加に伴い熱交換量Ｑが増加し、高低圧熱交換器５の外管（熱交換器高温部）５ａの出口温度Ｔｈｏは低下するが、内管（熱交換器低圧部）５ｂの高低圧熱交換器低温側入口温度Ｔｌｉに近づくため、熱交換量Ｑの増加率が低下する。このように、所望する高低圧熱交換器高温側出口温度Ｔｈｏによって必要な伝熱面積Ａが異なる。つまり、管径が一定であれば、長さを調節することによって、高低圧熱交換器出口温度を所望の値にすることができる。

また、図１４に示した高低圧熱交換器５は二重管タイプのものであったが、外管５ａの断面積を単管時と同じにするには、配管径を大きくする必要があり、高低圧熱交換器５自体が大きくなる。特に、ＣＯ２は圧力が高いため配管の肉厚を厚くする必要があり、高低圧熱交換器の重量も重くなり、コストも増える。
そこで、図１５に示すように高温冷媒が流れる配管（熱交換器高温部に同じ）５ａと低温冷媒が流れる配管（熱交換器低圧部に同じ）５ｂとを、それぞれ外面同士を当接して接合（たとえば、ロウ付け）するタイプにすれば、配管径を変えずに高低圧熱交換器５は簡単な構造となり、コスト増加を抑制することができる。

また、熱回収用熱交換器６において、熱回収路５０ｓを構成する熱回収用配管３６、６７等の配管径を、主回路５０ｍを構成する主配管１２、２５等の配管径よりも小さくすれば、配管が取り回しやすくなり熱回収路５０ｓを全体的に小さくできるため、熱源装置５０のサイズアップがなくなる。

[実施の形態２]
図９は本発明の実施形態２に係るヒートポンプ装置を示す構成図である。図９において、ヒートポンプ装置２００は、ヒートポンプ装置１００（実施の形態１）における熱回収路５０ｓの主回路５０ｍとの接続形態を変更したものである。なお、実施の形態１と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、一部の説明を省略する。

図９において、ヒートポンプ装置２００における熱源装置２５０は、主回路５０ｍと熱回収路２５０ｓとを有している。
熱回収路２５０ｓは、キャピラリ７と、熱回収用熱交換器６を構成する熱回収器低圧部６ｂと、主回路５０ｍの主配管５３（熱交換器高温部５ａと膨張弁３とを連結している）に設けられた分岐部Ｐ５３とキャピラリ７とを連結する熱回収用配管５７と、キャピラリ７と熱回収器低圧部６ｂとを連結する熱回収用配管７６と、熱回収器低圧部６ｂと主回路５０ｍの主配管５１（熱交換器低圧部５ｂと圧縮機１とを連結している）に設けられた合流部Ｐ５１とを連結する熱回収用配管６１と、を有している。そして、熱回収用配管５７に熱回収用開閉弁５７ｖが設置されている。

（除霜運転動作）
除霜運転中の動作について、図１８を用いて説明する。図１８において、Ｌ３０１および１、１ｘ、２、３、４、５、６、６ｘ、６ｙ、７は除霜運転における冷媒状態を示し、Ｌ３０２（一点鎖線）は外気温度相当の飽和圧力を示している。除霜運転中は、熱回収用開閉弁５７ｖを開くことにより、高低圧熱交換器５と膨張弁３との間の分岐点Ｐ５３から冷媒の一部が分岐し、熱回収路５０ｓへ流れ、熱回収用弁５７ｖを通過してキャピラリ７で減圧された低温低圧冷媒（６ｘ）が熱回収用熱交換器６へ流入する。
この時、圧縮機１から吐出した高温高圧冷媒（２）が熱回収用熱交換器６へ流入し熱回収用熱交換器６で熱回収路２５０ｓ側の冷媒へ放熱し、圧縮機１から吐出した冷媒よりも温度が低い状態（３）で水熱交換器２へ流入する。その後、水熱交換器２の水へ放熱し（４）、さらに高低圧熱交換器５で放熱して低温高圧冷媒（５）となり、分岐点Ｐ５３で分岐した冷媒の一部が膨張弁３で減圧され、室外熱交換器４へ流入する（６）。そして、高低圧熱変換器５と圧縮機１との間の合流部Ｐ５１において、高低圧熱交換器５で加熱された冷媒（１ｘ）と、熱回収用熱交換器６で加熱された冷媒（６ｙ）とが合流し（１）、より過熱度の大きいガス冷媒となって、圧縮機１に吸引されサイクルが形成される。

すなわち、実施の形態１におけるヒートポンプ装置１００では、熱回収路５０ｓが空気熱交換器４の直前の合流部Ｐ３４において主回路５０ｍに合流するのに対し、実施の形態２におけるヒートポンプ装置２００では、熱回収路２５０ｓが圧縮機１の直前の合流部Ｐ５１において主回路５０ｍに合流している。
したがって、熱回収路２５０ｓの熱回収器低圧部６ｂにおいて加熱された冷媒が、主回路５０ｍの圧縮機１へ直接吸引されるため過熱ガスになりやすく、圧縮機１への液バック抑制効果が大きくなる。

（除霜準備運転前）
また、除霜準備運転開始前が貯湯運転の場合、水熱交換器２内に低水温が貯留している状態となる。そこで、循環弁９２ｖを開き、給水弁９２ｗを閉じ、貯湯タンク９内の高温水を水熱交換器２へ給水することにより、水熱交換器２内が低温水から高温水へ入れ替わる。これにより、水熱交換器２の入口冷媒温度と給水温度の差が小さくなり、除霜準備運転及び除霜運転中での水熱交換器２における冷媒から水への放熱を抑制することができるため、除霜時間の短縮を図ることができる。

さらに、除霜準備運転前に高温水を水熱交換器２に給水し、水熱交換器２の入口における冷媒温度と給水した水温度の差が小さくなるように、熱回収用熱交換器６の能力（たとえば、長さ等）を選定すれば、水ポンプ８を停止もしくは水流量を低下させずに除霜運転が可能となる。

（除霜終了時）
また、除霜運転中は冷媒からの熱が水熱交換器２内の水へ蓄熱され、水熱交換器２内の水温が全体的に高くなり、貯湯運転へ復帰する際に冷媒の圧力（高圧）が上昇して熱源装置５０が異常停止する場合がある。
そこで、除霜運転から貯湯運転へ復帰する前に低温水を給水することにより水熱交換器２内の水温を低下させる。これにより、貯湯運転へ切り替え後に圧縮機１の回転数を増加する、あるいは膨張弁３の開度を小さくしても圧縮機１の吐出温度及び吐出圧力の急上昇を抑制することができるため、熱源装置２５０の異常停止を防止し、信頼性が向上する。

また、ＣＯ２を冷媒とした場合、ＣＯ２は気液の密度差が小さいため、空気熱交換器４側に多くの冷媒を貯留することができる。また、圧縮機１から吐出する冷媒温度が高いため、高低圧熱交換器５で空気熱交換器４から流出する二相冷媒を加熱しガス化しやすい。

また、蒸発温度は、空気熱交換器４を流通する配管の中間位置に蒸発温度検知手段３０ａを設けて検知しても良いし、膨張弁３出口から圧縮機１入口の間の低圧配管途中に設けた低圧圧力検知手段（図示しない）から算出した飽和温度としてもよい。

また、空気熱交換器４への着霜を、外気温度と貯湯運転時間とから経験的に推定して検知するようにしてもよい。

[実施の形態３]
図１０は本発明の実施形態３に係るヒートポンプ装置を示す構成図である。図１０において、ヒートポンプ装置３００は、ヒートポンプ装置２００（実施の形態２）における熱回収路２５０ｓの主回路５０ｍとの接続形態を変更したものである。なお、実施の形態２と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、一部の説明を省略する。

（回路構成）
図１０において、ヒートポンプ装置３００における熱源装置３５０は主回路５０ｍと熱回収路３５０ｓとを有している。
熱回収路３５０ｓは、キャピラリ７と、熱回収用熱交換器６を構成する熱回収器低圧部６ｂと、主回路５０ｍの主配管３４（膨張弁３と空気熱交換器４とを連結している）に設けられた分岐部Ｐ３４とキャピラリ７とを連結する熱回収用配管３７と、キャピラリ７と熱回収器低圧部６ｂとを連結する熱回収用配管７６と、熱回収器低圧部６ｂと主回路５０ｍの主配管５１（熱交換器低圧部５ｂと圧縮機１とを連結している）に設けられた合流部Ｐ５１とを連結する熱回収用配管６１と、を有している。そして、熱回収用配管３７に熱回収用開閉弁３７ｖが設置されている。

すなわち、実施の形態２におけるヒートポンプ装置２００では、熱回収路２５０ｓが膨張弁３の上流の分岐部Ｐ５３において主回路５０ｍから分岐するのに対し、実施の形態３におけるヒートポンプ装置３００では、熱回収路３５０ｓが膨張弁３の下流の分岐部Ｐ３４において主回路５０ｍから分岐している。
したがって、熱回収路３５０ｓには膨張弁３を通過した低温低圧冷媒が流入して、キャピラリ７において減圧されるものの、熱回収器低圧部６ｂにおいて加熱された冷媒が、主回路５０ｍの圧縮機１へ吸引されるため過熱ガスになりやすく、圧縮機１への液バック抑制効果が大きくなる。

（除霜運転）
図１１は、図１０に示すヒートポンプ装置における除霜運転中のサイクル状態について説明するモリエル線図である。図１１において、Ｌ３０１および１、１ｘ、２、３、４、５、６、６ｘ、６ｙ、７は除霜運転における冷媒状態を示し、Ｌ３０２（一点鎖線）は外気温度相当の飽和圧力を示している。除霜運転中は、熱回収用開閉弁３７ｖを開くことにより、膨張弁３と空気熱交換器４との間の分岐部Ｐ３４から冷媒の一部が分岐し、熱回収路３５０ｓへ冷媒が流れ、熱回収用開閉弁３７ｖを通過しキャピラリ７で減圧された低温低圧冷媒（６ｘ）が熱回収用熱交換器６へ流入する。
この時、圧縮機１から吐出した高温高圧冷媒（２）は熱回収用熱交換器６へ流入して熱回収路３５０ｓ側の冷媒へ放熱し、圧縮機１から吐出した冷媒よりも温度が低い状態（３）で水熱交換器２へ流入する。その後、水熱交換器２の水へ放熱し（４）、さらに高低圧熱交換器５で放熱して低温高圧冷媒（５）となる。

一方、分岐部Ｐ３４で分岐した冷媒の一部を除く冷媒は、膨張弁３で減圧され、室外熱交換器４および高低圧熱交換器５へ流入する。
そして、高低圧熱交換器５と圧縮機１との間の合流部Ｐ５１において、高低圧熱交換器５で加熱された冷媒（１ｘ）と、熱回収用熱交換器６で加熱された冷媒（６ｙ）とが合流し（１）、より過熱度の大きいガス冷媒となって、圧縮機１に吸引されサイクルが形成される。

以上説明したように、実施の形態３のヒートポンプ装置３００によれば、高低圧熱交換器５で加熱された冷媒と、熱回収用熱交換器６で加熱された冷媒が合流して圧縮機１へ吸引されるため、過熱ガスとなりやすく、圧縮機１への液バックを防止でき、ヒートポンプ装置の信頼性が向上する。

[実施の形態４]
図１２は本発明の実施形態４に係るヒートポンプ装置を示す構成図である。図１２において、ヒートポンプ装置４００は、ヒートポンプ装置１００（実施の形態１）における主回路５０ｍの一部にバイパス配管を設置したものである。なお、実施の形態１と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、一部の説明を省略する。

（回路構成）
図１２において、ヒートポンプ装置４００における熱源装置４５０は主回路４５０ｍと、熱回収路５０ｓとを有している。
主回路４５０ｍには、主配管１６（圧縮機１と熱回収用熱交換器６とを接続している）と、主配管２５（水熱交換器２と高低圧熱交換器５とを接続している）とを連通させるバイパス配管１５が設置されている。なお、バイパス配管１５にはバイパス開閉弁１５ｖが設置されている。したがって、バイパス開閉弁１５ｖを開くことによって、圧縮機１において生成された高圧高温の冷媒の一部は、バイパス配管１５を経由して高低圧熱交換器５に直接流入することになる。

（除霜運転）
図１３は、図１２に示すヒートポンプ装置における除霜運転中のサイクル状態について説明するモリエル線図である。図１３において、Ｌ３０１および１、２、３、３ｘ、４、５、６、６ｘ、６ｙ、７は除霜運転における冷媒状態を示し、Ｌ３０２（一点鎖線）は外気温度相当の飽和圧力を示している。除霜準備運転及び除霜運転中は、熱回収用開閉弁５７ｖとバイパス開閉弁１５ｖを開く。熱回収用開閉弁５７ｖを開くことにより、膨張弁３と空気熱交換器４の間の分岐部Ｐ３４から冷媒が分岐し、熱回収路５０ｓへ冷媒が流入する。
そして、熱回収用開閉弁５７ｖを通過しキャピラリ７で減圧された低温低圧冷媒（６ｘ）が熱回収用熱交換器６へ流入する。

一方、主回路４５０ｍでは圧縮機１から吐出した高温高圧冷媒（２）が熱回収用熱交換器６へ流入して熱回収用熱交換器６で熱回収路５０ｓ側の冷媒へ放熱し、圧縮機１から吐出した冷媒よりも温度が低い状態（３）で水熱交換器２へ流入する。
このとき、バイパス開閉弁１５ｖを開くと、水熱交換器２の水へ放熱して温度が低下した冷媒（３ｘ）と、バイパス配管１５からの吐出冷媒とが合流し（４）、さらに高低圧熱交換器５で放熱して低温高圧冷媒（５）となり膨張弁３で減圧される（６ｘ）。そして、熱回収用熱交換器６で加熱された冷媒（６ｙ）と合流し、空気熱交換器４へ流入する（６）。
さらに、空気熱交換器４から流出した冷媒（７）は、高低圧熱交換器５で加熱されてガス化し（１）、が圧縮機１に吸引されサイクルが形成される。

以上説明したように、実施の形態４のヒートポンプ装置によれば、バイパス配管１５により、除霜準備運転および除霜運転中において、高低圧熱交換器５へ流入する冷媒の温度が上昇するため、高低圧熱交換器５の熱交換量が増加し、圧縮機１へ吸引される冷媒をガス化し易くなる。また、水熱交換器２へ流入する冷媒の流量が減少するため、水熱交換器２における水への放熱を抑制することができるため、空気熱交換器４における放熱量が増加し、除霜時間が短くなり、ヒートポンプ装置４００の低外気における時間当りの運転効率が向上する。

また、実施の形態１〜４において、圧縮機１を低圧シェルとした場合、仮に、圧縮機１へ過渡的な液バックが発生しても、圧縮機１内のモータからの発熱によって冷媒を加熱し、ガス化することができる。
また、実施の形態１〜４において、熱回収用開閉弁とキャピラリとを、開度が可変な膨張弁に置き換えた場合、膨張弁開度を変化させることによって熱回収路を流通する冷媒流量を調整できるため、運転条件によらず確実に圧縮機への液バックを防ぐことができる。

以上説明した実施の形態１〜４において、ＣＯ２と共沸性の高い炭化水素類、例えば、プロパン、シクロプロパン、イソブタン、ブタン等と混合し、臨界圧力をＣＯ２単体よりも低い冷媒として用いたものを使用することができる。

以上より、本発明のヒートポンプ装置は、除霜運転時における圧縮機への液バックを抑制し、かつ時間当りの運転効率を向上させることができるから、家庭用または事業用の各種熱機械に設置されるヒートポンプ装置として広く利用することができる。

本発明の実施形態１に係るヒートポンプ装置を示す構成図。 図１に示すヒートポンプ装置における貯湯運転を説明するモリエル線図。 図１に示すヒートポンプ装置における除霜準備を説明するモリエル線図。 図１に示すヒートポンプ装置における除霜運転を説明するモリエル線図。 図１に示すヒートポンプ装置における運転を説明するフローチャート。 各アクチュエータの制御方法について説明するタイムチャート。 各アクチュエータの制御方法について説明する具体的な制御例。 各アクチュエータの制御方法について説明する具体的な制御例。 本発明の実施形態２に係るヒートポンプ装置を示す構成図。 本発明の実施形態３に係るヒートポンプ装置を示す構成図。 図１０に示すヒートポンプ装置の除霜運転を説明するモリエル線図。 本発明の実施形態４に係るヒートポンプ装置を示す構成図。 図１２に示すヒートポンプ装置の除霜運転を説明するモリエル線図。 図１に示す高低圧熱交換器を説明する構造の一例を示す斜視図。 図１に示す高低圧熱交換器を説明する構造の一例を示す斜視図。 図１に示す高低圧熱交換器を説明する熱特性を示す相関図。 図１に示す高低圧熱交換器を説明する熱特性を示す相関図。 図９に示すヒートポンプ装置の除霜運転を説明するモリエル線図。

符号の説明

１：圧縮機、２：水熱交換器、２ａ：放熱器高温部、２ｂ：水加熱部（放熱器低温部）、３：膨張弁（減圧装置）、４：空気熱交換器、４ｆ：ファン、５：高低圧熱交換器、５ａ：熱交換器高温部（外管）、５ｂ：熱交換器低圧部（内管）、６：熱回収用熱交換器、６ａ：熱回収器高温部、６ｂ：熱回収器低圧部、７：キャピラリ、８：水ポンプ、９：貯湯タンク、１２：主配管、１５：バイパス配管（実施の形態４）、１５ｖ：バイパス開閉弁（実施の形態４）、１６：主配管、２５：主配管、２８：水配管、３０ａ：蒸発温度検知手段、３０ｂ：外気温度検知手段、３４：主配管、Ｐ３４：合流部、３６：熱回収用配管、３７：熱回収用配管、４０：制御装置、４５：主配管、５０：熱源装置、５０ｍ：主回路、５０ｓ：熱回収路、５１：主配管、５３：主配管、Ｐ５３：分岐部、５７：熱回収用配管、５７ｖ：熱回収用開閉弁、６０：貯湯装置、６０ｍ：貯水回路、６１：熱回収用配管、６２：主配管、６４：熱回収用配管、７６：熱回収用配管、８９：水配管、９２：水配管、９２ｖ：循環弁、９２ｗ：給水弁、１００：ヒートポンプ装置（実施の形態１）、２００：ヒートポンプ装置（実施の形態２）、２５０：熱源装置、２５０ｓ：熱回収路：３００、ヒートポンプ装置（実施の形態３）、３５０：熱源装置、３５０ｓ：熱回収路、４００：ヒートポンプ装置（実施の形態４）、４５０：熱源装置、４５０ｍ：主回路、Ｐ３４：合流部（実施の形態１、４）、Ｐ３４：分岐部（実施の形態３）、Ｐ５１：合流部（実施の形態２、３）、Ｐ５３：分岐部（実施の形態１、２、４）、Ｑ：熱交換量、Ｔ：目標蒸発温度、Ｔｈｏ：高温側出口温度、Ｔｈｏ：高低圧熱交換器高温側出口温度、Ｔｌｉ：高低圧熱交換器低温側入口温度。

Claims (12)

1. 冷凍サイクルを形成する主回路と、該主回路の一部をバイパスする熱回収路と、を有するヒートポンプ装置であって、
   前記主回路が、冷媒を圧縮する圧縮機と、
   該圧縮機において圧縮された冷媒の温熱を放出させる、熱回収用熱交換器を構成する熱回収器高圧部と、
   該熱回収器高圧部を経由した冷媒の温熱を放出させる放熱器と、
   該放熱器を経由した冷媒の温熱を放出させる、高低圧熱交換器を構成する熱交換器高圧部と、
   該熱交換器高圧部を経由した冷媒を減圧する減圧装置と、
   該減圧装置において減圧された冷媒に温熱を受け渡す吸熱器と、
   該吸熱器を経由した冷媒に前記熱交換器高圧部において放出された温熱を受け入れる、高低圧熱交換器を構成する熱交換器低圧部と、
   前記圧縮機、前記熱回収器高圧部、前記放熱器、前記熱交換器高圧部、前記減圧装置、前記吸熱器、前記熱交換器低圧部、および前記圧縮機を順次接続する主配管と、を具備し、
   前記熱回収路が、流入しようとする冷媒を通過または停止させる熱回収用開閉弁と、
   該熱回収用開閉弁を通過した冷媒に前記熱回収器高圧部において放出された温熱を受け入れる、熱回収用熱交換器を構成する熱回収器低圧部と、
   前記主回路の熱交換器高圧部と減圧装置との間、前記熱回収用開閉弁、前記熱回収器低圧部、および前記主回路の減圧装置と吸熱器との間、を順次接続する熱回収用配管と、を具備するヒートポンプ装置。
2. 前記熱回収路が、前記主回路の熱交換器高圧部と減圧装置との間、熱回収用開閉弁、前記熱回収器低圧部、および前記主回路の減圧装置と吸熱器との間、を順次接続する熱回収用配管に替えて、
   前記主回路の熱交換器高圧部と減圧装置との間、前記熱回収用開閉弁、前記熱回収器低圧部、および前記主回路の熱交換器低圧部と圧縮機との間、を順次接続する熱回収用配管を具備することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
3. 前記熱回収路が、前記主回路の熱交換器高圧部と減圧装置との間、熱回収用開閉弁、前記熱回収器低圧部、および前記主回路の減圧装置と吸熱器との間、を順次接続する熱回収用配管に替えて、
   前記主回路の減圧装置と吸熱器との間、熱回収用開閉弁、前記熱回収器低圧部、および前記主回路の熱交換器低圧部と圧縮機との間、を順次接続する熱回収用配管を具備することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
4. 前記熱回収用開閉弁を制御し、前記吸熱器で放熱させるための除霜準備運転を行った後、前記吸熱器に付着した霜を融かす除霜運転を行うこと、を特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のヒートポンプ装置。
5. 前記圧縮機と前記熱回収用熱交換器との間で分岐し、前記放熱器と前記高低圧熱交換器との間で合流する、バイパス開閉弁が設置されたバイパス路を備え、前記除霜準備運転時及び前記除霜運転時に前記バイパス開閉弁を開くこと、を特徴とする請求項４記載のヒートポンプ装置。
6. 前記圧縮機の回転数および前記減圧装置の絞り開度が、それぞれ変更自在であって、
   前記圧縮機の出口部から前記放熱器の入口部の間に、前記圧縮機の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段および前記圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度検出手段が設けられ、
   前記除霜準備運転時および前記除霜運転時に、前記吐出圧力検出手段および前記吐出温度検出手段が検知した検知情報に基づいて、前記圧縮機の回転数もしくは前記減圧装置の絞り開度の何れか一方または両方を変化させることにより、前記吐出圧力もしくは前記吐出温度の何れか一方または両方が所定値となるように制御すること、を特徴とする請求項４または５記載のヒートポンプ装置。
7. 前記放熱器が、前記主回路を構成する冷媒が通過する放熱器高温部と、該放熱器高温部から温熱を受け入れる水が通過する放熱器低温部と、を有する水熱交換器であって、
   前記放熱器低温部において加熱された水を搬送する水ポンプと、
   前記放熱器低温部において加熱された水を貯留する貯湯器と、
   前記放熱器低温部と前記水ポンプと前記貯湯器とを順次接続する配管と、
   を有してなる貯湯回路、を備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のヒートポンプ装置。
8. 前記放熱器が、前記主回路を構成する冷媒が通過する放熱器高温部と、該放熱器高温部から温熱を受け入れる水が通過する放熱器低温部と、を有する水熱交換器であって、
   前記放熱器低温部において加熱された水を搬送する水ポンプと、
   前記放熱器低温部において加熱された水を貯留する貯湯器と、
   前記放熱器低温部と前記水ポンプと前記貯湯器とを順次接続する配管と、
   を有してなる貯湯回路、を備えることを特徴とする請求項４乃至６の何れかに記載のヒートポンプ装置。
9. 前記除霜準備運転開始前に、前記貯湯器に貯留されている高温水を前記放熱器低温部へ流入させることを特徴とする請求項８に記載のヒートポンプ装置。
10. 前記除霜運転終了前に、前記放熱器低温部の水の温度よりも低い温度の水を、前記放熱器低温部へ流入させることを特徴とする請求項８または９記載のヒートポンプ装置。
11. 前記除霜準備運転時及び前記除霜運転時に、前記水ポンプの運転を停止させないことを特徴とする請求項８乃至１０の何れかに記載のヒートポンプ装置。
12. 前記主回路を循環する冷媒が、二酸化炭素であることを特徴とする請求項１乃至１１の何れかに記載のヒートポンプ装置。

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