JP6406357B2 - ヒートポンプシステム - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプシステムに関する。

下記特許文献１には、１，１，２−トリフルオロエチレン（ＨＦＯ−１１２３）を含む作動媒体を用いた熱サイクルシステムが開示されている。ヒートポンプ給湯機は、レジオネラ菌を繁殖させないようにする対策として、出湯温度を６５℃以上にする運転が求められる。ＨＦＯ−１１２３の臨界温度は、５９．２℃である。ＨＦＯ−１１２３をヒートポンプ給湯機の冷媒に用いる場合、水と冷媒とを熱交換する加熱器の内部で、冷媒の状態がＨＦＯ−１１２３の臨界点またはその付近になる部分が発生する可能性がある。

国際公開第２０１２／１５７７６４号公報

ＨＦＯ−１１２３のように、炭素−炭素二重結合を有する物質の臨界点及びその付近では、当該二重結合を開裂する反応が促進される。その結果、ＨＦＯ−１１２３は、分解され、冷媒として機能しなくなる可能性がある。また、分解生成物によって冷媒回路内にスラッジが発生し、膨張弁等の詰まりを発生させる可能性がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、冷媒に含まれる炭素−炭素二重結合を有する物質の分解を抑制し、かつ、熱媒体の加熱温度を高くできるヒートポンプシステムを提供することを目的とする。

本発明のヒートポンプシステムは、炭素−炭素二重結合を有する物質を含む冷媒と、冷媒を圧縮する圧縮機と、熱媒体を送出するポンプと、圧縮機に接続され、ポンプにより送出された熱媒体と圧縮機で圧縮された冷媒とを熱交換する加熱器と、入口及び出口を有し、冷媒を減圧する減圧装置と、減圧装置に接続され、減圧装置で減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、圧縮機、減圧装置、及びポンプに接続され、圧縮機の起動後、第一運転、第二運転、及び第三運転を順に行う制御装置と、を備え、第一運転において、減圧装置の入口の冷媒の比エンタルピが、物質の臨界点の比エンタルピに比べて高いレベルに保たれ、第一運転において、圧縮機と減圧装置の入口との間の冷媒の圧力が、物質の臨界圧力に比べて低いレベルから臨界圧力に比べて高いレベルへ上昇し、第二運転において、圧縮機と減圧装置の入口との間の冷媒の圧力が、臨界圧力に比べて高いレベルに保たれ、第二運転において、減圧装置の入口の冷媒の比エンタルピが、臨界点の比エンタルピに比べて高いレベルから臨界点の比エンタルピに比べて低いレベルへ低下し、第三運転において、加熱器から流出する熱媒体の温度が、物質の臨界温度に比べて高いレベルに保たれるものである。

本発明のヒートポンプシステムによれば、冷媒に含まれる炭素−炭素二重結合を有する物質の分解を抑制し、かつ、熱媒体の加熱温度を高くすることが可能となる。

本発明の実施の形態１のヒートポンプシステムが備えるヒートポンプユニットの構成図である。 図１に示すヒートポンプユニットと、タンクユニットとを有する貯湯式給湯システムの構成図である。 圧縮機の動作が開始された場合に制御装置が行う制御動作を示すフローチャートである。 第一運転のときのヒートポンプユニットの動作を示す図である。 第一運転のときのヒートポンプユニットの冷媒回路のＰ−ｈ線図すなわちモリエル線図である。 第二運転及び第三運転のときのヒートポンプユニットの動作を示す図である。 第二運転及び第三運転のときのヒートポンプユニットの冷媒回路のＰ−ｈ線図すなわちモリエル線図である。 本発明の実施の形態１のヒートポンプユニットの変形例を示す構成図である。 圧縮機吐出圧力が超臨界となる場合の、冷媒及び水の、温度及び比エンタルピの変化を示すグラフである。 圧縮機吐出圧力が臨界圧力以下となる場合の、冷媒及び水の、温度及び比エンタルピの変化を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１のヒートポンプシステムが備えるヒートポンプユニット１の構成図である。図１に示すように、本実施の形態１のヒートポンプユニット１は、冷媒回路を備える。この冷媒回路は、圧縮機２と、加熱器３と、減圧装置５と、蒸発器６と、アキュムレータ７と、高低圧熱交換器８と、これらを接続する冷媒配管１０とを含む。ヒートポンプユニット１の冷媒回路は、さらに、高低圧熱交換器８の低圧部８２をバイパスするバイパス通路１１と、バイパス通路１１を開閉するバイパス弁１３とを含む。ヒートポンプユニット１は、冷媒回路に封入された冷媒を有する。図示の構成に代えて、バイパス通路１１は、高低圧熱交換器８の高圧部８１をバイパスするように設けられても良い。

ヒートポンプユニット１は、さらに、熱媒体管９と、蒸発器６に送風する送風機１２と、第一冷媒温度センサ１４と、冷媒圧力センサ１５と、第二冷媒温度センサ１６と、制御装置５０とを備える。ヒートポンプユニット１が加熱する流体である熱媒体は、熱媒体管９を流れる。熱媒体管９は、入口９１及び出口９２を有する。本実施の形態１では熱媒体は水である。本発明における熱媒体は、不凍液、ブラインなど、水以外の液体でも良い。本実施の形態１のヒートポンプユニット１は、給湯装置として用いられる。本発明におけるヒートポンプシステムは、給湯以外の用途（例えば暖房など）に用いる熱媒体を加熱するものにも適用可能である。

圧縮機２は、吸入した低圧の冷媒ガスを圧縮し、高圧の冷媒ガスを吐出する。加熱器３は、熱媒体と、圧縮機２で圧縮された高圧の冷媒とを熱交換させる熱交換器である。加熱器３は、冷媒流路３１及び熱媒体流路３２を有する。熱媒体管９は、入口９１から流入した熱媒体を加熱器３の熱媒体流路３２の入口へ導き、熱媒体流路３２の出口から出た熱媒体を出口９２へ導く。加熱器３内では熱媒体と冷媒とが対向流となる。

高低圧熱交換器８は、高圧部８１及び低圧部８２を有する。加熱器３の冷媒流路３１を通過した高圧冷媒は、高低圧熱交換器８の高圧部８１に流入する。減圧装置５は、開度が可変である。減圧装置５として、例えば膨張弁を用いることができる。減圧装置５の入口は、高低圧熱交換器８の高圧部８１の出口に接続される。減圧装置５の出口は、蒸発器６の入口に接続される。高低圧熱交換器８の高圧部８１を通過した高圧冷媒は、減圧装置５を通過することで膨張して減圧し、低圧冷媒となる。この低圧冷媒は、蒸発器６に流入する。バイパス弁１３が閉じている場合には、蒸発器６を通過した低圧冷媒は、高低圧熱交換器８の低圧部８２に流入する。

蒸発器６は、冷媒と空気とを熱交換させる熱交換器である。蒸発器６は、送風機１２によって送風された外気の熱を冷媒に吸収させる。本発明では、蒸発器６で冷媒と熱交換する流体は、空気に限定されるものではなく、例えば、地下水、太陽熱温水、排水などでも良い。本実施の形態１では、送風機１２が、蒸発器６で冷媒と熱交換する流体の流量を調整する流量調整部に相当する。

高低圧熱交換器８は、熱媒体と熱交換した後の高圧冷媒と、蒸発器６を通過した低圧冷媒とを熱交換させる。高低圧熱交換器８の低圧部８２を通過した低圧冷媒は、アキュムレータ７に流入する。バイパス弁１３が開いている場合には、蒸発器６から低圧冷媒がバイパス通路１１を通ってアキュムレータ７に流入する。アキュムレータ７に流入した冷媒のうち、冷媒液はアキュムレータ７に貯留され、冷媒ガスはアキュムレータ７を出て圧縮機２に吸入される。このようにして、アキュムレータ７は、冷媒回路内の余剰の冷媒液を貯留する。

以上説明した冷媒回路において、圧縮機２の出口と減圧装置５の入口との間の区間を「高圧側」と称し、減圧装置５の出口と圧縮機２の入口との間の区間を「低圧側」と称する。また、高圧側の冷媒の圧力を「高圧側圧力」と称し、低圧側の冷媒の圧力を「低圧側圧力」と称する。

第一冷媒温度センサ１４は、圧縮機２から吐出される冷媒の温度を検知する。圧縮機２から吐出される冷媒の温度、すなわち圧縮機２で圧縮された後の冷媒の温度を以下「圧縮機吐出温度」と称する。冷媒圧力センサ１５は、圧縮機２から吐出される冷媒の圧力を検知する。圧縮機２から吐出される冷媒の圧力、すなわち圧縮機２で圧縮された後の冷媒の圧力を以下「圧縮機吐出圧力」と称する。第二冷媒温度センサ１６は、加熱器３の冷媒流路３１の出口の高圧冷媒の温度を検知する。高圧側圧力は、圧縮機吐出圧力にほぼ等しいとみなせる。

制御装置５０は、ＣＰＵ（セントラルプロセッシングユニット）５０ａ、記憶部５０ｂ、及び入出力インターフェース５０ｃを備える。記憶部５０ｂは、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、及び不揮発性メモリ等を含む。記憶部５０ｂは、制御プログラム、データ等を記憶する。入出力インターフェース５０ｃは、ＣＰＵ５０ａに対して外部の信号を入出力する。ヒートポンプユニット１が備えるアクチュエータ類及びセンサ類は、制御装置５０に電気的に接続される。制御装置５０は、記憶部５０ｂに記憶された制御プログラムをＣＰＵ５０ａが実行することで、ヒートポンプユニット１の動作を制御する。

制御装置５０は、減圧装置５の開度を制御できる。制御装置５０は、圧縮機２の容量を制御できる。圧縮機２の容量は、圧縮機２が単位時間当たりに送り出す冷媒の量である。制御装置５０は、圧縮機２の回転速度を例えばインバータ制御により変化させることで、圧縮機２の容量を制御できる。制御装置５０は、後述する水ポンプ２２の動作を制御することで、加熱器３の熱媒体流路３２の熱媒体（水）の流量を制御できる。制御装置５０は、水ポンプ２２の回転速度を例えばインバータ制御により変化させることで、加熱器３の熱媒体流路３２の水の流量を制御できる。

加熱器３の熱媒体流路３２から流出する熱媒体（水）の温度を以下「熱媒体加熱温度」と称する。加熱器３の水流量が増加すると、熱媒体加熱温度が低下する。加熱器３の水流量が低下すると、熱媒体加熱温度が上昇する。制御装置５０は、加熱器３の水流量を調整することで、熱媒体加熱温度が目標温度に一致するように制御できる。ヒートポンプユニット１の定常運転（後述する第三運転）のときの熱媒体加熱温度の目標温度は、６５℃、またはそれより高いことが望ましい。これにより、後述する貯湯タンク２１に貯える湯の温度を６５℃以上にできるので、レジオネラ菌の繁殖を確実に抑制できる。

ヒートポンプユニット１の冷媒は、炭素−炭素二重結合を有する物質を含む。当該物質を以下「第一物質」と称する。第一物質の臨界温度は、ヒートポンプユニット１の定常運転（第三運転）のときの熱媒体加熱温度に比べて低い温度である。本実施の形態１では、第一物質として、１，１，２−トリフルオロエチレンを用いる。以下では、１，１，２−トリフルオロエチレンをＨＦＯ−１１２３と記す。ＨＦＯ−１１２３の臨界温度は、５９．２℃である。本実施の形態１のヒートポンプシステムは、炭素−炭素二重結合を有し、地球温暖化係数（ＧＷＰ）の低い第一物質を冷媒に用いることで、地球温暖化の抑制に寄与する。

ヒートポンプユニット１の冷媒は、第一物質以外の物質をさらに含む混合冷媒でも良いし、第一物質のみで構成される単一冷媒でも良い。ヒートポンプユニット１が混合冷媒を用いる場合、第一物質の濃度の割合が６０ｍａｓｓ％以上であることが好ましい。ヒートポンプユニット１の冷媒は、第一物質及び第二物質を含む混合冷媒でも良い。第二物質の臨界温度は、ヒートポンプユニット１の定常運転（第三運転）のときの熱媒体加熱温度に比べて高いことが望ましい。第二物質の沸点は、第一物質の沸点より高いことが望ましい。第二物質としては、例えば、２，３，３，３−テトラフロオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｙｆ）が好適である。ＨＦＯ−１２３４ｙｆの臨界温度は、９５℃である。ＨＦＯ−１２３４ｙｆは、炭素−炭素二重結合を有する。炭素−炭素二重結合を有する物質を第二物質に用いることで、第二物質を含む混合冷媒を用いる場合にも、地球温暖化への影響をさらに抑制できる。

図２は、図１に示すヒートポンプユニット１と、タンクユニット２０とを有する貯湯式給湯システムの構成図である。図２に示すように、タンクユニット２０は、貯湯タンク２１及び水ポンプ２２を内蔵する。ヒートポンプユニット１と、貯湯タンク２１との間は、水路２３，２４を介して接続される。また、ヒートポンプユニット１と、タンクユニット２０との間は、図示しない電気配線を介して接続される。水路２３の一端は、ヒートポンプユニット１の熱媒体管９の入口９１に接続されている。水路２３の他端は、タンクユニット２０内で貯湯タンク２１の下部に接続されている。タンクユニット２０内の水路２３の途中に水ポンプ２２が設置されている。水路２４の一端は、ヒートポンプユニット１の熱媒体管９の出口９２に接続されている。水路２４の他端は、タンクユニット２０内で貯湯タンク２１の上部に接続されている。本発明では、図示の構成に代えて、水ポンプ２２をヒートポンプユニット１に内蔵してもよい。本発明では、図示の構成に代えて、ヒートポンプユニット１及びタンクユニット２０を一体化しても良い。

タンクユニット２０の貯湯タンク２１の下部には、給水管２５がさらに接続されている。水道等の外部の水源から供給される水が、給水管２５を通って、貯湯タンク２１内に流入し、貯留される。貯湯タンク２１内は、給水管２５から水が流入することにより、常に満水状態に保たれる。タンクユニット２０内には、さらに、混合弁２６が設けられている。混合弁２６は、出湯管２７を介して、貯湯タンク２１の上部と接続されている。また、混合弁２６には、給水管２５から分岐した給水分岐管２８が接続されている。混合弁２６には、給湯管２９の一端がさらに接続されている。給湯管２９の他端は、図示を省略するが、例えば蛇口、シャワー、浴槽等の給湯端末に接続される。

貯湯タンク２１の蓄熱量を増加させる蓄熱運転を実施する場合には、制御装置５０は、圧縮機２及び水ポンプ２２を動作させる。蓄熱運転では、貯湯タンク２１内に貯留された水が、水ポンプ２２により、水路２３を通ってヒートポンプユニット１に送られ、ヒートポンプユニット１の加熱器３で加熱されて、高温の湯になる。この高温の湯が、水路２４を通ってタンクユニット２０に戻り、上部から貯湯タンク２１内に流入する。このような蓄熱運転により、貯湯タンク２１内には、上側が高温、下側が低温となる温度成層を形成して、湯が貯えられる。蓄熱運転において、制御装置５０は、加熱器３の水流量を調整することで、熱媒体加熱温度が目標温度に一致するように制御できる。

貯湯タンク２１の表面には、複数の温度センサが、鉛直方向に間隔をあけて、取り付けられている。制御装置５０は、これらの温度センサにより、貯湯タンク２１内の鉛直方向の温度分布を検知することで、貯湯タンク２１内の貯湯量、蓄熱量、残湯量等を算出できる。制御装置５０は、貯湯タンク２１内の貯湯量、蓄熱量、または残湯量に基づいて、蓄熱運転の開始及び停止のタイミングなどを制御する。

給湯管２９から給湯端末に給湯する際には、貯湯タンク２１内の高温湯が出湯管２７を通って混合弁２６に供給されるとともに、低温水が給水分岐管２８を通って混合弁２６に供給される。この高温湯及び低温水が混合弁２６で混合された上で、給湯管２９を通って給湯端末に供給される。制御装置５０は、高温湯と低温水との混合比を混合弁２６で調節することで、給湯管２９への給湯温度を制御できる。

図３は、圧縮機２の動作が開始された場合に制御装置５０が行う制御動作を示すフローチャートである。図３に示すように、制御装置５０は、圧縮機２の動作が開始された場合、まず、第一運転を行う（ステップＳ１）。制御装置５０は、第一運転の終了後、第二運転を行う（ステップＳ２）。制御装置５０は、第二運転の終了後、第三運転を行う（ステップＳ３）。第三運転は、定常運転に相当する。制御装置５０は、第三運転から、冷媒回路の運転を停止する場合には、圧縮機２を停止する前に、第四運転を行う（ステップＳ４）。

（第一運転）
図４は、第一運転のときのヒートポンプユニット１の動作を示す図である。第一運転のとき、制御装置５０は、以下のように制御する。
（１）バイパス弁１３は全開にされる。これにより、冷媒は、バイパス通路１１を通り、高低圧熱交換器８の低圧部８２をバイパスする。
（２）加熱器３の水流量は、第三運転のときの加熱器３の水流量に比べて、低くされる。好ましくは、水ポンプ２２は、停止状態にされるか、または最低回転速度で駆動される。好ましくは、加熱器３の水流量は、ゼロまたは最低流量とされる。
（３）減圧装置５の開度は、第二運転及び第三運転のときの減圧装置５の開度に比べて、大きくされる。
（４）圧縮機吐出温度は、第二運転及び第三運転のときの圧縮機吐出温度に比べて、低くされる。
（５）圧縮機２の容量は、第二運転及び第三運転のときの圧縮機２の容量に比べて、低くされる。

高低圧熱交換器８の低圧部８２を経由する流路は、バイパス通路１１より長く、流体が受ける抵抗が大きい。そのため、バイパス弁１３が全開のときには、蒸発器６を出た冷媒のほとんどは、高低圧熱交換器８の低圧部８２を経由せず、バイパス通路１１を通る。以下の説明では、便宜上、第一運転のときに、蒸発器６を出た冷媒がすべてバイパス通路１１を通るとみなす。

図５は、第一運転のときのヒートポンプユニット１の冷媒回路のＰ−ｈ線図すなわちモリエル線図である。図５中の曲線は、第一物質の飽和蒸気線及び飽和液線である。冷媒の状態が第一物質の臨界点及びその付近にある場合、第一物質が化学的に反応し易くなり、第一物質の二重結合が開裂し易くなり、第一物質が分解され易くなる。第一物質の分解を防止するため、図５に示すように、第一物質の臨界点及びその付近を運転禁止領域とする。本実施の形態１のヒートポンプシステムは、冷媒が運転禁止領域の状態をできるだけ通過しないように運転することで、第一物質の分解を抑制できる。

図５中のＡからＧは、図４中のＡからＧの位置での冷媒の圧力及び比エンタルピに対応する。Ａ１，Ｂ１，及びＣ１は、圧縮機２の動作開始直後の状態を示す。Ａ２，Ｂ２，及びＣ２は、第一運転の終了時の状態を示す。以下、図５を参照して、第一運転のときの冷媒の圧力及び比エンタルピの変化について説明する。

圧縮機２で冷媒が圧縮されることで、冷媒の状態は、点Ｇから点Ａへ変化する。加熱器３で冷媒が冷却されることで、冷媒の状態は、点Ａから点Ｂへ変化する。加熱器３の水流量がゼロまたは低くなっているので、点Ａと点Ｂとの比エンタルピの差は第三運転に比べて小さい。蒸発器６を出た冷媒が高低圧熱交換器８の低圧部８２を通らないので、高低圧熱交換器８で熱交換がされない。そのため、高低圧熱交換器８の高圧部８１を通過した冷媒（点Ｃ）の状態は、実質的に点Ｂと同じである。減圧装置５を通過して膨張することで、冷媒の状態は、点Ｃから点Ｄへ変化する。減圧装置５を通過した冷媒の状態（点Ｄ）は、気液二相状態である。蒸発器６で外気に加熱されることで、冷媒の状態は、点Ｄから点Ｅへ変化する。蒸発器６の出口の冷媒の状態（点Ｅ）は、気液二相状態または飽和ガス状態である。蒸発器６を出た冷媒は、高低圧熱交換器８の低圧部８２を通らず、そのままバイパス通路１１を通ってアキュムレータ７に流入する。このため、点Ｅ及び点Ｆの冷媒の状態は、実質的に点Ｇと同じである。アキュムレータ７では、冷媒の気液が分離され、主に冷媒ガスが圧縮機２に吸入される（点Ｇ）。

第一運転では、減圧装置５の開度が第三運転のときの減圧装置５の開度に比べて大きいことから、蒸発器６の出口の冷媒が気液二相状態になり易い。そのため、アキュムレータ７に冷媒液が溜まり易い。第一運転のときの減圧装置５の入口の冷媒の密度は、第三運転のときの減圧装置５の入口の冷媒の密度に比べて小さい。減圧装置５の開度を大きくすることで、冷媒の密度が小さくても、冷媒が流れ易くなる。

第一運転では、アキュムレータ７の冷媒貯留量（アキュムレータ７内の液面の高さ）に応じて、圧縮機２に吸入される冷媒の状態が、飽和ガス状態ではなく、少し湿った湿り蒸気の状態になる。そのため、冷媒液がアキュムレータ７に多く溜まると、圧縮機吐出温度が低下する。第一運転のとき、制御装置５０は、第一冷媒温度センサ１４で検知される圧縮機吐出温度が、第三運転のときの圧縮機吐出温度に比べて、少し低くなるように減圧装置５の開度を制御することが望ましい。これにより、アキュムレータ７から冷媒液がオーバーフローせず、アキュムレータ７の液面高さを適正に制御できる。

第一運転では、加熱器３の水流量がゼロまたは低いので、加熱器３での冷媒の冷却量が第三運転に比べて小さくなる。そのため、減圧装置５の入口の冷媒の比エンタルピが、第一物質の臨界点の比エンタルピに比べて高くなる。第一運転中、減圧装置５の入口の冷媒の比エンタルピが、第一物質の臨界点の比エンタルピに比べて高いレベルに保たれることで、第一物質の臨界点及びその付近の運転禁止領域を冷媒が通過することを確実に防止できる。このため、第一物質の分解を抑制できる。第一運転では、アキュムレータ７の冷媒貯留量を第三運転のときより多くすることで、第一物質の臨界点より比エンタルピが高い側（ガス側）での運転が可能となる。

第一運転のとき、制御装置５０は、蒸発器６を通過する空気の流量が第三運転のときに蒸発器６を通過する空気の流量に比べて低くなるように、送風機１２を制御することが望ましい。これにより、蒸発器６の出口の冷媒が気液二相状態になり易く、アキュムレータ７に冷媒液が溜まり易くなる。

制御装置５０は、第二冷媒温度センサ１６で検知される加熱器３の冷媒流路３１の出口の冷媒の温度と、冷媒圧力センサ１５で検知される圧縮機吐出圧力（高圧側圧力）とに基づいて、加熱器３の冷媒流路３１の出口の冷媒の比エンタルピを計算できる。第一運転のとき、制御装置５０は、加熱器３の冷媒流路３１の出口の冷媒の比エンタルピの計算値が、第一物質の臨界点の比エンタルピに比べて高くなるように、水ポンプ２２の動作を制御し、加熱器３の水流量を調整しても良い。これにより、減圧装置５の入口の冷媒の比エンタルピを、第一物質の臨界点の比エンタルピに比べて高いレベルに、より確実に保つことができる。

第一運転の開始時の高圧側圧力（点Ａ１，Ｂ１，Ｃ１）は、第一物質の臨界圧力に比べて低いレベルにある。第一運転の終了時の高圧側圧力（点Ａ２，Ｂ２，Ｃ２）は、第一物質の臨界圧力に比べて高いレベルにある。第一運転の間に、高圧側圧力は、第一物質の臨界圧力に比べて低いレベル（点Ａ１，Ｂ１，Ｃ１）から、第一物質の臨界圧力に比べて高いレベル（点Ａ２，Ｂ２，Ｃ２）へ上昇する。制御装置５０は、冷媒圧力センサ１５で検知される圧縮機吐出圧力が、第一物質の臨界圧力に比べて十分に高くなったとき、第一運転を終了し、第二運転へ移行する。

図６は、第二運転及び第三運転のときのヒートポンプユニット１の動作を示す図である。図７は、第二運転及び第三運転のときのヒートポンプユニット１の冷媒回路のＰ−ｈ線図すなわちモリエル線図である。図７中の曲線は、第一物質の飽和蒸気線及び飽和液線である。図７中のＡからＧは、図６中のＡからＧの位置での冷媒の圧力及び比エンタルピに対応する。Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２，Ｆ２，Ｇ２は、第二運転の開始時の状態を示す。Ａ３，Ｂ３，Ｃ３，Ｄ３，Ｆ３，Ｇ３は、第二運転の終了時及び第三運転中の状態を示す。

（第二運転）
第二運転のとき、制御装置５０は、以下のように制御する。
（１）バイパス弁１３は全閉にされる。これにより、冷媒は、バイパス通路１１を通らず、高低圧熱交換器８の低圧部８２を通る。
（２）水ポンプ２２の回転速度を徐々に速くすることで、加熱器３の水流量を連続的または段階的に高くする。加熱器３の水流量を徐々に高くすることで、高圧側圧力を、第一物質の臨界圧力に比べて高いレベルに保てる。
（３）減圧装置５の開度は、第一運転のときの減圧装置５の開度に比べて、小さくされる。
（４）圧縮機吐出温度は、第一運転のときの圧縮機吐出温度に比べて、高くされる。
（５）圧縮機２の容量は、第一運転のときの圧縮機２の容量に比べて、高くされる。

第二運転では、アキュムレータ７に溜められた冷媒が高圧側へ移動する。第二運転では、減圧装置５の開度を第一運転のときの開度に比べて小さくすることで、蒸発器６の出口の冷媒の状態が過熱蒸気になる。第二運転では、圧縮機２の容量を第一運転のときより高くすることで、アキュムレータ７に溜められた冷媒の高圧側への移動が促進される。第二運転では、高低圧熱交換器８で、高圧部８１を流れる冷媒と低圧部８２を流れる冷媒とを熱交換することで、高圧の過剰な上昇を抑制できる。第二運転では、加熱器３の冷媒流路３１の出口の冷媒が高低圧熱交換器８で冷却される。

第二運転の開始時から終了時までの間に、冷媒回路の状態は、以下のように変化する。
（１）圧縮機２に吸入される冷媒の状態が点Ｇ２から点Ｇ３へ変化する。圧縮機２に吸入される前に冷媒が高低圧熱交換器８で加熱されることで、圧縮機２に吸入される冷媒の比エンタルピが上昇する。
（２）圧縮機２から吐出される冷媒の状態が点Ａ２から点Ａ３へ変化する。圧縮機２に吸入される冷媒の比エンタルピが上昇することで、圧縮機２から吐出される冷媒の比エンタルピが上昇する。
（３）減圧装置５の入口の冷媒の比エンタルピが、第一物質の臨界点の比エンタルピに比べて高いレベル（点Ｃ２）から、第一物質の臨界点の比エンタルピに比べて低いレベル（点Ｃ３）へ低下する。加熱器３の水流量が増加し、加熱器３での冷媒の冷却量が増加することで、減圧装置５の入口の冷媒の比エンタルピが低下する。減圧装置５の入口の冷媒の状態が点Ｂ２から点Ｂ３へ変化する間、高圧側圧力が第一物質の臨界圧力に比べて高いレベルに保たれることで、高圧側の冷媒が、第一物質の臨界点及びその付近の運転禁止領域を通過することがない。このため、第一物質の分解を抑制できる。減圧装置５の入口の冷媒の比エンタルピが、第一物質の臨界点の比エンタルピに等しい値を通過するとき、減圧装置５で膨張する過程の冷媒が運転禁止領域を通過する。しかしながら、このときに運転禁止領域を通過する冷媒は、減圧装置５内部の、ごく僅かな容積の冷媒に過ぎないので、その影響は少ない。

（第三運転）
第三運転のとき、制御装置５０は、各機器を以下のように制御する。
（１）バイパス弁１３は全閉にされる。これにより、冷媒は、バイパス通路１１を通らず、高低圧熱交換器８の低圧部８２を通る。
（２）熱媒体加熱温度が目標温度（例えば６５℃）になるように、加熱器３の水流量が制御される。熱媒体加熱温度が目標温度を超えている場合には、水ポンプ２２の回転速度が速くなるように補正される。熱媒体加熱温度が目標温度に満たない場合には、水ポンプ２２の回転速度が遅くなるように補正される。
（３）減圧装置５の開度は、第一運転のときの減圧装置５の開度に比べて、小さくされる。
（４）圧縮機吐出温度は、第一運転のときの圧縮機吐出温度に比べて、高くされる。
（５）圧縮機２の容量は、第一運転のときの圧縮機２の容量に比べて、高くされる。圧縮機吐出圧力が第一物質の臨界圧力を超える圧力になるように、圧縮機２の容量が調整される。

以下、第三運転のときの冷媒の圧力及び比エンタルピの変化について説明する。加熱器３の冷媒流路３１の出口の冷媒は、高低圧熱交換器８で冷却されることで、点Ｂ３から点Ｃ３へ変化する。減圧装置５を通過して膨張することで、冷媒の状態は、点Ｃ３から点Ｄ３へ変化する。減圧装置５を通過した冷媒の状態は、低圧の気液二相の状態である。蒸発器６で外気に加熱されることで、冷媒の状態は、点Ｄ３から点Ｅへ変化する。蒸発器６の出口の冷媒の状態（点Ｅ）は、気液二相、飽和ガス、または過熱蒸気である。蒸発器６を出た冷媒は、高低圧熱交換器８でさらに加熱されることで、点Ｅの状態から点Ｆ３の状態へ変化する。点Ｆ３の状態は、過熱蒸気である。この過熱蒸気の冷媒が、アキュムレータ７を経由して、圧縮機２に吸入される。よって、アキュムレータ７に冷媒液は溜まらない。

制御装置５０は、第一冷媒温度センサ１４で検知される圧縮機吐出温度に基づいて、圧縮機２に吸入される冷媒の状態を推定できる。制御装置５０は、そのようにして推定された圧縮機２に吸入される冷媒の状態が、過熱蒸気になるように、減圧装置５の開度を調整しても良い。

（第四運転）
第三運転をしている状態から、ヒートポンプユニット１の冷媒回路を停止させる場合には、制御装置５０は、第四運転を行う。第四運転のとき、以下のように制御する。
（１）バイパス弁１３は全開にされる。これにより、冷媒は、バイパス通路１１を通り、高低圧熱交換器８の低圧部８２をバイパスする。
（２）水ポンプ２２の回転速度を徐々に遅くすることで、加熱器３の水流量を徐々に低下させる。
（３）減圧装置５の開度は、第二運転及び第三運転のときの減圧装置５の開度に比べて、大きくされる。
（４）圧縮機吐出温度は、第二運転及び第三運転のときの圧縮機吐出温度に比べて、低くされる。
（５）圧縮機２の容量は、第二運転及び第三運転のときの圧縮機２の容量に比べて、低くされる。

第四運転の開始時から終了時までの間に、減圧装置５の入口の冷媒の比エンタルピが上昇する。加熱器３の水流量が低下し、加熱器３での冷媒の冷却量が減少することで、減圧装置５の入口の冷媒の比エンタルピが上昇する。第四運転の終了時に、減圧装置５の入口の冷媒の比エンタルピは、第一物質の臨界点の比エンタルピに比べて高いレベルとなる。第四運転の間、高圧側圧力は、第一物質の臨界圧力に比べて高いレベルに保たれる。第四運転の間、アキュムレータ７に冷媒液が徐々に溜まっていく。制御装置５０は、加熱器３の冷媒流路３１の出口の冷媒の比エンタルピが第一物質の臨界点の比エンタルピに比べて高いレベルになった場合、圧縮機２を停止する。第四運転の終了時には、アキュムレータ７の冷媒貯留量は十分に多くなっている。このような第四運転を行うことで、冷媒回路を停止させる場合に、第一物質の臨界点及びその付近の運転禁止領域を冷媒が通過することを抑制でき、第一物質の分解を抑制できる。

図８は、本発明の実施の形態１のヒートポンプユニットの変形例を示す構成図である。図８に示す変形例のヒートポンプユニット１αの説明において、既に説明した部分と同一の部分または相当する部分については、同一符号を付し説明を省略する。図８に示すように、変形例のヒートポンプユニット１αの冷媒回路は、加熱器３の冷媒流路３１をバイパスする加熱器バイパス通路１７と、加熱器バイパス通路１７を開閉する加熱器バイパス弁１８とをさらに備える。第一運転及び第四運転のとき、制御装置５０は、加熱器バイパス弁１８を開く。制御装置５０は、加熱器バイパス弁１８の開度を調整することで、加熱器３の冷媒流路３１を流れる冷媒の流量を調整できる。第一運転及び第四運転のとき、制御装置５０は、加熱器３の冷媒流路３１の出口の冷媒の比エンタルピが、第一物質の臨界点の比エンタルピに比べて高くなるように、加熱器３の冷媒流路３１を流れる冷媒の流量を制御する。変形例のヒートポンプユニット１αによれば、第一運転及び第四運転のときに、熱媒体加熱温度の過度の上昇をより確実に防ぐことができる。

図９は、圧縮機吐出圧力が超臨界となる場合の、冷媒及び水の、温度及び比エンタルピの変化を示すグラフである。図１０は、圧縮機吐出圧力が臨界圧力以下となる場合の、冷媒及び水の、温度及び比エンタルピの変化を示すグラフである。図９に示すように、圧縮機吐出圧力が超臨界となる場合は、冷媒は凝縮温度を持たず連続的に温度変化する。図１０に示すように、加熱器３の水出口の温度である出湯温度（熱媒体加熱温度）は、冷媒の凝縮温度よりも少し高くなるが、出湯温度が高くなると凝縮温度も高くなる関係があり、出湯温度≒凝縮温度と見なしてもよい。

出湯温度と臨界温度が近い冷媒の場合、凝縮温度が臨界温度付近となる。特に、ＨＦＯ−１１２３は、臨界温度が５９．２℃であり、レジオネラ菌の繁殖を抑制するために出湯温度を６５℃とすると、凝縮温度が臨界温度付近となる。よって、冷媒の第一物質にＨＦＯ−１１２３を用いる場合、本発明の制御が特に有効である。

ＨＦＯ−１１２３の臨界圧力は、４．６０ＭＰａ（絶対圧）である。従来のヒートポンプ給湯機の冷媒として多く用いられているＣＯ_２の臨界温度は３１℃、臨界圧力は７．３８ＭＰａ（絶対圧）である。超臨界状態の冷媒は、連続的に温度変化するため、出湯温度（熱媒体加熱温度）を高くし易い。本実施の形態１のヒートポンプシステムでは、第一物質が超臨界状態になることで、熱媒体加熱温度を高くし易い。冷媒の第一物質にＨＦＯ−１１２３を用いる場合、ＣＯ_２冷媒に比較して、低い圧力で超臨界となるので、冷媒回路の設計圧力を低くできる。そのため、より低コストで構成できる。

本実施の形態１のヒートポンプシステムによれば、炭素−炭素二重結合を有する第一物質の分解を確実に抑制できるので、第一物質が冷媒として機能しなくなる可能性を低くできる。また、分解生成物によるスラッジが冷媒回路内に発生することが抑制されるので、減圧装置５等の詰まりが発生することを抑制できる。

本実施の形態１のヒートポンプシステムによれば、冷媒回路の低圧側に液溜め（アキュムレータ７）を設けたことで、液溜めの冷媒液が超臨界状態となることがなく、冷媒の分解を確実に防止できる。

１，１α ヒートポンプユニット、２ 圧縮機、３ 加熱器、５ 減圧装置、６ 蒸発器、７ アキュムレータ、８ 高低圧熱交換器、９ 熱媒体管、１０ 冷媒配管、１１ バイパス通路、１２ 送風機、１３ バイパス弁、１４ 第一冷媒温度センサ、１５ 冷媒圧力センサ、１６ 第二冷媒温度センサ、１７ 加熱器バイパス通路、１８ 加熱器バイパス弁、２０ タンクユニット、２１ 貯湯タンク、２２ 水ポンプ、２３，２４ 水路、２５ 給水管、２６ 混合弁、２７ 出湯管、２８ 給水分岐管、２９ 給湯管、３１ 冷媒流路、３２ 熱媒体流路、５０ 制御装置、５０ａ ＣＰＵ、５０ｂ 記憶部、５０ｃ 入出力インターフェース、８１ 高圧部、８２ 低圧部、９１ 入口、９２ 出口

Claims (9)

1. 炭素−炭素二重結合を有する物質を含む冷媒と、
   前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
   熱媒体を送出するポンプと、
   前記圧縮機に接続され、前記ポンプにより送出された前記熱媒体と前記圧縮機で圧縮された前記冷媒とを熱交換する加熱器と、
   入口及び出口を有し、前記冷媒を減圧する減圧装置と、
   前記減圧装置に接続され、前記減圧装置で減圧された前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   前記圧縮機、前記減圧装置、及び前記ポンプに接続され、前記圧縮機の起動後、第一運転、第二運転、及び第三運転を順に行う制御装置と、
   を備え、
   前記第一運転において、前記減圧装置の前記入口の前記冷媒の比エンタルピが、前記物質の臨界点の比エンタルピに比べて高いレベルに保たれ、
   前記第一運転において、前記圧縮機と前記減圧装置の前記入口との間の前記冷媒の圧力が、前記物質の臨界圧力に比べて低いレベルから前記臨界圧力に比べて高いレベルへ上昇し、
   前記第二運転において、前記圧縮機と前記減圧装置の前記入口との間の前記冷媒の圧力が、前記臨界圧力に比べて高いレベルに保たれ、
   前記第二運転において、前記減圧装置の前記入口の前記冷媒の比エンタルピが、前記臨界点の比エンタルピに比べて高いレベルから前記臨界点の比エンタルピに比べて低いレベルへ低下し、
   前記第三運転において、前記加熱器から流出する前記熱媒体の温度が、前記物質の臨界温度に比べて高いレベルに保たれるヒートポンプシステム。
2. 前記蒸発器と前記圧縮機との間に接続され、液体の前記冷媒を貯留するアキュムレータを備え、
   前記第一運転のときの前記アキュムレータの冷媒貯留量が、前記第三運転のときの前記アキュムレータの冷媒貯留量に比べて多い請求項１に記載のヒートポンプシステム。
3. 前記第一運転のときの前記減圧装置の開度が、前記第二運転及び前記第三運転のときの前記減圧装置の開度に比べて大きい請求項１または請求項２に記載のヒートポンプシステム。
4. 前記第一運転のときに前記加熱器を流れる前記熱媒体の流量が、前記第三運転のときに前記加熱器を流れる前記熱媒体の流量に比べて低く、
   前記第二運転のとき、前記加熱器を流れる前記熱媒体の流量が連続的または段階的に高くなる請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
5. 前記蒸発器で前記冷媒と熱交換する流体の流量を調整する流量調整部を備え、
   前記第一運転のときの前記流体の流量が前記第三運転のときの前記流体の流量に比べて低い請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
6. 高圧部及び低圧部を有し、前記加熱器の下流側の高圧冷媒と、前記蒸発器の下流側の低圧冷媒とを熱交換させる高低圧熱交換器と、
   前記高圧部または前記低圧部をバイパスするバイパス通路と、
   前記バイパス通路を開閉するバイパス弁と、
   を備え、
   前記第一運転のときに前記バイパス弁が開かれ、前記第二運転及び前記第三運転のときに前記バイパス弁が閉じられる請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
   
7. 前記圧縮機と前記減圧装置の前記入口との間の前記冷媒の圧力を検知する圧力センサと、
   前記加熱器の冷媒流路の出口の前記冷媒の温度を検知する温度センサと、
   を備え、
   前記第一運転のとき、前記制御装置は、前記圧力センサで検知される圧力及び前記温度センサで検知される温度に基づいて前記加熱器の冷媒流路の出口の前記冷媒の比エンタルピを計算し、その計算値が前記物質の臨界点の比エンタルピに比べて高くなるように、前記ポンプの動作を制御する請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
8. 前記加熱器の冷媒流路をバイパスする加熱器バイパス通路と、
   前記加熱器バイパス通路を開閉する加熱器バイパス弁と、
   を備え、
   前記第一運転のとき、前記加熱器バイパス弁が開かれる請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
9. 前記制御装置は、前記第三運転から前記圧縮機を停止する場合に第四運転を行い、
   前記第四運転において、前記圧縮機と前記減圧装置の前記入口との間の前記冷媒の圧力が、前記臨界圧力に比べて高いレベルに保たれ、
   前記第四運転において、前記減圧装置の前記入口の前記冷媒の比エンタルピが、前記臨界点の比エンタルピに比べて低いレベルから前記臨界点の比エンタルピに比べて高いレベルへ上昇する請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。

Images