(57)【要約】ヒートポンプシステム（１０）は、冷媒通路（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において、貯蔵タンクまたは水泳プールなど、水リザーバ（６４）からの水が、熱交換器（６０）を通り屋外熱交換器（４０）と屋内熱交換器（５０）の中間の冷媒回路内への流体流路を確立する、追加の冷媒通路（２７）を通過する冷媒と熱交換関係でもって、熱交換器（６０）を通過する。冷媒リザーバ（７０）を、冷媒充填制御に使用するために設けることができる。
2008520945.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で動作可能であり、液体加熱能力を有する冷媒システムであって、
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接続するとともに、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接続する第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４のポートを流体流れ連通状態で接続するとともに、前記第２のポートと前記第３のポートを流体流れ連通状態で接続する第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の冷媒通路、前記逆転弁の前記第２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２の冷媒通路を有し、閉ループ冷媒循環流路を形成する冷媒回路と、
前記第２の冷媒通路に動作可能に連結され、前記第２の冷媒通路内を通る冷媒を、周囲空気と熱交換関係で通すように構成された屋外熱交換器と、
前記第２の冷媒通路に動作可能に連結され、冷媒を、快適域からの前記空気と熱交換関係で前記第２の冷媒通路内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る屋内熱交換器と、
前記屋外熱交換器と前記屋内熱交換器の中間の位置で、前記第２の冷媒通路と前記逆転弁の前記第４のポートとの間に流路を確立する第３の冷媒通路と、
前記第３の冷媒通路と動作可能に連結され、前記第３の冷媒通路内を通る冷媒を、液体と熱交換関係で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、前記第３の冷媒通路が前記第２の冷媒通路と交わる位置との中間において、前記第２の冷媒通路内に配置され、かつ開位置および閉位置を有する第１の流量制御弁と、
前記屋内熱交換器と、前記第３の冷媒通路が前記第２の冷媒通路と交わる位置との中間において、前記第２の冷媒通路内に配置され、かつ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、前記第２の冷媒通路を通る冷媒流れを選択的に制御するように、前記第１および第２の流量制御弁の前記それぞれの位置決めを、それら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、
前記屋外熱交換器と前記屋内熱交換器の中間の位置で前記第２の冷媒通路に流体流れ連通状態で結合された入口、および前記屋内熱交換器と前記圧縮機の前記吸込ポートとの中間の位置で前記第２の冷媒通路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、
を備える冷媒システム。
【請求項２】
前記逆転弁から第２の冷媒通路内への方向の冷媒流れを可能にし、前記第２の冷媒通路から前記逆転弁への流れを遮断するように前記第３の冷媒通路内に配置された、流れ逆止め弁をさらに備える請求項１に記載の冷媒システム。
【請求項３】
前記逆転弁の前記第３のポートと前記圧縮機の前記吸込ポートとの間の冷媒流路の間で流路を確立する、第４の冷媒通路をさらに備える請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記第２の冷媒通路から冷媒リザーバの前記入口への冷媒の流れを制御するために、前記冷媒リザーバと動作可能に連結された、開位置および閉位置を有する第１の流量制御弁と、
前記冷媒リザーバの前記出口と、前記第２の冷媒通路の前記屋内熱交換器と前記圧縮機の前記吸込ポートとの中間の位置と、の間の冷媒の流れを制御するために、前記冷媒リザーバと動作可能に連結された、開位置および閉位置を有する第２の流量制御弁と、
前記冷媒回路内の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の流量制御弁の前記それぞれの位置決めを、それら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、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た制御装置と、
をさらに備える請求項１に記載の冷媒システム。
【請求項５】
前記冷媒リザーバと動作可能に連結された前記第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ある少なくとも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、前記冷媒リザーバと動作可能に連結された前記第１および第２の流量制御弁の前記それぞれの位置決めを、それらの開位置、１つの部分的な開位置、および閉位置の間で選択的に調節するように動作する請求項４に記載の冷媒システム。
【請求項６】
前記冷媒リザーバと動作可能に連結された前記第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５に記載の冷媒システム。
【請求項７】
前記冷媒リザーバに動作可能に連結され、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４に記載の冷媒システム。
【請求項８】
前記制御装置が、前記液位センサから受信された前記液位信号に応答して、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、前記冷媒リザーバと動作可能に連結された前記第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請求項７に記載の冷媒システム。
【請求項９】
少なくとも空気冷却モードおよび空気加熱空気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４のポートを流体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３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逆転弁と、
前記圧縮機の前記吐出ポートと前記第１の逆転弁の前記第１のポートとの間に流路を確立する第１の冷媒通路、および前記第１の逆転弁の前記第２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２の冷媒通路を有する、閉ループ冷媒循環流路を形成する冷媒回路と、
前記第２の冷媒通路と動作可能に連結され、前記第２の冷媒通路を通る冷媒を、周囲空気と熱交換関係で通すように構成された屋外熱交換器と、
前記第２の冷媒通路と動作可能に連結され、前記第２の冷媒通路を通る冷媒を、快適域からの前記空気と熱交換関係で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る屋内熱交換器と、
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させる第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２の選択的に位置決め可能な弁と、
前記第１の逆転弁の前記第４のポートと前記第２の逆転弁の前記第１のポートとの間に流路を確立する、第３の冷媒通路と、
前記屋外熱交換器と前記屋内熱交換器の中間の位置で、前記第２の冷媒通路と前記第２の逆転弁の前記第３のポートとの間に流路を確立する、第４の冷媒通路と、
前記屋内熱交換器と前記圧縮機への前記吸込口の中間の位置で、前記第２の冷媒通路と前記逆転弁の前記第２のポートとの間に流路を確立する、第５の冷媒通路と、
前記第４の冷媒通路に動作可能に連結され、前記第４の冷媒通路を通る冷媒を液体と熱交換関係で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、前記第３の冷媒通路が前記第２の冷媒通路と交わる位置との中間において、前記第２の冷媒通路内に配置され、かつ開位置および閉位置を有する第１の流量制御弁と、
前記屋内熱交換器と、前記第３の冷媒通路が前記第２の冷媒通路と交わる位置との中間において、前記第２の冷媒通路内に配置され、かつ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５の冷媒通路が前記第２の冷媒通路と交わる位置と、前記圧縮機への前記吸込口との中間で、前記第２の冷媒通路内に配置され、かつ開位置および閉位置を有する第３の流量制御弁と、
前記第１、第２、第３の流量制御弁と動作可能に連結され、前記第２の冷媒通路を通る冷媒流れを選択的に制御するように、前記第１、第２、第３の流量制御弁の前記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、
を備えるヒートポンプシステム。
【請求項１０】
前記第２の逆転弁から前記第２の冷媒通路内への方向の冷媒流れを可能にし、前記第２の冷媒通路から前記第２の逆転弁への流れを遮断するように、前記第４の冷媒通路内に配置された流れ逆止め弁をさらに備える請求項９に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１１】
前記第１の逆転弁の前記第３のポートと前記圧縮機の前記吸込ポートとの間に、冷媒流路を確立する第６の冷媒通路と、
前記第２の逆転弁の第４のポートと前記圧縮機の前記吸込ポートとの間に冷媒流路を確立する、第７の冷媒通路と、をさらに備える請求項９に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１２】
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、前記第２の冷媒通路に流体流れ連通状態で結合される入口と、前記屋内熱交換器と前記圧縮機の前記吸込ポートとの中間の位置で、前記第２の冷媒通路に流体流れ連通状態で結合される出口と、を有する冷媒リザーバをさらに備える請求項９に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１３】
前記第２の冷媒通路から前記冷媒リザーバの前記入口への冷媒の流れを制御するために、前記冷媒リザーバと動作可能に連結された、開位置および閉位置を有する第１の流量制御弁と、
前記第２の冷媒通路に連結された前記第３の流量制御弁と前記圧縮機の前記吸込ポートの中間の位置にて、前記冷媒リザーバの前記出口と前記第２の冷媒通路との間の冷媒の流れを制御するために、前記冷媒リザーバと動作可能に連結された、閉位置および開位置を有する第２の流量制御弁と、
前記冷媒リザーバと動作可能に連結された前記第１および第２の流量制御弁と動作可能に連結され、前記冷媒回路内の冷媒充填量を選択的に制御するように、前記冷媒リザーバと動作可能に連結された前記第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た液位センサをさらに備え、前記液位センサが、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、請求項１２に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１５】
前記制御装置は、前記液位センサから受信した前記液位信号に応答して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、前記冷媒リザーバと動作可能に連結された前記第１および第２の流量制御弁の前記それぞれの位置決めを、それら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請求項１４に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１６】
前記制御装置が、前記屋内空気加熱モードと前記水加熱モードの間でサイクル動作し、それによって前記システムが、空気を加熱しながら水も有効に加熱することができる請求項９に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１７】
前記屋外熱交換器と前記第１の冷媒通路内の前記第１の流量制御弁の中間で、前記第２の冷媒通路内に配置された第１の膨張弁と、
前記屋内熱交換器と前記第２の冷媒通路内の前記第２の流量制御弁の中間で、前記第２の冷媒通路内に配置された第２の膨張弁と、
をさらに備え、前記第１の膨張弁が、前記屋外熱交換器と動作可能に連結され、前記第２の膨張弁が、前記屋内熱交換器と動作可能に連結される、請求項９に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１８】
前記第２の冷媒通路内を前記屋外熱交換器から前記屋内熱交換器への方向で通過する冷媒を、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の冷媒通路に動作可能に連結された第１の膨張弁バイパス通路をさらに備える請求項１７に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１９】
前記第２の冷媒通路内を前記屋内熱交換器から前記屋外熱交換器への方向で通過する冷媒を、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の冷媒通路に動作可能に連結された第２の膨張弁バイパス通路をさらに備える請求項１７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、屋内空気を冷却し、または冷却／加熱するための冷媒システムに関し、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の水の加熱を含めた、補助的な液体加熱を含む冷媒システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
空気調和器および可逆ヒートポンプなど、冷媒システムは、当業界でよく知られており、環境制御される快適域をそれぞれ、冷却、および冷却／加熱するために、住居または建物で広く使用される。従来の空気調和器またはヒートポンプ冷媒システムは、圧縮機、吸込アキュムレータ、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５０、屋内熱交換器と動作可能に連結された膨張弁、を備える。ヒートポンプシステムはさらに、逆転弁、および屋外熱交換器と動作可能に連結された追加の膨張弁を備える。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内で配列される。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ることができることが、当業界でよく知られている。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。米国特許第５，８０２，８６４号は、大気、家庭用温水暖房、およびプール用水の加熱など、いくつかの選択的な熱シンクに熱を排出しながら、内部空間用の空気を冷却および除湿するのに使用するための、空気調和システムを開示する。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備えない。したがって、これらのシステムは、機能している間に、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、吸込通路は、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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【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。冷媒充填リザーバが設けられ、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。しかし、全ての動作モードで冷媒回路中の冷媒充填量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。
【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、空気調和器／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冷媒充填制御を備える、空気調和器／ヒートポンプ冷媒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、本システムは、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４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３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の冷媒通路と、逆転弁の第２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２の冷媒通路と、を有する。屋外熱交換器が、第２の冷媒通路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の冷媒通路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の冷媒通路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の冷媒通路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る。第３の冷媒通路は、屋外熱交換器と屋内熱交換器との中間の位置で、第２の冷媒通路と逆転弁の第４のポートとの間に流路を確立する。冷媒−液体熱交換器は、第３の冷媒通路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３の冷媒通路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の中間の位置にて、第２の冷媒通路に流体流れ連通状態で接続された入口と、前記圧縮機の吸込口に流体流れ連通状態で接続された出口と、を有する冷媒リザーバを設けることができる。第１の流量制御弁は、屋外熱交換器と、第３の冷媒通路が第２の冷媒通路と交わる位置と、の中間で、第２の冷媒通路内に配置され、第２の流量制御弁は、屋内熱交換器と、第３の冷媒通路が第２の冷媒通路と交わる位置と、の中間で、第２の冷媒通路内に配置される。制御装置は、第２の冷媒通路を通る冷媒流れ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、それら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設けられる。流れ逆止め弁は、逆転弁から第２の冷媒通路内への方向の冷媒流れを可能にし、第２の冷媒通路から逆転弁への流れを遮断するように、第３の冷媒通路内に配置することができる。
【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４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３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の冷媒通路と、逆転弁の第２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２の冷媒通路と、を有する。屋外熱交換器が、第２の冷媒通路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の冷媒通路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の冷媒通路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の冷媒通路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の冷媒通路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。
【００１１】
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。第３の冷媒通路は、第１の逆転弁の第４のポートと第２の逆転弁の第１のポートとの間に、流路を確立する。第４の冷媒通路は、屋外熱交換器と屋内熱交換器の中間の位置にて、第２の冷媒通路と第２の逆転弁の第３のポートとの間に、流路を確立する。第５の冷媒通路は、屋内熱交換器と圧縮機への吸込口の中間の位置にて、第２の冷媒通路と逆転弁の第２のポートとの間に流路を確立する。冷媒−液体熱交換器が、第４の冷媒通路と動作可能に連結されて配置され、第４の冷媒通路内を通る冷媒を、液体と熱交換関係で通すように構成される。
【００１２】
第１の流量制御弁が、屋外熱交換器と、第３の冷媒通路が第２の冷媒通路と交わる位置と、の中間で、第２の冷媒通路内に配置される。第２の流量制御弁が、屋内熱交換器と、第３の冷媒通路が第２の冷媒通路と交わる位置と、の中間で、第２の冷媒通路内に配置される。第３の流量制御弁が、第５の冷媒通路が第２の冷媒通路と交わる位置と、圧縮機の吸込口との中間で、第２の冷媒通路内に配置される。制御装置が、第２の冷媒通路を通る冷媒流れを選択的に制御するように、第１、第２、第３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設けられる。流れ逆止め弁は、逆転弁から第２の冷媒通路内への方向の冷媒流れを可能にし、第２の冷媒通路から逆転弁への流れを遮断するように、第３の冷媒通路内に配置することができる。
【００１３】
ヒートポンプ実施形態では、システムの空気調和実施形態のように、屋外熱交換器と屋内熱交換器の中間の位置にて第２の冷媒通路に流体流れ連通状態で接続される入口と、圧縮機の吸込口に流体流れ連通状態で接続される出口と、を有する冷媒リザーバを設けることができる。有利には、第１の流量制御弁は、第２の冷媒通路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、冷媒リザーバに動作可能に連結して設けることができ、第２の流量制御弁は、冷媒リザーバの出口と圧縮機の吸込口との間で流動冷媒を制御するために、冷媒リザーバに動作可能に連結して設けることができる。制御装置は、冷媒回路内の冷媒充填量を選択的に制御するように、これら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。これら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、これら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、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ことができる。
【００１４】
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、液位センサを設けることができる。液位信号に応答して、制御装置は、冷媒回路内の冷媒充填量を選択的に制御するように、冷媒リザーバに動作可能に連結された第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。
【００１５】
本発明のさらなる態様では、ヒートポンプ実施形態において、システムは、屋内空気加熱モードと水加熱モードの間でサイクル動作することによって、屋内空気および水の両方を加熱するために使用されることができる。そうするためには、システム制御装置は、水温設定点または空気屋内温度設定点が達成されるまで、空気加熱のみのモードと水加熱のみのモードとの間で数分間ごとに切り替わる。
【００１６】
これらおよび本発明の諸目的をさらに理解するために、添付の図面と関連付けて読むべき本発明の以下の詳細な説明を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１〜図３の第１の実施形態および図４〜図７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、第１の実施形態では、たとえば建物（図示せず）の内部に位置する屋内域など快適域への空気を冷却し、第２の実施形態では、快適域への空気を冷却および加熱し、また各実施形態で、必要に応じて補助的な水の加熱も行う。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、周囲環境と熱移動関係でもって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。冷媒通路３５、４５、５５を備える冷媒回路は、よく知られたカルノーの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やり方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、そこを冷媒が、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、水循環通路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。
【００１８】
ロータリ圧縮機、スクロール圧縮機、往復圧縮機、ねじ圧縮機、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、選択的に位置決め可能な、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、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、かつ同時に第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４のポートを流体流れ連通状態で結合し、かつ同時に第２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、逆転弁３０内で内部的に実現される。圧縮機２０の出口２８は、冷媒通路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、冷媒通路４５Ａに流体流れ連通状態で接続される。逆転弁３０の第３のポート３０−３は、冷媒通路４７と流体流れ状態で接続される。冷媒−水熱交換器６０は、冷媒通路２５と動作可能に連結され、冷媒通路２５内を流れる冷媒は、水循環通路６５内を通過する水と熱交換関係で進む。
【００１９】
屋外熱交換器４０および屋内熱交換器５０は、冷媒通路４５内に動作可能に配置される。屋外熱交換器５０は、冷媒通路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、冷媒通路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。冷媒通路４５の区間４５Ｂは、屋外熱交換器４０と屋内熱交換器５０とを、冷媒流れ連通状態で結合する。吸込アキュムレータ２２を、冷媒通路５５内で圧縮機２０の吸込側に配置してもよく、その入口を冷媒通路５５の区間４５Ｃによって冷媒通路４５Ｃに冷媒流れ連通状態で接続し、その出口を冷媒通路５５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、冷媒通路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。
【００２０】
第１の流量制御弁４８および第２の流量制御弁５８は、屋外熱交換器４０と屋内熱交換器５０の間で、冷媒通路４５の区間４５Ｂ内に配置される。冷媒−水熱交換器６０を横断した後、冷媒通路２５は、２つの流量制御弁４８および５８の中間の位置にて、冷媒通路４５内へと流体流れ連通状態で接続される。冷媒通路２５内に配置された逆止め弁２６は、通路２５を通る冷媒通路４５内への流れを可能にするが、逆方向の流れに対して通路２５を閉じる。有利には、流量制御弁４８，５８はいずれも、制御装置１００によって開位置または閉位置のいずれかに選択的に位置決め可能な電磁弁である。
【００２１】
両実施形態において、膨張弁５４は、屋内熱交換器と動作可能に連結して冷媒通路４５の区間４５Ｂ内に配置される。図４〜図７に示すヒートポンプの実施形態では、膨張弁４４もまた、屋外熱交換器と動作可能に連結して設けられる。各膨張弁４４，５４はそれぞれ、一方向のみの流れを可能にする逆止め弁を有するバイパス通路を備える。屋外熱交換器の膨張弁４４と連結されたバイパス通路４３内の逆止め弁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、屋外熱交換器膨張弁４４を迂回し、冷媒を屋内熱交換器の膨張弁５４へと通す。反対に、屋内熱交換器の膨張弁５４と連結されたバイパス通路５３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、屋内熱交換器膨張弁５４を迂回し、冷媒を屋外熱交換器の膨張弁４４へと通す。
【００２２】
図４〜図７に示すシステムの実施形態では、システムは、上述した構成要素に加えて、第２の逆転弁１３０および追加の流量制御弁６８を備える。第２の逆転弁１３０は、第１のポート１３０−１、第２のポート１３０−２、第３のポート１３０−３、第４のポート１３０−４を有する、選択的に位置決め可能な２位置４ポート弁を備えることができる。第２の逆転弁１３０は、第１のポートと第２のポートを流体流れ連通状態で接続させ、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接続させる、第１の位置に位置決め可能である。逆転弁１３０は、第１のポートと第３のポートを流体流れ連通状態で接続させ、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接続させる、第２の位置に位置決め可能である。有利には、第１および第２の位置に確立されるそれぞれのポート間結合は、逆転弁３０の内部で達成される。逆転弁１３０の第１のポート１３０−１は、冷媒通路２３によって、逆転弁３０の第４のポート３０−１に冷媒流れ連通状態で接続される。逆転弁１３０の第２のポート１３０−２は、冷媒通路２７によって冷媒通路４５Ｃ内へと冷媒流れ連通状態で接続される。逆転弁１３０の第３のポート１３０−３は、冷媒通路２５によって冷媒通路４５Ｂ内へと冷媒流れ連通状態で接続される。逆転弁１３０の第４のポート１３０−４は、冷媒通路２９によって冷媒通路４７内へと冷媒流れ連通状態で接続される。
【００２３】
第１の流量制御弁４８および第２の流量制御弁５８と同様に、第３の流量制御弁６８は、有利には、制御装置１００によって開位置または閉位置のいずれかに選択的に位置決め可能な電磁弁とすることができる。流量制御弁６８がその開位置にある場合、冷媒は通路４５Ｃを通って吸込アキュムレータへと流れることができる。しかし、流量制御弁６８がその閉位置にある場合、冷媒は、通路４５Ｃを通って吸込アキュムレータへと逆流することができない。
【００２４】
図１〜図３に示す本発明のシステムの実施形態では、システムは、快適域への空気を冷却し、また必要に応じて水を加熱するように機能する。したがって、この実施形態では、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、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。図４〜図７に示すシステムの実施形態では、システムは、快適域への空気を冷却および加熱し、また、空気加熱モードの場合を除いて、必要に応じて水を加熱するように機能する。したがって、この実施形態では、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、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、屋内熱交換器５０、冷媒−水熱交換器６０はそれぞれ、モードに応じて、１つが凝縮器として、別のものが蒸発器として、さらに別のものが冷媒のブリードとして動作するので、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冷媒充填量はそれぞれ異なり、最適な冷媒充填量もまた、各モード内の動作温度、および各モードのための作動通路およびブリード通路内の冷媒量に依存する。
【００２５】
したがって、システム１０はさらに、冷媒通路７１によって冷媒通路４５と流体流れ連通状態で接続された入口および冷媒通路７３によって冷媒通路４５Ｃ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、冷媒通路７１内に配置された第１の流量制御弁７２と、冷媒通路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、そこ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、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、たとえばトランスジ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。
【００２６】
ここで図８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、従来のやり方の快適領域の冷却または加熱要求、および／また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４から図７に示す実施形態では、システム制御装置１００はまた、第２の逆転弁１３０および追加の流量制御弁６８の動作を制御する。さらに、システム制御装置１００は、冷媒充填量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７２，７４の開閉を制御する。システム制御装置１００は、限定ではなく、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４４，５４の間の位置にて冷媒通路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、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。
【００２７】
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、かつそれ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通路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、圧縮機へ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、かつそれ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通路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、屋内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にて、屋外熱交換器４０と動作可能に連結されて配置され、また、その感知され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。同様に温度センサ８４は、屋外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ための位置にて、屋内熱交換器５０と動作可能に連結されて配置され、その感知され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。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およびセンサ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。冷媒通路４５と動作可能に連結された冷媒温度センサ８６は、膨張弁４４，５４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。
【００２８】
次に図１を参照すると、屋内空気冷却のみのモードでは、冷却の要求に応答して、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を活動化させ、流量制御弁４８，５８の両方を開く。圧縮機２０からの高圧の過熱された冷媒が、冷媒通路３５を逆転弁３０へと進み、そこで冷媒は、冷媒通路４５の区間４５Ａへと送られ、該区間４５Ａ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。流量制御弁４８，５８が開いた状態で、高圧液体冷媒は、屋外熱交換器４０から冷媒通路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。冷媒通路４５の区間４５Ｂを通過する際、高圧液体冷媒は、バイパス通路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低圧に膨張し、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、冷媒通路４５の区間４５Ｃを通って屋内熱交換器から吸込アキュムレータ２２へと進んでから、圧縮機２０の吸込口と接続される冷媒通路５５を通って圧縮機２０に戻る。この空気冷却のみのモードでは、冷媒通路２５内の逆止め弁２６が閉じられ、たとえば以前の水加熱モードからの冷媒−水熱交換器６０内に残っている冷媒など、通路２５内に残っていることがある冷媒は、通路５７から通路４５Ｃへと通り、吸込アキュムレータ２２へと逆流する。
【００２９】
次に図２を参照すると、システムが屋内空気冷却モードである間に水加熱の要求がある場合、システム制御装置１００は、逆転弁３０の位置を変え、流量制御弁４８を閉じ、流量制御弁５８を開いたままにし、屋外熱交換器ファン４２を非活動化し、水ポンプ６０を活動化させる。水ポンプの活動化により、水は、水の通路６５を通り水リザーバ６４から、水を加熱するために、冷媒通路２５を通って流れる高圧過熱冷媒と熱交換関係で熱交換器６０内を通って給送される。熱交換器６０を横断した後、加熱された水はリザーバ６４に戻る。圧縮機２０からの高圧過熱冷媒は、逆転弁３０内でポート３０−１から、冷媒通路２５内へのポート３０−４へと送られる。冷媒が熱交換器６０を通過するとき、冷媒は、冷媒と熱交換関係で熱交換器６０を通って流れる水を加熱するために熱を失うので、凝縮および過冷される。既に凝縮および過冷された状態で、冷媒は、通路２５内の逆止め弁２６を通って直接冷媒通路４５Ｂ内へと進み、それによって屋外熱交換器４０を迂回する。弁４８が閉じられ、弁５８が開いた状態で、冷媒は、膨張弁５４を通って進み、屋内熱交換器５０を横断し、ファン５２により屋内熱交換器５０を通して循環される屋内空気と熱交換関係で進むにつれて蒸発し、それを冷却する。屋内熱交換器を離れる冷媒蒸気は次いで、通路４５Ｃから通路４５Ｃを通り吸込アキュムレータ２２へと進み、通路５５Ｂを通って圧縮機２０へと戻る。逆転弁３０がこの位置にある状態では、ポート３０−２およびポート３０−３は、流れ連通状態で接続され、それによって通路４５Ａを冷媒通路５７と冷媒流れ連通状態で接続し、屋外熱交換器４０内に残っている以前の動作モードからの冷媒が、通路４５Ａおよび通路５７を通って吸込アキュムレータ２２への通路４５Ｃへと逆流する。
【００３０】
次に図３を参照すると、システムがオフである、すなわち屋内空気冷却モードでない間に、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、圧縮機２０、および屋外熱交換器ファン４２を活動化させるが、屋内熱交換器ファン５２は活動化させず、流量制御弁４８を開き、流量制御弁５８を閉じる。ポンプ６０のオンにより、水は、水の通路６５を介して貯蔵タンク６４から、冷媒通路２５内を流れる高圧過熱蒸気冷媒と熱交換関係で熱交換器６０を通って給送される。熱交換器６０を横断した後、加熱された水はリザーバ６４に戻る。圧縮機２０からの高圧過熱冷媒は、逆転弁３０内でポート３０−１から冷媒通路２５内へのポート３０−４へと送られる。既に凝縮および過冷された状態で、冷媒は、通路２５内の逆止め弁２６を通して冷媒４５内へと直接進む。弁４８が開き弁５８が閉じられた状態で、冷媒は、膨張弁４４を通って進み、屋外熱交換器４０を横断し、そこで冷媒は、ファン４２によって屋外熱交換器４０を通して循環される周囲空気と熱交換関係で進むにつれて蒸発し、それを冷却する。逆転弁３０がこの位置にある状態で、ポート３０−２およびポート３０−３は、流れ連通状態で接続され、それによって通路４５Ａを冷媒通路４５Ｄと冷媒流れ連通状態で接続する。したがって、屋外熱交換器を出た冷媒蒸気は、通路４５Ａを通り、次いで逆転弁３０を通って通路５７へ、次いで吸込アキュムレータ２２への通路４５Ｃへと進み、通路５５を通って圧縮機２０へと戻る。弁５８が閉じた状態で、屋内熱交換器５０内に残っている前回の動作モードからの冷媒は、通路４５Ｃを通って吸込アキュムレータ２２へと逆流する。
【００３１】
上記のように、図４から図７に示す冷媒システム１０の実施形態は、たとえば建物（図示せず）の内部に配置された屋内域など快適域への空気を冷却するだけではなく、快適域への空気の加熱、および必要に応じて補助的な水加熱も行う。次に図４を参照すると、屋内空気冷却のみのモードでは、冷却の要求に応答して、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を活動化させ、流量制御弁４８，５８の両方を開く。圧縮機２０からの高圧過熱冷媒は、冷媒通路３５を通り逆転弁３０へと進み、そこで冷媒は、冷媒通路４５の区間４５Ａへと送られ、そこを通って、空気冷却モードでは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の動作により、周囲空気は、屋外熱交換器４０を通り、そこを流れる冷媒と熱交換関係で流れ、それによって高圧冷媒は、液体に凝縮され、過冷される。流量制御弁４８，５８が開いた状態で、高圧液体冷媒は、屋外熱交換器４０から冷媒通路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。冷媒通路４５の区間４５Ｂを通過する際、高圧液体冷媒は、バイパス通路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低圧へと膨張し、それによって冷媒が屋内熱交換器５０に入る前にさらに冷媒を冷却する。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の動作により、屋内空気は冷媒と熱交換関係で屋内熱交換器５０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。流量制御弁６８が開いた状態で、冷媒は、圧縮機２０の吸込口に接続する冷媒通路５５を通って圧縮機２０へと戻る前に、屋内熱交換器から、冷媒通路４５の区間４５Ｃを通って吸込アキュムレータ２２へと進む。空気冷却のみのモードでは、冷媒通路２５内の逆止め弁２６が、通路４５Ｂからの流れに対して閉じられているので、たとえば以前の水加熱モードからの冷媒−水熱交換器６０内に残っている冷媒など、通路２５内に存在することがあるいかなる冷媒も、逆転弁１３０および逆転弁１３０を通り、通路４５Ｃへと通路５７を通って吸込アキュムレータ２２へ逆流する。
【００３２】
次に図５を参照すると、システムが屋内空気冷却モードにある間に水加熱の要求がある場合、システム制御装置１００は、逆転弁３０を移動させ、流量制御弁４８を閉じ、流量制御弁５８を開いたままとし、屋外熱交換器ファン４２を非活動化し、水ポンプ６０を活動化させる。水ポンプが活動化されると、水は、水を加熱するために、水の通路６５によって、水リザーバ６４から熱交換器６０を通して、冷媒通路２５内を流れる高圧過熱冷媒と熱交換関係で給送される。熱交換器６０を横断した後、加熱された水は、リザーバ６４に戻る。圧縮機２０からの高圧過熱冷媒は、逆転弁３０内で、ポート３０−１から、冷媒通路２３内へのポート３０−４、逆転弁１３０のポート１３０−１へと送られ、逆転弁１３０を通り、逆転弁１３０のポート１３０−３に接続する通路２５へと送られる。冷媒が熱交換器６０を通過するとき、冷媒は、冷媒と熱交換関係で熱交換器６０を通って流れる水を加熱するために熱を失うので、凝縮および過冷される。既に凝縮および過冷された状態で、冷媒は、通路２５内の逆止め弁２６を通って直接冷媒通路４５Ｂ内へと送られ、それによって屋外熱交換器４０を迂回する。弁４８が閉じられ弁５８が開かれた状態で、冷媒は、膨張弁５４を通って進み、屋内熱交換器５０を横断し、そこで冷媒は、ファン５２によって屋内熱交換器５０内を通って循環させられる屋内空気と熱交換関係で進むにつれて蒸発し、屋内空気を冷却する。流量制御弁６８が開いた状態で、屋内熱交換器を出る冷媒蒸気は次いで、通路４５Ｃを通り吸込アキュムレータ２２へと進み、通路５５を通って圧縮機２０へと戻る。逆転弁３０および逆転弁１３０がこの位置にある状態で、ポート３０−２およびポート３０−３は、流れ連通状態で接続され、ポート１３０−２およびポート１３０−４もまた、流れ連通状態で接続され、それによって、通路４５Ａを冷媒通路５７と冷媒流れ連通状態で接続させ、以前の動作モードからの屋外熱交換器４０内に残っているいかなる冷媒も、通路４５Ａ，５７を通り、吸込アキュムレータ２２への通路４５Ｃへと逆流する。
【００３３】
図６を参照すると、屋内空気加熱のみのモードでは、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を活動化させ、流量制御弁６８を閉じ、流量制御弁４８，５８の両方を開く。さらに、システム制御装置１００は、ポート３０−１がポート３０−４と連通しポート３０−２がポート３０−３と連通するように、逆転弁３０を位置決めし、ポート１３０−１がポート１３０−２と連通しポート１３０−３がポート３０−４と連通するように、逆転弁１３０を位置決めする。圧縮機２０からの高圧過熱冷媒は、冷媒通路３５を通って逆転弁３０のポート３０−１へと進み、そこで冷媒は、ポート３０−４へと送られ、冷媒通路２３を通って逆転弁１３０のポート１３０−１へと送られる。逆転弁１３０から、高圧過熱冷媒は、ポート１３０−２から冷媒通路２７および冷媒通路４５Ｃを通り、空気加熱モードでは凝縮器として機能する屋内熱交換器５０へと進む。屋内熱交換器ファン５２の動作により、屋内空気は、屋内熱交換器５０を通り、そこを通過する冷媒と熱交換関係で流れ、それによって高圧冷媒は、液体に凝縮され過冷される。流量制御弁４８，５８が開いた状態で、高圧液体冷媒は、屋内熱交換器５０から冷媒通路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。冷媒通路４５の区間４５Ｂを通過する際に、高圧液体冷媒は、バイパス通路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低圧へと膨張し、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媒を冷却する。冷媒は、屋外熱交換器を横断するとき蒸発する。屋外熱交換器ファン４２の動作により、周囲空気は、冷媒と熱交換関係でもって屋外熱交換器５０内を通過し、それによって冷媒を蒸発させ、周囲空気を冷却する。流量制御弁６８が閉じた状態で、冷媒は、屋外熱交換器４０から、冷媒通路４５の区間４５Ａを通って逆転弁３０のポート３０−２へと進み、次いで逆転弁３０のポート３０−３から通路５７および冷媒通路４５Ｃを通り、圧縮機２０の吸込口に接続する冷媒通路５５を通って圧縮機２０へと戻る前に、吸込アキュムレータ２２へと進む。空気加熱のみのモードでは、冷媒通路２５内の逆止め弁２６が通路４５Ｂからの流れに対して閉じられるので、たとえば、以前の水加熱モードからの冷媒−水熱交換器６０内に残っている冷媒など、通路２５内にある可能性があるいかなる冷媒も、逆転弁１３０によって、冷媒通路２９、冷媒通路５７、および冷媒通路４５Ｃを通って吸込アキュムレータ２２へと逆流する。
【００３４】
次に図７を参照すると、システムがオフである、すなわち屋内空気冷却または屋内加熱モードにない間に、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、圧縮機２０、および屋外熱交換器ファン４２を活動化させるが、屋内熱交換器ファン５２は活動化させず、流量制御弁４８および流量制御弁６８を開き、流量制御弁５８を閉じる。ポンプ６０のオンにより、水は、水の通路６５によって貯蔵タンク６４から、冷媒通路２５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もって熱交換器６０を通って給送される。熱交換器６０を横断した後、加熱された水は、リザーバ６４に戻る。圧縮機２０からの高圧過熱冷媒は、逆転弁３０内で、ポート３０−１からポート３０−４へと送られ、通路２３を通って逆転弁１３０−１のポート１３０−１へと、またポート１３０−３を通って冷媒通路２５内へと送られる。冷媒−水熱交換器６０を横断した後、既に凝縮され過冷された冷媒は、通路２５内の逆止め弁２６を通って冷媒通路４５内へと直接進む。弁４８が開き、弁５８が閉じた状態で、冷媒は、膨張弁４４を通って進み、屋外熱交換器４０を横断し、そこで冷媒は、ファン４２によって屋外熱交換器４０を通り循環させられる周囲空気と熱交換関係で進むにつれて蒸発し、それを冷却する。逆転弁３０がこの位置にある状態で、ポート３０−２およびポート３０−３は、流れ連通状態で接続され、それによって通路４５Ａを冷媒通路４５Ｄと冷媒流れ連通状態で接続させる。したがって、屋外熱交換器を出る冷媒蒸気は、通路４５Ａを通り、次いで逆転弁３０によって通路５７へと、次いで吸込アキュムレータ２２への通路４５Ｃへと進み、通路５５を通って圧縮機２０へと戻る。弁５８が閉じ、弁６８が開いた状態で、以前の動作モードからの屋内熱交換器５０内に残っているいかなる冷媒も、通路４５Ｃを通って吸込アキュムレータ２２へと逆流する。
【００３５】
上記で述べたように、図１〜図３に示す本発明のシステムの実施形態では、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、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。図４〜図７に示す本発明のシステムの実施形態では、システムはさらに、空気加熱モードでも有効に動作しなければならない。屋外熱交換器４０、屋内熱交換器５０、および冷媒−水熱交換器６０はそれぞれ、モードに応じて、１つが凝縮器、別のものが蒸発器、さらに別のものが冷媒のブリードとして動作することになるので、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冷媒充填量は異なり、最適な冷媒充填量もまた、各モード内の動作温度、ならびに、各モードの作動通路およびブリード通路内の冷媒量に依存する。したがって、システム制御装置システム１００は、冷媒通路７１内に配置された第１の流量制御弁７２および冷媒通路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内の冷媒液位の量を監視および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。
【００３６】
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９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等な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、通常の充填制御手順を活動化させ、かつ／または吐出温度制御手順を活動化させる。
【００３７】
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、ブロック１０５で、通常の充填制御手順、および／または吐出温度制御手順を活動化させる。
【００３８】
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た、空気−冷媒間屋外熱交換器４０または空気−冷媒間屋内熱交換器５０いずれかの有効な動作に必要とされる冷媒充填の体積に対する、冷媒−水熱交換器６０の有効な動作に必要とされる冷媒充填の体積に応じて、液体状態の冷媒または気体状態の冷媒のいずれかで充填タンクを満たす。
【００３９】
新しい動作モードが、空気冷却のみであれ水加熱を伴う空気冷却であれ、空気冷却を伴う場合、システム制御装置は、冷媒−水熱交換器６０の有効な動作に必要とされる冷媒充填の体積が、いずれの空気−冷媒間屋外熱交換器４０の有効な動作に必要とされる冷媒充填の体積より大幅に大きい場合、図１０のブロック図によって示す手順に従って冷媒タンク７０を液体冷媒で満たし、あるいは、冷媒−水熱交換器６０の有効な動作に必要とされる冷媒充填の体積が、いずれの空気−冷媒間屋外熱交換器４０の有効な動作に必要とされる冷媒充填の体積より大幅に小さい場合、図１１のブロック図によって示す手順に従って冷媒タンク７０を気体冷媒で満たすように進む。新しい動作モードが、屋内空気加熱、または水加熱のみを伴う場合、システム制御装置は、冷媒−水熱交換器６０の有効な動作に必要とされる冷媒充填の体積が、いずれの空気−冷媒間屋内熱交換器５０の有効な動作に必要とされる冷媒充填の体積より大幅に大きい場合、図１０のブロック図によって示す手順に従って冷媒タンク７０を液体冷媒で満たすように、あるいは冷媒−水熱交換器６０の有効な動作に必要とされる冷媒充填の体積が、いずれの空気−冷媒間屋内熱交換器５０の有効な動作に必要とされる冷媒充填の体積より大幅に小さい場合、図１１のブロック図によって示す手順に従って冷媒タンク７０を気体冷媒で満たすように進む。しかし、いかなる空気冷却動作モードでも、冷媒−水熱交換器６０の有効な動作に必要とされる冷媒充填の体積が、空気−冷媒間屋外熱交換器４０の有効な動作に必要とされる冷媒充填の体積と比較的等しい場合、システム制御装置１００は、冷媒充填タンク７０内の冷媒液位を調整せずに新しい動作モードに入る。同様に、空気加熱または水加熱モードの動作において、冷媒−水熱交換器６０の有効な動作に必要とされる冷媒充填の体積が、空気−冷媒間屋内熱交換器５０の有効な動作に必要とされる冷媒充填の体積と比較的等しい場合、システム制御装置１００は、冷媒充填タンク７０の冷媒液位を調整せずに新しい動作モードに入る。
【００４０】
次に図１０を参照すると、冷媒充填タンク７０を液体冷媒で満たすために、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、液体冷媒が通路７１を通って充填タンク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、吐出温度制御手順および／または充填制御手順による必要に応じて冷媒回路充填量を調整するように進む。電磁弁７２は、この時点では、開いて、または閉じて位置決めすることもできる。
【００４１】
次に図１１を参照すると、冷媒充填タンク７０を気体冷媒で満たすために、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、気体状態の冷媒が通路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で、吐出温度制御手順、および／または充填制御手順による必要に応じて冷媒回路充填量を調整するように進む。電磁弁７４は、この時点で開いてまたは閉じて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。
【００４２】
図１２のブロック図に示す吐出温度限界制御手順によれば、ブロック３０１で圧縮機をオンにした後の、たとえば３０秒の短い時間遅延後に、システム制御装置は、ブロック３０２で、現在の吐出温度ＴＤＣ、すなわち温度センサ１５０から受信された圧縮機２０から排出される冷媒の温度を、制御装置１００内にあらかじめ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、たとえば約７℃など所望の度数下回るものとなり得る。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、現在活動化されている場合充填制御手順を非活動化し、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から冷媒通路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１５０から受信され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、現在活動化されていない場合充填制御手段を活動化させ、冷媒回路内の冷媒充填量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。
【００４３】
図１３に示される充填制御手段で、冷媒充填量が最初に設定され、システム制御装置１００はブロック４０１にて、両方の電磁弁７２，７４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４０２で、システム内に現在存在す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。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。
【００４４】
固定膨張モードで動作する場合、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内へと流出するために、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。
【００４５】
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４０６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、冷媒充填量を、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。
【００４６】
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量と、全体で７ｍの冷媒通路と、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するであろう。当業者は、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させるために、本発明の実施する際に使用されるべき的確なパラメータを選択する。
【００４７】
図４〜図７に示すヒートポンプシステムの実施形態では、ヒートポンプシステムは、屋内空気加熱モードと水加熱モードの間でサイクル動作することによって、屋内空気および水の両方を加熱するために使用することができる。そうするために、システム制御装置１００は、単に、システムを屋内空気加熱モードで数分間など所望の時間動作させ、次いで数分間など所望の時間水加熱モードに切り替わり、再び空気加熱モードへと切り替わる。システム制御装置は、水温設定点または屋内温度設定点が達成されるまで、数分間ごとに一方のモードからも他方のモードへと切り替わり続ける。重要なのは、システム制御装置１００は、圧縮機２０を停止させずにこのサイクル動作モードを実行することができることである。屋内空気加熱モードから水加熱モードへと切り替えるためには、システム制御装置１００は、逆転弁１３０を第２の位置へと移動させ、水ポンプ６２を活動化させ、流量制御弁５８を閉じ、流量制御弁６８を開く。水加熱モードから屋内空気加熱モードに戻るためには、システム制御装置１００は、逆転弁１３０をその第１の位置へと移動させ、水ポンプ６２をオフにし、流量制御弁６８を閉じ、流量制御弁５８を開く。
【００４８】
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するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【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、本発明のシステムの第１の実施形態を示す概略図である。
【図３】水の加熱のみのモードでの動作を示す、本発明のシステムの第１の実施形態を示す概略図である。
【図４】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２の実施形態を示す概略図である。
【図５】水の加熱を伴う室内空気冷却モードでの動作を示す、本発明のシステムの第２の実施形態を示す概略図である。
【図６】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７】水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】本発明の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９】新しい動作モードにおける始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１０】新しい動作モードにおける始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１１】新しい動作モードにおける始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１２】始動前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１３】始動前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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【国際調査報告】
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