热泵式制热装置的制作方法

本发明涉及一种特别是使用了二级压缩型热泵单元的热泵式制热装置。

背景技术：

以往，此种热泵式制热装置将使制冷剂循环的冷冻回路用作热泵单元，产生供应于制热等用的热水。例如，专利文献1所示的热泵式制热装置具备：制热单元，该制热单元使制热剂在制热终端循环；一级侧热泵单元，该一级侧热泵单元使制冷剂依次在第1压缩机、第1热交换器、级联热交换器、第1膨胀阀及蒸发器中循环，并在该第1热交换器中与制热单元的制热剂进行热交换；以及二级侧热泵单元，该二级侧热泵单元使制冷剂依次在第2压缩机、第2热交换器、第2膨胀阀及所述级联热交换器中循环，并在该第2热交换器中与制热单元的制热剂进行热交换。

并且，作为一例，如专利文献1中列举的以往具备一级侧及二级侧热泵单元的热泵式制热装置，其基于从制热终端流出的回流制热剂的温度(回流制热剂温度)，在一级运行、二级运行及待机运行之间进行转移控制，该一级运行是运行第1(低级侧)压缩机，使第2(高级侧)压缩机停止，该二级运行是运行第1压缩机和第2压缩机，该待机运行是使第1压缩机和第2压缩机停止。

例如，在进行一级运行的状态下，当前的回流制热剂温度低于规定的低温阈值时，进一步使第2压缩机启动转移至二级运行。在进行该二级运行的状态下，当前的回流制热剂温度高于规定的高温阈值时，使第2压缩机停止并转移至一级运行。在进行该一级运行的状态下，当前的回流制热剂温度再次高于规定的高温阈值时，再使第1压缩机停止并转移至待机运行。

如此，以往的热泵式制热装置基于从制热终端流出的制热剂的回流温度，判断制热终端的制热能力不足，使一级运行、二级运行、待机运行交替转移，从而致力于实现有效的制热运行。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2012-97993号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

如上所述，以往的热泵式制热装置由于进行二级运行导致回流制热剂温度上升时，在二级侧(高级侧)的制冷剂回路的制冷剂和制热单元的制热剂进行热交换的热交换器中使从第2压缩机喷出的制冷剂的温度变得无法下降。于是，被吸入第2压缩机的制冷剂的温度和压力异常地上升，变得超出为确保该压缩机适当使用的吸入温度范围、吸入压力范围。因此，以往将压缩机的吸入温度和吸入压力不超过适当使用范围的制热剂回流温度设定为第2压缩机的停止温度。

但是，从二级运行转换为一级运行，变为仅使一级侧(低级侧)热泵单元运行的状态时，在外部空气温度较低的情况下制热能力立即不足。并且，由于制热剂回流温度急剧下降，因此必须尽快从一级运行转换为二级运行。但即使在此种情况下，为了避免压缩机频繁地启停，必须在停止后经过规定时间，压缩机才能够重新运行。因此，即使外部空气温度较低，要求更高的制热能力的情况下，第2压缩机也无法立即重新运行。由此，导致被制热空间的温度下降，会产生感觉制热不足的问题。而使第2压缩机暂时停止时，在重新开始运行后为了使运行状态稳定也需要规定时间，因此在重新开始运行后也难以立即解决被制热空间的温度下降、感觉制热不足的问题。

此外，如上文所述的以往的热泵式制热装置中，在一级侧(低级侧)热泵单元的蒸发器中从外部空气集热，进行制热单元的热水的生成。因此，在热泵式制热装置运行中，在低温的一级侧蒸发器上结霜。若蒸发器结霜，则热泵式制热装置的加热能力下降，因此要进行除霜运行将附着于该蒸发器的霜溶化。例如，除霜运行是指检测流入蒸发器的制冷剂温度，在该温度为规定阈值以下的情况下，判断已发生结霜，于是将第1膨胀阀完全打开使热气直接流入蒸发器。

但是，在高湿度条件下，蒸发器上容易结霜，会频繁地执行除霜运行。在该除霜运行中，无法将高温的热水提供至制热终端，因此产生感觉制热不足的问题。

因此，市场提出了开发一种热泵式制热装置的需求，该热泵式制热装置即使在制热剂回流温度已达到规定的高温的情况下也可继续进行二级运行，从而能够改善由于第2压缩机停止导致感觉制热不足的情况。并且，还希望开发出能够改善由于频繁地除霜运行导致感觉制热不足的热泵式制热装置。

解决技术问题所采用的技术方案

因此，本案发明人深入研究后，最终提供一种热泵式制热装置，该热泵式制热装置即使在制热剂回流温度已达到规定的高温的情况下，也可使高级侧压缩机不停止地，继续进行二级运行，从而能够改善由于高级侧压缩机停止导致感觉制热不足，以及频繁地实施除霜运行导致感觉制热不足的情况。

即，本发明所述的热泵式制热装置，包括：二级热泵单元，该二级热泵单元具备：将低级侧压缩机、低级侧制热剂-制冷剂热交换器、级联热交换器、低级侧减压单元、以及蒸发器以环状依次连接并使制冷剂循环的低级侧冷冻回路，和将高级侧压缩机、高级侧制热剂-制冷剂热交换器、高级侧减压单元、以及所述级联热交换器以环状依次连接并使制冷剂循环的高级侧冷冻回路；以及制热单元，该制热单元具有制热剂回路，该制热剂回路包含循环泵、制热终端、所述低级侧制热剂-制冷剂热交换器及所述高级侧制热剂-制冷剂热交换器，使制热剂循环，该热泵式制热装置的特征在于，包括：内部热交换器，该内部热交换器使所述低级侧冷冻回路的低压侧的低温制冷剂和所述高级侧冷冻回路的高压侧的高温制冷剂进行热交换；旁通配管，该旁通配管绕过该内部热交换器；以及流路控制单元，该流路控制单元分别对该内部热交换器及该旁通配管的制冷剂流通进行控制。

此外，本发明的热泵式制热装置，优选地，所述旁通配管设置于所述高级侧冷冻回路的所述高级侧制热剂-制冷剂热交换器的制冷剂流出侧和所述高级侧减压单元的制冷剂流入侧之间，或者设置于所述低级侧冷冻回路的所述蒸发器的制冷剂流出侧和所述低级侧压缩机的制冷剂吸入侧之间。

并且，本发明的热泵式制热装置中，优选地，在进行使所述低级侧压缩机和所述高级侧压缩机运行的二级运行时，从所述制热终端流出的制热剂回流温度在规定的高温阈值以上的情况下，所述流路控制单元执行高级侧制冷剂冷却控制，即：使所述低级侧冷冻回路的低压侧的制冷剂或所述高级侧冷冻回路的高压侧的制冷剂流入所述内部热交换器侧。

此外，本发明的热泵式制热装置中，优选地，在外部空气温度为规定的高级侧冷却运行上限温度以下的情况下，所述流路控制单元执行所述高级侧制冷剂冷却控制。

并且，本发明的热泵式制热装置中，优选地，在外部空气温度在规定的频繁除霜运行温度范围内的情况下，所述流路控制单元执行所述高级侧制冷剂冷却控制。

发明效果

根据本发明的热泵式制热装置，包括：内部热交换器，该内部热交换器使低级侧冷冻回路的低压侧的制冷剂和高级侧冷冻回路的高压侧的制冷剂进行热交换；旁通配管，该旁通配管绕过该内部热交换器；以及流路控制单元，该流路控制单元分别对该内部热交换器及该旁通配管的制冷剂流通进行控制，因此在进行使低级侧压缩机和高级侧压缩机双方运行的二级运行时，从制热终端流出的制热剂的回流温度高于规定的高温阈值的情况下，内部热交换器能够执行高级侧制冷剂冷却控制，即：使低级侧冷冻回路的低压侧的低温制冷剂和高级侧冷冻回路的高压侧的高温制冷剂进行热交换。

由此，能够降低高级侧冷冻回路的高压侧的制冷剂温度，可降低被吸入高级侧压缩机的制冷剂的温度和压力。因此，即使达到以往使压缩机无法继续运行的回流制热剂温度，也可将高级侧压缩机的吸入温度和吸入压力控制在适当使用范围内，继续进行二级运行直至更高的回流制热剂温度。

由于本发明能够尽量抑制从二级运行转移至仅运行低级侧压缩机的一级运行，所以可以预先避免由于暂时停止高级侧压缩机所产生的被制热空间温度下降及感觉制热不足的情况。

此外，在本发明的热泵式制热装置中，在外部空气温度为规定的高级侧冷却运行上限温度以下时，流路控制单元通过将旁通配管侧切换至内部热交换器侧使低级侧冷冻回路的低压侧的制冷剂或高级侧冷冻回路的高压侧的制冷剂流入，能够抑制低级侧压缩机的吸入温度及吸入压力的异常上升，继续进行二级运行。

附图说明

图1是作为本发明实施方式的热泵式制热装置的简要结构图。

图2是本实施方式的热泵式制热装置的控制框图。

图3是本实施方式的热泵式制热装置的运行区域映射。

图4是图3的控制流程图。

图5是在二级运行时的通常控制模式下制热剂回流温度为高温阈值时的莫里尔曲线图。

图6是在高级侧制冷剂冷却控制模式下制热剂回流温度为运行切换阈值时的莫里尔曲线图。

图7是在二级运行时保持通常控制模式下制热剂回流温度为运行切换阈值时的莫里尔曲线图。

图8是表示使制热剂回流温度变化时的高级侧冷冻回路的压力变化的图。

图9是表示使制热剂回流温度变化时的高级侧压缩机吸入温度的变化的图。

图10是表示在高温阈值时从二级运行时的通常控制模式切换为高级侧制冷剂冷却控制模式时的热泵式制热装置整体的制热能力的变化和COP(Coefficient Of Performance：性能系数)变化的图。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明实施方式的热泵式制热装置H进行说明。图1是表示作为本实施方式的热泵式制热装置H的简要结构图。本发明所述的本实施方式的热泵式制热装置H具备：二级热泵单元1和制热单元30，该二级热泵单元1包括具有低级侧冷冻回路10的低级侧单元和具有高级侧冷冻回路20的高级侧单元。

构成低级侧单元的低级侧冷冻回路10将低级侧压缩机11、低级侧制热剂-制冷剂热交换器12、级联热交换器13、作为低级侧减压单元的低级侧膨胀阀14、蒸发器15、以及储罐17以环状依次进行配管连接来构成，并且封入有规定量的在该冷冻回路10内循环的制冷剂。

低级侧制热剂-制冷剂热交换器12构成为可以使在低级侧冷冻回路10内的高压侧流动的高温制冷剂、和作为制热剂在构成制热单元30的制热剂回路32内流动的热水(水)进行热交换。级联热交换器13构成为可以使在低级侧冷冻回路10的低级侧制热剂-制冷剂热交换器12与低级侧膨胀阀14之间流动的制冷剂、和在高级侧冷冻回路20内的高级侧膨胀阀23与高级侧压缩机21的吸入侧之间流动的制冷剂进行热交换。并且，蒸发器15采用空气冷却方式，即从利用设置在附近的蒸发器用送风机16进行通风的空气中获取热量来使制冷剂蒸发。

此外，本实施方式中设置有第1内部热交换器18，该第1内部热交换器18使在低级侧制热剂-制冷剂热交换器12与低级侧膨胀阀14之间流动的制冷剂、和在蒸发器15与低级侧压缩机11的吸入侧之间流动的制冷剂进行热交换。

另一方面，构成高级侧单元的高级侧冷冻回路20将高级侧压缩机21、高级侧制热剂-制冷剂热交换器22、作为高级侧减压单元的高级侧膨胀阀23、上述级联热交换器13、以及储罐24依次以环状进行配管连接来构成，并且封入有规定量的在该冷冻回路内循环的制冷剂。另外，作为在这些低级侧冷冻回路10及高级侧冷冻回路20内封入的制冷剂，例如优选使用二氧化碳。但是，本发明中热泵式制热装置所采用的制冷剂不限定于二氧化碳，能够使用任意制冷剂。

上述高级侧制热剂-制冷剂热交换器22构成为可以使在高级侧冷冻回路20的高压侧流动的高温制冷剂、和作为制热剂在构成制热单元30的制热剂电路32内流动的热水(水)进行热交换。

并且，本发明的热泵式制热装置H的特征在于，除了上述低级侧冷冻回路10和高级侧冷冻回路20的结构以外，还包括：第2内部热交换器(本发明中的内部热交换器)3，该第2内部热交换器3使在低级侧冷冻回路10的低压侧流动的低温制冷剂和在高级侧冷冻回路20的高压侧流动的高温制冷剂进行热交换；旁通配管4，该旁通配管4绕过该第2内部热交换器3；以及流路控制单元，该流路控制单元分别对该第2内部热交换器3及该旁通配管4的制冷剂流通进行控制。

在本实施方式中，高级侧冷冻回路20的高级侧制热剂-制冷剂热交换器22的制冷剂流出侧与三通管5连接，并在该三通管5一方的制冷剂流出侧连接第2内部热交换器3。高级侧冷冻回路20的第2内部热交换器3的制冷剂流出侧与高级侧冷冻回路20的高级侧膨胀阀23的制冷剂流入侧连接。并且，在该第2内部热交换器3的制冷剂流出侧设置有控制制冷剂向该第2内部热交换器3流入的电磁开关阀(阀装置)6。另外，虽然在本实施方式中，在第2内部热交换器3的制冷剂流出侧设置有电磁开关阀，但是不限定于此，也可以在第2内部热交换器3的制冷剂流入侧设置电磁阀。

然后，在三通管5另一方的制冷剂流出侧连接绕过该第2内部热交换器3的旁通配管4。在该旁通配管4设置有控制制冷剂向该旁通配管4流入的电磁开关阀7。并且，该旁通配管4的制冷剂流出侧与高级侧冷冻回路20的高级侧膨胀阀23的制冷剂流入侧连接。

上述控制制冷剂向第2内部热交换器3流入的电磁开关阀6及控制制冷剂向旁通配管4流入的电磁开关阀7等阀装置，与以下详细说明的作为控制单元的控制装置2一并构成本发明的流路控制单元。另外，在本发明中，构成该流路控制单元的阀装置不限定于此，只要能够控制制冷剂向第2内部热交换器3和绕过该第2内部热交换器3的旁通配管4的流入，即可使用任意阀装置。例如，本实施方式中的三通管5由三通阀构成，可以控制制冷剂向第2内部热交换器3和绕过该第2内部热交换器3的旁通配管4的流入，还可以控制流入上述各个部分的制冷剂流入量。

在上述本实施方式的二级热泵单元1中，低级侧冷冻回路10在使低级侧压缩机11运行时，由低级侧压缩机11压缩成高温高压的制冷剂在低级侧制热剂-制冷剂热交换器12中与制热单元30的流过制热剂回路32的制热剂进行热交换。之后，低级侧制热剂-制冷剂热交换器12中流出的制冷剂在级联热交换器13中通过与流过高级侧制冷剂电路20的制冷剂进行热交换，从而被用作高级侧冷冻回路20的吸热源。接下来，从级联热交换器13中流出的制冷剂在第1内部热交换器18中，与在低级侧冷冻回路10的低压侧流动的低温制冷剂进行热交换后，由低级侧膨胀阀14减压。由低级侧膨胀阀14减压的制冷剂流入蒸发器15内，通过与外部空气进行热交换来从外部空气中汲取热量。之后，该制冷剂在第1内部热交换器18中与在低级侧冷冻回路10的高压侧流动的高温制冷剂进行热交换，使制冷剂温度上升后流入第2内部热交换器3。在该第2内部热交换器3中高级侧冷冻回路的高压侧的高温制冷剂流动的情况下，该制冷剂与该高级侧冷冻回路的高温制冷剂进行热交换后返回至低级侧压缩机11。

高级侧冷冻回路20在使高级侧压缩机21运行时，由该高级侧压缩机21压缩成高温高压的制冷剂在高级侧制热剂-制冷剂热交换器22中与制热单元30的流过制热剂回路32的制热剂进行热交换。之后，在打开电磁开关阀6，关闭电磁开关阀7时，从高级侧制热剂-制冷剂热交换器22流出的制冷剂流入第2内部热交换器3内，与低级侧冷冻回路的低压侧的低温制冷剂进行热交换后到达高级侧膨胀阀23。另一方面，在关闭电磁开关阀6，打开电磁开关阀7时，经由旁通配管4绕过该第2内部热交换器3到达高级侧膨胀阀23。

流入该高级侧膨胀阀23的制冷剂被减压后，流入级联热交换器13中。流入级联热交换器13的制冷剂通过与在低级侧制冷剂回路10的高压侧流动的制冷剂进行热交换，从低级侧制冷剂回路10中汲取热量使制冷剂温度上升后，返回至高压侧压缩机21。

接着，对制热单元30进行说明。制热单元30向制热终端31循环提供作为制热剂的热水(水)。作为制热终端31例如可列举设置于住宅的各个房间等的板式加热器，以及在设置于地板下的管道内使制热剂流通的地板制热单元。该制热终端31不限定于使制热剂在多个板式加热器或管道等中串联流动的单管式，也可以是并联流动的多管式。本实施方式以将热水(水)作为制热剂的情况为例进行了说明，但不限定于此，例如也可以是防冻液等。

该制热单元30通过将上述制热终端31、作为流量调整单元的流量调整阀33、作为分流调整单元的三通阀34、低级侧制热剂-制冷剂热交换器12、高级侧制热剂-制冷剂热交换器22、混合罐35、以及循环泵36以环状进行配管连接的制热剂回路32来构成。

如上文所述，低级侧制热剂-制冷剂热交换器12使制热剂回路32内的制热剂和在低级侧冷冻回路10内的高压侧流动的高温制冷剂进行热交换。如上文所述，高级侧制热剂-制冷剂热交换器22使制热剂电路32内的制热剂和在高级侧冷冻回路20内的高压侧流动的高温制冷剂进行热交换。在该制热剂回路32中，低级侧制热剂-制冷剂热交换器12和高级侧制热剂-制冷剂热交换器22位于三通阀34和混合罐35之间且并联连接。具体而言，三通阀34一方的制热剂流出侧与低级侧制热剂-制冷剂热交换器12连接，并且在三通阀34另一方的制热剂流出侧与高级侧制热剂-制冷剂热交换器22连接。并且，各个制热剂-制冷剂热交换器的制热剂流出侧都与混合罐35连接。另外，虽然在本实施方式中，各个制热剂-制冷剂热交换器的制热剂流出侧直接与混合罐35连接，但是不限定于此，也可以暂时合流后再与混合罐35连接。

在该制热单元30中，通过循环泵36的运行，从循环泵36输出的制热剂流入制热终端31内，从该制热终端31流出的制热剂回路32内的制热剂经由流量调整阀33到达三通阀34，根据该三通阀34的开度分流至低级侧制热剂-制冷剂热交换器12和高级侧制热剂-制冷剂热交换器22。流入低级侧制热剂-制冷剂热交换器12的制热剂与低级侧冷冻回路10内流动的高温制冷剂进行热交换。流入高级侧制热剂-制冷剂热交换器22的制热剂与高级侧冷冻回路20内流动的高温制冷剂进行热交换。从各个热交换器12或22流出的制热剂在混合罐35中合流并返回至循环泵36。通过该循环泵36的运行，由低级侧制热剂-制冷剂热交换器12及/或高级侧制热剂-制冷剂热交换器22加热的制热剂在制热终端31中被用作热源。

另外，在本实施方式中，制热剂回路32中，低级侧制热剂-制冷剂热交换器12和高级侧制热剂-制冷剂热交换器22经由作为分流单元的三通阀34并联连接。但是，在本发明中，制热剂回路32的结构不限定于此，即使低级侧制热剂-制冷剂热交换器12和高级侧制热剂-制冷剂热交换器22串联连接也不会对本发明的效果产生影响。

下面，在对控制上述二级热泵单元1和制热单元30的控制装置2进行说明后，对本发明的热泵式制热装置H的具体控制进行说明。首先，参照图2的控制框图对控制装置2进行说明。

控制装置2由通用的微型计算机构成，其兼具上述电磁开关阀6、7，以及本发明中作为构成流路控制单元的控制单元的功能。该控制装置2内置有作为存储单元的存储器41和作为定时单元的计时器42等。

并且，在该控制装置2的输入侧连接有：检测外部空气温度的外部空气温度传感器50，检测低级侧压缩机11的喷出温度的低级侧喷出温度传感器51，检测流入低级侧冷冻回路10的蒸发器15中的制冷剂温度的除霜温度传感器52，检测高级侧压缩机21的喷出温度的高级侧喷出温度传感器53，检测从低级侧制热剂-制冷剂热交换器12输出至制热终端31的低级侧去流制热剂温度的低级侧去流制热剂温度传感器(低级侧去流制热剂温度检测单元)54，检测从高级侧制热剂-制冷剂热交换器22输出至制热终端31的高级侧去流制热剂温度的高级侧去流制热剂温度传感器(高级侧去流制热剂温度检测单元)55，检测从低级侧制热剂-制冷剂热交换器12流出的制热剂和从高级侧制热剂-制冷剂热交换器22流出的制热剂合流后被输出至制热终端31的去流制热剂温度的去流制热剂温度传感器(去流温度检测单元)56，检测从制热终端31流出的回流制热剂温度的回流制热剂温度传感器(回流制热剂温度检测单元)57，以及作为进行各种设定的输入单元的控制面板60等。

在本实施方式的热泵式制热装置H中，控制面板60可以在规定的温度范围内随意设定输出至制热终端31的去流制热剂温度。作为可设定的去流制热剂温度范围例如为40℃～70℃。该可设定的去流制热剂温度范围不限定于此，能够根据热泵式制热装置H的使用环境等来任意决定。

此外，在该控制装置2的输出侧连接有低级侧压缩机11、低级侧膨胀阀14、高级侧压缩机21、高级侧膨胀阀23、电磁开关阀6、7、蒸发器用送风机16、循环泵36以及三通阀34等。

在本实施方式中，低级侧压缩机11和高级侧压缩机21分别经由逆变器连接。因此，控制装置2进行这些压缩机11、21的运行/停止控制，并且可以线性控制压缩机的运行频率。此外，也经由逆变器连接循环泵36。控制装置2控制该循环泵36的运行/停止，并且可以在规定下限值至上限值之间线性控制循环泵36的转速。

此外，低级侧膨胀阀14和高级侧膨胀阀23是所谓的电子膨胀阀，基于由控制装置2产生的驱动脉冲，可利用步进电动机驱动控制阀开度。并且，三通阀34也可基于由控制装置2产生的驱动脉冲，利用步进电机线性控制阀开度，并控制流向低级侧制热剂-制冷剂热交换器12或高级侧制热剂-制冷剂热交换器22的制热剂分流比率。

利用以上结构，接着对本实施方式的热泵式制热装置H的动作进行说明。本实施方式的热泵式制热装置H，基于从制热终端31流出的制热剂的回流温度和外部空气温度，在仅运行低级侧压缩机11并使高级侧压缩机21停止的一级运行、运行低级侧压缩机11和高级侧压缩机21双方的二级运行及使低级侧压缩机11和高级侧压缩机21停止的待机运行之间执行转移控制。以下参照图3的运行区域映射和图4的流程图对具体动作进行说明。

首先，在步骤S1中，控制装置2判断从制热终端31流出的制热剂的当前回流温度，具体而言即回流制热剂温度传感器57检测的温度是否低于预先在存储器41中存储的规定高温阈值。在第2内部热交换器3中低级侧冷冻回路10的低压侧的制冷剂和高级侧冷冻回路20的高压侧的制冷剂未进行热交换的状态下进行二级运行时，优选地，将该制热剂高温阈值设定为低级侧压缩机11及/或高级侧压缩机21的吸入温度和吸入压力不超过适当使用范围界线的制热剂回流温度。

在步骤S1中，控制装置2判断出当前的制热剂回流温度低于高温阈值时，进入步骤S11。在步骤S11中，控制装置2判断当前外部空气温度，具体而言即外部空气温度传感器50检测的温度是否在预先存储于存储器41中的规定的频繁除霜运行温度范围内。优选地，该频繁除霜运行温度范围的上限温度设定为相对湿度较高、容易在低级侧冷冻回路10的蒸发器15上结霜的外部空气温度的上限温度。具体而言，更优选地设定为相对湿度为40％以上的外部空气温度。并且，该频繁除霜运行温度范围的下限温度优选设定为使制热能力优先的极低外部空气温度，例如设定为-5℃。

在步骤S11中，控制装置2判断出当前的外部空气温度不在频繁除霜运行温度范围内的情况下进入步骤S2。在步骤S2中，控制装置2从当前的运行状态转移至运行低级侧压缩机11及高级侧压缩机21的二级运行的、即在第2内部热交换器3中使低压侧冷冻回路10的低压侧的低温制冷剂和高压侧冷冻回路20的高压侧的高温制冷剂不进行热交换的二级运行时通常控制模式。具体而言，控制装置2关闭对制冷剂流入高压侧冷冻回路20的第2内部热交换器3进行控制的电磁开关阀6，并打开对制冷剂流入绕过该第2内部热交换器3的旁通配管4的电磁开关阀7。

在该二级运行时的通常控制模式下，通过使高级侧冷冻回路20的高压侧的高温制冷剂流入绕过第2内部热交换器3的旁通配管4侧，使低级侧冷冻回路10的低压侧的低温制冷剂和高级侧冷冻回路20的高压侧的高温制冷剂不进行热交换。因此，能够充分发挥制热能力，实现更有效地制热运行。之后，控制装置2从步骤S2返回至步骤S1。

在上述步骤S11中，控制装置2判断出当前的外部空气温度在频繁除霜运行温度范围内时进入步骤S12。在步骤S12中，控制装置2从当前的运行状态转移至在第2内部热交换器3中使低级侧冷冻回路10的低压侧的低温制冷剂和高压侧冷冻回路20的高压侧的高温制冷剂进行热交换的高级侧制冷剂冷却控制模式。具体而言，控制装置2打开对制冷剂流入高压侧冷冻回路20的第2内部热交换器3进行控制的电磁开关阀6，并关闭对制冷剂流入绕过该第2内部热交换器3的旁通配管4进行控制的电磁开关阀7。

由此，本实施例涉及的热泵式制热装置H在运行低级侧压缩机11和高级侧压缩机21双方的二级运行时，从制热终端31流出的制热剂回流温度高于规定的高温阈值，并且外部空气温度在频繁除霜运行温度范围内的情况下，该热泵式制热装置H能够使高级侧冷冻回路20的高压侧的高温制冷剂流入第2内部热交换器3内，并在该第2内部热交换器3中与低级侧冷冻回路10的低压侧的低温制冷剂进行热交换。

因此，在二级运行时，外部空气温度在频繁除霜运行温度范围内的情况下，通过使低级侧冷冻回路10的低压侧的低温制冷剂温度上升能够提高低级侧冷冻回路10整体的温度。即，能够提高低压侧压缩机11吸入制冷剂的温度，并提高流入蒸发器15内的温度。通常，蒸发器15的除霜运行是在由除霜温度传感器52检测出流入蒸发器15内的温度低于规定阈值的情况下，通过将低级侧膨胀阀14完全打开使高温制冷剂流入蒸发器15内来进行，因此在外部空气温度处于相对湿度变高的温度带的情况下，在蒸发器15容易结霜而频繁执行除霜运行。相对于此，根据本发明，当外部空气温度在相对湿度变高的频繁除霜运行温度范围内的情况下，通过转移至高级侧制冷剂冷却控制模式，提高流入蒸发器15内的温度，能够抑制在蒸发器15结霜，避免频繁地进行除霜运行。由此，可以显著改善由于执行除霜运行导致感觉制热不足的情况。

另一方面，在上述步骤S1中，控制装置2判断出当前的制热剂回流温度在高温阈值以上时进入步骤S3，判断当前的制热剂回流温度是否高于所述高温阈值，并且低于预先在存储器41中存储的规定运行切换阈值。在第2内部热交换器3中使低级侧冷冻回路10的低压侧的制冷剂和高级侧冷冻回路20的高压侧的制冷剂已进行热交换的状态下进行了二级运行时，优选地，将该制热剂回流温度的运行切换阈值设定为低级侧压缩机11及/或高级侧压缩机21的吸入温度和吸入压力不超过适当使用范围的制热剂回流温度。

在步骤S3中，控制装置2判断出当前的制热剂回流温度低于运行切换阈值时进入步骤S4，判断当前的外部空气温度，具体而言即外部空气温度传感器50检测的温度是否在预先存储于存储器41中的规定的高级侧冷却运行上限温度以下。二级运行时，在第2内部热交换器3执行使低级侧冷冻回路10的低压侧的制冷剂和高级侧冷冻回路20的高压侧的制冷剂进行热交换的高级侧制冷剂冷却控制模式时，优选地，将该高级侧冷却运行上限温度设定为低级侧压缩机及/或高级侧压缩机的吸入温度和吸入压力不超过适当使用范围的界线温度中任何较高的温度。

在步骤S4中，当前的外部空气温度高于上述高级侧冷却运行上限温度时，控制装置2进入步骤S5，转移至使高级侧压缩机21运行停止，仅运行低级侧压缩机11的一级运行。之后，控制装置2返回至步骤S1。

另一方面，在步骤S4中，当前的外部空气温度在上述高级侧冷却运行上限温度以下时，控制装置2进入步骤S6。在步骤S6中，控制装置2从当前的运行状态转移至使低级侧冷冻回路10的低压侧的低温制冷剂和高级侧冷冻回路20的高压侧的高温制冷剂进行热交换的高级侧制冷剂冷却控制模式。具体而言，控制装置2打开对制冷剂流入高压侧冷冻回路20的第2内部热交换器3进行控制的电磁开关阀6，并关闭对制冷剂流入绕过该第2内部热交换器3的旁通配管4进行控制的电磁开关阀7。

由此，本实施例涉及的热泵式制热装置H在运行低级侧压缩机11和高级侧压缩机21双方的二级运行时，从制热终端31流出的制热剂回流温度高于规定的高温阈值，并且外部空气温度在高级侧冷却运行上限温度以下的情况下，该热泵式制热装置H能够使高级侧冷冻回路20的高压侧的高温制冷剂流入第2内部热交换器3内，并在该第2内部热交换器3中与低级侧冷冻回路10的低压侧的低温制冷剂进行热交换。

此处，图5～图7表示本实施例中低级侧冷冻回路10及高级侧冷冻回路20的莫里尔曲线图。图5是将二级运行时通常控制模式下的制热剂回流温度设为规定的高温阈值时的莫里尔曲线图，图6是将高级侧制冷剂冷却控制模式的制热剂回流温度设为规定的运行切换阈值时的莫里尔曲线图。此外，图7是与本实施例的比较图，是二级运行时保持通常控制模式下将制热剂回流温度设为规定的运行切换阈值时的莫里尔曲线图。

在各图中，a→b→c→d表示低级侧冷冻回路10的热循环，e→f→g→h表示高级侧冷冻回路20的热循环。在图5中，A是通过低级侧制热剂-制冷剂热交换器12获得的热量，B是通过高级侧制热剂-制冷剂热交换器22获得的热量。该A和B的合计值是作为制热用所获得的热量。在图5中，C表示高于外部空气温度，但难以作为制热用的余热量，在级联热交换器13中，低级侧冷冻回路10的余热量被用作高级侧冷冻回路20的吸热源。由此，热泵式制热装置H在级联热交换器13中将无法直接用于制热但高于外部空气温度的低级侧冷冻回路10的余热作为高级侧冷冻回路20的吸热源进行良好地回收并进行运行，因此与将外部空气作为吸热源相比能够减小压缩比，以较高COP(性能系数)运行。

另一方面，在图6中，D是通过低级侧制热剂-制冷剂热交换器12获得的热量，E是通过高级侧制热剂-制冷剂热交换器22获得的热量。并且，F是第2内部热交换器3中高级侧冷冻回路20的剩余热量，其作为低级侧冷冻回路10的吸热源被回收。图7中，由于在第2内部热交换器3中高级侧冷冻回路20的高压侧的高温制冷剂与低级侧冷冻回路10的低压侧的低温制冷剂未进行热交换，因此如图6所示的高级侧冷冻回路20的剩余热量未回收至低级侧冷冻回路10。因此，图7中制热剂回流温度高，在高级侧冷冻回路20的高级侧制热剂-制冷剂热交换器22中，高级侧冷冻回路20内的制冷剂未充分进行放热，即使通过高级侧膨胀阀23减压也无法使电路内的压力充分地下降。因此，由图7可知，制冷剂在高压状态下被直接吸入高级侧压缩机21。与此相对，图6中，由于在第2内部热交换器3中高级侧冷冻回路20的剩余热量被回收至低级侧冷冻回路10中，因此能够在使焓充分地降低的状态下通过高级侧膨胀阀23进行减压。因此可知，能够在使电路内压力充分地降低的状态下使制冷剂被吸入高级侧压缩机21。

通过利用了上述莫里尔曲线图说明的内容可知，本发明的热泵式制热装置H通过在第2内部热交换器3中使高级侧冷冻回路20的高压侧的高温制冷剂和低级侧冷冻回路10的低压侧的低温制冷剂进行热交换，从而能有效降低高级侧冷冻回路20的高压侧的制冷剂温度，可以降低被吸入至高压侧压缩机21的制冷剂的温度和压力。因此，即使达到以往压缩机无法继续运行的制热剂回流温度，也可将高级侧压缩机21的吸入温度和吸入压力控制在适当使用范围内并可继续进行二级运行。

由于能够尽量抑制从二级运行转移至仅运行低级侧压缩机11的一级运行，因此可预先避免由于暂时停止高级侧压缩机21所产生的被制热空间温度下降及感觉制热不足的情况。

此外，本实施方式中，在二级运行时，当判断出从制热终端31流出的制热剂回流温度为步骤S1中规定的高温阈值以上时，控制装置2在步骤S6中对电磁开关阀6、7进行开关控制，使高级侧冷冻回路20的高压侧含有剩余热量的高温制冷剂流入第2内部热交换器3内，并在该第2内部热交换器3中与低级侧冷冻回路10的低压侧的低温制冷剂进行热交换。因此，即使制热剂回流温度为高温阈值以上，也能够使高级侧冷冻回路20的制热能力下降，抑制高级侧压缩机21的吸入温度及吸入压力的上升，因此如上所述，当制热剂回流温度在高温阈值以上时也可以继续进行二级运行。

此外，在本实施方式中，控制装置2在步骤S4中判断出外部空气温度为规定的高级侧冷却运行上限温度以下时，通过使高级侧冷冻回路20的高压侧的制冷剂流入第2内部热交换器3内，能够抑制低级侧压缩机11的吸入温度及吸入压力的异常上升并继续进行二级运行。

如上所述，在图4流程图的步骤S6中，控制装置2转移至高级侧制冷剂冷却控制模式后，返回至步骤S1。另一方面，在上述步骤S3中，判断出当前的制热剂回流温度为上述运行转换阈值以上时，进入步骤S7。在步骤S7中，控制装置2判断当前的制热剂回流温度是否低于预先在存储器41中存储的规定运行停止阈值。该制热剂回流温度的运行停止阈值优选地设定为在进行一级运行的情况下低级侧压缩机11的吸入温度和吸入压力不超过适当使用范围界线的制热剂回流温度。控制装置2在步骤S7中判断出当前的制热剂回流温度低于运行停止阈值时，进入步骤S8，转移至使高级侧压缩机21运行停止，仅运行低级侧压缩机11的一级运行。之后，控制装置2返回至步骤S1。

另外，在本实施方式中，控制装置2从步骤S8返回至步骤S1，当制热剂回流温度低于规定的高温阈值时，从一级运行恢复至二级运行。此外，制热剂回流温度为规定的高温阈值以上(步骤S1中为否)，且低于规定的运行切换阈值时(步骤S3中为是)，也从一级运行恢复至二级运行。此时，运行切换阈值具有规定的温度范围，例如从一级运行恢复至二级运行时，优选地将比从二级运行转移至一级运行时更低的温度作为从一级运行恢复至二级运行的运行转移阈值来使用。并且，为了避免高级侧压缩机21频繁启停，优选地在被启动的压缩机停止后经过规定时间的前提下，重新运行高级侧压缩机21。

控制装置2在上述步骤S7中，判断出当前的制热剂回流温度在运行停止阈值以上时，进入步骤S9，使低级侧压缩机11的运行停止后进入步骤S10，转移至待机运行。该待机运行中，控制装置2判断当前的制热剂回流温度是否低于预先在存储器41中存储的恢复运行的规定低温阈值，在该制热剂回流温度低于低温阈值的情况下仅运行低级侧压缩机11转移至一级运行，或者运行低级侧压缩机11和高级侧压缩机21转移至二级运行。另外，为了避免压缩机频繁启停，优选地，在被启动的压缩机停止后经过规定时间的前提下，重新运行压缩机。

在本实施方式中，制热剂回流温度在运行切换阈值以上且低于运行停止阈值时，进行一级运行。因此，虽然在步骤S8中从二级运行转移至一级运行，但是不限定于此，当设定运行切换阈值提高至运行停止阈值时，步骤S8可以使高级侧压缩机21和低级侧压缩机11的运行都停止，之后转移至的待机运行。

此外，本实施方式如上文所述，通过在高级侧冷冻回路20的高级侧制热剂-制冷剂热交换器22的制冷剂流出侧和高级侧膨胀阀23的制冷剂流入侧之间设置绕过第2内部热交换器3的旁通配管4，控制制冷剂流入第2内部热交换器3侧和旁通配管4侧，从而进行使低级侧冷冻回路10的低压侧的低温制冷剂与所述高级侧冷冻回路20的高压侧的高温制冷剂进行热交换的高级侧制冷剂冷却控制模式、和不进行热交换的二级运行时通常控制模式的切换控制。

但是，本发明不限定于此，也可以通过在低级侧冷冻回路10的蒸发器15的制冷剂流出侧和低级侧压缩机11的制冷剂吸入侧之间设置绕过第2内部热交换器3的旁通配管4，控制制冷剂流入第2内部热交换器3侧和旁通配管4侧，从而进行使低级侧冷冻回路10的低压侧的低温制冷剂与所述高级侧冷冻回路20的高压侧的高温制冷剂进行热交换的高级侧制冷剂冷却控制模式、和不进行热交换的二级运行时通常控制模式的切换控制。

实施例

下面，对使用本发明涉及的热泵式制热装置的实施例进行说明。本实施例中，使用了上述本实施方式涉及的热泵式制热装置H。本实施例将运行条件设为：制热剂去流温度为70℃，外部空气温度为-10℃，低压侧压缩机11的运行频率为80Hz，高压侧压缩机21的运行频率为51Hz，制热剂循环流量在二级运行时通常控制模式下为5.6L/min，在高级侧制冷剂冷却控制模式下为4.4L/min(制热剂回流温度为58℃时)。以下参照附图，对在维持二级运行时通常控制模式的状态下使制热剂回流温度变化的情况，和在维持高级侧制冷剂冷却控制模式的状态下使制热剂回流温度变化的情况进行说明。

图8是表示在该运行条件下使制热剂回流温度变化时的高级侧冷冻回路20的压力变化的图。在图8中，以实线表示高级侧冷冻回路20的低压侧的压力变化，以虚线表示高级侧冷冻回路20的高压侧的压力变化。并且，对维持二级运行时通常控制模式的情况标注黑色方块，对维持高级侧制冷剂冷却控制模式的情况标注黑色圆形。

由图8可知，与二级运行时通常控制模式相比，执行高级侧制冷剂冷却控制模式时，高压侧和低压侧的压力均下降。高压侧的压力例如制热剂回流温度为高于上述高温阈值的温度即48℃时，下降了0.4MPa。由此确定，高压侧的压力即使制热剂回流温度变高，也不会由于执行高压侧制冷剂冷却控制模式而导致大幅的压力下降，其仍在该高压侧压缩机的使用范围内。

另一方面，低压侧的压力伴随着制热剂回流温度的上升，在二级运行时通常控制模式下和高级侧制冷剂冷却控制模式下都具有上升倾向。可知无论何种制热剂回流温度，与二级运行时通常控制模式相比，在低级侧冷冻回路和高级侧冷冻回路之间进行热交换的高级侧制冷剂冷却控制模式中压力均大幅下降。例如，制热剂回流温度为高于上述高温阈值的温度即48℃时，下降了0.8MPa。由此可知在制热剂回流温度更高的条件下，通过进行高级侧制冷剂冷却控制模式能够更有效地使低级侧的压力即使高级侧压缩机21的吸入压力下降。

图9示出上述运行条件下使制热剂回流温度变化时的高级侧压缩机21吸入温度的变化。在图9中，对维持二级运行时通常控制模式的情况标注黑色方块，对维持高级侧制冷剂冷却控制模式的情况标注黑色圆形。

由图9可知，与二级运行时通常控制模式相比，执行高级侧制冷剂冷却控制模式时，高级侧压缩机21的吸入温度伴随着制热剂回流温度的上升呈上升倾向。可知无论何种制热剂回流温度，与二级运行时通常控制模式相比，在低级侧冷冻回路和高级侧冷冻回路之间进行热交换的高级侧制冷剂冷却控制模式中高压侧压力机21的吸入温度均大幅下降。例如，制热剂回流温度为高于上述高温阈值的温度即48℃时，吸入温度下降了14℃。

因此，根据图8及图9的实验结果可知，即使达到未采用高级侧制冷剂冷却控制模式的、使以往高级侧压缩机无法继续运行的回流制热剂温度，也可通过执行高级侧制冷剂冷却控制模式将高级侧压缩机的吸入温度和吸入压力控制在适当使用范围内，并可继续进行二级运行直至更高的回流制热剂温度。

接着，图10示出了制热剂回流温度在上述高温阈值(47℃)时，从二级运行时通常控制模式切换成高级侧制冷剂冷却控制模式时的热泵式制热装置H整体的制热能力变化和COP(性能系数)变化。当制热剂回流温度低于相当于高温阈值的47℃时执行二级运行时通常控制模式，因此在第2内部热交换器3中高级侧冷冻回路20的高压侧和低压侧冷冻回路的低压侧不进行热交换。因此，在制热剂回流温度达到高温阈值前能够以较高的制热能力进行二级运行。

当制热剂回流温度为高温阈值以上时，若继续进行二级运行时通常控制模式，则低级侧压缩机的吸入压力和吸入温度恐怕超过适当使用范围，因此当制热剂回流温度为高温阈值以上时转移至在第2内部热交换器3中使高级侧冷冻回路20的高压侧和低压侧冷冻回路的低压侧进行热交换的高级侧制冷剂冷却控制模式。因此，能够使低级侧压缩机的吸入压力和吸入温度不超过适当使用范围并继续进行二级运行。

此时，由图10可知，制热剂回流温度在47℃左右时，在二级运行时通常控制模式中制热能力为5.8kW，与此相对，在高级侧制冷剂冷却控制模式中制热能力下降至4.8kW。在高级侧制冷剂冷却控制模式中，伴随着制热剂回流温度升高，高级侧制热剂-制冷剂热交换器22的热交换效率下降，因此制热能力下降。但是，虽然仍在继续运行低级侧压缩机11和高级侧压缩机21双方，但只要通过使高级侧冷冻回路20的高压侧和低级侧冷冻回路的低压侧进行热交换，即可减小各个压缩机的压缩比，因此能够将消耗电量抑制得较小。

因此，本发明即使在制热剂回流温度上升时，也能够将COP(性能系数)的下降抑制在最小限度并且继续二级运行，因此能够极力抑制从二级运行转移至仅运行低级侧压缩机的一级运行。由此，可以预先避免由于暂时停止高级侧压缩机21所产生的被制热空间温度下降及感觉制热不足的情况。

工业上的实用性

本发明涉及的热泵式制热装置是具备低级侧冷冻回路和高级侧冷冻回路的热泵式制热装置，即使在制热剂回流温度达到规定的高温阈值，必须停止高级侧压缩机的条件下，也可通过在第2内部热交换器使高级侧冷冻回路的高压侧的高温制冷剂和低级侧冷冻回路的低压侧的低温制冷剂进行热交换，从而继续进行二级运行直至回流制热剂温度升高。因此，即使是在以往必须从二级运行转移至一级运行的条件下，仍可继续进行二级运行，从而能消除由于停止高级侧压缩机导致制热感的恶化。此外，即使外部空气温度在规定的频繁除霜运行温度范围内时，只要通过在第2内部热交换器使高级侧冷冻回路的高压侧的高温制冷剂和低级侧冷冻回路的低压侧的低温制冷剂进行热交换，即可抑制在蒸发器结霜，避免频繁进行除霜运行。

标号说明

H 热泵式制热装置

1 二级热泵单元

2 控制装置(控制单元。流路控制单元。)

3 第2内部热交换器

4 旁通配管

6、7 电磁开关阀(流路控制单元)

10 低级侧冷冻回路

11 低级侧压缩机

12 低级侧制热剂-制冷剂热交换器

13 级联热交换器

14 低级侧膨胀阀(低级侧减压单元)

15 蒸发器

16 蒸发器用送风机

18 第1内部热交换器

20 高级侧冷冻回路

21 高级侧压缩机

22 高级侧制热剂-制冷剂热交换器

23 高级侧膨胀阀(高级侧减压单元)

30 制热单元

31 制热终端

32 制热剂回路

33 流量调整阀(流量调整单元)

34 三通阀(分流调整单元)

36 循环泵

41 存储器

50 外部空气温度传感器

51 低级侧喷出温度传感器

53 高级侧喷出温度传感器

54 低级侧去流制热剂温度传感器(低级侧去流制热剂温度检测单元)

55 高级侧去流制热剂温度传感器(高级侧去流制热剂温度检测单元)

56 去流制热剂温度传感器(去流温度检测单元)

57 回流制热剂温度传感器(回流制热剂温度检测单元)

60 控制面板(输入单元)