JP7243300B2

JP7243300B2 - ヒートポンプシステム

Info

Publication number: JP7243300B2
Application number: JP2019039381A
Authority: JP
Inventors: 悟大下
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2019-03-05
Filing date: 2019-03-05
Publication date: 2023-03-22
Anticipated expiration: 2039-03-05
Also published as: JP2020143815A

Description

本発明は、ヒートポンプシステムに関する。より詳細には、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続された冷媒循環ラインに冷媒を循環させ、蒸発器を通過する熱源流体から熱を汲み上げながら凝縮器を通過する加温対象流体を加温するヒートポンプシステムに関する。

従来、ヒートポンプを用いた給水加温システムが知られている。
例えば特許文献１には、このような給水加温システムのヒートポンプにおいて、液冷媒と給水とを熱交換する過冷却器を設け、さらに、凝縮器から過冷却器に向かって流れる液冷媒と、蒸発器から圧縮機に向かって流れるガス冷媒とを熱交換する液ガス熱交換器を設ける構成が示されている。

特開２０１６－４８１２６号公報

特許文献１に示されるようなヒートポンプにおいては、熱源流体の温度が低くても、蒸発器で加熱されたガス冷媒が液ガス熱交換器で更に加熱されるので、圧縮機で圧縮できるガス冷媒の質量流量を増やすことができる。そのため、凝縮器および過冷却器で多くの熱量を交換でき、より多くの温水を得ることができる。
しかしながら、このようなヒートポンプにおいては、膨張弁に流入する液冷媒が、液ガス熱交換器および過冷却器を通過することによって極度に冷却されてしまう可能性がある。液冷媒の過冷却度が極度に大きく、蒸発器に過冷却液が供給される状況になってしまうと、蒸発器での気化が不十分なまま圧縮機に湿り蒸気が送られるようになる。圧縮機が湿り蒸気を吸入すると、液圧縮によるリキッドハンマー等により、圧縮機を破損させるおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヒートポンプ回路に液ガス熱交換器を設けた構成において、圧縮機の破損を防止することができるヒートポンプシステムを提供することにある。

本発明の一態様は、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続された冷媒循環ラインに冷媒を循環させ、前記蒸発器を通過する熱源流体から熱を汲み上げながら前記凝縮器を通過する加温対象流体を加温するヒートポンプシステムであって、前記凝縮器から前記膨張弁に向かって流れる液冷媒と前記蒸発器から前記圧縮機に向かって流れるガス冷媒とを熱交換する液ガス熱交換器と、前記液ガス熱交換器の前記液冷媒側の前記冷媒循環ラインにおいて、前記液ガス熱交換器の入口流路から分岐し、出口流路に合流する冷媒バイパスラインと、前記液ガス熱交換器に分配させる前記液冷媒の流量と、前記冷媒バイパスラインに分配させる前記液冷媒の流量との流量比を、前記液冷媒を減圧することなく調整するバイパス流量調整部と、前記膨張弁に流入する液冷媒の温度情報を測定する温度センサと、前記バイパス流量調整部を制御する制御部と、を備え、前記バイパスラインの合流点は、前記膨張弁の入口流路に位置しており、前記温度センサは、前記バイパスラインの合流点よりも下流側に配置され、前記制御部は、前記温度センサの温度情報に基づき、前記膨張弁に流入する前記液冷媒の過冷却度を一定値、または一定範囲に保つように、前記バイパス流量調整部を制御するヒートポンプシステムに関する。

本発明の一態様は、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続された冷媒循環ラインに冷媒を循環させ、前記蒸発器を通過する熱源流体から熱を汲み上げながら前記凝縮器を通過する加温対象流体を加温するヒートポンプシステムであって、
前記凝縮器から前記膨張弁に向かって流れる液冷媒と前記蒸発器から前記圧縮機に向かって流れるガス冷媒とを熱交換する液ガス熱交換器と、
前記液ガス熱交換器のガス冷媒側の前記冷媒循環ラインにおいて、前記液ガス熱交換器の入口流路から分岐し、出口流路に合流する冷媒バイパスラインと、
前記液ガス熱交換器に分配させる前記ガス冷媒の流量と、前記冷媒バイパスラインに分配させる前記ガス冷媒の流量との流量比を調整するバイパス流量調整部と、
前記膨張弁に流入する前記液冷媒の温度情報を測定する温度センサと、
前記バイパス流量調整部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記温度センサの温度情報に基づき、前記膨張弁に流入する前記液冷媒の過冷却度を一定値、または一定範囲に保つように、前記バイパス流量調整部を制御するヒートポンプシステムに関する。

また、前記制御部は、前記膨張弁に流入する前記液冷媒の温度が目標温度となるように、前記バイパス流量調整部を制御することが好ましい。

また、前記目標温度は、前記膨張弁に流入する液冷媒の圧力に基づいて設定されることが好ましい。

また、前記凝縮器より上流側の加温対象流体と、前記凝縮器から前記膨張弁に向かって流れる前記液冷媒とを熱交換する過冷却器をさらに備え、前記液ガス熱交換器は、前記過冷却器から前記膨張弁に向かって流れる前記液冷媒と、前記蒸発器から前記圧縮機に向かって流れるガス冷媒とを熱交換することが好ましい。

また、前記凝縮器より上流側の加温対象流体と、前記凝縮器から前記膨張弁に向かって流れる前記液冷媒とを熱交換する過冷却器をさらに備え、前記液ガス熱交換器は、前記凝縮器から前記過冷却器に向かって流れる前記液冷媒と、前記蒸発器から前記圧縮機に向かって流れるガス冷媒とを熱交換することが好ましい。

本発明によれば、ヒートポンプ回路に液ガス熱交換器を設けた構成において、圧縮機の破損を防止することができるヒートポンプシステムを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るヒートポンプシステムを示す概略図である。上記実施形態に係るヒートポンプシステムのヒートポンプサイクルを説明するためのモリエル線図である。上記実施形態に係るヒートポンプシステムのヒートポンプサイクルを説明するためのモリエル線図である。本発明の第２実施形態に係るヒートポンプシステムを示す概略図である。上記実施形態に係るヒートポンプシステムのヒートポンプサイクルを説明するためのモリエル線図である。本発明の第３実施形態に係るヒートポンプシステムを示す概略図である。本発明の第４実施形態に係るヒートポンプシステムを示す概略図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態に係るヒートポンプシステム１について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書における「ライン」とは、流路、経路、管路等の流体の流通が可能なラインの総称である。

図１は、本実施形態のヒートポンプシステム１のヒートポンプ回路を示す概略図である。
本実施形態のヒートポンプシステム１は、加温対象流体としての用水Ｗ１（水道用水、工業用水等）を加温する温水製造システムとして機能するヒートポンプシステムであり、蒸気圧縮式のヒートポンプ１０を備える。

図１に示されるように、ヒートポンプ１０は、圧縮機１１と、凝縮器１２と、膨張弁１４と、蒸発器１５を備える。これらの圧縮機１１、凝縮器１２、膨張弁１４および蒸発器１５は、冷媒Ｒが流れる冷媒循環ラインＬ１０によって順次環状に接続されており、これによりヒートポンプ回路が形成されている。そして、本実施形態のヒートポンプ１０の冷媒循環ラインＬ１０には、後述する過冷却器１３と、液ガス熱交換器１６がさらに設けられている。
冷媒循環ラインＬ１０を循環する冷媒Ｒは、その循環過程において、ガス冷媒Ｒ_Ｇと、液冷媒Ｒ_Ｌと、湿り蒸気状態の冷媒Ｒ_Ｗとの間で相変化する。

圧縮機１１は、電気駆動の冷媒圧縮機である。圧縮機１１は、駆動源としてのモータ１７を有しており、ガス冷媒Ｒ_Ｇを断熱圧縮して高温高圧のガス冷媒Ｒ_Ｇにする。凝縮器１２は、用水ラインＬ１を通じて送られてくる用水Ｗ１（加熱対象流体）への放熱により、圧縮機１１からのガス冷媒Ｒ_Ｇを凝縮液化する。これにより、冷媒Ｒは液冷媒Ｒ_Ｌとなる。膨張弁１４は、凝縮器１２から送られた液冷媒Ｒ_Ｌを断熱膨張させることで、液冷媒Ｒ_Ｌの圧力と温度とを低下させる。これにより、液冷媒Ｒ_Ｌは、湿り蒸気に相変化し、湿り蒸気状態の冷媒Ｒ_Ｗとなる。蒸発器１５は、熱源水ラインＬ２を通じて送られてくる熱源水Ｗ２（熱源流体）からの吸熱により、膨張弁１４から送られる湿り蒸気状態の冷媒Ｒ_Ｗを蒸発させる。これにより、冷媒Ｒはガス冷媒Ｒ_Ｇとなる。

ヒートポンプ回路の熱源としては、廃温水等の熱源水に限らず、工場設備からの排気ガス（燃焼ガスや排蒸気等）、廃熱を含んだ冷却用空気、廃熱を含まない外気等の各種熱源ガスを用いることが可能である。
なお、蒸発器１５の構造として、伝熱面が外部に露出されている場合、熱源ガスはファンにより伝熱面に供給（例えば、大気の通風）される。また、蒸発器１５の構造として、伝熱面が閉鎖空間（例えば、シェル）内に存在している場合、熱源ガスはブロワにより伝熱面に供給される。

このように、蒸発器１５において、湿り蒸気の状態の冷媒Ｒ_Ｗが外部から吸熱して気化し、ガス冷媒Ｒ_Ｇとなる一方、凝縮器１２において、高温高圧のガス冷媒Ｒ_Ｇが外部へ放熱して凝縮し、液冷媒Ｒ_Ｌとなる。このような原理を利用して、ヒートポンプ１０は、蒸発器１５において、熱源水Ｗ２から熱を汲み上げ、凝縮器１２において、用水ラインＬ１の一次側から流れてくる用水Ｗ１を加温する。
そして、凝縮器１２を通過することにより加温されて温水となった用水Ｗ１は、用水ラインＬ１の二次側を通じて、不図示の温水需要箇所に供給される。

本実施形態のヒートポンプ１０はさらに、冷媒循環ラインＬ１０における凝縮器１２の下流側に、過冷却器１３を備えている。過冷却器１３は、凝縮器１２の上流側の用水Ｗ１と、凝縮器１２から膨張弁１４に向かって流れる液冷媒Ｒ_Ｌとを熱交換する。この過冷却器１３により、凝縮器１２の上流側の用水Ｗ１を用いて凝縮器１２から膨張弁１４に向かって流れる液冷媒Ｒ_Ｌの過冷却を行うことができると共に、凝縮器１２から膨張弁１４に向かって流れる液冷媒Ｒ_Ｌを用いて凝縮器１２の上流側の用水Ｗ１を加温することができる。

このように、凝縮器１２は、ガス冷媒Ｒ_Ｇの潜熱および顕熱を放出して、ガス冷媒Ｒ_Ｇを液冷媒Ｒ_Ｌへと変化させ、過冷却器１３は、液冷媒Ｒ_Ｌの顕熱を放出して、液冷媒Ｒ_Ｌの過冷却を行っている。このように、凝縮用の熱交換器と過冷却用の熱交換器を分けることで、熱交換器の設計が容易となり、コスト削減を図ることができる。

本実施形態のヒートポンプ１０はさらに、凝縮器１２から膨張弁１４に向かって流れる液冷媒Ｒ_Ｌと、蒸発器１５から圧縮機１１に向かって流れるガス冷媒Ｒ_Ｇとを熱交換する液ガス熱交換器１６を備える。より具体的には、本実施形態における液ガス熱交換器１６は、過冷却器１３から膨張弁１４に向かって流れる液冷媒Ｒ_Ｌと、蒸発器１５から圧縮機１１に向かって流れるガス冷媒Ｒ_Ｇとを熱交換する。
このような液ガス熱交換器１６を設けることにより、蒸発器１５に供給される熱源水Ｗ２の温度が低い場合であっても、膨張弁１４を通過した後の湿り蒸気状態の冷媒Ｒ_Ｗが、蒸発器１５に加えて液ガス熱交換器１６を通過するため、圧縮機１１に吸入されるガス冷媒Ｒ_Ｇの温度と圧力を高めることができる。これにより、圧縮機１１で圧縮されるガス冷媒Ｒ_Ｇの流量が増加するため、凝縮器１２での発熱量（凝縮器１２で冷媒Ｒが放出する熱量）が増加し、ヒートポンプ１０のＣＯＰ（エネルギー消費効率）が高まる。

ここで、ヒートポンプ１０のヒートポンプサイクルによって冷媒Ｒの温度が変化していく様子の一例について説明する。ここでは、冷媒Ｒとしてフロンガスを用い、過冷却器１３に流れ込む用水Ｗ１の温度が２０℃、凝縮器１２から出湯する用水Ｗ１の温度が７０℃、熱源水Ｗ２の温度が１０℃である場合の一例を示す。
圧縮機１１によって圧縮された冷媒Ｒは、ゲージ圧力２．０ＭＰａＧ、８６℃（飽和温度７０℃に対して過熱度１６℃）の高温高圧のガス冷媒Ｒ_Ｇとなる。その後、凝縮器１２および過冷却器１３を通過した冷媒Ｒは、２３℃の液冷媒Ｒ_Ｌとなり、さらに、液ガス熱交換器１６を通過した冷媒Ｒは、１３℃の液冷媒Ｒ_Ｌとなる。さらにその後、膨張弁１４を通過した冷媒Ｒは、７℃の湿り蒸気状態の冷媒Ｒ_Ｗとなる。湿り蒸気状態の冷媒Ｒ_Ｗは、蒸発器１５および液ガス熱交換器１６を通過して、ゲージ圧力０．２７ＭＰａＧ、１７℃（飽和温度７℃に対して過熱度１０℃）のガス冷媒Ｒ_Ｇとなる。このガス冷媒Ｒ_Ｇが圧縮機１１によって再び圧縮され、高温高圧のガス冷媒Ｒ_Ｇとなる。このようなサイクルを繰り返し、冷媒Ｒは循環する。

次に、図２に示すモリエル線図（ｐ－ｈ線図）を用いて、本実施形態のヒートポンプサイクルを説明する。
このモリエル線図の縦軸は冷媒の圧力（ｐ）であり、横軸は冷媒の比エンタルピー（ｈ）である。そして、モリエル線図には、飽和液線Ｙ１と、飽和蒸気線Ｙ２が示されている。このようなモリエル線図により、ヒートポンプサイクル中における冷媒Ｒの状態変化を表すことができる。冷媒Ｒは、飽和液線Ｙ１よりも左側で過冷却液状態（液冷媒Ｒ_Ｌの状態）、飽和液線Ｙ１と飽和蒸気線Ｙ２との間で気液混合状態である湿り蒸気状態（冷媒Ｒ_Ｗの状態）、飽和蒸気線Ｙ２より右側で過熱蒸気状態（ガス冷媒Ｒ_Ｇの状態）となる。

図２においてＲで示される実線は、適正な状態のヒートポンプサイクルにおける冷媒Ｒの状態の移り変わりを示している。
圧縮機１１に吸引された過熱蒸気状態のガス冷媒Ｒ_Ｇは、圧縮機１１において断熱圧縮されて高温高圧の過熱蒸気状態のガス冷媒Ｒ_Ｇとなり（ａ→ｂ）、その後、凝縮器１２で凝縮され、さらに過冷却器１３および液ガス熱交換器１６で過冷却されることにより過冷却液状態の液冷媒Ｒ_Ｌとなり（ｂ→ｃ）、さらにその後、膨張弁１４にて断熱膨張されることにより湿り蒸気状態の冷媒Ｒ_Ｗとなる（ｃ→ｄ）。そして、湿り蒸気状態の冷媒Ｒ_Ｗは、蒸発器１５において蒸発し、さらに液ガス熱交換器１６で加温されて、過熱蒸気状態のガス冷媒Ｒ_Ｇとなる（ｄ→ａ）。このようなサイクルで、冷媒Ｒは循環する。

ここで、図２における（ｂ→ｃ）の過程について詳細に説明すると、凝縮器１２は、ガス冷媒Ｒ_Ｇの潜熱および顕熱を放出して、ガス冷媒Ｒ_Ｇを液冷媒Ｒ_Ｌへと変化させ、過冷却器１３および液ガス熱交換器１６は、液冷媒Ｒ_Ｌの顕熱を放出して、液冷媒Ｒ_Ｌの過冷却を行っている。

本実施形態においては、蒸発器１５に加えて液ガス熱交換器１６が設けられていることにより、蒸発器１５に供給される熱源水Ｗ２の温度が低い場合であっても、膨張弁１４を通過した後の湿り蒸気状態の冷媒Ｒ_Ｗをより安定的に過熱蒸気状態のガス冷媒Ｒ_Ｇに変化させることができる（ｄ→ａ）。すなわち、冷媒Ｒ_Ｗを、モリエル線図における飽和蒸気線Ｙ２の右側の領域の状態に変化させることができる。
また、液ガス熱交換器１６によりガス冷媒Ｒ_Ｇの温度（過熱度）を高めることができるため、凝縮器１２での発熱量（凝縮器１２で冷媒Ｒが放出する熱量）を増加させて、ヒートポンプ１０のＣＯＰを高めることができる。

ここで、用水ラインＬ１から供給される用水Ｗ１の温度が低い（例えば、冬季における１５℃以下の低温水の使用）などの理由により、凝縮器１２、過冷却器１３、液ガス熱交換器１６を通過後の液冷媒Ｒ_Ｌが、極度に冷却されてしまうケースについて考える。
この場合、図３のモリエル線図において破線Ｒ２で示されるように、液ガス熱交換器１６を通過した後の液冷媒Ｒ_Ｌの状態を示す「ｃ２」の位置が、図２に示される適正な場合に比べて左側にずれてしまう。この場合、「ｃ２」の状態にある液冷媒Ｒ_Ｌは、膨張弁１４を通過した後も相状態が変化せず、液冷媒Ｒ_Ｌの状態を維持してしまう可能性がある（ｃ２→ｄ２）。すなわち、破線Ｒ２に示されるように、膨張弁１４を通過した後の冷媒Ｒの状態を示す「ｄ２」の位置が、飽和液線Ｙ１の左側の領域のままとなってしまう可能性がある。

膨張弁１４を通過後の冷媒Ｒが過冷却液状態であると、蒸発器１５および液ガス熱交換器１６で冷媒Ｒの気化が不十分となって（ｄ２→ａ２）圧縮機１１に湿り蒸気状態の冷媒Ｒ_Ｗが送られるようになる。圧縮機１１が湿り蒸気状態の冷媒Ｒ_Ｗを吸入すると、液圧縮によるリキッドハンマー等により、圧縮機１１を破損させるおそれがある。
運よくリキッドハンマーが起こらない状態であっても、湿り蒸気の液体部分は非圧縮性であるので、断熱圧縮を経た冷媒Ｒ_Ｗは湿り蒸気状態のままである。そのため、圧縮機１１から吐出される冷媒Ｒ_Ｗの温度と圧力が低下する（ａ２→ｂ２）ので、凝縮器１２での発熱量が減ることに加えて膨張弁１４に送られる液冷媒Ｒ_Ｌの過冷却も進行しやすくなる。その結果、当初に計画していた冷凍サイクルを実現できなくなる。

そこで、このような状況を防ぐために、本実施形態のヒートポンプ回路は、図１に示すように、液冷媒Ｒ_Ｌが液ガス熱交換器１６を通過することを迂回するための液冷媒バイパス手段２０を備えている。液冷媒バイパス手段２０は、冷媒バイパスラインＬ２０と、冷媒バイパスラインＬ２０を流れる液冷媒Ｒ_Ｌの流量を調整するバイパス流量調整部を備えている。冷媒バイパスラインＬ２０は、分岐部Ａで冷媒循環ラインＬ１０から分岐し、合流部Ｂで冷媒循環ラインＬ１０と合流している。
バイパス流量調整部は、液ガス熱交換器１６に向かう液冷媒Ｒ_Ｌの流量と、冷媒バイパスラインＬ２０に流入させる液冷媒Ｒ_Ｌの流量とを分配できるものであればよく、冷媒バイパスラインＬ２０に設けられていてもよいし、冷媒循環ラインＬ１０に設けられていてもよい。あるいは、その両方や、分岐部に設けられていてもよい。本実施形態においては、分岐部Ａに三方弁２１が設けられている。

三方弁２１は、後述する制御部１００から入力される開度指定信号に対応する開度で作動される弁機構（三方型比例制御弁）である。この三方弁２１は、液ガス熱交換器１６に向かう第１出口ポート側に流れる液冷媒Ｒ_Ｌの流量と、冷媒バイパスラインＬ２０に向かう第２出口ポート側に流れる液冷媒Ｒ_Ｌの流量との流量比を調整可能である。すなわち、三方弁２１は、開度を調整するアクチュエータ回路（図示せず）を備え、このアクチュエータ回路に０～１００％の開度指定信号が入力されることにより、第１出口ポート側の開度と第２出口ポート側の開度とが調節される。但し、第１出口ポート側および第２出口ポート側の流量比の合計は常に１００％である。なお、三方弁２１の開度は、第１出口ポート側の開度が基準となっており、第１出口ポート側の開度が、０％→２５％→５０％→７５％→１００％となる場合、第２出口ポート側の開度は、１００％→７５％→５０％→２５％→０％となる。

そして、冷媒循環ラインＬ１０には、膨張弁１４に流入する液冷媒Ｒ_Ｌの温度情報を測定する温度センサ２２が設けられている。この温度センサ２２は、液ガス熱交換器１６から膨張弁１４に向かう冷媒循環ラインＬ１０と冷媒バイパスラインＬ２０との合流部Ｂの下流側に配置されている。これにより、膨張弁に流入する液冷媒Ｒ_Ｌの温度を測定することができる。より好ましくは、膨張弁１４に流入する直前の液冷媒Ｒ_Ｌの温度を測定するために、膨張弁１４の上流側であって、膨張弁１４の近傍に温度センサ２２は配置される。

ここで、本実施形態のヒートポンプシステム１は制御部１００を備える。この制御部１００は、温度センサ２２が測定した温度情報と、目標温度とに基づき、バイパス流量調整部としての三方弁２１を制御する。制御部１００は、バイパス流量の調整を通じて、膨張弁１４に流入する液冷媒Ｒ_Ｌの過冷却度を一定値に、または一定範囲に保つように制御する（過冷却度一定制御）。

具体的には、制御部１００は、温度センサ２２が測定した温度情報に基づき、膨張弁１４に流入する液冷媒Ｒ_Ｌの温度が目標温度となるように三方弁２１を制御する。これにより、液ガス熱交換器１６に向かう第１出口ポート側に流れる液冷媒Ｒ_Ｌの流量と、冷媒バイパスラインＬ２０に向かう第２出口ポート側に流れる液冷媒Ｒ_Ｌの流量との流量比を調整する。
例えば、制御部１００は、温度センサ２２により測定した温度情報と目標温度とを比較し、目標温度に比べて液冷媒Ｒ_Ｌの温度が低いときは、バイパス流量を増やす方向となるような開度指定信号を生成し、その信号を三方弁２１に供給する。一方、目標温度に比べて液冷媒Ｒ_Ｌの温度が高いときは、バイパス流量を減らす方向となるような開度指定信号を生成し、その信号を三方弁２１に供給する。この流量比の調整には、ＰＩＤアルゴリズムによるフィードバック制御を用いるのが好適である。

また、温度閾値に基づいて、バイパス流量調整部の切り替え制御を行う構成を採用してもよい。例えば、測定した温度情報が第１温度閾値を下回ったとき、１００％の流量が冷媒バイパスラインＬ２０に向かうようにバイパス流量調整部を制御する。一方、測定した温度情報が第２温度閾値を上回ったとき、１００％の流量が液ガス熱交換器１６に向かうようにバイパス流量調整部を制御する。この制御は、例えばバイパス流量調整部を構成する弁の開閉制御等によって行われる。なお、第１温度閾値と第２温度閾値を同じ温度としてもよいし、第２温度閾値を第１温度閾値よりも高い温度としてもよい。

このように、膨張弁１４に流入する前の液冷媒Ｒ_Ｌの温度情報に基づいて、液ガス熱交換器１６を通過する液冷媒Ｒ_Ｌの流量を調整することで、膨張弁１４に流入する前の液冷媒Ｒ_Ｌが極度に冷却されることがなくなる。よって、膨張弁１４を通過した後の冷媒Ｒが確実に湿り蒸気状態に相変化する。
すなわち、液ガス熱交換器１６を通過する液冷媒Ｒ_Ｌの流量を調整することで、図３のモリエル線図において実線Ｒ３で示されるように、液ガス熱交換器１６を通過した後の液冷媒Ｒ_Ｌの状態を示す位置が「ｃ３」となり、適正な位置となる。この場合、「ｃ３」の状態にある液冷媒Ｒ_Ｌは、膨張弁１４を通過した後、適正に湿り蒸気状態の冷媒Ｒ_Ｗとなる（ｃ３→ｄ３）。すなわち、実線Ｒ３に示されるように、膨張弁１４を通過した後の冷媒Ｒの状態を示す「ｄ３」の位置が、飽和液線Ｙ１の右側の領域に入る。
このように、膨張弁１４を通過した後の冷媒Ｒが確実に湿り蒸気状態の冷媒Ｒ_Ｗとなるように、液ガス熱交換器１６を通過する液冷媒Ｒ_Ｌの流量を調整することで、蒸発器１５および液ガス熱交換器１６で冷媒Ｒの気化が効率よく進行する。その結果、圧縮機１１において液圧縮を防止しつつ、吐出されるガス冷媒Ｒ_Ｇの過熱度を高めることができる。

なお、ヒートポンプシステム１は、図１に示すように、ヒートポンプ１０により加温されて温水となった用水Ｗ１の温度を検出する給湯温度センサ４２を備えていてもよい。
また、ヒートポンプ１０の圧縮機１１は、その出力が変更可能に構成されていてもよい。例えば、インバータ制御により、圧縮機１１のモータ１７の回転数を変更できるように構成されていてもよい。この場合、給湯温度センサ４２が検出した検出温度が目標温度となるように、圧縮機１１の回転数を制御する構成を採用することができる。この圧縮機１１の回転数の調整には、ＰＩＤアルゴリズムによるフィードバック制御を用いるのが好適である。

また、給湯温度センサ４２が検出した検出温度に基づき、用水ラインＬ１に設けられた図示しない流量調節弁の開度、または図示しない給水ポンプの回転数を制御する構成を採用してもよい。この場合、給湯温度センサ４２が検出した検出温度が目標温度となるように、ヒートポンプ１０への用水Ｗ１の供給流量を調整することができる。この供給流量の調整には、ＰＩＤアルゴリズムによるフィードバック制御を用いるのが好適である。

以上説明した本実施形態のヒートポンプシステム１によれば、以下のような効果を奏する。

（１）本実施形態のヒートポンプシステム１は、圧縮機１１、凝縮器１２、膨張弁１４および蒸発器１５が順次環状に接続されて冷媒Ｒを循環させ、蒸発器１５に通される熱源流体としての熱源水Ｗ２から熱をくみ上げ、凝縮器１２に通される加温対象流体としての用水Ｗ１を加温するヒートポンプシステム１であって、凝縮器１２から膨張弁１４に向かって流れる液冷媒Ｒ_Ｌと蒸発器１５から圧縮機１１に向かって流れるガス冷媒Ｒ_Ｇとを熱交換する液ガス熱交換器１６と、液冷媒Ｒ_Ｌが液ガス熱交換器１６を通過することを迂回するための冷媒バイパスラインＬ２０と、冷媒バイパスラインＬ２０を流れる液冷媒Ｒ_Ｌの流量を調整するバイパス流量調整部としての三方弁２１と、膨張弁１４に流入する液冷媒Ｒ_Ｌの温度情報を測定する温度センサ２２と、測定された温度情報に基づき、バイパス流量調整部としての三方弁２１を制御する制御部１００と、を備える。
これにより、蒸発器１５に通される熱源水Ｗ２の温度が低い場合であっても、膨張弁１４を通過した後の冷媒Ｒ_Ｗが蒸発器１５に加えて液ガス熱交換器１６を通過するため、圧縮機１１に吸入されるガス冷媒Ｒ_Ｇの温度を高めることができる。よって、圧縮機１１から吐出されるガス冷媒Ｒ_Ｇの温度が上昇（すなわち、過熱度が上昇）するため、凝縮器１２での発熱量が増加し、ヒートポンプ１０のＣＯＰが高まる。
さらに、膨張弁１４に流入する前の液冷媒Ｒ_Ｌの温度情報に基づいて、液ガス熱交換器１６を通過する液冷媒Ｒ_Ｌの流量を調整することができるため、液冷媒Ｒ_Ｌが極度に冷却されることがなくなる。よって、膨張弁１４を通過した後の冷媒Ｒが確実に湿り蒸気に相変化することで、蒸発器１５および液ガス熱交換器１６では、冷媒Ｒの気化が確実に行われるので、液圧縮による圧縮機１１の破損を防止することができる。

（２）本実施形態のヒートポンプシステム１は、凝縮器１２より上流側の加温対象流体としての用水Ｗ１と、凝縮器１２から膨張弁１４に向かって流れる液冷媒Ｒ_Ｌとを熱交換する過冷却器１３をさらに備え、液ガス熱交換器１６は、過冷却器１３から膨張弁１４に向かって流れる液冷媒Ｒ_Ｌと、蒸発器１５から圧縮機１１に向かって流れるガス冷媒Ｒ_Ｇとを熱交換する。
これにより、用水Ｗ１が過冷却器１３および凝縮器１２を通過するため、過冷却器１３では液冷媒Ｒ_Ｌの顕熱を利用して、また凝縮器１２ではガス冷媒Ｒ_Ｇの顕熱および潜熱を利用して、用水Ｗ１を効率的に加温することができる。

（３）本実施形態の冷媒バイパスラインＬ２０は、液冷媒Ｒ_Ｌを、液ガス熱交換器１６を通過することなく、凝縮器１２から膨張弁１４に向かって流すラインであり、温度センサ２２は、液ガス熱交換器１６から膨張弁１４に向かって液冷媒Ｒ_Ｌを流すラインと冷媒バイパスラインＬ２０との合流部Ｂの下流側に配置されている。
これにより、バイパス流量調整部としての三方弁２１の制御を、膨張弁１４に流入する液冷媒Ｒ_Ｌの温度情報、すなわち過冷却度に基づいて適切に実行することができる。

（４）本実施形態の制御部１００は、膨張弁１４に流入する液冷媒Ｒ_Ｌの温度が目標温度となるように、バイパス流量調整部としての三方弁２１を制御する。
これにより、膨張弁１４に流入する液冷媒Ｒ_Ｌの温度が目標温度となるようにバイパス流量を制御するため、膨張弁１４を通過した後の冷媒を確実に湿り蒸気に相変化させることができる。よって、蒸発器１５および液ガス熱交換器１６では、冷媒Ｒの気化が確実に行われるので、液圧縮による圧縮機１１の破損を防止することができる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について、図４～５を参照しながら説明する。なお、第１実施形態と同様の構成についてはその説明を省略する。

第２実施形態のヒートポンプシステム１は、図４に示すように、冷媒循環ラインＬ１０に、膨張弁１４に流入する液冷媒Ｒ_Ｌの圧力を測定する圧力センサ２３を備える。
そして、制御部１００は、圧力センサ２３が測定した圧力に基づいて前述の目標温度を設定し、この目標温度と温度センサ２２が測定した温度情報とに基づき、バイパス流量調整部としての三方弁２１を制御する。

ここで、このような制御を行う理由について、図５のモリエル線図を用いて説明する。
図５において破線Ｒ４で示されるように、膨張弁１４に流入する過冷却液状態の液冷媒Ｒ_Ｌの圧力が高い場合は、膨張弁１４での減圧量が十分でないと、冷媒Ｒが湿り蒸気の状態とならない（ｃ４→ｄ４）。すなわち、冷媒Ｒを湿り蒸気の状態とするためには、一点鎖線Ｒ５で示されるように、膨張弁１４での減圧量を大きく取らなくてはならない（ｃ４→ｄ５）。

このような状況に対して、膨張弁１４に流入する過冷却液状態の液冷媒Ｒ_Ｌの目標温度を高めの温度に設定する（すなわち、冷媒Ｒの過冷却度を小さく設定する）ことで、図５のモリエル図において実線Ｒ６で示されるように、少ない減圧量であっても、膨張弁を通過した後の冷媒Ｒを、湿り蒸気状態の冷媒Ｒ_Ｗとすることができる（ｃ６→ｄ６）。

このように、膨張弁１４に流入する液冷媒Ｒ_Ｌの圧力に基づいて目標温度を設定する構成を採用することにより、膨張弁１４を通過した後の冷媒Ｒを、適切に湿り蒸気状態の冷媒Ｒ_Ｗに相変化させることができる。よって、蒸発器１５および液ガス熱交換器１６では、冷媒Ｒの気化が確実に行われるので、液圧縮による圧縮機１１の破損を防止することができる。

以上説明した本実施形態のヒートポンプシステム１によれば、（１）～（４）に加えて、以下のような効果が奏される。

（５）本実施形態のヒートポンプシステム１における目標温度は、膨張弁１４に流入する液冷媒Ｒ_Ｌの圧力に基づいて設定される。
膨張弁１４に流入する過冷却液としての液冷媒Ｒ_Ｌの圧力が高いほど、膨張弁１４での減圧量を大きく取らないと湿り蒸気が生成しない。この場合、過冷却液をより高い目標温度で膨張弁１４に流入させることで、少ない減圧量で湿り蒸気を生成させることができる。これにより、膨張弁１４を通過した後の冷媒Ｒを確実に湿り蒸気に相変化させることができる。よって、蒸発器１５および液ガス熱交換器１６では、冷媒Ｒの気化が確実に行われるので、液圧縮による圧縮機１１の破損を防止することができる。

＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態について、図６を参照しながら説明する。なお、第１実施形態と同様の構成についてはその説明を省略する。

第３実施形態のヒートポンプシステム１は、図６に示すように、凝縮器１２から流出した液冷媒Ｒ_Ｌが液ガス熱交換器１６に流入し、液ガス熱交換器１６から流出した液冷媒Ｒ_Ｌが過冷却器１３に流入する。すなわち、本実施形態の液ガス熱交換器１６は、凝縮器１２から過冷却器１３に向かって流れる液冷媒Ｒ_Ｌと、蒸発器１５から圧縮機１１に向かって流れるガス冷媒Ｒ_Ｇとを熱交換する。

このような構成であっても、用水Ｗ１が過冷却器１３および凝縮器１２を通過するので、凝縮器１２ではガス冷媒Ｒ_Ｇの顕熱および潜熱を利用して、過冷却器１３では液冷媒Ｒ_Ｌの顕熱を利用して用水Ｗ１を効率的に加温することができる。

なお、第３実施形態においても、第２実施形態と同様、膨張弁１４に流入する液冷媒Ｒ_Ｌの圧力を計測する圧力センサ２３を設け、その検出結果に基づいて、上述の目標温度を設定してもよい。

以上説明した本実施形態のヒートポンプシステム１によれば、（１）、（３）～（５）に加えて、以下のような効果が奏される。

（６）本実施形態のヒートポンプシステム１は、凝縮器１２より上流側の加温対象流体としての用水Ｗ１と、凝縮器１２から膨張弁１４に向かって流れる液冷媒Ｒ_Ｌとを熱交換する過冷却器１３をさらに備え、液ガス熱交換器１６は、凝縮器１２から過冷却器１３に向かって流れる液冷媒Ｒ_Ｌと、蒸発器１５から圧縮機１１に向かって流れるガス冷媒Ｒ_Ｇとを熱交換する。
これにより、用水Ｗ１が過冷却器１３および凝縮器１２を通過するため、過冷却器１３では液冷媒Ｒ_Ｌの顕熱を利用して、また凝縮器１２ではガス冷媒Ｒ_Ｇの顕熱および潜熱を利用して、加温対象流体を効率的に加温することができる。

＜第４実施形態＞
次に、第４実施形態について、図７を参照しながら説明する。なお、第１実施形態と同様の構成についてはその説明を省略する。

第４実施形態のヒートポンプシステム１は、図７に示すように、液冷媒Ｒ_Ｌが液ガス熱交換器１６を通過することを迂回するための液冷媒バイパス手段２０に換えて、ガス冷媒Ｒ_Ｇが液ガス熱交換器１６を通過することを迂回するためのガス冷媒バイパス手段３０を備えている。ガス冷媒バイパス手段３０は、冷媒バイパスラインＬ３０と、冷媒バイパスラインＬ３０を流れるガス冷媒Ｒ_Ｇの流量を調整するバイパス流量調整部とを備えている。冷媒バイパスラインＬ３０は、分岐部Ｃで冷媒循環ラインＬ１０から分岐し、合流部Ｄで冷媒循環ラインＬ１０と合流している。
冷媒バイパス流量調整部は、液ガス熱交換器１６に向かう冷媒循環ラインＬ１０を流れるガス冷媒Ｒ_Ｇの流量と、冷媒バイパスラインＬ３０に流入させるガス冷媒Ｒ_Ｇの流量とを適切に分配するものであればよく、冷媒バイパスラインＬ３０に設けられていてもよいし、冷媒循環ラインＬ１０に設けられていてもよい。あるいは、その両方や、分岐部に設けられていてもよい。本実施形態においては、分岐部Ｃに三方弁３１が設けられている。

そして、制御部１００は、温度センサ２２が測定した温度情報と、目標温度とに基づき、バイパス流量調整部としての三方弁３１を制御する。

具体的には、制御部１００は、温度センサ２２が測定した温度情報に基づき、膨張弁１４に流入する液冷媒Ｒ_Ｌの温度が目標温度となるように三方弁３１を制御する。例えば、制御部１００は、温度センサ２２により測定した温度情報と目標温度とを比較し、目標温度に比べて液冷媒Ｒ_Ｌの温度が低いときは、バイパス流量を増やす方向となるような開度指定信号を生成し、三方弁３１に供給する。一方、目標温度に比べて液冷媒Ｒ_Ｌの温度が高いときは、バイパス流量を減らす方向となるような開度指定信号を生成し、三方弁３１に供給する。制御部１００は、ＰＩＤ制御等の各種の制御手法を用いて、このような制御を実行する。

また、温度閾値に基づいて、バイパス流量調整部の切り替え制御を行う構成を採用してもよい。例えば、測定した温度情報が第１温度閾値を下回ったとき、１００％の流量が冷媒バイパスラインＬ３０に向かうようにバイパス流量調整部を制御する。一方、測定した温度情報が第１温度閾値よりも高温の第２温度閾値を上回ったとき、１００％の流量が液ガス熱交換器１６に向かうように冷媒バイパス流量調整部を制御する。この制御は、例えばバイパス流量調整部を構成する弁の開閉制御等によって行われる。なお、第１温度閾値と第２温度閾値を同じ温度としてもよいし、第２温度閾値を第１温度閾値よりも高い温度としてもよい。

このような構成であっても、膨張弁に流入する前の液冷媒Ｒ_Ｌの温度情報に基づいて、液ガス熱交換器１６を通過するガス冷媒Ｒ_Ｇの流量を調整することができるため、液冷媒Ｒ_Ｌが極度に冷却されることがなくなる。よって、膨張弁１４を通過した後の冷媒Ｒが確実に湿り蒸気状態に相変化し、蒸発器１５および液ガス熱交換器１６では、冷媒Ｒの気化が確実に行われるので、液圧縮による圧縮機１１の破損を防止することができる。

なお、第４実施形態においても、第２実施形態と同様、膨張弁１４に流入する液冷媒Ｒ_Ｌの圧力を計測する圧力センサ２３を設け、その検出結果に基づいて、上述の目標温度を設定してもよい。

以上説明した本実施形態のヒートポンプシステム１によれば、（１）～（２）、（４）～（６）に加えて、以下のような効果が奏される。

（７）本実施形態の冷媒バイパスラインＬ３０は、ガス冷媒Ｒ_Ｇを、液ガス熱交換器１６を通過することなく、蒸発器１５から圧縮機１１に向かって流すラインであり、制御部１００は、膨張弁１４に流入する液冷媒Ｒ_Ｌの温度が目標温度となるように、バイパス流量調整部としての三方弁３１を制御する。
これにより、膨張弁１４に流入する液冷媒Ｒ_Ｌの温度が目標温度となるようにバイパス流量を制御するため、膨張弁１４を通過した後の冷媒を確実に湿り蒸気に相変化させることができる。よって、蒸発器１５および液ガス熱交換器１６では、冷媒Ｒの気化が確実に行われるので、液圧縮による圧縮機１１の破損を防止することができる。

なお、各実施形態等において示されるように、ヒートポンプシステム１は、凝縮器１２に加えて、過冷却器１３を備えることが好ましいが、凝縮器１２のみを設けて、凝縮器１２によって凝縮および必要な過冷却を行う構成としてもよい。

なお、ヒートポンプシステム１により加温する加温対象流体は、用水Ｗ１に限らず、その他の液体や、気体であってもよい。すなわち、温水製造システムに限らず、様々な加温対象流体を加温するためのシステムに適用することが可能である。

以上、本発明のヒートポンプシステムの好ましい各実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。また、複数の実施形態を組み合わせることも可能である。

１…ヒートポンプシステム
１０…ヒートポンプ
１１…圧縮機
１２…凝縮器
１３…過冷却器
１４…膨張弁
１５…蒸発器
１６…液ガス熱交換器
２０…液冷媒バイパス手段
２１…三方弁（バイパス流量調整部）
２２…温度センサ
２３…圧力センサ
３０…ガス冷媒バイパス手段
３１…三方弁（バイパス流量調整部）
１００…制御部
Ｌ１…用水ライン
Ｌ２…熱源水ライン
Ｌ１０…冷媒循環ライン
Ｌ２０…冷媒バイパスライン
Ｌ３０…冷媒バイパスライン
Ｒ…冷媒
Ｒ_Ｇ…ガス冷媒
Ｒ_Ｌ…液冷媒
Ｒ_Ｗ…湿り蒸気状態の冷媒
Ｗ１…用水（加温対象流体）
Ｗ２…熱源水（熱源流体）
Ｂ…合流部

Claims

圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続された冷媒循環ラインに冷媒を循環させ、前記蒸発器を通過する熱源流体から熱を汲み上げながら前記凝縮器を通過する加温対象流体を加温するヒートポンプシステムであって、
前記凝縮器から前記膨張弁に向かって流れる液冷媒と前記蒸発器から前記圧縮機に向かって流れるガス冷媒とを熱交換する液ガス熱交換器と、
前記液ガス熱交換器の前記液冷媒側の前記冷媒循環ラインにおいて、前記液ガス熱交換器の入口流路から分岐し、出口流路に合流する冷媒バイパスラインと、
前記液ガス熱交換器に分配させる前記液冷媒の流量と、前記冷媒バイパスラインに分配させる前記液冷媒の流量との流量比を、前記液冷媒を減圧することなく調整するバイパス流量調整部と、
前記膨張弁に流入する液冷媒の温度情報を測定する温度センサと、
前記バイパス流量調整部を制御する制御部と、を備え、
前記冷媒バイパスラインの合流点は、前記膨張弁の入口流路に位置しており、
前記温度センサは、前記冷媒バイパスラインの合流点よりも下流側に配置され、
前記制御部は、前記温度センサの温度情報に基づき、前記膨張弁に流入する前記液冷媒の過冷却度を一定値、または一定範囲に保つように、前記バイパス流量調整部を制御するヒートポンプシステム。
圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続された冷媒循環ラインに冷媒を循環させ、前記蒸発器を通過する熱源流体から熱を汲み上げながら前記凝縮器を通過する加温対象流体を加温するヒートポンプシステムであって、
前記凝縮器から前記膨張弁に向かって流れる液冷媒と前記蒸発器から前記圧縮機に向かって流れるガス冷媒とを熱交換する液ガス熱交換器と、
前記液ガス熱交換器のガス冷媒側の前記冷媒循環ラインにおいて、前記液ガス熱交換器の入口流路から分岐し、出口流路に合流する冷媒バイパスラインと、
前記液ガス熱交換器に分配させる前記ガス冷媒の流量と、前記冷媒バイパスラインに分配させる前記ガス冷媒の流量との流量比を調整するバイパス流量調整部と、
前記膨張弁に流入する前記液冷媒の温度情報を測定する温度センサと、
前記バイパス流量調整部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記温度センサの温度情報に基づき、前記膨張弁に流入する前記液冷媒の過冷却度を一定値、または一定範囲に保つように、前記バイパス流量調整部を制御するヒートポンプシステム。
前記制御部は、前記膨張弁に流入する前記液冷媒の温度が目標温度となるように、前記バイパス流量調整部を制御する、請求項１又は請求項２に記載のヒートポンプシステム。
前記目標温度は、前記膨張弁に流入する液冷媒の圧力に基づいて設定される、請求項３に記載のヒートポンプシステム。
前記凝縮器より上流側の加温対象流体と、前記凝縮器から前記膨張弁に向かって流れる前記液冷媒とを熱交換する過冷却器をさらに備え、
前記液ガス熱交換器は、前記過冷却器から前記膨張弁に向かって流れる前記液冷媒と、前記蒸発器から前記圧縮機に向かって流れるガス冷媒とを熱交換する、請求項１～４のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム。
前記凝縮器より上流側の加温対象流体と、前記凝縮器から前記膨張弁に向かって流れる前記液冷媒とを熱交換する過冷却器をさらに備え、
前記液ガス熱交換器は、前記凝縮器から前記過冷却器に向かって流れる前記液冷媒と、前記蒸発器から前記圧縮機に向かって流れるガス冷媒とを熱交換する、請求項１～４のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム。