JP2010197007A - ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】多段圧縮形式が採用されたヒートポンプサイクルによって複数の熱負荷に対応する場合にヒートポンプサイクルの運転効率を向上させることが可能なヒートポンプシステムを提供する。
【解決手段】二酸化炭素冷媒が循環するヒートポンプ回路１０は、低段側圧縮機２１、高段側圧縮機２５、膨張弁５ａ、蒸発器４を有している。暖房用熱媒体としての水が循環する暖房回路６０は、ラジエータ６１を有している。給湯用水が循環する給湯回路９０は、貯湯タンク９１を有している。中間圧熱交換器４０では、低段側圧縮機２１から高段側圧縮機２５に向かう二酸化炭素冷媒によって、暖房用熱媒体を温める。高圧熱交換器５２では、高段側圧縮機２５から膨張弁５に向かう二酸化炭素冷媒によって、暖房用熱媒体を暖める。中間圧熱交換器４０もしくは第２高圧熱交換器５２を流れる二酸化炭素冷媒は、給湯用水を暖める。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプシステムに関する。

従来より、一次冷媒が循環するヒートポンプ回路と、二次冷媒が循環する二次側サイクルと、を用いて暖房運転を行うシステムが知られている。

例えば、特許文献１（特開２００４―１７７０６７号公報）に記載されているヒートポンプ式空気調和機では、高圧側の一次冷媒と低圧側の一次冷媒とを熱交換させ、暖められた低圧側の一次冷媒の熱を用いて暖房用の二次冷媒の加熱を補助することにより、効率の向上を図っている。

上述の特許文献１（特開２００４―１７７０６７号公報）に記載のヒートポンプ式空気調和器は、圧縮機構が１つだけの単段圧縮形式を想定しているため、圧縮機構において大きな駆動力が必要となってしまっている。これに対して、ヒートポンプ回路を複数の圧縮機構を直列して構成される多段圧縮システムとして、各圧縮機構の間を流れる一次冷媒を冷却させることで、冷凍サイクルの効率を向上させることが可能である。

発明者らは、このような多段圧縮形式が採用されたヒートポンプ回路を利用して、複数の熱負荷に対応させようと考え、例えば、ある第１の熱負荷を低段側の圧縮機構の吐出冷媒が有している熱によって処理し、他の熱負荷である第２の熱負荷をより高段側の圧縮機構の吐出冷媒が有している熱によって処理する、というヒートポンプシステムについて着目している。また、発明者らは、上記のヒートポンプシステムとは別に、第１の熱負荷を高段側の圧縮機構の吐出冷媒が有している熱によって処理し、第２の熱負荷をより低段側の圧縮機構の吐出冷媒が有している熱によって処理する、というヒートポンプシステムについて着目している。

しかし、これらの発明者らが着目したヒートポンプシステムでは、例えば、第１の熱負荷と第２の熱負荷等とで必要となる熱量もしくは温度が異なる場合がある。このため、第１の熱負荷と第２の熱負荷等に対応しつつ、ヒートポンプシステムとして効率的な運転を行うことが困難になることがある。

本発明の課題は、多段圧縮形式が採用されたヒートポンプ回路によって複数の熱負荷に対応する場合に、ヒートポンプ回路の運転効率を向上させることが可能なヒートポンプシステムを提供することにある。

第１発明のヒートポンプシステムは、ヒートポンプ回路、第１熱負荷回路、第２熱負荷回路、第１熱交換器、および、第２熱交換器を備えている。ヒートポンプ回路は、少なくとも低段側圧縮機構、高段側圧縮機構、膨張機構、および、蒸発器を有している。このヒートポンプ回路は、一次冷媒が循環している。第１熱負荷回路は、第１熱負荷処理部を有している。この第１熱負荷回路は、第１流体が循環している。第２熱負荷回路は、第２熱負荷処理部を有している。この第２熱負荷回路は、第２流体が循環している。第１熱交換器は、少なくとも低段側圧縮機構の吐出側から高段側圧縮機構の吸入側に向けて流れる一次冷媒を通過させる。第２熱交換器は、少なくとも高段側圧縮機構から膨張機構に向けて流れる一次冷媒を通過させる。第１流体は、第１熱交換器を流れる一次冷媒との間で熱交換を行うだけでなく、第２熱交換器を流れる一次冷媒との間でも熱交換を行う。第２流体は、第１熱交換器を流れる一次冷媒および第２熱交換器を流れる一次冷媒の少なくともいずれか一方との間で熱交換を行う。なお、圧縮機構としては、多段式圧縮システムであればよい。例えば、少なくとも高段側圧縮機構と低段側圧縮機構との２つ以上を備えていればよく、さらに圧縮機構を備えてもよい。

このヒートポンプシステムでは、ヒートポンプ回路では、多段圧縮形式が採用されており、第１熱交換器において一次冷媒を冷却することが可能であるため、単段冷凍サイクルと比較してヒートポンプ回路の運転効率を良好にすることができる。そして、第２流体が第１熱交換器を流れる一次冷媒との間で熱交換を行う場合において、第１熱交換器を流れる一次冷媒から得ることが可能な熱量よりも第２熱負荷処理部において要求される熱量が少ない場合がある。この場合には、第１流体は、ヒートポンプ回路の運転効率を良好にすることができる範囲において第１熱交換器を流れる一次冷媒からさらに熱量を得つつ、第２熱交換器を流れる一次冷媒からも熱量を得ることで、第１熱負荷処理部において要求される熱量に対応することができる。これにより、ヒートポンプ回路の運転効率を良好にしつつ、第１熱交換器を流れる一次冷媒からの熱と第２熱交換器を流れる一次冷媒からの熱とを有効利用することが可能になる。また、第２流体が第２熱交換器を流れる一次冷媒との間で熱交換を行う場合において、第２熱交換器を流れる一次冷媒から得ることが可能な熱量よりも第２熱負荷処理部において要求される熱量が少ない場合がある。この場合には、第１流体は、ヒートポンプ回路の運転効率を良好にすることができる範囲において第２熱交換器を流れる一次冷媒からさらに熱量を得つつ、第１熱交換器を流れる一次冷媒からも熱量を得ることで、第１熱負荷処理部において要求される熱量に対応することができる。これにより、ヒートポンプ回路の運転効率を良好にしつつ、第１熱交換器を流れる一次冷媒からの熱と第２熱交換器を流れる一次冷媒からの熱とを有効利用することが可能になる。

第２発明のヒートポンプシステムは、第１発明のヒートポンプシステムにおいて、第１熱負荷回路と第２熱負荷回路との少なくともいずれか一方は、第１分岐部分、第２分岐部分、第１分岐路、および、第２分岐路を有している。第１分岐路は、第１分岐部分と第２分岐部分とを接続している。第２分岐路は、第１分岐路と合流することなく第１分岐部分と第２分岐部分とを接続している。第１熱交換器は、低段側圧縮機構の吐出側から高段側圧縮機構の吸入側に向けて流れる一次冷媒と、第１分岐路を流れる第１流体もしくは第２流体と、の間で熱交換を行わせる。第２熱交換器は、高段側圧縮機構から膨張機構に向けて流れる一次冷媒と、第２分岐路を流れる第１流体もしくは第２流体と、の間で熱交換を行わせる。

例えば、第１流体もしくは第２流体を、第１熱交換器を通過させて暖めた後に第２熱交換器を通過させる場合には、第２熱交換器に流入しようとする第１流体もしくは第２流体はすでに暖められているため、第２熱交換器を流れる一次冷媒の熱を十分に有効利用することができない。同様に、第１流体もしくは第２流体を、第２熱交換器を通過させて暖めた後に第１熱交換器を通過させる場合には、第１熱交換器に流入しようとする第１流体もしくは第２流体はすでに暖められているため、第１熱交換器を流れる一次冷媒の熱を十分に利用することができず、多段圧縮形式のヒートポンプ回路の運転効率を向上させることが困難になる場合がある。

これに対して、このヒートポンプシステムでは、対象となる第１熱負荷処理部から流れ出てきた第１流体もしくは第２熱負荷処理部から流れ出てきた第２流体を分割して、第１分岐路を介して第１熱交換器まで流し、第２分岐路を介して第２熱交換器まで流すことで、暖められていない状態の第１流体もしくは第２流体を供給することができる。これにより、高段側圧縮機構が吸入する一次冷媒もしくは膨張機構に向けて流れていく一次冷媒をより冷却することが可能になる。

第３発明のヒートポンプシステムは、第１発明のヒートポンプシステムにおいて、第１熱負荷処理部は、配置されている対象空間の空気を暖める暖房用熱交換器である。第１流体は、二次冷媒である。第１熱負荷回路は、第１分岐部分、第２分岐部分、第１分岐路、および、第２分岐路を有している。第１分岐路は、第１分岐部分と第２分岐部分とを接続する。第２分岐路は、第１分岐路と合流することなく第１分岐部分と第２分岐部分とを接続する。第１熱交換器は、低段側圧縮機構の吐出側から高段側圧縮機構の吸入側に向けて流れる一次冷媒と、第１分岐路を流れる二次冷媒と、の間で熱交換を行わせる。第２熱交換器は、高段側圧縮機構から膨張機構に向けて流れる一次冷媒と、第２分岐路を流れる二次冷媒と、の間で熱交換を行わせる。

このヒートポンプシステムでは、二次冷媒は、第１熱交換器を流れる一次冷媒との間で熱交換を行うことができ、第２熱交換器を流れる一次冷媒との間でも熱交換を行うことができる。これにより、第１熱負荷処理部において暖房用として必要な程度の温度まで二次冷媒を暖めるために必要な熱を、第１熱交換器を流れる一次冷媒および第２熱交換器を流れる一次冷媒から得ることができる。

第４発明のヒートポンプシステムは、第１発明から第３発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、第２熱負荷処理部は、給湯用のタンクである。第２流体は、給湯用の水である。

このヒートポンプシステムでは、給湯に必要となる温度まで水を加熱するために、第１熱交換器を流れる一次冷媒および第２熱交換器を流れる一次冷媒の少なくともいずれか一方のうち、効果的に熱交換を行うことが可能な温度の一次冷媒が流れている部分から熱を受けることが可能になる。

第５発明のヒートポンプシステムは、第１発明から第４発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、高段側圧縮機構が吐出する一次冷媒の圧力は、一次冷媒の臨界圧力を超える圧力である。

このヒートポンプシステムでは、高段側圧縮機構が吐出する一次冷媒の圧力が臨界圧力を超えているので、第２熱交換器を流れる第１流体もしくは第２流体と一次冷媒とが熱交換を行うことで、一次冷媒の温度は第２熱交換器を流れていくに従って温度が下がっていく。このように、第２熱交換器において一次冷媒の温度が変化しており、第２熱交換器を流れる一次冷媒の温度範囲に幅が生じているため、第１流体もしくは第２流体は、必要となる温度範囲を選択して熱交換を行わせることが可能になる。

第６発明のヒートポンプシステムは、第５発明のヒートポンプシステムにおいて、低段側圧縮機構から高段側圧縮機構に向けて流れる一次冷媒は、超臨界状態もしくは過熱度を有する状態である。

このヒートポンプシステムでは、高段側圧縮機構が吸入する一次冷媒が超臨界状態もしくは過熱度を有する状態となっているので、第１熱交換器を流れる第１流体もしくは第２流体と一次冷媒とが熱交換を行うことで、一次冷媒の温度は第１熱交換器を流れていくに従って温度が下がっていく。このように、第１熱交換器においても一次冷媒の温度が変化しており、第１熱交換器を流れる一次冷媒の温度範囲に幅が生じているため、第１流体もしくは第２流体は、第１熱交換器においても必要となる温度範囲を選択して熱交換を行わせることが可能になる。

第７発明のヒートポンプシステムは、第１発明から第６発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、第２熱交換器は、一次冷媒の流れ方向における上流側に配置される上流第２熱交換器、下流側に配置される下流第２熱交換器、および、上流第２熱交換器と下流第２熱交換器との間に配置される中流第２熱交換器を有している。第１流体と一次冷媒との熱交換は、上流第２熱交換器で行われることなく、下流第２熱交換器で行われることなく、中流第２熱交換器で行われる。第２流体と一次冷媒との熱交換は、少なくとも、上流第２熱交換器および下流第２熱交換器で行われる。

このヒートポンプシステムでは、第１熱負荷処理部における第１流体の温度変化範囲が、第２熱負荷処理部における第２流体の温度変化範囲に含まれている場合には、高段側圧縮機構が吐出する一次冷媒のうち高温状態の一次冷媒との熱交換と低温状態の一次冷媒との熱交換とを第２流体との熱交換に割り当てて、中温状態の一次冷媒を第１流体との熱交換に利用することができる。これにより、第１流体および第２流体と、一次冷媒と、の温度差を小さく抑えたままで、第２熱交換器における熱交換を行わせることができるため、熱交換効率を向上させることが可能になる。

第８発明のヒートポンプシステムは、第１発明から第６発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、第２熱交換器は、一次冷媒の流れ方向における上流側に配置される上流第２熱交換器、および、下流側に配置される下流第２熱交換器を有している。
第１流体と一次冷媒との熱交換は、上流第２熱交換器で行われることなく、下流第２熱交換器で行われる。第２流体と一次冷媒との熱交換は、上流第２熱交換器で行われる。

このヒートポンプシステムでは、第２熱負荷処理部において必要とされる第２流体の温度が、第１熱負荷処理部において必要とされる第１流体の温度よりも高い場合において、高段側圧縮機構が吐出する一次冷媒のうち高温状態の一次冷媒との熱交換を第２流体との熱交換に割り当てて、低温状態の一次冷媒を第１流体との熱交換に利用することができる。このため、下流第２熱交換器において第１流体によって冷却された一次冷媒を、第２流体との間で熱交換を行わせることなく膨張機構まで送ることができる。これにより、第２流体の熱負荷が小さくなった場合であっても、下流第２熱交換器において第１流体によって冷却された一次冷媒を、第２流体が暖めてしまう運転状態を回避することが可能になる。

第９発明のヒートポンプシステムは、第７発明または第８発明のヒートポンプシステムにおいて、第１熱交換器および第２熱交換器の少なくとも一部は、一次冷媒が、第１流体とだけでなく第２流体とも熱交換を行っている部分を有している。

このヒートポンプシステムでは、一次冷媒の有する熱を第１流体と第２流体とが同時に受け取る部分が設けられているために、第１熱交換器および第２熱交換器の伝熱管長さを短く抑えることができる。これにより、熱交換器をコンパクト化させることが可能になる。

第１０発明のヒートポンプシステムは、第７発明から第９発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、第１流体と一次冷媒との間で熱交換が行われる部分では、第１流体の流れ方向と一次冷媒の流れ方向とは対向流の関係にある。

このヒートポンプシステムでは、第１熱交換器および第２熱交換器における一次冷媒と第１流体との熱交換によって、第１流体の温度を効率良く上げつつ、一次冷媒の温度を効率良く下げることが可能になる。

第１１発明のヒートポンプシステムは、第７発明から第１０発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、第２流体と一次冷媒との間で熱交換が行われる部分では、第２流体の流れ方向と一次冷媒の流れ方向とは対向流の関係にある。

このヒートポンプシステムでは、第１熱交換器および第２熱交換器の少なくともいずれか一方における一次冷媒と第２流体との熱交換によって、第２流体の温度を効率良く上げつつ、一次冷媒の温度を効率良く下げることが可能になる。

第１２発明のヒートポンプシステムは、第１発明から第１１発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、ヒートポンプ回路は、インジェクション分岐部分、インジェクション路、インジェクション熱交換器、および、減圧機構を有している。インジェクション分岐部分は、第２熱交換器を通過して膨張機構に向かう一次冷媒の一部を分岐させている。インジェクション路は、インジェクション分岐部分を低段側圧縮機構と高段側圧縮機構との間に接続している。インジェクション熱交換器は、インジェクション分岐部分から膨張機構側に向けて流れる一次冷媒と、インジェクション路を流れる一次冷媒と、の間で熱交換を行わせている。減圧機構は、インジェクション路におけるインジェクション熱交換器への入口と、インジェクション分岐部分と、の間に設けられている。

このヒートポンプシステムでは、インジェクション熱交換器を通過して膨張機構に向かう冷媒を冷却させることでヒートポンプ回路の能力を増大させることができる。低段側圧縮機構と高段側圧縮機構との間にインジェクション路を通過した一次冷媒を供給することで、高段側圧縮機構が吸入する一次冷媒を冷却させることができる。これにより、ヒートポンプ回路の成績係数を向上させることが可能になる。

なお、例えば、ヒートポンプ回路の運転効率を向上させるための第１熱交換器を通過する一次冷媒の冷却効果が十分でない場合（暖房負荷が小さい場合等）であっても、インジェクション路を流れる一次冷媒によって運転効率を向上させることができる。

第１３発明のヒートポンプシステムは、第１２発明のヒートポンプシステムにおいて、インジェクション分岐部分は、第２熱交換器を通過してインジェクション熱交換器に向かう一次冷媒の一部をインジェクション路へ分岐させる位置に設けられている。

このヒートポンプシステムでは、低段側圧縮機構から高段側圧縮機構に向かう一次冷媒を冷却し過ぎて能力を落としてしまうことを回避することが可能になる。

第１４発明のヒートポンプシステムは、第１２発明のヒートポンプシステムにおいて、インジェクション分岐部分は、インジェクション熱交換器を通過して膨張機構に向かう一次冷媒の一部をインジェクション路へ分岐させる位置に設けられている。

このヒートポンプシステムでは、低段側圧縮機構から高段側圧縮機構に向かう一次冷媒を効果的に冷却させることが可能になる。

第１５発明のヒートポンプシステムは、第１２発明から第１４発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、インジェクション路は、インジェクション分岐部分を低段側圧縮機構と第１熱交換器との間に接続している。

このヒートポンプシステムでは、高段側圧縮機構の吐出冷媒温度として目標温度が得られるように高段側圧縮機構の圧縮比が上げられることにより、高低の圧縮比をできるだけ近づけて運転効率を上げるために低段側圧縮機構の吐出冷媒圧力および温度を上げざるを得ない状況において、第１熱交換器における一次冷媒との熱交換によって第１流体もしくは第２流体が加熱され過ぎてしまうことを回避することが可能になる。

第１６発明のヒートポンプシステムは、第１２発明から第１４発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、インジェクション路は、インジェクション分岐部分を第１熱交換器と高段側圧縮機構との間に接続している。

このヒートポンプシステムでは、低段側圧縮機構から吐出されて冷やされることなく高温状態を維持した一次冷媒を第１熱交換器に供給することができる。これにより、第１熱交換器で一次冷媒と熱交換される第１流体もしくは第２流体の温度をより高温に上げることが可能になる。

第１７発明のヒートポンプシステムは、第１発明から第１６発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、ヒートポンプ回路は、第２熱交換器を通過して膨張機構に向かう一次冷媒と、蒸発器を通過して低段側圧縮機構の吸入側に向かう一次冷媒と、の間で熱交換を行わせる一次冷媒間熱交換器をさらに有している。

このヒートポンプシステムでは、膨張機構に向かう一次冷媒の密度を上げることで膨張機構を通過する一次冷媒の量を増大させて循環量を増やすことが可能になる。低段側圧縮機構が吸入する一次冷媒の過熱度を上げることにより、低段側圧縮機構が吐出する一次冷媒の目標温度に到達させるために低段側圧縮機構において必要となる圧縮比を小さく抑えることが可能になる。これにより、循環量を増やしつつ運転効率を向上させることが可能になる。

第１８発明のヒートポンプシステムは、第１発明から第１７発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、ヒートポンプ回路は、一次冷媒間熱交換器をバイパスするバイパス路をさらに有している。

このヒートポンプシステムでは、低段側圧縮機構が吸入する一次冷媒の過熱度が上がり過ぎてしまうことを抑制して、循環量の低下を抑えることが可能になる。

第１９発明のヒートポンプシステムは、第１８発明のヒートポンプシステムにおいて、ヒートポンプ回路は、バイパス路は、通過する一次冷媒の量を調節可能なバイパス流量調節弁をさらに有している。

このヒートポンプシステムでは、一次冷媒間熱交換器を利用する程度を調節することが可能になる。

第２０発明のヒートポンプシステムは、第１発明から第１１発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、ヒートポンプ回路は、一次冷媒間熱交換器、インジェクション分岐部分、インジェクション路、インジェクション熱交換器、および、減圧機構をさらに有している。一次冷媒間熱交換器は、第２熱交換器を通過して膨張機構に向かう一次冷媒と、蒸発器を通過して低段側圧縮機構の吸入側に向かう一次冷媒と、の間で熱交換を行わせる。インジェクション分岐部分は、第２熱交換器を通過して膨張機構に向かう一次冷媒の一部を分岐させている。インジェクション路は、インジェクション分岐部分を低段側圧縮機構と高段側圧縮機構との間に接続している。インジェクション熱交換器は、インジェクション分岐部分から膨張機構側に向けて流れる一次冷媒と、インジェクション路を流れる一次冷媒と、の間で熱交換を行わせている。減圧機構は、インジェクション路におけるインジェクション熱交換器への入口とインジェクション分岐部分との間に設けられている。

このヒートポンプシステムでは、膨張機構に向かう一次冷媒を、一次冷媒間熱交換器およびインジェクション熱交換器によって冷却することができる。これにより、膨張機構を通過する冷媒密度を向上させて、ヒートポンプ回路における一次冷媒の循環量を増大させることが可能になる。

第２１発明のヒートポンプシステムは、第２０発明のヒートポンプシステムにおいて、一次冷媒は、インジェクション熱交換器を通過した後に、一次冷媒間熱交換器を通過する。

このヒートポンプシステムでは、一次冷媒間熱交換器を流れる一次冷媒を、ヒートポンプ回路において最も低い温度の一次冷媒が流れている低段側圧縮機構の吸入一次冷媒によって冷却することができる。これにより、膨張機構に向かう一次冷媒の密度を上げることにより、ヒートポンプ回路における一次冷媒の循環量を増大させることが可能になる。

第２２発明のヒートポンプシステムは、第２０発明のヒートポンプシステムにおいて、一次冷媒は、一次冷媒間熱交換器を通過した後に、インジェクション熱交換器を通過する。

このヒートポンプシステムでは、インジェクション熱交換器で冷やされていない温度状態の一次冷媒によって、低段側圧縮機構が吸入する一次冷媒を暖めることができる。これにより、低段側圧縮機構が吸入する一次冷媒の過熱度をより大きく上げることが可能になる。

第２３発明のヒートポンプシステムは、第１発明から第１１発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、ヒートポンプ回路は、気液分離機構、インジェクション路、および、液相路をさらに有している。気液分離機構は、膨張機構から蒸発器に向かう一次冷媒を気相と液相とに分離する。インジェクション路は、低段側圧縮機構と高段側圧縮機構との間に対して気液分離機構内の気相領域を接続する。液相路は、気液分離機構内の液相領域を蒸発器側に導く。

このヒートポンプシステムでは、気液分離機構によって液状態の一次冷媒が低減されているため、気体状態の一次冷媒を低段側圧縮機構と高段側圧縮機構との間に供給することができる。このため、高段側圧縮機構が吸入する一次冷媒を冷却させる場合に、高段側圧縮機構が吸入する一次冷媒が湿り状態になりにくいようにできる。

第２４発明のヒートポンプシステムは、第２３発明のヒートポンプシステムにおいて、ヒートポンプ回路は、液相路を通過する一次冷媒の圧力を下げる気液分離後減圧機構をさらに有している。

このヒートポンプシステムでは、第２熱交換器を通過した一次冷媒の状態が超臨界状態であっても、膨張機構によって一段階減圧されることで、一次冷媒を気液二相状態にすることができる。そして、気液分離機構で気体状態の一次冷媒が分離された液状態の一次冷媒は、気液分離後減圧機構によってさらに減圧される。このように、一次冷媒を段階的に減圧することで、インジェクション路を流れる一次冷媒の温度が低下し過ぎる状態を回避することが可能になる。

第２５発明のヒートポンプシステムは、第１発明から第２４発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、低段側圧縮機構および高段側圧縮機構は、それぞれ回転駆動することで圧縮仕事を行うための共通の回転軸を有している。

このヒートポンプシステムでは、回転軸を共通化させつつ１８０度の位相差を設けることで、駆動効率を上げることが可能になる。

第２６発明のヒートポンプシステムは、第１発明から第２５発明のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、一次冷媒は、二酸化炭素である。

このヒートポンプシステムでは、自然冷媒を用いてヒートポンプ回路の冷凍サイクルを実現できる。

以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。

第１発明では、ヒートポンプ回路の運転効率を良好にしつつ、第１熱交換器を流れる一次冷媒からの熱と第２熱交換器を流れる一次冷媒からの熱とを有効利用することが可能になる。

第２発明では、高段側圧縮機構が吸入する一次冷媒もしくは膨張機構に向けて流れていく一次冷媒をより冷却することが可能になる。

第３発明では、第１熱負荷処理部において暖房用として必要な程度の温度まで二次冷媒を暖めるために必要な熱を、第１熱交換器を流れる一次冷媒および第２熱交換器を流れる一次冷媒から得ることができる。

第４発明では、給湯に必要となる温度まで水を加熱するために、第１熱交換器を流れる一次冷媒および第２熱交換器を流れる一次冷媒の少なくともいずれか一方のうち、効果的に熱交換を行うことが可能な温度の一次冷媒が流れている部分から熱を受けることが可能になる。

第５発明では、第１流体もしくは第２流体は、必要となる温度範囲を選択して熱交換を行わせることが可能になる。

第６発明では、第１熱交換器においても一次冷媒の温度が変化しており、第１熱交換器を流れる一次冷媒の温度範囲に幅が生じているため、第１流体もしくは第２流体は、第１熱交換器においても必要となる温度範囲を選択して熱交換を行わせることが可能になる。

第７発明では、第１流体および第２流体と、一次冷媒と、の温度差を小さく抑えたままで、第２熱交換器における熱交換を行わせることができるため、熱交換効率を向上させることが可能になる。

第８発明では、第２流体の熱負荷が小さくなった場合であっても、下流第２熱交換器において第１流体によって冷却された一次冷媒を、第２流体が暖めてしまう運転状態を回避することが可能になる。

第９発明では、熱交換器をコンパクト化させることが可能になる。

第１０発明では、第１流体の温度を効率良く上げつつ、一次冷媒の温度を効率良く下げることが可能になる。

第１１発明では、第２流体の温度を効率良く上げつつ、一次冷媒の温度を効率良く下げることが可能になる。

第１２発明では、ヒートポンプ回路の成績係数を向上させることが可能になる。

第１３発明では、低段側圧縮機構から高段側圧縮機構に向かう一次冷媒を冷却し過ぎて能力を落としてしまうことを回避することが可能になる。

第１４発明では、低段側圧縮機構から高段側圧縮機構に向かう一次冷媒を効果的に冷却させることが可能になる。

第１５発明では、第１熱交換器における一次冷媒との熱交換によって第１流体もしくは第２流体が加熱され過ぎてしまうことを回避することが可能になる。

第１６発明では、第１熱交換器で一次冷媒と熱交換される第１流体もしくは第２流体の温度をより高温に上げることが可能になる。

第１７発明では、循環量を増やしつつ運転効率を向上させることが可能になる。

第１８発明では、低段側圧縮機構が吸入する一次冷媒の過熱度が上がり過ぎてしまうことを抑制して、循環量の低下を抑えることが可能になる。

第１９発明では、一次冷媒間熱交換器を利用する程度を調節することが可能になる。

第２０発明では、膨張機構を通過する冷媒密度を向上させて、ヒートポンプ回路における一次冷媒の循環量を増大させることが可能になる。

第２１発明では、膨張機構に向かう一次冷媒の密度を上げることにより、ヒートポンプ回路における一次冷媒の循環量を増大させることが可能になる。

第２２発明では、低段側圧縮機構が吸入する一次冷媒の過熱度をより大きく上げることが可能になる。

第２３発明では、高段側圧縮機構が吸入する一次冷媒を冷却させる場合に、高段側圧縮機構が吸入する一次冷媒が湿り状態になりにくいようにできる。

第２４発明では、一次冷媒を段階的に減圧することで、インジェクション路を流れる一次冷媒の温度が低下し過ぎる状態を回避することが可能になる。

第２５発明では、回転軸を共通化させつつ１８０度の位相差を設けることで、駆動効率を上げることが可能になる。

第２６発明では、自然冷媒を用いてヒートポンプ回路の冷凍サイクルを実現できる。

本発明の第１実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第１実施形態にかかるヒートポンプ回路の圧力−エンタルピ線図である。 第１実施形態にかかるヒートポンプ回路の温度−エントロピ線図である。 第２実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第３実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第４実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第５実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第５実施形態の変形例Ａにかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第５実施形態の変形例Ｂにかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第５実施形態の変形例Ｃにかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第６実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第６実施形態の変形例Ａにかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第７実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第８実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第９実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第１０実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第１１実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第１２実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 第１３実施形態にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。 参考例にかかるヒートポンプシステムの概略構成図である。

＜１＞第１実施形態
＜１−１＞ヒートポンプシステム１の構成
図１は、本発明の一実施形態である第１実施形態にかかるヒートポンプシステム１の概略構成図である。

ヒートポンプシステム１は、ヒートポンプ回路１０、暖房回路６０、給湯回路９０、中間圧水熱交換器４０、および、高圧水熱交換器５０を備えている。ヒートポンプシステム１は、ヒートポンプ回路１０によって得られる熱を、暖房回路６０を介して暖房用の熱として利用するだけでなく、給湯回路９０を介して給湯用の熱として利用するシステムである。

（中間圧水熱交換器４０）
中間圧水熱交換器４０では、ヒートポンプ回路１０を循環する一次冷媒としての二酸化炭素と、暖房回路６０を循環する二次冷媒としての水と、の間で熱交換を行わせる。

（高圧水熱交換器５０）
高圧水熱交換器５０は、第１高圧水熱交換器５１、第２高圧水熱交換器５２、および、第３高圧水熱交換器５３を有している。第１高圧水熱交換器５１では、ヒートポンプ回路１０を循環する一次冷媒としての二酸化炭素と、給湯回路９０を循環する給湯用の水と、の間で熱交換を行わせる。第２高圧水熱交換器５２では、ヒートポンプ回路１０を循環する一次冷媒としての二酸化炭素と、暖房回路６０を循環する二次冷媒としての水と、の間で熱交換を行わせる。第３高圧水熱交換器５３では、ヒートポンプ回路１０を循環する一次冷媒としての二酸化炭素と、給湯回路９０を循環する給湯用の水と、の間で熱交換を行わせる。

（ヒートポンプ回路１０）
ヒートポンプ回路１０は、一次冷媒としての二酸化炭素が循環している自然冷媒を用いた回路である。ヒートポンプ回路１０は、低段側圧縮機２１、高段側圧縮機２５、エコノマイザ熱交換器７、インジェクション路７０、一次冷媒間熱交換器８、一次バイパス８０、膨張弁５ａ、蒸発器４、中間圧管２３、高圧管２７、低圧管２０、ファン４ｆ、および、制御部１１を備えている。蒸発器４は、例えば、屋外に設置されている。

中間圧管２３は、低段側圧縮機２１の吐出側と高段側圧縮機２５の吸入側とを接続している。中間圧管２３は、第１中間圧管２３ａ、第２中間圧管２３ｂ、第３中間圧管２３ｃ、および、第４中間圧管２３ｄを有している。第１中間圧管２３ａは、低段側圧縮機２１の吐出側と、中間圧水熱交換器４０の上流側端部と、を低段吐出ポイントＢを介しつつ、接続している。この第１中間圧管２３ａには、通過する一次冷媒の圧力を検知する中間圧圧力センサ２３Ｐ、および、通過する一次冷媒の温度を検知する中間圧温度センサ２３Ｔが取り付けられている。第２中間圧管２３ｂは、二次冷媒としての暖房用の水と混ざり合うことがないように、内部に一次冷媒としての二酸化炭素を流しつつ、中間圧水熱交換器４０内を通過している。第３中間圧管２３ｃは、中間圧水熱交換器４０の下流側端部とインジェクション合流ポイントＤとを、中間圧水熱交換器通過ポイントＣを介して接続している。第４中間圧管２３ｄは、インジェクション合流ポイントＤと、高段側圧縮機２５の吸入側と、を接続している。

高圧管２７は、高段側圧縮機２５の吐出側と、膨張弁５もしくは一次バイパス膨張弁５ｂと、を接続している。高圧管２７は、第１高圧管２７ａ、第２高圧管２７ｂ、第３高圧管２７ｃ、第４高圧管２７ｄ、第５高圧管２７ｅ、第６高圧管２７ｆ、第７高圧管２７ｇ、第８高圧管２７ｈ、第９高圧管２７ｉ、第１０高圧管２７ｊ、第１１高圧管２７ｋ、第１２高圧管２７ｌ、および、第１３高圧管２７ｍを有している。第１高圧管２７ａは、高段側圧縮機２５の吐出側と、第１高圧水熱交換器５１と、を高段吐出ポイントＥを介しつつ、接続している。この第１高圧管２７ａには、通過する一次冷媒の圧力を検知する高圧圧力センサ２７Ｐ、および、通過する一次冷媒の温度を検知する高圧温度センサ２７Ｔが取り付けられている。第２高圧管２７ｂは、給湯用の水と混ざり合うことがないように、内部に一次冷媒としての二酸化炭素を流しつつ、第１高圧水熱交換器５１内を通過している。第３高圧管２７ｃは、第１高圧水熱交換器５１の下流側端部と、第２高圧水熱交換器５２の上流側端部と、を第１高圧ポイントＦを介しつつ、接続している。第４高圧管２７ｄは、暖房用二次冷媒としての水と混ざり合うことがないように、内部に一次冷媒としての二酸化炭素を流しつつ、第２高圧水熱交換器５２内を通過している。第５高圧管２７ｅは、第２高圧水熱交換器５２の下流側端部と、第３高圧水熱交換器５３の上流側端部と、を第２高圧ポイントＧを介しつつ、接続している。第６高圧管２７ｆは、暖房用二次冷媒としての水と混ざり合うことがないように、内部に一次冷媒としての二酸化炭素を流しつつ、第３高圧水熱交換器５３内を通過している。第７高圧管２７ｇは、第３高圧水熱交換器５３の下流側端部と、第３高圧ポイントＨと、を接続している。第８高圧管２７ｈは、第３高圧ポイントＨと、エコノマイザ熱交換器７中の膨張弁５ａ側に向かう一次冷媒の流れ方向における上流側端部と、を接続している。第９高圧管２７ｉは、インジェクション路７０を流れる一次冷媒との間で混ざり合うことがないように、内部に一次冷媒を流しつつ、エコノマイザ熱交換器７を通過している。第１０高圧管２７ｊは、エコノマイザ熱交換器７中の膨張弁５ａ側に向かう一次冷媒の流れ方向における下流側端部と、第４高圧ポイントＩと、を接続している。第１１高圧管２７ｋは、第４高圧ポイントＩと、一次冷媒間熱交換器８中の膨張弁５ａ側に向かう一次冷媒の流れ方向における上流側端部と、を接続している。第１２高圧管２７ｌは、低圧管２０を流れる一次冷媒との間で混ざり合うことがないように、内部に一次冷媒を流しつつ、一次冷媒間熱交換器８を通過している。第１３高圧管２７ｍは、一次冷媒間熱交換器８中の膨張弁５ａ側に向かう一次冷媒の流れ方向における下流側端部と、膨張弁５ａと、を第５高圧ポイントＪを介しつつ、接続している。

低圧管２０は、第１低圧管２０ａ、第２低圧管２０ｂ、第３低圧管２０ｃ、第４低圧管２０ｄ、および、第５低圧管２０ｅを有している。第１低圧管２０ａは、膨張弁５ａと、第３低圧ポイントＭと、を第１低圧ポイントＫを介して接続している。第２低圧管２０ｂは、第３低圧ポイントＭと、蒸発器４の上流側端部と、を接続している。第３低圧管２０ｃは、蒸発器４の下流側端部と、一次冷媒間熱交換器８の低圧管２０中の一次冷媒の流れ方向における上流側端部と、を第４低圧ポイントＮを介しつつ、を接続している。第４低圧管２０ｄは、第１２高圧管２７ｌを流れる一次冷媒との間で混ざり合うことがないように、内部に一次冷媒を流しつつ、一次冷媒間熱交換器８を通過している。第５低圧管２０ｅは、一次冷媒間熱交換器８の低圧管２０中の一次冷媒の流れ方向における下流側端部と、低段側圧縮機２１の吸入側である吸入ポイントＡと、を接続している。この第５低圧管２０ｅには、通過する一次冷媒の圧力を検知する低圧圧力センサ２０Ｐ、および、通過する一次冷媒の温度を検知する低圧温度センサ２０Ｔが取り付けられている。

インジェクション路７０は、インジェクション膨張弁７３、第１インジェクション管７２、第２インジェクション管７４、第３インジェクション管７５、および、第４インジェクション管７６を有している。第１インジェクション管７２は、第３高圧ポイントＨと、インジェクション膨張弁７３と、を接続している。第２インジェクション管７４は、インジェクション膨張弁７３と、エコノマイザ熱交換器７中のインジェクション路７０を流れる一次冷媒の流れ方向における上流側端部と、をインジェクション中間圧ポイントＱを介しつつ、接続している。第３インジェクション管７５は、第９高圧管２７ｉを流れる一次冷媒との間で混ざり合うことがないように、内部に一次冷媒を流しつつ、エコノマイザ熱交換器７を通過している。第４インジェクション管７６は、エコノマイザ熱交換器７中のインジェクション路７０を流れる一次冷媒の流れ方向における下流側端部と、インジェクション合流ポイントＤと、をエコノマイザ熱交後ポイントＲを介しつつ、接続している。このように、ヒートポンプ回路１０では、インジェクション路７０が採用されているため、ヒートポンプ回路の成績係数を向上させることができている。そして、例えば、暖房負荷が小さい場合等、ヒートポンプ回路１０の効率向上のための中間圧水熱交換器４０における一次冷媒の冷却効果を十分に得られない場合であっても、このインジェクション路７０を通過するインジェクション量を増大させることで、運転効率を向上させることができる。なお、ヒートポンプ回路１０では、インジェクション合流ポイントＤは、中間圧水熱交換器４０と高段側圧縮機２５との間に設けられている。このため、低段側圧縮機２１から吐出された高温の一次冷媒は、中間圧水熱交換器４０に到達する前に冷やされることがなく、高温状態を維持したままで中間圧水熱交換器４０に供給することができる。このため、中間圧水熱交換器４０を通過する暖房用の水を十分高温にすることができている。さらに、第３高圧ポイントＨは、エコノマイザ熱交換器７の上流側において一次冷媒の一部をインジェクション路７０へ分岐させることができる位置に設けられている。このため、低段側圧縮機２１から高段側圧縮機２５に向かう一次冷媒を冷却し過ぎてしまうことによる能力低下を回避することがきている。

一次バイパス８０は、第１４高圧管２７ｎ、第６低圧管２０ｆ、および、一次バイパス膨張弁５ｂを有している。第１４高圧管２７ｎは、第４高圧ポイントＩと、一次バイパス膨張弁５ｂと、を接続している。第６低圧管２０ｆは、一次バイパス膨張弁５ｂと、第３低圧ポイントＭと、第２低圧ポイントＬを介して接続している。なお、一次バイパス８０に一次バイパス膨張弁５ｂが設けられているため、制御部１１は、一次冷媒間熱交換器８側を通過する一次冷媒の量を調節することができる。このため、低段側圧縮機２１が吸入する一次冷媒が適当な過熱度を有するように調節することが可能になっている。具体的には、制御部１１は、一次バイパス膨張弁５ｂの弁開度を下げた場合には、一次冷媒間熱交換器８を通過する一次冷媒の流量が増大し、低段側圧縮機２１が吸入する一次冷媒の過熱度を上げることができ、これにより、低段側圧縮機２１の吐出冷媒温度が目標温度となるために必要となる圧縮比を小さく抑えることができる。また、制御部１１は、一次バイパス膨張弁５ｂの弁開度を上げた場合には、一次冷媒間熱交換器８を通過する一次冷媒の流量が減少し、低段側圧縮機２１が吸入する一次冷媒の過熱度を下げることができ、これにより、低段側圧縮機２１の吸入冷媒密度が著しく減少して循環量を確保できなくなってしまう事態を回避することができる。

制御部１１は、上述した中間圧圧力センサ２３Ｐ、中間圧温度センサ２３Ｔ、高圧圧力センサ２７Ｐ、高圧温度センサ２７Ｔ、低圧圧力センサ２０Ｐ、および、低圧温度センサ２０Ｔ等が検知する値に基づいて、低段側圧縮機２１、高段側圧縮機２５、インジェクション膨張弁７３、膨張弁５ａ、一次バイパス膨張弁５ｂ、ファン４ｆ等を制御する。

（暖房回路６０）
暖房回路６０は、二次冷媒としての水が循環している。暖房回路６０は、ラジエータ６１、分流機構６２、暖房往き管６５、暖房戻り管６６、中間圧側分岐路６７、および、高圧側分岐路６８を有している。分流機構６２は、暖房混合弁６４、および、暖房ポンプ６３を含んでいる。ラジエータ６１は、暖房を行う対象となる空間に設置されており、内部を二次冷媒としての暖かい水が流れることにより、対象空間の空気を暖めて暖房を行う。ラジエータ６１には、内部を流れる暖房用の水の温度を検知するためのラジエータ温度センサ６１Ｔが設けられている。ラジエータ６１は、図示しないが、暖房ポンプ６３から送られてくる暖かい水を受け入れるための往き口と、ラジエータ６１において放熱した後の水を中間圧水熱交換器４０および第２高圧水熱交換器５２に送り出すための戻り口と、を有している。暖房戻り管６６は、ラジエータ６１の戻り口と、暖房分岐ポイントＸとを接続している。暖房分岐ポイントＸでは、ラジエータ６１における放熱を終えた水を、中間圧水熱交換器４０側に送る中間圧側分岐路６７と、第２高圧水熱交換器５２側に送る高圧側分岐路６８と、に分流させる。中間圧側分岐路６７は、第１中間圧側分岐路６７ａ、第２中間圧側分岐路６７ｂ、および、第３中間圧側分岐路６７ｃを有している。第１中間圧側分岐路６７ａは、分岐ポイントＸと、中間圧水熱交換器４０における中間圧側分岐路６７中の水の流れ方向における上流側端部と、を接続している。第２中間圧側分岐路６７ｂは、第２中間圧管２３ｂ内を流れている一次冷媒としての二酸化炭素と混ざり合うことがないように、内部に二次冷媒としての暖房用の水を流しつつ、中間圧水熱交換器４０内を通過している。ここで、中間圧水熱交換器４０では、第２中間圧管２３ｂ内を流れている一次冷媒としての二酸化炭素と、第２中間圧側分岐路６７ｂ内を流れている暖房用二次冷媒としての水とは、互いに対向する方向に流れている対向流形式が採用されている。第３中間圧側分岐路６７ｃは、中間圧水熱交換器４０における中間圧側分岐路６７中の水の流れ方向における下流側端部と、暖房合流ポイントＹと、を接続している。第３中間圧側分岐路６７ｃには、通過する暖房用の水の温度を検知するための中間圧側分岐路温度センサ６７Ｔが設けられている。高圧側分岐路６８は、第１高圧側分岐路６８ａ、第２高圧側分岐路６８ｂ、および、第３高圧側分岐路６８ｃを有している。第１高圧側分岐路６８ａは、分岐ポイントＸと、第２高圧水熱交換器５２における高圧側分岐路６８中の水の流れ方向における上流側端部と、を接続している。第２高圧側分岐路６８ｂは、第４高圧管２７ｄ内を流れている一次冷媒としての二酸化炭素と混ざり合うことがないように、内部に二次冷媒としての暖房用の水を流しつつ、第２高圧水熱交換器５２内を通過している。ここで、第２高圧水熱交換器５２では、第４高圧管２７ｄ内を流れている一次冷媒としての二酸化炭素と、第２高圧側分岐路６８ｂ内を流れている暖房用二次冷媒としての水とは、互いに対向する方向に流れている対向流形式が採用されている。第３高圧側分岐路６８ｃは、第２高圧水熱交換器５２における高圧側分岐路６８中の水の流れ方向における下流側端部と、暖房合流ポイントＹと、を接続している。第３高圧側分岐路６８ｃには、通過する暖房用の水の温度を検知するための高圧側分岐路温度センサ６８Ｔが設けられている。なお、第１中間圧側分岐路６７ａを流れている暖房用の水の温度、および、第１高圧側分岐路６８ａを流れている暖房用の水の温度は、いずれも暖房分岐ポイントＸで分岐されたまま、外部との熱のやりとりが無いため、同一の温度分布となっている。これに対して、第３中間圧側分岐路６７ｃを流れている暖房用の水の温度は、中間圧水熱交換器４０において第２中間圧管２３ｂを流れる一次冷媒との熱交換によって得られる熱量に応じた温度となる。また、第３高圧側分岐路６８ｃを流れている暖房用の水の温度は、第２高圧水熱交換器５２において第４高圧管２７ｄを流れている一次冷媒との熱交換によって得られる熱量に応じた温度となる。このため、第３中間圧側分岐路６７ｃを流れている暖房用の水の温度と、第３高圧側分岐路６８ｃを流れている暖房用の水の温度とは、異なる温度になる場合がある。暖房往き管６５は、暖房合流ポイントＹと、ラジエータ６１の往き口と、を接続している。この暖房往き管６５の途中には、暖房往き管６５を通過する暖房用の水の流量を調節する暖房ポンプ６３が設けられている。暖房混合弁６４は、第３中間圧側分岐路６７ｃを通過した暖房用の水と、第３高圧側分岐路６８ｃを通過した暖房用の水と、が合流する暖房傍流ポイントＹに設けられている。暖房混合弁６４は、第３中間圧側分岐路６７ｃ側に接続されている部分の開度および第３高圧側分岐路６８ｃ側に接続されている部分の開度をそれぞれ調節することにより、中間圧側分岐路６７に流す暖房用の水の流量と、第３高圧側分岐路６８ｃに流す暖房用の水の流量と、の比率を調節する。

なお、制御部１１は、上述したラジエータ温度センサ６１Ｔ、中間圧側分岐路温度センサ６７Ｔ、高圧側分岐路温度センサ６８Ｔ等が検知する温度等に基づいて、ラジエータ６１において要求される温度の二次冷媒を供給することができるように、暖房混合弁６４における分流比率および暖房ポンプ６３の流量を制御する。

（給湯回路９０）
給湯回路９０は、給湯用の水が循環している。給湯回路９０は、貯湯タンク９１、給水管９４、給湯管９８、給湯バイパス管９９、給湯混合弁９３、給湯ヒートポンプ管９５、および、給湯ポンプ９２を有している。貯湯タンク９１には、図示しないが、循環往き口、および、循環戻り口が設けられている。図示しない外部の市水を通じた後、給水管９４を介して、常温の水が、貯湯タンク９１の下端部近傍から貯湯タンク９１内へと供給される。給湯ヒートポンプ管９５は、第１給湯ヒートポンプ管９５ａ、第２給湯ヒートポンプ管９５ｂ、第３給湯ヒートポンプ管９５ｃ、第４給湯ヒートポンプ管９５ｄ、第５給湯ヒートポンプ管９５ｅ、および、第６給湯ヒートポンプ管９５ｆを有している。第１給湯ヒートポンプ管９５ａは、貯湯タンク９１の循環往き口と、給湯ポンプ９２と、を接続している。第１給湯ヒートポンプ管９５ａには、通過する給湯用の水の温度を検知する給湯入水温度センサ９４Ｔが設けられている。第２給湯ヒートポンプ管９５ｂは、給湯ポンプ９２と、第３高圧水熱交換器５３における給湯ヒートポンプ管９５中の水の流れ方向における上流側端部と、を接続している。第３給湯ヒートポンプ管９５ｃは、第６高圧管２７ｆ内を流れている一次冷媒としての二酸化炭素と混ざり合うことがないように、内部に給湯用の水を流しつつ、第３高圧水熱交換器５３内を通過している。ここで、第３高圧水熱交換器５３では、第６高圧管２７ｆ内を流れている一次冷媒としての二酸化炭素と、第３給湯ヒートポンプ管９５ｃ内を流れている給湯用の水とは、互いに対向する方向に流れている対向流形式が採用されている。第４給湯ヒートポンプ管９５ｄは、第３高圧水熱交換器５３における給湯ヒートポンプ管９５中の水の流れ方向における下流側端部と、第１高圧水熱交換器５１における給湯ヒートポンプ管９５中の水の流れ方向における上流側端部と、を接続している。第４給湯ヒートポンプ管９５ｄでは、通過する給湯用の水の温度を検知する給湯中間温度センサ９５Ｔが設けられている。第２高圧水熱交換器５２では、給湯用の水と、一次冷媒としての二酸化炭素と、の間での熱交換は行われていない。第５給湯ヒートポンプ管９５ｅは、第２高圧管２７ｂ内を流れている一次冷媒としての二酸化炭素と混ざり合うことがないように、内部に給湯用の水を流しつつ、第１高圧水熱交換器５１内を通過している。ここで、第１高圧水熱交換器５１では、第２高圧管２７ｂ内を流れている一次冷媒としての二酸化炭素と、第５給湯ヒートポンプ管９５ｅ内を流れている給湯用の水とは、互いに対向する方向に流れている対向流形式が採用されている。第６給湯ヒートポンプ管９５ｆは、第１高圧水熱交換器５１における給湯ヒートポンプ管９５中の水の流れ方向における下流側端部と、貯湯タンク９１の循環戻り口とを接続している。第６給湯ヒートポンプ管９５ｆには、通過する給湯用の水の温度を検知する給湯出湯温度センサ９８Ｔが設けられている。給湯管９８は、貯湯タンク９１の上端部近傍から貯湯タンク９１内に溜められているお湯を、図示しない利用される場所まで導く。給水管９４は、貯湯タンク９１側に向かう流れから分岐させる分岐部分である給水分岐ポイントＷが設けられている。給湯管９８は、貯湯タンク９１から利用される場所に向かう流れに合流させる給湯合流ポイントＺが設けられている。給湯バイパス管９９は、この給水分岐ポイントＷと、この給湯合流ポイントＺと、を接続している。給湯合流ポイントＺには、給湯管９８を通じて貯湯タンク９１から送られてくるお湯と、給湯バイパス管９９を通じて市水から供給される常温の水と、の混合比率を調節できる給湯混合弁９３が設けられている。この給湯混合弁９３における混合比率が調節されることにより、利用される場所に送られる水の温度が調節される。

なお、制御部１１は、上述した給湯入水温度センサ９４Ｔ、給湯中間温度センサ９５Ｔ、給湯出湯温度センサ９８Ｔ等が検知する温度等に基づいて、給湯ポンプ９２の流量を制御する。

＜１−２＞ヒートポンプ回路１０の運転
図２は、ヒートポンプシステム１が運転された場合の圧力−エンタルピ線図である。図３は、ヒートポンプシステム１が運転された場合の温度−エントロピ線図である。

以下、一次冷媒の温度分布状態について、１つの具体例を挙げつつ説明する。

低段側圧縮機２１は、低圧管２０を流れてきた２２℃程度の一次冷媒（点Ａ）を、目標吐出温度が９０℃程度に到達するように圧縮を行う（点Ｂ）。なお、ここで低圧管２０を流れる一次冷媒の圧力は、蒸発器４を設置している周囲温度によって、一次冷媒としての二酸化炭素を蒸発させることが可能な圧力となるまで下げられた圧力（蒸発圧力）となるように制御部１１によって調節されている。

低段側圧縮機２１から吐出された一次冷媒は、第１中間圧管２３ａを通じて、中間圧水熱交換器４０内の第２中間圧管２３ｂに流入する。中間圧水熱交換器４０に流入した一次冷媒は、第２中間圧側分岐路６７ｂを通過している暖房用二次冷媒としての水との間で熱交換を行うことで、３５℃程度まで冷却される（点Ｃ）。ここで、中間圧水熱交換器４０における一次冷媒と二次冷媒とは対向流形式で流れているため、中間圧水熱交換器４０内の第２中間圧管２３ｂの出口近傍では、ラジエータ６１で放熱して冷えた状態の３０℃程度の二次冷媒によって効果的に冷却される。

中間圧水熱交換器４０を通過した一次冷媒は、第３中間圧管２３ｃのインジェクション合流点Ｄにおいて、インジェクション路７０を通じて流入してくる２７℃程度の一次冷媒と合流することで、さらに冷却され、３０℃程度となる（点Ｄ）。ここで、インジェクション合流点Ｄにおいて合流した後の一次冷媒は、過熱度を有するか、もしくは、超臨界状態となるように、制御部１１が制御を行う。さらに、ここで、インジェクション合流点Ｄにおいて合流した後の一次冷媒は、低段側圧縮機２１における圧縮比と同一の圧縮比で高段側圧縮機２５を駆動させつつ高段側圧縮機２５から吐出される一次冷媒の目標温度が低段側圧縮機２１から吐出される一次冷媒の目標温度と同じ９０℃とすることができるように、制御部１１によって制御される。すなわち、制御部１１は、高段側圧縮機２５に吸入される一次冷媒は中間圧水熱交換器４０およびインジェクション路７０での熱収支を調節できるように制御を行う。

インジェクション合流点Ｄで合流した一次冷媒は、高段側圧縮機２５に吸入され、目標吐出温度が低段側圧縮機２１の吐出冷媒の目標温度と同じ温度である９０℃程度に到達するように、さらに一次冷媒を圧縮させる。ここでは、高段側圧縮機２５は、一次冷媒の吐出冷媒圧力が一次冷媒の超臨圧力を超える圧力になるまで圧縮するように、制御部１１によって制御されている（点Ｅ）。

高段側圧縮機２５によって吐出された一次冷媒は、第１高圧管２７ａを通じて、第１高圧水熱交換器５１内の第２高圧管２７ｂに流入する。第１高圧水熱交換器５１に流入した一次冷媒は、第５給湯ヒートポンプ管９５ｅを通過している給湯用の水との間で熱交換を行うことで、８５℃程度まで冷却される（点Ｆ）。一次冷媒は、臨界圧力を超えた状態を維持しながら放熱を行うため、連続的に温度変化が生じる。ここで、第１高圧水熱交換器５１における一次冷媒と二次冷媒とは対向流形式で流れているため、第１高圧水熱交換器５１内の第２高圧管２７ｂの出口近傍では、未だ十分に加熱されていない３０℃程度の給湯用の水によって効果的に冷却される。

第１高圧水熱交換器５１を通過した一次冷媒は、第３高圧管２７ｃを通じて、第２高圧水熱交換器５２内の第４高圧管２７ｄに流入する。第２高圧水熱交換器５２に流入した一次冷媒は、第２高圧側分岐路６８ｂを通過している暖房用二次冷媒としての水との間で熱交換を行うことで、３５℃程度まで冷却される（点Ｇ）。ここで、第２高圧水熱交換器５２における一次冷媒と二次冷媒とは対向流形式で流れているため、第２高圧水熱交換器５２内の第４高圧管２７ｄの出口近傍では、ラジエータ６１で放熱して冷えた状態の３０℃程度の二次冷媒によって効果的に冷却される。

第２高圧水熱交換器５２を通過した一次冷媒は、第５高圧管２７ｅを通じて、第３高圧水熱交換器５３内の第６高圧管２７ｆに流入する。第３高圧水熱交換器５３に流入した一次冷媒は、第３給湯ヒートポンプ管９５ｃを通過している給湯用の水との間で熱交換を行うことで、さらに冷却され、３０℃程度となる（点Ｈ）。ここで、第３高圧水熱交換器５３における一次冷媒と二次冷媒とは対向流形式で流れているため、第３高圧水熱交換器５３内の第６高圧管２７ｆの出口近傍では、貯湯タンク９１において混ざり合うことで市水の温度からわずかに上昇した程度である２０℃程度の給湯用の水によって効果的に冷却される。そして、第３高圧水熱交換器５３を通過した一次冷媒は、第７高圧管２７ｇを通じて第３高圧ポイントＨに到達する。

このように、高圧水熱交換器５０を流れる一次冷媒を超臨界状態とすることで放熱過程における温度変化を生じさせている。そして、高圧水熱交換器５０が３つの熱交換器に別れており、暖房回路６０を循環する二次冷媒としての水の温度変化範囲（３０℃〜６５℃）が給湯回路９０における給湯用の水の温度変化範囲（２０℃〜９０℃）に含まれていることに対応させるように、高段側圧縮機２５が吐出する一次冷媒のうち比較的高温状態である一次冷媒との熱交換、および、比較的低温状態である一次冷媒との熱交換とを給湯用の熱交換に割り当てている。そして、中間温度状態である一次冷媒との熱交換を暖房用の二次冷媒との熱交換に割り当てている。これにより、一次冷媒と給湯用の水との熱交換だけでなく一次冷媒と暖房用の水との熱交換のいずれにおいても、熱交換を行う流体同士の温度差を小さく抑えることができ、熱交換効率を向上させることができている。

第３高圧ポイントＨに到達した一次冷媒は、第８高圧管２７ｈを通じて膨張弁５ａ側に向かう流れと、インジェクション路７０側に向かう流れと、に分流される。ここでの分流程度は、制御部１１が、インジェクション膨張弁７３の弁開度を調節することにより制御される。インジェクション路７０側に分流された一次冷媒は、第１インジェクション管７２を通じた後、インジェクション膨張弁７３において減圧され、２３℃程度まで一次冷媒の温度が下がる（点Ｑ）。

インジェクション膨張弁７３において減圧された一次冷媒は、第２インジェクション管７４を通じて、エコノマイザ熱交換器７内の第３インジェクション管７５に流入する。エコノマイザ熱交換器７に流入した一次冷媒は、第９高圧管２７ｉを流れる３０℃程度の一次冷媒との間で熱交換を行い、２７℃程度まで加熱される（点Ｒ）。

エコノマイザ熱交換器７内の第３インジェクション管７５を通過した２７℃程度の一次冷媒は、第４インジェクション管７６を通じて、上述したインジェクション合流点Ｄにおいて、中間圧管２３を流れている一次冷媒と合流する。

第３高圧ポイントＨに到達した一次冷媒のうち、インジェクション路７０側に流れていかない３０℃程度の一次冷媒は、第８高圧管２７ｈを通じて、エコノマイザ熱交換器７内の第９高圧管２７ｉに流入する。エコノマイザ熱交換器７内の第９高圧管２７ｉに流入した３０℃程度の一次冷媒は、上述したように、第３インジェクション管７５を流れる２７℃程度の一次冷媒との間で熱交換を行うことで、２５℃程度までさらに冷却される（点Ｉ）。エコノマイザ熱交換器７内の第９高圧管２７ｉを通過した一次冷媒は、第１０高圧管２７ｊを通じて第４高圧ポイントＩに到達する。

第４高圧ポイントＩに到達した一次冷媒は、一次バイパス８０側に向かう流れと、第１１高圧管２７ｋ側に向かう流れと、に分流される。ここでの分流程度は、制御部１１が、一次バイパス膨張弁５ｂの弁開度を制御することにより調節される。第１１高圧管２７ｋを流れた一次冷媒は、一次冷媒間熱交換器８内の第１２高圧管２７ｌに流入する。一次冷媒間熱交換器８内の第１２高圧管２７ｌに流入した２５℃程度の一次冷媒は、第４低圧管２０ｄを流れる−３℃程度の一次冷媒との間で熱交換を行い、２０℃程度まで冷却される（点Ｊ）。

一次冷媒間熱交換器８内の第１２高圧管１２を通過した一次冷媒は、第１３高圧管２７ｍを通じて、膨張弁５ａまで流れる。膨張弁５ａでは、制御部１１によって弁開度が調節されることで、通過する一次冷媒の減圧程度が調節され、通過した一次冷媒の冷媒圧力が下がり、冷媒温度も−３℃程度まで下がる（点Ｋ）。ここでは、一次冷媒は、制御部１１による減圧程度の調節によって、臨界圧力以下の圧力となるまで減圧され、気液二相状態となる。

なお、ヒートポンプ回路１０では、一次冷媒をエコノマイザ熱交換器７によって冷却させるだけでなく、さらに一次冷媒間熱交換器８によって冷却させることができる。そして、一次冷媒間熱交換器８を流れる一次冷媒は、ヒートポンプ回路１０において最も低い温度の一次冷媒が流れている低段側圧縮機２１の吸入側の一次冷媒によって冷却することができる。これにより、膨張弁５ａを通過する一次冷媒の密度を上げることができ、ヒートポンプ回路１０における一次冷媒の循環量を増大させることができている。

膨張弁５ａを通過した一次冷媒は、第１低圧管２０ａを通じて、第３低圧ポイントＭまで流れていき、第６低圧管２０ｆを流れてくる一次冷媒と合流する（点Ｍ）。

第４高圧ポイントＩに到達した一次冷媒のうち、第１１高圧管２７ｋ側に流れていかない２５℃程度の一次冷媒は、一次バイパス８０側に流れていき、第１４高圧管２７ｎを通じて、一次バイパス膨張弁５ｂまで流れていく。一次バイパス膨張弁５ｂは、制御部１１によって弁開度が調節されることで、通過する一次冷媒の減圧程度が調節され、通過した一次冷媒の冷媒圧力が下がり、冷媒温度も−３℃程度まで下がる（点Ｌ）。ここでも、点Ｋと同様に、一次冷媒は、制御部１１による減圧程度の調節によって、臨界圧力以下の圧力となるまで減圧され、気液二相状態となる。

一次バイパス膨張弁５ｂを通過した一次冷媒は、第６低圧管２０ｆを通じて、第３低圧ポイントＭまで流れていき、上述した第１低圧管２０ａを通じて流れてきた一次冷媒と合流する（点Ｍ）。

第３低圧ポイントＭで合流した−３℃程度の一次冷媒は、第２低圧管２０ｂを通じて、蒸発器４に流入する。蒸発器４に流入した一次冷媒は、蒸発器４に対してファン４ｆによって積極的に供給される空気との間で熱交換を行う。蒸発器４での熱交換によって、気液二相状態の−３℃程度の一次冷媒は、温度を一定に維持したままで蒸発して（潜熱変化を行って）乾き度が増大していき、飽和状態に近い状態となる（点Ｎ）。

蒸発器４を通過した一次冷媒は、第３低圧管２０ｃを通じて、一次冷媒間熱交換器８内の第４低圧管２０ｄに流入する。一次冷媒間熱交換器８内の第４低圧管２０ｄを流れる−３℃程度の一次冷媒は、上述したように、第１２高圧管２７ｌを流れる２５℃程度の一次冷媒との間で熱交換を行うことで、２２℃程度まで加熱され、過熱度がついた状態となる（点Ａ）。

一次冷媒間熱交換器８内の第４低圧管２０ｄを通過した一次冷媒は、過熱状態となって、低段側圧縮機２１に吸入される。

ヒートポンプ回路１０では、以上のようにして、一次冷媒が循環している。

＜１−３＞暖房回路６０の運転
ラジエータ６１が設置された空間を暖めるために、ラジエータ６１には、６５℃程度の二次冷媒としての水が供給されるように、制御部１１が制御を行っている。

以下、暖房用の二次冷媒の温度分布状態について、１つの具体例を挙げつつ説明する。

ラジエータ６１内を通過しながら放熱をした暖房用の二次冷媒としての水は、ラジエータ６１の性能および暖房負荷の程度にもよるが、３５℃程度の温度に下がって、暖房戻り管６６を通じて、暖房分岐ポイントＸまで流れていく。

暖房分岐ポイントＸでは、中間圧側分岐路６７に向かう流れと、高圧側分岐路６８側に向かう流れとに分けられる。

暖房分岐ポイントＸから中間圧側分岐路６７側に向けて流れた二次冷媒は、第１中間圧側分岐路６７ａを通じて、中間圧水熱交換器４０内の第２中間圧側分岐路６７ｂに流入していく。中間圧水熱交換器４０内の第２中間圧側分岐路６７ｂを流れる二次冷媒は、上述したように、第２中間圧管２３ｂを通過する一次冷媒によって加熱されることで、３０℃程度の二次冷媒の温度が６５℃程度まで上げられる。なお、上述したように、中間圧水熱交換器４０内での一次冷媒と二次冷媒とは対向流形式で流れているため、中間圧水熱交換器４０内の第２中間圧側分岐路６７ｂの出口近傍は、比較的高温である９０℃程度の一次冷媒によって効率的に加熱される。そして、中間圧水熱交換器４０内の第２中間圧側分岐路６７ｂを通過して６５℃程度まで暖められた二次冷媒は、第３中間圧側分岐路６７ｃを通過して、暖房合流ポイントＹまで流れていく。

暖房分岐ポイントＸから高圧側分岐路６８側に向けて流れた二次冷媒は、第１高圧側分岐路６８ａを通じて、第２高圧水熱交換器５２内の第２高圧側分岐路６８ｂに流入していく。第２高圧水熱交換器５２内の第２高圧側分岐路６８ｂを流れる二次冷媒は、上述したように、第４高圧管２７ｄを通過する一次冷媒によって加熱されることで、３０℃程度の二次冷媒の温度が６５℃程度まで上げられる。なお、上述したように、第２高圧水熱交換器５２内での一次冷媒と二次冷媒とは対向流形式で流れているため、第２高圧水熱交換器５２内の第２高圧側分岐路６８ｂの出口近傍は、比較的高温である８５℃程度の一次冷媒によって効率的に加熱される。そして、第２高圧水熱交換器５２内の第２高圧側分岐路６８ｂを通過して６５℃程度まで暖められた二次冷媒は、第３高圧側分岐路６８ｃを通過して、暖房合流ポイントＹまで流れていく。

暖房合流ポイントＹでは、第３中間圧側分岐路６７ｃを通過してきた二次冷媒と、第３高圧側分岐路６８ｃを通過してきた二次冷媒と、が合流する。なお、制御部１１が、暖房混合弁６４における、中間圧側分岐路６７側の弁開度と高圧側分岐路６８側の弁開度とを調節することにより、中間圧側分岐路６７側を流れる二次冷媒の流量と高圧側分岐路６８側を流れる二次冷媒の流量とを調節することができる。これにより、制御部１１は、暖房回路６０を循環している二次冷媒が、中間圧水熱交換器４０側で加熱される程度と、第２高圧水熱交換器５２側で加熱される程度の比率を調節しつつ、暖房ポンプ６３を通過する二次冷媒の流量を調節することで、暖房合流ポイントＹにおいて合流した二次冷媒の温度をラジエータ６１において要求される温度となるように制御することができる。

このようにして、暖房合流ポイントＹにおいて合流した６５℃程度まで加熱された二次冷媒は、暖房往き管６５を通じてラジエータ６１まで供給される。暖房回路６０では、以上のようにして二次冷媒が循環している。

＜１−４＞給湯回路９０の運転
貯湯タンク９１内に９０℃程度のお湯を溜められるように、制御部１１は、給湯ポンプ９２の流量制御を行っている。

以下、給湯用の水の温度分布状態について、１つの具体例を挙げつつ説明する。

市水が流入した貯湯タンク９１の下方の比較的低温の水は、２０℃程度の温度で給湯ヒートポンプ管９５に向けて流れていく。

第１給湯ヒートポンプ管９５ａおよび第２給湯ヒートポンプ管９５ｂを通過した２０℃程度の給湯用の水は、第３高圧水熱交換器５３内の第３給湯ヒートポンプ管９５ｃに流入していく。第３高圧水熱交換器５３内の第３給湯ヒートポンプ管９５ｃを流れる給湯用の水は、上述したように、第３高圧水熱交換器５３内の第６高圧管２７ｆを通過する３５℃程度の一次冷媒によって加熱されることで、２０℃程度の給湯用の水の温度が３０℃程度まで上げられる。なお、上述したように、第３高圧水熱交換器５３内での一次冷媒と二次冷媒とは対向流形式で流れているため、第３高圧水熱交換器５３内の第３給湯ヒートポンプ管９５ｃの出口近傍は、比較的高温である３５℃程度の一次冷媒によって効率的に加熱される。

第３高圧水熱交換器５３において３０℃程度に暖められた給湯用の水は、第４給湯ヒートポンプ管９５ｄを通過して、第１高圧水熱交換器５１内の第５給湯ヒートポンプ管９５ｅに流入する。第１高圧水熱交換器５１内の第５給湯ヒートポンプ管９５ｅを流れる給湯用の水は、上述したように、第１高圧水熱交換器５１内の第２高圧管２７ｂを通過する９０℃程度の一次冷媒によって加熱されることで、３０℃程度の給湯用の水の温度が９０℃程度まで上げられる。なお、上述したように、第１高圧水熱交換器５１内での一次冷媒と二次冷媒とは対向流形式で流れているため、第１高圧水熱交換器５１内の第５給湯ヒートポンプ管９５ｅの出口近傍は、比較的高温である９０℃程度の一次冷媒によって効率的に加熱される。

第１高圧水熱交換器５１において９０℃程度まで加熱された給湯用の水は、第６給湯ヒートポンプ管９５ｆを通過して、貯湯タンク９１の上方に流入する。

このようにして、給湯回路９０を給湯用の水が循環することで、貯湯タンク９１内に溜められている給湯用の水の温度を上げていくことができる。

＜１−５＞第１実施形態の特徴
第１実施形態のヒートポンプシステム１におけるヒートポンプ回路１０では、多段圧縮形式が採用されており、中間圧水熱交換器４０において一次冷媒を冷却することが可能であるため、単段冷凍サイクルと比較してヒートポンプ回路１０の運転効率を良好にすることができる。

また、給湯用の水を要求される水温にまで上げるために必要な熱を高圧水熱交換器５０を流れる一次冷媒から得た場合であっても、なお高圧水熱交換器５０を流れる一次冷媒の温度が暖房用の二次冷媒を加熱できる温度範囲となっている。このため、ヒートポンプ回路１０の運転効率を良好にすることができる範囲内において、高圧水熱交換器５０の一部である第２高圧水熱交換器５２を流れる一次冷媒の熱を、暖房用の二次冷媒を加熱するために有効利用することができている。これにより、ヒートポンプ回路１０の運転効率を良好にしつつ、高圧水熱交換器５０を流れる一次冷媒の熱を有効利用することができている。

なお、例えば、低段側圧縮機２１の吐出冷媒の目標温度を、ラジエータ６１で必要とされている温度（例えば６５℃）および給湯の目標温度（例えば９０℃）のいずれにも満たない運転を行う場合には、仮に、中間圧水熱交換器４０で暖房負荷に対応しつつ高圧水熱交換器５０で給湯負荷に対応する等というように、熱交換器と負荷とを一対一に対応させてしまうと暖房負荷に対応しきれなくなる等、いずれかの負荷を処理しきれなくなってしまう。これに対して、第１実施形態のヒートポンプシステム１では、暖房負荷に対応するための暖房回路６０は、中間圧水熱交換器４０だけでなく第２高圧水熱交換器５２からも熱を得ることができている。このため、仮に、低段側圧縮機２１の吐出目標温度もしくは高段側圧縮機２５の吐出目標温度のいずれかが、暖房負荷の要求温度（給湯負荷の要求温度よりも要求温度が低い）に対応できていない場合であっても、対応できている方の一次冷媒が流れている熱交換器により多くの暖房用の二次冷媒が流れていくように暖房混合弁６４を制御部１１が制御して、暖房負荷を処理することができる。

また、例えば、暖房用の二次冷媒もしくは給湯用の水を、中間圧水熱交換器４０で暖めた後に高圧水熱交換器５０でさらに暖めようとする場合には、高圧水熱交換器５０に流入しようとする暖房用の二次冷媒もしくは給湯用の水はすでに暖められているため、高圧水熱交換器５０を流れる一次冷媒の有する熱を十分に有効利用することができない。すなわち、モリエル線図上で一次冷媒の放熱工程におけるエンタルピ変化を十分にとることができない。同様に、暖房用の二次冷媒もしくは給湯用の水を、高圧水熱交換器５０で暖めた後に中間圧水熱交換器４０で暖めようとする場合には、中間圧水熱交換器４０に流入しようとする暖房用の二次冷媒もしくは給湯用の水はすでに暖められているため、中間圧水熱交換器４０を流れる一次冷媒の有する熱を十分に利用することができず、多段圧縮形式のヒートポンプ回路１０の運転効率を向上させることが困難になる場合がある。

これに対して、第１実施形態のヒートポンプシステム１では、ヒートポンプ回路１０において、ラジエータ６１において冷やされた二次冷媒を分割して、中間圧側分岐路６７を通過させつつ中間圧水熱交換器４０で行う加熱と、高圧側分岐路６８を通過させつつ第２高圧水熱交換器５２で行う加熱と、に分けている。このため、ラジエータ６１で冷やされた後であって未だ暖められていない状態の二次冷媒を、中間圧水熱交換器４０および第２高圧水熱交換器５２に供給することができる。これにより、高段側圧縮機２５が吸入する一次冷媒の冷却効果を向上させつつ、中間圧管２３を流れる一次冷媒の熱を十分に有効利用することができている。

なお、ヒートポンプ回路１０では、インジェクション路７０が設けられているため、中間圧水熱交換器４０を通過する一次冷媒の量よりも高圧水熱交換器５０を通過する一次冷媒の方が流量が大きい。このため、低段側圧縮機２１の目標吐出温度と高段側圧縮機２５の目標吐出温度とを同等に制御した場合であっても、中間圧水熱交換器４０において得られる熱量よりも高圧水熱交換器５０において得られる熱量の方が多い。このヒートポンプシステム１では、このように高圧水熱交換器５０側の方が得られる熱量が多いことを考慮して、給湯負荷および暖房負荷の両方に対応する熱交換器として中間圧水熱交換器４０側ではなく高圧水熱交換器５０を選定している。これにより、より効率的なヒートポンプシステム１を実現することができている。

＜２＞第２実施形態
第２実施形態のヒートポンプシステム２０１は、図４に示すように、第１実施形態のヒートポンプシステム１において一次バイパス８０（第１４高圧管２７ｎ、一次バイパス膨張弁５ｂ、第６低圧管２０ｆ）が設けられることなく、循環する一次冷媒の全てが一次冷媒間熱交換器８を通過するシステムである。他の構成は上記第１実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。

ヒートポンプ回路１０を循環する一次冷媒の全てを一次冷媒間熱交換器８において熱交換させても能力および効率に問題が生じにくい使用環境の場合には、部品点数を削減ができるだけでなく、一次バイパス膨張弁５ｂの制御が不要になる。

＜３＞第３実施形態
第３実施形態のヒートポンプシステム３０１は、図５に示すように、中間圧管２３に対する一次冷媒のインジェクションが行われず、中間圧管２３を流れる一次冷媒の冷却は中間圧水熱交換器４０において全て行われるシステムである。すなわち、第３実施形態のヒートポンプシステム３０１は、第１実施形態のヒートポンプシステム１において、エコノマイザ熱交換器７、インジェクション路７０（インジェクション膨張弁７３、第１インジェクション管７２、第２インジェクション管７４、第３インジェクション管７５、第４インジェクション管７６）、第８高圧管２７ｈ、第９高圧管２７ｉ、第１０高圧管２７ｊ、第３中間圧管２３ｃ、および、第４中間圧管２３ｄが設けられることなく、代わりに第３３中間圧管３２３ｃおよび第３８高圧管３２７ｈが設けられたシステムである。第３３中間圧管３２３ｃは、中間圧水熱交換器４０内の第２中間圧管２３ｂと、高段側圧縮機２５の吸入側とを接続している。第３８高圧管３２７ｈは、第３高圧水熱交換器５３内の第６高圧管２７ｆと、第４高圧ポイントＩとを接続している。他の構成は上記第１実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。

このヒートポンプシステム３０１では、高段側圧縮機２５が吸入する冷媒が湿り状態となってしまうほど冷却される状態を回避することができ、部品点数を少なく抑えて回路構成を単純化させることができる。

＜４＞第４実施形態
第４実施形態のヒートポンプシステム４０１は、図６に示すように、インジェクション路７０側への分岐がエコノマイザ熱交換器７の下流側に配置されたシステムである。すなわち、第４実施形態のヒートポンプシステム４０１は、第１実施形態のヒートポンプシステム１において、第３高圧ポイントＨの代わりに第４３高圧ポイント４Ｈを、第７高圧管２７ｇの代わりに第４７高圧管４２７ｇを、第８高圧管２７ｈの代わりに第４８高圧管４２７ｈを、第９高圧管２７ｉの代わりに第４９高圧管４２７ｉを、第１０高圧管２７ｊの代わりに第４１０高圧管４２７ｊを、それぞれ設けたシステムである。第４３高圧ポイント４Ｈは、ヒートポンプ回路１０における一次冷媒の流れ方向において、エコノマイザ熱交換器７の下流側であって第４高圧ポイントＩの上流側に設けられており、インジェクション路７０が分岐している。第４７高圧管４２７ｇは、第３高圧水熱交換器５３内の第６高圧管２７ｆと、エコノマイザ熱交換器７内の第４８高圧管４２７ｈと、を接続している。第４９高圧管４２７ｉは、エコノマイザ熱交換器７内の第４８高圧管４２７ｈと、第４３高圧ポイント４Ｈと、を接続している。第４１０高圧管４２７ｊは、第４３高圧ポイント４Ｈと、第４高圧ポイントＩと、を接続している。他の構成は上記第１実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。

このヒートポンプシステム４０１では、第１実施形態のヒートポンプシステム１のインジェクション路７０を流れる一次冷媒と比較して、インジェクション路７０を流れる一次冷媒の温度をより低温にすることができるため、インジェクション合流ポイントＤでの冷却効果を向上させることができる。

＜５−１＞第５実施形態
第５実施形態のヒートポンプシステム５０１は、図７に示すように、第１実施形態のヒートポンプシステム１において第３高圧水熱交換器５３を取り除いたシステムである。すなわち、第５実施形態のヒートポンプシステム５０１は、第１実施形態のヒートポンプシステム１において、第２給湯ヒートポンプ管９５ｂ、第３給湯ヒートポンプ管９５ｃ、第４給湯ヒートポンプ管９５ｄの代わりに第５２給湯ヒートポンプ管５９５ｂを、第５高圧管２７ｅ、第６高圧管２７ｆ、第７高圧管２７ｇの代わりに第５５高圧管５２７ｅを、それぞれ設けたシステムである。ここでは、第１実施形態のヒートポンプシステム１において用いられている給湯中間温度センサ９５Ｔが不要になっている。なお、第５２給湯ヒートポンプ管５９５ｂは、給湯ポンプ９２と、第１高圧水熱交換器５１内の第５給湯ヒートポンプ管９５ｅの給湯用の水の流れにおける上流側端部と、を接続している。第５５高圧管５２７ｅは、第２高圧水熱交換器５２内の第４高圧管２７ｄの一次冷媒の流れ方向における下流側端部と、第３高圧ポイントＨと、を接続している。他の構成は上記第１実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。

このヒートポンプシステム５０１では、例えば、貯湯タンク９１内に蓄えられている給湯用の水の温度が上昇しており、給湯入水温度センサ９４Ｔが検知する給湯用の水の温度が、第２高圧水熱交換器５２内の第４高圧管２７ｄの出口を通過する一次冷媒の温度よりも高い場合であっても、第３高圧ポイントＨに向かう一次冷媒を暖めてしまうことがなく、給湯用の水を冷やしてしまうことがない。このため、給湯負荷が小さい状況においても、効率の良い運転が可能となっている。

＜５―２＞第５実施形態の変形例
（Ａ）
図８に示すように、上記第５実施形態のヒートポンプシステム５０１において、第４実施形態で説明したインジェクション路４７０を適用しつつ、第４７高圧管４２７ｇの代わりに上述の第５５高圧管５２７ｅを用いたヒートポンプシステム５０１Ａとしてもよい。

この場合には、さらに第４実施形態のヒートポンプシステム４０１に類似した効果を得ることができる。

（Ｂ）
図９に示すように、上記第５実施形態のヒートポンプシステム５０１において、第３実施形態で説明したようにインジェクション路７０を削除しつつ、上述の第５５高圧管５２７ｅの接続先を第４高圧ポイントＩとしたヒートポンプシステム５０１Ｂとしてもよい。

この場合には、さらに第３実施形態のヒートポンプシステム３０１に類似した効果を得ることができる。

（Ｃ）
図１０に示すように、上記第５実施形態の変形例（Ｂ）のヒートポンプシステム５０１Ｂにおいて、第２実施形態で説明したように一次バイパス８０を削除したヒートポンプシステム５０１Ｃとしてもよい。

この場合には、さらに第２実施形態のヒートポンプシステム２０１に類似した効果を得ることができる。

＜６−１＞第６実施形態
第６実施形態のヒートポンプシステム６０１は、図１１に示すように、インジェクション路７０を有していない第３実施形態のヒートポンプシステム３０１において、気液分離インジェクション路６３０を設けたシステムである。気液分離インジェクション路６３０は、分離前気液管６３１、気液分離器６３２、分離後液管６３３、分離後気管６３４、分離後気管開閉弁６３５、および、気液分離膨張弁６０５を有している。分離前気液管６３１は、第３低圧ポイントＭから気液分離器６３２の上方の気相空間まで伸びている。気液分離器６３２は、分離前気液管６３１から流れ込んでくる一次冷媒を上方空間における気相領域と、下方空間における液相領域と、に分離する。分離後液管６３３は、気液分離器６３２の液相領域に存在している一次冷媒を気液分離膨張弁６０５まで導く。気液分離膨張弁６０５では、通過する一次冷媒の圧力をさらに下げる。分離後気管６３４は、気液分離器６３２の気相領域に存在している一次冷媒をインジェクション合流ポイントＤまで導く。分離後気管開閉弁６３５は、分離後気管６３４における一次冷媒の通過を許可する状態もしくは許可しない状態とを切り換えることができる。他の構成は上記第１実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。

このヒートポンプシステム６０１では、膨張弁５ａおよび／または一次バイパス膨張弁５ｂにおける一次冷媒の減圧は、中間圧管２３を流れる一次冷媒と同等の臨界圧力より低い圧力まで下げられることで、気液二相状態となる。このうち液状態の一次冷媒は、気液分離膨張弁６０５において低圧管２０を流れる一次冷媒の圧力まで下げられる。そして、分離後気管６３４は気液分離器６３２の気相領域から伸びているため、分離後気管６３４には、液状態の一次冷媒が混ざり込みにくく、気体状態の一次冷媒が流れることになる。これにより、インジェクション合流ポイントＤで中間圧管２３を流れる一次冷媒と合流した後において、高段側圧縮機２５が吸入する一次冷媒が湿り状態になりにくい。これにより、高段側圧縮機２５が吸入する冷媒密度を高めて効率を上げつつ、高段側圧縮機２５での液圧縮を防止することが可能になっている。なお、膨張弁５ａにおける一次冷媒の減圧では、低圧管２０を流れている一次冷媒の圧力まで下げられることなく、中間圧管２３を流れている一次冷媒の圧力の程度までしか下げられないため、分離後気管６３４を流れる一次冷媒の温度が下がり過ぎることによって生じうる高段側圧縮機２５の液圧縮の発生、を抑制できるようになっている。

＜６―２＞第６実施形態の変形例
（Ａ）
図１２に示すように、上記第６実施形態のヒートポンプシステム６０１において、第５実施形態で説明したように第３高圧水熱交換器５３を有していないヒートポンプシステム６０１Ａとしてもよい。他の構成は上記第１実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。

＜７＞第７実施形態
第７実施形態のヒートポンプシステム７０１は、図１３に示すように、第１実施形態のヒートポンプシステム１においてインジェクション合流ポイントＤの位置を、低段側圧縮機２１の吐出側と中間圧水熱交換器４０内の第２中間圧管２３ｂの下流側端部とを接続している第１中間圧管２３ａの途中に設けられたインジェクション合流ポイント７Ｄとしたシステムである。他の構成は上記第１実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。

このヒートポンプシステム７０１では、例えば、高段側圧縮機２５の吐出冷媒温度として目標温度が得られるように高段側圧縮機２５の圧縮比が上げられつつこの高段側圧縮機２５の圧縮比と同等の圧縮比で低段側圧縮機２１を運転させて駆動効率を上げようとする場合に、低段側圧縮機２１の吐出冷媒温度が、中間圧水熱交換器４０において加熱される暖房用の二次冷媒にとって高すぎるようになる場合がある。このような場合であっても、インジェクション合流ポイント７Ｄを第１中間圧管２３ａの途中に設けることで、暖房用二次冷媒の温度の上がり過ぎを抑制することが可能になる。

＜８＞第８実施形態
第８実施形態のヒートポンプシステム８０１は、図１４に示すように、第１実施形態のヒートポンプシステム１におけるエコノマイザ熱交換器７と一次冷媒間熱交換器８との順序を逆にしたシステムである。すなわち、第８実施形態のヒートポンプシステム８０１は、第１実施形態のヒートポンプシステム１における第３高圧ポイントＨの代わりに第３低圧ポイントＭの下流側における第８３中間圧ポイント８Ｈを設け、この第８３中間圧ポイント８Ｈからインジェクション路８７０を分岐させたシステムである。第８１０高圧管８２７ｊは、第３高圧水熱交換器５３内の第６高圧管２７ｆの下流側端部と、第４高圧ポイントＩと、を接続している。第８７高圧管８２７ｇは、第３低圧ポイントＭと、第８３中間圧ポイント８Ｈと、を接続している。第８８高圧管８２７ｈは、第８３中間圧ポイント８Ｈと、エコノマイザ熱交換器７内の第８９高圧管８２７ｉの上流側端部と、を接続している。他の構成は上記第１実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。

このヒートポンプシステム８０１では、一次冷媒間熱交換器８では、エコノマイザ熱交換器７で冷やされる前の比較的暖かい一次冷媒によって、低段側圧縮機２１が吸入する一次冷媒を暖めることができる。これにより、低段側圧縮機２１が吸入する一次冷媒の過熱度をより大きく上げることができる。

＜９＞第９実施形態
第９実施形態のヒートポンプシステム９０１は、図１５に示すように、第１実施形態のヒートポンプシステム１における第２高圧水熱交換器５２においても、給湯用の水を温めるようにしたシステムである。すなわち、第９実施形態のヒートポンプシステム９０１は、第１実施形態のヒートポンプシステム１における第４給湯ヒートポンプ管９５ｄの代わりに、第９５上流接続管９９５ｘ、第９５給湯ヒートポンプ管９９５ｄ、および、第９５下流接続管９９５ｙを、それぞれ設け、第９５上流接続管９９５ｘを通過する給湯用の水の温度を検知する上流接続温度センサ９５Ｔｘおよび第９５下流接続管９９５ｙを通過する給湯用の水の温度を検知する下流接続温度センサ９５Ｔｙを設けたシステムである。他の構成は上記第１実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。

このヒートポンプシステム９０１では、例えば、第２高圧水熱交換器５２において、第４高圧管２７ｄから放出される熱のうち第２高圧側分岐路６８ｂを流れる暖房用の二次冷媒が吸収しきれない熱を、第９５給湯ヒートポンプ管９９５ｄを流れる給湯用の水が吸収することができるため、第４高圧管２７ｄから放出される熱のロスを小さく抑えて有効利用することができる。また、一次冷媒の有する熱を暖房用の二次冷媒と給湯用の水との両方が同時に受け取る部分が設けられることになるため、給湯用の水を要求される水温まで加熱するのに必要な熱交換器の大きさをコンパクトにすることができる。

＜１０＞第１０実施形態
第１０実施形態のヒートポンプシステム１ｘは、図１６に示すように、第１実施形態のヒートポンプシステム１において暖房回路６０の暖房用二次冷媒の流れ方を中間圧水熱交換器４０と第２高圧水熱交換器５２とで直列にしたシステムである。すなわち、第１０実施形態のヒートポンプシステム１ｘは、第１実施形態のヒートポンプシステム１において、第３中間圧側分岐路６７ｃおよび第１高圧側分岐路６８ａの代わりに中高圧連絡路６７８を設けたシステムである。中高圧連絡路６７８は、中間圧水熱交換器４０内の第２中間圧管２３ｂの下流側端部と、第２高圧水熱交換器５２内の第２高圧側分岐路６８ｂの下流側端部と、を接続している。他の構成は上記第１実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。

このヒートポンプシステム１ｘでは、例えば、制御部１１が、中間圧水熱交換器４０を通過する一次冷媒の温度よりも第２高圧水熱交換器５２を通過する一次冷媒の方が高温になるようにヒートポンプ回路１０を運転制御している場合には、暖房用の二次冷媒を、中間圧水熱交換器４０から第２高圧水熱交換器５２の順に徐々に暖めていくことができる。これにより、加熱効率を向上させつつ、中間圧水熱交換器４０および第２高圧水熱交換器５２において一次冷媒からの熱を効率的に得ることができる。

＜１１−１＞第１１実施形態
第１１実施形態のヒートポンプシステム２ｘは、図１７に示すように、第１実施形態のヒートポンプシステム１において給湯回路９０を流れる給湯用の水についても、暖房用の二次冷媒と同様に、高圧水熱交換器５０側だけでなく中間圧水熱交換器４０においても一次冷媒との間で熱交換を行うようにしたシステムである。すなわち、第１１実施形態のヒートポンプシステム２ｘは、中間圧水熱交換器４０を通過した一次冷媒と給湯用の水との間で熱交換を行わせる第２中間圧水熱交換器１５３を備えている。第２分岐給湯ヒートポンプ管１９５ｂは、第２給湯ヒートポンプ管９５ｂの途中で分岐した後に、第２中間圧水熱交換器１５３の下流側端部まで伸びている。第２中間圧水熱交換器１５３では、第２分岐給湯ヒートポンプ管１９５ｂを介して第３分岐給湯ヒートポンプ管１９５ｃに流入する給湯用の水と、中間圧水熱交換器４０を通過した後に第３中間圧管２３ｃの一部である第１１中間圧管１２３ｃに流入する一次冷媒と、の間で熱交換を行わせる。第２中間圧水熱交換器１５３内の第３分岐給湯ヒートポンプ管１９５ｃを通過した給湯用の水は、第４分岐給湯ヒートポンプ管１９５ｄを通じて、分岐給湯混合弁１９３まで流れ、第４給湯ヒートポンプ管９５ｄを通過してきた給湯用の水と合流する。分岐給湯混合弁１９３において合流した給湯用の水は、合流給湯連絡管１９６を通じて、第１高圧水熱交換器５１内の第５給湯ヒートポンプ管９５ｅに流入する。他の構成は上記第１実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。

このヒートポンプシステム２ｘでは、例えば、貯湯タンク９１からヒートポンプ回路１０側に流れ出る給湯用の水の温度が、市水の温度である常温に近い状態である場合には、中間圧水熱交換器４０内の第２中間圧管２３ｂを通過しながら冷却された後の一次冷媒であっても、高段側圧縮機２５で液圧縮が生じない範囲で、さらに冷却したほうが効率が上がる場合がある。このような場合には、第１１実施形態のヒートポンプシステム２ｘでは、給湯用の冷たい水を、高圧水熱交換器５０側だけでなく、中間圧水熱交換器４０の下流側と高段側圧縮機２５の吸入側との間を流れる一次冷媒の熱を利用して加熱することができる。

＜１１―２＞第１１実施形態の変形例
（Ａ）
上記第１１実施形態のヒートポンプシステム２ｘでは、低段側圧縮機２１から高段側圧縮機２５に向けて一次冷媒が流れている中間圧管２３において、暖房用の二次冷媒との間での熱交換（中間圧水熱交換器４０）だけでなく、給湯用の水との間での熱交換（第２中間圧水熱交換器１５３）を行う場合について、例に挙げて説明した。

しかし、本発明はこれに限られるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で、以下のような熱交換が可能なヒートポンプシステムであってもよい。

例えば、低段側圧縮機２１から高段側圧縮機２５に向けて一次冷媒が流れている中間圧管２３において、第１実施形態の高圧水熱交換器５０における一次冷媒と暖房用の二次冷媒と給湯用の水との間での熱交換のように、３カ所で熱交換を行うことができるようにしてもよい。この場合においても、高圧水熱交換器５０と同様に、給湯用の水と中間圧管２３を流れる一次冷媒との熱交換は、暖房用の二次冷媒と一次冷媒との熱交換が行われている上流側と下流側との２カ所に別れて行われるようにすることが好ましい。

（Ｂ）
また、給湯用の水については、高圧水熱交換器５０における一次冷媒との熱交換を行わせることなく、低段側圧縮機２１から高段側圧縮機２５に向けて一次冷媒が流れている中間圧管２３において熱交換を行うようにしてもよい。

＜１２＞第１２実施形態
第１２実施形態のヒートポンプシステム３ｘは、図１８に示すように、第１実施形態のヒートポンプシステム１において、暖房回路６０においてバイパス路が設けられたシステムである。すなわち、第１２実施形態のヒートポンプシステム３ｘは、第１実施形態のヒートポンプシステム１における暖房回路６０において、暖房戻り管６６の途中の暖房バイパス分岐ポイントＺと、暖房合流ポイントＹと、を接続する暖房バイパス路６９をさらに設け、第１実施形態における暖房混合弁６４の代わりに第１２暖房混合弁１６４を設けたシステムである。第１２暖房混合弁１６４では、暖房バイパス路６９から流れてくるラジエータ６１で放熱を終えたばかりの冷たい暖房用の二次冷媒と、中間圧側分岐路６７を介して流れてくる暖められた暖房用の二次冷媒と、高圧側分岐路６８を介して流れてくる暖められた暖房用の二次冷媒と、の混合比率が、制御部１１の指示により調節される。他の構成は上記第１実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。

このヒートポンプシステム３ｘでは、例えば、運転効率を向上させるためにヒートポンプ回路１０における一次冷媒の温度を比較的高温にする必要がある場合等では、中間圧側分岐路６７を介して流れてくる暖められた暖房用の二次冷媒の温度や、高圧側分岐路６８を介して流れてくる暖められた暖房用の二次冷媒の温度が、ラジエータ６１において要求される温度を超えてしまうことがある。これに対して、ヒートポンプシステム３ｘでは、このように中間圧側分岐路６７を介して流れてくる暖められた暖房用の二次冷媒の温度や高圧側分岐路６８を介して流れてくる暖められた暖房用の二次冷媒の温度が、ラジエータ６１において要求される温度を超えてしまった場合であっても、暖房バイパス路６９を介して流れてくる冷たい二次冷媒の混合比率を上げるように制御部１１が制御している。これにより、ラジエータ６１における要求温度を満たす二次冷媒を供給することができる。

＜１３＞第１３実施形態
第１３実施形態のヒートポンプシステム４ｘは、図１９に示すように、第１実施形態のヒートポンプシステム１において、エコノマイザ熱交換器７および第３高圧ポイントＨが、第３低圧ポイントと、一次冷媒間熱交換器８に向かう流れと一次バイパス８０に向かう流れとで分岐する部分と、によって挟まれるように構成されたシステムである。すなわち、第１３実施形態のヒートポンプシステム４ｘは、第１実施形態のヒートポンプシステム１における第４高圧ポイントＩが変更され、第３高圧ポイントＨの上流側であって第３高圧水熱交換器５３よりも下流側の第１３高圧ポイント１３Ｉとなっている、第１３一次バイパス８０ｘおよび第１３インジェクション路７０ｘを備えたシステムである。第７高圧管１２７ｇは、第３高圧水熱交換器５３内の第６高圧管２７ｆの下流側端部と、第１３高圧ポイント１３Ｉと、を接続している。バイパス上流エコノマイザ高圧管１２７ｎは、第１３高圧ポイント１３Ｉと、第３高圧ポイントＨと、を接続している。バイパス下流エコノマイザ高圧管１２７ｊは、エコノマイザ熱交換器７内の第９高圧管２７ｉの下流側端部と、一次バイパス膨張弁５ｂと、の間を接続している。他の構成は上記第１実施形態における構成と同様であるため説明を省略する。

このヒートポンプシステム３ｘでは、例えば、膨張弁５ａに向かう一次冷媒を、エコノマイザ熱交換器７によって冷却させる流路と、一次冷媒間熱交換器８によって冷却させる流路と、に別れているため、どちらでどれだけ一次冷媒を冷却させるかを調節することができるようになる。

＜１４＞上記各実施形態について適用可能な変形例の例
上記第１実施形態から第１３実施形態において各ヒートポンプシステムを具体的に説明した。しかし、本発明は、これに限られるものではく、発明の要旨を変更しない範囲で、各実施形態のヒートポンプシステムを以下に述べるような形態としたものも、本発明に含まれる。

＜１４−１＞
上記各実施形態では、一次冷媒として二酸化炭素を用いた場合について例に挙げて説明した。

しかし、上記いずれの実施形態においても、一次冷媒として、二酸化炭素以外の冷媒であるエチレン、エタンや酸化窒素等を採用してもよい。この場合、採用された冷媒としては、高段側圧縮機２５の吐出冷媒圧力が超臨圧力を超えて用いられ、かつ、各圧縮機の駆動力を小さく抑えることができる冷媒が好ましい。

＜１４−２＞
上記各実施形態では、暖房回路６０においては、二次冷媒としての水が循環する場合について例に挙げて説明した。

しかし、上記いずれの実施形態においても、二次冷媒としては、水に限られず、他の熱媒体としてブライン等を用いてもよい。

＜１４−３＞
上記各実施形態では、低段側圧縮機２１と高段側圧縮機２５とがそれぞれ設けられている場合について例に挙げて説明した。

しかし、上記いずれの実施形態においても、低段側圧縮機２１と高段側圧縮機２５とにおいて共通の駆動軸が採用されている、いわゆる一軸二段、もしくは、一軸多段タイプの圧縮機構が設けられていてもよい。この場合には、各圧縮機構において１８０度の位相差を設けることで、駆動効率を上げることが可能になる。

＜１４−４＞
上記各実施形態では、低段側圧縮機２１と高段側圧縮機２５とが直列に接続された場合について例に挙げて説明した。

しかし、上記いずれの実施形態においても、３つ以上の圧縮機構が直列に接続された形態を用いてもよい。その場合には、各圧縮機構の間を流れる一次冷媒の熱を用いて熱負荷処理を行うようにしてもよい。

また、圧縮機構は、２つ以上の直列接続回路が設けられていれば、さらに他の圧縮機構を並列もしくは直列に設けてもよい。

＜１４−５＞
上記各実施形態では、中間圧圧力センサ２３Ｐ、中間圧温度センサ２３Ｔ、高圧圧力センサ２７Ｐ、高圧温度センサ２７Ｔ、低圧圧力センサ２０Ｐ、および、低圧温度センサ２０Ｔ等が設けられているヒートポンプ回路１０について例に挙げて説明した。

しかし、上記いずれの実施形態においても、これらのセンサだけでなく、例えば、インジェクション合流ポイントＤと高段側圧縮機２５の吸入側との間の第４中間圧管２３ｄを流れる冷媒の温度を検知する高段吸入温度センサを設けるようにしてもよい。これにより、中間圧水熱交換器４０を通過した後であって、インジェクション合流ポイントＤにおいて合流された後であって、高段側圧縮機２５に吸入される直前の一次冷媒の状態を確実に把握することができるようになる。

＜１５＞上記各実施形態およびその変形例の組合せ
上記第１実施形態から第１３実施形態およびその各変形例について、それぞれのヒートポンプシステムを説明した。これらの各ヒートポンプは、上記記載の範囲内において互いに矛盾しない範囲で適宜組み合わせて得られるヒートポンプシステムも、本発明に含まれる。
（参考例）
図２０に、参考例としてのヒートポンプシステム１ｚを示す。

ヒートポンプシステム１ｚは、ヒートポンプ回路１０、第１熱負荷回路６０、第２熱負荷回路９０、および、高圧水熱交換器５０を備えている。ヒートポンプ回路１０は、低段側圧縮機２１、高段側圧縮機２５、膨張弁５ａ、蒸発器４、インジェクション合流ポイントＤ、インジェクション分岐部分Ｈ（上記実施形態の第３高圧ポイントＨに相当）、インジェクション路７０、エコノマイザ熱交換器７、および、インジェクション膨張弁７３を有している。このヒートポンプ回路１０は、一次冷媒としての二酸化炭素が循環している。第１熱負荷回路６０は、ラジエータ６１等の第１熱負荷処理部６１を有している。この第１熱負荷回路６０は、第１流体（例えば、二次冷媒としての水）が循環している。第２熱負荷回路９０は、貯湯タンク９１等の第２熱負荷処理部９１を有している。この第２熱負荷回路９０は、第２流体（例えば、給湯用の水）が循環している。高圧水熱交換器５０は、高段側圧縮機２５から膨張弁５ａに向けて流れる一次冷媒を通過させる。第１流体は、高圧水熱交換器５０を流れる一次冷媒の一部との間で熱交換を行う。第２流体は、高圧水熱交換器５０を流れる一次冷媒の他の一部との間で熱交換を行う。具体的には、高圧水熱交換器５０は、第１高圧水熱交換器５１と、第２高圧水熱交換器５２と、第３高圧水熱交換器５３と、に別れており、第１高圧水熱交換器５１および第３高圧水熱交換器５３では一次冷媒と第２流体との間で熱交換が行われ、第２高圧水熱交換器５２では一次冷媒と第１流体との間で熱交換が行われる。インジェクション分岐部分Ｈは、高圧水熱交換器５０と膨張弁５ａとの間に設けられている。インジェクション合流ポイントＤは、低段側圧縮機２１と高段側圧縮機２５との間に設けられている。インジェクション路７０は、インジェクション分岐部分Ｈにおいて分岐した一次冷媒をインジェクション合流ポイントＤに導く。エコノマイザ熱交換器７は、インジェクション路７０を流れる一次冷媒と、インジェクション分岐部分Ｈから膨張弁５ａに向けて流れる一次冷媒と、の間で熱交換を行わせる。インジェクション膨張弁７３は、インジェクション路７０におけるエコノマイザ熱交換器７への入口と、インジェクション分岐部分Ｈと、の間に設けられ、通過する一次冷媒を減圧させる。なお、他の構成については、上記実施形態に対応する部分を含んでいるため、説明を省略する。

ヒートポンプシステム１ｚのヒートポンプ回路１０では、多段圧縮形式が採用されているため、一段当たりの圧縮比を小さく抑えることができる。そして、インジェクション路７０が設けられているため、高段側圧縮機２５が吸入する冷媒を冷却することができ、ヒートポンプ回路１０のサイクル効率を向上させることができている。さらに、高段側圧縮機２５が吐出する一次冷媒の熱を用いて、第１熱負荷だけでなく、第２熱負荷にも対応できるようになっている。

本発明の冷凍装置は、多段圧縮形式が採用されたヒートポンプ回路によって複数の熱負荷に対応する場合にヒートポンプ回路の運転効率を向上させることが可能になるため、多段圧縮式の圧縮要素を備えたヒートポンプ回路を用いて複数の熱負荷を処理するにヒートポンプシステムに適用した場合に特に有用である。

１ ヒートポンプシステム
４ 蒸発器
４ｆ ファン
５ａ 膨張弁（膨張機構）
５ｂ 一次バイパス膨張弁（膨張機構）
７ エコノマイザ熱交換器
８ 一次冷媒間熱交換器
１０ ヒートポンプ回路
１１ 制御部
２０ 低圧管
２０ａ〜ｆ 第１〜６低圧管
２０Ｐ 低圧圧力センサ
２０Ｔ 低圧温度センサ
２１ 低段側圧縮機（低段側圧縮機構）
２３ 中間圧管
２３ａ〜ｄ 第１〜４中間圧管
２３Ｐ 中間圧圧力センサ
２３Ｔ 中間圧温度センサ
２５ 高段側圧縮機（高段側圧縮機構）
２７ 高圧管
２７ａ〜ｎ 第１〜１４高圧管
２７Ｐ 高圧圧力センサ
２７Ｔ 高圧温度センサ
４０ 中間圧水熱交換器（第１熱交換器）
５０ 高圧水熱交換器（第２熱交換器）
５１ 第１高圧水熱交換器（上流第２熱交換器）
５２ 第２高圧水熱交換器（第２熱交換器、中流第２熱交換器）
５３ 第３高圧水熱交換器（下流第２熱交換器）
６０ 暖房回路（第１熱負荷回路）
６１ ラジエータ（第１熱負荷処理部、暖房用熱交換器）
６１Ｔ ラジエータ温度センサ
６２ 分流機構
６３ 暖房ポンプ
６４ 暖房混合弁
６５ 暖房往き管
６６ 暖房戻り管
６７ 中間圧側分岐路（第１分岐路）
６７Ｔ 中間圧側分岐路温度センサ
６７ａ〜ｃ 第１〜３中間圧側分岐路
６８ 高圧側分岐路（第２分岐路）
６８Ｔ 高圧側分岐路温度センサ
７０ インジェクション路
７２ 第１インジェクション管
７３ インジェクション膨張弁（減圧機構）
７４ 第２インジェクション管
７５ 第３インジェクション管
７６ 第４インジェクション管
８０ 一次バイパス
９０ 給湯回路（第２熱負荷回路）
９１ 貯湯タンク（第２熱負荷処理部、給湯用のタンク）
９２ 給湯ポンプ
９３ 給湯混合弁
９４ 給水管
９４Ｔ 給湯入水温度センサ
９５ 給湯ヒートポンプ管
９５ａ〜ｆ 第１〜６給湯ヒートポンプ管
９５Ｔ 給湯中間温度センサ
９８ 給湯管
９８Ｔ 給湯出湯温度センサ
９９ 給湯バイパス管
４０１ ヒートポンプシステム
５０１ ヒートポンプシステム
５０１Ａ ヒートポンプシステム
６０１ ヒートポンプシステム
６０１Ａ ヒートポンプシステム
６０５ 気液分離膨張弁（気液分離後減圧機構）
６３２ 気液分離器（気液分離機構）
６３３ 分離後液管（液相路）
７０１ ヒートポンプシステム
７７０ インジェクション路
８０１ ヒートポンプシステム
９０１ ヒートポンプシステム
Ａ 吸入ポイント
Ｂ 低段吐出ポイント
Ｃ 中間圧水熱交換器通過ポイント
Ｄ インジェクション合流ポイント
Ｅ 高段吐出ポイント
Ｆ 第１高圧ポイント
Ｇ 第２高圧ポイント
Ｈ 第３高圧ポイント（インジェクション分岐部分）
Ｉ 第４高圧ポイント
Ｊ 第５高圧ポイント
Ｋ 第１低圧ポイント
Ｌ 第２低圧ポイント
Ｍ 第３低圧ポイント
Ｎ 第４低圧ポイント
Ｑ インジェクション中間圧ポイント
Ｒ エコノマイザ熱交後ポイント
Ｘ 暖房分岐ポイント（第１分岐部分）
Ｙ 暖房合流ポイント（第２分岐部分）
Ｗ 給水分岐ポイント
Ｚ 給湯合流ポイント

特開２００４―１７７０６７号公報

Claims (26)

1. 少なくとも低段側圧縮機構（２１）、高段側圧縮機構（２５）、膨張機構（５ａ、５ｂ）、および、蒸発器（４）を有しており、一次冷媒が循環するヒートポンプ回路（１０）と、
   第１熱負荷処理部（６１）を有しており、第１流体が循環する第１熱負荷回路（６０）と、
   第２熱負荷処理部（９１）を有しており、第２流体が循環する第２熱負荷回路（９０）と、
   少なくとも前記低段側圧縮機構（２１）の吐出側から前記高段側圧縮機構（２５）の吸入側に向けて流れる前記一次冷媒を通過させる第１熱交換器（４０）と、
   少なくとも前記高段側圧縮機構（２５）から前記膨張機構（５ａ、５ｂ）に向けて流れる前記一次冷媒を通過させる第２熱交換器（５０、５２）と、
   を備え、
   前記第１流体は、前記第１熱交換器（４０）を流れる前記一次冷媒との間で熱交換を行うだけでなく、前記第２熱交換器（５０、５２）を流れる前記一次冷媒との間でも熱交換を行い、
   前記第２流体は、前記第１熱交換器（４０）を流れる前記一次冷媒および前記第２熱交換器（５０、５２）を流れる前記一次冷媒の少なくともいずれか一方との間で熱交換を行う、
   ヒートポンプシステム（１）。
2. 前記第１熱負荷回路（６０）と前記第２熱負荷回路（９０）との少なくともいずれか一方は、第１分岐部分（Ｘ）、第２分岐部分（Ｙ）、前記第１分岐部分（Ｘ）と前記第２分岐部分（Ｙ）とを接続する第１分岐路（６７）、前記第１分岐路（６７）と合流することなく前記第１分岐部分（Ｘ）と前記第２分岐部分（Ｙ）とを接続する第２分岐路（６８）を有しており、
   前記第１熱交換器（４０）は、前記低段側圧縮機構（２１）の吐出側から前記高段側圧縮機構（２５）の吸入側に向けて流れる前記一次冷媒と、前記第１分岐路（６７）を流れる前記第１流体もしくは前記第２流体と、の間で熱交換を行わせ、
   前記第２熱交換器（５２）は、前記高段側圧縮機構（２５）から前記膨張機構（５ａ、５ｂ）に向けて流れる前記一次冷媒と、前記第２分岐路（６８）を流れる前記第１流体もしくは前記第２流体と、の間で熱交換を行わせる、
   請求項１に記載のヒートポンプシステム（１）。
3. 前記第１熱負荷処理部（６１）は、配置されている対象空間の空気を暖める暖房用熱交換器（６１）であり、
   前記第１流体は、二次冷媒であり、
   前記第１熱負荷回路（６０）は、第１分岐部分（Ｘ）、第２分岐部分（Ｙ）、前記第１分岐部分（Ｘ）と前記第２分岐部分（Ｙ）とを接続する第１分岐路（６７）、前記第１分岐路（６７）と合流することなく前記第１分岐部分（Ｘ）と前記第２分岐部分（Ｙ）とを接続する第２分岐路（６８）を有しており、
   前記第１熱交換器（４０）は、前記低段側圧縮機構（２１）の吐出側から前記高段側圧縮機構（２５）の吸入側に向けて流れる前記一次冷媒と、前記第１分岐路（６７）を流れる前記二次冷媒と、の間で熱交換を行わせ、
   前記第２熱交換器（５２）は、前記高段側圧縮機構（２５）から前記膨張機構（５ａ、５ｂ）に向けて流れる前記一次冷媒と、前記第２分岐路（６８）を流れる前記二次冷媒と、の間で熱交換を行わせる、
   請求項１に記載のヒートポンプシステム（１）。
4. 前記第２熱負荷処理部（９１）は、給湯用のタンクであり、
   前記第２流体は、給湯用の水である、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム（１）。
5. 前記高段側圧縮機構（２５）が吐出する前記一次冷媒の圧力は、前記一次冷媒の臨界圧力を超える圧力である、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム（１）。
6. 前記低段側圧縮機構（２１）から前記高段側圧縮機構（２５）に向けて流れる前記一次冷媒は、超臨界状態もしくは過熱度を有する状態である、
   請求項５に記載のヒートポンプシステム（１）。
7. 前記第２熱交換器（５０、５２）は、前記一次冷媒の流れ方向における上流側に配置される上流第２熱交換器（５１）、下流側に配置される下流第２熱交換器（５３）、および、前記上流第２熱交換器（５１）と前記下流第２熱交換器（５３）との間に配置される中流第２熱交換器（５２）を有しており、
   前記第１流体と前記一次冷媒との熱交換は、前記上流第２熱交換器（５１）で行われることなく、前記下流第２熱交換器（５３）で行われることなく、前記中流第２熱交換器（５２）で行われ、
   前記第２流体と前記一次冷媒との熱交換は、少なくとも、前記上流第２熱交換器（５１）および前記下流第２熱交換器（５３）で行われる、
   請求項１から６のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム（１）。
8. 前記第２熱交換器（５０）は、前記一次冷媒の流れ方向における上流側に配置される上流第２熱交換器（５１）、および、下流側に配置される下流第２熱交換器（５２）を有しており、
   前記第１流体と前記一次冷媒との熱交換は、前記上流第２熱交換器（５１）で行われることなく、前記下流第２熱交換器（５２）で行われ、
   前記第２流体と前記一次冷媒との熱交換は、前記上流第２熱交換器（５１）で行われる、
   請求項１から６のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム（５０１）。
9. 前記第１熱交換器（４０）および前記第２熱交換器（５０）の少なくとも一部は、前記一次冷媒が、前記第１流体とだけでなく前記第２流体とも熱交換を行っている部分を有している、
   請求項７または８に記載のヒートポンプシステム（９０１）。
10. 前記第１流体と前記一次冷媒との間で熱交換が行われる部分では、前記第１流体の流れ方向と前記一次冷媒の流れ方向とは対向流の関係にある、
    請求項７から９のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム（１）。
11. 前記第２流体と前記一次冷媒との間で熱交換が行われる部分では、前記第２流体の流れ方向と前記一次冷媒の流れ方向とは対向流の関係にある、
    請求項７から１０のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム（１）。
12. 前記ヒートポンプ回路（１０）は、前記第２熱交換器（５０）を通過して前記膨張機構（５ａ、５ｂ）に向かう前記一次冷媒の一部を分岐させるインジェクション分岐部分（Ｈ）と、前記インジェクション分岐部分（Ｈ）を前記低段側圧縮機構（２１）と前記高段側圧縮機構（２５）との間に接続するインジェクション路（７０）と、前記インジェクション分岐部分（Ｈ）から前記膨張機構（５ａ、５ｂ）側に向けて流れる前記一次冷媒と前記インジェクション路（７０）を流れる前記一次冷媒との間で熱交換を行わせるインジェクション熱交換器（７）と、前記インジェクション路（７０）における前記インジェクション熱交換器（７）への入口と前記インジェクション分岐部分（Ｈ）との間に設けられた減圧機構（７３）とをさらに有している、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム（１）。
13. 前記インジェクション分岐部分（Ｈ）は、前記第２熱交換器（５０）を通過して前記インジェクション熱交換器（７）に向かう前記一次冷媒の一部を前記インジェクション路（７０）へ分岐させる位置に設けられている、
    請求項１２に記載のヒートポンプシステム（１）。
14. 前記インジェクション分岐部分（Ｈ）は、前記インジェクション熱交換器（７）を通過して前記膨張機構（５ａ、５ｂ）に向かう前記一次冷媒の一部を前記インジェクション路（７０）へ分岐させる位置に設けられている、
    請求項１２に記載のヒートポンプシステム（４０１、５０１Ａ）。
15. 前記インジェクション路（７７０）は、前記インジェクション分岐部分（Ｈ）を前記低段側圧縮機構（２１）と前記第１熱交換器（４０）との間に接続している、
    請求項１２から１４のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム（７０１）。
16. 前記インジェクション路（７０）は、前記インジェクション分岐部分（Ｈ）を前記第１熱交換器（４０）と前記高段側圧縮機構（２５）との間に接続している、
    請求項１２から１４のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム（１）。
17. 前記ヒートポンプ回路（１０）は、前記第２熱交換器（５０）を通過して前記膨張機構（５ａ）に向かう前記一次冷媒と、前記蒸発器（４）を通過して前記低段側圧縮機構（２１）の吸入側に向かう前記一次冷媒と、の間で熱交換を行わせる一次冷媒間熱交換器（８）をさらに有している、
    請求項１から１６のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム（１）。
18. 前記ヒートポンプ回路（１０）は、前記一次冷媒間熱交換器（８）をバイパスするバイパス路（８０）をさらに有している、
    請求項１７に記載のヒートポンプシステム（１）。
19. 前記ヒートポンプ回路（１０）は、前記バイパス路（８０）は、通過する前記一次冷媒の量を調節可能なバイパス流量調節弁（５ｂ）をさらに有している、
    請求項１８に記載のヒートポンプシステム（１）。
20. 前記ヒートポンプ回路（１０）は、
    前記第２熱交換器（５０）を通過して前記膨張機構（５ａ、５ｂ）に向かう前記一次冷媒と、前記蒸発器（４）を通過して前記低段側圧縮機構（２１）の吸入側に向かう前記一次冷媒と、の間で熱交換を行わせる一次冷媒間熱交換器（８）と、
    前記第２熱交換器（５０）を通過して前記膨張機構（５ａ、５ｂ）に向かう前記一次冷媒の一部を分岐させるインジェクション分岐部分（Ｈ）と、前記インジェクション分岐部分（Ｈ）を前記低段側圧縮機構（２１）と前記高段側圧縮機構（２５）との間に接続するインジェクション路（７０）と、前記インジェクション分岐部分（Ｈ）から前記膨張機構（５ａ、５ｂ）側に向けて流れる前記一次冷媒と前記インジェクション路（７０）を流れる前記一次冷媒との間で熱交換を行わせるインジェクション熱交換器（７）と、前記インジェクション路（７０）における前記インジェクション熱交換器（７）への入口と前記インジェクション分岐部分（Ｈ）との間に設けられた減圧機構（７４）と、
    をさらに有している、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム（１）。
21. 前記一次冷媒は、前記インジェクション熱交換器（７）を通過した後に、前記一次冷媒間熱交換器（８）を通過する、
    請求項２０に記載のヒートポンプシステム（１）。
22. 前記一次冷媒は、前記一次冷媒間熱交換器（８）を通過した後に、前記インジェクション熱交換器（７）を通過する、
    請求項２０に記載のヒートポンプシステム（８０１）。
23. 前記ヒートポンプ回路（１０）は、前記膨張機構（５ａ、５ｂ）から前記蒸発器（４）に向かう前記一次冷媒を気相と液相とに分離する気液分離機構（６３２）と、前記低段側圧縮機構（２１）と前記高段側圧縮機構（２５）との間に対して前記気液分離機構（６３２）内の気相領域を接続するインジェクション路（６３４）と、前記気液分離機構（６３２）内の液相領域を前記蒸発器（４）側に導く液相路（６３３）と、をさらに有している、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム（６０１、６０１Ａ）。
24. 前記ヒートポンプ回路（１０）は、前記液相路（６３３）を通過する前記一次冷媒の圧力を下げる気液分離後減圧機構（６０５）をさらに有している、
    請求項２３に記載のヒートポンプシステム（６０１、６０１Ａ）。
25. 前記低段側圧縮機構（２１）および前記高段側圧縮機構（２５）は、それぞれ回転駆動することで圧縮仕事を行うための共通の回転軸を有している、
    請求項１から２４のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム（１）。
26. 前記一次冷媒は、二酸化炭素である、
    請求項１から２５のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム（１）。

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