(57)【要約】【課題】圧縮機の消費エネルギーを減らすことにより、冷凍サイクル効率を向上させた冷凍サイクル装置およびそれを備えた温水生成装置を提供すること。【解決手段】圧縮機１、放熱器２、膨張手段３、蒸発器４が環状に接続され、冷媒が循環し、放熱器２の出口側の冷媒と蒸発器４の出口側の冷媒との間で熱交換する第１冷却器５を有する冷媒回路６と、熱媒体循環手段８、蒸発器４、外部熱源用熱交換器９が環状に接続され、液相熱媒体が循環する熱媒体回路１０とを備え、前記冷媒回路の前記第１冷却器の出口の冷媒と、前記液相熱媒体回路の液相熱媒体との間で熱交換する第２冷却器とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、放熱器、膨張手段、蒸発器が環状に接続され、冷媒が循環し、前記放熱器の出口側の冷媒と前記蒸発器の出口側の冷媒との間で熱交換する第１冷却器を有する冷媒回路と、熱媒体循環手段、前記蒸発器、外部熱源用熱交換器が環状に接続され、液相熱媒体が循環する熱媒体回路とを備え、前記冷媒回路の前記第１冷却器の出口の冷媒と、前記熱媒体回路の液相熱媒体との間で熱交換する第２冷却器を有することを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記熱媒体回路において、前記第２冷却器は、前記蒸発器の上流に直列接続されることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記請求項１または２に記載の放熱器により水または不凍液を加熱し、暖房と給湯の少なくとも一方に利用することを特徴とする温水生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍サイクル装置およびそれを備えた温水生成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の冷凍サイクル装置は、以下に示すような冷却器を備えている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図７は、前記特許文献１に記載の冷凍サイクル装置の構成図である。本冷凍サイクル装置は、圧縮機１、放熱器２、膨張手段３、蒸発器４を環状に接続してなる冷媒回路６において、放熱器２の出口冷媒と蒸発器４の出口冷媒との間で熱交換させる第１冷却器５を設けたものである。
【０００４】
放熱器２の出口冷媒は、第１冷却器５において蒸発器４の出口冷媒と熱交換されて冷却される。第１冷却器５を備えない場合に比べると、蒸発器４入口の冷媒は乾き度が低下し、蒸発器４内で蒸発することのできる冷媒の割合が増加する。
【０００５】
従って、蒸発器４入口と圧縮機１吸入部との間のエンタルピー差を拡大することができる。その結果、冷凍サイクル装置の加熱能力一定で運転する場合、冷媒循環量を低減できるので、圧縮機１をより低い回転数で運転して消費電力を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−８３７４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の構成では、放熱器２の出口冷媒を冷却する効果は、蒸発器４の出口冷媒の温度により制約されるという課題を有していた。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、圧縮機の消費エネルギーを減らすことにより、冷凍サイクル効率を向上させた冷凍サイクル装置およびそれを備えた温水生成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機、放熱器、膨張手段、蒸発器が環状に接続され、冷媒が循環し、前記放熱器の出口側の冷媒と前記蒸発器の出口側の冷媒との間で熱交換する第１冷却器を有する冷媒回路と、熱媒体循環手段、前記蒸発器、外部熱源用熱交換器が環状に接続され、液相熱媒体が循環する熱媒体回路とを備え、前記冷媒回路の前記第１冷却器の出口の冷媒と、前記熱媒体回路の液相熱媒体との間で熱交換する第２冷却器を有することを特徴とするものである。
【００１０】
これにより、第２冷却器において、第１冷却器の高圧側出口の冷媒は、蒸発器の出口冷媒よりも低温の液相熱媒体と熱交換することができ、その結果、第１冷却器単独の場合よりもさらに蒸発器入口の冷媒の乾き度が低下して、蒸発器の中で吸熱に寄与する冷媒の割合が増大し、蒸発器出入口のエンタルピー差が増大する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、圧縮機の消費エネルギーを減らすことにより、冷凍サイクル効率を向上させた冷凍サイクル装置およびそれを備えた温水生成装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の構成図
【図２】同冷凍サイクル装置のモリエル線図（圧力−エンタルピー線図）
【図３】同冷凍サイクル装置の制御フローチャート
【図４】同冷凍サイクル装置を備えた温水生成装置の構成図
【図５】本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の構成図
【図６】同冷凍サイクル装置のモリエル線図（圧力−エンタルピー線図）
【図７】従来の冷凍サイクル装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
第１の発明は、圧縮機、放熱器、膨張手段、蒸発器が環状に接続され、冷媒が循環し、前記放熱器の出口側の冷媒と前記蒸発器の出口側の冷媒との間で熱交換する第１冷却器を有する冷媒回路と、熱媒体循環手段、前記蒸発器、外部熱源用熱交換器が環状に接続され、液相熱媒体が循環する熱媒体回路とを備え、前記冷媒回路の前記第１冷却器の出口の冷媒と、前記熱媒体回路の液相熱媒体との間で熱交換する第２冷却器を有することを特徴とする冷凍サイクル装置ある。
【００１４】
これにより、第２冷却器において、第１冷却器の高圧側出口の冷媒は、蒸発器の出口冷媒よりも低温の液相熱媒体と熱交換することができる。その結果、第１冷却器単独の場合よりもさらに蒸発器入口の冷媒のエンタルピーが低下して、蒸発器の中で吸熱に寄与する冷媒の割合が増大し、蒸発器出入口のエンタルピー差が増大する。
【００１５】
その結果、加熱能力一定で運転する場合、冷媒循環量を減らすことが可能なので圧縮機の回転数を低減して消費電力を低減できる。その結果、冷凍サイクルの効率が向上する。
【００１６】
第２の発明は、特に第１の発明の冷凍サイクル装置で、前記熱媒体回路において、前記第２冷却器は、前記蒸発器の上流に直列接続されることを特徴とするものである。
【００１７】
この構成により、第２冷却器で液相熱媒体は、より高温の第１冷却器出口の冷媒と熱交換するため、蒸発器入口の液相熱媒体温度が上昇する。結果、冷媒はより高い温度の液相熱媒体と熱交換するため蒸発圧力が上昇する。これにより、圧縮機吸入圧力は上昇し、圧縮機入口における冷媒密度が上昇するため、冷媒循環量が増加する。
【００１８】
これにより、圧縮機吸入圧力が上昇し、冷媒循環量が増加するため、第１の発明の効果に加え、加熱能力一定の場合、更に冷媒循環量を減らせる。その結果、圧縮機の消費エネルギーが低減され、冷凍サイクルの効率が向上する。
【００１９】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明の放熱器により水または不凍液を加熱し、暖房と給湯の少なくとも一方に利用することを特徴とする温水生成装置で、前記放熱器は水、または不凍液を加熱し、暖房と給湯の少なくとも一方に利用することを特徴とする。
【００２０】
これにより、放熱器は、冷媒−水熱交換器でも、冷媒−不凍液熱交換器でもよく、種類を限定する必要がない。
【００２１】
その結果、第１および第２の発明の効果に加え、放熱器により加熱された水や不凍液を、暖房機器（ラジエータ、床暖房パネル等）や給湯機器、融雪器などに幅広く使用することができる。
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置の構成図である。本実施の形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機１、放熱器２、膨張手段３および蒸発器４の順で環状に接続され、冷媒が循環し、放熱器２の出口側の冷媒と蒸発器４の出口側の冷媒との間で熱交換する第１冷却器５を備えた冷媒回路６と、第２冷却器７、熱媒体循環手段８、蒸発器４、外部熱源用熱交換器９が環状に接続され液相熱媒体が矢印の向きに循環する熱媒体回路１０とを備える。第２冷却器７は、冷媒回路６の第１冷却器５の出口の冷媒と、液相熱媒体との間で熱交換するものである。
【００２４】
第１冷却器５の低圧側出口には冷媒の圧力を検出する圧力出手段１１が、第１冷却器５の高圧側出口には冷媒の過冷却度を検出する第１過冷却度検出手段１２が設けられる。また、第２冷却器７の出口冷媒の過冷却度を検出する第２過冷却度検出手段１３が設けられる。圧力検出手段１１および第１過冷却度検出手段１２、第２過冷却度検出手段１３の検出結果に基づいて膨張手段３および熱媒体循環手段８の運転を制御する制御装置１４が設けられる。
【００２５】
第１冷却器５および第２冷却器７は、例えば、プレート熱交換器や二重管式熱交換器等の構成を取ることができる。
【００２６】
第１過冷却度検出手段および第２過冷却度検出手段は、例えばそれぞれの設置個所における冷媒の圧力および温度を検出し、それらの検出結果にもとづいて冷媒の過冷却度を算出するようにした装置である。
【００２７】
液相熱媒体としては、例えば、水や不凍液等を用いることができる。冷媒としては、例えば、Ｒ４０７Ｃ等の非共沸混合冷媒、Ｒ４１０Ａ等の擬似共沸混合冷媒、またはＲ７４４やＲ２９０等の単一冷媒等を用いることができる。
【００２８】
外部熱源用熱交換器９は、例えば地中熱、地下水熱、湖水熱、海水熱などを吸熱するためのものである。樹脂管や金属管を外部熱源用熱交換器９として用いて地中あるいは水中に設置し、管の内部に液相熱媒体を循環させる。上記前述の外部熱源は、蒸発器４の出口冷媒より低温の液相熱媒体を第２冷却器７に供給可能である。
【００２９】
以上のように構成された冷凍サイクル装置について、本実施の形態の特徴的な構成である第２冷却器７の作用と効果を図２のモリエル線図を用いて説明する。図２の灰色線は第１冷却器５を備えるが第２冷却器７を備えない従来の冷凍サイクル、黒色線は第２冷却器７を備えた本発明の冷凍サイクルを示す。以下、両者を比較して説明する。
【００３０】
まず、第２冷却器７を備えない従来の冷凍サイクルの場合では、圧縮機１で圧縮された高圧ガス冷媒（図２のａ）は放熱器２に流入し（ｂ）、放熱してエンタルピーが減少する（ｃ）。放熱器２出口の冷媒は蒸発器４出口の冷媒（ｈ）によって冷却されてさらにエンタルピーが減少（ｄ）した後、膨張手段３により減圧膨張されて低温の気液二相冷媒（ｇ）となり蒸発器４に導入される。
【００３１】
熱媒体回路１０において液相熱媒体は、地中熱などの外部熱源から外部熱源用熱交換器９によって吸熱し、蒸発器４において気液二相冷媒（ｇ）に熱を供給して、蒸発させる。その結果、蒸発器４出口の冷媒（ｈ）は第１冷却器において放熱器出口の冷媒（ｃ）によ
り加熱されて完全に気化し（ｉ）、圧縮機１に吸入される。
【００３２】
次に、第２冷却器７を備えた本発明の冷凍サイクル装置について、第２冷却器７の作用と効果を図２に沿って説明する。第２冷却器７の入口側冷媒（ｄ）はより低温の液相熱媒体によって冷却されて、第２冷却器７の出口では状態（ｅ）となる。
【００３３】
そのため、蒸発器４の入口冷媒（ｆ）の乾き度は第１冷却器単独の場合（ｇ）に比べて低減する。通常、圧縮機１吸入部の冷媒（ｉ）の乾き度が所定値となるように運転するので、冷媒（ｉ）のエンタルピーは第２冷却器７の有無にかかわらず同一となり、第２冷却器７を備える場合の蒸発器４入口と圧縮機１吸入部におけるエンタルピー差（Ｈ１）は第２冷却器７を備えない場合のエンタルピー差（Ｈ２）に比べて増加し、吸熱量が増加する。
【００３４】
よって、加熱能力一定の場合、圧縮機動力を減少させて冷媒循環量を低減することができる。そのため、圧縮機の消費エネルギーを低減することができて冷凍サイクルの運転効率が向上する。
【００３５】
次に、以上のように構成された冷凍サイクル装置の運転制御について図３を用いて説明する。
【００３６】
運転開始から所定時間経過後、制御装置１４は第１過冷却度（ＳＣｄ）を測定し（Ｓｔｅｐ３）、第１過冷却度が予め設定された所定値（ＳＣＤ）になるように膨張手段３を調整する（ｓｔｅｐ４）。
【００３７】
次に、制御装置１４は圧力検出手段１１の検出圧力に基づいて、蒸発器４の入口冷媒が所定の乾き度（Ｘｓ）を示すように、第２過冷却度の目標値（ＳＣＥ）を算出する（ｓｔｅｐ６）。
【００３８】
さらに、第２過冷却度（ＳＣｅ）を測定し（ｓｔｅｐ７）、第２過冷却度が設定目標値（ＳＣＥ）になるように熱媒体循環手段８を調整する（ｓｔｅｐ８）。
【００３９】
これにより、第２冷却器７出口のエンタルピーは設定目標値（ＳＣＥ）となるので、蒸発器４入口冷媒の乾き度が目標の値（Ｘｓ）に定まる。加えて、第１冷却器５において高圧側冷媒が冷却されたのと同じ熱量が蒸発器４出口冷媒の加熱に用いられる。その結果、圧縮機１吸入部の冷媒のエンタルピーおよび過熱度は所定の値に定まる。
【００４０】
上記の制御を用いずに、第２過冷却度のみを制御対象として、熱媒体循環手段８と膨張手段３とを調整することにより蒸発器４入口の乾き度および圧縮機１吸入部の過熱度を所定の値に合わせようとすると、両者が最適条件に収束するまで試行錯誤を繰り返す必要があり時間を要する。
【００４１】
上記の制御では、制御目標である蒸発器４入口の乾き度および圧縮機１吸入部の過熱度のそれぞれに対して一つの制御指標（第１過冷却度または第２過冷却度）および制御手段（膨張手段３または熱媒体循環手段８）を割り当てることによって、より短時間で目標とする冷凍サイクル条件に制御できる。
【００４２】
その結果、冷凍サイクル装置の負荷が経時的に変動する場合でも、変動に対応して運転効率を高い状態に維持し続けることができる。
【００４３】
このように、制御装置１４は、第１過冷却度が所定値になるように熱媒体循環手段８ま
たは膨張手段３のいずれか一方を制御し、かつ第２過冷却度が圧力検出手段１１によって算出される目標値になるように前記手段の他の一方を制御することにより、蒸発器４入口冷媒の乾き度および圧縮機１吸入部冷媒の過熱度がそれぞれ定まり、短時間で目標とする運転条件に合わせることが可能になる。
【００４４】
図４は、本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置を備えた温水生成装置の構成図である。放熱器２は水または不凍液などの第２液相熱媒体を加熱し、暖房、給湯、融雪の少なくとも一つに利用することを特徴とする。
【００４５】
第２熱媒体回路１４は、ラジエータ、床暖房パネル、給湯器または融雪器などの熱端末機器１５および第２熱媒体循環手段１６、放熱器２が環状に接続されて内部に水または不凍液などの第２液相熱媒体が循環する。
【００４６】
放熱器２は第２液相熱媒体を加熱して、第２液相熱媒体は第２熱媒体循環手段１６により循環されて熱端末機器１５に熱を供給する。熱端末機器１５により放熱して温度が低下した第２液相熱媒体は再度放熱器２に戻って加熱されて、連続的に熱端末機器１５に熱を供給可能に構成される。
【００４７】
特に、第２液相熱媒体として温水を生成することによって、幅広い種類の暖房機器や給湯用貯湯槽に熱を供給することが可能で、１台の温水生成装置により家庭内の暖房、給湯などの熱需要に幅広く対応することが可能である。
【００４８】
（実施の形態２）
図５は、本発明の第２の実施の形態の冷凍サイクル装置の構成図である。なお、本実施の形態では、第１実施の形態と同一構成部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００４９】
本実施の形態の冷凍サイクル装置の構成要素は第１の実施の形態と同一であるが、熱媒体回路１０において第２冷却器７が蒸発器４の上流に直列接続される点で異なる。液相熱媒体は矢印の向きに循環し、第２冷却器７で加熱された液相熱媒体は冷媒と対抗する方向に蒸発器４に流入する。
【００５０】
本実施の形態の冷凍サイクル装置の特徴的な構成である第２冷却器７について、第２冷却器７を備えない冷凍サイクル装置と比較しながらその作用と効果を説明する。図６は、本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置のモリエル線図である。黒色線は第２冷却器７を備えた場合の冷凍サイクル、灰色線は第２冷却器７を備えない場合の冷凍サイクルを示す。
【００５１】
第２冷却器７で液相熱媒体は、より高温の放熱器２出口の冷媒と熱交換して加熱されるため、蒸発器４に流入する液相熱媒体温度は第２冷却器７を備えない場合よりも上昇する。その結果、蒸発器４内の冷媒はより高い温度の液相熱媒体と熱交換するため蒸発圧力（ｆ〜ｉ’の冷媒圧力）が第２冷却器７を備えない場合（ｇ〜ｉの冷媒圧力）よりも上昇する。
【００５２】
従って、圧縮機１吸入部における冷媒圧力がＰ１からＰ２に上昇するので、冷媒密度が増加し、冷媒循環量が増加する。また、圧縮機１の仕事もｉ〜ａからｉ’〜ａ’に減少する。そのため、圧縮機１の回転数を低減できて消費エネルギーを低減でき、冷凍サイクルの運転効率が向上する。
【００５３】
第１の実施の形態の効果に加え、加熱能力一定の場合、圧縮機１の回転数を更に低減で
きるので、冷凍サイクルの運転効率を更に向上することができる。
【００５４】
本実施の形態の冷凍サイクル装置の場合でも、実施の形態１と同様に先に液相熱媒体の流量を最適条件に調整することによって、短時間で目標とする冷凍サイクル条件に制御でき、その結果、冷凍サイクル装置の負荷が経時的に変動する場合でも、変動に対応して運転効率を高い状態に維持し続ける。
【００５５】
本実施の形態の冷凍サイクル装置の場合でも、実施の形態１と同様に温水生成装置を構成することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置およびそれを備えた温水生成装置は、冷凍サイクルの運転効率を向上できるため、空調暖房機器やヒートポンプ加熱機器全般で利用可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１  圧縮機
２  放熱器
３  膨張手段
４  蒸発器
５  第１冷却器
６  冷媒回路
７  第２冷却器
８  熱媒体循環手段
９  外部熱源用熱交換器
１０  熱媒体回路
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図２】
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【図６】
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