(57)【要約】【課題】  低温側と高温側の冷凍サイクルを別々の圧縮機を用いて運転するため、運転に必要とされる入力エネルギーが大きく、よりエネルギー効率の良い二元冷凍サイクル装置の提供がのぞまれている。【解決手段】  二元冷凍サイクル装置は、高温側冷凍サイクルの冷媒と外部から取りこんだ水とを熱交換させる水熱交換器と、外部からとりこまれる水の温度を検知する水温検知手段と、外部熱源の温度を検知する外部温度検知手段と、水温検知手段で検知された水の温度が外部温度検知手段で検知された外部熱源の温度のよりも高いときに、低温側冷凍サイクルの運転出力を低下させる、又は運転を停止させるとともに、高温側冷媒と水熱交換器内の水との熱交換を制御する運転制御手段を有している。【選択図】図１
2012215353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部熱源から熱を吸収する熱源側熱交換器と、低温側圧縮機を備え、内部に低温側冷媒が封入された低温側冷凍サイクルと、
利用側へ熱を供給する利用側熱交換器と高温側圧縮機を備え、内部に高温側冷媒が封入された高温側冷凍サイクルと、
前記低温側冷凍サイクルと前記高温側冷凍サイクルの冷媒を熱交換させるための中間熱交換器と、
前記高温側冷凍サイクルの冷媒と外部から取りこんだ水とを熱交換させる水熱交換器と、
前記外部からとりこまれる水の温度を検知する水温検知手段と、
前記外部熱源の温度を検知する外部温度検知手段と、
前記水温検知手段で検知された水の温度が前記外部温度検知手段で検知された外部熱源の温度のよりも高いときに、低温側冷凍サイクルの運転出力を低下させる、又は運転を停止させるとともに、前記高温側冷媒と水熱交換器内の水との熱交換を制御する運転制御手段を、
有することを特徴とする二元冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記水熱交換器は、前記中間熱交換器に対して並列に接続されており、
前記運転制御手段は、前記水温検知手段で検知された温度が所定温度以上である場合に、前記水熱交換器へ冷媒が流入するように制御することを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記水熱交換器は、前記中間熱交換器に対して直列に接続されており、
前記運転制御手段は、前記水温検知手段で検知された温度が所定温度以上である場合に、前記水熱交換器へ外部から水が流入するように制御することを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、二元冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気調和機やヒートポンプ給湯機などの冷凍サイクル装置には、利用側に高温の熱を供給するために低温側冷凍サイクルと高温側冷凍サイクルを備えた二元冷凍サイクル装置が用いられることがある。
二元冷凍サイクル装置の低温側冷凍サイクルと高温側冷凍サイクルは、それぞれ圧縮機や膨張装置を有しており、中間熱交換器によって熱交換可能に接続されている。そして、低温側冷凍サイクルに設けられた低温側蒸発器である低温側熱交換器から汲み上げた熱を、高温側冷凍サイクルに設けられた高温側凝縮器である利用側熱交換器を介して、より高温の熱が熱利用機器へ供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３４６４０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記のような二元冷凍サイクル装置は、低温側と高温側の冷凍サイクルを別々の圧縮機を用いて運転するため、運転に必要とされる入力エネルギーが大きく、よりエネルギー効率の良い二元冷凍サイクル装置の提供がのぞまれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態は、外部熱源から熱を吸収する熱源側熱交換器と、低温側圧縮機を備え、内部に低温側冷媒が封入された低温側冷凍サイクルと、利用側へ熱を供給する利用側熱交換器と高温側圧縮機を備え、内部に高温側冷媒が封入された高温側冷凍サイクルと、低温側冷凍サイクルと高温側冷凍サイクルの冷媒を熱交換させるための中間熱交換器を有する二元冷凍サイクル装置である。
この二元冷凍サイクル装置は、高温側冷凍サイクルの冷媒と外部から取りこんだ水とを熱交換させる水熱交換器と、外部からとりこまれる水の温度を検知する水温検知手段と、外部熱源の温度を検知する外部温度検知手段と、水温検知手段で検知された水の温度が外部温度検知手段で検知された外部熱源の温度のよりも高いときに、低温側冷凍サイクルの運転出力を低下させる、又は運転を停止させるとともに、高温側冷媒と水熱交換器内の水との熱交換を制御する運転制御手段を有している。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置の概略図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る制御器のブロック図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置の概略図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る制御器のブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図面を用いて本発明の実施形態について説明を行う。
（第１の実施形態）
第１の実施形態について図１を用いて説明する。
図１に示すように、本実施形態の二元冷凍サイクル装置１００は、低温側冷凍サイクル６ａと、高温側冷凍サイクル６ｂとが中間熱交換器５によって熱交換可能に構成されている。
低温側冷凍サイクル６ａには、低温側圧縮機１ａと、低温側圧縮機１ａに冷媒配管を介して接続された低温側四方弁２ａと、外部熱源である室外空気と熱交換する熱源側熱交換器３と、低温側膨張装置４ａとが順次冷媒配管で接続されている。また、低温側四方弁２ａと低温側膨張装置４ａには、冷媒配管によって中間熱交換器５が接続されている。
熱源側熱交換器３には送風機１１が設けられており、室外空気との熱交換を促進させるようになっている。また、熱源側熱交換器３には、外部温度検知手段である、外気温度センサ１６が設けられており、熱源側熱交換器３へ吸込まれる室外空気の温度Ｔｏを検知するようになっている。
【０００８】
高温側冷凍サイクル６ｂには、高温側圧縮機１ｂと、高温側圧縮機１ｂに冷媒配管を介して接続された高温側四方弁２ｂと、低温側冷凍サイクル６ｂの低温側冷媒と熱交換する中間熱交換器５と、高温側膨張装置４ｂと、利用側熱交換器７とが、順次冷媒配管で接続されており、高温側冷凍サイクル６ｂが構成されている。
さらに、高温側冷凍サイクル６ｂの冷媒配管は、高温側四方弁２ｂと中間熱交換器５の間、及び高温側膨張装置４ｂと中間熱交換器５の間でそれぞれ分岐しており、分岐部分の中間に水と高温側冷媒が熱交換する水熱交換器１３が中間熱交換器５に対して並列に接続されている。中間熱交換器５と水熱交換器１３の各々の一端側には、高温側冷媒の流れを制御するための中間熱交換器冷媒流量制御バルブ１２ａと水熱交換器冷媒流量制御バルブ１２ｂがそれぞれ設けられている。
また、水熱交換器１３には、排水を流通させる排水管９が接続されており、この排水管９内には工場施設などで発生した排水が流動しており、高温側冷媒と熱交換するようになっている。排水管９の水熱交換器１３の上流側には、排水管９内を流動する排水の温度を検知する水温検知手段である水温センサ１５が配置されて設けられている。
【０００９】
低温側冷凍サイクル６ａと高温側冷凍サイクル６ｂには、それぞれ特性の異なる冷媒が封入されている。
封入される冷媒の種類は二元冷凍サイクル装置１００の用途によって異なるが、例えば、利用側熱交換器７を水熱交換器とし９０℃近い湯を生成するための高温ヒートポンプ給湯機である場合、低温側冷凍サイクル６ａに使用される低温側冷媒に、R４１０Ａのような低外気温（―１５℃程度）においても良好な性能を有する作動冷媒が好ましく、高温側冷凍サイクル６ｂに用いられる高温側冷媒にはR１３４ａのような高温（９５℃程度）において良好な性能を有する作動冷媒が好ましい。
低温側冷凍サイクル６ａに使用される低温側冷媒と高温側冷凍サイクル６ｂの高温側冷媒は中間熱交換器５によって熱交換される。
【００１０】
利用側熱交換器７には、二元冷凍サイクル装置１００によって汲み上げられた熱を利用する熱利用機器へ供給するための利用側流体配管１８が接続されている。
利用側流体配管１８内には熱利用側機器へ熱を供給するための水やブラインなどが封入され、流通するようになっている。
利用側配管１８内には送流ポンプ１０によって送流される利用側流体が流動している。
【００１１】
二元冷凍サイクル装置１００には運転を制御するための電気部品箱２２が備えられている。電気部品箱２２には、運転制御手段である制御器２３が設けられている。制御器２３は、低温側圧縮機１ａ及び高温側圧縮機１ｂを駆動する図示しないインバータ回路と、低温側膨張装置４ａ及び高温側膨張装置４ｂの開度や、低温側四方弁２ａ及び高温側四方弁２ｂの切替えと、中間熱交換器冷媒流量制御バルブ１２ａ及び水熱交換器冷媒流量制御バルブ１２ｂの開度を制御する。これらインバータ回路及び制御器２３によって、低温側冷凍サイクル６ａと高温側冷凍サイクル６ｂは最適な運転条件で制御される。
【００１２】
二元冷凍サイクル装置１００に設けられた制御器２３には、図２のブロック図に示すように、水温センサ１５と、外気温度センサ１６と、中間熱交換器冷媒流量制御バルブ１２ａ及び水熱交換器冷媒流量制御バルブ１２ｂが接続されている。
ここで、中間熱交換器冷媒流量制御バルブ１２ａ及び水熱交換器冷媒流量制御バルブ１２ｂは制御器２３によって制御される。
【００１３】
水温センサ１５で検出される排水温度Ｔｗが外気温度Ｔｏ以下である場合（Ｔｗ−Ｔｏ≦０℃）の二元冷凍サイクル装置１００の運転時の冷媒の流れを図１に実線矢印で示す。
中間熱交換器冷媒流量制御バルブ１２ａを開放し水熱交換器冷媒流量制御バルブ１２ｂを閉鎖して、低温側冷凍サイクル６ａと高温側冷凍サイクル６ｂの両方を運転する。
まず、低温側冷凍サイクル６ａでは、低温側圧縮機１ａから低温側四方弁２ａ、中間熱交換器５の低温側流路、低温側膨張装置４ａ及び熱源側熱交換器３を順次通過し、低温側四方弁２ａから低温側圧縮機１ａへと戻る。
同様に高温側冷凍サイクル６ｂでは、高温側圧縮機１ｂで圧縮された高温側冷媒が、高温側四方弁２ｂ、利用側熱交換器７、高温側膨張装置４ｂ及び中間熱交換器５の高温側流路を順次通過し、高温側四方弁２ｂから高温側圧縮機１ｂへと戻る。
このとき、低温側冷媒は熱源側熱交換器３で蒸発し、中間熱交換器５の低温側流路で凝縮する。また、高温側冷媒は利用側熱交換器７において、利用側である利用側配管１８内を流動する水やブラインに温熱を供給して凝縮し、中間熱交換器５の高温側流路では高温側膨張装置４ｂによって減圧された液状の冷媒が蒸発し、蒸発熱として低温側冷媒の凝縮熱を吸収する。
【００１４】
次に、水熱交換器１３に流れ込む排水の温度Ｔｗが外気温度Ｔｏよりも１０℃以上高い場合（１０℃≦Ｔｗ−Ｔｏ）には、低温側冷凍サイクル６ａを停止させ、高温側冷凍サイクル６ｂのみを運転する。この時の高温側冷媒の流れを図１に破線矢印で示す。
制御器２３の指令により、中間熱交換器５に接続されている中間熱交換器冷媒流量制御バルブ１２ａを閉鎖し、水熱交換器１３に接続されている水熱交換器冷媒流量制御バルブ１２ｂを開放する。そして、低温側冷凍サイクルを停止させた状態で、高温側冷凍サイクルのみを運転する。
高温側冷媒は利用側熱交換器７において、利用側である利用側配管１８内の水に温熱を供給して凝縮し、高温側膨張装置４ｂによって減圧された液状の高温側冷媒は、水熱交換器１３内を流れる工場設備などで発生した排水の温熱を吸収して蒸発する。
【００１５】
次に、水熱交換器１３に流れ込む排水の温度Ｔｗと外気温度Ｔｏとの差が１０℃未満である場合（０℃＜Ｔｗ−Ｔａ＜１０℃）には、中間熱交換器冷媒流量制御バルブ１２ａ及び水熱交換器冷媒流量制御バルブ１２ｂの両方を開放し、低温側冷凍サイクル６ａと高温側冷凍サイクル６ｂの両方を運転する。この時、中間熱交換器５と水熱交換器１３の両方に高温側冷媒が流入する。
制御器２３の指令により、中間熱交換器冷媒流量制御バルブ１２ａ及び水熱交換器冷媒流量制御バルブ１２ｂの両方が所定量開放され、低温側冷凍サイクル６ａと高温側冷凍サイクル６ｂが運転される。中間熱交換器冷媒流量制御バルブ１２ａ及び水熱交換器冷媒流量制御バルブ１２ｂの開度は、水温センサ１５で検知される水熱交換器１３へ流入する排水温度によってきまる。即ち、水温センサ１５で検出される排水温度が高い場合には、中間熱交換器冷媒流量制御バルブ１２ａの開度を小さくし、水熱交換器冷媒流量制御バルブ１２ｂの開度を大きくして、水熱交換器１３へ流入する高温側冷媒の流量を大きくする。
【００１６】
水温センサ１５で検出される排水温度Ｔｗが外気温度Ｔｏ以下である場合（Ｔｗ−Ｔｏ≦０℃）には、低温側冷凍サイクル６ａと高温側冷凍サイクル６ｂの両方を運転するとともに、中間熱交換器冷媒流量制御バルブ１２ａの開度を全開にし、水熱交換器冷媒流量制御バルブ１２ｂを閉鎖して、中間熱交換器５へのみ高温側冷媒が流入するようにする。
【００１７】
上記のように、水温センサ１５で検知される熱交換器１３へ流入する排水の温度Ｔｗと外気温度センサ１６で検知される外気温度Ｔｏとの差によって、中間熱交換器５と水熱交換器１３に流入する高温側冷媒の流量を配分することで、低温側冷凍サイクル６ａの運転に要する運転エネルギーを最小限にとどめることができ、よりエネルギー効率の高い二元冷凍サイクル装置１００とすることができる。
【００１８】
上記第１の実施形態では、室外温度Ｔｏと排水の温度Ｔｗとの温度差が０℃から１０℃の範囲（０℃＜Ｔｗ−Ｔａ＜１０℃）で、中間熱交換器冷媒流量制御バルブ１２ａ及び水熱交換器冷媒流量制御バルブ１２ｂの開度を変化させる冷媒流れ制御手段を用いたが、使用される冷媒の種類や熱利用機器で必要とされる温度域によって温度差の条件は変更されて良い。
【００１９】
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置１００は、図３に示すように、第１の実施形態の二元冷凍サイクル装置１００同様に低温側冷凍サイクル６ａと高温側冷凍サイクル６ｂを備えている。
ここで、第１の実施形態の冷凍サイクル装置１００と異なる構成として、水熱交換器１３の接続形態がある。第２の実施形態の水熱交換器１３は、中間熱交換器５と高温側膨張弁４ｂの間で、中間熱交換器５に対して直列に配され、高温側冷凍サイクル６ｂの冷媒配管に接続されている。また、水熱交換器１３は排水が流動する排水管９に対して、流量制御三方バルブ１４と下流側分岐部１７を介して、並列に接続されており、流量制御三方バルブ１４の流路切り替えにより、排水が水熱交換器１３内を流動するか否かが制御されるようになっている。下流側分岐部１７の下流側には排水ポンプ８が設けられており、排水の流路にかかわらず排水が流動するように送流が行われる。
流量制御三方バルブ１４の上流側には水温センサ１５が設けられており、排水温度を検知するようになっており、図４のブロック図に示すように制御器２３に接続されている。この流量制御三方バルブ１４は制御器２３によって制御される。
【００２０】
上記のように構成された二元冷凍サイクル装置１００は以下のように運転される。
水温センサ１５により検知された排水温度Ｔｗが、熱源側熱交換器３に設けられた外気温度センサ１６で検出された外気温度Ｔｏ以下の場合、流量制御三方バルブ１４の流路が水熱交換器１３内に排水が流入しないように切り替えられる。そして、低温側冷凍サイクル６ａと高温側冷凍サイクル６ｂの両方を運転する。
まず、低温側冷凍サイクル７では、低温側圧縮機１から低温側四方弁２、中間熱交換器５の低温側流路、低温側膨張装置４及び熱源側熱交換器３を順次通過し、低温側四方弁２から低温側圧縮機１へと戻る。
同様に高温側冷凍サイクル６ｂでは、高温側圧縮機１ｂで圧縮された高温側冷媒が、高温側四方弁２ｂ、利用側熱交換器７、高温側膨張装置４ｂ、水熱交換器１３及び中間熱交換器５の高温側流路を順次通過し、高温側四方弁２ｂから高温側圧縮機１ｂへと戻る。
このとき、低温側冷媒は熱源側熱交換器３で蒸発し、中間熱交換器５の低温側で凝縮する。また、高温側冷媒は利用側熱交換器７において凝縮し、利用側である利用側配管１８内の水に温熱を供給する。中間熱交換器５の高温側では高温側膨張装置４ｂによって減圧された液状の冷媒が蒸発し、蒸発熱として低温側冷媒の凝縮熱を吸収する。
利用側配管１８内には送流ポンプ１０によって送流される利用側流体が流動している。
【００２１】
水温センサ１５により検知された排水温度Ｔｗが、熱源側熱交換器３に設けられた外気温度センサ１６で検出された外気温度Ｔｏよりも高い場合、流量制御三方バルブ１４の流路が水熱交換器１３内に排水が流入するように切り替えられる。そして、低温側冷凍サイクル６ａと高温側冷凍サイクル６ｂの両方を運転する。ここで、中間熱交換器５内には、水熱交換器１３内で蒸発しきれなかった高温側冷媒が流入している。低温側冷凍サイクル６ａでは、水熱交換器１３内で蒸発しきれなかった高温側冷媒を蒸発させるだけの温熱を供給するために、低出力での運転を行う。
水熱交換器１３内へ流入する排水の温度が充分に高く、水熱交換器１３のみで高温側冷媒が蒸発し切る場合には、低温側冷凍サイクル６ａの運転を停止する。
【００２２】
上記第１及び第２の実施形態の二元冷凍サイクル装置は、例えば工場設備などにおいて、温熱を供給するためのシステムとして使用される。一般的な工場設備では使用後の排水は、外気温度Ｔｏよりも１０℃以上高い温水であることがある。この温水は二元冷凍サイクル装置１００の高温側冷凍サイクルの熱源として利用可能な温度域であり、このような工場設備の排水温度を高温側冷凍サイクルの熱源として使用することで、低温側冷凍サイクルの運転を停止、又は弱めることができ、エネルギー効率が高く温熱を供給することができる。これにより、工場設備としてのエネルギー効率を高くすることができる。
【００２３】
本発明は、上記実施形態に限定されない。さらに、本発明の実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、本発明の実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００２４】
１ａ…低温側圧縮機、１ｂ…高温側圧縮機、２ａ…低温側四方弁、２ｂ…高温側四方弁、３…熱源側熱交換器、４ａ…低温側膨張装置、４ｂ…高温側膨張装置、５…中間熱交換器、６ａ…低温側冷凍サイクル、６ｂ…高温側冷凍サイクル、７…利用側熱交換器、８…排水ポンプ、９…排水管、１２ａ…中間熱交換器冷媒流量制御バルブ、１２ｂ…水熱交換器冷媒流量制御バルブ、１４…流量制御三方バルブ、１５…水温センサ、１６…室外空気温度センサ、１７…下流側分岐部、１８…利用側配管、２２…電気部品箱、２３…制御器、１００…二元冷凍サイクル装置
【図１】
2012215353.tif 000003
【図２】
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【図３】
2012215353.tif 000005
【図４】
2012215353.tif 000006