CN102985767B - 热泵系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种即便是容积比固定型的多级压缩式制冷循环也能使将流体加热至加热目标温度时的能量消耗效率良好的热泵系统。中间冷却器(5)使来自低级侧压缩机构(22)的排出制冷剂与流经中间冷却器侧供热水流路(90A)的水作热交换，气体冷却器(6)使来自容积比和低级侧压缩机构(22)处于一定关系的高级侧压缩机构(26)的排出制冷剂与流经气体冷却器侧供热水流路(90B)的水作热交换。混合阀(91)调节中间冷却器侧供热水流路(90A)和气体冷却器侧供热水流路(90B)的水流量比率。中间冷却器(5)的流入制冷剂温度比加热目标温度低时，若中间冷却器(5)的流入制冷剂温度、气体冷却器(6)的流入制冷剂温度及加热目标温度间的关系满足规定条件，则控制部(2)将混合阀(91)控制成允许水流动至中间冷却器(5)。

Description

热泵系统
技术领域
本发明涉及热泵系统。
背景技术
目前，例如专利文献1(日本专利特开2002－106988号公报)记载的热泵供热水器那样，提出了一种在多级压缩式制冷循环中将从低级侧的压缩机排出的制冷剂和从高级侧压缩机排出的制冷剂用于加热水的系统。
在该系统中，不仅通过在热泵回路中采用多级压缩方式来使压缩效率变得良好，还欲通过将从高级侧的压缩机排出的制冷剂和从低级侧的压缩机排出的制冷剂用于供热水用的热水加热来使能量效率变得良好。
具体而言，该系统采用了以下结构：设置阀以使供热水用的水的流动分支，利用从高级侧的压缩机排出的制冷剂对一个供热水的流动进行加热，并利用从低级侧的压缩机排出的制冷剂对另一个供热水用的水的流动进行加热。此外，从使循环效率变得良好的角度出发，还就供热水用的水的分流比提出了以下内容：将利用从低级侧的压缩机排出的制冷剂进行加热的另一个流动设定为全部水量的一半以下是较为理想的。
发明内容
发明所要解决的技术问题
此处，作为多级压缩式制冷循环，例如像使各级的压缩机的驱动轴共用的制冷循环那样，存在各级的压缩机的容积比被固定的形式。这种容积比被固定的形式例如使低级侧的压缩机中的动作和高级侧的压缩机中的动作联动，因此，无法个别地对各级压缩机进行容量控制。
然而，在上述专利文献1(日本专利特开2002－106988号公报)记载的多级压缩式制冷循环中，未进行任何低级侧和高级侧的压缩机的容积比被固定的基于容积比的限制的考察。另外，也未进行任何基于加热合流后的供热水用的水的目标温度的考察
例如，在采用了容积比被固定的形式的压缩机的制冷循环中，当高级侧的排出制冷剂的目标温度确定时，低级侧的驱动状态有时唯一确定，从低级侧朝高级侧流动的制冷剂的温度有时也会确定。在这种情况下，如上述专利文献1(日本专利特开2002－106988号公报)中记载的系统那样仅进行将用于利用从低级侧的压缩机排出的制冷剂进行加热的供热水用的水的流量比率简单地设为全流量的一半以下这样的设定的话，有时无法充分地使能量消耗效率变得良好。特别地，目前完全未研究过将供热水用的水等加热对象加热至加热目标温度并使制冷循环的能量消耗效率变得良好。
本发明的技术问题在于提供一种即便在使用容积比被固定的多级压缩式制冷循环的情况下也能使将加热对象的流体加热至目标温度的情况下的能量消耗效率变得良好的热泵系统。
解决技术问题所采用的技术方案
第一发明的热泵系统包括热泵回路、热负载回路、第一热交换器、第二热交换器、流量调节机构以及控制部。热泵回路至少具有压缩机构、膨胀机构及蒸发器并供制冷剂循环。压缩机构包括容积比处于一定关系的低级侧压缩机构和高级侧压缩机构。热负载回路具有分支部分、合流部分、第一流路及第二流路，并供流体流动。第一流路将分支部分与合流部分连接。第二流路不与第一流路合流，将分支部分与合流部分连接。第一热交换器使从低级侧压缩机构的排出侧朝高级侧压缩机构的吸入侧流动的制冷剂与在第一流路中流动的流体彼此进行热交换。第二热交换器使从高级侧压缩机构朝膨胀机构流动的制冷剂与在第二流路中流动的流体彼此进行热交换。流量调节机构能对在第一流路中流动的流体的流量与在第二流路中流动的流体的流量之间的比率进行调节。当流入第一热交换器的制冷剂的温度比在热负载回路中流动的合流后的流体的加热目标温度低时，在流入第一热交换器的制冷剂的温度、流入第二热交换器的制冷剂的温度及加热目标温度之间的关系满足规定条件的情况下，控制部控制流量调节机构，以允许使流体流动至第一热交换器。此处，制冷剂例如可以是包含烃的制冷剂、二氧化碳制冷剂等。另外，作为流体，包含供热水用途的水、作为用于在暖气片或地板制热中利用的热介质的水等二次制冷剂。另外，压缩机构可以还具有与高级侧压缩机构和低级侧压缩机构不同的压缩机构，该不同的压缩机构既可以串联连接，也可以并联连接。另外，作为此处的高级侧压缩机构和低级侧压缩机构，例如，可以是具有共用的驱动轴的所谓一轴多级型，也可以被控制成容积比一定。
在该热泵系统中，高级侧压缩机构和低级侧压缩机构的容积比处于一定的关系，因此，无法自由地驱动高级侧压缩机构和低级侧压缩机构。因此，在流入第一热交换器的制冷剂的温度未达到流体的加热目标温度的情况下，也无法自由地调节高级侧压缩机构的排出制冷剂的温度或低级侧压缩机构的排出制冷剂的温度，当调节其中一方时，另一方会追随着被调节。在上述结构中，在流入第一热交换器的制冷剂的温度未达到流体的加热目标温度的情况下，即便使流体流动至第一热交换器，也无法使从第一热交换器流出的流体的温度升温至加热目标温度。在该热泵系统中，即便在这样的流入第一热交换器的制冷剂的温度未达到流体的加热目标温度的情况下，若满足规定条件，则也控制流量调节机构以允许使流体流动至第一热交换器。因此，在满足规定条件的情况下，能使热泵回路中的能量消耗效率变得良好。
第二发明的热泵系统是在第一发明的热泵系统的基础上，规定条件是指：在根据流入第一热交换器的制冷剂的温度、流入第二热交换器的制冷剂的温度及加热目标温度进行确定的状况下，与不使流体流动至第一热交换器相比，使流体流动至第一热交换器时热泵回路中的能量消耗效率更高。另外，作为该热泵系统，例如可以是能对在使流体流动至第一热交换器的情况和不使流体流动至第一热交换器的情况下的上述各状况下的热泵回路中的能量消耗效率进行比较的数据库等被预先存储于存储部等的系统。
在该热泵系统中，能进一步可靠地使能量消耗效率变得良好。
第三发明的热泵系统是在第二发明的热泵系统的基础上，通过将流入第一热交换器的制冷剂的温度和加热目标温度之间的差分与流入第二热交换器的制冷剂的温度和加热目标温度之间的差分之比跟规定值进行比较，控制部判断：与不使流体流动至第一热交换器相比，使流体流动至第一热交换器时热泵回路中的能量消耗效率是否更高。
在该热泵系统中，控制部可根据流入第一热交换器的制冷剂的温度、流入第二热交换器的制冷剂的温度与加热目标温度之间的差分，来自动地判断是使流体流动至第一热交换器的情况和不使流体流动至第一热交换器的情况。
第四发明的热泵系统是在第一发明至第三发明中任一发明的热泵系统的基础上，在使流体流动至第一热交换器的情况下，控制部进行流量调节控制，在该流量调节控制中，进行以下一个控制或另一个控制，以对流量调节机构进行操作。在进行一个控制的情况下，控制部操作流量调节机构，以维持满足规定温度条件的状态，规定温度条件包括在热泵回路中的第一热交换器的出口处流动的制冷剂的温度与在热泵回路中的第二热交换器的出口处流动的制冷剂的温度之比为1的情况。在进行另一个控制的情况下，控制部操作流量调节机构，以减小在热泵回路中的第一热交换器的出口处流动的制冷剂的温度与在热泵回路中的第二热交换器的出口处流动的制冷剂的温度之差。作为该流量调节控制，既可以是同时满足该一个控制和另一个控制这两个控制的条件的控制，也可以是仅满足任意一个控制且不进行其它处理的控制。
在该热泵系统中，对流量调节机构进行操作，以便：维持满足规定温度条件的状态，该规定温度条件包括在热泵回路中的第一热交换器的出口处流动的制冷剂的温度与在热泵回路中的第二热交换器的出口处流动的制冷剂的温度之比为1的情况，或者减小在热泵回路中的第一热交换器的出口处流动的制冷剂的温度与在热泵回路中的第二热交换器的出口处流动的制冷剂的温度之差。因此，结果能使热泵回路中的能量消耗效率进一步良好。
另外，此处的能量消耗效率的提高可以是例如提高热泵回路中的假定在负载最大、外部气体温度最高的条件下压缩机构输出额定能力时的性能系数COP(Coefficient Performance)、或进一步考虑了时间性能后的指标即年度性能系数AFP(Annual Performance Factor)等。
第五发明的热泵系统是在第四发明的热泵系统的基础上，在满足以下条件的情况下，控制部进行高级排出温度控制。该条件是指在流入第二热交换器的制冷剂的温度比流入第一热交换器的制冷剂的温度高的情况下，因进行流量调节控制而使流动至第一热交换器的流体的流量低于第一规定流量这样的条件。在高级排出温度控制中，控制部一边控制流量调节机构以将流动至第一热交换器的流体的流量维持在第二规定流量，一边控制热泵回路以提高高级侧压缩机构的排出制冷剂的目标温度。该第一规定流量和第二规定流量既可以是相同的流量，也可以稍许不同。另外，作为以将流动至第一热交换器的流体的流量维持在第二规定流量的方式控制流量调节机构的形态，包括在流量调节机构不仅能调节上述比率也兼备泵功能而能调节第一流路及第二流路的合计流量的情况下对比率和流量这两者进行调节的控制形态、在流量调节机构仅能调节流量的情况下对比率进行调节的控制形态等。
在该热泵系统中，能降低因在流速慢的状态下使流体持续流动而在第一热交换器中产生的损伤。
另外，作为因在流速慢的状态下使流体持续流动而在第一热交换器中产生的损伤，例如，包括在流体的流速慢的部位产生的钢管的点蚀等。作为这种点蚀，例如可举出作为金属的局部腐蚀的、在钢管的表面产生小孔(销孔)且其内部钢管在腐蚀的情形。关于该点蚀，在使用水作为上述流体的情况下，若残留氯浓度较高则容易产生点蚀，因此，在使用水作为流体的情况下，上述控制特别有用。
第六发明的热泵系统是在第五发明的热泵系统的基础上，控制部在高级侧压缩机构的排出制冷剂的目标温度未超过规定的上限温度的范围内进行高级排出温度控制。在高级侧压缩机构的排出制冷剂的目标温度超过上限温度的情况下，控制部对流量调节机构进行控制，以使流体流动至第二热交换器，而不使流体流动至第一热交换器。
在该热泵系统中，通过中断流体的供给，能降低会在流体低速流动的情况下产生的第一热交换器中的损伤。此外，能利用不超过上限的程度提高至高温的高级侧压缩机构的排出制冷剂有效地进行流体的加热。
第七发明的热泵系统是在第一发明至第六发明中任一发明的热泵系统的基础上，流量调节机构还具有泵，该泵设于分支部分的上游侧或合流部分的下游侧，并能对所流过的流体的流量进行调节。控制部对泵的流量进行控制，以使在热负载回路中流动的合流后的流体达到加热目标温度。另外，泵既可以通过调节分支部分上游侧的流量来调节在第一流路及第二流路中流动的流量，也可以通过调节合流部分下游侧的流量来调节在第一流路及第二流路中流动的流量。
在该热泵系统中，能使热泵回路中的能量消耗效率变得良好，并能使在热负载回路的合流部分下游侧流动的水的温度达到加热目标温度。
发明效果
在第一发明的热泵系统中，在满足规定条件的情况下，能使热泵回路中的能量消耗效率变得良好。
在第二发明的热泵系统中，能进一步可靠地使能量消耗效率变得良好。
在第三发明的热泵系统中，能自动地判断使流体流动至第一热交换器的情况和不使流体流动至第一热交换器的情况。
在第四发明的热泵系统中，结果能使热泵回路中的能量消耗效率进一步良好。
在第五发明的热泵系统中，能降低因在流速慢的状态下使流体持续流动而在第一热交换器中产生的损伤。
在第六发明的热泵系统中，能降低第一热交换器中的损伤，并能利用不超过上限的程度提高至高温的高级侧压缩机构的排出制冷剂有效地进行流体的加热。
在第七发明的热泵系统中，能使热泵回路中的能量消耗效率变得良好，并能使在热负载回路的合流部分下游侧流动的水的温度达到加热目标温度。
附图说明
图1是热泵系统的示意结构图。
图2是包括容积比固定型的压缩机构的热泵回路的压力－焓线图。
图3是表示中间冷却器和气体冷却器的温度比与COP之间的关系的图。
图4是表示水流量比与COP之间的关系的图。
图5是表示中间冷却器的出口制冷剂温度、气体冷却器的出口制冷剂温度及水流量比之间的关系的图。
图6是水分配控制的流程图。
图7是其它实施方式(A)的热泵系统的示意结构图。
图8是现有的包括容积比非固定型的压缩机构的热泵回路的压力－焓线图。
具体实施方式
以下，根据附图对本发明的一实施方式进行说明。
(1)热泵系统1的结构
图1是本发明一实施方式的热泵系统1的示意结构图。
热泵系统1包括热泵回路10、风扇4f、供热水回路90、中间冷却器5、气体冷却器6及控制部2等。热泵系统1是将由热泵回路10获得的热量经由供热水回路90利用为供热水用的热量的系统。
(1－1)热泵回路10
热泵回路10是使作为一次制冷剂的二氧化碳循环的使用自然制冷剂的回路。热泵回路10包括压缩机构20、主膨胀阀3、蒸发器4、制冷剂配管10a～10l、节能热交换器7、节能膨胀阀7a、注入流路11、气液热交换器8、气液膨胀阀8b及气液热交换流路12等。另外，在图2中，示出了表示图1的热泵回路10中的各点的状态的压力－焓线图。
压缩机构20具有低级侧压缩机构22、高级侧压缩机构26及驱动电动机29等。低级侧压缩机构22和高级侧压缩机构26具有被驱动电动机29驱动的共用的驱动轴，容积比被固定。低级侧压缩机构22将流过点A的制冷剂经由吸入管21吸入，并压缩到中间压力以送出至第一中压管23。在第一中压管23中流动的制冷剂在流过点B并流过中间冷却器5内部的第二中压管24及第三中压管25之后，被吸入至高级侧压缩机构26中。进一步对高级侧压缩机构26所吸入的制冷剂进行压缩以达到高压为止，并经由排出管27将该其排出。在吸入管21上设有吸入制冷剂温度传感器TA及吸入制冷剂压力传感器PA。在排出管27上设有排出制冷剂温度传感器TD及排出制冷剂压力传感器PD。在第一中压管23上设有中间冷却器前制冷剂温度传感器TB。另外，在第三中压管25的中途设有点C及供在后述注入流路11中流动的制冷剂合流的合流点D。在第三中压管25的比合流点D更靠下游侧的点C附近设有中间冷却器后制冷剂温度传感器TC。
从压缩机构20的排出管27排出的制冷剂在将第一制冷剂配管10a、第二制冷剂配管10b、第三制冷剂配管10c、第四制冷剂配管10d、第五制冷剂配管10e、第六制冷剂配管10f、第七制冷剂配管10g、主膨胀阀3、第八制冷剂配管10h、第九制冷剂配管10i、蒸发器4、第十制冷剂配管10j、第十一制冷剂配管10k及第十二制冷剂配管10l依次连接的回路中流动。
压缩机构20的排出管27与第一制冷剂配管10a经由点E而连接。第二制冷剂配管10b经过气体冷却器6的内部。在第三制冷剂配管10c上设有对在内部流动的制冷剂的温度进行检测的气体冷却器后制冷剂温度传感器TE。从第三制冷剂配管10c与第四制冷剂配管10d的连接部分即分支点F分支出注入流路11。第五制冷剂配管10e经过节能热交换器7的内部。气液热交换流路12以不经由主膨胀阀3的方式将第六制冷剂配管10f与第七制冷剂配管10g的连接部分即分支点G和第八制冷剂配管10h与第九制冷剂配管10i的连接部分即合流点I连接。对配置于室外的蒸发器4供给来自由控制部2控制输出的风扇4f的气流。另外，还设有对供给至蒸发器4的室外空气的温度进行检测的外部气体温度传感器(未图示)，控制部2能把握外部气体温度。第十一制冷剂配管10k经过气液热交换器8的内部。第十二制冷剂配管10l在点A处与压缩机构20的吸入管21连接。
注入流路11从上述分支点F分支，并经由第一注入流路11a、节能膨胀阀7a、第二注入流路11b、第三注入流路11c及第四注入流路11d而延伸至第三中压管25的合流点D。在第三注入流路11c中，被节能膨胀阀7a减压后的制冷剂在节能热交换器7的内部流动，以使在第五制冷剂配管10e中流动的制冷剂冷却。
气液热交换流路12从上述分支点G分支，并经由第一气液热交换流路12a、第二气液热交换流路12b、第三气液热交换流路12c、气液膨胀阀8a及第四气液热交换流路12d而延伸至上述合流点I。第二气液热交换流路12b经过气液热交换器8的内部，以提高在上述第十一制冷剂配管10k中流动的制冷剂的过热度。
另外，主膨胀阀3的阀开度和气液膨胀阀8a的阀开度被控制部2控制。藉此，调节流动至气液热交换流路12的制冷剂量，以调节供给至蒸发器4的制冷剂的状态和被吸入至压缩机构20的制冷剂的状态。
(1－2)供热水回路90
供热水回路90是用于在气体冷却器6及中间冷却器5中利用热泵回路10的热量对在储热水箱95内的水进行加热的回路。供热水回路90的储热水箱95经由分支点W及供水管94从外部朝下端部分供给水，并在内部贮存水。从储热水箱95的上端附近延伸出供热水管98。供热水管98和从分支点W延伸出的供热水旁通管99的混合比率在设于合流点Z的温度调节阀93中被调节而形成为恰当温度的水，并被供给至利用部位。控制部2控制该温度调节阀93的混合比率。
贮存于储热水箱95内的低温的水经由从下方延伸出的循环往路90a而流出，并在中间冷却器5及气体冷却器6中被加热。在中间冷却器5及气体冷却器6中被加热后的水经由循环返路90h而返回至储热水箱95的上方。
在循环往路90a上设有供热水泵92和循环往路温度传感器TG，其中，上述供热水泵92被控制部2驱动以控制循环量，上述循环往路温度传感器TG对在循环往路90a中流动的水的温度进行检测。循环往路90a在分支点X分支为中间冷却器侧供热水流路90A和气体冷却器侧供热水流路90B。中间冷却器侧供热水流路90A和气体冷却器侧供热水流路90B在合流点T处合流，并与循环返路90h连接。在循环返路90h上设有对在循环返路90h中流动的水的温度进行检测的循环返路温度传感器TJ。在合流点Y上设有利用控制部2控制混合比率的混合阀91，能调节流动至中间冷却器侧供热水流路90A一侧的水量与流动至气体冷却器侧供热水流路90B一侧的水量的比率。
气体冷却器侧供热水流路90B具有从分支点X延伸出的第一气体冷却器侧供热水流路90b、第二气体冷却器侧供热水流路90c以及延伸至合流点Y的第三气体冷却器侧供热水流路90d。在第二气体冷却器侧供热水流路90c中流动的水在气体冷却器6的内部流动，并因在热泵回路10的第二制冷剂配管10b中流动的制冷剂的热量而被加热。气体冷却器侧供热水出口温度传感器TH对在第三气体冷却器侧供热水流路90d中流动的水的温度进行检测。另外，在热泵回路10的气体冷却器6的第二制冷剂配管10b中流动的制冷剂的流动方向与在供热水回路90的第二气体冷却器侧供热水流路90c中流动的水的流动方向彼此相对。
中间冷却器侧供热水流路90A具有从分支点X延伸出的第一中间冷却器侧供热水流路90e、第二中间冷却器侧供热水流路90f以及延伸至合流点Y的第三中间冷却器侧供热水流路90g。在第二中间冷却器侧供热水流路90f中流动的水在中间冷却器5的内部流动，并因在热泵回路10的第二中压管24中流动的制冷剂的热量而被加热。中间冷却器侧供热水出口温度传感器TI对在第三中间冷却器侧供热水流路90g中流动的水的温度进行检测。另外，在热泵回路10的中间冷却器5的第二中压管24中流动的制冷剂的流动方向与在供热水回路90的第二中间冷却器侧供热水流路90f中流动的水的流动方向彼此相对。
(1－3)控制部2
控制部2通过把握上述吸入制冷剂温度传感器TA、吸入制冷剂压力传感器PA、中间冷却器前制冷剂温度传感器TB、中间冷却器后制冷剂温度传感器TC、排出制冷剂温度传感器TD、排出制冷剂压力传感器PD、气体冷却器后制冷剂温度传感器TE、循环往路温度传感器TG、循环返路温度传感器TJ、气体冷却器侧供热水出口温度传感器TH、中间冷却器侧供热水出口温度传感器TI及外部气体温度等，来控制压缩机构20、主膨胀阀3、节能膨胀阀7a、气液膨胀阀8a、风扇4f、混合阀91及供热水泵92等。
(2)热泵回路10的动作
(2－1)关于压缩机构20
控制部2在热泵回路10中进行驱动电动机29的输出控制，以使高级侧压缩机构26的排出制冷剂温度(排出制冷剂温度传感器TD所检测出的温度)达到目标制冷剂温度，使排出制冷剂压力(排出制冷剂压力传感器PD所检测出的压力)达到目标制冷剂压力。另外，目标制冷剂温度及目标制冷剂压力既可以根据外部气体温度、各种运转条件等由控制部2恰当地进行调节，也可以由用户输入至控制部2来进行调节。此处，控制部2通过控制热泵回路10的整体来进行调节，以使高级侧压缩机构26所排出的制冷剂的温度不超过规定上限制冷剂温度，且使高级侧压缩机构26所排出的制冷剂的压力不超过规定上限制冷剂压力。另外，在本实施方式中，采用二氧化碳作为制冷剂，因此，高级侧压缩机构26的排出制冷剂压力处于超过临界压力的状态。
在压缩机构20中，高级侧压缩机构26与低级侧压缩机构22的容积比被固定，因此，如上所述，当目标排出制冷剂温度及目标排出制冷剂压力被确定时，可确定基于该条件的低级侧压缩机构22的吸入制冷剂压力(吸入压力传感器PA)和中间制冷剂压力(低级侧压缩机构22的排出制冷剂压力＝高级侧压缩机构26的吸入制冷剂压力)。另外，在改变了目标排出制冷剂温度及目标排出制冷剂压力的情况下，吸入制冷剂压力和中间制冷剂压力追随着变化。本实施方式的压缩机构20为容积比固定型压缩机构，因此，在这点上，前提与如图8所示的现有的容积比非固定型的压缩机构不同，该容积比非固定型的压缩机构能在高级侧和低级侧自由地进行输出控制，也能自由控制排出制冷剂温度，因此能进行使排出制冷剂温度在低级侧和高级侧一致的控制。
另外，由于因压缩机构20的容积比被固定而使得排出压力、中间压力及低级压力的关系确定，因此，除了利用中间冷却器5中的冷却程度和从注入流路11合流的制冷剂进行调节之外，无法自由地调节高级侧压缩机构26的排出制冷剂温度和低级侧压缩机构22的排出制冷剂温度。另外，在上述运转条件下，通常将高级侧压缩机构26的排出制冷剂温度控制成比低级侧压缩机构22的排出制冷剂温度高。因此，根据运转状况，有时低级侧压缩机构22的排出制冷剂温度无法超过供热水回路90的目标温度，处于中间冷却器侧供热水流路90A中获得的水的温度未达到目标温度的状态。在上述情况下，如后所述，控制部2利用气体冷却器侧供热水流路90B中获得的水温及水量的热量进行调节，以使在循环返路90h中流动的水温达到目标温度。
(2－2)关于节能膨胀阀7a
控制部2对节能膨胀阀7a的开度进行控制，以使高级侧压缩机构26所吸入的制冷剂在由目标制冷剂压力及目标制冷剂温度确定出的中间制冷剂压力下达到规定的过热度的状态。在增大了节能膨胀阀7a的开度的情况下，经由注入流路11而流入第三中压管25的合流点D的制冷剂量增加，因此，能减小高级侧压缩机构26的吸入制冷剂的过热度。
另外，在减小了节能膨胀阀7a的开度的情况下，经由注入流路11而流入第三中压管25的合流点D的制冷剂量减少，因此，能增大高级侧压缩机构26的吸入制冷剂的过热度。
在这些情况下，在节能热交换器7内部的第三注入流路11c中流动的制冷剂量及制冷剂温度变化，因此，在节能热交换器7的第五制冷剂配管10e中流动的制冷剂的温度也变化。
(2－3)关于主膨胀阀3及气液膨胀阀8a
控制部2对主膨胀阀3及气液膨胀阀8a的阀开度进行调节，以使低级侧压缩机构22的吸入制冷剂处于具有规定过热度的状态。此处，控制部2利用由吸入制冷剂温度传感器TA及吸入制冷剂压力传感器PA获得的值来把握低级侧压缩机构22的吸入制冷剂的过热度。
此处，在进行完一边增大主膨胀阀3的阀开度一边减小气液膨胀阀8a的阀开度的控制的情况下，能减小低级侧压缩机构22的吸入制冷剂的过热度。
另外，在进行完一边减小主膨胀阀3的阀开度一边增大气液膨胀阀8a的阀开度的控制的情况下，能增大低级侧压缩机构22的吸入制冷剂的过热度。
(2－4)关于风扇4f
控制部2通过根据外部气体温度等控制风扇4f的风量来调节蒸发器4的蒸发能力，以使低级侧压缩机构22的吸入制冷剂处于具有规定过热度的状态。
(3)供热水回路90的动作
在供热水回路90中，通过未图示的输入元件由用户输入加热目标温度。控制部2对混合阀91中的混合比率及供热水泵92中的水流量进行控制，以使在循环返路90h中流动的水的温度达到该加热目标温度。另外，控制部2至少还对压缩机构20进行控制，以使高级侧压缩机构26的排出温度达到超过供热水回路90的加热目标温度的温度。
(3－1)关于混合阀91
具体而言，混合阀91对中间冷却器侧供热水流路90A侧的水的流量与气体冷却器侧供热水流路90B侧的水的流量的分配比率进行调节，以使热泵回路10中的中间冷却器5的出口的制冷剂温度Ticout(作为在第三中压管25中流动的制冷剂的温度由中间冷却器后制冷剂温度传感器TC所检测出的温度)与热泵回路10中的气体冷却器6的出口的制冷剂温度Tgcout(作为在第三制冷剂配管10c中流动的制冷剂的温度由气体冷却器后制冷剂温度传感器TE所检测出的温度)相等。
另外，如后所述，在相当于中间冷却器5的人口制冷剂温度的由中间冷却器前制冷剂温度传感器TB检测出的温度未达到供热水回路90的加热目标温度的运转条件的情况下，即便控制部2控制混合阀91以使水流动至中间冷却器5的第二中间冷却器侧供热水流路90f，也无法使在第三中间冷却器侧供热水流路90g中流动的水的温度处于加热目标温度以上。然而，即便在这种状况下，也仅在满足与后述性能系数相关的规定性能系数条件的情况下，控制部2才对混合阀91进行控制以使水流动至中间冷却器5的第二中间冷却器侧供热水流路90f。
(3－2)关于供热水泵92
具体而言，供热水泵92对流量进行调节，以使在合流点Y后的循环返路90h中流动的水的温度(循环返路温度传感器TJ所检测出的温度)达到加热目标温度。具体而言，在气体冷却器6的第二制冷剂配管10b中流动的制冷剂的温度比加热目标温度高，且中间冷却器5的第二中压管24中流动的制冷剂的温度也比加热目标温度高的情况下，当降低供热水泵92的流量时，能增长在气体冷却器6和中间冷却器5中水被加热的时间，因此，能提高在循环返路90h中流动的水的温度，当提高供热水泵92的流量时，能缩短在气体冷却器6和中间冷却器5中水被加热的时间，因此，能降低在循环返路90h中流动的水的温度。
另外，如上所述，压缩机构20为容积比固定型压缩机构，因此，无法个别地控制来自高级侧压缩机构26的排出制冷剂的温度和来自低级侧压缩机构22的排出制冷剂的温度，排出制冷剂温度有时会不同。另外，根据目标排出制冷剂温度及目标排出制冷剂压力，可能存在中间冷却器前制冷剂温度传感器TB检测出的温度未达到供热水回路90的加热目标温度的运转条件，即便控制部2控制混合阀91以使水流动至中间冷却器5的第二中间冷却器侧供热水流路90f，也无法使在第三中间冷却器侧供热水流路90g中流动的水的温度处于加热目标温度以上。然而，在满足后述规定性能系数条件的情况下，控制部2一边控制混合阀91以使水流动至中间冷却器5的第二中间冷却器侧供热水流路90f，一边使中间冷却器5的出口的制冷剂温度Ticout与气体冷却器6的出口的制冷剂温度Tgcout相等。此时，控制部2控制混合阀91及供热水泵92，通过利用在第三气体冷却器侧供热水流路90d中流动的水所具有的热量弥补在第三中间冷却器侧供热水流路90g中流动的水的低于加热目标温度的热量部分，以使合流点Y后的循环返路90h中流动的水的温度达到加热目标温度。此处，当改变供热水泵92的流量以达到加热目标温度时，中间冷却器5的出口的制冷剂温度Ticout和气体冷却器6的出口的制冷剂温度Tgcout有时会产生差，在该情况下，控制部2再次控制混合阀91中的分配比率。另外，当为了减小中间冷却器5的出口的制冷剂温度Ticout与气体冷却器6的出口的制冷剂温度Tgcout之差而改变混合阀91的分配比率时，有时会背离加热目标温度，在该情况下，通过控制部2调节供热水泵92的流量来实现加热目标温度。这样，控制部2对混合阀91和供热水泵92进行微调节控制，并进行控制以满足各条件。
然而，当在气体冷却器6的第二气体冷却器侧供热水流路90c中流动的水的流速和在中间冷却器5的第二中间冷却器侧供热水流路90f中流动的水的流速低于规定流速而流动的状态持续时，在气体冷却器6的第二气体冷却器侧供热水流路90c内部和中间冷却器5的第二中间冷却器侧供热水流路90f内部的水所接触的钢管部分中会产生点蚀，可能会对配管带来损伤。因此，控制部2根据状况进行确保最低所用流量的控制或进行完全停止流动的控制，以避免上述各配管中的水的流速低于规定流速而持续流动。
另外，如上所述，这些混合阀91的控制和供热水泵92的控制是同时进行的，既存在因混合阀91的分配比率改变而使供热水泵92的流量改变的情况，也存在因供热水泵92的流量改变而使混合阀91的分配比率改变的情况。
(4)水量分配比率与最佳COP之间的关系
图3是在外部气体温度、进水温度、加热目标温度等条件不同的情况下，按上述每个条件绘制出热泵回路10的COP为最良好的值的“流动至中间冷却器侧供热水流路90A的水的分配比例”的图表。此处，在图3中的各绘制点的状态下，中间冷却器5的出口制冷剂温度与气体冷却器6的出口制冷剂温度相等，且COP为最佳。
此处，“热交换入口温度比”是用从高级侧压缩机构26的排出制冷剂温度Td2(排出制冷剂温度传感器TD所检测出的制冷剂温度)减去供热水回路90的加热目标温度后得到的值除从低级侧压缩机构22的排出制冷剂温度Td1(中间冷却器前制冷剂温度传感器TB所检测出的制冷剂温度)减去供热水回路90的加热目标温度后得到的值之后所获得的比率。此处，高级侧压缩机构26的排出制冷剂温度Td2被控制部2控制成达到比供热水回路90的加热目标温度高的温度，因此，从高级侧压缩机构26的排出制冷剂温度Td2减去加热目标温度后得到的值被维持为正值。此外，与高级侧压缩机构26的排出制冷剂温度Td2不同，低级侧压缩机构22的排出制冷剂温度Td1有时会因热泵回路10的运转条件而低于供热水回路90的加热目标温度。在该情况下，从低级侧压缩机构22的排出制冷剂温度Td1减去加热目标温度后得到的值为负值。在图3中，示出了在热交换入口温度比为负的情况下、即在低级侧压缩机构22的排出制冷剂温度未达到加热目标温度的运转条件的情况下(无法使在第三中间冷却器侧供热水流路90g中流动的水的温度处于加热目标温度以上的运转条件下)的水分配比例与性能系数之间的关系。
另外，“流动至中间冷却器侧供热水流路90A的水的分配比例”表示流经中间冷却器侧供热水流路90B的水量在流经供热水泵92的水量中所占的比例，示出了被混合阀91控制分配的结果。此外，在图3中，在相当于“0％”的状态下，示出了以下状态：在供热水回路90中，100％的水流动至气体冷却器侧供热水流路90B侧，在中间冷却器侧供热水流路90A侧，水完全没有流动，流动停滞。
这样，即使在低级侧压缩机构22的排出制冷剂温度Td1低于供热水回路90的加热目标温度的状态下，如图3所示，在使水在中间冷却器侧供热水流路90A中流动可使COP变得良好的状况下，控制部2也控制混合阀91，从而以图3所示的最良好的分配比率使水在中间冷却器侧供热水流路90A侧流动。此处，为了简化控制，根据图3的图表，在满足热交换入口温度比处于－0.5以上这样的规定性能系数条件的情况下，进行控制以使水流动至中间冷却器侧供热水流路90A。
(5)气体冷却器6出口制冷剂温度、中间冷却器5出口制冷剂温度及最佳COP之间的关系
在图4中，示出了在外部气体温度为7℃、低级侧压缩机构22的排出制冷剂温度Td1为55℃、高级侧压缩机构26的排出制冷剂温度Td2为70℃、将进水温度为30℃的水提高至加热目标温度的55℃的情况下，COP的值与流动至中间冷却器侧供热水流路90A的水的分配比例之间的关系。
在图5中，示出了在与和图4相关的条件相同的条件下的中间冷却器5的出口制冷剂温度、气体冷却器6的出口制冷剂温度、水温与流动至中间冷却器侧供热水流路90A水的分配比例之间的关系。在图5中，(a)表示在第三中间冷却器侧供热水流路90g中流动的水的温度，(b)表示在第三气体冷却器侧供热水流路90d中流动的水的温度，(c)表示在供水管94中流动的进水温度。
由上述图4及图5可知，在中间冷却器5的出口制冷剂温度与气体冷却器6的出口制冷剂温度相等的情况下(在该条件的例子中，是在水的分配比例为15％的情况下)，可确认COP最为良好。
(6)关于水分配控制
根据以上图3、图4及图5的关系，为了使热泵回路10的COP良好，控制部2进行如图6的流程图所示的控制。
此处，一边对供热水回路90的混合阀91及供热水泵92进行控制，以在能使COP变为良好的情况下主动地使水流动至中间冷却器侧供热水流路90A侧，并使中间冷却器5的出口制冷剂温度与气体冷却器6的出口制冷剂温度相接近，一边以在高级侧压缩机构26的排出制冷剂温度未超过规定上限制冷剂温度的范围内调节压缩机构20的输出的方式利用控制部2进行控制，以能将中间冷却器侧供热水流路90A中流动的水的流速维持在可抑制点蚀产生的规定流速以上。
以下，根据图6的流程图，对控制的流程进行说明。
在步骤S10中，控制部2对热交换入口温度比是否满足规定性能系数条件、即热交换入口温度比是否处于－0.5以上进行判断。在热交换入口温度比小于－0.5的情况下，判断为即便使水流动至中间冷却器侧供热水流路90A也无法提高COP的状况，转移至步骤S19。在热交换入口温度比处于－0.5以上的情况下，判断为使水流动至中间冷却器侧供热水流路90A能使COP变为良好的状况，转移至步骤S11。
在步骤S11中,控制部2对在热泵回路10中气体冷却器6的出口制冷剂温度Tgcout与中间冷却器5的出口制冷剂温度Ticout是否相等进行判断。此处，不仅对是否是温度完全相等的情况进行判断，例如也对温度差是否处于规定温度的范围内进行判断。此处，在温度差处于规定范围内的情况下，返回至步骤S10，反复进行上述处理。在温度差超过规定范围的情况下，转移至步骤S12。
在步骤S12中,控制部2对气体冷却器6的出口制冷剂温度Tgcout是否比中间冷却器5的出口制冷剂温度Ticout低进行判断。在判断为气体冷却器6的出口制冷剂温度Tgcout比中间冷却器5的出口制冷剂温度Ticout低的情况下，转移至步骤S13。在除此之外的情况下，转移至步骤S14。
在步骤S13中，由于气体冷却器6的出口制冷剂温度Tgcout超过规定范围比中间冷却器5的出口制冷剂温度Ticout低，因此，控制部2控制混合阀91以提高中间冷却器侧供热水流路90A侧的水分配比率。藉此，中间冷却器5的出口制冷剂温度Ticout降低，气体冷却器6的出口制冷剂温度Tgcout上升，因此，能使两温度接近。然后，返回至步骤S10，反复进行上述处理。
在步骤S14中，控制部2对是否能确保中间冷却器侧供热水流路90A的水流量Gw_ic超过用于抑制点蚀产生的规定流速Gw_min的流量进行判断。此处，在判断为超过了规定流速的情况下，判断为存在进一步减小中间冷却器侧供热水流路90A的水流量的余地，转移至步骤S15。在判断为处于规定流速以下的情况下，转移至步骤S16。
在步骤S15中，由于气体冷却器6的出口制冷剂温度Tgcout超过规定范围比中间冷却器5的出口制冷剂温度Ticout低，存在进一步减小中间冷却器侧供热水流路90A的水流量的余地，因此，控制部2控制混合阀91以减小中间冷却器侧供热水流路90A的水分配比率。藉此，也会导致气体冷却器侧供热水流路90B的水流量增大。藉此，能降低气体冷却器6的出口制冷剂温度Tgcout，能提高中间冷却器5的出口制冷剂温度Ticout，从而能使两温度接近。
在步骤S16中，控制部2对压缩机构20的高级侧压缩机构26的排出制冷剂温度是否低于规定上限制冷剂温度进行判断。在判断为低于规定上限制冷剂温度的情况下，判断为存在进一步提高高级侧压缩机构26的排出制冷剂温度的余地，转移至步骤S17。在判断为达到规定上限制冷剂温度的情况下，因没有提高高级侧压缩机构26的排出制冷剂温度的余地而判断为无法使水流动至中间冷却器侧供热水流路90A，转移至步骤S19。
在步骤S17中，为了在保持使水流动至中间冷却器侧供热水流路90A的状态下进行将在供热水回路90中流动的水加热至加热目标温度，控制部2控制驱动电动机29以使压缩机构20的高级侧压缩机构26的排出制冷剂温度的目标值上升△t。藉此，不仅能使用气体冷却器侧供热水流路90B侧，也能使用中间冷却器侧供热水流路90A侧来进行在供热水回路90中流动的水的加热。
在步骤S18中，控制部2进行调节以将在中间冷却器侧供热水流路90A中流动的水的流速维持在规定流速，返回至步骤S10，反复进行上述处理。
在步骤S19中，控制部2控制混合阀91，以使水不流动至中间冷却器侧供热水流路90A侧，而仅使水流动至气体冷却器侧供热水流路90B侧。即，此处，仅利用在气体冷却器侧供热水流路90B的气体冷却器6中流动的制冷剂的热量来进行将在供热水回路90中流动的水加热至加热目标温度。藉此，能抑制中间冷却器侧供热水流路90A中产生点蚀，并能实现供热水回路90的加热目标温度。
(7)热泵系统1的特征
(7－1)
在上述实施方式的热泵系统1中，压缩机构20为容积比固定型压缩机构，因此，无法与高级侧压缩机构26的排出制冷剂温度无关系地控制低级侧压缩机构22的排出制冷剂温度，即使在流入中间冷却器5的制冷剂的温度未达到供热水回路90的加热目标温度的情况下，若满足规定性能系数条件，则也控制混合阀91以主动地使水流动至中间冷却器侧供热水流路90A。藉此，即便压缩机构20为容积比固定型压缩机构，也能使COP变得良好。
(7－2)
在上述实施方式的热泵系统1中，在将中间冷却器侧供热水流路90A中流动的水的流速保持为超过能抑制点蚀的规定流速的流速对于达到供热水回路90的加热目标温度是困难的情况下，控制部2进行控制，以将中间冷却器侧供热水流路90A中流动的水的流速维持为能抑制点蚀的规定流速或阻止水在中间冷却器侧供热水流路90A中的流动。
此外，在对中间冷却器侧供热水流路90A中流动的水进行加热无法达到加热目标温度的情况下，通过进行提高压缩机构20的高级侧压缩机构26的排出制冷剂温度的目标值的控制，能达到加热目标温度。另外，在压缩机构20的高级侧压缩机构26的排出制冷剂温度的目标值达到上限的情况下，通过使水在中间冷却器侧供热水流路90A中的流动停止而流动至能利用更高温的制冷剂进行加热的气体冷却器侧供热水流路90B，以代替提高压缩机构20的能力，能达到加热目标温度。
(8)其它实施方式
以上，根据附图对本发明的一实施方式进行了说明，但具体结构并不限于上述实施方式，在不脱离本发明的思想的范围内可适当改变。作为其它实施方式，例如，可列举出以下形态。
(A)
在上述实施方式的热泵系统1中，以包括供热水回路90的热泵系统1为例进行了说明。
然而，本发明并不限于此，例如，如图7所示，热泵回路10进行热负载处理的对象也可以不是供热水回路90，而是暖气片、地板制热等制热回路290即热泵系统201。该制热回路290具有在内部流动有作为二次制冷剂的水的热交换器295。除了未进行水供给等这点之外，其它结构与上述实施方式的供热水回路90相同，因此，省略说明。
另外，热负载并不限于此，只要是利用中间冷却器5及气体冷却器6这两个冷却器，就包含在本发明中。
(B)
在上述实施方式的热泵系统1中，以控制成使中间冷却器5的出口制冷剂温度和气体冷却器6的出口制冷剂温度在规定范围内接近的情况为例进行了说明。
然而，本发明并不限于此，例如，控制部2也可将中间冷却器5的出口制冷剂温度与气体冷却器6的出口制冷剂温度为完全相同的温度、温度差在规定范围内、温度比满足规定条件等作为目标来进行上述控制。
(C)
在上述实施方式中，针对水在中间冷却器侧供热水流路90A中的流速，以用于判断是否是产生点蚀程度的流速的值与在步骤S18中作为中间冷却器侧供热水流路90A的流速而被维持的值相同的情况为例进行了说明。
然而，本发明并不限于此，例如也可使得用于判断是否是产生点蚀程度的流速的值与在上述实施方式的步骤S18中作为中间冷却器侧供热水流路90A的流速而被维持的值不同。即，也可控制成将流速维持在比上述实施方式的步骤S18中作为中间冷却器侧供热水流路90A的流速而欲被维持的流速更快的流速。
工业上的可利用性
本发明的热泵系统尤其对于适用在容积比固定的多级压缩式制冷循环中的情况是有用的。
符号说明
1     热泵系统
2     控制部
3     主膨胀阀(膨胀机构)
4     蒸发器
5     中间冷却器(第一热交换器)
6     气体冷却器(第二热交换器)
8a    气液膨胀阀(膨胀机构)
10    热泵回路
20    压缩机构
22    低级侧压缩机构
26    高级侧压缩机构
90    供热水回路(热负载回路)
90A   中间冷却器侧供热水流路(第一流路)
90B   气体冷却器侧供热水流路(第二流路)
91    混合阀(流量调节机构)
92    供热水泵
201   热泵系统
X     分支点(分支部分)
Y     合流点(合流部分)
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2002－106988号公报

Claims (6)

1.一种热泵系统(1、201)，其特征在于，包括：
热泵回路(10)，该热泵回路(10)至少具有压缩机构(20)、膨胀机构(3、8a)及蒸发器(4)，并供制冷剂循环，其中，所述压缩机构(20)包括容积比处于一定关系的低级侧压缩机构(22)和高级侧压缩机构(26)；
热负载回路(90、290)，该热负载回路(90、290)具有分支部分(X)、合流部分(Y)、第一流路(90A)及第二流路(90B)，并供流体流动，其中，所述第一流路(90A)将所述分支部分(X)与所述合流部分(Y)连接，所述第二流路(90B)不与所述第一流路(90A)合流，将所述分支部分(X)与所述合流部分(Y)连接；
第一热交换器(5)，该第一热交换器(5)使从所述低级侧压缩机构(22)的排出侧朝所述高级侧压缩机构(26)的吸入侧流动的所述制冷剂与在所述第一流路(90A)中流动的所述流体彼此进行热交换；
第二热交换器(6)，该第二热交换器(6)使从所述高级侧压缩机构(26)朝所述膨胀机构(3、8a)流动的所述制冷剂与在所述第二流路(90B)中流动的所述流体彼此进行热交换；
流量调节机构(91)，该流量调节机构(91)能对在所述第一流路(90A)中流动的所述流体的流量与在所述第二流路(90B)中流动的所述流体的流量之间的比率进行调节；以及
控制部(2)，当流入所述第一热交换器(5)的制冷剂的温度比在所述热负载回路(90、290)中流动的合流后的所述流体的加热目标温度低时，在流入所述第一热交换器(5)的制冷剂的温度、流入所述第二热交换器(6)的制冷剂的温度及所述加热目标温度之间的关系满足规定条件的情况下，该控制部(2)控制所述流量调节机构(91)，以允许使所述流体流动至所述第一热交换器(5)，
所述规定条件是指：在根据流入所述第一热交换器(5)的制冷剂的温度、流入所述第二热交换器(6)的制冷剂的温度及所述加热目标温度进行确定的状况下，与不使所述流体流动至所述第一热交换器(5)相比，使所述流体流动至所述第一热交换器(5)时所述热泵回路(10)中的能量消耗效率更高。
2.如权利要求1所述的热泵系统(1、201)，其特征在于，
通过将流入所述第一热交换器(5)的制冷剂的温度和所述加热目标温度之间的差分与流入所述第二热交换器(6)的制冷剂的温度和所述加热目标温度之间的差分之比跟规定值进行比较，所述控制部(2)判断：与不使所述流体流动至所述第一热交换器(5)相比，使所述流体流动至所述第一热交换器(5)时所述热泵回路(10)中的能量消耗效率是否更高。
3.如权利要求1或2所述的热泵系统(1、201)，其特征在于，
在使所述流体流动至所述第一热交换器(5)的情况下，所述控制部(2)进行流量调节控制，在该流量调节控制中，对所述流量调节机构(91)进行操作，以便：
维持满足规定温度条件的状态，所述规定温度条件包括在所述热泵回路中的所述第一热交换器(5)的出口处流动的所述制冷剂的温度与在所述热泵回路中的所述第二热交换器(6)的出口处流动的所述制冷剂的温度之比为1的情况，
或者减小在所述热泵回路中的所述第一热交换器(5)的出口处流动的所述制冷剂的温度与在所述热泵回路中的所述第二热交换器(6)的出口处流动的所述制冷剂的温度之差。
4.如权利要求3所述的热泵系统(1、201)，其特征在于，
在流入所述第二热交换器(6)的制冷剂的温度比流入所述第一热交换器(5)的制冷剂的温度高的情况下，因进行所述流量调节控制而使流动至所述第一热交换器(5)的所述流体的流量低于第一规定流量时，所述控制部(2)进行高级排出温度控制，
在所述高级排出温度控制中，所述控制部(2)一边控制所述流量调节机构(91)以将流动至所述第一热交换器(5)的所述流体的流量维持在第二规定流量，一边控制所述热泵回路(10)以提高高级侧压缩机构(26)的排出制冷剂的目标温度。
5.如权利要求4所述的热泵系统(1、201)，其特征在于，
所述控制部(2)在所述高级侧压缩机构(26)的排出制冷剂的目标温度未超过规定的上限温度的范围内进行所述高级排出温度控制，
在所述高级侧压缩机构(26)的排出制冷剂的目标温度超过所述上限温度的情况下，所述控制部(2)对所述流量调节机构进行控制，以使所述流体流动至所述第二热交换器(6)，而不使所述流体流动至所述第一热交换器(5)。
6.如权利要求1或2所述的热泵系统(1、201)，其特征在于，
所述流量调节机构还具有泵(92)，该泵(92)设于所述分支部分(X)的上游侧或所述合流部分(Y)的下游侧，并能对所流过的所述流体的流量进行调节，
所述控制部(2)对所述泵(92)的流量进行控制，以使在所述热负载回路(90、290)中流动的合流后的所述流体达到加热目标温度。
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