(57)【要約】【課題】  超臨界冷媒を使用して、４方向切換弁を用いずに冷暖房（給湯）システムを実現できると共に、運転停止時に熱源側熱交換器内に凝縮滞留する液化冷媒（寝込み冷媒）による起動時の液バック量減少化を実現する。【解決手段】  暖房あるいは給湯運転開始時、熱源側熱交換器１１と高圧ガス管３との間の切換弁７を開、低圧ガス管６との間の切換弁８を閉、利用側熱交換器１２と高圧ガス管３との間の切換弁９を閉、低圧ガス管６との間の切換弁１０を開、両熱交換器１１，１２と液管１７との間の膨張弁１５，１６を開として、短時間逆サイクル起動し、高圧センサ２１を用いて冷媒を超臨界状態まで昇圧させてから、通常運転に切り換える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超臨界冷媒を使用し、圧縮機の吐出管に接続された高圧ガス管と圧縮機の吸込管に接続された低圧ガス管にそれぞれ切換弁を介して熱源側熱交換器と利用側熱交換器の一端側が接続され、各熱交換器の他端側が膨張弁を介してそれぞれ液管に接続され、前記圧縮機と各切換弁や各膨張弁等を制御手段で制御して冷房運転や暖房運転あるいは給湯運転を行うようにしたヒートポンプシステムにおいて、
暖房あるいは給湯運転開始時、前記熱源側熱交換器と高圧ガス管との間の切換弁を開とし、低圧ガス管との間の切換弁を閉とするとともに、前記利用側熱交換器と高圧ガス管との間の切換弁を閉とし、低圧ガス管との間の切換弁を開とし、両熱交換器と液管との間の膨張弁を開として、短時間逆サイクル起動し、通常運転に切り換えることを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項２】
前記冷媒の超臨界状態を検出する検出手段を備え、前記検出手段を用いて冷媒を超臨界状態まで昇圧させてから、通常運転に切り換えることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプシステム。
【請求項３】
前記液管内を流れる冷媒を気液分離し、分離した気相冷媒を前記圧縮機に供給するための中間圧レシーバを備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のヒートポンプシステム。
【請求項４】
前記冷媒の超臨界状態を検出する検出手段として圧力センサを用いたことを特徴とする請求項２記載のヒートポンプシステム。
【請求項５】
前記超臨界冷媒として二酸化炭素冷媒を使用したことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、冷暖房（給湯を含む）システム等のヒートポンプシステムに係わり、特に冷媒に二酸化炭素等の超臨界冷媒を使用したヒートポンプシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、フルオロカーボン（フロン）冷媒による冷暖房システムでは、圧縮機吐出管と吸込管に取り付けた４方向切換弁で、冷房と暖房の切換制御を行っていた。一方、二酸化炭素（炭酸ガス）のような超臨界冷媒は、高圧側がフルオロカーボン冷媒より３〜４倍高く、高圧側と低圧側の差圧が非常に大きくなるが、４方向切換弁は面シールを用いているので高圧側と低圧側の差圧が大きくなると、どうしてもリーク等の不具合が発生し、シール技術が非常に困難となるので、現在の技術では、この超高圧に不具合なく対応できる４方向切換弁は存在しない。
【０００３】
そこで、二酸化炭素冷媒等の超臨界冷媒を使用し、圧縮機の吐出管に接続された高圧ガス管と圧縮機の吸込管に接続された低圧ガス管にそれぞれ切換弁を介して熱源側熱交換器と利用側熱交換器の一端側が接続され、各熱交換器の他端側が膨張弁を介してそれぞれ液管に接続され、前記圧縮機と各切換弁や各膨張弁等を制御手段で制御して冷房運転や暖房運転あるいは給湯運転を行うようにしたヒートポンプシステム（冷凍装置）が既に提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
上記特許文献１に記載のものは、二酸化炭素冷媒等の超臨界冷媒を使用し、４方向切換弁を用いずに電磁開閉弁による切換弁を用いて、高圧ガス管と低圧ガス管と液管の３本配管（３ＷＡＹ）で、熱源側熱交換器として室外熱交換器を有する室外ユニットと、利用側熱交換器として室内熱交換器を有する複数の室内ユニットと給湯ユニットを備えた冷凍装置で、給湯ユニットを運転しながら、複数の室内ユニットを同時に冷房運転もしくは暖房運転可能とし、または、これらの冷房運転と暖房運転とを混在して実施可能とすると共に、高圧ガス管内が冷凍装置の運転中は超臨界圧力で運転されるため、冷媒が、高圧ガス管内で凝縮することがなく、フロン冷媒のように、液化して高圧ガス管内に寝込む（凝縮滞留する）ことがなくなる。
【特許文献１】特開２００４−２２６０１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載されたような超臨界冷媒を使用したシステムでも、運転停止時、室内より室外温度が低いと冷媒は熱源側熱交換器に凝縮滞留する（寝込む）。この状態でそのまま暖房あるいは給湯運転モードで起動すると、熱源側熱交換器内の凝縮液化冷媒が一気に液バックして、圧縮機の吸込管にアキュムレータ（気液分離器）が備えられていても、それをオーバーフローして圧縮機に流入するので、圧縮機のオイル挙動が不安定になり、耐久性に悪影響を及ぼす。また、液バックが起こると、その分、暖房運転等の立ち上がりも遅くなる。
【０００６】
そこで、本願発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、超臨界冷媒を使用して、４方向切換弁を用いずに冷暖房（給湯）システムを実現できると共に、運転停止時に熱源側熱交換器内に凝縮滞留する液化冷媒（寝込み冷媒）による起動時の液バック量減少化を実現できるヒートポンプシステムを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記のような目的を達成するために、本願発明は、超臨界冷媒を使用し、圧縮機の吐出管に接続された高圧ガス管と圧縮機の吸込管に接続された低圧ガス管にそれぞれ切換弁を介して熱源側熱交換器と利用側熱交換器の一端側が接続され、各熱交換器の他端側が膨張弁を介してそれぞれ液管に接続され、前記圧縮機と各切換弁や各膨張弁等を制御手段で制御して冷房運転や暖房運転あるいは給湯運転を行うようにしたヒートポンプシステムにおいて、暖房あるいは給湯運転開始時、前記熱源側熱交換器と高圧ガス管との間の切換弁を開とし、低圧ガス管との間の切換弁を閉とするとともに、前記利用側熱交換器と高圧ガス管との間の切換弁を閉とし、低圧ガス管との間の切換弁を開とし、両熱交換器と液管との間の膨張弁を開として、短時間逆サイクル起動し、通常運転に切り換えることを特徴とするものである。
【０００８】
また、前記冷媒の超臨界状態を検出する検出手段を備え、前記検出手段を用いて冷媒を超臨界状態まで昇圧させてから、通常運転に切り換えることを特徴とするものである。
【０００９】
さらに、前記液管内を流れる冷媒を気液分離し、分離した気相冷媒を前記圧縮機に供給するための中間圧レシーバを備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
また、前記冷媒の超臨界状態を検出する検出手段として圧力センサを用いたことを特徴とするものである。
【００１１】
また、前記超臨界冷媒として二酸化炭素冷媒を使用したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本願発明によれば、超臨界冷媒を使用して、４方向切換弁を用いずに冷暖房（給湯）システムを実現できると共に、暖房あるいは給湯運転開始時に短時間逆サイクル起動し、通常運転に切り換えることにより、運転停止時に熱源側熱交換器内に凝縮滞留する液化冷媒（寝込み冷媒）による起動時の液バック量減少化を実現でき、これにより圧縮機の耐久性向上とともに、立ち上がりスピードも速くなる。
【００１３】
また、冷媒の超臨界状態を検出する検出手段を備えて、冷媒を超臨界状態まで昇圧させてから、通常運転に切り換えることにより、運転停止時に熱源側熱交換器内に凝縮滞留する液化冷媒（寝込み冷媒）による起動時の液バック量減少化をより確実に実現できる。
【００１４】
さらに、液管に、冷媒を気液分離し、分離した気相冷媒を圧縮機に供給するための中間圧レシーバを備えたことにより、液管から膨張弁には飽和液線のエンタルピを有する液相冷媒が流入するので、利用側熱交換器又は熱源側熱交換器が蒸発器として機能するときに、その入口と出口との間のエンタルピ差は大きくしながら、圧縮機の圧縮仕事量を小さくすることができ、二酸化炭素冷媒による冷凍サイクルの冷凍能力を大きくすることができると共に、その成績係数を向上させることができる。
【００１５】
また、冷媒の超臨界状態を検出する検出手段として圧力センサを用いたことにより、冷媒の超臨界状態をほぼ確実に検出できる。
【００１６】
また、超臨界冷媒として二酸化炭素冷媒を使用したことにより、自然系冷媒の中でも二酸化炭素冷媒は毒性や可燃性がないため，除害設備を設ける必要もない利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本願発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本願発明の一実施形態に係るヒートポンプシステムの冷媒回路図、図２はその作用を示すモリエル線図（圧力−エンタルピ線図）である。
【００１９】
図１に示す冷媒回路には、冷媒として自然系冷媒で高圧側が超臨界状態で運転される二酸化炭素（炭酸ガス）冷媒が用いられている。二酸化炭素冷媒は、約７３気圧以上、約３１℃以上で、液体でも気体でもないが、それらの特性を併せ持った超臨界状態となる。
【００２０】
上記二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機１は高圧圧縮が可能な２段圧縮式のもので、その高段圧縮要素側の吐出管２は高圧ガス管３に接続され、低段圧縮要素側の吸込管４はアキュムレータ（気液分離器）５を介して低圧ガス管６に接続されている。
【００２１】
高圧ガス管３と低圧ガス管６には、それぞれ切換弁（電磁開閉弁）７，８，９，１０を介して熱源側熱交換器１１と利用側熱交換器１２の一端側が接続されている。熱源側熱交換器１１は具体的には室外熱交換器等で、外気との熱交換を促進するための送風ファン１３が備えられている。また、利用側熱交換器１２は具体的には室内熱交換器等で、室内空気との熱交換を促進すると共に冷風や温風を吹き出すための送風ファン１４が備えられている。
【００２２】
上記各熱交換器１１，１２の他端側は、電子制御弁から成る膨張弁（減圧弁）１５，１６を介してそれぞれ液管（細管）１７に接続されており、上述した圧縮機１と各切換弁７〜１０や各ファン１３，１４や各膨張弁１５，１６等を図示しないマイコン等から成る制御手段で制御することにより、冷房運転や暖房運転等を行うことができるように構成されている。なお、利用側熱交換器１２として、前述した特許文献１に記載されているように室内熱交換器を有する複数の室内ユニットと給湯ユニットを備えれば、給湯ユニットを運転しながら、複数の室内ユニットを同時に冷房運転もしくは暖房運転可能となり、または、これらの冷房運転と暖房運転とを混在して実施可能となる。
【００２３】
さらに、本実施形態においては、液管１７内を流れる冷媒を気液分離し、分離した気相冷媒を圧縮機１に供給するための中間圧レシーバ１８が備えられている。この中間圧レシーバ１８は液管１７を流れる気液混合冷媒の双方向の流れに対応したもので、例えば多数の貫通孔が形成された仕切板１９により双方向の気液分離を実現できる。この中間圧レシーバ１８で分離された気相冷媒は、２段圧縮式の圧縮機１における高段圧縮要素の吸入側に供給されるように構成されている。
【００２４】
また、圧縮機１の吐出管２には、二酸化炭素冷媒の超臨界状態を検出するための高圧センサ２１が取り付けられており、この高圧センサ２１の検出出力が図示しない制御手段を構成するマイコンに入力されるようになっている。
【００２５】
以上の構成において、冷房運転時には、図１の熱源側熱交換器１１の高圧側切換弁７が開、低圧側切換弁８が閉、利用側熱交換器１２の高圧側切換弁９が閉、低圧側切換弁１０が開となり、膨張弁１５，１６は絞り作用で運転される。
【００２６】
これにより、圧縮機１で圧縮されて高温高圧となった冷媒は超臨界状態となって（図２のａ−ｂ−ｃ−ｄ）、吐出管２から高圧ガス管３を通り高圧側切替弁７を介して熱源側熱交換器１１に流入する。熱源側熱交換器１１に流入した冷媒は、ファン１３による送風によって外気と熱交換して冷却されるが超臨界状態であるので凝縮はしない（図２のｄ−ｅ）。
【００２７】
熱源側熱交換器１１で冷却された超臨界状態の冷媒は、絞り作用の膨張弁１５を介して減圧膨張して中間圧レシーバ１８に流入する（図２のｅ−ｆ）。この間に冷媒は飽和液腺ＳＬを通過し超臨界状態を脱して一部が液化し気液混合冷媒となって中間圧レシーバ１８に流入する。中間圧レシーバ１８に流入した気液混合冷媒は、ここで気相冷媒と液相冷媒に分離され、分離した気相冷媒は圧縮機１の高段圧縮要素の吸入側に供給される（図２のｆ−ｃ）。一方、気相冷媒が分離された液相冷媒は、気相冷媒のエンタルピ分が失われて飽和液腺ＳＬまでエンタルピが低下する（図２のｆ−ｇ）。
【００２８】
中間圧レシーバ１８で気相冷媒が分離された液相冷媒は、絞り作用の膨張弁１６を介して減圧膨張して利用側熱交換器１２に流入する（図２のｇ−ｈ）。利用側熱交換器１２では、液相冷媒がファン１４による送風によって室内空気と熱交換して蒸発気化し、冷却された空気が冷風となって室内に吹き出される一方、飽和蒸気線ＳＶを超えて完全に気相となった冷媒は利用側熱交換器１２から低圧側切換弁１０を介して低圧ガス管６、吸込管４に設けられたアキュムレータ５を通して圧縮機１に吸入される（図２のｈ−ａ）。そして、上述した冷凍サイクルが繰り返される。
【００２９】
一方、暖房（あるいは給湯）運転の場合は、運転停止中に熱源側熱交換器１１内に凝縮滞留した液化冷媒（寝込み冷媒）の液バック防止対策として、起動時短時間、図１の熱源側熱交換器１１の高圧側切換弁７を開、低圧側切換弁８を閉、利用側熱交換器１２の高圧側切換弁９を閉、低圧側切換弁１０を開とし、膨張弁１５，１６は開状態で運転する（逆サイクル起動）。この逆サイクル起動中は、熱源側熱交換器１１のファン１３は停止、利用側熱交換器１２のファン１４は停止もしくは冷風が吹き出さない程度の微風で運転される。
【００３０】
これにより、圧縮機１から吐出された冷媒は、吐出管２から高圧ガス管３を通り、高圧側切替弁７を介して熱源側熱交換器１１に流入し、熱源側熱交換機１１内の寝込み冷媒が追い出される。追い出された寝込み冷媒は、開状態の膨張弁１５を通り、液管１７，中間圧レシーバ１８に流れ込み、さらに開状態の膨張弁１６を通って利用側熱交換器１２に流れ込む。このまま圧縮機１を運転継続すると、圧縮機１の吐出圧力は徐々に上昇し、熱源側熱交換機１１内の冷媒は超臨界状態となる。
【００３１】
従って、熱源側熱交換器１１内は凝縮液がほとんどない状態となり内部冷媒量は減少する。余剰冷媒は中間圧レシーバ１８に保有される。上記熱源側熱交換機１１内の冷媒の超臨界状態は、圧縮機１の吐出圧力の上昇を圧縮機吐出管２に備えられた高圧センサ２１で検出し、二酸化炭素冷媒の超臨界圧力である約７３気圧以上になったのを制御手段を構成するマイコンで検知することにより、冷媒の超臨界状態をほぼ確実に検出することができる。
【００３２】
その後、一旦圧縮機１を止め、各切換弁７〜１０を閉とし、膨張弁１５，１６は開の状態で圧力バランスしてから通常運転に入る。圧力バランスしてから通常運転に入るのは、高圧冷媒と低圧冷媒の衝突による大きな切換冷媒音の発生を防ぐためである。
【００３３】
上記圧力バランス時にも、熱源側熱交換器１１内の冷媒は、開状態の膨張弁１５を通り、液管１７，中間圧レシーバ１８に流れ込み、さらに開状態の膨張弁１６を通って利用側熱交換器１２に流れ込むので、熱源側熱交換器１１の内部冷媒量は一層減少し、圧縮機１への液バック量はより少なくなり、圧縮機１の耐久性向上とともに、立ち上がりスピードも速くなる。
【００３４】
通常暖房（あるいは給湯）運転に入るときは、図１の熱源側熱交換器１１の高圧側切換弁７が閉、低圧側切換弁８が開、利用側熱交換器１２の高圧側切換弁９が開、低圧側切換弁１０が閉となり、膨張弁１５，１６は絞り作用で運転される。
【００３５】
これにより、圧縮機１で圧縮されて高温高圧となった冷媒は超臨界状態となって（図２のａ−ｂ−ｃ−ｄ）、吐出管２から高圧ガス管３を通り高圧側切替弁９を介して利用側熱交換器１２に流入する。利用側熱交換器１２では、ファン１４による送風によって室内空気と熱交換して加熱された空気が温風となって室内に吹き出される一方、冷媒は冷却されるが超臨界状態であるので凝縮はしない（図２のｄ−ｅ）。
【００３６】
熱源側熱交換器１２で冷却された超臨界状態の冷媒は、絞り作用の膨張弁１６を介して減圧膨張して中間圧レシーバ１８に流入する（図２のｅ−ｆ）。この間に冷媒は飽和液腺ＳＬを通過し超臨界状態を脱して一部が液化し気液混合冷媒となって中間圧レシーバ１８に流入する。中間圧レシーバ１８に流入した気液混合冷媒は、ここで気相冷媒と液相冷媒に分離され、分離した気相冷媒は圧縮機１の高段圧縮要素の吸入側に供給される（図２のｆ−ｃ）。一方、気相冷媒が分離された液相冷媒は、気相冷媒のエンタルピ分が失われて飽和液腺ＳＬまでエンタルピが低下する（図２のｆ−ｇ）。
【００３７】
中間圧レシーバ１８で気相冷媒が分離された液相冷媒は、絞り作用の膨張弁１５を介して減圧膨張して熱源側熱交換器１１に流入する（図２のｇ−ｈ）。熱源側熱交換器１２では、液相冷媒がファン１３による送風によって外気と熱交換して蒸発気化し、飽和蒸気線ＳＶを超えて完全に気相となった冷媒は熱源側熱交換器１１から低圧側切換弁８を介して低圧ガス管６、吸込管４に設けられたアキュムレータ５を通して圧縮機１に吸入される（図２のｈ−ａ）。そして、上述した冷凍サイクルが繰り返される。
【００３８】
このように、本システムでは、暖房（あるいは給湯）運転の運転開始時に、上述したように短時間逆サイクル起動することにより、熱源側熱交換器１１内の寝込み冷媒は、液管１７を通り、中間圧レシーバ１８から利用側熱交換器１２に保有され、熱源側熱交換器１１内の冷媒量を起動時少なくできる。そして、圧力センサ２１を用いて冷媒圧を超臨界状態まで昇圧させることにより、熱源側熱交換器１１内は凝縮液がほとんどない状態となって保有冷媒量がさらに減少し、通常の暖房（あるいは給湯）運転起動時の液バック量減少化を確実に実現でき、圧縮機１の耐久性向上とともに、立ち上がりスピードも速くなる。
【００３９】
また、本実施形態においては、液管１７に上述したような双方向の中間圧レシーバ１８を備えたことにより、液管１７から膨張弁１５，１６には、図２に示したように飽和液線ＳＬのエンタルピを有する液相冷媒が流入するので、利用側熱交換器１２又は熱源側熱交換器１１が蒸発器として機能するときに、その入口と出口との間のエンタルピ差を大きくすることができる。また、中間圧レシーバ１８で分離された中間圧を有する気相冷媒が２段圧縮式の圧縮機１における高段圧縮要素の吸入側に導かれるので、圧縮機１の圧縮仕事量を小さくすることができる。
【００４０】
従って、利用側熱交換器１２又は熱源側熱交換器１１が蒸発器として機能するときに、その入口と出口との間のエンタルピ差は大きくしながら、圧縮機１の圧縮仕事量を小さくすることができるので、二酸化炭素冷媒による冷凍サイクルの冷凍能力を大きくすることができると共に、その成績係数を向上させることができる。
【００４１】
また、２段圧縮式の圧縮機１を用いているので、上述した作用効果を１台の圧縮機で実現でき、省スペース化や低コスト化を図ることができる。
【００４２】
なお、上記実施形態では、冷媒の超臨界状態を検出する検出手段として高圧センサ２１を用いて超臨界状態をほぼ確実に検出できるようにしたが、各種条件下において超臨界状態となる冷媒温度や経過時間を実験等により予め測定しておいて、その値にある程度の余裕を設けて温度センサやタイマにより超臨界状態を検出することも考えられる。
【００４３】
また、高圧側が超臨界状態で運転される冷媒には、二酸化炭素冷媒のほかに、例えばエチレン、ディボラン、エタン、酸化窒素等が挙げられるが、自然系冷媒の中でも二酸化炭素冷媒は毒性や可燃性がないため，除害設備を設ける必要もない利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本願発明の一実施形態に係るヒートポンプシステムの冷媒回路図。
【図２】その作用を示すモリエル線図。
【符号の説明】
【００４５】
１  圧縮機
２  吐出管
３  高圧ガス管
４  吸込管
５  アキュムレータ
６  低圧ガス管
７〜１０  切換弁
１１  熱源側熱交換器
１２  利用側熱交換器
１３，１４  送風ファン
１５，１６  膨張弁
１７  液管
１８  中間圧レシーバ
２１  高圧センサ
【図１】
2006138611.tif 000003
【図２】
2006138611.tif 000004