JP6916716B2 - ヒートポンプ - Google Patents

Description

本発明は、冷媒回路が設けられたヒートポンプに関する。

従来から、冷媒が圧縮と膨張を繰り返して循環する冷媒回路が設けられた冷凍サイクル、即ちヒートポンプが知られている。このようなヒートポンプでは、例えば特許文献１に記載されているように、冷媒を圧縮する低段側圧縮機と、低段側圧縮機から吐出された冷媒をさらに圧縮する高段側圧縮機とによって冷媒を二段圧縮する場合がある。

そしてこのようなヒートポンプには、低段側圧縮機の上流側で冷媒を蒸発させる蒸発器が設けられている。蒸発器は例えば冷媒と、水や空気等の熱媒体との間で熱交換が行なわれる熱交換器である。

特開２０１６−９０１０２号公報

ここで特許文献１のヒートポンプでは、蒸発器からの冷媒は低段側圧縮機へ導入され、その後に高段側圧縮機に導入されるようになっている。
しかしながら、蒸発器での熱交換量は必ずしも一定ではなく、環境要因等で変動する可能性がある。このため、熱交換器から低段側圧縮機に導入される冷媒の温度は一定ではなく、低段側圧縮機に導入される冷媒が低段側圧縮機での圧縮に最適な状態とはならず、ヒートポンプ全体として効率のよい運転を行うことができない場合がある。
さらに、蒸発器からの冷媒が液相を含む場合には、低段側圧縮機及び高段側圧縮機での液圧縮の発生のリスクがあり、やはり効率のよい運転を行うことが難しい。

そこで本発明は、圧縮に最適な状態の冷媒を低段側圧縮機、及び高段側圧縮機に導入し、効率の良い運転が可能なヒートポンプを提供する。

本発明の第一の態様に係るヒートポンプは、低段側圧縮機と、前記低段側圧縮機の下流側に直列に接続された高段側圧縮機と、前記高段側圧縮機の下流側に接続された凝縮器と、前記凝縮器の下流側に接続された膨張機構と、前記膨張機構の下流側に接続された蒸発器と、前記蒸発器から前記低段側圧縮機及び前記高段側圧縮機のうちの一方に選択的に冷媒を導入可能とする切換え弁と、前記低段側圧縮機の入口に設けられて、冷媒の液相を分離して気相を前記低段側圧縮機に導入可能とする低段側気液分離器と、前記高段側圧縮機の入口に設けられて、冷媒の液相を分離して気相を前記高段側圧縮機に導入可能とする高段側気液分離器と、を備え、前記蒸発器は複数設けられ、前記切換え弁は、前記蒸発器から前記低段側圧縮機及び前記高段側圧縮機のうちの一方に選択的に冷媒を導入可能とするように、各々の前記蒸発器に対応して設けられている。

このようなヒートポンプによると、蒸発器からは、低段側圧縮機と高段側圧縮機のいずれかに選択的に冷媒を導入させることができる。よって、各蒸発器から流出した冷媒の状態に応じて、最適な圧縮が可能な圧縮機へ冷媒の導入経路を切換えることができる。
さらに、蒸発器からの冷媒が低段側圧縮機と高段側圧縮機とのいずれに導入される場合であっても、低段側圧縮機の入口で冷媒から気液分離を低段側気液分離器で行って、または高段側圧縮機の入口で冷媒から気液分離を高段側気液分離器で行ってから、気相を低段側圧縮機か、または、高段側圧縮機に導入することが可能となる。
また、このように蒸発器が複数設けられていることで、ヒートポンプは、それぞれ熱交換量や設置環境の異なる複数の熱交換器を備えるマルチソース型の冷媒回路を有している。
ここで、各々の蒸発器では熱交換量が変動して冷媒の温度が変化することで、低段側圧縮機及び高段側圧縮機に向かう冷媒の状態がこれら低段側圧縮機及び高段側圧縮機での圧縮に最適な状態ではなくなる場合がある。そこで本態様では、切換え弁によって各々の蒸発器から低段側圧縮機へ冷媒を導入するだけでなく、低段側圧縮機をバイパスして直接高段側圧縮機へ冷媒を導入させることができる。
さらに、一の蒸発器から圧縮機への冷媒の導入経路の切換えと同時に、他の蒸発器から圧縮機への冷媒の導入経路の切換えも可能である。よって、各蒸発器から流出した冷媒の状態に応じて、最適な圧縮が可能な圧縮機へ冷媒の導入経路を切換えることができる。

本発明の第二の態様に係るヒートポンプは、上記第一の態様において、前記低段側圧縮機と前記高段側圧縮機との間に段間流路をさらに備え、前記高段側気液分離器は、前記段間流路に設けられていてもよい。

このように、段間流路に高段側気液分離器が設けられていることで、蒸発器からの冷媒が低段側圧縮機を経由して高段側圧縮機に導入される場合に、冷媒の気液分離を行うことができ、高段側圧縮機での液圧縮のリスクをさらに低減することができる。

本発明の第三の態様に係るヒートポンプは、上記第一の態様において、前記蒸発器と前記高段側圧縮機との間を前記低段側圧縮機を経由せずに接続する高段流路をさらに備え、前記高段側気液分離器は、前記高段流路に設けられていてもよい。

蒸発器からの冷媒が低段側圧縮機を経由して高段側圧縮機に導入される場合には、冷媒は高段流路を流通しない。この場合には、高段流路に高段側気液分離器が設けられていることで冷媒は高段側気液分離器を通過しないことになる。よって低段側圧縮機から吐出された冷媒が高段側気液分離器を通過する場合に生じる圧力損失を回避できる。よって、ヒートポンプでのＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）、即ち運転効率の向上が可能である。

上記のヒートポンプによれば、圧縮に最適な状態の冷媒を低段側圧縮機、及び高段側圧縮機に導入し、効率の良い運転が可能となる。

本発明の第一実施形態のヒートポンプの全体構成図である。 本発明の第二実施形態のヒートポンプの全体構成図である。

以下、本発明の第一実施形態のヒートポンプ１について説明する。
図１に示すように、本実施形態に係るヒートポンプ１は、二段圧縮サイクルで運転を行う冷媒回路２を有する。冷媒回路２は、低段側圧縮機３、高段側圧縮機４、凝縮器５、膨張弁（膨張機構）６、及び蒸発器１０を有し、これらの構成要素がこの順に配管１５によって接続されている。そして冷媒回路２を例えば二酸化炭素等の冷媒Ｒが循環する。ここで冷媒Ｒは特に二酸化炭素に限定されない。

低段側圧縮機３は冷媒Ｒを吸込み、冷媒Ｒを圧縮する。低段側圧縮機３は、例えばロータリ圧縮機やスクロール圧縮機である。

高段側圧縮機４は低段側圧縮機３に直列に接続され、低段側圧縮機３から吐出された冷媒Ｒをさらに高圧に圧縮する。低段側圧縮機３と高段側圧縮機４との間の配管１５は段間流路ＣＭとなっている。高段側圧縮機４は、例えばロータリ圧縮機やスクロール圧縮機である。

凝縮器５は、高段側圧縮機４から吐出された高温高圧の冷媒Ｒと、空気や水等の熱媒体Ｒ１との間で熱交換を行い、冷媒Ｒを冷却して凝縮させる。

膨張弁６は、凝縮器５からの冷媒Ｒを断熱膨張させ、冷媒Ｒを減圧する。膨張弁６は複数（本実施形態では二つ）が、後述する第一蒸発器１１と第二蒸発器１２とに対応して、蒸発器１０の上流側（入口側）に設けられている。

蒸発器１０としては、本実施形態では第一蒸発器１１と第二蒸発器１２とが設けられている。第一蒸発器１１と第二蒸発器１２とは並列に設けられている。ただし、蒸発器１０の数量は本実施形態の場合に限定されない。

第一蒸発器１１は、膨張弁６を通過した冷媒Ｒと、熱媒体Ｒ２として例えば空気との間で熱交換を行う空気熱交換器である。

第一蒸発器１１と、低段側圧縮機３の上流側（吸い込み側）との間における配管１５は、第一流路Ｃ１となっている。第一流路Ｃ１には、冷媒Ｒの流通方向を切換え可能な第一弁部１７が設けられている。本実施形態では第一弁部１７は四方弁である。

また第一蒸発器１１と、高段側圧縮機４の上流側（高段側圧縮機４の吸い込み側であって、低段側圧縮機３の吐出側）との間における配管１５は、第二流路（高段流路）Ｃ２となっている。ここで、第一弁部１７と第一蒸発器１１との間の位置で、第一流路Ｃ１には第二弁部（切換え弁）１８が設けられている。第二流路Ｃ２は、第二弁部１８と段間流路ＣＭとを接続している。第二弁部１８は三方弁である。第二弁部１８によって、冷媒Ｒが第一流路Ｃ１の下流に向かって流通するか、第二流路Ｃ２に向かって流通するかで、冷媒Ｒの流通方向を切換え可能となっている。第二流路Ｃ２を冷媒Ｒが流通する場合には、低段側圧縮機３を冷媒Ｒは通過しない。

第二蒸発器１２は、膨張弁６を通過した冷媒Ｒと、熱媒体Ｒ３として例えば水との間で熱交換を行う水熱交換器である。

第二蒸発器１２と、低段側圧縮機３の上流側（吸い込み側）との間における配管１５は、第三流路Ｃ３となっている。具体的には第三流路Ｃ３は、第二蒸発器１２の下流側の出口と、第一弁部１７よりも上流側の位置での第一流路Ｃ１とを接続する上流側部Ｃ３ａを有している。また第三流路Ｃ３は、第一弁部１７と、低段側圧縮機３の上流側の入口とを接続する下流側部Ｃ３ｂとを有している。また上流側部Ｃ３ａには第三弁部（切換え弁）１９が設けられている。本実施形態では第二弁部１８および第三弁部１９は三方弁であるが、これに限定されず、冷媒Ｒの流れ方向を切換え可能な弁であればよい。

また第二蒸発器１２と、高段側圧縮機４の上流側の入口との間における配管１５は、第四流路（高段流路）Ｃ４となっている。第四流路Ｃ４は、第三弁部１９と第二流路Ｃ２の中途位置とを接続していることで、第二流路Ｃ２を介して第三弁部１９と段間流路ＣＭとを接続している。そして第三弁部１９によって、冷媒Ｒが上流側部Ｃ３ａの下流に向かって流通するか、第四流路Ｃ４に向かって流通するかで、冷媒Ｒの流通方向を切換え可能となっている。第四流路Ｃ４を冷媒Ｒが流通する場合には、低段側圧縮機３を冷媒Ｒは通過しない。

ここで、冷媒回路２は、さらに低段側気液分離器２１と高段側気液分離器２２とを有している。
低段側気液分離器２１はアキュムレータと呼ばれる装置であって、低段側圧縮機３の入口で、第三流路Ｃ３の下流側部Ｃ３ｂに設けられている。低段側気液分離器２１は低段側気液分離器２１の入口で、冷媒Ｒの液相を分離して気相を低段側圧縮機３に導入可能とする。低段側気液分離器２１で分離された冷媒Ｒの液相は、不図示の装置により低段側圧縮機３へ導入可能となっていてもよい。

高段側気液分離器２２は低段側気液分離器２１と同様に、アキュムレータと呼ばれる装置であって、低段側圧縮機３の出口と高段側圧縮機４の入口との間で段間流路ＣＭに設けられている。高段側気液分離器２２は冷媒Ｒの液相を分離して気相を高段側圧縮機４に導入可能とする。高段側気液分離器２２で分離された冷媒Ｒの液相は、不図示の装置により高段側圧縮機４へ導入可能となっていてもよい。

以上説明した本実施形態のヒートポンプ１によると、第一蒸発器１１及び第二蒸発器１２からは、低段側圧縮機３と高段側圧縮機４のいずれかに選択的に冷媒Ｒを導入させることができる。

具体的には、第一蒸発器１１から低段側圧縮機３に冷媒Ｒを導入する場合と、高段側圧縮機４に冷媒Ｒを導入する場合とを切換える際には、第二弁部１８を操作する。第二弁部１８の操作は不図示の制御部で行ってもよいし手動で行ってもよい。

また、第二蒸発器１２から低段側圧縮機３に冷媒Ｒを導入する場合と、高段側圧縮機４に冷媒Ｒを導入する場合とを切換える際には、第三弁部１９を操作する。第三弁部１９の操作は不図示の制御部で行ってもよいし手動で行ってもよい。

このように第一蒸発器１１及び第二蒸発器１２からの冷媒Ｒの流通経路を適宜変更できることで、各蒸発器１０から流出した冷媒Ｒの状態に応じて、低段側圧縮機３と高段側圧縮機４とのうち、最適な圧縮が可能な圧縮機へ冷媒Ｒを導入できる。

さらに、蒸発器１０（１１、１２）からの冷媒Ｒが、低段側圧縮機３と高段側圧縮機４とのいずれに導入される場合であっても、低段側気液分離器２１によって低段側圧縮機３の入口で冷媒Ｒの気液分離を行って、又は、高段側気液分離器２２によって高段側圧縮機４の入口で冷媒Ｒの気液分離を行ってから、気相を低段側圧縮機３か、又は、高段側圧縮機４に導入することが可能となる。即ち低段側圧縮機３及び高段側圧縮機４のいずれに第一蒸発器１１及び第二蒸発器１２から冷媒Ｒが導入される場合であっても、必ず冷媒Ｒの気液分離が行われる。
従って、圧縮に最適な状態の冷媒Ｒを低段側圧縮機３、高段側圧縮機４に導入し、かつ、低段側圧縮機３、高段側圧縮機４での液圧縮を回避できるため、効率の良い運転が可能となる。

さらに、本実施形態では蒸発器１０が複数設けられていることで、ヒートポンプ１は、それぞれ熱交換量や設置環境の異なる複数の熱交換器を有するマルチソース型の冷媒回路２を有している。

ここで、第一蒸発器１１及び第二蒸発器１２の各々では、熱交換量が変動して冷媒Ｒの温度が変化することで、低段側圧縮機３及び高段側圧縮機４に向かう冷媒Ｒの状態がこれら低段側圧縮機３及び高段側圧縮機４での圧縮に最適な状態ではなくなる場合がある。そこで、本実施形態では第二弁部１８及び第三弁部１９によって各々の蒸発器１０から低段側圧縮機３へ冷媒Ｒを導入するだけでなく、低段側圧縮機３をバイパスして直接に高段側圧縮機４へ冷媒Ｒを導入させることができる。よって効率の良い運転が可能となる。

さらに、第一蒸発器１１からの冷媒Ｒの流通経路の切換えと同時に、第二蒸発器１２からの冷媒Ｒの流通経路の切換えも可能である。よって、第一蒸発器１１及び第二蒸発器１２の各々から流出した冷媒Ｒの状態に応じて、低段側圧縮機３か高段側圧縮機４のうち、最適な圧縮が可能な圧縮機へ冷媒Ｒの導入経路を切換えることができる。よって運転効率の向上が可能となる。

〔第二実施形態〕
次に、図２を参照して本発明の第二実施形態のヒートポンプ１Ａについて説明する。以下に説明する第二実施形態においては、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複説明を省略する。第二実施形態では、第一実施形態とは、高段側気液分離器２２Ａの設置箇所が異なっている。

高段側気液分離器２２Ａは、高段側圧縮機４の入口で第二流路Ｃ２に設けられている。即ち第一蒸発器１１（第二蒸発器１２）から、高段側圧縮機４に低段側圧縮機３を経由せずに冷媒Ｒが導入される場合、低段側圧縮機３を経由しない冷媒Ｒと、低段側圧縮機３から吐出された冷媒Ｒとが合流する手前（上流側）で、高段側気液分離器２２Ａが設けられている。

このような本実施形態のヒートポンプ１Ａによれば、第一蒸発器１１からの冷媒Ｒが低段側圧縮機３を経由せずに高段側圧縮機４に導入される場合、高段側気液分離器２２Ａで冷媒Ｒの気液分離を行って気相を高段側圧縮機４に導入することができる。よって、高段側圧縮機４での液圧縮のリスクを低減することができる。
さらに、第二流路Ｃ２に高段側気液分離器２２Ａが設けられていることで、第一蒸発器１１、第二蒸発器１２からの冷媒Ｒが低段側圧縮機３を経由して高段側圧縮機４に導入される場合には冷媒Ｒは第二流路Ｃ２を流通しない。よってこの場合、冷媒Ｒは高段側気液分離器２２Ａを通過しないため、低段側圧縮機３から吐出された冷媒Ｒが高段側気液分離器２２Ａを通過することによる圧力損失の発生を回避できる。よって、ヒートポンプ１ＡでのＣＯＰ、即ち運転効率の向上が可能である。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。
例えば、上記の実施形態では蒸発器１０として第一蒸発器１１及び第二蒸発器１２を設けた例を説明したが、蒸発器１０の数量は上記の実施形態の場合に限定されず、一つのみが設けられていてもよいし、３つ以上が設けられていてもよい。

１、１Ａ…ヒートポンプ
２…冷媒回路
３…低段側圧縮機
４…高段側圧縮機
５…凝縮器
６…膨張弁
１０…蒸発器
１１…第一蒸発器
１２…第二蒸発器
１５…配管
１７…第一弁部
１８…第二弁部（切換え弁）
１９…第三弁部（切換え弁）
２１…低段側気液分離器
２２、２２Ａ…高段側気液分離器
Ｒ１…熱媒体
Ｒ２…熱媒体
Ｒ３…熱媒体
Ｃ１…第一流路
Ｃ２…第二流路（高段流路）
Ｃ３…第三流路
Ｃ３ａ…上流側部
Ｃ３ｂ…下流側部
Ｃ４…第四流路（高段流路）
ＣＭ…段間流路
Ｒ…冷媒

Claims (3)

1. 低段側圧縮機と、
   前記低段側圧縮機の下流側に直列に接続された高段側圧縮機と、
   前記高段側圧縮機の下流側に接続された凝縮器と、
   前記凝縮器の下流側に接続された膨張機構と、
   前記膨張機構の下流側に接続された蒸発器と、
   前記蒸発器から前記低段側圧縮機及び前記高段側圧縮機のうちの一方に選択的に冷媒を導入可能とする切換え弁と、
   前記低段側圧縮機の入口に設けられて、前記冷媒の液相を分離して気相を前記低段側圧縮機に導入可能とする低段側気液分離器と、
   前記高段側圧縮機の入口に設けられて、前記冷媒の液相を分離して気相を前記高段側圧縮機に導入可能とする高段側気液分離器と、
   を備え、
   前記蒸発器は複数設けられ、
   前記切換え弁は、前記蒸発器から前記低段側圧縮機及び前記高段側圧縮機のうちの一方に選択的に前記冷媒を導入可能とするように、各々の前記蒸発器に対応して設けられているヒートポンプ。
2. 前記低段側圧縮機と前記高段側圧縮機との間に段間流路をさらに備え、
   前記高段側気液分離器は、前記段間流路に設けられている請求項１に記載のヒートポンプ。
3. 前記蒸発器と前記高段側圧縮機との間を前記低段側圧縮機を経由せずに接続する高段流路をさらに備え、
   前記高段側気液分離器は、前記高段流路に設けられている請求項１に記載のヒートポンプ。

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