JP6272364B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒が循環する冷媒回路と熱媒体が流れる熱媒体流路とを有し、冷媒と熱媒体とが熱交換する冷凍サイクル装置に関する。

従来の冷凍サイクル装置においては、冷媒回路の高圧圧力が設定圧力以上となったとき、圧縮機を保護停止する高圧スイッチと、冷媒回路の高圧圧力もしくはその圧力飽和温度を検出する高圧圧力センサーと、高圧保護制御を行う高圧制御手段とを備えている。そして、高圧制御手段は、高圧圧力センサーでの複数回の検知圧力の平均を求め、平均値が閾値を超えた場合に高圧保護制御を行うものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２５２６２１号公報（要約）

熱媒体流路を流れる熱媒体（例えば水）と、冷媒回路の凝縮器を流れる冷媒とが熱交換する冷凍サイクル装置においては、熱媒体の温度が任意の設定温度となるように、冷媒回路の凝縮温度を制御している。しかし、熱媒体の設定温度が高い場合には、凝縮温度の上昇に伴い、冷媒回路の圧縮機から吐出される冷媒の圧力（高圧圧力）が上昇してしまう、という課題があった。また、凝縮温度の上昇及び高圧圧力の上昇により、成績係数（COP：Coefficient Of Performance）が低下してしまう、という課題があった。

特許文献１に記載の技術は、高圧保護での頻繁な停止を抑制するため、高圧圧力センサーでの複数回の検知圧力の平均を求め、平均値が閾値を超えた場合に高圧保護制御が働くようにしている。しかし、平均圧力が所定値に達すれば高圧保護に入るので、根本的に高圧抑制はできていない。

本発明は、上記のような課題を背景になされたもので、熱媒体の設定温度の上昇に伴う冷媒の圧力の上昇を抑制することができる冷凍サイクル装置を得るものである。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、第１圧縮機、第１凝縮器、第１膨張弁、及び第１蒸発器が配管で接続され、冷媒が循環する第１冷媒回路と、第２圧縮機、第２凝縮器、第２膨張弁、及び第２蒸発器が配管で接続され、冷媒が循環する第２冷媒回路と、熱媒体が流れる熱媒体流路と、前記第１圧縮機を少なくとも制御する制御装置と、を備え、前記第１冷媒回路は、前記第１凝縮器と前記第１膨張弁との間に設けられた第１内部熱交換器と、前記第１内部熱交換器と前記第１膨張弁との間の流路を分岐し、前記第１圧縮機の吸入側に合流する第１バイパス配管と、前記第１バイパス配管に設けられた第３膨張弁と、前記第１蒸発器と前記第１圧縮機との間に設けられた第１気液分離器と、を備え、前記第１内部熱交換器は、前記第１凝縮器から流出した前記冷媒と、前記第１バイパス配管に流入し前記第３膨張弁で膨張された前記冷媒とを熱交換し、前記第１凝縮器は、前記熱媒体と前記冷媒との熱交換を行う熱交換器によって構成され、前記第２冷媒回路は、前記第２凝縮器と前記第２膨張弁との間に設けられた第２内部熱交換器と、前記第２内部熱交換器と前記第２膨張弁との間の流路を分岐し、前記第２圧縮機の吸入側に合流する第２バイパス配管と、前記第２バイパス配管に設けられた第４膨張弁と、前記第２蒸発器と前記第２圧縮機との間に設けられた第２気液分離器と、を備え、前記第２内部熱交換器は、前記第２凝縮器から流出した前記冷媒と、前記第２バイパス配管に流入し前記第４膨張弁で膨張された前記冷媒とを熱交換し、前記第２凝縮器は、前記熱媒体と前記冷媒との熱交換を行う熱交換器によって構成され、前記第１凝縮器及び前記第２凝縮器は、前記熱媒体流路の前記熱媒体の流れに沿って直列に接続され、前記第１凝縮器は、前記熱媒体の流れに対して前記第２凝縮器の下流側に接続され、前記制御装置は、前記第１凝縮器から流出する前記熱媒体の温度が、設定温度となるように、前記第１圧縮機の回転数を制御し、第１運転モード又は第２運転モードの何れかの運転モードを実行し、前記第１運転モードにおいて、前記第２圧縮機の回転数を前記第１圧縮機の回転数と同じ周波数に制御し、前記第１圧縮機に吸入される前記冷媒の過熱度が、予め設定した値となるように、前記第１膨張弁の開度を制御し、前記第２圧縮機に吸入される前記冷媒の過熱度が、予め設定した値となるように、前記第２膨張弁の開度を制御し、前記第１膨張弁へ流入する前記冷媒の過冷却度が、予め設定した値となるように、前記第３膨張弁の開度を制御し、前記第２膨張弁へ流入する前記冷媒の過冷却度が、予め設定した値となるように、前記第４膨張弁の開度を制御し、前記第２運転モードにおいて、前記第２圧縮機の回転数を前記第１圧縮機の回転数よりも高い周波数に制御し、前記第１圧縮機から吐出される前記冷媒の圧力が、予め設定した値以下となるように、前記第１膨張弁の開度を制御し、前記第２圧縮機から吐出される前記冷媒の圧力が、予め設定した値以下となるように、前記第２膨張弁の開度を制御し、前記第１膨張弁へ流入する前記冷媒の過冷却度が、予め設定した値となるように、前記第３膨張弁の開度を制御し、前記第２膨張弁へ流入する前記冷媒の過冷却度が、予め設定した値となるように、前記第４膨張弁の開度を制御するものである。

本発明は、第１凝縮器及び第２凝縮器を、熱媒体流路の熱媒体の流れに沿って直列に接続した。このため、熱媒体の設定温度の上昇に伴う冷媒の圧力の上昇を抑制することができる。

実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の構成図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の、第１運転モード時のｐ−ｈ線図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の、第２運転モード時のｐ−ｈ線図である。 実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の構成図である。 実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の構成図である。

以下、本発明に係る冷凍サイクル装置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、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下に説明する温度、圧力の高低、上下関係等については、特に絶対的な値との関係で定まっているものではなく、動作等において相対的に定まるものとする。

実施の形態１．
＜構成＞
図１は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の構成図である。
図１の冷凍サイクル装置においては、例えば空気調和等において熱の搬送媒体（熱媒体）となる水、不凍液、ブライン等の流体（以下、代表して水とする）が負荷（冷熱、温熱の供給対象）となるものとする。
本実施の形態１の冷凍サイクル装置では、水を加熱するものとして説明する。

図１に示すように、本実施の形態における冷凍サイクル装置は、水流路２０における水の流れに対して下流側に位置する第１冷媒回路３０ａと、この第１冷媒回路３０ａより上流側に位置する第２冷媒回路３０ｂの２つの冷媒回路を有している。

水流路２０は、配管等で構成され、水が流れる流路となる。例えば水流路２０の配管を環状に接続して水が循環するようにしてもよい。水流路２０には、水を送出するポンプ８が設けられている。
なお、水流路２０は、本発明における「熱媒体流路」に相当する。

第１冷媒回路３０ａは、第１圧縮機１ａ、第１凝縮器２ａ、第１膨張弁４ａ、第１蒸発器５ａが、配管接続によって環状に接続されている。
また、第１冷媒回路３０ａは、第１内部熱交換器３ａと、第１バイパス配管７ａと、第３膨張弁６ａと、第１気液分離器９ａと、圧力センサー１０ａと、を備えている。

第２冷媒回路３０ｂは、第２圧縮機１ｂ、第２凝縮器２ｂ、第２膨張弁４ｂ、第２蒸発器５ｂが、配管接続によって環状に接続されている。
また、第２冷媒回路３０ｂは、第２内部熱交換器３ｂと、第２バイパス配管７ｂと、第４膨張弁６ｂと、第２気液分離器９ｂと、圧力センサー１０ｂと、を備えている。

第１圧縮機１ａ及び第２圧縮機１ｂは、吸入した冷媒に圧力を加えて吐出する。第１圧縮機１ａ及び第２圧縮機１ｂは、制御装置１００から送られた指令の信号に基づいて駆動周波数を任意に変化することができる。

第１凝縮器２ａ及び第２凝縮器２ｂは、冷媒と水とを熱交換させる熱交換器によって構成されている。第１凝縮器２ａ及び第２凝縮器２ｂは、例えばプレート熱交換器である。
第１凝縮器２ａ及び第２凝縮器２ｂは、冷媒流路を通過する冷媒を凝縮させ、気液二相状態又は液状態にする。また、水流路２０を通過する水が加熱される。
第１凝縮器２ａ及び第２凝縮器２ｂは、水流路２０における水の流れに沿って直列に接続されている。また、第１凝縮器２ａは、水の流れに対して第２凝縮器２ｂの下流側に接続されている。
即ち、水流路２０を流通する水は、第２凝縮器２ｂへ流入し、第２凝縮器２ｂから流入したあと、第１凝縮器２ａに流入する。

第１膨張弁４ａ及び第２膨張弁４ｂは、冷媒を減圧させる弁である。第１膨張弁４ａ及び第２膨張弁４ｂは、例えば、制御装置１００からの指令の信号に基づいて開度を調整することができる電子膨張弁である。
第１蒸発器５ａ及び第２蒸発器５ｂは、例えば空気と冷媒との熱交換を行い、冷媒を蒸発させ、気相状態にさせる。

第１内部熱交換器３ａは、第１凝縮器２ａと第１膨張弁４ａとの間に設けられている。
第１バイパス配管７ａは、第１内部熱交換器３ａと第１膨張弁４ａとの間の冷媒流路を分岐し、第１圧縮機１ａの吸入側に合流する。
第３膨張弁６ａは、第１バイパス配管７ａに設けられている。
第１内部熱交換器３ａは、第１凝縮器２ａから流出した冷媒と、第１バイパス配管７ａに流入し第３膨張弁６ａで膨張された冷媒とを熱交換する。

第１気液分離器９ａは、第１蒸発器５ａと第１圧縮機１ａとの間に設けられ、第１蒸発器５ａから流入した冷媒を気相と液相とに分離し、気相状態の冷媒を第１圧縮機１ａへ流出する。
圧力センサー１０ａは、第１圧縮機１ａから吐出された冷媒の圧力（吐出圧力）を検知する。
なお、第１バイパス配管７ａは、第１圧縮機１ａの圧縮部の途中（中間圧）に合流する構成でも良い。

第２内部熱交換器３ｂは、第２凝縮器２ｂと第２膨張弁４ｂとの間に設けられている。
第２バイパス配管７ｂは、第２内部熱交換器３ｂと第２膨張弁４ｂとの間の冷媒流路を分岐し、第２圧縮機１ｂの吸入側に合流する。
第４膨張弁６ｂは、第２バイパス配管７ｂに設けられている。
第２内部熱交換器３ｂは、第２凝縮器２ｂから流出した冷媒と、第２バイパス配管７ｂに流入し第４膨張弁６ｂで膨張された冷媒とを熱交換する。

第２気液分離器９ｂは、第２蒸発器５ｂと第２圧縮機１ｂとの間に設けられ、第２蒸発器５ｂから流入した冷媒を気相と液相とに分離し、気相状態の冷媒を第２圧縮機１ｂへ流出する。
圧力センサー１０ｂは、第２圧縮機１ｂから吐出された冷媒の圧力（吐出圧力）を検知する。
なお、第２バイパス配管７ｂは、第２圧縮機１ｂの圧縮部の途中（中間圧）に合流する構成でも良い。

制御装置１００は、例えばマイクロコンピュータで構成され、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭ等を備えており、ＲＯＭには制御プログラム等が記憶されている。制御装置１００は、第１冷媒回路３０ａ及び第２冷媒回路３０ｂにおける冷媒の圧力及び温度等、並びに水流路２０の水の温度等を検出する各種のセンサーから検出値が入力される。制御装置１００は、各センサーからの検出値に基づいて、冷凍サイクル装置の各構成部を制御する。

＜冷媒の動作＞
冷凍サイクル装置の運転時における冷媒の流れを説明する。
なお、第１冷媒回路３０ａと第２冷媒回路３０ｂの冷媒動作は同様であるため、ここでは第１冷媒回路３０ａについて説明する。

第１圧縮機１ａから吐出された高温高圧の冷媒は、第１凝縮器２ａに流通し、この第１凝縮器２ａによって、水流路２０内を流通する水と熱交換して凝縮され、低温高圧の気液二相状態の冷媒となる。
第１凝縮器２ａを流出した気液二相状態の冷媒は、第１内部熱交換器３ａを流通し、第１バイパス配管７ａを流通する冷媒と熱交換し、液相状態の冷媒となる。
第１内部熱交換器３ａから流出した液相状態の冷媒は、一部が第１バイパス配管７ａへ分岐し、他の一部が第１膨張弁４ａへ流入する。
第１バイパス配管７ａへ流入した液相状態の冷媒は、第３膨張弁６ａによって減圧され圧力及び温度が低下する。
第３膨張弁６ａを流出した冷媒は、第１内部熱交換器３ａを流通する際、第１凝縮器２ａを流出した気液二相状態の冷媒と熱交換し、第１凝縮器２ａを流出した気液二相状態の冷媒を凝縮させ液相状態にさせる。
第１バイパス配管７ａから第１内部熱交換器３ａを通過した冷媒は、低温低圧のガス冷媒となり、第１圧縮機１ａの吸入側に合流する。
一方、第１膨張弁４ａへ流入した液相状態の冷媒は、第１膨張弁４ａによって、減圧され、低温低圧の冷媒となる。この低温低圧の冷媒は、第１蒸発器５ａに流通し、この第１蒸発器５ａによって、例えば空気と熱交換して蒸発され、高温低圧の冷媒となる。そして、この高温低圧の冷媒が、第１圧縮機１ａに吸入される。

＜制御動作＞
次に、制御装置１００の制御動作について説明する。
制御装置１００は、第１運転モード又は第２運転モードの何れかの運転モードを実行する。
第１運転モードは、ＣＯＰの向上を主目的とした運転である。
第２運転モードは、吐出圧力（高圧圧力）の抑制を主目的とした運転である。
制御装置１００は、例えば、吐出圧力が予め設定した値以下の場合は、第１運転モードを実行し、吐出圧力が予め設定した値を超えた場合には、第２運転モードを実行する。

（第１運転モード）
制御装置１００は、第１運転モードにおいて、以下の（１）〜（４）の制御を並行して実施する。

（１）制御装置１００は、第１凝縮器２ａから流出する水の温度が、設定温度となるように、第１圧縮機１ａの回転数を制御する。
ここで、設定温度は、使用者などによって任意に設定される温度である。
制御装置１００は、例えば第１凝縮器２ａから流出する水の温度を検出する温度センサーからの検出値を取得し、水の温度が設定温度よりも低い場合には、第１圧縮機１ａの回転数を増加させ、冷媒の循環量を増加させる。一方、水の温度が設定温度よりも高い場合には、第１圧縮機１ａの回転数を減少させ、冷媒の循環量を減少させる。

（２）制御装置１００は、第２圧縮機１ｂの回転数を、第１圧縮機１ａの回転数と同じ周波数に制御する。これにより、第２冷媒回路３０ｂの冷媒の循環量が、第１冷媒回路３０ａと同じとなる。つまり、第１冷媒回路３０ａと第２冷媒回路３０ｂの加熱能力が同じとなる。

（３）第１圧縮機１ａに吸入される冷媒の過熱度が、予め設定した値となるように、第１膨張弁４ａの開度を制御する。また、第２圧縮機１ｂに吸入される冷媒の過熱度が、予め設定した値となるように、第２膨張弁４ｂの開度を制御する。
ここで、予め設定した過熱度の値は、ゼロよりも大きい任意の値である。
制御装置１００は、例えば、第１蒸発器５ａにおける冷媒の蒸発温度と、第１圧縮機１ａに吸入される冷媒の温度との差を算出して過熱度を求める。そして、過熱度が予め設定した値よりも小さい場合には、第１膨張弁４ａの開度を小さく制御する。一方、過熱度が予め設定した値よりも大きい場合には、第１膨張弁４ａの開度を大きく制御する。
なお、第２膨張弁４ｂの開度の制御は、上述した第１冷媒回路３０ａにおける第１膨張弁４ａの制御と同様に、第２冷媒回路３０ｂに対応する構成を制御する。
また、第１膨張弁４ａ、第２膨張弁４ｂの開度は、第１圧縮機１ａ、第２圧縮機１ｂの冷媒の吐出温度又は吐出過熱度が所定値となるように制御しても良い。

（４）第１膨張弁４ａへ流入する冷媒の過冷却度が、予め設定した値となるように、第３膨張弁６ａの開度を制御する。また、第２膨張弁４ｂへ流入する冷媒の過冷却度が、予め設定した値となるように、第４膨張弁６ｂの開度を制御する。
ここで、予め設定した過冷却度の値は、ゼロよりも大きい任意の値である。
制御装置１００は、例えば、高圧圧力の検出値を換算することで飽和液温度を求め、第１内部熱交換器３ａ出口の冷媒の温度と飽和液温度との温度差を算出し、過冷却度を求める。そして、過冷却度が予め設定した値よりも小さい場合には、第３膨張弁６ａの開度を大きく制御する。一方、過冷却度が予め設定した値よりも大きい場合には、第１膨張弁４ａの開度を小さく制御する。
なお、第４膨張弁６ｂの開度の制御は、上述した第１冷媒回路３０ａにおける第３膨張弁６ａの制御と同様に、第２冷媒回路３０ｂに対応する構成を制御する。

（第２運転モード）
制御装置１００は、第２運転モードにおいて、以下の（１）〜（４）の制御を並行して実施する。なお、（１）、（４）の制御は第１運転モードと同じであり、（２）、（３）の制御が第１運転モードとは異なる。

（１）制御装置１００は、第１凝縮器２ａから流出する水の温度が、設定温度となるように、第１圧縮機１ａの回転数を制御する。
詳細は上記第１運転モードの（１）と同様である。

（２）制御装置１００は、第２圧縮機１ｂの回転数を、第１圧縮機１ａの回転数よりも高い周波数に制御する。
制御装置１００は、第１圧縮機１ａの回転数を変更した際には、第２圧縮機１ｂの回転数も変更する。
制御装置１００は、例えば、第２圧縮機１ｂの回転数を、第１圧縮機１ａの回転数よりも所定値だけ高く制御する。
これにより、第２冷媒回路３０ｂの冷媒の循環量が、第１冷媒回路３０ａよりも多くなる。つまり、第２冷媒回路３０ｂの加熱能力が、第１冷媒回路３０ａよりも高くなる。

（３）制御装置１００は、第１圧縮機１ａから吐出される冷媒の圧力（吐出圧力）が、予め設定した値以下となるように、第１膨張弁４ａの開度を制御する。また、第２圧縮機１ｂから吐出される冷媒の圧力（吐出圧力）が、予め設定した値以下となるように、第２膨張弁４ｂの開度を制御する。
ここで、予め設定した圧力の値は、例えば高圧保護圧力以下の値である。
制御装置１００は、例えば、吐出圧力が予め設定した値よりも大きい場合には、第１膨張弁４ａの開度を大きく制御する。これにより、第１蒸発器５ａ出口の乾き度が上昇させる。
なお、第２膨張弁４ｂの開度の制御は、上述した第１冷媒回路３０ａにおける第１膨張弁４ａの制御と同様に、第２冷媒回路３０ｂに対応する構成を制御する。

（４）第１膨張弁４ａへ流入する冷媒の過冷却度が、予め設定した値となるように、第３膨張弁６ａの開度を制御する。また、第２膨張弁４ｂへ流入する冷媒の過冷却度が、予め設定した値となるように、第４膨張弁６ｂの開度を制御する。
詳細は上記第１運転モードの（４）と同様である。

＜効果＞
以上のように本実施の形態においては、第１冷媒回路３０ａと第２冷媒回路３０ｂとを備え、第１凝縮器２ａと第２凝縮器２ｂとが、水流路２０の水の流れに沿って直列に接続されている。
このため、冷媒回路が１つの場合における凝縮温度と比較して、第１凝縮器２ａの凝縮温度と第２凝縮器２ｂの凝縮温度との平均温度が低下する。よって、水の設定温度が高い場合であっても、凝縮温度の上昇を抑制でき、高圧圧力の上昇を抑制できる。したがって、冷凍サイクル装置のＣＯＰが向上する。
また、冷媒回路が１つの場合と比較して、水流路２０の水の流速を速くすることが可能となり、熱伝達率の向上が可能である。

また本実施の形態においては、第１凝縮器２ａから流出した冷媒を第１内部熱交換器３ａにより冷却する。また、第２凝縮器２ｂから流出した冷媒を第２内部熱交換器３ｂにより冷却する。
このため、第１膨張弁４ａ及び第２膨張弁４ｂに流入する冷媒を液相状態にすることができる。よって、第１膨張弁４ａ及び第２膨張弁４ｂに流入する冷媒が気液二相状態である場合と比較して、冷媒の流動抵抗を小さくすることができる。したがって、第１膨張弁４ａ及び第２膨張弁４ｂのサイズ（口径等）を小型化することができる。

さらに、本実施の形態１においては、以下の効果がある。図２、図３を参照して説明する。
図２は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の、第１運転モード時のｐ−ｈ線図である。なお、図２におけるａ〜ｆの符号は、図１におけるａ〜ｆで示す位置での冷媒の状態に対応する。
図２に示すように、ＣＯＰの向上を主目的とした第１運転モードを実行する場合には、第１凝縮器２ａ及び第２凝縮器２ｂ出口の冷媒（ｃ）を過冷却状態とすることで、冷凍サイクルを最適な状態として、ＣＯＰの向上が可能となる。

図３は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の、第２運転モード時のｐ−ｈ線図である。なお、図３におけるａ〜ｆの符号は、図１におけるａ〜ｆで示す位置での冷媒の状態に対応する。
図３に示すように、吐出圧力の抑制を主目的とした第２運転モードを実行する場合には、第１凝縮器２ａ及び第２凝縮器２ｂ出口の冷媒（ｃ）を気液二相状態として、凝縮熱伝達率を高くする。これにより、凝縮温度を低下させることが可能となり、吐出圧力を下げることができる。
また、第１気液分離器９ａ及び第２気液分離器９ｂを設けているため、第１凝縮器２ａ及び第２凝縮器２ｂ出口の冷媒（ｃ）が気液二相状態であっても、余剰冷媒が第１気液分離器９ａ内に貯留され、第１冷媒回路３０ａ及び第２冷媒回路３０ｂを循環する冷媒量を減少させることができる。
また、水の流れ方向の下流側に位置する第１凝縮器２ａ出口の水温が、上流側の第２凝縮器２ｂ出口よりも高くなるが、上記第２運転モードを実行することによって、第２冷媒回路３０ｂの加熱能力を第１冷媒回路３０ａよりも大きくするので、第１凝縮器２ａの交換熱量を下げることができ、高圧圧力の上昇が抑制される。

なお、本実施の形態１の冷凍サイクル装置において、第１冷媒回路３０ａ内に封入された冷媒の量を、第２冷媒回路３０ｂ内に封入された冷媒の量よりも少なくしても良い。
これにより、冷媒の量が少ない第１冷媒回路３０ａの高圧圧力を更に上昇しにくくすることができる。

なお、第１冷媒回路３０ａに封入される冷媒の量は、想定される水の設定温度（又は温度範囲）において、第１凝縮器２ａから流出する冷媒が二相状態となる封入量としても良い。また、第２冷媒回路３０ｂに封入される冷媒の量は、想定される水の設定温度（又は温度範囲）において、第２凝縮器２ｂから流出する冷媒が気液二相状態となる封入量としても良い。
このように、第１凝縮器２ａ及び第２凝縮器２ｂから流出する冷媒を気液二相状態にすることで、第１凝縮器２ａ及び第２凝縮器２ｂにおける凝縮熱伝達率を向上することができる。よって、凝縮温度の上昇を抑制でき、高圧圧力の上昇を抑制できる。したがって、冷凍サイクル装置のＣＯＰが向上する。

なお、第２冷媒回路３０ｂ内に封入する冷媒としてＲ３２を使用しても良い。これにより、Ｒ４１０Ａ又はＲ４０７Ｃなどの冷媒と比較して、潜熱が大きくなり、第２冷媒回路３０ｂの加熱能力を大きくし易くすることができる。よって、第１冷媒回路３０ａの凝縮温度を低減でき、高圧圧力の上昇を更に抑制できる。
また、第２冷媒回路３０ｂ内に封入する冷媒として、動作圧力の低いＨＦＯ１２３４ｙｆ又はＲ１３４ａなどの冷媒を使用しても良い。これにより、第２冷媒回路３０ｂの耐圧に余裕ができるため、第２冷媒回路３０ｂの加熱能力を増やすことができる。よって、第１冷媒回路３０ａの凝縮温度を低減でき、高圧圧力の上昇を更に抑制できる。なお、能力増加によって第２冷媒回路３０ｂの高圧圧力が上昇するが、上記冷媒の冷媒特性として動作圧力が低いので、耐圧を向上させる必要がない。

実施の形態２．
本実施の形態２では実施の形態１との相違点を中心に説明し、実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

＜構成＞
図４は、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の構成図である。
図４に示すように、本実施の形態２における冷凍サイクル装置は、上記実施の形態１に加え、第２熱媒体としての水が流れる第２水流路２１と、水を送出するポンプ８ｂとを、更に備えている。なお、第２水流路２１を流れる第２熱媒体は、水に限らず、不凍液、ブライン等の流体でも良い。
なお、第２水流路２１は、本発明における「第２熱媒体流路」に相当する。

第１蒸発器５ａ及び第２蒸発器５ｂは、冷媒と水とを熱交換させる熱交換器によって構成されている。第１蒸発器５ａ及び第２蒸発器５ｂは、例えばプレート熱交換器である。
第１蒸発器５ａ及び第２蒸発器５ｂは、冷媒流路を通過する冷媒を蒸発させ、気相状態にする。また、第２水流路２１を通過する水が冷却される。
第１蒸発器５ａ及び第２蒸発器５ｂは、第２水流路２１における水の流れに沿って直列に接続されている。

なお、第１凝縮器２ａ及び第２凝縮器２ｂの水の流れ方向の上流側と、第１蒸発器５ａ及び第２蒸発器５ｂの水の流れる方向の上流側とを一致させるのが望ましい。つまり、第１蒸発器５ａは、水の流れに対して第２蒸発器５ｂの下流側に接続されるのが望ましい。

このような構成により、第２水流路２１を流通する水は、第２蒸発器５ｂへ流入し、冷媒と熱交換することで冷却される。第２蒸発器５ｂから流入した水は第１蒸発器５ａへ流入し、冷媒と熱交換することで更に冷却される。

なお、本実施の形態２における制御動作は上記実施の形態１と同様である。

＜効果＞
以上のように本実施の形態においては、第１蒸発器５ａと第２蒸発器５ｂとが、第２水流路２１の水の流れに沿って直列に接続されている。
このため、上記実施の形態１の効果に加えて以下の効果がある。即ち、冷媒回路が１つの場合における蒸発温度と比較して、第１蒸発器５ａの蒸発温度と第２蒸発器５ｂの蒸発温度との平均温度が上昇する。したがって、冷凍サイクル装置のＣＯＰが向上する。
また、冷媒回路が１つの場合と比較して、第２水流路２１の水の流速を速くすることが可能となる。

また、上記実施の形態１で説明した制御動作を行うことによって、第２冷媒回路３０ｂの加熱能力を第１冷媒回路３０ａよりも大きくする場合であっても、第２蒸発器５ｂの蒸発温度が第１蒸発器５ａよりも高いため、第１冷媒回路３０ａの能力を大きくしやすい。

実施の形態３．
上記実施の形態１、２では、第１冷媒回路３０ａと第２冷媒回路３０ｂと備え、水流路２０に直列に接続される構成について説明したが、本実施の形態３では、冷媒回路３０が１つの場合について説明する。

図５は、実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の構成図である。
図５に示すように、本実施の形態３の冷凍サイクル装置は、上記実施の形態１で説明した第１冷媒回路３０ａ又は第２冷媒回路３０ｂの何れか一方のみを備える構成である。

なお、本実施の形態３における制御動作は上記実施の形態１と同様である。

＜効果＞
本実施の形態３においては、ＣＯＰの向上を主目的とした第１運転モードを実行する場合には、凝縮器２出口の冷媒を過冷却状態とすることで、冷凍サイクルを最適な状態として、ＣＯＰの向上が可能となる。
また、吐出圧力の抑制を主目的とした第２運転モードを実行する場合には、凝縮器２出口の冷媒を気液二相状態として、凝縮熱伝達率を高くする。これにより、凝縮温度を低下させることが可能となり、吐出圧力を下げることができる。
また、気液分離器９を設けているため、凝縮器２出口の冷媒が気液二相状態であっても、余剰冷媒が気液分離器９内に貯留され、冷媒回路３０を循環する冷媒量を減少させることができる。

１ａ 第１圧縮機、１ｂ 第２圧縮機、２ 凝縮器、２ａ 第１凝縮器、２ｂ 第２凝縮器、３ａ 第１内部熱交換器、３ｂ 第２内部熱交換器、４ａ 第１膨張弁、４ｂ 第２膨張弁、５ａ 第１蒸発器、５ｂ 第２蒸発器、６ａ 第３膨張弁、６ｂ 第４膨張弁、７ａ 第１バイパス配管、７ｂ 第２バイパス配管、８ ポンプ、８ｂ ポンプ、９ 気液分離器、９ａ 第１気液分離器、９ｂ 第２気液分離器、１０ａ 圧力センサー、１０ｂ 圧力センサー、２０ 水流路、２１ 第２水流路、３０ 冷媒回路、３０ａ 第１冷媒回路、３０ｂ 第２冷媒回路、１００ 制御装置。

Claims (5)

1. 第１圧縮機、第１凝縮器、第１膨張弁、及び第１蒸発器が配管で接続され、冷媒が循環する第１冷媒回路と、
   第２圧縮機、第２凝縮器、第２膨張弁、及び第２蒸発器が配管で接続され、冷媒が循環する第２冷媒回路と、
   熱媒体が流れる熱媒体流路と、
   前記第１圧縮機を少なくとも制御する制御装置と、
   を備え、
   前記第１冷媒回路は、
   前記第１凝縮器と前記第１膨張弁との間に設けられた第１内部熱交換器と、
   前記第１内部熱交換器と前記第１膨張弁との間の流路を分岐し、前記第１圧縮機の吸入側に合流する第１バイパス配管と、
   前記第１バイパス配管に設けられた第３膨張弁と、
   前記第１蒸発器と前記第１圧縮機との間に設けられた第１気液分離器と、を備え、
   前記第１内部熱交換器は、
   前記第１凝縮器から流出した前記冷媒と、前記第１バイパス配管に流入し前記第３膨張弁で膨張された前記冷媒とを熱交換し、
   前記第１凝縮器は、前記熱媒体と前記冷媒との熱交換を行う熱交換器によって構成され、
   前記第２冷媒回路は、
   前記第２凝縮器と前記第２膨張弁との間に設けられた第２内部熱交換器と、
   前記第２内部熱交換器と前記第２膨張弁との間の流路を分岐し、前記第２圧縮機の吸入側に合流する第２バイパス配管と、
   前記第２バイパス配管に設けられた第４膨張弁と、
   前記第２蒸発器と前記第２圧縮機との間に設けられた第２気液分離器と、を備え、
   前記第２内部熱交換器は、
   前記第２凝縮器から流出した前記冷媒と、前記第２バイパス配管に流入し前記第４膨張弁で膨張された前記冷媒とを熱交換し、
   前記第２凝縮器は、前記熱媒体と前記冷媒との熱交換を行う熱交換器によって構成され、
   前記第１凝縮器及び前記第２凝縮器は、
   前記熱媒体流路の前記熱媒体の流れに沿って直列に接続され、
   前記第１凝縮器は、前記熱媒体の流れに対して前記第２凝縮器の下流側に接続され、
   前記制御装置は、
   前記第１凝縮器から流出する前記熱媒体の温度が、設定温度となるように、前記第１圧縮機の回転数を制御し、
   第１運転モード又は第２運転モードの何れかの運転モードを実行し、
   前記第１運転モードにおいて、
   前記第２圧縮機の回転数を前記第１圧縮機の回転数と同じ周波数に制御し、
   前記第１圧縮機に吸入される前記冷媒の過熱度が、予め設定した値となるように、前記第１膨張弁の開度を制御し、
   前記第２圧縮機に吸入される前記冷媒の過熱度が、予め設定した値となるように、前記第２膨張弁の開度を制御し、
   前記第１膨張弁へ流入する前記冷媒の過冷却度が、予め設定した値となるように、前記第３膨張弁の開度を制御し、
   前記第２膨張弁へ流入する前記冷媒の過冷却度が、予め設定した値となるように、前記第４膨張弁の開度を制御し、
   前記第２運転モードにおいて、
   前記第２圧縮機の回転数を前記第１圧縮機の回転数よりも高い周波数に制御し、
   前記第１圧縮機から吐出される前記冷媒の圧力が、予め設定した値以下となるように、前記第１膨張弁の開度を制御し、
   前記第２圧縮機から吐出される前記冷媒の圧力が、予め設定した値以下となるように、前記第２膨張弁の開度を制御し、
   前記第１膨張弁へ流入する前記冷媒の過冷却度が、予め設定した値となるように、前記第３膨張弁の開度を制御し、
   前記第２膨張弁へ流入する前記冷媒の過冷却度が、予め設定した値となるように、前記第４膨張弁の開度を制御する
   冷凍サイクル装置。
2. 前記第１圧縮機から吐出された前記冷媒の吐出圧力を検知する第１圧力センサーと、
   前記第２圧縮機から吐出された前記冷媒の吐出圧力を検知する第２圧力センサーと、
   を更に備え、
   前記制御装置は、
   前記吐出圧力が予め設定した値以下の場合は、前記第１運転モードを実行し、
   前記吐出圧力が予め設定した値を超えた場合には、前記第２運転モードを実行する
   請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 第２熱媒体が流れる第２熱媒体流路を更に備え、
   前記第１蒸発器及び前記第２蒸発器は、
   前記第２熱媒体と前記冷媒との熱交換を行う熱交換器によって構成され、前記第２熱媒体流路の前記第２熱媒体の流れに沿って直列に接続された
   請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記第１蒸発器は、前記第２熱媒体の流れに対して前記第２蒸発器の下流側に接続された
   請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記第１冷媒回路内に封入された前記冷媒の量が、前記第２冷媒回路内に封入された前記冷媒の量よりも少ない
   請求項１〜４の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。

Images