特表 2023-543521 ヒートポンプシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-10-16

(54)【発明の名称】ヒートポンプシステム

(51)【国際特許分類】

   F25B 47/02 20060101AFI20231006BHJP

   F25B 13/00 20060101ALI20231006BHJP

   F25B 1/10 20060101ALI20231006BHJP

   F25B 1/00 20060101ALI20231006BHJP

【ＦＩ】

F25B47/02 530K

F25B13/00 351

F25B13/00 S

F25B13/00 341C

F25B1/10 Z

F25B1/00 311B

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023519990

(86)(22)【出願日】2021-09-29

(85)【翻訳文提出日】2023-04-26

(86)【国際出願番号】 EP2021076855

(87)【国際公開番号】W WO2022069581

(87)【国際公開日】2022-04-07

(31)【優先権主張番号】2015531.3

(32)【優先日】2020-09-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】301008419

【氏名又は名称】ザ ユニバーシティー コート オブ ザ ユニバーシティー オブ グラスゴー

(74)【代理人】

【識別番号】110000523

【氏名又は名称】アクシス国際弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】チーピン・ユイ

【テーマコード（参考）】

3L092

【Ｆターム（参考）】

3L092AA09

3L092BA05

3L092BA17

3L092BA27

3L092TA10

3L092UA04

3L092UA31

3L092VA04

3L092WA02

3L092WA23

(57)【要約】

建物の内部温度を制御するためのヒートポンプシステム。前記システムは、冷媒の流れによって互いに流体結合されて冷媒回路を画定する、圧縮機、第１の熱交換器、膨張装置、及び第２の熱交換器と、前記冷媒と熱エネルギーを交換するために前記冷媒回路に熱的に結合可能である熱エネルギー貯蔵手段とを含む。前記ヒートポンプシステムは、通常加熱モードと除霜モードで動作できるように構成される。前記通常加熱モードでは、熱エネルギーは、前記第２の熱交換器から前記冷媒に伝達され、前記冷媒から前記第１の熱交換器によって伝達されて前記建物を加熱する。前記除霜モードでは、熱エネルギーは、前記熱エネルギー貯蔵手段から前記冷媒に伝達され、前記冷媒から前記第１の熱交換器によって伝達されて前記建物を加熱し、前記第２の熱交換器によって伝達されて前記第２の熱交換器を除霜する。前記ヒートポンプシステムは、前記通常加熱モード及び前記除霜モードを切り替えるように構成されたスイッチングアセンブリを含み、前記スイッチングアセンブリは、前記除霜モードで前記ヒートポンプシステムを動作させるとき、前記第１の熱交換器を出る冷媒を前記第２の熱交換器を通って流れるように導き、前記冷媒内の残留熱で前記第２の熱交換器を除霜するように構成される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

建物の内部温度を制御するヒートポンプシステムであって、前記システムは、
冷媒の流れによって互いに流体結合されて冷媒回路を画定する、圧縮機、第１の熱交換器、膨張装置、及び第２の熱交換器と、
前記冷媒と熱エネルギーを交換するために前記冷媒回路に熱的に結合可能である熱エネルギー貯蔵手段と
を含み、
前記ヒートポンプシステムは、通常加熱モード及び除霜モードで動作するように構成され、
前記通常加熱モードでは、熱エネルギーは、前記第２の熱交換器から前記冷媒に伝達され、前記冷媒から前記第１の熱交換器によって伝達されて前記建物を加熱し、
前記除霜モードでは、熱エネルギーは、前記熱エネルギー貯蔵手段から前記冷媒に伝達され、前記冷媒から前記第１の熱交換器によって伝達されて前記建物を加熱し、前記第２の熱交換器によって伝達されて前記第２の熱交換器を除霜し、
前記ヒートポンプシステムは、前記通常加熱モード及び前記除霜モードを切り替えるように構成されたスイッチングアセンブリを含み、前記スイッチングアセンブリは、前記除霜モードで前記ヒートポンプシステムを動作させるとき、前記第１の熱交換器を出る前記冷媒を前記第２の熱交換器を通って流れるように導き、前記冷媒内の残留熱で前記第２の熱交換器を除霜するように構成される、
ヒートポンプシステム。

【請求項2】

前記スイッチングアセンブリは、前記ヒートポンプシステムを除霜モードで動作させるとき、前記第１の熱交換器を出る前記冷媒を、前記第２の熱交換器、前記膨張装置及び前記圧縮機に順次通すように構成される、請求項１に記載のヒートポンプシステム。

【請求項3】

前記熱エネルギー貯蔵手段は、前記膨張装置と前記圧縮機との間の前記冷媒回路に結合される、請求項１又は２に記載のヒートポンプシステム。

【請求項4】

前記スイッチングアセンブリは、前記除霜モードで前記ヒートポンプシステムを動作させるとき、前記第１の熱交換器を前記第２の熱交換器に直接結合するように構成された四方弁を含む、請求項２又は３に記載のヒートポンプシステム。

【請求項5】

前記スイッチングアセンブリは、前記除霜モードで前記ヒートポンプシステムを動作させるとき、前記膨張装置を迂回し、前記第１の熱交換器を出る前記冷媒を、前記第２の膨張装置、前記熱エネルギー貯蔵手段、前記第２の熱交換器、及び前記圧縮機を順次通すように構成される、請求項１に記載のヒートポンプシステム。

【請求項6】

前記スイッチングアセンブリは、前記ヒートポンプシステムが前記除霜モードで動作しているときに、前記膨張装置を前記冷媒回路から隔離するように構成された第１のバイパスアセンブリを含む、請求項５に記載のヒートポンプシステム。

【請求項7】

前記熱エネルギー貯蔵手段は、前記第２の膨張装置と前記第２の熱交換器との間の前記冷媒回路に結合される請求項５又は６に記載のヒートポンプシステム。

【請求項8】

前記スイッチングアセンブリは、前記ヒートポンプシステムが前記除霜モードで動作しているときに、前記第２の膨張装置を前記第１の熱交換器と前記熱エネルギー貯蔵手段との前記間の冷媒回路に流体結合するように構成された第２のバイパスアセンブリを含む、請求項７に記載のヒートポンプシステム。

【請求項9】

前記ヒートポンプシステムは、熱エネルギーが前記冷媒から前記熱エネルギー貯蔵手段に伝達される熱充填モードで動作可能であり、前記スイッチングアセンブリは、前記熱充填モードで前記ヒートポンプシステムを動作させるとき、前記第２の膨張装置及び前記第１の熱交換器を迂回するように、前記圧縮機を出る冷媒を導くように構成される、請求項５～８のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム。

【請求項10】

前記ヒートポンプシステムは、熱エネルギーが前記熱エネルギー貯蔵手段から前記冷媒に伝達される補助加熱モードで動作可能であり、前記スイッチングアセンブリは、前記補助加熱モードで前記ヒートポンプシステムを動作させるとき、前記膨張装置及び前記第２の熱交換器を迂回するように構成される、請求項５～９のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム。

【請求項11】

前記熱エネルギー貯蔵手段は、相変化材料を含む、請求項１～１０のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム。

【請求項12】

前記相変化材料は、前記冷媒回路の導管と直接熱的に接触するように配置される、請求項１１に記載のヒートポンプシステム。

【請求項13】

前記相変化材料は、伝熱流体を含む回路によって前記冷媒回路の導管に熱的に結合される、請求項１１に記載のヒートポンプシステム。

【請求項14】

前記冷媒回路は、相分離器によって互いに流体結合された高圧段及び低圧段を含み、前記高圧段は前記第１の熱交換器を含み、前記低圧段は前記第２の熱交換器を含む、請求項１～１３のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム。

【請求項15】

前記熱エネルギー貯蔵手段は、前記相分離器に熱的に結合可能である、請求項１４に記載のヒートポンプシステム。

【請求項16】

前記圧縮機は、前記高圧段に流体結合された第１の圧縮機と、前記低圧段に流体結合された第２の圧縮機とを含む、圧縮機アセンブリを画定する、請求項１４又は１５に記載のヒートポンプシステム。

【請求項17】

前記圧縮機は、前記冷媒回路の前記高圧段及び前記低圧段の両方に流体結合された蒸気噴射圧縮機を含む、請求項１４又は１５に記載のヒートポンプシステム。

【請求項18】

前記膨張装置は、前記高圧段に流体結合された第１の膨張装置と、前記低圧段に流体結合された第２の膨張装置とを含む、膨張装置アセンブリを画定する、請求項１４～１７のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム。

【請求項19】

前記スイッチングアセンブリは、前記除霜モードで前記ヒートポンプシステムを動作させるとき、前記第１の膨張装置を迂回し、前記第１の熱交換器を出る前記冷媒を、前記第２の膨張装置、前記第２の熱交換器、及び前記相分離器に順次通すように配置される、請求項１８に記載のヒートポンプシステム。

【請求項20】

前記第２の熱交換器は第２の熱源に熱的に結合され、前記第１の熱交換器は前記建物のセントラルヒーティングシステムに熱的に結合される、請求項１～１９のいずれか１項に記載のヒートポンプシステムを含む建物。

【請求項21】

建物の内部温度を制御するためにヒートポンプシステムを動作させる方法であって、前記システムは、
冷媒の流れによって互いに流体結合されて冷媒回路を画定する、圧縮機、第１の熱交換器、膨張装置、及び第２の熱交換器と、
前記冷媒と熱エネルギーを交換するために前記冷媒回路に熱的に結合可能である熱エネルギー貯蔵手段と
を含み、
前記ヒートポンプシステムは、通常加熱モード及び除霜モードで動作するように構成され、
前記通常加熱モードでは、熱エネルギーは、前記第２の熱交換器から前記冷媒に伝達され、前記冷媒から前記第１の熱交換器によって伝達されて前記建物を加熱し、
前記除霜モードでは、熱エネルギーは、前記熱エネルギー貯蔵手段から前記冷媒に伝達され、前記冷媒から前記第１の熱交換器によって伝達されて前記建物を加熱し、前記第２の熱交換器によって伝達されて前記第２の熱交換器を除霜し、
前記方法は、前記除霜モードで前記ヒートポンプシステムを動作させるとき、前記第１の熱交換器を出る前記冷媒を前記第２の熱交換器を通って流れるように導き、前記冷媒内の残留熱で前記第２の熱交換器を除霜するように構成される、
方法。

【請求項22】

冷蔵ユニットの内部温度を制御するためにヒートポンプシステムを動作させる方法であって、前記システムは、
冷媒の流れによって互いに流体結合されて冷媒回路を画定する、圧縮機、凝縮器、膨張装置、及び蒸発器と、
前記冷媒と熱エネルギーを交換するために前記冷媒回路に熱的に結合可能である熱エネルギー貯蔵手段と
を含み、
前記冷媒回路は、相分離器によって互いに流体結合された高圧段及び低圧段を含み、前記高圧段は前記凝縮器を含み、前記低圧段は前記蒸発器を含み、
前記ヒートポンプシステムは、冷却充填モード及び補助冷却モードで動作するように構成され、
前記冷却充填モードでは、熱エネルギーは、前記熱エネルギー貯蔵手段から前記冷媒に伝達され、前記冷媒から前記凝縮器によって伝達されて外部周囲空気を加熱し、
前記補助冷却モードでは、熱エネルギーは、前記蒸発器から前記冷媒に伝達されて前記冷蔵ユニットの内部領域を冷却し、前記冷媒から前記熱エネルギー貯蔵手段に伝達され、
前記方法は、前記冷却充填モードで前記ヒートポンプシステムを動作させるとき、前記高圧段を隔離し、前記補助冷却モードで前記ヒートポンプシステムを動作させるとき、前記低圧段を隔離することを含む、
方法。

【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、及びヒートポンプシステムを動作させる方法に関する。

【背景技術】

【0002】

周囲の外気などの熱源から熱エネルギー（すなわち、熱）を抽出し、抽出した熱エネルギーを建物の内部などの密閉空間に放出するヒートポンプを提供することが知られている。絶対零度を超える温度の熱源には熱エネルギーが含まれており、これを利用して密閉空間の内部温度を上昇させることができる。

【0003】

知られているヒートポンプシステムの例は、空気源ヒートポンプ（ａｉｒ－ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ、ＡＳＨＰ）であり、これは典型的に蒸発器、圧縮機、凝縮器、及び膨張装置を含む。ＡＳＨＰの構成要素は、流体導管によって流体接続され、冷媒回路を形成する。蒸発器及び凝縮器はそれぞれ、冷媒回路を通って流れる冷媒に、及び／又は冷媒から熱を伝達できるように構成された熱交換器を含む。蒸発器は、周囲の外気から熱を伝達できるように外部の場所に配置されるが、凝縮器は典型的に、建物のセントラルヒーティングシステムに結合される。

【0004】

冷蔵回路は圧縮機から始まり、気化した冷媒が圧縮されて高温の蒸気になる。高温の冷媒蒸気は凝縮器に導かれ、凝縮器は冷媒から熱の一部を伝達し、それによって蒸気を液体に凝縮する。液体冷媒の流れは膨張弁に進み、そこで膨張し、圧力と温度を下げる。低温の冷媒混合物は蒸発器に導かれ、外部空気から熱を伝達して冷媒を気化させる。次に、冷媒蒸気は圧縮機に戻され、冷媒回路が再び開始される。

【0005】

ＡＳＨＰの既知の問題は、周囲の外気温度が低下すると、加熱能力と成績係数（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ、ＣＯＰ）が劇的に低下することである。これは、建物の内部温度を上昇させるために熱の流入が最も必要なときに、ＡＳＨＰのパフォーマンスが最低レベルに低下することを意味する。

【0006】

既知のＡＳＨＰのさらなる問題は、外気温度が約６℃を下回ると、蒸発器のコイル又はフィンに霜や氷が形成される可能性があることである。氷が蓄積すると蒸発器の動作効率が低下し、ＡＳＨＰが機能しなくなる可能性がある。特に寒くて湿気の多い気候では、この氷の蓄積を防ぐために蒸発器を定期的に除霜する必要がある。

【0007】

蒸発器を除霜する典型的な方法は、回路を通る冷媒の流れ方向を逆にして、圧縮機からの冷媒を蒸発器に導くことを含む。このいわゆる「逆循環方式」は、凝縮器から熱を抽出して蒸発器に蓄積した氷を溶かすようにＡＳＨＰを構成することによって機能する。

【0008】

別のアプローチは、凝縮器を迂回しながら圧縮機の出力を蒸発器の入力に流体的に接続するように配置されたバイパス導管又はチャネルを冷媒回路に提供することである。この「ホットガスバイパス方式」は、圧縮機を構成して高温の気化冷媒を生成し、蒸発器に導き、形成された氷を溶かす。

【0009】

別の代替除霜方法では、蒸発器の外面を直接加熱して、寒くて湿気の多い状態で蓄積する霜や氷を溶かすように構成された別の電気ヒーターを使用する。この除霜方法は追加の電力を使用し、除霜プロセス中にＡＳＨＰユニットのスイッチを切る必要があるため、建物の内部への熱供給が中断される。

【0010】

これらの除霜方法はいずれも、除霜動作中に建物の内部に熱を供給せずに電力を消費する。例えば、ホットガスバイパス方式では、圧縮機は高温の冷媒蒸気を供給するように動作するが、高温の蒸気は凝縮器から迂回されるため、建物のセントラルヒーティングシステムには熱が供給されない。あるいは、逆循環方式では、冷たい冷媒が凝縮器を通って蒸発器に流れる。これにより、凝縮器から熱が抽出され、建物内部の温度が低下する可能性がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

これらの各除霜方法の操作中、蒸発器の除霜中に建物の内部を加熱するために、電気ヒーターやガスボイラーなどのバックアップ熱源を用意する必要がある。したがって、除霜方法のそれぞれは、ヒートポンプシステムの全体的な成績係数（ＣＯＰ）を大幅に低下させる。

【0012】

本開示は、既存のヒートポンプシステムに伴う上記の問題の１つ又は複数に対処することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

最も広義には、本発明の態様は、除霜モードで動作するとき、除霜動作中に建物の内部を加熱するために、凝縮器からの残留熱エネルギーを蒸発器の除霜に導くと同時に、熱エネルギー貯蔵手段からの貯蔵熱エネルギーを凝縮器に導くように構成された、ヒートポンプシステムを提供する。本発明の態様は、凝縮器からの残留熱エネルギーを蒸発器の除霜に導き、貯蔵熱エネルギーを熱エネルギー貯蔵手段から凝縮器に導くことを含む、除霜モードでヒートポンプシステムを動作させる方法も提供する。

【0014】

本発明の第１の態様は、建物温度制御システム用のヒートポンプシステムを提供し、前記システムは、冷媒の流れによって互いに流体結合されて冷媒回路を画定する、圧縮機、第１の熱交換器、膨張装置、及び第２の熱交換器と、前記冷媒と熱エネルギーを交換するために前記冷媒回路に熱的に結合可能である熱エネルギー貯蔵手段とを含む。前記ヒートポンプシステムは、通常加熱モードと除霜モードで動作できるように構成される。前記通常加熱モードでは、熱エネルギーは、前記第２の熱交換器から前記冷媒に伝達され、前記冷媒から前記第１の熱交換器によって伝達されて前記建物を加熱し、前記除霜モードでは、熱エネルギーは、前記熱エネルギー貯蔵手段から前記冷媒に伝達され、前記冷媒から前記第１の熱交換器によって伝達されて前記建物を加熱し、前記第２の熱交換器によって伝達されて前記第２の熱交換器を除霜する。前記ヒートポンプシステムは、前記通常加熱モード及び前記除霜モードを切り替えるように構成されたスイッチングアセンブリを含み、前記スイッチングアセンブリは、前記除霜モードで前記ヒートポンプシステムを動作させるとき、前記第１の熱交換器を出る冷媒を前記第２の熱交換器を通って流れるように導き、前記冷媒内の残留熱で前記第２の熱交換器を除霜するように構成される。

【0015】

冷媒回路は、その外面に蓄積した氷を溶かすために、第１の熱交換器から出る冷媒の残留熱エネルギーが第２の熱交換器に導かれるように、スイッチングアセンブリによって構成可能である。

【0016】

第１の熱交換器からの残留熱は、第１の熱交換器によって建物のセントラルヒーティングシステムに伝達されなかった過剰な熱を表す。この「残留熱」は通常、既知のヒートポンプシステムでは無駄になる。除霜動作中、熱エネルギー貯蔵手段は、貯蔵された熱エネルギーを冷媒回路に伝達するように構成され、これにより、第１の熱交換器が建物のセントラルヒーティングシステムに熱を供給し続けることが可能になる。

【0017】

したがって、ヒートポンプシステムの除霜モードは、第２の熱交換器の除霜を建物の連続的（すなわち中断のない）加熱と組み合わせることができる。この機能により、バックアップヒーターが不要になり、ヒートポンプシステムの成績係数（ＣＯＰ）が大幅に向上し、運用コストが削減される。

【0018】

ここで、任意選択の機能を設定する。これらは、単独で適用することも、任意の態様と組み合わせて適用することもできる。

【0019】

「冷媒」という用語は、本明細書では、伝熱流体、例えば、気相と液相との間で遷移することができ、伝熱プロセスで使用できる流体を指すために使用されることを理解されたい。例えば、冷媒は、伝熱プロセスの一方の側で冷却の中間体として機能し、伝熱プロセスの他方の側で加熱し、プロセスの一方の側から他方の側に熱エネルギーを伝達することができる任意の伝熱流体を含むことができる。したがって、本明細書に記載の冷媒回路のそれぞれは、本開示による伝熱流体回路を画定することができる。

【0020】

第１及び第２の熱交換器は、内部及び外部熱交換器をそれぞれ画定することができる。すなわち、第１の熱交換器は、ヒートポンプシステムと建物の内部空間との間で熱エネルギーを伝達するように配置することができ、第２の熱交換器は、ヒートポンプシステムと外部環境との間で熱エネルギーを伝達するように配置することができる。したがって、第１及び第２の熱交換器は、それぞれ、ヒートポンプシステムの屋内及び屋外熱交換器（又はユニット）として定義することができる。第１の熱交換器は凝縮器であってもよい。第２の熱交換器は蒸発器であってもよい。膨張装置は、冷媒を膨張させるように適切に構成された任意の膨張装置を含むことができることが理解される。例えば、膨張装置は膨張弁を含むことができる。膨張装置は、いずれかの流れ方向で動作するように構成することができる。したがって、膨張装置は毛細管であってもよい。あるいは、膨張装置は、当業者に理解されるように、冷媒の流れをいずれかの方向に膨張させるように、切り替え可能な回路に配置された２つ以上の一方向膨張弁を含めてもよい。別の膨張装置は、２つの一方向弁で一緒に接続された２つの非対称膨張装置の配置を含むことができる。あるいは、当業者に理解されるように、膨張装置は、４つの制御弁によって冷媒回路に結合された単一の非対称膨張弁を含むことができる。

【0021】

スイッチングアセンブリは、除霜モードでヒートポンプシステムを動作させるとき、第１の熱交換器を出る冷媒を、第２の熱交換器、膨張装置、及び圧縮機に順次通すように構成することができる。このようにして、ヒートポンプシステムは、第１の熱交換器からの残留熱エネルギーを冷媒によって運ばせて、蒸発器を除霜するように構成することができる。したがって、スイッチングアセンブリは、第１の熱交換器の下流で圧縮機の上流に配置することができる。

【0022】

スイッチングアセンブリは、冷媒を第１の熱交換器から、熱エネルギー貯蔵手段、膨張装置、第２の熱交換器、及び圧縮機に順次通すように構成することができる。このように、熱エネルギー貯蔵装置は、通常加熱モード中に、凝縮器から出る温かい冷媒に存在する残留熱エネルギーの少なくとも一部が熱エネルギー貯蔵装置に伝達されるように構成することができる。したがって、通常加熱モードの間、熱エネルギー貯蔵装置は、凝縮器から出る温かい冷媒から残留熱エネルギーを回収するように構成され得る。

【0023】

熱エネルギー貯蔵手段は、冷媒によって運ばれる残留熱エネルギーを回収して貯蔵するために、膨張装置と圧縮機との間の冷媒回路に結合することができる。

【0024】

スイッチングアセンブリは、除霜モードでヒートポンプシステムを動作させるとき、第１の熱交換器を第２の熱交換器に直接結合するように構成できる四方弁を含むことができる。四方弁は、ヒートポンプシステムを通る冷媒の流れを変更する便利な手段を提供する。

【0025】

代替的に、スイッチングアセンブリは、任意の適切に構成された「四方」スイッチング手段（例えば、相互接続された４つの一方向弁のアセンブリ、又は相互接続された２つの双方向弁のアセンブリ）を含み得ることが理解される。

【0026】

スイッチングアセンブリは、除霜モードでヒートポンプシステムを動作させるとき、膨張装置（すなわち、第１の膨張装置）を迂回し、第１の熱交換器を出る冷媒を、第２の膨張装置、第２の熱交換器、及び圧縮機に順次通すように構成することができる。これにより、熱エネルギー貯蔵手段からの熱が冷媒によって伝達され、第２の熱交換器の除霜が可能になる。

【0027】

スイッチングアセンブリは、ヒートポンプシステムが除霜モードで動作し得るときに、膨張装置（すなわち、第１の膨張装置）を冷媒回路から隔離するように構成できる第１のバイパスアセンブリを含むことができる。この構成により、熱エネルギー貯蔵手段からの温かい冷媒が第２の熱交換器に達して、その上に蓄積した氷を溶かすことができる。

【0028】

実施形態では、熱エネルギー貯蔵手段は、第２の膨張装置と第２の熱交換器との間の冷媒回路に結合され得る。

【0029】

スイッチングアセンブリは、ヒートポンプシステムが除霜モードで動作し得るときに、第２の膨張装置を第１の熱交換器と熱エネルギー貯蔵手段との間の冷媒回路に流体結合するように構成され得る第２のバイパスアセンブリを含むことができる。これにより、第２の膨張装置は、冷媒が熱エネルギー貯蔵手段を通過する際に、熱エネルギー貯蔵手段に貯蔵された熱をより効率的に吸収できるように、冷媒の圧力を下げるように構成される。

【0030】

ヒートポンプシステムは、熱エネルギーが冷媒から熱エネルギー貯蔵手段に伝達され得る熱充填モードで動作可能であり得、スイッチングアセンブリは、熱充填モードでヒートポンプシステムを動作させるとき、第２の膨張装置及び第１の熱交換器を迂回するように、圧縮機を出る冷媒を導くように構成され得る。このモードでは、圧縮機からの熱エネルギーは、建物の居住者が熱を必要としないときに、熱エネルギー貯蔵手段に貯蔵されるように導かれる。

【0031】

ヒートポンプシステムは、熱エネルギーが熱エネルギー貯蔵手段から冷媒に伝達され得る補助加熱モードで動作可能であり得、スイッチングアセンブリは、補助加熱モードでヒートポンプシステムを動作させるとき、膨張装置及び第２の熱交換器を迂回するように構成され得る。したがって、熱エネルギー貯蔵手段に貯蔵された熱エネルギーは、第２の熱交換器（例えば、蒸発器）の除霜が必要ないときに、建物の内部に熱を供給するために使用され得る。

【0032】

熱エネルギー貯蔵手段は、相変化材料を含むことができる。相変化材料は、冷媒回路の導管と直接熱的に接触するように配置することができる。相変化材料は、ヒートポンプシステムの制御を改善する実質的に一定の温度で熱エネルギーを提供（及び貯蔵）するように構成することができる。相変化材料はまた、大量の熱エネルギーを比較的小さな容積に貯蔵するように構成することができ、これによりヒートポンプシステムのパッケージング効率が向上する。

【0033】

熱エネルギー貯蔵手段は、伝熱流体（例えば、水）を含む別個の流体回路によって冷媒回路の導管に熱的に結合され得る。別個の流体回路により、熱エネルギー貯蔵手段は、ヒートポンプシステムの残りの部分に対して外部に配置できる大容量を有することが可能になる。

【0034】

ヒートポンプシステムは、第１の熱交換器の出力に流体結合され得る冷媒貯蔵手段をさらに含み得る。冷媒貯蔵手段は、ヒートポンプシステムの動作中に冷媒回路を通って流れる冷媒の量の変動に適応するように構成され得る。

【0035】

ヒートポンプシステムは、望ましくない流体が圧縮機に入ることを防止するために、圧縮機の入力ポートに流体接続され得る相分離器をさらに含み得る。

【0036】

冷媒回路は、相分離器によって一緒に流体結合された高圧段及び低圧段を含むことができる。高圧段は、第１の熱交換器を含み得（すなわち、流体的に結合され得）、低圧段は、第２の熱交換器を含み得る（すなわち、流体的に結合され得る）。したがって、高圧段及び低圧段を含むヒートポンプシステムは、二段ヒートポンプシステムを画定することができる。

【0037】

高圧段及び低圧段の少なくとも１つ、又はそれぞれが、相分離器に流体結合され得る。高圧段は、相分離器のガス含有部分又はセクションに流体結合され得る。例えば、高圧段は、相分離器の気体含有部分から気体冷媒を受け取るように構成され得る。低圧段は、相分離器の液体含有部分に流体結合され得る。例えば、低圧段は、相分離器の液体含有部分から液体冷媒を受け取るように構成することができる。高圧段は、液体－ガス冷媒の混合物を相分離器に送達するように構成することができる。したがって、高圧段回路は、液体－ガス冷媒混合物を相分離器の液体含有部分に送達するように構成することができる。

【0038】

冷媒回路は、高圧段及び低圧段を含む冷媒回路アセンブリを画定することができる。高圧段と低圧段は、両方の段の周りを循環する同じ冷媒を共有できるという点で、互いに流体結合することができる。高圧段の冷媒は、平均して、低圧段の同等のセクションよりも高い圧力で保持され得る。低圧段は、冷媒の温度を低温（例えば、蒸発器における）から中間温度（例えば、相分離器における）まで上昇させるように構成することができる。高圧段は、冷媒の温度を中間温度（例えば相分離器内）から高温（例えば凝縮器内）に上昇させるように構成することができる。

【0039】

ヒートポンプシステムは、熱エネルギーが冷媒から熱エネルギー貯蔵手段に伝達されるように、通常加熱モードで（例えば、それに応じてスイッチングアセンブリを構成することによって）動作可能であり得る。例えば、これは、第１の熱交換器（例えば凝縮器）からの冷媒の流れを、熱エネルギー貯蔵手段に熱的に結合可能な冷媒サイクル内の位置に導くことを含み得、冷媒中の熱の少なくとも一部を相変化物質に伝達し、後で使用するために保存することができる。このように、ヒートポンプシステムは、熱エネルギー貯蔵装置を同時に充填しながら、建物の内部に熱を提供するように（すなわち、凝縮器を介して）構成することができる。この動作モードは、連続的な加熱及び充填モードを定義することができる。

【0040】

熱エネルギー貯蔵手段は、相分離器に熱的に結合可能であり得る。熱エネルギー貯蔵手段は、相分離器の液体含有部分又は相に熱的に結合可能であり得る。相変化材料は、伝熱流体又は冷媒を含む別個の回路によって、冷媒回路の相分離器に熱的に結合され得る。相変化材料は、相分離器内に配置することができる。別個の冷媒回路は、相分離器と熱エネルギー貯蔵装置との間の冷媒の流れ、したがって熱エネルギーを制御するように構成されたスイッチングアセンブリ及び／又はポンプを含むことができる。相変化材料は、相変化材料と相分離器内の冷媒との間の熱伝導を可能にするために、熱伝導性材料で形成されたケース内に封入されてもよい。

【0041】

圧縮機は、高圧段に流体結合された第１の圧縮機を含む圧縮機アセンブリを画定することができる。圧縮機アセンブリは、低圧段に流体結合された第２の圧縮機を含むことができる。

【0042】

圧縮機は、冷媒回路の高圧段と低圧段の両方に流体結合された蒸気噴射圧縮機を含むことができる。低圧段は、圧縮機の低圧吸入口に流体結合することができ、圧縮機の高圧出力は高圧段に流体結合することができる。中間吸入口は、相分離器に流体結合され得る。

【0043】

膨張装置は、高圧段に流体結合された第１の膨張装置を含む膨張装置アセンブリを画定することができる。膨張装置アセンブリは、低圧段に流体結合された第２の膨張装置を含むことができる。

【0044】

スイッチングアセンブリは、除霜モードでヒートポンプシステムを動作させるとき、第１の膨張装置を迂回し、第１の熱交換器を出る冷媒を、第２の膨張装置、第２の熱交換器、及び相分離器に順次通すように構成することができる。

【0045】

本開示の第２の態様は、前述の段落のいずれかによるヒートポンプシステムを含む建物を提供する。第２の熱交換器は外部熱源に熱的に結合され、第１の熱交換器は建物のセントラルヒーティングシステムに熱的に結合される。

【0046】

本開示の第３の態様は、前述の段落のいずれかによるヒートポンプシステムを動作させる方法を提供する。この方法は、建物の内部温度を制御するためのヒートポンプシステムを動作させることを目的としている。この方法は、除霜モードでヒートポンプシステムを動作させるとき、第１の熱交換器を出る冷媒を第２の熱交換器を通って流れるように導き、冷媒内の残留熱で第２の熱交換器を除霜することを含む。

【0047】

この方法は、通常加熱モードと、本発明による補助加熱モード及び除霜モードのうちの少なくとも１つとの間でヒートポンプシステムを切り替えることを含むことができる。

【0048】

実施形態では、この方法は、蒸発器に氷がない場合に、ヒートポンプシステムを通常加熱モードと除霜モードとの間で切り替えることを含むことができる。この方法は、ヒートポンプシステムを通常加熱モードと補助加熱モードとの間で切り替えることを含むことができる。この方法は、ヒートポンプシステムのＣＯＰを高めるために、異なる動作モード間で周期的に切り替えることを含むことができる。

【0049】

上述の切り替え戦略のそれぞれに従って、ヒートポンプシステムは、単一の冷媒回路（すなわち、単段ヒートポンプの装置）のみを使用することによって、疑似二段ヒートポンプシステムとして機能するように構成され得る。このように、本発明によるヒートポンプシステムは、二段ヒートポンプシステムの複雑さやコストを必要とせずに、建物の内部に連続的に熱を供給することができる。

【0050】

実施形態では、この方法は、後で使用するために熱エネルギー貯蔵装置に熱エネルギーを貯蔵するために、オフピーク電力の期間中（すなわち、グリッド電力の価格が安いとき）、通常加熱モード及び熱充填モードのうちの少なくとも１つに従ってヒートポンプシステムを動作させることを含むことができる。このようにして、ヒートポンプシステムのＣＯＰを高めることができる。

【0051】

本開示の第４の態様は、冷蔵ユニットの内部温度を制御するためのヒートポンプシステムを動作させる方法を提供する。前記システムは、冷媒の流れによって互いに流体結合されて冷媒回路を画定する、圧縮機、凝縮器、膨張装置、及び蒸発器と、前記冷媒と熱エネルギーを交換するために前記冷媒回路に熱的に結合可能である熱エネルギー貯蔵手段とを含み、前記冷媒回路は、相分離器によって互いに流体結合された高圧段及び低圧段を含み、前記高圧段は前記凝縮器を含み、前記低圧段は前記蒸発器を含み、前記ヒートポンプシステムは、冷却充填モード及び補助冷却モードで動作するように構成され、前記冷却充填モードでは、熱エネルギーは、前記熱エネルギー貯蔵手段から前記冷媒に伝達され、前記冷媒から前記凝縮器によって伝達されて外部周囲空気を加熱し、前記補助冷却モードでは、熱エネルギーは、前記蒸発器から前記冷媒に伝達されて前記冷蔵ユニットの内部領域を冷却し、前記冷媒から前記熱エネルギー貯蔵手段に伝達され、前記方法は、前記冷却充填モードで前記ヒートポンプシステムを動作させるとき、前記高圧段を隔離し、前記補助冷却モードで前記ヒートポンプシステムを動作させるとき、前記低圧段を隔離することを含む。

【0052】

本開示の第４の態様によれば、この方法は、二段ヒートポンプシステムを冷蔵システムとして動作させることを可能にする。特に、システムは、冷蔵ユニットの内部容積又は建物など、冷却を必要とする領域を冷却するように構成され得る。冷蔵（すなわち冷却）用途では、ヒートポンプシステムは加熱用途とは逆の配置で構成できることが理解される。例えば、凝縮器を周囲空気にさらすことができ（例えば、冷蔵エリアの外側）、蒸発器を負荷が必要な場所（例えば、冷蔵エリアの内側）に配置することができる。この場合、必要な負荷は、冷蔵領域の温度を下げるために使用される負の熱負荷（すなわち、低温）であり得る。したがって、ヒートポンプシステムを低温充填モードで動作させるとき、スイッチングアセンブリは、熱エネルギー貯蔵手段から熱エネルギー（すなわち、熱）を除去又は抽出するように構成され得る。これは、熱エネルギー貯蔵手段に「冷熱エネルギー」を「充填する」と見なすことができる。貯蔵された「冷熱エネルギー」は、ヒートポンプシステムを補助冷却モードで動作させるときに、蒸発器に流れる冷媒の温度を下げ（すなわち、冷媒から熱エネルギーを取り出し、それを熱エネルギー貯蔵手段に貯蔵することによる）、それによって冷蔵領域を冷却するために使用することができる。

【0053】

この方法は、外気温度が低い期間中（例えば、夕方など）、後で使用するために熱エネルギー貯蔵装置に冷熱エネルギーを貯蔵するために、冷却充填モードに従ってヒートポンプシステムを動作させることを含むことができる。そして、補助冷却モードでヒートポンプシステムを動作させると、熱エネルギー貯蔵装置に貯蔵された冷熱エネルギーを、冷蔵ユニットの内部容積を冷却するように導くことができる。このようにして、ヒートポンプシステムのＣＯＰを高めることができる。

【0054】

本開示の第５の態様は、前述の段落のいずれかによるヒートポンプシステムを制御するためのコントローラ又は制御システムを提供する。コントローラは、前述の段落のいずれかによる方法を実行するように構成することができる。特に、コントローラは、複数の動作モードのうちの少なくとも１つでヒートポンプシステムを動作させるために、スイッチング手段を制御するように構成され得る。

【0055】

当業者に理解されるように、例示的なヒートポンプシステムのそれぞれは、空気源ヒートポンプシステム内に組み込むことができ、すなわち、周囲空気から熱エネルギーを抽出するように構成することができる。あるいは、上記のヒートポンプシステムのそれぞれは、水源ヒートポンプシステム及び／又は地中熱源ヒートポンプシステムで使用するように構成することができる。

【0056】

当業者は、相互に排他的である場合を除いて、上記の態様のいずれか１つに関して説明された特徴又はパラメータを他の態様に適用できることを理解できる。さらに、相互に排他的である場合を除き、本明細書に記載の特徴又はパラメータは、本明細書に記載の他の特徴又はパラメータと組み合わせることができる。

【0057】

ここで、本開示の態様及び実施形態を、添付の図面を参照して例として説明する。

【図面の簡単な説明】

【0058】

【図1】本開示の第１の構成による単段ヒートポンプシステムの概略図であり、ヒートポンプシステムは通常加熱モードで動作するように構成されている。

【図2】図１に示すヒートポンプシステムの通常加熱モードに対応する圧力－エンタルピー曲線を示すグラフである。

【図3】除霜モードで動作するように構成された、図１のヒートポンプの概略図である。

【図4】図３に示すヒートポンプシステムの除霜モードに対応する圧力－エンタルピー曲線を示すグラフである。

【図5】本開示の第２の構成による単段ヒートポンプシステムの概略図であり、ヒートポンプシステムは、複数の異なる動作モードで動作するように構成可能である。

【図6】図５に示すヒートポンプシステムの異なる動作モードに対応する圧力－エンタルピー曲線を示すグラフである。

【図7】図１、３、又は５に示されるヒートポンプシステムの熱エネルギー貯蔵アセンブリの概略図である。

【図8】図１、３、又は５に示されるヒートポンプシステムを動作させる方法に対応する成績係数対時間を示すグラフである。

【図9】図５に示される単段ヒートポンプシステムの代替構成の概略図である。

【図10】本開示の第３の構成による二段ヒートポンプシステムの概略図であり、ヒートポンプシステムは、複数の異なる動作モードで動作するように構成可能である。

【図11】本開示の第４の構成による二段ヒートポンプシステムの概略図であり、ヒートポンプシステムは、複数の異なる動作モードで動作するように構成可能である。

【図12】図１２～１６は、図１１に示すヒートポンプシステムの異なる動作モードに対応する圧力－エンタルピー曲線を示すグラフである。

【図13】図１２～１６は、図１１に示すヒートポンプシステムの異なる動作モードに対応する圧力－エンタルピー曲線を示すグラフである。

【図14】図１２～１６は、図１１に示すヒートポンプシステムの異なる動作モードに対応する圧力－エンタルピー曲線を示すグラフである。

【図15】図１２～１６は、図１１に示すヒートポンプシステムの異なる動作モードに対応する圧力－エンタルピー曲線を示すグラフである。

【図16】図１２～１６は、図１１に示すヒートポンプシステムの異なる動作モードに対応する圧力－エンタルピー曲線を示すグラフである。

【図17】図１１に示す二段ヒートポンプシステムの代替構成の概略図である。

【図18】図１０に示される二段ヒートポンプシステムの代替構成の概略図である。

【図19】図１１に示す二段ヒートポンプシステムの代替構成の概略図である。

【図20】図１０、１１及び１７から１９に示されるヒートポンプシステムの代替の熱エネルギー貯蔵アセンブリの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0059】

ここで、添付の図面を参照して、本開示の態様及び実施形態について説明する。さらなる態様及び実施形態は、当業者には明らかである。

【0060】

単段ヒートポンプシステム
ここで、本開示の第１の構成によるヒートポンプシステム１０について、図１～図４を参照して説明する。ヒートポンプシステム１０は、建物（図示せず）の外側から内側に熱エネルギー（すなわち熱）を伝達するように構成された空気源ヒートポンプ（ＡＳＨＰ）の一部を形成する。

【0061】

ヒートポンプシステム１０は、流体導管２４によって流体接続されて冷媒回路２６を画定する、圧縮機１２、凝縮器１４、熱エネルギー貯蔵装置１６、膨張装置１８、蒸発器２０、及び任意選択の相分離器２２を含む。流体導管２４は、当業者には容易に理解されるように、ヒートポンプシステム１０の構成要素間で冷媒が導かれる流体経路を画定する。したがって、ヒートポンプシステム１０は、単一の冷媒回路２６のみを含むので、単段ヒートポンプシステムを画定する。

【0062】

ヒートポンプシステム１０は、熱エネルギーが、外部熱源から蒸発器２０を介して冷媒に伝達され、冷媒から凝縮器１４によって建物の内部に伝達される通常加熱モードで動作可能であるように構成される。

【0063】

ヒートポンプシステム１０はまた、通常加熱モード（図１に示す）と除霜モード（図３に示す）との間で切り替えるように構成されたスイッチングアセンブリ４０を含む。通常加熱モードでは、熱エネルギーは蒸発器２０から冷媒に伝達され、次に凝縮器１４に送られ、建物を加熱する一方、凝縮器からの残留熱エネルギーも熱エネルギー貯蔵装置１６を加熱するように送られる。

【0064】

除霜モードでは、熱エネルギーが熱エネルギー貯蔵装置１６から冷媒に伝達され、凝縮器１４と蒸発器２０の両方を加熱するように導かれる。このようにして、除霜モードの間、熱エネルギー貯蔵装置１６に貯蔵された熱を熱源として使用することができる。したがって、ヒートポンプシステム１０は、蒸発器２０の除霜中に連続加熱を提供することができ、バックアップヒーターの必要性を排除する。

【0065】

ここで、特に図１及び図３を参照して、ヒートポンプシステム１０の構成要素について説明する。冷媒は、冷媒回路２６の異なる構成要素間で熱エネルギーを伝達できるように、熱エネルギーを吸収、保持、及び放出することができる伝熱流体である。実施形態では、冷媒は、わずかなオゾン破壊ポテンシャルを有するヒドロフルオロカーボン及びハロアルカン材料である１，１，１，２－テトラフルオロエタン（１３４ａ）を含む。その化学式はＣＦ₃ＣＨ₂Ｆで、沸点は大気圧で－２６．３℃である。代替の実施形態では、冷媒は、当業者には理解されるように、適切に構成された多数の伝熱流体のうちの１つであってもよい。

【0066】

気体状態の冷媒は圧縮機１２によって加圧され、冷媒回路２６を通って循環する。圧縮機１２は、冷媒回路２６内の冷媒の圧力を上昇させるように構成された電動機械装置である。使用中、圧縮機１２は通常、入口から低圧の冷媒を受け取り、次に冷媒は圧縮機１２によって加圧され、出口から冷媒回路２６に放出される。冷媒の圧力を上昇させることにより、圧縮機１２は冷媒の温度も上昇させ、その後冷媒回路２６を循環する。

【0067】

蒸発器２０及び凝縮器１４はそれぞれ、冷媒回路２６の導管２４と直接熱的に接触するように配置された熱交換器を含む。したがって、蒸発器２０及び凝縮器１４のそれぞれは、冷媒回路２６を通って流れる冷媒に、及び冷媒から、熱エネルギーを伝達できるように構成される。

【0068】

凝縮器１４は、ヒートポンプシステム１０の一次ヒートシンクを画定する。凝縮器１４は、建物の内部に熱的に結合される。特に、凝縮器１４は、冷媒回路２６内の冷媒と建物内の周囲空気との間で熱エネルギーを伝達するように構成される。したがって、凝縮器１４は、ヒートポンプシステム１０の内部熱交換器１４を画定する。凝縮器１４は、建物のセントラルヒーティングシステムに熱的に結合され、冷媒回路２６内の冷媒と、建物のセントラルヒーティングシステムを通って流れる別個の伝熱流体（例えば、水）との間で熱エネルギーを伝達するように構成される。そのようなセントラルヒーティングシステムは、凝縮器１４から受け取った熱エネルギーを建物の異なる領域全体に分配するように構成することができる。次いで、当業者に容易に理解されるように、循環された熱エネルギーは、複数のラジエータ又は床下加熱アセンブリから放出される。

【0069】

凝縮器１４は、熱生成温度（例えば、６５℃）で建物内に熱エネルギーを伝達するように構成される。言い換えれば、凝縮器１４は、高温（例えば、約９１℃）の加圧蒸気冷媒を受け取るように構成されている。

【0070】

ヒートポンプシステム１０の代替の例示的な構成では、建物のセントラルヒーティングシステムは、建物の内部（例えば、熱交換器）に露出された凝縮器１４の表面（例えば、コイル又はフィン）を横切って空気の流れを導くために設けられた内部ファンを含む。このようにして、内部ファンは、凝縮器１４の熱エネルギー交換効率を高めるように動作可能である。

【0071】

蒸発器２０は、ヒートポンプシステム１０の一次熱源を画定する。ヒートポンプシステム１０が建物内に設置される場合、蒸発器２０は、周囲の外気から熱を吸収し、それを冷媒回路２６を通って流れる冷媒に移すことができるように、外部位置に配置される。このようにして、蒸発器２０は、ヒートポンプシステム１０の外部熱交換器２０を画定する。外部ファン３４は、蒸発器２０の熱エネルギー交換効率を改善するために、蒸発器２０の外部周囲空気にさらされる表面（例えば、コイル又はフィン）を横切って空気の流れを導くために設けられる。蒸発器２０は、周囲外気温度が約０℃のときに外部環境から熱エネルギーを吸収するように構成される。

【0072】

熱エネルギー貯蔵装置１６は、長期間にわたって熱エネルギーを保持するように構成された熱エネルギー貯蔵媒体を含む。ヒートポンプシステム１０の例示的な構成によれば、熱エネルギー貯蔵媒体は、ハウジング３０又はエンクロージャ内に収容された相変化材料を含み、これは、相変化材料内に蓄えられた熱を保持するために断熱されている。

【0073】

相変化材料は、ヒートポンプシステム１０内の冷媒の有用な加熱及び／又は冷却を提供するために、材料の相転移で十分なエネルギーを放出及び吸収するように構成された物質である。ヒートポンプシステム１０の代替構成では、当業者には容易に理解されるように、熱エネルギー貯蔵媒体は、水タンク内に保持することができる水などの伝熱流体を含むことができる。あるいは、熱エネルギー貯蔵媒体は、複数の加熱された石又は小石を含むことができ、これらは、当業者によって容易に理解されるように、熱エネルギーを冷媒回路に直接出し入れするか、又は別の伝熱流体回路を介して（例えば、導電性エレメントを介して）伝達するように構成されている。

【0074】

相変化材料は、２５～３０℃の温度で固体／液体の相変化を受けるように構成されている。したがって、相変化材料は、２５～３０℃の温度で冷媒に熱を吸収し、冷媒から熱を放出するように配置される。したがって、相変化材料は、実質的に一定の熱充填及び放出温度で構成され、冷媒回路２６への熱エネルギーの回収及び放出の改善された制御を提供する。

【0075】

熱エネルギー貯蔵装置１６の最適動作温度範囲は、少なくとも部分的に、熱源（例えば蒸発器）及びヒートシンク（例えば凝縮器）の動作温度に依存することを理解されたい。実施形態では、熱エネルギー貯蔵装置は、凝縮器の動作温度よりも低く、蒸発器の動作温度よりも高い中間温度で動作する（例えば、熱エネルギーを冷媒回路に出し入れする）ように構成される。

【0076】

相変化材料は、冷媒回路２６の導管セクション２８と直接熱接触するように配置される。導管セクション２８は、図１に示すように、相変化材料と直接熱接触するように、ハウジング３０の内部キャビティを通って延びるように配置される。導管セクション２８は、相変化材料との接触面積を増加させるためにコイル状に構成されている。導管セクション２８は、熱エネルギー貯蔵装置１６内の冷媒と相変化材料との間の熱エネルギーの伝導を可能にするように構成された熱伝導性材料から、少なくとも部分的に形成される。したがって、熱エネルギー貯蔵装置１６は、導管セクション２８を通って流れる冷媒に熱エネルギーを伝達する（すなわち、吸収及び放出する）ように構成される。

【0077】

現在説明されている実施形態では、熱エネルギー貯蔵装置１６は、相変化材料を通って延びるコイル状導管セクション２８を有するものとして示されているが（例えば、図１）、この構成は、多くの可能な構成のうちの１つに過ぎないことを理解されたい。例えば、代替の例示的な構成では、相変化材料は、フィン付き熱交換器によって冷媒回路内の冷媒に熱的に結合され得る。ヒートポンプシステム１０は、本開示の範囲から逸脱することなく、熱エネルギー貯蔵装置１６の他の配置を含んでもよい。

【0078】

熱エネルギー貯蔵装置１６は、相変化材料と冷媒回路２６内の冷媒との間で熱エネルギーを受動的に伝達するように構成される。特に、熱エネルギー貯蔵装置１６は、冷媒の温度が相変化材料の温度を下回ると、相変化材料に蓄えられた熱エネルギーが冷媒に放出されるように構成される。あるいは、冷媒の温度が相変化材料の温度よりも高い場合、冷媒内の潜熱エネルギーは、熱エネルギー貯蔵装置１６内の相変化材料に放出され、相変化材料によって吸収される。

【0079】

特に図１及び図３を参照すると、熱エネルギー貯蔵装置１６は、通常加熱動作モード中に凝縮器１４から出る暖かい液体冷媒から熱を回収できるように、凝縮器１４の下流に配置される。このようにして、熱エネルギー貯蔵装置１６は、ヒートポンプシステム１０の過冷却器として動作するように構成される。ヒートポンプシステム１０の除霜モード中、相変化材料に蓄えられた回収熱は、その後の動作中に冷媒に放出することができる。したがって、熱エネルギー貯蔵装置１６は、ヒートポンプシステム１０の二次又は補助熱源として動作するように構成することもできる。

【0080】

膨張装置１８は、冷媒の圧力を低下させて圧力及び温度を低下させ、続いて冷媒が蒸発器を通過するときに冷媒を蒸発させるように構成される。したがって、膨張装置１８は、蒸発器２０に放出される冷媒の量を制御するように構成される。このようにして、膨張弁１８は、蒸発器２０を出る蒸気の過熱を調節することを意図している。

【0081】

膨張装置１８はオリフィスを含み、そこを通って冷媒が導かれる。オリフィスは、オリフィスを通って流れる冷媒の圧力を下げるように構成されており、関連する圧力降下により冷却される。したがって、膨張装置１８は、冷媒から熱エネルギーを抽出しないように構成される。このようにして、膨張装置を流れる冷媒の膨張は、実質的に等エンタルピー過程により生じる。

【0082】

膨張装置１８は、冷媒が冷媒回路を通っていずれかの流れ方向に流れるときに冷媒を膨張させるように構成された毛細管を含む。別の構成によれば、膨張装置１８は、当業者に容易に理解されるように、バイパス回路に配置された２つの一方向膨張弁のアセンブリを含めてもよい。

【0083】

相分離器２２は、冷媒回路２６の上流構成要素で凝縮される液体冷媒を収集するように構成される二相気液分離器である。これは、例えば、冷媒の冷却又は減圧によって引き起こされ得る。相分離器２２は圧縮機１２の上流に配置され、それによって液体冷媒が圧縮機１２に入ることを防止するように配置される。そうしないと、損傷を引き起こしたり、及び／又は動作が無効になったりする可能性がある。

【0084】

スイッチングアセンブリ４０は、ヒートポンプシステム１０の動作を通常加熱モードと除霜モードとの間で切り替えるように構成された四方弁４２を含む。これは、冷媒回路２６を通る冷媒の流れ方向を調整することによって達成される。

【0085】

ここで、ヒートポンプシステム１０の動作モードをより詳細に説明する。上述のように、通常加熱モードは、建物の内部を加熱し、同時に熱エネルギー貯蔵装置１６を充填する（すなわち、相変化材料内に熱エネルギーを貯蔵する）ように構成される。除霜モードは、建物の加熱と蒸発器２０の除霜を同時に行うように構成されている。

【0086】

図１に示すように、ヒートポンプシステム１０を通常加熱モードで動作させるとき、四方弁４２は、凝縮器１４を熱エネルギー貯蔵装置１６に直接結合するように構成される。四方弁４２はまた、蒸発器２０を圧縮機１２に結合するように構成される。特に、凝縮器１４を出る冷媒の流れは、四方弁４２を通って導かれ、次いで熱エネルギー貯蔵装置１６、膨張装置１８、蒸発器２０を通って導かれ、次に相分離器２２を介して圧縮機１２に向かう途中で四方弁４２を通って戻る。

【0087】

通常加熱モードの熱力学的サイクルは、圧縮機１２が分離器２２から蒸気を抽出し、その圧力及び温度を上昇させることから始まる。過熱された冷媒蒸気（例えば９１℃）は凝縮器１４に導かれ、そこで熱生成温度（例えば６５℃）で建物に熱を伝達する。これにより、ガス状の冷媒が凝縮して高温（７０℃など）の温かい液体になる。

【0088】

凝縮器１４を出た後、暖かい液体冷媒は、熱エネルギー貯蔵装置１６に送られ、そこに収容されている相変化材料に熱エネルギーを伝達する。これにより、液体冷媒が過冷却温度（例えば、約３５℃）まで冷却され、これは、相変化材料の融解温度（すなわち、３０℃）よりも数度高い温度である。

【0089】

熱エネルギー貯蔵装置１６を出ると、ここで過冷却された液体冷媒は、蒸発器２０を通って流れるように導かれる前に、膨張装置１８を通過する。冷媒が蒸発器２０を通過するとき、冷媒は外気（例えば、０℃）から熱エネルギーを吸収する。次に、冷媒は低温の低圧蒸気として蒸発器２０を出る。最後に、冷媒は液体／蒸気分離器２２に流れ、冷媒回路２６の次のサイクルを開始する。通常加熱モードの間、内部ファン３４及び外部ファン３４のそれぞれは、それぞれの凝縮器１４及び蒸発器２０を通る伝熱の効率を高めるために電源が入れられる。

【0090】

通常加熱モードの熱力学的特性を、図２に示す圧力－エンタルピー曲線（ｐ－ｈ）を参照して説明する。ここで説明されているｐ－ｈ曲線は、約０℃の外気温度、約６５℃の熱生成温度（すなわち、セントラルヒーティングシステムの動作温度）、及び約３０℃の融解温度を有する相変化材料に基づいている。

【0091】

通常加熱モードサイクルは、圧縮機１２から出て（ｐ－ｈ曲線上の点Ａによって示されるように）、約７０℃の温度で凝縮器１４に向かって流れる高温の冷媒蒸気で始まる。冷媒は凝縮器１４によって凝縮されて液体になり、次に約７０℃の温度で熱エネルギー貯蔵装置１６に導かれる（Ｂ）。熱エネルギー貯蔵装置１６は、冷媒から熱を回収し、それを約３５℃（℃）の温度の過冷却液体に冷却する。膨張装置１８内での冷媒の膨張後、冷媒は、約－１０℃の温度で気体と液体との飽和混合物の形態を取る（Ｄ）。次に、冷媒は蒸発器２０に入り、約０℃の温度の屋外空気から熱を吸収する。次に冷媒は、約－１０℃で飽和蒸気に変わり、その後分離器２２に入り、続いて圧縮機１２に入る（Ｅ）。

【0092】

既知の単一冷媒回路ヒートポンプシステムでは、凝縮器からの「残留」熱エネルギーは、冷媒が膨張装置１８を通過するように導かれ、膨張装置１８によって「絞られる」ため、浪費される。本開示は、蒸発器２０を除霜するために凝縮器１４を出る冷媒から回収された熱を利用するので、除霜のために追加の電動ヒーターは必要ない。

【0093】

ここで、ヒートポンプシステム１０の除霜モードについて、特に図３及び図４を参照して説明する。四方弁４２は、蒸発器２０の表面に氷が形成されたと判断すると、ヒートポンプシステムを除霜モードで動作するように切り替えるように構成される。スイッチングアセンブリ４０は、凝縮器１４を蒸発器２０に直接結合し、熱エネルギー貯蔵装置１６を圧縮機１２に結合するように構成される。この構成によれば、凝縮器１４を出る冷媒の流れは、四方弁４２、蒸発器２０、膨張装置１８、熱エネルギー貯蔵装置１６を順に通って導かれ、次に相分離器２２を介して圧縮機１２に向かう途中で四方弁４２を通って戻る。このようにして、スイッチングアセンブリ４０は、熱エネルギー貯蔵装置１６、膨張装置１８及び蒸発器２０を通る冷媒の流れ方向を逆にするように構成される。したがって、ヒートポンプシステム１０の通常加熱モードと除霜モードとの間で切り替えるとき、冷媒回路の関連する構成要素のそれぞれの入口及び出口が逆になることが理解される。

【0094】

通常加熱モードと同様に、除霜モードは、圧縮機１２が液体／蒸気分離器２２から蒸気を抽出することから始まり、その圧力と温度を上昇させる。過熱された冷媒蒸気は凝縮器１４に導かれ、そこで熱生成温度（例えば、６５℃）で熱を建物に伝達する。これにより、ガス状の冷媒が凝縮して温かい液体になり、残留温度が高くなる（例えば、約７０℃）。

【0095】

凝縮器１４を出た後、温かい液体冷媒は蒸発器２０に導かれ、蒸発器２０の外面上の氷を溶かす。その結果、暖かい液体冷媒は蒸発器２０によって過冷却される。過冷却された液体冷媒は次に膨張装置１８に送られ、膨張装置１８はその温度と圧力をさらに低下させる。次に、冷媒は、熱エネルギー貯蔵装置１６に送られ、そこで相変化材料から熱エネルギーを吸収し、過熱蒸気になる。この過熱蒸気冷媒は、最終的に、次の除霜モードサイクルを開始する前に分離器２２に導かれる。除霜モードでは、蒸発器２０が除霜されるの間、外部ファン３４の電源が切られる。

【0096】

ヒートポンプシステム１０の例示的な構成では、凝縮器１４を横切って空気を導くために、内部ファンを設けることができる。内部ファンは、例えば、凝縮器１４から建物内部への伝熱の効率を高めるために、除霜モードでヒートポンプシステム１０を動作させるときに電源を入れることができる。

【0097】

除霜モードの熱力学的特性を、図４に示すｐ－ｈ曲線を参照して説明する。除霜モードサイクルは、圧縮機１２からの高温の冷媒蒸気（ｐ－ｈ曲線上の点Ａによって示されるように）が約７０℃の温度で凝縮器１４内で凝縮することで始まる。冷媒は凝縮器１４を出て、約７０℃の温度で蒸発器２０に入る（Ｂ）。この場合、蒸発器２０は冷媒回路の過冷却器として機能し、そしてそれは暖かい液体冷媒から熱を吸収し、蒸発器２０の温度よりも数度高い温度まで過冷却された液体に冷却し（例えば、約４０℃）、氷が溶けるにつれて、除霜動作中に変化する。

【0098】

蒸発器２０における冷媒の温度は、氷の量が減少するにつれて上昇し、氷がすべて溶けるまで（すなわち、蒸発器が完全に除霜されるまで）上昇する。過冷却された冷媒は、その後、膨張装置１８を通るように導かれる。膨張装置１８内で冷媒が膨張した後、冷媒は、３０℃未満（例えば、約２５℃）の温度で気体と液体の飽和混合物の形態を取る（Ｄ）。次に、冷媒は熱エネルギー貯蔵装置１６に入り、そこで蒸発し、約２５℃の温度まで過熱される。最後に、冷媒は分離器２２を通って圧縮機１２に向かって進み、そこでサイクルが再び開始される（Ｅ）。

【0099】

除霜モード中、通常加熱モード中に熱エネルギー貯蔵装置１６によって回収される熱エネルギーは、建物に熱を供給するための熱源として使用されることが理解される。補助熱源としての熱エネルギー貯蔵装置１６の使用は、ヒートポンプシステム１０のＣＯＰを増加させる。

【0100】

特に、除霜モードでヒートポンプシステム１０を動作させるとき、ヒートポンプの温度上昇（すなわち、圧縮機１２によって提供される冷媒温度の上昇）は、通常加熱モードの対応する温度上昇よりも小さい。これは、相変化材料の温度が約３０℃であり、外気温約０℃よりもはるかに高いためである。その結果、除霜モード中のヒートポンプシステム１０のＣＯＰは、通常加熱モードのＣＯＰよりも大幅に高くなる。これは、より高いＣＯＰを達成するために、蒸発器２０に氷がなくても、熱エネルギー貯蔵装置１６が完全に充填されると、ヒートポンプシステム１０を通常加熱モードから除霜モードに切り替えることができることを意味する。

【0101】

通常加熱モードと除霜モードの性能の違いを実証するために、市販のシミュレーションソフトウェアから取得したデータに基づいて、各モードの代表的なシミュレーションを実施した。

【0102】

通常加熱モードのシミュレーションでは、パラメータは次のように決定された：
・外気温度：０℃
・凝縮器の出力温度：６５℃
・圧縮機の等エントロピー効率：７５％
・相変化材料の融解温度：３０℃
・凝縮器の接近温度差５℃（例えば、冷媒回路内の冷媒と建物のセントラルヒーティングシステム内の伝熱流体との間の最小温度差）。
・熱エネルギー貯蔵装置の接近温度差１０℃（例えば、熱エネルギー貯蔵装置を熱源として使用する場合）。

【0103】

通常加熱モードのシミュレーションの結果は、次のように要約される：
・冷媒の質量流量：０．０２７ｋｇ／ｓ
・蒸発圧力：２ｂａｒ
・凝縮圧力：２１．２８ｂａｒ
・圧縮機の消費電力：１．４８６ｋＷ（５３４８ｋＪ／ｈ）
・熱出力：４ｋＷ（＝１４５００ｋＪ／ｈ）
・外気から抽出される熱：２．５１４ｋＷ（８１８２ｋＪ／ｈ）
・ＣＯＰ＝１４５００／５３４８＝２．７
・状態点Ｂでの冷媒のエンタルピー、ｈＢ＝２９５．５１ｋＪ／ｋｇ
・状態点Ｃでの冷媒のエンタルピー、ｈＣ＝２４８．７７ｋＪ／ｋｇ
・エンタルピー差：Δｈ＝ｈＢ－ｈＣ＝４７ｋＪ／ｋｇ
・熱エネルギー貯蔵装置によって回収される熱：ｍ×（ｈＢ－ｈＣ）＝０．０２７×４７＝１．２６ｋＷ

【0104】

除霜モードのシミュレーションでは、パラメータは次のように決定された：
・熱エネルギー貯蔵装置温度：３０℃
・凝縮器の出力温度：６５℃
・圧縮機の等エントロピー効率：７５％
・凝縮器内の接近温度差５℃
・熱エネルギー貯蔵装置の接近温度１０℃（例えば、熱エネルギー貯蔵装置を熱源として使用した場合の差）。

【0105】

除霜加熱モードのシミュレーションの結果は、次のように要約される：
・冷媒の質量流量：０．０２９ｋｇ／ｓ
・蒸発圧力：６．６ｂａｒ
・凝縮圧力：２１．２８ｂａｒ
・圧縮機の出力：０．９２ｋＷ（３３３４ｋＪ／ｈ）
・凝縮器からの熱出力：４ｋＷ（＝１４４００ｋＪ／ｈ）
・熱エネルギー貯蔵装置から取り出される熱：３．１ｋＷ（１１２００ｋＪ／ｈ）
・ＣＯＰ＝１４５００／３３３４＝４．３５

【0106】

これらのシミュレーションの結果から、除霜モードＣＯＰ（４．３５）が通常加熱モードＣＯＰ（２．７）よりも大幅に高いことが明確に実証されている。除霜モードのＣＯＰが高いということは、熱エネルギー貯蔵装置１６が完全に充填されると、ヒートポンプシステム１０を通常加熱モードから除霜モードに優先的に切り替えることができることを意味する。特定の状況では、蒸発器２０の外面上での霜又は氷の形成を防止するために、ヒートポンプシステム１０を除霜モードで定期的かつ繰り返し動作するように構成することが有利であると考えられる。

【0107】

上記を考慮して、ヒートポンプシステム１０を通常加熱及び／又は除霜モードで動作させる時間及び頻度を決定して、経時的にシステムの性能を最適化する必要がある。上記のシミュレーションによれば、熱エネルギー貯蔵装置１６は、通常加熱モード中に１．２６ｋＷの速度で暖かい冷媒から熱を回収することができる。この回収された熱は、除霜モード中に、熱エネルギー貯蔵装置１６から３．１ｋＷの割合で冷媒に戻すことができる。

【0108】

熱エネルギー貯蔵装置１６が完全に充填されるまで、ヒートポンプシステム１０が通常加熱モードで動作し、その後、回収された熱を冷媒回路２６に完全に放出するために除霜モードとするというシナリオが考えられる。システムにエネルギーバランスがあると仮定すると、通常加熱モード中に熱エネルギー貯蔵装置に伝達されるすべての熱は、除霜モード中に次のように放出できる：
充填時間×充填速度＝放出時間×放出速度 （１）
次に、式（１）を次のように整理する：
充填時間／放出時間＝放出速度／充填速度 （２）
＝３．１／１．２６＝２．４６

【0109】

式（２）によると、ヒートポンプシステム１０は、熱エネルギー貯蔵装置を完全に充填するために、２．４６単位の時間、通常加熱モードで動作しなければならない。そこで、熱エネルギー貯蔵装置１６を完全に放出するのに１単位の時間がかかる。

【0110】

通常モード及び除霜モードのそれぞれで費やされる時間の特定の単位は、熱エネルギー貯蔵装置１６の容量に依存すること、及び、時間の比率は、通常加熱モードで動作するときに回収できる熱エネルギーの量を決定する相変化材料の融解温度にも依存することが理解される。各動作モードで費やされる時間は、除霜モード中に熱エネルギー貯蔵装置から熱エネルギーを放出できる温度にも依存する。したがって、ヒートポンプシステムの最適な動作条件は、熱エネルギー貯蔵装置のこれら２つの構成の間のトレードオフ（すなわち、冷媒回路への熱エネルギーの移動及び冷媒回路からの熱エネルギーの移動）を考慮して決定される。

【0111】

図８に示すように、通常加熱モードと除霜モードを定期的に切り替えることが考えられ、これは、熱エネルギー貯蔵装置１６によって回収される熱エネルギーをより効率的に使用するためであり、除霜モードのより高いＣＯＰも利用する。式２から計算された時間比率を使用して、システムが除霜モードで動作し、より高いＣＯＰの恩恵を受けることができる時間の割合を計算する。
１／（１＋２．４６）×１００％＝２８．９％ （３）
図８に示す動作期間の平均ＣＯＰは、次のように計算される：
平均ＣＯＰ＝（２．８×２．４６＋４．３５×１）／（２．４６＋１）＝３．２４ （４）

【0112】

式４の結果を、通常加熱モードのみを使用する（すなわち、除霜モードを使用しない）別のシナリオと比較することにより、ＣＯＰ改善率は次のように計算できる：
（３．２４－２．８）／２．８×１００％＝１５．７％ （５）

【0113】

したがって、通常加熱モードと除霜モードを定期的に切り替えることにより（図８に示すように）、凝縮器からの余熱を回収しないヒートポンプシステムと比較して、ヒートポンプシステム１０のＣＯＰを１５．７％増加させることができる。

【0114】

要約すると、ヒートポンプシステム１０は、除霜モードで動作するとき、著しく高いＣＯＰを示す。さらに、通常加熱モードと除霜モードを定期的に切り替えることにより、（蒸発器２０上に氷がない場合でも）ヒートポンプシステムの動作寿命のより大きな割合において、より高いシステムＣＯＰを達成することが可能である。

【0115】

通常加熱モードの間、熱エネルギー貯蔵装置１６による冷媒の過冷却は、膨張装置１８を通って流れる冷媒によって引き起こされる不可逆的な絞り損失を減少させる。このようにして、エネルギー貯蔵装置１６への熱の伝達は、ヒートポンプシステム１０のＣＯＰを増加させる。

【0116】

さらに、蒸発器を除霜するために追加の電動加熱を提供する必要がないことにより、本開示は、既知のヒートポンプシステムよりも５～１０％の効率向上を達成する。

【0117】

また、定期的に除霜モードに切り替えて過冷却熱から回収した廃熱を利用することで、このケーススタディの圧縮機からの廃熱を回収しないヒートポンプと比較して、システムのＣＯＰを１５．７％向上させることができる。システムのＣＯＰの変化は、システムの特定の構成及び動作条件に依存することを理解されたい。

【0118】

次に、図５から図８を参照して、本開示の第２の構成による代替のヒートポンプシステムについて説明する。

【0119】

簡潔にするために、図１及び３を参照して既に説明した特徴と同じ又は類似する図５の特徴及びその機能は、図１及び３と類似の参照番号が与えられているが、１００増加している。また、必要に応じて、後の配置と区別するために接尾辞「ａ」を追加し、詳細については再度説明しない。

【0120】

ヒートポンプシステム１１０ａは、新規の除霜メカニズムを利用し、それが設置される建物の連続加熱が可能な、フレキシブルなマルチモード空気源ヒートポンプを提供するように構成される。

【0121】

前述のシステムと同様に、図１及び３に示すように、ヒートポンプシステム１１０ａは、流体導管１２４によって順に流体的に接続されて冷媒回路１２６を画定する、圧縮機１１２、凝縮器１１４、熱エネルギー貯蔵装置１１６、第１の膨張装置ＥＶ１（例えば、第１の膨張弁）、蒸発器１２０及び相分離器１２２を含む。蒸発器１２０の動作効率を改善するために、蒸発器１２０のコイル又はフィンを横切って空気の流れを導く外部ファン１３４が設けられている。

【0122】

ヒートポンプシステム１１０ａは、凝縮器１１４と熱エネルギー貯蔵装置１１６との間に配置された冷媒貯蔵装置１０８をさらに含む。冷媒貯蔵装置１０８は、当業者に容易に理解されるように、一定量の冷媒を保持するように構成される容器又はタンクを含む。冷媒貯蔵装置１０８は、流体回路１２４内を流れる冷媒量の変動を補償するように構成される。例えば、ヒートポンプシステム１１０ａは、除霜モードの間、蒸発器１２０内に一定量の冷媒を保持するように構成されている（以下に説明するように）。この状況では、冷媒貯蔵装置１０８は、回路内を循環する冷媒量の減少を補償するように構成される。

【0123】

熱エネルギー貯蔵装置１１６は、冷媒回路１２６の導管セクション１２８との直接的な熱接触を可能にするように構成されたケース１３０内に収容された相変化材料を含む。熱エネルギー貯蔵装置１１６は、相変化材料と冷媒回路１２６内の冷媒との間で熱エネルギーを受動的に伝達するように構成される。

【0124】

代替の例示的な配置によれば、図７に示されるように、熱エネルギー貯蔵装置１１６ａは、相変化材料が伝熱流体回路１３６によって冷媒回路１２６の導管セクション１２８に熱的に結合されるように配置される。伝熱流体（例えば、水）は、機械的流体ポンプ１４６によって二次回路１３６を通って導かれ、熱交換器１３８によって第１の冷媒回路１２６内の第１の冷媒に熱的に結合される。熱エネルギー貯蔵装置１１６ａは、図１及び５に示されるように、ポイントＡＡ－ＢＢの間の冷媒回路１２６に結合され得ることが理解される。

【0125】

熱エネルギー貯蔵装置１１６ａは、当業者に理解されるように、ポンプ１４６の動作によって冷媒回路１２６への熱の移動を積極的に制御できるように構成されている。

【0126】

伝熱流体回路１３６は、ヒートポンプシステムの外側に配置することができる。そのため、（内部に配置された相変化材料の熱エネルギー貯蔵ユニットと比較して）大きな熱エネルギー貯蔵容量で構成することができる。伝熱流体回路１３６は、大気圧で動作するように構成されており、これは、製造及び制御が簡単な（例えば、低コストの）構成要素から作ることができることを意味する。

【0127】

ヒートポンプシステム１１０ａは、通常加熱モード、除霜モード、補助加熱モード、熱充填モードと呼ばれる４つの異なる動作モードを有する。４つのモードは、以下の表１に示すように、それぞれモード１、２、３、及び４に対応する。

【0128】

【表1】

【0129】

ヒートポンプシステム１１０ａは、ヒートポンプシステム１１０ａの異なる動作モード間で切り替えるために、冷媒回路１２６の周りの冷媒の流れを制御するように構成されたスイッチングアセンブリ１４０ａを含む。

【0130】

特に、スイッチングアセンブリは、必要な動作モードを達成するために独立して構成可能な６つの制御弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６を含む。スイッチングアセンブリ１４０ａは、４つのバイパスアセンブリ又は流体導管１４４ａ、１４４ｂ、１４４ｃ、１４４ｄをさらに含む、必要な動作モードに従って冷媒回路１２６の異なる構成要素及びセクションをバイパスするように構成される。

【0131】

ヒートポンプシステム１１０ｂの別の例示的な構成によれば、図９に示すように、６つの二方向制御弁Ｖ１～６が、４つの三方向弁Ｖ１０、Ｖ１２、Ｖ１４、Ｖ１６に置き換えられ、これらは、システムのスイッチングアセンブリ１４０ｂを定義する。図９に示すヒートポンプシステム１１０ｂの動作は、図５の動作と実質的に同じであることが理解される。

【0132】

表１はまた、ヒートポンプシステム１１０ａを４つの動作モードで構成するために必要とされる弁構成（すなわち、開／閉）の異なる組み合わせを概説している。表には、４つのシステム動作モードのそれぞれに対応する、外部ファン１３４の必要な動作状態（すなわち、オン／オフ）も含まれる。

【0133】

ヒートポンプシステム１１０ａを通常加熱モード（すなわち、モード１）で動作させるとき、圧縮機１１２からの冷媒は、順次、第２の制御弁Ｖ２、熱エネルギー貯蔵装置１１６、第１の膨張弁ＥＶ１、第６の制御弁Ｖ６、蒸発器１２０、相分離器１２２を通るように導かれ、次に圧縮機１１２に戻り、新しいサイクルを開始する。このモードでは、ヒートポンプシステム１１０ａは、通常の単段ヒートポンプとして動作し、屋外の空気から抽出された熱が凝縮器１１４によって建物内に放出される。熱エネルギー貯蔵装置１１６は、凝縮器１１４から出る温かい液体冷媒から熱を回収するための過冷却器として働く。副産物として、液体冷媒は、冷媒から熱エネルギー貯蔵装置１１６内の相変化材料への熱エネルギーの伝達によって過冷却される。回収された熱は、ヒートポンプシステム１１０ａのその後の起動動作モードで使用できるように、相変化材料に蓄えられる。通常加熱モードに対応する熱力学的サイクルは、図６に示す圧力－エンタルピー（ｐ－ｈ）曲線に示すように、点「Ａ－Ｂ－Ｃ－Ｄ－Ｅ－Ａ」で表される。

【0134】

除霜モード（すなわちモード２）でヒートポンプシステム１１０ａを動作させるとき、スイッチングアセンブリ１４０ａは、前の実施形態に関して説明したように、熱エネルギーを蒸発器と凝縮器の両方に導くように構成される。これは、第２のバイパスアセンブリ１４４ｂによって、凝縮器１１４と熱エネルギー貯蔵装置１１６との間の冷媒回路１２６に流体結合された第２の膨張装置ＥＶ２（例えば、膨張弁）を通して冷媒を導くことによって達成される。スイッチングアセンブリ１４０ａはまた、第１の膨張弁ＥＶ１を冷媒回路１２６から隔離するように構成された第１のバイパスアセンブリ１４４ａを通して冷媒を転向させることによって、第１の膨張弁ＥＶ１をバイパスするように配置される。

【0135】

具体的には、圧縮機１１２を出る冷媒は、第１の制御弁Ｖ１、第２の膨張弁ＥＶ２を通って流れるように導かれ、そこで膨張し、それによって圧力及び温度を低下させる。したがって、膨張弁ＥＶ２は、冷媒の温度を熱エネルギー貯蔵装置１１６の動作温度未満に下げるように構成され、これにより、熱エネルギーが貯蔵装置１１６から冷媒に伝達されることが保証される。また、冷媒回路内の冷媒の圧力を均衡させるように構成されている。

【0136】

冷媒は、第２の膨張弁ＥＶ２に続いて、熱エネルギー貯蔵装置１１６を通るように導かれ、そこで過熱冷媒蒸気に変わる。このように、熱エネルギー貯蔵装置１１６は、蒸発器及び過熱器として機能する。熱エネルギー貯蔵装置１１６を出ると、冷媒は２つの流れに分割され、第１の流れは、順次、第４の制御弁Ｖ４、第３のバイパスアセンブリ１４４ｃ、相分離器１２２、そして最後に圧縮機１１２を通って導かれる。

【0137】

第２の流れは、第５の制御弁Ｖ５、第２のバイパスアセンブリ１４４ｂを通って、蒸発器１２０に導かれる。ヒートポンプシステム１１０ａの除霜モード構成によれば、熱エネルギー貯蔵装置１１６は、第２の膨張弁ＥＶ２と蒸発器１２０との間に位置する点で冷媒回路１２６に熱的に結合される。このようにして、熱エネルギー貯蔵装置１１６を通過して流れる冷媒蒸気は、その潜熱を放出させられて、蒸発器１２０の外面上の氷を溶かす。この凝縮プロセス中に形成された液体冷媒は、システムが通常加熱モードに切り替わるまで、蒸発器１２０内に一時的に保持される。

【0138】

熱エネルギー貯蔵装置１１６を出る冷媒の第１の流れは、建物に熱を供給するために凝縮器１１４に導かれ、一方、第２の冷媒の流れは、蒸発器１２０を除霜するために使用される。したがって、システムは、蒸発器の除霜プロセス中に建物の内部に連続的な熱を提供する。

【0139】

図６を参照すると、第１の冷媒の流れの連続加熱サイクルは、シーケンス「Ｇ－Ｂ－Ｈ－Ｆ－Ｇ」によって表され、第２の冷媒の流れは、シーケンス「Ｇ－Ｂ－Ｈ－Ｆ－Ｉ」によって表される。特に、シーケンス「Ｆ－Ｉ」は、第１のバイパスアセンブリ１４４ａを介して蒸発器１２０に入るときに過熱冷媒蒸気の流れによって放出される熱を表す。

【0140】

除霜モードで動作するとき、スイッチングアセンブリ１４０ａは、蒸発器１２０を除霜するための熱源として、凝縮器からの冷媒から回収される熱（通常は絞りプロセスで浪費される）を導く。これにより、蒸発器の除霜のために追加の熱エネルギーを投入する必要がなくなる。

【0141】

ヒートポンプシステムは、蒸発器１２０からの入力なしに、熱エネルギーが熱エネルギー貯蔵装置１１６から冷媒に伝達される補助加熱モードで動作可能である。これを達成するために、スイッチングアセンブリ１４０ａは、膨張弁ＥＶ１及び蒸発器１２０をバイパスするように構成される。

【0142】

特に、圧縮機１１２からの冷媒は、順次、凝縮器１１４、第１の制御弁Ｖ１、第１の膨張弁ＥＶ１、熱エネルギー貯蔵装置１１６、第４の制御弁Ｖ４、第３のバイパスアセンブリ１４４ｃ、相分離器１２２を通るように導かれ、最後に圧縮機１１２に戻り、新しいサイクルを開始する。このモードでは、熱エネルギー貯蔵装置１１６はシステムの蒸発器として動作し、熱エネルギー貯蔵装置１１６に貯蔵された熱は補助熱源として使用される。対応する熱力学的サイクルは、図６に示すように「Ｆ－Ｇ－Ｂ－Ｈ－Ｆ」で表される。

【0143】

本実施形態の補助加熱モードは、第１実施形態の除霜モード（図１～図４参照）と同様に、通常加熱モードよりもＣＯＰが高くなるように構成されている。例えば、ヒートポンプシステム１１０ａの例示的な構成では、通常加熱モード及び補助加熱モードのＣＯＰ値は、それぞれ２．８及び４．３５である。これは、補助加熱モードでは、熱エネルギー貯蔵装置１１６がシステムの主要な熱源として蒸発器１２０に取って代わるからである。相変化材料は、外気（～０℃）と比較してかなり高い温度（～３０℃）で冷媒に熱を伝達し、（第１の実施形態を参照して説明したのと同じ理由で）より高いＣＯＰ評価につながる。

【0144】

ヒートポンプシステム１１０ａの例示的な動作スキームは、図８に示されるように、２つの加熱モードの間で周期的かつ繰り返し切り替えることを伴う。各スイッチのタイミングと持続時間は、時間の２８．９％が補助加熱モードで費やされるように決定され、これにより、通常加熱モードのみを使用する場合と比較してＣＯＰが１５．７％増加する。ヒートポンプシステム１１０ａのさらなる利点は、スイッチングアセンブリ１４０ａにより、冷媒回路１２６を通常加熱モード（例えば、熱エネルギー貯蔵器１１６を充填するため）と補助加熱モード（例えば、貯蔵された熱エネルギーを利用するため）との間で容易に切り替えることができることである。これにより、システムのフレキシビリティが向上する。

【0145】

ヒートポンプシステム１１０ａは、熱エネルギーが冷媒から熱エネルギー貯蔵装置１１６に伝達される熱充填モード（すなわち、モード４）でも動作可能である。このモードでは、スイッチングアセンブリ１４０ａは、圧縮機１１２を出る冷媒を導いて、第２の膨張弁ＥＶ２及び凝縮器１１４をバイパスするように構成される。

【0146】

熱充填モードで動作する場合、圧縮機からの冷媒は、順次、第３の制御弁Ｖ３、第４のバイパスアセンブリ１４４ｄ、熱エネルギー貯蔵装置１１６、第１の膨張弁ＥＶ１、蒸発器１２０、相分離器１２２を通るように導かれ、次に圧縮機１１２に戻り、新しいサイクルを開始する。

【0147】

この熱充填モードでは、凝縮器１１４を停止し、熱エネルギー貯蔵装置１１６を二次凝縮器として使用することができる。この動作モードは、建物からの熱需要はないが屋外温度が高い状況で特に有利であり、熱を外部環境から効率的に抽出し、後で使用するために熱エネルギー貯蔵装置１１６に貯蔵することができる。このような状況は、例えば、日中に建物内に人がいない場合に発生し得る。対応する熱力学的サイクルは、図６に示すように「Ｅ－Ｊ－Ｋ－Ｌ－Ｅ」で表される。

【0148】

既知の単段ヒートポンプシステムでは、凝縮器の動作温度で熱が蓄えられる（すなわち、冷媒が圧縮機と凝縮器との間を流れる際に冷媒から熱を吸収することができる）。本開示による熱充填モードは、中間温度で熱エネルギー貯蔵装置１１６によって熱を吸収させる（すなわち、熱は凝縮器から流れるときに冷媒から伝達される）。ヒートポンプシステムをこのように構成及び動作させることにより、熱充填モードでは、凝縮器の動作温度を維持しながら、熱エネルギー貯蔵の容量を１／ＣＯＰ減少させる。したがって、ヒートポンプシステム１１０ａは、比較的小さな熱エネルギー貯蔵容量で構成することができ、システムの複雑さ及びコストを低減する。上記の例示的なケーススタディによれば、熱充填モードのＣＯＰは４．３５である。したがって、熱エネルギー貯蔵容量は１／４．３５＝２３％削減できる。

【0149】

代替の例示的な配置によれば、図７に示されるように、熱エネルギー貯蔵装置１１６ａは、相変化材料が熱流体伝達回路１３６によって冷媒回路１２６の導管１２８に熱的に結合されるように配置される。水などの伝熱流体は、流体ポンプ１４６によって第２の回路１３６に導かれる。第２の冷媒回路１３６内の伝熱流体は、熱交換器１３８によって第１の冷媒回路１２６内の冷媒に熱的に結合される。

【0150】

熱エネルギー蓄積装置１１６ａは、当業者に理解されるように、ポンプ１４６の動作によって冷媒回路１２６への熱の移動を積極的に制御できるように構成されている。これは例えば、熱エネルギー貯蔵装置１１６が冷媒回路１２６の内外にエネルギーを受動的に伝達するように構成されている図５に示される配置とは対照的である。

【0151】

有利には、熱エネルギー貯蔵装置１１６ａは、ヒートポンプシステム１１０ａの外側に配置することができ、したがって、より大きな熱容量（すなわち、より大きな体積の相変化材料）で構成することができる。大容量の熱エネルギー貯蔵装置１１６ａは、オフピークの電気及び／又は暖かい空気がより自由に利用可能であるが、建物内の熱需要が低い場合に、熱を貯蔵するために使用することができる。

【0152】

二段ヒートポンプシステム
前述のヒートポンプシステム１０、１１０ａ、１１０ｂは、それぞれ単一の冷媒回路２６、１２６のみを含むため、すべて単段ヒートポンプシステムである。ここで、本開示の別の態様による複数の二段ヒートポンプシステム２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃを、図１０～図１７を参照して説明する。

【0153】

簡潔にするために、図１～図９を参照して既に説明した特徴と同じ又は類似する図１０～１７の特徴及びその機能には、類似の参照番号が与えられているが、１００だけ増加され、詳細については再度説明しない。

【0154】

図１０を参照すると、ヒートポンプシステム２１０ａは、流体導管２２４によって順に流体接続されて第１の冷媒回路２２６ａを画定する、第１の圧縮機２１２ａ、凝縮器２１４、及び第１の膨張装置ＥＶ２１（例えば、第１の膨張弁）を含む。ヒートポンプシステム２１０ａはさらに、流体導管２２４によって順に流体接続されて第２の冷媒回路２２６ｂを画定する、第２の圧縮機２１２ｂ、第２の膨張装置ＥＶ２２、及び蒸発器２２０を含む。

【0155】

二相気液分離器２２２（例えば、フラッシュタンク）は、第１及び第２の冷媒回路２２６ａ、２２６ｂの間に流体連結される。第１の冷媒回路２２６ａは、相分離器２２２のガス含有部分（例えば上部）に連結され、第２の冷媒回路２２６ｂは液体含有部分（例えば下部）に連結される。図１０に示すように、相分離器２２２は、第１の圧縮機２１２ｂの上流、第１の膨張装置ＥＶ２１の下流、第２の圧縮機２１２ｂの下流、及び第２の膨張装置ＥＶ２２の上流に配置される。ヒートポンプシステム２１０ａの動作中、膨張装置ＥＶ２１の下流の導管は、冷媒の液体－気体混合物を含む。したがって、高圧段の出力は、相分離器２２２の液体含有部分又は気体含有部分のいずれかに流体結合され得る。高圧段の入力は、図１０に示すように、ガス含有部分に流体結合される。

【0156】

ヒートポンプシステム２１０ａの動作中、第１の回路２２６ａ内の冷媒は、第２の回路２２６ｂ内の冷媒よりも高い圧力及び温度で循環される。したがって、第１及び第２の冷媒回路２２６ａ、２２６ｂは、ヒートポンプシステム２１０ａの高圧／温度及び低圧／温度の段をそれぞれ表す。相分離器２２２は、ヒートポンプシステム２１０ａ内の中間圧力／温度状態を表す位置で、冷媒回路２２６ａ、２２６ｂの間で流体結合される。

【0157】

高圧段及び低圧段のそれぞれは、それぞれの冷媒回路２２６ａ、２２６ｂ内で熱エネルギーをある位置から別の位置に伝達するように構成される。例えば、ヒートポンプシステム２１０ａが加熱モードで動作しているとき、高圧段は熱を相分離器２２２から凝縮器２１４に伝達し、一方、低圧段は蒸発器２２０から相分離器２２２に熱を伝達する。したがって、第１及び第２の冷媒回路２２６ａ、２２６ｂは、相分離器２２２によって互いに結合された効果的な２つの単段ヒートポンプシステムである。

【0158】

二段ヒートポンプシステム２１０ａは、屋外環境と屋内環境との間の温度差（すなわち、温度上昇）が大きい状況、例えば５０℃～７０℃の間で適応される。ヒートポンプシステム２１０ａの例示的な動作条件によれば、周囲空気温度は、－１０℃～１０℃の範囲内（すなわち、蒸発器２２０において）であり得る。建物のセントラルヒーティングシステムでは、５０℃～６０℃の温度で（すなわち、凝縮器２１４において）熱を生成する必要がある場合がある。この状況では、相分離器２２２は、２０℃～３０℃の間の中間温度でヒートポンプシステム２１０ａ内に配置される。したがって、低圧段と高圧段のそれぞれによって提供される温度上昇は、約２５℃～３５℃である。

【0159】

二段ヒートポンプシステム２１６ａはまた、同じ温度上昇で動作する同等の単段ヒートポンプシステムよりも高いＣＯＰで動作するように構成される。例えば、二段ヒートポンプシステム２１０ａは２つの圧縮機を有するため、単段ヒートポンプシステムにおける単一の圧縮機と比較して、各圧縮機における圧力差（すなわち、圧力比）を減少させることができる。相分離器２２２は、中間圧力で「フラッシュされた」ガスを除去するように構成されているため、ガスは蒸発圧力まで絞り込まれずに再圧縮され、それによって圧縮電力が節約される。相分離器２２２はまた、低圧段の圧縮機２１２ｂから出るガスに中間冷却を提供し、高圧段の圧縮機２１２ａによって必要とされる圧縮動力をさらに減少させる。

【0160】

既知の単段ヒートポンプシステムの動作に伴う問題の少なくともいくつかは、既知の二段ヒートポンプシステムにも当てはまる。例えば、既知の二段ヒートポンプシステムは、室内熱交換器から熱を抽出する方法（リバースサイクル方式）、又は圧縮機で生成された高温蒸気を抽出する方法（ホットガスバイパス方式）により、屋外の熱交換器の除霜を行うように構成されている。

【0161】

これらの各除霜プロセスは、屋外熱交換器を完全に除霜するのに数分かかる場合がある。除霜中は、室内熱交換器が効果的にオフになるため、ヒートポンプからの継続的な加熱供給はない。このため、屋外熱交換器の除霜中に加熱を提供するためにバックアップ電気ヒーターが必要になることが多く、これによりヒートポンプシステムの年間平均ＣＯＰが５～１０％低下する可能性がある。

【0162】

本開示による二段ヒートポンプシステム２１０ａは、図１０に示されるように、相分離器２２２に熱的に結合された熱エネルギー貯蔵装置２１６ａを含む。熱エネルギー貯蔵装置２１６ａを相分離器２２２に熱的に結合することにより、ヒートポンプシステム２１０ａをより効率的に動作させ、それによって既知の二段ヒートポンプシステムの問題に対処することができる。

【0163】

熱エネルギー貯蔵装置２１６は、ケース２３０内に収容される相変化材料を含む。相変化材料は、伝熱流体回路２３６によって相分離器２２２に熱的に結合される。伝熱流体（例えば、水）は、機械式流体ポンプ２４６によって伝熱流体回路２３６を通って導かれ、熱交換器２３８によって、相分離器２２２の液体含有部分に収容された液体冷媒に熱的に結合される。

【0164】

熱エネルギー貯蔵装置２１６は、ヒートポンプシステム２１６ａの外部に配置される。そのため、（内部に配置された相変化材料の熱エネルギー貯蔵ユニットと比較して）大きな熱エネルギー貯蔵容量で構成することができる。また、熱エネルギー貯蔵器２１６をヒートポンプシステムの他の構成要素の外部に配置することによって、他の外部源から廃熱を回収する可能性を提供する。例えば、図１０に示すように、浴槽又はシャワーからの温かい廃水は、熱エネルギー貯蔵器に熱的に結合された導管５００を通って流すことができる。

【0165】

ヒートポンプシステム２１０ａ内の冷媒の流れを制御し、それによってシステムの動作モードを決定するために、スイッチングアセンブリ２４０ａも提供される。スイッチングアセンブリ２４０ａは、以下でより詳細に説明するように、ヒートポンプシステム２１０ａの動作を異なる動作モード間で切り替えるように構成された一組の弁Ｖ２１、Ｖ２２、Ｖ２３、Ｖ２４を含む。

【0166】

図１１は、本開示による別の二段ヒートポンプシステム２１０ｂを示す。ヒートポンプシステム２１０ｂは、図１０に示されるヒートポンプシステム２１０ａと実質的に同じ構成要素を含む。ただし、スイッチングアセンブリ２４０ｂは、以下でより詳細に説明されるように、ヒートポンプシステム２１０ｂが連続加熱及び除霜モードで動作することを可能にするように、異なる構成となっている。

【0167】

特に、スイッチングアセンブリ２４０ｂは、図１１に示すように、凝縮器２１４のすぐ下流の位置で第１の冷媒回路２２６ａを、第２の膨張弁ＥＶ２２のすぐ上流の位置で第２の冷媒回路２２６ｂに流体連結する第１のバイパスアセンブリ２４４ａを含む。したがって、第１のバイパスアセンブリ２４４ａは、弁Ｖ２１、Ｖ２３、第１の膨張弁ＥＶ２１、及び相分離器２２２をバイパスするように配置される。

【0168】

スイッチングアセンブリ２４０ｂはまた、図１１に示すように、蒸発器２２０のすぐ下流の位置で第２の冷媒回路２２６ｂを、第１の膨張弁ＥＶ２１のすぐ上流の位置で第１の冷媒回路２２６ａに流体連結する第２のバイパスアセンブリ２４４ｂを含む。したがって、第２のバイパスアセンブリ２４４ｂは、第２の圧縮機２１２ｂ及びスイッチング弁Ｖ２４をバイパスするように配置される。第１及び第２のバイパスアセンブリ２４４ａ、２４４ｂをそれぞれ通る冷媒の流れを制御するために、スイッチング弁Ｖ２５、Ｖ２６が設けられている。

【0169】

ここで、ヒートポンプシステム２１０ａ、２１０ｂの動作を、図１２～１６に示される圧力－エンタルピー（ｐ－ｈ）曲線を参照して説明する。ヒートポンプシステム２１０ａは、通常加熱モード、熱充填モード、補助加熱モード、加熱ブースタモードと呼ばれる４つの動作モードを有する。これらの４つの動作モードは、以下の表２に示すように、それぞれモード１、４、３、及び５に対応する。ヒートポンプシステム２１０ｂは、ヒートポンプシステム２１０ａと同じ４つのモード（すなわち、モード１、４、３、及び５）を有し、以下の表２のモード２に対応する追加の除霜モードも有する。

【0170】

【表2】

【0171】

表２は、弁Ｖ２１～Ｖ２６（すなわち、開／閉）、ポンプ２４６（すなわち、オン／オフ）、及び圧縮機２１２ａ、２１２ｂ（すなわち、オン／オフ）の異なる構成を概説する。これらは、ヒートポンプシステム２１０ａ、２１０ｂを異なるモードで動作させるために必要とされる。

【0172】

ヒートポンプシステム２１０ａ、２１０ｂを通常加熱モード（すなわちモード１）で動作する場合、圧縮機２１２ａ、２１２ｂのスイッチをオンにし、スイッチング弁Ｖ２１～Ｖ２４を開き、ポンプ２４６をオフにする。さらに、ヒートポンプシステム２１２ｂについては、弁Ｖ２５、Ｖ２６が閉じられる。したがって、高圧段の冷媒は、第１の圧縮機２１２ａによって、順次、凝縮器２１４、第１弁Ｖ２１、第１膨張弁ＥＶ２１、相分離器２２２、第２弁Ｖ２２を通るように導かれ、次に圧縮機２１２に戻り、新しいサイクルを開始する。同時に、低圧段の冷媒は、第２の圧縮機２１２ｂによって、順次、相分離器２２２、第３弁Ｖ２３、第２膨張弁ＥＶ２２、蒸発器２２０、第４弁Ｖ２４を通るように導かれ、次に第２の圧縮機２１２ｂに戻り、新しいサイクルを開始する。このモードでは、ヒートポンプシステム１１０ａは、通常の二段式ヒートポンプとして動作し、屋外の空気から抽出された熱が凝縮器２１４によって建物内に放出される。通常加熱モード中の高圧段と低圧段に対応する熱力学的サイクルを図１２に示す。

【0173】

充填モード（すなわちモード４）の間、弁Ｖ２１、Ｖ２２、Ｖ２５、Ｖ２６は閉じられ、第１の圧縮機２１２ａはオフにされる。このようにして、高圧段が停止する。その間、弁Ｖ２３及びＶ２４は開いたままであり、第２の圧縮機２１２ｂがオンにされる。さらに、ポンプ２４６のスイッチを入れて、相分離器２２２と熱エネルギー貯蔵装置２１６ａ、２１６ｂとの間で熱を導く。したがって、ＴＥＳ２１６ａ、２１６ｂと組み合わせた相分離器２２２は、事実上、ヒートポンプシステム２１０ａ、２１０ｂの低圧段のための凝縮器になる。これは、相分離器２２２内の圧力を制御することによって達成することができる。その結果、外気からの熱は、低圧段によって中間温度範囲に伝達され、熱エネルギー貯蔵装置２１６ａ、２１６ｂを充填するために使用される。熱充填モードに対応する熱力学的サイクルは、図１３に示すように、点「Ｈ－Ｉ－Ｊ－Ｇ－Ｈ」で表される。

【0174】

この動作モードは、建物の居住者が不在であるが屋外温度が暖かい日中（すなわち、ＣＯＰが高い状態）など、加熱が必要でない可能性がある条件に特に適している。熱エネルギー貯蔵装置２１６ａ、２１６ｂに収集された熱エネルギーは、後で（例えば、建物の居住者が夕方に戻ってきたとき、屋外温度が低く、熱需要が高いとき）使用するために貯蔵される。熱エネルギー貯蔵装置２１６ａ、２１６ｂ内の相充填材料が完全に充填されると、第２の圧縮機２１２ｂ及びポンプ２４６のスイッチングによって、低段も停止することができる。

【0175】

補助加熱モード（すなわち、モード３）の間、弁Ｖ２１及びＶ２２は開いており、弁Ｖ２３、Ｖ２４、Ｖ２５及びＶ２６は閉じている。第１の圧縮機２１２ａ及びポンプ２４６は両方ともオンにされ、第２の圧縮機２１２ｂはオフにされる。そのため、低圧段は非アクティブ化される。相分離器２２２内の圧力を低下させることによって、それはヒートポンプシステム２１０ａ、２１０ｂの高圧段のための蒸発器として効果的に動作する。熱は熱貯蔵装置２１６ａ、２１６ｂから抽出され、相分離器２２２内の冷媒に伝達され、そこで高圧段によって凝縮器２１４に循環される。補助加熱モードに対応する熱力学的サイクルは、図１４に示すように、点「Ｋ－Ａ－Ｂ－Ｌ－Ｋ」で表される。

【0176】

ヒートポンプシステム２１０ａ、２１０ｂは、熱エネルギー貯蔵装置２１６ａ、２６１ｂを熱源として使用して熱を提供する単段ヒートポンプシステムに効果的に変換される。熱エネルギー貯蔵装置２１６ａ、２１６ｂは、補助加熱モードで動作するとき、好ましくは完全に充填されることが理解される。補助加熱モードは、長い暖かい日に建物の居住者が不在で、システムが充填モードで動作した後の寒い夜の操作に特に適している。

【0177】

加熱ブースタモード（すなわちモード５）の間、弁Ｖ２１～Ｖ２４が開かれ、（システム２１６ｂ内の）弁Ｖ２５及びＶ２６が閉じられる。圧縮機２１２ａ、２１２ｂの両方がオンにされ、ポンプ２４６もオンにされる。この動作モードでは、相分離器２２２内の圧力は、その温度が熱エネルギー貯蔵装置２１６ａ、２１６ｂの融解温度よりわずかに低くなるように減少される。したがって、熱エネルギー貯蔵装置２１６ａ、２１６ｂからの熱エネルギーは、相分離器２２２内の冷媒に導かれる。このように、相分離器２２２は、高圧段の相分離器及び蒸発器の両方として機能し、システムは、事実上、２つの蒸発器及び２つの圧縮機ヒートポンプシステムに変換される。加熱ブースタモードに対応する熱力学的サイクルは図１５に示される。

【0178】

加熱ブースタモードで動作するとき、熱エネルギー貯蔵装置２１６ａ、２１６ｂからの熱及び外気からの熱（すなわち、蒸発器２２０によって吸収される）は両方とも熱源として同時に使用され、これによりヒートポンプシステム２１０ａ、２１０ｂの加熱能力を高める。したがって、このモードは、夜に熱需要がピークに達するが、屋外温度が低い条件に特に適している。

【0179】

ヒートポンプシステム２１６ｂのみに適用可能な除霜モード（すなわち、モード２）の間、弁Ｖ２１、Ｖ２２、Ｖ２５、及びＶ２６が開かれ、弁Ｖ２３及びＶ２４が閉じられる。第１の圧縮機２１２ａ及びポンプ２４６がオンにされ、第２の圧縮機２１２ｂがオフにされる。そのため、低圧段は非アクティブ化される。凝縮器２１４を出る温かい液体冷媒は、蒸発器２２０を通過するように導かれ、それによってその残りの熱を放出して、その上に形成された氷を溶かす。次に、冷媒は、第２のバイパスアセンブリ２４４ｂによって相分離器２２２に絞り込まれる。したがって、ヒートポンプシステム２１０ｂは、蒸発器２２０を除霜するために凝縮器２１４を出る温かい液体冷媒によって運ばれる過剰な熱を使用する。凝縮器２１４からの未使用の熱は廃熱源であり、したがって建物の内部を加熱する必要はない。除霜モードに対応する熱力学的サイクルは、図１６に示すように、点「Ｋ－Ａ－Ｎ－Ｌ－Ｋ」で表される。

【0180】

除霜モードの間、相分離器２２２は、高圧段のための蒸発器に変換される。熱エネルギー貯蔵装置２１６ｂに蓄えられた熱は抽出され、ヒートポンプ２１０ａの高圧段を効率的に動作させるのに必要な温度まで相分離器２２２内の冷媒を加熱するために使用される。したがって、ヒートポンプシステム２１６ｂは、熱エネルギー貯蔵装置２１６ｂを熱源として使用して加熱を提供する単段システムに変換される。このようにして、凝縮器２１４への連続加熱供給を中断することなく、蒸発器２２０を除霜することができる。さらに、二段ヒートポンプシステムの従来の除霜モードとは異なり、蒸発器２２０の除霜に余分な電力は必要ない。除霜モードは、屋外の周囲温度が低く、霜が蒸発器２２０に蓄積し始める条件に特に適している。

【0181】

図１７は、本開示による別の二段ヒートポンプシステム２１０ｃを示す。ヒートポンプシステム２１０ｃは、図１０及び１１にそれぞれ示されるように、ヒートポンプシステム２１０ａ及び２１０ｂと実質的に同じ構成要素を含む。ただし、そのスイッチングアセンブリ２４０ｃは、蒸発器２２０を除霜する代替手段を提供するように構成されている。

【0182】

スイッチングアセンブリ２４０ｃは、図１７に示すように、相分離器２２２のすぐ下流の第１の位置、及び蒸発器２２０のすぐ上流の第２の位置で第２の冷媒回路２２６ｂに流体結合する第１のバイパスアセンブリ２４４ｃを含む。したがって、第１のバイパスアセンブリ２４４ｃは、第３の弁Ｖ２３及び第２の膨張弁ＥＶ２２をバイパスするように配置される。第２のバイパスアセンブリ２４４ｄは、蒸発器２２０のすぐ下流の第１の位置で、第２の冷媒回路２２６ｂと相分離器２２２の液体含有部分との間で流体結合する。したがって、第２のバイパスアセンブリ２４４ｄは、第２の圧縮機２１２ｂ及び第４のスイッチング弁Ｖ２４をバイパスするように配置される。スイッチング弁Ｖ２７、Ｖ２８はそれぞれ、第１及び第２のバイパスアセンブリ２４４ｃ、２４４ｄを通る冷媒の流れを制御するために設けられている。伝熱流体回路２３６には、相分離器２２２と熱エネルギー貯蔵装置２１６ｂとの間の冷媒の流れを制御するための第１のポンプ２４６ａが取り付けられ、第２のバイパスアセンブリ２４４ｄには、弁Ｖ２８の下流に配置された第２のポンプ２４６ｂが設けられている。

【0183】

ヒートポンプシステム２１６ｃは、動作モード１、４、３、及び５の間、前述の二段ヒートポンプシステム２１６ａ、２６１ｂと同様に動作する。これらの動作モードの間、弁Ｖ２７、Ｖ２８は閉じられ、ポンプ２４６ｂはオフにされる。除霜モードで動作するとき、弁Ｖ２３及びＶ２４は閉じられ、弁Ｖ２７、Ｖ２８は開かれ、第２のポンプ２４６ｂがオンにされる。したがって、相分離器２２２からの暖かい冷媒は、バイパスアセンブリ２４４ｃ、２４４ｄを通ってポンプで送られ、蒸発器２２０を通って導かれ、その上の氷を溶かす。ヒートポンプ２１６ｃのこの構成は、追加の流体ポンプ２４６ｂを必要とし、システムの複雑さとコストを増加させる可能性があることが理解される。図１１に示すように、相分離器２２２内の液体冷媒は、凝縮器２１４を出る熱い液体冷媒（例えば、＞６５℃）よりも冷たい（例えば、２５℃）ため、除霜時間は、ヒートポンプシステム２１６ｂより長い可能性がある。

【0184】

二段ヒートポンプシステム２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃは、単段ヒートポンプシステム及び既知の二段ヒートポンプシステムと比較して動作のフレキシビリティを高める。例えば、それらは、熱が必要ではないが屋外温度が暖かい場合（例えば、日中）に熱エネルギー貯蔵装置２１６ａ、２１６ｂを充填するために、オフピーク電力及び／又は日中の暖かい屋外空気を利用するフレキシビリティを提供する。本開示の二段ヒートポンプシステムはまた、熱エネルギー貯蔵装置と外気の両方を熱源として使用することによって、熱需要がピークに達したときに熱生成を最大化する。さらに、ヒートポンプシステムは、中間温度で（すなわち、相分離器２２２において）熱を貯蔵することができ、これは、生成温度で（すなわち、凝縮器２１４において）熱を貯蔵するよりも必要とされる貯蔵サイズが小さい。例えば、中間圧熱エネルギー貯蔵装置（本開示による）は、同等の高圧熱エネルギー貯蔵装置よりも２０～４０％小さくても、同じ性能を維持することができる。サイズの縮小は、高圧段のＣＯＰ（例：１／ＣＯＰ）に関連している。例えば、高圧段が３のＣＯＰを有する場合、中間熱エネルギー貯蔵装置のサイズ縮小は３３％であり得る。

【0185】

さらに、ヒートポンプシステム２１６ｂ、２１６ｃは、蒸発器２２０を除霜しながら凝縮器２１４に連続的な熱供給を提供することができる。システムは、蒸発器２２０を除霜するために冷媒サイクルを逆にする必要はない。また、システムは、除霜中に低圧段の圧縮機２１２ｂにおいて追加の電力を消費しない。

【0186】

さらに、高圧段は除霜モードの動作中に連続的な熱供給を提供するので、除霜のためのバックアップヒーターは必要でない。スイッチングアセンブリ２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃは、設置及び制御が簡単な低コストの弁及びバイパスアセンブリに依存している。

【0187】

前述のヒートポンプシステム２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃはそれぞれ、２つの別個の圧縮機２１２ａ、２１２ｂ（すなわち、高圧段及び低圧段のそれぞれに対して１つの圧縮機）を含む。それぞれが本開示のさらなる態様による蒸気注入圧縮機３１２を含む、１対の代替の二段ヒートポンプシステム３１０ａ、３１０ｂを、図１８及び１９を参照して説明する。

【0188】

簡潔にするために、図１０～図１７を参照して既に説明した特徴と同じ又は類似する図１８及び図１９の特徴及びその機能には、類似の参照番号が与えられているが、１００だけ増加され、詳細については再度説明しない。

【0189】

図１８を参照すると、ヒートポンプシステム３１０ａは、別個の流体導管３２４によってシステムの凝縮器３１４、蒸発器３２０、及び相分離器３２２に流体結合された蒸気注入圧縮機３１２を含む。

【0190】

蒸気噴射圧縮機３１２は、蒸発器３２０から冷媒を受け取るための低圧入力、高圧冷媒を凝縮器３１４に出力するための高圧出力と、及び相分離器３２２のガス含有部分から冷媒を受け取るための中間圧力入力を有する。動作中、相分離器３２２から受け取った気化した冷媒は、蒸発器３２０を出る冷媒よりも高圧であるが、圧縮機３１２を出る冷媒よりも低い圧力である。相分離器３２２からの冷媒は、圧縮機３１２に「注入」され、それにより、圧縮機３１２の一部のみを通過しながら、通常の出力圧力（すなわち、凝縮器３１４に出力される高圧）まで圧縮される。

【0191】

ヒートポンプシステム３１０ａはまた、凝縮器３１４と相分離器３２２との間に順に流体結合された第１の膨張装置ＥＶ３１を含む。第２の膨張装置ＥＶ３２は、図１８に示されるように、相分離器３２２と蒸発器３２０との間に順番に配置される。当業者に理解されるように、第１及び第２の膨張装置ＥＶ３１、ＥＶ３２の少なくとも１つは、回路３２６内の冷媒の下流圧力を制御するように構成される。例えば、少なくとも１つの膨張装置は調節可能な膨張弁である。

【0192】

熱エネルギー貯蔵装置３１６は、ヒートポンプシステム２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃに関して上述したのと同じ方法で、別個の冷媒回路３３６によって相分離器３２２に流体結合される。ヒートポンプシステム３１０ａにはまた、弁Ｖ３１、Ｖ３２を含むスイッチングアセンブリ３４０ａが設けられる。スイッチングアセンブリ３４０ａは、以下でより詳細に説明されるように、異なる動作モード間でヒートポンプシステム３１０ａの動作を切り替えるように構成される。

【0193】

相分離器３２２及び圧縮機３１２の配置は、ヒートポンプ３１０ａが、前述の二段ヒートポンプシステム２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃの場合のように、２つの別個の冷媒回路を含まないことを意味する。しかしながら、ヒートポンプ３１０ａの低圧段は、相分離器３２２から順に第２の膨張装置ＥＶ３２に流れ、蒸発器３２０を通って圧縮機３１２の低圧入力に至る冷媒によって画定される。同様に、ヒートポンプシステム３１０ａの高圧段は、圧縮機３１２から順に、凝縮器３１４を通り、第１の膨張装置ＥＶ３１を通り、相分離器３２２に至る冷媒の流れによって画定される。ヒートポンプシステムの中圧段は、例えば、相分離器３２２から圧縮機３１２の中圧入力への冷媒の流れによって画定される。

【0194】

図１９は、本開示による蒸気注入圧縮機を同じく含む代替の二段ヒートポンプシステム３１０ｂを示す。ヒートポンプシステム３１０ｂは、図１８に示されるヒートポンプシステム３１０ａと実質的に同じ構成要素を含む。ただし、スイッチングアセンブリ３４０ｂは、以下でより詳細に説明されるように、ヒートポンプシステム３１０ｂが連続加熱及び除霜モードで動作することを可能にするように、異なる構成となっている。

【0195】

特に、スイッチングアセンブリ３４０ｂは、凝縮器３１４と第１の膨張弁ＥＶ３１との間に順次配置された追加の弁Ｖ３３を含む。アセンブリはまた、図１９に示すように、凝縮器３１４のすぐ下流の位置で、冷媒回路３２６を、第２の膨張弁ＥＶ３２のすぐ上流にある冷媒回路３２６上の位置に流体連結する第１のバイパスアセンブリ２４４ａを含む。したがって、第１のバイパスアセンブリ３４４ａは、弁Ｖ３１、Ｖ３３、第１の膨張弁ＥＶ３１及び相分離器３２２をバイパスするように配置される。スイッチングアセンブリ２４０ｂはまた、図１９に示されるように、蒸発器３２０のすぐ下流の位置で、冷媒回路３２６を、第１の膨張弁ＥＶ３１のすぐ上流の位置に流体結合する第２のバイパスアセンブリ３４４ｂを含む。したがって、第２のバイパスアセンブリ３４４ｂは、圧縮機３１２、スイッチング弁Ｖ３２、Ｖ３３及び凝縮器３１４をバイパスする。スイッチング弁Ｖ３４、Ｖ３５はそれぞれ、第１及び第２のバイパスアセンブリ３４４ａ、３４４ｂを通る冷媒の流れを制御するために設けられる。

【0196】

ここで、ヒートポンプシステム３１０ａ、３１０ｂの動作について、以下の表３を参照して説明する。ヒートポンプシステム３１０ａは、通常加熱モード、熱充填モード、加熱ブースタモード、補助加熱モードと呼ばれる４つの異なる動作モードを有する。これらの４つの動作モードは、表３に概説されるように、モード１、４、５、及び３にそれぞれ対応する。ヒートポンプシステム３１０ｂは、表３に概説されるように、モード２に対応する追加の除霜モードを有する。

【0197】

【表3】

【0198】

表３は、異なるモードでヒートポンプシステム３１０ａ、３１０ｂを動作させるために必要とされる弁Ｖ３１～Ｖ３６（すなわち開／閉）及びポンプ３４６（すなわちオン／オフ）の異なる構成を概説する。圧縮機３１２は、各動作モードを通して動作される。表は、熱エネルギー貯蔵装置３１６内の相変化材料の温度と比較した、相分離器３２２内の冷媒の相対温度も示す。

【0199】

表３に記載された番号付けされた動作モード（すなわち、１、４、５、３、及び２）のそれぞれは、上記の表２に概説されているヒートポンプシステム２１０ａ、２１０ｂのそれぞれ番号付けされた動作モードに対応することが理解される。

【0200】

したがって、通常加熱モード（すなわち、モード１）の間、ポンプ３４６は、熱エネルギー貯蔵装置３１６が相分離器３２２から分離されるようにオフにされる。また、弁Ｖ３１、Ｖ３２、Ｖ３３は開かれ、ヒートポンプシステム３１０ａ、３１０ｂが従来の２段ヒートポンプとして動作できるようにする。

【0201】

充填モード（すなわちモード４）の間、弁Ｖ３１、Ｖ３２、及びＶ３３が開かれ、弁Ｖ３４、Ｖ３５が閉じられる。ポンプ３４６のスイッチを入れて、熱エネルギー貯蔵システム３１６を相分離器３２２に結合する。充填モードの間、高圧段は凝縮器３１４に熱を供給するために動作される（通常加熱モードと同様）。しかしながら、通常加熱モードとは対照的に、充填モードの間、ポンプ３４６はオンに切り替えられ、それによって熱エネルギー貯蔵装置３１６を相分離器３２２に結合する。また、膨張装置ＥＶ３１は、相分離器３２２内の圧力を制御して、冷媒の温度が熱エネルギー貯蔵装置３１６内の相変化材料の融解温度よりも数度高くなるように調整される。これにより、冷媒から熱が抽出され、熱エネルギー貯蔵装置３１６に貯蔵される。

【0202】

ヒートポンプシステム３１０ａ、３１０ｂがヒートポンプシステム２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃと異なる点の１つは、充填モード（モード４）の間、ヒートポンプは凝縮器３１４に熱を供給し続けるが（すなわち、ヒートポンプシステム３１０ａ、３１０ｂの「充填モード」は、事実上、「連続加熱及び充填モード」である）、ヒートポンプシステム２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃは、凝縮器２１４に熱を供給することなく、熱エネルギー貯蔵装置を充填するように動作できる（すなわち、ヒートポンプシステム２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃの「充填モード」は、事実上「純粋な充填モード」である）点である。

【0203】

加熱ブースタモード（すなわちモード５）の間、弁Ｖ３１、Ｖ３２及びＶ３３が開かれ、弁Ｖ３４～Ｖ３５が閉じられる。ポンプ３４６は、熱エネルギー貯蔵装置３１６と蒸発器３２０の両方が同時に熱源として使用され、ヒートポンプシステム３１６ａ、３１６ｂの加熱能力を高めるように動作される。この動作モードの間、相分離器３２２内の冷媒の圧力は、冷媒温度が熱エネルギー貯蔵装置３１６内の相変化材料の融点よりも低くなるように調整される。これにより、熱エネルギー貯蔵装置３１６からの熱が、相分離器３２２内の冷媒によって吸収される。

【0204】

補助加熱モード（すなわちモード３）の間、弁Ｖ３１、Ｖ３２、Ｖ３４、Ｖ３５が閉じられ、弁Ｖ３３が開かれる。ポンプ３４６のスイッチを入れて、熱エネルギー貯蔵装置３１６から相分離器３２２内の冷媒への熱の移動を引き起こす。低圧段は非アクティブ化されるので、相分離器３１５は、熱エネルギー貯蔵装置３１６と共に、高圧段のための蒸発器として働く。モード５と同様に、相分離器３２２内の圧力は、冷媒の温度が熱エネルギー貯蔵装置３１６内の相変化材料の融解温度よりも低くなるように制御される。

【0205】

ヒートポンプシステム３１０ｂに適用可能な除霜及び連続加熱モード（すなわち、モード２）の間、弁Ｖ３１、Ｖ３２及びＶ３３は閉じられ、弁Ｖ３４及びＶ３５は開かれる。凝縮器３１２を出る温かい液体冷媒は、蒸発器３２０を通過するように導かれ、蒸発器３２０上に形成された氷を溶かすために熱を放出する。次いで、冷却された冷媒は、相分離器３２２に入る前に、膨張弁ＥＶ３１で絞られる。このモードの間、相分離器３２２は、熱エネルギー貯蔵装置３１６と共に、高圧段のための蒸発器に変換され、これにより、熱エネルギー貯蔵装置３１６に貯蔵された熱が抽出され、熱生成温度まで持ち上げられる。

【0206】

動作モード１、４、５、３、及び２のそれぞれは、好ましくは、二重圧縮機二段ヒートポンプシステム２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃに関して上述したのと実質的に同じ条件で適用可能であることが理解される。さらに、蒸気注入圧縮機ヒートポンプシステム３１０ａ、３１０ｂは、必要な構成要素が少ないため（例えば、圧縮機が１つ少なく、流体導管セクションと弁が少ないなど）、建物のセントラルヒーティングシステム内でより容易にパッケージ化できるという追加の利点がある。

【0207】

図１０、１１、及び１７から１９に示すような、ヒートポンプシステム２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、３１０ａ、３１０ｂは、冷蔵用途（例えば、冷蔵庫、冷凍庫又は空調システム）にも適用することができる。冷蔵用途の場合、二段ヒートポンプシステムは逆に構成され、凝縮器は周囲空気にさらされ（すなわち、ヒートシンク）、蒸発器は負荷が必要な場所（例えば、冷蔵庫の内部）に配置されることを理解されたい。この場合、必要な負荷は、冷蔵領域の温度を下げる負の熱負荷（すなわち、低温）である。

【0208】

二段ヒートポンプシステム２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、３１０ａ、３１０ｂは、ヒートシンク温度（すなわち、周囲の屋外空気温度）が高すぎる、及び／又は所望の温度降下が大きすぎる状況で特に有益である。冷蔵用途で使用される二段ヒートポンプシステム２１０ａ、３１０ａのうちの２つの動作を以下に説明する。

【0209】

冷蔵ヒートポンプシステムの例示的な動作条件によれば、周囲空気温度（すなわち凝縮器において）は３０℃～４０℃の間であり、冷却負荷温度は約－２０℃である。熱エネルギー貯蔵装置は相分離器に熱的に結合されており、５℃～１０℃の中間温度で動作する。したがって、合計温度降下は約５５℃であり、低圧段及び高圧段のそれぞれによって提供される温度降下は約２５℃から３０℃である。

【0210】

ヒートポンプシステム２１０ａは、図１０に示すように、通常冷却モード、補助冷却モード、冷却充填モード及び冷却ブースタモードと呼ばれる４つの異なる冷却モードで動作することができる。以下の表４に示すように、４つのモードはそれぞれモード６、７、８、及び９に対応する。

【0211】

【表4】

【0212】

通常冷却モード（すなわち、モード６）の間、ポンプ２４６はオフにされ、弁Ｖ２１～Ｖ２４のそれぞれが開いており、ヒートポンプシステム２１０ａは、ヒートポンプシステム２１０ａは、蒸発器２２０から熱を吸収し、それを凝縮器２１４に伝達することによって、従来の二段冷蔵システムとして動作する。このように、ヒートポンプシステム２１０ａは、ヒートシンクとして外気を（すなわち、蒸発器２２０で）使用する。

【0213】

補助冷却モードは、外気温度が高く、冷蔵システムの通常の動作効率が低下する場合に特に役立つ。補助冷却モード（すなわち、モード７）で動作するとき、ポンプ２４６のオンにされ、弁Ｖ２１及びＶ２２が閉じられ、第１の圧縮機２１２ａはオフにされる。したがって、高圧段は停止され、低圧段は、熱を熱エネルギー貯蔵器２１６ａに導くように構成される。これは、熱エネルギー貯蔵装置２１６ａから冷却熱エネルギー（すなわち、エネルギーの「冷たさ」）を抽出し、それを相分離器２２２内の冷媒に導くことと同等である。このようにして、ヒートポンプは、熱エネルギー貯蔵装置２１６ａを、蒸発器２２０から熱を放出するためのヒートシンクとして使用する。

【0214】

冷却充填モード（すなわち、モード８）の間、ポンプ２４６は動作しており、弁Ｖ２１、Ｖ２２は開いているが、弁Ｖ２３、Ｖ２４は閉じている。この構成は、外気（すなわち、凝縮器２１４において）をヒートシンクとして使用して、ヒートポンプを単段システムに効果的に変換する。ヒートポンプは、５℃～１０℃の間の中間温度で、熱エネルギー貯蔵装置２１６ａから相分離器２２２内の冷媒に、熱を抽出するように動作される。冷却充填モードは、冷却需要が低く、特に屋外の周囲温度も低い場合に特に有利である。

【0215】

冷却ブースタ動作モードは、冷却需要が高い場合に特に有利である。冷却ブースタモード（すなわち、モード９）で動作するとき、弁Ｖ２１～Ｖ２４のそれぞれが開いており、圧縮機２１２ａ、２１２ｂ及びポンプ２４６がすべてオンにされる。高圧段と低圧段の両方が動作して、熱エネルギーを熱エネルギー貯蔵装置２１６ａ及び周囲空気に導く（すなわち、凝縮器２１４において）。熱エネルギー貯蔵装置２１６ａを追加のヒートシンクとして使用することにより、ヒートポンプの冷却性能が向上する。

【0216】

蒸気注入圧縮機二段ヒートポンプシステム３１０ａは、図１８に示されるように、冷蔵システムとして動作することもできる。特に、ヒートポンプシステム３１０ａは、通常冷却モード、冷却ブースタモード、冷却兼充填モード、及び冷却充填モードと呼ばれる４つの異なる冷蔵モードで動作することができる。この４つのモードは、以下の表５で概説するように、それぞれモード１０、１１、１２、及び１３に対応する。圧縮機３１２は、各動作モード中に起動される。

【0217】

【表5】

【0218】

通常冷却モード（すなわち、モード１０）で動作するとき、弁Ｖ３１、３２は開かれ、ポンプ３４６はオフにされる。したがって、ヒートポンプシステム３１０ａは、従来の二段冷却ヒートポンプシステムとして、すなわち、蒸発器３２０から熱を抽出し、それを凝縮器３１４に導くことによって動作し、熱エネルギー貯蔵装置３１６は停止される。

【0219】

冷却ブースタモード（すなわちモード１１）の間、ポンプ３４６がオンにされ、弁Ｖ３１、Ｖ３２が開かれる。相分離器３２２内の圧力は、冷媒の温度が熱エネルギー貯蔵装置３１６ａ内の相変化材料の融解温度よりも高くなるように調整される。したがって、ヒートポンプは、熱エネルギー貯蔵装置３１６ａを冷媒用の過冷却器として使用し、凝縮器２１４における周囲空気をヒートシンクとして使用する二段冷蔵システムとして動作する。

【0220】

冷却兼充填モード（すなわち、モード１２）で動作する場合、弁Ｖ３１及びＶ３２が開かれ、ポンプ３４６が動作される。相分離器３２２内の冷媒の圧力は、冷媒温度が熱エネルギー貯蔵装置３１６内の相変化材料の融点よりも低くなるように調整される。これにより、熱エネルギー貯蔵装置３１６からの熱が相分離器３２２内の冷媒によって吸収され、冷却熱エネルギーが熱エネルギー貯蔵装置３１６内に効果的に貯蔵される。この動作モードは、熱エネルギー貯蔵装置３１６から熱を同時に抽出しながら、周囲空気がヒートシンクとして作用する二段システムとしてヒートポンプを動作させることができるので、周囲温度が比較的低い場合に特に適用可能である。

【0221】

冷却充填モード（すなわち、モード１３）は、冷却が必要ない場合に有利に使用される。動作中、弁Ｖ３１とＶ３２が閉じられ、それによってヒートポンプが単段システムに変わる。再び、相分離器３２２内の冷媒の圧力は、冷媒温度が相変化材料の融点未満になるように調整される。したがって、後で使用するために（例えば、モード１１の間）、約５℃～１０℃の温度で熱エネルギー貯蔵装置３１６から熱が抽出され、ヒートシンクとして動作する凝縮器３１４に導かれる。

【0222】

図１０及び１８に示されるヒートポンプシステム２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、３１０ａ、３１０ｂは、加熱需要と冷却需要との間にミスマッチがある場合に、加熱及び冷却の複合動作にも適用することができる。この場合、熱エネルギーは熱エネルギー貯蔵装置内に中間温度で貯蔵することができ、システムは必要に応じて生成と需要を一致させることができる。

【0223】

二段ヒートポンプシステムのいずれかの代替の例示的な配置では、図２０に示すように、熱エネルギー貯蔵装置を相分離器４２２内に配置することができる。熱エネルギー貯蔵装置４１６は、複数の個々の熱エネルギー貯蔵要素（例えば、球又はボール）を含む。エネルギー貯蔵要素のそれぞれは、ケース４３０内にカプセル化された相変化材料の体積を含む。上述のように、熱エネルギー貯蔵装置２１６、３１６とは対照的に、内部熱エネルギー貯蔵装置４１６は、ポンプ又は伝熱流体回路を含まない。代わりに、複数のエネルギー貯蔵要素の各ケース４３０は、内部に含まれる相変化材料と相分離器４２２内に含まれる冷媒との間で熱エネルギーが受動的に（例えば、熱伝導によって）流れることを可能にするように構成される。例えば、ケース４３０は、金属材料で形成されてもよい。複数のより小さなエネルギー貯蔵要素を提供することによって、これは、相分離器４２２内の冷媒と接触する相変化材料の表面積を増加させる。

【0224】

「内部的に」構成された熱エネルギー貯蔵装置４１６は、「外部的に」取り付けられた熱エネルギー貯蔵装置（図１０に示される装置２１６など）よりも小さい容量を有し得ることが理解される。しかしながら、内部的熱エネルギー貯蔵装置４１６は、相分離器４２２のフットプリント内にパッケージ化できるので、ヒートポンプシステム内に収容するのがより容易である。さらに、受動内部的熱エネルギー貯蔵装置４１６は可動部品を持たないため、操作及び修理がより簡単かつ安価になる。

【0225】

ケーススタディ１－二段加熱システム
通常加熱モードと、加熱充填モード及び補助加熱モードの組み合わせとの性能の違いを示すために、市販のシミュレーションソフトウェアから得られたデータに基づいて、ヒートポンプシステムの代表的なシミュレーションを行った。

【0226】

動作条件は次のように決定される：
・外気温度は、１日を通して０℃～１０℃の間で変化する。
・凝縮器の出力温度：６５℃
・圧縮機の等エントロピー効率：７０％
・相変化材料の融解温度：３０℃
・蒸発器の接近温度１０℃。
・凝縮器の接近温度３℃。
・熱エネルギー貯蔵装置の接近温度３℃。
・冷媒：Ｒ１３４ａ。

【0227】

以下の分析では、二段ヒートポンプシステムをベンチマークとして使用する。システムは、通常加熱モード（すなわち、モード１）で動作する場合、次の手順を実行する。

【0228】

８０．３℃の高温の冷媒蒸気が凝縮器に入り、セントラルヒーティングシステムから水に熱を放出し、凝縮して７０℃まで冷却される。セントラルヒーティングシステムからの水は４０℃で戻り、凝縮器内で６５℃まで加熱される。７０℃及び２１．２８ｂａｒの高温の液体冷媒は、第１の膨張装置を介して３３℃及び８．３９ｂａｒに絞り込まれ、相分離器に入る。蒸気は高圧段の圧縮機によって除去され、液体冷媒はさらに第２の膨張装置によって－２０℃及び１．３３ｂａｒまで絞り込まれる。その後、混合物は蒸発器に入り、０℃の周囲空気から熱を吸収し、－１０℃まで冷却する。混合物は、－２０℃で低圧飽和蒸気に完全に蒸発する。低圧段の圧縮機は、低圧の蒸気を抽出し、相分離器の中間圧力まで圧縮する。圧縮後、過熱蒸気は相分離器内の液体冷媒を通過して泡立ち、飽和蒸気まで冷却される。最初の絞りプロセスで生成された蒸気と一緒に、それは高圧段の圧縮機によって抽出及び圧縮され、新しいサイクルを開始する前に凝縮器の圧力に導かれる。

【0229】

通常加熱モード（すなわち、モード１）シミュレーションのパラメータ及び結果は、次のように要約される：
・外気温度：０℃
・蒸発圧力：１．３３ｂａｒ
・凝縮圧力：２１．２８ｂａｒ
・低圧段の圧縮機の消費電力：０．９０５ｋＷ、
・低圧段の圧縮機の質量流量：０．０１７ｋｇ／ｓ
・高圧段の圧縮機の消費電力：０．７８１ｋＷ。
・高圧段の圧縮機の質量流量：０．０２９ｋｇ／ｓ
・６５℃での凝縮器からの熱出力：４ｋＷ（＝１４４００ｋＪ／ｈ）。
・０℃で外気から取り出される熱：２．３１４ｋＷ（＝８３３０．４ｋＪ／ｈ）。
・通常加熱モード時のシステムのＣＯＰは、４／（０．９０５＋０．７８１）＝２．３７である。

【0230】

熱充填モード（すなわち、モード４）のシミュレーションの結果は、次のように要約される。

【0231】

充填モードは、熱需要が低く、日中の外気温度が高い場合（例：１０℃）に使用される。このモードでは、高圧段が停止し、低圧段が隔離されて熱エネルギー貯蔵装置が充填される。蒸発器は周囲の空気から２．５１ｋＷの熱を抽出し、１０℃から０℃に冷却する。相分離器の温度は３３℃に保持され、熱エネルギー貯蔵装置内の相変化材料の温度は３０℃である。相分離器と熱エネルギー貯蔵装置は、低圧段の凝縮器として効果的に機能する。熱は、熱エネルギー貯蔵装置内に３．２５ｋＷの割合で貯蔵される。低圧段の圧縮機は０．７３ｋＷを消費するため、ヒートポンプのＣＯＰ_Lは４．４５である。

【0232】

補助加熱モード（すなわち、モード３）のシミュレーションの結果は、次のように要約される。

【0233】

補助加熱モードの間、高圧段は隔離して動作され、相分離器を介して熱エネルギー貯蔵装置から熱が除去され、昇温されて加熱される。熱エネルギー貯蔵装置に貯蔵された熱は、３℃の接近温度で３０℃であると決定されるので、相分離器の温度は２７℃に維持される。相分離器と熱エネルギー貯蔵装置は、高圧段階の蒸発器として効果的に機能し、凝縮器で４ｋＷの熱を生成する。高圧段の圧縮機は０．９２ｋＷを消費し、熱エネルギー貯蔵装置は３０℃で３．０８ｋＷを放出する。したがって、隔離された高圧段の計算されたヒートポンプＣＯＰ_Hは４．３５である。

【0234】

熱充填モードと補助加熱モードの組み合わせを使用してヒートポンプシステム２１６ａを動作させることにより、システムは、周囲温度が１日を通して変化する条件でより効率的に熱を供給することができる。ヒートポンプシステムの高圧段と低圧段のそれぞれが独立して互いに分離して動作できるため、２つの動作モードが可能になる。この効果を実証するために、ヒートポンプシステムの全体的なＣＯＰは、上記で決定されたように、熱充填モードと補助加熱モードに対応するＣＯＰ値に基づいて計算できる。

【数1】

【0235】

計算された全体のＣＯＰは２．４８で、これは、０℃で空気から直接熱を抽出し、夕方に６５℃で熱を生成するベンチマークケースよりも５％高くなる。

【0236】

ケーススタディ２－二段冷蔵システム。
通常冷却モードと、冷却充填モード及び補助冷却モードの組み合わせとの性能の違いを実証するために、市販のシミュレーションソフトウェアから取得したデータに基づいて、ヒートポンプシステムの代表的なシミュレーションを行った。

【0237】

動作条件は次のように決定される：
・外気温度は、１日を通して２０℃～３５℃の間で変化する。
・蒸発器の入力温度：－２５℃
・圧縮機の等エントロピー効率：７０％
・相変化材料の融解温度：５℃
・蒸発器の接近温度１０℃。
・凝縮器の接近温度１０℃。
・熱エネルギー貯蔵装置の接近温度３℃。
・冷媒：Ｒ１３４ａ。

【0238】

二段ヒートポンプシステム２１０ａは、以下の分析のためのベンチマークとして使用される。通常冷却モード（モード６）で動作する場合、システムは次の手順を実行する。

【0239】

６７．２℃の高温の冷媒蒸気が凝縮器に入り、そこで熱を３５℃の周囲空気に放出する。５５℃及び１４．９６ｂａｒの高温の液体冷媒は、第１の膨張装置を介して８℃及び３．８７ｂａｒに絞り込まれ、相分離器に入る。蒸気は高圧段の圧縮機によって除去され、液体冷媒はさらに第２の膨張装置によって－２５℃及び１．０６ｂａｒまで絞り込まれる。次に、混合物は蒸発器に入り、冷却負荷から熱を吸収する。混合物は、－２５℃で最終的に低圧飽和蒸気に完全に蒸発する。低圧段の圧縮機は、低圧蒸気を抽出し、中間圧力（相分離器の圧力でもある）に圧縮する。圧縮後、過熱蒸気は相分離器内の液体冷媒を通過して泡立ち、飽和蒸気まで冷却される。最初の絞りプロセスで生成された蒸気と一緒に、それは高圧段の圧縮機によって抽出され、凝縮器の圧力まで圧縮される。

【0240】

通常冷却モード（すなわち、モード６）シミュレーションのパラメータ及び結果は、次のように要約される：
・外気温度：３５℃
・蒸発圧力：１．０６ｂａｒ
・凝縮圧力：１４．９６ｂａｒ
・低圧段の圧縮機の消費電力：０．８２１ｋＷ、
・低圧段の圧縮機の質量流量：０．０２３ｇ／ｓ
・高圧段の圧縮機の消費電力：１．４７９ｋＷ。
・高圧段の圧縮機の質量流量：０．０３９ｇ／ｓ
・５５℃での凝縮器からの熱出力：６．３４ｋＷ（＝２２８４０ｋＪ／ｈ）。
・－２５℃での蒸発器での冷却負荷からの低温抽出：４．０４ｋＷ（＝１４５６０ｋＪ／ｈ）。
・通常加熱モード時のシステムのＣＯＰは、４．０４／（０．８２１＋１．４７９）＝１．７６である。

【0241】

冷蔵システムを動作させる例示的な方法によれば、周囲温度が低い夜間に、隔離された高圧段を使用して、最初に熱エネルギー貯蔵装置から熱を抽出することができ、したがって、ＣＯＰは高くなり、枯渇した相変化材料は、翌日、周囲の屋外温度が高くなったときに熱エネルギーを吸収し、それによってシステムのＣＯＰをさらに増加させる。このフレキシブルな運用戦略の潜在的なエネルギー節約を評価するために、夕方には冷却充填モード（すなわち、モード８）でヒートポンプを運転し、翌日は補助冷却モード（すなわち、モード７）でヒートポンプを運転するシミュレーションケースが考えられる。

【0242】

冷却充填モード（すなわち、モード８）のシミュレーションの結果は、次のように要約される：冷却充填モードでは、冷却需要が低く、外気温度も低いため（例：２０℃）、高圧段は隔離され、熱エネルギー貯蔵装置から熱を抽出する。熱エネルギー貯蔵装置は５℃で、充填と放出の温度差は３℃である。したがって、相分離器の温度は２℃に保持される。相分離器と熱エネルギー貯蔵装置は、高圧段の蒸発器として機能する。ヒートポンプシステムは４．６２７ｋＷの冷却能力を発揮し、熱エネルギー貯蔵装置に蓄えられ、高圧段の圧縮機は１．１２８ｋＷを消費する。計算された冷却ＣＯＰ_Hは、隔離された高圧段で４．１である。

【0243】

補助冷却モード（すなわち、モード７）シミュレーションの結果は次のように要約される：熱エネルギー貯蔵装置は、日中高温になる外気の代わりにヒートシンクとして使用される。このシミュレーションでは、熱エネルギー貯蔵装置に貯蔵された冷却熱エネルギーは５℃で、熱伝達の接近温度は３℃であると想定され、相分離器は８℃に維持される。相分離器と熱エネルギー貯蔵装置は、４ｋＷの速度で冷却を生成する低圧段の凝縮器として機能する。低圧段の圧縮機は０．８７ｋＷを消費する。したがって、低圧段の冷却ＣＯＰ_Lの計算値は４．６である。

【0244】

冷却システムの２つの隔離された段の計算されたＣＯＰ、この切り離された交互の動作戦略のエネルギーフローに基づいて、この動作の全体的なＣＯＰは、次のように計算できる：

【数2】

【0245】

計算された全体的なＣＯＰは１．９４で、日中に－２５℃で熱を直接抽出し、３５℃で熱を空気に排出するベンチマークケースよりも１０．５％高くなる。

【0246】

図１～図２０を参照して本明細書に記載されるいくつかの例示的なヒートポンプシステムは、類似の構造及び／又は機能を有する１つ又は複数の特徴を共有する。さらに、例示的なヒートポンプシステムのそれぞれは、それらが説明及び図示されている特定の構成に限定されないことが理解される。例えば、例示的なヒートポンプシステムの各々は、本開示の範囲から逸脱することなく、追加の機能を組み込むか、又は他のシステム（例えば、建物のヒーティングシステム）内に組み込むことができる。さらに、本開示の範囲から逸脱することなく、例示的なヒートポンプシステムの特徴のいずれか１つを他の例示的なヒートポンプシステムの特徴のいずれかと組み合わせることができることを理解されたい。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【国際調査報告】