JP2013142537A - カスケードヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】カスケードヒートポンプ装置を提供すること。
【解決手段】本発明に係るカスケードヒートポンプ装置には、第１圧縮器及び第１室内熱交換器を有する第１冷媒サイクルと、第２圧縮器及び第２室内熱交換器を有する第２冷媒サイクルと、前記第１圧縮器又は第２圧縮器で圧縮された冷媒が凝縮される室外熱交換器と、前記第２圧縮器で圧縮された冷媒が前記第１圧縮器を迂回して、前記第１圧縮器の吐出側に流動するようにするバイパス配管と、前記第２圧縮器の吐出側に提供され、前記第２圧縮器から吐出された冷媒を前記第１圧縮器及びバイパス配管のうちの何れか一つに流入するようにする第１流量調節部とが備えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、カスケードヒートポンプ装置に関する。

一般に、ヒートポンプ装置は、冷媒を圧縮する圧縮器と、圧縮器から吐出される冷媒が凝縮される凝縮器と、凝縮器を通過した冷媒が膨脹される膨張器と、膨張器で膨脹された冷媒が蒸発する蒸発器とを備えて冷媒サイクルを構成し、冷媒サイクルを循環する冷媒を利用して室内を冷暖房したり、冷蔵又は冷凍を行う装置である。

最近では、システムの効率を上げるために、第１冷媒を循環させる第１冷媒サイクルと、第２冷媒を循環させる第２冷媒サイクルとを備え、冷媒熱交換器を介して第１冷媒と第２冷媒とが熱交換されるようにするカスケードヒートポンプ装置が開発された。

この場合に、第１冷媒サイクルは、室内を冷暖房するサイクルとして用いられ、第２冷媒サイクルは、冷蔵又は冷凍を行うサイクルとして用いられることができる。このとき、第１冷媒は冷媒熱交換器から蒸発し、第２冷媒は凝縮されて、互いに熱交換されうる。

そして、第１冷媒サイクルで循環する第１冷媒は、冷暖房運転モードの転換によって流動方向が転換されうるが、第２冷媒サイクルで循環する第２冷媒は、常に同じ方向に循環されうる。

一方、冷暖房と冷蔵又は冷凍を具現する従来のカスケードヒートポンプ装置は、一つの圧縮器で冷媒サイクルの冷媒を圧縮させるように構成されるので、圧縮比が落ち、効率が低下するという問題点がある。

本発明の目的は、冷凍サイクルの圧縮器と冷蔵サイクルの圧縮器とを利用して冷媒を２段に圧縮することによって、高圧縮比を具現化し効率を向上させうるカスケードヒートポンプ装置及びその駆動方法を提供することにある。

一側面によるカスケードヒートポンプ装置には、第１圧縮器及び第１室内熱交換器を有する第１冷媒サイクルと、第２圧縮器及び第２室内熱交換器を有する第２冷媒サイクルと、
前記第１圧縮器又は第２圧縮器で圧縮された冷媒が凝縮される室外熱交換器と、前記第２圧縮器で圧縮された冷媒が前記第１圧縮器を迂回して、前記第１圧縮器の吐出側に流動するようにするバイパス配管と、前記第２圧縮器の吐出側に提供され、前記第２圧縮器から吐出された冷媒を前記第１圧縮器及びバイパス配管のうちの何れか一つに流入するようにする第１流量調節部とが備えられる。

他の側面によるカスケードヒートポンプ装置には、冷蔵用圧縮器及び冷蔵用室内熱交換器を有する冷蔵サイクルと、冷凍用圧縮器及び冷凍用室内熱交換器を有する冷凍サイクルと、前記冷蔵用圧縮器又は冷凍用圧縮器で圧縮された冷媒が凝縮される室外熱交換器と、空調のための圧縮器及び空調用室内熱交換器を有する空調サイクルと、前記室外熱交換器の一側に提供され、前記室外熱交換器で凝縮された冷媒と前記空調サイクルの冷媒との間で熱交換がなされる冷媒熱交換器と、前記冷凍用圧縮器の吐出側に提供され、前記冷凍用圧縮器で圧縮された冷媒が前記冷蔵用圧縮器で２段に圧縮可能なように冷媒の流動方向を調節する第１流量調節部とが備えられる。

本発明によれば、冷凍サイクルを循環する冷媒が冷凍サイクルの圧縮器及び冷蔵サイクルの圧縮器に順に流入して圧縮されうるので、冷凍サイクルの圧縮比が向上することができるという長所がある。

また、外気温度が低い場合には、冷蔵サイクルと冷凍サイクルとを循環する各冷媒が一つの圧縮器によりそれぞれ圧縮され、外気温度が高い場合には、冷凍サイクルを循環する冷媒が冷凍サイクルの圧縮器と冷蔵サイクルの圧縮器とを経て２段に圧縮されるようにすることによって、消費電力を低減できる。

また、冷凍サイクルの冷媒を２段に圧縮する場合に、冷蔵サイクル圧縮器の流入端と吐出端の圧力を平滑にして、圧縮器の起動の信頼性を確保することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置の構成図である。 本発明の第１の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置での冷媒の流れを示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置での冷媒の流れを示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置での冷媒の流れを示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置での冷媒の流れを示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置の構成図である。 本発明の第２実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置に関するブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置での冷媒の流れを示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置での冷媒の流れを示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置での冷媒の流れを示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置の駆動方法のフローチャートである。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置の構成図である。
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置１は、第１冷媒サイクル１０、第２冷媒サイクル２０、第３冷媒サイクル３０を備える。

第１冷媒サイクル１０は、第１冷媒が循環する第１圧縮器１１、第１室外熱交換器１２、第１室内熱交換器１３及び第１膨張器１４を備える。そして、第１冷媒サイクル１０は、第１圧縮器１１、第１室外熱交換器１２、第１室内熱交換器１３及び第１膨張器１４を連結して、第１冷媒の循環をガイドする第１冷媒配管１６をさらに備える。第１圧縮器１１を「冷蔵用圧縮器」、第１室内熱交換器１３を「冷蔵用室内熱交換器」、第１冷媒サイクルを「冷蔵サイクル」と名付けることができる。

第１冷媒サイクル１０は、冷蔵サイクルでありうる。冷蔵サイクルにおいて、第１冷媒は、第１室外熱交換器１２を通過する空気によって凝縮され、第１室内熱交換器１３から蒸発できる。

第１冷媒は、後述する冷媒熱交換器３６において第３冷媒サイクル３０の第３冷媒と熱交換されうる。一例として、第１冷媒と第３冷媒との熱交換過程において第１冷媒は凝縮し、第１冷媒の凝縮熱は、第３冷媒に伝達されて第３冷媒を蒸発させる。

第１冷媒サイクル１０は、第１冷媒を貯蔵する冷媒貯蔵部１５をさらに備えることができる。冷媒貯蔵部１５は、第１室外熱交換器１２を通過した後に第１室内熱交換器１３に流入する第１冷媒の量、又は第１室外熱交換器１２を通過した後に第２室内熱交換器２２に流入する第２冷媒の量を適切に調節できる。すなわち、冷媒貯蔵部１５は、第１冷媒又は第２冷媒を貯蔵することができる。冷媒貯蔵部１５は、レシーバーでありうる。

第１圧縮器１１で圧縮された第１冷媒は、第１室外熱交換器１２で凝縮された後に冷媒貯蔵部１５に貯蔵されることができ、以後第１室内熱交換器１３から蒸発して周辺、一例として第１貯蔵室（冷蔵室）を冷却させることができる。

第２冷媒サイクル２０は、第２冷媒が循環する第２圧縮器２１、第１室外熱交換器１２、第２室内熱交換器２２及び第２膨張器２３を備える。そして、第２冷媒サイクル２０は、第２圧縮器２１、第１室外熱交換器１２、第２室内熱交換器２２及び第２膨張器２３を連結して、第２冷媒の循環をガイドする第２冷媒配管２８をさらに備える。第２圧縮器２１は、「冷凍用圧縮器」、第２室内熱交換器２２を「冷凍用室内熱交換器」、第２冷媒サイクルを「冷凍サイクル」と名付けることができる。

第２冷媒サイクル１０は、冷凍サイクルでありうる。冷凍サイクルにおいて、第２冷媒は、第１室外熱交換器１２に流入して凝縮され、第２室内熱交換器２２から蒸発できる。第２冷媒サイクル２０は、第１冷媒サイクル１０と凝縮器（第１室外熱交換器１２）を共有できる。

第２冷媒は、第１冷媒と同じ冷媒でありうる。すなわち第１冷媒サイクル１０と第２冷媒サイクル２０とは、同じ冷媒を使用し、本実施の形態は、一つの冷媒を分配して第１、２冷媒サイクル１０、２０、すなわち冷蔵サイクル及び冷凍サイクルを運転することを特徴とする。

第２冷媒は、第１冷媒と同様に、冷媒熱交換器３６において第３冷媒サイクル３０の第３冷媒と熱交換されうる。第１冷媒及び第２冷媒の凝縮熱は、第３冷媒に伝達されて、第３冷媒を蒸発させる。

第２冷媒サイクル２０は、第１冷媒サイクル１０の第１室外熱交換器１２と、冷媒貯蔵部１５とを共有できる。すなわち、第２圧縮器２１で圧縮された第２冷媒は、第１室外熱交換器１２で凝縮された後冷媒貯蔵部１５に貯蔵されることができ、以後第２室内熱交換器２２から蒸発して周辺、一例として第２貯蔵室（冷凍室）を冷却させることができる。

第２冷媒サイクル２cは、第１流量調節部２４と、バイパス配管２５をさらに備えることができる。

第１流量調節部２４は、第２圧縮器２１の出口側と第１圧縮器１１の入口側との間の一地点に提供されることができる。第２圧縮器２１を通過した第２冷媒は、第１流量調節部２４を介して第１圧縮器１１に流入することができる。

このために、第２冷媒配管２８は、第１冷媒配管１６の一地点に連結されることができる。詳細に、第１冷媒配管１６には、第２冷媒配管２８が合枝される第１合枝部５０が提供される。第２圧縮器２１から吐出された冷媒は、第１流量調節部２４及び第１合枝部５０を介して第１圧縮器１１に流入することができる。言い換えれば、第１流量調節部２４は、第２圧縮器２４の吐出端と第１合枝部５０の間に提供されることができる。

第１流量調節部２４は、四方バルブでありうる。もちろん本実施の形態は、第１流量調節部２４のバルブ形態を四方バルブに限定するものではなく、第２冷媒の流路を転換するバルブであれば、多様なバルブ装置が提供されうる。

第１流量調節部２４は、第２圧縮器２１から吐出された第２冷媒が第１圧縮器１１に流入するようにしたり、又は第２圧縮器２１から吐出された第２冷媒がバイパス配管２５に沿って第１圧縮器１１から吐出された第１冷媒と会うようにすることができる。

一方、第１冷媒配管１６には、第２冷媒配管２８が分枝される第１分枝部５２が提供される。第１分枝部５２は、冷媒貯蔵部１５の出口側に形成される。冷媒貯蔵部１５を通過した冷媒のうち、少なくとも一部の冷媒（第２冷媒）は、第１分枝部５２を経て第２膨張器２３側に流動できる。そして、冷媒貯蔵部１５を通過した冷媒のうち、残りの冷媒（第１冷媒）は、第１分枝部５２を経て第１膨張器１４側に流動できる。

第２冷媒サイクル２０を流動する冷媒（第２冷媒）は、第１圧縮器１１を通過するように制御できる。すなわち、第２冷媒は、第２圧縮器２１により１段に圧縮された後、第１流量調節部２４によってその流動方向が変化して第１圧縮器１１に流入し、第１圧縮器１１で２段に圧縮されることができる。

冷凍性能を確保するために、高圧縮が必要な場合に、一つの圧縮器のみを使用して冷媒を圧縮するようになれば、圧縮器を過度に駆動しなければならないので、効率が落ちることができる。よって、本実施の形態は、既設定の条件を満たすとき、第２冷媒が第２圧縮器２１で１次に圧縮された後、第１圧縮器１１で２次に圧縮されるようにして、高圧縮比を確保し効率を上げ、消費電力を低減できるようにする。一例として、前１圧縮器１１は、定速圧縮器で、第２圧縮器２１は、インバータ圧縮器でありうる。

既設定の条件とは、外気温度が基準値以上である場合を意味する。夏季には、外気温度が高い方であるゆえに、冷凍サイクルを円滑に具現するためには、冷媒を十分に圧縮させなければならない。よって、本実施の形態は、外気温度が基準値以上であれば、第２冷媒が第２圧縮器２１及び第１圧縮器１１で順に圧縮されるようにすることができる。外気温度は、外気温度感知部１１０（図７参照）によって感知されることができ、制御部１００（図７参照）は、外気温度感知部１１０によって認識された情報に基づいて、第１流量調節部２４の作動を制御できる。

バイパス配管２５は、第１流量調節部２４に連結され、第２冷媒が第１圧縮器１１を迂回するようにする。言い換えれば、バイパス配管２５の一端部は、第２圧縮器２１の吐出側、すなわち第1流量調節部２４に連結され、他端部は、第１圧縮器１１の吐出側、すなわち第４合枝部５９に連結されることができる。

第２冷媒がバイパス配管２５を流動するように第１流量調節部２４が制御されると、第２冷媒は、第１圧縮器１１に流入せずに第１流量調節部２４を経てバイパス配管２５に流入し、第４合枝部５９で第１冷媒と合わせられて第１室外熱交換器１２に流入することができる。

この場合に、第１冷媒サイクル１０の第１冷媒は、第１圧縮器１１で圧縮され、第２冷媒サイクル２０の第２冷媒は、第２圧縮器２１で圧縮される。すなわち第１冷媒と第２冷媒とは、それぞれ１段に圧縮される。

反面に、第２圧縮器２１で圧縮された第２冷媒が第１合枝部５０を通過するように第１流量調節部２４が制御されると、第２冷媒は、第１流量調節部２４を経て第１圧縮器１１に流入する。そして、第２冷媒は、第１圧縮器１１で２段に圧縮されることができる。

この場合に、第１室内熱交換器１３から吐出された第１冷媒と、第２圧縮器２１から圧縮された後に吐出された第２冷媒は、第１合枝部５０で合わせられて第１圧縮器１１に流入する。そして、第１圧縮器１１で圧縮された第１冷媒及び第２冷媒は、第１室外熱交換器１２と冷媒貯蔵部１５とを通過した後、第１分枝部５２で分配されて、第１室内熱交換器１３及び第２室内熱交換器２２にそれぞれ流入することができる。

一方、第１、２冷媒が第１、２室内熱交換器１３、２２に流入する過程で、第１膨張器１４と第２膨張器２３の開度が調節されることができ、これにより、第１、２冷媒は、冷蔵又は冷凍のために要求される状態に相変化できる。

第２冷媒サイクル２０は、過冷却器２９をさらに備えることができる。過冷却器２９は、冷媒熱交換器３６で第３冷媒と熱交換した第２冷媒を過冷却させるように構成される。

過冷却器２９は、冷媒熱交換器３６を通過した冷媒のうち、一部を膨脹させる過冷却膨張器２９２と、過冷却膨張器２９２により膨脹された冷媒と冷媒熱交換器３６から第２室内熱交換器２２に流入する冷媒を熱交換させる過冷却熱交換器２９１とを備えることができる。

そして、第１冷媒配管１６には、冷媒貯蔵部１５を通過した冷媒のうち、少なくとも一部の冷媒を過冷却器２９に分枝されるようにする第２分枝部５４が提供される。第２分枝部５４で分枝された冷媒は、過冷却膨張器２９２を介して過冷却熱交換器２９１に流入することができる。

すなわち、冷媒熱交換器３６から吐出された冷媒は、冷媒貯蔵部１５を通過した後に第２分枝部５４で分配されて過冷却器２９に流入することができる。このとき、過冷却膨張器２９２に流入した冷媒（分枝冷媒と名付ける）は、過冷却熱交換器２９１から蒸発する。

そして、蒸発した冷媒は、第１冷媒配管１６の第２合枝部５６に流動し、第２合枝部５６で第１冷媒と合わせられて第１圧縮器１１に流入する。第２合枝部５６は、第１冷媒配管１６のうち、第１圧縮器１１の入口側の一地点に形成されることができる。

反面に、第１分枝部５２から第２室内熱交換器２２側に分枝された冷媒（第２冷媒と名付ける）は、過冷却熱交換器２９１で分枝冷媒と熱交換されて過冷却されうる。結局、第２冷媒は、過冷却器２９で過冷却されて第２室内熱交換器２２に流入することができるので、第２室内熱交換器２２での熱交換効率が改善され、これにより、冷凍室を十分に冷却させることができるようになる。

一方、冷媒熱交換器３６を通過した一部の冷媒は、第１膨張器１４に流動して、第１室内熱交換器１３から蒸発できる。

第３冷媒サイクル３０は、第３冷媒が循環する第３圧縮器３１、第３室外熱交換器３２、第３室内熱交換器３３、複数の膨張器３４ａ、３４ｂを備える。そして、第３冷媒サイクル３０は、第３圧縮器３１、第３室外熱交換器３２、第３室内熱交換器３３、第３膨張器３４ａ及び第４膨張器３４ｂを連結して、第３冷媒の循環をガイドする第３冷媒配管３７をさらに備える。第３圧縮器を「空調用圧縮器」、第３室内熱交換器３３を「空調用室内熱交換器」、第３冷媒サイクルを「空調サイクル」と名付けることができる。

複数の膨張器３４ａ、３４ｂには、第３膨張器３４ａ及び第４膨張器３４ｂが備えられる。第３膨張器３４ａは、第３室内熱交換器３３の一側に提供され、第４膨張器３４ｂは、冷媒熱交換器３６の一側に提供されることができる。

そして、第３圧縮器３１の出口側には、冷房又は暖房運転に応じて冷媒の流動方向を転換させる第３流量調節部３５が備えられる。第３流量調節部３５は、第３圧縮器３１から吐出される第３冷媒が第３室内熱交換器３３又は第３室外熱交換器３２に流入するように制御し、また第３室内熱交換器３３又は第３室外熱交換器３２から蒸発した第３冷媒が第３圧縮器３１に流入するように制御できる。

冷房運転の際、第３圧縮器３１で圧縮された冷媒は、第３流量調節部３５を経て第３室外熱交換器３２で外気と熱交換（凝縮）され、第３膨張器３４ａ又は第４膨張器３４ｂで膨脹された後、第３室内熱交換器３３又は冷媒熱交換器３６から蒸発しうる。

反面に、暖房運転の際、第３圧縮器３１で圧縮された冷媒は、第３流量調節部３５を経て第３室内熱交換器３３で凝縮され、第３膨張器３４ａ又は第４膨張器３４ｂで膨脹された後、第３室外熱交換器３２又は冷媒熱交換器３６から蒸発できる。

第３冷媒サイクル３０は、室内を冷房又は暖房する空調サイクルでありうる。すなわち第３室内熱交換器３３は、第３冷媒と室内空気を熱交換させて、室内をユーザーの望む環境を作ることができる。

第３冷媒サイクル３０を循環する第３冷媒は、冷媒熱交換器３６で第１冷媒サイクル１０の第１冷媒及び第２冷媒サイクル２０の第２冷媒と熱交換できる。冷媒熱交換器３６は、第１室外熱交換器１２の吐出端に連結されることができる。すなわち、第１室外熱交換器１２で凝縮された第１冷媒と第２冷媒とは、冷媒熱交換器３６でさらに凝縮され、このとき、排出した熱は、第３冷媒に伝達される。したがって、第３冷媒サイクル３０の第３冷媒は、冷媒熱交換器３６から熱を吸収して蒸発するようになる。

第３圧縮器３１から吐出された第３冷媒は、冷房モードの場合に、第３室外熱交換器３２を通過した後に第３室内熱交換器３３又は冷媒熱交換器３６に流入して蒸発できる。

これに対し、暖房モードの場合に、第３圧縮器３１から吐出された第３冷媒は、第３室内熱交換器３３を通過した後に第３室外熱交換器３２又は冷媒熱交換器３６に流入して蒸発するようになる。

結局、本実施の形態によれば、第３冷媒の一部が第１冷媒サイクル１０を循環する第１冷媒及び第２冷媒サイクル２０を循環する第２冷媒から熱を吸収して蒸発できるので、第３冷媒サイクル３０の蒸発効率が向上することができるという効果が現れる。

もちろん、本実施の形態は、冷媒熱交換器３６を省略し、第３冷媒が第１室外熱交換器１２に流入するようにすることができる。この場合に、第１室外熱交換器１２は、冷媒間の熱交換、すなわち第１冷媒と第２冷媒とが第３冷媒と熱交換されるように構成されることができる。

以下、図２ないし図５を参照して、本実施の形態の駆動について説明する。
図２ないし図５は、本発明の第１の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置での冷媒の流れを示す図である。

図２は、第２冷媒が第１圧縮器を迂回してバイパス配管を流動し、第３冷媒サイクルの冷房運転時に第３冷媒が第３室内熱交換器から蒸発する様子を示す図で、図３は、第２冷媒が第１圧縮器を迂回してバイパス配管を流動し、第３冷媒サイクルの冷房運転時に第３冷媒が第３室内熱交換器から蒸発する様子を示す図である。

そして、図４は、第２冷媒が２段に圧縮される様子を示す図であり、図５は、第２冷媒が２段に圧縮され過冷却される様子を示す図である。
図２に示すように、第１冷媒は、第１圧縮器１１で圧縮された後に第１室外熱交換器１２で凝縮され、冷媒熱交換器３６で第３冷媒と熱交換し、冷媒貯蔵部１５を通過して第１室内熱交換器１３から蒸発する。

第２冷媒は、第２圧縮器２１で圧縮された後に第１室外熱交換器１２で凝縮され、冷媒熱交換器３６で第３冷媒と熱交換し、冷媒貯蔵部１５を通過して第２室内熱交換器２２から蒸発する。このとき、第２圧縮器２１から吐出された第２冷媒は、第１流量調節部２４によってバイパス配管２５に沿って流動し、第１圧縮器１１の吐出端側に流入することができる。

すなわち、第１冷媒と第２冷媒とは、第１圧縮器１１と第２圧縮器２１のそれぞれで圧縮されることができ、圧縮された第１冷媒と第２冷媒とは合枝されて、第１室外熱交換器１２に流入することができる。

第３冷媒は、第３圧縮器３１で圧縮された後に第３室外熱交換器３２で凝縮され、第３室内熱交換器３３又は冷媒熱交換器３６から蒸発する。すなわち、第３室外熱交換器３２を通過した第３冷媒のうち、少なくとも一部は、第３室内熱交換器３３に流入することができ、残りの冷媒は、冷媒熱交換器３６に流入することができる。このような第３冷媒サイクル３０は、冷房運転のためのサイクルでありうる。

図３に示すように、第１冷媒と第２冷媒との循環は、図２に示したものと同様であり、第３冷媒の循環方向は、反対に形成される。すなわち、第３冷媒は、第３圧縮器３１で圧縮された後に第３室内熱交換器３３で凝縮され、第３室外熱交換器３２又は冷媒熱交換器３６から蒸発できる。このような第３冷媒サイクル３０は、暖房運転のためのサイクルでありうる。

図４に示すように、第１冷媒は、図２及び図３に示すように循環する。これに対し、第２冷媒の場合に、第２圧縮器２１で圧縮された後に第１流量調節部２４によって第１圧縮器１１に流入することができる。第２冷媒は、第１圧縮器１１でさらに圧縮されることができる。結局、図４において第２冷媒は、２段に圧縮されることができる。

第１流量調節部２４が第２冷媒を第１圧縮器１１に流入させる作動は、外気温度が基準値以上である場合に、一例として夏季の場合になされることができる。整理すれば、外気温度の高い場合に、第２冷媒を十分に圧縮しなければ冷凍サイクルを駆動できないが、第２圧縮器２１のみで第２冷媒を圧縮するようになれば、過度に多くの電力を使用して効率が落ちるようになるので、２段に圧縮されるようにすることである。

よって、本実施の形態によれば、外気温度に応じて第２冷媒を１段又は２段に圧縮して、熱交換効率を上げ、消費電力を低減できるという効果が現れる。

図５に示すように、冷媒貯蔵部１５を通過した冷媒のうち、一部は、過冷却されうる。詳細に述べると、冷媒貯蔵部１５を通過した冷媒のうち、一部（分枝冷媒）は、第２分枝部５４から分枝されて過冷却膨張器２９２で膨脹され、過冷却熱交換器２９１から蒸発する。そして、冷媒のうち、残りの冷媒（第２冷媒）は、過冷却熱交換器２９１を通過しながら、分枝冷媒と熱交換して過冷却できる。

このとき、過冷却熱交換器２９１から蒸発した分枝冷媒は、第２合枝部５６で第１冷媒配管１６の第１冷媒と合流して、第１圧縮器１１に流入することができる。
図６は、本発明の第２の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置の構成図である。
図６に示すように、本発明の第２の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置１は、第１冷媒サイクル１０、第２冷媒サイクル２０、第３冷媒サイクル３０を備える。

本実施の形態に係るヒートポンプ装置１には、第１圧縮器１１の一側に提供されて冷媒を迂回させる平圧配管２６及び平圧配管２６に提供される第２流量調節部２７をさらに備えることができる。その他、第１冷媒サイクル１０、第２冷媒サイクル２０及び第３冷媒サイクル３０の構成は、第１実施の形態で説明したものと同様なので、詳細な説明は省略する。

平圧配管２６は、第１圧縮器１１の一端及び他端に連結されて、第１圧縮器１１の吐出端の圧力を調節する。詳細に、第１冷媒配管１６には、第１圧縮器１１の吸入側に提供されて、少なくとも一部の冷媒を平圧配管２６に分枝されるようにする第３分枝部５７及び第１圧縮器１１の吐出側に提供されて、平圧配管２６の冷媒が第１冷媒配管１６に合流するようにする第３合枝部５８が備えられる。第３分枝部５７は、第１合枝部５０と第１圧縮器１１との間に形成される。

平圧配管２６は、第１圧縮器１１に流入する冷媒のうち、少なくとも一部を迂回させて、第１圧縮器１１の吐出端に流れるようにして、第１圧縮器１１の流入端の圧力と吐出端の圧力との差を減少させることができる。このような構成によって、第１圧縮器１１の負荷を減少させて、第１圧縮器１１の起動時の信頼性を確保することができる。

第２流量調節部２７は、平圧配管２６に備えられて、平圧配管２６の開度を制御する。第２流量調節部２７は、チェックバルブでありうる。

第１流量調節部２４が制御されて第２冷媒が第１圧縮器１１に流入すれば、平圧配管２６は開放され、第２冷媒がバイパス配管２５に流入すれば、平圧配管２６は閉鎖されるように制御できる。

整理すれば、第２冷媒が１段に圧縮される場合に、第１圧縮器１１の負荷は大きくないので、平圧配管２６を使用しなくても十分に信頼性を確保することができる。これに対し、第２冷媒が２段に圧縮される場合には、第１圧縮器１１の流入端の圧力と吐出端の圧力との差が大きくなるようになって、第１圧縮器１１の性能が低下できる。

したがって、第２冷媒が２段に圧縮される場合に、第２流量調節部２７が平圧配管２６を開放するようにして、第１圧縮器１１の負荷を減らして圧縮器の運転効率を高めることができる。すなわち、第２流量調節部２７は、外気温度が基準値以上である場合に、平圧配管２６を開放すると理解されることができる。

一方、平圧配管２６に沿って冷媒が流動する過程において、第１圧縮器１１の流入端の圧力と吐出端の圧力との差が既設定の圧力以下に落ちる場合、第２流量調節部２７は、平圧配管２６への冷媒の流れを遮断するように制御できる。すなわち、第２流量調節部２７は、第１圧縮器１１の流入端の圧力と吐出端の圧力との差によって、平圧配管２６の開度を制御できる。

ヒートポンプ装置１には、第１圧縮器１１の吸入側の圧力を感知する吸入圧力感知部１２０及び第１圧縮器１１の吐出側の圧力を感知する吐出圧力感知部１３０が備えられる。感知部１２０、１３０で認識された情報に基づいて、第１圧縮器１１の吐出圧力と吸入圧力との差が設定圧力以下になると、第２流量調節部２７は閉鎖されて、平圧配管２６への冷媒の流れを防止する。

以下、図８ないし図１０を参照して、本実施の形態の駆動について説明する。
図８ないし図１０は、本発明の第２の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置での冷媒の流れを示す図である。

図８は、第２冷媒が第１圧縮器を迂回する状態を示す図で、図９は、第２冷媒が２段に圧縮される状態を示す図で、図１０は、第２冷媒が２段に圧縮されて過冷却される状態を示す図である。

図８に示すように、第１冷媒は、第１圧縮器１１で圧縮された後に第１室外熱交換器１２で凝縮され、冷媒熱交換器３６で第３冷媒と熱交換する。そして、第１冷媒は、冷媒貯蔵部１５を通過して第１室内熱交換器１３から蒸発する。

第２冷媒は、第２圧縮器２１で圧縮された後に第１室外熱交換器１２で凝縮され、冷媒熱交換器３６で第３冷媒と熱交換する。そして、第２冷媒は、冷媒貯蔵部１５を通過して第２室内熱交換器２２から蒸発する。このとき、第２圧縮器２１から吐出された第２冷媒は、第１流量調節部２４によってバイパス配管２５に沿って第１圧縮器１１を迂回し、第４合枝部５９で第１冷媒と合わせられて第１室外熱交換器１２に流入することができる。

整理すれば、第１冷媒と第２冷媒とは、第１圧縮器１１と第２圧縮器２１のそれぞれで圧縮されることができ、圧縮された第１冷媒と第２冷媒とは合枝されて、第１室外熱交換器１２で凝縮できる。

図９に示すように、第２冷媒は、第２圧縮器２１で圧縮された後に第１流量調節部２４を介して第１圧縮器１１に流入することができる。

そして、第２流量調節部２７は、平圧配管２６を開放し、これにより第１圧縮器１１の吸入側冷媒のうち、少なくとも一部は、第１圧縮器１１を迂回して第１圧縮器１１の吐出端に流れるようになる。したがって、第１圧縮器１１の前後端の圧力の差が減少するので、第１圧縮器１１の負荷が減少して、圧縮器の運転効率が増加できる。

図１０に示すように、第２冷媒は、２段に圧縮された後に過冷却できる。第２冷媒が過冷却される過程は、図５で説明したものと同様なので、詳細な説明は省略する。

図１１は、本発明の第２の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置の駆動方法のフローチャートである。

図１１に示すように、本発明の第２の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置１は、第２冷媒を第２圧縮器２１に流入させた後（Ｓ１０）、既設定条件を満たすとき（Ｓ１１）、第２圧縮器２１から吐出された冷媒を第１圧縮器１１に流入させることができる（Ｓ１２）。このとき、既設定条件とは、外気温度が基準値以上である場合を意味する。

このとき、第１圧縮器１１に流入する冷媒のうち、一部の冷媒を迂回させて第１圧縮器１１の吐出側に送ることによって、第１圧縮器１１の流入端と吐出端との圧力差を調節でき、これにより第１圧縮器１１の信頼性を確保することができる（Ｓ１４）。

これに対して、既設定条件が満たされないと、本実施の形態は、第２圧縮器２１から吐出された冷媒を迂回させて、第４合枝部５９で第１圧縮器１１から吐出された第１冷媒と合流するようにすることができる（Ｓ１３）。

以後、第１冷媒又は第２冷媒とは、冷媒熱交換器３６で第３冷媒と熱交換され（Ｓ１５）、第２冷媒は、過冷却されうる（Ｓ１６）。過冷却された第２冷媒は、第２室内熱交換器２２から蒸発する。そして、第１冷媒は、第１室内熱交換器１３から蒸発できる。

このような制御方法によれば、外気温度と基準値とを比較して、第２冷媒を１段に圧縮又は２段に圧縮することによって高圧縮比を得ることができ、消費電力を低減できるようになる。そして、２段に圧縮される場合に、平圧配管２６を利用して第１圧縮器１１の流入端の圧力と吐出端の圧力との差を調節できるので、圧縮器の作動信頼性を確保することができる。

以上、 本発明についてその好ましい実施の形態を中心に説明したが、これは、単に一例にすぎず、本発明を限定するものではなく、本発明の属する技術分野における通常の知識を有した者であれば、本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲内で、以上に例示されない様々な変形と応用が可能であることが分かる。例えば、本発明の実施の形態に具体的に現れた各構成要素は変形して実施できる。そして、このような変形と応用と関連された差異点は、添付された請求の範囲で規定する本発明の範囲に含まれると解析されなければならない。

Claims (20)

1. 第１圧縮器及び第１室内熱交換器を有する第１冷媒サイクルと、
   第２圧縮器及び第２室内熱交換器を有する第２冷媒サイクルと、
   前記第１圧縮器又は第２圧縮器で圧縮された冷媒が凝縮される室外熱交換器と、
   前記第２圧縮器で圧縮された冷媒が前記第１圧縮器を迂回して、前記第１圧縮器の吐出側に流動するようにするバイパス配管と、
   前記第２圧縮器の吐出側に提供され、前記第２圧縮器から吐出された冷媒を前記第１圧縮器及びバイパス配管のうちの何れか一つに流入するようにする第１流量調節部と、
   を備えるカスケードヒートポンプ装置。
2. 前記バイパス配管の一端部は、前記第１流量調節部に連結され、
   他端部は、前記第１圧縮器の吐出側に連結されることを特徴とする請求項１に記載のカスケードヒートポンプ装置。
3. 前記第１冷媒サイクル又は第２冷媒サイクルの一側に提供され、
   第３圧縮器、第３室内熱交換器が備えられて、冷房又は暖房運転を行う第３冷媒サイクルをさらに備える、請求項１に記載のカスケードヒートポンプ装置。
4. 前記第３冷媒サイクルには、
   前記室外熱交換器から吐出された冷媒と、前記第３冷媒サイクルを循環する冷媒との間に熱交換がなされるようにする冷媒熱交換器が備えられる、請求項３に記載のカスケードヒートポンプ装置。
5. 前記第３冷媒サイクルには、
   前記冷媒熱交換器の一側に提供され、前記第３冷媒サイクルの冷媒が外部空気と熱交換できるようにする第３室外熱交換器がさらに備えられる、請求項４に記載のカスケードヒートポンプ装置。
6. 前記第３冷媒サイクルには、
   前記第３室内熱交換器の一側に提供されて冷媒を減圧させる第３膨張器と、
   前記冷媒熱交換器の一側に提供されて冷媒を減圧させる第４膨張器と
   がさらに備えられる、請求項３に記載のカスケードヒートポンプ装置。
7. 前記第２冷媒サイクルには、
   前記室外熱交換器で凝縮された冷媒のうち、少なくとも一部の冷媒が流入して熱交換される過冷却熱交換器と、
   前記過冷却熱交換器に流入する冷媒のうち、少なくとも一部の冷媒を膨脹するための過冷却膨張器と
   が備えられる、請求項１に記載のカスケードヒートポンプ装置。
8. 前記第１冷媒サイクルに備えられて、前記第１圧縮器及び第１室内熱交換器を循環する冷媒の流動をガイドする第１冷媒配管と、
   前記第２冷媒サイクルに備えられて、前記第２圧縮器及び第２室内熱交換器を循環する冷媒の流動をガイドする第２冷媒配管と、
   をさらに備える、請求項１に記載のカスケードヒートポンプ装置。
9. 前記第１冷媒配管には、
   前記室外熱交換器を通過した冷媒のうち、少なくとも一部の冷媒を前記第２冷媒配管に分枝されるようにする第１分枝部と、
   前記第２室内熱交換器を通過した冷媒が前記第１冷媒配管に合枝されるようにする第１合枝部と、
   が備えられる、請求項８に記載のカスケードヒートポンプ装置。
10. 前記第１流量調節部は、前記第２圧縮器の吐出端と第１合枝部との間に提供されることを特徴とする請求項９に記載のカスケードヒートポンプ装置。
11. 前記第１冷媒サイクルには、
    前記室外熱交換器で凝縮された冷媒のうち、少なくとも一部の冷媒が前記過冷却膨張器に流入するようにする第２分枝部と、
    前記過冷却熱交換器を通過した冷媒が前記第１冷媒サイクルの第１冷媒配管に合枝されるようにする第２合枝部と
    が備えられる、請求項７に記載のカスケードヒートポンプ装置。
12. 前記第１流量調節部の吐出側から前記第１圧縮器の吐出側に延びて、冷媒が前記第１圧縮器をバイパスするようにする平圧配管と、
    前記平圧配管の開度を調節する第２流量調節部と
    がさらに備えられる、請求項１に記載のカスケードヒートポンプ装置。
13. 前記第１流量調節部及び第２流量調節部の開度を制御する制御部がさらに備えられ、
    前記制御部は、
    外気温度が設定温度以下になると、前記第１流量調節部を制御して冷媒が前記バイパス配管を流動するようにし、前記第２流量調節部を閉鎖し、
    外気温度が設定温度以上になると、前記第１流量調節部を制御して冷媒が前記第２圧縮器及び第１圧縮器で２段に圧縮されるようにし、前記第２流量調節部を開放することを特徴とする請求項１２に記載のカスケードヒートポンプ装置。
14. 前記第１圧縮器の吸入側の圧力を感知する吸入圧力感知部と、
    前記第１圧縮器の吐出側の圧力を感知する吐出圧力感知部とをさらに備え、
    前記第１圧縮器の吐出側の圧力と吸入側の圧力との差が設定圧力以下になると、前記第２流量調節部は閉鎖されることを特徴とする請求項１２に記載のカスケードヒートポンプ装置。
15. 前記第１流量調節部は、四方バルブであり、前記第２流量調節部は、チェックバルブであることを特徴とする請求項１２に記載のカスケードヒートポンプ装置。
16. 冷蔵用圧縮器及び冷蔵用室内熱交換器を有する冷蔵サイクルと、
    冷凍用圧縮器及び冷凍用室内熱交換器を有する冷凍サイクルと、
    前記冷蔵用圧縮器又は冷凍用圧縮器で圧縮された冷媒が凝縮される室外熱交換器と、
    空調のための圧縮器及び空調用室内熱交換器を有する空調サイクルと、
    前記室外熱交換器の一側に提供され、前記室外熱交換器で凝縮された冷媒と前記空調サイクルの冷媒との間で熱交換がなされる冷媒熱交換器と、
    前記冷凍用圧縮器の吐出側に提供され、前記冷凍用圧縮器で圧縮された冷媒が前記冷蔵用圧縮器で２段に圧縮可能なように冷媒の流動方向を調節する第１流量調節部と、
    を備えるカスケードヒートポンプ装置。
17. 前記第１流量調節部に連結され、前記冷凍用圧縮器で圧縮された冷媒が前記冷蔵用圧縮器を迂回するようにガイドするバイパス配管がさらに備えられる、請求項１６に記載のカスケードヒートポンプ装置。
18. 前記第１流量調節部の吐出側に連結され、前記冷蔵用圧縮器に流入する冷媒のうち、少なくとも一部の冷媒を迂回させる平圧配管がさらに備えられる、請求項１７に記載のカスケードヒートポンプ装置。
19. 前記平圧配管に備えられ、冷媒の流れを選択的に遮断する第２流量調節部がさらに備えられる、請求項１８に記載のカスケードヒートポンプ装置。
20. 外気温度を感知する外気温度感知部と、
    前記外気温度感知部で認識された外気温度が設定温度以上になると、前記第１流量調節部を制御して冷媒が前記２段に圧縮されるようにする制御部と、
    をさらに備える、請求項１６に記載のカスケードヒートポンプ装置。

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