(57)【要約】      （修正有）【課題】ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプおよびその循環方法を提供する。【解決手段】圧縮機１１０、凝縮器１２０、気液分離器１５０、膨脹装置、および蒸発器１６０を含む、二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ１００であって、凝縮器１２０と気液分離器１５０との間に構成され、凝縮器１２０を通過した冷媒の圧力を低下させる第１膨脹装置１４０を含み、第１膨脹装置１４０によって冷媒は高圧から中間圧に膨脹し、膨脹装置１４２によって中間圧から低圧に膨脹する、二段の膨脹工程を実行する多段ヒートポンプ１００。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮器、気液分離器、膨脹装置、および蒸発器を含む二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプであって、
前記凝縮器と前記気液分離器との間に構成され、前記凝縮器を通過した冷媒を膨脹させて圧力を低下させる第１膨脹装置
を含み、
前記第１膨脹装置によって前記冷媒は高圧から中間圧に膨脹され、前記膨脹装置によって前記中間圧から低圧に膨脹される、二段の膨脹構造を有することを特徴とする、
二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。
【請求項２】
前記冷媒は、
二酸化炭素（ＣＯ2）と少なくとも１つ以上の他の冷媒を混合した混合冷媒であることを特徴とする、
請求項１に記載の二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。
【請求項３】
前記冷媒は、
沸点が互いに異なる二酸化炭素（ＣＯ2）とＨＦＣ系混合冷媒とを含み、前記二酸化炭素（ＣＯ2）の割合を５０％〜９０％に増加して前記高圧での圧力を低下させ、暖房用温水および温風の提供が可能であることを特徴とする、
請求項２に記載の二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。
【請求項４】
前記冷媒は、
２つ以上の混合冷媒を含み、前記凝縮器の熱を暖房用温水として用いるヒートポンプ機能と同時に、前記蒸発器の低温は冷凍装置に適用可能であることを特徴とする、
請求項２に記載の二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。
【請求項５】
前記気液分離器は、
前記第１膨脹装置によって前記凝縮器を通過した冷媒の圧力を低下させることにより、沸点が低い前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ2）の一部とを液体として分離し、残りの前記二酸化炭素（ＣＯ2）を気体として分離させることを特徴とする、
請求項２に記載の二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。
【請求項６】
前記気液分離器を通過した前記冷媒を冷凍する第２予冷器
をさらに含み、
前記膨脹装置は、
前記気液分離器と前記第２予冷器の間に配置され、前記気液分離器から吐出された高圧の気体状態である前記二酸化炭素（ＣＯ2）を膨脹させて圧力を低める第２膨脹装置、および
前記第２予冷器と前記蒸発器との間に配置され、前記気液分離器から吐出された液体状態である前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ2）の一部とを前記第２予冷器で冷却した後、膨脹させて圧力を低めて前記蒸発器に吐出する第３膨脹装置
を含む、
請求項５に記載の二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。
【請求項７】
前記蒸発器の吐出口と前記凝縮器の吐出口とが連結する第１予冷器
をさらに含み、
前記第１予冷器は、
前記蒸発器で気化された前記冷媒と前記凝縮器を通過した前記二酸化炭素（ＣＯ2）とを熱交換し、冷却後に前記圧縮機に移動させることを特徴とする、
請求項２に記載の二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。
【請求項８】
前記第２予冷器から吐出された冷媒と前記蒸発器から吐出された冷媒との互いに異なる圧力差を補正して前記圧縮機に送るエジェクタまたは蒸発圧力制御装置（ＥＰＲ）
をさらに含む、
請求項６に記載の二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。
【請求項９】
前記蒸発器は、
外気温度が低い場合にも暖房機能を実行するように、前記第１膨脹装置によって前記冷媒が高圧から中間圧に膨脹した後、前記第３膨脹装置によって前記中間圧から低圧に膨脹する、二段の膨脹工程を実行した前記冷媒の流入により気化温度が低くなることを特徴とする、
請求項６に記載の二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。
【請求項１０】
圧縮機から吐出された二酸化炭素（ＣＯ2）と少なくとも１つ以上の他の冷媒が混合された冷媒とを凝縮器で凝縮し、
前記凝縮器を通過した前記冷媒を、第１膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低下させ、
前記第１膨脹装置を通過した前記冷媒から、気液分離器を利用して沸点が低い前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ2）の一部とを液体として分離し、残りの前記二酸化炭素（ＣＯ2）を気体として分離し、
前記気液分離器から吐出された高圧の気体状態である前記二酸化炭素（ＣＯ2）を、第２膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低下させて第２予冷器に移動させ、
前記気液分離器から吐出された液体状態である前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ2）の一部とを前記第２予冷器で冷凍した後、第３膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低めて蒸発器に吐出し、前記蒸発器で前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ2）の一部とを外気熱によって気化させ、および
前記第２予冷器を通過した前記二酸化炭素（ＣＯ2）と前記蒸発器によって気化された前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ2）の一部とを、互いに熱交換した後に前記圧縮機に移動させること
を含む、
二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの循環方法。
【請求項１１】
二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプであって、
沸点が互いに異なる二酸化炭素（ＣＯ2）と少なくとも１つ以上の他の冷媒とを含む混合冷媒を圧縮する圧縮機、
前記圧縮機の次に配置され、前記圧縮機を通過した冷媒を凝縮する凝縮器、
前記凝縮器の次に配置され、前記凝縮器を通過した冷媒を膨脹させて圧力を低下させる第１膨脹装置、
前記第１膨脹装置の次に配置され、前記第１膨脹装置によって前記凝縮器を通過した冷媒の圧力を低下させることにより、沸点が低い前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ2）の一部とを液体として分離し、前記二酸化炭素（ＣＯ2）の残りを気体として分離させる気液分離器、
前記気液分離器の次に配置され、前記気液分離器を通過した冷媒を冷凍する第２予冷器、
前記気液分離器と前記第２予冷器との間に配置され、前記気液分離器から吐出された気体状態の前記二酸化炭素（ＣＯ2）を膨脹させて圧力を低下させる第２膨脹装置、
前記第２予冷器と蒸発器との間に配置され、前記気液分離器から吐出された液体状態の前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ2）の一部とを前記第２予冷器で冷却した後、膨脹させて圧力を低下させて前記蒸発器に吐出する第３膨脹装置、および
前記凝縮器と前記第１膨脹装置との間に配置され、前記蒸発器の吐出口に連結する第１予冷器
を含み、
前記混合冷媒は、
前記凝縮器の熱を暖房用温水として用いるヒートポンプ機能と共に、前記蒸発器の低温は冷凍装置に適用可能であり、
前記蒸発器は、
外気温度が低い場合にも暖房機能を実行するように、前記第１膨脹装置によって冷媒が高圧から中間圧に膨脹した後、前記第３膨脹装置によって前記中間圧から低圧に膨脹する、二段の膨脹工程を実行した冷媒の流入により気化温度が低くなり、
前記蒸発器で気化された冷媒と前記第２膨脹装置を通過した前記二酸化炭素（ＣＯ2）とが混合された後、前記凝縮器を通過した冷媒と前記第１予冷器で熱交換され、冷却後に前記圧縮機に移動されることを特徴とする、
二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
以下の実施形態は、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプおよびその循環方法に関し、より詳細には、ＣＯ2および他の冷媒を混合した混合冷媒を用いるＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプおよびその循環方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、ヒートポンプ（Ｈｅａｔ  Ｐｕｍｐ）は、冷媒を圧縮、凝縮、膨脹、および蒸発させる過程を経ながら室内空間を冷房または暖房させる装置である。ヒートポンプは、圧縮機、凝縮器、膨脹弁、および蒸発器を含んで構成されるものであり、冷媒が蒸発器内で蒸発しながら周囲から熱を奪って気体となり、再び凝縮器によって周囲に熱を放出して液化する冷房サイクルである。
【０００３】
このようなヒートポンプに用いられるＲ１３４ａのような一般的な冷媒が、オゾン層破壊や地球温暖化といった環境破壊の主犯であると知られるようになってからは、環境を保護するため使用規制が拡大している。これにより、このような冷媒に代わって、二酸化炭素（ＣＯ2）を用いた超臨界冷房サイクルが注目を集めている。
【０００４】
二酸化炭素（ＣＯ2）冷媒は、作動圧縮比が低くて圧縮効率が優秀であり、優れた熱伝達特性を持つため温度アプローチ（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ａｐｐｒｏａｃｈ）（二次流体である空気の入口温度−冷媒の出口温度の差）が既存の冷媒に比べて極めて小さく、高温高圧側の熱交換器の場合には、流入する空気の温度まで冷媒の温度を下げることができるほどに熱伝達特性が優れているという長所がある。
【０００５】
また、熱力学的物性値が優れており、二酸化炭素の体積冷房容量（ｃａｐａｃｉｔｙ  ｖｏｌｕｍｅ  ｒａｔｉｏ＝蒸発潜熱×気体密度）がＲ１３４ａに比べて７〜８倍に達することから、超臨界冷凍サイクルを構成する圧縮機の倍体体積率を大きく減らすことができる。
【０００６】
さらに、二酸化炭素は、その表面張力が小さいため沸騰熱伝達が優秀であり、比熱が大きく、液体粘度が低く、圧力降下面においてもＲ１３４ａに比べて有利である。
【０００７】
しかし、二酸化炭素を冷媒とする超臨界冷凍サイクルは、蒸発圧力だけでなく、高温高圧側の熱交換器圧力（既存の凝縮圧力）がＲ１３４ａを冷媒とする一般的な冷凍サイクルに比べて極めて高い。すなわち、超臨界冷凍サイクルにおいて、蒸発圧力は一般の冷凍サイクルに比べて約１０倍、高温高圧側の熱交換器圧力は約７倍（約１２０ｂａｒ）も高い。
【０００８】
例えば、冷凍機の高圧冷媒気体の凝縮工程は、大気や水によって冷凍させるが、ＣＯ2を冷凍機に適用するようになれば、臨界点よりも高い１２０〜１３０ｂａｒの高圧が適用されなければならない。これにより、高圧側の熱を利用して約９０℃の温水や暖房機能を得るようになるのである。
【０００９】
このような凝縮熱を利用する機器をヒートポンプと言うが、ヒートポンプの冷凍サイクル効率を示すＣＯＰ（成績係数）は、冷凍機のＣＯＰに１．０が加えられ、ＣＯＰが３〜４に高まる。これは、電気１のエネルギーが加えられて熱３〜４倍を利用するという意味である。
【００１０】
しかし、ＣＯ2ヒートポンプは、低圧蒸発器側の圧力が約３０ｂａｒと高く、約０℃の蒸発器気化温度を得るようになるため、冬季に外気が低ければ室外機（蒸発器）の冷媒気化がなされずに補助熱源が必要となる。このような室外機の熱を冷蔵やエアコンに使用することはできるが、持続的な負荷を提供することはできない。
【００１１】
特許文献１は、このような二酸化炭素冷媒を利用した産業用ヒートポンプシステムおよびその性能評価方法に関するものであって、低炭素の環境に優しい二酸化炭素冷媒を利用した産業用ヒートポンプおよびそのヒートポンプシステムの性能評価方法に関する技術を記載している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】韓国公開特許１０−２０１２−００５５０６５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
実施形態は、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプおよびその循環方法に関して記述しており、より具体的には、ＣＯ2および他の冷媒を混合した混合冷媒を用いて暖房および／または冷凍効率を高める技術を提供する。
【００１４】
実施形態は、凝縮器と気液分離器の間に膨脹装置を設置して作動流体である冷媒を膨脹させることにより、蒸発器で冬季の低い外気にも容易に蒸発することができる低温冷媒を得ることができる、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプおよびその循環方法を提供する。
【００１５】
実施形態は、沸点が互いに異なるＣＯ2とＨＦＣ系混合冷媒を用いてＣＯ2を５０〜９０％に増加させることができるようにすることにより、高圧側圧力がより低い圧力の適用が可能になり、暖房用温水の効果も提供してエネルギーを節約することができる、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプおよびその循環方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一実施形態における、圧縮機、凝縮器、気液分離器、膨脹装置、および蒸発器を含む二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプであって、前記凝縮器と前記気液分離器の間に構成され、前記膨張装置は，前記凝縮器を通過した冷媒の圧力を低下させる第１膨脹装置を含み、前記第１膨脹装置によって前記冷媒は高圧から中間圧に膨脹され、前記膨脹装置によって前記中間圧から低圧に膨脹される、二段の膨脹工程を実行してよい。
【００１７】
ここで、前記冷媒は、二酸化炭素（ＣＯ2）と少なくとも１つ以上の他の冷媒が混合された混合冷媒で成されてよい。
【００１８】
前記冷媒は、沸点が互いに異なる二酸化炭素（ＣＯ2）とＨＦＣ系混合冷媒を含み、前記二酸化炭素（ＣＯ2）の割合を５０％〜９０％に増加させ、前記高圧での圧力を低下させて暖房用温水および温風を提供可能にする。
【００１９】
前記冷媒は、２つ以上の混合冷媒を含み、前記凝縮器の熱を暖房用温水として用いるヒートポンプ機能と共に、前記蒸発器の低温は外気熱によって蒸発したり冷凍装置に適用可能である。
【００２０】
前記気液分離器は、前記第１膨脹装置によって前記凝縮器を通過した冷媒の圧力を低下させることにより、沸点が低い前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ2）の一部を液体として分離し、残りの前記二酸化炭素（ＣＯ2）を気体として分離させてよい。
【００２１】
前記気液分離器を通過した前記冷媒を冷凍させる第２予冷器をさらに含み、前記膨脹装置は、前記気液分離器と前記第２予冷器の間に配置され、前記気液分離器から吐出された高圧の気体状態である前記二酸化炭素（ＣＯ2）の圧力を低める第２膨脹装置、および前記第２予冷器と前記蒸発器の間に配置され、前記気液分離器から吐出された液体状態である前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ2）の一部を前記第２予冷器で冷却した後、圧力を低めて前記蒸発器に吐出する第３膨脹装置を含んでよい。
【００２２】
前記蒸発器は、前記第３膨脹装置を通過した前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ2）の一部を外気熱によって気化させてよい。
【００２３】
前記蒸発器の吐出口と前記凝縮器の吐出口が連結される第１予冷器をさらに含み、前記第１予冷器は、前記蒸発器で気化した前記冷媒と前記凝縮器を通過した前記二酸化炭素（ＣＯ2）を混合して冷凍させた後、前記圧縮機に移動させてよい。
【００２４】
前記第２予冷器から吐出された冷媒と前記蒸発器から吐出された冷媒の互いに異なる圧力差を補正して前記圧縮機に送るエジェクタやＥＰＲ（Ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ：蒸発圧力制御装置）をさらに含んでよい。
【００２５】
前記蒸発器は、外気温度が低い場合にも暖房機能を実行するように、前記第１膨脹装置によって前記冷媒が高圧から中間圧に膨脹された後、前記第３膨脹装置によって前記中間圧から低圧に膨脹される、二段の膨脹工程を経た前記冷媒の流入により気化温度を低めてよい。
【００２６】
また、一実施形態における、二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの循環方法であって、圧縮機から吐出された二酸化炭素（ＣＯ2）と少なくとも１つ以上の他の冷媒が混合された冷媒が凝縮器で凝縮され、前記凝縮器を通過した前記冷媒を、第１膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低下させ、前記第１膨脹装置を通過した前記冷媒を、気液分離器を利用して沸点が低い前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ2）の一部を液体として分離し、残りの前記二酸化炭素（ＣＯ2）を気体として分離させ、前記気液分離器から吐出された高圧の気体状態である前記二酸化炭素（ＣＯ2）を、第２膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低下させて第２予冷器に移動させ、前記気液分離器から吐出された液体状態である前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ2）の一部を前記第２予冷器で冷凍させた後、第３膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低めて蒸発器に吐出し、前記蒸発器で前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ2）の一部を外気熱によって気化させ、および前記第２予冷器を通過した前記二酸化炭素（ＣＯ2）と前記蒸発器によって気化された前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ2）の一部が互いに熱交換後に前記圧縮機に移動することを含む。
【００２７】
また、一実施形態によると、二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプであって、沸点が互いに異なる二酸化炭素（ＣＯ2）と少なくとも１つ以上の他の冷媒を含む混合冷媒を圧縮する圧縮機、前記圧縮機の次に配置されて、前記圧縮機を通過した冷媒を凝縮する凝縮器、前記凝縮器の次に配置され、前記凝縮器を通過した冷媒を膨脹させて圧力を低下させる第１膨脹装置、前記第１膨脹装置の次に配置され、前記第１膨脹装置によって前記凝縮器を通過した冷媒の圧力を低下させることによって沸点が低い前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ2）の一部を液体として分離し、前記二酸化炭素（ＣＯ2）の残りを気体として分離させる気液分離器、前記気液分離器の次に配置され、前記気液分離器を通過した冷媒を冷却させる第２予冷器、前記気液分離器と前記第２予冷器の間に配置され、前記気液分離器から吐出された気体状態の前記二酸化炭素（ＣＯ2）を膨脹させて圧力を低下させる第２膨脹装置、前記第２予冷器と蒸発器の間に配置され、前記気液分離器から吐出された液体状態の前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ2）の一部を前記第２予冷器で冷却した後、膨脹させて圧力を低下させて前記蒸発器に吐出する第３膨脹装置、および前記凝縮器と前記第１膨脹装置の間に配置され、前記蒸発器の吐出口と連結する第１予冷器を含み、前記混合冷媒は、前記凝縮器の熱を暖房用温水として用いるヒートポンプ機能と共に、前記蒸発器の低温は冷凍装置に適用可能であり、前記蒸発器は、外気温度が低い場合にも暖房機能を実行するように、前記第１膨脹装置によって冷媒が高圧から中間圧に膨脹された後、前記第３膨脹装置によって前記中間圧から低圧に膨脹される、二段の膨脹工程を経た冷媒の流入により気化温度が低くなり、前記蒸発器で気化された冷媒と前記第２膨脹装置を通過した前記二酸化炭素（ＣＯ2）が混合した後、前記第１予冷器で前記凝縮器を通過した冷媒と熱交換をし、冷却後に前記圧縮機に移動することを特徴とする、二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプが提供される。
【発明の効果】
【００２８】
実施形態によると、凝縮器と気液分離器の間に膨脹装置を設置して作動流体である冷媒を膨脹させることにより、蒸発器で冬季の低い外気にも容易に蒸発することのできる低温冷媒を得ることができる、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプおよびその循環方法を提供することができる。
【００２９】
実施形態によると、沸点が互いに異なるＣＯ2とＨＦＣ系混合冷媒を用いてＣＯ2を５０〜９０％に増加させることができるようにすることにより、高圧側圧力がより低い圧力の適用が可能となり、暖房用温水の効果も提供してエネルギーを節約することができる、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプおよびその循環方法を提供することができる。
【００３０】
さらに、実施形態によると、沸点が互いに異なるＣＯ2とＨＦＣ系混合冷媒を用いてＣＯ2を５０〜９０％に増加させることができるようにすることにより、環境に優しい二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプを提供してオゾン層に悪影響を及ぼす冷媒を利用するヒートポンプを代替することで、温室ガスの排出減少にも寄与できることはもちろん、二酸化炭素を冷媒として用いるヒートポンプで発生する低圧蒸発器側の圧力が高く約０℃の蒸発器気化温度を得るようになるため、冬季の外気が低ければ室外器（蒸発器）の冷媒気化がなされず補助熱源が必要であった問題を解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】一実施形態における、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプを概略的に示した図である。
【図２】他の実施形態における、エジェクタが含まれた、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプを概略的に示した図である。
【図３ａ】一実施形態における、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの二段膨脹工程を説明するための図である。
【図３ｂ】一実施形態における、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの二段膨脹工程を説明するための図である。
【図４】一実施形態における、二段膨脹の中間圧力によるＣＯＰ変化を示した図である。
【図５】さらに他の実施形態における、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの循環方法を示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、添付の図面を参照しながら、実施形態について説明する。しかし、記述される実施形態は、多様な他の形態に変形されもよく、本発明の範囲が以下で説明される実施形態によって限定されることはない。また、複数の実施形態は、当該技術分野において平均的な知識を有する者に発明をより完全に説明するために提供されるものである。図面において、要素の形状および大きさなどは、より明確な説明のために誇張されることもある。
【００３３】
以下の実施形態は、凝縮器と気液分離器との間に膨脹装置を架設して二段膨脹工程を適用することにより、蒸発器で冬季の低い外気環境でも容易に蒸発することのできる低温冷媒液を得ることができる、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ（Ｃａｓｃａｄｅ  Ｈｅａｔ  Ｐｕｍｐ）を提供することができる。また、沸点が互いに異なるＣＯ2とＨＦＣ系混合冷媒を用いてＣＯ2を５０〜９０％に増加させることができるようにすることにより、高圧側圧力がかなり低い圧力が適用可能となり、暖房用温水を提供することができる。
【００３４】
これにより、高圧側圧力をＣＯ2ヒートポンプ工程の１３０ｂａｒよりもかなり低い約６０〜８０ｂａｒの低い圧力の適用が可能となり、２つ以上の混合冷媒の適用により、凝縮器熱を温水として用いるヒートポンプ機能と共に、蒸発器の低温は冷凍に適用可能となる。さらに、蒸発器気化温度が低く、外気温度が低い冬季にも外気熱を吸入して容易に気化がなされて暖房機能の実行が可能となり、３．０〜４．０の高いＣＯＰ（成績係数）に向上させる工程を提供することにより、エネルギー節約効果を提供することができる。
【００３５】
図１は、一実施形態における、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプを概略的に示した図である。
【００３６】
図１を参照すると、一実施形態における、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ１００は、圧縮機１１０、凝縮器１２０、第１膨脹装置１４０、気液分離器１５０、第２膨脹装置１４１、第３膨脹装置１４２、蒸発器１６０を含んで構成されてよい。また、実施形態によって、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ１００は、第１予冷器１３０および第２予冷器１３１のうちの少なくともいずれか１つ以上をさらに含んで構成されてもよい。
【００３７】
圧縮機１１０は、作動流体として冷媒を吸入し、臨界点よりも高い状態に圧縮した後に吐出されるようにする。
【００３８】
ここで、冷媒は、二酸化炭素（ＣＯ2）と少なくとも１つ以上の他の冷媒が混合された混合冷媒で成されてよい。
【００３９】
より具体的に説明すると、冷媒は、沸点が互いに異なる二酸化炭素（ＣＯ2）とＨＦＣ系混合冷媒を含み、ＣＯ2の割合を５０％〜９０％に増加させて高圧での圧力を低下させ、暖房用温水を提供したり温風を提供したりしてよい。
【００４０】
また、冷媒は、２つ以上の混合冷媒を含み、凝縮器の熱を暖房用温水として用いるヒートポンプ機能と共に、蒸発器の低温は冷凍装置に適用可能である。
【００４１】
凝縮器１２０は、圧縮機から吐出された冷媒を凝縮するものであり、凝縮器で発生する熱を利用して暖房を行ってよい。特に、冷媒としてＣＯ2を含む冷媒を使用する場合、ＣＯ2は臨界点よりも高い高圧が適用されるため、高圧側の熱を利用して温水や暖房機能を得ることができる。
【００４２】
例えば、ＣＯ2をヒートポンプに適用する場合、臨界点よりも高い１２０〜１３０ｂａｒの高圧が適用され、高圧側の熱を利用して約９０℃の温水や暖房機能を得ることができる。
【００４３】
このような凝縮器１２０は、所定の圧力と所定の温度で沸点が低い冷媒が臨界点上部の気体状態で存在してよい。
【００４４】
例えば、凝縮器１２０で、圧力６０〜８０ｂａｒ、４０℃で冷媒ＣＯ2ガスと沸点が低い他の冷媒が臨界点上部の気体状態で存在してよい。
【００４５】
第１予冷器１３０は、凝縮器１２０と第１膨脹装置１４０の間に配置されてよく、蒸発器１６０の吐出口とも連結してよい。このような第１予冷器１３０は、性能向上のための装置であり、省略されてもよい。
【００４６】
第１膨脹装置１４０は、凝縮器と気液分離器の間に構成され、凝縮器を通過した冷媒を膨脹させて圧力を低下させてよい。
【００４７】
このように、第１膨脹装置１４０によって冷媒は高圧から中間圧に膨脹され、その後に他の膨脹装置によって中間圧から低圧に膨脹される、二段の膨脹工程を実行するようになる。
【００４８】
気液分離器１５０は、第１膨脹装置１４０によって凝縮器１２０を通過した冷媒の圧力を低下させることにより、沸点が低い他の冷媒とＣＯ2の一部は液体として分離し、残りのＣＯ2は気体として分離させてよい。
【００４９】
既存のオート多段システムとは異なり、一実施形態によると、凝縮工程後に第１膨脹装置１４０で圧力を低下させれば、沸点が低い他の冷媒全体とＣＯ2の一部は液体として、残りのＣＯ2は気体として、気液分離器１５０で得ることができるようになる。
【００５０】
第２予冷器１３１は、気液分離器１５０の下部冷媒液を冷却させてよい。
【００５１】
より具体的に説明すると、第２予冷器１３１は、気液分離器１５０から吐出された液体状態である他の冷媒とＣＯ2の一部を冷却させてよい。また、第２膨脹装置１４１によって気液分離器１５０から吐出された高圧の気体状態であるＣＯ2の圧力を最終圧力に低めた後、第２予冷器１３１を通過してよい。
【００５２】
例えば、高圧の気体ＣＯ2は、圧力を約８〜１２ｂａｒに膨脹させて温度を−２０℃の気体にし、第２予冷器で気液分離器の液体をさらに過冷却（Ｓｕｂｃｏｏｌｉｎｇ）させてよい。
【００５３】
膨脹装置は、第２膨脹装置１４１および第３膨脹装置１４２を含んで構成されてよい。
【００５４】
第２膨脹装置１４１は、気液分離器１５０と第２予冷器１３１の間に配置され、気液分離器１５０から吐出された高圧の気体状態である二酸化炭素（ＣＯ2）を膨脹させて圧力を低めてよい。第２膨脹装置１４１を通過した冷媒は、第２予冷器１３１に流入されてよい。
【００５５】
第３膨脹装置１４２は、第２予冷器１３１と蒸発器１６０の間に配置され、気液分離器１５０から吐出された液体状態である他の冷媒とＣＯ2の一部が第２予冷器１３１で冷却された後、圧力を低めて蒸発器１６０に吐出してよい。
【００５６】
蒸発器１６０は、第３膨脹装置１４２を通過した他の冷媒とＣＯ2の一部を外気熱によって気化させてよい。
【００５７】
例えば、予冷された冷媒液は、圧力は１０ｂａｒに膨脹されながら温度は約−１５℃に低下し、蒸発器１６０で外気熱によって気化されてよい。
【００５８】
より具体的に説明すると、蒸発器１６０は、第１膨脹装置１４０によって冷媒が高圧から中間圧に膨脹された後、第３膨脹装置１４２によって中間圧から低圧に膨脹される、二段の膨脹工程を経た冷媒の流入により気化温度が低くなるため、外気温度が低い場合でも蒸発が容易に起こり、凝縮器で暖房機能を実行することができるようになる。
【００５９】
この後、蒸発器１６０で気化された冷媒と第２膨脹装置１４１を通過して第２予冷器１３１を通過したＣＯ2ガスは混合され、圧縮機１１０に移動してよい。ここで、蒸発器１６０で気化された冷媒と第２膨脹装置１４１を通過して第２予冷器１３１を通過したＣＯガスが圧縮機１１０に移動する中段に第１予冷器１３０が追加設置された場合は、第１予冷器１３０を通過した後、圧縮機１１０に移動してよい。
【００６０】
この後、第１予冷器１３０では、蒸発器１６０から圧縮機１１０に吸入される混合気体と凝縮器１２０を通過した混合冷媒の熱交換がなされる。すなわち、凝縮器１２０を通過した高圧の冷媒が、蒸発器１６０から圧縮機１１０に吸入される冷たい気体によって冷却（Ｃｏｏｌｉｎｇ）される。
【００６１】
例えば、蒸発器１６０で気化された冷媒は、ＣＯ2気体と合わさり、第１予冷器１３０を経た後に圧縮機１１０で圧縮され、吐出温度は１２０〜１３０℃となってよい。
【００６２】
第１予冷器１３０では、約５℃を予冷させてよく、一例として、蒸発器１６０の出口温度を５度加熱し、凝縮器１２０の温度を５度低下させてよい。
【００６３】
このように、本実施形態は、オート多段サイクルを改善したものであり、凝縮器と気液分離器の間に膨脹装置が仮設され、膨脹過程を二段で構成することができる。すなわち、高圧−中間圧−低圧の二段膨脹構造で構成することができる。
【００６４】
実施形態によると、沸点が互いに異なるＣＯ2とＨＦＣ系混合冷媒を同じように使用してもよく、ＣＯ2を５０〜９０％に増加させてもよい。これにより、高圧側圧力は、約６０〜８０ｂａｒの低い圧力の適用が可能となる。
【００６５】
また、２つ以上の混合冷媒を適用することにより、凝縮器熱を温水として使用するヒートポンプ機能と共に蒸発器の低温を冷凍に適用可能となり、さらに蒸発器の気化温度が低いため、外気温度が低い冬季にも蒸発器１６０で蒸発が容易になされて暖房機能を実行することができ、３．０〜４．０の高いＣＯＰ効率を得ることができる。
【００６６】
図２は、他の実施形態における、エジェクタが含まれた、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプを概略的に示した図である。
【００６７】
図２を参照すると、他の実施形態における、エジェクタが含まれた、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ２００は、圧縮機２１０、凝縮器２２０、第１膨脹装置２４０、気液分離器２５０、第２膨脹装置２４１、第３膨脹装置２４２、蒸発器２６０、およびエジェクタ２７０またはＥＰＲ（蒸発圧力制御装置）を含んで構成されてよい。また、実施形態によって、エジェクタが含まれた、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ２００は、第１予冷器２３０および第２予冷器２３１のうちの少なくともいずれか１つ以上をさらに含んで構成されてもよい。
【００６８】
ここで、他の実施形態における、エジェクタが含まれた、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ２００は、図１で説明した一実施形態における、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの構成と一部が重複するため、重複する構成に関する説明は省略し、相違する構成を中心に説明する。
【００６９】
エジェクタ２７０は、第２予冷器２３１から吐出された冷媒と蒸発器２６０から吐出された冷媒が流入された後、互いに異なる圧力差を補正し、圧力差の補正がなされた冷媒を圧縮機２１０に流入させてよい。
【００７０】
このように、他の実施形態における、エジェクタやＥＰＲが含まれた、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ２００において、蒸発器の温度をさらに低くしたい場合、エジェクタ２７０を追加設置してよい。エジェクタ２７０は、互いに圧力が異なる場合に、小さい圧力差を補正するために使用されてよい。
【００７１】
例えば、蒸発器温度を−２０℃以下に低めようとすると、低圧側圧力が６ｂａｒとなり、ＣＯ2気体圧力である８〜１２ｂａｒよりも低くなる圧力差が発生するため、これの吸入のためにエジェクタ２７０やＥＰＲを適用してよい。
【００７２】
このように、エジェクタ２７０は、５ｂａｒ以内の小さい圧力差を補正するためのものであり、既存のエジェクタ適用ＣＯ2ヒートポンプシステムに適用される冷凍機の主な駆動用高圧エジェクタの機能とは大きな差がある。
【００７３】
図３ａ及び図３ｂは、一実施形態における、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの二段膨脹工程を説明するための図である。
【００７４】
図３ａを参照すると、一実施形態における、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ３００は、図１で説明したように、圧縮機３１０、凝縮器３２０、第１予冷器３３０、第１膨脹装置３４０、気液分離器３５０、第２膨脹装置３４１、第３膨脹装置３４２、第２予冷器３３１、蒸発器３６０を含んで構成されてよい。
【００７５】
図３ｂは、ＣＯ2およびＲ１４３ａの混合冷媒の割合が８５：１５である場合のｐ−ｈ線図（圧力−比エンタルピー線図）を示している。
【００７６】
図３ａ及び図３ｂに示すように、凝縮器で、圧力７０ｂａｒ、４０℃（地点１）で、冷媒ＣＯ2ガスと沸点が低い他の冷媒が臨界点上部の気体状態で存在してよい。
【００７７】
この地点１の気体は、第１予冷器３３０で、蒸発器３６０の出口気体である地点１１〜１２のエネルギー量によって地点２まで過冷される。
【００７８】
過冷却された気体（地点２）は、中間圧力２５ｂａｒまで膨脹（地点３）され、気液分離器３５０に捕集される。気液分離器３５０の液体のエンタルピーは飽和液である地点７であり、気体は飽和気体である地点４である。
【００７９】
地点４のＣＯ2気体は、最終圧力である１２ｂａｒである地点５まで膨脹して温度−１３℃の気体になった後、第２予冷器３３１で地点７の飽和液を地点８まで過冷させながら、自身は加熱され、地点６となる。
【００８０】
過冷された地点８の液体は、最終圧１２ｂａｒまで第３膨脹装置３４２で膨脹して地点９となり、外気熱によって気化されて地点１０の飽和気体となる。
【００８１】
地点１１の気体は、地点６の過熱気体と混合されて地点１１の気体になった後、第１予冷器３３０で地点１２となり、圧縮機３１０に吸入される。
【００８２】
圧縮機３１０で再び７０ｂａｒまで等エントロピー過程によって圧縮され、地点１３の温度１３０℃の気体になる。この気体は、凝縮器で温水や暖房提供のヒートポンプ機能をなし、地点１の低温気体になる。ここで、他の冷媒とは、ＣＯ2ではない他の種類の冷媒を意味し、少なくとも１つ以上の冷媒であってよい。例えば、他の冷媒は、Ｒ１４３Ａ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ１５２Ａ、Ｒ３２、Ｒ７１７、Ｒ２９０などのような各種代替冷媒が使用されてよい。
【００８３】
既存のオート多段システムとは異なり、凝縮工程後に第１膨脹装置で圧力を低下させれば、沸点が低い他の冷媒全体とＣＯ2の一部は液体として、残りのＣＯ2は気体として、気液分離器で得られるようになる。
【００８４】
高圧の気体ＣＯ2は、圧力を約８〜１２ｂａｒに膨脹させて温度を−２０℃の気体にし、第２予冷器で気液分離器の液体をさらに過冷却（Ｓｕｂｃｏｏｌｉｎｇ）させてよい。
【００８５】
第１予冷器では、約５℃を予冷させてよい。例えば、蒸発器の出口温度を５度加熱し、凝縮器の温度を５度低下させてよい。ここで、第１予冷器は、性能向上のための設備であり、省略されてもよい。
【００８６】
以下のとおり、一実施形態における、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの性能評価を確認することができる。
【００８７】
例えば、冷媒の熱力学的物性値（エンタルピー、エントロピー、圧力、温度など）と性能評価は、ＥＥＳ（ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ｅｑｕａｔｉｏｎ  ｓｏｌｖｅｒ）ソフトウェアなどを利用して計算されてよい。
【００８８】
表１は、既存のＣＯ2ヒートポンプにＣＯ2だけを冷媒として適用した場合を示している。
【００８９】
【表１】
2018077041.tif 000003
【００９０】
表１を参照すると、既存のＣＯ2ヒートポンプにＣＯ2だけを冷媒として適用した場合、高圧と低圧によるヒートポンプの冷凍サイクル効率を示すＣＯＰ（成績係数）を確認することができる。
【００９１】
ここで、ヒートポンプの冷凍サイクル効率を示すＣＯＰ（成績係数）は、凝縮器での放熱量を高温と低温での圧縮機の圧縮仕事量で割って算定してよい。
【００９２】
例えば、ヒートポンプのＣＯＰ＝Ｑｃ／Ｗ、冷凍装置のＣＯＰ＝Ｑｅ／Ｗで示してよい。このとき、ヒートポンプは凝縮器熱量／圧縮仕事量を示し、冷凍装置は蒸発器吸入量／圧縮仕事量を示してよい。
【００９３】
表２は、一実施形態における、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプに、ＣＯ2とは異なる冷媒を混合冷媒として適用した場合を示している。
【００９４】
【表２】
2018077041.tif 000004
【００９５】
表２を参照すると、一実施形態における、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプに、混合冷媒としてＣＯ2とＲ１４３ａを７０：３０で適用した場合が示されており、高圧、中間圧、および低圧によるヒートポンプの冷凍サイクル効率を示すＣＯＰ（成績係数）を確認することができる。
【００９６】
表１および表２を参照しながら、高圧／低圧が７０ｂａｒ／１２ｂａｒである場合を比べると、既存のＣＯ2ヒートポンプのＣＯＰは１．３７２５である反面、一実施形態における、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプは、低圧であるにも係わらず３．３６３５と２４５％向上し、二段膨脹のない単段膨脹でもＣＯＰが３．３６０６になることを確認することができる。
【００９７】
したがって、一実施形態における、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプは、ＣＯ2と他の冷媒を混合冷媒として適用することにより、ＣＯ2だけを用いる場合よりもＣＯＰ増加の効果がある。
【００９８】
図４は、一実施形態における、二段膨脹の中間圧力によるＣＯＰ変化を示した図である。
【００９９】
図４を参照すると、一実施形態における、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプに、混合冷媒としてＣＯ2とＲ１４３ａを７０：３０で適用した場合、二段膨脹の中間膨脹圧力が２５ｂａｒで最大ＣＯＰを得ることができる。
【０１００】
したがって、一実施形態における、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構を有する多段ヒートポンプに、ＣＯ2と他の冷媒を混合冷媒として適用した場合、二段膨脹の中間圧力で最大ＣＯＰを得ることができる。
【０１０１】
また、一実施形態における、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプは、ヒートポンプとして適用されるときに、室外機である蒸発器の蒸発温度が−１０〜−１５℃と低く、冬季の外気温度の低下にも補助熱源なしで暖房と温水ヒートポンプの機能を実行することができる。このように、ＣＯＰの向上と圧縮動力の減少により、エネルギー節約の効果を得ることができる。
【０１０２】
図５は、さらに他の実施形態における、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの循環方法を示したフローチャートである。
【０１０３】
図５を参照すると、さらに他の実施形態における、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの循環方法は、圧縮機から吐出された二酸化炭素（ＣＯ2）と少なくとも１つ以上の他の冷媒が混合された冷媒が凝縮器で凝縮される段階５１０、凝縮器を通過した冷媒を、第１膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低下させる段階５２０、第１膨脹装置を通過した冷媒を、気液分離器を利用して沸点が低い他の冷媒と二酸化炭素（ＣＯ2）の一部を液体として分離し、残りの二酸化炭素（ＣＯ2）を気体として分離させる段階５３０、気液分離器から吐出された高圧の気体状態である二酸化炭素（ＣＯ2）を、第２膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低下させて第２予冷器に移動させる段階５４０、気液分離器から吐出された液体状態である他の冷媒と二酸化炭素（ＣＯ2）の一部を第２予冷器で冷凍させた後、第３膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低めて蒸発器に吐出し、蒸発器で他の冷媒と二酸化炭素（ＣＯ2）の一部を外気熱によって気化させる段階５５０、および第２予冷器を通過した二酸化炭素（ＣＯ2）と蒸発器によって気化された他の冷媒と二酸化炭素（ＣＯ2）の一部は、互いに熱交換後に圧縮機に移動される段階５６０を含んでよい。
【０１０４】
実施形態によると、凝縮器と気液分離器の間に膨脹装置を設置して作動流体である冷媒を膨脹させることにより、蒸発器で冬季の低い外気にも容易に蒸発することのできる低温冷媒液を得ることができる。また、沸点が互いに異なるＣＯ2とＨＦＣ系混合冷媒を用いてＣＯ2を５０〜９０％に増加させることができるようにすることにより、高圧側圧力がより低い圧力の適用が可能となり、暖房用温水の効果も提供することで、エネルギーを節約することができる。
【０１０５】
以下では、さらに他の実施形態における、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの循環方法について、１つの例を挙げてさらに具体的に説明する。
【０１０６】
さらに他の実施形態における、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの循環方法は、図１〜図４で説明した、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプを利用してさらに具体的に説明する。ここで、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプは、圧縮機、凝縮器、第１膨脹装置、気液分離器、第２膨脹装置、第３膨脹装置、および蒸発器を含んで構成されてよい。また、実施形態によって、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプは、第１予冷器、第２予冷器、およびエジェクタまたはＥＰＲのうちの少なくともいずれか１つ以上をさらに含んで構成されてもよい。一方、ＣＯ2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの循環方法は、作動流体としてＣＯ2冷媒を含んだ冷媒が循環する方法を示してよい。
【０１０７】
段階５１０で、凝縮器は、圧縮機から吐出されたＣＯ2と少なくとも１つ以上の他の冷媒が混合された冷媒を凝縮させてよい。
【０１０８】
ここで、冷媒は、二酸化炭素（ＣＯ2）と少なくとも１つ以上の他の冷媒が混合された混合冷媒であってよい。
【０１０９】
より具体的に説明すると、冷媒は、沸点が互いに異なる二酸化炭素（ＣＯ2）とＨＦＣ系混合冷媒とを含み、ＣＯ2の割合を５０％〜９０％に増加させ、高圧での圧力を低下させることで暖房用温水の提供が可能となる。
【０１１０】
段階５２０で、第１膨脹装置は、凝縮器を通過した冷媒を膨脹させて圧力を低下させてよい。
【０１１１】
このように、第１膨脹装置によって冷媒は高圧から中間圧に膨脹され、第３膨脹装置によって中間圧から低圧に膨脹される、二段の膨脹工程を実行してよい。
【０１１２】
段階５３０で、気液分離器は、第１膨脹装置を通過した冷媒を沸点が低い他の冷媒とＣＯ2の一部を液体として分離し、残りのＣＯ2を気体として分離させてよい。
【０１１３】
段階５４０で、第２膨脹装置は、気液分離器から吐出された高圧の気体状態であるＣＯ2を膨脹させて圧力を低下させ、第２予冷器に移動させてよい。
【０１１４】
段階５５０で、第３膨脹装置は、気液分離器から吐出された液体状態である他の冷媒とＣＯ2の一部を第２予冷器で冷凍させた後、膨脹させて圧力を低めて蒸発器に吐出してよい。
【０１１５】
この後、蒸発器で他の冷媒とＣＯ2の一部を外気熱によって気化させてよい。
【０１１６】
段階５６０で、第２予冷器を通過したＣＯ2と蒸発器によって気化された他の冷媒とＣＯ2の一部は、互いに熱交換して圧縮機に移動されてよい。
【０１１７】
このとき、エジェクタやＥＰＲ（蒸発圧力制御装置）を利用して第２予冷器から吐出された冷媒と蒸発器から吐出された冷媒の互いに異なる圧力差を補正し、圧縮機に移動させてもよい。
【０１１８】
第１予冷器を通過しながら冷凍させた後、圧縮機に移動されてよい。
【０１１９】
第１予冷器は、蒸発器で気化された冷媒と凝縮器を通過したＣＯ2が互いに熱交換し、圧縮機に吸入される低温気体が凝縮器の排出気体温度をさらに低めるようになる。
【０１２０】
このように、実施形態によると、凝縮器と気液分離器の間に膨脹装置を設置して作動流体である冷媒を膨脹させ、沸点が互いに異なるＣＯ2とＨＦＣ系混合冷媒を用いてＣＯ2を５０〜９０％に増加させることにより、二酸化炭素を冷媒として用いるヒートポンプで発生する低圧蒸発器側の圧力が高くて約０℃の蒸発器の気化温度を得るようになるため、冬季の外気が低ければ室外機（蒸発器）の冷媒気化がなされず補助熱源が必要になるという問題を解決することができる。
【０１２１】
これにより、環境に優しい二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプを提供し、オゾン層に悪影響を及ぼす冷媒を使用するヒートポンプに代替することにより、温室ガスの排出減少にも寄与することができる。
【０１２２】
以上のように、本発明の実施形態について限定された実施形態と図面に基づいて説明したが、当業者であれば、上述した記載から多様な修正および変形が可能である。例えば、説明された技術が、説明された方法とは異なる順序で実行されたり、および／あるいは、説明されたシステム、構造、装置、回路などの構成要素が、説明された方法とは異なる形態で結合されたりまたは組み合わされたり、他の構成要素または均等物や均等冷媒としてＨＦＣの代りにオゾンに影響を及ぼすＨＣＦＣ系冷媒やアンモニア（Ｒ７１７）、プロパン（Ｒ２９０）などによって対置されたり置換されたとしても、適切な結果を達成することができる。
【０１２３】
したがって、異なる実施形態であっても、特許請求の範囲と均等なものであれば、添付される特許請求の範囲に属する。
【符号の説明】
【０１２４】
１００：多段ヒートポンプ
１１０：圧縮機
１２０：凝縮器
１３０：第１予冷器
１３１：第２予冷器
１４０：第１膨脹装置
１４１：第２膨脹装置
１４２：第３膨脹装置
１５０：気液分離器
１６０：蒸発器
【図１】
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【図２】
2018077041.tif 000006
【図３ａ】
2018077041.tif 000007
【図３ｂ】
2018077041.tif 000008
【図４】
2018077041.tif 000009
【図５】
2018077041.tif 000010