JP6615345B2 - 冷凍サイクルシステム - Google Patents

Description

本発明は、二元冷凍サイクルで構成された冷凍機において、排熱を有効に利用する冷凍サイクルシステムに関する。

従来、二元冷凍サイクルを用いたヒートポンプ装置において、低元側及び高元側冷媒の両方と熱交換させて温水を供給するものがある（例えば、特許文献１参照）。また、従来の冷凍サイクル装置において、排熱回収熱量及び冷凍機の成績係数（ＣＯＰ）の両方を満足させるために、顕熱のみを回収する場合と、顕熱及び凝縮熱を回収する場合とを切り替えるものがある（例えば、特許文献２参照）。特許文献２では、冷媒の凝縮温度と水温との大小関係に応じて冷凍サイクルの複数の切替え弁が開閉され、冷媒が流れる流路が切り替えられる。

また、地球温暖化問題に対応するため、地球温暖化係数（ＧＷＰ）の低い冷媒が注目されている。例えばＲ７４４（ＣＯ_２）冷媒は、ＧＷＰが１であり且つ毒性のない冷媒である。そのためＲ７４４（ＣＯ_２）冷媒は、ＧＷＰが約４０００のＲ４０４Ａ及びＧＷＰが約２０００のＲ４１０Ａ等のＨＦＣ冷媒に代わって、地球温暖化対策に貢献できる冷媒とされている。一方で、Ｒ７４４（ＣＯ_２）冷媒は動作中の圧力が高く、安全性に留意する必要がある。また、Ｒ７４４（ＣＯ_２）冷媒を使用する場合、冷凍サイクルの冷媒配管や各部品の耐圧強度を増す必要があるため、従来のＨＦＣ冷媒等と比較して製造コストが高く、また据付施工性が容易でない場合がある。これに対し、Ｒ７４４（ＣＯ_２）で構成される冷媒サイクルの高圧側と、別の冷媒サイクルの低圧側とを熱交換させて、Ｒ７４４（ＣＯ_２）の使用圧力を下げる方法がある。このような二元冷凍サイクルを用いることにより、環境性に優れ、安全で安価な冷凍機が得られる。

特開２０１２−５２７６７号公報 特許第５９２１７７７号公報

ところで、冷凍機から放出される排熱を利用するシステムでは、冷凍機が品物を冷やすことが主目的であるため、排熱として利用できる熱量は冷凍能力に応じて増減する。また例えば、冷蔵用途で用いられる場合と冷凍用途で用いられる場合とでは冷媒の温度特性が変化し、更に冷凍機の周囲温度等によっても冷媒の温度及び圧力が変化する。したがって、特許文献１に示されるヒートポンプ装置は温水を供給することに特化したものであるが、冷凍機を優先したシステムの場合は、冷凍能力、使用用途、及び冷凍機の周囲温度等によって、回収できる熱量や効率が変化する。

本発明は、二元冷凍サイクルを用いた冷凍機において、効率よく冷凍機からの排熱を回収できる冷凍サイクルシステムを提供することを目的とする。

本発明に係る冷凍サイクルシステムは、第１圧縮機と第１熱交換器と凝縮器と第１膨張弁とカスケード熱交換器とが冷媒配管を介して接続された高元側回路と、第２圧縮機と第２熱交換器と前記カスケード熱交換器と第２膨張弁と蒸発器とが冷媒配管を介して接続され、前記カスケード熱交換器において前記高元側回路と熱交換する低元側回路と、を有し前記蒸発器を有する負荷装置が冷却を行う二元冷凍サイクルと、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器とが配管を介して接続され、熱媒体が流れる排熱回収回路と、を備え、前記排熱回収回路は、前記第１熱交換器から前記第２熱交換器へ前記熱媒体を流す第１流路と、前記第２熱交換器から前記第１熱交換器へ前記熱媒体を流す第２流路と、前記第１流路と前記第２流路とを切り替える流路切替装置と、を有するものである。

本発明の冷凍サイクルシステムによれば、熱媒体が高元側冷媒及び低元側冷媒と熱交換する順番を替えることができるので、種々の運転条件に合わせて効率のよい排熱回収が実現できる。

実施の形態１に係る冷凍サイクルシステムの回路図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクルシステムの制御装置のブロック図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクルシステムのＰ−Ｈ線図である。 対向流及び並行流における水−冷媒の熱交換イメージである。 ２つの冷凍サイクルと順次熱交換する場合の水−冷媒の熱交換イメージである。 実施の形態１に係る冷凍サイクルシステムの電磁弁動作表である。 実施の形態２に係る冷凍サイクルシステムの回路図である。 実施の形態３に係る冷凍サイクルシステムの回路図である。 実施の形態４に係る冷凍サイクルシステムの回路図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る冷凍サイクルシステムの回路図である。冷凍サイクルシステム５００は、熱源機１００、冷却対象空間に設置された負荷装置(室内機)２００、及び排熱回収装置３００等から構成されている。また冷凍サイクルシステム５００は、冷媒が封入された高元側回路５１１及び冷媒が封入された低元側回路５１２を有する二元冷凍サイクル５１０と、熱媒体が封入された排熱回収回路５２０とを有している。以下、冷媒としてＲ７４４（ＣＯ_２）が、熱媒体として水が使用される場合を例に、冷凍機を構成する二元冷凍サイクル５１０から排熱回収回路５２０により排熱が回収され、温水が生成される排熱回収方法について説明する。

高元側回路５１１には、少なくとも第１圧縮機１２１と、第１熱交換器１２４と、凝縮器１２２と、第１膨張弁１２３と、カスケード熱交換器１０１とが冷媒配管を介して接続されている。低元側回路５１２には、少なくとも第２圧縮機１１１と、第２熱交換器１１３と、カスケード熱交換器１０１と、第２膨張弁２０１と、蒸発器２０２とが冷媒配管を介して接続されている。排熱回収回路５２０には、第１熱交換器１２４と第２熱交換器１１３とが配管を介して接続されている。

熱源機１００は、例えば高元側回路５１１の全て及び低元側回路５１２の一部を搭載している。高元側回路５１１では、第１圧縮機１２１によって冷媒が圧縮され高温高圧のガス冷媒になる。第１圧縮機１２１から吐出されたガス冷媒は、第１熱交換器１２４において排熱回収回路５２０の熱媒体と熱交換する。第１熱交換器１２４を通過した冷媒は更に、凝縮器１２２にて熱交換され、熱を取り除かれて高圧の液冷媒又は液冷媒とガス冷媒との二相状態になる。凝縮器１２２は、熱交換器によって空気と熱交換するものでもよいし、水と熱交換するタイプのものでも良い。凝縮器１２２から流出した冷媒は、第１膨張弁１２３により減圧され、低温低圧の液冷媒及びガス冷媒の二相状態になる。第１膨張弁１２３で減圧され二相状態になった冷媒は、カスケード熱交換器１０１において低元側回路５１２の冷媒と熱交換されて吸熱し、低圧のガス冷媒となって再び圧縮機へ戻る。

低元側回路５１２では、高元側回路５１１と同様、第２圧縮機１１１によって冷媒が圧縮され高温高圧のガス冷媒になる。第２圧縮機１１１から吐出されたガス冷媒は、第２熱交換器１１３において排熱回収回路５２０の熱媒体と熱交換する。第２熱交換器を通過した冷媒は更に、カスケード熱交換器１０１において高元側回路５１１の冷媒と熱交換されて凝縮し、高圧の液冷媒又は液冷媒とガス冷媒との二相状態になる。凝縮してカスケード熱交換器１０１から流出し、熱源機１００を出た冷媒は、冷媒配管を通じて負荷装置２００に入る。

負荷装置２００は、例えばスーパーマーケット等のショーケース、冷蔵庫、又は冷凍倉庫に設置されているようなユニットクーラー等であり、食品等を冷やすために用いられるものである。負荷装置２００は、低元側回路５１２の残りの部分、第２膨張弁２０１及び蒸発器２０２等を搭載している。負荷装置２００に入った高圧の冷媒は、第２膨張弁２０１によって減圧され、低温低圧の液冷媒とガス冷媒との二相状態となる。第２膨張弁２０１を通過した低温低圧の冷媒は、蒸発器２０２において蒸発して低圧のガス冷媒となり、再び冷媒配管を通じて熱源機１００の第２圧縮機１１１に戻る。

排熱回収装置３００では、例えばポンプ等で構成される送出装置３２０の動力によって、熱媒体が循環している。熱媒体を、排熱回収回路５２０の回路出口から送出して再び排熱回収回路５２０の回路入口から供給する回路は、一過式で構成されてもよいし循環加温式で構成されてもよい。送出装置３２０により排熱回収回路５２０に供給された熱媒体は、配管を介して、熱源機１００に搭載されている第１熱交換器１２４及び第２熱交換器１１３に流入し、冷媒と熱交換されて吸熱し、温水が生成される。排熱回収装置３００において二元冷凍サイクル５１０から排熱を回収して生成された温水は、例えば居室空間の暖房等の熱源として利用される。

排熱回収回路５２０は、熱媒体が通る複数の流路と、流路を切り替える流路切替装置とを有している。実施の形態１では、流路切替装置が、流路を開閉する複数の電磁弁３０１〜３０６で構成される場合について説明する。

複数の電磁弁３０１〜３０６は、それぞれの開閉によって流路を形成し、熱媒体の流れる方向を制御している。回路入口を通って排熱回収回路５２０に供給された熱媒体は、複数の電磁弁３０１〜３０６によって形成された流路を通り、回路出口を通って排熱回収回路５２０から送出される。まず排熱回収回路５２０は、熱媒体が第１熱交換器１２４及び第２熱交換器１１３の双方を通過する第１流路及び第２流路を有している。第１流路は、第１熱交換器１２４から第２熱交換器１１３へ熱媒体を流し、第２流路は、第２熱交換器１１３から第１熱交換器１２４へ熱媒体を流す。更に、排熱回収回路５２０は、熱媒体が第１熱交換器１２４及び第２熱交換器１１３のうち一方の熱交換器を通過する第１バイパス流路及び第２バイパス流路を有している。第１バイパス流路は、第１熱交換器１２４に熱媒体を流し、第２熱交換器１１３をバイパスさせる。第２バイパス流路は、第２熱交換器１１３に熱媒体を流し、第１熱交換器１２４をバイパスさせる。

次に、排熱回収回路５２０の具体的な回路構成について説明する。図１に示すように、熱媒体が流通する配管は、回路入口の下流側の点Ｐ１で２つの配管に分岐している。点Ｐ１で分岐した配管の一つは第１熱交換器１２４に接続され、残りの一つは第２熱交換器１１３に接続されている。点Ｐ１と第１熱交換器１２４とを接続する配管上には電磁弁３０１が設けられ、点Ｐ１と第２熱交換器１１３とを接続する配管上には電磁弁３０２が設けられている。また、第１熱交換器１２４を出た配管と第２熱交換器１１３を出た配管とは、回路出口の上流側の点Ｐ２で合流している。第１熱交換器１２４と点Ｐ２とを接続する配管上には電磁弁３０６が設けられ、第２熱交換器１１３と点Ｐ２とを接続する配管上には電磁弁３０５が設けられている。第１熱交換器１２４において熱媒体は高元側回路５１１の冷媒と対向流となっており、第２熱交換器１１３において熱媒体は低元側回路５１２の冷媒と対向流となっている。また、第１熱交換器１２４と電磁弁３０６との間の配管上の点Ｐ４と、第２熱交換器１１３と電磁弁３０２との間の配管上の点Ｐ３とは、第１分岐管Ｂ１で接続されており、第１分岐管Ｂ１上には電磁弁３０３が設けられている。また、第１熱交換器１２４と電磁弁３０１との間の配管上の点Ｐ６と、第２熱交換器１１３と電磁弁３０５との間の配管上の点Ｐ５とは、第２分岐管Ｂ２で接続されており、第２分岐管Ｂ２上には電磁弁３０４が設けられている。

複数の電磁弁３０１〜３０６は、排熱回収回路５２０の状態を、第１流路、第２流路、第１バイパス流路、又は第２バイパス流路が開通された状態に切り替える。なお、複数の電磁弁３０１〜３０６全てを閉にして排熱回収を行わない場合があってもよい。

冷凍サイクルシステム５００は更に、複数の圧力センサ及び複数の温度センサ等のセンサ群を備えている。具体的には、第１圧縮機１２１の吐出側には、第１吐出温度センサ１２７及び圧力センサ１２６が配置され、第１吐出温度センサ１２７は、第１圧縮機１２１から吐出される冷媒の第１吐出温度を検出し、圧力センサ１２６は、吐出ガスのガス圧力を検出する。また第１圧縮機１２１の吸入側には圧力センサ１２５が配置され、圧力センサ１２５は、第１圧縮機１２１に吸入される吸入ガスのガス圧力を検出する。第２圧縮機１１１の吐出側には、第２吐出温度センサ１１６及び圧力センサ１１５が配置され、第２吐出温度センサ１１６は、第２圧縮機１１１から吐出される冷媒の第２吐出温度を検出し、圧力センサ１１５は、吐出ガスのガス圧力を検出する。また第２圧縮機１１１の吸入側には圧力センサ１１４が配置され、圧力センサ１１４は、第２圧縮機１１１に吸入される吸入ガスのガス圧力を検出する。また、排熱回収回路５２０の回路入口には入口温度センサ３０８が、回路出口には出口温度センサ３０７が配置されている。入口温度センサ３０８は、排熱回収回路５２０に供給される熱媒体の入口温度を検出し、出口温度センサ３０７は、排熱回収回路５２０から送出される熱媒体の出口温度を検出する。複数の圧力センサ１１４，１１５，１２５，１２６、第１吐出温度センサ１２７、第２吐出温度センサ１１６、入口温度センサ３０８、及び出口温度センサ３０７、並びに図示しないセンサ等を含むセンサ群は、配線又はその他の通信手段により制御装置４００に接続されている。

図２は、実施の形態１に係る冷凍サイクルシステムの制御装置のブロック図である。制御装置４００は例えばマイコン等で構成され、記憶手段４０１、演算手段４０２、及び運転制御手段４０３等を備えている。

なお、熱源機１００に接続される負荷装置２００としては様々な構成のものが考えられるので、制御装置４００は、負荷装置２００に搭載されている各アクチュエータの制御を行わないものとする。

記憶手段４０１は例えばＲＯＭ等のメモリで構成され、設定情報、温度及び圧力等に関連づけられた、第１圧縮機１２１の回転数、第２圧縮機１１１の回転数、凝縮器１２２に付設されたファンの回転数、及び第１膨張弁１２３の開度の制御情報等が記憶されている。また記憶手段４０１は、例えば、検出された入口温度、第１吐出温度、及び第２吐出温度の大小関係と、電磁弁３０１〜３０６の制御情報とが対応づけられた電磁弁動作表を記憶している。電磁弁動作表は更に、電磁弁３０１〜３０６の制御情報に加え、送出装置３２０の制御情報を関連づけて記憶されていてもよい。

演算手段４０２は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等で構成され、演算を行うものである。演算手段４０２は、運転制御手段４０３からの指令に応じて、設定情報、記憶手段４０１に記憶された情報、及びセンサ群から取得された情報等に基づき回路上の各機器の設定値等を算出する。各機器の設定値とは、例えば第１圧縮機１２１の回転数、第２圧縮機１１１の回転数、及び凝縮器１２２に付設されたファンの回転数等を示す。

運転制御手段４０３は、センサ群から取得した情報、及びユーザーがリモートコントローラ等を介して入力した設定情報等に基づき、冷凍サイクルシステム５００の運転を制御している。このとき運転制御手段４０３は、例えば記憶手段４０１を参照して制御情報を取得し、演算手段４０２に、制御情報に基づいて各回路上の機器に設定するための設定値を算出させてもよい。運転制御手段４０３は、具体的には、熱源機１００の運転中に第１圧縮機１２１、凝縮器１２２のファン、及び第２圧縮機１１１の運転回転数を調整している。また運転制御手段４０３は、検出された入口温度、第１吐出温度、及び第２吐出温度に基づいて、排熱回収回路５２０を制御している。具体的には運転制御手段４０３は、電磁弁３０１〜３０６の開閉、及び送出装置３２０のＯＮ／ＯＦＦ等を制御する。

次に、制御装置４００によって行われる、第１圧縮機１２１、第２圧縮機１１１、及び凝縮器１２２に付設されるファンの制御の一例について説明する。なお、以下に示す制御は一例であって、異常が発生した時の動作等においては以下に示す制御の限りではない場合がある。

制御装置４００は、圧力センサ１１４で検出される低元側回路５１２の低圧圧力(蒸発温度)が一定になるように低元側回路５１２の第２圧縮機１１１の回転数を制御する。具体的には、低元側回路５１２の低圧圧力が高くなる場合、第２圧縮機１１１の回転数が増速され、低元側回路５１２の低圧圧力が低くなる場合、第２圧縮機１１１の回転数が減速される。この動作によって、低元側回路５１２の低圧圧力は一定に保たれている。低元側回路５１２の低圧圧力は、負荷装置２００が冷却する空間の負荷によって変化する。例えば、冷却対象空間の品物が多く負荷が大きい場合には、低元側回路５１２の低圧圧力は高くなり、一方、負荷が小さい場合には、低圧圧力が低くなる。

低元側回路５１２の制御と同様に、制御装置４００は、圧力センサ１２５で検出される高元側回路５１１の低圧圧力（蒸発温度）が一定になるように高元側回路５１１の第１圧縮機１２１の回転数を制御する。高元側回路５１１の低圧圧力は、低元側回路５１２での必要凝縮量によって変化する。冷却対象空間の負荷が大きい場合には、第２圧縮機１１１の回転数が増加するため、低元側回路５１２での必要凝縮量が多くなり、したがって高元側回路５１１の第１圧縮機１２１の回転数も大きくなる。また、外気温度の変化等によっても、高元側回路５１１の第１圧縮機１２１の回転数は変わってくる。

高元側回路５１１の凝縮器１２２が空冷式の場合、制御装置４００は、凝縮温度に応じて凝縮器１２２に付設されたファンの回転数を制御する。具体的には、外気温度が高い場合等は、凝縮温度が高くなるためファンの回転数は大きくなり、一方、外気温度が低い場合等は、凝縮温度が低くなるためファンの回転数は低くなる。

図３は、実施の形態１に係る冷凍サイクルシステムのＰ−Ｈ線図である。Ｐ−Ｈ線図は一般に横軸にエンタルピーを縦軸に圧力をとるものであるが、図３では簡単のため、縦軸は冷媒の飽和温度で表されている。（ａ）は、二元冷凍サイクル５１０のＰ−Ｈ線図である。線図上に番号１〜８の点を付しており、以下にそれぞれの点における動作を説明する。

（ａ）の工程１→２→３→４は低元側回路５１２の動作を表している。工程１→２は第２圧縮機１１１によって行われる冷媒の圧縮工程を表している。冷媒は、工程１→２において圧力が上昇し、第２圧縮機１１１の動力を得てエンタルピーが増加している。工程２→３は、カスケード熱交換器１０１における凝縮工程を表している。第２圧縮機１１１によって圧縮された高温高圧のガス冷媒は、カスケード熱交換器１０１において凝縮している。カスケード熱交換器１０１では、冷媒の圧力はほとんど低下しないが、凝縮して高元側回路５１１へ熱を放出するので、エンタルピーは低下する。工程３→４は、負荷装置２００の第２膨張弁２０１での減圧工程を表している。冷媒は、第２膨張弁２０１により減圧されるため圧力が低下するが、エンタルピーは変化しない。工程４→１は、負荷装置２００の蒸発器２０２で行われる蒸発工程である。蒸発工程では、冷媒は、蒸発器２０２において外部より熱を受け取って蒸発する。このとき、冷媒の圧力は変化しないが、熱を受け取るのでエンタルピーが増加する。

（ａ）の工程５→６→７→８は高元側回路５１１の動作を表しており、圧力及びエンタルピーの変化を示している。低元側回路５１２のサイクルと同様に、工程５→６は第１圧縮機１２１での圧縮工程、工程６→７は凝縮器１２２での凝縮工程、７→８は第１膨張弁１２３での減圧工程、８→５はカスケード熱交換器１０１での蒸発工程を表している。

二元冷凍サイクル５１０の運転状態によってＰ−Ｈ線図の形態は変化する。（ｂ）には、熱源機１００の高元側回路５１１の凝縮器１２２の周囲の温度が上がった場合における、Ｐ−Ｈ線図の変化が示されている。凝縮器１２２が空冷式で構成される場合について説明する。凝縮器１２２の周囲温度が上昇すると、工程６→７では圧力（高圧圧力）が上昇する。つまり、（ａ）に比べて（ｂ）では、工程６→７における縦軸の値が大きくなっている。高元側回路５１１の高圧圧力が上昇すると、６の点における冷媒の温度即ち第１圧縮機１２１の吐出温度が上昇する。

（ｃ）には、低元側回路５１２の圧力が低下した場合の例が示される。低元側回路５１２の低圧が低下する状態とは、例えば、負荷装置２００の使用用途が冷蔵用途から冷凍用途になるような場合であって、冷却対象空間の温度が下がったような状態と相関がある。低元側回路５１２の低圧が低下すると、（ｃ）に示すように、（ａ）に比べて工程４→１における縦軸の値が小さくなる。低元側回路５１２の低圧が低下すると、１の点における冷媒の温度即ち第２圧縮機１１１の吐出温度が上昇する。

このように、高元側回路５１１の凝縮温度が上昇すると、第１圧縮機１２１の吐出温度が上昇し、低元側回路５１２の蒸発温度が低下すると、第２圧縮機１１１の吐出温度が上昇する、という傾向が示される。このとき、演算手段４０２によって、高元側回路５１１の蒸発温度及び低元側回路５１２の凝縮温度が条件によらず一定となるような第１圧縮機１２１の回転数が算出され、運転制御手段４０３は、算出された回転数で第１圧縮機１２１を運転する。

なお、カスケード熱交換器１０１において低元側回路５１２から高元側回路５１１に受け渡される熱量（工程２→３）の一部又は全部は、第２熱交換器１１３において熱媒体に与えられる。また、高元側回路５１１の凝縮器１２２において空気と熱交換される熱量（工程６→７）の一部又は全部は、第１熱交換器１２４において熱媒体に与えられる。このように、冷凍サイクルシステム５００では、第１熱交換器１２４及び第２熱交換器１１３において冷媒から熱媒体に熱量が与えられることで、排熱回収がなされている。排熱を多く回収するためには、工程２→３又は工程６→７において熱媒体に与えられる熱量を多くすればよい。

図４は、対向流及び並行流における水−冷媒の熱交換イメージである。（ａ）は冷媒と熱媒体とが対向して流れる場合、（ｂ）は冷媒と水とが並行して流れる場合の熱交換イメージである。また、それぞれのイメージの下には、冷媒及び熱媒体のそれぞれの温度変化の様子が示されている。（ａ）及び（ｂ）のどちらの場合でも、冷媒の温度は、熱交換器の入口では高く、出口に近づくにつれて低くなっており、熱媒体の温度は、熱交換器の入口では低く、出口に近づくにつれて高くなっている。しかしながら、（ａ）の対向流の場合には、冷媒と熱媒体との温度差がほぼ一定のまま推移しているのに対し、（ｂ）の並行流の場合には、冷媒と熱媒体との温度差が入口側で大きく、出口側で小さくなる。そのため、（ｂ）に示す並行流の場合よりも（ａ）に示す対向流の場合の方が、冷媒の熱を効率よく熱媒体に伝えることができる。

図５は、２つの冷凍サイクルと順次熱交換する場合の水−冷媒の熱交換イメージである。熱媒体は、熱交換器において冷媒Ａと熱交換し、更に別の熱交換器において冷媒Ｂと熱交換することで、１つの冷凍サイクルの冷媒と熱交換する場合に比べて高い給湯温度で供給される。図５に示されるように、それぞれの熱交換器の入口における冷媒温度は、冷媒Ａより冷媒Ｂが高い場合に、熱媒体に対して多くの熱量を与えることができる。

したがって、冷媒と熱媒体とを熱交換器にて熱交換させ、熱量が効果的に取り出されるには、図４のように冷媒と熱媒体とを対向流で流すこと、及び、２つの冷媒サイクルから熱を得る場合は、図５のように後で熱交換する冷媒Ｂの入口温度が最初に熱交換する冷媒Ａより高くなるようにするとよい。

これまで、高元側回路５１１、低元側回路５１２、排熱回収回路５２０、冷媒の圧力、エンタルピーの変化、及び排熱の回収方法について説明したが、これらの特徴を踏まえた制御について説明する。

図６は、実施の形態１に係る冷凍サイクルシステムの電磁弁動作表である。運転制御手段４０３は、第１吐出温度センサ１２７より第１吐出温度、第２吐出温度センサ１１６より第２吐出温度、及び入口温度センサ３０８より入口温度の情報を取得する。運転制御手段４０３はまた、記憶手段４０１を参照し、第１吐出温度と第２吐出温度と入口温度との大小関係に応じて電磁弁３０１〜３０６の制御情報を取得し、制御情報に基づいて電磁弁３０１〜３０６の開閉を行う。それぞれの検出温度の大小関係は、図６に示されるように合計６パターン考えられる。各パターンａ〜ｆについて説明する。なお、先述したように、運転制御手段４０３は記憶手段４０１を参照し、演算手段４０２に設定値を算出させて、第１圧縮機１２１、第２圧縮機１１１、及び凝縮器１２２に付設されるファン等の回転数をそれぞれ制御しているものとする。

パターンａにおいて、各温度は高い順に、第１吐出温度＞第２吐出温度＞入口温度となっている。パターンａの場合、運転制御手段４０３は、流路切替装置を第２流路の状態にする。つまり、電磁弁３０２，３０４，３０６は開になり、残りの電磁弁３０１，３０３，３０５は閉になる。このような制御を行うことで、排熱回収装置３００に入った熱媒体は、まず第２熱交換器１１３に流入して冷媒と熱交換し、第２分岐管Ｂ２を通過して更に第１熱交換器１２４に流入し、第１熱交換器１２４にて冷媒と熱交換して排熱回収装置３００を出る。

パターンｂにおいて、各温度は高い順に、第１吐出温度＞入口温度＞第２吐出温度となっている。パターンｂの場合、運転制御手段４０３は、流路切替装置を第１バイパス流路の状態にする。つまり、電磁弁３０１，３０６は開になり、残りの電磁弁３０２〜３０５は閉になる。パターンｂでは、排熱回収装置３００に流入する熱媒体の温度が第２吐出温度よりも高いため、低元側回路５１２と熱交換するとかえって熱媒体の温度が下がってしまう。したがって、排熱回収装置３００に入った熱媒体は、点Ｐ１から第１熱交換器１２４に向かって流れ、第１熱交換器１２４にて冷媒と熱交換した後、排熱回収装置３００を出る。

パターンｃにおいて、各温度は高い順に、第２吐出温度＞第１吐出温度＞入口温度となっている。パターンｃの場合、運転制御手段４０３は、流路切替装置を第１流路の状態にする。つまり、電磁弁３０１，３０３，３０５は開になり、残りの電磁弁３０２，３０４，３０６は閉になる。このような制御を行うことで、排熱回収装置３００に入った熱媒体は点Ｐ１を通って第１熱交換器１２４に流れ、第１熱交換器１２４に流入して冷媒と熱交換する。その後、熱媒体は、第１分岐管Ｂ１を通って更に第２熱交換器１１３に流入し、低元側回路５１２の冷媒と熱交換して排熱回収装置３００を出る。

パターンｄにおいて、各温度は高い順に、第２吐出温度＞入口温度＞第１吐出温度となっている。パターンｄの場合、運転制御手段４０３は、流路切替装置を第２バイパス流路の状態にする。つまり、電磁弁３０２，３０５は開になり、残りの電磁弁３０１，３０３，３０４，３０６は閉になる。パターンｂと同様、排熱回収装置３００に入る熱媒体の温度が第１吐出温度よりも高いため、高元側回路５１１と熱交換するとかえって熱媒体の温度が下がってしまう。したがって、排熱回収装置３００に入った熱媒体は、第２熱交換器１１３に流入して低元側回路５１２の冷媒と熱交換し、その後、点Ｐ５からＰ２に向かい、排熱回収装置３００を出る。

パターンｅにおいて、各温度は高い順に、入口温度＞第１吐出温度＞第２吐出温度となっている。またパターンｆにおいて、各温度は高い順に、入口温度＞第２吐出温度＞第１吐出温度となっている。パターンｅ又はパターンｆの場合、運転制御手段４０３は、排熱回収回路５２０の全ての電磁弁３０１〜３０６を閉にする。つまり、パターンｅ又はパターンｆでは、水温に対して冷媒温度が低く二元冷凍サイクル５１０から排熱が回収できないため、排熱回収回路５２０は閉止され、第１熱交換器１２４及び第２熱交換器１１３に熱媒体が流れないよう構成されている。

以上のように実施の形態１において冷凍サイクルシステム５００は、第１圧縮機１２１と第１熱交換器１２４と凝縮器１２２と第１膨張弁１２３とカスケード熱交換器１０１とが冷媒配管を介して接続された高元側回路５１１と、第２圧縮機１１１と第２熱交換器１１３とカスケード熱交換器１０１と第２膨張弁２０１と蒸発器２０２とが冷媒配管を介して接続され、カスケード熱交換器１０１において高元側回路５１１と熱交換する低元側回路５１２と、を有する二元冷凍サイクル５１０と、第１熱交換器１２４と第２熱交換器１１３とが配管を介して接続され、熱媒体が流れる排熱回収回路５２０と、を備え、５２０排熱回収回路は、第１熱交換器１２４から第２熱交換器１１３へ熱媒体を流す第１流路と、第２熱交換器１１３から第１熱交換器１２４へ熱媒体を流す第２流路と、第１流路と第２流路とを切り替える流路切替装置と、を有するものである。

これより冷凍サイクルシステム５００は、排熱回収回路５２０に流入した熱媒体が先に熱交換する順番を、高元側と低元側とで切り替えることができるため、冷凍機の運転状態に応じて切り替えれば排熱を効率よく回収できる。また回収された熱量は熱媒体を介して活用されるので、省エネルギー化が実現される。

また、排熱回収回路５２０は更に、第１熱交換器１２４に熱媒体を流し、第２熱交換器１１３をバイパスさせる第１バイパス流路と、第２熱交換器１１３に熱媒体を流し、第１熱交換器１２４をバイパスさせる第２バイパス流路と、を有し、流路切替装置は、第１流路と第２流路と第１バイパス流路と第２バイパス流路とを切り替える。

これより排熱回収回路５２０は、熱交換する順序が異なる２つの流路の他に、熱媒体が一方の熱交換器のみを通過する第１バイパス流路及び第２バイパス流路を有している。そのため、冷凍サイクルシステム５００は、運転状態等に応じて適した流路を選択し、更に効率よい排熱回収を行える。

また、冷凍サイクルシステム５００は更に、第１圧縮機１２１から吐出される冷媒の第１吐出温度を検出する第１吐出温度センサ１２７と、第２圧縮機１１１から吐出される冷媒の第２吐出温度を検出する第２吐出温度センサ１１６と、排熱回収回路５２０に流入した熱媒体の熱交換前の入口温度を検出する入口温度センサ３０８と、入口温度センサ３０８で検出された入口温度と、第１吐出温度センサ１２７で検出された第１吐出温度と、第２吐出温度センサ１１６で検出された第２吐出温度と、に基づいて流路切替装置を制御する制御装置４００と、を備えている。これより冷凍サイクルシステム５００は、流路の切り替えに、検出された入口温度、第１吐出温度、及び第２吐出温度の情報を利用することができ、効率的な排熱回収が行える。

また制御装置４００は、入口温度が第１吐出温度及び第２吐出温度より低い場合であって、第１吐出温度が第２吐出温度より高い場合には流路切替装置を第２流路にし、第１吐出温度が第２吐出温度より低い場合には流路切替装置を第１流路にする。

これより制御装置４００は、温水を生成できる場合を判別して、効率よく排熱回収できる流路に熱媒体を流す。したがって、冷凍サイクルシステム５００は、高い給湯温度を得ることができる。

また制御装置４００は、入口温度が第１吐出温度より低く第２吐出温度より高い場合には、流路切替装置を第１バイパス流路にし、入口温度が第１吐出温度より高く第２吐出温度より低い場合には、流路切替装置を第２バイパス流路にする。これより制御装置４００は、温水を生成できる場合を判別して、排熱回収できる熱交換器にのみ熱媒体を流すことができる。

また、流路切替装置は、流路を開閉する複数の電磁弁３０１〜３０６で構成される。これより、複数の電磁弁３０１〜３０６の開閉状態を組み合せて複数の流路が形成される。

また、第１熱交換器１２４及び第２熱交換器１１３のうち、少なくとも下流側の熱交換器では、熱媒体と冷媒とが対向して流れる。実施の形態１では、第１熱交換器１２４及び第２熱交換器１１３の双方において、冷媒と熱媒体とが対向流となるよう配管が接続されているので、図５に示されるように、冷凍サイクルシステム５００は並行流の場合より高温の給湯温度を得ることができる。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２に係る冷凍サイクルシステムの回路図である。なお、二元冷凍サイクル５１０の基本構成は図１と同じであり、同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。実施の形態１では流路切替装置は複数の電磁弁３０１〜３０６で構成されていたが、実施の形態２では、流路切替装置が四方弁３０９で構成され、熱媒体の流路が簡易的に制御される場合について説明する。四方弁３０９は排熱回収装置３００に搭載され、ポートの接続状態は制御装置４００によって制御されている。具体的には、制御装置４００は、検出された高元側回路５１１の第１吐出温度と低元側回路５１２の第２吐出温度との大小関係に応じて四方弁３０９を切り替えている。

回路の配管には四方弁３０９が設けられ、四方弁３０９のポートはそれぞれ、回路入口、第１熱交換器１２４、第２熱交換器１１３、回路出口と接続されている。第１熱交換器１２４において、冷媒の入口側は排熱回収回路５２０の四方弁３０９と配管を介して接続されており、冷媒の出口側は第２熱交換器と配管を介して接続されている。また第２熱交換器において、冷媒の入口側は排熱回収回路５２０の四方弁３０９と配管を介して接続されており、冷媒の出口側は第１熱交換器と配管を介して接続されている。このような回路構成により排熱回収回路５２０は、実施の形態１と同様に、四方弁３０９により第１流路及び第２流路を形成し、第１流路と第２流路とを切り替えることができる。

第１吐出温度が第２吐出温度より高い場合には、運転制御手段４０３は、四方弁３０９を第２流路の状態にする。つまり、図７に破線の矢印で示されるように、回路入口から排熱回収回路５２０に入った熱媒体は、まず第２熱交換器１１３において冷媒と熱交換し、次に第１熱交換器１２４において冷媒と熱交換し、その後、回路出口を通って排熱回収回路５２０を出る。このとき、最初に熱交換がなされる第２熱交換器１１３では、冷媒と熱媒体とは並行流となっている。そのため実施の形態１の回路構成に比べて排熱回収効率は低下するが、先に通過する熱交換器であるため冷媒と熱媒体との温度差はまだ大きく、排熱回収効率の低下は抑えられる。また、第１熱交換器１２４では、冷媒と熱媒体とは対向流となっている。そのため排熱回収回路５２０は、高元側回路５１１から効率良く排熱回収することができる。

一方、第１吐出温度が第２吐出温度より低い場合には、運転制御手段４０３は、四方弁３０９を第１流路の状態にする。つまり、図７に実線の矢印で示されるように、回路入口から排熱回収回路５２０に入った熱媒体は、まず第１熱交換器１２４において冷媒と熱交換し、次に第２熱交換器１１３において冷媒と熱交換し、その後、回路出口を通って排熱回収回路５２０を出る。このとき、冷媒と熱媒体とは、最初に熱交換がなされる第１熱交換器１２４では並行流となり、次に熱交換がなされる第２熱交換器１１３では対向流となっている。

なお、第１吐出温度及び第２吐出温度の双方が熱媒体の入口温度より低い場合には排熱を回収できない。そのため運転制御手段４０３は、実施の形態１と同様に、更に入口温度センサ３０８から入口温度の情報を取得して、入口温度が第１吐出温度及び第２吐出温度の双方より高い場合には、例えば送出装置３２０の運転を停止させてもよい。また、流路切替装置を複数の四方弁等で構成し、複数の四方弁は、実施の形態１に示されるような第１流路、第２流路、第１バイパス流路、及び第２バイパス流路を形成するよう構成されてもよい。

以上のように実施の形態２において冷凍サイクルシステム５００は、高元側回路５１１と低元側回路５１２とを有する二元冷凍サイクル５１０と、第１流路と第２流路と流路切替装置とを有する排熱回収回路５２０と、を備えている。したがって、実施の形態１と同様に、冷凍サイクルシステム５００は、排熱回収回路５２０に流入した熱媒体が先に熱交換する順番を、高元側と低元側とで切り替えることができるため、冷凍機の運転状態に応じて切り替えれば排熱を効率よく回収できる。また回収された熱量は熱媒体を介して活用されるので、省エネルギー化が実現される。

また流路切替装置は、四方弁３０９で構成されている。これより、６つの電磁弁３０１〜３０６の代わりに四方弁３０９を用いて、安価に、効率の良い排熱回収が実現される。

また、冷凍サイクルシステム５００は更に、排熱回収回路５２０に熱媒体を供給する送出装置３２０を備える。これより、１つの四方弁３０９によって熱媒体の流路を形成した場合であっても、第１流路及び第２流路の流路を選択する他に、更に排熱回収回路５２０への熱媒体の供給を制御することができる。

また、冷凍サイクルシステム５００は更に、入口温度センサ３０８で検出された入口温度が第１吐出温度センサ１２７で検出された第１吐出温度及び第２吐出温度センサ１１６で検出された第２吐出温度より高い場合には、送出装置３２０の運転を停止させる制御装置４００を有している。

これより、四方弁３０９で構成した回路であっても、例えば実施の形態１のパターンｅ，ｆの場合に対応して、排熱回収回路５２０への熱媒体の供給を停止させ、熱媒体の温度が低下するのを回避できる。

また、第１熱交換器１２４及び第２熱交換器１１３のうち、少なくとも下流側の熱交換器では、熱媒体と冷媒とが対向して流れる。

これより、熱媒体が後に通過する熱交換器においては熱媒体と冷媒とが対向流になるため、熱媒体と冷媒との温度差が小さい場合であっても効率よく熱交換がなされる。四方弁３０９を用いた場合には、熱媒体と冷媒とは最初に熱交換する熱交換器では並行流になるため、実施の形態１の構成に比べて熱交換率は低下するが、先に通過する熱交換器では冷媒と熱媒体との温度差はまだ大きく、排熱回収効率の低下は抑えられる。

実施の形態３．
図８は、実施の形態３に係る冷凍サイクルシステムの回路図である。図８では、排熱回収装置３００及び負荷装置２００の基本構成は図１と同じであり、熱源機１００の回路構成の変形例が示されている。なお、図１と同一の構成を有する部位には、同一の符号を付してその説明を省略する。

まず、実施の形態３における二元冷凍サイクル５１０の回路構成について説明する。高元側回路５１１は更に、凝縮器１２２をバイパスする第１バイパス回路Ｃ１を有している。第１バイパス回路Ｃ１は、第１熱交換器１２４と凝縮器１２２との間の冷媒配管から分岐して凝縮器１２２と第１膨張弁１２３との間の冷媒配管に合流している。第１バイパス回路Ｃ１の冷媒配管には電磁弁１２８ａが設けられ、電磁弁１２８ａは、熱媒体が第１バイパス回路Ｃ１に流れる流路を開閉している。また、凝縮器１２２を含む高元側の主回路において第１バイパス回路Ｃ１が分岐して合流するまでの間の冷媒配管には電磁弁１２８ｂが設けられ、電磁弁１２８ｂは、熱媒体が凝縮器１２２に流れる流路を開閉している。通常運転時、電磁弁１２８ａは閉、電磁弁１２８ｂは開になっており、熱媒体は凝縮器１２２を通過する。

低元側回路５１２には更に、第２熱交換器１１３とカスケード熱交換器１０１との間に、空気と冷媒とを熱交換する空気熱交換器１１２が接続されている。また低元側回路５１２は更に、空気熱交換器１１２をバイパスする第２バイパス回路Ｃ２を有している。第２バイパス回路Ｃ２は、第２熱交換器と空気熱交換器１１２との間の冷媒配管から分岐して空気熱交換器１１２とカスケード熱交換器１０１との間の冷媒配管に合流している。第２バイパス回路Ｃ２の冷媒配管には電磁弁１１７ａが設けられ、電磁弁１１７ａは、熱媒体が第２バイパス回路Ｃ２に流れる流路を開閉している。また、空気熱交換器１１２を含む低元側の主回路において第２バイパス回路Ｃ２が分岐して合流するまでの間の冷媒配管には電磁弁１１７ｂが設けられ、電磁弁１１７ｂは、熱媒体が空気熱交換器１１２に流れる流路を開閉している。通常運転時、電磁弁１１７ａは閉、電磁弁１１７ｂは開になっており、熱媒体は空気熱交換器１１２を通過する。

また、センサ群には更に、第１冷媒温度センサ１２９と、第２冷媒温度センサ１１８と、外気温度センサ１３０とが含まれる。第１冷媒温度センサ１２９は、第１バイパス回路Ｃ１と凝縮器１２２の出口側の冷媒配管とが再び合流する位置に配置され、設置位置での冷媒の温度（第１冷媒温度）を検出している。第２冷媒温度センサ１１８は、第２バイパス回路Ｃ２と空気熱交換器１１２の出口側の冷媒配管とが再び合流する位置に配置され、設置位置での冷媒の温度（第２冷媒温度）を検出している。外気温度センサ１３０はどこに配置されてもよいが、例えば凝縮器１２２に設置されて外気温度を検出している。

高元側回路５１１の電磁弁１２８ａ，１２８ｂ、低元側回路５１２の電磁弁１１７ａ，１１７ｂ、及び第１冷媒温度センサ１２９、第２冷媒温度センサ１１８、外気温度センサ１３０は、それぞれ制御装置４００に通信可能に接続されている。制御装置４００は更に、第１冷媒温度、第２冷媒温度、及び外気温度等を取得し、取得した温度情報に基づいて各電磁弁１２８ａ，１２８ｂ，１１７ａ，１１７ｂの開閉を行うことで冷媒の流れを制御している。

実施の形態３の冷凍サイクルシステム５００の動作について説明する。高元側回路５１１において、第１熱交換器１２４での冷媒と熱媒体との熱交換量が大きくなると、凝縮器１２２での熱交換量が少なくなる。第１熱交換器１２４での熱交換量は、例えば第１熱交換器１２４の大きさ、及び熱媒体の入口温度等に依存する。第１熱交換器１２４での熱交換量が多い場合、高元側回路５１１を流れる冷媒は第１熱交換器１２４内にて凝縮する。このとき制御装置４００は、凝縮器１２２での必要熱交換量が小さくなるため凝縮器１２２に付設されたファンの回転数を小さくする、若しくは、凝縮器１２２での熱交換が全く必要でない場合にはファンの運転を停止する。凝縮器１２２において冷媒は凝縮して、液状態、又は液とガスとの二相状態となる。ガス冷媒に比べて液冷媒は密度が高いため、液状態又は二相状態になると、凝縮器１２２に溜まる冷媒の量が多くなってしまう。一方、高元側回路５１１は閉回路であり、冷媒量が一律である。したがって、凝縮器１２２ではほとんど熱交換されないにもかかわらず、凝縮器１２２に滞留する冷媒量が多くなって高元側回路５１１の冷媒が不足する場合もある。

制御装置４００は、第１熱交換器１２４で冷媒が凝縮し、凝縮器１２２ではほとんど熱交換されない場合には、第１バイパス回路Ｃ１に冷媒を流して凝縮器１２２をバイパスし、高元側回路５１１の冷媒不足を解消する。

制御装置４００は、第１熱交換器１２４で冷媒が凝縮しているか否かを判定するため、外気温度センサ１３０から外気温度の情報、及び、第１冷媒温度センサ１２９から第１冷媒温度を取得する。通常、凝縮器１２２において、冷媒が空気と熱交換される状態であれば、第１冷媒温度が空気の温度より低くなることはない。そのため制御装置４００は、例えば取得した第１冷媒温度が外気温度より低くなっている場合、つまり、凝縮器１２２を出るときの冷媒温度が外気温度以下にまで低下している場合、第１熱交換器１２４において冷媒が凝縮しているものと判定する。そして、冷媒が凝縮していると判定された場合には、運転制御手段４０３は、電磁弁１２８ａを開にし、電磁弁１２８ｂを閉にして冷媒を第１バイパス回路Ｃ１に流す。一方、冷媒が凝縮していない場合には、運転制御手段４０３は、通常運転時と同様に、電磁弁１２８ａを閉にし、電磁弁１２８ｂを開にして凝縮器１２２に冷媒を流す。なお制御装置４００は、第１冷媒温度が外気温度よりも設定温度分（例えば３℃）より更に低くなっている場合に、第１熱交換器１２４で冷媒が凝縮しているものと判定してもよい。

また、排熱回収装置３００の入口水温に対して外気温度が高いときには、冷媒が凝縮器１２２のみで熱交換する場合に比べ、第１熱交換器１２４で多く熱交換する方が高元側回路５１１の凝縮温度が低下する。そのため、冷凍サイクルシステム５００全体としての消費電力が低減できる。また、図３のＰ−Ｈ線図で示されるように、第１熱交換器１２４での熱交換量が多いことは、工程６→７の中で多くの熱量を熱媒体に与えることができるため、排熱回収される熱量を増やすことができる。

一方、低元側回路５１２には空気熱交換器１１２が設けられており、空気熱交換器１１２にて冷媒と空気とが熱交換する。そのため、カスケード熱交換器１０１にて高元側回路５１１と低元側回路５１２とが熱交換する熱量を低減できる。しかしながら、例えば、外気温度に対して熱媒体の温度が低いときは、冷媒は、空気熱交換器１１２で空気と熱交換するよりも、第２熱交換器１１３のみで熱交換するほうが冷媒温度を低下させることができる。

制御装置４００は、熱媒体の温度が外気温度より低いか否かを判定し、熱媒体の温度の方が低い場合には、第２バイパス回路Ｃ２に冷媒を流して空気熱交換器１１２をバイパスし、冷媒温度が上昇してしまうのを回避する。

制御装置４００は、具体的には高元側回路５１１と同様に、外気温度センサ１３０から外気温度、及び、第２冷媒温度センサ１１８から第２冷媒温度を取得する。次に制御装置４００は、例えば取得した外気温度と第２冷媒温度とを比較して、熱媒体の温度が外気温度より低いか否かを判定する。そして、第２冷媒温度が外気温度より低い場合には、運転制御手段４０３は、電磁弁１１７ａを開にし、電磁弁１１７ｂを閉にする。このとき冷媒は、第２バイパス回路Ｃ２に流れ、空気熱交換器１１２をバイパスする。一方、第２冷媒温度が外気温度より高い場合には、運転制御手段４０３は、通常運転時と同様に、電磁弁１１７ａを閉にし、電磁弁１１７ｂを開にする。このとき冷媒は空気熱交換器１１２に流れる。なお制御装置４００は、第２冷媒温度が外気温度よりも設定温度分（例えば３℃）より更に低くなっている場合に、熱媒体の温度が外気温度より低いと判定してもよい。

以上のように実施の形態３において冷凍サイクルシステム５００は、高元側回路５１１と低元側回路５１２とを有する二元冷凍サイクル５１０と、第１流路と第２流路と流路切替装置とを有する排熱回収回路５２０と、を備えている。したがって、実施の形態１と同様に、冷凍サイクルシステム５００は、排熱回収回路５２０に流入した熱媒体が先に熱交換する順番を、高元側と低元側とで切り替えることができるため、冷凍機の運転状態に応じて切り替えれば排熱を効率よく回収できる。また回収された熱量は熱媒体を介して活用されるので、省エネルギー化が実現される。

また高元側回路５１１は、凝縮器１２２をバイパスする第１バイパス回路Ｃ１を有している。これより、第１熱交換器１２４を出た高元側回路５１１の冷媒は、凝縮器１２２で熱交換せずにバイパスして流れることができる。

また、冷凍サイクルシステム５００は更に、外気温度を検出する外気温度センサ１３０と、第１バイパス回路Ｃ１と凝縮器１２２の出口側とが合流する位置に設けられ、第１冷媒温度を検出する第１冷媒温度センサ１２９と、第１冷媒温度センサ１２９で検出された第１冷媒温度が外気温度センサ１３０で検出された外気温度より低い場合には、凝縮器１２２をバイパスし第１バイパス回路Ｃ１に冷媒を流す制御装置４００と、を備えている。

これより、第１熱交換器１２４で冷媒が凝縮し、凝縮器１２２でほとんど熱交換しないような場合に、制御装置４００は第１バイパス回路Ｃ１に冷媒を流し、凝縮器１２２に滞留する冷媒量を減らすことができる。したがって、循環する冷媒量の不足が解消され、閉じた回路において消費電力量を抑え、効率よい排熱回収が実現できる。

また、低元側回路５１２には更に、第２熱交換器１１３とカスケード熱交換器１０１との間に、空気と冷媒とを熱交換する空気熱交換器１１２が接続される。これより空気熱交換器１１２にて冷媒は、吸熱されるので、カスケード熱交換器１０１で高元側冷媒と低元側冷媒とが熱交換する熱量が低減される。

また、低元側回路５１２は、空気熱交換器１１２をバイパスする第２バイパス回路Ｃ２を有している。これより、第２熱交換器１１３を出た低元側回路５１２の冷媒は、空気熱交換器１１２で熱交換せずにバイパスして流れることができる。

また、冷凍サイクルシステム５００は更に、外気温度を検出する外気温度センサ１３０と、第２バイパス回路Ｃ２と空気熱交換器１１２の出口側とが合流する位置に設けられ、第２冷媒温度を検出する第２冷媒温度センサ１１８と、第２冷媒温度センサ１１８で検出された第２冷媒温度が外気温度センサ１３０で検出された外気温度より低い場合には、空気熱交換器１１２をバイパスし第２バイパス回路Ｃ２に冷媒を流す制御装置４００と、を備えている。

これより、例えば外気温度が高い場合、冷媒は第２熱交換器１１３のみで熱交換するので、温度の高い外気から吸熱して冷媒温度が上昇してしまうのを回避できる。したがって、空気熱交換器１１２を追加した構成においても、冷凍機の機能を優先し、且つ効率よい排熱回収が実現される。

実施の形態４．
図９は、実施の形態４に係る冷凍サイクルシステムの回路図である。図９において、排熱回収装置３００及び負荷装置２００の基本構成は図１と同じであるが、熱源機１００には、更に消費電力を抑えて排熱回収量を増やすための回路等が追加されている。なお、図１と同一の構成を有する部位には、同一の符号を付してその説明を省略する。

低元側回路５１２には更に、蒸発器２０２と第２圧縮機１１１との間に、第３熱交換器１０２が接続されている。第３熱交換器１０２は、高元側回路５１１の凝縮器１２２を出た液冷媒と、低元側回路５１２の第２圧縮機１１１に入る前のガス冷媒とを熱交換させる。

また、二元冷凍サイクル５１０は、凝縮器１２２の出口側の冷媒配管から分岐して第３熱交換器１０２を通り、凝縮器１２２の出口側と第１膨張弁１２３との間の冷媒配管に合流する分岐回路Ｃ３を有している。また、凝縮器１２２と第１膨張弁１２３との間の冷媒配管には電磁弁１３１ａが設けられ、電磁弁１３１ａは、冷媒が凝縮器１２２の出口から第１膨張弁１２３へ流れる流路を開閉する。分岐回路Ｃ３上には電磁弁１３１ｂが設けられ、電磁弁１３１ｂは、高圧側冷媒が分岐回路Ｃ３へ流れる流路を開閉する。通常運転時、電磁弁１３１ａは開になり、電磁弁１３１ｂは閉になっており、冷媒は高元側の主回路を流れている。

センサ群には更に、第３冷媒温度センサ１３２及び吸入温度センサ１１９が含まれている。第３冷媒温度センサ１３２は、凝縮器１２２の出口側に設けられ、設置位置における冷媒の温度（第３冷媒温度）を検出している。吸入温度センサ１１９は、第３熱交換器１０２と第２圧縮機１１１との間に設けられ、第２圧縮機に吸入される冷媒の吸入温度を検出している。

電磁弁１３１ａ，１３１ｂ、第３冷媒温度センサ１３２、及び吸入温度センサ１１９は、それぞれ制御装置４００と通信可能に接続されている。

制御装置４００が行う制御について説明する。制御装置４００は、まず第３冷媒温度センサ１３２から第３冷媒温度の情報、吸入温度センサ１１９から第２圧縮機１１１の吸入温度の情報を取得する。次に制御装置４００は、取得した第３冷媒温度が吸入温度よりも高いか否かを判定する。第３冷媒温度が吸入温度より高いと判定された場合には、制御装置４００は、電磁弁１３１ａを閉にし、電磁弁１３１ｂを開にして、凝縮器１２２から流出する冷媒を分岐回路Ｃ３に流す。このとき分岐回路Ｃ３に流入した冷媒は、第３熱交換器１０２にて熱交換した後に高元側の主回路に戻り、第１膨張弁１２３が設けられた冷媒配管に流れる。

高元側回路５１１の冷媒が分岐回路Ｃ３を通過すると、低元側回路５１２の第２圧縮機１１１の吸入温度は上昇し、高元側回路５１１の凝縮器１２２の冷媒温度は低下する。また、低元側回路５１２の吸入温度が上昇すると、低元側回路５１２の第２圧縮機１１１の吐出温度も上昇する。

以上のように実施の形態４において冷凍サイクルシステム５００は、高元側回路５１１と低元側回路５１２とを有する二元冷凍サイクル５１０と、第１流路と第２流路と流路切替装置とを有する排熱回収回路５２０と、を備えている。したがって、実施の形態１と同様に、冷凍サイクルシステム５００は、排熱回収回路５２０に流入した熱媒体が先に熱交換する順番を、高元側と低元側とで切り替えることができるため、冷凍機の運転状態に応じて切り替えれば排熱を効率よく回収できる。また回収された熱量は熱媒体を介して活用されるので、省エネルギー化が実現される。

また、低元側回路５１２には更に、蒸発器２０２と第２圧縮機１１１との間に、高元側回路５１１の冷媒と低元側回路５１２の冷媒とを熱交換する第３熱交換器１０２が接続され、二元冷凍サイクル５１０は更に、凝縮器１２２の出口側の冷媒配管から分岐して第３熱交換器１０２を通り、凝縮器１２２の出口側と第１膨張弁１２３との間の冷媒配管に合流する分岐回路Ｃ３を有している。

これより、凝縮器１２２を出た高元側回路５１１の冷媒が分岐回路Ｃ３に流れ、低元側回路５１２の吸入温度が上昇する。また、吸入温度の上昇に伴って、低元側回路５１２の第２吐出温度が上昇するため、排熱回収される熱量が増加する。

また、冷凍サイクルシステム５００は更に、凝縮器１２２の出口側における第３冷媒温度を検出する第３冷媒温度センサ１３２と、第２圧縮機１１１に吸入される冷媒の吸入温度を検出する吸入温度センサ１１９と、第３冷媒温度センサ１３２で検出された第３冷媒温度が吸入温度センサ１１９で検出された吸入温度より高い場合には、凝縮器１２２から流出する冷媒を、分岐回路Ｃ３に流す制御装置４００と、を備えている。

これより制御装置４００は、分岐回路Ｃ３に冷媒を流して、低元側回路５１２の吸入温度を上昇させるとともに、高元側回路５１１の冷媒温度に過冷却度をつけることができる。一般に、第２圧縮機１１１の吸入温度は蒸発温度に対して５℃〜１０℃程度高く、過熱度が確保されている状態である。しかし、何らかの理由により低元側回路５１２が液バック状態にある場合であっても、分岐回路Ｃ３に高元側冷媒が流れることで吸入温度が上昇し、第２圧縮機１１１への液冷媒の流入が抑制される。例えば、冷媒温度が蒸発温度に対して同じ程度の温度で、過熱度が確保されていない場合に、分岐回路Ｃ３は第２圧縮機１１１の故障を防止できる。一方、高元側回路５１１の液冷媒は冷やされ、第１膨張弁１２３手前の過冷却度が大きくなる。第１膨張弁１２３の手前の過冷却度が大きくなると図３の７の点が左にずれる。したがって、カスケード熱交換器１０１の入出口のエンタルピー差、即ち図３の工程８→５の長さが長くなるため、冷凍能力が向上する。これより、冷凍サイクルシステム５００は、第１圧縮機１２１の回転数を抑制し、消費電力を低減できる。

なお、本発明の実施形態は上記実施形態に限定されず、種々の変更を行うことができる。例えば、熱媒体が水である場合について説明したが、ブライン液等を用いても良い。また、高元側回路５１１及び低元側回路５１２の冷媒がＲ７４４（ＣＯ_２）である場合について説明したが、他の種類の冷媒が使用されてもよく、例えばＨＦＣ又はＨＦＯ冷媒であってもよい。

また、パターンｅ，ｆの場合に制御装置４００は複数の電磁弁３０１〜３０６を全て閉状態にすることにより排熱回収回路５２０に熱媒体が流れないよう制御したが、複数の電磁弁３０１〜３０６を閉にする代わりに、送出装置３２０の運転を停止させてもよい。

また、例えば図１において、熱源機１００、排熱回収装置３００、及び制御装置４００は別々の筺体に収められているように図示されているが、同一筺体内に収められたものであってもよい。

また、外気温度センサ１３０が、高元側回路５１１の凝縮器１２２に設けられる場合について説明したが、外気温度が正しく検出できる場所であればどこに配置してもよい。また、凝縮器１２２及び空気熱交換器１１２の双方にそれぞれバイパス回路を設けているが、どちらか一方のみにバイパス回路を追加してもよい。更に制御装置４００は、２つの電磁弁１２８ａ，１２８ｂの代わりに１つの三方弁を用いて流路を切り替えてもよい。また低元側回路５１２の２つの電磁弁１１７ａ，１１７ｂについても、同様に１つの三方弁で代用できる。

１００ 熱源機、１０１ カスケード熱交換器、１０２ 第３熱交換器、１１１ 第２圧縮機、１１２ 空気熱交換器、１１３ 第２熱交換器、１１４ 圧力センサ、１１５ 圧力センサ、１１６ 第２吐出温度センサ、１１７ａ，１１７ｂ 電磁弁、１１８ 第２冷媒温度センサ、１１９ 吸入温度センサ、１２１ 第１圧縮機、１２２ 凝縮器、１２３ 第１膨張弁、１２４ 第１熱交換器、１２５ 圧力センサ、１２６ 圧力センサ、１２７ 第１吐出温度センサ、１２８ａ，１２８ｂ 電磁弁、１２９ 第１冷媒温度センサ、１３０ 外気温度センサ、１３１ａ，１３１ｂ 電磁弁、１３２ 第３冷媒温度センサ、２００ 負荷装置、２０１ 第２膨張弁、２０２蒸発器、３００ 排熱回収装置、３０１〜３０６ 電磁弁、３０７ 出口温度センサ、３０８ 入口温度センサ、３０９ 四方弁、３２０ 送出装置、４００ 制御装置、４０１ 記憶手段、４０２ 演算手段、４０３ 運転制御手段、５００ 冷凍サイクルシステム、５１０ 二元冷凍サイクル、５１１ 高元側回路、５１２ 低元側回路、５２０ 排熱回収回路、Ｂ１ 第１分岐管、Ｂ２ 第２分岐管、Ｃ１ 第１バイパス回路、Ｃ２ 第２バイパス回路、Ｃ３ 分岐回路、Ｐ１〜Ｐ６ 点。

Claims (18)

1. 第１圧縮機と、第１熱交換器と、凝縮器と、第１膨張弁と、カスケード熱交換器とが冷媒配管を介して接続された高元側回路と、
   第２圧縮機と、第２熱交換器と、前記カスケード熱交換器と、第２膨張弁と、蒸発器とが冷媒配管を介して接続され、前記カスケード熱交換器において前記高元側回路と熱交換する低元側回路と、を有し前記蒸発器を有する負荷装置が冷却を行う二元冷凍サイクルと、
   前記第１熱交換器と前記第２熱交換器とが配管を介して接続され、熱媒体が流れる排熱回収回路と、を備え、
   前記排熱回収回路は、
   前記第１熱交換器から前記第２熱交換器へ前記熱媒体を流す第１流路と、
   前記第２熱交換器から前記第１熱交換器へ前記熱媒体を流す第２流路と、
   前記第１流路と前記第２流路とを切り替える流路切替装置と、
   を有する冷凍サイクルシステム。
2. 前記第１流路は、前記第１熱交換器で加熱した前記熱媒体を前記第２熱交換器で加熱するものであり、
   前記第２流路は、前記第２熱交換器で加熱した前記熱媒体を前記第１熱交換器で加熱するものである請求項１記載の冷凍サイクルシステム。
3. 前記排熱回収回路は更に、
   前記第１熱交換器に前記熱媒体を流し、前記第２熱交換器をバイパスさせる第１バイパス流路と、
   前記第２熱交換器に前記熱媒体を流し、前記第１熱交換器をバイパスさせる第２バイパス流路と、を有し、
   前記流路切替装置は、前記第１流路と前記第２流路と前記第１バイパス流路と前記第２バイパス流路とを切り替える請求項１又は２記載の冷凍サイクルシステム。
4. 前記第１圧縮機から吐出される冷媒の第１吐出温度を検出する第１吐出温度センサと、
   前記第２圧縮機から吐出される冷媒の第２吐出温度を検出する第２吐出温度センサと、
   前記排熱回収回路に流入した前記熱媒体の熱交換前の入口温度を検出する入口温度センサと、
   前記入口温度センサで検出された前記入口温度と、前記第１吐出温度センサで検出された前記第１吐出温度と、前記第２吐出温度センサで検出された前記第２吐出温度と、に基づいて前記流路切替装置を制御する制御装置と、を更に備える請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷凍サイクルシステム。
5. 前記制御装置は、前記入口温度が前記第１吐出温度及び前記第２吐出温度より低い場合であって、前記第１吐出温度が前記第２吐出温度より高い場合には前記流路切替装置を前記第２流路にし、前記第１吐出温度が前記第２吐出温度より低い場合には前記流路切替装置を前記第１流路にする請求項４記載の冷凍サイクルシステム。
6. 前記制御装置は、前記入口温度が前記第１吐出温度より低く前記第２吐出温度より高い場合には、前記流路切替装置を前記第１バイパス流路にし、前記入口温度が前記第１吐出温度より高く前記第２吐出温度より低い場合には、前記流路切替装置を前記第２バイパス流路にする請求項３に従属する請求項４、又は請求項３に従属する請求項５記載の冷凍サイクルシステム。
7. 前記流路切替装置は、流路を開閉する複数の電磁弁で構成される請求項１〜６のいずれか一項に記載の冷凍サイクルシステム。
8. 前記流路切替装置は、四方弁で構成される請求項１〜６のいずれか一項に記載の冷凍サイクルシステム。
9. 前記高元側回路は、
   前記凝縮器をバイパスする第１バイパス回路を有する請求項１〜８のいずれか一項に記載の冷凍サイクルシステム。
10. 外気温度を検出する外気温度センサと、
    前記第１バイパス回路と前記凝縮器の出口側とが合流する位置に設けられ、第１冷媒温度を検出する第１冷媒温度センサと、
    前記第１冷媒温度センサで検出された前記第１冷媒温度が前記外気温度センサで検出された前記外気温度より低い場合には、前記凝縮器をバイパスし前記第１バイパス回路に冷媒を流す制御装置と、を更に備える請求項９記載の冷凍サイクルシステム。
11. 前記低元側回路には更に、前記第２熱交換器と前記カスケード熱交換器との間に、空気と冷媒とを熱交換する空気熱交換器が接続される請求項１〜１０のいずれか一項に記載の冷凍サイクルシステム。
12. 前記低元側回路は、
    前記空気熱交換器をバイパスする第２バイパス回路を有する請求項１１記載の冷凍サイクルシステム。
13. 外気温度を検出する外気温度センサと、
    前記第２バイパス回路と前記空気熱交換器の出口側とが合流する位置に設けられ、第２冷媒温度を検出する第２冷媒温度センサと、
    前記第２冷媒温度センサで検出された前記第２冷媒温度が前記外気温度センサで検出された前記外気温度より低い場合には、前記空気熱交換器をバイパスし前記第２バイパス回路に冷媒を流す制御装置と、を更に備える請求項１２記載の冷凍サイクルシステム。
14. 前記低元側回路には更に、前記蒸発器と前記第２圧縮機との間に、前記高元側回路の冷媒と前記低元側回路の冷媒とを熱交換する第３熱交換器が接続され、
    前記二元冷凍サイクルは更に、
    前記凝縮器の出口側の冷媒配管から分岐して前記第３熱交換器を通り、前記凝縮器の出口側と前記第１膨張弁との間の冷媒配管に合流する分岐回路を有する請求項１〜１３のいずれか一項に記載の冷凍サイクルシステム。
15. 前記凝縮器の出口側における第３冷媒温度を検出する第３冷媒温度センサと、
    前記第２圧縮機に吸入される冷媒の吸入温度を検出する吸入温度センサと、
    前記第３冷媒温度センサで検出された前記第３冷媒温度が前記吸入温度センサで検出された前記吸入温度より高い場合には、前記凝縮器から流出する冷媒を、前記分岐回路に流す制御装置と、を更に備える請求項１４記載の冷凍サイクルシステム。
16. 前記排熱回収回路に前記熱媒体を供給する送出装置を更に備える請求項１〜１５のいずれか一項に記載の冷凍サイクルシステム。
17. 前記入口温度センサで検出された前記入口温度が前記第１吐出温度センサで検出された第１吐出温度及び前記第２吐出温度センサで検出された前記第２吐出温度より高い場合には、前記送出装置の運転を停止させる制御装置を更に備える請求項４に従属する請求項１６記載の冷凍サイクルシステム。
18. 前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器のうち、少なくとも下流側の熱交換器では、前記熱媒体と冷媒とが対向して流れる請求項１〜１７のいずれか一項に記載の冷凍サイクルシステム。

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