JP2014029237A - ２段圧縮ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】２温度帯での熱利用を可能とした２段圧縮ヒートポンプシステムにあって、各温度帯で単独運転する場合も各々で２段圧縮機を２段圧縮機として機能させ、高効率で運転することができる２段圧縮ヒートポンプシステムを提供することを目的とする。
【解決手段】低段側圧縮機４で圧縮した中間圧冷媒を高段側圧縮機５で順次高圧に２段圧縮する２段圧縮機２を備えており、高段側圧縮機５から吐出された高圧の冷媒を高温側熱利用システム２４で利用し、低段側圧縮機４から吐出された中間圧冷媒を中温側熱利用システム３４で利用することによって、２温度帯で同時に温熱を利用することができるとともに、各々のシステム２４，３４で利用した冷媒を第１膨張弁１１および第２膨張弁１２へ経て合流させ、その冷媒を空気熱交換器１３で蒸発ガス化した後、低段側圧縮機４に吸い込ませる構成としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、２段圧縮機を備え、２系統の回路を構成することにより、２温度帯での熱利用を可能とした２段圧縮ヒートポンプシステムに関するものである。

２段圧縮機を備え、その低段側圧縮機および高段側圧縮機で２系統の回路を構成することにより、２温度帯での熱利用を可能とした２段圧縮ヒートポンプシステムとして、温熱を利用する構成のシステムとしたものとしては、例えば特許文献１，２等に示されるようなものが知られている。また、冷熱を利用する構成のシステムとしたものとしては、例えば特許文献３，４等に示されるようなものが知られている。

特許文献１には、低段側圧縮機で圧縮した中間圧の冷媒を中温熱交換器に導いて水を加熱し、床暖房に供した後、その冷媒を高段側圧縮機で吸入して２段圧縮し、該高圧冷媒を高温熱交換器で給湯用に用いた後、凝縮した冷媒を膨張弁、空気熱交換器を経て低段側圧縮機に吸入させる構成とした２段圧縮ヒートポンプシステムが示されている。また、特許文献２には、低段側圧縮機で圧縮した中間圧の冷媒をインタークーラに導いて暖房用水冷媒を加熱し、暖房に供した後、その冷媒を高段側圧縮機で吸入して２段圧縮し、該高圧冷媒を給湯用ガスクーラで給湯用に用いた後、その冷媒を第１暖房用ガスクーラ、液ガス熱交換器、膨張弁、第２給湯用ガスクーラ、膨張弁、空気熱交換器等を経て低段側圧縮機に吸入させる構成とした２段圧縮ヒートポンプシステムが開示されている。

一方、特許文献３には、２段圧縮機で２段圧縮された高圧冷媒を凝縮器で凝縮後、２系統に分岐し、一方を低圧用減圧装置で絞り低圧蒸発器で蒸発させた後、低段側圧縮機に吸入させて２段圧縮し、他方を中間圧用減圧装置で絞り中間圧蒸発器で蒸発させた後、中間圧冷媒として高段側圧縮機の吸入側に戻す構成とするとともに、一方の蒸発器を停止して他方の蒸発器のみを機能させて急速冷却する場合、低段側圧縮機および高段側圧縮機で平行して冷媒を圧縮するための切換回路を設けた２温度帯の２段圧縮ヒートポンプシステムが開示されている。

また、特許文献４には、２段圧縮機で２段圧縮された高圧冷媒を凝縮器で凝縮後、流路切換弁で複数の流路に分岐可能とし、その１つの流路に分岐される冷媒を冷蔵用膨張手段で絞り冷蔵用蒸発器で蒸発させた後、高段側圧縮機に吸入させ、他の複数流路に分岐される冷媒を第１および第２の冷凍用膨張手段により絞り冷凍用蒸発器で蒸発させた後、低段側圧縮機に吸入させて２段圧縮する構成となし、流路切換弁を介して複数系統の流路を切換え、冷蔵室と冷凍室の同時冷却、冷凍室のみの冷却をそれぞれ２段圧縮により行えるようにした２温度帯の２段圧縮ヒートポンプシステムが開示されている。

特開２００８−６９９８８号公報 特開２０１０−２１０２０６号公報 特開２００１−１０８３４５号公報 特開２００５−１０６３７３号公報

しかしながら、従来の２温度帯の２段圧縮ヒートポンプシステムでは、低段側圧縮機と高段側圧縮機とが一軸上で常に同一回転数で回転される２段圧縮機を搭載した場合、一方の温度帯のみで圧縮仕事をさせるには、他方の温度帯で圧縮仕事をさせないようにする機構を追加しなければならず、構造や制御が複雑化するとともに、常に低段側圧縮機から冷媒を吸い込み、高段側圧縮機から吐出するサイクル構成とならない場合があるため、各々の温度帯毎に単独で運転する際、２段圧縮機として機能させることができず、単段圧縮機として運転されることがあり、圧縮効率を良好に保つことができない場合がある等の課題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、２温度帯での熱利用を可能とした２段圧縮ヒートポンプシステムにあって、各温度帯で単独運転する場合も各々で２段圧縮機を２段圧縮機として機能させ、高効率で運転することができる２段圧縮ヒートポンプシステムを提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明の２段圧縮ヒートポンプシステムは、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる２段圧縮ヒートポンプシステムは、低段側圧縮機および高段側圧縮機を備え、前記低段側圧縮機に吸入した低圧冷媒を該低段側圧縮機および前記高段側圧縮機で順次２段圧縮する２段圧縮機と、前記高段側圧縮機から吐出された高圧の冷媒を高温熱源とし、高温熱交換器を介して利用とする高温側熱利用システムと、前記低段側圧縮機から吐出された中間圧冷媒を中温熱源とし、中温熱交換器を介して利用とする中温側熱利用システムと、前記高温熱交換器および前記中温熱交換器からの冷媒を、それぞれ減圧する第１膨張弁および第２膨張弁と、前記第１膨張弁および前記第２膨張弁で減圧された冷媒を合流し、その冷媒を外気と熱交換させて蒸発ガス化した後、前記低段側圧縮機に吸入させる空気熱交換器と、を備え、２温度帯での温熱利用を可能としたことを特徴とする。

本発明によれば、低段側圧縮機で圧縮した中間圧冷媒を高段側圧縮機で順次高圧に２段圧縮する２段圧縮機を備えており、高段側圧縮機から吐出された高圧の冷媒を高温側熱利用システムで利用し、低段側圧縮機から吐出された中間圧冷媒を中温側熱利用システムで利用することによって、２温度帯で同時に温熱を利用することができるとともに、各々のシステムで利用した冷媒を第１膨張弁および第２膨張弁へ経て合流させ、その冷媒を空気熱交換器で蒸発ガス化した後、低段側圧縮機に吸い込ませるようにしているため、２温度帯で温熱を利用できるシステムのサイクルを簡素に構成することができる。従って、常に２段圧縮機の低段側圧縮機から冷媒を吸い込むことができる簡素な構成の２温度帯の２段圧縮ヒートポンプシステムを得ることができるとともに、２温度帯毎の温熱利用の単独運転を電磁弁等の追加のみで簡易に実施できるようにするための基本サイクルを提供することができる。

さらに、本発明の２段圧縮ヒートポンプシステムは、上記の２段圧縮ヒートポンプシステムにおいて、前記高段側圧縮機から吐出された冷媒を前記中温熱交換器の入口に導く第１電磁弁を備えたバイパス回路と、前記低段側圧縮機から吐出された冷媒を前記中温熱交換器に導く回路に設けられた第２電磁弁とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、高段側圧縮機から吐出された冷媒を中温熱交換器の入口に導く第１電磁弁を備えたバイパス回路と、低段側圧縮機から吐出された冷媒を中温熱交換器に導く回路に設けられた第２電磁弁とを備えているため、高温側熱利用システムおよび中温側熱利用システムで同時に温熱を利用する場合、第１電磁弁を閉じておくだけで上記の如く２温度帯で同時に温熱を利用することができ、また、高温の温熱のみを利用する場合、第１電磁弁および第２電磁弁を共に閉、中温の温熱のみを利用する場合、第１電磁弁を開、第２電磁弁を閉とすることにより、各々で２段圧縮機を２段圧縮機として機能させながら２温度帯毎に単独で運転することができる。従って、電磁弁の追加と、その切換え制御のみで２温度帯での同時温熱利用、高温または中温のいずれか単独での温熱利用運転を行わせることができるとともに、単独での温熱利用運転時には、いずれの場合においても、２段圧縮機を２段圧縮動作させることにより高効率で運転することができる。つまり、２段圧縮機の場合、１段当たりの差圧が小さくなり、漏れ損失を低減できることから、圧縮効率を高めることができる。

さらに、本発明にかかる２段圧縮ヒートポンプシステムは、低段側圧縮機および高段側圧縮機を備え、前記低段側圧縮機に吸入した低圧冷媒を該低段側圧縮機および前記高段側圧縮機で順次２段圧縮する２段圧縮機と、前記高段側圧縮機から吐出された高圧の冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器からの冷媒をそれぞれ減圧する第３膨張弁および第４膨張弁と、前記第３膨張弁を経た冷媒を極低温熱源とし、極低温熱交換器を介して利用する極低温側熱利用システムと、前記第４膨張弁を経た冷媒を低温熱源とし、低温熱交換器を介して利用する低温側熱利用システムと、前記極低温熱交換器を経た冷媒を前記低段側圧縮機の吸入側に導き、前記低温熱交換器を経た冷媒を前記高段側圧縮機の吸入側に導く冷媒回路と、前記低温熱交換器を経た冷媒を前記低段側圧縮機の吸入側に導く第３電磁弁を備えたバイパス回路および前記低温熱交換器を経た冷媒を前記低段側圧縮機の吸入側に導く冷媒回路に設けられた第４電磁弁と、を備え、２温度帯での冷熱利用を可能としたことを特徴とする。

本発明によれば、低段側圧縮機で圧縮した中間圧冷媒を高段側圧縮機で順次高圧に２段圧縮する２段圧縮機を備えており、高段側圧縮機から吐出された高圧の冷媒を放熱器で放熱させ、その冷媒を第３膨張弁で減圧した後、極低温側熱利用システムで利用し、第４膨張弁で減圧した後、低温側熱利用システムで利用することにより、２温度帯で同時に冷熱を利用することができるとともに、この場合、第３電磁弁が開、第４電磁弁が閉とされていることから、各々のシステムで利用した冷媒を圧力に応じて低段側圧縮機および高段側圧縮機に吸い込ませることができる。また、極低温の冷熱のみを利用する場合、第３電磁弁および第４電磁弁を共に閉、低温の冷熱のみを利用する場合、第３電磁弁を閉、第４電磁弁を開とすることにより、各々で２段圧縮機を２段圧縮機として機能させながら２温度帯毎に単独で運転することができる。従って、電磁弁の追加と、その切換え制御のみで２温度帯での同時冷熱利用、極低温または低温のいずれか単独での冷熱利用運転を行わせることができるとともに、単独での冷熱利用運転時には、いずれの場合においても、２段圧縮機を２段圧縮動作させることにより高効率で運転することができる。

さらに、本発明の２段圧縮ヒートポンプシステムは、上記の２段圧縮ヒートポンプシステムにおいて、前記極低温側熱利用システムおよび前記低温側熱利用システムは、前記極低温熱交換器および前記低温熱交換器で冷媒を直接膨張させて利用する直膨方式のシステムおよび／または前記極低温熱交換器および前記低温熱交換器でブラインを冷却して利用するチラー方式のシステムのいずれかが選択可能とされていることを特徴とする。

本発明によれば、極低温側熱利用システムおよび低温側熱利用システムが、極低温熱交換器および低温熱交換器で冷媒を直接膨張させて利用する直膨方式のシステムおよび／または極低温熱交換器および低温熱交換器でブラインを冷却して利用するチラー方式のシステムのいずれかが選択可能とされているため、用途に応じて直膨方式および／またはチラー方式のいずれかの冷熱利用システムを選択することにより、多様な冷熱利用システムを構築することができる。従って、２段圧縮ヒートポンプシステムの用途を拡大することができる。なお、利用側のシステムを直膨方式システムとチラー方式システムとを混在させた構成としてもよいことは勿論である。

本発明の２段圧縮ヒートポンプシステムによると、２温度帯で温熱を利用できるシステムのサイクルを簡素に構成することができるため、常に２段圧縮機の低段側圧縮機から冷媒を吸い込むことができる簡素な構成の２温度帯の２段圧縮ヒートポンプシステムを得ることができるとともに、２温度帯毎の温熱利用の単独運転を電磁弁等の追加のみで簡易に実施できるため、各温度帯でそれぞれ単独運転する場合においても、２段圧縮機を２段圧縮動作させることにより、高効率で運転することができる。

また、本発明の２段圧縮ヒートポンプシステムによると、２温度帯で同時に冷熱を利用することができるとともに、この場合、第３電磁弁が開、第４電磁弁が閉とされていることから、各々のシステムで利用した冷媒を圧力に応じて低段側圧縮機および高段側圧縮機に吸い込ませることができる。また、極低温の冷熱のみを利用する場合、第３電磁弁および第４電磁弁を共に閉、低温の冷熱のみを利用する場合、第３電磁弁を閉、第４電磁弁を開とすることにより、共に２段圧縮機を２段圧縮機として機能させながら２温度帯毎に単独で運転することができるため、電磁弁の追加と、その切換え制御のみで２温度帯での同時冷熱利用、極低温または低温のいずれか単独での冷熱利用運転を行わせることができるとともに、単独での冷熱利用運転時には、いずれの場合においても、２段圧縮機を２段圧縮動作させることにより高効率で運転することができる。

本発明の第１実施形態に係る２段圧縮ヒートポンプシステムの冷媒回路図である。 本発明の第２実施形態に係る２段圧縮ヒートポンプシステムの冷媒回路図である。 図２に示す２段圧縮ヒートポンプシステムの電磁弁および膨張弁の開閉状態を説明する表である。 本発明の第３実施形態に係る２段圧縮ヒートポンプシステムの冷媒回路図である。 図４に示す２段圧縮ヒートポンプシステムの電磁弁および膨張弁の開閉状態を説明する表である。 本発明の第４実施形態に係る２段圧縮ヒートポンプシステムの冷媒回路図である。 図６に示す２段圧縮ヒートポンプシステムの電磁弁および膨張弁の開閉状態を説明する表である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
図１には、本発明の第１実施形態に係る２段圧縮ヒートポンプシステムの冷媒回路図が示されている。
本実施形態の２段圧縮ヒートポンプシステム１は、単一のハウジング３内に低段側圧縮機４と、高段側圧縮機５とを備えた２段圧縮機２を備えている。

この２段圧縮機２は、ハウジング３内が中間圧とされ、低圧の冷媒ガスを低段側圧縮機４により吸い込んで中間圧まで圧縮した後、ハウジング３内に吐出し、その中間圧の冷媒を高段側圧縮機５で吸い込んで高圧に２段圧縮する構成とされたものであり、低段側圧縮機４と高段側圧縮機５は、同一の回転軸上に設けられ、単一のモータで回転駆動される構成とされている。低段側および高段側圧縮機４，５としては、様々な形式の圧縮機を用いることができる。例えば、低段側圧縮機４および高段側圧縮機５を共にロータリ式の圧縮機としたものや、低段側圧縮機４をロータリ式の圧縮機、高段側圧縮機５をスクロール式の圧縮機としたもの等が挙げられる。

２段圧縮機２における高段側圧縮機５からの吐出配管６に、高温熱交換器７としての冷媒／水熱交換器を接続することにより、高圧冷媒を高温の熱源として高温熱交換器７で高温水を製造できる構成としている。この高温熱交換器７の水側回路２１に対して水ポンプ２２により水を循環させ、高圧冷媒と熱交換させて得られた高温水をラジエータ、給湯タンク等の利用側機器２３で直接あるいは貯湯して利用できる構成とすることにより、高温側熱利用システム２４が構成されている。

また、２段圧縮機２における低段側圧縮機４で圧縮された中間圧の冷媒の一部を導く中間圧冷媒吐出配管８に逆止弁９を介して、中温熱交換器１０としての冷媒／水熱交換器を接続することにより、中間圧冷媒を中温の熱源として中温熱交換器１０で中温水を製造できる構成としている。この中温熱交換器１０の水側回路３１に対して水ポンプ３２により水を循環させ、中間圧冷媒と熱交換させて得られた中温水を床暖房パネル等の利用側機器３３で直接あるいは間接的に利用できる構成とすることにより、中温側熱利用システム３４が構成されている。

高温側熱利用システム２４の高温熱交換器７および中温側熱利用システム３４の中温熱交換器１０で水と熱交換されて凝縮液化された冷媒は、第１膨張弁（ＥＥＶ−Ａ）１１および第２膨張弁（ＥＥＶ−Ｂ）１２で減圧された後、合流されて空気熱交換器１３に導入され、ここで送風機１４により流通される外気と熱交換されて蒸発ガス化される。この冷媒は、直接あるいはアキュームレータ等を経て２段圧縮機２の低段側圧縮機４に吸入される構成とされている。

以上に説明の構成により、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
２段圧縮機２で２段圧縮され、その高段側圧縮機５から吐出された高圧の冷媒は、吐出配管６を介して高温熱交換器７に導入される。この冷媒は、高温熱交換器７で高温の熱源として利用され、水ポンプ２２を介して循環される水と熱交換することにより高温水の製造に供される。この高温水は、高温側熱利用システム２４の利用側機器２３において適宜利用に供される。

一方、２段圧縮機２の低段側圧縮機４で圧縮された中間圧の冷媒の一部は、中間圧冷媒吐出配管８から逆止弁９を経て中温熱交換器１０側に導入される。この中温熱交換器１０に導入された中間圧冷媒は、中温熱交換器１０において中温の熱源として利用され、水ポンプ３２を介して循環される水と熱交換することにより中温水の製造に供される。この中温水は、中温側熱利用システム３４の利用側機器３３において適宜利用に供される。

高温熱交換器７および中温熱交換器１０で凝縮液化された冷媒は、第１膨張弁（ＥＥＶ−Ａ）１１および第２膨張弁（ＥＥＶ−Ｂ）１２で減圧された後、合流されて空気熱交換器１３に導入され、ここで外気と熱交換することにより、外気から吸熱して蒸発ガス化される。その後、２段圧縮機２の低段側圧縮機４に吸い込まれ、以下同様の動作を繰り返すことにより、２温度帯の温水を同時に取り出しできるシステムとして利用される。
なお、２温度帯の温水は、中温の温水を、例えば床暖房、高温の温水を、例えば暖房や保温あるいは給湯等に利用することができる。

斯くして、本実施形態によれば、高温側熱利用システム２４および中温側熱利用システム３４の２温度帯で同時に温熱を利用することができるとともに、各々のシステム２４および３４で利用した冷媒を第１膨張弁１１および第２膨張弁１２へ経て合流させ、その冷媒を空気熱交換器１３で蒸発ガス化した後、２段圧縮機２の低段側圧縮機４に吸い込ませるようにしているため、２温度帯で温熱を利用できるシステムのサイクルを簡素に構成することができる。

従って、常に２段圧縮機２の低段側圧縮機４から冷媒を吸い込むことができる簡素な構成の２温度帯の２段圧縮ヒートポンプシステム１を得ることができる。また、後述する第２実施形態の如く、２温度帯毎の温熱利用の単独運転を電磁弁等の追加のみで簡易に実施できるようにするための基本サイクルを提供することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図２および図３を用いて説明する。
本実施形態は、上記した第１実施形態に対して、２温度帯毎に高温、中温のいずれかで単独温熱利用運転が行える構成とした点が異なる。その他の点については、第１実施形態と同様であるので説明は省略する。
本実施形態においては、図１に示した第１実施形態の回路構成に加えて、図２に示されるように、高段側圧縮機５からの吐出配管６と、中温熱交換器１０の入口との間に、第１電磁弁（Ａ）１５を備えたバイパス回路１６が設けられるとともに、低段側圧縮機４で圧縮された中間圧冷媒の一部を中温熱交換器１０に導く中間圧冷媒吐出配管８中に第２電磁弁（Ｂ）１７が設けられた構成とされている。

上記の如く、第１電磁弁（Ａ）１５を備えたバイパス回路１６および第２電磁弁（Ｂ）１７を設けた構成とし、図３に示されるように、第１電磁弁（Ａ）１５を閉、第２電磁弁（Ｂ）１７を開、第１膨張弁（ＥＥＶ−Ａ）１１および第２膨張弁（ＥＥＶ−Ｂ）１２を共に開とすることにより、２温度帯で高温、中温の温熱を同時利用することができるだけでなく、第１電磁弁（Ａ）１５を開、第２電磁弁（Ｂ）１７を閉、第２膨張弁（ＥＥＶ−Ｂ）１２を閉とすることにより、中温での単独温熱利用運転を行うことができ、また、第１電磁弁（Ａ）１５を閉、第２電磁弁（Ｂ）１７を閉、第２膨張弁（ＥＥＶ−Ｂ）１２を開（この場合、第１膨張弁（ＥＥＶ−Ａ）１１は閉）とすることにより、高温での単独温熱利用運転を行うことができる。

そして、この中温のみまたは高温のみの利用により単独運転する場合、いずれの場合においても、２段圧縮機２を低段側圧縮機４により低圧冷媒を中間圧に圧縮し、その中間圧の冷媒を高段側圧縮機５で高圧まで圧縮するように２段圧縮動作させることができる。

斯くして、本実施形態によると、第１電磁弁（Ａ）１５および第２電磁弁（Ｂ）１７の追加と、その切換え制御のみで２温度帯での同時温熱利用、高温または中温のいずれか単独での温熱利用運転を行うことができるとともに、単独での温熱利用運転時には、いずれの場合においても、２段圧縮機２を２段圧縮動作させることにより高効率で運転することができる。つまり、２段圧縮機２の場合、１段当たりの差圧が小さくなり、漏れ損失を低減できることから、圧縮効率を高めることができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について、図４および図５を用いて説明する。
本実施形態は、上記した第１および第２実施形態に対して、２温度帯で冷熱を利用できるシステムとしている点が異なる。第１および第２実施形態と同様の部分については説明を省略する。
本実施形態の２段圧縮ヒートポンプシステム１Ａは、上記と同様の２段圧縮機２を備えている。２段圧縮機２で２段圧縮され、その高段側圧縮機５から吐出配管６を経て吐出された高圧の冷媒を放熱器（凝縮器）４０に導入し、送風機４１により流通される外気と熱交換させ、凝縮液化させるようにしている。

放熱器（凝縮器）４０で凝縮された冷媒を２系統の回路に分岐し、一方の回路を、第３膨張弁（ＥＥＶ−Ｃ）４２を介して極低温熱交換器４４に接続し、他方の回路を、第４膨張弁（ＥＥＶ−Ｄ）４３を介して低温熱交換器４５に接続することによって、それぞれの熱交換器４４，４５に冷媒を分流できる構成としている。

本実施形態において、極低温熱交換器４４は、冷媒／水熱交換器とされており、第３膨張弁（ＥＥＶ−Ｃ）４２で減圧された低圧冷媒を冷熱源として極低温熱交換器４４で極低温水（冷水）を製造できる構成とされている。この極低温熱交換器４４の水側回路６１に対して水ポンプ６２により水を循環させ、第３膨張弁（ＥＥＶ−Ｃ）４２で減圧された低圧冷媒と熱交換させて得られた数度レベルの極低温水（冷水）をラジエータ、給水タンク等の利用側機器６３で直接あるいは貯水して利用できる構成とすることにより、極低温側熱利用システム６４が構成されている。

同様に、低温熱交換器４５も冷媒／水熱交換器とされ、第４膨張弁（ＥＥＶ−Ｄ）４３で減圧された中間圧の冷媒を冷熱源として低温熱交換器４５で低温水（冷水）を製造できる構成とされている。この低温熱交換器４５の水側回路７１に対して水ポンプ７２により水を循環させ、第４膨張弁（ＥＥＶ−Ｄ）４３で減圧された中間圧冷媒と熱交換させて得られた低温水（冷水）を床冷房パネル等の利用側機器７３で直接あるいは間接的に利用できる構成とすることにより、低温側熱利用システム７４が構成されている。

極低温側熱利用システム６４の極低温熱交換器４４で水と熱交換して蒸発ガス化された低圧冷媒は、吸入配管４６を経て２段圧縮機２の低段側圧縮機４に吸入され、低温側熱利用システム７４の低温熱交換器４５で水と熱交換して蒸発ガス化された中間圧冷媒は、逆止弁４８を備えた吸入配管４７を経て２段圧縮機２のハウジング３内に吸い込まれ、２段圧縮機２の高段側圧縮機５に吸入されるように配管接続されている。

また、吸入配管４７には、吸入配管４７を開閉する第３電磁弁（Ｃ）４９が設けられているとともに、この吸入配管４７中の逆止弁４８と第３電磁弁（Ｃ）４９との間と、吸入配管４６との間に、第４電磁弁（Ｄ）５１を備えたバイパス回路５０が接続されている。
なお、本実施形態においては、極低温側熱利用システム６４および低温側熱利用システム７４を、極低温熱交換器４４および低温熱交換器４５で水（ブライン）を冷却して利用する、いわゆるチラー方式のシステムとしている。

以上に説明の構成により、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
２段圧縮機２で２段圧縮され、その高段側圧縮機５から吐出された高圧の冷媒は、吐出配管６を介して放熱器（凝縮器）４０に導入される。この冷媒は、送風機４１を介して通風される外気と熱交換して凝縮された後、放熱器（凝縮器）４０の出口側で２系統に分流され、第３膨張弁（ＥＥＶ−Ｃ）４２および第４膨張弁（ＥＥＶ−Ｄ）４３に至り、それぞれ低圧および中間圧に減圧される。

第３膨張弁（ＥＥＶ−Ｃ）４２を経て極低温熱交換器４４に導入された低圧冷媒は、極低温熱交換器４４で極低温熱源として利用され、水ポンプ６２を介して循環される水と熱交換することにより極低温水（冷水）の製造に供される。この極低温水（冷水）は、極低温側熱利用システム６４の利用側機器６３において適宜利用に供される。一方、第４膨張弁（ＥＥＶ−Ｄ）４３を経て低温熱交換器４５に導入された中間圧冷媒は、低温熱交換器４５で低温熱源として利用され、水ポンプ７２を介して循環される水と熱交換することにより低温水（冷水）の製造に供される。この低温水（冷水）は、低温側熱利用システム７４の利用側機器７３において適宜利用に供される。

この場合、図５に示されるように、第３電磁弁（Ｃ）４９が開、第４電磁弁（Ｄ）５１が閉とされている。このため、極低温熱交換器４４で水と熱交換して蒸発ガス化された低圧冷媒は、吸入配管４６を経て２段圧縮機２の低段側圧縮機４に吸い込まれ、また、低温熱交換器４５で水と熱交換して蒸発ガス化された中間圧冷媒は、吸入配管４７を経て２段圧縮機２のハウジング３内に吸い込まれ、低段側圧縮機４で中間圧まで圧縮された冷媒と合流して高段側圧縮機５に吸入されることにより再圧縮される。以下同様の動作を繰り返すことにより、２温度帯の冷水を同時に取り出しできるシステムとして利用される。
なお、２温度帯の冷水は、低温の冷水を、例えば床冷房、極低温の冷水を、例えば冷房や保冷等に利用することができる。

また、２温度帯毎に極低温、低温のいずれか一方による単独冷熱利用運転を行うことができる。つまり、図５に示されるように、第３電磁弁（Ｃ）４９を閉、第４電磁弁（Ｄ）５１を開、第３膨張弁（ＥＥＶ−Ｃ）４２を閉とすることによって、低温側熱利用システム７４のみを利用した単独冷熱利用運転を行うことができ、また、第３電磁弁（Ｃ）４９を閉、第４電磁弁（Ｄ）５１を閉、第３膨張弁（ＥＥＶ−Ｃ）４２を開（この場合、第４膨張弁（ＥＥＶ−Ｄ）４３は閉）とすることにより、極低温側熱利用システム６４のみを利用した単独冷熱利用運転を行うことができる。

そして、この低温のみまたは極低温のみの利用により単独運転する場合、いずれの場合においても、２段圧縮機２を低段側圧縮機４で低圧冷媒を中間圧に圧縮し、その冷媒を高段側圧縮機５で高圧まで圧縮するように２段圧縮動作させることができる。

斯くして、本実施形態によると、高段側圧縮機５から吐出された高圧冷媒を放熱器（凝縮器）４０で放熱させ、その冷媒を第３膨張弁（ＥＥＶ−Ｃ）４２で減圧した後、極低温側熱利用システム６４で利用し、第４膨張弁（ＥＥＶ−Ｄ）４３で減圧した後、低温側熱利用システム７４で利用することにより、２温度帯で同時に冷熱を利用することができるとともに、この場合、第３電磁弁（Ｃ）４９が開、第４電磁弁（Ｄ）５１が閉とされていることから、各々のシステム６４，７４で利用した冷媒を圧力に応じて低段側圧縮機４および高段側圧縮機５に吸い込ませることができる。

さらに、極低温の冷熱のみを利用する場合、第３電磁弁（Ｃ）４９、第４電磁弁（Ｄ）５１を共に閉、低温の冷熱のみを利用する場合は、第３電磁弁（Ｃ）４９を閉、第４電磁弁（Ｄ）５１を開とすることにより、各々で２段圧縮機２を２段圧縮機として機能させながら２温度帯毎に単独運転することができる。従って、電磁弁４９，５１の追加と、その切換え制御のみで２温度帯での同時冷熱利用、極低温または低温のいずれか単独での冷熱利用運転を行わせることができるとともに、単独での冷熱利用運転時には、いずれの場合においても、２段圧縮機２を２段圧縮動作させることによって高効率で運転することができる。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について、図６および図７を用いて説明する。
本実施形態は、上記した第３実施形態に対して、冷熱利用システムを直膨方式のシステムとしている点が異なっている。その他の点については、第３実施形態と同様であるので説明は省略する。
本実施形態においては、図６に示されるように、極低温側熱利用システム８４の極低温熱交換器４４Ａを、冷媒を直接膨張させる直膨方式の冷凍用蒸発器とし、送風機８５で循環される空気を冷却して冷凍用に供する構成としている。また、低温側熱利用システム９４の低温熱交換器４５Ａを、冷媒を直接膨張させる直膨方式の冷蔵用蒸発器とし、送風機９５で循環される空気を冷却して冷蔵用に供する構成としている。

このように、冷熱利用システムを直膨方式の冷凍用蒸発器４４Ａを用いた極低温側熱利用システム８４あるいは直膨方式の冷蔵用蒸発器４５Ａを用いた低温側熱利用システム９４とすることにより、２温度帯の冷凍・冷蔵庫用の２段圧縮ヒートポンプシステム等に適用し、冷凍・冷蔵の同時運転またはいずれかによる単独運転を行うことができる。

然して、本実施形態によれば、極低温側熱利用システム８４および低温側熱利用システム９４として、第３実施形態の如く、チラー方式のシステムだけでなく、直膨方式のシステムを用いることができるため、用途に応じて直膨方式および／またはチラー方式のいずれかの冷熱利用システムを選択することにより、多様な冷熱利用システムを構築することができる。従って、２段圧縮ヒートポンプシステムの用途を拡大することができる。

なお、本発明は、上記実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。例えば、上記実施形態では、２段圧縮機２を単一のハウジング３内に低段側圧縮機４と、高段側圧縮機５とを設けたものとしているが、２台の独立した低段側圧縮機４と高段側圧縮機５とをシリーズに接続した２段圧縮機を用いた構成としてもよいことは云うまでもない。

また、第３実施形態においては、冷熱利用システムをチラー方式とした例、第４実施形態においては、冷熱利用システムを直膨方式とした例について説明したが、両方式のシステムが混在しているものであってもよい。

１，１Ａ ２段圧縮ヒートポンプシステム
２ ２段圧縮機
４ 低段側圧縮機
５ 高段側圧縮機
７ 高温熱交換器
１０ 中温熱交換器
１１ 第１膨張弁（ＥＥＶ−Ａ）
１２ 第２膨張弁（ＥＥＶ−Ｂ）
１３ 空気熱交換器
１５ 第１電磁弁（Ａ）
１６ バイパス回路
１７ 第２電磁弁（Ｂ）
２４ 高温側熱利用システム
３４ 中温側熱利用システム
４０ 放熱器（凝縮器）
４２ 第３膨張弁（ＥＥＶ−Ｃ）
４３ 第４膨張弁（ＥＥＶ−Ｄ）
４４，４４Ａ 極低温熱交換器
４５，４５Ａ 低温熱交換器
４６，４７ 吸入配管
４９ 第３電磁弁（Ｃ）
５０ バイパス回路
５１ 第４電磁弁（Ｄ）
６４，８４ 極低温側熱利用システム
７４，９４ 低温側熱利用システム

Claims (4)

1. 低段側圧縮機および高段側圧縮機を備え、前記低段側圧縮機に吸入した低圧冷媒を該低段側圧縮機および前記高段側圧縮機で順次２段圧縮する２段圧縮機と、
   前記高段側圧縮機から吐出された高圧の冷媒を高温熱源とし、高温熱交換器を介して利用とする高温側熱利用システムと、
   前記低段側圧縮機から吐出された中間圧冷媒を中温熱源とし、中温熱交換器を介して利用とする中温側熱利用システムと、
   前記高温熱交換器および前記中温熱交換器からの冷媒を、それぞれ減圧する第１膨張弁および第２膨張弁と、
   前記第１膨張弁および前記第２膨張弁で減圧された冷媒を合流し、その冷媒を外気と熱交換させて蒸発ガス化した後、前記低段側圧縮機に吸入させる空気熱交換器と、を備え、
   ２温度帯での温熱利用を可能としたことを特徴とする２段圧縮ヒートポンプシステム。
2. 前記高段側圧縮機から吐出された冷媒を前記中温熱交換器の入口に導く第１電磁弁を備えたバイパス回路と、前記低段側圧縮機から吐出された冷媒を前記中温熱交換器に導く回路に設けられた第２電磁弁とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の２段圧縮ヒートポンプシステム。
3. 低段側圧縮機および高段側圧縮機を備え、前記低段側圧縮機に吸入した低圧冷媒を該低段側圧縮機および前記高段側圧縮機で順次２段圧縮する２段圧縮機と、
   前記高段側圧縮機から吐出された高圧の冷媒を放熱させる放熱器と、
   前記放熱器からの冷媒をそれぞれ減圧する第３膨張弁および第４膨張弁と、
   前記第３膨張弁を経た冷媒を極低温熱源とし、極低温熱交換器を介して利用する極低温側熱利用システムと、
   前記第４膨張弁を経た冷媒を低温熱源とし、低温熱交換器を介して利用する低温側熱利用システムと、
   前記極低温熱交換器を経た冷媒を前記低段側圧縮機の吸入側に導き、前記低温熱交換器を経た冷媒を前記高段側圧縮機の吸入側に導く冷媒回路と、
   前記低温熱交換器を経た冷媒を前記低段側圧縮機の吸入側に導く第３電磁弁を備えたバイパス回路および前記低温熱交換器を経た冷媒を前記低段側圧縮機の吸入側に導く冷媒回路に設けられた第４電磁弁と、を備え、
   ２温度帯での冷熱利用を可能としたことを特徴とする２段圧縮ヒートポンプシステム。
4. 前記極低温側熱利用システムおよび前記低温側熱利用システムは、前記極低温熱交換器および前記低温熱交換器で冷媒を直接膨張させて利用する直膨方式のシステムおよび／または前記極低温熱交換器および前記低温熱交換器でブラインを冷却して利用するチラー方式のシステムのいずれかが選択可能とされていることを特徴とする請求項３に記載の２段圧縮ヒートポンプシステム。
   

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