JP2020201007A - 冷媒サイクルシステム - Google Patents

Abstract

【課題】カスケード熱交換器の性能を損なわず、冷媒を過熱状態にする。【解決手段】冷媒サイクルシステム１００は、第１冷媒回路１と、第２冷媒回路２と、第１カスケード熱交換器２１と、を備える。第１冷媒回路１は、蒸気圧縮式冷凍サイクルである。第２冷媒回路２は、蒸気圧縮式冷凍サイクルである。第１カスケード熱交換器２１は、第１冷媒回路１を流れる第１冷媒と、第２冷媒回路２を流れる第２冷媒と、の間で熱交換を行わせる。冷媒サイクルシステム１００は、切換機構１３、２５を有す。切換機構１３、２５は、第１冷媒回路１及び第２冷媒回路２の少なくともいずれか一方の冷媒の流路を切り替える。第１カスケード熱交換器２１は、第１メイン熱交換部２１ａと、第１サブ熱交換部２１ｂと、を有す。第１サブ熱交換部２１ｂは、第１メイン熱交換部２１ａを通過した第１冷媒を過熱状態にするためのものである。【選択図】図１

Description

冷媒サイクルシステムに関する。

特許文献１（特開２０００−１９３３３９号公報）に示すように、蒸気圧縮式冷凍サイクルによる二元冷媒回路が知られている。

特許文献１には、二元冷媒回路における冷媒の状態の制御について言及されていない。

第１観点の冷媒サイクルシステムは、第１冷媒回路と、第２冷媒回路と、第１カスケード熱交換器と、を備える。第１冷媒回路は、蒸気圧縮式冷凍サイクルである。第２冷媒回路は、蒸気圧縮式冷凍サイクルである。第１カスケード熱交換器は、第１冷媒回路を流れる第１冷媒と、第２冷媒回路を流れる第２冷媒と、の間で熱交換を行わせる。冷媒サイクルシステムは、切換機構を有す。切換機構は、第１冷媒回路及び第２冷媒回路の少なくともいずれか一方の回路の冷媒の流路を切り替える。第１カスケード熱交換器は、第１メイン熱交換部と、第１サブ熱交換部と、を有す。第１サブ熱交換部は、第１メイン熱交換部を通過した第１冷媒を過熱状態にするためのものである。

これによって、第１サブ熱交換部において第１冷媒の過熱状態を制御することが可能であるため、第１冷媒の過熱状態の制御が行いやすくなる。

第２観点の冷媒サイクルシステムは、第１観点のシステムであって、第１流量調整弁と、制御部と、をさらに備える。第１流量調整弁は、第１冷媒回路において第１カスケード熱交換器に流れる第１冷媒の量を調整する。制御部は、第１流量調整弁の開度を調整する。第１冷媒回路の第１カスケード熱交換器が蒸発器となるとき、制御部は、第１サブ熱交換部から出る第１冷媒が過熱状態になるように第１流量調整弁の開度を調整する。

第３観点の冷媒サイクルシステムは、第１観点又は第２観点のシステムであって、第１メイン熱交換部は、第１サブ熱交換部よりも熱交換能力が大きい。

第１冷媒の過熱状態の制御は、第１サブ熱交換部において行われる。これによって、第１メイン熱交換部の高い熱交換能力が損なわれることを抑制して第１冷媒の過熱状態の制御を行う事が可能である。

第４観点の冷媒サイクルシステムは、第１観点から第３観点のいずれかのシステムであって、第１メイン熱交換部は、プレート熱交換器、又は、複数の扁平管を積層した熱交換器である。第１サブ熱交換部は、二重管、又は、配管を接触させた構造の熱交換部である。

サブ熱交換部２１ｂを上記のような熱交換器にすることで、サブ熱交換部２１ｂを設けることによるコストの増加を抑制することが可能である。

第５観点の冷媒サイクルシステムは、第１観点から第４観点のいずれかのシステムであって、第３冷媒回路と、第２カスケード熱交換器と、をさらに備える。第３冷媒回路は、蒸気圧縮式冷凍サイクルである。第２カスケード熱交換器は、第１冷媒回路を流れる第１冷媒と、第３冷媒回路を流れる第３冷媒と、の間で熱交換を行わせる。第２カスケード熱交換器は、第２メイン熱交換部と、第２サブ熱交換部と、を有す。第２サブ熱交換部は、第２メイン熱交換部を通過した冷媒を過熱状態にするためのものである。第１カスケード熱交換器と、第２カスケード熱交換器とは、第１冷媒回路において並列に接続される。

これによって、接続可能な利用側熱交換器の台数が増加し、冷媒サイクルシステムを施工する施工時の自由度が高くなる。

第６観点の冷媒サイクルシステムは、第１観点から第５観点のいずれかのシステムであって、第１冷媒及び第２冷媒は、ＨＦＣ冷媒、ＨＦＯ冷媒、自然冷媒のいずれか１つである。あるいは、第１冷媒及び第２冷媒は、ＨＦＣ冷媒、ＨＦＯ冷媒、自然冷媒、ＣＦ_３Ｉ、のうちのいずれか２つ以上を含む混合冷媒である。

第７観点の冷媒サイクルシステムは、第１観点から第６観点のいずれかのシステムであって、第１冷媒、及び、第２冷媒は、Ｒ３２である。

これによって、既存の冷媒サイクルシステムを流用することが可能である。

第８観点の冷媒サイクルシステムは、第１観点から第６観点のいずれかのシステムであって、第１冷媒は、Ｒ３２である。第２冷媒は、二酸化炭素である。

空気調和装置の冷媒回路を示す図である。 制御部の概略を示す図である。

（１）空気調和装置の構成
図１に示すように、冷媒サイクル装置の一実施形態としての空気調和装置１００は、蒸気圧縮式冷凍サイクルである第１冷媒回路１、第２冷媒回路２、第３冷媒回路３によって、ビル等の建物内の部屋の冷房や暖房を行う装置である。

空気調和装置１００は、主として、第１冷媒回路１に属する熱源側ユニット１０と、第２冷媒回路２に属する複数の利用側ユニット３０Ａ、３０Ｂ（本実施形態においては２つ）と、第３冷媒回路に属する複数の利用側ユニット５０Ａ、５０Ｂ（本実施形態においては２つ）と、熱源側ユニット１０と利用側ユニット３０Ａ、３０Ｂとの間に配置される第１カスケードユニット２０と、熱源側ユニット１０と利用側ユニット５０Ａ、５０Ｂとの間に配置される第２カスケードユニット４０と、冷媒連絡管４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂと、制御部６０と、を有している。

第１カスケードユニット２０と第２カスケードユニット４０とは、第１冷媒回路１において、互いが並列に接続される。複数の利用側ユニット３０Ａ、３０Ｂは、第２冷媒回路２において、互いが並列に接続される。複数の利用側ユニット５０Ａ、５０Ｂは、第３冷媒回路３において、互いが並列に接続される。

制御部６０は、伝送線等を介して各ユニットの制御部と接続されている。制御部６０は、空気調和装置１００に含まれる各構成機器の制御と空気調和装置１００全体の制御を行う。

第１冷媒回路１、第２冷媒回路２、第３冷媒回路３には、それぞれ、第１冷媒、第２冷媒、第３冷媒としてＲ３２が充填されている。

（２）各ユニットの詳細構成
（２−１）利用側ユニット
利用側ユニット３０Ａ、３０Ｂ、５０Ａ、５０Ｂは、ビル等の室内に設置されている。

第２冷媒回路２の一部を構成する複数の利用側ユニット３０Ａ、３０Ｂは、冷媒連絡管としての液冷媒連絡管５ａとガス冷媒連絡管５ｂとを介して、第１カスケードユニット２０に接続されている。

また、第３冷媒回路３の一部を構成する複数の利用側ユニット５０Ａ、５０Ｂは、冷媒連絡管としての液冷媒連絡管６ａとガス冷媒連絡管６ｂとを介して、第２カスケードユニット４０に接続されている。

次に、利用側ユニット３０Ａの構成について説明する。なお、利用側ユニット３０Ａと、利用側ユニット３０Ｂ、５０Ａ、５０Ｂとは、同様の構成であるため、ここでは利用側ユニット３０Ａの構成のみ説明し、利用側ユニット３０Ｂ、５０Ａ、５０Ｂの構成については、説明を省略する。

利用側ユニット３０Ａは、主として、利用側熱交換器３１ａと、流量調整弁３２ａと、を有している。

利用側熱交換器３１ａは、第２冷媒の蒸発器として機能して室内空気を冷却する、又は、第２冷媒の放熱器として機能して室内空気を加熱する熱交換器である。ここで、利用側ユニット３０Ａは、図示しない利用側ファンを有する。利用側ファンは、利用側熱交換器３１ａを流れる第２冷媒の冷却源又は加熱源としての室内空気を、利用側熱交換器３１ａに供給する。

流量調整弁３２ａは、第２冷媒を減圧しながら利用側熱交換器３１ａを流れる第２冷媒の流量を調整することが可能な電動膨張弁である。流量調整弁３２ａは、利用側制御部６４を介して、制御部６０によって開度を調整される。

利用側ユニット３０Ａには、図示しない各種のセンサが設けられている。各センサが検出した値は、利用側制御部６４を介して制御部６０に送られる。

（２−２）熱源側ユニット
第１冷媒回路１の一部を構成する熱源側ユニット１０は、ビル等の建物の室外、例えば屋上や地上に設置されている。熱源側ユニット１０は、液冷媒連絡管４ａとガス冷媒連絡管４ｂとを介して、第１カスケードユニット２０または第２カスケードユニット４０に接続されている。

熱源側ユニット１０は、主として、圧縮機１１と、熱源側熱交換器１２と、を有している。また、熱源側ユニット１０は、熱源側熱交換器１２を冷媒の放熱器として機能させる冷房運転状態と、熱源側熱交換器１２を冷媒の蒸発器として機能させる暖房運転状態と、を切り換える冷暖切換機構としての切換機構１３を有している。

圧縮機１１は、第１冷媒を圧縮するための機器であり、例えば、ロータリ式やスクロール式等の容積式の圧縮要素が圧縮機用モータによって回転駆動される、密閉式構造の圧縮機である。

熱源側熱交換器１２は、第１冷媒の放熱器として機能する、又は、第１冷媒の蒸発器として機能する熱交換器である。ここで、熱源側ユニット１０は、図示しない熱源側ファンを有している。熱源側ファンは、熱源側ユニット１０内に室外空気を吸入して、熱源側熱交換器１２において第１冷媒と熱交換させた後に、外部に排出する。

また、第１冷媒回路１には、熱源側熱交換器１２の液側端寄りに膨張弁１４が設けられている。膨張弁１４は、暖房運転状態において第１冷媒を減圧する電動膨張弁である。膨張弁１４は、熱源側制御部６１を介して、制御部６０によって開度を調整される。

熱源側ユニット１０には、図示しない各種のセンサが設けられている。各センサが検出した値は、熱源側制御部６１を介して制御部６０に送られる。

（２−３）カスケードユニット
第１カスケードユニット２０と第２カスケードユニット４０とは、例えば、ビル等の建物の部屋の天井裏の空間に設置されている。

第１カスケードユニット２０は、利用側ユニット３０Ａ、３０Ｂと熱源側ユニット１０との間に介在しており、第１冷媒回路１の一部と第２冷媒回路２の一部を構成している。

また、第２カスケードユニット４０は、利用側ユニット５０Ａ、５０Ｂと熱源側ユニット１０との間に介在しており、第１冷媒回路１の一部と第３冷媒回路３の一部を構成している。

次に、第１カスケードユニット２０の構成について説明する。なお、第１カスケードユニット２０と第２カスケードユニット４０とは同様の構成であるため、ここでは、第１カスケードユニット２０の構成のみ説明し、第２カスケードユニット４０の構成については、説明を省略する。

第１カスケードユニット２０は、主として、第１カスケード熱交換器２１と、第１流量調整弁２２と、圧縮機２４と、膨張弁２６と、を有している。また、第１カスケードユニット２０は、第１カスケード熱交換器２１を冷媒の放熱器として機能させる冷房運転状態と、第１カスケード熱交換器２１を冷媒の蒸発器として機能させる暖房運転状態と、を切り換える冷暖切換機構としての切換機構２５を有している。

第１カスケード熱交換器２１は、第１冷媒回路１において第１冷媒の放熱器として機能するとき、第２冷媒回路２では第２冷媒の蒸発器として機能する。また、第１カスケード熱交換器２１は、第１冷媒回路１において第１冷媒の蒸発器として機能するとき、第２冷媒回路２では第２冷媒の放熱器として機能する。第１カスケード熱交換器２１は、第１冷媒回路１を流れる第１冷媒と、第２冷媒回路２を流れる第２冷媒と、の間で熱交換させる熱交換器である。

ここで、第１カスケード熱交換器２１は、第１メイン熱交換部２１ａと、第１サブ熱交換部２１ｂと、を有している。第１サブ熱交換部２１ｂは、第１メイン熱交換部２１ａを通過した第１冷媒を過熱状態にするためのものである。なお、過熱状態とは、第１冷媒に過熱度が与えられた状態であって、与えられる過熱度は限定されず、多少の過熱度が与えられていればよい。

第１メイン熱交換部２１ａは、第１サブ熱交換部２１ｂよりも熱交換能力が大きい熱交換器である。例えば、第１メイン熱交換部２１ａはプレート熱交換器であって、第１サブ熱交換部２１ｂは、二重管である。

熱交換器の熱交換能力は、熱通過率等によって算出することが可能である。第１メイン熱交換部２１ａとして用いられるプレート熱交換器の熱交換能力は、一般的に第１サブ熱交換部２１ｂとして用いられる二重管の熱交換能力よりも大きい。

なお、熱交換器の熱交換能力を算出する算出方法は、特に限定されない。

第１冷媒回路１には、第１メイン熱交換部２１ａの液側端寄りに第１流量調整弁２２が設けられている。第１流量調整弁２２は、冷房運転時に冷媒を減圧する電動膨張弁である。第１流量調整弁２２は、第１サブ熱交換部２１ｂから出る第１冷媒が加熱状態になるように、第１カスケード制御部６２を介して、制御部６０によって弁の開度を調整される。

圧縮機２４は、第２冷媒を圧縮するための機器であり、例えば、ロータリ式やスクロール式等の容積式の圧縮要素が圧縮機用モータによって回転駆動される密閉式構造の圧縮機が使用される。

切換機構２５は、第２冷媒回路２内における第２冷媒の流れを切り換えることが可能な機器であり、例えば、四路切換弁からなる。

また、第２冷媒回路２には、第１メイン熱交換部２１ａの液側端寄りに膨張弁２６が設けられている。膨張弁２６は、暖房運転時に冷媒を減圧する電動膨張弁である。膨張弁２６は、第１カスケード制御部６２を介して、制御部６０によって開度を調整される。

さらに、第１カスケードユニット２０には、図１に示すように、入口温度センサ２３ａと、出口温度センサ２３ｂと、が設けられている。入口温度センサ２３ａは、第１冷媒回路１において、第１メイン熱交換部２１ａの液側端における第１冷媒の温度（入口温度）を検出する。出口温度センサ２３ｂは、第１冷媒回路１において、第１サブ熱交換部２１ｂのガス側端における第１冷媒の温度（出口温度）を検出する。入口温度センサ２３ａと出口温度センサ２３ｂとが、検出した値は、第１カスケード制御部６２を介して制御部６０に送られる。

第１カスケードユニット２０には、図示しないが、上記以外の各種のセンサも設けられている。

（２−４）制御部
制御部６０は、図２に示すように、熱源側制御部６１と、第１カスケード制御部６２、第２カスケード制御部６３、利用側制御部６４、６５、６６、６７と、を有している。各制御部６０、６１、６２、６３、６４、６５、６６、６７は、ＣＰＵ又はＧＰＵといったプロセッサと、メモリと等を含む。プロセッサは、メモリに記憶されているプログラムを読み出し、このプログラムに従って所定の処理を行う事が可能である。

熱源側制御部６１は、熱源側ユニット１０に配置されている。熱源側制御部６１は、熱源側ユニット１０全体と、膨張弁１４の開度と、を制御する。第１カスケード制御部６２は、第１カスケードユニット２０に配置されている。第１カスケード制御部６２は、第１カスケードユニット２０全体と、第１流量調整弁２２、膨張弁２６の開度と、を制御する。第２カスケード制御部６３は、第２カスケードユニット４０に配置されている。第２カスケード制御部６３は、第２カスケードユニット４０全体と、第２流量調整弁４２、膨張弁４６の開度とを制御する。利用側制御部６４は、利用側ユニット３０Ａに配置されている。利用側制御部６４は、利用側ユニット３０Ａ全体と、流量調整弁３２ａの開度と、を制御する。利用側制御部６５は、利用側ユニット３０Ｂに配置されている。利用側制御部６５は、利用側ユニット３０Ｂ全体と、流量調整弁３２ｂの開度と、を制御する。利用側制御部６６は、利用側ユニット５０Ａに配置されている。利用側制御部６６は、利用側ユニット５０Ａ全体と、流量調整弁５２ａの開度と、を制御する。利用側制御部６７は、利用側ユニット５０Ｂに配置されている。利用側制御部６７は、利用側ユニット５０Ｂ全体と、流量調整弁５２ｂの開度と、を制御する。

制御部６０及び各制御部６１、６２、６３、６４、６５、６６、６７は、マイクロコンピュータやメモリ等の電装品が実装された制御基板を含んでおり、制御部６０は、各制御部６１、６２、６３、６４、６５、６６、６７を介して空気調和装置１００全体の制御を行う。制御部６０は、各制御部を介して、空気調和装置１００に設けられた各センサの検知した値を受けとり、各構成機器に制御信号等を送ることが可能である。

具体的には、制御部６０は、第１カスケード制御部６２を介して、第１カスケードユニット２０に設けられた入口温度センサ２３ａが検出した入口温度と、出口温度センサ２３ｂが検出した出口温度と、を受け取る。制御部６０には、第１流量調整弁２２の開度を調整するための開度調整アルゴリズムがあらかじめ具備されている。制御部６０は、この開度調整アルゴリズムを用いて、入口温度と出口温度とから、第１サブ熱交換部２１ｂから出る第１冷媒を適切な過熱度にするための制御信号を生成する。第１流量調整弁２２は、この制御信号に基づいて第１流量調整弁２２の開度を調整することで、第１サブ熱交換部２１ｂから出る第１冷媒を適切な過熱度にすることが可能である。

また、第２カスケードユニット４０の有する第２流量調整弁４２の開度の調整は、上記と同様である。制御部６０が、第２カスケード制御部６３を介して、第２カスケードユニット４０の入口温度センサ４３ａが検出した入口温度と、出口温度センサ４３ｂが検出した出口温度と、を受け取る。制御部６０は、開度調整アルゴリズムを用いて、第２流量調整弁４２の開度を調整する制御信号を第２流量調整弁４２に送る。第２流量調整弁４２は、制御信号に基づいての開度を調整する。

なお、制御部６０が、第１流量調整弁２２または第２流量調整弁４２の開度を調整する方法はこれに限られない。

（３）空気調和装置の基本動作
次に、空気調和装置１００の基本動作について説明する。空気調和装置１００の基本動作には、冷房運転及び暖房運転がある。なお、以下に説明する空気調和装置１００の基本動作は、空気調和装置１００（熱源側ユニット１０、利用側ユニット３０Ａ、３０Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ、第１カスケードユニット２０及び第２カスケードユニット４０）の構成機器を制御する制御部６０によって行われる。

（３−１）冷房運転
例えば、利用側ユニット３０Ａ、３０Ｂ、５０Ａ、５０Ｂの全てが冷房運転（利用側熱交換器３１ａ、３１ｂ、５１ａ、５１ｂの全てが冷媒の蒸発器として機能し、かつ、熱源側熱交換器１２が冷媒の放熱器として機能する運転）を行う際には、切換機構１３、２５、４５が冷房運転状態（図１の実線で示された状態）に切り換えられる。

（３−１−１）第１冷媒回路
冷房運転の際、第１冷媒回路１において、圧縮機１１から吐出された高圧の第１冷媒は、切換機構１３を通じて熱源側熱交換器１２に送られる。熱源側熱交換器１２に送られた第１冷媒は、第１冷媒の放熱器として機能する熱源側熱交換器１２において、熱源側ファンによって供給される室外空気と熱交換を行って冷却されることによって凝縮する。この第１冷媒は、膨張弁１４を通じて熱源側ユニット１０から流出する。

熱源側ユニット１０から流出した第１冷媒は、第１カスケードユニット２０または第２カスケードユニット４０に送られる。

第１カスケードユニット２０に送られた第１冷媒は、第１流量調整弁２２によって適切な圧力まで減圧された後に、第１カスケード熱交換器２１に流入する。第１カスケード熱交換器２１に送られた第１冷媒は、第１冷媒の蒸発器として機能する第１メイン熱交換部２１ａと第１サブ熱交換部２１ｂとにおいて、第２冷媒回路２を流れる第２冷媒と熱交換を行って加熱されることによって、蒸発する。第１サブ熱交換部２１ｂから出た第１冷媒には、適切な過熱度が付与されている。この第１冷媒は、第１カスケードユニット２０から流出し、第２カスケードユニット４０から流出した第１冷媒と合流した状態で圧縮機１１に吸入される。

また、第２カスケードユニット４０に送られた第１冷媒は、第２流量調整弁４２によって適切な圧力まで減圧された後に、第２カスケード熱交換器４１に流入する。第２カスケード熱交換器４１に送られた第１冷媒は、第１冷媒の蒸発器として機能する第２メイン熱交換部４１ａと第２サブ熱交換部４１ｂとにおいて、第３冷媒回路３を流れる第３冷媒と熱交換を行って加熱されることによって、蒸発する。第２サブ熱交換部４１ｂから出た第１冷媒には、適切な過熱度が付与されている。この第１冷媒は、第２カスケードユニット４０から流出し、第１カスケードユニット２０から流出した第１冷媒と合流した状態で圧縮機１１に吸入される。

（３−１−２）第２冷媒回路
第２冷媒回路２において、圧縮機２４から吐出された高圧の第２冷媒は、切換機構２５を通じて、第１カスケード熱交換器２１に送られる。第１カスケード熱交換器２１に送られた第２冷媒は、第２冷媒の放熱器として機能する第１サブ熱交換部２１ｂと第１メイン熱交換部２１ａとにおいて、第１冷媒回路１を流れる第１冷媒と熱交換を行って冷却されることによって凝縮する。この第２冷媒は、膨張弁２６を通じて第１カスケードユニット２０から流出する。第１カスケードユニット２０から流出した第２冷媒は、各利用側ユニット３０Ａ、３０Ｂに送られる。

利用側ユニット３０Ａに送られた第２冷媒は、流量調整弁３２ａによって適切な圧力まで減圧された後に、第２冷媒の蒸発器として機能する利用側熱交換器３１ａにおいて、利用側ファンによって供給される室外空気と熱交換を行って、蒸発する。この第２冷媒は、利用側ユニット３０Ａから流出し、利用側ユニット３０Ｂから流出した第２冷媒と合流した状態で圧縮機２４に吸入される。

利用側ユニット３０Ｂに送られた第２冷媒は、流量調整弁３２ｂによって適切な圧力まで減圧された後に、第２冷媒の蒸発器として機能する利用側熱交換器３１ｂにおいて、利用側ファンによって供給される室外空気と熱交換を行って、蒸発する。この第２冷媒は、利用側ユニット３０Ｂから流出し、利用側ユニット３０Ａから流出した第２冷媒と合流した状態で圧縮機２４に吸入される。

一方、利用側熱交換器３１ａ、３１ｂにおいて冷却された室内空気は、室内に送られ、これにより、室内の冷房が行われる。

（３−１−３）第３冷媒回路
第３冷媒回路３において、圧縮機４４から吐出された高圧の第３冷媒は、切換機構４５を通じて、第２カスケード熱交換器４１に送られる。第２カスケード熱交換器４１に送られた第３冷媒は、第３冷媒の放熱器として機能する第２サブ熱交換部４１ｂと第２メイン熱交換部４１ａとにおいて、第１冷媒回路１を流れる第１冷媒と熱交換を行って冷却されることによって凝縮する。この第３冷媒は、膨張弁４６を通じて第２カスケードユニット４０から流出する。第２カスケードユニット４０から流出した第３冷媒は、各利用側ユニット５０Ａ、５０Ｂに送られる。

利用側ユニット５０Ａに送られた第３冷媒は、流量調整弁５２ａによって適切な圧力まで減圧された後に、第３冷媒の蒸発器として機能する利用側熱交換器５１ａにおいて、利用側ファンによって供給される室外空気と熱交換を行って、蒸発する。この第３冷媒は、利用側ユニット５０Ａから流出し、利用側ユニット５０Ｂから流出した第３冷媒と合流した状態で圧縮機４４に吸入される。

利用側ユニット５０Ｂに送られた第３冷媒は、流量調整弁５２ｂによって適切な圧力まで減圧された後に、第３冷媒の蒸発器として機能する利用側熱交換器５１ｂにおいて、利用側ファンによって供給される室外空気と熱交換を行って、蒸発する。この第３冷媒は、利用側ユニット５０Ａから流出し、利用側ユニット５０Ｂから流出した第３冷媒と合流した状態で圧縮機４４に吸入される。

一方、利用側熱交換器５１ａ、５１ｂにおいて冷却された室内空気は、室内に送られ、これにより、室内の冷房が行われる。

（３−２）暖房運転
例えば、利用側ユニット３０Ａ、３０Ｂ、５０Ａ、５０Ｂの全てが暖房運転（利用側熱交換器３１ａ、３１ｂ、５１ａ、５１ｂの全てが冷媒の放熱器として機能し、かつ、熱源側熱交換器１２が冷媒の蒸発器として機能する運転）を行う際には、切換機構１３、２５、４５が暖房運転状態（図１の破線で示された状態）に切り換えられる。

（３−２−１）第１冷媒回路
暖房運転の際、第１冷媒回路１において、圧縮機１１から吐出された高圧の第１冷媒は、切換機構１３を通じて熱源側ユニット１０から流出する。

熱源側ユニット１０から流出した第１冷媒は、第１カスケードユニット２０または第２カスケードユニット４０に送られる。

第１カスケードユニット２０に送られた第１冷媒は、冷媒の放熱器として機能する第１サブ熱交換部２１ｂと第１メイン熱交換部２１ａとにおいて、第２冷媒回路２を流れる第２冷媒と熱交換を行って冷却されることによって凝縮する。凝縮した第１冷媒は、第１流量調整弁２２を通過し、第１カスケードユニット２０から流出する。第１カスケードユニット２０から流出した第１冷媒は、第２カスケードユニット４０から流出した第１冷媒と合流した状態で熱源側ユニット１０に送られる。

また、第２カスケードユニット４０に送られた第１冷媒は、冷媒の放熱器として機能する第２サブ熱交換部４１ｂと第２メイン熱交換部４１ａとにおいて、第３冷媒回路３を流れる第３冷媒と熱交換を行って冷却されることによって凝縮する。凝縮した第３冷媒は、第２流量調整弁４２を通過し、第１カスケードユニット２０から流出する。第２カスケードユニット４０から流出した第１冷媒は、第１カスケードユニット２０から流出した第１冷媒と合流した状態で熱源側ユニット１０に送られる。

熱源側ユニット１０に送られた第１冷媒は、膨張弁１４に送られる。膨張弁１４に送られた第１冷媒は、膨張弁１４によって減圧された後に、熱源側熱交換器１２に送られる。熱源側熱交換器１２に送られた第１冷媒は、熱源側ファンによって供給される室外空気と熱交換を行って加熱されることによって、蒸発する。蒸発した第１冷媒は、切換機構１３を通じて圧縮機１１に吸入される。

（３−２−２）第２冷媒回路
第２冷媒回路２において、暖房運転の際、圧縮機２４から吐出された高圧の第２冷媒は、切換機構２５を通じて第１カスケードユニット２０から流出する。

第１カスケードユニット２０から流出した第２冷媒は、各利用側ユニット３０Ａ、３０Ｂに送られる。

利用側ユニット３０Ａに送られた第２冷媒は、冷媒の放熱器として機能する利用側熱交換器３１ａにおいて、利用側ファンによって供給される室外空気と熱交換を行って、凝縮する。凝縮した第２冷媒は、流量調整弁３２ａを通過し、利用側ユニット３０Ａから流出する。利用側ユニット３０Ａから流出した第２冷媒は、利用側ユニット３０Ｂから流出した第２冷媒と合流した状態で第１カスケードユニット２０に送られる。

また、利用側ユニット３０Ｂに送られた第２冷媒は、冷媒の放熱器として機能する利用側熱交換器３１ｂにおいて、利用側ファンによって供給される室外空気と熱交換を行って、凝縮する。凝縮した第２冷媒は、流量調整弁３２ｂを通過し、利用側ユニット３０Ｂから流出する。利用側ユニット３０Ｂから流出した第２冷媒は、利用側ユニット３０Ａから流出した第２冷媒と合流した状態で第１カスケードユニット２０に送られる。

一方、利用側熱交換器３１ａ、３１ｂにおいて加熱された室内空気は、室内に送られ、これにより、室内の暖房が行われる。

第１カスケードユニット２０に流入した第２冷媒は、膨張弁２６に流入する。膨張弁２６に流入した第２冷媒は、膨張弁２６によって減圧された後に、第１カスケード熱交換器２１に送られる。第１カスケード熱交換器２１に流入した第２冷媒は第２冷媒の蒸発器として機能する第１メイン熱交換部２１ａと第１サブ熱交換部２１ｂとにおいて、第１冷媒回路１を流れる第１冷媒と熱交換を行って加熱されることによって蒸発する。蒸発した第２冷媒は、切換機構２５を通じて圧縮機２４に吸入される。

（３−２−３）第３冷媒回路
第３冷媒回路３において、圧縮機４４から吐出された高圧の第３冷媒は、切換機構４５を通じて第２カスケードユニット４０から流出する。

第２カスケードユニット４０から流出した第３冷媒は、各利用側ユニット５０Ａ、５０Ｂに送られる。

利用側ユニット５０Ａに送られた第３冷媒は、冷媒の放熱器として機能する利用側熱交換器５１ａにおいて、利用側ファンによって供給される室外空気と熱交換を行って、凝縮する。凝縮した第３冷媒は、流量調整弁５２ａを通過し、利用側ユニット５０Ａから流出する。利用側ユニット５０Ａから流出した第３冷媒は、利用側ユニット５０Ｂから流出した第３冷媒と合流した状態で第２カスケードユニット４０に送られる。

また、利用側ユニット５０Ｂに送られた第３冷媒は、冷媒の放熱器として機能する利用側熱交換器５１ｂにおいて、利用側ファンによって供給される室外空気と熱交換を行って、凝縮する。凝縮した第３冷媒は、流量調整弁５２ｂを通過し、利用側ユニット５０Ｂから流出する。利用側ユニット５０Ｂから流出した第３冷媒は、利用側ユニット５０Ａから流出した第３冷媒と合流した状態で第２カスケードユニット４０に送られる。

一方、利用側熱交換器５１ａ、５１ｂにおいて加熱された室内空気は、室内に送られ、これにより、室内の暖房が行われる。

第２カスケードユニット４０に流入した第３冷媒は、膨張弁４６に送られる。膨張弁４６に流入した第３冷媒は、膨張弁４６によって減圧された後に、第２カスケード熱交換器４１に送られる。第２カスケード熱交換器４１に流入した第３冷媒は第３冷媒の蒸発器として機能する第２メイン熱交換部４１ａと第２サブ熱交換部４１ｂとにおいて、第１冷媒回路１を流れる第１冷媒と熱交換を行って加熱されることによって蒸発する。蒸発した第３冷媒は、切換機構４５を通じて圧縮機４４に吸入される。

（４）変形例
（４−１）
空気調和装置１００の第１メイン熱交換部２１ａと第２メイン熱交換部４１ａはプレート熱交換器であって、第１サブ熱交換部２１ｂと第２サブ熱交換部４１ｂとは、二重管である。各熱交換部はこれに限られない。

例えば、第１メイン熱交換部２１ａと第２メイン熱交換部４１ａは、複数の扁平管を積層した熱交換器であってもよいし、第１サブ熱交換部２１ｂと第２サブ熱交換部４１ｂとは、配管を接触させた構造の熱交換器であってもよい。

第１メイン熱交換部２１ａは、第１サブ熱交換部２１ｂよりも熱交換能力が大きい。また、第２メイン熱交換部４１ａは、第２サブ熱交換部４１ｂよりも熱交換能力が大きい。プレート熱交換器または複数の扁平管を積層した熱交換器の熱交換能力は、一般的に二重管または配管を接触させた構造の熱交換器の熱交換能力よりも大きい。

（４−２）
空気調和装置１００の第１冷媒回路１、第２冷媒回路２、第３冷媒回路３には、それぞれ、第１冷媒、第２冷媒、第３冷媒として、冷媒の安定性及び性能が高いＲ３２が充填されている。

（４−３）
本開示に示す冷媒サイクルシステムは、冷媒サイクルシステムの具体例として空気調和装置１００を用いて説明を行っているが、冷媒サイクルシステムの形態はこれに限られない。例えば、冷媒サイクルシステムは、ヒートポンプ式の給湯機等であってもよい。

（５）特徴
（５−１）
冷媒サイクルシステムとしての空気調和装置１００は、第１冷媒回路１と、第２冷媒回路２と、第１カスケード熱交換器２１と、を備える。第１冷媒回路１は、蒸気圧縮式冷凍サイクルである。第２冷媒回路２は、蒸気圧縮式冷凍サイクルである。第１カスケード熱交換器２１は、第１冷媒回路１を流れる第１冷媒と、第２冷媒回路２を流れる第２冷媒と、の間で熱交換を行わせる。空気調和装置１００は、切換機構１３、２５を有す。切換機構１３、２５は、第１冷媒回路１及び第２冷媒回路２の少なくともいずれか一方にあって、回路の冷媒の流路を切り替える。第１カスケード熱交換器２１は、第１メイン熱交換部２１ａと、第１サブ熱交換部２１ｂと、を有す。第１サブ熱交換部２１ｂは、第１メイン熱交換部２１ａを通過した第１冷媒を過熱状態にするためのものである。

また、空気調和装置１００は、第１流量調整弁２２と、制御部６０と、をさらに備える。第１流量調整弁２２は、第１冷媒回路１において第１カスケード熱交換器２１に流れる第１冷媒の量を調整する。制御部６０は、第１流量調整弁２２の開度を調整する。第１冷媒回路１の第１カスケード熱交換器２１が蒸発器となるとき、制御部６０は、第１サブ熱交換部２１ｂから出る第１冷媒が過熱状態になるように第１流量調整弁２２の開度を調整する。 従来、蒸気圧縮式冷凍サイクルによる二元冷媒回路においては、プレート熱交換器、または、複数の扁平管を積層した熱交換器を用いる場合がある。これらの熱交換器は、熱交換能力が高く高性能であって、コンパクト性にも優れている。しかし、プレート熱交換器、または、複数の扁平管を積層した熱交換器において冷媒の過熱度を制御すると、熱交換能力が低下し、圧損が大きくなる。これによって、プレート熱交換器、または、複数の扁平管を積層した熱交換器の性能が損なわれる。

しかし、本実施形態の空気調和装置１００は、上記の構成によって、第１サブ熱交換部２１ｂにおいて第１冷媒の過熱状態を制御することが可能であるため、第１メイン熱交換部２１ａの高い熱交換能力が損なうことなく第１冷媒の過熱状態の制御が行うことが可能である。

（５−２）
空気調和装置１００の第１メイン熱交換部２１ａは、第１サブ熱交換部２１ｂよりも熱交換能力が大きい。

また、空気調和装置１００の第１メイン熱交換部２１ａは、プレート熱交換器、又は、複数の扁平管を積層した熱交換器である。第１サブ熱交換部２１ｂは、二重管、又は、配管を接触させた構造の熱交換器である。

第１サブ熱交換部２１ｂは、二重管、又は、配管を接触させた構造の熱交換器にすることで、メイン熱交換部のコンパクト性を損なわないカスケード熱交換器を提供することが可能である。さらに、第１サブ熱交換部２１ｂは、二重管、又は、配管を接触させた構造の熱交換器にすることで、第１サブ熱交換部２１ｂを設けることによるコストの増加を抑制することが可能である。

（５−３）
空気調和装置１００は、第３冷媒回路３と、第２カスケード熱交換器４１と、をさらに備える。第３冷媒回路３は、蒸気圧縮式冷凍サイクルである。第２カスケード熱交換器４１は、第１冷媒回路１を流れる第１冷媒と、第３冷媒回路３を流れる第３冷媒と、の間で熱交換を行わせる。第２カスケード熱交換器４１は、第２メイン熱交換部４１ａと、第２サブ熱交換部４２ｂと、を有す。第２サブ熱交換部４２ｂは、第２メイン熱交換部４１ａを通過した冷媒を過熱状態にするためのものである。第１カスケード熱交換器２１と、第２カスケード熱交換器４１とは、第１冷媒回路１において並列に接続される。

本実施形態の空気調和装置１００は、複数のカスケードユニットを有するマルチの二元冷媒回路においても適用が可能である。これによって、接続可能な利用側熱交換器の台数が増加し、空気調和装置１００を施工する施工時の自由度が高くなる。

（５−４）
空気調和装置１００の第１冷媒回路１、第２冷媒回路２、第３冷媒回路３には、それぞれ、第１冷媒、第２冷媒、第３冷媒として、冷媒の安定性が高いＲ３２が充填されている。しかし、本開示に示す冷媒サイクルシステムには、Ｒ３２以外の冷媒が充填されていてもよい。例えば、第１冷媒はＲ３２であって、第２冷媒及び第３冷媒は、二酸化炭素であることが好ましい。

Ｒ３２は、冷媒の安定性が高いことから既存の冷媒サイクルシステムに多く利用されている。本開示に示す冷媒サイクルシステムは、既存の冷媒サイクルシステムを流用することが可能である。

冷媒サイクルシステムに充填される第１冷媒、第２冷媒、及び、第３冷媒は、ＨＦＣ冷媒、ＨＦＯ冷媒、自然冷媒のいずれか１つであることが好ましい。あるいは、第１冷媒及び第２冷媒は、ＨＦＣ冷媒、ＨＦＯ冷媒、自然冷媒、ＣＦ_３Ｉ、のうちのいずれか２つ以上を含む混合冷媒であることが好ましい。ＨＦＣ冷媒は、具体的には、Ｒ３２、Ｒ１２５、Ｒ１３４ａ、Ｒ１４３ａ、Ｒ２４５ｆａ等である。ＨＦＯ冷媒は、Ｒ１２３４ｙｆ、Ｒ１２３４ｚｄ、Ｒ１１２３、Ｒ１１３２（Ｅ）等である。自然冷媒は、Ｒ７４４、Ｒ７１７、Ｒ２９０，Ｒ６００ａ、Ｒ１２７０等である。

（６）
以上、本開示の実施形態を説明したが、特許請求の範囲に記載された本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。

１ 第１冷媒回路
２ 第２冷媒回路
３ 第３冷媒回路
１３，２５ 切換機構
２１ 第１カスケード熱交換器
２１ａ 第１メインカスケード熱交換部
２１ｂ 第１サブカスケード熱交換部
２２ 第１流量調整弁
４１ 第２カスケード熱交換器
４１ａ 第２メインカスケード熱交換部
４１ｂ 第２サブカスケード熱交換部
６０ 制御部
１００ 冷媒サイクルシステム

特開２０００−１９３３３９号公報

Claims (8)

1. 蒸気圧縮式冷凍サイクルである第１冷媒回路（１）と、
   蒸気圧縮式冷凍サイクルである第２冷媒回路（２）と、
   前記第１冷媒回路（１）を流れる第１冷媒と、前記第２冷媒回路（２）を流れる第２冷媒と、の間で熱交換を行わせる第１カスケード熱交換器（２１）と、
   を備え、
   前記第１冷媒回路（１）及び前記第２冷媒回路（２）の少なくともいずれか一方は、回路の冷媒の流路を切り替える切換機構（１３、２５）を有し、
   前記第１カスケード熱交換器（２１）は、第１メイン熱交換部（２１ａ）と、前記第１メイン熱交換部（２１ａ）を通過した前記第１冷媒を過熱状態にするための第１サブ熱交換部（２１ｂ）と、を有す、
   冷媒サイクルシステム（１００）。
2. 前記第１冷媒回路（１）において前記第１カスケード熱交換器（２１）に流れる前記第１冷媒の量を調整する第１流量調整弁（２２）と、
   前記第１流量調整弁（２２）の開度を調整する制御部（６０）と、
   をさらに備え、
   前記第１冷媒回路（１）の前記第１カスケード熱交換器（２１）が蒸発器となるとき、前記制御部（６０）は、前記第１サブ熱交換部（２１ｂ）から出る前記第１冷媒が過熱状態になるように前記第１流量調整弁（２２）の開度を調整する、
   請求項１に記載の冷媒サイクルシステム（１００）。
3. 前記第１メイン熱交換部（２１ａ）は、前記第１サブ熱交換部（２１ｂ）よりも熱交換能力が大きい、
   請求項１または２に記載の冷媒サイクルシステム（１００）。
4. 前記第１メイン熱交換部（２１ａ）は、プレート熱交換器、又は、複数の扁平管を積層した熱交換器であって、
   前記第１サブ熱交換部（２１ｂ）は、二重管、又は、配管を接触させた構造の熱交換部である、
   請求項１から３のいずれかに記載の冷媒サイクルシステム（１００）。
5. 蒸気圧縮式冷凍サイクルである第３冷媒回路（３）と、
   前記第１冷媒回路（１）を流れる前記第１冷媒と、前記第３冷媒回路（３）を流れる第３冷媒と、の間で熱交換を行わせる第２カスケード熱交換器（４１）と、
   をさらに備え、
   前記第２カスケード熱交換器（４１）は、第２メイン熱交換部（４１ａ）と、前記第２メイン熱交換部（４１ａ）を通過した冷媒を過熱状態にするための第２サブ熱交換部（４１ｂ）と、を有し、
   前記第１カスケード熱交換器（２１）と、前記第２カスケード熱交換器（４１）とは、前記第１冷媒回路（１）において並列に接続される、
   請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷媒サイクルシステム（１００）。
6. 前記第１冷媒及び前記第２冷媒は、ＨＦＣ冷媒、ＨＦＯ冷媒、自然冷媒のいずれか１つ、あるいは、ＨＦＣ冷媒、ＨＦＯ冷媒、自然冷媒、ＣＦ_３Ｉ、のうちのいずれか２つ以上を含む混合冷媒である、
   請求項１から請求項５のいずれかに記載の冷媒サイクルシステム（１００）。
7. 前記第１冷媒、及び、前記第２冷媒は、Ｒ３２である、
   請求項１から請求項６のいずれかに記載の冷媒サイクルシステム（１００）。
8. 前記第１冷媒はＲ３２であって、前記第２冷媒は二酸化炭素である、
   請求項１から請求項６のいずれかに記載の冷媒サイクルシステム（１００）。

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