JP7117513B2

JP7117513B2 - ヒートポンプシステム

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Publication number: JP7117513B2
Application number: JP2019106605A
Authority: JP
Inventors: 季セン徐; 安彦諌山; 由樹山岡; 俊二森脇; 和彦町田; 和人中谷; 常子今川; 一貴小石原; 繁男青山
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-02-15
Filing date: 2019-06-07
Publication date: 2022-08-15
Anticipated expiration: 2039-06-07
Also published as: JP2020134122A

Description

本発明は、ヒートポンプシステムに関するものである。

従来、この種のヒートポンプシステムにおいて、二段圧縮機講を備え、利用側熱交換器の下流側から冷媒の一部を膨張させて、二段圧縮機講の圧縮途中に中間冷媒をバイパスする冷凍サイクル装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

図４は、特許文献１に記載された従来の冷凍サイクル装置を示すものである。

図４に示すように、冷凍サイクル装置１００は、冷媒を循環させる冷媒回路１１０と、後段側インジェクション管１２０とを備えている。冷媒回路１１０は、直列に接続された複数の圧縮回転要素を有する圧縮機構１１１、熱源側熱交換器１１２、エコノマイザ熱交換器（以下、中間熱交換器）１２２、膨張機構１１３ａ、１１３ｂ、利用側熱交換器１１４が配管により環状に接続されるとともに、加熱運転と冷却運転を切り換えるための切替機構１１５で構成されている。

また、前段側の圧縮機構から吐出された冷媒を、後段側の圧縮回転要素に吸入させるための中間冷媒管１１６に設けられ、前段側の圧縮回転要素から吐出されて後段側の圧縮回転要素に吸入される冷媒の冷却器として機能する中間冷却器１１７と、中間冷却器１１７をバイパスするように中間冷媒管１１６に接続されている中間冷却器バイパス管１３０が設けられている。

後段側インジェクション管１２０は、熱源側熱交換器１１２と利用側熱交換器１１４の間で冷媒回路１１０から分岐し、分岐した冷媒が圧縮機構１１１の後段側の圧縮回転要素に戻るように連通されている。また、インジェクション管１２０には、開度制御が可能な後段側インジェクション弁１２１が設けられている。

さらに、冷凍サイクル装置１００は、切替機構１１５を冷却運転状態に切り換えることで熱源側熱交換器１１２の除霜を行う逆サイクル除霜運転を行う際に、熱源側熱交換器１１２、中間冷却器１１７及び後段側インジェクション管１２０に冷媒を流し、中間冷却器１１７の除霜が完了したことを検知した後に、中間冷却器バイパス管１３０を用いて、中間冷却器１１７に冷媒が流れないようにするとともに、後段側インジェクション弁１２１の開度が大きくなるように制御している。

特開２００９－１３３５８１号公報

しかしながら、前記従来の構成では、熱源側熱交換器１１２で除霜を行って冷却された低温の冷媒が利用側熱交換器１１４へ流入するため、逆サイクル除霜運転終了後の加熱運転開始時には、利用側熱交換器１１４の温度が低下してしまう。

そこで、圧縮機構１１１、利用側熱交換器１１４、中間熱交換器１２２、膨張機構１１３ａ、膨張機構１１３ｂ、熱源側熱交換器１１２の順に冷媒が流れる順サイクル除霜運転
を行う構成が考案できる。

しかしながら、その場合には、冷媒回路１１０内の冷媒は、中間熱交換器１２２で冷却された後、熱源側熱交換器１１２に流入し、除霜を行う構成のため、圧縮機構１１１から吐出される高温の冷媒の熱量が、中間熱交換器１２２で低減されて熱源側熱交換器１１２に供給されるため、除霜時間が長くなり、使用性が低下してしまうという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、除霜時間を短縮し、使用性を向上させたヒートポンプシステムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプシステムは、圧縮回転要素から構成される圧縮機構、前記圧縮機構から吐出された冷媒により利用側熱媒体を加熱する利用側熱交換器、中間熱交換器、第１膨張装置、熱源側熱交換器が配管で順次接続されて形成される主冷媒回路と、前記利用側熱交換器から前記第１膨張装置までの間の前記配管から分岐され、分岐された冷媒が第２膨張装置により減圧された後に、前記中間熱交換器で前記主冷媒回路を流れる冷媒と熱交換され、前記圧縮回転要素の圧縮途中の冷媒に合流されるバイパス冷媒回路と、を有する冷凍サイクル装置と、搬送装置によって前記利用側熱媒体を循環させる利用側熱媒体回路と制御装置と、を備え、前記圧縮機構から吐出された冷媒により、前記利用側熱交換器において前記利用側熱媒体を加熱する加熱運転モードと、前記圧縮機構から吐出された冷媒により、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転モードと、を有し、前記制御装置は、前記加熱運転モードの運転実行中に、前記除霜運転モードの運転に移行する場合には、前記第２膨張装置の開度を閉方向に動作させ、その後、前記搬送装置の運転を停止して、前記加熱運転モードの運転実行を停止させることを特徴とするものである。

これにより、バイパス冷媒回路から、圧縮回転要素の圧縮途中の冷媒に合流する冷媒流量が減少するため、圧縮機構から吐出される冷媒の温度を上昇させ、吐出圧力を低下させることができる。

そして、加熱運転モードの運転を実行中に、この高温の吐出冷媒が、主冷媒回路の高圧側を流れる間に、圧縮機構や利用側熱交換器などの構成部品を加熱するため、圧縮機構や利用側熱交換器の温度が上昇する。

そして、搬送装置の運転も停止させるので、利用側熱交換器における利用側熱媒体への放熱量が抑制され、圧縮機構から吐出される冷媒の温度と圧力がさらに上昇するため、圧縮機構や利用側熱交換器の温度がより上昇する。

ここで、第２膨張装置の弁開度を閉方向に操作したときに、一旦、吐出圧力は低下するため、第２膨張装置の弁開度を閉方向に操作した後に、搬送装置の運転動作を停止した方が、圧縮機構から吐出される冷媒の温度と圧力の過昇を防止することができる。

このように、除霜運転モードの運転に移行する場合には、除霜運転モードの実行開始前の加熱運転モードの運転実行中に、第２膨張装置の開度を閉方向に動作させ、圧縮機構から吐出される冷媒の温度と圧力を段階的に上昇させることで、圧縮機構から吐出される冷媒の温度と圧力の過昇による加熱運転モードの運転停止を防止することができる。

そして、搬送装置の運転の停止後の除霜運転モードの運転においては、冷媒が高圧側から低圧側の熱源側熱交換器に向かう際に、圧縮回転要素による圧縮過程に加え、圧縮機構
や利用側熱交換器からその保有熱も受熱できる。

これにより、搬送装置の運転の停止後の除霜運転モードの運転においては、圧縮機構から吐出された冷媒が、低圧側の熱源側熱交換器に向かう際における温度低下を抑制でき、除霜運転モード実行時に熱源側熱交換器の除霜に利用できる熱量を増加させることができ、除霜時間を短縮し、使用性を向上させたヒートポンプシステムを提供できる。

本発明によれば、除霜時間を短縮し、使用性を向上させたヒートポンプシステムを提供できる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプシステムの構成図本発明の実施の形態１におけるヒートポンプシステムの除霜運転モード制御フローを示す図同ヒートポンプシステムにおける冷凍サイクル装置の膨張装置の開度と冷媒流量との関係を示す図従来の冷凍サイクル装置の構成図

第１の発明は、圧縮回転要素から構成される圧縮機構、前記圧縮機構から吐出された冷媒により利用側熱媒体を加熱する利用側熱交換器、中間熱交換器、第１膨張装置、熱源側熱交換器が配管で順次接続されて形成される主冷媒回路と、前記利用側熱交換器から前記第１膨張装置までの間の前記配管から分岐され、分岐された冷媒が第２膨張装置により減圧された後に、前記中間熱交換器で前記主冷媒回路を流れる冷媒と熱交換され、前記圧縮回転要素の圧縮途中の冷媒に合流されるバイパス冷媒回路と、を有する冷凍サイクル装置と、搬送装置によって前記利用側熱媒体を循環させる利用側熱媒体回路と制御装置と、を備え、前記圧縮機構から吐出された冷媒により、前記利用側熱交換器において前記利用側熱媒体を加熱する加熱運転モードと、前記圧縮機構から吐出された冷媒により、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転モードと、を有し、前記制御装置は、前記加熱運転モードの運転実行中に、前記除霜運転モードの運転に移行する場合には、前記第２膨張装置の開度を閉方向に動作させ、その後、前記搬送装置の運転を停止して、前記加熱運転モードの運転実行を停止させることを特徴とするヒートポンプシステムである。

そして、搬送装置の運転の停止後の除霜運転モードの運転においては、冷媒が高圧側から低圧側の熱源側熱交換器に向かう際に、圧縮回転要素による圧縮過程に加え、圧縮機構や利用側熱交換器からその保有熱も受熱できる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、前記除霜運転モードにおいて、前記冷媒は、前記圧縮機構、前記利用側熱交換器、前記中間熱交換器、前記第１膨張装置、前記熱源側熱交換器の順に流れ、また、前記制御装置は、前記第２膨張装置の開度を全閉に設定し、前記第１膨張装置の開度を全開に設定することを特徴とするものである。

これにより、制御装置は、第２膨張装置の開度を全閉に設定し、第１膨張装置の開度を全開に設定することで、圧縮機構から吐出され、利用側熱交換器を通過後、中間熱交換器を流れる主冷媒回路の冷媒が、中間熱交換器においてバイパス冷媒回路を流れる冷媒に放熱して温度低下するのを防止できる。

そのため、圧縮機構から吐出された冷媒は、高温に維持されたままの状態で、第１膨張装置において最大量を、熱源側熱交換器に供給できるため、順サイクルでの除霜運転における除霜時間を短縮でき、使用性を向上させた冷凍サイクル装置を提供できる。

第３の発明は、特に、第２の発明において、前記冷媒として、二酸化炭素を用い、前記第１膨張装置は、ニードルが弁座に対して着座しても、冷媒が所定量流れる非全閉型の膨張弁であり、前記第２膨張装置は、ニードルが弁座に対して着座すると、冷媒が流れない全閉型の膨張弁であることを特徴とするものである。

これにより、第１膨張装置を非全閉型の膨張弁とすることで、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ２）を用いている圧力の高い冷凍サイクル装置において、ニードル（図示せず）が弁座（図示せず）に対して着座しても、冷媒が所定量（Ｖ０）流れるため、圧縮機構の運転時において、第１膨張装置に異物混入等が生じたとしても、全閉状態になりにくく、高圧冷媒の圧力上昇を抑えることができ、安全性を向上できる。

また、第２膨張装置を全閉型の膨張弁とすることで、第２膨張装置（全閉型）の弁開度を全閉とした場合、利用側熱交換器から流出し、第２膨張装置側に分配された高圧冷媒が、中間熱交換器に全く流れない。

これにより、バイパス冷媒回路から、圧縮回転要素の圧縮途中に、冷媒が合流しないため、圧縮機構から吐出される冷媒の温度を上昇させ、吐出圧力を低下させることができる。

第４の発明は、特に、第１～第３のいずれかの発明において、前記利用側熱交換器から流出する前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体出口温度サーミスタと、前記利用側熱交換器に流入する前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体入口温度サーミスタと、を備
え、前記制御装置は、前記加熱運転モードの実行時には、前記圧縮回転要素を回転させ、前記熱媒体出口温度サーミスタの検出温度と前記熱媒体入口温度サーミスタの検出温度との温度差が目標温度差となるように、前記搬送装置を動作させるとともに、前記熱媒体出口温度サーミスタの前記検出温度が所定温度を超えた場合には、前記第２膨張装置の開度を全閉に設定することを特徴とするものである。

これにより、放熱器における加熱能力は、現在の暖房負荷に相当する値となり、省エネルギー性に優れた液体加熱装置温を提供できる。

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は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプシステムの構成図を示すものである。ヒートポンプシステムは、冷凍サイクル装置１と、利用側熱媒体回路５と、液体加熱装置の運転動作を制御する制御装置４とから構成されている
また、冷凍サイクル装置１は、主冷媒回路２、バイパス冷媒回路３とから構成されている。

主冷媒回路２は、圧縮機構２１、放熱器である利用側熱交換器２２、冷却用熱交換器である中間熱交換器２６、主膨張弁である第１膨張装置２３、蒸発器である熱源側熱交換器２４が、配管１６で順次接続されて形成され、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ２）を用いている。

なお、冷媒としては、二酸化炭素を用いるのが最適だが、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、Ｒ３２等の単一冷媒を用いることもできる。

冷媒を圧縮する圧縮機構２１は、低段側圧縮回転要素２１ａと高段側圧縮回転要素２１ｂとで構成される。利用側熱交換器２２は、高段側圧縮回転要素２１ｂから吐出された冷媒により利用側熱媒体を加熱する。なお、圧縮機構２１を構成する低段側圧縮回転要素２１ａと高段側圧縮回転要素２１ｂとの容積比は一定で、駆動軸（図示せず）を共通化させ、１つの容器内に配置した１台の圧縮機で構成されている。

なお、本実施の形態では、圧縮回転要素が、低段側圧縮回転要素２１ａと高段側圧縮回転要素２１ｂとで構成される圧縮機構２１を用いて説明するが、単一の圧縮回転要素においても適用でき、単一の圧縮回転要素の場合には、バイパス冷媒回路３からの冷媒が合流する位置を圧縮回転要素の圧縮途中とし、バイパス冷媒回路３からの冷媒が合流する位置までの圧縮回転要素を低段側圧縮回転要素２１ａとし、バイパス冷媒回路３からの冷媒が合流する位置以降の圧縮回転要素を高段側圧縮回転要素２１ｂとして適用することができる。

また、低段側圧縮回転要素２１ａと高段側圧縮回転要素２１ｂとが、それぞれが独立した２台の圧縮機から構成されている圧縮機構２１の構成でもよい。

バイパス冷媒回路３は、利用側熱交換器２２から第１膨張装置２３までの間の配管１６から分岐され、低段側圧縮回転要素２１ａと高段側圧縮回転要素２１ｂとの間の配管１６に接続されている。

バイパス冷媒回路３には、バイパス膨張弁である第２膨張装置３１を設けられている。
利用側熱交換器２２を通過後の一部の高圧冷媒、又は、中間熱交換器２６を通過後の一部の高圧冷媒は、第２膨張装置３１により減圧されて中間圧冷媒となった後に、中間熱交換器２６で主冷媒回路２を流れる高圧冷媒と熱交換され、低段側圧縮回転要素２１ａと高段側圧縮回転要素２１ｂとの間の冷媒と合流される。

また、熱源側熱交換器２４の出口側と圧縮機構２１の吸入側との間には、気液分離を行うアキュムレーター２５が設けられている。また、主冷媒回路２には、主冷媒回路２において、圧縮機構２１から吐出された高圧冷媒を利用側熱交換器２２側に流すか、あるいは、熱源側熱交換器２４側に流すかの流路を切り換えるための四方弁２７が設けられている。

次に、第１膨張装置２３と第２膨張装置３１について、図３を用いて以下に説明する。第１膨張装置２３は、ニードル（図示せず）が弁座（図示せず）に対して着座しても、冷媒が所定量（Ｖ０）流れる非全閉型の膨張弁である。そして、第２膨張装置３１は、ニードル（図示せず）が弁座（図示せず）に対して着座すると、冷媒が流れない（冷媒流量０）全閉型の膨張弁である。

なお、第１膨張装置２３を非全閉型の膨張弁とすることで、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ２）を用いている圧力の高い冷凍サイクル装置１において、ニードル（図示せず）が弁座（図示せず）に対して着座しても、冷媒が所定量（Ｖ０）流れるため、圧縮機構２１の運転時において、第１膨張装置２３に異物混入等が生じたとしても、全閉状態になりにくく、高圧冷媒の圧力上昇を抑えることができ、安全性を向上できる。

また、第２膨張装置３１を全閉型の膨張弁とすることで、第２膨張装置３１（全閉型）の弁開度を全閉とした場合、利用側熱交換器２２から流出し、第２膨張装置３１側に分配された高圧冷媒が、中間熱交換器２６に流れるのを、完全に防止できる。

このため、圧縮機構２１の低段側圧縮回転要素２１ａから吐出された中間圧冷媒と合流し、高段側圧縮回転要素２１ｂに吸入されることもないため、圧縮機構２１から吐出圧力の上昇を防止でき、利用側熱交換器２２における加熱能力の低下を実現できる。

また、本実施の形態における冷凍サイクル装置１においては、通常運転モードであり、搬送装置５５を動作させ、利用側熱媒体を利用側熱媒体回路５において利用側熱交換器２２を介して循環させ、圧縮機構２１の高段側圧縮回転要素２１ｂから吐出された冷媒により、利用側熱交換器２２で循環する利用側熱媒体を加熱する加熱運転モードを有している。

ここで、図１に基づいて、加熱運転モードについて説明する。なお、加熱運転モード実行時の冷媒の流れ方向を実線矢印で示している。

圧縮機構２１から吐出された高圧冷媒は、四方弁２７を介して利用側熱交換器２２に流入し、利用側熱交換器２２を通過する利用側熱媒体を加熱する。利用側熱交換器２２から流出した高圧冷媒は、中間熱交換器２６側と第２膨張装置３１側とに分配される。中間熱交換器２６に流入した高圧冷媒は、第２膨張装置３１で減圧された中間圧冷媒によって冷却される。

第１膨張装置２３側に分配された高圧冷媒は、第１膨張装置２３によって減圧されて膨張した後に、熱源側熱交換器２４に流入する。熱源側熱交換器２４に流入した低圧冷媒は、熱源側熱交換器２４において空気から吸熱する。

一方、第２膨張装置３１側に分配された高圧冷媒は、第２膨張装置３１によって減圧されて膨張した後に、中間熱交換器２６に流入する。中間熱交換器２６に流入した中間圧冷媒は、利用側熱交換器２２から流出した高圧冷媒によって加熱される。その後、中間熱交換器２６から流出した中間圧冷媒は、圧縮機構２１の低段側圧縮回転要素２１ａから吐出された中間圧冷媒と合流し、高段側圧縮回転要素２１ｂに吸入される。

利用側熱媒体回路５においては、利用側熱交換器２２に、熱媒体戻り管５６と熱媒体往き管５７とが接続されている。熱媒体戻り管５６には、搬送ポンプである搬送装置５５が設けられている。

この搬送装置５５が動作することにより、熱媒体戻り管５６を通じて利用側熱交換器２２に利用側熱媒体が供給され、利用側熱交換器２２で加熱された利用側熱媒体が、熱媒体往き管５７から、例えば、床暖房等の暖房端末（図示せず）や貯湯タンク（図示せず）に供給される。

これにより、暖房や給湯が行われる。その後、利用側熱媒体は、熱媒体戻り管５６を介して再び利用側熱交換器２２戻る構成となっている。なお、利用側熱媒体としては、水または不凍液が用いられている。

制御装置４は、低段側圧縮回転要素２１ａ及び高段側圧縮回転要素２１ｂを動作させ、利用側熱交換器２２で循環水を加熱するが、その循環水の温度差である熱媒体出口温度サーミスタ５４の検出温度と熱媒体入口温度サーミスタ５３の検出温度との温度差が目標温度差となるように、搬送装置５５を動作させる。

これにより、利用側熱交換器２２で生成された高温水は、暖房端末（図示せず）で放熱して暖房に利用され、暖房端末（図示せず）で放熱された低温水は、再び、利用側熱交換器２２で加熱される。このときには、熱媒体出口温度サーミスタ５４の検出温度と熱媒体入口温度サーミスタ５３の検出温度との温度差が目標温度差となるように制御される。

そして、次第に暖房負荷が小さくなるため、熱媒体出口温度サーミスタ５４の検出温度と熱媒体入口温度サーミスタ５３の検出温度との温度差が目標温度差となるように制御している関係上、熱媒体出口温度サーミスタ５４の検出温度及び熱媒体入口温度サーミスタ５３の検出温度は次第に上昇していくが、熱媒体出口温度サーミスタ５４の検出温度が所定温度を超えた場合には、利用側熱交換器２２における加熱能力を下げる必要があるので、制御装置４は以下のように制御する。

すなわち、熱媒体出口温度サーミスタ５４の検出温度が、所定温度を超えた場合には、低段側圧縮回転要素２１ａ及び高段側圧縮回転要素２１ｂの運転周波数を低下させる、あるいは、第１膨張装置２３を弁開度が大きくなる方向に動作させ、冷媒が所定量流れる開度に設定する、のうち少なくともどちらか一方を実行する。

それに加え、第２膨張装置３１（全閉型）を弁開度と全閉とし、利用側熱交換器２２から流出し、第２膨張装置３１側に分配された高圧冷媒が、中間熱交換器２６に流れるのを防止している。

このため、圧縮機構２１の低段側圧縮回転要素２１ａから吐出された中間圧冷媒と合流し、高段側圧縮回転要素２１ｂに吸入されることもないため、圧縮機構２１から吐出圧力の上昇を防止でき、かつ、利用側熱交換器２２における加熱能力の低下を実現できる。

これにより、利用側熱交換器２２における加熱能力は、現在の暖房負荷に相当する値と
なり、省エネルギー性に優れた温水暖房機として利用できる。

また、主冷媒回路２の第１膨張装置２３の下流側と圧縮機構２１の吸入側とを接続する主冷媒回路２の低圧側の配管１６には、低圧側検出部として、低圧側の蒸発圧力を検出する圧力センサ５１が設けられている。

なお、低圧側検出部としては、主冷媒回路２の第１膨張装置２３の下流側と圧縮機構２１の吸入側とを接続を接続する主冷媒回路２の低圧側の配管１６に設けられ、低圧側の気液二層状態の冷媒の蒸発温度を検出する蒸発温度サーミスタ３０を用いてもよい。

また、熱源側熱交換器２４の周辺には温度サーミスタ２８が設けられており、ファン２９が駆動することで、熱源側熱交換器２４に熱を供給する空気の温度を、温度サーミスタ２８を用いて検出している。

なお、温度サーミスタ２８が検出する熱源側熱交換器２４に熱を供給する空気の温度が所定値以上の場合には、熱源側熱交換器２４から十分吸熱できるため、利用側熱交換器２２においても十分加熱能力を発揮できるので、加熱運転モード実行中、第２膨張装置３１（全閉型）の弁開度を全閉としていても良い。

また、本実施の形態における冷凍サイクル装置１においては、圧縮機構２１の高段側圧縮回転要素２１ｂから吐出された冷媒により、熱源側熱交換器２４の除霜を行う除霜運転モードを有している。

除霜運転モードは、圧力センサ５１の検出圧力、または、蒸発温度サーミスタ３０の検出温度がそれぞれ所定値以下となった場合や、あるいは、温度サーミスタ２８が検出する熱源側熱交換器２４に熱を供給する空気の温度が所定値以下で、その状態で加熱運転モードの実行時間が、所定時間以上継続した場合には、熱源側熱交換器２４が着霜していると判断し、圧縮機構２１の高段側圧縮回転要素２１ｂから吐出された冷媒の熱により、熱源側熱交換器２４の着霜している霜を融解して除去するものである。

除霜運転モードの方式の代表的なものとしては、加熱運転モードの実行時に対して四方弁２７が連通する流路を切り替えて、冷媒の循環方向を逆転させ、圧縮機構２１から吐出された高温高圧の冷媒を熱源側熱交換器２４に流入させて、その凝縮熱で熱源側熱交換器２４の霜を融解する逆サイクル除霜方式がある。

一方、四方弁２７を切り替えずに、加熱運転モード時と四方弁２７が連通する流路は同様とし、圧縮機構２１から吐出された高温高圧の冷媒を利用側熱交換器２２に流入させ、第１膨張装置２３へと流し、第１膨張装置２３の開度を大きくして、圧縮機構２１から吐出された高温高圧のガス冷媒を減圧せずに、第１膨張装置２３を通過させ、その後、熱源側熱交換器２４に流入させて、熱源側熱交換器２４の霜を融解する順サイクル除霜方式もある。

本実施の形態における除霜運転モード制御フローについて、図２を用いて説明する。

図２に示すように、圧縮機構２１、搬送装置５５が運転している加熱運転モードの運転実行の状態で、制御装置４は、圧力センサ５１が低段側圧縮回転要素２１ａの吸入圧力Ｐｓを検出する（ステップ１）。

すなわち、圧力センサ５１が検出した低段側圧縮回転要素２１ａの吸入圧力Ｐｓが、所定の圧力Ｐｓｔ以下であるかを判断する（ステップ２）。

圧力センサ５１が検出した低段側圧縮回転要素２１ａの吸入圧力Ｐｓが、所定の圧力Ｐｓｔ以下の場合、制御装置４は、第２膨張装置３１の弁開度を制御装置４に設定されているＯｂ(Ｐｕｌｓｅ)に設定する（ステップ３）。

なお、Ｏｂ(Ｐｕｌｓｅ)は、最小の弁開度、すなわち全閉状態である。したがって、このとき、制御装置４は、第２膨張装置３１の弁開度は閉方向に動作させることになる。

これにより、バイパス冷媒回路３から、圧縮機構２１の圧縮途中の冷媒に合流する冷媒流量が減少するため、圧縮機構２１から吐出される冷媒の温度は上昇し、吐出圧力は低下する。

次に、制御装置４は、搬送装置５５の運転を停止させる（ステップ４）。これにより、制御装置４は、加熱運転モードの運転を停止させる。

さらに、搬送装置５５の運転も停止させるので、利用側熱交換器２２における利用側熱媒体への放熱量が抑制され、圧縮機構２１から吐出される冷媒の圧力および冷媒の温度がさらに上昇するため、圧縮機構２１や利用側熱交換器２２の温度がより上昇する。

ここで、第２膨張装置３１の弁開度を閉方向に操作したときに、一旦、吐出圧力は低下するため、第２膨張装置３１の弁開度を閉方向に操作した後に、搬送装置５５の運転動作を停止した方が、圧縮機構２１から吐出される冷媒の温度と圧力の過昇を防止することができる。

このように、除霜運転モードの運転に移行する場合には、除霜運転モードの実行開始前の加熱運転モードの運転実行中に、第２膨張装置３１の開度を閉方向に動作させ、圧縮機構２１から吐出される冷媒の温度と圧力を段階的に上昇させることで、加熱運転モードの運転停止を防止することができる。

そして、制御装置４は、第１膨張装置２３の弁開度を制御装置４に設定されているＯｍ(Ｐｕｌｓｅ)に設定する（ステップ３）。

なお、Ｏｂ(Ｐｕｌｓｅ)は、最大の弁開度、すなわち全開状態である。したがって、このとき、制御装置４は、第１膨張装置２３の弁開度を開方向に動作させることになる。

すなわち、制御装置４は、第１膨張装置２３の弁開度を最大の弁開度、すなわち全開状態にすることで、圧縮機構２１から吐出された冷媒は、高温に維持されたままの状態で、第１膨張装置２３において最大量を、熱源側熱交換器２４に供給開始することになる。したがって、これを除霜運転モードの運転実行開始時とする。

なお、搬送装置５５の運転の停止後の除霜運転モードの運転においては、冷媒が高圧側から低圧側の熱源側熱交換器２４に向かう際に、圧縮機構２１による圧縮過程に加え、圧縮機構２１や利用側熱交換器２２からその保有熱も受熱できる。

これにより、搬送装置５５の運転の停止後の除霜運転モードの運転においては、圧縮機構２１から吐出された冷媒が、低圧側の熱源側熱交換器２４に向かう際における温度低下を抑制でき、除霜運転モード実行時に熱源側熱交換器２４の除霜に利用できる熱量を増加させることができ、除霜時間を短縮し、使用性を向上させたヒートポンプシステムを提供できる。

そして、制御装置４は、除霜運転モードの運転実行中において、低圧側の気液二層状態の冷媒の蒸発温度を検出する蒸発温度サーミスタ３０が検出する熱源側熱交換器２４の温度Ｔｅに基づいて、除霜終了条件が成立するかどうかを判断する（ステップ６）。

すなわち、制御装置４は、蒸発温度サーミスタ３０が検出した熱源側熱交換器２４の温度Ｔｅが、所定温度Ｔｅｔより低い場合には、ステップ６に戻り、除霜運転モードを継続する。

一方、制御装置４は、蒸発温度サーミスタ３０が検出した熱源側熱交換器２４の温度Ｔｅが、所定温度Ｔｅｔ以上の場合には、除霜運転モードの実行を終了し、再び、搬送装置５５の運転を再開させて、第１膨張装置２３の弁開度、第２膨張装置３１の弁開度を調整し、加熱運転モードの再実行を開始する。

次に、除霜運転モードにおける冷媒の状態変化を、図１を用いて説明する。

図１に記載の破線矢印は、順サイクル除霜方式を用いて、除霜運転モードを実行した場合の冷媒の流れ方向を示している。

圧縮機構２１から吐出された高圧冷媒は、四方弁２７を介して利用側熱交換器２２に流入し、利用側熱交換器２２から流出した冷媒は、第１膨張装置２３を通過後、熱源側熱交換器２４に流入し、堆積した霜に放熱して霜を融解する。

熱源側熱交換器２４で放熱し流出した気液二相冷媒は、アキュムレーター２５に入り、ここで気液分離されて気相冷媒が、再び、圧縮機構２１に戻る。

この場合、除霜運転モード実行中においても、利用側熱交換器２２に高温の吐出冷媒が流れるので、利用側熱交換器２２の温度低下が抑制されて、除霜運転モード実行後に開始される加熱運転モードにおける加熱能力の上昇が、逆サイクル除霜運転と比較して速くなる。

また、除霜効率を向上させるために、利用側熱交換器２２を流れる利用側熱媒体の循環、すなわち、搬送装置５５の運転を停止させ、利用側熱媒体の利用側熱交換器２２を流れないようにして、利用側熱媒体に放熱する熱量を低減している。

また、熱源側熱交換器２４に流入する冷媒の温度低下を防止するために、第２膨張装置３１（全閉型）を弁開度と全閉とし、利用側熱交換器２２から流出し、第２膨張装置３１側に分配された高圧冷媒が、中間熱交換器２６に流れるのを防止している。

このため、圧縮機構２１から吐出され、四方弁２７を介して、利用側熱交換器２２に流入し、利用側熱交換器２２から流出して、中間熱交換器２６の主冷媒回路２を流れる冷媒が、中間熱交換器２６の第２膨張装置３１を流れる冷媒によって冷却されないため、熱源側熱交換器２４に流入する冷媒の温度低下を防止できる。

さらには、第１膨張装置２３の開度を全開とし、冷媒が最大量流れるようにして、圧縮機構２１を運転させているので、圧縮機構２１から吐出された冷媒は、高温に維持されたままの状態で、また、その最大量を熱源側熱交換器２４に供給できるため、順サイクルでの除霜運転における除霜時間を短縮でき、使用性を向上させた冷凍サイクル装置を提供できる。

なお、バイパス冷媒回路３は、必ずしも利用側熱交換器２２と中間熱交換器２６の間で
主冷媒回路２から分岐している必要はなく、中間熱交換器２６と第１膨張装置２３の間で主冷媒回路２から分岐していてもよい。

さらに、第１膨張装置２３の開度が全開、いわゆる、最大の弁開度とは、冷媒が、第１膨張装置２３において、最大量に近い値が流れる開度であれば、全開と異なる開度も含むものとする。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプシステムは、除霜時間を短縮し、使用性を向上させたヒートポンプシステムを提供できるので、給湯、暖房機器等に有用である。

１冷凍サイクル装置
２主冷媒回路
３バイパス冷媒回路
４制御装置
５利用側熱媒体回路
１６配管
２１圧縮機構
２１ａ低段側圧縮回転要素
２１ｂ高段側圧縮回転要素
２２利用側熱交換器（放熱器）
２３第１膨張装置（主膨張弁）
２４熱源側熱交換器（蒸発器）
２６中間熱交換器（冷却用熱交換器）
３０蒸発温度サーミスタ
３１第２膨張装置（バイパス膨張弁）
５３熱媒体入口温度サーミスタ
５４熱媒体出口温度サーミスタ
５５搬送装置（搬送ポンプ）
５６熱媒体戻り管
５７熱媒体往き管

Claims

圧縮回転要素から構成される圧縮機構、前記圧縮機構から吐出された冷媒により利用側熱媒体を加熱する利用側熱交換器、中間熱交換器、第１膨張装置、熱源側熱交換器が配管で順次接続されて形成される主冷媒回路と、
前記利用側熱交換器から前記第１膨張装置までの間の前記配管から分岐され、分岐された冷媒が第２膨張装置により減圧された後に、前記中間熱交換器で前記主冷媒回路を流れる冷媒と熱交換され、前記圧縮回転要素の圧縮途中の冷媒に合流されるバイパス冷媒回路と、を有する冷凍サイクル装置と、
搬送装置によって前記利用側熱媒体を循環させる利用側熱媒体回路と、
制御装置と、
を備え、
前記圧縮機構から吐出された冷媒により、前記利用側熱交換器において前記利用側熱媒体を加熱する加熱運転モードと、
前記圧縮機構から吐出された冷媒により、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転モードと、
を有し、
前記制御装置は、前記加熱運転モードの運転実行中に、前記除霜運転モードの運転に移行する場合には、前記第２膨張装置の開度を閉方向に動作させ、その後、前記搬送装置の運転を停止して、前記加熱運転モードの運転実行を停止させることを特徴とするヒートポンプシステム。
前記除霜運転モードにおいて、前記冷媒は、前記圧縮機構、前記利用側熱交換器、前記中間熱交換器、前記第１膨張装置、前記熱源側熱交換器の順に流れ、また、前記制御装置は、前記第２膨張装置の開度を全閉に設定し、前記第１膨張装置の開度を全開に設定することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプシステム。
前記冷媒として、二酸化炭素を用い、前記第１膨張装置は、ニードルが弁座に対して着座しても、冷媒が所定量流れる非全閉型の膨張弁であり、前記第２膨張装置は、ニードルが弁座に対して着座すると、冷媒が流れない全閉型の膨張弁であることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプシステム。
前記利用側熱交換器から流出する前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体出口温度サーミスタと、前記利用側熱交換器に流入する前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体入口温度サーミスタと、を備え、前記制御装置は、前記加熱運転モードの実行時には、前記圧縮回転要素を回転させ、前記熱媒体出口温度サーミスタの検出温度と前記熱媒体入口温度サーミスタの検出温度との温度差が目標温度差となるように、前記搬送装置を動作させるとともに、前記熱媒体出口温度サーミスタの前記検出温度が所定温度を超えた場合には、前記第２膨張装置の開度を全閉に設定することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム。