JP2014074508A - カスケード熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】補助蒸発器や通常のカスケードサイクルシステムでは用いられていないファンを新たに付加することなく、単元サイクル運転とカスケードサイクル運転の切替を可能とするカスケード熱交換器を提供する。
【解決手段】１次側冷媒回路１と、２次側冷媒回路２とからなるカスケードサイクルシステム１００において、前記１次側冷媒回路１及び前記２次側冷媒回路２を連結するためのカスケード熱交換器２００であって、前記１次側凝縮部１３を形成する１次側凝縮部冷媒流路１３ａと、前記２次側蒸発部２５を形成する２次側蒸発部冷媒流路２５ａと、前記２次側凝縮部２３を形成する２次側凝縮部冷媒流路２３ａと、熱交換対象である対象媒体が流れる対象媒体流路３３とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、カスケードサイクルシステムにおいて、１次側冷媒回路と２次側冷媒回路とを連結するためのカスケード熱交換器に関するものである。

例えばヒートポンプを用いて比較的高温の温水を作る場合等に、１次側冷媒回路の凝縮部において発生する熱を２次側冷媒回路の蒸発部において吸収するように１次側凝縮部及び２次側蒸発部をカスケード熱交換器により接続したカスケードサイクルが用いられている。

このようなカスケードサイクルを用いることにより、暖房・給湯負荷が大きく、外気温が低いといった厳しい運転条件であっても、圧縮比が大きく高効率での運転が可能となる。

ところで、このようなカスケードサイクルは逆に暖房・給湯負荷が小さく、外気温が比較的高い温度の場合には、逆に通常の単元サイクルで構成されたヒートポンプよりも運転効率が劣ってしまうことがある。

このような問題を解決するために、特許文献１、２等では１つの冷媒回路のみが運転している単元サイクル運転と、２つの冷媒回路が両方とも運転しているカスケードサイクル運転とを切替可能にしたカスケードサイクルが提案されている。

特許文献１に記載のカスケードサイクルは、２次側冷媒回路において、カスケード熱交換器内に形成されている蒸発部とは別に、補助蒸発器とこの補助蒸発器に対して送風するためのファンを設けてられている。そして、このカスケードサイクルは、運転負荷や外気温条件に応じて２次側冷媒回路のみで運転し、前補助蒸発器により外気との間で熱交換を行うことで、単元サイクル運転での暖房・給湯を可能としたものである。

また、特許文献２のカスケードサイクルでは、カスケード熱交換器には通常設けられないカスケード熱交換器用のファンが設けられており、２次側冷媒回路のみを運転する単元サイクル運転時のみ、前記ファンを起動して空気熱交換器としての機能を発揮するように構成されている。

しかしながら、特許文献１のように通常のカスケードサイクルには用いられていない補助蒸発器及びファンを設けると、部品点数が増えることにより製造コストが上がってしまったり、ファンを付加した分だけ消費電力が大きくなったりしてしまう。また、２次側冷媒回路は室内ユニットとして構成されるが、補助熱交換器とファンは騒音の問題から室内に設置することは現実的ではなく、室外ユニットに組み入れる必要がある。このため、１次側冷媒回路だけでなく、補助蒸発器及びファンも室外ユニットに収容されるので、前記室外ユニットが大型化してしまい、十分な設置スペースがとれる場所にしかカスケードサイクルを導入できなくなってしまう。

また、特許文献２でもカスケード熱交換器に通常用いられないファンを設置しているので特許文献１のカスケードサイクルと略同様の問題が生じてしまう。

特開平０９−１１９７２６号公報 特開２０００−３２０９１４号公報

そこで、本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、補助蒸発器や通常のカスケードサイクルシステムでは用いられていないファンを新たに付加することなく、単元サイクル運転とカスケードサイクル運転の切替を可能とするカスケード熱交換器を提供することを目的とする。

すなわち、本発明のカスケード熱交換器は、１次側圧縮機、１次側凝縮部、１次側蒸発部が環状に回路をなす１次側冷媒回路と、２次側圧縮機、２次側凝縮部、２次側蒸発部が環状に回路をなす２次側冷媒回路とからなるカスケードサイクルシステムにおいて、前記１次側冷媒回路及び前記２次側冷媒回路を連結するためのカスケード熱交換器であって、前記１次側凝縮部を形成する１次側凝縮部冷媒流路と、前記２次側蒸発部を形成する２次側蒸発部冷媒流路と、前記２次側凝縮部を形成する２次側凝縮部冷媒流路と、熱交換対象である対象媒体が流れる対象媒体流路とを備える事を特徴とする。

このようなものであれば、前記カスケード熱交換器が、前記１次側凝縮部冷媒流路と、前記２次側蒸発部冷媒流路と、前記２次側凝縮部冷媒流路と、前記対象媒体流路とを備えており、３種の流体が流入するように構成されているので、前記１次側圧縮機及び前記２次側圧縮機を稼働させることにより、前記２次側凝縮部冷媒流路と前記対象媒体流路との間で熱交換が生じカスケードサイクル運転時を実現することができる。

一方、前記１次側圧縮機を稼働し、前記２次側圧縮機を停止している場合には、前記２次側凝縮部冷媒流路には冷媒が流通しないので、前記対象場体流路と前記２次側凝縮部冷媒流路との間では熱交換は略生じず、冷媒の流通する前記１次側凝縮部冷媒流路との間で前記対象媒体流路は熱交換が生じることになる。従って、カスケード熱交換器において前記２次側冷媒回路を介さずに、１次側冷媒回路と前記対象媒体流路との間で直接熱交換を生じさせることができる。

また、前記１次側冷媒回路において前記１次側蒸発部は、通常外気との熱交換が生じるように元々構成されているので、単元サイクル運転を行うために新たに熱交換用のファンを設ける必要がない。言い換えると、前記カスケード熱交換器の構成により単元サイクル運転時に前記２次側冷媒回路のみを運転させるのではなく、前記１次側冷媒回路のみを運転させればよいので、新たなファンや蒸発器を設ける必要がない。

従って、本発明の前記カスケード熱交換器の流路構成により、新たな構成要素を追加することがなく、カスケードサイクル運転と単元サイクル運転を切り替えることが可能となる。このため、カスケードサイクルの部品点数が増え、製造コストが上昇したり、機器が大型化したりすることもない。

さらに、単元サイクル運転時は前記対象媒体流路及び前記１次側凝縮部の間で熱交換が行われ、カスケードサイクル運転時は前記対象媒体流路及び前記２次側凝縮部の間で熱交換が行われるように切替えることで、暖房給湯負荷・及び外気条件に応じて運転モードを切り替えることにより運転効率を高めることができる。

簡単な流路構成でカスケードサイクル運転と単元サイクル運転を切り替え可能にするためには、前記対象媒体流路が、前記１次側凝縮部冷媒流路と、前記２次側凝縮部冷媒流路の両方に隣接して設けられていればよい。このようなものであれば、前記１次側圧縮機と前記２次側圧縮機の両方が稼働している場合には、より高温となる前記２次側凝縮部流路との間で主に熱交換が生じる。また、前記１次側圧縮機のみを稼働させ、前記２次側圧縮機を停止させている場合には、前記２次側凝縮部冷媒流路には冷媒が流通せず、ほとんど熱交換が生じず、冷媒の流通する前記１次側凝縮部流路と前記対象媒体流路との間で略熱交換が生じて単元サイクル運転を実現することができる。

カスケードサイクル運転時において、前記対象媒体流路ができるだけ他の流路との間で熱交換が生じないようにし、より効率のようにカスケードサイクル運転及び単元サイクル運転を実現できるようにするには、前記対象媒体流路が、前記２次側凝縮部冷媒流路と隣接するカスケードサイクル用流路と、前記１次側凝縮部冷媒流路と隣接する単元サイクル用流路とを具備するものであればよい。

カスケード熱交換器をコンパクトでかつ高強度に形成するとともに、所望の流路間での熱交換を生じやすくするには、前記１次側凝縮部冷媒流路、前記２次側蒸発部冷媒流路、前記２次側凝縮部冷媒流路、及び、前記対象媒体流路の少なくとも一部が、ハニカム構造を形成するものであればよい。

所望の流路間での熱交換量は大きくするとともに、それ以外の流路間の熱交換はできるだけ生じないようにするには、前記１次側凝縮部冷媒流路、前記２次側蒸発部冷媒流路、前記２次側凝縮部冷媒流路、及び、前記対象媒体流路の少なくとも一部の横断面が、概略六角形形状に形成されており、その六角形形状が、少なくとも２辺が他の４辺よりも長い長辺となるように形成されていればよい。このようなものであれば、前記長辺で隣接する流路間において熱交換量を大きくし、それ以外の辺と隣接する流路との間で生じる熱交換量は小さくすることができる。

カスケードサイクル運転時における効率をより高めるための流路配置としては、前記対象媒体流路と、前記２次側凝縮部冷媒流路とが長辺同士で隣接しているものが挙げられる。

単元サイクル運転時における効率をより高めるための流路配置としては、前記対象媒体流路と、前記１次側凝縮部冷媒流路とが長辺同士で隣接しているものが挙げられる。

前記対象媒体流路と前記蒸発部冷媒流路との間では熱交換量を小さくし、前記対象媒体流路と前記１次側凝縮部流路又は前記２次側凝縮部流路との間での熱交換量を大きくして効率よくカスケードサイクルシステムを運転できるようにするには、前記対象媒体流路と、前記２次側蒸発部冷媒流路との接触面積が、当該対象媒体流路と前記１次側凝縮部冷媒流路又は前記２次側凝縮部冷媒流路との接触面積よりも小さくなるように構成されていればよい。

単元サイクル運転時において対象媒体流路と前記１次側凝縮部冷媒流路との間での熱交換をより向上させ、運転効率を高めるには、前記１次側凝縮部冷媒流路、前記２次側蒸発部冷媒流路、前記２次側凝縮部冷媒流路、及び、前記カスケードサイクル用流路がハニカム構造を形成しており、前記単元サイクル用流路が、前記ハニカム構造に沿った断面長方形状を有したものであればよい。

単元サイクル運転時における効率を更に高めるには、前記単元サイクル用流路が、前記ハニカム構造から突出するフィンを内部に有するものであればよい。

各流路によりハニカム構造等を形成しながら容易に作成できるようにするには、前記１次側凝縮部冷媒流路、前記２次側蒸発部冷媒流路、前記２次側凝縮部冷媒流路、及び、前記対象媒体流路の少なくとも一部が、面板方向に延びる凹凸構造を有した伝熱プレートを厚さ方向に積層して形成されているものであればよい。

各流路の断面形状を六角形状にしやすく、軽くて高強度のカスケード熱交換器を構成するには、前記凹凸構造の横断面における凸部又は凹部が等脚台形状に形成されていればよい。

このように本発明のカスケード熱交換器であれば、前記１次側凝縮部冷媒流路及び前記２次側蒸発部流路だけでなく、前記２次側凝縮部冷媒流路と前記対象媒体流路も流入しているので、前記１次側圧縮機だけを稼働させて、前記対象媒体流路と前記１次側冷媒回路だけで熱交換させて単元サイクル運転を実現できる。従って、前記２次側冷媒回路に補助蒸発器や外気との熱交換のためのファン等を設けてなくてもカスケードサイクル運転と単元サイクル運転の切替を実現できるので、製造コストの上昇や、機器の大型化を招くこともない。また、運転条件に応じて単元サイクル運転とカスケードサイクル運転にそれぞれ切り替えることができるので、どのような運転条件でも高効率を達成できる。

本発明の第１実施形態に係るカスケードサイクルシステムのカスケードサイクル運転時の状態を示す模式的回路図。 同第１実施形態における単元サイクル運転時の状態を示す模式的回路図。 同第１実施形態におけるカスケード熱交換器を示す模式的斜視図。 同第１実施形態におけるカスケード熱交換器の横断面を示す模式的断面図。 同第１実施形態におけるカスケード熱交換器の最小構成単位を示す模式的断面。拡大図。 同第１実施形態におけるカスケード熱交換器を構成する伝熱プレートの形状及び組み合わせに関して示す模式図。 同第１実施形態における伝熱プレートを面板方向から視た場合の模式図。 同第１実施形態における伝熱プレートに形成されるフィン形状の例を示す模式図。 本発明の第２実施形態に係るカスケードサイクルシステムのカスケードサイクル運転時の状態を示す模式的回路図。 同第２実施形態における単元サイクル運転時の状態を示す模式的回路図。 同第２実施形態におけるカスケード熱交換器の横断面を示す模式的断面図 同第２実施形態におけるカスケード熱交換器の最小構成単位を示す模式的断面拡大図。 同第２実施形態におけるカスケード熱交換器を構成する伝熱プレートの形状及び組み合わせに関して示す模式図。 同第２実施形態における伝熱プレートを面板方向から視た場合の模式図。 同第２実施形態における伝熱プレートが差し込まれる各ヘッダープレートの形状を示す模式図。 その他の実施形態における伝熱プレートの形状を示す模式図。

本発明の第１実施形態について図面を参照しながら説明する。

本実施形態のカスケード熱交換器２００は、２つの冷媒回路を備えたヒートポンプであり、例えば寒冷地であっても高温の温水を供給するためのカスケードサイクルシステム１００を構成するためのものである。

前記カスケードサイクルシステム１００は、図１及び図２に示すように室外ユニットＥＸとして構成される１次側冷媒回路１と、室内ユニットＩＮとして構成される２次側冷媒回路２と、前記１次側冷媒回路１又は前記２次側冷媒回路２から熱を供給される対象媒体である水が流れる水媒体回路３と、から構成してある。また、前記カスケードサイクルシステム１００は、前記１次側冷媒回路１、前記２次側冷媒回路２、前記水媒体回路３を連結する前記カスケード熱交換器２００、及び、前記１次側冷媒回路１、前記２次側冷媒回路２、前記水媒体回路３の動作を制御する制御機構（図示しない）を有する。

各部について説明する。

前記１次側冷媒回路１は、図１及び図２に示すように１次側圧縮機１１、１次側四方弁１２、１次側凝縮部１３、１次側膨張弁１４、１次側蒸発部１５、１次側アキュームレータ１６が環状をなすように接続してある。また、前記１次側蒸発部１５は外気のとの熱交換を行うために送風ファンＦも設けてある。

前記２次側冷媒回路２は、２次側圧縮機２１、２次側四方弁２２、２次側凝縮部２３、２次側膨張弁２４、２次側蒸発部２５、２次側アキュームレータ２６が環状をなすように接続してある。また、第１実施形態の前記２次側冷媒回路２においては、前記２次側凝縮部２３も前記カスケード熱交換器２００内に形成してあり、前記水媒体回路３との間だけで熱交換が行われる熱交換器は設けていない点が従来のものと異なっている。

前記水媒体回路３は、前記カスケード熱交換器２００において熱交換が行われる吸熱流路３３（請求項での対象媒体流路に相当）と、室内暖房器に相当する放熱部３１と、前記吸熱流路３３と前記放熱部３１の間で水を循環させるポンプ３２とによって回路を構成してある。さらに、前記水媒体回路３は、暖められた水をためておくものであり、前記放熱部３１の出口側と入口側をバイパスするように設けられた貯湯タンク３４と、前記貯湯タンク３４からの前記放熱部３１への水の流入を制御する三方弁とを備えている。

前記吸熱流路３３は、前記カスケード熱交換器２００内に流入する並列に形成された単元サイクル用流路３３ｂとカスケードサイクル用流路３３ａと、前記単元サイクル用流路３３ｂ又は前記カスケードサイクル用流路３３ａのいずれかに水が流れるように切り替える流路切替弁３３ｃと、を備えている。

前記カスケード熱交換器２００は、図３に示すように概略直方体形状をなすように形成されたものであり、前記１次側凝縮部１３と、前記２次側凝縮部２３と、前記２次側蒸発部２５と、前記吸熱流路３３と、が一体となって形成された熱交換器である。図３に示すように直方体の一端側側面と他端側の側面に対向するように各回路の冷媒又は水が導入又は導出されるコネクタが設けてあり、一方のコネクタから流入した冷媒又は水は、カスケード熱交換器２００の中央部に形成された熱交換部を通ってその後もう一方のコネクタから出ていくことになる。また、隣接する各流路のうち熱交換を大きくしたいものについては、それぞれの向きが逆向きである対向流となるように各コネクタの入口と出口を設定してある。より具体的には、上端側のコネクタには、２次側凝縮部２３冷媒流路及び１次側凝縮部冷媒流路１３ａの入口と、前記カスケードサイクル用流路３３ａ、単元サイクル用流路３３ｂ、２次側蒸発部冷媒流路２５ａの出口が形成してある。また、下端側のコネクタには逆に２次側凝縮部２３冷媒流路及び１次側凝縮部冷媒流路１３ａの出口と、前記カスケードサイクル用流路３３ａ、単元サイクル用流路３３ｂ、２次側蒸発部冷媒流路２５ａの入口が形成してある。

前記カスケード熱交換器２００は、図１及び図２の模式的回路図及び図４の熱交換器の横断面図に示すように、前記吸熱流路３３に対して前記１次側凝縮部１３を形成する１次側凝縮部冷媒流路１３ａと、前記２次側凝縮部２３の形成する２次側凝縮部冷媒流路２３ａとが隣接するように設けてあり、前記２次側蒸発部２５を形成する２次側蒸発部冷媒流路２５ａと前記１次側凝縮部冷媒流路１３ａが隣接するようにしてある。

より詳細には、前記吸熱流路３３の前記単元サイクル用流路３３ｂは、前記１次側凝縮部冷媒流路１３ａと隣接するとともに、前記カスケードサイクル用流路３３ａは前記２次側凝縮部冷媒流路２３ａと隣接するようにしてある。そして、前記流路切替弁３３ｃにより単元サイクル用流路３３ｂ又はカスケードサイクル用流路３３ａのいずれに水媒体が流れるのかを切り替えることにより、吸熱する対象を前記１次側凝縮部１３、前記２次側凝縮部２３のいずれから前記吸熱流路３３が吸熱するのかを切り替えることができる。

前記カスケード熱交換器２００の最小構成単位の具体的な形状について説明すると、図３における仮想平面Ａにおける断面図である図４及び図５に示すように内部はハニカム構造伝熱面と層状面とが交互に重なった繰り返し構造となっている。すなわち、図４に示すように前記１次側凝縮部冷媒流路１３ａは、非対称六角形を対角線で２つに分割した台形形状を有したものであり、前記２次側凝縮部冷媒流路２３ａ、前記２次側蒸発部冷媒流路２５ａ、前記カスケードサイクル用流路３３ａは、その横断面が概略非対称六角形となっている。そして、前記単元サイクル用流路３３ｂは横断面が長尺線状に形成されており、前記１次側凝縮部冷媒流路１３ａである２つの台形の底辺に挟まれるように配置してある。

以下ではカスケード熱交換器２００内の各流路について具体的な形状及び隣接する流路との関係について説明する。

各流路は熱交換を大きくしたい流路同士の間においては接触する面積が大きくなるようにするとともに、熱交換をあまり生じさせたくない流路間では、接触面積を小さくするように構成してある。図５においては、熱交換を大きくしている境界部分を太実線矢印で示し、熱交換を小さくしている部分は点線矢印で示している。

前記１次側凝縮部冷媒流路１３ａは、線状の前記単元サイクル用流路３３ｂを挟むように設けられた２つの平型等脚台形要素から構成してあり、各等脚台形を構成する辺はいずれも高さよりも寸法が長く、下底、上底、脚の順番で寸法を長く設定してある。より具体的には、最も辺の長さが長い下底で前記単元サイクル用流路３３ｂと接触するようにして接触面積を大きくしてある。このようにすることで、単元サイクル運転時には前記１次側凝縮部冷媒流路１３ａと前記単元サイクル用流路３３ｂとの間で最も熱交換が行われるようにしてある。

さらに、前記１次側凝縮部冷媒流路１３ａの上底部分は、前記２次側蒸発部冷媒流路２５ａと接するようにしてあり、カスケードサイクル運転時において主に前記２次側蒸発部冷媒流路２５ａとの間で熱交換が行われるようにしてある。また、一方の平型等脚台形要素の脚は前記カスケードサイクル用流路３３ａに接するようにしてあり、他方の平型等脚台形要素の脚は前記２次側凝縮部冷媒流路２３ａと接するようにしてある。このため、１次側凝縮部１３の熱量は、カスケードサイクル運転時は、前記２次側蒸発部冷媒流路２５ａに最も伝導することになる。

次に前記カスケード熱交換器２００の内部に上述した流路構造を形成するための具体的な製造方法及び構成についてさらに説明する。

各流路を形成するための隔壁は、図６に示すように複数の伝熱プレートＴＰを積層して形成してある。具体的には、平板状の第１伝熱プレートＴＰ１と、凹凸構造が形成された第２伝熱プレートＴＰ２と、前記第２伝熱プレートとは違う形状の凹凸構造が形成された第３伝熱プレートＴＰ３を所定の順番に積層してある。すなわち、下から順番に第１伝熱プレートＴＰ１、第２伝熱プレートＴＰ２、第３伝熱プレートＴＰ３、第３伝熱プレートＴＰ３を表裏逆にしたもの、第２伝熱プレートＴＰ２を表裏逆にしたもの、第１伝熱プレートＴＰ１の順番で厚さ方向に積層して各流路を形成する。また、前記第１伝熱プレートＴＰ１の表面には例えば図８に示されるようなフィンが形成してあり、前記１次側凝縮部冷媒流路１３ａの熱が前記第１伝熱プレートＴＰ１を積層することで形成される単元サイクル用流路３３ｂ内へと伝導しやすくしてある。このようなフィンを形成するのではなく、前記第１伝熱プレートＴＰ１の表面に溝を形成する等してもよい。

第２伝熱プレートＴＰ２及び第３伝熱プレートＴＰ３の凹凸構造は例えばプレス加工により形成してある。アルミ等を用いる場合には押出製法により形成してもよい。また、各伝熱プレートの凹凸構造により形成される各流路についてマイクロチャネル化を狙う場合には、各伝熱プレートの凹凸構造をプレス加工ではなく、エッジング加工で作成し、拡散接合により各々を接合する製法を用いても構わない。さらに、通常は各伝熱プレートの接合には炉中ろう付けによる製造方法を用いられ、伝熱プレートの接合部にはろう材が塗られている。製造効率をより高めるには、各伝熱プレートに凹凸構造を形成する前に接合箇所にろう材を印刷により塗布しておけばよい。

図７は伝熱プレートＴＰを面板方向から見た場合の図であり、中央部は熱交換が行われる部分であり、上端部及び下端部には前記凹凸構造とともに部分ごとに長手方向に延びるカット部Ｃが形成してあり、各流体を導入、導出するためのコネクタ部を形成するためのヘッダープレートＨＰを差しこむようにしてある。前記ヘッダープレートＨＰは前記カスケード熱交換器２００内に流入する流路の本数と同じ枚数だけカット部Ｃに差し込まれ、各階層の側面に形成された一方のコネクタから流入した流体が長手方向に流れて、その後再び他方の側面にあるコネクタから流出するようにしてある。前記ヘッダープレートＨＰは、図４に示すようなカスケード熱交換器２００の仮想平面Ａにおける断面形状と略同じ断面形状を有しており、各階層に流入又は流出させたい流体に応じて対応する流路の開口する部分と他の流路が貫通する部分を貫通させてある。

前記制御機構は、１次側冷媒回路１、２次側冷媒回路２及び水媒体回路３の動作を制御するものであり、ＣＰＵ、メモリ、入出力機器等からなるマイコンやコンピュータ等によりその機能が実現されるものである。そしてこの制御機構は、カスケードサイクル運転又は単元サイクル運転の切替を外気条件や水媒体回路３の前記放熱部３１に対して設定される目標温度に応じて自動的に切り換えるサイクル切替部（図示しない）としての機能を発揮するように構成してある。

前記サイクル切替部は、外気温度、設定される暖房温度や出湯温度に応じて単元サイクル運転又はカスケードサイクル運転のいずれで運転するべきかを判断し、前記２次側圧縮機２１、前記２次側圧縮機２１、前記水媒体回路３の動作を切り替えるものである。より具体的には、図１に示すようにカスケードサイクル運転時には前記１次側圧縮機１１及び前記２次側圧縮機２１の両方を動作させるとともに、前記水媒体回路３における流路切替弁を前記カスケードサイクル用流路３３ａにのみ水が流れるように切り替えるものである。一方、前記サイクル切替部は、図２に示すように単元サイクル運転時には、前記２次側圧縮機２１のみを動作させるとともに、前記流路切替弁に単元サイクル用流路３３ｂにだけ水が流れるように切り替えるものである。前記サイクル切替部は、予め定められた運転条件に応じて単元サイクル運転、カスケードサイクル運転を切り替えるように構成してあり、低負荷、高外気温条件では単元サイクル運転に切り替えるとともに、高負荷、低外気温条件ではカスケードサイクル運転に切り替えるように構成してある。例えば、予め定めた閾値により、負荷の高低や、外気温の高低を判断し、その結果に基づいて前記サイクル切替部はサイクルのモードを切り替えるようにしてもよい。または予め実験等において各負荷条件と外気条件の組み合わせにおいて単元サイクル運転又はカスケードサイクル運転のいずれがより効率よく運転できるかを予め実験しておき、現在の運転条件と記憶されている運転条件及び実験結果を比較して、サイクルのモードを変更するものであっても構わない。

このように構成されたカスケードサイクルシステム１００における、カスケードサイクル運転及び単元サイクル運転時の動作について説明する。

まず、カスケードサイクル運転時の動作について説明する。

前記サイクル切替部は、設定されている暖房・出湯条件が高負荷であり、外気温度が低い場合には、カスケードサイクル運転を行うように各部を制御する。具体的には、前記サイクル切替部は、カスケードサイクル運転時は、１次側冷媒回路１及び２次側冷媒回路２中の冷媒は両方とも流通するように１次側圧縮機１１及び２次側圧縮機２１を動作させるとともに、前記水媒体回路３においては内側の回路を形成する前記カスケードサイクル用流路３３ａにのみ水が流れるようにして流路切替弁３３ｃを制御する。

この場合、図１の回路図及び図４（ａ）の断面図に示すようにカスケード熱交換器２００の内部においては、前記単元サイクル用流路３３ｂにのみ流体が流れておらず、前記１次側凝縮部１３流路の熱は、最も接触面積の大きい前記２次側蒸発部冷媒流路２５ａとの間で主に交換されることになる。さらに前記２次側蒸発部冷媒流路２５ａを通過し、前記２次側圧縮機２１により圧縮され高温となった冷媒が流入する前記２次側凝縮部冷媒流路２３ａでは、前記カスケードサイクル用流路３３ａとの間で熱交換が生じることになる。このようにして高負荷、低温条件でも効率よくカスケードサイクルシステム１００を運転することができる。

次に単元サイクル運転時の動作について説明する。

前記サイクル切替部は、設定されている暖房・出湯条件が低負荷であり、外気温度が高い場合には、単元サイクル運転を行うように各部を制御する。具体的には、前記１次側冷媒回路１のみにおいて冷媒が流通するように、前記１次側圧縮機１１だけを動作させるとともに、前記２次側圧縮機２１は停止させる。さらに、前記水媒体回路３において外側のループを構成している単元サイクル用流路３３ｂに水が流れるように前記流路切替弁３３ｃを制御する。

この場合、図４（ｂ）に示すようにカスケード熱交換器２００内においては、１次側凝縮部冷媒流路１３ａと単元サイクル用流路３３ｂしか流体が流れておらず、これらの流路の間で主に熱交換が生じる。従って、図２に示すように実質的に１次側冷媒回路１と水媒体回路３が前記カスケード熱交換器２００により接続された単元サイクルとして構成されていることになる。このため、低負荷、高外気温条件の時に通常の単元サイクルとして動作させることができ、カスケードサイクルとして運転すると逆に性能が落ちる条件でも効率よく運転する事が可能となる。

このように第１実施形態のカスケード熱交換器２００を用いたカスケードサイクルシステム１００によれば、前記カスケード熱交換器２００が前記１次側冷媒回路１の冷媒と、前記２次側冷媒回路２の冷媒と、前記水媒体回路３の水が流入、流出する多流体熱交換器として構成されているので、１次側圧縮機１１及び２次側圧縮機２１を同時動作させればカスケードサイクルとして動作させることができ、１次側圧縮機１１のみを動作させれば単元サイクルとして動作させることができる。

さらに、単元サイクル運転時においては、前記カスケード熱交換器２００において水媒体回路３を流れる水は、前記１次側冷媒回路１との間で熱交換が生じるようにしてあるので、元々外気との間で熱交換を行うように室外に配置してある前記１次側蒸発部１５を利用することができる。このため、従来であれば単元サイクル運転のために別途補助蒸発器や外気との間での熱交換を可能とするためのファンＦを付加する必要があったところを第１実施形態のカスケードサイクルシステム１００によれば、前記カスケード熱交換器２００の構成のみで対応することができる。従って、カスケードサイクル運転と単元サイクル運転とを切り替え可能に構成したにもかかわらず、カスケードサイクルシステム１００を構成するために必要な部品点数が増加したり、製造コストが上昇したりすることもない。

また、運転条件に応じてカスケードサイクル運転、単元サイクル運転のうちより運転効率の高いものを選択することができ、略全ての運転条件において高効率の運転ができる。

次に本発明の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態のカスケードサイクルシステム１００と対応する部材については同じ符号を付すこととする。

前記第１実施形態では、前記水媒体回路３において２つの分岐流路を設けておき、いずれの分岐流路に水を流すかによって、熱交換が生じる凝縮部を切り替え、カスケードサイクル運転と単元サイクル運転を切り替えることを可能にしていた。

一方、第２実施形態のカスケードサイクルシステム１００は、図９及び図１０に示すように水媒体回路３は分岐流路を有さず、単一の吸熱流路３３しか有さず、簡単な構成で第１実施形態と略同じ効果を得られるようにしている。また、前記水媒体回路３が単一の吸熱流路３３のみで構成してあるのに合わせて、前記カスケード熱交換器２００内の構成も前記第１実施形態と異なっている。以下では第１実施形態と大きく異なっている第２実施形態の前記カスケード熱交換器２００における各回路の接続態様等について主に説明する。

前記カスケード熱交換器２００は、前記１次側凝縮部１３、前記２次側蒸発部２５、前記２次側凝縮部２３、前記吸熱流路３３が一体となって構成してあり、前記吸熱流路３３が、前記１次側凝縮部１３及び前記２次側凝縮部２３の両方と隣接して設けてある。

より具体的には、図１１及び図１２のカスケード熱交換器２００の横断面図に示すように前記１次側凝縮部冷媒流路１３ａ、前記２次側蒸発部冷媒流路２５ａ、前記２次側凝縮部冷媒流路２３ａ、前記吸熱流路３３の横断面は全て同形の六角形形状に形成してある。ただし、各流路の断面は正六角形ではなく、１組の対向する２辺のみが他の４辺に比べて寸法の短く形成してあり、他の４辺を同じ長さにして概略扁平形状にしてある。

各流路の隣接状態について詳述すると、図１２に示すように吸熱流路３３の２つの長辺には、前記２次側凝縮部冷媒流路２３ａが接触するようにしてあり、もう２つの別の長辺には１次側凝縮部冷媒流路１３ａが接触するようにしてある。対応する短辺にはそれぞれ２次側蒸発部冷媒流路２５ａが接触するようにしてある。また、前記１次側凝縮部１３流路の長辺と前記２次側蒸発部冷媒流路２５ａの長辺とが接触するように配置してある。つまり、直接熱交換させた流路同士は大面積で接触するようにしてあるとともに、熱交換が生じて欲しくない部位については短辺同士で接触するようにして、密集構造を保つようにしてある。

さらに第２実施形態のカスケード熱交換器２００の製造方法及びその構成について説明する。

第２実施形態のカスケード熱交換器２００は、各流路の断面形状を同一形状にしてあるので、図１３に示すような第４伝熱プレートＴＰ４を１種類のみ用意して積層厚さ方向に積層していけばよい。具体的には、凹凸構造の凸部又は凹部が等脚台形形状となるように前記第４伝熱プレートＴＰ４はプレス加工により成型してある。そして第４伝熱プレートＴＰ４について表裏を交互に逆にしながら積層していくことにより各流路の隔壁を形成してある。

図１４に示すように第４伝熱プレートＴＰ４の上端部及び下端部にもカット部Ｃが形成してあり、前記ヘッダープレートＨＰ１、ＨＰ２、ＨＰ３、ＨＰ４を差し込むことができるようにしてある。図１５に下端部に挿入されるヘッダープレートＨＰ１、ＨＰ２、ＨＰ３、ＨＰ４を上側から順番に示す。図１５においては、各流路の入口又は出口となる場所にはハッチングを施してあり、他の流路を総通するための開口は白抜きにしてある。また、閉鎖されている部分については黒色で塗りつぶしてある。このようなヘッダープレートＨＰ１、ＨＰ２、ＨＰ３、ＨＰ４をカット部Ｃの内部側から外側へと順番に前記カット部に対して挿入していくことにより、各階層に導入、導出したい流体のコネクタ部を形成することができる。

このような第２実施計形態のカスケードサイクルシステム１００の動作について説明すると、前記サイクル切替部は、前記水媒体回路３についてはモードの切替に応じて特に制御は行わずに、前記１次側圧縮機１１及び前記２次側圧縮機２１の動作を制御することでモードの切替を行うように構成してある。

具体的には、図９及び図１１（ａ）に示すようにカスケードサイクル運転時は、前記サイクル切替部は、前記１次側圧縮機１１及び前記２次側圧縮機２１を動作させて、図８１１ａ）の断面図に示すように、前記１次側凝縮部冷媒流路１３ａと前記２次側凝縮部冷媒流路２３ａとの間で熱交換を生じさせるとともに、前記２次側凝縮部冷媒流路２３ａと前記吸熱流路３３との間で熱交換を生じさせる。

一方、図１０及び図１１（ｂ）に示すように単元サイクル運転時には前記サイクル切替部は前記１次側冷媒回路１の前記１次側圧縮機１１のみを動作させて、図１１（ｂ）に示すように１次側凝縮部冷媒流路１３ａと前記吸熱流路３３との間でのみ熱交換を生じさせる。

このように第２実施形態のカスケードサイクルシステム１００では、水媒体流路が分岐流路を有していなくても、前記カスケード熱交換器２００が、３つの回路の流体が流入、流出する多流体熱交換器として構成してあるとともに、その隣接状態を好ましい熱交換のみが生じやすいように構成してあるので、新たな補助蒸発器やファンＦを増設しなくてもカスケードサイクル運転と単元サイクル運転を切り替えることができる。

その他の実施形態について説明する。

図１６に示すように伝熱プレートＴＰの全体に亘って同一の凹凸構造を形成するのではなく、各端部のみ凹凸構造の断面形状を長方形や正方形状にし、ヘッダープレートＨＰの開口形状もそれに合わせた形状にしてもよい。このようにすれば、各流路の断面形状が六角形の場合に比べてヘッダープレートＨＰを伝熱プレートＴＰに挿入しやすくより加工性を高めることができる。

前記各実施形態では、暖房や出湯のために本発明のカスケードサイクルシステムを用いていたが、その他の用途に用いても構わない。また、本発明のような３つ以上の多流体が流入、流出するカスケード熱交換器はヒートポンプだけでなく、冷凍サイクルにおいてカスケードサイクル運転と単元サイクル運転とを切り替えたい場合にも用いることができる。

前記カスケード熱交換器の各流路の断面形状は例示したものに限られるものではなく、その他形状であってもよい。例えば、前記各実施形態では各流路を密集するように配置していたが、熱交換が生じて欲しくない流路の間には隙間をあけたり、断熱材を設けたりする等しても構わない。要するに、吸熱流路が前記１次側凝縮部及び前記２次側凝縮部と隣接しており、いずれかの凝縮部との間で熱交換を切り替えられるように構成してあればよい。

さらに、各冷媒回路の構成や水媒体回路の構成は前記各実施形態に限定されるものではなく、様々な変形を行っても構わない。例えば、四方弁等を設けない回路であってもよい。また、各冷媒回路に用いる冷媒の種類は同じ種類のものであってもよいし、異ならせていてもよい。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な変形や、実施形態の組み合わせを行っても構わない。

１００ ：カスケードサイクルシステム
２００ ：カスケード熱交換器
１ ：１次側冷媒回路
１１ ：１次側圧縮機
１２ ：１次側四方弁
１３ ：１次側凝縮部
１３ａ ：１次側凝縮部冷媒流路
１４ ：１次側膨張弁
１５ ：１次側蒸発部
１６ ：１次側アキュームレータ
２ ：２次側冷媒回路
２１ ：２次側圧縮機
２２ ：２次側四方弁
２３ ：２次側凝縮部
２３ａ ：２次側凝縮部冷媒流路
２４ ：２次側膨張弁
２５ ：２次側蒸発部
２５ａ ：２次側蒸発部冷媒流路
２６ ：２次側アキュームレータ
３ ：水媒体回路
３１ ：放熱部
３２ ：ポンプ
３３ ：吸熱流路（対象媒体流路）
３３ａ ：カスケードサイクル用流路
３３ｂ ：単元サイクル用流路
３３ｃ ：流路切替弁
３４ ：貯湯タンク
ＥＸ ：室外ユニット
ＩＮ ：室内ユニット
ＨＰ ：ヘッダープレート
ＨＰ１ ：ヘッダープレート
ＴＰ１ ：第１伝熱プレート
ＴＰ２ ：第２伝熱プレート
ＴＰ３ ：第３伝熱プレート
ＴＰ４ ：第４伝熱プレート

Claims (12)

1. １次側圧縮機、１次側凝縮部、１次側蒸発部が環状に回路をなす１次側冷媒回路と、２次側圧縮機、２次側凝縮部、２次側蒸発部が環状に回路をなす２次側冷媒回路とからなるカスケードサイクルシステムにおいて、前記１次側冷媒回路及び前記２次側冷媒回路を連結するためのカスケード熱交換器であって、
   前記１次側凝縮部を形成する１次側凝縮部冷媒流路と、
   前記２次側蒸発部を形成する２次側蒸発部冷媒流路と、
   前記２次側凝縮部を形成する２次側凝縮部冷媒流路と、
   熱交換対象である対象媒体が流れる対象媒体流路とを備える事を特徴とするカスケード熱交換器。
2. 前記対象媒体流路が、前記１次側凝縮部冷媒流路と、前記２次側凝縮部冷媒流路の両方に隣接して設けられている請求項１記載のカスケード熱交換器。
3. 前記対象媒体流路が、前記２次側凝縮部冷媒流路と隣接するカスケードサイクル用流路と、前記１次側凝縮部冷媒流路と隣接する単元サイクル用流路とを具備する請求項１又は２記載のカスケード熱光交換器。
4. 前記１次側凝縮部冷媒流路、前記２次側蒸発部冷媒流路、前記２次側凝縮部冷媒流路、及び、前記対象媒体流路の少なくとも一部が、ハニカム構造を形成する請求項１乃至３いずれかに記載のカスケード熱交換器。
5. 前記１次側凝縮部冷媒流路、前記２次側蒸発部冷媒流路、前記２次側凝縮部冷媒流路、及び、前記対象媒体流路の少なくとも一部の横断面が、概略六角形形状に形成されており、その六角形形状が、少なくとも２辺が他の４辺よりも長い長辺となるように形成されている請求項１乃至４いずれかに記載のカスケード熱交換器。
6. 前記対象媒体流路と、前記２次側凝縮部冷媒流路とが長辺同士で隣接している請求項５記載のカスケード熱交換器。
7. 前記対象媒体流路と、前記１次側凝縮部冷媒流路とが長辺同士で隣接している請求項５又は６記載のカスケード熱交換器。
8. 前記対象媒体流路と、前記２次側蒸発部冷媒流路との接触面積が、当該対象媒体流路と前記１次側凝縮部冷媒流路又は前記２次側凝縮部冷媒流路との接触面積よりも小さくなるように構成されている請求項１乃至７いずれかに記載のカスケード熱交換器。
9. 前記１次側凝縮部冷媒流路、前記２次側蒸発部冷媒流路、前記２次側凝縮部冷媒流路、及び、前記カスケードサイクル用流路がハニカム構造を形成しており、
   前記単元サイクル用流路が、前記ハニカム構造に沿った断面長方形状を有したものである請求項３乃至８いずれかに記載のカスケード熱交換器。
10. 前記単元サイクル用流路が、前記ハニカム構造から突出するフィンを内部に有する請求項９記載のカスケード熱交換器。
11. 前記１次側凝縮部冷媒流路、前記２次側蒸発部冷媒流路、前記２次側凝縮部冷媒流路、及び、前記対象媒体流路の少なくとも一部が、面板方向に延びる凹凸構造を有した伝熱プレートを厚さ方向に積層して形成されている請求項１乃至１０いずれかに記載のカスケード熱交換器。
12. 前記凹凸構造の横断面における凸部又は凹部が等脚台形状に形成されている請求項１１記載のカスケード熱交換器。