(57)【要約】  加熱運転（暖房運転）時には、大気を熱源として熱交換する空気熱源熱交換器５ａと、地熱を熱源とする地中熱源熱交換器５ｂとの両方を蒸発器として作用させて大気と地熱との両方から採熱し、除霜運転時には、四方弁２を切り替えて空気熱源熱交換器５ａを放熱器として作用させる一方、地中熱源熱交換器５ｂを蒸発器として作用させて地熱を採熱し、採熱した地熱を副回路１０ｂを介して主回路１０ａに採熱する。
2013172166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、負荷側熱交換器の冷媒流路、第一減圧装置及び大気と熱交換する第一熱源熱交換器が順次接続されて冷媒が循環する主回路と、前記主回路の前記第一減圧装置と前記負荷側熱交換器との間から分岐した分岐管に、第二減圧装置と第二熱源熱交換器の冷媒流路とが直列に接続され、前記第二熱源熱交換器の冷媒流路において前記第二減圧装置とは反対側の接続先が、前記第一熱源熱交換器との合流分岐点側又は前記圧縮機の吸入側となるように第１切替装置によって切り替えられる副回路とを有する冷媒回路と、
前記第二熱源熱交換器の熱交換媒体流路を備え、大気とは別の熱源と熱交換して前記別の熱源の熱を吸熱する熱交換媒体が循環する熱交換媒体回路と、
前記第１切替装置を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は除霜運転時に、
前記第一熱源熱交換器を放熱器、前記第二熱源熱交換器を蒸発器として作用させ、前記第１切替装置を前記圧縮機の吸入側に切り替え、前記熱交換媒体回路により前記別の熱源から採熱した熱を、前記第二熱源熱交換器における熱交換により前記副回路を介して前記主回路へ採熱し、前記第二熱源熱交換器の除霜熱源として用いるようにした
ことを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項２】
前記圧縮機の吐出側に第２切替装置を備え、
前記制御装置は除霜運転時に、
前記第２切替装置を切り替えて、前記第一熱源熱交換器を放熱器、前記第二熱源熱交換器を蒸発器として作用させる
ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【請求項３】
前記圧縮機の吐出側に設けた第２切替装置と、
前記冷媒回路の一部の流路を遮断することにより形成され、前記第一熱源熱交換器と、前記第二熱源熱交換器との間を冷媒が循環する除霜回路と、
前記除霜回路上に設けられ、冷媒を循環させるための冷媒ポンプとを備え、
前記制御装置は除霜運転時に、
前記第一熱源熱交換器が放熱器、前記第二熱源熱交換器が蒸発器として作用するように前記第２切替装置を切り替えると共に前記第１切替装置を前記圧縮機の吸入側に切り替えて除霜を行う方法と、
前記圧縮機を停止させると共に、前記除霜回路を形成して前記冷媒ポンプを稼動させ、前記熱交換媒体回路から前記第二熱源熱交換器を介して前記別の熱源の熱を採熱した冷媒を前記除霜回路に循環させることにより除霜を行う方法とのどちらかにより除霜を行う
ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【請求項４】
前記圧縮機の吐出側に設けた第２切替装置と、
前記冷媒回路の一部の流路を遮断することにより形成され、前記第一熱源熱交換器と、前記第二熱源熱交換器との間を冷媒が循環する除霜回路と、
前記第一熱源熱交換器が、前記第二熱源熱交換器よりも高い位置に配置され、前記熱交換媒体回路から前記第二熱源熱交換器を介して前記別の熱源の熱を採熱した冷媒が、前記除霜回路を自然循環するように構成され、
前記制御装置は除霜運転時に、
前記第一熱源熱交換器が放熱器、前記第二熱源熱交換器が蒸発器として作用するように前記第２切替装置を切り替えると共に前記第１切替装置を前記圧縮機の吸入側に切り替えて除霜を行う方法と、
前記圧縮機を停止させると共に前記除霜回路を形成し、自然循環により除霜を行う方法とのどちらかにより除霜を行う
ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【請求項５】
前記主回路は、前記前記第一熱源熱交換器において前記第一減圧装置と反対側の接続先が前記第１切替装置によって切り替えられるように構成され、
前記副回路は、前記第二熱源熱交換器の冷媒流路において前記第二減圧装置とは反対側が前記圧縮機の吸入側に接続されるように構成され、
前記冷媒回路は、前記第一熱源熱交換器において前記第一減圧装置と反対側の接続先を、前記第二熱源熱交換器との合流分岐点側となるように前記第１切替装置を切り替えることで、前記負荷側熱交換器が放熱器として作用し、前記第一熱源熱交換器が蒸発器として作用するように冷媒が循環する加熱運転を少なくとも行うように構成されており、
前記制御装置は除霜運転時に、
前記第一熱源熱交換器において前記第一減圧装置と反対側の接続先を前記第１切替装置により前記圧縮機の吐出側とし、前記圧縮機から吐出された冷媒の一部が前記第一熱源熱交換器に流入するようにする
ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【請求項６】
前記冷媒回路の前記合流分岐点と前記第一熱源熱交換器との間に前記第１切替装置を介して設けられた補助圧縮機を備え、
前記主回路は、前記前記第一熱源熱交換器において前記第一減圧装置と反対側の接続先が前記第１切替装置によって切り替えられるように構成され、
前記副回路は、前記第二熱源熱交換器の冷媒流路において前記第二減圧装置とは反対側が前記圧縮機の吸入側に接続されるように構成され、
前記冷媒回路は、前記第一熱源熱交換器において前記第一減圧装置と反対側の接続先を、前記第二熱源熱交換器との合流分岐点側となるように前記第１切替装置を切り替えることで、前記負荷側熱交換器が放熱器として作用し、前記第一熱源熱交換器が蒸発器として作用するように冷媒が循環する加熱運転を少なくとも行うように構成されており、
前記制御装置は除霜運転時に、
前記第一熱源熱交換器において前記第一減圧装置と反対側の接続先を前記第１切替装置により前記補助圧縮機の吐出側とし、前記第二熱源熱交換器の冷媒流路から流出した冷媒の一部が前記補助圧縮機で圧縮されて前記第二熱源熱交換器に流入するようにする
ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【請求項７】
圧縮機、負荷側熱交換器の冷媒流路、第一減圧装置及び大気と熱交換する第一熱源熱交換器が順次接続されて冷媒が循環する主回路と、前記主回路の前記第一減圧装置及び前記第一熱源熱交換器に並列に接続される回路であって、第二減圧装置及び第二熱源熱交換器の冷媒流路が直列に接続された副回路とを有する冷媒回路と、
前記第二熱源熱交換器の熱交換媒体流路を備え、大気とは別の熱源と熱交換して前記別の熱源の熱を吸熱する熱交換媒体が循環する熱交換媒体回路と、
前記冷媒回路の一部の流路を遮断することにより形成され、前記第一熱源熱交換器と、前記第二熱源熱交換器との間を冷媒が循環する除霜回路と、
除霜運転時に、前記圧縮機を停止させると共に、前記除霜回路を形成して、前記熱交換媒体回路から前記第二熱源熱交換器を介して前記別の熱源の熱を採熱した冷媒を、前記除霜回路に循環させて除霜を行う制御装置とを備えた
ことを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項８】
前記除霜回路上に設けられ、冷媒を循環させるための冷媒ポンプを備え、
前記制御装置は、
除霜運転時に、前記圧縮機を停止させると共に、前記除霜回路を形成して前記冷媒ポンプを稼動させ、前記熱交換媒体回路から前記第二熱源熱交換器を介して前記別の熱源の熱を採熱した冷媒を、前記除霜回路に循環させて除霜を行う
ことを特徴とする請求項７に記載のヒートポンプ装置。
【請求項９】
前記第一熱源熱交換器は、前記第二熱源熱交換器よりも高い位置に配置され、
除霜運転時に前記熱交換媒体回路から前記第二熱源熱交換器を介して前記別の熱源の熱を採熱した冷媒が、前記除霜回路を自然循環する
ことを特徴とする請求項７に記載のヒートポンプ装置。
【請求項１０】
前記別の熱源として、前記負荷側熱交換器が設置される負荷側装置の設定温度よりも低い温度を有する熱源を用いる
ことを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項１１】
前記別の熱源として、地熱、地下水、海水、太陽熱温水の何れかを用いる
ことを特徴とする請求項１０に記載のヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
冷暖房装置や給湯機に用いられているヒートポンプ装置は、空気を熱源とするものが一般的である。【０００３】
また、大気温度が低い地域では、暖房時に地中熱を利用するヒートポンプも利用されるようになってきている。【０００４】
大気の熱を熱源として用いる空気熱源ヒートポンプ装置では、暖房運転時において大気温度が低い場合、吸入圧力の低下や着霜などによって暖房能力の低下を招くことがある。このように、ヒートポンプ装置の運転効率は大気温度に左右される。【０００５】
地中熱を利用する地中熱ヒートポンプ装置では、地中温度が大気温度よりも高い場合、採熱量を多くできるため空気熱源ヒートポンプよりも運転効率が高くなる。しかし、地中温度が大気温度よりも低い場合は逆に、空気熱源ヒートポンプ装置よりも運転効率が悪化する。【０００６】
また、地中温度は大気温度に比べて年間を通じて温度変化は小さいものの、地域や深度、季節によって温度変化幅が異なり、やはり空気熱源ヒートポンプよりも運転効率が悪化する場合がある。【０００７】
これらの問題を解決する手段として、特許文献１には、地上に設置した空気熱交換器と、地中に埋設した地中熱交換器とを、大気温度と地中温度の比較結果に応じて切り替えるようにした技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１２５７６９号公報（図１、図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に開示されているように、地中温度と大気温度によって地中熱交換器と空気熱交換器を使い分ける場合、地中熱交換器と空気熱交換器は同じ処理能力となるように大きさが設計される。一般的に地中熱交換器は、空気熱交換器に比べて同じ処理能力を得るために必要な大きさが大きく、また、地下へ埋設する必要があり掘削作業などの工事費が必要となる。このため、空気熱交換器と同じ処理能力の地中熱交換器を設ける構成では、空気熱源又は地中熱源単独のヒートポンプ装置に比べてやはり大幅なコスト上昇を招く。【００１０】
よって、地中熱交換器と空気熱交換器とを使い分けてどちらか一方から採熱するのではなく、大気と地中から同時に採熱するようにすれば、地中熱交換器の採熱量の一部を空気熱交換器で補える。このため、必要な地中熱交換器サイズを削減でき、システム費用を抑制できる利点がある。【００１１】
しかし、大気と地中から同時に採熱する構成において、例えば室内の負荷が小さく圧縮機の入力が小さい場合、地中熱交換器を有する地中熱源側回路に設けた地熱用ポンプの動力が、システム全体に占める割合が大きくなる。この場合、低外気（例えば０℃付近）であっても、地中熱交換器側ではなく空気熱交換器側を使って採熱する方が、システム効率が高くなることがある。この場合、空気熱交換器を使って採熱することになり、低外気で蒸発器として機能させることになるため、空気熱交換器に着霜が生じる。よって、着霜による空気熱交換器の熱交換性能低下を防止するために除霜運転を行う必要がある。【００１２】
空気熱交換器を用いるヒートポンプ装置の一般的な除霜方法には、圧縮機の仕事量を熱源とし、圧縮機の吐出冷媒を直接、空気熱交換器に供給する方式（以下、ホットガス方式）や、冷媒流路を冷房運転に切り替えて負荷側（室内側）の熱を採熱して除霜熱源とする方式（以下、リバース方式）が用いられる。【００１３】
ホットガス方式は負荷側への放熱が無いため快適性は維持されるが、除霜に使う熱量が圧縮機の仕事分しかないため、除霜時間が長くなり消費電力が大きいという欠点がある。また、リバース方式は負荷側の熱を採熱するため、除霜に使う熱量が多く除霜時間が短いが、快適性が損なわれるという欠点がある。【００１４】
ところで近年では、ヒートポンプ装置における熱源として、大気以外に上述したように地中熱が利用されるようになってきているが、地中熱以外の他の熱源の利用も求められている。【００１５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、大気とその他の熱源との両方から採熱する構成を有し、除霜運転時の快適性や消費電力を抑制することが可能なヒートポンプ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係るヒートポンプ装置は、圧縮機、負荷側熱交換器の冷媒流路、第一減圧装置及び大気と熱交換する第一熱源熱交換器が順次接続されて冷媒が循環する主回路と、前記主回路の前記第一減圧装置と前記負荷側熱交換器との間から分岐した分岐管に、第二減圧装置と第二熱源熱交換器の冷媒流路とが直列に接続され、前記第二熱源熱交換器の冷媒流路において前記第二減圧装置とは反対側の接続先が、前記第一熱源熱交換器との合流分岐点側又は前記圧縮機の吸入側となるように第１切替装置によって切り替えられる副回路とを有する冷媒回路と、前記第二熱源熱交換器の熱交換媒体流路を備え、大気とは別の熱源と熱交換して前記別の熱源の熱を吸熱する熱交換媒体が循環する熱交換媒体回路と、前記第１切替装置を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は除霜運転時に、前記第一熱源熱交換器を放熱器、前記第二熱源熱交換器を蒸発器として作用させ、前記第１切替装置を前記圧縮機の吸入側に切り替え、前記熱交換媒体回路により前記別の熱源から採熱した熱を、前記第二熱源熱交換器における熱交換により前記副回路を介して前記主回路へ採熱し、前記第二熱源熱交換器の除霜熱源として用いるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、大気以外の熱源を除霜熱源として利用可能であり、また、除霜運転時に快適性を損なうことなく消費電力を抑制することできる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１のヒートポンプ装置が適用された空調装置の冷媒回路を示す図である。
【図２】本実施の形態１における暖房運転時の冷媒の流れを示す図である。
【図３】図２の暖房運転時のｐ−ｈ線図である。
【図４】本実施の形態１における冷房運転時の冷媒の流れを示す図である。
【図５】図４の冷房運転時のｐ−ｈ線図である。
【図６】本実施の形態１における除霜運転時の冷媒の流れを示す図である。
【図７】図６の除霜運転時のｐ−ｈ線図である。
【図８】本発明の実施の形態１の空調装置における除霜運転時の処理の流れを示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態１の変形例を示す図（その１）である。
【図１０】本発明の実施の形態１の変形例を示す図（その２）である。
【図１１】本発明の実施の形態２のヒートポンプ装置を備えた空調システムの冷媒回路を示す図である。
【図１２】本実施の形態２における暖房運転時の冷媒の流れを示す図である。
【図１３】本実施の形態２における除霜運転時の冷媒の流れを示す図である。
【図１４】図１３の除霜運転時のｐ−ｈ線図である。
【図１５】本発明の実施の形態２のヒートポンプ装置を備えた空調システムの冷媒回路の変形例を示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態３のヒートポンプ装置を備えた空調システムの冷媒回路を示す図である。
【図１７】本実施の形態３における暖房運転時の冷媒の流れを示す図である。
【図１８】本実施の形態３における除霜運転時の冷媒の流れを示す図である。
【図１９】図１８の除霜運転時のｐ−ｈ線図である。
【図２０】本発明の実施の形態４のヒートポンプ装置を備えた空調システムの冷媒回路を示す図である。
【図２１】本実施の形態４における暖房運転時の冷媒の流れを示す図である。
【図２２】本実施の形態４における除霜運転時の冷媒の流れを示す図である。
【図２３】図２２の除霜運転時のｐ−ｈ線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に説明する各実施の形態では、ヒートポンプ装置が適用される負荷側装置が冷房又は暖房を行う空調装置であるものとして説明する。
【００２０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１のヒートポンプ装置が適用された空調装置の冷媒回路を示す図である。
空調装置１００は、ヒートポンプ装置４０と、負荷側媒体が循環する負荷側回路５１を有し、ヒートポンプ装置４０を熱源として冷房又は暖房を行う負荷側装置５０とを有している。
【００２１】
＜＜ヒートポンプ装置＞＞
ヒートポンプ装置４０は、冷媒が循環する冷媒回路１０と、地中熱源側回路２０と、制御装置３０とを備えており、屋外に設置される。
【００２２】
＜冷媒回路＞
冷媒回路１０は、圧縮機１と、第２切替装置である四方弁２と、負荷側熱交換器である水熱交換器３と、第一減圧装置である膨張弁４ａと、第一熱源熱交換器である空気熱源熱交換器５ａとが順次接続されて冷媒が循環する主回路１０ａと、副回路１０ｂとを備えている。副回路１０ｂは、主回路１０ａの膨張弁４ａと水熱交換器３との間から分岐した分岐管１１ａに、膨張弁４ｂと地中熱源熱交換器５ｂの冷媒流路４１とが直列に接続され、地中熱源熱交換器５ｂの冷媒流路４１において膨張弁４ｂとは反対側が、第１切替装置である三方弁６によって、空気熱源熱交換器５ａ側（空気熱源熱交換器５ａにおいて膨張弁４ａと反対側）又は圧縮機１の吸入側に接続される回路である。また、主回路１０ａには、圧縮機１への急激な液戻りを防止するための緩衝容器である冷媒容器７ａが設けられている。冷媒容器７ａは、余剰冷媒を貯留する容器も兼ねている。
【００２３】
（圧縮機）
圧縮機１は、例えば全密閉式圧縮機であり、電動機部（図示せず）と圧縮部（図示せず）とが圧縮機シェル（図示せず）に収納された構成を有している。圧縮機１へ吸引された低圧冷媒は圧縮され、高温高圧冷媒となって圧縮機１より吐出される。圧縮機１は制御装置３０によってインバータ（図示しない）を介して回転数制御されることで、ヒートポンプ装置４０の能力を制御している。
【００２４】
（水熱交換器）
水熱交換器３は、負荷側装置５０の負荷側回路５１である冷暖用の水回路５１内の負荷側媒体（ここでは、水）と冷媒回路１０内の冷媒とを熱交換する。水回路５１にはポンプ５２により水が循環しており、暖房を行う場合、水熱交換器３は凝縮器として機能し、冷媒回路１０の冷媒の熱で水を加熱して温水を生成する。冷房を行う場合、水熱交換器３は蒸発器として機能し、冷媒回路１０の冷媒の冷熱で水を冷却することで冷水を生成する。この温水又は冷水を利用して室内を暖房又は冷房する。この熱交換器の形態はプレートを積層したプレート式や、冷媒が流れる伝熱管と水が流れる伝熱管から成る二重管式などがあるが、本実施の形態ではどちらを用いても良い。なお、負荷側回路５１を循環する負荷側媒体は水に限られず、ブラインなどの不凍液であってもよい。
【００２５】
（膨張弁）
膨張弁４ａは、空気熱源熱交換器５ａを流れる冷媒流量を調整する。また、第二減圧装置である膨張弁４ｂは、地中熱交換器２１を流れる冷媒流量を調整する。各膨張弁４ａ、４ｎの開度は制御装置３０からの制御信号に基づいて可変に設定される。膨張弁は電気信号によって開度が可変な電子膨張弁の他に、複数のオリフィスやキャピラリを並列に接続し、電磁弁などの開閉弁操作によって熱交換器へ流入する冷媒流量を制御できるようにしても良い。
【００２６】
（空気熱源熱交換器）
空気熱源熱交換器５ａは、例えば銅やアルミニウムで構成されるフィンアンドチューブ型熱交換器である。空気熱源熱交換器５ａは、熱媒体搬送装置であるファン８から供給された外気と冷媒とを熱交換する。
【００２７】
（三方弁）
第１切替装置である三方弁６は、通常運転（暖房運転又は冷房運転）時と、空気熱源熱交換器５ａの除霜運転時とで、地中熱源熱交換器５ｂの冷媒の流れを切り替えるために用いられる。具体的には、通常運転時には、空気熱源熱交換器５ａと地中熱源熱交換器５ｂとが共に凝縮器（放熱器）又は蒸発器として作用するように、空気熱源熱交換器５ａ側に切り替えられる。一方、除霜運転時は、空気熱源熱交換器５ａが凝縮器として作用し、地中熱源熱交換器５ｂが蒸発器として作用するように、圧縮機１の吸入側に切り替えられる。
【００２８】
（四方弁）
第２切替装置である四方弁２は、冷媒回路１０の流れを切り替えるために用いられる。流路を切り替えることによって、水熱交換器３を暖房運転時は凝縮器として利用し、冷房運転時は蒸発器として利用することができる。
【００２９】
＜＜地中熱源側回路＞＞
熱交換媒体回路である地中熱源側回路２０は、第二熱源熱交換器である地中熱源熱交換器５ｂの地中熱源側媒体流路４２と、地中に埋設される地中熱交換器２１と、地熱用ポンプ２２とが順次配管で接続され、ブラインなどの不凍液である熱交換媒体としての地中熱源側媒体が循環し、地中熱を採熱できるように構成されている。
【００３０】
（地中熱交換器）
地中熱交換器２１は、例えば略Ｕ字状に形成されて地中に垂直又は水平に埋設された樹脂製の採熱パイプ群によって構成される。地中熱交換器２１は、採熱パイプ群を埋設する地域や深度によって熱交換性能が異なったものとなる。地中熱交換器２１では、内部を通過する地中熱源側媒体が地中から熱を採熱する。
【００３１】
（地中熱源熱交換器）
地中熱源熱交換器５ｂは、冷媒回路１０を循環する冷媒と地中熱源側回路２０内を循環する地中熱源側媒体との熱交換を行う。地中熱源熱交換器５ｂには、地中熱交換器２１によって地中熱を採熱した地中熱源側媒体が地中熱源側媒体流路４２に流入するため、地中から地中熱交換器２１によって採熱した熱が冷媒流路４１の冷媒に伝達される。これにより、冷媒回路１０は地中熱を採熱する。地中熱源熱交換器５ｂは水熱交換器３と同様に、プレート式や二重管式などがあり、どちらを用いても良い。
【００３２】
＜センサの説明＞
ヒートポンプ装置４０には、必要に応じて温度又は圧力センサが設けられている。各センサの検出値は制御装置３０に入力され、ヒートポンプ装置４０の運転制御、例えば圧縮機１の容量制御や、膨張弁４ａ、４ｂの開度制御に使われている。図１では、冷媒温度センサ３１と、大気温度センサ３２と、地熱温度センサ３３とを備えている。
【００３３】
冷媒温度センサ３１は、冷媒回路１０の低圧側冷媒の飽和温度を検出する。大気温度センサ３２は、熱源側熱媒体である大気温度を検出する。地熱温度センサ３３は、地中熱交換器２１から地熱用ポンプ２２によってくみ上げられた地中熱源側媒体の温度（地熱温度）を検出する。なお、冷媒温度センサ３１は図１に示すように、圧縮機１の吸入側の圧力を検出する吸入圧力センサ３４でもよく、その場合は制御装置３０によって冷媒圧力から冷媒飽和温度を換算すればよい。
【００３４】
次に、この空調装置における各運転を、冷媒の流れを示す図２、図４及び図６と、ｐ−ｈ線図（冷媒の圧力と比エンタルピーとの関係を示す線図）である図３、図５及び図７とを参照して説明する。なお、図２及び図４において一点鎖線は冷媒が流れない配管部分を示している。また、図２、図４及び図６における［ｉ］（ｉ＝１，２，．．．）は、図３、図５及び図７に示す各配管位置における冷媒状態を示している。
【００３５】
以下、この空調装置における各運転について説明する。なお、本発明のヒートポンプ装置は、大気と地中の両方から同時に採熱する装置であり、以下に説明する何れの運転においても地中熱源側回路２０の地熱用ポンプ２２は稼動し、地中熱の採熱を行っているものとする。
【００３６】
（通常運転時の冷媒動作（暖房運転））
本実施の形態１における通常運転、特に暖房運転の運転動作について説明する。暖房運転時、四方弁２及び三方弁６は共に図１の点線側に切り替えられる。
【００３７】
図２は、本実施の形態１における暖房運転時の冷媒の流れを示す図である。図３は、図２の暖房運転時の運転状態と熱源側熱媒体の温度（大気温度及び地熱温度）との関係を示した図である。ここでは、地熱温度が空気温度よりも高くなっている。
低温低圧の冷媒（状態[１]）は圧縮機１で圧縮され、高温高圧の冷媒（状態[２]）となって吐出される。圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒は、暖房用に切り替えられた四方弁２を通過して水熱交換器３に流入し、水回路５１の水へ放熱する。水への放熱により低温高圧となった冷媒（状態[３]）は２つに分岐してそれぞれ膨張弁４ａ、４ｂに流入する。
【００３８】
膨張弁４ａに流入した冷媒は、減圧されて状態[４]の冷媒となり、空気熱源熱交換器５ａに流入する。空気熱源熱交換器５ａに流入した冷媒は、外気から熱を吸熱して蒸発し、空気熱源熱交換器５ａから流出する。一方、膨張弁４ｂへ流入した冷媒は、減圧されて状態[４’]の冷媒となり、地中熱源熱交換器５ｂに流入する。地中熱源熱交換器５ｂに流入した冷媒は、地中熱源側媒体と熱交換して吸熱する。ここでの熱交換により地中熱を採熱している。そして、地中熱を採熱して蒸発した冷媒は、主回路１０ａの空気熱源熱交換器５ａから流出した冷媒と合流分岐点Ｐで合流し、再び四方弁２及び冷媒容器７ａを通過して圧縮機１へ吸引される。
【００３９】
（通常運転時の冷媒動作（冷房運転））
次に、本実施の形態における通常運転、特に冷房運転の運転動作について説明する。冷房運転時、四方弁２は図１の実線側に切り替えられ、三方弁６は図１の点線側に切り替えられる。
【００４０】
図４は、本実施の形態１における冷房運転時の冷媒の流れを示す図である。図５は、図４の冷房運転時の運転状態と熱源側熱媒体の温度（大気温度及び地中温度）との関係を示した図である。ここでは、地熱温度が空気温度よりも低くなっている。
低温低圧の冷媒（状態[１]）は圧縮機１で圧縮され、高温高圧の冷媒（状態[２]）となって吐出される。圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒は、冷房用に切り替えられた四方弁２を通過後、合流分岐点Ｐで２つに分岐して一方は空気熱源熱交換器５ａに流入し、他方は三方弁６を介して地中熱源熱交換器５ｂに流入する。
【００４１】
空気熱源熱交換器５ａに流入した冷媒は、大気に放熱して低温高圧冷媒（状態[３]）となって空気熱源熱交換器５ａを流出し、膨張弁４ａに流入して減圧される。一方、地中熱源熱交換器５ｂに流入した冷媒は、地中熱源側媒体に放熱して低温高圧冷媒（状態[３’]）となって地中熱源熱交換器５ｂを流出し、膨張弁４ｂに流入して減圧される。そして、膨張弁４ｂで減圧された冷媒は、膨張弁４ａで減圧された冷媒と合流して状態[４]の冷媒となって水熱交換器３に流入する。水熱交換器３に流入した冷媒は、水回路５１の水から吸熱して蒸発し、四方弁２及び冷媒容器７ａを通過して再び圧縮機１へ吸引される。
【００４２】
（除霜運転時の冷媒動作）
次に、本実施の形態１における除霜運転の運転動作について説明する。除霜運転時、四方弁２及び三方弁６は共に図１の実線側に切り替えられる。
【００４３】
図６は、本実施の形態１における除霜運転時の冷媒の流れを示す図である。図７は、図６の除霜運転時の運転状態と熱源側熱媒体の温度（大気温度及び地中温度）との関係を示した図である。ここでは、地熱温度が空気温度よりも高くなっている。
低温低圧の冷媒（状態[１]）は圧縮機１で圧縮され、高温高圧の冷媒（状態[２]）となって吐出される。圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒は、除霜用（冷房用と同じ）に切り替えられた四方弁２を通過して空気熱源熱交換器５ａに流入する。そして、空気熱源熱交換器５ａに流入した冷媒は、空気熱源熱交換器５ａに付着した霜や熱源側熱媒体である大気へ放熱して凝縮し、低温高圧冷媒（状態[３]）となる。低温高圧となった冷媒は膨張弁４ａに流入して減圧されて状態[４]の冷媒となる。
【００４４】
状態[４]の冷媒は、２つに分岐し、一方は水熱交換器３に流入し、水回路５１の水から熱を吸熱することで蒸発し、水熱交換器３を流出する。他方は、副回路１０ｂの膨張弁４ｂに流入して更に減圧され、低温低圧冷媒（状態[４’]）となって地中熱源熱交換器５ｂに流入し、地中熱源側媒体と熱交換して吸熱する。ここでの熱交換により地中熱を採熱している。そして、地中熱を採熱して蒸発した副回路１０ｂの冷媒は、三方弁６を通過し四方弁２に向かう。四方弁２に向かう冷媒は、水熱交換器３を流出して四方弁２を通過した主回路１０ａ側の冷媒と合流し、冷媒容器７ａを通過し、再び圧縮機１へ吸引される。
【００４５】
この除霜運転においては、主回路１０ａでは通常の冷房運転とほぼ同じサイクル状態となり、圧縮機１から吐出された高温の冷媒が空気熱源熱交換器５ａに流入する。このため、空気熱源熱交換器５ａに付着した霜を溶かすことができる。一方、地中熱源側回路２０では、地中熱交換器２１において地中熱源側媒体が地中との間で熱交換して地中熱を採熱しており、地中熱を採熱した地中熱源側媒体が地中熱交換器２１で副回路１０ｂの冷媒と熱交換する。これにより、地中熱が副回路１０ｂの冷媒に採熱され、地中熱を採熱した副回路１０ｂの冷媒が主回路１０ａに合流し、主回路１０ａへ採熱される。よって、除霜時には、圧縮機１の仕事量に加えて地中熱源熱交換器５ｂから採熱した熱量も除霜熱量として利用することができる。
【００４６】
（除霜運転制御方法）
図８は、本発明の実施の形態１の空調装置における除霜運転時の処理の流れを示すフローチャートである。
空調装置の制御装置３０は暖房運転中（Ｓ１）、センサ等からの検出値に基づき除霜運転要否を判断している（Ｓ２）。一般的な除霜要否の判断の例としては、例えば以下の方法がある。一つは、冷媒温度センサ３１により検知された温度又は吸入圧力センサ３４の検出値から換算された温度と、大気温度センサ３２により検出された大気温度との差が所定値となった場合、除霜要と判断する方法がある。他には、大気温度が所定値以下でこのときの暖房運転時間が所定値以上となった場合、除霜要と判断する方法がある。
【００４７】
このような判断方法で除霜の要否を判断し、除霜必要と判断した場合、図６に示したように四方弁２及び三方弁６を切り替えて除霜運転を開始する。すなわち、空気熱源熱交換器５ａが凝縮器として作用するように、冷房運転と同様に四方弁２の流路を切り替える（Ｓ３）。また、三方弁６を圧縮機１の吸入側に切り替え（Ｓ４）、地中熱源熱交換器５ｂと圧縮機１の吸入側とが流通する流路を形成する。これにより地中熱源熱交換器５ｂが蒸発器として作用する。
【００４８】
このように四方弁２及び三方弁６を切り替えることにより、上述したように空気熱源熱交換器５ａの除霜が開始され、空気熱源熱交換器５ａに流入する高温高圧冷媒によって付着した霜が溶解する。制御装置３０は、除霜運転開始後、霜が無くなったと判断した場合（Ｓ５）、除霜運転を終了する。霜の有無は、例えば凝縮温度が所定値以上か否かによって判断しても、設定した除霜運転時間が経過したか否かによって判断してもよい。制御装置３０は、除霜終了と判断すると、三方弁６と四方弁２の流路を切り替え、再び暖房運転を実施する（Ｓ６）。
【００４９】
以上説明したように本実施の形態１によれば、暖房運転時に、大気を熱源として熱交換する空気熱源熱交換器５ａと、地熱を熱源とする地中熱源熱交換器５ｂとの両方を蒸発器として作用させて大気と別の熱源との両方から採熱する。そして、除霜運転時には、四方弁２を切り替えて空気熱源熱交換器５ａを放熱器として作用させる一方、地中熱源熱交換器５ｂを蒸発器として作用させ、地中熱源側回路２０により地中から採熱した熱を、副回路１０ｂを介して主回路１０ａに採熱するため、地熱を除霜熱源として利用できる。よって、除霜運転時に利用できる熱量が多くなり、除霜時間の短縮を図ることができる。
【００５０】
また、除霜運転時に空気熱源熱交換器５ａから流出する冷媒の一部を地中熱源熱交換器５ｂへ流通させるため、水熱交換器３に流入する冷媒流量が減る。このため、水熱交換器３を介した室内側からの吸熱量が減り、除霜運転時に快適性が損なわれることを抑制できる。つまり、除霜運転中の室温低下を抑制でき、暖房運転に戻った際の圧縮機入力の低減が可能で、結果として消費電力を抑制することができる。
【００５１】
なお、ヒートポンプ装置４０は、図１に示した構成に更に、以下のような変形を加えても良い。この場合も図１の装置と同様の作用効果を得ることができる。
【００５２】
（変形例）
図９に示すように水熱交換器３と膨張弁４ａとの間に開閉弁９を設けたり、図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すように除霜運転時に水熱交換器３の入口側となる位置に膨張弁４ｃを設けたりしてもよい。このような構成とすると、除霜運転時に開閉弁９を閉とする又は膨張弁４ｃを全閉とすることで、水熱交換器３に流入する冷媒流量を無くすことができる。この場合、負荷側（室内側）からの吸熱量が減るため、除霜運転中の室内の快適性を更に向上することができる。なお、図１０（ａ）において７ｂは冷媒を貯留する冷媒容器である。図１０（ａ）に示すように冷媒容器７ｂの他に更に冷媒緩衝容器である冷媒容器７ａを設けた構成としてもよい。
【００５３】
実施の形態１では、第２切替装置として四方弁２を例に挙げて説明したが、第２切替装置を四方弁２に限定するものではない。例えば、第２切替装置として二方流路切替弁や三方流路切替弁を複数個用い、同じように冷媒の流れを切り替えられるように構成してもよい。
また、実施の形態１では、第１切替装置として三方弁６を例に挙げて説明したが、第１切替装置を三方弁６に限定するものではない。例えば、第１切替装置として二方流路切替弁を複数個用いたり、四方弁の１つの流路を閉塞したりして、同じように冷媒の流れを切り替えられるように構成してもよい。
【００５４】
実施の形態２．
実施の形態２は、除霜運転時の圧縮機仕事量の低減を図るようにしたものである。
【００５５】
図１１は、本発明の実施の形態２のヒートポンプ装置を備えた空調システムの冷媒回路を示す図である。図１１において図１と同一部分には同一符号を付す。後述の実施の形態においても同様である。また、実施の形態１と同様の構成部分について適用される変形例は、本実施の形態２についても同様に適用される。この点は後述の実施の形態においても同様である。
【００５６】
図１１に示した実施の形態２のヒートポンプ装置は、図１に示した実施の形態１に加え、膨張弁４ａと並列に冷媒ポンプ１ｂを備えると共に、除霜運転時において冷媒回路１０の流路の一部、具体的には四方弁２→冷媒容器７ａ→圧縮機１→水熱交換器３の流路を遮断して他の流路から切り離すための開閉弁１２ａ、１２ｂとを備えた構成を有する。また、実施の形態２のヒートポンプ装置４０は、図１に示した実施の形態１の三方弁６を省略している。冷媒ポンプ１ｂは除霜運転時に稼動され、通常運転時は停止される。実施の形態２のヒートポンプ装置４０では、除霜運転時に圧縮機１を停止し、冷媒ポンプ１ｂを運転させて後述の除霜回路Ａ内で冷媒を循環させて空気熱源熱交換器５ａの除霜を行うものである。
【００５７】
（通常運転時の冷媒動作（暖房運転））
本実施の形態２における通常運転、特に暖房運転の運転動作について説明する。暖房運転時、四方弁２は図１１の点線側に切り替えられる。
【００５８】
図１２は、本実施の形態２における暖房運転時の冷媒の流れを示す図である。図１２において一点鎖線は冷媒が流れない配管部分を示している。また、冷媒ポンプ１ｂは停止し、開閉弁１２ａ、１２ｂは開とする。
低温低圧の冷媒は圧縮機１で圧縮され、高温高圧の冷媒となって吐出される。圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒は、暖房用に切り替えられた四方弁２を通過して水熱交換器３に流入し、水回路５１の水へ放熱する。水への放熱により低温高圧となった冷媒は２つに分岐してそれぞれ膨張弁４ａ、４ｂに流入する。
【００５９】
膨張弁４ａに流入した冷媒は、減圧されて空気熱源熱交換器５ａに流入し、外気から熱を吸熱して蒸発し、低圧冷媒となり空気熱源熱交換器５ａから流出する。一方、膨張弁４ｂに流入した冷媒は、減圧されて地中熱源熱交換器５ｂに流入し、地中熱源側媒体と熱交換して吸熱する。ここでの熱交換により地中熱を採熱している。そして、地中熱を採熱して蒸発した冷媒は、主回路１０ａの空気熱源熱交換器５ａから流出した冷媒と合流分岐点Ｐで合流し、再び四方弁２及び冷媒容器７ａを通過して圧縮機１へ吸引される。
【００６０】
（除霜運転時の冷媒動作）
次に、本実施の形態２における除霜運転の運転動作について説明する。
図１３は、本実施の形態２における除霜運転時の冷媒の流れを示す図である。図１３において一点鎖線は冷媒が流れない配管部分を示している。図１４は、ｐ−ｈ線図（冷媒の圧力と比エンタルピーとの関係を示す線図）を示しており、図１３の除霜運転時の運転状態と熱源側熱媒体の温度（大気温度及び地中温度）との関係を示した図である。ここでは、地熱温度が空気温度よりも高くなっている。また、図１４における［ｉ］（ｉ＝１，２，．．．）は、図１３の［ｉ］（ｉ＝１，２，．．．）に示す各配管位置における冷媒状態を示している。
【００６１】
本実施の形態２では、除霜運転中、圧縮機１を停止させる一方、冷媒ポンプ１ｂを運転させ、開閉弁１２ａ、１２ｂを閉じ、また、膨張弁４ａも閉じる。これにより、空気熱源熱交換器５ａの冷媒が冷媒ポンプ１ｂ→膨張弁４ｂ→地中熱源熱交換器５ｂ→空気熱源熱交換器５ａの順に循環する除霜回路Ａが形成され、空気熱源熱交換器５ａが凝縮器、地中熱源熱交換器５ｂが蒸発器として作用する。
【００６２】
このような除霜回路Ａ内において、状態[１]の冷媒が空気熱源熱交換器５ａに流入し、空気熱源熱交換器５ａに付着した霜や大気に放熱して凝縮し、低温冷媒（状態[２]）となって空気熱源熱交換器５ａを流出する。空気熱源熱交換器５ａを流出した冷媒は冷媒ポンプ１ｂで昇圧されて状態[３]の冷媒となり、続いて膨張弁４ｂで減圧されて状態[４]の冷媒となる。そして、状態[４]の冷媒は、地中熱源熱交換器５ｂに流入し、地中熱源側媒体と熱交換して吸熱する。ここでの熱交換により地中熱を採熱している。そして、地中熱を採熱して蒸発した冷媒は、空気熱源熱交換器５ａに流入し、上述したように空気熱源熱交換器５ａに付着した霜や大気に放熱する。これにより空気熱源熱交換器５ａの霜が溶ける。
【００６３】
このように冷媒が除霜回路Ａを循環することで、地中熱源熱交換器５ｂから採熱した熱量を空気熱源熱交換器５ａの除霜熱量として利用できる。このサイクルの場合、空気熱源熱交換器凝縮温度が地中熱源熱交換器蒸発温度よりも低いため、地熱温度が空気温度よりも高い状態、少なくとも０℃より大きい場合に、空気熱源熱交換器凝縮温度が０℃以上になり、霜を溶かすことができる。
【００６４】
次に、本実施の形態２における除霜運転の制御動作について説明する。ここでは、特に実施の形態１と異なるアクチュエータ動作について説明する。
制御装置３０は、暖房運転中に除霜必要と判断した場合、圧縮機１を停止し、開閉弁１２ａ、１２ｂを閉とする。その後、冷媒ポンプ１ｂを稼動させ、除霜回路Ａに冷媒を循環させる。これにより、上述したように地中熱源熱交換器５ｂで採熱した地中熱により空気熱源熱交換器５ａの除霜を行う。そして、制御装置３０は除霜終了すると判断すると、冷媒ポンプ１ｂを停止させ、開閉弁１２ａ、１２ｂを開き、圧縮機１を稼動させて再び暖房運転を実施する。
【００６５】
以上説明したように本実施の形態２によれば、暖房運転時に、大気を熱源として熱交換する空気熱源熱交換器５ａと、地熱を熱源とする地中熱源熱交換器５ｂとの両方を蒸発器として作用させて大気と別の熱源との両方から採熱する。そして、除霜運転時に圧縮機１を停止させ、冷媒ポンプ１ｂを動力源として用いて除霜を行えるため、除霜運転時の圧縮機仕事量を減らすことができる。このため、除霜運転時の消費電力を抑制することができる。また、圧縮機１を停止することで水熱交換器３に流入する冷媒流量が減るため、除霜運転時に快適性が損なわれることを抑制できる。
【００６６】
なお、本実施の形態２では、図１に示した実施の形態１の構成から三方弁６が省略されているが、図１５に示すように実施の形態１と同様に三方弁６が設けられていても良い。三方弁６を設けた構成の場合、除霜回路Ａで除霜を行う方法と、リバース方式で除霜を行う方法とのどちらか一方を適宜選択して除霜を行うことが可能となる。適宜選択して除霜を行う条件としては、例えば、素早く除霜を完了したい場合は外気や地中よりも温度が高い室内から採熱できるリバース方式を採用し、消費電力をできるだけ抑えたい場合は自然循環や冷媒ポンプを用いた除霜を行うなどがある。
【００６７】
また、本実施の形態２では、通常運転時の圧損を考慮して膨張弁４ａと並列に冷媒ポンプ１ｂを設けているが、冷媒ポンプ１ｂは空気熱源熱交換器５ａと地中熱源熱交換器５ｂとの間を冷媒が循環できるように設けられていればよい。
【００６８】
なお、空気熱源熱交換器５ａが地中熱源熱交換器５ｂよりも高い位置に配置されている場合、空気熱源熱交換器５ａと地中熱源熱交換器５ｂとに温度差が生じることで冷媒が除霜回路Ａ内を自然循環する。よって、この場合、冷媒ポンプ１ｂが不要となり、更に除霜運転時の消費電力を抑制することができる。
【００６９】
実施の形態３．
実施の形態１では、除霜運転中、暖房運転を停止して主回路１０ａを冷房運転する構成であったが、実施の形態３では、除霜運転中、暖房運転を継続しつつ除霜も行えるようにしたものである。
【００７０】
図１６は、本発明の実施の形態３のヒートポンプ装置を備えた空調システムの冷媒回路を示す図である。
実施の形態３のヒートポンプ装置４０では、実施の形態１と三方弁６の位置が異なる。具体的には、実施の形態３では主回路１０ａにおいて、圧縮機１と四方弁２との間から分岐した分岐管１１ｂに三方弁６が設けられており、空気熱源熱交換器５ａにおいて膨張弁４ａと反対側が、三方弁６によって地中熱源熱交換器５ｂ側（地中熱源熱交換器５ｂにおいて膨張弁４ｂと反対側）又は圧縮機１の吐出側に接続するように切り替えられる構成としたものである。
【００７１】
（通常運転時の冷媒動作（暖房運転））
本実施の形態３における通常運転、特に暖房運転の運転動作について説明する。暖房運転時、四方弁２は図１６の実線側、三方弁６は図１６の点線側に切り替えられる。
【００７２】
図１７は、本実施の形態３における暖房運転時の冷媒の流れを示す図である。図１７において一点鎖線は冷媒が流れない配管部分を示している。
低温低圧の冷媒は圧縮機１で圧縮され、高温高圧の冷媒となって吐出される。圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒は、暖房用に切り替えられた四方弁２を通過して水熱交換器３に流入し、水回路５１の水へ放熱する。水への放熱により低温高圧となった冷媒は２つに分岐してそれぞれ膨張弁４ａ、４ｂに流入する。
【００７３】
膨張弁４ａに流入した冷媒は、減圧されて空気熱源熱交換器５ａに流入し、外気から熱を吸熱して蒸発し、低圧冷媒となり空気熱源熱交換器５ａから流出し、三方弁６を通過する。一方、膨張弁４ｂに流入した冷媒は、減圧されて地中熱源熱交換器５ｂに流入し、地中熱源側媒体と熱交換して吸熱する。ここでの熱交換により地中熱を採熱している。そして、地中熱を採熱して蒸発した冷媒は、主回路１０ａの空気熱源熱交換器５ａから流出して三方弁６を通過後の冷媒と合流分岐点Ｐで合流し、再び四方弁２及び冷媒容器７ａを通過して圧縮機１へ吸引される。
【００７４】
（除霜運転時の冷媒動作）
次に、本実施の形態３における除霜運転の運転動作について説明する。除霜運転時、四方弁２及び三方弁６は共に図１６の実線側に切り替えられる。
【００７５】
図１８は、本実施の形態３における除霜運転時の冷媒の流れを示す図である。図１９は、ｐ−ｈ線図（冷媒の圧力と比エンタルピーとの関係を示す線図）を示しており、図１８の除霜運転時の運転状態と熱源側熱媒体の温度（大気温度及び地中温度）との関係を示した図である。ここでは、地熱温度が空気温度よりも高くなっている。また、図１９における［ｉ］（ｉ＝１，２，．．．）は、図１８の［ｉ］（ｉ＝１，２，．．．）に示す各配管位置における冷媒状態を示している。
【００７６】
低温低圧の冷媒（状態[１]）は圧縮機１で圧縮され、高温高圧の冷媒（状態[２]）となって吐出される。圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒は、２つに分岐され、一方は除霜用（暖房用と同じ）に切り替えられた四方弁２を通過して水熱交換器３に流入する。そして、水熱交換器３に流入した冷媒は、水回路５１内の水へ放熱して低温高圧冷媒（状態[３]）となって水熱交換器３から流出する。他方は、空気熱源熱交換器５ａに流入する。このように圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒の一部が空気熱源熱交換器５ａに流入することにより、空気熱源熱交換器５ａに付着した霜を溶かすことができる。そして、空気熱源熱交換器５ａに流入した冷媒は、空気熱源熱交換器５ａに付着した霜及び大気へ放熱し、低温高圧冷媒（状態[３’]）となった後、膨張弁４ａを通過する。なお、膨張弁４ａは全開又は全開に近い状態とされており、ここでは減圧されずにそのまま通過する。
【００７７】
膨張弁４ａを通過した冷媒は、水熱交換器３から流出した冷媒と合流して副回路１０ｂの膨張弁４ｂに流入し、減圧されて状態[４]の冷媒となる。状態[４]の冷媒は、地中熱源熱交換器５ｂに流入し、地中熱源側媒体と熱交換して吸熱する。ここでの熱交換により地中熱を採熱している。そして、地中熱を採熱して蒸発した冷媒は四方弁２に流入し、冷媒容器７ａを通過して再び圧縮機１へ吸引される。
【００７８】
この除霜運転においては、除霜運転中も主回路１０ａでは暖房運転が継続して行われるため、室内の快適性を維持したまま空気熱源熱交換器５ａの除霜を行うことができる。また、地中熱源側回路２０では、地中熱交換器２１で地中熱を採熱しており、その地中熱が副回路１０ｂを介して主回路１０ａに伝達されている。よって、除霜時には、圧縮機１の仕事量に加えて地中熱源熱交換器５ｂから採熱した熱量も除霜熱量として利用することができ、且つ暖房用熱量としても利用することができる。
【００７９】
次に、本実施の形態３における除霜運転の制御動作について説明する。ここでは、特に実施の形態１と異なるアクチュエータ動作について説明する。
【００８０】
制御装置３０は、暖房運転中に除霜必要と判断した場合、四方弁２の流路は切り替えず暖房用のままとし、三方弁６の流路を、圧縮機１の吐出冷媒が空気熱源熱交換器５ａに流入するように圧縮機１の吐出側に切り替える。これにより、圧縮機１を吐出した冷媒が水熱交換器３と空気熱源熱交換器５ａとのそれぞれに流入し、それぞれが凝縮器として作用し、地中熱源熱交換器５ｂが蒸発器として作用する。そして、制御装置３０は、除霜を終了すると判断すると、三方弁６の流路を地中熱源熱交換器５ｂ側に切り替え、再び暖房運転を実施する。
【００８１】
以上説明したように本実施の形態３によれば、暖房運転時に、大気を熱源として熱交換する空気熱源熱交換器５ａと、地熱を熱源とする地中熱源熱交換器５ｂとの両方を蒸発器として作用させて大気と別の熱源との両方から採熱する。そして、除霜運転時に地中熱源熱交換器５ｂを蒸発器として作用させて地中熱を採熱するため、除霜運転時に利用できる熱量が多くなり、除霜時間の短縮を図ることができる。
【００８２】
また、圧縮機１の吐出冷媒の一部が水熱交換器３に流入することで除霜運転中にも暖房運転が可能となり、除霜運転時に快適性が損なわれることを抑制できる。よって、除霜運転中の室温低下を抑制でき、暖房運転に戻った際の圧縮機入力の低減が可能で、結果として消費電力を抑制することができる。
【００８３】
また、本実施の形態３によれば、圧縮機１の仕事量と地中熱源熱交換器５ｂから採熱した熱量を空気熱源熱交換器５ａの除霜熱量として利用でき、且つ暖房用熱量としても利用することができる。
【００８４】
実施の形態４．
図２０は、本発明の実施の形態４のヒートポンプ装置を備えた空調システムの冷媒回路を示す図である。実施の形態４のヒートポンプ装置４０は、図１６に示した実施の形態３のヒートポンプ装置４０において分岐管１１ｂが削除される一方、主回路１０ａに補助圧縮機１ｃを新たに追加した構成を有する。また、実施の形態４のヒートポンプ装置４０は、三方弁６の切り替えにより空気熱源熱交換器５ａが補助圧縮機１ｃの吐出側又は地中熱源熱交換器５ｂ側（地中熱源熱交換器５ｂの冷媒流路４１において膨張弁４ｂとは反対側）に流通するようになっている。また、水熱交換器３と膨張弁４ａ、４ｂの間に膨張弁４ｃを備えており、水熱交換器３に流入する冷媒流量を制御可能となっている。
【００８５】
（通常運転時の冷媒動作（暖房運転））
本実施の形態４における通常運転、特に暖房運転の運転動作について説明する。暖房運転時、四方弁２は図２０の実線側、三方弁６は図２０の点線側に切り替えられる。
【００８６】
図２１は、本実施の形態４における暖房運転時の冷媒の流れを示す図である。図２１において一点鎖線は冷媒が流れない配管部分を示している。また、補助圧縮機１ｃの運転は停止しており、膨張弁４ｃは全開となっている。
低温低圧の冷媒は圧縮機１で圧縮され、高温高圧の冷媒となって吐出される。圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒は、暖房用に切り替えられた四方弁２を通過して水熱交換器３に流入し、水回路５１の水へ放熱する。水への放熱により低温高圧となった冷媒は２つに分岐してそれぞれ膨張弁４ａ、４ｂに流入する。
【００８７】
膨張弁４ａに流入した冷媒は、減圧されて空気熱源熱交換器５ａに流入し、外気から熱を吸熱して蒸発し、低圧冷媒となり空気熱源熱交換器５ａから流出し、三方弁６を通過する。一方、膨張弁４ｂに流入した冷媒は、減圧されて地中熱源熱交換器５ｂに流入し、地中熱源側媒体と熱交換して吸熱する。ここでの熱交換により地中熱を採熱している。そして、地中熱を採熱して蒸発した冷媒は、主回路１０ａの空気熱源熱交換器５ａから流出して三方弁６を通過後の冷媒と合流分岐点Ｐで合流し、再び四方弁２及び冷媒容器７ａを通過して圧縮機１へ吸引される。
【００８８】
（除霜運転時の冷媒動作）
次に、本実施の形態４における除霜運転の運転動作について説明する。除霜運転時、四方弁２及び三方弁６は共に図２０の実線側に切り替えられる。
【００８９】
図２２は、本実施の形態４における除霜運転時の冷媒の流れを示す図である。図２３は、ｐ−ｈ線図（冷媒の圧力と比エンタルピーとの関係を示す線図）を示しており、図２２の除霜運転時の運転状態と熱源側熱媒体の温度（大気温度及び地中温度）との関係を示した図である。ここでは、地熱温度が空気温度よりも高くなっている。また、図２３における［ｉ］（ｉ＝１，２，．．．）は、図２２の［ｉ］（ｉ＝１，２，．．．）に示す各配管位置における冷媒状態を示している。
【００９０】
低温低圧の冷媒（状態[１]）は圧縮機１で圧縮され、高温高圧の冷媒（状態[２]）となって吐出される。圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒は、四方弁２を通過して水熱交換器３に流入する。水熱交換器３に流入した冷媒は、水回路５１内の水へ放熱して低温高圧冷媒（状態[３]）となって水熱交換器３から流出し、その後、膨張弁４ｃで減圧される。膨張弁４ｃで減圧された冷媒は、副回路１０ｂの膨張弁４ｂで更に減圧されて地中熱源熱交換器５ｂに流入し、地中熱源側媒体と熱交換して吸熱する。ここでの熱交換により地中熱を採熱している。
【００９１】
そして、地中熱を採熱して蒸発した冷媒は、四方弁２の手前の合流分岐点Ｐで２つに分岐し、一方は四方弁２に流入し、冷媒容器７ａを通過して圧縮機１へ吸引される。他方は三方弁６を通過して補助圧縮機１ｃに流入し、ここで昇温昇圧されて高温高圧の冷媒（状態[２’]）となって空気熱源熱交換器５ａに流入する。空気熱源熱交換器５ａは凝縮器として作用するため、空気熱源熱交換器５ａに流入した冷媒は、空気熱源熱交換器５ａに付着した霜や大気に放熱して凝縮し、低温高圧冷媒（状態[３’]）となる。低温高圧冷媒は膨張弁４ａで減圧され、主回路１０ａにおいて膨張弁４ｃで減圧された冷媒と合流して膨張弁４ｂに流入して更に減圧されて状態[４]の冷媒となる。状態[４]の冷媒は、地中熱源熱交換器５ｂに流入し、地中熱源側媒体と熱交換して吸熱し、再び高温低圧の冷媒（状態[１]）となる。
【００９２】
この除霜運転では、圧縮機１の仕事量は水熱交換器３で負荷側の暖房熱量として利用され、補助圧縮機１ｃの仕事量は空気熱源熱交換器５ａの除霜熱量として利用される。
【００９３】
次に、本実施の形態４における除霜運転における制御動作について説明する。ここでは、特に実施の形態３と異なるアクチュエータ動作について説明する。
【００９４】
制御装置３０は、暖房運転中に除霜必要と判断した場合、四方弁２の流路は切り替えず暖房用のままとし、三方弁６の流路を、地中熱源熱交換器５ｂから流出した冷媒が補助圧縮機１ｃに流入するように切り替える。これにより、地中熱源側回路２０の地中熱源側媒体を介して地中熱を採熱した地中熱源熱交換器５ｂの冷媒の一部が、補助圧縮機１ｃで昇温昇圧された後、空気熱源熱交換器５ａに流入し、空気熱源熱交換器５ａの除霜を行う。そして、制御装置３０は除霜終了すると判断すると、空気熱源熱交換器５ａの膨張弁４ａとは反対側が補助圧縮機１ｃを介さず直接、地中熱源熱交換器５ｂ側に接続されるように三方弁６の流路を切り替え、補助圧縮機１ｃを停止して、再び暖房運転を実施する。
【００９５】
また、除霜運転中、制御装置３０は膨張弁４ｃを適宜制御し、空気熱源熱交換器５ａに流入する冷媒量を増やして水熱交換器３に流入する冷媒量を減らす。これにより、空気熱源熱交換器５ａの除霜を早く終了させることができる。なお、水熱交換器３に流入する冷媒量を減らすと、室内の暖房能力が低下するため、室内の快適性確保と除霜促進との兼ね合いで膨張弁４ｃを制御するようにすればよい。
【００９６】
以上説明したように本実施の形態４では、暖房運転時に、大気を熱源として熱交換する空気熱源熱交換器５ａと、地熱を熱源とする地中熱源熱交換器５ｂとの両方を蒸発器として作用させて大気と別の熱源との両方から採熱する。そして、除霜運転時に、補助圧縮機１ｃで昇温昇圧した冷媒を空気熱源熱交換器５ａに流入させるようにすると共に、三方弁６の流路を切り替え、地中熱源熱交換器５ｂで地中熱を採熱して水熱交換器３側に向かう冷媒の一部を、空気熱源熱交換器５ａに流入させるようにした。これにより、地中熱源熱交換器５ｂを介して地中から採熱した熱を暖房用と除霜用の両方の熱量として使用できる。そして、除霜時に利用できる熱量が地中からの採熱分だけ多くなることで除霜時間の短縮を図ることができる。
【００９７】
また、除霜運転中にも水熱交換器３が凝縮器として作用し、暖房運転が可能となるため、除霜運転時に快適性が損なわれることを抑制できる。
【００９８】
また、本実施の形態４では、圧縮機１と補助圧縮機１ｃとのそれぞれの入力調整により、図２３に示すように水熱交換器凝縮温度と空気熱源熱交換器凝縮温度とを互いに異ならせることができる。このため、暖房用の凝縮温度（水熱交換器凝縮温度）を維持しつつ、空気熱源熱交換器凝縮温度が必要以上に高くならない除霜運転が可能となり、除霜時の消費電力を抑制することができる。つまり、空気熱源熱交換器凝縮温度は霜を溶かせる程度の温度で十分であるため、暖房用の凝縮温度に比べて低くて良く、凝縮温度を低くできる分、消費電力を抑制が可能である。
【００９９】
なお、上記各実施の形態では、大気以外の熱源として地熱を用いる例を説明したが、地熱に限られたものではなく、地下水、海水、太陽熱温水を熱源としてもよい。
【０１００】
また、一般的に電気ヒータやボイラーで生成した熱は、暖房運転時にそのまま負荷側に利用することができるが、負荷側の設定温度よりも低温の地熱や、地下水、海水、太陽熱温水の熱は、負荷側を設定温度にするための熱源として用いるには熱量が足りない。しかし、上記各実施の形態のヒートポンプ装置４０であれば、地熱や、地下水、海水、太陽熱温水の熱を除霜熱源の一部として用いることができ、除霜運転時の消費電力低減に有効であると言える。
【０１０１】
なお、上記各実施の形態では四方弁２を備えた構成を示したが、実施の形態２〜４については、四方弁２は必ずしも必須ではなく、省略可能である。
また、実施の形態２〜４において第２切替装置を備える場合には、実施の形態１と同様に四方弁２に限定するものではなく、二方流路切替弁や三方流路切替弁を複数個用い、四方弁２と同じように冷媒の流れを切り替えられるように構成してもよい。
さらに、実施の形態２〜４では、第１切替装置として三方弁６を例に挙げて説明したが、実施の形態１と同様に第１切替装置を三方弁６に限定するものではない。例えば、第１切替装置として、二方流路切替弁を複数個用いたり、四方弁の１つの流路を閉塞したりして、同じように冷媒の流れを切り替えられるように構成してもよい。
【０１０２】
また、各実施の形態では、ヒートポンプ装置４０が適用される装置として空調システムの例を説明したが、これに限られたものではなく給湯システムなどとしてもよい。要は、負荷側熱交換器（水熱交換器３）が放熱器として作用し、空気熱源熱交換器５ａが蒸発器として作用するように冷媒が循環する加熱運転を行うシステムであればよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明の活用例として、多数の熱源を備えたヒートポンプ装置について有用である。
【符号の説明】
【０１０４】
１  圧縮機、１ｂ  冷媒ポンプ、１ｃ  補助圧縮機、２  四方弁、３  水熱交換器、４ａ  膨張弁、４ｂ  膨張弁、４ｃ  膨張弁、５ａ  空気熱源熱交換器、５ｂ  地中熱源熱交換器、６  三方弁、７ａ  冷媒容器、７ｂ  冷媒容器、８  ファン、９  開閉弁、１０  冷媒回路、１０ａ  主回路、１０ｂ  副回路、１１ａ  分岐管、１１ｂ  分岐管、１２ａ  開閉弁、１２ｂ  開閉弁、２０  地中熱源側回路、２１  地中熱交換器、２２  地熱用ポンプ、３０  制御装置、３１  冷媒温度センサ、３２  大気温度センサ、３３  地熱温度センサ、３４  吸入圧力センサ、４０  ヒートポンプ装置、４１  冷媒流路、４２  地中熱源側媒体流路、５０  負荷側装置、５１  水回路、５２  ポンプ、１００  空調装置、Ａ  除霜回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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