CN103210264B

CN103210264B - 热泵式制热装置

Info

Publication number: CN103210264B
Application number: CN201180053299.1A
Authority: CN
Inventors: 粕谷润一郎; 狩野靖明; 石井焦
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2010-11-04
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2015-05-06
Anticipated expiration: 2031-09-20
Also published as: JP5054180B2; EP2631562B8; EP2631562B1; EP2631562A1; JP2012097993A; US20130227979A1; US9157667B2; WO2012060164A1; CN103210264A; EP2631562A4

Abstract

一级侧热泵单元构成为使制冷剂依次在第一压缩机、第一热交换器、级联式热交换器、第一膨胀阀及蒸发器中循环并在该第一热交换器中与制热单元的热媒进行热交换，二级侧热泵单元构成为使制冷剂依次在第二压缩机、第二热交换器、第二膨胀阀及级联式热交换器中循环并在该第二热交换器中与制热单元的热媒进行热交换，一级侧热泵单元及二级侧热泵单元的制冷剂是以二氧化碳（CO₂）为主要成分的制冷剂，并使一级侧的热循环（a、b、c、d）及二级侧的热循环（e、f、g、h）的高压侧都在超临界压力的大致相同压力范围内动作。

Description

热泵式制热装置

技术领域

本发明涉及一种热泵式制热装置，具体来说，涉及通过使用具有二级压缩型制冷回路的热泵进行制热来实现COP提高的技术。

背景技术

已知在欲利用蒸汽压缩式制冷回路产生低温或高温的情况下，会采用包括二级压缩型的制冷回路的制冷装置。

作为这种包括二级压缩型的制冷回路的装置，例如有专利文献1记载的制冷装置，在该制冷装置中，低温侧制冷回路使用制冷剂配管将压缩机、级联（cascade）式热交换器的冷凝部、膨胀阀及蒸发器依次连接来构成，高温侧制冷回路使用制冷剂配管将压缩机、冷凝器、膨胀阀及上述级联式热交换器的蒸发器依次连接来构成。

一般来说，在制冷回路中，压缩比越高，压缩机的效率越差，特别是，在一级压缩式的制冷回路中，提高压缩比，会一次性对制冷剂进行压缩并将其从低温侧的蒸发器送至高温侧的冷凝器，因此，压缩机的效率不佳，但通过如上所述使用二级压缩型的制冷回路，能将高温侧制冷回路及低温侧制冷回路各自的压缩机的压缩比抑制得很低，并能提高各压缩机的效率。

此外，根据例如专利文献2记载的供热水装置，通过使用二级压缩型的制冷回路，不仅能利用低温侧制冷回路及高温侧制冷回路来进行高温供热水，还能利用低温侧制冷回路适当地进行中温供热水。

此外，根据例如专利文献3记载的热泵式供热水装置，通过使用二级压缩型的制冷回路，不仅能利用低温侧制冷回路来进行预热，还能利用低温侧制冷回路及高温侧制冷回路来进行高温供热水。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2000－320914号公报

专利文献2：日本专利特开昭62－77554号公报

专利文献3：日本专利特许第2554208号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

但是，在由低温侧制冷回路和高温侧制冷回路通过级联式热交换器构成二级压缩型的制冷回路的情况下，如图10中示出的二级压缩型的制冷回路的现有的一般的莫里尔图（实线）那样，与一级压缩式的制冷回路的情况（虚线）相比，在为了得到低温的情况下（在低温侧制冷回路中），因焓差增大而良好，但在为了得到高温的情况下（在高温侧制冷回路中），因焓差减少，而无法确保充分的高温输出，因而，存在无法提高COP（性能系数）这样的问题。

图11示出了使用CO₂（二氧化碳）作为制冷剂时的莫里尔图，但特别是在制冷剂使用CO₂并在超临界压力的范围内使制冷回路动作这样的情况下，焓差的减少幅度变大，上述问题就很显著。

此外，图11中使用箭头示出范围，可知在制冷剂使用CO₂的二级压缩型的制冷回路中，例如在制热等这种为了得到高温的情况下（在高温侧制冷回路中），无法有效地使用上述箭头的范围的热、即虽然温度较低而无法直接在制热中使用但其温度比外部气体温度（吸热源）高而能用作制冷回路的吸热源的热（余热）。

本发明鉴于上述技术问题而完成，其目的在于提供一种能使用二级压缩型的制冷回路来充分提高COP的热泵式制热装置。

解决技术问题所采用的技术方案

为了实现上述目的，本发明的热泵式制热装置包括：制热单元，该制热单元使热媒在制热端循环；一级侧热泵单元，在该一级侧热泵单元中，制冷剂依次在第一压缩机、第一热交换器、级联式热交换器、第一膨胀阀及蒸发器中循环，并利用上述第一热交换器与上述制热单元的热媒进行热交换；二级侧热泵单元，在该二级侧热泵单元中，制冷剂依次在第二压缩机、第二热交换器、第二膨胀阀及上述级联式热交换器中循环，并在上述第二热交换器与上述制热单元的热媒进行热交换；以及控制元件，该控制元件对上述制热单元、上述一级侧热泵单元及上述二级侧热泵单元进行控制，上述一级侧热泵单元及上述二级侧热泵单元的制冷剂是以二氧化碳为主要成分的制冷剂，上述控制元件使上述一级侧热泵单元及上述二级侧热泵单元的高压侧都在超临界压力的大致相同压力范围内动作（技术方案1）。

较为理想的是，上述控制元件最好控制成使上述二级侧热泵单元的制冷剂的蒸发温度处于上述一级侧热泵单元的制冷剂的蒸发温度以上（技术方案2）。

此外，上述控制元件最好控制成使上述二级侧热泵单元的制冷剂的蒸发温度处于临界点以下且为规定温度以上的范围（技术方案3）。

此外，上述规定温度最好是15℃（技术方案4）。

此外，上述控制元件最好控制成当在上述制热单元中制热能力不足时，使上述二级侧热泵单元的制冷剂的蒸发温度处于上述一级侧热泵单元的制冷剂的蒸发温度以上且不足上述规定温度的范围（技术方案5）。

此外，上述二级侧热泵单元最好包括二级侧内部热交换元件，该二级侧内部热交换元件使流过上述级联式热交换器的制冷剂与从上述第二压缩机至上述第二膨胀阀间的制冷剂进行热交换，来进行加热（技术方案6）。

此外，上述一级侧热泵单元最好包括一级侧内部热交换元件，该一级侧内部热交换元件使流过上述蒸发器的制冷剂与从上述第一压缩机至上述第一膨胀阀间的制冷剂进行热交换，来进行加热（技术方案7）。

此外，最好包括温度检测元件，该温度检测元件对流过上述第一压缩机的制冷剂的温度进行检测，上述控制元件对流过上述蒸发器并在上述一级侧内部热交换元件中进行热交换的制冷剂的流量进行控制，以使由上述温度检测元件检测出的制冷剂的温度达到规定温度（技术方案8）。

此外，除了上述制热单元以外，最好还包括温热单元，该温热单元使热媒循环，上述一级侧热泵单元的制冷剂与在上述制热单元中循环的热媒进行热交换，上述二级侧热泵单元的制冷剂与在上述温热单元中循环的热媒进行热交换（技术方案9）。

此外，除了上述制热单元以外，最好还包括温热单元，该温热单元使与上述制热单元相同的热媒循环，上述控制元件使与上述一级侧热泵单元的制冷剂进行完热交换的热媒在上述制热单元中循环，并使与上述二级侧热泵单元的制冷剂进行完热交换的热媒分配至上述制热单元及上述温热单元中并在其中循环（技术方案10）。

此外，最好上述温热单元是供热水单元（技术方案11）。

发明效果

根据本发明的热泵式制热装置，包括制热单元、一级侧热泵单元及二级侧热泵单元，一级侧热泵单元构成为使制冷剂依次在第一压缩机、第一热交换器、级联式热交换器、第一膨胀阀及蒸发器中循环并在该第一热交换器中与制热单元的热媒进行热交换，二级侧热泵单元构成为使制冷剂依次在第二压缩机、第二热交换器、第二膨胀阀及级联式热交换器中循环并在该第二热交换器中与制热单元的热媒进行热交换，一级侧热泵单元及二级侧热泵单元的制冷剂为以二氧化碳（CO₂）为主要成分的制冷剂，并使一级侧热泵单元及二级侧热泵单元的高压侧都在超临界压力的大致相同压力范围内动作，因此，能在一级侧、二级侧都产生高温，并能使制热能力提高，此外，二级侧热泵单元将虽然无法直接在一级侧热泵单元的制热中使用但其温度比外部气体温度高的余热作为吸热源，与将外部气体作为吸热源相比，压缩比小，能良好地使COP提高（技术方案1）。

此外，由于以使二级侧热泵单元的制冷剂的蒸发温度为一级侧热泵单元的制冷剂的蒸发温度以上的方式进行控制，因此，若二级侧热泵单元的制冷剂的蒸发温度比一级侧热泵单元的制冷剂的蒸发温度低，则与将两台以外部气体作为吸热源的热泵单元（一级侧热泵单元）并排进行运转的情况相比，效率会变差，但本发明能防止这种效率变差，能良好地使COP提高（技术方案2）。

此外，由于以使二级侧热泵单元的制冷剂的蒸发温度处于临界点以下且规定温度以上的范围的方式进行控制，因此，能良好地使COP提高（技术方案3）。

此外，由于将规定温度设定为15℃，并以使二级侧热泵单元的制冷剂的蒸发温度处于临界点以下且15℃以上的范围的方式进行控制，因此，能特别良好地使COP提高（技术方案4）。

此外，由于当在制热单元中制热能力不足时，以使二级侧热泵单元的制冷剂的蒸发温度处于一级侧热泵单元的制冷剂的蒸发温度以上且不足规定温度的范围的方式进行控制，因此，即便制热能力不足时，也能将效率变差抑制到最小限度，能充分确保制热能力（技术方案5）。

此外，二级侧热泵单元包括二级侧内部热交换元件，该二级侧内部热交换元件使流过级联式热交换器的制冷剂与从第二压缩机至第二膨胀阀间的制冷剂进行热交换，来进行加热，因此，能使第二压缩机的入口处的焓增大，进而使第二压缩机的出口处的焓增大，从而能使制热能力及COP更进一步提高（技术方案6）。

此外，一级侧热泵单元包括一级侧内部热交换元件，该一级侧内部热交换元件使流过蒸发器的制冷剂与从第一压缩机至第一膨胀阀间的制冷剂进行热交换，来进行加热，因此，能使第一压缩机的入口处的焓增大，进而使第二压缩机的出口处的焓增大，从而能使制热能力及COP更进一步提高（技术方案7）。

此外，由于包括对流过第一压缩机的制冷剂的温度进行检测的温度检测元件，对流过蒸发器并在一级侧内部热交换元件中进行热交换的制冷剂的流量进行控制，以使由温度检测元件检测出的制冷剂的温度达到规定温度，因此，能防止流过第一压缩机的制冷剂异常过热而导致装置破损等（技术方案8）。

此外，由于除制热单元以外，还包括使热媒循环的温热单元，一级侧热泵单元的制冷剂与在制热单元中循环的热媒进行热交换，二级侧热泵单元的制冷剂与在温热单元中循环的热媒进行热交换，因此，不仅能将该装置用于制热单元，还能用于温热单元，在这种情况下，根据一级侧热泵单元和二级侧热泵单元及制热单元和温热单元的运转状态，来将在制热单元中循环的热媒和在温热单元中循环的热媒分别设定为不同的温度（技术方案9）。

此外，由于除制热单元以外，还包括使与制热单元相同的热媒循环的温热单元，使与一级侧热泵单元的制冷剂进行完热交换的热媒在制热单元中循环，使与二级侧热泵单元的制冷剂进行完热交换的热媒分配到制热单元及温热单元中并在其中循环，因此，不仅能将该装置用于制热单元，而且能将该装置用于温热单元，通过将与二级侧热泵单元的制冷剂进行热交换后的热量分配到制热单元和温热单元，从而能特别使制热单元的能力增加（技术方案10）。

此外，由于温热单元是供热水单元，因此，不仅能将该装置用于制热单元，还能将该装置用于供热水单元，特别是在供热水单元的情况下，为了使低温的水成为高温，能在二级侧热泵单元的高压侧增大焓差，并能有效地进行热媒（水）的加热（技术方案11）。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施例的热泵式制热装置的示意结构图。

图2是表示二级侧热泵单元中的制冷剂的蒸发温度与热泵式制热装置的COP间的关系的图。

图3是表示第一实施例的莫里尔图的图。

图4是表示二级侧热泵单元中的制冷剂的蒸发温度与热量（二级侧热泵单元的高温输出）间的关系的图。

图5是表示本发明的第二实施例的热泵式制热装置的示意结构图。

图6是表示第二实施例的莫里尔图的图。

图7是表示本发明的第三实施例的热泵式制热装置的示意结构图。

图8是表示第三实施例的莫里尔图的图。

图9是表示本发明的第三实施例的热泵式制热装置的示意结构图。

图10是表示二级压缩型的制冷回路的现有的一般的莫里尔图的图。

图11是表示在二级压缩型的制冷回路中制冷剂使用CO₂时的现有的一般的莫里尔图的图。

具体实施方式

以下，基于附图，对本发明的热泵式制热装置的实施方式进行说明。

[第一实施例]

第一实施例的热泵式制热装置大体上由制热单元10、一级侧热泵单元20及二级侧热泵单元40构成。即，在本发明的热泵式制热装置中，热泵单元由二级压缩型的制冷回路构成。

制热单元10在供热媒循环的热媒循环通路12上，沿实线箭头所示的热媒的流动方向观察，依次安装有制热端14、使热媒循环的泵15、在与一级侧热泵单元20间进行热交换的第一热交换器16，在热媒循环通路12的分支上安装有在与二级侧热泵单元40间进行热交换的第二热交换器18。具体来说，制热单元10构成为热媒循环通路12分支成第一热媒循环通路12a和第二热媒循环通路12b后合流，在第一热媒循环通路12a上安装有第一热交换器16，在第二热媒循环通路12b上安装有第二热交换器18。此外，在第一热媒循环通路12a和第二热媒循环通路12b的分支部中，设置有流量调节阀19，该流量调节阀19对在第一热媒循环通路12a及第二热媒循环通路12b中流动的热媒的流量进行调节。

一级侧热泵单元20在供CO₂制冷剂（二氧化碳制冷剂）循环的制冷剂循环通路22上，沿实线箭头所示的制冷剂的流动方向观察，依次安装有压缩机24、上述第一热交换器16、级联式热交换器25、膨胀阀26、蒸发器28而构成。另外，在蒸发器28上设置有送风用的风扇29。

另一方面，二级侧热泵单元40同样在供CO₂制冷剂（二氧化碳制冷剂，下面仅称为制冷剂）循环的制冷剂循环通路42上，沿实线箭头所示的制冷剂的流动方向观察，依次安装有压缩机44、上述第二热交换器18、膨胀阀46、上述级联式热交换器25而构成。

藉此，一级侧热泵单元20起到如下作用：在使经由膨胀阀26及蒸发器28隔热膨胀后的制冷剂从外部气体吸热后，利用压缩机24将该制冷剂压缩到超临界压力的状态，而处于高温高压，在第一热交换器16中使处于高温高压的制冷剂与制热单元10的热媒进行热交换，并且在级联式热交换器25中使该制冷剂与二级侧热泵单元40的制冷剂进行热交换。

另一方面，二级侧热泵单元40起到如下作用：在使经由膨胀阀46及级联式热交换器25隔热膨胀后的制冷剂从一级侧热泵单元20的制冷剂吸热后，利用压缩机44将该制冷剂也压缩到超临界压力的状态，而处于高温，并处于与上述一级侧热泵单元20的情况大致相同的压力范围的高压的压力，在第二热交换器18中使处于高温高压的制冷剂与制热单元10的热媒进行热交换。

此外，在该热泵式制热装置中，设置有对制热单元10、一级侧热泵单元20及二级侧热泵单元40进行综合控制的电子控制单元（ECU）（控制元件）60，在上述电子控制单元的输入侧电连接有温度传感器之类的各种传感器等，在上述电子控制单元的输出侧电连接有制热单元10的泵15、流量调节阀19、一级侧热泵单元20的压缩机24、膨胀阀26、风扇29、二级侧热泵单元40的压缩机44、膨胀阀46之类的各种设备等。

藉此，例如，压缩机24、44能根据来自ECU60的输出信号来改变旋转速度，藉此，能分别调节一级侧热泵单元20的制冷剂、二级侧热泵单元40的制冷剂的蒸发温度。此外，膨胀阀26、46能根据来自ECU60的输出信号来改变排出开度，流量调节阀19能根据来自ECU60的输出信号来将热媒的流量适当调节至第一热媒循环通路12a和第二热媒循环通路12b。

以下，对如上构成的第一实施例的热泵式制热装置的动作进行说明。

在此，利用ECU60对二级侧热泵单元40的压缩机44的旋转速度进行可变操作，并控制成二级侧热泵单元40的制冷剂的蒸发温度比一级侧热泵单元20的制冷剂的蒸发温度高。

参照图2，将在第一热交换器16的出口（热交换器出口）处的制冷剂的温度设定为40℃、50℃、60℃后进行模拟实验时的、二级侧热泵单元40中的制冷剂的蒸发温度与热泵式制热装置的COP间的关系作为模拟实验结果分别示出。根据图2可知，COP在蒸发温度为临界点以下（例如30℃）且为规定温度以上（例如15℃以上、较为理想的是20℃以上）的范围内较高。

因此，在此，对二级侧热泵单元40的压缩机44的旋转速度进行控制，以使二级侧热泵单元40中的制冷剂的蒸发温度处于规定温度范围（例如15℃以上、较为理想的是20℃以上）。具体来说，在二级侧热泵单元40的制冷剂的蒸发温度比规定温度范围高的情况下，通过使压缩机44的旋转速度上升，就可使蒸发温度下降，在制冷剂的蒸发温度比规定温度范围低的情况下，通过使压缩机44的旋转速度降低，来使蒸发温度上升。另外，也可以与之相应地对膨胀阀46的开度进行控制。

参照图3，示出了本实施例的莫里尔图，a→b→c→d表示一级侧热泵单元20的热循环，e→f→g→h表示二级侧热泵单元40的热循环。如图3所示，在本发明的热泵式制热装置中，二级侧热泵单元40的热循环与一级侧热泵单元20的热循环重叠，作为制热用而获得的热量为通过一级侧热泵单元20获得的热量（箭头A）与通过二级侧热泵单元40获得的热量（箭头B）的累积值。此外，在图3中，一并示出了虽然温度低而无法直接在制热中使用但其温度比外部气体温度（一级侧热泵单元20的吸热源，例如0℃）高的余热量（箭头C），如上所述，由于将二级侧热泵单元40中的制冷剂的蒸发温度控制为规定温度范围，因此其在级联式热交换器25中能作为二级侧热泵单元40的吸热量（箭头D），这样，能将虽然无法在制热中直接使用但其温度比外部气体温度高的热良好地回收，来在制热中使用。

因此，根据本发明第一实施例的热泵式制热装置，在使用CO₂制冷剂的结构中，通过以使一级侧热泵单元20和二级侧热泵单元40的高压侧都在超临界压力的大致相同压力范围内动作的方式组合，能使一级侧、二级侧都产生高温，能提高制热能力，此外，由于二级侧热泵单元40将虽然无法在一级侧热泵单元20的制热中直接使用但其温度比外部气体温度高的余热作为吸热源，因此，与将外部气体作为吸热源相比，能使压缩比减小，从而能良好地提高COP。

另一方面，参照图4，分别示出了将第一热交换器16的出口（热交换器出口）处的制冷剂的温度设定为40℃、50℃、60℃来进行模拟实验时的、二级侧热泵单元40中的制冷剂的蒸发温度与热量（二级侧热泵单元40的高温输出）间的关系，根据图4可知，蒸发温度越高，热量越少。

因此，在优先COP的情况下，如上所述控制成使二级侧热泵单元40中的制冷剂的蒸发温度处于规定温度范围（例如15℃以上，较为理想的是20℃以上），另一方面，例如，在开始制热之后这种制热能力不足的情况下，设定为使制热能力优先，并例如在规定期间范围内使二级侧热泵单元40中的制冷剂的蒸发温度在温度比外部气体温度高的范围内降低至比上述规定温度范围低的温度，而不局限于上述规定温度范围。

藉此，即便在开始制热之后这种制热能力不足的情况下，通过使二级侧热泵单元40中的制冷剂的蒸发温度降低至比规定温度范围低的温度，不仅能将效率变差抑制到最小限度，而且能充分确保制热能力。

[第二实施例]

第二实施例的热泵式制热装置在一级侧热泵单元20’及二级侧热泵单元40’分别具有内部热交换器30、50这点上与上述第一实施例有所不同。

具体来说，在一级侧热泵单元20’中，在制冷剂循环通路22上的、级联式热交换器25与膨胀阀26之间的位置安装有内部热交换器（一级侧内部热交换元件）30。此外，在蒸发器28的下游安装有线性三通阀（控制元件32），并以从线性三通阀32分支，再合流至制冷剂循环通路22的方式设置内部循环通路34，在内部循环通路34上安装有上述内部热交换器30。线性三通阀32与ECU60的输出侧电连接。

此外，在二级侧热泵单元40’中，在制冷剂循环通路42上的、第二热交换器18与膨胀阀46之间的位置安装有内部热交换器（二级侧内部热交换元件）50。此外，以从级联式热交换器25的下游位置分支，再合流至制冷剂循环通路42的方式设置内部循环通路54，在内部循环通路54上安装有上述内部热交换器50。

此外，在一级侧热泵单元20’的制冷剂循环通路22的压缩机24的下游设置有温度传感器（温度检测元件）62，该温度传感器62对利用压缩机24进行压缩后的制冷剂的温度T进行检测。温度传感器62与ECU60电连接。

参照图6，示出了本实施例的莫里尔图，但在本第二实施例中，与上述图3相比，一级侧热泵单元20’的热循环因利用内部热交换器30使制冷剂过热而为a’→b’→c’→d’，二级侧热泵单元40’的热循环因利用内部热交换器50使制冷剂过热而为e’→f’→g’→h’。

在这种情况下，ECU60以温度传感器62测得的一级侧热泵单元20’的压缩机24下游的温度T达到规定温度T1（例如120℃）的方式对线性三通阀32的开度进行控制，来对在内部循环通路34中流动的制冷剂的流量进行调节。如上所述使压缩机24下游的温度T达到规定温度T1是为了防止因压缩机24下游的制冷剂异常过热而导致装置破损等。

另一方面，对于二级侧热泵单元40’，由于蒸发温度高，因此，即便压缩机44的入口温度变高，压缩机44的出口温度也不会变高，因而，不需要特别对在内部循环通路54中流动的制冷剂的流量进行控制，最好尽可能地进行内部热交换。不过，在降低蒸发温度来进行动作这样的情况下，也可以与一级侧热泵单元20’同样地对在内部循环通路54中流动的制冷剂的流量进行调节。

这样，根据本发明第二实施例的热泵式制热装置，在使用CO₂制冷剂的结构中，以使一级侧热泵单元20’和二级侧热泵单元40’的高压侧都在超临界压力的大致相同压力范围内动作的方式组合，分别在一级侧热泵单元20’及二级侧热泵单元40’中在制冷剂间进行内部热交换，因此，能使制热能力，甚至是COP进一步提高。

[第三实施例]

第三实施例的热泵式制热装置在除了制热单元10’之外还具有供热水单元（温热单元）70这点上与上述第一实施例不同。

如图7所示，制热单元10’在供热媒循环的热媒循环通路12’上，沿由实线箭头所示的热媒的流动方向观察，依次安装有制热端14、使热媒循环的泵15、在与一级侧热泵单元20之间进行热交换的第一热交换器16而构成。

另一方面，供热水单元70在供水循环的热媒循环通路72上，沿由实线箭头所示的水的流动方向观察，依次安装有供热水箱74、使水循环的泵75、在与二级侧热泵单元40之间进行热交换的第二热交换器18而构成。

即，在第三实施例中，利用一级侧热泵单元20进行制热，利用二级侧热泵单元40对供热水箱74内的水进行加热。

藉此，根据本发明第三实施例的热泵式制热装置，在使用CO₂制冷剂的结构中，以使一级侧热泵单元20和二级侧热泵单元40的高压侧都在超临界压力的大致相同压力范围内动作的方式组合，能利用一级侧热泵单元20进行制热，并能利用二级侧热泵单元40对供热水箱74内的水进行加热。此外，在这种情况下，能根据一级侧热泵单元20和二级侧热泵单元40及制热单元10’和供热水单元70的运转状态，使在制热单元10’中循环的热媒的温度和在供热水单元70中循环的热媒的温度分别达到不同的温度。

在此，供热水单元70在供热水箱74中接收与外部气体温度大致相同温度的低温的水的供给，利用第二热交换器18对上述低温的水进行加热，并作为高温的水储存在供热水箱74中，并将上述高温的水用于供给热水。

通过这样，在第二热交换器18中，制冷剂与低温的水之间进行热交换的热量可以说比在上述第一实施例、第二实施例中的制冷剂与热媒间进行热交换的热量大得多。

藉此，参照图8，示出了本实施例的莫里尔图，在该第三实施例中，与上述图3相比，特别是二级侧热泵单元40的热循环为e→f→g”→h”。即，在本实施例的情况下，在二级侧热泵单元40的热循环中，焓差变大，从而能一边制热，一边有效地对供热水箱74内的水进行加热。

因此，根据本发明第三实施例的热泵式制热装置，不仅能实现制热能力及供热水效率的提高，而且作为装置整体能使COP进一步提高。

另外，在如上述第一实施例、第二实施例那样，使被第一热交换器16、第二热交换器18加热后的热媒在制热单元10中循环的情况下，由于从制热单元10返回至第一热交换器16的热媒温度与返回至第二热交换器18的热媒温度相同，因此，一级侧、二级侧都在高压侧（第一热交换器16及第二热交换器18）在相同压力下动作。但是，如第三实施例这样，例如，在将制热单元10连接至一级侧、将供热水单元70连接至二级侧的情况下，从制热单元10返回至第一热交换器16的热媒温度与从供热水单元70返回至第二热交换器18的热媒温度不同，若要使一级侧的COP和二级侧的COP分别最优化，则一级侧的高压侧（第一热交换器16）的压力和二级侧的高压侧（第二热交换器18）的压力有时会不同。

图9是表示本发明的第三实施例的变形例的热泵式制热装置的示意结构图。

第三实施例的变形例的热泵式制热装置在形成有制热单元10”及供热水单元70’，且在供热水箱74’内配置有在水与热媒间进行热交换的第三热交换器73这点上，与上述第三实施例不同，其中，制热单元10”能将从二级侧热泵单元40的制冷剂经由第二热交换器18吸收的热分配用作制热和用作对供热水箱74’内的水进行加热。此外，在此，在供热水单元70’中流动的热媒与在制热单元10”中流动的热媒相同。

更具体来说，在该变形例中，制热单元10”及供热水单元70’构成为热媒循环通路12’中的第一热交换器16的上游部分经由单向阀76而与热媒循环通路72中的第二热交换器18的上游部分连通，热媒循环通路12’中的第一热交换器16的下游部分经由线性三通阀（控制元件79）及单向阀78而与热媒循环通路72中的第二热交换器18的下游部分连通。另外，单向阀76允许热媒从热媒循环通路12’向热媒循环通路72流通，单向阀78允许热媒从热媒循环通路72向热媒循环通路12’流通。

线性三通阀79与ECU60连接，并基于来自ECU60的与制热相关的信息及与供热水相关的信息，来进行切换控制。藉此，流过第二热交换器18的热媒以适当的比例分配至制热端14和供热水箱74’。

例如，若对线性三通阀79进行控制，以使流过第二热交换器18的热媒仅流至制热端14，则能利用一级侧热泵单元20和二级侧热泵单元40进行制热。此外，若对线性三通阀79进行控制，以使流过第二热交换器18的热媒流至制热端14和供热水箱74’，则能一边利用一级侧热泵单元20和二级侧热泵单元40进行制热，一边利用二级侧热泵单元40对供热水箱74’内的水进行加热。

这样，根据本发明第三实施例的变形例的热泵式制热装置，特别是，关于制热单元10”，利用来自一级侧热泵单元20的热和来自二级侧热泵单元40的热，能在很宽的范围内对在制热单元10”内循环的热媒的热量进行控制，特别能使制热单元10”的能力增加。

此外，若对线性三通阀79进行控制，以使流过第二热交换器18的热媒仅流至供热水箱74’，则能利用一级侧热泵单元20进行制热，并能良好地利用二级侧热泵单元40对供热水箱74’内的水进行加热。

以上，基于第一实施例至第三实施例及第三实施例的变形例对本发明的热泵式制热装置的实施方式进行了说明，但本发明不局限于上述实施方式。

例如，在上述实施方式中，使在一级侧热泵单元20、20’及二级侧热泵单元40、40’中流动的制冷剂为CO₂制冷剂，但只要是使高压侧在超临界压力的大致相同压力范围内使制冷回路动作的装置，制冷剂的主要成分为CO₂即可，并不仅限定于CO₂制冷剂。

此外，在上述实施方式中，在第二实施例中，设置了一级侧热泵单元20’及二级侧热泵单元40’，并构成为各自具有内部热交换器30、50，但也可以仅设置二级侧热泵单元40’，并构成为仅具有内部热交换器50。

此外，在上述实施方式中，在第三实施例及第三实施例的变形例中，在第一实施例的由一级侧热泵单元20及二级侧热泵单元40构成的结构上增加了供热水单元70、70’，但也可以在第二实施例的由一级侧热泵单元20’及二级侧热泵单元40’构成的结构上增加供热水单元70、70’。

此外，在上述实施方式中，在第三实施例及第三实施例的变形例中，设置了供热水单元70、70’作为温热单元，但温热单元不局限于供热水单元。

此外，在上述实施方式中，将外部气体作为蒸发器28的吸热源，但也可以将地下热作为蒸发器28的吸热源。

(符号说明)

10、10’、10” 制热单元

14 制热端

16 第一热交换器

18 第二热交换器

20、20’ 一级侧热泵单元

24、44 压缩机

25 级联式热交换器

26、46 膨胀阀

28 蒸发器

30 内部热交换器（一级侧内部热交换元件）

32 线性三通阀（控制元件）

40、40’ 二级侧热泵单元

50 内部热交换器（二级侧内部热交换元件）

60 电子控制单元（ECU）

62 温度传感器（温度检测元件）

70、70’ 供热水单元（温热单元）

79 线性三通阀（控制元件）

Claims

1.一种热泵式制热装置，其特征在于，包括：

制热单元，该制热单元使热媒在制热端循环；

一级侧热泵单元，该一级侧热泵单元构成为使制冷剂依次在第一压缩机、第一热交换器、级联式热交换器、第一膨胀阀及蒸发器中循环，并在所述第一热交换器中与所述制热单元的热媒进行热交换；

二级侧热泵单元，该二级侧热泵单元构成为使制冷剂依次在第二压缩机、第二热交换器、第二膨胀阀及所述级联式热交换器中循环，并在所述第二热交换器与所述制热单元的热媒进行热交换；以及

控制元件，该控制元件对所述制热单元、所述一级侧热泵单元及所述二级侧热泵单元进行控制，

所述一级侧热泵单元及所述二级侧热泵单元的制冷剂是以二氧化碳为主要成分的制冷剂，

所述控制元件使所述一级侧热泵单元及所述二级侧热泵单元的高压侧都在超临界压力的大致相同压力范围内动作。

2.如权利要求1所述的热泵式制热装置，其特征在于，

所述控制元件控制成使所述二级侧热泵单元的制冷剂的蒸发温度为所述一级侧热泵单元的制冷剂的蒸发温度以上。

3.如权利要求2所述的热泵式制热装置，其特征在于，

所述控制元件控制成使所述二级侧热泵单元的制冷剂的蒸发温度处于临界点以下且规定温度以上的范围。

4.如权利要求3所述的热泵式制热装置，其特征在于，

所述规定温度为15℃。

5.如权利要求3所述的热泵式制热装置，其特征在于，

所述控制元件控制成当在所述制热单元中制热能力不足时，使所述二级侧热泵单元的制冷剂的蒸发温度处于所述一级侧热泵单元的制冷剂的蒸发温度以上且不足所述规定温度的范围。

6.如权利要求1所述的热泵式制热装置，其特征在于，

所述二级侧热泵单元包括二级侧内部热交换元件，该二级侧内部热交换元件使流过所述级联式热交换器的制冷剂与从所述第二压缩机至所述第二膨胀阀间的制冷剂进行热交换，来进行加热。

7.如权利要求6所述的热泵式制热装置，其特征在于，

所述一级侧热泵单元包括一级侧内部热交换元件，该一级侧内部热交换元件使流过所述蒸发器的制冷剂与从所述第一压缩机至所述第一膨胀阀间的制冷剂进行热交换，来进行加热。

8.如权利要求7所述的热泵式制热装置，其特征在于，

包括温度检测元件，该温度检测元件对流过所述第一压缩机的制冷剂的温度进行检测，

所述控制元件对流过所述蒸发器并在所述一级侧内部热交换元件中进行热交换的制冷剂的流量进行控制，以使由所述温度检测元件检测出的制冷剂的温度达到规定温度。

9.如权利要求1所述的热泵式制热装置，其特征在于，

除所述制热单元以外，还包括温热单元，该温热单元使热媒循环，

所述一级侧热泵单元的制冷剂与在所述制热单元中循环的热媒进行热交换，所述二级侧热泵单元的制冷剂与在所述温热单元中循环的热媒进行热交换。

10.如权利要求1所述的热泵式制热装置，其特征在于，

除所述制热单元以外，还包括温热单元，该温热单元使与所述制热单元相同的热媒循环，

所述控制元件使与所述一级侧热泵单元的制冷剂进行完热交换的热媒在所述制热单元中循环，并使与所述二级侧热泵单元的制冷剂进行完热交换的热媒分配至所述制热单元及所述温热单元中并在其中循环。

11.如权利要求9或10所述的热泵式制热装置，其特征在于，

所述温热单元是供热水单元。