JP2020183850A - 冷凍サイクル装置およびそれを備えた液体加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱源側熱交換器の除霜運転実行終了後の利用側熱交換器における加熱運転の実行時においても、利用側熱交換器における加熱運転時の加熱能力の低下を抑制できる冷凍サイクル装置およびそれを備えた液体加熱装置を提供すること。【解決手段】圧縮機構２１から吐出された冷媒により、利用側熱交換器２２において利用側熱媒体を加熱する加熱運転モードと、圧縮機構２１から吐出された冷媒により、熱源側熱交換器２４の除霜を行う除霜運転モードとを有し、除霜運転モードの実行終了後に実行される加熱運転モードにおいて、制御装置４は、加熱運転モードの実行中、少なくとも所定期間は、第１膨張装置２３を流れる冷媒流量が、第２膨張装置３１を流れる冷媒流量より多くなる値に、第１膨張装置２３の開度と第２膨張装置３１の開度を設定し、熱源側熱交換器２４に空気を供給する送風装置２９を運転させる冷凍サイクル装置。【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクル装置およ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、二段圧縮機講を備え、利用側熱交換器の下流側から冷媒の一部を膨張させて、二段圧縮機講の圧縮途中に中間冷媒をバイパス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）。

図４は、特許文献１に記載された従来の冷凍サイクル装置を示すものである。

図４に示すように、冷凍サイクル装置１００は、冷媒を循環させる冷媒回路１１０と、後段側インジェクション管１２０とを備えている。冷媒回路１１０は、直列に接続された複数の圧縮回転要素を有する圧縮機構１１１、熱源側熱交換器１１２、膨張機構１１３ａ、１１３ｂ、利用側熱交換器１１４が配管により環状に接続されるとともに、加熱運転と冷却運転を切り換えるための切替機構１１５で構成されている。

また、前段側の圧縮回転要素から吐出された冷媒を後段側の圧縮回転要素に吸入させるための中間冷媒管１１６に設けられ、前段側の圧縮回転要素から吐出されて後段側の圧縮回転要素に吸入される冷媒の冷却器として機能する中間冷却器１１７と、中間冷却器１１７をバイパスするように中間冷媒管１１６に接続されている中間冷却器バイパス管１３０が設けられている。

後段側インジェクション管１２０は、熱源側熱交換器１１２と利用側熱交換器１１４の間で冷媒回路１１０から分岐し、分岐した冷媒が圧縮機構１１１の後段側の圧縮回転要素に戻るように連通されている。また、インジェクション管１２０には、開度制御が可能な後段側インジェクション弁１２１が設けられている。

さらに、冷凍サイクル装置１００は、切替機構１１５を冷却運転状態に切り換えることで熱源側熱交換器１１２の除霜を行う逆サイクル除霜運転を行う際に、熱源側熱交換器１１２、中間冷却器１１７及び後段側インジェクション管１２０に冷媒を流し、中間冷却器１１７の除霜が完了したことを検知した後に、中間冷却器バイパス管１３０を用いて、中間冷却器１１７に冷媒が流れないようにするとともに、後段側インジェクション弁１２１の開度が大きくなるように制御している。

特開２００９-１３３５８１号公報

しかしながら、前記従来の冷凍サイクル装置においては、除霜能力による機器の性能低下は抑制できるが、熱源側熱交換器の除霜運転終了後の加熱運転開始時の運転制御については、一切開示していない。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、熱源側熱交換器の除霜運転実行終了後の利用側熱交換器における加熱運転の実行時においても、利用側熱交換器における加熱運転時の加熱能力の低下を抑制できる冷凍サイクル装置およ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、圧縮回転要素から構成される圧縮機構、前記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て形成される主冷媒回路と、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、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、前記圧縮回転要素の圧縮途中の冷媒に合流されるバイパス冷媒回路と、前記熱源側熱交換器に空気を供給する送風装置と、制御装置と、を備え、前記圧縮回転要素から吐出された冷媒により、前記利用側熱交換器において前記利用側熱媒体を加熱する加熱運転モードと、前記圧縮回転要素から吐出された冷媒により、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転モードと、を有し、前記除霜運転モードの実行終了後に実行される前記加熱運転モードにおいて、前記制御装置は、前記加熱運転モードの実行中、少なくとも所定期間は、前記第１膨張装置の開度と前記第２膨張装置の開度を、前記第１膨張装置を流れる冷媒流量が、前記第２膨張装置を流れる冷媒流量よりも多くなる値に設定し、かつ、前記送風装置を運転させることを特徴とするものである。

これにより、第２膨張装置を流れる冷媒流量を少なくすることで、圧縮機構から吐出される冷媒の温度を上昇させることができる。

また、第１膨張装置を流れる冷媒流量を多くすることで、圧縮機構に吸入される冷媒の密度を増加させることができるため、利用側熱交換器を流れる冷媒流量を確保することができる。

すなわち、制御装置は、加熱運転モードの実行中、少なくとも所定期間は、第１膨張装置の開度と第２膨張装置の開度を、第１膨張装置を流れる冷媒流量が、第２膨張装置を流れる冷媒流量よりも多くなる値に設定することで、圧縮回転要素から吐出される冷媒の温度を上昇させながら、利用側熱交換器を流れる冷媒流量を確保することができ、除霜運転モードの実行終了後に実行される加熱運転モードにおいて、利用側熱交換器における加熱能力の低下を抑制することができる。

さらに、熱源側熱交換器に空気を供給する送風装置を運転することで、熱源側熱交換器における吸熱効果を促進でき、利用側熱交換器における加熱能力を向上させることができる。

本発明によれば、熱源側熱交換器の除霜運転実行終了後の利用側熱交換器における加熱運転の実行時においても、利用側熱交換器における加熱運転時の加熱能力の低下を抑制できる冷凍サイクル装置およ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 同冷凍サイクル装置の除霜運転モード実行後の加熱運転モード実行時のモリエル線図 同冷凍サイクル装置の除霜運転モード実行後の加熱運転モード実行時の制御フローを示す図 従来の冷凍サイクル装置の構成図

第１の発明は、圧縮回転要素から構成される圧縮機構、前記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て形成される主冷媒回路と、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、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、前記圧縮回転要素の圧縮途中の冷媒に合流されるバイパス冷媒回路と、前記熱源側熱交換器に空気を供給する送風装置と、制御装置と、を備え、前記圧縮回転要素から吐出された冷媒により、前記利用側熱交換器において前記利用側熱媒体を加熱する加熱運転モードと、前記圧縮回転要素から吐出された冷媒により、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転モードと、を有し、前記除霜運転モードの実行終了後に実行される前記加熱運転モードにおいて、前記制御装置は、前記加熱運転モードの実行中、少なくとも所定期間は、前記第１膨張装置の開度と前記第２膨張装置の開度を、前記第１膨張装置を流れる冷媒流量が、前記第２膨張装置を流れる冷媒流量よりも多くなる値に設定し、かつ、前記送風装置を運転させ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、第２膨張装置を流れる冷媒流量を少なくすることで、圧縮機構から吐出される冷媒の温度を上昇させることができる。

また、第１膨張装置を流れる冷媒流量を多くすることで、圧縮機構に吸入される冷媒の密度を増加させることができるため、利用側熱交換器を流れる冷媒流量を確保することができる。

すなわち、制御装置は、加熱運転モードの実行中、少なくとも所定期間は、第１膨張装置の開度と第２膨張装置の開度を、第１膨張装置を流れる冷媒流量が、第２膨張装置を流れる冷媒流量よりも多くなる値に設定することで、圧縮回転要素から吐出される冷媒の温度を上昇させながら、利用側熱交換器を流れる冷媒流量を確保することができ、除霜運転モードの実行終了後に実行される加熱運転モードにおいて、利用側熱交換器における加熱能力の低下を抑制することができる。

さらに、熱源側熱交換器に空気を供給する送風装置を運転することで、熱源側熱交換器における吸熱効果を促進でき、利用側熱交換器における加熱能力を向上させることができる。

したがって、着霜量が多い高湿度の外気温度条件下における除霜運転モード実行後の加熱運転モードにおいても、加熱能力を高めることでき、加熱運転の加熱能力の低下を抑制できる冷凍サイクル装置を提供できる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、前記主冷媒回路の高圧側の冷媒の温度、または、前記主冷媒回路の高圧側の冷媒の圧力、を検出する高圧側検出部を備え、前記所定期間は、前記高圧側検出部の検出値が所定値以下の期間であることを特徴とするものである。

これにより、圧縮機構から吐出され、利用側熱交換器へ流入する冷媒の温度、または、その冷媒の圧力が、予め設定した所定値まで上昇するまでは、利用側熱交換器における加熱能力が十分に確保できていないと判断でき、その場合には、加熱能力を高まるように、第１膨張装置の開度と第２膨張装置の開度を、第１膨張装置を流れる冷媒流量が、第２膨張装置を流れる冷媒流量よりも多くなる値に設定しているものである。

第３の発明は、特に、第１の発明において、前記所定期間は、前記加熱運転モードの実行開始時からの経過時間であるものことを特徴とするである。

これにより、所定期間を、加熱運転モードの実行開始時から、第１膨張装置の開度と第２膨張装置の開度を、第１膨張装置を流れる冷媒流量が、第２膨張装置を流れる冷媒流量よりも多くなる値に設定されている時間とすることで、熱源側熱交換器の除霜運転実行終了後の利用側熱交換器における加熱運転の実行時においても、利用側熱交換器における加熱運転時の加熱能力の低下を抑制できる。

第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれかの発明において、前記除霜運転モードにおいて、前記圧縮回転要素から吐出された冷媒は、前記利用側熱交換器、前記第１膨張装置、前記熱源側熱交換器の順に流れることを特徴とするのである。

これにより、除霜運転モード実行中においても、利用側熱交換器に高温の吐出冷媒が流れるので、利用側熱交換器の温度低下が抑制され、除霜運転モードの実行終了後に実行される加熱運転モードにおいて、利用側熱交換器の温度上昇を促進でき、着霜量が多い高湿度の外気温度条件下における除霜運転モード実行後の加熱運転モードにおいても、加熱能力を早く高めることできる。

第５の発明は、特に、第１〜第４のいずれかの発明において、前記冷媒として、二酸化炭素を用いることを特徴とするものである。

これにより、フロン系の冷媒を用いる場合と比べて、熱源側熱交換器における冷媒のエンタルピー差が大幅に拡大し、利用側熱交換器における、利用側熱媒体の高温化を実現できる。

第６の発明は、第１〜第５のいずれかの発明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である。

これにより、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を実現できる液体加熱装置を提供できる。

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、本発明の第１の実施の形態における液体加熱装置の構成図を示すものである。液体加熱装置は、冷凍サイクル装置１と、利用側熱媒体回路５と、液体加熱装置の運転動作を制御する制御装置４とから構成されている。

また、冷凍サイクル装置１は、主冷媒回路２、バイパス冷媒回路３とから構成されている。

主冷媒回路２は、圧縮機構２１、放熱器である利用側熱交換器２２、冷却用熱交換器である中間熱交換器２６、主膨張弁である第１膨張装置２３、蒸発器である熱源側熱交換器２４が、配管１６で順次接続されて形成され、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ２）を用いている。そして、熱源側熱交換器２４に空気を供給する送風装置２９が設けられている。

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等の非共沸混合冷媒、Ｒ４１０Ａ等の擬似共沸混合冷媒、または、Ｒ３２等の単一冷媒を用いることもできる。

冷媒を圧縮する圧縮機構２１は、低段側圧縮回転要素２１ａと高段側圧縮回転要素２１ｂとで構成される。利用側熱交換器２２は、高段側圧縮回転要素２１ｂから吐出された冷媒により利用側熱媒体を加熱する。

なお、本実施の形態では、圧縮回転要素が、低段側圧縮回転要素２１ａと高段側圧縮回転要素２１ｂとで構成される圧縮機構２１を用いて説明するが、単一の圧縮回転要素においても適用できる。

単一の圧縮回転要素の場合には、バイパス冷媒回路３からの冷媒が合流する位置を圧縮回転要素の圧縮途中とし、バイパス冷媒回路３からの冷媒が合流する位置までの圧縮回転要素を低段側圧縮回転要素２１ａとし、バイパス冷媒回路３からの冷媒が合流する位置以降の圧縮回転要素を高段側圧縮回転要素２１ｂとして適用することができる。

また、低段側圧縮回転要素２１ａと高段側圧縮回転要素２１ｂ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圧縮機構２１の構成でもよい。

バイパス冷媒回路３は、利用側熱交換器２２から第１膨張装置２３までの間の配管１６から分岐され、低段側圧縮回転要素２１ａと高段側圧縮回転要素２１ｂとの間の配管１６に接続されている。

バイパス冷媒回路３には、バイパス膨張弁である第２膨張装置３１が設けられている。利用側熱交換器２２を通過後の一部の高圧冷媒、又は、中間熱交換器２６を通過後の一部の高圧冷媒は、第２膨張装置３１により減圧されて中間圧冷媒となった後に、中間熱交換器２６で主冷媒回路２を流れる高圧冷媒と熱交換され、低段側圧縮回転要素２１ａと高段側圧縮回転要素２１ｂとの間の冷媒と合流される。

利用側熱媒体回路５においては、利用側熱交換器２２に、熱媒体戻り管５３と熱媒体往き管５４とが接続されている。熱媒体戻り管５３には、搬送ポンプである搬送装置５５が設けられている。

この搬送装置５５が動作することにより、熱媒体戻り管５３を通じて利用側熱交換器２２に利用側熱媒体が供給され、利用側熱交換器２２で加熱された利用側熱媒体が、熱媒体往き管５４から、例えば、床暖房等の暖房機（図示せず）や貯湯タンク（図示せず）に供給される。

これにより、暖房や給湯が行われる。その後、利用側熱媒体は、熱媒体戻り管５３を介して再び利用側熱交換器２２戻る構成となっている。なお、利用側熱媒体としては、水または不凍液が用いられている。

また、主冷媒回路２の圧縮機構２１の吐出側と第１膨張装置２３とを接続する主冷媒回路２の高圧側の配管１６には、高圧側検出部として、高圧側の蒸発圧力を検出する高圧側圧力センサ５２が設けられている。

なお、高圧側検出部としては、主冷媒回路２の圧縮機構２１の吐出側と利用側熱交換器２２とを接続する主冷媒回路２の高圧側の配管１６に設けられ、圧縮機構２１より吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度サーミスタ（図示せず）を用いてもよい。

また、主冷媒回路２の第１膨張装置２３の下流側と圧縮機構２１の吸入側とを接続する主冷媒回路２の低圧側の配管１６には、低圧側検出部として、低圧側の蒸発圧力を検出する低圧側圧力センサ５１が設けられている。

なお、低圧側検出部としては、主冷媒回路２の第１膨張装置２３の下流側と圧縮機構２１の吸入側とを接続を接続する主冷媒回路２の低圧側の配管１６に設けられ、低圧側の気液二層状態の冷媒の蒸発温度を検出する蒸発温度サーミスタ（図示せず）を用いてもよい。

また、熱源側熱交換器２４の周辺には温度サーミスタ２８が設けられており、送風装置２９が運転することで、熱源側熱交換器２４に熱を供給する空気の温度を、温度サーミスタ２８を用いて検出している。

また、本実施の形態における冷凍サイクル装置１においては、通常運転モードであり、搬送装置５５を動作させ、利用側熱媒体を利用側熱媒体回路５において利用側熱交換器２２を介して循環させ、圧縮機構２１の高段側圧縮回転要素２１ｂから吐出された冷媒により、利用側熱交換器２２で循環する利用側熱媒体を加熱する加熱運転モードを有している。

さらに、圧縮機構２１の高段側圧縮回転要素２１ｂから吐出された冷媒により、熱源側熱交換器２４の除霜を行う除霜運転モードも有している。

除霜運転モードは、低圧側圧力センサ５１の検出圧力が第１所定値以下、または、蒸発温度サーミスタの検出温度が第２所定値以下となった場合や、あるいは、温度サーミスタ２８が検出する熱源側熱交換器２４に熱を供給する空気の温度が第３所定値以下で、その状態で加熱運転モードの実行時間が、所定時間以上継続した場合には、熱源側熱交換器２４が着霜していると判断する。

そして、圧縮機構２１の高段側圧縮回転要素２１ｂから吐出された冷媒の熱により、熱源側熱交換器２４の着霜している霜を融解して除去するものである。

図１において、通常の加熱運転モード実行時の冷媒の流れ方向を実線矢印で示している。以下、通常の加熱運転モード実行時における冷媒の状態変化について説明する。

圧縮機構２１から吐出された高圧冷媒は、利用側熱交換器２２に流入し、利用側熱交換器２２を通過する利用側熱媒体に放熱する。利用側熱交換器２２から流出した高圧冷媒は、中間熱交換器２６側と第２膨張装置３１側とに分配される。中間熱交換器２６に流入した高圧冷媒は、第２膨張装置３１で減圧された中間圧冷媒によって冷却される。

第１膨張装置２３側に分配された高圧冷媒は、第１膨張装置２３によって減圧されて膨張した後に、熱源側熱交換器２４に流入する。熱源側熱交換器２４に流入した低圧冷媒は、送風装置２９が運転して熱源側熱交換器２４に供給した空気と熱交換し吸熱する。

一方、第２膨張装置３１側に分配された高圧冷媒は、第２膨張装置３１によって減圧されて膨張した後に、中間熱交換器２６に流入する。中間熱交換器２６に流入した中間圧冷媒は、利用側熱交換器２２から流出した高圧冷媒によって加熱される。

その後、中間熱交換器２６から流出した中間圧冷媒は、圧縮機構２１の低段側圧縮回転要素２１ａから吐出された中間圧冷媒と合流し、高段側圧縮回転要素２１ｂに吸入される。

本実施の形態の冷凍サイクル装置１の構成は、加熱運転時に高圧冷媒の一部を、中間熱交換器２６を経由してバイパスさせることにより、低段側圧縮回転要素２１ａの圧縮動力を低減させる。

また、圧縮機構２１の高段側圧縮回転要素２１ｂの吸込み冷媒のエンタルピーが低下することによる冷媒密度の増大で、利用側熱交換器２２を流れる冷媒流量を増加させて、加熱能力または成績係数を向上させるためのものである。

しかし、このように加熱運転モードを実行させると、空気中の水分等が熱源側熱交換器２４で氷結して着霜し、熱源側熱交換器２４の伝熱性能低下による加熱能力低下や成績係数の低下が生じる。

このため、低圧側圧力センサ５１の検出圧力が第１所定値以下、または、蒸発温度サーミスタの検出温度が第２所定値以下となった場合や、あるいは、温度サーミスタ２８が検出する熱源側熱交換器２４に熱を供給する空気の温度が第３所定値以下で、その状態で加熱運転モードの実行時間が、所定時間以上継続した場合には、熱源側熱交換器２４が着霜していると判断する。

だから、圧縮機構２１の高段側圧縮回転要素２１ｂから吐出された冷媒の熱により、熱源側熱交換器２４の着霜している霜を融解して除去する除霜運転モードを実行する必要がある。

除霜運転モードの方式の代表的なものとしては、加熱運転モードの実行時に対して四方弁が連通する流路を切り替えて、冷媒の循環方向を逆転させ、圧縮機構２１から吐出された高温高圧の冷媒を熱源側熱交換器２４に流入させて、その凝縮熱で熱源側熱交換器２４の霜を融解するリバースサイクル除霜方式がある。

一方、四方弁を切り替えずに、加熱運転モード時と流路は同様とし、圧縮機構２１から吐出された高温高圧の冷媒を利用側熱交換器２２に流入させ、第１膨張装置２３へと流し、第１膨張装置２３の開度を大きくして、圧縮機構２１から吐出された高温高圧のガス冷媒を減圧せずに、第１膨張装置２３を通過させ、その後、熱源側熱交換器２４に流入させて、熱源側熱交換器２４の霜を融解するホットガス除霜方式もある。

本実施の形態においては、ホットガス除霜方式を用いて、除霜運転モードを実行するが、その場合の冷媒の状態変化について、図１を用いて説明する。

図１に記載の破線矢印は、ホットガス除霜方式を用いて、除霜運転モードを実行した場合の冷媒の流れ方向を示している。

圧縮機構２１から吐出された高圧冷媒は利用側熱交換器２２に流入し、利用側熱交換器２２から流出した冷媒は、第１膨張装置２３を通過後、熱源側熱交換器２４に流入し、堆積した霜に放熱して霜を融解する。熱源側熱交換器２４で放熱し流出した冷媒は、再び圧縮機構２１に戻る。

この場合、除霜運転モード実行中においても、利用側熱交換器２２に高温の吐出冷媒が流れるので、利用側熱交換器２２の温度低下が抑制されて、除霜運転モード実行後に開始される加熱運転モードにおける加熱能力の上昇が、逆サイクル除霜運転と比較して速くなる。

また、除霜効率を向上させるために、利用側熱交換器２２を流れる利用側熱媒体の循環、すなわち、搬送装置５５の運転動作を停止、または、搬送装置５５の運転回転数を低下させ、利用側熱媒体の利用側熱交換器２２を流れる流量を少なくする。

また、除霜効率を向上させるために、利用側熱媒体に放熱する熱量を低減したり、熱源側熱交換器２４に流入する冷媒の温度低下を抑制するために、第１膨張装置２３の開度を大きく開けて減圧量を小さくしたりして運転している。

このように除霜運転モードは、加熱運転モードを安定的に継続するためには必要不可欠ではある。

一方で、除霜運転モード実行中においては、送風装置２９は運転停止、または、運転回転数を低下させているため、熱源側熱交換器２４では吸熱が行われない。

これにより、加熱運転モードにおいて高温となっている圧縮機構２１に蓄えられた熱が、圧縮機構２１より吐出される冷媒を介して、熱源側熱交換器２４に付着した霜の融解に利用され、圧縮機構２１ならびに冷媒の温度が低下してしまう。

その結果、除霜運転モード実行終了後の加熱運転モードの実行開始時においては、圧縮機構２１より吐出され、利用側熱交換器２２へと流入する冷媒の温度が、利用側熱媒体の温度に対して十分高くないため、加熱能力が低下してしまう。

この加熱能力の低下に伴って生じる利用側熱媒体の温度低下により、利用側熱媒体による暖房能力や成績係数が低下するなどの課題が生じる。

これらの課題を解決するためには、除霜運転モード実行終了後の加熱運転モードの実行開始時において、圧縮機構２１により圧縮される冷媒の温度を高めることが必要となる。

そこで、本実施の形態では、制御装置４は、除霜運転モード実行終了後に、搬送装置５５が通常動作を開始する加熱運転モードの実行開始時において、第１膨張装置２３側を流れる冷媒流量が第２膨張装置３１側を流れる冷媒流量より多くなる値となるように、第１膨張装置２３と第２膨張装置３１の弁開度を調整している。

これにより、圧縮機構２１の高段側圧縮回転要素２１ｂに吸入される冷媒の状態は、図２に示すように、ｂ点からｂ′点のようにエンタルピーが増加し、高段側圧縮回転要素２１ｂから吐出される冷媒のエンタルピーも、ｃ点からｃ′点のように増加することで、吐出温度が上昇し、利用側熱媒体との温度差が拡大する。

また、第１膨張装置２３側を流れる冷媒流量を増加させることにより、低段側圧縮回転要素２１ａに吸入される冷媒の密度が増加するため、圧縮機構２１より吐出され、利用側熱交換器２２へと流入する冷媒流量を十分に確保することができる。

さらに、除霜運転モード実行終了後の加熱運転モードの実行開始時において、送風装置２９を運転させることにより、熱源側熱交換器２４における吸熱量が増加し、圧縮機構２１の吸入圧力が、点ａから点ａ′のように上昇し、吸入温度も上昇する。

これにより、第２膨張装置３１に冷媒が流れる状態でも、迅速に圧縮機構２１から吐出される冷媒の温度を上昇させることができる。

このように、制御装置４が、第１膨張装置２３側を流れる冷媒流量と第２膨張装置３１側を流れる冷媒流量との流量比率を適切に調整する。

すなわち、第１膨張装置２３の弁開度と第２膨張装置３１の弁開度とを適切に調整することによって、圧縮機構２１の低段側圧縮回転要素２１ａから吐出される冷媒が、バイパス冷媒回路３より流入する冷媒により過度に冷却されることなく、高段側圧縮回転要素２１ｂに吸入されることで、圧縮機構２１から吐出される冷媒の温度が上昇する。

さらに、送風装置２９を運転させることにより、熱源側熱交換器２４における吸熱量が増加し、圧縮機構２１からの冷媒の吐出温度の上昇が促進される。

これにより、加熱能力が上昇するので、成績係数の低下が抑制された状態で、除霜運転モード実行終了後に実行される加熱運転モードにおける加熱能力をいち早く上昇させることができる。

以下、除霜運転モード実行終了後に実行される加熱運転モードにおける第１膨張装置２３および第２膨張装置３１の弁開度の動作について、図３に示すフローチャートに基づいて説明する。

まず、制御装置４は、除霜運転モードの実行により、熱源側熱交換器２４に着霜している霜を融解し、その後、除霜運転モードの実行を終了する（ステップＳ１）。

その際、送風装置２９の運転状態を検出する（ステップＳ２）。送風装置２９が停止している場合は、送風装置２９の運転を開始し、送風装置２９が運転している場合は、送風装置２９の運転を継続する（ステップＳ３）。

そして、圧縮機構２１が運転している状態で、第１膨張装置２３の弁開度と第２膨張装置３１の弁開度を、それぞれ予め制御装置４に設定されているＯｍとＯｂとなるように設定する（ステップＳ４）。

なお、第１膨張装置２３の弁開度Ｏｍと第２膨張装置３１の弁開度Ｏｂは、図１に示すように、第１膨張装置２３を流れる冷媒流量Ｇｍが、第２膨張装置３１を流れる冷媒流量Ｇｂより多くなる開度である（ステップＳ４）。

なお、除霜運転モード実行時には、圧縮機構２１から吐出された高温高圧の冷媒を、第１膨張装置２３の弁開度を略最大の開度に、かつ、第２膨張装置３１の弁開度を略最小の開度とし、圧縮機構２１から吐出された高温高圧のガス冷媒を熱源側熱交換器２４に流入させている。

したがって、ステップＳ４の搬送装置５５が通常動作を開始する加熱運転モードの実行開始時において、制御装置４は、第１膨張装置２３の弁開度は閉方向に動作させ、第２膨張装置３１の弁開度は開方向に動作させる、もしくは、動作させず略最少開度を維持することになる。

すなわち、搬送装置５５が通常動作を開始する加熱運転モードの実行開始時において、制御装置４は、第１膨張装置２３側を流れる冷媒流量が、第２膨張装置３１側を流れる冷媒流量より多くなるように、第１膨張装置２３と第２膨張装置３１の弁開度の値を設定する。

なお、第１膨張装置２３の弁開度と第２膨張装置３１の弁開度を、それぞれ予め制御装置４に設定されているＯｍとＯｂとなるように設定した後に、搬送装置５５を通常動作させて、加熱運転モードの実行を開始してもよい。

すなわち、制御装置４は、第１膨張装置２３側を流れる冷媒流量が、第２膨張装置３１側を流れる冷媒流量より多くなる値に、第１膨張装置２３と第２膨張装置３１の弁開度を設定した後に、搬送装置５５を通常動作させて、加熱運転モードの実行を開始してもよい。

次に、制御装置４は、高圧側検出部である高圧側圧力センサ５２で、主冷媒回路２の高圧側圧力Ｐｄを検出する（ステップＳ５）。

そして、高圧側圧力センサ５２で、主冷媒回路２の高圧側圧力Ｐｄ、すなわち、圧縮機構２１の吐出圧力（高段側圧縮回転要素２１ｂの吐出圧力）を検出し、その検出値が、予め設定された第４所定値（所定圧力Ｐｄｔ）以下か否かを監視しながら判断する（ステップＳ６）。

ステップＳ６でＹＥＳの場合、すなわち、吐出圧力Ｐｄが第２所定値であるＰｄｔ以下の場合には、第１膨張装置２３の弁開度と第２膨張装置３１の弁開度を、それぞれ予め制御装置４に設定されているＯｍとＯｂのままとする。

すなわち、第１膨張装置２３を流れる冷媒流量Ｇｍが、第２膨張装置３１を流れる冷媒流量Ｇｂより多くなるようにする状態を継続する。

一方、ステップＳ６でＮＯの場合、すなわち、吐出圧力Ｐｄが第２所定値であるＰｄｔより高い場合は、第１膨張装置２３の弁開度と第２膨張装置３１の弁開度を、それぞれ予め制御装置４に設定されているＯｍとＯｂとする制御を解除する。

すなわち、通常の加熱運転モードにおける第１膨張装置２３の弁開度と第２膨張装置３１の弁開度の動作制御に移行し、加熱運転モードの実行を継続する。

なお、高圧側検出部としては、高圧側圧力センサ５２の代わりに、主冷媒回路２の圧縮機構２１の吐出側と利用側熱交換器２２とを接続する主冷媒回路２の高圧側の配管１６に設けられ、圧縮機構２１より吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度サーミスタ（図示せず）を用いてもよい。

この場合、高圧側圧力センサ５２を用いた図３に示すフローチャートと同様に、吐出温度サーミスタの検出値が第５所定値以下の期間は、第１膨張装置２３の弁開度と第２膨張装置３１の弁開度とを、第１膨張装置２３を流れる冷媒流量が、第２膨張装置３１を流れる冷媒流量より多くなる開度に設定することとなる。

なお、制御装置４は、加熱運転モードの実行開始時からの所定時間以内は、第１膨張装置２３の弁開度と第２膨張装置３１の弁開度とを、第１膨張装置２３を流れる冷媒流量が、第２膨張装置３１を流れる冷媒流量より多くなる開度に設定するようにしていてもよい。

この場合、加熱運転モードの実行開始時より所定時間を経過した後には、通常の加熱運転モードにおける第１膨張装置２３の弁開度と第２膨張装置３１の弁開度の動作制御に移行し、加熱運転モードの実行を継続することとなる。

なお、本実施の形態では、第１膨張装置２３の弁開度Ｏｍと第２膨張装置３１の弁開度Ｏｂとを、制御装置４に予め設定しておく構成としたが、弁開度Ｏｍと弁開度Ｏｂは、実際に流量を検出して主冷媒流量Ｇｍ＞バイパス冷媒流量Ｇｂとなるように制御してもよい。

その場合の流量検出装置（図示せず）としては、例えば、第１膨張装置２３側の冷媒回路とバイパス路にそれぞれ流量計を設けてもよいし、各膨張弁の出入口の圧力差と開度の関数から、それぞれの冷媒流量を算出してもよい。

なお、バイパス冷媒回路３は、必ずしも利用側熱交換器２２と中間熱交換器２６の間で主冷媒回路２から分岐している必要はなく、中間熱交換器２６と第１膨張装置２３の間で主冷媒回路２から分岐していてもよい。

さらに、本実施の形態の第１膨張装置２３および第２膨張装置３１は、必ずしも膨張弁である必要はなく、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機でもよい。この場合、例えば、膨張機と連結された発電機によって負荷を変化させることにより、膨張機の回転数を制御すればよい。

以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、中間熱交換器を備えた主冷媒回路とバイパス冷媒回路からなり、熱源側熱交換器の除霜運転実行終了後の加熱運転の実行時においても、加熱運転の加熱能力の低下を抑制できるので、冷凍サイクル装置を用いた冷凍、空調、給湯、暖房機器等に有用である。

１ 冷凍サイクル装置
２ 主冷媒回路
３ バイパス冷媒回路
４ 制御装置
５ 利用側熱媒体回路
１６ 配管
２１ 圧縮機構
２１ａ 低段側圧縮回転要素
２１ｂ 高段側圧縮回転要素
２２ 利用側熱交換器
２３ 第１膨張装置
２４ 熱源側熱交換器
２６ 中間熱交換器
２８ 温度サーミスタ
２９ 送風装置
３１ 第２膨張装置
５１ 低圧側圧力センサ（低圧側検出部）
５２ 高圧側圧力センサ（高圧側検出部）
５３ 熱媒体戻り管
５４ 熱媒体往き管
５５ 搬送装置

Claims (6)

1. 圧縮回転要素から構成される圧縮機構、前記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て形成される主冷媒回路と、
   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、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、前記圧縮回転要素の圧縮途中の冷媒に合流されるバイパス冷媒回路と、
   前記熱源側熱交換器に空気を供給する送風装置と、
   制御装置と、
   を備え、
   前記圧縮回転要素から吐出された冷媒により、前記利用側熱交換器において前記利用側熱媒体を加熱する加熱運転モードと、
   前記圧縮回転要素から吐出された冷媒により、前記熱源側熱交換器の除霜を行う除霜運転モードと、
   を有し、
   前記除霜運転モードの実行終了後に実行される前記加熱運転モードにおいて、
   前記制御装置は、前記加熱運転モードの実行中、少なくとも所定期間は、前記第１膨張装置の開度と前記第２膨張装置の開度を、前記第１膨張装置を流れる冷媒流量が、前記第２膨張装置を流れる冷媒流量よりも多くなる値に設定し、かつ、前記送風装置を運転させることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記主冷媒回路の高圧側の冷媒の温度、または、前記主冷媒回路の高圧側の冷媒の圧力、を検出する高圧側検出部を備え、前記所定期間は、前記高圧側検出部の検出値が所定値以下の期間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. 前記所定期間は、前記加熱運転モードの実行開始時からの経過時間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。
4. 前記除霜運転モードにおいて、前記圧縮回転要素から吐出された冷媒は、前記利用側熱交換器、前記第１膨張装置、前記熱源側熱交換器の順に流れ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. 前記冷媒として、二酸化炭素を用いる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。

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