(57)【要約】【課題】複合熱制御の電力を削減すること。【解決手段】一次循環系３と、二次循環系２とから構成されている。一次循環系３と二次循環系２は熱交換部分１で熱的に交叉する。一次循環系３は、第１一次循環系３−１と、第２一次循環系３−２とから形成される。第２一次循環系３−２は第１一次循環系３−１に対して並列関係を有する。二次循環系２は二次側圧力−エンタルピー関係を有し、第１一次循環系は一次側第１圧力−エンタルピー関係を有し、第２一次循環系は一次側第２圧力−エンタルピー関係を有し、第１一次循環系が吸収する熱エネルギーと第２一次循環系が吸収する熱エネルギーとは、熱交換部分で二次循環系に汲み取られる。このようなヒートポンプ作用は、第１一次循環系３−１と第２一次循環系との熱的状態にそれぞれに対応してダイナミックに制御され得る。複雑系を構成する２系統の一次系が吸収する熱エネルギーを複合的に二次循環系に汲み上げて、回収熱量の最大値化と回収効率の最大値化を実現することができる。【選択図】  図１
2004205193.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次循環系と、
二次循環系とを構成し、
前記一次循環系は、
一次側熱交換部分と、
前記一次側熱交換部分の中の圧力を制御することにより前記一次側熱交換部分の温度を制御する一次側圧力調整部分とを形成し、
前記二次循環系は、
二次側熱交換部分と、
前記二次側熱交換部分の中の圧力を制御することにより前記二次側熱交換部分の温度を制御する二次側圧力調整部分とを形成し、
前記一次側熱交換部分は前記一次循環系が外界から汲み取るエネルギーを前記二次側熱交換部分を介して前記二次循環系に与え、
前記一次循環系は、
第１一次循環系と、
第２一次循環系とを構成し、
前記第１一次循環系と前記第２一次循環系は前記二次循環系に対して並列関係を有し、
前記二次循環系は二次側圧力−エンタルピー関係を有し、前記第１一次循環系は一次側第１圧力−エンタルピー関係を有し、前記第２一次循環系は一次側第２圧力−エンタルピー関係を有し、且つ、前記一次側熱交換部分の第１温度Ｔ１は前記二次側熱交換部分の第２温度Ｔ２より高く、前記エネルギーは温度差（Ｔ１−Ｔ２）に対応する
ヒートポンプ。
【請求項２】
前記第１一次循環系は冷蔵機能を有し、前記第２一次循環系は冷凍機能を有する
請求項１のヒートポンプ。
【請求項３】
前記二次循環系は空調機能を有する
請求項１のヒートポンプ。
【請求項４】
前記二次循環系は、
第１二次循環系と、
第２二次循環系とを形成し、前記第２二次循環系は前記第１二次循環系に対して並列関係を有し、
前記第１二次循環系は、二次側第１圧力−エンタルピー関係を有し、
前記第２二次循環系は、二次側第２圧力−エンタルピー関係を有する
請求項１のヒートポンプ。
【請求項５】
前記第１二次循環系は暖房機能を有し、前記第２二次循環系は給湯機能を有する
請求項４のヒートポンプ。
【請求項６】
前記一次側圧力調整部位は、
第１一次側圧力調整部位と、
第２一次側圧力調整部位とを構成し、
前記第１一次循環系は、前記第１一次側圧力調整部位と前記一次側熱交換部分と、受液器と、第１一次側膨張弁と、冷蔵対象部位とを含む直列系を形成し、
前記第２一次循環系は、前記第２一次側圧力調整部位と前記一次側熱交換部分と、前記受液器と、第２一次側膨張弁と、冷凍対象部位とを含む直列系を形成し、
冷房系を更に構成し、
前記冷房系は、前記受液器と、前記受液器の冷媒循環方向に前方に位置するポンプと、前記ポンプの前記冷媒循環方向に前方に位置する冷房用熱交換器と、前記冷房用熱交換器の前記冷媒循環方向に前方に位置する逆止弁と、前記逆止弁の前記冷媒循環方向に前方に位置する前記一次側熱交換部分とを含む直列系を形成する
請求項１のヒートポンプ。
【請求項７】
前記二次循環系は、前記二次側圧力調整部位と、凝縮器と、二次側膨張弁と、前記二次側熱交換部分とを含む直列系を形成し、
前記凝縮器は暖房用凝縮器として用いられる
請求項６のヒートポンプ。
【請求項８】
前記第１二次循環系は、前記二次側圧力調整部位と、第１開閉弁と、第１熱交換器と、第１逆止弁と、膨張弁と、前記二次側熱交換部分とを含む第２直列系を形成し、
前記第２二次循環系は、前記二次側圧力調整部位と、第２開閉弁と、第２逆止弁と、第２熱交換器と、第３逆止弁と、前記膨張弁と、前記二次側熱交換部分とを含む第１直列系を形成する
請求項４のヒートポンプ。
【請求項９】
前記二次循環系は二次側付属的循環系を形成し、前記二次側付属的循環系は、二次側付属的圧力調整部位と、第４逆止弁と、第１熱交換器と、第１逆止弁と、他の膨張弁と、第２熱交換器と、第３開閉弁とを含む第３直列系を形成し、前記第３逆止弁と他の膨張弁とは、又は、第１逆止弁と他の膨張弁とは並列に接続される
請求項８のヒートポンプ。
【請求項１０】
一次側第１圧力−エンタルピー関係と一次側第２圧力−エンタルピー関係は、前記第１一次循環系と前記第２一次循環系の熱的状態によりダイナミックに制御される
請求項１のヒートポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプに関し、特に、コンビニエンスストア、スーパーマーケット、食品工場のような複合熱制御空間で冷凍、冷蔵、空調が同時的に実行されるヒートポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷房、暖房、冷凍のような温度制御のために、熱交換器が用いられる。熱交換器に用いられる冷媒が単一種類であれば、安全性と環境性の両性質を同時に充足することができないことがある。そのような両性質を同時に充足する技術が、後掲特許文献１で知られている。そのような公知の技術は、２様の冷媒を用いることによりその技術課題を解決している。後掲特許文献２は、カスケード接続の技術を更に利用している。
【０００３】
コンビニエンスストア、スーパーマーケット、食品工場のような複合熱制御空間では、冷凍と冷蔵と冷房の３様の熱制御のうち少なくとも２つが実行される。このような熱制御空間では、既述の両性質の充足の他に電力削減が求められる。
【０００４】
複合熱制御の電力の削減が求められる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−３０６９５２号公報
【特許文献２】
特開２００１−９１０７４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は複合熱制御の電力を削減するヒートポンプを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数の形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【０００８】
本発明によるヒートポンプは、一次循環系（３）と、二次循環系（２）とから構成されている。一次循環系（３）は、一次側熱交換部分（４）と、一次側熱交換部分（４）の中の圧力を制御することにより一次側熱交換部分（４）の温度を制御する一次側圧力調整部分とから形成されている。二次循環系（２）は、二次側熱交換部分（５）と、二次側熱交換部分（５）の中の圧力を制御することにより二次側熱交換部分（５）の温度を制御する二次側圧力調整部分（１８）とから形成されている。一次側熱交換部分（４）は一次循環系（３）が外界から汲み取るエネルギーを二次側熱交換部分（５）を介して二次循環系（２）に与えている。一次側循環系（３）は、第１一次循環系（３−１）と、第２一次循環系（３−２）とから構成されている。第１一次循環系（３−１）と第２一次循環系（３−２）とは、二次循環系（２）に対して並列関係を有している。二次循環系（２）は、二次側圧力−エンタルピー関係を有している。第１一次循環系（３−１）は一次側第１圧力−エンタルピー関係を有し、第２一次循環系（３−２）は一次側第２圧力−エンタルピー関係を有している。一次側熱交換部分（４）の第１温度Ｔ１は二次側熱交換部分（５）の第２温度Ｔ２より高い。このようなヒートポンプでは、既述のエネルギーは温度差（Ｔ１−Ｔ２）に対応している。
【０００９】
一次側が２系統の並列循環系を構成する複雑系では、２系統の一次系が吸収する熱エネルギーが複合的に二次循環系に汲み上げられ、回収熱量の最大値化と回収効率の最大値化を実現することができる。
【００１０】
２つの一次循環系（３−１，２）は二次循環系（２）に並列に接続し、２つの一次循環系（３−１，２）は共通の一次側熱交換部分（４）で二次循環系（２）の二次側熱交換部分（５）に共通に熱的に交叉し、第１一次循環系（３−１）が吸収する熱エネルギーと第２一次循環系（３−２）が吸収する熱エネルギーとが二次循環系（２）に汲み取られるヒートポンプ効率が、一次側圧力調整部位（７，１６）と二次側圧力調整部位（１８）とによる制御により最大値化される。一次側圧力調整部位が、第１一次側圧力調整部位（７）と第２一次側圧力調整部位（１６）とにより制御されれば、ヒートポンプによる汲み上げエネルギーは、更に最大値化される。
【００１１】
このようなヒートポンプ作用は、第１一次循環系（３−１）の冷蔵機能と第２一次循環系（３−２）の冷凍機能とをダイナミックに制御することができる。この場合に、二次循環系（２）が空調機能を有することにより、回収熱の利用効率が増大する。
【００１２】
二次循環系（２）は、第１二次循環系（２−１）と、第２二次循環系（２−２）とから形成される。第１二次循環系（２−１）は、二次側第１圧力−エンタルピー関係（２３−１）を有し、第２二次循環系は二次側第２圧力−エンタルピー関係（２３−２）を有する。この場合にも、二次側圧力調整部位（１８，４８）の並列化が熱交換率の向上と回収熱エネルギーの最大値化の点で特に好ましい。この場合に、第１二次循環系（２−１）は暖房機能又は給湯機能を有し、第２二次循環系（２−２）は暖房機能又は給湯機能を有する。二次側は、一次側から吸い上げる熱を熱源とする多様な熱利用機能を持つことができ、並列多系特に両側並列多系でエネルギー消費量の最小化が可能である（最小値が必ず存在する）。
【００１３】
一次側圧力調整部位は、第１一次側圧力調整部位（７）と、第２一次側圧力調整部位（１６）とから構成されることが既述の通りに特に好ましい。第１一次循環系（３−１）は、第１一次側圧力調整部位（７）と一次側熱交換部分（４）と、受液器（８）と、第１一次側膨張弁（９）と、冷蔵対象部位（１１）とを含む直列系を形成する。第２一次循環系（３−２）は、第２一次側圧力調整部位（１６）と一次側熱交換部分（４）と、受液器（８）と、第２一次側膨張弁（１４）と、冷凍対象部位（１５）とを含む直列系を形成する。
【００１４】
冷房系（２４）が更に構成され得る。その冷房系（２４）は、受液器（８）と、受液器（８）の冷媒循環方向に前方に位置するポンプ（２５）と、ポンプ（２５）の冷媒循環方向に前方に位置する冷房用熱交換器（２６）と、冷房用熱交換器（２６）の冷媒循環方向に前方に位置する逆止弁（２７）と、逆止弁（２７）の冷媒循環方向に前方に位置する一次側熱交換部分（４）とを含む直列系を形成する。このような冷房系の追加は、既述の圧力調整部位の制御により、熱利用効率の適正な維持を阻害しない。
【００１５】
二次循環系（２）は、二次側圧力調整部位（１８）と、凝縮器（１９）と、二次側膨張弁（２１）と、二次側熱交換部分（５）とを含む直列系を形成する。この場合に、凝縮器（１９）は暖房用凝縮器として用いられる。
【００１６】
第１二次循環系（２−１）は、二次側圧力調整部位（１８）と、第１開閉弁（３９）と、第１熱交換器（１９）と、第１逆止弁（４１）と、膨張弁（２１）と、二次側熱交換部分（５）とを含む第１直列系を形成する。第２二次循環系（２−２）は、二次側圧力調整部位（１８）と、第２開閉弁（４３）と、第２逆止弁（４４）と、第２熱交換器（４５）と、第３逆止弁（４６）と、膨張弁（２１）と、二次側熱交換部分（５）とを含む第２直列系を形成する。
【００１７】
二次循環系（２）は二次側付属的循環系（２−３）を形成する。二次側付属的循環系（２−３）は、二次側付属的圧力調整部位（４８）と、第４逆止弁（４９）と、第１熱交換器（１９）と、第１逆止弁（４１）と、他の膨張弁（４７）と、第２熱交換器（４５）と、第３開閉弁（５１）とを含む第３直列系を形成する。第３逆止弁（４６）と他の膨張弁（４７）とは、又は、第１逆止弁（４１）と他の膨張弁（４２）とは、並列に接続される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図に対応して、本発明によるヒートポンプの実施の形態は、一次循環系と二次循環系とに複合熱利用系が構成されている。そのヒートポンプ１は、図１に示されるように、二次循環系２と一次循環系３とから構成されている。両冷媒が熱的に交叉する熱交叉部分として形成されている。二次循環系２は、二次側冷媒が循環的に環流する閉じた第２循環系を形成している。一次循環系３は、一次側冷媒が循環的に環流する閉じた第２循環系を形成している。
【００１９】
一次循環系３は、複合熱利用系６を形成している。その複合熱利用系は、第１一次循環系３−１と、第２一次循環系３−２とから形成されている。第１一次循環系３−１と第２一次循環系３−２とは、二次循環系２に対して並列回路として形成されている。第１一次循環系３−１は、第１一次側圧力調整部位の主要素を形成する一次側第１圧縮部位７と、一次側熱交換部分４と、液相貯留槽（受液器）８と、一次側第１膨張部位９と、第１冷却対象部位１１とを含む第１直列系を形成している。第２一次循環系３−２は、第２一次側圧力調整部位の主要素を形成する一次側第２圧縮部位１６と、既述の一次側熱交換部分４と、既述の液相貯留槽８と、一次側第２膨張部位１４と、第２冷却対象部位１５とを含む第２直列系を形成している。一次側第１圧縮部位７と一次側熱交換部分４との間に逆止弁１２が介設されている。一次側第２圧縮部位１６と一次側熱交換部分４との間に逆止弁１２’が介設されている。液相貯留槽８と一次側第１圧縮部位７との間に、絞り１７が介設されている。二次循環系２は、二次側圧力調整部位の主要素を形成する二次側圧縮部位１８と、凝縮器１９と、二次側膨張部位２１と、二次側熱交換部分５とを含む第３直列系を形成している。
【００２０】
一次側熱交換部分４と二次側熱交換部分５とは温度差ΔＴを形成し、一次側熱交換部分４の温度Ｔ１は二次側熱交換部分５の温度Ｔ２より高い。その温度差ΔＴは、熱的に相互作用する両循環系の両側圧力調整部位の相関的圧力制御により制御される。一次側第１圧縮部位７で圧縮されて高温化する一次側第１分流冷媒が持つ熱エネルギーの一部は、一次側熱交換部分４で二次側熱交換部分５に与えられる（汲み上げられる）。その熱エネルギーを奪われた一次側第１分流冷媒は、液相貯留槽８の中に液層状態で貯留される。その一次側第１分流冷媒は、一次側第１膨張部位９で、急激に膨張してその圧力と温度が低下し、第１冷却対象部位１１に圧送される。第１冷却対象部位１１として、冷蔵ショーケースが好適に例示される。利用側熱交換器を形成する第１冷却対象部位１１の中では、一次側第１分流気化冷媒は、冷蔵ショーケースの中の空気又は陳列商品（例示：牛乳）から熱エネルギーを奪う。奪った熱エネルギーにより、一次側第１分流冷媒は気化し、一次側第１圧縮部位７まで輸送される。一次側第１圧縮部位７は、その気化冷媒の圧力を上昇させる。
【００２１】
一次側第２圧縮部位１６で圧縮されて高温化する一次側第２分流冷媒が持つ熱エネルギーの一部は、一次側熱交換部分４で二次側熱交換部分５に与えられる。その熱エネルギーを奪われた一次側第２分流液化冷媒は、液相貯留槽８の中で液層状態で貯留される。その一次側第２分流液化冷媒は、一次側第２膨張部位１４で、急激に膨張してその圧力と温度が急速に低下し、第２冷却対象部位１５に圧送される。第２冷却対象部位１５として、冷凍ショーケースが好適に例示される。利用側熱交換器を形成する第２冷却対象部位１５の中では、一次側第２分流気液混合冷媒は、冷凍ショーケースの中の空気又は陳列商品（例示：冷凍食品）から熱エネルギーを奪う。奪った熱エネルギーにより、一次側第２分流冷媒は気化して一次側第２圧縮部位１６まで輸送される。一次側第２圧縮部位１６は、気化冷媒の圧力を上昇させる。
【００２２】
二次側圧縮部位１８で圧縮されて高温化する二次側冷媒は、凝縮器１９で凝縮され液化され、二次側膨張部位２１で急激に膨張して、その圧力と温度が低下し、二次側熱交換部分５に圧送される。二次側熱交換部分５の中で、二次側冷媒気化し、一次側熱交換部分４から既述の熱エネルギーを奪い取る（汲み取る。）。このように奪い取った熱エネルギーは、凝縮器１９で第２系外に放出される。一次系冷媒として、炭酸ガスが好適に用いられ得る。二次側冷媒として、ＨＦＣ系冷媒が用いられ得る。両冷媒の使用は、ヒートポンプ１に現れる２つの異なる温度差の制御を円滑化し、その制御のためのエネルギーを最小化することができる。
【００２３】
図２は、一次系と二次系のそれぞれの熱サイクルを示す圧力−エンタルピーの関係を示している。圧力は縦軸にｐで表され、エンタルピーは横軸にｈで表されている。一次側ｐ−ｈ閉曲線２２は、一次側第１ｐ−ｈ閉曲線２２−１と一次側第２ｐ−ｈ閉曲線２２−２とから形成されている。一次側ｐ−ｈ閉曲線２２は、温度的に二次側ｐ−ｈ閉曲線２３に交叉する。一次側第１ｐ−ｈ閉曲線２２−１と一次側第２ｐ−ｈ閉曲線２２−２は、実施の既述の形態の一次側の２系統に対応している。
【００２４】
一次側第１ｐ−ｈ閉曲線２２−１は、圧力が概ね一定に維持されエンタルピーが連続的に減少する一次側第１部分２２−１−１と、エンタルピーが概ね一定に維持され圧力が連続的に減少する一次側第２部分２２−１−２と、圧力が概ね一定に維持されエンタルピーが連続的に増大する一次側第３部分２２−１−３と、エンタルピーが連続的に増大し且つ圧力が連続的に増大する一次側第４部分２２−１−４とから形成されている。
【００２５】
一次側第２ｐ−ｈ閉曲線２２−２は、圧力が概ね一定に維持されエンタルピーが連続的に減少する一次側第１部分２２−２−１と、エンタルピーが概ね一定に維持され圧力が連続的に減少する一次側第２部分２２−２−２と、圧力が概ね一定に維持されエンタルピーが連続的に増大する一次側第３部分２２−２−３と、エンタルピーが連続的に増大し且つ圧力が連続的に増大する一次側第４部分２２−２−４とから形成されている。
【００２６】
二次側第１ｐ−ｈ閉曲線２３−１は、圧力が概ね一定に維持されエンタルピーが連続的に減少する二次側第１部分２３−１−１と、エンタルピーが概ね一定に維持され圧力が連続的に減少する二次側第２部分２３−１−２と、圧力が概ね一定に維持されエンタルピーが連続的に増大する二次側第３部分２３−１−３と、エンタルピーが連続的に増大し且つ圧力が連続的に増大する二次側第４部分２３−１−４とから形成されている。
【００２７】
ｐ−ｈ閉曲線の各部分に対応して、図中に記載される実施例温度が実現される。特には、熱交換部分で熱的に交叉する両冷媒の温度は、一次側熱交換部分４の側でＴ１で示され、二次側熱交換部分５の側でＴ２で示され、Ｔ１は実施例として−５゜Ｃであり、Ｔ２は実施例として−１０゜Ｃである。この場合に温度落差（Ｔ１−Ｔ２）は５゜Ｃであるが、温度落差（Ｔ１−Ｔ２）が３゜Ｃ〜５゜Ｃの範囲に制御されて最大ヒートポンプ効率が得られる。
【００２８】
図３は、本発明によるヒートポンプの実施の他の形態を示している。実施の本形態の一次循環系３は、実施の既述の形態の一次循環系３に部分的に同じであるが、冷房用循環系２４が追加されている。実施の本形態の二次循環系２は、実施の既述の形態の二次循環系２の凝縮器１９が暖房用凝縮器１９’に置換されている点を除いて、実施の既述の形態の二次循環系２に同じである。冷房用循環系２４は、液相貯留槽８と、ポンプ２５と、冷房用熱交換器２６と、逆止弁２７と、既述の一次側熱交換部分４とを含む直列系を形成している。冷房用循環系２４は、二次循環系２に対して熱的に交叉する。二次循環系２と冷房用循環系２４との間で、冷房のための熱交換が行われる。第１冷却対象部位１１と第２冷却対象部位１５とが外部環境から奪う熱エネルギーは、二次側熱交換部分５で二次循環系２に伝達されて、暖房用凝縮器１９’で消費される。冷房用熱交換器２６が室内から奪う熱エネルギーは、二次側熱交換部分５で二次循環系２に伝達されて、暖房用凝縮器１９’で消費される。夏季には暖房用凝縮器１９’の暖房作用が停止するが、そのエネルギーは給湯に利用され、又は、大気中に放出される。夏季には冷房用熱交換器２６の冷房作用が動作し、冬季には暖房用凝縮器１９’の暖房作用が動作し、冷房用熱交換器２６の冷房作用が停止することは好ましい。
【００２９】
図４と図５は、実施の図３の形態の冷暖房用空調を実施するためのダンパーの切換えを示している。図４は冷房動作状態を示し、図５は暖房動作状態を示す。冷房時には、図４に示されるように、空気流路に設けられる第１仕切２８と第２仕切２９と第３仕切３１とが開放され、第４仕切３２と第５仕切３３とが閉鎖される。このような開放と閉鎖とにより、暖房用凝縮器１９’を通る第１流路３４が第１ファン３５により積極的に形成される。第１流路３４の流路風は、暖房用凝縮器１９’で暖められて、室外に放出される。又は、その暖風の熱は給湯のために利用され得る。同時的に第２ファン３６により第２流路３７が積極的に形成される。第２流路３７の流路風は、冷房用熱交換器２６で冷却されて室内に送り込まれる。
【００３０】
暖房時には、図５に示されるように、第１仕切２８と第２仕切２９と第３仕切３１とが閉鎖され、第４仕切３２と第５仕切３３とが開放される。このような開放と閉鎖とにより、暖房用凝縮器１９’を通る第３流路３８が第１ファン３５により積極的に形成される。第３流路３８の流路風は、暖房用凝縮器１９’で暖められて、室内に送り込まれる。
【００３１】
図６と図７は、実施の図３の形態について下記の仕様のコンビニエンスストアに対して高温側冷媒にＲ４１０Ａを使用し、低温側冷媒に炭酸ガスを使用したときの消費電力が計算され、その計算値が従来技術の数値と比較される。
冷凍負荷＝１．５７ＫＷ、冷蔵負荷＝１６．５ＫＷ
冷房負荷＝１４．０ＫＷ、暖房負荷＝２４ＫＷ
【００３２】
図６に示されるように、冷房シーズンでは、従来技術で冷凍用の消費電力が１．９４ＫＷであり、本実施例で冷凍用の消費電力は、一次側第１圧縮部位７の消費電力の０．６５ＫＷと二次側圧縮部位１８の冷凍用の消費電力の０．９２ＫＷとを合計して、１．５７ＫＷである。従来技術の冷蔵用の消費電力が８．１４ＫＷであり、本実施例の形態の冷蔵用の消費電力は、一次側第１圧縮部位７の消費電力の１．６６ＫＷと二次側圧縮部位１８の冷蔵用の消費電力の７．４３ＫＷとを合計して、９．０９ＫＷである。従来技術の冷房用の消費電力が５．１６ＫＷであり、本実施例の冷房用の消費電力は、ポンプ２５の消費電力の０．２６ＫＷと二次側圧縮部位１８の冷房用の消費電力の５．８ＫＷとを合計して、６．０６ＫＷである。冷凍、冷蔵、冷房の合計の消費電力は、従来技術では１５．２４ＫＷであり、本実施例では１６．７２ＫＷである。
【００３３】
図７に示されるように、暖房シーズンでは、従来技術の冷凍用の消費電力が１．２０ＫＷであり、本実施例の冷凍用の消費電力が冷房シーズンと同じく１．５７ＫＷである。また、従来方式において冷蔵用の消費電力が４．５２ＫＷであり、本実施例の冷蔵用の消費電力は、一次側第１圧縮部位７の消費電力の１．６６ＫＷと二次側圧縮部位１８の冷蔵用の消費電力の７．４７ＫＷとを合計して、９．１３ＫＷである。従来技術の暖房用の消費電力が１０．３１ＫＷであり、本実施例の暖房用の消費電力が０ＫＷである。冷凍、冷蔵、暖房の合計の消費電力は、従来技術では１６．０３ＫＷであり、本実施例では１０．７ＫＷである。
【００３４】
図８は、既述のコンビニエンスストアの例で、本実施例と従来技術の年間の消費電力量を比較して示している。冷房シーズンの運転時間は２０００時間であり、暖房シーズンの運転時間は４０００時間である。従来の個別の冷凍装置では、冷房シーズンの電力消費量は３０．５×（１０の３乗）ＫＷｈであり、冷暖房シーズンの合計の電力消費量は９４．６×（１０の３乗）ＫＷｈであり、本実施例では、冷房シーズンの電力消費量は３３．４×（１０の３乗）ＫＷｈであり、冷暖房シーズンの合計の電力消費量は７６．２×（１０の３乗）ＫＷｈである。この試算では、２０％程度の省エネルギー化が実現している。
【００３５】
本実施例では、高温側にＨＦＣ系冷媒を、低温側に炭酸ガス冷媒を使用することによりオゾン層を破壊せず、毒性、爆発性、可燃性がなく、安全であり、ＨＦＣ系冷媒充填量を少なくすることができて、地球温暖化の影響が少ないカスケード式冷凍装置を提供することができる。
【００３６】
図９は、本発明によるヒートポンプの実施の更に他の形態を示している。実施の本形態の一次循環系３は、実施の図１の形態の一次循環系３に同じである。実施の本形態の二次循環系２が二次側熱交換部分５と二次側圧縮部位１８と凝縮器１９と二次側膨張部位２１とから形成される点は、実施の図１の形態のその構成に同じである。実施の本形態の二次循環系２は、以下に、第１二次循環系２−１と呼ばれる。実施の本形態では、第１二次循環系２−１に並列に第２二次循環系２−２が追加され、更に、第３二次循環系２−３が追加される。第１二次循環系２−１では、二次側圧縮部位１８と凝縮器１９との間に、開閉弁３９が介設され、更に、凝縮器１９と二次側膨張部位２１との間で第１二次循環系２−１に、追加逆止弁４１と追加膨張弁４２とが介設される。追加逆止弁４１と追加膨張弁４２は、並列に接続されている。
【００３７】
第２二次循環系２−２は、二次側熱交換部分５と二次側圧縮部位１８と、開閉弁４３と、逆止弁４４と、冷房暖房切換熱交換器４５と、追加逆止弁４６と、既述の二次側膨張部位２１とから形成されている。
【００３８】
追加二次側圧縮部位４８が追加される。追加二次側圧縮部位４８と凝縮器１９との間に、追加逆止弁４９が介設される。追加二次側圧縮部位４８と冷房暖房切換熱交換器４５との間に、開閉弁５１が介設される。第３二次循環系２−３は、追加二次側圧縮部位４８と、逆止弁４９と、凝縮器１９と、追加逆止弁４１と、追加膨張弁４７と、冷房暖房切換熱交換器４５と、開閉弁５１とを含む循環直列系を形成している。追加逆止弁４６と追加膨張弁４７とは、並列に介設されている。
【００３９】
第１二次循環系２−１は、基本的熱サイクルを形成している。第２二次循環系２−２では、二次側圧縮部位１８から送り出される二次側分流冷媒は開状態の開閉弁４３を通過し、逆止弁４４を通過して、冷房暖房切換熱交換器４５で暖房的熱交換を受け、追加逆止弁４６を通り、二次側膨張部位２１で膨張して急冷されて、二次側熱交換部分５で一次側の熱エネルギーを奪って、二次側圧縮部位１８に還流する。このような暖房時には、開閉弁５１は閉鎖される。第２二次循環系２−２は、二次側熱交換部分５で一次循環系から奪った熱エネルギーを熱源とするヒートポンプを構成している。第３二次循環系２−３では、追加二次側圧縮部位４８から送り出される二次側分流冷媒は逆止弁４９を通過し、凝縮器１９で凝縮され、追加逆止弁４１を通過し、追加膨張弁４７で膨張して急冷され、冷房暖房切換熱交換器４５で冷房的熱交換を受け、開状態の開閉弁５１を通過して、追加二次側圧縮部位４８に還流する。このような冷房時には、開閉弁４３は閉鎖される。第２二次循環系２−２と第３二次循環系２−３の循環が停止される場合には、実施の本形態は、実施の図１の形態に一致する。
【００４０】
図１０は、実施の図９の形態の圧力−エンタルピー線図を示している。各部位の制御目標温度は、下記の通りである。
Ｔ１−１＝−５゜Ｃ，Ｔ１−２＝−１０゜Ｃ，Ｔ１−３＝−４０゜Ｃ
Ｔ２−１＝５０゜Ｃ，Ｔ２−２＝０゜Ｃ，Ｔ２−３＝−１０゜Ｃ
両系間の熱交換は、温度落差ΔＴに対応して行われる。
ΔＴ＝［Ｔ１−１］−［Ｔ２−３］＝（−５゜Ｃ）−（−１０゜Ｃ）＝５゜Ｃ
ΔＴは、既述の通り、３゜Ｃ〜５゜Ｃが適正である。ΔＴがこのような範囲にあれば、ヒートポンプのエネルギー消費量を最小化することができるＴ１−１が存在する。
【００４１】
一次側の２様の圧力−エンタルピー線図により、冷蔵と冷凍が実行される。一次側の一次側熱交換部分４の温度は２様の圧力−エンタルピー線図で同じである。一次側の冷凍と冷蔵では、第１二次循環系２−１と一次循環系３の熱的交叉が行われる。第２二次循環系２−２と一次循環系３の熱的交叉により、冷房暖房切換熱交換器４５で暖房が実行される。暖房時には、第１冷却対象部位１１と第２冷却対象部位１５で得る熱エネルギーは、二次側に供給される。この場合には、二次側熱交換部分５の温度は、Ｔ２−３の−１０゜Ｃに制御される。冷房の空調時には、熱交換器４５は０゜Ｃに制御される。冷房時には、一次側第１圧縮部位７と一次側第２圧縮部位１６の駆動エネルギー、及び、二次側圧縮部位１８と追加二次側圧縮部位４８の駆動エネルギーが最小になるように、Ｔ１−１とＴ２−３とを制御的に設定することができる。第１冷却対象部位１１と第２冷却対象部位１５で得る熱ネルギーは二次系に供給され、第１二次循環系２−１の凝縮器で放熱され給湯用の熱エネルギーとして利用され得るヒートポンプが実現している。
【００４２】
このように、一次系と二次系がより複雑である系として構成され、より最適な圧力制御による熱交叉部位の熱交換態様が切り換えられて、エネルギー節約動作が多様に効果的に実現する。
【００４３】
【発明の効果】
本発明のヒートポンプは、一次系と二次系の間のダイナミックなヒートポンプ作用による熱交換が実現され、結果的に、消費電力の削減を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のヒートポンプによる実施の形態を示す回路図である。
【図２】図２は、ｐ−ｈ線図を示すグラフである。
【図３】図３は、本発明によるヒートポンプの実施の他の形態を示す回路図である。
【図４】図４は、流路の切換を示す回路図である。
【図５】図５は、流路の他の切換を示す回路図である。
【図６】図６は、実施例の消費電力を示すグラフである。
【図７】図７は、実施例の他の消費電力を示すグラフである。
【図８】図８は、実施例の消費電力比較を示すグラフである。
【図９】図９は、本発明によるヒートポンプの実施の更に他の形態を示すグラフである。
【図１０】図１０は、更に他のｐ−ｈ線図を示すグラフである。
【符号の説明】
１…熱交換部分
２…二次循環系
２−１…第１二次循環系
２−２…第２二次循環系
２−３…二次側付随的循環系
３…一次循環系
３−１…第１一次循環系
３−２…第２一次循環系
４…一次側熱交換部分
５…二次側熱交換部分
７…一次側圧力調整部位
８…受液器
９…第１一次側膨張弁
１１…冷蔵対象部位
１４…第２一次側膨張弁
１５…冷凍対象部位
１６…第２一次側圧力調整部位
１８…二次側圧力調整部位
１９…第１熱交換器（凝縮器）
２１…（二次側）膨張弁
２２−１…一次側第１圧力−エンタルピー関係
２２−２…一次側第２圧力−エンタルピー関係
２３…二次側圧力−エンタルピー関係
２３−１…二次側第１圧力−エンタルピー関係
２３−２…二次側第２圧力−エンタルピー関係
２４…冷房系
２５…ポンプ
２６…冷房用熱交換器
２７…逆止弁
３９…第１開閉弁
４１…第１逆止弁
４２…他の膨張弁
４３…第２開閉弁
４４…第２逆止弁
４５…第２熱交換器
４６…第３逆止弁
４９…第４逆止弁
４７…他の膨張弁
４８…二次側付属的圧力調整部位
５１…第３開閉弁
【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】
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【図９】
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【図１０】
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