(57)【要約】【課題】二次冷媒を介して室内負荷を冷暖房するヒートポンプ式冷暖房装置において、複数の室内負荷を運転する際の運転効率を向上させること。【解決手段】本発明は、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器６、膨張弁５ａ，５ｂおよび冷媒間熱交換器４ａ，４ｂを冷媒配管で接続して閉回路を形成し、一次冷媒が封入されているヒートポンプ回路７と、一次冷媒と熱交換する二次冷媒を冷媒間熱交換器４と室内負荷９との間で循環させる負荷回路１１ａ，１１ｂとを有するヒートポンプ式冷暖房装置において、ヒートポンプ回路７は複数の冷媒間熱交換器４ａ，４ｂが並列に設けられ、それぞれの冷媒間熱交換器４を通流する一次冷媒の流量を調整する流量調整手段３を備えることを特徴とするものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、四方弁、室外熱交換器、膨張弁および冷媒間熱交換器を冷媒配管で接続して閉回路を形成し、一次冷媒が封入されている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室内負荷との間で循環させる負荷回路とを有するヒートポンプ式冷暖房装置において、
前記ヒートポンプ回路は複数の前記冷媒間熱交換器が並列に設けられ、それぞれの該冷媒間熱交換器を通流する前記一次冷媒の流量を調整する流量調整手段を備えることを特徴とするヒートポンプ式冷暖房装置。
【請求項２】
前記流量調整手段は、それぞれの前記冷媒間熱交換器に対応させて配置される前記膨張弁を含む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】
前記流量調整手段は、それぞれの前記冷媒間熱交換器を挟んで前記膨張弁と反対側に配置された流量調整弁を含むことを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式冷暖房装置。
【請求項４】
前記ヒートポンプ回路は、前記一次冷媒の高圧側冷媒と低圧側冷媒を熱交換させる補助熱交換器を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のヒートポンプ式冷暖房装置。
【請求項５】
前記一次冷媒は二酸化炭素冷媒であり、前記二次冷媒は水又は不凍液であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のヒートポンプ式冷暖房装置。
【請求項６】
前記二酸化炭素冷媒は高圧側で超臨界状態となることを特徴とする請求項５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】
従来から、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。このヒートポンプ式空気調和機には、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が設けられ、例えば、暖房時には、放熱用熱交換器において高温のフロン系冷媒と外気を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、空気や水の加熱効率を向上させることができる。
【０００４】
しかし、二酸化炭素のように超臨界圧力で作動させる冷媒は、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、室内機と室外機にそれぞれ熱交換器を配置し、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。そのため、例えば、室外に設置されたヒートポンプ回路に、一次冷媒となる二酸化炭素を循環させる一方、二次冷媒となる水又は不凍液を一次冷媒と熱交換させた後、配管を介して室内へ送り込むことで、室内空調を行う方法が検討されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、空調機又は床暖房などの室内負荷を一つ備え、これを運転させるヒートポンプ式冷暖房装置が知られている。このような冷暖房装置には、通常、ヒートポンプ回路に設けられた冷媒間熱交換器と室内負荷との間で二次冷媒を循環させる負荷回路が設けられ、この負荷回路の二次冷媒を一次冷媒と熱交換させることにより、室内負荷を運転している。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１７７０６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、複数の負荷回路を有するヒートポンプ式冷暖房装置の場合、例えば、ヒートポンプ回路には、二次冷媒と熱交換する複数の冷媒間熱交換器が接続されることになり、それらの冷媒間熱交換器には、別々の負荷回路が接続されている。また、一般に、空調暖房負荷と床暖房負荷とでは、要求される加熱熱量が異なっている。
【０００８】
従って、例えば、暖房運転時に圧縮機から吐出された高温冷媒は、冷媒間熱交換器を通過するのに伴って次第に加熱能力が低下していく。このため、複数の室内負荷を同時に運転させると、それぞれの室内負荷から要求される熱量の供給が困難となり、加熱効率の低下を招くという問題がある。
【０００９】
本発明は、二次冷媒を介して室内負荷を冷暖房するヒートポンプ式冷暖房装置において、複数の室内負荷を運転する際の運転効率を向上させることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明は、圧縮機、四方弁、室外熱交換器、膨張弁および冷媒間熱交換器を冷媒配管で接続して閉回路を形成し、一次冷媒が封入されている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と室内負荷との間で循環させる負荷回路とを有するヒートポンプ式冷暖房装置において、ヒートポンプ回路は複数の冷媒間熱交換器が並列に設けられ、それぞれの該冷媒間熱交換器を通流する一次冷媒の流量を調整する流量調整手段を備えることを特徴とする。
【００１１】
このような構成によれば、例えば、暖房運転において複数の室内負荷を同時に運転する場合、まず、圧縮機から吐出された所定温度の一次冷媒は、分岐された後にそれぞれの冷媒間熱交換器に導かれる。そして、それぞれの冷媒間熱交換器に接続される負荷回路の要求熱量に応じて、各々冷媒間熱交換器を通流する一次冷媒の流量を調整することにより、ヒートポンプ回路の加熱能力を適宜分配することができるため、運転効率を向上させることができる。
【００１２】
具体的に、流量調整手段は、それぞれの冷媒間熱交換器に対応させて配置される膨張弁を含むものとする。すなわち、それぞれの冷媒間熱交換器に対応する負荷の要求熱量の大きさに応じて膨張弁の絞りを調整することにより、一次冷媒の流量を調整することができるため、ヒートポンプ回路の加熱能力を適宜分配し、運転効率を向上させることができる。
【００１３】
さらに、流量調整手段は、冷媒間熱交換器を挟んで膨張弁と反対側に配置された流量調整弁を含むものとする。これによれば、例えば、暖房運転において、圧縮機から吐出された所定温度の一次冷媒は、それぞれの流量調整弁を介して所定流量に調整された後、冷媒間熱交換器に導入されるため、それぞれの冷媒間熱交換器には所望の加熱能力が分配され、運転効率を向上させることができる。
【００１４】
また、ヒートポンプ回路は、一次冷媒の高圧側冷媒と低圧側冷媒を熱交換させる補助熱交換器を設けることにより、吸熱工程と放熱工程のエンタルピを増加させることができるため、運転効率を一層向上させることができる。
【００１５】
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、二次冷媒には水又は不凍液を用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、複数の室内負荷を運転する際の運転効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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７、空調回路１１ａ、床暖房回路１１ｂから構成される。ヒートポンプ回路７は、圧縮機１、冷房・暖房サイクル切換え用の四方弁２、サイクル流路切換弁３ａ，３ｂ、冷媒間熱交換器４ａ，４ｂ、膨張弁５ａ，５ｂ、室外熱交換器６を順次冷媒配管で接続した閉回路であり、サイクル流路切換弁３ａ、冷媒間熱交換器４ａ、膨張弁５ａを結ぶ室内空調用の流路と、サイクル流路切換弁３ｂ、冷媒間熱交換器４ｂ、膨張弁５ｂを結ぶ床暖房用の流路は、並列になるように配置されている。ここで、ヒートポンプ回路７には、一次冷媒として二酸化炭素が封入されている。
【００１９】
サイクル流路切換弁３ａ，３ｂは、弁の開閉操作により室内空調用の流路と床暖房用の流路を切り換えることができる。また、弁開度の調整により一次冷媒の流量を調整することで、空調と床暖房とを分配して同時に運転することもできる。圧縮機１は、低速回転から高速回転まで回転数が調整自在になっている。室外熱交換器６は、図示しないファンから送られる空気と一次冷媒とを熱交換するものである。
【００２０】
冷媒間熱交換器４ａは、一次冷媒が通流する一次側伝熱管４ｃと、二次冷媒が通流する二次側伝熱管４ｄとを備えて構成され、冷媒間熱交換器４ｂは、一次冷媒が通流する一次側伝熱管４ｅと、二次冷媒が通流する二次側伝熱管４ｆとを備えて構成される。
【００２１】
空調回路１１ａは、循環ポンプ８ａ、冷媒間熱交換器４ａ、室内空調用熱交換器９ａ、バッファタンク１０ａ、循環ポンプ８ａを順次冷媒配管で接続した閉回路であり、二次冷媒として水又は不凍液が使用されている。床暖房回路１１ｂは、循環ポンプ８ｂ、冷媒間熱交換器４ｂ、床暖房パネル９ｂ、バッファタンク１０ｂ、循環ポンプ８ｂを順次冷媒配管で接続した閉回路であり、二次冷媒として水又は不凍液が封入されている。バッファタンク１０ａ，１０ｂは、通常、据付時の給水口として使用される。
【００２２】
ヒートポンプ回路７、冷媒間熱交換器４ａ，４ｂは室外機に設けられ、室内機には、冷媒間熱交換器４ａ，４ｂとそれぞれ冷媒配管で接続された室内空調用熱交換器９ａ，床暖房パネル９ｂが設けられている。
【００２３】
制御装置１６は、例えば、図示しない温度センサからの温度信号、ユーザが入力するリモコンからの運転指令信号などに基づいて、ヒートポンプ回路７、空調回路１１ａ、床暖房回路１１ｂなどの動作を制御する。具体的に、ヒートポンプ回路７では、圧縮機１の動作とともに、サイクル流路切換弁３ａ，３ｂ、膨張弁５ａ，５ｂの弁開度などが操作され、一次冷媒の流量や流路などが制御されている。一方、空調回路１１ａ、床暖房回路１１ｂでは、循環ポンプ８ａ，８ｂの動作が制御されることにより、それぞれの室内負荷の起動、停止が行われる。
【００２４】
次に、本実施形態の動作について説明する。
【００２５】
まず、暖房運転時におけるヒートポンプ回路７の基本的な動作を説明すると、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を経由して分岐された後、冷媒間熱交換器４ａ，４ｂの一次側伝熱管４ｃ，４ｅにそれぞれ導入され、二次側伝熱管４ｄ，４ｆ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４ｃ，４ｅを通過した後、膨張弁５ａ，５ｂに導かれて膨張した一次冷媒は、室外熱交換器６において吸熱により蒸発し、次いで、四方弁２を経由して圧縮機１に吸い込まれる。
【００２６】
ここで、床暖房のみ運転を行う場合は、ヒートポンプ回路７の運転を行うとともに、循環ポンプ８ｂを起動して床暖房回路１１ｂ内の二次冷媒を循環させる。また、空調回路１１ａでは、循環ポンプ８ａの起動を行わず停止状態とする。このとき、ヒートポンプ回路７は、サイクル流路切換弁３ａ，膨張弁５ａを全閉とし、サイクル流路切換弁３ｂ，膨張弁５ｂを全開とすることにより、圧縮機１から送り出される一次冷媒が冷媒間熱交換器４ｂにのみ導入されるようにする。
【００２７】
一方、室内空調のみ運転を行う場合は、ヒートポンプ回路７の運転を行うとともに、循環ポンプ８ａを起動して空調回路１１ａ内の二次冷媒を循環させる。また、床暖房回路１１ｂでは、循環ポンプ８ｂの起動を行わず停止状態とする。このとき、ヒートポンプ回路７は、サイクル流路切換弁３ｂ，膨張弁５ｂを全閉とし、サイクル流路切換弁３ａ，膨張弁５ａを全開とすることにより、圧縮機１から送り出される一次冷媒が冷媒間熱交換器４ａにのみ導入されるようにする。
【００２８】
このような動作により室内空調、床暖房がそれぞれ単独で運転されるサイクルを作ることができる。これに対し、室内空調、床暖房を同時に運転する場合は、ヒートポンプ回路７、空調回路１１ａ、床暖房回路１１ｂを運転し、一次冷媒及び二次冷媒をすべて運転状態とする。このとき、ヒートポンプ回路７は、サイクル流路切換弁３ａ，３ｂ、膨張弁５ａ，５ｂの各開度をすべて調整し、室内空調用及び床暖房用の流路における一次冷媒の循環量を調整する。また、これに代えて、膨張弁５ａ，５ｂによる減圧量の調整により行ってもよいし、切換弁３ａ，３ｂの開度の調整により行ってもよい。
【００２９】
本実施形態では、暖房運転時において、室内空調用と床暖房用の各流路を切り換えるため、冷媒間熱交換器４ａ，４ｂの入り側にそれぞれサイクル流路切換弁３ａ，３ｂを設置しているが、このサイクル流路切換弁３ａ，３ｂの弁開度を調整することにより、冷媒間熱交換器４ａ，４ｂを通過する一次冷媒の流量、つまり減圧量を調整するようにしている。すなわち、室内空調と床暖房の要求負荷（要求熱量）の大きさに応じて、サイクル流路切換弁３ａ，３ｂの弁開度を調整し、一次冷媒の流量を調整することにより、ヒートポンプ回路７の加熱能力を冷媒間熱交換器４ａ，４ｂに適宜分配することができ、加熱効率を向上させることができる。
【００３０】
ここで、例えば、それぞれの室内負荷の負荷変化を検知するとともに、その負荷信号を制御装置１６に入力して処理を行い、負荷の大きさに基づいてサイクル流路切換弁３ａ，３ｂの弁開度を制御するようにしてもよい。これによれば、各室内負荷の負荷変化に応じて、加熱能力を最適な比率で適宜分配することができるため、高い加熱能力を維持することができる。
【００３１】
さらに、例えば、冷媒間熱交換器４ａ，４ｂの入り側に一次冷媒の温度を検出する温度センサを設け、その検出温度に基づいて、制御装置１６によりサイクル流路切換弁３ａ，３ｂの弁開度を制御するようにしてもよい。これによれば、ヒートポンプ回路７の加熱能力を精度よく分配することができる。
【００３２】
また、冷房運転時には、四方弁２を冷房サイクルに切り換えてヒートポンプ回路７を運転し、循環ポンプ８ａを起動させて空調回路１１ａの二次冷媒を循環させる一方、床暖房回路１１ｂは、循環ポンプ８ｂの運転を行わず、停止状態とする。そして、サイクル流路切換弁３ｂと膨張弁５ｂを全閉とし、サイクル流路切換弁３ａ，膨張弁５ａを全開とすることにより、室外熱交換器６を通過した一次冷媒が冷媒間熱交換器４ａにのみ導入されるようにする。これにより、空調回路１１ａによる冷房運転が可能となる。
【００３３】
なお、本実施形態では、冷房運転の場合、室内空調による単独運転を行うようにしているが、例えば、複数の室内空調を同時に運転させる構成の場合は、膨張弁５とサイクル流路切換弁３により一次冷媒の流量調整を行うことにより、ヒートポンプ回路７の冷却能力をそれぞれの冷媒間熱交換器４に適宜分配できるため、暖房運転と同様、運転効率を向上させることができる。
【００３４】
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２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。
【００３５】
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１５に補助熱交換器１４を設けることにより一次冷媒となる二酸化炭素冷媒の高圧側と低圧側を熱交換させている点で、第１の実施形態のヒートポンプ式冷暖房装置と相違する。
【００３６】
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１５、空調回路１１ａ、床暖房回路１１ｂから構成される。ヒートポンプ回路１５は、暖房運転時において、圧縮機１によって圧縮された高温、高圧の一次冷媒が、四方弁２を経由して分岐された後、冷媒間熱交換器４ａ，４ｂの一次側伝熱管４ｃ，４ｅにそれぞれ導入され、二次側伝熱管４ｄ，４ｆ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４ｃ，４ｅを通過した後、冷房運転用膨張弁１２，床暖房用流路切換弁１３をそれぞれ経由して合流された一次冷媒は、補助熱交換器１４により室外熱交換器６を出た一次冷媒と熱交換を行う。続いて、暖房運転用膨張弁１７に導かれて膨張した一次冷媒は、室外熱交換器６において吸熱により蒸発した後、四方弁２を経由して圧縮機１に吸い込まれる。
【００３７】
ここで、床暖房のみ運転を行う場合は、ヒートポンプ回路１５の運転を行うとともに、循環ポンプ８ｂを起動して床暖房回路１１ｂ内の二次冷媒を循環させる。また、空調回路１１ａでは、循環ポンプ８ａの起動を行わず停止状態とする。このとき、ヒートポンプ回路１５は、サイクル流路切換弁３ａ，冷房運転用膨張弁１２を全閉とし、サイクル流路切換弁３ｂ，床暖房用流路切換弁１３を全開とすることで、圧縮機１から送り出される一次冷媒が冷媒間熱交換器４ｂにのみ導入されるようにする。
【００３８】
一方、室内空調のみ運転を行う場合は、ヒートポンプ回路１５の運転を行うとともに、循環ポンプ８ａを起動して空調回路１１ａ内の二次冷媒を循環させる。また、床暖房回路１１ｂでは、循環ポンプ８ｂの起動を行わず停止状態とする。このとき、ヒートポンプ回路１５は、サイクル流路切換弁３ｂ，床暖房用流路切換弁１３を全閉とし、サイクル流路切換弁３ａ，冷房運転用膨張弁１２を全開とすることで、圧縮機１から送り出される一次冷媒が冷媒間熱交換器４ａにのみ導入されるようにする。
【００３９】
このような動作により室内空調、床暖房がそれぞれ単独で運転されるサイクルを作ることができる。これに対し、室内空調、床暖房を同時に運転する場合は、ヒートポンプ回路１５、空調回路１１ａ、床暖房回路１１ｂを運転し、一次冷媒及びすべての二次冷媒を運転状態とする。このとき、ヒートポンプ回路１５は、サイクル流路切換弁３ａ，３ｂ、冷房運転用膨張弁１２、床暖房用流路切換弁１３をすべて全開とし、室内空調用及び床暖房用の流路における一次冷媒の循環量の調整は、例えば、暖房運転用膨張弁１７、サイクル流路切換弁３ａ，３ｂによる流量（減圧量）の調整により行う。
【００４０】
特に、室内空調と床暖房の要求負荷（要求熱量）の大きさに応じて、サイクル流路切換弁３ａ，３ｂの弁開度を調整し、一次冷媒の流量を調整することで、ヒートポンプ回路１５の加熱能力を冷媒間熱交換器４ａ，４ｂに適宜分配し、加熱効率を向上させることができる。
【００４１】
また、冷房運転時には、四方弁２を冷房サイクルに切り換えてヒートポンプ回路１５を運転するとともに、空調回路１１ａは二次冷媒を循環させ、床暖房回路１１ｂは運転を停止状態とする。そして、サイクル流路切換弁３ｂと床暖房用流路切換弁１３を全閉とし、サイクル流路切換弁３ａ，冷房運転用膨張弁１２を全開とすることにより、室外熱交換器６を通過した一次冷媒が冷媒間熱交換器４ａにのみ導入され、空調回路１１ａによる冷房運転が可能となる。ここで、一次冷媒の循環量の調整は、冷房運転用膨張弁１２により行う。
【００４２】
さらに、本実施形態では、冷房、暖房運転時において、室外熱交換器６、冷媒間熱交換器４ａ，４ｂのそれぞれ出口側の一次冷媒を補助熱交換器１４にて熱交換させるようにしている。これにより、第１の実施形態の効果に加えて、放熱工程、吸熱工程のエンタルピを増加させることができ、運転効率を一層向上させることができる。
【００４３】
以上述べたように、上記実施形態の構成によれば、二次冷媒を介して室内負荷を冷暖房するヒートポンプ式冷暖房装置において、例えば、ルームエアコン用室内機のような室内空調機器や床暖房装置のように、複数の室内熱交換器による負荷運転を同時に、或いは選択的に運転することができる。また、上記実施形態によれば、高圧側で超臨界状態（圧力）により作動する二酸化炭素冷媒などを一次冷媒として用いても、高い加熱及び冷却能力により支障なく冷暖房運転を行うことができる。
【００４４】
また、上記実施形態のヒートポンプ式冷暖房装置では、複数の冷媒間熱交換器４を並列に配置し、各々の冷媒間熱交換器４の一次冷媒の入り側にサイクル流路切換弁３を設けることにより、冷媒間熱交換器４に流入する一次冷媒の流量を調整することができるため、例えば、暖房運転時に加熱能力の異なる室内負荷を複数同時に運転する場合においても、それぞれの要求負荷に応じてヒートポンプ回路の加熱能力を適宜分配することができ、効率的に運転を行うことができる。
【００４５】
また、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が、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。
【００４６】
また、上記実施形態では、室内負荷としてエアコンなどの空気調和機や床暖房装置を用いる例について説明したが、これに限定されるものではなく、他の冷暖房負荷（例えば、ミストサウナ、壁面冷房、天井冷房）についても適用することができ、さらに、二以上の室内負荷を接続する構成についても適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【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】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】
【００４８】
１  圧縮機
２  四方弁
３ａ，３ｂ  サイクル流路切換弁
４ａ，４ｂ  冷媒間熱交換器
５ａ，５ｂ  膨張弁
６  室外熱交換器
７  ヒートポンプ回路
８ａ，８ｂ  循環ポンプ
９ａ  室内空調用熱交換器
９ｂ  床暖房パネル
１１ａ  空調回路
１１ｂ  床暖房回路
１４  補助熱交換器
【図１】
2007183045.tif 000003
【図２】
2007183045.tif 000004