JP6660873B2

JP6660873B2 - ヒートポンプ式温調装置

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Publication number: JP6660873B2
Application number: JP2016249213A
Authority: JP
Inventors: 裕紀村上; 日野原　昌信; 昌信日野原
Original assignee: Taikisha Ltd
Current assignee: Taikisha Ltd
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2020-03-11
Anticipated expiration: 2036-12-22
Also published as: JP2018105514A

Description

本発明は、ヒートポンプ式温調装置に関し、詳しくは、圧縮機により冷媒を循環させる蒸気圧縮式の冷媒回路を備え、流体の冷却負荷を処理する冷却運転と前記流体の加熱負荷を処理する加熱運転との切り換え実施を可能にしたヒートポンプ式温調装置に関する。

従来、この種のヒートポンプ式温調装置では、図１２に示すように、調整対象の流体ＯＡを冷媒ｒと熱交換させる温調側熱交換器Ｎｉと、冷媒ｒを吸放熱原Ａと熱交換させる熱源側熱交換器Ｎｏとを設けるとともに、冷媒ｒを圧縮機Ｃｍｐ→熱源側熱交換器Ｎｏ→膨張手段Ｅｘ→温調側熱交換器Ｎｉ→圧縮機Ｃｍｐの順で循環させる冷却用循環状態（図中、実線の矢印で示す）と、冷媒ｒを圧縮機Ｃｍｐ→温調側熱交換器Ｎｉ→膨張手段Ｅｘ→熱源側熱交換器Ｎｏ→圧縮機Ｃｍｐの順で循環させる加熱用循環状態（図中、破線の矢印で示す）とに、冷媒回路ＲＣにおける冷媒ｒの流れの向きを反転させる四方弁Ｖを設け、この四方弁Ｖの切り換え操作により冷却運転と加熱運転との切り換えを行うようにしていた。

即ち、冷却運転（実線の矢印）では、熱源側熱交換器Ｎｏを凝縮器として機能させるとともに、温調側熱交換器Ｎｉを蒸発器として機能させて、調整対象の流体ＯＡを温調側熱交換器Ｎｉにおいて蒸発過程の冷媒ｒと熱交換させることで冷却するようにし、一方、加熱運転（破線の矢印）では、逆に、熱源側熱交換器Ｎｏを蒸発器として機能させるとともに、温調側熱交換器Ｎｉを凝縮器として機能させて、調整対象の流体ＯＡを温調側熱交換器Ｎｉにおいて凝縮過程の冷媒ｒと熱交換させることで加熱するようにしていた。

実開昭６２−１４５０７０号公報

しかし、上記した従来のヒートポンプ式温調装置では、冷媒回路ＲＣのほぼ全体（具体的には、圧縮機Ｃｍｐと四方弁Ｖとの間の部分を除く全ての回路部分）について冷媒ｒの流れの向きを反転させることで冷却運転と加熱運転との切り換えを行うため、その切り換えの際には一時的にせよ圧縮機Ｃｍｐの運転を停止して、冷媒回路ＲＣにおける冷媒ｒの流れを全体的に停止させることが必要で、その停止期間中は、冷却負荷や加熱負荷に対して全く対応できなくなり、この点で、装置の性能が低く制限される問題があった。

また、圧縮機Ｃｍｐの出力調整範囲には下限値が存在して、冷却負荷や加熱負荷の低下に対し圧縮機Ｃｍｐの出力を下限値未満には低下させることができないため、冷却運転での圧縮機Ｃｍｐの出力調整で対応できる負荷範囲と加熱運転での圧縮機Ｃｍｐの出力調整で対応できる負荷範囲との間には、対応不能な負荷範囲が存在し、この点からも、装置性能が低く制限される問題があった。

この実情に鑑み、本発明の主たる課題は、上記の如き問題を一挙に解消して、ヒートポンプ式温調装置の装置性能を効果的に高める点にある。

本発明の第１特徴構成はヒートポンプ式温調装置に係り、その特徴は、
圧縮機により冷媒を循環させる蒸気圧縮式の冷媒回路を備え、
流体の冷却負荷を処理する冷却運転と前記流体の加熱負荷を処理する加熱運転との切り換え実施を可能にしたヒートポンプ式温調装置であって、
前記冷媒回路における蒸発器として、冷媒を前記流体と熱交換させる流体冷却器としての冷却用蒸発器と、冷媒を吸熱源と熱交換させる吸熱用蒸発器とを各別に設け、
前記冷媒回路における凝縮器として、冷媒を前記流体と熱交換させる流体加熱器としての加熱用凝縮器と、冷媒を放熱源と熱交換させる放熱用凝縮器とを各別に設け、
前記冷却用蒸発器に通過させる冷媒と前記吸熱用蒸発器に通過させる冷媒との分流比を調整する蒸発側の分流比調整手段を設けるとともに、
この蒸発側の分流比調整手段による分流比調整とは独立して、前記加熱用凝縮器に通過させる冷媒と前記放熱用凝縮器に通過させる冷媒との分流比を調整する凝縮側の分流比調整手段を設け、
前記冷却運転として、前記蒸発側の分流比調整手段による分流比調整において前記冷却用蒸発器に通過させる側の冷媒の流量比率を最大化した状態で、前記圧縮機の出力を前記流体の冷却負荷に応じて調整する通常冷却運転と、
前記圧縮機の出力を最小化した状態で、前記冷却用蒸発器に通過させる冷媒と前記吸熱用蒸発器に通過させる冷媒との分流比を前記流体の冷却負荷に応じて前記蒸発側の分流比調整手段により調整する低負荷冷却運転とを、選択的に実施し、
前記加熱運転として、前記凝縮側の分流比調整手段による分流比調整において前記加熱用凝縮器に通過させる側の冷媒の流量比率を最大化した状態で、前記圧縮機の出力を前記流体の加熱負荷に応じて調整する通常加熱運転と、
前記圧縮機の出力を最小化した状態で、前記加熱用凝縮器に通過させる冷媒と前記放熱用凝縮器に通過させる冷媒との分流比を前記流体の加熱負荷に応じて前記凝縮側の分流比調整手段により調整する低負荷加熱運転とを、選択的に実施する構成にしてある点にある。

この構成によれば、圧縮機の出力は一定に保ちながらも、冷却運転では、蒸発側の分流比調整手段による分流比調整において、冷却用蒸発器に通過させる側の冷媒の流量比率を小さくするほど、冷却用蒸発器での流体に対する冷却量を小さくすることができ、また、加熱運転では、凝縮側の分流比調整手段による分流比調整において、加熱用凝縮器に通過させる側の冷媒の流量比率を小さくするほど、加熱用凝縮器での流体に対する加熱量を小さくすることができる。

そして、このことにより、冷却運転で対応することができる負荷範囲と加熱運転で対応することができる負荷範囲とを実質的に連続させることができて、それら対応可能な負荷範囲どうしの間に対応不能な負荷範囲が介在するのを回避することができる。

また、上記構成によれば、冷却用蒸発器での流体に対する冷却量と加熱用凝縮器での流体に対する加熱量とのバランスを変えることで、冷却運転状態と加熱運転状態との夫々を実質的に現出することができるから、蒸発側及び凝縮側の分流比調整手段による分流比調整だけで、冷却運転と加熱運転との切り換えを行うことができる。

即ち、このことにより、冷却運転と加熱運転との切り換えを四方弁により行う従来装置のように、冷却運転と加熱運転との切り換えの際に一時的にせよ圧縮機の運転を停止する期間が必要になることを回避することができる。

したがって、この構成によれば、圧縮機の一時的な運転停止を伴うことなく、また、負荷変化に対して温調出力を常に適切に追従させながら、冷却運転と加熱運転との切り換えを行うことができ、この点で、従来装置に比べ装置性能を効果的に高めることができる。

また、上記構成の実施において、流体の温調負荷が冷却負荷から加熱負荷に変化するのに伴い冷却運転から加熱運転への切り換えを自動的に実行し、また、流体の温調負荷が加熱負荷から冷却負荷に変化するのに伴い加熱運転から冷却運転への切り換えを自動的に実行する構成にすれば、装置の利便性も一層高めることができる。

なお、本発明で言う「分流比の調整」とは、一方の冷媒の流量比率を０％にすることを含む調整であってよい。

そしてまた、上記第１特徴構成では、
前記冷却運転として、前記蒸発側の分流比調整手段による分流比調整において前記冷却用蒸発器に通過させる側の冷媒の流量比率を最大化した状態で、前記圧縮機の出力を前記流体の冷却負荷に応じて調整する通常冷却運転と、
前記圧縮機の出力を最小化した状態で、前記冷却用蒸発器に通過させる冷媒と前記吸熱用蒸発器に通過させる冷媒との分流比を前記流体の冷却負荷に応じて前記蒸発側の分流比調整手段により調整する低負荷冷却運転とを、選択的に実施し、
前記加熱運転として、前記凝縮側の分流比調整手段による分流比調整において前記加熱用凝縮器に通過させる側の冷媒の流量比率を最大化した状態で、前記圧縮機の出力を前記流体の加熱負荷に応じて調整する通常加熱運転と、
前記圧縮機の出力を最小化した状態で、前記加熱用凝縮器に通過させる冷媒と前記放熱用凝縮器に通過させる冷媒との分流比を前記流体の加熱負荷に応じて前記凝縮側の分流比調整手段により調整する低負荷加熱運転とを、選択的に実施する構成にしてあるから、次の作用・効果も奏する。
即ち、冷却負荷が大きい状況では、冷却運転として通常冷却運転を実施し、また、冷却負荷が小さい状況では、冷却運転として低負荷冷却運転を実施するようにして、対応可能な冷却負荷の範囲を大きく確保することができる。

また同様に、加熱負荷が大きい状況では、加熱運転として通常加熱運転を実施し、また、加熱負荷が小さい状況では、加熱運転として低負荷加熱運転を実施するようにして、対応可能な加熱負荷の範囲を大きく確保することができる。

本発明の第２特徴構成は、第１特徴構成の実施に好適な実施形態を特定するものであり、その特徴は、
前記通常冷却運転の実施中では、前記圧縮機の出力が最小化したとき、前記低負荷冷却運転への切り換えを実行し、
前記低負荷冷却運転の実施中では、前記蒸発側の分流比調整手段による分流比調整において前記冷却用蒸発器に通過させる側の冷媒の流量比率が最大化したとき、前記通常冷却運転への切り換えを実行し、
前記通常加熱運転の実施中では、前記圧縮機の出力が最小化したとき、前記低負荷加熱運転への切り換えを実行し、
前記低負荷加熱運転の実施中では、前記凝縮側の分流比調整手段による分流比調整において前記加熱用凝縮器に通過させる側の冷媒の流量比率が最大化したとき、前記通常加熱運転への切り換えを実行する構成にしてある点にある。

この構成によれば、冷却負荷の変化に伴い通常冷却運転と低負荷冷却運転との切り換えが自動的に行われ、また、加熱負荷の変化に伴い通常加熱運転と低負荷加熱運転との切り換えが自動的に行われるから、装置の利便性を一層高めることができる。

本発明の第３特徴構成は、第１又は第２特徴構成のいずれかの実施に好適な実施形態を特定するものであり、その特徴は、
前記冷媒回路は、前記圧縮機から吐出される冷媒を２流に分流して、一方の分流冷媒を前記加熱用凝縮器に通過させ、他方の分流冷媒と前記加熱用凝縮器から送出される凝縮冷媒とを合流させて前記放熱用凝縮器に通過させる構成にしてある点にある。

この構成によれば、冷媒を調整対象の流体と熱交換させる加熱用凝縮器と、冷媒を放熱源と熱交換させる放熱用凝縮器との夫々で冷媒を凝縮させながらも、次に膨張手段を通じて蒸発工程に送る冷媒の状態を放熱用凝縮器において均一にすることができるから、冷媒回路の運転を安定化することができる。

本発明の第４特徴構成は、第１〜第３特徴構成のいずれかの実施に好適な実施形態を特定するものであり、その特徴は、
前記流体が空気であり、
前記冷却運転では、前記空気を前記冷却用蒸発器において冷却除湿し、それに続いて、冷却除湿した前記空気を前記加熱用凝縮器において所要温度まで再熱する構成にしてある点にある。

この構成によれば、冷却運転において調整対象の空気を冷却除湿しながら、その空気を所要温度に調整できるから、空気の温度調整とともに冷却運転において空気の除湿も要求されるような空調用途に好適な装置することができる。

ヒートポンプ式空調機の装置構成図通常冷却運転の実施状態を示す図低負荷冷却運転の実施状態を示す図通常加熱運転の実施状態を示す図低負荷加熱運転の実施状態を示す図冷却運転での各制御を説明する表加熱運転での各制御を説明する表通常冷却運転と低負荷冷却運転との切り換え制御を示すフローチャート通常加熱運転と低負荷加熱運転との切り換え制御を示すフローチャート冷却運転と加熱運転との切り換え制御を示すフローチャート冷却運転と加熱運転との切り換え時における各部の推移状態を示すグラフ従来のヒートポンプ式温調装置の構成図

図１は、ヒートポンプ式温調装置の一例であるヒートポンプ式空調機を示し、このヒートポンプ式空調機は、導入した外気ＯＡを調整対象の流体として、その導入外気ＯＡの温湿度を調整する。

また、このヒートポンプ式空調機は、圧縮機Ｃｍｐにより冷媒ｒを循環させる蒸気圧縮式の冷媒回路ＲＣを備えている。

１は空調機ケーシングであり、この空調機ケーシング１の一端には空気入口２を形成し、空調機ケーシング１の他端には空気出口３を形成してある。

空調機ケーシング１の内部には、空気冷却器としてのフィンチューブ型の冷却用蒸発器Ｅ１と、空気加熱器としてのフィンチューブ型の加熱用凝縮器Ｃ１と、水蒸気ｓの噴霧により空気を加湿する加湿器４とを、その順で空気入口２の側から空気出口３の側へ並べて装備してある。

空調機ケーシング１における空気出口３には給気用送風機６を装備してあり、この給気用送風機６の運転により、空気入口２を通じて調整対象の外気ＯＡを空調機ケーシング１に導入するとともに、空調機ケーシング１の内部で温湿度調整した外気を調整済み空気ＳＡとして空気出口３を通じ空調機ケーシング１から空調対象空間５に送出する。

７Ａは放熱用室外機であり、この放熱用室外機７Ａには、放熱器としてのフィンチューブ型の放熱用凝縮器Ｃ２と、この放熱用凝縮器Ｃ２に対し放熱源として放熱用空気Ａａ（例えば、外気など）を通風する放熱用ファン８とを装備してある。

また、この放熱用室外機７Ａには、冷媒回路ＲＣにおける圧縮機Ｃｍｐも装備してある。

７Ｂは吸熱用室外機であり、この吸熱用室外機７Ｂには、吸熱器としてのフィンチューブ型の吸熱用蒸発器Ｅ２と、この吸熱用蒸発器Ｅ２に対し吸熱源として吸熱用空気Ａｂ（例えば、外気や空調対象空間５からの排出空気など）を通風する吸熱用ファン９とを装備してある。

冷媒回路ＲＣを構成するのに、圧縮機Ｃｍｐの冷媒吐出口は、冷媒路１０を通じて加熱用凝縮器Ｃ１の冷媒入口に接続し、加熱用凝縮器Ｃ１の冷媒出口は、冷媒路１１を通じて放熱用凝縮器Ｃ２の冷媒入口に接続してある。
冷媒路１０と冷媒路１１とは、バイパス冷媒路１２により短絡的に接続してあり、圧縮機Ｃｍｐからの吐出冷媒ｒの一部は、バイパス冷媒路１２を通じて直接に放熱用凝縮器Ｃ２の冷媒入口に導くようにしてある。

即ち、この冷媒回路ＲＣでは、圧縮機Ｃｍｐから吐出される冷媒ｒを２流に分流して、一方の分流冷媒ｒを加熱用凝縮器Ｃ１に通過させ、他方の分流冷媒ｒと加熱用凝縮器Ｃ１から送出される凝縮冷媒ｒとを合流させて放熱用凝縮器Ｃ２に通過させる。

そして、加熱用凝縮器Ｃ１の冷媒入口には、加熱用流量調整弁Ｍｖ１を装備し、バイパス冷媒路１２には、放熱用流量調整弁Ｍｖ２を装備してある。

これら加熱用流量調整弁Ｍｖ１及び放熱用流量調整弁Ｍｖ２は、加熱用凝縮器Ｃ１に通過させる冷媒ｒと放熱用凝縮器Ｃ２に通過させる冷媒ｒとの分流比を調整する凝縮側の分流比調整手段を構成する。

放熱用凝縮器Ｃ２の冷媒出口は、冷媒路１３を通じて冷却用蒸発器Ｅ１の冷媒入口に接続し、冷却用蒸発器Ｅ１の冷媒出口は冷媒路１４を通じて圧縮機Ｃｍｐの冷媒吸込口に接続してある。

また、冷媒路１３から分岐した冷媒路１５は、吸熱用蒸発器Ｅ２の冷媒入口に接続し、吸熱用蒸発器Ｅ２の冷媒出口は、冷媒路１６を通じて冷媒路１４に接続してある。

そして、冷却用蒸発器Ｅ１の冷媒入口には、冷却用膨張弁Ｅｘ１を装備し、冷却用蒸発器Ｅ１の冷媒出口には、蒸発圧力制御弁Ｅｒを装備し、吸熱用蒸発器Ｅ２の冷媒入口には、吸熱用膨張弁Ｅｘ２を装備してある。

これら冷却用膨張弁Ｅｘ１及び吸熱用膨張弁Ｅｘ２は、膨張弁であると同時に、冷却用蒸発器Ｅ１に通過させる冷媒ｒと吸熱用蒸発器Ｅ２に通過させる冷媒ｒとの分流比を調整する蒸発側の分流比調整手段を構成する。

なお、圧縮機Ｃｍｐからの吐出後に２流に分流された冷媒ｒは、放熱用凝縮器Ｃ２への流入段階で合流し、また、冷却用蒸発器Ｅ１及び吸熱用蒸発器Ｅ２の夫々から送出される冷媒ｒは、圧縮機Ｃｍｐへの戻し段階で合流するから、前記した凝縮側の分流比調整手段Ｍｖ１，Ｍｖ２による分流比調整と、上記した蒸発側の分流比調整手段Ｅｘ１，Ｅｘ２による分流比調整とは、互いに独立したものになる。

一方、センサ類については、調整対象である外気ＯＡの温度Ｔ０を検出する温度センサＳ０、冷却用蒸発器Ｅ１における出口空気の温度Ｔ１を検出する温度センサＳ１、空調機ケーシング１から送出する調整済み空気ＳＡの温度Ｔ２を検出する温度センサＳ２、同じく調整済み空気ＳＡの湿度Ｘ２を検出する湿度センサＳ３を設けてある。

また、その他のセンサ類として、圧縮機Ｃｍｐの吸込圧力Ｐｓ、冷却用蒸発器Ｅ１における出口冷媒ｒの過熱度Ｓｈ１、吸熱用蒸発器Ｅ２における出口冷媒ｒの過熱度Ｓｈ２、放熱用凝縮器Ｃ２での冷媒ｒの凝縮圧力Ｐｃなどを検出するセンサ類（図示省略）を設けてある。

このヒートポンプ式空調機では、基本的に、導入外気ＯＡの冷却負荷を処理する冷却運転と導入外気ＯＡの加熱負荷を処理する加熱運転とを択一的に実施する。

具体的には、冷却運転では、空調機ケーシング１に導入した外気ＯＡを、冷却用蒸発器Ｅ１において蒸発過程の冷媒ｒと熱交換させることで冷却除湿し、続いて、この冷却除湿した空気を、加熱用凝縮器Ｃ１において凝縮過程の冷媒ｒと熱交換させることで再熱（冷却除湿後の加熱）し、この再熱した空気を、必要に応じ加湿器４により加湿した上で、調整済み空気ＳＡとして空調機ケーシング１から空調対象空間５に送出する。

また、加熱運転では、空調機ケーシング１に導入した外気ＯＡを、加熱用凝縮器Ｃ１において凝縮過程の冷媒ｒと熱交換させることで加熱し、続いて、この加熱した空気を、加湿器４により加湿し、この加湿した空気を、調整済み空気ＳＡとして空調機ケーシング１から空調対象空間５に送出する。

冷却運転には、冷却負荷が大きい状況で実施する「通常冷却運転」と、冷却負荷が小さい状況で実施する「低負荷冷却運転」との２種があり、通常冷却運転では、図２に示すように、圧縮機Ｃｍｐからの吐出冷媒ｒを２流に分流し、一方の分流冷媒ｒは、加熱用流量調整弁Ｍｖ１を通じ加熱用凝縮器Ｃ１に供給して、この加熱用凝縮器Ｃ１での凝縮過程で冷却除湿後の空気と熱交換させる。

これに併行して、他方の分流冷媒ｒは、放熱用流量調整弁Ｍｖ２を通じ、加熱用凝縮器Ｃ１からの送出冷媒ｒと合流させた状態で放熱用凝縮器Ｃ２に供給して、この放熱用凝縮器Ｃ２での凝縮過程で放熱用空気Ａａと熱交換させる。

放熱用凝縮器Ｃ２から送出される凝縮冷媒ｒは、冷却用膨張弁Ｅｘ１を通じ冷却用蒸発器Ｅ１に供給して、この冷却用蒸発器Ｅ１での蒸発過程で導入外気ＯＡと熱交換させる。

そして、冷却用蒸発器Ｅ１から送出される蒸発冷媒ｒは、蒸発圧力制御弁Ｅｒを通じて圧縮機Ｃｍｐに戻す。

これに対し、低負荷冷却運転では、図３に示すように、圧縮機Ｃｍｐからの吐出冷媒ｒを２流に分流し、一方の分流冷媒ｒは、加熱用流量調整弁Ｍｖ１を通じ加熱用凝縮器Ｃ１に供給して、この加熱用凝縮器Ｃ１での凝縮過程で冷却除湿後の空気と熱交換させる。

放熱用凝縮器Ｃ２から送出される凝縮冷媒ｒは再び２流に分流し、一方の分流冷媒ｒは、冷却用膨張弁Ｅｘ１を通じ冷却用蒸発器Ｅ１に供給して、この冷却用蒸発器Ｅ１での蒸発過程で導入外気ＯＡと熱交換させる。

これに併行して、他方の分流冷媒ｒは、吸熱用膨張弁Ｅｘ２を通じ吸熱用蒸発器Ｅ２に供給して、この吸熱用蒸発器Ｅ２での蒸発過程で吸熱用空気Ａｂと熱交換させる。

そして、冷却用蒸発器Ｅ１から送出される蒸発冷媒ｒと、吸熱用蒸発器Ｅ２から送出される蒸発冷媒ｒとを合流させて圧縮機Ｃｍｐに戻す。

同様に、加熱運転には、加熱負荷が大きい状況で実施する「通常加熱運転」と、加熱負荷が小さい状況で実施する「低負荷加熱運転」との２種があり、通常加熱運転では、図４に示すように、圧縮機Ｃｍｐからの吐出冷媒ｒは、その全量を加熱用流量調整弁Ｍｖ１を通じ加熱用凝縮器Ｃ１に供給して、この加熱用凝縮器Ｃ１での凝縮過程で導入外気ＯＡと熱交換させる。

加熱用凝縮器Ｃ１から送出される凝縮冷媒ｒは、放熱用凝縮器Ｃ２及び吸熱用膨張弁Ｅｘ２を通じ吸熱用蒸発器Ｅ２に供給して、この吸熱用蒸発器Ｅ２での蒸発過程で吸熱用空気Ａｂと熱交換させる。

そして、吸熱用蒸発器Ｅ２から送出される蒸発冷媒ｒは圧縮機Ｃｍｐに戻す。

これに対し、低負荷加熱運転では、図５に示すように、圧縮機Ｃｍｐからの吐出冷媒ｒを２流に分流し、一方の分流冷媒ｒは、加熱用流量調整弁Ｍｖ１を通じ加熱用凝縮器Ｃ１に供給して、この加熱用凝縮器Ｃ１での凝縮過程で導入外気ＯＡと熱交換させる。

これに併行して、他方の分流冷媒ｒは、放熱用流量調整弁Ｍｖ２を通じ、加熱用凝縮器Ｃ１からの送出冷媒と合流させた状態で放熱用凝縮器Ｃ２に供給して、この放熱用凝縮器Ｃ２での凝縮過程で放熱用空気Ａａと熱交換させる。

放熱用凝縮器Ｃ２から送出される凝縮冷媒ｒは、その全量を吸熱用膨張弁Ｅｘ２を通じ吸熱用蒸発器Ｅ２に供給して、この吸熱用蒸発器Ｅ２での蒸発過程で吸熱用空気Ａｂと熱交換させる。

即ち、低負荷冷却運転では、放熱用凝縮器Ｃ２から送出される凝縮冷媒ｒを、冷却用蒸発器Ｅ１で導入外気ＯＡに対し冷却作用させるのに加えて、吸熱用蒸発器Ｅ２でも吸熱用空気Ａａに対して吸熱作用（換言すれば冷却作用）させることで、圧縮機Ｃｍｐの必要出力Ｇを高く保つようにし、これにより、導入外気ＯＡの冷却負荷が小さい状況でも、圧縮機Ｃｍｐの出力Ｇが調整範囲の下限値Ｇｍｉｎ未満になることを回避して、冷却運転を継続できるようにする。

また同様に、低負荷加熱運転では、圧縮機Ｃｍｐからの吐出冷媒ｒを、加熱用凝縮器Ｃ１で導入外気ＯＡに対して加熱作用させるのに加えて、放熱用凝縮器Ｃ２でも放熱用空気Ａａに対して放熱作用（換言すれば加熱作用）させることで、圧縮機Ｃｍｐの必要出力Ｇを高く保つようにし、これにより、導入外気ＯＡの加熱負荷が小さい状況でも、圧縮機Ｃｍｐの出力Ｇが調整範囲の下限値Ｇｍｉｎ未満になることを回避して、加熱運転を継続できるようにする。

１７は制御装置であり、この制御装置１７は、上記４種の各運転において次の制御を実行する。

（通常冷却運転）図６参照
ａ．圧縮機Ｃｍｐにおける吸込圧力Ｐｓの検出値に基づき圧縮機Ｃｍｐの出力Ｇ（具体的には圧縮機モータの回転周波数）を調整することで、圧縮機Ｃｍｐの吸込圧力Ｐｓを設定値に調整する。

ｂ．冷却用蒸発器Ｅ１における出口冷媒ｒの過熱度Ｓｈ１の検出値に基づき冷却用膨張弁Ｅｘ１の開度を調整することで、冷却用蒸発器Ｅ１における出口冷媒ｒの過熱度Ｓｈ１を設定値に調整する。

ｃ．吸熱用膨張弁Ｅｘ２は全閉状態に固定する。

ｄ．冷却用蒸発器Ｅ１における出口空気の温度Ｔ１の検出値に基づき蒸発圧力制御弁Ｅｒの開度を調整することで、冷却用蒸発器Ｅ１における出口空気の温度Ｔ１を設定値Ｔｓ１に調整する。

ｅ．調整済み空気ＳＡの温度Ｔ２の検出値に基づき加熱用流量調整弁Ｍｖ１の開度を調整することで、空調対象空間５に送出する調整済み空気ＳＡの温度Ｔ２を設定値Ｔｓ２に調整する。

ｆ．放熱用流量調整弁Ｍｖ２の開度を、加熱用流量調整弁Ｍｖ１の開度とは背反させる状態に調整する。

ｇ．調整済み空気ＳＡの湿度Ｘ２の検出値に基づき加湿用流量調整弁Ｍｖ３の開度を調整して、加湿器４での水蒸気ｓの噴霧量を調整することで、空調対象空間５に送出する調整済み空気ＳＡの湿度Ｘ２を設定値Ｘｓ２に調整する。

ｈ．放熱用凝縮器Ｃ２における冷媒ｒの凝縮圧力Ｐｃの検出値に基づき放熱用ファン８の出力を調整することで、放熱用凝縮器Ｃ２における冷媒ｒの凝縮圧力Ｐｃを設定値に調整する。

（低負荷冷却運転）同図６参照
ａ．圧縮機Ｃｍｐの出力Ｇは調整範囲の下限値Ｇｍｉｎに固定する。

ｂ．通常冷却運転と同様、冷却用蒸発器Ｅ１における出口冷媒ｒの過熱度Ｓｈ１の検出値に基づき冷却用膨張弁Ｅｘ１の開度を調整することで、冷却用蒸発器Ｅ１における出口冷媒ｒの過熱度Ｓｈ１を設定値に調整する。

ｃ．圧縮機Ｃｍｐにおける吸込圧力Ｐｓの検出値に基づき吸熱用膨張弁Ｅｘ２の開度を調整することで、圧縮機Ｃｍｐの吸込圧力Ｐｓを設定値に調整する。

ｄ．通常冷却運転と同様、冷却用蒸発器Ｅ１における出口空気の温度Ｔ１の検出値に基づき蒸発圧力制御弁Ｅｒの開度を調整することで、冷却用蒸発器Ｅ１における出口空気の温度Ｔ１を設定値Ｔｓ１に調整する。

ｅ．通常冷却運転と同様、調整済み空気ＳＡの温度Ｔ２の検出値に基づき加熱用流量調整弁Ｍｖ１の開度を調整することで、空調対象空間５に送出する調整済み空気ＳＡの温度Ｔ２を設定値Ｔｓ２に調整する。

ｆ．通常冷却運転と同様、放熱用流量調整弁Ｍｖ２の開度を、加熱用流量調整弁Ｍｖ１の開度とは背反させる状態に調整する。

ｇ．通常冷却運転と同様、調整済み空気ＳＡの湿度Ｘ２の検出値に基づき加湿用流量調整弁Ｍｖ３の開度を調整して、加湿器４での水蒸気ｓの噴霧量を調整することで、空調対象空間５に送出する調整済み空気ＳＡの湿度Ｘ２を設定値Ｘｓ２に調整する。

ｈ．通常冷却運転と同様、放熱用凝縮器Ｃ２における冷媒ｒの凝縮圧力Ｐｃの検出値に基づき放熱用ファン８の出力を調整することで、放熱用凝縮器Ｃ２における冷媒ｒの凝縮圧力Ｐｃを設定値に調整する。

つまり、通常冷却運転では、前記した蒸発側の分流比調整手段Ｅｘ１，Ｅｘ２による分流比調整において冷却用蒸発器Ｅ１に通過させる側の冷媒ｒの流量比率を最大化した状態で、圧縮機Ｃｍｐの出力Ｇを導入外気ＯＡの冷却負荷に応じて調整する運転形態を採る。

これに対して、低負荷冷却運転では、圧縮機Ｃｍｐの出力Ｇを最小化した状態で、冷却用蒸発器Ｅ１に通過させる冷媒ｒと吸熱用蒸発器Ｅ２に通過させる冷媒ｒとの分流比を導入外気ＯＡの冷却負荷に応じて蒸発側の分流比調整手段Ｅｘ１，Ｅｘ２により調整する運転形態を採る。

（通常加熱運転）図７参照
ａ．調整済み空気ＳＡの温度Ｔ２の検出値に基づき圧縮機Ｃｍｐの出力Ｇを調整することで、空調対象空間５に送出する調整済み空気ＳＡの温度Ｔ２を設定値Ｔｓ２に調整する。

ｂ．冷却用膨張弁Ｅｘ１は全閉状態に固定する。

ｃ．導入外気ＯＡの温度Ｔ０の検出値が設定閾値Ｔｅより小さい状況（Ｔ０＜Ｔｅ）では、吸熱用蒸発器Ｅ２における出口冷媒ｒの過熱度Ｓｈ２の検出値に基づき吸熱用膨張弁Ｅｘ２の開度を調整することで、吸熱用蒸発器Ｅ２における出口冷媒ｒの過熱度Ｓｈ２を設定値に調整する。

また、導入外気ＯＡの温度Ｔ０の検出値が設定閾値Ｔｅ以上の状況（Ｔ０≧Ｔｅ）では、圧縮機Ｃｍｐにおける吸込圧力Ｐｓの検出値に基づき吸熱用膨張弁Ｅｘ２の開度を調整することで、圧縮機Ｃｍｐの吸込圧力Ｐｓを設定値に調整する。

ｄ．蒸発圧力制御弁Ｅｒは全閉若しくは最小開度状態に固定する。

ｅ．加熱用流量調整弁Ｍｖ１は全開状態に固定する。

ｆ．放熱用流量調整弁Ｍｖ２は全閉状態に固定する。

ｇ．冷却運転と同様、調整済み空気ＳＡの湿度Ｘ２の検出値に基づき加湿用流量調整弁Ｍｖ３の開度を調整して、加湿器４での水蒸気ｓの噴霧量を調整することで、空調対象空間５に送出する調整済み空気ＳＡの湿度Ｘ２を設定値Ｘｓ２に調整する。

ｈ．冷却運転と同様、放熱用凝縮器Ｃ２における冷媒ｒの凝縮圧力Ｐｃの検出値に基づき放熱用ファン８の出力を調整することで、放熱用凝縮器Ｃ２における冷媒ｒの凝縮圧力Ｐｃを設定値に調整する。

（低負荷加熱運転）同図７参照
ａ．圧縮機Ｃｍｐの出力Ｇは調整範囲の下限値Ｇｍｉｎに固定する。

ｂ．通常加熱運転と同様、冷却用膨張弁Ｅｘ１は全閉状態に固定する。

ｃ．通常加熱運転と同様、導入外気ＯＡの温度Ｔ０の検出値が設定閾値Ｔｅより小さい状況（Ｔ０＜Ｔｅ）では、吸熱用蒸発器Ｅ２における出口冷媒ｒの過熱度Ｓｈ２の検出値に基づき吸熱用膨張弁Ｅｘ２の開度を調整することで、吸熱用蒸発器Ｅ２における出口冷媒ｒの過熱度Ｓｈ２を設定値に調整する。

ｄ．通常加熱運転と同様、蒸発圧力制御弁Ｅｒは全閉若しくは最小開度状態に固定する。

つまり、通常加熱運転では、前記した凝縮側の分流比調整手段Ｍｖ１，Ｍｖ２による分流比調整において加熱用凝縮器Ｃ１に通過させる側の冷媒ｒの流量比率を最大化した状態で、圧縮機Ｃｍｐの出力Ｇを導入外気ＯＡの加熱負荷に応じて調整する運転形態を採る。

また、低負荷加熱運転では、圧縮機Ｃｍｐの出力Ｇを最小化した状態で、加熱用凝縮器Ｃ１に通過させる冷媒ｒと放熱用凝縮器Ｃ２に通過させる冷媒ｒとの分流比を導入外気ＯＡの加熱負荷に応じて凝縮側の分流比調整手段Ｍｖ１，Ｍｖ２により調整する運転形態を採る。

以上の各制御に加えて、制御装置１７は、通常冷却運転と低負荷冷却運転との切り換え、及び、通常加熱運転と低負荷加熱運転との切り換えの夫々を自動的に実行する。

具体的には、図８に示すように、圧縮機Ｃｍｐの出力Ｇを調整することで圧縮機Ｃｍｐにおける吸込圧力Ｐｓを設定値に調整する「通常冷却運転」の実施下では、圧縮機Ｃｍｐの出力Ｇが調整範囲の下限値Ｇｍｉｎまで低下すると、通常冷却運転から低負荷冷却運転への切り換えを実行する。

また、吸熱用膨張弁Ｅｘ２の開度を調整することで圧縮機Ｃｍｐにおける吸込圧力Ｐｓを設定値に調整する「低負荷冷却運転」の実施下では、吸熱用膨張弁Ｅｘ２の開度が全閉状態に至る（換言すれば、蒸発側の分流比調整手段Ｅｘ１，Ｅｘ２による分流比調整において冷却用蒸発器Ｅ１に通過させる側の冷媒ｒの流量比率が最大化する）と、低負荷冷却運転から通常冷却運転への切り換えを実行する。

一方、図９に示すように、圧縮機Ｃｍｐの出力Ｇを調整することで調整済み空気ＳＡの温度Ｔ２を設定値Ｔｓ２に調整する「通常加熱運転」の実施下では、圧縮機Ｃｍｐの出力Ｇが調整範囲の下限値Ｇｍｉｎまで低下すると、通常加熱運転から低負荷加熱運転への切り換えを実行する。

また、加熱用流量調整弁Ｍｖ１の開度を調整することで調整済み空気ＳＡの温度Ｔ２を設定値Ｔｓ２に調整する「低負荷加熱運転」の実施下では、加熱用流量調整弁Ｍｖ１の開度が全開状態になる（換言すれば、凝縮側の分流比調整手段Ｍｖ１，Ｍｖ２による分流比調整において加熱用凝縮器Ｃ１に通過させる側の冷媒ｒの流量比率が最大化する）と、低負荷加熱運転から通常加熱運転への切り換えを実行する。

さらに、制御装置１７は、冷却運転と加熱運転との切り換えも自動的に実行し、具体的には、図１０に示すように、蒸発圧力制御弁Ｅｒの開度を調整することで冷却用蒸発器Ｅ１における出口空気の温度Ｔ１を設定値Ｔｓ１に調整する「冷却運転」の実施下では、温度センサＳ０により検出される外気ＯＡの温度Ｔ０が冷却用蒸発器Ｅ１における出口空気温度Ｔ１の設定値Ｔｓ１以下（Ｔ０≦Ｔｓ１）になる（即ち、導入外気ＯＡの冷却負荷が解消して加熱負荷が発生する）と、冷却運転から加熱運転への切り換え（通常は、低負荷冷却運転から低負荷加熱運転への切り換え）を実行する。

また、「加熱運転」の実施下では、温度センサＳ０により検出される外気ＯＡの温度Ｔ０が冷却用蒸発器Ｅ１における出口空気温度Ｔ１の設定値Ｔｓ１より高く（Ｔ０＞Ｔｓ１）なる（即ち、導入外気ＯＡの加熱負荷が解消して冷却負荷が発生する）と、加熱運転から冷却運転への切り換え（通常は、低負荷加熱運転から低負荷冷却運転への切り換え）を実行する。

即ち、このヒートポンプ式空調機であれば、冷却運転で対応できる負荷範囲と加熱運転で対応できる負荷範囲とが連続するから、また、四方弁により冷却運転と加熱運転との切り換えを行う従来装置のように、冷却運転と加熱運転とで冷媒回路の大部分における冷媒の流れの向きを反転させるといったことがなく、実質的に冷媒回路ＲＣの全体について冷媒ｒの流れの向きを保ったままで冷却運転と加熱運転とを実施するから、冷却運転と加熱運転との間に運転停止期間を介在させることなく冷却運転と加熱運転との切り換えを行うことができる。

この点で、従来機に比べ、ヒートポンプ式空調機の性能を効果的に高めることができる。

図１１は、実験機での冷却運転と加熱運転との切り換え時における各部の推移状態を示すグラフであり、このグラフでは、導入外気ＯＡの温度Ｔ０が冷却用蒸発器Ｅ１における出口空気温度Ｔ１の設定値Ｔｓ１より高く（Ｔ０＞Ｔｓ１）なると、冷却用膨張弁Ｅｘ１及び蒸発圧力制御弁Ｅｒが開弁し始めて、加熱運転から冷却運転への切り換えが行われていることが認められる。

また逆に、導入外気ＯＡの温度Ｔ０が冷却用蒸発器Ｅ１における出口空気温度Ｔ１の設定値Ｔｓ１より低く（Ｔ０≦Ｔｓ１）なると、冷却用膨張弁Ｅｘ１及び蒸発圧力制御弁Ｅｒが閉弁し始めて、冷却運転から加熱運転への切り換えが行われていることが認められる。

〔別実施形態〕
次に本発明の別実施形態を列記する。

上記の実施形態では、ヒートポンプ式温調装置の一例としてヒートポンプ式空調機を示したが、本発明によるヒートポンプ式温調装置は、空調機に限らず、各種分野において種々の用途に適用することができる。

温調対象の流体は、気体あるいは液体を問わず、冷却又は加熱による温度調整が要求される流体であれば、どのような流体であってもよい。

また、ヒートポンプ式空調機としての適用においても、その空調機に導入する空気は、外気ＯＡに限らず、空調対象空間５からの還気空気、あるいは、還気空気と外気との混合空気、あるいはまた、他室からの取り入れ空気や他装置からの送出空気などであってもよい。

吸熱用蒸発器Ｅ２において冷媒ｒと熱交換させる吸熱源、及び、放熱用凝縮器Ｃ２において冷媒ｒと熱交換させる放熱源の夫々も、外気などの空気Ａａ，Ａｂや他設備からの排出気体など、どのような気体であってもよく、また、河川水や井戸水あるいは廃水などの液体あるいは土壌や躯体などの固体であってもよい。

前述の実施形態では、冷却用蒸発器Ｅ１に通過させる冷媒ｒと吸熱用蒸発器Ｅ２に通過させる冷媒ｒとの分流比を調整する蒸発側の分流比調整手段を、各蒸発器Ｅ１，Ｅ２に対する膨張弁Ｅｘ１，Ｅｘ２により構成する例を示したが、専用の流量調整弁や分流比調整用の三方弁など、その他の形式の弁装置を用いて蒸発側の分流比調整手段を構成するようにしてもよい。

また、前述の実施形態では、加熱用凝縮器Ｃ１に通過させる冷媒ｒと、放熱用凝縮器Ｃ２に通過させる冷媒ｒとの分流比を調整する凝縮側の分流比調整手段を、２つの流量調整弁Ｍｖ１，Ｍｖ２により構成する例を示したが、凝縮側の分流比調整手段も分流比調整用の三方弁など、その他の形式の弁装置を用いて構成するようにしてもよい。

前述の実施形態では、圧縮機Ｃｍｐからの吐出冷媒ｒを２流に分流して、一方の分流冷媒ｒを加熱用凝縮器Ｃ１に通過させ、そして、他方の分流冷媒ｒと加熱用凝縮器Ｃ１からの送出冷媒ｒとを、合流させて放熱用凝縮器Ｃ２に通過させるようにしたが、圧縮機Ｃｍｐからの吐出冷媒ｒを２流に分流した後、一方の分流冷媒ｒを加熱用凝縮器Ｃ１に通過させるとともに、他方の分流冷媒ｒを放熱用凝縮器Ｃ２に通過させ、そして、それら２流の分流冷媒ｒを各凝縮器Ｃ１，Ｃ２からの送出後に合流させるようにしてもよい。

前述の実施形態では、冷却用蒸発器Ｅ１と加熱用凝縮器Ｃ１とを各別に設ける例を示したが、場合によっては、冷却用蒸発器Ｅ１と加熱用凝縮器Ｃ１とを兼ねる兼用器を設け、冷却運転では、この兼用器を冷却用除湿器Ｅ１として機能させ、そして、加熱運転では、この兼用器を加熱用凝縮器Ｃ１として機能させる構成にしてもよい。

本発明よるヒートポンプ式温調装置は、空調機に限らず、各種分野において種々の用途に利用することができる。

Ｃｍｐ圧縮機
ｒ冷媒
ＲＣ冷媒回路
ＯＡ外気（流体）
Ｅ１冷却用蒸発器
Ａｂ吸熱用空気（吸熱源）
Ｅ２吸熱用蒸発器
Ｃ１加熱用凝縮器
Ａａ放熱用空気（放熱源）
Ｃ２放熱用凝縮器
Ｅｘ１冷却用膨張弁（蒸発側の分流比調整手段）
Ｅｘ２吸熱用膨張弁（蒸発側の分流比調整手段）
Ｍｖ１加熱用流量調整弁（凝縮側の分流比調整手段）
Ｍｖ２放熱用流量調整弁（凝縮側の分流比調整手段）
Ｇ圧縮機出力

Claims

圧縮機により冷媒を循環させる蒸気圧縮式の冷媒回路を備え、
流体の冷却負荷を処理する冷却運転と前記流体の加熱負荷を処理する加熱運転との切り換え実施を可能にしたヒートポンプ式温調装置であって、
前記冷媒回路における蒸発器として、冷媒を前記流体と熱交換させる流体冷却器としての冷却用蒸発器と、冷媒を吸熱源と熱交換させる吸熱用蒸発器とを各別に設け、
前記冷媒回路における凝縮器として、冷媒を前記流体と熱交換させる流体加熱器としての加熱用凝縮器と、冷媒を放熱源と熱交換させる放熱用凝縮器とを各別に設け、
前記冷却用蒸発器に通過させる冷媒と前記吸熱用蒸発器に通過させる冷媒との分流比を調整する蒸発側の分流比調整手段を設けるとともに、
この蒸発側の分流比調整手段による分流比調整とは独立して、前記加熱用凝縮器に通過させる冷媒と前記放熱用凝縮器に通過させる冷媒との分流比を調整する凝縮側の分流比調整手段を設け、
前記冷却運転として、前記蒸発側の分流比調整手段による分流比調整において前記冷却用蒸発器に通過させる側の冷媒の流量比率を最大化した状態で、前記圧縮機の出力を前記流体の冷却負荷に応じて調整する通常冷却運転と、
前記圧縮機の出力を最小化した状態で、前記冷却用蒸発器に通過させる冷媒と前記吸熱用蒸発器に通過させる冷媒との分流比を前記流体の冷却負荷に応じて前記蒸発側の分流比調整手段により調整する低負荷冷却運転とを、選択的に実施し、
前記加熱運転として、前記凝縮側の分流比調整手段による分流比調整において前記加熱用凝縮器に通過させる側の冷媒の流量比率を最大化した状態で、前記圧縮機の出力を前記流体の加熱負荷に応じて調整する通常加熱運転と、
前記圧縮機の出力を最小化した状態で、前記加熱用凝縮器に通過させる冷媒と前記放熱用凝縮器に通過させる冷媒との分流比を前記流体の加熱負荷に応じて前記凝縮側の分流比調整手段により調整する低負荷加熱運転とを、選択的に実施する構成にしてあるヒートポンプ式温調装置。
前記通常冷却運転の実施中では、前記圧縮機の出力が最小化したとき、前記低負荷冷却運転への切り換えを実行し、
前記低負荷冷却運転の実施中では、前記蒸発側の分流比調整手段による分流比調整において前記冷却用蒸発器に通過させる側の冷媒の流量比率が最大化したとき、前記通常冷却運転への切り換えを実行し、
前記通常加熱運転の実施中では、前記圧縮機の出力が最小化したとき、前記低負荷加熱運転への切り換えを実行し、
前記低負荷加熱運転の実施中では、前記凝縮側の分流比調整手段による分流比調整において前記加熱用凝縮器に通過させる側の冷媒の流量比率が最大化したとき、前記通常加熱運転への切り換えを実行する構成にしてある請求項１記載のヒートポンプ式温調装置。
前記冷媒回路は、前記圧縮機から吐出される冷媒を２流に分流して、一方の分流冷媒を前記加熱用凝縮器に通過させ、他方の分流冷媒と前記加熱用凝縮器から送出される凝縮冷媒とを合流させて前記放熱用凝縮器に通過させる構成にしてある請求項１又は２記載のヒートポンプ式温調装置。
前記流体が空気であり、
前記冷却運転では、前記空気を前記冷却用蒸発器において冷却除湿し、それに続いて、冷却除湿した前記空気を前記加熱用凝縮器において所要温度まで再熱する構成にしてある請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ式温調装置。