JP2019207088A - ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】制御の複雑化および高コスト化を抑えつつ、広範囲な流量制御性や季節変動による外気温度の変化に対応するとともに、システムを安定して運転するヒートポンプシステムを提供する。【解決手段】冷媒として二酸化炭素が循環する冷媒循環ライン１０と、冷媒循環ライン１０に直列に接続された圧縮機１１、凝縮器１２、膨張弁１３および蒸発器１４と、を備えたヒートポンプシステム１であって、冷媒循環ライン１０において凝縮器１２と膨張弁１３との間の位置に接続され、冷媒を貯留するタンク１５と、冷媒循環ライン１０においてタンク１５と膨張弁１３との間の位置から分岐し、冷媒循環ライン１０において膨張弁１３と蒸発器１４との間の位置に合流するバイパスライン２０と、を備え、タンク１５の冷媒充填量は、夏期最高温度時に系内圧力が圧力閾値より小さくなるように設定され、タンク１５は、鉛直方向に延在する筒状をなしている。【選択図】図２

Description

本発明は、ヒートポンプシステムに関する。

従来、冷媒が循環する冷媒循環ラインと、冷媒循環ラインに直列に接続された圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器を備え、ヒートポンプサイクルを構成するヒートポンプシステム（以下単に「システム」ともいう。）が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第２８０４８４４号公報

ところで、蒸発器においては、冷媒に蒸発熱を与える熱源体（熱媒体）の温度が、熱源体の種類により大きく異なる。熱源体の温度により、システムを流れる冷媒の体積が異なってくるため、配管中の冷媒が不足することがある。さらに、熱源体として水を用いた場合には、水は空気よりも熱伝達率が高いため、熱源の温度に合わせて冷媒の流量制御に広い調整範囲が求められる。冷媒が過剰に充填されている場合は、同じ膨張弁の容量（Ｃｖ値）でも通過する流量は多くなる。したがって、流量調整および温度追従は、一般的には容易になり易い。
一方、季節変動による外気温度の変化に応じて、夏期の昼間のように冬期よりも外気温度が高い場合には、冷媒の体積が増加しやすい。特に、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）を用いた場合には、二酸化炭素は臨界点が低いため（３１.１℃）、夏期に気化しやすく、システム内（配管内）の圧力（以下「系内圧力」ともいう。）が過度に高くなりやすい。この対策として、夏期に稼働していないシステムでは冷媒を外部に回収することも考えられるが、冬期前に冷媒を再充填する必要があり、手間がかかる。
したがって、夏期に過度に圧力が高くならない最小な冷媒充填量状態において、様々な熱源体の温度に対応できる流量制御性という、相反する条件の両立がシステムに求められる。
仮に、膨張弁を一つのみ備えたシステム構成では、前述のような条件では膨張弁の容量が足らず、熱源体の温度に合わせて冷媒の流れを調整することが困難となり、冷媒量が不足し、システムを安定して運転することができない可能性がある。このような場合に、冷媒の流れを調整する観点からは、膨張弁を大容量（例えば容量二倍以上）とすることが考えられる。しかし、膨張弁を大容量とすると、制御が複雑化したりコストアップしたりしやすい。

以上のような事情に鑑み、本発明は、制御の複雑化および高コスト化を抑えつつ、広範囲な流量制御性や季節変動による外気温度の変化に対応するとともに、システムを安定して運転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を目的とする。

本発明の一態様に係るヒートポンプシステムは、冷媒として二酸化炭素が循環する冷媒循環ラインと、前記冷媒循環ラインに直列に接続された圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器と、を備え、ヒートポンプサイクルを構成するヒートポンプシステムであって、前記冷媒循環ラインにおいて前記凝縮器と前記膨張弁との間の位置に接続され、冷媒を貯留するタンクと、前記冷媒循環ラインにおいて前記タンクと前記膨張弁との間の位置から分岐し、前記冷媒循環ラインにおいて前記膨張弁と前記蒸発器との間の位置に合流するバイパスラインと、を備え、前記タンクの冷媒充填量は、夏期最高温度時に系内圧力が圧力閾値より小さくなるように設定され、前記タンクは、鉛直方向に延在する筒状をなしていることを特徴とする。

この構成によれば、冷媒循環ラインにおいてタンクと膨張弁との間の位置から分岐し、冷媒循環ラインにおいて膨張弁と蒸発器との間の位置に合流するバイパスラインを備えることで、タンクから膨張弁を通じて蒸発器に向かおうとする冷媒の一部をバイパスラインに流すことができる。そのため、システムにおいて冷媒が不足することを抑制し、膨張弁において冷媒の流れを調整することができる。加えて、膨張弁を大容量とする必要がないため、制御の複雑化および高コスト化を抑えることができる。加えて、冷媒循環ラインにおいて凝縮器と膨張弁との間の位置に接続され、冷媒を貯留するタンクを備えることで、過剰となった冷媒はタンクで貯留されるため、系内圧力が過度に高くなることを抑制することができる。これにより、夏期にシステムから冷媒を抜く必要がなくなる。したがって、制御の複雑化および高コスト化を抑えつつ、広範囲な流量制御性や季節変動による外気温度の変化に対応するとともに、システムを安定して運転することができる。加えて、臨界点が低い二酸化炭素を冷媒として用いた構成において、システムを安定して運転することができる。加えて、自然冷媒ではないフロン系冷媒を用いないため、温暖化対策に好適である。加えて、タンクの冷媒充填量は、夏期最高温度時に系内圧力が圧力閾値より小さくなるように設定されていることで、夏期最高温度時においても、冷媒はほぼ全てタンクで貯留されるため、系内圧力が過度に高くなることを抑制することができる。加えて、タンクは、鉛直方向に延在する筒状をなしていることで、タンクが縦置きとなるため、タンクを横置きとした場合と比較して、装置内のタンクの設置床面積を小さくすることができ、タンク内の冷媒収容空間（バッファ容量）に余裕を持たせることができる。夏期等のように冬期よりも冷媒の液変動が大きい場合（圧力上昇が大きい場合）でも、圧力上昇を許容することができる。

本発明の一態様において、前記バイパスラインに接続されたバイパス弁および電磁弁と、前記膨張弁の開度が開度上限値より大きいときに前記電磁弁を開く制御部と、を更に備え、前記制御部は、前記膨張弁の開度が開度上限値より大きい時間が時間閾値よりも長いときに前記電磁弁を開き、前記電磁弁を開いた後、前記膨張弁の開度を目標開度に設定してもよい。
この構成によれば、タンクから膨張弁を通じて蒸発器に向かおうとする冷媒が不足するなる前に、冷媒の一部をバイパスラインに流すことができるため、システムをより安定して運転することができる。加えて、制御部は、膨張弁の開度が開度上限値より大きい時間が時間閾値よりも長いときに電磁弁を開くことで、電磁弁を開くタイミングが制限されるため、システムをより安定して運転することができる。加えて、制御部は、電磁弁を開いた後、膨張弁の開度を目標開度に設定することで、タンクからバイパスラインを通じて蒸発器に向かう冷媒の流れを一定に維持しつつ、膨張弁において目標開度分の冷媒の流れを調整することができるため、システムをより安定して運転することができる。

本発明の一態様において、前記冷媒循環ラインにおいて前記蒸発器と前記圧縮機との間の位置に接続された圧力センサと、前記冷媒循環ラインにおいて前記蒸発器と前記圧縮機との間の位置に接続された温度センサと、を更に備え、前記制御部は、前記電磁弁を開いた後、前記膨張弁の開度が開度下限値より小さいときに前記電磁弁を閉じるか、もしくは、前記圧力センサの検知圧力から算出した吸入飽和温度と、前記温度センサの検知温度とに基づいて吸入過熱度を算出し、前記吸入過熱度が温度閾値以下のときに前記電磁弁を閉じてもよい。
この構成によれば、タンクから膨張弁を通じて蒸発器に向かおうとする冷媒が過剰になる前に、冷媒がバイパスラインに流れることを即座に遮断することができるため、システムをより安定して運転することができる。
ところで、吸入過熱度が過度に低いときに電磁弁が開いていると、吸入ガスにミスト状の冷媒液が混ざり、圧縮機を安定して運転することができなくなる。これに対し、この構成によれば、吸入過熱度が過度に低いときには電磁弁が閉じるので、吸入ガスにミスト状の冷媒液が混ざることを抑え、圧縮機を安定して運転することができる。

本発明の一態様において、前記膨張弁として、前記冷媒循環ラインに並列に接続された複数の膨張弁が設けられていてもよい。
この構成によれば、複数の膨張弁において冷媒の流れを調整することができるため、膨張弁を一つのみ備えた構成と比較して、冷媒の流れの調整に幅が広がるとともに、冷媒の流れを高精度で調整することができる。

本発明の一態様において、前記凝縮器として、前記冷媒循環ラインに並列に接続された複数の凝縮器が設けられていてもよい。
この構成によれば、複数の凝縮器を備えた構成において、システムを安定して運転することができる。

本発明の一態様において、前記蒸発器として、前記冷媒循環ラインに並列に接続された複数の蒸発器が設けられていてもよい。
この構成によれば、複数の蒸発器を備えた構成において、システムを安定して運転することができる。

本発明の一態様において、前記蒸発器において前記冷媒に蒸発熱を与える熱源体は、水であってもよい。
この構成によれば、水は空気よりも熱伝達率が高いため、システムＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を向上させやすい。

本発明の一態様に係るヒートポンプシステムは、冷媒として二酸化炭素が循環する冷媒循環ラインと、前記冷媒循環ラインに直列に接続された圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器と、を備え、ヒートポンプサイクルを構成するヒートポンプシステムであって、前記冷媒循環ラインにおいて前記凝縮器と前記膨張弁との間の位置に接続され、前記冷媒を貯留するタンクと、前記冷媒循環ラインにおいて前記タンクと前記膨張弁との間の位置から分岐し、前記冷媒循環ラインにおいて前記膨張弁と前記蒸発器との間の位置に合流するバイパスラインと、前記バイパスラインに接続されたバイパス弁および電磁弁と、前記電磁弁を制御する制御部と、を備え、前記膨張弁として、前記冷媒循環ラインに並列に接続された二つの膨張弁が設けられ、前記凝縮器として、前記冷媒循環ラインに並列に接続された二つの凝縮器が設けられ、前記蒸発器として、前記冷媒循環ラインに並列に接続された二つの蒸発器が設けられ、前記二つの蒸発器において前記冷媒に蒸発熱を与える熱源体は、水であることを特徴とする。
この構成によれば、二つの膨張弁、二つの凝縮器および二つの蒸発器を備え、臨界点が低い二酸化炭素を冷媒として用い、空気よりも温度変動しやすい水を熱源体として用いた構成において、制御の複雑化および高コスト化を抑えつつ、広範囲な流量制御性や季節変動による外気温度の変化に対応するとともに、システムを安定して運転することができる。

本発明によれば、制御の複雑化および高コスト化を抑えつつ、広範囲な流量制御性や季節変動による外気温度の変化に対応するとともに、システムを安定して運転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ができる。

実施形態に係るヒートポンプシステムの斜視図。 実施形態に係るヒートポンプシステムの概略図。 実施形態に係る冷媒の流れの説明図。 実施形態に係るタンクの概略図。 実施形態に係るヒートポンプシステムの制御のフローチャート。 実施形態の第一変形例に係るヒートポンプシステムの概略図。 実施形態の第一変形例に係る冷媒の流れの説明図。 実施形態の第二変形例に係るヒートポンプシステムの概略図。 実施形態の第二変形例に係る冷媒の流れの説明図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。各図において、同一構成については同一の符号を付す。実施形態においては、ヒートポンプシステムの一例として、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）を用い、冷媒に蒸発熱を与える熱源体として水を用いたヒートポンプ融雪システムを挙げて説明する。

［ヒートポンプシステム１］
図１に示すように、ヒートポンプシステム１は、ヒートポンプサイクルを構成するヒートポンプ装置２を備える。図１において、符号３はヒートポンプ装置２に接続された不凍液循環ライン、符号４は不凍液を循環させるポンプをそれぞれ示す。

［ヒートポンプ装置２］
図２に示すように、ヒートポンプ装置２は、冷媒として二酸化炭素が循環する冷媒循環ライン１０と、冷媒循環ライン１０に直列に接続された圧縮機１１、凝縮器１２、膨張弁１３および蒸発器１４と、を備える。

冷媒循環ライン１０は、環状（閉回路）をなしている。図中矢印Ａ１（図３参照）は、冷媒循環ライン１０における冷媒の流れを示す。冷媒の流れ方向において、圧縮機１１、凝縮器１２、膨張弁１３および蒸発器１４は、この順に配置されている。

ヒートポンプ装置２は、冷媒循環ライン１０において凝縮器１２と膨張弁１３との間の位置に接続され、冷媒を貯留するタンク１５と、冷媒循環ライン１０においてタンク１５と膨張弁１３との間の位置から分岐し（分岐位置Ｐ１参照）、冷媒循環ライン１０において膨張弁１３と蒸発器１４との間の位置に合流するバイパスライン２０と（合流位置Ｐ２参照）、バイパスライン２０に接続されたバイパス弁２１と、バイパスライン２０においてバイパス弁２１と合流位置Ｐ２との間の位置に接続された電磁弁２２と、冷媒循環ライン１０において蒸発器１４と圧縮機１１との間の位置に接続された圧力センサ２３と、冷媒循環ライン１０において圧力センサ２３と圧縮機１１との間の位置に接続された温度センサ２４と、ヒートポンプ装置２の各要素を制御する制御部２５と、を備える。

［タンク１５］
タンク１５の冷媒充填量は、夏期最高温度時（例えば夏期４３℃時）に系内圧力が圧力閾値（例えば７ＭＰａ）より小さくなるように設定されている。図４に示すように、タンク１５は、鉛直方向に延在する筒状をなしている。タンク１５は、冷媒を上部から導入し、下端部から導出する構成とされている。図中符号１６は、タンク１５内の冷媒収容空間を示す。冷媒をタンク上部（気体部）から入れることで、凝縮器に液が溜まることを防ぐことができる。冷媒の取り出し位置をタンク下部に設けることで、冷媒を液で取り出すことが可能となり、膨張弁容量を抑えることができる。また、冷媒と共に冷凍機油も回収することが可能となる。

［冷媒などの流れ］
図３に示すように、圧縮機１１内で圧縮された高圧かつ高温の冷媒は、圧縮機１１から吐出される。圧縮機１１から吐出された冷媒は、凝縮器１２内で凝縮し、不凍液循環ライン３を通る不凍液を加熱する。例えば、凝縮器１２で加熱された不凍液は、冷媒と熱交換することによって、循環加温によって０℃程度から２７℃程度の温度にまで達する。凝縮器１２で加熱された不凍液は、不凍液循環ライン３を循環することによって、路面等に熱が伝わり、融雪に利用される。図中矢印Ｃ１は、不凍液循環ライン３における不凍液の流れを示す。

凝縮器１２から流れ出た冷媒は、タンク１５内に導入される。タンク１５では、一時的に冷媒が貯留される。タンク１５から流れ出た冷媒は、膨張弁１３で膨張して低圧かつ低温になる。蒸発器１４には、冷媒に蒸発熱を与える熱源体として水（以下「熱源水」ともいう。）が供給される。膨張弁１３から流れ出た冷媒は、蒸発器１４内で熱源水と熱交換し、蒸発潜熱を得て蒸発する。蒸発器１４で蒸発された冷媒は、再び圧縮機１１に流れ込み、圧縮機１１内で圧縮される。図３において、符号３０は熱源水供給ライン、符号３１は熱源水排出ライン、矢印Ｄ１は熱源水供給ラインにおける熱源水の流れ（供給方向）、矢印Ｄ２は熱源水排出ラインにおける熱源水の流れ（排出方向）をそれぞれ示す。例えば、熱源水は、河川水、海水、生活排水、工業排水、地下水などを用いてもよい。

電磁弁２２が開いているとき、タンク１５から流れ出た冷媒の一部は、バイパスライン２０に流れ込む。バイパスライン２０に流れ込んだ冷媒は、バイパス弁２１を通り、蒸発器１４に流れ込む。例えば、バイパス弁２１は、固定オリフィスおよびキャピラリー（細管）等の圧力損失発生手段であってもよい。図中矢印Ｂ１は、バイパスライン２０における冷媒の流れを示す。

［ヒートポンプシステムの制御］
制御部２５は、ヒートポンプシステム１（ヒートポンプ装置２）の各要素を制御する。図５は、実施形態に係るヒートポンプシステム１の制御のフローチャートである。以下、実施形態に係るヒートポンプシステム１の制御の一例を説明する。

まず、制御部２５は、圧縮機１１が運転中であるか否かを判定する（ステップＳ１）。
制御部２５は、圧縮機１１が運転中であると判定した場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ２に進める。
制御部２５は、圧縮機１１が運転中でないと判定した場合（ステップＳ１：Ｎｏ）、処理を終了する。

ステップＳ２において、制御部２５は、電磁弁２２が開いているか否かを判定する。
制御部２５は、電磁弁２２が開いていると判定した場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ７に進める。
制御部２５は、電磁弁２２が開いていない（閉じている）と判定した場合（ステップＳ２：Ｎｏ）、処理をステップＳ３に進める。

ステップＳ３において、制御部２５は、膨張弁１３の開度（以下「膨張弁開度」ともいう。）が開度上限値を超えているか否かを判定する。例えば、開度上限値は、９０％に設定されている。
制御部２５は、膨張弁開度が開度上限値を超えていると判定した場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ４に進める。
制御部２５は、膨張弁開度が開度上限値を超えていない（開度上限値以下）と判定した場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、処理を終了する。

ステップＳ４において、制御部２５は、膨張弁開度が開度上限値を超えている時間（以下「上限値超過時間」ともいう。）が時間閾値を超えているか否かを判定する。例えば、時間閾値は、１分に設定されている。
制御部２５は、上限値超過時間が時間閾値を超えていると判定した場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ５に進める。
制御部２５は、上限値超過時間が時間閾値を超えていない（時間閾値以下）と判定した場合（ステップＳ４：Ｎｏ）、処理を終了する。

ステップＳ５において、制御部２５は、電磁弁２２を開く。これにより、タンク１５から膨張弁１３を通じて蒸発器１４に向かおうとする冷媒の一部は、バイパスライン２０に流れ込む。

次に、ステップＳ６において、制御部２５は、膨張弁開度を目標開度に一旦、設定する。例えば、目標開度は、４０％に設定されている。なお、膨張弁開度は、吸入過熱度を基に、適時ＰＩＤ演算を行って決定している。

一方、ステップＳ７において、制御部２５は、膨張弁開度が開度下限値を下回っているか否かを判定する。例えば、開度下限値は、２０％に設定されている。
制御部２５は、膨張弁開度が開度下限値を下回っていると判定した場合（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ９に進める。
制御部２５は、膨張弁開度が開度下限値を下回っていない（開度下限値以上）と判定した場合（ステップＳ７：Ｎｏ）、処理をステップＳ８に進める。

ステップＳ８において、制御部２５は、吸入過熱度が温度閾値以下であるか否かを判定する。例えば、温度閾値は、２℃に設定されている。
ここで、吸入過熱度は、制御部２５によって算出される。制御部２５には、圧力センサ２３の検知圧力と、温度センサ２４の検知温度（以下「吸入温度」ともいう。）と、が出力される。不図示の記憶部には、蒸気線図のマップデータが記憶されている。制御部２５は、圧力センサ２３の検知圧力と、記憶部における蒸気線図のマップデータとに基づいて、吸入飽和温度を算出する。制御部２５は、吸入飽和温度と、吸入温度とに基づいて、吸入過熱度を算出する。

制御部２５は、吸入過熱度が温度閾値以下であると判定した場合（ステップＳ８：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ９に進める。
制御部２５は、吸入過熱度が温度閾値以下でない（温度閾値を超えている）と判定した場合（ステップＳ８：Ｎｏ）、処理を終了する。

ステップＳ９において、制御部２５は、電磁弁２２を閉じる。これにより、冷媒がバイパスライン２０に流れ込むことが即座に遮断される。

以上説明したように、上記実施形態に係るヒートポンプシステム１は、冷媒として二酸化炭素が循環する冷媒循環ライン１０と、冷媒循環ライン１０に直列に接続された圧縮機１１、凝縮器１２、膨張弁１３および蒸発器１４と、を備え、ヒートポンプサイクルを構成するヒートポンプシステムであって、冷媒循環ライン１０において凝縮器１２と膨張弁１３との間の位置に接続され、冷媒を貯留するタンク１５と、冷媒循環ライン１０においてタンク１５と膨張弁１３との間の位置から分岐し、冷媒循環ライン１０において膨張弁１３と蒸発器１４との間の位置に合流するバイパスライン２０と、を備え、タンク１５の冷媒充填量は、夏期最高温度時に系内圧力が圧力閾値より小さくなるように設定され、タンク１５は、鉛直方向に延在する筒状をなしている。

この構成によれば、冷媒循環ライン１０においてタンク１５と膨張弁１３との間の位置から分岐し、冷媒循環ライン１０において膨張弁１３と蒸発器１４との間の位置に合流するバイパスライン２０を備えることで、タンク１５から膨張弁１３を通じて蒸発器１４に向かおうとする冷媒の一部をバイパスライン２０に流すことができる。そのため、システムにおいて冷媒が不足することを抑制し、膨張弁１３において冷媒の流れを調整することができる。加えて、膨張弁１３を大容量とする必要がないため、制御の複雑化を抑えることができる。加えて、冷媒循環ライン１０において凝縮器１２と膨張弁１３との間の位置に接続され、冷媒を貯留するタンク１５を備えることで、過剰となった冷媒はタンク１５で貯留されるため、系内圧力が過度に高くなることを抑制することができる。これにより、夏期にシステムから冷媒を抜く必要がなくなる。したがって、制御の複雑化を抑えつつ、広範囲な流動制御性や季節変動による外気温度の変化に対応するとともに、システムを安定して運転することができる。加えて、臨界点が低い二酸化炭素を冷媒として用いた構成において、システムを安定して運転することができる。加えて、自然冷媒ではないフロン系冷媒を用いないため、温暖化対策に好適である。加えて、タンク１５の冷媒充填量は、夏期最高温度時に系内圧力が圧力閾値より小さくなるように設定されていることで、夏期最高温度時においても、冷媒はほぼ全てタンク１５で貯留されるため、系内圧力が過度に高くなることを抑制することができる。加えて、タンク１５は、鉛直方向に延在する筒状をなしていることで、タンク１５が縦置きとなるため、タンク１５を横置きとした場合と比較して、装置内のタンク１５の設置床面積を小さくすることができ、タンク１５内の冷媒収容空間１６（バッファ容量）に余裕を持たせることができる。夏期等のように冬期よりも冷媒の液変動が大きい場合（圧力上昇が大きい場合）でも、圧力上昇を許容することができる。

上記実施形態において、バイパスライン２０に接続されたバイパス弁２１および電磁弁２２と、膨張弁１３の開度が開度上限値より大きいときにバイパス弁２１を開く制御部２５と、を備え、制御部２５は、膨張弁１３の開度が開度上限値より大きい時間が時間閾値よりも長いときに電磁弁２２を開き、電磁弁２２を開いた後、膨張弁１３の開度を目標開度に設定することで、以下の効果を奏する。
この構成によれば、タンク１５から膨張弁１３を通じて蒸発器１４に向かおうとする冷媒が不足する前に、冷媒の一部をバイパスライン２０に流すことができるため、システムをより安定して運転することができる。加えて、制御部２５は、膨張弁１３の開度が開度上限値より大きい時間が時間閾値よりも長いときに電磁弁２２を開くことで、電磁弁２２を開くタイミングが制限されるため、システムをより安定して運転することができる。加えて、制御部２５は、電磁弁２２を開いた後、膨張弁１３の開度を目標開度に設定することで、タンク１５からバイパスライン２０を通じて蒸発器１４に向かう冷媒の流れを一定に維持しつつ、膨張弁１３において目標開度分の冷媒の流れを調整することができるため、システムをより安定して運転することができる。

上記実施形態において、冷媒循環ライン１０において蒸発器１４と圧縮機１１との間の位置に接続された圧力センサ２３と、冷媒循環ライン１０において蒸発器１４と圧縮機１１との間の位置に接続された温度センサ２４と、を備え、制御部２５は、電磁弁２２を開いた後、膨張弁１３の開度が開度下限値より小さいときに電磁弁２２を閉じるか、もしくは、圧力センサ２３の検知圧力から算出した吸入飽和温度と、温度センサ２４の検知温度とに基づいて吸入過熱度を算出し、吸入過熱度が温度閾値以下のときに電磁弁２２を閉じることで、以下の効果を奏する。
この構成によれば、タンク１５から膨張弁１３を通じて蒸発器１４に向かおうとする冷媒が過剰になる前に、冷媒がバイパスライン２０に流れることを即座に遮断することができるため、システムをより安定して運転することができる。
ところで、吸入過熱度が過度に低いときに電磁弁２２が開いていると、吸入ガスにミスト状の冷媒液が混ざり、圧縮機を安定して運転することができなくなる可能性が高い。これに対し、この構成によれば、吸入過熱度が過度に低いときには電磁弁２２が閉じるので、吸入ガスにミスト状の冷媒液が混ざることを抑え、圧縮機を安定して運転することができる。

上記実施形態において、蒸発器１４において冷媒に蒸発熱を与える熱源体は、水であることで、以下の効果を奏する。
この構成によれば、水は空気よりも熱伝達率が高いため、システムＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を向上させやすい。

［変形例］
なお、上記実施形態では、ヒートポンプシステム１が一つの膨張弁１３のみを備える例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、膨張弁として、冷媒循環ライン１０に並列に接続された複数の膨張弁が設けられていてもよい。
この構成によれば、複数の膨張弁において冷媒の流れを調整することができるため、膨張弁１３を一つのみ備えた構成と比較して、冷媒の流れの調整に幅が広がるとともに、冷媒の流れを高精度で調整することができる。

上記実施形態では、ヒートポンプシステム１が一つの凝縮器１２のみを備える例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、凝縮器として、冷媒循環ライン１０に並列に接続された複数の凝縮器が設けられていてもよい。

上記実施形態では、ヒートポンプシステム１が一つの蒸発器１４のみを備える例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、蒸発器として、冷媒循環ライン１０に並列に接続された複数の蒸発器が設けられていてもよい。

例えば、図６に示すように、ヒートポンプシステム１０１は、膨張弁として、冷媒循環ライン１０に並列に接続された二つの膨張弁１３１，１３２（第一膨張弁１３１および第二膨張弁１３２）と、凝縮器として、冷媒循環ライン１０に並列に接続された二つの凝縮器１２１，１２２（第一凝縮器１２１および第二凝縮器１２２）と、蒸発器として、冷媒循環ライン１０に並列に接続された二つの蒸発器１４１，１４２（第一蒸発器１４１および第二蒸発器１４２）と、を備えていてもよい。
この構成によれば、二つの膨張弁１３１，１３２、二つの凝縮器１２１，１２２および二つの蒸発器１４１，１４２を備え、臨界点が低い二酸化炭素を冷媒として用い、空気よりも温度変動しやすい水を熱源体として用いた構成において、制御の複雑化および高コスト化を抑えつつ、広範囲な流動制御性や季節変動による外気温度の変化に対応するとともに、システムを安定して運転することができる。

図６において、符号１５１は第一膨張弁接続ライン、符号１５２は第二膨張弁接続ライン、符号１３５は第一電磁弁、符号１３６は第二電磁弁、符号１６１は第一不凍液循環ライン、符号１６２は第二不凍液循環ライン、符号１７１は第一熱源水供給ライン、符号１７２は第二熱源水供給ライン、符号１７３は第一熱源水排出ライン、符号１７４は第二熱源水排出ラインをそれぞれ示す。
図７において、矢印Ｅ１１は第一膨張弁接続ライン１５１における冷媒の流れ、符号Ｅ１２は第二膨張弁接続ライン１５２における冷媒の流れ、符号Ｃ１１は第一不凍液循環ライン１６１における不凍液の流れ、符号Ｃ１２は第二不凍液循環ライン１６２における不凍液の流れ、符号Ｄ１１は第一熱源水供給ライン１７１における熱源水の流れ、符号Ｄ１２は第二熱源水供給ライン１７２における熱源水の流れ、符号Ｄ１３は第一熱源水排出ライン１７３における熱源水の流れ、符号Ｄ１４は第二熱源水排出ライン１７４における熱源水の流れをそれぞれ示す。

上記実施形態では、蒸発器１４において冷媒に蒸発熱を与える熱源体が水である例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、熱源体は、図８、図９のように空気であってもよい。

例えば、図８に示すように、ヒートポンプシステム２０１は、冷媒として二酸化炭素が循環する冷媒循環ライン１０と、冷媒循環ライン１０に直列に接続された圧縮機１１、凝縮器１２、膨張弁１３および蒸発器２１４と、冷媒循環ライン１０において凝縮器１２と膨張弁１３との間の位置に接続されたタンク１５と、を備えていてもよい。本変形例の蒸発器２１４は、送風ファン２１８によって外気を取り入れて冷媒を蒸発させる。本変形例においては、バイパスラインを備えていない。図９において、矢印Ｆ１は空気の取り入れ方向、矢印Ｆ２は空気の取り出し方向をそれぞれ示す。

なお、本発明の技術範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

１，１０１，２０１…ヒートポンプシステム、１０…冷媒循環ライン、１１…圧縮機、１２，１２１，１２２…凝縮器、１３，１３１，１３２…膨張弁、１４，１４１，１４２，２１４…蒸発器、１５…タンク、２０…バイパスライン、２１…バイパス弁、２２…電磁弁、２３…圧力センサ、２４…温度センサ、２５…制御部

Claims (8)

1. 冷媒として二酸化炭素が循環する冷媒循環ラインと、前記冷媒循環ラインに直列に接続された圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器と、を備え、ヒートポンプサイクルを構成するヒートポンプシステムであって、
   前記冷媒循環ラインにおいて前記凝縮器と前記膨張弁との間の位置に接続され、冷媒を貯留するタンクと、
   前記冷媒循環ラインにおいて前記タンクと前記膨張弁との間の位置から分岐し、前記冷媒循環ラインにおいて前記膨張弁と前記蒸発器との間の位置に合流するバイパスラインと、を備え、
   前記タンクの冷媒充填量は、夏期最高温度時に系内圧力が圧力閾値より小さくなるように設定され、
   前記タンクは、鉛直方向に延在する筒状をなしていることを特徴とするヒートポンプシステム。
2. 前記バイパスラインに接続されたバイパス弁および電磁弁と、
   前記膨張弁の開度が開度上限値より大きいときに前記電磁弁を開く制御部と、を更に備え、
   前記制御部は、前記膨張弁の開度が開度上限値より大きい時間が時間閾値よりも長いときに前記電磁弁を開き、前記電磁弁を開いた後、前記膨張弁の開度を目標開度に設定することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプシステム。
3. 前記冷媒循環ラインにおいて前記蒸発器と前記圧縮機との間の位置に接続された圧力センサと、
   前記冷媒循環ラインにおいて前記蒸発器と前記圧縮機との間の位置に接続された温度センサと、を更に備え、
   前記制御部は、前記電磁弁を開いた後、前記膨張弁の開度が開度下限値より小さいときに前記電磁弁を閉じるか、
   もしくは、前記圧力センサの検知圧力から算出した吸入飽和温度と、前記温度センサの検知温度とに基づいて吸入過熱度を算出し、前記吸入過熱度が温度閾値以下のときに前記電磁弁を閉じることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプシステム。
4. 前記膨張弁として、前記冷媒循環ラインに並列に接続された複数の膨張弁が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
5. 前記凝縮器として、前記冷媒循環ラインに並列に接続された複数の凝縮器が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
6. 前記蒸発器として、前記冷媒循環ラインに並列に接続された複数の蒸発器が設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
7. 前記蒸発器において前記冷媒に蒸発熱を与える熱源体は、水であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
8. 冷媒として二酸化炭素が循環する冷媒循環ラインと、前記冷媒循環ラインに直列に接続された圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器と、を備え、ヒートポンプサイクルを構成するヒートポンプシステムであって、
   前記冷媒循環ラインにおいて前記凝縮器と前記膨張弁との間の位置に接続され、前記冷媒を貯留するタンクと、
   前記冷媒循環ラインにおいて前記タンクと前記膨張弁との間の位置から分岐し、前記冷媒循環ラインにおいて前記膨張弁と前記蒸発器との間の位置に合流するバイパスラインと、
   前記バイパスラインに接続されたバイパス弁および電磁弁と、
   前記電磁弁を制御する制御部と、を備え、
   前記膨張弁として、前記冷媒循環ラインに並列に接続された二つの膨張弁が設けられ、
   前記凝縮器として、前記冷媒循環ラインに並列に接続された二つの凝縮器が設けられ、
   前記蒸発器として、前記冷媒循環ラインに並列に接続された二つの蒸発器が設けられ、
   前記二つの蒸発器において前記冷媒に蒸発熱を与える熱源体は、水であることを特徴とするヒートポンプシステム。

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