JP2013124820A

JP2013124820A - ２段式暖房機及び２段式冷房機

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Publication number: JP2013124820A
Application number: JP2011274349A
Authority: JP
Inventors: Ryohei Iwatani; 良平岩谷
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2013-06-24

Abstract

【課題】１種類の冷媒を使用して、ＣＯＰの低下を抑えつつ凝縮器からの放熱温度を高くする。
【解決手段】冷媒３を共用する２つの冷媒流路を備え、高段側冷媒流路１の第４熱交換器２２で放熱した冷媒を減圧弁２３で減圧して、低段側冷媒流路１の第１熱交換器１２から流出する冷媒に合流する。合流した冷媒３の一部を、低段側冷媒流路１の第２熱交換器１３において過冷却する。合流した冷媒３の残りを、高段側冷媒流路２の第５熱交換器２５において、外気温度より高い上記過冷却の熱を利用して蒸発させる。高段側冷媒流路２の第５熱交換器２５における冷媒３の蒸発温度を高くできるため、高段側冷媒流路２の第２圧縮機２１の圧縮比を大きくしなくても、第４熱交換器２２からの放熱温度を高めることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒を共用する低段側冷媒流路と高段側冷媒流路とを備える２段式暖房機及び２段式冷房機に関する。

従来から、蒸気圧縮サイクルを利用した暖房装置や冷房装置等が多用されている。この蒸気圧縮サイクルは、圧縮機、凝縮器、膨脹弁及び蒸発器に、この順序で冷媒を循環させ、暖房には凝縮器からの放熱を利用し、冷房には蒸発器の吸熱を利用する。ここで凝縮器からの放熱を利用する暖房機は、ヒートポンプとも称されており、蒸発器で吸熱した熱量と圧縮機の動力とを加えたエネルギーを、暖房用の熱量として利用できる。

ところで熱機関の熱効率は、出力エネルギー／入力エネルギーで定義されるところ、この熱効率が１を超えることはない。例えば、石油ストーブで暖房する場合、石油ストーブの燃焼で得られる熱量は、石油自体が有する燃焼熱量を超えることはない。しかるにヒートポンプでは、圧縮機の動力より多い出力エネルギーを、暖房用の熱量として得ることができる。そこで実際に消費される圧縮機の動力を入力エネルギーと考え、暖房に利用できる凝縮器からの放熱量を出力エネルギーと考えれば、ヒートポンプの熱効率は、出力エネルギー／入力エネルギー＝
「凝縮器からの放熱量＝蒸発器で吸熱した熱量＋圧縮機の動力」／「圧縮機の動力」＝（「蒸発器で吸熱した熱量」／「圧縮機の動力」）＋１となり、１より大きくなる。この値は、ＣＯＰ（動作係数）と呼ばれ、このＣＯＰは、３〜５程度にもなる。すなわちヒートポンプは、省資源及び省エネルギーが極めて高い暖房装置であるといえる。

ここでヒートポンプでは、凝縮器からの放熱温度が高いほど、熱エネルギーとしての利用価値が高い。たとえば同一の熱容量の部屋の暖房や給湯等を行なう場合には、所定の温度まで短時間で達することができ、あるいは所定の温度に維持するためには、ヒートポンプや熱交換器等の機器のサイズを小さくすることができる。

凝縮器からの放熱温度を高くするためには、圧縮機の圧縮比を大きくすることが考えられるが、圧縮機における圧縮比を大きくすると、「圧縮機の動力」が増加する。しかるに上述したように、ヒートポンプのＣＯＰは、（「蒸発器で吸熱した熱量」／「圧縮機の動力」）＋１であるため、「圧縮機の動力」を増加させると、ＣＯＰが低下する。すなわち蒸気圧縮サイクルを利用したヒートポンプでは、凝縮器からの放熱温度を高くしようとすると、ＣＯＰが低下するという問題がある。

そこでＣＯＰの低下を抑えつつ、凝縮器からの放熱温度を高くする手段として、蒸気圧縮サイクルを２系統使用する２元式ヒートポンプが提案されている（例えば特許文献１及び２参照。）。特許文献１及び２に記載の２元式ヒートポンプは、いずれも低元側冷媒循環流路と高元側冷媒循環流路とを備え、それぞれの冷媒循環流路を異なる冷媒が相互に独立して循環する。すなわち低元側冷媒循環流路では、蒸発器において外気から吸熱して、凝縮器において放熱する。高元側冷媒循環流路では、蒸発器において低元側冷媒循環流路の凝縮器からの放熱を吸熱して、凝縮器において放熱する。そして高元側冷媒循環流路の凝縮器から放熱した高熱を、暖房や温水器等に利用する。

このような２元式ヒートポンプでは、高元側冷媒循環流路の蒸発器において、外気より高温の、低元側冷媒循環流路の凝縮器からの放熱を吸熱するため、この高元側冷媒循環流路の蒸発器における冷媒の蒸発温度を高くすることができる。したがって、高元側冷媒循環流路の圧縮機の圧縮比を大きくしなくても、圧縮機から吐出するガス冷媒の温度を高くすることができ、高元側冷媒循環流路の凝縮器における放熱温度も高くすることができる。一方低元側冷媒循環流路の凝縮器では、外気温度より低温の、高元側冷媒循環流路の蒸発器へ放熱することが可能となるため、低元側冷媒循環流路の圧縮機から吐出するガス冷媒の温度を高くする必要はない。したがって低元側冷媒循環流路においても、圧縮機の圧縮比をそれほど大きくする必要はない。

また２元式ヒートポンプでは、低元側冷媒循環流路において、蒸発器における冷媒の蒸発圧力が高くても、蒸発温度を低くすることができる冷媒、例えばＲ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃ、あるいはＲ４１０を使用し、高元側冷媒循環流路において、圧縮機から吐出されるガス冷媒の温度を高くても、このガス冷媒の吐出圧力が高くならない冷媒、例えばＲ１３４ａ、Ｒ１５２ａ、あるいはＲ６００ａを使用することができる。このように低元側冷媒循環流路と高元側冷媒循環流路とに、それぞれ好適な異なる冷媒を選択することによって、双方の圧縮比をさらに小さくすることができる。

以上説明したように、２元式ヒートポンプでは、低元側冷媒循環流路及び高元側冷媒循環流路の双方について圧縮機の圧縮比を高くしなくても、高元側冷媒循環流路の凝縮器からの放熱温度を高くすることができる。したがって２元式ヒートポンプでは、低元側冷媒循環流路及び高元側冷媒循環流路の双方についてＣＯＰを低下させることなく、高温の熱エネルギーを得ることができる。

特開２０１０−１６４２５８号公報特開２０１１−１６９６９５号公報

しかしながら上述した従来技術による２元式ヒートポンプは、低元側冷媒循環流路と高元側冷媒循環流路とにおいて、それぞれ異なる冷媒を使用するため、それぞれ異なる２種類の冷媒が必要となる。また低元側冷媒循環流路と高元側冷媒循環流路とを、それぞれ別途独立に設ける必要があるため冷媒を循環させる配管等が複雑になる。したがって製造コストや整備コスト等がその分高くなるという問題がある。さらには低元側冷媒循環流路及び高元側冷媒循環流路の２個の圧縮機を、１個のケーシングに納めて共通のモーターで駆動する場合には、相互に異なる冷媒が混合しないように、複雑あるいは高度なシール構造を採用する必要がある。

そこで本発明の目的は、１種類の冷媒を使用して、ＣＯＰの低下を抑えつつ、凝縮器からの放熱温度を高くする２段式暖房機を提供することにある。またこの２段式暖房機の冷媒循環流路を切り換えて使用する２段式冷房機を提供することにある。

上記課題を解決すべく、本発明による２段式暖房機の特徴は、次のとおりである。すなわち共通の冷媒を使用する２系統の冷媒流路を備えており、高段側冷媒流路の凝縮器から流出する冷媒を、低段側冷媒流路の凝縮器から流出する冷媒に合流させる。合流した冷媒の一部を、低段側冷媒流路において過冷却した後、膨脹弁で減圧し、蒸発器で蒸発させて圧縮機に還流する。また合流した冷媒の残りを、高段側冷媒流路において膨脹弁で減圧し、蒸発器で蒸発させて、圧縮機に還流する。

ここで高段側冷媒流路の凝縮器から流出する冷媒は、減圧弁で減圧して低段側冷媒流路の凝縮器から流出する冷媒に合流させる。また高段側冷媒流路の蒸発器では、低段側冷媒流路における冷媒の過冷却熱を吸熱して、冷媒を蒸発させる。そして高段側冷媒流路の凝縮器と低段側冷媒流路の凝縮器との双方あるいは一方における放熱を、暖房用に使用する。

このように構成した２段式暖房機は、次の作用効果を発揮する。すなわち高段側冷媒流路の凝縮器から減圧弁を経由して流出する冷媒、及び低段側冷媒流路の凝縮器から流出する冷媒の温度は、いずれも外気温度より高いため、これらが合流した冷媒の温度も外気温度より高くなる。例えば外気温度が１０℃の場合、高段側冷媒流路の凝縮器から減圧弁を経由して流出する冷媒、及び低段側冷媒流路の凝縮器から流出する冷媒の温度は、それぞれ３０℃及び１５℃程度になる。このためこれらが合流した冷媒の温度も、１８℃程度になる。したがって低段側冷媒流路において、合流した冷媒の一部を過冷却する場合、過冷却用の熱交換器に流入する冷媒の温度も１８℃程度になり、依然として外気温度より高い。

したがって高段側冷媒流路の蒸発器において、低段側冷媒流路における外気温度より高い冷媒の過冷却熱を用いて冷媒を蒸発させれば、高段側冷媒流路の蒸発器における冷媒の蒸発温度を高くすることができる。すなわち高段側冷媒流路において、蒸発器における冷媒の蒸発温度が高くなれば、圧縮機の圧縮比を大きくしなくても、圧縮機からの冷媒の吐出温度、すなわち凝縮器における冷媒の放熱温度を高くすることができる。したがって本発明による２段式暖房機は、高段側冷媒流路において、ＣＯＰの低下を抑えつつ、凝縮器からの放熱温度を高くすることができる。そしてこの作用効果を、１種類の共通の冷媒によって発揮させることができる。

以上により本発明による２段式暖房機は、次のように構成される。すなわち、本発明による２段式暖房機は、それぞれ共通の冷媒が循環する低段側冷媒流路と高段側冷媒流路とを備えている。上記低段側冷媒流路は、第１圧縮機、第１熱交換器、第２熱交換器、第１膨脹弁及び第３熱交換器を有している。上記高段側冷媒流路は、第２圧縮機、第４熱交換器、減圧弁、第２膨脹弁及び第５熱交換器を有している。

上記低段側冷媒流路において上記冷媒は、上記第１圧縮機及び第１熱交換器をこの順序で流れ、上記高段側冷媒流路において上記冷媒は、上記第２圧縮機、第４熱交換器及び減圧弁をこの順序で流れて、この減圧弁の出口の流路において、上記低段側冷媒流路の第１熱交換器から流出した冷媒と合流する。上記合流した冷媒の一部は、上記低段側冷媒流路の第２熱交換器、第１膨脹弁及び第３熱交換器を、この順序で流れて上記第１圧縮機に還流する。上記合流した冷媒の残りは、上記高段側冷媒流路の第２膨脹弁及び第５熱交換器を、この順序で流れて上記第２圧縮機に還流する。

上記低段側冷媒流路の第３熱交換器において上記冷媒は、外気から吸熱すると共に、上記第１熱交換器及び第２熱交換器において放熱する。そして上記冷媒は、上記高段側冷媒流路の第５熱交換器において、上記低段側冷媒流路の第２熱交換器において放熱した熱量を吸熱すると共に、上記第４熱交換器において放熱する。

ここで上記２段式暖房機の冷媒流路を切り換えることによって、冷房機として使用できる。すなわち本発明による２段式冷房機は、次のように構成される。上記低段側冷媒流路は、上記第１圧縮機の出口流路、第３熱交換器の出口流路及び第２熱交換器の出口流路において、それぞれ上記冷媒が流れる流路を切り替える流路切替弁を有すると共に、この第２熱交換器の出口流路に第３膨脹弁を有している。また上記高段側冷媒流路は、上記第２圧縮機の出口流路及び第４熱交換器の出口流路において、それぞれ上記冷媒が流れる流路を切り替える流路切替弁を有すると共に、この第２圧縮機の出口流路に第６熱交換器を有している。

上記低段側冷媒流路において上記冷媒は、上記第１圧縮機及び第３熱交換器をこの順序で流れ、上記高段側冷媒流路において上記冷媒は、上記第２圧縮機、第６熱交換器及び減圧弁をこの順序で流れて、この減圧弁の出口の流路において、上記低段側冷媒流路の第３熱交換器から流出した冷媒と合流する。上記合流した冷媒の一部は、上記低段側冷媒流路の第２熱交換器、第３膨脹弁及び上記高段側冷媒流路の第４熱交換器を、この順序で流れて上記第１圧縮機に還流する。上記合流した冷媒の残りは、上記高段側冷媒流路の第２膨脹弁及び第５熱交換器を、この順序で流れて上記第２圧縮機に還流する。

そして上記冷媒は、上記低段側冷媒流路の第３熱交換器及び第２熱交換器において放熱すると共に、上記高段側冷媒流路の第４熱交換器において吸熱する。また上記冷媒は、上記高段側冷媒流路の第５熱交換器において、上記低段側冷媒流路の第２熱交換器において放熱した熱量を吸熱すると共に、上記第６熱交換器において放熱する。

このように構成した２段式冷房機は、次の作用効果を発揮する。すなわち高段側冷媒流路の蒸発器（第５熱交換器）における冷媒の蒸発熱によって、低段側冷媒流路の凝縮器（第３熱交換器）から流出する冷媒（正確には、高段側冷媒流路の減圧弁から流出する冷媒が合流した冷媒の一部）を、第２熱交換器において過冷却することによって、低段側冷媒流路の蒸発器（第４熱交換器）における冷媒の蒸発熱量を増加させることができ、これにより冷房能力を向上させることができる。

また上述した２段式冷房機の高段側冷媒流路には、減圧弁をバイパスするバイパス流路を設けることが望ましい。すなわち高段側冷媒流路の凝縮器（第６熱交換器）から流出する冷媒を、減圧弁をバイパスするバイパス流路を経由して、低段側冷媒流路の凝縮器（第３熱交換器）から流出する冷媒に合流させることによって、高段側冷媒流路の凝縮器（第６熱交換器）から流出する冷媒の圧力を、低段側冷媒流路の凝縮器（第３熱交換器）から流出する冷媒と同等の圧力まで低下させることができる。したがって高段側冷媒流路の凝縮器（第６熱交換器）における冷媒の凝縮圧力、すなわち高段側冷媒流路の第２圧縮機の吐出圧力が低下して、この第２圧縮機の圧縮比を少なくすることができる。よって高段側冷媒流路におけるＣＯＰを向上させることができる。なお高段側冷媒流路の第２圧縮機の吐出圧力が低下すると、凝縮器（第６熱交換器）における冷媒の凝縮温度も低下するが、冷房運転を行なうときには、凝縮器（第６熱交換器）における冷媒の凝縮熱は、外気に放熱されて利用されない。

ここで上記「第１圧縮機」及び「第２圧縮機」とは、冷媒ガスを圧縮する全ての機器を意味し、例えば往復型、スクロール型、遠心型、ロータリー型、及びスクリュー型が該当する。「第１熱交換器」〜「第６１熱交換器」とは、通過する冷媒が、熱伝達、熱伝導または熱放射等によって、外部と高い効率で熱交換できる全ての冷媒通路を意味しており、例えば、配管構造、シェル構造、あるいは容器が該当する。「第１膨張弁」〜「第３膨張弁」及び「減圧弁」とは、液化冷媒または気液混合冷媒の圧力を減少させる全ての手段を意味し、例えばノズル、バルブあるいはキャピラリーチューブが該当する。

上述したように、本発明による２段式暖房機は、１種類の冷媒を使用して、ＣＯＰの低下を抑えつつ、凝縮器からの放熱温度を高くすることができる。また本発明による２段式冷房機は、２段式暖房機の冷媒流路を切り替えることによって、主要構成要素をそのまま使用しつつ、蒸発器における吸熱能力を向上させることができる。

２段式暖房機の蒸気圧縮サイクルを示すモリエ線図である。２段式暖房機の構成図である。２段式冷房機の蒸気圧縮サイクルを示すモリエ線図である。２段式冷房機の構成図である。

図１と図２とを参照しつつ、本発明による２段式暖房機の構成と作用等とを説明する。図１は、２段式暖房機の蒸気圧縮サイクルを示すモリエ線図であって、横軸に冷媒のエンタルピー（Ｈ）を、縦軸に冷媒の圧力（Ｐ）を示している。このモリエ線図には、２段式暖房機を構成する主要構成部品が記載してある。また図２は、本発明による２段式暖房機の具体的な構成の１例を記載してある。

さて図１に示すように、本発明による２段式暖房機は、低段側冷媒流路１と高段側冷媒流路２とを備えており、それぞれ共通の冷媒３、例えばＲ２２が循環する。低段側冷媒流路１には、第１圧縮機１１、第１熱交換器１２、第２熱交換器１３、第１膨脹弁１４、及び第３熱交換器１５が設けてある。また高段側冷媒流路２には、第２圧縮機２1、第４熱交換器２２、減圧弁２３、第２膨脹弁２４、及び第５熱交換器２５が設けてある。なお第１圧縮機１１と第２圧縮機２1とは、共に往復型であり、第１熱交換器１２〜第５熱交換器２５は、いずれもパイプ構造になっている。また第１膨脹弁１４、第２膨脹弁２４及び減圧弁２３は、いずれもノズルを採用している。ここで各熱交換器については、参照を容易にするため、それぞれの部品番号の後に、「第１」及び「第２」等を表す丸で囲った数字の「１」及び「２」等を付す。

高段側冷媒流路２は、減圧弁２３の出口の流路において、低段側冷媒流路１の第１熱交換器１２の出口の流路と連通している。さて低段側冷媒流路１において冷媒３は、第１圧縮機１１及び第１熱交換器１２をこの順序で流れる。高段側冷媒流路２において冷媒３は、第２圧縮機２１、第４熱交換器２２、及び減圧弁２３をこの順序で流れて、この減圧弁の出口の流路において、低段側冷媒流路１の第１熱交換器１２から流出した冷媒３と合流する。

合流した冷媒３の一部は、低段側冷媒流路１の第２熱交換器１３、第１膨脹弁１４、及び第３熱交換器１５を、この順序で流れて、第１圧縮機１１に還流する。また合流した冷媒３の残りは、高段側冷媒流路２の第２膨脹弁２４、及び第５熱交換器２５を、この順序で流れて第２圧縮機２１に還流する。

ここで高段側冷媒流路２の第４熱交換器２２から流出する冷媒３は、この冷媒の飽和液線上まで、あるいはさらに飽和液に入った領域まで冷却することが望ましい。これによって、第４熱交換器２２において、暖房に利用する高温の放熱量を増すことができる。また低段側冷媒流路１の第１熱交換器１２は、高段側冷媒流路２の減圧弁２３から流出した冷媒３と、この低段側冷媒流路の第１熱交換器から流出した冷媒３とが合流した冷媒が、冷媒の飽和液線上まで凝縮する容量にすることが望ましい。これにより、低段側冷媒流路１の第１熱交換器１２における凝縮熱量を増すことができるため、この凝縮による放熱を暖房に利用する場合に有利となる。また低段側冷媒流路１の第１熱交換器１２と、第２熱交換器１３とは、それぞれ別個の熱交換器ではなく、１個の熱交換器であってもよい。かかる場合には、１個の熱交換器内の冷媒流路の途中で、高段側冷媒流路２の減圧弁２３から流出した冷媒３を合流させる。

さて低段側冷媒流路１の第３熱交換器１５において、冷媒３は、外気から熱量Ｑ_Ｌ２を吸熱すると共に、第１熱交換器１２及び第２熱交換器１３において、それぞれ熱量Ｑ_Ｌ１-1とＱ_Ｌ１-２とを放熱する。ここで高段側冷媒流路２の第５熱交換器２５において、冷媒３は、低段側冷媒流路１の第２熱交換器１３で放熱した熱量Ｑ_Ｌ１-２を吸熱すると共に、第４熱交換器２２において高温の熱量Ｑ_Ｈ１を放熱する。

すなわち高段側冷媒流路２の第５熱交換器２５において、冷媒３は、低段側冷媒流路１の第２熱交換器１３で放熱した、外気温度より高い熱量Ｑ_Ｌ１-２を吸熱して蒸発する。一方低段側冷媒流路１の第１熱交換器１２で放熱した熱量Ｑ_Ｌ１-１と、高段側冷媒流路２の第４熱交換器２２において放熱した高温の熱量Ｑ_Ｈ１は、それぞれ水循環流路４を循環する水を加温する。

ここで水循環流路４は、本発明による２段式暖房機からの放熱量を利用する手段の１例であって、水を循環させるポンプ４１、第７熱交換器４２、第８熱交換器４３及び第９熱交換器４４を備えている。上流側の第７熱交換器４２では、低段側冷媒流路１の第１熱交換器１２で放熱した熱量Ｑ_Ｌ１-１によって、循環する水を予熱する。また下流側の第８熱交換器４３では、高段側冷媒流路２の第４熱交換器２２において放熱した高温の熱量Ｑ_Ｈ１との熱交換によって、予熱された温水を、さらに高温に加温する。そして高温に加温された熱水は、第９熱交換器４４において、例えば室内に放熱し、この室内を暖房する。

なお高段側冷媒流路２の第４熱交換器２２において放熱した高温の熱量Ｑ_Ｈ１のみを利用して、水循環流路４を循環する水を加温してもよく、また低段側冷媒流路１の第１熱交換器１２で放熱した熱量Ｑ_Ｌ１-１を、別個の水循環流路を循環する水の加温に利用してもよい。さらに高段側冷媒流路２の第４熱交換器２２において放熱した高温の熱量Ｑ_Ｈ１、及び低段側冷媒流路１の第１熱交換器１２で放熱した熱量Ｑ_Ｌ１-１を、それぞれ水循環流路４を使用せずに、直接室内空気に放熱し、この室内を暖房するようにしてもよい。

図２に、上述した２段式暖房機の構成を、より詳細に示す。なお図２に示す２段式暖房機の構成は、後述するように２段式冷房機に使用できるように、冷媒流路を切り替える複数の流路切替弁等を設けてある。なお図２において、２段式暖房機として使用する場合の冷媒流路は実線で、２段式冷房機として使用する場合の冷媒流路は破線で示している。また流路切替弁が閉状態の場合は、黒色で塗り潰し、開状態の場合は、白抜きで表している。以下２段式暖房機として使用する場合について説明する。

低段側冷媒流路１の第１圧縮気１1から吐出した高温のガス冷媒３は、四方弁Ｖ_１を経由して、第１熱交換器１２に流入し、この第１熱交換器において液冷媒に凝縮し、チェックバルブＶ_２を経由して、高段側冷媒流路２の減圧弁２３から流出する液冷媒３に合流する。一方、高段側冷媒流路２の第２圧縮気２1から吐出した高温のガス冷媒３は、切替弁Ｖ_５を経由して第４熱交換器２２に流入し、この第４熱交換器において、水循環流路４の第８熱交換器４３を流れる水と熱交換して凝縮し、液冷媒となる。第４熱交換器において凝縮した液冷媒３は、切替弁Ｖ_６を経由して減圧弁２３に流入し、この減圧弁２３において、チェックバルブＶ_２から流出する低段側冷媒流路１の液冷媒３の圧力まで減圧されて、合流する。

合流した液冷媒の一部は、低段側冷媒流路１の第２熱交換器１３に流入する。一方、合流した液冷媒の残りは、高段側冷媒流路２の第２膨脹弁２４において気液混合状態の冷媒３に減圧され、第５熱交換器２５を経由して第２圧縮気２1に還流する。ここで高段側冷媒流路２の第５熱交換器２５を流れる冷媒３は、低段側冷媒流路１の第２熱交換器１３を流れる冷媒３から、熱量Ｑ_Ｌ１−２を吸熱してガス状態に蒸発し、他方、この低段側冷媒流路の第２熱交換器を流れる冷媒は、この高段側冷媒流路の第５熱交換器を流れる冷媒に熱量Ｑ_Ｌ１−２を放熱して過冷却状態になる。

低段側冷媒流路１の第２熱交換器１３を流出した過冷却の状態の冷媒３は、第１膨脹弁１４流入し、この第１膨脹弁において気液混合状態の冷媒に減圧される。この気液混合状態の冷媒３は、切替弁Ｖ_３を経由して、第３熱交換器１５に流入し、この第３熱交換器において外気から熱量Ｑ_Ｌ２を吸熱してガス状態に蒸発する。このガス状態の冷媒３は、四方弁Ｖ_１を経由して、第１圧縮気２1に還流する。

また低段側冷媒流路１の第１熱交換器１２内を流れる冷媒３は、水循環流路４の第７熱交換器４２を流れる水に、熱量Ｑ_Ｌ1-1を放熱し、この水を予熱する。すなわち水循環流路４では、上流側の第７熱交換器４２において、低段側冷媒流路１の第１熱交換器１２からの放熱量Ｑ_Ｌ1-1によって、循環する水を予熱し、この予熱された温水を、下流側の第８熱交換器４３において、高段側冷媒流路２の第４熱交換器２２からの高温の放熱量Ｑ_Ｈ1によって、さらに高温に加温する。そして高温に加温された熱水は、第８熱交換器４３において、室内に放熱して暖房する。

図３は、上述した２段式暖房機の冷媒流路を切り替えて、２段式冷房機としてする場合の蒸気圧縮サイクルを示すモリエ線図である。この２段式暖房機の蒸気圧縮サイクルにおいて、図１で示した２段式暖房機の蒸気圧縮サイクルと異なる点は、次のとおりである。すなわち低段側冷媒流路１及び高段側冷媒流路２において、凝縮器（第３熱交換器１５、及び第６凝縮器２６）からの、冷媒３の凝縮熱量Ｑ_L1-1及びＱ_H1は、いずれも外気に放熱し、低段側冷媒流路１の蒸発器（第４熱交換器２２）における冷媒３の蒸発熱Ｑ_L２によって、水循環流路４の下流側の第８熱交換器４３内を流れる水を冷却する。また高段側冷媒流路２の凝縮器（第６凝縮器２６）を流出した冷媒３は、２段式暖房機で使用する減圧弁２３の替わりにバイパス流路２７を経由して、減圧されることなく低段側冷媒流路１の凝縮器（第３熱交換器１５）から流出した冷媒と合流する。

なお２段式暖房機は、２段式冷房機において使用する部品の大部分を、そのまま使用するが、後述するように、新たな冷媒流路や流路切替弁の他、低段側冷媒流路１において第３膨脹弁、及び高段側冷媒流路２において第６熱交換器２６を備える。

図４に、上述した２段式冷房機の構成の1例を示す。なお図４において、２段式冷房機として使用する場合の冷媒流路は実線で、２段式暖房機として使用する場合の冷媒流路は破線で示している。また流路切替弁が閉状態の場合は、黒色で塗り潰し、開状態の場合は、白抜きで表している。以下２段式冷房機として使用する場合について説明する。

すなわち図４に示すように、低段側冷媒流路１において、第１圧縮機１１から吐出されるガス冷媒３は、四方弁Ｖ_１によって冷媒流路が切替えられて、第３熱交換器１５に流入し、この第３熱交換器において、ほぼ飽和液線上まで凝縮して、外気に熱量Ｑ_Ｌ１-１を放熱する。第３熱交換器１５を流出した液冷媒３は、新たな冷媒流路Ｂ_１に流入し、切替弁Ｖ_４を経由して、高段側冷媒流路２のバイパス流路２７から流出する冷媒３と合流する。

高段側冷媒流路２において、第２圧縮機２１から吐出されるガス冷媒３は、新たな冷媒流路Ｂ_３に流入して、切替弁Ｖ_８、新たな第６熱交換器２６及びバイパス流路２７を経由して、低段側冷媒流路１の切替弁Ｖ_４から流出する冷媒３と合流する。なお冷媒３は、高段側冷媒流路２の第６熱交換器２６において凝縮して、外気に熱量Ｑ_Ｈ１を放熱する。合流した冷媒３の一部は、低段側冷媒流路１の第２熱交換器１３に流入し、この第２熱交換器において、高段側冷媒流路２の第５熱交換器２５で蒸発する冷媒３の蒸発熱Ｑ_Ｌ１-２によって過冷却される。

低段側冷媒流路１の第２熱交換器１３から流出した過冷却状態の冷媒３は、新たな冷媒流路Ｂ_２に流入し、切替弁Ｖ_９及び新たな第３膨脹弁１６を経由して、第４熱交換器２２に流入する。冷媒３は、第４熱交換器２２において蒸発し、水循環流路４の第８熱交換器４３を流れる水から熱量Ｑ_Ｌ２を吸熱して、この水を冷却する。なお冷却された水は、水循環流路４のポンプ４１によって、第７熱交換器４２及び第９熱交換器４４に送られ、この第９熱交換器において、部屋等の空気から吸熱して冷房する。また低段側冷媒流路１の第４熱交換器２２から流出したガス冷媒３は、新たな冷媒流路Ｂ_４に流入し、切替弁Ｖ_７を経由して第１圧縮機に還流する。

合流した冷媒３の残りは、高段側冷媒流路２の第２膨脹弁２４を経由して、第５熱交換器２５に流入する。冷媒３は、高段側冷媒流路２の第５熱交換器２５において、低段側冷媒流路１の第２熱交換器１３を流れる冷媒３の過冷却熱
Ｑ_Ｌ１-２を吸熱して蒸発してガス冷媒となり、第２圧縮機２１に還流する。

なお上述した２段式暖房機及び２段式冷房機において、冷媒の気液分離装置、冷媒温度や圧力の計測機器、冷媒流量等の制御装置及び圧縮機や切替弁等を駆動する電源システム等の機器については、いずれも記載していないが、従来技術の装置や機器等が使用可能であり、必要に応じて容易に設けることができる。

本発明による２段式暖房機は、１種類の冷媒を使用して、ＣＯＰの低下を抑えつつ、凝縮器からの放熱温度を高くすることができる。また本発明による２段式冷房機は、２段式暖房機の冷媒流路を切り替えることによって、主要構成要素をそのまま使用しつつ、蒸発器における吸熱能力を向上させることができる。よって暖房機及び冷房機に関する産業に広く利用可能である。

１低段側冷媒流路
１１第１圧縮機
１２第１熱交換器
１３第２熱交換器
１４第１膨脹弁
１５第３熱交換器
１６第３膨脹弁
２高段側冷媒流路
２１第２圧縮機
２２第４熱交換器
２３減圧弁
２４第２膨脹弁
２５第５熱交換器
２６第６熱交換器
２７バイパス流路
３ガス冷媒、液冷媒、気液混合冷（媒冷媒）

Claims

それぞれ共通の冷媒(3)が循環する低段側冷媒流路(1)と高段側冷媒流路(2)とを備え、
上記低段側冷媒流路(1)は、第１圧縮機(11)、第１熱交換器(12)、第２熱交換器(13)、第１膨脹弁(14)及び第３熱交換器(15)を有し、
上記高段側冷媒流路(2)は、第２圧縮機(21)、第４熱交換器(22)、減圧弁(23)、第２膨脹弁(24)及び第５熱交換器(25)を有し、
上記低段側冷媒流路(1)において上記冷媒(3)は、上記第１圧縮機(11)及び第１熱交換器(12)をこの順序で流れ、
上記高段側冷媒流路(2)において上記冷媒(3)は、上記第２圧縮機(21)、第４熱交換器(22)及び減圧弁(23)をこの順序で流れて、この減圧弁(23)の出口の流路において、上記低段側冷媒流路(1)の第１熱交換器(12)から流出した冷媒(3)と合流し、
上記合流した冷媒(3)の一部は、上記低段側冷媒流路(1)の第２熱交換器(13)、第１膨脹弁(14)及び第３熱交換器(15)を、この順序で流れて、上記第１圧縮機(11)に還流し、
上記合流した冷媒(3)の残りは、上記高段側冷媒流路(2)の第２膨脹弁(24)及び第５熱交換器(25)を、この順序で流れて上記第２圧縮機(21)に還流し、
上記低段側冷媒流路(1)の第３熱交換器(15)において上記冷媒(3)は、外気から吸熱すると共に、上記第１熱交換器(12)及び第２熱交換器(13)において放熱し、
上記高段側冷媒流路(2)の第５熱交換器(25)において上記冷媒(3)は、上記低段側冷媒流路(1)の第２熱交換器(13)において放熱した熱量を吸熱すると共に、上記第４熱交換器(22)において放熱する
ことを特徴とする２段式暖房機。
請求項１に記載の２段式暖房機の冷媒流路を切り換えて使用する２段式冷房機であって、
上記低段側冷媒流路(1)は、上記第１圧縮機(11)の出口流路、第３熱交換器(15)の出口流路、及び第２熱交換器(13)の出口流路において、それぞれ上記冷媒(3)が流れる流路を切り替える流路切替弁を有すると共に、この第２熱交換器(13)の出口流路に第３膨脹弁(16)を有し、
上記高段側冷媒流路(2)は、上記第２圧縮機(21)の出口流路及び第４熱交換器(22)の出口流路において、それぞれ上記冷媒(3)が流れる流路を切り替える流路切替弁を有すると共に、この第２圧縮機(21)の出口流路に第６熱交換器(26)を有し、
上記低段側冷媒流路(1)において上記冷媒(3)は、上記第１圧縮機(11)及び第３熱交換器(15)をこの順序で流れ、
上記高段側冷媒流路(2)において上記冷媒(3)は、上記第２圧縮機(21)、第６熱交換器(26)及び減圧弁(23)をこの順序で流れて、この減圧弁(23)の出口の流路において、上記低段側冷媒流路(1)の第３熱交換器(15)から流出した冷媒(3)と合流し、
上記合流した冷媒(3)の一部は、上記低段側冷媒流路(1)の第２熱交換器(13)、第３膨脹弁(16)及び上記高段側冷媒流路(2)の第４熱交換器(22)を、この順序で流れて、上記第１圧縮機(11)に還流し、
上記合流した冷媒(3)の残りは、上記高段側冷媒流路(2)の第２膨脹弁(24)及び第５熱交換器(25)を、この順序で流れて上記第２圧縮機(21)に還流し、
上記冷媒(3)は、上記低段側冷媒流路(1)の第３熱交換器(15)及び第２熱交換器(13)において放熱すると共に、上記高段側冷媒流路(2)の第４熱交換器(22)において吸熱し、
上記冷媒(3)は、上記高段側冷媒流路(2)の第５熱交換器(25)において、上記低段側冷媒流路(1)の第２熱交換器(13)において放熱した熱量を吸熱すると共に、上記第６熱交換器(26)において放熱する
ことを特徴とする２段式冷房機。
上記高段側冷媒流路(2)には、上記減圧弁(23)をバイパスするバイパス流路(27)が設けてある
ことを特徴とする請求項２に記載の２段式冷房機。