(57)【要約】【課題】中温液体の冷却処理を可能としながらも液圧縮を防ぐことのできる暖房装置を提供する。【解決手段】暖房装置１００は、ヒートポンプ１０１と貯湯タンク１０２を備える。ヒートポンプ１０１は、第１圧縮機構１０８および第２圧縮機構１１３で構成される圧縮手段、放熱器１０５、膨張機構１０９、気液分離器１０６、および蒸発器１０７を含む冷媒回路１１７と、気相冷媒流通路１１８とを有している。貯湯タンク１０２には中温水流通路１２６が接続されており、気相冷媒流通路１１８と中温水流通路１２６とに跨って熱交換器１１９が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮手段、前記圧縮手段で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器、前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させる膨張手段、前記膨張手段で膨張した冷媒を気相冷媒と液相冷媒に分離する気液分離器、および前記気液分離器で分離された液相冷媒を蒸発させる蒸発器、を含む冷媒回路と、
前記気液分離器で分離した気相冷媒を前記冷媒回路における前記蒸発器と前記圧縮手段との間の部分に導く気相冷媒流通路と、
下部から抜き出された液体が前記放熱器で加熱液体とされた後に上部に戻されるタンクと、
前記タンクに貯められた加熱液体を放熱させる暖房機と、
上流端および下流端が前記タンクに接続された、前記加熱液体の温度低下により生じる前記タンク内の中温液体を流すための中温液体流通路と、
前記気相冷媒流通路を流れる気相冷媒によって前記中温液体流通路を流れる中温液体を冷却する熱交換器と、
を備える暖房装置。
【請求項２】
前記中温液体流通路の上流端は、前記タンクの中間部または下部に接続されており、前記中温液体流通路の下流端は、前記タンクの下部に接続されている、請求項１に記載の暖房装置。
【請求項３】
前記タンクにおける前記中温液体流通路の上流端に対応する高さ位置に設けられた、前記タンク内の液体温度を検出するための温度センサをさらに備え、
前記中温液体流通路には、ポンプが設けられており、
前記温度センサによって検出される液体温度が設定温度域内になると、前記ポンプが稼働を開始する、請求項２に記載の暖房装置。
【請求項４】
前記温度センサによって検出される液体温度が前記設定温度域を下回るあるいは前記設定温度域を上回ると、前記ポンプが稼働を停止する、請求項３に記載の暖房装置。
【請求項５】
前記中温液体流通路には、前記上流端の近傍に第１開閉弁が設けられているとともに、前記下流端の近傍に第２開閉弁が設けられており、
前記ポンプは、前記熱交換器と前記第２開閉弁の間に配置されている、請求項３または４に記載の暖房装置。
【請求項６】
前記温度センサによって検出される液体温度が前記設定温度域内になると、前記第１開閉弁および前記第２開閉弁が開かれ、前記温度センサによって検出される液体温度が前記設定温度域を下回るあるいは前記設定温度域を上回ると、前記第１開閉弁および前記第２開閉弁が閉じられる、請求項５に記載の暖房装置。
【請求項７】
前記中温液体流通路における前記第１開閉弁と前記ポンプの間の部分には、排出弁を有する排出路が接続されており、
前記温度センサによって検出される液体温度が前記設定温度域を下回っているあるいは前記設定温度域を上回っている期間のうちの一定時間、前記排出弁が開状態とされる、請求項６に記載の暖房装置。
【請求項８】
前記中温液体流通路における前記第１開閉弁と前記熱交換器の間の位置から前記ポンプと前記第２開閉弁の間の位置に至る、バイパス弁を有するバイパス路をさらに備え、
前記温度センサによって検出される液体温度が前記設定温度域を下回っているあるいは前記設定温度域を上回っている期間のうちの一定時間、前記バイパス弁が開状態とされるとともに前記ポンプが稼働する、請求項６に記載の暖房装置。
【請求項９】
前記中温液体流通路には、前記熱交換器で冷却された中温液体の温度を検出するための流量調整用温度センサが設けられており、
前記流量調整用温度センサによって検出される温度に基づいて前記ポンプの回転数を制御する制御装置をさらに備える、請求項３〜８のいずれか一項に記載の暖房装置。
【請求項１０】
前記熱交換器は、内管と外管の二重管構造を有し、前記内管の内部に前記気相冷媒が流れる第１流路が形成され、前記内管と前記外管との間に前記中温液体が流れる第２流路が形成されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の暖房装置。
【請求項１１】
前記第１流路の気相冷媒の流れと前記第２流路の中温液体の流れは対向流である、請求項１０に記載の暖房装置。
【請求項１２】
前記膨張手段は、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機構である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の暖房装置。
【請求項１３】
前記圧縮手段は、回転軸により前記膨張機構と連結された圧縮機構を含む、請求項１２に記載の暖房装置。
【請求項１４】
前記圧縮手段は、前記圧縮機構と並列に接続された第２の圧縮機構をさらに含む、請求項１３に記載の暖房装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプとタンクを備えた暖房装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ヒートポンプで生成した加熱液体をタンクに貯め、その加熱液体を暖房に利用する暖房装置が知られている。例えば、特許文献１には、図４に示すような、暖房装置を兼用する給湯装置１が開示されている。
【０００３】
図４に示す給湯装置１は、ヒートポンプ３と貯湯タンク２を備えている。ヒートポンプ３は、圧縮機構４、放熱器５、膨張弁６、主蒸発器７および副蒸発器８が配管により順に接続された冷媒回路３０、ならびに副蒸発器８を迂回するバイパス路９を含む。バイパス路９にはバイパス弁１０が設けられており、冷媒回路３０のバイパス路９が分岐する位置と副蒸発器８との間には電磁弁１１が設けられている。
【０００４】
貯湯タンク２は、取出し管１２および戻し管１３によって放熱器５と接続されている。取出し管１２にはポンプ１８が設けられており、このポンプ１８が稼働すると、貯湯タンク２の下部から抜き出された水が放熱器５に送られ、ここで加熱されて加熱液体とされた後に貯湯タンク２の上部に戻される。また、貯湯タンク２の下部には給水配管１４が接続されており、貯湯タンク２の上部には給湯配管１５が接続されている。
【０００５】
貯湯タンク２には、利用側回路１６が接続されている。利用側回路１６は、上流端が貯湯タンク２の上部に接続され、下流端が貯湯タンク２の下部に接続された温水路１７と、暖房用放熱部２５を含む循環水回路１９と、貯湯タンク２から温水路１７に流れ込む高温水と循環水回路１９を循環する水との間で熱交換を行わせる中間熱交換器２０とで構成されている。
【０００６】
さらに、貯湯タンク２には、副蒸発器８を経由する冷却路２２が接続されている。副蒸発器８は、いわゆるプレート式熱交換器であり、冷却路２２は、貯湯タンク２の下部側面と副蒸発器８の二次側流入口とをつなぐ上流管２２ａと、副蒸発器８の二次側流出口と貯湯タンク２の下部底面とをつなぐ下流管２２ｂとを有している。下流管２２ｂにはポンプ２３が設けられており、このポンプ２３が稼働すると、副蒸発器８において貯湯タンク２の下部から抜き出された水と冷媒回路３０を循環する冷媒との間で熱交換が行われる。
【０００７】
暖房用放熱部２５における暖房対象が比較的低負荷である場合、循環水の暖房用放熱部２５での放熱量が少ないために、中間熱交換器２０で温水路１７の高温水から循環水に移動する熱量が少なくなる。そして、十分に冷却されなかった高温水は、温度低下が少ない中温水となって貯湯タンク２の下部に流入し、貯湯タンク２の下部に中温水が貯められる。このような中温水が放熱器５に供給されるとヒートポンプ３のＣＯＰが低下する。そこで、給湯装置１では、蒸発器を主蒸発器７と副蒸発器８に分割し、副蒸発器８で中温水の熱を冷媒に吸収させることにより中温水を冷却するようにしている。換言すれば、中温水の熱を利用して冷媒を蒸発させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１０２０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図４に示す給湯装置１のように、主蒸発器７で冷媒の蒸発過程の前半部分を行い、副蒸発器８で中温水の熱を利用して冷媒の蒸発過程の後半部分を行うようにした構成では、貯湯タンク２の下部に中温水が貯められていない場合に、冷媒の全量を蒸発させることができず、圧縮機構４に気液二相状態の冷媒が吸入されることになる。そうすると、圧縮機構４において液圧縮が行われるため、圧縮機構４の信頼性および冷凍サイクルの安定性が低下する。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑み、中温液体の冷却処理を可能としながらも液圧縮を防ぐことのできる暖房装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る暖房装置は、冷媒を圧縮する圧縮手段、前記圧縮手段で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器、前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させる膨張手段、前記膨張手段で膨張した冷媒を気相冷媒と液相冷媒に分離する気液分離器、および前記気液分離器で分離された液相冷媒を蒸発させる蒸発器、を含む冷媒回路と、前記気液分離器で分離した気相冷媒を前記冷媒回路における前記蒸発器と前記圧縮手段との間の部分に導く気相冷媒流通路と、下部から抜き出された液体が前記放熱器で加熱液体とされた後に上部に戻されるタンクと、前記タンクに貯められた加熱液体を放熱させる暖房機と、上流端および下流端が前記タンクに接続された、前記加熱液体の温度低下により生じる前記タンク内の中温液体を流すための中温液体流通路と、前記気相冷媒流通路を流れる気相冷媒によって前記中温液体流通路を流れる中温液体を冷却する熱交換器と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
上記の構成によれば、蒸発器の上流側に気液分離器を設け、この気液分離器で分離した気相冷媒によってタンク内に生じた中温液体を冷却するようにしているので、蒸発器では中温液体の有無に拘わらず液相冷媒を確実に蒸発させることができる。そして、蒸発器で蒸発した冷媒は、気液分離器で分離された気相冷媒と合流した後に圧縮手段に吸入されるので、圧縮手段には気相状態の冷媒のみを吸入させることができる。従って、本発明によれば、中温液体の冷却処理を可能としながらも液圧縮を防ぐことができ、圧縮手段の信頼性および冷凍サイクルの安定性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る暖房装置の構成図
【図２】（ａ）は中温水冷却運転を実行する場合のヒートポンプのモリエル線図、（ｂ）は中温水冷却運転を実行しない場合のヒートポンプのモリエル線図
【図３】本発明の第２実施形態に係る暖房装置の構成図
【図４】従来の給湯装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。なお、本発明は、以下の実施の形態によって限定されるものではない。
【００１５】
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係る暖房装置１００を示す。この暖房装置１００は、液体を加熱して加熱液体を生成し、その加熱液体を利用して暖房を行うものである。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たり、オイルを用いたりす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。
【００１６】
［暖房装置１００の構成］
暖房装置１００は、ヒートポンプ１０１と貯湯タンク１０２を備えている。
【００１７】
ヒートポンプ１０１は、膨張機一体型圧縮機１０３と、第２圧縮機１０４と、放熱器１０５と、気液分離器１０６と、蒸発器１０７とを備えている。膨張機一体型圧縮機１０３は、第１回転軸１１１により互いに連結され第１圧縮機構１０８と膨張機構１０９と第１モータ１１０を収納する第１密閉容器１１２を有している。第２圧縮機１０４は、第２シャフト１１５により互いに連結された第２圧縮機構１１３と第２モータ１１４を収納する第２密閉容器１１６を有している。
【００１８】
第１圧縮機構１０８（本発明の圧縮機構に相当）、放熱器１０５、膨張機構１０９、気液分離器１０６および蒸発器１０７は、配管により順に接続されている。また、第２圧縮機構１１３（本発明の第２の圧縮機構に相当）は、配管により第１圧縮機構１０８と並列に接続されている。そして、これらの機器および配管は、冷媒を循環させる冷媒回路１１７を構成している。本実施形態では、冷媒として二酸化炭素が用いられている。
【００１９】
放熱器１０５は、冷媒と貯湯タンク１０２から供給される水との間で熱交換を行って温水を生成するためのものであり、冷媒側流路１０５ａと水側流路１０５ｂとを有している。冷媒側流路１０５ａの一端には、第１圧縮機構１０８および第２圧縮機構１１３が配管等を介して接続されており、冷媒側流路１０５ａの他端には、膨張機構１０９が配管を介して接続されている。
【００２０】
また、ヒートポンプ１０１は、気相冷媒流通路１１８を備えている。気相冷媒流通路１１８は、その一端が気液分離器１０６の気相部に接続され、他端が蒸発器１０７と第１圧縮機構１０８および第２圧縮機構１１３とを繋ぐ配管に接続されている。そして、気液分離器１０６で分離した気相冷媒は、気相冷媒流通路１１８によって蒸発器１０７と第１圧縮機構１０８および第２圧縮機構１１３とを繋ぐ配管に導かれる。また、気液分離器１０６で分離した液相冷媒は、冷媒回路１１７に沿って蒸発器１０７に送られる。
【００２１】
貯湯タンク１０２は、往き管１２０および戻り管１２１によって放熱器１０５と接続されている。また、貯湯タンク１０２の下部には給水配管１２２が接続されている。
【００２２】
具体的に、貯湯タンク１０２の下部底面には往き口１２０ａが設けられ、貯湯タンク１０２の上部側面には戻り口１２１ａが設けられている。往き口１２０ａには、往き管１２０の一端が接続され、往き管１２０の他端は、放熱器１０５の水側流路１０５ｂの一端に接続されている。また、往き管１２０には、往き口１２０ａの近傍に第１ポンプ１２４が設けられている。一方、戻り口１２１ａには、戻り管１２１の一端が接続され、戻り管１２１の他端は、放熱器１０５の水側流路１０５ｂの他端に接続されている。そして、第１ポンプ１２４が稼働すると、貯湯タンク１０２の下部から抜き出された水が放熱器１０５に送られ、ここで加熱されて加熱液体とされた後に貯湯タンク１０２の上部に戻される。
【００２３】
また、貯湯タンク１０２には、暖房路１２３が接続されている。暖房路１２３は、貯湯タンク１０２の上部側面に設けられた温水往き口１２３ａと、ラジエータなどの暖房機１２３ｂと、貯湯タンク１０２の中間部側面に設けられた温水還り口１２３ｃと、が配管で順に接続されて構成されている。また、暖房路１２３には、第２ポンプ１２５が設けられている。第２ポンプ１２５は、図例では暖房機１２３ｂの上流側に配置されているが、暖房機１２３ｂの下流側に配置されていてもよい。
【００２４】
ここで、貯湯タンク１０２の上部とは、鉛直方向において貯湯タンク１０２の上側３分の１から５分の１程度の部分をいい、貯湯タンク１０２の下部とは、鉛直方向において貯湯タンク１０２の下側３分の１から５分の１程度の部分をいい、貯湯タンク１０２の中間部とは、それらの間の部分をいう。
【００２５】
なお、本実施形態では、温水還り口１２３ｃが貯湯タンク１０２の中間部側面に設けられているが、温水還り口１２３ｃは、貯湯タンク１０２の下部に設けられていてもよい。あるいは、温水還り口１２３ｃが貯湯タンク１０２の中間部と下部の双方に設けられていて、暖房機１２３ｂから流出する温水の温度に応じて、その温水がどちらに還されるかが選択されるようになっていてもよい。
【００２６】
さらに、本実施形態では、貯湯タンク１０２に中温水流通路１２６が接続されているとともに、この中温水流通路１２６と前述した気相冷媒流通路１１８に跨って熱交換器１１９が設けられている。中温水流通路１２６は、温水の温度低下により生じる貯湯タンク１０２内の中温水を流すためのものであり、熱交換器１１９は、気相冷媒通路１１８を流れる気相冷媒によって中温水流通路１２６を流れる中温水を冷却するためのものである。
【００２７】
ここで、中温水とは、外気温よりも高いがそのまま暖房に使うには不十分な温度（例えば、３０〜６５℃程度）の水のことである。なお、例えば冷媒としてＲ４１０Ａを用いた場合は、中温水の温度は３０〜４０℃程度となる。
【００２８】
中温水流通路１２６の上流端は、貯湯タンク１０２の中間部側面に設けられた送水口１２６ａに接続されており、下流端は、貯湯タンク１０２の下部側面に設けられた復水口１２６ｂに接続されている。ただし、送水口１２６ａは、貯湯タンク１０２の下部に設けられていてもよい。あるいは、送水口１２６ａが貯湯タンク１０２の中間部から下部にかけて上下方向に複数設けられているとともに、中温水流通路１２６の上流端もそれらに対応して複数に枝分かれしており、貯湯タンク１０２内の中温水の位置に応じて、どの送水口から中温水が取り出されるかが選択されるようになっていてもよい。
【００２９】
熱交換器１１９は、内管と外管の二重管構造を有しており、内管の内部に第１流路１１９ａが形成され、内管と外管との間に第２流路１１９ｂが形成されている（図１では簡略化のためにそれらを平行線で描いている）。第１流路１１９ａは気相冷媒流通路１１８の一部を構成しており、第２流路１１９ｂは中温水流通路１２６の一部を構成している。すなわち、気液分離器１０６で分離された気相冷媒が第１流路１１９ａを流れ、貯湯タンク１０２の中間部から抜き出された中温水が第２流路１１を流れる。第１流路１１９ａの気相冷媒の流れと第２流路１１９ｂの中温水の流れは対向流である。
【００３０】
中温水流通路１２６は、より詳しくは、送水口１２６ａと熱交換器１１９の第２流路１１９ｂの流入口とを繋ぐ上流管１２６Ａと、第２流路１１９ｂの流出口と往復水口１２６ｂとを繋ぐ下流管１２６Ｂとを有している。本実施形態では、下流管１２６Ｂに第３ポンプ１２７が設けられているが、第３ポンプ１２７は、上流管１２６Ａに設けられていてもよい。
【００３１】
上流管１２６Ａには、送水口１２６ａの近傍（すなわち、中温水流通路１２６の上流端の近傍）に第１開閉弁１２８が設けられている。一方、下流管１２６Ｂには、復水口１２６ｂの近傍（すなわち、中温水流通路１２６の下流端の近傍であって第３ポンプ１２７の下流側）に第２開閉弁１２９が設けられている。また、下流管１２６Ｂには、第３ポンプ１２７の上流側に、排出弁１３１を有する排出路１３０が接続されており、排出路１３０を介して排出口１３２に中温水流通路１２６内の中温水を排出できるようになっている。なお、排出路１３０は、上流管１２６Ａの第１開閉弁１２８の下流側に接続されていてもよい。さらに、下流管１２６Ｂには、熱交換器１１９で冷却された中温水の温度を検出するための流量調整用温度センサ１３３が設けられている。
【００３２】
また、貯湯タンク１０２には、中温液体流通路１２６の上流端に対応する高さ位置に、貯湯タンク１０２内の水温度を検出するための貯湯温度センサ１３２が設けられている。ここで、「中温水流通路１２６の上流端に対応する高さ位置」とは、中温水流通路１２６の上流端を中心として上下３０ｃｍ以内の範囲にあればよい。
【００３３】
さらに、暖房装置１００は、第１〜第３ポンプ２１４，１２５，１２７、各種弁１２８，１２９，１３１、および各種温度センサ１３２，１３３と接続された制御装置１３４を備えている。そして、制御装置１３４は、貯湯運転および暖房運転を行うとともに、中温水冷却運転を行う。中温水冷却運転では、制御装置１３４は、貯湯温度センサ１３２および流量調整用温度センサ１３３によって検出される温度等に基づいて第３ポンプならびに開閉弁１２８，１２９および排出弁１３１を制御する。
【００３４】
［暖房装置１００の動作］
次に、暖房装置１００の動作について説明する。
【００３５】
まず、ヒートポンプ１０１の動作について説明する。第１圧縮機構１０８で圧縮された冷媒は、第１圧縮機構１０８から一度第１密閉容器１１２の内部に吐出された後、第１密閉容器１１２の外へ流出する。同様に、第２圧縮機構１１３で圧縮された冷媒は、第２圧縮機構１１３から一度第２密閉容器１１６の内部に吐出された後、第２密閉容器１１６の外へ流出する。
【００３６】
第１密閉容器１１２の外へ流出した冷媒と第２密閉容器１１６の外へ流出した冷媒は、合流して放熱器１０５に流入し、ここで放熱させられる。放熱器１０５で放熱した冷媒は、膨張機構１０９に直接吸入される。
【００３７】
膨張機構１０９において冷媒は膨張し、膨張機構１０９は膨張する冷媒から動力を回収する。また、膨張した冷媒は気液二相状態となる。膨張後の冷媒は、膨張機構１０９から直接吐出される。
【００３８】
膨張機構１０９から吐出された冷媒は、気液分離器１０６に流入する。気液分離器１０６では、冷媒が気相冷媒と液相冷媒とに分離される。液相冷媒は、冷媒回路１１７を構成する配管を通じて蒸発器１０７に流入する。この時、液相冷媒の流れに気相冷媒の一部が混合しても構わない。蒸発器１０７に流入した液相冷媒は、ここで吸熱して蒸発する。一方、気相冷媒は、気相冷媒流通路１１８を通じて熱交換器１１９の第１流路１１９ａに流入する。熱交換器１１９の第１流路１１９ａに流入した気相冷媒は、中温水冷却運転が行われている場合は熱交換器１１９において中温水により加熱される。
【００３９】
蒸発器１０７から流出した冷媒は、熱交換器１１９から流出した冷媒と合流し、第１圧縮機構１０８および第２圧縮機構１１３に吸入される。
【００４０】
続いて、貯湯運転および暖房運転について説明する。
【００４１】
まず、給水配管１２２より水道水等の水が貯湯タンク１０２内に供給される。給水配管１２２から供給される水は、室温程度の低温水である。そして、第１ポンプ１２４が駆動することで、貯湯タンク１０２の下部底面に設けられた往き口１２０ａから低温水が往き管１２０に流出する。低温水は往き管１２０を流れ、ヒートポンプ１０１の放熱器１０５に流入する。低温水は、放熱器１０５で高温の冷媒から吸熱して高温の温水となる。放熱器１０５から流出した高温水は、戻り管１２１を流れ、貯湯タンク１０２の上部側面に設けられた戻り口１２１ａから、貯湯タンク１０２に流入する。これにより、貯湯タンク１０２内において、貯湯タンク１０２の上部から高温水層Ｌ１が形成され、貯湯タンク１０２の下部の低温水層Ｌ２と温度成層を形成する。
【００４２】
貯湯タンク１０２の上部に貯留される高温水は、貯湯タンク１０２の上部側面に設けられた温水往き口１２３ａから暖房路１２３へと供給される。温水往き口１２３ａから流出した高温水は、ラジエータなどの暖房機１２３ｂへ流入して室内空気へ放熱し、水温低下により中温水となる。暖房機１２３ｂから流出した中温水は、貯湯タンク１０２の中間部側面に設けられた温水還り口１２３ｃから貯湯タンク１０２内に流入する。これにより、貯湯タンク１０２内において、貯湯タンク１０２の上部の高温水層Ｌ１と貯湯タンク１０２の下部の低温水層Ｌ２との間に、中温水層Ｌ３が形成される。
【００４３】
続いて、中温水冷却運転について説明する。この中温水冷却運転は、貯湯運転と同時に行われる。
【００４４】
貯湯タンク１０２内に中温水層Ｌ３が発生していない場合（低温水のみまたは高温水のみ、あるいは低温水層Ｌ２と高温水層Ｌ１で温度成層が形成されている時）には、中温水流通路１２６に設けられた第３ポンプ１２７は停止しており、第１開閉弁１２８および第２開閉弁１２９は閉状態とされている。さらに、排出弁１３１は開状態とされており、中温水流通路１２６内からは排水されている。
【００４５】
貯湯タンク１０２内に中温水層Ｌ３が発生すると、排出弁１３１が閉じられ、第１開閉弁１２８および第２開閉弁１２９が開かれる。そして、第３ポンプ１２７が駆動し、貯湯タンク１０２内の中温水が、中温水流通路１２６に流入する。
【００４６】
このような排出弁１３１および開閉弁１２８，１２９ならびに第３ポンプ１２７の制御は、制御装置１３４によって行われる。貯湯タンク１０２に設けられた貯湯温度センサ１３２で検出される水温度が、制御装置１３４に出力され、制御装置１３４は、貯湯温度センサ１３２で検出される水温度が、予め設定された設定温度域（例えば、４５〜７０℃）内にあるか否かを判断する。貯湯温度センサ１３２で検出される水温度が設定温度域を下回っているあるいは上回っている場合には、制御装置１３４は、排出弁１３１を開状態とし、第１開閉弁１２８および第２開閉弁１２９を閉状態とするとともに、第３ポンプ１２７を停止状態にする。
【００４７】
そして、貯湯温度センサ１３２で検出される水温度が設定温度域内になると、制御装置１３４は、排出弁１３１を閉じ、第１開閉弁１２８および第２開閉弁１２９を開き、第３ポンプ１２７の稼働を開始する。ついで、制御装置１３４は、中温水流通路１２６の下流管１２６Ｂに設けられた流量調整用温度センサ１３３で検出される温度が所望の温度範囲（例えば、１０〜３０℃程度）に保たれるように、第３ポンプ１２７の回転数を制御する。
【００４８】
その後、貯湯温度センサ１３２で検出される水温度が設定温度域を下回るあるいは上回ると、制御装置１３４は、第３ポンプ１２７の稼働を停止するとともに、第１開閉弁１２８および第２開閉弁１２９を閉じ、排出弁１３１を開く。なお、貯湯タンク１０２内の低温水層Ｌ２の上面の上昇速度が高温水層Ｌ１の下面の下降速度よりも大きな場合は、貯湯温度センサ１３２で検出される水温度が設定温度域を下回ることになり、それと逆の場合は、貯湯温度センサ１３２で検出される水温度が設定温度域を上回ることになる。
【００４９】
＜第１実施形態の効果＞
本実施形態に係る暖房装置１００では、蒸発器１０７の上流側に気液分離器１０６を設け、この気液分離器１０６で分離した気相冷媒によって貯湯タンク１０２内に生じた中温水を冷却するようにしているので、蒸発器１０７では中温水の有無に拘わらず液相冷媒を確実に蒸発させることができる。そして、蒸発器１０７で蒸発した冷媒は、気液分離器１０６で分離された気相冷媒と合流した後に第１圧縮機構１０８および第２圧縮機構１１３に吸入されるので、第１圧縮機構１０８および第２圧縮機構１１３には気相状態の冷媒のみを吸入させることができる。従って、本実施形態によれば、中温水の冷却処理を可能としながらも液圧縮を防ぐことができ、第１圧縮機構１０８および第２圧縮機構１１３の信頼性および冷凍サイクルの安定性を向上させることができる。
【００５０】
また、膨張機構１０９から吐出された冷媒を、気液分離器１０６において気相冷媒と液相冷媒に分離し、液相冷媒のみを蒸発器１０７に流入させることで、蒸発器１０７における圧力損失を低減できる。このことにより、膨張機一体型圧縮機１０３の第１圧縮機構１０８と、第２圧縮機１０４の第２圧縮機構１１３との吸入部圧力の低下を低減し、ヒートポンプ１０１の高効率化が可能となる。
【００５１】
気液分離器１０６で分離した気相冷媒は、気相冷媒流通路１１８を通じて熱交換器１１９の第１流路１１９ａに流入する。そして、貯湯タンク１０２内に生成され、中温水流通路１２６に流入する中温水が、熱交換器１１９の第２流路１１９ｂに流入し、熱交換器１１９において、第１流路１１９ａの気相冷媒と第２流路１１９ｂの中温水との間で熱交換が行われる。つまり、第１流路１１９ａの気相冷媒は、第２流路１１９ｂの中温水により加熱される。
【００５２】
気液分離器１０６において分離された気相冷媒は飽和温度である。一方、気液分離器１０６において分離された液相冷媒は、蒸発器１０７において飽和温度以上に過熱されるため、気相冷媒流通路１１８において気相冷媒が加熱されなければ、膨張機一体型圧縮機１０３の第１圧縮機構１０８と、第２圧縮機１０４の第２圧縮機構１１３との吸入部で、蒸発器１０７通過後の冷媒が、気相冷媒流通路１１８通過後の冷媒と合流すると、その過熱度が低下してしまう。しかし、本実施形態の暖房装置１００では、気液分離器１０６において分離された気相冷媒が、熱交換器１１９において中温水流通路１２６を流れる中温水により加熱され飽和温度以上に昇温されるので、蒸発器１０７通過後の冷媒と気相冷媒流通路１１８通過後の冷媒とが合流する際の過熱度の低下を抑制することができる。このことにより、膨張機一体型圧縮機１０３の第１圧縮機構１０８および第２圧縮機１０４の第２圧縮機構１１３の吸入温度の低下を防ぎ、第１圧縮機構１０８および第２圧縮機構１１３の吐出温度を高温に維持し、高暖房能力を有する暖房装置１００を提供することができる。
【００５３】
図２（ａ）は、中温水冷却運転を実行する場合のヒートポンプのモリエル線図であり、図２（ｂ）は、中温水冷却運転を実行しない場合のヒートポンプのモリエル線図である。
【００５４】
ヒートポンプ１０１の運転条件として、高圧を１０．０ＭＰａ、低圧を３・０ＭＰａとし、蒸発器１０７出口の加熱度を５℃とする。中温水冷却運転を実行しない場合は、放熱器１０５の出口での冷媒温度は、暖房路１２３から還ってくる中温水に規定され４５℃となる。
【００５５】
図２（ｂ）に示すように、中温水冷却運転を実行しない場合には、圧縮手段吸入部（図１における第１圧縮機構１０８および第２圧縮機構１１３の吸入部。以下、第１圧縮機構１０８および第２圧縮機構１１３を総称して「圧縮手段」ともいう。）での冷媒温度を見ると、膨張機構１０９の下流に設けられた気液分離器１０６で分離された液相冷媒は、蒸発器１０７で大気熱を受け、約−０．５５℃（３．０ＭＰａの飽和温度＋過熱度５℃）となって蒸発器１０７から流出し（図中のａ点）、圧縮手段吸入部へと至る。一方、気液分離器１０６で分離された気相冷媒は、熱交換器１１９で受熱することが無いので、約−５．５５℃（３．０ＭＰａの飽和温度）で（図中のｂ点）、圧縮手段吸入部へと至る。
【００５６】
このため、蒸発器１０７を通過した冷媒と、気相冷媒流通路１１８を流れた冷媒とが、圧縮手段に吸入される前に合流すると、その温度は約−３．４１℃となり、圧縮手段が吸入する冷媒温度が低下してしまう（約−０．５５℃→約−３．４１℃）。このことにより、圧縮手段の吐出温度が低下する。例えば、圧縮手段の吸入温度が約−０．５５℃であれば、圧縮手段の吸入温度が約−３．４１℃となることで、約９３．８℃であった圧縮手段吐出温度が約９０．２℃まで低下してしまう。
【００５７】
一方、同様のヒートポンプ１０１の運転条件（高圧を１０．０ＭＰａ、低圧を３．０ＭＰａとし、蒸発器１０７出口の加熱度を５℃）で、中温水冷却運転を実行する場合には、暖房路１２３から還ってくる中温水を中温水流通路１２６に流すことによって気相冷媒流通路１１８を流れる気相冷媒で冷却して、放熱器１０５出口温度を４０℃とする。
【００５８】
図２（ａ）に示すように、中温水冷却運転を実行する場合には、圧縮手段吸入部での冷媒温度を見ると、膨張機構１０９の下流側に設けられた気液分離器１０６で分離された液相冷媒は、蒸発器１０７で大気熱を受け、約−０．５５℃（３．０ＭＰａの飽和温度＋過熱度５℃）となって蒸発器１０７から流出し（図中のａ点）、圧縮手段吸入部へと至る。一方、気液分離器１０６で分離された気相冷媒は、熱交換器１１９で中温水流通路１２６を流れる４５℃の中温水から受熱し約２２．４℃となって（図中のｂ点）、圧縮手段吸入部へと至る。この時、中温水は熱交換器１１９出口で４０℃となる。また、中温水流通路１２６を流れる中温水の流量は暖房路１２３から貯湯タンク１０２に還ってくる水量と等しく、貯湯タンク１０２内での中温水層Ｌ３の増加が抑えられている。
【００５９】
蒸発器１０７を通過した冷媒と、気相冷媒流通路１１８を流れた冷媒とが、圧縮手段に吸入される前に合流すると、その温度は約８．８６℃となる。このことにより、圧縮手段の吐出温度は約１０５．４℃となり、圧縮手段の吐出温度を高温にすることができる。
【００６０】
また、本実施形態の暖房装置１００では、気液分離器１０６において分離された気相冷媒が流入する気相冷媒流通路１１８に液相冷媒が混入した場合、熱交換器１１９において中温水により加熱されるので、液相冷媒は蒸発し、膨張機一体型圧縮機１０３の第１圧縮機構１０８および第２圧縮機１０４の第２圧縮機構１１３が液冷媒を吸入して液圧縮を起こすことを防ぐことができる。このことにより、膨張機一体型圧縮機１０３の第１圧縮機構１０８および第２圧縮機１０４の第２圧縮機構１１３の信頼性を向上させ、高信頼性を有する暖房装置１００を提供することができる。
【００６１】
また、本実施形態の暖房装置１００によれば、暖房装置１００を運転することで貯湯タンク１０２内に生成される中温水を中温水流通路１２６に導き、熱交換器１１９において気液分離器１０６で分離された気相冷媒により冷却し、冷却後の低温水を貯湯タンク１０２内に戻すことで、貯湯タンク１０２内の中温水層Ｌ３を排除することができる。このことにより、貯湯タンク１０２の往き口１２０ａから流出し、往き管１２０を通じてヒートポンプ１０１の放熱器１０５に流入する水が、中温水になることを防ぎ、常に低温水とすることができる。そして、ヒートポンプ１０１の放熱器１０５の入口と出口との間での冷媒の温度落差を大きくでき、ヒートポンプ１０１の加熱能力の低下を防ぎ、高加熱能力を維持することができる。
【００６２】
図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、気液分離器１０６において分離された気相冷媒により中温水を４５℃から４０℃に冷却することで、放熱器１０５の前後でのエンタルピ差が大きくなっている。このことにより、放熱器１０５での放熱量が増加するため、ヒートポンプ１０１の加熱能力が大きくなる。
【００６３】
また、本実施形態の暖房装置１００では、貯湯タンク１０２内に中温水層Ｌ３が発生していない場合には、中温水流通路１２６に設けられた第３ポンプ１２７は停止しており、第１開閉弁１２８および第２開閉弁１２９は閉状態にある。さらに、排出弁１３１が開状態とされており、中温水流通路１２６内からは排水されている。このことにより、中温水流通路１２６に中温水が流入しない時に、中温水流通路１２６の周囲温度が水の凍結温度以下に達した場合でも、中温水流通路１２６内で水が凍結して配管等が破損することを防ぐことができる。また、中温水流通路１２６の周囲温度が水の凍結温度以下の状態において、貯湯温度センサ１３２で測定された温度値が設定温度範囲に入った場合に、貯湯タンク１０２内に生成された中温水を即座に中温水流通路１２６に流入させることができる。
【００６４】
＜変形例＞
前記実施形態では、排出弁１３１が開状態とされる一定時間が、貯湯温度センサ１３２によって検出される水温度が設定温度域を下回っているあるいは上回っている期間の全時間となっているが、排出弁１３１が開状態とされる一定時間は、その期間の全時間よりも短くなっていてもよい。例えば、中温水流通路１２６内の水が排出可能な時間だけ、排出弁１３１を開状態としてもよい。
【００６５】
また、本実施形態の暖房装置１００では、中温水流通路１２６の下流管１２６Ｂに流量調整用温度センサ１３３が設けられているので、この流量調整用温度センサ１３３で検出される温度に基づいて凍結防止を図ることもできる。例えば、流量調整用温度センサ１３３で検出される温度が水の凍結温度に近くなると、第３ポンプ１２７の回転数を増加させ、中温水流通路１２６を流れる中温水の流量を増加させるようにしてもよい。このことにより、熱交換器１１９の第１流路１１９ａを流れる気相冷媒が水の凍結温度に近い場合に、熱交換器１１９の第２流路１１９ｂでの中温水の流動を激しくし、水温が水の凍結温度に近づいても、熱交換器１１９の第２流路１１９ｂを流れる中温水が、熱交換器１１９の第２流路１１９ｂの出口近傍で凍結しにくくすることができる。
【００６６】
あるいは、貯湯タンク１０２内に中温水層Ｌ３が発生している場合でも、流量調整用温度センサ１３３で検出される温度が水の凍結温度に極めて近くなると（あるいは水の凍結温度を下回ると）、制御装置１３４によって第３ポンプ１２７の稼働を停止し、第１開閉弁１２８および第２開閉弁１２９を閉じ、排出弁１３１を開いてもよい。このようにすれば、中温水流通路１２６内の水が排出されるため、中温水流通路１２６内で水が凍結して配管等が破損することを防ぐことができる。また、中温水流通路１２６の周囲温度が水の凍結温度以下の状態から、中温水流通路１２６の周囲温度が水の凍結温度以上の状態になった場合に、貯湯タンク１０２内に生成された中温水を即座に温水熱交換回路１２６に流入させることができる。
【００６７】
（第２実施形態）
図３に、本発明の第２実施形態に係る暖房装置３００を示す。本実施形態において、前述した第１実施形態と共通部品については同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００６８】
［暖房装置３００の構成］
本実施形態の暖房装置３００では、中温水流通路１２６に排出路１３０（図１参照）が接続されておらず、代わりにバイパス弁３０２を有するバイパス路３０１が設けられている。このバイパス路３０１は、中温水流通路１２６における上流管１２６Ａの第１開閉弁１２８の下流側の位置から下流管１２６Ｂにおける第３ポンプ１２７と第２開閉弁１２９の間の位置に至っている。
【００６９】
［暖房装置３００の動作］
続いて、バイパス路３０１の動作について説明する。
【００７０】
貯湯タンク１０２内に中温水層Ｌ３が発生していない場合（低温水のみまたは高温水のみ、あるいは低温水層Ｌ２と高温水層Ｌ１で温度成層が形成されている時）には、第１開閉弁１２８および第２開閉弁１２９は閉状態とされ、バイパス路３０１に設けられたバイパス弁３０２が開状態とされている。そして、第３ポンプ１２７が駆動し、中温水流通路１２６に貯留された水が循環させられる。
【００７１】
貯湯タンク１０２内に中温水層Ｌ３が発生すると、第１開閉弁１２８および第２開閉弁１２９が開かれるとともに、バイパス弁３０２が閉じられる。そして、第３ポンプ１２７は駆動し続け、貯湯タンク１０２内の中温水が、中温水流通路１２６に流入する。このように、本実施形態では、第３ポンプ１２７は常時稼働している。
【００７２】
このようなバイパス弁３０２および開閉弁１２８，１２９の制御は、制御装置１３４によって行われる。貯湯タンク１０２に設けられた貯湯温度センサ１３２で検出される水温度が、制御装置１３４に出力され、制御装置１３４は、貯湯温度センサ１３２で検出される水温度が、予め設定された設定温度域（例えば、４５〜７０℃）内にあるか否かを判断する。貯湯温度センサ１３２で検出される水温度が、設定温度域を下回っているあるいは上回っている場合には、制御装置１３４は、第１開閉弁１２８および第２開閉弁１２９を閉状態とし、バイパス弁３０２を開状態とする。
【００７３】
そして、貯湯温度センサ１３２で検出される水温度が設定温度域内になると、制御装置１３４は、第１開閉弁１２８および第２開閉弁１２９を開き、バイパス弁３０２を閉じる。ついで、制御装置１３４は、中温水流通路１２６の下流管１２６Ｂに設けられた流量調整用温度センサ１３３で検出される温度が所望の温度範囲（例えば、１０〜３０℃程度）に保たれるように、第３ポンプ１２７の回転数を制御する。
【００７４】
その後、貯湯温度センサ１３２で検出される水温度が設定温度域を下回るあるいは上回ると、制御装置１３４は、第１開閉弁１２８および第２開閉弁１２９を閉じ、バイパス弁３０２を開く。
【００７５】
＜第２実施形態の効果＞
本実施形態の暖房装置３００では、貯湯温度センサ１３２で検出される水温度が設定温度範囲域を外れている時、中温水流通路１２６とバイパス路３０１とで閉ループが形成され、この閉ループに中温水流通路１２６に貯留された水を循環させる。このことにより、中温水流通路１２６に中温水が流入しない時に、中温水流通路１２６の周囲温度が水の凍結温度以下に達した場合でも、中温水流通路１２６内の水の流動を激しくし、中温水流通路１２６内で水が凍結して配管等が破損することを防ぐことができる。また、中温水流通路１２６の周囲温度が水の凍結温度以下の状態から、貯湯温度センサ１３２で測定された温度値が設定温度範囲に入った場合に、貯湯タンク１０２内に生成された中温水を即座に温水熱交換回路１２６に流入させることができる。
【００７６】
また、本実施形態の暖房装置３００では、中温水流通路１２６が停止時に、中温水流通路１２６およびバイパス路３０１内で水を循環させることで、暖房装置３００の水系回路（貯湯タンク１０２、中温水流通路１２６、暖房路１２３）に貯留された水を、排水などにより減らすことなく保つことができる。
【００７７】
＜変形例＞
前記実施形態では、バイパス弁３０２が開状態とされるとともに第３ポンプ１２７が稼働する一定時間が、貯湯温度センサ１３２によって検出される水温度が設定温度域を下回っているあるいは上回っている期間の全時間となっているが、バイパス弁３０２が開状態とされるとともに第３ポンプ１２７が稼働する一定時間は、その期間の全時間よりも短くなっていてもよい。例えば、その期間のうちに、間欠的にバイパス弁３０２を開状態とするとともに第３ポンプ１２７を稼働させてもよい。
【００７８】
（その他の実施形態）
前記第１および第２実施形態では、膨張機一体型圧縮機１０３と第２圧縮機１０４が用いられていたが、本発明は、膨張機一体型圧縮機１０３のみを用いた暖房装置にも適用可能である。すなわち、本発明の圧縮手段は、第１圧縮機構１０８および第２圧縮機構１１３で構成されていても、第１圧縮機構１０８のみで構成されていてもよい。
【００７９】
また、本発明では、必ずしも膨張機一体型圧縮機１０３が用いられる必要はなく、第１圧縮機構１０８と膨張機構１０９が別々の容器に収容され、膨張機構１０９が発電機に連結されていてもよい。
【００８０】
さらに、本発明の膨張手段としては、膨張機構１０９以外にも、例えば膨張弁を採用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明の暖房装置は、特に、中温水の生成を抑制し、ヒートポンプを高効率化することが可能な暖房装置として有用である。
【符号の説明】
【００８２】
１００，３００  冷凍サイクル装置
１０１    ヒートポンプ
１０２    貯湯タンク
１０３    膨張機一体型圧縮機
１０４    第２圧縮機
１０５    放熱器
１０６    気液分離器
１０７    蒸発器
１１８    気相冷媒流通路
１１９    熱交換器
１２６    中温水流通路
１２７    第３ポンプ
１２８    第１開閉弁
１２９    第２開閉弁
１３０    排出路
１３１    排出弁
１３２    貯湯温度センサ
１３３    流量調整用温度センサ
１３４    制御装置
３０１    バイパス路
３０２    バイパス弁
Ｌ１      高温水層
Ｌ２      低温水層
Ｌ３      中温水層
【図１】
2011027358.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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