(57)【要約】【課題】寒冷地で利用可能な高信頼性、高効率で設置面積の小さい蓄熱式ヒートポンプ装置を提供する。【解決手段】ヒートポンプ装置は、圧縮機１１ａ、圧縮機１１ｂ、放熱器１２ａ、膨張機構１３ａ、冷媒分離手段１６、膨張機構１３ｂ、蒸発器１４、前記冷媒分離手段１６から圧縮機１１ａと圧縮機１１ｂの接続配管に接続されるバイパス管１７、バイパス管に設置された水−冷媒熱交換器１８とによって冷媒回路１０を形成し、蓄熱タンク２３、放熱器１２ａ、暖房端末２２によって蓄熱回路２１を形成し、蓄熱タンク２３、蒸発器１４ｂによって蓄熱利用回路２４を形成し、蓄熱タンク温度検出手段３１や外気温度検出手段３３により把握した運転状態の変化に対応して、蓄熱運転モードと蓄熱利用運転モードを切り替える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一圧縮機と、第二圧縮機と、第一放熱器と、第一膨張機構と、第二膨張機構と、蒸発器とを順次接続し、前記第一膨張機構と前記第二膨張機構の接続配管から分岐し、前記第一圧縮機と前記第二圧縮機の接続配管に合流するバイパス管に水−冷媒熱交換器および流量調整弁を設置することによって冷凍サイクルを構成し、
前記放熱器と暖房端末および蓄熱タンクとを順次接続することによって蓄熱回路を構成し、前記水−冷媒熱交換器と蓄熱タンクとを接続することによって蓄熱利用回路を形成する、ヒートポンプ装置。
【請求項２】
第一圧縮機と、第二圧縮機と、第一放熱器と、第二放熱器と、第一膨張機構と、第二膨張機構と、蒸発器とを順次接続し、前記第一膨張機構と前記第二膨張機構の接続配管から分岐し、前記第一圧縮機と前記第二圧縮機の接続配管に合流するバイパス管に水−冷媒熱交換器および流量調整弁を設置することによって冷凍サイクルを構成し、
前記第一放熱器と暖房端末とを接続することによって暖房回路を構成し、
前記第二放熱器と蓄熱タンクとを接続することによって蓄熱回路を構成し、
前記水−冷媒熱交換器と蓄熱タンクとを接続することによって蓄熱利用回路を形成する、ヒートポンプ装置。
【請求項３】
前記第一膨張機構と前記第二膨張機構の接続配管に冷媒分離手段を設置し、気相冷媒を優先的に前記水−冷媒熱交換器に流すことを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
【請求項４】
前記蓄熱タンクと前記蓄熱回路の間で水を循環させ、高温水を前記蓄熱タンクに蓄える蓄熱運転モードと、
冷媒を前記第一圧縮機、前記第二圧縮機、前記第一放熱器、前記第一膨張機構、前記第二膨張機構、前記蒸発器、前記第一圧縮機の順に循環させつつ、前記第一膨張機構と前記第二膨張機構の接続配管から分岐する前記バイパス管に冷媒の一部を分流し、前記第一圧縮機と前記第二圧縮機の接続配管に合流させ、水を前記蓄熱回路、前記暖房回路および前記蓄熱利用回路に流すことで、暖房、蓄熱および蓄熱利用を行う蓄熱利用運転モードとを切り替えて運転する、請求項１〜３のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
【請求項５】
冷媒を前記第一圧縮機、前記第二圧縮機、前記第一放熱器、前記第一膨張機構、前記第二膨張機構、前記蒸発器、前記第一圧縮機の順に循環させつつ、前記第一膨張機構と前記第二膨張機構の接続配管から分岐する前記バイパス管に冷媒の一部を分流し、前記第一圧縮機と前記第二圧縮機の接続配管に合流させ、水を前記暖房回路に循環させることで暖房を行う暖房運転と、前記蓄熱運転モードと前記蓄熱利用運転モードとを交互に切り替えて運転する蓄熱・蓄熱利用切替運転とを切り替えて運転する、請求項２〜４に記載のヒートポンプ装置。
【請求項６】
前記蓄熱タンクに温度検出手段を設け、検出された温度によって運転モードを切り替える、請求項１〜５のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
【請求項７】
時刻検出手段を設け、検出された時刻によって運転モードを切り替える、請求項１〜５のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
【請求項８】
外気温度検出手段を設け、検出された外気温度により、前記暖房運転と前記蓄熱・蓄熱利用切替運転とを切り替える、請求項５に記載のヒートポンプ装置。
【請求項９】
前記蓄熱利用回路に第一水ポンプを前記水−冷媒熱交換器の下流側に設け、前記蓄熱利用回路に水温度検出手段を設け、検出された水温度により前記第一水ポンプの出力を変化させる、請求項１〜８のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
【請求項１０】
外気温度検出手段を設け、計測された外気温度により、運転モードを切り替える蓄熱タンク温度又は、運転モードを切り替える時刻又は、前記第一水ポンプの出力を変化させる、請求項１〜９のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
【請求項１１】
蓄熱回路に第二水ポンプを、前記第二放熱器の下流側の前記蓄熱回路に水温度検出手段を設け、検出された水温度により前記第二水ポンプの出力を変化させる、請求項１〜９のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
【請求項１２】
前記水−冷媒熱交換器の下流の前記バイパス管、あるいは、前記第二圧縮機の吸入配管に、温度検出手段を設け、検出された温度により前記流量調整弁の出力を変化させる、請求項１〜１１のいずれか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、給湯機や空調機などに用いる蓄熱式ヒートポンプ装置に係わり、特に、冬期に外気温度が例えば−１５℃以下に低下するような寒冷地で利用する蓄熱式ヒートポンプ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
寒冷地で用いられる蓄熱式ヒートポンプ装置の性能を確保するための手段として、負荷の小さい深夜時間帯にヒートポンプを用いて空気のエネルギーを蓄熱槽に蓄え、負荷の大きな朝や夕方に蓄えられたエネルギーを利用する方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図９は、特許文献１に記載された従来の寒冷地用蓄熱式ヒートポンプ装置を示す構成図である。
【０００４】
図９において、ヒートポンプ装置は、容量制御圧縮機１、一定速圧縮機２ａ、２ｂ、アキュムレータ３、オイルセパレータ４、四方弁５、室外熱交換器６ａ、６ｂ、室外膨張弁７ａ、７ｂ、過冷却器８ａ、８ｂ、室外送風機９ａ、９ｂ、レシーバ１０、ガス液熱交換器１１、ガス阻止弁１２、液阻止弁１３、蓄熱ガス阻止弁１４、ガスバイパス１５、蓄熱回路用電磁弁１６ａ、１６ｂ、容量制御圧縮機用液インジェクション膨張弁２０、一定速圧縮機用液インジェクション膨張弁２１ａ、２１ｂ、容量制御圧縮機用液インジェクション電磁弁２２、一定速圧縮機用液インジェクション電磁弁２３ａ、２３ｂ、容量制御圧縮機用液インジェクションキャピラリーチューブ２４、一定速圧縮機用液インジェクションキャピラリーチューブ２５ａ、２５ｂ、室外制御装置３０、室外温度センサー３１、容量制御圧縮機用吐出温度センサー３２、一定速圧縮機用吐出温度センサー３３ａ、３３ｂ、吸入温度センサー３４、高圧圧力センサー３６、低圧圧力センサー３７からなる室外機１００と、室内熱交換器５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、室内膨張弁５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、室内送風機５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、室内制御装置５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、室内吸込温度センサー５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、リモートコントローラー５５ａ、５５ｂ、５５ｃからなる室内機２００ａ、２００ｂ、２００ｃと、蓄熱槽６０、蓄熱熱交換器６１、蓄熱回路用膨張弁６２、蓄熱回路用電磁弁６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、蓄熱制御装置６５、蓄熱媒体温度センサー６６、蓄熱コントローラー６７からなる蓄熱機３００とが、ガス接続配管４０、液接続配管４１、蓄熱ガス接続配管４２、伝送線４５によって連結されている。
【０００５】
夜間に蓄熱熱交換器６１内の蓄熱媒体に蓄熱運転を行ない、昼間の空調運転時にこの蓄熱を利用する運転を行なうことで、蓄熱を利用する運転を朝夕に分割することにより性能を確保するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１０６９１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図９に示す従来の蓄熱式ヒートポンプ装置では、高温ラジエータを空調端末として利用した場合などでは、ヒートポンプ装置の高圧圧力や圧縮機の吐出温度が上昇し、ヒートポンプ装置の信頼性が低下する。あるいは信頼性を確保するために高圧圧力や吐出温度を制限するとヒートポンプ装置の性能が低下するなどの課題を有していた。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高温ラジエータを空調端末として利用した蓄熱式ヒートポンプ装置を寒冷地で使用した場合でも、高効率と高信頼性を確保することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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装置は、第一圧縮機と、第二圧縮機と、第一放熱器と、第一膨張機構と、第二膨張機構と、蒸発器とを順次接続し、前記第一膨張機構と前記第二膨張機構の接続配管から分岐し、前記第一圧縮機と前記第二圧縮機の接続配管に合流するバイパス管に水−冷媒熱交換器および流量調整弁を設置することによって冷凍サイクルを構成し、前記放熱器と暖房端末および蓄熱タンクとを順次接続することによって蓄熱回路を構成し、前記水−冷媒熱交換器と蓄熱タンクとを接続することによって蓄熱利用回路を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のヒートポンプ装置によれば、高温ラジエータを空調端末として利用した蓄熱式ヒートポンプ装置を寒冷地で使用した場合でも、高効率と高信頼性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態１におけるヒートポンプ装置の構成図
【図２】本発明の実施形態１における蓄熱タンク温度を利用した最適な運転モード制御フローチャート
【図３】本発明の実施形態１における時刻を利用した最適な運転モード制御フローャート
【図４】本発明の実施形態１における水温度を利用した最適な水ポンプ出力制御フローチャート
【図５】本発明の実施形態１における外気温度によって各閾値を変化させる最適な制御フローチャート
【図６】本発明の実施形態２におけるヒートポンプ装置の構成図
【図７】本発明の実施形態２における外気温度を利用して運転を変化させる最適な制御フローチャート
【図８】本発明の実施形態２における水温度を利用した最適な水ポンプ出力制御フローチャート
【図９】従来のヒートポンプ装置を示す構成図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
（実施形態１）
図１は、本発明の第１実施形態におけるヒートポンプ装置の構成図である。
【００１４】
図１において、本実施形態のヒートポンプ装置は、冷媒を中間圧力に圧縮する圧縮機１１ａと、冷媒を高温高圧に圧縮する圧縮機１１ｂと、高温高圧になった冷媒と水とを熱交換する放熱器１２ａと、冷媒を中間圧力まで減圧膨張する膨張機構１３ａと、気液二相冷媒を気相と液相に分離する冷媒分離手段１６と、冷媒分離手段１６によって液相冷媒が主成分となった冷媒を低圧圧力まで減圧膨張する膨張機構１３ｂと、大気の熱を奪って冷媒を蒸発させる蒸発器１４と、冷媒分離手段１６によって気相冷媒が主成分となった冷媒が流れるバイパス管１７と、バイパス管１７に流れる冷媒と蓄熱利用回路２４を流れる水とを熱交換させる水−冷媒熱交換器１８と、バイパス管１７に流れる冷媒流量を調節する流量調整弁１５とによって冷媒回路１０を形成している。
【００１５】
また、蓄熱タンク２３を設け、放熱器１２ａと暖房端末２２とによって蓄熱回路２１を形成する。そして、蓄熱回路２１に設けられた水ポンプ２５ａで低温水が支配的な蓄熱タンク２３底部から汲み上げ、放熱器１２ａで高温水とし、暖房端末２２を通過させた後の中温水となった水を中温水が支配的な蓄熱タンク２３上部に戻す。そのため、蓄熱タンク２３内は、自然と底部の低温水が支配的な第１領域と、上部の高温水が支配的な第２領域とに分かれる。
【００１６】
さらに、蓄熱タンク２３と、水ポンプ２５ｂと、水−冷媒熱交換器１８とによって蓄熱利用回路２４を形成する。そして、蓄熱利用回路２４に設けられた水ポンプ２５ｂで蓄熱タンク２３上部の第２領域から中温水を汲み上げ、水−冷媒熱交換器１８で冷媒との熱交換を行った後に蓄熱タンク２３の第１領域に戻す。
【００１７】
蓄熱タンク２３に蓄えられた中温水と低温水のバランスを、蓄熱タンク２３内部に設置された水の温度を検出する温度検出手段３１により把握することができる。例えば、温度検出手段３１を蓄熱タンク２３の底部から容積に換算して４割の高さ付近に設置（図１の基準線Ｘに相当）しておき、温度検出手段３１の検出値と所定値を比較することで蓄熱タンク２３内の第１領域と第２領域の占有割合を予測することができる。
【００１８】
なお、本実施形態では温度検出手段を１個としたが、温度検出手段を蓄熱タンク２３の底部から容積に換算して異なる高さの位置に複数個設置することで、より正確に中温水と低温水の占有割合を把握することができる。
【００１９】
また、蓄熱タンク２３には蓄熱タンク内部に蓄えられている水の温度を検出する温度検出手段３１、蓄熱利用回路２４の水−冷媒熱交換器１８の下流側には水温度を検出する温度検出手段３４がそれぞれ設置されており、バイパス管１７の水−冷媒熱交換器１８の下流側には冷媒温度を検出する温度検出手段３６が設置されており、時刻検出手段３２および外気温度検出手段３３も設置されている。
【００２０】
さらに、これらの温度検出手段３１、時刻検出手段３２、外気温度検出手段３３、温度検出手段３４および温度検出手段３６からの信号により、運転モードの切り替えや水ポンプ２５ａによる水の循環速度、流量調整弁１５の出力を制御する制御手段４０が備えられている。
【００２１】
次に、上記したヒートポンプ装置の動作について説明する。
【００２２】
まず、蓄熱運転モードについて説明する。圧縮機１１ａで吐出された中間圧力の冷媒は、圧縮機１１ｂにて高温高圧に圧縮され、放熱器１２ａにて水と熱交換して冷却される。放熱器１２ａを流出した冷媒は第１膨張機構１３ａを通過して中間圧力になった後、冷媒分離手段１６において気相冷媒を主成分とする冷媒と液相冷媒を主成分とする冷媒に分離される。気相冷媒を主成分とする冷媒は、バイパス管１７に流入し、圧縮機１１ａから吐出される中間圧冷媒と合流して圧縮機１１ｂに戻る。液相冷媒を主成分とする冷媒は、膨張機構１３ｂによって低圧圧力まで減圧膨張され、蒸発器１４において周囲大気の熱エネルギーを取り込み、再び圧縮機１１ａに戻る。
【００２３】
この時、バイパス管１７を流れる気相冷媒を主成分とする冷媒は、温度検出手段３６によって検出された温度に対応した流量に、流量調整弁１５によって調整される。また、蓄熱タンク２３から蓄熱回路２１に流れ出た低温水は放熱器１２ａで温められ高温水となり、暖房端末２２にて室内空気などを暖め、暖房機能を発揮し、中温水となり再び蓄熱タンクに戻る。この時、蓄熱利用回路２４に設置されている水ポンプ２５ｂは作動しておらず、水−冷媒熱交換器１８に水を流し込まない。これらの動作により、蓄熱タンク２３内では、低温水が減少し中温水が増加し熱エネルギーが蓄えられる。
【００２４】
次に、蓄熱利用運転モードについて説明する。圧縮機１１ａで吐出された中間圧力の冷媒は、圧縮機１１ｂにて高温高圧に圧縮され、放熱器１２ａにて水と熱交換して冷却される。放熱器１２ａを流出した冷媒は膨張機構１３ａを通過し、中間圧力になった後、冷媒分離手段１６において気相冷媒を主成分とする冷媒と液相冷媒を主成分とする冷媒に分離される。気相冷媒を主成分とする冷媒は、バイパス管１７に流入し、蓄熱利用回路を流れる中温水から熱を奪った後、圧縮機１１ａから吐出される中間圧冷媒と合流して圧縮機１１ｂに戻る。液相冷媒を主成分とする冷媒は、膨張機構１３ｂによって低圧圧力まで減圧膨張され、蒸発器１４において周囲大気の熱エネルギーを取り込み、再び圧縮機１１ａに戻る。この時、バイパス管１７を流れる気相冷媒を主成分とする冷媒は、温度検出手段３６によって検出された温度に対応した流量に、流量調整弁１５によって調整される。また、蓄熱タンク２３から蓄熱回路２１に流れ出た低温水は放熱器１２ａで温められ高温水となり、暖房端末２２にて室内空気などを暖め、暖房機能を発揮し、中温水となり再び蓄熱タンクに戻る。この時、蓄熱利用回路２４に設置されている水ポンプ２５ｂは動作しており、水−冷媒熱交換器１８に水を流入させ、中温水が持つ熱エネルギーを冷媒に移動させ、低温水になった後、蓄熱タンク２３に戻る。
【００２５】
これらの動作により、蓄熱タンク２３に蓄えられた熱エネルギーを利用できるので、信頼性を保ちつつ、性能を向上させることができる。また、冷媒分離手段１６により、大気エネルギーを回収することができない気相冷媒を蒸発器１４に流さずにおけるため、蒸発器１４での圧力損失が低減し、圧縮機１１ａでの消費電力を低減できるので、性能が向上する。
【００２６】
ここで、暖房システムを低コストで効率よく制御する方法について、図３〜６のフローチャートを用いて説明する。
【００２７】
（１）蓄熱タンク内の温水温度を判断基準とした運転モードの切り替え制御
図２は、蓄熱タンク温度によって運転モードを切り替えるシステムの制御フローチャートである。
【００２８】
まず、ステップＳ１では、蓄熱タンク温度検出手段３１からの検出信号により蓄熱タンク温度Ｔｎを検出する。
【００２９】
ステップＳ２では、蓄熱タンク温度Ｔｎと閾値Ｔｎ１を比較する。蓄熱タンク温度Ｔｎが閾値Ｔｎ１より大きければステップＳ３に移り、蓄熱タンク温度Ｔｎが閾値Ｔｎ１以下であればステップＳ４に移る。
【００３０】
上記制御によれば、ステップＳ３では蓄熱利用運転モードの動作を行い、ステップＳ４では、蓄熱運転モードの動作を行なう。これにより、蓄熱タンク２３内における中温水と低温水の占有割合を適切に保ちながら運転することが可能になるので、蓄熱タンク容量を最小限に留めながら高効率な暖房システムを構築することが可能となる。
【００３１】
（２）時刻を判断基準とした運転モードの切り替え制御
図３は、時刻Ｔｉによって運転モードを切り替えるシステムの制御フローチャートである。
【００３２】
まず、ステップＳ５で時刻検出手段３２からの検出信号により時刻Ｔｉを検出し、ステップＳ６に移る。
【００３３】
ステップＳ６で時刻Ｔｉと閾値Ｔｉ１およびＴｉ２を比較する。そして、時刻Ｔｉが閾値ｔｉ１以下であり、かつ閾値Ｔｉ２より大きければステップＳ７に移り、それ以外の時刻ではステップＳ８に移る。
【００３４】
上記制御によれば、ステップＳ７では蓄熱利用運転モードの動作を行い、ステップＳ８では、蓄熱運転モードの動作を行なう。なおこの時、蓄熱利用運転モードの動作を行なう時刻を深夜時間帯とし、蓄熱運転モードの動作を行なう時刻を深夜以外の時間帯としても良い。これにより、外気温度が高い時など、大気からの熱の取り込みが効率よく行なえる条件では蓄熱運転モードで動作し、深夜など給湯などの付随する機器の負荷が減少し、なおかつ外気温度が低く大気からの熱の取り込み効率が低い条件では蓄熱利用運転モードで動作することにより、蓄熱タンクや熱交換器などの容量を抑えながらも高効率な暖房システムを構築することが可能となる。
【００３５】
（３）蓄熱利用回路を流れる温水温度を判断基準とした運転モードの切り替え制御
図４は、蓄熱利用回路２４の水−冷媒熱交換器１８下流側の配管に設置された温度検出手段３４によって検出された水温度により、水ポンプ２５ｂの出力を変化させるシステムの制御フローチャートである。ここで、水ポンプ出力は、単位時間当たりに水ポンプが搬送する水量であり、例えば水ポンプの回転数で制御することができる。
【００３６】
まず、ステップＳ９で水温度検出手段３４からの検出信号により水温度Ｔｒを検出し、ステップＳ１０に移る。
【００３７】
ステップＳ１０で水温度Ｔｒと閾値Ｔｒ１を比較する。そして、水温度Ｔｒが閾値Ｔｒ１より大きければステップＳ１１に移り、水ポンプ出力Ｐｗをｗ１だけ大きくして、単位時間当たりに水−冷媒熱交換器１８を通過する水量を増加させる。一方、水温度Ｔｒが閾値Ｔｒ１以下であればステップＳ１２に移る。
【００３８】
ステップＳ１２では、水温度Ｔｒと閾値Ｔｒ２を比較する。そして、水温度Ｔｒが閾値Ｔｒ２より大きければ、水ポンプ出力を変化させずに維持し、水温度Ｔｒが閾値Ｔｒ２以下であればステップＳ１３に移り、水ポンプ出力ＰｗをＰｗ２だけ小さくして、単位時間当たりに水−冷媒熱交換器１８を通過する水量を減少させる。
【００３９】
上記制御によれば、蓄熱タンク２３に蓄えられる低温水の温度および水−冷媒熱交換器１８に流入する水温度を変化させることができるので、冷凍サイクルを効率よく運転することができ、低コストで高効率な暖房システムを構築することが可能となる。
【００４０】
（４）外気温度を判断基準とした運転モードの切り替え制御
図５は、外気温度により、図２〜４のフローチャートで用いられる蓄熱タンク温度の閾値Ｔｎ１、時刻の閾値Ｔｉ１、Ｔｉ２、水温度の閾値Ｔｒ１、Ｔｒ２を変化させるシステムの制御フローチャートである。
【００４１】
まず、ステップＳ１４で外気温度検出手段３３からの検出信号により外気温度Ｔａを検出し、ステップＳ１５に移る。
【００４２】
ステップＳ１５で、外気温度Ｔａと閾値Ｔａ１を比較する。そして、外気温度Ｔａが閾値Ｔａ１より小さければステップＳ１６に移り、外気温度Ｔａが閾値Ｔａ１以上であればステップＳ１７に移る。
【００４３】
ステップＳ１６では、閾値Ｔｎ１をＴｎ１１、閾値Ｔｉ１をＴｉ１１、閾値Ｔｉ２をＴｉ２１、閾値Ｔｒ１をＴｒ１１、閾値Ｔｒ２をＴｒ２１とする。
【００４４】
ステップＳ１７では、外気温度Ｔａと閾値Ｔａ２を比較する。そして、外気温度Ｔａが閾値Ｔａ２より小さければ、ステップＳ１８に移り、外気温度Ｔａが閾値Ｔａ２以上であれば、ステップＳ１９に移る。
【００４５】
ステップＳ１８では、閾値Ｔｎ１をＴｎ１２、閾値Ｔｉ１をＴｉ１２、閾値Ｔｉ２をＴｉ２２、閾値Ｔｒ１をＴｒ１２、閾値Ｔｒ２をＴｒ２２とする。
【００４６】
ステップＳ１９では、外気温度Ｔａと閾値Ｔａ３を比較する。そして、外気温度Ｔａが閾値Ｔａ３より小さければ、ステップＳ２０に移り、外気温度Ｔａが閾値Ｔａ３以上であれば、ステップＳ２１に移る。
【００４７】
ステップＳ２０では、閾値Ｔｎ１をＴｎ１３、閾値Ｔｉ１をＴｉ１３、閾値Ｔｉ２をＴｉ２３、閾値Ｔｒ１をＴｒ１３、閾値Ｔｒ２をＴｒ２３とする。
【００４８】
ステップＳ２１では、閾値Ｔｎ１をＴｎ１４、閾値Ｔｉ１をＴｉ１４、閾値Ｔｉ２をＴｉ２４、閾値Ｔｒ１をＴｒ１４、閾値Ｔｒ２をＴｒ２４とする。
【００４９】
上記制御によれば、外気温度条件により、蓄熱タンク２３に蓄えられる中温水と低温水の量や運転モードを切り替える時間帯、および低温水の温度や冷凍サイクルの低圧圧力を変化させることができるので、より高効率で設置スペースの小さな暖房システムを低コストで構築することが可能となる。
【００５０】
（実施形態２）
図６において、本実施形態のヒートポンプ装置は、冷媒を中間圧力に圧縮する圧縮機１１ａ、冷媒を高温高圧に圧縮する圧縮機１１ｂ、高温高圧になった冷媒と暖房回路２６を流れる水を熱交換させる放熱器１２ａと、放熱器１２ａを流出した冷媒と蓄熱回路２１を流れる水を熱交換させる放熱器１２ｂと、冷媒を中間圧力まで減圧膨張する膨張機構１３ａと、気液二相冷媒を気相と液相に分離する冷媒分離手段１６と、前記冷媒分離手段１６によって液相冷媒が主成分となった冷媒を低圧圧力まで減圧膨張する膨張機構１３ｂと、大気の熱を奪って冷媒を蒸発させる蒸発器１４と、前記冷媒分離手段１６によって気相冷媒が主成分となった冷媒が流れるバイパス管１７と、バイパス管に流れる冷媒と蓄熱利用回路２４を流れる水とを熱交換させる水−冷媒熱交換器１８と、バイパス管１７に流れる冷媒流量を調節する流量調整弁１５とによって冷媒回路１０を形成している。
【００５１】
また、放熱器１２ａと、暖房端末２２とによって暖房回路２６を形成している。
【００５２】
さらに、蓄熱タンク２３を設け、水ポンプ２５ａで放熱器１２ｂと蓄熱タンク２３の水を循環させることによって蓄熱回路２１を形成する。蓄熱回路２１に設けられた水ポンプ２５ａで低温水が支配的な蓄熱タンク２３底部から汲み上げ、放熱器１２ｂで高温水とし、蓄熱回路２１を通過させた後の中温水となった水を中温水が支配的な蓄熱タンク２３上部に戻す。そのため、蓄熱タンク２３内は、自然と底部の低温水が支配的な第１領域と、上部の高温水が支配的な第２領域とに分かれる。
【００５３】
さらに、中温水を蓄える蓄熱タンク２３と、水ポンプ２５ｂと、水−冷媒熱交換器１８とによって蓄熱利用回路２４を形成している。そして、蓄熱利用回路２４に設けられた水ポンプ２５ｂで蓄熱タンク２３上部の第２領域から中温水を汲み上げ、水−冷媒熱交換器１８で冷媒との熱交換を行った後に蓄熱タンク２３の第１領域に戻す。
【００５４】
蓄熱タンク２３に蓄えられた中温水と低温水のバランスを、蓄熱タンク２３内部に設置された水の温度を検出する温度検出手段３１により把握することができる。例えば、温度検出手段３１を蓄熱タンク２３の底部から容積に換算して４割の高さ付近に設置（図１の基準線Ｘに相当）しておき、温度検出手段３１の検出値と所定値を比較することで蓄熱タンク２３内の第１領域と第２領域の占有割合を予測することができる。
【００５５】
なお、本実施形態では温度検出手段を１個としたが、温度検出手段を蓄熱タンク２３の底部から容積に換算して異なる高さの位置に複数個設置することで、より正確に中温水と低温水の占有割合を把握することができる。
【００５６】
また、蓄熱回路２１の放熱器１２ｂの下流側には配管内水温度を検出する温度検出手段３５、前記バイパス管１７の水−冷媒熱交換器１８の下流側には冷媒温度を検出する温度検出手段３６、外気温度検出手段３３が設置されている。
【００５７】
さらに、これらの温度検出手段３３、３５、３６からの信号により、運転モードの切替や前記水ポンプ２５ｂの出力を制御する制御手段４０が備えられている。
【００５８】
次に、上記ヒートポンプ装置の動作について説明する。
【００５９】
まず、蓄熱運転モードについて説明する。圧縮機１１ａで吐出された中間圧力の冷媒は、圧縮機１１ｂにて高温高圧に圧縮され、放熱器１２ａおよび放熱器１２ｂにて水と熱交換して冷却される。放熱器１２ｂを流出した冷媒は膨張機構１３ａを通過し、中間圧力になった後、冷媒分離手段１６において気相冷媒を主成分とする冷媒と液相冷媒を主成分とする冷媒に分離される。気相冷媒を主成分とする冷媒は、バイパス管１７に流入し、圧縮機１１ａから吐出される中間圧冷媒と合流して圧縮機１１ｂに戻る。液相冷媒を主成分とする冷媒は、膨張機構１３ｂによって低圧圧力まで減圧膨張され、蒸発器１４において周囲大気の熱エネルギーを取り込み、再び圧縮機１１ａに戻る。この時、バイパス管１７を流れる気相冷媒を主成分とする冷媒は、温度検出手段３６によって検出された温度に対応した流量に流量調整弁１５によって調整される。
【００６０】
また、蓄熱タンク２３から蓄熱回路２１に流れ出た低温水は放熱器１２ｂで温められ中温水となり、再び蓄熱タンクに戻る。また、暖房回路２６を流れる水は、放熱器１２ａにて高温水となり、暖房端末２２にて室内空気などを暖め、暖房機能を発揮し、中温水となり再び放熱器１２ａに戻る。この時、蓄熱利用回路２４に設置されている水ポンプ２５ｂは作動しておらず、水−冷媒熱交換器１８に水を流し込まない。これらの動作により、蓄熱タンク２３内では、低温水が減少し、中温水が増加することで熱エネルギーが蓄えられる。
【００６１】
次に、蓄熱利用運転モードについて説明する。圧縮機１１ａで吐出された中間圧力の冷媒は、圧縮機１１ｂにて高温高圧に圧縮され、放熱器１２ａおよび放熱器１２ｂにて水と熱交換して冷却される。放熱器１２ｂを流出した冷媒は膨張機構１３ａを通過し、中間圧力になった後、冷媒分離手段１６において気相冷媒を主成分とする冷媒と液相冷媒を主成分とする冷媒に分離される。気相冷媒を主成分とする冷媒は、バイパス管１７に流入し、蓄熱利用回路を流れる中温水から熱を奪った後、圧縮機１１ａから吐出される中間圧冷媒と合流して圧縮機１１ｂに戻る。液相冷媒を主成分とする冷媒は、膨張機構１３ｂによって低圧圧力まで減圧膨張され、蒸発器１４において周囲大気の熱エネルギーを取り込み、再び圧縮機１１ａに戻る。
【００６２】
この時、バイパス管１７を流れる気相冷媒を主成分とする冷媒は、温度検出手段３６によって検出された温度に対応した流量に流量調整弁１５によって調整される。
【００６３】
また、蓄熱タンク２３から蓄熱回路２１に流れ出た低温水は放熱器１２ｂで温められ中温水となり再び蓄熱タンク２３に戻る。暖房回路２６を流れる中温水は、放熱器１２ａで温められ高温水となり、暖房端末２２にて室内空気などを暖め、暖房機能を発揮し、中温水となり再び蓄熱タンク２３に戻る。
【００６４】
この時、蓄熱利用回路２４に設置されている水ポンプ２５ｂは動作しており、水−冷媒熱交換器１８に水を流入させ、中温水が持つ熱エネルギーを冷媒に移動させ、低温水になった後、蓄熱タンク２３に戻る。
【００６５】
これらの動作により、蓄熱タンク２３に蓄えられた熱エネルギーを利用できるので、信頼性を保ちつつ、性能を向上させることができる。
【００６６】
また、冷媒分離手段１６により、大気エネルギーを回収することができない気相冷媒を蒸発器１４に流さずにおけるため、蒸発器１４での圧力損失が低減し、性能が向上する。
【００６７】
次に、暖房運転について説明する。圧縮機１１ａで吐出された中間圧力の冷媒は、圧縮機１１ｂにて高温高圧に圧縮され、放熱器１２ａにて水と熱交換して冷却され、放熱器１２ｂでは冷却されずに膨張機構１３ａを通過し、中間圧力になった後、冷媒分離手段１６において気相冷媒を主成分とする冷媒と液相冷媒を主成分とする冷媒に分離される。
【００６８】
気相冷媒を主成分とする冷媒は、バイパス管１７に流入し、圧縮機１１ａから吐出される中間圧冷媒と合流して圧縮機１１ｂに戻る。一方、液相冷媒を主成分とする冷媒は、膨張機構１３ｂによって低圧圧力まで減圧膨張され、蒸発器１４において周囲大気の熱エネルギーを取り込み、再び圧縮機１１ａに戻る。この時、バイパス管１７を流れる気相冷媒を主成分とする冷媒は、温度検出手段３６によって検出された温度に対応した流量に流量調整弁１５によって調整される。
【００６９】
また、暖房回路２６を流れる水は、放熱器１２ａにて高温水となり、暖房端末２２にて室内空気などを暖め、暖房機能を発揮し、中温水となり再び放熱器１２ａに戻る。この時、水ポンプ２５ａおよび水ポンプ２５ｂは動作させない。
【００７０】
これらの動作により、暖房運転では蓄熱回路２１および蓄熱利用回路２４に水を流し込まないため、水ポンプ２５ａおよび水ポンプ２５ｂが消費する動力が必要となくなる。
【００７１】
また、蓄熱回路２１および蓄熱利用回路２４、蓄熱タンク２３からの熱損失が無くなるため、消費エネルギーおよび熱損失を低減させることが可能となる。
【００７２】
この暖房システムを低コストで効率よく制御する方法について、図７、８のフローチャートを用いて説明する。
【００７３】
（１）外気温度を判断基準とした運転モードの切り替え制御
図７は、外気温度によって運転を切り替えるシステムの制御フローチャートである。
【００７４】
まず、ステップＳ２２で外気温度検出手段３３からの検出信号により外気温度Ｔａを検出し、ステップＳ２３に移る。
【００７５】
ステップＳ２３で外気温度Ｔａと閾値Ｔａ１１を比較する。外気温度Ｔａが閾値Ｔａ１１より大きければステップＳ２４に移り、外気温度Ｔａが閾値Ｔａ１１以下であればステップＳ２５に移る。
【００７６】
暖房システムは、ステップＳ２４では暖房運転を行い、ステップＳ２５では、蓄熱・蓄熱利用切替運転を行なう。これにより、外気温度が高く、吐出温度や吐出圧力が過剰上昇する恐れが少ない場合には暖房運転を行うことにより、水ポンプ２５ａ、２５ｂの動力低減、蓄熱回路、蓄熱利用回路、蓄熱タンクからの放熱損失の低減が可能となる。また、外気温度が低い場合には、吐出温度や吐出圧力の上昇を抑えながらも大気からの熱エネルギーを取り込むことが可能となるので、高信頼性で高効率な暖房システムを構築することが可能となる。
【００７７】
（２）蓄熱回路を流れる温水温度を判断基準とした運転モードの切り替え制御
図８は、蓄熱回路２１の放熱器１２ｂ下流側の配管に設置された温度検出手段３５によって検出された水温度により水ポンプ２５ｂの出力を変化させるシステムの制御フローチャートである。
【００７８】
まず、ステップＳ２６で水温度検出手段３５からの検出信号により水温度Ｔｋを検出し、ステップＳ２７に移る。
【００７９】
ステップＳ２７で水温度Ｔｋと閾値Ｔｋ１を比較する。水温度Ｔｋが閾値Ｔｋ１より大きければステップＳ２８に移り、水ポンプ出力ＰｚをＰｚ１だけ大きくする。また、水温度Ｔｋが閾値Ｔｋ１以下であればステップＳ２９に移る。
【００８０】
ステップＳ２９では、水温度Ｔｋと閾値Ｔｋ２を比較する。水温度Ｔｋが閾値Ｔｋ２より大きければ、水ポンプ出力を変化させず、水温度Ｔｋが閾値Ｔｋ２以下であればステップＳ３０に移り、水ポンプ出力ＰｚをＰｚ２だけ小さくする。
【００８１】
これにより、蓄熱タンク２３に蓄えられる中温水の温度および放熱器１２ｂ周囲の水温度を変化させることができるので、冷凍サイクルを効率よく運転することができ、低コストで高効率な暖房システムを構築することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明にかかるヒートポンプ装置は、特に寒冷地で運転される蓄熱式の高温暖房システムの効率を向上させることができ、給湯機、冷凍・空調機器など、他の用途のヒートポンプ装置としても利用することができる。
【符号の説明】
【００８３】
１０    冷媒回路
１１ａ    第１圧縮機
１１ｂ    第２圧縮機
１２ａ    第１放熱器
１２ｂ    第２放熱器
１３ａ    第１膨張機構
１３ｂ    第２膨張機構
１４    蒸発器
１５    流量調整弁
１６    冷媒分離手段
１７    バイパス回路
１８    水−冷媒熱交換器
２１    蓄熱回路
２２    暖房端末
２３    蓄熱タンク
２４    蓄熱利用回路
２５ａ    第１水ポンプ
２５ｂ    第２水ポンプ
２６    暖房回路
３１    蓄熱タンク温度検出手段
３２    時刻検出手段
３３    外気温度検出手段
３４    第１水温度検出手段
３５    第２水温度検出手段
３６    冷媒温度検出手段
４０    制御手段
【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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