WO2022211078A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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WO2022211078A1
WO2022211078A1 PCT/JP2022/016798 JP2022016798W WO2022211078A1 WO 2022211078 A1 WO2022211078 A1 WO 2022211078A1 JP 2022016798 W JP2022016798 W JP 2022016798W WO 2022211078 A1 WO2022211078 A1 WO 2022211078A1
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refrigerant
heat exchanger
refrigeration cycle
refrigerant circuit
cycle apparatus
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PCT/JP2022/016798
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English (en)
French (fr)
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大輝 五十嵐
敦史 吉見
拓郎 山田
英二 熊倉
育弘 岩田
隆平 加治
猛 宮崎
浩貴 上田
政貴 田中
雅樹 中山
栄穂 阪口
修 田中
宏和 藤野
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ダイキン工業株式会社
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    • 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
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    • F25B41/20—Disposition of valves, e.g. of on-off valves or flow control valves
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    • F25B2339/04—Details of condensers
    • F25B2339/047—Water-cooled condensers

Definitions

  • the refrigeration cycle device described in Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-9829
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-9829
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-9829
  • the refrigerating cycle device including the first refrigerant circuit and the second refrigerant circuit is operated more efficiently by different methods.
  • a refrigeration cycle device includes a first refrigerant circuit using a first refrigerant and a second refrigerant circuit using a second refrigerant.
  • the first refrigerant is 1.2 MPa or less at 30°C.
  • the second refrigerant is 1.5 MPa or more at 30°C.
  • the refrigeration cycle apparatus can switch between binary cycle operation and single cycle operation. In the two-way cycle operation, the first refrigerant circuit and the second refrigerant circuit are operated simultaneously to exchange heat between the first refrigerant and the second refrigerant.
  • Unit cycle operation performs cooling operation or heating operation by operating the first refrigerant circuit without operating the second refrigerant circuit.
  • the refrigeration cycle apparatus may perform either cooling operation or heating operation as the unit cycle operation, or may selectively perform both the cooling operation and the heating operation as the unit cycle operation. good.
  • first refrigerant circuit and the second refrigerant circuit may be refrigerant circuits independent of each other, and the first refrigerant and the second refrigerant may not be mixed.
  • the second refrigerant circuit side may be used as the heat source side, and the first refrigerant circuit side may be used as the user side.
  • the first refrigerant circuit may handle a heat load.
  • the heat load of air may be processed, or the heat load of fluids such as water and brine may be processed.
  • a dual refrigerating cycle including the refrigerating cycle in the second refrigerant circuit used it is easy to secure the capacity while improving the operating efficiency.
  • the first refrigerant circuit is operated without operating the second refrigerant circuit instead of performing the binary refrigeration cycle.
  • a refrigerating cycle device is the refrigerating cycle device according to the first aspect, wherein the second refrigerant flowing through the second refrigerant circuit heats the first refrigerant flowing through the first refrigerant circuit during binary cycle operation. Start heating operation.
  • the refrigeration cycle apparatus performs unit cycle operation when a predetermined low load condition is satisfied in the refrigeration cycle apparatus according to the first or second aspect.
  • heating operation when the heating load satisfies a predetermined low load condition, it is preferable to perform heating operation by unit cycle operation.
  • a refrigeration cycle device is the refrigeration cycle device according to any one of the first to third aspects, and includes a cascade heat exchanger.
  • the cascade heat exchanger has a first cascade flowpath for flowing a first refrigerant and a second cascade flowpath for flowing a second refrigerant, independent of the first cascade flowpath.
  • the cascade heat exchanger allows heat exchange between the first refrigerant and the second refrigerant during binary cycle operation.
  • a refrigeration cycle device is the refrigeration cycle device according to the fourth aspect, wherein the first refrigerant circuit includes a first compressor, a first heat exchanger, a first expansion valve, and a first cascade flow path. and have
  • this refrigeration cycle device it is possible to perform a refrigeration cycle using the first refrigerant in the first refrigerant circuit by operating the first compressor.
  • a refrigeration cycle device is the refrigeration cycle device according to the fifth aspect, wherein the second refrigerant circuit includes a second compressor, a second cascade flow path, a second expansion valve, and a second heat exchanger. and have
  • this refrigeration cycle device it is possible to perform a dual refrigeration cycle by operating the first compressor and the second compressor.
  • a refrigeration cycle device is the refrigeration cycle device according to the sixth aspect, wherein the first cascade flow path functions as an evaporator for the first refrigerant and the first heat exchanger functions as the first refrigerant during binary cycle operation. It functions as a radiator for the refrigerant, the second cascade flow path functions as a radiator for the second refrigerant, and the second heat exchanger functions as an evaporator for the second refrigerant.
  • a refrigeration cycle device is the refrigeration cycle device according to the seventh aspect, wherein the first refrigerant circuit further includes a third heat exchanger.
  • the refrigeration cycle device is capable of cooling operation in which the third heat exchanger functions as a radiator for the first refrigerant and the first heat exchanger functions as an evaporator for the first refrigerant.
  • cooling operation can be performed by a unitary cycle.
  • a refrigeration cycle device is the refrigeration cycle device according to the seventh aspect, wherein the first refrigerant circuit further includes a third heat exchanger.
  • the refrigeration cycle apparatus is capable of heating operation in which the third heat exchanger functions as an evaporator for the first refrigerant and the first heat exchanger functions as a radiator for the first refrigerant.
  • heating operation can be performed by a unit cycle.
  • a refrigeration cycle device is the refrigeration cycle device according to the seventh aspect, wherein the first refrigerant circuit further includes a third heat exchanger and a switching unit for switching the flow path of the first refrigerant.
  • the cooling operation in which the third heat exchanger functions as a radiator for the first refrigerant and the first heat exchanger functions as an evaporator for the first refrigerant
  • the third heat exchange a heating operation in which the first heat exchanger functions as a radiator for the first refrigerant while the first heat exchanger functions as an evaporator for the first refrigerant.
  • this refrigeration cycle device it is possible to switch between a heating operation by a unitary refrigeration cycle and a heating operation by a dual refrigeration cycle.
  • a refrigeration cycle device is the refrigeration cycle device according to any one of the eighth aspect to the tenth aspect, further comprising a first air blower.
  • the second heat exchanger causes heat exchange between the air flowing outside and the second refrigerant flowing inside.
  • the third heat exchanger causes heat exchange between the air flowing outside and the first refrigerant flowing inside.
  • the first blower forms an air flow passing through the second heat exchanger and an air flow passing through the third heat exchanger.
  • a refrigeration cycle apparatus is the refrigeration cycle apparatus according to the eleventh aspect, in which the second heat exchanger is arranged at a position other than downwind of the third heat exchanger in the air flow.
  • the second heat exchanger may be arranged on the windward side of the third heat exchanger. Also, the second heat exchanger may be arranged side by side with the third heat exchanger in a direction intersecting the air flow direction of the first air blower. The second heat exchanger and the third heat exchanger are configured so as not to overlap each other in the air flow direction on the windward side of the air flow with respect to the first blower when the first blower forms an upward air flow. may be arranged side by side in the circumferential direction.
  • a refrigeration cycle apparatus is the refrigeration cycle apparatus according to either the eleventh aspect or the twelfth aspect, wherein the second heat exchanger and the third heat exchanger are arranged apart in the air flow direction.
  • a refrigeration cycle device is the refrigeration cycle device according to any one of the sixth to thirteenth aspects, wherein the second refrigerant circuit is provided between the discharge side of the second compressor and the second cascade flow path. It further has a fourth heat exchanger provided.
  • the heat of the refrigerant flowing through the fourth heat exchanger can be used to process the heating load on the user side.
  • a refrigeration cycle device is the refrigeration cycle device according to the fourteenth aspect, further comprising a second air blower.
  • the first heat exchanger causes heat exchange between the air flowing outside and the first refrigerant flowing inside.
  • the fourth heat exchanger causes heat exchange between the air flowing outside and the second refrigerant flowing inside.
  • the second blower creates an airflow that passes through both the first heat exchanger and the fourth heat exchanger.
  • the heat of the refrigerant in the first heat exchanger and the fourth heat exchanger can be used to process the heating load by the air flow formed by the second air blower.
  • a refrigeration cycle device is the refrigeration cycle device according to any one of the first to fifteenth aspects, wherein the first refrigerant includes at least one of R1234yf, R1234ze, and R290.
  • the first refrigerant may be composed of only R1234yf, may be composed of only R1234ze, or may be composed of only R290.
  • This refrigeration cycle device can be operated using a refrigerant with a sufficiently low global warming potential (GWP).
  • GWP global warming potential
  • a refrigeration cycle device is the refrigeration cycle device according to any one of the first to sixteenth aspects, wherein the second refrigerant contains carbon dioxide.
  • the second refrigerant may be composed of only carbon dioxide, or may be a mixed refrigerant of carbon dioxide and another refrigerant.
  • This refrigeration cycle device can be operated using a refrigerant with sufficiently low ozone depletion potential (ODP) and global warming potential (GWP). Further, during cooling operation, the unitary refrigeration cycle using the first refrigerant circuit is avoided by using the second refrigerant circuit through which the refrigerant containing carbon dioxide flows as the refrigerant circuit on the heat source side in the binary refrigeration cycle. is performed, it is possible to avoid a decrease in the COP due to the carbon dioxide refrigerant entering a supercritical state.
  • ODP ozone depletion potential
  • GWP global warming potential
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of a refrigeration cycle apparatus according to a first embodiment;
  • FIG. 1 is a functional block configuration diagram of a refrigeration cycle device according to a first embodiment;
  • FIG. 4 is a diagram showing how a refrigerant flows during cooling operation in the first embodiment;
  • FIG. 4 is a diagram showing how a refrigerant flows during high-load heating operation in the first embodiment;
  • FIG. 4 is a diagram showing how a refrigerant flows during low-load heating operation in the first embodiment;
  • It is a whole block diagram of the refrigerating-cycle apparatus which concerns on 2nd Embodiment.
  • It is a whole block diagram of the refrigerating-cycle apparatus which concerns on 3rd Embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a first outdoor heat exchanger and a second outdoor heat exchanger of a refrigeration cycle apparatus according to a fifth embodiment; It is a schematic block diagram of the 1st outdoor heat exchanger and the 2nd outdoor heat exchanger of the refrigerating-cycle apparatus which concerns on 6th Embodiment. It is a schematic block diagram of the 1st outdoor heat exchanger and the 2nd outdoor heat exchanger of the refrigerating-cycle apparatus which concerns on 7th Embodiment.
  • FIG. 1 the schematic block diagram of the refrigerating-cycle apparatus 1 which concerns on 1st Embodiment is shown.
  • FIG. 2 shows a functional block configuration diagram of the refrigeration cycle device 1 according to the first embodiment.
  • the refrigeration cycle device 1 is a device used to process a heat load by performing vapor compression refrigeration cycle operation.
  • the refrigeration cycle device 1 has a heat load circuit 90 , a first refrigerant circuit 10 , a second refrigerant circuit 20 , an outdoor fan 9 and a controller 7 .
  • the heat load processed by the refrigeration cycle device 1 is not particularly limited, and heat exchange may be performed with fluids such as air, water, and brine.
  • Water flowing through the heat load circuit 90 is supplied to the heat load heat exchanger 91 to process the heat load in the heat load heat exchanger 91 .
  • the heat load circuit 90 is a circuit in which water as a heat medium circulates, and includes a heat load heat exchanger 91, a pump 92, and a utilization heat exchanger 13 (first heat (equivalent to an exchanger), and
  • the pump 92 circulates water in the heat load circuit 90 by being driven and controlled by the controller 7 to be described later.
  • the utilization heat exchanger 13 has a utilization passage 13a through which the first refrigerant flowing through the first refrigerant circuit 10 passes, as will be described later.
  • the water flowing through the heat load flow path 13b of the heat utilization exchanger 13 is cooled during the cooling operation and warmed during the heating operation by exchanging heat with the first refrigerant flowing through the utilization flow path 13a.
  • the first refrigerant circuit 10 includes a first compressor 11, a first switching mechanism 12, a utilization heat exchanger 13 (corresponding to a first heat exchanger) shared with the heat load circuit 90, and a first utilization expansion valve. 15 (corresponding to a first expansion valve), a second utilization expansion valve 16 , a cascade heat exchanger 17 shared with the second refrigerant circuit 20 , and a first outdoor heat exchanger 18 .
  • the first refrigerant circuit 10 is filled with a first refrigerant, which is a low-pressure refrigerant, as a refrigerant.
  • the first refrigerant is a refrigerant of 1.2 MPa or less at 30 ° C., for example, a refrigerant containing at least one of R1234yf, R1234ze, and R290. or may consist of only R290.
  • the first compressor 11 is a positive displacement compressor driven by a compressor motor.
  • the compressor motor is driven by being supplied with power through an inverter device.
  • the operating capacity of the first compressor 11 can be changed by varying the drive frequency, which is the number of revolutions of the compressor motor.
  • a discharge side of the first compressor 11 is connected to a first switching mechanism 12 .
  • the suction side of the first compressor 11 is connected to the gas refrigerant side outlet of the first cascade flow path 17 a of the cascade heat exchanger 17 .
  • the first switching mechanism 12 has a switching valve 12a and a switching valve 12b.
  • the switching valve 12 a and the switching valve 12 b are connected in parallel with each other on the discharge side of the first compressor 11 .
  • the switching valve 12a is connected between the discharge side of the first compressor 11 and the utilization flow path 13a of the heat utilization exchanger 13, and the suction side of the first compressor 11 and the utilization flow path 13a of the utilization heat exchanger 13. It is a three-way valve that switches between the state of connecting the
  • the switching valve 12b connects the discharge side of the first compressor 11 and the first outdoor heat exchanger 18, and connects the suction side of the first compressor 11 and the first outdoor heat exchanger 18. It is a three-way valve that switches between .
  • the use flow path 13a through which the first refrigerant flowing through the first refrigerant circuit 10 passes in the use heat exchanger 13 is connected to the switching valve 12a on the gas refrigerant side.
  • the liquid refrigerant side of the use channel 13a is connected to the first branch point A of the first refrigerant circuit 10 .
  • the first refrigerant can cool the water flowing through the heat load circuit 90 by evaporating while flowing through the utilization flow path 13a of the utilization heat exchanger 13, and flows through the utilization flow path 13a of the utilization heat exchanger 13. This condensing can warm the water flowing through the heat load circuit 90 .
  • a channel extending from the liquid refrigerant side of the usage channel 13a, a channel extending from the first usage expansion valve 15 to the side opposite to the cascade heat exchanger 17 side, and a second usage expansion valve 16 is connected to a flow path extending in the opposite direction to the first outdoor heat exchanger 18 side.
  • the first utilization expansion valve 15 is composed of an electronic expansion valve whose opening degree can be adjusted.
  • the first utilization expansion valve 15 is provided in the first refrigerant circuit 10 between the first branch point A and the liquid refrigerant side inlet of the first cascade flow path 17 a of the cascade heat exchanger 17 . .
  • the second utilization expansion valve 16 is composed of an electronic expansion valve whose opening degree can be adjusted.
  • the second utilization expansion valve 16 is provided in the first refrigerant circuit 10 between the first branch point A and the liquid refrigerant side outlet of the first outdoor heat exchanger 18 .
  • the cascade heat exchanger 17 includes a first cascade flow path 17a through which the first refrigerant flowing through the first refrigerant circuit 10 passes, and a second cascade flow path 17b through which the second refrigerant flowing through the second refrigerant circuit 20 passes. and a heat exchanger for exchanging heat between the first refrigerant and the second refrigerant.
  • the first cascade flow path 17a and the second cascade flow path 17b are independent of each other, and the first refrigerant and the second refrigerant do not mix.
  • the outlet, which is the gas refrigerant side, of the first cascade flow path 17 a of the cascade heat exchanger 17 is connected to the suction side of the first compressor 11 .
  • the liquid refrigerant side inlet of the first cascade flow path 17 a of the cascade heat exchanger 17 is connected to the first utilization expansion valve 15 .
  • the first outdoor heat exchanger 18 is configured with a plurality of heat transfer tubes and a plurality of fins joined to the plurality of heat transfer tubes.
  • the first outdoor heat exchanger 18 is arranged outdoors.
  • the first refrigerant flowing through the first outdoor heat exchanger 18 exchanges heat with the air sent to the first outdoor heat exchanger 18, thereby functioning as a condenser or evaporator for the first refrigerant.
  • the outdoor fan 9 generates an air flow of outdoor air that passes through both the first outdoor heat exchanger 18 and the second outdoor heat exchanger 23.
  • the second refrigerant circuit 20 includes a second compressor 21, a cascade heat exchanger 17 shared with the first refrigerant circuit 10, a heat source expansion valve 26, and a second outdoor heat exchanger 23 (in the second heat exchanger equivalent) and
  • the second refrigerant circuit 20 is filled with a second refrigerant, which is a high-pressure refrigerant, as a refrigerant.
  • the second refrigerant is a refrigerant having a pressure of 1.5 MPa or higher at 30° C., and may be, for example, a mixed refrigerant containing carbon dioxide, or may consist of only carbon dioxide.
  • the mixed refrigerant containing carbon dioxide may be, for example, a mixed refrigerant of carbon dioxide and R1234ze or a mixed refrigerant of carbon dioxide and R1234yf.
  • the second compressor 21 is a positive displacement compressor driven by a compressor motor.
  • the compressor motor is driven by being supplied with power through an inverter device.
  • the operating capacity of the second compressor 21 can be changed by varying the drive frequency, which is the number of revolutions of the compressor motor.
  • the discharge side of the second compressor 21 is connected to the inlet, which is the gas refrigerant side, of the second cascade flow path 17 b of the cascade heat exchanger 17 .
  • a suction side of the second compressor 21 is connected to a second outdoor heat exchanger 23 .
  • the inlet of the second cascade flow path 17 b of the cascade heat exchanger 17 on the gas refrigerant side is connected to the discharge side of the second compressor 21 .
  • the liquid refrigerant side outlet of the second cascade flow path 17 b of the cascade heat exchanger 17 is connected to the heat source expansion valve 26 .
  • the heat source expansion valve 26 is provided in a channel between the liquid refrigerant side of the second cascade channel 17 b of the cascade heat exchanger 17 and the liquid refrigerant side of the second outdoor heat exchanger 23 .
  • the second outdoor heat exchanger 23 is configured with a plurality of heat transfer tubes and a plurality of fins joined to the plurality of heat transfer tubes.
  • the second outdoor heat exchanger 23 is arranged outdoors alongside the first outdoor heat exchanger 18 .
  • the second outdoor heat exchanger 23 is arranged further upwind than the first outdoor heat exchanger 18 in the direction of the air flow formed by the outdoor fan 9 .
  • the second outdoor heat exchanger 23 is not arranged on the leeward side of the first outdoor heat exchanger 18, the air warmed by the first outdoor heat exchanger 18 is sent to the second outdoor heat exchanger 23. You can prevent being caught. As a result, it is possible to prevent the carbon dioxide refrigerant in the second outdoor heat exchanger 23 from being heated by the heat of the first outdoor heat exchanger 18 .
  • the second refrigerant flowing through the second outdoor heat exchanger 23 exchanges heat with the air sent to the second outdoor heat exchanger 23, thereby functioning as an evaporator for the second refrigerant.
  • the controller 7 controls the operation of each device that constitutes the heat load circuit 90 , the first refrigerant circuit 10 and the second refrigerant circuit 20 .
  • the controller 7 has a processor such as a CPU and memories such as a ROM and a RAM provided for control.
  • the controller 7 controls each device to execute the refrigeration cycle, thereby performing a cooling operation for processing the cooling load in the thermal load heat exchanger 91 and a heating load in the thermal load heat exchanger 91.
  • a heating operation is performed to process the The heating operation includes a low-load heating operation performed when the heating load is small and a high-load heating operation performed when the heating load is large.
  • Cooling operation During cooling operation, as shown in FIG. A unit refrigerating cycle is performed so as to function as a condenser for the first refrigerant, and the refrigerating cycle is not performed in the second refrigerant circuit 20 .
  • the switching valves 12a and 12b of the first switching mechanism 12 are switched to the connected state indicated by solid lines in FIG. is fully closed, and the degree of opening of the second utilization expansion valve 16 is controlled so that the degree of superheat of the first refrigerant sucked into the first compressor 11 satisfies a predetermined condition.
  • the rotation speed of the first compressor 11 is controlled so that the cooling load of the heat load heat exchanger 91 in the heat load circuit 90 can be processed.
  • the operation of the second refrigerant circuit 20 is stopped by stopping the second compressor 21 .
  • the first refrigerant discharged from the first compressor 11 is sent to the first outdoor heat exchanger 18 via the switching valve 12b of the first switching mechanism 12.
  • the first refrigerant sent to the first outdoor heat exchanger 18 is condensed by exchanging heat with the outdoor air supplied by the outdoor fan 9 .
  • the first refrigerant that has passed through the first outdoor heat exchanger 18 is decompressed by the second utilization expansion valve 16 , passes through the first branch point A, and is sent to the utilization flow path 13 a of the utilization heat exchanger 13 .
  • the first refrigerant flowing through the utilization flow path 13 a of the utilization heat exchanger 13 evaporates by exchanging heat with water flowing through the heat load flow path 13 b of the utilization heat exchanger 13 of the heat load circuit 90 .
  • the water cooled by this heat exchange is sent to the heat load heat exchanger 91 in the heat load circuit 90 to process the cooling load.
  • the first refrigerant evaporated in the utilization flow path 13 a of the utilization heat exchanger 13 is sucked into the first compressor 11 via the switching valve 12 a of the first switching mechanism 12 .
  • the high-load heating operation is performed when a high-load condition is satisfied in which the heating load to be processed in the thermal load heat exchanger 91 of the thermal load circuit 90 is large. done.
  • the high load condition is not particularly limited, it may be that the low load condition, which will be described later, is not satisfied.
  • the utilization heat exchanger 13 functions as a condenser for the first refrigerant
  • the cascade heat exchanger 17 functions as an evaporator for the first refrigerant
  • the cascade heat exchanger 17 functions as a radiator for the second refrigerant
  • the second outdoor heat exchanger 23 functions as an evaporator for the second refrigerant.
  • the pump 92, the first compressor 11, the second compressor 21, and the outdoor fan 9 are driven,
  • the second utilization expansion valve 16 is fully closed, the degree of opening of the first utilization expansion valve 15 is controlled so that the degree of superheat of the first refrigerant sucked by the first compressor 11 satisfies a predetermined condition, and the heat source expansion valve is closed.
  • 26 is controlled so that the degree of superheat of the second refrigerant sucked into the second compressor 21 satisfies a predetermined condition.
  • the rotation speed of the first compressor 11 is controlled so that the cooling load of the heat load heat exchanger 91 in the heat load circuit 90 can be processed.
  • the second compressor 21 is configured, for example, so that the degree of superheat of the first refrigerant sucked into the first compressor 11 through the first cascade flow path 17a in the cascade heat exchanger 17 reaches a predetermined value.
  • the rotation speed is controlled so that the second refrigerant flowing through the second cascade flow path 17b in the cascade heat exchanger 17 has a predetermined pressure.
  • the second refrigerant discharged from the second compressor 21 is sent to the cascade heat exchanger 17 and, when flowing through the second cascade flow path 17b, heats the first refrigerant flowing through the first cascade flow path 17a. Dissipate heat by exchanging.
  • the second refrigerant that has dissipated heat in the cascade heat exchanger 17 is decompressed in the heat source expansion valve 26, and then exchanges heat with the outdoor air supplied by the outdoor fan 9 in the second outdoor heat exchanger 23 to evaporate. 2 is sucked into the compressor 21 .
  • the first refrigerant discharged from the first compressor 11 is sent to the utilization passage 13a of the utilization heat exchanger 13 via the switching valve 12a of the first switching mechanism 12 .
  • the first refrigerant flowing through the utilization flow path 13 a of the utilization heat exchanger 13 is condensed by exchanging heat with water flowing through the heat load flow path 13 b of the utilization heat exchanger 13 of the heat load circuit 90 .
  • the water warmed by this heat exchange is sent to the heat load heat exchanger 91 in the heat load circuit 90 to treat the heating load.
  • the first refrigerant condensed in the utilization flow path 13 a of the utilization heat exchanger 13 passes through the first branch point A and is decompressed in the first utilization expansion valve 15 .
  • the refrigerant decompressed by the first utilization expansion valve 15 evaporates by exchanging heat with the second refrigerant flowing through the second cascade flow path 17b when passing through the first cascade flow path 17a of the cascade heat exchanger 17. .
  • the first refrigerant evaporated in the first cascade flow path 17 a of the cascade heat exchanger 17 is sucked into the first compressor 11 .
  • the low-load heating operation is performed when the heating operation is performed when the low-load condition that the heating load to be processed in the thermal load heat exchanger 91 of the thermal load circuit 90 is small is satisfied. done.
  • the low and high load conditions are not particularly limited, for example, the heating load in the heat load heat exchanger 91 of the heat load circuit 90 can be processed even if the compression ratio of the first compressor 11 is a predetermined compression ratio or less.
  • the condition may be that it is a load.
  • the predetermined compression ratio here is, for example, the degree of decrease in the operating efficiency of the refrigeration cycle device 1 due to the heat exchange loss in the cascade heat exchanger 17 when performing the heating operation of the dual refrigeration cycle in the refrigeration cycle device 1.
  • the compression ratio of the first compressor 11 may be larger than the degree of decrease in operating efficiency in the refrigeration cycle apparatus 1 when changed. Further, the predetermined compression ratio here is, for example, the coefficient of performance (COP: The compression ratio of the first compressor 11 may be such that the coefficient of performance (COP) when processing the heating load by the unitary refrigeration cycle in which only the first refrigerant circuit 10 is operated is larger than the coefficient of performance).
  • the low and high load condition is not limited to the condition based on the predetermined compression ratio.
  • the difference between the temperature of the fluid required in the heat load heat exchanger 91 of the heat load circuit 90 and the outside air temperature may be a predetermined value or more. It may be predetermined based on the compression ratio.
  • the threshold used for determining the low-high load condition may be determined in advance and held in the memory of the controller 7 or the like.
  • the refrigeration cycle is performed so that the first outdoor heat exchanger 18 functions as an evaporator for the first refrigerant, and the operation of the second refrigerant circuit 20 is stopped.
  • the unitary refrigeration cycle by the first refrigerant circuit 10 is performed during the low-load heating operation.
  • the switching valves 12a and 12b of the first switching mechanism 12 are switched to the connected state indicated by the dashed lines in FIG. is fully closed, and the degree of opening of the second utilization expansion valve 16 is controlled so that the degree of superheat of the first refrigerant sucked into the first compressor 11 satisfies a predetermined condition.
  • the rotation speed of the first compressor 11 is controlled so that the heating load of the heat load heat exchanger 91 in the heat load circuit 90 can be processed.
  • the operation of the second refrigerant circuit 20 is stopped by stopping the second compressor 21 .
  • the first refrigerant discharged from the first compressor 11 is sent to the utilization passage 13a of the utilization heat exchanger 13 via the switching valve 12a of the first switching mechanism 12.
  • the first refrigerant flowing through the utilization flow path 13 a of the utilization heat exchanger 13 is condensed by exchanging heat with water flowing through the heat load flow path 13 b of the utilization heat exchanger 13 of the heat load circuit 90 .
  • the water warmed by this heat exchange is sent to the heat load heat exchanger 91 in the heat load circuit 90 to treat the heating load.
  • the first refrigerant condensed in the utilization flow path 13a of the utilization heat exchanger 13 does not flow into the first utilization expansion valve 15 which is in the fully closed state.
  • the pressure is reduced at the 2-use expansion valve 16 .
  • the refrigerant decompressed by the second utilization expansion valve 16 evaporates by exchanging heat with the air in the air flow formed by the outdoor fan 9 when passing through the first outdoor heat exchanger 18 .
  • the first refrigerant evaporated in the first outdoor heat exchanger 18 is sucked into the first compressor 11 .
  • the first refrigerant circuit 10 uses a first refrigerant having a sufficiently low global warming potential (GWP).
  • the second refrigerant circuit 20 uses a second refrigerant having a sufficiently low ozone depletion potential (ODP) and a sufficiently low global warming potential (GWP). Therefore, deterioration of the global environment can be suppressed.
  • GWP global warming potential
  • GWP global warming potential
  • the first refrigerant having a temperature of 1.2 MPa or less at 30° C. is used instead of the second refrigerant having a temperature of 1.5 MPa or more at 30° C. . Therefore, the density of the first refrigerant sucked by the first compressor 11 of the first refrigerant circuit 10 can be increased, and the efficiency of the first compressor 11 can be increased. Also, the capacity of the first compressor 11 can be reduced.
  • the first refrigerant circuit 10 has the first outdoor heat exchanger 18 connected in parallel with the cascade heat exchanger 17 . Therefore, even when heat exchange between the first refrigerant and the second refrigerant is not performed in the cascade heat exchanger 17 because the second refrigerant circuit 20 is in a shutdown state, the first outdoor heat exchanger At 18, the first refrigerant is allowed to exchange heat with air. As a result, the first refrigerant circuit 10 can perform the refrigeration cycle even when the second refrigerant circuit 20 is in a shutdown state.
  • the first refrigerant circuit 10 is operated to perform low-load heating operation by the unitary refrigerating cycle. is possible.
  • a low-load heating operation which is a unitary refrigerating cycle using only the first refrigerant circuit 10 instead of a binary refrigerating cycle, is performed.
  • a low-load heating operation which is a unitary refrigerating cycle using only the first refrigerant circuit 10 instead of a binary refrigerating cycle.
  • the refrigeration cycle is not performed in the second refrigerant circuit 20, but the unit refrigeration cycle is performed by the first refrigerant circuit 10 during cooling operation.
  • the pressure of the carbon dioxide refrigerant becomes critical, as in the case of performing a single refrigeration cycle using carbon dioxide refrigerant, which is a high-pressure refrigerant, or when performing a dual refrigeration cycle using carbon dioxide, which is a high-pressure refrigerant, in the heat source side cycle. Cooling operation can be performed while avoiding a situation in which the operating efficiency is lowered due to exceeding the pressure.
  • the second refrigerant circuit 20 is used only as a refrigeration cycle on the heat source side in the dual refrigeration cycle during high-load heating operation. For this reason, it is possible to manufacture the device at a low cost by lowering the pressure resistance standard required for the element parts of the second refrigerant circuit 20 in which carbon dioxide, which is a high-pressure refrigerant, is used.
  • the second outdoor heat exchanger 23 in which the carbon dioxide refrigerant is present is arranged on the windward side of the first outdoor heat exchanger 18 in the air flow direction of the outdoor fan 9. ing. Therefore, it is possible to avoid sending air warmed by heat exchange with the first refrigerant flowing through the first outdoor heat exchanger 18 to the second outdoor heat exchanger 23 . As a result, in a state where the operation of the second refrigerant circuit 20 is stopped like during low-load heating operation, warmed air is sent to the second outdoor heat exchanger 23, and the second outdoor heat A pressure rise of the carbon dioxide refrigerant in the exchanger 23 is suppressed.
  • the second refrigerant circuit 20 when configured using element parts with a relatively low pressure resistance standard, the pressure increase of the carbon dioxide refrigerant in the second outdoor heat exchanger 23 tends to become a significant problem.
  • the second refrigerant circuit 20 having a relatively low pressure resistance in the refrigeration cycle device 1 of the present embodiment, the warmed air is not sent to the second outdoor heat exchanger 23, so the problem is suppressed.
  • the second outdoor heat exchanger 23 and the first outdoor heat exchanger 18 use the common outdoor fan 9, so that the fan can be shared. ing.
  • the second outdoor heat exchanger 23 and the first outdoor heat exchanger 18 are arranged apart from each other. Therefore, even when the operation of the second refrigerant circuit 20 is stopped, such as during low-load heating operation, the heat of the first outdoor heat exchanger 18 is suppressed from being transferred to the second outdoor heat exchanger 23. Therefore, the pressure increase of the carbon dioxide refrigerant in the second outdoor heat exchanger 23 is suppressed.
  • the refrigeration cycle apparatus 1 includes the heat load circuit 90, and the heat utilization heat exchanger 13 has the utilization flow path 13a and the heat load flow path 13b. mentioned and explained.
  • the refrigeration cycle device 1 may not have the heat load circuit 90, and the load processed by the refrigeration cycle device 1 may be an air load.
  • FIG. 6 shows a schematic configuration diagram of a refrigeration cycle device 1a according to the second embodiment.
  • the refrigeration cycle apparatus 1a of the second embodiment includes, for example, a heat load fan 92a that forms an air flow instead of the pump 92 of the heat load circuit 90 of the above embodiment.
  • the heat load fan 92a is driven and controlled by the controller 7 when the first refrigerant circuit 10 is driven.
  • the utilization heat exchanger 13 in the refrigeration cycle apparatus 1a of the second embodiment is used, for example, to cool or warm the air in a space such as a room in a building. Specifically, in the utilization heat exchanger 13, heat is exchanged between the first refrigerant and the air by sending the air in the space to be air-conditioned by the heat load fan 92a.
  • a refrigeration cycle device 1b dedicated to heating that processes the heating load of the air-conditioned space using the first heat utilization heat exchanger 131 and the second heat utilization heat exchanger 132 may be
  • FIG. 7 shows a schematic configuration diagram of a refrigeration cycle device 1b according to the third embodiment.
  • the refrigerating cycle device 1b is an air heat exchanger in which the first heat-utilizing heat exchanger 131 of the first refrigerant circuit 10 exchanges heat between the first refrigerant flowing inside and the air flowing outside. , and the first switching mechanism 12 is not provided. Therefore, the first utilization heat exchanger 131 functions as a radiator for the first refrigerant discharged from the first compressor 11 .
  • the second refrigerant circuit 20 has the second utilization heat exchanger 132 between the second compressor 21 and the second cascade flow path 17b of the cascade heat exchanger 17. is doing.
  • the second heat utilization heat exchanger 132 is an air heat exchanger that exchanges heat between the second refrigerant flowing inside and the air flowing outside. It is arranged away from the first utilization heat exchanger 131 on the windward side of the air flow direction by 92a.
  • the second utilization heat exchanger 132 functions as a radiator for the second refrigerant discharged from the second compressor 21 .
  • unit refrigeration cycle operation using only the first refrigerant circuit 10 is performed as low-load heating operation.
  • the first utilization expansion valve 15 is controlled to be fully closed.
  • the refrigerant discharged from the first compressor 11 is condensed in the first utilization heat exchanger 131, decompressed in the second utilization expansion valve 16, and evaporated in the first outdoor heat exchanger 18. and is controlled to return to the first compressor 11 .
  • the refrigeration cycle device 1b performs a dual refrigeration cycle using the first refrigerant circuit 10 and the second refrigerant circuit 20 in high-load heating operation.
  • the second utilization expansion valve 16 is controlled to be fully closed.
  • the first refrigerant discharged from the first compressor 11 is condensed in the first utilization heat exchanger 131, depressurized in the first utilization expansion valve 15, and It is controlled to evaporate while flowing through the first cascade flow path 17 a and return to the first compressor 11 .
  • the second refrigerant discharged from the second compressor 21 releases heat when passing through the second utilization heat exchanger 132, and the cascade heat exchanger 17 When flowing through the second cascade flow path 17b, it exchanges heat with the first refrigerant flowing through the first cascade flow path 17a to further radiate heat. , is controlled to return to the second compressor 21 .
  • the refrigeration cycle apparatus 1b of the third embodiment also switches the operation according to the magnitude of the heating load, thereby preventing the reduction in operating efficiency while processing the heating load. It is possible to keep it small.
  • the second refrigerant circuit 20 includes not only the first utilization heat exchanger 131 of the first refrigerant circuit 10, but also the second utilization heat exchanger 132, which functions as a radiator in each cycle. Since it has a heat exchanger that Here, the second utilization heat exchanger 132 is arranged on the windward side of the first utilization heat exchanger 131 in the air flow direction generated by the heat load fan 92a.
  • the air heated when passing through the first heat exchanger 131 is transferred to the second refrigerant circuit 131. It is not sent to the utilization heat exchanger 132 .
  • the first heat utilization exchanger 131 and the second heat utilization heat exchanger 132 are arranged apart from each other. Therefore, when the second refrigerant circuit 20 is stopped, the carbon dioxide refrigerant inside the second utilization heat exchanger 132 is suppressed from being heated, and the pressure inside the second refrigerant circuit 20 rises excessively. is suppressed. This makes it possible to design the second refrigerant circuit 20 to have a small pressure resistance.
  • the first outdoor heat exchanger 18 and the second outdoor heat exchanger 23 are, for example, as shown in FIG.
  • the heat exchanger 23 may be configured as an integrated heat exchanger.
  • the integrated heat exchanger for example, a plurality of first heat transfer tubes forming the first outdoor heat exchanger 18 through which the first refrigerant flows, and a plurality of heat transfer tubes forming the second outdoor heat exchanger 23 through which the second refrigerant flows and a heat exchanger having a plurality of heat transfer fins fixed to both the first heat transfer tube and the second heat transfer tube.
  • the first outdoor heat exchanger 18 and the second outdoor heat exchanger 23 are arranged in the first outdoor heat exchanger 18 and the second outdoor heat exchanger 23 in the direction of air flow by the outdoor fan 9, for example, as shown in FIG.
  • the outdoor heat exchanger 18 and the second outdoor heat exchanger 23 have overlapping portions, and the heat exchange area of the first outdoor heat exchanger 18 is the same as that of the second outdoor heat exchanger 23 when viewed in the air flow direction. It is good also as a structure smaller than a heat exchange area.
  • the ventilation resistance of the air in the first outdoor heat exchanger 18 can be kept small, so more air can easily pass through the second outdoor heat exchanger 23 .
  • it is particularly effective as a refrigeration cycle apparatus that requires more heating capacity than cooling capacity.
  • the first outdoor heat exchanger 18 and the second outdoor heat exchanger 23 are configured as an integrated heat exchanger, the first outdoor heat exchange The amount of air passing through the second outdoor heat exchanger 23 tends to decrease as the ventilation resistance of the unit 18 increases. In this case, in particular, the effect of reducing the heat exchange area of the first outdoor heat exchanger 18 as described above is remarkably obtained.
  • the first outdoor heat exchanger 18 and the second outdoor heat exchanger 23 are, for example, as shown in FIG.
  • the exchanger 23 is on the windward side of the outdoor fan 9 in the air flow formed by the outdoor fan 9 and may be arranged at different positions around the rotation axis of the outdoor fan 9 when viewed in the direction of the rotation axis.
  • the rotation axis direction of the outdoor fan 9 is a direction perpendicular to the paper surface.
  • the arrangement of the first outdoor heat exchanger 18 and the second outdoor heat exchanger 23 may be adopted. .
  • the first outdoor heat exchanger 18 and the second outdoor heat exchanger 23 are, for example, as shown in FIG. 18 and the second outdoor heat exchanger 23 may be arranged so as not to overlap each other.
  • the second outdoor heat exchanger 23 may be arranged above the first outdoor heat exchanger 18.
  • 1, 1a, 1b refrigeration cycle device 9: outdoor fan (first air blower) 10: First refrigerant circuit 11: First compressor 12: First switching mechanism (switching unit) 13: Utilization heat exchanger (first heat exchanger) 13a: use channel 13b: heat load channel 15: first use expansion valve (first expansion valve) 16: Second utilization expansion valve 17: Cascade heat exchanger 17a: First cascade flow path 17b: Second cascade flow path 18: First outdoor heat exchanger (third heat exchanger) 20: Second refrigerant circuit 21: Second compressor 23: Second outdoor heat exchanger (second heat exchanger) 26: heat source expansion valve (second expansion valve) 90: Thermal load circuit 91: Thermal load heat exchanger 92: Pump 92a: Thermal load fan (second air blower) 131: First use heat exchanger (first heat exchanger) 132: Second use heat exchanger (fourth heat exchanger)

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Abstract

第１冷媒回路と第２冷媒回路とを備え、運転を効率化させることが可能な冷凍サイクル装置を提供する。３０℃で１．２ＭＰａ以下の第１冷媒を用いた第１冷媒回路（１０）と、３０℃で１．５ＭＰａ以上の第２冷媒を用いた第２冷媒回路（２０）と、を備え、第１冷媒回路（１０）と第２冷媒回路（２０）を同時に運転させて第１冷媒と第２冷媒との間で熱交換を行わせる二元サイクル運転と、第２冷媒回路（２０）を運転させることなく第１冷媒回路（１０）を運転させて冷房運転または暖房運転を行う単元サイクル運転と、を切り換えて実行可能である。

Description

冷凍サイクル装置
　冷凍サイクル装置に関する。
　従来より、２つの冷媒回路のそれぞれを運転させつつ、各冷媒回路を流れる冷媒同士で熱交換させる二元冷凍サイクル装置がある。
　例えば、特許文献１（特開２０１４－９８２９号公報）に記載の冷凍サイクル装置では、カスケード熱交換器を介して熱的に接続された熱源側冷媒回路と利用側冷媒回路を備え、熱源側冷媒回路の熱源側圧縮機と利用側冷媒回路の利用側圧縮機との両方を駆動させる場合において二元冷凍サイクルを効率的に行うことを提案している。
　この冷凍サイクル装置では、第１冷媒回路と第２冷媒回路とを備える冷凍サイクル装置において別異の手法で運転を効率化させることが望まれる。
　第１観点に係る冷凍サイクル装置は、第１冷媒を用いた第１冷媒回路と、第２冷媒を用いた第２冷媒回路と、を備えている。第１冷媒は、３０℃で１．２ＭＰａ以下である。第２冷媒は、３０℃で１．５ＭＰａ以上である。冷凍サイクル装置は、二元サイクル運転と、単元サイクル運転と、を切り換えて実行可能である。二元サイクル運転は、第１冷媒回路と第２冷媒回路を同時に運転させて第１冷媒と第２冷媒との間で熱交換を行わせる。単元サイクル運転は、第２冷媒回路を運転させることなく第１冷媒回路を運転させて冷房運転または暖房運転を行う。
　なお、単元サイクル運転として冷房運転と暖房運転のいずれかのみを行う冷凍サイクル装置であってもよいし、単元サイクル運転として冷房運転と暖房運転の両方を選択的に行う冷凍サイクル装置であってもよい。
　また、第１冷媒回路と第２冷媒回路とは、互いに独立した冷媒回路であり、第１冷媒と第２冷媒が混ざり合うことがないものでよい。
　なお、冷凍サイクル装置で二元冷凍サイクルを行う際は、第２冷媒回路側を熱源側とし、第１冷媒回路側を利用側として用いてよい。具体的には、第１冷媒回路が、熱負荷を処理するものであってよい。
　なお、利用側では、空気の熱負荷を処理してもよいし、水やブライン等の流体の熱負荷を処理してもよい。
　この冷凍サイクル装置では、３０℃で１．２ＭＰａ以下の低圧冷媒である第１冷媒を用いた第１冷媒回路での冷凍サイクルと、３０℃で１．５ＭＰａ以上の高圧冷媒である第２冷媒を用いた第２冷媒回路での冷凍サイクルと、を含む二元冷凍サイクルを行うことで、運転効率を良好にしつつ能力を確保しやすい。また、この冷凍サイクル装置では、例えば、暖房運転時に暖房負荷が小さい場合については、二元冷凍サイクルを行うのではなく、第２冷媒回路を運転させることなく第１冷媒回路を運転させて暖房運転を行うことで、低負荷時における第１冷媒と第２冷媒との熱交換でロスが生じることを避けて、運転効率の低下を抑制することができる。
　第２観点に係る冷凍サイクル装置は、第１観点に係る冷凍サイクル装置において、二元サイクル運転時には、第２冷媒回路を流れる第２冷媒が、第１冷媒回路を流れる第１冷媒を加熱して暖房運転を行う。
　なお、所定の暖房負荷よりも大きい場合に二元サイクル運転で暖房運転を行うことが好ましい。
　この冷凍サイクル装置では、暖房運転時に二元冷凍サイクルを行うことで、運転効率を高めることができる。
　第３観点に係る冷凍サイクル装置は、第１観点または第２観点に係る冷凍サイクル装置において、所定の低負荷条件を満たした場合に単元サイクル運転を行う。
　なお、暖房負荷が所定の低負荷条件を満たした場合に、単元サイクル運転により暖房運転を行うことが好ましい。
　この冷凍サイクル装置では、低負荷時の暖房運転の運転効率の低下を抑制することが可能である。
　第４観点に係る冷凍サイクル装置は、第１観点から第３観点のいずれかに係る冷凍サイクル装置において、カスケード熱交換器を備える。カスケード熱交換器は、第１冷媒を流すための第１カスケード流路と、第１カスケード流路とは独立しており、第２冷媒を流すための第２カスケード流路と、を有する。カスケード熱交換器は、二元サイクル運転時に第１冷媒と第２冷媒とを熱交換させる。
　この冷凍サイクル装置では、二元冷凍サイクル運転時に第２冷媒回路側から第１冷媒回路側が得る熱を用いて負荷を処理することが可能になる。
　第５観点に係る冷凍サイクル装置は、第４観点に係る冷凍サイクル装置において、第１冷媒回路は、第１圧縮機と、第１熱交換器と、第１膨張弁と、第１カスケード流路と、を有している。
　この冷凍サイクル装置では、第１圧縮機を運転することにより第１冷媒回路において第１冷媒を用いた冷凍サイクルを行うことが可能になる。
　第６観点に係る冷凍サイクル装置は、第５観点に係る冷凍サイクル装置において、第２冷媒回路は、第２圧縮機と、第２カスケード流路と、第２膨張弁と、第２熱交換器と、を有している。
　この冷凍サイクル装置では、第１圧縮機と第２圧縮機を運転することにより二元冷凍サイクルを行うことが可能になる。
　第７観点に係る冷凍サイクル装置は、第６観点に係る冷凍サイクル装置において、二元サイクル運転時には、第１カスケード流路を第１冷媒の蒸発器として機能させ、第１熱交換器を第１冷媒の放熱器として機能させ、第２カスケード流路を第２冷媒の放熱器として機能させ、第２熱交換器を第２冷媒の蒸発器として機能させる。
　この冷凍サイクル装置では、二元冷凍サイクルを行うことで暖房運転の運転効率を高めることができる。
　第８観点に係る冷凍サイクル装置は、第７観点に係る冷凍サイクル装置において、第１冷媒回路は、第３熱交換器をさらに有している。冷凍サイクル装置は、第３熱交換器を第１冷媒の放熱器として機能させ、第１熱交換器を第１冷媒の蒸発器として機能させる冷房運転が可能である。
　この冷凍サイクル装置では、単元サイクルにより冷房運転を行うことができる。
　第９観点に係る冷凍サイクル装置は、第７観点に係る冷凍サイクル装置において、第１冷媒回路は、第３熱交換器をさらに有している。冷凍サイクル装置では、第３熱交換器を第１冷媒の蒸発器として機能させ、第１熱交換器を第１冷媒の放熱器として機能させる暖房運転が可能である。
　この冷凍サイクル装置では、単元サイクルにより暖房運転を行うことができる。
　第１０観点に係る冷凍サイクル装置は、第７観点に係る冷凍サイクル装置において、第１冷媒回路は、第３熱交換器と、第１冷媒の流路を切り換える切換部と、をさらに有している。冷凍サイクル装置では、切換部の切り換えにより、第３熱交換器を第１冷媒の放熱器として機能させつつ第１熱交換器を第１冷媒の蒸発器として機能させる冷房運転と、第３熱交換器を第１冷媒の蒸発器として機能させつつ第１熱交換器を第１冷媒の放熱器として機能させる暖房運転と、を実行可能である。
　この冷凍サイクル装置では、単元冷凍サイクルによる暖房運転と、二元冷凍サイクルによる暖房運転と、を切り換えて行うことが可能である。
　第１１観点に係る冷凍サイクル装置は、第８観点から第１０観点のいずれかに係る冷凍サイクル装置において、第１送風部をさらに備える。第２熱交換器は、外部を流れる空気と内部を流れる第２冷媒との間で熱交換を行わせる。第３熱交換器は、外部を流れる空気と内部を流れる第１冷媒との間で熱交換を行わせる。第１送風部は、第２熱交換器を通過する空気流れと第３熱交換器を通過する空気流れを形成する。
　この冷凍サイクル装置では、第１送風部により形成された空気流れを用いて、第２熱交換器と第３熱交換器において熱交換を行わせることが可能になる。
　第１２観点に係る冷凍サイクル装置は、第１１観点に係る冷凍サイクル装置において、第２熱交換器は、空気流れにおける第３熱交換器の風下以外の位置に配置されている。
　第２熱交換器は、第３熱交換器の風上側に配置されていてもよい。また、第２熱交換器は、第１送風部による空気流れ方向に交わる方向に第３熱交換器と並んで配置されていてもよい。第２熱交換器と第３熱交換器とは、第１送風部が上に向かう空気流れを形成する場合に、第１送風部に対する空気流れの風上側において、互いに空気流れ方向に重ならないように周方向に並んで配置されていてもよい。
　この冷凍サイクル装置では、第２熱交換器内の第２冷媒が、第３熱交換器を通過した空気により暖められることを抑制できる。
　第１３観点に係る冷凍サイクル装置は、第１１観点または第１２観点のいずれかに係る冷凍サイクル装置において、第２熱交換器と第３熱交換器とは、空気流れ方向において離れて配置されている。
　この冷凍サイクル装置では、第２熱交換器内の第２冷媒が、第３熱交換器自体の熱により暖められることを抑制できる。
　第１４観点に係る冷凍サイクル装置は、第６観点から第１３観点のいずれかに係る冷凍サイクル装置において、第２冷媒回路は、第２圧縮機の吐出側と第２カスケード流路との間に設けられた第４熱交換器をさらに有している。
　この冷凍サイクル装置では、第４熱交換器を流れる冷媒の熱を用いて、利用側の暖房負荷を処理することが可能になる。
　第１５観点に係る冷凍サイクル装置は、第１４観点に係る冷凍サイクル装置において、第２送風部をさらに備える。第１熱交換器は、外部を流れる空気と内部を流れる第１冷媒との間で熱交換を行わせる。第４熱交換器は、外部を流れる空気と内部を流れる第２冷媒との間で熱交換を行わせる。第２送風部は、第１熱交換器と第４熱交換器の両方を通過する空気流れを形成する。
　この冷凍サイクル装置では、第２送風部が形成する空気流れにより、第１熱交換器と第４熱交換器における冷媒の熱を用いて暖房負荷を処理することができる。
　第１６観点に係る冷凍サイクル装置は、第１観点から第１５観点のいずれかに係る冷凍サイクル装置において、第１冷媒は、Ｒ１２３４ｙｆと、Ｒ１２３４ｚｅと、Ｒ２９０と、の少なくともいずれかを含む。
　なお、第１冷媒は、Ｒ１２３４ｙｆのみから構成されていてもよいし、Ｒ１２３４ｚｅのみから構成されていてもよし、Ｒ２９０のみから構成されていてもよい。
　この冷凍サイクル装置では、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が十分に低い冷媒を用いて運転を行うことが可能である。
　第１７観点に係る冷凍サイクル装置は、第１観点から第１６観点のいずれかに係る冷凍サイクル装置において、第２冷媒は、二酸化炭素を含む。
　なお、第２冷媒は、二酸化炭素のみから構成されていてもよいし、二酸化炭素と他の冷媒との混合冷媒であってもよい。
　この冷凍サイクル装置では、オゾン層破壊係数（ＯＤＰ：Ｏｚｏｎｅ Ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）および地球温暖化係数（ＧＷＰ）が十分に低い冷媒を用いて運転を行うことが可能である。また、冷房運転時に、二酸化炭素を含む冷媒が流れる第２冷媒回路を二元冷凍サイクルにおける熱源側の冷媒回路として二元冷凍サイクルを行うことを避けて、第１冷媒回路を用いた単元冷凍サイクルを行うようにすることで、二酸化炭素冷媒が超臨界状態となることによるＣＯＰの低下を避けることができる。
第１実施形態に係る冷凍サイクル装置の全体構成図である。 第１実施形態に係る冷凍サイクル装置の機能ブロック構成図である。 第１実施形態の冷房運転時の冷媒流れの様子を示す図である。 第１実施形態の高負荷暖房運転時の冷媒流れの様子を示す図である。 第１実施形態の低負荷暖房運転時の冷媒流れの様子を示す図である。 第２実施形態に係る冷凍サイクル装置の全体構成図である。 第３実施形態に係る冷凍サイクル装置の全体構成図である。 第４実施形態に係る冷凍サイクル装置の第１室外熱交換器と第２室外熱交換器の概略構成図である。 第５実施形態に係る冷凍サイクル装置の第１室外熱交換器と第２室外熱交換器の概略構成図である。 第６実施形態に係る冷凍サイクル装置の第１室外熱交換器と第２室外熱交換器の概略構成図である。 第７実施形態に係る冷凍サイクル装置の第１室外熱交換器と第２室外熱交換器の概略構成図である。
　（１）第１実施形態
　図１に、第１実施形態に係る冷凍サイクル装置１の概略構成図を示す。図２に、第１実施形態に係る冷凍サイクル装置１の機能ブロック構成図を示す。
　冷凍サイクル装置１は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行うことによって、熱負荷を処理するために使用される装置である。冷凍サイクル装置１は、熱負荷回路９０と、第１冷媒回路１０と、第２冷媒回路２０と、室外ファン９と、コントローラ７と、を有している。
　冷凍サイクル装置１が処理する熱負荷としては、特に限定されず、空気や水やブライン等の流体を対象として熱交換を行うものであってもよいが、本実施形態の冷凍サイクル装置１では、熱負荷回路９０を流れる水を熱負荷熱交換器９１に供給し、熱負荷熱交換器９１における熱負荷を処理する。熱負荷回路９０は、内部を熱媒体としての水が循環する回路であり、熱負荷熱交換器９１と、ポンプ９２と、第１冷媒回路１０と共有される利用熱交換器１３（第１熱交換器に相当）と、を有している。ポンプ９２は後述するコントローラ７によって駆動制御されることで、熱負荷回路９０に水を循環させる。熱負荷回路９０では、利用熱交換器１３が有する熱負荷流路１３ｂを水が流れる。利用熱交換器１３は、後述のように、第１冷媒回路１０を流れる第１冷媒が通過する利用流路１３ａを有している。利用熱交換器１３の熱負荷流路１３ｂを流れる水は、利用流路１３ａを流れる第１冷媒と熱交換することにより、冷房運転時には冷却され、暖房運転時には暖められる。
　第１冷媒回路１０は、第１圧縮機１１と、第１切換機構１２と、熱負荷回路９０と共有される利用熱交換器１３（第１熱交換器に相当）と、第１利用膨張弁１５（第１膨張弁に相当）と、第２利用膨張弁１６と、第２冷媒回路２０と共有されるカスケード熱交換器１７と、第１室外熱交換器１８と、を有している。第１冷媒回路１０には、冷媒として、低圧冷媒である第１冷媒が充填されている。第１冷媒は、３０℃で１．２ＭＰａ以下の冷媒であり、例えば、Ｒ１２３４ｙｆとＲ１２３４ｚｅとＲ２９０との少なくともいずれかを含む冷媒であり、Ｒ１２３４ｙｆのみから構成されていてもよいし、Ｒ１２３４ｚｅのみから構成されていてもよいし、Ｒ２９０のみから構成されていてもよい。
　第１圧縮機１１は、圧縮機用モータによって駆動される容積式圧縮機である。圧縮機用モータは、インバータ装置を介して電力の供給を受けて駆動される。第１圧縮機１１は、圧縮機用モータにおける回転数である駆動周波数を可変することによって、運転容量を変えることができる。第１圧縮機１１の吐出側は、第１切換機構１２に接続されている。第１圧縮機１１の吸入側はカスケード熱交換器１７の第１カスケード流路１７ａのガス冷媒側出口に接続されている。
　第１切換機構１２は、切換弁１２ａと、切換弁１２ｂと、を有している。切換弁１２ａと、切換弁１２ｂとは、第１圧縮機１１の吐出側において互いに並列に接続されている。切換弁１２ａは、第１圧縮機１１の吐出側と利用熱交換器１３の利用流路１３ａとを接続する状態と、第１圧縮機１１の吸入側と利用熱交換器１３の利用流路１３ａとを接続する状態と、を切り換える３方弁である。切換弁１２ｂは、第１圧縮機１１の吐出側と第１室外熱交換器１８とを接続する状態と、第１圧縮機１１の吸入側と第１室外熱交換器１８とを接続する状態と、を切り換える３方弁である。
　利用熱交換器１３のうち第１冷媒回路１０を流れる第１冷媒が通過する利用流路１３ａは、ガス冷媒側が切換弁１２ａに接続されている。また、利用流路１３ａの液冷媒側は、第１冷媒回路１０が有する第１分岐点Ａに接続されている。第１冷媒は、利用熱交換器１３の利用流路１３ａを流れる際に蒸発することで、熱負荷回路９０を流れる水を冷却することができ、利用熱交換器１３の利用流路１３ａを流れる際に凝縮することで、熱負荷回路９０を流れる水を暖めることができる。
　第１分岐点Ａでは、利用流路１３ａの液冷媒側から延びる流路と、第１利用膨張弁１５のうちカスケード熱交換器１７側とは反対側に延びる流路と、第２利用膨張弁１６から第１室外熱交換器１８側とは反対側に延びる流路と、が接続されている。
　第１利用膨張弁１５は、弁開度を調節可能な電子膨張弁によって構成されている。第１利用膨張弁１５は、第１冷媒回路１０において、第１分岐点Ａと、カスケード熱交換器１７の第１カスケード流路１７ａの液冷媒側である入口と、の間に設けられている。
　第２利用膨張弁１６は、弁開度を調節可能な電子膨張弁によって構成されている。第２利用膨張弁１６は、第１冷媒回路１０において、第１分岐点Ａと、第１室外熱交換器１８の液冷媒側である出口と、の間に設けられている。
　カスケード熱交換器１７は、第１冷媒回路１０を流れる第１冷媒が通過する第１カスケード流路１７ａと、第２冷媒回路２０を流れる第２冷媒が通過する第２カスケード流路１７ｂと、を有しており、第１冷媒と第２冷媒との間で熱交換を行わせる熱交換器である。カスケード熱交換器１７において、第１カスケード流路１７ａと第２カスケード流路１７ｂとは互いに独立しており、第１冷媒と第２冷媒が混ざり合うことはない。カスケード熱交換器１７の第１カスケード流路１７ａのガス冷媒側である出口は、第１圧縮機１１の吸入側に接続されている。カスケード熱交換器１７の第１カスケード流路１７ａの液冷媒側である入口は、第１利用膨張弁１５に接続されている。
　第１室外熱交換器１８は、複数の伝熱管と、複数の伝熱管に接合された複数のフィンと、を有して構成される。本実施形態では、第１室外熱交換器１８は、屋外に配置されている。第１室外熱交換器１８を流れる第１冷媒は、第１室外熱交換器１８に送られる空気と熱交換を行うことで、第１冷媒の凝縮器または蒸発器として機能する。
　室外ファン９は、第１室外熱交換器１８と第２室外熱交換器２３の両方を通過する屋外空気による空気流れを生じさせる。
　第２冷媒回路２０は、第２圧縮機２１と、第１冷媒回路１０と共有されるカスケード熱交換器１７と、熱源膨張弁２６と、第２室外熱交換器２３（第２熱交換器に相当）と、を有している。第２冷媒回路２０には、冷媒として、高圧冷媒である第２冷媒が充填されている。第２冷媒は、３０℃で１．５ＭＰａ以上の冷媒であり、例えば、二酸化炭素を含む混合冷媒であってもよいし、二酸化炭素のみから構成されていてもよい。二酸化炭素を含む混合冷媒としては、例えば、二酸化炭素とＲ１２３４ｚｅとの混合冷媒であってもよいし、二酸化炭素とＲ１２３４ｙｆとの混合冷媒であってもよい。
　第２圧縮機２１は、圧縮機用モータによって駆動される容積式圧縮機である。圧縮機用モータは、インバータ装置を介して電力の供給を受けて駆動される。第２圧縮機２１は、圧縮機用モータにおける回転数である駆動周波数を可変することによって、運転容量を変えることができる。第２圧縮機２１の吐出側は、カスケード熱交換器１７の第２カスケード流路１７ｂのガス冷媒側である入口に接続されている。第２圧縮機２１の吸入側は、第２室外熱交換器２３に接続されている。
　カスケード熱交換器１７の第２カスケード流路１７ｂのガス冷媒側である入口は、第２圧縮機２１の吐出側に接続されている。カスケード熱交換器１７の第２カスケード流路１７ｂの液冷媒側である出口は、熱源膨張弁２６に接続されている。
　熱源膨張弁２６は、カスケード熱交換器１７の第２カスケード流路１７ｂの液冷媒側と、第２室外熱交換器２３の液冷媒側と、の間の流路に設けられている。
　第２室外熱交換器２３は、複数の伝熱管と、複数の伝熱管に接合された複数のフィンと、を有して構成される。本実施形態では、第２室外熱交換器２３は、第１室外熱交換器１８と並んで屋外に配置されている。具体的には、第２室外熱交換器２３は、室外ファン９によって形成される空気流れの方向において、第１室外熱交換器１８よりも風上側に離れて配置されている。このように、第２室外熱交換器２３と第１室外熱交換器１８とが互いに離れて配置されることで、第２室外熱交換器２３に第１室外熱交換器１８の熱が伝熱することが抑制される。また、第２室外熱交換器２３が、第１室外熱交換器１８の風下側には配置されないことで、第１室外熱交換器１８で暖められた空気が第２室外熱交換器２３に送られることを防ぐことができる。これにより、第２室外熱交換器２３における二酸化炭素冷媒が、第１室外熱交換器１８の熱の影響を受けて加熱されてしまうことを抑制することができる。第２室外熱交換器２３を流れる第２冷媒は、第２室外熱交換器２３に送られる空気と熱交換を行うことで、第２冷媒の蒸発器として機能する。
　コントローラ７は、熱負荷回路９０と第１冷媒回路１０と第２冷媒回路２０を構成する各機器の動作を制御する。具体的には、コントローラ７は、制御を行うために設けられたＣＰＵ等のプロセッサと、ＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ等を有している。
　以上の冷凍サイクル装置１において、コントローラ７が各機器を制御して冷凍サイクルを実行させることで、熱負荷熱交換器９１における冷房負荷を処理する冷房運転と、熱負荷熱交換器９１における暖房負荷を処理する暖房運転が行われる。暖房運転としては、暖房負荷が小さいときに行われる低負荷暖房運転と、暖房負荷が大きいときに行われる高負荷暖房運転と、がある。
　（１－１）冷房運転
　冷房運転時は、図３に示すように、第１冷媒回路１０では、利用熱交換器１３を第１冷媒の蒸発器として機能させ、第１室外熱交換器１８を第１冷媒の凝縮器として機能させるように単元冷凍サイクルを行い、第２冷媒回路２０では冷凍サイクルを行わせない。具体的には、第１切換機構１２の切換弁１２ａ、１２ｂを図３に実線で示す接続状態に切り換え、ポンプ９２、第１圧縮機１１、室外ファン９を駆動させ、第１利用膨張弁１５を全閉状態とし、第２利用膨張弁１６の弁開度を第１圧縮機１１の吸入する第１冷媒の過熱度が所定条件を満たすように制御する。ここで、第１圧縮機１１は、熱負荷回路９０における熱負荷熱交換器９１の冷房負荷を処理できるように、回転数が制御される。なお、冷房運転では、第２圧縮機２１を停止させることで、第２冷媒回路２０の運転を停止させる。
　これにより、第１圧縮機１１から吐出された第１冷媒は、第１切換機構１２の切換弁１２ｂを介して第１室外熱交換器１８に送られる。第１室外熱交換器１８に送られた第１冷媒は、室外ファン９により供給される屋外空気と熱交換を行うことで凝縮する。第１室外熱交換器１８を通過した第１冷媒は、第２利用膨張弁１６において減圧され、第１分岐点Ａを通過して、利用熱交換器１３の利用流路１３ａに送られる。利用熱交換器１３の利用流路１３ａを流れる第１冷媒は、熱負荷回路９０が有する利用熱交換器１３の熱負荷流路１３ｂを流れる水と熱交換を行うことで、蒸発する。この熱交換により冷却された水は、熱負荷回路９０における熱負荷熱交換器９１まで送られることで冷房負荷を処理する。利用熱交換器１３の利用流路１３ａで蒸発した第１冷媒は、第１切換機構１２の切換弁１２ａを介して第１圧縮機１１に吸入される。
　（１－２）高負荷暖房運転
　高負荷暖房運転は、暖房運転を行う場合において、熱負荷回路９０の熱負荷熱交換器９１において処理すべき暖房負荷が大きいという高負荷条件を満たした場合に行われる。高負荷条件としては、特に限定されないが、後述の低負荷条件を満たさないことであってよい。
　高負荷暖房運転時は、図４に示すように、第１冷媒回路１０では、利用熱交換器１３を第１冷媒の凝縮器として機能させ、カスケード熱交換器１７を第１冷媒の蒸発器として機能させるように冷凍サイクルを行い、第２冷媒回路２０では、カスケード熱交換器１７を第２冷媒の放熱器として機能させ、第２室外熱交換器２３を第２冷媒の蒸発器として機能させるように冷凍サイクルを行う。これにより、高負荷暖房運転時には、第２冷媒回路２０と第１冷媒回路１０とで二元冷凍サイクルが行われる。具体的には、第１切換機構１２の切換弁１２ａ、１２ｂを図４に破線で示す接続状態に切り換え、ポンプ９２、第１圧縮機１１、第２圧縮機２１、室外ファン９を駆動させ、第２利用膨張弁１６を全閉状態とし、第１利用膨張弁１５の弁開度を第１圧縮機１１の吸入する第１冷媒の過熱度が所定条件を満たすように制御し、熱源膨張弁２６の弁開度を第２圧縮機２１の吸入する第２冷媒の過熱度が所定条件を満たすように制御する。なお、第１圧縮機１１は、熱負荷回路９０における熱負荷熱交換器９１の冷房負荷を処理できるように、回転数が制御される。また、第２圧縮機２１は、例えば、カスケード熱交換器１７における第１カスケード流路１７ａを通過して第１圧縮機１１に吸入される第１冷媒の過熱度が所定値になるように、または、カスケード熱交換器１７における第２カスケード流路１７ｂを流れる第２冷媒が所定の圧力になるように、回転数が制御される。
　これにより、第２圧縮機２１から吐出された第２冷媒は、カスケード熱交換器１７に送られ、第２カスケード流路１７ｂを流れる際に、第１カスケード流路１７ａを流れる第１冷媒と熱交換することで、放熱する。カスケード熱交換器１７で放熱した第２冷媒は、熱源膨張弁２６において減圧された後、第２室外熱交換器２３において室外ファン９により供給される屋外空気と熱交換を行うこと蒸発し、第２圧縮機２１に吸入される。第１圧縮機１１から吐出された第１冷媒は、第１切換機構１２の切換弁１２ａを介して利用熱交換器１３の利用流路１３ａに送られる。利用熱交換器１３の利用流路１３ａを流れる第１冷媒は、熱負荷回路９０が有する利用熱交換器１３の熱負荷流路１３ｂを流れる水と熱交換を行うことで、凝縮する。この熱交換により暖められた水は、熱負荷回路９０における熱負荷熱交換器９１まで送られることで暖房負荷を処理する。利用熱交換器１３の利用流路１３ａで凝縮した第１冷媒は、第１分岐点Ａを通過した後、第１利用膨張弁１５において減圧される。第１利用膨張弁１５で減圧された冷媒は、カスケード熱交換器１７の第１カスケード流路１７ａを通過する際に、第２カスケード流路１７ｂを流れる第２冷媒と熱交換することで蒸発する。カスケード熱交換器１７の第１カスケード流路１７ａで蒸発した第１冷媒は、第１圧縮機１１に吸入される。
　（１－３）低負荷暖房運転
　低負荷暖房運転は、暖房運転を行う場合において、熱負荷回路９０の熱負荷熱交換器９１において処理すべき暖房負荷が小さいという低負荷条件を満たした場合に行われる。
　低高負荷条件としては、特に限定されないが、例えば、熱負荷回路９０の熱負荷熱交換器９１における暖房負荷が、第１圧縮機１１の圧縮比が所定圧縮比以下であっても処理可能な負荷であること、という条件であってもよい。ここでの所定圧縮比は、例えば、冷凍サイクル装置１において二元冷凍サイクルの暖房運転を行う際のカスケード熱交換器１７での熱交換ロスによる冷凍サイクル装置１での運転効率の低下程度が、第１冷媒回路１０と第２冷媒回路２０の両方を運転させる二元冷凍サイクルの暖房運転による暖房負荷の処理から第１冷媒回路１０のみを運転させる単元冷凍サイクルの暖房運転による暖房負荷の処理に変えた場合の冷凍サイクル装置１における運転効率の低下程度よりも大きくなる第１圧縮機１１の圧縮比であってよい。また、ここでの所定圧縮比は、例えば、冷凍サイクル装置１において第１冷媒回路１０と第２冷媒回路２０の両方を運転させる二元冷凍サイクルにより暖房負荷を処理する際の成績係数（ＣＯＰ：Coefficient of Performance）よりも、第１冷媒回路１０のみを運転させる単元冷凍サイクルにより暖房負荷を処理する際の成績係数（ＣＯＰ）の方が大きくなる第１圧縮機１１の圧縮比であってよい。
　また、低高負荷条件としては、上記所定圧縮比を基準とした条件に限られず、例えば、熱負荷回路９０の熱負荷熱交換器９１において要求される流体の温度が所定値以上であることであってもよいし、熱負荷回路９０の熱負荷熱交換器９１において要求される流体の温度と外気温度との差が所定値以上であることであってもよく、これらの所定値が上記所定圧縮比に基づいて予め定められていてもよい。低高負荷条件の判断に用いられる閾値は、予め定められ、コントローラ７のメモリ等に保持されていてもよい。
　低負荷暖房運転時は、図５に示すように、第１冷媒回路１０では、利用熱交換器１３を第１冷媒の凝縮器として機能させ、カスケード熱交換器１７には第１冷媒を送ることなく、第１室外熱交換器１８を第１冷媒の蒸発器として機能させるように冷凍サイクルを行い、第２冷媒回路２０の運転は停止させる。これにより、低負荷暖房運転時には、第１冷媒回路１０による単元冷凍サイクルが行われる。具体的には、第１切換機構１２の切換弁１２ａ、１２ｂを図５に破線で示す接続状態に切り換え、ポンプ９２、第１圧縮機１１、室外ファン９を駆動させ、第１利用膨張弁１５を全閉状態とし、第２利用膨張弁１６の弁開度を第１圧縮機１１の吸入する第１冷媒の過熱度が所定条件を満たすように制御する。第１圧縮機１１は、熱負荷回路９０における熱負荷熱交換器９１の暖房負荷を処理できるように、回転数が制御される。なお、低負荷暖房運転では、第２圧縮機２１を停止させることで、第２冷媒回路２０の運転を停止させる。
　これにより、第１圧縮機１１から吐出された第１冷媒は、第１切換機構１２の切換弁１２ａを介して利用熱交換器１３の利用流路１３ａに送られる。利用熱交換器１３の利用流路１３ａを流れる第１冷媒は、熱負荷回路９０が有する利用熱交換器１３の熱負荷流路１３ｂを流れる水と熱交換を行うことで、凝縮する。この熱交換により暖められた水は、熱負荷回路９０における熱負荷熱交換器９１まで送られることで暖房負荷を処理する。利用熱交換器１３の利用流路１３ａで凝縮した第１冷媒は、第１分岐点Ａを通過した後、全閉状態の第１利用膨張弁１５には流れず、開度制御されている第２利用膨張弁１６において減圧される。第２利用膨張弁１６で減圧された冷媒は、第１室外熱交換器１８を通過する際に、室外ファン９が形成する空気流れにおける空気と熱交換することで蒸発する。第１室外熱交換器１８で蒸発した第１冷媒は、第１圧縮機１１に吸入される。
　（１－４）第１実施形態の特徴
　第１実施形態の冷凍サイクル装置１では、第１冷媒回路１０において地球温暖化係数（ＧＷＰ）が十分に低い第１冷媒が用いられている。また、第２冷媒回路２０においてオゾン層破壊係数（ＯＤＰ）および地球温暖化係数（ＧＷＰ）が十分に低い第２冷媒が用いられている。このため、地球環境の悪化を抑制することができる。
　また、第１冷媒回路１０において地球温暖化係数（ＧＷＰ）が十分に低い第１冷媒を用いた場合であっても、暖房負荷が大きな場合には高負荷暖房運転を行うことで、暖房負荷が処理される。具体的には、高負荷暖房運転時には、第２冷媒回路２０を熱源側サイクルとし、第１冷媒回路１０を利用側サイクルとした二元冷凍サイクルが行われることで、低圧冷媒である第１冷媒を用いた単元冷凍サイクルを行う場合と比較して、暖房運転時の能力が確保され易くなっている。
　また、本実施形態の冷凍サイクル装置１では、第１冷媒回路１０において、３０℃で１．５ＭＰａ以上である第２冷媒ではなく、３０℃で１．２ＭＰａ以下である第１冷媒を用いている。このため、第１冷媒回路１０の第１圧縮機１１が吸入する第１冷媒の密度を高めて、第１圧縮機１１の効率を高めることができる。また、第１圧縮機１１の容量を小さくすることが可能になる。
　また、本実施形態の冷凍サイクル装置１では、第１冷媒回路１０は、カスケード熱交換器１７と並列に接続された第１室外熱交換器１８を有している。このため、第２冷媒回路２０が運転停止状態となることでカスケード熱交換器１７での第１冷媒と第２冷媒との熱交換が行われない場合であっても、第１室外熱交換器１８において第１冷媒を空気と熱交換させることが可能になる。これにより、第１冷媒回路１０は、第２冷媒回路２０が運転停止状態となっている場合でも、冷凍サイクルを行うことが可能になっている。具体的には、本実施形態の冷凍サイクル装置１では、第２冷媒回路２０が運転停止状態となっている場合でも、第１冷媒回路１０を運転させて単元冷凍サイクルによる低負荷暖房運転を行うことが可能になっている。
　さらに、暖房負荷が小さな場合には、二元冷凍サイクルではなく、第１冷媒回路１０のみを用いた単元冷凍サイクルである低負荷暖房運転を行う。これにより、第１圧縮機１１における圧縮比を小さく抑えつつ暖房負荷の処理を可能とするだけでなく、カスケード熱交換器１７における第１冷媒と第２冷媒との熱交換時のロスを抑制させることにより、冷凍サイクル装置１における運転効率の低下を小さく抑えることが可能になっている。
　さらに、第２冷媒回路２０では第２冷媒として二酸化炭素が用いられているものの、冷房運転時には、第２冷媒回路２０では冷凍サイクルを行わず、第１冷媒回路１０による単元冷凍サイクルを行う。これにより、高圧冷媒である二酸化炭素冷媒を用いて単元冷凍サイクルを行う場合や高圧冷媒である二酸化炭素を熱源側サイクルで用いる二元冷凍サイクルを行う場合のように、二酸化炭素冷媒の圧力が臨界圧力を超えて運転効率が低くなってしまうことを避けて、冷房運転を行うことができる。また、第２冷媒回路２０は、高負荷暖房運転時に二元冷凍サイクルにおける熱源側の冷凍サイクルとしてのみ用いられる。このため、高圧冷媒である二酸化炭素が用いられる第２冷媒回路２０の要素部品として求められる耐圧強度の基準を低めのものとして、装置を安価に製造することが可能になる。
　さらに、本実施形態の冷凍サイクル装置１では、二酸化炭素冷媒が内部に存在する第２室外熱交換器２３が、室外ファン９の空気流れ方向における第１室外熱交換器１８の風上側に配置されている。このため、第１室外熱交換器１８を流れる第１冷媒との間で熱交換を行うことで暖められた空気が第２室外熱交換器２３に送られることを避けることができる。これにより、低負荷暖房運転時のように第２冷媒回路２０の運転が停止されている状態で、第２室外熱交換器２３に対して暖められた空気が送られることで、第２室外熱交換器２３内の二酸化炭素冷媒の圧力上昇が抑制される。特に、耐圧強度の基準が低めの要素部品を用いて第２冷媒回路２０を構成している場合においては、第２室外熱交換器２３内の二酸化炭素冷媒の圧力上昇が顕著に問題となりがちであるが、このような耐圧強度が低めである第２冷媒回路２０においても、本実施形態の冷凍サイクル装置１では、暖められた空気が第２室外熱交換器２３に送られないため、当該問題が生じることが抑制される。
　また、本実施形態の冷凍サイクル装置１では、第２室外熱交換器２３と第１室外熱交換器１８とは、共通の室外ファン９を用いることで、ファンを共用化させることが可能になっている。このように、室外ファン９を共用する場合においても、本実施形態の冷凍サイクル装置１では、第２室外熱交換器２３と第１室外熱交換器１８とは互いに離れて配置されている。このため、低負荷暖房運転時のように第２冷媒回路２０の運転が停止されている状態でも、第２室外熱交換器２３に対して第１室外熱交換器１８の熱が伝わることが抑制されるため、第２室外熱交換器２３における二酸化炭素冷媒の圧力上昇が抑制される。
　（２）第２実施形態
　上記第１実施形態に係る冷凍サイクル装置１では、熱負荷回路９０を備え、利用熱交換器１３が利用流路１３ａと熱負荷流路１３ｂとを有する場合を例に挙げて説明した。
　これに対して、冷凍サイクル装置１は熱負荷回路９０を備えていなくてもよく、冷凍サイクル装置１が処理する負荷は空気負荷であってもよい。
　図６に、第２実施形態に係る冷凍サイクル装置１ａの概略構成図を示す。
　第２実施形態の冷凍サイクル装置１ａは、例えば、上記実施形態の熱負荷回路９０のポンプ９２の代わりに、空気流れを形成させる熱負荷ファン９２ａを備えている。この熱負荷ファン９２ａは、第１冷媒回路１０が駆動している際にコントローラ７によって駆動制御される。
　第２実施形態の冷凍サイクル装置１ａにおける利用熱交換器１３は、例えば、建物の部屋等の空間における空気を冷却または暖めるために用いられる。具体的には、利用熱交換器１３では、熱負荷ファン９２ａにより空調対象空間の空気が送られることで、第１冷媒と空気との間で熱交換が行われる。
　以上の構成においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
　（３）第３実施形態
　上記第２実施形態では、熱負荷ファン９２ａを備え、空調対象空間の熱負荷を処理する冷凍サイクル装置１ａを例に挙げて説明した。
　これに対して、冷凍サイクル装置としては、例えば、空調対象空間の暖房負荷の処理を、第１利用熱交換器１３１と第２利用熱交換器１３２とを用いて行う暖房専用の冷凍サイクル装置１ｂであってもよい。
　図７に、第３実施形態に係る冷凍サイクル装置１ｂの概略構成図を示す。
　第３実施形態に係る冷凍サイクル装置１ｂは、第１冷媒回路１０の第１利用熱交換器１３１が内部を流れる第１冷媒と外部を流れる空気との間で熱交換を行わせる空気熱交換器であり、第１切換機構１２は設けられていない。このため、第１利用熱交換器１３１は、第１圧縮機１１から吐出された第１冷媒の放熱器として機能する。
　第３実施形態に係る冷凍サイクル装置１ｂは、第２冷媒回路２０が、第２圧縮機２１とカスケード熱交換器１７の第２カスケード流路１７ｂとの間に第２利用熱交換器１３２を有している。この第２利用熱交換器１３２は、内部を流れる第２冷媒と外部を流れる空気との間で熱交換を行わせる空気熱交換器であり、第１利用熱交換器１３１に対して熱負荷ファン９２ａによる空気流れ方向の風上側に、第１利用熱交換器１３１から離れて配置されている。第２利用熱交換器１３２は、第２圧縮機２１から吐出された第２冷媒の放熱器として機能する。
　以上の冷凍サイクル装置１ｂでは、低負荷暖房運転として、第１冷媒回路１０のみを用いた単元冷凍サイクル運転を行う。低負荷暖房運転では、第１利用膨張弁１５は全閉状態に制御される。そして、低負荷暖房運転では、第１圧縮機１１から吐出された冷媒は、第１利用熱交換器１３１で凝縮し、第２利用膨張弁１６で減圧され、第１室外熱交換器１８で蒸発し、第１圧縮機１１に戻るように制御される。
　また、冷凍サイクル装置１ｂは、高負荷暖房運転では、第１冷媒回路１０と第２冷媒回路２０とを用いた二元冷凍サイクルを行う。高負荷暖房運転では、第１冷媒回路１０では、第２利用膨張弁１６は全閉状態に制御される。そして、高負荷暖房運転では、第１圧縮機１１から吐出された第１冷媒は、第１利用熱交換器１３１で凝縮し、第１利用膨張弁１５で減圧され、カスケード熱交換器１７の第１カスケード流路１７ａを流れる際に蒸発し、第１圧縮機１１に戻るように制御される。また、高負荷暖房運転では、第２冷媒回路２０では、第２圧縮機２１から吐出された第２冷媒は、第２利用熱交換器１３２を通過する際に放熱し、カスケード熱交換器１７の第２カスケード流路１７ｂを流れる際に第１カスケード流路１７ａを流れる第１冷媒と熱交換を行うことでさらに放熱し、熱源膨張弁２６において減圧され、第２室外熱交換器２３で蒸発し、第２圧縮機２１に戻るように制御される。
　この第３実施形態の冷凍サイクル装置１ｂについても、上記第１実施形態と同様に、暖房負荷の大きさに応じて運転を切り換えて行うことにより、暖房負荷を処理しながら、運転効率の低下を小さく抑えることが可能なる。さらに、冷凍サイクル装置１ｂでは、第１冷媒回路１０の第１利用熱交換器１３１だけでなく、第２冷媒回路２０が第２利用熱交換器１３２も備えており、各サイクルにおいて放熱器として機能する熱交換器を有しているため、暖房能力を高めることが可能になる。ここで、第２利用熱交換器１３２は、熱負荷ファン９２ａが生じさせる空気流れ方向において、第１利用熱交換器１３１の風上側に配置されている。これにより、第２冷媒回路２０が停止している状態で第１冷媒回路１０のみで単元冷凍サイクルを行う場合においても、第１利用熱交換器１３１を通過する際に加熱された空気が第２利用熱交換器１３２に送られることが無い。また、第１利用熱交換器１３１と第２利用熱交換器１３２とは互いに離れて配置されている。このため、第２冷媒回路２０が停止している際に第２利用熱交換器１３２の内部の二酸化炭素冷媒が加熱されることが抑制され、第２冷媒回路２０内の圧力が過度に上昇することが抑制される。これにより、第２冷媒回路２０を耐圧強度の小さなものとして設計することが可能となる。
　（４）第４実施形態
　上記各実施形態では、第１室外熱交換器１８と第２室外熱交換器２３とを互いに離して配置した冷凍サイクル装置を例に挙げて説明した。
　これに対して、冷凍サイクル装置においては、第１室外熱交換器１８と第２室外熱交換器２３とは、例えば、図８に示すように、第１室外熱交換器１８と第２室外熱交換器２３とを一体型の熱交換器として構成してもよい。一体型の熱交換器としては、例えば、第１室外熱交換器１８を構成する第１冷媒が流れる複数の第１伝熱管と、第２室外熱交換器２３を構成する第２冷媒が流れる複数の第２伝熱管と、第１伝熱管と第２伝熱管の両方に対して固定された伝熱フィンを複数有する熱交換器が挙げられる。このように構成する場合には、装置の製造を容易化させることが可能になる。
　（５）第５実施形態
　上記各実施形態では、第１室外熱交換器１８と第２室外熱交換器２３との空気流れ方向視における熱交換面積について任意である冷凍サイクル装置を例に挙げて説明した。
　これに対して、冷凍サイクル装置においては、第１室外熱交換器１８と第２室外熱交換器２３とは、例えば、図９に示すように、室外ファン９による空気流れ方向視において、第１室外熱交換器１８と第２室外熱交換器２３とは重なる部分を有しており、当該空気流れ方向視において、第１室外熱交換器１８の熱交換面積が第２室外熱交換器２３の熱交換面積よりも小さい構成としてもよい。
　これによれば、第１室外熱交換器１８における空気の通風抵抗を小さく抑えることができるため、第２室外熱交換器２３に対してより多くの空気を通過させやすい。これにより、高負荷暖房運転時における第２室外熱交換器２３での第２冷媒の蒸発能力を確保しやすく、高い暖房負荷についても処理しやすくなる。また、特に、冷房能力よりも暖房能力が多く求められる冷凍サイクル装置として有効となる。
　なお、上記第４実施形態で述べたように、第１室外熱交換器１８と第２室外熱交換器２３とを一体型の熱交換器として構成した場合には、特に、第１室外熱交換器１８の通風抵抗が大きいほど第２室外熱交換器２３を通過する空気量が少なくなりがちである。この場合には特に、上記のように第１室外熱交換器１８の熱交換面積を小さくすることによる効果が顕著に得られる。
　（６）第６実施形態
　上記各実施形態では、第１室外熱交換器１８と第２室外熱交換器２３とが、室外ファン９の空気流れ方向視において重なるように配置される冷凍サイクル装置を例に挙げて説明した。
　これに対して、冷凍サイクル装置においては、第１室外熱交換器１８と第２室外熱交換器２３とは、例えば、図１０に示すように、第１室外熱交換器１８と第２室外熱交換器２３とは、室外ファン９が形成する空気流れにおける室外ファン９の風上側であって、室外ファン９の回転軸方向視において当該回転軸の周囲の異なる位置に配置されていてもよい。ここで、図１０では、室外ファン９の回転軸方向は、紙面に垂直な方向となっている。なお、例えば、室外ファン９が下方の空気を取り込んで上方に吹き出す上吹き型の冷凍サイクル装置において、上記第１室外熱交換器１８と第２室外熱交換器２３の配置を採用してもよい。
　この場合においても、第１室外熱交換器１８を通過した空気が第２室外熱交換器２３に送られることが無いため、第２冷媒回路２０の停止時に第２室外熱交換器２３の二酸化炭素冷媒が加熱されることが抑制される。
　（７）第７実施形態
　上記各実施形態では、第１室外熱交換器１８と第２室外熱交換器２３とが、室外ファン９の空気流れ方向視において重なるように配置される冷凍サイクル装置を例に挙げて説明した。
　これに対して、冷凍サイクル装置においては、第１室外熱交換器１８と第２室外熱交換器２３とは、例えば、図１１に示すように、空気流れ方向視において、第１室外熱交換器１８と第２室外熱交換器２３とが互いに重ならないように配置されていてもよい。
　この場合において、例えば、第２室外熱交換器２３は、第１室外熱交換器１８よりも上方に配置されていてもよい。
　（付記）
　以上、本開示の実施形態を説明したが、特許請求の範囲に記載された本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。
１、１ａ、１ｂ　　　　：冷凍サイクル装置
９　　　　：室外ファン（第１送風部）
１０　　　：第１冷媒回路
１１　　　：第１圧縮機
１２　　　：第１切換機構（切換部）
１３　　　：利用熱交換器（第１熱交換器）
１３ａ　　：利用流路
１３ｂ　　：熱負荷流路
１５　　　：第１利用膨張弁（第１膨張弁）
１６　　　：第２利用膨張弁
１７　　　：カスケード熱交換器
１７ａ　　：第１カスケード流路
１７ｂ　　：第２カスケード流路
１８　　　：第１室外熱交換器（第３熱交換器）
２０　　　：第２冷媒回路
２１　　　：第２圧縮機
２３　　　：第２室外熱交換器（第２熱交換器）
２６　　　：熱源膨張弁（第２膨張弁）
９０　　　：熱負荷回路
９１　　　：熱負荷熱交換器
９２　　　：ポンプ
９２ａ　　：熱負荷ファン（第２送風部）
１３１　　：第１利用熱交換器（第１熱交換器）
１３２　　：第２利用熱交換器（第４熱交換器）
特開２０１４－９８２９号公報

Claims (17)

  1. 　３０℃で１．２ＭＰａ以下の第１冷媒を用いた第１冷媒回路（１０）と、
    　３０℃で１．５ＭＰａ以上の第２冷媒を用いた第２冷媒回路（２０）と、
    を備え、
    　前記第１冷媒回路と前記第２冷媒回路を同時に運転させて前記第１冷媒と前記第２冷媒との間で熱交換を行わせる二元サイクル運転と、
    　前記第２冷媒回路を運転させることなく前記第１冷媒回路を運転させて冷房運転または暖房運転を行う単元サイクル運転と、
    を切り換えて実行可能である、
    冷凍サイクル装置（１、１ａ、１ｂ）。
  2. 　前記二元サイクル運転時には、前記第２冷媒回路を流れる前記第２冷媒が、前記第１冷媒回路を流れる前記第１冷媒を加熱して前記暖房運転を行う、
    請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
  3. 　所定の低負荷条件を満たした場合に前記単元サイクル運転を行う、
    請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 　前記第１冷媒を流すための第１カスケード流路（１７ａ）と、前記第１カスケード流路とは独立しており、前記第２冷媒を流すための第２カスケード流路（１７ｂ）と、を有し、前記二元サイクル運転時に前記第１冷媒と前記第２冷媒とを熱交換させるカスケード熱交換器（１７）を備える、
    請求項１から３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
  5. 　前記第１冷媒回路は、第１圧縮機（１１）と、第１熱交換器（１３、１３１）と、第１膨張弁（１５）と、前記第１カスケード流路（１７ａ）と、を有している、
    請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
  6. 　前記第２冷媒回路は、第２圧縮機（２１）と、前記第２カスケード流路（１７ｂ）と、第２膨張弁（２６）と、第２熱交換器（２３）と、を有している、
    請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
  7. 　前記二元サイクル運転時には、前記第１カスケード流路を前記第１冷媒の蒸発器として機能させ、前記第１熱交換器を前記第１冷媒の放熱器として機能させ、前記第２カスケード流路を前記第２冷媒の放熱器として機能させ、前記第２熱交換器を前記第２冷媒の蒸発器として機能させる、
    請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
  8. 　前記第１冷媒回路は、第３熱交換器（１８）をさらに有しており、
    　前記第３熱交換器を前記第１冷媒の放熱器として機能させ、前記第１熱交換器を前記第１冷媒の蒸発器として機能させる前記冷房運転が可能である、
    請求項７に記載の冷凍サイクル装置。
  9. 　前記第１冷媒回路は、第３熱交換器（１８）をさらに有しており、
    　前記第３熱交換器を前記第１冷媒の蒸発器として機能させ、前記第１熱交換器を前記第１冷媒の放熱器として機能させる前記暖房運転が可能である、
    請求項７に記載の冷凍サイクル装置。
  10. 　前記第１冷媒回路は、第３熱交換器（１８）と、前記第１冷媒の流路を切り換える切換部（１２）と、をさらに有しており、
    　前記切換部の切り換えにより、前記第３熱交換器を前記第１冷媒の放熱器として機能させつつ前記第１熱交換器を前記第１冷媒の蒸発器として機能させる前記冷房運転と、前記第３熱交換器を前記第１冷媒の蒸発器として機能させつつ前記第１熱交換器を前記第１冷媒の放熱器として機能させる前記暖房運転と、を実行可能である、
    請求項７に記載の冷凍サイクル装置。
  11. 　前記第２熱交換器は、外部を流れる空気と内部を流れる前記第２冷媒との間で熱交換を行わせ、
    　前記第３熱交換器は、外部を流れる空気と内部を流れる前記第１冷媒との間で熱交換を行わせ、
    　前記第２熱交換器を通過する空気流れと前記第３熱交換器を通過する空気流れを形成する第１送風部（９）をさらに備えた、
    請求項８から１０のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
  12. 　前記第２熱交換器は、前記空気流れにおける前記第３熱交換器の風下以外の位置に配置されている、
    請求項１１に記載の冷凍サイクル装置。
  13. 　前記第２熱交換器と前記第３熱交換器とは、前記空気流れ方向において離れて配置されている、
    請求項１１または１２に記載の冷凍サイクル装置。
  14. 　前記第２冷媒回路は、前記第２圧縮機の吐出側と前記第２カスケード流路との間に設けられた第４熱交換器（１３２）をさらに有している、
    請求項６から１３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
  15. 　前記第１熱交換器は、外部を流れる空気と内部を流れる前記第１冷媒との間で熱交換を行わせ、
    　前記第４熱交換器は、外部を流れる空気と内部を流れる前記第２冷媒との間で熱交換を行わせ、
    　前記第１熱交換器と前記第４熱交換器の両方を通過する空気流れを形成する第２送風部（９２ａ）をさらに備えた、
    請求項１４に記載の冷凍サイクル装置。
  16. 　前記第１冷媒は、Ｒ１２３４ｙｆと、Ｒ１２３４ｚｅと、Ｒ２９０と、の少なくともいずれかを含む、
    請求項１から１５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
  17. 　前記第２冷媒は、二酸化炭素を含む、
    請求項１から１６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
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