(57)【要約】【課題】熱交換効率の高いヒートポンプサイクルを提供する。【解決手段】ヒートポンプサイクルは、圧縮機１１と、熱交換器１２と、気液分離器１７と、室外熱交換器１５とを備えている。ヒートポンプサイクルは、圧縮機と熱交換器と気液分離器と室外熱交換器とを接続して冷媒を流すメイン回路１０と、排熱回収熱交換器３１と、室外熱交換器を経由させずに排熱回収熱交換器を経由させて圧縮機に至る流路をなす排熱回収回路３０とを備えている。ヒートポンプサイクルは、排熱回収回路において排熱回収熱交換器よりも上流に設けられて、排熱回収熱交換器において液相から気相になるように冷媒を膨張させる膨張弁３２を備えている。【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機（１１、２１１、３１１、５１１）と、
前記圧縮機から吐き出された前記冷媒と室内空気とを熱交換させる熱交換器（１２、４１２）と、
前記熱交換器を流出した前記冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器（１７）と、
前記気液分離器を流出した液相の前記冷媒と室外空気とを熱交換させる室外熱交換器（１５）と、
前記圧縮機と前記熱交換器と前記気液分離器と前記室外熱交換器とを接続して前記冷媒を流す流路をなすメイン回路（１０）と、
熱を排出する熱源と前記気液分離器で分離された液相の前記冷媒とを熱交換させる排熱回収熱交換器（３１）と、
前記気液分離器から液相の前記冷媒が流出し、前記室外熱交換器を経由させずに前記排熱回収熱交換器を経由させて前記圧縮機に至る流路をなす排熱回収回路（３０）と、
前記排熱回収回路において前記排熱回収熱交換器よりも上流に設けられて、前記排熱回収熱交換器において液相から気相になるように前記冷媒を膨張させる膨張弁（３２、５３２）とを備えているヒートポンプサイクル。
【請求項２】
前記気液分離器から気相の前記冷媒が流出し、前記圧縮機に至る流路をなすバイパス回路（４０）と、
前記バイパス回路に設けられて、前記バイパス回路を通過する前記冷媒を減圧させるバイパス減圧弁（４１、２４１）とを備えている請求項１に記載のヒートポンプサイクル。
【請求項３】
前記バイパス回路と前記排熱回収回路とを合流させる合流部（４２）を備え、
前記合流部は、前記排熱回収回路における前記排熱回収熱交換器の下流に位置している請求項２に記載のヒートポンプサイクル。
【請求項４】
前記バイパス回路と前記排熱回収回路とを合流させる合流部（３４２）を備え、
前記合流部は、前記排熱回収回路における前記膨張弁と前記排熱回収熱交換器との間に位置している請求項２に記載のヒートポンプサイクル。
【請求項５】
前記気液分離器の液面を検出する液面レベルセンサ（２６１）を備え、
前記液面レベルセンサで測定した液面が高いほど前記バイパス減圧弁（２４１）を絞って前記バイパス回路を流れる前記冷媒の量を減らし、液面が低いほど前記バイパス減圧弁を開けて前記バイパス回路を流れる前記冷媒の量を増やす請求項２から請求項４のいずれかに記載のヒートポンプサイクル。
【請求項６】
前記圧縮機は、二段圧縮機（１１）であって、
前記排熱回収回路は、前記二段圧縮機の中間圧ポート（１１ｂ）に接続されている請求項１から請求項５のいずれかに記載のヒートポンプサイクル。
【請求項７】
前記圧縮機（３１１）は、低段側圧縮機（３１１ａ）と高段側圧縮機（３１１ｂ）とを備え、
前記排熱回収回路は、前記低段側圧縮機と前記高段側圧縮機とをつなぐ冷媒回路に接続されている請求項１から請求項５のいずれかに記載のヒートポンプサイクル。
【請求項８】
前記圧縮機は、前記メイン回路に前記冷媒を循環させるメイン圧縮機（５１１ａ）と、
前記排熱回収回路に前記冷媒を循環させる排熱回収圧縮機（５１１ｂ）とを備えている請求項１から請求項５のいずれかに記載のヒートポンプサイクル。
【請求項９】
前記圧縮機は、単段圧縮機（２１１）であって、
前記排熱回収回路を流れた前記冷媒は、前記単段圧縮機の吸い込みポート（２１１ｃ）から前記単段圧縮機に吸い込まれる請求項１から請求項５のいずれかに記載のヒートポンプサイクル。
【請求項１０】
前記排熱回収回路において、前記排熱回収熱交換器と前記圧縮機との間に設けられて前記冷媒の状態量を検出するセンサ（３５、３６）と、
前記センサの検出結果に基づいて前記膨張弁の開度を制御する制御部（５０）とを備えている請求項１から請求項９のいずれかに記載のヒートポンプサイクル。
【請求項１１】
前記膨張弁（５３２）は、外部からの制御信号なしに弁開度が決まる機械式膨張弁である請求項１から請求項１０のいずれかに記載のヒートポンプサイクル。
【請求項１２】
前記メイン回路を流れる前記冷媒の流れ方向を暖房運転時と冷房運転時とで変える四方弁（４７１）を備えている請求項１から請求項１１のいずれかに記載のヒートポンプサイクル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この明細書における開示は、ヒートポンプサイクルに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、気液分離器で分離された気相冷媒を圧縮機に設けられた中間圧ポートに導くガスインジェクションを行うことで、電動圧縮機の消費電力を低減したヒートポンプサイクルが開示される。ヒートポンプサイクルは、小さな消費電力で空調用の熱源を供給することが求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１８１００５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術の構成では、気液分離器で分離された気相冷媒を圧縮機に戻すことで消費電力を低減して、熱交換効率を高めている。この場合、圧縮機に戻すことができる気相冷媒は、気液分離器で分離された気相冷媒に限られる。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、ヒートポンプサイクルにはさらなる改良が求められている。
【０００５】
開示される１つの目的は、熱交換効率の高いヒートポンプサイクルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ここに開示されたヒートポンプサイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機（１１、２１１、３１１、５１１）と、圧縮機から吐き出された冷媒と室内空気とを熱交換させる熱交換器（１２、４１２）と、熱交換器を流出した冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器（１７）と、気液分離器を流出した冷媒と室外空気とを熱交換させる室外熱交換器（１５）と、圧縮機と熱交換器と気液分離器と室外熱交換器とを接続して冷媒を流す流路をなすメイン回路（１０）と、熱を排出する熱源と気液分離器で分離された液相の冷媒とを熱交換させる排熱回収熱交換器（３１）と、気液分離器から液相の冷媒が流出し、室外熱交換器を経由させずに排熱回収熱交換器を経由させて圧縮機に至る流路をなす排熱回収回路（３０）と、排熱回収回路において排熱回収熱交換器よりも上流に設けられて、排熱回収熱交換器において液相から気相になるように冷媒を膨張させる膨張弁（３２、５３２）とを備えている。
【０００７】
開示されたヒートポンプサイクルによると、排熱回収熱交換機により熱源から回収した排熱を用いて液相の冷媒を気相に相変化させてから圧縮機に戻すことができる。すなわち、気液分離器で分離した気相冷媒のみを用いてガスインジェクションを行う場合に比べて、より多くの冷媒を圧縮機に戻すことができる。したがって、気液分離器内の気液二相冷媒の乾き度が高い状態になることを抑制できる。このため、乾き度の低い冷媒をヒートポンプサイクルに循環させることで、熱交換効率の高いヒートポンプサイクルを提供することができる。
【０００８】
この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ヒートポンプサイクルの構成を示す構成図である。
【図２】ヒートポンプサイクルの制御に関するブロック図である。
【図３】第２実施形態のヒートポンプサイクルの構成を示す構成図である。
【図４】第３実施形態のヒートポンプサイクルの構成を示す構成図である。
【図５】第４実施形態のヒートポンプサイクルの暖房運転における構成を示す構成図である。
【図６】第４実施形態のヒートポンプサイクルの冷房運転における構成を示す構成図である。
【図７】第５実施形態のヒートポンプサイクルの構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび／または構造的に対応する部分および／または関連付けられる部分には同一の参照符号、または百以上の位が異なる参照符号が付される場合がある。対応する部分および／または関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。
【００１１】
第１実施形態
図１において、ヒートポンプサイクル１は、圧縮機１１と暖房用熱交換器１２と冷房用熱交換器１３と室外熱交換器１５と排熱回収熱交換器３１とを備えている。ヒートポンプサイクル１は、圧縮機１１と各熱交換器１２、１３、１５、３１とを接続して冷媒が流れる冷媒回路を提供している。ヒートポンプサイクル１は、室内を空調する空調装置に搭載されている。ヒートポンプサイクル１は、例えば車両に搭載されて、車室内の空調を行う車両用空調装置に用いられる。ヒートポンプサイクル１は、冷房運転、暖房運転、除湿運転といった空調運転を実施可能である。暖房用熱交換器１２は、請求項の熱交換器を提供する。
【００１２】
冷媒回路は、メイン回路１０と排熱回収回路３０とバイパス回路４０とを備えている。メイン回路１０は、冷媒の流れにおける上流から順に、圧縮機１１と暖房用熱交換器１２と室外熱交換器１５と冷房用熱交換器１３とを直列に接続して環状をなしている。
【００１３】
圧縮機１１は、二段圧縮機である。すなわち、圧縮機１１の内部には低段側と高段側との２つの圧縮機構が設けられている。圧縮機１１は、吐き出しポート１１ａと中間圧ポート１１ｂと吸い込みポート１１ｃとの３つのポートを備えている。圧縮機１１は、吸い込みポート１１ｃから気相冷媒を吸い込み、低段側の圧縮機構で圧縮する。その後、高段側の圧縮機構でさらに圧縮して吐き出しポート１１ａから気相冷媒を吐き出す。すなわち、冷媒は、圧縮機１１によって圧縮されることで低温低圧の気相冷媒が高温高圧の気相冷媒となる。
【００１４】
圧縮機１１において、ガスインジェクションを行う場合には、室外熱交換器１５に流入する前の気相冷媒を中間圧ポート１１ｂから取り込む。これにより、低段圧縮機構で圧縮された気相冷媒と中間圧ポート１１ｂから取り込んだ気相冷媒とを合流させて高段圧縮機構で圧縮する。これにより、圧縮機１１の冷媒循環量を増加させて、暖房用熱交換器１２での暖房効果を上昇させることができる。
【００１５】
メイン回路１０において、暖房用熱交換器１２と室外熱交換器１５との間には、気液分離器１７が設けられている。メイン回路１０において、冷房用熱交換器１３と圧縮機１１との間には、アキュムレータ１８が設けられている。気液分離器１７は、液相冷媒と気相冷媒とが混在する冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離する装置である。アキュムレータ１８は、気液分離器１７と同様に冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離し、さらに分離した気相冷媒のみを圧縮機１１に流す装置である。
【００１６】
暖房用熱交換器１２と冷房用熱交換器１３と室外熱交換器１５とは、空気と熱交換を行う熱交換器である。暖房用熱交換器１２と冷房用熱交換器１３とは、空調用の室内空気と冷媒とを熱交換させて、室内空気を加熱あるいは冷却する。室外熱交換器１５は、室外空気と冷媒とを熱交換させて、冷媒を冷却あるいは加熱する。熱交換器１２、１３、１５は、２つのヘッダー間に複数の冷媒流路が平行に形成されたパラレルフロー型の熱交換器である。熱交換器１２、１３、１５は、冷媒の流路である冷媒管の流路面積が小さく平たい扁平管である。熱交換器１２、１３、１５は、冷媒が循環する冷媒管の内部に冷媒との接触面積を増加させるインナーフィンが形成されている。熱交換器１２、１３、１５は、パラレルフロー型の熱交換器に限られない。例えばフィンチューブ型の熱交換器やサーペンタイン型の熱交換器を用いてもよい。
【００１７】
メイン回路１０において、暖房用熱交換器１２と気液分離器１７との間には、高圧側膨張弁２２が設けられている。メイン回路１０において、室外熱交換器１５と冷房用熱交換器１３との間には、冷房用膨張弁２３が設けられている。高圧側膨張弁２２と冷房用膨張弁２３とは、狭い流路に冷媒を流し、冷媒の流れに大きな圧力損失量を加えて圧力差を生じさせる装置である。すなわち、膨張弁２２、２３を絞り状態にすることで、冷媒管における流路を狭くして膨張弁２２、２３よりも下流側での圧力を減圧させる装置である。膨張弁２２、２３は、全開状態から全閉状態まで絞り量を任意に調整可能な弁装置である。高圧側膨張弁２２は、暖房用熱交換器１２の高圧側圧力すなわち冷媒凝縮温度で決まる暖房の吹き出し空気温度を制御する弁装置である。高圧側膨張弁２２は、高圧圧力センサ３９で検出した高圧圧力が目標高圧圧力になるように弁流路部の絞り度合を可変制御する特徴をもった膨張弁である。冷房用膨張弁２３は、冷房用熱交換器１３の出口冷媒状態を示す圧力と温度を検出し弁開度を制御する一般的な膨張弁で、任意の弁開度に調整可能な電子制御弁である。冷房用膨張弁２３は、温度センサや圧力センサを必要としない自己完結方式の機械式膨張弁でもよい。機械式膨張弁としては、外部均圧式膨張弁と内部均圧式膨張弁とのどちらの方式も使用可能である。
【００１８】
メイン回路１０において、気液分離器１７と室外熱交換器１５との間には、低圧側絞り弁２５が設けられている。低圧側絞り弁２５は、冷媒回路における流路を狭くして低圧側絞り弁２５よりも下流側での圧力を減圧する装置である。低圧側絞り弁２５は、絞り量が固定された弁装置である。すなわち、低圧側絞り弁２５は、絞り量を任意に制御できない弁装置である。
【００１９】
メイン回路１０において、冷房用膨張弁２３と冷房用熱交換器１３とをバイパス可能な回路に冷房用開閉弁２４が設けられている。メイン回路１０において、低圧側絞り弁２５をバイパス可能な回路に低圧側開閉弁２６が設けられている。冷房用開閉弁２４と低圧側開閉弁２６とは、冷媒回路の開閉制御を行うことで冷媒の流れる流路を変更する弁装置である。開閉弁２４、２６が全開状態の場合には、冷媒が開閉弁２４、２６を通過する。一方、開閉弁２４、２６が全閉状態の場合には、冷媒が開閉弁２４、２６を通過できない。開閉弁２４、２６を絞り状態として、一部の冷媒は開閉弁２４、２６を通過可能とすることで、複数の流路に冷媒を同時に流すように制御してもよい。
【００２０】
排熱回収回路３０は、室外熱交換器１５を経由せずに、気液分離器１７と圧縮機１１とを接続している。排熱回収回路３０は、気液分離器１７において液相の冷媒が貯留されている液相貯留部に接続されている。排熱回収回路３０は、冷媒の流れにおける上流から排熱回収膨張弁３２、排熱回収開閉弁３３、排熱回収熱交換器３１を備えている。ただし、排熱回収膨張弁３２と排熱回収開閉弁３３との位置関係においては、どちらを上流に配置してもよい。
【００２１】
排熱回収膨張弁３２は、排熱回収回路３０を流れる液相冷媒を減圧することで膨張させて蒸発しやすくさせる弁装置である。排熱回収膨張弁３２は、排熱回収熱交換器３１から流出する冷媒を一定の過熱度に保つ弁装置である。言い換えると、排熱回収膨張弁３２の開度を調節することで、排熱回収熱交換器３１から流出する冷媒は、そのスーパーヒート量がほぼ一定に保たれる。したがって、圧縮機１１の中間圧ポート１１ｂに、液相の状態で冷媒が戻ることが抑制される。すなわち、排熱回収膨張弁３２は、圧縮機１１で液バック現象が引き起こされることを抑制する。また、排熱回収膨張弁３２は、圧縮機１１の中間圧ポート１１ｂに、過大な過熱度をもった冷媒が流入することを抑制する。排熱回収膨張弁３２は、圧縮機１１の液圧縮や温度の異常上昇を避け、高効率に運転できる制御を行う弁装置である。排熱回収膨張弁３２は、任意の弁開度に調整可能な電子制御弁である。排熱回収膨張弁３２は、電子制御式に代わり排熱回収温度センサ３６や排熱回収圧力センサ３５を必要としない自己完結型の物理的現象を応用した機械的力を変換して弁開度を制御する機械式膨張弁でもよい。外部均圧式膨張弁と内部均圧式膨張弁とのどちらの方式も使用可能である。排熱回収開閉弁３３は、排熱回収回路３０に液相冷媒を流すか否かを制御する弁装置である。排熱回収膨張弁３２は、請求項の膨張弁を提供する。
【００２２】
排熱回収熱交換器３１は、熱源から排出される熱を回収する熱交換器である。排熱回収熱交換器３１は、熱源により加熱された熱交換媒体と排熱回収熱交換器３１の内部を流れる冷媒とを熱交換させる。ここで、熱交換媒体は、例えば空気である。ただし、熱源から熱を伝えられる熱交換媒体としては、空気に限られず、水や油または冷媒を用いてもよい。あるいは、熱伝導性の良い金属板などを用いて熱源の熱を熱交換媒体に伝達させるようにしてもよい。
【００２３】
排熱回収熱交換器３１が熱交換する熱源としては、例えば圧縮機１１を用いることができる。さらに、ヒートポンプサイクル１をガソリン車に搭載した場合には、熱源として、エンジンなどの発熱部品を用いることができる。あるいは、エンジンから排出される高温の排ガスを熱源としてもよい。また、ヒートポンプサイクル１をハイブリッド自動車や電気自動車に搭載した場合には、熱源として、バッテリーや駆動モータや発電機やインバータや大電力出力制御モジュール（ＰＣＵ）などの発熱部品を用いることができる。熱源は１つに限られず、複数の熱源から排熱を回収するようにしてもよい。
【００２４】
バイパス回路４０は、室外熱交換器１５を経由せずに、気液分離器１７と排熱回収回路３０とを接続して圧縮機１１に至る流路をなしている。バイパス回路４０は、気液分離器１７において気相の冷媒が貯留されている気相貯留部に接続されている。バイパス回路４０と排熱回収回路３０とは、合流部４２で接続されて気相冷媒が合流するように構成されている。合流部４２は、排熱回収回路３０において、排熱回収熱交換器３１と圧縮機１１との間に設けられている。他にバイパス回路４０と排熱回収回路３０とを合流させる部位として、排熱回収膨張弁３２を上流側に排熱回収開閉弁３３を下流側にして、その間の排熱回収回路３０にバイパス回路４０を接続して液相冷媒と気相冷媒が合流させてもよい。この場合、排熱回収開閉弁３３を全閉にすることで、ガスインジェクションを停止させることができる。したがって、ガスインジェクション作動機能を無しにする運転モードを必要とするシステムに好適である。バイパス回路４０において、バイパス絞り弁４１が設けられている。バイパス絞り弁４１は、一度に大量の気相冷媒がバイパス回路４０を流れることを抑制する弁装置である。バイパス絞り弁４１は、バイパス減圧弁を提供する。
【００２５】
排熱回収回路３０において、合流部４２と圧縮機１１との間には、排熱回収圧力センサ３５と排熱回収温度センサ３６とが設けられている。排熱回収圧力センサ３５は、冷媒回路を流れる冷媒の圧力を測定するセンサである。排熱回収温度センサ３６は、冷媒回路を流れる冷媒の温度を測定するセンサである。言い換えると、排熱回収圧力センサ３５と排熱回収温度センサ３６とは、冷媒の状態量を測定するセンサである。排熱回収圧力センサ３５と排熱回収温度センサ３６とは、中間圧ポート１１ｂの直前に設けられている。排熱回収圧力センサ３５と排熱回収温度センサ３６とは、請求項のセンサを提供する。
【００２６】
図２において、制御部（ＥＣＵ）５０は、ヒートポンプサイクル１のセンサなどからの信号が入力される。制御部５０は、ヒートポンプサイクル１の制御内容を決定する演算処理を行う。制御部５０からは、ヒートポンプサイクル１を制御する信号が出力される。排熱回収圧力センサ３５と排熱回収温度センサ３６とは、制御部５０に接続されている。すなわち、排熱回収熱交換器３１を通過して気相冷媒となった冷媒の圧力と温度との状態量は、制御部５０に入力される。高圧圧力センサ３９は、制御部５０に接続されている。すなわち、暖房用熱交換器１２を通過した冷媒の圧力は、制御部５０に入力される。
【００２７】
圧縮機１１と膨張弁２２、２３、３２と開閉弁２４、２６、３３とは、制御部５０に接続されている。すなわち、圧縮機１１は、制御部５０によって駆動が制御される。言い換えると、制御部５０は、圧縮機１１のオンオフ制御と出力の強弱制御を行う。膨張弁２２、２３、３２は、制御部５０によって開度が制御される。開閉弁２４、２６、３３は、制御部５０によって開閉の状態が制御される。
【００２８】
図１において、圧縮機１１から吐き出された高温高圧の気相冷媒は、吐き出しポート１１ａに接続されたメイン回路１０を流れて暖房用熱交換器１２に流れ込む。暖房用熱交換器１２においては、高温高圧の気相冷媒が室内空気と熱交換して液相冷媒となる。すなわち、冷媒が暖房用熱交換器１２を流れる過程で冷媒の持つエネルギーを室内空気に与えて室内空気を加熱する。暖房用熱交換器１２は、気相冷媒を液相冷媒に凝縮させる凝縮器である。
【００２９】
暖房用熱交換器１２を流れ出た液相冷媒は、高圧側膨張弁２２の弁開度の調節によって高圧圧力すなわち暖房用熱交換器１２の凝縮温度が制御されるとともに下流側では絞り効果により減圧されて膨張する。これにより、暖房用熱交換器１２を流れ出た高圧の液相冷媒は、減圧され中間圧の気液二相冷媒に変化する。高圧側膨張弁２２は、高圧の冷媒を中間圧まで減圧させる減圧装置である。
【００３０】
高圧側膨張弁２２で減圧され、気液二相に変化した冷媒は気液分離器１７に流れ込む。気液分離器１７では、冷媒を液相冷媒と気相冷媒との２つの状態に分離する。ただし、気液分離器１７においては、液相冷媒の液面が気相冷媒と接触しているため、液相冷媒中に気相冷媒が入り込んで混ざることで気液二相冷媒の乾き度が高くなってしまう。気液分離器１７には、メイン回路１０に進む流路と、排熱回収回路３０に進む流路と、バイパス回路４０に進む流路との３つの流路が設けられている。冷媒が排熱回収回路３０に進む場合とバイパス回路４０に進む場合とについては後述する。
【００３１】
気液分離器１７で分離された液相冷媒は、メイン回路１０を通って室外熱交換器１５に向かって進む。室外熱交換器１５に向かう流路は、低圧側絞り弁２５を通過する流路と、低圧側開閉弁２６を通過する流路との２つの流路に分かれる。冷房運転や除湿運転の場合には、低圧側開閉弁２６を全開状態とする。一方、暖房運転の場合には、低圧側開閉弁２６を全閉状態とする。ここで、低圧側開閉弁２６が全開状態の場合には、低圧側開閉弁２６を通過して液相冷媒が室外熱交換器１５に流れ込む。一方、低圧側開閉弁２６が全閉状態の場合には、低圧側絞り弁２５を通過して液相冷媒が室外熱交換器１５に流れ込む。液相冷媒は、低圧側絞り弁２５を通過する過程で減圧される。すなわち、低圧側絞り弁２５は、冷媒の圧力を減圧させ膨張させる減圧装置である。
【００３２】
冷房運転の場合には、室外熱交換器１５に流れ込んだ液相冷媒は、室外熱交換器１５を流れる過程で室外空気と熱交換して液相冷媒の状態を維持して温度が低下する。一方、暖房運転の場合には、室外熱交換器１５で液相冷媒が室外空気で加熱されて気相冷媒に蒸発する。室外熱交換器１５に室外空気を吹きつけて冷媒と室外空気との熱交換を促進させる送風装置を備えてもよい。
【００３３】
室外熱交換器１５に流れる低い温度に変化した冷媒は、冷房用熱交換器１３の方に向かって流れる。冷房運転や除湿運転の場合には、冷房用開閉弁２４が全閉状態であり、冷房用膨張弁２３と冷房用熱交換器１３とに液相冷媒が流れる。室外熱交換器１５で少し減圧され、温度が低下した液相冷媒は、冷房用膨張弁２３でさらに減圧して膨張される。これにより、液相冷媒の圧力を低下させて蒸発させやすくする。その後、冷房用膨張弁２３を流れた低温低圧の液相冷媒は、冷房用熱交換器１３に流れ込む。冷房用熱交換器１３においては、低温低圧の液相冷媒が室内空気と熱交換して気相冷媒となる。すなわち、冷媒が冷房用熱交換器１３を流れる過程で室内空気からエネルギーを奪って室内空気を冷却する。冷房用熱交換器１３は、液相冷媒を気相冷媒に蒸発させる蒸発器である。冷房用熱交換器１３で蒸発した気相冷媒は、アキュムレータ１８に流れ込む。一方、暖房運転の場合には、冷房用開閉弁２４が全開状態であり、気相冷媒は、冷房用膨張弁２３と冷房用熱交換器１３とを流れずに冷房用開閉弁２４を流れてアキュムレータ１８に流れ込む。
【００３４】
アキュムレータ１８に流れ込んだ気相冷媒は、アキュムレータ１８で液相冷媒と気相冷媒とに分離されて、気相冷媒のみが吸い込みポート１１ｃから吸い込まれて圧縮機１１で圧縮される。ヒートポンプサイクル１において、冷媒は上述の通り、メイン回路１０を循環して一連のサイクルを繰り返す。
【００３５】
気液分離器１７で冷媒が排熱回収回路３０に進む場合の流れについて以下に説明する。気液分離器１７で分離された液相冷媒は、排熱回収回路３０を通って排熱回収膨張弁３２に流れ込む。液相冷媒は、排熱回収膨張弁３２で減圧して膨張される。言い換えると、排熱回収膨張弁３２は、液相冷媒を減圧させて蒸発しやすくさせる減圧装置である。排熱回収膨張弁３２で減圧された液相冷媒は、排熱回収開閉弁３３に進む。
【００３６】
排熱回収開閉弁３３は、排熱回収回路３０の流路を開閉する。すなわち、全開状態においては、液相冷媒を排熱回収熱交換器３１に流れることが可能な状態とし、全閉状態においては、液相冷媒を排熱回収熱交換器３１に流れることができない状態とする。圧縮機１１のガスインジェクションを行う量を少なくする場合には、排熱回収開閉弁３３を全閉状態とする。また、排熱回収膨張弁３２で全閉状態を実現できる場合には、排熱回収開閉弁３３を省いてもよい。
【００３７】
排熱回収開閉弁３３を通過した液相冷媒は、排熱回収熱交換器３１に流れ込む。排熱回収熱交換器３１は、熱源から排出された熱と液相冷媒とを熱交換させて、液相冷媒から気相冷媒に相変化させる。すなわち、排熱回収熱交換器３１は、排熱からエネルギーを奪って冷媒を蒸発させる蒸発器である。言い換えると、排熱回収熱交換器３１は、室外熱交換器１５で室外空気から回収する熱とは別に熱源からの排熱を回収する。この時、冷媒は、液相から気相への相変化による潜熱分の大量の熱と、冷媒の温度変化による顕熱分の少量の熱とを排熱から回収する。蒸発した気相冷媒は、合流部４２を通って中間圧ポート１１ｂに取り込まれる。
【００３８】
中間圧ポート１１ｂに取り込まれる直前の冷媒状態は、排熱回収回路３０とバイパス回路４０との後述する合流部４２の後の混合された気相冷媒である。気相冷媒の圧力と温度の状態量が、排熱回収圧力センサ３５と排熱回収温度センサ３６とによって測定される。制御部５０は、排熱回収圧力センサ３５で測定した冷媒圧力が異常に高い圧力を検知した場合には、排熱回収開閉弁３３を全閉状態とし、気液分離器１７の気相冷媒のみを中間圧ポート１１ｂにガスインジェクションさせる。制御部５０は、排熱回収温度センサ３６で測定した冷媒温度が異常な高温を検知した場合には、排熱回収熱交換器３１に流れる液相冷媒が不足していると判断する。この場合、排熱回収膨張弁３２の開度を高めて、より多くの液相冷媒が排熱回収熱交換器３１に循環するように制御する。
【００３９】
異常時ではなく通常の制御では、圧力と温度の検出値を使って常に気相冷媒状態すなわちスーパーヒート量を演算処理して認知する。このスーパーヒート量があらかじめ設定された適正なスーパーヒート量の目標値の範囲内に収まるように、排熱回収膨張弁３２の弁開度を調節する制御を行う。
【００４０】
測定した圧力と温度に応じて、あらかじめ特性図として記憶したスーパーヒート量の制御目標値を含む情報に基づいて、排熱回収膨張弁３２や排熱回収開閉弁３３の開度を制御する。この制御によって、適切な気相冷媒を圧縮機１１の中間圧ポート１１ｂに戻すことで、圧縮機１１の液冷媒圧縮は無くなる。また、圧縮機１１に過大な過熱度の冷媒が吸い込こまれることが無くなる。したがって、圧縮機１１の高効率化と冷媒循環流量増加につながる。ここで、特性図とは、暖房運転や冷房運転などの運転モードや冷媒圧力や冷媒温度や熱源温度などの情報に対して、制御部５０の制御対象の制御内容をマップ化したものでもよい。すなわち、運転モードや冷媒の状態量などの情報に対して、圧縮機１１の入力や膨張弁２２、２３、３２の開度や開閉弁２４、２６、３３の開度などの制御内容をマップ化したものでもよい。制御部５０は、現在の使用条件から自動で最適な出力制御を行う。また、外気温を検知する外気温センサを備えて、外気温に基づいて制御するようにしてもよい。特に夏場などで外気温が高く暖房が不要である場合には、排熱回収開閉弁３３を全閉状態にするなどしてもよい。
【００４１】
気液分離器１７で冷媒がバイパス回路４０に進む場合の流れについて以下に説明する。気液分離器１７で分離された気相冷媒は、バイパス回路４０を通ってバイパス絞り弁４１を通過する。気相冷媒は、バイパス絞り弁４１を通過する過程で減圧される。バイパス絞り弁４１は、気相冷媒の圧力を減圧させる手段であり、気相冷媒の流量を調節する手段である。
【００４２】
バイパス絞り弁４１を通過した気相冷媒は、合流部４２において、排熱回収熱交換器３１で気相となった冷媒と合流して混合される。混合された気相冷媒は、中間圧ポート１１ｂから圧縮機１１に取り込まれる。
【００４３】
室外熱交換器１５を経由せずに気液分離器１７内の気相冷媒を圧縮機１１に戻すため、気液分離器１７の内部の気液二相冷媒の乾き度を低くすることができる。すなわち、気液分離器１７の内部にある気相冷媒をバイパス回路４０に流し、抜き取ることで、乾き度は小さくなり、室外熱交換器１５および、排熱回収回路３０に流れる冷媒は液相冷媒で送り込むことができる。
【００４４】
このため、暖房運転において、メイン回路１０の室外熱交換器１５で冷媒が蒸発する際に、室外熱交換器１５の入口側での冷媒の比エンタルピー小さくなる。すなわち、室外熱交換器１５の入口と出口とのエンタルピー差が大きくなって、外気などの室外空気熱源から吸熱可能な熱量が増加し、暖房性能が向上する。すなわち、比エンタルピーの低い冷媒が室外熱交換器１５に流入することで、ヒートポンプサイクル１の熱交換効率を高めることができる。また、室外熱交換器１５に気相冷媒が入り込む噛み込みを抑制できるため、室外熱交換器１５の熱交換の性能を安定させることができる。
【００４５】
一方、排熱回収回路３０では、排熱回収膨張弁３２に流入する冷媒が液相冷媒でガス気泡の噛み込みを低減できる。このため、まず、多量の冷媒流量が供給でき、多量の排出熱量を暖房の大きな熱源として再利用することが可能になる。さらに、排熱回収熱交換器３１に流入する冷媒流量が安定する。すなわち、排熱回収熱交換器３１の出口での冷媒圧力と冷媒温度の検出性能が向上する。このため、排熱回収膨張弁３２の制御による圧縮機１１の中間圧ポート１１ｂに流入する気相冷媒のスーパーヒート量の値が安定する。
【００４６】
また、排熱回収回路３０で大きな暖房熱源を得られる。その分、室外空気で得る暖房熱源の量を少なくできる。よって、メイン回路１０を循環する冷媒流量を減少させることができる。このため、室外熱交換器１５から圧縮機１１の吸い込みポート１１ｃまでの冷媒流路区間の圧力損失量を低減できる。すなわち、圧縮機１１の吸入圧力が上昇するため、同じ入力で圧縮機１１を駆動した場合であっても、圧縮機１１の冷媒吐き出し量が増加する。言い換えると、圧縮機１１の入力を低減できる。この圧縮機１１の省動力化の効果はガスインジェクションによる暖房性能向上と相殺されることなく、相乗効果として発揮される。
【００４７】
上述した実施形態によると、気液分離器１７の液相冷媒の一部を排熱回収熱交換器３１の方に流し、同時に、気液分離器１７に溜った気相冷媒をバイパス回路４０に迂回させ、気相冷媒として圧縮機１１に戻している。このため、気液分離器１７内に溜っている液相冷媒溜り量を低減でき、気液分離器１７の内容量が小さくて済み小型化が可能になる。また、排熱回収熱交換器３１では、液相冷媒を積極的に流し気相冷媒への状態変化による圧倒的に大きな熱交換が可能な潜熱分の熱変化を利用し、効率的に排熱を回収することで、排熱回収熱交換器３１が小型化できる。言い換えると、ヒートポンプサイクル１を小型化できる。
【００４８】
合流部４２は、排熱回収回路３０における排熱回収熱交換器３１の下流に位置している。このため、排熱回収熱交換器３１の入口側には気相冷媒が入り込まない。言い換えると、排熱回収熱交換器３１に流入する冷媒の乾き度が高くなってしまうことを抑制できる。したがって、排熱回収熱交換器３１での熱交換効率を高めて、熱源からの排熱を効率よく回収することができる。言い換えると、熱源の冷却を効率的に行うことができる。
【００４９】
排熱回収回路３０は、中間圧ポート１１ｂに接続している。このため、排熱回収熱交換器３１で気相に相変化した気相冷媒を中間圧に戻して再び圧縮させることができる。すなわち、室外熱交換器１５や冷房用熱交換器１３などの圧力損失の大きい部品を経由せずに、排熱回収効果とガスインジェクション効果との相乗効果によって暖房用熱交換器１２を循環する冷媒量を増やすことができる。したがって、暖房用熱交換器１２での暖房効果を上昇させることができる。
【００５０】
制御部５０は、排熱回収圧力センサ３５や排熱回収温度センサ３６の検出結果に基づいて排熱回収膨張弁３２の開度を制御する。このため、圧力や温度といった現在の状態量に応じて、排熱回収熱交換器３１に流す液相冷媒の量を制御できる。したがって、中間圧ポート１１ｂに異常な圧力が加わるなどして、ヒートポンプサイクル１に不具合が生じることを抑制できる。また、熱源からの排熱が非常に多く、排熱回収熱交換器３１を流れる冷媒が多く必要な場合であっても、適切な量の冷媒を流すことができる。すなわち、熱源を適切に冷却することができる。
【００５１】
バッテリーや駆動モータなどの発熱部品からの排熱を利用して空調運転を行うことができる。このため、ヒートポンプサイクル１を電気自動車やハイブリッド自動車に適用した場合には、暖房用の電気ヒータで消費するエネルギー量を低減させることができる。すなわち、暖房運転で消費する電気エネルギーを低減し、走行距離を延ばすことができる。また、外気温の低い冬季や寒冷地でも安定して高い暖房能力を発揮させやすい。
【００５２】
第２実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、排熱回収回路３０は、アキュムレータ１８を経由して圧縮機２１１の吸い込みポート２１１ｃに吸い込まれるように接続されている。また、気液分離器１７は、液面レベルセンサ２６１を備えている。
【００５３】
図３において、排熱回収回路３０は、メイン回路１０における気液分離器１７とアキュムレータ１８とを接続するように設けられている。すなわち、排熱回収回路３０は、アキュムレータ１８の気相貯留部である上部領域に接続している。したがって、気液分離器１７から排熱回収回路３０に流出した冷媒は、アキュムレータ１８を経由して気相冷媒が圧縮機２１１に吸い込まれて圧縮される。また、気液分離器１７からバイパス回路４０に流出した冷媒は、排熱回収回路３０と合流した後、アキュムレータ１８を経由して圧縮機２１１に吸い込まれて圧縮される。圧縮機２１１は、中間圧に位置するポートの無い単段圧縮機である。すなわち、１つの圧縮機構で圧縮を行う圧縮装置である。圧縮機２１１は単段圧縮機を提供する。
【００５４】
バイパス回路４０には、バイパス減圧弁２４１が設けられている。バイパス減圧弁２４１は、狭い流路に冷媒を流し、冷媒の流れに大きな圧力損失量を加えて圧力差を生じさせる装置である。すなわち、バイパス減圧弁２４１を絞り状態にすることで、冷媒管における流路を狭くしてバイパス減圧弁２４１よりも下流側での圧力を減圧させる装置である。バイパス減圧弁２４１は、全開状態から全閉状態まで絞り量を任意に調整可能な弁装置である。
【００５５】
気液分離器１７は、液面レベルセンサ２６１を備えている。液面レベルセンサ２６１は、気液分離器１７の内部に設けられて、液相冷媒の液面がどの程度の高さにあるかを測定するセンサである。すなわち、液面レベルが高ければ気液分離器１７の内部に液相冷媒が多い状態である。一方、液面レベルが低ければ気液分離器１７の内部に液相冷媒が少ない状態である。液面レベルセンサ２６１は、制御部５０に接続されている。すなわち、液面レベルセンサ２６１で測定した液面レベルは、制御部５０に入力される。
【００５６】
液面レベルが高い場合には、メイン回路１０および排熱回収回路３０へは液相冷媒が流れやすい状態にある。ただし、バイパス回路４０にも液相冷媒が流れやすい状態にある。ここで、圧縮機２１１への液冷媒戻りによる液冷媒圧縮を回避するため、制御部５０は、弁開度を任意に調節可能なバイパス減圧弁２４１の絞り量を大きくしてバイパス回路４０の流路を小さくする。これにより圧縮機２１１での液圧縮が避けられ、圧縮機２１１の吸い込みポート２１１ｃに吸い込まれる冷媒は、常に気相冷媒に保たれる。言い換えると、圧縮機２１１に吸い込まれる前に適正なスーパーヒート量に制御されるため、圧縮機２１１は高効率な運転を維持できる。
【００５７】
液面レベルが低い場合には、メイン回路１０および排熱回収回路３０へはガス気泡混りの気液二相冷媒が流れやすい状態にある。制御部５０は、バイパス減圧弁２４１の絞り量を小さくしてバイパス回路４０の流路を大きくする。これにより、気液分離器１７の内部から気相冷媒が多く抜き取られる。言い換えると、気相冷媒は、バイパス回路４０に流れ出て圧縮機２１１に吸い込まれる。これにより、気液分離器１７の内部の液相冷媒の液面レベルが上昇し、メイン回路１０および排熱回収回路３０に流れ出る冷媒の乾き度が小さくなる。したがって、各々の冷媒回路の冷媒流量が増加し室外空気熱源および排熱回収熱源が増え、暖房性能が向上する。
【００５８】
制御部５０は、上述の通りに液面レベルセンサ２６１で測定した液面レベルに基づいて、バイパス減圧弁２４１の制御を行う。これにより、液面レベルが異常に高い状態や、異常に低い状態になることを抑制する。言い換えると、制御部５０は、液面レベルを適切な範囲内に収めるようにバイパス減圧弁２４１を制御する。制御部５０は、液面レベルに応じてバイパス減圧弁２４１を制御することに加えて、高圧側膨張弁２２や排熱回収膨張弁３２を制御するようにしてもよい。あるいは、圧縮機２１１の入力の大きさを制御して、液面レベルを適切な範囲内に収めるように制御してもよい。また、排熱回収圧力センサ３５や排熱回収温度センサ３６で測定した冷媒の状態量に基づいてバイパス減圧弁２４１の開度を制御してもよい。
【００５９】
排熱回収圧力センサ３５と排熱回収温度センサ３６とは、排熱回収熱交換器３１と合流部４２との間に設けられている。すなわち、排熱回収熱交換器３１を出た冷媒が液相冷媒のまま通過してしまうことがないか、または、過熱量が大き過ぎて高温になった密度の低い気相冷媒が通過していないかを圧力と温度との状態量から検知している。
【００６０】
制御部５０は、過熱量が小さ過ぎて排熱回収熱交換器３１を液相冷媒のまま通過して、液相冷媒が圧縮機２１１に流入すると判断した場合には、排熱回収膨張弁３２を絞って、流路を小さくする。これにより、排熱回収熱交換器３１で液相冷媒を完全に気相冷媒に相変化できる量まで、排熱回収熱交換器３１に流入する液相冷媒の量を減らす。言い換えると、制御部５０は、排熱回収熱交換器３１を液相冷媒のまま通過することで圧縮機２１１に液相冷媒が吸い込まれる液バック現象が起こらないように、排熱回収膨張弁３２の開度を制御している。
【００６１】
一方、過熱量が大き過ぎて高温になった密度の低い気相冷媒が圧縮機２１１に流入したと判断した場合には、排熱回収膨張弁３２を開いて、流路を大きくする。これにより、液相冷媒が排熱回収熱交換器３１に流入する量を増やすように制御して過熱度を小さくする。
【００６２】
通常制御では、圧力と温度の検出値を使って常に気相冷媒の状態、すなわちスーパーヒート量を演算処理して認知する。このスーパーヒート量があらかじめ設定された適正なスーパーヒート量の目標値になるように、排熱回収膨張弁３２の弁開度を調節する制御を行う。適正に制御された気相冷媒を圧縮機２１１の吸い込みポート２１１ｃに戻すことで、圧縮機２１１での液冷媒圧縮は無くなる。さらに、過大な過熱度をもった冷媒が吸い込こまれ異常高温作動による品質耐力強度上の不具合が無くなる。さらに、圧縮機２１１の高効率化と冷媒循環流量増加につながる。
【００６３】
上述した実施形態によると、液面レベルセンサ２６１で測定した液面が低いほどバイパス減圧弁２４１を開いてバイパス回路４０を流れる冷媒の量を増やす。一方、液面レベルセンサ２６１で測定した液面が高いほどバイパス減圧弁２４１を絞って、バイパス回路４０を流れる冷媒の量を減らす。このように、液面レベルの高さに応じてバイパス回路４０を流れる冷媒の量を制御する。ヒートポンプサイクルは、通常、使用環境の空気温度など熱負荷条件の違いによって循環冷媒流量や冷媒高低圧圧力のバランス圧力は常に変動し、その変化に伴って気液分離器１７内の冷媒液面レベルや気液が混在する泡立ち領域の幅が変動する。そのため、冷媒通路の大きさが固定されたバイパス絞り弁４１の場合、使用環境に応じた適正な絞り量の設定が必要になる。これに代わり、バイパス回路４０に流れる冷媒量を制御することで、使用環境の変化に対応して安定した気液分離性能と一定高さの液面レベル制御が得られる。したがって、広範囲の使用環境にわたって、メイン回路１０と排熱回収回路３０に乾き度の小さな冷媒を流すことができ、高い排熱回収性能と暖房性能が得られる。また、個別の絞り量設定が不要となり汎用性が増す。更に、気液分離器１７の小型化につながる。
【００６４】
第３実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、合流部３４２が排熱回収膨張弁３２と排熱回収開閉弁３３との間に設けられている。また、圧縮機３１１は、低段側圧縮機３１１ａと高段側圧縮機３１１ｂとを備えている。
【００６５】
図４において、合流部３４２は、排熱回収膨張弁３２と排熱回収開閉弁３３との間に設けられている。したがって、冷媒は、液相冷媒と気相冷媒とが混合して気液混合冷媒の状態、すなわち気液二相冷媒の状態で排熱回収熱交換器３１に流入する。気液二相冷媒は、排熱回収熱交換器３１で加熱されて気相冷媒に相変化して圧縮機３１１に戻される。
【００６６】
合流部３４２は、排熱回収開閉弁３３の上流に位置している。このため、排熱回収開閉弁３３を全閉状態にすることで、排熱回収回路３０とバイパス回路４０との両方の回路での冷媒の流通を遮断することができる。すなわち、圧縮機３１１へのガスインジェクションを停止して、通常のサイクルでヒートポンプサイクル１を運転することができる。
【００６７】
圧縮機３１１は、低段側圧縮機３１１ａと高段側圧縮機３１１ｂとを直列に並べて構成されている。低段側圧縮機３１１ａは、アキュムレータ１８を通過した低圧の気相冷媒を中間圧まで圧縮する。高段側圧縮機３１１ｂは、低段側圧縮機３１１ａで圧縮された中間圧の気相冷媒を高圧まで圧縮する。すなわち、圧縮機３１１は、気相冷媒を２段階に圧縮して高温高圧の気相冷媒とする装置である。低段側圧縮機３１１ａの出口と高段側圧縮機３１１ｂの入口とは、冷媒管で接続されている。
【００６８】
排熱回収回路３０は、低段側圧縮機３１１ａと高段側圧縮機３１１ｂとをつなぐ冷媒管に接続されている。このため、気液分離器１７から排熱回収回路３０あるいはバイパス回路４０を通過した冷媒は、気相冷媒の状態で低段側圧縮機３１１ａと高段側圧縮機３１１ｂとの間の中間圧の状態の気相冷媒と合流する。その後、高段側圧縮機３１１ｂで高圧に圧縮されて暖房用熱交換器１２に流れ込む。
【００６９】
上述した実施形態によると、合流部３４２は、排熱回収回路３０における排熱回収膨張弁３２と排熱回収熱交換器３１との間に位置している。このため、気液二相冷媒を用いて排熱回収熱交換器３１で熱交換させて気相冷媒にすることができる。言い換えると、バイパス回路４０を通過する過程で気相冷媒から液相冷媒に変化した場合であっても、排熱回収熱交換器３１で気相冷媒に相変化させることができる。すなわち、気液分離器１７の冷媒が液相冷媒の状態で中間圧ポート１１ｂに取り込まれて液バック現象を起こすことを抑制できる。
【００７０】
圧縮機３１１は、低段側圧縮機３１１ａと高段側圧縮機３１１ｂとを備えて構成されている。このため、排熱回収回路３０とバイパス回路４０とを接続させずにそれぞれの回路を圧縮機３１１の中間圧に戻すように合流させやすい。すなわち、圧縮機３１１でガスインジェクションを行う場合に、複数の冷媒管を中間圧の冷媒管に接続する際の冷媒管のレイアウトの自由度を高く確保できる。
【００７１】
第４実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、暖房運転と冷房運転とで四方弁４７１を用いてメイン回路１０を流れる冷媒の流れ方向を逆向きにしている。
【００７２】
図５において、四方弁４７１は、圧縮機１１の出口と、室内熱交換器４１２の入口と、室外熱交換器１５の出口と、アキュムレータ１８の入口とに接続している。四方弁４７１は、冷媒の流れる流路を切り替える弁装置である。四方弁４７１は、制御部５０と接続されている。四方弁４７１は、制御部５０によって流路の切り替えが制御される切り替え弁である。
【００７３】
室内熱交換器４１２は、内部を流れる冷媒と室内空気とを熱交換させる熱交換器である。室内熱交換器４１２は、ヒートポンプサイクル１の暖房運転時には室内空気を加熱する。一方、室内熱交換器４１２は、ヒートポンプサイクル１の冷房運転時には室内空気を冷却する。室内熱交換器４１２は、請求項の熱交換器を提供する。
【００７４】
気液分離器１７は、気相冷媒が蓄積されている上部領域と、液相冷媒が蓄積されている下部領域とを備えている。メイン回路１０は、気液分離器１７の上流側と下流側のそれぞれに上部領域と接続する冷媒回路と下部領域と接続する冷媒回路とを備えている。室内熱交換器４１２に近い側のメイン回路１０の内、気液分離器１７の上部領域と接続する冷媒回路は、第１冷媒管４８０ａである。室内熱交換器４１２に近い側のメイン回路１０の内、気液分離器１７の下部領域と接続する冷媒回路は、第２冷媒管４８０ｂである。室外熱交換器１５に近い側のメイン回路１０の内、気液分離器１７の上部領域と接続する冷媒回路は、第３冷媒管４８０ｃである。室外熱交換器１５に近い側のメイン回路１０の内、気液分離器１７の下部領域と接続する冷媒回路は、第４冷媒管４８０ｄである。
【００７５】
第１冷媒管４８０ａには、気液分離器１７から室内熱交換器４１２に向かう向きに流れる冷媒を遮断する第１逆止弁４８１ａが設けられている。第２冷媒管４８０ｂには、室内熱交換器４１２から気液分離器１７に向かう向きに流れる冷媒を遮断する第２逆止弁４８１ｂが設けられている。第３冷媒管４８０ｃには、気液分離器１７から室外熱交換器１５に向かう向きに流れる冷媒を遮断する第３逆止弁４８１ｃが設けられている。第４冷媒管４８０ｄには、室外熱交換器１５から気液分離器１７に向かう向きに流れる冷媒を遮断する第４逆止弁４８１ｄが設けられている。
【００７６】
室内熱交換器４１２と気液分離器１７との間には、高圧圧力センサ４３９と室内膨張弁４２２とが設けられている。気液分離器１７と室外熱交換器１５との間には、室外膨張弁４２５が設けられている。室内膨張弁４２２と室外膨張弁４２５とは、全開状態と流路を制限した絞り状態と全閉状態とに切り替えることができる弁装置である。
【００７７】
暖房運転時において、四方弁４７１は、圧縮機１１の出口と、室内熱交換器４１２から延びる冷媒管とを連通している。また、四方弁４７１は、室外熱交換器１５から延びる冷媒管と、アキュムレータ１８の入口とを連通している。室内膨張弁４２２は、全開から少し絞った状態である。すなわち、室内膨張弁４２２は、室内熱交換器４１２を通過直後の冷媒圧力を目標の高圧圧力とするために全開状態よりも絞った状態である。室外膨張弁４２５は、室外熱交換器１５で冷媒が蒸発しやすいように絞った絞り状態である。
【００７８】
暖房運転時におけるメイン回路１０を流れる冷媒の流れについて以下に説明する。圧縮機１１から吐き出された冷媒は、四方弁４７１を経由して室内熱交換器４１２に流入する。この時、高温高圧の気相冷媒が室内熱交換器４１２で凝縮されて、室内熱交換器４１２の周りの室内空気に熱を与えて加熱する。ヒートポンプサイクル１は、この加熱によって、室内空間を暖房する。液相冷媒は、全開から少し絞った状態の室内膨張弁４２２を通過する。その後、室内膨張弁４２２で少し減圧されて気液二相に変化した冷媒は、第１冷媒管４８０ａを通過して気液分離器１７に流入する。この時、第２逆止弁４８１ｂによって冷媒の流れが遮断されるため、冷媒は第２冷媒管４８０ｂを流れることができない。
【００７９】
気液分離器１７に流入する減圧された気液二相冷媒は、最上部の気相冷媒が抜き取られバイパス回路４０を経由し、圧縮機１１に戻すガスインジェクションされる。これによって、下部領域に蓄積されている冷媒は乾き度が小さくなり比エンタルピーが小さくなる。すなわち、大きな冷凍効果を生み出す冷媒に変化した状態で第４冷媒管４８０ｄを通過する。この時、第３逆止弁４８１ｃによって冷媒の流れが遮断されるため、冷媒は第３冷媒管４８０ｃを流れることができない。気液分離器１７を流出して比エンタルピーが小さくなった液相冷媒は、絞り状態の室外膨張弁４２５を通過して減圧されて蒸発しやすい状態になる。その後、液相冷媒は、室外熱交換器１５で室外空気と熱交換して、室外空気から熱を奪って蒸発する。室外熱交換器１５では、ガスインジェクション効果で室外空気からの吸熱量が増加する。
【００８０】
室外熱交換器１５で蒸発した気相冷媒は、四方弁４７１を通過してアキュムレータ１８に導かれる。気相冷媒は、アキュムレータ１８から吸い込みポート１１ｃに吸い込まれて再び圧縮機１１で圧縮される。暖房運転時においては、冷媒が上述のサイクルを繰り返すとともに、一部の冷媒が室外熱交換器１５を経由せずに中間圧ポート１１ｂにガスインジェクションされる。このガスインジェクションにより、室外熱交換器１５を流れる冷媒の乾き度を低くして、ヒートポンプサイクル１の全体としての熱交換効率を向上させる。
【００８１】
図６において、冷房運転時の四方弁４７１は、圧縮機１１の出口と、室外熱交換器１５から延びる冷媒管とを連通している。また、四方弁４７１は、室内熱交換器４１２から延びる冷媒管と、アキュムレータ１８の入口とを連通している。室内膨張弁４２２は、絞り状態である。室外膨張弁４２５は、全開から少し絞った状態である。
【００８２】
冷房運転時におけるメイン回路１０を流れる冷媒の流れについて以下に説明する。圧縮機１１から吐き出された冷媒は、四方弁４７１を経由して室外熱交換器１５に流入する。この時、高温高圧の気相冷媒が室外熱交換器１５で凝縮されて、室外熱交換器１５の周りの室外空気に放熱する。凝縮された液相冷媒は、全開から少し絞った状態の室外膨張弁４２５を通過する。その後、少し減圧されて気液二相に変化した冷媒は、第３冷媒管４８０ｃを通過して気液分離器１７に流入する。気液分離器１７に流入した気液二相冷媒は、最上部の気相冷媒が抜き取られバイパス回路４０を経由し、圧縮機１１に戻される。このガスインジェクションによって、下部領域に蓄積されている冷媒は、乾き度が小さくなり比エンタルピーが小さくなる。すなわち、気液分離器１７の下部領域に溜まった冷媒が、より大きな冷凍効果を生み出す冷媒に変化する。この時、第４逆止弁４８１ｄによって冷媒の流れが遮断されるため、冷媒は第４冷媒管４８０ｄを流れることができない。
【００８３】
気液分離器１７の内部で比エンタルピーが小さくなった液相冷媒は、第２冷媒管４８０ｂを通過する。この時、第１逆止弁４８１ａによって冷媒の流れが遮断されるため、冷媒は第１冷媒管４８０ａを流れることができない。気液分離器１７を流出した液相冷媒は、絞り状態の室内膨張弁４２２を通過して減圧されて蒸発しやすい状態となる。その後、液相冷媒は、室内熱交換器４１２で空調用の室内空気と熱交換して、室内空気から熱を奪って蒸発する。室内熱交換器４１２では、ガスインジェクション効果で室外空気からの吸熱量が増加する。ヒートポンプサイクル１は、この冷却によって室内空間を冷房する。
【００８４】
室内熱交換器４１２で蒸発した気相冷媒は、四方弁４７１を通過してアキュムレータ１８に導かれる。気相冷媒は、アキュムレータ１８から吸い込みポート１１ｃに吸い込まれて圧縮機１１で圧縮される。冷房運転時においては、冷媒が上述のサイクルを繰り返すとともに、一部の冷媒が室内熱交換器４１２を経由せずに中間圧ポート１１ｂにガスインジェクションされる。このガスインジェクションにより、室内熱交換器４１２を流れる冷媒の乾き度を低くして、ヒートポンプサイクル１の全体としての熱交換効率を向上させる。
【００８５】
上述した実施形態によると、暖房運転時と冷房運転時とでメイン回路１０を流れる冷媒の流れ方向を変えるように四方弁４７１を制御している。このため、１つの室内熱交換器４１２を加熱装置あるいは冷却装置として用いて暖房運転あるいは冷房運転を行うことができる。すなわち、冷房専用の熱交換器と暖房専用の熱交換器との２つの熱交換器を用いる場合に比べて、ヒートポンプサイクル１のサイズを小型化できる。
【００８６】
第５実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、排熱回収膨張弁５３２として機械式の膨張弁を用いている。また、メイン圧縮機５１１ａと排熱回収圧縮機５１１ｂとを備えている。
【００８７】
図７において、排熱回収回路３０は、排熱回収膨張弁５３２を備えている。排熱回収膨張弁５３２は、感圧部材であるダイヤフラムを用いた機械式の弁装置である。ダイヤフラムは、内部を第１空間と第２空間との２つの空間に区画している。第１空間には、温度に応じて圧力が変化する媒体が封入されている。第１空間は、排熱回収熱交換器３１の下流側の冷媒配管に接触して設けられる感温筒５３５と連通している。すなわち、第１空間内部の媒体には、排熱回収熱交換器３１を流出した冷媒の温度が伝達される。よって、排熱回収熱交換器３１を流出した冷媒の温度に応じて、媒体の体積が変化して第１空間内部の圧力を変化させる。第２空間は、排熱回収熱交換器３１の下流側の冷媒配管と連通している。よって、排熱回収熱交換器３１を流出した冷媒の圧力に応じて、第２空間内部の圧力が変化する。
【００８８】
ダイヤフラムには、排熱回収膨張弁５３２の弁体を駆動する弁棒が連結されている。このため、排熱回収熱交換器３１の蒸発圧力と排熱回収熱交換器３１の出口における冷媒の温度に応じた圧力との差圧に応じて、排熱回収膨張弁５３２の絞り量が自動で調整される。言い換えると、ダイヤフラムの第１空間と第２空間との圧力差で排熱回収膨張弁５３２の絞り量が自動で調整される。すなわち、排熱回収膨張弁５３２は、媒体の体積変化を利用して機械的に弁開度を調整する機械式膨張弁である。排熱回収膨張弁５３２は、膨張弁を提供する。
【００８９】
圧縮機５１１は、メイン圧縮機５１１ａと排熱回収圧縮機５１１ｂとを備えている。メイン圧縮機５１１ａは、室外熱交換器１５を経由した冷媒を吸い込んで圧縮する圧縮機である。言い換えると、メイン圧縮機５１１ａは、メイン回路１０に冷媒を循環させる圧縮装置である。排熱回収圧縮機５１１ｂは、排熱回収回路３０を通過した冷媒とバイパス回路４０を通過した冷媒とを吸い込んで圧縮する圧縮装置である。言い換えると、排熱回収圧縮機５１１ｂは、排熱回収回路３０とバイパス回路４０とに冷媒を循環させる圧縮機である。
【００９０】
ヒートポンプサイクル１を運転する際には、メイン圧縮機５１１ａと排熱回収圧縮機５１１ｂとをそれぞれ独立に制御する。すなわち、空調運転の強度に応じてメイン圧縮機５１１ａの強度を調整するとともに、暖房運転時には排熱回収圧縮機５１１ｂを強運転とし、冷房運転時には排熱回収圧縮機５１１ｂを弱運転とする。これにより、暖房用熱交換器１２に流れる冷媒量と冷房用熱交換器１３に流れる冷媒量とを制御する。すなわち、排熱回収圧縮機５１１ｂを強運転とすることで、冷房用熱交換器１３を経由せずに循環する冷媒量を増やして暖房能力を向上させる。一方、排熱回収圧縮機５１１ｂを弱運転とすることで、冷房用熱交換器１３を経由して循環する冷媒量を増やして冷房能力を向上させる。
【００９１】
熱源から排出される熱が多い場合には、排熱回収圧縮機５１１ｂの運転時間を長くするなどして運転率を高くして、熱源から多くの排熱を回収する。一方、熱源から排出される熱が少ない場合には、排熱回収圧縮機５１１ｂの運転時間を短くするなどして運転率を低くする。
【００９２】
暖房運転時には、メイン圧縮機５１１ａを停止した状態で、排熱回収圧縮機５１１ｂを駆動して、室外熱交換器１５などを経由しない回路のみに冷媒を循環するようにしてもよい。この場合、室外熱交換器１５などを経由せずに短い経路で冷媒を循環できるため、冷媒循環で生じる圧力損失を低減できる。この運転は、外気温が極端に低い場合など、室外熱交換器１５で室外空気から得られる熱が少ない場合に特に有効である。また、室外熱交換器１５に着霜するなどして室外熱交換器１５の熱交換効率が低下した場合に特に有効である。この場合、室外熱交換器１５に冷媒を流さない時間を確保することで、室外熱交換器１５の霜を室外空気の熱で溶かす。これにより、室外熱交換器１５の熱交換効率の低下を解消する。
【００９３】
上述した実施形態によると、排熱回収膨張弁５３２として機械式の膨張弁を用いている。言い換えると、排熱回収膨張弁５３２は、外部からの制御信号なしに弁開度を調整する。このため、排熱回収熱交換器３１に流入する冷媒の減圧量を制御部５０によって制御する必要がない。すなわち、排熱回収膨張弁５３２を、排熱回収熱交換器３１の下流側の冷媒の温度や圧力から自動で適切な絞り量とすることができる。したがって、制御部５０による制御対象を削減して、制御内容を簡略化できる。また、制御信号を送受信するための信号線が不要である。
【００９４】
圧縮機５１１は、室外熱交換器１５を経由するメイン回路１０に冷媒を循環させるメイン圧縮機５１１ａとは別に、排熱回収圧縮機５１１ｂを備えている。このため、排熱回収回路３０とバイパス回路４０とに冷媒を循環させる排熱回収圧縮機５１１ｂをメイン圧縮機５１１ａと独立させた状態で制御可能である。したがって、空調モードなどの空調条件の違いに応じて、圧縮機５１１が最適な条件となるように制御しやすい。
【００９５】
他の実施形態
この明細書における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品および／または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および／または要素が省略されたものを包含する。開示は、１つの実施形態と他の実施形態との間における部品および／または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。
【符号の説明】
【００９６】
１  ヒートポンプサイクル、  １０  メイン回路、  １１  圧縮機、  １１ｂ  中間圧ポート、  １２  暖房用熱交換器、  １５  室外熱交換器、  １７  気液分離器、  ２２高圧側膨張弁、  ３０  排熱回収回路、  ３１  排熱回収熱交換器、  ３２  排熱回収膨張弁、  ３５  排熱回収圧力センサ、  ３６  排熱回収温度センサ、  ３９  高圧圧力センサ、  ４０  バイパス回路、  ４１  バイパス絞り弁、  ４２  合流部、  ５０  制御部、  ２１１  圧縮機、  ２１１ｃ  吸い込みポート、  ２４１  バイパス減圧弁、  ２６１  液面レベルセンサ、  ３１１  圧縮機、  ３１１ａ  低段側圧縮機、  ３１１ｂ  高段側圧縮機、  ３４２  合流部、  ４１２  室内熱交換器、  ４２２  室内膨張弁、  ４７１  四方弁、  ５１１  圧縮機、  ５１１ａ  メイン圧縮機、  ５１１ｂ  排熱回収圧縮機、  ５３２  排熱回収膨張弁
【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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