JP5608991B2 - 冷凍装置及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機を有する冷凍装置及びその運転方法に関し、特に圧縮機が直流同期電動機により駆動される冷凍装置及びその運転方法に関する。

従来から、二段圧縮冷凍サイクルにより給湯や暖房を行う給湯システムや暖房システムがあり、例えば特許文献１（特開２００２−１０６９８８号公報）には、二段圧縮により給湯を行うヒートポンプ給湯機が記載されている。

ところで、このような二段圧縮冷凍サイクルにおいて、低段圧縮機と、その低段圧縮機よりも容量の小さい高段圧縮機とによって冷媒の圧縮を行う場合がある。このような二段圧縮に用いられる高段圧縮機を直流同期電動機で駆動する冷凍装置ついて、特に高段圧縮機の容量が低段圧縮機よりも小さい場合に、起動時の冷媒の循環により高段圧縮機が影響を受けて高段圧縮機に脱調が発生し易くなるという問題を見出した。

本発明の課題は、冷凍サイクルで冷媒の多段圧縮を行う冷凍装置において、直流同期電動機を用いた高段圧縮機の容量が低段圧縮機の容量より小さい場合に高段圧縮機の脱調を防止することにある。

第１発明に係る冷凍装置は、吐出口及び吸入口を持つ低段圧縮機と、吐出口及び吸入口を持ち、低段圧縮機の吐出口から吐出された冷媒を吸入するための吸入ラインを有し、低段圧縮機よりも容量が小さく、駆動源に直流同期電動機が用いられている高段圧縮機と、高段圧縮機の起動時に、高段圧縮機の回転速度をある回転速度から所定回転速度に変化させるときに、高段圧縮機の回転速度が所定回転速度に達するまで低段圧縮機の回転速度を抑制して低段圧縮機の吐出口から吐出される冷媒の吐出量を抑制し、高段圧縮機の回転速度が所定回転速度に達してから低段圧縮機の回転速度の抑制を解除することにより、高段圧縮機の吸入口に送られる冷媒量を抑制する冷媒量抑制手段とを備えている。

そして、低段圧縮機は、起動時に回転速度０から複数回ステップ状に回転速度を上昇させるように構成され、高段圧縮機は、単独で回転可能であり、起動時に回転速度０から複数回ステップ状に回転速度を上昇させるように構成され、冷媒量抑制手段は、高段圧縮機の起動時のステップ状の回転速度の上昇ごとに、低段圧縮機の回転速度を上昇させるタイミングを高段圧縮機よりも遅らせることで低段圧縮機の回転速度を抑制して低段圧縮機の吐出口から吐出される冷媒の吐出量を抑制する。

本発明によれば、起動時において、高段圧縮機の回転速度をある回転速度から所定回転速度に変化させるときに、高段圧縮機の回転速度が所定回転速度に達するまで低段圧縮機の回転速度を抑制して低段圧縮機の吐出口から吐出される冷媒の吐出量を抑制し、高段圧縮機の回転速度が所定回転速度に達してから低段圧縮機の回転速度の抑制を解除することにより、起動時に高段圧縮機の吸入口に送られる冷媒量を抑制して冷媒から高段圧縮機が受ける力を抑えることができる。起動時に高段圧縮機が冷媒から過剰な力を受けなくすることで、駆動源に直流同期電動機を用いた高段圧縮機の脱調を防止できる。

第２発明に係る冷凍装置は、第１発明の冷凍装置であって、冷媒量抑制手段は、低段圧縮機の回転速度の抑制とその解除とをおこなっているときに、吸入ラインと高段圧縮機の吐出口から低段圧縮機の吸入口までの間のいずれかのポイントとをバイパスすることにより、高段圧縮機の吸入口に送られる冷媒量を抑制する。

第３発明に係る冷凍装置は、第２発明の冷凍装置であって、高段圧縮機は、高段圧縮機の吐出口から伸びる吐出ラインをさらに有し、冷媒量抑制手段は、吸入ラインに接続された入口と、吐出ラインに接続された出口とを持ち、入口と出口との間をバイパスするバイパス路と、バイパス路に設けられ、高段圧縮機の起動時にバイパス路を開き、低段圧縮機の起動後にバイパス路を閉じる開閉機構とを含む。

本発明によれば、起動時には開閉機構によりバイパス路を開いて吸入ラインの冷媒をバイパスすることで高段圧縮機の吸入口に送られる冷媒量を抑制でき、起動後に開閉機構がバイパス路を閉じることにより起動後にはバイパスによる影響を完全になくしてバイパスによる冷凍装置の機能低下を防止できる。

第４発明に係る冷凍装置は、第２発明の冷凍装置であって、冷媒量抑制手段は、高段圧縮機の吸入ラインに中間圧インジェクションを行うためのインジェクション路を持つ気液分離器を含む。

本発明によれば、起動時において、気液分離器のインジェクション路の圧力は低く、高段圧縮機の吸入口に送られる冷媒量の抑制ができる。一方、起動後においてはインジェクション路の圧力が高くなって、インジェクション路から高段圧縮機の吸入口に向けて冷媒が流れるので、起動後にインジェクション路が本来の役割を果たすようになると特別な処置をしなくともバイパス路としての役割を終わらせることができる。このように、中間圧インジェクションに用いる気液分離器でバイパスするのでバイパス路を付加することなく高段圧縮機の脱調を防止できる冷凍装置を構築できる。

第５発明に係る冷凍装置は、第２発明の冷凍装置において、冷媒量抑制手段は、高段圧縮機の吸入ラインに中間圧インジェクションを行うためのインジェクション路を持つエコノマイザ熱交換器を含む。

本発明によれば、起動時において、エコノマイザ熱交換器のインジェクション路の圧力は低く、高段圧縮機の吸入口に送られる冷媒量の抑制ができる。一方、起動後においてはインジェクション路の圧力が高くなって、インジェクション路から高段圧縮機の吸入口に向けて冷媒が流れるので、起動後にはインジェクション路が本来の役割を果たすようになると特別な処置をしなくともバイパス路としての役割を終わらせることができる。このように、中間圧インジェクションに用いるエコノマイザ熱交換器でバイパスするのでバイパス路やバイパス路の開閉機構を付加することなく高段圧縮機の脱調を防止できる冷凍装置を構築できる。

第６発明に係る冷凍装置は、第１発明の冷凍装置であって、冷媒量抑制手段は、高段圧縮機の起動のタイミングに比べ低段圧縮機の起動のタイミングを遅らせることにより低段圧縮機の吐出量を抑制し、高段圧縮機の吸入口に送る冷媒量を抑制する圧縮機起動タイミング制御手段を含む。

本発明によれば、高段圧縮機に比べ低段圧縮機の起動のタイミングを遅らせることにより高段圧縮機の吸入口に送られる冷媒量が抑制され、タイミング制御という簡単な処置で脱調を防止できる。

第７発明に係る冷凍装置は、第１発明から第６発明のいずれかの冷凍装置において、高段圧縮機の吐出口から低段圧縮機の吸入口までの間に、給湯用ガスクーラ及び暖房用ガスクーラをさらに備える。

本発明によれば、効率の良い冷凍サイクルを行うため一つのヒートポンプ回路に給湯用ガスクーラと暖房用ガスクーラが設けられていることから起動時に高段圧縮機の脱調が起こり易いが、脱調を防止することにより起動ができないなどの不具合を防止して安定した運転が可能になり、確実にエネルギー効率の改善を図れる。

第８発明に係る冷凍装置は、第１発明から第７発明のいずれかの冷凍装置において、低段圧縮機の吐出口と高段圧縮機の吸入口との間に挿入された中間冷却器をさらに備える。

本発明によれば、中間冷却器により冷媒が冷やされて中間冷却器のない場合に比べて低段圧縮機と高段圧縮機の間にある冷媒の密度が高くなりがちであることから、高段圧縮機の吸入口に送られる冷媒量を抑制することで起動時にその状態を緩和できるので高段圧縮機の脱調を防止できる効果が現れ易くなる。

第９発明に係る冷凍装置の運転方法は、低段圧縮機と直流同期電動機を駆動源に使っている高段圧縮機とを有し、低段圧縮機の吐出口から吐出された冷媒を吸入するための吸入ラインを持つ高段圧縮機の容量が低段圧縮機の容量よりも小さい冷凍装置の運転方法であって、高段圧縮機の起動時に、高段圧縮機の回転速度をある回転速度から所定回転速度に変化させるときに、高段圧縮機の回転速度が所定回転速度に達するまで、低段圧縮機の回転速度の抑制を行って低段圧縮機の吐出量を抑制する第１始動工程と、高段圧縮機の回転速度が所定回転速度に達してから、低段圧縮機の回転速度の抑制を解除する第２始動工程とを備える。

そして、低段圧縮機は、起動時に回転速度０から複数回ステップ状に回転速度を上昇させるように構成され、高段圧縮機は、単独で回転可能であり、起動時に回転速度０から複数回ステップ状に回転速度を上昇させるように構成され、第１始動工程と第２始動工程では、高段圧縮機の起動時のステップ状の回転速度の上昇ごとに、低段圧縮機の回転速度を上昇させるタイミングを高段圧縮機よりも遅らせることで低段圧縮機の回転速度の抑制とその解除とを行なう。

本発明によれば、第１始動工程において、高段圧縮機の回転速度をある回転速度から所定回転速度に変化させるときに、高段圧縮機の回転速度が所定回転速度に達するまで、低段圧縮機の回転速度の抑制を行って低段圧縮機の吐出量を抑制することにより、高段圧縮機の起動時に高段圧縮機の吸入口側の冷媒によって過剰な力が作用するのを防げ、高段圧縮機の脱調を防止できる。高段圧縮機の回転が始まった起動後は、第２始動工程によって、高段圧縮機の回転速度が所定回転速度に達してから回転速度の抑制を解除することにより、始動後定常運転に移ったときに回転速度の抑制や吸入ラインのバイパスの影響を消失させることができる。

第１０発明に係る冷凍装置の運転方法は、第９発明の冷凍装置の運転方法において、第１始動工程と第２始動工程では、低段圧縮機の回転速度の抑制とその解除とをおこなっているときに、高段圧縮機の吸入ラインと高段圧縮機の吐出口から低段圧縮機の吸入口までの間のいずれかのポイントとをバイパスすることにより、高段圧縮機の吸入口に送られる冷媒量を抑制する。

第１発明又は第２発明に係る冷凍装置では、駆動源に直流同期電動機を用いた高段圧縮機の容量が低段圧縮機よりも小さい場合において高段圧縮機の脱調を防止できる。

第３発明に係る冷凍装置では、簡単な構成によって、起動時に高段圧縮機の脱調を防止できるとともに、起動後には脱調を防止する機構の影響を排除した安定な定常運転を実現できる。

第４発明に係る冷凍装置では、気液分離器に高段圧縮機の脱調防止の役割を果たさせるため、新たに機器を付加せずに済み、安価に高段圧縮機の脱調防止が可能な装置を得ることができる。

第５発明に係る冷凍装置では、エコノマイザ熱交換器に高段圧縮機の脱調防止の役割を果たさせるため、新たに機器を付加せずに済み、安価に高段圧縮機の脱調防止が可能な装置を得ることができる。

第６発明に係る冷凍装置では、低段圧縮機と高段圧縮機の起動時のタイミング制御という簡単な処置で脱調を防止でき、安価に高段圧縮機の脱調防止が可能な装置を得ることができる。

第７発明に係る冷凍装置では、一つのヒートポンプ回路に複数のガスクーラが設けられたエネルギー効率の良い装置において高段圧縮機の脱調を防止して確実にエネルギー効率の改善を図ることができる。

第８発明に係る冷凍装置では、高段圧縮機の脱調防止の効果が有効にはたらく。

第９発明又は第１０発明に係る冷凍装置の運転方法では、駆動源に直流同期電動機を用いた高段圧縮機の容量が低段圧縮機よりも小さい場合において高段圧縮機の脱調を防止できる。

第１実施形態の給湯暖房システムの概略を示す構成図。 第１実施形態の給湯暖房システムの制御部の制御系統を示すブロック図。 第１実施形態のヒートポンプ回路の動作を説明するための圧力−エンタルピ線図。 （ａ）第１実施形態の低段圧縮機と高段圧縮機について起動時の回転速度の変化を示すタイミングチャート。（ｂ）第２実施形態の低段圧縮機と高段圧縮機について起動時の回転速度の変化とバイパス路の開閉のタイミングとの関係を示すタイミングチャート。 第２実施形態の給湯暖房システムの概略を示す構成図。 第２実施形態の変形例の給湯暖房システムの概略を示す構成図。 第３実施形態の給湯暖房システムの概略を示す構成図。 第３実施形態の給湯暖房システムの制御系統を示すブロック図。 第３実施形態のヒートポンプ回路の動作を説明するための圧力−エンタルピ線図。 第３実施形態の変形例の給湯暖房システムの概略を示す構成図。 （ａ）本発明に適用されるガスクーラの他の構成を示す概念図である。（ｂ）本発明に適用されるガスクーラの他の構成を示す概念図である。 （ａ）本発明に適用されるガスクーラの構成を示す斜視図。（ｂ）図１１（ａ）のＸ−Ｘ線端面図。 （ａ）本発明に適用されるガスクーラの他の構成を示す斜視図。（ｂ）本発明に適用されるガスクーラの他の構成を示す側面図。 （ａ）図１３（ａ）のＹ−Ｙ線端面図。（ｂ）図１３（ｂ）のＺ−Ｚ線端面図。

〔第1実施形態〕
（１）構成
本発明の第１実施形態による給湯暖房システムの構成について図１及び図２を用いて説明する。図１に示す給湯暖房システム１は、一次冷媒を循環させることにより蒸気圧縮冷凍サイクルを行うヒートポンプ回路２と、給湯用二次冷媒を循環させることにより給湯用の熱エネルギーを供給するための給湯用二次冷媒循環回路３と、暖房用二次冷媒を循環させることにより暖房用の熱エネルギーを供給するための暖房用二次冷媒循環回路４とを備えている。ヒートポンプ回路２と給湯用二次冷媒循環回路３とが結合されており、一次冷媒と給湯用二次冷媒との間の熱交換により給湯用の熱エネルギーが供給される。また、ヒートポンプ回路２と給湯用二次冷媒循環回路３とが結合されており、一次冷媒と暖房用二次冷媒との間の熱交換により暖房用の熱エネルギーが供給される。なお、以下の説明において、ヒートポンプ回路を循環する冷媒（一次冷媒）は二酸化炭素であり、ＣＯ₂冷媒という。給湯用二次冷媒循環回路を循環する冷媒（給湯用二次冷媒）は給湯水である。暖房用二次冷媒循環回路を循環する冷媒（暖房用二次冷媒）は水であり、暖房用水冷媒という。また、給湯暖房システム１は、ヒートポンプ回路２、給湯用二次冷媒循環回路３、及び暖房用二次冷媒循環回路４を制御するために、図２に示す制御部１００を備えている。

ヒートポンプ回路２は、低段圧縮機５と、高段圧縮機６と、第１給湯用ガスクーラ７と、第２給湯用ガスクーラ８と、暖房用ガスクーラ９と、電動弁１０と、空気熱交換器１１と、液ガス熱交換器１２と、インタークーラ１３とを接続してなる冷媒回路であり、空気熱交換器１１にファン１１ａが取り付けられている。低段圧縮機５及び高段圧縮機６は、インバータにより回転速度の制御が可能な容積式圧縮機である。

低段圧縮機５は、圧縮したＣＯ₂冷媒を高段圧縮機６にインタークーラ１３を経由して送る。インタークーラ１３では、低段圧縮機５から吐出されたＣＯ₂冷媒と、ラジエータ１９からインタークーラ１３に送られた暖房用水冷媒との熱交換を行う。高段圧縮機６は、低段圧縮機５で圧縮されたＣＯ₂冷媒をさらに圧縮して第１給湯用ガスクーラ７に吐出する。なお、低段圧縮機５と高段圧縮機６とによる二段圧縮において、低段圧縮機５から吐出されて高段圧縮機６に吸入されるＣＯ₂冷媒の圧力を中間圧という。

第１給湯用ガスクーラ７は、高段圧縮機６から吐出されたＣＯ₂冷媒と、第２給湯ガスクーラ８から送られてきた給湯水との熱交換を行う。暖房用ガスクーラ９は、第１給湯用ガスクーラ７から送られてきたＣＯ₂冷媒と、ラジエータ１９から送られてきた暖房用水冷媒との熱交換を行う。そして、第２給湯用ガスクーラ８は、暖房用ガスクーラ９から送られてきたＣＯ₂冷媒と、ポンプ１４により送られてきた暖房用水冷媒との熱交換を行う。第１給湯用ガスクーラ７、暖房用ガスクーラ９及び第２給湯用ガスクーラ８は、ＣＯ₂冷媒をこの順で熱交換して、液ガス熱交換器１２を経由して電動弁１０（膨張機構）に送る。液ガス熱交換器１２における熱交換については後述する。

電動弁１０は、第１給湯用ガスクーラ８から液ガス熱交換器１２を介して送られてきたＣＯ₂冷媒を減圧して空気熱交換器１１に送る。空気熱交換器１１（蒸発器）は、電動弁１０から送られてきたＣＯ₂冷媒と室外空気との熱交換を行う。その際、ファン１１ａにより室外空気が空気熱交換器１１に送風される。液ガス熱交換器１２は、空気熱交換器１１で加熱された冷媒と、第２給湯用ガスクーラ８で冷却されたＣＯ₂冷媒との熱交換を行う。低段圧縮機５は、液ガス熱交換器１２により熱交換されたＣＯ₂冷媒を吸入する。

給湯用二次冷媒循環回路３は、ヒートポンプ回路２と共有する第１給湯用ガスクーラ７及び第２給湯用ガスクーラ８に加え、ポンプ１４と貯湯タンク１５とを備えており、貯湯タンク１５に三方弁１６が取り付けられている。貯湯タンク１５には、例えばステンレス製のサニタリータンクが用いられ、水道水などを給水するための給水口１５ａと、高温の湯をバスやキッチンに給湯するための出湯口１５ｂと、給湯用二次冷媒循環回路３が低温の給湯水を取るための取水口１５ｃと、給湯用二次冷媒循環回路３が高温の給湯水を供給するための給湯口１５ｄとが設けられている。そして、貯湯タンク１５に貯えられる水が底に近いほど冷たくて上壁に近いほど熱いため、給水口１５ａが貯湯タンク１５の底壁に、取水口１５ｃが下部に、給湯口１５ｄが上部に、出湯口１５ｂが上壁に配置されている。

給湯用二次冷媒循環回路３の給湯水はポンプ１４により循環される。ポンプ１４は、貯湯タンク１５の取水口１５ｃから例えば２０℃の給湯水を取水して第２給湯用ガスクーラ８に送る。第２給湯用ガスクーラ８は、ポンプ１４から送られてきた給湯水を、暖房用ガスクーラ９から送られてきたＣＯ₂冷媒との熱交換により加熱する。第１給湯用ガスクーラ７は、第２給湯用ガスクーラ７で加熱された給湯水を、高段圧縮機６から吐出されたＣＯ₂冷媒との熱交換によりさらに加熱する。それにより、第１給湯用ガスクーラ７から例えば９０℃程度の高温の給湯水が貯湯タンク１５の給湯口１５ｄに戻される。貯湯タンク１５よりバスやキッチンに給湯するときは、例えば、貯湯タンク１５の出湯口１５ｂから出た湯と給湯口１５ａに供給される給湯水とを三方弁１６で混合して給湯する。

暖房用二次冷媒循環回路４は、ヒートポンプ回路２と共有する暖房用ガスクーラ９及びインタークーラ１３に加え、三方弁１７とポンプ１８とラジエータ１９とを備えている。暖房用二次冷媒循環回路４の暖房用水冷媒はポンプ１８により循環される。暖房用水冷媒は、例えばラジエータ１９に供給されるときの温度が６０℃で、ラジエータ１９から戻されるときの温度が４０℃である。

ラジエータ１９は、室内空気と暖房用水冷媒と間で熱交換を行って室内に放熱する。ラジエータ１９で熱交換が行われた暖房用水冷媒は、暖房用ガスクーラ９とインタークーラ１３とに分配される。暖房用ガスクーラ７は、第１給湯用ガスクーラ７から送られてきたＣＯ₂冷媒との熱交換により、ラジエータ１９から戻ってきた暖房用水冷媒を６０℃よりも高い温度、例えば６５℃まで加熱する。インタークーラ１３の果たす役割が高段圧縮機６に吸入されるＣＯ₂冷媒の冷却にあるため、インタークーラ１３を出る暖房用水冷媒の温度はラジエータ１９に送られる暖房用水冷媒が有するべき温度、例えば６０℃よりも低くなっている。三方弁１７は、暖房用ガスクーラ９とインタークーラ１３から送られてきた暖房用水冷媒を混合する。この三方弁１７での混合の割合に応じて、暖房用ガスクーラ９とインタークーラ１３に分配される冷媒量が決まる。また、三方弁１７における混合割合によりポンプ１８からラジエータ１９に送られる暖房用水冷媒の温度が決まる。

図２に給湯暖房システムの制御系統を示す。制御部１００は、ヒートポンプ回路２の低段圧縮機５と高段圧縮機６と電動弁１０とファン１１ａと電磁弁２１ａの制御を行い、給湯用二次冷媒循環回路３のポンプ１４の制御を行い、さらに暖房用二次冷媒循環回路４の三方弁１７及びポンプ１８の制御を行う。ヒートポンプ回路２において、低段圧縮機５及び高段圧縮機６は、制御部１００により、オン・オフと回転速度（回転周波数）が制御される。また、制御部１００により、電動弁１０は開度が調節され、ファン１１ａは送風量が調節され、電磁弁２１ａは開閉が制御される。給湯用二次冷媒循環回路３において、ポンプ１４は制御部１００によりオン・オフと冷媒循環量が制御される。暖房用二次冷媒循環回路４において、制御部１００により、三方弁１７は混合割合が制御され、ポンプ１８はオン・オフと冷媒循環量が制御される。そのため、制御部１００には、ヒートポンプ回路２のＣＯ₂冷媒、給湯用二次冷媒循環回路３の給湯水及び暖房用二次冷媒循環回路４の暖房用二次冷媒の温度などを測定する温度センサや、ヒートポンプ回路２の低段圧縮機５や高段圧縮機６の吐出圧や吸入圧などを測定する圧力センサから測定結果が入力される。

（２）動作の概要
図１に示す給湯暖房システム１では、ヒートポンプ回路２の冷凍サイクルによるヒートポンプ回路２のＣＯ₂冷媒との熱交換により、第１給湯用ガスクーラ７及び第２給湯用ガスクーラ８で給湯水が加熱され、暖房用ガスクーラ９で暖房用水冷媒が加熱される。加熱された給湯水は、給湯用二次冷媒循環回路３を循環して貯湯タンク１５に貯えられ、加熱された暖房用水冷媒を用いて暖房用二次冷媒循環回路４ではラジエータ１９による暖房が行われる。その際に、ヒートポンプ回路２の冷凍サイクルにおいては、低段圧縮機５と高段圧縮機６によるＣＯ₂冷媒の二段圧縮が用いられ、インタークーラ１３により中間冷却されたＣＯ₂冷媒と給湯水及び暖房用水冷媒との間で熱交換を行うことによってエネルギー効率の改善が図られている。そのため、低段圧縮機５及び高段圧縮機６の二段圧縮により、給湯負荷と暖房負荷を合わせた大きな負荷に対応しており、大きな冷媒循環量が賄われている。

また、第１給湯用ガスクーラ７と暖房用ガスクーラ９と第２給湯用ガスクーラ８とをヒートポンプ回路２において直列に接続して、二次冷媒の加熱において、第１給湯用ガスクーラ７が高温域、暖房用ガスクーラ９が中温域に使われることにより、給湯用二次冷媒循環回路３及び暖房用二次冷媒循環回路４の同時使用時に高い成績係数を得ることができる。さらに、第２給湯用ガスクーラ８が給湯水の低温域の加熱に使われることにより、さらに成績係数の改善効果がある。

（３）運転時の動作
暖房運転と給湯運転が並行して行われる通常運転時には、ヒートポンプ回路２において、制御部１００により電磁弁２１ａが閉止され、ＣＯ₂冷媒は低段圧縮機５を流れる。また、制御部１００により、電動弁１０の開度が調節され、電動弁１０で減圧が行われる。通常運転時においては、低段圧縮機５に対する高段圧縮機６の圧縮比の割合（高段圧縮比／低段圧縮比）は１になるよう、制御部１００により回転周波数が制御される。給湯と暖房を並行して行う通常運転の場合の圧力−エンタルピ線図を図３に示す。

ヒートポンプ回路２において、低圧のＣＯ₂冷媒（図１、図３の点Ａ参照）は、低段圧縮機５に吸入されて中間圧まで圧縮された後、インタークーラ１３に対して吐出される（図１、図３の点Ｂ参照）。インタークーラ１３において、中間圧のＣＯ₂冷媒は暖房用水冷媒と熱交換を行うことで冷却される（図１、図３の点Ｃ参照）。このインタークーラ１３において冷却されたＣＯ₂冷媒は、次に、高段圧縮機６に吸入されてさらに圧縮され、高段圧縮機６から第１給湯用ガスクーラ７に吐出される（図１、図３の点Ｄ参照）。低段圧縮機５と高段圧縮機６による二段圧縮によって、ＣＯ₂冷媒が臨界圧力（すなわち、図３に示される臨界点ＣＰにおける臨界圧力Ｐｃｐ）を超える圧力まで圧縮されている。このとき、低段圧縮機５と高段圧縮機６の圧縮比が同じになっており、そのため図３から分かるように、第１給湯ガスクーラ７に送られるＣＯ₂冷媒の温度は１００℃を超える状態になる。

第１給湯ガスクーラ７では、１００℃を超えるＣＯ₂冷媒と給湯水との熱交換が行われる。これにより、第１給湯ガスクーラ７において、給湯水を例えば９０℃まで容易に加熱することができる。次に、第１給湯用ガスクーラ７で熱交換を終えたＣＯ₂冷媒は、暖房用ガスクーラ９に送られ、暖房用水冷媒との間で熱交換を行って、暖房用水冷媒を例えば４０℃から６５℃に加熱するのに用いられる。さらに、暖房用ガスクーラ９で熱交換を終えたＣＯ₂冷媒は第２給湯用ガスクーラ８に送られ、第２給湯用ガスクーラ８でＣＯ₂冷媒と給湯水との熱交換が行われ、給湯水が例えば２０℃から３０℃に加熱される一方、ＣＯ₂冷媒が冷却される（図１、図３の点Ｅ参照）。

第２給湯用ガスクーラ８で熱交換を終えたＣＯ₂冷媒は、液ガス熱交換器１２においてさらに冷却される（図１、図３の点Ｆ参照）。液ガス熱交換器１２で熱交換を終えたＣＯ₂冷媒は、電動弁１０で減圧されるが、液ガス熱交換器１２による熱交換により電動弁１０に送られるＣＯ₂冷媒の過冷却度が大きくなっているので、電動弁１０においてフラッシュガスが発生し難くなっている。電動弁１０で減圧されたＣＯ₂冷媒は、気液二相状態になり、空気熱交換器１１に送られる（図１、図３の点Ｇ参照）。空気熱交換器１１において室外空気で加熱されたＣＯ₂冷媒は、飽和ガス冷媒になり（図１、図３の点Ｈ参照）、液ガス交換器１２に送られる。液ガス交換器１２では、第２給湯用ガスクーラ８で熱交換を終えたＣＯ₂冷媒と空気熱交換器１１で熱交換を終えたＣＯ₂冷媒とが熱交換されることにより、空気熱交換器１１から送られてきたＣＯ₂冷媒の過熱度が大きくなる（図１、図３の点Ａ参照）。液ガス熱交換器１２で加熱されたＣＯ₂冷媒は、低段圧縮機５の吸入口に送られる。液ガス熱交換器１２による熱交換により液ガス熱交換器１２から低段圧縮機５に送られるＣＯ₂冷媒の過熱度を大きくすることで、低段圧縮機５が湿り蒸気を吸込むことによる湿り圧縮または液圧縮になるのを防いでいる。液ガス熱交換器１２は、第１給湯用ガスクーラ７、暖房用ガスクーラ９及び第２給湯用ガスクーラ８のように複数のガスクーラがある場合に、機能するガスクーラの数が変っても十分な効果を発揮できる。

給湯用二次冷媒循環回路３では、貯湯タンク１５の下部の取水口１５ｃから取水された例えば２０℃程度の水がポンプ１４により第２給湯用ガスクーラ８及び第１給湯用ガスクーラ７に送られ、第２給湯用ガスクーラ８で例えば２０℃から３０℃に加熱され、さらに第１給湯用ガスクーラ７で例えば３０℃から９０℃まで加熱される。第２給湯用ガスクーラ８で３０℃に加熱された給湯水が第１給湯用ガスクーラ７で９０℃に加熱されるのでエネルギー効率がよくなる。そして、第１給湯用ガスクーラ７で９０℃に加熱された高温の湯が、貯湯タンク１５の上部の給湯口１５ｄに戻される。

暖房用二次冷媒循環回路４は、給湯用二次冷媒循環回路３と並行して動作しているが、暖房負荷の方が給湯負荷よりも大きく、例えば暖房負荷が給湯負荷の１０倍程度である。暖房用二次冷媒循環回路４では、ラジエータ１９に例えば６０℃程度の温水がポンプ１８から送られる。そのために、暖房用ガスクーラ９で加熱されて例えば６５℃になった温水と、インタークーラ１３でＣＯ₂冷媒を冷やすことにより温まった水とを三方弁１７で適当な割合で混合して６０℃の温水を得ている。

（４）起動制御
起動時は、図４（ａ）に示すように、制御部１００により低段圧縮機５と高段圧縮機６とが回転を始めるタイミングと回転速度が制御される。図４（ａ）において、時間a0からb0までは、低段圧縮機５及び高段圧縮機６が停止している状態である。高段圧縮機６は、時間b0から回転を始め、時間d0までは低速で回転する。低段圧縮機５は、高段圧縮機６が回転を始めてから所定時間（c0−b0）が経過した後の時間c0から回転を始める。高段圧縮機６が所定時間（c0−b0）を経過するまで単独で回転しているので、低段圧縮機５の吐出口と高段圧縮機６の吸入口との間にあるＣＯ₂冷媒が高段圧縮機６により吐出され、低段圧縮機５からＣＯ₂冷媒の供給がない状態が生じる。そのため、高段圧縮機６の吸入側の圧力が停止時に比べて低下する。

時間c0から時間d0までは低段圧縮機５と高段圧縮機６がともに低速で回転しており、ほぼ同量のＣＯ₂冷媒が低段圧縮機５と高段圧縮機６から吐出されるため、低段圧縮機５が回転を始めても高段圧縮機６の吸入口の圧力が時間c0の状態を維持することになる。つまり、起動のタイミングを遅らせることにより、低段圧縮機５の起動時に高段圧縮機６の吸入口に過剰な圧力が掛かることが防がれる。

次に、低段圧縮機５および高段圧縮機６の回転速度が制御部１００により中速まで引き上げられるが、中速に上げるタイミングは、高段圧縮機６のタイミングd0に比べて低段圧縮機５のタイミングe0が遅れるように制御される。そして、時間f0までは低段圧縮機５も高段圧縮機６も中速で回転してほぼ同量のＣＯ₂冷媒が低段圧縮機５と高段圧縮機６から吐出されるため、低段圧縮機５が回転を始めても高段圧縮機６の吸入口の圧力が時間c0の状態を維持する。

さらに、低段圧縮機５および高段圧縮機６の回転速度が制御部１００により高速まで引き上げられるが、高速に上げるタイミングは、高段圧縮機６のタイミングf0に比べて低段圧縮機５のタイミングg0が遅れるように制御される。そして、時間h0までは低段圧縮機５も高段圧縮機６も高速で回転してほぼ同量のＣＯ₂冷媒が低段圧縮機５と高段圧縮機６から吐出されるため、低段圧縮機５が回転を始めても高段圧縮機６の吸入口の圧力が時間e0の状態を維持する。

起動後に、低段圧縮機５及び高段圧縮機６の回転速度を低速から中速に、また中速から高速に引き上げる際にも低段圧縮機５の回転速度を上げるタイミングを高段圧縮機６の回転速度を上げるタイミングより遅らせているので、低段圧縮機５の回転速度の上昇時に低段圧縮機５及び高段圧縮機６がともに低速または中速で回転していた状態の高段圧縮機６の吸入口の圧力よりも高い圧力が低段圧縮機５の吐出口で急激に生じるのを防ぐことができる。

その後さらに回転速度が上がる定常の制御に移るのであるが、定常制御に移るタイミングは、高段圧縮機６のタイミングｈ0に比べて低段圧縮機５のタイミングi0が遅れるように制御される。

なお、起動制御の準備として、運転停止時の低段圧縮機５および高段圧縮機６の停止のタイミングを制御することができる。運転停止時において、少なくとも、低段圧縮機５よりも高段圧縮機６が先に停止しないように制御部１００により制御することができる。

（５）運転の停止
通常運転時、暖房のみの運転及び給湯のみの運転のいずれの場合でも、給湯暖房システム１を停止するときは、制御部１００は、ヒートポンプ回路２の高段圧縮機６を停止させてから、数十秒から数分程度経過したのちに、給湯用二次冷媒循環回路３のポンプ１４及びまたは暖房用二次冷媒循環回路４のポンプ１８を停止させる制御を行う。高段圧縮機６が停止することによりＣＯ₂冷媒の循環が停止する。このときポンプ１４，１８が駆動していることから給湯水や暖房用二次冷場は給湯用二次冷媒循環回路３や暖房用二次冷媒循環回路４を循環している。そのため、第１給湯用ガスクーラ７や暖房用ガスクーラ９内で停止したＣＯ₂冷媒が給湯水や暖房用水冷媒との熱交換によって冷やされ、ポンプ１４，１８が停止して第１給湯用ガスクーラ７や暖房用ガスクーラ９内に水が滞留しても水の温度上昇が抑制され、沸騰やスケールの析出などの不具合が防止される。

〔第２実施形態〕
（１）構成
本発明の第２実施形態による給湯暖房システムについて図５を用いて説明する。図５に示す給湯暖房システム１Ａは、一次冷媒を循環させることにより蒸気圧縮冷凍サイクルを行うヒートポンプ回路２Ａと、給湯用二次冷媒循環回路３と、暖房用二次冷媒循環回路４とを備えている。図２に示す給湯暖房システム１Ａが図１の給湯暖房システム１の構成と異なるのは、ヒートポンプ回路２Ａの構成である。

図１の基本構成のヒートポンプ回路２と比較して分かるように、第１実施形態のヒートポンプ回路２Ａは、バイパス路２１をさらに備えている。従ってバイパス路２１以外のヒートポンプ回路２Ａの構成はヒートポンプ回路２において既に説明されているので、ここでは説明を省略する。

バイパス路２１は、入口を高段圧縮機６の吸入口とインタークーラ１３との間に接続され、出口を高段圧縮機６の吐出口と第１給湯用ガスクーラ７との間に接続されている。バイパス路２１には、電磁弁２１ａが設けられている。この電磁弁２１ａは、制御部１００により制御されて、定常運転時に閉止されており、起動時に開放される。バイパス路２１の役割が圧力を逃がすことにあるため、バイパス路２１の配管の直径は低段圧縮機５の吐出口と高段圧縮機６の吸入口とを結ぶ配管に比べて小さくなっている。

（２）動作
定常運転時には、電磁弁２１ａが閉止されており、バイパス路２１が機能しない。バイパス路２１を除いた図５の給湯暖房システム１Ａの構成は、図１の給湯暖房システム１の構成と同じであり、定常運転については、給湯暖房システム１Ａと給湯暖房システム１が同じ動作をする。そのため、ここでは定常運転時における給湯暖房システム１Ａの動作の説明は省略する。

（３）起動時の動作
起動時は、図４（ｂ）に示すように、制御部１００により、電磁弁２１ａの開閉及び低段圧縮機５と高段圧縮機６とが回転を始めるタイミングと回転速度が制御される。図４（ｂ）において、時間a1からc1までは、低段圧縮機５及び高段圧縮機６が停止している状態である。低段圧縮機５及び高段圧縮機６がともに停止している状態において、先ず電磁弁２１ａが時間b1に開放される。

高段圧縮機６は、時間c1から回転を始め、時間e1までは低速で回転する。このときバイパス路２１により圧力が逃げるため、高段圧縮機６は無負荷状態で運転されている。低段圧縮機５は、高段圧縮機６が回転を始めてから所定時間（d1−c1）が経過した後の時間d1から回転を始める。低段圧縮機５の起動時の圧力がバイパス路２１により逃がされて高段圧縮機６の吸入口の圧力変動が小さくなっているが、低段圧縮機５を高段圧縮機６より後に起動することにより、高段圧縮機６の吸入口の圧力変動がさらに抑えられる。時間d1から時間e1までは低段圧縮機５と高段圧縮機６がともに低速で回転しており、ほぼ同量のＣＯ₂冷媒が低段圧縮機５と高段圧縮機６から吐出される。

次に、低段圧縮機５および高段圧縮機６の回転速度が制御部１００により中速まで引き上げられるが、中速に上げるタイミングは、高段圧縮機６のタイミングe1に比べて低段圧縮機５のタイミングf1が遅れるように制御される。そして、時間g1までは低段圧縮機５も高段圧縮機６も中速で回転してほぼ同量のＣＯ₂冷媒が低段圧縮機５と高段圧縮機６から吐出される。さらに、低段圧縮機５および高段圧縮機６の回転速度が制御部１００により高速まで引き上げられるが、高速に上げるタイミングは、高段圧縮機６のタイミングg1に比べて低段圧縮機５のタイミングh1が遅れるように制御される。そして、時間i1までは低段圧縮機５も高段圧縮機６も高速で回転してほぼ同量のＣＯ₂冷媒が低段圧縮機５と高段圧縮機６から吐出される。

起動後に、低段圧縮機５及び高段圧縮機６の回転速度を低速から中速に、また中速から高速に引き上げる際にも低段圧縮機５の回転速度を上げるタイミングを高段圧縮機６の回転速度を上げるタイミングより遅らせているので、バイパス路２１により圧力を逃がす効果とあいまって低段圧縮機５の回転速度上昇時における高段圧縮機６の吸入口の圧力変動をさらに小さくすることができる。

その後さらに回転速度が上がる定常の制御に移るのであるが、定常制御に移るタイミングは、高段圧縮機６のタイミングi1に比べて低段圧縮機５のタイミングｊ1が遅れるように制御される。定常制御に移行するため、バイパス路２１が時間i1に閉じられる。

なお、起動制御の準備として、運転停止時の低段圧縮機５および高段圧縮機６の停止のタイミングを制御することができるのは、第１実施形態と同様である。

＜変形例＞
第２実施形態の給湯暖房システム１Ａでは、バイパス路２１の入口をインタークーラ１３と高段圧縮機６の吸入口との間に接続し、バイパス路２１の出口を高段圧縮機６の吐出口と第１給湯用ガスクーラ７との間に接続している。しかし、バイパス路の入口の接続場所は、低段圧縮機５の吐出口から高段圧縮機６の吸入口とを結ぶ経路のどこかにあればよく、例えば低段圧縮機５の吐出口とインタークーラ１３との間にであってもよい。また、バイパス路の出口の接続場所は、ヒートポンプ回路において、高段圧縮機６の吐出口から低段圧縮機５の吸入口までのいずれかであればよい。図６の給湯暖房システム１Ｂは、図５の給湯暖房システム１Ａと比べてバイパス路２２の接続位置を変えた一例である。図６の給湯暖房システム１Ｂにおいて、バイパス路２２は、入口を低段圧縮機５の吐出口とインタークーラ１３との間に接続し、出口を低段圧縮機５の吸入口と液ガス熱交換器１２との間に接続している。そして、バイパス路２２の開閉は、制御部１００により制御されている開閉弁２２ａによって行われる。定常運転時には開閉弁２２ａが閉止され、起動時には開閉弁２２ａが開放されて、第２実施形態の給湯暖房システム１Ａと同様の動作を行う。

〔第３実施形態〕
（１）構成
本発明の第３実施形態による給湯暖房システムの構成について図７を用いて説明する。図７に示す給湯暖房システム１Ｃは、一次冷媒を循環させることにより蒸気圧縮冷凍サイクルを行うヒートポンプ回路２Ｃと、給湯用二次冷媒循環回路３と、暖房用二次冷媒循環回路４とを備えている。また、給湯暖房システム１Ｃは、図８に示すような、ヒートポンプ回路２Ｃ、給湯用二次冷媒循環回路３、及び暖房用二次冷媒循環回路４を制御するための制御部１００Ａを有する。

ヒートポンプ回路２Ｃは、低段圧縮機５と、高段圧縮機６と、第１給湯用ガスクーラ７と、第２給湯用ガスクーラ８と、暖房用ガスクーラ９と、第１電動弁１０ａと、第２電動弁１０ｂと、第３電動弁１０ｃと、空気熱交換器１１と、液ガス熱交換器１２と、インタークーラ１３と、エコノマイザ熱交換器６０とを接続してなる冷媒回路であり、空気熱交換器１１にファン１１ａが取り付けられている。低段圧縮機５及び高段圧縮機６は、インバータにより回転速度の制御が可能な容積式圧縮機である。

低段圧縮機５は、圧縮したＣＯ₂冷媒を高段圧縮機６にインタークーラ１３を経由して送る。インタークーラ１３では、低段圧縮機５から吐出されたＣＯ₂冷媒と、ラジエータ１９からインタークーラ１３に送られた暖房用水冷媒との熱交換を行う。高段圧縮機６は、低段圧縮機５で圧縮されたＣＯ₂冷媒とエコノマイザ熱交換器６０からインジェクションされた中間圧のＣＯ₂冷媒とをさらに圧縮して第１給湯用ガスクーラ７、暖房用ガスクーラ９及び第２給湯用ガスクーラ８に送る。

第１給湯用ガスクーラ７、暖房用ガスクーラ９及び第２給湯用ガスクーラ８は、ＣＯ₂冷媒をこの順で熱交換して、エコノマイザ熱交換器６０と第３電動弁１０ｃに送る。第１給湯用ガスクーラ７は、高段圧縮機６から吐出されたＣＯ₂冷媒と、第２給湯ガスクーラ８から送られてきた給湯水との熱交換を行う。暖房用ガスクーラ９は、第１給湯用ガスクーラ７から送られてきたＣＯ₂冷媒と、ラジエータ１９から送られてきた暖房用水冷媒との熱交換を行う。そして、第２給湯用ガスクーラ８は、暖房用ガスクーラ９から送られてきたＣＯ₂冷媒と、ポンプ１４により送られてきた暖房用水冷媒との熱交換を行う。

第３電動弁１０ｃは、開いているときにエコノマイザ熱交換器６０へ中間圧のＣＯ₂冷媒の供給を行い、閉じているときは供給を行わない。エコノマイザ熱交換器６０は、第２給湯用ガスクーラ８から直接送られる高圧のＣＯ₂冷媒と、第３電動弁１０ｃを介して送られる中間圧のＣＯ₂冷媒を受ける。そのため、エコノマイザ熱交換器６０は、第３電動弁１０ｃが開いているときに、第３電動弁１０ｃで減圧された中間圧のＣＯ₂冷媒と、第２給湯ガスクーラ８から送られた高圧のＣＯ₂冷媒の熱交換を行う。一方、第３電動弁１０ｃが閉じている時には、エコノマイザ熱交換器６０は第２給湯用ガスクーラ７から送られたＣＯ₂冷媒をそのまま通過させる。エコノマイザ熱交換器６０を出た高圧のＣＯ₂冷媒は、液ガス熱交換器を経由して第１電動弁１０ａへ送られるかまたは、第３電動弁１０ｃに送られる。液ガス熱交換器１２における熱交換については後述する。一方、中間圧のＣＯ₂冷媒は、エコノマイザ熱交換器６０を出た後、高段圧縮機６の吸入口に送られる。

第１電動弁１０ａと第２電動弁１０ｂは、エコノマイザ熱交換器５０を出た高圧のＣＯ₂冷媒の減圧を行う。空気熱交換器１１（蒸発器）は、第１電動弁１０ａまたは第２電動弁１０ｂから送られてきたＣＯ₂冷媒と室外空気との熱交換を行う。その際、ファン１１ａにより室外空気が空気熱交換器１１に送風される。液ガス熱交換器１２は、空気熱交換器１１で加熱された冷媒と、エコノマイザ熱交換器６０を通過したＣＯ₂冷媒との熱交換を行う。低段圧縮機５は、液ガス熱交換器１２により熱交換されたＣＯ₂冷媒を吸入する。

図７に示す給湯用二次冷媒循環回路３及び暖房用二次冷媒循環回路４の構成は、図１に示した第１実施形態の給湯用二次冷媒循環回路３及び暖房用二次冷媒循環回路４の構成と同じであるので説明を省略する。

図８に示す制御部１００Ａは、ヒートポンプ回路２Ｃの低段圧縮機５と高段圧縮機６と第１電動弁１０ａと第２電動弁１０ｂと第３電動弁１０ｃとファン１１ａの制御を行い、給湯用二次冷媒循環回路３のポンプ１４の制御を行い、さらに暖房用二次冷媒循環回路４の三方弁１７及びポンプ１８の制御を行う。ヒートポンプ回路２Ｃにおいて、低段圧縮機５及び高段圧縮機６は、制御部１００Ａにより、オン・オフと回転周波数が制御される。また、制御部１００Ａにより、第１電動弁１０ａ、第２電動弁１０ｂ及び第３電動弁１０ｃは開度が調節され、ファン１１ａは送風量が調節される。なお、第１電動弁１０ａ、第２電動弁１０ｂ及び第３電動弁１０ｃは制御部１００Ａの制御によって閉じることもできる。給湯用二次冷媒循環回路３において、ポンプ１４は制御部１００Ａによりオン・オフと冷媒循環量が制御される。暖房用二次冷媒循環回路４において、制御部１００Ａにより、三方弁１７は混合割合が制御され、ポンプ１８はオン・オフと冷媒循環量が制御される。そのため、制御部１００Ａには、ヒートポンプ回路２ＣのＣＯ₂冷媒、給湯用二次冷媒循環回路３の給湯水及び暖房用二次冷媒循環回路４の暖房用二次冷媒の温度などを測定する温度センサや、ヒートポンプ回路２Ｃの低段圧縮機５や高段圧縮機６の吐出圧や吸入圧などを測定する圧力センサから測定結果が入力される。

（２）動作の概要
図７に示す給湯暖房システム１Ｃでは、ヒートポンプ回路２Ｃの冷凍サイクルによるヒートポンプ回路２ＣのＣＯ₂冷媒との熱交換により、第１給湯用ガスクーラ７及び第２給湯用ガスクーラ８で給湯水が加熱され、暖房用ガスクーラ９で暖房用水冷媒が加熱される。加熱された給湯水は、給湯用二次冷媒循環回路３を循環して貯湯タンク１５に貯えられ、加熱された暖房用水冷媒を用いて暖房用二次冷媒循環回路４ではラジエータ１９による暖房が行われる。その際に、ヒートポンプ回路２Ｃの冷凍サイクルにおいては、低段圧縮機５と高段圧縮機６によるＣＯ₂の二段圧縮が用いられ、インタークーラ１３やエコノマイザ熱交換器６０により中間冷却されたＣＯ₂と給湯水及び暖房用水冷媒との間で熱交換を行うことによってエネルギー効率の改善が図られている。また、第１給湯用ガスクーラ７と暖房用ガスクーラ９と第２給湯用ガスクーラ８とをヒートポンプ回路２において直列に接続して給湯暖房システム１Ｃの成績係数の改善が図られ、暖房と給湯の両方が必要なときに高い成績係数を得られかつ、夏季などの暖房の需要がない場合や給湯のための熱エネルギー供給が必要ないときなどに給湯のみの運転や暖房のみの運転を行うことができるようになっているのは、第１実施形態の給湯暖房システム１と同じである。そこで以下、暖房と給湯とが並行して行われる通常運転と、暖房のみの運転と、給湯のみの運転とに場合を分けて動作の説明を行う。

（３）通常運転
暖房運転と給湯運転が並行して行われる通常運転時には、ヒートポンプ回路２Ｃにおいて、第２電動弁１０ｂ及び第３電動弁１０ｃが閉止され、第１電動弁１０ａの開度が調節される。それにより、エコノマイザ熱交換器６０の機能が停止され、エコノマイザ熱交換器６０を通過したＣＯ₂冷媒が電動弁１０ａを経由して空気熱交換器１１に送られる。また、低段圧縮機５に対する高段圧縮機６の圧縮比の割合（高段圧縮比／低段圧縮比）は１になるよう、制御部１００Ａにより回転周波数が制御される。このような設定で、給湯と暖房を並行して行う通常運転の場合の圧力−エンタルピ線図は図３と同じになる。

図７の第２電動弁１０ｂ及び第３電動弁１０ｃを閉じることにより、ヒートポンプ回路１Ｃの運転状態は、エコノマイザ熱交換器６０が設けられていない図１のヒートポンプ回路２の通常運転時と同じになる。つまり、ＣＯ₂冷媒は全て第２給湯用ガスクーラ８から液ガス熱交換器１２を経由して第１電動弁１０ａに送られる。給湯暖房システム１Ｃの通常運転時の動作が給湯暖房システム１の通常運転時の動作と同じになることから、給湯暖房システム１Ｃの通常運転の説明は省略する。

（４）暖房のみの運転
暖房運転のみが行われる時には、ヒートポンプ回路２Ｃにおいて、第１電動弁１０ａが閉止され、第２電動弁１０ｂ及び第３電動弁１０ｃの開度が調節される。制御部１００Ａにより高段圧縮比／低段圧縮比は１に調整される。暖房のみの運転であるため、制御部１００Ａによってポンプ１４がオフにされ、給湯用二次冷媒循環回路３において給湯水の循環が停止される。このような暖房運転のみを行う場合の圧力−エンタルピ線図を図９に示す。

ヒートポンプ回路２Ｃにおいて、低圧のＣＯ₂冷媒（図７、図９の点Ａ１参照）は、低段圧縮機５に吸入されて中間圧まで圧縮された後、インタークーラ１３に対して吐出される（図７、図９の点Ｂ１参照）。低圧のＣＯ₂冷媒は液ガス熱交換器１２で熱交換が行われていないため、通常運転時に比べて過熱度が小さくなっている。そのため、低段圧縮機５から吐出されるＣＯ₂冷媒の温度も低くなる。

中間圧のＣＯ₂冷媒は、インタークーラ１３において暖房用水冷媒と熱交換を行うことで冷却されており、さらにエコノマイザ熱交換器６０によるガス冷媒のインジェクションにより温度が下がる（図７、図９の点Ｃ１参照）。

インタークーラ１３及びエコノマイザ熱交換器６０による冷却を受けた中間圧のＣＯ₂冷媒は、次に、高段圧縮機６に吸入されてさらに圧縮され、高段圧縮機６から第１給湯用ガスクーラ７に吐出されるが（図７、図９の点Ｄ１参照）、図９の点Ｄ１の方が図３の点Ｄよりも温度が低くなっており、暖房のみの場合にはＣＯ₂冷媒の温度が１００℃よりも小さくなる。これにより、第１給湯ガスクーラ７における給湯水の沸騰が防止される。低段圧縮機５と高段圧縮機６による二段圧縮によって、ＣＯ₂冷媒が臨界圧力を超える圧力まで圧縮されるのは、通常運転時のときと同じである。

さらに、第１給湯用ガスクーラ７を出たＣＯ₂冷媒は暖房用ガスクーラ９に送られ、暖房用ガスクーラ９でＣＯ₂冷媒と暖房用水冷媒との熱交換が行われ、暖房用水冷媒が例えば４０℃から６５℃に加熱される。暖房用ガスクーラ９で冷却されたＣＯ₂冷媒はさらに第２給湯用ガスクーラ８に送られるが、第２給湯用ガスクーラ８でＣＯ₂冷媒と給湯水との熱交換は行われない。

第２給湯用ガスクーラ８を出たＣＯ₂冷媒（図７、図９の点Ｅ１参照）は、エコノマイザ熱交換器６０を通して第２電動弁１０ｂに送られるものと、第３電動弁１０ｃに送られるものに分かれる。エコノマイザ熱交換器６０を通して第２電動弁１０ｂに送られるＣＯ₂冷媒は、エコノマイザ熱交換器６０において冷却される（図７、図９の点Ｆ１参照）。エコノマイザ熱交換器６０から第３電動弁１０ｃに送られるＣＯ₂冷媒は、エコノマイザ熱交換器６０により過冷却度が大きくなっているため、第１電動弁１０ａにおいてフラッシュガスが発生し難くなる。一方、第３電動弁１０ｃで、超臨界状態のＣＯ₂冷媒は低圧の気液二相状態のＣＯ₂冷媒になるまで減圧される（図７、図９の点Ｉ参照）。第３電動弁１０ｃからエコノマイザ熱交換器６０に送られる気液二相状態のＣＯ₂冷媒は、エコノマイザ熱交換器６０で加熱され（図７、図９の点Ｊ参照）、高段圧縮機６の吸入側にインジェクションされる（図７、図９の点Ｃ１参照）。

第１電動弁１０ａで減圧されたＣＯ₂冷媒は、気液二相状態になり、空気熱交換器１１に送られる（図７、図９の点Ｇ参照）。空気熱交換器１１において室外空気で加熱されたＣＯ₂冷媒は、蒸発し（図７、図９の点Ａ１参照）、低段圧縮機５の吸入口に送られる。このとき第１電動弁１０ａは閉止されているため液ガス熱交換器１２では熱交換が行われない。

給湯用二次冷媒循環回路３では、ポンプ１４が停止しているので給湯水の循環はない。このとき、第１給湯用ガスクーラ７に滞留している水は、高段圧縮機６から吐出されたＣＯ₂冷媒との間の熱交換により加熱されるが、ＣＯ₂冷媒の温度が１００℃より低くなっているので沸騰することはない。ＣＯ₂冷媒の温度は、第１給湯用ガスクーラ７内でのスケールの析出を抑えるには８０℃より低いことが好ましく、スケールの析出を防止するには７０℃より低いことが好ましい。例えば、エコノマイザ熱交換器６０によりインジェクションされるガス冷媒を多くすることにより、高段圧縮機６から吐出されるＣＯ₂冷媒の温度を下げることができる。

暖房用二次冷媒循環回路４は、給湯用二次冷媒循環回路３が停止しているため単独で動作しているが、そのため、給湯負荷がなくなった分だけＣＯ₂冷媒と暖房用水冷媒との熱交換量を多くする必要がある場合には、例えばポンプ１８による暖房用水冷媒の循環量を多くするように制御部１００Ａにより制御することができる。それにより、通常運転時と同様に、暖房用二次冷媒循環回路４では、ラジエータ１９に例えば６０℃程度の温水がポンプ１８から送られる。

（５）給湯のみの運転
暖房負荷がないときに給湯のみの運転を行う場合には、ヒートポンプ回路２Ｃにおいて、第１電動弁１０ａが閉止され、第２電動弁１０ｂ，１０ｃの開度が調節される。制御部１００Ａにより高段圧縮比／低段圧縮比は１に調整される。給湯のみの運転であるため、制御部１００Ａによってポンプ１８がオフにされ、暖房用二次冷媒循環回路４において暖房用水冷媒の循環が停止される。

給湯のみの運転を行う場合も、ヒートポンプ回路２Ｃにおいて、暖房のみの運転を行う場合と同様の動作が行われる。それにより、高段圧縮機６から吐出されるＣＯ₂冷媒の温度を１００℃より低くすることができ、暖房用ガスクーラ９で滞留している水とＣＯ₂冷媒との間で熱交換で水の温度が上昇することによる不具合の発生が防止される。

（６）起動時の動作
第３実施形態の給湯暖房システム１Ｃ（図７参照）では、電動弁１０ｃが設けられているエコノマイザ熱交換器６０の中間圧インジェクション路６１が、図５の第２実施形態の給湯システム１Ａにおけるバイパス路２１に相当する。そして、第３実施形態の給湯暖房システム１Ｃの起動時には、図４（ｂ）に示した第２実施形態の給湯暖房システム１Ａと類似の制御が行われる。給湯暖房システム１Ａでは起動時に電磁弁２１ａの開閉を行ってバイパス路２１の閉止開放解放を制御しているが、給湯暖房システム１Ｃでは起動時における中間圧インジェクション路６１の閉止開放を電動弁１０ｃで制御している。給湯暖房システム１Ｃの低段圧縮機５及び高段圧縮機６が図４（ｂ）のタイミングで回転速度の変更を制御されているとすると、時間b1で電動弁１０ｃが開放され、時間i1で電動弁１０ｃが閉じられる。ただし、給湯暖房システム１Ｃの場合は、第２実施形態の給湯暖房システム１Ａと異なり、起動直後からエコノマイザ熱交換器６０を使用する場合には、電動弁１０ｃを閉じる工程を省いて時間i1のタイミングで開度の調節を行って中間圧インジェクションが行えるような状態にすることもできる。

（７）運転の停止
通常運転時、暖房のみの運転及び給湯のみの運転のいずれの場合でも、給湯暖房システム１Ｃを停止するときは、制御部１００Ａは、ヒートポンプ回路２Ｃの高段圧縮機６を停止させてから、数十秒から数分程度経過したのちに、給湯用二次冷媒循環回路３のポンプ１４及びまたは暖房用二次冷媒循環回路４のポンプ１８を停止させる制御を行う。高段圧縮機６が停止することによりＣＯ₂冷媒の循環が停止する。このときポンプ１４，１８が駆動していることから給湯水や暖房用二次冷場は給湯用二次冷媒循環回路３や暖房用二次冷媒循環回路４を循環している。そのため、第１給湯用ガスクーラ７や暖房用ガスクーラ９内で停止したＣＯ₂冷媒が給湯水や暖房用水冷媒との熱交換によって冷やされ、ポンプ１４，１８が停止して第１給湯用ガスクーラ７や暖房用ガスクーラ９内に水が滞留しても水の温度上昇が抑制され、沸騰やスケールの析出などの不具合が防止される。

＜変形例＞
（ａ）
上述の第３実施形態では、エコノマイザ熱交換器６０により中間圧インジェクションを行っているが、図１０に示すように、気液分離器７０を用いて中間圧インジェクションを行う場合にも第３実施形態と同様に中間圧インジェクション路を起動時のバイパス路として用いることができる。図１０に示す給湯暖房システム１Ｄと第３実施形態の給湯暖房システム１Ｃ（図７参照）が構成上で異なるところは、第２給湯用ガスクーラ８と空気熱交換器１１との間の構成である。

第２給湯用ガスクーラ８は液ガス熱交換器１２を介して電動弁１０ｅに接続され、また電動弁１０ｆにも接続されている。液ガス熱交換器１２は、第２給湯用ガスクーラ８から電動弁１０ｅに送られる超臨界状のＣＯ₂冷媒と、空気熱交換器１１から低段圧縮機５に送られる低圧のＣＯ₂冷媒との間で熱交換を行う。電動弁１０ｅ，１０ｆは気液分離器７０の冷媒流入管に接続されている。気液分離器７０の液流出管は電動弁１０ｇに接続され、気液分離器７０のガス流出管は中間圧インジェクション路７１の入口に接続されている。この中間圧インジェクション路７１の出口は高段圧縮機６の吸入口とインタークーラ１３とを結ぶ経路に接続されており、中間圧インジェクション路７１には開閉弁７１ａが設けられている。また、電動弁１０ｇは空気熱交換器１１に接続されている。

給湯暖房システム１Ｄの運転は、給湯暖房システム１Ｃの運転におけるエコノマイザ熱交換器６０を気液分離器７０に置き代えたものになる。

暖房運転と給湯運転が並行して行われる通常運転時には、ヒートポンプ回路２Ｄにおいて、電動弁１０ｆ及び開閉弁７１ａが閉止され、電動弁１０ｅが全開にされ、電動弁１０ｇの開度が調節される。それにより、気液分離器７０の機能が停止され、気液分離器７０を通過したＣＯ₂冷媒が電動弁１０ｇで気液二相になる低圧まで減圧されて空気熱交換器１１に送られる。

暖房運転のみが行われる時には、ヒートポンプ回路２Ｄにおいて、電動弁１０ｅが閉止され、開閉弁７１ａが開放され、電動弁１０ｆ，１０ｇの開度が調節される。電動弁１０ｆで中間圧まで減圧されたＣＯ₂冷媒が気液分離器７０に供給される。気液分離器７０は、気液二相状態から分離したガス冷媒を中間圧インジェクション路７１を通じて高段圧縮機６の吸入口に供給するとともに、分離した液冷媒を液流出管から電動弁１０ｇに供給する。電動弁１０ｇでは、気液分離器７０から供給された中間圧のＣＯ₂冷媒をさらにて威圧まで減圧して空気熱交換器１１に送る。なお、電動弁１０ｅが閉止されているので、液ガス熱交換器１２では、空気熱交換器１１から低段圧縮機５に送られるＣＯ₂冷媒の熱交換は行われない。

暖房負荷がないときに給湯のみの運転を行う場合には、ヒートポンプ回路２Ｄにおいて、電動弁１０ｅが閉止され、開閉弁７１ａが開放され、電動弁１０ｆ，１０ｇの開度が調節される。そして、暖房のみの運転が行われるときと同様の動作が給湯のみの運転でも行われる。

変形例の給湯暖房システム１Ｄでは、開閉弁７１ａが設けられている中間圧インジェクション路７１が、図５の第２実施形態の給湯システム１Ａにおけるバイパス路２１に相当する。そして、給湯暖房システム１Ｄの起動時には、図４（ｂ）に示した第２実施形態の給湯暖房システム１Ａと類似の制御が行われる。給湯暖房システム１Ａでは起動時に電磁弁２１ａの開閉を行ってバイパス路２１の閉止開放解放を制御しているが、給湯暖房システム１Ｄでは起動時における中間圧インジェクション路７１の閉止開放を開閉弁７１ａで制御している。給湯暖房システム１Ｄの低段圧縮機５及び高段圧縮機６が図４（ｂ）のタイミングで回転速度の変更を制御されているとすると、時間b1で開閉弁７１ａが開放され、時間i1で開閉弁７１ａが閉じられる。ただし、給湯暖房システム１Ｄの場合は、給湯暖房システム１Ｃと同様に、起動直後から気液分離器７０を使用する場合には、開閉弁７１ａを閉じる工程を省いて時間i1のタイミングで開度の調節を行って中間圧インジェクションが行えるような状態にすることもできる。

（ｂ）
上記各実施の形態では、低段圧縮機５と高段圧縮機６とにより二段圧縮が行われるヒートポンプ回路２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの一次冷媒にＣＯ₂冷媒が用いる例について説明したが、本願発明に適用される蒸気圧縮冷媒サイクルで使用される冷媒はＣＯ₂冷媒に限られるものではなく、例えばＨＦＣ冷媒などであってもよい。

（ｃ）
上記各実施形態では、起動時において、低段圧縮機５及び高段圧縮機６の回転速度の変化を低速、中速、及び高速の三段階の回転速度を経て定常状態に移行させる場合について説明したが、回転速度の制御はこれに限られるものではない。例えば、低段圧縮機５の回転速度に、低速より回転速度の小さな最低速、低速と中速の間の低中速、中速と高速の間の中高速を設けて、図４（ａ）において、時間b0から時間c0までの回転速度を最低速とし、時間d0から時間e0までの回転速度を低中速とし、時間f0から時間g0までの回転速度を中高速とすることもできる。この場合には、低段圧縮機５及び高段圧縮機６を同時に起動することになる。

（ｄ）
上記各実施形態では、制御部１００，１００Ａにおける低段圧縮機５及び高段圧縮機６の回転速度の制御を予め定められたシーケンスにより行っているが、圧力センサや温度センサにより低段圧縮機５及び高段圧縮機６の状態に応じて回転速度の制御を行うようにしてもよい。例えば、高段圧縮機６の吐出圧が所定値に達したときに低段圧縮機５の回転速度を上げるなどである。

（ｅ）
上記各実施形態においては、第１給湯用ガスクーラ７及び第２給湯用ガスクーラ８という２つの給湯用ガスクーラと、１つの暖房用ガスクーラ９をヒートポンプ回路２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄに直列に挿入した場合について説明している。しかし、直列に配置される給湯用ガスクーラと暖房用ガスクーラは他の構成であってもよく、例えば、図１１に示すような構成にすることができる。

図１１（ａ）は、暖房専用のガスクーラの代わりに暖房用ガスクーラと給湯用ガスクーラの機能を併せ持つガスクーラを用いた場合の構成を示す概念図である。一次冷媒２８の流路において、第１給湯用ガスクーラ７と暖房・給湯兼用ガスクーラ５０と第２給湯用ガスクーラ８が、この順で直列に配置されている。図１１（ａ）に示すように暖房・給湯兼用ガスクーラ５０を暖房用ガスクーラ９に置き換えると、一次冷媒２８と給湯用二次冷媒３８との熱交換が第１給湯用ガスクーラ７、第２給湯用ガスクーラ８及び暖房・給湯兼用ガスクーラ５０の全てで行えるようになる。一方、一次冷媒２８と暖房用二次冷媒４８との熱交換が行われるのは、暖房・給湯兼用ガスクーラ５０においてだけである。図１１（ａ）に示す構成を用いた場合、暖房負荷がないときでも、一次冷媒２８と給湯用二次冷媒３８との熱交換が第１給湯用ガスクーラ７、第２給湯用ガスクーラ８及び暖房・給湯兼用ガスクーラ５０の全てで行えるためエネルギー効率がよくなる。また、暖房負荷がないときには、暖房用二次冷媒４８によるラジエータ１９への熱エネルギーの供給がなくなるが、そのようなときでも暖房・給湯兼用ガスクーラ５０において一次冷媒２８と給湯用二次冷媒３８との間で熱交換が行われるため、暖房用二次冷媒４８が沸騰するような不具合が発生することはない。

図１１（ａ）に示す暖房・給湯兼用ガスクーラ５０としては、例えば図１２に示すような構成を用いることができる。図１２の暖房・給湯兼用ガスクーラ５０は、一次冷媒２８が流れる板状の多穴管５０ａ、給湯用二次冷媒３８が流れる扁平な扁平管５０ｂ、暖房用二次冷媒４８が流れる扁平な扁平管５０ｃ、及び多穴管５０ａを順に積層して形成されている。つまり、２つの多穴管５０ａの間に扁平管５０ｂ，５０ｃが挟まれた４層構成になっている。多穴管５０ａは、矩形状の断面に、多穴管５０ａの長手方向に沿う多数の貫通穴５０ｊを有している（図１２（ｂ）参照）。これら貫通穴５０ｊは一次冷媒２８が流れる冷媒管５０ｄ，５０ｅに繋がっている。一次冷媒２８は、冷媒管５０ｄから冷媒管５０ｅに向かって流れる。扁平管５０ｂは冷媒管５０ｆ，５０ｇに繋がっており、給湯用二次冷媒３８が冷媒管５０ｆから冷媒管５０ｇに向かって流れる。また、扁平管５０ｃは冷媒管５０ｈ，５０ｉに繋がっており、暖房用二次冷媒４８が冷媒管５０ｈから冷媒管５０ｉに向かって流れる。このとき、図１２（ｂ）における上部の多穴管５０ａと扁平管５０ｂとの間で一次冷媒２８と給湯用二次冷媒３８の熱交換が行われ、下部の多穴管５０ａと扁平管５０ｃとの間で一次冷媒２８と暖房用二次冷媒４８の熱交換が行われる。そのため、多穴管５０ａや扁平管５０ｂ，５０ｃは、アルミニウムなどの熱伝導率の高い材料で形成されている。

図１１（ｂ）は、２つの給湯用ガスクーラと１つの暖房用ガスクーラを１つの給湯・暖房兼用のガスクーラに置き換える場合の構成を示す概念図である。給湯・暖房兼用ガスクーラ５１においては、給湯・暖房兼用ガスクーラ５１の長手方向の全長にわたって一次冷媒２８と給湯用二次冷媒３８との熱交換が行われ、給湯・暖房兼用ガスクーラ５１の長手方向の中央部分において一次冷媒２８と暖房用二次冷媒４８との熱交換が行われる。そのため、給湯・暖房兼用ガスクーラ５１は、第１給湯用ガスクーラ７と暖房・給湯兼用ガスクーラ５０と第２給湯用ガスクーラ８を合わせた機能を有している。この場合、端部近傍Ｄ１，Ｄ２の給湯用ガスクーラ相当部分と長手方向中央部Ｃの暖房用ガスクーラの機能部分とが直列に配置されている格好になっている。図１１（ｂ）に示す給湯・暖房兼用ガスクーラ５１を用いた場合、暖房負荷がないときでも、一次冷媒２８と給湯用二次冷媒３８との熱交換が給湯・暖房兼用ガスクーラ５１の全長の全てで行えるためエネルギー効率がよくなる。また、暖房負荷がないときには、暖房用二次冷媒４８によるラジエータ１９への熱エネルギーの供給がなくなるが、そのようなときでも給湯・暖房兼用ガスクーラ５１において一次冷媒２８と給湯用二次冷媒３８との間で熱交換が行われるため、暖房用二次冷媒４８が沸騰するような不具合が発生することはない。

図１１（ｂ）に示す給湯・暖房兼用ガスクーラ５１としては、例えば図１３及び図１４に示すような構成を用いることができる。図１３及び図１４の給湯・暖房兼用ガスクーラ５１は、一次冷媒２８が流れる板状の多穴管５１ａ、給湯用二次冷媒３８が流れる扁平な扁平管５１ｂ、及び暖房用二次冷媒４８が流れる扁平な扁平管５１ｃを積層して形成されている。給湯・暖房兼用ガスクーラ５１の長手方向中央部Ｃにおいては、図１４（ａ）に示すように、多穴管５１ａと扁平管５１ｂと扁平管５１ｃと多穴管５１ａが順に積層された４層構造になっている。ところが、給湯・暖房兼用ガスクーラ５１の長手方向における冷媒管５１ｄ，５１ｇ，５１ｅ，５１ｆに近い端部近傍Ｄ１，Ｄ２では、図１４（ｂ）に示すように、多穴管５１ａと扁平管５１ｂと多穴管５１ａが順に積層された３層構造になっている。多穴管５１ａは、矩形状の断面に、多穴管５１ａの長手方向に沿う多数の貫通穴５１ｊを有している（図１４参照）。これら貫通穴５１ｊは一次冷媒２８が流れる冷媒管５１ｄ，５１ｅに繋がっている。一次冷媒２８は、冷媒管５１ｄから冷媒管５１ｅに向かって流れる。扁平管５１ｂは冷媒管５１ｆ，５１ｇに繋がっており、給湯用二次冷媒３８が冷媒管５１ｆから冷媒管５１ｇに向かって流れる。また、扁平管５１ｃは冷媒管５１ｈ，５１ｉに繋がっており、暖房用二次冷媒４８が冷媒管５１ｈから冷媒管５１ｉに向かって流れる。このとき、給湯・暖房用ガスクーラ５１の長手方向中央部Ｃでは、図１４（ａ）における上部の多穴管５１ａと扁平管５１ｂとの間で一次冷媒２８と給湯用二次冷媒３８の熱交換が行われ、下部の多穴管５１ａと扁平管５１ｃとの間で一次冷媒２８と暖房用二次冷媒４８の熱交換が行われる。一方、給湯・暖房用ガスクーラ５１の端部近傍Ｄ１，Ｄ２では、図１４（ｂ）における上部と下部の多穴管５１ａと扁平管５１ｂとの間で一次冷媒２８と給湯用二次冷媒３８の熱交換が行われる。この場合、端部近傍Ｄ１が図１３（ａ）の第１給湯用ガスクーラ７に相当する機能を発揮し、端部近傍Ｄ２が図１３（ｂ）の第２給湯用ガスクーラ８に相当する機能を発揮する。そのため、多穴管５１ａや扁平管５１ｂ，５１ｃは、アルミニウムなどの熱伝導率の高い材料で形成されている。

なお、上記各実施形態においては、高段圧縮機６の吐出温度を制御することにより、第１給湯用ガスクーラ７や暖房用ガスクーラ９の二次冷媒の温度上昇による不具合の発生を防止している。これら第１給湯用ガスクーラ７や暖房用ガスクーラ９の二次冷媒の温度上昇を防ぐために、第１給湯用ガスクーラ７や暖房用ガスクーラ９に一次冷媒のバイパス路を設け、運転が停止されている第１給湯用ガスクーラ７や暖房用ガスクーラ９のバイパス路に一次冷媒を流すようにして、運転が停止されている第１給湯用ガスクーラ７の一次冷媒が所定温度以下になるように運転の制限制御を行ってもよい。

＜特徴＞
給湯暖房システム１（冷凍装置）によれば、起動時において、制御部１００（圧縮機起動タイミング制御手段）により、図４（ａ）の時間b0から時間c0では直流同期電動機で駆動される高段圧縮機６を回転させる一方低段圧縮機５の回転速度をゼロにして（回転速度を抑えて）低段圧縮機５から吐出される冷媒の吐出量を抑制している。また、給湯暖房システム１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ（冷凍装置）によれば、図４（ｂ）の時間b1にバイパス路２１の電磁弁２１ａ（開閉機構）、バイパス路２２の電磁弁２２ａ（開閉機構）、中間圧インジェクション路６１の電動弁１０または中間圧インジェクション路７１の開閉弁７１ａを開放する。それにより、低段圧縮機５の吐出口と高段圧縮機の吸入口の間（吸入ライン）と、高段圧縮機６の吐出口から低段圧縮機５の吸入口までの間のいずれかのポイントとをバイパスすることができる。本発明において、吸入ラインは、低段圧縮機５の吐出口から高段圧縮機の吸入口までの一次冷媒の流路であり、吸入ラインにインタークーラ１３などの機器が挿入さても吸入ラインの始端と終端は変わらない。

給湯暖房システム１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄに示した吸入ラインは、低段圧縮機５の吐出口とインタークーラ１３との間またはインタークーラ１３と高段圧縮機６の吸入口との間である。また、給湯暖房システム１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄに示したポイント（高段圧縮機６の吐出口から低段圧縮機５の吸入口までの間のいずれか）は、高段圧縮機６の吐出口と第１給湯用ガスクーラ７との間、低段圧縮機５の吸入口と液ガス熱交換器１２との間、第２給湯用ガスクーラ８とエコノマイザ熱交換器６０との間、及び気液分離器７０である。ここで、高段圧縮機６の吐出口と第１給湯用ガスクーラ７との間が吐出ラインになる。本発明において吐出ラインは、高段圧縮機６の吐出口から次の機器の入口までの間であり、分岐がある場合には各機器の入口までの間である。高段圧縮機６の吐出口から低段圧縮機５の吸入口までの間のいずれかのポイントは、例えば第１給湯用ガスクーラ７と暖房用ガスクーラ９との間や空気熱交換器１１と液ガス熱交換器１２との間であってもよく、実施形態で示したポイントに限られるものではない。

高段圧縮機６が回転を始める時間b0の時点では低段圧縮機５が停止しており、時間c0に低段圧縮機５が回転を始めるときには高段圧縮機６が回転を始めて冷媒の吐出を行っておりまた時時間b0から間c0の間に高段圧縮機６の吸入口側の冷媒量を減らしているので、起動時に高段圧縮機６の吸入口に送られる冷媒量を抑制して冷媒から高段圧縮機６が受ける力を抑えることができる。起動時に高段圧縮機６が冷媒から過剰な力を受けなくすることで、駆動源に直流同期電動機を用いた高段圧縮機６の脱調を防止できる。

特に、給湯暖房システム１Ｃ，１Ｄにおいては、定常状態において使用するエコノマイザ熱交換器６０や気液分離器７０に接続されている中間圧インジェクション路６１，７１をバイパス路として兼用している。それにより、配管や開閉弁などの構成を新たに設ける必要がなくなるので、高段圧縮機６の脱調を防止できるシステムを安価に構成することができる。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 冷凍装置
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ ヒートポンプ回路
３ 給湯用二次冷媒回路
４ 暖房用二次冷媒回路
５ 低段圧縮機
６ 高段圧縮機
７ 第１給湯用ガスクーラ
８ 第２給湯用ガスクーラ
９ 暖房用ガスクーラ
１３ インタークーラ
１９ ラジエータ
２１，２２ バイパス路
６０ エコノマイザ熱交換器
６１，７１ 中間圧インジェクション路
７０ 気液分離器

特開２００２−１０６９８８号公報

Claims (10)

1. 吐出口及び吸入口を持つ低段圧縮機（５）と、
   吐出口及び吸入口を持ち、前記低段圧縮機の前記吐出口から吐出された冷媒を吸入するための吸入ラインを有し、前記低段圧縮機よりも容量が小さく、駆動源に直流同期電動機が用いられている高段圧縮機（６）と、
   前記高段圧縮機の起動時に、前記高段圧縮機の回転速度をある回転速度から所定回転速度に変化させるときに、前記高段圧縮機の回転速度が前記所定回転速度に達するまで、前記低段圧縮機の回転速度を抑制して前記低段圧縮機の前記吐出口から吐出される冷媒の吐出量を抑制し、前記高段圧縮機の回転速度が前記所定回転速度に達してから、前記低段圧縮機の回転速度の抑制を解除することにより、前記高段圧縮機の前記吸入口に送られる冷媒量を抑制する冷媒量抑制手段（１００，１００Ａ）と
   を備え、
   前記低段圧縮機は、起動時に回転速度０から複数回ステップ状に回転速度を上昇させるように構成され、
   前記高段圧縮機は、単独で回転可能であり、起動時に回転速度０から複数回ステップ状に回転速度を上昇させるように構成され、
   前記冷媒量抑制手段は、前記高段圧縮機の起動時のステップ状の回転速度の上昇ごとに、前記低段圧縮機の回転速度を上昇させるタイミングを前記高段圧縮機よりも遅らせることで前記低段圧縮機の回転速度を抑制して前記低段圧縮機の前記吐出口から吐出される冷媒の吐出量を抑制する、冷凍装置。
2. 前記冷媒量抑制手段は、前記低段圧縮機の回転速度の抑制とその解除とをおこなっているときに、前記吸入ラインと前記高段圧縮機の前記吐出口から前記低段圧縮機の前記吸入口までの間のいずれかのポイントとをバイパスすることにより、前記高段圧縮機の前記吸入口に送られる冷媒量を抑制する、
   請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記高段圧縮機は、前記高段圧縮機の前記吐出口から伸びる吐出ラインをさらに有し、
   前記冷媒量抑制手段は、
   前記吸入ラインに接続された入口と、前記吐出ラインに接続された出口とを持ち、前記入口と前記出口との間をバイパスするバイパス路（２１，２２）と、
   前記バイパス路に設けられ、前記高段圧縮機の起動時に前記バイパス路を開き、前記低段圧縮機の起動後に前記バイパス路を閉じる開閉機構（２１ａ，２２ａ）とを含む、請求項２に記載の冷凍装置。
4. 前記冷媒量抑制手段は、前記高段圧縮機の前記吸入ラインに中間圧インジェクションを行うためのインジェクション路（７１）を持つ気液分離器（７０）を含む、請求項２に記載の冷凍装置。
5. 前記冷媒量抑制手段は、前記高段圧縮機の前記吸入ラインに中間圧インジェクションを行うためのインジェクション路（６１）を持つエコノマイザ熱交換器（６０）を含む、請求項２に記載の冷凍装置。
6. 前記冷媒量抑制手段は、前記高段圧縮機の起動のタイミングに比べ前記低段圧縮機の起動のタイミングを遅らせることにより前記低段圧縮機の吐出量を抑制し、前記高段圧縮機の前記吸入口に送る冷媒量を抑制する圧縮機起動タイミング制御手段（１００，１００Ａ）を含む、請求項１に記載の冷凍装置。
7. 前記高段圧縮機の前記吐出口から前記低段圧縮機の前記吸入口までの間に、給湯用ガスクーラ（７，８）及び暖房用ガスクーラ（９）をさらに備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の冷凍装置。
8. 前記低段圧縮機の前記吐出口と前記高段圧縮機の前記吸入口との間に挿入された中間冷却器（１３）をさらに備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の冷凍装置。
9. 低段圧縮機（５）と直流同期電動機を駆動源に使っている高段圧縮機（６）とを有し、前記低段圧縮機の吐出口から吐出された冷媒を吸入するための吸入ラインを持つ前記高段圧縮機の容量が前記低段圧縮機の容量よりも小さい冷凍装置の運転方法であって、
   前記高段圧縮機の起動時に、前記高段圧縮機の回転速度をある回転速度から所定回転速度に変化させるときに、前記高段圧縮機の回転速度が前記所定回転速度に達するまで、前記低段圧縮機の回転速度の抑制を行って前記低段圧縮機の吐出量を抑制する第１始動工程と、
   前記高段圧縮機の回転が始まって前記高段圧縮機の回転速度が前記所定回転速度に達してから、前記低段圧縮機の回転速度の抑制を解除する第２始動工程と
   を備え、
   前記低段圧縮機は、起動時に回転速度０から複数回ステップ状に回転速度を上昇させるように構成され、
   前記高段圧縮機は、単独で回転可能であり、起動時に回転速度０から複数回ステップ状に回転速度を上昇させるように構成され、
   前記第１始動工程と前記第２始動工程では、前記高段圧縮機の起動時のステップ状の回転速度の上昇ごとに、前記低段圧縮機の回転速度を上昇させるタイミングを前記高段圧縮機よりも遅らせることで前記低段圧縮機の回転速度の抑制とその解除とを行なう、冷凍装置の運転方法。
10. 前記第１始動工程と前記第２始動工程では、前記低段圧縮機の回転速度の抑制とその解除とをおこなっているときに、前記高段圧縮機の前記吸入ラインと前記高段圧縮機の吐出口から前記低段圧縮機の吸入口までの間のいずれかのポイントとをバイパスすることにより、前記高段圧縮機の吸入口に送られる冷媒量を抑制する、
    請求項９に記載の冷凍装置の運転方法。

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