(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低段側圧縮機及び高段側圧縮機を構成要素とする２段圧縮機、この高段側圧縮機からの吐出ガスを冷却する高圧側熱交換器、膨張弁、外気と熱交換する蒸発器を順次接続した冷媒回路を備え、この冷媒回路は、前記高段側圧縮機の吐出側から前記蒸発器の入口側に至る第１バイパス回路と、前記低段側圧縮機の吐出側と高段側圧縮機の吸込側とを接続する中間連絡配管と蒸発器の入口側の配管との間に設けられた第２バイパス回路とを有し、この第１バイパス回路及び第２バイパス回路は、定常の冷凍運転時に閉鎖され、デフロスト運転時に開放される開閉弁をそれぞれ有する冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記２段圧縮機は、密閉ハウジング内に高段側圧縮機及び低段側圧縮機を内蔵し、前記低段側圧縮機の吐出側と前記高段側圧縮機の吸入側とが前記圧縮機ハウジングの外部に配設した中間連絡配管で接続され、前記第２バイパス回路は、この中間連絡配管に前記低段側圧縮機の吐出側との接続部を有する請求項１記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記冷凍サイクル装置は、高圧側圧力が超臨界圧力となる超臨界冷凍サイクル装置である請求項１又は２記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍サイクル装置、特に２段圧縮機を用いた冷凍サイクル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、外気を熱源敏暖房や給湯を行う装置に用いられている冷凍サイクル装置は、圧縮機、圧縮機における高段側圧縮機の吐出ガスを冷却する高圧側熱交換器（通常の冷凍サイクル装置では凝縮器）、膨張弁、外気と熱交換する蒸発器を順次接続した冷媒回路を備え、蒸発器で外気から熱を汲み上げ、この汲み上げた熱を高圧側熱交換器で室内空気又は給湯用水に放熱している。また、この冷凍サイクル装置は、外気温度が低下したときは、蒸発温度が低下し、蒸発器がフロスト（着霜）する。そして、フロスト量（着霜量）が多くなると蒸発器の熱交換能力が低下し、暖房能力や温水加熱能力が低下する。このため蒸発器に付着した霜を取り除くデフロスト運転（除霜運転）が行われる。このデフロスト運転は、ホットガス、つまり圧縮機吐出ガスの熱源を利用するため、この間暖房運転や温水加熱運転を休止せざるを得ない。このため、デフロスト運転はできる限り短時間に終えることが要望されている。
【０００３】
また、従来の冷凍サイクル装置では、デフロスト装置（除霜装置）として、冷媒回路の切換装置が比較的簡単に行えること、及び、逆サイクル方式のように、デフロスト運転時に被加熱対象である室内空気や温水を冷却することもないという点から、圧縮機吐出側の高圧ガス（いわゆるホットガス）を高圧側回路部分から蒸発器入口側にバイパスさせる単純ホットガスバイパス方式のものが多用されるようになってきている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のデフロスト装置においては、圧縮機が単段であるか２段であるかに関係なく、単純に高圧側回路部分からホットガスを蒸発器入口側に流しており、圧縮機が２段圧縮機である場合において特別の工夫がなされていなかった。
【０００５】
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、デフロスト運転の短時間化を図った２段圧縮機を用いた冷凍サイクル装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するために、本発明の冷凍サイクル装置は、低段側圧縮機及び高段側圧縮機を構成要素とする２段圧縮機、この高段側圧縮機からの吐出ガスを冷却する高圧側熱交換器、膨張弁、外気と熱交換する蒸発器を順次接続した冷媒回路を備え、この冷媒回路は、前記高段側圧縮機の吐出側から前記蒸発器の入口側に至る第１バイパス回路と、前記低段側圧縮機の吐出側と高段側圧縮機の吸込側とを接続する中間連絡配管と蒸発器の入口側の配管との間に設けられた第２バイパス回路とを有し、この第１バイパス回路及び第２バイパス回路は、定常の冷凍運転時に閉鎖され、デフロスト運転時に開放される開閉弁をそれぞれ有するものである。
【０００７】
このように構成すれば、デフロスト運転時、低段側圧縮機及び高段側圧縮機がブロワとして有効に機能し、蒸発器に対し高圧側回路部分及び中間圧力部分からガス冷媒が一気に大量に流されるため、高圧ガス冷媒、中間圧力ガス冷媒、高圧側回路構成部材、中間圧力回路構成部材等に蓄積されていた熱量が、前記バイパス回路を通じて蒸発器に送られるホットバイパスガスを媒介として蒸発器に送られ、蒸発器において一気に放出されるため、デフロスト運転時間を短縮することができる。
【０００８】
また、前記２段圧縮機は、前記２段圧縮機は、密閉ハウジング内に高段側圧縮機及び低段側圧縮機を内蔵し、前記低段側圧縮機の吐出側と前記高段側圧縮機の吸入側とが前記圧縮機ハウジングの外部に配設した中間連絡配管で接続され、前記第２バイパス回路は、この中間連絡配管に前記低段側圧縮機の吐出側との接続部を有するのが好ましい。
【０００９】
このように構成すれば、前記第２バイパス配管の接続が容易になる。
【００１０】
また、前記冷凍サイクル装置は、高圧側圧力が超臨界圧力となる超臨界冷凍サイクル装置としてもよい。
【００１１】
超臨界冷凍サイクルの場合には、高圧側圧力ガス及び中間圧力ガスの温度が高いので、高圧ガス冷媒、中間圧力ガス冷媒、高圧側回路構成部材、中間圧力回路構成部材等に蓄積されていた熱量が大きく、デフロスト運転時間短縮の効果が大きくなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る給湯装置の回路図である。この図１に示すように、実施の形態１に係る給湯装置は、超臨界冷凍サイクル装置１、給湯ユニット２及び制御装置３とを備えたものである。なお、この実施の形態においては、制御装置３は超臨界冷凍サイクル装置１内に設置されている。また、超臨界冷凍サイクル装置１と給湯ユニット２とは連絡水用配管５、６により接続されている。
【００１３】
超臨界冷凍サイクル装置１は、２段圧縮機１１、高圧側熱交換器１２、電動膨張弁１３、蒸発器１４、アキュムレータ１５を順次接続した閉回路（冷媒回路）を備えている。この冷媒回路の内部には、超臨界冷凍サイクルで運転されるような代替冷媒として二酸化炭素（ＣＯ2）が充填されている。冷凍・空調用の代表的な自然冷媒としては、ハイドロカーボン（ＨＣ：プロパンやイソブタンなど）、アンモニア、空気そしてＣＯ2等が挙げられる。しかしながら、冷媒特性として、ハイドロカーボンとアンモニアはエネルギー効率が良いという反面可燃性や毒性の問題があり、空気は超低温域以外でエネルギー効率が劣るなどといった問題がある。これに対し二酸化炭素は、可燃性や毒性がなく安全である。
【００１４】
２段圧縮機は、超臨界冷凍サイクル装置用に開発されたもので、密閉ハウジング内に低段側圧縮機１１ａ、高段側圧縮機１１ｂ、これら圧縮機１１ａ及び１１ｂの駆動するための電動機１１ｃを内蔵したものであり、低段側圧縮機１１ａの吐出側と高段側圧縮機１１ｂの吸入側とを圧縮機ハウジングの外部に配設された中間連絡配管１１ｄにより連結している。また、密閉ハウジング内空間は、中間圧力ガス、つまり低段側圧縮機１１ａの吐出ガスにより満たされている。なお、このように密閉ハウジング内を中間圧力とした理由は、各圧縮機の各部に作用する力、及び密閉ハウジングの内外間の圧力差を適切な範囲内に保持し、大きな力が作用することを回避したものであり、これにより高信頼性、低振動、低騒音、高効率な圧縮機とすることができる。
【００１５】
なお、前記中間連絡配管１１ｄは、低段側圧縮機１１ａの吐出口と高段側圧縮機１１ｂの吸入口とを直接接続しても良いが、この実施の形態の場合は、低段側圧縮機１１ａの吐出ガスを密閉ハウジング内に導入し、高段側圧縮機１１ｂの吸入口をこの密閉ハウジング内に開口することにより、低段側圧縮機１１ａの吐出側と高段側圧縮機１１ｂの吸入側とを接続している。
【００１６】
高圧側熱交換器１２は、高段側圧縮機１１ｂから吐出された高圧冷媒を導入する冷媒用熱交換チューブ１２ａと、給湯ユニット２内に配置されている貯湯タンク２１から送水される給湯用水を導入する水用熱交換チューブ１２ｂとからなり、両者が熱交換関係に形成されたものである。したがって、高段側圧縮機１１ｂから吐出された高温高圧の冷媒ガスは貯湯タンク２１から送水される給湯用水により冷却され、この給湯用水は高温高圧冷媒が発生する熱により加熱される。
【００１７】
電動膨張弁１３は、高圧側熱交換器１２で冷却された高圧ガス冷媒を減圧するもので、パルスモータにより駆動される。また、後述する制御装置３により開度制御されている。
【００１８】
蒸発器１４は、電動膨張弁１３により減圧された低圧の気液混合冷媒を熱源媒体としての外気と熱交換させ、この冷媒を気化させるものである。なお、この蒸発器１４には蒸発器のフロスト量（着霜量）を検出するためのフロスト検出器３１及び外気温度を検出する外気温度検出器３２が付設されている。
【００１９】
給湯ユニット２は、貯湯タンク２１、温水循環ポンプ２２、給湯配管２３、給水配管２４を備えて構成されている。
そして、貯湯タンク２１の上部及び下部を前記水用熱交換チューブ１２ｂに対し、連絡水用配管５、６を含む温水循環回路Ｐにより接続されている。また、貯湯タンク２１では重力の差により上部になるほど温水温度が高くなる。このため、貯湯タンク２１下部の温度の低い水を水用熱交換チューブ１２ｂに送水し、水用熱交換チューブ１２ｂで加熱された温度の高い水を貯湯タンク２１の上部に導くように、温水循環回路Ｐが形成されるとともに、この温水循環回路Ｐ中に温水循環ポンプ２２が取り付けられている。なお、貯湯タンク２１内上部の温水温度、すなわち焚き上げ温度は、貯湯タンク２１上部に設けられた温水温度検出器３３により測定されている。
【００２０】
給湯配管２３は、温水蛇口、浴槽などに温水を供給するためのものであり、貯湯タンク２１中の高い温度の温水を供給できるように、貯湯タンク２１の上部に接続されている。なお、この給湯回路には開閉弁２５が取り付けられている。
給水配管２４は、貯湯タンク２１内に常時水道水を供給可能とするものであり、逆止弁２６、減圧弁２７を介し貯湯タンク２１の底部に接続されている。
【００２１】
制御装置３は、操作スイッチ（図示せず）が操作されたときに運転開始指令を発信するほか、温水温度検出器３３により検出される給湯用水の焚き上げ温度により圧縮機１１の運転制御を行ったり、外気温度検出器３２により検出される外気温度及び前記焚き上げ温度により電動膨張弁１３の制御を行ったりしているが、その他に蒸発器１４のフロスト量をフロスト検出器３１により検出し、このフロスト量が所定値になったときに後記するデフロスト運転を行うよう指令を発信している。
【００２２】
デフロスト装置を構成する要素として、前記冷媒回路には、第１バイパス回路１６及び第２バイパス回路１７の二つのバイパス回路が設けられている。第１バイパス回路１６は、高段側圧縮機１１ｂの吐出配管１８と、蒸発器入口側の配管（つまり、電動膨張弁１３と蒸発器１４とを接続する配管）１９との間に設けられており、途中に第１電磁開閉弁１６ａが設けられている。一方、第２バイパス配管１７は、低段側圧縮機１１ａの吐出側と高段側圧縮機１１ｂの吸入側とを接続する中間連絡配管１１ｄと、蒸発器入口側の配管１９との間に設けられており、途中に第２電磁開閉弁１７ａが設けられている。なお、この場合、低段側圧縮機１１ａの吐出側と高段側圧縮機１１ｂの吸入側と接続する中間連絡配管１１ｄが圧縮機ハウジングの外部に配設されているため、第２バイパス回路の接続を容易に行うことができる。
【００２３】
以上のように構成された冷凍サイクル装置応用の給湯装置の動作について説明する。
まず、定常給湯運転時における冷凍サイクル装置の運転について、図２のモリエル線図を参照しながら説明する。なお、定常運転時における冷媒の流れは、図１における実線矢印のごとくになる。
２段圧縮機１１を構成する低段側圧縮機１１ａは、アキュムレータ１５からの低圧ガス（ｒ１）を吸入して中間圧力まで圧縮する（ｒ２）。中間圧力まで圧縮されたガス冷媒（ｒ２）は、中間連絡配管１１ｄにより２段圧縮機１１のハウジング内に導入され、このハウジング内で若干冷却されて（ｒ３）、高段側圧縮機１１ｂに吸入され（ｒ３）、超臨界圧力まで圧縮されて高圧側熱交換器１２に送られる（ｒ４）。この高圧ガス（ｒ４）は、高圧側熱交換器１２で貯湯タンク２１から送水される給湯用水と熱交換し、高圧冷媒自身は冷却され（ｒ５）、給湯用水は加熱されて貯湯タンク２１上部に戻される。
【００２４】
高圧側熱交換器１２で冷却された高圧ガス冷媒（ｒ５）は、電動膨張弁１３で減圧され気液混合ガス冷媒となって蒸発器１４に送られる（ｒ６）。蒸発器１４に送られた気液混合ガス冷媒（ｒ６）は、外気と熱交換し、外気から熱を汲み上げて気化され、アキュムレータ１５を経て低段側圧縮機１１ａに吸入される。なお、アキュムレータ１５は、冷凍サイクル装置起動時に低圧側回路部分に溜まっていた冷媒が圧縮機に吸入されないようにするものであり、この定常運転時には格別の機能を有していない。なお、運転停止中、蒸発器を主要部分とする低圧側回路部分では、外気により冷却されていることから、高圧側回路部分のガス冷媒が低圧側回路部分に流れ込み液化して溜まるという現象が生ずる。
【００２５】
以上のサイクルにより、外気から汲み上げた熱量と２段圧縮機１２における仕事量相当の熱量とが高圧側熱交換器１２で放熱され、この熱量により貯湯タンク２１から送られてくる給湯用水が加熱され、温水となって貯湯タンク２１の上部から貯められていく。
【００２６】
次に、デフロスト運転時の動作について説明する。図１における波線矢印は、このデフロスト運転時の冷媒の流れを示す。上記定常運転を外気温度が低い状態で続けていると、徐々に蒸発器１４に霜が付着する。この霜の量が一定量以上になると、フロスト検出器３１がこれを検出する。これにより制御装置３からデフロスト指令が発せられる。このデフロスト指令により、２段圧縮機の運転、蒸発器１４の送風機（図示しない）の運転、貯湯タンク２１から高圧側熱交換器１２への給湯水の送水など上記定常運転時の運転態様が継続されている状況下、第１バイパス回路１６中の第１電磁開閉弁１６ａ及び第２バイパス回路１７中の第２電磁開閉弁１７ａが開かれる。
【００２７】
このように第１及び第２電磁開閉弁１６ａ、１７ａが開かれた状態では、電磁開閉弁１６ａ、１７ａの冷媒流通抵抗が小さく設定されているので、定常運転時におけるような高低圧力差が付かない高低圧力が略バランスされた状態となる。このため、高段側圧縮機１１ｂも低段側圧縮機１１ａもブロワとして機能する。したがって、両圧縮機１１ａ、１１ｂを運転することにより、高圧側回路部分や中間圧力部分におけるガス冷媒や電動機1１１ｃ等のこれら部分の構成部材に蓄熱されていた熱が、ブロワとして機能する両圧縮機１１ａ、１１ｂから供給されるホットガスを媒介として蒸発器１４に送られ、一気に放出される。
これにより蒸発器１４に付着していた霜が一気に融かされ、短時間のうちにデフロストが完了される。
【００２８】
なお、本発明の思想は、上記のような超臨界冷凍サイクル装置応用給湯装置に限らず、通常の冷凍サイクル装置にも適用できることはいうまでもない。ただし、超臨界冷凍サイクル装置応用給湯装置では、通常の冷凍サイクル装置の場合に比し、定常運転時における高圧側圧力が高く、高圧側回路部分の熱容量が大きいため、デフロスト時間短縮の効果が大きいといえる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されているので、次のような効果を奏する。  本発明によれば、低段側圧縮機及び高段側圧縮機を構成要素とする２段圧縮機、この２段圧縮機を構成する高段側圧縮機の吐出ガスを冷却する高圧側熱交換器、膨張弁、外気と熱交換する蒸発器を順次接続した冷媒回路を備え、この冷媒回路は、前記２段圧縮機を構成する高段側圧縮機の吐出側から前記蒸発器の入口側に至る第１バイパス回路と、前記低段側圧縮機の吐出側と高段側圧縮機の吸込側とを接続する中間連絡配管と蒸発器の入口側の配管との間に設けられた第２バイパス回路とを有し、この第１バイパス回路及び第２バイパス回路は、定常の冷凍運転時に閉鎖され、デフロスト運転時に開放される開閉弁をそれぞれ有するので、デフロスト運転時、低段側圧縮機及び高段側圧縮機のブロワ機能が有効に発揮され、高圧側回路部分や中間圧力部分に蓄積されていた熱が一気に蒸発器に放出され、デフロスト運転時間を短縮することができる。
【００３０】
また、前記２段圧縮機は、密閉ハウジング内に高段側圧縮機及び低段側圧縮機を内蔵し、前記低段側圧縮機の吐出側と前記高段側圧縮機の吸入側とが前記圧縮機ハウジングの外部に配設した中間連絡配管で接続され、前記第２バイパス回路は、この中間連絡配管に前記低段側圧縮機の吐出側との接続部を有するので、前記第２バイパス配管の接続が容易になる。
【００３１】
また、前記冷凍サイクル装置は、高圧側圧力が超臨界圧力となる超臨界冷凍サイクル装置であるので、高圧ガス冷媒、中間圧力ガス冷媒、高圧側回路構成部材、中間圧力回路構成部材等に蓄積されていた熱量が大きく、デフロスト運転時間短縮の効果が大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る給湯装置の回路図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る給湯装置の定常給湯運転時における冷凍サイクル装置の運転を説明するためのモリエル線図である。
【符号の説明】
１     超臨界冷凍サイクル装置
２     給湯ユニット
３     制御装置
１１   ２段圧縮機
１１ａ 低段側圧縮機
１１ｂ 高段側圧縮機
１１ｄ 中間連絡配管
１２   高圧側熱交換器
１３   電動膨張弁
１４   蒸発器
１６   第１バイパス配管
１６ａ 第１電磁開閉弁
１７   第２バイパス配管
１７ａ 第２電磁開閉弁
２１   貯湯タンク
３１   フロスト検出器
【図１】
0004641683.tif 000002
【図２】
0004641683.tif 000003