(57)【要約】  ヒートポンプシステム（１０）は、冷媒管（３５，４５，５５）によって従来の冷媒回路内に結合された、圧縮機（２０）、逆転弁（３０）、屋外熱交換器（４０）、および屋内熱交換器（５０）、ならびに冷媒−水熱交換器（６０）を備える。水加熱を伴う空気冷却モード、水加熱を伴う空気加熱モード、および水加熱のみのモードでは、例えば貯蔵タンクまたは水泳プールなどの、水リザーバ（６４）からの水が管（３５）を通過する冷媒と熱交換関係でもって熱交換器（６０）内を通される。冷媒リザーバ（７０）が、冷媒充填制御に使用されるために設けられる。冷媒管（７１）は、液体冷媒をリザーバ（７０）内へと送るために、屋外熱交換器と屋内熱交換器の中間でリザーバ（７０）を冷媒回路に結合し、冷媒管（７３）は、冷媒を冷媒回路に戻すために、冷媒回路を吸込口の上流で圧縮機（２０）に結合する。制御装置（１００）は、管（７１）内の制御弁（７２）および管（７３）内の制御弁（７４）を選択的に開閉することによって、冷媒リザーバ（７０）内への流れ、および冷媒リザーバ（７０）からの流れを制御する。
2008520943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも空気冷却モードおよび空気加熱モードで動作可能であり、液体加熱能力を有する、冷媒回路ヒートポンプシステムであって、
吸込ポートおよび吐出ポートを有する冷媒圧縮機と、
第１のポート、第２のポート、第３のポート、第４のポートを有し、前記第１のポートと前記第２のポートを流体流れ連通状態で結合し、かつ前記第３のポートと前記第４のポートを流体流れ連通状態で結合する第１の位置で位置決め可能であり、前記第１のポートと前記第３のポートを流体流れ連通状態で結合し、かつ前記第２のポートと前記第４のポートを流体流れ連通状態で結合する第２の位置で位置決め可能である、選択的に位置決め可能な逆転弁と、
前記圧縮機の前記吐出ポートと前記逆転弁の前記第１のポートとの間に流路を確立する第１の冷媒管、前記逆転弁の前記第２のポートと前記逆転弁の前記第３のポートとの間に流路を確立する第２の冷媒管、および前記逆転弁の前記第４のポートと前記圧縮機の前記吸込ポートとの間に流路を確立する第３の冷媒管を有する、閉ループ冷媒循環流路を形成する冷媒回路と、
前記第２の冷媒管と動作可能に連結され、周囲の空気と熱交換関係で前記第２の冷媒管を通過する冷媒を通すように構成された屋外熱交換器と、
前記第２の冷媒管と動作可能に連結され、快適域からの空気と熱交換関係で前記第２の冷媒管を通過する冷媒を通すように構成され、前記空気冷却モードでは冷媒流れに対して前記屋外交換器の下流に配置され、前記空気加熱モードでは前記第２の冷媒管を通る冷媒流れに対して前記屋外熱交換器の上流に配置される屋内熱交換器と、
前記第１の冷媒管と動作可能に連結され、液体と熱交換関係で前記第１の冷媒管を通過する冷媒を通すように構成された冷媒−液体熱交換器と、
前記屋外熱交換器と前記屋内熱交換器との中間の位置にて、前記第２の冷媒管に流体流れ連通状態で結合された入口、および前記第３の冷媒管と流体流れ連通状態で結合された出口を有する冷媒リザーバと、
を備えるヒートポンプシステム。
【請求項２】
前記第２の冷媒管から前記冷媒リザーバの前記入口への前記流動冷媒を制御するために前記冷媒リザーバに動作可能に連結される、開位置および閉位置を有する第１の流量制御弁と、
前記冷媒リザーバの前記出口と前記第３の冷媒管の間で前記流動冷媒を制御するために前記冷媒リザーバに動作可能に連結される、開位置および閉位置を有する第２の流量制御弁と、
前記第１および第２の流量制御弁と動作可能に連結され、前記冷媒回路内の前記冷媒充填を選択的に制御するように、前記第１および第２の流量制御弁のそれぞれの位置決めを、それぞれの開位置と閉位置の間で選択的に制御するように動作可能である制御装置と、
をさらに備える請求項１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項３】
前記第１および第２の流量制御弁が、それぞれの開位置と閉位置の間に少なくとも１つの部分的な開位置を有する弁からなり、
前記制御装置がさらに、前記第１および第２の流量制御弁のそれぞれの位置決めを、それらの開位置と、１つの部分的な開位置と、閉位置との間で選択的に調節するように動作する請求項２に記載のヒートポンプシステム。
【請求項４】
前記第１および第２の流量制御弁が、パルス幅変調電磁弁からなる請求項３に記載のヒートポンプシステム。
【請求項５】
前記冷媒リザーバに動作可能に連結されるとともに、前記冷媒リザーバ内の液体冷媒の液位を感知し、前記冷媒リザーバ内の液位を示す信号を前記制御装置に供給するように動作する液位センサをさらに備える請求項２に記載のヒートポンプシステム。
【請求項６】
前記制御装置が、前記冷媒回路内の前記冷媒充填量を、前記液位センサから受け取った前記液位信号に応答して選択的に制御するように、前記第１および第２の流量制御弁のそれぞれの位置決めをそれぞれの開位置と閉位置の間で選択的に制御するように動作する請求項５に記載のヒートポンプシステム。
【請求項７】
前記屋外熱交換器と、前記冷媒リザーバの前記入口が前記第２の冷媒管に流体流れ連通状態で結合される位置との中間で、前記第２の冷媒管内に配置される第１の膨張弁と、
前記屋内熱交換器と、前記冷媒リザーバの前記入口が前記第２の冷媒管に流体流れ連通状態で結合される位置との中間で、前記第２の冷媒管内に配置される第２の膨張弁と、
をさらに備え、
前記第１の膨張弁が、前記屋内熱交換器と動作可能に連結され、前記第２の膨張弁が、前記屋外熱交換器と動作可能に連結される請求項１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項８】
前記第２の冷媒管内を前記屋外熱交換器から前記屋内熱交換器への方向に通過する冷媒を、前記第１の膨張弁の周りにかつ前記第２の膨張弁を通して迂回させるために、前記第２の冷媒管に動作可能に連結された第１の膨張弁バイパス管をさらに備える請求項１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項９】
前記第２の冷媒管内を前記屋内熱交換器から前記屋外熱交換器への方向に通過する冷媒を、前記第２の膨張弁の周りにかつ前記第１の膨張弁を通して迂回させるために、前記第２の冷媒管に動作可能に連結された第２の膨張弁バイパス管をさらに備える請求項１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１０】
少なくとも空気冷却モードおよび空気加熱モードで動作可能であり、液体加熱能力を有する冷媒回路ヒートポンプシステムであって、
吸込ポートおよび吐出ポートを有する冷媒圧縮機と、
第１のポート、第２のポート、第３のポート、第４のポートを有し、前記第１のポートと前記第２のポートを流体流れ連通状態で結合するとともに前記第３のポートと前記第４のポートを流体流れ連通状態で結合する第１の位置で位置決め可能であり、前記第１のポートと前記第３のポートを流体流れ連通状態で結合するとともに前記第２のポートと前記第４のポートを流体流れ連通状態で結合する第２の位置で位置決め可能である、第１の選択的に位置決め可能な弁と、
前記圧縮機の前記吐出ポートと前記第１の選択的に位置決め可能な弁の前記第１のポートとの間に流路を確立する第１の冷媒管、前記第１の選択的に位置決め可能な弁の前記第２のポートと前記選択的に位置決め可能な弁の前記第３のポートとの間に流路を確立する第２の冷媒管、および前記選択的に位置決め可能な弁の前記第４のポートと前記圧縮機の前記吸込ポートとの間に流路を確立する第３の冷媒管を有する、閉ループ冷媒循環流路を形成する冷媒回路と、
前記第２の冷媒管と動作可能に連結され、周囲の空気と熱交換関係で前記第２の冷媒管を通過する冷媒を通すように構成された屋外熱交換器と、
前記第２の冷媒管と動作可能に連結され、快適域からの空気と熱交換関係で前記第２の冷媒管を通過する冷媒を通すように構成され、前記空気冷却モードでは冷媒流れに対して前記屋外交換器の下流に配置され、前記空気加熱モードでは前記第２の冷媒管を通る冷媒流れに対して前記屋外熱交換器の上流に配置される屋内熱交換器と、
前記第１の冷媒管と動作可能に連結され、液体と熱交換関係で前記第１の冷媒管を通過する冷媒を通すように構成された冷媒−液体熱交換器と、
第１のポート、第２のポート、第３のポート、第４のポートを有し、前記第１のポートと前記第２のポートを流体流れ連通状態で結合するとともに前記第３のポートと前記第４のポートを流体流れ連通状態で結合する第１の位置で位置決め可能であり、前記第１のポートと前記第３のポートを流体流れ連通状態で結合するとともに前記第２のポートと前記第４のポートを流体流れ連通状態で結合する第２の位置で位置決め可能であり、前記第１のポートが前記屋内熱交換器と流れ連通する状態、かつ前記第２のポートが前記第１の選択的に位置決め可能な弁の前記第３のポートと流れ連通する状態で前記第２の冷媒管内に配置される、第２の位置決め可能な弁と、
前記屋外熱交換器と前記屋内熱交換器との中間の位置で、第４の冷媒管によって前記第２の冷媒管に流体流れ連通状態で結合された入口、および第５の冷媒管によって前記第３の冷媒管に流体流れ連通状態で結合された出口を有する冷媒リザーバと、
前記第５の冷媒管と前記第２の選択的に位置決め可能な弁の第３のポートとの間に流れ連通状態で結合される第１のブリード管、および前記屋内熱交換器と前記第２の選択的に位置決め可能な弁の前記第４のポートとの間に流れ連通状態で結合される第２のブリード管を有するバイパスブリード流れ回路と、
を備えるヒートポンプシステム。
【請求項１１】
前記第２の冷媒管から前記冷媒リザーバの前記入口への前記流動冷媒を制御するために前記冷媒リザーバに動作可能に連結される、開位置および閉位置を有する第１の流量制御弁と、
前記冷媒リザーバの前記出口と前記第３の冷媒管の間で前記流動冷媒を制御するために前記冷媒リザーバに動作可能に連結される、開位置および閉位置を有する第２の流量制御弁と、
前記第１および第２の流量制御弁に動作可能に連結され、前記冷媒回路内の前記冷媒充填量を選択的に制御するように、前記第１および第２の流量制御弁のそれぞれの位置決めを、それぞれの開位置と閉位置の間で選択的に制御するよう動作する制御装置と、
をさらに備える請求項１０に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１２】
前記第１および第２の流量制御弁が、それぞれの開位置と閉位置の間に少なくとも１つの部分的な開位置を有する弁からなり、
前記制御装置がさらに、前記第１および第２の流量制御弁のそれぞれの位置決めを、それらの開位置と、１つの部分的な開位置と、閉位置との間で選択的に調節するように動作する請求項１１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１３】
前記第１および第２の流量制御弁が、パルス幅変調電磁弁からなる請求項１２に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１４】
前記冷媒リザーバに動作可能に連結されるとともに、前記冷媒リザーバ内の液体冷媒の液位を感知し、前記冷媒リザーバ内の前記液位を示す信号を前記制御装置へと供給するように動作する液位センサをさらに備える請求項１１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１５】
前記制御装置が、前記冷媒回路内の前記冷媒充填量を、前記液位センサから受け取った前記液位信号に応答して選択的に制御するように、前記第１および第２の流量制御弁のそれぞれの位置決めをそれぞれの開位置と閉位置の間で選択的に制御するように動作する請求項１４に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１６】
前記屋外熱交換器と、前記冷媒リザーバの前記入口が前記第２の冷媒管に流体流れ連通状態で結合される位置との中間で、前記第２の冷媒管内に配置される第１の膨張弁と、
前記屋内熱交換器と、前記冷媒リザーバの前記入口が前記第２の冷媒管に流体流れ連通状態で結合される位置との中間で、前記第２の冷媒管内に配置される第２の膨張弁と、
をさらに備え、
前記第１の膨張弁が、前記屋内熱交換器と動作可能に連結され、前記第２の膨張弁が、前記屋外熱交換器と動作可能に連結される請求項１０に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１７】
前記第２の冷媒管内を前記屋外熱交換器から前記屋内熱交換器への方向に通過する冷媒を、前記第１の膨張弁の周りにかつ前記第２の膨張弁を通して迂回させるために、前記第２の冷媒管に動作可能に連結された第１の膨張弁バイパス管をさらに備える請求項１０に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１８】
前記第２の冷媒管内を前記屋内熱交換器から前記屋外熱交換器への方向に通過する冷媒を、前記第２の膨張弁の周りにかつ前記第１の膨張弁を通して迂回させるために、前記第２の冷媒管に動作可能に連結された第２の膨張弁バイパス管をさらに備える請求項１０に記載のヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ヒートポンプシステムに関し、より詳細には、たとえば、水泳プール、家庭用水システムなどのために水を加熱することを含めて、補助的な液体の加熱を含むヒートポンプシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
可逆ヒートポンプは公知であり、環境制御された快適域を冷却および加熱するために、住居または建物で広く使用される。従来のヒートポンプは、圧縮機、吸込アキュムレータ、逆転弁、関連するファンを備える屋外熱交換器、関連するファンを備える屋内熱交換器、屋外熱交換器と動作可能に連結された膨張弁、屋内熱交換器と動作可能に連結された第２の膨張弁を備える。上述の構成要素は、通常、よく知られたカルノーの蒸気圧縮サイクルを用いる冷媒閉回路ポンプシステム内に配置される。冷却モードで動作する場合、屋内熱交換器を通過中の冷媒によって吸収される過剰な熱は、冷媒が屋外熱交換器を通過するとき環境中に排出される。
【０００３】
この過剰な熱を、単に環境へと排出するのではなく水を加熱する目的で吸収するために、追加の冷媒−水熱交換器をヒートポンプシステムに加えうることがよく知られている。さらに、ヒートポンプは、環境制御区域を加熱する加熱モードで動作する場合に、利用されない加熱能力を有することが多い。たとえば、米国特許第３，１８８，８２９号、同第４，０９８，０９２号、同第４，４９２，０９２号、同第５，１８４，４７２号はそれぞれ、補助温水熱交換器を備えるヒートポンプシステムを開示している。しかし、これらのシステムは、冷媒回路内の冷媒充填を制御するいかなる装置も具備しない。したがって、これらのシステムは、機能的であるが、あらゆる動作モードで効率が最適になるものではない。
【０００４】
ヒートポンプシステムにおいて、屋外熱交換器および屋内熱交換器はそれぞれ、動作のモードおよびその時点に応じて、蒸発器、凝縮器、またはサブクーラとして動作する。したがって、凝縮はいずれの熱交換器内でも行われることがあり、吸込管は、気体または液体状態の冷媒で満たされることがある。結果として、許容可能な効率エンベロープ内の動作を保証するために各動作モードで必要とされるシステムの冷媒充填量は、各モードによって異なる。
【０００５】
米国特許第４，５２８，８２２号は、環境中に排出されるはずの熱を利用して液体を加熱する、追加の冷媒−液体熱交換器を備えるヒートポンプシステムを開示している。このシステムは、空間加熱、空間冷却、液体加熱、および、液体加熱と同時の空間冷却の、４つの独立動作モードで動作することができる。液体加熱のみのモードでは、屋内熱交換器のファンがオフにされ、空間冷却および液体加熱モードの間は、屋外熱交換器のファンがオフにされる。液体加熱のみのモード、ならびに空間冷却および液体加熱の同時モード時に、液体冷媒が重力によって冷媒−液体熱交換器から流れ込む冷媒充填リザーバが設けられる。しかし、全ての動作モードで冷媒回路中の冷媒充填を能動的に制御するための制御手順は、開示されていない。さらに、空間加熱および液体加熱の同時モードも開示されていない。
【０００６】
したがって、全ての動作モードにおける能動的な冷媒充填制御を備え、それにより、空気冷却のみのモード、空気冷却および液体加熱モード、空気加熱のみのモード、空気加熱および液体加熱モード、液体加熱のみのモードにおいて、ヒートポンプシステムが効率的に動作することができるシステムが提供されることが望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一態様では、本発明の一目的は、液体加熱能力および改善された冷媒充填制御を有する、ヒートポンプシステムを提供することである。
【０００８】
一態様では、本発明の一目的は、液体加熱能力を有し、全ての動作モードでの冷媒充填制御を有する、ヒートポンプシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態において、ヒートポンプシステムは、吸込ポートおよび吐出ポートを有する冷媒圧縮機と、第１のポートと第２のポートを流体流れ連通状態で結合するとともに第３のポートと第４のポートを流体流れ連通状態で結合する第１の位置、および第１のポートと第３のポートを流体流れ連通状態で結合するとともに第２のポートと第４のポートを流体流れ連通状態で結合する第２の位置を有する、選択的に位置決め可能な４ポート逆転弁と、閉ループ冷媒循環流路を形成する冷媒回路と、を備える。冷媒回路は、圧縮機の吐出ポートと逆転弁の第１のポートとの間に流路を確立する第１の冷媒管と、逆転弁の第２のポートと逆転弁の第３のポートとの間に流路を確立する第２の冷媒管と、逆転弁の第４のポートと圧縮機の吸込ポートとの間に流路を確立する第３の冷媒管と、を有する。屋外熱交換器が、第２の冷媒管と動作可能に連結して配置されており、周囲の空気と熱交換関係で第２の冷媒管を通過する冷媒を通すように構成される。屋内熱交換器が第２の冷媒管と動作可能に連結して配置されており、快適域からの空気と熱交換関係で第２の冷媒管を通過する冷媒を通すように構成される。屋内熱交換器は、空気冷却モードでは冷媒流れに対して屋外交換器の下流に配置され、空気加熱モードでは第２の冷媒管を通る冷媒流れに対して屋外熱交換器の上流に配置される。冷媒−液体熱交換器は、第１の冷媒管と動作可能に連結して配置されており、液体と熱交換関係で第１の冷媒管を通過する冷媒を通すように構成される。屋外熱交換器と屋内熱交換器との中間の位置にて、第４の冷媒管によって第２の冷媒管に流体流れ連通状態で結合された入口と、第５の冷媒管によって第３の冷媒管に流体流れ連通状態で結合された出口と、を有する冷媒リザーバが設けられる。
【００１０】
本発明の別の実施形態において、ヒートポンプシステムは、吸込ポートおよび吐出ポートを有する冷媒圧縮機と、第１のポートと第２のポートを流体流れ連通状態で結合するとともに第３のポートと第４のポートを流体流れ連通状態で結合する第１の位置、および第１のポートと第３のポートを流体流れ連通状態で結合するとともに前記第２のポートと前記第４のポートを流体流れ連通状態で結合する第２の位置を有する、第１の選択的に位置決め可能な４ポート弁と、閉ループ冷媒循環流路を形成する冷媒回路と、を備える。冷媒回路は、圧縮機の吐出ポートと逆転弁の第１のポートとの間に流路を確立する第１の冷媒管と、逆転弁の第２のポートと逆転弁の第３のポートとの間に流路を確立する第２の冷媒管と、逆転弁の第４のポートと圧縮機の吸込ポートとの間に流路を確立する第３の冷媒管と、を有する。屋外熱交換器が、第２の冷媒管と動作可能に連結して配置されており、周囲の空気と熱交換関係で第２の冷媒管を通過する冷媒を通すように構成される。屋内熱交換器が、第２の冷媒管と動作可能に連結して配置されており、快適域からの空気と熱交換関係で第２の冷媒管を通過する冷媒を通すように構成される。屋内熱交換器は、空気冷却モードでは冷媒流れに対して屋外交換器の下流に配置され、空気加熱モードでは第２の冷媒管を通る冷媒流れに対して屋外熱交換器の上流に配置される。冷媒−液体熱交換器は、第１の冷媒管と動作可能に連結して配置されており、液体と熱交換関係で第１の冷媒管を通過する冷媒を通すように構成される。この実施形態では、前記第１のポートと前記第２のポートを流体流れ連通状態で結合するとともに前記第３のポートと前記第４のポートを流体流れ連通状態で結合する第１の位置、および前記第１のポートと前記第３のポートを流体流れ連通状態で結合するとともに前記第２のポートと前記第４のポートを流体流れ連通状態で結合する第２の位置を有する、第２の選択的に位置決め可能な４ポート弁が提供される。この第２の４ポート弁は、第１のポートが屋内熱交換器と流体連通し、かつ第２のポートが第１の４ポート弁の第３のポートと流体連通する状態で第２の冷媒管内に配置される。屋外熱交換器と屋内熱交換器との中間の位置で、第４の冷媒管によって第２の冷媒管に流体流れ連通状態で結合された入口と、第５の冷媒管によって第３の冷媒管に流体流れ連通状態で結合された出口と、を有する冷媒リザーバが設けられる。第５の冷媒管と第２の選択的に位置決め可能な弁の第３のポートとの間に、流れ連通状態で結合された第１のブリード管と、屋内熱交換器と第２の選択的に位置決め可能な弁の第４のポートとの間に、流れ連通状態で結合された第２のブリード管と、を有するバイパスブリード流れ回路が備えられる。
【００１１】
上記実施形態のいずれかでは、第２の冷媒管から冷媒リザーバの入口への冷媒の流れを制御するために第４の冷媒管内に配置された、開位置および閉位置を有する第１の流量制御弁と、冷媒リザーバの出口と第３の冷媒管の間で流動冷媒を制御するために第５の冷媒管内に配置された、開位置および閉位置を有する第２の流量制御弁と、冷媒回路内の冷媒充填を選択的に制御するように、前記第１および第２の流量制御弁のそれぞれの位置決めを、各々の開位置と閉位置の間で選択的に制御する制御装置と、を備えることが特に有利である。第１および第２の流量制御弁はまた、少なくとも１つの部分的な開位置を有し、パルス幅変調電磁弁を備えることができる。制御装置はさらに、流量制御弁のそれぞれの位置決めを、それらの開位置と、部分的な開位置と、閉位置との間で選択的に調節するように作動させることができる。
【００１２】
さらなる実施形態では、冷媒リザーバ内の液体冷媒の液位を感知し、冷媒リザーバ内の液位を示す信号を制御装置へと供給するために、液位センサが設けられる。液位信号に応答して、制御装置は、冷媒回路内の冷媒充填を選択的に制御するように、第１および第２の流量制御弁のそれぞれの位置決めを選択的に制御する。
【００１３】
屋内熱交換器と動作可能に連結される第１の膨張弁、および屋外熱交換器と動作可能に連結される第２の膨張弁を、第２の冷媒管内に配置することができ、第１の膨張弁は、屋外熱交換器と、冷媒リザーバの入口が第２の冷媒管と流体流れ連通状態で結合される位置と、の中間に配置され、第２の膨張弁は、屋内熱交換器と、冷媒リザーバの入口が第２の冷媒管と流体流れ連通状態で結合される位置と、の中間に配置される。第２の冷媒管と動作可能に連結された第１の膨張弁バイパス管は、第２の冷媒管内を屋外熱交換器から屋内熱交換器の方向に通過する冷媒を、第１の膨張弁の周りで第２の膨張弁を通して迂回させる。第２の冷媒管と動作可能に連結された第２の膨張弁バイパス管は、第２の冷媒管内を屋内熱交換器から屋外熱交換器の方向に通過する冷媒を、第２の膨張弁の周りで第１の膨張弁を通して迂回させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１〜図５の第１の実施形態、および図６〜図８の第２の実施形態に示される冷媒ヒートポンプシステム１０は、たとえば建物（図示せず）の内部に位置する屋内区域など快適領域に、加熱または冷却空気を供給するだけではなく、補助的に水の加熱も行う。このシステムは、圧縮機２０と、吸込アキュムレータ２２と、逆転弁３０と、周囲環境と伝熱関係で建物の外側に配置される屋外熱交換器４０および関連するファン４２と、快適域内に置かれる屋内熱交換器５０および関連するファン５２と、屋外熱交換器４０に動作可能に連結された第１の膨張弁４４と、屋内熱交換器５０に動作可能に連結された第２の膨張弁５４と、を備える。冷媒管３５，４５，５５を備える冷媒回路は、周知のカルノー蒸気圧縮サイクルを用いるヒートポンプシステムに、これらの構成要素を従来の方法で結合する閉ループ冷媒流路を備える。さらに、システム１０は、冷媒−水熱交換器６０を備え、冷媒が、加熱される水と熱交換関係で通される。加熱される水は、循環ポンプ６２によって、水循環管６５を通して、たとえば温水貯蔵タンクまたは水泳プールである水リザーバ６４から給送され、熱交換器６０を通りリザーバ６４へと戻る。
【００１５】
ロータリ圧縮機、スクロール圧縮機、往復圧縮機、スクリュー圧縮機、またはその他任意のタイプの圧縮機を含むことができる圧縮機２０は、吸込アキュムレータ２２から冷媒を受け入れるための吸込口、および圧縮された冷媒を吐出するための出口を有する。逆転弁３０は、第１のポート３０−１、第２のポート３０−２、第３のポート３０−３、第４のポート３０−４を有する、選択的に位置決め可能な２位置４ポート弁を含むことができる。逆転弁３０は、第１のポートと第２のポートを流体流れ連通状態で結合し、同時に第３のポートと第４のポートを流体流れ連通状態で結合するための第１の位置に位置決めすることができる。逆転弁３０は、第１のポートと第３のポートを流体流れ連通状態で結合し、同時に第２のポートと第４のポートを流体流れ連通状態で結合するための第２の位置に位置決めすることができる。有利には、第１および第２の位置で確立されるそれぞれのポート間結合は、弁３０内で内部的に実現される。圧縮機２０の出口２８は、冷媒管３５によって、逆転弁３０の第１のポート３０−１に流体流れ連通状態で接続される。逆転弁３０の第２のポート３０−２は、弁の外部で、冷媒管４５によって逆転弁３０の第３のポート３０−３に冷媒流れ連通状態で結合される。逆転弁３０の第４のポート３０−４は、圧縮機２０の吸込口２６に冷媒流れ連通状態で結合される。
【００１６】
屋外熱交換器４０および屋内熱交換器５０は、冷媒管４５内に動作可能に配置される。屋外熱交換器５０は、冷媒管４５の区間４５Ａによって、逆転弁３０の第２のポート３０−２に流体流れ連通状態で接続される。屋内熱交換器５０は、冷媒管４５の区間４５Ｃによって、逆転弁３０の第３のポート３０−３に流体流れ連通状態で接続される。冷媒管４５の区間４５Ｂは、屋外熱交換器４０と屋内熱交換器５０を、冷媒流れ連通状態で結合する。吸込アキュムレータ２２を、冷媒管５５内で圧縮機２０の吸込側に配置し、その入口を冷媒管５５の区間５５Ａによって逆転弁３０の第４のポート３０−４に冷媒流れ連通状態で接続し、その出口を冷媒管５５の区間５５Ｂによって圧縮機２０の吸込口に冷媒流れ連通状態で接続することができる。したがって、冷媒管３５，４５，５５は共に、圧縮機２０、屋外熱交換器４０、および屋内熱交換器５０を冷媒流れ連通状態で結合させ、それによって、ヒートポンプシステム１０を通る閉ループ冷媒流れ回路を作り出す。
【００１７】
第１の膨張弁４４および第２の膨張弁５４は、冷媒管４５の区間４５Ｂ内に配置される。図面に示される実施形態では、第１の膨張弁４４が、屋外熱交換器４０と動作可能に連結され、第２の膨張弁５４が屋内熱交換器５０に動作可能に連結される。膨張弁４４および５４はそれぞれ、一方向のみの流れを可能にする逆止め弁が装備されたバイパス管を備える。屋外熱交換器の膨張弁４４に対応したバイパス管４３の逆止め弁４６は、屋外熱交換器４０から流れる冷媒を屋内熱交換器５０へと通し、それによって屋外熱交換器の膨張弁４４を迂回させ、冷媒を屋内熱交換器の膨張弁５４へと通す。逆に、屋内熱交換器の膨張弁５４に対応したバイパス管５３内の逆止め弁５６は、屋内熱交換器５０から流れる冷媒を屋外熱交換器４０へと通し、それによって屋内熱交換器の膨張弁５４を迂回させ、冷媒を屋外熱交換器の膨張弁４４へと通す。さらに、冷媒−水熱交換器６０は、冷媒管３５と動作可能に連結されており、それによって冷媒管３５を通って流れる冷媒が、水循環管６５内を通過する水と熱交換関係で通過する。
【００１８】
図６、図７、および図８に示されるヒートポンプシステム１０の実施形態において、システムは、上述の構成要素に加えて、第１の位置および第２の位置を有する吸込管バイパス弁９０、たとえば電磁弁など弁開状態および弁閉状態を有するバイパス流量制御弁９２、バイパス管９３、バイパス管９５、および逆止め弁９４を備える。有利には選択的に位置決め可能な２位置４ポート弁である、吸込管バイパス弁９０は、冷媒回路内で屋内熱交換器５０と逆転弁３０の中間に配置される。冷媒管５１Ａは、屋内熱交換器５０と吸込管ブリード弁９０の第１のポート９０−１との間に延び、冷媒管５１Ｂは、逆転弁３０の第３のポート３０−３と吸込管ブリード弁９０の第２のポート９０−２との間に延び、これにより管５１Ａおよび５１Ｂは、吸込管ブリード流れ弁９０がその第１の位置にあるときはいつでも、冷媒流れ連通状態で接続される。冷媒管９３は、冷媒管７３と吸込管バイパス弁９０の第３のポート９０−３との間に、流れ連通状態で延びる。冷媒管９５は、吸込管バイパス弁９０の第４のポート９０−４と冷媒管５１Ａとの間に流れ連通状態で延び、屋内熱交換器５０とバイパス流量制御弁９２との中間の位置で、冷媒管５１Ａに対して開き、これにより管９３と９５もまた、吸込管ブリード流れ弁９０がその第１の位置にあるときはいつでも、冷媒流れ連通状態で接続される。
【００１９】
バイパス流量制御弁９２は、冷媒管５１Ａ内に配置され、その弁閉状態のときに、冷媒管５１Ａを通る流れに対して閉じ、その弁開状態のときに、冷媒管５１Ａを通る流れに対して開くように動作する。逆止め弁９４は、冷媒が冷媒管９５を通って吸込管バイパス弁９０から冷媒管５１Ａ内へと流れることを可能にするが、冷媒管９５を通り冷媒管５１Ａから吸込管バイパス弁９０へと流れる冷媒を遮断するように、冷媒管９５内に配置される。吸込管バイパス弁９０がその第２の位置にあるときはいつでも、管５１Ａおよび９３は、冷媒流れ連通状態で結合され、管５１Ｂおよび９５もまた、吸込管バイパス弁９０によって冷媒流れ連通状態で結合される。
【００２０】
本発明のシステムでは、ヒートポンプは、快適領域への空気を加熱または冷却するためだけではなく、要求に応じて水を加熱するためにも機能する。したがって、このシステムは、空気冷却のみのモード、空気冷却および水加熱モード、空気加熱のみのモード、空気加熱および水加熱モード、水加熱のみのモードで効果的に動作しなければならない。屋外熱交換器４０および屋内熱交換器５０は共に、動作のモードおよびその時点に応じて、蒸発器、凝縮器、またはサブクーラとして動作するので、凝縮は１つまたは２つの熱交換器内で生じることがあり、吸込管は、気体または液体状態の冷媒で満たされることがある。結果として、許容可能な効率エンベロープ内での動作を保証するために、各モードで必要とされるシステムの冷媒充填量は、各モードで異なる。水の加熱が必要とされない場合、必要とされる冷媒充填量はまた、冷媒−水熱交換器６０内での熱サイホンの発生による熱交換の量によっても影響される。
【００２１】
したがって、システム１０はさらに、冷媒管７１によって冷媒管４５と流体流れ連通状態で接続された入口および冷媒管７３によって冷媒管５５と流体流れ連通状態で接続された出口を有する、充填タンクと呼ばれる冷媒貯蔵リザーバ７０と、冷媒管７１内に配置された第１の流量制御弁７２と、冷媒管７３内に配置された第２の流量制御弁７２と、を備える。第１の流量制御弁７２および第２の流量制御弁７４はそれぞれ、これを通る流れを選択的に制御することができ、それによって冷媒回路内の冷媒充填を能動的に制御することができるように、開位置および閉位置を有する。有利には、第１の流量制御弁７２および第２の流量制御弁７４の各々はまた、少なくとも１つの部分的な開位置を有することができ、またパルス幅変調電磁弁とすることができる。さらに、充填タンク内の冷媒液位を監視するために、たとえばトランスデューサなど液位メータ８０を、充填タンク７０内に配置することができる。
【００２２】
ここで図９を参照すると、有利にはマイクロプロセッサであるシステム制御装置１００が、従来の方法の快適領域の冷却または加熱要求、あるいは水の加熱の要求に応じて、水ポンプ６２、圧縮機２０、逆転弁３０、ならびに、屋外熱交換器のファン４２および屋内熱交換器のファン５２などその他のヒートポンプ構成要素の動作を制御する。図６、図７、および図８に示す実施形態では、システム制御装置はまた、吸込管バイパス弁９０およびバイパス流量制御弁９２の動作も制御する。さらに、システム制御装置１００は、冷媒充填を様々な動作モードのシステム要求と合わせるように調整するために、流量制御弁７２および７４の開閉を制御する。システム制御装置１００は、吸込温度センサ８１、吸込圧力センサ８３、吐出温度センサ８５、吐出圧力センサ８７、水温センサ８９、屋外熱交換器冷媒温度センサ８２、屋内熱交換器冷媒温度センサ８４、および膨張弁４４と５４の間の位置にて冷媒管４５の区間４５Ｂと動作可能に連結されて配置された冷媒温度センサ８６を含めた（限定せず）、複数のセンサからの様々なシステム動作パラメータを示す入力信号を受け取る。
【００２３】
吸込温度センサ８１および吸込圧力センサ８３は、圧縮機の吸込口にて冷媒温度および圧力をそれぞれ感知するために、かつこれらを示すそれぞれの信号をシステム制御装置１００に伝達するために、従来の慣例どおり、圧縮機２０への吸込口付近で冷媒管５５と動作可能に連結されて配置される。吐出温度センサ８５および吐出圧力センサ８７は、圧縮機の吐出口にて冷媒温度および圧力をそれぞれ感知するために、かつこれらを示すそれぞれの信号をシステム制御装置１００に伝達するために、従来の慣例どおり、圧縮機２０への吐出口付近で冷媒管３５と動作可能に連結されて配置される。水温センサ８９は、水リザーバ６４内の水温を感知するために、かつ感知された水温を示す信号をシステム制御装置１００に伝達するために、水リザーバ６４と動作可能に連結されて配置される。温度センサ８２は、屋外熱交換器が動作しているときに屋外熱交換器４０を通過する冷媒の冷媒相変化温度を測定するのに適した位置、かつ、その感知した温度を示す信号を膨張弁４４の動作を制御するためにシステム制御装置１００に送るように適した位置にて、屋外熱交換器４０と動作可能に連結されて配置される。同様に、温度センサ８４は、屋内熱交換器が動作しているときに屋内熱交換器５０を通過する冷媒の冷媒相変化温度を測定するのに適した位置、かつ、その感知した温度を示す信号を、膨張弁５４の動作を制御するためにシステム制御装置１００に送るように適した位置にて、屋内熱交換器５０と動作可能に連結されて配置される。システム制御装置１００は、現行の動作モードで蒸発器として働いている熱交換器に連結された、センサ８２および８４のいずれかによって感知された冷媒温度から、過熱度を決定する。冷媒管４５と動作可能に連結された冷媒温度センサ８６は、膨張弁４４と５４の間の位置にて冷媒の温度を感知し、感知された温度を示す信号をシステム制御装置１００に伝達する。システム制御装置は、現在の過冷度を、温度センサ８６から受け取った感知された温度から決定する。
【００２４】
次に図１を参照すると、室内空気冷却のみのモードでは、冷却の要求に応じて、システム制御装置１００が、圧縮機２０、屋外熱交換器のファン４２、および屋内熱交換器のファン５２を作動させる。圧縮機２０からの高圧の過熱された冷媒が、冷媒管３５を通して逆転弁３０へと通過し、そこで冷媒は、冷媒管４５の区間４５Ａへと送られ、これを通って、空気冷却モードで凝縮器として機能する屋外熱交換器４０へと送られる。屋外熱交換器ファン４２の動作によって、周囲の空気は、屋外熱交換器４０を通過する冷媒と熱交換関係でもって屋外熱交換器４０内を通って流れ、高圧冷媒が液体へと凝縮され、過冷される。高圧液体冷媒は、屋外熱交換器４０から、冷媒管４５の区間４５Ｂを通り、空気冷却モードでは蒸発器として機能する屋内熱交換器５０へと進む。冷媒管４５の区間４５Ｂを通過する際、高圧液体冷媒は、バイパス管４３および逆止め弁４６を通って膨張弁４４を迂回し、次いで膨張弁５４内を通過し、そこで高圧液体冷媒は膨張して低圧となり、それによって、冷媒が屋内熱交換器５０に入る前に冷媒をさらに冷却する。冷媒が屋内熱交換器を横断するとき、冷媒は蒸発する。屋内熱交換器ファン５２の動作によって、室内空気は、冷媒と熱交換関係でもって屋内熱交換器５０を通過し、それによって冷媒を蒸発させ、室内空気を冷却する。冷媒は、冷媒管４５の区間４５Ｃを通って屋内熱交換器から逆転弁３０へと進み、圧縮機２０の吸込口と結合される冷媒管５５の区間５５Ｂを通って圧縮機２０に戻る前に、冷媒管５５の区間５５Ａを通って吸込アキュムレータ２２へと送られる。
【００２５】
冷媒管３５を通過する際に、冷媒は、熱交換器６０内を通過し、そこで冷媒は、管６５内の水と熱交換関係で通過する。空気冷却のみのモードでは、水ポンプ６２がオフにされるので、冷媒から水へと渡される熱の量は小さい。したがって、ごく少量の水が熱交換器６０を通って流れ、管６５を通る水流は熱サイホン作用によって推進される。しかし、空気冷却のみのモードで水流が少ない状態でも、最終的に熱交換は、冷媒を緩熱するのに十分となり得る。
【００２６】
次に図２を参照すると、ヒートポンプが室内空気冷却モードにある一方で水加熱の要求がある場合、システム制御装置１００は、水ポンプ６０を作動させ、水が水管６５を介して貯蔵タンク６４から給送され、冷媒管３５を流れる高圧の過熱された冷媒と熱交換関係でもって熱交換器６０を通過する。冷媒が熱交換器６０を通るとき、冷媒と熱交換関係で熱交換器６０を通流する水を加熱するために冷媒が熱を放出するので、冷媒は凝縮されて過冷される。水加熱を伴う空気冷却モードでは、冷媒管４５の区間４５Ａ内を通り屋外熱交換器４０へと進む冷媒は、水と熱交換関係で熱交換器６０を通過するとき、既に凝縮され過冷されているため、屋外熱交換器内でさらなる何らかの大幅な冷却を行う必要はない。さらに、追加の過冷は、水の加熱容量を低減させることがある。したがって、水加熱を伴う室内空気冷却モードでは、システム制御装置１００は、周囲の空気が屋外熱交換器４０内を通過しないように屋外熱交換器ファン４２をオフにし、それによって、冷媒が受ける追加の過冷が比較的少量となるように、これを通る冷媒が受ける熱損失量を最低限に抑える。しかし、リザーバ６４内の水温がその設定値に到達する場合、システムの動作効率を向上させるために、室外ファン５２を作動させることが望ましい。
【００２７】
屋外熱交換器４０を出る凝縮され過冷された液体冷媒は、冷媒管４５の区間４５Ｂを通り、空気冷却モードでは蒸発器として機能する屋内熱交換器５０へと通過する。冷媒管４５Ｂを通過する際に、高圧液体冷媒は、バイパス管４３および逆止め弁４６を通って膨張弁４４を迂回し、次いで膨張弁５４内を通過し、そこで高圧液体冷媒が膨張して低圧となり、それによって、冷媒が屋内熱交換器５０に入る前にこの冷媒をさらに冷却する。冷媒が屋内熱交換器を横断するとき、冷媒は蒸発する。屋内熱交換器ファン５２の動作によって、屋内空気が、冷媒と熱交換関係で屋内熱交換器５０内を通過し、それによって冷媒を蒸発させ、屋内空気を冷却する。冷媒は、冷媒管４５の区間４５Ｃを通って屋内熱交換器から逆転弁３０へと進み、圧縮機２０の吸込口に結合された冷媒管５５の区間５５Ｂを通って圧縮機２０に戻る前に、冷媒管５５の区間５５Ａを通って吸込アキュムレータ２２へと送られる。
【００２８】
次に図３を参照すると、室内空気加熱のみのモードで、加熱の要求に応じて、システム制御装置１００は、圧縮機２０、屋外熱交換器ファン４２、および屋内熱交換器ファン５２を作動させる。圧縮機２０からの高圧、過熱された冷媒は、冷媒管３５を通って逆転弁３０へと進み、そこで冷媒は、冷媒管４５の区間４５Ｃに送られ、これを通って、空気加熱モードでは凝縮器として働く屋内熱交換器５０へと通流する。屋内熱交換器ファン５２の動作によって、室内空気は、屋内熱交換器５０を通る冷媒と熱交換関係で屋内熱交換器５０内を通過し、これにより高圧冷媒が液体に凝縮され、過冷され、室内空気が加熱される。高圧液体冷媒は、屋内熱交換器５０から、冷媒管４５の区間４５Ｂを通って、空気加熱モードでは蒸発器として機能する、屋外熱交換器４０へと通流する。冷媒管４５の区間４５Ｂを通過する際に、高圧液体冷媒は、バイパス管５３および逆止め弁５６を通って膨張弁５４を迂回し、次いで膨張弁４４を通過し、そこで高圧液体冷媒は、膨張して低圧となり、それによって冷媒が屋外熱交換器４０に入る前にこの冷媒をさらに冷却する。屋外熱交換器ファン４２の動作によって、周囲空気は、屋外熱交換器内を通過し、冷媒が屋外熱交換器を横断するに従い、冷媒は蒸発する。冷媒は、屋外熱交換器４０から、冷媒管４５の区間４５Ａを通って逆転弁３０へと通過し、圧縮機２０の吸込口に結合された冷媒管５５の区間５５Ｂを通って圧縮機２０に戻る前に、冷媒管５５の区間５５Ａを通って吸込アキュムレータ２２へと送られる。
【００２９】
冷媒管３５を通過する際に、冷媒は、熱交換器６０内を通過し、そこで冷媒は、管６５内の水と熱交換関係で通流する。空気冷却のみのモードでは、水ポンプ６２がオフにされるので、冷媒から水へと渡される熱の量は小さい。したがって、ごく少量の水が熱交換器６０を通って流れ、管６５を通る水流は熱サイホン作用によって推進される。しかし、空気冷却のみのモードで水流が少ない状態でも、最終的に熱交換は、冷媒を緩熱するのに十分となり得る。
【００３０】
図４を参照すると、ヒートポンプが室内空気加熱モードにある一方で水の加熱が要求される場合、システム制御装置１００は、水ポンプ６０を作動させ、水が水管６５を介して貯蔵タンク６４から給送され、冷媒管２３を通って流れる高圧の過熱された蒸気冷媒と熱交換関係で、熱交換器６０を通過する。冷媒が熱交換器６０を通るとき、冷媒と熱交換関係で熱交換器６０を流れる水を加熱するために冷媒が熱を放出するので、冷媒は主に水温および室内空気温度に応じて、部分的に凝縮され、あるいは凝縮されかつ部分的に過冷される。水加熱を伴う空気加熱モードでは、冷媒管４５の区間４５Ｃを通り屋内熱交換器５０へと進む冷媒は、水と熱交換関係で熱交換器６０内を通過するとき、既に部分的に凝縮され、あるいは凝縮され部分的に過冷されているが、依然室内空気を加熱する必要がある。したがって、水加熱を伴う室内空気加熱モードでは、システム制御装置１００は、室内空気が、屋内熱交換器５０を通る冷媒と熱交換関係でもって屋内熱交換器５０を通過するように、屋内熱交換器ファン５２を作動させ、それによって、快適域に供給される室内空気を加熱し、さらに冷媒の凝縮や過冷を完了する。
【００３１】
屋内熱交換器５０から流れる高圧の過冷された液体冷媒は、冷媒管４５の区間４５Ｂを通り、空気加熱モードでは蒸発器として機能する屋外熱交換器４０へと進む。冷媒管４５の区間４５Ｂ内を通過する際、高圧液体冷媒は、バイパス管５３および逆止め弁５６を通って膨張弁５４を迂回し、次いで膨張弁４４内を通り、そこで高圧液体冷媒は膨張して低圧となり、それによって冷媒が屋外熱交換器４０に入る前にさらに冷却される。屋外熱交換器ファン４２の動作によって、周囲空気が屋外熱交換器内を通過し、冷媒が屋外熱交換器を横断するに従い冷媒は蒸発する。冷媒は、屋外熱交換器４０から冷媒管４５の区間４５Ａを通って逆転弁３０へと進み、圧縮機２０の吸込口に結合された冷媒管５５の区間５５Ｂを通って圧縮機２０に戻る前に、冷媒管５５の区間５５Ａを通って吸込アキュムレータ２２へと送られる。
【００３２】
次に図５を参照すると、ヒートポンプがオフである、すなわち室内空気冷却モードでも加熱モードでもない間に水の加熱要求がある場合、システム制御装置１００は、水ポンプ６０、圧縮機２０、および屋外熱交換器ファン４２を作動させるが、屋内熱交換器ファン５２は作動させない。ポンプ６０がオンの状態では、水が水管６５を介して貯蔵タンク６４から給送され、冷媒管３５を流れる高圧の過熱された蒸気冷媒と熱交換関係で熱交換器６０を通過する。冷媒が熱交換器６０内を通過するとき、冷媒と熱交換関係で熱交換器６０を通流する水を加熱するために冷媒が熱を放出するので、冷媒は凝縮され過冷される。熱交換器６０を出る冷媒は、管３５を通って逆転弁３０へと進み、逆転弁３０は、冷媒を冷媒管４５の区間４５Ｃを通して屋内熱交換器５０へと送る。水加熱のみのモードでは、快適域内の室内空気の冷却または加熱の要求がいずれも存在しないので、屋内熱交換器ファン５２は、室内空気が屋内熱交換器内を通過しないようオフにされる。したがって、水加熱のみのモードでは、屋内熱交換器内での冷媒のさらなる過冷は生じない。
【００３３】
さらなる過冷を伴わずに屋内熱交換器５０を横断した高圧の過冷液体冷媒は、冷媒管４５の区間４５Ｂを通って、空気加熱モードでは蒸発器として機能する屋外熱交換器４０へと進む。冷媒管４５の区間４５Ｂを通過する際に、高圧液体冷媒は、バイパス管５３および逆止め弁５６を通って膨張弁５４を迂回し、次いで膨張弁４４内を通過し、そこで高圧液体冷媒は膨張して低圧となり、それによって、冷媒が屋外熱交換器４０に入る前に冷媒をさらに冷却する。屋外熱交換器ファン４２の動作によって、周囲空気は屋外熱交換器内を通過し、冷媒が屋外熱交換器を横断するに従い蒸発する。冷媒は、屋外熱交換器４０から、冷媒管４５の区間４５Ａを通って逆転弁３０へと進み、圧縮機２０の吸込口に結合された冷媒管５５の区間５５Ｂを通って圧縮機２０に戻る前に、冷媒管５５の区間５５Ａを通して吸込アキュムレータ２２へと送られる。
【００３４】
空気冷却のみのモードで動作する、本発明のヒートポンプシステムの第２の実施形態を示す図６を参照すると、吸込管ブリード弁９０は、図６に示すようにその第１の位置で位置決めされており、バイパス流量制御弁９２は、開位置にある。そのように位置決めされて、冷媒管５１Ａおよび５１Ｂは、吸込管バイパス弁９０によって流れ連通状態で接続され、冷媒は、図１に関して上記で説明したように、冷媒回路の様々な構成要素を通る同じ経路をたどる。さらに、管９３および９５もまた、吸込管バイパス弁９０によって流れ連通状態で接続され、これにより充填タンク７０からの冷媒は、管７３内の電磁弁７４がシステム制御装置によって開かれるときはいつでも、冷媒回路に入ることができる。管５１Ａから管９５内への流れは、逆止め弁９４によって遮断される。空気冷却および水加熱モードでは、吸込管ブリード弁９０は、同様に図６に示すように第１の位置に位置決めされ、バイパス流量制御弁９２は、その開位置にある。そのように位置決めされて、冷媒管５１Ａおよび５１Ｂは、同様に吸込管バイパス弁９０によって流れ連通状態で接続され、冷媒は、図２に関して上記で説明したように、冷媒回路の様々な構成要素を通る同一の経路をたどる。
【００３５】
室内空気加熱のみのモードで、吸込管ブリード弁９０は、水用熱交換器６０を横断する際に受ける熱サイホン効果の大きさに応じて、その第１の位置または第２の位置のいずれかに位置決めすることができる。熱サイホン効果の影響が比較的小さい場合、吸込管ブリード弁９０は、図７に示すように、システム制御装置によってその第１の位置で位置決めされる。しかし、熱サイホンの影響が中程度から比較的大きい場合、システム制御装置は、吸込管ブリード弁９０を、図８に示すようにその第２の位置で位置決めする。吸込管バイパス弁９０がその第１の位置にある場合、システム制御装置は、バイパス流量制御弁９２をその開状態に位置決めする。吸込み管バイパス弁９０がその第２の位置にある場合、システム制御装置は、バイパス流量制御弁９２を、その開位置で位置決めし、システム制御装置は、バイパス流量制御弁をその閉状態に位置決めする。
【００３６】
次に図７を参照すると、空気加熱のみのモードで、吸込管バイパス弁９０がその第１の位置にある場合、冷媒管５１Ａおよび５１Ｂは、吸込管バイパス弁９０によって流れ連通状態で接続され、冷媒は、図３に関して上記で説明したように、冷媒回路の様々な構成要素を通る同じ経路をたどる。さらに、管９３および９５もまた、吸込管バイパス弁９０によって流れ連通状態で接続され、それによって、充填タンク７０からの冷媒は、管７３内の電磁弁７４がシステム制御装置によって開かれているときはいつでも、冷媒回路に入ることができる。管５１ａから管９５内への流れが、逆止め弁９４によって遮断されるので、管９５内で逆止め弁９４の吸込側に残っている冷媒は、管７３を通して圧縮機へと逆流する。
【００３７】
図８を参照すると、空気加熱のみのモードで吸込管バイパス弁９０がその第２の位置にある場合、冷媒管５１Ｂおよび９５が、吸込管バイパス弁９０によって流れ連通状態で接続され、冷媒は、管５１Ａではなく冷媒管９５を通って屋内熱交換器５０へと進むが、冷媒は、図３に関して上記で説明したのと同じ一般的な順序で、冷媒回路の様々な構成要素を通って流れる。冷媒管９３および５１Ａもまた、吸込管バイパス弁９０によって流れ連通状態で接続される。いったん管５１Ａ内でバイパス流量制御弁９２が閉じられ、管５１Ａを通る流れを遮断すると、弁９２の吸込側で管５１Ａ内に残っている冷媒は、管７３への管９３を通り、圧縮機２０へと流れる。さらに、冷媒管９３および５１Ａが吸込管バイパス弁９０によって流れ連通状態で接続された状態で、充填タンク７４からの冷媒は、管７３内の電磁弁７４がシステム制御装置によって開かれるときはいつでも、冷媒回路に入ることができる。
【００３８】
水加熱を伴う空気加熱モード、および水加熱のみのモードでは、吸込管バイパス弁９０は、図８に示されるようにその第２の位置で位置決めされたままとなり、冷媒管５１Ｂおよび９５は、吸込管バイパス弁９０によって流れ連通状態で接続され、冷媒は、管５１Ａではなく冷媒管９５を通って屋内熱交換器５０へと進むが、冷媒は、図４および図５に関して上記でそれぞれ説明したように同じ一般的な順序で、冷媒回路の様々な構成要素を通って流れる。いったん管５１Ａ内のバイパス流量制御弁９２が閉じられ、管５１Ａを通る流れを遮断すると、管５１Ａ内で弁９２の吸込側に残っている冷媒は、管７３への管９３を通り、圧縮機２０へと流れる。さらに、冷媒管９３および５１Ａは、吸込管バイパス弁９０によって流れ連通状態で接続され、充填タンク７０からの冷媒は、管７３内の電磁弁７４がシステム制御装置によって開かれるときはいつでも、冷媒回路に入ることができる。水加熱を伴う空気加熱モードでは、屋内熱交換器ファン５２は、図４に示されるように動作し、水加熱のみのモードでは、図５に示されるように、屋内熱交換器ファン５２は動作しない。
【００３９】
上記のように、本発明のヒートポンプシステムは、空気冷却のみのモード、空気冷却および水加熱モード、空気加熱のみのモード、空気加熱および水加熱モード、ならびに水加熱のみのモードで、有効に動作しなければならない。屋外熱交換器４０および屋内熱交換器５０は共に、動作のモードおよびその時点に応じて、蒸発器、凝縮器、またはサブクーラとして動作するので、凝縮は１つまたは２つの熱交換器内で生じることがあり、吸込管は、気体または液体状態の冷媒で満たされることがある。結果的に、許容可能な効率エンベロープ内での動作を保証するために各モードで必要とされるシステムの冷媒充填量は、各モードで異なる。水の加熱が必要とされない場合、必要とされる冷媒充填量は、冷媒−水熱交換器６０内での熱サイホンの発生による熱交換の量によっても影響される。
【００４０】
したがって、システム制御装置システム１００は、冷媒管７１内に配置された第１の流量制御弁７２および冷媒管７３内に配置された第２の流量制御弁７４を選択的に開閉することにより、充填タンク７０内の冷媒液位を監視し調整することによって、冷媒回路を通って流れる冷媒の量、すなわち冷媒充填量を常に制御する。
【００４１】
最も有利な実施形態では、充填タンク７０は、充填タンク７０内の冷媒液位を示す信号を生成しシステム制御装置１００へと伝達する、液位メータ８０を備える。液位メータ８０は、連続的に、特定の間隔で定期的に、または制御装置によって指示されるときのみ、液位信号をシステム制御装置１００へと伝達するように構成されることができる。次に図１０を参照すると、動作時に制御装置が１つの動作モードから新しい動作モードに切り替えるとき、制御装置１００は、ブロック１０１にて圧縮機２０をオンにし、次いでブロック１０２で、制御装置１００は、充填タンク７０内のその時の現在液位を、制御装置のメモリに保存されている、システムがこの新しい動作モードと同じモードで動作していた最後の時点で最後に経験した液位と比較する。現在液位が、この特定の動作モードで最後に経験した液位と同じである場合、制御装置はブロック１０５で、吐出温度制御手順を作動させ、かつ／またはブロック１０６にて通常の充填制御手順を作動させる。
【００４２】
しかし、現在液位が、この特定の動作モードで最後に経験した液位と同じでない場合、制御装置１００は、現在液位をこの特定の動作モードで最後に経験した液位と等しくするよう調整するために、電磁弁７２，７４を、必要に応じて開閉するよう選択的に調節する。現在液位が最後に経験した液位よりも低い場合、ブロック１０３で制御装置１００は、電磁弁７４を閉じ、現在値が最後に経験した液位に到達するまで冷媒を冷媒回路から充填タンク７０内へと排出するように、電磁弁７２を開に調節する。反対に、現在液位が最後に経験した液位を上回る場合、制御装置１００はブロック１０４で、電磁弁７２を閉じ、現在液位が最後に経験した液位に到達するまで冷媒を充填タンク７０から冷媒回路内へと排出するように、電磁弁７４を開に調節する。たとえば、制御装置は、適切な弁を短時間、たとえば２秒開き、弁を閉じ、液位を再点検し、現在液位が最後に経験した液位と等しくなるまでこの順序を繰り返す。現在液位が最後に経験した液位と等しくなると、制御装置は、通常の充填制御手順や吐出温度制御手順を作動させる。
【００４３】
システム制御装置１００はまた、充填タンク７０と連結された液位センサを備えない、本発明のヒートポンプシステムの実施形態においても、本明細書で論じられる制御手順を用いることができる。しかし、ヒートポンプシステムが新しい動作モードに切り替わるとき、システム制御装置１００はまず、開始される特定の動作モードに応じて、充填タンクを液体状態の冷媒で、または気体状態の冷媒で満たす。
【００４４】
新しい動作モードが水の加熱を伴わない場合、システム制御装置は、冷媒タンク７０を液体冷媒で満たすために、図１１のブロック図により示される手順に従って進む。ブロック２０１で圧縮機２０をオンにした後、システム制御装置は、ブロック２０２で、電磁弁７４を閉じ、液体冷媒が管７１から充填タンク７０内へと進むことを可能にするために、電磁弁７２を開く。ブロック２０３における、充填タンク７０を液体冷媒で満たすことを可能にするのに十分な、たとえば３分間のプログラムされた時間遅延の後に、システム制御装置は、ブロック２０５で、所望のように、吐出温度制御手順や充填制御手順によって、必要に応じて冷媒回路充填を調整するように進む。電磁弁７２は、この時点では、開く、または閉じるように位置決めすることもできる。
【００４５】
しかし、新しい動作モードが水の加熱を伴う場合、システム制御装置は、冷媒タンク７０を気体冷媒で満たすために、図１２のブロック図によって示された手順に従って進む。ブロック２１１で圧縮機２０をオンにした後、システム制御装置は、ブロック２１２で電磁弁７２を閉じ、気体状態の冷媒が管７３から充填タンク７０内へと進むことを可能にするように、電磁弁７４を、たとえば２分間、反復して３秒開き１７秒閉じるなど、一定の時間オン／オフして調節する。ブロック２１３における、充填タンク７０を気体冷媒で満たすことを可能にするのに十分な、たとえば３分間のプログラムされた時間遅延の後に、システム制御装置は、所望のように、ブロック２１４の吐出温度制御手順、およびブロック２１５の充填制御手順によって、必要に応じて冷媒回路充填を調整するように進む。電磁弁７４は、この時点で開く、または閉じるように位置決めすることができる。任意の水加熱モードで、水リザーバ６４内の水温が所望の限界値、たとえば６０℃に到達したことを、温度センサ８９が検出すると、制御装置１００は、ポンプ６２を遮断する。
【００４６】
図１３のブロック図によって示される吐出温度限界制御手順に従い、固定膨張モードに入った後で、ブロック３０１にて圧縮機２０をオンにし、たとえば約３０秒の短い時間遅延の後に、システム制御装置は、ブロック３０２にて、温度センサ８５から受信した現在の吐出温度ＴＤＣ、すなわち圧縮機２０から吐出されている冷媒の温度を、制御装置１００に事前にプログラムされた、吐出温度限界ＴＤＬと比較する。典型的な圧縮機吐出限界は、製造業者の適用指針仕様を下回る、たとえば約７℃など所望の度数である。典型的な圧縮機の吐出温度限界は、約１２８℃となる。現在の吐出温度ＴＤＣが、吐出温度限界を上回る場合、システム制御装置１００はブロック３０３で、充填制御手順が現在作動しているならばこれを停止させ、次いでブロック３０４で、電磁弁７２を閉じ、冷媒を充填タンク７０から冷媒管７３を通して冷媒回路内へと排出するために、電磁弁７４を開に調節する。温度センサ８５から受信した現在の吐出温度が、吐出温度限界以下である場合、システム制御装置１００は、ブロック３０５で、充填制御手段が現在作動していないならばこれを作動させ、冷媒回路内の冷媒充填を必要に応じて調整するために充填制御手順に従うように進む。
【００４７】
図１４に示される充填制御手段で、冷媒充填が最初に設定され、ブロック４００にて圧縮機２０がオンにされていることを保証した後に、システム制御装置１００はブロック４０１にて、両方の電磁弁７２および７４を閉じる。たとえば約１分など、短時間の遅延後に、現在の特定の動作モードに応じて、システム制御装置は、ブロック４０３で、システム内に現在ある過熱度または過冷度の、いずれかまたは両方を、制御装置１００に事前にプログラムされている過熱の許容範囲と比較する。たとえば、空気冷却のみ、および水の加熱を伴う空気冷却モードでは、過熱の許容範囲は、０．５〜２０℃とすることができ、過冷の許容範囲は、２〜１５℃とすることができる。空気加熱のみ、水の加熱を伴う空気加熱、および水の加熱のみのモードでは、過熱の許容範囲は、０．５〜１１℃とすることができ、過冷の許容範囲は、たとえば０．５〜１０℃とすることができる。
【００４８】
ブロック４０２で、システムが固定膨張モードで動作していると特定した後、システム制御装置は、ブロック４０３で、現在の過熱度を、制御装置１００内に事前にプログラムされている過熱の許容範囲と比較する。現在の過熱度が、許容範囲を下回る場合、ブロック４０４で、システム制御装置１００は、冷媒を冷媒回路から充填タンク７０内へと流出させるために、電磁弁７２を開に調節する。現在の過熱度が、許容範囲を上回る場合、ブロック４０５で、システム制御装置１００は、冷媒を充填タンク７０から冷媒回路内へと排出するために、電磁弁７４を開に調節する。過熱度が過熱の許容範囲内に入る場合、システム制御装置は、ブロック４０６に進む。
【００４９】
固定膨張を伴わないモードで動作する場合、システム制御装置は、ブロック４０７で、現在の過冷度を、制御装置内に事前にプログラムされている過冷の許容範囲と比較する。現在の過冷度が許容範囲を上回る場合、ブロック４０４で、システム制御装置１００は、冷媒を冷媒回路から充填タンク７０内へと排出するために、電磁弁７２を開に調節する。現在の過冷度が許容範囲を下回る場合、ブロック４０５で、システム制御装置１００は、冷媒を充填タンク７０から冷媒回路内へと排出するために、電磁弁７４を、開に調節する。過冷度が過冷の許容範囲に入る場合、システム制御装置は、冷媒充填を、上記の充填制御手順および吐出温度限界制御手順によって制御するように進む。
【００５０】
圧縮機の吐出温度限界、様々な時間遅延、所望の過熱範囲、所望の過冷範囲など、上記で例として示された様々な制御パラメータは、ろう付けされたプレート型の水−冷媒間熱交換器６０と、４ｋｇの液体冷媒貯蔵容量を有する冷媒リザーバ（充填タンク）７０と、８ｋｇのシステム冷媒充填と、全体で７ｍの冷媒管と、を有する、典型的な５トン容量のスプリット式ヒートポンプシステムのためのものである。これらのパラメータは、例示のために示されており、これらのパラメータは、異なるヒートポンプ構成および容量のために示された例とは異なることがあることを、当業者であれば理解できるであろう。当業者は、本発明を実施する際に、任意の特定のヒートポンプシステム動作に最もよく適合するように、使用される的確なパラメータを選択する。
【００５１】
本発明について、特に、図面に示された好ましい形態を参照しながら示し説明したが、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本発明において様々な詳細の変更を行うことができることを、当業者であれば理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】室内空気冷却のみのモードでの動作を示す、本発明のヒートポンプシステムの第１の実施形態を示す概略図である。
【図２】水の加熱を伴う室内空気冷却モードでの動作を示す、本発明のヒートポンプシステムの第１の実施形態を示す概略図である。
【図３】室内空気冷却のみのモードでの動作を示す、本発明のヒートポンプシステムの第１の実施形態を示す概略図である。
【図４】水の加熱を伴う室内空気加熱モードでの動作を示す、本発明のヒートポンプシステムの第１の実施形態を示す概略図である。
【図５】水の加熱のみのモードでの動作を示す、本発明のヒートポンプシステムの第１の実施形態を示す概略図である。
【図６】空気冷却モードでの動作を示す、本発明のヒートポンプシステムの第２の実施形態を示す概略図である。
【図７】第１の空気加熱モードでの動作を示す、本発明のヒートポンプシステムの第２の実施形態を示す概略図である。
【図８】第２の空気加熱モードでの動作を示す、本発明のヒートポンプシステムの第２の実施形態を示す概略図である。
【図９】本発明のヒートポンプシステムのための制御システム構成の一実施形態を示す概略図である。
【図１０】新しい動作モードにおける起動での冷媒充填調整手順の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図１１】新しい動作モードにおける起動での冷媒充填調整手順の第２の実施形態を示すブロック図である。
【図１２】新しい動作モードにおける起動での冷媒充填調整手順の第３の実施形態を示すブロック図である。
【図１３】起動後の冷媒充填調整のための吐出温度限界制御手順を示すブロック図である。
【図１４】起動後の冷媒充填調整のための充填制御手順を示すブロック図である。
【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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【国際調査報告】
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