JP6675083B2

JP6675083B2 - 二元ヒートポンプ装置

Info

Publication number: JP6675083B2
Application number: JP2017003913A
Authority: JP
Inventors: 明広重田; 誠之飯高
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-01-13
Filing date: 2017-01-13
Publication date: 2020-04-01
Anticipated expiration: 2037-01-13
Also published as: JP2018112367A

Description

本発明は、二元冷凍サイクルの低段側サイクルにおいて、端末の運転状況によって回路内を循環する冷媒量を調整する二元ヒートポンプ装置に関するものである。

従来、この種の二元ヒートポンプ装置は図１０に示すように、高段側冷凍サイクル１と低段側冷凍サイクル２とを備えて構成されたものがある。（例えば、特許文献１参照）
高段側冷凍サイクル１は、第１圧縮機１０、第１凝縮器１１、第１絞り手段１２、及び、第１蒸発器１３が直列に接続して構成された経路における第１冷媒の循環である。
低段側冷凍サイクル２は、第２圧縮機２０、第２凝縮器２１、受液器２２、第２絞り手段２３、及び、第２蒸発器２４が直列に接続して構成された経路における、第２冷媒の循環である。
第１蒸発器１３と第２凝縮器２１とは冷媒−冷媒熱交換器２５を構成し、高段側冷凍サイクル１と低段側冷凍サイクル２とは、冷媒−冷媒熱交換器２５において、第１冷媒と第２冷媒とが熱交換を行なうように接続することにより、第２蒸発器２４にて冷凍室から吸熱し、庫内を冷却する。第２蒸発器２４は、アルミフィンと銅管から構成されるフィンチューブ熱交換器が一般的に使用される。
また図１１は、特許文献１に記載された従来の二元ヒートポンプ装置の構造を示すものである。図１１に示すように、従来の二元ヒートポンプ装置は、第１圧縮機１０、第１凝縮器１１、第１絞り手段１２および、これらが収められた第１筐体３０と、第２圧縮機２０、冷媒−冷媒熱交換器２５、受液器２２、第２絞り手段２３および、これらが収められた第２筐体３１とによって構成され、受液器２２が冷媒−冷媒熱交換器２５の下方に配設されることにより、低段側冷凍サイクル２の循環が停止した場合に、冷媒−冷媒熱交換器２５内の液化した第２冷媒を重力によって迅速に受液器２２に流下する。
従って、第２冷媒に二酸化炭素のような臨界温度の低い冷媒を用いた際、低段側冷凍サイクル２の循環が停止した場合に、外気に暖められて第２冷媒が気相状態になることによる、低段側冷凍サイクル２内の圧力上昇を抑制することができる。

特許第５８００９９４号公報

例えば、前記従来の構成において、高段側冷凍サイクル１の第１凝縮器１１にて熱媒体の加熱運転を行うような二元ヒートポンプ装置の場合、第２冷媒にＲ４１０Ａのような臨界温度の高い冷媒を用いられることが一般的なため、外気に暖められて第２冷媒が気相状態になることがない。したがって、液化した第２冷媒を受液器２２に貯留する必要がなくなる。その代わりに、第２蒸発器２４が外気と熱交換を行うが、低外気温時には、空気中の水分が第２蒸発器２４によって冷却されて第２蒸発器２４のアルミフィンおよび銅管に結露水が発生し、その結露水が霜となって成長して熱交換できなくなるため、定期的に霜取り運転が行われる。この霜取り運転を、受液器２２から冷媒-冷媒熱交換器３０の方向に流れる、いわゆる逆サイクルにより行う場合、受液器２２より上方に第２冷媒を搬送する必要が生じる。
しかしながら、従来の構成では、第２冷媒が受液器２２から冷媒-冷媒熱交換器３０の方向へ流れる霜取り運転を行うときに、液化した第２冷媒が受液器２２に貯留されたままになり、霜取り運転時に第２冷凍回路を循環する第２冷媒が不足するという課題を有していた。

従来の課題を解決するために、本発明の二元ヒートポンプ装置は、圧縮機、凝縮器、第１絞り手段、蒸発器を配管で環状に接続し、第１冷媒を循環させる第１冷凍回路と、第２冷媒を循環させ、前記蒸発器にて前記第１冷媒と熱交換を行う第２冷凍回路と、前記第２冷凍回路の前記蒸発器の出口側に順に受液器と、第２絞り手段と、を備え、前記第２冷凍回路で前記第２冷媒の循環が停止した場合に、前記受液器内の前記第２冷媒の液面が、前記蒸発器内の前記第２冷媒の液面より上方となるように前記受液器が配設されるものである。
これにより、第２冷凍回路において前記第２冷媒の循環が停止した場合に、蒸発器内の第２冷媒の液面が受液器内の第２冷媒の液面より上方となるように受液器が配設されることとなり、逆サイクルの霜取り運転を行う場合、受液器に貯留された液冷媒が重力によって蒸発器の方へ流下することとなる。

本発明の二元ヒートポンプ装置は、逆サイクルの霜取り運転を行う場合に、加熱運転によって受液器に貯留される液化した第２冷媒が残ることなく、排出されるため、霜取り運転時の第２冷凍回路を循環する第２冷媒の不足を抑制することができる。

本発明の実施の形態１における二元ヒートポンプ装置の冷媒と熱媒体の回路図本発明の実施の形態１における二元ヒートポンプ装置に備えられる熱生成ユニットの内部構造を示す正面図本発明の実施の形態１における二元ヒートポンプ装置の第１冷凍回路にて熱媒体の加熱運転のみを行う場合の冷媒と熱媒体の回路図本発明の実施の形態１における二元ヒートポンプ装置の第２冷凍回路を暖房運転し、第１冷凍回路にて熱媒体の加熱運転も行う場合の冷媒と熱媒体の回路図本発明の実施の形態１における二元ヒートポンプ装置の第２冷凍回路を冷房運転し、第１冷凍回路にて熱媒体の加熱運転も行う場合の冷媒と熱媒体の回路図本発明の実施の形態１における二元ヒートポンプ装置の第２冷凍回路を冷暖同時運転し、第１冷凍回路にて熱媒体の加熱運転も行う場合の冷媒と熱媒体の回路図本発明の実施の形態１における二元ヒートポンプ装置の第２冷凍回路の室内熱交換器を変更して冷暖同時運転し、第１冷凍回路にて熱媒体の加熱運転も行う場合の冷媒と熱媒体の回路図本発明の実施の形態１における二元ヒートポンプ装置の第２冷凍回路にて室外熱交換器の霜取り運転を行う場合の冷媒と熱媒体の回路図本発明の実施の形態１における二元ヒートポンプ装置の冷媒と熱媒体の別の構成図従来の二元ヒートポンプ装置の冷媒と熱媒体の回路図従来の二元ヒートポンプ装置の冷媒と熱媒体の構成図

第１の発明は、圧縮機、凝縮器、第１絞り手段、蒸発器を配管で環状に接続し、第１冷媒を循環させる第１冷凍回路と、第２冷媒を循環させ、前記蒸発器にて前記第１冷媒と熱交換を行う第２冷凍回路と、前記第２冷凍回路の前記蒸発器の出口側に順に受液器と、第２絞り手段と、を備え、前記第２冷凍回路で前記第２冷媒の循環が停止した場合に、前記受液器内の前記第２冷媒の液面が、前記蒸発器内の前記第２冷媒の液面より上方となるように前記受液器が配設されるものである。

これによって第２冷凍回路において前記第２冷媒の循環が停止した場合に、蒸発器内の第２冷媒の液面が受液器内の第２冷媒の液面よりも上方となるように受液器が配設されるため、逆サイクルの霜取り運転を行う場合、受液器に貯留された液冷媒が重力によって蒸発器の方へ流下することとなる。
よって、逆サイクルの霜取り運転を行う場合に、加熱運転によって受液器に貯留される液化した第２冷媒が残ることなく、排出されるため、霜取り運転時の第２冷凍回路を循環する第２冷媒の不足を抑制することができる。

前記受液器の下端は、前記蒸発器の上端よりも上方に配設されることを特徴とするものである。

これによって、逆サイクルの霜取り運転を行う場合、受液器に貯留された液冷媒が重力によって蒸発器の方へ流下することとなる。
よって、逆サイクルの霜取り運転を行う場合に、加熱運転により受液器に貯留された液化した第２冷媒が残ることなく、排出されるため、霜取り運転時の第２冷凍回路を循環する第２冷媒の不足を抑制することができる。

第３の発明は、圧縮機、凝縮器、第１絞り手段、蒸発器を配管で環状に接続し、第１冷媒を循環させる第１冷凍回路と、第２冷媒を循環させ、前記蒸発器にて前記第１冷媒と熱交換を行う第２冷凍回路と、前記第２冷凍回路の前記蒸発器の出口側に順に受液器と、第２絞り手段と、制御部と、を備え、前記制御部は前記第１冷凍回路が加熱運転以外の場合に、前記第２絞り手段の開度を加熱運転時より小さくするものである。

第１冷凍回路が加熱運転以外を行う場合に第２絞り手段の開度を加熱運転時より小さくすることにより、例えば、逆サイクルの霜取り運転を行う場合に、第２絞り手段から流出する第２冷媒を気化膨張させて、受液器に貯留された液化した第２冷媒を排出することとなる。
また、第２絞り手段を通過した低圧の液状態の第２冷媒が受液器に流入することを防止することとなる。
よって、受液器での第２冷媒の貯留量が多くなる、第１冷凍回路が加熱運転の沸き終い間際に、逆サイクルの霜取り運転を行う場合でも、受液器に貯留された第２冷媒を速やかに排出して、第２冷凍回路を循環する第２冷媒の不足を抑制することができる。
また、霜取り運転時に、受液器に追加で第２冷媒が貯留されることを防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における二元ヒートポンプ装置５００の冷媒と熱媒体の回路図である。図１において二元ヒートポンプ装置５００は、第１冷凍回路１００と、第２冷凍回路１０２と熱媒体回路１０４とから構成される。

第１冷凍回路１００は、圧縮機４１、凝縮器４２、第１絞り手段４３、及び、蒸発器４４が冷媒配管４５を用いて順次直列に接続して構成されるものであり、第１冷凍回路１００内には第１冷媒が循環される。
また、圧縮機４１の吐出側には、圧縮機４１から吐出される第１冷媒の温度を検知する圧縮機吐出温度検知手段４６が配設されている。圧縮機４１の吸入側には、圧縮機４１から吸入される第１冷媒の温度を検知する圧縮機吸入温度検知手段４７が設けられている。さらに、圧縮機４１の吸入側には、圧縮機４１から吸入される第１冷媒の圧力を検知する圧縮機吸入圧力検知手段４８が設けられている。さらに、蒸発器４４には、第２冷凍回路１０２における蒸発器４４の中間温度を検知する第２冷凍回路蒸発器中間温度検知手段４９が設けられている。
蒸発器４４は第１冷媒と第２冷媒を熱交換する冷媒―冷媒熱交換器であり、プレート熱交換器や、二重管式熱交換器が用いられる。

熱媒体回路１０４は、熱媒体貯留手段５０と、例えば、ポンプなどからなる熱媒体搬送手段５１と、凝縮器４２とが配管５２によって順次直列に接続された構成となっており、熱媒体回路１０４には、熱媒体が循環される。
また、凝縮器４２は第１冷媒と熱媒体とを熱交換する熱媒体―冷媒熱交換器であり、プレート熱交換器や、二重管式熱交換器、シェルチューブ熱交換器が用いられる。

第２冷凍回路１０２は、第２圧縮機５３、室内空気と熱交換を行う室内熱交換器５４ａ、５４ｂ、室内熱交換器５４ａ、５４ｂの一方の入口に配設された室内熱交換器用開閉手段５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、室内熱交換器５４ａ、５４ｂの他方の入口に配設された室内熱交換器用絞り手段５６ａ、５６ｂ、室外空気と熱交換を行う室外熱交換器５７、室外熱交換器５７の一方の入口に配設された室外熱交換器用開閉手段５８ａ、５８ｂ、室外熱交換器５７の他方の入口に配設された室外熱交換器用絞り手段５９が第２冷媒配管６０により直列に接続された構成である。

また、蒸発器４４の一方の入口に配設された蒸発器用開閉手段６１ａ、６１ｂ、蒸発器４４、第３絞り手段６２、受液器６３及び第２絞り手段６４が順次直列に接続されている。これら蒸発器用開閉手段６１ａ、６１ｂ、蒸発器４４、第３絞り手段６２、受液器６３及び第２絞り手段６４は、室内熱交換器５４ａ、５４ｂ、室内熱交換器用開閉手段５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、室内熱交換器用絞り手段５６ａ、５６ｂを第２冷媒配管６０により並列に接続して構成されている。第２冷凍回路１０２には、第２冷媒が循環される。

第１冷媒としては、Ｒ２２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ３２、Ｒ１３４ａなどのフロン系冷媒のほかに、二酸化炭素（ＣＯ２）などの自然冷媒が用いられ、特に、高温用途に広く用いられるＲ４０７Ｃ，Ｒ１３４ａや二酸化炭素（ＣＯ２）が望ましい。

また、第２冷媒としては、Ｒ２２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ３２、Ｒ１３４ａなどのフロン系冷媒のような臨界温度の高い冷媒が用いられ、第２冷凍回路１０２が停止した場合に、外気に暖められて第２冷媒が気相状態になり、過度に第２冷凍回路１０２内の圧力が上昇することがない。

特に、第１冷媒に臨界温度の低い二酸化炭素を用いる場合、第２冷媒の凝縮温度と、第２冷媒の蒸発温度との温度差が大きくなる為、蒸発器４４出口における第２冷媒の過冷却度が大きくなり、液状態の第２冷媒の密度が高くなる為、受液器６３が必要となる。

また、第２圧縮機５３の吐出側には、第２圧縮機５３から吐出される第２冷媒の圧力を検知する第２圧縮機吐出圧力検知手段６５が設けられ、第２圧縮機５３の吸入側には、第２圧縮機５３に吸入される第２冷媒の圧力を検知する第２圧縮機吸入圧力検知手段６６が設けられている。

各室内熱交換器５４ａ、５４ｂと各室内熱交換器用開閉手段５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄとの間には、第２冷媒の温度を検知する室内熱交換器第１温度検知手段６７ａ、６７ｂが設けられ、各室内熱交換器５４ａ、５４ｂと各室内熱交換器用絞り手段５６ａ、５６ｂとの間には、第２冷媒の温度を検知する室内熱交換器第２温度検知手段６８ａ、６８ｂが設けられている。
また、室外熱交換器５７と室外熱交換器用開閉手段５８ａ、５８ｂとの間には、第２冷媒の温度を検知する室外熱交換器第１温度検知手段６９と、室外熱交換器５７と室外熱交換器用絞り手段５９との間には、第２冷媒の温度を検知する室外熱交換器第２温度検知手段７０が設けられている。

また、蒸発器４４と第３絞り手段６２との間には、第２冷媒の温度を検知する第２冷凍回路蒸発器出口温度検知手段７１が設けられている。
また、第２絞り手段６４の出口側に第２冷媒の圧力を検知する第２冷凍回路中間圧力検知手段７２と、第２冷媒の温度を検知する第２冷凍回路中間温度検知手段７３がそれぞれ設けられている。
さらに、凝縮器４２と熱媒体搬送手段５１との間には、凝縮器４２に流入する熱媒体の温度を検知する、熱媒体凝縮器入口温度検知手段７４が設けられている。
さらに、凝縮器４２と熱媒体貯留手段５０との間には、凝縮器４２に流出する熱媒体の温度を検知する、熱媒体凝縮器出口温度検知手段７５が設けられている。

また、本実施形態の二元ヒートポンプ装置５００は、第１冷凍回路１００、第２冷凍回路１０２及び、熱媒体回路１０４の制御手段として制御部２００を備えている。
制御部２００は、１つまたは複数のマイコンを用いて実現可能である。その場合、マイコンは例えばＣＰＵ、ＲＯＭやフラッシュメモリ、ＲＡＭを含む構成であれば良く、ＣＰＵは、ＲＯＭに格納されたコンピュータプログラムを、ＲＡＭを作業領域として使いながら実行し、第１冷凍回路１００、第２冷凍回路１０２及び、熱媒体回路１０４の各部を総括的に制御する。
制御部２００は、第１冷凍回路１００を加熱運転する場合以外のときに、第２絞り手段６４の開度を、第１冷凍回路１００を加熱運転するときの第２絞り手段６４の開度よりも小さくなるように制御する。

図２は本発明の第１の実施の形態における二元ヒートポンプ装置５００に備えられる熱生成ユニット３００の内部構造を示す正面図である。
熱生成ユニット３００は、ケーシング３０５を備え、このケーシング３０５の内部には、以下のものが配置される。すなわち、圧縮機４１と、凝縮器４２と、第１絞り手段４３と、蒸発器４４とによって構成される第１冷凍回路１００、さらに、熱媒体搬送手段５１と、配管５２とによって構成される熱媒体回路１０４、そして、ケーシング３０５には、第２冷媒配管６０と、第３絞り手段６２と、受液器６３と、第２絞り手段６４とから構成される第２冷凍回路１０２である。

図２に示すように、ケーシング３０５の隅部には、熱媒体搬送手段５１を支持する支持台１１１が配置されている。支持台１１１の上には、熱媒体搬送手段５１が配置されている。支持台１１１の隣には、圧縮機４１を支持する圧縮機支持台１１２が配置されている。圧縮機支持台１１２の上には、圧縮機４１が配置されている。

蒸発器４４を上面に設置するための蒸発器架台３０１が、圧縮機支持台１１２および圧縮機４１の近傍に配置される。また、蒸発器架台３０１の位置は、二元ヒートポンプを正面視した際の、支持台１１１が配置される側とは反対側の隅部でもある。そして、この蒸発器架台３０１は、ケーシング３０５の側板部材１１３に固定されている。
蒸発器架台３０１の下方には、凝縮器４２が配置されている。また、蒸発器架台３０１の上面には、蒸発器４４が配置されている。

蒸発器架台３０１の上部には、受液器６３を上面に設置する受液器架台３０２が配置されている。この受液器架台３０２は、ケーシング３０５の側板部材１１３に固定されている。
受液器架台３０２の上面には、受液器６３が配置されている。
このように、受液器架台３０２を隔てて、受液器架台３０２の下方に蒸発器４４が配置され、受液器架台３０２の上面に受液器６３が配置されている。受液器６３の下端６３Ａは、蒸発器４４の上端４４Ａよりも上方に配置されている。

受液器６３には、第２冷媒が溜まる。この受液器６３に溜まる第２冷媒の液面は、点線により液面Ａとして図２に示している。また、蒸発器４４内の第２冷媒の液面は、点線により液面Ｂとして図２に示している。
受液器６３は、第２冷凍回路１０２において第２冷媒の循環が停止した場合の受液器６３内の第２冷媒の液面Ａが、蒸発器４４内の第２冷媒の液面Ｂよりも上方となるように設置されていればよい。

以上のように構成された二元ヒートポンプ装置５００について、以下その動作、作用を説明する。
まず、図３は本発明の実施の形態１における二元ヒートポンプ装置５００の第１冷凍回路１００にて熱媒体の加熱運転のみを行う場合の冷媒と熱媒体の回路図である。なお、図３の記載において、中が黒く塗りつぶされた開閉手段は閉状態であることを示している（以下同じ）。
図３に示すように、第１冷凍回路１００にて熱媒体の加熱運転のみを行う場合、第２圧縮機５３から吐出された第２冷媒は、開状態の蒸発器用開閉手段６１ｂを通って蒸発器４４に流入する。また第１冷凍回路１００では圧縮機４１から吐出された第１冷媒は、凝縮器４２にて熱媒体に放熱し、圧縮機吐出温度検知手段４６で検知された温度に基づいて第１絞り手段４３により絞られて蒸発器４４に流入し、第２冷媒から吸熱して圧縮機４１に吸入される。熱媒体は熱媒体貯留手段５０の下部から熱媒体搬送手段５１にて凝縮器４２に搬送され、凝縮器４２において第１冷媒の熱で加熱された後に熱媒体貯留手段５０の上部から積層式に貯留される。

また、蒸発器４４にて第１冷媒に吸熱された第２冷媒は、全開の第３絞り手段６２を通過した後に、蒸発器４４から流出した第２冷媒の圧力と温度に基づいた量の第２冷媒が受液器６３に貯留される。受液器６３から流出した第２冷媒は、第２圧縮機吐出圧力検知手段６５により検知された圧力から算出される凝縮温度と、第２冷凍回路蒸発器出口温度検知手段７１により検知された温度との差から求まる過冷却度に基づいて第２絞り手段６４により絞られる。第２絞り手段６４から流出した第２冷媒は、室外熱交換器用絞り手段５９にて第２圧縮機吸入圧力検知手段６６により検知された圧力から算出される蒸発温度と、室外熱交換器第１温度検知手段６９により検知された温度の差から求まる過熱度に基づいて室外熱交換器５７を流通する量を調整され、室外熱交換器５７にて室外空気から吸熱する。
そして、室外熱交換器５７から流出した第２冷媒は、開状態の室外熱交換器用開閉手段５８ａを通って、第２圧縮機５３に吸入される。この場合、蒸発器用開閉手段６１ａ、室内熱交換器用開閉手段５５ｂ、５５ｄ、室外熱交換器用開閉手段５８ｂ及び、室内熱交換器用絞り手段５６ａ、５６ｂは閉じられており、第２冷媒が流通しないようになっている。
また、室内熱交換器５４ａ、５４ｂ内に第２冷媒が溜まらないように室内熱交換器用開閉手段５５ａ、５５ｃは開かれている。

次に、図４は本発明の実施の形態１における二元ヒートポンプ装置５００の第２冷凍回路１０２を暖房運転し、第１冷凍回路１００にて熱媒体の加熱運転も行う場合の冷媒と熱媒体の回路図である。
図４に示すように、室内熱交換器５４ａ、５４ｂを凝縮器として利用して第２冷凍回路１０２を暖房運転し、第１冷凍回路１００にて熱媒体の加熱運転も行う場合、第２圧縮機５３から吐出された第２冷媒は、開状態の室内熱交換器用開閉手段５５ｂ、５５ｄを通って室内熱交換器５４ａ、５４ｂに流入し、室内熱交換器５４ａ、５４ｂにて室内空気に放熱する。また第１冷凍回路１００においては、圧縮機４１から吐出された第１冷媒は、凝縮器４２にて熱媒体に放熱し、圧縮機吐出温度検知手段４６により検知された温度に基づいて第１絞り手段４３により絞られて蒸発器４４に流入し、開状態の蒸発器用開閉手段６１ｂを通って蒸発器４４に流入する第２冷媒から吸熱して圧縮機４１に吸入される。熱媒体は熱媒体貯留手段５０の下部から熱媒体搬送手段５１にて凝縮器４２に搬送され、凝縮器４２において第１冷媒の熱により加熱された後に熱媒体貯留手段５０の上部から積層式に貯留される。

一方、蒸発器４４にて第１冷媒に吸熱された第２冷媒は、全開の第３絞り手段６２を通過した後に、蒸発器４４から流出した第２冷媒の圧力と温度に基づいた量の第２冷媒が受液器６３に貯留される。受液器６３から流出した第２冷媒は、第２圧縮機吐出圧力検知手段６５により検知された圧力から算出される凝縮温度と、第２冷凍回路蒸発器出口温度検知手段７１により検知された温度との差から求まる過冷却度に基づいて第２絞り手段６４により絞られる。室内熱交換器５４ａ、５４ｂから流出した第２冷媒は、第２圧縮機吐出圧力検知手段６５により検知された圧力から算出される凝縮温度と、室内熱交換器第２温度検知手段６８ａ、６８ｂにより検知された温度との差から求まる、それぞれの過冷却度に基づいて室内熱交換器用絞り手段５６ａ、５６ｂにより絞られた後に第２絞り手段６４から流出した第２冷媒と合流し、室外熱交換器５７にて室外空気から吸熱する。室外熱交換器用絞り手段５９は、第２圧縮機吸入圧力検知手段６６により検知された圧力から算出される蒸発温度と、室外熱交換器第１温度検知手段６９により検知された温度の差から求まる過熱度に基づいて室外熱交換器５７を流通する第２冷媒を調整する。
そして、室外熱交換器５７から流出した第２冷媒は、開状態の室外熱交換器用開閉手段５８ａを通って、第２圧縮機５３に吸入される。この場合、蒸発器用開閉手段６１ａ、室内熱交換器用開閉手段５５ａ、５５ｃ及び室外熱交換器用開閉手段５８ｂは閉じられており、第２冷媒が流通しないようになっている。

また、図５は本発明の実施の形態１における二元ヒートポンプ装置５００の第２冷凍回路１０２を冷房運転し、第１冷凍回路１００にて熱媒体の加熱運転も行う場合の冷媒と熱媒体の回路図である。
図５に示すように、室内熱交換器５４ａ、５４ｂを蒸発器として利用して第２冷凍回路１０２を冷房運転し、第１冷凍回路１００にて熱媒体の加熱運転も行う場合、第２圧縮機５３から吐出された第２冷媒は、開状態の室外熱交換器用開閉手段５８ｂを通って室外熱交換器５７に流入し、室外空気に放熱する。また第１冷凍回路１００においては第２冷凍回路１０２の暖房運転時同様、圧縮機４１から吐出された第１冷媒は、凝縮器４２にて熱媒体に放熱し、圧縮機吐出温度検知手段４６により検知された温度に基づいて第１絞り手段４３により絞られて蒸発器４４に流入し、開状態の蒸発器用開閉手段６１ｂを通って蒸発器４４に流入する第２冷媒から吸熱して圧縮機４１に吸入される。熱媒体は熱媒体貯留手段５０の下部から熱媒体搬送手段５１にて凝縮器４２に搬送され、凝縮器４２において第１冷媒の熱により加熱された後に熱媒体貯留手段５０の上部から積層式に貯留される。

また、蒸発器４４にて第１冷媒に吸熱された第２冷媒は、全開の第３絞り手段６２を通過した後に、蒸発器４４から流出した第２冷媒の圧力と温度に基づいた量の第２冷媒が受液器６３に貯留される。受液器６３から流出した第２冷媒は、第２圧縮機吐出圧力検知手段６５により検知された圧力から算出される凝縮温度と、第２冷凍回路蒸発器出口温度検知手段７１により検知された温度との差から求まる過冷却度に基づいて第２絞り手段６４により絞られる。室外熱交換器５７から流出した第２冷媒は、第２圧縮機吐出圧力検知手段６５により検知された圧力から算出される凝縮温度と、室外熱交換器第２温度検知手段７０により検知された温度との差から求まる過冷却度に基づいて室外熱交換器用絞り手段５９により絞られた後に第２絞り手段６４から流出した第２冷媒と合流し、室内熱交換器５４ａ、５４ｂにて室内空気から吸熱する。室内熱交換器用絞り手段５６ａ、５６ｂは、第２圧縮機吸入圧力検知手段６６により検知された圧力から算出される蒸発温度と、室内熱交換器第１温度検知手段６７ａ、６７ｂにより検知された温度の差から求まる、それぞれの過熱度に基づいて室内熱交換器５４ａ、５４ｂを流通する第２冷媒を調整する。
そして、室内熱交換器５４ａ、５４ｂから流出した第２冷媒は、開状態の室内熱交換器用開閉手段５５ａ、５５ｃを通って、第２圧縮機５３に吸入される。この場合、蒸発器用開閉手段６１ａ、室内熱交換器用開閉手段５５ｂ、５５ｄ及び室外熱交換器用開閉手段５８ａは閉じられており、第２冷媒が流通しないようになっている。
また、図６は本発明の実施の形態１における二元ヒートポンプ装置５００の第２冷凍回路１０２を冷暖同時運転し、第１冷凍回路１００にて熱媒体の加熱運転も行う場合の冷媒と熱媒体の回路図である。

図６に示すように、室内熱交換器５４ａを凝縮器として、室内熱交換器５４ｂを蒸発器として利用して第２冷凍回路１０２を冷暖同時運転し、第１冷凍回路１００にて熱媒体の加熱運転も行う場合、第２圧縮機５３から吐出された第２冷媒は、開状態の室内熱交換器用開閉手段５５ｂを通って室内熱交換器５４ａに流入し、室内空気に放熱する。また第１冷凍回路１００においては、圧縮機４１から吐出された第１冷媒は、凝縮器４２にて熱媒体に放熱し、圧縮機吐出温度検知手段４６により検知された温度に基づいて第１絞り手段４３により絞られて蒸発器４４に流入し、開状態の蒸発器用開閉手段６１ｂを通って蒸発器４４に流入する第２冷媒から吸熱して圧縮機４１に吸入される。熱媒体は熱媒体貯留手段５０の下部から熱媒体搬送手段５１にて凝縮器４２に搬送され、凝縮器４２において第１冷媒の熱により加熱された後に熱媒体貯留手段５０の上部から積層式に貯留される。

また、蒸発器４４にて第１冷媒に吸熱された第２冷媒は、第２圧縮機吐出圧力検知手段６５により検知された圧力から算出される凝縮温度と、第２冷凍回路蒸発器出口温度検知手段７１により検知された温度との差から求まる過冷却度に基づいて第３絞り手段６２により絞られた後に、受液器６３及び全開の第２絞り手段６４を流れる。室内熱交換器５４ａから流出した第２冷媒は、第２圧縮機吐出圧力検知手段６５により検知された圧力から算出される凝縮温度と、室内熱交換器第２温度検知手段６８ａにより検知された温度との差から求まる過冷却度に基づいて室内熱交換器用絞り手段５６ａにより絞られた後に合流し、室内熱交換器５４ａ、及び、室外熱交換器５７にて室内空気と室外空気から吸熱する。室内熱交換器用絞り手段５６ｂと室外熱交換器用絞り手段５９は、第２圧縮機吸入圧力検知手段６６により検知された圧力から算出される蒸発温度と、室内熱交換器第１温度検知手段６７ｂ、及び、室外熱交換器第１温度検知手段６９により検知された温度の差から求まる、それぞれの過熱度に基づいて室内熱交換器５４ｂ、及び、室外熱交換器５７を流通する第２冷媒を調整する。
そして、室内熱交換器５４ｂ、及び、室外熱交換器５７から流出した第２冷媒は、開状態の室内熱交換器用開閉手段５５ｃと室外熱交換器用開閉手段５８ａを通って、第２圧縮機５３に吸入される。この場合、蒸発器用開閉手段６１ａ、室内熱交換器用開閉手段５５ａ、５５ｄ及び室外熱交換器用開閉手段５８ｂは閉じられており、第２冷媒が流通しないようになっている。

図７は本発明の実施の形態１における二元ヒートポンプ装置５００の第２冷凍回路１０２の室内熱交換器を変更して冷暖同時運転し、第１冷凍回路１００にて熱媒体の加熱運転も行う場合の冷媒と熱媒体の回路図である。
図７に示すように、室内熱交換器５４ａを蒸発器として、室内熱交換器５４ｂを凝縮器として利用して第２冷凍回路１０２を冷暖同時運転し、第１冷凍回路１００にて熱媒体の加熱運転も行う場合、室内熱交換器用開閉手段５５ａ、５５ｄを開状態とし、室内熱交換器用開閉手段５５ｂ、５５ｃを閉状態として、室外熱交換器用開閉手段５８ａ、及び、５８ｂの開閉状態は変えず運転する。

また、図８は本発明の実施の形態１における二元ヒートポンプ装置５００の第２冷凍回路１０２にて室外熱交換器５７の霜取り運転を行う場合の冷媒と熱媒体の回路図である。
図８に示すように、室外熱交換器５７を凝縮器として利用して第２冷凍回路１０２にて霜取り運転を行う場合、第２圧縮機５３から吐出された第２冷媒は、開状態の室外熱交換器用開閉手段５８ｂを通って室外熱交換器５７に流入し、室外熱交換器５７表面に付着した霜に放熱することにより霜を融解して、霜取りを行う。
また、室外熱交換器５７を通過した第２冷媒は、全開より若干開度を小さくした室外熱交換器用絞り手段５９、室内熱交換器用絞り手段５６ａ、５６ｂ、室内熱交換器５４ａ、５４ｂ、および、室内熱交換器用開閉手段５５ａ、５５ｃを順次流通して、第２圧縮機５３に吸入される。その際、第１冷凍回路１００および熱媒体回路１０４は停止する。
また、第２絞り手段６４は開度を小さくして、第２冷媒が流通しないようにされている。
第１冷凍回路１００が加熱運転を行う場合に、受液器６３に貯留された第２冷媒は、全開の第３絞り手段６２を通過して、開状態の蒸発器用開閉手段６１ａを流通した後に第２圧縮機５３に吸入される。
この場合、蒸発器用開閉手段６１ｂ、室内熱交換器用開閉手段５５ｂ、５５ｄ及び室外熱交換器用開閉手段５８ａは閉じられており、第２冷媒が流通しないようになっている。

以上のような運転状態において、特に、第２冷媒に臨界温度が高いフロン系冷媒（例えば、Ｒ４１０Ａ）、第１冷媒に臨界温度が低い二酸化炭素を用いて蒸発温度を臨界点以下とする場合、第１冷凍回路１００の加熱運転のみを行うときに、蒸発器４４において第１冷媒と第２冷媒の温度差が大きくなり、蒸発器４４から流出する第２冷媒の過冷却度が大きくなる。その場合、第２冷媒の密度が大きくなって、受液器６３に貯留される液化した第２冷媒の量が多くなる。
一方で、第２冷凍回路１０２にて室外熱交換器５７の霜取り運転が入ると、蒸発器４４、室内熱交換器５４ａ、５４ｂと比べて比較的管内の容積が大きい室外熱交換器５７において第２冷媒の圧力を上げて凝縮温度を高めるために多くの第２冷媒が必要になるが、受液器６３に液化した第２冷媒が貯留されたままになると、室外熱交換器５７において使う第２冷媒が不足して、圧力が上がらないために凝縮温度が上がらず、室外熱交換器５７の霜を融解する時間が長期化してしまう。第２冷凍回路１０２の霜取り運転を行っている間は、第１冷凍回路１００の加熱運転が停止するので、加熱された熱媒体が追加されず、例えば、熱媒体を循環して使う床暖房やラジエターでは、第２冷凍回路１０２の霜取り運転中は熱媒体の温度が低下していくこととなる。

そこで、本実施の形態では、第２冷凍回路１０２において第２冷媒の循環が停止した場合に、受液器６３内の第２冷媒の液面Ａが、蒸発器４４内の第２冷媒の液面Ｂより上方となるように受液器６３を配置している。すなわち、第２冷凍回路１０２において第２冷媒の循環が停止した場合に、蒸発器４４内の第２冷媒の液面Ｂが受液器６３内の第２冷媒の液面Ａより下方となるように受液器６３が配設されることになり、逆サイクルの霜取り運転を行う場合、受液器６３に貯留された液化した第２冷媒が重力によって蒸発器４４の方へ流下することとなる。さらに、蒸発器４４から蒸発器用開閉手段６１ａを通って、室内熱交換器５４ａ、５４ｂから流出した第２冷媒と合流して第２圧縮機５３に吸入されて、第２冷媒の圧力を上昇することとなる。

以上のように、本実施の形態においては、第２冷凍回路１０２において第２冷媒の循環が停止した場合に、受液器６３内の第２冷媒の液面Ａが、蒸発器４４内の第２冷媒の液面Ｂより上方となるように受液器６３が設置されている。すなわち、第２冷凍回路１０２において第２冷媒の循環が停止した場合に、蒸発器４４内の第２冷媒の液面Ｂが受液器６３内の第２冷媒の液面Ａより下方となるように受液器６３が配設されることになり、逆サイクルの霜取り運転を行う場合、受液器６３に貯留された液化した第２冷媒が重力によって蒸発器４４の方へ流下することとなる。さらに、蒸発器４４から蒸発器用開閉手段６１ａを通って、室内熱交換器５４ａ、５４ｂから流出した第２冷媒と合流して第２圧縮機５３に吸入されて、第２冷媒の圧力を上昇することとなる。

これによって、逆サイクルの霜取り運転を行う場合に、第１冷凍回路１００の加熱運転によって受液器６３に貯留された液化した第２冷媒が残ることなく、受液器６３から排出されるので、霜取り運転時の第２冷凍回路１０２を循環する第２冷媒の不足を抑制することができ、霜取り運転の長期化を抑制して、機器の快適性を向上できる。

また、本実施の形態では制御部２００が第１冷凍回路１００が加熱運転以外の場合に、第２絞り手段６４の開度を加熱運転時より小さくすることにより、例えば、逆サイクルの霜取り運転を行う場合に、第２絞り手段６４から流出する第２冷媒を気化膨張させて、受液器６３に貯留された液化した第２冷媒を排出することとなる。
また、第２絞り手段６４を通過した低圧の液状態の第２冷媒が受液器６３に流入することを防止することとなる。
よって、熱媒体貯留手段５０内が第１冷凍回路１００において加熱された熱媒体によりほぼ満たされ、熱媒体貯留手段５０下部から凝縮器４２に搬送される熱媒体の温度が高くなる、いわゆる沸き終いの間際で、受液器６３における第２冷媒の貯留量が多くなる時に、逆サイクルの霜取り運転を行う場合でも、受液器６３に貯留された第２冷媒を速やかに排出して、第２冷凍回路１０２を循環する第２冷媒の不足を抑制することができる。
また、霜取り運転時に、受液器６３に追加で第２冷媒が貯留されることを防止することにより、霜取り運転の長期化を抑制して、機器の快適性を向上できる。
また、霜取り運転時に蒸発器４４において第１冷凍回路１００から第２冷媒への吸熱を防止することができ、霜取り運転後に再び加熱運転を行う際の第１冷凍回路１００の立ち上がりを早くして、機器の快適性を向上できる。

また、本実施の形態では、受液器６３の容積が蒸発器４４の容積に比べて大きいことから、受液器６３の下端６３Ａが蒸発器４４の上端４４Ａより高くなるように設置されているが、例えば、受液器６３の容積が、蒸発器４４の容積に比べて小さい場合は、図９に示すように、第２冷凍回路１０２において第２冷媒の循環が停止した場合に、受液器６３内の第２冷媒の液面Ｃが、蒸発器４４内の第２冷媒の液面Ｄより上方となるように受液器６３が設置されてもよい。
このとき、受液器６３の下端６３Ａが蒸発器４４の上端４４Ａより低い位置に設置されている。受液器６３と蒸発器４４は架台３０３上に設置されている。
このように、受液器６３の容積と、蒸発器４４の容積との差によって、受液器６３内の第２冷媒の液面と、蒸発器４４内の第２冷媒の液面との位置関係が変化するが、受液器６３内の第２冷媒の液面が、蒸発器４４内の第２冷媒の液面よりも上方となるように、受液器６３と蒸発器４４を設置することにより、同様の効果を得ることができる。

また、本実施の形態では、第３絞り手段６２の開度を第１冷凍回路１００にて熱媒体の加熱運転のみを行うか否かに基づいて調整しているが、第２冷凍回路中間圧力検知手段７２により検知された圧力や、第２冷凍回路蒸発器出口温度検知手段７１により検知された温度と第２冷凍回路中間温度検知手段７３により検知された温度との差（第２冷凍回路中間温度差）に基づいて調整することで、機器の効率が最適となるように第２冷凍回路１０２を循環する第２冷媒の量を調整することもできる。

また、本実施の形態では、積層式の熱媒体貯留手段５０としたことにより、凝縮器４２において熱媒体を使用可能な温度まで一気に加熱することができるので、熱媒体が足りなくなった場合でも、わずかな時間で補充することができ、利用者の使い勝手を向上することができる。

以上のように、本発明にかかる二元ヒートポンプ装置は、二元冷凍サイクルにおける低段側冷凍回路の霜取り運転時間を短縮するもので、空気調和機、チラー、乾燥機、給湯空調複合装置、温水暖房機等の用途に適用できる。

４１圧縮機
４２凝縮器
４３第１絞り手段
４４蒸発器
４４Ａ蒸発器の上端
５１熱媒体搬送手段
６２第３絞り手段
６３受液器
６３Ａ受液器の下端
６４第２絞り手段
１００第１冷凍回路
１０２第２冷凍回路
１０４熱媒体回路
２００制御部
３００熱生成ユニット
３０５ケーシング
５００二元ヒートポンプ装置
Ａ液面
Ｂ液面

Claims

圧縮機、凝縮器、第１絞り手段、蒸発器が配管によって環状に接続され、
第１冷媒を循環させる第１冷凍回路と、
第２冷媒を循環させ、前記蒸発器にて前記第１冷媒と熱交換を行う第２冷凍回路と、
前記第２冷凍回路の前記蒸発器の出口側に順に受液器と、第２絞り手段と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記第１冷凍回路の加熱運転以外の場合において、前記第２絞り手段を有する前記第２冷凍回路にて、前記第２絞り手段、前記受液器、前記蒸発器の順で冷媒を流す逆サイクルによる霜取り運転をする場合に、前記第２絞り手段の開度を加熱運転時より小さくすることを特徴とする二元ヒートポンプ装置。