WO2022024650A1 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

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WO2022024650A1
WO2022024650A1 PCT/JP2021/024798 JP2021024798W WO2022024650A1 WO 2022024650 A1 WO2022024650 A1 WO 2022024650A1 JP 2021024798 W JP2021024798 W JP 2021024798W WO 2022024650 A1 WO2022024650 A1 WO 2022024650A1
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power
engine
heat pump
battery
refrigerant
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翔太 井本
智史 松下
雄一郎 田中
健吾 木村
惣一郎 加茂田
照規 相川
拓馬 岩見
Original Assignee
ヤンマーホールディングス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a heat pump device including an engine and a compressor.
  • a heat pump device includes a heat pump unit including a compressor and an engine for driving the compressor (see, for example, Patent Document 1).
  • the engine operates using city gas, gasoline, or the like as fuel.
  • the heat pump device is used as a device for adjusting the amount of heat of air in an air conditioner.
  • the output of the compressor needs to be adjusted according to the fluctuation of the load such as the required heat amount in the air conditioner.
  • the output of the engine needs to be adjusted according to the fluctuation of the load.
  • An object of the present invention is to provide a heat pump device capable of operating an engine with high efficiency even when a load fluctuates.
  • the heat pump device includes a compressor, an engine, a generator, and a motor.
  • the compressor pressurizes the refrigerant.
  • the generator is driven by the engine.
  • the motor is operated by the electric power generated by the generator to drive the compressor.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a heat pump device according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a decompression unit and a battery cooling device in the heat pump device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the heat pump device according to the second embodiment.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the heat pump device according to the third embodiment.
  • the heat pump device 1 includes a heat pump unit 2, an engine 31, a main control device 6, and an operation unit 60.
  • the engine 31 operates using city gas, gasoline, or the like as fuel.
  • the engine 31 is a power source for the heat pump unit 2.
  • the heat pump unit 2 is used as a device for adjusting the amount of heat of air in an air conditioner.
  • the heat pump unit 2 may be used for heating or cooling a liquid such as water.
  • the main control device 6 includes a processor such as a CPU (Central Processing Unit), a main storage device such as a RAM (RandomAccessMemory), and a secondary storage device such as a ROM (ReadOnlyMemory) or a flash memory.
  • a processor such as a CPU (Central Processing Unit)
  • main storage device such as a RAM (RandomAccessMemory)
  • secondary storage device such as a ROM (ReadOnlyMemory) or a flash memory.
  • the processor expands the computer program stored in the secondary storage device to the main storage device, and further executes the computer program.
  • the main control device 6 controls controlled devices such as a starter motor (not shown) included in the engine 31 and various valves (not shown) included in the heat pump unit 2.
  • the operation unit 60 is a device that accepts user operations.
  • the operation unit 60 includes a touch panel, operation buttons, and the like.
  • the main control device 6 also executes a process of selecting various operation modes according to the operation of the operation unit 60.
  • the heat pump unit 2 includes a compressor 22, a four-way valve 23, an outdoor heat exchanger 24, an indoor heat exchanger 25, and a decompression unit 26 connected by a refrigerant pipe.
  • the refrigerant pipe is a pipe through which the refrigerant flows.
  • the pressure reducing unit 26 includes a main expansion valve 26a and a receiver 26b.
  • the compressor 22 pressurizes the refrigerant.
  • the indoor heat exchanger 25 is arranged indoors and exchanges heat with the indoor air in the circulation path of the refrigerant via the compressor 22.
  • the indoor air is an example of a fluid to be used, and the indoor heat exchanger 25 is an example of a first heat exchanger.
  • the outdoor heat exchanger 24 is arranged outdoors and exchanges heat with the outdoor air in the circulation path of the refrigerant via the compressor 22 and the indoor heat exchanger 25.
  • the outdoor air is an example of an open fluid
  • the outdoor heat exchanger 24 is an example of a second heat exchanger.
  • the decompression unit 26 is arranged between the indoor heat exchanger 25 and the outdoor heat exchanger 24 in the refrigerant circulation path of the heat pump unit 2, and decompresses the refrigerant.
  • the main expansion valve 26a reduces the pressure of the high-pressure refrigerant to a state in which it is easy to evaporate.
  • the receiver 26b temporarily stores the refrigerant and separates the gas and the liquid in the refrigerant.
  • the heat pump unit 2 operates in a cooling mode or a heating mode when used as a heat quantity adjusting device for the indoor air in the air conditioner.
  • the main control device 6 controls the four-way valve 23 to operate the heat pump unit 2 in the cooling mode or the heating mode.
  • the main control device 6 selects one of the cooling mode and the heating mode according to the operation for the operation unit 60.
  • the heat pump unit 2 When operating in the cooling mode, the heat pump unit 2 circulates the refrigerant from the compressor 22 in the order of the four-way valve 23, the outdoor heat exchanger 24, the decompression unit 26, and the indoor heat exchanger 25.
  • the refrigerant circulates from the compressor 22 in the order of the four-way valve 23, the indoor heat exchanger 25, the decompression unit 26, and the outdoor heat exchanger 24.
  • the output of the compressor 22 needs to be adjusted according to the fluctuation of the load such as the required heat amount in the air conditioner. If the engine 31 directly drives the compressor 22, the output of the engine 31 needs to be adjusted according to the fluctuation of the load.
  • the heat pump device 1 has a configuration capable of operating the engine 31 with high efficiency even when the load of the heat pump unit 2 fluctuates.
  • the configuration will be described below.
  • the heat pump device 1 further includes a generator 32, a power adjustment circuit 4, and a battery 5.
  • the generator 32 is driven by the engine 31.
  • the engine 31 and the generator 32 constitute an engine-driven generator 3.
  • the engine 31 operates at a predetermined constant output. For example, the engine 31 operates at a rated output. That is, the engine 31 does not adjust the output according to the load of the heat pump unit 2 and operates in a steady state. As a result, the engine 31 operates at an output with high energy efficiency.
  • the heat pump unit 2 includes a motor 21 for driving the compressor 22 and a motor drive circuit 20 for supplying electric power to the motor 21.
  • the motor drive circuit 20 rotationally drives the motor 21 by outputting the supplied electric power to the motor 21.
  • the motor drive circuit 20 adjusts the electric power supplied to the motor 21 by feedback control according to the difference between the preset target temperature and the room temperature detected by the temperature sensor (not shown).
  • the power adjustment circuit 4 includes an AC / DC converter 41 and a battery control circuit 42.
  • the AC / DC converter 41 converts the AC power generated by the generator 32 into DC power, and adjusts the output voltage to the input voltage of the motor drive circuit 20.
  • the electric power generated by the generator 32 is supplied to the motor drive circuit 20 of the heat pump unit 2 through the AC / DC converter 41.
  • the power consumption of the motor drive circuit 20 corresponds to the power consumption of the motor 21, and thus corresponds to the power consumption of the heat pump unit 2.
  • the AC / DC converter 41, the battery control circuit 42, and the motor drive circuit 20 are electrically connected by the main conductive portion 2x.
  • the main conductive portion 2x is a portion where electric power that can be used in the heat pump device 1 is output, and is a power supply line for an electric load such as a motor 21.
  • the electric power output to the main conductive portion 2x is referred to as available electric power.
  • the electric power generated by the generator 32 is output to the main conductive portion 2x through the AC / DC converter 41, and is further supplied from the main conductive portion 2x to the motor 21 through the motor drive circuit 20.
  • the motor 21 driven by the motor drive circuit 20 is an example of the electric load.
  • the remaining electric power excluding the electric power consumed by the heat pump unit 2 is input to the battery control circuit 42.
  • the electric power generated by the generator 32 is supplied to the motor drive circuit 20 and the battery control circuit 42 of the heat pump unit 2 through the AC / DC converter 41 and the main conductive unit 2x.
  • the battery control circuit 42 can selectively execute storage control and discharge control.
  • the battery control circuit 42 is an example of a battery control unit.
  • the electricity storage control is a process of accumulating surplus electric power in the battery 5 excluding the electric power supplied to the electric load including the motor 21 from the available electric power including the electric power generated by the generator 32.
  • the battery control circuit 42 executes the storage control when the engine 31 is operating.
  • the discharge control is a process of outputting the electricity stored in the battery 5 to the main conductive portion 2x as the available electric power.
  • the battery control circuit 42 adjusts the power discharged from the battery 5 according to the power consumption of the electric load.
  • the battery control circuit 42 executes the discharge control when the engine 31 is stopped.
  • the battery control circuit 42 executes the storage control or the discharge control so that the available power and the power consumption of the electric load connected to the main conductive portion 2x are balanced.
  • the available electric power is also supplied to an electric valve (not shown) provided in the heat pump unit 2.
  • the electric valve or the like is also an example of the electric load.
  • the motor 21 is operated by the electric power generated by the generator 32 when the storage control is being executed. Further, the motor 21 is operated by the electric power discharged from the battery 5 when the discharge control is being executed.
  • the battery control circuit 42 detects the amount of electricity stored in the battery 5 and outputs a detection signal to the main control device 6.
  • the main control device 6 executes engine operation control based on the detection signal of the stored amount of the battery 5.
  • the engine operation control includes a process of stopping the engine 31 when the stored amount of the battery 5 exceeds a predetermined reference range. Further, the engine operation control includes a process of starting the engine 31 when the stored amount of the battery 5 falls below the reference range when the engine 31 is stopped.
  • the main control device 6 that executes the engine operation control is an example of the engine control unit.
  • the power of the engine 31 is converted into the electric power supplied to the motor 21 that drives the compressor 22.
  • the load of the heat pump unit 2 fluctuates, the output of the engine 31 is maintained at the rated output, and the surplus power not used by the motor 21 fluctuates.
  • the surplus power can be easily used for other purposes.
  • the surplus electric power is stored in the battery 5 while the engine-driven generator 3 is operating, and is used to drive the heat pump unit 2 when the engine-driven generator 3 is stopped. Therefore, even when the load of the heat pump unit 2 fluctuates, the engine 31 can always be operated with high efficiency.
  • the heat pump device 1 further includes a battery cooling device 27 that exchanges heat with the battery 5 for the refrigerant in the heat pump unit 2 (see FIG. 2).
  • the battery cooling device 27 includes a refrigerant branch pipe 27a, a battery heat exchange unit 27b, and an auxiliary expansion valve 27c.
  • a part of the refrigerant branch pipe 27a forms an SC (Subcooling) coil 27d arranged in the receiver 26b.
  • the path and direction of the flow of the refrigerant in the decompression unit 26 when the heat pump unit 2 operates in the cooling mode are indicated by thin solid arrows. Further, the path and direction of the flow of the refrigerant in the decompression unit 26 when the heat pump unit 2 operates in the heating mode is indicated by a thin broken line arrow.
  • the refrigerant branch pipe 27a branches a part of the refrigerant from the decompression unit 26, and guides the branched refrigerant to the inlet of the refrigerant in the compressor 22.
  • the end of the refrigerant branch pipe 27a is connected to an inflow pipe connected to the inlet of the compressor 22.
  • the refrigerant branch pipe 27a is arranged via the receiver 26b and the battery heat exchange unit 27b.
  • the refrigerant flowing through the refrigerant branch pipe 27a is referred to as a branch refrigerant.
  • the auxiliary expansion valve 27c is arranged on the upstream side of the SC coil 27d in the refrigerant branch pipe 27a in the flow direction of the branched refrigerant, and depressurizes the branched refrigerant.
  • the auxiliary expansion valve 27c is also a part of the component of the pressure reducing unit 26 (see FIG. 1).
  • the temperature of the branched refrigerant drops by passing through the auxiliary expansion valve 27c and the SC coil 27d.
  • the branched refrigerant passes through the auxiliary expansion valve 27c and the SC coil 27d, and then returns to the compressor 22 via the battery heat exchange section 27b.
  • the battery heat exchange unit 27b is provided in the middle of the refrigerant branch pipe 27a, and heat exchanges the branched refrigerant with the battery 5. As a result, the battery 5 is cooled by the branched refrigerant regardless of whether the heat pump unit 2 operates in the cooling mode or the heating mode. As a result, it is possible to avoid deterioration of the operating efficiency of the battery 5 due to the excessively high temperature of the battery 5.
  • the heat pump device 1 further includes an engine cooling device 28 that cools the engine 31 by circulating a coolant (see FIG. 1).
  • the engine cooling device 28 includes a coolant pipe 28a, a circulation pump 28b, an engine heat exchange unit 28c, an outdoor unit heat exchange unit 28d, and a radiator (not shown).
  • the coolant pipe 28a is a pipe through which the coolant flows.
  • the coolant pipe 28a is piped via the engine heat exchange unit 28c, the outdoor unit heat exchange unit 28d, and the radiator.
  • the circulation pump 28b circulates the coolant in the coolant pipe 28a in a predetermined direction.
  • the engine cooling device 28 sends the coolant after heat exchange with the engine 31 in the engine heat exchange unit 28c to the radiator. As a result, the engine 31 is cooled by the coolant, and the cooled liquid is cooled by the radiator.
  • the engine cooling device 28 sends a part or all of the coolant after heat exchange with the engine 31 to the radiator via the outdoor unit heat exchange unit 28d.
  • the outdoor unit heat exchange unit 28d exchanges heat with the outdoor heat exchanger 24 after exchanging heat with the engine 31.
  • the refrigerant in the heat pump unit 2 is heated by the coolant in the engine cooling device 28. As a result, the energy efficiency of the heat pump unit 2 is further increased.
  • the heat pump device 1A includes a configuration in which a photovoltaic cell connection circuit 43, an external load connection circuit 44, and a connection switching circuit 7 are added to the heat pump device 1.
  • the photovoltaic cell connection circuit 43 and the external load connection circuit 44 form a part of the power adjustment circuit 4.
  • the photovoltaic cell connection circuit 43 is an interface circuit that is electrically connected to the photovoltaic cell 8 that generates electric power from the light energy of the sun.
  • the photovoltaic cell connection circuit 43 outputs the electric power supplied from the photovoltaic cell 8 to the main conductive portion 2x as the available electric power.
  • the photovoltaic cell 8 is an example of an external power source.
  • the photovoltaic cell connection circuit 43 includes a DC / DC converter that converts the output voltage of the photovoltaic cell 8 into the input voltage of the motor drive circuit 20 while performing MPPT (Maximum Power Point Tracking) control.
  • MPPT Maximum Power Point Tracking
  • the solar light energy is an example of renewable energy
  • the photovoltaic cell 8 is an example of an external generator that generates electric power from the renewable energy
  • the photovoltaic cell connection circuit 43 is an example of an external power supply connection unit that can be electrically connected to the external power supply.
  • the external load connection circuit 44 is an interface circuit that is electrically connected to the external load 103 to which power is supplied from the commercial power supply 101.
  • the external load connection circuit 44 electrically connects the power supply line from the commercial power supply 101 to the external load 103 and the main conductive portion 2x.
  • the external load connection circuit 44 interconnects the remaining electric power excluding the electric power used by the heat pump device 1 among the available electric power with the commercial power supply 101 and supplies it to the external load 103.
  • the external load 103 is an example of the electric load to which the available electric power is supplied.
  • the external load connection circuit 44 is an example of an external load connection unit.
  • connection switching circuit 7 is a circuit that switches the electrical connection between the power supply line from the commercial power supply 101 to the external load 103, the power output line of the external load connection circuit 44, and the external load 103.
  • the connection switching circuit 7 switches from the interconnection state to the disconnection state when the commercial power supply 101 fails.
  • the interconnection state is a state in which the power supply line of the commercial power supply 101, the power output line of the external load connection circuit 44, and the external load 103 are electrically connected.
  • the power supply line of the commercial power supply 101 and the external load connection circuit 44 are electrically cut off, and the power output line of the external load connection circuit 44 and the external load 103 are electrically connected. be.
  • the external load connection circuit 44 interconnects the remaining power of the available power excluding the power used by the heat pump device 1 with the commercial power supply 101. Supply to the external load 103. Further, the external load connection circuit 44 can supply the used power to the external load 103 even when the connection switching circuit 7 is in the interconnection disengaged state.
  • the external load connection circuit 44 supplies the available power to the external load 103 without interconnection with the commercial power supply 101 when the connection switching circuit 7 is in the interconnection state.
  • the battery control circuit 42 includes the available power and the power consumption of the electric load connected to the main conductive portion 2x regardless of whether the connection switching circuit 7 is in the interconnected state or the disconnected state.
  • the charge control or the discharge control is executed so as to be balanced.
  • connection switching circuit 7 outputs an interconnection signal indicating which of the interconnection state and the interconnection disconnection state to the main control device 6.
  • the interconnection signal is also a signal indicating whether the commercial power supply 101 is in an energized state or a power failure state.
  • the main control device 6 executes heat pump operation control based on the stored amount of the battery 5 when the interconnection signal represents the interconnection disengagement state.
  • the heat pump operation control includes a process of stopping the heat pump unit 2 when the stored amount of the battery 5 falls below a predetermined monitoring range.
  • the motor drive circuit 20 is also stopped, and the power supply to the motor 21 is also stopped.
  • the available power is higher than that of the heat pump unit 2. Is also given priority and supplied to the external load 103.
  • the heat pump operation control includes a process of releasing the stop of the heat pump unit 2 when the stored amount of the battery 5 exceeds the monitoring range under the condition that the heat pump unit 2 is stopped.
  • the main control device 6 executes the engine operation control according to the stored amount of the battery 5 regardless of whether the connection switching circuit 7 is in the interconnection state or the interconnection disconnection state.
  • the stored amount of the battery 5 exceeds the reference range and then the reference range.
  • the battery 5 supplies power to the external load 103 instead of the generator 32 until it falls below. As a result, the fuel consumption of the engine 31 is suppressed.
  • the external load connection circuit 44 can output the power of the commercial power supply 101 as the available power to the main conductive portion 2x under the condition that the connection switching circuit 7 is in the interconnection state. Therefore, the external load connection circuit 44 includes an AC / DC converter that converts the AC power of the commercial power supply 101 into DC power that can be supplied to the motor drive circuit 20.
  • the external load connection circuit 44 may be used in the case where the available power other than the power of the commercial power supply 101 is lower than the power consumption of the heat pump unit 2 in the situation where the connection switching circuit 7 is in the interconnection state.
  • the electric power is output to the main conductive portion 2x as the available electric power.
  • the external load connection circuit 44 outputs the power of the commercial power supply 101 to the main conductive unit 2x so that the available power including the power of the commercial power supply 101 is balanced with the power consumption of the heat pump unit 2.
  • the heat pump device 1B includes a configuration in which an EV (Electric Vehicle) connection circuit 45 is added to the heat pump device 1A.
  • the EV connection circuit 45 forms a part of the power adjustment circuit 4.
  • the EV connection circuit 45 is an interface circuit that is electrically connected to the drive battery 80a built in the electric vehicle 80.
  • the drive battery 80a supplies electric power to the traveling motor of the electric vehicle 80.
  • the electric vehicle 80 includes an EV battery control circuit 80b that controls the drive battery 80a.
  • the EV connection circuit 45 is connected to the drive battery 80a via the EV battery control circuit 80b.
  • the EV connection circuit 45 outputs the electric power supplied from the drive battery 80a to the main conductive portion 2x as the available electric power.
  • the EV battery control circuit 80b executes EV discharge control for discharging the electricity stored in the drive battery 80a.
  • the drive battery 80a of the electric vehicle 80 is an example of an external power source.
  • the EV connection circuit 45 is an example of an external power supply connection unit that can be electrically connected to the external power supply.
  • the EV connection circuit 45 includes a DC / DC converter that converts the output voltage of the EV battery control circuit 80b into the input voltage of the motor drive circuit 20.
  • the EV connection circuit 45 acquires information on the amount of electricity stored in the drive battery 80a from the EV battery control circuit 80b.
  • the EV connection circuit 45 executes the EV discharge control when the charge storage amount of the drive battery 80a exceeds a preset lower limit amount and the battery control circuit 42 does not execute the charge control, and when not, the EV discharge control is executed. The EV discharge control is stopped.
  • the EV connection circuit 45 executes the first EV discharge control or the second EV discharge control shown below as the EV discharge control.
  • the first EV discharge control is a process of outputting a preset steady power as the available power from the drive battery 80a to the main conductive portion 2x.
  • the main control device 6 acquires information on the amount of power generation of the photovoltaic cell 8 from the photovoltaic cell connection circuit 43 and outputs the information to the EV connection circuit 45 according to the amount of power generation of the photovoltaic cell 8.
  • the steady power may be set. In this case, the main control device 6 sets the steady power that is larger when the power generation amount of the photovoltaic cell 8 is smaller than when the power generation amount is large.
  • the second EV discharge control is a drive battery 80a so that when the stored amount of the battery 5 is lower than the minimum remaining amount, the available power and the power consumption of the electric load connected to the main conductive portion 2x are balanced. This is a process in which the electricity stored in the battery is discharged, and if not, the drive battery 80a is not discharged.
  • the heat pump device 1A or the heat pump device 1B may have a configuration in which the photovoltaic cell connection circuit 43 or the external load connection circuit 44 is removed from the configuration shown in FIG. 3 or FIG. When the external load connection circuit 44 is removed from the configuration, the connection switching circuit 7 is also removed.

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Abstract

ヒートポンプ装置(1)は、コンプレッサー(22)とエンジン(31)と発電機(32)とモーター(21)とを備える。前記コンプレッサー(22)は冷媒を加圧する。前記発電機(32)は、前記エンジン(31)によって駆動される。前記モーター(21)は、前記発電機(32)により生成される電力によって動作する。さらに前記モーター(21)は、前記コンプレッサー(22)を駆動する。

Description

ヒートポンプ装置
 本発明は、エンジンおよびコンプレッサーを備えるヒートポンプ装置に関する。
 一般に、ヒートポンプ装置は、コンプレッサーを含むヒートポンプ部と、前記コンプレッサーを駆動するエンジンとを備える(例えば、特許文献1参照)。前記エンジンは、都市ガスまたはガソリンなどを燃料として動作する。前記ヒートポンプ装置は、空気調和機における空気の熱量の調節装置などとして用いられる。
特開2006-250438号広報
 ところで、前記コンプレッサーの出力は、前記空気調和機における必要熱量などの負荷の変動に応じて調節される必要がある。前記エンジンが前記コンプレッサーを直接駆動する場合、前記エンジンの出力が、前記負荷の変動に応じて調節される必要がある。
 一方、前記エンジンの出力が特定の出力範囲から外れると、前記エンジンのエネルギー効率が悪化する。従って、前記エンジンの出力が前記ヒートポンプ部の前記負荷の変動に応じて調節されると、前記エンジンのエネルギー効率が悪化する。
 本発明の目的は、負荷が変動する場合でもエンジンを高効率で動作させることができるヒートポンプ装置を提供することにある。
 本発明の一の局面に係るヒートポンプ装置は、コンプレッサーと、エンジンと、発電機と、モーターと、を備える。前記コンプレッサーは冷媒を加圧する。前記発電機は、前記エンジンによって駆動される。前記モーターは、前記発電機により生成される電力によって動作し、前記コンプレッサーを駆動する。
 本発明によれば、負荷が変動する場合でもエンジンを高効率で動作させることができるヒートポンプ装置を提供することが可能になる。
図1は、第1実施形態に係るヒートポンプ装置の構成を示すブロック図である。 図2は、第1実施形態に係るヒートポンプ装置における減圧部およびバッテリー冷却装置の構成を示すブロック図である。 図3は、第2実施形態に係るヒートポンプ装置の構成を示すブロック図である。 図4は、第3実施形態に係るヒートポンプ装置の構成を示すブロック図である。
 以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
 [第1実施形態]
 第1実施形態に係るヒートポンプ装置1は、ヒートポンプ部2、エンジン31、主制御装置6および操作部60を備える。
 エンジン31は、都市ガスまたはガソリンなどを燃料として動作する。エンジン31は、ヒートポンプ部2の動力源である。ヒートポンプ部2は、空気調和機における空気の熱量の調節装置などとして用いられる。なお、ヒートポンプ部2が、水などの液体の加熱または冷却に用いられてもよい。
 主制御装置6は、CPU(Central Processing Unit)などのプロセッサー、RAM(Random Access Memory)などの主記憶装置、およびROM(Read Only Memory)またはフラッシュメモリーなどの二次記憶装置を含む。
 前記プロセッサーが、前記二次記憶装置に記憶されたコンピュータープログラムを前記主記憶装置へ展開し、さらに前記コンピュータープログラムを実行する。これにより、主制御装置6は、エンジン31が備える不図示のセルモーターおよびヒートポンプ部2が備える不図示の各種のバルブなどの制御対象機器を制御する。
 操作部60は、ユーザーの操作を受け付ける装置である。例えば、操作部60は、タッチパネルおよび操作ボタンなどを含む。主制御装置6は、操作部60に対する操作に応じて各種の動作モードを選択する処理も実行する。
 ヒートポンプ部2は、冷媒管で連結されたコンプレッサー22、四方弁23、室外熱交換器24、室内熱交換器25および減圧部26を含む。前記冷媒管は、冷媒が流れる管である。減圧部26は、主膨張弁26aおよびレシーバー26bを含む。コンプレッサー22は、前記冷媒を加圧する。
 室内熱交換器25は、室内に配置され、コンプレッサー22を経由する前記冷媒の循環経路において前記冷媒を室内空気と熱交換させる。前記室内空気は利用流体の一例であり、室内熱交換器25は第1熱交換器の一例である。
 室外熱交換器24は、室外に配置され、コンプレッサー22および室内熱交換器25を経由する前記冷媒の循環経路において前記冷媒を室外空気と熱交換させる。前記室外空気は開放流体の一例であり、室外熱交換器24は第2熱交換器の一例である。
 減圧部26は、ヒートポンプ部2の前記冷媒の循環経路における室内熱交換器25と室外熱交換器24との間に配置され、前記冷媒を減圧する。
 減圧部26において、主膨張弁26aは、高圧の前記冷媒を蒸発しやすい状態へ減圧する。レシーバー26bは、前記冷媒を一時的に貯えるとともに、前記冷媒中のガスと液を分離する。
 ヒートポンプ部2は、前記空気調和機における前記室内空気の熱量の調節装置として用いられる場合、冷房モードまたは暖房モードで動作する。主制御装置6は、四方弁23を制御することにより、ヒートポンプ部2を前記冷房モードまたは前記暖房モードで動作させる。主制御装置6は、操作部60に対する操作に応じて前記冷房モードおよび前記暖房モードの一方を選択する。
 ヒートポンプ部2は、前記冷房モードで動作する場合、前記冷媒をコンプレッサー22から、四方弁23、室外熱交換器24、減圧部26および室内熱交換器25の順に循環させる。
 また、ヒートポンプ部2は、前記暖房モードで動作する場合、前記冷媒をコンプレッサー22から、四方弁23、室内熱交換器25、減圧部26および室外熱交換器24の順に循環させる。
 ところで、コンプレッサー22の出力は、前記空気調和機における必要熱量などの負荷の変動に応じて調節される必要がある。仮に、エンジン31がコンプレッサー22を直接駆動する場合、エンジン31の出力が、前記負荷の変動に応じて調節される必要がある。
 一方、エンジン31の出力が特定の出力範囲から外れると、エンジン31のエネルギー効率が悪化する。従って、エンジン31の出力がヒートポンプ部2の前記負荷の変動に応じて調節されると、エンジン31のエネルギー効率が悪化する。
 ヒートポンプ装置1は、ヒートポンプ部2の前記負荷が変動する場合でもエンジン31を高効率で動作させることができる構成を備える。以下、その構成について説明する。
 ヒートポンプ装置1は、発電機32、電力調整回路4およびバッテリー5をさらに備える。発電機32は、エンジン31によって駆動される。エンジン31および発電機32は、エンジン駆動発電機3を構成している。
 エンジン31は、予め定められた一定の出力で動作する。例えば、エンジン31は、定格出力で動作する。即ち、エンジン31は、ヒートポンプ部2の負荷に応じた出力調節を行わず、定常動作をする。これにより、エンジン31は、エネルギー効率が高い出力で動作する。
 また、ヒートポンプ部2は、コンプレッサー22を駆動するモーター21と、モーター21に電力を供給するモーター駆動回路20とを備える。モーター駆動回路20は、供給される電力をモーター21へ出力することによってモーター21を回転駆動する。
 モーター駆動回路20は、予め設定される目標温度と不図示の温度センサーで検出される室内温度との差に応じたフィードバック制御により、モーター21に供給する電力を調節する。
 電力調整回路4は、AC/DCコンバーター41およびバッテリー制御回路42を含む。AC/DCコンバーター41は、発電機32によって生成される交流電力を直流電力へ変換するとともに、出力電圧をモーター駆動回路20の入力電圧に調節する。
 発電機32によって生成される電力は、AC/DCコンバーター41を通じてヒートポンプ部2のモーター駆動回路20へ供給される。モーター駆動回路20の消費電力はモーター21の消費電力に相当し、ひいてはヒートポンプ部2の消費電力に相当する。
 AC/DCコンバーター41、バッテリー制御回路42およびモーター駆動回路20は、主導電部2xによって電気的に接続されている。主導電部2xは、ヒートポンプ装置1において利用可能な電力が出力される部分であるとともに、モーター21などの電気負荷への給電ラインである。以下の説明において、主導電部2xに出力される電力のことを利用可能電力と称する。
 発電機32によって生成される電力は、AC/DCコンバーター41を通じて主導電部2xへ出力され、さらに、主導電部2xからモーター駆動回路20を通じてモーター21へ供給される。モーター駆動回路20によって駆動されるモーター21は、前記電気負荷の一例である。
 また、発電機32によって生成される電力を含む前記利用可能電力のうち、ヒートポンプ部2で消費される電力を除いた残りの電力がバッテリー制御回路42に入力される。
 即ち、発電機32によって生成される電力は、AC/DCコンバーター41および主導電部2xを通じてヒートポンプ部2のモーター駆動回路20およびバッテリー制御回路42へ供給される。
 バッテリー制御回路42は、蓄電制御と放電制御とを選択的に実行可能である。バッテリー制御回路42は、バッテリー制御部の一例である。
 前記蓄電制御は、発電機32によって生成される電力を含む前記利用可能電力からモーター21を含む前記電気負荷へ供給される電力を除いた余剰電力をバッテリー5に蓄積させる処理である。本実施形態において、バッテリー制御回路42は、エンジン31が動作しているときに前記蓄電制御を実行する。
 前記放電制御は、バッテリー5に蓄積された電気を前記利用可能電力として主導電部2xへ出力する処理である。バッテリー制御回路42は、前記放電制御において、前記電気負荷の消費電力に応じてバッテリー5からの放出電力を調節する。本実施形態において、バッテリー制御回路42は、エンジン31が停止しているときに前記放電制御を実行する。
 即ち、バッテリー制御回路42は、前記利用可能電力と主導電部2xに接続された前記電気負荷の消費電力とがバランスするように、前記蓄電制御または前記放電制御を実行する。
 なお、前記利用可能電力は、ヒートポンプ部2が備える不図示の電動バルブなどにも供給される。前記電動バルブなども前記電気負荷の一例である。
 モーター21は、前記蓄電制御が実行されているときに、発電機32により生成される電力によって動作する。また、モーター21は、前記放電制御が実行されているときに、バッテリー5から放出される電力によって動作する。
 バッテリー制御回路42は、バッテリー5の蓄電量を検出し、検出信号を主制御装置6へ出力する。主制御装置6は、バッテリー5の蓄電量の検出信号に基づいてエンジン作動制御を実行する。
 前記エンジン作動制御は、バッテリー5の前記蓄電量が予め定められた基準範囲を上回ったときにエンジン31を停止させる処理を含む。さらに、前記エンジン作動制御は、エンジン31が停止しているときにバッテリー5の前記蓄電量が前記基準範囲を下回ったときにエンジン31を起動させる処理を含む。
 従って、エンジン31は、バッテリー5の前記蓄電量が前記基準範囲を上回ってから前記基準範囲を下回るまで停止し、バッテリー5の前記蓄電量が前記基準範囲を下回ってから前記基準範囲を上回るまで作動する。これにより、エンジン31の燃料消費が抑制される。前記エンジン作動制御を実行する主制御装置6は、エンジン制御部の一例である。
 以上に示されるように、ヒートポンプ装置1において、エンジン31の動力は、コンプレッサー22を駆動するモーター21に供給される電力に変換される。そして、ヒートポンプ部2の負荷が変動した場合、エンジン31の出力は定格出力で維持され、モーター21に使用されない余剰電力が変動する。前記余剰電力は、他の用途に容易に利用可能である。
 本実施形態では、前記余剰電力は、エンジン駆動発電機3が動作中にバッテリー5に蓄積され、エンジン駆動発電機3が停止したときにヒートポンプ部2の駆動に利用される。従って、ヒートポンプ部2の負荷が変動する場合でもエンジン31を常に高効率で動作させることができる。
 ヒートポンプ装置1は、ヒートポンプ部2における前記冷媒をバッテリー5と熱交換させるバッテリー冷却装置27をさらに備える(図2参照)。バッテリー冷却装置27は、冷媒分岐管27a、バッテリー熱交換部27bおよび補助膨張弁27cを備える。冷媒分岐管27aの一部は、レシーバー26b内に配置されたSC(Subcooling)コイル27dを形成している。
 図2において、ヒートポンプ部2が前記冷房モードで動作するときの減圧部26における前記冷媒の流れの経路および方向が細い実線の矢印で示されている。また、ヒートポンプ部2が前記暖房モードで動作するときの減圧部26における前記冷媒の流れの経路および方向が細い破線の矢印で示されている。
 冷媒分岐管27aは、減圧部26から前記冷媒の一部を分岐させ、分岐させた前記冷媒をコンプレッサー22における前記冷媒の入口へ導く。冷媒分岐管27aの終端は、コンプレッサー22の入口に連結された流入管に連結されている。
 冷媒分岐管27aは、レシーバー26bおよびバッテリー熱交換部27bを経由して配置されている。以下の説明において、冷媒分岐管27aを流れる前記冷媒のことを分岐冷媒と称する。
 補助膨張弁27cは、冷媒分岐管27aにおけるSCコイル27dに対し前記分岐冷媒の流れ方向の上流側に配置され、前記分岐冷媒を減圧する。補助膨張弁27cは、減圧部26の構成要素の一部でもある(図1参照)。
 前記分岐冷媒は、補助膨張弁27cおよびSCコイル27dを経由することにより温度が低下する。前記分岐冷媒は、補助膨張弁27cおよびSCコイル27dを経由した後、さらにバッテリー熱交換部27bを経由し、コンプレッサー22へ戻る。
 バッテリー熱交換部27bは、冷媒分岐管27aの途中に設けられ、前記分岐冷媒をバッテリー5との間で熱交換させる。これにより、ヒートポンプ部2が前記冷房モードおよび前記暖房モードのいずれで動作する場合においてもバッテリー5が前記分岐冷媒によって冷却される。その結果、バッテリー5が過度な高温になることによるバッテリー5の動作効率の悪化を回避することができる。
 また、ヒートポンプ装置1は、冷却液を循環させることによりエンジン31を冷却するエンジン冷却装置28をさらに備える(図1参照)。エンジン冷却装置28は、冷却液管28a、循環ポンプ28b、エンジン熱交換部28c、室外機熱交換部28dおよび不図示のラジエーターを備える。
 冷却液管28aは、前記冷却液が流れる管である。冷却液管28aは、エンジン熱交換部28c、室外機熱交換部28dおよび前記ラジエーターを経由して配管されている。循環ポンプ28bは、冷却液管28a内で前記冷却液を予め定められた方向へ循環させる。
 エンジン冷却装置28は、エンジン熱交換部28cにおいてエンジン31と熱交換した後の前記冷却液を前記ラジエーターへ送る。これにより、エンジン31が前記冷却液により冷却され、高温になった前記冷却液が前記ラジエーターにより冷却される。
 また、エンジン冷却装置28は、エンジン31と熱交換した後の前記冷却液の一部または全部を、室外機熱交換部28dを経由して前記ラジエーターへ送る。室外機熱交換部28dは、エンジン31と熱交換した後の前記冷却液を室外熱交換器24と熱交換させる。
 室外機熱交換部28dにおいて、ヒートポンプ部2の前記冷媒がエンジン冷却装置28の前記冷却液によって加熱される。これにより、ヒートポンプ部2のエネルギー効率がより高まる。
[第2実施形態]
 次に、図3を参照しつつ、第2実施形態に係るヒートポンプ装置1Aについて説明する。ヒートポンプ装置1Aは、ヒートポンプ装置1に、光電池接続回路43、外部負荷接続回路44および接続切替回路7が追加された構成を備える。光電池接続回路43および外部負荷接続回路44は、電力調整回路4の一部を成す。
 光電池接続回路43は、太陽の光エネルギーから電力を生成する光電池8と電気的に接続されるインターフェイス回路である。光電池接続回路43は、光電池8から供給される電力を前記利用可能電力として主導電部2xへ出力する。光電池8は外部電源の一例である。
 例えば、光電池接続回路43は、MPPT(Maximum Power Point Tracking)制御を行いつつ光電池8の出力電圧をモーター駆動回路20の入力電圧へ変換するDC/DCコンバーターを含む。
 なお、太陽の光エネルギーは再生可能エネルギーの一例であり、光電池8は、前記再生可能エネルギーから電力を生成する外部発電機の一例である。また、光電池接続回路43は、前記外部電源と電気的に接続可能な外部電源接続部の一例である。
 外部負荷接続回路44は、商用電源101から電力が供給される外部負荷103と電気的に接続されるインターフェイス回路である。外部負荷接続回路44は、商用電源101から外部負荷103への給電ラインと主導電部2xとを電気的に接続する。
 外部負荷接続回路44は、前記利用可能電力のうちヒートポンプ装置1で利用される電力を除いた残りの電力を商用電源101と連系して外部負荷103へ供給する。
 本実施形態において、外部負荷103は、前記利用可能電力の供給先となる前記電気負荷の一例である。外部負荷接続回路44は、外部負荷接続部の一例である。
 接続切替回路7は、商用電源101から外部負荷103への給電ラインと外部負荷接続回路44の電力出力ラインと外部負荷103との電気的な接続を切り替える回路である。接続切替回路7は、商用電源101が停電したときに、連系状態から連系解除状態へ切り替わる。
 前記連系状態は、商用電源101の前記給電ラインおよび外部負荷接続回路44の電力出力ラインと外部負荷103とを電気的に接続する状態である。
 前記連系解除状態は、商用電源101の給電ラインと外部負荷接続回路44とを電気的に遮断するとともに、外部負荷接続回路44の電力出力ラインと外部負荷103とを電気的に接続する状態である。
 外部負荷接続回路44は、接続切替回路7が前記連系状態であるときに、前記利用可能電力のうちヒートポンプ装置1で利用される電力を除いた残りの電力を商用電源101と連系して外部負荷103へ供給する。また、外部負荷接続回路44は、接続切替回路7が前記連系解除状態であるときも、前記利用電力を外部負荷103へ供給可能である。
 一方、外部負荷接続回路44は、接続切替回路7が前記連系状態であるときに、前記利用可能電力を商用電源101との連系無しで外部負荷103へ供給する。
 バッテリー制御回路42は、接続切替回路7が前記連系状態および前記連系解除状態のいずれであるかに関わらず、前記利用可能電力と主導電部2xに接続された前記電気負荷の消費電力とがバランスするように、前記充電制御または前記放電制御を実行する。
 接続切替回路7は、前記連系状態および前記連系解除状態のいずれであるかを表す連系信号を主制御装置6へ出力する。前記連系信号は、商用電源101が通電状態であるか停電状態であるかを表す信号でもある。
 主制御装置6は、前記連系信号が前記連系解除状態を表す場合に、バッテリー5の前記蓄電量に基づくヒートポンプ作動制御を実行する。
 前記ヒートポンプ作動制御は、バッテリー5の前記蓄電量が予め定められた監視範囲を下回ったときにヒートポンプ部2を停止させる処理を含む。ヒートポンプ部2が停止した場合、モーター駆動回路20も停止し、モーター21への給電も停止する。これにより、外部負荷103の消費電力が多いこと、または、光電池8の発電量が少ないことに起因してバッテリー5の前記蓄電量が少なくなった場合に、前記利用可能電力が、ヒートポンプ部2よりも優先して外部負荷103へ供給される。
 さらに、前記ヒートポンプ作動制御は、ヒートポンプ部2が停止している状況下でバッテリー5の前記蓄電量が前記監視範囲を上回ったときにヒートポンプ部2の停止を解除する処理を含む。これにより、外部負荷103の消費電力が少ないこと、または、光電池8の発電量が多いことに起因してバッテリー5の前記蓄電量が多くなった場合に、前記利用可能電力を外部負荷103およびヒートポンプ部2の両方に利用することが可能となる。
 また、主制御装置6は、接続切替回路7が前記連系状態および前記連系解除状態のいずれであるかに関わらず、バッテリー5の前記蓄電量に応じた前記エンジン作動制御を実行する。
 従って、光電池8および発電機32により生成される電力が外部負荷103を含む前記電気負荷の消費電力に対して大きい場合には、バッテリー5の前記蓄電量が前記基準範囲を上回ってから前記基準範囲を下回るまで、バッテリー5が発電機32の代わりに外部負荷103へ電力を供給する。これにより、エンジン31の燃料消費が抑制される。
 ヒートポンプ装置1Aが採用される場合、ヒートポンプ装置1が採用される場合よりも自由度の高い運用が可能になる。
 また、外部負荷接続回路44は、接続切替回路7が前記連系状態である状況下で商用電源101の電力を前記利用可能電力として主導電部2xへ出力することが可能である。従って、外部負荷接続回路44は、商用電源101のAC電力をモーター駆動回路20へ供給可能なDC電力へ変換するAC/DCコンバーターを含む。
 例えば、外部負荷接続回路44は、接続切替回路7が前記連系状態である状況下で商用電源101の電力以外の前記利用可能電力がヒートポンプ部2の消費電力を下回る場合に、商用電源101の電力を前記利用可能電力として主導電部2xへ出力する。この場合、外部負荷接続回路44は、商用電源101の電力を含む前記利用可能電力がヒートポンプ部2の消費電力とバランスするように商用電源101の電力を主導電部2xへ出力する。
 [第3実施形態]
 次に、図4を参照しつつ、第3実施形態に係るヒートポンプ装置1Bについて説明する。ヒートポンプ装置1Bは、ヒートポンプ装置1Aに、EV(Electric Vehicle)接続回路45が追加された構成を備える。EV接続回路45は、電力調整回路4の一部を成す。
 EV接続回路45は、電気自動車80が内蔵する駆動バッテリー80aと電気的に接続されるインターフェイス回路である。駆動バッテリー80aは、電気自動車80の走行モーターへ電力を供給する。
 電気自動車80は、駆動バッテリー80aを制御するEVバッテリー制御回路80bを備える。EV接続回路45は、EVバッテリー制御回路80bを介して駆動バッテリー80aと接続される。
 EV接続回路45は、駆動バッテリー80aから供給される電力を前記利用可能電力として主導電部2xへ出力する。この場合、EVバッテリー制御回路80bは、駆動バッテリー80aに蓄積された電気を放電させるEV放電制御を実行する。
 なお、電気自動車80の駆動バッテリー80aは外部電源の一例である。EV接続回路45は、前記外部電源と電気的に接続可能な外部電源接続部の一例である。
 EV接続回路45は、EVバッテリー制御回路80bの出力電圧をモーター駆動回路20の入力電圧へ変換するDC/DCコンバーターを含む。EV接続回路45は、EVバッテリー制御回路80bから駆動バッテリー80aの蓄電量の情報を取得する。
 EV接続回路45は、駆動バッテリー80aの蓄電量が予め設定された下限量を上回り、かつ、バッテリー制御回路42が前記充電制御を実行していない場合に前記EV放電制御を実行し、そうでない場合に前記EV放電制御を停止する。
 例えば、EV接続回路45は、前記EV放電制御として、以下に示される第1EV放電制御または第2EV放電制御を実行する。
 前記第1EV放電制御は、予め設定された定常電力を前記利用可能電力として駆動バッテリー80aから主導電部2xへ出力する処理である。
 前記第1EV放電制御が実行される場合に、主制御装置6が、光電池接続回路43から光電池8の発電量の情報を取得し、光電池8の発電量に応じてEV接続回路45に出力させる前記定常電力を設定してもよい。この場合、主制御装置6は、光電池8の発電量が多い場合よりも少ない場合の方が大きな前記定常電力を設定する。
 前記第2EV放電制御は、バッテリー5の蓄電量が前記最低残量を下回る場合に、前記利用可能電力と主導電部2xに接続された前記電気負荷の消費電力とがバランスするように駆動バッテリー80aに蓄積された電気を放電させ、そうでない場合に、駆動バッテリー80aを放電させない処理である。
 ヒートポンプ装置1Bが採用される場合、ヒートポンプ装置1,1Aが採用される場合よりも自由度の高い運用が可能になる。
 [応用例]
 ヒートポンプ装置1Aまたはヒートポンプ装置1Bが、図3または図4に示される構成から光電池接続回路43または外部負荷接続回路44が除かれた構成を備えていてもよい。なお、外部負荷接続回路44が構成から除かれる場合、接続切替回路7も一緒に除かれる。

Claims (9)

  1.  冷媒を加圧するコンプレッサーと、
     エンジンと、
     前記エンジンによって駆動される発電機と、
     前記発電機により生成される電力によって動作し、前記コンプレッサーを駆動するモーターと、を備えるヒートポンプ装置。
  2.  バッテリーと、
     前記発電機によって生成される電力を含む利用可能電力から前記モーターを含む負荷へ供給される電力を除いた余剰電力を前記バッテリーに蓄積させる蓄電制御と、前記バッテリーに蓄積された電気を前記利用可能電力として出力する放電制御とを選択的に実行可能なバッテリー制御部と、をさらに備える、請求項1に記載のヒートポンプ装置。
  3.  前記バッテリーの蓄電量が予め定められた基準範囲を上回ったときに前記エンジンを停止させ、前記エンジンが停止中に前記蓄電量が前記基準範囲を下回ったときに前記エンジンを起動させるエンジン制御部をさらに備える、請求項2に記載のヒートポンプ装置。
  4.  外部電源と電気的に接続可能であり、前記外部電源から供給される電力を前記利用可能電力として出力可能な外部電源接続部をさらに備える、請求項2または請求項3に記載のヒートポンプ装置。
  5.  前記外部電源が、再生可能エネルギーから電力を生成する外部発電機または電気自動車が内蔵する駆動バッテリーである、請求項4に記載のヒートポンプ装置。
  6.  商用電源から電力が供給される前記負荷である外部負荷と電気的に接続可能であり、前記利用可能電力のうち前記ヒートポンプ装置で利用される電力を除いた残りの電力を前記商用電源と連系して前記外部負荷へ供給可能な外部負荷接続部をさらに備える、請求項2から請求項5のいずれか1項に記載のヒートポンプ装置。
  7.  前記商用電源が停電したときに、前記商用電源の給電ラインおよび前記外部負荷接続部の電力出力ラインと前記外部負荷とを電気的に接続する連系状態から前記商用電源の給電ラインと前記外部負荷接続部とを電気的に遮断するとともに前記外部負荷接続部の電力出力ラインと前記外部負荷とを電気的に接続する連系解除状態へ切り替わる接続切替回路をさらに備え、
     前記外部負荷接続部は、前記接続切替回路が前記連系解除状態であるときに、前記利用可能電力を前記外部負荷へ供給可能である、請求項6に記載のヒートポンプ装置。
  8.  前記コンプレッサーを経由する前記冷媒の循環経路において前記冷媒を利用流体と熱交換させる第1熱交換器と、
     前記コンプレッサーおよび前記第1熱交換器を経由する前記冷媒の循環経路において前記冷媒を開放流体と熱交換させる第2熱交換器と、
     前記冷媒の循環経路における前記第1熱交換器と前記第2熱交換器との間で前記冷媒を減圧する減圧部から前記冷媒の一部を分岐させ、分岐させた前記冷媒を前記コンプレッサーの入口へ導く冷媒分岐管と、
     前記冷媒分岐管の途中に設けられ前記冷媒を前記バッテリーとの間で熱交換させるバッテリー熱交換部と、をさらに備える、請求項2から請求項7のいずれか1項に記載のヒートポンプ装置。
  9.  前記コンプレッサーを経由する前記冷媒の循環経路において前記冷媒を利用流体と熱交換させる第1熱交換器と、
     前記コンプレッサーおよび前記第1熱交換器を経由する前記冷媒の循環経路において前記冷媒を開放流体と熱交換させる第2熱交換器と、
     冷却液を循環させることにより前記エンジンを冷却するエンジン冷却装置を備え、
     前記エンジン冷却装置は、前記エンジンと熱交換した後の前記冷却液をさらに前記第2熱交換器と熱交換させる、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載のヒートポンプ装置。
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