(57)【要約】【課題】補助蒸発器や通常のカスケードサイクルでは用いられていないファンを新たに付加することなく、単元サイクル運転とカスケードサイクル運転の切替が可能なカスケードサイクルを提供する。【解決手段】１次側冷媒回路１と、２次側冷媒回路２と、熱交換対象である対象媒体が流れており、少なくとも前記２次側凝縮部との間で熱交換可能に構成された対象媒体流路３３とを備えており、前記１次側凝縮部１３と前記２次側蒸発部２５との間で熱交換可能に構成されたカスケードサイクルシステム１００であって、少なくとも前記１次側凝縮部１３と、前記２次側蒸発部２５と、前記対象媒体流路３３とが一体となったカスケード熱交換器２００を備えており、単元サイクル運転時は前記対象媒体流路３３及び前記１次側凝縮部１３の間で熱交換が行われ、カスケードサイクル運転時は前記対象媒体流路３３及び前記２次側凝縮部１３の間で熱交換が行われるように切替可能に構成した。【選択図】図１
2014074507.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次側圧縮機、１次側凝縮部、１次側蒸発部が環状に回路をなす１次側冷媒回路と、
２次側圧縮機、２次側凝縮部、２次側蒸発部が環状に回路をなす２次側冷媒回路と、
熱交換対象である対象媒体が流れており、少なくとも前記２次側凝縮部との間で熱交換可能に構成された対象媒体流路とを備えており、
前記１次側凝縮部と前記２次側蒸発部との間で熱交換可能に構成されたカスケードサイクルシステムであって、
少なくとも前記１次側凝縮部と、前記２次側蒸発部と、前記対象媒体流路とが一体となったカスケード熱交換器を備えており、
単元サイクル運転時は前記対象媒体流路及び前記１次側凝縮部の間で熱交換が行われ、カスケードサイクル運転時は前記対象媒体流路及び前記２次側凝縮部の間で熱交換が行われるように切替可能に構成されていることを特徴とするカスケードサイクルシステム。
【請求項２】
前記カスケード熱交換器が、さらに前記２次側凝縮部が一体となっており、
前記対象媒体流路が、前記カスケード熱交換器内において前記１次側凝縮部と隣接する単元サイクル用分岐流路と、前記カスケード熱交換器内において前記２次側凝縮部と隣接するカスケードサイクル用分岐流路と、前記単元サイクル用分岐流路又は前記カスケードサイクル用分岐流路のいずれか一方に対象媒体を流す流路切替機構とを備えている請求項１記載のカスケードサイクルシステム。
【請求項３】
前記カスケード熱交換器が、さらに前記２次側凝縮部が一体となっており、
前記対象媒体流路が、前記カスケード熱交換器内において前記１次側凝縮部及び前記２次側凝縮部に隣接して設けられている請求項１記載のカスケードサイクルシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、暖房や給湯に用いられる１次側冷媒回路と２次側冷媒回路とがカスケード熱交換器により連結されたカスケードサイクルシステムであって、単元サイクル運転とカスケードサイクル運転とを切替可能に構成されたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばヒートポンプを用いて比較的高温の温水を作る場合等に、図１１に示すように１次側冷媒回路１の凝縮部１３において発生する熱を２次側冷媒回路２の蒸発部２５において吸収するように１次側凝縮部１３及び２次側蒸発部２５をカスケード熱交換器により接続したカスケードサイクル１００が用いられている。
【０００３】
このようなカスケードサイクルを用いることにより、暖房・給湯負荷が大きく、外気温が低いといった厳しい運転条件であっても、圧縮比が大きく高効率での運転が可能となる。
【０００４】
ところで、このようなカスケードサイクルは逆に暖房・給湯負荷が小さく、外気温が比較的高い温度の場合には、逆に通常の単元サイクルで構成されたヒートポンプよりも運転効率が劣ってしまうことがある。
【０００５】
このような問題を解決するために、特許文献１、２等では１つの冷媒回路のみが運転している単元サイクル運転と、２つの冷媒回路が両方とも運転しているカスケードサイクル運転とを切替可能にしたカスケードサイクルが提案されている。
【０００６】
特許文献１に記載のカスケードサイクルは、２次側冷媒回路において、カスケード熱交換器内に形成されている蒸発部とは別に、補助蒸発器とこの補助蒸発器に対して送風するためのファンが設けられている。そして、このカスケードサイクルは、運転負荷や外気温条件に応じて２次側冷媒回路のみで運転し、前記補助蒸発器により外気との間で熱交換を行うことで、単元サイクル運転での暖房・給湯を可能としたものである。
【０００７】
また、特許文献２のカスケードサイクルでは、カスケード熱交換器には通常設けられないカスケード熱交換器用のファンが設けられており、２次側冷媒回路のみを運転する単元サイクル運転時のみ、前記ファンを起動して空気熱交換器としての機能を発揮するように構成されている。
【０００８】
しかしながら、特許文献１のように通常のカスケードサイクルには用いられていない補助蒸発器及びファンを設けると、部品点数が増えることにより製造コストが上がってしまったり、ファンを付加した分だけ消費電力が大きくなったりしてしまう。また、２次側冷媒回路は室内ユニットとして構成されるが、補助熱交換器とファンは騒音の問題から室内に設置することは現実的ではなく、室外ユニットに組み入れる必要がある。このため、１次側冷媒回路だけでなく、補助蒸発器及びファンも室外ユニットに収容されるので、前記室外ユニットが大型化してしまい、十分な設置スペースがとれる場所にしかカスケードサイクルを導入できなくなってしまう。
【０００９】
また、特許文献２でもカスケード熱交換器に通常用いられないファンを設置しているので特許文献１のカスケードサイクルと略同様の問題が生じてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平０９−１１９７２６号公報
【特許文献２】特開２０００−３２０９１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、補助蒸発器や通常のカスケードサイクルでは用いられていないファンを新たに付加することなく、単元サイクル運転とカスケードサイクル運転の切替が可能なカスケードサイクル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】
【００１２】
すなわち、本発明のカスケードサイクルシステムは、１次側圧縮機、１次側凝縮部、１次側蒸発部が環状に回路をなす１次側冷媒回路と、２次側圧縮機、２次側凝縮部、２次側蒸発部が環状に回路をなす２次側冷媒回路と、熱交換対象である対象媒体が流れており、少なくとも前記２次側凝縮部との間で熱交換可能に構成された対象媒体流路とを備えており、前記１次側凝縮部と前記２次側蒸発部との間で熱交換可能に構成されたカスケードサイクルシステムであって、少なくとも前記１次側凝縮部と、前記２次側蒸発部と、前記対象媒体流路とが一体となったカスケード熱交換器を備えており、単元サイクル運転時は前記対象媒体流路及び前記１次側凝縮部の間で熱交換が行われ、カスケードサイクル運転時は前記対象媒体流路及び前記２次側凝縮部の間で熱交換が行われるように切替可能に構成されていることを特徴とする。
【００１３】
このようなものであれば、前記１次側凝縮部と、前記２次側蒸発部と、前記対象媒体流路とが一体となったカスケード熱交換器を備えており、３種の流体が前記カスケード熱交換器に流入するように構成されているので、単元サイクル運転時は前記１次側冷媒回路のみを運転して前記１次側凝縮部で発生した熱で前記２次側冷媒回路を介さずに前記対象媒体流路を流れる対象媒体を直接加熱することができる。
【００１４】
前記１次側冷媒回路において前記１次側蒸発部は、通常外気との熱交換が生じるように元々構成されているので、単元サイクル運転を行うために新たに熱交換用のファンを設ける必要がない。言い換えると、前記カスケード熱交換器の構成により単元サイクル運転時に前記２次側冷媒回路のみを運転させるのではなく、前記１次側冷媒回路のみを運転させればよいので、新たなファンや蒸発器を設ける必要がない。
【００１５】
従って、前記カスケード熱交換器の流路構成等を変更するだけであり、新たな構成要素を追加することがないので、カスケードサイクルの部品点数が増え、製造コストが上昇したり、機器が大型化したりすることもない。
【００１６】
さらに、単元サイクル運転時は前記対象媒体流路及び前記１次側凝縮部の間で熱交換が行われ、カスケードサイクル運転時は前記対象媒体流路及び前記２次側凝縮部の間で熱交換が行われるように切替可能に構成されているので、暖房給湯負荷・及び外気条件に応じて運転モードを切り替えることにより運転効率を高めることができる。
【００１７】
前記カスケード熱交換器内において前記対象媒体流路が熱交換する対象を前記１次側凝縮部、又は、前記２次側凝縮部のいずれにするかを容易に切り替えることができ、各運転モードにおいて熱損失を小さくしやすくするには、前記カスケード熱交換器が、さらに前記２次側凝縮部が一体となっており、前記対象媒体流路が、前記カスケード熱交換器内において前記１次側凝縮部と隣接する単元サイクル用分岐流路と、前記カスケード熱交換器内において前記２次側凝縮部と隣接するカスケードサイクル用分岐流路と、前記単元サイクル用分岐流路又は前記カスケードサイクル用分岐流路のいずれか一方に対象媒体を流す流路切替機構とを備えていればよい。
【００１８】
前記対象媒体流路が分岐を有さず、前記カスケード熱交換器を簡単な構成にしつつ単元サイクル運転とカスケードサイクル運転を切り替えるには、前記カスケード熱交換器が、さらに前記２次側凝縮部が一体となっており、前記対象媒体流路が、前記カスケード熱交換器内において前記１次側凝縮部及び前記２次側凝縮部に隣接して設けられていればよい。
【発明の効果】
【００１９】
このように本発明のカスケードサイクルシステムであれば、前記カスケード熱交換器に前記１次側凝縮部及び前記２次側蒸発部だけでなく、前記対象媒体流路も流入しているので、前記１次側冷媒回路だけを運転させる単元サイクル運転が可能である。従って、前記２次側冷媒回路に補助蒸発器や外気との熱交換のためのファン等を設けてなくてもよく、新たな機器を追加する必要がないので、製造コストの上昇や、機器の大型化を招くこともない。また、運転条件に応じて単元サイクル運転とカスケードサイクル運転にそれぞれ切り替えることができるので、どのような運転条件でも高効率を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態に係るカスケードサイクルシステムのカスケードサイクル運転時の状態を示す模式的回路図。
【図２】同第１実施形態における単元サイクル運転時の状態を示す模式的回路図。
【図３】同第１実施形態におけるカスケード熱交換器を示す模式的斜視図。
【図４】同第１実施形態におけるカスケード熱交換器の横断面を示す模式的断面図。
【図５】同第１実施形態におけるカスケード熱交換器の最小構成単位を示す模式的断面拡大図。
【図６】本発明の第２実施形態に係るカスケードサイクルシステムのカスケードサイクル運転時の状態を示す模式的回路図。
【図７】同第２実施形態における単元サイクル運転時の状態を示す模式的回路図。
【図８】同第２実施形態におけるカスケード熱交換器の横断面を示す模式的断面図。
【図９】同第２実施形態におけるカスケード熱交換器の最小構成単位を示す模式的断面拡大図。
【図１０】その他の実施形態におけるカスケードサイクルシステムの構成例を示す模式図。
【図１１】従来のカスケードサイクルシステムの一例を示す模式的回路図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の第１実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２２】
本実施形態のカスケードサイクルシステム１００は、２つの冷媒回路を備えたヒートポンプであって、例えば寒冷地であっても高温の温水を供給するために用いられるものである。
【００２３】
前記カスケードサイクルシステム１００は、図１及び図２に示すように室外ユニットＥＸとして構成される１次側冷媒回路１と、室内ユニットＩＮとして構成される２次側冷媒回路２と、前記１次側冷媒回路１又は前記２次側冷媒回路２から熱を供給される対象媒体である水が流れる水媒体回路３と、から構成してある。また、前記カスケードサイクルシステム１００は、前記１次側冷媒回路１、前記２次側冷媒回路２、前記水媒体回路３を連結するカスケード熱交換器２００、及び、前記１次側冷媒回路１、前記２次側冷媒回路２、前記水媒体回路３の動作を制御する制御機構（図示しない）を有する。
【００２４】
各部について説明する。
【００２５】
前記１次側冷媒回路１は、図１及び図２に示すように１次側圧縮機１１、１次側四方弁１２、１次側凝縮部１３、１次側膨張弁１４、１次側蒸発部１５、１次側アキュームレータ１６が環状をなすように接続してある。また、前記１次側蒸発部１５は外気のとの熱交換を行うために送風ファンＦも設けてある。
【００２６】
前記２次側冷媒回路２は、２次側圧縮機２１、２次側四方弁２２、２次側凝縮部２３、２次側膨張弁２４、２次側蒸発部２５、２次側アキュームレータ２６が環状をなすように接続してある。また、第１実施形態の前記２次側冷媒回路２においては、前記２次側凝縮部２３も前記カスケード熱交換器２００内に形成してあり、前記水媒体回路３との間だけで熱交換が行われる熱交換器は設けていない点が従来のものと異なっている。
【００２７】
前記水媒体回路３は、前記カスケード熱交換器２００において熱交換が行われる吸熱流路３３（請求項での対象媒体流路に相当）と、室内暖房器に相当する放熱部３１と、前記吸熱流路３３と前記放熱部３１の間で水を循環させるポンプ３２とによって回路を構成してある。さらに、前記水媒体回路３は、暖められた水をためておくものであり、前記放熱部３１の出口側と入口側をバイパスするように設けられた貯湯タンク３４と、前記貯湯タンク３４からの前記放熱部３１への水の流入を制御する三方弁とを備えている。
【００２８】
前記吸熱流路３３は、前記カスケード熱交換器２００内に流入する並列に形成された単元サイクル用分岐流路３３ｂとカスケードサイクル用分岐流路３３ａと、前記単元サイクル用分岐流路３３ｂ又は前記カスケードサイクル用分岐流路３３ａのいずれかに水が流れるように切り替える流路切替弁３３ｃと、を備えている。
【００２９】
前記カスケード熱交換器２００は、図３に示すように概略直方体形状をなすように形成されたものであり、前記１次側凝縮部１３と、前記２次側凝縮部２３と、前記２次側蒸発部２５と、前記吸熱流路３３と、が一体となって形成された熱交換器である。図３に示すように直方体の一端側側面と他端側の側面に対向するように各回路の冷媒又は水が導入又は導出されるコネクタが設けてあり、一方のコネクタから流入した冷媒又は水は、カスケード熱交換器２００の中央部に形成された熱交換部を通ってその後もう一方のコネクタから出ていくことになる。また、隣接する各流路のうち熱交換を大きくしたいものについては、それぞれの向きが逆向きである対向流となるように各コネクタの入口と出口を設定してある。より具体的には、上端側のコネクタには、２次側凝縮部２３冷媒流路及び１次側凝縮部冷媒流路１３ａの入口と、前記カスケードサイクル用分岐流路３３ａ、単元サイクル用分岐流路３３ｂ、２次側蒸発部冷媒流路２５ａの出口が形成してある。また、下端側のコネクタには逆に２次側凝縮部２３冷媒流路及び１次側凝縮部冷媒流路１３ａの出口と、前記カスケードサイクル用分岐流路３３ａ、単元サイクル用分岐流路３３ｂ、２次側蒸発部冷媒流路２５ａの入口が形成してある。
【００３０】
前記カスケード熱交換器２００は、図１及び図２の模式的回路図及び図４の仮想平面Ａにおける横断面図に示すように、前記吸熱流路３３に対して前記１次側凝縮部１３を形成する１次側凝縮部冷媒流路１３ａと、前記２次側凝縮部２３の形成する２次側凝縮部冷媒流路２３ａとが隣接するように設けてあり、前記２次側蒸発部２５を形成する２次側蒸発部冷媒流路２５ａと前記１次側凝縮部冷媒流路１３ａが隣接するようにしてある。
【００３１】
より詳細には、前記吸熱流路３３の前記単元サイクル用分岐流路３３ｂは、前記１次側凝縮部冷媒流路１３ａと隣接するとともに、前記カスケードサイクル用分岐流路３３ａは前記２次側凝縮部冷媒流路２３ａと隣接するようにしてある。そして、前記流路切替弁により単元サイクル用分岐流路３３ｂ又はカスケードサイクル用分岐流路３３ａのいずれに水媒体が流れるのかを切り替えることにより、吸熱する対象を前記１次側凝縮部１３、前記２次側凝縮部２３のいずれから前記吸熱流路３３が吸熱するのかを切り替えることができる。
【００３２】
前記カスケード熱交換器２００の最小構成単位の具体的な形状について説明すると、図４及び図５の断面図に示すように内部はハニカム構造伝熱面と層状面とが交互に重なった繰り返し構造となっている。すなわち、図４に示すように前記１次側凝縮部冷媒流路１３ａは、非対称六角形を対角線で２つに分割した台形形状を有したものであり、前記２次側凝縮部冷媒流路２３ａ、前記２次側蒸発部冷媒流路２５ａ、前記カスケードサイクル用分岐流路３３ａは、その横断面が概略非対称六角形となっている。そして、前記単元サイクル用分岐流路３３ｂは横断面が長尺線状に形成されており、前記１次側凝縮部冷媒流路１３ａである２つの台形の底辺に挟まれるように配置してある。
【００３３】
以下ではカスケード熱交換器２００内の各流路について具体的な形状及び隣接する流路との関係について説明する。
【００３４】
各流路は熱交換を大きくしたい流路同士の間においては接触する面積が大きくなるようにするとともに、熱交換をあまり生じさせたくない流路間では、接触面積を小さくするように構成してある。図４においては、熱交換を大きくしている境界部分を太実線矢印で示し、熱交換を小さくしている部分は点線矢印で示している。
【００３５】
前記１次側凝縮部冷媒流路１３ａは、線状の前記単元サイクル用分岐流路３３ｂを挟むように設けられた２つの平型等脚台形要素から構成してあり、各等脚台形を構成する辺はいずれも高さよりも寸法が長く、下底、上底、脚の順番で寸法を長く設定してある。より具体的には、最も辺の長さが長い下底で前記単元サイクル用分岐流路３３ｂと接触するようにして接触面積を大きくしてある。このようにすることで、単元サイクル運転時には前記１次側凝縮部冷媒流路１３ａと前記単元サイクル用分岐流路３３ｂとの間で最も熱交換が行われるようにしてある。
【００３６】
さらに、前記１次側凝縮部冷媒流路１３ａの上底部分は、前記２次側蒸発部冷媒流路２５ａと接するようにしてあり、カスケードサイクル運転時において主に前記２次側蒸発部冷媒流路２５ａとの間で熱交換が行われるようにしてある。また、一方の平型等脚台形要素の脚は前記カスケードサイクル用分岐流路３３ａに接するようにしてあり、他方の平型等脚台形要素の脚は前記２次側凝縮部冷媒流路２３ａと接するようにしてある。このため、１次側凝縮部１３の熱量は、カスケードサイクル運転時は、前記２次側蒸発部冷媒流路２５ａに最も伝導することになる。
【００３７】
前記制御機構は、１次側冷媒回路１、２次側冷媒回路２及び水媒体回路３の動作を制御するものであり、ＣＰＵ、メモリ、入出力機器等からなるマイコンやコンピュータ等によりその機能が実現されるものである。そしてこの制御機構は、カスケードサイクル運転又は単元サイクル運転の切替を外気条件や水媒体回路３の前記放熱部３１に対して設定される目標温度に応じて自動的に切り換えるサイクル切替部（図示しない）としての機能を発揮するように構成してある。
【００３８】
前記サイクル切替部は、外気温度、設定される暖房温度や出湯温度に応じて単元サイクル運転又はカスケードサイクル運転のいずれで運転するべきかを判断し、前記２次側圧縮機２１、前記２次側圧縮機２１、前記水媒体回路３の動作を切り替えるものである。より具体的には、図１に示すようにカスケードサイクル運転時には前記１次側圧縮機１１及び前記２次側圧縮機２１の両方を動作させるとともに、前記水媒体回路３における流路切替弁を前記カスケードサイクル用分岐流路３３ａにのみ水が流れるように切り替えるものである。一方、前記サイクル切替部は、図２に示すように単元サイクル運転時には、前記２次側圧縮機２１のみを動作させるとともに、前記流路切替弁に単元サイクル用分岐流路３３ｂにだけ水が流れるように切り替えるものである。前記サイクル切替部は、予め定められた運転条件に応じて単元サイクル運転、カスケードサイクル運転を切り替えるように構成してあり、低負荷、高外気温条件では単元サイクル運転に切り替えるとともに、高負荷、低外気温条件ではカスケードサイクル運転に切り替えるように構成してある。例えば、予め定めた閾値により、負荷の高低や、外気温の高低を判断し、その結果に基づいて前記サイクル切替部はサイクルのモードを切り替えるようにしてもよい。または予め実験等において各負荷条件と外気条件の組み合わせにおいて単元サイクル運転又はカスケードサイクル運転のいずれがより効率よく運転できるかを予め実験しておき、現在の運転状況と記憶されている運転状況及び実験結果を比較して、サイクルのモードを変更するものであっても構わない。
【００３９】
このように構成されたカスケードサイクルシステム１００における、カスケードサイクル運転及び単元サイクル運転時の動作について説明する。
【００４０】
まず、カスケードサイクル運転時の動作について説明する。
【００４１】
前記サイクル切替部は、設定されている暖房・出湯条件が高負荷であり、外気温度が低い場合には、カスケードサイクル運転を行うように各部を制御する。具体的には、前記サイクル切替部は、カスケードサイクル運転時は、１次側冷媒回路１及び２次側冷媒回路２中の冷媒は両方とも流通するように１次側圧縮機１１及び２次側圧縮機２１を動作させるとともに、前記水媒体回路３においては内側の回路を形成する前記カスケードサイクル用分岐流路３３ａにのみ水が流れるようにして流路切替弁３３ｃを制御する。
【００４２】
この場合、図１の回路図及び図４（ａ）の断面図に示すようにカスケード熱交換器２００の内部においては、前記単元サイクル用分岐流路３３ｂにのみ流体が流れておらず、前記１次側凝縮部１３流路の熱は、最も接触面積の大きい前記２次側蒸発部冷媒流路２５ａとの間で主に交換されることになる。さらに前記２次側蒸発部冷媒流路２５ａを通過し、前記２次側圧縮機２１により圧縮され高温となった冷媒が流入する前記２次側凝縮部冷媒流路２３ａでは、前記カスケードサイクル用分岐流路３３ａとの間で熱交換が生じることになる。このようにして高負荷、低温条件でも効率よくカスケードサイクルシステム１００を運転することができる。
【００４３】
次に単元サイクル運転時の動作について説明する。
【００４４】
前記サイクル切替部は、設定されている暖房・出湯条件が低負荷であり、外気温度が高い場合には、単元サイクル運転を行うように各部を制御する。具体的には、前記１次側冷媒回路１のみにおいて冷媒が流通するように、前記１次側圧縮機１１だけを動作させるとともに、前記２次側圧縮機２１は停止させる。さらに、前記水媒体回路３において外側のループを構成している単元サイクル用分岐流路３３ｂに水が流れるように前記流路切替弁３３ｃを制御する。
【００４５】
この場合、図４（ｂ）に示すようにカスケード熱交換器２００内においては、１次側凝縮部冷媒流路１３ａと単元サイクル用分岐流路３３ｂしか流体が流れておらず、これらの流路の間で主に熱交換が生じる。従って、図２に示すように実質的に１次側冷媒回路１と水媒体回路３が前記カスケード熱交換器２００により接続された単元サイクルとして構成されていることになる。このため、低負荷、高外気温条件の時に通常の単元サイクルとして動作させることができ、カスケードサイクルとして運転すると逆に性能が落ちる条件でも効率よく運転する事が可能となる。
【００４６】
以下では、前記サイクル切替部によるカスケードサイクル運転と単元サイクル運転の切替による各種運転状況に応じた運転制御に関してさらに説明する。
【００４７】
まず、カスケードサイクルシステム１００の起動時における制御について説明する。
【００４８】
起動時においては、カスケードサイクルシステム１００は、外気温度と予め定められた外気温規定値との大小関係と、出湯温度設定値と予め定められた出湯温度規定値の大小関係とに基づいてカスケードサイクル運転か単元サイクル運転のいずれにより起動されるかが前記サイクル切替部により決定される。ここで外気温規定値、出湯温度規定値は実験等に所望の運転効率が得られる境界値として探索された値である。また、外気温度は１次側蒸発部１５の近傍に設けられている外気温センサにより測定される実測値であり、出湯温度設定値はユーザがリモコン等により設定する所望の出湯温度である。
【００４９】
＜低負荷条件での起動時について＞
外気温度が外気温度規定値以上、かつ、出湯温度設定値が出湯温度規定値未満の場合には、前記サイクル切替部は単元サイクル運転で起動を開始する。
【００５０】
より具体的には、水媒体回路３の流路切替弁３３ｃにおいてカスケードサイクル用分岐流路３３ａへの弁が閉止されるとともに、単元サイクル用分岐流路３３ｂへの弁が開放される。その後、１次側冷媒回路１において、１次側圧縮機１１が起動され、１次側蒸発部１５の送風ファンＦが起動される。前記１次側圧縮機１１における圧縮比が規定値以上となった時に、水媒体回路３のポンプ３２が起動されて、水媒体の循環が開始される。
【００５１】
このようにしてカスケード熱交換器２００において１次側凝縮部１３と水媒体回路３の単元サイクル用分岐流路３３ｂとの間で熱交換が開始されて、温水媒体が得られることになる。
【００５２】
また、この単元サイクル運転中は、水媒体回路３中の水媒体の水温が出湯温度設定値となるように１次側圧縮機１１の回転数と１次側膨張弁１４の開度が制御されている。
【００５３】
＜高負荷条件での起動時について＞
一方、外気温度が外気温度規定値未満、かつ、出湯温度設定値が出湯温度規定値以上の場合には、前記サイクル切替部はカスケードサイクル運転で起動を開始する。
【００５４】
より具体的には、まず、水媒体回路３の流路切替弁３３ｃにおいて単元サイクル用分岐流路３３ｂへの弁が閉止されるとともに、カスケードサイクル用分岐流路３３ａへの弁が開放される。その後、１次側冷媒回路１において、１次側圧縮機１１が起動され、１次側蒸発部１５の送風ファンＦが起動される。
【００５５】
次に、前記１次側圧縮機１１における圧縮比が規定値以上となった時に、２次側冷媒回路２の起動が開始される。このとき、水媒体回路３は停止している状態、又は、少量運転となっていることが望ましい。
【００５６】
そして、２次側圧縮機２１が起動し、圧縮比が規定値以上となった時点で、水媒体回路３のポンプ３２が通常状態で運転を開始する。
【００５７】
このようにして、１次側冷媒回路１、２次側冷媒回路２、水媒体回路３の順番で順次起動していくことで、カスケード熱交換器２００において２次側凝縮部２３と水媒体回路３のカスケードサイクル用分岐流路３３ａとの間で熱交換が開始されて、温水媒体が得られることになる。
【００５８】
また、このカスケードサイクル運転中は、水媒体回路３中の水媒体の水温が出湯温度設定値となるように１次側圧縮機１１及び２次側圧縮機２１の回転数と１次側膨張弁１４と２次側膨張弁２４の開度が制御されている。
【００５９】
＜クイックスタートさせたい場合＞
初期設定においてクイックスタートが設定されている場合には、外気温度が外気温度規定値以上、かつ、出湯温度設定値が出湯温度規定値未満の低負荷条件であったとしても、高負荷条件での起動時と同様の手順によりカスケードサイクル運転で起動される。
【００６０】
ただし、出湯温度が出湯温度設定値に到達した場合には、２次側冷媒回路２の２次側圧縮機２１が停止され、流路切替弁３３ｃがカスケードサイクル用分岐流路３３ａ側を閉止し、単元サイクル用分岐流路３３ｂを開放して、単元サイクル運転へと移行する。
【００６１】
このとき、水媒体回路３を水媒体は少量運転となっており、１次側圧縮機１１の急な圧力変動に対応させることができるようにしてある。また、１次側圧縮機１１の吐出圧力が規定値以上になった場合にはポンプ３２の出力が増加され、通常運転となる。
【００６２】
次に、運転中におけるカスケードサイクル運転と単元サイクル運転の切替について説明する。運転中においては圧縮比と外気温度とに基づいて、カスケードサイクル運転と単元ンサイクル運転が切り換えられるように前記サイクル切替部は構成してある。
【００６３】
＜運転中に出湯設定温度が変更された場合＞
ユーザにより運転中に出湯設定温度が変更された場合には、出湯温度設定値に対して、外気温度が外気温規定値未満、現在の圧縮比が規定値以上の時には、単元サイクル運転からカスケードサイクル運転に切り替えられる。なお、出湯温度設定値が変更された時に元々カスケードサイクル運転だった場合にはそのまま維持される。
【００６４】
逆に出湯温度設定値に対して、外気温度が外気温度規定値以上であり、現在の圧縮比が規定値以下の場合には、カスケードサイクル運転から単元サイクル運転に切り替えられる。同様にもともと単元サイクル運転で運転されていた場合には単元サイクル運転が維持される。
【００６５】
ただし、クイックスタート設定がされており、出湯温度設定値が現在値よりも高い値に変更された場合には、カスケードサイクル運転により出湯温度を出湯温度設定値まで上昇させる。その後、外気温度が規定値以上であり、現在の圧縮比の値が規定値未満の場合には単元サイクル運転に切り替えられる。
【００６６】
＜運転中に外気温度が上昇又は下降した場合＞
外気温度が外気温度規定値未満、現在の圧縮比が規定値以上の時には単元サイクル運転からカスケードサイクル運転に切り替えられる。もともとカスケードサイクル運転の時にはその状態が維持される。
【００６７】
外気温度が外気温規定値以上、現在の圧縮比が規定値未満の時にはカスケードサイクル運転から単元サイクル運転に切り替えられる。もともと単元サイクル運転の時にはその状態が維持される。
【００６８】
このように第１実施形態のカスケードサイクルシステム１００によれば、前記カスケード熱交換器２００が前記１次側冷媒回路１の冷媒と、前記２次側冷媒回路２の冷媒と、前記水媒体回路３の水が流入、流出する多流体熱交換器として構成されているので、１次側圧縮機１１及び２次側圧縮機２１をともに稼働させればカスケードサイクルとして動作させることができ、１次側圧縮機１１のみを稼働させれば単元サイクルとして動作させることができる。
【００６９】
さらに、単元サイクル運転時においては、前記カスケード熱交換器２００において水媒体回路３を流れる水は、前記１次側冷媒回路１との間で熱交換が生じるようにしてあるので、元々外気との間で熱交換を行うように室外に配置してある前記１次側蒸発部１５を利用することができる。このため、従来であれば単元サイクル運転のために別途補助蒸発器や外気との間での熱交換を可能とするためのファンＦを付加する必要があったところを第１実施形態のカスケードサイクルシステム１００によれば、前記カスケード熱交換器２００の構成のみで対応することができる。従って、カスケードサイクル運転と単元サイクル運転とを切り替え可能に構成したにもかかわらず、カスケードサイクルシステム１００を構成するために必要な部品点数が増加したり、製造コストが上昇したりすることもない。
【００７０】
また、運転条件に応じてカスケードサイクル運転、単元サイクル運転のうちより運転効率の高いものを選択することができ、略全ての運転条件において高効率の運転ができる。
【００７１】
次に本発明の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態のカスケードサイクルシステム１００と対応する部材については同じ符号を付すこととする。
【００７２】
前記第１実施形態では、前記水媒体回路３において２つの分岐流路を設けておき、いずれの分岐流路に水を流すかによって、熱交換が生じる凝縮部を切り替え、カスケードサイクル運転と単元サイクル運転を切り替えることを可能にしていた。
【００７３】
一方、第２実施形態のカスケードサイクルシステム１００は、図６及び図７に示すように水媒体回路３は分岐流路を有さず、単一の吸熱流路３３のみを有し、簡単な構成で第１実施形態と略同じ効果を得られるようにしている。また、前記水媒体回路３が単一の吸熱流路３３のみで構成してあるのに合わせて、前記カスケード熱交換器２００内の構成も前記第１実施形態と異なっている。以下では第１実施形態と大きく異なっている第２実施形態の前記カスケード熱交換器２００における各回路の接続態様等について主に説明する。
【００７４】
前記カスケード熱交換器２００は、前記１次側凝縮部１３、前記２次側蒸発部２５、前記２次側凝縮部２３、前記吸熱流路３３が一体となって構成してあり、前記吸熱流路３３が、前記１次側凝縮部１３及び前記２次側凝縮部２３の両方と隣接して設けてある。
【００７５】
より具体的には、図８及び図９のカスケード熱交換器２００の横断面図に示すように前記１次側凝縮部冷媒流路１３ａ、前記２次側蒸発部冷媒流路２５ａ、前記２次側凝縮部冷媒流路２３ａ、前記吸熱流路３３の横断面は全て同形の六角形形状に形成してある。ただし、各流路の断面は正六角形ではなく、１組の対向する２辺のみが他の４辺に比べて寸法の短く形成してあり、他の４辺を同じ長さにして概略扁平形状にしてある。
【００７６】
各流路の隣接状態について詳述すると、図９に示すように吸熱流路３３の２つの長辺には、前記２次側凝縮部冷媒流路２３ａが接触するようにしてあり、もう２つの別の長辺には１次側凝縮部冷媒流路１３ａが接触するようにしてある。対応する短辺にはそれぞれ２次側蒸発部冷媒流路２５ａが接触するようにしてある。また、前記１次側凝縮部１３流路の長辺と前記２次側蒸発部冷媒流路２５ａの長辺とが接触するように配置してある。つまり、直接熱交換させた流路同士は大面積で接触するようにしてあるとともに、熱交換が生じて欲しくない部位については短辺同士で接触するようにして、密集構造を保つようにしてある。
【００７７】
このような第２実施計形態のカスケードシステムの動作について説明すると、前記サイクル切替部は、前記水媒体回路３についてはモードの切替に応じて特に制御は行わずに、前記１次側圧縮機１１及び前記２次側圧縮機２１の動作を制御することでモードの切替を行うように構成してある。
【００７８】
具体的には、図６及び図８（ａ）に示すようにカスケードサイクル運転時は、前記サイクル切替部は、前記１次側圧縮機１１及び前記２次側圧縮機２１を動作させて、図８（ａ）の断面図に示すように、前記１次側凝縮部冷媒流路１３ａと前記２次側凝縮部冷媒流路２３ａとの間で熱交換を生じさせるとともに、前記２次側凝縮部冷媒流路２３ａと前記吸熱流路３３との間で熱交換を生じさせる。
【００７９】
一方、図７及び図８（ｂ）に示すように単元サイクル運転時には前記サイクル切替部は前記１次側冷媒回路１の前記１次側圧縮機１１のみを動作させて、図８（ｂ）に示すように１次側凝縮部冷媒流路１３ａと前記吸熱流路３３との間でのみ熱交換を生じさせる。
【００８０】
このように第２実施形態のカスケードサイクルシステム１００では、水媒体流路が分岐流路を有していなくても、前記カスケード熱交換器２００が、３つの回路の流体が流入、流出する多流体熱交換器として構成してあるとともに、その隣接を好ましい熱交換のみが生じやすいように構成してあるので、新たな補助蒸発器やファンＦを増設しなくてもカスケードサイクル運転と単元サイクル運転を切り替えることができる。
【００８１】
その他の実施形態について説明する。
【００８２】
図１０に示すようにカスケード熱交換器２００は、前記１次側凝縮部１３、前記２次側蒸発部２５、前記単元サイクル用分岐流路３３ｂのみが一体となったものでもよく、前記２次側凝縮部２３と前記カスケードサイクル用分分岐流路とが一体となった別の熱交換器を備えたものであってもよい。すなわち３つ以上の回路の流体が流入、流出するように前記カスケード熱交換器２００を構成したものであれば、カスケードサイクル運転と単元サイクル運転とを切り替えることが、新たに補助熱交換器やファンＦを設けなくても運転を切り替えることができる。
【００８３】
前記各実施形態では、暖房や出湯のために本発明のカスケードサイクルシステムを用いていたが、その他の用途に用いても構わない。また、本発明のような３つ以上の多流体が流入、流出するカスケード熱交換器はヒートポンプだけでなく、冷凍サイクルにおいてカスケードサイクル運転と単元サイクル運転とを切り替えたい場合にも用いることができる。
【００８４】
前記カスケード熱交換器の各流路の断面形状は例示したものに限られるものではなく、その他形状であってもよい。例えば、前記各実施形態では各流路を密集するように配置していたが、熱交換が生じて欲しくない流路の間には隙間をあけたり、断熱材を設けたりする等しても構わない。要するに、吸熱流路が前記１次側凝縮部及び前記２次側凝縮部と隣接しており、いずれかの凝縮部との間で熱交換を切り替えられるように構成してあればよい。
【００８５】
さらに、各冷媒回路の構成や水媒体回路の構成は前記各実施形態に限定されるものではなく、様々な変形を行っても構わない。例えば、四方弁等を設けない回路であってもよい。
【００８６】
その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な変形や、実施形態の組み合わせを行っても構わない。
【符号の説明】
【００８７】
１００    ：カスケードサイクルシステム
２００    ：カスケード熱交換器
１        ：１次側冷媒回路
１１      ：１次側圧縮機
１２      ：１次側四方弁
１３      ：１次側凝縮部
１３ａ    ：１次側凝縮部冷媒流路
１４      ：１次側膨張弁
１５      ：１次側蒸発部
１６      ：１次側アキュームレータ
２        ：２次側冷媒回路
２１      ：２次側圧縮機
２２      ：２次側四方弁
２３      ：２次側凝縮部
２３ａ    ：２次側凝縮部冷媒流路
２４      ：２次側膨張弁
２５      ：２次側蒸発部
２５ａ    ：２次側蒸発部冷媒流路
２６      ：２次側アキュームレータ
３        ：水媒体回路
３１      ：放熱部
３２      ：ポンプ
３３      ：吸熱流路（対象媒体流路）
３３ａ    ：カスケードサイクル用分岐流路
３３ｂ    ：単元サイクル用分岐流路
３３ｃ    ：流路切替弁
３４      ：貯湯タンク
ＥＸ      ：室外ユニット
ＩＮ      ：室内ユニット
Ｆ        ：送風ファン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2014074507.tif 000010
【図９】
2014074507.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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