(57)【要約】  熱媒の戻り温度が所定の高温に達した場合であっても、高元側圧縮機を停止させることなく、継続した二元運転を可能とし、高元側圧縮機の停止による暖房の不足感や、頻回な除霜運転の実施による暖房の不足感を改善することができるヒートポンプ式暖房装置を提供することを目的とする。この目的を達成するため、低元側冷凍回路の低圧側の低温冷媒と高元側冷凍回路の高圧側の高温冷媒とを熱交換する内部熱交換器（第２内部熱交換器）と、当該内部熱交換器を迂回するバイパス配管と、内部熱交換器及びバイパス配管のそれぞれに対する冷媒の流通を制御する流路制御手段とを備える。
2016059837.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低元側圧縮機、低元側熱媒−冷媒熱交換器、カスケード熱交換器、低元側減圧手段、蒸発器を順次環状に接続し、冷媒を循環させてなる低元側冷凍回路と、高元側圧縮機、高元側熱媒−冷媒熱交換器、高元側減圧手段、前記カスケード熱交換器を順次環状に接続し、冷媒を循環させてなる高元側冷凍回路と、を備えた二元ヒートポンプユニットと、
循環ポンプ、暖房端末、前記低元側熱媒−冷媒熱交換器及び前記高元側熱媒−冷媒熱交換器を含み、熱媒を循環させてなる熱媒回路を有する暖房ユニットと、を備えたヒートポンプ式暖房装置であって、
前記低元側冷凍回路の低圧側の低温冷媒と前記高元側冷凍回路の高圧側の高温冷媒とを熱交換する内部熱交換器と、当該内部熱交換器を迂回するバイパス配管と、当該内部熱交換器及び当該バイパス配管のそれぞれに対する冷媒の流通を制御する流路制御手段とを備えることを特徴とするヒートポンプ式暖房装置。
【請求項２】
前記バイパス配管は、前記高元側冷凍回路の前記高元側熱媒−冷媒熱交換器の冷媒流出側と前記高元側減圧手段の冷媒流入側との間、又は、前記低元側冷凍回路の前記蒸発器の冷媒流出側と前記低元側圧縮機の冷媒吸込側との間に設けられる請求項１に記載のヒートポンプ式暖房装置。
【請求項３】
前記流路制御手段は、前記低元側圧縮機と前記高元側圧縮機とを運転する二元運転時であって、前記暖房端末から流出した熱媒の戻り温度が所定の高温しきい値以上の場合、前記低元側冷凍回路の低圧側の冷媒又は前記高元側冷凍回路の高圧側の冷媒を前記内部熱交換器側に流入させる高元側冷媒冷却制御を実行する請求項１又は請求項２に記載のヒートポンプ式暖房装置。
【請求項４】
前記流路制御手段は、外気温度が所定の高元側冷却運転上限温度以下の場合に、前記高元側冷媒冷却制御を実行する請求項３に記載のヒートポンプ式暖房装置。
【請求項５】
前記流路制御手段は、外気温度が所定の除霜運転頻回温度範囲である場合に、前記高元側冷媒冷却制御を実行する請求項３又は請求項４に記載のヒートポンプ式暖房装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件発明は、特に、二元圧縮型ヒートポンプユニットを用いたヒートポンプ式暖房装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、この種のヒートポンプ式暖房装置は、冷媒を循環させる冷凍回路をヒートポンプユニットとして用い、暖房等に供される温水を生成している。例えば、特許文献１に示すヒートポンプ式暖房装置は、暖房端末に熱媒を循環させる暖房ユニットと、冷媒が第１圧縮機、第１熱交換器、カスケード熱交換器、第１膨張弁及び蒸発器を順に循環して該第１熱交換器にて暖房ユニットの熱媒と熱交換を行う一元側ヒートポンプユニットと、冷媒が第２圧縮機、第２熱交換器、第２膨張弁及び前記カスケード熱交換器を順に循環して該第２熱交換器にて暖房ユニットの熱媒と熱交換を行う二元側ヒートポンプユニットとを備えている。【０００３】
そして、一例として特許文献１に挙げたような従来の一元側及び二元側ヒートポンプユニットを備えたヒートポンプ式暖房装置では、暖房端末から流出した戻り熱媒の温度（戻り熱媒温度）に基づいて、第１（低元側）圧縮機を運転し第２（高元側）圧縮機を停止する一元運転と、第１圧縮機と第２圧縮機の両者を運転する二元運転と、第１圧縮機と第２圧縮機の両者を停止する待機運転との間で移行制御を行っている。【０００４】
例えば、一元運転を行っている状態で、現在の戻り熱媒温度が所定の低温しきい値を下回った場合には、さらに第２圧縮機を起動させて二元運転に移行する。当該二元運転を行っている状態で、現在の戻り熱媒温度が所定の高温しきい値を上回った場合には、第２圧縮機を停止させて一元運転に移行する。当該一元運転を行っている状態で、現在の戻り熱媒温度が再度所定の高温しきい値を上回った場合には、さらに第１圧縮機を停止させて待機運転に移行する。【０００５】
このように、従来のヒートポンプ式暖房装置では、暖房端末から流出してきた熱媒の戻り温度に基づいて、暖房端末における暖房能力の不足を判断し、一元運転、二元運転、待機運転を相互に移行させて、効率的な暖房運転の実現を目指していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−９７９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、従来のヒートポンプ式暖房装置は、二元運転を行うことにより、戻り熱媒温度が上昇してくると、二元側（高元側）の冷媒回路の冷媒と暖房ユニットの熱媒とが熱交換する熱交換器において第２圧縮機から吐出した冷媒の温度を下げられなくなる。すると、第２圧縮機に吸い込まれる冷媒の温度や圧力が異常に上昇して、当該圧縮機の適正な使用を確保するための吸込温度範囲や、吸込圧力範囲を逸脱することとなる。よって、従来では、圧縮機の吸込温度や吸込圧力が使用適正範囲を超えないような熱媒の戻り温度を第２圧縮機の停止温度に設定していた。【０００８】
しかしながら、二元運転から一元運転に切り替えて、一元側（低元側）のヒートポンプユニットのみを運転した状態にすると、外気温度が低い状況では、すぐに暖房能力が不足する。そして、急激に熱媒の戻り温度が低下するため、早急に一元運転から二元運転へ切り替える必要が生じる。このような状況であっても、圧縮機の頻繁な発停を回避するため、停止から所定時間が経過していないと圧縮機は運転を再開することができない。よって、外気温度が低く、より高い暖房能力が要求されている状況であっても、すぐに第２圧縮機の運転を再開することができない。ゆえに、被暖房空間の温度低下を招き、暖房感が不足する問題が生じる。また、第２圧縮機を一旦停止してしまった場合には、運転を再開させた後も、運転状態を安定させるためには、所定時間を要し、運転再開後もすぐに被暖房空間の温度低下や、暖房の不足感の問題を解消することが困難となる。【０００９】
また、上述したような従来のヒートポンプ式暖房装置では、一元側（低元側）ヒートポンプユニットの蒸発器において外気から採熱し、暖房ユニットの温水の生成を行う。よって、ヒートポンプ式暖房装置の運転中に、低温となる一元側の蒸発器に着霜が生じる。蒸発器に着霜が生じると、ヒートポンプ式暖房装置の加熱能力が低下するため、当該蒸発器に付着した霜を溶かす除霜運転が行われている。例えば、除霜運転は、蒸発器に流入する冷媒温度を検出し、当該温度が所定のしきい値以下となった場合、着霜が発生したと判断し、第１膨張弁を全開にするなどしてホットガスを直接蒸発器に流入させて行っていた。【００１０】
しかしながら、高湿度の条件下では、蒸発器に着霜が生じやすく、頻繁に除霜運転が実行されていた。当該除霜運転中は、高温の温水を暖房端末に供給することができないため、暖房の不足感の問題が生じる。【００１１】
よって、市場からは、熱媒の戻り温度が所定の高温に達した場合であっても、継続した二元運転を可能とし、第２圧縮機の停止による暖房の不足感を改善することができるヒートポンプ式暖房装置の開発が要望されてきた。さらには、頻回な除霜運転による暖房の不足感を改善することができるヒートポンプ式暖房装置の開発が要望されてきた。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
そこで、本件発明者等は、鋭意研究の結果、熱媒の戻り温度が所定の高温に達した場合であっても、高元側圧縮機を停止させることなく、継続した二元運転を可能とし、高元側圧縮機の停止による暖房の不足感や、頻回な除霜運転の実施による暖房の不足感を改善することができるヒートポンプ式暖房装置を提供することに至った。【００１３】
すなわち、本件発明に係るヒートポンプ式暖房装置は、低元側圧縮機、低元側熱媒−冷媒熱交換器、カスケード熱交換器、低元側減圧手段、蒸発器を順次環状に接続し、冷媒を循環させてなる低元側冷凍回路と、高元側圧縮機、高元側熱媒−冷媒熱交換器、高元側減圧手段、前記カスケード熱交換器を順次環状に接続し、冷媒を循環させてなる高元側冷凍回路と、を備えた二元ヒートポンプユニットと、循環ポンプ、暖房端末、前記低元側熱媒−冷媒熱交換器及び前記高元側熱媒−冷媒熱交換器を含み、熱媒を循環させてなる熱媒回路を有する暖房ユニットと、を備えたものであって、前記低元側冷凍回路の低圧側の低温冷媒と前記高元側冷凍回路の高圧側の高温冷媒とを熱交換する内部熱交換器と、当該内部熱交換器を迂回するバイパス配管と、当該内部熱交換器及び当該バイパス配管のそれぞれに対する冷媒の流通を制御する流路制御手段とを備えることを特徴とする。【００１４】
また、本発明のヒートポンプ式暖房装置は、前記バイパス配管が、前記高元側冷凍回路の前記高元側熱媒−冷媒熱交換器の冷媒流出側と前記高元側減圧手段の冷媒流入側との間、又は、前記低元側冷凍回路の前記蒸発器の冷媒流出側と前記低元側圧縮機の冷媒吸込側との間に設けられることが好ましい。【００１５】
さらに、本発明のヒートポンプ式暖房装置において、前記流路制御手段は、前記低元側圧縮機と前記高元側圧縮機とを運転する二元運転時に、前記暖房端末から流出した熱媒の戻り温度が所定の高温しきい値以上の場合、前記低元側冷凍回路の低圧側の冷媒又は前記高元側冷凍回路の高圧側の冷媒を前記内部熱交換器側に流入させる高元側冷媒冷却制御を実行することが好ましい。【００１６】
また、本発明のヒートポンプ式暖房装置において、前記流路制御手段は、外気温度が所定の高元側冷却運転上限温度以下の場合に、前記高元側冷媒冷却制御を実行することが好ましい。【００１７】
さらに、本発明のヒートポンプ式暖房装置において、前記流路制御手段は、外気温度が所定の除霜運転頻回温度範囲である場合に、前記高元側冷媒冷却制御を実行することが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本件発明に係るヒートポンプ式暖房装置によれば、低元側冷凍回路の低圧側の冷媒と高元側冷凍回路の高圧側の冷媒とを熱交換する内部熱交換器と、当該内部熱交換器を迂回するバイパス配管と、当該内部熱交換器及び当該バイパス配管のそれぞれに対する冷媒の流通を制御する流路制御手段とを備えているので、低元側圧縮機と高元側圧縮機の両者を運転する二元運転時において、暖房端末から流出した熱媒の戻り温度が所定の高温しきい値よりも高くなった場合に、内部熱交換器において、低元側冷凍回路の低圧側の低温冷媒と、高元側冷凍回路の高圧側の高温冷媒とを熱交換させる高元側冷媒冷却制御を実行することができる。【００１９】
よって、高元側冷凍回路の高圧側の冷媒温度を下げることができ、高元側圧縮機に吸い込まれる冷媒の温度や圧力を下げることが可能となる。ゆえに、従来では、圧縮機の継続運転が不能となるような戻り熱媒温度に達しても、高元側圧縮機の吸込温度や吸込圧力を使用適正範囲内に収めることが可能となり、より高い戻り熱媒温度まで継続して二元運転を可能になる。【００２０】
従って、二元運転から低元側圧縮機のみを運転する一元運転への移行を極力抑制することができるため、高元側圧縮機を一旦停止することにより生じる被暖房空間の温度低下や、暖房の不足感の発生を未然に回避することが可能となる。【００２１】
また、本件発明のヒートポンプ式暖房装置において、流路制御手段は、外気温度が所定の高元側冷却運転上限温度以下の場合に、低元側冷凍回路の低圧側の冷媒又は高元側冷凍回路の高圧側の冷媒をバイパス配管側から内部熱交換器側に切り替えて流入させることにより、低元側圧縮機の吸込温度及び吸込圧力の異常な上昇を抑制して、継続した二元運転を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態としてのヒートポンプ式暖房装置の概略構成図である。
【図２】本実施の形態のヒートポンプ式暖房装置の制御ブロック図である。
【図３】本実施の形態のヒートポンプ式暖房装置の運転領域マップである。
【図４】図３の制御フローチャートである。
【図５】二元運転時通常制御モードの熱媒の戻り温度が高温しきい値である場合のモリエル線図である。
【図６】高元側冷媒冷却制御モードの熱媒の戻り温度が運転切替しきい値である場合のモリエル線図である。
【図７】二元運転時通常制御モードのまま熱媒の戻り温度が運転切替しきい値である場合のモリエル線図である。
【図８】熱媒の戻り温度を変化させたときの高元側冷凍回路の圧力変化を示す図である。
【図９】熱媒の戻り温度を変化させたときの高元側圧縮機の吸込温度の変化を示す図である。
【図１０】高温しきい値で二元運転時通常制御モードから高元側冷媒冷却制御モードに切り替えた場合のヒートポンプ式暖房装置全体の暖房能力の変化とＣＯＰの変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態としてのヒートポンプ式暖房装置Ｈを図面に基づいて説明する。図１は本実施の形態としてのヒートポンプ式暖房装置Ｈの概略構成図を示している。本発明に係る本実施の形態のヒートポンプ式暖房装置Ｈは、低元側冷凍回路１０を有する低元側ユニットと、高元側冷凍回路２０を有する高元側ユニットとを備えた二元ヒートポンプユニット１と、暖房ユニット３０と、を備えている。
【００２４】
低元側ユニットを構成する低元側冷凍回路１０は、低元側圧縮機１１と、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２と、カスケード熱交換器１３と、低元側減圧手段としての低元側膨張弁１４と、蒸発器１５と、アキュムレータ１７とが、順次環状に配管接続して構成され、当該冷凍回路１０内を循環する冷媒が所定量、封入されている。
【００２５】
低元側熱媒−冷媒熱交換器１２は、低元側冷凍回路１０内の高圧側を流れる高温冷媒と、暖房ユニット３０を構成する熱媒回路３２内を流れる熱媒としての温水（水）とが熱交換可能に構成される。カスケード熱交換器１３は、低元側冷凍回路１０の低元側熱媒−冷媒熱交換器１２と低元側膨張弁１４との間を流れる冷媒と、高元側冷凍回路２０内の高元側膨張弁２３と高元側圧縮機２１の吸込側との間を流れる冷媒とが熱交換可能に構成される。そして、蒸発器１５は、近傍に設置された蒸発器用送風機１６により通風される空気から熱を奪って冷媒を蒸発させる空冷方式を採用する。
【００２６】
また、本実施の形態では、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２と低元側膨張弁１４との間を流れる冷媒と、蒸発器１５と低元側圧縮機１１の吸込側との間を流れる冷媒とを熱交換させる第１内部熱交換器１８が設けられている。
【００２７】
一方、高元側ユニットを構成する高元側冷凍回路２０は、高元側圧縮機２１と、高元側熱媒−冷媒熱交換器２２と、高元側減圧手段としての高元側膨張弁２３と、上述したカスケード熱交換器１３と、アキュムレータ２４とが、順次環状に配管接続して構成され、当該冷凍回路内を循環する冷媒が所定量、封入されている。なお、これら低元側冷凍回路１０及び高元側冷凍回路２０内に封入される冷媒としては、例えば二酸化炭素を用いることが好ましい。しかし、本件発明におけるヒートポンプ式暖房装置において採用する冷媒は、二酸化炭素に限定されるものではなく、いずれの冷媒を用いることができる。
【００２８】
上述した高元側熱媒−冷媒熱交換器２２は、高元側冷凍回路２０の高圧側を流れる高温冷媒と、暖房ユニット３０を構成する熱媒回路３２内を流れる熱媒としての温水（水）とが熱交換可能に構成される。
【００２９】
そして、本発明におけるヒートポンプ式暖房装置Ｈは、上述した低元側冷凍回路１０と、高元側冷凍回路２０の構成に加えて、さらに、低元側冷凍回路１０の低圧側を流れる低温冷媒と、高元側冷凍回路２０の高圧側を流れる高温冷媒とを熱交換可能とする第２内部熱交換器（本願発明における内部熱交換器）３と、当該第２内部熱交換器３を迂回するバイパス配管４と、当該第２内部熱交換器３及び当該バイパス配管４のそれぞれに対する冷媒の流通を制御する流路制御手段とを備えることを特徴とする。
【００３０】
本実施の形態では、高元側冷凍回路２０の高元側熱媒−冷媒熱交換器２２の冷媒流出側に三方管５が接続され、当該三方管５の一方の冷媒流出側に、第２内部熱交換器３が接続される。高元側冷凍回路２０の第２内部熱交換器３の冷媒流出側は、高元側冷凍回路２０の高元側膨張弁２３の冷媒流入側に接続される。そして、当該第２内部熱交換器３の冷媒流出側には、当該第２内部熱交換器３への冷媒流入を制御する電磁開閉弁（弁装置）６が介設されている。なお、本実施の形態では第２内部熱交換器３の冷媒流出側に電磁開閉弁を設けているが、これに限定されるものではなく、第２内部熱交換器３の冷媒流入側に電磁弁を設けても良い。
【００３１】
そして、三方管５の他方の冷媒流出側には、当該第２内部熱交換器３を迂回するバイパス配管４が接続される。当該バイパス配管４には、当該バイパス配管４への冷媒流入を制御する電磁開閉弁７が介設されている。そして、当該バイパス配管４の冷媒流出側は、高元側冷凍回路２０の高元側膨張弁２３の冷媒流入側に接続される。
【００３２】
上述した第２内部熱交換器３への冷媒流入を制御する電磁開閉弁６及びバイパス配管４への冷媒流入を制御する電磁開閉弁７等の弁装置は、詳細は後述する制御手段としての制御装置２と共に本発明における流路制御手段を構成するものである。なお、本発明において、当該流路制御手段を構成する弁装置は、これに限定されるものではなく、第２内部熱交換器３と、当該第２内部熱交換器３を迂回するバイパス配管４への冷媒の流入を制御可能とするものであれば、いずれの弁装置を用いることができる。例えば、本実施の形態における三方管５を三方弁により構成し、第２内部熱交換器３と、当該第２内部熱交換器３を迂回するバイパス配管４への冷媒の流入、さらには、それぞれへの冷媒の流入量を制御してもよい。
【００３３】
上述した本実施の形態の二元ヒートポンプユニット１において、低元側冷凍回路１０は、低元側圧縮機１１が運転されると、低元側圧縮機１１にて圧縮されて高温高圧となった冷媒は、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２において、暖房ユニット３０の熱媒回路３２を流れる熱媒と熱交換する。その後、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２を流出した冷媒は、カスケード熱交換器１３において、高元側冷媒回路２０を流れる冷媒と熱交換することにより、高元側冷凍回路２０の吸熱源として利用される。次いで、カスケード熱交換器１３を流出した冷媒は、第１内部熱交換器１８において、低元側冷凍回路１０の低圧側を流れる低温冷媒と熱交換した後、低元側膨張弁１４にて減圧される。低元側膨張弁１４にて減圧された冷媒は蒸発器１５内に流入し、外気と熱交換することにより、外気から熱をくみ上げる。その後、第１内部熱交換器１８において、低元側冷凍回路１０の高圧側を流れる高温冷媒と熱交換して冷媒の温度を上昇させた後、第２内部熱交換器３に流入する。当該第２内部熱交換器３において、高元側冷凍回路の高圧側の高温冷媒が流れている場合には、当該高元側冷凍回路の高温冷媒と熱交換した後、低元側圧縮機１１に帰還する。
【００３４】
高元側冷凍回路２０は、高元側圧縮機２１が運転されると、当該高元側圧縮機２１にて圧縮されて高温高圧となった冷媒は、高元側熱媒−冷媒熱交換器２２において、暖房ユニット３０の熱媒回路３２を流れる熱媒と熱交換する。その後、高元側熱媒−冷媒熱交換器２２を流出した冷媒は、電磁開閉弁６が開放され、電磁開閉弁７が閉鎖されている場合、第２内部熱交換器３内に流入し、低元側冷凍回路の低圧側の低温冷媒と熱交換した後、高元側膨張弁２３に至る。他方、電磁開閉弁６が閉鎖され、電磁開閉弁７が開放されている場合には、当該第２内部熱交換器３を迂回してバイパス配管４を介して高元側膨張弁２３に至る。
【００３５】
当該高元側膨張弁２３に流入した冷媒は、減圧された後、カスケード熱交換器１３に流入する。カスケード熱交換器１３に流入した冷媒は、低元側冷媒回路１０の高圧側を流れる冷媒と熱交換することにより、低元側冷媒回路１０から熱をくみ上げて冷媒の温度を上昇させた後、高元側圧縮機２１に帰還する。
【００３６】
次に、暖房ユニット３０について説明する。暖房ユニット３０は、暖房端末３１に熱媒としての温水（水）を循環供給するものである。暖房端末３１としては、例えば住宅の各部屋等に設置されたパネルヒータや、床下に配設されたパイプに熱媒を流通させる床暖房ユニットを挙げることができる。当該暖房端末３１は、複数のパネルヒータやパイプ等を熱媒が直列に流れる一管式に限らず、並列に流れる複数管式であってもよい。本実施の形態では、熱媒として湯水（水）を例に挙げて説明しているが、これに限定されるものではなく、例えば不凍液などであってもよい。
【００３７】
当該暖房ユニット３０は、上述した暖房端末３１と、流量調整手段としての流量調整弁３３と、分流調整手段としての三方弁３４と、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２と、高元側熱媒−冷媒熱交換器２２と、混合タンク３５と、循環ポンプ３６とが環状に配管接続された熱媒回路３２により構成されている。
【００３８】
低元側熱媒−冷媒熱交換器１２は、上述したように、熱媒回路３２内の熱媒と低元側冷凍回路１０内の高圧側を流れる高温冷媒とを熱交換するものである。高元側熱媒−冷媒熱交換器２２は、上述したように、熱媒回路３２内の熱媒と高元側冷凍回路２０内の高圧側を流れる高温冷媒とを熱交換するものである。当該熱媒回路３２において、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２と、高元側熱媒−冷媒熱交換器２２とは、三方弁３４と混合タンク３５との間に位置して、並列に接続されている。具体的には、三方弁３４の一方の熱媒流出側に、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２が接続されると共に、三方弁３４の他方の熱媒流出側に、高元側熱媒−冷媒熱交換器２２が接続される。そして、各熱媒−冷媒熱交換器の熱媒流出側は、いずれも混合タンク３５に接続されている。なお、本実施の形態では、各熱媒−冷媒熱交換器の熱媒流出側が、直接混合タンク３５に接続されているが、これに限定されるものではなく、一旦合流した後に混合タンク３５に接続されていてもよい。
【００３９】
当該暖房ユニット３０では、循環ポンプ３６が運転されることにより、循環ポンプ３６から送出された熱媒は、暖房端末３１内に流入し、当該暖房端末３１から流出した熱媒回路３２内の熱媒は、流量調整弁３３を介して三方弁３４に至り、当該三方弁３４の開度に応じて、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２と、高元側熱媒−冷媒熱交換器２２に分流される。低元側熱媒−冷媒熱交換器１２に流入した熱媒は、低元側冷凍回路１０を流れる高温冷媒と熱交換する。高元側熱媒−冷媒熱交換器２２に流入した熱媒は、高元側冷凍回路２０を流れる高温冷媒と熱交換する。各熱交換器１２又は２２から流出した熱媒は、混合タンク３５において合流し、循環ポンプ３６に帰還する。当該循環ポンプ３６の運転により、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２及び又は高元側熱媒−冷媒熱交換器２２により加熱された熱媒は、暖房端末３１において熱源として利用される。
【００４０】
なお、本実施の形態では、熱媒回路３２は、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２と、高元側熱媒−冷媒熱交換器２２とが、分流手段としての三方弁３４を介して並列に接続されている。しかし、本件発明において、熱媒回路３２の構成は、これに限定されるものではなく、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２と、高元側熱媒−冷媒熱交換器２２とが直列に接続されたものであっても何ら本願発明の効果に影響を及ぼすものではない。
【００４１】
次に、上述した二元ヒートポンプユニット１と、暖房ユニット３０とを制御する制御装置２について説明した後、本発明のヒートポンプ式暖房装置Ｈの具体的な制御について説明する。まずはじめに図２の制御ブロック図を参照して制御装置２について説明する。
【００４２】
制御装置２は、汎用のマイクロコンピュータにより構成されており、上述した電磁開閉弁６、７と共に、本発明における流路制御手段を構成する制御手段としての機能を兼ね備えるものである。当該制御装置２は、記憶手段としてのメモリ４１と、時限手段としてのタイマ４２等を内蔵している。
【００４３】
そして、当該制御装置２の入力側には、外気温度を検出する外気温センサ５０と、低元側圧縮機１１の吐出温度を検出する低元側吐出温度センサ５１と、低元側冷凍回路１０の蒸発器１５に流入する冷媒の温度を検出する除霜温度センサ５２と、高元側圧縮機２１の吐出温度を検出する高元側吐出温度センサ５３と、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２から暖房端末３１へ送り出される低元側往き熱媒温度を検出する低元側往き熱媒温度センサ（低元側往き熱媒温度検出手段）５４と、高元側熱媒−冷媒熱交換器２２から暖房端末３１へ送り出される高元側往き熱媒温度を検出する高元側往き熱媒温度センサ（高元側往き熱媒温度検出手段）５５と、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２から流出した熱媒と高元側熱媒−冷媒熱交換器２２から流出した熱媒とが合流した後の暖房端末３１へ送り出される往き熱媒温度を検出する往き熱媒温度センサ（往き温度検出手段）５６と、暖房端末３１から流出した戻り熱媒温度を検出する戻り熱媒温度センサ（戻り熱媒温度検出手段）５７と、各種の設定を行う入力手段としてのコントロールパネル６０等が接続されている。
【００４４】
本実施の形態のヒートポンプ式暖房装置Ｈでは、コントロールパネル６０は、暖房端末３１へ送り出される往き熱媒温度を所定の温度範囲で任意に設定可能とされている。設定可能な往き熱媒温度範囲としては、例えば、４０℃〜７０℃とする。当該設定可能な往き熱媒温度範囲は、これに限定されるものではなく、ヒートポンプ式暖房装置Ｈの使用環境などに応じて任意に決定することができる。
【００４５】
また、当該制御装置２の出力側には、低元側圧縮機１１と、低元側膨張弁１４と、高元側圧縮機２１と、高元側膨張弁２３と、電磁開閉弁６、７と、蒸発器用送風機１６と、循環ポンプ３６、三方弁３４等が接続されている。
【００４６】
本実施の形態では、低元側圧縮機１１と、高元側圧縮機２１は、それぞれインバータを介して接続されている。よって、制御装置２は、これら圧縮機１１、２１の運転／停止制御を行うと共に、圧縮機の運転周波数をリニアに制御可能とする。また、循環ポンプ３６もインバータを介して接続されている。制御装置２は、当該循環ポンプ３６の運転／停止制御を行うと共に、循環ポンプ３６の回転数を所定の下限値から上限値の間でリニアに制御可能とする。
【００４７】
また、低元側膨張弁１４と、高元側膨張弁２３は、いわゆる電子膨張弁であり、制御装置２により発生する駆動パルスに基づいて、ステッピングモータによって弁開度が駆動制御可能とされる。さらに、三方弁３４についても、制御装置２により発生する駆動パルスに基づき、ステッピングモータによって、弁開度をリニアに制御し、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２又は高元側熱媒−冷媒熱交換器２２への熱媒の分流比率を制御可能とする。
【００４８】
以上の構成で、次に本実施の形態のヒートポンプ式暖房装置Ｈの動作について説明する。本実施の形態のヒートポンプ式暖房装置Ｈは、暖房端末３１から流出した熱媒の戻り温度と、外気温度とに基づいて、低元側圧縮機１１のみを運転し、高元側圧縮機２１を停止する一元運転と、低元側圧縮機１１と高元側圧縮機２１の両者を運転する二元運転と、低元側圧縮機１１と高元側圧縮機２１の両者を停止する待機運転との間での移行制御を実行する。以下に、図３の運転領域マップと、図４のフローチャートを参照して、具体的な動作について説明する。
【００４９】
まずはじめに、制御装置２は、ステップＳ１において、暖房端末３１から流出した熱媒の現在の戻り温度、具体的には、戻り熱媒温度センサ５７が検出する温度が、予めメモリ４１に記憶された所定の高温しきい値を下回るか否かを判断する。この熱媒の高温しきい値は、第２内部熱交換器３において低元側冷凍回路１０の低圧側の冷媒と高元側冷凍回路２０の高圧側の冷媒とを熱交換させない状態で、二元運転を行った場合において、低元側圧縮機１１及び／又は高元側圧縮機２１の吸込温度や吸込圧力が使用適正範囲を超えない限界の熱媒の戻り温度を設定することが好ましい。
【００５０】
制御装置２は、ステップＳ１において、現在の熱媒の戻り温度が、高温しきい値を下回ると判断した場合には、ステップＳ１１に進む。ステップＳ１１において、制御装置２は、現在の外気温度、具体的には、外気温度センサ５０が検出する温度が、予めメモリ４１に記憶された所定の除霜運転頻回温度範囲内であるか否かを判断する。この除霜運転頻回温度範囲の上限温度は、相対湿度が高く、低元側冷凍回路１０の蒸発器１５への着霜が生じやすい外気温度の上限温度とすることが好ましい。具体的には、相対湿度が４０％以上となる外気温度を設定することがより好ましい。そして、この除霜運転頻回温度範囲の下限温度は、暖房能力が優先される極低外気温度、例えば、−５℃を設定することが好ましい。
【００５１】
制御装置２は、ステップＳ１１において、現在の外気温度が、除霜運転頻回温度範囲以内ではないと判断した場合には、ステップＳ２に進む。ステップＳ２において、制御装置２は、現在の運転状態から、低元側圧縮機１１及び高元側圧縮機２１を運転する二元運転であって、第２内部熱交換器３において低元側冷凍回路１０の低圧側の低温冷媒と高圧側冷凍回路２０の高圧側の高温冷媒とが熱交換を行わない二元運転時通常制御モードの状態に移行する。具体的には、制御装置２は、高圧側冷凍回路２０の第２内部熱交換器３への冷媒流入を制御する電磁開閉弁６を閉鎖し、当該第２内部熱交換器３を迂回するバイパス配管４への冷媒流入を制御する電磁開閉弁７を開放する。
【００５２】
当該二元運転時通常制御モードでは、高元側冷凍回路２０の高圧側の高温冷媒を第２内部熱交換器３を迂回するバイパス配管４側に流入させることにより、低元側冷凍回路１０の低圧側の低温冷媒と、高元側冷凍回路２０の高圧側の高温冷媒との熱交換を行わないものとする。よって、暖房能力を十分に発揮し、より効率的な暖房運転を実現することができる。その後、制御装置２は、ステップＳ２からステップＳ１に戻る。
【００５３】
上述したステップＳ１１において、制御装置２は、現在の外気温度が除霜運転頻回温度範囲以内であると判断した場合には、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２において、制御装置２は、現在の運転状態から、低元側冷凍回路１０の低圧側の低温冷媒と高圧側冷凍回路２０の高圧側の高温冷媒とを第２内部熱交換器３において熱交換する高元側冷媒冷却制御モードに移行する。具体的には、制御装置２は、高圧側冷凍回路２０の第２内部熱交換器３への冷媒流入を制御する電磁開閉弁６を開放し、当該第２内部熱交換器３を迂回するバイパス配管４への冷媒流入を制御する電磁開閉弁７を閉鎖する。
【００５４】
これにより、本実施例に係るヒートポンプ式暖房装置Ｈは、低元側圧縮機１１と高元側圧縮機２１の両者を運転する二元運転時において、暖房端末３１から流出した熱媒の戻り温度が所定の高温しきい値よりも高く、且つ、外気温度が除霜運転頻回温度範囲内である場合に、高元側冷凍回路２０の高圧側の高温冷媒を第２内部熱交換器３内に流入させて、当該第２内部熱交換器３において、低元側冷凍回路１０の低圧側の低温冷媒と熱交換させることができる。
【００５５】
よって、二元運転時において、外気温度が除霜運転頻回温度範囲内である場合に、低元側冷凍回路１０の低圧側の低温冷媒の温度を上昇させることによって、低元側冷凍回路１０全体の温度を上げることができる。すなわち、低圧側圧縮機１１への冷媒の吸込温度を上がり、蒸発器１５内に流入する温度を上げることができる。通常、蒸発器１５の除霜運転は、蒸発器１５内へ流入する温度を除霜温度センサ５２により検出し、所定のしきい値より低い場合に、低元側膨張弁１４を全開にして高温冷媒を蒸発器１５内に流入させることにより行っているため、外気温度が相対湿度が高くなる温度帯である場合には、蒸発器１５に着霜が生じやすく、頻回に除霜運転が実行される。これに対し、本発明によれば、外気温度が相対湿度が高くなる除霜運転頻回温度範囲内である場合に、高元側冷媒冷却制御モードに移行して、蒸発器１５内へ流入する温度を上げることにより、蒸発器１５への着霜を抑制して、除霜運転が頻繁に行われることを回避することができる。従って、除霜運転の実行によって生じる暖房の不足感を著しく改善することが可能となる。
【００５６】
一方、上述したステップＳ１において、制御装置２は、現在の熱媒の戻り温度が、高温しきい値以上であると判断した場合に、ステップＳ３に進み、現在の熱媒の戻り温度が前記高温しきい値より高く、且つ、予めメモリ４１に記憶された所定の運転切替しきい値を下回るか否かを判断する。この熱媒の戻り温度の運転切替しきい値は、第２内部熱交換器３において低元側冷凍回路１０の低圧側の冷媒と高元側冷凍回路２０の高圧側の冷媒とを熱交換させた状態で、二元運転を行った場合において、低元側圧縮機１１及び／又は高元側圧縮機２１の吸込温度や吸込圧力が使用適正範囲を超えない限界の熱媒の戻り温度を設定することが好ましい。
【００５７】
制御装置２は、ステップＳ３において、現在の熱媒の戻り温度が、運転切替しきい値を下回ると判断した場合には、ステップＳ４に進み、現在の外気温度、具体的には、外気温度センサ５０が検出する温度が、予めメモリ４１に記憶された所定の高元側冷却運転上限温度以下であるか否かを判断する。この高元側冷却運転上限温度は、二元運転時において、第２内部熱交換器３で、低元側冷凍回路１０の低圧側の低温冷媒と、高元側冷凍回路２０の高圧側の高温冷媒とを熱交換させる高元側冷媒冷却制御モードを実行した際に、低元側圧縮機及び／又は高元側圧縮機の吸込温度や吸込圧力が使用適正範囲を超えない限界温度のうち、何れか高い方の温度を設定することが好ましい。
【００５８】
制御装置２は、ステップＳ４において、現在の外気温度が、上述した高元側冷却運転上限温度を上回る場合には、ステップＳ５に進み、高元側圧縮機２１の運転を停止し、低元側圧縮機１１のみを運転する一元運転に移行する。その後、制御装置２は、ステップＳ１に戻る。
【００５９】
一方、制御装置２は、ステップＳ４において、現在の外気温度が、上述した高元側冷却運転上限温度以下である場合には、ステップＳ６に進む。ステップＳ６において、制御装置２は、現在の運転状態から、低元側冷凍回路１０の低圧側の低温冷媒と高圧側冷凍回路２０の高圧側の高温冷媒とを第２内部熱交換器３において熱交換する高元側冷媒冷却制御モードに移行する。具体的には、制御装置２は、高圧側冷凍回路２０の第２内部熱交換器３への冷媒流入を制御する電磁開閉弁６を開放し、当該第２内部熱交換器３を迂回するバイパス配管４への冷媒流入を制御する電磁開閉弁７を閉鎖する。
【００６０】
これにより、本実施例に係るヒートポンプ式暖房装置Ｈは、低元側圧縮機１１と高元側圧縮機２１の両者を運転する二元運転時において、暖房端末３１から流出した熱媒の戻り温度が所定の高温しきい値よりも高く、且つ、外気温度が高元側冷却運転上限温度以下である場合に、高元側冷凍回路２０の高圧側の高温冷媒を第２内部熱交換器３内に流入させて、当該第２内部熱交換器３において、低元側冷凍回路１０の低圧側の低温冷媒と熱交換させることができる。
【００６１】
ここで、図５〜図７に本実施例における低元側冷凍回路１０及び高元側冷凍回路２０のモリエル線図を示す。図５は二元運転時通常制御モードの熱媒の戻り温度を所定の高温しきい値とした場合のモリエル線図であり、図６は高元側冷媒冷却制御モードの熱媒の戻り温度を所定の運転切替しきい値とした場合のモリエル線図である。また、図７は本実施例の比較として示すものであり、二元運転時通常制御モードのまま熱媒の戻り温度を所定の運転切替しきい値とした場合のモリエル線図である。
【００６２】
各図において、ａ→ｂ→ｃ→ｄは低元側冷凍回路１０の熱サイクルを示し、ｅ→ｆ→ｇ→ｈは高元側冷凍回路２０の熱サイクルを示している。図５において、Ａは低元側熱媒−冷媒熱交換器１２により得られる熱量であり、Ｂは高元側熱媒−冷媒熱交換器２２により得られる熱量である。これらＡとＢの合算値が暖房用として得られる熱量である。図５において、Ｃは外気温度よりは高いものの、暖房用として用いることが困難な余熱量を示し、カスケード熱交換器１３において低元側冷凍回路１０の余熱量が、高元側冷凍回路２０の吸熱源として用いられる。これにより、ヒートポンプ式暖房装置Ｈでは、カスケード熱交換器１３において、暖房に直接使用できないものの外気温度より高い低元側冷凍回路１０の余熱を、高元側冷凍回路２０の吸熱源として良好に回収して運転を行うため、外気を吸熱源とするよりも圧縮比を小さくでき、高いＣＯＰで運転を行うことができる。
【００６３】
一方、図６において、Ｄは低元側熱媒−冷媒熱交換器１２により得られる熱量であり、Ｅは高元側熱媒−冷媒熱交換器２２により得られる熱量である。そして、Ｆは第２内部熱交換器３において高元側冷凍回路２０の余剰な熱であり、低元側冷凍回路１０の吸熱源として回収されるものである。図７は、第２内部熱交換器３において高元側冷凍回路２０の高圧側の高温冷媒と、低元側冷凍回路１０の低圧側の低温冷媒との熱交換を行っていないため、図６に示す高元側冷凍回路２０の余剰な熱の低元側冷凍回路１０への回収が行われていない。そのため、図７では、熱媒の戻り温度が高く、高元側冷凍回路２０の高元側熱媒−冷媒熱交換器２２において、高元側冷凍回路２０内の冷媒が十分に放熱することなく高元側膨張弁２３で減圧されても、十分に回路内の圧力を下げることができない。よって、図７では、高い圧力のまま高元側圧縮機２１に吸い込まれることがわかる。これに対し、図６では、第２内部熱交換器３において、高元側冷凍回路２０の余剰な熱が低元側冷凍回路１０に回収されるため、十分にエンタルピーを下げた状態で高元側膨張弁２３で減圧を行うことができる。よって、十分に回路内の圧力を下げた状態で、冷媒を高元側圧縮機２１に吸い込ませることができることがわかる。
【００６４】
よって、上述したモリエル線図を用いた説明からも理解できるように、本発明のヒートポンプ式暖房装置Ｈでは、第２内部熱交換器３において、高元側冷凍回路２０の高圧側の高温冷媒と、低元側冷凍回路１０の低圧側の低温冷媒とを熱交換することで、効果的に、高元側冷凍回路２０の高圧側の冷媒温度を下げることができ、高元側圧縮機２１に吸い込まれる冷媒の温度や圧力を下げることが可能となる。ゆえに、従来では、圧縮機の継続が不能となるような熱媒の戻り温度に達しても、高元側圧縮機２１の吸込温度や吸込圧力を使用適正範囲内に収めることが可能となり、継続した二元運転を可能になる。
【００６５】
従って、二元運転から低元側圧縮機１１のみを運転する一元運転への移行を極力抑制することができるため、高元側圧縮機２１を一旦停止することにより生じる被暖房空間の温度低下や、暖房の不足感の発生を未然に回避することが可能となる。
【００６６】
また、本実施の形態では、二元運転時であって、暖房端末３１から流出した熱媒の戻り温度が、ステップＳ１において所定の高温しきい値以上と判断した場合に、制御装置２が、ステップＳ６において、電磁開閉弁６、７を開閉制御し、高元側冷凍回路２０の高圧側の余剰の熱を含んだ高温冷媒を第２内部熱交換器３に流入させて、当該第２内部熱交換器３において低元側冷凍回路１０の低圧側の低温冷媒と熱交換させている。よって、熱媒の戻り温度が高温しきい値以上となっても、高元側冷凍回路２０による暖房能力を低減させて、高元側圧縮機２１の吸込温度及び吸込圧力の上昇を抑制することができるため、上述したように、熱媒の戻り温度が高温しきい値以上の場合にも、継続して二元運転を行うことが可能となる。
【００６７】
また、本実施の形態では、制御装置２は、ステップＳ４において、外気温度が所定の高元側冷却運転上限温度以下であると判断した場合に、高元側冷凍回路２０の高圧側の冷媒を第２内部熱交換器３内に流入させることにより、低元側圧縮機１１の吸込温度及び吸込圧力の異常な上昇を抑制して、継続した二元運転を行うことが可能となる。
【００６８】
上述したように、図４のフローチャートのステップＳ６において、制御装置２は、高元側冷媒冷却制御モードに移行した後、ステップＳ１に戻る。他方、上述したステップＳ３において、現在の熱媒の戻り温度が上述した運転切替しきい値以上であると判断した場合、ステップＳ７に進む。ステップＳ７において、制御装置２は現在の熱媒の戻り温度が予めメモリ４１に記憶された所定の運転停止しきい値を下回るか否かを判断する。この熱媒の戻り温度の運転停止しきい値は、一元運転を行った場合において、低元側圧縮機１１の吸込温度や吸込圧力が使用適正範囲を超えない限界の熱媒の戻り温度を設定することが好ましい。制御装置２は、ステップＳ７において、現在の熱媒の戻り温度が、運転停止しきい値を下回ると判断した場合には、ステップＳ８に進み、高元側圧縮機２１の運転を停止し、低元側圧縮機１１のみを運転する一元運転に移行する。その後、制御装置２は、ステップＳ１に戻る。
【００６９】
なお、本実施の形態において、制御装置２は、ステップＳ８からステップＳ１に戻り、熱媒の戻り温度が所定の高温しきい値を下回る場合に一元運転から二元運転に復帰する。また、熱媒の戻り温度が所定の高温しきい値以上（ステップＳ１のＮｏ）で、所定の運転切替しきい値を下回る場合（ステップＳ３のＹｅｓ）にも一元運転から二元運転に復帰する。この際、運転切替しきい値は、所定の温度範囲を有しており、例えば、一元運転から二元運転に復帰する場合には、二元運転から一元運転に移行する場合によりも低い温度を一元運転から二元運転に復帰するための運転切替しきい値として用いることが好ましい。さらに、高元側圧縮機２１の頻繁な発停を回避するため、起動させる圧縮機が停止してから所定時間が経過していることを条件として高元側圧縮機２１の運転を再開することが好ましい。
【００７０】
制御装置２は、上述したステップＳ７において、現在の熱媒の戻り温度が、運転停止しきい値以上であると判断した場合には、ステップＳ９に進み、低元側圧縮機１１の運転を停止した後、ステップＳ１０に進んで、待機運転に移行する。当該待機運転では、制御装置２は、現在の熱媒の戻り温度が、予めメモリ４１に記憶された運転を復帰させるための所定の低温しきい値を下回ったか否かを判断し、当該熱媒の戻り温度が低温しきい値を下回った場合に、低元側圧縮機１１のみ、又は低元側圧縮機１１及び高元側圧縮機２１を運転させて、一元運転又は二元運転に移行する。なお、圧縮機の頻繁な発停を回避するため、起動させる圧縮機が停止してから所定時間が経過していることを条件として圧縮機の運転を再開することが好ましい。
【００７１】
なお、本実施の形態では、熱媒の戻り温度が、運転切替しきい値以上運転停止しきい値を下回る温度の場合、一元運転を行っている。そのため、ステップＳ８では、二元運転から一元運転に移行しているが、これに限定されるものではなく運転切替しきい値を運転停止しきい値まで引き上げて設定した場合には、ステップＳ８において、高元側圧縮機２１のみならず低元側圧縮機１１の運転を停止し、その後待機運転に移行するものとしても良い。
【００７２】
また、本実施の形態では、上述したように、高元側冷凍回路２０の高元側熱媒−冷媒熱交換器２２の冷媒流出側と高元側膨張弁２３の冷媒流入側との間に第２内部熱交換器３を迂回するバイパス配管４を設け、第２内部熱交換器３側と、バイパス配管４側への冷媒流入を制御することにより、低元側冷凍回路１０の低圧側の低温冷媒と前記高元側冷凍回路２０の高圧側の高温冷媒とを熱交換する高元側冷媒冷却制御モードと、熱交換しない二元運転時通常制御モードへの切り替え制御を行っている。
【００７３】
しかし、本件発明は、これに限定されるものではなく、低元側冷凍回路１０の蒸発器１５の冷媒流出側と低元側圧縮機１１の冷媒吸込側との間に第２内部熱交換器３を迂回するバイパス配管４を設け、第２内部熱交換器３側と、バイパス配管４側への冷媒流入を制御することにより、低元側冷凍回路１０の低圧側の低温冷媒と前記高元側冷凍回路２０の高圧側の高温冷媒とを熱交換する高元側冷媒冷却制御モードと、熱交換しない二元運転時通常制御モードへの切り替え制御を行ってもよい。
【実施例】
【００７４】
次に、本発明に係るヒートポンプ式暖房装置を用いた実施例について述べる。本実施例では、上述した本実施の形態に係るヒートポンプ式暖房装置Ｈを用いた。本実施例は、運転条件を、熱媒の往き温度を７０℃、外気温度−１０℃、低圧側圧縮機１１の運転周波数８０Ｈｚ、高圧側圧縮機２１の運転周波数５１Ｈｚ、熱媒の循環流量を二元運転時通常制御モードで５．６Ｌ／ｍｉｎ、高元側冷媒冷却制御モードで４．４Ｌ／ｍｉｎ（熱媒の戻り温度５８℃時）とした。以下に、図面を参照して、二元運転時通常制御モードを維持した状態で熱媒の戻り温度を変化させたときと、高元側冷媒冷却制御モードを維持した状態で熱媒の戻り温度を変化させたときについて述べる。【００７５】
図８は当該運転条件で熱媒の戻り温度を変化させたときの高元側冷凍回路２０の圧力変化を示す図である。図８において、高元側冷凍回路２０の低圧側の圧力変化を実線で示し、高元側冷凍回路２０の高圧側の圧力変化を点線で示す。そして、二元運転時通常制御モードを維持したものに黒四角を付し、高元側冷媒冷却制御モードを維持したものに黒丸を付した。【００７６】
図８によると、二元運転時通常制御モードと比較して、高元側冷媒冷却制御モードを実行した場合、高圧側も低圧側も圧力が低下していることがわかる。高圧側の圧力は、例えば、熱媒の戻り温度が上述の高温しきい値より高い温度である４８℃で０．４ＭＰａ低下した。高元側の圧力は、熱媒の戻り温度が高くなったとしても、高元側冷媒冷却制御モードを実行することによる大きな圧力低下はみられず、当該高元側圧縮機の使用範囲内であることが確認できた。【００７７】
一方、低圧側の圧力は、熱媒の戻り温度の上昇に伴い、二元運転時通常制御モードの場合も、高元側冷媒冷却制御モードの場合も、上昇傾向にある。いずれの熱媒の戻り温度においても、二元運転時通常制御モードと比較して、低元側冷凍回路と高元側冷凍回路との間で熱交換を行う高元側冷媒冷却制御モードでは、圧力を大きく低下したことがわかる。例えば、熱媒の戻り温度が上述の高温しきい値より高い温度である４８℃では、０．８ＭＰａ低下している。熱媒の戻り温度がさらに高い条件では、高元側冷媒冷却制御モードを行うことで、より効果的に低元側の圧力、即ち、高元側圧縮機２１の吸込圧力を低下させることができることがわかる。【００７８】
図９は上述した運転条件で熱媒の戻り温度を変化させたときの高元側圧縮機２１の吸込温度の変化を示したものである。図９において、二元運転時通常制御モードを維持したものに黒四角を付し、高元側冷媒冷却制御モードを維持したものに黒丸を付した。【００７９】
図９によると、二元運転時通常制御モードと比較して、高元側冷媒冷却制御モードを実行した場合、高元側圧縮機２１の吸込温度は、熱媒の戻り温度の上昇に伴い、上昇傾向にある。いずれの熱媒の戻り温度においても、二元運転時通常制御モードと比較して、低元側冷凍回路と高元側冷凍回路との間で熱交換を行う高元側冷媒冷却制御モードでは、高元側圧縮機２１の吸込温度を大きく低下したことがわかる。例えば、熱媒の戻り温度が上述の高温しきい値より高い温度である４８℃では、吸込温度を１４℃低下している。【００８０】
従って、図８及び図９の実験結果からも、高元側冷媒冷却制御モードを採用していない従来では高元側圧縮機の継続が不能となるような戻り熱媒温度に達しても、高元側冷媒冷却制御モードを実行することで、高元側圧縮機の吸込温度や吸込圧力を使用適正範囲内に収めることが可能となり、より高い戻り熱媒温度まで継続して二元運転を可能になることがわかる。【００８１】
次に、図１０に熱媒の戻り温度を上述の高温しきい値（４７℃）で二元運転時通常制御モードから高元側冷媒冷却制御モードに切り替えた場合のヒートポンプ式暖房装置Ｈ全体の暖房能力の変化とＣＯＰの変化を示す。熱媒の戻り温度が高温しきい値に相当する４７℃を下回る場合、二元運転時通常制御モードを実行するため、第２内部熱交換器３における高元側冷凍回路２０の高圧側と低元側冷凍回路の低圧側との熱交換を行わない。よって、熱媒の戻り温度が高温しきい値に到達するまでは、高い暖房能力で二元運転を行うことができる。【００８２】
熱媒の戻り温度が高温しきい値以上の場合には、二元運転時通常制御モードを継続して行うと、低元側圧縮機の吸込圧力や吸込温度が使用適正範囲を超えるおそれがあるが、熱媒の戻り温度が高温しきい値以上の場合に第２内部熱交換器３において高元側冷凍回路２０の高圧側と低元側冷凍回路の低圧側との熱交換を行う高元側冷媒冷却制御モードに移行する。よって、低元側圧縮機の吸込圧力や吸込温度が使用適正範囲を超えることなく、継続して二元運転を行うことができる。【００８３】
この場合、図１０からわかるように、熱媒の戻り温度が４７℃付近では、二元運転時通常制御モードの場合、暖房能力が５．８ｋＷであるのに対し、高元側冷媒冷却制御モードの場合、暖房能力が４．８ｋＷに低下する。当該高元側冷媒冷却制御モードにおいて、熱媒の戻り温度が高くなるに従い、高元側熱媒−冷媒熱交換器２２における熱交換効率が低下するため、暖房能力が低下していく。しかし、低元側圧縮機１１と高元側圧縮機２１の両者を継続して運転しているにもかかわらず、高元側冷凍回路２０の高圧側と低元側冷凍回路の低圧側とを熱交換することで、各圧縮機における圧縮比を小さくすることができるため、消費電力量を小さく抑えることができる。【００８４】
よって、本発明は、熱媒の戻り温度が上昇した場合も、ＣＯＰの低下を最小限に抑えつつ二元運転を継続することができるため、二元運転から低元側圧縮機のみを運転する一元運転への移行を極力抑制することができる。従って、高元側圧縮機２１を一旦停止することにより生じる被暖房空間の温度低下や、暖房の不足感の発生を未然に回避することが可能となることがいえる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本件発明にかかるヒートポンプ式暖房装置は、低元側冷凍回路と高元側冷凍回路を備えたヒートポンプ式暖房装置において、熱媒の戻り温度が所定の高温しきい値に到達し、高元側圧縮機を停止しなければならない条件下であっても、高元側冷凍回路の高圧側の高温冷媒を低元側冷凍回路の低圧側の低温冷媒と第２内部熱交換器で熱交換することにより、さらに熱媒の戻り温度が高くなるまで継続して二元運転を継続することを可能とする。よって、従来では二元運転から一元運転に移行しなければならない条件下であっても、継続した二元運転が可能となり、高元側圧縮機を停止することによる暖房感の悪化を解消を実現することができる。また、外気温度が所定の除霜運転頻回温度範囲である場合においても、高元側冷凍回路の高圧側の高温冷媒を低元側冷凍回路の低圧側の低温冷媒と第２内部熱交換器で熱交換することにより、蒸発器への着霜を抑制して、除霜運転が頻繁に行われることを回避することができる。
【符号の説明】
【００８６】
Ｈ    ヒートポンプ式暖房装置
１    二元ヒートポンプユニット
２    制御装置（制御手段。流路制御手段。）
３    第２内部熱交換器
４    バイパス配管
６、７  電磁開閉弁（流路制御手段）
１０    低元側冷凍回路
１１    低元側圧縮機
１２    低元側熱媒−冷媒熱交換器
１３    カスケード熱交換器
１４    低元側膨張弁（低元側減圧手段）
１５    蒸発器
１６    蒸発器用送風機
１８    第１内部熱交換器
２０    高元側冷凍回路
２１    高元側圧縮機
２２    高元側熱媒−冷媒熱交換器
２３    高元側膨張弁（高元側減圧手段）
３０    暖房ユニット
３１    暖房端末
３２    熱媒回路
３３    流量調整弁（流量調整手段）
３４    三方弁（分流調整手段）
３６    循環ポンプ
４１    メモリ
５０    外気温センサ
５１    低元側吐出温度センサ
５３    高元側吐出温度センサ
５４    低元側往き熱媒温度センサ（低元側往き熱媒温度検出手段）
５５    高元側往き熱媒温度センサ（高元側往き熱媒温度検出手段）
５６    往き熱媒温度センサ（往き温度検出手段）
５７    戻り熱媒温度センサ（戻り熱媒温度検出手段）
６０    コントロールパネル（入力手段）
【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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【図１０】
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【国際調査報告】
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