ホーム > 特許ランキング > 株式会社富士通ゼネラル
知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024020843
(43)【公開日】2024-02-15
(54)【発明の名称】二元冷凍装置
(51)【国際特許分類】
F25B 7/00 20060101AFI20240207BHJP
F25B 1/00 20060101ALI20240207BHJP
F25B 47/02 20060101ALI20240207BHJP
【ＦＩ】
F25B7/00 D
F25B1/00 321C
F25B1/00 351A
F25B1/00 399Y
F25B47/02 550F
【審査請求】有
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022123335
(22)【出願日】2022-08-02
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2024-01-30
(71)【出願人】
【識別番号】000006611
【氏名又は名称】株式会社富士通ゼネラル
(74)【代理人】
【識別番号】100103850
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼
(74)【代理人】
【識別番号】100066980
【弁理士】
【氏名又は名称】森 哲也
(72)【発明者】
【氏名】兼井 一樹
(72)【発明者】
【氏名】近藤 将弘
(72)【発明者】
【氏名】前間 慶成
(72)【発明者】
【氏名】仲田 昇平
(72)【発明者】
【氏名】織田 旺伸
(57)【要約】
【課題】二元冷凍装置において、立ち上がり運転を速やかに行うことにより、立ち上がり運転の悪化による暖房能力の低下を抑制することができる二元冷凍装置を提供する。
【解決手段】高元側冷媒が循環する高元側冷媒回路２と、カスケード熱交換器１３で高元側冷媒と熱交換する第１循環路２３、および、低元側熱交換器２４で熱媒体と熱交換する第２循環路２６とを備えて低元側冷媒が循環する低元側冷媒回路３と、高元側熱交換器１１で高元側冷媒と熱交換し、低元側熱交換器２４で低元側冷媒と熱交換する熱媒体が循環する熱媒体回路４とを備え、熱媒体回路４は、熱媒体が高元側熱交換器１１と低元側熱交換器２４を循環する第１熱媒体循環路３５と、熱媒体が高元側熱交換器１１を循環する第２熱媒体循環路３６とを備えている。
【選択図】図１Ａ
【解決手段】高元側冷媒が循環する高元側冷媒回路２と、カスケード熱交換器１３で高元側冷媒と熱交換する第１循環路２３、および、低元側熱交換器２４で熱媒体と熱交換する第２循環路２６とを備えて低元側冷媒が循環する低元側冷媒回路３と、高元側熱交換器１１で高元側冷媒と熱交換し、低元側熱交換器２４で低元側冷媒と熱交換する熱媒体が循環する熱媒体回路４とを備え、熱媒体回路４は、熱媒体が高元側熱交換器１１と低元側熱交換器２４を循環する第１熱媒体循環路３５と、熱媒体が高元側熱交換器１１を循環する第２熱媒体循環路３６とを備えている。
【選択図】図１Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
高元側圧縮機と、高元側熱交換器と、高元側減圧機構と、カスケード熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、高元側冷媒が循環する高元側冷媒回路と、
低元側圧縮機と、前記カスケード熱交換器と、低元側第１減圧機構と、熱源側熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、低元側冷媒が循環する第１循環路と、
前記第１循環路における、前記低元側圧縮機と前記カスケード熱交換器との間と、前記低元側第１減圧機構と前記熱源側熱交換器との間とを、低元側熱交換器および低元側第２減圧機構が設けられた冷媒配管で接続し、前記低元側圧縮機と、前記低元側熱交換器と、前記低元側第２減圧機構と、前記熱源側熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、前記低元側冷媒が循環する第２循環路とを備える、低元側冷媒回路と、
第１循環ポンプと、利用側熱交換器と、前記低元側熱交換器と、前記高元側熱交換器とが、配管で順次接続されて熱媒体が循環し、前記高元側熱交換器で前記高元側冷媒と前記熱媒体とが熱交換し、前記低元側熱交換器で前記低元側冷媒と前記熱媒体とが熱交換する第１熱媒体循環路と、
前記第１熱媒体循環路における、前記利用側熱交換器と前記低元側熱交換器との間と、前記低元側熱交換器と前記高元側熱交換器との間とを接続する第１バイパス路を備え、前記第１循環ポンプと、前記利用側熱交換器と、前記第１バイパス路と、前記高元側熱交換器とが配管で順次接続され、前記熱媒体が循環する第２熱媒体循環路と、を備えた熱媒体回路と、
前記カスケード熱交換器で前記高元側冷媒と前記低元側冷媒とが熱交換し、
前記熱媒体回路において、前記熱媒体を第１熱媒体循環路に流すか、または、前記第２熱媒体循環路に流すかを切り換える第１切換手段と、
前記高元側冷媒回路、前記低元側冷媒回路、前記熱媒体回路を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする二元冷凍装置。
低元側圧縮機と、前記カスケード熱交換器と、低元側第１減圧機構と、熱源側熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、低元側冷媒が循環する第１循環路と、
前記第１循環路における、前記低元側圧縮機と前記カスケード熱交換器との間と、前記低元側第１減圧機構と前記熱源側熱交換器との間とを、低元側熱交換器および低元側第２減圧機構が設けられた冷媒配管で接続し、前記低元側圧縮機と、前記低元側熱交換器と、前記低元側第２減圧機構と、前記熱源側熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、前記低元側冷媒が循環する第２循環路とを備える、低元側冷媒回路と、
第１循環ポンプと、利用側熱交換器と、前記低元側熱交換器と、前記高元側熱交換器とが、配管で順次接続されて熱媒体が循環し、前記高元側熱交換器で前記高元側冷媒と前記熱媒体とが熱交換し、前記低元側熱交換器で前記低元側冷媒と前記熱媒体とが熱交換する第１熱媒体循環路と、
前記第１熱媒体循環路における、前記利用側熱交換器と前記低元側熱交換器との間と、前記低元側熱交換器と前記高元側熱交換器との間とを接続する第１バイパス路を備え、前記第１循環ポンプと、前記利用側熱交換器と、前記第１バイパス路と、前記高元側熱交換器とが配管で順次接続され、前記熱媒体が循環する第２熱媒体循環路と、を備えた熱媒体回路と、
前記カスケード熱交換器で前記高元側冷媒と前記低元側冷媒とが熱交換し、
前記熱媒体回路において、前記熱媒体を第１熱媒体循環路に流すか、または、前記第２熱媒体循環路に流すかを切り換える第１切換手段と、
前記高元側冷媒回路、前記低元側冷媒回路、前記熱媒体回路を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする二元冷凍装置。
【請求項2】
前記制御部は、二元冷凍装置を起動する際に、前記高元側圧縮機、前記低元側圧縮機および前記第１循環ポンプを起動させるとともに、前記熱媒体が第１熱媒体循環路を流れるように前記第１切換手段を切り換えることを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍装置。
【請求項3】
前記制御部は、前記利用側熱交換器を通過した熱媒体の温度が第１所定温度を越えた場合、または、前記利用側熱交換器を通過した熱媒体の温度と低元側冷媒回路の前記低元側熱交換器における冷媒凝縮温度との差が、第２所定温度未満の場合は、前記熱媒体が第２熱媒体循環路を流れるように前記第１切換手段を切り換えることを特徴とする請求項２に記載の二元冷凍装置。
【請求項4】
前記低元側冷媒回路において、前記低元側圧縮機の吐出側に接続され、前記低元側圧縮機から吐出する前記低元側冷媒を前記カスケード熱交換器側および前記低元側熱交換器側に流すか、または、前記熱源側熱交換器側に流すかを切り換える四方弁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍装置。
【請求項5】
前記低元側熱交換器は、蓄熱材を備えた第１蓄熱部を備えていることを特徴とする請求項４に記載の二元冷凍装置。
【請求項6】
前記制御部は、前記蓄熱材の温度が所定温度以上になった場合、前記四方弁を前記熱源側熱交換器側に切り換えて、前記蓄熱材に蓄熱された熱を用いて除霜運転を行うことを特徴とする請求項５に記載の二元冷凍装置。
【請求項7】
前記熱媒体回路において、逆止弁、第２循環ポンプ、および蓄熱材を備えた第２蓄熱部を設けた第２バイパス路を前記第１バイパス路と並列に接続し、前記第２循環ポンプと、前記逆止弁と、前記低元側熱交換器と、前記第２蓄熱部とが冷媒配管で順次接続され、前記熱媒体が循環する第３熱媒体循環路と、
前記熱媒体回路において、前記熱媒体が第１熱媒体循環路を流れるか、または、前記第３熱媒体循環路を流れるかを切り換える第２切換手段と、
前記低元側冷媒回路において、前記低元側圧縮機の吐出側に接続され、前記低元側圧縮機から吐出する前記低元側冷媒を前記カスケード熱交換器側および前記低元側熱交換器側に流すか、または、前記熱源側熱交換器側に流すかを切り換える四方弁と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍装置。
前記熱媒体回路において、前記熱媒体が第１熱媒体循環路を流れるか、または、前記第３熱媒体循環路を流れるかを切り換える第２切換手段と、
前記低元側冷媒回路において、前記低元側圧縮機の吐出側に接続され、前記低元側圧縮機から吐出する前記低元側冷媒を前記カスケード熱交換器側および前記低元側熱交換器側に流すか、または、前記熱源側熱交換器側に流すかを切り換える四方弁と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍装置。
【請求項8】
前記制御部は、二元冷凍装置を起動する際に、前記高元側圧縮機、前記低元側圧縮機および前記第１循環ポンプを起動させるとともに、前記熱媒体が第１熱媒体循環路を流れるように前記第１切換手段および前記第２切換手段を切り換えることを特徴とする請求項７に記載の二元冷凍装置。
【請求項9】
前記制御部は、前記利用側熱交換器を通過した熱媒体の温度が第１所定温度を越えた場合、または、前記利用側熱交換器を通過した熱媒体の温度と低元側冷媒回路の前記低元側熱交換器における冷媒凝縮温度との差が、第２所定温度未満の場合は、前記熱媒体が第２熱媒体循環路を流れるように前記第１切換手段を切り換え、前記熱媒体が第３熱媒体循環路を流れるように前記第２切換手段を切り換えることを特徴とする請求項８に記載の二元冷凍装置。
【請求項10】
前記制御部は、前記蓄熱材の温度が所定温度以上になった場合、前記四方弁を前記熱源側熱交換器側に切り換えて、前記蓄熱材に蓄熱された熱を用いて除霜運転を行うことを特徴とする請求項９に記載の二元冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、二元冷凍装置に関し、特に、暖房能力の低下を抑制することができる二元冷凍装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来の二元冷凍装置は、高元側冷媒回路と低元側冷媒回路を備え、高元側冷媒回路と低元側冷媒回路が、共用するカスケード熱交換器（中間熱交換器）を備え、高元側冷媒回路を循環する冷媒と低元側冷媒回路を循環する冷媒とを、カスケード熱交換器で熱交換させ、高元側冷媒回路を循環する高温側冷媒により水を加熱し、温水を生成している。
【0003】
このような二元冷凍装置は、高元側冷凍回路と低元側冷凍回路で、冷媒特性の違いや起動時の温度条件などに起因して起動から定常状態になるまでの時間にアンバランスが生じて低元側冷媒回路の圧縮機が保護停止に至る恐れがある。そのため、特許文献１に開示された二元冷凍装置では、二元冷凍装置の起動から定常運転に移行するまでの間（以下、「立ち上がり運転」とする）における低元側冷凍回路での高圧過昇による保護停止を防止するため、立ち上がり運転における高元側冷凍回路の圧縮機の回転数の低元側冷凍回路の圧縮機の回転数に対する比を、定常運転における比よりも大きく設定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１３－２１３５９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、特許文献１に開示された二元冷凍装置では、立ち上がり運転における高元側冷凍回路の圧縮機の回転数の低元側冷凍回路の圧縮機の回転数に対する比を、定常運転における比よりも大きく設定しているので、低元側冷凍回路の圧縮機の立ち上がり運転における回転数が制限されるため、立ち上がり運転において、十分な暖房能力を発揮するまでに時間がかかるという課題がある。
【0006】
上記課題に鑑み、本発明の目的は、二元冷凍装置において、立ち上がり運転を速やかに行うことによる暖房能力の低下を抑制することができる二元冷凍装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様は、高元側圧縮機と、高元側熱交換器と、高元側減圧機構と、カスケード熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、高元側冷媒が循環する高元側冷媒回路と、低元側圧縮機と、カスケード熱交換器と、低元側第１減圧機構と、熱源側熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、低元側冷媒が循環し、カスケード熱交換器で高元側冷媒と低元側冷媒とが熱交換する第１循環路と、第１循環路における、低元側圧縮機とカスケード熱交換器との間と、低元側第１減圧機構と熱源側熱交換器との間とを、低元側熱交換器および低元側第２減圧機構が設けられた冷媒配管で接続し、低元側圧縮機と、低元側熱交換器と、低元側第２減圧機構と、熱源側熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、低元側冷媒が循環する第２循環路とを備える、低元側冷媒回路と、第１循環ポンプと、利用側熱交換器と、低元側熱交換器と、高元側熱交換器とが、配管で順次接続されて熱媒体が循環し、高元側熱交換器で高元側冷媒と熱媒体とが熱交換し、低元側熱交換器で低元側冷媒と熱媒体とが熱交換する第１熱媒体循環路と、第１熱媒体循環路における、利用側熱交換器と前記低元側熱交換器との間と、低元側熱交換器と高元側熱交換器との間とを接続する第１バイパス路を備え、第１循環ポンプと、利用側熱交換器と、第１バイパス路と、高元側熱交換器とが配管で順次接続され、熱媒体が循環する第２熱媒体循環路と、を備えた熱媒体回路と、カスケード熱交換器で前記高元側冷媒と前記低元側冷媒とが熱交換し、熱媒体回路において、熱媒体を第１熱媒体循環路に流すか、または、第２熱媒体循環路に流すかを切り換える第１切換手段と、高元側冷媒回路、低元側冷媒回路、熱媒体回路を制御する制御部と、を備えた二元冷凍装置である。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、二元冷凍装置において、立ち上がり運転を速やかに行うことによる暖房能力の低下を抑制することができる二元冷凍装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1A】本発明の実施形態に係る二元冷凍装置の冷媒回路図である。
【図1B】本発明の実施形態に係る二元冷凍装置の第１モード運転の冷媒の流れを示す図である。
【図1C】本発明の実施形態に係る二元冷凍装置の第２モード運転の冷媒の流れを示す図である。
【図2】本発明の実施形態に係る二元冷凍装置の制御ブロック図である。
【図3】本発明の実施形態に係る二元冷凍装置の制御フロー図である。
【図4A】本発明の他の実施形態に係る二元冷凍装置の冷媒回路図である。
【図4B】本発明の他の実施形態に係る二元冷凍装置の第１モード運転の冷媒の流れを示す図である。
【図4C】本発明の他の実施形態に係る二元冷凍装置の第２モード運転の冷媒の流れを示す図である。
【図5】本発明の他の実施形態に係る二元冷凍装置の制御ブロック図である。
【図6】本発明の他の実施形態に係る二元冷凍装置の制御フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下に、本発明に係る二元冷凍装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【0011】
【実施例0012】
図１Ａ～１Ｃを参照して、本実施形態である二元冷凍装置１について説明する。図１Ａは、本実施形態の二元冷凍装置１の冷媒回路図である。二元冷凍装置１は、利用側熱交換器３１を蒸発器として利用する場合には冷房運転に用いられ、利用側熱交換器３１を凝縮器として利用する場合には、温水を作る運転、あるいは、暖房運転に用いられることができる冷凍装置である。以下、温水を作る運転と暖房運転をまとめて暖房運転と呼ぶことがある。本実施形態では、暖房運転に用いられる二元冷凍装置について説明する。二元冷凍装置１は、高元側冷媒回路２、低元側冷媒回路３、熱媒体回路４、制御部５を備える。制御部５は、目標温度等のデータ、制御用のソフトウェア等を記憶する記憶手段を含み、二元冷凍装置１を制御する。
【0013】
高元側冷媒回路２は、高元側圧縮機１０と高元側熱交換器１１と、高元側減圧機構としての高元側膨張弁１２と、カスケード熱交換器１３とが冷媒配管６で順次接続され、高元側冷媒が循環する。本実施形態では、高元側熱交換器１１は、高元側冷媒と熱媒体回路４を流れる熱媒体とが熱交換する熱交換器である。カスケード熱交換器１３は、高元側冷媒と低元側冷媒回路３を流れる低元側冷媒とが熱交換する熱交換器である。尚、高元側熱交換器１１とカスケード熱交換器１３は、液体同士を熱交換できる熱交換機であれば、例えば、プレート式熱交換器、二重管熱交換器で構わない。また、本実施形態では、高元側熱交換器１１は、高元側冷媒と熱媒体回路４を流れる熱媒体とが熱交換する熱交換器であるが、例えば、図示しない送風機を介して熱媒体としての空気と熱交換する熱交換器であっても構わない。高元側冷媒回路２における矢印は暖房運転時の高元側冷媒の流れを示す。
【0014】
高元側冷媒回路２において、高元側圧縮機１０の吐出側には、高元側圧縮機１０から吐出された高元側冷媒を高元側熱交換器１１の側に流すか、または、カスケード熱交換器１３の側に流すかを切り換える高元側四方弁１４が接続されている。本実施形態では、高元側四方弁１４によって、高元側圧縮機１０から吐出された高元側冷媒が高元側熱交換器１１の側へ流れる場合（暖房運転）について説明する。従って、高元側冷媒回路２においては、高元側圧縮機１０から吐出された高元側冷媒は、高元側熱交換器１１、高元側膨張弁１２、カスケード熱交換器１３を流れて、高元側圧縮機１０に吸入される。
【0015】
低元側冷媒回路３は、第１循環路２３と第２循環路２６を有している。第１循環路２３は、低元側圧縮機２０と、高元側冷媒回路２に接続されたカスケード熱交換器１３と、低元側第１減圧機構としての低元側第１膨張弁２１と、熱源側熱交換器２２とが冷媒配管６で順次接続され、低元側冷媒が循環する。熱源側熱交換器２２は、低元側冷媒と外気とが熱交換する熱交換器である。熱源側熱交換器２２には、熱源側熱交換器２２を流れる低元側冷媒の凝縮温度を測定する凝縮温度検出センサ２２ａが設けられている。また、カスケード熱交換器１３は、低元側冷媒と高元側冷媒回路２を流れる高元側冷媒とが熱交換する熱交換器である。カスケード熱交換器１３には、カスケード熱交換器１３を流れる低元側冷媒の凝縮温度（冷媒凝縮温度）を測定する凝縮温度検出センサ１３ａと当該低元側冷媒の出口温度を測定する出口温度検出センサ１３ｂとが設けられている。低元側冷媒回路３における矢印は低元側冷媒の流れを示す。
【0016】
低元側冷媒回路３は、低元側圧縮機２０とカスケード熱交換器１３との間と、低元側第１膨張弁２１と熱源側熱交換器２２との間とを、低元側熱交換器２４および低元側第２減圧機構としての低元側第２膨張弁２５が設けられた冷媒配管で接続し、低元側圧縮機２０と、低元側熱交換器２４と、低元側第２膨張弁２５と、熱源側熱交換器２２とが冷媒配管で順次接続され、低元側冷媒が循環する第２循環路２６を備えている。低元側熱交換器２４は、蓄熱材を備えた第１蓄熱部を有し、低元側冷媒と熱媒体回路４を流れる熱媒体とが熱交換する熱交換器である。低元側熱交換器２４には、低元側熱交換器２４を流れる低元側冷媒の凝縮温度を測定する凝縮温度検出センサ２４ａと当該低元側冷媒の出口温度を測定する出口温度検出センサ２４ｂとが設けられている。また、熱媒体回路４を流れる熱媒体が当該低元側熱交換器２４に流入する際の温度である熱媒体戻り温度を測定する熱媒体戻り温度検出センサ２４ｃも設けられている。尚、低元側熱交換器２４は、液体同士を熱交換できる熱交換機であれば、例えば、プレート式熱交換器、二重管熱交換器で構わない。
【0017】
低元側冷媒回路３において、低元側圧縮機２０の吐出側には、低元側圧縮機２０から吐出される低元側冷媒を、カスケード熱交換器１３の側および低元側熱交換器２４の側に流すか、または、熱源側熱交換器２２の側に流すかを切り換える低元側四方弁２７が接続されている。本実施形態では、低元側四方弁２７によって、低元側圧縮機２０から吐出される低元側冷媒がカスケード熱交換器１３の側および低元側熱交換器２４の側へ流れる場合（暖房運転）について説明する。この場合、低元側冷媒回路３においては、低元側圧縮機２０から吐出された低元側冷媒は、カスケード熱交換器１３、低元側第１膨張弁２１、熱源側熱交換器２２を流れて、低元側圧縮機２０に吸入され、また、低元側圧縮機２０から吐出された低元側冷媒は、低元側熱交換器２４、低元側第２膨張弁２５、熱源側熱交換器２２を流れて、低元側圧縮機２０に吸入される。
【0018】
低元側冷媒回路３において、低元側圧縮機２０、熱源側熱交換器２２、低元側四方弁２７は、第１循環路２３および第２循環路２６において共通に用いられる構成である。
【0019】
熱媒体回路４は、第１循環ポンプ３０と、利用側熱交換器３１と、低元側熱交換器２４と、高元側熱交換器１１とが配管３２で順次接続され、熱冷媒としての水が循環する。なお、熱媒体として水の代わりに不凍液を利用しても良い。利用側熱交換器３１は室内に設置された図示しない室内機に設けられており、図示しない送風ファンによって生成された気流により利用側熱交換器３１に室内空気が流入する。利用側熱交換器３１で、熱媒体としての水と室内機が設置された室内の空気とが熱交換し、熱媒体としての水と熱交換した空気は暖房に用いられる。高元側熱交換器１１は、熱媒体としての水と高元側冷媒回路２を流れる高元側冷媒とが熱交換する熱交換器である。低元側熱交換器２４は、熱媒体としての水と低元側冷媒回路３を流れる低元側冷媒とが熱交換する熱交換器である。熱媒体回路４における矢印は熱媒体としての水の流れを示す。
【0020】
また、熱媒体回路４は、一端が利用側熱交換器３１と低元側熱交換器２４との間の配管と接続され、他端が低元側熱交換器２４と高元側熱交換器１１との間の配管と接続される第１バイパス路３３が設けられている。第１バイパス路３３の一方には第１三方弁３４（第１切換手段）が設けられ、第１三方弁３４は、熱媒体としての水が、第１循環ポンプ３０、利用側熱交換器３１、低元側熱交換器２４、高元側熱交換器１１、第１循環ポンプ３０と循環する第１熱媒体循環路３５と、第１循環ポンプ３０、利用側熱交換器３１、第１バイパス路３３、高元側熱交換器１１、第１循環ポンプ３０と循環する第２熱媒体循環路３６とを切り換える。
【0021】
二元冷凍装置１は、熱媒体が第１熱媒体循環路３５を流れる第１モード運転と、熱媒体が低元側熱交換器２４を流れず第２熱媒体循環路３６を流れる第２モード運転を有している。図１Ｂは、第１モード運転によって、熱媒体が第１熱媒体循環路３５を循環する状態を示す。図１Ｃは、第２モード運転によって、熱媒体が第２熱媒体循環路３６を循環する状態を示す。第１モード運転は、低元側冷媒回路３の熱源側熱交換器２２によって外気から吸熱した熱を、高元側冷媒回路２の高元側熱交換器１１と低元側冷媒回路３の低元側熱交換器２４を介して室内の空気へ放熱する暖房運転である。第２モード運転は、利用側熱交換器３１から流出し低元側熱交換器２４に流入する熱媒体の温度である、熱媒体戻り温度検出センサ２４ｃによって測定される熱媒体戻り温度が、凝縮温度検出センサ２４ａによって測定される低元側熱交換器２４に流入する低元側冷媒の凝縮温度に近づいてきた場合に、熱媒体が低元側熱交換器２４を流れず第２熱媒体循環路３６を循環する運転である。
【0022】
二元冷凍装置１は、高元側冷媒回路２における高元側冷媒の潜熱を利用し、低元側冷媒回路３における低元側冷媒の潜熱を利用し、熱媒体回路４における熱媒体（水）の顕熱を利用する冷凍装置である。尚、本実施形態では、高元側冷媒回路２における高元側冷媒と低元側冷媒回路３における低元側冷媒は同一の冷媒であるが、必ずしも同一である必要はなく、例えば、高元側冷媒よりも低沸点である低元側冷媒としても構わない。また、熱媒体回路に潜熱変化を利用できる冷媒を利用しても良い。その場合、熱媒体回路４の第１循環ポンプ３０は圧縮機に置き換えられ、利用側熱交換器３１と低元側熱交換器２４の間の経路に減圧機構として膨張弁等が設けられる。
【0023】
二元冷凍装置１では、低元側冷媒回路３の熱源側熱交換器２２で外気から吸熱して低温低圧の気相冷媒となった低元側冷媒は低元側圧縮機２０で圧縮されて高温高圧の気相冷媒にされ、カスケード熱交換器１３を介して高元側冷媒回路２を循環する高元側冷媒に放熱することで高温高圧の液相冷媒になる。カスケード熱交換器１３で低元側冷媒から吸熱した低圧の高元側冷媒は高元側圧縮機１０で圧縮されて高温高圧の気相冷媒にされ、高元側熱交換器１１を介して熱媒体回路４を循環する熱媒体である水に放熱して温水を作り出す。また、二元冷凍装置１では、低元側冷媒回路３の熱源側熱交換器２２で外気から吸熱して低温低圧の気相冷媒となった低元側冷媒は低元側圧縮機２０で圧縮されて高温高圧の気相冷媒にされ、低元側熱交換器２４を介して熱媒体回路４を循環する熱媒体である水に放熱する。そのため、低元側冷媒回路３を循環する低元側冷媒を、熱媒体回路４を循環する熱媒体である水によって凝縮させることができる。
【0024】
従来技術の二元冷凍装置では、立ち上がり運転における高元側冷凍回路の圧縮機の回転数（Ｒ１）の低元側冷凍回路の圧縮機の回転数（Ｒ２）に対する比（Ｒ１／Ｒ２）を、定常運転における比よりも高く設定することで、低元側冷凍回路において凝縮されず高圧過昇が生じて低元側冷媒回路の圧縮機が保護停止するのを抑制している。しかし、従来技術では低元側冷凍回路の圧縮機の立ち上がり運転における回転数が制限されるため、立ち上がり運転において、十分な暖房能力を発揮するまでに時間がかかっていた。一方、本実施形態における二元冷凍装置１は、高元側冷媒回路２と第１循環路２３および第２循環路２６を有する低元側冷媒回路３を備えて、第１モード運転においては、高元側冷媒回路２の高元側熱交換器１１、および、低元側冷媒回路３の第２循環路２６における低元側熱交換器２４で、熱媒体回路４を循環する熱媒体と熱交換する。そのため、低元側冷媒回路３を循環する低元側冷媒と、熱媒体回路４を循環する熱媒体とを、直接、熱交換して凝縮させることができるため、低元側冷凍回路の圧縮機の保護停止を抑制しながら立ち上がり運転を速やかに行うことができる。
【0025】
一方、第１モード運転を継続していると、利用側熱交換器３１で熱媒体と熱交換した空気が暖められてくるため、やがて、利用側熱交換器３１から流出し低元側熱交換器２４に流入する熱媒体の温度（熱媒体戻り温度）が低元側熱交換器２４に流入する低元側冷媒の凝縮温度に近づいてくる。その状態においては、低元側熱交換器２４で低元側冷媒が凝縮できなくなってしまう。本来、液相状態の低元側冷媒が多く分布する低元側熱交換器２４において凝縮していない気相状態の冷媒が多く分布することで、代わりに低元側冷凍回路における他の経路（例えば、低元側圧縮機２０の吸入側に設けられた図示しないアキュムレータ）に液相状態の低元側冷媒が過剰に溜まってしまう。そのため、低元側圧縮機２０で液圧縮が生じる可能性がある。また、低元側熱交換器２４で低元側冷媒が凝縮できるようにするため、低元側圧縮機２０の回転数を上げると低元側圧縮機２０の信頼性が低下するおそれがある。
【0026】
しかし、本実施形態における二元冷凍装置１は、熱媒体が低元側熱交換器２４に流入しないで第２熱媒体循環路３６を流れる第２モード運転を有している。第２モード運転は、熱媒体の熱媒体戻り温度が高温となり低元側冷媒の凝縮温度に近づいてきた場合に、熱媒体が低元側熱交換器２４を流れず第２熱媒体循環路３６を循環する運転である。第２モード運転を行うことにより、高温となった熱媒体が低元側熱交換器２４への流入しなくなるため、低元側冷媒が低元側熱交換器２４や冷媒配管６を介して周囲の空気と熱交換する。これにより、低元側熱交換器２４に流入する低元側冷媒が凝縮できなくなることを抑制することができるので、低元側圧縮機２０の回転数を上げずに低元側熱交換器２４を凝縮器として利用できる。尚、本実施形態における二元冷凍装置１は、第２モード運転を有しているため、低元側熱交換器２４は外周側流路と内周側流路を有する二重管熱交換器であって、外周側流路に低元側冷媒が流れ、内周側流路に熱媒体である水が流れる構造であることが好ましい。これにより低元側冷媒が放熱し易くなり凝縮が容易に行える。
【0027】
次に、図２を参照して、本実施形態の二元冷凍装置１における制御ブロックについて説明する。制御部５は、第１過冷却度算出手段４５と第２過冷却度算出手段４６と記憶手段４７とを備えている。第１過冷却度算出手段４５は、カスケード熱交換器１３における低元側冷媒の過冷却度を算出する。第２過冷却度算出手段４６は、低元側熱交換器２４における低元側冷媒の過冷却度を算出する。また、記憶手段４７には、例えば、目標温度等のデータ、制御用のソフトウェアや過冷却度を算出するプログラム等が記憶されている。第１過冷却度算出手段４５には、凝縮温度検出センサ１３ａによって測定されるカスケード熱交換器１３を流れる低元側冷媒の凝縮温度と出口温度検出センサ１３ｂで測定されるカスケード熱交換器１３を流れる低元側冷媒の出口温度とが入力される。第２過冷却度算出手段４６には、凝縮温度検出センサ２４ａで測定される低元側熱交換器２４を流れる低元側冷媒の凝縮温度と出口温度検出センサ２４ｂによって測定される低元側熱交換器２４を流れる低元側冷媒の出口温度とが入力される。また、制御部５には目標熱媒体温度が入力される。目標熱媒体温度は熱媒体回路４において、第１循環ポンプ３０から流出する熱媒体としての水の目標温度である。目標熱媒体温度は、例えば、利用側熱交換器３１を用いた暖房運転を行っているときの空調負荷（空調空間の室温と、使用者により定められた設定温度との差）に応じて変更され、空調負荷が大きいほど目標熱媒体温度は大きい値が設定される。
【0028】
また、制御部５には熱媒体戻り温度検出センサ２４ｃによって測定される熱媒体戻り温度、凝縮温度検出センサ２２ａによって測定される低元側熱交換器２２の凝縮温度が入力される。制御部５に入力された熱媒体戻り温度、低元側熱交換器２２の凝縮温度に基づき、第１三方弁３４の制御を行う。
【0029】
制御部５は、目標熱媒体温度に基づき、高元側圧縮機１０と低元側圧縮機２０の回転数を決定する。また、第１過冷却度算出手段４５により算出されたカスケード熱交換器１３における低元側冷媒の過冷却度に基づいて低元側第１膨張弁２１の制御を行う。また、第２過冷却度算出手段４６により算出された低元側熱交換器２４における低元側冷媒の過冷却度に基づいて低元側第２膨張弁２５の制御を行う。
【0030】
次に、図３に示す制御フロー図を参照して、本実施形態に係る二元冷凍装置１の制御について説明する。
【0031】
制御部は、まず、第１運転モードを開始する（ＳＴ１）。第１運転モードは第１三方弁３４を熱媒体が第１熱媒体循環路３５を流れるように切換える。次に第１循環ポンプ３０を起動させる（ＳＴ２）。次に、立ち上がり運転を行う（ＳＴ３）。立ち上がり運転は、高元側圧縮機１０、低元側圧縮機２０を起動させ、高元側膨張弁１２、低元側第１膨張弁２１および低元側第２膨張弁２５の開度を所定の初期開度に維持して、高元側冷媒回路２に高元側冷媒を循環させ、低元側冷媒回路３の第１循環路２３および第２循環路２６に低元側冷媒を循環させる。初期開度は、二元冷凍装置１が運転を開始してから、高元側冷媒回路２および低元側冷媒回路３が安定するまでの高元側膨張弁１２、低元側第１膨張弁２１および低元側第２膨張弁２５の開度であり、高元側圧縮機１０、低元側圧縮機２０の性能によって決められ、予め設定される。
【0032】
次に、所定時間を経過したら、立ち上がり運転を終了する（ＳＴ４）。所定時間は例えば、１０分である。所定時間は、二元冷凍装置１が負荷に応じて収束した安定な運転状態になるまで最低限必要な時間であり実験等により予め決定される。立ち上がり運転終了後、通常運転に切り換える（ＳＴ５）。通常運転は、カスケード熱交換器１３の出口における低元側冷媒および低元側熱交換器２４の出口における低元側冷媒が夫々所定の過冷却度（予め設定された固定値であって、各膨張弁に二相状態の低元側冷媒が流入しないように少なくとも１ｄｅｇ以上の値）になるよう低元側第１膨張弁２１および低元側第２膨張弁２５を制御する。また、高元側膨張弁１２は高元側圧縮機１０の吸入過熱度を目標値（予め設定された固定値であって、高元側圧縮機１０に吸入される高元側冷媒が適切な冷媒状態となるように１ｄｅｇ以上の値）に制御する吸入過熱度制御を行う。尚、高元側膨張弁１２は吸入過熱度制御ではなく目標吐出温度制御や過冷却度制御を行っても構わない。次に、利用側熱交換器３１から流失した後の熱媒体戻り温度が所定値（第１所定温度）より低いかどうかを判断する（ＳＴ６）。所定値（第１所定温度）は変数であり、例えば、低元側冷媒の凝縮温度よりも２℃低い温度である。ＳＴ６の条件は、利用側熱交換器３１から流出した後の熱媒体戻り温度と低元側冷媒回路３の凝縮温度検出センサ２４ａによって測定される低元側熱交換器２４に流入する低元側冷媒の凝縮温度との差が、第２所定温度以上であるかどうかで判断してもよい。第２所定温度は、それを下回ると低元側熱交換器２４において低元側冷媒が凝縮しなくなり、低元側圧縮機２０で液圧縮が生じる可能性が有る値である。熱媒体戻り温度が所定値より低くない場合（ＳＴ６のＮｏ）は、第２運転モードを開始する（ＳＴ７）。第２運転モードは熱媒体が第２熱媒体循環路３６を流れるように第１三方弁３４を切換える。熱媒体戻り温度が所定値より低くない場合は、低元側熱交換器２４を通過する高温高圧の気相状態の低元側冷媒は放熱することができないが、第２運転モードを行うことにより高温の熱媒体が低元側熱交換器２４への流入しなくなる。そのため、低元側熱交換器２４に流入する低元側冷媒が低元側熱交換器２４や冷媒配管６を介して周囲の空気と熱交換し放熱するので、低元側冷媒が凝縮できなくなることを抑制することができる。次に、低元側熱交換器２４の出口における低元側冷媒の過冷却度が目標過冷却度となるように目標過冷却度制御を行う（ＳＴ８）。目標過冷却度制御を行うと、低元側第２膨張弁２５は過冷却が取れるように閉じる方向に開度が制御され、最終的には閉じられる、もしくは、微開となる。目標過冷却度制御は第２過冷却度算出手段４６を介して行う低元側第２膨張弁２５の制御である。
【0033】
次に、除霜開始条件が成立したかどうかを判断する（ＳＴ９）。除霜開始条件は、例えば外気温が５℃以下で暖房運転を３時間継続させた場合や、熱源側熱交換器２２の凝縮温度検出センサ２２ａによって検出された温度が－１５℃以下になった場合である。除霜開始条件が成立した場合（ＳＴ９のＹｅｓ）は、低元側四方弁２７を、いわゆる冷房サイクル側に切換えて除霜運転を開始し（ＳＴ１４）、所定時間経過後に除霜運転を終了する（ＳＴ１５）。所定時間は、予め設定された時間であり、除霜運転によって熱源側熱交換器２２に付着した霜を融解させるのに十分な時間（例えば１０分）である。一方、除霜開始条件が成立してない場合（ＳＴ９のＮｏ）は、熱媒体戻り温度が所定値より低いかどうかを判断する（ＳＴ１０）。熱媒体戻り温度が所定値より低くない場合（ＳＴ１０のＮｏ）は、ＳＴ９の前に戻り目標過冷却度制御を継続する。熱媒体戻り温度が所定値より低い場合（ＳＴ１０のＹｅｓ）は、第１運転モードに切り換える（ＳＴ１１）。第１運転モードは熱媒体が第１熱媒体循環路３５を流れるように第１三方弁３４を切換える。その結果、低元側第２膨張弁２５は目標過冷却度制御によって閉若しくは微開状態から開く方向に開度が制御される（ＳＴ１２）。第１運転モードに切り換えた後、目標過冷却度制御を行うと、低元側熱交換器２４を通過する高温高圧の気相状態の低元側冷媒は放熱することができ、凝縮できるので、低元側熱交換器２４を通過した後の低元側冷媒の過冷却度が目標過冷却度となるように低元側第２膨張弁２５を開く方向に開度が制御される。目標過冷却度制御は第２過冷却度算出手段４６を介して行う低元側第２膨張弁２５の制御である。目標過冷却度制御を継続してＳＴ６の前に戻る。
【0034】
熱媒体戻り温度が所定値より低い場合（ＳＴ６のＹｅｓ）は、除霜開始条件が成立したかどうかを判断する（ＳＴ１３）。除霜開始条件は、外気温や熱源側熱交換器２２の凝縮温度検出センサ２２ａによって検出された温度に基づき判断する。除霜開始条件が成立した場合（ＳＴ１３のＹｅｓ）は、除霜運転を開始し（ＳＴ１４）、所定時間経過後に除霜運転を終了する（ＳＴ１５）。一方、除霜開始条件が成立してない場合（ＳＴ１３のＮｏ）は、ＳＴ６の前に戻り熱媒体戻り温度が所定値より低いかどうかを判断する（ＳＴ６）。
【0035】
次に、図４Ａ～４Ｃを参照して、他の実施形態である二元冷凍装置５０について説明する。図４Ａは、他の実施形態の二元冷凍装置５０の冷媒回路図である。図４Ｂは、本発明の他の実施形態に係る二元冷凍装置５０の第１モード運転の冷媒の流れを示す図である。また、図４Ｃは、本発明の他の実施形態に係る二元冷凍装置５０の第２モード運転の冷媒の流れを示す図である。最初の実施形態の二元冷凍装置１と他の実施形態の二元冷凍装置５０の相違は、一端が第１三方弁３４と低元側熱交換器２４との間の配管３２に接続され、他端が低元側熱交換器２４と第１バイパス路３３の他端との間の配管３２に接続される第２バイパス路３７が設けられている点であり、他の構成は同一である、そのため、最初の実施形態の二元冷凍装置１の構成と同一の構成についての詳細な説明は省略する。また、同一の構成については同一の符号を用いる。
【0036】
二元冷凍装置５０は、利用側熱交換器３１を蒸発器として利用する場合には冷房運転に用いられ、利用側熱交換器３１を凝縮器として利用する場合には、温水を作る運転、あるいは、暖房運転に用いられることができる冷凍装置である。以下、温水を作る運転と暖房運転をまとめて暖房運転と呼ぶことがある。本実施形態では、暖房運転に用いられる二元冷凍装置について説明する。
【0037】
二元冷凍装置５０は、高元側冷媒回路２、低元側冷媒回路３、熱媒体回路４、制御部５を備え、制御部５は二元冷凍装置５０を制御する。熱媒体回路４は第１バイパス路３３と第２バイパス路３７を備えている。第１バイパス路３３は、一端が利用側熱交換器３１と低元側熱交換器２４との間の配管３２と接続され、他端が低元側熱交換器２４と高元側熱交換器１１との間の配管と接続される。第２バイパス路３７は、一端が第１三方弁３４と低元側熱交換器２４との間の配管３２に接続され、他端が低元側熱交換器２４と第１バイパス路３３の他端との間の配管３２に接続される。
【0038】
第２バイパス路３７においては、第２バイパス路３７の他端には第２切換手段である第２三方弁３８が設けられ、第２バイパス路３７の他端から一端に向けて、蓄熱材を有する蓄熱部３９（第２蓄熱部に該当する）、第２循環ポンプ４０、逆止弁４１が設けられている。第２三方弁３８は、熱媒体としての水が第１熱媒体循環路３５を流れるのと第３熱媒体循環路４２を流れるのとで切り換える。蓄熱部３９は、低元側熱交換器２４によって低元側冷媒から吸熱した熱を熱媒体としての水を介して蓄熱する。また、蓄熱部３９には、蓄熱部３９の温度を測定する温度検出センサ３９ａが設けられている。第２循環ポンプ４０は熱媒体としての水を第２バイパス路３７の他端から一端に向けて流す。逆止弁４１は、熱媒体としての水が第２バイパス路３７の他端から一端に向けて流れるが、一端から他端に向けては流れないようにする弁である。
【0039】
二元冷凍装置５０は、熱媒体が第１熱媒体循環路３５を流れる第１モード運転と、熱媒体が第２熱媒体循環路３６および第３熱媒体循環路４２を流れる第２モード運転を有している。第１モード運転は、低元側冷媒回路３の熱源側熱交換器２２で外気から吸熱し、外気から吸熱した熱を高元側冷媒回路２の高元側熱交換器１１および低元側冷媒回路３の低元側熱交換器２４を介して熱媒体回路４の熱媒体に放熱し、吸熱した熱媒体回路４の熱媒体から室内の空気に放熱する運転である。第２モード運転は、低元側冷媒回路３の熱源側熱交換器２２で外気から吸熱し、高元側冷媒回路２を介して熱媒体回路４の熱媒体から室内の空気に放熱する運転と、低元側冷媒回路３の熱源側熱交換器２２で外気から吸熱し、外気から吸熱した熱を熱媒体回路４の蓄熱部３９に蓄熱する運転とを行う。
【0040】
第１熱媒体循環路３５は、熱媒体が、第１循環ポンプ３０、利用側熱交換器３１、低元側熱交換器２４、高元側熱交換器１１、第１循環ポンプ３０と循環する循環路である。第２熱媒体循環路３６は、熱媒体が、第１循環ポンプ３０、利用側熱交換器３１、第１バイパス路３３、高元側熱交換器１１、第１循環ポンプ３０と循環する循環路である。第３熱媒体循環路４２は、熱媒体が、第２バイパス路３７の第２循環ポンプ４０、逆止弁４１、低元側熱交換器２４、第２循環ポンプ４０と循環する循環路である。
【0041】
次に、図５を参照して、本実施形態の二元冷凍装置５０における制御ブロックについて説明する。制御部５は、第１過冷却度算出手段４５と第２過冷却度算出手段４６と記憶手段４７とを備えている。第１過冷却度算出手段４５は、カスケード熱交換器１３における低元側冷媒の過冷却度を算出する。第２過冷却度算出手段４６は、低元側熱交換器２４における低元側冷媒の過冷却度を算出する。また、記憶手段４７には、例えば、目標温度等のデータ、制御用のソフトウェアや過冷却度を算出するプログラム等が記憶されている。第１過冷却度算出手段４５には、上述したように、凝縮温度検出センサ１３ａによって測定されるカスケード熱交換器１３を流れる低元側冷媒の凝縮温度と出口温度検出センサ１３ｂで測定されるカスケード熱交換器１３を流れる低元側冷媒の出口温度とが入力される。第２過冷却度算出手段４６には、凝縮温度検出センサ２４ａで測定される低元側熱交換器２４を流れる低元側冷媒の凝縮温度と出口温度検出センサ２４ｂで測定される低元側熱交換器２４を流れる低元側冷媒の出口温度とが入力される。また、制御部５には目標熱媒体温度が入力される。目標熱媒体温度は熱媒体回路４において、第１循環ポンプ３０から流出する熱媒体としての水の目標温度である。目標熱媒体温度は、例えば、利用側熱交換器３１を用いた暖房運転行っているときの空調負荷（空調空間の室温と、使用者により定められた設定温度との差）に応じて変更され、空調負荷が大きいほど目標熱媒体温度は大きい値が設定される。
【0042】
また、制御部５には熱媒体戻り温度検出センサ２４ｃによって測定される熱媒体戻り温度、凝縮温度検出センサ２２ａによって測定される低元側熱交換器２４の凝縮温度、温度検出センサ３９ａで測定される蓄熱部３９の温度が入力される。制御部５に入力された熱媒体戻り温度、低元側熱交換器２４の温度、蓄熱部３９の温度に基づき、第１三方弁３４、第２三方弁３８、第２循環ポンプ４０の制御を行う。すなわち、熱媒体戻り温度が低元側熱交換器２４に流入する低元側冷媒の凝縮温度よりも高くなることを防止するため、熱媒体を蓄熱部３９で放熱させる。
【0043】
制御部５は、目標熱媒体温度に基づき、高元側圧縮機１０と低元側圧縮機２０の回転数を決定する。また、カスケード熱交換器１３を流れる高元側冷媒の凝縮温度およびカスケード熱交換器１３を流れる高元側冷媒の出口温度に基づき、第１過冷却度算出手段４５を介して低元側第１膨張弁２１の制御を行う。また、低元側熱交換器２４を流れる低元側冷媒の凝縮温度および低元側熱交換器２４を流れる低元側冷媒の出口温度に基づき、第２過冷却度算出手段４６を介して低元側第２膨張弁２５の制御を行う。
【0044】
本実施形態の二元冷凍装置５０では、第２モード運転において蓄熱部３９に蓄熱された熱を、熱源側熱交換器２２に着霜した霜を除霜するための除霜運転に用いる。除霜運転は次のように行われる。高元側冷媒回路２の高元側圧縮機１０は停止させ、低元側冷媒回路３においては、低元側四方弁２７を、いわゆる冷房サイクル側に切換える。すなわち、低元側圧縮機２０から吐出される低元側冷媒を、熱源側熱交換器２２の側に流れるように切り換え、熱源側熱交換器２２を凝縮器として機能させ、カスケード熱交換器１３の側および低元側熱交換器２４を蒸発器として機能させる。低元側第１膨張弁２１および低元側第２膨張弁２５は全開に近い開度にする。低元側圧縮機２０から吐出された低元側冷媒は熱源側熱交換器２２に流入し霜を融かす。熱源側熱交換器２２から流出した一部の低元側冷媒は低元側熱交換器２４に流入し、蓄熱部３９が設けられた第３熱媒体循環路４２を循環する熱媒体から吸熱する。熱源側熱交換器２２から流出した残りの低元側冷媒はカスケード熱交換器１３に流入し、高元側圧縮機１０が停止した高元側冷媒回路２に残った熱を吸熱する。吸熱した低元側冷媒は低元側圧縮機２０を経由して、再度、熱源側熱交換器２２に流入し霜を融かす。
【0045】
図６に示す制御フロー図を参照して、本実施形態に係る二元冷凍装置５０の制御について説明する。
【0046】
制御部は、まず、第１運転モードを開始する（ＳＴ２１）。第１運転モードは第１三方弁３４を熱媒体が第１熱媒体循環路３５を流れるように切換える。次に第１循環ポンプ３０を起動させる（ＳＴ２２）。次に、立ち上がり運転を行う（ＳＴ２３）。立ち上がり運転は、高元側圧縮機１０、低元側圧縮機２０を起動させ、高元側膨張弁１２、低元側第１膨張弁２１および低元側第２膨張弁２５の開度を所定の初期開度に維持して、高元側冷媒回路２に高元側冷媒を循環させ、低元側冷媒回路３の第１循環路２３および第２循環路２６に低元側冷媒を循環させる。初期開度は、二元冷凍装置１が運転を開始してから、高元側冷媒回路２および低元側冷媒回路３が安定するまでの高元側膨張弁１２、低元側第１膨張弁２１および低元側第２膨張弁２５の開度であり、高元側圧縮機１０、低元側圧縮機２０の性能によって決められ、予め設定される。
【0047】
次に、所定時間を経過したら、立ち上がり運転を終了する（ＳＴ２４）。所定時間は例えば、１０分である。所定時間は、二元冷凍装置１が負荷に応じて収束した安定な運転状態になるまで最低限必要な時間であり実験等により予め決定される。立ち上がり運転終了後、通常運転に切り換える（ＳＴ２５）。通常運転は、カスケード熱交換器１３の出口における低元側冷媒および低元側熱交換器２４の出口における低元側冷媒が所定の過冷却度（予め設定された固定値であって、各膨張弁に二相状態の低元側冷媒が流入しないように少なくとも１ｄｅｇ以上の値）になるよう低元側第１膨張弁２１および低元側第２膨張弁２５を制御する。また、高元側膨張弁１２は高元側圧縮機１０の吸入過熱度を目標値（予め設定された固定値であって、高元側圧縮機１０に吸入される高元側冷媒が適切な冷媒状態となるように１ｄｅｇ以上の値）に制御する吸入過熱度制御を行う。尚、高元側膨張弁１２は吸入過熱度制御ではなく目標吐出温度制御や過冷却度制御を行っても構わない。次に、利用側熱交換器３１から流失した後の熱媒体戻り温度が所定値（第１所定温度）より低いかどうかを判断する（ＳＴ２６）。所定値（第１所定温度）は変数であり、例えば、低元側冷媒の凝縮温度よりも２℃低い温度である。ＳＴ２６の条件は、利用側熱交換器３１から流出した後の熱媒体戻り温度と低元側冷媒回路３の凝縮温度検出センサ２４ａによって測定される低元側熱交換器２４に流入する低元側冷媒の凝縮温度との差が、第２所定温度以上であるかどうかで判断してもよい。第２所定温度は、それを下回ると低元側熱交換器２４において低元側冷媒が凝縮しなくなり、低元側圧縮機２０で液圧縮が生じる可能性が有る値である。熱媒体戻り温度が所定値より低くない場合（ＳＴ２６のＮｏ）は、第２運転モードを開始する（ＳＴ２７）。第２運転モードは熱媒体が第２熱媒体循環路３６を流れるように第１三方弁３４を切換え、外気から吸熱した熱を熱媒体回路４の蓄熱部３９に蓄熱する運転である。第２運転モードを所定時間行って蓄熱部３９への蓄熱を完了する（ＳＴ２８）。次に、低元側熱交換器２４の出口における低元側冷媒の過冷却度が目標過冷却度となるように目標過冷却度制御を行う（ＳＴ２９）。目標過冷却度制御を行うと、低元側第２膨張弁２５は過冷却が取れるように閉じる方向に開度が制御され、最終的には閉じられる、もしくは、微開となる。目標過冷却度制御は第２過冷却度算出手段４６を介して行う低元側第２膨張弁２５の制御である。
【0048】
次に、除霜開始条件が成立したかどうかを判断する（ＳＴ３０）。除霜開始条件は、例えば、外気温が５℃以下で暖房運転を３時間継続させた場合や熱源側熱交換器２２の凝縮温度検出センサ２２ａに基づき検出された温度が－１５℃以下になった場合である。除霜開始条件が成立した場合（ＳＴ３０のＹｅｓ）は、低元側四方弁２７を、いわゆる冷房サイクル側に切替えて除霜運転を開始し（ＳＴ３５）、所定時間経過後に除霜運転を終了する（ＳＴ３６）。所定時間は、予め設定された時間であり、除霜運転によって熱源側熱交換器２２に付着した霜を融解させるのに十分な時間（例えば１０分）である。一方、除霜開始条件が成立してない場合（ＳＴ３０のＮｏ）は、熱媒体戻り温度が所定値より低いかどうかを判断する（ＳＴ３１）。熱媒体戻り温度が所定値より低くない場合（ＳＴ３１のＮｏ）は、ＳＴ３０の前に戻り目標過冷却度制御を継続する。熱媒体戻り温度が所定値より低い場合（ＳＴ３１のＹｅｓ）は、第１運転モードに切り換える（ＳＴ３２）。第１運転モードは熱媒体が第１熱媒体循環路３５を流れるように第１三方弁３４を切換える。その結果、低元側第２膨張弁２５は目標過冷却度制御によって、閉若しくは微開状態から開く方向に開度が制御される（ＳＴ３３）。第１運転モードに切り換えた後、目標過冷却度制御を行うと、低元側熱交換器２４を通過する高温高圧の気相状態の低元側冷媒は放熱することができ、凝縮できるので、低元側熱交換器２４を通過した後の低元側冷媒の過冷却度が目標過冷却度となるように低元側第２膨張弁２５を開く方向に開度が制御される。目標過冷却度制御は第２過冷却度算出手段４６を介して行う低元側第２膨張弁２５の制御である。目標過冷却度制御を継続してＳＴ２６の前に戻る。
【0049】
熱媒体戻り温度が所定値より低い場合（ＳＴ２６のＹｅｓ）は、除霜開始条件が成立したかどうかを判断する（ＳＴ３４）。除霜開始条件は、上述したような外気温や熱源側熱交換器２２の凝縮温度検出センサ２２ａに基づき検出された温度に関する条件である。除霜開始条件が成立した場合（ＳＴ３４のＹｅｓ）は、蓄熱部３９の蓄熱温度が所定値より高いかどうかを判断する（ＳＴ３７）。所定値は、予め試験等により定められ、除霜運転に利用できる十分な蓄熱量が得られていると判断できる温度である。蓄熱部３９の蓄熱温度が所定値より高い場合は（ＳＴ３７のＹｅｓ）、除霜運転を開始し（ＳＴ３５）、所定時間経過後に除霜運転を終了する（ＳＴ３６）。一方、蓄熱部３９の蓄熱温度が所定値より高くない場合は（ＳＴ３７のＮｏ）、第２運転モードを開始する（ＳＴ３８）。第２運転モードは熱媒体が第２熱媒体循環路を流れるように第１三方弁３４を切換え、外気から吸熱した熱を熱媒体回路４の蓄熱部３９に蓄熱する運転である。第２運転モードを所定時間行って蓄熱部３９への蓄熱を完了する（ＳＴ３９）。次に、除霜運転を開始し（ＳＴ３５）、所定時間経過後に除霜運転を終了する（ＳＴ３６）。
【0050】
以上、限られた数の実施形態を参照しながら説明したが、権利範囲はそれらに限定されるものではなく、上記の開示に基づく実施形態の改変は、当業者にとって自明のことである。
【符号の説明】
【0051】
１…二元冷凍装置、２…高元側冷媒回路、３…低元側冷媒回路、４…熱媒体回路、５…制御部、６…冷媒配管、１０…高元側圧縮機、１１…高元側熱交換器、１２…高元側膨張弁、１３…カスケード熱交換器、１３ａ…凝縮温度検出センサ、１３ｂ…出口温度検出センサ、１４…高元側四方弁、２０…低元側圧縮機、２１…低元側第１膨張弁、２２…熱源側熱交換器、２２ａ…凝縮温度検出センサ、２３…第１循環路、２４…低元側熱交換器、２４ａ…凝縮温度検出センサ、２４ｂ…出口温度検出センサ、２４ｃ…熱媒体戻り温度検出センサ、２５…低元側第２膨張弁、２６…第２循環路、２７…低元側四方弁、３０…第１循環ポンプ、３１…利用側熱交換器、３２…配管、３３…第１バイパス路、３４…第１三方弁、３５…第１熱媒体循環路、３６…第２熱媒体循環路、３７…第２バイパス路、３８…第２三方弁、３９…蓄熱部、３９ａ…温度検出センサ、４０…第２循環ポンプ、４１…逆止弁、４２…第３熱媒体循環路、４５…第１過冷却度算出手段、４６…第２過冷却度算出手段、４７…記憶手段、５０…二元冷凍装置
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5】
【図6】
【手続補正書】
【提出日】2023-11-24
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
高元側圧縮機と、高元側熱交換器と、高元側減圧機構と、カスケード熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、高元側冷媒が循環する高元側冷媒回路と、
低元側圧縮機と、前記カスケード熱交換器と、低元側第１減圧機構と、熱源側熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、低元側冷媒が循環する第１循環路と、
前記第１循環路における、前記低元側圧縮機と前記カスケード熱交換器との間と、前記低元側第１減圧機構と前記熱源側熱交換器との間とを、低元側熱交換器および低元側第２減圧機構が設けられた冷媒配管で接続し、前記低元側圧縮機と、前記低元側熱交換器と、前記低元側第２減圧機構と、前記熱源側熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、前記低元側冷媒が循環する第２循環路とを備える、低元側冷媒回路と、
第１循環ポンプと、利用側熱交換器と、前記低元側熱交換器と、前記高元側熱交換器とが、配管で順次接続されて熱媒体が循環し、前記高元側熱交換器で前記高元側冷媒と前記熱媒体とが熱交換し、前記低元側熱交換器で前記低元側冷媒と前記熱媒体とが熱交換する第１熱媒体循環路と、
前記第１熱媒体循環路における、前記利用側熱交換器と前記低元側熱交換器との間と、前記低元側熱交換器と前記高元側熱交換器との間とを接続する第１バイパス路を備え、前記第１循環ポンプと、前記利用側熱交換器と、前記第１バイパス路と、前記高元側熱交換器とが配管で順次接続され、前記熱媒体が循環する第２熱媒体循環路と、を備えた熱媒体回路と、
前記カスケード熱交換器で前記高元側冷媒と前記低元側冷媒とが熱交換し、
前記熱媒体回路において、前記熱媒体を第１熱媒体循環路に流すか、または、前記第２熱媒体循環路に流すかを切り換える第１切換手段と、
前記高元側冷媒回路、前記低元側冷媒回路、前記熱媒体回路を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする二元冷凍装置。
低元側圧縮機と、前記カスケード熱交換器と、低元側第１減圧機構と、熱源側熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、低元側冷媒が循環する第１循環路と、
前記第１循環路における、前記低元側圧縮機と前記カスケード熱交換器との間と、前記低元側第１減圧機構と前記熱源側熱交換器との間とを、低元側熱交換器および低元側第２減圧機構が設けられた冷媒配管で接続し、前記低元側圧縮機と、前記低元側熱交換器と、前記低元側第２減圧機構と、前記熱源側熱交換器とが冷媒配管で順次接続され、前記低元側冷媒が循環する第２循環路とを備える、低元側冷媒回路と、
第１循環ポンプと、利用側熱交換器と、前記低元側熱交換器と、前記高元側熱交換器とが、配管で順次接続されて熱媒体が循環し、前記高元側熱交換器で前記高元側冷媒と前記熱媒体とが熱交換し、前記低元側熱交換器で前記低元側冷媒と前記熱媒体とが熱交換する第１熱媒体循環路と、
前記第１熱媒体循環路における、前記利用側熱交換器と前記低元側熱交換器との間と、前記低元側熱交換器と前記高元側熱交換器との間とを接続する第１バイパス路を備え、前記第１循環ポンプと、前記利用側熱交換器と、前記第１バイパス路と、前記高元側熱交換器とが配管で順次接続され、前記熱媒体が循環する第２熱媒体循環路と、を備えた熱媒体回路と、
前記カスケード熱交換器で前記高元側冷媒と前記低元側冷媒とが熱交換し、
前記熱媒体回路において、前記熱媒体を第１熱媒体循環路に流すか、または、前記第２熱媒体循環路に流すかを切り換える第１切換手段と、
前記高元側冷媒回路、前記低元側冷媒回路、前記熱媒体回路を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする二元冷凍装置。
【請求項2】
前記制御部は、二元冷凍装置を起動する際に、前記高元側圧縮機、前記低元側圧縮機および前記第１循環ポンプを起動させるとともに、前記熱媒体が第１熱媒体循環路を流れるように前記第１切換手段を切り換えることを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍装置。
【請求項3】
前記制御部は、前記利用側熱交換器を通過した熱媒体の温度が第１所定温度を越えた場合、または、前記利用側熱交換器を通過した熱媒体の温度と低元側冷媒回路の前記低元側熱交換器における冷媒凝縮温度との差が、第２所定温度未満の場合は、前記熱媒体が第２熱媒体循環路を流れるように前記第１切換手段を切り換えることを特徴とする請求項２に記載の二元冷凍装置。
【請求項4】
前記低元側冷媒回路において、前記低元側圧縮機の吐出側に接続され、前記低元側圧縮機から吐出する前記低元側冷媒を前記カスケード熱交換器側および前記低元側熱交換器側に流すか、または、前記熱源側熱交換器側に流すかを切り換える四方弁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍装置。
【請求項5】
前記低元側熱交換器は、蓄熱材を備えた第１蓄熱部を備えていることを特徴とする請求項４に記載の二元冷凍装置。
【請求項6】
前記熱媒体回路において、逆止弁、第２循環ポンプ、および蓄熱材を備えた第２蓄熱部を設けた第２バイパス路を前記第１バイパス路と並列に接続し、前記第２循環ポンプと、前記逆止弁と、前記低元側熱交換器と、前記第２蓄熱部とが冷媒配管で順次接続され、前記熱媒体が循環する第３熱媒体循環路と、
前記熱媒体回路において、前記熱媒体が第１熱媒体循環路を流れるか、または、前記第３熱媒体循環路を流れるかを切り換える第２切換手段と、
前記低元側冷媒回路において、前記低元側圧縮機の吐出側に接続され、前記低元側圧縮機から吐出する前記低元側冷媒を前記カスケード熱交換器側および前記低元側熱交換器側に流すか、または、前記熱源側熱交換器側に流すかを切り換える四方弁と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍装置。
前記熱媒体回路において、前記熱媒体が第１熱媒体循環路を流れるか、または、前記第３熱媒体循環路を流れるかを切り換える第２切換手段と、
前記低元側冷媒回路において、前記低元側圧縮機の吐出側に接続され、前記低元側圧縮機から吐出する前記低元側冷媒を前記カスケード熱交換器側および前記低元側熱交換器側に流すか、または、前記熱源側熱交換器側に流すかを切り換える四方弁と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍装置。
【請求項7】
前記制御部は、二元冷凍装置を起動する際に、前記高元側圧縮機、前記低元側圧縮機および前記第１循環ポンプを起動させるとともに、前記熱媒体が第１熱媒体循環路を流れるように前記第１切換手段および前記第２切換手段を切り換えることを特徴とする請求項６に記載の二元冷凍装置。
【請求項8】
前記制御部は、前記利用側熱交換器を通過した熱媒体の温度が第１所定温度を越えた場合、または、前記利用側熱交換器を通過した熱媒体の温度と低元側冷媒回路の前記低元側熱交換器における冷媒凝縮温度との差が、第２所定温度未満の場合は、前記熱媒体が第２熱媒体循環路を流れるように前記第１切換手段を切り換え、前記熱媒体が第３熱媒体循環路を流れるように前記第２切換手段を切り換えることを特徴とする請求項７に記載の二元冷凍装置。
【請求項9】
前記制御部は、除霜開始条件が成立したことをもって、前記蓄熱材の温度が所定温度以上になった場合、前記四方弁を前記熱源側熱交換器側に切り換えて、前記蓄熱材に蓄熱された熱を用いて前記熱源側熱交換器に着霜した霜を除霜するための除霜運転を行うことを特徴とする請求項８に記載の二元冷凍装置。