JP2013148330A - ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】カスケード熱交換器が設けられたヒートポンプの運転効率をさらに向上させて、ヒートポンプの省エネ性を高める。
【解決手段】カスケード熱交換器（14）を介して接続された加熱側回路（10）及び冷却側回路（20）を備えたヒートポンプにおいて、加熱側回路（10）を循環する冷媒として非共沸混合冷媒を用いるとともに、加熱側回路（10）に、カスケード熱交換器（14）で蒸発した非共沸混合冷媒をさらに蒸発させる昇圧熱交換器（15）を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、主冷媒回路及び副冷媒回路を有するヒートポンプに関し、特に主冷媒回路の蒸発器として機能すると同時に副冷媒回路の凝縮器として機能するカスケード熱交換器を備えたものに関する。

従来より、共に冷凍サイクルを行う主冷媒回路及び副冷媒回路を有するヒートポンプが知られている。そして、これらのヒートポンプの中には、特許文献１に示すように、主冷媒回路の蒸発器として機能すると同時に副冷媒回路の凝縮器として機能するカスケード熱交換器を備えたものがある。

この主冷媒回路において、上記カスケード熱交換器を設けることにより、上記副冷媒回路の高圧冷媒を低熱源とすることができ、外気を低熱源とする場合に比べて、上記主冷媒回路の蒸発圧力を上げることができる。これにより、主冷媒回路に係る冷凍サイクルの高低圧差を小さくすることができ、上記主冷媒回路における圧縮機の運転効率が向上する。

又、この副冷媒回路において、上記カスケード熱交換器を設けることにより、上記主冷媒回路の低圧冷媒を高熱源とすることができ、外気を高熱源とする場合に比べて、上記副冷媒回路の凝縮圧力を下げることができる。これにより、副冷媒回路に係る冷凍サイクルの高低圧差を小さくすることができ、上記副冷媒回路における圧縮機の運転効率が向上する。

このように、各回路の圧縮機に係る運転効率を向上させることにより、ヒートポンプ全体の運転効率を向上させることができる。

特開昭５８−８３１５８号公報

しかしながら、近年のエネルギ事情により、ヒートポンプの省エネ性をさらに高める必要がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、カスケード熱交換器が設けられたヒートポンプの運転効率をさらに向上させて、該ヒートポンプの省エネ性を高めることにある。

第１の発明は、主圧縮機（11）と主凝縮器（12）と主膨張機構（13）とカスケード熱交換器（14）の低温流路（14b）とが接続されて主冷媒が循環することによって冷凍サイクルを行う主冷媒回路（10）と、副圧縮機（21）とカスケード熱交換器（14）の高温流路（14a）と副膨張機構（22）と副蒸発器（23）とが接続されて副冷媒が循環することによって冷凍サイクルを行う副冷媒回路（20）とを備えたヒートポンプを前提としている。

そして、このヒートポンプにおいて、上記主冷媒は、非共沸混合冷媒であり、上記主冷媒回路（10）の主凝縮器（12）で凝縮した高圧の主冷媒と上記カスケード熱交換器（14）の低温流路（14b）でその一部が蒸発した低圧の主冷媒とを熱交換して、上記低圧の主冷媒をさらに蒸発させる主冷媒回路（10）用の補助熱交換器（15）を備えていることを特徴としている。

第１の発明では、主冷媒回路（10）を循環する冷媒に非共沸混合冷媒を用いている。上記カスケード熱交換器（14）において、この非共沸混合冷媒を低クオリティ側で蒸発させることができれば、上記主冷媒回路（10）の低圧圧力は該カスケード熱交換器（14）から流出する冷媒のクオリティと温度で決定させることが可能となる。この非共沸混合冷媒は、単一冷媒とは違い、相変化時に温度変化する特性があるため、同一の低熱源を利用した場合、該低圧圧力は該カスケード熱交換器（14）で冷媒を完全に蒸発させる場合に比べて高くなる。これにより、副冷媒回路（20）の高圧圧力を低熱源とする場合、この高圧圧力を上昇させることなく、該主冷媒回路（10）に係る冷凍サイクルの圧縮動力を低減することが可能となる。

第１の発明では、上記非共沸混合冷媒を低クオリティ側で蒸発させるため、上記主冷媒回路（10）に補助熱交換器（15）を設けている。この補助熱交換器（15）により、上記カスケード熱交換器（14）から流出した非共沸混合冷媒を完全に蒸発させることが可能となる。上記補助熱交換器（15）を設けることにより、上記カスケード熱交換器（14）から湿り状態で非共沸混合冷媒を流出させることができ、上記補助熱交換器（15）を設けない場合に比べて、上記カスケード熱交換器（14）に係る非共沸混合冷媒の出口クオリティを低くすることができる。

また、この補助熱交換器（15）では、上記主冷媒回路（10）の凝縮器で凝縮した高圧の非共沸混合冷媒と上記カスケード熱交換器（14）で蒸発した低圧の非共沸混合冷媒とを熱交換するため、上記補助熱交換器（15）を設けない場合に比べて、高圧の非共沸混合冷媒の過冷却度が大きくなり、上記カスケード熱交換器（14）に係る非共沸混合冷媒の入口クオリティを低くすることができる。

このように、上記補助熱交換器（15）を設けることにより、上記カスケード熱交換器（14）で蒸発する非共沸混合冷媒を低クオリティ側で蒸発させることが可能となる。この結果、上述したように、上記主冷媒回路（10）の低圧圧力を所定の範囲内で上昇させることができ、該主冷媒回路（10）に係る冷凍サイクルの圧縮動力を低減することが可能となる。

第２の発明は、第１の発明において、上記副冷媒は、非共沸混合冷媒であり、上記カスケード熱交換器（14）は、上記主冷媒回路（10）の主冷媒及び上記副冷媒回路（20）の副冷媒の流れが互いに向かい合う向流型の熱交換器であることを特徴としている。

第２の発明では、上記副冷媒回路（20）を循環する冷媒に非共沸混合冷媒を用いている。つまり、上記カスケード熱交換器（14）で熱交換する両方の冷媒が共に非共沸混合冷媒である。これにより、上記カスケード熱交換器（14）に係る上記主冷媒回路（10）側の非共沸混合冷媒が温度上昇を伴いながら蒸発すると同時に上記副冷媒回路（20）側の非共沸混合冷媒が温度低下を伴いながら凝縮する。このことから、上記カスケード熱交換器（14）を向流型の熱交換器とすることにより、上記副冷媒回路（20）の冷媒が単一冷媒の場合に比べて、上記カスケード熱交換器（14）に係る対数平均温度差を小さくすることができるようになる。この結果、上記カスケード熱交換器（14）の伝熱性能が向上する。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、上記主冷媒回路（10）に係る主冷媒の臨界温度は、上記副冷媒回路（20）を循環する副冷媒の臨界温度よりも高いことを特徴としている。

第３の発明では、上記副冷媒回路（20）に係る冷媒の臨界温度よりも高い臨界温度となる非共沸混合冷媒を上記主冷媒回路（10）に係る冷媒に用いている。これにより、上記主冷媒回路（10）に係る共沸混合冷媒の臨界温度と上記副冷媒回路（20）に係る冷媒の臨界温度とを同じ温度にした場合に比べて、上記主冷媒回路（10）の主凝縮器（12）では冷媒出入り口のエンタルピ差を大きく取ることができるため、加熱能力を大きく取れることで高効率化を実現できるようになると同時に、上記副冷媒回路（20）では低圧圧力を高くして冷媒密度を大きくすることができるため、副圧縮機（21）や副蒸発器（23）の大型化を防ぎコストの上昇を防ぐことができるようになる。

第４の発明は、第２又は第３の発明において、上記カスケード熱交換器（14）の高温流路（14a）で凝縮した高圧の副冷媒と上記副冷媒回路（20）の副蒸発器（23）で蒸発した低圧の副冷媒とを熱交換して、上記低圧の副冷媒をさらに蒸発させる副冷媒回路（20）用の補助熱交換器（24）を備えていることを特徴としている。

第４の発明では、上記副冷媒回路（20）に係る副冷媒を低クオリティ側で蒸発させるため、上記主冷媒回路（10）と同様に、上記副冷媒回路（20）にも副冷媒回路（20）用の補助熱交換器（24）を設けている。この結果、上記第１の発明と同様に、上記副冷媒回路（20）の低圧圧力を所定の範囲内で上昇させることができ、該副冷媒回路（20）に係る冷凍サイクルの圧縮動力を低減することが可能となる。

第５の発明は、第１から第４の何れか１つの発明において、上記主凝縮器（12）は、上記高圧の主冷媒が流通する冷媒流路（12a）と、液体が流通する液体通路（12b）とを有して、上記高圧の主冷媒の凝縮熱で上記液体が加熱されるように構成され、上記主凝縮器（12）の液体通路（12b）は、上記液体が循環する閉回路の液体回路（30）に連通する一方、上記主冷媒の臨界温度は、上記主凝縮器（12）に係る液体の出口温度よりも高いことを特徴としている。

第５の発明では、上記液体回路（30）を閉回路の循環式にすることにより、該液体回路（30）を開回路の非循環式とする場合よりも、上記主凝縮器（12）に係る液体の出入口温度差が小さくなる。これに対し、上記主冷媒として臨界温度が上記主凝縮器（12）の液体出口温度よりも高いものを利用することにより、該主凝縮器（12）に係る冷媒の出入り口温度差が小さくても凝縮潜熱を利用できるため加熱能力を大きくすることができ、高効率な運転が可能となる。

本発明によれば、上記主冷媒回路（10）を循環する主冷媒に非共沸混合冷媒を用い、上記カスケード熱交換器（14）において主冷媒を低クオリティ側で蒸発させるために、上記主冷媒回路（10）に補助熱交換器（15）を設けている。このように、主冷媒を低クオリティ側で蒸発させることで、上記主冷媒回路（10）の低圧圧力を上昇させることが可能となる。

これにより、上記主冷媒回路（10）に係る冷凍サイクルの圧縮動力を低減することができ、この圧縮動力の低減によって上記ヒートポンプの運転効率をさらに向上させることにより、該ヒートポンプの省エネ性を高めることができる。

また、上記第２の発明によれば、上記カスケード熱交換器（14）に係る対数平均温度差を小さくするため、上記カスケード熱交換器（14）で熱交換する両方の冷媒を非共沸混合冷媒にするとともに上記カスケード熱交換器（14）を向流型の熱交換器にしている。これにより、上記カスケード熱交換器（14）の伝熱性能が向上し、ヒートポンプの省エネ性を高めることができる。

また、上記第３の発明によれば、上記主冷媒回路（10）の主凝縮器（12）に係る凝縮熱で流体を加熱する能力を高めつつ上記副冷媒回路（20）の要素機器を小さくすることでコストの上昇を防ぐため、上記副冷媒回路（20）に係る副冷媒の臨界温度よりも高い臨界温度となる主冷媒を上記主冷媒回路（10）に係る冷媒に用いている。これにより、上記ヒートポンプの省エネ性を高めつつコスト上昇を防ぎながらヒートポンプで加熱される加熱流体の出口温度を高くすることができる。

また、上記第４の発明によれば、上記副冷媒回路（20）を循環する冷媒に非共沸混合冷媒を用い、この副冷媒を低クオリティ側で蒸発させるために、上記副冷媒回路（20）に副冷媒回路（20）用の補助熱交換器（24）を設けている。このように、副冷媒を低クオリティ側で蒸発させることで、上記副冷媒回路（20）の低圧圧力を所定の範囲内で上昇させることができる。

これにより、上記副冷媒回路（20）に係る冷凍サイクルの圧縮動力を低減することができ、この圧縮動力の低減によって上記ヒートポンプの運転効率をさらに向上させることにより、該ヒートポンプの省エネ性を高めることができる。

また、上記第５の発明によれば、上記主冷媒が臨界状態で液体と熱交換するのを抑制し、主冷媒を確実に相変化させて放熱させることができる。これにより、主凝縮器（12）の加熱能力が上がり、上記ヒートポンプの運転効率が向上する。

図１は、本実施形態１に係るヒートポンプの冷媒回路図である。 図２は、本実施形態１に係るヒートポンプの運転状態を示すＴ−Ｓ線図である。 図３は、本実施形態１の変形例１に係るヒートポンプの冷媒回路図である。 図４は、本実施形態１の変形例２に係るヒートポンプの冷媒回路図である。 図５は、本実施形態２に係るヒートポンプの冷媒回路図である。 図６は、本実施形態２に係るヒートポンプの加熱過多運転時の冷媒流れを示す冷媒回路図である。 図７は、本実施形態２に係るヒートポンプの冷却過多運転時の冷媒流れを示す冷媒回路図である。

《発明の実施形態１》
以下、本発明の実施形態１を図面に基づいて詳細に説明する。

本実施形態１のヒートポンプは、例えば工場の生産ラインに用いられるものであって、冷熱及び温熱の同時取り出しが可能である。このヒートポンプの冷熱は生産ラインに必要な冷水を作り出すのに利用され、温熱は生産ラインに必要な温水を作り出すのに利用される。

上記ヒートポンプは、冷媒回路（1）を備えている。この冷媒回路（1）は、カスケード熱交換器（14）を介して加熱側回路（主冷媒回路）（10）と冷却側回路（副冷媒回路）（20）とが接続されてなり、各回路（10,20）が冷凍サイクルを行うように構成されている。

上記加熱側回路（10）は、加熱側圧縮機（主圧縮機）（11）と加熱用熱交換器（主凝縮器）（12）と加熱側膨張弁（主膨張機構）（13）とカスケード熱交換器（14）と昇圧熱交換器（補助熱交換器）（15）とが冷媒配管で接続されてなる。一方、上記冷却側回路（20）は、冷却側圧縮機（副圧縮機）（21）とカスケード熱交換器（14）と冷却側膨張弁（副膨張機構）（22）と冷却用熱交換器（副蒸発器）（23）とが冷媒配管で接続されてなる。

又、上記加熱側回路（10）には非共沸混合冷媒（主冷媒）が封入されている。この非共沸混合冷媒は、Ｒ２４５ｆａとＨＦＯ１２３４ｙｆとを混合したものである。この混合比は、Ｒ２４５ｆａが９０ｗｔ％でＨＦＯ１２３４ｙｆが１０ｗｔ％が好ましい。一方、上記冷却側回路（20）にはＲ４１０Ａ（副冷媒）が封入されている。尚、上記加熱側回路（10）に係る非共沸混合冷媒の臨界温度は、上記冷却側回路（20）に係る冷媒の臨界温度よりも高くなっている。

又、この非共沸混合冷媒は、後述する温水回路（30）の温水出口温度よりも高い臨界温度を有するものである。

（圧縮機と膨張弁）
上記加熱側圧縮機（11）及び上記冷却側圧縮機（21）は、共に全密閉型で構成されている。これらの圧縮機（11,21）には、それぞれインバータ（図示なし）が電気的に接続されている。これらのインバータにより、各圧縮機（11,21）は容量可変に構成されている。

上記加熱側膨張弁（13）及び上記冷却側膨張弁（22）は、共に電動膨張弁で構成されている。上記ヒートポンプの運転を制御するコントローラ（図示なし）の指令により、各膨張弁（13,22）の開度が必要に応じて変更される。

（加熱用熱交換器）
上記加熱用熱交換器（12）は上記加熱側回路（10）の凝縮器を構成する。この加熱用熱交換器（12）は、例えばプレート式熱交換器であり、冷媒流路（12a）及び水流路（12b）を有している。上記冷媒流路（12a）が上記加熱側回路（10）に連通し、上記水流路（12b）が温水回路（30）に連通している。この温水回路（30）は、温水ポンプ（31）と複数の温水熱交換器（32）とが接続された閉回路である。これらの温水熱交換器（32）は、上述した生産ラインに散在している。各温水熱交換器（32）は、この温水回路（30）を循環する温水で生産ラインに係る加熱対象物を加熱する。

この加熱用熱交換器（12）では、上記加熱側圧縮機（11）から吐出された高圧冷媒が冷媒流路（12a）を通過し、上記温水回路（30）を循環する温水が水流路（12b）を通過する際に、両者が熱交換して温水が加熱される。この加熱された温水が温水熱交換器（32）へ供給される。

（冷却用熱交換器）
上記冷却用熱交換器（23）は、上記冷却側回路（20）の蒸発器を構成する。この冷却用熱交換器（23）は、例えばプレート式熱交換器であり、冷媒流路（23b）及び水流路（23a）を有している。上記冷媒流路（23b）が冷却側回路（20）に連通し、上記水流路（23a）が冷水回路（40）に連通している。この冷水回路（40）は、冷水ポンプ（41）と複数の冷水熱交換器（42）とが接続された閉回路である。これらの冷水熱交換器（42）は、上述した生産ラインに散在している。各冷水熱交換器（42）は、この冷水回路（40）を循環する冷水で生産ラインに係る冷却対象物を冷却する。

この冷却用熱交換器（23）では、上記冷却側膨張弁（22）で減圧された低圧冷媒が冷媒流路（23b）を通過し、上記冷水回路（40）を循環する冷水が水流路（23a）を通過する際に、両者が熱交換して冷水が冷却される。この冷却された冷水が冷水熱交換器（42）へ供給される。

（カスケード熱交換器）
このカスケード熱交換器（14）は、上記加熱側回路（10）の蒸発器として機能すると同時に上記冷却側回路（20）の凝縮器として機能する。このカスケード熱交換器（14）は、例えばプレート式熱交換器であり、高温流路（14a）及び低温流路（14b）を有している。低温流路（14b）が加熱側回路（10）に連通し、高温流路（14a）が冷却側回路（20）に連通している。

このカスケード熱交換器（14）では、上記冷却側回路（20）の冷却側圧縮機（21）から吐出された冷媒が高温流路（14a）を通過し、上記加熱側回路（10）の加熱側膨張弁（13）で減圧した冷媒が低温流路（14b）を通過する際に、両者が熱交換して上記冷却側回路（20）の冷媒が凝縮し、上記加熱側回路（10）の冷媒が蒸発する。

（昇圧熱交換器）
この昇圧熱交換器（15）は、例えばプレート式熱交換器であり、低温流路（15a）及び高温流路（15b）を有している。これらの流路（15a,15b）は共に加熱側回路（10）に連通し、上記昇圧熱交換器（15）の高温流路（15b）が上記加熱用熱交換器（12）の冷媒流路（12a）と上記加熱側膨張弁（13）との間に接続され、上記昇圧熱交換器（15）の低温流路（15a）が上記カスケード熱交換器（14）の低温流路（14b）と上記加熱側圧縮機（11）の吸入側との間に接続されている。

この昇圧熱交換器（15）では、上記加熱用熱交換器（12）で凝縮した冷媒が高温流路（15b）を通過し、上記カスケード熱交換器（14）でその一部が蒸発した冷媒が低温流路（15a）を通過する際に、両者が熱交換して上記加熱用熱交換器（12）で凝縮した冷媒が冷却されるとともに上記カスケード熱交換器（14）で蒸発した冷媒がさらに加熱されて蒸発する。

−ヒートポンプの運転動作−
次に、上記ヒートポンプの運転動作について、図１と図２を参照しながら説明する。

上記ヒートポンプが運転を開始すると、上記加熱側圧縮機（11）及び上記冷却側圧縮機（21）が起動する。上記加熱側回路（10）の加熱側圧縮機（11）から吐出された高圧の非共沸混合冷媒（図１、図２の点ａ１）は、上記加熱用熱交換器（12）で上記温水回路（30）の温水に放熱して凝縮する（図１、図２の点ｂ１）。上記加熱用熱交換器（12）で凝縮した高圧の非共沸混合冷媒は、上記昇圧熱交換器（15）で上記カスケード熱交換器（14）から流出した低圧の非共沸混合冷媒と熱交換する。これにより、上記加熱用熱交換器（12）で凝縮した高圧の非共沸混合冷媒が冷却されて過冷却度が大きくなる（図１、図２の点ｃ１）。上記昇圧熱交換器（15）で過冷却度が大きくなった高圧の非共沸混合冷媒は、上記加熱側膨張弁（13）で減圧されて低圧の非共沸混合冷媒になった後（図１、図２の点ｄ１）に上記カスケード熱交換器（14）へ流入する。

このカスケード熱交換器（14）では、上記低圧の非共沸混合冷媒と上記冷却側回路（20）に係る冷却側圧縮機（21）から吐出された高圧の冷媒とが熱交換して上記非共沸混合冷媒が蒸発するとともに上記冷媒が凝縮する。このとき、この低圧の非共沸混合冷媒は、上記カスケード熱交換器（14）で完全に蒸発することがなく、湿り状態で該カスケード熱交換器（14）を流出する（図１、図２の点ｅ１）。この湿り状態の低圧の非共沸混合冷媒は、上述したように上記昇圧熱交換器（15）で完全に蒸発した後で上記加熱側圧縮機（11）へ吸入される（図１、図２の点ｆ１）。そして、この加熱側圧縮機（11）で低圧の非共沸混合冷媒が圧縮されて高圧の非共沸混合冷媒となった後に、該高圧の非共沸混合冷媒が上記加熱用熱交換器（12）へ向けて再び吐出される。

このように、上記加熱側回路（10）では、上記温水回路（30）の温水が高熱源となり上記冷却側回路（20）の冷媒が低熱源となって、該加熱側回路（10）内を非共沸混合冷媒が循環することにより冷凍サイクルが行われる。

一方、上記冷却側回路（20）の冷却側圧縮機（21）から吐出された高圧の冷媒（図１、図２の点ａ２）は、上述したように、上記カスケード熱交換器（14）で上記加熱側回路（10）に係る低圧の非共沸混合冷媒と熱交換して凝縮する（図１、図２の点ｂ２）。上記カスケード熱交換器（14）で凝縮した高圧の冷媒は、上記冷却側膨張弁（22）で減圧されて低圧の冷媒になった後（図１、図２の点ｃ２）に上記冷却用熱交換器（23）へ流入する。この冷却用熱交換器（23）では、上記低圧の冷媒が上記冷水回路（40）の冷水から吸熱して蒸発する（図１、図２の点ｄ２）。上記冷却用熱交換器（23）で蒸発した低圧の冷媒は上記冷却側圧縮機（21）へ吸入され、所定の圧力まで圧縮されて高圧の冷媒となった後に、上記カスケード熱交換器（14）へ向けて再び吐出される。

このように、上記冷却側回路（20）では、上記加熱側回路（10）の非共沸混合冷媒が高熱源となり上記冷水回路（40）の冷水が低熱源となって、該冷却側回路（20）を冷媒が循環することにより冷凍サイクルが行われる。

−実施形態１の効果−
本実施形態１によれば、上記加熱側回路（10）を循環する冷媒に非共沸混合冷媒を用い、この非共沸混合冷媒を低クオリティ側で蒸発させるために、上記加熱側回路（10）に昇圧熱交換器（15）を設けている。このように、非共沸混合冷媒を低クオリティ側で蒸発させることにより、上記カスケード熱交換器（14）の非共沸混合冷媒に係る平均温度を変えずに蒸発圧力を上げることができる。この結果、所望の熱交換能力を減らすことなく上記加熱側回路（10）の低圧圧力を上昇させることが可能となる。

これにより、上記加熱側回路（10）に係る冷凍サイクルの圧縮動力を低減することができ、上記ヒートポンプの運転効率をさらに向上させて、該ヒートポンプの省エネ性を高めることができる。

又、本実施形態１によれば、上記加熱側回路（10）の凝縮器（12）に係る凝縮熱で加熱される温水の温度域を高くするため、上記冷却側回路（20）に係る冷媒の臨界温度よりも高い臨界温度となる非共沸混合冷媒を上記加熱側回路（10）に係る冷媒に用いている。これにより、上記ヒートポンプで加熱される温水の出口温度を高くすることができる。

又、本実施形態１によれば、上記カスケード熱交換器（14）で冷媒を完全に蒸発させる必要がない。従って、上記冷媒がガス単相で熱交換する部分がなくなった分だけ、上記カスケード熱交換器（14）の伝熱性能が高くなる。一般に、非共沸混合冷媒は、該非共沸混合冷媒を構成する単成分の冷媒に比べて伝熱性能が低下するため、上記カスケード熱交換器（14）のサイズが大きくなる傾向にある。しかしながら、本実施形態１では、上述したように、上記カスケード熱交換器（14）の伝熱性能が高くなるので、該カスケード熱交換器（14）のサイズアップが抑制される。

−実施形態１の変形例１−
図３に示す実施形態１の変形例１では、上記冷却側回路（20）に冷却側回路用の昇圧熱交換器（24）が接続されている点と該冷却側回路（20）に封入される冷媒の種類とが上記実施形態１とは異なる。以下、上記実施形態１と同じ部分については説明を省略し、相違点についてのみ説明する。

上記冷却側回路（20）には、非共沸混合冷媒が封入されている。この非共沸混合冷媒は、Ｒ３２とＨＦＯ１２３４ｙｆとを混合したものである。この混合比はＲ３２が４５ｗｔ％でＨＦＯ１２３４ｙｆが５５ｗｔ％が好ましい。

又、上記冷却側回路（20）には、上述したように、冷却側回路用の昇圧熱交換器（24）が接続されている。この冷却側回路用の昇圧熱交換器（24）は、加熱側回路用の昇圧熱交換器（15）と同様に、プレート式熱交換器であり、低温流路（24a）及び高温流路（24b）を有している。これらの流路（24a,24b）は共に冷却側回路（20）に連通し、冷却側回路用の昇圧熱交換器（24）の高温流路（24b）が上記カスケード熱交換器（14）の高温流路（14a）と上記冷却側膨張弁（22）との間に接続され、冷却側回路用の昇圧熱交換器（24）の低温流路（24a）が上記冷却用熱交換器（23）の冷媒流路（23a）と上記冷却側圧縮機（21）の吸入側との間に接続されている。

この冷却側回路用の昇圧熱交換器（24）では、上記カスケード熱交換器（14）で凝縮した非共沸混合冷媒（Ｒ３２＋ＨＦＯ１２３４ｙｆ）が高温流路（24b）を通過し、上記冷却用熱交換器（23）でその一部が蒸発した非共沸混合冷媒（Ｒ３２＋ＨＦＯ１２３４ｙｆ）が低温流路（24a）を通過する際に、両者が熱交換して上記カスケード熱交換器（14）で凝縮した非共沸混合冷媒（Ｒ３２＋ＨＦＯ１２３４ｙｆ）が冷却されるとともに上記冷却用熱交換器（23）で蒸発した非共沸混合冷媒（Ｒ３２＋ＨＦＯ１２３４ｙｆ）がさらに加熱されて蒸発する。

この変形例１によれば、上記冷却側回路（20）を循環する冷媒に非共沸混合冷媒を用い、この非共沸混合冷媒を低クオリティ側で蒸発させるために、上述した冷却側回路用の昇圧熱交換器（24）を設けている。このように、非共沸混合冷媒を低クオリティ側で蒸発させることで、上記冷却用熱交換器（23）に係る非共沸混合冷媒の平均温度を変えることなく蒸発圧力を上げることができる。この結果、所望の熱交換能力を減らすことなく上記冷却側回路（20）の低圧圧力を上昇させることができる。

これにより、上記冷却側回路（20）に係る冷凍サイクルの圧縮動力を低減することができ、上記ヒートポンプの運転効率をさらに向上させて、該ヒートポンプの省エネ性を高めることができる。

−実施形態１の変形例２−
図４に示す実施形態１の変形例２では、上記加熱側回路（10）が、いわゆるエコノマイザサイクルを行うように構成されている点が上記実施形態１とは異なる。以下、上記実施形態１と同じ部分については説明を省略し、相違点についてのみ説明する。

上記加熱側回路（10）がエコノマイザサイクルを行うようにするため、上記加熱側圧縮機（11）の代わりに上記高段側圧縮機（11a）及び上記低段側圧縮機（11b）が設けられている。又、上記加熱側回路（10）には、エコノマイザ熱交換器（66）とエコノマイザ用減圧弁（65）とが設けられている。

上記高段側圧縮機（11a）及び上記低段側圧縮機（11b）は、共に全密閉型で構成されている。これらの圧縮機（11a,11b）には、それぞれインバータ（図示なし）が電気的に接続されている。これらのインバータにより、各圧縮機（11a,11b）は容量可変に構成されている。

上記低段側圧縮機（11b）は、上記昇圧熱交換器（15）の低温流路（15a）から流出した非共沸混合冷媒を吸入した後で圧縮し、上記高段側圧縮機（11a）へ向けて吐出する。上記高段側圧縮機（11a）は、後述する上記エコノマイザ熱交換器（66）の低温流路（66b）で蒸発した非共沸混合冷媒と上記低段側圧縮機（11b）から吐出された非共沸混合冷媒とを吸入した後で圧縮し、上記加熱用熱交換器（12）へ向けて吐出する。

上記エコノマイザ用減圧弁（65）は、上記コントローラの指令によって該エコノマイザ用減圧弁（65）の開度が調整される。上記加熱用熱交換器（12）の冷媒流路（12a）から流出した非共沸混合冷媒の一部は上記エコノマイザ用減圧弁（65）で減圧され、残りの非共沸混合冷媒は後述する上記エコノマイザ熱交換器（66）の高温流路（66a）へ流入する。

上記エコノマイザ熱交換器（66）は、例えばプレート式熱交換器であり、高温流路（66a）と低温流路（66b）を有している。これらの流路（66a,66b）は共に加熱側回路（10）に連通している。上記高温流路（66a）には、上記加熱用熱交換器（12）の冷媒流路（12a）から上記昇圧熱交換器（15）の高温流路（15b）へ向かう非共沸混合冷媒が流通する。一方、上記低温流路（66b）には、上記エコノマイザ用減圧弁（65）で減圧された後の非共沸混合冷媒が流通する。

そして、上記エコノマイザ熱交換器（66）では、上記高温流路（66a）を流通する非共沸混合冷媒と上記低温流路（66b）を流通する非共沸混合冷媒とが熱交換して、上記高温流路（66a）側の非共沸混合冷媒が過冷却され、上記低温流路（66b）側の非共沸混合冷媒が蒸発する。

以上より、上記昇圧熱交換器（15）の低温流路（15a）から流出した非共沸混合冷媒を上記高段側圧縮機（11a）及び上記低段側圧縮機（11b）の両方で段階的に圧縮する。これにより、各圧縮機（11a,11b）に係る吸入圧力及び吐出圧力の圧力差が小さくなって該各圧縮機（11a,11b）の運転効率が向上する。

又、上記加熱用熱交換器（12）の冷媒流路（12a）から流出した非共沸混合冷媒を上記エコノマイザ熱交換器（66）及び上記昇圧熱交換器（15）の両方で過冷却する。これにより、上記カスケード熱交換器（14）の低温流路（14b）に係る非共沸混合冷媒の入口エンタルピが増加する。

さらに、上記低温流路（66b）出口の冷媒過熱度を制御することで上記高段側圧縮機（11a）で吸入する冷媒の過熱度を低くすることができる。これにより、上記高段側圧縮機（11a）の吐出温度が過度に上昇するのを防ぐことができ、圧縮機内部の部品や冷凍機油を劣化させることなく、温水を加熱するのに必要な高温の冷媒を加熱用熱交換器（12）の冷媒流路（12a）に供給することができる。

このように、各圧縮機（11a,11b）に係る運転効率の向上と上記カスケード熱交換器（14）に係る冷媒入口エンタルピの増加によって、上記加熱側回路（10）のサイクル効率が向上し、さらに過度な高段側圧縮機（11a）の吐出温度の上昇を抑制できるため、ヒートポンプの省エネ性と信頼性を高めることができる。

《発明の実施形態２》
本実施形態２のヒートポンプは、例えば炭酸飲料の生産ラインに用いられるものであって、冷熱及び温熱の同時取り出しが可能である。このヒートポンプの温熱は、炭酸飲料に係る原料の糖処理及び滅菌処理、これらの処理を経た原料に炭酸を注入したものの殺菌処理等利用される。一方、ヒートポンプの冷熱は、上述した滅菌処理後及び殺菌処理後の冷却処理、原料に炭酸を注入する際の冷却処理等に利用される。

このヒートポンプは、図５に示すように冷媒回路（1）を備えている。この冷媒回路（1）は、熱源側回路（副冷媒回路）（20）と複数の高温側回路（主冷媒回路）（10）と複数の低温側回路（50）とを有している。具体的に、熱源側回路（20）と各高温側回路（10）とは、該各高温側回路（10）に対応する高温側カスケード熱交換器（14）を介して互いに接続される。又、熱源側回路（20）と各低温側回路（50）とは、該各低温側回路（50）に対応する低温側カスケード熱交換器（54）を介して互いに接続される。

上記高温側回路（10）は、高温側圧縮機（主圧縮機）（11）と高温用熱交換器（主凝縮器）（12）と高温側膨張弁（主膨張機構）（13）と高温側カスケード熱交換器（14）と昇圧熱交換器（補助熱交換器）（15）とが冷媒配管で接続されてなる。一方、上記低温側回路（50）は、低温側圧縮機（51）と低温側カスケード熱交換器（54）と低温用熱交換器（52）と低温側膨張弁（53）とが冷媒配管で接続されてなる。

又、上記熱源側回路（20）は、熱源側圧縮機（副圧縮機）（21）と熱源側熱交換器（25）と高温側カスケード熱交換器（14）と熱源側膨張弁（副膨張機構）（22）と低温側カスケード熱交換器（54）と三方弁（26）と高温側減圧弁（62）と低温側減圧弁（63）とが冷媒配管で接続されてなる。尚、後述するが、上記三方弁（26）の切換動作により、上記熱源側熱交換器（25）が蒸発器として機能したり、凝縮器として機能したりする。

又、上記高温側回路（10）には非共沸混合冷媒（主冷媒）が封入されている。この非共沸混合冷媒は、Ｒ２４５ｆａとＨＦＯ１２３４ｙｆとを混合したものである。この混合比は、Ｒ２４５ｆａが９０ｗｔ％でＨＦＯ１２３４ｙｆが１０ｗｔ％が好ましい。又、上記熱源側回路（20）にはＲ４１０Ａ（副冷媒）が封入されている。尚、上記高温側回路（10）に係る非共沸混合冷媒の臨界温度は、上記熱源側回路（20）に係る冷媒の臨界温度よりも高くなっている。又、上記低温側回路（50）には、臨界温度がＲ４１０Ａ以下である冷媒が封入されている。

（圧縮機と膨張弁）
上記高温側圧縮機（11）、上記低温側圧縮機（51）及び上記熱源側圧縮機（21）は、いずれも全密閉型で構成されている。これらの圧縮機（11,21,51）には、それぞれインバータ（図示なし）が電気的に接続されている。これらのインバータにより、各圧縮機（11,21,51）は容量可変に構成されている。

上記高温側膨張弁（13）、上記低温側膨張弁（53）及び上記熱源側膨張弁（22）は、いずれも電動膨張弁で構成されている。上記ヒートポンプの運転を制御するコントローラ（図示なし）の指令により、各膨張弁（13,22,53）の開度が必要に応じて変更される。

（高温用熱交換器）
上記高温側回路（10）の高温用熱交換器（12）は上記高温側回路（10）の凝縮器を構成する。この高温用熱交換器（12）は、例えばプレート式熱交換器であり、冷媒流路（12a）及び水流路（12b）を有している。上記冷媒流路（12a）が上記高温側回路（10）に連通し、上記水流路（12b）が高温側利用回路（図示なし）に連通している。この高温側利用回路は、高温側ポンプ（図示なし）と高温側利用熱交換器（図示なし）とが接続された閉回路である。

上述したように、上記高温側回路（10）は複数設けられており、各高温側回路（10）に対応する高温側利用回路の高温側利用熱交換器は、上述した糖処理、滅菌処理及び殺菌処理のそれぞれの工程を行うラインに散在している。

この高温用熱交換器（12）では、上記高温側圧縮機（11）から吐出された高圧冷媒が冷媒流路（12a）を通過し、上記高温側利用回路の水が水流路（12b）を通過する際に、両者が熱交換して上記高温側利用回路の水が加熱されて温水又は蒸気となる。この温水又は蒸気が高温側利用熱交換器へ供給され、各ラインに係る炭酸飲料の原料又は調合物の加熱に利用される。

（低温用熱交換器）
上記低温側回路（50）の低温用熱交換器（52）は、上記低温側回路（50）の蒸発器を構成する。この低温用熱交換器（52）は、例えばプレート式熱交換器であり、水流路（52a）及び冷媒流路（52b）を有している。上記冷媒流路（52b）が低温側回路（50）に連通し、上記水流路（52a）が低温側利用回路（図示なし）に連通している。この低温側利用回路は、低温側ポンプ（図示なし）と低温側利用熱交換器（図示なし）とが接続された閉回路である。

上述したように、上記低温側回路（50）は複数設けられており、各低温側回路（50）に対応する低温側利用回路の低温側利用熱交換器は、上述した各冷却処理の工程を行うラインに散在している。

この低温用熱交換器（52）では、上記低温側膨張弁（53）で膨張した低圧の冷媒が冷媒流路（52b）を通過し、上記低温側利用回路の水が水流路（52a）を通過する際に、両者が熱交換して上記低温側利用回路の水が冷却されて冷水となる。この冷水が低温側利用熱交換器へ供給され、各ラインに係る炭酸飲料の原料又は調合物の冷却に利用される。

（高温側カスケード熱交換器と高温側減圧弁）
上記高温側回路（10）及び上記熱源側回路（20）に係る高温側カスケード熱交換器（14）は、上記高温側回路（10）の蒸発器として機能すると同時に上記熱源側回路（20）の凝縮器として機能する。この高温側カスケード熱交換器（14）は、例えばプレート式熱交換器であり、高温流路（14a）及び低温流路（14b）を有している。低温流路（14b）が高温側回路（10）に連通し、高温流路（14a）が熱源側回路（20）に連通している。

この高温側カスケード熱交換器（14）では、上記熱源側回路（20）の熱源側圧縮機（21）から吐出された冷媒が高温流路（14a）を通過し、上記高温側回路（10）の高温側膨張弁（13）で膨張した冷媒が低温流路（14b）を通過する際に、両者が熱交換して上記熱源側回路（20）の冷媒が凝縮し、上記高温側回路（10）の冷媒が蒸発する。

上記熱源側回路（20）の高温側減圧弁（62）は、上記高温側カスケード熱交換器（14）における高温流路（14a）の流出口と上記熱源側回路（20）の中間ライン（27）との間に設けられている。この高温側減圧弁（62）は、上記高温側カスケード熱交換器（14）の高温流路（14a）から上記熱源側回路（20）の中間ライン（27）へ向かう冷媒を減圧するものである。

（低温側カスケード熱交換器と低温側減圧弁）
上記熱源側回路（20）及び上記低温側回路（50）に係る低温側カスケード熱交換器（54）は、上記熱源側回路（20）の蒸発器として機能すると同時に上記低温側回路（50）の凝縮器として機能する。この低温側カスケード熱交換器（54）は、例えばプレート式熱交換器であり、高温流路（54a）及び低温流路（54b）を有している。低温流路（54b）が熱源側回路（20）に連通し、高温流路（54a）が低温側回路（50）に連通している。

この低温側カスケード熱交換器（54）では、上記低温側回路（50）の低温側圧縮機（51）から吐出された冷媒が高温流路（54a）を通過し、上記熱源側回路（20）の中間ライン（27）から流入する冷媒が低温流路（54b）を通過する際に、両者が熱交換して上記熱源側回路（20）の冷媒が蒸発し、上記低温側回路（50）の冷媒が凝縮する。

上記熱源側回路（20）の低温側減圧弁（63）は、上記熱源側回路（20）の中間ライン（27）と上記低温側カスケード熱交換器（54）における低温流路（54b）の流入口との間に設けられている。この低温側減圧弁（63）は、上記熱源側回路（20）の中間ライン（27）から上記低温側カスケード熱交換器（54）の低温流路（54b）へ向かう冷媒を減圧するものである。

（昇圧熱交換器）
上記高温側回路（10）の昇圧熱交換器（15）は、例えばプレート式熱交換器であり、低温流路（15a）及び高温流路（15b）を有している。これらの流路（15a,15b）は共に高温側回路（10）に連通し、上記昇圧熱交換器（15）の高温流路（15b）が上記高温用熱交換器（12）の冷媒流路（12a）と上記高温側膨張弁（13）との間に接続され、上記昇圧熱交換器（15）の低温流路（15a）が上記高温側カスケード熱交換器（14）の低温流路（14b）と上記高温側圧縮機（11）の吸入側との間に接続されている。

この昇圧熱交換器（15）では、上記高温用熱交換器（12）で凝縮した冷媒が高温流路（15b）を通過し、上記高温側カスケード熱交換器（14）でその一部が蒸発した冷媒が低温流路（15a）を通過する際に、両者が熱交換して上記高温用熱交換器（12）で凝縮した冷媒が冷却されるとともに上記高温側カスケード熱交換器（14）で蒸発した冷媒がさらに加熱されて蒸発する。

（三方弁と熱源側熱交換器）
上記熱源側回路（20）の三方弁（26）は、加熱過多状態（図５に実線で示す状態）と、冷却過多状態（図５に破線で示す状態）とに切り換わる。加熱過多状態の三方弁（26）では、第１ポート（P1）が第２ポート（P2）に連通し、第３ポート（P3）が閉鎖される。一方、冷却過多状態の三方弁（26）では、第１ポート（P1）が第３ポート（P3）に連通し、第２ポート（P2）が閉鎖される。

この三方弁（26）は、上記コントローラの指令によって切換動作を行う。このコントローラは、上記ヒートポンプの運転状況に応じて加熱過多状態又は冷却過多状態を選択し、その選択した状態に係る指令信号を上記三方弁（26）へ入力する。

上記熱源側回路（20）の熱源側熱交換器（25）は、例えばクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成され、冷媒通路（図示なし）及び空気通路（図示なし）を有している。この熱源側熱交換器（25）の近傍には送風ファン（図示なし）が設けられている。この熱源側熱交換器（25）では、上記冷媒通路を通過する冷媒と上記空気通路を通過する送風ファンの空気とが熱交換するように構成されている。

（高温側回路）
上記高温側回路（10）では、上記高温側圧縮機（11）の吐出口と上記高温側膨張弁（13）の流入口とを接続する冷媒配管の途中に、上記高温用熱交換器（12）の冷媒流路（12a）と上記昇圧熱交換器（15）の高温流路（15b）との順でこれらの流路（12a,15b）が連通している。又、上記高温側膨張弁（13）の流出口と上記高温側圧縮機（11）の吸入口とを接続する冷媒配管の途中に、上記高温側カスケード熱交換器（14）の低温流路（14b）と上記昇圧熱交換器（15）の低温流路（15a）との順でこれらの流路（14b,15a）が連通している。

（低温側回路）
上記低温側回路（50）では、上記低温側圧縮機（51）の吐出口と上記低温側膨張弁（53）の流入口とを接続する冷媒配管の途中に、上記低温側カスケード熱交換器（54）の高温流路（54a）が連通している。又、上記低温側膨張弁（53）の流出口と上記低温側圧縮機（51）の吸入口とを接続する冷媒配管の途中に、上記低温用熱交換器（52）の冷媒流路（52b）が連通している。

（熱源側回路）
上記熱源側回路（20）では、上記熱源側圧縮機（21）の吐出口から延びる吐出配管は２つに分岐し、一方が上記三方弁（26）の第３ポート（P3）に接続され、他方が吐出側仕切弁（60）を介して高圧ライン（28）に接続されている。この高圧ライン（28）には、上記高温側カスケード熱交換器（14）に係る高温流路（14a）の流入口が連通している。

又、上記熱源側圧縮機（21）の吸入口から延びる吸入配管は２つに分岐し、一方が上記三方弁（26）の第２ポート（P2）に接続され、他方が吸入側仕切弁（61）を介して低圧ライン（29）に接続されている。この低圧ライン（29）には、上記低温側カスケード熱交換器（54）に係る低温流路（54b）の流出口が連通している。

又、上記熱源側熱交換器（25）の一端は上記三方弁（26）の第１ポート（P1）に接続され、他端は上記熱源側膨張弁（22）を介して中間ライン（27）に接続されている。この中間ライン（27）には、上記高温側減圧弁（62）を介して上記高温側カスケード熱交換器（14）に係る高温流路（14a）の流出口が連通している。又、この中間ライン（27）には、上記低温側減圧弁（63）を介して上記低温側カスケード熱交換器（54）に係る低温流路（54b）の流入口が連通している。

−ヒートポンプの運転動作−
次に、上記ヒートポンプの運転動作について説明する。まず、加熱過多運転について説明した後に、冷却過多運転について説明する。

（加熱過多運転）
上記加熱過多運転では、上述したように上記三方弁（26）が加熱過多状態に設定される。そして、図６の矢印に示すように冷媒が循環する。この加熱過多運転の開始により、上記高温側圧縮機（11）、上記低温側圧縮機（51）及び上記熱源側圧縮機（21）が起動する。

《熱源側回路》
上記熱源側回路（20）では、上記熱源側圧縮機（21）から吐出された冷媒が、上記高圧ライン（28）を通じて上記各高温側カスケード熱交換器（14）へ流入し、該各高温側カスケード熱交換器（14）で上記高温側回路（10）の冷媒に放熱して凝縮する。これらの凝縮した各冷媒は、上記高温側減圧弁（62）で減圧された後に上記中間ライン（27）で合流する。この合流した冷媒は再び分流して上記各低温側減圧弁（63）と上記熱源側膨張弁（22）とに流入した後で減圧される。

上記各低温側減圧弁（63）で減圧された冷媒は、上記各低温側カスケード熱交換器（54）で上記低温側回路（50）の冷媒から吸熱して蒸発する。このようにして蒸発した各冷媒は、上記低圧ライン（29）で合流した後で上記熱源側圧縮機（21）の吸入側へ向かう。

一方、上記熱源側膨張弁（22）で減圧された冷媒は、上記熱源側熱交換器（25）で空気から吸熱して蒸発した後で上記三方弁（26）を通過して、上記熱源側圧縮機（21）の吸入側へ向かう。

そして、上記低圧ライン（29）から上記熱源側圧縮機（21）の吸入側へ向かう冷媒と上記三方弁（26）を通過して上記熱源側圧縮機（21）の吸入側へ向かう冷媒とが合流した後で、上記熱源側圧縮機（21）に吸入される。上記熱源側圧縮機（21）に吸入された冷媒は圧縮された後で上記高圧ライン（28）へ向けて再び吐出される。

このように、上記各高温側カスケード熱交換器（14）が上記熱源側回路（20）の凝縮器として機能し、上記各低温側カスケード熱交換器（54）と上記熱源側熱交換器（25）とが上記熱源側回路（20）の蒸発器として機能するように上記熱源側回路（20）内を冷媒が循環することによって冷凍サイクルが行われる。

《低温側回路》
上記低温側回路（50）では、上記低温側圧縮機（51）から吐出された冷媒が、上記低温側カスケード熱交換器（54）で上記熱源側回路（20）の冷媒に放熱して凝縮する。この凝縮した冷媒は、上記低温側膨張弁（53）で膨張した後で上記低温用熱交換器（52）に流入し、該低温用熱交換器（52）で上記低温側利用回路の水から吸熱して蒸発する。

この蒸発した冷媒は、上記低温側圧縮機（51）に吸入されて圧縮された後で上記低温側カスケード熱交換器（54）へ向けて再び吐出される。このように、上記低温側回路（50）内を冷媒が循環することにより、上記低温側利用回路の水を冷却する。

尚、本実施形態２では、炭酸飲料の原料を滅菌した後の冷却処理に利用される冷水を供給する低温側回路（50）では、その冷水入口温度又は冷水出口温度が約２０℃となるように該低温側回路（50）の動作が調整される。又、原料に炭酸を注入した後の冷却処理に利用される冷水を供給する低温側回路（50）では、その冷水入口温度又は冷水出口温度が約５℃となるように該低温側回路（50）の動作が調整される。又、原料に炭酸を注入したものの殺菌処理に利用される冷水を供給する低温側回路（50）では、その冷水入口温度又は冷水出口温度が約２５℃となるように該低温側回路（50）の動作が調整される。

このように、各低温側回路（50）は、各低温側回路（50）ごとに設定された冷水入口温度又は冷水出口温度となるように動作する。

《高温側回路》
上記高温側回路（10）では、上記高温側圧縮機（11）から吐出された高圧の非共沸混合冷媒が、上記高温用熱交換器（12）で上記高温側利用回路の水に放熱して凝縮する。上記高温用熱交換器（12）で凝縮した高圧の非共沸混合冷媒は、上記昇圧熱交換器（15）で上記高温側カスケード熱交換器（14）から流出した低圧の非共沸混合冷媒と熱交換する。これにより、上記高温用熱交換器（12）で凝縮した高圧の非共沸混合冷媒が冷却されて過冷却度が大きくなる。上記昇圧熱交換器（15）で過冷却度が大きくなった高圧の非共沸混合冷媒は、上記高温側膨張弁（13）で減圧されて低圧の非共沸混合冷媒になった後に上記高温側カスケード熱交換器（14）へ流入する。

この高温側カスケード熱交換器（14）では、上記低圧の非共沸混合冷媒と上記熱源側回路（20）に係る熱源側圧縮機（21）から吐出された高圧の冷媒とが熱交換して上記非共沸混合冷媒が蒸発するとともに上記冷媒が凝縮する。このとき、この低圧の非共沸混合冷媒は、上記高温側カスケード熱交換器（14）で完全に蒸発することがなく、湿り状態で該高温側カスケード熱交換器（14）を流出する。この湿り状態の低圧の非共沸混合冷媒は、上述したように上記昇圧熱交換器（15）で完全に蒸発した後で上記高温側圧縮機（11）へ吸入される。そして、この高温側圧縮機（11）で低圧の非共沸混合冷媒が圧縮されて高圧の非共沸混合冷媒となった後に、該高圧の非共沸混合冷媒が上記高温用熱交換器（12）へ向けて再び吐出される。このように、上記高温側回路（10）内を非共沸混合冷媒が循環することにより、上記高温側利用回路の水を加熱する。

尚、本実施形態２では、炭酸飲料に係る原料の糖処理に利用される温水を供給する高温側回路（10）では、その温水入口温度又は温水出口温度が約６０℃となるように高温側回路（10）の動作が調整される。又、上述した糖処理後の原料の滅菌処理に利用される蒸気を供給する高温側回路（10）では、その蒸気入口温度又は蒸気出口温度が約１２０℃となるように高温側回路（10）の動作が調整される。又、原料に炭酸を注入したものの殺菌処理に利用される温水を供給する高温側回路（10）では、その温水入口温度又は温水出口温度が約８０℃となるように高温側回路（10）の動作が調整される。

このように、各高温側回路（10）は、各高温側回路（10）ごとに設定された温水又は蒸気の入口温度又は出口温度となるように動作する。

（冷却過多運転）
次に、冷却過多運転について説明する。この冷却過多運転では、上述したように上記三方弁（26）が冷却過多状態に設定される。そして、図７の矢印に示すように冷媒が循環する。この冷却過多運転の開始により、上記高温側圧縮機（11）、上記低温側圧縮機（51）及び上記熱源側圧縮機（21）が起動する。

《熱源側回路》
上記熱源側回路（20）では、上記熱源側圧縮機（21）から吐出された冷媒が分流して、一方が高圧ライン（28）を通じて上記各高温側カスケード熱交換器（14）へ流入し、他方が上記三方弁（26）を通じて上記熱源側熱交換器（25）へ流入する。

上記各高温側カスケード熱交換器（14）へ流入した冷媒は、該各高温側カスケード熱交換器（14）で上記高温側回路（10）の冷媒に放熱して凝縮する。これらの凝縮した各冷媒は、上記各高温側減圧弁（62）で減圧された後に上記中間ライン（27）で合流する。

一方、上記熱源側熱交換器（25）へ流入した冷媒は、該熱源側熱交換器（25）で空気に放熱して凝縮する。この凝縮した冷媒は上記熱源側膨張弁（22）で減圧された後に、上記各高温側カスケード熱交換器（14）で凝縮した冷媒と上記中間ライン（27）にて合流する。

上記中間ライン（27）で合流した後で再び分流した冷媒は、上記各低温側減圧弁（63）で必要に応じて減圧される。上記各低温側減圧弁（63）で減圧された冷媒は、上記各低温側カスケード熱交換器（54）で上記低温側回路（50）の冷媒から吸熱して蒸発する。このようにして蒸発した各冷媒は、上記低圧ライン（29）で合流した後で上記熱源側圧縮機（21）に吸入される。上記熱源側圧縮機（21）に吸入された冷媒は圧縮された後で上記各高温側カスケード熱交換器（14）及び上記熱源側熱交換器（25）へ向けて再び吐出される。

このように、上記各高温側カスケード熱交換器（14）と上記熱源側熱交換器（25）とが上記熱源側回路（20）の凝縮器として機能し、上記各低温側カスケード熱交換器（54）が上記熱源側回路（20）の蒸発器として機能するように上記熱源側回路（20）内を冷媒が循環することによって冷凍サイクルが行われる。

尚、上記低温側回路（50）及び上記高温側回路（10）の運転動作は、上記加熱過多運転で上述した低温側回路（50）及び上記高温側回路（10）の運転動作と同一のため、説明は省略する。

−実施形態２の効果−
本実施形態２によれば、上記高温側回路（10）を循環する冷媒に非共沸混合冷媒を用い、この非共沸混合冷媒を低クオリティ側で蒸発させるために、上記高温側回路（10）に昇圧熱交換器（15）を設けている。このように、非共沸混合冷媒を低クオリティ側で蒸発させることにより、上記カスケード熱交換器（14）の非共沸混合冷媒に係る平均温度を変えることなく蒸発圧力を上げることができる。この結果、所望の熱交換能力を減らすことなく上記高温側回路（10）の低圧圧力を上昇させることができる。

これにより、上記高温側回路（10）に係る冷凍サイクルの圧縮動力を低減することができ、上記ヒートポンプの運転効率をさらに向上させて、該ヒートポンプの省エネ性を高めることができる。

《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

上記実施形態１では、上記冷却側回路（20）を循環する冷媒にＲ４１０Ａを用いているが、これに限定されず、例えば単一冷媒であってもよい。この場合には、上記加熱側回路（10）を循環する非共沸混合冷媒の臨界温度よりも低い臨界温度を有する単一冷媒が好ましい。例えば、Ｒ３２である。これにより、上記非共沸混合冷媒の臨界温度が、相対的に単一冷媒の臨界温度よりも高くなり、両者の臨界温度が同じ場合に比べて、上記ヒートポンプで加熱される温水の出口温度を高くすることができる。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、主冷媒回路及び副冷媒回路を有するヒートポンプに関し、特に主冷媒回路の蒸発器として機能すると同時に副冷媒回路の凝縮器として機能するカスケード熱交換器を備えたものについて有用である。

1 冷媒回路
10 加熱側回路（主冷媒回路）
11 加熱側圧縮機（主圧縮機）
12 加熱用熱交換器（主凝縮器）
13 加熱側膨張弁（主膨張機構）
14 カスケード熱交換器
15 昇圧熱交換器（補助熱交換器）
20 冷却側回路（副冷媒回路）
21 冷却側圧縮機（副圧縮機）
22 冷却側膨張弁（副膨張機構）
23 冷却用熱交換器（副蒸発器）
30 温水回路
40 冷水回路

Claims (5)

1. 主圧縮機（11）と主凝縮器（12）と主膨張機構（13）とカスケード熱交換器（14）の低温流路（14b）とが接続されて主冷媒が循環することによって冷凍サイクルを行う主冷媒回路（10）と、副圧縮機（21）とカスケード熱交換器（14）の高温流路（14a）と副膨張機構（22）と副蒸発器（23）とが接続されて副冷媒が循環することによって冷凍サイクルを行う副冷媒回路（20）とを備えたヒートポンプであって、
   上記主冷媒は、非共沸混合冷媒であり、
   上記主冷媒回路（10）の主凝縮器（12）で凝縮した高圧の主冷媒と上記カスケード熱交換器（14）の低温流路（14b）でその一部が蒸発した低圧の主冷媒とを熱交換して、上記低圧の主冷媒をさらに蒸発させる主冷媒回路（10）用の補助熱交換器（15）を備えていることを特徴とするヒートポンプ。
2. 請求項１において、
   上記副冷媒は、非共沸混合冷媒であり、
   上記カスケード熱交換器（14）は、上記主冷媒回路（10）の主冷媒及び上記副冷媒回路（20）の副冷媒の流れが互いに向かい合う向流型の熱交換器であることを特徴とするヒートポンプ。
3. 請求項１又は２において、
   上記主冷媒回路（10）に係る主冷媒の臨界温度は、上記副冷媒回路（20）を循環する副冷媒の臨界温度よりも高いことを特徴とするヒートポンプ。
4. 請求項２又は３において、
   上記カスケード熱交換器（14）の高温流路（14a）で凝縮した高圧の副冷媒と上記副冷媒回路（20）の副蒸発器（23）で蒸発した低圧の副冷媒とを熱交換して、上記低圧の副冷媒をさらに蒸発させる副冷媒回路（20）用の補助熱交換器（24）を備えていることを特徴とするヒートポンプ。
5. 請求項１から４の何れか１つにおいて、
   上記主凝縮器（12）は、上記高圧の主冷媒が流通する冷媒流路（12a）と、液体が流通する液体通路（12b）とを有して、上記高圧の主冷媒の凝縮熱で上記液体が加熱されるように構成され、上記主凝縮器（12）の液体通路（12b）は、上記液体が循環する閉回路の液体回路（30）に連通する一方、
   上記主冷媒の臨界温度は、上記主凝縮器（12）に係る液体の出口温度よりも高いことを特徴とするヒートポンプ。

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