(57)【要約】【課題】より好ましい中間圧力の設定値を用いるものであり、従来よりも能力や効率を高めることができるヒートポンプを提供する。【解決手段】ヒートポンプ１００であって、前記圧縮機１が、前記蒸発器４を通過して低圧となった冷媒が圧縮される低段側圧縮機構１１と、前記低段側圧縮機構１１で圧縮された冷媒がさらに圧縮される高段側圧縮機構１２と、から構成されており、前記高段側圧縮機構１２により圧縮され吐出された冷媒の一部を当該高段側圧縮機構１２の吸入側へ戻すインジェクション回路５を更に備え、前記高段側圧縮機構１２に吸入される冷媒の圧力である中間圧力が、前記低段側圧縮機構１１に吸入される冷媒の圧力である低圧と、前記高段側圧縮機構１２から吐出される冷媒の圧力である高圧と、に基づいて定められており、前記中間圧力を、前記低圧と前記高圧の積について平方根を取った値より大きい値に設定した。【選択図】図１
2013120024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、放熱器、第１膨張弁、蒸発器をこの順で環状に接続した冷凍サイクルを有するヒートポンプであって、
前記圧縮機が、前記蒸発器を通過して低圧となった冷媒が圧縮される低段側圧縮機構と、前記低段側圧縮機構で圧縮された冷媒がさらに圧縮される高段側圧縮機構と、から構成されており、
前記高段側圧縮機構により圧縮され吐出された冷媒の一部を当該高段側圧縮機構の吸入側へ戻すインジェクション回路を更に備え、
前記高段側圧縮機構に吸入される冷媒の圧力である中間圧力が、前記低段側圧縮機構に吸入される冷媒の圧力である低圧と、前記高段側圧縮機構から吐出される冷媒の圧力である高圧と、に基づいて定められており、
前記中間圧力が、前記低圧と前記高圧の積について平方根を取った値より大きい値に設定されていることを特徴とするヒートポンプ
【請求項２】
前記中間圧力をＰｍ、前記低圧をＰｌ、前記高圧をＰｈとした時に前記中間圧力が以下の式に基づいて定められる請求項１記載のヒートポンプ。
【数３】
2013120024.tif 000005
ここで、ｋは調整係数であり、１よりも大きい定数。
【請求項３】
前記調整係数が１．０８以上１．２０以下に設定されている請求項２記載のヒートポンプ。
【請求項４】
前記インジェクション回路が、第２膨張弁を備え、
前記第２膨張弁の開度を所定の値に設定することにより、前記中間圧力が調節されている請求項１、２又は３記載のヒートポンプ。
【請求項５】
前記放熱器に対して、加熱対象である水が前記放熱器に給水される給水流路と、前記放熱器により加熱された水が出湯される出湯流路が接続されており、
前記給水流路を流れる水の温度である給水温度が高くなるほど、前記調整係数の値が大きくなるように前記第２膨張弁の開度が調節される請求項４記載のヒートポンプ。
【請求項６】
前記インジェクション回路から前記高段側圧縮機構に戻る冷媒流量の量が多くなるほど、前記中間圧力の値が大きい値に設定される請求項１、２、３、４又は５記載のヒートポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は暖房や給湯のために用いられる２段圧縮方式のヒートポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
暖房や給湯のために用いられるヒートポンプのうち、特に寒冷地で使用されるものについては、１段圧縮で冷媒を圧縮するだけでは、冷媒の圧力を低圧から所望の高圧まで高めることが難しい場合がある。このため、ヒートポンプの中には、まず低圧の冷媒を中間圧力まで圧縮し、その後、中間圧力から所望の高圧まで冷媒の圧縮を行うように構成された２段圧縮方式のものがある。
【０００３】
２段圧縮方式のヒートポンプ１００の具体例としては、特許文献１及び図１０に示されるものが挙げられる。このヒートポンプ１００は、低段側圧縮機構１１及び高段側圧縮機構１２、放熱器２、中間熱交換器５２、第１膨張弁３、蒸発器４がこの順で冷媒が流れる主回路と、前記放熱器２の下流から、前記低段側圧縮機構１１及び前記高段側圧縮機構１２の中間接続部にバイパスされるインジェクション回路５とを備えている。前記インジェクション回路５を流れる冷媒は、第２膨張弁５１で中間圧に減圧され、中間熱交換器５２で主回路を流れる高圧冷媒と熱交換された後、低段圧縮機構１１と高段圧縮機構１２の中間部接続部にインジェクションされる。
【０００４】
このようなインジェクション回路５が設けられているヒートポンプ１００の動作について説明すると、図１１のｐ−Ｈ線図に示すように主回路を流れる冷媒は本来Ａ、Ｃ、Ｅ、Ｅ´の順で循環しているが、インジェクションすることで、、Ａ、Ｂ、Ｂ´、Ｃ´、Ｆ、Ｇの順で循環するようになる。このとき、インジェクション回路５を流れる冷媒はＩ、Ｊを通り、最終的に前記低段側圧縮機の出口（Ｂ）と合流しガス化過程を終了し、、高段側圧縮機構１２に合流する。この結果、サイクル効率が向上し、冷凍効果が増大する。蒸発器を流れる冷媒流量がインジェクション前と同じであれば、冷凍能力が増大する。また、冷凍能力が同じであれば、蒸発器を流れる冷媒流量は減少する。いずれの場合もエネンルギー効率は上昇する。
【０００５】
さらに、図１１から分かるように高段側圧縮機構１２の出口（Ｃ´）における温度上昇を抑制することができ、その余裕分で高圧をさらに高めることができる。従って、同じ吐出温度において、圧縮機回転数をさらに上昇させることができるようになり、高能力、高ＣＯＰを実現できるようになる。
【０００６】
ところで、ＣＯ２冷媒を用いた単段圧縮方式のヒートポンプの場合、圧縮機から吐出される冷媒の圧力である高圧の制御によってその最大効率が規定されることが知られているが、２段圧縮方式の場合は高圧だけでなく、中間圧力の値によっても効率が変化する。
【０００７】
２段圧縮方式において最大効率とするために、低段側圧縮機と高段側圧縮機の圧縮比が一定であるとした場合、低圧と高圧の積の平方根を中間圧力に設定しておけばよいと考えられている。
【０００８】
しかしながら、本願発明者が２段圧縮方式のヒートポンプにおいてさらなる高能力、高効率化を図るために鋭意検討、実験を行ったところ、前述したような低圧と高圧の積の平方根を中間圧力に設定しても最大効率を達成できていないことを見出した。すなわち、前述した中間圧力よりもさらに効率を向上させることができるポイントがあることを見出したのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−２７８６８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明は上述したような本願発明者により発見されたより好ましい中間圧力の設定値を用いるものであり、従来よりも能力や効率を高めることができるヒートポンプ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】
すなわち、本発明のヒートポンプは、圧縮機、放熱器、第１膨張弁、蒸発器をこの順で環状に接続した冷凍サイクルを有するヒートポンプであって、前記圧縮機が、前記蒸発器を通過して低圧となった冷媒が圧縮される低段側圧縮機構と、前記低段側圧縮機構で圧縮された冷媒がさらに圧縮される高段側圧縮機構と、から構成されており、前記高段側圧縮機構により圧縮され吐出された冷媒の一部を当該高段側圧縮機構の吸入側へ戻すインジェクション回路を更に備え、前記高段側圧縮機構に吸入される冷媒の圧力である中間圧力が、前記低段側圧縮機構に吸入される冷媒の圧力である低圧と、前記高段側圧縮機構から吐出される冷媒の圧力である高圧と、に基づいて定められており、前記中間圧力が、前記低圧と前記高圧の積について平方根を取った値より大きい値に設定されていることを特徴とする。
【００１２】
従来、圧縮比を低段側、高段側ともに等しく設定した場合に最も効率が良いと考えられており、この場合、中間圧は低圧と高圧の積の平方根に設定される。しかし、この値よりも大きな値に設定することで、効率向上が得られることが本願発明者の鋭意検討の結果判明した。
【００１３】
上述したような中間圧力に設定することによるヒートポンプの効率の向上は、前記インジェクション回路により高段側圧縮機構に流入する冷媒の流量が、低段側圧縮機構に流入する冷媒の流量よりも多くなっていることに起因すると考えられる。すなわち、効率が向上するには冷媒流量の違いに対応して高段側圧縮機構の圧縮比率が低段側圧縮機構の圧縮比率よりも低い状態になっていると、各圧縮機構の軸動力のバランスが保たれるので、安定した状態が持続するものと推察される。
【００１４】
従って、上述した本発明のように従来考えられていたよりも中間圧力を高めの圧力に設定すれば、各圧縮機構の軸動力をバランスさせ、安定的に駆動することができ、エネルギー効率を最も高い状態に保つことができるようになる。
【００１５】
前記中間圧力の具体的な設定方法としては前記中間圧力をＰｍ、前記低圧をＰｌ、前記高圧をＰｈとした時に前記中間圧力が以下の式に基づいて定めればよい。
【００１６】
【数１】
2013120024.tif 000003
【００１７】
ここで、ｋは調整係数であり、１よりも大きい定数。
【００１８】
特に２段圧縮方式のヒートポンプのエネルギー効率を向上させるのに好ましい調整係数の範囲としては、前記調整係数が１．０８以上１．２０以下に設定されているものが挙げられる。
【００１９】
簡単な構成で前記中間圧力を所望の値で保ち続け、ヒートポンプを高効率の状態を維持するには、前記インジェクション回路が、第２膨張弁を備え、前記第２膨張弁の開度を所定の値に設定することにより、前記中間圧力が調節されているものであればよい。
【００２０】
放熱器における負荷に応じて、中間圧力の値を変化させ常に高効率の状態を保つことができるようにするには、前記放熱器に対して、加熱対象である水が前記放熱器に給水される給水流路と、前記放熱器により加熱された水が出湯される出湯流路が接続されており、前記給水流路を流れる水の温度である給水温度が高くなるほど、前記調整係数の値が大きくなるように前記第２膨張弁の開度が調節されればよい。
【００２１】
冷凍サイクルの状態に合わせて高効率での運転を維持するための中間圧力の設定基準としては、前記インジェクション回路から前記高段側圧縮機構に戻る冷媒流量の量が多くなるほど、前記中間圧力の値が大きい値に設定される物が挙げられる。
【発明の効果】
【００２２】
このように本発明のヒートポンプによれば、２段圧縮方式における中間圧力を従来設定されていた値よりも大きい値に設定することにより、さらに高能力、高効率での運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係るヒートポンプの構成例を示す模式図。
【図２】同実施形態において第２膨張弁の開度を変更したときの能力、効率の変化を示すグラフ。
【図３】同実施形態において第２膨張弁の開度を変更したときの能力、効率の変化を示す別のグラフ。
【図４】同実施形態において給水温度／出湯温度が３０／７０℃のときに最大効率時においてインジェクション回路から導入される冷媒の温度と外気温との関係を示すグラフ。
【図５】同実施形態において給水温度／出湯温度が３０／７０℃のときに最大効率時においてインジェクション回路から冷媒が導入されたときの中間圧力と外気温との関係を示すグラフ。
【図６】同実施形態において給水温度／出湯温度が３０／５０℃のときに最大効率時においてインジェクション回路から導入される冷媒の温度と外気温との関係を示すグラフ。
【図７】同実施形態において給水温度／出湯温度が３０／５０℃のときに最大効率時においてインジェクション回路から冷媒が導入されたときの中間圧力と外気温との関係を示すグラフ。
【図８】同実施形態において給水温度／出湯温度が４０／５０℃のときに最大効率時においてインジェクション回路から導入される冷媒の温度と外気温との関係を示すグラフ。
【図９】同実施形態において給水温度／出湯温度が４０／５０℃のときに最大効率時においてインジェクション回路から冷媒が導入されたときの中間圧力と外気温との関係を示すグラフ。
【図１０】従来のインジェクション回路を備えたヒートポンプの一例を示す模式図。
【図１１】インジェクション回路を備えたヒートポンプの動作を説明するためのｐ−Ｈ線図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２５】
本実施形態のヒートポンプ１００は、２段圧縮方式のものであり寒冷地において高温での出湯、暖房のために用いられるものである。そして、このヒートポンプ１００は、図１に示すように圧縮機１、放熱器２、第１膨張弁３、蒸発器４をこの順で環状に接続した主回路とする冷凍サイクルを有するものであり、前記圧縮機１から吐出されて前記放熱器２を通過した冷媒の一部を当該圧縮機１に戻すバイパス回路であるインジェクション回路５と、前記主回路において前記蒸発器４の下部に設けられた凍結防止回路を通過した後において、高圧側の冷媒と低圧側の冷媒との間で熱交換を行うための内部熱交換器６を更に備えている。
【００２６】
主要な各部について詳述する。
【００２７】
前記圧縮機１は、前記蒸発器４を通過して低圧Ｐｌとなった冷媒が圧縮される低段側圧縮機構１１と、前記低段側圧縮機構１１で圧縮された冷媒が更に圧縮される高段側圧縮機構１２と、から構成してある。そして、この圧縮機１は低圧Ｐｌの冷媒が前記低段側圧縮機構１１に吸入される吸入ポートと、前記高段側圧縮機構１２から高圧Ｐｈとなった冷媒が吐出される吐出ポートと、前記インジェクション回路５を通過した冷媒が前記高段側圧縮機構１２へと導入される中間ポートと、を備えている。すなわち、前記圧縮機１における冷媒の変化について説明すると、前記低段側圧縮機構１１では低圧Ｐｌから所定圧力までの圧縮が行われ、前記高段側圧縮機構１２には前記低段側圧縮機構１１において所定圧力となった冷媒と、前記インジェクション回路５から戻ってきた冷媒が混合されて中間圧力Ｐｍとなった冷媒が流入することになる。そして、前記高段側圧縮機構１２では中間圧力Ｐｍの冷媒が高圧Ｐｈまで圧縮される。
【００２８】
前記放熱器２は、給湯装置７との間において加熱対象である水が前記放熱器２に給水される給水流路７１と、前記放熱器２により加熱された水が出湯される出湯流路７２とで接続してあるプレート熱交換器である。
【００２９】
前記インジェクション回路５は、前記高段側圧縮機構１２により圧縮され吐出された冷媒の一部を当該高段側圧縮機構１２の吸入側へ戻すためものであり、本実施形態では、前記放熱器２の出口側と、前記中間ポートとをバイパスするインジェクション配管を備えたものである。前記インジェクション回路５には、この回路を流れる冷媒の流量を調節するとともに液冷媒を蒸発させるために、第２膨張弁５１が備えてある。すなわち、バイパスされた冷媒は、第２膨張弁で減圧され中間圧となった後、中間熱交換器５２で主回路を流れる高圧冷媒と熱交換を行い、ガス化過程を経て、低段側圧縮機構の吐出と合流することになる。この時、主回路側では、高圧冷媒が冷却される。
【００３０】
以下では、前記圧縮機１における中間圧力Ｐｍの設定について詳述する。
【００３１】
前記圧縮機１における中間圧力は、前記中間圧力をＰｍ、前記低圧をＰｌ、前記高圧をＰｈとした時に以下の式で示される値となるようにしてある。
【００３２】
【数２】
2013120024.tif 000004
【００３３】
ここで、ｋは調整係数であり、１よりも大きい定数である。より具体的には、前記調整係数が１．０８以上１．２０以下に設定してある。なお、従来技術のように中間圧力Ｐｍを低圧Ｐｌと高圧Ｐｈの積の平方根に設定する、すなわち、調整係数ｋを１に設定する場合、低段側圧縮機構１１における圧縮比と、高段側圧縮機構１２における圧縮比が同一となる値である。
【００３４】
本実施形態では、前記給水流路７１における水温又は、前記インジェクション回路５により前記圧縮機１に戻される冷媒の量に応じて中間圧力Ｐｍを調節可能に構成してある。
【００３５】
すなわち、前記インジェクション回路５からの冷媒量を前記第２膨張弁５１の開度により調節することにより、所望の中間圧力Ｐｍとなるようにしている。
【００３６】
このように構成された２段圧縮方式のヒートポンプ１００において、中間圧力Ｐｍによって能力や効率が大きく変化すること、及び、前述したような中間圧力Ｐｍに設定することにより効率を向上させられることについて測定データに基づきながら説明する。
【００３７】
図２及び図３には、前記インジェクション回路５中の第２膨張弁５１の開度を変更することにより、前記高段側圧縮機構１２に流入する冷媒の流量を変化させ、中間圧力Ｐｍを変化させた場合の給湯能力の変化及びＣＯＰの変化を示している。なお、図２及び図３は外気温を異ならせた条件での測定例であり、図２及び図３のいずれにおいても給水温度３０℃／出湯温度５０℃の場合と、給水温度３０℃／出湯温度７０℃の場合における測定例を示している。
【００３８】
図２及び図３から分かるように、第２膨張弁５１の開度を変更することにより、中間圧力Ｐｍを制御し、給湯能力及びＣＯＰを変化させられる。さらに、給湯能力を一定とした場合、ＣＯＰを最も高くする、すなわち、最も効率がよくなる第２膨張弁５１の開度が存在することがわかる。
【００３９】
次に、外気温を異ならせるとともにＣＯＰが最も大きくなるように第２膨張弁５１を変化させた場合の前記インジェクション回路５から前記中間ポートにガスインジェクションされる冷媒の温度、及び中間圧力Ｐｍについての測定結果を給水温度／出湯温度が３０／７０℃、３０／５０℃、４０／５０℃とした時の測定結果を図４乃至９に示す。
【００４０】
図４に示すように給水温度／出湯温度が３０／７０℃の場合、前記中間ポートにガスインジェクションされる冷媒の温度は、各外気温において点線で示される飽和温度と略同じ値となっており、加熱が若干とれた望ましい状態に制御されていることが分かる。このようにヒートポンプ１００が最適に制御されている場合における各部の冷媒圧力の測定結果については図４に示している。図４から分かるようにガスインジェクションされる冷媒の中間圧力Ｐｍは、点線で示される従来設定されていた各圧縮機構における圧縮比が等しくなる従来中間圧力値に対して、１．２倍程度となっていることが分かる。
【００４１】
次に給水温度／出湯温度が３０／５０℃の場合の測定結果を示す。この場合も図６に示すように、ガスインジェクションされる冷媒の温度は飽和温度に対して若干高い温度となっており、望ましい状態に制御されていることが分かる。このように効率を最適状態で運転しているときの中間圧力Ｐｍについても、図７に示されるように従来中間圧力値に対して１．１４〜１．１５倍程度の圧力になっていることが分かる。
【００４２】
さらに、給水温度／出湯温度が４０／５０℃の場合の測定結果を示す。図８に示されるように、給水温度が高い場合、ガスインジェクションされる冷媒の過熱度が低外気温程大きくなることが分かる。一方中間圧力Ｐｍについては、先の二つの測定結果と同様に、従来中間圧力よりも中間圧力Ｐｍが高い状態において最適運転状態となっていることが分かる。このとき、この温度条件においては設定されるべき中間圧力Ｐｍは従来中間圧力の１．１８〜１．２０倍となっていることも分かる。
【００４３】
以上の測定結果から、効率を高めることができる最適運転状態は、各圧縮機構の圧縮比が等しくなる従来中間圧力よりも高い圧力値に中間圧力Ｐｍを設定することで実現されることが分かる。より具体的には、前述した式における調整係数ｋを１．０８以上１．２０以下に設定すれば高効率でヒートポンプ１００を動作させることができる。また、外気温が高くなるほど中間圧力Ｐｍを高く設定すればよいこと、給水温度が高くなるほど中間圧力Ｐｍを高く設定すればよいことも分かる。
【００４４】
このように本実施形態のヒートポンプ１００のように、中間圧力Ｐｍを従来最適であると考えられていた各圧縮機構の圧縮比が等しくなるような圧力値ではなく、その値よりも高い値に設定することによって、能力及び効率を向上させられることが分かる。より具体的には従来値に対して１．０８以上１．２０以下の値に中間圧力Ｐｍを設定することで最も好ましい効率を得ることができる。
【００４５】
また、このような高効率運転は、インジェクション回路５中にある第２膨張弁５１の開度を一定のステップとすることで実現できるので、システムが安定するのにかかる時間は短時間にすることができる。しかも、第２膨張弁５１の開度を調節するという簡単な制御方法で、中間圧力Ｐｍを設定するだけ効率を向上させることができる。
【００４６】
その他の実施形態について説明する。
【００４７】
前記実施形態においては２段圧縮方式のものを対象としているが、前述したようなインジェクション回路を用いたものであればどのようなものでも用いることができる。
【００４８】
また、外気温度、給水温度ごと等に応じた最適な中間圧力をデータベースとして予め作成しておき、測定された条件ごとの最適中間圧力となるように前記第２膨張弁の開度を制御する中間圧力制御部を備えたものであってもよい。前記中間圧力制御部は例えば、入出力インターフェイス、メモリ、ＣＰＵ等から構成されるコンピュータやマイコン等によりその機能を実現されるものであればよく、このようなものであれば、外部条件の変化ごとに中間圧力を変更していき、常に最大効率でヒートポンプを駆動することができるようになる。
【００４９】
その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の変形や組み合わせを行っても構わない。
【符号の説明】
【００５０】
１００・・・ヒートポンプ
１    ・・・圧縮機
１１  ・・・低段側圧縮機構
１２  ・・・高段側圧縮機構
２    ・・・放熱器
３    ・・・第１膨張弁
４    ・・・蒸発器
５    ・・・インジェクション回路
５１  ・・・第２膨張弁
【図１】
2013120024.tif 000006
【図２】
2013120024.tif 000007
【図３】
2013120024.tif 000008
【図４】
2013120024.tif 000009
【図５】
2013120024.tif 000010
【図６】
2013120024.tif 000011
【図７】
2013120024.tif 000012
【図８】
2013120024.tif 000013
【図９】
2013120024.tif 000014
【図１０】
2013120024.tif 000015
【図１１】
2013120024.tif 000016