JP7305050B2

JP7305050B2 - 冷凍サイクル装置

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Publication number: JP7305050B2
Application number: JP2022533260A
Authority: JP
Inventors: 正紘伊藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-06-29
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2023-07-07
Anticipated expiration: 2040-06-29
Also published as: JPWO2022003754A1; WO2022003754A1

Description

本開示は冷凍サイクル装置に関するものである。

従来、高元側冷媒回路と低元側冷媒回路とを有する二元冷凍サイクル装置が使用されている。例えば、国際公開第２０１８／００８０５３号公報（特許文献１）には、二元冷凍サイクル装置が記載されている。この二元冷凍サイクル装置では、カスケード熱交換器においてサブクール（過冷却度）を増加させることによりエンタルピー差が増大するため高能力化が可能となる。

国際公開第２０１８／００８０５３号公報

上記公報に記載された二元冷凍サイクル装置は、冷凍機としてのみ機能する。したがって、冷暖とも高能力化は不可能である。

本開示は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷暖とも高能力化が可能な冷凍サイクル装置を提供することである。

本開示の冷凍サイクル装置は、高元側冷媒回路と、低元側冷媒回路と、熱媒体回路とを備えている。高元側冷媒回路は、高元側圧縮機、高元側四方弁、高元側冷媒熱交換器、高元側膨張弁、カスケード熱交換器、第１熱媒体熱交換器、第１切替弁および第２切替弁を有し、高元側冷媒を循環させる。低元側冷媒回路は、低元側圧縮機、低元側四方弁、カスケード熱交換器、低元側膨張弁および第２熱媒体熱交換器を有し、低元側冷媒を循環させる。熱媒体回路は、第１熱媒体熱交換器および第２熱媒体熱交換器に熱媒体を流通させる。冷房運転時には、高元側冷媒回路を高元側圧縮機、高元側四方弁、高元側冷媒熱交換器、高元側膨張弁、第１切替弁、カスケード熱交換器、第２切替弁、高元側四方弁の順に高元側冷媒が流れるように、高元側四方弁、第１切替弁および第２切替弁が切り替えられ、低元側冷媒回路を低元側圧縮機、低元側四方弁、カスケード熱交換器、低元側膨張弁、第２熱媒体熱交換器、低元側四方弁の順に低元側冷媒が流れるように低元側四方弁が切り替えられ、第２熱媒体熱交換器において熱媒体回路を流通する熱媒体と低元側冷媒回路を循環する低元側冷媒との間で熱交換が行われる。暖房運転時には、高元側冷媒回路を高元側圧縮機、高元側四方弁、第２切替弁、第１熱媒体熱交換器、第１切替弁、高元側膨張弁、高元側冷媒熱交換器、高元側四方弁の順に高元側冷媒が流れるように、高元側四方弁、第１切替弁および第２切替弁が切り替えられ、低元側冷媒回路を低元側圧縮機、低元側四方弁、第２熱媒体熱交換器、低元側膨張弁、カスケード熱交換器、低元側四方弁の順に低元側冷媒が流れるように低元側四方弁が切り替えられ、第２熱媒体熱交換器において熱媒体回路を流通する熱媒体と低元側冷媒回路を循環する低元側冷媒との間で熱交換が行われ、かつ第１熱媒体熱交換器において熱媒体回路を流通する熱媒体と高元側冷媒回路を循環する高元側冷媒との間で熱交換が行われる。

本開示の冷凍サイクル装置によれば、冷房運転時にはカスケード熱交換器において高元側冷媒と低元側冷媒との間で熱交換が行われる。暖房運転時には第１熱媒体熱交換器において高元側冷媒と熱媒体との間で熱交換が行われる。したがって、冷暖とも高能力化が可能となる。

実施の形態に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。実施の形態に係る冷凍サイクル装置の変形例１の第１切替弁、第２切替弁、カスケード熱交換器および第１熱冷媒熱交換器を示す冷媒回路図である。実施の形態に係る冷凍サイクル装置の変形例１の冷房運転時における第１切替弁、第２切替弁、カスケード熱交換器および第１熱冷媒熱交換器での高元側冷媒の流れを示す冷媒回路図である。実施の形態に係る冷凍サイクル装置の変形例２の暖房運転時における第１切替弁、第２切替弁、カスケード熱交換器および第１熱冷媒熱交換器での高元側冷媒の流れを示す冷媒回路図である。実施の形態に係る冷凍サイクル装置の変形例２の第１熱媒体熱交換器での高元側冷媒および熱媒体の流れを示す冷媒回路図である。

以下、実施の形態について図を参照して説明する。なお、以下においては、同一または相当する部分に同一の符号を付すものとし、重複する説明は繰り返さない。実施の形態では、冷凍サイクル装置の一例としてチラーについて説明する。

図１を参照して、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１の構成について説明する。
冷凍サイクル装置１は、高元側冷媒回路１０と、低元側冷媒回路２０と、熱媒体回路３０と、制御装置４０とを備えている。

高元側冷媒回路１０は、高元側圧縮機１１、高元側四方弁１２、高元側冷媒熱交換器１３、高元側膨張弁１４、カスケード熱交換器１５、第１熱媒体熱交換器１６、第１切替弁１７および第２切替弁１８を有している。高元側圧縮機１１、高元側四方弁１２、高元側冷媒熱交換器１３、高元側膨張弁１４、カスケード熱交換器１５、第１熱媒体熱交換器１６、第１切替弁１７および第２切替弁１８は配管で接続されている。高元側冷媒回路１０は、高元側冷媒を循環させるように構成されている。

高元側圧縮機１１は、高元側冷媒を圧縮するように構成されている。高元側圧縮機１１は吸入口および吐出口を有している。高元側圧縮機１１は、吸入口から吸入した高元側冷媒を圧縮して吐出口から吐出するように構成されている。高元側圧縮機１１は容量可変に構成されている。高元側圧縮機１１は、制御装置４０からの指示に基づいて高元側圧縮機１１の回転数が調整されることにより容量が変化するように構成されていてもよい。

高元側四方弁１２は、高元側圧縮機１１と、高元側冷媒熱交換器１３と、第２切替弁１８とに接続されている。高元側四方弁１２は、高元側圧縮機１１により圧縮された高元側冷媒を高元側冷媒熱交換器１３または第２切替弁１８のいずれかに流すように切り替え可能に構成されている。具体的には、高元側四方弁１２は、冷房運転時に高元側圧縮機１１から吐出された高元側冷媒を高元側冷媒熱交換器１３に流し、暖房運転時に高元側圧縮機１１から吐出された高元側冷媒を第２切替弁１８に流すように、高元側冷媒の流れを切り替えるように構成されている。

高元側冷媒熱交換器１３は、高元側冷媒熱交換器１３内を流れる高元側冷媒と高元側冷媒熱交換器１３の周りの空気との間で熱交換を行うように構成されている。高元側冷媒熱交換器１３は、高元側四方弁１２と高元側膨張弁１４とに接続されている。高元側冷媒熱交換器１３は、冷房運転時には高元側冷媒を凝縮させる凝縮器として機能し、暖房運転時には高元側冷媒を蒸発させる蒸発器として機能する。高元側冷媒熱交換器１３は、たとえば、複数のフィンと、複数のフィンを貫通する管とを有するプレートフィンチューブ式熱交換器である。

高元側膨張弁１４は、凝縮器で凝縮された高元側冷媒を膨張させることにより減圧するように構成されている。高元側膨張弁１４は、高元側冷媒熱交換器１３と第１切替弁１７とに接続されている。高元側膨張弁１４は、冷房運転時には高元側冷媒熱交換器１３により凝縮された高元側冷媒を減圧する絞り装置となり、暖房運転時には第１熱媒体熱交換器１６により凝縮された高元側冷媒を減圧する絞り装置となる。高元側膨張弁１４は、たとえば、電磁弁またはキャピラリ－チューブである。

カスケード熱交換器１５は、高元側冷媒回路１０を循環する高元側冷媒と低元側冷媒回路２０を循環する低元側冷媒との間で熱交換を行うように構成されている。高元側冷媒回路１０において、カスケード熱交換器１５は、第１切替弁１７と第２切替弁１８とに接続されている。高元側冷媒回路１０において、カスケード熱交換器１５は、冷房運転時には高元側冷媒を蒸発させる蒸発器として機能する。カスケード熱交換器１５は、冷房運転時には高元側冷媒が循環し、暖房運転時には高元側冷媒が循環しないように構成されている。

低元側冷媒回路２０において、カスケード熱交換器１５は、低元側冷媒熱交換器２３と低元側膨張弁２４とに接続されている。低元側冷媒回路２０において、カスケード熱交換器１５は、冷房運転時には低元側冷媒を凝縮させる凝縮器として機能する。また、低元側冷媒回路２０において、カスケード熱交換器１５は、暖房運転時には低元側冷媒を蒸発させる蒸発器として機能する。

第１熱媒体熱交換器１６は、高元側冷媒回路１０を循環する高元側冷媒と熱媒体回路３０を流通する熱媒体との間で熱交換を行うように構成されている。第１熱媒体熱交換器１６は、第１切替弁１７と第２切替弁１８とに接続されている。第１熱媒体熱交換器１６は、冷房運転時には高元側冷媒が循環せず、暖房運転時には高元側冷媒が循環するように構成されている。

第１熱媒体熱交換器１６は、冷房運転時には、熱媒体回路３０を流通する熱媒体と高元側冷媒回路１０を循環する高元側冷媒との間で熱交換が行われないように構成されている。第１熱媒体熱交換器１６は、暖房運転時には、熱媒体回路３０を流通する熱媒体と高元側冷媒回路１０を循環する高元側冷媒との間で熱交換が行われるように構成されている。

第１切替弁１７は、高元側膨張弁１４と、カスケード熱交換器１５と、第１熱媒体熱交換器１６とに接続されている。第１切替弁１７は、三方弁である。第１切替弁１７は、高元側膨張弁１４に対して、カスケード熱交換器１５および第１熱媒体熱交換器１６を並列に接続している。第１切替弁１７は、高元側膨張弁１４と、カスケード熱交換器１５および第１熱媒体熱交換器１６との間で、高元側冷媒の流れを切り替えるように構成されている。

具体的には、第１切替弁１７は、冷房運転時に、高元側膨張弁１４から流入した高元側冷媒をカスケード熱交換器１５に流すように構成されている。なお、第１切替弁１７は、冷房運転時に、高元側膨張弁１４から流入した高元側冷媒を第１熱媒体熱交換器１６に流さないように構成されている。また、第１切替弁１７は、暖房運転時に、第１熱媒体熱交換器１６から流入した高元側冷媒を高元側膨張弁１４に流すように構成されている。なお、第１切替弁１７は、暖房運転時に、カスケード熱交換器１５から流入した高元側冷媒を高元側膨張弁１４に流さないように構成されている。

第２切替弁１８は、高元側四方弁１２と、カスケード熱交換器１５と、第１熱媒体熱交換器１６とに接続されている。第２切替弁１８は、三方弁である。第２切替弁１８は、高元側四方弁１２に対して、カスケード熱交換器１５および第１熱媒体熱交換器１６を並列に接続している。第２切替弁１８は、高元側四方弁１２と、カスケード熱交換器１５および第１熱媒体熱交換器１６との間で、高元側冷媒の流れを切り替えるように構成されている。

具体的には、第２切替弁１８は、冷房運転時に、カスケード熱交換器１５から流入した高元側冷媒を高元側四方弁１２に流すように構成されている。なお、第２切替弁１８は、冷房運転時に、第１熱媒体熱交換器１６から流入した高元側冷媒を高元側四方弁１２に流さないように構成されている。また、第２切替弁１８は、暖房運転時に、高元側四方弁１２から流入した高元側冷媒を第１熱媒体熱交換器１６に流すように構成されている。なお、第２切替弁１８は、暖房運転時に、高元側四方弁１２から流入した高元側冷媒をカスケード熱交換器１５に流さないように構成されている。

低元側冷媒回路２０は、低元側圧縮機２１、低元側四方弁２２、低元側冷媒熱交換器２３、カスケード熱交換器１５、低元側膨張弁２４および第２熱媒体熱交換器２５を有している。低元側圧縮機２１、低元側四方弁２２、低元側冷媒熱交換器２３、カスケード熱交換器１５、低元側膨張弁２４および第２熱媒体熱交換器２５は配管で接続されている。低元側冷媒回路２０は、低元側冷媒を循環させるように構成されている。

低元側圧縮機２１は、低元側冷媒を圧縮するように構成されている。低元側圧縮機２１は吸入口および吐出口を有している。低元側圧縮機２１は、吸入口から吸入した低元側冷媒を圧縮して吐出口から吐出するように構成されている。低元側圧縮機２１は容量可変に構成されている。低元側圧縮機２１は、制御装置４０からの指示に基づいて低元側圧縮機２１の回転数が調整されることにより容量が変化するように構成されていてもよい。

低元側四方弁２２は、低元側圧縮機２１と、低元側冷媒熱交換器２３と、第２熱媒体熱交換器２５とに接続されている。低元側四方弁２２は、低元側圧縮機２１により圧縮された低元側冷媒を低元側冷媒熱交換器２３または第２熱媒体熱交換器２５のいずれかに流すように切り替え可能に構成されている。具体的には、低元側四方弁２２は、冷房運転時に低元側圧縮機２１から吐出された低元側冷媒を低元側冷媒熱交換器２３に流し、暖房運転時に低元側圧縮機２１から吐出された低元側冷媒を第２熱媒体熱交換器２５に流すように低元側冷媒の流れを切り替えるように構成されている。

本実施の形態では、低元側四方弁２２は、冷房運転時には、低元側冷媒回路２０を低元側圧縮機２１、低元側四方弁２２、低元側冷媒熱交換器２３、カスケード熱交換器１５、低元側膨張弁２４、第２熱媒体熱交換器２５、低元側四方弁２２の順に低元側冷媒が流れるように切り替え可能に構成されている。

低元側四方弁２２は、暖房運転時には、低元側冷媒回路２０を低元側圧縮機２１、低元側四方弁２２、第２熱媒体熱交換器２５、低元側膨張弁２４、カスケード熱交換器１５、低元側冷媒熱交換器２３、低元側四方弁２２の順に低元側冷媒が流れるように切り替え可能に構成されている。

低元側冷媒熱交換器２３は、低元側冷媒熱交換器２３内を流れる低元側冷媒と低元側冷媒熱交換器２３の周りの空気との間で熱交換を行うように構成されている。低元側冷媒熱交換器２３は、補助熱交換器である。なお、低元側冷媒回路２０は、低元側冷媒熱交換器２３を備えていなくてもよい。低元側冷媒熱交換器２３は、低元側四方弁２２とカスケード熱交換器１５とに接続されている。低元側冷媒熱交換器２３は、冷房運転時には低元側冷媒を凝縮させる凝縮器として機能し、暖房運転時には低元側冷媒を蒸発させる蒸発器として機能する。低元側冷媒熱交換器２３は、たとえば、複数のフィンと、複数のフィンを貫通する管とを有するプレートフィンチューブ式熱交換器である。

低元側膨張弁２４は、凝縮器で凝縮された低元側冷媒を膨張させることにより減圧するように構成されている。低元側膨張弁２４は、カスケード熱交換器１５と第２熱媒体熱交換器２５とに接続されている。低元側膨張弁２４は、冷房運転時には低元側冷媒熱交換器２３およびカスケード熱交換器１５により凝縮された低元側冷媒を減圧する絞り装置となり、暖房運転時には第２熱媒体熱交換器２５により凝縮された低元側冷媒を減圧する絞り装置となる。低元側膨張弁２４は、たとえば、電磁弁またはキャピラリーチューブである。

第２熱媒体熱交換器２５は、低元側冷媒回路２０を循環する低元側冷媒と熱媒体回路３０を流通する熱媒体との間で熱交換を行うように構成されている。第２熱媒体熱交換器２５は低元側膨張弁２４と低元側四方弁２２とに接続されている。第２熱媒体熱交換器２５は、冷房運転時には低元側冷媒を蒸発させる蒸発器として機能し、暖房運転時には低元側冷媒を凝縮させる凝縮器として機能する。

第２熱媒体熱交換器２５は、冷房運転時および暖房運転時において、熱媒体回路３０を流通する熱媒体と低元側冷媒回路２０を循環する低元側冷媒との間で熱交換が行われるように構成されている。

熱媒体回路３０は、第１熱媒体熱交換器１６および第２熱媒体熱交換器２５に熱媒体を流通させるように構成されている。第１熱媒体熱交換器１６および第２熱媒体熱交換器２５は配管で接続されている。熱媒体は、たとえば、水または不凍液である。熱媒体回路３０は、たとえば、放熱器に接続されており、放熱器に熱媒体を供給するように構成されている。この放熱器は、たとえば、ショーケースである。

高元側冷媒は、たとえば、可燃性冷媒であり、低元側冷媒は、たとえば、不燃性冷媒である。具体的には、高元側冷媒は、たとえば、プロパンであり、低元側冷媒は、たとえば、二酸化炭素（ＣＯ_２）である。また、高元側冷媒は、たとえば、Ｒ３２であり、低元側冷媒は、たとえば、二酸化炭素（ＣＯ_２）である。

制御装置４０は、演算、指示等を行って冷凍サイクル装置１の各手段、機器等を制御するように構成されている。

次に、図１を参照して、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１の動作について説明する。

まず、冷凍サイクル装置１の冷房運転時の動作について説明する。冷房運転とは、高元側冷媒回路１０、低元側冷媒回路２０、熱媒体回路３０を動作させ、熱媒体回路３０を流通する熱媒体により図示しない放熱器の周囲の空間を冷やす動作である。

高元側冷媒回路１０においては、冷房運転時には、高元側冷媒回路１０を高元側圧縮機１１、高元側四方弁１２、高元側冷媒熱交換器１３、高元側膨張弁１４、第１切替弁１７、カスケード熱交換器１５、第２切替弁１８、高元側四方弁１２の順に高元側冷媒が流れるように、高元側四方弁１２、第１切替弁１７および第２切替弁１８が切り替えられる。

高元側圧縮機１１は高元側冷媒を圧縮する。これにより、高元側冷媒は、高温高圧のガス状態となる。この高温高圧のガス状態の高元側冷媒は、高元側圧縮機１１から吐出され、高元側四方弁１２を経由して高元側冷媒熱交換器１３にて空気に対して放熱することで凝縮し、高圧の液状態となる。この高圧の液状態の高元側冷媒は、高元側膨張弁１４に流れ、高元側膨張弁１４にて膨張することで減圧され、低温低圧の気液二相状態となる。

この低温低圧の気液二相状態の高元側冷媒は、第１切替弁１７を経由してカスケード熱交換器１５に流れ、カスケード熱交換器１５において低元側冷媒回路２０を循環する低元側冷媒との間で熱交換が行われることで蒸発し、低圧のガス状態となる。この低圧のガス状態の高元側冷媒は、第２切替弁１８を経由して高元側四方弁１２を通って高元側圧縮機１１に戻り、高元側圧縮機１１により圧縮される。このようにして、冷房運転時に高元側冷媒が高元側冷媒回路を循環する。

低元側冷媒回路２０においては、冷房運転時には、低元側冷媒回路２０を低元側圧縮機２１、低元側四方弁２２、低元側冷媒熱交換器２３、カスケード熱交換器１５、低元側膨張弁２４、第２熱媒体熱交換器２５、低元側四方弁２２の順に低元側冷媒が流れるように低元側四方弁２２が切り替えられる。

低元側圧縮機２１は低元側冷媒を圧縮する。これにより、低元側冷媒は、高温高圧のガス状態となる。この高温高圧のガス状態の低元側冷媒は、低元側圧縮機２１から吐出され、低元側四方弁２２を経由して低元側冷媒熱交換器２３にて空気に対して放熱することで凝縮する。低元側冷媒熱交換器２３にて凝縮された低元側冷媒は、カスケード熱交換器１５に流れ、高元側冷媒回路１０を循環する高元側冷媒との間で熱交換が行われることで凝縮することにより、高圧の液状態となる。この高圧の液状態の低元側冷媒は、低元側膨張弁２４に流れ、低元側膨張弁２４にて膨張することで減圧され、低温低圧の気液二相状態となる。

この低温低圧の気液二相状態の低元側冷媒は、第２熱媒体熱交換器２５に流れ、第２熱媒体熱交換器２５において熱媒体回路３０を流通する熱媒体との間で熱交換が行われることで蒸発し、低圧のガス状態となる。この低圧のガス状態の低元側冷媒は、低元側四方弁２２を経由し低元側圧縮機２１に戻り、低元側圧縮機２１により圧縮される。このようにして、冷房運転時に低元側冷媒が低元側冷媒回路を循環する。

熱媒体回路３０では、第１熱媒体熱交換器１６および第２熱媒体熱交換器２５に熱媒体が流通する。第２熱媒体熱交換器２５において熱媒体回路３０を流通する熱媒体と低元側冷媒回路２０を循環する低元側冷媒との間で熱交換が行われる。冷房運転時には、第２熱媒体熱交換器２５において低元側冷媒回路２０を循環する低元側冷媒と熱媒体回路３０を流通する熱媒体との間で熱交換が行われることにより熱媒体が冷却される。

続いて、冷凍サイクル装置１の暖房運転時の動作について説明する。暖房運転とは、高元側冷媒回路１０、低元側冷媒回路２０、熱媒体回路３０を動作させ、熱媒体回路３０を流通する熱媒体により図示しない放熱器の周囲の空間を暖める動作である。

高元側冷媒回路１０においては、暖房運転時には、高元側冷媒回路１０を高元側圧縮機１１、高元側四方弁１２、第２切替弁１８、第１熱媒体熱交換器１６、第１切替弁１７、高元側膨張弁１４、高元側冷媒熱交換器１３、高元側四方弁１２の順に高元側冷媒が流れるように高元側四方弁１２、第１切替弁１７および第２切替弁１８が切り替えられる。

高元側圧縮機１１は高元側冷媒を圧縮する。これにより、高元側冷媒は、高温高圧のガス状態となる。この高温高圧のガス状態の高元側冷媒は、高元側圧縮機１１から吐出され、高元側四方弁１２を経由して第２切替弁１８を通って第１熱媒体熱交換器１６に流れ、第１熱媒体熱交換器１６において熱媒体回路３０を流通する熱冷媒との間で熱交換が行われることで凝縮する。第１熱媒体熱交換器１６にて凝縮した高元側冷媒は、高圧の液状態となる。この高圧の液状態の高元側冷媒は、第１切替弁１７を経由して高元側膨張弁１４に流れ、高元側膨張弁１４にて膨張することで減圧され、低温低圧の気液二相状態となる。

この低温低圧の気液二相状態の高元側冷媒は、高元側冷媒熱交換器１３にて空気との間で熱交換が行われることで蒸発し、低圧のガス状態となる。この低圧のガス状態の高元側冷媒は、高元側四方弁１２を経由して高元側圧縮機１１に戻り、高元側圧縮機１１により圧縮される。このようにして、暖房運転時に高元側冷媒が高元側冷媒回路を循環する。

低元側冷媒回路２０においては、暖房運転時には、低元側冷媒回路２０を低元側圧縮機２１、低元側四方弁２２、第２熱媒体熱交換器２５、低元側膨張弁２４、カスケード熱交換器１５、低元側冷媒熱交換器２３、低元側四方弁２２の順に低元側冷媒が流れるように低元側四方弁２２が切り替えられる。

低元側圧縮機２１は低元側冷媒を圧縮する。これにより、低元側冷媒は、高温高圧のガス状態となる。この高温高圧のガス状態の低元側冷媒は、低元側圧縮機２１から吐出され、低元側四方弁２２を経由して第２熱媒体熱交換器２５に流れ、第２熱媒体熱交換器２５において熱媒体回路３０を流通する熱媒体との間で熱交換が行われることで凝縮し、高圧の液状態となる。この高圧の液状態の低元側冷冷媒は、低元側膨張弁２４に流れ、低元側膨張弁２４にて膨張することで減圧され、低温低圧の気液二相状態となる。

この低温低圧の気液二相状態の高元側冷媒は、カスケード熱交換器１５に流れ、カスケード熱交換器１５において高元側冷媒回路１０を循環する高元側冷媒との間で熱交換が行われることで蒸発する。カスケード熱交換器１５にて蒸発した低元側冷媒は、低元側冷媒熱交換器２３にて空気との間で熱交換が行われることで蒸発し、低圧のガス状態となる。この低圧のガス状態の低元側冷媒は、低元側四方弁２２を経由して低元側圧縮機２１に戻り、低元側圧縮機２１により圧縮される。このようにして、暖房運転時に低元側冷媒が低元側冷媒回路を循環する。

熱媒体回路３０では、第１熱媒体熱交換器１６および第２熱媒体熱交換器２５に熱媒体が流通する。第２熱媒体熱交換器２５において熱媒体回路３０を流通する熱媒体と低元側冷媒回路２０を循環する低元側冷媒との間で熱交換が行われる。さらに、第１熱媒体熱交換器１６において熱媒体回路３０を流通する熱媒体と高元側冷媒回路１０を循環する高元側冷媒との間で熱交換が行われる。

暖房運転時には、第１熱媒体熱交換器１６にて高元側冷媒回路１０を循環する高元側冷媒と熱媒体回路３０を流通する熱媒体との間で熱交換が行われ、さらに、第２熱媒体熱交換器２５にて低元側冷媒回路２０を循環する低元側冷媒と熱媒体回路３０を流通する熱媒体との間で熱交換が行われることにより熱媒体が加熱される。

次に、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１の作用効果について説明する。
実施の形態に係る冷凍サイクル装置１によれば、冷房運転時にはカスケード熱交換器１５において高元側冷媒と低元側冷媒との間で熱交換が行われる。このため、サブクール（過冷却度）を増加させることによりエンタルピー差が増大するため高能力化が可能となる。一方、暖房運転時には、第１熱媒体熱交換器１６において高元側冷媒と熱媒体との間で熱交換が行われる。このため、第１熱媒体熱交換器１６において高元側冷媒によって熱媒体を直接的に加熱できる。熱交換効率は、カスケード熱交換器１５を介して高元側冷媒と熱媒体との間で熱交換が行われる場合よりも、高元側冷媒と熱媒体との間で直接的に熱交換が行われる場合の方が良い。よって、高能力化が可能となる。したがって、冷暖とも高能力化が可能となる。

実施の形態に係る冷凍サイクル装置１によれば、第１切替弁１７および第２切替弁１８は、三方弁である。このため、複数の開閉弁を用いる場合よりも、高元側冷媒回路１０の簡略化が可能となる。これにより、高元側冷媒回路１０を構成する機器の縮小が可能となる。さらに、高元側冷媒回路１０のコストの削減が可能となる。

実施の形態に係る冷凍サイクル装置１によれば、高元側冷媒は可燃性冷媒であり、低元側冷媒は不燃性冷媒である。冷房運転時には高元側冷媒が第１熱媒体熱交換器１６に流れないため、熱媒体の凍結によって第１熱媒体熱交換器１６が破壊されない。このため、第１熱媒体熱交換器１６が破壊されることにより、室内に可燃性冷媒が流出しない。したがって、高元側冷媒が可燃性冷媒であっても安全性の確保が可能となる。

また、高元側冷媒がたとえばプロパンなどの可燃性冷媒であり、低元側冷媒がたとえば二酸化炭素（ＣＯ_２）であることにより、フロンの使用を規制する冷媒規制に対応することが可能となる。

次に、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１の変形例について説明する。なお、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１の変形例は、特に説明しない限り本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１と同一の構成、動作および効果を有している。

図２を参照して、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１の変形例１について説明する。本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１の変形例１では、第１切替弁１７は、第１電磁弁１７ａと、第２電磁弁１７ｂとを有している。第２切替弁１８は、第３電磁弁１８ａと、第４電磁弁１８ｂとを有している。第１電磁弁１７ａ、第２電磁弁１７ｂ、第３電磁弁１８ａ、第４電磁弁１８ｂは、制御装置４０からの指示に基づいて開閉するように構成されている。

第１電磁弁１７ａは、高元側膨張弁１４と、カスケード熱交換器１５と、第２電磁弁１７ｂとに接続されている。高元側冷媒回路１０において、第１電磁弁１７ａは、高元側膨張弁１４と、カスケード熱交換器１５との間に配置されている。第２電磁弁１７ｂは、高元側膨張弁１４と、第１熱媒体熱交換器１６と、第１電磁弁１７ａとに接続されている。高元側冷媒回路１０において、第２電磁弁１７ｂは、高元側膨張弁１４と第１熱媒体熱交換器１６との間に配置されている。第１電磁弁１７ａおよび第２電磁弁１７ｂは、高元側膨張弁１４に対して並列に接続されている。

第３電磁弁１８ａは、高元側四方弁１２と、カスケード熱交換器１５と、第４電磁弁１８ｂとに接続されている。高元側冷媒回路１０において、第３電磁弁１８ａは、高元側四方弁１２とカスケード熱交換器１５との間に配置されている。第４電磁弁１８ｂは、高元側四方弁１２と、第１熱媒体熱交換器１６と、第３電磁弁１８ａとに接続されている。高元側冷媒回路１０において、第４電磁弁１８ｂは、高元側四方弁１２と第１熱媒体熱交換器１６との間に配置されている。第３電磁弁１８ａおよび第４電磁弁１８ｂは、高元側四方弁１２に対して並列に接続されている。

図３を参照して、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１の変形例１の冷房運転時における動作について説明する。冷房運転時には、第１電磁弁１７ａは開状態となり、第２電磁弁１７ｂは閉状態となる。また、冷房運転時には、第３電磁弁１８ａは開状態となり、第４電磁弁１８ｂは閉状態となる。したがって、高元側冷媒は、カスケード熱交換器１５を流れる。また、高元側冷媒は、第１熱媒体熱交換器１６を流れない。

図４を参照して、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１の変形例２の暖房運転時における動作について説明する。暖房運転時には、第１電磁弁１７ａは閉状態となり、第２電磁弁１７ｂは開状態となる。また、暖房運転時には、第３電磁弁１８ａは閉状態となり、第４電磁弁は、開状態となる。したがって、高元側冷媒は、第１熱媒体熱交換器１６を流れる。また、高元側冷媒は、カスケード熱交換器１５を流れない。

本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１の変形例１によれば、第１切替弁１７は第１電磁弁１７ａと第２電磁弁１７ｂを有しており、第２切替弁１８は第３電磁弁１８ａと第４電磁弁１８ｂとを有している。したがって、第１切替弁１７および第２切替弁１８として三方弁の代わりに電磁弁を用いることができる。

図５を参照して、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１の変形例２では、第２熱媒体熱交換器２５は、低元側冷媒が上下に流れるように構成されている。

第２熱媒体熱交換器２５を流れる低元側冷媒は、冷房運転時には下から上に向けて流れ、暖房運転時には上から下に向けて流れる。したがって、冷房運転時にはガス状態の低元側冷媒が下から上に向けて流れ、暖房運転時には液状態の低元側冷媒が上から下に向けて流れる。第２熱媒体熱交換器２５を流れる熱媒体は、冷房運転時および暖房運転時において下から上に向けて流れる。第２熱媒体熱交換器２５を流れる低元側冷媒と熱媒体とは、第２熱媒体熱交換器２５が蒸発器として機能する冷房運転時には並行に流れ、第２熱媒体熱交換器２５が凝縮器として機能する暖房運転時には対向して流れる。

実施の形態に係る冷凍サイクル装置１の変形例２によれば、第２熱媒体熱交換器２５を流れる低元側冷媒は、冷房運転時には下から上に向けて流れ、暖房運転時には上から下に向けて流れる。したがって、冷房運転時にはガス状態の低元側冷媒が下から上に向けて流れ、暖房運転時には液状態の低元側冷媒が上から下に向けて流れる。仮に、冷房運転時にガス状態の低元側冷媒が上から下に流れると、低元側冷媒が流れる際の抵抗が大きくなるため、熱伝達効率が低下する。これに対して、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１では、冷房運転時にはガス状態の低元側冷媒が下から上に向けて流れるため、熱伝達効率の低下を抑制することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１冷凍サイクル装置、１０高元側冷媒回路、１１高元側圧縮機、１２高元側四方弁、１３高元側冷媒熱交換器、１４高元側膨張弁、１５カスケード熱交換器、１６第１熱媒体熱交換器、１７第１切替弁、１７ａ第１電磁弁、１７ｂ第２電磁弁、１８第２切替弁、１８ａ第３電磁弁、１８ｂ第４電磁弁、２０低元側冷媒回路、２１低元側圧縮機、２２低元側四方弁、２３低元側冷媒熱交換器、２４低元側膨張弁、２５第２熱媒体熱交換器、３０熱媒体回路、４０制御装置。

Claims

高元側圧縮機、高元側四方弁、高元側冷媒熱交換器、高元側膨張弁、カスケード熱交換器、第１熱媒体熱交換器、第１切替弁および第２切替弁を有し、高元側冷媒を循環させる高元側冷媒回路と、
低元側圧縮機、低元側四方弁、前記カスケード熱交換器、低元側膨張弁および第２熱媒体熱交換器を有し、低元側冷媒を循環させる低元側冷媒回路と、
前記第１熱媒体熱交換器および前記第２熱媒体熱交換器に熱媒体を流通させる熱媒体回路とを備え、
冷房運転時には、
前記高元側冷媒回路を前記高元側圧縮機、前記高元側四方弁、前記高元側冷媒熱交換器、前記高元側膨張弁、前記第１切替弁、前記カスケード熱交換器、前記第２切替弁、前記高元側四方弁の順に前記高元側冷媒が流れるように、前記高元側四方弁、前記第１切替弁および前記第２切替弁が切り替えられ、
前記低元側冷媒回路を前記低元側圧縮機、前記低元側四方弁、前記カスケード熱交換器、前記低元側膨張弁、前記第２熱媒体熱交換器、前記低元側四方弁の順に前記低元側冷媒が流れるように前記低元側四方弁が切り替えられ、
前記第２熱媒体熱交換器において前記熱媒体回路を流通する前記熱媒体と前記低元側冷媒回路を循環する前記低元側冷媒との間で熱交換が行われ、
暖房運転時には、
前記高元側冷媒回路を前記高元側圧縮機、前記高元側四方弁、前記第２切替弁、前記第１熱媒体熱交換器、前記第１切替弁、前記高元側膨張弁、前記高元側冷媒熱交換器、前記高元側四方弁の順に前記高元側冷媒が流れるように、前記高元側四方弁、前記第１切替弁および前記第２切替弁が切り替えられ、
前記低元側冷媒回路を前記低元側圧縮機、前記低元側四方弁、前記第２熱媒体熱交換器、前記低元側膨張弁、前記カスケード熱交換器、前記低元側四方弁の順に前記低元側冷媒が流れるように前記低元側四方弁が切り替えられ、
前記第２熱媒体熱交換器において前記熱媒体回路を流通する前記熱媒体と前記低元側冷媒回路を循環する前記低元側冷媒との間で熱交換が行われ、かつ前記第１熱媒体熱交換器において前記熱媒体回路を流通する前記熱媒体と前記高元側冷媒回路を循環する前記高元側冷媒との間で熱交換が行われる、冷凍サイクル装置。
前記第１切替弁および前記第２切替弁は、三方弁である、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
前記第１切替弁は、第１電磁弁と、第２電磁弁とを有し、
前記高元側冷媒回路において、前記第１電磁弁は、前記高元側膨張弁と、前記カスケード熱交換器との間に配置され、かつ、前記第２電磁弁は、前記高元側膨張弁と、前記第１熱媒体熱交換器との間に配置され、
前記第１電磁弁および前記第２電磁弁は前記高元側膨張弁に対して並列に接続され、
前記第２切替弁は、第３電磁弁と、第４電磁弁とを有し、
前記高元側冷媒回路において、前記第３電磁弁は、前記高元側四方弁と前記カスケード熱交換器との間に配置され、かつ、前記第４電磁弁は、前記高元側四方弁と前記第１熱媒体熱交換器との間に配置され、
前記第３電磁弁および前記第４電磁弁は、前記高元側四方弁に対して並列に接続されている、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
前記高元側冷媒は、可燃性冷媒であり、
前記低元側冷媒は、不燃性冷媒である、請求項１～３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
前記第２熱媒体熱交換器を流れる前記低元側冷媒は、前記冷房運転時には下から上に向けて流れ、前記暖房運転時には上から下に向けて流れる、請求項１～４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。