JP2012097993A - ヒートポンプ式暖房装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二元圧縮型の冷凍回路を用いてＣＯＰを充分に向上可能なヒートポンプ式暖房装置を提供する。
【解決手段】一元側ヒートポンプユニットを冷媒が第１圧縮機、第１熱交換器、カスケード熱交換器、第１膨張弁及び蒸発器を順に循環して該第１熱交換器にて暖房ユニットの熱媒と熱交換を行うよう構成し、二元側ヒートポンプユニットを冷媒が第２圧縮機、第２熱交換器、第２膨張弁及びカスケード熱交換器を順に循環して該第２熱交換器にて暖房ユニットの熱媒と熱交換を行うよう構成し、一元側及び二元側ヒートポンプユニットの冷媒を二酸化炭素（ＣＯ_２）を主成分とする冷媒とし、一元側の熱サイクル(a,b,c,d)及び二元側の熱サイクル(e,f,g,h) の高圧側を共に超臨界圧の略同一圧力範囲で作動させるようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、ヒートポンプ式暖房装置に係り、詳しくは、二元圧縮型の冷凍回路を有したヒートポンプを用いて暖房を行うことによりＣＯＰの向上を図る技術に関する。

蒸気圧縮式冷凍回路で低温或いは高温を作り出すような場合において、二元圧縮型の冷凍回路を備えた冷凍装置を採用することが知られている。
このような二元圧縮型の冷凍回路を備えた装置として、例えば特許文献１に記載の冷凍装置があり、当該冷凍装置では、低温側冷凍回路が圧縮機、カスケード熱交換器の凝縮部、膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で順に接続して構成され、高温側冷凍回路が圧縮機、凝縮器、膨張弁及び上記カスケード熱交換器の蒸発部を冷媒配管で順に接続して構成されている。
一般には、冷凍回路では圧縮比が高いほど圧縮機の効率は悪く、特に単元圧縮式の冷凍回路では圧縮比を高くして一度に低温側の蒸発器から高温側の凝縮器へ冷媒を圧縮して送るために圧縮機の効率は良くないのであるが、このように二元圧縮型の冷凍回路を用いることにより、高温側冷凍回路及び低温側冷凍回路のそれぞれの圧縮機の圧縮比を低く抑えることができ、各圧縮機の効率の向上を図ることが可能である。

また、例えば特許文献２に記載の給湯装置によれば、二元圧縮型の冷凍回路を用いることで、低温側冷凍回路及び高温側冷凍回路により高温給湯を行う一方、低温側冷凍回路により中温給湯をも適宜行うことが可能である。
また、例えば特許文献３に記載のヒートポンプ式給湯装置によれば、二元圧縮型の冷凍回路を用いることで、低温側冷凍回路により予熱を行うとともに低温側冷凍回路及び高温側冷凍回路により高温給湯を行うことが可能である。

特開２０００−３２０９１４号公報 特開昭６２−７７５５４号公報 特許第２５５４２０８号公報

ところで、二元圧縮型の冷凍回路をカスケード熱交換器を介して低温側冷凍回路と高温側冷凍回路とで構成する場合、図１０に二元圧縮型の冷凍回路の従来における一般的なモリエル線図（実線）を示すように、単元圧縮式の冷凍回路の場合（破線）と比較すると、低温を得る目的の場合（低温側冷凍回路）ではエンタルピ差が増大して良好である一方、高温を得る目的の場合（高温側冷凍回路）ではエンタルピ差が減少しており、十分な高温出力を確保できず、ＣＯＰ（成績係数）の向上が図れないという問題がある。
この問題は、冷媒としてＣＯ_２（二酸化炭素）を用いた場合のモリエル線図を図１１に示してあるが、特に冷媒にＣＯ_２を用いて超臨界圧の範囲で冷凍回路を作動させるような場合において、減少幅が大きくなり、顕著である。

また一方、図１１に矢印で範囲を示しているが、このように冷媒にＣＯ_２を用いた二元圧縮型の冷凍回路にあっては、例えば暖房等のような高温を得る目的の場合（高温側冷凍回路）において、当該矢印の範囲の熱、即ち温度が低くて暖房には直接は使用できないものの外気温度（吸熱源）よりは温度が高く冷凍回路の吸熱源として使用できる熱（余熱）を効率よく使えていないことが分かる。
本発明は、このような課題に鑑みなされたもので、二元圧縮型の冷凍回路を用いてＣＯＰを充分に向上可能なヒートポンプ式暖房装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するべく、請求項１のヒートポンプ式暖房装置は、暖房端末に熱媒を循環させる暖房ユニットと、冷媒が第１圧縮機、第１熱交換器、カスケード熱交換器、第１膨張弁及び蒸発器を順に循環して該第１熱交換器にて前記暖房ユニットの熱媒と熱交換を行う一元側ヒートポンプユニットと、冷媒が第２圧縮機、第２熱交換器、第２膨張弁及び前記カスケード熱交換器を順に循環して該第２熱交換器にて前記暖房ユニットの熱媒と熱交換を行う二元側ヒートポンプユニットと、前記暖房ユニット、前記一元側及び前記二元側ヒートポンプユニットを制御する制御手段を備え、前記一元側及び前記二元側ヒートポンプユニットの冷媒は、二酸化炭素を主成分とする冷媒であって、前記制御手段は、前記一元側及び前記二元側ヒートポンプユニットの高圧側を共に超臨界圧の略同一圧力範囲で作動させることを特徴とする。

請求項２のヒートポンプ式暖房装置では、請求項１において、前記制御手段は、前記二元側ヒートポンプユニットの冷媒の蒸発温度を前記一元側ヒートポンプユニットの冷媒の蒸発温度以上となるように制御することを特徴とする。
請求項３のヒートポンプ式暖房装置では、請求項２において、前記制御手段は、前記二元側ヒートポンプユニットの冷媒の蒸発温度を臨界点以下且つ所定温度以上の範囲となるよう制御することを特徴とする。

請求項４のヒートポンプ式暖房装置では、請求項３において、前記所定温度は、１５℃であることを特徴とする。
請求項５のヒートポンプ式暖房装置では、請求項３または４において、前記制御手段は、前記暖房ユニットにおいて暖房能力が不足するときには、前記二元側ヒートポンプユニットの冷媒の蒸発温度を前記一元側ヒートポンプユニットの冷媒の蒸発温度以上且つ前記所定温度未満の範囲となるよう制御することを特徴とする。

請求項６のヒートポンプ式暖房装置では、請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記二元側ヒートポンプユニットは、前記カスケード熱交換器を経た冷媒と前記第２圧縮機から前記第２膨張弁間の冷媒と熱交換を行い加熱を行う二元側内部熱交換手段を備えることを特徴とする。
請求項７のヒートポンプ式暖房装置では、請求項６において、前記一元側ヒートポンプユニットは、前記蒸発器を経た冷媒と前記第１圧縮機から前記第１膨張弁間の冷媒と熱交換を行い加熱を行う一元側内部熱交換手段を備えることを特徴とする。

請求項８のヒートポンプ式暖房装置では、請求項７において、前記第１圧縮機を経た冷媒の温度を検出する温度検出手段を備え、前記制御手段は、前記温度検出手段により検出される冷媒の温度が所定温度となるように、前記蒸発器を経て前記一元側内部熱交換手段にて熱交換を行う冷媒の流量を制御することを特徴とする。
請求項９のヒートポンプ式暖房装置では、請求項１乃至８のいずれかにおいて、前記暖房ユニットとは別に熱媒を循環させる温熱ユニットをさらに備え、前記一元側ヒートポンプユニットの冷媒は前記暖房ユニットを循環する熱媒と熱交換を行い、前記二元側ヒートポンプユニットの冷媒は前記温熱ユニットを循環する熱媒と熱交換を行うことを特徴とする。

請求項１０のヒートポンプ式暖房装置では、請求項１乃至８のいずれかにおいて、前記暖房ユニットとは別に該暖房ユニットと同一の熱媒を循環させる温熱ユニットをさらに備え、前記制御手段は、前記一元側ヒートポンプユニットの冷媒と熱交換した熱媒を前記暖房ユニットに循環させ、前記二元側ヒートポンプユニットの冷媒と熱交換した熱媒を前記暖房ユニット及び前記温熱ユニットに分配して循環させることを特徴とする。
請求項１１のヒートポンプ式暖房装置では、請求項９または１０において、前記温熱ユニットは、給湯ユニットであることを特徴とする。

請求項１のヒートポンプ式暖房装置によれば、暖房ユニット、一元側ヒートポンプユニット及び二元側ヒートポンプユニットを備え、一元側ヒートポンプユニットを冷媒が第１圧縮機、第１熱交換器、カスケード熱交換器、第１膨張弁及び蒸発器を順に循環して該第１熱交換器にて暖房ユニットの熱媒と熱交換を行うよう構成し、二元側ヒートポンプユニットを冷媒が第２圧縮機、第２熱交換器、第２膨張弁及びカスケード熱交換器を順に循環して該第２熱交換器にて暖房ユニットの熱媒と熱交換を行うよう構成し、一元側及び二元側ヒートポンプユニットの冷媒を二酸化炭素（ＣＯ_２）を主成分とする冷媒とし、一元側及び二元側ヒートポンプユニットの高圧側を共に超臨界圧の略同一圧力範囲で作動させるようにしたので、一元側、二元側共に高温を発生させることができ、暖房能力を向上させることができ、また、二元側ヒートポンプユニットは、吸熱源を一元側ヒートポンプユニットでの暖房には直接使えないものの外気温度より高い余熱としているため、吸熱源を外気とするよりも圧縮比が小さくなり、ＣＯＰを良好に向上させることができる。

請求項２のヒートポンプ式暖房装置によれば、二元側ヒートポンプユニットの冷媒の蒸発温度を一元側ヒートポンプユニットの冷媒の蒸発温度以上となるように制御するので、二元側ヒートポンプユニットの冷媒の蒸発温度が一元側ヒートポンプユニットの冷媒の蒸発温度よりも低くなると吸熱源を外気とするヒートポンプユニット（一元側ヒートポンプユニット）を２台並列にして運転する場合よりも効率が悪化するのであるが、このような効率の悪化を防止でき、ＣＯＰを良好に向上させることができる。
請求項３のヒートポンプ式暖房装置によれば、二元側ヒートポンプユニットの冷媒の蒸発温度を臨界点以下且つ所定温度以上の範囲となるように制御するので、ＣＯＰを良好に向上させることができる。

請求項４のヒートポンプ式暖房装置によれば、所定温度を１５℃とし、二元側ヒートポンプユニットの冷媒の蒸発温度を臨界点以下且つ１５℃以上の範囲となるように制御するので、特にＣＯＰを良好に向上させることができる。
請求項５のヒートポンプ式暖房装置によれば、暖房ユニットにおいて暖房能力が不足するときには、二元側ヒートポンプユニットの冷媒の蒸発温度を一元側ヒートポンプユニットの冷媒の蒸発温度以上且つ所定温度未満の範囲となるよう制御するので、暖房能力が不足するときであっても、効率の悪化を最小限に抑えつつ暖房能力を十分に確保することができる。

請求項６のヒートポンプ式暖房装置によれば、二元側ヒートポンプユニットは、カスケード熱交換器を経た冷媒と第２圧縮機から第２膨張弁間の冷媒と熱交換を行い加熱を行う二元側内部熱交換手段を備えるので、第２圧縮機の入口でのエンタルピひいては第２圧縮機の出口でのエンタルピを大きくでき、暖房能力ひいてはＣＯＰをより一層向上させることができる。
請求項７のヒートポンプ式暖房装置によれば、一元側ヒートポンプユニットは、蒸発器を経た冷媒と第１圧縮機から第１膨張弁間の冷媒と熱交換を行い加熱を行う一元側内部熱交換手段を備えるので、第１圧縮機の入口でのエンタルピひいては第１圧縮機の出口でのエンタルピを大きくでき、暖房能力ひいてはＣＯＰをより一層向上させることができる。

請求項８のヒートポンプ式暖房装置によれば、第１圧縮機を経た冷媒の温度を検出する温度検出手段を備え、温度検出手段により検出される冷媒の温度が所定温度となるよう、蒸発器を経て一元側内部熱交換手段にて熱交換を行う冷媒の流量を制御するので、第１圧縮機を経た冷媒が異常に過熱されることによる装置の破損等を防止することができる。

請求項９のヒートポンプ式暖房装置によれば、暖房ユニットとは別に熱媒を循環させる温熱ユニットをさらに備え、一元側ヒートポンプユニットの冷媒は暖房ユニットを循環する熱媒と熱交換を行い、二元側ヒートポンプユニットの冷媒は温熱ユニットを循環する熱媒と熱交換を行うので、当該装置を暖房ユニットのみならず温熱ユニットにも利用でき、この場合、一元側ヒートポンプユニットと二元側ヒートポンプユニット及び暖房ユニットと温熱ユニットの運転状態に応じ、暖房ユニットを循環する熱媒と温熱ユニットを循環する熱媒とをそれぞれ異なる温度にすることができる。

請求項１０のヒートポンプ式暖房装置によれば、暖房ユニットとは別に暖房ユニットと同一の熱媒を循環させる温熱ユニットをさらに備え、一元側ヒートポンプユニットの冷媒と熱交換した熱媒を暖房ユニットに循環させ、二元側ヒートポンプユニットの冷媒と熱交換した熱媒を暖房ユニット及び温熱ユニットに分配して循環させるので、当該装置を暖房ユニットのみならず温熱ユニットにも利用でき、二元側ヒートポンプユニットの冷媒と熱交換した熱を暖房ユニットと温熱ユニットとに分配することにより、特に暖房ユニットの能力を増加させることができる。
請求項１１のヒートポンプ式暖房装置によれば、温熱ユニットは給湯ユニットであるので、当該装置を暖房ユニットのみならず給湯ユニットにも利用でき、特に給湯ユニットの場合、低温の水を高温にするため、二元側ヒートポンプユニットの高圧側においてエンタルピ差を大きくでき、熱媒（水）の加熱を効率よく行うことができる。

本発明の第１実施例に係るヒートポンプ式暖房装置を示す概略構成図である。 二元側ヒートポンプユニットにおける冷媒の蒸発温度とヒートポンプ式暖房装置のＣＯＰとの関係を示す図である。 第１実施例に係るモリエル線図を示す図である。 二元側ヒートポンプユニットにおける冷媒の蒸発温度と熱量（二元側ヒートポンプユニットの高温出力）との関係を示す図である。 本発明の第２実施例に係るヒートポンプ式暖房装置を示す概略構成図である。 第２実施例に係るモリエル線図を示す図である。 本発明の第３実施例に係るヒートポンプ式暖房装置を示す概略構成図である。 第３実施例に係るモリエル線図を示す図である。 本発明の第３実施例の変形例に係るヒートポンプ式暖房装置を示す概略構成図である。 二元圧縮型の冷凍回路の従来における一般的なモリエル線図を示す図である。 二元圧縮型の冷凍回路において冷媒にＣＯ_２を用いた場合の従来における一般的なモリエル線図を示す図である。

以下、本発明に係るヒートポンプ式暖房装置の実施の形態を図面に基づき説明する。
［第１実施例］
図１は、本発明の第１実施例に係るヒートポンプ式暖房装置を示す概略構成図である。
第１実施例に係るヒートポンプ式暖房装置は、大きくは暖房ユニット１０、一元側ヒートポンプユニット２０及び二元側ヒートポンプユニット４０から構成されている。即ち、本発明に係るヒートポンプ式暖房装置では、ヒートポンプユニットが二元圧縮型の冷凍回路で構成されている。

暖房ユニット１０は、熱媒が循環する熱媒循環路１２に、実線矢印で示す熱媒の流れ方向で視て順に、暖房端末１４、熱媒を循環させるポンプ１５、一元側ヒートポンプユニット２０との間で熱交換を行う第１熱交換器１６が、また分岐して二元側ヒートポンプユニット４０との間で熱交換を行う第２熱交換器１８が介装されて構成されている。詳しくは、暖房ユニット１０は、熱媒循環路１２が第１熱媒循環路１２aと第２熱媒循環路１２ｂとに分岐した後合流するように構成されており、第１熱媒循環路１２aに第１熱交換器１６が介装され、第２熱媒循環路１２ｂに第２熱交換器１８が介装されている。そして、第１熱媒循環路１２aと第２熱媒循環路１２ｂとの分岐部には、第１熱媒循環路１２a及び第２熱媒循環路１２ｂを流れる熱媒の流量を調整する流量調整弁１９が設けられている。

一元側ヒートポンプユニット２０は、ＣＯ_２冷媒（二酸化炭素冷媒）が循環する冷媒循環路２２に、実線矢印で示す冷媒の流れ方向で視て順に、圧縮機２４、上記第１熱交換器１６、カスケード熱交換器２５、膨張弁２６、蒸発器２８が介装されて構成されている。なお、蒸発器２８には送風用のファン２９が設けられている。
一方、二元側ヒートポンプユニット４０は、やはりＣＯ_２冷媒（二酸化炭素冷媒であって、以下、単に冷媒という）が循環する冷媒循環路４２に、実線矢印で示す冷媒の流れ方向で視て順に、圧縮機４４、上記第２熱交換器１８、膨張弁４６、上記カスケード熱交換器２５が介装されて構成されている。

これより、一元側ヒートポンプユニット２０は、膨張弁２６及び蒸発器２８を経て断熱膨張された冷媒に外気から吸熱を行った後、当該冷媒を圧縮機２４によって超臨界圧の状態まで圧縮させて高温高圧とし、高温高圧となった冷媒を第１熱交換器１６にて暖房ユニット１０の熱媒と熱交換させるとともに、カスケード熱交換器２５にて二元側ヒートポンプユニット４０の冷媒と熱交換させるよう機能する。
一方、二元側ヒートポンプユニット４０は、膨張弁４６及びカスケード熱交換器２５を経て断熱膨張された冷媒に一元側ヒートポンプユニット２０の冷媒から吸熱を行った後、当該冷媒を圧縮機４４によってやはり超臨界圧の状態まで圧縮させて高温且つ上記一元側ヒートポンプユニット２０の場合と略同一圧力範囲の高圧の圧力とし、高温高圧となった冷媒を第２熱交換器１８にて暖房ユニット１０の熱媒と熱交換させるよう機能する。

そして、当該ヒートポンプ式暖房装置には、暖房ユニット１０、一元側ヒートポンプユニット２０及び二元側ヒートポンプユニット４０を総合的に制御する電子制御ユニット(ＥＣＵ)（制御手段）６０が設けられ、その入力側には温度センサ等の各種センサ類が電気的に接続され、その出力側には、暖房ユニット１０のポンプ１５、流量調整弁１９、一元側ヒートポンプユニット２０の圧縮機２４、膨張弁２６、ファン２９、二元側ヒートポンプユニット４０の圧縮機４４、膨張弁４６等の各種デバイス類が電気的に接続されている。

これにより、例えば、圧縮機２４、４４はＥＣＵ６０からの出力信号に応じて回転速度を可変可能であり、これにより一元側ヒートポンプユニット２０の冷媒、二元側ヒートポンプユニット４０の冷媒の蒸発温度をそれぞれ調節可能である。また、膨張弁２６、４６は、ＥＣＵ６０からの出力信号に応じて吐出開度を可変可能であり、流量調整弁１９は、ＥＣＵ６０からの出力信号に応じて熱媒の流量を第１熱媒循環路１２aと第２熱媒循環路１２ｂとに適宜調節可能である。
以下、このように構成された第１実施例に係るヒートポンプ式暖房装置の作動について説明する。

ここでは、ＥＣＵ６０により、二元側ヒートポンプユニット４０の圧縮機４４の回転速度を可変操作し、二元側ヒートポンプユニット４０における冷媒の蒸発温度が一元側ヒートポンプユニット２０の冷媒の蒸発温度よりも高くなるように制御する。
図２を参照すると、第１熱交換器１６の出口（熱交換器出口）での冷媒の温度を４０℃、５０℃、６０℃に設定してシミュレーションを行った場合の二元側ヒートポンプユニット４０における冷媒の蒸発温度とヒートポンプ式暖房装置のＣＯＰとの関係がシミュレーション結果としてそれぞれ示されている。同図によれば、蒸発温度が臨界点以下（例えば、３０℃）且つ所定温度以上（例えば、１５℃以上、好ましくは２０℃以上）の範囲においてＣＯＰが高いことが分かる。

従って、ここでは、二元側ヒートポンプユニット４０における冷媒の蒸発温度が所定温度範囲（例えば、１５℃以上、好ましくは２０℃以上）となるように二元側ヒートポンプユニット４０の圧縮機４４の回転速度を制御する。具体的には、二元側ヒートポンプユニット４０の冷媒の蒸発温度が所定温度範囲よりも高い場合には圧縮機４４の回転速度を上昇させることで蒸発温度を下げ、冷媒の蒸発温度が所定温度範囲よりも低い場合には圧縮機４４の回転速度を低下させることで蒸発温度を上げる。なお、これに合わせて膨張弁４６の開度を制御するようにしてもよい。

図３を参照すると本実施例に係るモリエル線図が示されており、ａ→ｂ→ｃ→ｄは一元側ヒートポンプユニット２０の熱サイクルを示し、ｅ→ｆ→ｇ→ｈは二元側ヒートポンプユニット４０の熱サイクルを示している。同図に示すように、本発明に係るヒートポンプ式暖房装置では、一元側ヒートポンプユニット２０の熱サイクルに二元側ヒートポンプユニット４０の熱サイクルが重なっており、暖房用として得られる熱量は、一元側ヒートポンプユニット２０により得られる熱量（矢印Ａ）と二元側ヒートポンプユニット４０により得られる熱量（矢印Ｂ）との合算値である。そして、同図には、温度が低くて暖房には直接は使用できないものの外気温度（一元側ヒートポンプユニット２０の吸熱源であって、例えば０℃）よりは温度が高い余熱量（矢印Ｃ）が合わせて示されているが、このように、二元側ヒートポンプユニット４０における冷媒の蒸発温度を所定温度範囲に制御することにより、カスケード熱交換器２５で二元側ヒートポンプユニット４０の吸熱量（矢印Ｄ）とし、暖房に直接は使用できないものの外気温度よりは高い温度の熱を良好に回収して暖房に使用することが可能である。

従って、本発明の第１実施例に係るヒートポンプ式暖房装置によれば、ＣＯ_２冷媒を用いた構成において、一元側ヒートポンプユニット２０と二元側ヒートポンプユニット４０との高圧側を共に超臨界圧の略同一圧力範囲で作動させるよう組み合わせることで、一元側、二元側共に高温を発生させることができ、暖房能力を向上させることができ、また、二元側ヒートポンプユニット４０は、吸熱源を一元側ヒートポンプユニット２０での暖房には直接使えないものの外気温度より高い余熱としているため、吸熱源を外気とするよりも圧縮比が小さくなり、ＣＯＰを良好に向上させることができる。
一方で、図４を参照すると、第１熱交換器１６の出口（熱交換器出口）での冷媒の温度を４０℃、５０℃、６０℃に設定してシミュレーションを行った場合の二元側ヒートポンプユニット４０における冷媒の蒸発温度と熱量（二元側ヒートポンプユニット４０の高温出力）との関係がそれぞれ示されており、同図によれば、蒸発温度が高いほど熱量が少ないことが分かる。

そこで、ＣＯＰを優先する場合には、上述の如く二元側ヒートポンプユニット４０における冷媒の蒸発温度が所定温度範囲（例えば、１５℃以上、好ましくは２０℃以上）となるよう制御する一方、例えば暖房を開始した直後のように暖房能力が不足するような状況下にあっては、暖房能力を優先するようにし、二元側ヒートポンプユニット４０における冷媒の蒸発温度を、上記所定温度範囲に限らず、例えば所定期間に亘り、外気温度よりは高い温度の範囲内で上記所定温度範囲よりも低い温度まで低下させるようにする。
これにより、暖房を開始した直後のように暖房能力が不足するような状況下であっても、二元側ヒートポンプユニット４０における冷媒の蒸発温度を所定温度範囲よりも低い温度まで低下させることで、効率の悪化を最小限に抑えつつ暖房能力を十分に確保することができる。

［第２実施例］
図５は、本発明の第２実施例に係るヒートポンプ式暖房装置を示す概略構成図である。
第２実施例に係るヒートポンプ式暖房装置は、一元側ヒートポンプユニット２０’及び二元側ヒートポンプユニット４０’にそれぞれ内部熱交換器３０、５０を有している点が上記第１実施例の場合と相違している。

詳しくは、一元側ヒートポンプユニット２０’では、冷媒循環路２２に、カスケード熱交換器２５と膨張弁２６との間に位置して内部熱交換器（一元側内部熱交換手段）３０が介装されている。また、蒸発器２８の下流に位置してリニア三方弁（制御手段）３２が介装され、リニア三方弁３２から分岐し再び冷媒循環路２２に合流するようにして内部循環路３４が設けられており、内部循環路３４に上記内部熱交換器３０が介装されている。リニア三方弁３２はＥＣＵ６０の出力側に電気的に接続されている。

また、二元側ヒートポンプユニット４０’では、冷媒循環路４２に、第２熱交換器１８と膨張弁４６との間に位置して内部熱交換器（二元側内部熱交換手段）５０が介装されている。また、カスケード熱交換器２５の下流位置から分岐し再び冷媒循環路４２に合流するようにして内部循環路５４が設けられており、内部循環路５４に上記内部熱交換器５０が介装されている。

また、一元側ヒートポンプユニット２０’の冷媒循環路２２の圧縮機２４の下流には、圧縮機２４によって圧縮した冷媒の温度Ｔを検出する温度センサ（温度検出手段）６２が設けられている。温度センサ６２はＥＣＵ６０に電気的に接続されている。
図６を参照すると本実施例に係るモリエル線図が示されているが、当該第２実施例では、上記図３と比較して、一元側ヒートポンプユニット２０’の熱サイクルが内部熱交換器３０により冷媒が過熱されることでａ’→ｂ’→ｃ’→ｄ’となり、二元側ヒートポンプユニット４０’の熱サイクルが内部熱交換器５０により冷媒が過熱されることでｅ’→ｆ’→ｇ’→ｈ’となる。
この際、ＥＣＵ６０は、温度センサ６２により一元側ヒートポンプユニット２０’の圧縮機２４の下流の温度Ｔが所定温度Ｔ1（例えば、１２０℃）となるよう、リニア三方弁３２の開度を制御して内部循環路３４を流れる冷媒の流量を調節する。このように圧縮機２４の下流の温度Ｔを所定温度Ｔ1とするのは、圧縮機２４の下流の冷媒が異常に過熱されることによる装置の破損等を防止するためである。

一方、二元側ヒートポンプユニット４０’については、蒸発温度が高いため、圧縮機４４の入口温度が高くなっても圧縮機４４の出口温度が高くならないことから、特に内部循環路５４を流れる冷媒の流量を制限する必要はなく、できる限り内部熱交換を行うようにすればよい。ただし、蒸発温度を下げて作動させるような場合には、一元側ヒートポンプユニット２０’と同様に内部循環路５４を流れる冷媒の流量を調節してもよい。
このように、本発明の第２実施例に係るヒートポンプ式暖房装置によれば、ＣＯ_２冷媒を用いた構成において、一元側ヒートポンプユニット２０’と二元側ヒートポンプユニット４０’との高圧側を共に超臨界圧の略同一圧力範囲で作動させるよう組み合わせ、一元側ヒートポンプユニット２０’及び二元側ヒートポンプユニット４０’にてそれぞれ冷媒間で内部熱交換を行うようにするので、暖房能力ひいてはＣＯＰをより一層向上させることができる。

［第３実施例］
図７は、本発明の第３実施例に係るヒートポンプ式暖房装置を示す概略構成図である。
第３実施例に係るヒートポンプ式暖房装置は、暖房ユニット１０’の他に給湯ユニット（温熱ユニット）７０をも有している点が上記第１実施例と異なっている。
図７に示すように、暖房ユニット１０’は、熱媒が循環する熱媒循環路１２’に、実線矢印で示す熱媒の流れ方向で視て順に、暖房端末１４、熱媒を循環させるポンプ１５、一元側ヒートポンプユニット２０との間で熱交換を行う第１熱交換器１６が介装されて構成されている。
一方、給湯ユニット７０は、水が循環する熱媒循環路７２に、実線矢印で示す水の流れ方向で視て順に、給湯タンク７４、水を循環させるポンプ７５、二元側ヒートポンプユニット４０との間で熱交換を行う第２熱交換器１８が介装されて構成されている。
即ち、第３実施例では、一元側ヒートポンプユニット２０で暖房を行い、二元側ヒートポンプユニット４０で給湯タンク７４内の水の加熱を行うようにしている。

これにより、本発明の第３実施例に係るヒートポンプ式暖房装置によれば、ＣＯ_２冷媒を用いた構成において、一元側ヒートポンプユニット２０と二元側ヒートポンプユニット４０との高圧側を共に超臨界圧の略同一圧力範囲で作動させるよう組み合わせ、一元側ヒートポンプユニット２０で暖房を行い、二元側ヒートポンプユニット４０で給湯タンク７４内の水の加熱を行うようにできる。そして、この場合、一元側ヒートポンプユニット２０と二元側ヒートポンプユニット４０及び暖房ユニット１０’と給湯ユニット７０の運転状態に応じ、暖房ユニット１０’を循環する熱媒の温度と給湯ユニット７０を循環する熱媒の温度をそれぞれ異なる温度にすることができる。

ここで、給湯ユニット７０は、外気温度と略同じ温度の低温の水の供給を給湯タンク７４で受け、この低温の水を第２熱交換器１８によって加熱し高温の水として給湯タンク７４に貯蔵し、この高温の水を給湯に使用するものである。
このようなことから、第２熱交換器１８において冷媒と低温の水との間で熱交換する熱量は、上記第１、２実施例において冷媒と熱媒との間で熱交換する熱量に比べて遙かに大きいといえる。
これより、図８を参照すると本実施例に係るモリエル線図が示されているが、当該第３実施例では、上記図３と比較して、特に二元側ヒートポンプユニット４０の熱サイクルはｅ→ｆ→ｇ”→ｈ”となる。即ち、本実施例の場合、二元側ヒートポンプユニット４０の熱サイクルにおいてエンタルピ差が大きくなり、暖房を行いながら、給湯タンク７４内の水の加熱を効率よく行うことができる。

従って、本発明の第３実施例に係るヒートポンプ式暖房装置によれば、暖房能力及び給湯効率の向上を図りつつ、装置全体としてＣＯＰをさらに向上させることができる。
なお、上記第１、第２実施例のように暖房ユニット１０に第１熱交換器１６、第２熱交換器１８で加熱された熱媒を循環させる場合には、暖房ユニット１０から第１熱交換器１６への戻り熱媒温度と第２熱交換器１８への戻り熱媒温度とは同一であるため、一元側、二元側共に高圧側（第１熱交換器１６及び第２熱交換器１８）は同一圧力で作動することとなる。しかしながら、第３実施例のように、例えば一元側に暖房ユニット１０’、二元側に給湯ユニット７０をそれぞれ接続した場合には、暖房ユニット１０から第１熱交換器１６への戻り熱媒温度と給湯ユニット７０から第２熱交換器１８への戻り熱媒温度とが異なることがあり、一元側のＣＯＰと二元側のＣＯＰとをそれぞれ最適にしようとすると、一元側の高圧側（第１熱交換器１６）の圧力と二元側の高圧側（第２熱交換器１８）の圧力とが同一にならない場合がある。
図９は、本発明の第３実施例の変形例に係るヒートポンプ式暖房装置を示す概略構成図である。
第３実施例の変形例に係るヒートポンプ式暖房装置は、第２熱交換器１８を介して二元側ヒートポンプユニット４０の冷媒から吸収した熱を暖房用と給湯タンク７４’内の水の加熱用とに分配可能に暖房ユニット１０”及び給湯ユニット７０’が構成され、給湯タンク７４’内に水と熱媒間で熱交換を行う第３熱交換器７３が配設されている点が上記第３実施例と異なっている。また、ここでは、 給湯ユニット７０’を流れる熱媒は暖房ユニット１０”と同じである。

詳しくは、当該変形例では、暖房ユニット１０” 及び給湯ユニット７０’は、熱媒循環路１２’のうちの第１熱交換器１６の直上流部分が熱媒循環路７２のうちの第２熱交換器１８の直上流部分と逆止弁７６を介して連通し、熱媒循環路１２’のうちの第１熱交換器１６の直下流部分が熱媒循環路７２のうちの第２熱交換器１８の直下流部分とリニア三方弁（制御手段）７９及び逆止弁７８を介して連通するように構成されている。なお、逆止弁７６は熱媒循環路１２’から熱媒循環路７２への熱媒の流通を許容し、逆止弁７８は熱媒循環路７２から熱媒循環路１２’への熱媒の流通を許容するものである。

リニア三方弁７９は、ＥＣＵ６０に接続されており、ＥＣＵ６０からの暖房に関する情報や給湯に関する情報に基づき切換制御される。これにより、第２熱交換器１８を経た熱媒が暖房端末１４と給湯タンク７４’とに適宜の比率で分配される。
例えば、第２熱交換器１８を経た熱媒が暖房端末１４にのみ流れるようにリニア三方弁７９を制御すれば、一元側ヒートポンプユニット２０と二元側ヒートポンプユニット４０とにより暖房を行うようにできる。また、第２熱交換器１８を経た熱媒が暖房端末１４と給湯タンク７４’とに流れるようにリニア三方弁７９を制御すれば、一元側ヒートポンプユニット２０と二元側ヒートポンプユニット４０とにより暖房を行いつつ二元側ヒートポンプユニット４０により給湯タンク７４’内の水の加熱を行うことができる。

このように、本発明の第３実施例の変形例に係るヒートポンプ式暖房装置によれば、特に暖房ユニット１０”に関し、一元側ヒートポンプユニット２０からの熱と二元側ヒートポンプユニット４０からの熱とにより、暖房ユニット１０”を循環する熱媒の熱量を広範囲に制御することができ、特に暖房ユニット１０”の能力を増加させることができる。
また、第２熱交換器１８を経た熱媒が給湯タンク７４’にのみ流れるようにリニア三方弁７９を制御すれば、一元側ヒートポンプユニット２０で暖房を行い、二元側ヒートポンプユニット４０で給湯タンク７４’内の水の加熱を良好に行うようにできる。

以上、本発明に係るヒートポンプ式暖房装置の実施の形態を第１実施例乃至第３実施例及び第３実施例の変形例に基づき説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態では、一元側ヒートポンプユニット２０、２０’及び二元側ヒートポンプユニット４０、４０’を流れる冷媒をＣＯ_２冷媒としたが、高圧側を超臨界圧の略同一圧力範囲で冷凍回路を作動させるものであれば、冷媒はＣＯ_２を主成分とするものでよく、ＣＯ_２冷媒だけに限定されるものではない。
また、上記実施形態では、第２実施例において、一元側ヒートポンプユニット２０’及び二元側ヒートポンプユニット４０’とし、それぞれに内部熱交換器３０、５０を備えた構成にしているが、二元側ヒートポンプユニット４０’のみとし、内部熱交換器５０だけを備える構成であってもよい。

また、上記実施形態では、第３実施例及び第３実施例の変形例において、第１実施例の一元側ヒートポンプユニット２０及び二元側ヒートポンプユニット４０からなる構成に給湯ユニット７０、７０’を加えるようにしているが、第２実施例の一元側ヒートポンプユニット２０’及び二元側ヒートポンプユニット４０’からなる構成に給湯ユニット７０、７０’を加えるようにしてもよい。
また、上記実施形態では、第３実施例及び第３実施例の変形例において、温熱ユニットとして給湯ユニット７０、７０’を設けるようにしているが、温熱ユニットは給湯ユニットに限られるものではない。
また、上記実施形態では、蒸発器２８の吸熱源を外気としたが、地中熱としてもよい。

１０、１０’、１０” 暖房ユニット
１４ 暖房端末
１６ 第１熱交換器
１８ 第２熱交換器
２０、２０’ 一元側ヒートポンプユニット
２４、４４ 圧縮機
２５ カスケード熱交換器
２６、４６ 膨張弁
２８ 蒸発器
３０ 内部熱交換器（一元側内部熱交換手段）
３２ リニア三方弁（制御手段）
４０、４０’ 二元側ヒートポンプユニット
５０ 内部熱交換器（二元側内部熱交換手段）
６０ 電子制御ユニット(ＥＣＵ)
６２ 温度センサ（温度検出手段）
７０、７０’ 給湯ユニット（温熱ユニット）
７９ リニア三方弁（制御手段）

Claims (11)

1. 暖房端末に熱媒を循環させる暖房ユニットと、
   冷媒が第１圧縮機、第１熱交換器、カスケード熱交換器、第１膨張弁及び蒸発器を順に循環して該第１熱交換器にて前記暖房ユニットの熱媒と熱交換を行う一元側ヒートポンプユニットと、
   冷媒が第２圧縮機、第２熱交換器、第２膨張弁及び前記カスケード熱交換器を順に循環して該第２熱交換器にて前記暖房ユニットの熱媒と熱交換を行う二元側ヒートポンプユニットと、
   前記暖房ユニット、前記一元側及び前記二元側ヒートポンプユニットを制御する制御手段を備え、
   前記一元側及び前記二元側ヒートポンプユニットの冷媒は、二酸化炭素を主成分とする冷媒であって、
   前記制御手段は、前記一元側及び前記二元側ヒートポンプユニットの高圧側を共に超臨界圧の略同一圧力範囲で作動させることを特徴とするヒートポンプ式暖房装置。
2. 前記制御手段は、前記二元側ヒートポンプユニットの冷媒の蒸発温度を前記一元側ヒートポンプユニットの冷媒の蒸発温度以上となるように制御することを特徴とする、請求項１記載のヒートポンプ式暖房装置。
3. 前記制御手段は、前記二元側ヒートポンプユニットの冷媒の蒸発温度を臨界点以下且つ所定温度以上の範囲となるよう制御することを特徴とする、請求項２記載のヒートポンプ式暖房装置。
4. 前記所定温度は、１５℃であることを特徴とする、請求項３記載のヒートポンプ式暖房装置。
5. 前記制御手段は、前記暖房ユニットにおいて暖房能力が不足するときには、前記二元側ヒートポンプユニットの冷媒の蒸発温度を前記一元側ヒートポンプユニットの冷媒の蒸発温度以上且つ前記所定温度未満の範囲となるよう制御することを特徴とする、請求項３または４記載のヒートポンプ式暖房装置。
6. 前記二元側ヒートポンプユニットは、前記カスケード熱交換器を経た冷媒と前記第２圧縮機から前記第２膨張弁間の冷媒と熱交換を行い加熱を行う二元側内部熱交換手段を備えることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか記載のヒートポンプ式暖房装置。
7. 前記一元側ヒートポンプユニットは、前記蒸発器を経た冷媒と前記第１圧縮機から前記第１膨張弁間の冷媒と熱交換を行い加熱を行う一元側内部熱交換手段を備えることを特徴とする、請求項６記載のヒートポンプ式暖房装置。
8. 前記第１圧縮機を経た冷媒の温度を検出する温度検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記温度検出手段により検出される冷媒の温度が所定温度となるように、前記蒸発器を経て前記一元側内部熱交換手段にて熱交換を行う冷媒の流量を制御することを特徴とする、請求項７記載のヒートポンプ式暖房装置。
9. 前記暖房ユニットとは別に熱媒を循環させる温熱ユニットをさらに備え、
   前記一元側ヒートポンプユニットの冷媒は前記暖房ユニットを循環する熱媒と熱交換を行い、前記二元側ヒートポンプユニットの冷媒は前記温熱ユニットを循環する熱媒と熱交換を行うことを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか記載のヒートポンプ式暖房装置。
10. 前記暖房ユニットとは別に該暖房ユニットと同一の熱媒を循環させる温熱ユニットをさらに備え、
    前記制御手段は、前記一元側ヒートポンプユニットの冷媒と熱交換した熱媒を前記暖房ユニットに循環させ、前記二元側ヒートポンプユニットの冷媒と熱交換した熱媒を前記暖房ユニット及び前記温熱ユニットに分配して循環させることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか記載のヒートポンプ式暖房装置。
11. 前記温熱ユニットは、給湯ユニットであることを特徴とする、請求項９または１０記載のヒートポンプ式暖房装置。

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