(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒と利用側熱媒体とが熱交換して当該利用側熱媒体を加熱する熱利用側熱交換器と、冷媒を減圧又は絞る減圧装置と、外熱源と熱交換して当該外熱源から熱を汲上げる外熱源側熱交換器とを有したヒートポンプ装置において、
前記圧縮機が、前段圧縮機と該前段圧縮機からの冷媒を更に圧縮する後段圧縮機とから形成されると共に、前記熱利用側熱交換器が、前記減圧装置と後段圧縮機との間に配設された第１及び第２熱交換器と、前記前段圧縮機と後段圧縮機との間に配設された第３熱交換器により形成されて、前段圧縮機で圧縮された冷媒は第３熱交換器に供給されて利用側熱媒体と熱交換した後、後段圧縮機に供給されて更に圧縮されてから第２熱交換器と第１熱交換器に順次供給されて利用側熱媒体と熱交換して減圧装置に供給され、当該減圧装置で減圧又は絞られて外熱源側熱交換器で外熱源と熱交換して加熱されて、前段圧縮機に戻る流れとなり、前記第１熱交換器で冷媒と熱交換した利用側熱媒体が分流して、一方が第２熱交換器に供給され、他方が第３熱交換器に供給されて、当該第２及び第３熱交換器で冷媒と熱交換した後、合流するようにしたことを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項２】
前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部への熱供与を効率的に行えるようにしたヒートポンプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ヒートポンプ装置は種々の装置に用いられ、例えば図４にす示すような給湯機における給湯水の加熱に用いられている。
【０００３】
ヒートポンプ装置１１０は、冷媒を圧縮する圧縮機１１１、冷媒と給湯水とを熱交換させる凝縮器１１２、冷媒を減圧又は絞る減圧装置１１３、冷媒を蒸発させる蒸発器１１４等を有している。
【０００４】
このヒートポンプ装置１１０に給湯機１２０が接続されている。給湯機１２０は、給湯水を貯留する給湯タンク１２１、該給湯水を凝縮器１１２を介して循環させるポンプ１２２等を有している。
【０００５】
そして、圧縮機１１１で圧縮されて高温高圧のホットガスとなった冷媒は、凝縮器１１２で給湯水と熱交換する。これにより、給湯水が加熱されて湯となり、冷媒は熱を失って凝縮する。
【０００６】
凝縮した冷媒は、減圧装置１１３により減圧又は絞られて蒸発器１１４に供給される。この蒸発器１１４には外熱源である外気等がファン１１５により送風されており、当該外気と熱交換して蒸発する。
【０００７】
この際の蒸発熱は、外気により供給されるので、ヒートポンプ装置１１０としては熱を外気から汲上げたことになり、その冷媒が圧縮機１１１に戻ってサイクルが１巡する。
【０００８】
このようなヒートポンプ装置１１０に用いられている冷媒として、従来Ｒ−２２等の塩素を含む冷媒（以下、特定フロンガスと記載する）が用いられてきた。
【０００９】
しかし、このＲ−２２冷媒はオゾン層を破壊する原因となることが判明し使用が規制され、これに代わる冷媒として、地球温暖化係数の小さなＨＣ２９０（プロパン）等が用いられるようになっている。
【００１０】
しかし、ＨＣ２９０等は強燃性があるため、かかる危険性のない冷媒として二酸化炭素が検討されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成では凝縮器１１２から取出すことができる熱に限界があり、例えば給湯機に場合には給湯水の温度を十分に高温にすることが困難である問題があった。
【００１２】
そこで、本発明は、凝縮器から十分な熱が取出せるようにして熱効率を高めたヒートポンプ装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１にかかる発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒と利用側熱媒体とが熱交換して当該利用側熱媒体を加熱する熱利用側熱交換器と、冷媒を減圧又は絞る減圧装置と、外熱源と熱交換して当該外熱源から熱を汲上げる外熱源側熱交換器とを有したヒートポンプ装置において、圧縮機が、前段圧縮機と該前段圧縮機からの冷媒を更に圧縮する後段圧縮機とから形成されると共に、熱利用側熱交換器が、減圧装置と後段圧縮機との間に配設された第１及び第２熱交換器と、前段圧縮機と後段圧縮機との間に配設された第３熱交換器により形成されて、前段圧縮機で圧縮された冷媒は第３熱交換器に供給されて利用側熱媒体と熱交換した後、後段圧縮機に供給されて更に圧縮されてから第２熱交換器と第１熱交換器に順次供給されて利用側熱媒体と熱交換して減圧装置に供給され、当該減圧装置で減圧又は絞られて外熱源側熱交換器で外熱源と熱交換して加熱されて、前段圧縮機に戻る流れとなり、第１熱交換器で冷媒と熱交換した利用側熱媒体が分流して、一方が第２熱交換器に供給され、他方が第３熱交換器に供給されて、当該第２及び第３熱交換器で冷媒と熱交換した後、合流するようにして、利用側熱交換器から十分な熱が取出せるようにたことを特徴とする。
【００１５】
請求項２にかかる発明は、冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係るヒートポンプ装置３０の回路図である。
【００１７】
このヒートポンプ装置３０は、冷媒を圧縮する前段及び後段圧縮機３１，３２、冷媒と利用側熱媒体である給湯水との熱交換を行う熱利用側熱交換器である第１〜第３熱交換器３３〜３５、冷媒を減圧又は絞る減圧装置３６、冷媒を蒸発させる外熱源側熱交換器である蒸発器３７等を有している。
【００１８】
また、第１〜第３熱交換器３３〜３５には給湯ポンプ２２から圧送された給湯水が循環するようになっている。
【００１９】
このような構成のヒートポンプ装置３０を循環する冷媒として、二酸化炭素のように超臨界状態で使用する冷媒やＨＣ２９０のように凝縮状態を経て使用する冷媒のように種々の冷媒が適用可能である。
【００２０】
図２は超臨界状態で使用する冷媒を用いた場合の温度−エンタルピー線図であり、図３は凝縮状態を経て使用する冷媒を用いた場合の温度−エンタルピー線図である。
【００２１】
そこで、以下の説明では図２を中心に説明するが、図２及び図３は同一符号を用いていることからも分るように、基本的に同じ動作を行う。
【００２２】
なお、以下の文章中で、例えばＰ１→Ｐ２やＷ１→Ｗ２と記載すると、温度−エンタルピー線図上で点Ｐ１から点Ｐ２或は点Ｗ１から点Ｗ２に状態が変化することを意味するものとする。
【００２３】
なお、Ｐは冷媒の状態点を示し、Ｗは給湯水の状態点を示すものとするが、このとき図２及び図３は冷媒の温度−エンタルピー線図であり、そこに給湯水の温度を表示したために、例えばＷ２とＷ４は本来同じ熱学的状態であるにも関わらず異なる点として記載されていることに注意を要する。
【００２４】
先ず、給湯水Ａの流れを説明する。給水管から給湯タンク２１に給湯水が貯留され、その後バルブが切替えられて、当該給湯タンク２１に貯留された給湯水がポンプで圧送される。そのときの水量は流量調整バルブ２３で調整する。
【００２５】
このようにして圧送された給湯水は、第１熱交換器３３に供給されて冷媒と熱交換し（Ｗ１→Ｗ２）、分流部Ｋ１で分流されて一方が第２熱交換器３４に供給され、他方が第３熱交換器３５に供給される。
【００２６】
その後、分流された給湯水は、それぞれ第２及び第３熱交換器３４，３５で冷媒と熱交換して更に温度が上昇し（Ｗ２→Ｗ３、Ｗ４→Ｗ５）、合流部Ｋ２で合流されて給湯タンク２１に戻る。
【００２７】
次に、冷媒の流れを説明する。前段圧縮機３１で圧縮された冷媒（Ｐ１→Ｐ２）は、第３熱交換器３５に供給され、ここで給湯水と熱交換する（Ｗ４→Ｗ５）。
【００２８】
冷媒は、第３熱交換器３５で熱を奪われ、等圧状態で温度が下がり（Ｐ２→Ｐ３）、後段圧縮機３２に供給されて、更に圧縮される（Ｐ３→Ｐ４）。
【００２９】
後段圧縮機３２からの冷媒は、第２熱交換器３４に供給され、ここで分流部Ｋ１で分流してきた給湯水と熱交換し、この給湯水を加熱する（Ｗ２→Ｗ３）。
【００３０】
第２熱交換器３４で熱交換した冷媒は、第１熱交換器３３に供給され、ここで分流前の給湯水と熱交換して（Ｗ１→Ｗ２）、過冷却状態となって減圧装置３６に供給される。
【００３１】
減圧装置３６に供給された冷媒は、当該減圧装置３６で減圧又は絞られて（Ｐ５→Ｐ６）、蒸発器３７で外気と熱交換して加熱されて（Ｐ６→Ｐ１）、過熱度状態となって前段圧縮機３１に戻る。
【００３２】
従って、図１に示す冷媒のサイクルはＰ１→Ｐ２→Ｐ３→Ｐ４→Ｐ５→→Ｐ６→Ｐ１となり、給湯水はＷ１→Ｗ２となって分流し、Ｗ２→Ｗ３及びＷ４→Ｗ５の状態変化した後合流して給湯タンク２１に戻る。
【００３３】
なお、図２及び図３において示すＰ１→Ｐ２’→Ｐ５→Ｐ６→Ｐ１のサイクルは図４に示す従来構成の場合のヒートポンプ装置における温度−エンタルピー線図を示し、Ｗ１→Ｗ２’はこのサイクルでの給湯水の状態変化を示している。
【００３４】
これらの比較を行うとわるように、従来の構成では給湯水をＷ２’の状態までしか加熱できないにもかかわらず、図１に示す本発明にかかる構成ではそれより高い温度まで加熱することが出きるようになって、給湯機からの出湯の温度を高くすることが可能になる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１にかかる発明によれば、圧縮機が、前段圧縮機と該前段圧縮機からの冷媒を更に圧縮する後段圧縮機とから形成されると共に、熱利用側熱交換器が、減圧装置と後段圧縮機との間に配設された第１及び第２熱交換器と、前段圧縮機と後段圧縮機との間に配設された第３熱交換器により形成されて、前段圧縮機で圧縮された冷媒は第３熱交換器に供給されて利用側熱媒体と熱交換した後、後段圧縮機に供給されて更に圧縮されてから第２熱交換器と第１熱交換器に順次供給されて利用側熱媒体と熱交換して減圧装置に供給され、当該減圧装置で減圧又は絞られて外熱源側熱交換器で外熱源と熱交換して加熱されて、前段圧縮機に戻る流れとなり、第１熱交換器で冷媒と熱交換した利用側熱媒体が分流して、一方が第２熱交換器に供給され、他方が第３熱交換器に供給されて、当該第２及び第３熱交換器で冷媒と熱交換した後、合流するようにしたので、利用側熱交換器から十分な熱が取出せるようになってサイクル効率を向上させることが可能になる。
【００３７】
請求項２にかかる発明によれば、冷媒を二酸化炭素にしたので、環境保護を可能にすると共に利用側熱交換器から十分な熱が取出せるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の説明に適用されるヒートポンプ装置の回路図である。
【図２】冷媒を超臨界状態で使用する場合の温度−エンタルピー線図である。
【図３】冷媒を凝縮状態を経て使用する場合の温度−エンタルピー線図である。
【図４】従来の技術の説明に適用されるヒートポンプ装置の回路図である。
【符号の説明】
３０  ヒートポンプ装置
３３〜３５  第１〜第３熱交換器
３１  前段圧縮機
３２  後段圧縮機
３６  減圧装置
３７  蒸発器
Ｋ１  分流部
Ｋ２  合流部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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