JP2014016067A - ヒートポンプ式冷暖房給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】室内側熱交換器での冷房運転時の負荷量に応じて、冷房排熱を利用した温水生成運転を行うことで、省エネ性と室内空間の快適性とを実現できるヒートポンプ式冷暖房給湯装置を提供すること。
【解決手段】圧縮機１と四方弁２の間から分岐して温水用熱交換器２２、温水用膨張弁２３を介して、過冷却器５と利用側膨張弁６との間の第１冷媒回路２０に連通する第２冷媒回路２１と、利用側熱交換器７の出口側冷媒の冷媒過熱度を検出する圧力センサ７１と温度センサ７５とを備え、利用側熱交換器７を蒸発器として機能させ、かつ、冷媒過熱度が所定値以上の場合、室外側熱交換器３および温水用熱交換器２２を放熱器として機能させ、冷媒過熱度が所定値未満の場合、温水用熱交換器２２のみを放熱器として機能させるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプにより冷暖房および給湯運転を行うヒートポンプ式冷暖房給湯装置に関するものである。

従来、冷房運転時に発生する高温排熱を利用して給湯運転を行うヒートポンプ式冷暖房給湯装置として、図９に示すようなヒートポンプ式冷暖房給湯装置１００が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

このヒートポンプ式冷暖房給湯装置１００は、冷暖房運転のために冷媒を循環させる第１冷媒回路１１０と、給湯運転のための第２冷媒回路１２０とを備えている。第１冷媒回路１１０は、圧縮機１１１、四方弁１１２、熱源側熱交換器１１３、熱源側膨張手段１１４、過冷却器１１５、利用側膨張手段１１６、利用側熱交換器１１７、四方弁１１２、および気液分離器１１８が配管により環状に接続されて構成されている。

第１冷媒回路１１０には、過冷却器１１５と利用側膨張手段１１６との間から分岐した一部の冷媒がバイパス膨張弁１１９を介して減圧冷却され、過冷却器１１５において第１冷媒回路１１０を循環する冷媒と熱交換して加熱、蒸発した後、気液分離器１１８の出口側配管に連通するバイパス回路１３０が備えられている。

また、第２冷媒回路１２０は圧縮機１１１の吐出側配管から分岐して、温水用熱交換器１２１、および温水用膨張手段１２２を介して、過冷却器１１５と利用側膨張手段１１６との間との間の第１冷媒回路１１０に連通する。

上記ヒートポンプ式冷暖房給湯装置１００において、第１冷媒回路１１０と第２冷媒回路１２０とにより、圧縮機１１１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁１１２に入るまでの間で分岐され、まず、一部の冷媒は熱源側熱交換器１１３により大気中に放熱されて冷媒自身は冷却される。

その後、過冷却器１１５で更に冷却されて、過冷却器１１５と利用側膨張手段１１６との間から分岐した一部の冷媒がバイパス回路１３０側へ分岐し、バイパス膨張弁１１９を介して減圧冷却され、過冷却器１１５において第１冷媒回路１１０を循環する冷媒と熱交換して加熱、蒸発した後、気液分離器１１８の出口側配管に連通する。

これによって、熱源側熱交換器１１３により冷却された冷媒は、過冷却器１１５にて第１バイパス回路１３０に分岐した低圧低温の冷媒により更に冷却され、冷媒過冷却度が大きくなり、蒸発器である室内熱交換器１１７に流入する冷媒エンタルピーが低下する。

その結果、室内熱交換器１１７に流入する冷媒乾き度が小さくなり、即ち気相冷媒成分が減少するため、利用側熱交換器１１７にて蒸発に寄与する冷媒量の比率が高まり、蒸発器としての性能を引き出される。

また、室内熱交換器１１７に流入する冷媒乾き度が小さくなる（液相成分が多い）ことにより、冷媒乾き度が大きい場合（気相成分が多い）と比較して、複数の冷媒流路から構成される利用側熱交換器１１７（蒸発器）の流入側において冷媒流量が不均一となる現象が回避（冷媒分流性能が向上）され、利用側熱交換器１１７の伝熱面積が有効に活用される。

さらに、利用側熱交換器１１７での蒸発に寄与しない冷媒は第１バイパス回路１３０を介して、利用側熱交換器１１７へ流入せずに圧縮機１１１へ戻ることにより、冷媒配管内における不要な圧力損失の発生がなくなる。

一方、圧縮機１１１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁１１２に入るまでの間で分岐された残りの冷媒は、温水用熱交換器１２１、温水用膨張手段１２２、利用側膨張手段１１６、利用側熱交換器１１７、四方弁１１２、および気液分離器１１８を介して圧縮機へ戻るサイクルを構成する。

これらの作用により、熱源側熱交換器１１３での大気放熱運転、および温水用熱交換器１２１での温水加熱運転を行いながら、利用側熱交換器１１７において冷房運転する場合には、第１バイパス回路１３０を活用することができ、利用側熱交換器１１７での蒸発熱交換量（冷却能力）を維持したまま、低圧側での冷媒圧力損失を低減できる。その結果、圧縮機１の吸入側の冷媒密度が増大して冷媒流量が増大し、熱源側熱交換器１１３での放熱量増大、および温水用熱交換器１２１における加熱量の増大が可能となる。

特開２０１０−１９６９５５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、ヒートポンプ式冷暖房給湯装置１００における冷房排熱利用の温水生成運転時に、熱源側熱交換器１１３を介して大気への放熱運転を行わなければならず、大気への放熱量の分だけ、温水用熱交換器１２１における温水生成能力が減少してしまい、エネルギーの有効活用を図ることができない。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、室内側熱交換器での冷房運転時の負荷量に応じて、冷房排熱を利用した温水生成運転を行うことで、省エネ性と室内空間の快適性とを実現できるヒートポンプ式冷暖房給湯装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のヒートポンプ式冷暖房給湯装置は、圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器、熱源側膨張手段、過冷却熱交換器、利用側膨張手段、利用側熱交換器が環状に接続された第１冷媒回路と、前記圧縮機と前記四方弁の間から分岐され温水用熱交換器を介して、前記過冷却熱交換器と前記利用側膨張手段との間の前記第１冷媒回路に連通する第２冷媒回路と、前記第１冷媒回路の吸入過熱度を検出する吸入過熱度検出手段と、制御手段とを備え、前記制御手段は、前記利用側熱交換器を蒸発器として機能させ、かつ、前記吸入過熱度検出手段による検出値が所定値以上の場合には、前記熱源側熱交換器および前記温水用熱交換器を放熱器として機能させ、前記吸入過熱度検出手段による検出値が所定値未満の場合には、前記温水用熱交換器のみを放熱器として機能させることを特徴とするものである。

これにより、冷房排熱利用の温水生成運転時において、第１冷媒回路における冷房負荷の大きさを検出する吸入過熱度が所定値以上の場合、冷房負荷が大きいと判定され、この場合、第１冷媒回路において熱源側熱交換器および温水用熱交換器が放熱器となるため、冷凍サイクルにおける放熱器の伝熱面積が増大する。そして、高圧が低下し、圧縮機の運転周波数が同等の場合、冷媒流量が増大し、冷房能力が増大する。

また、吸入過熱度が所定値未満の場合、冷房負荷が小さいと判定され、この場合、第１冷媒回路において温水用熱交換器のみが放熱器となるため、冷房運転時の全ての排熱が給湯運転に使用される。

これらの作用により、室内側熱交換器での冷房運転時の負荷量に応じて、冷房排熱を利用した温水生成運転が行えるため、省エネ性と室内空間の快適性維持の両立が可能となる。

本発明によれば、室内側熱交換器での冷房運転時の負荷量に応じて、冷房排熱を利用した温水生成運転が行えるため、省エネ性と室内空間の快適性とを実現できるヒートポンプ式冷暖房給湯装置を提供できる。

本発明の実施の形態１に係る冷房運転時に放熱器として熱源側熱交換器および冷媒対水熱交換器を併用する場合のヒートポンプ式冷暖房給湯装置の概略構成図 同冷房運転時に放熱器として冷媒対水熱交換器のみを使用する場合のヒートポンプ式冷暖房給湯装置の概略構成図 同ヒートポンプ式冷暖房給湯装置のモリエル線図（冷媒圧力Ｐ−冷媒エンタルピーｈ線図） 同ヒートポンプ式冷暖房給湯装置の冷凍サイクル制御全体のフローチャート 同ヒートポンプ式冷暖房給湯装置の利用膨張弁の開度制御フローチャート 同ヒートポンプ式冷暖房給湯装置のバイパス膨張弁の開度制御フローチャート 同ヒートポンプ式冷暖房給湯装置の熱源側熱交換器と温水側熱交換器の併用放熱運転のフローチャート 同ヒートポンプ式冷暖房給湯装置の温水側熱交換器の単独放熱運転のフローチャート 従来のヒートポンプ式冷暖房給湯装置の概略構成図

第１の発明は、圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器、熱源側膨張手段、過冷却熱交換器、利用側膨張手段、利用側熱交換器が環状に接続された第１冷媒回路と、前記圧縮機と前記四方弁の間から分岐され温水用熱交換器を介して、前記過冷却熱交換器と前記利用側膨張手段との間の前記第１冷媒回路に連通する第２冷媒回路と、前記第１冷媒回路の吸入過熱度を検出する吸入過熱度検出手段と、制御手段とを備え、前記制御手段は、前記利用側熱交換器を蒸発器として機能させ、かつ、前記吸入過熱度検出手段による検出値が所定値以上の場合には、前記熱源側熱交換器および前記温水用熱交換器を放熱器として機能させ、前記吸入過熱度検出手段による検出値が所定値未満の場合には、前記温水用熱交換器のみを放熱器として機能させることを特徴とするヒートポンプ式冷暖房給湯装置である。

これにより、第１冷媒回路における冷房負荷の大きさを検出する吸入過熱度が所定値以上の場合、冷房負荷が大きいと判定される。この場合、第１冷媒回路において熱源側熱交換器および温水用熱交換器が放熱器となるため、冷凍サイクルにおける放熱器の伝熱面積が増大する。そして、高圧が低下し、圧縮機の運転周波数が同等の場合、冷媒流量が増大し、冷房能力が増大する。

一方、吸入過熱度が所定値未満の場合、冷房負荷が小さいと判定される。この場合、第１冷媒回路において温水用熱交換器のみが放熱器となるため、冷房運転時の全ての排熱が給湯運転に使用される。

これらの作用により、室内側熱交換器での冷房運転時の負荷量に応じて、冷房排熱を利用した温水生成運転が行えるため、省エネ性と室内空間の快適性維持の両立が可能となる。

第２の発明は、特に、第１の発明のヒートポンプ式冷暖房給湯装置において、前記温水用熱交換器において冷媒と熱交換された水媒体が循環する水媒体回路と、前記熱源側膨張手段と前記過冷却熱交換器の間、または、前記過冷却熱交換器と前記利用側膨張手段の間から分岐し、前記過冷却熱交換器を経由して前記四方弁と前記圧縮機の間に接続された第１バイパス回路と、前記第１バイパス回路の前記過冷却熱交換器よりも上流側に設けられたバイパス膨張手段と、前記第２冷媒回路の前記第１冷媒回路への接続部と前記利用側膨張手段との間に設けられた第１開閉弁と、前記熱源側膨張手段と前記過冷却熱交換器との間から分岐して、第２開閉弁を介して、前記第１開閉弁と前記利用側膨張手段との間を接続する第２バイパス回路と、前記温水用熱交換器の入水温度、出水温度を検出する温度検出手段とを備え、前記制御手段は、前記吸入過熱度検出手段による検出値が所定値未満で、かつ、前記温度検出手段の検出温度差が所定値以上の場合、前記熱源側膨張弁の開度を最小、前記第１開閉弁を閉、前記第２開閉弁を開とすることを特徴とするものである。

これにより、冷房負荷が小さく、かつ、温水加熱負荷が大きいと判定され、この場合、熱源側膨張手段は最小開度であるため、熱源側熱交換器にはほとんど冷媒は流れず、熱源側熱交換器が作用せずに、第１バイパス回路を使用するため、過冷却器により利用側熱交換器入口における冷媒エンタルピーを低減され、利用側熱交換器での冷媒エンタルピー変化量が増大する。

その結果、全冷媒流量のうち、蒸発に寄与しない冷媒は、利用側熱交換器をバイパスされるため、利用側熱交換器にて冷媒流動による圧力低下を抑制でき、圧縮機吸入圧力が上昇し、冷媒密度上昇、即ち冷媒流量が増大する。蒸発能力一定条件では、冷媒流量を低減できるため、圧縮機での必要動力が小さくなる。

これらの作用により、冷房負荷が小さい場合でも排熱を最大限に回収した温水加熱運転を行うことができ、かつ省エネ性を確保することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１に、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ式冷暖房給湯装置１０を示す。このヒートポンプ式冷暖房給湯装置１０は、冷媒を循環させる第１冷媒回路２０、第２冷媒回路２１、第１バイパス回路３０、第２バイパス回路４０と、水媒体を循環させる水媒体回路６０と、各種アクチュエータ、各種センサ、および制御装置５０とを備えている。

冷媒としては、例えば、Ｒ４０７Ｃ等の非共沸混合冷媒、Ｒ４１０Ａ等の擬似共沸混合冷媒、または単一冷媒等を用いることができる。

第１冷媒回路２０は、圧縮機１、四方弁２、熱源側熱交換器３、熱源側膨張弁４、過冷却器５、第１開閉弁４１、利用側膨張弁６、利用側熱交換器７が環状に接続され、第２冷媒回路２１は圧縮機１と四方弁２の間から分岐して温水用熱交換器２２、温水用膨張弁２３を介して、過冷却器５と利用側膨張弁６との間の第１冷媒回路２０に連通する。

ただし、上記熱源側膨張弁４、および温水用熱交換器２２は最小開度をゼロとできる仕
様であり、開度ゼロでは完全閉止できるものとする。

この温水用熱交換器２２としては外側流路に水が流動し、内側流路に冷媒が流動する冷媒対水熱交換器、例えば、二重管式熱交換器とし、温水用熱交換器２２の水側熱交換部は水媒体回路６０と連通し、そこには水搬送ポンプ６１、および貯湯タンクや放熱器などの温水端末機器６３が環状に接続され、水媒体が流動する。

熱源側熱交換器３、および利用側熱交換器７は外側を空気が流動して伝熱管内側を冷媒が流動するフィンチューブ式熱交換器とする。

また、第２冷媒回路２１と第１冷媒回路２０との接続部と、利用側膨張弁６との間に第１開閉弁４１が設けられている。

次に、第１バイパス回路３０は、過冷却器５と第１開閉弁４１との間で第１冷媒回路２０から分岐し、バイパス膨張弁９、および過冷却器５の低圧側熱交換部を経由して気液分離器８と圧縮機１との間で第１冷媒回路２０に再び連通し、第２バイパス回路４０は熱源側膨張弁４と過冷却器５との間で第１冷媒回路２０から分岐し、第２開閉弁４２を介して、第１開閉弁４１と利用側膨張弁６との間に再び連通する。

なお、第１冷媒回路２０には冷媒の流動方向を切り換えるための四方弁２が設けられ、利用側熱交換器７における冷房運転、および暖房運転、温水用熱交換器２２における温水生成（給湯）運転など、運転モードによって切替え制御を行う。

また、第１バイパス回路３０には、過冷却器５から流出した冷媒の温度Ｔｂｏを検出する温度センサ７２が、第１冷媒回路２０の圧縮機１の吸入側冷媒圧力Ｐｓを検出する圧力センサ７１が、利用側熱交換器７の出口側集合管の冷媒の温度Ｔｉｎを検出する温度センサ７５が、水媒体回路６０における温水用熱交換器２２の水媒体の入口側、および出口側の水媒体の温度Ｔｗ１、およびＴｗ２を検出する温度センサ７４、および７３が設置されている。

そして、制御装置５０は、温度検出手段５１、圧力検出手段５２、冷媒過熱度検出手段５３、開閉弁制御手段５４、および、膨張弁制御手段５５から構成される。

温度検出手段５１は、上記の各温度センサ７２〜７５による検出値を取り込み、圧力検出手段５２は圧力センサ７１による検出値を取り込み、これらの検出値を冷媒過熱度検出手段５３に入力し、第１バイパス回路３０の出口側における冷媒過熱度ＳＨｂとして、圧縮機１の吸入側冷媒圧力Ｐｓの飽和温度Ｔｓａｔを演算し、冷媒温度Ｔｂとの差異（＝Ｔｂ−Ｔｓａｔ）により算出する。

また、利用側熱交換器７にて冷房運転を行う場合の冷房負荷を検出するべく、利用側熱交換器７の出口側における冷媒過熱度ＳＨｉｎとして、圧縮機１の吸入側冷媒圧力Ｐｓの飽和温度Ｔｓａｔと、利用側熱交換器７の出口側集合管の冷媒温度Ｔｉｎとの差異（＝Ｔｉｎ−Ｔｓａｔ）より算出する。

さらに、水媒体回路６０にて温水生成運転を行う場合の温水生成負荷を検出するべく、温水側熱交換器２２における温度差として、入口側の水媒体温度Ｔｗ１と、出口側の水媒体温度Ｔｗ２との水温差ｄＴｗ（＝Ｔｗ２−Ｔｗ１）より算出する。

以上のように構成されたヒートポンプ式冷暖房給湯装置１０において、第１冷媒回路２０において利用側熱交換器７を蒸発器として機能させ、かつ、冷媒過熱度検出手段５３に
よる利用側熱交換器７の出口側の冷媒過熱度ＳＨｉｎが所定値ＳＨｏ以上の場合、利用側熱交換器７における冷房負荷が大きいと判断して、冷房運転時の放熱器として熱源側熱交換器３と温水用熱交換器２２とを併用する運転動作について説明する。

図１では、利用側熱交換器７を蒸発器として機能させる冷房運転、および、熱源側熱交換器３と温水側熱交換器２２を放熱器として機能させる運転を行う熱源側熱交換器３と温水用熱交換器２２の併用放熱運転時の冷媒および温水の流れ方向を矢印で示している。

本運転では、温水用膨張弁２３：所定開度、四方弁２：冷房モード（圧縮機１と熱源側熱交換器３を連通）、熱源側膨張弁４：所定開度、第１開閉弁：開、第２開閉弁：閉、利用側膨張弁６：所定開度、バイパス膨張弁９：所定開度と設定する。

この設定により、圧縮機１から吐出された高圧高温ガス冷媒は、共に放熱器として機能する熱源側熱交換器３側と温水用熱交換器２２に分かれて流入し、熱源側熱交換器３では室外側空気と熱交換（放熱）して、冷媒自身は冷却されて液化凝縮し、過冷却液状態となる一方、温水用熱交換器２２に流入した高圧高温ガス冷媒は水媒体と熱交換（放熱）して、温水端末機器６３と連通する水媒体回路６０の水媒体を加熱して温水を生成して、冷媒自身は冷却されて液化凝縮し、過冷却液状態となる。

次に、熱源側熱交換器３から流出した高圧液冷媒は過冷却器５により更に過冷却され、過冷却器５の出口側にて一部の高圧冷媒は第１バイパス回路３０側に分岐し、残りの高圧液冷媒は、第２冷媒回路２１における温水用熱交換器２２により液化凝縮した過冷却冷媒と合流する。

そして、利用側膨張弁６にて減圧されて膨張した後、蒸発器として作用するフィンチューブ熱交換器である利用側熱交換器７に流入した低圧二相冷媒は、ここで蒸発して空気側から吸熱して、空気を冷却、除湿し、冷媒自身は加熱され、過熱ガス状態となって利用側熱交換器７から流出し、圧縮機１へと戻る。

一方、過冷却器５の出口側にて第１バイパス回路３０側に分岐した高圧冷媒は、バイパス膨張弁９によって減圧、膨張した後、過冷却器５の２次側熱交換部にて１次側熱交換部を流れる第１冷媒回路２０の液冷媒を冷却しながら、自身は加熱されて二相冷媒状態または飽和ガス状態となり、圧縮機１の吸入側にて利用側熱交換器７から流出した冷媒と合流し、再度圧縮機１に吸入される。

次に、ヒートポンプ式冷暖房給湯装置１０において、冷媒過熱度検出手段５３による利用側熱交換器７の出口側の冷媒過熱度ＳＨｉｎが所定値ＳＨｏ未満の場合、利用側熱交換器７における冷房負荷が小さいと判断して、冷房運転時の放熱器として熱源側熱交換器３を使用せずに、温水用熱交換器２２のみを使用する運転動作について説明する。

図２では、利用側熱交換器７を蒸発器として機能させる冷房運転、および温水側熱交換器２２のみを放熱器として機能させる運転を行う温水用熱交換器２２のみによる放熱運転時の冷媒および温水の流れ方向を矢印で示している。

以上のように構成されたヒートポンプ式冷暖房給湯装置１０における冷房排熱利用給湯運転時の運転動作について説明する。

図１では、利用側熱交換器７での冷房運転、および温水側熱交換器２２での温水生成運転を同時に行う冷房排熱利用給湯運転時の冷媒および温水の流れ方向を矢印で示しており、図２に本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ式冷暖房給湯装置のモリエル線図（冷
媒圧力Ｐ−冷媒エンタルピーｈ線図）を示す。

本冷房排熱利用給湯運転では、温水用膨張弁２３：全開、四方弁２：冷房モード（圧縮機１と熱源側熱交換器３を連通）、熱源側膨張弁４：全閉（最小開度ゼロ）、第１開閉弁：閉、第２開閉弁：開、利用側膨張弁６：所定開度、バイパス膨張弁９：所定開度と設定する。

この設定により、圧縮機１から吐出された高圧高温ガス冷媒（図２中ａ点）は、熱源側膨張弁４：全閉に設定されているため熱源側熱交換器３側には流れず、温水用熱交換器２２に流入して放熱器として機能し、温水端末機器と連通する温水利用回路の水媒体を加熱して温水を生成して、高圧高温ガス冷媒自身は冷却されて液化凝縮し、飽和液状態または過冷却液状態となる（図２中ｂ点）。

温水用熱交換器２２から流出した高圧液冷媒は、温水用膨張弁２３（全開）を通過後、第１開閉弁が閉に設定されているため、過冷却器５側に流れ、過冷却器５の入口側にて一部の高圧冷媒は第１バイパス回路３０側に分岐し、残りの高圧冷媒は過冷却器５により更に過冷却された後（図２中ｃ点）、熱源側膨張弁４が全閉に、かつ、第２開閉弁が開に設定されているため、熱源側熱交換器３側には流れず、熱源側膨張弁４と過冷却器５との間で第１冷媒回路２０から第２バイパス回路４０側に流れ、第２開閉弁４２（開）を介して、第１開閉弁４１と利用側膨張弁６との間に流れる。

その後、第１開閉弁が閉に設定されているため、高圧液冷媒は利用側熱交換器７側に流れ、利用側膨張弁６にて減圧されて膨張した後（図２中ｄ点）、蒸発器として作用する利用側熱交換器７に流入する。

利用側熱交換器７に流入した低圧二相冷媒は、冷房単独運転の場合と同様、ここで蒸発して空気側から吸熱して、空気を冷却、除湿し、冷媒自身は加熱され、過熱ガス状態（図２中ｇ点）となって圧縮機１へと戻る。

一方、過冷却器５の入口側にて第１バイパス回路３０側に分岐した高圧冷媒は、バイパス膨張弁９によって減圧、膨張した後（図２中ｅ点）、過冷却器５の２次側熱交換部にて１次側熱交換部を流れる第１冷媒回路２０の液冷媒を冷却しながら、自身は加熱されて二相冷媒状態または飽和ガス状態（図２中ｆ点）となり、圧縮機１の吸入側にて第１冷媒回路２０を流れる冷媒に再び合流し（図２中ｈ点）、再度圧縮機１に吸入される。

その際、第１バイパス回路３０の出口側冷媒過熱度ＳＨを所定の目標範囲内、例えば±１Ｋに収めるように、バイパス膨張弁９の開度制御を行うものである。

以上の運転動作により、利用側熱交換器７において冷房運転を行いながら、温水用熱交換器２２を介して温水を生成する運転においても、第１バイパス回路３０を利用でき、高効率な運転が可能になる。

従って、冷房排熱利用給湯運転時においても、この第１バイパス回路３０を用いた運転により、蒸発器である利用側熱交換器７に流入する冷媒エンタルピーを低減、すなわち高圧側における過冷却度の拡大を図りながら（図２中矢印Ａ）、同時に蒸発に寄与しない冷媒ガス成分を、第１バイパス回路３０を介して圧縮機１の吸入側にバイパスできるため、蒸発器における無意味な圧力損失増大を抑制、すなわち圧縮機１の吸入圧力上昇を図れ（図２中矢印Ｂ）、冷媒流量の増大、凝縮（加熱）能力の増大を図ることが可能となる。

なお、温水利用回路において生成された温水は、例えばラジエータ等の熱交換ユニット
や、貯湯タンクなど温水端末機器６３へ搬送され、これにより暖房や給湯が行われる。

以上のような運転動作を行う本発明のヒートポンプ式冷暖房給湯装置１０に関連する冷房運転時の冷凍サイクル制御アルゴリズムについて、図４に示す冷凍サイクル制御全体のフローチャートを参照して以下に詳細に説明する。

図４は冷房運転の全体制御フローを示しており、ステップＳ１にて、冷房運転要求があり、かつ、温水生成要求がない場合はステップＳ２に移行して放熱器として熱源側熱交換器３を単独使用する運転制御を行い、冷房運転要求があり、かつ、温水生成要求もある場合はステップＳ３に移行して放熱器として温水側熱交換器２２を単独使用する運転制御を行う。

その後、ステップＳ４にて利用側膨張弁６の開度制御を行い、ステップＳ５にて圧縮機１の運転周波数Ｆｑを設定して圧縮機１の運転を行い、ステップＳ６にてバイパス膨張弁９の開度制御によりバイパス回路３０を流れる冷媒流量の制御を行う。

そして、ステップＳ７にて、利用側熱交換器７の出口側の冷媒過熱度ＳＨｉｎの時間変動幅と所定値ｄＳＨを比較し、冷媒過熱度ＳＨｉｎの時間変動幅が所定値ｄＳＨを超える場合は、ステップＳ４に戻り、冷媒過熱度ＳＨｉｎの時間変動幅が所定値ｄＳＨ以内の場合は、冷媒過熱度ＳＨｉｎの制御としては安定したものと判断し、ステップＳ８に移行する。

ステップＳ８にて、利用側熱交換器７の出口側の冷媒過熱度ＳＨｉｎと所定値ＳＨｏを比較し、冷媒過熱度ＳＨｉｎが所定値ＳＨｏ以上の場合、利用側熱交換器７における冷房負荷が大きいと判断し、ステップＳ９に移行し、逆に冷媒過熱度ＳＨｉｎが所定値ＳＨｏより小さい場合は利用側熱交換器７における冷房負荷が大きくないと判断し、ステップＳ１０に移行し、その後は共にステップＳ４に戻る制御を行う。

つぎに、上記各ステップのうち、ステップＳ４、ステップＳ６、ステップＳ９、およびステップ１０の詳細制御については、図５にて利用側膨張弁６の開度制御のフローチャート、図６にて第１バイパス回路３０におけるバイパス膨張弁９の開度制御のフローチャート、図７にて熱源側熱交換器３と温水側熱交換器２２の併用放熱運転の制御フローチャート、および図８にて温水側熱交換器２２の単独放熱運転の制御フローチャートを参照して以下に詳細に説明する。

上記ステップＳ４における利用側膨張弁６の開度制御について図５を用いて説明する。

まず、ステップＳ１１にて、温度センサ７５、および圧力センサ７１により、利用側熱交換器７から流出した冷媒温度Ｔｉｎ、および冷媒圧力Ｐｓを検出し、ステップＳ１２にて、上記冷媒圧力Ｐｓの検出値を冷媒過熱度検出手段５３に入力して冷媒の飽和温度Ｔｓａｔを算出する。

そして、ステップＳ１３にて、利用側熱交換器７の出口側における冷媒過熱度ＳＨｉｎを算出する。

その後、ステップＳ１４にて、検出された冷媒過熱度ＳＨｉｎが予め設定された下限値ＳＨ１と上限値ＳＨ２の間にあるか否かを判定し、ＳＨ１〜ＳＨ２の範囲内にある場合（ステップＳ１４でＹｅｓの場合）は、利用側膨張弁７の開度は維持したまま、ステップＳ１１へ戻る。

一方、冷媒過熱度ＳＨｉｎが下限値ＳＨ１と上限値ＳＨ２の間にない場合（ステップＳ１４でＮｏの場合）には、制御装置５０にて冷媒過熱度ＳＨｉｎと下限値ＳＨ１の大小関係を比較するべくステップＳ１５に移行する。

ステップＳ１５にて、冷媒過熱度ＳＨｉｎが下限値ＳＨ１以下となると判定された場合（ステップＳ１５でＹｅｓの場合）は、ステップＳ１６に移行し、制御装置５０により利用側膨張弁７の開度を所定量下げて流れる冷媒流量を少なくする動作を行う。

逆にステップＳ１５にて冷媒過熱度ＳＨｉｎが上限値ＳＨ２以上となると判定された場合（ステップＳ１５でＮｏの場合）は、ステップＳ１７に移行し、制御装置５０により利用側膨張弁７の開度を所定量上げて流れる冷媒流量を多くする動作を行った後、ステップＳ１１に戻り、ステップＳ１１〜ステップＳ１７の動作を繰り返す。

上記ステップＳ６におけるバイパス膨張弁９の開度制御について図６を用いて説明する。

まず、ステップＳ２１にて、温度センサ７２、および圧力センサ７１により、過冷却器５から流出した冷媒温度Ｔｂ、および冷媒圧力Ｐｓを検出し、ステップＳ２にて、上記冷媒圧力Ｐｓの検出値を冷媒過熱度検出手段５３に入力して冷媒の飽和温度Ｔｓａｔを算出する。

そして、ステップＳ２３にて、第１バイパス回路３０の出口側における冷媒過熱度ＳＨｂを算出する。

その後、ステップＳ２４にて、検出された冷媒過熱度ＳＨｂが予め設定された下限値ＳＨ１と上限値ＳＨ２の間にあるか否かを判定し、ＳＨ１〜ＳＨ２の範囲内にある場合（ステップＳ２４でＹｅｓの場合）は、バイパス膨張弁９の開度は維持したまま、ステップＳ２１へ戻る。

一方、冷媒過熱度ＳＨｂが下限値ＳＨ３と上限値ＳＨ４の間にない場合（ステップＳ２４でＮｏの場合）には、制御装置５０にて冷媒過熱度ＳＨｂと下限値ＳＨ３の大小関係を比較するべくステップＳ２５に移行する。

ステップＳ２５にて、冷媒過熱度ＳＨｂが下限値ＳＨ３以下となると判定された場合（ステップＳ２５でＹｅｓの場合）は、ステップＳ２６に移行し、制御装置５０によりバイパス膨張弁９の開度を所定量下げて流れる冷媒流量を少なくする動作を行う。

逆にステップＳ２５にて冷媒過熱度ＳＨｂが上限値ＳＨ４以上となると判定された場合（ステップＳ２５でＮｏの場合）は、ステップＳ２７に移行し、制御装置５０によりバイパス膨張弁９の開度を所定量上げて流れる冷媒流量を多くする動作を行った後、ステップＳ２１に戻り、ステップＳ２１〜ステップＳ２７の動作を繰り返す。

上記ステップＳ９における熱源側熱交換器３と温水側熱交換器２２の併用放熱運転について図７を用いて説明する。

まず、ステップＳ３１にて各アクチュエータの設定として、四方弁２：冷房モード、温水用膨張弁２３：所定開度、熱源側膨張弁４：所定開度、第１開閉弁：開、第２開閉弁：閉に設定して、使用する冷媒回路を決定する。

その後、ステップＳ３２にて、利用側熱交換器７の出口側集合配管における冷媒過熱度
ＳＨｉｎをパラメータとして、利用側膨張弁６の開度制御を行い、ステップＳ３３にて、冷媒過熱度ＳＨｉｎをパラメータとして圧縮機１の運転周波数Ｆｑの設定を行い、その運転周波数での圧縮機運転を行う。

そして、ステップＳ３４にて、バイパス膨張弁９の開度制御によりバイパス回路３０を流れる冷媒流量の制御を行い、ステップＳ３２へ戻り、ステップＳ３２〜ステップＳ３４の動作を繰り返す。

上記ステップＳ１０における温水側熱交換器２２の単独放熱運転について図８を用いて説明する。

まず、ステップＳ４１にて各アクチュエータの設定として、四方弁２：冷房モード、温水用膨張弁２３：所定開度、熱源側膨張弁４：全閉（開度ゼロにて完全閉止可とする）、第１開閉弁：閉、第２開閉弁：開に設定して、使用する冷媒回路を決定する。

その後、ステップＳ４２にて、利用側熱交換器７の出口側集合配管における冷媒過熱度ＳＨｉｎをパラメータとして、利用側膨張弁６の開度制御を行い、ステップＳ４３にて、冷媒過熱度ＳＨｉｎをパラメータとして圧縮機１の運転周波数Ｆｑの設定を行い、その運転周波数での圧縮機運転を行う。

つぎに、ステップＳ４４にて、水媒体回路６０にて温水生成運転を行う場合の温水生成負荷を検出するべく、温水側熱交換器２２における温度差として、入口側の水媒体温度Ｔｗ１と、出口側の水媒体温度Ｔｗ２との水温差ｄＴｗ（＝Ｔｗ２−Ｔｗ１）を算出し、所定値ｄＴ１との比較を行う。

すなわち、水温差ｄＴｗが所定値ｄＴ１以上の場合は、温水生成負荷が大きい判断し、加熱能力を上昇させるべく、第１バイパス回路３０を使用するステップ４５に移行し、水温差ｄＴｗが所定値ｄＴ１未満の場合は、温水生成負荷は大きくないと判断し、第１バイパス回路３０を使用しないステップ４６に移行し、その後は共にステップＳ４２に戻る制御を行う。

以上のように、第１の発明の実施の形態である冷房排熱利用給湯運転時において、利用側熱交換器７の出口側の冷媒過熱度ＳＨｉｎが所定値ＳＨｏ以上の場合、冷房運転時の放熱器として熱源側熱交換器３と温水用熱交換器２２とを併用する運転を行い、冷媒過熱度ＳＨｉｎが所定値ＳＨｏ未満の場合、冷房運転時の放熱器として熱源側熱交換器３を使用せずに、温水用熱交換器２２のみを使用する運転を行うことにより、以下の作用が生じる。

まず、冷房負荷の大きさを検出する利用側熱交換器７の出口側の冷媒過熱度ＳＨｉｎが所定値以上の場合、利用側熱交換器７における冷房負荷が大きいと判定される。この場合、第１冷媒回路２０において熱源側熱交換器７、および温水用熱交換器２２が放熱器となるため、冷凍サイクルにおける放熱器の伝熱面積が増大する。そして、高圧が低下し、圧縮機１の運転周波数が同等の場合、冷媒流量が増大し、冷房能力が増大する。

一方、利用側熱交換器７の出口側の冷媒過熱度ＳＨｉｎが所定値未満の場合、利用側熱交換器７における冷房負荷が小さいと判定される。この場合、第１冷媒回路２０において温水用熱交換器２２のみが放熱器となるため、冷房運転時の全ての排熱が給湯運転に使用される。

これらの作用により、利用側熱交換器７での冷房運転時の負荷量に応じて、冷房排熱を
利用した温水生成運転が行えるため、省エネ性と室内空間の快適性維持の両立が可能となる。

また、冷房排熱利用給湯運転時において、利用側熱交換器７の出口側の冷媒過熱度ＳＨｉｎが所定値ＳＨｏ未満であり、かつ、温水生成負荷を検出するための温水側熱交換器２２における温度差である、入口側の水媒体温度Ｔｗ１と出口側の水媒体温度Ｔｗ２との水温差ｄＴｗ（＝Ｔｗ２−Ｔｗ１）が所定値ｄＴ１以上の場合、熱源側膨張弁４を全閉（開度ゼロにて完全閉止可）、バイパス膨張弁９を所定開度、第１開閉弁４１を閉、第２開閉弁４２を開とする制御を行うことにより、以下の作用が生じる。

すなわち、利用側熱交換器７の出口側の冷媒過熱度ＳＨｉｎが所定値ＳＨｏ未満の場合に加えて、かつ、水温差ｄＴｗが所定値ｄＴ１以上であることを検出することにより、利用側熱交換器７における冷房負荷が小さく、かつ、温水側熱交換器２２における温水加熱負荷が大きいと判定される。

この場合、熱源側膨張弁４は全閉であるため、室外熱交換器３には冷媒は流れず、室外熱交換器３が作用せずに、第１バイパス回路３０を使用できるため、過冷却器５により利用側熱交換器７入口における冷媒エンタルピーを低減され、利用側熱交換器７での冷媒エンタルピー変化量が増大する。

その結果、全冷媒流量のうち、蒸発に寄与しない冷媒は利用側熱交換器７（蒸発器）をバイパスされるため、利用側熱交換器７（蒸発器）にて冷媒流動による圧力低下を抑制でき、圧縮機１の吸入圧力が上昇し、冷媒密度上昇、即ち冷媒流量が増大する。蒸発能力一定条件では、冷媒流量を低減できるため、圧縮機１での必要動力が小さくなる。

これらの作用により、冷房負荷が小さい場合でも排熱を最大限に回収した温水加熱運転を行うことができ、かつ省エネ性を確保することができる。

本発明は、ヒートポンプ装置によって冷房、暖房、および水を加熱し、その水を暖房、給湯に利用するヒートポンプ式冷暖房給湯装置に特に有用である。

１ 圧縮機
２ 四方弁
３ 熱源側熱交換器
４ 熱源側膨張弁（熱源側膨張手段）
５ 過冷却器
６ 利用側膨張弁（利用側膨張手段）
７ 利用側熱交換器
９ バイパス膨張弁（バイパス膨張手段）
１０ ヒートポンプ式冷暖房給湯装置
２０ 第１冷媒回路
２１ 第２冷媒回路
２２ 温水用熱交換器
２３ 温水用膨張弁（温水用膨張手段）
３０ 第１バイパス回路
４０ 第２バイパス回路
４１ 第１開閉弁
４２ 第２開閉弁
５０ 制御装置
５１ 温度検出手段
５２ 圧力検出手段
５３ 冷媒過熱度検出手段（第１温度差検出手段）
５４ 開閉弁制御手段
５５ 膨張弁制御手段（膨張手段制御手段）

Claims (2)

1. 圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器、熱源側膨張手段、過冷却熱交換器、利用側膨張手段、利用側熱交換器が環状に接続された第１冷媒回路と、前記圧縮機と前記四方弁の間から分岐され温水用熱交換器を介して、前記過冷却熱交換器と前記利用側膨張手段との間の前記第１冷媒回路に連通する第２冷媒回路と、前記第１冷媒回路の吸入過熱度を検出する吸入過熱度検出手段と、制御手段とを備え、前記制御手段は、前記利用側熱交換器を蒸発器として機能させ、かつ、前記吸入過熱度検出手段による検出値が所定値以上の場合には、前記熱源側熱交換器および前記温水用熱交換器を放熱器として機能させ、前記吸入過熱度検出手段による検出値が所定値未満の場合には、前記温水用熱交換器のみを放熱器として機能させることを特徴とするヒートポンプ式冷暖房給湯装置。
2. 前記温水用熱交換器において冷媒と熱交換された水媒体が循環する水媒体回路と、前記熱源側膨張手段と前記過冷却熱交換器の間、または、前記過冷却熱交換器と前記利用側膨張手段の間から分岐し、前記過冷却熱交換器を経由して前記四方弁と前記圧縮機の間に接続された第１バイパス回路と、前記第１バイパス回路の前記過冷却熱交換器よりも上流側に設けられたバイパス膨張手段と、前記第２冷媒回路の前記第１冷媒回路への接続部と前記利用側膨張手段との間に設けられた第１開閉弁と、前記熱源側膨張手段と前記過冷却熱交換器との間から分岐して、第２開閉弁を介して、前記第１開閉弁と前記利用側膨張手段との間を接続する第２バイパス回路と、前記温水用熱交換器の入水温度、出水温度を検出する温度検出手段とを備え、前記制御手段は、前記吸入過熱度検出手段による検出値が所定値未満で、かつ、前記温度検出手段の検出温度差が所定値以上の場合、前記熱源側膨張弁の開度を最小、前記第１開閉弁を閉、前記第２開閉弁を開とすることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式冷暖房給湯装置。