JP6057871B2 - ヒートポンプシステム、及び、ヒートポンプ式給湯器 - Google Patents

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２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，２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２つの圧縮機構を搭載している圧縮機と異なり、２つの独立した圧縮機を直列に連結する場合には、２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、２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、本発明の二段圧縮式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、高段側圧縮機の吐出側に設けられるオイルセパレータと、圧縮機構で圧縮された冷媒と熱交換対象とを熱交換する第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とを熱交換する第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経路と、オイルセパレータと高段側圧縮機の吸入側の間を繋ぐ主戻り配管と、主戻り配管と均油経路とを繋ぐ油戻り経路と、油戻り経路に設けられる油戻り用開閉弁と、冷媒を、低段側圧縮機と高段側圧縮機をこの順に流す二段圧縮経路と、低段側圧縮機と高段側圧縮機の一方だけを流す一段圧縮経路と、を選択的に切り替える冷媒経路切換え機構と、を備えることを特徴とする。
例えばヒートポンプ式の給湯器を想定すると、機器の高圧圧力は水と冷媒の熱交換器（水対冷媒熱交換器）に入ってくる水温（例えば、３５〜７５℃の範囲）に依存して決まるため、水温によって圧縮機の吸入側と吐出側の圧力差が大きく変わり得る。水対冷媒熱交換器の入口水温が低い状態で二段圧縮運転を行うと、低段側圧縮機と高段側圧縮機の間の差圧が小さくなる。この圧縮機間の差圧によって、戻される冷凍機油の量が決まる。そこで、本発明は、二段圧縮運転を行っている最中に、低段側圧縮機と高段側圧縮機の間の差圧が低くなると、一段圧縮運転に切り替えられるようにする。

本発明のヒートポンプシステムにおいて、二段圧縮経路が選択されている最中に、以下の条件（１）〜条件（３）のいずれかを満たすと、冷媒の経路が、一段圧縮経路に切り換えられる。
条件（１）：Ｔ_Ｗ ≦ Ｔ_Ｒ
Ｔ_Ｗ；第１熱交換器の熱交換対象が水の場合に、水と冷媒の熱交換器（水熱交）に入ってくる水温， Ｔ_Ｒ；規定値
条件（２）：（Ｐ_ＨＯ−Ｐ_ＬＩ） ≦ ΔＰ_Ｒ１
Ｐ_ＬＩ；低段側圧縮機の吸入圧力 Ｐ_ＨＯ；高段側圧縮機の吐出圧力 規定値：ΔＰ_Ｒ１
条件（３）（Ｐ_ＬＯ−Ｐ_ＬＩ） ≦ ΔＰ_Ｒ２
Ｐ_ＬＩ；低段側圧縮機の吸入圧力 Ｐ_ＬＯ；低段側圧縮機の吐出圧力 規定値：ΔＰ_Ｒ２

本発明のヒートポンプシステムは、冷媒経路切換え機構が、一段圧縮経路を選択すると、油戻り用開閉弁を開くことで、オイルセパレータからの冷凍機油を、高段側圧縮機を経由することなく、油戻り経路を介して均油経路に戻す。
以上の構成の油戻り経路、均油経路を設けることにより、低段側圧縮機、高段側圧縮機のそれぞれの冷凍機油の量が不足したときに油量の回復が容易にできる。

本発明のヒートポンプシステムにおいて、戻り用開閉弁の開閉、及び、均油用開閉弁の開閉は、低段側圧縮機における予測される冷凍機油の量、及び、高段側圧縮機における予測される冷凍機油の量に基づいて制御することが好ましい。
ヒートポンプシステムが備えている圧力センサ、温度センサ検知結果から求められる２つの圧縮機それぞれの油量に基づいて、適切なタイミングで冷凍機油を制御することができる。

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機は、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、低段側圧縮機と高段側圧縮機の運転を停止することなく、第１電磁弁と第２電磁弁の開閉という簡易な操作だけで、低段側圧縮機と高段側圧縮機における冷凍機油の均一化を図ることができる。

第１実施形態に係るヒートポンプシステムの回路構成を示す図である。 第１実施形態のヒートポンプシステムの動作を示す図であり、（ａ）は二段圧縮運転を示し、（ｂ）は一段圧縮運転を示す。 図１のヒートポンプシステムの二段圧縮運転と一段圧縮運転の切り替えを、２つの電磁弁で行う回路構成を示す図である。 図１のヒートポンプシステムにオイルセパレータを二つ付け加えた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し、図５とは異なる運転モードを示している。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
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（以下、単に膨張弁）１２と、膨張弁１２にて減圧膨張された冷媒と熱交換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は、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することができ、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と高段側圧縮機１０ｂの接続状態を以下のように切り替える四方切換え弁１４を備えている。つまり、四方切換え弁１４は、冷媒が低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂの両者を通過する二段圧縮運転（二段圧縮経路）と、冷媒が低段側圧縮機１０ａだけを通過するが高段側圧縮機１０ｂを迂回する一段圧縮運転（一段圧縮経路）と、を切り替える。
また、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。

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。
また、ヒートポンプシステム１は、低段側圧縮機１０ａの吐出側（配管Ｌ１）と高段側圧縮機１０ｂの吐出側（配管Ｌ２）を繋ぐ配管Ｌ５を備えている。前述した四方切換え弁１４は、配管Ｌ５の低段側圧縮機１０ａの吐出側の接続端に設けられている。四方切換え弁１４は、低段側圧縮機１０ａから吐出される冷媒を、配管Ｌ１をそのまま通って高段側圧縮機１０ｂに吸入されるか、又は、配管Ｌ５を通り、さらに配管Ｌ２を通って第１熱交換器１１に供給するかを切り換える。この切り替えにより、二段圧縮経路と一段圧縮経路）との切り替えが実現される。
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。

次に、ヒートポンプシステム１は、配管Ｌ２上にオイルセパレータ２６を備えている。オイルセパレータ２６は、高段側圧縮機１０ｂと油戻し配管２７により直接的に接続されている。油戻し配管２７は固定絞り２７ａを備えている。
オイルセパレータ２６は、二段圧縮運転の最中には、高段側圧縮機１０ｂから吐出される冷媒から冷凍機油を分離し、戻り配管２７を介して高段側圧縮機１０ｂに戻す。オイルセパレータ２６は、一段圧縮運転の最中には、低段側圧縮機１０ａから吐出される冷媒から冷凍機油を分離し、油戻し配管２７を介して高段側圧縮機１０ｂに戻す。

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当該流体を加熱する。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（送風空気）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膨張弁を用いることができる。

［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と油戻し配管２７を繋ぐバイパス配管２３と、バイパス配管２３に設けられる電磁弁２５と、を備える。
均油機構２０は、均油配管２１を通じて低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂの間で冷凍機油を流通させる。また、均油機構２０は、バイパス配管２３を介して、高段側圧縮機１０ｂの吐出側から均油配管２１に冷凍機油を戻す。このバイパス配管２３の機能は、一段圧縮運転が行われている際に発揮されることで、均油配管２１に必要な差圧を与える。
均油配管２１は、低段側圧縮機１０ａ及び高段側圧縮機１０ｂの各々が必要とする冷凍機油の量を示す油面を基準とすると、その基準油面の直上において低段側圧縮機１０ａ及び高段側圧縮機１０ｂと接続される。

［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、二段圧縮運転が行われる。ただし、特定の条件を備えると、一段圧縮運転が行われる。

はじめに、二段圧縮運転について説明する。
二段圧縮運転のときは、図２（ａ）に示すように、配管Ｌ１（Ｌ１１とＬ１２）が連通するように四方切換え弁１４が切換えられており、低段側圧縮機１０ａで中間圧まで加圧された冷媒は、配管Ｌ１１、四方切換え弁１４、配管Ｌ１２を通って、高段側圧縮機１０ｂに吸入される。図２（ａ）において、矢印は冷媒が流れる向きを示している。後述する図２（ｂ）も同様である。
高段側圧縮機１０ｂで高温高圧まで圧縮されてから吐出された高圧冷媒が、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で放熱した高圧冷媒は、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、均油配管２１を通じて冷凍機油を流通させることで、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂの各々の油面レベルを必要な範囲に確保する。
ここで、圧縮機から吐出される冷媒に含まれる冷凍機油を圧縮機に戻す方式としては、圧縮機の吐出側に冷媒と油を分離するオイルセパレータと称される機器を配置し、分離した冷凍機油をキャピラリチューブなどの固定絞りを備える油戻し回路を経由して圧縮機の吸入側に戻す方式が一般的である。
ところが、例えばヒートポンプ式の給湯器を想定すると、機器の高圧圧力は水と冷媒の熱交換器（水対冷媒熱交換器）に入ってくる水温（例えば、３５〜７５℃の範囲）に依存して決まるため、水温によって圧縮機の吸入側と吐出側の圧力差が大きく変わり得る。水対冷媒熱交換器の入口水温が低い状態で二段圧縮運転を行うと、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂの間の差圧が小さくなる。この圧縮機間の差圧によって、戻される冷凍機油の量が決まる。そこで、本実施形態は、二段圧縮運転を行っている最中に、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂの間の差圧が低くなると、一段圧縮運転に切り替えるとともに、電磁弁２５を開く。こうして、ヒートポンプシステム１は、オイルセパレータ２６からバイパス配管２３を介して、高段側圧縮機１０ｂを経由することなく均油配管２１に冷凍機油を戻すことで、均油機構２０における差圧を常に規定値以上に保つことができる。しかも、ヒートポンプシステム１は、油戻し配管２７にある固定絞り２７ａ及び高段側圧縮機１０ｂを経由することなく、低段側圧縮機１０ａに油を戻すことができるので、固定絞り２７ａや高段側圧縮機１０ｂで圧力損失が生じて油戻し流量が低下するのを防げる。

ヒートポンプシステム１は、二段圧縮運転を行っている最中に、以下の（１）〜（３）の条件を備えると、一段圧縮運転に切り替える。以下の条件は、いずれも、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂの間の差圧が低くなることの指標である。条件（１）〜（３）の規定値Ｔ_Ｒ、ΔＰ_Ｒ１及びΔＰ_Ｒ２は、一義的に定まるものでなく、適用されるヒートポンプシステム１の各構成要素、運転条件に対応して定めることになる。なお、水温Ｔ_Ｗ、吸入圧力Ｐ_ＬＩ、吐出圧力Ｐ_ＬＯ及び吐出圧力Ｐ_ＨＯは、図示を省略するが、第１熱交換器１１に付設される温度センサ、低段側圧縮機１０ａ、高段側圧縮機１０ｂに付設される圧力センサにより検出される。検出された情報は、図示を省略する制御部に送られる。制御部は、取得した水温Ｔ_Ｗ、吸入圧力Ｐ_ＬＩ、吐出圧力Ｐ_ＬＯ及び吐出圧力Ｐ_ＨＯに関する情報を用いて、条件（１）〜（３）を判定する。制御部は、一段圧縮運転の最中も、条件（１）〜（３）を判定し続ける。

（１）水と冷媒の熱交換器（水熱交）に入ってくる水温：Ｔ_Ｗ， 規定値：Ｔ_Ｒ
Ｔ_Ｗ ≦ Ｔ_Ｒ
（２）低段側圧縮機１０ａの吸入圧力Ｐ_ＬＩ，高段側圧縮機１０ｂの吐出圧力Ｐ_ＨＯ 規定値：ΔＰ_Ｒ１
（Ｐ_ＨＯ−Ｐ_ＬＩ） ≦ ΔＰ_Ｒ１
（３）低段側圧縮機１０ａの吸入圧力Ｐ_ＬＩ，吐出圧力Ｐ_ＬＯ 規定値：ΔＰ_Ｒ２
（Ｐ_ＬＯ−Ｐ_ＬＩ） ≦ ΔＰ_Ｒ２

［二段圧縮運転 → 一段圧縮運転］
制御部は、二段圧縮運転を行っている最中に、条件（１）〜（３）のいずれかを満足すると判定すると、四方切換え弁１４を図２（ｂ）に示す一段圧縮運転の位置に切り換えるよう指示する。また、制御部４０は、電磁弁２５を開くように指示する。そうすると、ヒートポンプシステム１は、以下のように動作する。
低段側圧縮機１０ａで高圧まで圧縮されてから吐出された高圧冷媒は、配管Ｌ１１、四方切換え弁１４及び配管Ｌ５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。なお、ここでは、低段側圧縮機１０ａは、二段圧縮運転のときよりも運転能力を向上して、冷媒を高圧まで圧縮する。また、高段側圧縮機１０ｂは運転が停止される。
第１熱交換器１１で放熱した高圧冷媒は、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。
一段圧縮運転は、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、電磁弁２５が開いているので、冷凍機油はバイパス配管２３を通って、高段側圧縮機１０ｂを経由することなく均油配管２１に戻される。したがって、均油機構２０における差圧を常に規定値以上に保つことができるので、低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂの間の油面をバランスよく保つことができる。

以上説明したヒートポンプシステム１は、二段圧縮運転と一段圧縮運転を切り替えるのに、四方切換え弁１４を用いているが、本発明はこれに限定されない。図３に示されるように、ヒートポンプシステム２は、２つの電磁弁１４ａ、１４ｂを各々配管Ｌ１、Ｌ５に配置し、選択的に開閉を制御することで、二段圧縮運転と一段圧縮運転を切り替えることができる。図３に示す例の場合、電磁弁１４ａを開くとともに電磁弁１４ｂを閉じると二段圧縮運転を行い、電磁弁１４ａを閉じるとともに電磁弁１４ｂを開けると二段圧縮運転を行う。なお、図１と同じ要素には、図１と同じ符号を図３に付している。図４も同様である。

図１は、オイルセパレータ２６が低段側圧縮機１０ａ及び高段側圧縮機１０ｂの両者に対応して設けられた例を示しているが、図４に示すヒートポンプシステム４のように、低段側圧縮機１０ａの吐出側であって四方切換え弁１４の手前に低段側圧縮機１０ａ用のオイルセパレータ２８を備えることができる。オイルセパレータ２８は、油戻し配管２９により均油配管２１に繋げられている。
オイルセパレータ２６は、二段圧縮運転及び一段圧縮運転のいずれの最中にも、低段側圧縮機１０ａから吐出される冷媒から冷凍機油を分離し、油戻し配管２９及び均油配管２１を介して低段側圧縮機１０ａに戻す。したがって、図４に示すヒートポンプシステム４は、低段側圧縮機１０ａに効率よく冷凍機油を戻すことができる。

［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（図１）に示したオイルセパレータ２６を一つだけ設けた回路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。ヒートポンプ系統２００は、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の他に、水対冷媒熱交換器１１の出口側冷媒温度をコントロールする減圧手段としての第１膨張弁１２ａと、冷媒を気液分離する中間圧レシーバ１６ａと、過冷却コイル１７と、中間圧冷媒を減圧する第２膨張弁１２ｂと、アキュムレータ１８とが冷媒回路上に備えている。アキュムレータ１８は、熱源側空気熱交換器１３で蒸発し切れなかった液状の冷媒を分離する。
また、ヒートポンプ系統２００は、中間圧レシーバ１６ａで分離された中間圧の冷媒ガスを高段側圧縮機１０ｂに吸込まれる中間圧の冷媒ガス中に注入する電磁弁１６ｂ、逆止弁１６ｃ及びインジェクション管１６ｄを備えるインジェクション回路１６を備えている。
なお、電磁弁１６ｂは、例えば、中間圧レシーバ１６ａの内部が液冷媒で一杯になっている起動時に、液冷媒が高段側圧縮機１０ｂに供給されないようにするため、インジェクション回路１６を閉塞する弁としての役目も担っている。

また、ヒートポンプ系統２００は、均油配管２１と並列にサブ配管１２１を備え、このサブ配管１２１は電磁弁１２２を備えている。同様に、ヒートポンプ系統２００は、戻り配管２７と並列にサブ配管１２７を備え、このサブ配管１２７は電磁弁１２８を備えている。なお、サブ配管１２１，１２７は、いずれも絞りを備えている。
サブ配管１２１，１２７は、均油配管２１，戻り配管２７を流れる冷凍機油の量に制限があるために、より多くの冷凍機油を流したいときに、電磁弁１２２，１２８を開く。

［水系統３００］
水系統３００は、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（利用側熱交換器）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の開閉を制御して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中に実線矢印で示されるように、四方切替え弁１４により水対冷媒熱交換器１１に導かれて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、全開の第１膨張弁１２ａを通って中間圧レシーバ１６ａに流入する。この中間圧レシーバ１６ａでは、冷媒の気液分離が行われるとともに、分離された中間圧のガス冷媒は、電磁弁１６ｂ、逆止弁１６ｃを通って低段側圧縮機１０ａと高段側圧縮機１０ｂの間の中間圧にインジェクションされる。

一方、中間圧レシーバ１６ａで分離された液状の冷媒は、過冷却コイル１７を経由して第２膨張弁１２ｂにより減圧され、低温低圧の気液二相の冷媒となって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中の破線矢印の向き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、二段圧縮運転を行っている最中に、以下の（１）〜（３）の条件を備えると、一段圧縮運転に切り替える。この切り替えは、図２（ａ），（ｂ）を参照して説明した通りである。
（１）水と冷媒の熱交換器（水熱交）に入ってくる水温：Ｔ_Ｗ， 規定値：Ｔ_Ｒ
Ｔ_Ｗ ≦ Ｔ_Ｒ
（２）低段側圧縮機１０ａの吸入圧力Ｐ_ＬＩ，高段側圧縮機１０ｂの吐出圧力Ｐ_ＨＯ 規定値：ΔＰ_Ｒ１
（Ｐ_ＨＯ−Ｐ_ＬＩ） ≦ ΔＰ_Ｒ１
（３）低段側圧縮機１０ａの吸入圧力Ｐ_ＬＩ，吐出圧力Ｐ_ＬＯ 規定値：ΔＰ_Ｒ２
（Ｐ_ＬＯ−Ｐ_ＬＩ） ≦ ΔＰ_Ｒ２

［二段圧縮運転 → 一段圧縮運転］
一段圧縮運転に切り替えられると、低段側圧縮機１０ａで高圧まで圧縮されてから吐出された高圧冷媒は、配管Ｌ１１、四方切換え弁１４及び配管Ｌ５を通って水対冷媒熱交換器１１に流入し、熱交換対象に対して放熱する。なお、ここでは、低段側圧縮機１０ａは、二段圧縮運転のときよりも運転能力を向上して、冷媒を高圧まで圧縮する。また、高段側圧縮機１０ｂは運転が停止される。

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。
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。したがって、本発明を室内用熱交換器をさらに備える給湯・空調機に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の給湯器に適用することもできる。

１，２，３，４ 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 第１膨張弁
１２ｂ 第２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
１４，１５ 四方切換え弁
１４ａ，１４ｂ 電磁弁
１６ インジェクション回路
１６ａ 中間圧レシーバ
１６ｂ 電磁弁
１６ｃ 逆止弁
１６ｄ インジェクション管
１７ 過冷却コイル
１８ アキュムレータ
２０ 均油機構
２１ 均油配管
２３ バイパス配管
２５ 電磁弁
２６，２８ オイルセパレータ
２７，２９ 油戻し配管
１００ 給湯・空調機
１２１，１２７ サブ配管
１２２，１２８ 電磁弁
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 三方切換え弁
３０７ 水循環ポンプ
Ｌ１，Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５ 配管

Claims (4)

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、
   前記高段側圧縮機の吐出側に設けられるオイルセパレータと、
   前記圧縮機構で圧縮された前記冷媒と熱交換対象とを熱交換する第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冷媒と熱交換対象とを熱交換する第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経路と、
   前記オイルセパレータと前記高段側圧縮機の吸入側の間を繋ぐ主戻り配管と、
   前記主戻り配管と前記均油経路とを繋ぐ油戻り経路と、
   前記油戻り経路に設けられる油戻り用開閉弁と、
   前記冷媒を、前記低段側圧縮機と前記高段側圧縮機をこの順に流す二段圧縮経路と、前記低段側圧縮機と前記高段側圧縮機の一方だけを流す一段圧縮経路と、を選択的に切り替える、冷媒経路切換え機構と、
   を備え、
   前記冷媒経路切換え機構が、前記一段圧縮経路を選択すると、
   前記油戻り用開閉弁を開くことで、前記オイルセパレータからの前記冷凍機油が、前記高段側圧縮機を経由することなく、前記油戻り経路を介して前記均油経路に戻される、ことを特徴とするヒートポンプシステム。
2. 前記二段圧縮経路が選択されている最中に、以下の条件（１）〜条件（３）のいずれかを満たすと、前記冷媒の経路が、前記一段圧縮経路に切り換えられる、
   請求項１に記載のヒートポンプシステム。
   条件（１）：Ｔ_Ｗ ≦ Ｔ_Ｒ
   Ｔ_Ｗ；第１熱交換器の熱交換対象が水の場合に、水と冷媒の熱交換器（水熱交）に入ってくる水温， Ｔ_Ｒ；規定値
   条件（２）：（Ｐ_ＨＯ−Ｐ_ＬＩ） ≦ ΔＰ_Ｒ１
   Ｐ_ＬＩ；低段側圧縮機の吸入圧力 Ｐ_ＨＯ；高段側圧縮機の吐出圧力 規定値：ΔＰ_Ｒ１
   条件（３）（Ｐ_ＬＯ−Ｐ_ＬＩ） ≦ ΔＰ_Ｒ２
   Ｐ_ＬＩ；低段側圧縮機の吸入圧力 Ｐ_ＬＯ；低段側圧縮機の吐出圧力 規定値：ΔＰ_Ｒ２
3. 前記戻り用開閉弁の開閉、及び、前記均油用開閉弁の開閉は、
   前記低段側圧縮機における予測される冷凍機油の量、及び、前記高段側圧縮機における予測される冷凍機油の量に基づいて制御される、
   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. 請求項１〜３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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