(57)【要約】【課題】容積比が固定されている多段圧縮式冷凍サイクルを用いた場合であっても、エネルギ消費効率を良好にすることが可能なヒートポンプシステムを提供する。【解決手段】圧縮機構２０は、容積比が一定の関係にある低段側圧縮機構２２と高段側圧縮機構２６とを有している。混合弁９１は、インタークーラ側給湯流路９０Ａに流す水の流量と、ガスクーラ側給湯流路９０Ｂに流す水の流量との比率を調節する。制御部２は、インタークーラ５の出口冷媒温度と、高段側圧縮機構２６の出口冷媒温度と、の差を小さくさせるように、混合弁９１を操作する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容積比が一定の関係にある低段側圧縮機構（２２）と高段側圧縮機構（２６）とを含む圧縮機構（２０）と、膨張機構（３、８ａ）と、蒸発器（４）と、を少なくとも有しており、冷媒が循環するヒートポンプ回路（１０）と、
前記低段側圧縮機構（２２）から吐出された冷媒と熱交換することによって加熱処理される第１熱負荷（９０Ａ、３９０Ａ）と、前記高段側圧縮機構（２６）から吐出された冷媒と熱交換することによって加熱処理される第２熱負荷（９０Ｂ、３９０Ｂ）と、の負荷配分を定める負荷配分手段（９１、３９２ａ、３９２ｂ）と、
前記低段側圧縮機構（２２）から吐出された後に前記第１熱負荷（９０Ａ、３９０Ａ）との熱交換を終えた前記冷媒の温度と、前記高段側圧縮機構（２６）から吐出された後に前記第２熱負荷（９０Ｂ、３９０Ｂ）との熱交換を終えた前記冷媒の温度と、の比が１となる場合を含む所定温度条件を満たす状態が維持されるように、
若しくは、
前記低段側圧縮機構（２２）から吐出された後に前記第１熱負荷（９０Ａ、３９０Ａ）との熱交換を終えた前記冷媒の温度と、前記高段側圧縮機構（２６）から吐出された後に前記第２熱負荷（９０Ｂ、３９０Ｂ）との熱交換を終えた前記冷媒の温度と、の差を小さくさせるように、
前記負荷配分手段（９１）を操作する配分制御を行う制御部（２）と、
を備えたヒートポンプシステム（１、２０１、３０１）。
【請求項２】
前記負荷配分手段（９１）は、
分岐部分（Ｘ）と、合流部分（Ｙ）と、前記分岐部分（Ｘ）と前記合流部分（Ｙ）とを接続する第１路（９０Ａ）と、前記第１路（９０Ａ）と合流することなく前記分岐部分（Ｘ）と前記合流部分（Ｙ）とを接続する第２路（９０Ｂ）と、を有しており流体が流れる熱負荷回路（９０）と、
前記第１路（９０Ａ）を流れる前記流体の流量と前記第２路（９０Ｂ）を流れる前記流体の流量との比率を調節可能な流量調節機構（９１）と、
を有しており、
前記低段側圧縮機構（２２）の吐出側から前記高段側圧縮機構（２６）の吸入側に向けて流れる前記冷媒と、前記第１路（９０Ａ）を流れる前記流体と、の間で熱交換を行わせる第１熱交換器（５）と、
前記高段側圧縮機構（２６）から前記膨張機構（３、８ａ）に向けて流れる前記冷媒と、前記第２路（９０Ｂ）を流れる前記流体と、の間で熱交換を行わせる第２熱交換器（６）と、
をさらに備え、
前記制御部（２）が行う配分制御では、
前記ヒートポンプ回路（１０）のうち前記第１熱交換器（５）の出口を流れる前記冷媒の温度と、前記ヒートポンプ回路（１０）のうち前記第２熱交換器（６）の出口を流れる前記冷媒の温度と、の比が１となる場合を含む所定温度条件を満たす状態が維持されるように、
若しくは、
前記ヒートポンプ回路（１０）のうち前記第１熱交換器（５）の出口を流れる前記冷媒の温度と、前記ヒートポンプ回路（１０）のうち前記第２熱交換器（６）の出口を流れる前記冷媒の温度と、の差を小さくさせるように、
前記流量調節機構（９１）を操作する、
請求項１に記載のヒートポンプシステム（１）。
【請求項３】
前記制御部（２）は、
前記第１熱交換器（５）に流入する冷媒の温度よりも前記第２熱交換器（６）に流入する冷媒の温度の方が高い場合において、前記流量調節制御を行うことにより前記第１熱交換器（５）に流す前記流体の流量が第１所定流量未満になる場合には、
前記第１熱交換器（５）に流す前記流体の流量が前記第１所定流量と同じ流量若しくは超える流量で維持されるように前記流量調節機構（９１）を制御しつつ、前記高段側圧縮機構（２６）の吐出冷媒の目標温度を上げるように前記ヒートポンプ回路（１０）を制御するという高段吐出温度制御を行う、
請求項２に記載のヒートポンプシステム（１）。
【請求項４】
前記制御部（２）は、
前記高段側圧縮機構（２６）の吐出冷媒の目標温度が所定の上限温度を超えない範囲で前記高段吐出温度制御を行い、
前記上限温度を超える場合には、前記第１熱交換器（５）には前記流体を流さずに前記第２熱交換器（６）には前記流体を流すように前記流量調節機構を制御する、
請求項３に記載のヒートポンプシステム（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば、特許文献１（特開２００２−１０６９８８号公報）に記載されたヒートポンプ給湯器のように、多段圧縮式冷凍サイクルにおいて、低段側の圧縮機から吐出された冷媒と高段側の圧縮機から吐出された冷媒と両方を、水の加熱に利用するシステムが提案されている。
【０００３】
このシステムでは、ヒートポンプ回路において多段圧縮方式を採用することで圧縮効率を良好にすることができているだけでなく、高段側の圧縮機から吐出された冷媒に加えて低段側の圧縮機から吐出された冷媒についても給湯用のお湯の沸き上げに利用することによりエネルギ効率を良好にしようとしている。
【０００４】
このシステムは、具体的には、給湯用の水の流れを分岐させるように弁を設けて、一方の給湯水の流れについては、高段側の圧縮機から吐出された冷媒によって加熱し、他方の給湯用の水の流れについては、低段側の圧縮機から吐出された冷媒によって加熱する構成を採用している。そして、サイクル効率を良好にする観点から、給湯用の水の分流比については、低段側の圧縮機から吐出された冷媒によって加熱する他方の流れを全水量の半分以下に設定することが好ましいということを提案している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、多段圧縮式冷凍サイクルとしては、例えば、各段の圧縮機の駆動軸を共通化させたもののように、各段の圧縮機の容積比が固定されているタイプがある。このような容積比が固定されているタイプは、例えば、低段側の圧縮機における動作と高段側の圧縮機における動作が連動するため、各段の圧縮機を個別に容量制御することができない。
【０００６】
ところが、上述の特許文献１（特開２００２−１０６９８８号公報）に記載されているような多段圧縮式冷凍サイクルでは、低段側と高段側の圧縮機の容積比が固定されているような、容積比の制約を踏まえた考察は、なんらなされていない。
【０００７】
例えば、容積比が固定されたタイプの圧縮機が採用されている冷凍サイクルでは、高段側の吐出冷媒の目標温度が定まると、低段側の駆動状態が一義的に定まってしまうことがあり、低段側から高段側に向けて流れる冷媒温度も定まってしまうことがある。このような場合には、上記特許文献１（特開２００２−１０６９８８号公報）に記載のシステムのように、低段側の圧縮機から吐出された冷媒によって加熱するための給湯用の水の流量比率を、単に、全流量の半分以下にするような設定を行うだけでは、十分に、エネルギ消費効率を良好にできない場合がある。
【０００８】
本発明の課題は、容積比が固定されている多段圧縮式冷凍サイクルを用いた場合であっても、エネルギ消費効率を良好にすることが可能なヒートポンプシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の観点に係るヒートポンプシステムは、ヒートポンプ回路、負荷配分手段、および、制御部を備えている。ヒートポンプ回路は、圧縮機構、膨張機構、および、蒸発器を少なくとも有しており、冷媒が循環する。圧縮機構は、容積比が一定の関係にある低段側圧縮機構と高段側圧縮機構とを有している。負荷配分手段は、第１熱負荷と第２熱負荷との負荷配分を定める。第１熱負荷は、低段側圧縮機構から吐出された冷媒と熱交換することによって加熱処理される熱負荷である。第２熱負荷は、高段側圧縮機構から吐出された冷媒と熱交換することによって加熱処理される熱負荷である。制御部は、以下の一方の制御若しくは他方の制御を行って、負荷配分手段を操作する配分制御を行う。一方の制御を行う場合には、制御部は、低段側圧縮機構から吐出された後に第１熱負荷との熱交換を終えた冷媒の温度と、高段側圧縮機構から吐出された後に第２熱負荷との熱交換を終えた冷媒の温度と、の比が１となる場合を含む所定温度条件を満たす状態が維持されるように、負荷配分手段を操作する。他方の制御を行う場合には、制御部は、低段側圧縮機構から吐出された後に第１熱負荷との熱交換を終えた冷媒の温度と、高段側圧縮機構から吐出された後に第２熱負荷との熱交換を終えた冷媒の温度と、の差を小さくさせるように、負荷配分手段を操作する。ここで、冷媒は、例えば、炭化水素を含む冷媒や二酸化炭素冷媒等であってもよい。また、給湯用の水の加熱やラジエータ若しくは床暖房等に利用される水の加熱等の負荷の種類において、第１熱負荷と第２熱負荷とは同じ種類の負荷であってもよいし、負荷の種類が異なっていてもよい。例えば、第１熱負荷における加熱処理および第２熱負荷における加熱処理によって得られた熱量が、最終的に同一の供給先に供給される場合であってもよいし、第１熱負荷と第２熱負荷とが互いに熱エネルギ的に独立した負荷であってもよい。なお、圧縮機構は、高段側圧縮機構と低段側圧縮機構とは別の圧縮機構をさらに有していてもよく、この別の圧縮機構は直列接続であっても並列接続であってもよい。また、ここでの高段側圧縮機構と低段側圧縮機構としては、例えば、共通の駆動軸を有するいわゆる一軸多段型であってもよく、容積比が一定になるようにコントロールされているものであってもよい。この配分制御としては、この一方の制御と他方の制御の両方の条件を同時に満たすような制御であってもよいし、いずれか一方のみを満たすような制御で他方の処理は行わないような制御であってもよい。
【００１０】
このヒートポンプシステムでは、高段側圧縮機構と低段側圧縮機構との容積比が一定の関係にあるため、高段側圧縮機構と低段側圧縮機構とを自由に駆動させることができない。このため、高段側圧縮機構の吐出冷媒の温度もしくは低段側圧縮機構の吐出冷媒の温度を自由に調節することができず、一方を調節すると、他方も追従して調節されてしまうことになる。
【００１１】
このヒートポンプシステムでは、このような構成を前提としており、第１熱交換器に流入する冷媒温度および第２熱交換器に流入する冷媒温度を、高段側圧縮機構や低段側圧縮機構を制御することによって調節するのではなく、負荷配分手段を操作する配分制御を行うことにより、第１熱負荷との熱交換を終えた冷媒温度と第２熱負荷との熱交換を終えた冷媒温度とが所定温度条件を満たす状態が維持されるように若しくは差を小さくさせるようにしている。
【００１２】
このように、高段側圧縮機構と低段側圧縮機構との容積比が一定の関係にあるヒートポンプシステムにおいて、圧縮機構の制御ではなくて、負荷配分手段を用いた配分制御によって、第１熱負荷との熱交換を終えた冷媒温度と第２熱負荷との熱交換を終えた冷媒温度とが所定温度条件を満たす状態が維持されるように若しくは差を小さくさせることが可能になることで、結果的に、ヒートポンプ回路におけるエネルギ消費効率を向上させることが可能になる。
【００１３】
なお、ここでのエネルギ消費効率の向上は、例えば、ヒートポンプ回路における、最大負荷で外気温度が最高の条件であり圧縮機構が定格能力を出す場合を想定した状態での成績係数ＣＯＰ（Coefficient Performance）、若しくは、さらに期間性能も加味させた指標である年間成績係数ＡＦＰ（Annual Performance Factor）等を向上させることであってもよい。
【００１４】
第２の観点に係るヒートポンプシステムは、第１の観点に係るヒートポンプシステムにおいて、第１熱交換器および第２熱交換器をさらに備えている。負荷配分手段は、熱負荷回路と流量調節機構を有している。熱負荷回路は、分岐部分、合流部分、第１路、および、第２路を有しており、流体が流れる。第１路は、分岐部分と合流部分とを接続する。第２路は、第１路と合流することなく分岐部分と合流部分とを接続する。流量調節機構は、第１路を流れる流体の流量と第２路を流れる流体の流量との比率を調節可能である。第１熱交換器は、低段側圧縮機構の吐出側から高段側圧縮機構の吸入側に向けて流れる冷媒と、第１路を流れる流体と、の間で熱交換を行わせる。第２熱交換器は、高段側圧縮機構から膨張機構に向けて流れる冷媒と、第２路を流れる流体と、の間で熱交換を行わせる。制御部が行う配分制御では、流量調節機構を操作することで、以下の一の制御若しくは他の制御を行う。一の制御では、制御部は、ヒートポンプ回路のうち第１熱交換器の出口を流れる冷媒の温度と、ヒートポンプ回路のうち第２熱交換器の出口を流れる冷媒の温度と、の比が１となる場合を含む所定温度条件を満たす状態が維持されるように、流量調節機構を操作する。他の制御では、制御部は、ヒートポンプ回路のうち第１熱交換器の出口を流れる冷媒の温度と、ヒートポンプ回路のうち第２熱交換器の出口を流れる冷媒の温度と、の差を小さくさせるように、流量調節機構を操作する。この流体としては、給湯用途の水やラジエータもしくは床暖房に利用するための熱媒体としての水等の二次冷媒が含まれる。この配分制御としては、この一の制御と他の制御の両方の条件を同時に満たすような制御であってもよいし、いずれか１つのみを満たすような制御であって別の処理は行わないような制御であってもよい。
【００１５】
このヒートポンプシステムでは、流量調節機構を操作することで、ヒートポンプ回路におけるエネルギ消費効率を良好にしながら、一種類の熱負荷である熱負荷回路を流れる流体に対して、第１熱交換器および第２熱交換器の複数箇所において熱を供給することができる。
【００１６】
第３の観点に係るヒートポンプシステムは、第２の観点に係るヒートポンプシステムにおいて、制御部は、以下の条件を満たす場合には、高段吐出温度制御を行う。この条件は、第１熱交換器に流入する冷媒の温度よりも第２熱交換器に流入する冷媒の温度の方が高い場合において、流量調節制御を行うことにより第１熱交換器に流す流体の流量が第１所定流量未満になる場合、という条件である。高段吐出温度制御は、第１熱交換器に流す流体の流量が第１所定流量と同じ流量若しくは超える流量で維持されるように流量調節機構を制御しつつ、高段側圧縮機構の吐出冷媒の目標温度を上げるようにヒートポンプ回路を制御する。
【００１７】
このヒートポンプシステムでは、流速が遅い状態で流体が流れ続けることにより第１熱交換器に生じるダメージを低減させることが可能になる。
【００１８】
なお、流速が遅い状態で流体が流れ続けることにより第１熱交換器に生じるダメージとしては、例えば、流体の流速が遅い箇所で生じる鋼管の孔食等が含まれる。このような孔食としては、例えば、金属の局部腐食として、鋼管の表面に小さな孔（ピンホール）が生じ、その内部おいて鋼管の腐食が進行することが挙げられる。この孔食は、上記流体として水を用いた場合には、残留塩素濃度が高い場合に孔食が発生しやすいため、流体として水を用いた場合には、特に、上記制御が有用になる。
【００１９】
第４の観点に係るヒートポンプシステムは、第３の観点に係るヒートポンプシステムにおいて、制御部は、高段側圧縮機構の吐出冷媒の目標温度が所定の上限温度を超えない範囲で高段吐出温度制御を行う。制御部は、上限温度を超える場合には、第１熱交換器には流体を流さずに第２熱交換器には流体を流すように流量調節機構を制御する。
【００２０】
このヒートポンプシステムでは、流体の供給を途絶えさせることにより、流体が低速で流れる場合に生じうる第１熱交換器でのダメージを低減させることができる。そして、流体の加熱を、上限を超えない程度に高温に上げられている高段側圧縮機構の吐出冷媒によって、効率的に行うことができる。
【発明の効果】
【００２１】
第１の観点のヒートポンプシステムでは、高段側圧縮機構と低段側圧縮機構との容積比が一定の関係にある構成であっても、ヒートポンプ回路におけるエネルギ消費効率を向上させることが可能になる。
【００２２】
第２の観点のヒートポンプシステムでは、エネルギ消費効率を良好にしながら、一種類の熱負荷に対して複数箇所において熱を供給することができる。
【００２３】
第３の観点のヒートポンプシステムでは、流速が遅い状態で流体が流れ続けることにより第１熱交換器に生じるダメージを低減させることが可能になる。
【００２４】
第４の観点のヒートポンプシステムでは、第１熱交換器でのダメージを低減させつつ、上限を超えない程度に高温に上げられている高段側圧縮機構の吐出冷媒によって、効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】ヒートポンプシステムの概略構成図である。
【図２】容積比固定型の圧縮機構を備えるヒートポンプ回路の圧力−エンタルピ線図である。
【図３】インタークーラとガスクーラにおける温度比とＣＯＰの関係を示す図である。
【図４】水流量比とＣＯＰの関係を示す図である。
【図５】インタークーラの出口冷媒温度とガスクーラの出口冷媒温度と水流量比との関係を示す図である。
【図６】水分配制御のフローチャートである。
【図７】他の実施形態（Ａ）に係るヒートポンプシステムの概略構成図である。
【図８】他の実施形態（Ｂ）に係るヒートポンプシステムの概略構成図である。
【図９】従来の、容積比非固定型の圧縮機構を備えるヒートポンプ回路の圧力−エンタルピ線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の一実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００２７】
（１）ヒートポンプシステム１の構成
図１は、本発明の一実施形態に係るヒートポンプシステム１の概略構成図である。
【００２８】
ヒートポンプシステム１は、ヒートポンプ回路１０、ファン４ｆ、給湯回路９０、インタークーラ５、ガスクーラ６、および、制御部２等を備えている。ヒートポンプシステム１は、ヒートポンプ回路１０によって得られる熱を、給湯回路９０を介して給湯用の熱として利用するシステムである。
【００２９】
（１−１）ヒートポンプ回路１０
ヒートポンプ回路１０は、一次冷媒としての二酸化炭素が循環している自然冷媒を用いた回路である。ヒートポンプ回路１０は、圧縮機構２０、主膨張弁３、蒸発器４、冷媒配管１０ａ〜１０ｌ、エコノマイザ熱交換器７、エコノマイザ膨張弁７ａ、インジェクション流路１１、液ガス熱交換器８、液ガス膨張弁８ｂ、および、液ガス熱交流路１２等を備えている。なお、図２において、図１のヒートポンプ回路１０中の各点の状態を示すにおける圧力−エンタルピ線図を示す。
【００３０】
圧縮機構２０は、低段側圧縮機構２２、高段側圧縮機構２６、および、駆動モータ２９等を有している。低段側圧縮機構２２と高段側圧縮機構２６とは、駆動モータ２９によって駆動される共通の駆動軸を有しており、容積比が固定されている。低段側圧縮機構２２は、点Ａを通過した冷媒を吸入管２１を介して吸入し、中間圧力まで圧縮して第１中間圧管２３に送り出す。第１中間圧管２３を流れる冷媒は、点Ｂを通過してインタークーラ５の内部の第２中間圧管２４および第３中間圧管２５を流れた後、高段側圧縮機構２６に吸入される。高段側圧縮機構２６が吸入した冷媒は、さらに高圧になるまで圧縮して、吐出管２７を介して吐出される。吸入管２１には、吸入冷媒温度センサＴＡおよび吸入冷媒圧力センサＰＡが設けられている。吐出管２７には、吐出冷媒温度センサＴＤおよび吐出冷媒圧力センサＰＤが設けられている。第１中間圧管２３には、インタークーラ前冷媒温度センサＴＢが設けられている。なお、第３中間圧管２５の途中には、点Ｃおよび後述するインジェクション流路１１を流れる冷媒が合流する合流点Ｄが設けられている。第３中間圧管２５のうち合流点Ｄよりも下流側の点Ｃ近傍には、インタークーラ後冷媒温度センサＴＣが設けられている。
【００３１】
圧縮機構２０の吐出管２７から吐出された冷媒は、第１冷媒配管１０ａ、第２冷媒配管１０ｂ、第３冷媒配管１０ｃ、第４冷媒配管１０ｄ、第５冷媒配管１０ｅ、第６冷媒配管１０ｆ、第７冷媒配管１０ｇ、主膨張弁３、第８冷媒配管１０ｈ、第９冷媒配管１０ｉ、蒸発器４、第１０冷媒配管１０ｊ、第１１冷媒配管１０ｋ、および、第１２冷媒配管１０ｌがこの順に接続されている回路を流れる。
【００３２】
圧縮機構２０の吐出管２７と、第１冷媒配管１０ａとは、点Ｅを介して接続されている。第２冷媒配管１０ｂは、ガスクーラ６の内部を流れている。第３冷媒配管１０ｃには、内部を流れる冷媒温度を検知するガスクーラ後冷媒温度センサＴＥが設けられている。第３冷媒配管１０ｃと第４冷媒配管１０ｄとの接続部分である分岐点Ｆからは、インジェクション流路１１が分岐している。第５冷媒配管１０ｅは、エコノマイザ熱交換器７の内部を流れている。液ガス熱交流路１２は、第６冷媒配管１０ｆと第７冷媒配管１０ｇとの接続部分である分岐点Ｇと、第８冷媒配管１０ｈと第９冷媒配管１０ｉと接続部分である合流点Ｉとを、主膨張弁３を介することなく、接続している。屋外に配置されている蒸発器４には、制御部２によって出力制御されるファン４ｆからの空気流れが供給される。なお、蒸発器４に供給される屋外空気の温度を検知する外気温度センサ（図示せず）が設けられており、制御部２が外気温度を把握できるようになっている。第１１冷媒配管１０ｋは、液ガス熱交換器８の内部を流れている。第１２冷媒配管１０ｌは、圧縮機構２０の吸入管２１と、点Ａにおいて接続されている。
【００３３】
インジェクション流路１１は、上述した分岐点Ｆから分岐して、第１インジェクション流路１１ａ、エコノマイザ膨張弁７ａ、第２インジェクション流路１１ｂ、第３インジェクション流路１１ｃ、および、第４インジェクション流路１１ｄを介して、第３中間圧管２５の合流点Ｄまで延びている。第３インジェクション流路１１ｃは、エコノマイザ膨張弁７ａによって減圧された冷媒がエコノマイザ熱交換器７の内部を流れており、第５冷媒配管１０ｅを流れる冷媒を冷却させる。
【００３４】
液ガス熱交流路１２は、上述した分岐点Ｇから分岐して、第１液ガス熱交流路１２ａ、第２液ガス熱交流路１２ｂ、第３液ガス熱交流路１２ｃ、液ガス膨張弁８ａ、および、第４液ガス熱交流路１２ｄを介して、上述した合流点Ｉまで延びている。第２液ガス熱交流路１２ｂは、液ガス熱交換器８の内部を流れており、上述した第１１冷媒配管１０ｋを流れる冷媒の過熱度を上げさせる。
【００３５】
なお、主膨張弁３の弁開度と、液ガス膨張弁８ａの弁開度とは、制御部２によって制御される。これにより、液ガス熱交流路１２に流れる冷媒量が調節され、蒸発器４に供給される冷媒の状態や、圧縮機構２０に吸入される冷媒状態が調節される。
【００３６】
（１−２）給湯回路９０
給湯回路９０は、貯湯タンク９５内にある水を、ガスクーラ６およびインタークーラ５において、ヒートポンプ回路１０の熱により沸き上げるための回路である。給湯回路９０の貯湯タンク９５は、分岐点Ｗおよび給水管９４を介して、外部から下端部分に水は供給され、内部に水を蓄える。貯湯タンク９５の上端近傍からは給湯管９８が延びている。給湯管９８と、分岐点Ｗから延びる給湯バイパス管９９とは、合流点Ｚに設けられた温度調節弁９３において混合比率が調節されて、適切な温度の水となって利用箇所に供給される。この温度調節弁９３の混合比率は、制御部２が制御する。
【００３７】
貯湯タンク９５内に蓄えられている低温の水は、下方から延びる循環往き路９０ａを介して流出し、インタークーラ５およびガスクーラ６において加熱される。インタークーラ５およびガスクーラ６において加熱された水は、循環戻り路９０ｈを介して貯湯タンク９５の上方に戻される。
【００３８】
循環往き路９０ａには、制御部２によって循環量が駆動制御される給湯ポンプ９２と、循環往き路９０ａを流れている水の温度を検知する循環往き路温度センサＴＧと、が設けられている。循環往き路９０ａは、分岐点Ｘにおいて、インタークーラ側給湯流路９０Ａと、ガスクーラ側給湯流路９０Ｂとに分岐する。インタークーラ側給湯流路９０Ａと、ガスクーラ側給湯流路９０Ｂとは、合流点Ｙにおいて合流し、循環戻り路９０ｈに接続されている。循環戻り路９０ｈには、循環戻り路９０ｈを流れている水の温度を検知する循環戻り路温度センサＴＪが設けられている。合流点Ｙには、制御部２によって混合比率が調節される混合弁９１が設けられており、インタークーラ側給湯流路９０Ａ側に流れる水量と、ガスクーラ側給湯流路９０Ｂ側に流れる水量との比率を調節することができるようになっている。
【００３９】
ガスクーラ側給湯流路９０Ｂは、分岐点Ｘから延びる第１ガスクーラ側給湯流路９０ｂ、第２ガスクーラ側給湯流路９０ｃ、および、合流点Ｙまで延びた第３ガスクーラ側給湯流路９０ｄを有している。第２ガスクーラ側給湯流路９０ｃを流れる水は、ガスクーラ６の内部を流れており、ヒートポンプ回路１０の第２冷媒配管１０ｂを流れる冷媒の熱によって加熱される。ガスクーラ側給湯出口温度センサＴＨは、第３ガスクーラ側給湯流路９０ｄを流れる水の温度を検知する。なお、ヒートポンプ回路１０のガスクーラ６の第２冷媒配管１０ｂを流れる冷媒の流れ方向と、給湯回路９０の第２ガスクーラ側給湯流路９０ｃを流れる水の流れ方向とは、互いに対向するように構成されている。
【００４０】
インタークーラ側給湯流路９０Ａは、分岐点Ｘから延びる第１インタークーラ側給湯流路９０ｅ、第２インタークーラ側給湯流路９０ｆ、および、合流点Ｙまで延びた第３インタークーラ側給湯流路９０ｇを有している。第２インタークーラ側給湯流路９０ｆを流れる水は、インタークーラ５の内部を流れており、ヒートポンプ回路１０の第２中間圧管２４を流れる冷媒の熱によって加熱される。インタークーラ側給湯出口温度センサＴＩは、第３インタークーラ側給湯流路９０ｇを流れる水の温度を検知する。なお、ヒートポンプ回路１０のインタークーラ５の第２中間圧管２４を流れる冷媒の流れ方向と、給湯回路９０の第２インタークーラ側給湯流路９０ｆを流れる水の流れ方向とは、互いに対向するように構成されている。
【００４１】
（１−３）制御部２
制御部２は、上述した吸入冷媒温度センサＴＡ、吸入冷媒圧力センサＰＡ、インタークーラ前冷媒温度センサＴＢ、インタークーラ後冷媒温度センサＴＣ、吐出冷媒温度センサＴＤ、吐出冷媒圧力センサＰＤ、ガスクーラ後冷媒温度センサＴＥ、循環往き路温度センサＴＧ、循環戻り路温度センサＴＪ、ガスクーラ側給湯出口温度センサＴＨ、インタークーラ側給湯出口温度センサＴＩおよび外気温度等を把握することにより、圧縮機構２０、主膨張弁３、エコノマイザ膨張弁７ａ、液ガス膨張弁８ａ、ファン４ｆ、混合弁９１、および、給湯ポンプ９２等を制御する。
【００４２】
（２）ヒートポンプ回路１０の動作
（２−１）圧縮機構２０について
制御部２は、ヒートポンプ回路１０において、高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度（吐出冷媒温度センサＴＤが検知する温度）が目標冷媒温度であって、吐出冷媒圧力（吐出冷媒圧力センサＰＤが検知する圧力）が目標冷媒圧力となるように、駆動モータ２９の出力制御を行っている。なお、目標冷媒温度および目標冷媒圧力は、外気温度や各種運転条件等に応じて、適宜制御部２が調整してもよいし、ユーザが制御部２に入力することにより調節するようにしてもよい。ここで、制御部２は、ヒートポンプ回路１０の全体を制御することにより、高段側圧縮機構２６が吐出する冷媒について、所定上限冷媒温度を超えることがないように、かつ、所定上限冷媒圧力を超えることがないように、調整している。なお、本実施形態では冷媒として二酸化炭素を採用しているため、高段側圧縮機構２６の吐出冷媒圧力は臨界圧力を超えた状態になっている。
【００４３】
圧縮機構２０は、高段側圧縮機構２６と低段側圧縮機構２２との容積比が固定されているため、上述のように、目標吐出冷媒温度および目標吐出冷媒圧力が定められると、その条件に応じた低段側圧縮機構２２の吸入冷媒圧力（吸入圧力センサＰＡ）や中間冷媒圧力（低段側圧縮機構２２の吐出冷媒圧力＝高段側圧縮機構２６の吸入冷媒圧力）が定まることになる。また、目標吐出冷媒温度および目標吐出冷媒圧力が変更された場合には、吸入冷媒圧力や中間冷媒圧力が追従して変化することになる。本実施形態の圧縮機構２０は容積比固定型であるため、この点で、図９に示すような従来の高段側と低段側とで自由に出力制御が可能であり、吐出冷媒温度も自由に制御が可能であるための吐出冷媒温度を低段側と高段側でそろえるような制御が可能な容積比非固定型の圧縮機構とは前提が異なっている。
【００４４】
また、圧縮機構２０は、容積比が固定されていることで吐出圧力と中間圧力と低段圧力との関係が定まっているために、インタークーラ５における冷却度合いやインジェクション流路１１から合流する冷媒によって調節する以外は、高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度と低段側圧縮機構２２の吐出冷媒温度とを自由に調節することができない。また、これらの運転条件では、通常、高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度の方が低段側圧縮機構２２の吐出冷媒温度よりも高温になるように制御されている。このため、運転状況によっては、低段側圧縮機構２２の吐出冷媒温度が、給湯回路９０における目標温度を超えることができずに、インタークーラ側給湯流路９０Ａにおいて得られる水の温度が目標温度に満たない状態となることがある。このような場合には、後述するように、ガスクーラ側給湯流路９０Ｂにおいて得られる水温および水量の熱量によって、循環戻り路９０ｈを流れる水温が目標温度になるように制御部２が調節する。
【００４５】
（２−２）エコノマイザ膨張弁７ａについて
制御部２は、高段側圧縮機構２６が吸入する冷媒が、目標冷媒圧力および目標冷媒温度より定まる中間冷媒圧力において所定の過熱度の状態となるように、エコノマイザ膨張弁７ａの開度を制御する。エコノマイザ膨張弁７ａの開度を上げた場合には、インジェクション流路１１を介して第３中間圧管２５の合流点Ｄに流入する冷媒量が増えるため、高段側圧縮機構２６の吸入冷媒の過熱度を小さくさせることができる。
【００４６】
また、エコノマイザ膨張弁７ａの開度を下げた場合には、インジェクション流路１１を介して第３中間圧管２５の合流点Ｄに流入する冷媒量が減るため、高段側圧縮機構２６の吸入冷媒の過熱度を大きくさせることができる。
【００４７】
これらの場合には、エコノマイザ熱交換器７の内部の第３インジェクション流路１１ｃを流れる冷媒量および冷媒温度が変化するため、エコノマイザ熱交換器７の第５冷媒配管１０ｅを流れる冷媒の温度も変化することになる。
【００４８】
（２−３）主膨張弁３および液ガス膨張弁８ａについて
制御部２は、低段側圧縮機構２２の吸入冷媒が所定の過熱度を有する状態となるように、主膨張弁３および液ガス膨張弁８ａの弁開度を調節する。ここで、制御部２は、吸入冷媒温度センサＴＡおよび吸入冷媒圧力センサＰＡから得られた値によって、低段側圧縮機構２２の吸入冷媒の過熱度を把握する。
【００４９】
ここで、主膨張弁３の弁開度を上げつつ液ガス膨張弁８ａの弁開度を下げる制御をした場合には、低段側圧縮機構２２の吸入冷媒の過熱度を小さくさせることができる。
【００５０】
また、主膨張弁３の弁開度を下げつつ液ガス膨張弁８ａの弁開度を上げる制御をした場合には、低段側圧縮機構２２の吸入冷媒の過熱度を大きくさせることができる。
【００５１】
（２−４）ファン４ｆについて
制御部２は、低段側圧縮機構２２の吸入冷媒が所定の過熱度を有する状態となるように、外気温度等に基づいてファン４ｆによる風量を制御することで、蒸発器４における蒸発能力を調節している。
【００５２】
（３）給湯回路９０の動作
給湯回路９０では、図示しない入力手段を介して加熱目標温度がユーザから入力される。制御部２は、循環戻り路９０ｈを流れる水の温度がこの加熱目標温度になるように、混合弁９１における混合比率および給湯ポンプ９２における水流量を制御する。なお、制御部２は、少なくとも、高段側圧縮機構２６の吐出温度が、給湯回路９０の加熱目標温度を超える温度になるように圧縮機構２０を制御している。
【００５３】
（３−１）混合弁９１について
混合弁９１は、具体的には、ヒートポンプ回路１０におけるインタークーラ５の出口の冷媒温度Ｔｉｃｏｕｔ（第３中間圧管２５を流れる冷媒温度としてインタークーラ後冷媒温度センサＴＣが検知する温度）と、ヒートポンプ回路１０におけるガスクーラ６の出口の冷媒温度Ｔｇｃｏｕｔ（第３冷媒配管１０ｃを流れる冷媒温度としてガスクーラ後冷媒温度センサＴＥが検知する温度）と、が等しくなるように、インタークーラ側給湯流路９０Ａ側の水の流量とガスクーラ側給湯流路９０Ｂ側の水の流量の分配比率を調整する。
【００５４】
なお、制御部２は、後述するように、インタークーラ５の入口冷媒温度に相当するインタークーラ前冷媒温度センサＴＢが検知する温度が、給湯回路９０の加熱目標温度に満たない運転条件の場合には、インタークーラ５の第２インタークーラ側給湯流路９０ｆに水を流すように混合弁９１を制御したとしても、第３インタークーラ側給湯流路９０ｇを流れる水の温度を加熱目標温度以上にすることはできない。しかし、制御部２は、このような状況であっても、後述する成績係数に関する所定成績係数条件を満たした場合にのみ、インタークーラ５の第２インタークーラ側給湯流路９０ｆに水を流すように混合弁９１を制御する。
【００５５】
（３−２）給湯ポンプ９２について
給湯ポンプ９２は、具体的には、合流点Ｙ後の循環戻り路９０ｈを流れる水の温度（循環戻り路温度センサＴＪが検知する温度）が、加熱目標温度になるように流量を調節する。具体的には、ガスクーラ６の第２冷媒配管１０ｂを流れる冷媒温度が加熱目標温度よりも高温であって、インタークーラ５の第２中間圧管２４を流れる冷媒温度も加熱目標温度より高温である場合には、給湯ポンプ９２の流量を下げると、ガスクーラ６やインタークーラ５において水が加熱される時間を長くすることができるため循環戻り路９０ｈを流れる水の温度を上げることができ、給湯ポンプ９２の流量を上げると、ガスクーラ６やインタークーラ５において水が加熱される時間を短くすることができるため循環戻り路９０ｈを流れる水の温度を下げることができる。
【００５６】
なお、上述のように、圧縮機構２０が容積比固定型であるために高段側圧縮機構２６からの吐出冷媒温度と低段側圧縮機構２２からの吐出冷媒温度とを個別に制御できず、吐出冷媒温度が異なることがある。そして、目標吐出冷媒温度および目標吐出冷媒圧力によっては、インタークーラ前冷媒温度センサＴＢが検知する温度が、給湯回路９０の加熱目標温度に満たない運転条件の場合があり、インタークーラ５の第２インタークーラ側給湯流路９０ｆに水を流すように混合弁９１を制御したとしても、第３インタークーラ側給湯流路９０ｇを流れる水の温度を加熱目標温度以上にすることはできないことになる。しかし、制御部２が、後述する所定成績係数条件を満たした場合には、インタークーラ５の第２インタークーラ側給湯流路９０ｆに水を流すように混合弁９１を制御しつつ、インタークーラ５の出口の冷媒温度Ｔｉｃｏｕｔと、ガスクーラ６の出口の冷媒温度Ｔｇｃｏｕｔと、が等しくなるようにする。この際に、第３インタークーラ側給湯流路９０ｇを流れる水のうち加熱目標温度に不足する熱量分を、第３ガスクーラ側給湯流路９０ｄを流れる水の有する熱量によって補うことで、合流点Ｙ後の循環戻り路９０ｈを流れる水の温度が加熱目標温度になるように、制御部２が混合弁９１および給湯ポンプ９２を制御する。ここでは、加熱目標温度となるように給湯ポンプ９２の流量が変更されると、インタークーラ５の出口の冷媒温度Ｔｉｃｏｕｔとガスクーラ６の出口の冷媒温度Ｔｇｃｏｕｔとに差が生じることがあるが、その場合には、再度、制御部２が、混合弁９１における分配比率を制御する。また、インタークーラ５の出口の冷媒温度Ｔｉｃｏｕｔとガスクーラ６の出口の冷媒温度Ｔｇｃｏｕｔとの差を少なくさせるために混合弁９１の分配比率が変更されると、加熱目標温度から乖離してしまうことがあるが、その場合には、再度、制御部２が給湯ポンプ９２の流量を調節することで、加熱目標温度を実現させる。このように、制御部２は、混合弁９１と給湯ポンプ９２とを微調整制御しながら、各条件を満たすように制御している。
【００５７】
ただし、ガスクーラ６の第２ガスクーラ側給湯流路９０ｃを流れる水の流速や、インタークーラ５の第２インタークーラ側給湯流路９０ｆを流れる水の流速が、所定流速を下回って流れる状態が続くと、ガスクーラ６の第２ガスクーラ側給湯流路９０ｃの内部やインタークーラ５の第２インタークーラ側給湯流路９０ｆの内部の水が接している鋼管部分において孔食が発生してしまい、配管にダメージを与えてしまうおそれがある。このため、制御部２は、上記各配管における水の流速が所定流速を下回って流れ続けていることがないように状況に応じて、最低所用流量を確保する制御を行うか、完全に流れを止める制御を行っている。
【００５８】
なお、上述したように、これらの混合弁９１の制御と、給湯ポンプ９２の制御は、同時に行われており、混合弁９１の配分比率が変更されることで給湯ポンプ９２の流量が変更されることもあるし、給湯ポンプ９２の流量が変更されることで混合弁９１の分配比率が変更されることもある。
【００５９】
（４）水量分配比率と最適ＣＯＰの関係
図３に、外気温度や、入水温度、加熱目標温度等の条件が異なる場合について、その条件毎に、ヒートポンプ回路１０のＣＯＰが最も良好な値となる『インタークーラ側給湯流路９０Ａに流す水の分配割合』をプロットしたグラフである。ここで、図３における各プロットの状態では、インタークーラ５の出口冷媒温度とガスクーラ６の出口冷媒温度とが等しくなっており、かつ、ＣＯＰが最適となっている。
【００６０】
ここで『熱交入口温度比』は、低段側圧縮機構２２の吐出冷媒温度Ｔｄ１（インタークーラ前冷媒温度センサＴＢが検知する冷媒温度）から給湯回路９０の加熱目標温度を差し引いた値を、高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度Ｔｄ２（吐出冷媒温度センサＴＤが検知する冷媒温度）から給湯回路９０の加熱目標温度を差し引いた値で、除して得られる比率のことである。ここで、高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度Ｔｄ２は、制御部２によって、給湯回路９０の加熱目標温度より高い温度になるように制御されているため、高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度Ｔｄ２から加熱目標温度を差し引いた値は正の値に維持されている。そして、低段側圧縮機構２２の吐出冷媒温度Ｔｄ１は、ヒートポンプ回路１０の運転条件によっては、高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度Ｔｄ２とは異なり、給湯回路９０の加熱目標温度よりも下回ることがある。この場合には、低段側圧縮機構２２の吐出冷媒温度Ｔｄ１から加熱目標温度を差し引いた値は負の値になる。図３においては、熱交入口温度比が負になる場合、すなわち、低段側圧縮機構２２の吐出冷媒温度が加熱目標温度に満たない運転条件の場合（第３インタークーラ側給湯流路９０ｇを流れる水温度を加熱目標温度以上にすることが不可能な運転条件下の場合）における、水配分割合と成績係数の関係を示していることになる。
【００６１】
また、『インタークーラ側給湯流路９０Ａに流す水の分配割合』は、給湯ポンプ９２を流れる水量中に占める、インタークーラ側給湯流路９０Ｂを流れる水量の割合を示しており、混合弁９１によって配分制御された結果を示していることになる。そして、図３において、『０％』に相当する状態では、給湯回路９０において、ガスクーラ側給湯流路９０Ｂ側に１００％の水が流れており、インタークーラ側給湯流路９０Ａ側には全く水が流れておらず流れが滞っている状態を示している。
【００６２】
このように、低段側圧縮機構２２の吐出冷媒温度Ｔｄ１が給湯回路９０の加熱目標温度よりも下回る状況であったとしても、図３に示すように、インタークーラ側給湯流路９０Ａに水を流した方がＣＯＰが良好になる状況下では、制御部２は、インタークーラ側給湯流路９０Ａ側に、図３に示す最も良好な配分比率で水を流すように混合弁９１を制御する。ここでは、制御を簡単にするために、図３のグラフに基づいて、熱交入口温度比が−０．５以上であるという所定成績係数条件を満たす場合には、インタークーラ側給湯流路９０Ａに水を流すように制御している。
【００６３】
（５）ガスクーラ６出口冷媒温度とインタークーラ５出口冷媒温度と最適ＣＯＰの関係
図４に、外気温度が７℃であり、低段側圧縮機構２２の吐出冷媒温度Ｔｄ１が５５℃であり、高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度Ｔｄ２が７０℃であり、入水温度が３０℃である水を加熱目標温度の５５℃に上げる場合において、インタークーラ側給湯流路９０Ａに流す水の分配割合に対する、ＣＯＰの値の関係を示す。
【００６４】
図５に、図４に関する条件と同様の条件下での、インタークーラ側給湯流路９０Ａに流す水の分配割合に対する、インタークーラ５の出口冷媒温度やガスクーラ６の出口冷媒温度や水温の関係を示す。図５において、（ａ）は第３インタークーラ側給湯流路９０ｇを流れる水の温度、（ｂ）は第３ガスクーラ側給湯流路９０ｄを流れる水の温度、（ｃ）は給水管９４を流れる入水温度をそれぞれ示している。
【００６５】
これらの図４および図５から分かるように、インタークーラ５の出口冷媒温度とガスクーラ６の出口冷媒温度とが等しくなる場合（この条件例では水の分配割合が１５％の場合）において、ＣＯＰが最も良好になることが確認された。
【００６６】
（６）水配分制御について
以上の図３、図４および図５の関係より、ヒートポンプ回路１０のＣＯＰを良好にするために、制御部２は、図６のフローチャートに示すような制御を行っている。
【００６７】
ここでは、ＣＯＰを良好にできる場合にインタークーラ側給湯流路９０Ａ側に積極的に水を流すようにしつつ、インタークーラ５の出口冷媒温度とガスクーラ６の出口冷媒温度とを近づけることができるように給湯回路９０の混合弁９１および給湯ポンプ９２の制御をしつつ、インタークーラ側給湯流路９０Ａを流れる水の流速が孔食を抑制できるような所定流速以上に維持できるように圧縮機構２０の出力を高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度が所定上限冷媒温度を超えない範囲で調節するように制御部２による制御が行われている。
【００６８】
以下、図６のフローチャートに従って制御の流れを説明する。
【００６９】
ステップＳ１０では、制御部２は、熱交入口温度比が所定成績係数条件を満たしているか否か、すなわち、熱交入口温度比が−０．５以上であるか否かを判断する。熱交入口温度比が−０．５より小さい場合には、インタークーラ側給湯流路９０Ａに水を流してもＣＯＰを上げることができない状況であると判断して、ステップＳ１９に移行する。熱交入口温度比が−０．５以上である場合には、インタークーラ側給湯流路９０Ａに水を流した方がＣＯＰを良好にすることができる状況であると判断して、ステップＳ１１に移行する。
【００７０】
ステップＳ１１では、制御部２は、ヒートポンプ回路１０において、ガスクーラ６の出口冷媒温度Ｔｇｃｏｕｔとインタークーラ５の出口冷媒温度Ｔｉｃｏｕｔとが等しいか否かを判断する。ここでは、温度が完全に等しい場合だけでなく、例えば、温度差が所定温度の範囲内であるかどうかを判断する。ここで、温度差が所定範囲内であった場合には、ステップＳ１０に戻って、上記処理を繰り返す。温度差が所定範囲を超えていた場合には、ステップＳ１２に移行する。
【００７１】
ステップＳ１２では、制御部２は、ガスクーラ６の出口冷媒温度Ｔｇｃｏｕｔが、インタークーラ５の出口冷媒温度Ｔｉｃｏｕｔよりも低いか否かを判断する。ガスクーラ６の出口冷媒温度Ｔｇｃｏｕｔが、インタークーラ５の出口冷媒温度Ｔｉｃｏｕｔよりも低いと判断された場合には、ステップＳ１３に移行する。それ以外の場合には、ステップＳ１４に移行する。
【００７２】
ステップＳ１３では、制御部２は、ガスクーラ６の出口冷媒温度Ｔｇｃｏｕｔが、インタークーラ５の出口冷媒温度Ｔｉｃｏｕｔよりも所定範囲を超えて低い場合であるため、インタークーラ側給湯流路９０Ａ側の水配分比率を上げるように混合弁９１を制御する。これにより、インタークーラ５の出口冷媒温度Ｔｉｃｏｕｔが下がり、ガスクーラ６の出口冷媒温度Ｔｇｃｏｕｔが上がるため、両温度を近づけることができる。その後、ステップＳ１０に戻って上記処理を繰り返す。
【００７３】
ステップＳ１４では、制御部２は、インタークーラ側給湯流路９０Ａの水流量Ｇｗ＿ｉｃが、孔食を抑制するための所定流速Ｇｗ＿ｍｉｎを超える流量を確保できているか否かを判断する。ここで、所定流速を超えていると判断された場合には、インタークーラ側給湯流路９０Ａの水流量をさらに減らせる余地があると判断して、ステップＳ１５に移行する。所定流速以下であると判断された場合には、ステップＳ１６に移行する。
【００７４】
ステップＳ１５では、制御部２は、ガスクーラ６の出口冷媒温度Ｔｇｃｏｕｔが、インタークーラ５の出口冷媒温度Ｔｉｃｏｕｔよりも所定範囲を超えて低い場合であって、インタークーラ側給湯流路９０Ａの水流量をさらに減らせる余地がある状態であるため、インタークーラ側給湯流路９０Ａの水配分比率を減らすように、混合弁９１を制御する。これにより、ガスクーラ側給湯流路９０Ｂの水流量が増大することにもなる。これにより、ガスクーラ６の出口冷媒温度Ｔｇｃｏｕｔを下げることができ、インタークーラ５の出口冷媒温度Ｔｉｃｏｕｔを上げることができ、両温度を近づけることができる。
【００７５】
ステップＳ１６では、制御部２は、圧縮機構２０の高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度が所定上限冷媒温度を下回っているか否かを判断する。所定上限冷媒温度を下回っていると判断された場合には、さらに高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度を上げる余地があると判断して、ステップＳ１７に移行する。所定上限冷媒温度に達していると判断した場合には、高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度を上げる余地が無いために、インタークーラ側給湯流路９０Ａに水を流すことができないと判断して、ステップＳ１９に移行する。
【００７６】
ステップＳ１７では、制御部２は、インタークーラ側給湯流路９０Ａに水を流した状態を保った状態で給湯回路９０を流れる水の加熱目標温度までの沸き上げを行うために、圧縮機構２０の高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度の目標値がΔｔだけ上がるように、駆動モータ２９を制御する。これにより、給湯回路９０を流れる水の沸き上げを、ガスクーラ側給湯流路９０Ｂ側のみではなく、インタークーラ側給湯流路９０Ａ側も用いて行うことができるようになる。
【００７７】
ステップＳ１８では、制御部２は、インタークーラ側給湯流路９０Ａを流れる水の流速が所定流速で維持されるように調節し、ステップＳ１０に戻って、上記処理を繰り返す。
【００７８】
ステップＳ１９では、制御部２は、インタークーラ側給湯流路９０Ａ側には水が流れず、ガスクーラ側給湯流路９０Ｂ側にのみ水が流れるように混合弁９１を制御する。すなわち、ここでは、給湯回路９０を流れる水の加熱目標温度までの沸き上げを、ガスクーラ側給湯流路９０Ｂのみにおいてガスクーラ６を流れる冷媒の熱のみにより行う。これにより、インタークーラ側給湯流路９０Ａにおける孔食を防止しつつ、給湯回路９０の加熱目標温度を達成することが可能になる。
【００７９】
（７）ヒートポンプシステム１の特徴
（７−１）
上記実施形態のヒートポンプシステム１では、圧縮機構２０が容積比固定型であるため、低段側圧縮機構２２の吐出冷媒温度を高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度とは無関係に制御することができないが、給湯回路９０のうちインタークーラ側給湯流路９０Ａに流れる水量とガスクーラ側給湯流路９０Ｂ側に流れる水量の流量比率を調節することにより、インタークーラ５の出口冷媒温度とガスクーラ６の出口冷媒温度とを近づけることができている。そして、このようにインタークーラ５の出口冷媒温度とガスクーラ６の出口冷媒温度とを近づけることができる場合には、ヒートポンプ回路１０のＣＯＰを良好にすることができる。
【００８０】
したがって、上記実施形態のヒートポンプシステム１では、ヒートポンプ回路１０の圧縮機構１０が容積比固定型の多段圧縮機構であっても、ヒートポンプ回路１０以外の構成である給湯回路９０における流量比を制御することにより、ヒートポンプ回路１０のＣＯＰを良好にすることができている。
【００８１】
（７−２）
上記実施形態のヒートポンプシステム１では、インタークーラ５に流入する冷媒温度が給湯回路９０の加熱目標温度に満たない場合であっても、所定成績係数条件を満たしている場合には、積極的にインタークーラ側給湯流路９０Ａに水を流すように混合弁９１を制御している。これにより、圧縮機構２０が容積比固定型であっても、ＣＯＰを良好にさせることができる。
【００８２】
（７−３）
上記実施形態のヒートポンプシステム１では、インタークーラ側給湯流路９０Ａを流れる水の流速について孔食を抑制できる所定流速を超えた流速に保つことが給湯回路９０における加熱目標温度を達成するためには困難になってきた場合に、制御部２は、インタークーラ側給湯流路９０Ａを流れる水の流速を、孔食を抑制できる所定流速に維持するか、もしくは、インタークーラ側給湯流路９０Ａにおける水の流れを止めるように制御している。
【００８３】
そして、インタークーラ側給湯流路９０Ａを流れる水の加熱では加熱目標温度を達成することができない場合については、圧縮機構２０の高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度の目標値を上げる制御を行うことで、加熱目標温度を達成することができる。また、圧縮機構２０の高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度の目標値が上限に達している場合には、圧縮機構２０の能力を上げる代わりに、インタークーラ側給湯流路９０Ａにおける水の流れを停止させて、より高温の冷媒によって加熱させることが可能なガスクーラ側給湯流路９０Ｂに流すようにすることで、加熱目標温度を達成することができる。
【００８４】
（８）他の実施形態
以上、本発明の一実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、この実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。他の実施形態としては、例えば、以下の態様が挙げられる。
【００８５】
（Ａ）
上記実施形態のヒートポンプシステム１では、給湯回路９０を備えたヒートポンプシステム１について例に挙げて説明した。
【００８６】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、図７に示すように、ヒートポンプ回路１０が熱負荷処理をする対象が、給湯回路９０ではなくて、ラジエータや床暖房等の暖房回路２９０であるヒートポンプシステム２０１であってもよい。この暖房回路２９０は、内部を二次冷媒としての水が流れている熱交換器２９５を有している。他の構成は、水の供給等がなされない点を除いて上記実施形態の給湯回路９０と同様であるため説明を省略する。
【００８７】
（Ｂ）
上記実施形態のヒートポンプシステム１では、給湯回路９０を備えたヒートポンプシステム１について例に挙げて説明した。
【００８８】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、図８に示すように、ヒートポンプ回路１０が熱負荷処理をする対象が、暖房回路３９０Ａおよび給湯回路３９０Ｂを有するヒートポンプシステム３０１であってもよい。なお、上記実施形態と同じ部材番号は概ね同じ構成を示すものとして説明を省略する。
【００８９】
このヒートポンプシステム３０１では、ヒートポンプ回路１０のインタークーラ５を流れる冷媒の熱を利用して、ラジエータや床暖房等の暖房回路３９０Ａを流れる二次冷媒を加熱している。また、ヒートポンプ回路１０のガスクーラ６を流れる冷媒の熱を利用して、給湯回路３９０Ｂを流れる給湯用の水を加熱している。
【００９０】
給湯回路３９０Ｂは、給湯タンク９５の下方から延びる第１ガスクーラ側給湯流路３９０ｂ、ガスクーラ６の内部を流れる第２ガスクーラ側給湯流路３９０ｃ、および、給湯タンク９５の上方に加熱された水を戻すための第３ガスクーラ側給湯流路３９０ｄを有している。第１ガスクーラ側給湯流路３９０ｂには、給湯用の水の流量を調節するための給湯ポンプ３９２ｂと、ガスクーラ前給湯温度センサＴＧ１と、が設けられている。第３ガスクーラ側給湯流路３９０ｄには、ガスクーラ後給湯温度センサＴＧ２が設けられている。
【００９１】
暖房回路３９０Ａは、熱交換器３９５から延びる第１インタークーラ側暖房流路３９０ｅ、インタークーラ５の内部を流れる第２インタークーラ側暖房流路３９０ｆ、および、熱交換器３９５に加熱された二次冷媒を戻すための第３インタークーラ側暖房流路３９０ｇを有している。第１インタークーラ側暖房流路３９０ｅには、暖房用の二次冷媒の流量を調節するための暖房ポンプ３９２ａと、インタークーラ前暖房温度センサＴＩ１が設けられている。第３インタークーラ側暖房流路３９０ｇには、インタークーラ後暖房温度センサＴＩ２が設けられている。
【００９２】
制御部２は、ヒートポンプ回路１０のインタークーラ５の出口冷媒温度とガスクーラ６の出口冷媒温度とが近づくように、暖房ポンプ３９２ａにおける二次冷媒の流量と給湯ポンプ３９２ｂにおける給湯用の水の流量の比率を調節する。
【００９３】
なお、このような制御を行う場合に、暖房回路３９０Ａおよび給湯回路３９０Ｂの流量制御を行うだけでは、ヒートポンプ回路１０のインタークーラ５の出口冷媒温度とガスクーラ６の出口冷媒温度とを近づけることはできても、暖房回路３９０Ａや給湯回路３９０Ｂにおける目標温度を達成できないおそれがある。このため、このような制御を行うと共に、ヒートポンプ回路１０の圧縮機構２０の容量制御も合わせて行うようにしてもよい。もしくは、このような制御を、暖房回路３９０Ａや給湯回路３９０Ｂにおいて保温動作が行われている場合に限って行うようにしてもよい。
【００９４】
（Ｃ）
上記実施形態のヒートポンプシステム１では、インタークーラ５の出口冷媒温度とガスクーラ６の出口冷媒温度とが所定範囲内に近づくように制御する場合について例に挙げて説明した。
【００９５】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、インタークーラ５の出口冷媒温度とガスクーラ６の出口冷媒温度とが全く同じ温度になることを目標として制御部２が上述の制御を行うようにしてもよい。
【００９６】
（Ｄ）
上記実施形態では、インタークーラ側給湯流路９０Ａにおける水の流速について、孔食が生じる程度の流速か否かを判断するための値と、ステップＳ１８においてインタークーラ側給湯流路９０Ａの流速として維持される値と、が同じ場合について例に挙げて説明した。
【００９７】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、孔食が生じる程度の流速か否かを判断するための値と、上記実施形態におけるステップＳ１８においてインタークーラ側給湯流路９０Ａの流速として維持される値と、が異なるようにしてもよい。すなわち、上記実施形態におけるステップＳ１８においてインタークーラ側給湯流路９０Ａの流速として維持させようとする流速よりも、より早い流速に維持させるように制御してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明のヒートポンプシステムでは、容積比が固定されている多段圧縮式冷凍サイクルに適用した場合に、特に、有用である。
【符号の説明】
【００９９】
１  ヒートポンプシステム
２  制御部
３  主膨張弁（膨張機構）
４  蒸発器
５  インタークーラ（第１熱交換器）
６  ガスクーラ（第２熱交換器）
８ａ  液ガス膨張弁（膨張機構）
１０  ヒートポンプ回路
２０  圧縮機構
２２  低段側圧縮機構
２６  高段側圧縮機構
９０  給湯回路（熱負荷回路）
９０Ａ  インタークーラ側給湯流路（第１熱負荷、第１路）
９０Ｂ  ガスクーラ側給湯流路（第２熱負荷、第２路）
９１  混合弁（負荷配分手段、流量調節機構）
９２  給湯ポンプ
２０１  ヒートポンプシステム
Ｘ  分岐点（分岐部分）
Ｙ  合流点（合流部分）
２０１  ヒートポンプシステム
３０１  ヒートポンプシステム
３９０Ａ  暖房回路（第１熱負荷）
３９０Ｂ  給湯回路（第２熱負荷）
３９２ａ  暖房ポンプ（負荷配分手段）
３９２ｂ  給湯ポンプ（負荷配分手段）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１００】
【特許文献１】特開２００２−１０６９８８号公報
【図１】
2012021721.tif 000003
【図２】
2012021721.tif 000004
【図３】
2012021721.tif 000005
【図４】
2012021721.tif 000006
【図５】
2012021721.tif 000007
【図６】
2012021721.tif 000008
【図７】
2012021721.tif 000009
【図８】
2012021721.tif 000010
【図９】
2012021721.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成23年11月11日(2011.11.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば、特許文献１（特開２００２−１０６９８８号公報）に記載されたヒートポンプ給湯器のように、多段圧縮式冷凍サイクルにおいて、低段側の圧縮機から吐出された冷媒と高段側の圧縮機から吐出された冷媒と両方を、水の加熱に利用するシステムが提案されている。
【０００３】
このシステムでは、ヒートポンプ回路において多段圧縮方式を採用することで圧縮効率を良好にすることができているだけでなく、高段側の圧縮機から吐出された冷媒に加えて低段側の圧縮機から吐出された冷媒についても給湯用のお湯の沸き上げに利用することによりエネルギ効率を良好にしようとしている。
【０００４】
このシステムは、具体的には、給湯用の水の流れを分岐させるように弁を設けて、一方の給湯水の流れについては、高段側の圧縮機から吐出された冷媒によって加熱し、他方の給湯用の水の流れについては、低段側の圧縮機から吐出された冷媒によって加熱する構成を採用している。そして、サイクル効率を良好にする観点から、給湯用の水の分流比については、低段側の圧縮機から吐出された冷媒によって加熱する他方の流れを全水量の半分以下に設定することが好ましいということを提案している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、多段圧縮式冷凍サイクルとしては、例えば、各段の圧縮機の駆動軸を共通化させたもののように、各段の圧縮機の容積比が固定されているタイプがある。このような容積比が固定されているタイプは、例えば、低段側の圧縮機における動作と高段側の圧縮機における動作が連動するため、各段の圧縮機を個別に容量制御することができない。
【０００６】
ところが、上述の特許文献１（特開２００２−１０６９８８号公報）に記載されているような多段圧縮式冷凍サイクルでは、低段側と高段側の圧縮機の容積比が固定されているような、容積比の制約を踏まえた考察は、なんらなされていない。
【０００７】
例えば、容積比が固定されたタイプの圧縮機が採用されている冷凍サイクルでは、高段側の吐出冷媒の目標温度が定まると、低段側の駆動状態が一義的に定まってしまうことがあり、低段側から高段側に向けて流れる冷媒温度も定まってしまうことがある。このような場合には、上記特許文献１（特開２００２−１０６９８８号公報）に記載のシステムのように、低段側の圧縮機から吐出された冷媒によって加熱するための給湯用の水の流量比率を、単に、全流量の半分以下にするような設定を行うだけでは、十分に、エネルギ消費効率を良好にできない場合がある。
【０００８】
本発明の課題は、容積比が固定されている多段圧縮式冷凍サイクルを用いた場合であっても、エネルギ消費効率を良好にすることが可能なヒートポンプシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の観点に係るヒートポンプシステムは、ヒートポンプ回路、負荷配分手段、および、制御部を備えている。ヒートポンプ回路は、圧縮機構、膨張機構、および、蒸発器を少なくとも有しており、冷媒が循環する。圧縮機構は、容積比が一定の関係にある低段側圧縮機構と高段側圧縮機構とを有している。負荷配分手段は、第１熱負荷と第２熱負荷との負荷配分を定める。第１熱負荷は、低段側圧縮機構から吐出された冷媒と熱交換することによって加熱処理される熱負荷である。第２熱負荷は、高段側圧縮機構から吐出された冷媒と熱交換することによって加熱処理される熱負荷である。制御部は、以下の一方の制御若しくは他方の制御を行って、負荷配分手段を操作する配分制御を行う。一方の制御を行う場合には、制御部は、低段側圧縮機構から吐出された後に第１熱負荷との熱交換を終えた冷媒の温度と、高段側圧縮機構から吐出された後に第２熱負荷との熱交換を終えた冷媒の温度と、の比が１となる場合を含む所定温度条件を満たす状態が維持されるように、負荷配分手段を操作する。他方の制御を行う場合には、制御部は、低段側圧縮機構から吐出された後に第１熱負荷との熱交換を終えた冷媒の温度と、高段側圧縮機構から吐出された後に第２熱負荷との熱交換を終えた冷媒の温度と、の差を小さくさせるように、負荷配分手段を操作する。ここで、冷媒は、例えば、炭化水素を含む冷媒や二酸化炭素冷媒等であってもよい。また、給湯用の水の加熱やラジエータ若しくは床暖房等に利用される水の加熱等の負荷の種類において、第１熱負荷と第２熱負荷とは同じ種類の負荷であってもよいし、負荷の種類が異なっていてもよい。例えば、第１熱負荷における加熱処理および第２熱負荷における加熱処理によって得られた熱量が、最終的に同一の供給先に供給される場合であってもよいし、第１熱負荷と第２熱負荷とが互いに熱エネルギ的に独立した負荷であってもよい。なお、圧縮機構は、高段側圧縮機構と低段側圧縮機構とは別の圧縮機構をさらに有していてもよく、この別の圧縮機構は直列接続であっても並列接続であってもよい。また、ここでの高段側圧縮機構と低段側圧縮機構としては、例えば、共通の駆動軸を有するいわゆる一軸多段型であってもよく、容積比が一定になるようにコントロールされているものであってもよい。この配分制御としては、この一方の制御と他方の制御の両方の条件を同時に満たすような制御であってもよいし、いずれか一方のみを満たすような制御で他方の処理は行わないような制御であってもよい。
【００１０】
このヒートポンプシステムでは、高段側圧縮機構と低段側圧縮機構との容積比が一定の関係にあるため、高段側圧縮機構と低段側圧縮機構とを自由に駆動させることができない。このため、高段側圧縮機構の吐出冷媒の温度もしくは低段側圧縮機構の吐出冷媒の温度を自由に調節することができず、一方を調節すると、他方も追従して調節されてしまうことになる。
【００１１】
このヒートポンプシステムでは、このような構成を前提としており、第１熱交換器に流入する冷媒温度および第２熱交換器に流入する冷媒温度を、高段側圧縮機構や低段側圧縮機構を制御することによって調節するのではなく、負荷配分手段を操作する配分制御を行うことにより、第１熱負荷との熱交換を終えた冷媒温度と第２熱負荷との熱交換を終えた冷媒温度とが所定温度条件を満たす状態が維持されるように若しくは差を小さくさせるようにしている。
【００１２】
このように、高段側圧縮機構と低段側圧縮機構との容積比が一定の関係にあるヒートポンプシステムにおいて、圧縮機構の制御ではなくて、負荷配分手段を用いた配分制御によって、第１熱負荷との熱交換を終えた冷媒温度と第２熱負荷との熱交換を終えた冷媒温度とが所定温度条件を満たす状態が維持されるように若しくは差を小さくさせることが可能になることで、結果的に、ヒートポンプ回路におけるエネルギ消費効率を向上させることが可能になる。
【００１３】
なお、ここでのエネルギ消費効率の向上は、例えば、ヒートポンプ回路における、最大負荷で外気温度が最高の条件であり圧縮機構が定格能力を出す場合を想定した状態での成績係数ＣＯＰ（Coefficient Performance）、若しくは、さらに期間性能も加味させた指標である年間成績係数ＡＦＰ（Annual Performance Factor）等を向上させることであってもよい。
【００１４】
第２の観点に係るヒートポンプシステムは、第１の観点に係るヒートポンプシステムにおいて、第１熱交換器および第２熱交換器をさらに備えている。負荷配分手段は、熱負荷回路と流量調節機構を有している。熱負荷回路は、分岐部分、合流部分、第１路、および、第２路を有しており、流体が流れる。第１路は、分岐部分と合流部分とを接続する。第２路は、第１路と合流することなく分岐部分と合流部分とを接続する。流量調節機構は、第１路を流れる流体の流量と第２路を流れる流体の流量との比率を調節可能である。第１熱交換器は、低段側圧縮機構の吐出側から高段側圧縮機構の吸入側に向けて流れる冷媒と、第１路を流れる流体と、の間で熱交換を行わせる。第２熱交換器は、高段側圧縮機構から膨張機構に向けて流れる冷媒と、第２路を流れる流体と、の間で熱交換を行わせる。制御部が行う配分制御では、流量調節機構を操作することで、以下の一の制御若しくは他の制御を行う。一の制御では、制御部は、ヒートポンプ回路のうち第１熱交換器の出口を流れる冷媒の温度と、ヒートポンプ回路のうち第２熱交換器の出口を流れる冷媒の温度と、の比が１となる場合を含む所定温度条件を満たす状態が維持されるように、流量調節機構を操作する。他の制御では、制御部は、ヒートポンプ回路のうち第１熱交換器の出口を流れる冷媒の温度と、ヒートポンプ回路のうち第２熱交換器の出口を流れる冷媒の温度と、の差を小さくさせるように、流量調節機構を操作する。この流体としては、給湯用途の水やラジエータもしくは床暖房に利用するための熱媒体としての水等の二次冷媒が含まれる。この配分制御としては、この一の制御と他の制御の両方の条件を同時に満たすような制御であってもよいし、いずれか１つのみを満たすような制御であって別の処理は行わないような制御であってもよい。
【００１５】
このヒートポンプシステムでは、流量調節機構を操作することで、ヒートポンプ回路におけるエネルギ消費効率を良好にしながら、一種類の熱負荷である熱負荷回路を流れる流体に対して、第１熱交換器および第２熱交換器の複数箇所において熱を供給することができる。
【００１６】
第３の観点に係るヒートポンプシステムは、第２の観点に係るヒートポンプシステムにおいて、制御部は、以下の条件を満たす場合には、高段吐出温度制御を行う。この条件は、第１熱交換器に流入する冷媒の温度よりも第２熱交換器に流入する冷媒の温度の方が高い場合において、流量調節制御を行うことにより第１熱交換器に流す流体の流量が第１所定流量未満になる場合、という条件である。高段吐出温度制御は、第１熱交換器に流す流体の流量が第１所定流量と同じ流量若しくは超える流量で維持されるように流量調節機構を制御しつつ、高段側圧縮機構の吐出冷媒の目標温度を上げるようにヒートポンプ回路を制御する。
【００１７】
このヒートポンプシステムでは、流速が遅い状態で流体が流れ続けることにより第１熱交換器に生じるダメージを低減させることが可能になる。
【００１８】
なお、流速が遅い状態で流体が流れ続けることにより第１熱交換器に生じるダメージとしては、例えば、流体の流速が遅い箇所で生じる鋼管の孔食等が含まれる。このような孔食としては、例えば、金属の局部腐食として、鋼管の表面に小さな孔（ピンホール）が生じ、その内部おいて鋼管の腐食が進行することが挙げられる。この孔食は、上記流体として水を用いた場合には、残留塩素濃度が高い場合に孔食が発生しやすいため、流体として水を用いた場合には、特に、上記制御が有用になる。
【００１９】
第４の観点に係るヒートポンプシステムは、第３の観点に係るヒートポンプシステムにおいて、制御部は、高段側圧縮機構の吐出冷媒の目標温度が所定の上限温度を超えない範囲で高段吐出温度制御を行う。制御部は、上限温度を超える場合には、第１熱交換器には流体を流さずに第２熱交換器には流体を流すように流量調節機構を制御する。
【００２０】
このヒートポンプシステムでは、流体の供給を途絶えさせることにより、流体が低速で流れる場合に生じうる第１熱交換器でのダメージを低減させることができる。そして、流体の加熱を、上限を超えない程度に高温に上げられている高段側圧縮機構の吐出冷媒によって、効率的に行うことができる。
【発明の効果】
【００２１】
第１の観点のヒートポンプシステムでは、高段側圧縮機構と低段側圧縮機構との容積比が一定の関係にある構成であっても、ヒートポンプ回路におけるエネルギ消費効率を向上させることが可能になる。
【００２２】
第２の観点のヒートポンプシステムでは、エネルギ消費効率を良好にしながら、一種類の熱負荷に対して複数箇所において熱を供給することができる。
【００２３】
第３の観点のヒートポンプシステムでは、流速が遅い状態で流体が流れ続けることにより第１熱交換器に生じるダメージを低減させることが可能になる。
【００２４】
第４の観点のヒートポンプシステムでは、第１熱交換器でのダメージを低減させつつ、上限を超えない程度に高温に上げられている高段側圧縮機構の吐出冷媒によって、効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】ヒートポンプシステムの概略構成図である。
【図２】容積比固定型の圧縮機構を備えるヒートポンプ回路の圧力−エンタルピ線図である。
【図３】インタークーラとガスクーラにおける温度比とＣＯＰの関係を示す図である。
【図４】水流量比とＣＯＰの関係を示す図である。
【図５】インタークーラの出口冷媒温度とガスクーラの出口冷媒温度と水流量比との関係を示す図である。
【図６】水分配制御のフローチャートである。
【図７】他の実施形態（Ａ）に係るヒートポンプシステムの概略構成図である。
【図８】他の実施形態（Ｂ）に係るヒートポンプシステムの概略構成図である。
【図９】従来の、容積比非固定型の圧縮機構を備えるヒートポンプ回路の圧力−エンタルピ線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の一実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００２７】
（１）ヒートポンプシステム１の構成
図１は、本発明の一実施形態に係るヒートポンプシステム１の概略構成図である。
【００２８】
ヒートポンプシステム１は、ヒートポンプ回路１０、ファン４ｆ、給湯回路９０、インタークーラ５、ガスクーラ６、および、制御部２等を備えている。ヒートポンプシステム１は、ヒートポンプ回路１０によって得られる熱を、給湯回路９０を介して給湯用の熱として利用するシステムである。
【００２９】
（１−１）ヒートポンプ回路１０
ヒートポンプ回路１０は、一次冷媒としての二酸化炭素が循環している自然冷媒を用いた回路である。ヒートポンプ回路１０は、圧縮機構２０、主膨張弁３、蒸発器４、冷媒配管１０ａ〜１０ｌ、エコノマイザ熱交換器７、エコノマイザ膨張弁７ａ、インジェクション流路１１、液ガス熱交換器８、液ガス膨張弁８ｂ、および、液ガス熱交流路１２等を備えている。なお、図２において、図１のヒートポンプ回路１０中の各点の状態を示すにおける圧力−エンタルピ線図を示す。
【００３０】
圧縮機構２０は、低段側圧縮機構２２、高段側圧縮機構２６、および、駆動モータ２９等を有している。低段側圧縮機構２２と高段側圧縮機構２６とは、駆動モータ２９によって駆動される共通の駆動軸を有しており、容積比が固定されている。低段側圧縮機構２２は、点Ａを通過した冷媒を吸入管２１を介して吸入し、中間圧力まで圧縮して第１中間圧管２３に送り出す。第１中間圧管２３を流れる冷媒は、点Ｂを通過してインタークーラ５の内部の第２中間圧管２４および第３中間圧管２５を流れた後、高段側圧縮機構２６に吸入される。高段側圧縮機構２６が吸入した冷媒は、さらに高圧になるまで圧縮して、吐出管２７を介して吐出される。吸入管２１には、吸入冷媒温度センサＴＡおよび吸入冷媒圧力センサＰＡが設けられている。吐出管２７には、吐出冷媒温度センサＴＤおよび吐出冷媒圧力センサＰＤが設けられている。第１中間圧管２３には、インタークーラ前冷媒温度センサＴＢが設けられている。なお、第３中間圧管２５の途中には、点Ｃおよび後述するインジェクション流路１１を流れる冷媒が合流する合流点Ｄが設けられている。第３中間圧管２５のうち合流点Ｄよりも下流側の点Ｃ近傍には、インタークーラ後冷媒温度センサＴＣが設けられている。
【００３１】
圧縮機構２０の吐出管２７から吐出された冷媒は、第１冷媒配管１０ａ、第２冷媒配管１０ｂ、第３冷媒配管１０ｃ、第４冷媒配管１０ｄ、第５冷媒配管１０ｅ、第６冷媒配管１０ｆ、第７冷媒配管１０ｇ、主膨張弁３、第８冷媒配管１０ｈ、第９冷媒配管１０ｉ、蒸発器４、第１０冷媒配管１０ｊ、第１１冷媒配管１０ｋ、および、第１２冷媒配管１０ｌがこの順に接続されている回路を流れる。
【００３２】
圧縮機構２０の吐出管２７と、第１冷媒配管１０ａとは、点Ｅを介して接続されている。第２冷媒配管１０ｂは、ガスクーラ６の内部を流れている。第３冷媒配管１０ｃには、内部を流れる冷媒温度を検知するガスクーラ後冷媒温度センサＴＥが設けられている。第３冷媒配管１０ｃと第４冷媒配管１０ｄとの接続部分である分岐点Ｆからは、インジェクション流路１１が分岐している。第５冷媒配管１０ｅは、エコノマイザ熱交換器７の内部を流れている。液ガス熱交流路１２は、第６冷媒配管１０ｆと第７冷媒配管１０ｇとの接続部分である分岐点Ｇと、第８冷媒配管１０ｈと第９冷媒配管１０ｉと接続部分である合流点Ｉとを、主膨張弁３を介することなく、接続している。屋外に配置されている蒸発器４には、制御部２によって出力制御されるファン４ｆからの空気流れが供給される。なお、蒸発器４に供給される屋外空気の温度を検知する外気温度センサ（図示せず）が設けられており、制御部２が外気温度を把握できるようになっている。第１１冷媒配管１０ｋは、液ガス熱交換器８の内部を流れている。第１２冷媒配管１０ｌは、圧縮機構２０の吸入管２１と、点Ａにおいて接続されている。
【００３３】
インジェクション流路１１は、上述した分岐点Ｆから分岐して、第１インジェクション流路１１ａ、エコノマイザ膨張弁７ａ、第２インジェクション流路１１ｂ、第３インジェクション流路１１ｃ、および、第４インジェクション流路１１ｄを介して、第３中間圧管２５の合流点Ｄまで延びている。第３インジェクション流路１１ｃは、エコノマイザ膨張弁７ａによって減圧された冷媒がエコノマイザ熱交換器７の内部を流れており、第５冷媒配管１０ｅを流れる冷媒を冷却させる。
【００３４】
液ガス熱交流路１２は、上述した分岐点Ｇから分岐して、第１液ガス熱交流路１２ａ、第２液ガス熱交流路１２ｂ、第３液ガス熱交流路１２ｃ、液ガス膨張弁８ａ、および、第４液ガス熱交流路１２ｄを介して、上述した合流点Ｉまで延びている。第２液ガス熱交流路１２ｂは、液ガス熱交換器８の内部を流れており、上述した第１１冷媒配管１０ｋを流れる冷媒の過熱度を上げさせる。
【００３５】
なお、主膨張弁３の弁開度と、液ガス膨張弁８ａの弁開度とは、制御部２によって制御される。これにより、液ガス熱交流路１２に流れる冷媒量が調節され、蒸発器４に供給される冷媒の状態や、圧縮機構２０に吸入される冷媒状態が調節される。
【００３６】
（１−２）給湯回路９０
給湯回路９０は、貯湯タンク９５内にある水を、ガスクーラ６およびインタークーラ５において、ヒートポンプ回路１０の熱により沸き上げるための回路である。給湯回路９０の貯湯タンク９５は、分岐点Ｗおよび給水管９４を介して、外部から下端部分に水は供給され、内部に水を蓄える。貯湯タンク９５の上端近傍からは給湯管９８が延びている。給湯管９８と、分岐点Ｗから延びる給湯バイパス管９９とは、合流点Ｚに設けられた温度調節弁９３において混合比率が調節されて、適切な温度の水となって利用箇所に供給される。この温度調節弁９３の混合比率は、制御部２が制御する。
【００３７】
貯湯タンク９５内に蓄えられている低温の水は、下方から延びる循環往き路９０ａを介して流出し、インタークーラ５およびガスクーラ６において加熱される。インタークーラ５およびガスクーラ６において加熱された水は、循環戻り路９０ｈを介して貯湯タンク９５の上方に戻される。
【００３８】
循環往き路９０ａには、制御部２によって循環量が駆動制御される給湯ポンプ９２と、循環往き路９０ａを流れている水の温度を検知する循環往き路温度センサＴＧと、が設けられている。循環往き路９０ａは、分岐点Ｘにおいて、インタークーラ側給湯流路９０Ａと、ガスクーラ側給湯流路９０Ｂとに分岐する。インタークーラ側給湯流路９０Ａと、ガスクーラ側給湯流路９０Ｂとは、合流点Ｙにおいて合流し、循環戻り路９０ｈに接続されている。循環戻り路９０ｈには、循環戻り路９０ｈを流れている水の温度を検知する循環戻り路温度センサＴＪが設けられている。合流点Ｙには、制御部２によって混合比率が調節される混合弁９１が設けられており、インタークーラ側給湯流路９０Ａ側に流れる水量と、ガスクーラ側給湯流路９０Ｂ側に流れる水量との比率を調節することができるようになっている。
【００３９】
ガスクーラ側給湯流路９０Ｂは、分岐点Ｘから延びる第１ガスクーラ側給湯流路９０ｂ、第２ガスクーラ側給湯流路９０ｃ、および、合流点Ｙまで延びた第３ガスクーラ側給湯流路９０ｄを有している。第２ガスクーラ側給湯流路９０ｃを流れる水は、ガスクーラ６の内部を流れており、ヒートポンプ回路１０の第２冷媒配管１０ｂを流れる冷媒の熱によって加熱される。ガスクーラ側給湯出口温度センサＴＨは、第３ガスクーラ側給湯流路９０ｄを流れる水の温度を検知する。なお、ヒートポンプ回路１０のガスクーラ６の第２冷媒配管１０ｂを流れる冷媒の流れ方向と、給湯回路９０の第２ガスクーラ側給湯流路９０ｃを流れる水の流れ方向とは、互いに対向するように構成されている。
【００４０】
インタークーラ側給湯流路９０Ａは、分岐点Ｘから延びる第１インタークーラ側給湯流路９０ｅ、第２インタークーラ側給湯流路９０ｆ、および、合流点Ｙまで延びた第３インタークーラ側給湯流路９０ｇを有している。第２インタークーラ側給湯流路９０ｆを流れる水は、インタークーラ５の内部を流れており、ヒートポンプ回路１０の第２中間圧管２４を流れる冷媒の熱によって加熱される。インタークーラ側給湯出口温度センサＴＩは、第３インタークーラ側給湯流路９０ｇを流れる水の温度を検知する。なお、ヒートポンプ回路１０のインタークーラ５の第２中間圧管２４を流れる冷媒の流れ方向と、給湯回路９０の第２インタークーラ側給湯流路９０ｆを流れる水の流れ方向とは、互いに対向するように構成されている。
【００４１】
（１−３）制御部２
制御部２は、上述した吸入冷媒温度センサＴＡ、吸入冷媒圧力センサＰＡ、インタークーラ前冷媒温度センサＴＢ、インタークーラ後冷媒温度センサＴＣ、吐出冷媒温度センサＴＤ、吐出冷媒圧力センサＰＤ、ガスクーラ後冷媒温度センサＴＥ、循環往き路温度センサＴＧ、循環戻り路温度センサＴＪ、ガスクーラ側給湯出口温度センサＴＨ、インタークーラ側給湯出口温度センサＴＩおよび外気温度等を把握することにより、圧縮機構２０、主膨張弁３、エコノマイザ膨張弁７ａ、液ガス膨張弁８ａ、ファン４ｆ、混合弁９１、および、給湯ポンプ９２等を制御する。
【００４２】
（２）ヒートポンプ回路１０の動作
（２−１）圧縮機構２０について
制御部２は、ヒートポンプ回路１０において、高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度（吐出冷媒温度センサＴＤが検知する温度）が目標冷媒温度であって、吐出冷媒圧力（吐出冷媒圧力センサＰＤが検知する圧力）が目標冷媒圧力となるように、駆動モータ２９の出力制御を行っている。なお、目標冷媒温度および目標冷媒圧力は、外気温度や各種運転条件等に応じて、適宜制御部２が調整してもよいし、ユーザが制御部２に入力することにより調節するようにしてもよい。ここで、制御部２は、ヒートポンプ回路１０の全体を制御することにより、高段側圧縮機構２６が吐出する冷媒について、所定上限冷媒温度を超えることがないように、かつ、所定上限冷媒圧力を超えることがないように、調整している。なお、本実施形態では冷媒として二酸化炭素を採用しているため、高段側圧縮機構２６の吐出冷媒圧力は臨界圧力を超えた状態になっている。
【００４３】
圧縮機構２０は、高段側圧縮機構２６と低段側圧縮機構２２との容積比が固定されているため、上述のように、目標吐出冷媒温度および目標吐出冷媒圧力が定められると、その条件に応じた低段側圧縮機構２２の吸入冷媒圧力（吸入圧力センサＰＡ）や中間冷媒圧力（低段側圧縮機構２２の吐出冷媒圧力＝高段側圧縮機構２６の吸入冷媒圧力）が定まることになる。また、目標吐出冷媒温度および目標吐出冷媒圧力が変更された場合には、吸入冷媒圧力や中間冷媒圧力が追従して変化することになる。本実施形態の圧縮機構２０は容積比固定型であるため、この点で、図９に示すような従来の高段側と低段側とで自由に出力制御が可能であり、吐出冷媒温度も自由に制御が可能であるための吐出冷媒温度を低段側と高段側でそろえるような制御が可能な容積比非固定型の圧縮機構とは前提が異なっている。
【００４４】
また、圧縮機構２０は、容積比が固定されていることで吐出圧力と中間圧力と低段圧力との関係が定まっているために、インタークーラ５における冷却度合いやインジェクション流路１１から合流する冷媒によって調節する以外は、高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度と低段側圧縮機構２２の吐出冷媒温度とを自由に調節することができない。また、これらの運転条件では、通常、高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度の方が低段側圧縮機構２２の吐出冷媒温度よりも高温になるように制御されている。このため、運転状況によっては、低段側圧縮機構２２の吐出冷媒温度が、給湯回路９０における目標温度を超えることができずに、インタークーラ側給湯流路９０Ａにおいて得られる水の温度が目標温度に満たない状態となることがある。このような場合には、後述するように、ガスクーラ側給湯流路９０Ｂにおいて得られる水温および水量の熱量によって、循環戻り路９０ｈを流れる水温が目標温度になるように制御部２が調節する。
【００４５】
（２−２）エコノマイザ膨張弁７ａについて
制御部２は、高段側圧縮機構２６が吸入する冷媒が、目標冷媒圧力および目標冷媒温度より定まる中間冷媒圧力において所定の過熱度の状態となるように、エコノマイザ膨張弁７ａの開度を制御する。エコノマイザ膨張弁７ａの開度を上げた場合には、インジェクション流路１１を介して第３中間圧管２５の合流点Ｄに流入する冷媒量が増えるため、高段側圧縮機構２６の吸入冷媒の過熱度を小さくさせることができる。
【００４６】
また、エコノマイザ膨張弁７ａの開度を下げた場合には、インジェクション流路１１を介して第３中間圧管２５の合流点Ｄに流入する冷媒量が減るため、高段側圧縮機構２６の吸入冷媒の過熱度を大きくさせることができる。
【００４７】
これらの場合には、エコノマイザ熱交換器７の内部の第３インジェクション流路１１ｃを流れる冷媒量および冷媒温度が変化するため、エコノマイザ熱交換器７の第５冷媒配管１０ｅを流れる冷媒の温度も変化することになる。
【００４８】
（２−３）主膨張弁３および液ガス膨張弁８ａについて
制御部２は、低段側圧縮機構２２の吸入冷媒が所定の過熱度を有する状態となるように、主膨張弁３および液ガス膨張弁８ａの弁開度を調節する。ここで、制御部２は、吸入冷媒温度センサＴＡおよび吸入冷媒圧力センサＰＡから得られた値によって、低段側圧縮機構２２の吸入冷媒の過熱度を把握する。
【００４９】
ここで、主膨張弁３の弁開度を上げつつ液ガス膨張弁８ａの弁開度を下げる制御をした場合には、低段側圧縮機構２２の吸入冷媒の過熱度を小さくさせることができる。
【００５０】
また、主膨張弁３の弁開度を下げつつ液ガス膨張弁８ａの弁開度を上げる制御をした場合には、低段側圧縮機構２２の吸入冷媒の過熱度を大きくさせることができる。
【００５１】
（２−４）ファン４ｆについて
制御部２は、低段側圧縮機構２２の吸入冷媒が所定の過熱度を有する状態となるように、外気温度等に基づいてファン４ｆによる風量を制御することで、蒸発器４における蒸発能力を調節している。
【００５２】
（３）給湯回路９０の動作
給湯回路９０では、図示しない入力手段を介して加熱目標温度がユーザから入力される。制御部２は、循環戻り路９０ｈを流れる水の温度がこの加熱目標温度になるように、混合弁９１における混合比率および給湯ポンプ９２における水流量を制御する。なお、制御部２は、少なくとも、高段側圧縮機構２６の吐出温度が、給湯回路９０の加熱目標温度を超える温度になるように圧縮機構２０を制御している。
【００５３】
（３−１）混合弁９１について
混合弁９１は、具体的には、ヒートポンプ回路１０におけるインタークーラ５の出口の冷媒温度Ｔｉｃｏｕｔ（第３中間圧管２５を流れる冷媒温度としてインタークーラ後冷媒温度センサＴＣが検知する温度）と、ヒートポンプ回路１０におけるガスクーラ６の出口の冷媒温度Ｔｇｃｏｕｔ（第３冷媒配管１０ｃを流れる冷媒温度としてガスクーラ後冷媒温度センサＴＥが検知する温度）と、が等しくなるように、インタークーラ側給湯流路９０Ａ側の水の流量とガスクーラ側給湯流路９０Ｂ側の水の流量の分配比率を調整する。
【００５４】
なお、制御部２は、後述するように、インタークーラ５の入口冷媒温度に相当するインタークーラ前冷媒温度センサＴＢが検知する温度が、給湯回路９０の加熱目標温度に満たない運転条件の場合には、インタークーラ５の第２インタークーラ側給湯流路９０ｆに水を流すように混合弁９１を制御したとしても、第３インタークーラ側給湯流路９０ｇを流れる水の温度を加熱目標温度以上にすることはできない。しかし、制御部２は、このような状況であっても、後述する成績係数に関する所定成績係数条件を満たした場合にのみ、インタークーラ５の第２インタークーラ側給湯流路９０ｆに水を流すように混合弁９１を制御する。
【００５５】
（３−２）給湯ポンプ９２について
給湯ポンプ９２は、具体的には、合流点Ｙ後の循環戻り路９０ｈを流れる水の温度（循環戻り路温度センサＴＪが検知する温度）が、加熱目標温度になるように流量を調節する。具体的には、ガスクーラ６の第２冷媒配管１０ｂを流れる冷媒温度が加熱目標温度よりも高温であって、インタークーラ５の第２中間圧管２４を流れる冷媒温度も加熱目標温度より高温である場合には、給湯ポンプ９２の流量を下げると、ガスクーラ６やインタークーラ５において水が加熱される時間を長くすることができるため循環戻り路９０ｈを流れる水の温度を上げることができ、給湯ポンプ９２の流量を上げると、ガスクーラ６やインタークーラ５において水が加熱される時間を短くすることができるため循環戻り路９０ｈを流れる水の温度を下げることができる。
【００５６】
なお、上述のように、圧縮機構２０が容積比固定型であるために高段側圧縮機構２６からの吐出冷媒温度と低段側圧縮機構２２からの吐出冷媒温度とを個別に制御できず、吐出冷媒温度が異なることがある。そして、目標吐出冷媒温度および目標吐出冷媒圧力によっては、インタークーラ前冷媒温度センサＴＢが検知する温度が、給湯回路９０の加熱目標温度に満たない運転条件の場合があり、インタークーラ５の第２インタークーラ側給湯流路９０ｆに水を流すように混合弁９１を制御したとしても、第３インタークーラ側給湯流路９０ｇを流れる水の温度を加熱目標温度以上にすることはできないことになる。しかし、制御部２が、後述する所定成績係数条件を満たした場合には、インタークーラ５の第２インタークーラ側給湯流路９０ｆに水を流すように混合弁９１を制御しつつ、インタークーラ５の出口の冷媒温度Ｔｉｃｏｕｔと、ガスクーラ６の出口の冷媒温度Ｔｇｃｏｕｔと、が等しくなるようにする。この際に、第３インタークーラ側給湯流路９０ｇを流れる水のうち加熱目標温度に不足する熱量分を、第３ガスクーラ側給湯流路９０ｄを流れる水の有する熱量によって補うことで、合流点Ｙ後の循環戻り路９０ｈを流れる水の温度が加熱目標温度になるように、制御部２が混合弁９１および給湯ポンプ９２を制御する。ここでは、加熱目標温度となるように給湯ポンプ９２の流量が変更されると、インタークーラ５の出口の冷媒温度Ｔｉｃｏｕｔとガスクーラ６の出口の冷媒温度Ｔｇｃｏｕｔとに差が生じることがあるが、その場合には、再度、制御部２が、混合弁９１における分配比率を制御する。また、インタークーラ５の出口の冷媒温度Ｔｉｃｏｕｔとガスクーラ６の出口の冷媒温度Ｔｇｃｏｕｔとの差を少なくさせるために混合弁９１の分配比率が変更されると、加熱目標温度から乖離してしまうことがあるが、その場合には、再度、制御部２が給湯ポンプ９２の流量を調節することで、加熱目標温度を実現させる。このように、制御部２は、混合弁９１と給湯ポンプ９２とを微調整制御しながら、各条件を満たすように制御している。
【００５７】
ただし、ガスクーラ６の第２ガスクーラ側給湯流路９０ｃを流れる水の流速や、インタークーラ５の第２インタークーラ側給湯流路９０ｆを流れる水の流速が、所定流速を下回って流れる状態が続くと、ガスクーラ６の第２ガスクーラ側給湯流路９０ｃの内部やインタークーラ５の第２インタークーラ側給湯流路９０ｆの内部の水が接している鋼管部分において孔食が発生してしまい、配管にダメージを与えてしまうおそれがある。このため、制御部２は、上記各配管における水の流速が所定流速を下回って流れ続けていることがないように状況に応じて、最低所用流量を確保する制御を行うか、完全に流れを止める制御を行っている。
【００５８】
なお、上述したように、これらの混合弁９１の制御と、給湯ポンプ９２の制御は、同時に行われており、混合弁９１の配分比率が変更されることで給湯ポンプ９２の流量が変更されることもあるし、給湯ポンプ９２の流量が変更されることで混合弁９１の分配比率が変更されることもある。
【００５９】
（４）水量分配比率と最適ＣＯＰの関係
図３に、外気温度や、入水温度、加熱目標温度等の条件が異なる場合について、その条件毎に、ヒートポンプ回路１０のＣＯＰが最も良好な値となる『インタークーラ側給湯流路９０Ａに流す水の分配割合』をプロットしたグラフである。ここで、図３における各プロットの状態では、インタークーラ５の出口冷媒温度とガスクーラ６の出口冷媒温度とが等しくなっており、かつ、ＣＯＰが最適となっている。
【００６０】
ここで『熱交入口温度比』は、低段側圧縮機構２２の吐出冷媒温度Ｔｄ１（インタークーラ前冷媒温度センサＴＢが検知する冷媒温度）から給湯回路９０の加熱目標温度を差し引いた値を、高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度Ｔｄ２（吐出冷媒温度センサＴＤが検知する冷媒温度）から給湯回路９０の加熱目標温度を差し引いた値で、除して得られる比率のことである。ここで、高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度Ｔｄ２は、制御部２によって、給湯回路９０の加熱目標温度より高い温度になるように制御されているため、高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度Ｔｄ２から加熱目標温度を差し引いた値は正の値に維持されている。そして、低段側圧縮機構２２の吐出冷媒温度Ｔｄ１は、ヒートポンプ回路１０の運転条件によっては、高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度Ｔｄ２とは異なり、給湯回路９０の加熱目標温度よりも下回ることがある。この場合には、低段側圧縮機構２２の吐出冷媒温度Ｔｄ１から加熱目標温度を差し引いた値は負の値になる。図３においては、熱交入口温度比が負になる場合、すなわち、低段側圧縮機構２２の吐出冷媒温度が加熱目標温度に満たない運転条件の場合（第３インタークーラ側給湯流路９０ｇを流れる水温度を加熱目標温度以上にすることが不可能な運転条件下の場合）における、水配分割合と成績係数の関係を示していることになる。
【００６１】
また、『インタークーラ側給湯流路９０Ａに流す水の分配割合』は、給湯ポンプ９２を流れる水量中に占める、インタークーラ側給湯流路９０Ｂを流れる水量の割合を示しており、混合弁９１によって配分制御された結果を示していることになる。そして、図３において、『０％』に相当する状態では、給湯回路９０において、ガスクーラ側給湯流路９０Ｂ側に１００％の水が流れており、インタークーラ側給湯流路９０Ａ側には全く水が流れておらず流れが滞っている状態を示している。
【００６２】
このように、低段側圧縮機構２２の吐出冷媒温度Ｔｄ１が給湯回路９０の加熱目標温度よりも下回る状況であったとしても、図３に示すように、インタークーラ側給湯流路９０Ａに水を流した方がＣＯＰが良好になる状況下では、制御部２は、インタークーラ側給湯流路９０Ａ側に、図３に示す最も良好な配分比率で水を流すように混合弁９１を制御する。ここでは、制御を簡単にするために、図３のグラフに基づいて、熱交入口温度比が−０．５以上であるという所定成績係数条件を満たす場合には、インタークーラ側給湯流路９０Ａに水を流すように制御している。
【００６３】
（５）ガスクーラ６出口冷媒温度とインタークーラ５出口冷媒温度と最適ＣＯＰの関係
図４に、外気温度が７℃であり、低段側圧縮機構２２の吐出冷媒温度Ｔｄ１が５５℃であり、高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度Ｔｄ２が７０℃であり、入水温度が３０℃である水を加熱目標温度の５５℃に上げる場合において、インタークーラ側給湯流路９０Ａに流す水の分配割合に対する、ＣＯＰの値の関係を示す。
【００６４】
図５に、図４に関する条件と同様の条件下での、インタークーラ側給湯流路９０Ａに流す水の分配割合に対する、インタークーラ５の出口冷媒温度やガスクーラ６の出口冷媒温度や水温の関係を示す。図５において、（ａ）は第３インタークーラ側給湯流路９０ｇを流れる冷媒の温度、（ｂ）は第３ガスクーラ側給湯流路９０ｄを流れる冷媒の温度、（ｃ）は給水管９４を流れる入水温度をそれぞれ示している。
【００６５】
これらの図４および図５から分かるように、インタークーラ５の出口冷媒温度とガスクーラ６の出口冷媒温度とが等しくなる場合（この条件例では水の分配割合が１５％の場合）において、ＣＯＰが最も良好になることが確認された。
【００６６】
（６）水配分制御について
以上の図３、図４および図５の関係より、ヒートポンプ回路１０のＣＯＰを良好にするために、制御部２は、図６のフローチャートに示すような制御を行っている。
【００６７】
ここでは、ＣＯＰを良好にできる場合にインタークーラ側給湯流路９０Ａ側に積極的に水を流すようにしつつ、インタークーラ５の出口冷媒温度とガスクーラ６の出口冷媒温度とを近づけることができるように給湯回路９０の混合弁９１および給湯ポンプ９２の制御をしつつ、インタークーラ側給湯流路９０Ａを流れる水の流速が孔食を抑制できるような所定流速以上に維持できるように圧縮機構２０の出力を高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度が所定上限冷媒温度を超えない範囲で調節するように制御部２による制御が行われている。
【００６８】
以下、図６のフローチャートに従って制御の流れを説明する。
【００６９】
ステップＳ１０では、制御部２は、熱交入口温度比が所定成績係数条件を満たしているか否か、すなわち、熱交入口温度比が−０．５以上であるか否かを判断する。熱交入口温度比が−０．５より小さい場合には、インタークーラ側給湯流路９０Ａに水を流してもＣＯＰを上げることができない状況であると判断して、ステップＳ１９に移行する。熱交入口温度比が−０．５以上である場合には、インタークーラ側給湯流路９０Ａに水を流した方がＣＯＰを良好にすることができる状況であると判断して、ステップＳ１１に移行する。
【００７０】
ステップＳ１１では、制御部２は、ヒートポンプ回路１０において、ガスクーラ６の出口冷媒温度Ｔｇｃｏｕｔとインタークーラ５の出口冷媒温度Ｔｉｃｏｕｔとが等しいか否かを判断する。ここでは、温度が完全に等しい場合だけでなく、例えば、温度差が所定温度の範囲内であるかどうかを判断する。ここで、温度差が所定範囲内であった場合には、ステップＳ１０に戻って、上記処理を繰り返す。温度差が所定範囲を超えていた場合には、ステップＳ１２に移行する。
【００７１】
ステップＳ１２では、制御部２は、ガスクーラ６の出口冷媒温度Ｔｇｃｏｕｔが、インタークーラ５の出口冷媒温度Ｔｉｃｏｕｔよりも低いか否かを判断する。ガスクーラ６の出口冷媒温度Ｔｇｃｏｕｔが、インタークーラ５の出口冷媒温度Ｔｉｃｏｕｔよりも低いと判断された場合には、ステップＳ１３に移行する。それ以外の場合には、ステップＳ１４に移行する。
【００７２】
ステップＳ１３では、制御部２は、ガスクーラ６の出口冷媒温度Ｔｇｃｏｕｔが、インタークーラ５の出口冷媒温度Ｔｉｃｏｕｔよりも所定範囲を超えて低い場合であるため、インタークーラ側給湯流路９０Ａ側の水配分比率を上げるように混合弁９１を制御する。これにより、インタークーラ５の出口冷媒温度Ｔｉｃｏｕｔが下がり、ガスクーラ６の出口冷媒温度Ｔｇｃｏｕｔが上がるため、両温度を近づけることができる。その後、ステップＳ１０に戻って上記処理を繰り返す。
【００７３】
ステップＳ１４では、制御部２は、インタークーラ側給湯流路９０Ａの水流量Ｇｗ＿ｉｃが、孔食を抑制するための所定流速Ｇｗ＿ｍｉｎを超える流量を確保できているか否かを判断する。ここで、所定流速を超えていると判断された場合には、インタークーラ側給湯流路９０Ａの水流量をさらに減らせる余地があると判断して、ステップＳ１５に移行する。所定流速以下であると判断された場合には、ステップＳ１６に移行する。
【００７４】
ステップＳ１５では、制御部２は、ガスクーラ６の出口冷媒温度Ｔｇｃｏｕｔが、インタークーラ５の出口冷媒温度Ｔｉｃｏｕｔよりも所定範囲を超えて低い場合であって、インタークーラ側給湯流路９０Ａの水流量をさらに減らせる余地がある状態であるため、インタークーラ側給湯流路９０Ａの水配分比率を減らすように、混合弁９１を制御する。これにより、ガスクーラ側給湯流路９０Ｂの水流量が増大することにもなる。これにより、ガスクーラ６の出口冷媒温度Ｔｇｃｏｕｔを下げることができ、インタークーラ５の出口冷媒温度Ｔｉｃｏｕｔを上げることができ、両温度を近づけることができる。
【００７５】
ステップＳ１６では、制御部２は、圧縮機構２０の高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度が所定上限冷媒温度を下回っているか否かを判断する。所定上限冷媒温度を下回っていると判断された場合には、さらに高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度を上げる余地があると判断して、ステップＳ１７に移行する。所定上限冷媒温度に達していると判断した場合には、高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度を上げる余地が無いために、インタークーラ側給湯流路９０Ａに水を流すことができないと判断して、ステップＳ１９に移行する。
【００７６】
ステップＳ１７では、制御部２は、インタークーラ側給湯流路９０Ａに水を流した状態を保った状態で給湯回路９０を流れる水の加熱目標温度までの沸き上げを行うために、圧縮機構２０の高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度の目標値がΔｔだけ上がるように、駆動モータ２９を制御する。これにより、給湯回路９０を流れる水の沸き上げを、ガスクーラ側給湯流路９０Ｂ側のみではなく、インタークーラ側給湯流路９０Ａ側も用いて行うことができるようになる。
【００７７】
ステップＳ１８では、制御部２は、インタークーラ側給湯流路９０Ａを流れる水の流速が所定流速で維持されるように調節し、ステップＳ１０に戻って、上記処理を繰り返す。
【００７８】
ステップＳ１９では、制御部２は、インタークーラ側給湯流路９０Ａ側には水が流れず、ガスクーラ側給湯流路９０Ｂ側にのみ水が流れるように混合弁９１を制御する。すなわち、ここでは、給湯回路９０を流れる水の加熱目標温度までの沸き上げを、ガスクーラ側給湯流路９０Ｂのみにおいてガスクーラ６を流れる冷媒の熱のみにより行う。これにより、インタークーラ側給湯流路９０Ａにおける孔食を防止しつつ、給湯回路９０の加熱目標温度を達成することが可能になる。
【００７９】
（７）ヒートポンプシステム１の特徴
（７−１）
上記実施形態のヒートポンプシステム１では、圧縮機構２０が容積比固定型であるため、低段側圧縮機構２２の吐出冷媒温度を高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度とは無関係に制御することができないが、給湯回路９０のうちインタークーラ側給湯流路９０Ａに流れる水量とガスクーラ側給湯流路９０Ｂ側に流れる水量の流量比率を調節することにより、インタークーラ５の出口冷媒温度とガスクーラ６の出口冷媒温度とを近づけることができている。そして、このようにインタークーラ５の出口冷媒温度とガスクーラ６の出口冷媒温度とを近づけることができる場合には、ヒートポンプ回路１０のＣＯＰを良好にすることができる。
【００８０】
したがって、上記実施形態のヒートポンプシステム１では、ヒートポンプ回路１０の圧縮機構１０が容積比固定型の多段圧縮機構であっても、ヒートポンプ回路１０以外の構成である給湯回路９０における流量比を制御することにより、ヒートポンプ回路１０のＣＯＰを良好にすることができている。
【００８１】
（７−２）
上記実施形態のヒートポンプシステム１では、インタークーラ５に流入する冷媒温度が給湯回路９０の加熱目標温度に満たない場合であっても、所定成績係数条件を満たしている場合には、積極的にインタークーラ側給湯流路９０Ａに水を流すように混合弁９１を制御している。これにより、圧縮機構２０が容積比固定型であっても、ＣＯＰを良好にさせることができる。
【００８２】
（７−３）
上記実施形態のヒートポンプシステム１では、インタークーラ側給湯流路９０Ａを流れる水の流速について孔食を抑制できる所定流速を超えた流速に保つことが給湯回路９０における加熱目標温度を達成するためには困難になってきた場合に、制御部２は、インタークーラ側給湯流路９０Ａを流れる水の流速を、孔食を抑制できる所定流速に維持するか、もしくは、インタークーラ側給湯流路９０Ａにおける水の流れを止めるように制御している。
【００８３】
そして、インタークーラ側給湯流路９０Ａを流れる水の加熱では加熱目標温度を達成することができない場合については、圧縮機構２０の高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度の目標値を上げる制御を行うことで、加熱目標温度を達成することができる。また、圧縮機構２０の高段側圧縮機構２６の吐出冷媒温度の目標値が上限に達している場合には、圧縮機構２０の能力を上げる代わりに、インタークーラ側給湯流路９０Ａにおける水の流れを停止させて、より高温の冷媒によって加熱させることが可能なガスクーラ側給湯流路９０Ｂに流すようにすることで、加熱目標温度を達成することができる。
【００８４】
（８）他の実施形態
以上、本発明の一実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、この実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。他の実施形態としては、例えば、以下の態様が挙げられる。
【００８５】
（Ａ）
上記実施形態のヒートポンプシステム１では、給湯回路９０を備えたヒートポンプシステム１について例に挙げて説明した。
【００８６】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、図７に示すように、ヒートポンプ回路１０が熱負荷処理をする対象が、給湯回路９０ではなくて、ラジエータや床暖房等の暖房回路２９０であるヒートポンプシステム２０１であってもよい。この暖房回路２９０は、内部を二次冷媒としての水が流れている熱交換器２９５を有している。他の構成は、水の供給等がなされない点を除いて上記実施形態の給湯回路９０と同様であるため説明を省略する。
【００８７】
（Ｂ）
上記実施形態のヒートポンプシステム１では、給湯回路９０を備えたヒートポンプシステム１について例に挙げて説明した。
【００８８】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、図８に示すように、ヒートポンプ回路１０が熱負荷処理をする対象が、暖房回路３９０Ａおよび給湯回路３９０Ｂを有するヒートポンプシステム３０１であってもよい。なお、上記実施形態と同じ部材番号は概ね同じ構成を示すものとして説明を省略する。
【００８９】
このヒートポンプシステム３０１では、ヒートポンプ回路１０のインタークーラ５を流れる冷媒の熱を利用して、ラジエータや床暖房等の暖房回路３９０Ａを流れる二次冷媒を加熱している。また、ヒートポンプ回路１０のガスクーラ６を流れる冷媒の熱を利用して、給湯回路３９０Ｂを流れる給湯用の水を加熱している。
【００９０】
給湯回路３９０Ｂは、給湯タンク９５の下方から延びる第１ガスクーラ側給湯流路３９０ｂ、ガスクーラ６の内部を流れる第２ガスクーラ側給湯流路３９０ｃ、および、給湯タンク９５の上方に加熱された水を戻すための第３ガスクーラ側給湯流路３９０ｄを有している。第１ガスクーラ側給湯流路３９０ｂには、給湯用の水の流量を調節するための給湯ポンプ３９２ｂと、ガスクーラ前給湯温度センサＴＧ１と、が設けられている。第３ガスクーラ側給湯流路３９０ｄには、ガスクーラ後給湯温度センサＴＧ２が設けられている。
【００９１】
暖房回路３９０Ａは、熱交換器３９５から延びる第１インタークーラ側暖房流路３９０ｅ、インタークーラ５の内部を流れる第２インタークーラ側暖房流路３９０ｆ、および、熱交換器３９５に加熱された二次冷媒を戻すための第３インタークーラ側暖房流路３９０ｇを有している。第１インタークーラ側暖房流路３９０ｅには、暖房用の二次冷媒の流量を調節するための暖房ポンプ３９２ａと、インタークーラ前暖房温度センサＴＩ１が設けられている。第３インタークーラ側暖房流路３９０ｇには、インタークーラ後暖房温度センサＴＩ２が設けられている。
【００９２】
制御部２は、ヒートポンプ回路１０のインタークーラ５の出口冷媒温度とガスクーラ６の出口冷媒温度とが近づくように、暖房ポンプ３９２ａにおける二次冷媒の流量と給湯ポンプ３９２ｂにおける給湯用の水の流量の比率を調節する。
【００９３】
なお、このような制御を行う場合に、暖房回路３９０Ａおよび給湯回路３９０Ｂの流量制御を行うだけでは、ヒートポンプ回路１０のインタークーラ５の出口冷媒温度とガスクーラ６の出口冷媒温度とを近づけることはできても、暖房回路３９０Ａや給湯回路３９０Ｂにおける目標温度を達成できないおそれがある。このため、このような制御を行うと共に、ヒートポンプ回路１０の圧縮機構２０の容量制御も合わせて行うようにしてもよい。もしくは、このような制御を、暖房回路３９０Ａや給湯回路３９０Ｂにおいて保温動作が行われている場合に限って行うようにしてもよい。
【００９４】
（Ｃ）
上記実施形態のヒートポンプシステム１では、インタークーラ５の出口冷媒温度とガスクーラ６の出口冷媒温度とが所定範囲内に近づくように制御する場合について例に挙げて説明した。
【００９５】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、インタークーラ５の出口冷媒温度とガスクーラ６の出口冷媒温度とが全く同じ温度になることを目標として制御部２が上述の制御を行うようにしてもよい。
【００９６】
（Ｄ）
上記実施形態では、インタークーラ側給湯流路９０Ａにおける水の流速について、孔食が生じる程度の流速か否かを判断するための値と、ステップＳ１８においてインタークーラ側給湯流路９０Ａの流速として維持される値と、が同じ場合について例に挙げて説明した。
【００９７】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、孔食が生じる程度の流速か否かを判断するための値と、上記実施形態におけるステップＳ１８においてインタークーラ側給湯流路９０Ａの流速として維持される値と、が異なるようにしてもよい。すなわち、上記実施形態におけるステップＳ１８においてインタークーラ側給湯流路９０Ａの流速として維持させようとする流速よりも、より早い流速に維持させるように制御してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明のヒートポンプシステムでは、容積比が固定されている多段圧縮式冷凍サイクルに適用した場合に、特に、有用である。
【符号の説明】
【００９９】
１  ヒートポンプシステム
２  制御部
３  主膨張弁（膨張機構）
４  蒸発器
５  インタークーラ（第１熱交換器）
６  ガスクーラ（第２熱交換器）
８ａ  液ガス膨張弁（膨張機構）
１０  ヒートポンプ回路
２０  圧縮機構
２２  低段側圧縮機構
２６  高段側圧縮機構
９０  給湯回路（熱負荷回路）
９０Ａ  インタークーラ側給湯流路（第１熱負荷、第１路）
９０Ｂ  ガスクーラ側給湯流路（第２熱負荷、第２路）
９１  混合弁（負荷配分手段、流量調節機構）
９２  給湯ポンプ
２０１  ヒートポンプシステム
Ｘ  分岐点（分岐部分）
Ｙ  合流点（合流部分）
２０１  ヒートポンプシステム
３０１  ヒートポンプシステム
３９０Ａ  暖房回路（第１熱負荷）
３９０Ｂ  給湯回路（第２熱負荷）
３９２ａ  暖房ポンプ（負荷配分手段）
３９２ｂ  給湯ポンプ（負荷配分手段）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１００】
【特許文献１】特開２００２−１０６９８８号公報