CN109511272B - 热泵装置 - Google Patents

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Abstract

热泵装置具有第1制冷剂回路、第2制冷剂回路、蓄热回路和水回路，第1制冷剂回路具有连接着第1热交换器、第2热交换器、第3热交换器和第4热交换器的结构，第2制冷剂回路具有连接着第5热交换器和第2热交换器的结构，水回路具有第1水回路、第2水回路和第3水回路，在该第1水回路连接着泵、第1热交换器和第5热交换器，该第2水回路在泵与第1热交换器之间从第1水回路分支并在第1热交换器与第5热交换器之间连接于第1水回路，该第3水回路在第5热交换器的下游侧从第1水回路分支并经由第6热交换器而在泵的上游侧连接于第1水回路。

Description

热泵装置
技术领域
本发明涉及具有复叠热泵回路的热泵装置。
背景技术
专利文献1记载了供热水装置。该供热水装置具有依次连接压缩机、第1热交换器、膨胀机构和第2热交换器并填充了二氧化碳制冷剂的供热水用制冷剂回路。第1热交换器是热水生成用的热交换器，第2热交换器是空调装置等的低级侧制冷剂回路的制冷剂和二氧化碳制冷剂进行热交换的阶式(日文：カスケード)热交换器。由此，在供热水装置中，进行二元的热泵循环动作。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3925383号公报
发明内容
发明要解决的课题
图13和图14是表示以往的供热水装置中的CO2制冷剂的动作的p-h线图。如图13和图14所示，在超过临界压力地动作的CO2制冷剂的情况下，由于不存在冷凝温度，所以，散热行程的焓差与散热行程的温度差大致成正比地变化。因此，如图13所示，在进水温度低的情况(例如20℃)下，能够增加散热行程的焓差，所以，得到高COP。另一方面，如图14所示，在进水温度上升时(例如40℃)，散热行程的焓差变小，所以，COP降低。因此，在以往的供热水装置中，存在进水温度低的供热水运转和进水温度高的保温运转双方都提高运转效率很困难的课题。
另外，在以往的供热水装置中，存在为了提高最大能力而需要使单元尺寸大型化的课题。
本发明是为了解决上述那样的课题的至少1个而完成的，其目的在于提供一种在能够提高运转效率的同时既能抑制单元尺寸的大型化又能提高最大能力的热泵装置。
用于解决课题的手段
本发明的热泵装置具有：使第1制冷剂循环的第1制冷剂回路、使第2制冷剂循环的第2制冷剂回路、使第1流体循环的蓄热回路、以及使水流通的水回路；所述第1制冷剂回路具有经由配管按照第1压缩机、进行所述第1制冷剂与水的热交换的第1热交换器、进行所述第1制冷剂与所述第2制冷剂的热交换的第2热交换器、第1膨胀阀、进行所述第1制冷剂与第2流体的热交换的第3热交换器、以及进行所述第1制冷剂与所述第1流体的热交换的第4热交换器的顺序将它们加以连接的结构；所述第2制冷剂回路具有经由配管按照第2压缩机、进行所述第2制冷剂与水的热交换的第5热交换器、第2膨胀阀、以及所述第2热交换器的顺序将它们加以连接的结构；所述蓄热回路具有：蓄热箱、使所述第1流体在所述蓄热箱与所述第4热交换器之间循环的第1循环回路、以及使所述第1流体在所述蓄热箱与第6热交换器之间循环的第2循环回路，该第6热交换器进行所述第1流体与水的热交换；所述水回路具有：第1回路，在该第1回路连接着加压输送水的泵、所述第1热交换器和所述第5热交换器；第2回路，该第2回路在所述泵与所述第1热交换器之间从所述第1回路分支，在所述第1热交换器与所述第5热交换器之间连接于所述第1回路；以及第3回路，该第3回路在所述第5热交换器的下游侧从所述第1回路分支，经由所述第6热交换器而在所述泵的上游侧连接于所述第1回路。
发明效果
根据本发明，在能够提高运转效率的同时，既能抑制单元尺寸的大型化又能提高最大能力。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1的热泵装置的概略回路结构的回路图。
图2是表示本发明的实施方式1的热泵装置在供热水模式下的状态的图。
图3是表示本发明的实施方式1的热泵装置在保温模式下的状态的图。
图4是表示本发明的实施方式1的热泵装置在蓄热模式下的状态的图。
图5是表示本发明的实施方式1的热泵装置在能力增强模式下的状态的图。
图6是表示本发明的实施方式1的热泵装置在供热水和蓄热模式下的状态的图。
图7是表示本发明的实施方式1的热泵装置在保温和蓄热模式下的状态的图。
图8是表示本发明的实施方式1的热泵装置在快速起动模式下的状态的图。
图9是表示本发明的实施方式4的热泵装置所采用的胶囊型的蓄热材料的概略结构的图。
图10是表示本发明的实施方式6的热泵装置的概略回路结构的回路图。
图11是表示本发明的实施方式7的热泵装置的概略回路结构的回路图。
图12是表示本发明的实施方式10的热泵装置的物理结构的示意图。
图13是表示以往的供热水装置中的CO2制冷剂的动作的p-h线图。
图14是表示以往的供热水装置中的CO2制冷剂的动作的p-h线图。
具体实施方式
实施方式1.
对本发明的实施方式1的热泵装置进行说明。图1是表示本实施方式的热泵装置的概略回路结构的回路图。如图1所示，热泵装置具有复叠热泵回路103，该复叠热泵回路103具有使第1制冷剂循环的低级侧的第1制冷剂回路101和使第2制冷剂循环的高级侧的第2制冷剂回路102。另外，热泵装置具有使第1流体循环的蓄热回路110和使水流通的水回路120。
(第1制冷剂回路101)
第1制冷剂回路101具有经由制冷剂配管按照第1压缩机1、第1热交换器2、第2热交换器3、第1膨胀阀4、第3热交换器5和第4热交换器6的顺序将它们连接成环状的结构。作为在第1制冷剂回路101内循环的第1制冷剂，采用例如在至少第1制冷剂回路101单独运转时在超临界区域动作的制冷剂(例如包含CO2为至少一种成分的制冷剂)。也就是说，在至少第1制冷剂回路101单独运转时的第1制冷剂回路101的高压侧压力为第1制冷剂的临界压力以上。
第1压缩机1是吸入并压缩低压的第1制冷剂、然后将其作为高压制冷剂而排出的流体机械。
第1热交换器2和第2热交换器3分别是第1制冷剂回路101中的高压侧的热交换器，作为使热从第1制冷剂散发的散热器而发挥作用。第1热交换器2是进行水与第1制冷剂的热交换的水-制冷剂热交换器。在第1热交换器2中，从第1制冷剂向水散热，从而水被加热且第1制冷剂被冷却。第2热交换器3是进行低级侧的第1制冷剂与高级侧的第2制冷剂的热交换的阶式热交换器。在第2热交换器3中，从第1制冷剂向第2制冷剂散热，从而第2制冷剂被加热且第1制冷剂被进一步冷却。
第1膨胀阀4对高压的第1制冷剂进行等焓减压并使之作为低压制冷剂而流出。作为第1膨胀阀4，采用能通过控制装置的控制来调节开度的电子式膨胀阀等。
第3热交换器5和第4热交换器6分别是第1制冷剂回路101中的低压侧的热交换器，作为使第1制冷剂吸收热而使第1制冷剂蒸发的蒸发器而发挥作用。第3热交换器5是进行第1制冷剂与第2流体的热交换的热交换器。在本例中，作为第2流体，采用由未图示的送风风扇供给的室外空气。因此，第3热交换器5成为进行室外空气与第1制冷剂的热交换的空气-制冷剂热交换器。在第3热交换器5中，从第2流体向第1制冷剂散热，从而第1制冷剂被加热。第4热交换器6是进行第1制冷剂与第1流体的热交换的热交换器。在第4热交换器6中，从第1流体向第1制冷剂散热，从而第1制冷剂被加热且第1流体被冷却。
(第2制冷剂回路102)
第2制冷剂回路102具有经由制冷剂配管按照第2压缩机7、第5热交换器8、第2膨胀阀9和上述第2热交换器3的顺序将它们连接成环状的结构。作为在第2制冷剂回路102内循环的第2制冷剂，采用例如在超临界区域以下动作的制冷剂。也就是说，第2制冷剂回路102的高压侧压力为第2制冷剂的临界压力以下。
第2压缩机7是吸入并压缩低压的第2制冷剂、然后将其作为高压制冷剂而排出的流体机械。
第5热交换器8是第2制冷剂回路102中的高压侧的热交换器，作为使热从第2制冷剂散发而使第2制冷剂冷凝的散热器(冷凝器)而发挥作用。第5热交换器8是进行水与第2制冷剂的热交换的水-制冷剂热交换器。在第5热交换器8中，从第2制冷剂向水散热，从而水被加热且第2制冷剂被冷却。
第2膨胀阀9对高压的第2制冷剂进行等焓减压并使之作为低压制冷剂而流出。作为第2膨胀阀9，采用能通过控制装置的控制来调节开度的电子式膨胀阀等。
第2热交换器3是第2制冷剂回路102中的低压侧的热交换器，作为使第2制冷剂吸收热而使第2制冷剂蒸发的蒸发器而发挥作用。如上所述，第2热交换器3是进行第1制冷剂与第2制冷剂的热交换的阶式热交换器。
(蓄热回路110)
蓄热回路110具有蓄热箱10、以及分别使第1流体循环的第1循环回路111和第2循环回路112。在本例的蓄热箱10中，封入胶状的蓄热材料。作为蓄热材料，采用热容量比水大的材料。在蓄热箱10内，进行第1流体与蓄热材料的热交换。作为本例的第1流体，采用水或载冷剂等液状热介质。
第1循环回路111使第1流体在蓄热箱10与第4热交换器6之间循环。在第1循环回路111中设置着加压输送第1流体的泵11。如上所述，第4热交换器6是进行第1制冷剂与第1流体的热交换的热交换器。在第4热交换器6中，从第1流体向第1制冷剂散热，从而第1制冷剂被加热且第1流体被冷却。
第2循环回路112使第1流体在蓄热箱10与第6热交换器17之间循环。在本例中，第2循环回路112共有第1循环回路111和泵11，从第1循环回路111分支地设置。在第1循环回路111与第2循环回路112的分支部，设置着流路切换装置16。流路切换装置16例如由三通阀或多个二通阀等构成。在流路切换装置16，切换由泵11加压输送的第1流体在第1循环回路111或第2循环回路112的哪一个中循环。也就是说，在流路切换装置16，切换第1流体流入第4热交换器6或第6热交换器17的哪一个。
第6热交换器17是进行第1流体与水的热交换的热交换器。在第6热交换器17中，从水向第1流体散热，从而第1流体被加热。
(水回路120)
水回路120具有分别使水流通的第1回路121、第2回路122和第3回路123。需要说明的是，作为在水回路120流通的流体，不仅能采用水，还能采用载冷剂等液状热介质。
第1回路121具有经由水配管按照加压输送水的泵12、上述第1热交换器2、以及上述第5热交换器8的顺序将它们加以连接的结构。在第1回路121的上游端，设置着使水或低温的热水从热泵装置的外部流入的流入部120a(进水部)。在第1回路121的下游端，设置着使热水流出到热泵装置的外部的流出部120b(出热水部)。
第2回路122在泵12与第1热交换器2之间从第1回路121分支，在第1热交换器2与第5热交换器8之间连接于第1回路121。也就是说，第2回路122是不经由第1热交换器2地连接第1回路121中的泵12与第5热交换器8之间的回路。在第1回路121与第2回路122的分支部，设置着流路切换装置14。流路切换装置14例如由三通阀或多个二通阀等构成。在流路切换装置14，切换由泵12加压输送的水通过第1热交换器2或通过第2回路122。
第3回路123在第5热交换器8的下游侧从第1回路121分支，经由第6热交换器17而在泵12的上游侧连接于第1回路121。
在第1回路121与第3回路123的分支部，设置着流路切换装置15。流路切换装置15例如由三通阀或多个二通阀等构成。在流路切换装置15，切换通过了第5热交换器8的水经由流出部120b而流出到外部或经由第6热交换器17而返回泵12的上游侧。另外，流路切换装置15不仅能够仅切换流路，还能够调节经由流出部120b而流出到外部的水的流量与经由第6热交换器17而返回泵12的上游侧的水的流量的流量比。流路切换装置15也可以是例如组合切换流路的切换阀和调整流量的流量调整阀而成的结构。
在第1回路121与第3回路123的连接部，设置着流路切换装置13。流路切换装置13例如由三通阀或多个二通阀等构成。在流路切换装置13，切换经由流入部120a而从外部流入的水和经由第6热交换器17而返回泵12的上游侧的水的哪一个被吸入泵12。另外，流路切换装置13不仅能够仅切换流路，还能够调节经由流入部120a而从外部流入的水的流量与经由第6热交换器17而返回泵12的上游侧的水的流量的流量比。流路切换装置13也可以是例如组合切换流路的切换阀和调整流量的流量调整阀而成的结构。
(控制装置200)
另外，热泵装置具有用于控制包括第1制冷剂回路101、第2制冷剂回路102、蓄热回路110和水回路120在内的整个热泵装置的控制装置200。控制装置200具有带CPU、ROM、RAM、I/O端口、计时器等的微机。在控制装置200，基于运转模式的设定、或来自未图示的传感器类的检测信号等，来控制第1压缩机1、第2压缩机7、第1膨胀阀4、第2膨胀阀9、泵11、流路切换装置16、泵12、流路切换装置13、14、15、未图示的送风风扇等各种执行器的动作。
控制装置200能执行供热水模式(第1运转模式的一个例子)、保温模式(第2运转模式的一个例子)、蓄热模式(第3运转模式的一个例子)、能力增强模式(第4运转模式的一个例子)、供热水和蓄热模式(第5运转模式的一个例子)、保温和蓄热模式(第6运转模式的一个例子)以及快速起动模式(第7运转模式的一个例子)作为热泵装置的运转模式。各运转模式基于用户的操作、来自外部的指令、或来自传感器类的检测信号等而被切换。以下，对各运转模式进行说明。需要说明的是，以下说明的各种执行器的动作是用于执行各运转模式的一个例子。
(供热水模式)
图2是表示本实施方式的热泵装置在供热水模式下的状态的图。在供热水模式下，第1压缩机1被控制成使得出热水温度接近目标值。第1膨胀阀4被控制成使得第1制冷剂回路101的过热度、排出温度或排出压力接近目标值。在第3热交换器5中，进行由送风风扇送风的室外空气与第1制冷剂的热交换。第2压缩机7和泵11停止。泵12运转。流路切换装置13、14、15被设定成，使得经由流入部120a而从外部流入的水按照第1热交换器2和第5热交换器8的顺序串联通过第1热交换器2和第5热交换器8、然后经由流出部120b而流出到外部。需要说明的是，由于第2压缩机7停止，所以，在第5热交换器8中不进行第2制冷剂与水的热交换。
在供热水模式下，从外部流入的水由于第1热交换器2的热交换而被加热，作为高温的热水而流出到外部。由此，在供热水模式下，能通过来自室外空气的采热而供热水。第1制冷剂回路101在临界压力以上动作，所以，能够以高COP运转。
(保温模式)
图3表示本实施方式的热泵装置在保温模式下的状态的图。保温模式是在进水温度与出热水温度的温度差由于进水温度的上升而变小的情况下执行的运转模式。保温模式例如是在供热水模式的执行中进水温度为预定温度以上、或者进水温度与目标出热水温度的温度差为预定值以下的情况下执行的。
在保温模式下，第1压缩机1被控制成使得第1制冷剂回路101的排出压力接近目标值。第1膨胀阀4被控制成使得第1制冷剂回路101的过热度或排出温度接近目标值。在第3热交换器5中，进行由送风风扇送风的室外空气与第1制冷剂的热交换。第2压缩机7被控制成使得出热水温度接近目标值。需要说明的是，第1压缩机1的控制目标和第2压缩机7的控制目标也可以反过来。也就是说，也可以是，第1压缩机1被控制成使得出热水温度接近目标值，第2压缩机7被控制成使得第1制冷剂回路101的排出压力接近目标值。第2膨胀阀9被控制成使得第2制冷剂回路102的过热度、排出温度或排出压力接近目标值。泵11停止。泵12运转。流路切换装置13、14、15被设定成，使得经由流入部120a而从外部流入的水经由第2回路122而通过第5热交换器8、然后经由流出部120b而流出到外部。
在保温模式下，由第1制冷剂回路101和第2制冷剂回路102构成二元循环。因此，能够在临界压力以下运转第1制冷剂回路101和第2制冷剂回路102双方，能够在第1制冷剂回路101和第2制冷剂回路102双方使制冷剂冷凝。因此，即使进水温度上升而使得进水温度与出热水温度的温度差变小，也能够增加焓差，所以，能够以高COP运转。
(蓄热模式)
图4是表示本实施方式的热泵装置在蓄热模式下的状态的图。蓄热模式例如是在负荷侧没有所需热量而不进行供热水模式和保温模式下的运转的情况下、在蓄热箱10的残余蓄热量不足的情况下、或在预测到蓄热箱10的残余蓄热量的不足的情况下执行的。
在蓄热模式下，第1压缩机1被控制成使得第1制冷剂回路101的排出压力接近目标值。第1膨胀阀4被控制成使得第1制冷剂回路101的过热度或排出温度接近目标值。在第3热交换器5中，进行由送风风扇送风的室外空气与第1制冷剂的热交换。第2压缩机7被控制成使得出热水温度接近目标值。需要说明的是，第1压缩机1的控制目标和第2压缩机7的控制目标也可以反过来。第2膨胀阀9被控制成使得第2制冷剂回路102的过热度、排出温度或排出压力接近目标值。泵11运转。流路切换装置16被设定成使得第1流体在第2循环回路112循环。泵12运转。流路切换装置13、14、15被设定成，形成水在泵12、第2回路122、第5热交换器8、第3回路123和第6热交换器17循环的闭合回路。由此，在第6热交换器17中，由来自水的吸热，第1流体被加热。在蓄热箱10，从第1流体散发的热被蓄热于蓄热材料。
在蓄热模式下，由第1制冷剂回路101和第2制冷剂回路102构成二元循环。因此，能够在临界压力以下运转第1制冷剂回路101和第2制冷剂回路102双方，能够在第1制冷剂回路101和第2制冷剂回路102双方使制冷剂冷凝。因此，即使在进水温度上升的蓄热运转中，也能够增加焓差，所以，能够以高COP运转。
(能力增强模式)
图5是表示本实施方式的热泵装置在能力增强模式下的状态的图。能力增强模式例如是在第1压缩机1的频率达到上限的情况下、在即使第1制冷剂回路101的高压侧压力达到预定值而出热水温度也未达到目标出热水温度的情况下、或在出热水量未达到目标出热水量的情况下执行的。
在能力增强模式下，第1压缩机1被控制成使得第1制冷剂回路101的排出压力接近目标值。第1膨胀阀4被控制成使得第1制冷剂回路101的过热度或排出温度接近目标值。在第3热交换器5中，不进行室外空气与第1制冷剂的热交换。也就是说，送风风扇停止。第2压缩机7被控制成使得出热水温度接近目标值。需要说明的是，第1压缩机1的控制目标和第2压缩机7的控制目标也可以反过来。第2膨胀阀9被控制成使得第2制冷剂回路102的过热度、排出温度或排出压力接近目标值。泵11运转。流路切换装置16被设定成使得第1流体在第1循环回路111循环。由此，在第4热交换器6中，由来自第1流体的吸热，第1制冷剂蒸发。泵12运转。流路切换装置13、14、15被设定成，使得经由流入部120a而从外部流入的水按照第1热交换器2和第5热交换器8的顺序串联通过第1热交换器2和第5热交换器8、然后经由流出部120b而流出到外部。
在能力增强模式下，水在第1热交换器2和第5热交换器8中被两级加热。由此，能够提高供热水能力，所以，能使出热水温度上升或使出热水量增加。另外，在能力增强模式下，通过从蓄热材料向第1制冷剂回路101供给热而能够使第1压缩机1的吸入压力上升，所以，不管外气温度如何，都能够发挥高能力。而且，通过用高级侧的第2制冷剂回路102冷却低级侧的第1制冷剂回路101，即使第1制冷剂回路101的吸入压力上升，也能够抑制排出压力的上升。因此，能够降低第1制冷剂回路101的设计压力，从而能够减薄配管、容器等的壁厚。另外，在能力增强模式下，以高COP蓄积的热被用作热源，所以，能够以高COP运转。如以上那样，在能力增强模式下能够得到高能力，所以，能实现热泵装置的单元数的削减、设置面积的削减。
(供热水和蓄热模式)
图6是表示本实施方式的热泵装置在供热水和蓄热模式下的状态的图。供热水和蓄热模式例如是在供热水模式的执行中蓄热箱10的残余蓄热量不足的情况下、或在供热水模式的执行中预测到蓄热箱10的残余蓄热量的不足的情况下执行的。
在供热水和蓄热模式下，第1压缩机1被控制成使得出热水温度接近目标值。第1膨胀阀4被控制成使得第1制冷剂回路101的过热度或排出温度接近目标值。在第3热交换器5中，进行由送风风扇送风的室外空气与第1制冷剂的热交换。第2压缩机7停止。泵11运转。流路切换装置16被设定成使得第1流体在第2循环回路112循环。泵12运转。流路切换装置13、14、15被设定成，使得经由流入部120a而从外部流入的水按照第1热交换器2和第5热交换器8的顺序串联通过第1热交换器2和第5热交换器8、然后经由流出部120b而流出到外部，并且，使得通过了第5热交换器8的水的一部分分流到第3回路123。经由流出部120b而流出到外部的水的流量根据来自负荷侧的要求热量来调节。需要说明的是，由于第2压缩机7停止，所以，在第5热交换器8中不进行第2制冷剂与水的热交换。
在供热水和蓄热模式下，能够一边向负荷侧供给所需热量的热水一边对多余的热量进行蓄热。因此，无需另外进行蓄热模式下的运转，所以，能够削减能量的浪费。另外，第1制冷剂回路101在临界压力以上动作，所以，能够以高COP运转。
(保温和蓄热模式)
图7是表示本实施方式的热泵装置在保温和蓄热模式下的状态的图。保温和蓄热模式例如是在保温模式的执行中蓄热箱10的残余蓄热量不足的情况下、或在保温模式的执行中预测到蓄热箱10的残余蓄热量的不足的情况下执行的。另外，保温和蓄热模式例如是在供热水和蓄热模式的执行中进水温度为预定温度以上、或在进水温度与目标出热水温度的温度差为预定值以下的情况下执行的。
在保温和蓄热模式下，第1压缩机1被控制成使得第1制冷剂回路101的排出压力接近目标值。第1膨胀阀4被控制成使得第1制冷剂回路101的过热度或排出温度接近目标值。在第3热交换器5中，进行由送风风扇送风的室外空气与第1制冷剂的热交换。第2压缩机7被控制成使得出热水温度接近目标值。需要说明的是，第1压缩机1的控制目标和第2压缩机7的控制目标也可以反过来。也就是说，也可以是，第1压缩机1被控制成使得出热水温度接近目标值，第2压缩机7被控制成使得第1制冷剂回路101的排出压力接近目标值。第2膨胀阀9被控制成使得第2制冷剂回路102的过热度、排出温度或排出压力接近目标值。泵11运转。流路切换装置16被控制成使得第1流体在第2循环回路112循环。泵12运转。流路切换装置13、14、15被设定成，使得经由流入部120a而从外部流入的水经由第2回路122而通过第5热交换器8、然后经由流出部120b而流出到外部，并且，使得通过了第5热交换器8的水的一部分分流到第3回路123。经由流出部120b而流出到外部的水的流量根据来自负荷侧的要求热量来调节。
在保温和蓄热模式下，能够一边向负荷侧供给所需热量的热水一边对多余的热量进行蓄热。因此，无需另外进行蓄热模式下的运转，所以，能够削减能量的浪费。另外，能够在临界压力以下运转第1制冷剂回路101和第2制冷剂回路102双方，所以，即使进水温度上升而使得进水温度与出热水温度的温度差变小，也能够以高COP运转。
(快速起动模式)
图8是表示本实施方式的热泵装置在快速起动模式下的状态的图。快速起动模式例如在起动第1压缩机1和第2压缩机7的至少一方时执行。在执行了快速起动模式后，能够转移到供热水模式、保温模式、蓄热模式、能力增强模式、供热水和蓄热模式、或保温和蓄热模式的任一个。
在快速起动模式下，蓄热回路110的泵11运转，流路切换装置16被设定成使得第1流体在第1循环回路111循环。另外，在快速起动模式下，第1制冷剂回路101、第2制冷剂回路102和水回路120与供热水模式、保温模式、蓄热模式、能力增强模式、供热水和蓄热模式、或保温和蓄热模式的任一个同样地被控制。在图8所示的例子中，第1制冷剂回路101、第2制冷剂回路102和水回路120与供热水模式同样地被控制。
在快速起动模式下，由于将蓄热材料作为热源，所以，能缩短起动时间。另外，通过执行快速起动模式，能够即刻得到所需的出热水温度。因此，无需在热泵装置设置大型的储热水箱，所以能够削减热泵装置的设置面积并能够削减成本。另外，若在产生了回液时与快速起动模式同样地构成回路，则能够即刻消除回液。因此，能够提高热泵装置的可靠性。
如以上说明的那样，本实施方式的热泵装置具有使第1制冷剂循环的第1制冷剂回路101、使第2制冷剂循环的第2制冷剂回路102、使第1流体循环的蓄热回路110、使水流通的水回路120、以及控制第1制冷剂回路101、第2制冷剂回路102、蓄热回路110和水回路120的控制装置200。第1制冷剂回路101具有经由配管按照第1压缩机1、进行第1制冷剂与水的热交换的第1热交换器2、进行第1制冷剂与第2制冷剂的热交换的第2热交换器3、第1膨胀阀4、进行第1制冷剂与第2流体的热交换的第3热交换器5、以及进行第1制冷剂与第1流体的热交换的第4热交换器6的顺序将它们加以连接的结构。第2制冷剂回路102具有经由配管按照第2压缩机7、进行第2制冷剂与水的热交换的第5热交换器8、第2膨胀阀9和第2热交换器3的顺序将它们加以连接的结构。蓄热回路110具有蓄热箱10、使第1流体在蓄热箱10与第4热交换器6之间循环的第1循环回路111、以及使第1流体在蓄热箱10与进行第1流体与水的热交换的第6热交换器17之间循环的第2循环回路112。水回路120具有：第1回路121，该第1回路121经由配管按照加压输送水的泵12、第1热交换器2和第5热交换器8的顺序将它们加以连接；第2回路122，该第2回路122在泵12与第1热交换器2之间从第1回路121分支，在第1热交换器2与第5热交换器8之间连接于第1回路121；以及第3回路123，该第3回路123在第5热交换器8的下游侧从第1回路121分支，经由第6热交换器17而在泵12的上游侧连接于第1回路121。
根据该结构，在保温模式下，能够在临界压力以下运转第1制冷剂回路101和第2制冷剂回路102双方。因此，根据本实施方式，不仅在供热水模式下，在保温模式下也能够得到高COP。另外，根据该结构，在能力增强模式下，能够在第1热交换器2和第5热交换器8中两级加热水。因此，根据本实施方式，既能够抑制热泵装置的单元尺寸的大型化又能够提高最大能力。换言之，既能维持热泵装置的最大能力又能实现单元数的削减、设置面积的削减。另外，根据该结构，在供热水和蓄热模式、以及保温和蓄热模式下，能够对多余的热量进行蓄热。因此，根据本实施方式，能够削减能量的浪费。另外，根据该结构，蓄热箱10内的蓄热材料与水之间的热的往来经由第1流体来进行。由此，不在热交换器进行蓄热材料与水的热交换，所以，能够防止蓄热材料向负荷侧流出。
另外，在本实施方式的热泵装置中，控制装置200能执行第1运转模式(例如供热水模式)，在第1运转模式下，第1压缩机1运转而第2压缩机7停止，将水回路120控制成使得由泵12加压输送的水通过第1热交换器2和第5热交换器8而流出。
另外，在本实施方式的热泵装置中，控制装置200能执行第2运转模式(例如保温模式)，在第2运转模式下，第1压缩机1和第2压缩机7运转，将水回路120控制成使得由泵12加压输送的水通过第2回路122和第5热交换器8而流出。
另外，在本实施方式的热泵装置中，控制装置200在流入的水的水温为预定温度以上、或流入的水的水温与目标出热水温度之差为预定值以下的情况下执行第2运转模式。
另外，在本实施方式的热泵装置中，控制装置200能执行第3运转模式(例如蓄热模式)，在第3运转模式下，第1压缩机1和第2压缩机7运转，将蓄热回路110控制成使得第1流体在第2循环回路112循环，并将水回路120控制成使得由泵12加压输送的水在第2回路122、第5热交换器8和第3回路123循环。
另外，在本实施方式的热泵装置中，控制装置200在蓄热箱10的残余蓄热量不足、或预测到蓄热箱10的残余蓄热量的不足的情况下执行第3运转模式。
另外，在本实施方式的热泵装置中，控制装置200能执行第4运转模式(例如能力增强模式)，在第4运转模式下，第1压缩机1和第2压缩机7运转，将蓄热回路110控制成使得第1流体在第1循环回路111循环，并将水回路120控制成使得由泵12加压输送的水通过第1热交换器2和第5热交换器8而流出。
另外，在本实施方式的热泵装置中，控制装置200在第1压缩机1的频率达到上限、即使第1制冷剂回路101的高压侧压力达到预定值而出热水温度也未达到目标出热水温度、或出热水量未达到目标出热水量的情况下，执行上述第4运转模式。
另外，在本实施方式的热泵装置中，控制装置200能执行第5运转模式(例如供热水和蓄热模式)，在第5运转模式下，第1压缩机1运转而第2压缩机7停止，将蓄热回路110控制成使得第1流体在第2循环回路112循环，并将水回路120控制成，使得由泵12加压输送的水通过第1热交换器2和第5热交换器8而流出，并且，使得通过了第5热交换器8的水的一部分分流到第3回路123。
另外，在本实施方式的热泵装置中，控制装置200在蓄热箱10的残余蓄热量不足、或预测到蓄热箱10的残余蓄热量的不足的情况下执行第5运转模式。
另外，在本实施方式的热泵装置中，控制装置200能执行第6运转模式(例如保温和蓄热模式)，在第6运转模式下，第1压缩机1和第2压缩机7运转，将蓄热回路110控制成使得第1流体在第2循环回路112循环，并将水回路120控制成，使得由泵12加压输送的水通过第2回路122和第5热交换器8而流出，并且，使得通过了第5热交换器8的水的一部分分流到第3回路123。
另外，在本实施方式的热泵装置中，控制装置200在进水温度为预定温度以上、或进水温度与目标出热水温度之差为预定值以下的情况下执行第6运转模式。
另外，在本实施方式的热泵装置中，控制装置200在蓄热箱10的残余蓄热量不足、或预测到蓄热箱10的残余蓄热量的不足的情况下执行第6运转模式。
另外，在本实施方式的热泵装置中，控制装置200能在起动第1压缩机1和第2压缩机7的至少一方时执行第7运转模式(例如快速起动模式)，在第7运转模式下，将蓄热回路110控制成使得第1流体在第1循环回路111循环。
另外，在本实施方式的热泵装置中，第1流体是与蓄热箱10内的蓄热材料进行热交换的热介质。
另外，在本实施方式的热泵装置中，第1制冷剂在至少第1压缩机1运转而第2压缩机7停止的运转状态下在临界压力以上动作。
另外，在本实施方式的热泵装置中，第1制冷剂包含CO2为至少一种成分。
另外，在本实施方式的热泵装置中，第2制冷剂在临界压力以下动作。
另外，在本实施方式的热泵装置中，第2制冷剂的动作压力比第1制冷剂的动作压力低。
实施方式2.
对本发明的实施方式2的热泵装置进行说明。在本实施方式中，作为封入蓄热箱10的蓄热材料，采用熔点比0℃高的潜热蓄热材料。例如在能力增强模式下采用蓄热材料作为热源的情况下，凝固温度被保持为一定直到蓄热材料整体成为固体。因此，第1制冷剂回路101的蒸发温度不降低就能够将能力保持为一定。
实施方式3.
对本发明的实施方式3的热泵装置进行说明。在本实施方式中，作为蓄热材料，采用具有流动性的蓄热材料。作为在蓄热回路110循环的第1流体，采用具有流动性的蓄热材料本身。由此，能够由泵11使蓄热材料流动。
实施方式4.
对本发明的实施方式4的热泵装置进行说明。在本实施方式中，作为蓄热材料，采用胶囊型的蓄热材料。图9是表示本实施方式的热泵装置所采用的胶囊型的蓄热材料的概略结构的图。如图9所示，胶囊型的蓄热材料具有内包蓄热材料130(例如潜热蓄热材料)的胶囊131(例如微胶囊)。在本实施方式中，作为在蓄热回路110循环的第1流体，采用分散有内包蓄热材料130的多个胶囊131的液体。
由于胶囊型的蓄热材料不作为危险品来使用，所以，根据本实施方式，能够提高热泵装置的安全性。另外，蓄热材料由胶囊覆盖，从而即使蓄热材料凝固，也不会层叠到冷却面。因此，热阻难以增加，从而能够将传热性能确保得高。
实施方式5.
对本发明的实施方式5的热泵装置进行说明。本实施方式的第1回路121在与第3回路123的分支部(流路切换装置15)的下游侧连接于储热水箱(未图示)。储热水箱可以设置为热泵装置的一部分，也可以与热泵装置分开设置。储热水箱具有在从热泵装置起动至达到预定的出热水温度的时间能够向负荷侧供给预定的热量的程度的尺寸。储热水箱的蓄热容量比蓄热箱10的蓄热容量小。在本实施方式中，在从热泵装置起动至达到预定的出热水温度或预定的排出压力的时间，从储热水箱出热水。根据本实施方式，能够比快速起动模式还要早地得到预定的出热水温度。
实施方式6.
对本发明的实施方式6的热泵装置进行说明。图10是表示本实施方式的热泵装置的概略回路结构的回路图。如图10所示，在第1制冷剂回路101，设置着旁通回路20作为对第3热交换器5进行除霜的除霜回路。旁通回路20在第1压缩机1与第1热交换器2之间从第1制冷剂回路101分支，在第1膨胀阀4与第3热交换器5之间连接于第1制冷剂回路101。在旁通回路20中设置着在除霜运转时打开的旁通阀21。
在除霜运转时，使第1压缩机1和泵11运转而使第2压缩机7和泵12停止。第1膨胀阀4被设定为最小开度。旁通阀21开放。流路切换装置16被设定成使得第1流体在第1循环回路111循环。流路切换装置13被设定成流入部120a侧关闭。由此，热气流向第3热交换器5，附着于第3热交换器5的霜融化。在第3热交换器5冷凝了的制冷剂在第4热交换器6以蓄热材料为热源而蒸发。因此，能够抑制向第1压缩机1的回液，所以，能够提高热泵装置的可靠性。另外，通过将蓄热材料作为热源，能够缩短除霜时间。而且，由于采用以高COP蓄积的热量来进行除霜，所以，能够得到高运转效率。
实施方式7.
对本发明的实施方式7的热泵装置进行说明。图11是表示本实施方式的热泵装置的概略回路结构的回路图。如图11所示，在第1制冷剂回路101的第3热交换器5与第4热交换器6之间设置着第3膨胀阀22。除此以外的结构与实施方式6同样。
在除霜运转时，除了与实施方式6同样的动作之外，还将第3膨胀阀22控制成使得第1压缩机1的吸入过热度、排出温度或排出过热度接近目标值，或将第3膨胀阀22设定为预定开度。由此，第1压缩机1的排出压力上升，流入第3热交换器5的制冷剂的温度上升。因此，能够高效地进行第3热交换器5的除霜。
实施方式8.
对本发明的实施方式8的热泵装置进行说明。在本实施方式中，控制装置200基于从热泵装置出热水的热量或蓄热于蓄热箱10的热量来推定蓄热箱10内的残余蓄热量。例如，控制装置200基于蓄热回路110中的第1流体的流量和蓄热箱10的入口温度及出口温度来推定蓄热箱10内的残余蓄热量。或者，控制装置200也可以基于蓄热箱10内的温度分布来运算蓄热箱10内的残余蓄热量。控制装置200基于推定或运算出的残余蓄热量来执行蓄热运转(例如蓄热模式、供热水和蓄热模式、或保温和蓄热模式下的运转)以防止蓄热量不足。由此，能够防止蓄热量的不足，所以，能够始终应对能力增强模式或快速起动模式。
实施方式9.
对本发明的实施方式9的热泵装置进行说明。在本实施方式中，控制装置200从热泵装置每日的动作状况来学习所需蓄热量，执行蓄热运转以防止蓄热量不足。由此，能够防止蓄热量的不足，所以，能够始终应对能力增强模式或快速起动模式。
实施方式10.
对本发明的实施方式10的热泵装置进行说明。图12是表示本实施方式的热泵装置的物理结构的示意图。如图12所示，热泵装置具有至少收容第1制冷剂回路101的第1箱体105、以及至少收容第2制冷剂回路102的第2箱体106。第1箱体105和第2箱体106层叠配置，第1箱体105层叠于第2箱体106的上部。
在第1制冷剂回路101中，设置着作为空气-制冷剂热交换器的第3热交换器5、以及向第3热交换器5吹送空气的送风风扇107。第3热交换器5配置于第1箱体105的侧部，送风风扇107配置于第1箱体105的顶部。如图12中的箭头所示，由送风风扇107吹送的空气从第1箱体105的侧部朝向顶部流动。根据本实施方式，能够防止由第2箱体106妨碍空气在第1箱体105流动，并且，能够削减热泵装置的设置面积。
上述各实施方式能相互组合地实施。
附图标记的说明
1 第1压缩机、2 第1热交换器、3 第2热交换器、4 第1膨胀阀、5 第3热交换器、6第4热交换器、7 第2压缩机、8 第5热交换器、9 第2膨胀阀、10 蓄热箱、11、12 泵、13、14、15、16 流路切换装置、17 第6热交换器、20 旁通回路、21 旁通阀、22 第3膨胀阀、101 第1制冷剂回路、102 第2制冷剂回路、103复叠热泵回路、105 第1箱体、106 第2箱体、107 送风风扇、110蓄热回路、111 第1循环回路、112 第2循环回路、120 水回路、120a 流入部、120b流出部、121 第1回路、122 第2回路、123第3回路、130 蓄热材料、131 胶囊、200 控制装置。

Claims (30)

1.一种热泵装置，具有：使第1制冷剂循环的第1制冷剂回路、使第2制冷剂循环的第2制冷剂回路、使第1流体循环的蓄热回路、以及使水流通的水回路；
所述第1制冷剂回路具有经由配管按照第1压缩机、进行所述第1制冷剂与水的热交换的第1热交换器、进行所述第1制冷剂与所述第2制冷剂的热交换的第2热交换器、第1膨胀阀、进行所述第1制冷剂与第2流体的热交换的第3热交换器、以及进行所述第1制冷剂与所述第1流体的热交换的第4热交换器的顺序将它们加以连接的结构；
所述第2制冷剂回路具有经由配管按照第2压缩机、进行所述第2制冷剂与水的热交换的第5热交换器、第2膨胀阀、以及所述第2热交换器的顺序将它们加以连接的结构；
所述蓄热回路具有：蓄热箱、使所述第1流体在所述蓄热箱与所述第4热交换器之间循环的第1循环回路、以及使所述第1流体在所述蓄热箱与第6热交换器之间循环的第2循环回路，该第6热交换器进行所述第1流体与水的热交换；
所述水回路具有：第1回路，在该第1回路连接着加压输送水的泵、所述第1热交换器和所述第5热交换器；第2回路，该第2回路在所述泵与所述第1热交换器之间从所述第1回路分支，在所述第1热交换器与所述第5热交换器之间连接于所述第1回路；以及第3回路，该第3回路在所述第5热交换器的下游侧从所述第1回路分支，经由所述第6热交换器而在所述泵的上游侧连接于所述第1回路。
2.根据权利要求1所述的热泵装置，其中，
还具有控制所述第1制冷剂回路、所述第2制冷剂回路、所述蓄热回路和所述水回路的控制装置。
3.根据权利要求2所述的热泵装置，其中，
所述控制装置能执行第1运转模式；
在所述第1运转模式下，
所述第1压缩机运转而所述第2压缩机停止，
所述水回路被控制成，使得由所述泵加压输送的水通过所述第1热交换器和所述第5热交换器而流出。
4.根据权利要求2或3所述的热泵装置，其中，
所述控制装置能执行第2运转模式；
在所述第2运转模式下，
所述第1压缩机和所述第2压缩机运转，
所述水回路被控制成，使得由所述泵加压输送的水通过所述第2回路和所述第5热交换器而流出。
5.根据权利要求4所述的热泵装置，其中，
所述控制装置在流入的水的水温为预定温度以上、或流入的水的水温与目标出热水温度之差为预定值以下的情况下执行所述第2运转模式。
6.根据权利要求2或3所述的热泵装置，其中，
所述控制装置能执行第3运转模式；
在所述第3运转模式下，
所述第1压缩机和所述第2压缩机运转，
所述蓄热回路被控制成，使得所述第1流体在所述第2循环回路循环，
所述水回路被控制成，使得由所述泵加压输送的水在所述第2回路、所述第5热交换器和所述第3回路循环。
7.根据权利要求6所述的热泵装置，其中，
所述控制装置在所述蓄热箱的残余蓄热量不足、或预测到所述蓄热箱的残余蓄热量的不足的情况下执行所述第3运转模式。
8.根据权利要求2或3所述的热泵装置，其中，
所述控制装置能执行第4运转模式；
在所述第4运转模式下，
所述第1压缩机和所述第2压缩机运转，
所述蓄热回路被控制成，使得所述第1流体在所述第1循环回路循环，
所述水回路被控制成，使得由所述泵加压输送的水通过所述第1热交换器和所述第5热交换器而流出。
9.根据权利要求8所述的热泵装置，其中，
所述控制装置在所述第1压缩机的频率达到上限、即使所述第1制冷剂回路的高压侧压力达到预定值而出热水温度也未达到目标出热水温度、或出热水量未达到目标出热水量的情况下，执行所述第4运转模式。
10.根据权利要求2或3所述的热泵装置，其中，
所述控制装置能执行第5运转模式；
在所述第5运转模式下，
所述第1压缩机运转而所述第2压缩机停止，
所述蓄热回路被控制成，使得所述第1流体在所述第2循环回路循环，
所述水回路被控制成，使得由所述泵加压输送的水通过所述第1热交换器和所述第5热交换器而流出，并且，使得通过了所述第5热交换器的水的一部分分流到所述第3回路。
11.根据权利要求10所述的热泵装置，其中，
所述控制装置在所述蓄热箱的残余蓄热量不足、或预测到所述蓄热箱的残余蓄热量的不足的情况下执行所述第5运转模式。
12.根据权利要求2或3所述的热泵装置，其中，
所述控制装置能执行第6运转模式；
在所述第6运转模式下，
所述第1压缩机和所述第2压缩机运转，
所述蓄热回路被控制成，使得所述第1流体在所述第2循环回路循环，
所述水回路被控制成，使得由所述泵加压输送的水通过所述第2回路和所述第5热交换器而流出，并且，使得通过了所述第5热交换器的水的一部分分流到所述第3回路。
13.根据权利要求12所述的热泵装置，其中，
所述控制装置在进水温度为预定温度以上、或进水温度与目标出热水温度之差为预定值以下的情况下执行所述第6运转模式。
14.根据权利要求12所述的热泵装置，其中，
所述控制装置在所述蓄热箱的残余蓄热量不足、或预测到所述蓄热箱的残余蓄热量的不足的情况下执行所述第6运转模式。
15.根据权利要求2或3所述的热泵装置，其中，
所述控制装置能在起动所述第1压缩机和所述第2压缩机的至少一方时执行第7运转模式；
在所述第7运转模式下，
所述蓄热回路被控制成，使得所述第1流体在所述第1循环回路循环。
16.根据权利要求2或3所述的热泵装置，其中，
所述控制装置基于出热水热量或蓄热于所述蓄热箱的热量来运算所述蓄热箱的残余蓄热量。
17.根据权利要求2或3所述的热泵装置，其中，
所述控制装置基于所述蓄热箱内的温度分布来运算所述蓄热箱的残余蓄热量。
18.根据权利要求1～3中任一项所述的热泵装置，其中，
还具有旁通回路，该旁通回路在所述第1压缩机与所述第1热交换器之间从所述第1制冷剂回路分支，在所述第1膨胀阀与所述第3热交换器之间连接于所述第1制冷剂回路；
所述旁通回路具有旁通阀。
19.根据权利要求18所述的热泵装置，其中，
所述第1制冷剂回路具有设置于所述第3热交换器与所述第4热交换器之间的第3膨胀阀。
20.根据权利要求1～3中任一项所述的热泵装置，其中，
所述第1流体是具有流动性的蓄热材料。
21.根据权利要求1～3中任一项所述的热泵装置，其中，
所述第1流体是分散有内包蓄热材料的多个胶囊的液体。
22.根据权利要求1～3中任一项所述的热泵装置，其中，
所述第1流体是与所述蓄热箱内的蓄热材料进行热交换的热介质。
23.根据权利要求20所述的热泵装置，其中，
所述蓄热材料是潜热蓄热材料。
24.根据权利要求1～3中任一项所述的热泵装置，其中，
所述第1制冷剂在至少所述第1压缩机运转而所述第2压缩机停止的运转状态下在临界压力以上动作。
25.根据权利要求1～3中任一项所述的热泵装置，其中，
所述第1制冷剂包含CO2为至少一种成分。
26.根据权利要求1～3中任一项所述的热泵装置，其中，
所述第2制冷剂在临界压力以下动作。
27.根据权利要求1～3中任一项所述的热泵装置，其中，
所述第2制冷剂的动作压力比所述第1制冷剂的动作压力低。
28.根据权利要求1～3中任一项所述的热泵装置，其中，
所述第1回路在与所述第3回路的分支部的下游侧连接于储热水箱。
29.根据权利要求28所述的热泵装置，其中，
所述储热水箱的蓄热容量比所述蓄热箱的蓄热容量小。
30.根据权利要求1～3中任一项所述的热泵装置，其中，
还具有至少收容所述第1制冷剂回路的第1箱体和至少收容所述第2制冷剂回路的第2箱体；
所述第1箱体层叠于所述第2箱体的上部。
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