JP5595521B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

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Description

この発明は、たとえばビル用マルチエアコン等に適用されるヒートポンプ装置に関するものである。
従来から、ビル用マルチエアコンなどのヒートポンプ装置においては、たとえば建物外に配置した熱源機である室外機と建物の室内に配置した室内機との間に冷媒を循環させる。そして、冷媒が放熱、吸熱して、加熱、冷却された空気により空調対象空間の冷房または暖房を行なっていた。このようなヒートポンプ装置に使用される冷媒としては、たとえばHFC(ハイドロフルオロカーボン)系冷媒が多く使われている。また、二酸化炭素(CO2 )等の自然冷媒を使うものも提案されている。
また、チラーと呼ばれるヒートポンプ装置においては、建物外に配置した熱源機にて、冷熱または温熱を生成する。室外機内に配置した熱交換器で水、不凍液等の熱媒体を加熱、冷却し、これを室内機であるファンコイルユニット、パネルヒーター、ラジエーター等に搬送して冷房または暖房を行なっていた(たとえば、特許文献1参照)。
また、排熱回収型チラーと呼ばれる、熱源機と室内機の間に4本の水配管を接続し、冷却、加熱した水等を同時に供給し、室内機において冷房または暖房を自由に選択できるものもある(たとえば、特許文献2参照)。
また、1次冷媒と2次冷媒の熱交換器を各室内機の近傍に配置し、室内機に2次冷媒を搬送するように構成されているものもある(たとえば、特許文献3参照)。
また、室外機と熱交換器を持つ分岐ユニット間を2本の配管で接続し、室内機に2次冷媒を搬送するように構成されているものもある(たとえば、特許文献4参照)。
また、ビル用マルチエアコンなどのヒートポンプ装置において、室外機から中継器まで冷媒を循環させ、中継器から室内機まで水等の熱媒体を循環させることにより、室内機に水等の熱媒体を循環させながら、熱媒体の搬送動力を低減させるヒートポンプ装置が存在している(たとえば、特許文献5参照)。
特開2005−140444号公報(第4頁、図1等) 特開平5−280818号公報(第4、5頁、図1等) 特開2001−289465号公報(第5〜8頁、図1、図2等) 特開2003−343936号公報(第5頁、図1等) WO10/049998号公報(第3頁、図1等)
従来のビル用マルチエアコン等のヒートポンプ装置では、室内機まで冷媒を循環させているため、冷媒が室内等に漏れる可能性があった。一方、特許文献1及び特許文献2に記載されているようなヒートポンプ装置では、冷媒が室内機を通過することはない。しかしながら、特許文献1及び特許文献2に記載されているようなヒートポンプ装置では、建物外の熱源機において熱媒体を加熱または冷却し、室内機側に搬送する必要がある。このため、熱媒体の循環経路が長くなる。ここで、熱媒体により、所定の加熱あるいは冷却の仕事をする熱を搬送しようとすると、搬送動力等によるエネルギーの消費量が冷媒よりも高くなる。そのため、循環経路が長くなると、搬送動力が非常に大きくなる。このことから、ヒートポンプ装置において、熱媒体の循環をうまく制御することができれば省エネルギー化を図れることがわかる。
特許文献2に記載されているようなヒートポンプ装置においては、室内機毎に冷房または暖房を選択できるようにするためには室外側から室内まで4本の配管を接続しなければならず、工事性が悪いものとなっていた。特許文献3に記載されているヒートポンプ装置においては、ポンプ等の2次媒体循環手段を室内機個別に持つ必要があるため、高価なシステムとなるだけでなく、騒音も大きいものとなり、実用的なものではなかった。加えて、熱交換器が室内機の近傍にあるため、冷媒が室内に近い場所で漏れるという危険性を排除することができなかった。
特許文献4に記載されているようなヒートポンプ装置においては、熱交換後の1次冷媒(熱源側冷媒)が熱交換前の1次冷媒と同じ流路に流入しているため、複数の室内機を接続した場合に、各室内機にて最大能力を発揮することができず、エネルギー的に無駄な構成となっていた。また、分岐ユニットと延長配管との接続が冷房2本、暖房2本の合計4本の配管でなされているため、結果的に室外機と分岐ユニットとが4本の配管で接続されているシステムと類似の構成となっており、工事性が悪いシステムとなっていた。
特許文献5に記載されているようなヒートポンプ装置においては、複数の冷媒−熱媒体間熱交換器を備え、冷媒を直接室内に導かずに、冷水と温水を同時に生成することができるが、給湯に使用する高温水を生成することはできなかった。
とこで、パネルヒーター、ラジエーター等に接続する場合は、ファンコイルのようにファンがなく、自然滞留と輻射による伝熱のため、伝熱性能がファンコイルよりも悪い。その結果、水温(熱媒体の温度)を70℃レベルまで上げて対応する必要があるが、効率・信頼性を確保しつつ、1次ループの冷凍サイクルで実現できる水温は55℃あたりが限界であった。また、昨今の地球温暖化防止の観点から、ボイラーによるお湯生成では効率が悪いため、効率のよい冷凍サイクルへの置き換えが強く要望されている。
本発明は、上記の課題のうち少なくとも1つを解決するためになされたもので、省エネルギー化を図ることができるヒートポンプ装置を提供することを目的としている。本発明は、室内機または室内機の近傍まで冷媒を循環させずに安全性の向上を図ることができるヒートポンプ装置を提供すること目的としている。本発明は、室外機と分岐ユニット(熱媒体変換機)または室内機との接続配管を減らし、工事性の向上を図るとともに、エネルギー効率を向上させることができるヒートポンプ装置を提供することを目的としている。また、本発明は、2次ループの冷凍サイクルを用いることで、高い効率で第2熱媒体を高温に加熱しつつ、信頼性及び効率を確保した状態で冷房・暖房を同時に実現することができるヒートポンプ装置を提供することを目的としている。
本発明に係るヒートポンプ装置は、第1圧縮機、熱源側熱交換器、第1絞り装置、熱媒体間熱交換器の冷媒側流路と、が冷媒配管で接続され、第1冷媒を循環させる第1冷媒回路と、ポンプ、利用側熱交換器、前記熱媒体間熱交換器の熱媒体側流路と、が熱媒体配管で接続され、第1熱媒体を循環させる第1熱媒体循環回路と、第2圧縮機、第1熱交換器、第2絞り装置、第2熱交換器と、が冷媒配管で接続され、前記第2熱交換器を介して前記第1冷媒と熱交換する第2冷媒を循環させる第2冷媒回路と、前記第1熱交換器を介して前記第2冷媒と熱交換する第2熱媒体を循環させる第2熱媒体循環回路と、を有し、前記熱媒体間熱交換器は、複数であり、前記複数の熱媒体間熱交換器の全部で前記第1熱媒体を加熱する全暖房運転モードと、前記複数の熱媒体間熱交換器の全部で前記第1熱媒体を冷却する全冷房運転モードと、前記複数の熱媒体間熱交換器の一部で前記第1熱媒体を加熱し、前記複数の熱媒体間熱交換器の残りで前記第1熱媒体を冷却する冷房暖房混在運転モードと、が切り替えられ、前記第1冷媒は、前記第2熱交換器の前記第1冷媒が流入する流路の出口側に設けられた第3絞り装置の開度制御と、開状態の時、前記第2熱交換器の前記第1冷媒が流入する流路の入口側と前記第3絞り装置の出口側とを連通させる第1開閉装置の開閉制御と、によって、前記第2熱交換器への流入制御され、前記全暖房運転モードでは、前記第2熱媒体の加熱時に、前記第2熱交換器と、並列に接続された前記複数の熱媒体間熱交換器と、が並列に接続されつつ、前記第1冷媒が前記第2熱交換器に供給され、前記全冷房運転モードでは、前記第2熱媒体の加熱時に、前記第2熱交換器と、並列に接続された前記複数の熱媒体間熱交換器と、が直列に接続されつつ、前記第1冷媒が前記第2熱交換器に供給され、前記冷房暖房混在運転モードでは、前記第2熱媒体の加熱時に、前記複数の熱媒体間熱交換器のうちの前記第1熱媒体を加熱する熱媒体間熱交換器と、前記複数の熱媒体間熱交換器のうちの前記第1熱媒体を冷却する熱媒体間熱交換器と、が直列に接続され、且つ、前記第2熱交換器と、前記複数の熱媒体間熱交換器のうちの前記第1熱媒体を加熱する熱媒体間熱交換器とが、並列に接続されつつ、前記第1冷媒が前記第2熱交換器に供給される
本発明に係るヒートポンプ装置によれば、熱媒体が循環する配管を短くでき、搬送動力が少なくて済むため、省エネルギー化を図ることができる。また、本発明に係るヒートポンプ装置によれば、熱媒体の外部への流出が起きた場合でも、少量ですみ、安全性を向上できる。さらに、本発明に係るヒートポンプ装置によれば、工事性の向上を図ることが可能になる。またさらに、本発明に係るヒートポンプ装置によれば、第2冷媒回路を設けることで2次ループの冷凍サイクルを形成でき、高い効率で第2熱媒体を高温に加熱しつつ、信頼性及び効率を確保した状態で冷房・暖房を同時に実現することができる。
本発明の実施の形態1に係るヒートポンプ装置の設置例を示す概略図である。 本発明の実施の形態1に係るヒートポンプ装置の回路構成の一例を示す概略回路構成図である。 本発明の実施の形態1に係るヒートポンプ装置の全冷房運転モード1時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態1に係るヒートポンプ装置の全冷房運転モード2時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態1に係るヒートポンプ装置の全暖房運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 冷媒循環回路Aと冷媒循環回路Cとの動作点をP−h線図上に表した図である。 本発明の実施の形態1に係るヒートポンプ装置の冷房主体運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態1に係るヒートポンプ装置の暖房主体運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態2に係るヒートポンプ装置の回路構成の一例を示す概略回路構成図である。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係るヒートポンプ装置の設置例を示す概略図である。図1に基づいて、実施の形態1に係るヒートポンプ装置の設置例について説明する。このヒートポンプ装置は、冷媒(熱源側冷媒(第1冷媒)、熱媒体(第1熱媒体))を循環させる冷凍サイクル(冷媒循環回路A(第1冷媒回路)、熱媒体循環回路B(第1熱媒体循環回路)、冷媒循環回路C(第2冷媒回路))を利用することで各室内機が運転モードとして冷房モードあるいは暖房モードを自由に選択でき、給湯装置を介して高温水を供給可能にするものである。なお、図1を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
図1においては、本実施の形態1に係るヒートポンプ装置は、熱源機である1台の室外機1と、複数台の室内機2と、水温昇温機300と、室外機1と負荷側ユニット(室内機2及び水温昇温機300)との間に介在する熱媒体変換機3と、水温昇温機300に接続されている貯湯タンク400と、を有している。水温昇温機300と貯湯タンク400とは、水(第2熱媒体)を導通する配管(熱媒体配管)402で接続されており、配管402には水を循環させるための水搬送装置401が取り付けられている。
熱媒体変換機3は、熱源側冷媒とこの熱源側冷媒とは異なる第1熱媒体とで熱交換を行なうものである。水温昇温機300は、熱源側冷媒と水温昇温機側冷媒(第2冷媒)とで熱交換を行なうものである。室外機1と水温昇温機300は、いわゆる2元サイクル(カスケードサイクル)を構成している。室外機1と熱媒体変換機3とは、熱源側冷媒を導通する冷媒配管4で接続されている。熱媒体変換機3と室内機2とは、第1熱媒体を導通する配管(熱媒体配管)5で接続されている。水温昇温機300は、後述する熱媒体間熱交換器15と並列の関係にあり、熱源側冷媒を導通する冷媒配管311で熱媒体変換機3に接続されている。そして、室外機1で生成された冷熱あるいは温熱は、熱媒体変換機3を介して室内機2や水温昇温機300に配送されるようになっている。
室外機1は、通常、ビル等の建物9の外の空間(たとえば、屋上等)である室外空間6に配置され、熱媒体変換機3を介して室内機2に冷熱又は温熱を供給するものである。室内機2は、建物9の内部の空間(たとえば、居室等)である室内空間7に冷房用空気あるいは暖房用空気を供給できる位置に配置され、空調対象空間となる室内空間7に冷房用空気あるいは暖房用空気を供給するものである。水温昇温機300、貯湯タンク400、及び、水搬送装置401は、ビル等の建物9の内部の空間(たとえば、機械室60等)に設置され、貯湯タンク400に高温水を貯えるようにするものである。なお、水温昇温機300の設置場所を機械室60に限定するものではなく、室外空間6や屋上等に設置してもよい。
熱媒体変換機3は、室外機1、室内機2及び水温昇温機300とは別筐体として、室外空間6及び室内空間7とは別の位置に設置できるように構成されており、室外機1及び室内機2とは冷媒配管4及び配管5でそれぞれ接続され、室外機1から供給される冷熱あるいは温熱を室内機2に伝達するものである。また、熱媒体変換機3は、冷媒配管311で水温昇温機300と接続され、室外機1から供給される温熱を水温昇温機300に伝達するものである。
図1に示すように、本実施の形1態に係るヒートポンプ装置においては、室外機1と熱媒体変換機3とが2本の冷媒配管4を用いて、熱媒体変換機3と各室内機2とが2本の配管5を用いて、熱媒体変換機3と水温昇温機300とが2本の冷媒配管311を用いて、それぞれ接続されている。このように、本実施の形態1に係るヒートポンプ装置では、2本の配管(冷媒配管4、配管5)を用いて各ユニット(室外機1、室内機2及び熱媒体変換機3)を接続することにより、施工が容易となっている。また、熱媒体変換機3を室内機2に近づけて設けることにより、第1熱媒体が循環する回路(熱媒体循環回路B)の配管を短くすることができる。このため、第1熱媒体の搬送動力を削減でき、省エネルギー化を図ることができる。
なお、図1においては、熱媒体変換機3が、建物9の内部ではあるが室内空間7とは別の空間である天井裏等の空間(以下、単に空間8と称する)に設置されている状態を例に示している。熱媒体変換機3は、その他、エレベーター等がある共用空間等に設置することも可能である。また、図1においては、室内機2が天井カセット型である場合を例に示してあるが、これに限定するものではなく、天井埋込型や天井吊下式等、室内空間7に直接又はダクト等により、暖房用空気あるいは冷房用空気を吹き出せるようになっていればどんな種類のものでもよい。
図1においては、室外機1が室外空間6に設置されている場合を例に示しているが、これに限定するものではない。たとえば、室外機1は、換気口付の機械室等の囲まれた空間に設置してもよく、排気ダクトで廃熱を建物9の外に排気することができるのであれば建物9の内部に設置してもよく、あるいは、水冷式の室外機1を用いる場合にも建物9の内部に設置するようにしてもよい。このような場所に室外機1を設置するとしても、特段の問題が発生することはない。また、水温昇温機300が貯湯タンク400に接続されている場合を例に示しているが、水温昇温機300をパネルヒーターやラジエーターに接続してもよい。
図1においては、室外機1が室外空間6に設置されている場合を例に示しているが、これに限定するものではない。例えば、室外機1は、換気口付の機械室等の囲まれた空間に設置してもよく、排気ダクトで廃熱を建物9の外に排気することができるのであれば建物9の内部に設置してもよく、又は、水冷式の室外機1を用いる場合にも建物9の内部に設置するようにしてもよい。このような場所に室外機1を設置するとしても、特段の問題が発生することはない。
また、熱媒体変換機3は、室外機1の近傍に設置することもできる。ただし、熱媒体変換機3から室内機2までの距離が長すぎると、第1熱媒体の搬送動力がかなり大きくなるため、省エネルギー化の効果は薄れることに留意が必要である。さらに、室外機1、室内機2、水温昇温機300及び熱媒体変換機3の接続台数を図1に図示してある台数に限定するものではなく、本実施の形態1に係るヒートポンプ装置が設置される建物9に応じて台数を決定すればよい。
図2は、本実施の形態1に係るヒートポンプ装置(以下、ヒートポンプ装置100と称する)の回路構成の一例を示す概略回路構成図である。図2に基づいて、ヒートポンプ装置100の詳しい構成について説明する。図2に示すように、室外機1と熱媒体変換機3とが、熱媒体変換機3に備えられている熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bを介して冷媒配管4で接続されている。また、熱媒体変換機3と室内機2とも、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bを介して配管5で接続されている。水温昇温機300と室外機1とは、冷媒配管4の一部を分岐した冷媒配管311で接続されている。なお、各配管(冷媒配管4、冷媒配管311、配管5、配管402)については後段で詳述するものとする。
[室外機1]
室外機1には、圧縮機(第1圧縮機)10と、四方弁等の第1冷媒流路切替装置11と、熱源側熱交換器12と、アキュムレーター19とが冷媒配管4で直列に接続されて搭載されている。また、室外機1には、第1接続配管4a、第2接続配管4b、逆止弁13a、逆止弁13b、逆止弁13c、及び、逆止弁13dが設けられている。第1接続配管4a、第2接続配管4b、逆止弁13a、逆止弁13b、逆止弁13c、及び、逆止弁13dを設けることで、室内機2の要求する運転に関わらず、熱媒体変換機3に流入させる熱源側冷媒の流れを一定方向にすることができる。
圧縮機10は、熱源側冷媒を吸入し、その熱源側冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にするものであり、たとえば容量制御可能なインバータ圧縮機等で構成するとよい。この圧縮機10は、熱源側冷媒を冷媒循環回路Aに循環させる第1圧縮機として機能する。第1冷媒流路切替装置11は、暖房運転時(全暖房運転モード時及び暖房主体運転モード時)における熱源側冷媒の流れと冷房運転時(全冷房運転モード時及び冷房主体運転モード時)における熱源側冷媒の流れとを切り替えるものである。
熱源側熱交換器12は、暖房運転時には蒸発器として作用し、冷房運転時には凝縮器(又は放熱器)として作用し、図示省略のファン等の送風機から供給される空気と熱源側冷媒との間で熱交換を行ない、その熱源側冷媒を蒸発ガス化又は凝縮液化するものである。アキュムレーター19は、圧縮機10の吸入側に設けられており、暖房運転時と冷房運転時の違いによる余剰冷媒、又は過渡的な運転の変化に対する余剰冷媒を蓄えるものである。
逆止弁13dは、熱媒体変換機3と第1冷媒流路切替装置11との間における冷媒配管4に設けられ、所定の方向(熱媒体変換機3から室外機1への方向)のみに熱源側冷媒の流れを許容するものである。逆止弁13aは、熱源側熱交換器12と熱媒体変換機3との間における冷媒配管4に設けられ、所定の方向(室外機1から熱媒体変換機3への方向)のみに熱源側冷媒の流れを許容するものである。逆止弁13bは、第1接続配管4aに設けられ、暖房運転時において圧縮機10から吐出された熱源側冷媒を熱媒体変換機3に流通させるものである。逆止弁13cは、第2接続配管4bに設けられ、暖房運転時において熱媒体変換機3から戻ってきた熱源側冷媒を圧縮機10の吸入側に流通させるものである。
第1接続配管4aは、室外機1内において、第1冷媒流路切替装置11と逆止弁13dとの間における冷媒配管4と、逆止弁13aと熱媒体変換機3との間における冷媒配管4と、を接続するものである。第2接続配管4bは、室外機1内において、逆止弁13dと熱媒体変換機3との間における冷媒配管4と、熱源側熱交換器12と逆止弁13aとの間における冷媒配管4と、を接続するものである。なお、図2では、第1接続配管4a、第2接続配管4b、逆止弁13a、逆止弁13b、逆止弁13c、及び、逆止弁13dを設けた場合を例に示しているが、これに限定するものではなく、これらを必ずしも設ける必要はない。
[室内機2]
室内機2には、それぞれ利用側熱交換器26が搭載されている。この利用側熱交換器26は、配管5によって熱媒体変換機3の熱媒体流量調整装置25と第2熱媒体流路切替装置23に接続するようになっている。この利用側熱交換器26は、図示省略のファン等の送風機から供給される空気と第1熱媒体との間で熱交換を行ない、室内空間7に供給するための暖房用空気あるいは冷房用空気を生成するものである。
この図2では、4台の室内機2が熱媒体変換機3に接続されている場合を例に示しており、紙面下から室内機2a、室内機2b、室内機2c、室内機2dとして図示している。また、室内機2a〜室内機2dに応じて、利用側熱交換器26も、紙面下側から利用側熱交換器26a、利用側熱交換器26b、利用側熱交換器26c、利用側熱交換器26dとして図示している。なお、図1と同様に、室内機2の接続台数を図2に示す4台に限定するものではない。
[熱媒体変換機3]
熱媒体変換機3には、2つの熱媒体間熱交換器15と、3つの第1絞り装置16と、高圧液管の液温を低下させるための過冷却熱交換器50と、1つの開閉装置17と、2つの第2冷媒流路切替装置18と、2つのポンプ21と、4つの第1熱媒体流路切替装置22と、4つの第2熱媒体流路切替装置23と、4つの熱媒体流量調整装置25と、が搭載されている。また、熱媒体変換機3には、水温昇温機300と接続するための接続口51a、接続口51bが設けられている。ヒートポンプ装置100では、熱媒体変換機3側の接続口(接続口51a及び接続口51b)と、後述する水温昇温機300側の接続口(接続口305a及び接続口305b)を介して冷媒配管が連結可能になっている。
また、熱媒体変換機3には、2つの熱媒体間熱交換器15と並列となるようにバイパス回路55が設けられている。このバイパス回路55を利用して過冷却熱交換器50が設置されるようになっている。バイパス回路55は、熱媒体変換機3の入口側と繋がる冷媒配管4を分岐し、出口側と繋がる冷媒配管4に接続させて2つの熱媒体間熱交換器15と並列にしている。過冷却熱交換器50は、水温昇温機300から流入してきた熱源側冷媒(熱媒体変換機3に流入してきた冷媒を含む場合もある(実施の形態2参照))と、バイパス回路55を流れる熱源側冷媒と、で熱交換を行なうものである。
2つの熱媒体間熱交換器15(熱媒体間熱交換器15a、熱媒体間熱交換器15b)は、凝縮器(放熱器)又は蒸発器として作用し、熱源側冷媒と第1熱媒体とで熱交換を行ない、室外機1で生成され熱源側冷媒に貯えられた冷熱又は温熱を第1熱媒体に伝達するものである。熱媒体間熱交換器15aは、冷媒循環回路Aにおける絞り装置16aと第2冷媒流路切替装置18aとの間に設けられており、冷房暖房混在運転モード時において第1熱媒体の冷却に供するものである。また、熱媒体間熱交換器15bは、冷媒循環回路Aにおける絞り装置16bと第2冷媒流路切替装置18bとの間に設けられており、冷房暖房混在運転モード時において第1熱媒体の加熱に供するものである。
3つの絞り装置16(絞り装置16a、絞り装置16b、絞り装置16c)は、減圧弁や膨張弁としての機能を有し、熱源側冷媒を減圧して膨張させるものである。絞り装置16aは、冷房運転時の熱源側冷媒の流れにおいて熱媒体間熱交換器15aの上流側に設けられている。絞り装置16bは、冷房運転時の熱源側冷媒の流れにおいて熱媒体間熱交換器15bの上流側に設けられている。また、絞り装置16cは、冷房運転時に、絞り装置16a、絞り装置16b上流側における高圧液冷媒の過冷却度を大きくし、性能をアップさせる目的と運転を安定させる目的で設けている。絞り装置16cは、全冷運転時の高圧液配管と低圧ガス管を接続するバイパス回路55に設けられている。3つの絞り装置16は、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁等で構成するとよい。また、機械式膨張弁等を絞り装置16として用いてもよい。
開閉装置17は、二方弁等で構成されており、冷媒配管4を開閉するものである。開閉装置17は、熱源側冷媒の入口側における冷媒配管4、詳しくは2本の冷媒配管311を接続する配管に設けられている。
2つの第2冷媒流路切替装置18(第2冷媒流路切替装置18a、第2冷媒流路切替装置18b)は、たとえば四方弁等で構成され、運転モードに応じて熱源側冷媒の流れを切り替えるものである。第2冷媒流路切替装置18aは、冷房運転時の熱源側冷媒の流れにおいて熱媒体間熱交換器15aの下流側に設けられている。第2冷媒流路切替装置18bは、全冷房運転モード時の熱源側冷媒の流れにおいて熱媒体間熱交換器15bの下流側に設けられている。
2つのポンプ21(ポンプ21a、ポンプ21b)は、配管5を介して第1熱媒体を循環させるものである。ポンプ21aは、熱媒体間熱交換器15aと第2熱媒体流路切替装置23との間における配管5に設けられている。ポンプ21bは、熱媒体間熱交換器15bと第2熱媒体流路切替装置23との間における配管5に設けられている。2つのポンプ21は、たとえば容量制御可能なポンプ等で構成し、室内機2における負荷の大きさによってその流量を調整できるようにしておくとよい。
4つの第1熱媒体流路切替装置22(第1熱媒体流路切替装置22a〜第1熱媒体流路切替装置22d)は、三方弁等で構成されており、第1熱媒体の流路を切り替えるものである。第1熱媒体流路切替装置22は、室内機2の設置台数に応じた個数(ここでは4つ)が設けられるようになっている。第1熱媒体流路切替装置22は、三方のうちの一つが熱媒体間熱交換器15aに、三方のうちの一つが熱媒体間熱交換器15bに、三方のうちの一つが熱媒体流量調整装置25に、それぞれ接続され、利用側熱交換器26の熱媒体流路の出口側に設けられている。なお、室内機2に対応させて、紙面下側から第1熱媒体流路切替装置22a、第1熱媒体流路切替装置22b、第1熱媒体流路切替装置22c、第1熱媒体流路切替装置22dとして図示している。また、熱媒体流路の切替には、一方から他方への完全な切替だけでなく、一方から他方への部分的な切替も含んでいるものとする。
4つの第2熱媒体流路切替装置23(第2熱媒体流路切替装置23a〜第2熱媒体流路切替装置23d)は、三方弁等で構成されており、第1熱媒体の流路を切り替えるものである。第2熱媒体流路切替装置23は、室内機2の設置台数に応じた個数(ここでは4つ)が設けられるようになっている。第2熱媒体流路切替装置23は、三方のうちの一つが熱媒体間熱交換器15aに、三方のうちの一つが熱媒体間熱交換器15bに、三方のうちの一つが利用側熱交換器26に、それぞれ接続され、利用側熱交換器26の熱媒体流路の入口側に設けられている。なお、室内機2に対応させて、紙面下側から第2熱媒体流路切替装置23a、第2熱媒体流路切替装置23b、第2熱媒体流路切替装置23c、第2熱媒体流路切替装置23dとして図示している。また、熱媒体流路の切替には、一方から他方への完全な切替だけでなく、一方から他方への部分的な切替も含んでいるものとする。
4つの熱媒体流量調整装置25(熱媒体流量調整装置25a〜熱媒体流量調整装置25d)は、開口面積を制御できる二方弁等で構成されており、利用側熱交換器26(配管5)に流れる第1熱媒体の流量を制御するものである。熱媒体流量調整装置25は、室内機2の設置台数に応じた個数(ここでは4つ)が設けられるようになっている。熱媒体流量調整装置25は、一方が利用側熱交換器26に、他方が第1熱媒体流路切替装置22に、それぞれ接続され、利用側熱交換器26の熱媒体流路の出口側に設けられている。すなわち、熱媒体流量調整装置25は、室内機2へ流入する第1熱媒体の温度及び流出する第1熱媒体の温度により室内機2へ流入する第1熱媒体の量を調整し、負荷に応じた最適な第1熱媒体の量を室内機2に提供可能とするものである。
なお、室内機2に対応させて、紙面下側から熱媒体流量調整装置25a、熱媒体流量調整装置25b、熱媒体流量調整装置25c、熱媒体流量調整装置25dとして図示している。また、熱媒体流量調整装置25を利用側熱交換器26の熱媒体流路の入口側に設けてもよい。さらに、熱媒体流量調整装置25を利用側熱交換器26の熱媒体流路の入口側であって、第2熱媒体流路切替装置23と利用側熱交換器26との間に設けてもよい。またさらに、室内機2において、停止やサーモOFF等の負荷を必要としていないときは、熱媒体流量調整装置25を全閉にすることにより、室内機2への熱媒体供給を止めることができる。
熱媒体変換機3には、水温昇温機300と接続するための2つの接続口(接続口51a、接続口51b)が設けられている。接続口51aは、開閉装置17の上流に設けられている。接続口51bは、開閉装置17と過冷却熱交換器50の高圧側の入口との間に設けられている。つまり、接続口51a及び接続口51bは、熱媒体変換機3内で冷媒配管4を分岐させた冷媒配管311を水温昇温機300に接続するために設けられている。
また、熱媒体変換機3には、各種検出手段(2つの第1温度センサー31、4つの第2温度センサー34、4つの第3温度センサー35、第1圧力センサー36、第4温度センサー52、第5温度センサー53)が設けられている。これらの検出手段で検出された情報(温度情報、圧力情報)は、ヒートポンプ装置100の動作を統括制御する制御装置(図示省略)に送られ、圧縮機10の駆動周波数、図示省略の送風機の回転数、第1冷媒流路切替装置11の切り替え、ポンプ21の駆動周波数、第2冷媒流路切替装置18の切り替え、第1熱媒体の流路の切替、室内機2の熱媒体流量の調整等の制御に利用されることになる。
2つの第1温度センサー31(第1温度センサー31a、第1温度センサー31b)は、熱媒体間熱交換器15から流出した第1熱媒体、つまり熱媒体間熱交換器15の出口における第1熱媒体の温度を検出するものであり、たとえばサーミスター等で構成するとよい。第1温度センサー31aは、ポンプ21aの入口側における配管5に設けられている。第1温度センサー31bは、ポンプ21bの入口側における配管5に設けられている。
4つの第2温度センサー34(第2温度センサー34a〜第2温度センサー34d)は、第1熱媒体流路切替装置22と熱媒体流量調整装置25との間に設けられ、利用側熱交換器26から流出した第1熱媒体の温度を検出するものであり、たとえばサーミスター等で構成するとよい。第2温度センサー34は、室内機2の設置台数に応じた個数(ここでは4つ)が設けられるようになっている。なお、室内機2に対応させて、紙面下側から第2温度センサー34a、第2温度センサー34b、第2温度センサー34c、第2温度センサー34dとして図示している。また、第2温度センサー34は、熱媒体流量調整装置25と利用側熱交換器26との間の流路に設けてもよい。
4つの第3温度センサー35(第3温度センサー35a〜第3温度センサー35d)は、熱媒体間熱交換器15の熱源側冷媒の入口側又は出口側に設けられ、熱媒体間熱交換器15に流入する熱源側冷媒の温度又は熱媒体間熱交換器15から流出した熱源側冷媒の温度を検出するものであり、たとえばサーミスター等で構成するとよい。第3温度センサー35aは、熱媒体間熱交換器15aと第2冷媒流路切替装置18aとの間に設けられている。第3温度センサー35bは、熱媒体間熱交換器15aと絞り装置16aとの間に設けられている。第3温度センサー35cは、熱媒体間熱交換器15bと第2冷媒流路切替装置18bとの間に設けられている。第3温度センサー35dは、熱媒体間熱交換器15bと絞り装置16bとの間に設けられている。
第1圧力センサー36は、第3温度センサー35dの設置位置と同様に、熱媒体間熱交換器15bと絞り装置16bとの間に設けられ、熱媒体間熱交換器15bと絞り装置16bとの間を流れる熱源側冷媒の圧力を検出するものである。
第4温度センサー52は、バイパス回路55における過冷却熱交換器50の出口側に設けられ、過冷却熱交換器50から流出した熱源側冷媒の温度を検出するものであり、たとえばサーミスター等で構成するとよい。第5温度センサー53は、バイパス回路55における過冷却熱交換器50の入口側に設けられ、過冷却熱交換器50に流入する熱源側冷媒の温度を検出するものであり、たとえばサーミスター等で構成するとよい。そして、第5温度センサー53での検知温度と第4温度センサー52での検知温度との温度差によって、絞り装置16cの開度を調節するようになっている。
また、図示省略の制御装置は、マイコン等で構成されており、各種検出手段での検出情報及びリモコンからの指示に基づいて、圧縮機10の駆動周波数、送風機の回転数(ON/OFF含む)、第1冷媒流路切替装置11の切り替え、ポンプ21の駆動、絞り装置16の開度、開閉装置17の開閉、第2冷媒流路切替装置18の切り替え、第1熱媒体流路切替装置22の切り替え、第2熱媒体流路切替装置23の切り替え、及び、熱媒体流量調整装置25の開度等を制御し、後述する各運転モードを実行するようになっている。なお、制御装置は、ユニット毎に設けてもよく、室外機1又は熱媒体変換機3に設けてもよい。制御装置をユニット毎に設けた場合、有線または無線により通信可能に接続し、連携制御をする。
第1熱媒体を導通する配管5は、熱媒体間熱交換器15aに接続されるものと、熱媒体間熱交換器15bに接続されるものと、で構成されている。配管5は、熱媒体変換機3に接続される室内機2の台数に応じて分岐(ここでは、各4分岐)されている。そして、配管5は、第1熱媒体流路切替装置22、及び、第2熱媒体流路切替装置23で接続されている。第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23を制御することで、熱媒体間熱交換器15aからの第1熱媒体を利用側熱交換器26に流入させるか、熱媒体間熱交換器15bからの第1熱媒体を利用側熱交換器26に流入させるかが決定されるようになっている。つまり、第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23を制御することで、利用側熱交換器26の流入側流路及び流出側流路を、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bとの間で選択的に連通させることができる。
[水温昇温機]
水温昇温機300には、圧縮機(第2圧縮機)301と、2つの熱交換器(熱交換器304、熱交換器302)と、2つの絞り装置(絞り装置303、絞り装置(第3絞り装置)312)とが搭載されている。また、熱媒体変換機3と接続するための接続口305a、接続口305bが設けられている。接続口305a及び接続口305bには、冷媒配管4の一部を分岐させた冷媒配管311が設置されている。また、圧縮機301、熱交換器(第1熱交換器)302、絞り装置(第2絞り装置)303、及び、熱交換器(第2熱交換器)304は、水温昇温機側冷媒を導通する冷媒配管315で配管接続され、冷媒循環回路Cを形成している。
圧縮機301は、水温昇温機側冷媒を吸入し、その水温昇温機側冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にするものであり、たとえば容量制御可能なインバータ圧縮機等で構成するとよい。この圧縮機301は、水温昇温機側冷媒を冷媒循環回路Cに循環させる第2圧縮機として機能する。なお、圧縮機301の回転数(駆動周波数)は、図示省略の制御手段からの指令によって制御される。
熱交換器302は、凝縮器として作用し、冷媒循環回路Cを循環する水温昇温機側冷媒と配管402を循環する第2熱媒体との間で熱交換を行ない、第2熱媒体を昇温するものである。熱交換器304は、蒸発器として作用し、冷媒循環回路Cを循環する水温昇温機側冷媒と冷媒循環回路Aを循環する熱源側冷媒との間で熱交換を行ない、熱源側冷媒を冷却するものである。つまり、水温昇温機300は、熱交換器304を介して熱媒体変換機3と接続し、熱交換器302を介して貯湯タンク400と接続されている。なお、熱交換器302及び熱交換器304の種類を特に限定するものではなく、たとえばプレートフィンチューブ式の熱交換器や、二重管熱交換器で構成するとよい。
絞り装置303は、減圧弁や膨張弁としての機能を有し、高圧状態の水温昇温機側冷媒を減圧させるものである。絞り装置303は、熱交換器302と熱交換器304との間に設けられている。絞り装置312は、減圧弁や膨張弁としての機能を有し、高圧状態の熱源側冷媒を減圧させるものである。絞り装置312は、冷媒循環回路Aにおける熱交換器304と過冷却熱交換器50との間に設けられている。絞り装置303及び絞り装置312は、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁等で構成するとよい。また、機械式膨張弁等を絞り装置303及び絞り装置312として用いてもよい。
また、水温昇温機300には、各種検出手段(第6温度センサー306、第7温度センサー307、第8温度センサー308、第2圧力センサー309、第3圧力センサー310)が設けられている。これらの検出手段で検出された情報(温度情報)は、ヒートポンプ装置100の動作を統括制御する制御装置(図示省略)に送られ、圧縮機10の駆動周波数、図示省略の送風機の回転数、第1冷媒流路切替装置11の切り替え、ポンプ21の駆動周波数、第2冷媒流路切替装置18の切り替え、第1熱媒体の流路の切替、室内機2の熱媒体流量の調整等の他、圧縮機301の駆動周波数、絞り装置303及び絞り装置312の開度の制御に利用されることになる。
第6温度センサー306は、熱交換器302の第2熱媒体の出口側に設けられ、熱交換器302から流出した第2熱媒体、つまり熱交換器302で熱交換した後の第2熱媒体の温度を検出するものであり、たとえばサーミスター等で構成するとよい。第7温度センサー307は、熱交換器302の第2熱媒体の入口側に設けられ、熱交換器302に流入する第2熱媒体、つまり貯湯タンク400から戻ってきた第2熱媒体の温度を検出するものであり、たとえばサーミスター等で構成するとよい。第8温度センサー308は、熱交換器304の水温昇温機側冷媒の出口側に設けられ、熱交換器304から流出した水温昇温機側冷媒、つまり熱交換器304で熱交換した後の水温昇温機側冷媒の温度を検出するものであり、たとえばサーミスター等で構成するとよい。
第2圧力センサー309は、冷媒循環回路Cにおける熱交換器304と圧縮機301との間に設けられ、熱交換器304の出口側の水温昇温機側冷媒、つまり圧縮機301に吸入される水温昇温機側冷媒の圧力を検出するものである。第3圧力センサー310は、冷媒循環回路Cにおける圧縮機301と熱交換器302との間に設けられ、熱交換器302の入口側の水温昇温機側冷媒、つまり圧縮機301から吐出された水温昇温機側冷媒の圧力を検出するものである。
なお、熱交換器302には配管402が接続されており、水搬送装置401、貯湯タンク400、熱交換器302の順に第2熱媒体が循環するようになっている。水搬送装置401は、配管402を介して第2熱媒体を循環させるものである。水搬送装置401は、熱交換器302と貯湯タンク400との間における配管402に設けられている。この水搬送装置401は、たとえば容量制御可能なポンプ等で構成するとよい。貯湯タンク400は、熱交換器302で昇温された第2熱媒体を貯留するものである。熱交換器302は、上述した通りである。
そして、ヒートポンプ装置100では、圧縮機10、第1冷媒流路切替装置11、熱源側熱交換器12、開閉装置17、第2冷媒流路切替装置18、熱媒体間熱交換器15の冷媒流路、絞り装置16、及び、アキュムレーター19を、冷媒配管4で接続して冷媒循環回路Aを構成している。また、熱媒体間熱交換器15の熱媒体流路、ポンプ21、第1熱媒体流路切替装置22、熱媒体流量調整装置25、利用側熱交換器26、及び、第2熱媒体流路切替装置23を、配管5で接続して熱媒体循環回路Bを構成している。つまり、熱媒体間熱交換器15のそれぞれに複数台の利用側熱交換器26が並列に接続され、熱媒体循環回路Bを複数系統としているのである。
さらに、圧縮機301、熱交換器302の水温昇温機側冷媒流路、絞り装置303、及び、熱交換器304の水温昇温機側冷媒流路を、冷媒配管315で接続して冷媒循環回路Cを構成している。なお、貯湯タンク400、熱交換器302の第2熱媒体流路、及び、水搬送装置401を配管402で接続して貯湯回路D(第2熱媒体循環回路)を構成している。つまり、水温昇温機300は、熱交換器304を介して受熱し、熱交換器302を介して第2熱媒体を昇温している。
よって、ヒートポンプ装置100では、室外機1と熱媒体変換機3とが、熱媒体変換機3に設けられている熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bを介して接続され、熱媒体変換機3と室内機2とも、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bを介して接続されている。すなわち、ヒートポンプ装置100では、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bで冷媒循環回路Aを循環する熱源側冷媒と熱媒体循環回路Bを循環する第1熱媒体とが熱交換するようになっている。
また、ヒートポンプ装置100では、室外機1と水温昇温機300とが、水温昇温機300に設けられている熱交換器304を介して接続されている。すなわち、ヒートポンプ装置100では、熱交換器304で冷媒循環回路Aを循環する熱源側冷媒と冷媒循環回路Cを循環する水温昇温機側冷媒とが熱交換するようになっている。さらに、ヒートポンプ装置100では、水温昇温機300と貯湯タンク400とが、水温昇温機300に設けられている熱交換器302を介して接続されている。すなわち、ヒートポンプ装置100では、熱交換器302で冷媒循環回路Cを循環する水温昇温機側冷媒と貯湯回路Dを循環する第2熱媒体とが熱交換するようになっている。
[運転モード]
ヒートポンプ装置100が実行する各運転モードについて説明する。このヒートポンプ装置100は、各室内機2と水温昇温機300からの指示に基づいて、その室内機2で冷房運転又は暖房運転が、水温昇温機300で第2熱媒体の加熱運転が可能になっている。つまり、ヒートポンプ装置100は、室内機2の全部で同一運転をすることができるとともに、室内機2のそれぞれで異なる運転をすることができるようになっている。また、ヒートポンプ装置100は、水温昇温機300を介して給湯運転が可能になっている。
ヒートポンプ装置100が実行する運転モードには、駆動している室内機2の全てが冷房運転を実行する全冷房運転モード(水温昇温機300が運転している場合、停止している場合の2通りがある)、駆動している室内機2の全てが暖房運転を実行する全暖房運転モード、冷房暖房混在運転モードのうち暖房負荷よりも冷房負荷の方が大きい冷房主体運転モード、及び、冷房暖房混在運転モードのうち冷房負荷よりも暖房負荷の方が大きい暖房主体運転モードがある。以下に、各運転モードについて、熱源側冷媒、第1熱媒体、水温昇温機側冷媒、及び、第2熱媒体の流れとともに説明する。
[全冷房運転モード1(水温昇温機300停止パターン)]
図3は、ヒートポンプ装置100の全冷房運転モード1時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。この図3では、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bでのみ冷熱負荷が発生している場合を例に全冷房運転モード1について説明する。なお、全冷房運転モード1では、室内機2のすべてが冷房運転、水温昇温機300が停止している。また、図3では、太線で表された配管が熱源側冷媒及び第1熱媒体の流れる配管を示している。さらに、図3では、熱源側冷媒の流れ方向を実線矢印で、第1熱媒体の流れ方向を破線矢印で示している。
図3に示す全冷房運転モード1の場合、室外機1では、第1冷媒流路切替装置11を、圧縮機10から吐出された熱源側冷媒を熱源側熱交換器12へ流入させるように切り替える。熱媒体変換機3では、ポンプ21a及びポンプ21bを駆動させ、熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bを開放し、熱媒体流量調整装置25c及び熱媒体流量調整装置25dを全閉とし、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bのそれぞれと利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bとの間を第1熱媒体が循環するようにしている。また、水温昇温機300では、圧縮機301を停止させるとともに、絞り装置312を全閉としている。
まず始めに、冷媒循環回路Aにおける熱源側冷媒の流れについて説明する。
低温・低圧の冷媒が圧縮機10によって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、第1冷媒流路切替装置11を介して熱源側熱交換器12に流入する。そして、熱源側熱交換器12で室外空気に放熱しながら凝縮液化し、高圧液冷媒となる。熱源側熱交換器12から流出した高圧液冷媒は、逆止弁13aを通って室外機1から流出し、冷媒配管4を通って熱媒体変換機3に流入する。熱媒体変換機3に流入した高圧液冷媒は、絞り装置312が全閉状態のため、水温昇温機300には流れず、開閉装置17を通り、分岐されて絞り装置16a及び絞り装置16bで膨張させられて、低温・低圧の二相冷媒となる。
この二相冷媒は、蒸発器として作用する熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bのそれぞれに流入し、熱媒体循環回路Bを循環する第1熱媒体から吸熱することで、第1熱媒体を冷却しながら、低温・低圧のガス冷媒となる。熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bから流出したガス冷媒は、第2冷媒流路切替装置18a及び第2冷媒流路切替装置18bを介して熱媒体変換機3から流出し、冷媒配管4を通って再び室外機1へ流入する。室外機1に流入した冷媒は、逆止弁13dを通って、第1冷媒流路切替装置11及びアキュムレーター19を介して、圧縮機10へ再度吸入される。
このとき、絞り装置16aは、第3温度センサー35aで検出された温度と第3温度センサー35bで検出された温度との差として得られるスーパーヒート(過熱度)が一定になるように開度が制御される。同様に、絞り装置16bは、第3温度センサー35cで検出された温度と第3温度センサー35dで検出された温度との差として得られるスーパーヒートが一定になるように開度が制御される。なお、開閉装置17は開となっている。
次に、熱媒体循環回路Bにおける第1熱媒体の流れについて説明する。
全冷房運転モード1では、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bの双方で熱源側冷媒の冷熱が第1熱媒体に伝えられ、冷やされた第1熱媒体がポンプ21a及びポンプ21bによって配管5内を流動させられることになる。ポンプ21a及びポンプ21bで加圧されて流出した第1熱媒体は、第2熱媒体流路切替装置23a及び第2熱媒体流路切替装置23bを介して、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入する。そして、第1熱媒体が利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bで室内空気から吸熱することで、室内空間7の冷房を行なう。
それから、第1熱媒体は、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bから流出して熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bに流入する。このとき、熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bの作用によって第1熱媒体の流量が室内にて必要とされる空調負荷を賄うのに必要な流量に制御されて利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入するようになっている。熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bから流出した第1熱媒体は、第1熱媒体流路切替装置22a及び第1熱媒体流路切替装置22bを通って、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bへ流入し、再びポンプ21a及びポンプ21bへ吸い込まれる。
なお、利用側熱交換器26の配管5内では、第2熱媒体流路切替装置23から熱媒体流量調整装置25を経由して第1熱媒体流路切替装置22へ至る向きに第1熱媒体が流れている。また、室内空間7にて必要とされる空調負荷は、第1温度センサー31aで検出された温度、あるいは、第1温度センサー31bで検出された温度と第2温度センサー34で検出された温度との差を目標値として保つように制御することにより、賄うことができる。熱媒体間熱交換器15の出口温度は、第1温度センサー31a又は第1温度センサー31bのどちらの温度を使用してもよいし、これらの平均温度を使用してもよい。このとき、第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23は、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bの双方に流れる流路が確保されるように、中間的な開度に制御されている。
全冷房運転モード1を実行する際、熱負荷のない利用側熱交換器26(サーモオフを含む)へは第1熱媒体を流す必要がないため、熱媒体流量調整装置25により流路を閉じて、利用側熱交換器26へ第1熱媒体が流れないようにする。図3においては、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bにおいては熱負荷があるため第1熱媒体を流しているが、利用側熱交換器26c及び利用側熱交換器26dにおいては熱負荷がなく、対応する熱媒体流量調整装置25c及び熱媒体流量調整装置25dを全閉としている。そして、利用側熱交換器26cや利用側熱交換器26dから熱負荷の発生があった場合には、熱媒体流量調整装置25cや熱媒体流量調整装置25dを開放し、第1熱媒体を循環させればよい。
[全冷房運転モード2(水温昇温機300駆動パターン)]
図4は、ヒートポンプ装置100の全冷房運転モード2時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。この図4では、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bでのみ冷熱負荷が発生し、水温昇温機300が運転している場合を例に全冷房運転モード2について説明する。なお、全冷房運転モード2では、室内機2のすべてが冷房運転、なおかつ水温昇温機300が運転している。また、図4では、太線で表された配管が冷媒(熱源側冷媒、水温昇温機側冷媒)及び第1熱媒体の流れる配管を示している。さらに、図4では、熱源側冷媒及び水温昇温機側冷媒の流れ方向を実線矢印で、第1熱媒体の流れ方向を破線矢印で示している。
図4に示す全冷房運転モード2の場合、室外機1では、第1冷媒流路切替装置11を、圧縮機10から吐出された熱源側冷媒を熱源側熱交換器12へ流入させるように切り替える。熱媒体変換機3では、ポンプ21a及びポンプ21bを駆動させ、熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bを開放し、熱媒体流量調整装置25c及び熱媒体流量調整装置25dを全閉とし、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bのそれぞれと利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bとの間を第1熱媒体が循環するようにしている。なお、室外機1の制御モードは冷房主体モードと同様になっている。また、水温昇温機300では、圧縮機301を駆動させ、水温昇温機側冷媒が冷媒循環回路Cを循環するようにしているとともに、絞り装置312を開としている。
まず始めに、冷媒循環回路Aにおける熱源側冷媒の流れについて説明する。
低温・低圧の冷媒が圧縮機10によって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、第1冷媒流路切替装置11を介して熱源側熱交換器12に流入する。そして、熱源側熱交換器12で室外空気に放熱しながら凝縮液化し、高圧の気液二相となる。熱源側熱交換器12から流出した高圧二相冷媒は、逆止弁13aを通って室外機1から流出し、冷媒配管4を通って熱媒体変換機3と水温昇温機300に流入する。水温昇温機300に流入した高圧二相冷媒は、熱交換器304の熱源側冷媒流路に流入する。そこで、水温昇温機側冷媒と熱交換し、凝縮された後、絞り装置312で膨張させられる。
この熱源側冷媒は、水温昇温機300から流出した後、過冷却熱交換器50に流れ込む。過冷却熱交換器50に流入した熱源側冷媒は、バイパス回路55を流れる熱源側冷媒と熱交換し、高圧の液冷媒となる。この高圧液冷媒は、一部はバイパス回路55に、残りは絞り装置16a及び絞り装置16bに流入する。バイパス回路55に流入した高圧液冷媒は、絞り装置16cで膨張され、低圧の二相冷媒となり、過冷却熱交換器50のバイパス回路55側に流入する。過冷却熱交換器50のバイパス回路55側に流入した低圧二相冷媒は、高圧冷媒と熱交換して、低ガス冷媒となって、低圧配管に流入する。絞り装置16a及び絞り装置16bに流入した高圧液冷媒は、絞り装置16a及び絞り装置16bで膨張させられて、低温・低圧の二相冷媒となる。
この低温・低圧の二相冷媒は、蒸発器として作用する熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bのそれぞれに流入し、熱媒体循環回路Bを循環する第1熱媒体から吸熱することで、第1熱媒体を冷却しながら、低温・低圧のガス冷媒となる。熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bから流出したガス冷媒は、第2冷媒流路切替装置18a及び第2冷媒流路切替装置18bを経由した後、バイパス回路55を流れてきた低圧ガス冷媒と合流して、熱媒体変換機3から流出し、冷媒配管4を通って再び室外機1へ流入する。室外機1に流入した冷媒は、逆止弁13dを通って、第1冷媒流路切替装置11及びアキュムレーター19を介して、圧縮機10へ再度吸入される。
このとき、絞り装置16aは、第3温度センサー35aで検出された温度と第3温度センサー35bで検出された温度との差として得られるスーパーヒート(過熱度)が一定になるように開度が制御される。同様に、絞り装置16bは、第3温度センサー35cで検出された温度と第3温度センサー35dで検出された温度との差として得られるスーパーヒートが一定になるように開度が制御される。絞り装置16cは、第4温度センサー52で検出された温度と第5温度センサー53で検出された温度との差として得られるスーパーヒート(過熱度)が一定になるように開度が制御される。なお、絞り装置16cは開、開閉装置17は閉となっている。
次に、冷媒循環回路Cにおける水温昇温機側冷媒の流れについて説明する。
圧縮機301で圧縮された水温昇温機側冷媒は、高温・高圧のガス冷媒となって、熱交換器302の水温昇温機側冷媒流路に流入する。熱交換器302においては、水温昇温機側冷媒と貯湯タンク400から戻ってきた第2熱媒体(たとえば温水)とで熱交換し、第2熱媒体が高温に加熱され、水温昇温機側冷媒が温度を低下させて(エンタルピー低下させて)、熱交換器302から流出される。
熱交換器302から流出した水温昇温機側冷媒は、絞り装置303において減圧され、低圧の二相冷媒となって、熱交換器304の水温昇温機側冷媒流路に流入する。熱交換器304に流入した水温昇温機側冷媒は、接続口51a及び接続口305aを通って、熱媒体変換機3から流れ込んできた熱源側冷媒と熱交換する。そして、熱源側冷媒は凝縮して液状態に、水温昇温機側冷媒は蒸発してガス状態になる。凝縮して液状態となった熱源側冷媒は、絞り装置312で減圧され、接続口305b及び接続口51bを通って、熱媒体変換機3に送り込まれる。ガス状態になった水温昇温機側冷媒は、圧縮機301に再度吸引される。なお、冷媒循環回路Cが高温水を供給できる理由については、全暖房運転モードで説明するものとする。
なお、熱媒体循環回路Bにおける第1熱媒体の流れについては、図4に示す全冷房運転モード1と同様であるので、ここでは説明を省略する。
[全暖房運転モード]
図5は、ヒートポンプ装置100の全暖房運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。この図5では、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bでのみ温熱負荷が発生している場合を例に全暖房運転モードについて説明する。なお、図5は、太線で表された配管が冷媒(熱源側冷媒、水温昇温機側冷媒)及び第1熱媒体の流れる配管を示している。また、図5は、熱源側冷媒及び水温昇温機側冷媒の流れ方向を実線矢印で、第1熱媒体の流れ方向を破線矢印で示している。
図5に示す全暖房運転モードの場合、室外機1では、第1冷媒流路切替装置11を、圧縮機10から吐出された熱源側冷媒を熱源側熱交換器12を経由させずに熱媒体変換機3へ流入させるように切り替える。熱媒体変換機3では、ポンプ21a及びポンプ21bを駆動させ、熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bを開放し、熱媒体流量調整装置25c及び熱媒体流量調整装置25dを全閉とし、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bのそれぞれと利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bとの間を第1熱媒体が循環するようにしている。なお、水温昇温機300では、圧縮機301を駆動させ、水温昇温機側冷媒が循環するようにしているとともに、絞り装置312を開としている。
まず始めに、冷媒循環回路Aにおける熱源側冷媒の流れについて説明する。
低温・低圧の冷媒が圧縮機10によって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、第1冷媒流路切替装置11を通り、第1接続配管4aを導通し、逆止弁13bを通過し、室外機1から流出する。室外機1から流出した高温・高圧のガス冷媒は、冷媒配管4を通って熱媒体変換機3と水温昇温機300に流入する。熱媒体変換機3に流入した高温・高圧のガス冷媒は、分岐されて第2冷媒流路切替装置18a及び第2冷媒流路切替装置18bを通って、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bのそれぞれに流入する。一方、水温昇温機300に流入した高温・高圧のガス冷媒は、熱交換器304に流入する。
熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bに流入した高温・高圧のガス冷媒は、熱媒体循環回路Bを循環する第1熱媒体に放熱しながら凝縮液化し、高圧の液冷媒となる。熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bから流出した液冷媒は、絞り装置16a及び絞り装置16bで膨張させられて、低温・低圧の二相冷媒となる。この二相冷媒は、水温昇温機300の絞り装置312において減圧された熱源側冷媒と合流して、絞り装置16c(全開)とを通って、熱媒体変換機3から流出し、冷媒配管4を通って再び室外機1へ流入する。室外機1に流入した冷媒は、第2接続配管4bを導通し、逆止弁13cを通過して、蒸発器として作用する熱源側熱交換器12に流入する。
そして、熱源側熱交換器12に流入した熱源側冷媒は、熱源側熱交換器12で室外空気から吸熱して、低温・低圧のガス冷媒となる。熱源側熱交換器12から流出した低温・低圧のガス冷媒は、第1冷媒流路切替装置11及びアキュムレーター19を介して圧縮機10へ再度吸入される。
このとき、絞り装置16aは、第1圧力センサー36で検出された圧力を飽和温度に換算した値と第3温度センサー35bで検出された温度との差として得られるサブクール(過冷却度)が一定になるように開度が制御される。同様に、絞り装置16bは、第1圧力センサー36で検出された圧力を飽和温度に換算した値と第3温度センサー35dで検出された温度との差として得られるサブクールが一定になるように開度が制御される。また、開閉装置17は閉となっている。なお、熱媒体間熱交換器15の中間位置の飽和温度が測定できる場合は、その中間位置での温度を第1圧力センサー36の代わりに用いてもよく、安価にシステムを構成できる。
次に、冷媒循環回路Cにおける水温昇温機側冷媒の流れについて説明する。
圧縮機301で圧縮された水温昇温機側冷媒は、高温・高圧のガス冷媒となって、熱交換器302の水温昇温機側冷媒流路に流入する。熱交換器302においては、水温昇温機側冷媒と貯湯タンク400から戻ってきた第2熱媒体(たとえば温水)とで熱交換し、第2熱媒体が高温に加熱され、水温昇温機側冷媒が温度を低下させて(エンタルピー低下させて)、熱交換器302から流出される。
熱交換器302から流出した水温昇温機側冷媒は、絞り装置303において減圧され、低圧の二相冷媒となって、熱交換器304の水温昇温機側冷媒流路に流入する。熱交換器304に流入した水温昇温機側冷媒は、接続口51a及び接続口305aを通って、熱媒体変換機3から流れ込んできた熱源側冷媒と熱交換する。そして、熱源側冷媒は凝縮して液状態に、水温昇温機側冷媒は蒸発してガス状態になる。凝縮して液状態となった熱源側冷媒は、絞り装置312で減圧され、接続口305b及び接続口51bを通って、熱媒体変換機3に送り込まれる。ガス状態になった水温昇温機側冷媒は、圧縮機301に再度吸引される。
ここで、冷媒循環回路Cが高温水を供給できる理由について説明する。
図6は、冷媒循環回路Aと冷媒循環回路Cとの動作点をP−h線図上に表した図である。図6においては、実線が冷媒循環回路Cの動作点を、破線が冷媒循環回路Aの動作点を、それぞれ示している。また、図6に示すTcaは冷媒循環回路Aの凝縮温度、Tecは冷媒循環回路Cの蒸発温度である。
熱交換器302における冷媒循環回路Aの凝縮温度が、たとえば50℃であるとする。そうすると、冷媒循環回路Cの冷凍サイクルは、冷媒循環回路Aの凝縮熱を利用して、冷媒が蒸発するため、高い蒸発温度25℃程度でバランスすることになる。すなわち、冷媒循環回路Cの蒸発温度が高くなることで、冷媒循環回路Cの凝縮温度も高くすることができ、図6に示すように超臨界圧でバランスすることが可能になる。超臨界状態では、通常の冷凍サイクルのように潜熱変化をしないため、冷媒温度が熱交換器出口に向かって温度変化をする。
このように、冷媒循環回路Aと冷媒循環回路Cとで二元サイクルを構成することによって、高い温度レベルで水温昇温機側冷媒と水等の第2熱媒体とを熱交換させることが可能となり、第2熱媒体を高温に昇温することができる。第2熱媒体が水の場合、高温出湯が可能になる。熱交換器302では、冷媒循環回路Cの水温昇温機側冷媒は、顕熱変化をするので、水温昇温機側冷媒と第2熱媒体の流し方を対向流にすると、効率的に熱交換できる。
熱交換器302で高温に昇温された第2熱媒体は、水搬送装置401によって貯湯タンク400に送り込まれる。なお、貯湯タンク400に熱交換器410を設けておくとよい。そうすれば、水温昇温機300で高温に昇温された第2熱媒体を熱交換器410に送り込み、間接的に貯湯タンク400に貯えられている第2熱媒体を加熱することが可能になる。貯湯タンク400に貯えられている第2熱媒体は、利用側に供給される。ここでは、利用側の説明は省略するが、たとえば給湯や床暖房等に第2熱媒体は利用される。
次に、熱媒体循環回路Bにおける第1熱媒体の流れについて説明する。
全暖房運転モードでは、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bの双方で熱源側冷媒の温熱が第1熱媒体に伝えられ、暖められた第1熱媒体がポンプ21a及びポンプ21bによって配管5内を流動させられることになる。ポンプ21a及びポンプ21bで加圧されて流出した第1熱媒体は、第2熱媒体流路切替装置23a及び第2熱媒体流路切替装置23bを介して、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入する。そして、第1熱媒体が利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bで室内空気に放熱することで、室内空間7の暖房を行なう。
それから、第1熱媒体は、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bから流出して熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bに流入する。このとき、熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bの作用によって第1熱媒体の流量が室内にて必要とされる空調負荷を賄うのに必要な流量に制御されて利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入するようになっている。熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bから流出した第1熱媒体は、第1熱媒体流路切替装置22a及び第1熱媒体流路切替装置22bを通って、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bへ流入し、再びポンプ21a及びポンプ21bへ吸い込まれる。
なお、利用側熱交換器26の配管5内では、第2熱媒体流路切替装置23から熱媒体流量調整装置25を経由して第1熱媒体流路切替装置22へ至る向きに第1熱媒体が流れている。また、室内空間7にて必要とされる空調負荷は、第1温度センサー31aで検出された温度、あるいは、第1温度センサー31bで検出された温度と第2温度センサー34で検出された温度との差を目標値として保つように制御することにより、賄うことができる。熱媒体間熱交換器15の出口温度は、第1温度センサー31a又は第1温度センサー31bのどちらの温度を使用してもよいし、これらの平均温度を使用してもよい。
このとき、第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23は、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bの双方に流れる流路が確保されるように、中間的な開度に制御されている。また、本来、利用側熱交換器26は、その入口と出口の温度差で制御すべきであるが、利用側熱交換器26の入口側の熱媒体温度は、第1温度センサー31bで検出された温度とほとんど同じ温度であり、第1温度センサー31bを使用することにより温度センサーの数を減らすことができ、安価にシステムを構成できる。
全暖房運転モードを実行する際、熱負荷のない利用側熱交換器26(サーモオフを含む)へは第1熱媒体を流す必要がないため、熱媒体流量調整装置25により流路を閉じて、利用側熱交換器26へ第1熱媒体が流れないようにする。図5においては、利用側熱交換器26a、利用側熱交換器26bにおいては熱負荷があるため第1熱媒体を流しているが、利用側熱交換器26c及び利用側熱交換器26dにおいては熱負荷がなく、対応する熱媒体流量調整装置25c及び熱媒体流量調整装置25dを全閉としている。そして、利用側熱交換器26cや利用側熱交換器26dから熱負荷の発生があった場合には、熱媒体流量調整装置25cや熱媒体流量調整装置25dを開放し、第1熱媒体を循環させればよい。
[冷房主体運転モード]
図7は、ヒートポンプ装置100の冷房主体運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。この図7では、利用側熱交換器26aで冷熱負荷が発生し、利用側熱交換器26bで温熱負荷が発生している場合を例に冷房主体運転モードについて説明する。なお、図7では、太線で表された配管が冷媒(熱源側冷媒、水温昇温機側冷媒)及び第1熱媒体の循環する配管を示している。また、図7では、熱源側冷媒及び水温昇温機側冷媒の流れ方向を実線矢印で、第1熱媒体の流れ方向を破線矢印で示している。
図7に示す冷房主体運転モードの場合、室外機1では、第1冷媒流路切替装置11を、圧縮機10から吐出された熱源側冷媒を熱源側熱交換器12へ流入させるように切り替える。熱媒体変換機3では、ポンプ21a及びポンプ21bを駆動させ、熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bを開放し、熱媒体流量調整装置25c及び熱媒体流量調整装置25dを全閉とする。そして、熱媒体間熱交換器15aと利用側熱交換器26aとの間を、熱媒体間熱交換器15bと利用側熱交換器26bとの間を、それぞれ第1熱媒体が循環するようにしている。水温昇温機300では、圧縮機301を駆動させ、水温昇温機側冷媒が循環するようにしているとともに、絞り装置312を開としている。
まず始めに、冷媒循環回路Aにおける熱源側冷媒の流れについて説明する。
低温・低圧の冷媒が圧縮機10によって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、第1冷媒流路切替装置11を介して熱源側熱交換器12に流入する。そして、熱源側熱交換器12で室外空気に放熱しながら凝縮し、二相冷媒となる。熱源側熱交換器12から流出した二相冷媒は、逆止弁13aを通って室外機1から流出し、冷媒配管4を通って熱媒体変換機3と水温昇温機300に流入する。熱媒体変換機3に流入した二相冷媒は、第2冷媒流路切替装置18bを通って凝縮器として作用する熱媒体間熱交換器15bに流入する。一方、水温昇温機300に流入した高圧の二相冷媒は、熱交換器304に流入する。
熱媒体間熱交換器15bに流入した二相冷媒は、熱媒体循環回路Bを循環する第1熱媒体に放熱しながら凝縮液化し、液冷媒となる。熱媒体間熱交換器15bから流出した液冷媒は、絞り装置16bで膨張させられて低圧二相冷媒となる。この低圧二相冷媒は、水温昇温機300において絞り装置312で減圧された冷媒と合流し、絞り装置16aを介して蒸発器として作用する熱媒体間熱交換器15aに流入する。熱媒体間熱交換器15aに流入した低圧二相冷媒は、熱媒体循環回路Bを循環する第1熱媒体から吸熱することで、第1熱媒体を冷却しながら、低圧のガス冷媒となる。このガス冷媒は、熱媒体間熱交換器15aから流出し、第2冷媒流路切替装置18aを介して熱媒体変換機3から流出し、冷媒配管4を通って再び室外機1へ流入する。室外機1に流入した熱源側冷媒は、逆止弁13dを通って、第1冷媒流路切替装置11及びアキュムレーター19を介して、圧縮機10へ再度吸入される。
このとき、絞り装置16bは、第3温度センサー35aで検出された温度と第3温度センサー35bで検出された温度との差として得られるスーパーヒートが一定になるように開度が制御される。また、絞り装置16aは全開、開閉装置17は閉、絞り装置16cは閉となっている。なお、絞り装置16bは、第1圧力センサー36で検出された圧力を飽和温度に換算した値と第3温度センサー35dで検出された温度との差として得られるサブクールが一定になるように開度を制御してもよい。また、絞り装置16bを全開とし、絞り装置16aでスーパーヒート又はサブクールを制御するようにしてもよい。
次に、冷媒循環回路Cにおける水温昇温機側冷媒の流れについて説明する。
圧縮機301で圧縮された水温昇温機側冷媒は、高温・高圧のガス冷媒となって、熱交換器302の水温昇温機側冷媒流路に流入する。熱交換器302においては、水温昇温機側冷媒と貯湯タンク400から戻ってきた第2熱媒体(たとえば温水)とで熱交換し、第2熱媒体が高温に加熱され、水温昇温機側冷媒が温度を低下させて(エンタルピー低下させて)、熱交換器302から流出される。
熱交換器302から流出した水温昇温機側冷媒は、絞り装置303において減圧され、低圧の二相冷媒となって、熱交換器304の水温昇温機側冷媒流路に流入する。熱交換器304に流入した水温昇温機側冷媒は、接続口51a及び接続口305aを通って、熱媒体変換機3から流れ込んできた熱源側冷媒と熱交換する。そして、熱源側冷媒は凝縮して液状態に、水温昇温機側冷媒は蒸発してガス状態になる。凝縮して液状態となった熱源側冷媒は、絞り装置312で減圧され、接続口305b及び接続口51bを通って、熱媒体変換機3に送り込まれる。ガス状態になった水温昇温機側冷媒は、圧縮機301に再度吸引される。
次に、熱媒体循環回路Bにおける第1熱媒体の流れについて説明する。
冷房主体運転モードでは、熱媒体間熱交換器15bで熱源側冷媒の温熱が第1熱媒体に伝えられ、暖められた第1熱媒体がポンプ21bによって配管5内を流動させられることになる。また、冷房主体運転モードでは、熱媒体間熱交換器15aで熱源側冷媒の冷熱が第1熱媒体に伝えられ、冷やされた第1熱媒体がポンプ21aによって配管5内を流動させられることになる。ポンプ21bで加圧されて流出した第1熱媒体は、第2熱媒体流路切替装置23bを介して、利用側熱交換器26bに流入する。ポンプ21aで加圧されて流出した第1熱媒体は、第2熱媒体流路切替装置23aを介して、利用側熱交換器26aに流入する。
利用側熱交換器26bでは第1熱媒体が室内空気に放熱することで、室内空間7の暖房を行なう。また、利用側熱交換器26aでは第1熱媒体が室内空気から吸熱することで、室内空間7の冷房を行なう。このとき、熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bの作用によって第1熱媒体の流量が室内にて必要とされる負荷を賄うのに必要な流量に制御されて利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入するようになっている。利用側熱交換器26bを通過し若干温度が低下した第1熱媒体は、熱媒体流量調整装置25b及び第1熱媒体流路切替装置22bを通って、熱媒体間熱交換器15bへ流入し、再びポンプ21bへ吸い込まれる。利用側熱交換器26aを通過し若干温度が上昇した第1熱媒体は、熱媒体流量調整装置25a及び第1熱媒体流路切替装置22aを通って、熱媒体間熱交換器15aへ流入し、再びポンプ21aへ吸い込まれる。
この間、暖かい第1熱媒体と冷たい第1熱媒体とは、第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23の作用により、混合することなく、それぞれ温熱負荷、冷熱負荷がある利用側熱交換器26へ導入される。なお、利用側熱交換器26の配管5内では、暖房側、冷房側ともに、第2熱媒体流路切替装置23から熱媒体流量調整装置25を経由して第1熱媒体流路切替装置22へ至る向きに第1熱媒体が流れている。また、室内空間7にて必要とされる空調負荷は、暖房側においては第1温度センサー31bで検出された温度と第2温度センサー34で検出された温度との差を、冷房側においては第2温度センサー34で検出された温度と第1温度センサー31aで検出された温度との差を目標値として保つように制御することにより、賄うことができる。
冷房主体運転モードを実行する際、熱負荷のない利用側熱交換器26(サーモオフを含む)へは第1熱媒体を流す必要がないため、熱媒体流量調整装置25により流路を閉じて、利用側熱交換器26へ第1熱媒体が流れないようにする。図7においては、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bにおいては熱負荷があるため第1熱媒体を流しているが、利用側熱交換器26c及び利用側熱交換器26dにおいては熱負荷がなく、対応する熱媒体流量調整装置25c及び熱媒体流量調整装置25dを全閉としている。そして、利用側熱交換器26cや利用側熱交換器26dから熱負荷の発生があった場合には、熱媒体流量調整装置25cや熱媒体流量調整装置25dを開放し、第1熱媒体を循環させればよい。
[暖房主体運転モード]
図8は、ヒートポンプ装置100の暖房主体運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。この図8では、利用側熱交換器26aで温熱負荷が発生し、利用側熱交換器26bで冷熱負荷が発生している場合を例に暖房主体運転モードについて説明する。なお、図8では、太線で表された配管が冷媒(熱源側冷媒、水温昇温機側冷媒)及び第1熱媒体の循環する配管を示している。また、図7では、熱源側冷媒と水温昇温機側冷媒の流れ方向を実線矢印で、第1熱媒体の流れ方向を破線矢印で示している。
図8に示す暖房主体運転モードの場合、室外機1では、第1冷媒流路切替装置11を、圧縮機10から吐出された熱源側冷媒を熱源側熱交換器12を経由させずに熱媒体変換機3へ流入させるように切り替える。熱媒体変換機3では、ポンプ21a及びポンプ21bを駆動させ、熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bを開放し、熱媒体流量調整装置25c及び熱媒体流量調整装置25dを全閉とする。そして、熱媒体間熱交換器15aと利用側熱交換器26bとの間を、熱媒体間熱交換器15bと利用側熱交換器26aとの間を、それぞれ第1熱媒体が循環するようにしている。水温昇温機300では、圧縮機301を駆動させ、水温昇温機側冷媒が循環するようにしているとともに、絞り装置312を開としている。
まず始めに、冷媒循環回路Aにおける熱源側冷媒の流れについて説明する。
低温・低圧の冷媒が圧縮機10によって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、第1冷媒流路切替装置11を通り、第1接続配管4aを導通し、逆止弁13bを通過し、室外機1から流出する。室外機1から流出した高温・高圧のガス冷媒は、冷媒配管4を通って熱媒体変換機3と水温昇温機300に流入する。熱媒体変換機3に流入した高温・高圧のガス冷媒は、第2冷媒流路切替装置18bを通って凝縮器として作用する熱媒体間熱交換器15bに流入する。一方、水温昇温機300に流入した高温・高圧のガス冷媒は、熱交換器304に流入する。
熱媒体間熱交換器15bに流入したガス冷媒は、熱媒体循環回路Bを循環する第1熱媒体に放熱しながら凝縮液化し、液冷媒となる。熱媒体間熱交換器15bから流出した液冷媒は、絞り装置16bで膨張させられて低圧二相冷媒となる。この低圧二相冷媒は、水温昇温機300において絞り装置312で減圧された冷媒と合流し、絞り装置16aを介して蒸発器として作用する熱媒体間熱交換器15aに流入する。熱媒体間熱交換器15aに流入した低圧二相冷媒は、熱媒体循環回路Bを循環する第1熱媒体から吸熱することで蒸発し、第1熱媒体を冷却する。この低圧二相冷媒は、熱媒体間熱交換器15aから流出し、第2冷媒流路切替装置18aを介して熱媒体変換機3から流出し、冷媒配管4を通って再び室外機1へ流入する。
室外機1に流入した熱源側冷媒は、逆止弁13cを通って、蒸発器として作用する熱源側熱交換器12に流入する。そして、熱源側熱交換器12に流入した冷媒は、熱源側熱交換器12で室外空気から吸熱して、低温・低圧のガス冷媒となる。熱源側熱交換器12から流出した低温・低圧のガス冷媒は、第1冷媒流路切替装置11及びアキュムレーター19を介して圧縮機10へ再度吸入される。
このとき、絞り装置16bは、第1圧力センサー36で検出された圧力を飽和温度に換算した値と第3温度センサー35bで検出された温度との差として得られるサブクールが一定になるように開度が制御される。また、絞り装置16aは全開、開閉装置17は閉、絞り装置16cは閉となっている。なお、絞り装置16bを全開とし、絞り装置16aでサブクールを制御するようにしてもよい。
次に、冷媒循環回路Cにおける水温昇温機側冷媒の流れについて説明する。
圧縮機301で圧縮された水温昇温機側冷媒は、高温・高圧のガス冷媒となって、熱交換器302の水温昇温機側冷媒流路に流入する。熱交換器302においては、水温昇温機側冷媒と貯湯タンク400から戻ってきた第2熱媒体(たとえば温水)とで熱交換し、第2熱媒体が高温に加熱され、水温昇温機側冷媒が温度を低下させて(エンタルピー低下させて)、熱交換器302から流出される。
熱交換器302から流出した水温昇温機側冷媒は、絞り装置303において減圧され、低圧の二相冷媒となって、熱交換器304の水温昇温機側冷媒流路に流入する。熱交換器304に流入した水温昇温機側冷媒は、接続口51a及び接続口305aを通って、熱媒体変換機3から流れ込んできた熱源側冷媒と熱交換する。そして、熱源側冷媒は凝縮して液状態に、水温昇温機側冷媒は蒸発してガス状態になる。凝縮して液状態となった熱源側冷媒は、絞り装置312で減圧され、接続口305b及び接続口51bを通って、熱媒体変換機3に送り込まれる。ガス状態になった水温昇温機側冷媒は、圧縮機301に再度吸引される。
次に、熱媒体循環回路Bにおける第1熱媒体の流れについて説明する。
暖房主体運転モードでは、熱媒体間熱交換器15bで熱源側冷媒の温熱が第1熱媒体に伝えられ、暖められた第1熱媒体がポンプ21bによって配管5内を流動させられることになる。また、暖房主体運転モードでは、熱媒体間熱交換器15aで熱源側冷媒の冷熱が第1熱媒体に伝えられ、冷やされた第1熱媒体がポンプ21aによって配管5内を流動させられることになる。ポンプ21bで加圧されて流出した第1熱媒体は、第2熱媒体流路切替装置23aを介して、利用側熱交換器26aに流入する。ポンプ21aで加圧されて流出した第1熱媒体は、第2熱媒体流路切替装置23bを介して、利用側熱交換器26bに流入する。
利用側熱交換器26bでは第1熱媒体が室内空気から吸熱することで、室内空間7の冷房を行なう。また、利用側熱交換器26aでは第1熱媒体が室内空気に放熱することで、室内空間7の暖房を行なう。このとき、熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bの作用によって第1熱媒体の流量が室内にて必要とされる負荷を賄うのに必要な流量に制御されて利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入するようになっている。利用側熱交換器26bを通過し若干温度が低下した第1熱媒体は、熱媒体流量調整装置25a及び第1熱媒体流路切替装置22aを通って、熱媒体間熱交換器15aへ流入し、再びポンプ21aへ吸い込まれる。利用側熱交換器26aを通過し若干温度が上昇した第1熱媒体は、熱媒体流量調整装置25a及び第1熱媒体流路切替装置22aを通って、熱媒体間熱交換器15bへ流入し、再びポンプ21bへ吸い込まれる。
この間、暖かい第1熱媒体と冷たい第1熱媒体とは、第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23の作用により、混合することなく、それぞれ温熱負荷、冷熱負荷がある利用側熱交換器26へ導入される。なお、利用側熱交換器26の配管5内では、暖房側、冷房側ともに、第2熱媒体流路切替装置23から熱媒体流量調整装置25を経由して第1熱媒体流路切替装置22へ至る向きに第1熱媒体が流れている。また、室内空間7にて必要とされる空調負荷は、暖房側においては第1温度センサー31bで検出された温度と第2温度センサー34で検出された温度との差を、冷房側においては第2温度センサー34で検出された温度と第1温度センサー31aで検出された温度との差を目標値として保つように制御することにより、賄うことができる。
暖房主体運転モードを実行する際、熱負荷のない利用側熱交換器26(サーモオフを含む)へは第1熱媒体を流す必要がないため、熱媒体流量調整装置25により流路を閉じて、利用側熱交換器26へ第1熱媒体が流れないようにする。図8においては、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bにおいては熱負荷があるため第1熱媒体を流しているが、利用側熱交換器26c及び利用側熱交換器26dにおいては熱負荷がなく、対応する熱媒体流量調整装置25c及び熱媒体流量調整装置25dを全閉としている。そして、利用側熱交換器26cや利用側熱交換器26dから熱負荷の発生があった場合には、熱媒体流量調整装置25cや熱媒体流量調整装置25dを開放し、第1熱媒体を循環させればよい。
[冷媒配管4、冷媒配管311]
以上説明したように、本実施の形態に係るヒートポンプ装置100は、幾つかの運転モードを具備している。これらの運転モードにおいては、室外機1、熱媒体変換機3、水温昇温機300を接続する冷媒配管4、冷媒配管311には熱源側冷媒(第1冷媒)が流れている。
[配管5]
本実施の形態に係るヒートポンプ装置100が実行する幾つかの運転モードにおいては、熱媒体変換機3と室内機2を接続する配管5には水や不凍液等の熱媒体(第1熱媒体)が流れている。
[冷媒配管315]
本実施の形態に係るヒートポンプ装置100が実行する幾つかの運転モードにおいては、冷媒循環回路Cを構成している各要素機器を接続する冷媒配管315には水温昇温機側冷媒(第2冷媒)が流れている。
[配管402]
本実施の形態に係るヒートポンプ装置100が実行する幾つかの運転モードにおいては、貯湯回路Dを構成している各要素機器を接続する配管402には水や不凍液等の熱媒体(第2熱媒体)が流れている。
[熱源側冷媒]
冷媒循環回路Aを循環する熱源側冷媒としては、たとえばR−22、R−134a、R−32等の単一冷媒、R−410A、R−404A等の擬似共沸混合冷媒、R−407C等の非共沸混合冷媒、化学式内に二重結合を含み化学式がC324 で表され地球温暖化係数が比較的小さい値とされている冷媒であるテトラフルオロプロペン(HFO−1234yfやHFO−1234ze)やその混合物、あるいはCO2 やプロパン等の自然冷媒を用いることができる。なお、地球環境面を考慮すると、温暖化係数が小さいR−32やR−32とテトラフルオロプロペン(HFO−1234yfやHFO−1234ze)を含む混合冷媒等を使用することが望ましい。
[水温昇温機側冷媒]
冷媒循環回路Cを循環する水温昇温機側冷媒としても、冷媒循環回路Aを循環する熱源側冷媒と同様の冷媒を使用することができる。
ただし、各運転モードで説明したように冷媒循環回路Cは、上段側の2次ループの冷凍サイクルとなるため、圧力帯が低い冷媒、たとえばR134aの圧力(最大圧力)と同等レベル以下の低圧冷媒(たとえばHFO−1234yfやHFO−1234ze等)を用いれば、耐圧上の問題などがなくなり、製品のコストを抑えることができる。熱源側冷媒と水温昇温機側冷媒とは、独立しており、互いに混じり合うことはない。また、熱源側冷媒と水温昇温機側冷媒とは、同じものを使用してもよく、異なるものを使用してもよい。なお、実施の形態1では、冷媒循環回路AにR410A、冷媒循環回路CにR134aを用いた場合を例に説明している。
[第1熱媒体]
第1熱媒体としては、たとえばブライン(不凍液)や水、ブラインと水の混合液、水と防食効果が高い添加剤の混合液等を用いることができる。したがって、ヒートポンプ装置100においては、第1熱媒体が室内機2を介して室内空間7に漏洩したとしても、第1熱媒体に安全性の高いものを使用しているため安全性の向上に寄与することになる。
[第2熱媒体]
第2熱媒体としても、第1熱媒体と同様のものが使用できる。ただし、貯湯タンク400に貯留されるものとしては、水を用いることが好ましい。なお、第1熱媒体は、第1熱媒体とは独立しており、互いに混じり合うことはない。また、第2熱媒体は、第1熱媒体と同じものを使用しても、異なるものを使用してもよい。
水温昇温機300を制御する制御装置を水温昇温機300に搭載する場合、熱媒体変換機3や室外機1に備えられた制御装置(図示せず)と有線又は無線で通信可能に接続するとよい。そして、互いに通信を行い、各機器の動作が決められ、連携制御を行なうようにするとよい。たとえば、全冷房運転モードにおいては、水温昇温機300を駆動させる場合(全冷房運転モード1)と、水温昇温機300を駆動させない場合(全冷房運転モード2)とがあり、選択されたモードに応じて熱源側冷媒の流れが決定される。
ヒートポンプ装置100では、利用側熱交換器26にて暖房負荷又は冷房負荷のみが発生している場合は、対応する第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23を中間の開度にし、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bの双方に熱媒体が流れるようにしている。これにより、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bの双方を暖房運転または冷房運転に使用することができるため、伝熱面積が大きくなり、効率のよい暖房運転または冷房運転を行なうことができる。
また、利用側熱交換器26にて暖房負荷と冷房負荷とが混在して発生している場合は、暖房運転を行なっている利用側熱交換器26に対応する第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23を加熱用の熱媒体間熱交換器15bに接続される流路へ切り替え、冷房運転を行なっている利用側熱交換器26に対応する第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23を冷却用の熱媒体間熱交換器15aに接続される流路へ切り替えることにより、各室内機2にて、暖房運転、冷房運転を自由に行なうことができる。
なお、本実施の形態で説明した第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23は、三方弁等の三方流路を切り替えられるもの、開閉弁等の二方流路の開閉を行なうものを2つ組み合わせる等、流路を切り替えられるものであればよい。また、ステッピングモーター駆動式の混合弁等の三方流路の流量を変化させられるもの、電子式膨張弁等の二方流路の流量を変化させられるものを2つ組み合わせる等して第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23として用いてもよい。この場合は、流路の突然の開閉によるウォーターハンマーを防ぐこともできる。さらに、本実施の形態では、熱媒体流量調整装置25が二方弁である場合を例に説明を行なったが、三方流路を持つ制御弁とし利用側熱交換器26をバイパスするバイパス管と共に設置するようにしてもよい。
また、熱媒体流量調整装置25は、ステッピングモーター駆動式で流路を流れる流量を制御できるものを使用するとよく、二方弁でも三方弁の一端を閉止したものでもよい。また、熱媒体流量調整装置25として、開閉弁等の二法流路の開閉を行うものを用い、ON/OFFを繰り返して平均的な流量を制御するようにしてもよい。
また、第2冷媒流路切替装置18が四方弁であるかのように示したが、これに限るものではなく、二方流路切替弁や三方流路切替弁を複数個用い、同じように冷媒が流れるように構成してもよい。
本実施の形態に係るヒートポンプ装置100は、冷房暖房混在運転ができるものとして説明をしてきたが、これに限定するものではない。熱媒体間熱交換器15及び絞り装置16がそれぞれ1つで、それらに複数の利用側熱交換器26と熱媒体流量調整装置25が並列に接続され、冷房運転か暖房運転のいずれかしか行なえない構成であっても同様の効果を奏する。
また、利用側熱交換器26と熱媒体流量調整装置25とが1つしか接続されていない場合でも同様のことが成り立つのは言うまでもなく、更に熱媒体間熱交換器15及び絞り装置16として、同じ動きをするものが複数個設置されていても、当然問題ない。さらに、熱媒体流量調整装置25は、熱媒体変換機3に内蔵されている場合を例に説明したが、これに限るものではなく、室内機2に内蔵されていてもよく、熱媒体変換機3と室内機2とは別体に構成されていてもよい。
本実施の形態では、ヒートポンプ装置100にアキュムレーター19を含めている場合を例に説明したが、アキュムレーター19を設けなくてもよい。また、一般的に、熱源側熱交換器12及び利用側熱交換器26には、送風機が取り付けられており、送風により凝縮あるいは蒸発を促進させる場合が多いが、これに限るものではない。たとえば、利用側熱交換器26としては放射を利用したパネルヒーターのようなものを用いることもできるし、熱源側熱交換器12としては、水や不凍液により熱を移動させる水冷式のタイプのものを用いることもできる。つまり、熱源側熱交換器12及び利用側熱交換器26としては、放熱あるいは吸熱をできる構造のものであれば種類を問わず、用いることができる。
本実施の形態では、利用側熱交換器26が4つである場合を例に説明したが、個数を特に限定するものではない。また、熱媒体間熱交換器15a、熱媒体間熱交換器15bが2つである場合を例に説明したが、当然、これに限るものではなく、熱媒体を冷却又は/及び加熱できるように構成すれば、幾つ設置してもよい。さらに、ポンプ21a、ポンプ21bはそれぞれ一つとは限らず、複数の小容量のポンプを並列に並べて接続してもよい。
以上のように、本実施の形態1に係るヒートポンプ装置100は、室内機2又は室内機2の近傍まで熱源側冷媒を循環させずに安全性の向上を図るだけでなく、配管5と各アクチュエータ(ポンプ21、第1熱媒体流路切替装置22、第2熱媒体流路切替装置、絞り装置16、第2冷媒流路切替装置等の駆動部品)との接続から漏れてしまった熱媒体を熱媒体変換機3内に留めておくことができるので、安全性を更に向上させたものとなる。また、ヒートポンプ装置100は、配管5を短くできるので省エネルギー化を図ることができる。さらに、ヒートポンプ装置100は、室外機1と熱媒体変換機3又は室内機2との接続配管(冷媒配管4、配管5)を減らし、工事性を向上できる。
加えて、ヒートポンプ装置100は、熱媒体変換機3に接続口51a及び接続口51bを設けたことにより、二元サイクルを構成することができ、信頼性と効率を確保しながら、高温の第2熱媒体を供給することが可能になる。また、ヒートポンプ装置100は、熱媒体変換機3と水温昇温機300を組み合わせることにより、2管で冷房運転と暖房運転を同時に実現できるだけでなく、2管で給湯運転をすることもできる。
実施の形態2.
図9は、本発明の実施の形態2に係るヒートポンプ装置(以下、ヒートポンプ装置100Aと称する)の回路構成の一例を示す概略回路構成図である。図9に基づいて、ヒートポンプ装置100Aの詳しい構成について説明する。ヒートポンプ装置100Aは、開閉装置17と並列に第2開閉装置17aを設けた点で実施の形態1に係るヒートポンプ装置100と相違している。ヒートポンプ装置100Aのそれ以外の構成については、実施の形態1に係るヒートポンプ装置100と同様である。なお、実施の形態2では実施の形態1との相違点を中心に説明し、実施の形態1と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。また、図9では、上述した全冷房運転モード2における冷媒の流れを併せて図示している。
開閉装置17aは、二方弁等で構成されており、冷媒配管4を開閉するものである。開閉装置17aは、熱源側冷媒の入口側における冷媒配管4、詳しくは2本の冷媒配管311を接続する配管に設けられている。図9に示すように、開閉装置17aが紙面上側に、開閉装置17が紙面下型に、並列となるように設けられている。
また、開閉装置17aは、その抵抗係数(Cv値)が、開閉装置17の抵抗係数に比べて小さい値であるものとしている。ヒートポンプ装置100Aでは、室内機2がすべて冷房運転で、なおかつ水温昇温機300が運転している場合(上述した全冷房運転モード2)のみに、開閉装置17を閉、開閉装置17aを開とする。そして、その他の運転モード、すなわち全冷房運転モード1、冷房主体運転モード、暖房主体運転モード、全暖房運転モードの場合に、開閉装置17を閉、開閉装置17aを閉とする。
開閉装置17aを設けた理由を説明する。
全冷房運転モード2の場合、実施の形態1で説明したように、熱源側冷媒の全流量が水温昇温機300に流れ込むため、容量が小さい水温昇温機300を熱媒体変換機3に接続した場合、水温昇温機300での圧力損失が非常に大きくなり、運転に不具合を生じる可能性がある。そこで、一部の熱源側冷媒を熱媒体変換機3に流れるようにし、水温昇温機300に流れ込む熱源側冷媒の流量を少なくするために、開閉装置17aを設けるようにしている。なお、開閉装置17aは、開度が可変なもので構成してもよい。
[全冷房運転モード2(水温昇温機300駆動パターン)]
図9では、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bでのみ冷熱負荷が発生し、水温昇温機300が運転している場合を例に全冷房運転モード2について説明する。また、図9では、太線で表された配管が冷媒(熱源側冷媒、水温昇温機側冷媒)及び第1熱媒体の流れる配管を示している。さらに、図9では、熱源側冷媒及び水温昇温機側冷媒の流れ方向を実線矢印で、第1熱媒体の流れ方向を破線矢印で示している。なお、その他の運転モードについては、開閉装置17、開閉装置17a以外はすべて同じなので、説明を省略する。
図9に示す全冷房運転モード2の場合、室外機1では、第1冷媒流路切替装置11を、圧縮機10から吐出された熱源側冷媒を熱源側熱交換器12へ流入させるように切り替える。熱媒体変換機3では、ポンプ21a及びポンプ21bを駆動させ、熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bを開放し、熱媒体流量調整装置25c及び熱媒体流量調整装置25dを全閉とし、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bのそれぞれと利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bとの間を第1熱媒体が循環するようにしている。また、熱媒体変換機3では、開閉装置17を閉、開閉装置17aを開としている。なお、室外機1の制御モードは冷房主体モードと同様になっている。また、水温昇温機300では、圧縮機301を駆動させ、水温昇温機側冷媒が冷媒循環回路C循環するようにしているとともに、絞り装置312を開としている。
まず始めに、冷媒循環回路Aにおける熱源側冷媒の流れについて説明する。
低温・低圧の冷媒が圧縮機10によって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、第1冷媒流路切替装置11を介して熱源側熱交換器12に流入する。そして、熱源側熱交換器12で室外空気に放熱しながら凝縮液化し、高圧の気液二相となる。熱源側熱交換器12から流出した高圧二相冷媒は、逆止弁13aを通って室外機1から流出し、冷媒配管4を通って熱媒体変換機3に流入する。
熱媒体変換機3に流入した高圧二相冷媒は、その一部が水温昇温機300に、残りが開閉装置17aを通って、水温昇温機300から流出してきた高圧液冷媒と合流した後、過冷却熱交換器50に流れ込む。過冷却熱交換器50に流入した熱源側冷媒は、バイパス回路55を流れる熱源側冷媒と熱交換し、高圧の液冷媒となる。この高圧液冷媒は、一部はバイパス回路55に、残りは絞り装置16a及び絞り装置16bに流入する。バイパス回路55に流入した高圧液冷媒は、絞り装置16cで膨張され、低圧の二相冷媒となり、過冷却熱交換器50のバイパス回路55側に流入する。過冷却熱交換器50のバイパス回路55側に流入した低圧二相冷媒は、高圧冷媒と熱交換して、低ガス冷媒となって、低圧配管に流入する。絞り装置16a及び絞り装置16bに流入した高圧液冷媒は、絞り装置16a及び絞り装置16bで膨張させられて、低温・低圧の二相冷媒となる。
一方、水温昇温機300に流入した高圧二相冷媒は、熱交換器304の熱源側冷媒流路に流入する。そこで、水温昇温機側冷媒と熱交換し、凝縮された後、絞り装置312で膨張させられる。その後、水温昇温機300から流出し、熱媒体変換機3に流入し、開閉装置17aを経由してきた熱源側冷媒と合流する。
絞り装置16a及び絞り装置16bを出た低温・低圧の二相冷媒は、蒸発器として作用する熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bのそれぞれに流入し、熱媒体循環回路Bを循環する第1熱媒体から吸熱することで、第1熱媒体を冷却しながら、低温・低圧のガス冷媒となる。熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bから流出したガス冷媒は、第2冷媒流路切替装置18a及び第2冷媒流路切替装置18bを経由した後、バイパス回路55を流れてきた低圧ガス冷媒と合流して、熱媒体変換機3から流出し、冷媒配管4を通って再び室外機1へ流入する。室外機1に流入した冷媒は、逆止弁13dを通って、第1冷媒流路切替装置11及びアキュムレーター19を介して、圧縮機10へ再度吸入される。
このとき、絞り装置16aは、第3温度センサー35aで検出された温度と第3温度センサー35bで検出された温度との差として得られるスーパーヒート(過熱度)が一定になるように開度が制御される。同様に、絞り装置16bは、第3温度センサー35cで検出された温度と第3温度センサー35dで検出された温度との差として得られるスーパーヒートが一定になるように開度が制御される。絞り装置16cは、第4温度センサー52で検出された温度と第5温度センサー53で検出された温度との差として得られるスーパーヒート(過熱度)が一定になるように開度が制御される。なお、絞り装置16cは開、開閉装置17は閉となっている。
次に、冷媒循環回路Cにおける水温昇温機側冷媒の流れについて説明する。
圧縮機301で圧縮された水温昇温機側冷媒は、高温・高圧のガス冷媒となって、熱交換器302の水温昇温機側冷媒流路に流入する。熱交換器302においては、水温昇温機側冷媒と貯湯タンク400から戻ってきた第2熱媒体(たとえば温水)とで熱交換し、第2熱媒体が高温に加熱され、水温昇温機側冷媒が温度を低下させて(エンタルピー低下させて)、熱交換器302から流出される。
熱交換器302から流出した水温昇温機側冷媒は、絞り装置303において減圧され、低圧の二相冷媒となって、熱交換器304の水温昇温機側冷媒流路に流入する。熱交換器304に流入した水温昇温機側冷媒は、接続口51a及び接続口305aを通って、熱媒体変換機3から流れ込んできた熱源側冷媒と熱交換する。そして、熱源側冷媒は凝縮して液状態に、水温昇温機側冷媒は蒸発してガス状態になる。凝縮して液状態となった熱源側冷媒は、絞り装置312で減圧され、接続口305b及び接続口51bを通って、熱媒体変換機3に送り込まれる。ガス状態になった水温昇温機側冷媒は、圧縮機301に再度吸引される。
なお、熱媒体循環回路Bにおける第1熱媒体の流れについては、図4に示す全冷房運転モード1と同様であるので、ここでは説明を省略する。
以上のように、本実施の形態2に係るヒートポンプ装置100Aは、室内機2又は室内機2の近傍まで熱源側冷媒を循環させずに安全性の向上を図るだけでなく、配管5と各アクチュエータとの接続から漏れてしまった熱媒体を熱媒体変換機3内に留めておくことができるので、安全性を更に向上させたものとなる。また、ヒートポンプ装置100Aは、配管5を短くできるので省エネルギー化を図ることができる。さらに、ヒートポンプ装置100Aは、室外機1と熱媒体変換機3又は室内機2との接続配管(冷媒配管4、配管5)を減らし、工事性を向上できる。
加えて、ヒートポンプ装置100Aは、熱媒体変換機3に接続口51a及び接続口51bを設けたことにより、二元サイクルを構成することができ、信頼性と効率を確保しながら、高温の第2熱媒体を供給することが可能になる。また、ヒートポンプ装置100Aは、熱媒体変換機3と水温昇温機300を組み合わせることにより、2管で冷房運転と暖房運転を同時に実現できるだけでなく、2管で給湯運転をすることもできる。さらに、抵抗係数が開閉装置17よりも小さい開閉装置17aを、開閉装置17と並列に接続することにより、水温昇温機300での圧力損失を小さくすることができ、性能向上に更に寄与することができる。
1 室外機、2 室内機、2a 室内機、2b 室内機、2c 室内機、2d 室内機、3 熱媒体変換機、4 冷媒配管、4a 第1接続配管、4b 第2接続配管、5 配管、6 室外空間、7 室内空間、8 空間、9 建物、10 圧縮機、11 第1冷媒流路切替装置、12 熱源側熱交換器、13a 逆止弁、13b 逆止弁、13c 逆止弁、13d 逆止弁、15 熱媒体間熱交換器、15a 熱媒体間熱交換器、15b 熱媒体間熱交換器、16 絞り装置、16a 絞り装置、16b 絞り装置、16c 絞り装置、17 開閉装置、17a 開閉装置、18 第2冷媒流路切替装置、18a 第2冷媒流路切替装置、18b 第2冷媒流路切替装置、19 アキュムレーター、21 ポンプ、21a ポンプ、21b ポンプ、22 第1熱媒体流路切替装置、22a 第1熱媒体流路切替装置、22b 第1熱媒体流路切替装置、22c 第1熱媒体流路切替装置、22d 第1熱媒体流路切替装置、23 第2熱媒体流路切替装置、23a 第2熱媒体流路切替装置、23b 第2熱媒体流路切替装置、23c 第2熱媒体流路切替装置、23d 第2熱媒体流路切替装置、25 熱媒体流量調整装置、25a 熱媒体流量調整装置、25b 熱媒体流量調整装置、25c 熱媒体流量調整装置、25d 熱媒体流量調整装置、26 利用側熱交換器、26a 利用側熱交換器、26b 利用側熱交換器、26c 利用側熱交換器、26d 利用側熱交換器、31 第1温度センサー、31a 第1温度センサー、31b 第1温度センサー、34 第2温度センサー、34a 第2温度センサー、34b 第2温度センサー、34c 第2温度センサー、34d 第2温度センサー、35 第3温度センサー、35a 第3温度センサー、35b 第3温度センサー、35c 第3温度センサー、35d 第3温度センサー、36 第1圧力センサー、50 過冷却熱交換器、51a 接続口、51b 接続口、52 第4温度センサー、53 第5温度センサー、55 バイパス回路、60 機械室、100 ヒートポンプ装置、100A ヒートポンプ装置、300 水温昇温機、301 圧縮機、302 熱交換器、303 絞り装置、304 熱交換器、305a 接続口、305b 接続口、306 第6温度センサー、307 第7温度センサー、308 第8温度センサー、309 第2圧力センサー、310 第3圧力センサー、311 冷媒配管、312 絞り装置、315 冷媒配管、400 貯湯タンク、401 水搬送装置、402 配管、410 熱交換器、A 冷媒循環回路、B 熱媒体循環回路、C 冷媒循環回路、D 貯湯回路。

Claims (9)

  1. 第1圧縮機、熱源側熱交換器、第1絞り装置、熱媒体間熱交換器の冷媒側流路と、が冷媒配管で接続され、第1冷媒を循環させる第1冷媒回路と、
    ポンプ、利用側熱交換器、前記熱媒体間熱交換器の熱媒体側流路と、が熱媒体配管で接続され、第1熱媒体を循環させる第1熱媒体循環回路と、
    第2圧縮機、第1熱交換器、第2絞り装置、第2熱交換器と、が冷媒配管で接続され、前記第2熱交換器を介して前記第1冷媒と熱交換する第2冷媒を循環させる第2冷媒回路と、
    前記第1熱交換器を介して前記第2冷媒と熱交換する第2熱媒体を循環させる第2熱媒体循環回路と、を有し、
    前記熱媒体間熱交換器は、複数であり、
    前記複数の熱媒体間熱交換器の全部で前記第1熱媒体を加熱する全暖房運転モードと、
    前記複数の熱媒体間熱交換器の全部で前記第1熱媒体を冷却する全冷房運転モードと、
    前記複数の熱媒体間熱交換器の一部で前記第1熱媒体を加熱し、前記複数の熱媒体間熱交換器の残りで前記第1熱媒体を冷却する冷房暖房混在運転モードと、が切り替えられ、
    前記第1冷媒は、前記第2熱交換器の前記第1冷媒が流入する流路の出口側に設けられた第3絞り装置の開度制御と、開状態の時、前記第2熱交換器の前記第1冷媒が流入する流路の入口側と前記第3絞り装置の出口側とを連通させる第1開閉装置の開閉制御と、によって、前記第2熱交換器への流入制御され、
    前記全暖房運転モードでは、前記第2熱媒体の加熱時に、前記第2熱交換器と、並列に接続された前記複数の熱媒体間熱交換器と、が並列に接続されつつ、前記第1冷媒が前記第2熱交換器に供給され、
    前記全冷房運転モードでは、前記第2熱媒体の加熱時に、前記第2熱交換器と、並列に接続された前記複数の熱媒体間熱交換器と、が直列に接続されつつ、前記第1冷媒が前記第2熱交換器に供給され、
    前記冷房暖房混在運転モードでは、前記第2熱媒体の加熱時に、前記複数の熱媒体間熱交換器のうちの前記第1熱媒体を加熱する熱媒体間熱交換器と、前記複数の熱媒体間熱交換器のうちの前記第1熱媒体を冷却する熱媒体間熱交換器と、が直列に接続され、且つ、前記第2熱交換器と、前記複数の熱媒体間熱交換器のうちの前記第1熱媒体を加熱する熱媒体間熱交換器とが、並列に接続されつつ、前記第1冷媒が前記第2熱交換器に供給される
    ヒートポンプ装置。
  2. 前記第1圧縮機及び前記熱源側熱交換器は、室外機に搭載され、
    前記第1絞り装置、前記第1開閉装置、前記熱媒体間熱交換器、及び、前記ポンプは、熱媒体変換機に搭載され、
    前記利用側熱交換器は、室内機に搭載され、
    前記第2圧縮機、前記第1熱交換器、前記第2絞り装置、及び、前記第2熱交換器は、水温昇温機に搭載され、
    前記熱媒体変換機及び前記水温昇温機のそれぞれに前記第1冷媒回路を構成する冷媒配管が連結される2つの接続口設けられ
    前記熱媒体変換機側に設けられた2つの接続口は、
    前記第1冷媒回路を構成する冷媒配管のうち高圧冷媒が流れる配管結される
    請求項1に記載のヒートポンプ装置。
  3. 前記第1開閉装置は、
    前記熱媒体変換機側に設けられた2つの接続口に至る配管同士を接続する配管に設置され
    請求項2に記載のヒートポンプ装置。
  4. 前記室外機と前記熱媒体変換機と、前記熱媒体変換機と前記室内機と、前記熱媒体変換機と前記水温昇温機と、それぞれ2本の配管で接続される
    請求項2又は3に記載のヒートポンプ装置。
  5. 前記第1冷媒は、前記第3絞り装置の開度制御と、前記第1開閉装置の開閉制御と、開状態の時、前記第2熱交換器の前記第1冷媒が流入する流路の入口側と前記第3絞り装置の出口側とを連通させる第2開閉装置の開閉制御と、によって、前記第2熱交換器への流入が制御される
    請求項1〜4のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
  6. 第1圧縮機と、熱源側熱交換器と、第1絞り装置と、熱媒体間熱交換器の冷媒側流路と、が冷媒配管で接続され、第1冷媒を循環させる第1冷媒回路と、
    ポンプと、利用側熱交換器と、前記熱媒体間熱交換器の熱媒体側流路と、が熱媒体配管で接続され、第1熱媒体を循環させる第1熱媒体循環回路と、
    第2圧縮機と、第1熱交換器と、第2絞り装置と、第2熱交換器と、が冷媒配管で接続され、前記第2熱交換器を介して前記第1冷媒と熱交換する第2冷媒を循環させる第2冷媒回路と、
    前記第1熱交換器を介して前記第2冷媒と熱交換する第2熱媒体を循環させる第2熱媒体循環回路と、を有し、
    前記第1冷媒は、前記第2熱交換器の前記第1冷媒が流入する流路の出口側に設けられた第3絞り装置の開度制御と、開状態の時、前記第2熱交換器の前記第1冷媒が流入する流路の入口側と前記第3絞り装置の出口側とを連通させる第1開閉装置の開閉制御と、開状態の時、前記第2熱交換器の前記第1冷媒が流入する流路の入口側と前記第3絞り装置の出口側とを連通させる第2開閉装置の開閉制御と、によって、前記第2熱交換器への流入が制御される
    ヒートポンプ装置。
  7. 前記第1冷媒として、前記第2冷媒とは異なる冷媒用いられる
    請求項1〜6のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
  8. 前記第2冷媒として、R134aと同程度の圧力の冷媒用いられる
    請求項7に記載のヒートポンプ装置。
  9. 前記第2冷媒として、HFO−1234yfまたはHFO−1234zeからなる冷媒用いられる
    請求項8に記載のヒートポンプ装置。
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