WO2010098005A1 - ２元式ヒートポンプ及び冷凍機 - Google Patents

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WO2010098005A1
WO2010098005A1 PCT/JP2009/071436 JP2009071436W WO2010098005A1 WO 2010098005 A1 WO2010098005 A1 WO 2010098005A1 JP 2009071436 W JP2009071436 W JP 2009071436W WO 2010098005 A1 WO2010098005 A1 WO 2010098005A1
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heat
heat pump
refrigerant
upstream
downstream
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PCT/JP2009/071436
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English (en)
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Inventor
良平 岩谷
Original Assignee
株式会社岩谷冷凍機製作所
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B7/00—Compression machines, plants or systems, with cascade operation, i.e. with two or more circuits, the heat from the condenser of one circuit being absorbed by the evaporator of the next circuit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B29/00—Combined heating and refrigeration systems, e.g. operating alternately or simultaneously
    • F25B29/003—Combined heating and refrigeration systems, e.g. operating alternately or simultaneously of the compression type system

Definitions

  • the present invention relates to a two-way heat pump and a refrigerator having two vapor compression cycles of a low element side and a high element side.
  • a vapor compression cycle consisting of a compressor, a condenser, an expansion valve, and an evaporator
  • the refrigerant sucked by the compressor Density decreases.
  • the flow rate (mass flowing per unit time) of the refrigerant circulating in the vapor compression cycle is lowered, and the heating or refrigeration capacity is lowered.
  • the compression ratio in the compressor increases, the compression work increases, and the so-called heating or refrigeration operating coefficient decreases. Therefore, in cold districts where the outside air temperature is low, the heating capacity and heating efficiency are problematic.
  • a refrigerant having a high density for example, R404A, R407C, R717, etc. even at a low temperature.
  • a refrigerant having a high density even at a low temperature when condensed, that is, heated in a warm state such as indoors, the condensation pressure becomes high, and it is necessary to increase the pressure circulation strength of the refrigerant circulation path and the equipment, resulting in a low manufacturing cost. Bulky.
  • binary heat pumps in which the refrigerants are different have been proposed.
  • this binary heat pump two vapor compression cycles are provided on the low element side and the high element side, a refrigerant having a high density at low temperatures is used on the low element side, and a refrigerant having a high evaporation temperature is disposed on the high element side. use.
  • the high-side refrigerant is evaporated using the high-temperature condensation heat of the low-side refrigerant as a heat source, and the room heating and the heating medium are supplied using the high-side condenser as a heat source.
  • the condensation temperature of the low-side refrigerant can be set lower than the temperature of the room or the like warmed by heating. Therefore, the condensation pressure of the low source side heat pump can be lowered.
  • the evaporation of the high-side refrigerant is performed by the condensation heat on the low-side side, so that the evaporation temperature of the high-side refrigerant can be set higher than that of the low-temperature outside air or the like. Therefore, about the high-source side heat pump, the capacity and the operation coefficient such as heating can be improved.
  • Patent Documents 1 and 2 As an example of such a binary heat pump, means as shown in Patent Documents 1 and 2 have been proposed.
  • the waste heat source type high temperature heat pump is provided with two evaporators 44 and 45 in series and the waste heat 46 is sufficient, as described in the attached drawings 1 and the like.
  • the waste heat is absorbed by the upstream evaporator 44, and when the waste heat 46 is insufficient, in addition to the waste heat, the condensation heat of the air heat source type low-temperature heat pump is used as the downstream evaporator. 44 absorbs heat.
  • the heat pump type heat medium device described in Patent Document 2 is provided with two condensers, an upstream side and a downstream side, in series in a low-stage heat pump that uses outside air as a heat source, and radiates heat in the downstream condenser.
  • the heat medium is preheated by the condensed heat
  • the refrigerant of the high-stage heat pump is evaporated by the condensed heat radiated in the upstream condenser 13
  • the preheated heat is condensed by the condensation heat of the high-stage heat pump. Increase the temperature of the medium.
  • JP-A-62-225860 Japanese Patent Laid-Open No. 04-263758
  • an object of the present invention is to provide a binary heat pump that can further improve the heating capability, cooling capability, and operation coefficient of the low-source side heat pump and the high-source side heat pump.
  • the dual heat pump according to the present invention is characterized in that two condensers are provided in series in each of the low-side heat pump and the high-side heat pump, and the condenser on the upstream side of the low-side heat pump.
  • the heat medium is pre-heated by the heat of condensation in the refrigerant
  • the refrigerant of the high heat pump is evaporated in the evaporator by the heat of condensation in the condenser downstream of the low heat pump, and the condensation in the condenser upstream of the high heat pump is performed.
  • the purpose is to further raise the temperature of the preheated heating medium by heat.
  • the heat amount radiated by the condenser on the downstream side of the high-side heat pump is stored in the heat storage tank.
  • the binary heat pump according to the present invention will be described with reference to the thermodynamic cycle shown in FIG. 1 (hereinafter simply referred to as “cycle”).
  • cycle the component which comprises each process of this cycle, for example, the compressor 1 which comprises a compression process, is not illustrated.
  • the cycle shown in FIG. 1 includes a low-side heat pump 1, a high-side heat pump 2, a heat medium path 3, and a heat storage tank 4.
  • the low-source-side heat pump 1 includes a first compressor 11 that compresses the refrigerant gas in the state L1 to the high-temperature and high-pressure state L2, and a first compressor that condenses the high-temperature and high-pressure refrigerant gas in the state L2 to the saturated liquid state L3.
  • the upstream condensing element 12U, the first downstream condensing element 12L that cools the saturated liquid in the state L3 to the supercooled liquid state L4, and the supercooled liquid in the state L4 are gas-liquid mixed of the refrigerant liquid and the refrigerant gas.
  • the refrigerant 15 is included.
  • the high-side heat pump 2 compresses the refrigerant gas in the state H1 to the high temperature and high pressure state H2, and the second compressor 21 condenses the high temperature and high pressure refrigerant gas in the state H2 to the saturated liquid state H3.
  • the expansion valve 23 includes a second evaporation element 24 that evaporates the gas-liquid mixed refrigerant in the state H5 to the saturated gas state H1, and a second refrigerant 25 that circulates these elements in this order.
  • the heat medium path 3 includes a pump 31, an upstream heat absorber 32, a downstream heat absorber 33, a heat radiator 34, and a heat medium 35 that flows through these in this order.
  • the first evaporation element 14 provided in the low-source side heat pump 1 absorbs the heat quantity Q L2 from the outside air.
  • the refrigerant of the low-side heat pump has a higher density at the same temperature than the refrigerant of the high-side heat pump. Therefore, even if the outside air temperature is low, the density of the refrigerant gas sucked into the first compressor 11 is large, and the flow rate of the circulating first refrigerant 15 is large. For this reason, even if outside temperature is low, the fall of the thermal radiation amount in 12 U of 1st upstream condensation elements and 12 L of 1st downstream condensation elements can be suppressed. Moreover, since it can suppress that the compression ratio in the 1st compressor 11 becomes large, the fall of an operating coefficient can be suppressed.
  • the upstream heat absorber 32 provided in the heat medium path 3 absorbs heat Q L11 radiated from the first upstream condensation element 12U provided in the low-source heat pump 1. Since the high temperature gas refrigerant discharged from the first compressor 11 flows into the first upstream condensing element 12U, the condensing temperature in the first upstream condensing element is high.
  • the circulating heat medium 35 can be preheated to a high temperature.
  • the condensation heat in the first upstream condensation element 12U is used for preheating water having a low temperature, the condensation temperature can be kept lower than, for example, the indoor heating temperature. Therefore, the condensation pressure of the first refrigerant 15 can be set to a low value. Thereby, the compression ratio of the low-source side heat pump 1 can be kept low, and the operation coefficient is improved.
  • the second evaporation element 24 provided in the high-source side heat pump 2 absorbs the heat quantity Q L12 from the outlet of the first downstream-side condensation element 12L provided in the low-source side heat pump 1.
  • the temperature of the first refrigerant 15 at the outlet of the first downstream side condensation element 12L is sufficiently higher than the outside air temperature. Therefore, the second evaporation element 24 in the high-source side heat pump 2 can be used as a heat source having a temperature sufficiently higher than the outside air temperature. That is, if the evaporation temperature is high in the high-source side heat pump 2, the evaporation pressure in the second evaporation element 24 is increased. Therefore, the density of the second refrigerant gas 25 sucked into the second compressor 21 can be increased.
  • the amount of heat radiation in the second upstream condensation element 22U and the second downstream condensation element 22L can be increased in the same manner as the low-source heat pump 1 described above.
  • the compression ratio in the second compressor 21 can be reduced, the operating coefficient can be improved.
  • the downstream side heat absorber 33 provided in the heat medium path 3 absorbs the heat quantity Q H11 from the second upstream side condensation element 22U provided in the high-source side heat pump 2.
  • the second upstream condensation element 22U the high-temperature second refrigerant gas 15 discharged from the second compressor 21 condenses, so the condensation temperature becomes high. Therefore, the heat medium can be heated to a higher temperature by exchanging heat with the high-temperature condensation heat and the preheated heat medium 35 in the heat medium path 3.
  • the amount of heat Q H12 radiated from the second downstream side condensation element 22 ⁇ / b> L provided in the high-source side heat pump 2 is stored in the heat storage tank 4.
  • the second refrigerant 25 after being condensed by the second upstream condensing element 22U is still in a sufficiently high temperature state. Therefore, the amount of heat obtained by supercooling the second refrigerant 25 can be stored as a reusable heat source.
  • the refrigerant of the low heat pump 1 can be evaporated using this heat storage tank as a heat source instead of low-temperature outside air. Therefore, it is desirable that the evaporator of the low-side heat pump be configured to absorb the heat quantity Q L2a from the heat storage tank instead of absorbing heat from low-temperature outside air.
  • the two-way heat pump that absorbs heat from the heat storage tank will be specifically described with reference to the cycle shown in FIG.
  • the cycle shown in FIG. 2 is the cycle shown in FIG. 1 only in that the evaporation of the first refrigerant 15 in the low-source heat pump 1 is performed by absorbing the heat quantity Q L2a from the heat storage tank 4 instead of the outside air.
  • the evaporation temperature in the first evaporation element 14 can be increased. Therefore, the heat radiation capability and the operation coefficient of the low-source side heat pump 1 can be improved.
  • the heat storage tank 4 When the heat storage tank 4 is used as a heat source, a frosting phenomenon does not occur in the low-side evaporator, so that a defrosting operation is not necessary. Further, when the temperature of the heat storage tank 4 decreases due to continuation of the operation and the operation coefficient decreases from the heat absorption from the outside air, the operation is again switched to the operation for absorbing heat from the outside air.
  • the cycle shown in FIG. 3 includes a third expansion valve 53 and a third evaporation element 54 in addition to the cycle shown in FIG. That is, in the cycle shown in FIG. 1, when the first evaporation element 14 is frosted due to heat absorption from the low-temperature outside air, the first compressor 11, the first upstream condensation element 12 ⁇ / b> U, and the first downstream The first refrigerant 15 that has passed through the side condensing element 12L is replaced with the first expansion valve 13 and the first evaporating element 14, and sequentially into a new third expansion valve 53 and a third evaporating element 54, respectively. Circulate. Further, the third evaporation element 54 absorbs the heat quantity Q L2b from the heat storage tank 4.
  • the new low-source heat pump 1 evaporates the first refrigerant 15 in the third evaporation element 54 by using the heat storage tank 4 that is sufficiently hot as compared with the low-temperature outside air as a heat source, and thereby the heat medium path 3.
  • the heating of the heat medium 35 that circulates can be maintained.
  • the first refrigerant 15 is divided between the first compressor 11 and the first upstream condensing element 12U, and the diverted refrigerant passes through the first evaporating element 14 to the first refrigerant 15U.
  • the first refrigerant 15 is merged between the downstream condensation element 12 ⁇ / b> L and the third expansion valve 53. Therefore, a part of the high-temperature first gas refrigerant 15 discharged from the first compressor 11 can be defrosted in a short time by introducing it into the frosted first evaporation element 14.
  • the above-described binary heat pump can evaporate the low-side refrigerant at a low temperature while exhibiting a high heating capacity and an operation coefficient. Therefore, the binary heat pump described above can be used as a refrigerator.
  • the binary refrigerator according to the present invention will be described in detail with reference to the cycle shown in FIG.
  • the components of the cycle shown in FIG. 4 are the same as the cycle shown in FIG. 1 except that the heat storage tank 4 is not provided, and the heat absorption source and the heat radiation destination of the low-source side and high-source side heat pumps are Each is different from the cycle shown in FIG.
  • the component numbers corresponding to the components of the cycle shown in FIG. 1 are set to the component numbers obtained by adding 100 uniformly to the component numbers shown in FIG.
  • the second evaporation element 124 included in the high-side heat pump 102 includes a second upstream evaporation element 124U and a second downstream evaporation element 124L.
  • the second downstream evaporation element is a heat medium.
  • Heat quantity Q H2 is absorbed from the upstream radiator 132 provided in the path 103, and the heat medium 135 circulating in the heat medium path is pre-cooled.
  • the first evaporation element 114 included in the low heat source heat pump 101 absorbs the heat quantity Q L2 from the downstream radiator 133 provided in the heat medium path 103 and cools the precooled heat medium 135 to a lower temperature.
  • the low-temperature heat medium 135 absorbs heat from the indoor air or food stored in the freezer in the heat absorber 134 to perform cooling, freezing of the food, or the like.
  • the second upstream evaporating elements 124U provided to the high-stage-side heat pump 102 absorbs heat Q L12 from the first downstream condenser element 112L provided in the low stage-side heat pump 101. Therefore, the second refrigerant 125 evaporates using the heat quantity Q H2 from the upstream radiator 132 and the heat quantity Q L12 from the first downstream condensing element 112L as heat absorption sources.
  • the condensation heat of the first upstream condensing element 112U provided in the low-source side heat pump 101 and the second condensing element 122 provided in the high-source side heat pump 102 is radiated to the outside air.
  • the evaporation temperature in the low-source side heat pump 101 can be set lower than the evaporation temperature in the high-source side heat pump 102. Therefore, the heat medium 135 circulating through the heat medium path 103 is first pre-cooled by the heat of evaporation in the high-side heat pump 102, and the pre-cooled heat medium is further cooled by the lower-temperature heat of evaporation in the low-side heat pump 101. Can be cooled to low temperatures.
  • the “heating medium paths 3, 103” are not limited to the closed path in which the heating medium circulates, but may be an open path in which the heating medium flows out in one direction without being circulated.
  • “Thermal storage tank 4” is a container that stores a heat storage medium such as liquid, fluid, and solid, and has a heat exchanger that performs heat storage and heat dissipation. Examples of the heat storage medium include water and oil. It includes not only liquids such as solids, gases, and those that change phase between them.
  • “Compressor” such as “first compressor 11” means all devices that compress refrigerant gas, and examples thereof include scroll type, centrifugal type, reciprocating type, rotary type, and screw type. Moreover, it is not limited to a single-stage type, and includes a multistage type compressor such as a two-stage type.
  • Condensation element such as “first upstream condensation element 12U” means a piping structure, a shell structure, a container or the like that radiates and liquefies the heat of the refrigerant gas that passes through, and other heat absorption elements, etc. Combined with to form a heat exchanger.
  • first upstream condensation element 12U means a piping structure, a shell structure, a container or the like that radiates and liquefies the heat of the refrigerant gas that passes through, and other heat absorption elements, etc. Combined with to form a heat exchanger.
  • coolant etc. lower than the temperature of refrigerant gas correspond.
  • the “expansion valve” such as “first expansion valve 13” means all means for reducing the pressure of the liquefied refrigerant or gas-liquid mixed refrigerant, and corresponds to, for example, a nozzle, a valve, or a capillary tube.
  • Evaporation element such as “first evaporation element 14” means a piping structure, shell structure, container, or the like that absorbs heat from a heat source and evaporates liquid refrigerant contained in the gas-liquid mixed refrigerant. Combined with to form a heat exchanger.
  • the heat source element corresponds to outside air, water, or other refrigerant that is higher than the temperature of the refrigerant.
  • the “first refrigerant 15” means a refrigerant having a high density even at a low temperature, for example, R404A, R407C, or R410.
  • the “second refrigerant 25” means a refrigerant having a low condensation pressure even when the condensation temperature is high, for example, R134a, R152a, or R600a.
  • the “heat absorber” such as the “upstream heat absorber 32” means a heat exchanger that absorbs heat from another heat source.
  • the heat medium 35, 135” or the like means a fluid that absorbs heat and dissipates heat in the above-described heat medium path, and includes not only water but also oil and refrigerant. “Diversion” means that one refrigerant path is divided into two paths and a part of the refrigerant is taken out. “Merging” means that refrigerant flowing in two paths is collected in one path.
  • the heat medium flowing in the heat medium path can be preheated by the high-temperature condensation heat radiated from the condensation element on the upstream side of the low-source heat pump.
  • the condensation heat radiated from the condensing element downstream of the low-side heat pump enables the refrigerant of the high-side heat pump to evaporate at a temperature higher than the outside air temperature.
  • the coefficient can be greatly improved.
  • the preheated heating medium can be heated to a higher temperature under a high operating coefficient by the high-temperature condensation heat radiated from the condensation element upstream of the high-side heat pump.
  • the condensation heat radiated from the downstream condensation element provided in the high-source side heat pump can be stored as a reusable heat source.
  • the heating capacity and operating coefficient of the low heat source heat pump when the outside air temperature is low can be greatly improved, thereby The heating capacity and operating coefficient of the heat pump can also be greatly improved.
  • the low-side heat pump As a result of operating the low-side heat pump using low-temperature outside air or the like as a heat source, when frosting occurs on the evaporator, the low-side heat pump switches to an evaporator that absorbs heat from the heat storage tank, and the frosted evaporator By introducing a part of the high-temperature refrigerant gas discharged from the compressor, it is possible to quickly defrost. Furthermore, heating can be continued without interrupting the defrosting operation.
  • the cooling medium is precooled by the evaporation heat of the high-end heat pump, and the cooling medium is further cooled by the low-temperature evaporation heat of the low-end heat pump to cool the heating medium to a lower temperature. Can do.
  • thermodynamic cycle which absorbs heat from outside air and stores heat while raising the temperature of the heat medium. It is a Mollier diagram which shows the thermodynamic cycle which absorbs heat from a thermal storage tank, and heat-stores, heating up a heat medium. It is a Mollier diagram which shows the thermodynamic cycle which absorbs heat from a thermal storage tank, and defrosts, heating up a heat medium. It is a Mollier diagram which shows the thermodynamic cycle which pre-cools a heat medium with the high-end side refrigerator, and cools the heat medium pre-cooled with the low-source side refrigerator further. It is a block diagram for implement
  • FIGS. 5, 6, 7, and 8 correspond to the above-described cycles of FIGS. 1, 2, 3, and 4, respectively.
  • the configurations shown in FIGS. 5 to 8 are all configurations that can implement all the cycles shown in FIGS. 1, 2, 3 and 4 described above, and the paths and components used in each cycle are shown in bold lines.
  • the paths and components not used in the cycle, that is, used in other cycles are indicated by thin lines. Therefore, the configurations indicated by the thick lines in FIGS. 5 to 8 can be configured individually or in combination of two or more.
  • a binary heat pump and the like will be sequentially described based on the configuration indicated by bold lines.
  • the on-off valve V12 and the like those that are painted black indicate the closed state, and those that are not painted black indicate the opened state.
  • the two-way heat pump shown in FIG. 5 includes a low-side heat pump 1, a high-side heat pump 2, a heat medium path 3, and a heat storage tank 4.
  • the low-source side heat pump 1 includes a first compressor 11, a first four-way valve 16, a first upstream condensing element 12U, an on-off valve V11, a first downstream condensing element 12L, an on-off valve V12, a first The expansion valve 13, the first evaporation element 14, the on-off valve V14, the first four-way valve 16, and R404A that is a first refrigerant that circulates these in this order are provided.
  • the high-side heat pump 2 includes a second compressor 21, a second four-way valve 26, a second upstream condensing element 22U, an on-off valve V21, a second downstream condensing element 22L, an on-off valve V22, a second Expansion valve 23, second evaporation element 24, on-off valve V 23, on-off valve V 24, and R 134 a that is a second refrigerant that circulates these in this order.
  • the heat medium path 3 includes a pump 31, an on-off valve V31, an upstream heat absorber 32, a downstream heat absorber 33, an on-off valve V32, a radiator 34, and water that is a heat medium 35 that flows through these in this order. Yes.
  • first compressor 11 and the second compressor 21 are both driven by an electric motor, and the on-off valve V21 and the like, the first four-way valve 16 and the like are not shown. It is an electromagnetic valve that opens and closes by an electrical signal from a control device.
  • the first upstream condensing element 12U and the upstream heat absorber 32 constitute a shell-and-tube heat exchanger, and exchange the heat quantity QL11 .
  • the first downstream condensation element 12L and the second evaporation element 24 constitute a shell-and-tube heat exchanger, and exchange the heat quantity QL12 .
  • the second upstream condensation element 22U and the downstream heat absorber 33 constitute a shell-and-tube heat exchanger, and exchange the heat quantity QH11 .
  • 22 L of 2nd downstream condensation elements are provided in the thermal storage tank 4, and heat quantity Q H12 is stored in the liquid in this thermal storage tank. Further, the first evaporation element 14 absorbs the heat quantity Q L2 from the outside air sent by the blower. Further, the radiator 34 radiates the heat quantity of the circulating high-temperature heat medium 35 to the air for heating or the water for the heat medium.
  • the binary heat pump shown in FIG. 6 is different from the configuration shown in FIG. 5 in that the first expansion valve 13 and the first evaporation element 14 provided in the low-source side heat pump 1 are different from each other in the first expansion.
  • the valve 13-1 and the first evaporation element 14-1 are changed. Note that when the binary heat pump shown in FIG. 6 is configured independently without regard to the other configurations shown in FIGS. 5, 7, and 8, the first expansion valve 13-1 and the first evaporation element 14 are used.
  • ⁇ 1 corresponds to the first expansion valve 13 and the first evaporation element 14, respectively.
  • the R404A that is the first refrigerant 15 flows out of the first downstream condensing element 12L, and then the on-off valve V14 and the first expansion valve.
  • the refrigerant flows back to the first compressor 11 via 13-1, the first evaporation element 14-1, and the on-off valve V15.
  • the first evaporation element 14-1 is provided in the heat storage tank 4, and absorbs the heat quantity Q L2a stored in the water in the heat storage tank.
  • the binary heat pump shown in FIG. 7 maintains the heating of the water circulating in the heat medium path 3 when frost formation occurs in the first evaporation element 14 that absorbs heat from the outside air in the configuration shown in FIG.
  • the configuration shown in FIG. 7 is the same as the configuration shown in FIG. 5, and further includes a third expansion valve 53 (corresponding to 13-1 in FIG. 6) and a third evaporation element 54 (14-1 in FIG. 6). It corresponds to.) Has been added. That is, in the configuration shown in FIG.
  • R404A of the first refrigerant 15 that has passed through the first downstream condensation element 12L is changed.
  • the first compression is performed via the on-off valve V14, the third expansion valve 53, the third evaporation element 54, and the on-off valve V15 sequentially. Circulate through machine 11. Further, the third evaporation element 54 absorbs the heat quantity Q L2b stored in the water in the heat storage tank 4.
  • R404A of the first refrigerant 15 is diverted at the outlet of the first compressor 11, and the diverted refrigerant R404A is passed through the on-off valve V16, the first evaporation element 14, and the on-off valve V17. 1 is combined with the refrigerant R404A flowing out from the downstream condensation element 12L. Therefore, a part of the high-temperature refrigerant R404A discharged from the first compressor 11 can be defrosted in a short time by introducing it into the frosted first evaporation element 14.
  • the binary refrigerator shown in FIG. 8 is the same as the configuration shown in FIG. 5 except that the heat storage tank 4 is not provided, and the heat absorption source and the heat radiation destination of the low-side and high-side heat pumps. However, they are different from the configuration shown in FIG.
  • the component numbers corresponding to the component components shown in FIG. 5 are given the component numbers shown in FIG.
  • the refrigerant R404A which is the first refrigerant 115, includes the first compressor 111, the first four-way valve 116, the on-off valve V13, Upstream condensing element 112U (corresponding to first evaporating element 14 in the configuration shown in FIG. 5), open / close valve V17, first downstream condensing element 112L, first expansion valve 113, first evaporating element 114 (corresponding to the first upstream condensing element 12U in the configuration shown in FIG. 5) and the first four-way valve 116 are returned to the first compressor 111 in this order.
  • the refrigerant R134a which is the second refrigerant 125
  • the refrigerant R134a is converted into the second compressor 121, the second four-way valve 126, the second condensing element 122, the on-off valve V25, the second expansion valve 123, 2 upstream evaporation elements 124U, an on-off valve V26, an on-off valve V27, a second downstream evaporation element 124L (corresponding to the second upstream condensation element 22U in the configuration shown in FIG. 5), and a second.
  • the refrigerant flows back to the second compressor 121 via the four-way valve 126 in this order.
  • the heat medium path 103 includes a pump 131, an on-off valve V33, an upstream radiator 132, a downstream radiator 133, an on-off valve V34, a heat absorber 134, and water that is a heat medium 135 that flows in this order. Yes.
  • the second downstream side evaporation element 124L of the high-side heat pump 102 absorbs the amount of heat Q H2 from the upstream side radiator 132 of the heat medium path 103 and precools the water as the heat medium.
  • the first evaporating element 114 included in the low-source-side heat pump 101 absorbs the amount of heat Q L2 from the downstream radiator 133 of the heat medium path 103 and cools the precooled water to a lower temperature.
  • the heat absorber 134 provided in the heat medium path 103 absorbs heat from the room or a freezer and cools the room or freezes food.
  • the second upstream evaporation element 124U included in the high-source heat pump 102 absorbs heat Q L12 from the first downstream condensation element 112L included in the low-source heat pump 101. Further, the condensed heats Q L11 and Q H11 in the first upstream condensing element 112U included in the low-source heat pump 101 and the second condensing element 122 included in the high-source heat pump 102 are radiated to the outside air.
  • the heating capacity and operating coefficient of the low-source side heat pump and the high-source side heat pump can be further improved, it can be widely used in industries related to heat pumps and refrigerators.

Abstract

低元側ヒートポンプと高元側ヒートポンプとの加熱能力、冷却能力及び動作係数を、さらに向上させる。低元側ヒートポンプ１の第１の上流側凝縮要素１２Ｕにおいて、第１の冷媒Ｒ４０４Ａが放熱する凝縮熱ＱＬ１１によって水を予熱し、第１の下流側凝縮要素１２Ｌにおいて放熱する凝縮熱ＱＬ１２によって、高元側ヒートポンプ２の第２の蒸発要素２４において第２の冷媒Ｒ１３４ａを蒸発させ、この高元側ヒートポンプの第２の上流側凝縮要素２２Ｕにおいて放熱する凝縮熱ＱＨ１１によって、予熱した水をさらに昇温させる。また高元側ヒートポンプ２の第２の下流側凝縮要素２２Ｌにおいて放熱する凝縮熱ＱＨ１２を、蓄熱槽４に蓄熱する。蓄熱槽４に十分蓄熱ができた場合には、低元側ヒートポンプ１は、この蓄熱槽から熱量ＱＬ２ａを吸熱する。

Description

２元式ヒートポンプ及び冷凍機
　本発明は、低元側と高元側との２つの蒸気圧縮サイクルを有する２元式ヒートポンプ及び冷凍機に関する。
　圧縮機、凝縮器、膨脹弁、および蒸発器からなる蒸気圧縮サイクルにおいては、吸熱される側の温度、すなわち蒸発器における冷媒の蒸発温度と蒸発圧力とが低いと、圧縮機が吸引する冷媒の密度が低下する。しかるに、圧縮機が吸引する冷媒の密度が低下すると、蒸気圧縮サイクルを循環する冷媒の流量（単位時間に流れる質量）が低下して、暖房あるいは冷凍能力が低下する。さらに圧縮機における圧縮比が大きくなって圧縮仕事が増加し、いわゆる暖房あるいは冷凍の動作係数も低下する。したがって外気温度が低い寒冷地等では、暖房能力と暖房効率の低下が問題となる。
　このような寒冷地等における暖房能力や動作係数の低下に対しては、低温においても密度の大きい、例えばＲ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ７１７等の冷媒を使用することが考えられる。しかるに低温においても密度が大きい冷媒は、屋内等の暖かい状態において凝縮すなわち暖房を行なうと、凝縮圧力が高くなって、冷媒の循環する経路及び機器の耐圧強度を増強する必要があり、製造コストが嵩む。
　そこで上述した寒冷地における外気温度や、冷媒温度が低い場合の問題を解決するために、それぞれ冷媒が異なる、いわゆる２元式ヒートポンプが提案されている。この２元式ヒートポンプでは、低元側と高元側との２つの蒸気圧縮サイクルを設けて、低元側に低温時の密度の大きい冷媒を使用し、高元側に蒸発温度が高い冷媒を使用する。そして低元側冷媒の高温の凝縮熱を熱源として、高元側の冷媒の蒸発を行ない、高元側の凝縮器を熱源として、室内の暖房や熱媒の供給を行なう。
　すなわち低元側の冷媒の凝縮は、高元側の冷媒の蒸発熱によって行なうため、低元側の冷媒の凝縮温度を、暖房によって暖められた室内等の温度より低く設定することができる。したがって低元側ヒートポンプの凝縮圧力を低くすることができる。他方高元側の冷媒の蒸発は、低元側の凝縮熱によって行なうため、高元側の冷媒の蒸発温度を、低温の外気等より高く設定することができる。したがって高元側ヒートポンプについて、暖房等の能力と動作係数とを向上させることができる。
　このような２元式ヒートポンプの例として、特許文献１及び２に示すような手段が提案されている。特許文献１に記載のヒートポンプ装置は、その添付図面１等に記載されているように、廃熱源式高温ヒートポンプに、２つの蒸発器４４，４５を直列に設けて、廃熱４６が十分な場合には、この廃熱を上流側の蒸発器４４に吸熱させ、廃熱４６が不十分な場合には、この廃熱に加えて、空気熱源式低温ヒートポンプの凝縮熱を、下流側の蒸発器４４に吸熱させている。
　他方特許文献２に記載のヒートポンプ式熱媒装置は、外気を熱源とする低段側のヒートポンプに、上流側と下流側との２つの凝縮器を直列に設けて、下流側の凝縮器において放熱される凝縮熱によって熱媒を予熱し、上流側の凝縮器１３において放熱される凝縮熱によって、高段側のヒートポンプの冷媒を蒸発させ、さらに高段側のヒートポンプの凝縮熱によって、予熱した熱媒を高温にする。
特開昭６２－２２５８６０号公報 特開平０４－２６３７５８号公報
　しかしながら上述した従来技術については、さらに暖房等の加熱能力と動作係数とを向上させるための改良すべき課題がある。すなわち特許文献１に記載のヒートポンプ装置については、低元側ヒートポンプ（空気熱源式低温ヒートポンプ）、及び高元側ヒートポンプ（廃熱源式高温ヒートポンプ）の双方について、給熱（凝縮熱）量と動作係数とを、さらに向上させ得る余地がある。
　特許文献２に記載のヒートポンプ式熱媒装置については、低元側（低段側）のヒートポンプの、上流側の凝縮器において放熱する凝縮熱によって、高元側（高段側）のヒートポンプの蒸発器において冷媒を蒸発させ、下流側の凝縮器における凝縮熱によって、熱媒を予熱している。このため高段側のヒートポンプの蒸発器において冷媒を十分蒸発させるべく、上流側の凝縮器における放熱量を確保しようとすると、下流側の凝縮器における凝縮温度が低下して、熱媒を十分に予熱することが困難となる。逆に熱媒を十分に予熱すべく、下流側の凝縮器における凝縮温度を低下しないようにすると、上流側の凝縮器における凝縮熱が減少するため、高段側のヒートポンプの蒸発器における吸熱量が減少する。このため高段側のヒートポンプの凝縮器において放熱できる凝縮熱も少なくなり、予熱した熱媒をさらに昇温することが困難となる。
　そこで本発明の目的は、低元側ヒートポンプと高元側ヒートポンプとの加熱能力、冷却能力及び動作係数を、さらに向上させることができる２元式ヒートポンプを提供することにある。
　上記課題を解決すべく、本発明による２元式ヒートポンプの特徴は、低元側ヒートポンプと高元側ヒートポンプとに、それぞれ２つの凝縮器を直列に設け、低元側ヒートポンプの上流側の凝縮器における凝縮熱によって熱媒を予熱し、低元側ヒートポンプの下流側の凝縮器における凝縮熱によって、高元側ヒートポンプの冷媒を蒸発器において蒸発させ、高元側ヒートポンプの上流側の凝縮器における凝縮熱によって、予熱した熱媒の温度をさらに昇温することにある。さらに高元側ヒートポンプの下流側の凝縮器が放熱する熱量を、蓄熱槽に蓄熱することにある。
　図１に示す熱力学サイクル（以下単に「サイクル」という。）を参照しつつ、本発明による２元式ヒートポンプを説明する。なおこのサイクルの各行程を構成する構成部品、例えば圧縮行程を構成する圧縮機１は、図が煩雑になることを避けるために、図示していない。これらの構成部品については、別途図５～図８において詳述する。さて図１に示すサイクルは、低元側ヒートポンプ１と、高元側ヒートポンプ２と、熱媒経路３と、蓄熱槽４とを備えている。
　低元側ヒートポンプ１は、状態Ｌ１の冷媒ガスを、高温高圧の状態Ｌ２にまで圧縮する第１の圧縮機１１、状態Ｌ２の高温高圧の冷媒ガスを、飽和液の状態Ｌ３まで凝縮する第１の上流側凝縮要素１２Ｕ、状態Ｌ３の飽和液を過冷却液の状態Ｌ４に冷却する第１の下流側凝縮要素１２Ｌ、状態Ｌ４の過冷却液を、冷媒液と冷媒ガスとからなる気液混合冷媒の状態Ｌ５まで減圧する第１の膨張弁１３、状態Ｌ５の低温の気液混合冷媒を、飽和ガスの状態Ｌ１に蒸発させる第１の蒸発要素１４、及びこれらをこの順序で循環する第１の冷媒１５を有している。
　また高元側ヒートポンプ２は、状態Ｈ１の冷媒ガスを高温高圧の状態Ｈ２にまで圧縮する第２の圧縮機２１、状態Ｈ２の高温高圧の冷媒ガスを、飽和液の状態Ｈ３まで凝縮する第２の上流側凝縮要素２２Ｕ、状態Ｈ３の飽和液を過冷却液の状態Ｈ４まで放熱する第２の下流側凝縮要素２２Ｌ、状態Ｈ４の過冷却液を気液混合の状態Ｈ５まで減圧する第２の膨張弁２３、状態Ｈ５の気液混合冷媒を、飽和ガスの状態Ｈ１に蒸発させる第２の蒸発要素２４、及びこれらをこの順序で循環する第２の冷媒２５を有している。熱媒経路３は、ポンプ３１、上流側吸熱器３２、下流側吸熱器３３、放熱器３４、及びこれらをこの順序で流れる熱媒３５を有している。
　次に上述したサイクルの動作を説明する。すなわち低元側ヒートポンプ１に設けた第１の蒸発要素１４は、外気から熱量ＱL2を吸熱する。しかるに上述したように、２元式ヒートポンプでは、低元側ヒートポンプの冷媒は、高元側ヒートポンプの冷媒に比べて、同一温度における密度が大きい。したがって外気温度が低くても、第１の圧縮機１１に吸引される冷媒ガスの密度も大きく、循環する第１の冷媒１５の流量も多い。このため外気温度が低くても、第１の上流側凝縮要素１２Ｕ及び第１の下流側凝縮要素１２Ｌにおける放熱量の低下を抑制することができる。また第１の圧縮機１１における圧縮比が大きくなることを抑制できるので、動作係数の低下を抑制することができる。
　熱媒経路３に設けた上流側吸熱器３２は、低元側ヒートポンプ１に設けた第１の上流側凝縮要素１２Ｕから放熱される熱量ＱL11を吸熱する。第１の上流側凝縮要素１２Ｕには、第１の圧縮機１１から吐出される高温のガス冷媒が流入するため、この第１の上流側凝縮要素における凝縮温度は高く、したがって熱媒経路３を循環する熱媒３５を、高い温度に予熱することができる。また第１の上流側凝縮要素１２Ｕにおける凝縮熱は、温度の低い水の予熱に利用されるため、この凝縮温度を、例えば室内の暖房温度に較べて、低く抑えることができる。よって第１の冷媒１５の凝縮圧力を低い値に設定することが可能となる。これにより低元側ヒートポンプ１の圧縮比を低く抑えることができ、動作係数が向上する。
　また高元側ヒートポンプ２に設けた第２の蒸発要素２４は、低元側ヒートポンプ１に設けた第１の下流側凝縮要素１２Ｌの出口から熱量ＱL12を吸熱する。ここで第１の下流側凝縮要素１２Ｌの出口における第１の冷媒１５の温度は、外気温度より十分高い。よって高元側ヒートポンプ２における第２の蒸発要素２４に対して、外気温度より十分高い温度の熱源として利用できる。すなわち高元側ヒートポンプ２において蒸発温度が高ければ、第２の蒸発要素２４における蒸発圧力が高くなる。したがって第２の圧縮機２１に吸引される第２の冷媒ガス２５の密度を高くすることができる。このため上述した低元側ヒートポンプ１と同様に、第２の上流側凝縮要素２２Ｕ及び第２の下流側凝縮要素２２Ｌにおける放熱量を増加することができる。また第２の圧縮機２１における圧縮比を小さくできるので、動作係数を向上させることができる。
　熱媒経路３に設けた下流側吸熱器３３は、高元側ヒートポンプ２に設けた第２の上流側凝縮要素２２Ｕから熱量ＱH11を吸熱する。ここで第２の上流側凝縮要素２２Ｕでは、第２の圧縮機２１から吐出される高温の第２の冷媒ガス１５が凝縮するため、凝縮温度は高温となる。したがって高温の凝縮熱と予熱された熱媒経路３の熱媒３５と熱交換させることにより、この熱媒を、さらに高温に加熱することができる。また高元側ヒートポンプ２に設けた第２の下流側凝縮要素２２Ｌから放熱される熱量ＱH12は、蓄熱槽４に蓄熱される。ここで第２の上流側凝縮要素２２Ｕで凝縮した後の第２の冷媒２５は、未だ十分高温の状態にある。よって第２の冷媒２５を、過冷却することによって得られる熱量を、再利用可能な熱源として蓄熱することができる。
　さて蓄熱槽４に熱が蓄熱されて昇温した場合には、低温の外気に替えて、この蓄熱槽を熱源として、低元側ヒートポンプ１の冷媒を蒸発させることができる。そこで低元側ヒートポンプの蒸発器は、低温の外気からの吸熱に替えて、蓄熱槽から熱量ＱL2ａを吸熱するように構成することが望ましい。図２に示すサイクルを参照しつつ、蓄熱槽から吸熱する２元式ヒートポンプを具体的に説明する。
　すなわち図２に示すサイクルは、低元側ヒートポンプ１における第１の冷媒１５の蒸発を、外気に替えて蓄熱槽４から熱量ＱL2aを吸熱することによって行なう点だけが、図１に示したサイクルと相違している。すなわち第１の冷媒１５を蒸発させる熱源を、特に低温時の外気に替えて、蓄熱槽４とすることによって、第１の蒸発要素１４における蒸発温度を高くすることができる。したがって低元側ヒートポンプ１の放熱能力と動作係数とを向上させることができる。なお蓄熱槽４を熱源にする場合は、低元側の蒸発器に着霜現象が生じることはないため、除霜運転が不要となる。また運転の継続によって蓄熱槽４の温度が低下して、外気からの吸熱より動作係数が低下する場合には、再び外気からの吸熱する運転に切り替える。
　ところで低温の外気を熱源とすると、低元側ヒートポンプの蒸発器に霜が着き、この蒸発器の伝熱機能が劣化して吸熱能力が低下する。したがって所定の運転時間の経過毎に、蒸発器に着いた霜を除霜する必要がある。ここで除霜運転を行なう間も、暖房等を中断せずに継続できるように構成することが望ましい。図３に示すサイクルを参照しつつ、暖房等を継続しつつ除霜する２元式ヒートポンプを具体的に説明する。
　すなわち図３に示すサイクルは、図１に示したサイクルに、さらに第３の膨張弁５３と第３の蒸発要素５４とを追加して備えている。すなわち図１に示したサイクルにおいて、低温の外気からの吸熱によって、第１の蒸発要素１４が着霜したときには、第１の圧縮機１１、第１の上流側凝縮要素１２Ｕ、及び第１の下流側凝縮要素１２Ｌを通過した第１の冷媒１５を、第１の膨張弁１３及び第１の蒸発要素１４に替えて、それぞれ新たな第３の膨張弁５３と第３の蒸発要素５４とに順次循環させる。また第３の蒸発要素５４は、上記蓄熱槽４から熱量ＱL2bを吸熱する。
　したがってこの新たな低元側ヒートポンプ１は、第３の蒸発要素５４において、低温の外気に比べて十分高温の蓄熱槽４を熱源として、第１の冷媒１５を蒸発させ、これにより熱媒経路３を循環する熱媒３５の加熱を維持することができる。さらに上記第１の冷媒１５を、第１の圧縮機１１と第１の上流側凝縮要素１２Ｕとの間で分流させ、この分流した冷媒を、第１の蒸発要素１４を経由して、第１の下流側凝縮要素１２Ｌと第３の膨張弁５３との間で、第１の冷媒１５と合流させる。したがって第１の圧縮機１１から吐出した高温の第１のガス冷媒１５の一部を、着霜した第１の蒸発要素１４に導入することによって、短時間に除霜することができる。
　また上述した２元式ヒートポンプは、高い加熱能力と動作係数とを発揮させつつ、低元側の冷媒を低い温度で蒸発させることができる。したがって上述した２元式ヒートポンプを、冷凍機として利用することができる。図４に示すサイクルを参照しつつ、本発明による２元式冷凍機を具体的に説明する。
　すなわち図４に示すサイクルの構成部品は、蓄熱槽４を備えていない点を除いて、図１に示すサイクルと同等であって、低元側及び高元側ヒートポンプの吸熱源及び放熱先が、それぞれ図１に示すサイクルと相違する。なお図１に示すサイクルの構成部品に相当する構成部品については、参照の便宜等のため、図１に示す部品番号に、一律１００を加えた部品番号にしてある。
　さて高元側ヒートポンプ１０２が有する第２の蒸発要素１２４は、第２の上流側蒸発要素１２４Ｕと、第２の下流側蒸発要素１２４Ｌとからなり、この第２の下流側蒸発要素は、熱媒経路１０３に設けた上流側放熱器１３２から熱量ＱH2を吸熱し、この熱媒経路を循環する熱媒１３５を予冷する。また低元側ヒートポンプ１０１が有する第１の蒸発要素１１４は、熱媒経路１０３に設けた下流側放熱器１３３から熱量ＱL2を吸熱し、予冷した熱媒１３５をさらに低温に冷却する。そして低温の熱媒１３５は、吸熱器１３４において、室内空気や冷凍庫に収納した食品等から吸熱して、冷房や食品の冷凍等を行なう。
　また高元側ヒートポンプ１０２に設けた第２の上流側蒸発要素１２４Ｕは、低元側ヒートポンプ１０１に設けた第１の下流側凝縮要素１１２Ｌから熱量ＱL12を吸熱する。したがって第２の冷媒１２５は、上流側放熱器１３２からの熱量ＱH2と、第１の下流側凝縮要素１１２Ｌからの熱量ＱL12とを吸熱源として蒸発する。なお低元側ヒートポンプ１０１に設けた第１の上流側凝縮要素１１２Ｕ、及び高元側ヒートポンプ１０２に設けた第２の凝縮要素１２２の凝縮熱は、それぞれ外気に放熱する。
　上述した２元式冷凍機のサイクルにおいては、低元側のヒートポンプ１０１における蒸発温度を、高元側のヒートポンプ１０２における蒸発温度より、低く設定することができる。したがって高元側のヒートポンプ１０２における蒸発熱によって、まず熱媒経路１０３を循環する熱媒１３５を予冷し、さらに低元側のヒートポンプ１０１における、より低温の蒸発熱により、予冷した熱媒を、更に低温に冷却することができる。
　ここで「熱媒経路３、１０３」は、熱媒が循環する閉じた経路に限らず、熱媒が循環しないで一方向に流出する開いた経路であってもよい。「蓄熱槽４」とは、液体、流動体及び固体等の蓄熱媒体を収納した容器であって、蓄熱及び放熱を行なう熱交換器を有するものを意味し、この蓄熱媒体としては、水や油等の液体に限らず固体や気体、及びこれらの間で相変化するものも含む。「第一の圧縮機１１」等の「圧縮機」とは、冷媒ガスを圧縮する全ての機器を意味し、例えばスクロール型、遠心型、往復型、ロータリー型、及びスクリュー型が該当する。また単段式のものに限らず、２段式等の多段式の圧縮機を含む。
　「第１の上流側凝縮要素１２Ｕ」等の「凝縮要素」とは、通過する冷媒ガスの有する熱を放熱して液化する配管構造、シェル構造、あるいは容器等を意味し、他の吸熱要素等と組み合わさって熱交換器を形成する。なお吸熱要素としては、冷媒ガスの温度より低温の外気、水、または他の冷媒等が該当する。「第１の膨張弁１３」等の「膨張弁」とは、液化冷媒または気液混合冷媒の圧力を減少させる全ての手段を意味し、例えばノズル、バルブあるいはキャピラリーチューブが該当する。「第１の蒸発要素１４」等の「蒸発要素」とは、熱源から吸熱して、気液混合冷媒に含まれる液冷媒を蒸発させる配管構造、シェル構造、あるいは容器等を意味し、熱源要素と組み合わさって熱交換器を形成する。なお熱源要素としては、冷媒の温度より高温の外気、水、または他の冷媒等が該当する。
　「第１の冷媒１５」とは、低温でも密度が大きい冷媒を意味し、例えばＲ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃ、あるいはＲ４１０が該当する。「第２の冷媒２５」とは、凝縮温度が高くても、凝縮圧力が低い冷媒を意味し、例えばＲ１３４ａ、Ｒ１５２ａ、あるいはＲ６００ａが該当する。「上流側吸熱器３２」等の「吸熱器」とは、他の熱源から吸熱する熱交換器を意味する。「熱媒３５、１３５」等とは、上述した熱媒経路において、吸熱及び放熱を行う流体を意味し、水に限らず油や冷媒等も含む。「分流」とは、１つの冷媒経路を２つの経路に分けて、冷媒の一部を取出すことを意味する。「合流」とは、２つの経路を流れる冷媒を、１つの経路に集合させることを意味する。
　低元側ヒートポンプの上流側の凝縮要素から放熱される高温の凝縮熱によって、熱媒経路を流れる熱媒を予熱することができる。同時に低元側ヒートポンプの下流側の凝縮要素から放熱される凝縮熱によって、高元側ヒートポンプの冷媒を外気温度に較べて高い温度で蒸発させることが可能となり、高元側ヒートポンプの予熱能力と動作係数とを、大幅に向上させることができる。また高元側ヒートポンプの上流側の凝縮要素から放熱される高温の凝縮熱によって、予熱した熱媒を、高い動作係数の下で、さらに高温に昇温することができる。また高元側ヒートポンプに設けた下流側の凝縮要素から放熱される凝縮熱を、再利用可能な熱源として蓄熱することができる。
　蓄熱槽を熱源として、低元側ヒートポンプの冷媒を蒸発させることによって、外気温度が低い場合における低元側ヒートポンプの加熱能力と動作係数とを、大幅に向上させることができ、これにより高元側ヒートポンプの加熱能力及び動作係数も、大幅に向上させることができる。
　低温の外気等を熱源として低元側ヒートポンプを作動させた結果、蒸発器に着霜した場合には、低元側ヒートポンプにおいて、蓄熱槽から吸熱する蒸発器に切り替えると共に、着霜した蒸発器に圧縮機から吐出した高温の冷媒ガスの一部を導入することによって、速やかに除霜することが可能となる。さらにこの除霜運転を行なう間も、暖房を中断せずに継続することができる。
　高元側ヒートポンプの蒸発熱によって、熱媒経路の熱媒を予冷し、さらに低元側ヒートポンプの低温の蒸発熱によって、予冷した熱媒を冷却することによって、熱媒を更に低温に冷却することができる。
外気から吸熱して、熱媒を昇温しつつ蓄熱する熱力学サイクルを示すモリエ線図である。 蓄熱槽から吸熱して、熱媒を昇温しつつ蓄熱する熱力学サイクルを示すモリエ線図である。 蓄熱槽から吸熱して、熱媒を昇温しつつ除霜する熱力学サイクルを示すモリエ線図である。 高元側の冷凍機によって熱媒を予冷し、低元側の冷凍機によって予冷した熱媒をさらに冷やす熱力学サイクルを示すモリエ線図である。 上記図１に記載した熱力学サイクルを実現するための構成図である。 上記図２に記載した熱力学サイクルを実現するための構成図である。 上記図３に記載した熱力学サイクルを実現するための構成図である。 上記図４に記載した熱力学サイクルを実現するための構成図である。
　１、１０１　　　　　　低元側ヒートポンプ
　１１、１１１　　　　　第１の圧縮機
　１２Ｕ、１１２Ｕ　　　第１の上流側凝縮要素
　１２Ｌ、１１２Ｌ　　　第１の下流側凝縮要素
　１３、１１３　　　　　第１の膨張弁
　１４、１１４　　　　　第１の蒸発要素
　１５、１１５　　　　　Ｒ４０４Ａ（第１の冷媒）
　２、１０２　　　　　　高元側ヒートポンプ
　２１、１２１　　　　　第２の圧縮機
　１２２　　　　　　　　第２の凝縮要素
　２２Ｕ　　　　　　　　第２の上流側凝縮要素
　２２Ｌ　　　　　　　　第２の下流側凝縮要素
　２３、１２３　　　　　第２の膨張弁
　２４、１２４　　　　　第２の蒸発要素
　１２４Ｕ　　　　　　　第２の上流側蒸発要素
　１２４Ｌ　　　　　　　第２の下流側蒸発要素
　２５、１２５　　　　　Ｒ１３４ａ（第２の冷媒）
　３、１０３　　　　　　熱媒経路
　３１、１３１　　　　　ポンプ
　３２、１３２　　　　　上流側吸熱器又は上流側放熱器
　３３、１３３　　　　　下流側吸熱器又は下流側放熱器
　３４、１３４　　　　　放熱器又は吸熱器
　３５、１３５　　　　　水（熱媒）
　４　　　　　　　　　　蓄熱槽
　５３　　　　　　　　　第３の膨張弁
　５４　　　　　　　　　第３の蒸発要素
　次に図５～図８を参照しつつ、上述した２元式ヒートポンプ、及び２元式冷凍機の構成について詳述する。なお図５、図６、図７及び図８の構成は、上述した図１、図２、図３及び図４のサイクルに、それぞれ対応している。また図５～図８に示す構成は、いずれも上述した図１、図２、図３及び図４に示した全てサイクルを実施できる構成であって、各サイクルにおいて使用する経路及び構成部品を太線で示し、そのサイクルには使用しない、すなわち他のサイクルで使用する経路及び構成部品については、細線で示してある。したがって図５～図８において太線で示す構成は、それぞれ単独、あるいは２つ以上の組合せで構成することができる。以下それぞれ太線で示した構成に基づいて、２元式ヒートポンプ等を順次説明する。なお開閉弁Ｖ１２等については、黒く塗潰したものは閉弁状態を、黒く塗潰していないものは開弁状態を示している。
　さて図５に示す２元式ヒートポンプは、低元側ヒートポンプ１と、高元側ヒートポンプ２と、熱媒経路３と、蓄熱槽４とを備えている。低元側ヒートポンプ１は、第１の圧縮機１１、第１の四方弁１６、第１の上流側凝縮要素１２Ｕ、開閉弁Ｖ１１、第１の下流側凝縮要素１２Ｌ、開閉弁Ｖ１２、第１の膨張弁１３、第１の蒸発要素１４、開閉弁Ｖ１４、第１の四方弁１６、及びこれらをこの順序で循環する第１の冷媒であるＲ４０４Ａを有している。
　また高元側ヒートポンプ２は、第２の圧縮機２１、第２の四方弁２６、第２の上流側凝縮要素２２Ｕ、開閉弁Ｖ２１、第２の下流側凝縮要素２２Ｌ、開閉弁Ｖ２２、第２の膨張弁２３、第２の蒸発要素２４、開閉弁Ｖ２３、開閉弁Ｖ２４、及び、これらをこの順序で循環する第２の冷媒であるＲ１３４ａを有している。熱媒経路３は、ポンプ３１、開閉弁Ｖ３１、上流側吸熱器３２、下流側吸熱器３３、開閉弁Ｖ３２、放熱器３４、及びこれらをこの順序で流れる熱媒３５である水を有している。
　なお第１の圧縮機１１及び第２の圧縮機２１は、いずれも電動機で駆動される圧縮機であって、開閉弁Ｖ２１等、及び第１の四方弁１６等は、いずれも図示していない制御装置からの電気信号によって開閉する電磁弁である。また第１の上流側凝縮要素１２Ｕと上流側吸熱器３２とは、相互でシェル・アンド・チューブ型の熱交換器を構成しており、熱量ＱＬ１１を交換する。第１の下流側凝縮要素１２Ｌと第２の蒸発要素２４とは、相互でシェル・アンド・チューブ型の熱交換器を構成しており、熱量ＱＬ１２を交換する。第２の上流側凝縮要素２２Ｕと下流側吸熱器３３とは、相互でシェル・アンド・チューブ型の熱交換器を構成しており、熱量ＱＨ１１を交換する。
　第２の下流側凝縮要素２２Ｌは、蓄熱槽４内に設けられており、この蓄熱槽内の液体に熱量ＱＨ１２を蓄熱する。また第１の蒸発要素１４は、送風機によって送られる外気から熱量ＱＬ２を吸熱する。さらに放熱器３４は、循環する高温の熱媒３５たる水の熱量を暖房用空気、あるいは熱媒用の水等に放熱する。
　次に図６に示す２元式ヒートポンプは、図５に示す構成において、低元側ヒートポンプ１に設けた第１の膨張弁１３と第１の蒸発要素１４とを、それぞれ別の第１の膨張弁１３－１と第１の蒸発要素１４－１とに変更したものである。なお図６に示す２元式ヒートポンプを、他の図５、図７及び図８に示す構成と関係なく、単独で構成する場合は、第１の膨張弁１３－１と第１の蒸発要素１４－１とが、それぞれ第１の膨張弁１３と第１の蒸発要素１４とに該当する。
　すなわち図６に示す２元式ヒートポンプは、低元側ヒートポンプ１において、第１の冷媒１５であるＲ４０４Ａは、第１の下流側凝縮要素１２Ｌを流出した後に、開閉弁Ｖ１４、第１の膨張弁１３－１、第１の蒸発要素１４－１、及び開閉弁Ｖ１５を経由して、第１の圧縮機１１に還流する。ここで第１の蒸発要素１４－１は、蓄熱槽４内に設けられており、この蓄熱槽内の水に蓄熱された熱量ＱＬ２aを吸熱する。
　次に図７に示す２元式ヒートポンプは、図５に示す構成において、外気から吸熱する第１の蒸発要素１４に着霜が生じた場合に、熱媒経路３を循環する水の加熱を維持しつつ、この第１の蒸発要素を除霜する構成を示している。さて図７に示す構成は、図５に示した構成に、さらに第３の膨張弁５３と（図６では１３－１に該当する。）第３の蒸発要素５４と（図６では１４－１に該当する。）が追加されている。すなわち上述した図５に示した構成において、低温の外気からの吸熱によって、第１の蒸発要素１４が着霜したときには、第１の下流側凝縮要素１２Ｌを通過した第１の冷媒１５のＲ４０４Ａを、第１の膨張弁１３及び第１の蒸発要素１４に替えて、開閉弁Ｖ１４、第３の膨張弁５３、第３の蒸発要素５４、及び開閉弁Ｖ１５を順次経由して、第１の圧縮機１１に循環させる。また第３の蒸発要素５４は、上記蓄熱槽４内の水に蓄熱された熱量ＱL2bを吸熱する。
　さらに第１の冷媒１５のＲ４０４Ａを、第１の圧縮機１１の出口で分流させ、この分流した冷媒Ｒ４０４Ａを、開閉弁Ｖ１６、第１の蒸発要素１４、及び開閉弁Ｖ１７を経由して、第１の下流側凝縮要素１２Ｌから流出する冷媒Ｒ４０４Ａと合流させる。したがって第１の圧縮機１１から吐出した高温の冷媒Ｒ４０４Ａの一部を、着霜した第１の蒸発要素１４に導入することによって、短時間に除霜することができる。
　次に図８に示す２元式冷凍機は、図５に示す構成と、蓄熱槽４を備えていない点を除いて同等であって、低元側及び高元側ヒートポンプの吸熱源及び放熱先が、それぞれ図５に示す構成と相違する。なお図５に示す構成部品に相当する構成部品については、参照の便宜等のため、図５に示す部品番号に、一律１００を加えた部品番号にしてある。
　さて図８に示す２元式冷凍機は、低元側ヒートポンプ１０１において、第１の冷媒１１５たる冷媒Ｒ４０４Ａは、第１の圧縮機１１１、第１の四方弁１１６、開閉弁Ｖ１３、第１の上流側凝縮要素１１２Ｕ（図５に示す構成では、第１の蒸発要素１４に該当する。）、開閉弁Ｖ１７、第１の下流側凝縮要素１１２Ｌ、第１の膨張弁１１３、第１の蒸発要素１１４（図５に示す構成では、第１の上流側の凝縮要素１２Ｕに該当する。）、及び第１の四方弁１１６をこの順序で経由して、第１の圧縮機１１１に還流する。高元側ヒートポンプ１０２では、第２の冷媒１２５たる冷媒Ｒ１３４ａが、第２の圧縮機１２１、第２の四方弁１２６、第２の凝縮要素１２２、開閉弁Ｖ２５、第２の膨張弁１２３、第２の上流側蒸発要素１２４Ｕ、開閉弁Ｖ２６、開閉弁Ｖ２７、第２の下流側蒸発要素１２４Ｌ（図５に示す構成では、第２の上流側凝縮要素２２Ｕに該当する。）、及び第２の四方弁１２６をこの順序で経由して、第２の圧縮機１２１に還流する。
　また熱媒経路１０３は、ポンプ１３１、開閉弁Ｖ３３、上流側放熱器１３２、下流側放熱器１３３、開閉弁Ｖ３４、吸熱器１３４及びこれらをこの順序で流れる熱媒１３５である水を有している。
　さて高元側ヒートポンプ１０２が有する第２の下流側蒸発要素１２４Ｌは、熱媒経路１０３の上流側放熱器１３２から熱量ＱH2を吸熱して、熱媒である水を予冷する。低元側ヒートポンプ１０１が有する第１の蒸発要素１１４は、熱媒経路１０３の下流側放熱器１３３から熱量ＱL2を吸熱して、予冷した水をさらに低温に冷却する。なお熱媒経路１０３に設けた吸熱器１３４は、室内あるいは冷凍庫から吸熱し、室内の冷房あるいは食品等の冷凍を行なう。
　なお高元側ヒートポンプ１０２が有する第２の上流側蒸発要素１２４Ｕは、低元側ヒートポンプ１０１が有する第１の下流側凝縮要素１１２Ｌから、熱量ＱL12を吸熱する。また低元側ヒートポンプ１０１が有する第１の上流側凝縮要素１１２Ｕ、及び高元側ヒートポンプ１０２が有する第２の凝縮要素１２２における凝縮熱ＱL11及びＱH11は、それぞれ外気に放熱される。
　低元側ヒートポンプと高元側ヒートポンプとの加熱能力及び動作係数を、さらに向上させることができるため、ヒートポンプ及び冷凍機に関する産業に広く利用可能である。

Claims (4)

  1. 　　　低元側ヒートポンプ(1)と高元側ヒートポンプ(2)と熱媒経路(3)と蓄熱槽(4)とを備え、
    　　　上記低元側ヒートポンプ(1)は、第１の圧縮機(11)、第１の上流側凝縮要素(12U)、第１の下流側凝縮要素(12L)、第１の膨張弁(13)、第１の蒸発要素(14)、及びこれらをこの順序で循環する第１の冷媒(15)を有し、
    　　　上記高元側ヒートポンプ(2)は、第２の圧縮機(21)、第２の上流側凝縮要素(22U)、第２の下流側凝縮要素(22L)、第２の膨張弁(23)、第２の蒸発要素(24)、及びこれらをこの順序で循環する第２の冷媒(25)を有し、
    　　　上記熱媒経路(3)は、ポンプ(31)、上流側吸熱器(32)、下流側吸熱器(33)、及びこれらをこの順序で流れる熱媒(35)を有し、
    　　　上記第１の蒸発要素(14)は、外気から熱量ＱL2を吸熱し、
    　　　上記上流側吸熱器(32)は、上記第１の上流側凝縮要素(12U)から熱量ＱL11を吸熱し、
    　　　上記第２の蒸発要素(24)は、上記第１の下流側凝縮要素(12L)から熱量ＱL12を吸熱し、
    　　　上記下流側吸熱器(33)は、上記第２の上流側凝縮要素(22U)から熱量ＱH11を吸熱し、
    　　　上記蓄熱槽(4)は、上記第２の下流側凝縮要素(22L)から放熱される熱量ＱH12を蓄熱する
    　　　ことを特徴とする２元式ヒートポンプ。
  2. 　　　請求項１において、上記第１の蒸発要素(14)は、外気からの吸熱に替えて、上記蓄熱槽(4)から熱量ＱL2ａを吸熱する
    　　　ことを特徴とする２元式ヒートポンプ。
  3. 　　　請求項１において、さらに第３の膨張弁(53)と第３の蒸発要素(54)とを有し、
    　　　上記第１の蒸発要素(14)が着霜したときには、
    　　　上記第１の冷媒(15)は、上記第１の圧縮機(11)、第１の上流側凝縮要素(12U)、第１の下流側凝縮要素(12L)、第３の膨張弁(53)、及び第３の蒸発要素(54)をこの順序で循環し、
    　　　上記第３の蒸発要素(54)は、上記蓄熱槽(4)から熱量ＱL2bを吸熱し、
    　　　さらに上記第１の冷媒(15)は、上記第１の圧縮機(11)と第１の上流側凝縮要素(12U)との間で分流し、
    　　　上記分流した冷媒は、上記第１の蒸発要素(14)を経由して、上記第１の下流側凝縮要素(12L)と第３の膨張弁(53)との間で、上記第１の冷媒(15)と合流する
    　　　ことを特徴とする２元式ヒートポンプ。
  4. 　　　低元側ヒートポンプ(101)と高元側ヒートポンプ(102)と熱媒経路(103)とを備え、
    　　　上記低元側ヒートポンプ(101)は、第１の圧縮機(111)、第１の上流側凝縮要素(112U)、第１の下流側凝縮要素(112L)、第１の膨張弁(113)、第１の蒸発要素(114)、及びこれらをこの順序で循環する第１の冷媒(115)を有し、
    　　　上記高元側ヒートポンプ(102)は、第２の圧縮機(121)、第２の凝縮要素(122)、第２の膨張弁(123)、第２の蒸発要素(124)、及びこれらをこの順序で循環する第２の冷媒(125)を有し、
    　　　上記熱媒経路(103)は、ポンプ(131)、上流側放熱器(132)、下流側放熱器(133)、及びこれらをこの順序で流れる熱媒(135)を有し、
    　　　上記第２の蒸発要素(124)は、上記上流側放熱器(132)と第１の下流側凝縮要素(112L)とから、それぞれ熱量ＱH2及びＱL12を吸熱し、
    　　　上記第１の蒸発要素(114)は、上記下流側放熱器(133)から熱量ＱL2を吸熱し、
    　　　上記第１の上流側凝縮要素(112U)及び第２の凝縮要素(122)は、それぞれ外気に熱量ＱL11及びＱH11を放熱する
    　　　ことを特徴とする２元式冷凍機。
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