JP2020148381A - 冷凍サイクル装置及びそれを備えた液体加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シンプルな構成で、複数の多段圧縮機に適切なインジェクション流量を流入できる構成とした冷凍サイクル装置を提供すること。【解決手段】複数の圧縮機構（１１、１２）を有する主冷媒回路１０と、低段側圧縮回転要素（１１ａ，１２ａ）から吐出された冷媒が合流された後に、分流部７０ｂにて分流され、高段側圧縮回転要素（１１ｂ，１２ｂ）に吸入される中間冷媒回路７０と、利用側熱交換器１３から第１膨張装置１５までの間から分岐された冷媒が、第２膨張装置２１により減圧された後に、中間熱交換器１４で主冷媒回路１０を流れる冷媒と熱交換され、中間冷媒回路７０を流れる冷媒に合流されるバイパス冷媒回路２０と、を備え、バイパス冷媒回路２０は、中間冷媒回路７０の分流部７０ｂより上流側の配管に接続している冷凍サイクル装置。【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクル装置及びそれを備えた液体加熱装置に関するものである。

従来、この種の冷凍サイクル装置として、冷媒を多段で圧縮する多段圧縮機を複数台備え、利用側熱交換器の下流側から冷媒の一部を膨張させて、複数の多段圧縮機の圧縮途中に、各々中間圧冷媒をインジェクションする冷凍サイクル装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の冷凍サイクル装置は、中間冷却器を備え、中間冷却器で熱交換され吸熱した気相又は気液二相の中間圧冷媒は、インジェクション回路から多段圧縮機の中間圧力部に中間インジェクションされ、低段側圧縮回転要素から吐出された冷媒に合流され、高段側圧縮回転要素に吸入される。

特許文献１では、複数の多段圧縮機の各々の中間圧力部分に、流量調整手段が設けられたインジェクション回路が備えられ、各々の多段圧縮機に適したインジェクション流量に制御している。

特開２０１０−１３９１０９号公報

しかしながら、従来の構成では、冷媒回路の構成が複雑となり、それが冷凍サイクル装置のコストアップにつながるという課題を有していた。

本発明は、前記課題を解決するもので、シンプルな構成で、複数の多段圧縮機に適切なインジェクション流量を流入できる構成として、信頼性の低下を抑制し、かつ、低コスト化を実現する冷凍サイクル装置及びそれを備えた液体加熱装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、低段側圧縮回転要素および高段側圧縮回転要素から構成される複数の圧縮機構、前記複数の圧縮機構の前記高段側圧縮回転要素から吐出された冷媒により利用側熱媒体を加熱する利用側熱交換器、中間熱交換器、第１膨張装置、熱源側熱交換器が配管で順次接続され形成されている主冷媒回路と、前記複数の圧縮機構の前記低段側圧縮回転要素から吐出された冷媒が合流された後に、分流部にて分流され、前記複数の圧縮機構の前記高段側圧縮回転要素に吸入される中間冷媒回路と、前記利用側熱交換器から前記第１膨張装置までの間の前記配管から分岐された冷媒が、第２膨張装置により減圧された後に、前記中間熱交換器で前記主冷媒回路を流れる冷媒と熱交換され、その後、前記中間冷媒回路を流れる冷媒に合流されるバイパス冷媒回路と、制御装置と、を備え、前記バイパス冷媒回路は、前記中間冷媒回路の前記分流部より上流側の配管に接続していることを特徴とするものである。

これにより、バイパス冷媒回路から流出する冷媒が、複数の圧縮機構の高段側圧縮回転要素の吸入される前に、複数の圧縮機構の低段側圧縮回転要素から吐出された冷媒と合流
するので、バイパス冷媒回路から流出する冷媒が、気液二相状態であっても、複数の圧縮機構の低段側圧縮回転要素から吐出された過熱状態の冷媒と合流されるので、複数の圧縮機構の高段側圧縮回転要素に分流する前の冷媒の状態が、概ね気相状態となり、液相冷媒の偏流を抑制することができる。これにより、冷凍サイクル装置の低コスト化を実現しつつ、ＣＯＰおよび信頼性の低下を抑制できる。

本発明によれば、シンプルな構成で、複数の多段圧縮機に適切なインジェクション流量を流入できる構成として、信頼性の低下を抑制し、かつ、低コスト化を実現する冷凍サイクル装置及びそれを備えた液体加熱装置を提供できる。

本発明の実施の形態１における液体加熱装置の構成図 （ａ）本発明の実施の形態１における冷凍サイクル置について理想条件での圧力―エンタルピー線図（Ｐ−ｈ線図）（ｂ）図２（ａ）の冷凍サイクル置について理想条件での圧力―エンタルピー線図（Ｐ−ｈ線図）の詳細図

第１の発明は、低段側圧縮回転要素および高段側圧縮回転要素から構成される複数の圧縮機構、前記複数の圧縮機構の前記高段側圧縮回転要素から吐出された冷媒により利用側熱媒体を加熱する利用側熱交換器、中間熱交換器、第１膨張装置、熱源側熱交換器が配管で順次接続され形成されている主冷媒回路と、前記複数の圧縮機構の前記低段側圧縮回転要素から吐出された冷媒が合流された後に、分流部にて分流され、前記複数の圧縮機構の前記高段側圧縮回転要素に吸入される中間冷媒回路と、前記利用側熱交換器から前記第１膨張装置までの間の前記配管から分岐された冷媒が、第２膨張装置により減圧された後に、前記中間熱交換器で前記主冷媒回路を流れる冷媒と熱交換され、その後、前記中間冷媒回路を流れる冷媒に合流されるバイパス冷媒回路と、制御装置と、を備え、前記バイパス冷媒回路は、前記中間冷媒回路の前記分流部より上流側の配管に接続していることを特徴とする冷凍サイクル装置である。

これにより、バイパス冷媒回路から流出する冷媒が、複数の圧縮機構の高段側圧縮回転要素の吸入される前に、複数の圧縮機構の低段側圧縮回転要素から吐出された冷媒と合流するので、バイパス冷媒回路から流出する冷媒が、気液二相状態であっても、複数の圧縮機構の低段側圧縮回転要素から吐出された過熱状態の冷媒と合流されるので、複数の圧縮機構の高段側圧縮回転要素に分流する前の冷媒の状態が、概ね気相状態となり、液相冷媒の偏流を抑制することができる。これにより、冷凍サイクル装置の低コスト化を実現しつつ、ＣＯＰおよび信頼性の低下を抑制できる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、前記中間冷媒回路の前記分流部から、前記複数の圧縮機構の前記高段側圧縮回転要素の吸入部までの複数の配管は、略同一の内径かつ略同一の長さであることを特徴とするものである。

これにより、複数の圧縮機構の冷媒循環量が同一の場合、中間冷媒回路の分流部から、複数の圧縮機構の高段側圧縮回転要素の吸入部までの複数の配管の流路抵抗が略同一となるので、さらに冷媒の偏流が抑制できる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、前記制御装置は、複数の圧縮機構の運転開始時において、前記第２膨張装置の開度を、略閉塞状態から開方向に動作させることを特徴とするものである。

これにより、複数の圧縮機構の運転開始時のように高低圧力差が小さく、中間熱交換器における主冷媒回路側の冷媒とバイパス冷媒回路側の冷媒との温度差が小さい状態においても、バイパス冷媒流量を少量から増加させていくので、バイパス冷媒回路出口の冷媒状態を概ね気相状態にすることができ、複数の圧縮機構への液戻りを抑制できる。

第４の発明は、特に、第１から第３のいずれかの発明において、前記バイパス冷媒回路の前記中間熱交換器から流出する冷媒の温度を検出するバイパス出口温度サーミスタと、前記中間冷媒回路の前記バイパス冷媒回路との接続部と前記分流部との間の冷媒の温度を検出する中間冷媒回路サーミスタと、を備え、前記制御装置は、前記中間冷媒回路サーミスタの検出温度と前記バイパス出口温度サーミスタの検出温度との温度差が、所定値以下となった場合に、前記第２膨張装置の開度を閉方向に動作させることを特徴とするものである。

これによれば、中間冷媒回路サーミスタで、複数の圧縮機構の低段側圧縮回転要素から吐出された冷媒とバイパス冷媒回路の中間熱交換器から流出した冷媒とが合流した後の冷媒の温度を検出でき、バイパス出口温度サーミスタでバイパス冷媒回路の中間熱交換器から流出する冷媒の温度を検出でき、中間冷媒回路サーミスタの検出温度とバイパス出口温度サーミスタの検出温度とが略同一の場合は、複数の圧縮機構の低段側圧縮回転要素から吐出された冷媒は過熱状態であることから、バイパス冷媒回路の中間熱交換器から流出した冷媒の乾き度が低く、合流後の冷媒の状態も気液二相冷媒もしくは飽和ガス状態であると判断できる。

この場合において、制御装置が、第２膨張装置の開度を閉方向に動作させるので、バイパス冷媒回路の流量が低下し、合流前のバイパス冷媒回路の中間熱交換器から流出した冷媒の乾き度が上昇するので、合流後の冷媒の状態は過熱状態へと遷移する。

したがって、複数の圧縮機構の高段側圧縮回転要素が吸入する冷媒の状態が過熱状態となるので、複数の圧縮機構の信頼性がさらに向上する。

第５の発明は、特に、第１から第４のいずれかの発明において、前記冷媒を二酸化炭素としたことを特徴とするものである。

これによれば、利用側熱交換器において、冷媒で利用側熱媒体を加熱したときの、利用側熱媒体の高温化が可能となる。

第６の発明は、第１〜第５のいずれかの冷凍サイクル装置と、搬送装置によって前記利用側熱媒体を循環させる利用側熱媒体回路とを備えたことを特徴とする液体加熱装置第である。

これによれば、冷凍サイクル装置のＣＯＰと信頼性の低下を抑制し、高温の利用側熱媒体を利用することができる。

第７の発明は、特に、第６の発明において、前記利用側熱交換器から流出される前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体出口温度サーミスタと、前記利用側熱交換器に流入される前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体入口温度サーミスタと、を備え、前記制御装置は、前記熱媒体出口温度サーミスタの検出温度が目標温度となるように、前記搬送装置を動作させるとともに、前記熱媒体入口温度サーミスタの検出温度が第１所定温度を超えた場合には、前記複数の圧縮機構の運転周波数を低下させることを特徴とするものである。

これによれば、冷凍サイクル装置のＣＯＰと信頼性の低下を抑制しながら、例えば、貯湯タンクに高温水を貯めることができる。

第８の発明は、特に、第６の発明において、前記利用側熱交換器から流出される前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体出口温度サーミスタと、前記利用側熱交換器に流入される前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体入口温度サーミスタと、を備え、前記制御装置は、前記熱媒体出口温度サーミスタの検出温度と前記熱媒体入口温度サーミスタの検出温度との温度差が目標温度差となるように、前記搬送装置を動作させるとともに、前記熱媒体出口温度サーミスタの前記検出温度が第２所定温度を超えた場合には、前記複数の圧縮機構の運転周波数を低下させることを特徴とするものである。

これによれば、冷凍サイクル装置のＣＯＰと信頼性の低下を抑制しながら、例えば高温水を用いた暖房機器として利用できる。

第９の発明は、特に、第６から第８のいずれかの発明において、前記利用側熱媒体を、水又は不凍液としたことを特徴とするものである。

これによれば、暖房機器に用い、又は、貯湯タンクに高温水を貯えることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における液体加熱装置の構成図である。液体加熱装置は、冷凍サイクル装置と利用側熱媒体回路３０から構成されている。また、冷凍サイクル装置は、主冷媒回路１０、バイパス冷媒回路２０、中間冷媒回路７０から構成されている。

主冷媒回路１０は、冷媒を圧縮する複数の多段圧縮機構である第１圧縮機構１１、第２圧縮機構１２、放熱器である利用側熱交換器１３、中間熱交換器１４、主膨張弁である第１膨張装置１５、蒸発器である熱源側熱交換器１６が、配管１７で順次接続されて形成され、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）を用いている。

なお、冷媒としては、二酸化炭素を用いるのが最適だが、例えば、Ｒ４０７Ｃ等の非共沸合流冷媒、Ｒ４１０Ａ等の擬似共沸合流冷媒、または、Ｒ３２等の単一冷媒を用いることもできる。

第１圧縮機構１１は、第１低段側圧縮回転要素１１ａと第１高段側圧縮回転要素１１ｂとから構成されている。また、第２圧縮機構１２は、第２低段側圧縮回転要素１２ａと、第２高段側圧縮回転要素１２ｂとから構成されている。そして、第１圧縮機構１１と第２圧縮機構１２とは、並列に配管で接続されている。

また、第１圧縮機構１１を構成する第１低段側圧縮回転要素１１ａと第１高段側圧縮回転要素１１ｂとの容積比は一定で、駆動軸（図示せず）を共通化させ、それぞれ１つの容器内に配置した１台の圧縮機で構成されている。

また、第２圧縮機構１２を構成する第２低段側圧縮回転要素１２ａと第２高段側圧縮回転要素１２ｂとの容積比は一定で、駆動軸（図示せず）を共通化させ、それぞれ１つの容器内に配置した１台の圧縮機で構成されている。

なお、第１低段側圧縮回転要素１１ａと第１高段側圧縮回転要素１１ｂとが、それぞれ
が独立した２台の圧縮機から構成されている第１圧縮機構１１でもよい。

なお、第２低段側圧縮回転要素１２ａと第２高段側圧縮回転要素１２ｂとが、それぞれが独立した２台の圧縮機から構成されている第２圧縮機構１２でもよい。

利用側熱交換器１３は、第１高段側圧縮回転要素１１ｂおよび第２高段側圧縮回転要素１２ｂから吐出され合流した冷媒により利用側熱媒体を加熱する。

中間冷媒回路７０は、第１低段側圧縮回転要素１１ａの冷媒吐出部、第２低段側圧縮回転要素１２ａの冷媒吐出部から、それぞれ第１高段側圧縮回転要素１１ｂの冷媒吸入部１１ｃ、第２高段側圧縮回転要素１２ｂの冷媒吸入部１２ｃに配管が接続されている。

なお、第１低段側圧縮回転要素１１ａの冷媒吐出部と第１高段側圧縮回転要素１１ｂの冷媒吸入部１１ｃ、第２低段側圧縮回転要素１２ａの冷媒吐出部と第２高段側圧縮回転要素１２ｂの冷媒吸入部１２ｃとを接続するそれぞれの配管は、合流部７０ａで１本に集約された後に、分流部７０ｂで再度分岐され、第１高段側圧縮回転要素１１ｂの冷媒吸入部１１ｃ、第２高段側圧縮回転要素１２ｂの冷媒吸入部１２ｃにそれぞれ接続されている。

すなわち、中間冷媒回路７０において、第１低段側圧縮回転要素１１ａの冷媒吐出部、第２低段側圧縮回転要素１２ａの冷媒吐出部からそれぞれ吐出した冷媒は、合流部７０ａで合流された後に、分流部７０ｂで再度分流され、第１高段側圧縮回転要素１１ｂの冷媒吸入部１１ｃ、第２高段側圧縮回転要素１２ｂの冷媒吸入部１２ｃに吸入される。

バイパス冷媒回路２０は、利用側熱交換器１３から第１膨張装置１５までの間の配管１７から分岐され、中間冷媒回路７０の分流部７０ｂの上流側である合流部７０ａ、または、合流部７０ａと分流部７０ｂとの間に位置する接続部（冷媒合流点Ｂ）にて中間冷媒回路７０と接続されている。

バイパス冷媒回路２０には、バイパス膨張弁である第２膨張装置２１が設けられている。利用側熱交換器１３を通過後の一部の高圧冷媒、又は、中間熱交換器１４を通過後の一部の高圧冷媒は、第２膨張装置２１により減圧されて中間圧冷媒（バイパス冷媒）となった後に、中間熱交換器１４で主冷媒回路１０を流れる高圧冷媒と熱交換される。

その後、中間圧冷媒（バイパス冷媒）は、第１低段側圧縮回転要素１１ａから吐出された冷媒、第２低段側圧縮回転要素１２ａから吐出された冷媒が、合流部７０ａで合流したとき、または、合流部７０ａで合流した後に、合流部７０ａと分流部７０ｂとの間に位置するバイパス冷媒回路２０と中間冷媒回路７０との接続部（冷媒合流点Ｂ）にて合流する。

利用側熱媒体回路３０は、利用側熱交換器１３、搬送ポンプである搬送装置３１、暖房端末３２ａが熱媒体配管３３で順次接続されて形成され、利用側熱媒体として、水又は不凍液を用いている。

本実施の形態における利用側熱媒体回路３０は、暖房端末３２ａと並列に貯湯タンク３２ｂを備えており、第１切替弁３４、第２切替弁３５の切り替えによって利用側熱媒体を、暖房端末３２ａ又は貯湯タンク３２ｂに循環させる。なお、利用側熱媒体回路３０は、暖房端末３２ａ及び貯湯タンク３２ｂのいずれかを備えていればよい。

利用側熱交換器１３で生成された高温水は、暖房端末３２ａで放熱して暖房に利用され、暖房端末３２ａで放熱された低温水は再び利用側熱交換器１３で加熱される。

また、利用側熱交換器１３で生成された高温水は、貯湯タンク３２ｂの上部から貯湯タンク３２ｂに導入され、貯湯タンク３２ｂの下部から低温水が導出されて利用側熱交換器１３で加熱される。

給湯用熱交換器４２は、貯湯タンク３２ｂ内に配置され、給水配管４３からの給水と貯湯タンク３２ｂ内の高温水との間で熱交換させる。すなわち、給湯栓４１が開栓されると、給水配管４３から給湯用熱交換器４２内に給水され、給湯用熱交換器４２で加熱されて、給湯栓４１で所定温度になるように調整され、給湯栓４１からから給湯される。

なお、給水配管４３から給水され、給湯用熱交換器４２で加熱されて、給湯栓４１から給湯される湯水と、貯湯タンク３２ｂ内の高温水とは、互いに混ざり合うことがない間接加熱である。

給湯用熱交換器４２は、伝熱管として銅管あるいはステンレス管を使用する水熱交換器であって、図１に示すように、給水源（水道）から延びる給水配管４３と、給湯栓４１とが接続されている。給水配管４３は、常温の水を、給湯用熱交換器４２の下端、すなわち、貯湯タンク３２ｂ内の下方に入れる。給水配管４３より給湯用熱交換器４２に入った常温水は、貯湯タンク３２ｂ内を下方から上方に移動しながら、貯湯タンク３２ｂ内の高温水から熱を奪い、加熱された高温の加熱水となって給湯栓４１から給湯される。

貯湯タンク３２ｂには、複数の異なる高さ位置において温水の温度を計測する目的で、例えば、複数の第１貯湯タンク温度サーミスタ５５ａ、第２貯湯タンク温度サーミスタ５５ｂ、第３貯湯タンク温度サーミスタ５５ｃが設けられている。給水配管４３より給湯用熱交換器４２に入った常温水は、貯湯タンク３２ｂ内を下方から上方に移動しながら貯湯タンク３２ｂ内の高温水から熱を奪う構成のため、貯湯タンク３２ｂ内の温水は、自然と、上部が高温、下部が低温となる。

主冷媒回路１０には、第１高段側圧縮回転要素１１ｂ、第２高段側圧縮回転要素１２ｂの吐出側配管が集合した後の配管１７に、高圧側圧力検出装置５１が設けられている。なお、高圧側圧力検出装置５１は、第１高段側圧縮回転要素１１ｂまたは第２高段側圧縮回転要素１２ｂの吐出側から、第１膨張装置１５の上流側までの、主冷媒回路１０に設けられていて、主冷媒回路１０の高圧冷媒の圧力を検出できればよい。バイパス冷媒回路２０には、第２膨張装置２１の下流側に、中間圧側圧力検出装置５２が設けられている。

利用側熱媒体回路３０には、利用側熱交換器１３から流出される利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体出口温度サーミスタ５３と、利用側熱交換器１３に流入される利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体入口温度サーミスタ５４とが設けられている。

制御装置６０は、高圧側圧力検出装置５１及び中間圧側圧力検出装置５２からの検出圧力、熱媒体出口温度サーミスタ５３及び熱媒体入口温度サーミスタ５４からの検出温度によって、第１低段側圧縮回転要素１１ａ、第２低段側圧縮回転要素１２ａ及び第１高段側圧縮回転要素１１ｂ、第２高段側圧縮回転要素１２ｂの運転周波数、第１膨張装置１５と第２膨張装置２１の弁開度、及び搬送装置３１を制御する。

図２（ａ）、図２（ｂ）は、本実施の形態１における冷凍サイクル装置について、理想条件での圧力―エンタルピー線図（Ｐ−ｈ線図）を示している。

図２（ａ）、図２（ｂ）のａ〜ｅ点、および、Ａ〜Ｂ点は、図１に示す液体加熱装置における各ポイントに相当する。

まず、第１高段側圧縮回転要素１１ｂ、第２高段側圧縮回転要素１２ｂから吐出される高圧冷媒（ａ点）は、利用側熱交換器１３で放熱した後に冷媒分岐点Ａで主冷媒回路１０から分岐し、第２膨張装置２１により中間圧まで減圧されて中間圧冷媒（ｅ点）となり、中間熱交換器１４にて熱交換する。

利用側熱交換器１３で放熱した後の主冷媒回路１０を流れる高圧冷媒は、バイパス冷媒回路２０を流れる中間圧冷媒（バイパス冷媒）（ｅ点）によって冷却され、エンタルピーが低減された状態（ｂ点）で第１膨張装置１５にて減圧される。

これにより、第１膨張装置１５にて減圧された後に、熱源側熱交換器１６に流入する冷媒（ｃ点）の冷媒エンタルピーも低減される。熱源側熱交換器１６に流入する時点での冷媒乾き度（全冷媒に対して気相成分が占める重量比率）が低下して冷媒の液成分が増大するため、熱源側熱交換器１６において蒸発に寄与し、冷媒比率が増大して外気からの吸熱量が増大され、第１低段側圧縮回転要素１１ａの吸入側（ｄ点）に戻る。

一方、熱源側熱交換器１６において蒸発に寄与しない気相成分に相当する量の冷媒は、バイパス冷媒回路２０にバイパスされて低温の中間圧冷媒（ｅ点）となり、中間熱交換器１４にて主冷媒回路１０を流れる高圧冷媒によって加熱されて冷媒エンタルピーが高まった状態で、中間冷媒回路７０の合流部７０ａ、または、合流部７０ａと分流部７０ｂの間にある冷媒合流点Ｂに至る。

従って、第１高段側圧縮回転要素１１ｂの吸入側および第２高段側圧縮回転要素１２ｂの吸入側（冷媒合流点Ｂ）では、第１低段側圧縮回転要素１１ａの吸入側および第２低段側圧縮回転要素１２ａの吸入側（ｄ点）より冷媒圧力が高いため冷媒密度も高い。

さらに、第１低段側圧縮回転要素１１ａから吐出した冷媒と第２低段側圧縮回転要素１２ａから吐出した冷媒とが合流した冷媒が吸入され、第１高段側圧縮回転要素１１ｂおよび第２高段側圧縮回転要素１２ｂで更に圧縮されて吐出されるため、利用側熱交換器１３に流入する冷媒の流量が大幅に増大するため、利用側熱媒体である水を加熱する能力が大幅に増大する。

ここで、バイパス冷媒回路２０から中間冷媒回路７０にバイパスされる冷媒による加熱能力の増大効果を最大限に得るためには、第１高段側圧縮回転要素１１ｂ、第２高段側圧縮回転要素１２ｂの各々に最適な冷媒量を、バイパス冷媒回路２０から中間冷媒回路７０を介して冷媒をバイパスさせる必要がある。

例えば、第１圧縮機構１１と第２圧縮機構１２において、シリンダー容積が同一で、かつ、同一回転数で運転している場合は、同一の流量の冷媒を、第１高段側圧縮回転要素１１ｂ、第２高段側圧縮回転要素１２ｂのそれぞれにバイパスし戻すことが重要である。

しかしながら、バイパス冷媒は中間熱交換器１４で吸熱するが、中間熱交換器１４から流出するバイパス冷媒は、図２（ｂ）に示すように、必ずしも気相成分のみの状態（ｆ点）のようになるわけではなく、運転条件によっては気液二相状態（ｇ点）となる場合もある。

このような二相冷媒を分流する場合は、分流部７０ｂの形状や傾きなどにより、液相成分が偏流し易く、均等に第１高段側圧縮回転要素１１ｂ、第２高段側圧縮回転要素１２ｂに分流することが困難である。その為、バイパス冷媒の流量が最適に調整できずに、ＣＯＰの低下、あるいは、液冷媒が多量に戻ることに、よって圧縮機の信頼性が低下してしま
う場合が生じる。

そこで、本実施の形態では、バイパス冷媒が二相状態（ｇ点）であっても、第１低段側圧縮回転要素１１ａおよび第２低段側圧縮回転要素１２ａから吐出された過熱状態（ｈ点）の冷媒と、バイパス冷媒は冷媒合流点Ｂで合流しており、第１高段側圧縮回転要素１１ｂの冷媒吸入部１１ｃ側と第２高段側圧縮回転要素１２ｂの冷媒吸入部１２ｃ側に、分流部７０ｂで分流される前の冷媒状態は気相状態（ｆ点）となるので、分流部７０ｂの形状や傾きに大きく影響されることなく略均等に分流される。

さらに、中間冷媒回路７０において、分流部７０ｂから第１高段側圧縮回転要素１１ｂの冷媒吸入部１１ｃを接続する配管と、分流部７０ｂから第２高段側圧縮回転要素１２ｂの冷媒吸入部１２ｃを接続する配管とは、配管径と配管長が同一であるので、流路抵抗の差による偏流は生じない。なお、前記同一とは、実質的に同一であること（ある程度の差異も含むこと）を意味する。

また、本実施の形態におけるバイパス冷媒回路２０には、中間熱交換器１４から流出したバイパス冷媒の温度を検出するバイパス冷媒サーミスタ５６が設けられる。

さらに、中間冷媒回路７０には、バイパス冷媒回路２０との接続部（冷媒合流点Ｂ）と分流部７０ｂとの間には、バイパス冷媒と第１低段側圧縮回転要素１１ａおよび第２低段側圧縮回転要素１２ａの吐出冷媒とが冷媒合流点Ｂで合流した後で、第１高段側圧縮回転要素１１ｂの冷媒吸入部１１ｃ側と第２高段側圧縮回転要素１２ｂの冷媒吸入部１２ｃ側に、分流部７０ｂで分流される前の冷媒の温度を検出する中間冷媒回路サーミスタ５７が設けられている。

制御装置６０は、第１圧縮機構１１および第２圧縮機構１２の運転開始前において、第１膨張装置１５を予め設定された初期開度に開き、第２膨張装置２１を閉塞状態となるように開度設定する。そして、第１圧縮機構１１、第２圧縮機構１２が運転開始するとともに、第２膨張装置２１を開度開方向に動作させる。

これによって、第１圧縮機構１１および第２圧縮機構１２の運転開始直後のような高低圧力差が小さく、中間熱交換器１４における高圧冷媒と中間圧冷媒との温度差が小さい運転状態においても、バイパス冷媒の流量を少量から増加させていくので、バイパス冷媒回路２０から流出する冷媒が概ね気相状態に維持される。

さらに、第１圧縮機構１１および第２圧縮機構１２の運転中は、バイパス冷媒サーミスタ５６の検出温度（バイパス冷媒温度）と中間冷媒回路サーミスタ５７の検出温度（高段側圧縮要素吸入温度）とを比較し、温度差が予め設定した範囲内となった場合に、第２膨張装置２１の開度を閉方向に動作させる。

バイパス冷媒が気相状態（ｆ点）の場合は、第１低段側圧縮回転要素１１ａおよび第２低段側圧縮回転要素１２ａの吐出冷媒が過熱状態であるので、中間冷媒回路７０の冷媒合流点Ｂより下流側で、第１高段側圧縮回転要素１１ｂの冷媒吸入部１１ｃ側と第２高段側圧縮回転要素１２ｂの冷媒吸入部１２ｃ側に、分流部７０ｂで分流される前の冷媒状態は、確実に気相状態となり、高段側圧縮要素吸入温度はバイパス冷媒温度より高くなる。

また、バイパス冷媒が気液二相状態（ｇ点）の場合は、高段側圧縮要素吸入温度がバイパス冷媒より高いと、中間冷媒回路７０内の圧力は略同一であるので、中間冷媒回路７０の冷媒合流点Ｂより下流側で、第１高段側圧縮回転要素１１ｂの冷媒吸入部１１ｃ側と第２高段側圧縮回転要素１２ｂの冷媒吸入部１２ｃ側に、分流部７０ｂで分流される前の冷
媒状態が気相状態と判断できる。

一方、バイパス冷媒温度が、高段側圧縮要素吸入温度と略同一の場合は、中間冷媒回路７０の冷媒合流点Ｂより下流側で、第１高段側圧縮回転要素１１ｂの冷媒吸入部１１ｃ側と第２高段側圧縮回転要素１２ｂの冷媒吸入部１２ｃ側に、分流部７０ｂで分流される前の冷媒状態が気液二相状態と判断でき、第２膨張装置２１の開度を閉方向に操作することで、バイパス流量を減少させて中間熱交換器１４でのエンタルピー差を増加させる。

これによって、中間冷媒回路７０の冷媒合流点Ｂより下流側で、第１高段側圧縮回転要素１１ｂの冷媒吸入部１１ｃ側と第２高段側圧縮回転要素１２ｂの冷媒吸入部１２ｃ側に、分流部７０ｂで分流される前の冷媒状態は、確実に気相状態となり、偏流の発生が抑制される。よって、ＣＯＰの低下が抑制されるとともに、信頼性も確保される。

なお、第１低段側圧縮回転要素１１ａ、第２低段側圧縮回転要素１２ａ、第１高段側圧縮回転要素１１ｂ、第２高段側圧縮回転要素１２ｂが、それぞれが独立した４台の圧縮機から構成されている複数の第１圧縮機構１１、第２圧縮機構１２の構成でもよく、少なくとも、第１高段側圧縮回転要素１１ｂ、第２高段側圧縮回転要素１２ｂの運転周波数を上昇させれば良い。

以下、利用側熱媒体回路３０に貯湯タンク３２ｂを用いる場合について説明する。

複数の貯湯タンク温度サーミスタのうち、例えば、貯湯タンク３２ｂの最も高い位置に配置されている第１貯湯タンク温度サーミスタ５５ａの検出温度が所定値未満の場合、貯湯タンク３２ｂ内に高温水が足りないと、制御装置６０は判断する。

そして、制御装置６０は、第１低段側圧縮回転要素１１ａ及び第１高段側圧縮回転要素１１ｂを動作させ、利用側熱交換器１３で低温水を加熱するが、その加熱生成温度である熱媒体出口温度サーミスタ５３の検出温度が目標温度となるように、搬送装置３１を動作させる。

これにより、貯湯タンク３２ｂの下部から低温水が導出されて利用側熱交換器１３で加熱生成された高温水は、貯湯タンク３２ｂの上部から貯湯タンク３２ｂに導入される。このときには、熱媒体入口温度サーミスタ５４の検出温度が第３所定温度以下のため、図２（ａ）に記載の状態で動作する。

そして、貯湯タンク３２ｂ内には上部から次第に高温水が貯湯されていくため、熱媒体入口温度サーミスタ５４の検出温度は次第に上昇していくが、熱媒体入口温度サーミスタ５４の検出温度が第３所定温度を超えた場合には、第１低段側圧縮回転要素１１ａ、第２低段側圧縮回転要素１２ａ及び第１高段側圧縮回転要素１１ｂ、第２高段側圧縮回転要素１２ｂの運転周波数を低下させることで、利用側熱交換器１３における高圧冷媒の圧力が、目標高圧値である第２所定高圧値を超えないにように、利用側熱交換器１３における高圧冷媒の圧力上昇を抑えながら、貯湯タンク３２ｂに高温水を貯めることができる。

なお、閾値として、熱媒体入口温度サーミスタ５４の検出温度である第３所定温度および第１所定温度の代わりに、それぞれ、高圧側圧力検出装置５１の検出圧力である第１所定高圧値および第２所定高圧値を用いて、同様の運転動作を実行してもよい。

また、第１低段側圧縮回転要素１１ａ、第２低段側圧縮回転要素１２ａと第１高段側圧縮回転要素１１ｂ、第２高段側圧縮回転要素１２ｂとが、それぞれが独立した４台の圧縮機から構成されている第１圧縮機構１１、第２圧縮機構１２の構成でもよく、少なくとも
、第１高段側圧縮回転要素１１ｂ、第２高段側圧縮回転要素１２ｂの運転周波数を低下させれば良い。

利用側熱媒体回路３０に暖房端末３２ａを用いる場合について説明する。

制御装置６０は、第１低段側圧縮回転要素１１ａ、第２低段側圧縮回転要素１２ａ及び第１高段側圧縮回転要素１１ｂ、第２高段側圧縮回転要素１２ｂを動作させ、利用側熱交換器１３で循環水を加熱するが、その循環水の温度差である熱媒体出口温度サーミスタ５３の検出温度と熱媒体入口温度サーミスタ５４の検出温度との温度差が目標温度差となるように、搬送装置３１を動作させる。

これにより、利用側熱交換器１３で生成された高温水は、暖房端末３２ａで放熱して暖房に利用され、暖房端末３２ａで放熱された低温水は、再び利用側熱交換器１３で加熱される。このときには、熱媒体出口温度サーミスタ５３の検出温度と熱媒体入口温度サーミスタ５４の検出温度との温度差が目標温度差となるように制御され、かつ、熱媒体出口温度サーミスタ５３の検出温度が第４所定温度以下のため、図２（ａ）に記載の状態で動作する。

そして、次第に暖房負荷が小さくなるため、熱媒体出口温度サーミスタ５３の検出温度と熱媒体入口温度サーミスタ５４の検出温度との温度差が目標温度差となるように制御している関係上、熱媒体出口温度サーミスタ５３の検出温度及び熱媒体入口温度サーミスタ５４の検出温度は次第に上昇していくが、熱媒体出口温度サーミスタ５３の検出温度が第４所定温度を超えた場合には、第１低段側圧縮回転要素１１ａ、第２低段側圧縮回転要素１２ａ及び第１高段側圧縮回転要素１１ｂ、第２高段側圧縮回転要素１２ｂの運転周波数を低下させることで、利用側熱交換器１３における高圧冷媒の圧力が、目標高圧値である第２所定高圧値を超えないにように、利用側熱交換器１３における高圧冷媒の圧力上昇を抑えながら、高温水を用いた暖房機器として利用できる。

なお、閾値として、熱媒体出口温度サーミスタ５３の検出温度である第４所定温度および第２所定温度の代わりに、それぞれ、高圧側圧力検出装置５１の検出圧力である第１所定高圧値および第２所定高圧値を用いて、同様の運転動作を実行してもよい。

また、第１低段側圧縮回転要素１１ａ、第２低段側圧縮回転要素１２ａ、第１高段側圧縮回転要素１１ｂ、第２高段側圧縮回転要素１２ｂが、それぞれが独立した４台の圧縮機から構成されている第１圧縮機構１１、第２圧縮機構１２の構成でもよく、少なくとも、第１高段側圧縮回転要素１１ｂ、第２高段側圧縮回転要素１２ｂの運転周波数を低下させれば良い。

本実施の形態による冷凍サイクル装置では、冷媒を二酸化炭素とすることが好ましい。これは、利用側熱交換器１３において、冷媒である二酸化炭素で、利用側熱媒体を加熱したときの、利用側熱媒体の高温化が可能となるためである。

また、利用側熱媒体を水又は不凍液とすることで、暖房端末３２ａに用い、又は貯湯タンク３２ｂに高温水を貯えることができる。

以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、シンプルな構成で、複数の多段圧縮機に適切なインジェクション流量を流入できる構成として、信頼性の低下を抑制し、かつ、低コスト化を実現する冷凍サイクル装置を提供できるので、冷凍、空調、および、給湯、暖房機器の液体加熱装置等に有用である。

１０ 主冷媒回路
１１ 第１圧縮機構
１１ａ 第１低段側圧縮回転要素、
１１ｂ 第１高段側圧縮回転要素
１２ 第２圧縮機構
１２ａ 第２低段側圧縮回転要素、
１２ｂ 第２高段側圧縮回転要素
１３ 利用側熱交換器
１４ 中間熱交換器
１５ 第１膨張装置
１６ 熱源側熱交換器
１７ 配管
２０ バイパス冷媒回路
２１ 第２膨張装置
３０ 利用側熱媒体回路
３１ 搬送装置
３２ａ 暖房端末
３２ｂ 貯湯タンク
３３ 熱媒体配管
３４ 第１切替弁
３５ 第２切替弁
４１ 給湯栓
４２ 給湯用熱交換器
４３ 給水配管
５１ 高圧側圧力検出装置
５２ 中間圧側圧力検出装置
５３ 熱媒体出口温度サーミスタ
５４ 熱媒体入口温度サーミスタ
５５ａ 第１貯湯タンク温度サーミスタ
５５ｂ 第２貯湯タンク温度サーミスタ
５５ｃ 第３貯湯タンク温度サーミスタ
５６ バイパス冷媒サーミスタ
５７ 中間冷媒回路サーミスタ
６０ 制御装置
７０ 中間冷媒回路
７０ａ 合流部
７０ｂ 分流部

Claims (9)

1. 低段側圧縮回転要素および高段側圧縮回転要素から構成される複数の圧縮機構、前記複数の圧縮機構の前記高段側圧縮回転要素から吐出された冷媒により利用側熱媒体を加熱する利用側熱交換器、中間熱交換器、第１膨張装置、熱源側熱交換器が配管で順次接続され形成されている主冷媒回路と、
   前記複数の圧縮機構の前記低段側圧縮回転要素から吐出された冷媒が合流された後に、分流部にて分流され、前記複数の圧縮機構の前記高段側圧縮回転要素に吸入される中間冷媒回路と、
   前記利用側熱交換器から前記第１膨張装置までの間の前記配管から分岐された冷媒が、第２膨張装置により減圧された後に、前記中間熱交換器で前記主冷媒回路を流れる冷媒と熱交換され、その後、前記中間冷媒回路を流れる冷媒に合流されるバイパス冷媒回路と、
   制御装置と、
   を備え、
   前記バイパス冷媒回路は、前記中間冷媒回路の前記分流部より上流側の配管に接続していることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記中間冷媒回路の前記分流部から、前記複数の圧縮機構の前記高段側圧縮回転要素の吸入部までの複数の配管は、略同一の内径かつ略同一の長さであることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記制御装置は、複数の圧縮機構の運転開始時において、前記第２膨張装置の開度を、略閉塞状態から開方向に動作させることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記バイパス冷媒回路の前記中間熱交換器から流出する冷媒の温度を検出するバイパス出口温度サーミスタと、前記中間冷媒回路の前記バイパス冷媒回路との接続部と前記分流部との間の冷媒の温度を検出する中間冷媒回路サーミスタと、を備え、前記制御装置は、前記中間冷媒回路サーミスタの検出温度と前記バイパス出口温度サーミスタの検出温度との温度差が、所定値以下となった場合に、前記第２膨張装置の開度を閉方向に動作させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記冷媒を、二酸化炭素としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置と、搬送装置によって前記利用側熱媒体を循環させる利用側熱媒体回路とを備えたことを特徴とする液体加熱装置。
7. 前記利用側熱交換器から流出される前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体出口温度サーミスタと、前記利用側熱交換器に流入される前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体入口温度サーミスタと、を備え、前記制御装置は、前記熱媒体出口温度サーミスタの検出温度が目標温度となるように、前記搬送装置を動作させるとともに、前記熱媒体入口温度サーミスタの検出温度が第１所定温度を超えた場合には、前記複数の圧縮機構の運転周波数を低下させることを特徴とする請求項６に記載の液体加熱装置。
8. 前記利用側熱交換器から流出される前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体出口温度サーミスタと、前記利用側熱交換器に流入される前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体入口温度サーミスタと、を備え、前記制御装置は、前記熱媒体出口温度サーミスタの検出温度と前記熱媒体入口温度サーミスタの検出温度との温度差が目標温度差となるように、前記搬送装置を動作させるとともに、前記熱媒体出口温度サーミスタの前記検出温度が第
   ２所定温度を超えた場合には、前記複数の圧縮機構の運転周波数を低下させることを特徴とする請求項６に記載の液体加熱装置。
9. 前記利用側熱媒体を、水又は不凍液としたことを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の液体加熱装置。

Images