(57)【要約】【課題】始動性の低下を回避しつつ、低段側圧縮機のシェル内部からの潤滑油の流出を防ぐヒートポンプ装置、を提供する。【解決手段】ヒートポンプ装置は、利用側熱交換器（３３）および熱源側熱交換器（３７）と、潤滑油を収容するシェルを有し、利用側熱交換器（３３）または熱源側熱交換器（３７）から送られる冷媒を圧縮する低段側圧縮機（３１）と、低段側圧縮機（３１）から送出される冷媒を圧縮する高段側圧縮機（３２）と、高段側圧縮機（３２）から送出される冷媒が流れる冷凍回路（２１）上に設けられ、冷凍回路（２１）の開度を調節可能な開度調節部（３４）と、ヒートポンプ装置の運転を終了させる際に、開度調節部（３４）により冷凍回路（２１）の開度を縮小しつつ、低段側圧縮機（３１）の作動を停止するステップと、その後に高段側圧縮機（３２）の作動を停止するステップとを実行する制御部（５０）とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートポンプサイクルを構成する冷凍回路上に設けられ、冷媒と、利用流体および熱源との間でそれぞれ熱交換を行なう利用側熱交換器および熱源側熱交換器と、
潤滑油を収容するシェルを有し、前記利用側熱交換器または前記熱源側熱交換器から送られる冷媒を前記シェル内で圧縮する低段側圧縮機と、
前記低段側圧縮機から送出される冷媒を圧縮する高段側圧縮機と、
前記高段側圧縮機から送出される冷媒が流れる冷凍回路上に設けられ、冷凍回路の開度を調節可能な開度調節部と、
ヒートポンプ装置の運転を終了させる際に、前記開度調節部により冷凍回路の開度を縮小しつつ、前記低段側圧縮機の作動を停止するステップと、前記低段側圧縮機の作動を停止するステップの後に、前記高段側圧縮機の作動を停止するステップとを実行するように、前記低段側圧縮機、前記高段側圧縮機および前記開度調節部を制御する制御部とを備える、ヒートポンプ装置。
【請求項２】
前記制御部は、ヒートポンプ装置の運転の終了から再始動までの間、前記開度調節部により冷凍回路を遮断するステップを実行する、請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【請求項３】
前記制御部は、ヒートポンプ装置の運転の終了から再始動までの間、前記低段側圧縮機の作動を停止しつつ、前記高段側圧縮機を所定時間、作動させるステップを実行する、請求項１または２に記載のヒートポンプ装置。
【請求項４】
前記低段側圧縮機に関係する温度を検出する温度検出部をさらに備え、
前記制御部は、前記温度検出部で検出された温度に基づいて、前記高段側圧縮機の作動を制御する、請求項３に記載のヒートポンプ装置。
【請求項５】
前記シェル内の圧力を検出する圧力検出部をさらに備え、
前記制御部は、前記温度検出部で検出された温度および前記圧力検出部で検出された圧力に基づいて、前記高段側圧縮機の作動を制御する、請求項４に記載のヒートポンプ装置。
【請求項６】
前記利用側熱交換器と前記熱源側熱交換器との間の前記冷凍回路上に設けられ、冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器と、
前記利用側熱交換器と前記気液分離器との間の前記冷凍回路上に設けられ、冷媒を減圧する第１減圧装置と、
前記気液分離器と前記熱源側熱交換器との間の前記冷凍回路上に設けられ、冷媒を減圧する第２減圧装置と、
前記気液分離器で分離された気相の冷媒の一部を、前記低段側圧縮機と前記高段側圧縮機との間の前記冷凍回路に導くインジェクション回路上に設けられ、前記インジェクション回路における冷媒流れを許容または制限するバルブとを備える、請求項１から５のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項７】
前記第１減圧装置は、前記開度調節部として設けられる、請求項６に記載のヒートポンプ装置。
【請求項８】
ヒートポンプサイクルを構成する冷凍回路上に設けられ、冷媒と、利用流体および熱源との間でそれぞれ熱交換を行なう利用側熱交換器および熱源側熱交換器と、
前記熱源側熱交換器から送られる冷媒を圧縮する低段側圧縮機と、
前記低段側圧縮機から送出される冷媒を圧縮する高段側圧縮機と、
熱源および前記熱源側熱交換器に供給される冷媒の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部により検出された冷媒の温度が熱源の温度よりも高い場合に、前記高段側圧縮機の排除容積が増大するように前記高段側圧縮機を制御する制御部とを備える、ヒートポンプ装置。
【請求項９】
前記利用側熱交換器と前記熱源側熱交換器との間の前記冷凍回路上に設けられ、冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器と、
前記利用側熱交換器と前記気液分離器との間の前記冷凍回路上に設けられ、冷媒を減圧する第１減圧装置と、
前記気液分離器と前記熱源側熱交換器との間の前記冷凍回路上に設けられ、冷媒を減圧する第２減圧装置と、
前記気液分離器で分離された気相の冷媒の一部を、前記低段側圧縮機と前記高段側圧縮機との間の前記冷凍回路に導くインジェクション回路上に設けられ、前記インジェクション回路における冷媒流れを許容または制限するバルブとを備える、請求項８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】
この発明は、一般的には、ヒートポンプ装置に関し、より特定的には、ヒートポンプサイクルを構成する冷凍回路上に低段側圧縮機および高段側圧縮機を備えた複数段圧縮式のヒートポンプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のヒートポンプ装置に関して、たとえば、特開２０１２−２４７１５４号公報には、圧縮機からのオイル流出の抑制を図ることを目的とした、複数段圧縮式冷凍サイクル装置が開示されている（特許文献１）。
【０００３】
特許文献１に開示された複数段圧縮式冷凍サイクル装置は、その起動時に、低段側圧縮機および高段側圧縮機の回転数を、最大能力を発揮する最大回転数に対して低速の回転数で運転を開始し、段階的に回転数を上昇させる。また別の制御として、複数段圧縮式冷凍サイクル装置は、その起動時に、まず高段側圧縮機のみを駆動し、一定時間経過した後に、低段側圧縮機の駆動を開始する。
【０００４】
また、特開２００７−２７８６８６号公報には、二酸化炭素を冷媒とした寒冷地向けヒートポンプ給湯機に対応させた場合に、ガスインジェクションでは高圧側冷媒循環量が十分に得られず、加熱能力が低下するという問題を解決することを目的とした、ヒートポンプ給湯機が開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示されたヒートポンプ給湯機は、低段側圧縮機構、中間接続部および高段側圧縮機構を収納する２段圧縮機を備える。低段側圧縮機構の排除容積に対する高段側圧縮機構の排除容積の比率が０．６以上かつ０．８以下に設定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−２４７１５４号公報
【特許文献２】特開２００７−２７８６８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の特許文献に開示されるように、冷凍回路上に低段側圧縮機および高段側圧縮機を備えた複数段圧縮式のヒートポンプ装置が知られている。
【０００７】
このようなヒートポンプ装置においては、ヒートポンプ装置の運転の終了のため圧縮機の作動を停止させると、圧縮機のシェル内部の潤滑油に冷媒が混合した状態（以下、「冷媒の寝込み状態」ともいう）が生じる場合がある。その状態からヒートポンプ装置の再始動のため圧縮機を作動させると、低段側圧縮機のシェル内部が、高段側圧縮機のシェル内部とバランスする圧力から中間圧力に急激に低下する。このとき、潤滑油に混合した冷媒が蒸発して、その気相冷媒とともに巻き上げられた潤滑油が低段側圧縮機のシェル内部から流出する懸念が生じる。
【０００８】
一方、特許文献１に開示された複数段圧縮式冷凍サイクル装置においては、圧縮機からのオイル流出の抑制を図るために、冷凍サイクル装置の起動時に、低段側圧縮機および高段側圧縮機の回転数を段階的に上昇させたり、まず高段側圧縮機を作動させ、そのあとに低段側圧縮機を作動させたりしている。しかしながら、このような制御方法では、低段側圧縮機および高段側圧縮機のそれぞれが所望の回転数で動作するまでに時間を要するため、ヒートポンプ装置の始動性が悪化する。
【０００９】
そこでこの発明の１つの目的は、上記の課題を解決することであり、始動性の悪化を回避しつつ、低段側圧縮機のシェル内部からの潤滑油の流出を防ぐヒートポンプ装置を提供することである。
【００１０】
続いて、上述の特許文献２に開示されたヒートポンプ給湯機においては、−２０℃程度の低外気温から２５℃程度の高外気温までの運転範囲で効率よく運転するために、低段側圧縮機構の排除容積に対する高段側圧縮機構の排除容積の比率が一定範囲に設定されている。しかしながら、特許文献２における２段圧縮機は、１つのシェル内に設けられた低段側圧縮機構および高段側圧縮機構に共通のピストンを用いた構造であり、低段側圧縮機構および高段側圧縮機構のピストンの回転数は常に同一となる。この場合、低段側圧縮機構および高段側圧縮機構の排除容積比は、ピストンの回転数によらず、シリンダの体積比と同じ一定値となる。一方、外気温等の運転条件の変化に伴って最も効率のよい排除容積比は変化するため、特許文献２に開示されたヒートポンプ給湯機では、外気温等の変化に応じた運転を行なうことができない。
【００１１】
また、冷媒の蒸発温度と蒸発圧力との関係は、冷媒の温度が低いほど圧力変化に対する温度低下が大きくなる。すなわち、冷媒流量が同じ条件のもと蒸発温度が高い場合と低い場合とを比較した場合、熱源側熱交換器における圧力損失は、蒸発温度が低いほど（つまり、外気温が低いほど）蒸発温度の変化に大きく影響する。このため、熱源側熱交換器の冷媒の入口温度および出口温度の温度差は、蒸発温度が低い場合に大きくなり、たとえば、低圧側圧縮機構の冷媒の吸い込み圧力が同じ場合であっても、熱源側熱交換器の入口における冷媒温度が、熱源の温度である外気温より高くなる場合も生じ得る。
【００１２】
この場合、熱源側熱交換器の入口付近において、本来行なわれるべき外気から冷媒への吸熱が冷媒から外気への放熱に置き換わるため、ヒートポンプサイクルの効率低下を招く問題が生じる。
【００１３】
そこでこの発明の別の目的は、上記の課題を解決することであり、ヒートポンプサイクルの効率低下を防ぐヒートポンプ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明の１つの局面に従ったヒートポンプ装置は、ヒートポンプサイクルを構成する冷凍回路上に設けられ、冷媒と、利用流体および熱源との間でそれぞれ熱交換を行なう利用側熱交換器および熱源側熱交換器と、潤滑油を収容するシェルを有し、利用側熱交換器または熱源側熱交換器から送られる冷媒をシェル内で圧縮する低段側圧縮機と、低段側圧縮機から送出される冷媒を圧縮する高段側圧縮機と、高段側圧縮機から送出される冷媒が流れる冷凍回路上に設けられ、冷凍回路の開度を調節可能な開度調節部と、ヒートポンプ装置の運転を終了させる際に、開度調節部により冷凍回路の開度を縮小しつつ、低段側圧縮機の作動を停止するステップと、低段側圧縮機の作動を停止するステップの後に、高段側圧縮機の作動を停止するステップとを実行するように、低段側圧縮機、高段側圧縮機および開度調節部を制御する制御部とを備える。
【００１５】
また好ましくは、制御部は、ヒートポンプ装置の運転の終了から再始動までの間、開度調節部により冷凍回路を遮断するステップを実行する。
【００１６】
また好ましくは、制御部は、ヒートポンプ装置の運転の終了から再始動までの間、低段側圧縮機の作動を停止しつつ、高段側圧縮機を所定時間、作動させるステップを実行する。
【００１７】
また好ましくは、ヒートポンプ装置は、低段側圧縮機に関係する温度を検出する温度検出部をさらに備える。制御部は、温度検出部で検出された温度に基づいて、高段側圧縮機の作動を制御する。
【００１８】
なお、低段側圧縮機に関係する温度とは、低段側圧縮機における冷媒の寝込み状態を判定するに際して、指標となり得る温度であり、低段側圧縮機の温度や低段側圧縮機のシェル内の温度、低段側圧縮機の周囲の外気温等である。
【００１９】
また好ましくは、ヒートポンプ装置は、シェル内の圧力を検出する圧力検出部をさらに備える。制御部は、温度検出部で検出された温度および圧力検出部で検出された圧力に基づいて、高段側圧縮機の作動を制御する。
【００２０】
また好ましくは、ヒートポンプ装置は、利用側熱交換器と熱源側熱交換器との間の冷凍回路上に設けられ、冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器と、利用側熱交換器と気液分離器との間の冷凍回路上に設けられ、冷媒を減圧する第１減圧装置と、気液分離器と熱源側熱交換器との間の冷凍回路上に設けられ、冷媒を減圧する第２減圧装置と、気液分離器で分離された気相の冷媒の一部を、低段側圧縮機と高段側圧縮機との間の冷凍回路に導くインジェクション回路上に設けられ、インジェクション回路における冷媒流れを許容または制限するバルブとを備える。
【００２１】
また好ましくは、第１減圧装置は、開度調節部として設けられる。
この発明の別の局面に従ったヒートポンプ装置は、ヒートポンプサイクルを構成する冷凍回路上に設けられ、冷媒と、利用流体および熱源との間でそれぞれ熱交換を行なう利用側熱交換器および熱源側熱交換器と、熱源側熱交換器から送られる冷媒を圧縮する低段側圧縮機と、低段側圧縮機から送出される冷媒を圧縮する高段側圧縮機と、熱源および熱源側熱交換器に供給される冷媒の温度を検出する温度検出部と、温度検出部により検出された冷媒の温度が熱源の温度よりも高い場合に、高段側圧縮機の排除容積が増大するように高段側圧縮機を制御する制御部とを備える。
【００２２】
なお、高段側圧縮機の排除容積とは、高段側圧縮機から吐出される冷媒の体積流量を意味する。
【００２３】
また好ましくは、ヒートポンプ装置は、利用側熱交換器と熱源側熱交換器との間の冷凍回路上に設けられ、冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器と、利用側熱交換器と気液分離器との間の冷凍回路上に設けられ、冷媒を減圧する第１減圧装置と、気液分離器と熱源側熱交換器との間の冷凍回路上に設けられ、冷媒を減圧する第２減圧装置と、気液分離器で分離された気相の冷媒の一部を、低段側圧縮機と高段側圧縮機との間の冷凍回路に導くインジェクション回路上に設けられ、インジェクション回路における冷媒流れを許容または制限するバルブとを備える。
【発明の効果】
【００２４】
この発明の１つの局面に従ったヒートポンプ装置によれば、始動性の低下を回避しつつ、低段側圧縮機のシェル内部からの潤滑油の流出を防ぐヒートポンプ装置を提供することができる。
【００２５】
また、この発明の別の局面に従ったヒートポンプ装置によれば、ヒートポンプサイクルの効率低下を防ぐヒートポンプ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の実施の形態１におけるヒートポンプ装置を示す回路図である。
【図２】図１中のヒートポンプ装置の運転終了時の、低段側圧縮機および高段側圧縮機の回転数の変化を示すグラフである。
【図３】この発明の実施の形態２におけるヒートポンプ装置において、ヒートポンプ装置の運転終了後の高段側圧縮機の回転数の変化を示すグラフである。
【図４】この発明の実施の形態３におけるヒートポンプ装置を示す回路図である。
【図５】この発明の実施の形態３におけるヒートポンプ装置において、ヒートポンプ装置の運転終了後の高段側圧縮機の回転数の変化を示すグラフである。
【図６】この発明の実施の形態４におけるヒートポンプ装置において、ヒートポンプ装置の運転終了後の高段側圧縮機の回転数の変化を示すグラフである。
【図７】冷媒（Ｒ４１０Ａ）の飽和蒸気圧力と温度との関係を示すグラフである。
【図８】この発明の実施の形態５におけるヒートポンプ装置を示す回路図である。
【図９】冷媒（Ｒ４１０Ａ）の圧力と密度との関係を示すグラフである。
【図１０】冷媒（Ｒ４１０Ａ）の圧力と温度（気液二相状態時）との関係を示すグラフである。
【図１１】図８中のヒートポンプ装置によるヒートポンプサイクルを示すモリエル線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１におけるヒートポンプ装置を示す回路図である。図１を参照して、本実施の形態におけるヒートポンプ装置１０は、冷凍回路２１と、冷凍回路２１に接続されるインジェクション回路２２およびバイパス回路２３とを有する。これらの回路には、冷媒として、たとえばＲ４１０が封入されている。
【００２９】
冷凍回路２１は、環状に延びて、ヒートポンプサイクルを構成している。冷凍回路２１の経路上には、利用側熱交換器３３および熱源側熱交換器３７が設けられている。利用側熱交換器３３は、ヒートポンプサイクルを循環する冷媒と、利用流体（水または空気）との間で熱交換を行なう。熱源側熱交換器３７は、ヒートポンプサイクルを循環する冷媒と、熱源（外気）との間で熱交換を行なう。
【００３０】
冷凍回路２１の経路上には、第１膨張弁３４、気液分離器３５および第２膨張弁３６がさらに設けられている。
【００３１】
第１膨張弁３４、気液分離器３５および第２膨張弁３６は、冷凍回路２１における冷媒の流れ方向において直列に並んでいる。利用側熱交換器３３から熱源側熱交換器３７に向かう冷凍回路２１の経路上において、第１膨張弁３４、気液分離器３５および第２膨張弁３６は挙げた順に並んでいる。すなわち、気液分離器３５は、利用側熱交換器３３と熱源側熱交換器３７との間に設けられている。第１膨張弁３４は、利用側熱交換器３３と気液分離器３５との間に設けられている。第２膨張弁３６は、気液分離器３５と熱源側熱交換器３７との間に設けられている。
【００３２】
第１膨張弁３４は、利用側熱交換器３３から送られた冷媒を減圧する第１減圧装置として設けられている。気液分離器３５は、第１膨張弁３４から送られた冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する。気液分離器３５は、気相冷媒が配置される気相冷媒空間３５ａと、液相冷媒が配置される液相冷媒空間３５ｂとを有する。第２膨張弁３６は、気液分離器３５から送られた液相冷媒を減圧する第２減圧装置として設けられている。
【００３３】
冷凍回路２１の経路上には、低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２がさらに設けられている。
【００３４】
低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２は、熱源側熱交換器３７と利用側熱交換器３３との間に設けられている。冷凍回路２１の経路上において、低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２は、利用側熱交換器３３および熱源側熱交換器３７を挟んで、第１膨張弁３４、気液分離器３５および第２膨張弁３６の反対側に設けられている。低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２は、冷凍回路２１における冷媒の流れ方向において直列に並んでいる。熱源側熱交換器３７から利用側熱交換器３３に向かう冷凍回路２１の経路上において、低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２は挙げた順に並んでいる。すなわち、低段側圧縮機３１は、熱源側熱交換器３７と高段側圧縮機３２との間に設けられている。高段側圧縮機３２は、低段側圧縮機３１と利用側熱交換器３３との間に設けられている。
【００３５】
低段側圧縮機３１は、熱源側熱交換器３７から送られた冷媒を圧縮する低圧側の圧縮機として設けられている。高段側圧縮機３２は、低段側圧縮機３１から送られた冷媒をさらに圧縮する高圧側の圧縮機として設けられている。
【００３６】
代表的な例として、低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２は、ロータリ式の圧縮機であり、各圧縮機は、圧縮空間を形成するシェルと、圧縮空間の容積を変動させるようにシェル内で回転するピストンとを有する。各圧縮機のシェルには、一定量の潤滑油が収容されている。
【００３７】
低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２は、冷媒の吐出容量を制御可能な可変容量型の圧縮機であり、本実施の形態では、ピストンの回転数を変更可能なインバータ仕様の圧縮機である。低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２は、互いに独立して制御可能であり、本実施の形態では、低段側圧縮機３１のピストンの回転数と、高段側圧縮機３２のピストンの回転数とを互いに独立して制御可能である。
【００３８】
インジェクション回路２２は、気液分離器３５で分離された気相冷媒または気液二相冷媒の一部を、低段側圧縮機３１と高段側圧縮機３２との間の冷凍回路２１へと導くように設けられている。
【００３９】
より具体的には、インジェクション回路２２は、その両端が、気液分離器３５の気相冷媒空間３５ａと、低段側圧縮機３１と高段側圧縮機３２との間の冷凍回路２１とにそれぞれ繋がるように設けられている。インジェクション回路２２の冷媒入り口は、気液分離器３５の気相冷媒空間３５ａに接続され、インジェクション回路２２の冷媒出口は、低段側圧縮機３１と高段側圧縮機３２との間の冷凍回路２１に接続されている。
【００４０】
インジェクション回路２２の経路上には、第２二方弁４１が設けられている。第２二方弁４１は、インジェクション回路２２における冷媒流れを許容または制限するバルブとして設けられている。
【００４１】
図中には、暖房（加熱）運転時の冷媒流れが矢印で示されている。暖房（加熱）運転時の冷媒流れについて説明すると、まず、高段側圧縮機３２から吐出されたガス冷媒は、利用側熱交換器３３に流入し、凝縮した高温の液冷媒となる。このとき、冷媒から利用流体への放熱によって利用流体が加熱される。高温の液冷媒が第１膨張弁３４を通過することによって、冷媒の圧力、温度が低下する。
【００４２】
次に、冷媒は、気液分離器３５に流入して、気相と液相とに分離される。分離された液冷媒が第２膨張弁３６を通過することによって、冷媒の圧力、温度がさらに低下する。次に、冷媒が熱源側熱交換器３７を通過することによって、冷媒は外気から吸熱して蒸発する。冷媒は、低段側圧縮機３１に注入して、中間圧力まで圧縮される。
【００４３】
一方、気液分離器３５で気相冷媒空間３５ａに分離された冷媒（インジェクション冷媒）は、インジェクション回路２２を通って、低段側圧縮機３１から吐出された冷媒と合流する。インジェクション冷媒の温度は、低段側圧縮機３１から吐出された冷媒の温度よりも低いため、インジェクション冷媒合流後の冷媒温度は、低下する。
【００４４】
暖房（加熱）運転時、外気温が低温になって蒸発圧力が低下すると圧縮比が大きくなるが、低段側圧縮機３１における圧縮工程の後であって、高段側圧縮機３２による圧縮工程の前の段階で、中間圧の冷媒にインジェクション冷媒を注入して冷媒流量を増大させることによって、吐出温度を異常に上昇させることなく暖房（加熱）能力を確保することができる。
【００４５】
バイパス回路２３は、低段側圧縮機３１から送られた冷媒を高段側圧縮機３２を迂回させて、利用側熱交換器３３に導くように設けられている。より具体的には、バイパス回路２３は、その両端が、低段側圧縮機３１と高段側圧縮機３２との間の冷凍回路２１と、高段側圧縮機３２と利用側熱交換器３３との間の冷凍回路２１とにそれぞれ繋がるように設けられている。
【００４６】
バイパス回路２３の経路上には、第１二方弁３９が設けられている。第１二方弁３９は、バイパス回路２３における冷媒流れを許容または制限するバルブとして設けられている。
【００４７】
二段圧縮運転時、第１二方弁３９が閉状態とされ、低段側圧縮機３１から吐出された冷媒は高段側圧縮機３２に導かれる。一段圧縮運転時、第１二方弁３９が開状態とされ、低段側圧縮機３１から吐出された冷媒はバイパス回路２３を通って利用側熱交換器３３に直接向かう。このとき、第２二方弁４１は閉状態とされる。一段圧縮運転は、主に、冷房運転時や給湯温度と外気温との温度差が小さく、凝縮圧力と蒸発圧力との圧力差が小さいときに利用され、二段圧縮運転は、主に、給湯温度と外気温との温度差が大きいときに利用される。
【００４８】
ヒートポンプ装置１０は、暖房（加熱）運転および冷房（冷却）運転の切り換えを可能とするための四方弁５２をさらに有する。
【００４９】
四方弁５２は、暖房（加熱）運転時、低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２（一段圧縮運転時の場合、低段側圧縮機３１のみ）により吐出された冷媒が利用側熱交換器３３に送られ、冷房（冷却）運転時、低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２（一段圧縮運転時の場合、低段側圧縮機３１のみ）により吐出された冷媒が熱源側熱交換器３７に送られるように、冷媒流れを制御する。
【００５０】
図２は、図１中のヒートポンプ装置の運転終了時の、低段側圧縮機および高段側圧縮機の回転数の変化を示すグラフである。図中では、低段側圧縮機３１の回転数の変化がライン１２０によって示され、高段側圧縮機３２の回転数の変化がライン１１０によって示されている。
【００５１】
図１および図２を参照して、ヒートポンプ装置１０は、制御部５０をさらに有する。制御部５０は、ヒートポンプ装置１０の運転終了時、第１膨張弁３４により冷凍回路２１の開度を縮小しつつ、低段側圧縮機３１の作動を停止するステップと、低段側圧縮機３１の作動を停止するステップの後に、高段側圧縮機３２の作動を停止するステップとを実行するように、低段側圧縮機３１、高段側圧縮機３２および第１膨張弁３４を制御する。
【００５２】
制御部５０は、さらに、ヒートポンプ装置１０の運転の終了から再始動までの間、第１膨張弁３４により冷凍回路２１を遮断するステップを実行する。
【００５３】
より具体的に説明すると、ヒートポンプ装置１０の運転終了に入る際、低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２は、それぞれ、回転数Ｎ１および回転数Ｎ２で作動している。まず、低段側圧縮機３１を停止させ（時刻ｔ１）、所定時間ｔ２−ｔ１だけ、高段側圧縮機３２のみを作動させる。このとき、第１膨張弁３４の弁開度を全閉または高段側圧縮機３２が停止しない程度の弁開度として、冷凍回路２１の開度を縮小する。これにより、低段側圧縮機３１のシェル内が減圧され、シェル内部で寝込み状態にある冷媒が気化する。
【００５４】
次に、高段側圧縮機３２を停止する（時刻ｔ２）。高段側圧縮機３２のみを作動させる所定時間ｔ２−ｔ１や、そのときの高段側圧縮機３２の回転数Ｎ２については、寝込み状態にある冷媒を気化するのに必要十分な時間を実験で求めるなどして、事前に定めておく。次に、ヒートポンプ装置１０の運転の終了から再始動までの間、第１膨張弁３４の弁開度を全閉として、高段側圧縮機３２から低段側圧縮機３１に向かう冷凍回路２１を遮蔽する。
【００５５】
このように構成された、この発明の実施の形態１におけるヒートポンプ装置１０によれば、ヒートポンプ装置１０の運転終了時に高段側圧縮機３２のみを作動させるタイミングを設けることによって、低段側圧縮機３１のシェル内部で寝込み状態にある冷媒を気化させ、冷媒の寝込み状態を解消することができる。これにより、ヒートポンプ装置１０の再始動時に、低段側圧縮機３１のシェル内部から潤滑油が流出する現象を防ぐことができる。本実施の形態では、ヒートポンプ装置１０の再始動時の低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２の制御には影響がないため、ヒートポンプ装置１０の始動性を良好に保つことができる。
【００５６】
また、ヒートポンプ装置１０の運転の終了から再始動までの間、高段側圧縮機３２から低段側圧縮機３１に向かう冷凍回路２１を遮蔽することによって、低段側圧縮機３１のシェル内部が減圧された状態を保持することができる。これにより、ヒートポンプ装置１０の再始動までの間に冷媒の寝込み状態が発生することを防止できる。
【００５７】
なお、本実施の形態では、ヒートポンプ装置１０の運転終了時に、第１膨張弁３４を用いて低段側圧縮機３１に通じる冷凍回路２１の開度を縮小する構成としたが、本発明はこのような構成に限られない。たとえば、第１膨張弁３４に加えて、インジェクション回路２２上の第２二方弁４１を用いてもよいし、第２二方弁４１だけを用いてもよい。また、低段側圧縮機３１の吸い込み口に通じる冷凍回路２１の開度を縮小することを意図して、第２膨張弁３６を組み合わせて用いてもよい。また、既存のバルブではなく、ヒートポンプ装置１０の運転終了時に低段側圧縮機３１への冷媒の流入を抑えるためのバルブを別に設けてもよい。
【００５８】
また、ヒートポンプ装置１０の運転再開時、つまり低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２の作動を開始する時に、第１膨張弁３４を全閉状態から所定の弁開度にするか、第１二方弁３９を開くステップを実行してもよい。これにより、高段側圧縮機３２の吐出口と吸い込み口との間に発生した圧力差を解消し、ヒートポンプ装置１０の始動性を向上させることができる。
【００５９】
（実施の形態２）
本実施の形態におけるヒートポンプ装置は、実施の形態１におけるヒートポンプ装置と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造についてはその説明を繰り返さない。
【００６０】
図３は、この発明の実施の形態２におけるヒートポンプ装置において、ヒートポンプ装置の運転終了後の高段側圧縮機の回転数の変化を示すグラフである。図中では、高段側圧縮機３２の回転数の変化がライン１３０によって示されている。
【００６１】
図３を参照して、本実施の形態では、制御部５０が、ヒートポンプ装置の運転の終了から再始動までの間、低段側圧縮機３１の作動を停止しつつ、高段側圧縮機３２を所定時間、作動させるステップを実行する。
【００６２】
より具体的に説明すると、ヒートポンプ装置の運転の終了後、低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２は停止している。ヒートポンプサイクルの停止後、冷媒の寝込み状態を十分に防止できると想定される時間（ｔ２（図２を参照のこと）−ｔ３）を経過した時点で高段側圧縮機３２を回転数Ｎ３で作動させる（時刻ｔ３）。次に、所定時間（ｔ４−ｔ３）経過した後、高段側圧縮機３２を停止させる（時刻ｔ４）。高段側圧縮機３２の停止後、再び所定時間（ｔ５−ｔ４）を経過し、ヒートポンプサイクルの暖房運転や除霜運転が開始されなかった場合に、高段側圧縮機３２の作動サイクルを繰り返す。この間、低段側圧縮機３１は、常に停止状態とする。
【００６３】
なお、高段側圧縮機３２の停止時間や運転時間、高段側圧縮機３２の回転数Ｎ３については、寝込み状態にある冷媒を気化するのに必要十分な時間を実験で求めるなどして、事前に定めておく。
【００６４】
以上に説明した、この発明の実施の形態２におけるヒートポンプ装置によれば、実施の形態１に記載の効果を同様に奏することができる。加えて、ヒートポンプ装置の運転の終了後、高段側圧縮機３２を定期的に作動させることによって、低段側圧縮機３１のシェル内の減圧状態を回復することができる。これにより、ヒートポンプ装置１０の再始動までの間に冷媒の寝込み状態が発生することをより確実に防止できる。
【００６５】
（実施の形態３）
本実施の形態におけるヒートポンプ装置は、実施の形態２におけるヒートポンプ装置と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造についてはその説明を繰り返さない。
【００６６】
図４は、この発明の実施の形態３におけるヒートポンプ装置を示す回路図である。図５は、この発明の実施の形態３におけるヒートポンプ装置において、ヒートポンプ装置の運転終了後の高段側圧縮機の回転数の変化を示すグラフである。図中では、高段側圧縮機３２の回転数の変化がライン１３０によって示されている。
【００６７】
図４および図５を参照して、本実施の形態におけるヒートポンプ装置は、低段側圧縮機３１に関係する温度を検出する温度検出部４５をさらに有する。具体的には、温度検出部４５は、低段側圧縮機３１の温度（たとえば、外ケースの温度）や、低段側圧縮機３１のシェル内の温度、低段側圧縮機３１の周囲の外気温など、低段側圧縮機３１における冷媒の寝込み状態を判定するに際して指標となる温度を検出する。
【００６８】
ヒートポンプ装置の運転の終了から再始動までの間、制御部５０は、温度検出部４５で検出された温度に基づいて、ヒートポンプ装置の運転終了後の高段側圧縮機３２の作動を制御する。
【００６９】
より具体的に説明すると、ヒートポンプ装置の運転の終了後、低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２は停止している。ヒートポンプサイクルの停止後、温度検出部４５により低段側圧縮機３１に関係する温度を検出し、冷媒の寝込み状態が発生すると思われる温度低下ΔＴ（Ｔ２−Ｔ１）が認められた時に、高段側圧縮機３２を回転数Ｎ３で作動させる。次に、所定時間経過した後、高段側圧縮機３２を停止させる。以降、高段側圧縮機３２の作動サイクルを定期的に繰り返す。この間、低段側圧縮機３１は、常に停止状態とする。
【００７０】
なお、冷媒の寝込み状態が発生すると思われる温度低下ΔＴや高段側圧縮機３２の運転時間、高段側圧縮機３２の回転数Ｎ３については、寝込み状態にある冷媒を気化するのに必要十分な時間を実験で求めるなどして、事前に定めておく。
【００７１】
以上に説明した、この発明の実施の形態３におけるヒートポンプ装置によれば、実施の形態２に記載の効果を同様に奏することができる。
【００７２】
（実施の形態４）
本実施の形態におけるヒートポンプ装置は、実施の形態３におけるヒートポンプ装置と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造についてはその説明を繰り返さない。
【００７３】
図６は、この発明の実施の形態４におけるヒートポンプ装置において、ヒートポンプ装置の運転終了後の高段側圧縮機の回転数の変化を示すグラフである。図中では、高段側圧縮機３２の回転数の変化がライン１３０によって示されている。
【００７４】
図４および図６を参照して、本実施の形態におけるヒートポンプ装置は、低段側圧縮機３１のシェル内の温度を検出する温度検出部４５と、低段側圧縮機３１のシェル内の圧力を検出する圧力検出部４６とをさらに有する。ヒートポンプ装置の運転の終了から再始動までの間、制御部５０は、温度検出部４５で検出された温度および圧力検出部４６で検出された圧力に基づいて、高段側圧縮機３２の作動を制御する。
【００７５】
図７は、冷媒（Ｒ４１０Ａ）の飽和蒸気圧力と温度との関係を示すグラフである。図４、図６および図７を参照して、温度検出部４５で検出された温度および圧力検出部４６で検出された圧力に基づいて、低段側圧縮機３１における冷媒の寝込み状態を判定する方法について説明する。
【００７６】
本実施の形態では、圧力検出部４６で検出されたシェル内の圧力からヒートポンプサイクルに用いられている冷媒の飽和蒸気温度を導出し、その飽和蒸気温度より温度検出部４５で検出されたシェル内の温度が低い場合には、高段側圧縮機３２を作動させる。
【００７７】
たとえば、図７中のグラフにおいて圧力Ｐ１に対応する温度Ｔ１について見ると、圧力Ｐ１のとき、温度がＴ１より低いときは冷媒が気液二相状態となり、Ｔ１より高いときは冷媒がガス状態となる。つまり、ヒートポンプ装置の運転の終了直後、シェル内の圧力がＰ１となり、シェル内の温度がＴ１よりも高いＴ２である場合、低段側圧縮機３１のシェル内の冷媒はガス状態であると判断される。その後、シェル内から外部に放熱することにより、圧力Ｐ１の状態のままシェル内の温度がＴ１よりも低いＴ３となった場合、シェル内のガス冷媒が液化し、シェルの底部に液冷媒が停留していると判断される。
【００７８】
外気温自体が低下してシェル内の温度がさらに低下すると、圧力もＰ１よりも低いＰ２まで低下し、飽和蒸気温度も変化する。この場合、先と同様に、圧力Ｐ２に対応する温度Ｔ４と、検出されたシェル内の温度Ｔ３とを比較して、Ｔ３＞Ｔ４のときは低段側圧縮機３１のシェル内の冷媒はガス状態であると判断され、Ｔ３＜Ｔ４のときはシェル内の冷媒が一部液化して、シェルの底部に液冷媒が停留していると判断される。
【００７９】
このような方法により低段側圧縮機３１のシェルの底部に液冷媒が停留していると判断された時に、高段側圧縮機３２の作動を開始して、低段側圧縮機３１における冷媒の寝込み状態を解消する。
【００８０】
以上に説明した、この発明の実施の形態４におけるヒートポンプ装置によれば、実施の形態２に記載の効果を同様に奏することができる。
【００８１】
本発明の構成および作用効果についてまとめて説明すると、以下のとおりである。なお、発明の構成に実施の形態１〜４に記載の参照番号を付すが、これは一例である。
【００８２】
この発明の１つの局面に従ったヒートポンプ装置は、ヒートポンプサイクルを構成する冷凍回路（２１）上に設けられ、冷媒と、利用流体および熱源との間でそれぞれ熱交換を行なう利用側熱交換器（３３）および熱源側熱交換器（３７）と、潤滑油を収容するシェルを有し、利用側熱交換器（３３）または熱源側熱交換器（３７）から送られる冷媒をシェル内で圧縮する低段側圧縮機（３１）と、低段側圧縮機（３１）から送出される冷媒を圧縮する高段側圧縮機（３２）と、高段側圧縮機（３２）から送出される冷媒が流れる冷凍回路（２１）上に設けられ、冷凍回路（２１）の開度を調節可能な開度調節部（３４）と、ヒートポンプ装置の運転を終了させる際に、開度調節部（３４）により冷凍回路（２１）の開度を縮小しつつ、低段側圧縮機（３１）の作動を停止するステップと、低段側圧縮機（３１）の作動を停止するステップの後に、高段側圧縮機（３２）の作動を停止するステップとを実行するように、低段側圧縮機（３１）、高段側圧縮機（３２）および開度調節部（３４）を制御する制御部（５０）とを備える。
【００８３】
このように構成されたヒートポンプ装置によれば、ヒートポンプ装置の運転を終了させる際、低段側圧縮機のシェル内を減圧することにより、冷媒の寝込み状態を解消する。これにより、ヒートポンプ装置を再始動させる際の始動性の低下を回避しつつ、低段側圧縮機のシェル内部からの潤滑油の流出を防ぐことができる。
【００８４】
また好ましくは、制御部（５０）は、ヒートポンプ装置の運転の終了から再始動までの間、開度調節部（３４）により冷凍回路（２１）を遮断するステップを実行する。
【００８５】
このように構成されたヒートポンプ装置によれば、ヒートポンプ装置の運転の終了から再始動までの間、低段側圧縮機のシェル内の減圧状態を維持することができる。
【００８６】
また好ましくは、制御部（５０）は、ヒートポンプ装置の運転の終了から再始動までの間、低段側圧縮機（３１）の作動を停止しつつ、高段側圧縮機（３２）を所定時間、作動させるステップを実行する。
【００８７】
このように構成されたヒートポンプ装置によれば、低段側圧縮機のシェル内の減圧状態が損なわれることがあっても、これを回復することができる。
【００８８】
また好ましくは、ヒートポンプ装置は、低段側圧縮機（３１）に関係する温度を検出する温度検出部（４５）をさらに備える。制御部（５０）は、温度検出部（４５）で検出された温度に基づいて、高段側圧縮機（３２）の作動を制御する。
【００８９】
このように構成されたヒートポンプ装置によれば、低段側圧縮機のシェル内の減圧状態を回復するタイミングを適切に判断することができる。
【００９０】
また好ましくは、ヒートポンプ装置は、シェル内の圧力を検出する圧力検出部（４６）をさらに備える。制御部（５０）は、温度検出部（４５）で検出された温度および圧力検出部（４６）で検出された圧力に基づいて、高段側圧縮機（３２）の作動を制御する。
【００９１】
このように構成されたヒートポンプ装置によれば、低段側圧縮機のシェル内の減圧状態を回復するタイミングをさらに適切に判断することができる。
【００９２】
また好ましくは、ヒートポンプ装置は、利用側熱交換器（３３）と熱源側熱交換器（３７）との間の冷凍回路（２１）上に設けられ、冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器（３５）と、利用側熱交換器（３３）と気液分離器（３５）との間の冷凍回路（２１）上に設けられ、冷媒を減圧する第１減圧装置（３４）と、気液分離器（３５）と熱源側熱交換器（３７）との間の冷凍回路（２１）上に設けられ、冷媒を減圧する第２減圧装置（３６）と、気液分離器（３５）で分離された気相の冷媒の一部を、低段側圧縮機（３１）と高段側圧縮機（３２）との間の冷凍回路（２１）に導くインジェクション回路（２２）上に設けられ、インジェクション回路（２２）における冷媒流れを許容または制限するバルブ（４１）とを備える。
【００９３】
このように構成されたヒートポンプ装置によれば、始動性の低下を回避しつつ、低段側圧縮機のシェル内部からの潤滑油の流出を防ぐヒートポンプ装置を実現できる。
【００９４】
また好ましくは、第１減圧装置（３４）は、開度調節部として設けられる。
このように構成されたヒートポンプ装置によれば、ヒートポンプ装置の運転を終了させる際に、第１減圧装置により冷凍回路の開度を縮小することができる。
【００９５】
（実施の形態５）
図８は、この発明の実施の形態５におけるヒートポンプ装置を示す回路図である。図８を参照して、本実施の形態におけるヒートポンプ装置６０は、冷凍回路２１と、冷凍回路２１に接続されるインジェクション回路２２およびバイパス回路２３とを有する。これらの回路には、冷媒として、たとえばＲ４１０が封入されている。
【００９６】
冷凍回路２１は、環状に延びて、ヒートポンプサイクルを構成している。冷凍回路２１の経路上には、利用側熱交換器３３および熱源側熱交換器３７が設けられている。利用側熱交換器３３は、ヒートポンプサイクルを循環する冷媒と、利用流体（水または空気）との間で熱交換を行なう。熱源側熱交換器３７は、ヒートポンプサイクルを循環する冷媒と、熱源（室外空気）との間で熱交換を行なう。
【００９７】
冷凍回路２１の経路上には、第１膨張弁３４、気液分離器３５および第２膨張弁３６がさらに設けられている。
【００９８】
第１膨張弁３４、気液分離器３５および第２膨張弁３６は、冷凍回路２１における冷媒の流れ方向において直列に並んでいる。利用側熱交換器３３から熱源側熱交換器３７に向かう冷凍回路２１の経路上において、第１膨張弁３４、気液分離器３５および第２膨張弁３６は挙げた順に並んでいる。すなわち、気液分離器３５は、利用側熱交換器３３と熱源側熱交換器３７との間に設けられている。第１膨張弁３４は、利用側熱交換器３３と気液分離器３５との間に設けられている。第２膨張弁３６は、気液分離器３５と熱源側熱交換器３７との間に設けられている。
【００９９】
第１膨張弁３４は、利用側熱交換器３３から送られた冷媒を減圧する第１減圧装置として設けられている。気液分離器３５は、第１膨張弁３４から送られた冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する。気液分離器３５は、気相冷媒が配置される気相冷媒空間３５ａと、液相冷媒が配置される液相冷媒空間３５ｂとを有する。第２膨張弁３６は、気液分離器３５から送られた液相冷媒を減圧する第２減圧装置として設けられている。
【０１００】
冷凍回路２１の経路上には、低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２がさらに設けられている。
【０１０１】
低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２は、熱源側熱交換器３７と利用側熱交換器３３との間に設けられている。冷凍回路２１の経路上において、低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２は、利用側熱交換器３３および熱源側熱交換器３７を挟んで、第１膨張弁３４、気液分離器３５および第２膨張弁３６の反対側に設けられている。低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２は、冷凍回路２１における冷媒の流れ方向において直列に並んでいる。熱源側熱交換器３７から利用側熱交換器３３に向かう冷凍回路２１の経路上において、低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２は挙げた順に並んでいる。すなわち、低段側圧縮機３１は、熱源側熱交換器３７と高段側圧縮機３２との間に設けられている。高段側圧縮機３２は、低段側圧縮機３１と利用側熱交換器３３との間に設けられている。
【０１０２】
低段側圧縮機３１は、熱源側熱交換器３７から送られた冷媒を圧縮する低圧側の圧縮機として設けられている。高段側圧縮機３２は、低段側圧縮機３１から送られた冷媒をさらに圧縮する高圧側の圧縮機として設けられている。
【０１０３】
代表的な例として、低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２は、ロータリ式の圧縮機であり、各圧縮機は、圧縮空間を形成するシェルと、圧縮空間の容積を変動させるようにシェル内で回転するピストンとを有する。各圧縮機のシェルには、一定量の潤滑油が収容されている。
【０１０４】
低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２は、冷媒の吐出容量を制御可能な可変容量型の圧縮機であり、本実施の形態では、ピストンの回転数を変更可能なインバータ仕様の圧縮機である。低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２は、互いに独立して制御可能であり、本実施の形態では、低段側圧縮機３１のピストンの回転数と、高段側圧縮機３２のピストンの回転数とを互いに独立して制御可能である。
【０１０５】
インジェクション回路２２は、気液分離器３５で分離された気相冷媒または気液二相冷媒の一部を、低段側圧縮機３１と高段側圧縮機３２との間の冷凍回路２１へと導くように設けられている。
【０１０６】
より具体的には、インジェクション回路２２は、その両端が、気液分離器３５の気相冷媒空間３５ａと、低段側圧縮機３１と高段側圧縮機３２との間の冷凍回路２１とにそれぞれ繋がるように設けられている。インジェクション回路２２の冷媒入り口は、気液分離器３５の気相冷媒空間３５ａに接続され、インジェクション回路２２の冷媒出口は、低段側圧縮機３１と高段側圧縮機３２との間の冷凍回路２１に接続されている。
【０１０７】
インジェクション回路２２の経路上には、第２二方弁４１が設けられている。第２二方弁４１は、インジェクション回路２２における冷媒流れを許容または制限するバルブとして設けられている。
【０１０８】
図中には、暖房（加熱）運転時の冷媒流れが矢印で示されている。暖房（加熱）運転時の冷媒流れについて説明すると、まず、高段側圧縮機３２から吐出されたガス冷媒は、利用側熱交換器３３に流入し、凝縮した高温の液冷媒となる。このとき、冷媒から利用流体への放熱によって利用流体が加熱される。高温の液冷媒が第１膨張弁３４を通過することによって、冷媒の圧力、温度が低下する。
【０１０９】
次に、冷媒は、気液分離器３５に流入して、気相と液相とに分離される。分離された液冷媒が第２膨張弁３６を通過することによって、冷媒の圧力、温度がさらに低下する。次に、冷媒が熱源側熱交換器３７を通過することによって、冷媒は外気から吸熱して蒸発する。冷媒は、低段側圧縮機３１に注入して、中間圧力まで圧縮される。
【０１１０】
一方、気液分離器３５で気相冷媒空間３５ａに分離された冷媒（インジェクション冷媒）は、インジェクション回路２２を通って、低段側圧縮機３１から吐出された冷媒と合流する。インジェクション冷媒の温度は、低段側圧縮機３１から吐出された冷媒の温度よりも低いため、インジェクション冷媒合流後の冷媒温度は、低下する。
【０１１１】
暖房運転時、外気温が低温になって蒸発圧力が低下すると圧縮比が大きくなるが、低段側圧縮機３１における圧縮工程の後であって、高段側圧縮機３２による圧縮工程の前の段階で、中間圧の冷媒にインジェクション冷媒を注入して冷媒流量を増大させることによって、吐出温度を異常に上昇させることなく暖房（加熱）能力を確保することができる。
【０１１２】
バイパス回路２３は、低段側圧縮機３１から送られた冷媒を高段側圧縮機３２を迂回させて、利用側熱交換器３３に導くように設けられている。より具体的には、バイパス回路２３は、その両端が、低段側圧縮機３１と高段側圧縮機３２との間の冷凍回路２１と、高段側圧縮機３２と利用側熱交換器３３との間の冷凍回路２１とにそれぞれ繋がるように設けられている。
【０１１３】
バイパス回路２３の経路上には、第１二方弁３９が設けられている。第１二方弁３９は、バイパス回路２３における冷媒流れを許容または制限するバルブとして設けられている。
【０１１４】
二段圧縮運転時、第１二方弁３９が閉状態とされ、低段側圧縮機３１から吐出された冷媒は高段側圧縮機３２に導かれる。一段圧縮運転時、第１二方弁３９が開状態とされ、低段側圧縮機３１から吐出された冷媒はバイパス回路２３を通って利用側熱交換器３３に直接向かう。このとき、第２二方弁４１は閉状態とされる。一段圧縮運転は、主に、冷房運転時や給湯温度と外気温の温度差が小さく凝縮圧力と蒸発圧力の圧力差が小さいときに利用され、二段圧縮運転は、主に、給湯温度と外気温の温度差が大きいときに利用される。
【０１１５】
ヒートポンプ装置６０は、暖房（加熱）運転および冷房（冷却）運転の切り換えを可能とするための四方弁５２をさらに有する。
【０１１６】
四方弁５２は、暖房（加熱）運転時、低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２（一段圧縮運転時の場合、低段側圧縮機３１のみ）により吐出された冷媒が利用側熱交換器３３に送られ、冷房（冷却）運転時、低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２（一段圧縮運転時の場合、低段側圧縮機３１のみ）により吐出された冷媒が熱源側熱交換器３７に送られるように、冷媒流れを制御する。
【０１１７】
ヒートポンプ装置６０は、制御部５０および温度検出部４７をさらに有する。温度検出部４７は、熱源側熱交換器３７の熱源の温度である外気温を検出する。制御部５０は、温度検出部４７で検出された温度に基づいて、低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２の最適な排除容積比を特定し、その排除容積比が得られるように低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２を制御する。
【０１１８】
なお、圧縮機の排除容積とは、圧縮機から吐出される冷媒の体積流量を意味し、本実施の形態では、圧縮機シェル内の圧縮空間の容積にピストンの単位時間当たりの回転数を掛けた値となる。低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２の排除容積比とは、低段側圧縮機３１の排除容積に対する高段側圧縮機３２の排除容積の比率を意味する。
【０１１９】
図９は、冷媒（Ｒ４１０Ａ）の圧力と密度との関係を示すグラフである。図１０は、冷媒（Ｒ４１０Ａ）の圧力と温度（気液二相状態時）との関係を示すグラフである。
【０１２０】
図９および図１０を参照して、冷媒の圧力と密度とは、直線の関係（正の相関）を有する。一方、冷媒の圧力と温度（気液二相状態時）とは、直線の関係ではなく、冷媒の圧力が低下すると温度が低下する割合が大きくなる関係を有する。このため、冷媒の密度と温度との関係も、圧力と温度との関係と同じく直線の関係ではない。
【０１２１】
このような冷媒の圧力、密度および温度の関係より、温度（気液二相状態時）が低いほど同じ温度変化に対する冷媒の圧力および密度の低下はより大きくなる。つまり、熱源側熱交換器３７内の冷媒の質量流量が同じである場合、熱源側熱交換器３７における圧力損失が同等ではあるが、外気温が高い時よりも低い時の方が圧力損失の影響が大きくなる。言い換えれば、熱源側熱交換器３７の入口部と出口部との間の冷媒の温度差が、外気温が低くなるほど大きくなる。
【０１２２】
二段圧縮式のヒートポンプサイクルにおいて、高圧部である高段側圧縮機３２の吐出圧力をＰｄとし、中間圧部である低段側圧縮機３１の吐出圧力をＰｍとし、低圧部である低段側圧縮機３１の吸い込み圧力をＰｓした場合、成績係数（ＣＯＰ）がよい条件はＰｍがＰｄとＰｓとの積の平方根に等しくなるときであることが一般に知られている。これは、低段側圧縮機３１の圧縮比と高段側圧縮機３２の圧縮比が等しいときである（Ｐｄ／Ｐｍ＝Ｐｍ／Ｐｓ）。
【０１２３】
たとえば、外気温が−７℃であり、出湯温度が６０℃である第１ケースと、外気温が−２０℃であり、出湯温度が６０℃である第２ケースとを想定し、冷媒の蒸発温度と凝縮温度との温度差をそれぞれ５℃とすると、冷媒の蒸発温度および凝縮温度は、第１ケースでは、それぞれ−１２℃および６５℃となり、第２ケースでは、それぞれ−２５℃および６５℃となる。冷媒（Ｒ４１０Ａ）において、この蒸発温度および凝縮温度に対応する蒸発圧力および凝縮圧力は、第１ケースでは、それぞれ０．５ＭＰａおよび４ＭＰａであり、第２ケースでは、それぞれ０．３ＭＰａおよび４ＭＰａである。成績係数がよい条件はＰｍがＰｄとＰｓとの積の平方根に等しくなるときであるため、低段側圧縮機３１の吐出圧力Ｐｍは、第１ケースでは１．４ＭＰａとなり、第２ケースでは１．１ＭＰａとなる。このときの低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２の圧縮比は、それぞれ２．８２および３．６５である。すなわち、出湯温度と外気温との温度差が大きくなるほど当然、成績係数がよくなる圧縮比も大きくなる。出湯温度を一定とした場合は、外気温が低いほど成績係数がよくなる圧縮比も大きくなる。
【０１２４】
本実施の形態におけるヒートポンプ装置６０においては、蒸発温度（外気温）や凝縮温度（出湯温度）の違いごとに排除容積比を変えた場合に最も成績係数がよい排除容積比を求めたテーブルを事前に作成しておく。制御部５０は、そのテーブルをもとにして、蒸発温度や凝縮温度が変わった際にそれに適した排除容積比が得られるように低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２のピストンの回転数を設定する。
【０１２５】
本実施の形態では、低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２のピストンの回転数を互いに独立して制御可能であるため、その時々の蒸発温度および凝縮温度に最適な排除容積比となるように低段側圧縮機３１および高段側圧縮機３２を運転することができる。
【０１２６】
図１１は、図８中のヒートポンプ装置によるヒートポンプサイクルを示すモリエル線図である。モリエル線図はＰ−ｈ線図ともいわれ、縦軸を圧力［ＭＰａ］、横軸を比エンタルピ［ｋＪ／ｋｇ］としている。モリエル線図は、ヒートポンプサイクルに用いる冷媒の圧力や比エンタルピ、温度、相状態、エンタルピ、比体積などの冷媒固有の特性を示す図である。図１１中において、後述する高段側圧縮機３２の回転数制御の実施前後のサイクルが、それぞれ、実線７１および点線７２によって示されている。
【０１２７】
図８および図１１を参照して、本実施の形態におけるヒートポンプ装置６０は、温度検出部４８をさらに有する。温度検出部４８は、熱源側熱交換器３７に供給される冷媒の温度を検出する。制御部５０は、温度検出部４８により検出された冷媒の温度が温度検出部４７により検出された熱源の温度（外気温）よりも高い場合に、高段側圧縮機３２の排除容積が増大するように高段側圧縮機３２を制御する。
【０１２８】
より具体的には、温度検出部４８により、気液二相状態である熱源側熱交換器３７の入口における冷媒温度を検出し、温度検出部４７により、熱源側熱交換器３７における熱交換前の熱源の温度（たとえば、空気調和機の場合は外気温）を検出する。熱源側熱交換器３７の入口における冷媒温度が外気温よりも高い場合には、熱源側熱交換器３７の入口付近で本来、冷媒が外気から吸熱するべきところが放熱していることになり、ヒートポンプサイクルとしてロスが生じている状態である。
【０１２９】
本実施の形態では、このような場合に、高段側圧縮機３２のピストンの回転数を大きくすることにより、高段側圧縮機３２の排除容積を増大させる。これにより、図１１中のモリエル線図に示されるように、中間圧力および蒸発圧力が押し下げられる。その結果、熱源側熱交換器３７の入口における冷媒温度が低下し、熱源側熱交換器３７の吸熱領域を増やすことができる。この際、低段側圧縮機３１の回転数は、主に、必要とされる暖房（加熱）能力（または冷房能力）に基づいて決定されるため、高段側圧縮機３２のピストンの回転数が制御される。
【０１３０】
なお、高段側圧縮機３２のピストンの回転数は、圧縮機の仕様範囲内の圧力となるまで大きくすることが可能である。熱源側熱交換器３７の入口における冷媒温度が外気温より低くなるまで蒸発圧力を押し下げることができれば、熱源側熱交換器３７の全領域を外気から冷媒への吸熱に利用することができる。
【０１３１】
このように構成された、この発明の実施の形態５におけるヒートポンプ装置６０によれば、高段側圧縮機３２の回転数制御によって、熱源側熱交換器３７の入口における冷媒温度を低くする。これにより、熱源側熱交換器３７における外気から冷媒への吸熱を促進させ、ヒートポンプサイクルの効率低下を防ぐことができる。
【０１３２】
本発明の構成および作用効果についてまとめて説明すると、以下のとおりである。なお、発明の構成に実施の形態５に記載の参照番号を付すが、これは一例である。
【０１３３】
この発明の別の局面に従ったヒートポンプ装置は、ヒートポンプサイクルを構成する冷凍回路（２１）上に設けられ、冷媒と、利用流体および熱源との間でそれぞれ熱交換を行なう利用側熱交換器（３３）および熱源側熱交換器（３７）と、熱源側熱交換器（３７）から送られる冷媒を圧縮する低段側圧縮機（３１）と、低段側圧縮機（３１）から送出される冷媒を圧縮する高段側圧縮機（３２）と、熱源および熱源側熱交換器（３７）に供給される冷媒の温度を検出する温度検出部（４７，４８）と、温度検出部（４７，４８）により検出された冷媒の温度が熱源の温度よりも高い場合に、高段側圧縮機（３２）の排除容積が増大するように高段側圧縮機（３２）を制御する制御部（５０）とを備える。
【０１３４】
このように構成されたヒートポンプ装置によれば、熱源側熱交換器の入口における冷媒温度を低くすることにより、熱源側熱交換器における熱源から冷媒への吸熱を促進させることができる。これにより、ヒートポンプサイクルの効率低下を防ぐことができる。
【０１３５】
また好ましくは、ヒートポンプ装置は、利用側熱交換器（３３）と熱源側熱交換器（３７）との間の冷凍回路（２１）上に設けられ、冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器（３５）と、利用側熱交換器（３３）と気液分離器（３５）との間の冷凍回路（２１）上に設けられ、冷媒を減圧する第１減圧装置（３４）と、気液分離器（３５）と熱源側熱交換器（３７）との間の冷凍回路（２１）上に設けられ、冷媒を減圧する第２減圧装置（３６）と、気液分離器（３５）で分離された気相の冷媒の一部を、低段側圧縮機（３１）と高段側圧縮機（３２）との間の冷凍回路（２１）に導くインジェクション回路（２２）上に設けられ、インジェクション回路（２２）における冷媒流れを許容または制限するバルブ（４１）とを備える。
【０１３６】
このように構成されたヒートポンプ装置によれば、ヒートポンプサイクルの効率低下を防ぐヒートポンプ装置を実現できる。
【０１３７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１３８】
本発明は、たとえば、ヒートポンプ式給湯機やヒートポンプ式暖房給湯機などに適用される。
【符号の説明】
【０１３９】
１０，６０  ヒートポンプ装置、２１  冷凍回路、２２  インジェクション回路、２３  バイパス回路、３１  低段側圧縮機、３２  高段側圧縮機、３３  利用側熱交換器、３４  第１膨張弁、３５  気液分離器、３５ａ  気相冷媒空間、３５ｂ  液相冷媒空間、３６  第２膨張弁、３７  熱源側熱交換器、３９  第１二方弁、４１  第２二方弁、４５，４７，４８  温度検出部、４６  圧力検出部、５０  制御部、５２  四方弁、７１  実線、７２  点線、１１０，１２０，１３０  ライン。
【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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