JP7590684B2 - 冷凍サイクルシステム - Google Patents

Description

本開示は、冷凍サイクルシステムに関する。

特許文献１には、温水暖房機と接続されるヒートポンプ式給湯用室外機の除霜運転時に、バイパス回路および補助ヒータを用いることにより温水暖房機内に配設される水熱交換器の凍結を防止する、とする温水暖房機が開示されている。

特許第５５７３７５７号公報

暖房給湯システム等の冷凍サイクルシステムにおいて、例えば低外気条件において暖房運転を行うと、室外熱交換器が着霜していき、時間とともに暖房能力が低下していく。暖房能力の低下を防ぐために除霜運転がなされるが、除霜運転中は冷房サイクルとなり水熱交換器が蒸発器となるために水温が低下し、水熱交換器内の水が凍結する恐れがある。凍結を防止するために例えば水熱交換器の上流側に補助ヒータを備えることはできるが、これには追加のコストを要する。
本開示は、コストを抑えて複数の除霜運転を切り替えることを目的とする。

本開示の冷凍サイクルシステムは、第１圧縮機（１１）と、第１水熱交換器（１６）と、第２圧縮機（１２）と、四路切換弁（１５）と、第２水熱交換器（１７）と、膨張弁（１９）と、空気熱交換器（１３）と、を備え、暖房運転時に、前記第１圧縮機（１１）、前記第１水熱交換器（１６）、前記第２圧縮機（１２）、前記四路切換弁（１５）、前記第２水熱交換器（１７）、前記膨張弁（１９）、前記空気熱交換器（１３）の順で冷媒が循環する主流路と、前記主流路における前記第１圧縮機（１１）の吸入側と前記主流路における前記第２圧縮機（１２）の吸入側とを接続する第１流路（２５）と、前記主流路における前記第２水熱交換器（１７）と前記膨張弁（１９）との間と、当該主流路における前記第１水熱交換器（１６）と前記第２圧縮機（１２）との間と、を接続する第２流路（２４）と、を有し、前記四路切換弁（１５）は、前記第２圧縮機（１２）と前記第２水熱交換器（１７）との接続と、当該第２圧縮機（１２）と前記空気熱交換器（１３）との接続とを切り替え可能であり、前記空気熱交換器（１３）を除霜する除霜運転時に複数の除霜運転モードを切り替えて運転する。この場合、コストを抑えて複数の除霜運転を切り替えることが可能となる。
ここで、前記複数の除霜運転モードは、前記第１圧縮機（１１）および前記第２圧縮機（１２）を両方使用するモードと、当該第１圧縮機（１１）または当該第２圧縮機（１２）の何れか一方を使用するモードとを含む。
また、本開示の冷凍サイクルシステムは、前記主流路における前記第１圧縮機（１１）と前記第１水熱交換器（１６）との間の流路と前記第１流路（２５）との接続／非接続を切り替える切換弁（１４）を有する。
また、前記複数の除霜運転モードは、前記第１圧縮機（１１）、前記切換弁（１４）、前記第１流路（２５）、前記第２圧縮機（１２）、前記四路切換弁（１５）、前記空気熱交換器（１３）、前記第２水熱交換器（１７）の順で前記冷媒が循環して当該四路切換弁（１５）を通り当該第１圧縮機（１１）に戻る第１の除霜運転モードを含む。この場合、冷凍サイクルシステム１の容積を減らした除霜運転を行うことができる。
また、前記複数の除霜運転モードは、前記第１圧縮機（１１）、前記切換弁（１４）、前記第１水熱交換器（１６）、前記第２圧縮機（１２）、前記四路切換弁（１５）、前記空気熱交換器（１３）、前記第２水熱交換器（１７）の順で前記冷媒が循環して当該四路切換弁（１５）を通り当該第１圧縮機（１１）に戻る第２の除霜運転モードを含む。この場合、第１水熱交換器および第２水熱交換器での凍結を防止することができる。
また、前記複数の除霜運転モードは、前記第２圧縮機（１２）、前記四路切換弁（１５）、前記空気熱交換器（１３）、前記第２水熱交換器（１７）、当該四路切換弁（１５）、前記切換弁（１４）、前記第１流路（２５）、の順で前記冷媒が循環して当該第２圧縮機（１２）に戻る第３の除霜運転モードを含む。この場合、瞬時消費電力を抑制した除霜運転を行うことができる。
また、前記複数の除霜運転モードは、前記第１圧縮機（１１）、前記切換弁（１４）、前記第１流路（２５）、前記第２圧縮機（１２）、前記四路切換弁（１５）、前記空気熱交換器（１３）、の順に循環した後、前記第２水熱交換器（１７）、当該四路切換弁（１５）を通って当該第１圧縮機（１１）の吸入側に至る流路と、前記第２流路（２４）および前記第１水熱交換器（１６）、当該切換弁（１４）を通って当該第１圧縮機（１１）の吸入側に至る流路とに分岐して前記冷媒が循環して、当該第１圧縮機（１１）に戻る第４の除霜運転モードを含む。この場合、能力の高い除霜運転を行うことができる。
また、前記複数の除霜運転モードは、前記第２圧縮機（１２）、前記四路切換弁（１５）、前記空気熱交換器（１３）、前記第２流路（２４）、の順に前記冷媒が循環して当該第２圧縮機（１２）に戻る第５の除霜運転モードを含む。この場合、第１水熱交換器および第２水熱交換器における水温の低下を防止することができる。
また、前記除霜運転モードの切り替えは、着霜量に応じて行う。この場合、予め定められた条件に応じて複数の除霜運転モードの切り替えを制御することができる。
また、前記着霜量は、外気温度および前記空気熱交換器（１３）に取り付けた温度センサにより推測する。
また、前記除霜運転モードの切り替えは、水温に応じて行う。この場合、予め定められた条件に応じて複数の除霜運転モードの切り替えを制御することができる。
また、前記冷媒は二酸化炭素である。

本実施の形態に係る冷凍サイクルシステムの構成例を示す冷媒回路図である。 本実施の形態に係る冷凍サイクルシステムを暖房給湯システムとして使用する場合の冷温水回路の構成例を示す冷媒回路図である。 第１の除霜運転モード使用時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 第２の除霜運転モード使用時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 第３の除霜運転モード使用時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 第４の除霜運転モード使用時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 第５の除霜運転モード使用時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本実施の形態に係る除霜運転モードの切り替え時に行われる処理の流れの例を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、実施の形態について詳細に説明する。
＜冷凍サイクルシステムの構成＞
図１は、本実施の形態に係る冷凍サイクルシステムの構成例を示す冷媒回路図である。
本実施の形態に係る冷凍サイクルシステム１は、冷媒回路１０と、冷温水回路５０とを備える。冷媒回路１０に充填される冷媒には、例えば二酸化炭素やプロパンなどの自然冷媒が使用される。冷温水回路５０には、例えば水が充填される。
また、本実施の形態に係る冷凍サイクルシステム１は、複数の除霜運転モードの切り替えを制御する手段として、例えば制御部１００を備える。

冷媒回路１０は、第１圧縮機１１と、第２圧縮機１２と、空気熱交換器１３と、切換弁１４と、四路切換弁１５と、第１水熱交換器１６と、第２水熱交換器１７と、第１膨張弁１８と、第２膨張弁１９と、第３膨張弁２０と、中間熱交換器２１と、バイパス回路２２とを備える。また、冷媒回路１０は、第１圧縮機１１の吸入側と第２圧縮機１２の吸入側とを接続する第１流路２５を有する。また、冷媒回路１０は、第２水熱交換器１７と第２膨張弁１９との間と、第１水熱交換器１６と第２圧縮機１２との間と、を接続する第２流路２４（図６参照）を有する。

第１圧縮機１１および第２圧縮機１２は、吸入側から冷媒を吸入し、圧縮した冷媒を吐出側から吐出する。第１圧縮機１１および第２圧縮機１２はその吸入側に冷媒を気体と液体とに分離するアキュムレータを備えても良い。第１圧縮機１１はその吐出側が切換弁１４の第３ポート（Ｐ３）に接続され、その吸入側は四路切換弁１５の第３ポート（Ｐ７）に接続される。第２圧縮機１２はその吐出側が四路切換弁１５の第１ポート（Ｐ５）に接続され、その吸入側は第１水熱交換器１６およびバイパス回路２２に接続される。なお、冷媒の流れは後述する運転モードの切り替えにより切り替えられる。
空気熱交換器１３は、冷媒と外気との間で熱交換を行う。空気熱交換器１３は、暖房運転時には蒸発器として、冷房運転時には凝縮器として機能する。空気熱交換器１３は、室外ファンを備える構成としても良い。

切換弁１４は、第１圧縮機１１と第１水熱交換器１６との間の流路と第１流路２５との接続／非接続を切り替える。本実施の形態において切換弁１４は四路切換弁であり、第１ポート（Ｐ１）と、第２ポート（Ｐ２）と、第３ポート（Ｐ３）と、第４ポート（Ｐ４）とを備える。切換弁１４は、第１ポート（Ｐ１）と第２ポート（Ｐ２）とが連通し、かつ第３ポート（Ｐ３）と第４ポート（Ｐ４）とが連通する状態と、第１ポート（Ｐ１）と第４ポート（Ｐ４）とが連通し、かつ第２ポート（Ｐ２）と第３ポート（Ｐ３）とが連通する状態とを切り替えることができる。
四路切換弁１５は、第１ポート（Ｐ５）と、第２ポート（Ｐ６）と、第３ポート（Ｐ７）と、第４ポート（Ｐ８）とを備える。四路切換弁１５は、第１ポート（Ｐ５）と第２ポート（Ｐ６）とが連通し、かつ第３ポート（Ｐ７）と第４ポート（Ｐ８）とが連通する状態と、第１ポート（Ｐ５）と第４ポート（Ｐ８）とが連通し、かつ第２ポート（Ｐ６）と第３ポート（Ｐ７）とが連通する状態とを切り替えることができる。

第１水熱交換器１６および第２水熱交換器１７は、冷媒回路１０と冷温水回路５０との間で熱交換を行う。例えば暖房運転時には、第１水熱交換器１６および第２水熱交換器１７は、冷媒回路１０において凝縮器として働く。冷温水回路５０の配管を流れる水は、冷媒回路１０から熱を奪うことにより温められ、暖房機能を果たす。
第１膨張弁１８、第２膨張弁１９および第３膨張弁２０は、開度可変に構成されており、冷媒回路１０内を循環する冷媒の圧力を下げ、冷媒を膨張させる機能を有する。

中間熱交換器２１は、第１膨張弁１８と第２膨張弁１９との間の配管を流れる冷媒と、第１膨張弁１８と中間熱交換器２１との間の分岐点から分岐したバイパス回路２２において第３膨張弁２０により減圧された冷媒との間で熱交換を行う。
バイパス回路２２を流れる冷媒は、第３膨張弁２０において通過する冷媒量を調整され、減圧されることにより冷媒温度が低下する。温度が低下した冷媒は、第１膨張弁１８と第２膨張弁１９との間の配管を流れる冷媒と熱交換をしながら中間熱交換器２１を通過する。中間熱交換器２１を通過した冷媒は第２圧縮機１２の手前で、第１水熱交換器１６から第２圧縮機１２へと流入する冷媒に合流する。

なお、冷媒回路１０は、上記した構成に限定されない。例えば冷媒回路１０は、第３膨張弁２０と中間熱交換器２１とを含むバイパス回路２２を備えない構成としても良い。また第２膨張弁１９を備えない構成としても良い。また、フィルターやヒートシンク、オイルセパレータ等を備える構成としても良い。さらに、保護用検出器である高圧圧力開閉器を備える構成としても良い。

次に、冷媒回路１０における暖房運転時の冷媒の流れについて、図１を用いて説明する。暖房運転時には、切換弁１４は、第１ポート（Ｐ１）と第４ポート（Ｐ４）とが連通し、かつ第２ポート（Ｐ２）と第３ポート（Ｐ３）とが連通する状態である。また、四路切換弁１５は、第１ポート（Ｐ５）と第２ポート（Ｐ６）とが連通し、かつ第３ポート（Ｐ７）と第４ポート（Ｐ８）とが連通する状態である。

暖房運転時において、冷媒は図１に示す矢印に沿って循環する。より詳しくは、冷媒は、まず第１圧縮機１１により圧縮される。圧縮された冷媒は切換弁１４を通り、第１水熱交換器１６に入る。第１水熱交換器１６から出た冷媒は第２圧縮機１２により圧縮され、四路切換弁１５を通り、第２水熱交換器１７に入る。第２水熱交換器１７から出た冷媒は第１膨張弁１８により減圧され、中間熱交換器２１に入る。また、第１膨張弁１８と中間熱交換器２１との間の分岐点から分岐したバイパス回路２２に入る冷媒は、バイパス回路２２を出て、第２圧縮機１２の手前で、第１水熱交換器１６から第２圧縮機１２へと流入する冷媒に合流する。

一方、中間熱交換器２１に入った冷媒は第２膨張弁１９により減圧され、空気熱交換器１３に入る。空気熱交換器１３から出た冷媒は四路切換弁１５を通り、第１圧縮機１１に入る。
暖房運転時においては、第１水熱交換器１６および第２水熱交換器１７は、凝縮器として働く。冷温水回路５０の配管を流れる水は、冷媒回路１０の配管を流れる冷媒から熱を奪うことにより温められ、利用側に送られることにより暖房機能を果たす。

冷温水回路５０は、第１水熱交換器１６および第２水熱交換器１７を介して冷媒回路１０と熱交換を行い、熱交換を利用した機能を提供する。冷媒回路１０および冷温水回路５０は、例えば暖房給湯システムとして機能する。
暖房給湯システムは、例えば室外機とタンクユニットとから構成される。本実施の形態に係る冷凍サイクルシステム１を暖房給湯システムとして使用する場合、室外機は冷媒回路１０を備え、タンクユニットは冷温水回路５０を備える。室外機とタンクユニットとの接続は、冷媒回路１０の配管をタンクユニットにつなぎこんでも良いし、冷温水回路５０の配管を室外機につなぎこんでも良い。

暖房給湯システムとして本実施の形態に係る冷凍サイクルシステム１を使用する際の構成例について、図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態に係る冷凍サイクルシステム１を暖房給湯システムとして使用する場合の冷温水回路５０の構成例を示す冷媒回路図である。
冷温水回路５０を暖房給湯システムとして使用する場合、冷温水回路５０は第１水熱交換器１６、第２水熱交換器１７に加えて、例えば三方コック５１、タンク５２、熱交換器５３、ポンプ５４、水配管５５乃至５９を備える。

冷温水回路５０の水配管５５を流れる水は、ポンプ５４により駆動力を与えられ、配管内を循環する。水配管内を流れる水は、第１水熱交換器１６、第２水熱交換器１７を通過し、その際に冷媒回路１０を流れる冷媒と熱交換をすることにより温められる。第２水熱交換器１７から出た温水は、三方コック５１により、その用途によってタンク５２または水配管５６へと送られる。

暖房を利用する場合、三方コック５１は水配管５６へと温水を送る。水配管５６は暖房を利用する各部屋へとつながっており、各部屋において暖房機能を果たす。暖房として使用され冷却された水は水配管５９から戻ってくる。水配管５９から戻ってきた水は第１水熱交換器１６、第２水熱交換器１７へと入り、熱交換によって温められ、再び各部屋へと送られる。

給湯を使用する場合、三方コック５１はタンク５２へと温水を送る。タンク５２には水が貯湯されており、熱交換器５３により水配管５５を流れる水とタンク５２に貯湯された水との間で熱交換が行われる。タンク５２に貯湯された水は熱交換器５３により温められ、水配管５７へと送られ、シャワーなどの給湯に使用される。
一方、水配管５５を流れる水は熱交換器５３により冷却され、第１水熱交換器１６、第２水熱交換器１７へと入り、熱交換によって温められ、再びタンク５２へと送られる。また、タンク５２に貯湯された水が使用されると、水配管５８から市水等が補充される。

＜除霜運転＞
本実施の形態に係る冷凍サイクルシステム１は、除霜運転時に水温、および着霜量の状態の少なくとも何れか一つに応じて複数の除霜運転モードを切り替えて運転することができる。着霜量は、外気温度および空気熱交換器１３に備え付けられる温度センサ（不図示）によって推測される。
各除霜運転モードの切り替えは、例えば制御部１００によって実行される。例えば一の除霜運転モード使用時に、後述する他の除霜運転モードへの切り替え条件を満たした場合、制御部１００は除霜運転モードを切り替える。

複数の除霜運転モードは、第１圧縮機１１と第２圧縮機１２とを両方使用するモードと、第１圧縮機１１または第２圧縮機１２の何れか一方を使用するモードとを含む。また、複数の除霜運転モードは、第１水熱交換器１６を使用するモードと、第１水熱交換器１６を使用しないモードとを含む。
なお、除霜運転モードの切り替えは、上記したものに限定されない。例えば、ユーザの選択により除霜運転モードを切り替えることができる構成としても良い。切り替え可能な各除霜運転モードおよびその切り替え条件について、以下に説明する。

＜第１の除霜運転モード＞
通常の除霜運転時には、第１の除霜運転モードが使用される。通常の除霜運転時とは、例えば以下に示す他の除霜運転モードの切り替え条件を満たさない場合である。除霜運転を行う際、基本的には第１の除霜運転モードが使用される。第１の除霜運転モードについて、図３を用いて説明する。図３は、第１の除霜運転モード使用時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。
第１の除霜運転モード使用時には、切換弁１４は、第１ポート（Ｐ１）と第２ポート（Ｐ２）とが連通し、かつ第３ポート（Ｐ３）と第４ポート（Ｐ４）とが連通する状態である。また、四路切換弁１５は、第１ポート（Ｐ５）と第４ポート（Ｐ８）とが連通し、かつ第２ポート（Ｐ６）と第３ポート（Ｐ７）とが連通する状態である。

第１の除霜運転モード使用時において、冷媒は図３に示す矢印に沿って循環する。より詳しくは、冷媒は、まず第１圧縮機１１により圧縮される。圧縮された冷媒は切換弁１４から第１流路２５へと入り、第２圧縮機１２に入る。第２圧縮機１２により圧縮された冷媒は四路切換弁１５を通り、空気熱交換器１３に入る。空気熱交換器１３は凝縮器として働き、放熱を行うことにより除霜機能を果たす。空気熱交換器１３から出た冷媒は、第２膨張弁１９、中間熱交換器２１、第１膨張弁１８を通り、第２水熱交換器１７に入る。

第１の除霜運転モード使用時において、第３膨張弁２０は閉じられており、バイパス回路２２には冷媒は流れないため、中間熱交換器２１において熱交換は行われない。空気熱交換器１３から出た冷媒は、第２膨張弁１９および第１膨張弁１８により減圧され、第２水熱交換器１７において冷温水回路５０から熱を奪う。第２水熱交換器１７から出た冷媒は四路切換弁１５を通り、再び第１圧縮機１１に入る。第１の除霜運転モードにおいて、冷媒はこのように循環する。

第１の除霜運転モード使用時においては、第１圧縮機１１および第２圧縮機１２はいずれも運転状態である。また、第２水熱交換器１７は蒸発器として使用され、冷媒回路１０が冷温水回路５０から熱を奪うことにより、第２水熱交換器１７内で冷水が生成される。
一方で、第１の除霜運転モード使用時においては、第１水熱交換器１６は使用されない。第１の除霜運転モードにおいては、第１水熱交換器１６を使用せず冷凍サイクルシステム１の容積を減らすことにより、空気熱交換器１３に入る冷媒の圧力を高めることができる。そのため、第１圧縮機１１と第２圧縮機１２との間で冷媒が第１水熱交換器１６を通る場合と比較して、効率よく除霜を行うことができる。

＜第２の除霜運転モード＞
低水温時における除霜運転には、第１水熱交換器１６および第２水熱交換器１７での凍結を防止するために第２の除霜運転モードが使用される。低水温時とは、例えば冷温水回路５０の出口水温が１５℃以下の場合である。
例えば第１の除霜運転モード使用中は、第２水熱交換器１７は蒸発器として使用され、冷媒回路１０が冷温水回路５０から熱を奪うため、冷温水回路５０の水温は低下する。水温が低下し、冷温水回路５０の出口水温が１５℃以下になった場合には、第１の除霜運転モードから第２の除霜運転モードに切り替えられる。なお、低水温時の判断基準は上記したものに限定されず、変更可能な構成としても良い。

第２の除霜運転モードについて、図４を用いて説明する。図４は、第２の除霜運転モード使用時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。
第２の除霜運転モード使用時には、切換弁１４は、第１ポート（Ｐ１）と第４ポート（Ｐ４）とが連通し、かつ第２ポート（Ｐ２）と第３ポート（Ｐ３）とが連通する状態である。また、四路切換弁１５は、第１ポート（Ｐ５）と第４ポート（Ｐ８）とが連通し、かつ第２ポート（Ｐ６）と第３ポート（Ｐ７）とが連通する状態である。

第２の除霜運転モード使用時において、冷媒は図４に示す矢印に沿って循環する。より詳しくは、冷媒は、まず第１圧縮機１１により圧縮される。圧縮された冷媒は切換弁１４を通り、第１水熱交換器１６に入る。第１水熱交換器１６は、凝縮器として機能する。第１水熱交換器１６から出た冷媒は第２圧縮機１２に入る。第２圧縮機１２により圧縮された冷媒は四路切換弁１５を通り、空気熱交換器１３に入る。空気熱交換器１３は凝縮器として働き、放熱を行うことにより除霜機能を果たす。

空気熱交換器１３から出た冷媒は、第２膨張弁１９、中間熱交換器２１、第１膨張弁１８を通り、第２水熱交換器１７に入る。第２の除霜運転モード使用時において、第３膨張弁２０は閉じられており、バイパス回路２２には冷媒は流れないため、中間熱交換器２１において熱交換は行われない。空気熱交換器１３から出た冷媒は、第２膨張弁１９および第１膨張弁１８により減圧され、第２水熱交換器１７において冷温水回路５０から熱を奪う。第２水熱交換器１７から出た冷媒は四路切換弁１５を通り、再び第１圧縮機１１に入る。第２の除霜運転モードにおいて、冷媒はこのように循環する。

第２の除霜運転モード使用時においては、第１圧縮機１１および第２圧縮機１２はいずれも運転状態である。また、第２水熱交換器１７は蒸発器として使用され、冷媒回路１０が冷温水回路５０から熱を奪うことにより、第２水熱交換器１７内で冷水が生成される。一方で、第１水熱交換器１６は凝縮器として使用され、冷温水回路５０が冷媒回路１０から熱を奪うことにより、第１水熱交換器１６内で温水が生成される。

第２の除霜運転モードにおいては、第１水熱交換器１６を凝縮器として使用し、温水を生成することで第１水熱交換器１６および第２水熱交換器１７内の温度が氷点下になることを防止する。この構成により、第１水熱交換器１６および第２水熱交換器１７での凍結を防止することができる。

＜第３の除霜運転モード＞
着霜量が少ないときや、除霜運転が短時間である必要がないときには、瞬時消費電力を抑制する第３の除霜運転モードが使用される。着霜量が少ないときとは、例えば外気温度が０℃以上かつ空気熱交換器１３に備え付けられる温度センサが－３℃以上の場合である。なお、着霜量の判断基準は上記したものに限定されず、設定可能な構成としても良い。除霜運転が短時間である必要がないときとは、例えば暖房運転の停止後に、次回運転に向けて除霜運転を行う場合など、急いで除霜を行う必要がない場合である。

第３の除霜運転モードについて、図５を用いて説明する。図５は、第３の除霜運転モード使用時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。
第３の除霜運転モード使用時には、切換弁１４は、第１ポート（Ｐ１）と第４ポート（Ｐ４）とが連通し、かつ第２ポート（Ｐ２）と第３ポート（Ｐ３）とが連通する状態である。また、四路切換弁１５は、第１ポート（Ｐ５）と第４ポート（Ｐ８）とが連通し、かつ第２ポート（Ｐ６）と第３ポート（Ｐ７）とが連通する状態である。

第３の除霜運転モード使用時において、冷媒は図５に示す矢印に沿って循環する。より詳しくは、冷媒は、まず第２圧縮機１２により圧縮される。圧縮された冷媒は四路切換弁１５を通り、空気熱交換器１３に入る。空気熱交換器１３は凝縮器として働き、放熱を行うことにより除霜機能を果たす。

空気熱交換器１３から出た冷媒は、第２膨張弁１９、中間熱交換器２１、第１膨張弁１８を通り、第２水熱交換器１７に入る。第３の除霜運転モード使用時において、第３膨張弁２０は閉じられており、バイパス回路２２には冷媒は流れないため、中間熱交換器２１において熱交換は行われない。空気熱交換器１３から出た冷媒は、第２膨張弁１９および第１膨張弁１８により減圧され、第２水熱交換器１７において冷温水回路５０から熱を奪う。第２水熱交換器１７から出た冷媒は四路切換弁１５、切換弁１４を通り、再び第２圧縮機１２に入る。第３の除霜運転モードにおいて、冷媒はこのように循環する。

第３の除霜運転モード使用時においては、第２圧縮機１２は運転状態であるが、第１圧縮機１１は停止状態である。また、第２水熱交換器１７は蒸発器として使用され、冷媒回路１０が冷温水回路５０から熱を奪うことにより、第２水熱交換器１７内で冷水が生成される。一方で、第１水熱交換器１６は使用されない。
第３の除霜運転モードにおいては、着霜量が少ないときなど高い除霜能力を要さない条件において、第１圧縮機１１を停止させることにより、瞬時消費電力を抑制した除霜運転を行うことができる。

＜第４の除霜運転モード＞
着霜量が多いときや素早く除霜を終えたいときには、第１水熱交換器１６および第２水熱交換器１７を蒸発器として使用する第４の除霜運転モードが使用される。着霜量が多いときとは、例えば外気温度が５℃以下かつ、外気温度と空気熱交換器の温度センサの差が１０℃以上ある場合である。なお、着霜量の判断基準は上記したものに限定されず、設定可能な構成としても良い。

第４の除霜運転モードについて、図６を用いて説明する。図６は、第４の除霜運転モード使用時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。
第４の除霜運転モードは、第２水熱交換器１７と空気熱交換器１３との間から第１水熱交換器１６と第２圧縮機１２との間にバイパスする、第４膨張弁２３を有する第２流路２４を利用する。図１および図３乃至図５において、第２流路２４は図示を省略している。
第４の除霜運転モード使用時には、切換弁１４は、第１ポート（Ｐ１）と第２ポート（Ｐ２）とが連通し、かつ第３ポート（Ｐ３）と第４ポート（Ｐ４）とが連通する状態である。また、四路切換弁１５は、第１ポート（Ｐ５）と第４ポート（Ｐ８）とが連通し、かつ第２ポート（Ｐ６）と第３ポート（Ｐ７）とが連通する状態である。

第４の除霜運転モード使用時において、冷媒は図６に示す矢印に沿って循環する。より詳しくは、冷媒は、まず第１圧縮機１１により圧縮される。圧縮された冷媒は切換弁１４から第１流路２５に入り、第２圧縮機１２に入る。第２圧縮機１２により圧縮された冷媒は四路切換弁１５を通り、空気熱交換器１３に入る。空気熱交換器１３は凝縮器として働き、放熱を行うことにより除霜機能を果たす。

空気熱交換器１３から出た冷媒は、第２膨張弁１９、中間熱交換器２１を通り、第２膨張弁１９により減圧される。第４の除霜運転モード使用時において、第３膨張弁２０は閉じられており、バイパス回路２２には冷媒は流れないため、中間熱交換器２１において熱交換は行われない。

中間熱交換器２１から出た冷媒は、第１膨張弁１８を通り、第２水熱交換器１７に入る経路と、第２流路２４を通る経路とに分岐する。第２水熱交換器１７に入った冷媒は、冷温水回路５０から熱を奪い、四路切換弁１５を通り、第１圧縮機１１に入る。
一方、第２流路２４に入った冷媒は、第４膨張弁２３により減圧され、第１水熱交換器１６に入る。第１水熱交換器１６に入った冷媒は、冷温水回路５０から熱を奪い、切換弁１４を通り、第１圧縮機１１の手前で分岐した回路と合流し、第１圧縮機１１に入る。
第４の除霜運転モードにおいて、冷媒はこのように循環する。

第４の除霜運転モード使用時においては、第１圧縮機１１および第２圧縮機１２はいずれも運転状態である。また、第４の除霜運転モード使用時においては、第２流路２４を利用することにより、第１水熱交換器１６および第２水熱交換器１７はいずれも蒸発器として使用される。蒸発器の機能により冷媒回路１０が冷温水回路５０から熱を奪うことで、第１水熱交換器１６および第２水熱交換器１７内で冷水が生成される。
第４の除霜運転モードにおいては、第１水熱交換器１６および第２水熱交換器１７をいずれも蒸発器として使用し、さらに第１圧縮機１１および第２圧縮機１２により圧縮させた冷媒を空気熱交換器１３に送る。これにより、能力の高い除霜運転を行うことができる。

＜第５の除霜運転モード＞
水温が極めて低いときや水温低下を抑制したいときには、第１水熱交換器１６および第２水熱交換器１７には冷媒を流さない第４の除霜運転モードが使用される。水温が極めて低いときとは、例えば冷温水回路５０の出口水温が５℃以下の場合である。水温低下を抑制したいときとは、例えばユーザが設定した出湯温度に対して、室内に送水する水温との差が５℃以上ある場合、もしくは室温が３℃以上低下した場合である。なお、これらの基準値は上記したものに限定されず、運転を切り替える判断の基準となる値は変更可能な構成として良い。

第５の除霜運転モードについて、図７を用いて説明する。図７は、第５の除霜運転モード使用時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。
第５の除霜運転モードは、第４の除霜運転モードと同様に、第２水熱交換器１７と空気熱交換器１３との間から第１水熱交換器１６と第２圧縮機１２との間にバイパスする、第４膨張弁２３を有する第２流路２４を利用する。また、第１膨張弁１８は閉じており、第２水熱交換器１７には冷媒は流れない。
第５の除霜運転モード使用時には、切換弁１４には冷媒は流れない。四路切換弁１５は、第１ポート（Ｐ５）と第４ポート（Ｐ８）とが連通し、かつ第２ポート（Ｐ６）と第３ポート（Ｐ７）とが連通する状態である。

第５の除霜運転モード使用時において、冷媒は図７に示す矢印に沿って循環する。より詳しくは、冷媒は、まず第２圧縮機１２により圧縮される。圧縮された冷媒は四路切換弁１５を通り、空気熱交換器１３に入る。空気熱交換器１３は凝縮器として働き、放熱を行うことにより除霜機能を果たす。

空気熱交換器１３から出た冷媒は、第２膨張弁１９、中間熱交換器２１を通り、第２膨張弁１９により減圧される。第４の除霜運転モード使用時において、第３膨張弁２０は閉じられており、バイパス回路２２には冷媒は流れないため、中間熱交換器２１において熱交換は行われない。

中間熱交換器２１から出た冷媒は、第２流路２４に入り、第４膨張弁２３により減圧される。そして、減圧された冷媒は再び第２圧縮機１２に入る。第５の除霜運転モードにおいて、冷媒はこのように循環する。

第５の除霜運転モード使用時においては、第２圧縮機１２は運転状態であるが、第１圧縮機１１は停止状態である。また、第４の除霜運転モード使用時においては、第２流路２４を利用することにより、第１水熱交換器１６および第２水熱交換器１７はいずれも使用されない。
第５の除霜運転モードにおいては、第１水熱交換器１６および第２水熱交換器１７をいずれも使用しない。第１水熱交換器１６および第２水熱交換器１７における熱交換が行われないため、水温の低下を防止することができる。

＜除霜運転モードの切り替え＞
本実施の形態に係る除霜運転モードの切り替え時に行われる処理の流れについて、図８を用いて説明する。図８は、本実施の形態に係る除霜運転モードの切り替え時に行われる処理の流れの例を示すフローチャートである。除霜運転モードの切り替え処理は、例えば制御部１００により実施される。

除霜運転モードの切り替えにおいて、まず、制御部１００は、水温が第１の閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。水温が第１の閾値以下である場合（ステップＳ１０１でＹＥＳ）、制御部１００は水温が第１の閾値よりも低い第２の閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。水温が第２の閾値以下である場合（ステップＳ１０２でＹＥＳ）、第５の除霜運転モードを使用して除霜運転を行う（ステップＳ１０３）。一方、水温が第２の閾値以上である場合（ステップＳ１０２でＮＯ）、第２の除霜運転モードを使用して除霜運転を行う（ステップＳ１０４）。
ここで、第１の閾値とは第２の除霜運転モードを使用する際の閾値であり、第２の閾値とは第５の除霜運転モードを使用する際の閾値である。第１の閾値は、第２の閾値よりも高く設定される。水温が第１の閾値と第２の閾値との間である場合、第２の除霜運転モードが使用される。

ステップＳ１０１において、水温が第１の閾値以上である場合（ステップＳ１０１でＮＯ）、制御部１００は水温の低下を抑える必要があるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。水温の低下を抑える必要がある場合（ステップＳ１０５でＹＥＳ）、第５の除霜運転モードを使用して除霜運転を行う（ステップＳ１０３）。一方、水温の低下を抑える必要が無い場合（ステップＳ１０５でＮＯ）、制御部１００は除霜運転が短時間である必要があるか否かを判定する（ステップＳ１０６）。

除霜運転が短時間である必要がないときとは、例えば暖房運転の停止後に、次回運転に向けて除霜運転を行う場合など、急いで除霜を行う必要がない場合である。
ステップＳ１０６において、制御部１００は、例えば除霜運転を短時間で行うか否かについて、ユーザによる選択を受け付ける。また、制御部１００は、例えば暖房運転が終了した時間に応じて除霜運転が短時間である必要はないかを判定する構成としても良い。例えば制御部１００は、暖房運転が午後１２時以降に終了した場合に次回の暖房運転まで時間が空くために除霜運転が短時間である必要はないと判定する。

除霜運転が短時間である必要がない場合（ステップＳ１０６でＮＯ）、第３の除霜運転モードを使用して除霜運転を行う（ステップＳ１０８）。
一方、除霜運転が短時間である必要がある場合（ステップＳ１０６でＹＥＳ）、制御部１００は着霜量が第１の閾値よりも多いか否かを判定する（ステップＳ１０７）。着霜量が第１の閾値よりも少ない場合（ステップＳ１０７でＮＯ）、第３の除霜運転モードを使用して除霜運転を行う（ステップＳ１０８）。

一方、着霜量が第１の閾値よりも多い場合（ステップＳ１０７でＹＥＳ）、制御部１００は除霜運転を素早く終える必要があるか否かを判定する（ステップＳ１０９）。ここで、ステップＳ１０９においては、ステップＳ１０６における除霜時間の判定よりもさらに短い時間で除霜運転を終える必要があるか否かについて判定がなされる。
除霜運転を素早く終える必要がある場合とは、例えば暖房運転の開始前に除霜運転を行う場合など、急いで除霜を行う必要がある場合である。
除霜運転を素早く終える必要がある場合（ステップＳ１０９でＹＥＳ）、第４の除霜運転モードを使用して除霜運転を行う（ステップＳ１１１）。一方、除霜運転を素早く終える必要が無い場合（ステップＳ１０９でＮＯ）、制御部１００は着霜量が第２の閾値よりも多いか否かを判定する（ステップＳ１１０）。

ここで、ステップＳ１１０における着霜量の第２の閾値は、ステップＳ１０７における着霜量の第１の閾値よりも高く設定される。ステップＳ１１０においては、強力な除霜運転を行う必要があるか否かが判定される。
ステップＳ１１０において着霜量が第２の閾値よりも多い場合（ステップＳ１１０でＹＥＳ）、第４の除霜運転モードを使用して除霜運転を行う（ステップＳ１１１）。
一方、着霜量が第２の閾値よりも少ない場合（ステップＳ１１０でＮＯ）、第１の除霜運転モードを使用して除霜運転を行う（ステップＳ１１２）。

図８に示す処理は、一の除霜運転モード使用時に、他の除霜運転モードに運転を切り替える際に実施される。また、除霜運転が開始される際にも図８に示す処理が実施され、いずれかの除霜運転モードが選択される。また、除霜運転を開始する際には常にある定められた一の除霜運転モードを使用し、その後図８に示す処理によって他の除霜運転モードに運転が切り替えられる構成としてもよい。
なお、図８に示す処理は一例であり、除霜運転モードを切り替える際の処理はこれに限定されるものではない。例えば、制御部１００は、図８のステップＳ１０１の処理に先立って他のステップの処理を行う構成としても良い。例えば、制御部１００は、まず図８のステップＳ１１０の処理により着霜量が閾値よりも多いか否かを判定し、着霜量が閾値よりも多い場合に第４の除霜運転モードを使用する構成としても良い。
また、ステップＳ１０６、ステップＳ１０７の何れか１つの処理のみを行い第３の除霜運転モードの使用に関する判定を行う構成としても良い。また、ステップＳ１０９、ステップＳ１１０の何れか１つの処理のみを行い第３の除霜運転モードの使用に関する判定を行う構成としても良い。

また、例えば図８のステップＳ１０１において水温が第１の閾値以上であると判定された場合（ステップＳ１０１でＮＯ）に、ステップＳ１０６、ステップＳ１０７の処理の前にステップＳ１０９、ステップＳ１１０の処理を行う構成としても良い。この場合、第３の除霜運転モードの使用に関する判定よりも前に第４の除霜運転モードの使用に関する判定が行われる。
また、例えば図８のステップＳ１０２において水温が第２の閾値以上であると判定された場合（ステップＳ１０２でＮＯ）においても、ステップＳ１０５以降の処理を実施し、他の除霜運転モードへと運転モードの切り替えが可能な構成としても良い。また、この場合において水温が第２の閾値以下となった場合に第５の除霜運転モードへと切り替える構成としても良い。

本実施の形態に係る冷凍サイクルシステム１は、少なくとも２つ以上の圧縮機、四路切換弁および水熱交換器と、少なくとも１つ以上の空気熱交換器と、複数の膨張弁とを備え、除霜運転時に水温、および着霜量の状態の少なくとも何れか一つに応じて、四路切換弁を切り替えることにより複数の除霜運転モードを切り替えて運転することができる。
以上、本実施の形態について説明したが、本開示の技術的範囲は上記の実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記の実施の形態を２つ以上組み合わせたものや、上記の実施の形態に種々の変更または改良を加えたものも、本開示の技術的範囲に含まれることは、特許請求の範囲の記載から明らかである。

＜効果＞
本開示の冷凍サイクルシステム１は、第１圧縮機１１と、第１水熱交換器１６と、第２圧縮機１２と、四路切換弁１５と、第２水熱交換器１７と、第２膨張弁１９と、空気熱交換器１３と、を備え、暖房運転時に、前記第１圧縮機１１、前記第１水熱交換器１６、前記第２圧縮機１２、前記四路切換弁１５、前記第２水熱交換器１７、前記第２膨張弁１９、前記空気熱交換器１３の順で冷媒が循環する主流路と、前記主流路における前記第１圧縮機１１の吸入側と前記主流路における前記第２圧縮機１２の吸入側とを接続する第１流路２５と、前記主流路における前記第２水熱交換器１７と前記第２膨張弁１９との間と、当該主流路における前記第１水熱交換器１６と前記第２圧縮機１２との間と、を接続する第２流路２４と、を有し、前記四路切換弁１５は、前記第２圧縮機１２と前記第２水熱交換器１７との接続と、当該第２圧縮機１２と前記空気熱交換器１３との接続とを切り替え可能であり、前記空気熱交換器１３を除霜する除霜運転時に複数の除霜運転モードを切り替えて運転する。この場合、コストを抑えて複数の除霜運転を切り替えることが可能となる。
ここで、前記複数の除霜運転モードは、前記第１圧縮機１１および前記第２圧縮機１２を両方使用するモードと、当該第１圧縮機１１または当該第２圧縮機１２の何れか一方を使用するモードとを含む。
また、本開示の冷凍サイクルシステムは、前記主流路における前記第１圧縮機１１と前記第１水熱交換器１６との間の流路と前記第１流路２５との接続／非接続を切り替える切換弁１４を有する。
また、前記複数の除霜運転モードは、前記第１圧縮機１１、前記切換弁１４、前記第１流路２５、前記第２圧縮機１２、前記四路切換弁１５、前記空気熱交換器１３、前記第２水熱交換器１７の順で前記冷媒が循環して当該四路切換弁１５を通り当該第１圧縮機１１に戻る第１の除霜運転モードを含む。この場合、冷凍サイクルシステム１の容積を減らした除霜運転を行うことができる。
また、前記複数の除霜運転モードは、前記第１圧縮機１１、前記切換弁１４、前記第１水熱交換器１６、前記第２圧縮機１２、前記四路切換弁１５、前記空気熱交換器１３、前記第２水熱交換器１７の順で前記冷媒が循環して当該四路切換弁１５を通り当該第１圧縮機１１に戻る第２の除霜運転モードを含む。この場合、第１水熱交換器および第２水熱交換器での凍結を防止することができる。
また、前記複数の除霜運転モードは、前記第２圧縮機１２、前記四路切換弁１５、前記空気熱交換器１３、前記第２水熱交換器１７、当該四路切換弁１５、前記切換弁１４、前記第１流路２５、の順で前記冷媒が循環して当該第２圧縮機１２に戻る第３の除霜運転モードを含む。この場合、瞬時消費電力を抑制した除霜運転を行うことができる。
また、前記複数の除霜運転モードは、前記第１圧縮機１１、前記切換弁１４、前記第１流路２５、前記第２圧縮機１２、前記四路切換弁１５、前記空気熱交換器１３、の順に循環した後、前記第２水熱交換器１７、当該四路切換弁１５を通って当該第１圧縮機１１の吸入側に至る流路と、前記第２流路２４および前記第１水熱交換器１６、当該切換弁１４を通って当該第１圧縮機１１の吸入側に至る流路とに分岐して前記冷媒が循環して、当該第１圧縮機１１に戻る第４の除霜運転モードを含む。この場合、能力の高い除霜運転を行うことができる。
また、前記複数の除霜運転モードは、前記第２圧縮機１２、前記四路切換弁１５、前記空気熱交換器１３、前記第２流路２４、の順に前記冷媒が循環して当該第２圧縮機１２に戻る第５の除霜運転モードを含む。この場合、第１水熱交換器および第２水熱交換器における水温の低下を防止することができる。
また、前記除霜運転モードの切り替えは、着霜量に応じて行う。この場合、予め定められた条件に応じて複数の除霜運転モードの切り替えを制御することができる。
また、前記着霜量は、外気温度および前記空気熱交換器１３に取り付けた温度センサにより推測する。
また、前記除霜運転モードの切り替えは、水温に応じて行う。この場合、予め定められた条件に応じて複数の除霜運転モードの切り替えを制御することができる。
また、前記冷媒は二酸化炭素である。

１…冷凍サイクルシステム、１０…冷媒回路、１１…第１圧縮機、１２…第２圧縮機、１３…空気熱交換器、１４…切換弁、１５…四路切換弁、１６…第１水熱交換器、１７…第２水熱交換器、１８…第１膨張弁、１９…第２膨張弁、２０…第３膨張弁、２１…中間熱交換器、２２…バイパス回路、２３…第４膨張弁、５０…冷温水回路、５１…三方コック、５２…タンク、５３…熱交換器、５４…ポンプ、５５，５６，５７，５８，５９…水配管

Claims (12)

1. 第１圧縮機（１１）と、第１水熱交換器（１６）と、第２圧縮機（１２）と、四路切換弁（１５）と、第２水熱交換器（１７）と、膨張弁（１９）と、空気熱交換器（１３）と、を備え、
   暖房運転時に、前記第１圧縮機（１１）、前記第１水熱交換器（１６）、前記第２圧縮機（１２）、前記四路切換弁（１５）、前記第２水熱交換器（１７）、前記膨張弁（１９）、前記空気熱交換器（１３）の順で冷媒が循環する主流路と、
   前記主流路における前記第１圧縮機（１１）の吸入側と前記主流路における前記第２圧縮機（１２）の吸入側とを接続する第１流路（２５）と、
   前記主流路における前記第２水熱交換器（１７）と前記膨張弁（１９）との間と、当該主流路における前記第１水熱交換器（１６）と前記第２圧縮機（１２）との間と、を接続する第２流路（２４）と、を有し、
   前記四路切換弁（１５）は、前記第２圧縮機（１２）と前記第２水熱交換器（１７）との接続と、当該第２圧縮機（１２）と前記空気熱交換器（１３）との接続とを切り替え可能であり、
   前記空気熱交換器（１３）を除霜する除霜運転時に複数の除霜運転モードを切り替えて運転することを特徴とする冷凍サイクルシステム。
2. 前記複数の除霜運転モードは、前記第１圧縮機（１１）および前記第２圧縮機（１２）を両方使用するモードと、当該第１圧縮機（１１）または当該第２圧縮機（１２）の何れか一方を使用するモードとを含む、請求項１に記載の冷凍サイクルシステム。
3. 前記主流路における前記第１圧縮機（１１）と前記第１水熱交換器（１６）との間の流路と前記第１流路（２５）との接続／非接続を切り替える切換弁（１４）を有する、請求項１または２に記載の冷凍サイクルシステム。
4. 前記複数の除霜運転モードは、前記第１圧縮機（１１）、前記切換弁（１４）、前記第１流路（２５）、前記第２圧縮機（１２）、前記四路切換弁（１５）、前記空気熱交換器（１３）、前記第２水熱交換器（１７）の順で前記冷媒が循環して当該四路切換弁（１５）を通り当該第１圧縮機（１１）に戻る第１の除霜運転モードを含む、請求項３に記載の冷凍サイクルシステム。
5. 前記複数の除霜運転モードは、前記第１圧縮機（１１）、前記切換弁（１４）、前記第１水熱交換器（１６）、前記第２圧縮機（１２）、前記四路切換弁（１５）、前記空気熱交換器（１３）、前記第２水熱交換器（１７）の順で前記冷媒が循環して当該四路切換弁（１５）を通り当該第１圧縮機（１１）に戻る第２の除霜運転モードを含む、請求項３に記載の冷凍サイクルシステム。
6. 前記複数の除霜運転モードは、前記第２圧縮機（１２）、前記四路切換弁（１５）、前記空気熱交換器（１３）、前記第２水熱交換器（１７）、当該四路切換弁（１５）、前記切換弁（１４）、前記第１流路（２５）、の順で前記冷媒が循環して当該第２圧縮機（１２）に戻る第３の除霜運転モードを含む、請求項３に記載の冷凍サイクルシステム。
7. 前記複数の除霜運転モードは、前記第１圧縮機（１１）、前記切換弁（１４）、前記第１流路（２５）、前記第２圧縮機（１２）、前記四路切換弁（１５）、前記空気熱交換器（１３）、の順に循環した後、前記第２水熱交換器（１７）、当該四路切換弁（１５）を通って当該第１圧縮機（１１）の吸入側に至る流路と、前記第２流路（２４）および前記第１水熱交換器（１６）、当該切換弁（１４）を通って当該第１圧縮機（１１）の吸入側に至る流路とに分岐して前記冷媒が循環して、当該第１圧縮機（１１）に戻る第４の除霜運転モードを含む、請求項３に記載の冷凍サイクルシステム。
8. 前記複数の除霜運転モードは、前記第２圧縮機（１２）、前記四路切換弁（１５）、前記空気熱交換器（１３）、前記第２流路（２４）、の順に前記冷媒が循環して当該第２圧縮機（１２）に戻る第５の除霜運転モードを含む、請求項３に記載の冷凍サイクルシステム。
9. 前記除霜運転モードの切り替えは、着霜量に応じて行うことを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクルシステム。
10. 前記着霜量は、外気温度および前記空気熱交換器（１３）に取り付けた温度センサにより推測する請求項９に記載の冷凍サイクルシステム。
11. 前記除霜運転モードの切り替えは、水温に応じて行うことを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクルシステム。
12. 前記冷媒は二酸化炭素である、請求項１または２に記載の冷凍サイクルシステム。