ヒートポンプ装置
【課題】 冷房運転時に利用側の室内熱交換器（蒸発器）で循環量の増加を図ることができ、高効率運転を行い得るヒートポンプ装置を提供する。
【解決手段】 冷房運転時に、バイパス膨張弁４３を開制御してバイパス経路を形成し、該バイパス経路において、圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄから中間圧に圧縮された冷媒の一部をバイパスし、第１内部熱交換器４１による熱交換を行い、バイパス膨張弁４３で膨張した後、接続点４３ｄで主冷媒回路に合流させる。
【解決手段】 冷房運転時に、バイパス膨張弁４３を開制御してバイパス経路を形成し、該バイパス経路において、圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄから中間圧に圧縮された冷媒の一部をバイパスし、第１内部熱交換器４１による熱交換を行い、バイパス膨張弁４３で膨張した後、接続点４３ｄで主冷媒回路に合流させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インジェクション可能な圧縮機を備えたヒートポンプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のヒートポンプ装置として、例えば特許第３８５８２７６号公報に開示の「冷凍装置」がある。これは、低騒音かつ低コストでもって過冷却回路とインジェクション回路を制御し、冷凍効率の向上を図っている。この冷凍装置では、インジェクション回路が実質的に作動停止のときに電動式膨張弁を全閉に近いわずかな開度に設定することで圧縮機の効率低下を回避し、また、該電動式膨張弁の開度を所望の開度に制御して過冷却回路による過冷却度及びインジェクション回路による注入量を所望の値に設定可能としている。さらに、暖房運転時における逆サイクルデフロスト運転の際の冷媒循環量の増大を図ることも可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３８５８２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した特許文献１に開示された技術を含めて、インジェクション可能な圧縮機を備えたヒートポンプ装置におけるインジェクション冷凍サイクルでは、暖房運転時には利用側の室内熱交換器（凝縮器）で効率良く冷媒循環量の増加を図ることができるが、冷房運転時には利用側の室内熱交換器（蒸発器）で循環量の増加を図ることができず、暖房運転時に比べて冷房運転時の性能向上に不向きであるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであって、インジェクション冷凍サイクルにおいて、冷房運転時に利用側の室内熱交換器（蒸発器）で循環量の増加を図ることができ、高効率運転を行い得るヒートポンプ装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係るヒートポンプ装置は、冷媒に熱を吸収させる蒸発器と、中間圧にインジェクション可能な圧縮機と、冷媒の熱を放熱させる凝縮器と、冷媒の圧力を下げる第１膨張弁と、が冷媒を循環させるように接続された主冷媒回路と、主冷媒回路の前記凝縮機と前記蒸発器の間と前記圧縮機の中間圧部とをつなぐバイパス経路と、前記蒸発器出口と前記圧縮機の吸入との間の主冷媒と中間圧に圧縮されたバイパス冷媒が熱交換する第１内部熱交換器と、前記バイパス経路に設けられ、前記第１内部熱交換器と主冷媒回路との間の前記バイパス経路に設けられた第２膨張弁とから構成されたインジェクション回路と、を備えるヒートポンプ装置であって、前記第１膨張弁及び前記第２膨張弁の開度を制御する制御手段を有し、利用側の熱交換器が蒸発器の時、前記インジェクション回路を用いて、前記凝縮器から前記第１膨張弁で減圧後の前記蒸発器に向かって流れる冷媒に、前記圧縮機で中間圧に圧縮された冷媒の一部をバイパスして合流させることを特徴とする。
【０００７】
また、上記発明において、四方弁を備え、前記バイパス経路に設けられ、前記第１内部熱交換器を迂回して、前記第２膨張弁から前記圧縮機に向かって冷媒を流す第１迂回回路、をさらに備え、冷房運転時に前記第１迂回回路を介さずに上記バイパスを行い、暖房運転時に、前記バイパス経路及び前記第１迂回回路を介してバイパス冷媒（インジェクション冷媒）が前記第１内部熱交換器で熱交換することなく前記圧縮機へのインジェクションを行うことを特徴とする。
【０００８】
また、上記発明において、前記凝縮器出口の主冷媒と前記第２膨張弁で減圧されたバイパス冷媒と熱交換する第２内部熱交換器と、前記バイパス経路に設けられ、前記第２内部熱交換器を迂回して、前記圧縮機から前記第１内部熱交換器に向かって冷媒を流す第２迂回回路、をさらに備え、冷房運転時に、前記バイパス経路及び前記第２迂回回路を介してバイパスを行い、暖房運転時に、前記バイパス経路を介して前記第２内部熱交換器で熱交換を行って前記圧縮機へのインジェクションを行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るヒートポンプ装置によれば、冷房運転時に、利用側である室内熱交換器（蒸発器）での冷媒循環量を増加させ、高圧側となる室外熱交換器（凝縮器）での冷媒循環量を相対的に減少させるので、高圧が抑制され、圧縮機動力を低減することができ、結果として、高い冷房効率を得ることができ、高効率運転を行い得るヒートポンプ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１に係るヒートポンプ装置の構成を説明する冷媒回路図である。
【図２】実施例１のヒートポンプ装置におけるモリエル線図である。
【図３】本発明の実施例２に係るヒートポンプ装置の構成を説明する冷媒回路図である。
【図４】本発明の実施例３に係るヒートポンプ装置の構成を説明する冷媒回路図である。
【図５】実施例３のヒートポンプ装置におけるモリエル線図である。
【図６】従来のヒートポンプ装置におけるモリエル線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る好適な実施の形態について、実施例１、実施例２、実施例３の順に図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は本発明の実施例１に係るヒートポンプ装置の構成を説明する冷媒回路図である。（冷房運転状態を示す。）同図において、本実施例のヒートポンプ装置は、主冷媒回路として、圧縮中間圧にインジェクション可能な圧縮機３１、四方弁３５、凝縮器、メイン膨張弁４２（第１膨張弁）及び蒸発器が、冷媒を循環させるように接続されている。なお、凝縮器は、冷房運転時には室外熱交換器１１が、暖房運転時には室内熱交換器２１がそれぞれ該当する。また、蒸発器は、冷房運転時には室内熱交換器２１が、暖房運転時には室外熱交換器１１がそれぞれ該当する。また、蒸発器は、四方弁３５及びアキュムレータ３２を経由して圧縮機３１の吸入側に接続されている。さらに、圧縮機３１において、図中の３１ｄが中間圧の箇所となる。
【００１３】
また、本実施例のヒートポンプ装置は、インジェクションも可能で、且つ圧縮機３１で中間圧に圧縮した冷媒の一部を主冷媒回路に向かってバイパス可能な回路として（以後、バイパス回路と呼ぶ）、バイパス経路、バイパス膨張弁４３（第２膨張弁）及び第１内部熱交換器４１を備えている。ここで、バイパス経路は、冷房運転時に、室外熱交換器１１（凝縮器）からメイン膨張弁４２で減圧されて室内熱交換器２１（蒸発器）に向かって流れる冷媒に、圧縮機３１で中間圧に圧縮された冷媒の一部をバイパスして合流させる経路であり、また暖房運転時に、室内熱交換器２１（凝縮器）からメイン膨張弁４２に向かって流れる冷媒の一部を分岐して圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄにインジェクションさせることも可能な経路である。すなわち、バイパス経路は、圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄから主冷媒回路との接続点４３ｄまでの経路が該当する。
【００１４】
また、バイパス膨張弁４３は、バイパス経路に設けられて、該バイパス経路を流れる冷媒の圧力を下げる。また、第１内部熱交換器４１は、蒸発器（室内熱交換器２１）出口と圧縮機３１の吸入との間の主冷媒と、中間圧に圧縮されたバイパス冷媒とを熱交換する。
【００１５】
さらに、本実施例のヒートポンプ装置は、メイン膨張弁４２及びバイパス膨張弁４３の開度を制御する制御手段（図示せず）を備えている。この制御手段は、圧縮機３１の回転数制御等を行う制御器に組み込まれるものであり、冷房運転時に、例えば、圧縮機３１が所定回転数に達した時点、或いは、その所定時間前または所定時間後に、バイパス膨張弁４３を開くように制御する。なお、圧縮機３１の吸入側圧力の検出は、蒸発器の中間部に温度センサを設置して該温度センサの検出温度に基づき推定するか、或いは、該当箇所に圧力センサを設置して直接検知する。
【００１６】
次に、上記構成を備えたヒートポンプ装置の基本動作について、図１及び図２を参照して説明する。ここで、図２は本実施例のヒートポンプ装置における冷房運転時のモリエル線図である。また、図１中に付記されている矢印は、冷房運転時において冷媒が流れる方向を示しており、暖房運転時にはその矢印とは逆の方向に流れることとなる。
【００１７】
冷房運転時には、四方弁３５は図１に示す接続関係にあり、バイパス膨張弁４３が開制御されており、まず、主冷媒回路では、圧縮機３１で圧縮された（図２においてＡ１−Ｃ１）冷媒が吐出され、四方弁３５を通過し、室外熱交換器１１で凝縮され（図２：Ｃ１−Ｅ１）、メイン膨張弁４２で膨張され（図２：Ｅ１−Ｆ１）、バイパス流が接続点４３ｄで合流し、室内熱交換器２１で蒸発され（図２：Ｆ１−Ｈ１）、第１内部熱交換器４１での熱交換（図２：Ｈ１−Ａ１）により過熱され、四方弁３５及びアキュムレータ３２を経て圧縮機３１の吸入側に戻る。
【００１８】
他方、バイパス回路では、圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄと主冷媒回路との接続点４３ｄとの圧力差から、バイパス経路が形成されている。バイパス経路では、圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄから中間圧に圧縮された（図２：Ａ１−Ｂ１）冷媒の一部がバイパスされ、第１内部熱交換器４１の熱交換（図２：Ｂ１−Ｄ１）により冷却され、バイパス膨張弁４３で膨張され（図２：Ｄ１−Ｆ１）、接続点４３ｄで主冷媒回路に合流する。
【００１９】
また、暖房運転時には、四方弁３５は図１とは逆の接続関係（図示せず）にあり、バイパス膨張弁４３が開制御されているとき、即ち、インジェクションしている場合、まず、主冷媒回路では、圧縮機３１で圧縮された冷媒が吐出され、四方弁３５を通過し、室内熱交換器２１で凝縮され、主冷媒の一部を接続点４３ｄでバイパス経路に分岐後、主冷媒はメイン膨張弁４２で膨張され、室外熱交換器１１で蒸発され、四方弁３５を経て第１内部熱交換器４１での熱交換により過熱され、アキュムレータ３２を経て圧縮機３１の吸入側に戻り、圧縮機３１で圧縮される。
【００２０】
他方、バイパス回路では、室内熱交換器２１で凝縮された冷媒は、接続点４３ｄでバイパス経路に分岐する。すなわち、バイパス膨張弁４３で膨張され、第１内部熱交換器４１での熱交換により冷却されて圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄにインジェクションされる。
【００２１】
ここで、本実施例と対比するために、従来のヒートポンプ装置について説明する。図６には、従来のヒートポンプ装置（特許文献１）における冷房運転時のモリエル線図を示す。（暖房時も同じモリエル線図）なお、以下の説明では、特許文献１における構成要素の名称を本実施例の呼称に置き換えて説明する。
【００２２】
この従来例において、冷房運転時に、主冷媒回路では、圧縮機３１で圧縮された（図６においてＱ８−Ｑ２）冷媒が吐出され、室外熱交換器１１で凝縮され（図６：Ｑ２−Ｑ３）、主冷媒の一部をバイパス経路に分岐後、第１内部熱交換器４１の熱交換（図６：Ｑ３−Ｑ６）により主冷媒は過冷却され、メイン膨張弁４２で膨張され（図６：Ｑ６−Ｑ７）、室内熱交換器２１で蒸発されアキュムレータ３２を経て圧縮機３１の吸入側に戻る。（図６：Ｑ７−Ｑ８）また、バイパス経路では、室外熱交換器１１（凝縮器）出口の高圧の主冷媒から分岐（図６：Ｑ３）されたバイパス冷媒は、バイパス膨張弁４３で膨張され（図６：Ｑ３−Ｑ４）、第１内部熱交換器４１の熱交換（図６：Ｑ４−Ｑ５）による加熱蒸発の後、圧縮機３１の中間圧にインジェクションされる。
【００２３】
したがって、この従来のヒートポンプ装置では、冷媒循環量の増加は、常にバイパスされた冷媒（インジェクション流ＧＩＮＪ）分であり、室外熱交換器１１側での冷媒循環量はインジェクション流ＧＩＮＪ分増加する（図６：ＧＥ＋ＧＩＮＪ）が、利用側である室内熱交換器２１では冷媒循環量は増加せず（図６：ＧＥ）、過冷却効果（図６：Ｑ３−Ｑ６）により、蒸発のエンタルピー差が増大するが、増大した部分の冷媒の乾き度が低くなり（乾き度０．０５〜０．１程度）、さらに利用側の熱交換器（室内熱交換器２１）の流量が小さく、冷媒の流速が低いので、冷媒の熱伝達率が低下し、効率良く蒸発ができない。そのため、暖房運転時に比べて冷房運転時の性能向上に不向きである。
【００２４】
これに対して、本実施例では、図２に示したように、冷媒循環量の増加はバイパスされた冷媒（バイパス流Ｇ２）分であり、利用側である室内熱交換器２１での冷媒循環量はバイパス流Ｇ２分増加し（図２：Ｇ１＋Ｇ２）、室外熱交換器１１側では冷媒循環量は増加しない（図２：Ｇ１）。また、従来例と比べて、蒸発器入口の乾き度が高く（０．２〜０．３）、且つ利用側の熱交換器の流量が増加し、冷媒の流速が増加するので、冷媒の熱伝達率が向上し、効率良く蒸発ができる。
【００２５】
通常、利用側の室内熱交換器２１は、室外熱交換器１１に比べて熱交換器サイズ（伝熱面積）と風量が小さいため、本発明のように、冷房時においても利用側での冷媒の伝熱性能を向上させた方が効率良く性能向上できる。また、逆に、冷房時に利用側でない室外熱交換器１１は、室内熱交換器２１と比べて、熱交換器サイズ（伝熱面積）も風量も格段に大きいため、流量増加による冷媒の伝熱性能向上は、利用側に比べて影響が小さく、効率の良い性能向上は期待できない。
【００２６】
なお、本発明における第１内部熱交換器４１の効果として、吸入の過熱度を確保して圧縮機３１の信頼性を向上させるとともに、増加した過熱度は凝縮側の凝縮エンタルピー差を拡大させ放熱量を増加させ、放熱効率を向上させる。これは、従来例における内部熱交換器の過冷却効果による蒸発エンタルピーの拡大に相当する。
【００２７】
以上説明したように、本実施例のヒートポンプ装置では、冷房運転時に、バイパス膨張弁４３を開制御してバイパス経路を形成し、該バイパス経路において、圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄから、中間圧に圧縮された冷媒の一部をバイパスして、第１内部熱交換器４１による熱交換を行い、バイパス膨張弁４３で膨張した後、接続点４３ｄで主冷媒回路に合流させる。これにより、利用側である室内熱交換器２１での冷媒循環量はバイパス流Ｇ２分増加し（図２：Ｇ１＋Ｇ２）、高圧側（凝縮側）となる室外熱交換器１１側での冷媒循環量（図２：Ｇ１）が相対的に減少するので、高圧が抑制され、圧縮機３１の動力を低減することができ、結果として、高い冷房効率を得ることができる。
【００２８】
さらに、第１内部熱交換器４１による熱交換により、圧縮機３１の吸入の過熱度を確保することができるので、圧縮機３１の信頼性を向上させることができる。
【実施例２】
【００２９】
次に、図３は本発明の実施例２に係るヒートポンプ装置の構成を説明する冷媒回路図である。なお、図３（ａ）では冷房運転時の冷媒の流れを矢印で示し、図３（ｂ）では暖房運転時の冷媒の流れを矢印で示す。本実施例のヒートポンプ装置は、実施例１のヒートポンプ装置の構成（図１参照）において、バイパス経路に設けられ、暖房運転時に、第１内部熱交換器４１を迂回して、バイパス膨張弁４３から圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄに向かって冷媒を流す第１迂回回路、をさらに備えた構成である。ここで、第１迂回回路は逆止弁４５及び４６を備える。これ以外の構成要素については、実施例１と同等であるので説明を省略する。
【００３０】
次に、本実施例のヒートポンプ装置の基本動作について説明する。冷房運転時には、四方弁３５は図３（ａ）に示す接続関係にあり、まず、主冷媒回路では、圧縮機３１で圧縮された冷媒が吐出され、四方弁３５を通過し、室外熱交換器１１で凝縮され、メイン膨張弁４２で膨張され、バイパス流が接続点４３ｄで合流し、室内熱交換器２１で蒸発され、第１内部熱交換器４１の熱交換により過熱され、四方弁３５及びアキュムレータ３２を経て圧縮機３１の吸入側に戻る。他方、バイパス回路では、圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄから中間圧に圧縮された冷媒の一部がバイパスされ、第１内部熱交換器４１の熱交換により冷却され、バイパス膨張弁４３で膨張された後、接続点４３ｄで主冷媒回路に合流する。
【００３１】
また、暖房運転時には、四方弁３５は図３（ｂ）に示す接続関係にあり、インジェクションを行っている場合において、まず、主冷媒回路では、圧縮機３１で圧縮された冷媒が吐出され、四方弁３５を通過し、室内熱交換器２１で凝縮され、主冷媒の一部を圧縮機３１の中間部３１ｄに向かってバイパスし（インジェクション流）、主冷媒はメイン膨張弁４２で膨張され、室外熱交換器１１で蒸発され、四方弁３５を経て第１内部熱交換器４１を通過した後、アキュムレータ３２を経て圧縮機３１の吸入側に戻り、圧縮機３１で圧縮される。他方、接続点４３ｄで分岐した冷媒は、バイパス膨張弁４３で膨張された後、第１迂回回路によって第１内部熱交換器４１による熱交換を行うことなく、圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄに液インジェクションされる。
【００３２】
ここで、本実施例は、寒冷地の低外気温時（例えば、−１０℃〜―２５℃）の暖房を特に想定しており、このような低外気温の条件で実施例１を実施した場合、第１内部熱交換器４１の熱交換の温度差が拡大するため、冷却効果が増大し、インジェクション冷媒（バイパス冷媒）が過冷却状態の完全な液となってしまう。これが、インジェクションされた場合、液圧縮を起こし圧縮機の信頼性が低下する。（通常の液インジェクション冷媒の乾き度は０．２前後である。）即ち、実施例２は、これを回避することを目的としている。
【００３３】
以上説明したように、本実施例のヒートポンプ装置では、暖房運転のインジェクション時に、接続点４３ｄで分岐した冷媒を、バイパス膨張弁４３で膨張した後、第１内部熱交換器４１による熱交換の影響を受けることなく、圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄにインジェクションするので、暖房運転時に従来と同等の液インジェクションを行うことができ、利用側となる室外熱交換器１１で冷媒循環量をバイパス流分増加することができ、暖房運転時の暖房効率を向上させつつ、特に低外気温での運転における圧縮機３１の信頼性の低下を防ぐことができる。なお、冷房運転時については、実施例１と同等の効果を奏することができる。
【実施例３】
【００３４】
次に、図４は本発明の実施例３に係るヒートポンプ装置の構成を説明する冷媒回路図である。なお、図４（ａ）では冷房運転時の冷媒の流れを矢印で示し、図４（ｂ）では暖房運転時の冷媒の流れを矢印で示す。本実施例のヒートポンプ装置は、実施例１のヒートポンプ装置の構成（図１参照）において、暖房運転時に凝縮器出口の主冷媒とバイパス回路の第２膨張弁４３で減圧されたバイパス冷媒と熱交換する第２内部熱交換器５１と、バイパス経路に設けられ、冷房運転時に第２内部熱交換器５１を迂回して、圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄから第１内部熱交換器４１に向かって冷媒を流す第２迂回回路と、をさらに備えた構成である。ここで、第２迂回回路は逆止弁５５及び５６を備える。これら以外の構成要素については、実施例１と同等であるので説明を省略する。なお、ここでは第２迂回回路として逆止弁５５及び５６を備えているが、電磁弁や三方弁を用いて迂回しても良い。
【００３５】
ここで、第２内部熱交換器５１の迂回について説明する。迂回をしない場合において、主冷媒とバイパス冷媒が一旦、熱交換した後、再び冷媒同士が合流するので、実質的に熱交換がなされていないことになる。しかし、合流の損失を考慮した場合、例えば、熱交換によって主冷媒とバイパス冷媒の乾き度が大きく異なってしまう場合や、流動様相が大きく変化してしまう場合など、の合流損失が大きくなってしまう場合において、不要な熱交換を行わない方が、より効率的な運転制御が期待できる。
【００３６】
また、上記とは逆に、主冷媒とバイパス冷媒の合流損失の影響が小さい場合は、第２迂回回路を設けない。以上、第２内部熱交換器の迂回は、冷凍機、空調機、給湯機といった、能力や使用環境条件を含めた様々な冷凍サイクルの条件に合わせて、適宜選択をする。
【００３７】
次に、本実施例のヒートポンプ装置の基本動作について説明する。冷房運転時には、四方弁３５は図４（ａ）に示す接続関係にあり、まず、主冷媒回路では、圧縮機３１で圧縮された冷媒が吐出され、室外熱交換器１１で凝縮され、メイン膨張弁４２で膨張され、第２内部熱交換器５１を殆ど熱交換することなく通過した後にバイパス流が接続点４３ｄで合流し、室内熱交換器２１で蒸発され、四方弁３５を経て第１内部熱交換器４１の熱交換により過熱され、アキュムレータ３２を経て圧縮機３１の吸入側に戻る。他方、バイパス回路では、圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄから中間圧に圧縮された冷媒の一部がバイパスされ、第２内部熱交換器５１による熱交換を行うことなく、第２迂回回路を通過した後、第１内部熱交換器４１の熱交換により冷却され、バイパス膨張弁４３で膨張された後、接続点４３ｄで主冷媒回路に合流する。
【００３８】
また、暖房運転時の基本動作について、図５を参照して説明する。ここで、図５は本実施例のヒートポンプ装置における暖房運転のインジェクション時のモリエル線図である。暖房運転時には、四方弁３５は図４（ｂ）に示す接続関係にあり、インジェクションを行っている場合において、まず、主冷媒回路では、圧縮機３１で圧縮された（図５においてＡ２−Ｂ２−Ｃ２−Ｄ２）冷媒が吐出され、四方弁３５を通過し、室内熱交換器２１で凝縮され（図５：Ｄ２−Ｅ２）、主冷媒の一部を圧縮機３１の中間部３１ｄに向かってバイパスし（図５：Ｅ２）、主冷媒は第２内部熱交換器５１の熱交換（図５：Ｅ２−Ｆ２）による過冷却の後、メイン膨張弁４２で膨張され（図５：Ｆ２−Ｌ２）、室外熱交換器１１で蒸発され（図５：Ｌ２−Ｍ２）、四方弁３５を経て第１内部熱交換器４１の熱交換（図５：Ｍ２−Ａ２）により過熱され、アキュムレータ３２を経て圧縮機３１の吸入側に戻り、圧縮機３１で圧縮される。
【００３９】
他方、バイパス回路では、接続点４３ｄで分岐（図５：Ｅ２）した冷媒は、バイパス膨張弁４３で膨張された（図５：Ｅ２−Ｈ２）後、第１内部熱交換器４１の熱交換（図５：Ｈ２−Ｊ２）により冷却された後、さらに、第２内部熱交換器５１の熱交換（図５：Ｊ２−Ｋ２）により加熱蒸発されて乾き度が大きくなった後、圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄにインジェクションされる。なお、第２内部熱交換器５１によって、実施例２で説明した（[００３２]）過冷却液をインジェクションしてしまうことを回避できるため、第１迂回回路（図３参照）が不要となっている。
【００４０】
以上説明したように、本実施例のヒートポンプ装置では、冷房運転時には、第２内部熱交換器５１による熱交換を行うことなく、実施例１と同等のバイパス経路を形成し、また、暖房運転のインジェクション時には、接続点４３ｄで分岐した冷媒を、バイパス膨張弁４３で膨張した後、第１内部熱交換器４１による熱交換、並びに、第２内部熱交換器５１による熱交換を経て、圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄにインジェクションする。すなわち、冷房及び暖房運転の両方において、利用側の熱交換器で冷媒循環量を増加することができるため、より効率の良いヒートポンプ装置が得られる。
【００４１】
暖房運転のインジェクション時には、図５に示したように、第１内部熱交換器４１による熱交換（図５：Ｈ２−Ｊ２）の分だけ、インジェクション（図５：Ｋ２）の乾き度が小さくなり、通常のガスインジェクションや高乾き度の２相インジェクションに比べて吐出温度の低減効果を高めることができる。なお、冷房運転時については、実施例１と同等の効果を奏することができる。
【００４２】
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明に係るヒートポンプ装置は、上述した実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。例えば、実施例の説明では、圧縮機３１について特に限定していないが、本発明は、ロータリ式、スクロール式またはレシプロ式など種々の圧縮機３１を持つヒートポンプ装置に適用可能である。例えば、インジェクション可能なスクロール式の圧縮機として、固定スクロールと旋回スクロールにより区画される複数の圧縮室の内、中間圧まで圧縮された冷媒がある圧縮室に冷媒を吐出できるインジェクションポートを設けたものがある。このインジェクションポートから中間圧まで圧縮された冷媒を吐出させ、主冷媒回路までバイパスすることで、冷媒循環量を増加させるようにしても良い。また、圧縮機３１は２以上の段数を持つ多段圧縮機構であっても良い。さらに、また、空調機を想定した実施例で説明したが、室内熱交換器２１を、冷媒−水熱交換器としたチラーなどであっても良く、また、冷媒についても限定されるものでなく、フロン系冷媒の他、ＣＯ２、ＨＦＯ系冷媒であっても良い。
【符号の説明】
【００４３】
１１ 室外熱交換器
２１ 室内熱交換器
３１ 圧縮機
３２ アキュムレータ
３５ 四方弁
４１ 第１内部熱交換器
４１ａ〜４１ｄ，５１ａ〜５１ｄ 出入口
４２ メイン膨張弁（第１膨張弁）
４３ バイパス膨張弁（第２膨張弁）
４５，４６，５５，５６ 逆止弁
５１ 第２内部熱交換器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インジェクション可能な圧縮機を備えたヒートポンプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のヒートポンプ装置として、例えば特許第３８５８２７６号公報に開示の「冷凍装置」がある。これは、低騒音かつ低コストでもって過冷却回路とインジェクション回路を制御し、冷凍効率の向上を図っている。この冷凍装置では、インジェクション回路が実質的に作動停止のときに電動式膨張弁を全閉に近いわずかな開度に設定することで圧縮機の効率低下を回避し、また、該電動式膨張弁の開度を所望の開度に制御して過冷却回路による過冷却度及びインジェクション回路による注入量を所望の値に設定可能としている。さらに、暖房運転時における逆サイクルデフロスト運転の際の冷媒循環量の増大を図ることも可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３８５８２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した特許文献１に開示された技術を含めて、インジェクション可能な圧縮機を備えたヒートポンプ装置におけるインジェクション冷凍サイクルでは、暖房運転時には利用側の室内熱交換器（凝縮器）で効率良く冷媒循環量の増加を図ることができるが、冷房運転時には利用側の室内熱交換器（蒸発器）で循環量の増加を図ることができず、暖房運転時に比べて冷房運転時の性能向上に不向きであるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであって、インジェクション冷凍サイクルにおいて、冷房運転時に利用側の室内熱交換器（蒸発器）で循環量の増加を図ることができ、高効率運転を行い得るヒートポンプ装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係るヒートポンプ装置は、冷媒に熱を吸収させる蒸発器と、中間圧にインジェクション可能な圧縮機と、冷媒の熱を放熱させる凝縮器と、冷媒の圧力を下げる第１膨張弁と、が冷媒を循環させるように接続された主冷媒回路と、主冷媒回路の前記凝縮機と前記蒸発器の間と前記圧縮機の中間圧部とをつなぐバイパス経路と、前記蒸発器出口と前記圧縮機の吸入との間の主冷媒と中間圧に圧縮されたバイパス冷媒が熱交換する第１内部熱交換器と、前記バイパス経路に設けられ、前記第１内部熱交換器と主冷媒回路との間の前記バイパス経路に設けられた第２膨張弁とから構成されたインジェクション回路と、を備えるヒートポンプ装置であって、前記第１膨張弁及び前記第２膨張弁の開度を制御する制御手段を有し、利用側の熱交換器が蒸発器の時、前記インジェクション回路を用いて、前記凝縮器から前記第１膨張弁で減圧後の前記蒸発器に向かって流れる冷媒に、前記圧縮機で中間圧に圧縮された冷媒の一部をバイパスして合流させることを特徴とする。
【０００７】
また、上記発明において、四方弁を備え、前記バイパス経路に設けられ、前記第１内部熱交換器を迂回して、前記第２膨張弁から前記圧縮機に向かって冷媒を流す第１迂回回路、をさらに備え、冷房運転時に前記第１迂回回路を介さずに上記バイパスを行い、暖房運転時に、前記バイパス経路及び前記第１迂回回路を介してバイパス冷媒（インジェクション冷媒）が前記第１内部熱交換器で熱交換することなく前記圧縮機へのインジェクションを行うことを特徴とする。
【０００８】
また、上記発明において、前記凝縮器出口の主冷媒と前記第２膨張弁で減圧されたバイパス冷媒と熱交換する第２内部熱交換器と、前記バイパス経路に設けられ、前記第２内部熱交換器を迂回して、前記圧縮機から前記第１内部熱交換器に向かって冷媒を流す第２迂回回路、をさらに備え、冷房運転時に、前記バイパス経路及び前記第２迂回回路を介してバイパスを行い、暖房運転時に、前記バイパス経路を介して前記第２内部熱交換器で熱交換を行って前記圧縮機へのインジェクションを行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るヒートポンプ装置によれば、冷房運転時に、利用側である室内熱交換器（蒸発器）での冷媒循環量を増加させ、高圧側となる室外熱交換器（凝縮器）での冷媒循環量を相対的に減少させるので、高圧が抑制され、圧縮機動力を低減することができ、結果として、高い冷房効率を得ることができ、高効率運転を行い得るヒートポンプ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１に係るヒートポンプ装置の構成を説明する冷媒回路図である。
【図２】実施例１のヒートポンプ装置におけるモリエル線図である。
【図３】本発明の実施例２に係るヒートポンプ装置の構成を説明する冷媒回路図である。
【図４】本発明の実施例３に係るヒートポンプ装置の構成を説明する冷媒回路図である。
【図５】実施例３のヒートポンプ装置におけるモリエル線図である。
【図６】従来のヒートポンプ装置におけるモリエル線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る好適な実施の形態について、実施例１、実施例２、実施例３の順に図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は本発明の実施例１に係るヒートポンプ装置の構成を説明する冷媒回路図である。（冷房運転状態を示す。）同図において、本実施例のヒートポンプ装置は、主冷媒回路として、圧縮中間圧にインジェクション可能な圧縮機３１、四方弁３５、凝縮器、メイン膨張弁４２（第１膨張弁）及び蒸発器が、冷媒を循環させるように接続されている。なお、凝縮器は、冷房運転時には室外熱交換器１１が、暖房運転時には室内熱交換器２１がそれぞれ該当する。また、蒸発器は、冷房運転時には室内熱交換器２１が、暖房運転時には室外熱交換器１１がそれぞれ該当する。また、蒸発器は、四方弁３５及びアキュムレータ３２を経由して圧縮機３１の吸入側に接続されている。さらに、圧縮機３１において、図中の３１ｄが中間圧の箇所となる。
【００１３】
また、本実施例のヒートポンプ装置は、インジェクションも可能で、且つ圧縮機３１で中間圧に圧縮した冷媒の一部を主冷媒回路に向かってバイパス可能な回路として（以後、バイパス回路と呼ぶ）、バイパス経路、バイパス膨張弁４３（第２膨張弁）及び第１内部熱交換器４１を備えている。ここで、バイパス経路は、冷房運転時に、室外熱交換器１１（凝縮器）からメイン膨張弁４２で減圧されて室内熱交換器２１（蒸発器）に向かって流れる冷媒に、圧縮機３１で中間圧に圧縮された冷媒の一部をバイパスして合流させる経路であり、また暖房運転時に、室内熱交換器２１（凝縮器）からメイン膨張弁４２に向かって流れる冷媒の一部を分岐して圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄにインジェクションさせることも可能な経路である。すなわち、バイパス経路は、圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄから主冷媒回路との接続点４３ｄまでの経路が該当する。
【００１４】
また、バイパス膨張弁４３は、バイパス経路に設けられて、該バイパス経路を流れる冷媒の圧力を下げる。また、第１内部熱交換器４１は、蒸発器（室内熱交換器２１）出口と圧縮機３１の吸入との間の主冷媒と、中間圧に圧縮されたバイパス冷媒とを熱交換する。
【００１５】
さらに、本実施例のヒートポンプ装置は、メイン膨張弁４２及びバイパス膨張弁４３の開度を制御する制御手段（図示せず）を備えている。この制御手段は、圧縮機３１の回転数制御等を行う制御器に組み込まれるものであり、冷房運転時に、例えば、圧縮機３１が所定回転数に達した時点、或いは、その所定時間前または所定時間後に、バイパス膨張弁４３を開くように制御する。なお、圧縮機３１の吸入側圧力の検出は、蒸発器の中間部に温度センサを設置して該温度センサの検出温度に基づき推定するか、或いは、該当箇所に圧力センサを設置して直接検知する。
【００１６】
次に、上記構成を備えたヒートポンプ装置の基本動作について、図１及び図２を参照して説明する。ここで、図２は本実施例のヒートポンプ装置における冷房運転時のモリエル線図である。また、図１中に付記されている矢印は、冷房運転時において冷媒が流れる方向を示しており、暖房運転時にはその矢印とは逆の方向に流れることとなる。
【００１７】
冷房運転時には、四方弁３５は図１に示す接続関係にあり、バイパス膨張弁４３が開制御されており、まず、主冷媒回路では、圧縮機３１で圧縮された（図２においてＡ１−Ｃ１）冷媒が吐出され、四方弁３５を通過し、室外熱交換器１１で凝縮され（図２：Ｃ１−Ｅ１）、メイン膨張弁４２で膨張され（図２：Ｅ１−Ｆ１）、バイパス流が接続点４３ｄで合流し、室内熱交換器２１で蒸発され（図２：Ｆ１−Ｈ１）、第１内部熱交換器４１での熱交換（図２：Ｈ１−Ａ１）により過熱され、四方弁３５及びアキュムレータ３２を経て圧縮機３１の吸入側に戻る。
【００１８】
他方、バイパス回路では、圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄと主冷媒回路との接続点４３ｄとの圧力差から、バイパス経路が形成されている。バイパス経路では、圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄから中間圧に圧縮された（図２：Ａ１−Ｂ１）冷媒の一部がバイパスされ、第１内部熱交換器４１の熱交換（図２：Ｂ１−Ｄ１）により冷却され、バイパス膨張弁４３で膨張され（図２：Ｄ１−Ｆ１）、接続点４３ｄで主冷媒回路に合流する。
【００１９】
また、暖房運転時には、四方弁３５は図１とは逆の接続関係（図示せず）にあり、バイパス膨張弁４３が開制御されているとき、即ち、インジェクションしている場合、まず、主冷媒回路では、圧縮機３１で圧縮された冷媒が吐出され、四方弁３５を通過し、室内熱交換器２１で凝縮され、主冷媒の一部を接続点４３ｄでバイパス経路に分岐後、主冷媒はメイン膨張弁４２で膨張され、室外熱交換器１１で蒸発され、四方弁３５を経て第１内部熱交換器４１での熱交換により過熱され、アキュムレータ３２を経て圧縮機３１の吸入側に戻り、圧縮機３１で圧縮される。
【００２０】
他方、バイパス回路では、室内熱交換器２１で凝縮された冷媒は、接続点４３ｄでバイパス経路に分岐する。すなわち、バイパス膨張弁４３で膨張され、第１内部熱交換器４１での熱交換により冷却されて圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄにインジェクションされる。
【００２１】
ここで、本実施例と対比するために、従来のヒートポンプ装置について説明する。図６には、従来のヒートポンプ装置（特許文献１）における冷房運転時のモリエル線図を示す。（暖房時も同じモリエル線図）なお、以下の説明では、特許文献１における構成要素の名称を本実施例の呼称に置き換えて説明する。
【００２２】
この従来例において、冷房運転時に、主冷媒回路では、圧縮機３１で圧縮された（図６においてＱ８−Ｑ２）冷媒が吐出され、室外熱交換器１１で凝縮され（図６：Ｑ２−Ｑ３）、主冷媒の一部をバイパス経路に分岐後、第１内部熱交換器４１の熱交換（図６：Ｑ３−Ｑ６）により主冷媒は過冷却され、メイン膨張弁４２で膨張され（図６：Ｑ６−Ｑ７）、室内熱交換器２１で蒸発されアキュムレータ３２を経て圧縮機３１の吸入側に戻る。（図６：Ｑ７−Ｑ８）また、バイパス経路では、室外熱交換器１１（凝縮器）出口の高圧の主冷媒から分岐（図６：Ｑ３）されたバイパス冷媒は、バイパス膨張弁４３で膨張され（図６：Ｑ３−Ｑ４）、第１内部熱交換器４１の熱交換（図６：Ｑ４−Ｑ５）による加熱蒸発の後、圧縮機３１の中間圧にインジェクションされる。
【００２３】
したがって、この従来のヒートポンプ装置では、冷媒循環量の増加は、常にバイパスされた冷媒（インジェクション流ＧＩＮＪ）分であり、室外熱交換器１１側での冷媒循環量はインジェクション流ＧＩＮＪ分増加する（図６：ＧＥ＋ＧＩＮＪ）が、利用側である室内熱交換器２１では冷媒循環量は増加せず（図６：ＧＥ）、過冷却効果（図６：Ｑ３−Ｑ６）により、蒸発のエンタルピー差が増大するが、増大した部分の冷媒の乾き度が低くなり（乾き度０．０５〜０．１程度）、さらに利用側の熱交換器（室内熱交換器２１）の流量が小さく、冷媒の流速が低いので、冷媒の熱伝達率が低下し、効率良く蒸発ができない。そのため、暖房運転時に比べて冷房運転時の性能向上に不向きである。
【００２４】
これに対して、本実施例では、図２に示したように、冷媒循環量の増加はバイパスされた冷媒（バイパス流Ｇ２）分であり、利用側である室内熱交換器２１での冷媒循環量はバイパス流Ｇ２分増加し（図２：Ｇ１＋Ｇ２）、室外熱交換器１１側では冷媒循環量は増加しない（図２：Ｇ１）。また、従来例と比べて、蒸発器入口の乾き度が高く（０．２〜０．３）、且つ利用側の熱交換器の流量が増加し、冷媒の流速が増加するので、冷媒の熱伝達率が向上し、効率良く蒸発ができる。
【００２５】
通常、利用側の室内熱交換器２１は、室外熱交換器１１に比べて熱交換器サイズ（伝熱面積）と風量が小さいため、本発明のように、冷房時においても利用側での冷媒の伝熱性能を向上させた方が効率良く性能向上できる。また、逆に、冷房時に利用側でない室外熱交換器１１は、室内熱交換器２１と比べて、熱交換器サイズ（伝熱面積）も風量も格段に大きいため、流量増加による冷媒の伝熱性能向上は、利用側に比べて影響が小さく、効率の良い性能向上は期待できない。
【００２６】
なお、本発明における第１内部熱交換器４１の効果として、吸入の過熱度を確保して圧縮機３１の信頼性を向上させるとともに、増加した過熱度は凝縮側の凝縮エンタルピー差を拡大させ放熱量を増加させ、放熱効率を向上させる。これは、従来例における内部熱交換器の過冷却効果による蒸発エンタルピーの拡大に相当する。
【００２７】
以上説明したように、本実施例のヒートポンプ装置では、冷房運転時に、バイパス膨張弁４３を開制御してバイパス経路を形成し、該バイパス経路において、圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄから、中間圧に圧縮された冷媒の一部をバイパスして、第１内部熱交換器４１による熱交換を行い、バイパス膨張弁４３で膨張した後、接続点４３ｄで主冷媒回路に合流させる。これにより、利用側である室内熱交換器２１での冷媒循環量はバイパス流Ｇ２分増加し（図２：Ｇ１＋Ｇ２）、高圧側（凝縮側）となる室外熱交換器１１側での冷媒循環量（図２：Ｇ１）が相対的に減少するので、高圧が抑制され、圧縮機３１の動力を低減することができ、結果として、高い冷房効率を得ることができる。
【００２８】
さらに、第１内部熱交換器４１による熱交換により、圧縮機３１の吸入の過熱度を確保することができるので、圧縮機３１の信頼性を向上させることができる。
【実施例２】
【００２９】
次に、図３は本発明の実施例２に係るヒートポンプ装置の構成を説明する冷媒回路図である。なお、図３（ａ）では冷房運転時の冷媒の流れを矢印で示し、図３（ｂ）では暖房運転時の冷媒の流れを矢印で示す。本実施例のヒートポンプ装置は、実施例１のヒートポンプ装置の構成（図１参照）において、バイパス経路に設けられ、暖房運転時に、第１内部熱交換器４１を迂回して、バイパス膨張弁４３から圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄに向かって冷媒を流す第１迂回回路、をさらに備えた構成である。ここで、第１迂回回路は逆止弁４５及び４６を備える。これ以外の構成要素については、実施例１と同等であるので説明を省略する。
【００３０】
次に、本実施例のヒートポンプ装置の基本動作について説明する。冷房運転時には、四方弁３５は図３（ａ）に示す接続関係にあり、まず、主冷媒回路では、圧縮機３１で圧縮された冷媒が吐出され、四方弁３５を通過し、室外熱交換器１１で凝縮され、メイン膨張弁４２で膨張され、バイパス流が接続点４３ｄで合流し、室内熱交換器２１で蒸発され、第１内部熱交換器４１の熱交換により過熱され、四方弁３５及びアキュムレータ３２を経て圧縮機３１の吸入側に戻る。他方、バイパス回路では、圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄから中間圧に圧縮された冷媒の一部がバイパスされ、第１内部熱交換器４１の熱交換により冷却され、バイパス膨張弁４３で膨張された後、接続点４３ｄで主冷媒回路に合流する。
【００３１】
また、暖房運転時には、四方弁３５は図３（ｂ）に示す接続関係にあり、インジェクションを行っている場合において、まず、主冷媒回路では、圧縮機３１で圧縮された冷媒が吐出され、四方弁３５を通過し、室内熱交換器２１で凝縮され、主冷媒の一部を圧縮機３１の中間部３１ｄに向かってバイパスし（インジェクション流）、主冷媒はメイン膨張弁４２で膨張され、室外熱交換器１１で蒸発され、四方弁３５を経て第１内部熱交換器４１を通過した後、アキュムレータ３２を経て圧縮機３１の吸入側に戻り、圧縮機３１で圧縮される。他方、接続点４３ｄで分岐した冷媒は、バイパス膨張弁４３で膨張された後、第１迂回回路によって第１内部熱交換器４１による熱交換を行うことなく、圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄに液インジェクションされる。
【００３２】
ここで、本実施例は、寒冷地の低外気温時（例えば、−１０℃〜―２５℃）の暖房を特に想定しており、このような低外気温の条件で実施例１を実施した場合、第１内部熱交換器４１の熱交換の温度差が拡大するため、冷却効果が増大し、インジェクション冷媒（バイパス冷媒）が過冷却状態の完全な液となってしまう。これが、インジェクションされた場合、液圧縮を起こし圧縮機の信頼性が低下する。（通常の液インジェクション冷媒の乾き度は０．２前後である。）即ち、実施例２は、これを回避することを目的としている。
【００３３】
以上説明したように、本実施例のヒートポンプ装置では、暖房運転のインジェクション時に、接続点４３ｄで分岐した冷媒を、バイパス膨張弁４３で膨張した後、第１内部熱交換器４１による熱交換の影響を受けることなく、圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄにインジェクションするので、暖房運転時に従来と同等の液インジェクションを行うことができ、利用側となる室外熱交換器１１で冷媒循環量をバイパス流分増加することができ、暖房運転時の暖房効率を向上させつつ、特に低外気温での運転における圧縮機３１の信頼性の低下を防ぐことができる。なお、冷房運転時については、実施例１と同等の効果を奏することができる。
【実施例３】
【００３４】
次に、図４は本発明の実施例３に係るヒートポンプ装置の構成を説明する冷媒回路図である。なお、図４（ａ）では冷房運転時の冷媒の流れを矢印で示し、図４（ｂ）では暖房運転時の冷媒の流れを矢印で示す。本実施例のヒートポンプ装置は、実施例１のヒートポンプ装置の構成（図１参照）において、暖房運転時に凝縮器出口の主冷媒とバイパス回路の第２膨張弁４３で減圧されたバイパス冷媒と熱交換する第２内部熱交換器５１と、バイパス経路に設けられ、冷房運転時に第２内部熱交換器５１を迂回して、圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄから第１内部熱交換器４１に向かって冷媒を流す第２迂回回路と、をさらに備えた構成である。ここで、第２迂回回路は逆止弁５５及び５６を備える。これら以外の構成要素については、実施例１と同等であるので説明を省略する。なお、ここでは第２迂回回路として逆止弁５５及び５６を備えているが、電磁弁や三方弁を用いて迂回しても良い。
【００３５】
ここで、第２内部熱交換器５１の迂回について説明する。迂回をしない場合において、主冷媒とバイパス冷媒が一旦、熱交換した後、再び冷媒同士が合流するので、実質的に熱交換がなされていないことになる。しかし、合流の損失を考慮した場合、例えば、熱交換によって主冷媒とバイパス冷媒の乾き度が大きく異なってしまう場合や、流動様相が大きく変化してしまう場合など、の合流損失が大きくなってしまう場合において、不要な熱交換を行わない方が、より効率的な運転制御が期待できる。
【００３６】
また、上記とは逆に、主冷媒とバイパス冷媒の合流損失の影響が小さい場合は、第２迂回回路を設けない。以上、第２内部熱交換器の迂回は、冷凍機、空調機、給湯機といった、能力や使用環境条件を含めた様々な冷凍サイクルの条件に合わせて、適宜選択をする。
【００３７】
次に、本実施例のヒートポンプ装置の基本動作について説明する。冷房運転時には、四方弁３５は図４（ａ）に示す接続関係にあり、まず、主冷媒回路では、圧縮機３１で圧縮された冷媒が吐出され、室外熱交換器１１で凝縮され、メイン膨張弁４２で膨張され、第２内部熱交換器５１を殆ど熱交換することなく通過した後にバイパス流が接続点４３ｄで合流し、室内熱交換器２１で蒸発され、四方弁３５を経て第１内部熱交換器４１の熱交換により過熱され、アキュムレータ３２を経て圧縮機３１の吸入側に戻る。他方、バイパス回路では、圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄから中間圧に圧縮された冷媒の一部がバイパスされ、第２内部熱交換器５１による熱交換を行うことなく、第２迂回回路を通過した後、第１内部熱交換器４１の熱交換により冷却され、バイパス膨張弁４３で膨張された後、接続点４３ｄで主冷媒回路に合流する。
【００３８】
また、暖房運転時の基本動作について、図５を参照して説明する。ここで、図５は本実施例のヒートポンプ装置における暖房運転のインジェクション時のモリエル線図である。暖房運転時には、四方弁３５は図４（ｂ）に示す接続関係にあり、インジェクションを行っている場合において、まず、主冷媒回路では、圧縮機３１で圧縮された（図５においてＡ２−Ｂ２−Ｃ２−Ｄ２）冷媒が吐出され、四方弁３５を通過し、室内熱交換器２１で凝縮され（図５：Ｄ２−Ｅ２）、主冷媒の一部を圧縮機３１の中間部３１ｄに向かってバイパスし（図５：Ｅ２）、主冷媒は第２内部熱交換器５１の熱交換（図５：Ｅ２−Ｆ２）による過冷却の後、メイン膨張弁４２で膨張され（図５：Ｆ２−Ｌ２）、室外熱交換器１１で蒸発され（図５：Ｌ２−Ｍ２）、四方弁３５を経て第１内部熱交換器４１の熱交換（図５：Ｍ２−Ａ２）により過熱され、アキュムレータ３２を経て圧縮機３１の吸入側に戻り、圧縮機３１で圧縮される。
【００３９】
他方、バイパス回路では、接続点４３ｄで分岐（図５：Ｅ２）した冷媒は、バイパス膨張弁４３で膨張された（図５：Ｅ２−Ｈ２）後、第１内部熱交換器４１の熱交換（図５：Ｈ２−Ｊ２）により冷却された後、さらに、第２内部熱交換器５１の熱交換（図５：Ｊ２−Ｋ２）により加熱蒸発されて乾き度が大きくなった後、圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄにインジェクションされる。なお、第２内部熱交換器５１によって、実施例２で説明した（[００３２]）過冷却液をインジェクションしてしまうことを回避できるため、第１迂回回路（図３参照）が不要となっている。
【００４０】
以上説明したように、本実施例のヒートポンプ装置では、冷房運転時には、第２内部熱交換器５１による熱交換を行うことなく、実施例１と同等のバイパス経路を形成し、また、暖房運転のインジェクション時には、接続点４３ｄで分岐した冷媒を、バイパス膨張弁４３で膨張した後、第１内部熱交換器４１による熱交換、並びに、第２内部熱交換器５１による熱交換を経て、圧縮機３１の中間圧の箇所３１ｄにインジェクションする。すなわち、冷房及び暖房運転の両方において、利用側の熱交換器で冷媒循環量を増加することができるため、より効率の良いヒートポンプ装置が得られる。
【００４１】
暖房運転のインジェクション時には、図５に示したように、第１内部熱交換器４１による熱交換（図５：Ｈ２−Ｊ２）の分だけ、インジェクション（図５：Ｋ２）の乾き度が小さくなり、通常のガスインジェクションや高乾き度の２相インジェクションに比べて吐出温度の低減効果を高めることができる。なお、冷房運転時については、実施例１と同等の効果を奏することができる。
【００４２】
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明に係るヒートポンプ装置は、上述した実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。例えば、実施例の説明では、圧縮機３１について特に限定していないが、本発明は、ロータリ式、スクロール式またはレシプロ式など種々の圧縮機３１を持つヒートポンプ装置に適用可能である。例えば、インジェクション可能なスクロール式の圧縮機として、固定スクロールと旋回スクロールにより区画される複数の圧縮室の内、中間圧まで圧縮された冷媒がある圧縮室に冷媒を吐出できるインジェクションポートを設けたものがある。このインジェクションポートから中間圧まで圧縮された冷媒を吐出させ、主冷媒回路までバイパスすることで、冷媒循環量を増加させるようにしても良い。また、圧縮機３１は２以上の段数を持つ多段圧縮機構であっても良い。さらに、また、空調機を想定した実施例で説明したが、室内熱交換器２１を、冷媒−水熱交換器としたチラーなどであっても良く、また、冷媒についても限定されるものでなく、フロン系冷媒の他、ＣＯ２、ＨＦＯ系冷媒であっても良い。
【符号の説明】
【００４３】
１１ 室外熱交換器
２１ 室内熱交換器
３１ 圧縮機
３２ アキュムレータ
３５ 四方弁
４１ 第１内部熱交換器
４１ａ〜４１ｄ，５１ａ〜５１ｄ 出入口
４２ メイン膨張弁（第１膨張弁）
４３ バイパス膨張弁（第２膨張弁）
４５，４６，５５，５６ 逆止弁
５１ 第２内部熱交換器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒に熱を吸収させる蒸発器と、中間圧にインジェクション可能な圧縮機と、冷媒の熱を放熱させる凝縮器と、冷媒の圧力を下げる第１膨張弁と、が冷媒を循環させるように接続された主冷媒回路と、
主冷媒回路の前記凝縮機と前記蒸発器の間と前記圧縮機の中間圧部とをつなぐバイパス経路と、前記蒸発器出口と前記圧縮機の吸入との間の主冷媒と中間圧に圧縮されたバイパス冷媒が熱交換する第１内部熱交換器と、前記バイパス経路に設けられ、前記第１内部熱交換器と主冷媒回路との間の前記バイパス経路に設けられた第２膨張弁とから構成されたインジェクション回路と、
を備えるヒートポンプ装置であって、
前記第１膨張弁及び前記第２膨張弁の開度を制御する制御手段を有し、
利用側の熱交換器が蒸発器の時、
前記インジェクション回路を用いて、前記凝縮器から前記第１膨張弁で減圧後の前記蒸発器に向かって流れる冷媒に、前記圧縮機で中間圧に圧縮された冷媒の一部をバイパスして合流させることを特徴としたヒートポンプ装置。
【請求項２】
冷媒の流路を暖房と冷房に切り替える手段を備え、前記バイパス経路に設けられ、前記第１内部熱交換器を迂回して、前記第２膨張弁から前記圧縮機に向かって冷媒を流す第１迂回回路、をさらに備え、
暖房運転時に、前記バイパス経路及び前記第１迂回回路を介して前記圧縮機へのインジェクションを行うことを特徴とした請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【請求項３】
前記凝縮器出口の主冷媒と前記第２膨張弁で減圧されたバイパス冷媒と熱交換する第２内部熱交換器と、
前記バイパス経路に設けられ、前記第２内部熱交換器を迂回して、前記圧縮機から前記第１内部熱交換器に向かって冷媒を流す第２迂回回路、をさらに備え、
冷房運転時に、前記バイパス経路及び前記第２迂回回路を介してバイパスを行い、暖房運転時に、前記バイパス経路を介して前記第２内部熱交換器で熱交換を行って前記圧縮機へのインジェクションを行うことを特徴とした請求項１または２に記載のヒートポンプ装置。
【請求項１】
冷媒に熱を吸収させる蒸発器と、中間圧にインジェクション可能な圧縮機と、冷媒の熱を放熱させる凝縮器と、冷媒の圧力を下げる第１膨張弁と、が冷媒を循環させるように接続された主冷媒回路と、
主冷媒回路の前記凝縮機と前記蒸発器の間と前記圧縮機の中間圧部とをつなぐバイパス経路と、前記蒸発器出口と前記圧縮機の吸入との間の主冷媒と中間圧に圧縮されたバイパス冷媒が熱交換する第１内部熱交換器と、前記バイパス経路に設けられ、前記第１内部熱交換器と主冷媒回路との間の前記バイパス経路に設けられた第２膨張弁とから構成されたインジェクション回路と、
を備えるヒートポンプ装置であって、
前記第１膨張弁及び前記第２膨張弁の開度を制御する制御手段を有し、
利用側の熱交換器が蒸発器の時、
前記インジェクション回路を用いて、前記凝縮器から前記第１膨張弁で減圧後の前記蒸発器に向かって流れる冷媒に、前記圧縮機で中間圧に圧縮された冷媒の一部をバイパスして合流させることを特徴としたヒートポンプ装置。
【請求項２】
冷媒の流路を暖房と冷房に切り替える手段を備え、前記バイパス経路に設けられ、前記第１内部熱交換器を迂回して、前記第２膨張弁から前記圧縮機に向かって冷媒を流す第１迂回回路、をさらに備え、
暖房運転時に、前記バイパス経路及び前記第１迂回回路を介して前記圧縮機へのインジェクションを行うことを特徴とした請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【請求項３】
前記凝縮器出口の主冷媒と前記第２膨張弁で減圧されたバイパス冷媒と熱交換する第２内部熱交換器と、
前記バイパス経路に設けられ、前記第２内部熱交換器を迂回して、前記圧縮機から前記第１内部熱交換器に向かって冷媒を流す第２迂回回路、をさらに備え、
冷房運転時に、前記バイパス経路及び前記第２迂回回路を介してバイパスを行い、暖房運転時に、前記バイパス経路を介して前記第２内部熱交換器で熱交換を行って前記圧縮機へのインジェクションを行うことを特徴とした請求項１または２に記載のヒートポンプ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２０７８４３（Ｐ２０１２−２０７８４３Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７３４３５（Ｐ２０１１−７３４３５）
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（０００００６６１１）株式会社富士通ゼネラル (1,266)
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（０００００６６１１）株式会社富士通ゼネラル (1,266)
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