(57)【要約】【課題】暖房負荷が高い状況においても低元側圧縮機の圧縮不良を引き起こすこと無く、出力を上げることができる二元冷凍サイクル装置を提供する。【解決手段】二元冷凍サイクル装置１は、低元側冷凍サイクル６、高元側冷凍サイクル７と、低元側冷凍サイクル６及び高元側冷凍サイクル７の運転を制御する制御装置８を備え、低元側冷媒と高元側冷媒とをカスケード熱交換器１２にて熱交換させるものであって、カスケード熱交換器１２の出口と低元側膨張弁１８の入口の間の低元側冷媒と、高元側膨張弁３７を出た高元側冷媒とを熱交換させる過冷却器１６を備え、カスケード熱交換器１２における低元側冷媒の放熱と過冷却器１６における低元側冷媒の過冷却過程とが不連続となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低元側冷媒を圧縮する低元側圧縮機、カスケード熱交換器、低元側膨張弁、及び、蒸発器から冷媒回路が構成された低元側冷凍サイクルと、
高元側冷媒を圧縮する高元側圧縮機、利用側熱交換器、高元側膨張弁、及び、前記カスケード熱交換器から冷媒回路が構成された高元側冷凍サイクルと、
前記低元側冷凍サイクル及び前記高元側冷凍サイクルの運転を制御する制御装置を備え、
前記低元側冷媒と前記高元側冷媒とを前記カスケード熱交換器にて熱交換させる二元冷凍サイクル装置において、
前記カスケード熱交換器の出口と前記低元側膨張弁の入口の間の前記低元側冷媒と、前記高元側膨張弁を出た前記高元側冷媒とを熱交換させる過冷却器を備え、
前記カスケード熱交換器における前記低元側冷媒の放熱と前記過冷却器における前記低元側冷媒の過冷却過程とが不連続となることを特徴とする二元冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記カスケード熱交換器と前記過冷却器の間の前記低元側冷凍サイクルに、絞り装置を設けた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】
前記カスケード熱交換器と前記過冷却器の間の前記低元側冷凍サイクルに、気液分離器を設け、該気液分離器から液冷媒を流出させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の二元冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記過冷却器は、前記カスケード熱交換器の出口と前記低元側膨張弁の入口の間の前記低元側冷媒と、前記高元側膨張弁の出口と前記カスケード熱交換器の入口の間の前記高元側冷媒とを熱交換させることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちの何れかに記載の二元冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記高元側冷凍サイクルは、前記高元側膨張弁を出た前記高元側冷媒を、前記カスケード熱交換器に流した後、第２の高元側膨張弁を介して前記過冷却器に流す回路を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちの何れかに記載の二元冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記低元側冷媒はＲ７４４であり、前記高元側冷媒はＲ７４４よりも臨界温度が高い冷媒であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちの何れかに記載の二元冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記高元側冷媒は、Ｒ２９０、Ｒ６００ａ、Ｒ６００、Ｒ−Ｅ１７０のうちから選択されることを特徴とする請求項６に記載の二元冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記高元側冷媒は、Ｒ１２３４ｙｆ、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｅ）、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｚ）、Ｒ１２３３ｚｄのうちから選択されることを特徴とする請求項６に記載の二元冷凍サイクル装置。
【請求項９】
前記低元側冷凍サイクルは、前記蒸発器に外気を流通させる送風機と、前記低元側圧縮機の吐出冷媒圧力と吸込冷媒圧力を検出する低元側吐出圧力センサと低元側吸込圧力センサを備え、
前記制御装置は、前記低元側吐出圧力センサ及び低元側吸込圧力センサの出力に基づき、前記低元側圧縮機の圧縮比が２を下回らない所定値となるように前記低元側膨張弁、及び／又は、前記送風機を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項８のうちの何れかに記載の二元冷凍サイクル装置。
【請求項１０】
前記高元側冷凍サイクルは、前記利用側熱交換器を出た前記高元側冷媒と前記カスケード熱交換器を出た前記高元側冷媒とを熱交換させる内部熱交換器と、該内部熱交換器をバイパスするバイパス回路と、該バイパス回路に流す前記高元側冷媒の量を調整する流量調整弁と、前記高元側圧縮機の吐出冷媒温度を検出する高元側吐出温度センサを備え、
前記制御装置は、前記高元側吐出温度センサが検出する前記高元側圧縮機の吐出冷媒温度が所定値となるように前記流量調整弁を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項９のうちの何れかに記載の二元冷凍サイクル装置。
【請求項１１】
前記制御装置は、出力が不足すると判断した場合、前記カスケード熱交換器から出た前記高元側冷媒の全量を前記バイパス回路に流すことを特徴とする請求項１０に記載の二元冷凍サイクル装置。
【請求項１２】
前記高元側冷凍サイクルは、前記高元側圧縮機の吐出冷媒圧力と吸込冷媒圧力を検出する高元側吐出圧力センサと高元側吸込圧力センサを備え、
前記制御装置は、前記高元側吐出圧力センサ及び高元側吸込圧力センサの出力に基づき、前記高元側圧縮機の圧縮比が所定値以上となった場合、前記低元側膨張弁を制御して前記低元側冷媒の凝縮温度を上昇させることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のうちの何れかに記載の二元冷凍サイクル装置。
【請求項１３】
前記低元側冷凍サイクルは、前記低元側圧縮機を停止した状態で、自然循環により前記低元側冷媒を循環可能とされていることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のうちの何れかに記載の二元冷凍サイクル装置。
【請求項１４】
前記カスケード熱交換器及び前記過冷却器は、前記蒸発器より上方に配置されると共に、
前記低元側冷凍サイクルは、前記低元側圧縮機及び前記低元側膨張弁にそれぞれ並列に接続されたバイパス弁を備えたことを特徴とする請求項１３に記載の二元冷凍サイクル装置。
【請求項１５】
前記低元側冷凍サイクルは、前記低元側圧縮機及び前記低元側膨張弁にそれぞれ並列に接続されたバイパス装置を備え、
少なくとも一方の前記バイパス装置は、循環ポンプにて構成されていることを特徴とする請求項１３に記載の二元冷凍サイクル装置。
【請求項１６】
外気温度を検出する外気温度センサを備え、
前記制御装置は、前記外気温度センサが検出する外気温度が所定値以上である場合、前記低元側圧縮機を停止し、前記バイパス弁を開き、又は、前記バイパス装置を動作させることを特徴とする請求項１４又は請求項１５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】
本発明は、低元側冷凍サイクルと高元側冷凍サイクルとがカスケード接続された二元冷凍サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
寒冷地では従来より化石燃料を燃焼させる装置や電気ヒータ等の熱源で加熱した温水をパネル等に供給することで室内の暖房を行って来たが、省エネ化が叫ばれている昨今、熱源を蒸気圧縮冷凍サイクルによりヒートポンプ化することが望まれている。この蒸気圧縮冷凍サイクルで高温を作り出すものとして、二元冷凍サイクル装置が知られている。
【０００３】
このような二元冷凍サイクル装置は、高温側圧縮機と、高温側凝縮器と、高温側膨張装置と、カスケード熱交換器が冷媒配管で接続された高温側冷凍回路と、低温側圧縮機と、上記カスケード熱交換器と、低温側膨張装置と、低温側蒸発器が冷媒配管で接続された低温側冷凍回路を備え、高温側冷凍回路の冷媒と低温側冷凍回路の冷媒をカスケード熱交換器で熱交換させると共に、高温側凝縮器からの熱で温水を生成するものであった（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１９３９０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、室内の温度が低い暖房初期等の暖房負荷が大きい状況では、高温側圧縮機の回転数は上昇する。このとき、低温側圧縮機の回転数も上げられれば、低温側圧縮機の圧縮比を保ったままに二元冷凍サイクル装置の出力を上げることができるが、低温側圧縮機の能力に余裕が無く、既に回転数が最高に達している場合には、カスケード熱交換器における低温側冷凍回路の冷媒の凝縮温度が低下し、低温側圧縮機の圧縮比が低くなり過ぎて圧縮不良を引き起こすようになる問題があった。
【０００６】
本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、例えば暖房負荷が高い状況においても低元側圧縮機の圧縮不良を引き起こすこと無く、出力を上げることができる二元冷凍サイクル装置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】
【０００７】
本発明の二元冷凍サイクル装置は、低元側冷媒を圧縮する低元側圧縮機、カスケード熱交換器、低元側膨張弁、及び、蒸発器から冷媒回路が構成された低元側冷凍サイクルと、高元側冷媒を圧縮する高元側圧縮機、利用側熱交換器、高元側膨張弁、及び、カスケード熱交換器から冷媒回路が構成された高元側冷凍サイクルと、低元側冷凍サイクル及び高元側冷凍サイクルの運転を制御する制御装置を備え、低元側冷媒と高元側冷媒とをカスケード熱交換器にて熱交換させるものであって、カスケード熱交換器の出口と低元側膨張弁の入口の間の低元側冷媒と、高元側膨張弁を出た高元側冷媒とを熱交換させる過冷却器を備え、カスケード熱交換器における低元側冷媒の放熱と過冷却器における低元側冷媒の過冷却過程とが不連続となることを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明の二元冷凍サイクル装置は、上記発明においてカスケード熱交換器と過冷却器の間の低元側冷凍サイクルに、絞り装置を設けたことを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明の二元冷凍サイクル装置は、上記各発明においてカスケード熱交換器と過冷却器の間の低元側冷凍サイクルに、気液分離器を設け、この気液分離器から液冷媒を流出させることを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明の二元冷凍サイクル装置は、上記各発明において過冷却器は、カスケード熱交換器の出口と低元側膨張弁の入口の間の低元側冷媒と、高元側膨張弁の出口とカスケード熱交換器の入口の間の高元側冷媒とを熱交換させることを特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明の二元冷凍サイクル装置は、請求項１乃至請求項３の発明において高元側冷凍サイクルは、高元側膨張弁を出た高元側冷媒を、カスケード熱交換器に流した後、第２の高元側膨張弁を介して過冷却器に流す回路を有することを特徴とする。
【００１２】
請求項６の発明の二元冷凍サイクル装置は、上記各発明において低元側冷媒はＲ７４４であり、高元側冷媒はＲ７４４よりも臨界温度が高い冷媒であることを特徴とする。
【００１３】
請求項７の発明の二元冷凍サイクル装置は、上記発明において高元側冷媒は、Ｒ２９０、Ｒ６００ａ、Ｒ６００、Ｒ−Ｅ１７０のうちから選択されることを特徴とする。
【００１４】
請求項８の発明の二元冷凍サイクル装置は、請求項６の発明において高元側冷媒は、Ｒ１２３４ｙｆ、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｅ）、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｚ）、Ｒ１２３３ｚｄのうちから選択されることを特徴とする。
【００１５】
請求項９の発明の二元冷凍サイクル装置は、上記各発明において低元側冷凍サイクルは、蒸発器に外気を流通させる送風機と、低元側圧縮機の吐出冷媒圧力と吸込冷媒圧力を検出する低元側吐出圧力センサと低元側吸込圧力センサを備え、制御装置は、低元側吐出圧力センサ及び低元側吸込圧力センサの出力に基づき、低元側圧縮機の圧縮比が２を下回らない所定値となるように低元側膨張弁、及び／又は、送風機を制御することを特徴とする。
【００１６】
請求項１０の発明の二元冷凍サイクル装置は、上記各発明において高元側冷凍サイクルは、利用側熱交換器を出た高元側冷媒とカスケード熱交換器を出た高元側冷媒とを熱交換させる内部熱交換器と、この内部熱交換器をバイパスするバイパス回路と、このバイパス回路に流す高元側冷媒の量を調整する流量調整弁と、高元側圧縮機の吐出冷媒温度を検出する高元側吐出温度センサを備え、制御装置は、高元側吐出温度センサが検出する高元側圧縮機の吐出冷媒温度が所定値となるように流量調整弁を制御することを特徴とする。
【００１７】
請求項１１の発明の二元冷凍サイクル装置は、上記発明において制御装置は、出力が不足すると判断した場合、カスケード熱交換器から出た高元側冷媒の全量をバイパス回路に流すことを特徴とする。
【００１８】
請求項１２の発明の二元冷凍サイクル装置は、上記各発明において高元側冷凍サイクルは、高元側圧縮機の吐出冷媒圧力と吸込冷媒圧力を検出する高元側吐出圧力センサと高元側吸込圧力センサを備え、制御装置は、高元側吐出圧力センサ及び高元側吸込圧力センサの出力に基づき、高元側圧縮機の圧縮比が所定値以上となった場合、低元側膨張弁を制御して低元側冷媒の凝縮温度を上昇させることを特徴とする。
【００１９】
請求項１３の発明の二元冷凍サイクル装置は、上記各発明において低元側冷凍サイクルは、低元側圧縮機を停止した状態で、自然循環により低元側冷媒を循環可能とされていることを特徴とする。
【００２０】
請求項１４の発明の二元冷凍サイクル装置は、上記発明においてカスケード熱交換器及び過冷却器は、蒸発器より上方に配置されると共に、低元側冷凍サイクルは、低元側圧縮機及び低元側膨張弁にそれぞれ並列に接続されたバイパス弁を備えたことを特徴とする。
【００２１】
請求項１５の発明の二元冷凍サイクル装置は、請求項１３の発明において低元側冷凍サイクルは、低元側圧縮機及び低元側膨張弁にそれぞれ並列に接続されたバイパス装置を備え、少なくとも一方のバイパス装置は、循環ポンプにて構成されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項１６の発明の二元冷凍サイクル装置は、請求項１４又は請求項１５の発明において外気温度を検出する外気温度センサを備え、制御装置は、外気温度センサが検出する外気温度が所定値以上である場合、低元側圧縮機を停止し、バイパス弁を開き、又は、バイパス装置を動作させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、低元側冷媒を圧縮する低元側圧縮機、カスケード熱交換器、低元側膨張弁、及び、蒸発器から冷媒回路が構成された低元側冷凍サイクルと、高元側冷媒を圧縮する高元側圧縮機、利用側熱交換器、高元側膨張弁、及び、カスケード熱交換器から冷媒回路が構成された高元側冷凍サイクルと、低元側冷凍サイクル及び高元側冷凍サイクルの運転を制御する制御装置を備え、低元側冷媒と高元側冷媒とをカスケード熱交換器にて熱交換させる二元冷凍サイクル装置において、カスケード熱交換器の出口と低元側膨張弁の入口の間の低元側冷媒と、高元側膨張弁を出た高元側冷媒とを熱交換させる過冷却器を設け、カスケード熱交換器における低元側冷媒の放熱と過冷却器における低元側冷媒の過冷却過程とが不連続となるようにしたので、カスケード熱交換器における低元側冷媒の凝縮温度を維持したまま、過冷却器において低元側冷媒を過冷却し、外気からの吸熱量を増やして高元側冷凍サイクルに汲み上げられる熱量を増大させることができるようになる。
【００２４】
これにより、例えば暖房負荷が高い状況においても、カスケード熱交換器における低元側冷媒の凝縮温度の低下により低元側圧縮機の圧縮比が低下し、圧縮不良を引き起こす不都合を解消しながら、二元冷凍サイクル装置の出力を上げることができるようになる。
【００２５】
この場合、例えば請求項２の発明の如くカスケード熱交換器と過冷却器の間の低元側冷凍サイクルに、絞り装置を設けることで、カスケード熱交換器における低元側冷媒の放熱と過冷却器における低元側冷媒の過冷却過程とを不連続とすることができる。
【００２６】
また、請求項３の発明の如くカスケード熱交換器と過冷却器の間の低元側冷凍サイクルに、気液分離器を設け、この気液分離器から液冷媒を流出させるようにしてもカスケード熱交換器における低元側冷媒の放熱と過冷却器における低元側冷媒の過冷却過程とを不連続とすることができる。
【００２７】
また、請求項４の発明の如く過冷却器が、カスケード熱交換器の出口と低元側膨張弁の入口の間の低元側冷媒と、高元側膨張弁の出口とカスケード熱交換器の入口の間の高元側冷媒とを熱交換させるようにすれば、過冷却器で低元側冷媒から吸熱した後の高元側冷媒がカスケード熱交換器に流れることになるので、カスケード熱交換器での低元側冷媒の凝縮温度の低下に伴う低元側圧縮機の圧縮比の低下を効果的に防止することができるようになる。
【００２８】
他方、請求項５の発明の如く高元側冷凍サイクルに、高元側膨張弁を出た高元側冷媒を、カスケード熱交換器に流した後、第２の高元側膨張弁を介して過冷却器に流す回路を設けることで、高元側膨張弁によりカスケード熱交換器における高元側冷媒の蒸発温度を高くしながら、第２の高元側膨張弁により過冷却器での高温側冷媒による吸熱量を増大させることができるようになる。これにより、カスケード熱交換器での低元側冷媒の凝縮温度の低下に伴う低元側圧縮機の圧縮比の低下をより効果的に防止することができるようになる。
【００２９】
尚、請求項６の発明のＲ７４４は二元冷凍サイクル装置の低元側冷媒として最適な不燃性の自然系冷媒であり、高元側冷媒をＲ７４４よりも臨界温度が高い冷媒とすることで、円滑な二元冷凍サイクル装置の運転を実現することが可能となる。
【００３０】
この場合、請求項７の発明のＲ２９０、Ｒ６００ａ、Ｒ６００、又は、Ｒ−Ｅ１７０は二元冷凍サイクル装置の高元側冷凍サイクルの高元側冷媒として最適な自然系冷媒であり、請求項８の発明のＲ１２３４ｙｆ、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｅ）、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｚ）、又は、Ｒ１２３３ｚｄは二元冷凍サイクル装置の高元側冷凍サイクルの高元側冷媒として最適なＧＷＰが１、又は、１未満の冷媒である。
【００３１】
また、請求項９の発明によれば、上記各発明に加えて低元側冷凍サイクルが、蒸発器に外気を流通させる送風機と、低元側圧縮機の吐出冷媒圧力と吸込冷媒圧力を検出する低元側吐出圧力センサと低元側吸込圧力センサを備えており、制御装置が、低元側吐出圧力センサ及び低元側吸込圧力センサの出力に基づき、低元側圧縮機の圧縮比が２を下回らない所定値となるように低元側膨張弁、及び／又は、送風機を制御するようにしたので、低元側冷媒の凝縮温度の低下に伴って低元側圧縮機の圧縮比が小さくなり過ぎて圧縮不良を引き起こす不都合を確実に防止することができるようになる。
【００３２】
また、請求項１０の発明によれば、上記各発明に加えて高元側冷凍サイクルに、利用側熱交換器を出た高元側冷媒とカスケード熱交換器を出た高元側冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を設けたので、利用側熱交換器を出た高元側冷媒で高元側圧縮機に吸い込まれる高元側冷媒を加熱し、高元側圧縮機の吐出冷媒温度を上昇させて二元冷凍サイクル装置のＣＯＰを向上させることができるようになる。
【００３３】
特に、高元側冷凍サイクルに、内部熱交換器をバイパスするバイパス回路と、このバイパス回路に流す高元側冷媒の量を調整する流量調整弁と、高元側圧縮機の吐出冷媒温度を検出する高元側吐出温度センサを設け、制御装置が、高元側吐出温度センサが検出する高元側圧縮機の吐出冷媒温度が所定値となるように流量調整弁を制御するようにしたので、高元側圧縮機の吐出冷媒温度が高くなり過ぎることも防止することができるようになる。
【００３４】
また、請求項１１の発明の如く制御装置が、二元冷凍サイクル装置の出力が不足すると判断した場合、カスケード熱交換器から出た高元側冷媒の全量をバイパス回路に流すことで、出力を増大させることができるようになる。
【００３５】
また、請求項１２の発明の如く高元側冷凍サイクルが、高元側圧縮機の吐出冷媒圧力と吸込冷媒圧力を検出する高元側吐出圧力センサと高元側吸込圧力センサを備え、制御装置が、高元側吐出圧力センサ及び高元側吸込圧力センサの出力に基づき、高元側圧縮機の圧縮比が所定値以上となった場合、低元側膨張弁を制御して低元側冷媒の凝縮温度を上昇させるようにすれば、高元側冷媒の蒸発温度を上げて、それ以上、高元側圧縮機の圧縮比が高くなることを防止することができるようになる。
【００３６】
また、請求項１３の発明によれば、上記各発明に加えて低元側冷凍サイクルを、低元側圧縮機を停止した状態で、自然循環により低元側冷媒を循環可能としたので、例えば外気温度（低温側）と暖房負荷（高温側）の温度差が小さい場合に、低元側圧縮機を停止し、低元側冷凍サイクル内に低元側冷媒を自然に、又は、循環ポンプ等で循環させるようにすることで、ＣＯＰを向上させることができるようになる。
【００３７】
この場合、請求項１４の発明の如くカスケード熱交換器及び過冷却器を、蒸発器より上方に配置すると共に、低元側冷凍サイクルに、低元側圧縮機及び低元側膨張弁にそれぞれ並列に接続されたバイパス弁を設ければ、このバイパス弁を開くことにより、低元側冷凍サイクル内に低元側冷媒を円滑に自然循環させることができるようになる。
【００３８】
他方、請求項１５の発明の如く低元側冷凍サイクルに、低元側圧縮機及び低元側膨張弁にそれぞれ並列に接続されたバイパス装置を設け、少なくとも一方のバイパス装置を、循環ポンプにて構成すれば、カスケード熱交換器及び過冷却器と、蒸発器間の高低差がとれない場合にも、低元側圧縮機を停止した状態で、低元側冷凍サイクル内に低元側冷媒を支障無く循環させることができるようになる。
【００３９】
特に、請求項１６の発明の如く外気温度を検出する外気温度センサを設け、制御装置が、外気温度センサが検出する外気温度が所定値以上である場合、低元側圧縮機を停止し、バイパス弁を開き、又は、バイパス装置を動作させることで、低元側圧縮機による低元側冷媒の強制循環と、自然循環又は循環ポンプによる循環を的確に切り換え、ＣＯＰを向上させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明を適用した実施例の二元冷凍サイクル装置の冷媒回路図である（実施例１）。
【図２】図１の二元冷凍サイクル装置のＴ−Ｈ線図である。
【図３】図１の二元冷凍サイクル装置のもう一つのＴ−Ｈ線図である。
【図４】本発明の他の実施例の二元冷凍サイクル装置の冷媒回路図である（実施例２）。
【図５】本発明のもう一つの他の実施例の二元冷凍サイクル装置の冷媒回路図である（実施例３）。
【図６】本発明の更にもう一つの他の実施例の二元冷凍サイクル装置の冷媒回路図である（実施例４）。
【図７】図６の二元冷凍サイクル装置のＴ−Ｈ線図である。
【図８】図６の二元冷凍サイクル装置のもう一つのＴ−Ｈ線図である。
【図９】図６の二元冷凍サイクル装置の更にもう一つのＴ−Ｈ線図である。
【図１０】本発明の更にもう一つの他の実施例の二元冷凍サイクル装置の冷媒回路図である（実施例５）。
【図１１】本発明の更にもう一つの他の実施例の二元冷凍サイクル装置の冷媒回路図である（実施例６）。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づき詳細に説明する。
【実施例１】
【００４２】
図１は本発明を適用した一実施例の二元冷凍サイクル装置１の冷媒回路図である。実施例の二元冷凍サイクル装置１は、暖房負荷となる例えば暖房パネル（パネルコンベクターやパネルヒータ等）２に温水を循環させて室内を暖房するヒートポンプ式暖房装置である。
【００４３】
二元冷凍サイクル装置１は、相互にカスケード接続された低元側冷凍サイクル６及び高元側冷凍サイクル７と、各冷凍サイクル６、７を制御する制御装置８と、上記暖房パネル２等から構成されている。低元側冷凍サイクル６は、低元側冷媒を圧縮するスクロール圧縮機から成る低元側圧縮機１１と、カスケード熱交換器１２の低元側流路１３と、絞り装置としての中間膨張弁１４と、過冷却器１６の低元側流路１７と、低元側膨張弁１８と、蒸発器１９を順次環状に接続して冷媒回路が構成されている。
【００４４】
即ち、低元側圧縮機１１の吐出側が冷媒配管２１を介してカスケード熱交換器１２の低元側流路１３の入口に接続され、この低元側流路１３の出口が冷媒配管２２を介して中間膨張弁１４の入口に接続され、この中間膨張弁１４の出口が冷媒配管２３を介して過冷却器１６の低元側流路１７の入口に接続され、この低元側流路１７の出口が冷媒配管２４を介して低元側膨張弁１８の入口に接続され、この低元側膨張弁１８の出口が冷媒配管２６を介して蒸発器１９の入口に接続され、この蒸発器１９の出口が冷媒配管２７を介して低元側圧縮機１１の吸込側に接続されている。
【００４５】
そして、この低元側冷凍サイクル６には、低元側冷媒としてＲ７４４（二酸化炭素）が所定量封入されている。このＲ７４４の臨界温度は＋３１．０℃、三重点は−５６．６℃、ＧＷＰは１であり、二元冷凍サイクル装置１の低元側冷媒として最適な不燃性の自然系冷媒である。また、この低元側冷凍サイクル６には、蒸発器１９に外気を流通（通風）させるための送風機２８が設けられている。更に、低元側冷凍サイクル６には、低元側圧縮機１１の吐出冷媒圧力及び吸込冷媒圧力をそれぞれ検出する低元側吐出圧力センサ６６、低元側吸込圧力センサ６７が設けられている。
【００４６】
また、高元側冷凍サイクル７は、高元側冷媒を圧縮するスクロール圧縮機から成る高元側圧縮機３１と、利用側熱交換器３２の高元側流路３３と、内部熱交換器３４の高圧側流路３６と、高元側膨張弁３７と、過冷却器１６の高元側流路３８と、カスケード熱交換器１２の高元側流路３９と、流量調整弁４１と、内部熱交換器３４の低圧側流路５２を順次環状に接続して冷媒回路が構成されている。
【００４７】
即ち、高元側圧縮機３１の吐出側が冷媒配管４２を介して利用側熱交換器３２の高元側流路３３の入口に接続され、この高元側流路３３の出口が冷媒配管４３を介して内部熱交換器３４の高圧側流路３６の入口に接続され、この高圧側流路３６の出口が冷媒配管４４を介して高元側膨張弁３７の入口に接続され、この高元側膨張弁３７の出口が冷媒配管４６を介して過冷却器１６の高元側流路３８の入口に接続され、この高元側流路３８の出口が冷媒配管４７を介してカスケード熱交換器１２の高元側流路３９の入口に接続され、この高元側流路３９の出口が冷媒配管４８を介して流量調整弁４１の入口に接続され、この流量調整弁４１の一方の出口が冷媒配管５１を介して内部熱交換器３４の低圧側流路５２の入口に接続され、この低圧側流路５２の出口は冷媒配管５３を介して高元側圧縮機３１の吸込側に接続されている。
【００４８】
流量調整弁４１の他方の出口は、内部熱交換器３４の低圧側流路５２をバイパスするためのバイパス回路４９を介して冷媒配管５３に接続されている。内部熱交換器３４は利用側熱交換器３２を出て高元側流路３６を流れる高元側冷媒と、カスケード熱交換器１２の高元側流路３９を出て流量調整弁４１から低元側流路５２を流れる高元側冷媒とを熱交換させるものであり、流量調整弁４１は制御装置８によって制御され、冷媒配管５１とバイパス回路４９に高元側冷媒を分流し、且つ、その分配量を０〜１００％の間でリニアに調整するもので、冷媒配管５１に１００％流す状態ではカスケード熱交換器１２の高元側流路３９を出た高元側冷媒の全てを内部熱交換器３４の高元側流路５２に流し、バイパス回路４９に１００％流す状態では高元側流路３９を出た高元側冷媒の全てをバイパス回路４９に流す。それにより、内部熱交換器３４で高圧側の高元側冷媒により低圧側の高元側冷媒が加熱される度合いが調整されることになる。
【００４９】
また、カスケード熱交換器１２は低元側圧縮機１１の吐出側と中間膨張弁１４の入口の間の低元側流路１３を流れる低元側冷媒と、過冷却器１６の高元側流路３８の出口と流量調整弁４１の入口の間の高元側流路３９を流れる高元側冷媒とを熱交換させるものである。また、過冷却器１６はカスケード熱交換器１２の低元側流路１７の出口にある中間膨張弁１４の出口と低元側膨張弁１８の入口の間の低元側流路１７を流れる低元側冷媒と、高元側膨張弁３７の出口とカスケード熱交換器１２の高元側流路３９の入口の間の高元側流路３８を流れる高元側冷媒（即ち、高元側冷凍サイクル７の低圧側の高元側冷媒）とを熱交換させるものである。従って、この過冷却器１６は第２のカスケード熱交換器と云うこともできる。
【００５０】
そして、この高元側冷凍サイクル７には、実施例の低元側冷媒であるＲ７４４よりも臨界温度が高い冷媒が高元側冷媒として所定量封入されている。この高元側冷媒は、例えばＲ２９０（プロパン）、Ｒ６００ａ（イソブタン）、Ｒ６００（ブタン）、Ｒ−Ｅ１７０（ジメチルエーテル）から選択される。Ｒ２９０の臨界温度は＋９６．４℃、沸点は−４２．１℃、ＧＷＰは３、Ｒ６００ａの臨界温度は＋１３４．７℃、沸点は−１１．７℃、ＧＷＰは３、Ｒ６００の臨界温度は＋１５２．０℃、沸点は−０．５℃、ＧＷＰは４、Ｒ−Ｅ１７０の臨界温度は＋１２７．２℃、沸点は−２４．８℃、ＧＷＰは１であり、二元冷凍サイクル装置１の高元側冷媒として最適な自然系冷媒である。
【００５１】
尚、高元側冷媒は、例えばＲ１２３４ｙｆ、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｅ）、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｚ）、Ｒ１２３３ｚｄから選択しても良い。Ｒ１２３４ｙｆの臨界温度は＋９４．７℃、沸点は−２９．５℃、ＧＷＰは１未満、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｅ）の臨界温度は＋１０９．４℃、沸点は−１９．０℃、ＧＷＰは１未満、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｚ）の臨界温度は＋１５０．１℃、沸点は＋９．７℃、ＧＷＰは１未満、Ｒ１２３３ｚｄの臨界温度は＋１６５．６℃、沸点は＋１８．３℃、ＧＷＰは１であり、二元冷凍サイクル装置１の高元側冷媒として最適なＧＷＰが１、又は、１未満の冷媒である。
【００５２】
また、高元側冷凍サイクル７には、高元側圧縮機３１の吐出冷媒温度を検出する高元側吐出温度センサ５４と、高元側圧縮機３１の吐出冷媒圧力及び吸込冷媒圧力をそれぞれ検出する高元側吐出圧力センサ５６、高元側吸込圧力センサ５７が設けられている。また、５８は外気温度を検出する外気温度センサである。
【００５３】
一方、暖房パネル２には利用側熱交換器３２の温水流路６１と温水循環ポンプ６２が順次接続された温水循環回路６３が接続されている。利用側熱交換器３２では温水流路６１を流れる温水が高元側流路３３を流れる高温の高元側冷媒により加熱される。この温水流路６１で加熱された温度の高い温水が、温水循環ポンプ６２によって暖房パネル２に循環されることで室内が暖房されることになる。
【００５４】
（１）二元冷凍サイクル装置１の動作
以上の構成で、次に実施例の二元冷凍サイクル装置１の動作を説明する。制御装置８は高元側吐出温度センサ５４、高元側吐出圧力センサ５６、高元側吸込圧力センサ５７、低元側吐出圧力センサ６６、低元側吸込圧力センサ６７、外気温度センサ５８の各出力に基づき、低元側圧縮機１１及び高元側圧縮機３１の回転数を制御し、送風機２８及び温水循環ポンプ６２の運転を制御する。また、低元側膨張弁１８及び高元側膨張弁３７、中間膨張弁１４の弁開度を制御すると共に、流量調整弁４１による高元側冷媒の分配流量を前述した如く調整する。
【００５５】
低元側圧縮機１１で圧縮されて吐出された高温高圧の低元側冷媒は、カスケード熱交換器１２の低元側流路１３に流入し、そこで高元側流路３９を流れる高元側冷媒を加熱すると共に、自らは放熱して冷却され、一部は凝縮して気液二相状態となる。カスケード熱交換器１２の低元側流路１３を出た低元側冷媒は、中間膨張弁１４で絞られた後、次に過冷却器１６の低元側流路１７に流入し、そこで高元側流路３８を流れる高元側冷媒を加熱すると共に、自らは放熱して過冷却される。
【００５６】
この過冷却器１６の低元側流路を出た低元側冷媒は、低元側膨張弁１８で絞られた後、蒸発器１９に流入して蒸発する。そこで、低元側冷媒は送風機２８により通風される外気から吸熱し、低元側圧縮機１１に吸い込まれる循環を繰り返す。
【００５７】
一方、高元側圧縮機３１で圧縮されて吐出された高温高圧の高元側冷媒は、利用側熱交換器３２の高元側流路３３に流入し、そこで温水流路６１を流れる温水（水）を加熱すると共に、自らは放熱して凝縮する。利用側熱交換器３２の高元側流路３３を出た高元側冷媒は内部熱交換器３４の高圧側流路３６に入り、そこで低圧側流路５２を流れる低温の高元側冷媒を加熱した後、高元側膨張弁３７に流入する。
【００５８】
高元側膨張弁３７に流入した高元側冷媒はそこで絞られた後、過冷却器１６の高元側流路３８に入り、そこで蒸発して低元側流路１７を流れる低元側冷媒から吸熱する。この過冷却器１６の高元側流路３８を出た高元側冷媒は、次にカスケード熱交換器１２の高元側流路３９に流入し、そこでも蒸発して低元側流路１３を流れる低元側冷媒から吸熱する。
【００５９】
このカスケード熱交換器１２の高元側流路３９から出た高元側冷媒は、流量調整弁４１で分流され、バイパス回路４９に流れたものはそのまま高元側圧縮機３１に吸い込まれる。一方、内部熱交換器３４の低圧側流路５２に流れたものはそこで高圧側流路３６を流れる高元側冷媒により加熱された後、高元側圧縮機３１に吸い込まれる循環を繰り返す。
【００６０】
これにより、低元側冷凍サイクル６の蒸発器１９で外気から汲み上げられた熱がカスケード熱交換器１２及び過冷却器１６で高元側冷凍サイクル７に汲み上げられ、温水循環回路６３を介して暖房パネル２による暖房に供されることになる。
【００６１】
制御装置８は、室内の温度が低い暖房初期（暖房負荷が高い）には高元側圧縮機３１及び低元側圧縮機１１の回転数を上昇させ、二元冷凍サイクル装置１の出力を増大させて高温の温水を生成し、温水循環ポンプ６２により暖房パネル２に循環させる。この状態で、二元冷凍サイクル装置１は出力優先のモードとなる。また、室内の温度が高くなると（暖房負荷が低い）、高元側圧縮機３１及び低元側圧縮機１１の回転数を低下させる。これにより、ＣＯＰが向上するので、この状態で二元冷凍サイクル装置１はＣＯＰ優先のモードとなる。
【００６２】
図２は上記ＣＯＰ優先のモードであるときの二元冷凍サイクル装置１のＴ−Ｈ線図を示し、図３は出力優先のモードであるときの二元冷凍サイクル装置１のＴ−Ｈ線図を示している。尚、何れも外気温度が−１０℃の場合であり、各図中のＬ１は高元側冷媒（Ｒ１２３４ｙｆ）の動作点、Ｌ２は低元側冷媒（Ｒ７４４）の動作点、Ｌ３は高元側冷媒の飽和線、Ｌ４は低元側冷媒の飽和線である。
【００６３】
各図中Ａ−Ｂは利用側熱交換器３２の高元側流路３３での放熱、Ｂ−Ｃは内部熱交換器３４の高圧側流路３６での放熱、Ｃ−Ｄは高元側膨張弁３７での膨張過程、Ｄ−Ｅは過冷却器１６の高元側流路３８及びカスケード熱交換器１２の高元側流路３９での吸熱、Ｅ−Ｆは内部熱交換器３４の低圧側流路５２での吸熱、Ｆ−Ａは高元側圧縮機３１での圧縮加熱を示す。また、ａ−ｂはカスケード熱交換器１２の低元側流路１３での放熱、ｂ−ｃは過冷却器１６の低元側流路１７での過冷却過程、ｃ−ｄは低元側膨張弁１８での膨張過程、ｄ−ｅは蒸発器１９での外気からの吸熱、ｅ−ａは低元側圧縮機１１での圧縮加熱を示している。
【００６４】
高元側圧縮機３１の回転数が低い図２のＣＯＰ優先のモードの状態では、過冷却器１６での低元側冷媒の過冷却は殆ど行われず０Ｋとなる（ｂ＝ｃ）。一方、高元側圧縮機３１の回転数が高い図３の出力優先のモードの状態では過冷却器１６で低元側冷媒はｂ−ｃの如く過冷却され（実施例では過冷却１９．３Ｋ）、その分ｄ−ｅのエンタルピ差が大きくなり、低元側圧縮機１１の回転数をこれ以上上げられず、低元側冷凍サイクル６の冷媒循環量が図２のときと同じであっても、外気からの吸熱量が大きくなり、高元側冷凍サイクル７に汲み上げられる熱量も大きくなって利用側熱交換器３２における二元冷凍サイクル装置１の出力が増加することになる。
【００６５】
（２）中間膨張弁１４の機能
この場合、低元側冷凍サイクル６では、カスケード熱交換器１２の低元側流路１３と過冷却器１６の低元側流路１７の間に、中間膨張弁１４が存在していることにより、過冷却器１６の低元側流路１７での低元側冷媒の過冷却過程と、カスケード熱交換器１２の低元側流路１３での低元側冷媒の放熱が不連続となる。これにより、カスケード熱交換器１２における低元側冷媒の凝縮温度を維持したまま、過冷却器１６において低元側冷媒を過冷却し、外気からの吸熱量を増やして高元側冷凍サイクル７に汲み上げられる熱量を増大させることができるようになる。
【００６６】
即ち、図３の如く暖房負荷が高い状況において、低元側圧縮機１１の回転数を上げられない状況においても、カスケード熱交換器１２における低元側冷媒の凝縮温度の低下により低元側圧縮機１１の圧縮比が低下することを防止することができる。ここで、低元側圧縮機１１の圧縮比が低下すると、実施例の如くスクロール圧縮機で低元側圧縮機１１を構成している場合には、可動スクロールを固定スクロールに押し付ける力が不足して圧縮不良を引き起こすようになるが、本発明では係る圧縮不良の発生を防止しながら、二元冷凍サイクル装置１の出力を上げることができるようになる。
【００６７】
特に、この実施例では過冷却器１６は、カスケード熱交換器１２の低元側流路１３の出口の下流側の中間膨張弁１４の出口と低元側膨張弁１８の入口の間の低元側冷媒と、高元側膨張弁３７の出口とカスケード熱交換器１２の高元側流路３９の入口の間の高元側冷媒とを熱交換させるので、過冷却器１６で低元側冷媒から吸熱した後の高元側冷媒がカスケード熱交換器１２に流れることになり、カスケード熱交換器１２での低元側冷媒の凝縮温度の低下に伴う低元側圧縮機１１の圧縮比の低下を効果的に防止することができるようになる。
【００６８】
（３）低元側圧縮機１１の圧縮比制御
また、制御装置８は、低元側吐出圧力センサ６６が検出する低元側圧縮機１１の吐出冷媒圧力と、低元側吸込圧力センサ６７が検出する低元側圧縮機１１の吸込冷媒圧力に基づき、低元側圧縮機１１の圧縮比を検出している。そして、制御装置８は、低元側圧縮機１１の圧縮比が２を下回らない所定値となるように低元側膨張弁１８、及び／又は、送風機２８を制御する。即ち、低元側圧縮機１１の圧縮比が上記所定値より低下する場合、低元側膨張弁１８の弁開度を縮小して絞り、及び／又は、送風機２８の回転数を低下させて、それ以上の圧縮比の低下を阻止し、所定より上昇する場合は低元側膨張弁１８の弁開度を拡大し、及び／又は、送風機２８の回転数を上昇させる。
【００６９】
このように制御装置８は、低元側圧縮機１１の圧縮比が２を下回らない所定値となるように低元側膨張弁１８、及び／又は、送風機２８を制御するので、低元側冷媒の凝縮温度の低下に伴って低元側圧縮機１１の圧縮比が小さくなり過ぎて圧縮不良を引き起こす不都合を確実に防止することができるようになる。
【００７０】
（４）高元側圧縮機３１の圧縮比制御
また、制御装置８は、高元側吐出圧力センサ５６が検出する高元側圧縮機３１の吐出冷媒圧力と、高元側吸込圧力センサ５７が検出する高元側圧縮機３１の吸込冷媒圧力に基づき、高元側圧縮機３１の圧縮比を検出している。そして、制御装置８は、高元側圧縮機３１の圧縮比が所定値以上（所定の高い値以上）となった場合、低元側膨張弁１８を制御して、カスケード熱交換器１２や過冷却器１６における低元側冷媒の凝縮温度を上昇させる。これにより、過冷却器１６の高元側流路３８やカスケード熱交換器１２の高元側流路３９における高元側冷媒の蒸発温度が上がるので、それ以上、高元側圧縮機３１の圧縮比は高くならなくなり、高元側圧縮機３１を保護することができるようになる。
【００７１】
（５）流量調整弁４１の制御
ここで、前述した如く高元側冷凍サイクル７には利用側熱交換器３２の高元側流路３３を出た高元側冷媒とカスケード熱交換器１２の高元側流路３９を出た高元側冷媒とを熱交換させる内部熱交換器３４を設けている。そして、流量調整弁４１でカスケード熱交換器１２の高元側流路３９から出た高元側冷媒を、内部熱交換器３４の低圧側流路５２に流す状態では、利用側熱交換器３２を出て高圧側流路３６を流れる高元側冷媒で高元側圧縮機３１に吸い込まれる高元側冷媒を加熱し、高元側圧縮機３１の吐出冷媒温度を上昇させて二元冷凍サイクル装置１のＣＯＰを向上させることができるようになる。
【００７２】
また、高元側冷凍サイクル７には、内部熱交換器３４の低圧側流路５２をバイパスするバイパス回路４９と、このバイパス回路４９に流す高元側冷媒の量を調整可能な流量調整弁４１が設けられており、制御装置８は、高元側吐出温度センサ５４が検出する高元側圧縮機３１の吐出冷媒温度に基づき、この吐出冷媒温度が所定値（例えば、＋１２０℃等）となるように流量調整弁４１を制御する。
【００７３】
即ち、高元側圧縮機３１の吐出冷媒温度が所定値より高くなる場合、制御装置８は流量調整弁４１により、バイパス回路４９に流す高元側冷媒の量を増やし、内部熱交換器３４で低圧側の高元側冷媒が加熱される量を減少させる。逆に、所定値より低くなる場合は、流量調整弁４１によりバイパス回路４９に流す高元側冷媒の量を減らし、内部熱交換器３４で低圧側の高元側冷媒が加熱される量を増やす。これにより、高元側圧縮機３１の吐出冷媒温度が高くなり過ぎることも防止する。
【００７４】
一方、１００％の量の高元側冷媒をバイパス回路４９に流し、内部熱交換器３４の低圧側流路５２には流さないようにすると、ＣＯＰは悪化するものの、利用側熱交換器３２における出力は向上する。そこで、制御装置８は、上述した如く高元側圧縮機３１の吐出冷媒温度を制御している状態で、過冷却度を最大値に上昇させても利用側熱交換器３２における出力が不足すると判断した場合、カスケード熱交換器１２の高元側流路３９から出た高元側冷媒の全量をバイパス回路４９に流すようにする。これにより、二元冷凍サイクル装置１の出力を増大させる。
【実施例２】
【００７５】
次に、図４は本発明の二元冷凍サイクル装置１の他の実施例を示している。尚、この図において図１中と同一符号で示すものは同一若しくは同様の機能を奏するものとして説明を省略する。この実施例の場合、図１中の中間膨張弁１４に代えて、気液分離器６８を用いている。即ち、この実施例では低元側流路１３の出口が冷媒配管２２を介して気液分離器６８の入口に接続され、この気液分離器６８の液出口が冷媒配管２３を介して過冷却器１６の低元側流路１７の入口に接続されている。
【００７６】
そして、カスケード熱交換器１２の低元側流路１３を出た気液二相の低元側冷媒が気液分離器６８に入り、そこで、気液分離された後、液冷媒が流出して過冷却器１６の低元側流路１７に流入するように構成している。このように、カスケード熱交換器１２の低元側流路１３と過冷却器１６の低元側流路１７の間に気液分離器６８を設け、この気液分離器６８から液冷媒を流出させるようにしても、カスケード熱交換器１２の低元側流路１３における低元側冷媒の放熱と過冷却器１６の低元側流路１７における低元側冷媒の過冷却過程とを不連続とすることができる。
【実施例３】
【００７７】
次に、図５は本発明の二元冷凍サイクル装置１の更に他の実施例を示している。尚、この図においても図１及び図４中と同一符号で示すものは同一若しくは同様の機能を奏するものとする。この実施例の場合、図１の中間膨張弁１４と図４の気液分離器６８の双方を用いている。即ち、この実施例では低元側流路１３の出口が冷媒配管２２を介して先ず気液分離器６８の入口に接続され、この気液分離器６８の液出口が冷媒配管６９を介して中間膨張弁１４の入口に接続され、中間膨張弁１４の出口が冷媒配管２３を介して過冷却器１６の低元側流路１７の入口に接続されている。
【００７８】
そして、この場合もカスケード熱交換器１２の低元側流路１３を出た気液二相の低元側冷媒が気液分離器６８に入り、そこで、気液分離された後、液冷媒が流出して中間膨張弁１４に入り、そこで絞られた後、過冷却器１６の低元側流路１７に流入するように構成している。このように、カスケード熱交換器１２の低元側流路１３と過冷却器１６の低元側流路１７の間に気液分離器６８と中間膨張弁１４を設け、気液分離器６８から液冷媒を流出させ、中間膨張弁１４で絞るようにしても、カスケード熱交換器１２の低元側流路１３における低元側冷媒の放熱と過冷却器１６の低元側流路１７における低元側冷媒の過冷却過程とを不連続とすることができる。尚、図５では気液分離器６８が低元側冷媒の流れにおける上流側に、中間膨張弁１４が下流側に位置しているが、その逆でもよい。
【実施例４】
【００７９】
次に、図６は本発明の二元冷凍サイクル装置１の更に他の実施例を示している。尚、この図において図４中と同一符号で示すものは同一若しくは同様の機能を奏するものとする。この実施例では低元側冷凍サイクル６に、冷媒配管２７と冷媒配管２１に渡って接続されて低元側圧縮機１１をバイパスするバイパス配管７１と、このバイパス配管７１中に接続されたバイパス弁７２と、冷媒配管２４と冷媒配管２６に渡って接続されて低元側膨張弁１８をバイパスするバイパス配管７３と、このバイパス配管７３中に接続されたバイパス弁７４が設けられいる。
【００８０】
そして、カスケード熱交換器１２及び過冷却器１６は、蒸発器１９よりも天地方向における上方に配置されている。これにより、各バイパス弁７２、７４を開けば、低元側圧縮機１１を停止した状態でも、蒸発器１９で送風機２８による外気の通風で温められた低元側冷媒は、バイパス配管７１を通って上昇し、カスケード熱交換器１２の低元側流路１３、気液分離器６８、過冷却器１６の低元側流路１７へ流れて放熱し、冷却されてバイパス配管７４を降下し、蒸発器１９に戻るようになる。即ち、低元側冷凍サイクル６内を低元側冷媒が円滑に自然循環することができるように構成されている（ループ式サイフォン）。
【００８１】
ここで、外気温度が高くなり、利用側熱交換器３２で加熱する温水との温度差が小さくなると、二元冷凍サイクル装置１は低温側の外気から熱を汲み上げ、高温側の温水に渡すものであるため、低元側冷凍サイクル６で発生させた低元側冷媒の高温を、低温で高元側冷凍サイクル７が汲み上げる状況となって、熱の有効利用が成されなくなり、所謂単元の冷凍サイクルで外気から熱を汲み上げる場合に対してＣＯＰが悪化してしまうようになる。
【００８２】
図７は外気温度が＋７℃のときの前述した図２に対応するＴ−Ｈ線図、図８は同じく外気温度が＋７のときの前述した図３に対応するＴ−Ｈ線図である（但し、図８の低元側冷媒の過冷却は２２．１Ｋ）。他方、図９は各バイパス弁７２、７４を開き、低元側圧縮機１１を停止して低元側冷凍サイクル６内を低元側冷媒が自然循環するようにした場合のＴ−Ｈ線図である。尚、この場合ａ−ｂはカスケード熱交換器１２の低元側流路１３での放熱、ｂ−ｃは過冷却器１６の低元側流路１７での過冷却過程、ｃ−ｄは自重分の僅かな圧力差、ｄ−ｅは蒸発器１９での外気からの吸熱を示す。このように外気温度が高い場合、図９で示す高元側冷媒の動作点は図８で示す場合と殆ど変わらなくなり、低元側圧縮機１１を停止する分、図９の場合の方がＣＯＰが向上することになる。
【００８３】
そこで、この実施例で制御装置８は、外気温度センサ５８が検出する外気温度が所定値（例えば、上述した＋７℃等）以上の高い環境である場合、低元側圧縮機１１を停止し、バイパス弁７２、７４を開いて低元側冷凍サイクル６内に低元側冷媒を自然循環させるようにする。これにより、二元冷凍サイクル装置１のＣＯＰを向上させることができるようになる。
【００８４】
特に、外気温度センサ５８が検出する外気温度が所定値以上である場合に制御装置８が低元側圧縮機１１を停止し、バイパス弁７２、７４を開くので、低元側圧縮機１１による低元側冷媒の強制循環と、自然循環を的確に切り換えてＣＯＰを向上させることができるようになる。
【実施例５】
【００８５】
ここで、カスケード熱交換器１２及び過冷却器１６と蒸発器１９の高低差がとれない場合は、例えば、図１０に示す如く図６のバイパス弁７４に代えて、循環ポンプ７６をバイパス配管７３中に取り付けると良い。そして、制御装置８により、外気温度が所定値以上である場合は、循環ポンプ７６を動作させ、バイパス弁７２を開く。この場合、循環ポンプ７６とバイパス弁７２がバイパス装置となり、バイパス弁７２を開き、循環ポンプ７６を運転することがバイパス装置を動作させることを意味する。
【００８６】
このように、低元側圧縮機１１及び低元側膨張弁１８にそれぞれ並列にバイパス弁７２（バイパス装置）及び循環ポンプ７６（バイパス装置）を設け、外気温度が所定値以上であるときにバイパス弁７２を開き、循環ポンプ７６を運転するようにすれば、カスケード熱交換器１２及び過冷却器１６と、蒸発器１９間の高低差がとれない場合にも、低元側圧縮機１１を停止した状態で、低元側冷凍サイクル６内に低元側冷媒を支障無く循環させることができるようになる。また、低元側圧縮機１１による強制循環と循環ポンプ７６による強制循環の切換も、外気温度に基づいて的確に行うことができるようになる。
【００８７】
尚、この実施例では低元側膨張弁１８に循環ポンプ７６を並列接続したが、それに限らず、低元側膨張弁１８にバイパス弁を並列接続し、低元側圧縮機１１に循環ポンプを並列接続するようにしてもよく、双方に循環ポンプを並列接続してもよい。
【実施例６】
【００８８】
次に、図１１は本発明の二元冷凍サイクル装置１の更に他の実施例を示している。尚、この図において図６中と同一符号で示すものは同一若しくは同様の機能を奏するものとする。この実施例では図６の高元側冷凍サイクル７の内部熱交換器３４の高圧側流路３６の出口が、冷媒配管７９を介して高元側膨張弁３７の入口に接続され、この高元側膨張弁３７の出口が冷媒配管８１を介してカスケード熱交換器１２の高元側流路３９の入口に接続され、この高元側流路３９の出口が冷媒配管８２を介して第２の高元側膨張弁７７の入口に接続され、この第２の高元側膨張弁７７の出口が冷媒配管８３を介して過冷却器１６の高元側流路３８の入口に接続され、この高元側流路３８の出口が冷媒配管７８を介して流量調整弁４１の入口に接続されている。
【００８９】
これにより、高元側冷凍サイクル７の内部熱交換器３４の高圧側流路３６から出た高元側冷媒は、先ず高元側膨張弁３７で絞られた後、カスケード熱交換器１２の高元側流路３９に流入して蒸発し、低元側流路１３を流れる低元側冷媒から吸熱する。その後、高元側冷媒は第２の高元側膨張弁７７で絞られた後、過冷却器１６の高元側流路３８に流入して蒸発し、低元側流路１７を流れる低元側冷媒から吸熱するようになる。即ち、冷媒配管８１、８２、８３が、高元側膨張弁３７を出た高元側冷媒を、カスケード熱交換器１２の高元側流路３９に流した後、第２の高元側膨張弁７７を介して過冷却器１６の高元側流路３８に流す回路となる。
【００９０】
ここで、図６の構成では、過冷却器１６の高元側流路３８における高元側冷媒の蒸発温度と、カスケード熱交換器１２の高元側流路３９における高元側冷媒の蒸発温度は同じとなる。そのため、過冷却器１６での低元側冷媒の過冷却度を大きくとろうとすると、カスケード熱交換器１２における低元側冷媒の凝縮温度と高元側冷媒の蒸発温度の差が大きくなり、熱交換が活発になって低元側膨張弁１８を絞っても低元側冷凍サイクル６の低元側冷媒の凝縮温度が下がってしまうようになる。
【００９１】
他方、この実施例の如く高元側冷凍サイクル７の高元側膨張弁３７を出た高元側冷媒を、カスケード熱交換器１２の高元側流路３９に流した後、第２の高元側膨張弁７７を介して過冷却器１６の高元側流路３８に流すようにすれば、高元側膨張弁３７によりカスケード熱交換器１２の高元側流路３９における高元側冷媒の蒸発温度を高くし、第２の高元側膨張弁７７により過冷却器１６の高元側流路３８での高温側冷媒による吸熱量を増大させることで、カスケード熱交換器１２の低元側流路１３における低元側冷媒の凝縮温度の低下に伴う低元側圧縮機１１の圧縮比の低下をより効果的に防止することができるようになる。
【００９２】
尚、前記各実施例では低元側圧縮機１１と高元側圧縮機３１をスクロール圧縮機で構成したが、ロータリ圧縮機等で構成してもよい。但し、低元側圧縮機１１をスクロール圧縮機で構成した場合、圧縮比の低下による圧縮不良の発生を防止する上で、本発明は極めて有効である。
【００９３】
また、実施例では蒸発器１９にて低元側冷媒が外気から吸熱する構成としたが、それに限らず、蒸発器１９を地中熱熱交換器にて構成し、地中から吸熱する構成としても良い。更に、請求項６乃至請求項８及びそれらに従属する請求項以外の発明では実施例で示した冷媒に限らず、高元側冷媒としてＲ１３４ａやＲ２４５ｆａ、低元側冷媒としてＲ４１０ＡやＲ４０７Ｃ等のより安価な冷媒を使用しても良い。
【００９４】
更に、図１、図４〜図６、図１０では高元側膨張弁３７を出た高元側冷媒を過冷却器１６に流した後、カスケード熱交換器１２に流すようにしたが、請求項４及びそれに従属する請求項以外の発明ではそれに限らず、高元側膨張弁３７を出た高元側冷媒をカスケード熱交換器１２に流した後、過冷却器１６に流すようにしても良い。
【００９５】
更にまた、前記各実施例で示した数値は、それに限定されるものでは無く、二元冷凍サイクル装置１の使用状況等に応じて種々変更可能である。また、実施例では暖房パネルを用いた室内の暖房に本発明を適用したが、それに限らず、ヒートポンプ式の給湯装置等にも本発明は有効である。
【符号の説明】
【００９６】
１  二元冷凍サイクル装置
２  暖房パネル
６  低元側冷凍サイクル
７  高元側冷凍サイクル
８  制御装置
１１  低元側圧縮機
１２  カスケード熱交換器
１４  中間膨張弁（絞り装置）
１６  過冷却器
１８  低元側膨張弁
１９  蒸発器
２８  送風機
３１  高元側圧縮機
３２  利用側熱交換器
３４  内部熱交換器
３７  高元側膨張弁
４１  流量調整弁
４９  バイパス回路
５４  高元側吐出温度センサ
５６  高元側吐出圧力センサ
５７  高元側吸込圧力センサ
５８  外気温度センサ
６６  低元側吐出圧力センサ
６７  低元側吸込圧力センサ
６８  気液分離器
７２、７４  バイパス弁（バイパス装置）
７６  循環ポンプ
７７  第２の高元側膨張弁
【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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【図１１】
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