(57)【要約】【課題】簡易にしてＣＯＰを向上することができるヒートポンプ装置を提供する。【解決手段】ヒートポンプ装置(1)の膨張手段(7)は、動力回収可能な膨張機(9)と、冷媒を膨張により減圧させる膨張弁(10)とが並列に配置され、冷媒流れ切換手段(5)により室外熱交換器(6)を放熱器として使用する冷媒流れに切り換えられたときには膨張機に冷媒が流れ、冷媒流れ切換手段により室外熱交換器を蒸発器として使用する冷媒流れに切り換えられたときには膨張弁に冷媒が流れる並列経路(11)からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒の循環路に、圧縮機、冷媒流れ切換手段、室外熱交換器、膨張手段、第１熱交換器が順次介挿されたヒートポンプ回路を備えたヒートポンプ装置であって、
前記膨張手段は、動力回収可能な膨張機と、冷媒を膨張により減圧させる膨張弁とが並列に配置され、前記冷媒流れ切換手段により前記室外熱交換器を放熱器として使用する冷媒流れに切り換えられたときには前記膨張機に冷媒が流れ、前記冷媒流れ切換手段により前記室外熱交換器を蒸発器として使用する冷媒流れに切り換えられたときには前記膨張弁に冷媒が流れる並列経路からなることを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項２】
湯水の循環路に、前記第１熱交換器、水ポンプ、貯湯タンクが順次介挿された給湯回路を備え、
前記給湯回路は、前記第１熱交換器と前記貯湯タンクとの間に、前記貯湯タンクの下層部から前記第１熱交換器に流入された湯水を該下層部より上側の前記貯湯タンクの中層部と該中層部より上側の前記貯湯タンクの上層部とに切り換えて流入させる湯水切換手段を有し、
前記湯水切換手段は、前記冷媒流れ切換手段により前記室外熱交換器を放熱器として使用する冷媒流れに切り換えられたときには前記第１熱交換器に流入された湯水を前記中層部に流入させ、前記冷媒流れ切換手段により前記室外熱交換器を蒸発器として使用する冷媒流れに切り換えられたときには前記第１熱交換器に流入された湯水を前記高層部に流入させることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【請求項３】
液媒の循環路に、湯水熱交換手段、液媒ポンプ、室内熱交換器が順次介挿された空調回路を備え、
前記湯水熱交換手段は、前記下層部に配置された低温水熱交換器と、前記上層部に配置された高温湯熱交換器とが並列に配置され、前記冷媒流れ切換手段により前記室外熱交換器を放熱器として使用する冷媒流れに切り換えられたときには前記低温水熱交換器の液媒を前記室内熱交換器に流入させて前記室内熱交換器を吸熱器として使用し、前記冷媒流れ切換手段により前記室外熱交換器を蒸発器として使用する冷媒流れに切り換えられたときには前記高温湯熱交換器の液媒を前記室内熱交換器に流入させて前記室内熱交換器を放熱器として使用する第２並列経路からなることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ装置に係り、詳しくは、冷暖房空調機や給湯機に組み込まれて好適なヒートポンプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のヒートポンプ装置として、例えば特許文献１には、二酸化炭素冷媒が圧縮機、室外熱交換器、膨張機、室内熱交換器を流れる冷媒回路を備え、この冷媒回路の圧縮機の吐出側に四方弁を設けて冷媒回路における冷媒の流れ方向を切り換えることにより、室内熱交換器を蒸発器として利用して冷房し、または室内熱交換器を放熱器として利用して暖房することができる冷凍サイクル装置が開示されている。
【０００３】
また、例えば特許文献２には、貯湯タンクを有する給湯回路を備え、圧縮機から吐出された冷媒の一部を貯湯タンク内の水または湯と熱交換させる給湯熱交換器を上記冷媒回路に設けたヒートポンプ式冷暖房給湯装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１３８３３２号公報
【特許文献２】特開２００４−２１８９４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、このようなヒートポンプ装置にて給湯運転を行う場合には、給湯回路にて冷水を加熱するため、室外熱交換器の冷媒出口温度が例えば通年平均で２０℃前後とすると、二酸化炭素冷媒の特性により膨張機において回収できる動力が比較的小さくなり、一方、夏季に外気温度が高温となって冷房運転を行う場合には、室外熱交換器の冷媒出口温度は例えば外気温度３５℃のとき４０℃程度になり、膨張機において回収できる動力が比較的大きくなることが知られている。
【０００５】
すなわち、冷房運転を行う場合にのみ膨張機を使用することにより、空調給湯装置全体として成績係数（ＣＯＰ）を向上することができる。
しかしながら、特許文献１では、膨張機と膨張弁とを直列に配置し、暖房運転時には膨張機を経由して動力回収した後の冷媒を膨張弁により減圧させて室外熱交換器に導いて蒸発させるようにし、冷房運転時にはこれらをすべてバイパスするため、冷房運転時において膨張機を使用できない。
【０００６】
一方、特許文献２では、膨張弁しかないため、膨張機における動力回収ができない。従って、上記従来技術では、上述したような冷房運転時にのみ膨張機を使用する点につき格別な配慮がなされておらず、空調給湯装置のＣＯＰ向上には依然として課題が残されている。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、簡易にしてＣＯＰを向上することができるヒートポンプ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】
【０００７】
上記の目的を達成するべく、請求項１記載のヒートポンプ装置は、冷媒の循環路に、圧縮機、冷媒流れ切換手段、室外熱交換器、膨張手段、第１熱交換器が順次介挿されたヒートポンプ回路を備えたヒートポンプ装置であって、膨張手段は、動力回収可能な膨張機と、冷媒を膨張により減圧させる膨張弁とが並列に配置され、冷媒流れ切換手段により室外熱交換器を放熱器として使用する冷媒流れに切り換えられたときには膨張機に冷媒が流れ、冷媒流れ切換手段により室外熱交換器を蒸発器として使用する冷媒流れに切り換えられたときには膨張弁に冷媒が流れる並列経路からなることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項２記載の発明では、請求項１において、湯水の循環路に、第１熱交換器、水ポンプ、貯湯タンクが順次介挿された給湯回路を備え、給湯回路は、第１熱交換器と貯湯タンクとの間に、貯湯タンクの下層部から第１熱交換器に流入された湯水を貯湯タンクの下層部より上側の貯湯タンクの中層部と中層部より上側の貯湯タンクの上層部とに切り換えて流入させる湯水切換手段を有し、湯水切換手段は、冷媒流れ切換手段により室外熱交換器を放熱器として使用する冷媒流れに切り換えられたときには第１熱交換器に流入された湯水を中層部に流入させ、冷媒流れ切換手段により室外熱交換器を蒸発器として使用する冷媒流れに切り換えられたときには第１熱交換器に流入された湯水を高層部に流入させることを特徴としている。
【０００９】
更に、請求項３記載の発明では、請求項２において、液媒の循環路に、湯水熱交換手段、液媒ポンプ、室内熱交換器が順次介挿された空調回路を備え、湯水熱交換手段は、下層部に配置された低温水熱交換器と、上層部に配置された高温湯熱交換器とが並列に配置され、冷媒流れ切換手段により室外熱交換器を放熱器として使用する冷媒流れに切り換えられたときには低温水熱交換器の液媒を室内熱交換器に流入させて室内熱交換器を吸熱器として使用し、冷媒流れ切換手段により室外熱交換器を蒸発器として使用する冷媒流れに切り換えられたときには高温湯熱交換器の液媒を室内熱交換器に流入させて室内熱交換器を放熱器として使用する第２並列経路からなることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
従って、請求項１記載の本発明のヒートポンプ装置によれば、ヒートポンプ回路の膨張手段が冷媒流れ切換手段により室外熱交換器を放熱器として使用する冷媒流れに切り換えられたときには膨張機に冷媒が流れ、冷媒流れ切換手段により室外熱交換器を蒸発器として使用する冷媒流れに切り換えられたときには膨張弁に冷媒が流れる並列経路からなる。これにより、室外熱交換器を放熱器として使用する場合に、すなわち、室外熱交換器の冷媒出口温度が高温となり膨張機において回収できる動力が比較的大きくなる場合に、膨張機に冷媒を流して動力回収することができるため、並列経路を形成するだけの簡易な構成で、ヒートポンプ装置のＣＯＰを効果的に向上することができる。
【００１１】
また、請求項２記載の発明によれば、給湯回路の湯水切換手段は、冷媒流れ切換手段により室外熱交換器を放熱器として使用する冷媒流れに切り換えられたときには第１熱交換器に流入された湯水を中層部に流入させ、冷媒流れ切換手段により室外熱交換器を蒸発器として使用する冷媒流れに切り換えられたときには第１熱交換器に流入された湯水を高層部に流入させる。これにより、貯湯タンクの異なる温度の湯水が貯留される中層部と上層部とを利用して冷媒を効率的に蒸発、または放熱させることができるため、ヒートポンプ装置のＣＯＰを更に向上することができる。
【００１２】
更に、請求項３記載の発明によれば、湯水熱交換手段は、下層部に配置された低温水熱交換器と、上層部に配置された高温湯熱交換器とが並列に配置され、冷媒流れ切換手段により室外熱交換器を放熱器として使用する冷媒流れに切り換えられたときには低温水熱交換器の液媒を室内熱交換器に流入させて室内熱交換器を吸熱器として使用し、冷媒流れ切換手段により室外熱交換器を蒸発器として使用する冷媒流れに切り換えられたときには高温湯熱交換器の液媒を室内熱交換器に流入させて室内熱交換器を放熱器として使用する第２並列経路からなる。これにより、外気温度を利用して貯湯タンクの湯水の高層部と中層部とを効率的に形成し、ひいては冷媒を効率的に蒸発、または放熱させることができるため、ヒートポンプ装置のＣＯＰをより一層向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面により本発明の一実施形態について説明する。
図１はヒートポンプ装置の一例として空調給湯装置１を概略的に示しており、この装置１は大きく分けてヒートポンプ回路２、給湯回路２０、空調回路３０から構成されている。
ヒートポンプ回路２は、二酸化炭素冷媒の循環路３を備え、循環路３には圧縮機４、四方弁（冷媒流れ切換手段）５、室外熱交換器６、膨張手段７、給湯熱交換器（第１熱交換器）８が順次介挿されている。
【００１４】
膨張手段７は、図示しない発電機等が接続されて動力回収を可能とする膨張機９と、冷媒を膨張により減圧させる膨張弁１０とが並列に配置された並列経路１１から構成されている。
並列経路１１には、冷媒の流れ方向からみてそれぞれ膨張機９、膨張弁１０の下流側にそれぞれ逆止弁１２，１３が介挿され、冷媒の流れ方向が切り換えられても膨張機９、膨張弁１０に冷媒が逆流しないように構成されている。
【００１５】
一方、給湯回路２０は、湯水の循環路２１を備え、循環路２１には給湯熱交換器８、水ポンプ２２、貯湯タンク２３が順次介挿されている。
給湯回路２０は、湯水の流れ方向からみて水ポンプ２２から貯湯タンク２３にかけての循環路２１が分岐されて分岐経路２４，２５を形成している。各分岐経路２４，２５にはそれぞれ電磁弁２６，２７が介挿され、電磁弁２６，２７を開閉することにより、貯湯タンク２３の下層部２３ａから流出されて給湯熱交換器８、水ポンプ２２を経由して貯湯タンク２３に戻る湯水を下層部２３ａより上側の中層部２３ｂと中層部２３ｂより上側の上層部２３ｃとに切り換えて流入可能に構成されている（湯水切換手段）。
【００１６】
例えば、下層部２３ａは約１０℃以下の温度分布をなしており、ここに例えば夏季に２４℃程度にもなる市水等が供給されることにより下層部２３ａの上側に約２４℃の温度分布をなす中層部２３ｂを形成し、更に高層部２３ｃは約６５℃の温度分布をなして風呂等のための湯水が取水される。
ここで、下層部２３ａは貯湯タンク２３に貯湯される湯水の量が減少しない程度に所定の高さに設定され、給湯が行われると中層部２３ｂが高層部２３ｃ側に拡大する。また、貯湯タンク２３から給湯熱交換器８に延びる循環路２１は少なくとも後述する低温水熱交換器３５の上側に設けられ、分岐経路２５は低温水熱交換器３５の近傍に設けられる。
【００１７】
一方、空調回路３０は、ブラインや水等からなる液媒の循環路３１(図１に一点鎖線で示す)を備え、循環路３１には湯水熱交換手段３２、液媒ポンプ３３、複数の室内熱交換器３４が介挿されている。
湯水熱交換手段３２は、下層部２３ａに配置された低温水熱交換器３５と、高層部２３ｃに配置された高温湯熱交換器３６とが並列に配置された並列経路（第２並列経路）３７から構成されている。
【００１８】
並列経路３７には、液媒の流れ方向からみてそれぞれ低温水熱交換器３５、高温湯熱交換器３６の下流側にそれぞれ電磁弁３８，３９が介挿され、電磁弁３８，３９を開閉することにより、それぞれ低温水熱交換器３５と高温湯熱交換器３６とから室内熱交換器３４に液媒を切り換えて流入可能に構成されている。
また、各室内熱交換器３４は並列に配置され、液媒ポンプ３３と各室内熱交換器３４との間には温度式制水弁４０がそれぞれ介挿され、温度式制水弁４０は、温度式制水弁４０に流入する液媒の温度が所定温度以下に低下したときには閉弁されるように構成されている。
【００１９】
以下、このように構成された装置１の運転について説明する。
先ず、空調回路３０にて冷房運転が行われるとき、ヒートポンプ回路２では、四方弁５により室外熱交換器６を放熱器として使用する冷媒流れ（図１の矢印方向）に切り換えられ、このときには膨張機９に冷媒が流れて動力回収が行われる。
また、給湯回路２０では、電磁弁２６が閉弁されるとともに電磁弁２７が開弁され、下層部２３ａから給湯熱交換器８に流入された湯水を中層部２３ｂに流入させて給湯熱交換器８を蒸発器、換言すると吸熱器として使用する。
【００２０】
更に、空調回路３０では、電磁弁３８が開弁され、電磁弁３９が閉弁されるとともに、例えば温度式制水弁４０の一つが開弁され、低温水熱交換器３５に流入された液媒を室内熱交換器３４の一つに流入させてこの室内熱交換器３４を吸熱器として使用する。
一方、図２に示されるように、空調回路３０にて暖房運転が行われるとき、四方弁５により室外熱交換器６を蒸発器、換言すると吸熱器として使用する冷媒流れ（図２の矢印方向）に切り換えられ、このときには膨張弁１０に冷媒が流れる。
【００２１】
また、給湯回路２０では、電磁弁２６が開弁されるとともに電磁弁２７が閉弁され、下層部２３ａから給湯熱交換器８に流入された湯水を高層部２３ｃに流入させて給湯熱交換器８を放熱器として使用する。
更に、空調回路３０では、電磁弁３８が閉弁され、電磁弁３９が開弁されるとともに、温度式制水弁４０の一つが開弁され、高温湯熱交換器３６の液媒を室内熱交換器３４の一つに流入させてこの室内熱交換器３４を放熱器として使用する。
【００２２】
以上のように、本実施形態では、ヒートポンプ回路２の膨張手段７が動力回収を可能とする膨張機９と冷媒を膨張により減圧させるだけの膨張弁１０とが並列に配置された並列経路１１から構成され、冷房運転が行われるとき、ヒートポンプ回路２では、四方弁５により室外熱交換器６を放熱器として使用する冷媒流れに切り換えられ、このときには膨張機９に冷媒が流れて動力回収が行われる。これにより、冷房運転が行われ室外熱交換器６を放熱器として使用する場合にのみ、すなわち、室外熱交換器６の冷媒出口温度が高温となり膨張機９において回収できる動力が比較的大きくなる場合に、膨張機９に冷媒を流して動力回収することができるため、並列経路１１を形成するだけの簡易な構成で、装置１のＣＯＰを効果的に向上することができる。
【００２３】
また、このとき、給湯回路２０では給湯熱交換器８に流入された湯水を中層部２３ｂに流入させ、空調回路３０では低温水熱交換器３５の液媒を室内熱交換器３４に流入させて室内熱交換器３４を吸熱器として使用することにより、貯湯タンク２３の湯水の高層部２３ｃと中層部２３ｂとを利用し、更に、外気温度を利用して高層部２３ｃと中層部２３ｂとを効率的に形成し、ひいては冷媒を効率的に蒸発、または放熱させることができるため、装置１のＣＯＰをより一層向上することができる。
【００２４】
しかも、各室内熱交換器３４の手前にそれぞれ温度式制水弁４０が介挿されることにより、図１に示されるように、複数の室内熱交換器３４を同一の空調回路３０に接続し、個別の液媒温度設定で運転することができて好適である。
また、ヒートポンプ回路２と空調回路３０との間に給湯回路２０を位置づけることにより、ヒートポンプ回路２の高温、高圧となる冷媒配管を引き回すのを極力防止することもできるため、装置１の安全性を向上することができて好ましい。
【００２５】
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係る空調給湯装置にて冷房運転を行う状態を概略的に示した模式図である。
【図２】図１の空調給湯装置にて暖房運転を行う状態を概略的に示した模式図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  空調給湯装置（ヒートポンプ装置）
２  ヒートポンプ回路
３  冷媒の循環路
４  圧縮機
５  四方弁（冷媒流れ切換手段）
６  室外熱交換器
７  膨張手段
８  給湯熱交換器（第１熱交換器）
９  膨張機
１０  膨張弁
１１  並列経路
２０  給湯回路
２１  湯水の循環路
２２  水ポンプ
２３  貯湯タンク
２３ａ  下層部
２３ｂ  中層部
２３ｃ  高層部
３０  空調回路
３１  液媒の循環路
３２  湯水熱交換手段
３３  液媒ポンプ
３４  室内熱交換器
３５  低温水熱交換器
３６  高温湯熱交換器
３７  並列経路（第２並列経路）
【図１】
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【図２】
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