(57)【要約】  冷凍サイクル装置５０は、圧縮機１、放熱器２、第１膨張機構５、第２膨張機構６、および蒸発器４を有する主冷媒回路２１と、中間圧の冷媒を圧縮機１のインジェクションポート１ｃに供給するインジェクション通路２２と、放熱器２で加熱される水が流通する水回路３０とを備えている。冷凍サイクル装置５０は、インジェクション通路２２を流れる冷媒と、水回路３０における放熱器２で加熱される前の水とを熱交換させることにより、水を冷却する副熱交換器３を備えている。
2009001535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インジェクション部を有する圧縮機、放熱器、第１膨張機構、第２膨張機構、および蒸発器を含み、これらの機器が順に環状に接続されることによって形成された主冷媒回路と、
前記主冷媒回路における前記第１膨張機構と前記第２膨張機構との間の部分と、前記圧縮機のインジェクション部とを接続しているインジェクション通路と、
前記放熱器を介して前記主冷媒回路の冷媒によって加熱される流体が流れる流体回路と、
前記インジェクション通路を流れる冷媒と、前記流体回路における前記放熱器で加熱される前の流体とを熱交換させることにより、前記流体を冷却する副熱交換器と、
を備えた、冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記圧縮機が、前記インジェクション通路からの冷媒を圧縮室にインジェクションするためのインジェクションポートを前記インジェクション部として有する、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記圧縮機が、低圧段圧縮機構と、高圧段圧縮機構と、前記低圧段圧縮機構の出口と前記高圧段圧縮機構の入口とを接続している流路とを含む多段圧縮機であり、
前記流路が、前記インジェクション部として用いられた、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記インジェクション通路を流れる冷媒の流量を調整する流量調整器と、
前記副熱交換器を流れる前記流体の流量および温度に基づいて、前記第１膨張機構および前記第２膨張機構のいずれか一方または両方と、前記流量調整器とを制御する制御器と、
をさらに備えた、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記冷媒は二酸化炭素である、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記流体は水であり、
前記流体回路は、貯湯タンクと暖房用の熱交換器とを備え、
給湯と暖房とを実行可能な多機能ヒートポンプを構成している、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記暖房用の熱交換器が、前記貯湯タンクの温水を流通させることによって暖房を行うための室内ラジエタであり、
前記流体回路が、
(a)前記室内ラジエタが設けられた暖房用水回路と、(b)前記暖房用水回路に接続されており、前記室内ラジエタから流出した還り水を前記副熱交換器で冷却した後に、前記放熱器で加熱するための熱源側水回路と、を含む、請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記暖房用の熱交換器が、前記貯湯タンクの温水を流通させることによって暖房を行うための室内ラジエタであり、
前記流体回路が、
(a)前記室内ラジエタが設けられた暖房用水回路と、(b)前記貯湯タンクの下部に貯められた水を前記副熱交換器で冷却した後に、前記放熱器で加熱するための熱源側水回路と、を含む、請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項９】
前記熱源側水回路は、前記副熱交換器を含む主通路と、前記副熱交換器よりも上流側で前記主通路から分岐しており、かつ前記副熱交換器と前記放熱器との間において前記主通路に合流しているバイパス通路とを含み、
前記主通路にのみ水を流す第１状態と、前記バイパス通路にのみ水を流す第２状態とを切換可能である、請求項８に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１０】
前記インジェクション通路を流れる冷媒の流量を調整する流量調整器と、
前記第１状態と前記第２状態との切換を行う切換弁と、
前記流量調整器および前記切換弁を制御する制御器と、をさらに備え、
前記制御器は、前記インジェクション通路の冷媒流量がゼロのときには前記バイパス通路にのみ水が流れるように、前記流量調整器の制御と前記切換弁の制御とを関連付けて行う、請求項９に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１１】
前記室内ラジエタから流出した還り水が前記副熱交換器を経由して前記放熱器で加熱されるように、前記暖房用水回路の下流端が、前記熱源側水回路における前記副熱交換器よりも上流側の部分に接続されている、請求項８に記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒回路と、この冷媒回路の冷媒によって加熱される流体が流れる流体回路とを備えた冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、図６に示すように、例えば給湯や暖房に用いられる水またはブライン等の流体が流れる流体回路１０２と、この流体回路１０２の流体を加熱する冷媒回路１０１とを備えた冷凍サイクル装置１００が知られている。冷媒回路１０１は、冷媒を圧縮する圧縮機１０３と、圧縮機１０３で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器１０４と、放熱器１０４で放熱した冷媒を膨張させる膨張機構１０５と、膨張機構１０５で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器１０６とを備えている。放熱器１０４は、冷媒が流通する高温側流路１０４ａと、流体回路１０２の流体が流通する低温側流路１０４ｂとを有している。この放熱器１０４において、低温側流路１０４ｂを流れる流体が、高温側流路１０４ａを流れる冷媒によって加熱される。流体回路１０２には、放熱器１０４で加熱された流体を貯留するタンク１０７と、ポンプ１０８とが設けられている。【０００３】
ところで、低温側流路１０４ｂを流れる流体の温度が高くなると、それに伴って、高温側流路１０４ａを流れる冷媒の温度を高くしなければならない。しかしながら、高温側流路１０４ａを流れる冷媒の温度を高くしようとすると、冷媒回路１０１の高圧側圧力が上昇する。例えば、図７に示すように、放熱器１０４の出口（点Ｅ参照）における冷媒温度をＴ１からＴ２（＞Ｔ１）にまで上昇させようとすると、冷媒回路１０１の高圧側圧力はＰ１からＰ２に上昇する。正確には、冷媒充填量が不変であることから、低温側流路１０４ｂを流れる流体の温度が高くなると、冷媒回路１０１の高圧側圧力が必然的に上昇する。その結果、圧縮機１０３の入力が増加し、冷凍サイクル装置１００のＣＯＰが低下するという課題があった。【０００４】
そこで、放熱器１０４の低温側流路１０４ｂを流れる流体を、低温側流路１０４ｂに流入する前に予め冷却しておくことが考えられる。特開２００２−９８４２９号公報には、図８に示すように、冷媒回路１０１の蒸発器１０６の出口側に副熱交換器１０９を設け、放熱器１０４の低温側流路１０４ｂに流入する前の流体（水）を、冷媒回路１０１の蒸発器１０６の出口側冷媒で冷却することが提案されている。これにより、放熱器１０４の低温側流路１０４ｂを流れる流体の温度が低下し、冷媒回路１０１の高圧側圧力の上昇がある程度抑えられる。その結果、冷凍サイクル装置１００のＣＯＰの低下がある程度抑制される。
【発明の開示】
【０００５】
しかしながら、近年、さらなる省エネルギー化の促進のため、冷凍サイクル装置におけるＣＯＰのより一層の向上が望まれている。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、冷媒回路と、この冷媒回路の冷媒によって加熱される流体が流れる流体回路とを備えた冷凍サイクル装置において、ＣＯＰのより一層の向上を図ることである。
【０００７】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、
インジェクション部を有する圧縮機、放熱器、第１膨張機構、第２膨張機構、および蒸発器を含み、これらの機器が順に環状に接続されることによって形成された主冷媒回路と、
前記主冷媒回路における前記第１膨張機構と前記第２膨張機構との間の部分と、前記圧縮機のインジェクション部とを接続しているインジェクション通路と、
前記放熱器を介して前記主冷媒回路の冷媒によって加熱される流体が流れる流体回路と、
前記インジェクション通路を流れる冷媒と、前記流体回路における前記放熱器で加熱される前の流体とを熱交換させることにより、前記流体を冷却する副熱交換器と、
を備えたものである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態１に係る冷凍サイクル装置の構成図
【図２】実施形態１に係る冷凍サイクル装置に関するモリエル線図
【図３】実施形態２に係る冷凍サイクル装置の構成図
【図４】実施形態３に係る冷凍サイクル装置の構成図
【図５】冷凍サイクル装置の変形例の構成図
【図６】従来の冷凍サイクル装置の構成図
【図７】従来の冷凍サイクル装置に関するモリエル線図
【図８】従来の他の冷凍サイクル装置の構成図
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
＜実施形態１＞
−冷凍サイクル装置の構成−
図１に示すように、実施形態１に係る冷凍サイクル装置５０は、給湯および暖房を実行可能な多機能ヒートポンプを構成している。冷凍サイクル装置５０は、給湯または暖房に用いられる水が流れる水回路３０と、冷媒回路２０とを備えている。冷媒回路２０は、水回路３０の水を加熱する熱源として機能する。【００１０】
冷媒回路２０は、主冷媒回路２１と、インジェクション通路２２とを備えている。主冷媒回路２１は、圧縮機１、放熱器２、第１膨張機構５、第２膨張機構６、および蒸発器４を有する。これらの機器が順に環状に接続されることによって主冷媒回路２１が形成されている。冷媒回路２０には、冷媒として二酸化炭素が充填されている。【００１１】
圧縮機１は、吸入ポート１ａ、吐出ポート１ｂ、およびインジェクションポート１ｃを有している。インジェクションポート１ｃは、インジェクション通路２２からの冷媒を圧縮室にインジェクションするためのインジェクション部として設けられている。なお、圧縮機１の具体的構成は何ら限定されるものではない。圧縮機１には、例えば、ロータリ式圧縮機、スクロール式圧縮機等を好適に用いることができる。【００１２】
放熱器２は、いわゆる液−液熱交換器であり、高温側流路２ａと低温側流路２ｂとを備えている。放熱器２には、例えば、二重管式熱交換器、プレート式熱交換器等を好適に用いることができる。【００１３】
第１膨張機構５および第２膨張機構６には、例えば、電動式膨張弁等を好適に用いることができる。ただし、第１膨張機構５および第２膨張機構６の具体的構成は、何ら限定されない。第１膨張機構５と第２膨張機構６とは、同一種類の膨張機構であってもよく、互いに異なる種類の膨張機構であってもよい。一例として、第１膨張機構５が電動式膨張弁であり、第２膨張機構６がキャピラリである。さらに、第１膨張機構５および第２膨張機構６の少なくとも一方が冷媒から動力を回収可能な容積式流体機械で構成されていてもよい。【００１４】
蒸発器４の具体的構成も特に限定されないが、本実施形態では、蒸発器４はいわゆる空気熱交換器である。蒸発器４には、例えばプレートフィンチューブ熱交換器等を好適に用いることができる。蒸発器４に対しては、送風機１４が設けられている。ただし、蒸発器４として、液−液熱交換器を用いることももちろん可能である。【００１５】
インジェクション通路２２は、主冷媒回路２１における第１膨張機構５と第２膨張機構６との間の部分と、圧縮機１のインジェクションポート１ｃとを接続している。インジェクション通路２２には、冷媒の流量を調整する流量調整器７が設けられている。流量調整器７の構成は何ら限定されず、例えば、開度調整可能な電動弁等を好適に用いることができる。また、インジェクション通路２２には、副熱交換器３が配置されている。副熱交換器３は、液−液熱交換器であり、低温側流路３ａと高温側流路３ｂとを備えている。副熱交換器３の具体的構成も何ら限定されず、例えば、二重管式熱交換器、プレート式熱交換器等を好適に用いることができる。【００１６】
冷凍サイクル装置５０は、さらに、第１膨張機構５および第２膨張機構６の一方または両方と、流量調整器７とを制御する制御器１５を備えている。制御器１５は、例えば、市販のＤＳＰ（digital signal processor）である。インジェクション通路２２には、インジェクション通路２２を流れる冷媒の流量を検出する流量センサ１６と、インジェクション通路２２を流れる冷媒の圧力（中間圧）を検出する圧力センサ１７とが設けられている。流量センサ１６および圧力センサ１７の検出信号は、制御器１５に送信されるようになっている。圧力センサ１７に代えて、温度センサを用いてインジェクション通路２２における冷媒の状態（温度および圧力）を検出しうる。また、流量センサ１６を省略してもよい。【００１７】
水回路３０は、貯湯タンク９と、熱源側水回路３５と、暖房用水回路３６と、給湯回路３７とを備えている。【００１８】
貯湯タンク９は、水を貯留する縦長のタンクであり、下方から上方にいくに従って水温が高くなるような温度分布を呈するいわゆる温度成層式タンクである。ただし、貯湯タンク９の構成は特に限定される訳ではない。貯湯タンク９の内部には、加熱ヒータ１８が設けられている。【００１９】
熱源側水回路３５は、冷媒回路２０を熱源として、水を加熱するための回路である。熱源側水回路３５の上流端３５ａは、貯湯タンク９の下部に接続されている。そのため、貯湯タンク９から熱源側水回路３５に対しては、貯湯タンク９の下部に貯留された比較的低温の水が供給される。熱源側水回路３５の下流端３５ｂは、貯湯タンク９の上下方向の略中央部に接続されている。熱源側水回路３５には、ポンプ２５、副熱交換器３の高温側流路３ｂ、および放熱器２の低温側流路２ｂが順に設けられている。ポンプ２５と副熱交換器３の高温側流路３ｂとの間には、熱源側水回路３５の構成部品として流路切換弁１３が設けられている。【００２０】
熱源側水回路３５は、副熱交換器３を含む主通路３４ａと、副熱交換器３をバイパスしているバイパス通路３４ｂとを含む。バイパス通路３４ｂは、副熱交換器３よりも上流側において主通路３４ａから分岐する一方、副熱交換器３の出口と放熱器２の入口との間において主流路３４ａに合流している。具体的に、バイパス通路３４ｂの一端は流路切換弁１３に接続されており、他端は副熱交換器３と放熱器２との間の部分に接続されている。熱源側水回路３５において、主通路３４ａにのみ水を流す第１状態と、バイパス通路３４ｂにのみ水を流す第２状態とを切換可能である。流路切換弁１３を制御することによって、第１状態と第２状態との切換を行える。放熱器２で加熱する前の水を副熱交換器３で予冷する必要が無い場合に第２状態を設定することによって、圧力損失の増大を防止できる。【００２１】
暖房用水回路３６は、貯湯タンク９の温水を熱源として暖房を行う回路である。暖房用水回路３６の上流端３６ａは、貯湯タンク９の上下方向の中央部に接続されている。暖房用水回路３６の下流端３６ｂは、熱源側水回路３５における上流端３５ａとポンプ２５との間の部分に接続されている。すなわち、暖房用水回路３６の水は、下流端３６ｂにおいて熱源側水回路３５の水と合流する。暖房用水回路３６には、暖房機器としてのラジエタ１０が設けられている。ラジエタ１０（室内ラジエタ）は、暖房用の熱交換器であり、ラジエタ１０に貯湯タンク９の温水を流通させることによって室内暖房を行える。また、ラジエタ１０と下流端３６ｂとの間には、弁１９が設けられている。【００２２】
このように、熱源側水回路３５には暖房用水回路３６が接続されている。具体的には、室内ラジエタ１０から流出した水（還り水）が副熱交換器３を経由して放熱器２で加熱されるように、暖房用水回路３６の下流端３６ｂが、熱源側水回路３５における副熱交換器３よりも上流側の部分に接続されている。室内ラジエタ１０から流出した還り水を副熱交換器３で冷却した後に、放熱器２で加熱するのに熱源側水回路３５が使用される。【００２３】
給湯回路３７は、貯湯タンク９の温水を熱源として利用し、給湯機器４５に温水を供給する回路である。給湯回路３７は、熱源側の回路である第１回路３８と、利用側の回路である第２回路３９とを備えている。第１回路３８の上流端３８ａは、貯湯タンク９の上部に接続されている。第１回路３８の下流端３８ｂは、貯湯タンク９の下部に接続されている。第１回路３８には、ポンプ２６が設けられている。第２回路３９には、温水を利用する給湯機器４５が設けられている。給湯機器４５の具体的種類は何ら限定されず、例えば、シャワー、キッチン等を好適に利用することができる。第１回路３８と第２回路３９とは、熱交換器４０を介して接続されている。熱交換器４０には、例えば、二重管式熱交換器、プレート式熱交換器等を用いることができる。第１回路３８には貯湯タンク９の水が流通し、第２回路３９には上水が供給される。第２回路３９に供給された上水は、熱交換器４０を介して第１回路３８の温水によって加熱され、温水となって給湯機器４５に供給される。【００２４】
熱源側水回路３５には、副熱交換器３を流れる水の流量を検出する流量センサ３１と、副熱交換器３を流れる水の温度を検出する温度センサ３２とが設けられている。流量センサ３１は、高温側流路３ｂを流れる水の流量を直接または間接的に検出するものであれば足り、その種類および配置箇所は何ら限定されない。本実施形態では、流量センサ３１は、流路切換弁１３と高温側流路３ｂとの間に配置されている。温度センサ３２は、副熱交換器３の入口における水の温度を直接または間接的に検出するものであればよい。なお、流量センサ３１を省略し、ポンプ２５の回転数に基づいて熱源側水回路３５の流量を検出してもよい。【００２５】
−冷凍サイクル装置の動作−
冷凍サイクル装置５０は、貯湯タンク９に温水を供給する温水生成運転と、ラジエタ１０を利用して暖房を行う暖房運転と、貯湯タンク９の温水を利用して給湯機器４５に温水を供給する給湯運転とを実行可能である。なお、これらの各運転は、独立して行われてもよく、他の運転と同時に行われてもよい。【００２６】
《温水生成運転》
まず、温水生成運転について説明する。冷媒回路２０では、インジェクション通路２２を通じて中間圧の冷媒を圧縮機１に供給するインジェクション運転と、インジェクション通路２２に冷媒を流さない非インジェクション運転とを選択的に実行可能である。【００２７】
温水生成運転を暖房運転と同時に行わない場合には、冷媒回路２０には、暖房用水回路３６からの水は供給されず、貯湯タンク９の水のみが供給される。そのため、冷媒回路２０に供給される水の温度は、比較的低温となる。したがって、水を予め冷却せずに放熱器２の低温側流路２ｂに供給しても、冷媒回路２０の高圧側圧力（圧縮機１の吐出側から放熱器２を経て第１膨張機構５に至る部分の圧力）が過剰に上昇するおそれは少ない。そこで、本実施形態では、温水生成運転を暖房運転と同時に行わない場合には、冷媒回路２０は非インジェクション運転を行う。【００２８】
一方、温水生成運転を暖房運転と同時に行う場合には、冷媒回路２０には、貯湯タンク９だけでなく、ラジエタ１０からも水が供給される。しかし、ラジエタ１０から冷媒回路２０側に戻ってくる水（以下、「還り水」という）の温度は、比較的高温である。そのため、還り水をそのまま放熱器２の低温側流路２ｂに供給すると、冷媒回路２０の高圧側圧力が上昇し、ＣＯＰが大幅に低下するおそれがある。そこで、本実施形態では、温水生成運転を暖房運転と同時に行う場合には、冷媒回路２０はインジェクション運転を行う。【００２９】
温水生成運転のみを行う場合には、暖房用水回路３６の弁１９は閉鎖される。流路切換弁１３は、水をバイパス通路３４ｂに流すように、図１の破線で示す状態に設定される。また、非インジェクション運転を行うので、流量調整器７は、冷媒の流通を遮断するように全閉状態に設定される。すなわち、制御器１５は、インジェクション通路２２の冷媒流量がゼロのときにはバイパス通路３４ｂにのみ水が流れるように、流量調整器７の制御と流路切換弁１３の制御とを関連付けて行う。これにより、熱源側水回路３５の流路長を短縮化でき、圧力損失の増大を防止できる。【００３０】
冷媒回路２０では、圧縮機１の吐出ポート１ｂから吐出された冷媒は、放熱器２の高温側流路２ａを流れ、低温側流路２ｂを流れる水に対して放熱する。放熱後の冷媒は、第１膨張機構５および第２膨張機構６において膨張し、高圧の冷媒から低圧の冷媒となる。この低圧の冷媒は、蒸発器４で蒸発し、吸入ポート１ａを通じて圧縮機１に吸入される。【００３１】
水回路３０では、貯湯タンク９の下部から供給された比較的低温の水が、ポンプ２５によって搬送される。ポンプ２５から吐出された水は、バイパス通路３４ｂを通過し、放熱器２の低温側流路２ｂに流入する。放熱器２において、低温側流路２ｂを流れる水は、高温側流路２ａを流れる冷媒によって加熱され、温水となる。この温水は、放熱器２の低温側流路２ｂを流出した後、貯湯タンク９の上下方向の略中央部分に返送される。【００３２】
ただし、温水生成運転をインジェクション運転と同時に行ってもよい。すなわち、貯湯タンク９の下部に貯められた水を副熱交換器３で冷却し、放熱器２で加熱した後に、貯湯タンク９へと戻すために熱源側水回路３５を使用してもよい。特に、貯湯タンク９の下部に貯められた水の温度がある程度高い場合に、副熱交換器３で冷却することに意義がある。【００３３】
《暖房運転》
次に、暖房運転について説明する。なお、冷媒回路２０の運転を停止することによって暖房運転を単独で実行することも可能であるが、以下では、温水生成運転と暖房運転とを同時に行う場合について説明する。前述したように、温水生成運転と暖房運転とを同時に行う場合には、冷媒回路２０においてインジェクション運転が実行される。そのため、インジェクション通路２２の流量調整器７は開状態に設定される。【００３４】
本暖房運転では、圧縮機１の吐出ポート１ｂから吐出された高圧の冷媒（図２の点Ｄ参照）は、放熱器２の高温側流路２ａを流れ、低温側流路２ｂを流れる水に対して放熱する。放熱後の冷媒（図２の点Ｅ参照）は、第１膨張機構５で膨張し、気液二相または液相の中間圧の冷媒（図２の点Ｆ参照）となる。【００３５】
中間圧の冷媒は分流し、一方の冷媒は第２膨張機構６でさらに膨張し、低圧の冷媒（図２の点Ｇ参照）となる。他方の冷媒は、インジェクション通路２２に流入する。【００３６】
低圧の冷媒は、蒸発器４で蒸発した後、吸入ポート１ａを通じて圧縮機１に吸入される（図２の点Ａ参照）。【００３７】
インジェクション通路２２に流入した中間圧の冷媒（一部に液を含む冷媒）は、副熱交換器３の低温側流路３ａを流れる。この冷媒は、高温側流路３ｂを流れる水と熱交換を行い、水を冷却する一方、自らは加熱される。この際、液冷媒は蒸発する。そして、ガス化した中間圧の冷媒は、インジェクションポート１ｃを通じて圧縮機１に吸入される。この中間圧の冷媒は、吸入ポート１ａから吸入された後、中間圧まで昇圧された冷媒（図２の点Ｂ参照）と合流し（図２の点Ｃ参照）、さらに、高圧まで圧縮される（図２の点Ｄ参照）。その後は、圧縮後の高圧冷媒が吐出ポート１ｂから吐出され、前述の動作を繰り返す。【００３８】
暖房用水回路３６においては、弁１９が開放される。貯湯タンク９から供給された温水は、ラジエタ１０に流れ込み、ラジエタ１０を介して室内空気を加熱する。これにより、室内の暖房が行われる。ラジエタ１０を流出した水は、暖房用水回路３６の下流端３６ｂから熱源側水回路３５に流れ込む。【００３９】
熱源側水回路３５では、ポンプ２５から搬送されてきた水を副熱交換器３の高温側流路３ｂに供給するように、流路切換弁１３が図１の実線で示す状態に設定される。この状態で、ラジエタ１０からの還り水は、暖房用水回路３６の下流端３６ｂから熱源側水回路３５に流れ込み、ポンプ２５を通過した後、副熱交換器３の高温側流路３ｂに流入する。高温側流路３ｂを流れる水は、低温側流路３ａを流れる冷媒によって冷却される。冷却された水は、高温側流路３ｂを流出した後、放熱器２の低温側流路２ｂに流入する。低温側流路２ｂに流入した水は、高温側流路２ａを流れる冷媒によって加熱され、高温の水となって低温側流路２ｂから流出する。そして、低温側流路２ｂを流出した高温の水は、貯湯タンク９に返送される。【００４０】
暖房運転の際に、制御器１５は、副熱交換器３を流れる水の流量および温度に基づいて、第１膨張機構５および第２膨張機構６から選ばれた少なくとも１つと、流量調整器７とを制御する。詳しくは、制御器１５は、放熱器２または蒸発器４が要求される能力を発揮しうる運転状況下で、ＣＯＰが最大となるような制御を行う。具体的には、第１膨張機構５および／または第２膨張機構６を制御することによって、ＣＯＰが最大となるように冷媒回路２０の中間圧を調整する一方、流量調整器７を制御することによって、ＣＯＰが最大となるようにインジェクション量（圧縮機１のインジェクションポート１ｃから吸入される冷媒流量）を調整する。【００４１】
冷媒回路２０の中間圧は、例えば、圧縮機１の吐出冷媒温度と副熱交換器３の入水温度とに基づいて決定される。これらの温度の種々の組み合わせに対して、ＣＯＰが最大となる中間圧を実験やシミュレーションで予め調べてデータベース化する。作成されたデータベースを制御器１５が持つことにより、吐出冷媒温度と入水温度との組み合わせに応じて、最適な中間圧を迅速に導出可能となる。なお、中間圧はセンサ１７で検出可能である。【００４２】
なお、ＣＯＰを向上させるためには、冷媒回路２０の高圧側圧力を下げることが好ましい。そのため、放熱器２の低温側流路２ｂを流れる水の温度を、できるだけ低下させることが好ましい。そこで、本実施形態では、副熱交換器３における熱交換量を多くし、副熱交換器３において還り水をできるだけ冷却することとしている。【００４３】
また、ＣＯＰを向上させるためには、圧縮機１へのインジェクション量をできるだけ多くすることが好ましい。そのため、インジェクション通路２２の冷媒流量をできるだけ多くすることが好ましい。本実施形態では、インジェクション通路２２に副熱交換器３が設けられており、冷媒は副熱交換器３で加熱される。そのため、インジェクション通路２２を流れる中間圧の冷媒の一部に液冷媒が含まれていたとしても、その液冷媒は副熱交換器３において蒸発し、ガス冷媒となって圧縮機１にインジェクションされる。また、インジェクション通路２２を流れる冷媒の一部に液冷媒が含まれている方が、すべての冷媒がガス冷媒である場合に比べて、副熱交換器３における還り水の冷却量が多くなるので、好ましい。しかし、インジェクション通路２２の冷媒流量が多くなりすぎると、還り水の温度または流量によっては、一部の液冷媒が副熱交換器３で十分に蒸発しきれず、圧縮機１のインジェクションポート１ｃに液冷媒が吸い込まれるおそれがある。【００４４】
このように、副熱交換器３の低温側流路３ａには、液冷媒がすべて蒸発する限りにおいて、できるだけ多くの冷媒を流すことが好ましい。そこで、本実施形態では、副熱交換器３の低温側流路３ａに流れ込む液冷媒がすべて蒸発し、かつ、低温側流路３ａの冷媒流量ができるだけ多くなるように、流量調整器７を制御することとしている。具体的には、制御器１５は、副熱交換器３を流れる水の流量および温度に基づいて流量調整器７を制御する。インジェクション通路２２を通じてインジェクションポート１ｃへと導かれる冷媒流量（質量流量）が、インジェクションポート１ｃに液冷媒が導かれるのを回避しうる範囲での最大量に近づくように、流量調整器７が制御される。【００４５】
一例として、副熱交換器３を流れる水の流量および温度の種々の組み合わせに対して、ＣＯＰが最大となるインジェクション通路２２の冷媒流量を実験やシミュレーションで予め調べてデータベース化する。作成されたデータベースを制御器１５が持つことにより、副熱交換器３を流れる水の流量および温度の組み合わせに応じて、最適なインジェクション量（インジェクション通路２２の冷媒流量）を迅速に導出可能となる。【００４６】
例えば、副熱交換器３の高温側流路３ｂを流れる水の流量が多い場合には、副熱交換器３における熱交換量を多くすることができるので、低温側流路３ａの冷媒流量が多くなるように流量調整器７を制御する。また、副熱交換器３の高温側流路３ｂを流れる水の温度が高い場合には、副熱交換器３における熱交換量を多くすることができるので、低温側流路３ａの冷媒流量が多くなるように流量調整器７を制御する。【００４７】
このように、本実施形態では、副熱交換器３の低温側流路３ａに流れ込む液冷媒をすべて蒸発させ、かつ、低温側流路３ａを流れる冷媒流量を最大化することを、制御目標としている。インジェクション通路２２の終点付近（副熱交換器３の出口）で冷媒が１００％飽和ガスになるか、少し過熱されるように、第１膨張機構５および／または第２膨張機構６の制御と、流量調整器７の制御とを行う。ただし、圧縮機１に液冷媒がインジェクションされたとしても、それが少量であれば、圧縮機１の効率や信頼性に殆ど影響しない。【００４８】
また、本実施形態では、副熱交換器３の出口と圧縮機１のインジェクションポート１ｃとの間にセンサ１７が設けられている。センサ１７により、この区間を流通する冷媒の温度をモニタできる。センサ１７の検出結果、圧縮機１の吸入冷媒温度、圧縮機１の吐出冷媒温度に基づいて、この区間を流通する冷媒の状態を推定できる。この推定結果に基づき、補正制御を行ってもよい。例えば、当該区間を流通する冷媒の過熱度が大きすぎる場合には、インジェクション通路２２の冷媒流量が増えるように、流量調整器７の制御に補正をかける。他方、この区間を流通する冷媒に液相の冷媒が含まれている場合には、インジェクション通路２２の冷媒流量が減少するように、流量調整器７の制御に補正をかける。このようにすれば、飽和ガスに近い状態の最大量の冷媒を圧縮機１にインジェクションでき、ＣＯＰの最適化に資する。【００４９】
なお、副熱交換器３の高温側流路３ｂを流れる水の流量および温度に基づいて流量調整器７の制御を行うに際して、制御目標は上記制御目標に限定されるわけではない。他にも、種々の制御が可能である。【００５０】
《給湯運転》
次に、給湯運転について説明する。給湯運転の際には、給湯回路３７のポンプ２６が駆動され、貯湯タンク９内の上層部の高温水が、給湯回路３７の第１回路３８に流れ込む。一方、給湯回路３７の第２回路３９には、上水が供給される。第１回路３８の高温水と第２回路３９の上水とは、熱交換器４０を介して熱交換を行う。その結果、上水は加熱され、高温水となって給湯機器４５に供給される。一方、第１回路３８の高温水は、熱交換器４０を介して上記上水に冷却され、貯湯タンク９の下部に返送される。【００５１】
なお、前述の温水生成運転、暖房運転および給湯運転のいずれにおいても、貯湯タンク９内の水温が低下した場合等には、加熱ヒータ１８によって貯湯タンク９内の水を加熱し、水温を上昇させることができる。【００５２】
−実施形態の効果−
以上のように、本実施形態に係る冷凍サイクル装置５０は、中間圧の冷媒を圧縮機１にインジェクションさせるインジェクション通路２２と、放熱器２で加熱される前の水をインジェクション通路２２の冷媒で冷却する副熱交換器３とを備えている。そのため、以下に説明するように、ＣＯＰを向上させるにあたって、インジェクションによる効果と、放熱器２で加熱される前の水を予め冷却することによる効果（以下、予冷効果という）とが得られるだけでなく、それらの相乗効果も得ることができる。【００５３】
すなわち、まず、本実施形態に係る冷凍サイクル装置５０によれば、インジェクションによる効果を得ることができる。具体的には、本冷凍サイクル装置５０では、放熱器２の高温側流路２ａを流出した冷媒の一部は、インジェクション通路２２を流れる。そのため、インジェクション通路２２を流れる冷媒の量だけ、蒸発器４を流れる冷媒の量が減るので、圧縮機１の吸入ポート１ａから吸入される冷媒の量が減少する。したがって、低圧から中間圧までの圧縮機１の圧縮仕事を低減させることができる。すなわち、図２に示すように、放熱器２の高温側流路２ａを流出した冷媒（点Ｅ→点Ｆ参照）の質量流量をＧ１、インジェクション通路２２を流れる冷媒（点Ｆ→点Ｃ参照）の質量流量をＧ３とすると、蒸発器４を流れる冷媒（点Ｇ→点Ａ参照）の質量流量Ｇ２は、Ｇ２＝Ｇ１−Ｇ３となり、Ｇ１よりも少なくなる。そのため、点Ａの状態から点Ｂの状態に至る冷媒の量が少なくなるので、圧縮機１の圧縮仕事を低減させることができる。その結果、圧縮機１の入力（消費電力）を低減させることができる。【００５４】
ところで、インジェクション通路２２がない場合には、圧縮機１で圧縮される冷媒は、図２の点Ａから点Ｄ´まで状態変化する。これに対し、本実施形態では、インジェクション通路２２を備えていることから、圧縮機１で圧縮される前の中間圧の冷媒は、圧縮機１において低圧から中間圧まで昇圧された後の冷媒（図２の点Ｂ→点Ｃの冷媒）と、インジェクションポート１ｃを通じて導入された中間圧の冷媒（図２の点Ｆ→点Ｃの冷媒）とが混合されたものとなる。そのため、圧縮前の中間圧冷媒の状態点は、点Ｂではなく点Ｃとなる。そして、中間圧冷媒は、圧縮機１で圧縮されることによって、点Ｃから点Ｄの状態に変化する。したがって、中間圧冷媒を高圧冷媒まで圧縮する際に圧縮機１に必要とされる仕事量は、インジェクション通路２２がない場合にはエンタルピ差Δ´＝ｈｄ´−ｈｂに相当する仕事量となるが、本実施形態ではエンタルピ差Δ＝ｈｄ−ｈｃに相当する仕事量となる。ここで、圧縮機１において冷媒は等エントロピ線に沿って昇圧されること、等エントロピ線の傾きは低エンタルピ側から高エンタルピ側に向かうほど緩やかになることから、Δ´＞Δである。したがって、本実施形態によれば、インジェクション通路２２を備えていることにより、中間圧冷媒を高圧冷媒にまで圧縮する部分においても、圧縮機１の入力を低減させることができる。【００５５】
さらに、本実施形態によれば、以下の予冷効果を得ることができる。すなわち、本実施形態によれば、副熱交換器３において、インジェクション通路２２を流れる冷媒によって、放熱器２の低温側流路２ｂに流入する前の水を冷却することができる。そのため、放熱器２の低温側流路２ｂを流れる水の温度を低下させることができ、結果として、放熱器２の高温側流路２ａを流れる冷媒の温度を低下させることができる。したがって、冷媒の高圧側圧力の上昇を抑制することができ、圧縮機１の入力を低減させることができる。例えば、図２に示すように、副熱交換器３を設けたことによって、高圧側圧力をＰ２からＰ１にまで低下させることができ、その分、圧縮機１の入力を低減させることが可能となる。【００５６】
ところで、上述のインジェクションによる効果と予冷効果とは、冷媒回路の蒸発器の出口側に副熱交換器を備えた従来の冷凍サイクル装置（例えば、図８参照）に、インジェクション通路を付加することによっても得ることができる。また、冷媒の温度は、蒸発器の出口側の方がインジェクション通路よりも低い。そのため、前述の予冷効果は、副熱交換器を蒸発器の出口側に設けた方が、より大きくなると考えられる。また、副熱交換器を蒸発器の出口側に設けることにより、一見したところ、冷媒の低圧側圧力を上昇させ、ＣＯＰをさらに向上させることが可能であるように見える。【００５７】
確かに、副熱交換器を蒸発器の出口側に設けた場合、放熱器に流入する前の水は、より低い温度にまで冷却される。そのため、予冷効果自体は大きくなる。ところが、この予冷効果の増加によるＣＯＰの増加分は、それほど大きなものではない。また、冷媒回路における冷媒の低圧側圧力は、主として蒸発器における被冷却流体（本実施形態では空気）の温度に依存する。そのため、副熱交換器を蒸発器の出口側に設けたとしても、副熱交換器をインジェクション通路に設けた場合と比較して、冷媒の低圧側圧力が大きく上昇する訳ではなく、ＣＯＰが大きく増加する訳ではない。【００５８】
インジェクション通路を備えた従来の冷凍サイクル装置では、圧縮機への液バックを回避するために、インジェクション通路の手前に気液分離器を設け、分離後のガス冷媒のみをインジェクション通路に供給するようにしていた。ところが、本実施形態によれば、インジェクション通路２２に副熱交換器３が設けられているので、インジェクション通路２２を流れる冷媒の一部に液冷媒が含まれていたとしても、液冷媒は副熱交換器３で蒸発する。そのため、インジェクション通路２２に流入した液冷媒が、液相の状態のまま圧縮機１のインジェクションポート１ｃに吸い込まれることはない。したがって、インジェクション通路２２に液冷媒を流すことができるので、インジェクション通路２２を流れる冷媒の質量流量（以下、インジェクション量という）を多くすることができる。【００５９】
このインジェクション量の増加は、前述のインジェクションによる効果および予冷効果を相乗的に増大させることとなる。そのため、本実施形態によれば、インジェクションによる効果と予冷効果とをそれぞれ別個に得る冷凍サイクル装置（つまり、蒸発器の出口側に副熱交換器を備えた従来の冷凍サイクル装置にインジェクション通路を単に付加したもの）と異なり、それぞれの効果に加えて、それらの相乗効果も得ることができる。したがって、本実施形態によれば、上述の諸効果が組み合わさって相乗効果となって発揮され、ＣＯＰのより一層の向上を図ることができる。【００６０】
また、本実施形態によれば、制御器１５は、放熱器２または蒸発器４が要求される能力を発揮しうる運転状況下で、ＣＯＰが最大となるように、第１膨張機構５および第２膨張機構６の一方または両方と、流量調整器７とを制御する。具体的には、副熱交換器３を流れる水の流量および温度に基づいて、第１膨張機構５および第２膨張機構６の一方または両方と、流量調整器７とを制御する。したがって、本実施形態によれば、安定的にＣＯＰの向上を図ることができる。【００６１】
さらに本実施形態では、制御器１５は、副熱交換器３を流れる水の流量および温度に基づいて、流量調整器７を制御することとしている。そのため、圧縮機１のインジェクションポート１ｃに液冷媒が吸い込まれないようにしつつ、インジェクション通路２２にできるだけ多くの冷媒を流すことができる。したがって、ＣＯＰのより一層の向上を図ることができる。【００６２】
本実施形態では、冷媒回路２０の冷媒は二酸化炭素であり、高圧側部分において超臨界状態となるものである。そのため、冷媒回路２０の高圧側圧力が本来的に高いという特徴を有している。ところが、本実施形態によれば、前述のように高圧側圧力の上昇を抑制することができる。したがって、ＣＯＰを顕著に向上させることができる。【００６３】
また、本実施形態に係る冷凍サイクル装置５０は、給湯と暖房とを実行可能な多機能ヒートポンプを構成している。本実施形態では、暖房運転の有無によって、冷媒回路２０側に戻ってくる還り水の温度が大きく異なり、暖房運転時には還り水は高温となる。しかし、上述したように、本実施形態によれば、還り水の温度が高温であってもＣＯＰの向上を図ることができる。したがって、効率の良い暖房運転が可能となる。【００６４】
なお、給湯や暖房の負荷は、季節によって変動する。上述したように、本実施形態に係る冷凍サイクル装置５０によれば、冷媒回路２０側に戻ってくる還り水の温度が高い場合であっても、ＣＯＰの大幅な低下は抑制される。したがって、季節による性能変動を抑えることができ、年間を通してＣＯＰの高い運転を行うことができる。【００６５】
＜実施形態２＞
図３に示すように、実施形態２に係る冷凍サイクル装置５０Ｂは、冷媒回路２０および水回路３０Ｂを備えている。水回路３０Ｂは、実施形態１の水回路３０の構成に変更を加えたものである。冷媒回路２０の構成は実施形態１と同様である。以下の説明では、実施形態１と同様の部分には同様の符号を付し、それらの説明は省略する。【００６６】
実施形態２では、熱源側水回路３５の下流端３５ｂは、貯湯タンク９の下部に接続されている。熱源側水回路３５の構成は、実施形態１と同様である。【００６７】
暖房用水回路３６の上流端３６ａは、貯湯タンク９の上部に接続されている。暖房用水回路３６の下流端３６ｂは、貯湯タンク９の下部に接続されている。暖房用水回路３６には、ラジエタ１０とポンプ２５ａとが設けられている。このような構成により、貯湯タンク９の上部の高温水がラジエタ１０に供給され、ラジエタ１０で温度が低下した水は、貯湯タンク９の下部に返送されることになる。【００６８】
本実施形態では、貯湯タンク９の内部には、加熱ヒータ１８の他に、下側熱交換器４１および上側熱交換器４２が設けられている。下側熱交換器４１は貯湯タンク９内の下部に配置され、上側熱交換器４２は貯湯タンク９内の上部に配置されている。【００６９】
給湯回路３７には、下側熱交換器４１、上側熱交換器４２および給湯機器４５がこの順に接続されている。貯湯タンク９の内部には、下側から上側に行くに従って温度が高くなるような温度分布が形成されている。そのため、貯湯タンク９の下側には、比較的低温の温水が貯留され、貯湯タンク９の上側には、比較的高温の温水が貯留される。給湯回路３７に供給された上水は、下側熱交換器４１を流れる際に、比較的低温の温水によって加熱され、その後、上側熱交換器４２を流れる際に、比較的高温の温水によって更に加熱され、高温水となる。そして、この高温水は、給湯機器４５に供給される。【００７０】
熱源側水回路３５は、貯湯タンク９の下部に貯められた水を副熱交換器３で冷却し、さらに、放熱器２で加熱した後に、貯湯タンク９へと戻すのに使用されうる。例えば、貯湯タンク９の下部に貯められた水の温度がある程度高い場合には、副熱交換器３で冷却した後、放熱器２で加熱する。逆に、貯湯タンク９の下部に貯められた水の温度が十分に低い場合には、バイパス通路３４ｂを通じて放熱器２に直接導く。【００７１】
本実施形態においても、実施形態１と同様の効果を得ることができる。【００７２】
＜実施形態３＞
図４に示すように、実施形態３に係る冷凍サイクル装置５０Ｃは、冷媒回路２０および水回路３０Ｃを備えている。水回路３０Ｃは、実施形態１の水回路３０の構成に変更を加えたものである。冷媒回路２０の構成は実施形態１と同様である。以下の説明では、実施形態１と同様の部分には同様の符号を付し、それらの説明は省略する。【００７３】
熱源側水回路３５の構成は、実施形態１と同様である。【００７４】
暖房用水回路３６の上流端３６ａは、熱源側水回路３５の下流端３５ｂの近傍部分に接続されている。暖房用水回路３６の下流端３６ｂは、熱源側水回路３５の上流端３５ａとポンプ２５との間の部分に接続されている。暖房用水回路３６には、ラジエタ１０が設けられている。本実施形態では、熱源側水回路３５を流れる温水の一部が分流し、一部の温水は貯湯タンク９に返送され、他の温水は暖房用水回路３６に供給される。暖房用水回路３６に供給された温水は、ラジエタ１０を流れ、室内空気を加熱する。ラジエタ１０を流出した水は、下流端３６ｂから熱源側水回路３５に流入し、貯湯タンク９から熱源側水回路３５に供給された水と合流する。なお、ラジエタ１０に温水を供給するために、暖房用水回路３６にポンプ２７が設けられていてもよい。【００７５】
本実施形態では、貯湯タンク９の内部に、内側タンク９ａが設けられている。言い換えると、本実施形態に係る冷凍サイクル装置５０は、２槽式のタンクを備えている。内側タンク９ａの内部には、外側の貯湯タンク９内よりも高温の温水が貯留される。内側タンク９ａ内には加熱ヒータ１８ａが配置され、内側タンク９ａの外側かつ貯湯タンク９の内側には、加熱ヒータ１８ｂが配置されている。【００７６】
給湯回路３７には、内側タンク９ａおよび給湯機器４５がこの順に接続されている。給湯回路３７に供給された上水は、いったん内側タンク９ａに流入する。内側タンク９ａ内の温水は、貯湯タンク９内の温水によって加熱され、あるいは、加熱ヒータ１８ａによって加熱され、高温水となって給湯機器４５に供給される。【００７７】
本実施形態においても、実施形態１と同様の効果を得ることができる。【００７８】
−変形例−
前記実施形態では、「流体」は水であったが、本発明の「流体」は水に限定されず、ブライン（典型的には不凍剤）等の他の流体であってもよい。【００７９】
また、前記実施形態では、冷媒回路２０の冷媒は二酸化炭素であった。しかし、本発明の「冷媒」は、二酸化炭素に限らず、フロン系冷媒等の他の冷媒であってもよい。【００８０】
本発明における「暖房用の熱交換器」は、ラジエタ１０に限定されるわけではない。また、ここでいう暖房には、いわゆる床暖房等も含まれる。【００８１】
また、各実施形態には、インジェクションポート１ｃを有する圧縮機１に代えて、インジェクションポートを有していない圧縮機を用いてもよい。図５に示す冷凍サイクル装置５０Ｄは、多段圧縮機５３を有する冷媒回路２０Ｄを備えている。多段圧縮機５３は、低圧段圧縮機構５２と、高圧段圧縮機構５１と、低圧段圧縮機構５２の出口（吐出口）と高圧段圧縮機構５１の入口（吸入口）とを接続している流路５４とを含む。流路５４（典型的には配管）が、インジェクション通路２２からの冷媒が導かれるインジェクション部として用いられている。多段圧縮機が用いられている点を除き、本冷凍サイクル装置５０Ｄによれば、実施形態１と同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
以上のように、本発明は、多機能ヒートポンプ等の冷凍サイクル装置に有用である。
【図１】
2009001535.tif 000003
【図２】
2009001535.tif 000004
【図３】
2009001535.tif 000005
【図４】
2009001535.tif 000006
【図５】
2009001535.tif 000007
【図６】
2009001535.tif 000008
【図７】
2009001535.tif 000009
【図８】
2009001535.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成20年10月7日(2008.10.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インジェクション部を有する圧縮機、放熱器、第１膨張機構、第２膨張機構、および蒸発器を含み、これらの機器が順に環状に接続されることによって形成された主冷媒回路と、
前記主冷媒回路における前記第１膨張機構と前記第２膨張機構との間の部分と、前記圧縮機のインジェクション部とを接続しているインジェクション通路と、
前記放熱器を介して前記主冷媒回路の冷媒によって加熱される流体が流れる流体回路と、
前記インジェクション通路を流れる冷媒と、前記流体回路における前記放熱器で加熱される前の流体とを熱交換させることにより、前記流体を冷却する副熱交換器と、
を備えた、冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記圧縮機が、前記インジェクション通路からの冷媒を圧縮室にインジェクションするためのインジェクションポートを前記インジェクション部として有する、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記圧縮機が、低圧段圧縮機構と、高圧段圧縮機構と、前記低圧段圧縮機構の出口と前記高圧段圧縮機構の入口とを接続している流路とを含む多段圧縮機であり、
前記流路が、前記インジェクション部として用いられた、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記インジェクション通路を流れる冷媒の流量を調整する流量調整器と、
前記副熱交換器を流れる前記流体の流量および温度に基づいて、前記第１膨張機構および前記第２膨張機構のいずれか一方または両方と、前記流量調整器とを制御する制御器と、
をさらに備えた、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記冷媒は二酸化炭素である、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記流体は水であり、
前記流体回路は、貯湯タンクと暖房用の熱交換器とを備え、
給湯と暖房とを実行可能な多機能ヒートポンプを構成している、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記暖房用の熱交換器が、前記貯湯タンクの温水を流通させることによって暖房を行うための室内ラジエタであり、
前記流体回路が、
(a)前記室内ラジエタが設けられた暖房用水回路と、(b)前記暖房用水回路に接続されており、前記室内ラジエタから流出した還り水を前記副熱交換器で冷却した後に、前記放熱器で加熱するための熱源側水回路と、を含む、請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記暖房用の熱交換器が、前記貯湯タンクの温水を流通させることによって暖房を行うための室内ラジエタであり、
前記流体回路が、
(a)前記室内ラジエタが設けられた暖房用水回路と、(b)前記貯湯タンクの下部に貯められた水を前記副熱交換器で冷却した後に、前記放熱器で加熱するための熱源側水回路と、を含む、請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項９】
前記熱源側水回路は、前記副熱交換器を含む主通路と、前記副熱交換器よりも上流側で前記主通路から分岐しており、かつ前記副熱交換器と前記放熱器との間において前記主通路に合流しているバイパス通路とを含み、
前記主通路にのみ水を流す第１状態と、前記バイパス通路にのみ水を流す第２状態とを切換可能である、請求項８に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１０】
前記インジェクション通路を流れる冷媒の流量を調整する流量調整器と、
前記第１状態と前記第２状態との切換を行う切換弁と、
前記流量調整器および前記切換弁を制御する制御器と、をさらに備え、
前記制御器は、前記インジェクション通路の冷媒流量がゼロのときには前記バイパス通路にのみ水が流れるように、前記流量調整器の制御と前記切換弁の制御とを関連付けて行う、請求項９に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１１】
前記室内ラジエタから流出した還り水が前記副熱交換器を経由して前記放熱器で加熱されるように、前記暖房用水回路の下流端が、前記熱源側水回路における前記副熱交換器よりも上流側の部分に接続されている、請求項８に記載の冷凍サイクル装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒回路と、この冷媒回路の冷媒によって加熱される流体が流れる流体回路とを備えた冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、図６に示すように、例えば給湯や暖房に用いられる水またはブライン等の流体が流れる流体回路１０２と、この流体回路１０２の流体を加熱する冷媒回路１０１とを備えた冷凍サイクル装置１００が知られている。冷媒回路１０１は、冷媒を圧縮する圧縮機１０３と、圧縮機１０３で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器１０４と、放熱器１０４で放熱した冷媒を膨張させる膨張機構１０５と、膨張機構１０５で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器１０６とを備えている。放熱器１０４は、冷媒が流通する高温側流路１０４ａと、流体回路１０２の流体が流通する低温側流路１０４ｂとを有している。この放熱器１０４において、低温側流路１０４ｂを流れる流体が、高温側流路１０４ａを流れる冷媒によって加熱される。流体回路１０２には、放熱器１０４で加熱された流体を貯留するタンク１０７と、ポンプ１０８とが設けられている。
【０００３】
ところで、低温側流路１０４ｂを流れる流体の温度が高くなると、それに伴って、高温側流路１０４ａを流れる冷媒の温度を高くしなければならない。しかしながら、高温側流路１０４ａを流れる冷媒の温度を高くしようとすると、冷媒回路１０１の高圧側圧力が上昇する。例えば、図７に示すように、放熱器１０４の出口（点Ｅ参照）における冷媒温度をＴ１からＴ２（＞Ｔ１）にまで上昇させようとすると、冷媒回路１０１の高圧側圧力はＰ１からＰ２に上昇する。正確には、冷媒充填量が不変であることから、低温側流路１０４ｂを流れる流体の温度が高くなると、冷媒回路１０１の高圧側圧力が必然的に上昇する。その結果、圧縮機１０３の入力が増加し、冷凍サイクル装置１００のＣＯＰが低下するという課題があった。
【０００４】
そこで、放熱器１０４の低温側流路１０４ｂを流れる流体を、低温側流路１０４ｂに流入する前に予め冷却しておくことが考えられる。特開２００２−９８４２９号公報には、図８に示すように、冷媒回路１０１の蒸発器１０６の出口側に副熱交換器１０９を設け、放熱器１０４の低温側流路１０４ｂに流入する前の流体（水）を、冷媒回路１０１の蒸発器１０６の出口側冷媒で冷却することが提案されている。これにより、放熱器１０４の低温側流路１０４ｂを流れる流体の温度が低下し、冷媒回路１０１の高圧側圧力の上昇がある程度抑えられる。その結果、冷凍サイクル装置１００のＣＯＰの低下がある程度抑制される。
【発明の開示】
【０００５】
しかしながら、近年、さらなる省エネルギー化の促進のため、冷凍サイクル装置におけるＣＯＰのより一層の向上が望まれている。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、冷媒回路と、この冷媒回路の冷媒によって加熱される流体が流れる流体回路とを備えた冷凍サイクル装置において、ＣＯＰのより一層の向上を図ることである。
【０００７】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、
インジェクション部を有する圧縮機、放熱器、第１膨張機構、第２膨張機構、および蒸発器を含み、これらの機器が順に環状に接続されることによって形成された主冷媒回路と、
前記主冷媒回路における前記第１膨張機構と前記第２膨張機構との間の部分と、前記圧縮機のインジェクション部とを接続しているインジェクション通路と、
前記放熱器を介して前記主冷媒回路の冷媒によって加熱される流体が流れる流体回路と、
前記インジェクション通路を流れる冷媒と、前記流体回路における前記放熱器で加熱される前の流体とを熱交換させることにより、前記流体を冷却する副熱交換器と、
を備えたものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
＜実施形態１＞
−冷凍サイクル装置の構成−
図１に示すように、実施形態１に係る冷凍サイクル装置５０は、給湯および暖房を実行可能な多機能ヒートポンプを構成している。冷凍サイクル装置５０は、給湯または暖房に用いられる水が流れる水回路３０と、冷媒回路２０とを備えている。冷媒回路２０は、水回路３０の水を加熱する熱源として機能する。
【０００９】
冷媒回路２０は、主冷媒回路２１と、インジェクション通路２２とを備えている。主冷媒回路２１は、圧縮機１、放熱器２、第１膨張機構５、第２膨張機構６、および蒸発器４を有する。これらの機器が順に環状に接続されることによって主冷媒回路２１が形成されている。冷媒回路２０には、冷媒として二酸化炭素が充填されている。
【００１０】
圧縮機１は、吸入ポート１ａ、吐出ポート１ｂ、およびインジェクションポート１ｃを有している。インジェクションポート１ｃは、インジェクション通路２２からの冷媒を圧縮室にインジェクションするためのインジェクション部として設けられている。なお、圧縮機１の具体的構成は何ら限定されるものではない。圧縮機１には、例えば、ロータリ式圧縮機、スクロール式圧縮機等を好適に用いることができる。
【００１１】
放熱器２は、いわゆる液−液熱交換器であり、高温側流路２ａと低温側流路２ｂとを備えている。放熱器２には、例えば、二重管式熱交換器、プレート式熱交換器等を好適に用いることができる。
【００１２】
第１膨張機構５および第２膨張機構６には、例えば、電動式膨張弁等を好適に用いることができる。ただし、第１膨張機構５および第２膨張機構６の具体的構成は、何ら限定されない。第１膨張機構５と第２膨張機構６とは、同一種類の膨張機構であってもよく、互いに異なる種類の膨張機構であってもよい。一例として、第１膨張機構５が電動式膨張弁であり、第２膨張機構６がキャピラリである。さらに、第１膨張機構５および第２膨張機構６の少なくとも一方が冷媒から動力を回収可能な容積式流体機械で構成されていてもよい。
【００１３】
蒸発器４の具体的構成も特に限定されないが、本実施形態では、蒸発器４はいわゆる空気熱交換器である。蒸発器４には、例えばプレートフィンチューブ熱交換器等を好適に用いることができる。蒸発器４に対しては、送風機１４が設けられている。ただし、蒸発器４として、液−液熱交換器を用いることももちろん可能である。
【００１４】
インジェクション通路２２は、主冷媒回路２１における第１膨張機構５と第２膨張機構６との間の部分と、圧縮機１のインジェクションポート１ｃとを接続している。インジェクション通路２２には、冷媒の流量を調整する流量調整器７が設けられている。流量調整器７の構成は何ら限定されず、例えば、開度調整可能な電動弁等を好適に用いることができる。また、インジェクション通路２２には、副熱交換器３が配置されている。副熱交換器３は、液−液熱交換器であり、低温側流路３ａと高温側流路３ｂとを備えている。副熱交換器３の具体的構成も何ら限定されず、例えば、二重管式熱交換器、プレート式熱交換器等を好適に用いることができる。
【００１５】
冷凍サイクル装置５０は、さらに、第１膨張機構５および第２膨張機構６の一方または両方と、流量調整器７とを制御する制御器１５を備えている。制御器１５は、例えば、市販のＤＳＰ（digital signal processor）である。インジェクション通路２２には、インジェクション通路２２を流れる冷媒の流量を検出する流量センサ１６と、インジェクション通路２２を流れる冷媒の圧力（中間圧）を検出する圧力センサ１７とが設けられている。流量センサ１６および圧力センサ１７の検出信号は、制御器１５に送信されるようになっている。圧力センサ１７に代えて、温度センサを用いてインジェクション通路２２における冷媒の状態（温度および圧力）を検出しうる。また、流量センサ１６を省略してもよい。
【００１６】
水回路３０は、貯湯タンク９と、熱源側水回路３５と、暖房用水回路３６と、給湯回路３７とを備えている。
【００１７】
貯湯タンク９は、水を貯留する縦長のタンクであり、下方から上方にいくに従って水温が高くなるような温度分布を呈するいわゆる温度成層式タンクである。ただし、貯湯タンク９の構成は特に限定される訳ではない。貯湯タンク９の内部には、加熱ヒータ１８が設けられている。
【００１８】
熱源側水回路３５は、冷媒回路２０を熱源として、水を加熱するための回路である。熱源側水回路３５の上流端３５ａは、貯湯タンク９の下部に接続されている。そのため、貯湯タンク９から熱源側水回路３５に対しては、貯湯タンク９の下部に貯留された比較的低温の水が供給される。熱源側水回路３５の下流端３５ｂは、貯湯タンク９の上下方向の略中央部に接続されている。熱源側水回路３５には、ポンプ２５、副熱交換器３の高温側流路３ｂ、および放熱器２の低温側流路２ｂが順に設けられている。ポンプ２５と副熱交換器３の高温側流路３ｂとの間には、熱源側水回路３５の構成部品として流路切換弁１３が設けられている。
【００１９】
熱源側水回路３５は、副熱交換器３を含む主通路３４ａと、副熱交換器３をバイパスしているバイパス通路３４ｂとを含む。バイパス通路３４ｂは、副熱交換器３よりも上流側において主通路３４ａから分岐する一方、副熱交換器３の出口と放熱器２の入口との間において主流路３４ａに合流している。具体的に、バイパス通路３４ｂの一端は流路切換弁１３に接続されており、他端は副熱交換器３と放熱器２との間の部分に接続されている。熱源側水回路３５において、主通路３４ａにのみ水を流す第１状態と、バイパス通路３４ｂにのみ水を流す第２状態とを切換可能である。流路切換弁１３を制御することによって、第１状態と第２状態との切換を行える。放熱器２で加熱する前の水を副熱交換器３で予冷する必要が無い場合に第２状態を設定することによって、圧力損失の増大を防止できる。
【００２０】
暖房用水回路３６は、貯湯タンク９の温水を熱源として暖房を行う回路である。暖房用水回路３６の上流端３６ａは、貯湯タンク９の上下方向の中央部に接続されている。暖房用水回路３６の下流端３６ｂは、熱源側水回路３５における上流端３５ａとポンプ２５との間の部分に接続されている。すなわち、暖房用水回路３６の水は、下流端３６ｂにおいて熱源側水回路３５の水と合流する。暖房用水回路３６には、暖房機器としてのラジエタ１０が設けられている。ラジエタ１０（室内ラジエタ）は、暖房用の熱交換器であり、ラジエタ１０に貯湯タンク９の温水を流通させることによって室内暖房を行える。また、ラジエタ１０と下流端３６ｂとの間には、弁１９が設けられている。
【００２１】
このように、熱源側水回路３５には暖房用水回路３６が接続されている。具体的には、室内ラジエタ１０から流出した水（還り水）が副熱交換器３を経由して放熱器２で加熱されるように、暖房用水回路３６の下流端３６ｂが、熱源側水回路３５における副熱交換器３よりも上流側の部分に接続されている。室内ラジエタ１０から流出した還り水を副熱交換器３で冷却した後に、放熱器２で加熱するのに熱源側水回路３５が使用される。
【００２２】
給湯回路３７は、貯湯タンク９の温水を熱源として利用し、給湯機器４５に温水を供給する回路である。給湯回路３７は、熱源側の回路である第１回路３８と、利用側の回路である第２回路３９とを備えている。第１回路３８の上流端３８ａは、貯湯タンク９の上部に接続されている。第１回路３８の下流端３８ｂは、貯湯タンク９の下部に接続されている。第１回路３８には、ポンプ２６が設けられている。第２回路３９には、温水を利用する給湯機器４５が設けられている。給湯機器４５の具体的種類は何ら限定されず、例えば、シャワー、キッチン等を好適に利用することができる。第１回路３８と第２回路３９とは、熱交換器４０を介して接続されている。熱交換器４０には、例えば、二重管式熱交換器、プレート式熱交換器等を用いることができる。第１回路３８には貯湯タンク９の水が流通し、第２回路３９には上水が供給される。第２回路３９に供給された上水は、熱交換器４０を介して第１回路３８の温水によって加熱され、温水となって給湯機器４５に供給される。
【００２３】
熱源側水回路３５には、副熱交換器３を流れる水の流量を検出する流量センサ３１と、副熱交換器３を流れる水の温度を検出する温度センサ３２とが設けられている。流量センサ３１は、高温側流路３ｂを流れる水の流量を直接または間接的に検出するものであれば足り、その種類および配置箇所は何ら限定されない。本実施形態では、流量センサ３１は、流路切換弁１３と高温側流路３ｂとの間に配置されている。温度センサ３２は、副熱交換器３の入口における水の温度を直接または間接的に検出するものであればよい。なお、流量センサ３１を省略し、ポンプ２５の回転数に基づいて熱源側水回路３５の流量を検出してもよい。
【００２４】
−冷凍サイクル装置の動作−
冷凍サイクル装置５０は、貯湯タンク９に温水を供給する温水生成運転と、ラジエタ１０を利用して暖房を行う暖房運転と、貯湯タンク９の温水を利用して給湯機器４５に温水を供給する給湯運転とを実行可能である。なお、これらの各運転は、独立して行われてもよく、他の運転と同時に行われてもよい。
【００２５】
《温水生成運転》
まず、温水生成運転について説明する。冷媒回路２０では、インジェクション通路２２を通じて中間圧の冷媒を圧縮機１に供給するインジェクション運転と、インジェクション通路２２に冷媒を流さない非インジェクション運転とを選択的に実行可能である。
【００２６】
温水生成運転を暖房運転と同時に行わない場合には、冷媒回路２０には、暖房用水回路３６からの水は供給されず、貯湯タンク９の水のみが供給される。そのため、冷媒回路２０に供給される水の温度は、比較的低温となる。したがって、水を予め冷却せずに放熱器２の低温側流路２ｂに供給しても、冷媒回路２０の高圧側圧力（圧縮機１の吐出側から放熱器２を経て第１膨張機構５に至る部分の圧力）が過剰に上昇するおそれは少ない。そこで、本実施形態では、温水生成運転を暖房運転と同時に行わない場合には、冷媒回路２０は非インジェクション運転を行う。
【００２７】
一方、温水生成運転を暖房運転と同時に行う場合には、冷媒回路２０には、貯湯タンク９だけでなく、ラジエタ１０からも水が供給される。しかし、ラジエタ１０から冷媒回路２０側に戻ってくる水（以下、「還り水」という）の温度は、比較的高温である。そのため、還り水をそのまま放熱器２の低温側流路２ｂに供給すると、冷媒回路２０の高圧側圧力が上昇し、ＣＯＰが大幅に低下するおそれがある。そこで、本実施形態では、温水生成運転を暖房運転と同時に行う場合には、冷媒回路２０はインジェクション運転を行う。
【００２８】
温水生成運転のみを行う場合には、暖房用水回路３６の弁１９は閉鎖される。流路切換弁１３は、水をバイパス通路３４ｂに流すように、図１の破線で示す状態に設定される。また、非インジェクション運転を行うので、流量調整器７は、冷媒の流通を遮断するように全閉状態に設定される。すなわち、制御器１５は、インジェクション通路２２の冷媒流量がゼロのときにはバイパス通路３４ｂにのみ水が流れるように、流量調整器７の制御と流路切換弁１３の制御とを関連付けて行う。これにより、熱源側水回路３５の流路長を短縮化でき、圧力損失の増大を防止できる。
【００２９】
冷媒回路２０では、圧縮機１の吐出ポート１ｂから吐出された冷媒は、放熱器２の高温側流路２ａを流れ、低温側流路２ｂを流れる水に対して放熱する。放熱後の冷媒は、第１膨張機構５および第２膨張機構６において膨張し、高圧の冷媒から低圧の冷媒となる。この低圧の冷媒は、蒸発器４で蒸発し、吸入ポート１ａを通じて圧縮機１に吸入される。
【００３０】
水回路３０では、貯湯タンク９の下部から供給された比較的低温の水が、ポンプ２５によって搬送される。ポンプ２５から吐出された水は、バイパス通路３４ｂを通過し、放熱器２の低温側流路２ｂに流入する。放熱器２において、低温側流路２ｂを流れる水は、高温側流路２ａを流れる冷媒によって加熱され、温水となる。この温水は、放熱器２の低温側流路２ｂを流出した後、貯湯タンク９の上下方向の略中央部分に返送される。
【００３１】
ただし、温水生成運転をインジェクション運転と同時に行ってもよい。すなわち、貯湯タンク９の下部に貯められた水を副熱交換器３で冷却し、放熱器２で加熱した後に、貯湯タンク９へと戻すために熱源側水回路３５を使用してもよい。特に、貯湯タンク９の下部に貯められた水の温度がある程度高い場合に、副熱交換器３で冷却することに意義がある。
【００３２】
《暖房運転》
次に、暖房運転について説明する。なお、冷媒回路２０の運転を停止することによって暖房運転を単独で実行することも可能であるが、以下では、温水生成運転と暖房運転とを同時に行う場合について説明する。前述したように、温水生成運転と暖房運転とを同時に行う場合には、冷媒回路２０においてインジェクション運転が実行される。そのため、インジェクション通路２２の流量調整器７は開状態に設定される。
【００３３】
本暖房運転では、圧縮機１の吐出ポート１ｂから吐出された高圧の冷媒（図２の点Ｄ参照）は、放熱器２の高温側流路２ａを流れ、低温側流路２ｂを流れる水に対して放熱する。放熱後の冷媒（図２の点Ｅ参照）は、第１膨張機構５で膨張し、気液二相または液相の中間圧の冷媒（図２の点Ｆ参照）となる。
【００３４】
中間圧の冷媒は分流し、一方の冷媒は第２膨張機構６でさらに膨張し、低圧の冷媒（図２の点Ｇ参照）となる。他方の冷媒は、インジェクション通路２２に流入する。
【００３５】
低圧の冷媒は、蒸発器４で蒸発した後、吸入ポート１ａを通じて圧縮機１に吸入される（図２の点Ａ参照）。
【００３６】
インジェクション通路２２に流入した中間圧の冷媒（一部に液を含む冷媒）は、副熱交換器３の低温側流路３ａを流れる。この冷媒は、高温側流路３ｂを流れる水と熱交換を行い、水を冷却する一方、自らは加熱される。この際、液冷媒は蒸発する。そして、ガス化した中間圧の冷媒は、インジェクションポート１ｃを通じて圧縮機１に吸入される。この中間圧の冷媒は、吸入ポート１ａから吸入された後、中間圧まで昇圧された冷媒（図２の点Ｂ参照）と合流し（図２の点Ｃ参照）、さらに、高圧まで圧縮される（図２の点Ｄ参照）。その後は、圧縮後の高圧冷媒が吐出ポート１ｂから吐出され、前述の動作を繰り返す。
【００３７】
暖房用水回路３６においては、弁１９が開放される。貯湯タンク９から供給された温水は、ラジエタ１０に流れ込み、ラジエタ１０を介して室内空気を加熱する。これにより、室内の暖房が行われる。ラジエタ１０を流出した水は、暖房用水回路３６の下流端３６ｂから熱源側水回路３５に流れ込む。
【００３８】
熱源側水回路３５では、ポンプ２５から搬送されてきた水を副熱交換器３の高温側流路３ｂに供給するように、流路切換弁１３が図１の実線で示す状態に設定される。この状態で、ラジエタ１０からの還り水は、暖房用水回路３６の下流端３６ｂから熱源側水回路３５に流れ込み、ポンプ２５を通過した後、副熱交換器３の高温側流路３ｂに流入する。高温側流路３ｂを流れる水は、低温側流路３ａを流れる冷媒によって冷却される。冷却された水は、高温側流路３ｂを流出した後、放熱器２の低温側流路２ｂに流入する。低温側流路２ｂに流入した水は、高温側流路２ａを流れる冷媒によって加熱され、高温の水となって低温側流路２ｂから流出する。そして、低温側流路２ｂを流出した高温の水は、貯湯タンク９に返送される。
【００３９】
暖房運転の際に、制御器１５は、副熱交換器３を流れる水の流量および温度に基づいて、第１膨張機構５および第２膨張機構６から選ばれた少なくとも１つと、流量調整器７とを制御する。詳しくは、制御器１５は、放熱器２または蒸発器４が要求される能力を発揮しうる運転状況下で、ＣＯＰが最大となるような制御を行う。具体的には、第１膨張機構５および／または第２膨張機構６を制御することによって、ＣＯＰが最大となるように冷媒回路２０の中間圧を調整する一方、流量調整器７を制御することによって、ＣＯＰが最大となるようにインジェクション量（圧縮機１のインジェクションポート１ｃから吸入される冷媒流量）を調整する。
【００４０】
冷媒回路２０の中間圧は、例えば、圧縮機１の吐出冷媒温度と副熱交換器３の入水温度とに基づいて決定される。これらの温度の種々の組み合わせに対して、ＣＯＰが最大となる中間圧を実験やシミュレーションで予め調べてデータベース化する。作成されたデータベースを制御器１５が持つことにより、吐出冷媒温度と入水温度との組み合わせに応じて、最適な中間圧を迅速に導出可能となる。なお、中間圧はセンサ１７で検出可能である。
【００４１】
なお、ＣＯＰを向上させるためには、冷媒回路２０の高圧側圧力を下げることが好ましい。そのため、放熱器２の低温側流路２ｂを流れる水の温度を、できるだけ低下させることが好ましい。そこで、本実施形態では、副熱交換器３における熱交換量を多くし、副熱交換器３において還り水をできるだけ冷却することとしている。
【００４２】
また、ＣＯＰを向上させるためには、圧縮機１へのインジェクション量をできるだけ多くすることが好ましい。そのため、インジェクション通路２２の冷媒流量をできるだけ多くすることが好ましい。本実施形態では、インジェクション通路２２に副熱交換器３が設けられており、冷媒は副熱交換器３で加熱される。そのため、インジェクション通路２２を流れる中間圧の冷媒の一部に液冷媒が含まれていたとしても、その液冷媒は副熱交換器３において蒸発し、ガス冷媒となって圧縮機１にインジェクションされる。また、インジェクション通路２２を流れる冷媒の一部に液冷媒が含まれている方が、すべての冷媒がガス冷媒である場合に比べて、副熱交換器３における還り水の冷却量が多くなるので、好ましい。しかし、インジェクション通路２２の冷媒流量が多くなりすぎると、還り水の温度または流量によっては、一部の液冷媒が副熱交換器３で十分に蒸発しきれず、圧縮機１のインジェクションポート１ｃに液冷媒が吸い込まれるおそれがある。
【００４３】
このように、副熱交換器３の低温側流路３ａには、液冷媒がすべて蒸発する限りにおいて、できるだけ多くの冷媒を流すことが好ましい。そこで、本実施形態では、副熱交換器３の低温側流路３ａに流れ込む液冷媒がすべて蒸発し、かつ、低温側流路３ａの冷媒流量ができるだけ多くなるように、流量調整器７を制御することとしている。具体的には、制御器１５は、副熱交換器３を流れる水の流量および温度に基づいて流量調整器７を制御する。インジェクション通路２２を通じてインジェクションポート１ｃへと導かれる冷媒流量（質量流量）が、インジェクションポート１ｃに液冷媒が導かれるのを回避しうる範囲での最大量に近づくように、流量調整器７が制御される。
【００４４】
一例として、副熱交換器３を流れる水の流量および温度の種々の組み合わせに対して、ＣＯＰが最大となるインジェクション通路２２の冷媒流量を実験やシミュレーションで予め調べてデータベース化する。作成されたデータベースを制御器１５が持つことにより、副熱交換器３を流れる水の流量および温度の組み合わせに応じて、最適なインジェクション量（インジェクション通路２２の冷媒流量）を迅速に導出可能となる。
【００４５】
例えば、副熱交換器３の高温側流路３ｂを流れる水の流量が多い場合には、副熱交換器３における熱交換量を多くすることができるので、低温側流路３ａの冷媒流量が多くなるように流量調整器７を制御する。また、副熱交換器３の高温側流路３ｂを流れる水の温度が高い場合には、副熱交換器３における熱交換量を多くすることができるので、低温側流路３ａの冷媒流量が多くなるように流量調整器７を制御する。
【００４６】
このように、本実施形態では、副熱交換器３の低温側流路３ａに流れ込む液冷媒をすべて蒸発させ、かつ、低温側流路３ａを流れる冷媒流量を最大化することを、制御目標としている。インジェクション通路２２の終点付近（副熱交換器３の出口）で冷媒が１００％飽和ガスになるか、少し過熱されるように、第１膨張機構５および／または第２膨張機構６の制御と、流量調整器７の制御とを行う。ただし、圧縮機１に液冷媒がインジェクションされたとしても、それが少量であれば、圧縮機１の効率や信頼性に殆ど影響しない。
【００４７】
また、本実施形態では、副熱交換器３の出口と圧縮機１のインジェクションポート１ｃとの間にセンサ１７が設けられている。センサ１７により、この区間を流通する冷媒の温度をモニタできる。センサ１７の検出結果、圧縮機１の吸入冷媒温度、圧縮機１の吐出冷媒温度に基づいて、この区間を流通する冷媒の状態を推定できる。この推定結果に基づき、補正制御を行ってもよい。例えば、当該区間を流通する冷媒の過熱度が大きすぎる場合には、インジェクション通路２２の冷媒流量が増えるように、流量調整器７の制御に補正をかける。他方、この区間を流通する冷媒に液相の冷媒が含まれている場合には、インジェクション通路２２の冷媒流量が減少するように、流量調整器７の制御に補正をかける。このようにすれば、飽和ガスに近い状態の最大量の冷媒を圧縮機１にインジェクションでき、ＣＯＰの最適化に資する。
【００４８】
なお、副熱交換器３の高温側流路３ｂを流れる水の流量および温度に基づいて流量調整器７の制御を行うに際して、制御目標は上記制御目標に限定されるわけではない。他にも、種々の制御が可能である。
【００４９】
《給湯運転》
次に、給湯運転について説明する。給湯運転の際には、給湯回路３７のポンプ２６が駆動され、貯湯タンク９内の上層部の高温水が、給湯回路３７の第１回路３８に流れ込む。一方、給湯回路３７の第２回路３９には、上水が供給される。第１回路３８の高温水と第２回路３９の上水とは、熱交換器４０を介して熱交換を行う。その結果、上水は加熱され、高温水となって給湯機器４５に供給される。一方、第１回路３８の高温水は、熱交換器４０を介して上記上水に冷却され、貯湯タンク９の下部に返送される。
【００５０】
なお、前述の温水生成運転、暖房運転および給湯運転のいずれにおいても、貯湯タンク９内の水温が低下した場合等には、加熱ヒータ１８によって貯湯タンク９内の水を加熱し、水温を上昇させることができる。
【００５１】
−実施形態の効果−
以上のように、本実施形態に係る冷凍サイクル装置５０は、中間圧の冷媒を圧縮機１にインジェクションさせるインジェクション通路２２と、放熱器２で加熱される前の水をインジェクション通路２２の冷媒で冷却する副熱交換器３とを備えている。そのため、以下に説明するように、ＣＯＰを向上させるにあたって、インジェクションによる効果と、放熱器２で加熱される前の水を予め冷却することによる効果（以下、予冷効果という）とが得られるだけでなく、それらの相乗効果も得ることができる。
【００５２】
すなわち、まず、本実施形態に係る冷凍サイクル装置５０によれば、インジェクションによる効果を得ることができる。具体的には、本冷凍サイクル装置５０では、放熱器２の高温側流路２ａを流出した冷媒の一部は、インジェクション通路２２を流れる。そのため、インジェクション通路２２を流れる冷媒の量だけ、蒸発器４を流れる冷媒の量が減るので、圧縮機１の吸入ポート１ａから吸入される冷媒の量が減少する。したがって、低圧から中間圧までの圧縮機１の圧縮仕事を低減させることができる。すなわち、図２に示すように、放熱器２の高温側流路２ａを流出した冷媒（点Ｅ→点Ｆ参照）の質量流量をＧ１、インジェクション通路２２を流れる冷媒（点Ｆ→点Ｃ参照）の質量流量をＧ３とすると、蒸発器４を流れる冷媒（点Ｇ→点Ａ参照）の質量流量Ｇ２は、Ｇ２＝Ｇ１−Ｇ３となり、Ｇ１よりも少なくなる。そのため、点Ａの状態から点Ｂの状態に至る冷媒の量が少なくなるので、圧縮機１の圧縮仕事を低減させることができる。その結果、圧縮機１の入力（消費電力）を低減させることができる。
【００５３】
ところで、インジェクション通路２２がない場合には、圧縮機１で圧縮される冷媒は、図２の点Ａから点Ｄ´まで状態変化する。これに対し、本実施形態では、インジェクション通路２２を備えていることから、圧縮機１で圧縮される前の中間圧の冷媒は、圧縮機１において低圧から中間圧まで昇圧された後の冷媒（図２の点Ｂ→点Ｃの冷媒）と、インジェクションポート１ｃを通じて導入された中間圧の冷媒（図２の点Ｆ→点Ｃの冷媒）とが混合されたものとなる。そのため、圧縮前の中間圧冷媒の状態点は、点Ｂではなく点Ｃとなる。そして、中間圧冷媒は、圧縮機１で圧縮されることによって、点Ｃから点Ｄの状態に変化する。したがって、中間圧冷媒を高圧冷媒まで圧縮する際に圧縮機１に必要とされる仕事量は、インジェクション通路２２がない場合にはエンタルピ差Δ´＝ｈｄ´−ｈｂに相当する仕事量となるが、本実施形態ではエンタルピ差Δ＝ｈｄ−ｈｃに相当する仕事量となる。ここで、圧縮機１において冷媒は等エントロピ線に沿って昇圧されること、等エントロピ線の傾きは低エンタルピ側から高エンタルピ側に向かうほど緩やかになることから、Δ´＞Δである。したがって、本実施形態によれば、インジェクション通路２２を備えていることにより、中間圧冷媒を高圧冷媒にまで圧縮する部分においても、圧縮機１の入力を低減させることができる。
【００５４】
さらに、本実施形態によれば、以下の予冷効果を得ることができる。すなわち、本実施形態によれば、副熱交換器３において、インジェクション通路２２を流れる冷媒によって、放熱器２の低温側流路２ｂに流入する前の水を冷却することができる。そのため、放熱器２の低温側流路２ｂを流れる水の温度を低下させることができ、結果として、放熱器２の高温側流路２ａを流れる冷媒の温度を低下させることができる。したがって、冷媒の高圧側圧力の上昇を抑制することができ、圧縮機１の入力を低減させることができる。例えば、図２に示すように、副熱交換器３を設けたことによって、高圧側圧力をＰ２からＰ１にまで低下させることができ、その分、圧縮機１の入力を低減させることが可能となる。
【００５５】
ところで、上述のインジェクションによる効果と予冷効果とは、冷媒回路の蒸発器の出口側に副熱交換器を備えた従来の冷凍サイクル装置（例えば、図８参照）に、インジェクション通路を付加することによっても得ることができる。また、冷媒の温度は、蒸発器の出口側の方がインジェクション通路よりも低い。そのため、前述の予冷効果は、副熱交換器を蒸発器の出口側に設けた方が、より大きくなると考えられる。また、副熱交換器を蒸発器の出口側に設けることにより、一見したところ、冷媒の低圧側圧力を上昇させ、ＣＯＰをさらに向上させることが可能であるように見える。
【００５６】
確かに、副熱交換器を蒸発器の出口側に設けた場合、放熱器に流入する前の水は、より低い温度にまで冷却される。そのため、予冷効果自体は大きくなる。ところが、この予冷効果の増加によるＣＯＰの増加分は、それほど大きなものではない。また、冷媒回路における冷媒の低圧側圧力は、主として蒸発器における被冷却流体（本実施形態では空気）の温度に依存する。そのため、副熱交換器を蒸発器の出口側に設けたとしても、副熱交換器をインジェクション通路に設けた場合と比較して、冷媒の低圧側圧力が大きく上昇する訳ではなく、ＣＯＰが大きく増加する訳ではない。
【００５７】
インジェクション通路を備えた従来の冷凍サイクル装置では、圧縮機への液バックを回避するために、インジェクション通路の手前に気液分離器を設け、分離後のガス冷媒のみをインジェクション通路に供給するようにしていた。ところが、本実施形態によれば、インジェクション通路２２に副熱交換器３が設けられているので、インジェクション通路２２を流れる冷媒の一部に液冷媒が含まれていたとしても、液冷媒は副熱交換器３で蒸発する。そのため、インジェクション通路２２に流入した液冷媒が、液相の状態のまま圧縮機１のインジェクションポート１ｃに吸い込まれることはない。したがって、インジェクション通路２２に液冷媒を流すことができるので、インジェクション通路２２を流れる冷媒の質量流量（以下、インジェクション量という）を多くすることができる。
【００５８】
このインジェクション量の増加は、前述のインジェクションによる効果および予冷効果を相乗的に増大させることとなる。そのため、本実施形態によれば、インジェクションによる効果と予冷効果とをそれぞれ別個に得る冷凍サイクル装置（つまり、蒸発器の出口側に副熱交換器を備えた従来の冷凍サイクル装置にインジェクション通路を単に付加したもの）と異なり、それぞれの効果に加えて、それらの相乗効果も得ることができる。したがって、本実施形態によれば、上述の諸効果が組み合わさって相乗効果となって発揮され、ＣＯＰのより一層の向上を図ることができる。
【００５９】
また、本実施形態によれば、制御器１５は、放熱器２または蒸発器４が要求される能力を発揮しうる運転状況下で、ＣＯＰが最大となるように、第１膨張機構５および第２膨張機構６の一方または両方と、流量調整器７とを制御する。具体的には、副熱交換器３を流れる水の流量および温度に基づいて、第１膨張機構５および第２膨張機構６の一方または両方と、流量調整器７とを制御する。したがって、本実施形態によれば、安定的にＣＯＰの向上を図ることができる。
【００６０】
さらに本実施形態では、制御器１５は、副熱交換器３を流れる水の流量および温度に基づいて、流量調整器７を制御することとしている。そのため、圧縮機１のインジェクションポート１ｃに液冷媒が吸い込まれないようにしつつ、インジェクション通路２２にできるだけ多くの冷媒を流すことができる。したがって、ＣＯＰのより一層の向上を図ることができる。
【００６１】
本実施形態では、冷媒回路２０の冷媒は二酸化炭素であり、高圧側部分において超臨界状態となるものである。そのため、冷媒回路２０の高圧側圧力が本来的に高いという特徴を有している。ところが、本実施形態によれば、前述のように高圧側圧力の上昇を抑制することができる。したがって、ＣＯＰを顕著に向上させることができる。
【００６２】
また、本実施形態に係る冷凍サイクル装置５０は、給湯と暖房とを実行可能な多機能ヒートポンプを構成している。本実施形態では、暖房運転の有無によって、冷媒回路２０側に戻ってくる還り水の温度が大きく異なり、暖房運転時には還り水は高温となる。しかし、上述したように、本実施形態によれば、還り水の温度が高温であってもＣＯＰの向上を図ることができる。したがって、効率の良い暖房運転が可能となる。
【００６３】
なお、給湯や暖房の負荷は、季節によって変動する。上述したように、本実施形態に係る冷凍サイクル装置５０によれば、冷媒回路２０側に戻ってくる還り水の温度が高い場合であっても、ＣＯＰの大幅な低下は抑制される。したがって、季節による性能変動を抑えることができ、年間を通してＣＯＰの高い運転を行うことができる。
【００６４】
＜実施形態２＞
図３に示すように、実施形態２に係る冷凍サイクル装置５０Ｂは、冷媒回路２０および水回路３０Ｂを備えている。水回路３０Ｂは、実施形態１の水回路３０の構成に変更を加えたものである。冷媒回路２０の構成は実施形態１と同様である。以下の説明では、実施形態１と同様の部分には同様の符号を付し、それらの説明は省略する。
【００６５】
実施形態２では、熱源側水回路３５の下流端３５ｂは、貯湯タンク９の下部に接続されている。熱源側水回路３５の構成は、実施形態１と同様である。
【００６６】
暖房用水回路３６の上流端３６ａは、貯湯タンク９の上部に接続されている。暖房用水回路３６の下流端３６ｂは、貯湯タンク９の下部に接続されている。暖房用水回路３６には、ラジエタ１０とポンプ２５ａとが設けられている。このような構成により、貯湯タンク９の上部の高温水がラジエタ１０に供給され、ラジエタ１０で温度が低下した水は、貯湯タンク９の下部に返送されることになる。
【００６７】
本実施形態では、貯湯タンク９の内部には、加熱ヒータ１８の他に、下側熱交換器４１および上側熱交換器４２が設けられている。下側熱交換器４１は貯湯タンク９内の下部に配置され、上側熱交換器４２は貯湯タンク９内の上部に配置されている。
【００６８】
給湯回路３７には、下側熱交換器４１、上側熱交換器４２および給湯機器４５がこの順に接続されている。貯湯タンク９の内部には、下側から上側に行くに従って温度が高くなるような温度分布が形成されている。そのため、貯湯タンク９の下側には、比較的低温の温水が貯留され、貯湯タンク９の上側には、比較的高温の温水が貯留される。給湯回路３７に供給された上水は、下側熱交換器４１を流れる際に、比較的低温の温水によって加熱され、その後、上側熱交換器４２を流れる際に、比較的高温の温水によって更に加熱され、高温水となる。そして、この高温水は、給湯機器４５に供給される。
【００６９】
熱源側水回路３５は、貯湯タンク９の下部に貯められた水を副熱交換器３で冷却し、さらに、放熱器２で加熱した後に、貯湯タンク９へと戻すのに使用されうる。例えば、貯湯タンク９の下部に貯められた水の温度がある程度高い場合には、副熱交換器３で冷却した後、放熱器２で加熱する。逆に、貯湯タンク９の下部に貯められた水の温度が十分に低い場合には、バイパス通路３４ｂを通じて放熱器２に直接導く。
【００７０】
本実施形態においても、実施形態１と同様の効果を得ることができる。
【００７１】
＜実施形態３＞
図４に示すように、実施形態３に係る冷凍サイクル装置５０Ｃは、冷媒回路２０および水回路３０Ｃを備えている。水回路３０Ｃは、実施形態１の水回路３０の構成に変更を加えたものである。冷媒回路２０の構成は実施形態１と同様である。以下の説明では、実施形態１と同様の部分には同様の符号を付し、それらの説明は省略する。
【００７２】
熱源側水回路３５の構成は、実施形態１と同様である。
【００７３】
暖房用水回路３６の上流端３６ａは、熱源側水回路３５の下流端３５ｂの近傍部分に接続されている。暖房用水回路３６の下流端３６ｂは、熱源側水回路３５の上流端３５ａとポンプ２５との間の部分に接続されている。暖房用水回路３６には、ラジエタ１０が設けられている。本実施形態では、熱源側水回路３５を流れる温水の一部が分流し、一部の温水は貯湯タンク９に返送され、他の温水は暖房用水回路３６に供給される。暖房用水回路３６に供給された温水は、ラジエタ１０を流れ、室内空気を加熱する。ラジエタ１０を流出した水は、下流端３６ｂから熱源側水回路３５に流入し、貯湯タンク９から熱源側水回路３５に供給された水と合流する。なお、ラジエタ１０に温水を供給するために、暖房用水回路３６にポンプ２７が設けられていてもよい。
【００７４】
本実施形態では、貯湯タンク９の内部に、内側タンク９ａが設けられている。言い換えると、本実施形態に係る冷凍サイクル装置５０は、２槽式のタンクを備えている。内側タンク９ａの内部には、外側の貯湯タンク９内よりも高温の温水が貯留される。内側タンク９ａ内には加熱ヒータ１８ａが配置され、内側タンク９ａの外側かつ貯湯タンク９の内側には、加熱ヒータ１８ｂが配置されている。
【００７５】
給湯回路３７には、内側タンク９ａおよび給湯機器４５がこの順に接続されている。給湯回路３７に供給された上水は、いったん内側タンク９ａに流入する。内側タンク９ａ内の温水は、貯湯タンク９内の温水によって加熱され、あるいは、加熱ヒータ１８ａによって加熱され、高温水となって給湯機器４５に供給される。
【００７６】
本実施形態においても、実施形態１と同様の効果を得ることができる。
【００７７】
−変形例−
前記実施形態では、「流体」は水であったが、本発明の「流体」は水に限定されず、ブライン（典型的には不凍剤）等の他の流体であってもよい。
【００７８】
また、前記実施形態では、冷媒回路２０の冷媒は二酸化炭素であった。しかし、本発明の「冷媒」は、二酸化炭素に限らず、フロン系冷媒等の他の冷媒であってもよい。
【００７９】
本発明における「暖房用の熱交換器」は、ラジエタ１０に限定されるわけではない。また、ここでいう暖房には、いわゆる床暖房等も含まれる。
【００８０】
また、各実施形態には、インジェクションポート１ｃを有する圧縮機１に代えて、インジェクションポートを有していない圧縮機を用いてもよい。図５に示す冷凍サイクル装置５０Ｄは、多段圧縮機５３を有する冷媒回路２０Ｄを備えている。多段圧縮機５３は、低圧段圧縮機構５２と、高圧段圧縮機構５１と、低圧段圧縮機構５２の出口（吐出口）と高圧段圧縮機構５１の入口（吸入口）とを接続している流路５４とを含む。流路５４（典型的には配管）が、インジェクション通路２２からの冷媒が導かれるインジェクション部として用いられている。多段圧縮機が用いられている点を除き、本冷凍サイクル装置５０Ｄによれば、実施形態１と同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
以上のように、本発明は、多機能ヒートポンプ等の冷凍サイクル装置に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】実施形態１に係る冷凍サイクル装置の構成図
【図２】実施形態１に係る冷凍サイクル装置に関するモリエル線図
【図３】実施形態２に係る冷凍サイクル装置の構成図
【図４】実施形態３に係る冷凍サイクル装置の構成図
【図５】冷凍サイクル装置の変形例の構成図
【図６】従来の冷凍サイクル装置の構成図
【図７】従来の冷凍サイクル装置に関するモリエル線図
【図８】従来の他の冷凍サイクル装置の構成図
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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