(57)【要約】【課題】冷暖房運転の立ち上げ時における冷暖房能力を向上させること。【解決手段】本発明は、一次冷媒が通流する冷媒間熱交換器を備えたヒートポンプ回路と、この一次冷媒と熱交換する二次冷媒を冷媒間熱交換器３と負荷７との間で循環させる冷暖房回路と、この冷暖房回路に設けられた二次冷媒を蓄えるバッファタンク８と、冷暖房回路に設けられた負荷７をバイパスさせるバイパス管路１０と、バッファタンク８に蓄えられた二次冷媒を冷媒間熱交換器３とバイパス管路１０との間で循環ポンプ９により循環させる循環回路と、二次冷媒の流路を冷暖房回路又は前記循環回路のいずれかに切り換える切換手段とを備えてなることを特徴とするものである。【選択図】図１
2007163071.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次冷媒が通流する冷媒間熱交換器を備えたヒートポンプ回路と、前記一次冷媒と熱交換する二次冷媒を前記冷媒間熱交換器と負荷との間で循環させる冷暖房回路と、該冷暖房回路に設けられた前記二次冷媒を蓄えるバッファタンクと、前記冷暖房回路に設けられた前記負荷をバイパスさせるバイパス管路と、前記バッファタンクに蓄えられた前記二次冷媒を前記冷媒間熱交換器と前記バイパス管路との間で循環ポンプにより循環させる循環回路と、前記二次冷媒の流路を前記冷暖房回路又は前記循環回路のいずれかに切り換える切換手段とを備えてなるヒートポンプ式冷暖房装置。
【請求項２】
前記バッファタンクに蓄えられた前記二次冷媒の温度を検出するセンサを設け、該センサの検出温度が設定温度の範囲外のとき、前記二次冷媒の流路を前記循環回路に切り換えて前記二次冷媒を前記一次冷媒と熱交換させ、前記検出温度が前記設定温度の範囲に収まるように制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式冷暖房装置。
【請求項３】
前記一次冷媒は二酸化炭素冷媒であり、前記二次冷媒は不凍液であることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプ式冷暖房装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ式冷暖房装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、空気調和機や電気冷蔵庫などの熱源として、ヒートポンプが広く利用されている。例えば、ヒートポンプ式空気調和機としては、圧縮機、放熱用熱交換器、膨張弁及び吸熱用熱交換器が環状に接続されたヒートポンプ回路にフロン系冷媒を循環させ、暖房時には、放熱用熱交換器にて高温冷媒を外気と熱交換させることにより外気を加熱するようになっている。
【０００３】
ところで、フロン系冷媒は、オゾン層を破壊し、かつ温室効果ガスとなることが知られている。そのため、オゾン層破壊係数がゼロであり、かつ地球温暖化係数もフロン系冷媒と比べて格段に小さい、二酸化炭素（ＣＯ２）などをヒートポンプ式空気調和機の冷媒として用いる試みが検討されている。この二酸化炭素冷媒によれば、例えば、高温冷媒において空気や水の加熱効率の向上を図ることができる。
【０００４】
しかし、二酸化炭素のように超臨界圧力で作動する冷媒は、通常、冷媒の高圧側が超高圧帯域で運転されるため、例えば、フロン系冷媒を用いたヒートポンプ式空気調和機のように、室内機と室外機に熱交換器をそれぞれ配置し、これらを配管で接続する構成の場合、何らの高圧対策を講じていなければ、冷媒漏れや配管破裂を生じるおそれがある。このように、二酸化炭素冷媒を直接室内へ送り込む方式は施工上容易ではないため、例えば、二酸化炭素冷媒を一次冷媒としてヒートポンプ回路を循環させる一方、水を二次冷媒として用い、一次冷媒と熱交換された二次冷媒を配管を介して室内へ送り込むことにより、室内空調を行う方法が検討されている。
【０００５】
また、近年では、床暖房に代表されるような温水式暖房が普及しており、温水式暖房の熱源としてヒートポンプを用いるシステムも提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３８０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、例えば、上記のように二次冷媒として水を用いたヒートポンプ式空気調和機の場合、空調開始時に、ヒートポンプ回路の熱交換器を通過する一次冷媒が所望の温度に到達するまでに時間がかかり、さらに一次冷媒と二次冷媒の熱交換によるロスが生じることから、一次冷媒を直接室内に送り込む通常のヒートポンプ式空気調和機と比べると、立ち上げ時から室内の空調空間が設定温度に達するまでの時間が長くなるという問題がある。
【０００８】
本発明は、冷暖房運転の立ち上げ時における冷暖房能力を向上させること、または、運転開始直後すぐに所望の冷暖房能力を得ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明は、一次冷媒が通流する冷媒間熱交換器を備えたヒートポンプ回路と、一次冷媒と熱交換する二次冷媒を冷媒間熱交換器と負荷との間で循環させる冷暖房回路と、この冷暖房回路に設けられた二次冷媒を蓄えるバッファタンクと、冷暖房回路に設けられた負荷をバイパスさせるバイパス管路と、バッファタンクに蓄えられた二次冷媒を冷媒間熱交換器とバイパス管路との間で循環ポンプにより循環させる循環回路と、二次冷媒の流路を冷暖房回路又は循環回路のいずれかに切り換える切換手段とを備えてなることを特徴とする。
【００１０】
このように、本発明では、二次冷媒を循環させる冷暖房回路に通常設けられているバッファタンクの二次冷媒を利用することにより、運転立ち上げ時の冷暖房能力を向上させるようにしている。すなわち、例えば、暖房運転の際は、このバッファタンク内に設定温度に加熱された二次冷媒を蓄えておき、ヒートポンプ回路の運転立ち上げ時に、この二次冷媒を循環させることにより、一次冷媒の温度上昇を待たずとも、所定温度の二次冷媒を負荷に供給することができるため、運転立ち上げと同時に暖房を行うことができ、室内空間が設定温度に達する時間を短縮することができる。また、二次冷媒は、冷暖房回路を循環する過程で放熱しながら温度が低下するが、その間にヒートポンプ回路が安定化されて一次冷媒が所定温度に加熱されるため、二次冷媒は一次冷媒との熱交換により高温に保持される。
【００１１】
この場合において、バッファタンクに蓄えられた二次冷媒の温度を検出するセンサを設けておき、このセンサの検出温度が設定温度の範囲外のとき、二次冷媒の流路を循環回路に切り換えて二次冷媒を一次冷媒と熱交換させ、検出温度が設定温度の範囲に収まるように制御する制御手段を備えるようにする。これによれば、冷暖房運転の開始時において、バッファタンク内に設定温度の二次冷媒を常に蓄えておくことができるため、運転開始時の加熱能力を常に高く維持することができる。
【００１２】
このような構成において、例えば、一次冷媒として二酸化炭素冷媒を用い、二次冷媒には不凍液を用いることが好ましい。これによれば、二酸化炭素冷媒を配管により室内に導く必要がないため、安全性を維持することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、冷暖房運転の立ち上げ時における冷暖房能力を向上させることができる。また、運転開始後すぐに所望の冷暖房能力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明を適用してなるヒートポンプ式冷暖房装置の全体構成図である。
【００１５】
本実施形態のヒートポンプ式冷暖房装置は、ヒートポンプ回路、冷暖房回路、循環回路から構成される。ヒートポンプ回路は、圧縮機１、冷房・暖房サイクル切換え用の四方弁２、冷媒間熱交換器３、膨張弁４、室外熱交換器５を順次冷媒配管で接続した閉回路であり、一次冷媒として二酸化炭素が封入されている。
【００１６】
圧縮機１は、低速回転から高速回転まで回転数が制御自在になっている。冷暖房運転時には、例えば、冷媒間熱交換器３の出口冷媒温度、室温、室温設定温度に基づいて回転数が制御されることにより所望の冷暖房能力を実現できる。また、室外熱交換器５は、図示しないファンから送られる空気と冷媒とを熱交換するようになっている。
【００１７】
冷暖房回路は、冷媒間熱交換器３、サイクル切換え弁６、室内側熱交換器７、バッファタンク８、二次冷媒循環ポンプ９を順次冷媒配管で接続した閉回路であり、二次冷媒として水（不凍液）が封入されている。
【００１８】
循環回路は、冷媒間熱交換器３、サイクル切換え弁６、バッファタンク８、二次冷媒循環ポンプ９を順次冷媒配管で接続した閉回路であり、サイクル切換え弁６とバッファタンク８との間には、バイパス管１０が設けられている。
【００１９】
図の点線に示すように、ヒートポンプ回路と循環回路は、室外機１１に設けられ、室内機１２には、サイクル切換え弁６、バッファタンク８とそれぞれ配管で接続された室内側熱交換器７が設けられている。
【００２０】
冷媒間熱交換器３は、一次冷媒が通流する一次側伝熱管３ａと、二次冷媒が通流する二次側伝熱管３ｂとを備えて構成される。バッファタンク８は、例えば、二次冷媒が循環する冷暖房回路などに通常設置されるものであり、本装置の据付後は開放された容器の頂部から給水を行い、配管などに水を充満させるために使用される。本実施形態のバッファタンク８は、循環回路及び冷暖房回路のいずれにも接続されており、二次冷媒の流路になっている。また、バッファタンク８には、二次冷媒の循環中においても常に一定量の二次冷媒が蓄えられており、この蓄えられた二次冷媒は、温度センサ１３によって温度が計測されるようになっている。
【００２１】
温度センサ１３による検出温度は、例えば、マイクロコンピュータを有する制御装置（図示せず）に電気信号として入力された後、必要に応じてサイクル切換え弁６の操作により二次冷媒の流路が切り換えられるようになっている。すなわち、制御装置は、温度センサ１３による検出温度が設定温度の範囲外のとき、サイクル切換え弁６を操作して冷暖房回路を閉鎖、つまり循環回路を開放させ、二次冷媒を循環させながら一次冷媒と熱交換させることにより、温度センサ１３の検出温度を設定温度範囲に制御するようになっている。
【００２２】
次に、本実施形態の動作について、暖房運転を一例として説明する。
【００２３】
暖房運転時、ヒートポンプ回路において、圧縮機１によって圧縮された高温、高圧の一次冷媒は、四方弁２を経由して冷媒間熱交換器３の一次側伝熱管３ａに導入され、二次側伝熱管３ｂを通流する水を加熱するとともに放熱する。一次側伝熱管３ａを通過して、膨張弁４に導かれ膨張した一次冷媒は、室外熱交換器５において空気と熱交換して吸熱により蒸発し、四方弁２を経由して圧縮機１に吸い込まれる。
【００２４】
また、冷暖房回路においては、二次冷媒循環ポンプ９の駆動に伴い、バッファタンク８から抜き出され、二次冷媒循環ポンプ９により吐出された二次冷媒は、冷媒間熱交換器３の二次側伝熱管３ｂに導かれ、吸熱により所定温度まで加熱された後、サイクル切換え弁６を経由して室内側熱交換器７に導入される。室内側熱交換器７において空気と熱交換して冷却された二次冷媒は、バッファタンク８内に戻される。
【００２５】
一方、本実施形態では、加熱又は冷房運転の停止時において、バッファタンク８に蓄えられた二次冷媒を設定温度の範囲に保持するように運転制御（以下、保温運転という）している。すなわち、温度センサ１３における検出信号が制御装置に入力されて二次冷媒の温度が検出されると、その結果に基づいて、制御装置からサイクル切換え弁６，二次冷媒循環ポンプ９，ヒートポンプ回路の圧縮機１などに制御信号が出力され、このとき圧縮機１の回転数は、温度センサ１３によって検出されたタンク温度及びタンクの設定温度に基づいて制御される。冷暖房時とは異なるパラメータに基づいて圧縮機１を制御するので省エネに資することになる。なお、以下の冬季・夏季は、例えば、図示しない外気温センサの出力の移動平均などから判断することできる。
【００２６】
例えば、冬季において、暖房運転の停止中、温度センサ１３による二次冷媒の検出温度がバッファタンク８の保温運転開始温度よりも低いときは、サイクル切換え弁６によって冷暖房回路が閉鎖、つまり循環回路が開放され、これとともに、ヒートポンプ回路の圧縮機１と二次冷媒循環ポンプ９が稼動する。そして、循環回路を循環する二次冷媒は、冷媒間熱交換器３にて一次冷媒と熱交換して加熱され、バッファタンク８内の二次冷媒も温度上昇する。一方、検出温度がバッファタンク８の保温運転終了温度よりも高くなったときは、二次冷媒循環ポンプ９及びヒートポンプ回路の圧縮機１の運転が停止される。
【００２７】
また、例えば、夏季において、冷房運転の停止中、バッファタンク８の保温運転を行う場合は、二次冷媒を循環回路内で循環させるとともに、暖房運転時と逆方向にヒートポンプ回路を循環する一次冷媒と熱交換させて冷却することにより、バッファタンク８内の二次冷媒は冷房用の保温運転開始温度以下に冷却される一方、冷房用の保温運転終了温度よりも低くなったときは、二次冷媒循環ポンプ９及びヒートポンプ回路の圧縮機１の運転が停止される。
【００２８】
このように、バッファタンク８の検出温度に基づいて、二次冷媒を適宜加熱冷却し、二次冷媒の保温運転を行うことにより、バッファタンク８に蓄えられる二次冷媒の温度を設定温度範囲に保持しておくことができる。これによれば、冷暖房運転を開始した時点で、設定温度の二次冷媒がバッファタンク８から抜き出され、室内側熱交換器７に導かれるため、ヒートポンプ回路の一次冷媒が設定温度に到達する前に室内の冷暖房を行うことが可能となる。このため、室内空間の設定温度の到達時間を短縮することができ、ユーザーの快適性を向上させることができる。
【００２９】
本実施形態のヒートポンプ式冷暖房装置の暖房運転において、図２は、バッファタンク８内の二次冷媒の蓄熱熱量とヒートポンプ回路による二次冷媒の加熱熱量の時間変化を二次冷媒の目標加熱熱量とともに示す線図であり、図３は、室内側熱交換器７に流入する二次冷媒温度の時間変化を目標温度とともに示す線図である。
【００３０】
図２に示すように、暖房運転が開始されると、バッファタンク８内の二次冷媒の蓄熱熱量は、二次冷媒の放熱により低下していくのに対し、ヒートポンプ回路は、運転を開始してから一次冷媒の温度が時間とともに上昇していく。これによって、二次冷媒の加熱熱量は図２に示すようになる。このため、図３に示すように、室内側熱交換器７に流入する二次冷媒の温度は、暖房運転開始後に若干低下するが、その低下は最小限に抑えられるため、室内空間は短時間で設定温度に到達し、その後も保持される。
【００３１】
これに対し、循環回路を持たずに冷暖房回路のみで二次冷媒を循環させる従来のヒートポンプ式冷暖房装置の暖房運転において、図４は、ヒートポンプ回路による二次冷媒の加熱熱量の時間変化を二次冷媒の目標加熱熱量とともに示す線図であり、図５は、室内側熱交換器７に流入する二次冷媒温度の時間変化を目標温度とともに示す線図である。
【００３２】
図４，５に示すように、循環回路を持たないヒートポンプ式冷暖房装置によれば、バッファタンク８による二次冷媒の蓄熱熱量が得られないため、ヒートポンプ回路が安定化するまで室内側熱交換器７に流入する二次冷媒温度は目標温度に到達せず、室内空間が設定温度に到達する時間が長くなる。
【００３３】
次に、本実施形態のヒートポンプ式冷暖房装置の運転動作について説明する。図６は、冬季における本装置の暖房運転の動作の一例を示すフローチャートである。
【００３４】
先ず、暖房運転が停止されて待機モード（ステップＳ６１）になると、サイクル切換え弁６の切り換えにより、二次冷媒流路が冷暖房回路から循環回路に切り換えられる（ステップＳ６２）。
【００３５】
次に、ユーザーによる空調運転開始の指令の有無を制御装置にて判定し（ステップＳ６３）、空調運転開始の指令がない場合は、バッファタンク８に蓄えられる二次冷媒の温度、つまり温度センサ１３の検出温度が予め定めた保温運転開始温度よりも低いか否かを判定する（ステップＳ６４）。
【００３６】
ここで、二次冷媒の温度が保温運転開始温度よりも低い場合は、バッファタンク８の保温運転を開始する（ステップＳ６５）。すなわち、ヒートポンプ回路の圧縮機１と二次冷媒循環ポンプ９を稼動させ、二次冷媒を循環回路内で循環させることにより、一次冷媒との熱交換により加熱された二次冷媒をバッファタンク８内に貯留する。
【００３７】
続いて、ユーザーによる空調運転開始の指令の有無を再度判定（ステップＳ６６）し、空調運転開始の指令がない場合は、温度センサ１３の検出温度が予め定めた保温運転終了温度よりも高いか否かを判定し（ステップＳ６７）、温度センサ１３の検出温度が保温運転終了温度よりも高いと判定した場合は、タンク保温運転を終了する（ステップＳ６８）。
【００３８】
次に、ユーザーによる空調運転開始の指令の有無を再度判定（ステップＳ６９）し、空調運転開始の指令がある場合は、サイクル切換え弁６の切り換えにより、二次冷媒流路が循環回路から冷暖房回路に切り換えられた後（ステップＳ７０）、空調運転が開始される（ステップＳ７１）。そして、引き続き、空調運転の指令の有無を判断し、指令があれば空調運転を継続する一方、指令がなければ、ステップＳ６１に戻って運転を停止する。
【００３９】
次に、本発明の第２の実施形態を図面に基づいて説明する。図７は本発明を適用してなるヒートポンプ式冷暖房装置の全体構成図である。なお、本実施形態では第１の実施形態と基本的に同一の回路構成を用いるため、同一の構成要素については同一の符号を付して説明を省略すると共に、共通する運転動作についても説明を省略する。
【００４０】
本実施形態のヒートポンプ式冷暖房装置は、サイクル切換え弁をバイパス管１０を含めた２箇所に配置している点で、第１の実施形態のヒートポンプ式冷暖房装置と構成が相違する。
【００４１】
このような構成において、例えば、冬季において暖房運転停止中、バッファタンク８内の二次冷媒の温度が保温運転開始温度よりも低い場合は、サイクル切換え弁２１を閉じて、サイクル切換え弁２２を開放し、二次冷媒を循環回路内で循環させることにより、バッファタンク８の保温運転を行う。一方、暖房運転の指令が入力された場合は、サイクル切換え弁２２を閉じて、サイクル切換え弁２１を開放し、二次冷媒を室内側熱交換器７へ導入する。このように、サイクル切換え弁を二つ設けて、各々弁開閉を制御することにより、簡単な構成で、第１の実施形態と同一の効果を得ることができる。
【００４２】
以上述べたように、上記実施形態のヒートポンプ式冷暖房装置では、二次冷媒を循環させる冷暖房回路に設置されるバッファタンク８内に設定温度に保持された二次冷媒を蓄えておき、冷暖房運転の開始とともに、この二次冷媒を室内側熱交換器７へ供給するようにしている。これにより、ヒートポンプ回路の運転が安定化するのを待たなくても、運転開始と同時に室内の冷暖房を行うことができるため、室内空間が設定温度に達するまでに要する時間を大幅に短縮し、空調運転開始時における冷暖房能力の向上を図ることができる。なお、ヒートポンプ回路の運転は、消費電力の大きい高能力の運転を回避した低能力の運転で済ませることができ、全体として省エネが実現される。
【００４３】
また、上記実施形態では、室内側熱交換器７をエアコンなどの冷暖房用の空気調和機に適用する例を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、床暖房端末などに適用し床暖房運転などを行うようにしてもよい。なお、床冷房に関しては、足元が冷えることとなりユーザーによって好ましくないが、壁面や天井の冷房であれば快適な空間を提供することができるものと考えられる。
【００４４】
さらに、上記実施形態では、二酸化炭素を一次冷媒として用いる例を説明した。すなわち、二酸化炭素を冷媒として用いれば、容易に超臨界サイクルを実現でき、膨張弁４の入口温度を一定に保つこととすれば、圧力の調整のみで所定の暖房能力又は冷却能力を得ることができる。しかし、一次冷媒としては、これに限定されるものではなく、例えば、エタンや可燃性冷媒のプロパン，イソブタンなどを用いるようにしてもよい。これらであれば、例えば、エアコン、冷蔵庫などの他の冷凍機器にも用いられているので、比較的安価に調達でき、特性なども把握されているため、安心して使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるヒートポンプ式冷暖房装置の全体構成図である。
【図２】第１の実施形態のヒートポンプ式冷暖房装置の暖房運転において、バッファタンク内の二次冷媒の蓄熱熱量とヒートポンプ回路による二次冷媒の加熱熱量の時間変化を二次冷媒の目標加熱熱量とともに示した線図である。
【図３】第１の実施形態のヒートポンプ式冷暖房装置の暖房運転において、室内側熱交換器に流入する二次冷媒温度の時間変化を目標温度とともに示した線図である。
【図４】循環回路を持たない従来のヒートポンプ式冷暖房装置の暖房運転において、ヒートポンプ回路による二次冷媒の加熱熱量の時間変化を二次冷媒の目標加熱熱量とともに示した線図である。
【図５】循環回路を持たない従来のヒートポンプ式冷暖房装置の暖房運転において、室内側熱交換器に流入する二次冷媒温度の時間変化を目標温度とともに示した線図である。
【図６】第１の実施形態のヒートポンプ式冷暖房装置の暖房運転の動作の一例を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第２の実施形態におけるヒートポンプ式冷暖房装置の全体構成図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  圧縮機
２  四方弁
３  冷媒間熱交換器
４  膨張弁
５  室外熱交換器
６  サイクル切換え弁
７  室内側熱交換器
８  バッファタンク
９  二次冷媒循環ポンプ
１３  温度センサ
２１，２２  サイクル切換え弁
【図１】
2007163071.tif 000003
【図２】
2007163071.tif 000004
【図３】
2007163071.tif 000005
【図４】
2007163071.tif 000006
【図５】
2007163071.tif 000007
【図６】
2007163071.tif 000008
【図７】
2007163071.tif 000009