WO2010119642A1 - ヒートポンプ式暖房装置 - Google Patents

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WO2010119642A1
WO2010119642A1 PCT/JP2010/002542 JP2010002542W WO2010119642A1 WO 2010119642 A1 WO2010119642 A1 WO 2010119642A1 JP 2010002542 W JP2010002542 W JP 2010002542W WO 2010119642 A1 WO2010119642 A1 WO 2010119642A1
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liquid
heat exchanger
radiator
heat pump
refrigerant
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尾形雄司
岡市敦雄
藥丸雄一
長谷川寛
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パナソニック株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a heat pump type heating apparatus that performs heating using a heated liquid generated by a heat pump (refrigeration cycle apparatus).
  • Patent Document 1 discloses a heat pump heating device 100 as shown in FIG.
  • the heat pump heating apparatus 100 includes a heat pump 200 having a refrigerant circuit 10 that circulates refrigerant and a circulation path 16 that circulates water.
  • the refrigerant circuit 10 is configured by connecting a compressor 11, a radiator 12, an expansion valve 13, and an evaporator 14 in this order by piping.
  • the circulation path 16 has a hot water storage tank 15. Water extracted from the hot water storage tank 15 is sent to the radiator 12 to generate hot water, and the hot water is stored in the hot water storage tank 15. The hot water stored in the hot water storage tank 15 is sent to, for example, the heater 17 disposed in the living room, where it is radiated and then returned to the hot water storage tank 15.
  • Patent Document 2 discloses a heat pump 201 including an internal heat exchanger 18 as shown in FIG. 11 as a heat pump for hot water supply.
  • the internal heat exchanger 18 is for causing heat exchange between the high-pressure refrigerant flowing out of the radiator 12 and the low-pressure refrigerant flowing out of the evaporator 14. With this configuration, the temperature of the low-pressure refrigerant sucked into the compressor 11 increases, and hot water having a higher temperature is generated.
  • Patent Document 3 discloses a heat pump 202 as shown in FIG. 12A.
  • the first radiator 12A and the second radiator 12B are provided as radiators for radiating the refrigerant, and after the high-pressure refrigerant radiated by the first radiator 12A radiates heat by the internal heat exchanger 18, The heat is further guided by being guided to the second radiator 12B.
  • the water flowing through the flow passage 19 is further heated by the first radiator 12A after being heated by the second radiator 12B.
  • the heat pump type heating apparatus 100 shown in FIG. 10 for example, when the heating operation is performed for a long time, the temperature of water does not decrease so much in the heater 17, and the medium temperature (for example, 40 (About 60 ° C. to 60 ° C.) may be supplied.
  • the medium temperature for example, 40 (About 60 ° C. to 60 ° C.)
  • the heat exchange efficiency in the radiator 12 is lowered, and the COP (Coefficient of Performance) of the heat pump 200 is lowered.
  • This problem is the same even when the heat pump 201 shown in FIG. 11 or the heat pump 202 shown in FIG. 12A is adopted as the heat pump of the heat pump heating device 100 shown in FIG.
  • the present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to improve the COP of the heat pump even in the case where an intermediate temperature liquid is sent to the heat pump in the heat pump type heating device.
  • the present invention provides a compressor that converts a low-pressure refrigerant into a high-pressure refrigerant, a radiator that dissipates the high-pressure refrigerant, an expansion means that converts the high-pressure refrigerant into a low-pressure refrigerant, and an evaporator that absorbs heat from the low-pressure refrigerant.
  • a refrigerant circuit including: a circulation path that circulates the liquid via the radiator to generate heated liquid; a heater that releases heat of the heated liquid; and the heat dissipation provided in the refrigerant circuit
  • An internal heat exchanger that transfers heat from the high-pressure refrigerant radiated by the radiator to the low-pressure refrigerant, and a liquid that cools the liquid flowing through the circulation path before flowing into the radiator by the high-pressure refrigerant that has flowed out of the internal heat exchanger
  • a heat pump type heating device including a cooling heat exchanger.
  • the low temperature liquid can be introduced into the radiator, and the COP of the heat pump can be improved.
  • the schematic block diagram of the heat pump type heating apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. Mollier diagram of the heat pump used in the heat pump heating system shown in FIG. The schematic block diagram of the heat pump type heating apparatus which concerns on the modification of 1st Embodiment of this invention. The schematic block diagram of the heat pump type heating apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention. Mollier diagram of the heat pump used in the heat pump heater shown in FIG. The schematic block diagram of the heat pump type heating apparatus which concerns on 3rd Embodiment of this invention. The schematic block diagram of the heat pump type heating apparatus which concerns on 4th Embodiment of this invention. The schematic block diagram of the heat pump type heating apparatus which concerns on 5th Embodiment of this invention.
  • FIG. 12A Schematic configuration diagram of a conventional heat pump heating system
  • FIG. 12B is a graph showing the temperature of refrigerant and water passing through the first and second radiators in the heat pump shown in FIG. 12A.
  • FIG. 1 shows a heat pump heating device 1A according to the first embodiment of the present invention.
  • This heat pump heating device 1A includes a heat pump 20A having a refrigerant circuit 3 for circulating a refrigerant, a circulation path 5 for circulating a liquid, and a control device 6 that performs overall control of the device.
  • the circulation path 5 circulates the liquid via a radiator 22 described later in order to generate a heated liquid.
  • the heater 4 that releases the heat of the heating liquid is incorporated in the circulation path 5, the liquid circulates without stopping, and the generated heating liquid directly radiates heat in the heater 4. ing. That is, the circulation path 5 also functions as a heating circuit.
  • water is used as the liquid that is the heat medium.
  • the liquid of the present invention is not necessarily limited thereto, and any liquid may be used as long as it can receive heat from the refrigerant circulating in the refrigeration circuit 3 and can radiate heat to the atmosphere by the heater 4.
  • an antifreeze liquid in which propylene glycol or the like is mixed in water can be used as the liquid.
  • the liquid is water and the heated liquid is hot water.
  • the refrigerant circuit 3 includes a compressor 21 that converts low-pressure refrigerant into high-pressure refrigerant, a radiator 22 that dissipates high-pressure refrigerant, an expansion valve 25A that is an expansion unit that converts high-pressure refrigerant into low-pressure refrigerant, an evaporator 26 that absorbs heat from the low-pressure refrigerant, and The first to fourth pipes 31 to 34 connect these devices in this order.
  • heat heat is exchanged between the water passing through the radiator 22 and the refrigerant to heat the water.
  • the evaporator 26 heat is exchanged between the air blown by the fan 26a and the refrigerant, and the refrigerant absorbs heat.
  • the refrigerant circuit 3 is filled with oxygen dioxide that becomes a supercritical state on the high-pressure side as a refrigerant.
  • the refrigerant circuit 3 is provided with an internal heat exchanger 23A straddling the second pipe 32 and the fourth pipe 34, and the second pipe 32 is liquid-cooled downstream of the internal heat exchanger 23A.
  • An industrial heat exchanger 24 is provided.
  • the internal heat exchanger 23A performs heat exchange between the high-pressure refrigerant flowing out of the radiator 22 and the low-pressure refrigerant flowing out of the evaporator 26, and transfers heat from the high-pressure refrigerant radiated by the radiator 22 to the low-pressure refrigerant. It is something to be made.
  • the liquid cooling heat exchanger 24 cools the water flowing through the circulation path 5 before flowing into the radiator 22 with the high-pressure refrigerant flowing out from the internal heat exchanger 23A.
  • the heater 4 is for heating a living room, for example, by heat radiation.
  • a radiator installed in a living room may be adopted, or a hot water panel laid on the floor may be adopted.
  • the circulation path 5 includes a supply pipe 51 that leads water from the heater 4 to the liquid cooling heat exchanger 24, a relay pipe 52 that leads water from the liquid cooling heat exchanger 24 to the radiator 22, and heating from the radiator 22. And a recovery pipe 53 that guides the hot water to the machine 4.
  • the supply pipe 51 is provided with a pump 62. Further, the supply pipe 51 is provided with a temperature sensor 61 that detects the temperature of the water flowing into the supply pipe 51 from the heater 4.
  • the portion of the supply pipe 51 downstream of the pump 62 and the relay pipe 52 are connected by a bypass pipe 54.
  • the supply pipe 51 is provided with a three-way valve 63, and the upstream end of the bypass pipe 54 is connected to the three-way valve 63.
  • the downstream end of the bypass pipe 54 is connected in the middle of the relay pipe 52.
  • the three-way valve 63 circulates water without passing through the bypass pipe 54, that is, circulates water through both the liquid heat exchanger 24 and the radiator 22, or circulates water through the bypass pipe 54, that is, It switches whether water is circulated only through the radiator 22 and constitutes the switching means of the present invention.
  • the switching means of the present invention does not need to be configured by the three-way valve 63, and is provided, for example, on the downstream side of the position where the bypass pipe 54 in the supply pipe 51 and the on-off valve provided in the bypass pipe 54 are connected.
  • the on-off valve may be configured.
  • the control device 6 includes a microcomputer or a DSP (digital signal processor) and is connected to the heat pump 20A, the pump 62, the temperature sensor 61, and the three-way valve 63 described above.
  • a microcomputer or a DSP digital signal processor
  • control performed by the control device 6 will be specifically described.
  • the control device 6 When the heating switch (not shown) is turned ON by the user, for example, the control device 6 operates the heat pump 20A and rotates the pump 62. Thereby, water is heated by the radiator 22 to generate hot water, and this hot water is sent to the heater 4 for heating.
  • the control device 6 monitors the temperature of the water flowing into the supply pipe 51 by the temperature sensor 61.
  • the control device 6 causes the water to circulate through the bypass pipe 54.
  • the three-way valve 63 is controlled as described above. Specifically, the control device 6 sets the three-way valve 63 in a state where the upstream portion 51 a and the bypass pipe 54 communicate with each other than the three-way valve 63 of the supply pipe 51. As a result, the first route that passes only through the radiator 22 is selected.
  • the refrigerant circulating in the refrigerant circuit 3 operates as follows.
  • the refrigerant is compressed to high temperature and high pressure by the compressor 21 and then flows into the radiator 22 where it dissipates heat to the water flowing through the circulation path 5.
  • the refrigerant that has flowed out of the radiator 22 flows into the internal heat exchanger 23A, where it further dissipates heat to the refrigerant that has flowed out of the evaporator 26.
  • the refrigerant flowing out of the internal heat exchanger 23A passes through the liquid cooling heat exchanger 24 as it is, is decompressed by the expansion valve 25A, and expands to a low temperature and a low pressure.
  • the expanded refrigerant flows into the evaporator 26 and absorbs heat from the air.
  • the refrigerant that has flowed out of the evaporator 26 flows into the internal heat exchanger 23 ⁇ / b> A, and further absorbs heat from the refrigerant that has flowed out of the radiator 22.
  • the refrigerant flowing out from the internal heat exchanger 23A is again sucked into the compressor 21 and compressed.
  • the water circulating through the circulation path 5 (first route) is heated by the radiator 22 to be warm water, and then flows into the heater 4 to radiate heat to the atmosphere.
  • the water radiated by the heater 4 flows into the radiator 22 again to become hot water.
  • the control device 6 causes the water to circulate without passing through the bypass pipe 54.
  • the valve 63 is controlled. Specifically, the control device 6 sets the three-way valve 63 so that the upstream portion 51a and the downstream portion 51b communicate with each other with respect to the three-way valve 63 of the supply pipe 51. Thereby, the second route passing through both the liquid heat exchanger 24 and the radiator 22 is selected.
  • the temperature of the water flowing into the liquid cooling heat exchanger 24 is higher than the temperature of the refrigerant flowing into the liquid cooling heat exchanger 24.
  • the refrigerant circulating in the refrigerant circuit 3 operates as follows. The refrigerant is compressed to high temperature and high pressure by the compressor 21 and then flows into the radiator 22 where it dissipates heat to the water flowing through the circulation path 5. The refrigerant that has flowed out of the radiator 22 flows into the internal heat exchanger 23A, where it further dissipates heat to the refrigerant that has flowed out of the evaporator 26.
  • the refrigerant that has flowed out of the internal heat exchanger 23A flows into the liquid cooling heat exchanger 24, where the refrigerant flows near the temperature of the water flowing into the liquid cooling heat exchanger 24 by exchanging heat with the water flowing through the circulation path 5. Until heated.
  • the refrigerant that has flowed out of the liquid cooling heat exchanger 24 is decompressed by the expansion valve 25A, expanded to a low temperature and low pressure, and then flows into the evaporator 26 where it absorbs heat from the air.
  • the refrigerant that has flowed out of the evaporator 26 flows into the internal heat exchanger 23 ⁇ / b> A, and further absorbs heat from the refrigerant that has flowed out of the radiator 22.
  • the refrigerant flowing out from the internal heat exchanger 23A is again sucked into the compressor 21 and compressed.
  • the water circulating through the circulation path 5 (second route) is heated by the radiator 22 to be warm water, and then flows into the heater 4 to dissipate heat into the atmosphere, thereby becoming medium warm water.
  • the medium-temperature water that has flowed out of the heater 4 flows into the liquid cooling heat exchanger 24, where it is cooled and cooled to low temperature by exchanging heat with the refrigerant that has flowed out of the internal heat exchanger 23A.
  • the water which became low temperature flows into the radiator 22 again, and becomes warm water.
  • FIG. 2 shows a Mollier diagram in the middle temperature state of the heat pump 20A used in the present embodiment.
  • the broken line in the figure is a Mollier diagram of the heat pump 201 that does not have the liquid cooling heat exchanger as shown in FIG. Note that the points A to F in FIG. 2 represent the states of the marks A to F in FIG.
  • the temperature of the refrigerant that passes through the radiator is changed from Td ′ (point B ′), which has become high by the compressor, to the returning hot water from the heater.
  • the temperature drops to T GC ′ (point C ′) near the temperature Tw1.
  • the refrigerant that has exited the radiator is reduced in temperature by passing through the internal heat exchanger, and then decompressed by the expansion valve.
  • the enthalpy of the decompressed refrigerant increases from H2 ′ (F ′ point) to H1 ′ (G ′ point) by passing through the evaporator, and further increases by passing through the internal heat exchanger.
  • the water flowing into the radiator 22 is cooled by the liquid cooling heat exchanger 24, so the temperature becomes Tw2 ( ⁇ Tw1).
  • Tw2 the temperature becomes lower than T GC (point C) and the conventional heat pump 201.
  • the refrigerant exiting the radiator 22 is cooled to T IH (point D) by the internal heat exchanger 23A, and then heated to T EX (point E) by the liquid cooling heat exchanger 24. Thereafter, the refrigerant is decompressed by the expansion valve 3.
  • the enthalpy H2 (F point) of the refrigerant after decompression is higher than the H2 ′ of the conventional heat pump 201 because the refrigerant is depressurized after being heated by the liquid cooling heat exchanger 24. (H2> H2 ′).
  • the heat pump heating device 1A of the present embodiment low-temperature water can be introduced into the radiator 22 even when medium-temperature water is sent to the heat pump 20A. Therefore, the COP of the heat pump 20A can be improved.
  • the outlet refrigerant temperature of the radiator 22 can be lowered as compared with the conventional heat pump 201, the optimum high pressure with respect to the outlet refrigerant temperature of the radiator 22 (high pressure at which the COP of the heat pump is maximized) can be obtained. Can be lowered. For this reason, since the differential pressure between the high pressure and the low pressure in the refrigeration cycle can be reduced, the differential pressure applied to the compression section of the compressor 21 can be reduced. Thereby, the leakage loss and the sliding loss of the refrigerant are reduced, so that the efficiency of the compressor 21 can be improved. Further, since the high pressure of the refrigeration cycle can be lowered, the reliability of the refrigerant circuit 3 can also be improved. In addition, since the pressure resistance of the constituent members can be lowered, the heating device can be manufactured at low cost.
  • the discharge pressure of the compressor 21 is lowered, so that the discharge refrigerant temperature of the compressor 21 can be lowered, the deterioration of the members due to the high temperature discharge refrigerant can be reduced, and the reliability of the device can be improved.
  • it is effective for measures to increase the temperature of refrigerant discharged from the compressor when the outside air temperature drops extremely (about -5 ° C to 15 ° C).
  • the enthalpy width in the evaporator 26 becomes smaller, the low pressure rises compared to the conventional heat pump 201. For this reason, since the differential pressure between the high pressure and the low pressure in the refrigeration cycle can be further reduced, the differential pressure applied to the compression portion of the compressor 21 can be further reduced. Moreover, the average temperature of the evaporator 26 increases as the pressure inside the evaporator 26 increases. As a result, since the load of the defrost operation accompanying frost formation can be reduced, the energy consumption of the heat pump 20A can be reduced, and the efficiency of the device can be improved.
  • the heat pump 202 shown in FIG. 12A disclosed in Patent Document 3 seems to have a configuration similar to the heat pump 20A of the present embodiment at first glance.
  • the first radiator 12A and the second radiator 12B are arranged with the internal heat exchanger 18 interposed therebetween, and the temperatures of the refrigerant and water decrease or increase as shown in FIG. 12B.
  • Patent Document 3 does not describe not only the circulation of water, but also does not describe that the water becomes medium temperature water and is returned to the heat pump.
  • the bypass pipe 54 and the three-way valve 63 that is a switching means are provided, so that it is possible to select whether the water circulation is performed by the first route or the second route. These may be omitted so that water always passes through both the liquid cooling heat exchanger 24 and the radiator 22.
  • the bypass pipe 54 and the switching means are provided in the circulation path 5 when the water temperature detected by the temperature sensor 61 is lower than a preset temperature. It is possible to prevent the liquid cooling heat exchanger 24 from being heated by the refrigerant through the two routes, and the first route and the second route so that the temperature of the water flowing into the radiator 22 is as low as possible. Is preferable in that the efficiency of the refrigeration cycle can be kept high.
  • both the liquid cooling heat exchanger 24 and the radiator 22 used in this embodiment are heat exchangers for exchanging heat between water and the refrigerant
  • the 24 and 22 are manufactured as an integrated water-refrigerant heat exchanger. It is also possible.
  • the refrigerant flow path and the water flow path constituting the water refrigerant heat exchanger may be divided into two parts. If it does in this way, since it becomes possible to design a heat exchanger compactly, in addition to miniaturizing the unit (for example, heat pump unit) which constitutes a heating device, manufacturing cost can be reduced.
  • the hot water heated by the refrigerant circuit 3 is radiated to the atmosphere by the heater 4, but the heater 4 may be used as a heating source such as hot water supply or snow melting, for example. Needless to say, the same effects as described above can be obtained in these applications.
  • the refrigerant of the present invention may be any refrigerant as long as it has a characteristic that the optimum high pressure is lowered as the temperature of the outlet refrigerant of the radiator 22 decreases. Moreover, since the temperature difference between the inlet refrigerant and the outlet refrigerant of the radiator 22 is widened as the outlet refrigerant temperature of the radiator 22 is lowered, the heat exchange efficiency in the radiator 22 is improved, and as a result, the high pressure is reduced. For this reason, it goes without saying that the same effect as described above can be obtained even in the case of a refrigerant that does not become a supercritical state on the high-pressure side in a normal operation like a chlorofluorocarbon refrigerant.
  • the compressor 21 can be constituted by a main compressor and a sub compressor connected in parallel to the main compressor.
  • FIG. 4 shows a heat pump heating device 1B according to the second embodiment of the present invention.
  • the heat pump heating device 1 ⁇ / b> B of the second embodiment has substantially the same configuration as the heat pump heating device 1 ⁇ / b> A of the first embodiment. Therefore, the same functional parts are denoted by the same reference numerals, and the description of the same configuration and the operation thereof is omitted. This also applies to third to fifth embodiments described later.
  • the heat pump heating device 1B of the present embodiment is different from the heat pump heating device 1A of the first embodiment only in that an expander 25B that recovers power from the expanding refrigerant is used as the expansion means. Also in this embodiment, the same effect as the first embodiment can be obtained.
  • FIG. 5 shows a Mollier diagram in the middle temperature state of the heat pump 20B used in the present embodiment.
  • the broken line in the figure is a Mollier diagram of a heat pump using an expander that does not have a liquid cooling heat exchanger.
  • the enthalpy of the expander inlet refrigerant is H3 ′, from which the adiabatic expansion change (isentropic change) of D ′ ⁇ F ′
  • the enthalpy is H2 ′.
  • the heat pump 20B used in this embodiment after the temperature of the refrigerant that has exited the radiator 22 is lowered by the internal heat exchanger 23A, it is heated to the point E by the liquid cooling heat exchanger 24 and expanded. Inhaled into machine 25B.
  • the enthalpy of the refrigerant at the inlet of the expander 25B is H3
  • the enthalpy of the refrigerant at the outlet of the expander 25B after the D ⁇ F adiabatic expansion change is H2.
  • the motive energy that can be recovered by the expander is proportional to the enthalpy change width, the larger the enthalpy of the refrigerant sucked into the expander, the larger the motive energy that can be recovered by the expander.
  • the expansion energy that can be recovered by the expander 25A used in the present embodiment is significantly larger than the expansion energy that can be recovered by the expander in the heat pump that does not include the liquid cooling heat exchanger.
  • the COP of the heat pump 20B can be dramatically improved by using the recovered expansion energy as a part of the input of the compressor 21.
  • the optimum high pressure can be lowered, so that the difference between the high pressure and the low pressure acting on the expander 25B can be reduced. For this reason, by reducing the leakage loss and sliding loss of the refrigerant, the efficiency of the expander 25B can be improved, and more expansion energy can be obtained.
  • FIG. 6 shows a heat pump heating device 1C according to the third embodiment of the present invention.
  • the heat pump heating device 1C of the present embodiment is different from the heat pump heating device 1A of the first embodiment in that an ejector 25C is used as the expansion means.
  • the ejector 25 ⁇ / b> C is connected to the radiator 22 by the second pipe 32 and is connected to the evaporator 26 by the third pipe 33.
  • a gas-liquid separator 27 is provided in the middle of the third pipe 33.
  • the evaporator 26 is connected to the ejector 25C by the divided fourth pipe 34A, and the gas phase portion of the gas-liquid separator 27 is connected to the compressor 21 by the divided fourth pipe 34B.
  • the internal heat exchanger 23A is provided across the second pipe 32 and the divided fourth pipe 34B.
  • the refrigerant that has passed through the internal heat exchanger 23A and the liquid cooling heat exchanger 24 flows into the ejector 25C, where it expands.
  • the refrigerant flowing out of the ejector 25C is separated into a gas refrigerant and a liquid refrigerant by the gas-liquid separator 27, and the liquid refrigerant is sent to the evaporator 26 and evaporated, and then flows into the ejector 25C again.
  • the gas refrigerant separated by the gas-liquid separator 27 flows into the internal heat exchanger 23 ⁇ / b> A and is heated by the refrigerant radiated by the radiator 22.
  • the other refrigerant and water operations are the same as in the first embodiment.
  • the same effect as in the first embodiment can be obtained.
  • the refrigerant flow rate in the ejector 25C can be increased, and the pressure of the refrigerant sucked into the compressor 21 can be further increased. Can do. For this reason, since the compression power required by the compressor 21 can be made smaller, the COP of the heat pump 20C can be improved.
  • FIG. 7 shows a heat pump heating device 1D according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the heat pump type heating device 1D of the present embodiment is different from the heat pump type heating device 1A of the first embodiment in that the circulation path 5 is configured by a hot water storage tank 50 instead of the heater 4.
  • the hot water storage tank 50 is a cylindrical sealed container extending in the vertical direction, and the inside is filled with water.
  • the lower part of the hot water storage tank 50 is connected to the liquid cooling heat exchanger 24 by a supply pipe 51, and the upper part of the hot water storage tank 50 is connected to the radiator 22 by a recovery pipe 53.
  • the pump 62 When the pump 62 is rotated, water is led from the lower part of the hot water storage tank 50 to the liquid cooling heat exchanger 24 by the supply pipe 31, and hot water is supplied from the radiator 22 to the upper part of the hot water storage tank 50 by the recovery pipe 53.
  • the temperature sensor 61 provided in the supply pipe 51 detects the temperature of the water flowing into the supply pipe 51 from the hot water storage tank 50.
  • the heater 4 is connected to the upper part of the hot water storage tank 50 by a feed pipe 81 and is connected to the lower part of the hot water storage tank 50 by a return pipe 82.
  • the heating pipe 65 is provided in the return pipe 82, but the heating pump 65 may be provided in the feed pipe 81.
  • the heating pump 65 is connected to the control device 6. When the heating pump 65 is rotated, the hot water stored in the hot water storage tank 50 is sent to the heater 4 through the feed pipe 81, and the hot water radiated by the heater 4 is returned to the hot water storage tank 50 through the return pipe 82. It is. That is, the hot water storage tank 50, the feed pipe 81, the heater 4 and the return pipe 82 constitute a heating circuit 8.
  • control performed by the control device 6 will be specifically described.
  • the control device 6 monitors the temperature of the water flowing into the supply pipe 51 by the temperature sensor 61.
  • the control device 6 controls the three-way valve 63 so that water is circulated through the bypass pipe 54.
  • the control device 6 sets the three-way valve 63 in a state where the upstream portion 51 a and the bypass pipe 54 communicate with each other than the three-way valve 63 of the supply pipe 51. As a result, the first route that passes only through the radiator 22 is selected.
  • the refrigerant circulating in the refrigerant circuit 3 operates in the same manner as in the first embodiment.
  • the water circulating through the circulation path 5 (first route) is heated by the radiator 22 to be hot water, and then stored in the hot water storage tank 50.
  • the water extracted from the lower part of the hot water storage tank 50 flows into the radiator 22 again and becomes hot water.
  • the control device 6 controls the three-way valve 63 so that water is circulated without passing through the bypass pipe 54. . Specifically, the control device 6 sets the three-way valve 63 so that the upstream portion 51a and the downstream portion 51b communicate with each other with respect to the three-way valve 63 of the supply pipe 51. Thereby, the second route passing through both the liquid heat exchanger 24 and the radiator 22 is selected.
  • the temperature of the water flowing into the liquid cooling heat exchanger 24 is higher than the temperature of the refrigerant flowing into the liquid cooling heat exchanger 24.
  • the refrigerant circulating in the refrigerant circuit 3 operates in the same manner as in the first embodiment.
  • the water circulating through the circulation path 5 (second route) is heated by the radiator 22 to be warm water and then stored in the hot water storage tank 50.
  • the hot water storage tank 50 In the lower part of the hot water storage tank 50, water that has not been sufficiently radiated by the heater 4 and becomes medium-temperature water is stored.
  • the medium-temperature water extracted from the lower part of the hot water storage tank 50 flows into the liquid cooling heat exchanger 24, where it is cooled by heat exchange with the refrigerant that has flowed out of the internal heat exchanger 23A and becomes a low temperature.
  • the water which became low temperature flows into the radiator 22 again, and becomes warm water.
  • ⁇ Heating operation> For example, when a heating switch (not shown) is turned on by the user, the control device 6 rotates the heating pump 65. Thereby, the hot water stored in the hot water storage tank 50 is sent to the heater 4 for heating.
  • the same effect as in the first embodiment can be obtained.
  • the heated hot water can be temporarily stored in the hot water storage tank 50, for example, when the heating is temporarily stopped and then restarted, the water cooled by the heating operation is stopped.
  • the heating operation can be quickly restarted by sending the hot water stored in the hot water storage tank 50 to the heater 4 before reheating with the heat pump 20A.
  • high-temperature hot water can be generated at an inexpensive electric charge at night, and this hot water can be stored in the hot water storage tank 50, so that the running cost for heating operation can be reduced.
  • the hot water storage tank 50 may be provided with a water supply pipe 91 (see FIG. 8) for supplying tap water to the hot water storage tank 50.
  • a water supply pipe 91 see FIG. 8 for supplying tap water to the hot water storage tank 50.
  • a mixing valve may be provided in the feed pipe 81, and the water supply pipe 91 may be connected to the mixing valve.
  • the hot water storage tank 50 may be provided with a hot water discharge pipe 92 (see FIG. 8) for extracting hot water from the hot water storage tank 50. By doing in this way, hot water supply can also be performed while performing heating operation.
  • FIG. 8 shows a heat pump heating device 1E according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the heat pump heating device 1E of the present embodiment is different from the heat pump heating device 1D of the fourth embodiment in that a tank heat exchanger 83 is provided in the hot water storage tank 50. Further, a water supply pipe 91 is connected to the lower part of the hot water storage tank 50, and a hot water discharge pipe 92 is connected to the upper part of the hot water storage tank 50.
  • the in-tank heat exchanger 83 is for heating the heat medium that is the second liquid by the hot water stored in the hot water storage tank 50.
  • the in-tank heat exchanger 83 is connected to the heater 4 by a feed pipe 81 and a return pipe 82.
  • the heat medium heated by the in-tank heat exchanger 83 is sent to the heater 4 through the feed pipe 81, and the heat medium radiated by the heater 4 is sent to the tank through the return pipe 82. It is returned to the internal heat exchanger 83.
  • the heat medium for example, an antifreeze liquid can be used, but it is preferable to use inexpensive and available water.
  • the control which the control apparatus 6 performs is the same as 4th Embodiment, the description is abbreviate
  • the heat medium exchanged with the hot water stored in the hot water storage tank 50 dissipates heat in the heater 4, that is, the heat of the hot water is released in the heater 4 through the heat medium. Heating is performed.
  • FIG. 9 shows a heat pump heating device 1F according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the heat pump heating device 1F of the present embodiment is obtained by adding a configuration for hot water supply to the heat pump heating device 1D of the fourth embodiment.
  • a hot water supply heat exchanger 93 is disposed in the hot water storage tank 50, and a hot water supply pipe 91 and a hot water discharge pipe 92 are connected to the hot water supply heat exchanger 93. That is, in the present embodiment, hot water can be generated by heating tap water with hot water in the hot water storage tank 50 while flowing tap water from the water supply pipe 91 to the hot water outlet pipe 92.
  • the heat pump type heating device of the present invention is useful as a means for improving the COP of the heat pump while using medium temperature water generated by the heater.

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Abstract

　ヒートポンプ式暖房装置（１Ａ）は、圧縮機（２１）、放熱器（２２）、膨張手段（２５Ａ）および蒸発器（２６）を含む冷媒回路（３）と、加熱液体を生成するために放熱器（２２）を経由して液体を循環させる循環路（５）と、加熱液体の熱を放出する暖房機（４）とを備えている。冷媒回路（３）には、放熱器（２２）で放熱した高圧冷媒から低圧冷媒へ熱を移動させる内部熱交換器（２３Ａ）が設けられている。循環路（５）を流れる液体は、放熱器（２２）へ流入する前に、液体冷却用熱交換器（２４）において内部熱交換器（２３Ａ）から流出した高圧冷媒によって冷却される。

Description

ヒートポンプ式暖房装置
　本発明は、ヒートポンプ（冷凍サイクル装置）によって生成した加熱液体を利用して暖房を行うヒートポンプ式暖房装置に関する。
　従来から、ヒートポンプによって温水を生成し、この温水を利用して暖房を行うヒートポンプ式暖房装置が知られている。例えば特許文献１には、図１０に示すようなヒートポンプ式暖房装置１００が開示されている。このヒートポンプ式暖房装置１００は、冷媒を循環させる冷媒回路１０を有するヒートポンプ２００と、水を循環させる循環路１６とを備えている。
　冷媒回路１０は、圧縮機１１、放熱器１２、膨張弁１３および蒸発器１４が配管でこの順に接続されて構成されている。循環路１６は貯湯タンク１５を有しており、貯湯タンク１５から抜き出された水が放熱器１２に送られて温水が生成され、この温水が貯湯タンク１５に貯められる。貯湯タンク１５に貯められた温水は、例えば居室内に配置された暖房機１７に送られ、ここで放熱した後に貯湯タンク１５に戻される。
　ところで、近年では、ヒートポンプに内部熱交換器を設けることも提案されている。例えば、特許文献２には、給湯用のヒートポンプとして、図１１に示すような内部熱交換器１８を備えたヒートポンプ２０１が開示されている。内部熱交換器１８は、放熱器１２から流出した高圧冷媒と蒸発器１４から流出した低圧冷媒との間で熱交換を行わせるためのものである。この構成により、圧縮機１１へ吸入される低圧冷媒の温度が上昇し、より高い温度の温水が生成される。
　また、特許文献３には、図１２Ａに示すようなヒートポンプ２０２が開示されている。このヒートポンプ２０２では、冷媒を放熱させる放熱器として第１放熱器１２Ａと第２放熱器１２Ｂが設けられており、第１放熱器１２Ａで放熱した高圧冷媒が内部熱交換器１８で放熱した後に、第２放熱器１２Ｂに導かれてさらに放熱するようになっている。一方、流通路１９を流れる水は、図１２Ｂに示すように、第２放熱器１２Ｂで加熱された後に第１放熱器１２Ａでさらに加熱される。
特開２００８－３９３０６号公報 特開２００６－３００４８７号公報 特開２００２－１６２１２３号公報
　ところで、図１０に示すヒートポンプ式暖房装置１００では、例えば暖房運転が長時間行われる場合に、暖房機１７で水の温度がそれほど低下せずに、ヒートポンプ２００の放熱器１２に中温（例えば、４０℃～６０℃程度）の水が供給されることがある。しかしながら、このように中温の水が放熱器１２に供給されると、放熱器１２での熱交換効率が低下し、ヒートポンプ２００のＣＯＰ（Coefficient of Performance）が低下する。なお、この問題は、図１０に示すヒートポンプ式暖房装置１００のヒートポンプとして、図１１に示すヒートポンプ２０１又は図１２Ａに示すヒートポンプ２０２を採用した場合でも同様である。
　本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、ヒートポンプ式暖房装置において、ヒートポンプに中温の液体が送られる場合でも、ヒートポンプのＣＯＰを向上させることである。
　本発明は、上記の課題を解決するために、低圧冷媒を高圧冷媒にする圧縮機、高圧冷媒を放熱させる放熱器、高圧冷媒を低圧冷媒にする膨張手段、および低圧冷媒を吸熱させる蒸発器、を含む冷媒回路と、加熱液体を生成するために前記放熱器を経由して液体を循環させる循環路と、前記加熱液体の熱を放出する暖房機と、前記冷媒回路に設けられた、前記放熱器で放熱した高圧冷媒から低圧冷媒へ熱を移動させる内部熱交換器と、前記内部熱交換器から流出した高圧冷媒によって、前記循環路を流れる液体を前記放熱器へ流入する前に冷却する液体冷却用熱交換器と、を備えたヒートポンプ式暖房装置を提供する。
　上記のように構成された本発明のヒートポンプ式暖房装置によれば、ヒートポンプに中温の液体が送られる場合でも、放熱器に低温の液体を導入でき、ヒートポンプのＣＯＰを向上させることができる。
本発明の第１実施形態に係るヒートポンプ式暖房装置の概略構成図 図１に示すヒートポンプ式暖房装置に用いられたヒートポンプのモリエル線図 本発明の第１実施形態の変形例に係るヒートポンプ式暖房装置の概略構成図 本発明の第２実施形態に係るヒートポンプ式暖房装置の概略構成図 図４に示すヒートポンプ式暖房装置に用いられたヒートポンプのモリエル線図 本発明の第３実施形態に係るヒートポンプ式暖房装置の概略構成図 本発明の第４実施形態に係るヒートポンプ式暖房装置の概略構成図 本発明の第５実施形態に係るヒートポンプ式暖房装置の概略構成図 本発明の第６実施形態に係るヒートポンプ式暖房装置の概略構成図 従来のヒートポンプ式暖房装置の概略構成図 従来のヒートポンプの概略構成図 図１２Ａは従来の他のヒートポンプの概略構成図、図１２Ｂは図１２Ａに示すヒートポンプにおける第１および第２放熱器を通過する冷媒と水の温度を示すグラフである。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
　（第１実施形態）
　図１は、本発明の第１実施形態に係るヒートポンプ式暖房装置１Ａを示している。このヒートポンプ式暖房装置１Ａは、冷媒を循環させる冷媒回路３を有するヒートポンプ２０Ａと、液体を循環させる循環路５と、機器の全体的な制御を行う制御装置６とを備えている。
　循環路５は、加熱液体を生成するために後述する放熱器２２を経由して液体を循環させるものである。本実施形態では、加熱液体の熱を放出する暖房機４が循環路５に組み込まれており、液体が停留することなく循環し、生成された加熱液体が暖房機４で直接放熱するようになっている。すなわち、循環路５は暖房回路としても機能する。
　本実施形態では、熱媒体である液体として水が用いられている。ただし、本発明の液体は、必ずしもこれに限定されるものではなく、冷凍回路３を循環する冷媒から熱を受け取り、暖房機４にて大気中に放熱可能なものであればなんでもよい。例えば、液体として、水にプロピレングリコール等を混入した不凍液を用いることも可能である。以下では、液体が水であり、加熱液体が温水であるとして説明する。
　冷媒回路３は、低圧冷媒を高圧冷媒にする圧縮機２１、高圧冷媒を放熱させる放熱器２２、高圧冷媒を低圧冷媒にする膨張手段である膨張弁２５Ａ、低圧冷媒を吸熱させる蒸発器２６、およびこれらの機器をこの順に接続する第１～第４配管３１～３４で構成されている。放熱器２２では、放熱器２２を通過する水と冷媒との間で熱交換が行われて水が加熱される。蒸発器２６では、ファン２６ａによって送風される空気と冷媒との間で熱交換が行われて冷媒が吸熱する。本実施形態では、冷媒回路３に、高圧側で超臨界状態となる二酸化酸素が冷媒として充填されている。また、冷媒回路３には、第２配管３２と第４配管３４に跨って内部熱交換器２３Ａが設けられており、第２配管３２には、内部熱交換器２３Ａよりも下流側に液体冷却用熱交換器２４が設けられている。
　内部熱交換器２３Ａは、放熱器２２から流出した高圧冷媒と蒸発器２６から流出した低圧冷媒との間で熱交換を行わせて、放熱器２２で放熱した高圧冷媒から低圧冷媒へ熱を移動させるものである。液体冷却用熱交換器２４は、内部熱交換器２３Ａから流出した高圧冷媒によって、循環路５を流れる水を放熱器２２に流入する前に冷却するものである。
　暖房機４は、温水の放熱により例えば居室内を暖房するものである。暖房機４としては、例えば、居室内に設置されるラジエータを採用してもよいし、床に敷設される温水パネルを採用してもよい。
　循環路５は、暖房機４から液体冷却用熱交換器２４へ水を導く供給管５１と、液体冷却用熱交換器２４から放熱器２２へ水を導く中継管５２と、放熱器２２から暖房機４へ温水となった水を導く回収管５３とを含む。本実施形態では、供給管５１にポンプ６２が設けられている。また、供給管５１には、暖房機４から供給管５１に流入した水の温度を検出する温度センサ６１が設けられている。
　供給管５１のポンプ６２よりも下流側の部分と中継管５２とは、バイパス管５４によって接続されている。具体的に、供給管５１には三方弁６３が設けられており、この三方弁６３にバイパス管５４の上流端が接続されている。バイパス管５４の下流端は、中継管５２の途中に接続されている。
　三方弁６３は、バイパス管５４を通さずに水を循環させる、すなわち液体用熱交換器２４と放熱器２２の双方を経由して水を循環させるか、バイパス管５４を通して水を循環させる、すなわち放熱器２２のみを経由して水を循環させるか、を切り替えるものであり、本発明の切り替え手段を構成する。なお、本発明の切り替え手段は、三方弁６３で構成されている必要はなく、例えば、バイパス管５４に設けられた開閉弁、および供給管５１におけるバイパス管５４がつながる位置よりも下流側に設けられた開閉弁によって構成されていてもよい。
　制御装置６は、マイクロコンピュータまたはＤＳＰ（digital signal processor）などで構成されており、上述したヒートポンプ２０Ａならびにポンプ６２、温度センサ６１および三方弁６３と接続されている。
　次に、制御装置６が行う制御について具体的に説明する。
　制御装置６は、例えばユーザーによって図略の暖房スイッチがＯＮにされると、ヒートポンプ２０Ａを稼働させるとともにポンプ６２を回転させる。これにより、放熱器２２で水が加熱されて温水が生成されるとともに、この温水が暖房機４に送られて暖房が行われる。
　この暖房運転の間、制御装置６は、温度センサ６１によって供給管５１に流入した水の温度をモニタリングする。そして、温度センサ６１で検出される水温度が予め設定された設定温度（例えば、２０℃）未満のとき（以下「低温状態」という。）は、制御装置６は、水がバイパス管５４を通して循環されるように三方弁６３を制御する。具体的に、制御装置６は、三方弁６３を、供給管５１の三方弁６３よりも上流側部分５１ａとバイパス管５４とが連通する状態にセットする。これにより、放熱器２２のみを経由する第１ルートが選択される。
　低温状態では、冷媒回路３を循環する冷媒は、次のように作動する。冷媒は、圧縮機２１によって高温・高圧に圧縮された後に、放熱器２２に流入し、ここで循環路５を流れる水に放熱する。放熱器２２から流出した冷媒は、内部熱交換器２３Ａに流入し、ここで蒸発器２６から流出した冷媒にさらに放熱する。内部熱交換器２３Ａから流出した冷媒は、液体冷却用熱交換器２４をそのまま通過し、膨張弁２５Ａによって減圧され、低温・低圧に膨張する。膨張した冷媒は、蒸発器２６に流入し、ここで空気から吸熱する。蒸発器２６から流出した冷媒は、内部熱交換器２３Ａに流入し、ここで放熱器２２から流出した冷媒からさらに吸熱する。内部熱交換器２３Ａから流出した冷媒は、再び圧縮機２１へ吸入されて圧縮される。
　一方、循環路５（第１ルート）を循環する水は、放熱器２２で加熱されて温水とされた後に、暖房機４に流入して大気中に放熱する。暖房機４にて放熱した水は、再び放熱器２２に流入して温水とされる。
　逆に、温度センサ６１で検出される水温度が前記設定温度以上のとき（以下「中温状態」という。）は、制御装置６は、水がバイパス管５４を通さずに循環されるように三方弁６３を制御する。具体的に、制御装置６は、三方弁６３を、供給管５１の三方弁６３よりも上流側部分５１ａと下流側部分５１ｂとが連通する状態にセットする。これにより、液体用熱交換器２４と放熱器２２の双方を経由する第２ルートが選択される。
　中温状態では、液体冷却用熱交換器２４へ流入する水の温度は、液体冷却用熱交換器２４へ流入する冷媒の温度よりも高くなる。冷媒回路３を循環する冷媒は、次のように作動する。冷媒は、圧縮機２１によって高温・高圧に圧縮された後に、放熱器２２に流入し、ここで循環路５を流れる水に放熱する。放熱器２２から流出した冷媒は、内部熱交換器２３Ａに流入し、ここで蒸発器２６から流出した冷媒にさらに放熱する。内部熱交換器２３Ａから流出した冷媒は、液体冷却用熱交換器２４に流入し、ここで循環路５を流れる水と熱交換することにより液体冷却用熱交換器２４へ流入する水の温度近くまで加熱される。液体冷却用熱交換器２４から流出した冷媒は、膨張弁２５Ａによって減圧され、低温・低圧に膨張した後に、蒸発器２６に流入し、ここで空気から吸熱する。蒸発器２６から流出した冷媒は、内部熱交換器２３Ａに流入し、ここで放熱器２２から流出した冷媒からさらに吸熱する。内部熱交換器２３Ａから流出した冷媒は、再び圧縮機２１へ吸入されて圧縮される。
　一方、循環路５（第２ルート）を循環する水は、放熱器２２で加熱されて温水とされた後に、暖房機４に流入して大気中に放熱することにより、中温水となる。暖房機４から流出した中温水は、液体冷却用熱交換器２４に流入し、ここで内部熱交換器２３Ａから流出した冷媒と熱交換することで冷却されて低温になる。低温になった水は、再び放熱器２２に流入して温水とされる。
　図２は、本実施形態で用いられたヒートポンプ２０Ａの中温状態でのモリエル線図を示したものである。図中の破線は、図１１に示すような液体冷却用熱交換器を有しないヒートポンプ２０１のモリエル線図である。なお、図２中のＡ～Ｆの点は、図１中のＡ～Ｆの×印の状態を表す。
　液体冷却用熱交換器を有しない図１１に示すヒートポンプ２０１では、放熱器を通過する冷媒の温度は、圧縮機によって高温になったＴｄ’（Ｂ’点)から、暖房機からの戻り中温水の温度Ｔｗ１近傍のＴGC’（Ｃ’点）に低下する。放熱器を出た冷媒は、内部熱交換器を通過することによりさらに低温となった後に、膨張弁で減圧される。減圧された冷媒のエンタルピーは、蒸発器を通過することによりＨ２’（Ｆ’点）からＨ１’（Ｇ’点）に増加し、内部熱交換器を通過することによりさらに増加する。
　一方、本実施形態で用いられたヒートポンプ２０Ａでは、放熱器２２に流入する水は、液体冷却用熱交換器２４で冷却されるため、その温度はＴｗ２（＜Ｔｗ１）となる。それに伴って放熱器２２の出口冷媒温度は、ＴGC（Ｃ点）と従来のヒートポンプ２０１に比べて低くなる。放熱器２２を出た冷媒は、内部熱交換器２３ＡによってＴIH（Ｄ点）まで温度を下げた後に、液体冷却用熱交換器２４にてＴEX（Ｅ点）まで温められる。その後、冷媒は、膨張弁３にて減圧される。減圧後の冷媒のエンタルピーＨ２（Ｆ点）は、図に示すように従来のヒートポンプ２０１のＨ２’と比べて、冷媒が液体冷却用熱交換器２４によって温められてから減圧される分、高くなる（Ｈ２＞Ｈ２’）。このため、蒸発器４でのエンタルピー幅（ΔＨ＝Ｈ１－Ｈ２）は、従来のヒートポンプ２０１でのエンタルピー幅（ΔＨ’＝Ｈ１’－Ｈ２’）と比べて小さくなる。
　以上のように、本実施形態のヒートポンプ式暖房装置１Ａでは、ヒートポンプ２０Ａに中温水が送られる場合でも、放熱器２２に低温の水を導入できる。従って、ヒートポンプ２０ＡのＣＯＰを向上させることができる。
　また、本実施形態によれば、従来のヒートポンプ２０１に比べて、放熱器２２の出口冷媒温度を低くできるので、放熱器２２の出口冷媒温度に対する最適高圧（ヒートポンプのＣＯＰが最大となる高圧）を下げることができる。このため、冷凍サイクルの高圧と低圧の差圧を小さくできるので、圧縮機２１の圧縮部に加わる差圧力を軽減できる。これによって、冷媒の漏れ損失および摺動損失が軽減されるため、圧縮機２１の効率を向上させることができる。また、冷凍サイクルの高圧を下げることができるので、冷媒回路３の信頼性も向上させることができる。また、構成部材の耐圧強度を下げることができるので、暖房装置を安価に製造することができる。
　また、圧縮機２１の吐出圧力が下がることで、圧縮機２１の吐出冷媒温度を低くでき、高温の吐出冷媒に起因する部材の劣化を低減でき、機器の信頼性を向上させることができる。特に、外気温度が極端に低下する場合（－５℃～１５℃程度）の圧縮機吐出冷媒の高温化対策に効果を発揮する。
　さらに、蒸発器２６でのエンタルピー幅が小さくなることから、低圧が従来のヒートポンプ２０１に比べて上昇する。このため、冷凍サイクルの高圧と低圧の差圧をさらに小さくできるので、圧縮機２１の圧縮部に加わる差圧力をいっそう軽減できる。また、蒸発器２６内部の圧力が上昇することにより、蒸発器２６の平均温度が上昇する。その結果、着霜に伴うデフロスト運転の負荷を低減できるため、ヒートポンプ２０Ａの消費エネルギーを小さくでき、機器の効率を向上させることができる。
　ところで、特許文献３に開示された図１２Ａに示すヒートポンプ２０２は、一見して本実施形態のヒートポンプ２０Ａと似たような構成を有しているようにも見える。しかしながら、特許文献３のヒートポンプ２０２では、内部熱交換器１８を挟んで第１放熱器１２Ａと第２放熱器１２Ｂが配置されていて、図１２Ｂに示すように冷媒および水の温度は下降または上昇し続けるだけであり、本実施形態のヒートポンプ２０Ａによる作用とは明らかに異なる。さらに、特許文献３には、水の循環について記載されていないばかりでなく、水が中温水になってヒートポンプに戻されることも記載されていない。
　なお、本実施形態では、バイパス管５４および切り替え手段である三方弁６３が設けられていて、水の循環を第１ルートと第２ルートのどちらで行うかを選択できるようになっているが、これらを省略して、水が液体冷却用熱交換器２４と放熱器２２の双方を常に通るようにしてもよい。ただし、本実施形態のように、循環路５にバイパス管５４と切り替え手段を設けておくことは、温度センサ６１で検出される水温度が予め設定された設定温度未満のときに、水が第２ルートを通って液体冷却用熱交換器２４にて冷媒によって加熱されるのを防ぐことができ、放熱器２２に流入する水の温度が可能な限り低くなるように第１ルートと第２ルートを切り替え、冷凍サイクルの効率を高く保つことができるという点で好ましい。
　また、本実施形態で用いる液体冷却用熱交換器２４と放熱器２２はどちらも水と冷媒を熱交換させる熱交換器であるので、それら２４，２２を一体の水冷媒熱交換器として製造することも可能である。この場合は、水冷媒熱交換器を構成する冷媒流路と水流路とをそれぞれ二分割にすればよい。このようにすれば、熱交換器をコンパクトに設計可能になるので、暖房装置を構成するユニット（例えば、ヒートポンプユニット）を小型化できるのに加え、製造コストを低減させることができる。
　＜変形例＞
　なお、前記実施形態では、冷媒回路３で加熱した温水を暖房機４で大気中に放熱させているが、暖房機４は、例えば給湯もしくは融雪などの加熱源として用いられてもよい。これらの用途においても、上記と同様の効果が得られることは言うまでもない。
　また、前記実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いているが、本発明の冷媒は、放熱器２２の出口冷媒の温度の低下によって、最適高圧が下がる特性を持つ冷媒であればなんでもよい。また、放熱器２２の出口冷媒温度が下がることで、放熱器２２の入口冷媒と出口冷媒の温度差は広がるため、放熱器２２での熱交換効率は向上し、結果高圧は低下する。このため、フロン系冷媒のように通常の運転では、高圧側で超臨界状態とならない冷媒であっても上記と同様の効果を得られることは言うまでもない。
　さらに、前記実施形態では、放熱器２２を流出した高圧冷媒と蒸発器２６から流出した低圧冷媒との間で熱交換を行わせる内部熱交換器２３Ａを用いたが、図３に示すように、放熱器２２から流出した高圧冷媒と蒸発器２６へ流入する前の低圧冷媒との間で熱交換を行わせる内部熱交換器２３Ｂを用いてもよい。
　また、圧縮機２１を、主圧縮機とこれに並列に接続された副圧縮機で構成することも可能である。
　なお、上述した変形例は、後述する実施形態においても適用可能である。
　（第２実施形態）
　図４は、本発明の第２実施形態に係るヒートポンプ式暖房装置１Ｂを示している。図４に示すように、第２実施形態のヒートポンプ式暖房装置１Ｂは、第１実施形態のヒートポンプ式暖房装置１Ａとほぼ同様な構成である。そのため、同一機能部品については同一の符号を付し、同様な構成およびその動作についての説明を省略する。なお、この点は、後述する第３～第５実施形態においても同様である。
　本実施形態のヒートポンプ式暖房装置１Ｂが第１実施形態のヒートポンプ式暖房装置１Ａと異なる点は、膨張手段として、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機２５Ｂが用いられている点のみである。本実施形態でも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
　図５は、本実施形態で用いられたヒートポンプ２０Ｂの中温状態でのモリエル線図を示したものである。図中の破線は、液体冷却用熱交換器を有しない膨張機を用いたヒートポンプのモリエル線図である。
　液体冷却用熱交換器を有しないヒートポンプでは、膨張機の入口冷媒のエンタルピーはＨ３’で、そこからＤ’→Ｆ’の断熱膨張変化（等エントロピー変化）をした後の膨張機の出口冷媒のエンタルピーはＨ２’である。一方、本実施形態で用いられたヒートポンプ２０Ｂでは、放熱器２２を出た冷媒は、内部熱交換器２３Ａによって温度を下げた後、液体冷却用熱交換器２４にてＥ点まで温められて膨張機２５Ｂに吸入される。この時の膨張機２５Ｂの入口冷媒のエンタルピーはＨ３で、そこからＤ→Ｆの断熱膨張変化をした後の膨張機２５Ｂの出口冷媒のエンタルピーはＨ２である。
　一般的に、膨張機へ吸入される冷媒のエンタルピーが大きいほど、断熱膨張変化時のエンタルピー変化幅（ΔＨ）は大きくなる。膨張機で回収できる動力エネルギーは、このエンタルピー変化幅に比例することから、膨張機へ吸入される冷媒のエンタルピーが大きいほど、膨張機で回収できる動力エネルギーは大きくなる。このため、液体冷却用熱交換器を有しないヒートポンプでの膨張機が回収できる膨張エネルギーよりも、本実施形態で用いられた膨張機２５Ａが回収できる膨張エネルギーは、著しく大きくなる。その結果、回収した膨張エネルギーを圧縮機２１の入力の一部に使用するなどして、ヒートポンプ２０ＢのＣＯＰを飛躍的に向上させることができる。
　また、本実施形態における冷媒回路３では、最適高圧を下げることができるので、膨張機２５Ｂに作用する高圧と低圧の差を小さくできる。このため、冷媒の漏れ損失および摺動損失が軽減されることで、膨張機２５Ｂの効率を向上させることができ、より多くの膨張エネルギーを得ることができる。
　（第３実施形態）
　図６は、本発明の第３実施形態に係るヒートポンプ式暖房装置１Ｃを示している。本実施形態のヒートポンプ式暖房装置１Ｃが第１実施形態のヒートポンプ式暖房装置１Ａと異なる点は、膨張手段として、エジェクタ２５Ｃが用いられている点である。
　具体的に、エジェクタ２５Ｃは、第２配管３２によって放熱器２２と接続されているとともに、第３配管３３によって蒸発器２６と接続されている。第３配管３３の途中には、気液分離機２７が設けられている。さらに、蒸発器２６は、分割第４配管３４Ａによってエジェクタ２５Ｃと接続されており、気液分離器２７の気相部分は分割第４配管３４Ｂによって圧縮機２１と接続されている。そして、本実施形態では、内部熱交換器２３Ａが第２配管３２と分割第４配管３４Ｂとに跨って設けられている。
　本実施形態では、内部熱交換器２３Ａおよび液体冷却用熱交換器２４を通過した冷媒は、エジェクタ２５Ｃに流入し、ここで膨張する。エジェクタ２５Ｃから流出した冷媒は、気液分離器２７でガス冷媒と液冷媒とに分離され、そのうちの液冷媒が蒸発器２６に送られて蒸発した後に再度エジェクタ２５Ｃに流入する。一方、気液分離器２７で分離されたガス冷媒は、内部熱交換器２３Ａに流入し、放熱器２２で放熱した冷媒によって加熱される。その他の冷媒および水の作動は、第１実施形態と同様である。
　本実施形態でも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態によれば、第２実施形態と同様に、膨張エネルギーを大きくできるので、エジェクタ２５Ｃ内での冷媒流速を大きくでき、圧縮機２１に吸入される冷媒の圧力をより上昇させることができる。このため、圧縮機２１で必要となる圧縮動力をより小さくできるので、ヒートポンプ２０ＣのＣＯＰを向上させることができる。
　（第４実施形態）
　図７は、本発明の第４実施形態に係るヒートポンプ式暖房装置１Ｄを示している。本実施形態のヒートポンプ式暖房装置１Ｄが第１実施形態のヒートポンプ式暖房装置１Ａと異なる点は、循環路５が暖房機４の代わりに貯湯タンク５０で構成されている点である。
　貯湯タンク５０は、鉛直方向に延びる円筒状の密閉容器であり、内部は水で満たされている。貯湯タンク５０の下部は、供給管５１によって液体冷却用熱交換器２４と接続され、貯湯タンク５０の上部は、回収管５３によって放熱器２２と接続されている。そして、ポンプ６２が回転させられると、供給管３１によって貯湯タンク５０の下部から液体冷却用熱交換器２４へ水が導かれるとともに、回収管５３によって放熱器２２から貯湯タンク５０の上部へ温水となった水が導かれる。これにより、貯湯タンク５０内には温水が上側から貯められる。また、本実施形態では、供給管５１に設けられた温度センサ６１によって、貯湯タンク５０から供給管５１に流入した水の温度が検出される。
　一方、暖房機４は、送り管８１によって貯湯タンク５０の上部と接続されているとともに、戻し管８２によって貯湯タンク５０の下部と接続されている。本実施形態では、戻し管８２に暖房用ポンプ６５が設けられているが、暖房用ポンプ６５は送り管８１に設けられていてもよい。暖房用ポンプ６５は、制御装置６に接続されている。そして、暖房用ポンプ６５が回転させられると、貯湯タンク５０に貯められた温水が送り管８１を通じて暖房機４に送られるとともに、暖房機４で放熱した温水が戻し管８２を通じて貯湯タンク５０に戻される。すなわち、貯湯タンク５０、送り管８１、暖房機４および戻し管８２は、暖房回路８を構成する。
　次に、制御装置６が行う制御について具体的に説明する。
　＜貯湯運転＞
　制御装置６は、貯湯タンク５０に設けられた図略のセンサによって貯湯タンク５０内の温水量が少ないと判定すると、ヒートポンプ２０Ａを稼働させるとともにポンプ６２を回転させる。これにより、放熱器２２で水が加熱されて温水が生成されるとともに、この温水が貯湯タンク５０に送られて貯湯が行われる。
　この貯湯運転の間、制御装置６は、温度センサ６１によって供給管５１に流入した水の温度をモニタリングする。そして、温度センサ６１で検出される水温度が予め設定された設定温度未満のとき（低温状態）は、制御装置６は、水がバイパス管５４を通して循環されるように三方弁６３を制御する。具体的に、制御装置６は、三方弁６３を、供給管５１の三方弁６３よりも上流側部分５１ａとバイパス管５４とが連通する状態にセットする。これにより、放熱器２２のみを経由する第１ルートが選択される。
　低温状態では、冷媒回路３を循環する冷媒は、第１実施形態と同様に作動する。一方、循環路５（第１ルート）を循環する水は、放熱器２２で加熱されて温水とされた後に、貯湯タンク５０に貯められる。貯湯タンク５０の下部から抜き出された水は、再び放熱器２２に流入して温水とされる。
　逆に、温度センサ６１で検出される水温度が前記設定温度以上のとき（中温状態）は、制御装置６は、水がバイパス管５４を通さずに循環されるように三方弁６３を制御する。具体的に、制御装置６は、三方弁６３を、供給管５１の三方弁６３よりも上流側部分５１ａと下流側部分５１ｂとが連通する状態にセットする。これにより、液体用熱交換器２４と放熱器２２の双方を経由する第２ルートが選択される。
　中温状態では、液体冷却用熱交換器２４へ流入する水の温度は、液体冷却用熱交換器２４へ流入する冷媒の温度よりも高くなる。冷媒回路３を循環する冷媒は、第１実施形態と同様に作動する。一方、循環路５（第２ルート）を循環する水は、放熱器２２で加熱されて温水とされた後に、貯湯タンク５０に貯められる。貯湯タンク５０の下部には、暖房機４で十分に放熱できずに中温水となった水が貯められている。貯湯タンク５０の下部から抜き出された中温水は、液体冷却用熱交換器２４に流入し、ここで内部熱交換器２３Ａから流出した冷媒と熱交換することで冷却されて低温になる。低温になった水は、再び放熱器２２に流入して温水とされる。
　＜暖房運転＞
　制御装置６は、例えばユーザーによって図略の暖房スイッチがＯＮにされると、暖房用ポンプ６５を回転させる。これにより、貯湯タンク５０内に貯められた温水が暖房機４に送られて暖房が行われる。
　本実施形態でも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態では、沸きあがった温水を貯湯タンク５０に一旦貯留することができるので、例えば暖房を一時的に停止した後に再び運転させる場合に、暖房運転の停止によって冷えてしまった水をヒートポンプ２０Ａで温め直す前に、貯湯タンク５０に貯留している温水を暖房機４に送り込むことで、すばやく暖房運転を再開することができる。
　また、本実施形態によれば、夜間の安価な電気料金で高温の温水を生成し、この温水を貯湯タンク５０に貯めることができるため、暖房運転にかかるランニングコストを下げることができる。
　＜変形例＞
　貯湯タンク５０には、貯湯タンク５０に水道水を供給する給水管９１（図８参照）を設けてもよい。このようにすることで、暖房機４に流入する温水と水道水とを混ぜたり熱交換させたりして暖房機４に流入する温水の温度を自由に制御することがでる。さらに、水道水によって暖房機４へ流入する水の温度を制御可能となるため、貯湯タンク５０には暖房機４で使用する温水より高い温度の温水を貯留しておいても、暖房機４には最適な温度を流入させることができる。このため、貯湯タンク５０に蓄える蓄熱量を増加させるこができるので、ヒートポンプ２０Ａの運転を長時間停止しても暖房回路８での暖房運転を持続することができる。あるいは、送り管８１に混合弁を設け、この混合弁に給水管９１を接続してもよい。
　また、貯湯タンク５０に、貯湯タンク５０から温水を取り出す出湯管９２（図８参照）を設けてもよい。このようにすることで、暖房運転を行いながら、給湯も行うことができる。
　なお、前記実施形態においても、膨張手段として膨張機２５Ｂを用いた図４に示すヒートポンプ２０Ｂ、または膨張手段としてエジェクタ２５Ｃを用いた図６に示すヒートポンプ２０Ｃを採用可能であることは言うまでもない。
　（第５実施形態）
　図８は、本発明の第５実施形態に係るヒートポンプ式暖房装置１Ｅを示している。本実施形態のヒートポンプ式暖房装置１Ｅが第４実施形態のヒートポンプ式暖房装置１Ｄと異なる点は、貯湯タンク５０内にタンク内熱交換器８３が配設されている点である。また、貯湯タンク５０の下部には給水管９１が接続されており、貯湯タンク５０の上部には出湯管９２が接続されている。
　タンク内熱交換器８３は、貯湯タンク５０に貯められた温水によって第２の液体である熱媒体を加熱するためのものである。タンク内熱交換器８３は、送り管８１および戻し管８２によって暖房機４と接続されている。そして、暖房用ポンプ６５が回転させられると、タンク内熱交換器８３で加熱された熱媒体が送り管８１を通じて暖房機４に送られ、暖房機４で放熱した熱媒体が戻し管８２を通じてタンク内熱交換器８３に戻される。熱媒体としては、例えば不凍液を用いることも可能であるが、安価で大量入手可能な水を用いることが好ましい。
　なお、制御装置６が行う制御は、第４実施形態と同じであるため、その説明は省略する。ただし、暖房運転時には、貯湯タンク５０内に貯められた温水と熱交換した熱媒体が暖房機４で放熱することにより、すなわち温水の熱が熱媒体を介して暖房機４で放出されることにより暖房が行われる。
　本実施形態でも、第４実施形態と同様の効果を得ることができる。
　（第６実施形態）
　図９は、本発明の第６実施形態に係るヒートポンプ式暖房装置１Ｆを示している。本実施形態のヒートポンプ式暖房装置１Ｆは、第４実施形態のヒートポンプ式暖房装置１Ｄに給湯用の構成を加えたものである。具体的には、貯湯タンク５０内に給湯用熱交換器９３が配設されており、この給湯用熱交換器９３に給水管９１および出湯管９２が接続されている。すなわち、本実施形態では、給水管９１から出湯管９２に水道水を流しながら、貯湯タンク５０内の温水で水道水を加熱して温水を生成できるようになっている。
　本発明のヒートポンプ式暖房装置は、暖房機で発生する中温水を利用しながらヒートポンプのＣＯＰを向上させる手段として有用である。

Claims (12)

  1. 　低圧冷媒を高圧冷媒にする圧縮機、高圧冷媒を放熱させる放熱器、高圧冷媒を低圧冷媒にする膨張手段、および低圧冷媒を吸熱させる蒸発器、を含む冷媒回路と、
    　加熱液体を生成するために前記放熱器を経由して液体を循環させる循環路と、
    　前記加熱液体の熱を放出する暖房機と、
    　前記冷媒回路に設けられた、前記放熱器で放熱した高圧冷媒から低圧冷媒へ熱を移動させる内部熱交換器と、
    　前記内部熱交換器から流出した高圧冷媒によって、前記循環路を流れる液体を前記放熱器へ流入する前に冷却する液体冷却用熱交換器と、
    を備えたヒートポンプ式暖房装置。
  2. 　前記液体冷却用熱交換器へ流入する液体の温度は、前記液体冷却用熱交換器へ流入する高圧冷媒の温度よりも高い、請求項１に記載のヒートポンプ式暖房装置。
  3. 　前記内部熱交換器は、前記放熱器から流出した高圧冷媒と前記蒸発器から流出した低圧冷媒との間で熱交換を行わせるものである、請求項１または２に記載のヒートポンプ式暖房装置。
  4. 　前記内部熱交換器は、前記放熱器から流出した高圧冷媒と前記蒸発器へ流入する前の低圧冷媒との間で熱交換を行わせるものである、請求項１または２に記載のヒートポンプ式暖房装置。
  5. 　前記膨張手段は、膨張弁、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機、またはエジェクタである、請求項１～４のいずれか一項に記載のヒートポンプ式暖房装置。
  6. 　前記循環路は、前記暖房機から前記液体冷却用熱交換器へ液体を導く供給管と、前記液体冷却用熱交換器から前記放熱器へ液体を導く中継管と、前記放熱器から前記暖房機へ加熱液体となった液体を導く回収管とを含む、請求項１～５のいずれか一項に記載のヒートポンプ式暖房装置。
  7. 　前記循環路は、前記加熱液体を貯めるタンクと、前記タンクから前記液体冷却用熱交換器へ液体を導く供給管と、前記液体冷却用熱交換器から前記放熱器へ液体を導く中継管と、前記放熱器から前記タンクへ加熱液体となった液体を導く回収管とを含み、
    　前記タンクに貯められた加熱液体を前記暖房機に送る送り管と、
    　前記暖房機で放熱した加熱液体を前記タンクに戻す戻し管と、をさらに備える、請求項１～５のいずれか一項に記載のヒートポンプ式暖房装置。
  8. 　前記循環路は、前記加熱液体を貯めるタンクと、前記タンクから前記液体冷却用熱交換器へ液体を導く供給管と、前記液体冷却用熱交換器から前記放熱器へ液体を導く中継管と、前記放熱器から前記タンクへ加熱液体となった液体を導く回収管とを含み、
    　前記タンク内に配設され、前記タンクに貯められた加熱液体によって熱媒体を加熱するタンク内熱交換器と、
    　前記タンク内熱交換器で加熱された熱媒体を前記暖房機に送る送り管と、
    　前記暖房機で放熱した熱媒体を前記タンク内熱交換器に戻す戻し管と、をさらに備える、請求項１～５のいずれか一項に記載のヒートポンプ式暖房装置。
  9. 　前記液体は水であり、前記加熱液体は温水であり、
    　前記タンクに水道水を供給する給水管と、前記タンクから温水を取り出す出湯管と、
    をさらに備える、請求項７または８に記載のヒートポンプ式暖房装置。
  10. 　前記循環路は、前記供給管と前記中継管とを接続するバイパス管と、前記液体を前記バイパス管を通さずに循環させるか前記バイパス管を通して循環させるかを切り替える切り替え手段をさらに含む、請求項６～９のいずれか一項に記載のヒートポンプ式暖房装置。
  11. 　前記供給管には、当該供給管に流入した液体の温度を検出する温度センサが設けられており、
    　前記温度センサで検出される液体温度が所定温度未満のときは前記液体が前記バイパス管を通して循環され、前記温度センサで検出される液体温度が前記所定温度以上のときは前記液体が前記バイパス管を通さずに循環されるように、前記切り替え手段を制御する制御装置をさらに備える、請求項１０に記載のヒートポンプ式暖房装置。
  12. 　前記冷媒は二酸化炭素である、請求項１～１１のいずれかに記載のヒートポンプ式暖房装置。
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