JP2015102287A - ヒートポンプシステム、及び、ヒートポンプ式給湯器 - Google Patents

Abstract

【課題】二つの圧縮機の冷凍機油の量を均等に保つのが容易な二段圧縮ヒートポンプシステムを提供する。
【解決手段】圧縮された冷媒が熱交換対象と熱交換する第１熱交換器１１と、第１熱交換器１１から流出する冷媒を減圧膨張させる膨張弁１２と、膨張弁１２にて減圧膨張された冷媒が熱交換対象と熱交換する第２熱交換器１３と、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂを繋ぎ、両者の間で冷凍機油を流通させる均油配管２１と、均油配管２１を開閉する均油弁２３と、均油弁２３の開閉動作を制御する制御装置３０と、を備える。制御装置３０は、均油配管２１を冷媒が流れているものと判断すると、開いている均油弁２３を閉じるように指示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、二つの独立した圧縮機を直列に連結した二段圧縮式のヒートポンプシステムに関する。

省エネネルギーを目的に給湯システムのヒートポンプ化が進んでいる。
この冷媒システムとして、低段側圧縮機と高段側圧縮機が直列に接続された冷媒回路を備え、その冷媒回路で冷媒を循環させる二段圧縮冷凍サイクルが知られている（例えば、特許文献１〜３）。

特開平５−９３５５２号公報 特開平６−２９６６号公報 特開２００９−１６８３３０号公報

二段圧縮冷凍サイクルを常に効率の良い状態で運転をするためには、低段側及び高段側の二つの圧縮機をそれぞれ独立した回転数で運転させる必要がある。そのために最も大きな課題となるのは，二つの圧縮機にそれぞれ含まれる冷凍機油の油面レベルの制御である。１つのハウジングの内部に低段側及び高段側の二つの圧縮機構を搭載している圧縮機と異なり、二つの独立した圧縮機を直列に連結する場合には、二つの圧縮機の間で冷凍機油の量を適切な均等なレベルに保つことが、二つの圧縮機を健全に運転するために必要である。
本発明は、この技術的課題に基づいてなされたもので、運転を停止したり、あるいは、複雑な運転操作したりすることなく、二つの圧縮機の冷凍機油の量を均等に保つのが容易な二段圧縮ヒートポンプシステムを提供することを目的とする。本発明は、加えて、この二段圧縮式ヒートポンプシステムを備える高効率なヒートポンプ給湯器を提供することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明のヒートポンプシステムは、低段側圧縮機と高段側圧縮機を備え、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機構と、圧縮機構で圧縮された冷媒と熱交換対象が熱交換する第１熱交換器と、第１熱交換器から流出する冷媒を減圧膨張させる膨張弁と、膨張弁にて減圧膨張された冷媒と熱交換対象が熱交換する第２熱交換器と、低段側圧縮機と高段側圧縮機を繋ぎ、低段側圧縮機と高段側圧縮機の間で冷凍機油を流通させる均油配管と、均油配管を開閉する均油弁と、均油弁の開閉動作を制御する制御装置と、を備える。
本発明の制御装置は、均油配管を冷媒が流れているものと判断すると、開いている均油弁を閉じるように指示することを特徴とする。

本発明のヒートポンプシステムにおいて、制御装置は、均油配管における検出温度Ｔ_０と、低段側圧縮機から高段側圧縮機に向けて冷媒を流す冷媒配管における検出温度Ｔ_１、及び、高段側圧縮機における検出温度Ｔ_２の一方又は双方と、の比較に基づいて、均油配管を冷媒が流れているか否かを判断することができる。

本発明のヒートポンプシステムにおいて、制御装置は、非定常な運転時には、開ける条件が整っていたとしても、均油弁を閉じ続けるように、指示することが好ましい。

本発明のヒートポンプシステムにおいて、制御装置は、記高段側圧縮機の回転数が、予め定められた値よりも小さい場合には、均油配管を冷媒が流れているか否かの判断に関わらず、均油弁を、一定時間ごとに開閉を交互に繰り返すように指示することが好ましい。

以上説明したヒートポンプシステムの第１熱交換器を、冷媒と水とを熱交換させて水を加熱する水対冷媒熱交換器とするヒートポンプ式給湯器は、低段側圧縮機及び高段側圧縮機の冷凍機油の量が確保されるので、安定して高効率な給湯を実現できる。

本発明によれば、圧縮機構の運転を停止することなく、かつ、均油弁の開／閉という簡易な操作により、圧縮機構間における冷凍機油の均一化を図ることができる。しかも、本発明によると、均油配管に冷媒が流れているものと判断すると、開いている均油弁を閉じるので、冷媒が均油配管を流れることで生じる圧縮機構の空費を避けることができる。

第１実施形態に係る冷凍サイクルの回路構成を示す図である。 図１の冷凍サイクルの動作を示す図であり、（ａ）は均油配管を閉じており、（ｂ）は均油配管を開いている。 図１の冷凍サイクルの均油配管に設けられる弁の開閉の手順を示すフローチャートである。 図３の弁の開閉手順の変形例を示すフローチャートである。 第２実施形態に係るヒートポンプ式の給湯・空調機の回路構成を示す図である。 第２実施形態に係るヒートポンプ式の給湯・空調機の回路構成を示す図であり、図５とは異なる運転モードを示している。

以下、添付する図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
［第１実施形態］
第１実施形態に係るヒートポンプシステム１は、図１に示すように、冷媒を圧縮して吐出する低段側圧縮機１０ａ及び高段側圧縮機１０ｂと、高段側圧縮機１０ｂで圧縮された冷媒と熱交換の対象となる流体とを熱交換させる第１熱交換器１１と、第１熱交換器１１から流出する冷媒を減圧膨張させる膨張弁１２と、膨張弁１２にて減圧膨張された冷媒と熱交換の対象となる流体を熱交換させる第２熱交換器１３と、を備え、冷媒の循環方向に沿ってこの順に直列に接続されている。本実施形態において、第１熱交換器１１は、例えば水と熱交換することで放熱する凝縮器として機能し、また、第２熱交換器１３は、外気と熱交換することで吸熱する蒸発器として機能することができる。
ヒートポンプシステム１は、低段側圧縮機１０ａに保持される冷凍機油と高段側圧縮機１０ｂに保持される冷凍機油の油量を均等に保つための均油機構２０を備える。本実施形態の特徴である均油機構２０の詳細は後述する。

ヒートポンプシステム１は、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂを繋ぐ配管Ｌ１と、高段側圧縮機１０ｂと第１熱交換器１１を繋ぐ配管Ｌ２と、第１熱交換器１１と第２熱交換器１３を繋ぐ配管Ｌ３と、第２熱交換器１３と低段側圧縮機１０ａを繋ぐ配管Ｌ４とを備えることで、冷媒が循環する冷媒回路を構成する。この中で、低段側圧縮機１０ａにとって配管Ｌ４が吸入側配管を、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂを繋ぐ配管Ｌ１が中間圧配管を、高段側圧縮機１０ｂにとって配管Ｌ２が吐出側配管を構成する。
なお、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂを区別することなく、圧縮機構１０と総称することがある。

以下、ヒートポンプシステム１の各構成要素を順に説明する。
［圧縮機構１０］
低段側圧縮機１０ａは、一体に構成された電動モータにより回転駆動されることにより、第２熱交換器１３を通過した低温低圧の冷媒を吸入して中間圧まで圧縮し、高段側圧縮機１０ｂに向けて吐出する。
低段側圧縮機１０ａに適用される圧縮機構としては、スクロール型圧縮機構や、ロータリ式圧縮機構など公知の形式の圧縮機構を適用できる。高段側圧縮機１０ｂも同様である。
高段側圧縮機１０ｂは、低段側圧縮機１０ａから吐出された冷媒を吸入して圧縮し、高温高圧の冷媒として第１熱交換器１１に向けて吐出する。

［第１熱交換器１１］
第１熱交換器１１は、熱交換の対象となる水、空気などの流体と高温高圧の冷媒とを熱交換させることによって流体を加熱する。高段側圧縮機１０ｂから吐出された高温高圧の冷媒は、ここで冷却され凝縮される。第１熱交換器１１は、公知の熱交換器を用いることができる。次に説明する第２熱交換器１３も同様である。
第１熱交換器１１は、熱交換の対象が空気の場合には、送風ファン１１ｆを付設しており、送風ファン１１ｆにより送風された空気が第１熱交換器１１を通過する過程で冷媒と熱交換される。

［膨張弁１２、第２熱交換器１３］
第２熱交換器１３は、膨張弁１２を通過して減圧膨張された冷媒と外気との間で熱交換を行うものであり、この熱交換の過程で冷媒は蒸発し、外気から熱を吸収する。第２熱交換器１３にも、送風ファン１３ｆが付設されており、送風ファン１３ｆにより送風された空気と冷媒とが熱交換されることで、低圧冷媒を蒸発させて吸熱作用を生じさせる。
膨張弁１２は、例えば、ニードル状の弁体と、弁体を駆動するためのパルスモータとを備えた電子膨張弁から構成される。

［均油機構２０］
均油機構２０は、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂを繋ぐ均油配管２１と、均油配管２１に設けられ、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂの間の冷凍機油の流れを制御する均油弁（開閉弁）２３と、均油配管２１に近接して設けられ、均油配管２１の内部の温度を検出するための第１温度センサ２５と、配管Ｌ２に近接して設けられ、配管Ｌ２の内部の温度を検出するための第２温度センサ２６と、を備える。
第１温度センサ２５と第２温度センサ２６で検出された各々の温度情報（検出温度）Ｔ_０，Ｔ_１は、制御装置３０に転送される。制御装置３０は転送された温度情報Ｔ_０，Ｔ_１に基づいて、均油弁２３の開／閉を制御する。

均油機構２０は、均油弁２３の開／閉が制御されることにより、高段側圧縮機１０ｂで余剰となった冷凍機油を低段側圧縮機１０ａに供給し、あるいは供給を停止する。
低段側圧縮機１０ａ及び高段側圧縮機１０ｂは、正常な運転に必要とされる冷凍機油の量を示す基準油面が各々に設定されており、均油配管２１は、基準油面に対応する位置で低段側圧縮機１０ａ，高段側圧縮機１０ｂに接続される。そして、均油配管２１の各々の接続端が冷凍機油に常に浸かっていることが好ましい。

図２（ｂ）に示すように、均油配管２１の均油弁２３を開くと、高段側圧縮機１０ｂから低段側圧縮機１０ａに向けて冷凍機油が流れる。高段側圧縮機１０ｂの内部の圧力が低段側圧縮機１０ａの内部の圧力よりも高いからである。なお、図２において、閉じている均油弁２３を黒塗りで示し（図２（ａ））、開いている均油弁２３を白抜きで示している（図２（ｂ）。また、図２において、均油配管２１を、冷凍機油が流れている場合には実線で示し、冷凍機油が流れていない場合には破線で示している。

ただし、高段側圧縮機１０ｂから低段側圧縮機１０ａに向けて冷凍機油が流れるのは、高段側圧縮機１０ｂにおける均油配管２１の接続端が冷凍機油に浸かっていることが前提である。この前提がないと、均油配管２１は冷媒の通路となってしまう。そうすると、高段側圧縮機１０ｂで圧縮された冷媒の一部が低段側圧縮機１０ａに向けて逆戻りすることになる。これは、低段側圧縮機１０ａ及び高段側圧縮機１０ｂの両者において、冷媒を圧縮する動力が空費されることを意味する。したがって、冷凍機油が均油配管２１を流れていないときには、図２（ａ）に示すように、均油弁２３を閉じて、冷媒が低段側圧縮機１０ａに流れないように均油配管２１を閉塞することが望まれる。

［制御装置３０］
制御装置３０は、ヒートポンプシステム１の動作を司るが、特に本実施形態においては、均油配管２１の均油弁２３の開／閉を制御する。制御装置３０は、均油弁２３の開／閉を制御するのに、第１温度センサ２５と第２温度センサ２６から、各々、温度情報Ｔ_０，Ｔ_１を取得する。制御装置３０は、取得した温度情報Ｔ_０，Ｔ_１を比較することで、均油弁２３の開／閉を判断する。つまり、均油配管２１を流れる冷凍機油と配管Ｌ２を流れる冷媒の温度を比較すると、冷媒の温度が顕著に低い。しかし、均油配管２１に冷凍機油ではなく冷媒が流れることになれば、均油配管２１において検出される温度情報Ｔ_０と配管Ｌ２において検出される温度情報Ｔ_１の差が小さくなる。したがって、制御装置３０は、温度情報Ｔ_０と温度情報Ｔ_１を比較すれば、均油配管２１を冷凍機油が流れているか冷媒が流れているかを判断することができる。

［ヒートポンプシステム１の動作］
以下、ヒートポンプシステム１の動作を説明する。
ヒートポンプシステム１は、冷媒が循環し、二段圧縮冷凍サイクルが実行される。

ヒートポンプシステム１において、高段側圧縮機１０ｂから吐出された高温高圧の冷媒は、配管Ｌ２を通って第１熱交換器１１に流入し、熱交換対象に対して放熱する。第１熱交換器１１で放熱した冷媒は、配管Ｌ３を通って膨張弁１２を通過する過程で膨張して低圧冷媒となる。この低圧冷媒は、さらに配管Ｌ３を通って第２熱交換器１３へ流入し、室外空気から吸熱して蒸発する。その後、第２熱交換器１３から流出した低圧冷媒は、配管Ｌ４を通って低段側圧縮機１０ａへ吸入される。

低段側圧縮機１０ａへ吸入された低圧冷媒は、圧縮されて中間圧の冷媒となった後に配管Ｌ１へ吐出される。低段側圧縮機１０ａから配管Ｌ１へ吐出された中間圧の冷媒は、高段側圧縮機１０ｂへ吸入される。高段側圧縮機１０ｂへ吸入された冷媒は、圧縮されて高圧冷媒となった後に配管Ｌ２へ吐出される。

ヒートポンプシステム１は、以上説明した冷媒の圧縮、凝縮、膨張及び蒸発のサイクルが繰り返される過程で、均油弁２３が、閉塞期間ｔ_ｗの間は閉じ、均油期間ｔ_ｍの間は開く、という動作を交互に繰り返す。本実施形態は、均油期間ｔ_ｍの間であっても均油弁２３を強制的に閉じるところに特徴を有している。以下、図３を参照して、均油弁２３の開閉動作の手順を説明する。

制御装置３０は、図３に示すように、ヒートポンプシステム１の運転開始の指示がなされる、初期設定として均油弁２３に閉じる（ＯＦＦ）ように指示する（図３ Ｓ１０１）。当初より均油弁２３が閉じられているときには、そのまま継続される。

制御装置３０は、運転開始の指示がなされてからの経過時間ｔを計っており、この経過時間ｔが予め定められた閉塞期間ｔ_ｗに達したならば、均油弁２３を開く（ＯＮ）ように指示する（図３ Ｓ１０３）。制御装置３０は、均油弁２３に開くように指示してから、予め定められた均油期間ｔ_ｍに達したならば、均油弁２３に閉じるように指示する（図３ Ｓ１１１）。以上のように、第１実施形態の均油弁２３は、閉塞期間ｔ_ｗの間は閉じ、均油期間ｔ_ｍの間は開く、という動作を交互に繰り返す。

ただし、制御装置３０は、均油弁２３の開閉について、以下説明する二つの例外を設けている。
始めに、制御装置３０は、ヒートポンプシステム１が定常運転をしているか否かを判断し、定常運転の場合には二つ目の例外の判断（ステップ１０５ Ｙｅｓ，Ｓ１０７）に進むが、定常運転でない場合には、均油弁２３を閉じたままにする（図３ Ｓ１０５ Ｎｏ）。ここで、定常運転に該当しない非定常運転の場合とは、例えば、デフロスト運転をしているときが該当する。この非定常運転の間は、均油弁２３を流れる冷凍機油の温度が高段側圧縮機１０ｂに吸入される冷媒の温度よりも高いという本実施形態の前提が成り立たないおそれがあるからである。また、ヒートポンプシステム１の起動初期の間も非定常運転に該当するが、本実施形態はこの起動初期を前述した閉塞期間ｔ_ｗとして折込済みである。

次に、制御装置３０は、二つ目の例外として、高段側圧縮機１０ｂの回転数Ｒと予め定められた回転数Ｒ_０を比較し（図３ Ｓ１０７）し、回転数Ｒが回転数Ｒ_０よりも少ない場合には、均油弁２３を一定時間毎に開（ＯＮ）と閉（ＯＦＦ）を交互に繰り返すように指示し（図３ Ｓ１０７ Ｙｅｓ，Ｓ１０８）。

以上の二つの例外に該当しなければ、制御装置３０は、均油弁２３を開くように指示する（図３ Ｓ１０９）。均油弁２３はこの指示を受けてから、均油期間ｔ_ｍの間だけ開いた状態を維持する（図３ Ｓ１１１）。
制御装置３０は、この間、第１温度センサ２５から取得する温度情報Ｔ_０と第２温度センサ２６から取得する温度情報Ｔ_１との差分（Ｔ_０−Ｔ_１）が、予め定められた値ΔＴ以下になるか否かを判断する（図３ Ｓ１１３）。ここで、温度情報Ｔ_０は均油配管２１を流れる流体（冷凍機油又は冷媒）の温度とみなされ、温度情報Ｔ_１は高段側圧縮機１０ｂに吸入される冷媒の温度とみなされる。

制御装置３０は、上記差分（Ｔ_０−Ｔ_１）がΔＴ以下になると、均油配管２１には冷凍機油ではなくて冷媒が流れているものと判断し、均油弁２３を閉じる（図３ Ｓ１１３ Ｙｅｓ）。一方、上記差分（Ｔ_０−Ｔ_１）がΔＴを超えていれば、均油弁２３は均油期間ｔ_ｍが満了するまで開き続け、均油期間ｔ_ｍが満了すると、均油弁２３は閉じられる（図３ Ｓ１１３ Ｎｏ，Ｓ１１１ Ｙｅｓ）。

以上説明したように、本実施形態によると、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂの運転を停止することなく、かつ、均油弁２３の開／閉という簡易な操作により、高段側から低段側に冷凍機油を供給し、両者の冷凍機油の均一化を図ることができる。しかも、本実施形態によると、制御装置３０が、均油配管２１に冷凍機油ではなく冷媒が流れているものと判断すると、均油弁２３を閉じるので、冷媒が均油配管２１を流れることで生じる圧縮機構１０の空費を避けることができる。

以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
以上では、均油弁２３の原則的な開閉を閉塞期間ｔ_ｗと均油期間ｔ_ｍにより制御しているが、本発明はこれに限らない。均油弁２３を開く条件として、温度情報Ｔ_０，Ｔ_１を利用することができる。つまり、図４に示すように、Ｔ_０−Ｔ_１がΔＴを超えていれば均油弁２３を開き（図４ ステップ２０３，ステップ１０９）、Ｔ_０−Ｔ_１がΔＴ以下であれば均油弁２３を閉じる（図４ ステップ１１３，Ｓ１０１）こともできる。

また、温度情報Ｔ_０と比較する温度情報は、温度情報Ｔ_１に限るものではなく、高段側圧縮機１０ｂにおける検出温度（温度情報）Ｔ_２と比較してもよい。この場合に求められる差分はＴ_２−Ｔ_０であり、この差分が予め定められた値ΔＴＴ以下になると、制御装置３０は、冷媒が均油配管２１を流れているものと判断する。なお、高段側圧縮機１０ｂにおける温度は、冷凍機油が溜められている下方において検出される。

［第２実施形態］
以下、第１実施形態として説明したヒートポンプシステム１を適用したヒートポンプ式の給湯・空調機１００を、本発明の第２実施形態として説明する。
給湯・空調機１００は、図５及び図６に示すように、ヒートポンプ系統２００と、水系統３００と、から構成されている。

［ヒートポンプ系統２００］
ヒートポンプ系統２００は、第１実施形態で説明したヒートポンプシステム１を利用したものであり、室外の空気（外気）と冷媒との間で熱交換を行う。ヒートポンプシステム１に対応する要素がある場合には、第１実施形態と同じ符号を付して、その説明を省略する。ただし、第１熱交換器１１は、水対冷媒熱交換器１１と読み替えるものとする。水対冷媒熱交換器１１は、水系統３００側の水と冷媒とを熱交換させることによって水を加熱する。また、第２熱交換器１３は、熱源側空気熱交換器１３と読み替えるものとする。さらに、ヒートポンプ系統２００は、ヒートポンプシステム１が備えていない以下の要素を含んでいる。

ヒートポンプ系統２００は、高段側圧縮機１０ｂの吐出側の配管Ｌ２と低段側圧縮機１０ａの吸入側の配管Ｌ４との間に四方切替え弁１５を備えており、この四方切替え弁１５により冷媒の循環方向を可逆させ、熱源側空気熱交換器１３を経て水対冷媒熱交換器１１へと時計回りに冷媒を循環させる冷房サイクル（デフロストサイクル）と、水対冷媒熱交換器１１を経て熱源側空気熱交換器１３へと反時計回りに冷媒を循環させる暖房サイクルとのいずれか一方が選択可能とされている。

ヒートポンプ系統２００は、熱源側空気熱交換器１３、水対冷媒熱交換器１１および四方切替え弁１５の他、絞り機構としての冷房用膨張弁１２ａ、暖房用膨張弁１２ｂ及びレシーバ１８が設けられている。この冷房用膨張弁１２ａおよび暖房用膨張弁１２ｂは、レシーバ１８を挟んで直列に配置されている。
また、ヒートポンプ系統２００は、配管Ｌ３にエコノマイザ回路１６が設けられている。エコノマイザ回路１６は、エコノマイザ用熱交換器１６ａと、エコノマイザ用膨張弁１６ｂと、インジェクション管１６ｃを備えている。水対冷媒熱交換器１１を経た液冷媒は、その一部がエコノマイザ用膨張弁１６ｂを経てエコノマイザ用熱交換器１６ａに導入され、配管Ｌ３を流れる液冷媒と熱交換させて蒸発した後、このガス冷媒を低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂの間の中間圧の配管Ｌ１にインジェクション管１６ｃを介して注入される。
また、ヒートポンプ系統２００は、低段側圧縮機１０ａの吐出側にオイルセパレータ２７を、高段側圧縮機１０ｂの吐出側にオイルセパレータ２８を備えている。低段側圧縮機１０ａから吐出された冷媒に含まれる冷凍機油はオイルセパレータ２７において冷媒から分離され、戻し配管２７Ｌを介して低段側圧縮機１０ａに戻される。同様に、高段側圧縮機１０ｂから吐出された冷媒に含まれる冷凍機油はオイルセパレータ２８において冷媒から分離され、戻し配管２８Ｌを介して高段側圧縮機１０ｂに戻される。

［水系統３００］
水系統３００は、水循環ポンプ３０７を介して循環される水がヒートポンプ系統２００に設けられている水対冷媒熱交換器１１で冷媒から吸熱して温水とされ、その温水を負荷側のラジエータ３０３との間で循環させることにより、暖房用の熱源等として利用する温水循環流路３０１を備えている。この温水循環流路３０１には、流量割合を調整可能な三方切替え弁３０６を介して温水循環流路３０１から温水を導入し、その温水を蓄熱温水として蓄えることができる蓄熱タンク３０５が接続されている。

蓄熱タンク３０５は、水対冷媒熱交換器１１で加熱された温水を、ラジエータ３０３に循環する温水循環流路３０１中に設けられている三方切替え弁３０６を介してその上部から蓄熱温水を取水し、必要なタイミングで温水循環流路３０１側に放出する。

また、蓄熱タンク３０５には、貯湯されている蓄熱温水の熱を利用して加熱された給湯用の温水を供給するサニタリ水供給回路（図示を省略）、必要に応じて通電される電気ヒータ（図示を省略）が設けられている。

以上のように構成されている水系統３００は、三方切替え弁３０６を選択切替えすることにより、ラジエータ３０３に温水を供給する暖房運転または蓄熱タンク３０５に温水を供給する蓄熱運転のいずれか一方を選択して実施し、あるいは、ラジエータ３０３および蓄熱タンク３０５の両方に温水を分割供給して温水による暖房運転及び蓄熱運転の両方を同時に実施可能な構成とされている。
また、水系統３００は、蓄熱タンク３０５から水循環ポンプ３０７によって供給された加熱対象としての水が、水対冷媒熱交換器１１においてヒートポンプ系統２００の冷媒と熱交換することで加熱される。

一方、ヒートポンプ系統２００において、暖房サイクルが選択されると、低温低圧のガス冷媒が圧縮機構１０（低段側圧縮機１０ａ，高段側圧縮機１０ｂ）で圧縮され、高温高圧のガス冷媒としてヒートポンプ系統２００に吐出される。このガス冷媒は、図５に実線矢印で示されるように、四方切替え弁１５により水対冷媒熱交換器１１に導かれて反時計回りに循環される。この場合、水対冷媒熱交換器１１は、水循環ポンプ３０７により循環される水系統３００の水と高温高圧ガス冷媒とを熱交換させる熱交換器であり、冷媒の凝縮により放熱される凝縮熱が水を加熱する凝縮器として機能する。この結果、ヒートポンプ系統２００を流れる高温高圧のガス冷媒は、凝縮して高温高圧の液冷媒となり、水系統３００を流れる水は冷媒から吸熱して温水となる。

水対冷媒熱交換器１１で凝縮された冷媒は、全開の冷房用膨張弁１２ａを通ってレシーバ１８に流入する。このレシーバ１８では、冷媒の気液分離が行われるとともに、循環する冷媒量の調整が行われる。レシーバ１８の下流側には、高温高圧の液冷媒を減圧する暖房用膨張弁１２ｂが配置されている。暖房用膨張弁１２ｂを冷媒が通過することにより、高温高圧の液冷媒は減圧されて低温低圧の気液二相冷媒となり、熱源側空気熱交換器１３に導かれる。蒸発器として機能する熱源側空気熱交換器１３に導入された気液二相冷媒は、外気と熱交換することにより外気から吸熱して気化する。

このように、熱源側空気熱交換器１３を通過することにより、外気から吸熱して気化した低温低圧のガス冷媒は、再び四方切替え弁１５を経て低段側圧縮機１０ａに吸引される。こうして低段側圧縮機１０ａに吸引された低温低圧のガス冷媒は、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂで順番に圧縮されて高温高圧のガス冷媒となり、以下同様の経路を循環して気液の状態変化を繰り返す。この際、低温となる熱源側空気熱交換器１３の外周面に、空気中の水分等が氷結して着霜現象が生じることがある。

着霜は、熱源側空気熱交換器１３での冷媒と外気との熱交換を阻害し、熱交換効率を低下させるため、霜の堆積の有無を検知することにより、適当な運転時間毎にデフロスト運転を実施して霜を除去する必要がある。このデフロスト運転は、上述のヒートポンプ系統２００において、四方切替え弁１５を切替えて冷媒の循環方向を逆転させ、図６中の一点差線の矢印方向に冷媒を循環させる冷房サイクル（デフロストサイクル）に切替え、高段側圧縮機１０ｂから吐出された高温高圧のガス冷媒を熱源側空気熱交換器１３に導入し、その放熱（凝縮熱）で熱源側空気熱交換器１３に付着している霜を融解することによって行われる。

このリバースサイクル方式によるデフロスト運転時には、水対冷媒熱交換器１１は、蒸発器として機能し、温水循環流路３０１を流れる水から吸熱して冷媒を気化させ、その熱を用いて熱源側空気熱交換器１３に着霜した霜を融解することとなる。この際、水温が低下しすぎると、水対冷媒熱交換器１１内で水が凍結し、熱交換器破損のリスクが発生する。このため、デフロスト時、水対冷媒熱交換器１１に循環される水温と共に冷媒の蒸発温度が低下しすぎないようにする必要がある。

以上説明した給湯・空調機１００においても、第１実施形態と同様にして、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂの間に設けられる均油弁２３の開閉を制御する。したがって、本実施形態の給湯・空調機１００によると、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂの運転を停止することなく、かつ、均油弁２３の開閉という簡易な操作によって、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂにおける冷凍機油の均一化を図ることができる。

以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
例えば、第１実施形態で述べた本発明における最低限の要素を除く部分は任意である。例えば、室内用熱交換器をさらに備える給湯・空調機に本発明を適用することもできるし、逆に、貯湯機能のみを備えるヒートポンプ式給湯器に適用することもできる。

１ ヒートポンプシステム
１０ａ 低段側圧縮機
１０ｂ 高段側圧縮機
１１ 第１熱交換器，水対冷媒熱交換器
１１ｆ 送風ファン
１２ 膨張弁
１２ａ 冷房用膨張弁
１２ｂ 暖房用膨張弁
１３ 第２熱交換器，熱源側空気熱交換器
１３ｆ 送風ファン
１５ 四方切替え弁
１６ エコノマイザ回路
１６ａ エコノマイザ用熱交換器
１６ｂ エコノマイザ用膨張弁
１６ｃ インジェクション管
１８ レシーバ
２０ 均油機構
２１ 均油配管
２３ 均油弁
２５ 第１温度センサ
２６ 第２温度センサ
２７，２８ オイルセパレータ
２７Ｌ，２８Ｌ 戻し配管
３０ 制御装置
１００ 給湯・空調機
２００ ヒートポンプ系統
３００ 水系統
３０１ 温水循環流路
３０３ ラジエータ
３０５ 蓄熱タンク
３０６ 三方切替え弁
３０７ 水循環ポンプ
Ｌ１〜Ｌ４ 配管

Claims (5)

1. 低段側圧縮機と高段側圧縮機を備え、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機構と、
   前記圧縮機構で圧縮された前記冷媒が熱交換対象と熱交換する第１熱交換器と、
   前記第１熱交換器から流出する前記冷媒を減圧膨張させる膨張弁と、
   前記膨張弁にて減圧膨張された前記冷媒が熱交換対象と熱交換する第２熱交換器と、
   前記低段側圧縮機と前記高段側圧縮機を繋ぎ、前記低段側圧縮機と前記高段側圧縮機の間で冷凍機油を流通させる均油配管と、
   前記均油配管を開閉する均油弁と、
   前記均油弁の開閉動作を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記均油配管を前記冷媒が流れているものと判断すると、開いている前記均油弁を閉じるように指示する、
   ことを特徴とするヒートポンプシステム。
2. 前記制御装置は、
   前記均油配管における検出温度Ｔ_０と、
   前記低段側圧縮機から前記高段側圧縮機に向けて前記冷媒を流す冷媒配管における検出温度Ｔ_１、及び、前記高段側圧縮機における検出温度Ｔ_２の一方又は双方と、
   の比較に基づいて、前記均油配管を前記冷媒が流れているか否かを判断する、
   請求項１に記載のヒートポンプシステム。
3. 前記制御装置は、
   非定常な運転時には、開ける条件が整っていたとしても、前記均油弁を閉じ続けるように、指示する、
   請求項１又は請求項２に記載のヒートポンプシステム。
4. 前記制御装置は、
   前記高段側圧縮機の回転数が、予め定められた値よりも小さい場合には、
   前記均油配管を前記冷媒が流れているか否かの前記判断に関わらず、
   前記均油弁を、一定時間ごとに開閉を交互に繰り返すように指示する、
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒートポンプシステムの前記第１熱交換器が、冷媒と水とを熱交換させて水を加熱する水対冷媒熱交換器である、
   ことを特徴とするヒートポンプ式給湯器。

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