JP5619556B2 - 自律平衡型ヒートポンプユニットの運転方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ヒートポンプユニットに関するものである。
地球温暖化の原因とされているＣＯ２排出の削減が急務となったことなどが追い風となって、既存の熱源を高いエネルギー効率と安全性を兼ね備えたヒートポンプに置き換えようという動きが活発化してきており、都市開発レベルのヒートアイランド対策から、省エネエアコンまで、ヒートポンプが急速に普及しつつある。
加えて、ここにきて圧縮機の直流化、熱交換器の小型高性能化、電子膨張弁等各種部品の技術向上により、効率の高い冷凍サイクルが低価格で製造できるようになり、より規模の小さい分野までヒートポンプの応用範囲が拡大される条件が整ってきた。低回転時にも高トルクが確保できる直流モータを搭載する圧縮機の登場により、従来70％程度までしか減速できなかったインダクションモーター搭載の圧縮機にくらべて、はるかに幅広い範囲で回転数を変更することが可能になった。また熱交換器の小型高性能化により余裕のある設計が容易になった。さらに、電子膨張弁の高精度化により、幅広い範囲できめ細かく圧縮比をコントロールすることができるようになった。
加えて、ここにきて圧縮機の直流化、熱交換器の小型高性能化、電子膨張弁等各種部品の技術向上により、効率の高い冷凍サイクルが低価格で製造できるようになり、より規模の小さい分野までヒートポンプの応用範囲が拡大される条件が整ってきた。低回転時にも高トルクが確保できる直流モータを搭載する圧縮機の登場により、従来70％程度までしか減速できなかったインダクションモーター搭載の圧縮機にくらべて、はるかに幅広い範囲で回転数を変更することが可能になった。また熱交換器の小型高性能化により余裕のある設計が容易になった。さらに、電子膨張弁の高精度化により、幅広い範囲できめ細かく圧縮比をコントロールすることができるようになった。
従って、最近では、複数の負荷を対象とし、一方の負荷には加熱を行うと同時に他方の負荷には冷却を行うことで、ヒートポンプの効率をさらに高めることが提案されている。
しかしながら、従来のヒートポンプユニットでは、加熱側の温度を一定に保つように制御すると冷却熱量と結果としての温度が不定になり、冷却側の温度を一定に保つように制御すると加熱熱量と結果としての温度が不定となった。つまりヒートポンプ単体では両方の負荷に対して同時に加熱熱量と冷却熱量を保証することはできず、況や加熱側の温度と冷却側の温度を同時に保証することは望むべくもなかった。
ヒートポンプに期待される効用は、最終的には対象物の温度を利用者の意図する温度に維持することであり、言い換えれば対象物の熱の「質」をコントロールすることにあるといえる。たとえば、４２℃の温水と３８℃の温水は熱量的には絶対温度で３１１Ｋと３１５Ｋの違いしかないが、風呂に使える４２℃の温水と風呂には使えない３８℃の温水とでは実用価値は大きく違う。つまり「量」をほとんど十分にコントロールできても、「質」をコントロールできなければ実用価値は生まれないし、「量」が十分であるときには「質」をわずかにコントロールするだけで大きな実用価値を生むことが可能である。別の言い方をすればヒートポンプとは同じ熱量でもエントロピーを操作することで実用価値を生むネゲントロピーマシンとして利用することができる。
利用者の意図に合わせて加熱側の温度と冷却側の温度を同時にコントロールするには、まず加熱側に必要な熱量を加えて、同時に冷却側から必要な熱量を奪う必要がある。この必要加熱熱量と必要冷却熱量は常時それぞれ変化し、必ずしも一致しないため、冷凍サイクルの中で差分の熱量を加熱熱量と冷却熱量を自律的に平衡させる必要があるが、従来のヒートポンプにはその機能がないため、差分の解消は周辺の二次的システムに依存していた。
そのため、従来のヒートポンプユニットでは、特許文献１に記載のように、ユニット内と外部とで受け渡しする熱の温度を正確に制御することはできず、温水や冷水の温度を制御するために、周辺の二次的なシステムはさらに複雑なものになってしまっていた。このようなプラントの設計の煩雑さや要求される冷凍サイクルについての専門知識が、さまざまな設計者のアイディアを引き出して応用範囲を拡大することを妨げる制約要因となっていると同時にコストの大幅な上昇を惹起していた。以上のような理由で、原理的には非常に環境貢献度の高いヒートポンプの普及を妨げていた。
本発明では、上記課題を解決するために、新規且つ有用な自律平衡型ヒートポンプユニットを提供することを目的とする。
しかしながら、従来のヒートポンプユニットでは、加熱側の温度を一定に保つように制御すると冷却熱量と結果としての温度が不定になり、冷却側の温度を一定に保つように制御すると加熱熱量と結果としての温度が不定となった。つまりヒートポンプ単体では両方の負荷に対して同時に加熱熱量と冷却熱量を保証することはできず、況や加熱側の温度と冷却側の温度を同時に保証することは望むべくもなかった。
ヒートポンプに期待される効用は、最終的には対象物の温度を利用者の意図する温度に維持することであり、言い換えれば対象物の熱の「質」をコントロールすることにあるといえる。たとえば、４２℃の温水と３８℃の温水は熱量的には絶対温度で３１１Ｋと３１５Ｋの違いしかないが、風呂に使える４２℃の温水と風呂には使えない３８℃の温水とでは実用価値は大きく違う。つまり「量」をほとんど十分にコントロールできても、「質」をコントロールできなければ実用価値は生まれないし、「量」が十分であるときには「質」をわずかにコントロールするだけで大きな実用価値を生むことが可能である。別の言い方をすればヒートポンプとは同じ熱量でもエントロピーを操作することで実用価値を生むネゲントロピーマシンとして利用することができる。
利用者の意図に合わせて加熱側の温度と冷却側の温度を同時にコントロールするには、まず加熱側に必要な熱量を加えて、同時に冷却側から必要な熱量を奪う必要がある。この必要加熱熱量と必要冷却熱量は常時それぞれ変化し、必ずしも一致しないため、冷凍サイクルの中で差分の熱量を加熱熱量と冷却熱量を自律的に平衡させる必要があるが、従来のヒートポンプにはその機能がないため、差分の解消は周辺の二次的システムに依存していた。
そのため、従来のヒートポンプユニットでは、特許文献１に記載のように、ユニット内と外部とで受け渡しする熱の温度を正確に制御することはできず、温水や冷水の温度を制御するために、周辺の二次的なシステムはさらに複雑なものになってしまっていた。このようなプラントの設計の煩雑さや要求される冷凍サイクルについての専門知識が、さまざまな設計者のアイディアを引き出して応用範囲を拡大することを妨げる制約要因となっていると同時にコストの大幅な上昇を惹起していた。以上のような理由で、原理的には非常に環境貢献度の高いヒートポンプの普及を妨げていた。
本発明では、上記課題を解決するために、新規且つ有用な自律平衡型ヒートポンプユニットを提供することを目的とする。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、請求項１の発明は、無端状冷媒配管に、容量可変の圧縮機、四方弁、交換熱量可変の第１負荷用熱交換器、開度可変の第１膨張弁、交換熱量可変の調整用熱交換器、開度可変の第２膨張弁、交換熱量可変の第２負荷用熱交換器、前記四方弁、前記圧縮機の順に接続されてなり、前記四方弁の切り替えにより、冷媒循環経路が、前記圧縮機、前記第１負荷用熱交換器、前記第１膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第２膨張弁、前記第２負荷用熱交換器、前記圧縮機となるか、前記圧縮機、前記第２負荷用熱交換器、前記第２膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第１膨張弁、前記第１負荷用熱交換器、前記圧縮機となる自律平衡型ヒートポンプユニットの運転方法において、前記第１負荷用熱交換器を加熱し、前記第２負荷用熱交換器を冷却するときには、前記冷媒循環経路を、前記圧縮機、前記第１負荷用熱交換器、前記第１膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第２膨張弁、前記第２負荷用熱交換器、前記圧縮機とするノーマルモードに設定し、それぞれの負荷の温度に対応して前記第１負荷用熱交換器による負荷の加熱と前記第２負荷用熱交換器による負荷の冷却、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への加熱または、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への冷却を行うことによりそれぞれの負荷を設定温度に維持するよう運転し、前記第１負荷用熱交換器を冷却し、前記第２負荷用熱交換器を加熱するときには、冷媒循環経路を、前記圧縮機、前記第２負荷用熱交換器、前記第２膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第１膨張弁、前記第１負荷用熱交換器、前記圧縮機とするリバースモードに設定し、それぞれの負荷の温度に対応して前記第１負荷用熱交換器による負荷の冷却と前記第２負荷用熱交換器による負荷の加熱、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への加熱または、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への冷却を行うことによりそれぞれの負荷を設定温度に維持するよう運転するが、前記第１負荷用熱交換器の出口温度が前記第１負荷用熱交換器の設定温度を下回り、前記第２負荷用熱交換器の出口温度が前記第２負荷用熱交換器の設定温度を上回るときにはノーマルモードで前記第１負荷用熱交換器を加熱するとともに前記第２負荷用熱交換器を冷却し、前記第１負荷用熱交換器の出口温度が前記第１負荷用熱交換器の設定温度を上回り、前記第２負荷用熱交換器の出口温度が前記第２負荷用熱交換器の設定温度を下回るときにはリバースモードで第１負荷用熱交換器を冷却するとともに第２負荷用熱交換器を加熱することを特徴とする運転方法である。
請求項２の発明は、無端状冷媒配管に、容量可変の圧縮機、四方弁、交換熱量可変の第１負荷用熱交換器、開度可変の第１膨張弁、交換熱量可変の調整用熱交換器、開度可変の第２膨張弁、交換熱量可変の第２負荷用熱交換器、前記四方弁、前記圧縮機の順に接続されてなり、
前記四方弁の切り替えにより、冷媒循環経路が、前記圧縮機、前記第１負荷用熱交換器、前記第１膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第２膨張弁、前記第２負荷用熱交換器、前記圧縮機となるか、前記圧縮機、前記第２負荷用熱交換器、前記第２膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第１膨張弁、前記第１負荷用熱交換器、前記圧縮機となる自律平衡型ヒートポンプユニットの運転方法において、
前記第１負荷用熱交換器を加熱し、前記第２負荷用熱交換器を冷却するときには、前記冷媒循環経路を、前記圧縮機、前記第１負荷用熱交換器、前記第１膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第２膨張弁、前記第２負荷用熱交換器、前記圧縮機とするノーマルモードに設定し、それぞれの負荷の温度に対応して前記第１負荷用熱交換器による負荷の加熱と前記第２負荷用熱交換器による負荷の冷却、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への加熱または、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への冷却を行うことによりそれぞれの負荷を設定温度に維持するよう運転し、
前記第１負荷用熱交換器を冷却し、前記第２負荷用熱交換器を加熱するときには、冷媒循環経路を、前記圧縮機、前記第２負荷用熱交換器、前記第２膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第１膨張弁、前記第１負荷用熱交換器、前記圧縮機とするリバースモードに設定し、それぞれの負荷の温度に対応して前記第１負荷用熱交換器による負荷の冷却と前記第２負荷用熱交換器による負荷の加熱、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への加熱または、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への冷却を行うことによりそれぞれの負荷を設定温度に維持するよう運転するが、
前記第１負荷用熱交換器の出口温度が前記第１負荷用熱交換器の設定温度を下回り、前記第２負荷用熱交換器の出口温度が前記第２負荷用熱交換器の設定温度を下回るとき、前記第１負荷用熱交換器の出口温度と設定温度の差分が前記第２負荷用熱交換器の出口温度と設定温度の差分より大きいときはリバースモードで前記第１負荷用熱交換器を優先的に冷却し、前記第２負荷用熱交換器の出口温度と設定温度の差分が前記第１負荷用熱交換器の出口温度と設定温度の差分より大きいときはノーマルモードで前記第２負荷用熱交換器を優先的に冷却し、前記第１負荷用熱交換器の出口温度が前記第１負荷用熱交換器の設定温度を上回り、前記第２負荷用熱交換器の出口温度が前記第２負荷用熱交換器の設定温度を上回るとき、前記第１負荷用熱交換器の出口温度と設定温度の差分が前記第２負荷用熱交換器の出口温度と設定温度の差分より大きいときはノーマルモードで前記第１負荷用熱交換器を優先的に加熱し、前記第２負荷用熱交換器の出口温度と設定温度の差分が前記第１負荷用熱交換器の出口温度と設定温度の差分より大きいときはリバースモードで前記第２負荷用熱交換器を優先的に冷却することを特徴とする運転方法である。
前記四方弁の切り替えにより、冷媒循環経路が、前記圧縮機、前記第１負荷用熱交換器、前記第１膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第２膨張弁、前記第２負荷用熱交換器、前記圧縮機となるか、前記圧縮機、前記第２負荷用熱交換器、前記第２膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第１膨張弁、前記第１負荷用熱交換器、前記圧縮機となる自律平衡型ヒートポンプユニットの運転方法において、
前記第１負荷用熱交換器を加熱し、前記第２負荷用熱交換器を冷却するときには、前記冷媒循環経路を、前記圧縮機、前記第１負荷用熱交換器、前記第１膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第２膨張弁、前記第２負荷用熱交換器、前記圧縮機とするノーマルモードに設定し、それぞれの負荷の温度に対応して前記第１負荷用熱交換器による負荷の加熱と前記第２負荷用熱交換器による負荷の冷却、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への加熱または、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への冷却を行うことによりそれぞれの負荷を設定温度に維持するよう運転し、
前記第１負荷用熱交換器を冷却し、前記第２負荷用熱交換器を加熱するときには、冷媒循環経路を、前記圧縮機、前記第２負荷用熱交換器、前記第２膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第１膨張弁、前記第１負荷用熱交換器、前記圧縮機とするリバースモードに設定し、それぞれの負荷の温度に対応して前記第１負荷用熱交換器による負荷の冷却と前記第２負荷用熱交換器による負荷の加熱、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への加熱または、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への冷却を行うことによりそれぞれの負荷を設定温度に維持するよう運転するが、
前記第１負荷用熱交換器の出口温度が前記第１負荷用熱交換器の設定温度を下回り、前記第２負荷用熱交換器の出口温度が前記第２負荷用熱交換器の設定温度を下回るとき、前記第１負荷用熱交換器の出口温度と設定温度の差分が前記第２負荷用熱交換器の出口温度と設定温度の差分より大きいときはリバースモードで前記第１負荷用熱交換器を優先的に冷却し、前記第２負荷用熱交換器の出口温度と設定温度の差分が前記第１負荷用熱交換器の出口温度と設定温度の差分より大きいときはノーマルモードで前記第２負荷用熱交換器を優先的に冷却し、前記第１負荷用熱交換器の出口温度が前記第１負荷用熱交換器の設定温度を上回り、前記第２負荷用熱交換器の出口温度が前記第２負荷用熱交換器の設定温度を上回るとき、前記第１負荷用熱交換器の出口温度と設定温度の差分が前記第２負荷用熱交換器の出口温度と設定温度の差分より大きいときはノーマルモードで前記第１負荷用熱交換器を優先的に加熱し、前記第２負荷用熱交換器の出口温度と設定温度の差分が前記第１負荷用熱交換器の出口温度と設定温度の差分より大きいときはリバースモードで前記第２負荷用熱交換器を優先的に冷却することを特徴とする運転方法である。
請求項３の発明は、無端状冷媒配管に、容量可変の圧縮機、四方弁、交換熱量可変の第１負荷用熱交換器、開度可変の第１膨張弁、交換熱量可変の調整用熱交換器、開度可変の第２膨張弁、交換熱量可変の第２負荷用熱交換器、前記四方弁、前記圧縮機の順に接続されてなり、前記四方弁の切り替えにより、冷媒循環経路が、前記圧縮機、前記第１負荷用熱交換器、前記第１膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第２膨張弁、前記第２負荷用熱交換器、前記圧縮機となるか、前記圧縮機、前記第２負荷用熱交換器、前記第２膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第１膨張弁、前記第１負荷用熱交換器、前記圧縮機となる自律平衡型ヒートポンプユニットの運転方法において、前記第１負荷用熱交換器を加熱し、前記第２負荷用熱交換器を冷却するときには、前記冷媒循環経路を、前記圧縮機、前記第１負荷用熱交換器、前記第１膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第２膨張弁、前記第２負荷用熱交換器、前記圧縮機とするノーマルモードに設定し、それぞれの負荷の温度に対応して前記第１負荷用熱交換器による負荷の加熱と前記第２負荷用熱交換器による負荷の冷却、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への加熱または、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への冷却を行うことによりそれぞれの負荷を設定温度に維持するよう運転し、前記第１負荷用熱交換器を冷却し、前記第２負荷用熱交換器を加熱するときには、冷媒循環経路を、前記圧縮機、前記第２負荷用熱交換器、前記第２膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第１膨張弁、前記第１負荷用熱交換器、前記圧縮機とするリバースモードに設定し、それぞれの負荷の温度に対応して前記第１負荷用熱交換器による負荷の冷却と前記第２負荷用熱交換器による負荷の加熱、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への加熱または、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への冷却を行うことによりそれぞれの負荷を設定温度に維持するよう運転するが、
ノーマルモードでは、以下の式を満たす場合にリバースモードに切り替え、
（式１）
（第１負荷用熱交換器の測定温度−設定温度）−（第２負荷用熱交換器の測定温度−設定温度）＜−（すき間値）
リバースモードでは、以下の式を満たす場合にノーマルモードに切り替える
（式２）
（第１負荷用熱交換器の測定温度−設定温度）−（第２負荷用熱交換器の測定温度−設定温度）＞＋（すき間値）
ことを特徴とする運転方法である。
ノーマルモードでは、以下の式を満たす場合にリバースモードに切り替え、
（式１）
（第１負荷用熱交換器の測定温度−設定温度）−（第２負荷用熱交換器の測定温度−設定温度）＜−（すき間値）
リバースモードでは、以下の式を満たす場合にノーマルモードに切り替える
（式２）
（第１負荷用熱交換器の測定温度−設定温度）−（第２負荷用熱交換器の測定温度−設定温度）＞＋（すき間値）
ことを特徴とする運転方法である。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載した自律平衡型ヒートポンプユニットの運転方法において、前記ユニットが有線または無線の通信網との接続手段を備えた制御装置を備えており、前記制御装置が、前記通信網を介して受信した温度の設定指令に基づいて、圧縮機、四方弁、第１負荷用熱交換器、第１膨張弁、調整用熱交換器、第２膨張弁および第２負荷用熱交換器を制御することを特徴とする運転方法である。
請求項５の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載した自律平衡型ヒートポンプユニットの運転方法において、前記ユニットが制御用通信手段を有する制御装置を備えており、前記制御装置が、前記制御用通信手段によって外部の制御装置から受信した温度の設定指令に基づいて、圧縮機、四方弁、第１負荷用熱交換器、第１膨張弁、調整用熱交換器、第２膨張弁および第２負荷用熱交換器を制御することを特徴とする運転方法である。
請求項６の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載した自律平衡型ヒートポンプユニットの運転方法において、前記ユニットが外部のスイッチ・リレー・プログラマブルコントローラ等との信号入出力手段を有する制御装置を備えて予め設定した温度を選択できるようになっており、前記制御装置が、前記制御信号入出力手段によって外部から受信した動作指令および温度の設定選択指令に基づいて、圧縮機、四方弁、第１負荷用熱交換器、第１膨張弁、調整用熱交換器、第２膨張弁および第２負荷用熱交換器を制御することを特徴とする運転方法である。
本発明の自律平衡型ヒートポンプユニットによれば、圧縮冷凍サイクル内で加熱熱量と冷却熱量を自律的に平衡させながら、加熱側負荷と冷却側負荷に対してそれぞれ加熱と冷却を同時に行い、しかもそれぞれの負荷の要求温度を満たすことができる。さらに、冷凍サイクルが閉鎖系で完結するため使用にあたって配管接続を行う必要がなく、製造時に冷媒を封入したうえで出荷でき、冷媒漏れのリスクを抑えることができ、量産やメンテナンス体制の構築に向いている。目的の温度を設定するだけで制御できるため、冷凍サイクルに関する専門知識がなくても設計に組み込むことが可能で、ブラインや水道配管程度の技術で容易にプラントや住宅等に導入ができるようになる。さらに複数の自律平衡型ヒートポンプを共存させ、工場ラインの変更に伴って組み替えることも容易にできるようになる。
本発明の実施の形態に係るヒートポンプユニット１を、図面にしたがって説明する。
本発明では、このヒートポンプユニット１は、圧縮冷凍サイクル内で加熱熱量と冷却熱量を自律的に平衡させながら、加熱側負荷と冷却側負荷に対してそれぞれ加熱と冷却を同時に行い、しかもそれぞれの負荷の要求温度を満たすことができる。
図１の構成図に示すように、ヒートポンプユニット１には、無端状の冷媒配管３に、圧縮機５、第１負荷用熱交換器７、第１膨張弁９、調整用熱交換器１１、第２膨張弁１３、第２負荷用熱交換器１５がこの順に介挿されている。また、四方弁１７が介挿されており、四方弁１７の切り替えにより、図２の白矢印に示すように、冷媒循環経路が圧縮機５、第１負荷用熱交換器７、第１膨張弁９、調整用熱交換器１１、第２膨張弁１３、第２負荷用熱交換器１５、圧縮機５となる場合と、図３の白矢印に示すように、冷媒循環経路が圧縮機５、第２負荷用熱交換器１５、第２膨張弁１３、調整用熱交換器１１、第１膨張弁９、第１負荷用熱交換器７、圧縮機５となる配管構成になる場合とに使い分けられる。この明細書では、前者の冷媒循環経路を「ノーマルモード」、後者の冷媒循環経路を「リバースモード」と定義する。
本発明では、このヒートポンプユニット１は、圧縮冷凍サイクル内で加熱熱量と冷却熱量を自律的に平衡させながら、加熱側負荷と冷却側負荷に対してそれぞれ加熱と冷却を同時に行い、しかもそれぞれの負荷の要求温度を満たすことができる。
図１の構成図に示すように、ヒートポンプユニット１には、無端状の冷媒配管３に、圧縮機５、第１負荷用熱交換器７、第１膨張弁９、調整用熱交換器１１、第２膨張弁１３、第２負荷用熱交換器１５がこの順に介挿されている。また、四方弁１７が介挿されており、四方弁１７の切り替えにより、図２の白矢印に示すように、冷媒循環経路が圧縮機５、第１負荷用熱交換器７、第１膨張弁９、調整用熱交換器１１、第２膨張弁１３、第２負荷用熱交換器１５、圧縮機５となる場合と、図３の白矢印に示すように、冷媒循環経路が圧縮機５、第２負荷用熱交換器１５、第２膨張弁１３、調整用熱交換器１１、第１膨張弁９、第１負荷用熱交換器７、圧縮機５となる配管構成になる場合とに使い分けられる。この明細書では、前者の冷媒循環経路を「ノーマルモード」、後者の冷媒循環経路を「リバースモード」と定義する。
圧縮機５は容量可変になっている。
第１膨張弁９と第２膨張弁１３は共に開度可変になっており、開度が１００％の場合には膨張弁として有効な開度よりはるかに大きく圧力比が生じない程度まで開いて無効化できる膨張弁を用いる。運転中は、一方の膨張弁が無効化され、他方の膨張弁が１００％未満の開度で有効化される。
「ノーマルモード」では、第１膨張弁９が無効化され、第２膨張弁１３が有効化された場合には、調整用熱交換器１１が放熱器として作用し、第１膨張弁９が有効化され、第２膨張弁１３が無効化されたときには、調整用熱交換器１１が吸熱器として作用することになる。「リバースモード」では逆になる。
調整用熱交換器１１には風量の調整可能なファンが備えられており、放熱量乃至吸熱量は調整できるようになっている。
第１膨張弁９と第２膨張弁１３は共に開度可変になっており、開度が１００％の場合には膨張弁として有効な開度よりはるかに大きく圧力比が生じない程度まで開いて無効化できる膨張弁を用いる。運転中は、一方の膨張弁が無効化され、他方の膨張弁が１００％未満の開度で有効化される。
「ノーマルモード」では、第１膨張弁９が無効化され、第２膨張弁１３が有効化された場合には、調整用熱交換器１１が放熱器として作用し、第１膨張弁９が有効化され、第２膨張弁１３が無効化されたときには、調整用熱交換器１１が吸熱器として作用することになる。「リバースモード」では逆になる。
調整用熱交換器１１には風量の調整可能なファンが備えられており、放熱量乃至吸熱量は調整できるようになっている。
符号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈは温度センサー類になっており、Ａ〜Ｆは冷媒温度を測定し、Ｇ〜Ｈは負荷温度を測定する。
「ノーマルモード」では、「Ａ」は吐出温度を、「Ｂ」は凝縮（吸熱時）温度を、「Ｃ」は蒸発（吸熱時）温度を、「Ｄ」は凝縮（放熱時）温度を、「Ｅ」は蒸発（放熱時）温度を、「Ｆ」は吸入温度を測定し、「Ｇ」は第１負荷用熱交換器７の出口温度（例えば温水出口温度）を、「Ｈ」は第２負荷用熱交換器１５の出口温度（例えば冷水出口温度）を測定することになる。
一方、「リバースモード」では、「Ｆ」は吐出温度を、「Ｅ」は凝縮（吸熱時）温度を、「Ｄ」は蒸発（吸熱時）温度を、「Ｃ」は凝縮（放熱時）温度を、「Ｂ」は蒸発（放熱時）温度を、「Ａ」は吸入温度を測定し、「Ｇ」は第１負荷用熱交換器７の出口温度を、「Ｈ」は第２負荷用熱交換器１５の出口温度を測定することになる。
「ノーマルモード」では、「Ａ」は吐出温度を、「Ｂ」は凝縮（吸熱時）温度を、「Ｃ」は蒸発（吸熱時）温度を、「Ｄ」は凝縮（放熱時）温度を、「Ｅ」は蒸発（放熱時）温度を、「Ｆ」は吸入温度を測定し、「Ｇ」は第１負荷用熱交換器７の出口温度（例えば温水出口温度）を、「Ｈ」は第２負荷用熱交換器１５の出口温度（例えば冷水出口温度）を測定することになる。
一方、「リバースモード」では、「Ｆ」は吐出温度を、「Ｅ」は凝縮（吸熱時）温度を、「Ｄ」は蒸発（吸熱時）温度を、「Ｃ」は凝縮（放熱時）温度を、「Ｂ」は蒸発（放熱時）温度を、「Ａ」は吸入温度を測定し、「Ｇ」は第１負荷用熱交換器７の出口温度を、「Ｈ」は第２負荷用熱交換器１５の出口温度を測定することになる。
制御装置１９は、温度センサー類Ａ〜Ｈの測定結果を受け取ると共に、四方弁１７の切り替え、圧縮機５の容量、第１膨張弁９と第２膨張弁１３の開度、調整用熱交換器１１のファンの回転数を制御する。制御装置１９は、安全と冷凍サイクルの性能の維持のための動作を最優先とした上で、加熱や冷却の設定温度を達成することを制御方針としており、想定される冷媒の動作パターンと上記の冷凍サイクルに与える影響を考慮して制御することになる。
従って、当然ながら、吐出温度については常時監視し、許容限界を超えた場合にはインターロックをかける保護制御を行う。保護制御は深刻でない場合には圧縮機５の容量を下げるか、第１、２膨張弁９、１３を開き圧力比を下げるか、調整用熱交換器１１のファンの回転数を大きくするなどの対策を行うことができる。さらに吐出側に高圧スイッチを設けたり、圧縮機５内部に高温高圧センサーを設けたりしてそれらの情報によっても停止するなどの対策と併用することでより安全性を高めることができる。凝縮温度については冷媒の特性から知られる上限設定値を超えないように制御することを優先する。
膨張弁９、１３については蒸発温度を操作するためにテクニカルに利用することもできるが、基本的にはスーパーヒート（ＳＨ）（＝吸入温度−蒸発温度）としての適正量（０〜４℃）を確保するように制御することを優先する。
従って、当然ながら、吐出温度については常時監視し、許容限界を超えた場合にはインターロックをかける保護制御を行う。保護制御は深刻でない場合には圧縮機５の容量を下げるか、第１、２膨張弁９、１３を開き圧力比を下げるか、調整用熱交換器１１のファンの回転数を大きくするなどの対策を行うことができる。さらに吐出側に高圧スイッチを設けたり、圧縮機５内部に高温高圧センサーを設けたりしてそれらの情報によっても停止するなどの対策と併用することでより安全性を高めることができる。凝縮温度については冷媒の特性から知られる上限設定値を超えないように制御することを優先する。
膨張弁９、１３については蒸発温度を操作するためにテクニカルに利用することもできるが、基本的にはスーパーヒート（ＳＨ）（＝吸入温度−蒸発温度）としての適正量（０〜４℃）を確保するように制御することを優先する。
「ノーマルモード」での冷媒の動作パターンについて説明する。
先ず、基本パターンについて、図４にしたがって説明する。
１．加熱のみ
圧縮機５で圧縮され高圧高温になって吐出された蒸気冷媒は、第１負荷用熱交換器７で負荷を加熱することで凝縮液化する。そして、第１膨張弁９（有効化）で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となった後、調整用熱交換器１１で吸熱することで蒸発気化し、圧縮機５に吸入され再び圧縮される。
先ず、基本パターンについて、図４にしたがって説明する。
１．加熱のみ
圧縮機５で圧縮され高圧高温になって吐出された蒸気冷媒は、第１負荷用熱交換器７で負荷を加熱することで凝縮液化する。そして、第１膨張弁９（有効化）で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となった後、調整用熱交換器１１で吸熱することで蒸発気化し、圧縮機５に吸入され再び圧縮される。
２．加熱冷却（吸熱）
圧縮機５で圧縮され高圧高温になって吐出された蒸気冷媒は、第１負荷用熱交換器７で負荷を加熱することで凝縮液化する。そして、第１膨張弁９（有効化）で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となった後、調整用熱交換器１１で吸熱するとともに第２負荷用熱交換器１５で負荷を冷却することで蒸発気化し、圧縮機５に吸入され再び圧縮される。
圧縮機５で圧縮され高圧高温になって吐出された蒸気冷媒は、第１負荷用熱交換器７で負荷を加熱することで凝縮液化する。そして、第１膨張弁９（有効化）で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となった後、調整用熱交換器１１で吸熱するとともに第２負荷用熱交換器１５で負荷を冷却することで蒸発気化し、圧縮機５に吸入され再び圧縮される。
３．加熱冷却（吸放熱無し）
圧縮機５で圧縮され高圧高温になって吐出された蒸気冷媒は、第１負荷用熱交換器７で負荷を加熱することで凝縮液化する。そして、第１膨張弁９（有効化）または第２膨張弁１３（有効化）で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となった後、第２負荷用熱交換器１５で負荷を冷却することで蒸発気化し、圧縮機５に吸入され再び圧縮される。
圧縮機５で圧縮され高圧高温になって吐出された蒸気冷媒は、第１負荷用熱交換器７で負荷を加熱することで凝縮液化する。そして、第１膨張弁９（有効化）または第２膨張弁１３（有効化）で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となった後、第２負荷用熱交換器１５で負荷を冷却することで蒸発気化し、圧縮機５に吸入され再び圧縮される。
４．加熱冷却（放熱）
圧縮機５で圧縮され高圧高温になって吐出された蒸気冷媒は、第１負荷用熱交換器７で負荷を加熱すると共に調整用熱交換器１１で放熱して凝縮液化する。そして、第２膨張弁１３（有効化）で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となった後、第２負荷用熱交換器１５で負荷を冷却することで蒸発気化し、圧縮機５に吸入され再び圧縮される。
圧縮機５で圧縮され高圧高温になって吐出された蒸気冷媒は、第１負荷用熱交換器７で負荷を加熱すると共に調整用熱交換器１１で放熱して凝縮液化する。そして、第２膨張弁１３（有効化）で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となった後、第２負荷用熱交換器１５で負荷を冷却することで蒸発気化し、圧縮機５に吸入され再び圧縮される。
５．冷却のみ
圧縮機５で圧縮され高圧高温になって吐出された蒸気冷媒は、調整用熱交換器１１で放熱することで凝縮液化する。そして、第２膨張弁１３（有効化）で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となった後、第２負荷用熱交換器１５で負荷を冷却することで蒸発気化し、圧縮機５に吸入され再び圧縮される。
圧縮機５で圧縮され高圧高温になって吐出された蒸気冷媒は、調整用熱交換器１１で放熱することで凝縮液化する。そして、第２膨張弁１３（有効化）で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となった後、第２負荷用熱交換器１５で負荷を冷却することで蒸発気化し、圧縮機５に吸入され再び圧縮される。
次に、調整パターンについて、図５にしたがって説明する。
６．両方加熱
基本的には動作パターン２の変形で本来の加熱動作ではないが、調整用熱交換器１１の吸熱量を過大にして蒸発温度を上げることによって第２負荷用熱交換器１５に若干の温度上昇の圧力をかける場合である。
６．両方加熱
基本的には動作パターン２の変形で本来の加熱動作ではないが、調整用熱交換器１１の吸熱量を過大にして蒸発温度を上げることによって第２負荷用熱交換器１５に若干の温度上昇の圧力をかける場合である。
７．両方冷却
基本的には動作パターン４の変形で本来の冷却動作ではないが、調整用熱交換器１１の放熱量を過大にして凝縮温度を下げることによって第２負荷用熱交換器１５に若干の温度下降の圧力をかける場合である。
基本的には動作パターン４の変形で本来の冷却動作ではないが、調整用熱交換器１１の放熱量を過大にして凝縮温度を下げることによって第２負荷用熱交換器１５に若干の温度下降の圧力をかける場合である。
「リバースモード」では、「ノーマルモード」と冷媒循環経路が逆方向になるので、冷媒の動作パターンの遷移方向が逆になる。
第１膨張弁９を有効化したときに調整用熱交換器１１が「ノーマルモード」では吸熱器、「リバースモード」では放熱器として働き、第２膨張弁１３を有効化したときに調整用熱交換器１１が「ノーマルモード」では放熱器、「リバースモード」では吸熱器として働くことになる。
第１膨張弁９を有効化したときに調整用熱交換器１１が「ノーマルモード」では吸熱器、「リバースモード」では放熱器として働き、第２膨張弁１３を有効化したときに調整用熱交換器１１が「ノーマルモード」では放熱器、「リバースモード」では吸熱器として働くことになる。
次に、運転モード毎に、冷媒循環経路と、冷媒の動作パターンと、圧縮機５、調整用熱交換器１１、第１膨張弁９、第２膨張弁１３の制御指針について説明する。
１．第１負荷用熱交換器７での温度制御のみ
冷媒循環経路は加熱する場合には「ノーマルモード」に、冷却する場合には「リバースモード」に設定する。
そして、第１負荷用熱交換器７の温度制御を優先し、次に運転効率を考慮して制御する。
制御装置１９は、「ノーマルモード」の場合には、以下のように各別に制御指令を発する。
圧縮機５の出力容量：第１負荷用熱交換器７の出口温度（＝温度センサーＧ値）が設定温度になるように容量を調整する。（容量が大きいほど加熱温度は高くなる。）
調整用熱交換器１１のファンの回転数：凝縮温度（＝温度センサーＢ値、または温度センサーＤ値）を一定に保つか、または全速にして設定温度への到達を優先する。
第１膨張弁９、第２膨張弁１３：一方を有効化し、スーパーヒート（＝温度センサーＦ値−温度センサーＣ値、または温度センサーＦ値−温度センサーＥ値）が一定になるように開度を調整する。
冷媒循環経路は加熱する場合には「ノーマルモード」に、冷却する場合には「リバースモード」に設定する。
そして、第１負荷用熱交換器７の温度制御を優先し、次に運転効率を考慮して制御する。
制御装置１９は、「ノーマルモード」の場合には、以下のように各別に制御指令を発する。
圧縮機５の出力容量：第１負荷用熱交換器７の出口温度（＝温度センサーＧ値）が設定温度になるように容量を調整する。（容量が大きいほど加熱温度は高くなる。）
調整用熱交換器１１のファンの回転数：凝縮温度（＝温度センサーＢ値、または温度センサーＤ値）を一定に保つか、または全速にして設定温度への到達を優先する。
第１膨張弁９、第２膨張弁１３：一方を有効化し、スーパーヒート（＝温度センサーＦ値−温度センサーＣ値、または温度センサーＦ値−温度センサーＥ値）が一定になるように開度を調整する。
制御装置１９は、「リバースモード」の場合には、以下のように各別に制御指令を発する。
圧縮機５の出力容量：第１負荷用熱交換器７の出口温度（＝温度センサーＧ値）が設定温度になるように出力容量を調整する。（容量が大きいほど冷却温度は低くなる。）
調整用熱交換器１１のファンの回転数：凝縮温度（＝温度センサーＥ値、または温度センサーＣ値）を一定に保つか、または全速にして設定温度への到達を優先する。
第１膨張弁９、第２膨張弁１３：一方を有効化し、スーパーヒート（＝温度センサーＡ値−温度センサーＤ値、または温度センサーＡ値−温度センサーＢ値）が一定になるように開度を調整する。
圧縮機５の出力容量：第１負荷用熱交換器７の出口温度（＝温度センサーＧ値）が設定温度になるように出力容量を調整する。（容量が大きいほど冷却温度は低くなる。）
調整用熱交換器１１のファンの回転数：凝縮温度（＝温度センサーＥ値、または温度センサーＣ値）を一定に保つか、または全速にして設定温度への到達を優先する。
第１膨張弁９、第２膨張弁１３：一方を有効化し、スーパーヒート（＝温度センサーＡ値−温度センサーＤ値、または温度センサーＡ値−温度センサーＢ値）が一定になるように開度を調整する。
２．第２負荷用熱交換器１５での温度制御のみ
冷媒循環経路は加熱する場合には「リバースモード」に、冷却する場合には「ノーマルモード」に設定する。そして、第２負荷用熱交換器１５の温度制御を優先し、次に運転効率を考慮して制御する。
制御装置１９は、「リバースモード」の場合には、以下のように各に制御指令を発する。
圧縮機５の出力容量：第２負荷用熱交換器１５の出口温度（＝温度センサーＨ値）が設定温度になるように出力容量を調整する。（容量が大きいほど加熱温度は高くなる。）
調整用熱交換器１１のファンの回転数：凝縮温度（＝温度センサーＥ値、または温度センサーＣ値）を一定に保つか、または全速にして設定温度への到達を優先する。
第１膨張弁９、第２膨張弁１３：一方を有効化し、スーパーヒート（＝温度センサーＡ値−温度センサーＤ値、または温度センサーＡ値−温度センサーＢ値）が一定になるように開度を調整する。
冷媒循環経路は加熱する場合には「リバースモード」に、冷却する場合には「ノーマルモード」に設定する。そして、第２負荷用熱交換器１５の温度制御を優先し、次に運転効率を考慮して制御する。
制御装置１９は、「リバースモード」の場合には、以下のように各に制御指令を発する。
圧縮機５の出力容量：第２負荷用熱交換器１５の出口温度（＝温度センサーＨ値）が設定温度になるように出力容量を調整する。（容量が大きいほど加熱温度は高くなる。）
調整用熱交換器１１のファンの回転数：凝縮温度（＝温度センサーＥ値、または温度センサーＣ値）を一定に保つか、または全速にして設定温度への到達を優先する。
第１膨張弁９、第２膨張弁１３：一方を有効化し、スーパーヒート（＝温度センサーＡ値−温度センサーＤ値、または温度センサーＡ値−温度センサーＢ値）が一定になるように開度を調整する。
制御装置１９は、「ノーマルモード」の場合には、以下のように各に制御指令を発する。
圧縮機５の出力容量：第２負荷用熱交換器１５の出口温度（＝温度センサーＨ値）を設定温度になるように出力容量を調整する。（容量が大きいほど冷却温度は低くなる。）
調整用熱交換器１１のファンの回転数：凝縮温度（＝温度センサーＢ値、または温度センサーＤ値）を一定に保つか、または全速にして設定温度への到達を優先する。
第１膨張弁９、第２膨張弁１３：一方を有効化し、スーパーヒート（＝温度センサーＦ値−温度センサーＣ値、または温度センサーＦ値−温度センサーＥ値）が一定になるように開度を調整する。
圧縮機５の出力容量：第２負荷用熱交換器１５の出口温度（＝温度センサーＨ値）を設定温度になるように出力容量を調整する。（容量が大きいほど冷却温度は低くなる。）
調整用熱交換器１１のファンの回転数：凝縮温度（＝温度センサーＢ値、または温度センサーＤ値）を一定に保つか、または全速にして設定温度への到達を優先する。
第１膨張弁９、第２膨張弁１３：一方を有効化し、スーパーヒート（＝温度センサーＦ値−温度センサーＣ値、または温度センサーＦ値−温度センサーＥ値）が一定になるように開度を調整する。
上記したように、一方の負荷用熱交換器だけで温度制御する場合には、図６に示すように、加熱側または冷却側の熱交換率の高低により、各別のモリエル線図に収束し、その状態を維持するように運転される。
加熱温度のみを設定した場合には、圧縮機容量は吸熱側の熱交換効率に依存するので、その熱交換効率が低いときはスーパーヒートを適正に維持するため膨張弁を絞って圧力比を大きくするため成績係数（ＣＯＰ）が低下するとともに冷却側の温度は低下し、その熱交換効率が高いときはスーパーヒートを適正に維持するため膨張弁を開いて圧力比を小さくするため成績係数（ＣＯＰ）が向上するとともに、冷却側の温度は上昇する。
一方、冷却温度のみを設定した場合には、圧縮機の圧力比は加熱側の熱交換効率に依存するので、その熱交換効率が低いときはスーパーヒートを適正に維持するため膨張弁を絞って圧力比を大きくするため成績係数（ＣＯＰ）が低下するとともに加熱側の温度は上昇し、その熱交換効率が高いときはスーパーヒートを適正に維持するため膨張弁を開いて圧力比を小さくするため成績係数（ＣＯＰ）が向上するとともに加熱側の温度は下がる。
一方、冷却温度のみを設定した場合には、圧縮機の圧力比は加熱側の熱交換効率に依存するので、その熱交換効率が低いときはスーパーヒートを適正に維持するため膨張弁を絞って圧力比を大きくするため成績係数（ＣＯＰ）が低下するとともに加熱側の温度は上昇し、その熱交換効率が高いときはスーパーヒートを適正に維持するため膨張弁を開いて圧力比を小さくするため成績係数（ＣＯＰ）が向上するとともに加熱側の温度は下がる。
３．第１負荷用熱交換器７および第２負荷用熱交換器１５での温度制御
冷媒循環経路は第１負荷用熱交換器７での設定温度が第２負荷用熱交換器１５の設定温度より高いまたは同じ場合には「ノーマルモード」に、低い場合には「リバースモード」に設定する。そして、制御装置１９は、以下のように各別に制御指令を発する。
圧縮機５の出力容量：
圧縮機５は第１負荷用熱交換器７・第２負荷用熱交換器１５に与える熱量の大きさを制御する。概念的にはモリエル線図の横軸を支配する。つまり第１負荷用熱交換器７・第２負荷用熱交換器１５の両方が設定した温度に達するように調整する。
設定温度に到達するまでに様々なロジックが考えられるが、たとえば第１負荷用熱交換器７の出口温度と第２負荷用熱交換器１５の出口温度の設定温度の差（＝設定差）と、実際の温度差（＝測定差＝温度センサーＧ値−温度センサーＨ値）とのギャップがゼロになるようにＰＩＤ制御またはその他の制御を行う。
調整用熱交換器１１のファンの回転数：
調整用熱交換器１１は冷凍サイクル内部の全熱量を制御する。概念的には凝縮温度と蒸発温度を同時に上下させ、モリエル線図全体を相対的に上方または下方に移動させ目標とするモリエル線図に重ね合わせる役割を持つ。つまり、第１負荷用熱交換器７、第２負荷用熱交換器１５のそれぞれの設定温度との差を最小にするように調整する。
設定温度に到達するまでに様々なロジックが考えられるが、たとえば設定差の中点温度に測定差の中点温度が一致するようにＰＩＤ制御またはその他の制御を行う。
第１膨張弁９、第２膨張弁１３：
膨張弁は概念的には圧力比を変化させて凝縮温度と蒸発温度の差を調整し、モリエル線図の高さを決定する。膨張弁を絞って圧力比を高くすれば第１負荷用熱交換器７の出口温度と第２負荷用熱交換器の出口温度の差が拡大し、膨張弁を開いて圧力比を低くすれば第１負荷用熱交換器７の出口温度と第２負荷用熱交換器１５の出口温度の差は縮小する。したがって、第１負荷用熱交換器７の出口温度と第２負荷用熱交換器１５の出口温度の差が第１負荷用熱交換器７の設定温度と第２負荷用熱交換器１５の設定温度の差になるように調整する。ただし負荷との正常なバランスを常に保つ必要があるため、スーパーヒートが一定以上になるように開度を調整する必要がある場合がある。「ノーマルモード」と「リバースモード」では、上記の第１負荷用熱交換器７の温度制御のみの場合で説明したように、スーパーヒートを測定する温度センサーは異なる。
冷媒循環経路は第１負荷用熱交換器７での設定温度が第２負荷用熱交換器１５の設定温度より高いまたは同じ場合には「ノーマルモード」に、低い場合には「リバースモード」に設定する。そして、制御装置１９は、以下のように各別に制御指令を発する。
圧縮機５の出力容量：
圧縮機５は第１負荷用熱交換器７・第２負荷用熱交換器１５に与える熱量の大きさを制御する。概念的にはモリエル線図の横軸を支配する。つまり第１負荷用熱交換器７・第２負荷用熱交換器１５の両方が設定した温度に達するように調整する。
設定温度に到達するまでに様々なロジックが考えられるが、たとえば第１負荷用熱交換器７の出口温度と第２負荷用熱交換器１５の出口温度の設定温度の差（＝設定差）と、実際の温度差（＝測定差＝温度センサーＧ値−温度センサーＨ値）とのギャップがゼロになるようにＰＩＤ制御またはその他の制御を行う。
調整用熱交換器１１のファンの回転数：
調整用熱交換器１１は冷凍サイクル内部の全熱量を制御する。概念的には凝縮温度と蒸発温度を同時に上下させ、モリエル線図全体を相対的に上方または下方に移動させ目標とするモリエル線図に重ね合わせる役割を持つ。つまり、第１負荷用熱交換器７、第２負荷用熱交換器１５のそれぞれの設定温度との差を最小にするように調整する。
設定温度に到達するまでに様々なロジックが考えられるが、たとえば設定差の中点温度に測定差の中点温度が一致するようにＰＩＤ制御またはその他の制御を行う。
第１膨張弁９、第２膨張弁１３：
膨張弁は概念的には圧力比を変化させて凝縮温度と蒸発温度の差を調整し、モリエル線図の高さを決定する。膨張弁を絞って圧力比を高くすれば第１負荷用熱交換器７の出口温度と第２負荷用熱交換器の出口温度の差が拡大し、膨張弁を開いて圧力比を低くすれば第１負荷用熱交換器７の出口温度と第２負荷用熱交換器１５の出口温度の差は縮小する。したがって、第１負荷用熱交換器７の出口温度と第２負荷用熱交換器１５の出口温度の差が第１負荷用熱交換器７の設定温度と第２負荷用熱交換器１５の設定温度の差になるように調整する。ただし負荷との正常なバランスを常に保つ必要があるため、スーパーヒートが一定以上になるように開度を調整する必要がある場合がある。「ノーマルモード」と「リバースモード」では、上記の第１負荷用熱交換器７の温度制御のみの場合で説明したように、スーパーヒートを測定する温度センサーは異なる。
「ノーマルモード」では、第１負荷用熱交換器７の出口温度が設定温度より低く、第２負荷用熱交換器１５の出口温度が設定温度より高いときには、それぞれの負荷に応じて冷媒の動作パターン２、３または４になる。第１負荷用熱交換器７の出口温度が設定温度より低く、第２負荷用熱交換器１５の出口温度が設定温度より低いときには、冷媒の動作パターン６になる。第１負荷用熱交換器７の出口温度が設定温度より高く、第２負荷用熱交換器１５の出口温度が設定温度より高いときには、冷媒の動作パターン７になる。
「リバースモード」では、第１負荷用熱交換器７の出口温度が設定温度より低く、第２負荷用熱交換器１５の出口温度が設定温度より高いときには、それぞれの負荷に応じて冷媒の動作パターン２、３または４の配管構成になる。第１負荷用熱交換器７の出口温度が設定温度より低く、第２負荷用熱交換器１５の出口温度が設定温度より低いときには、冷媒の動作パターン７の配管構成になる。第１負荷用熱交換器７の出口温度が設定温度より高く、第２負荷用熱交換器１５の出口温度が設定温度より高いときには、冷媒の動作パターン６の配管構成になる。
図７の一例の遷移イメージ図に示すように、第１負荷用熱交換器７と第２負荷用熱交換機１５の出口温度が設定温度に近づいて一定のモリエル線図に収束し、その状態を維持するように運転される。
図８に示すように、加熱容量と冷却容量の大小により、モリエル線図は各別となる。
図８に示すように、加熱容量と冷却容量の大小により、モリエル線図は各別となる。
そして、「ノーマルモード」では、第１負荷用熱交換器７の出口温度が設定温度より高く、第２負荷用熱交換器１５の出口温度が設定温度より低いときには、以下の式を満たす場合に「リバースモード」に切り替えられる。
ところで、第１負荷用熱交換器７の出口温度が設定温度より高く、第２負荷用熱交換器１５の出口温度が設定温度より高い場合や、第１負荷用熱交換器７の出口温度が設定温度より低く、第２負荷用熱交換器１５の出口温度が設定温度より低い場合も考慮してモード切り替えの判断基準としては、（第１負荷用熱交換器の測定温度−設定温度）=（第２負荷用熱交換器の測定温度−設定温度）という線上で切り替えるのが本来は妥当である。しかしながら「ノーマルモード」から「リバースモード」への切り替えまたはその逆への切り替えにより、圧縮冷凍サイクルが停止するので温度保証の精度が落ちてしまう。したがって、すき間値を設け、その値を超えたときに切り替えることとし、すき間値の領域においては図５に示される調整パターンや第１負荷用熱交換器や第２負荷用熱交換器の負荷を利用することによって継続的かつスムーズに設定目標値を目指すようにする。
（式１）
（第１負荷用熱交換器の測定温度−設定温度）−（第２負荷用熱交換器の測定温度−設定温度）＜−（すき間値）
また、「リバースモード」では、第１負荷用熱交換器７の出口温度が設定温度より高く、第２負荷用熱交換器１５の出口温度が設定温度より低いときには、以下の式を満たす場合に「ノーマルモード」に切り替えられる。
（式２）
（第１負荷用熱交換器の測定温度−設定温度）−（第２負荷用熱交換器の測定温度−設定温度）＞＋（すき間値）
ところで、第１負荷用熱交換器７の出口温度が設定温度より高く、第２負荷用熱交換器１５の出口温度が設定温度より高い場合や、第１負荷用熱交換器７の出口温度が設定温度より低く、第２負荷用熱交換器１５の出口温度が設定温度より低い場合も考慮してモード切り替えの判断基準としては、（第１負荷用熱交換器の測定温度−設定温度）=（第２負荷用熱交換器の測定温度−設定温度）という線上で切り替えるのが本来は妥当である。しかしながら「ノーマルモード」から「リバースモード」への切り替えまたはその逆への切り替えにより、圧縮冷凍サイクルが停止するので温度保証の精度が落ちてしまう。したがって、すき間値を設け、その値を超えたときに切り替えることとし、すき間値の領域においては図５に示される調整パターンや第１負荷用熱交換器や第２負荷用熱交換器の負荷を利用することによって継続的かつスムーズに設定目標値を目指すようにする。
（式１）
（第１負荷用熱交換器の測定温度−設定温度）−（第２負荷用熱交換器の測定温度−設定温度）＜−（すき間値）
また、「リバースモード」では、第１負荷用熱交換器７の出口温度が設定温度より高く、第２負荷用熱交換器１５の出口温度が設定温度より低いときには、以下の式を満たす場合に「ノーマルモード」に切り替えられる。
（式２）
（第１負荷用熱交換器の測定温度−設定温度）−（第２負荷用熱交換器の測定温度−設定温度）＞＋（すき間値）
図９は冷媒の動作パターンを二次元でイメージ化したものである。この図に示すように、過吸熱乃至過放熱の境界線と、すき間値線との間を緩衝領域とし、その緩衝領域を超えたときに切り替えすることとした。
すき間値は、例えば、設定温度が４０℃の場合に＋１℃程度に設定する。
すき間値は、例えば、設定温度が４０℃の場合に＋１℃程度に設定する。
すべてのヒートポンプに共通の原理として、ヒートポンプの効率を表す成績係数（ＣＯＰ）は加熱と冷却の温度差に反比例する。つまりヒートポンプの効率というのは固定されるものではなく、原理的に利用者の意図する仕事の内容によって変化するということである。それは水を汲むポンプにおいて一つのポンプでも要求される揚程によって排出量が変化するのと全く変わるところがない。したがって設定差が小さいときはヒートポンプの効率が高くなり、設定差が大きいときはヒートポンプの効率が低くなる。たとえばヒートポンプの代表格であるエアコンで表示される成績係数（ＣＯＰ）はあくまでも一定かつ理想的な条件下で測定されたものであって、外気の温度（顕熱）や湿度（潜熱）等の状態によって大きく変化することは周知のとおりである。
本発明のヒートポンプユニットもその例外ではなく、ヒートポンプの原理を逃れるものではない。重要なのは、要求される仕事の内容にスムーズに対応し、効率の低くなる仕事であれ高くなる仕事であれ、常に仕事の内容に見合った適切な成績係数で稼働するところにある。
本発明のヒートポンプユニットもその例外ではなく、ヒートポンプの原理を逃れるものではない。重要なのは、要求される仕事の内容にスムーズに対応し、効率の低くなる仕事であれ高くなる仕事であれ、常に仕事の内容に見合った適切な成績係数で稼働するところにある。
温度指令については、制御装置１９に有線または無線の通信網を接続させておき、その通信網を介して制御装置１９が受信する構成にしても、または、制御装置１９に制御用通信手段を備えさせ、その制御用通信手段により外部の別の制御装置から制御装置１９が受信する構成にしてもよい。或いは、制御装置１９に外部のスイッチ・リレー・プログラマブルコントローラ等との信号入出力手段を備えさせ、その信号入出力手段により外部のスイッチ・リレー・プログラマブルコントローラ等から制御装置１９が受信する構成にしてもよい。
いずれにしても、本発明のヒートポンプユニットは、制御装置１９は圧縮機等への各別の制御指令ではなく、温度指令を受信してユニット全体を制御する構成に構築できる。
いずれにしても、本発明のヒートポンプユニットは、制御装置１９は圧縮機等への各別の制御指令ではなく、温度指令を受信してユニット全体を制御する構成に構築できる。
以上、本発明の実施の形態について詳述してきたが、具体的構成は、この実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計の変更などがあっても発明に含まれる。
本発明のヒートポンプユニットは蒸気圧縮式冷凍サイクルであれば冷媒の種類・圧縮機の種類・調整用熱交換器の種類には依存しない。たとえば冷媒はフッ素化合物に限るものではなく、二酸化炭素・アンモニア・プロパン等様々な冷媒を使用でき、圧縮機はスクロール式のほかロータリー式・ピストン式スクリュー式に限らず使用できる。また、調整用熱交換器は、ファンやブロワによって交換熱量を可変できる外気熱交換器のほか、たとえば地中熱や河川・地下水との熱交換を行うための熱交換器も含む。
本発明のヒートポンプユニットは、汎用型であることを最大の特徴としており、上記した冷温水の取出しだけでなく、乾燥装置や、農業ハウスの冷暖房や、水の蒸留や、工場における排熱のカスケード利用や、店舗のショーケースの適温保持等にも有用である。
また、熱交換器で熱交換する系外のものは空気に限定されず、地下水や河川水でもよい。
本発明のヒートポンプユニットは蒸気圧縮式冷凍サイクルであれば冷媒の種類・圧縮機の種類・調整用熱交換器の種類には依存しない。たとえば冷媒はフッ素化合物に限るものではなく、二酸化炭素・アンモニア・プロパン等様々な冷媒を使用でき、圧縮機はスクロール式のほかロータリー式・ピストン式スクリュー式に限らず使用できる。また、調整用熱交換器は、ファンやブロワによって交換熱量を可変できる外気熱交換器のほか、たとえば地中熱や河川・地下水との熱交換を行うための熱交換器も含む。
本発明のヒートポンプユニットは、汎用型であることを最大の特徴としており、上記した冷温水の取出しだけでなく、乾燥装置や、農業ハウスの冷暖房や、水の蒸留や、工場における排熱のカスケード利用や、店舗のショーケースの適温保持等にも有用である。
また、熱交換器で熱交換する系外のものは空気に限定されず、地下水や河川水でもよい。
本発明の自律平衡型ヒートポンプユニットでは、ユニットだけの作動で加熱・冷却対象を所望の温度に加熱・冷却でき、ヒートポンプユニットを組み込んだシステムが全体として複雑化せずに済む。
１…自律平衡型ヒートポンプユニット
３…無端状の冷媒配管 ５…圧縮機
７…第１負荷用熱交換器 ９…第１膨張弁
１１…調整用熱交換器 １３…第２膨張弁
１５…第２負荷用熱交換器 １７…四方弁
１９…制御装置
Ａ〜Ｆ…（冷媒測定用の）温度センサー
Ｇ、Ｈ…（負荷用熱交換器の出口温度測定用の）温度センサー
３…無端状の冷媒配管 ５…圧縮機
７…第１負荷用熱交換器 ９…第１膨張弁
１１…調整用熱交換器 １３…第２膨張弁
１５…第２負荷用熱交換器 １７…四方弁
１９…制御装置
Ａ〜Ｆ…（冷媒測定用の）温度センサー
Ｇ、Ｈ…（負荷用熱交換器の出口温度測定用の）温度センサー
Claims (6)
- 無端状冷媒配管に、容量可変の圧縮機、四方弁、交換熱量可変の第１負荷用熱交換器、開度可変の第１膨張弁、交換熱量可変の調整用熱交換器、開度可変の第２膨張弁、交換熱量可変の第２負荷用熱交換器、前記四方弁、前記圧縮機の順に接続されてなり、
前記四方弁の切り替えにより、冷媒循環経路が、前記圧縮機、前記第１負荷用熱交換器、前記第１膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第２膨張弁、前記第２負荷用熱交換器、前記圧縮機となるか、前記圧縮機、前記第２負荷用熱交換器、前記第２膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第１膨張弁、前記第１負荷用熱交換器、前記圧縮機となる自律平衡型ヒートポンプユニットの運転方法において、
前記第１負荷用熱交換器を加熱し、前記第２負荷用熱交換器を冷却するときには、前記冷媒循環経路を、前記圧縮機、前記第１負荷用熱交換器、前記第１膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第２膨張弁、前記第２負荷用熱交換器、前記圧縮機とするノーマルモードに設定し、それぞれの負荷の温度に対応して前記第１負荷用熱交換器による負荷の加熱と前記第２負荷用熱交換器による負荷の冷却、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への加熱または、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への冷却を行うことによりそれぞれの負荷を設定温度に維持するよう運転し、
前記第１負荷用熱交換器を冷却し、前記第２負荷用熱交換器を加熱するときには、冷媒循環経路を、前記圧縮機、前記第２負荷用熱交換器、前記第２膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第１膨張弁、前記第１負荷用熱交換器、前記圧縮機とするリバースモードに設定し、それぞれの負荷の温度に対応して前記第１負荷用熱交換器による負荷の冷却と前記第２負荷用熱交換器による負荷の加熱、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への加熱または、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への冷却を行うことによりそれぞれの負荷を設定温度に維持するよう運転するが、
前記第１負荷用熱交換器の出口温度が前記第１負荷用熱交換器の設定温度を下回り、前記第２負荷用熱交換器の出口温度が前記第２負荷用熱交換器の設定温度を上回るときにはノーマルモードを優先して前記第１負荷用熱交換器を加熱するとともに前記第２負荷用熱交換器を冷却し、前記第１負荷用熱交換器の出口温度が前記第１負荷用熱交換器の設定温度を上回り、前記第２負荷用熱交換器の出口温度が前記第２負荷用熱交換器の設定温度を下回るときにはリバースモードを優先して前記第１負荷用熱交換器を冷却するとともに前記第２負荷用熱交換器を加熱することを特徴とする運転方法。 - 無端状冷媒配管に、容量可変の圧縮機、四方弁、交換熱量可変の第１負荷用熱交換器、開度可変の第１膨張弁、交換熱量可変の調整用熱交換器、開度可変の第２膨張弁、交換熱量可変の第２負荷用熱交換器、前記四方弁、前記圧縮機の順に接続されてなり、
前記四方弁の切り替えにより、冷媒循環経路が、前記圧縮機、前記第１負荷用熱交換器、前記第１膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第２膨張弁、前記第２負荷用熱交換器、前記圧縮機となるか、前記圧縮機、前記第２負荷用熱交換器、前記第２膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第１膨張弁、前記第１負荷用熱交換器、前記圧縮機となる自律平衡型ヒートポンプユニットの運転方法において、
前記第１負荷用熱交換器を加熱し、前記第２負荷用熱交換器を冷却するときには、前記冷媒循環経路を、前記圧縮機、前記第１負荷用熱交換器、前記第１膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第２膨張弁、前記第２負荷用熱交換器、前記圧縮機とするノーマルモードに設定し、それぞれの負荷の温度に対応して前記第１負荷用熱交換器による負荷の加熱と前記第２負荷用熱交換器による負荷の冷却、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への加熱または、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への冷却を行うことによりそれぞれの負荷を設定温度に維持するよう運転し、
前記第１負荷用熱交換器を冷却し、前記第２負荷用熱交換器を加熱するときには、冷媒循環経路を、前記圧縮機、前記第２負荷用熱交換器、前記第２膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第１膨張弁、前記第１負荷用熱交換器、前記圧縮機とするリバースモードに設定し、それぞれの負荷の温度に対応して前記第１負荷用熱交換器による負荷の冷却と前記第２負荷用熱交換器による負荷の加熱、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への加熱または、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への冷却を行うことによりそれぞれの負荷を設定温度に維持するよう運転するが、
前記第１負荷用熱交換器の出口温度が前記第１負荷用熱交換器の設定温度を下回り、第２負荷用熱交換器の出口温度が前記第２負荷用熱交換器の設定温度を下回るとき、前記第１負荷用熱交換器の出口温度と設定温度の差分が前記第２負荷用熱交換器の出口温度と設定温度の差分より大きいときはノーマルモードで前記第１負荷用熱交換器を優先的に加熱し、前記第２負荷用熱交換器の出口温度と設定温度の差分が前記第１負荷用熱交換器の出口温度と設定温度の差分より大きいときはリバースモードで前記第２負荷用熱交換器を優先的に加熱し、
前記第１負荷用熱交換器の出口温度が前記第１負荷用熱交換器の設定温度を上回り、前記第２負荷用熱交換器の出口温度が前記第２負荷用熱交換器の設定温度を上回るとき、前記第１負荷用熱交換器の出口温度と設定温度の差分が前記第２負荷用熱交換器の出口温度と設定温度の差分より大きいときはリバースモードで前記第１負荷用熱交換器を優先的に冷却し、前記第２負荷用熱交換器の出口温度と設定温度の差分が前記第１負荷用熱交換器の出口温度と設定温度の差分より大きいときはノーマルモードで前記第２負荷用熱交換器を優先的に冷却することを特徴とする運転方法。 - 無端状冷媒配管に、容量可変の圧縮機、四方弁、交換熱量可変の第１負荷用熱交換器、開度可変の第１膨張弁、交換熱量可変の調整用熱交換器、開度可変の第２膨張弁、交換熱量可変の第２負荷用熱交換器、前記四方弁、前記圧縮機の順に接続されてなり、
前記四方弁の切り替えにより、冷媒循環経路が、前記圧縮機、前記第１負荷用熱交換器、前記第１膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第２膨張弁、前記第２負荷用熱交換器、前記圧縮機となるか、前記圧縮機、前記第２負荷用熱交換器、前記第２膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第１膨張弁、前記第１負荷用熱交換器、前記圧縮機となる自律平衡型ヒートポンプユニットの運転方法において、
前記第１負荷用熱交換器を加熱し、前記第２負荷用熱交換器を冷却するときには、前記冷媒循環経路を、前記圧縮機、前記第１負荷用熱交換器、前記第１膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第２膨張弁、前記第２負荷用熱交換器、前記圧縮機とするノーマルモードに設定し、それぞれの負荷の温度に対応して前記第１負荷用熱交換器による負荷の加熱と前記第２負荷用熱交換器による負荷の冷却、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への加熱または、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への冷却を行うことによりそれぞれの負荷を設定温度に維持するよう運転し、
前記第１負荷用熱交換器を冷却し、前記第２負荷用熱交換器を加熱するときには、冷媒循環経路を、前記圧縮機、前記第２負荷用熱交換器、前記第２膨張弁、前記調整用熱交換器、前記第１膨張弁、前記第１負荷用熱交換器、前記圧縮機とするリバースモードに設定し、それぞれの負荷の温度に対応して前記第１負荷用熱交換器による負荷の冷却と前記第２負荷用熱交換器による負荷の加熱、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への加熱または、両方の負荷用熱交換器によるそれぞれの負荷への冷却を行うことによりそれぞれの負荷を設定温度に維持するよう運転するが、
ノーマルモードでは、以下の式を満たす場合にリバースモードに切り替え、
（式１）
（第１負荷用熱交換器の測定温度−設定温度）−（第２負荷用熱交換器の測定温度−設定温度）＜−（すき間値）
リバースモードでは、以下の式を満たす場合にノーマルモードに切り替える
（式２）
（第１負荷用熱交換器の測定温度−設定温度）−（第２負荷用熱交換器の測定温度−設定温度）＞＋（すき間値）
ことを特徴とする運転方法。 - 請求項１〜３のいずれかに記載した自律平衡型ヒートポンプユニットの運転方法において、
前記ユニットが有線または無線の通信網との接続手段を備えた制御装置を備えており、前記制御装置が、前記通信網を介して受信した温度の設定指令に基づいて、圧縮機、四方弁、第１負荷用熱交換器、第１膨張弁、調整用熱交換器、第２膨張弁および第２負荷用熱交換器を制御することを特徴とする運転方法。 - 請求項１〜３のいずれかに記載した自律平衡型ヒートポンプユニットの運転方法において、
前記ユニットが制御用通信手段を有する制御装置を備えており、前記制御装置が、前記制御用通信手段によって外部の制御装置から受信した温度の設定指令に基づいて、圧縮機、四方弁、第１負荷用熱交換器、第１膨張弁、調整用熱交換器、第２膨張弁および第２負荷用熱交換器を制御することを特徴とする運転方法。 - 請求項１〜３のいずれかに記載した自律平衡型ヒートポンプユニットの運転方法において、
前記ユニットが外部のスイッチ・リレー・プログラマブルコントローラ等との信号入出力手段を有する制御装置を備えて予め設定した温度を選択できるようになっており、前記制御装置が、前記制御信号入出力手段によって外部から受信した動作指令および温度の設定選択指令に基づいて、圧縮機、四方弁、第１負荷用熱交換器、第１膨張弁、調整用熱交換器、第２膨張弁および第２負荷用熱交換器を制御することを特徴とする運転方法。
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