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技術 カスケードヒートポンプ装置

出願人 エルジーエレクトロニクスインコーポレイティド
発明者 チェジェヒュククワクテヒユヨンホ
出願日 2013年1月10日 (7年10ヶ月経過) 出願番号 2013-002646
公開日 2013年7月22日 (7年4ヶ月経過) 公開番号 2013-142537
状態 特許登録済
技術分野 不可逆サイクルによる圧縮式冷凍機械
主要キーワード 四方バルブ サイクル圧 熱交換過程 作動信頼性 吐出端 蒸発効率 既設定 差異点
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2013年7月22日)のものです。
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図面 (12)

課題

カスケードヒートポンプ装置を提供すること。

解決手段

本発明に係るカスケードヒートポンプ装置には、第1圧縮器及び第1室内熱交換器を有する第1冷媒サイクルと、第2圧縮器及び第2室内熱交換器を有する第2冷媒サイクルと、前記第1圧縮器又は第2圧縮器で圧縮された冷媒凝縮される室外熱交換器と、前記第2圧縮器で圧縮された冷媒が前記第1圧縮器を迂回して、前記第1圧縮器の吐出側に流動するようにするバイパス配管と、前記第2圧縮器の吐出側に提供され、前記第2圧縮器から吐出された冷媒を前記第1圧縮器及びバイパス配管のうちの何れか一つに流入するようにする第1流量調節部とが備えられる。

概要

背景

一般に、ヒートポンプ装置は、冷媒圧縮する圧縮器と、圧縮器から吐出される冷媒が凝縮される凝縮器と、凝縮器を通過した冷媒が膨脹される膨張器と、膨張器で膨脹された冷媒が蒸発する蒸発器とを備えて冷媒サイクルを構成し、冷媒サイクルを循環する冷媒を利用して室内を冷暖房したり、冷蔵又は冷凍を行う装置である。

最近では、システムの効率を上げるために、第1冷媒を循環させる第1冷媒サイクルと、第2冷媒を循環させる第2冷媒サイクルとを備え、冷媒熱交換器を介して第1冷媒と第2冷媒とが熱交換されるようにするカスケードヒートポンプ装置が開発された。

この場合に、第1冷媒サイクルは、室内を冷暖房するサイクルとして用いられ、第2冷媒サイクルは、冷蔵又は冷凍を行うサイクルとして用いられることができる。このとき、第1冷媒は冷媒熱交換器から蒸発し、第2冷媒は凝縮されて、互いに熱交換されうる。

そして、第1冷媒サイクルで循環する第1冷媒は、冷暖房運転モードの転換によって流動方向が転換されうるが、第2冷媒サイクルで循環する第2冷媒は、常に同じ方向に循環されうる。

一方、冷暖房と冷蔵又は冷凍を具現する従来のカスケードヒートポンプ装置は、一つの圧縮器で冷媒サイクルの冷媒を圧縮させるように構成されるので、圧縮比落ち、効率が低下するという問題点がある。

概要

カスケードヒートポンプ装置を提供すること。本発明に係るカスケードヒートポンプ装置には、第1圧縮器及び第1室内熱交換器を有する第1冷媒サイクルと、第2圧縮器及び第2室内熱交換器を有する第2冷媒サイクルと、前記第1圧縮器又は第2圧縮器で圧縮された冷媒が凝縮される室外熱交換器と、前記第2圧縮器で圧縮された冷媒が前記第1圧縮器を迂回して、前記第1圧縮器の吐出側に流動するようにするバイパス配管と、前記第2圧縮器の吐出側に提供され、前記第2圧縮器から吐出された冷媒を前記第1圧縮器及びバイパス配管のうちの何れか一つに流入するようにする第1流量調節部とが備えられる。

目的

本発明の目的は、冷凍サイクルの圧縮器と冷蔵サイクルの圧縮器とを利用して冷媒を2段に圧縮することによって、高圧縮比具現化し効率を向上させうるカスケードヒートポンプ装置及びその駆動方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

第1圧縮器及び第1室内熱交換器を有する第1冷媒サイクルと、第2圧縮器及び第2室内熱交換器を有する第2冷媒サイクルと、前記第1圧縮器又は第2圧縮器で圧縮された冷媒凝縮される室外熱交換器と、前記第2圧縮器で圧縮された冷媒が前記第1圧縮器を迂回して、前記第1圧縮器の吐出側に流動するようにするバイパス配管と、前記第2圧縮器の吐出側に提供され、前記第2圧縮器から吐出された冷媒を前記第1圧縮器及びバイパス配管のうちの何れか一つに流入するようにする第1流量調節部と、を備えるカスケードヒートポンプ装置

請求項2

前記バイパス配管の一端部は、前記第1流量調節部に連結され、他端部は、前記第1圧縮器の吐出側に連結されることを特徴とする請求項1に記載のカスケードヒートポンプ装置。

請求項3

前記第1冷媒サイクル又は第2冷媒サイクルの一側に提供され、第3圧縮器、第3室内熱交換器が備えられて、冷房又は暖房運転を行う第3冷媒サイクルをさらに備える、請求項1に記載のカスケードヒートポンプ装置。

請求項4

前記第3冷媒サイクルには、前記室外熱交換器から吐出された冷媒と、前記第3冷媒サイクルを循環する冷媒との間に熱交換がなされるようにする冷媒熱交換器が備えられる、請求項3に記載のカスケードヒートポンプ装置。

請求項5

前記第3冷媒サイクルには、前記冷媒熱交換器の一側に提供され、前記第3冷媒サイクルの冷媒が外部空気と熱交換できるようにする第3室外熱交換器がさらに備えられる、請求項4に記載のカスケードヒートポンプ装置。

請求項6

前記第3冷媒サイクルには、前記第3室内熱交換器の一側に提供されて冷媒を減圧させる第3膨張器と、前記冷媒熱交換器の一側に提供されて冷媒を減圧させる第4膨張器とがさらに備えられる、請求項3に記載のカスケードヒートポンプ装置。

請求項7

前記第2冷媒サイクルには、前記室外熱交換器で凝縮された冷媒のうち、少なくとも一部の冷媒が流入して熱交換される過冷却熱交換器と、前記過冷却熱交換器に流入する冷媒のうち、少なくとも一部の冷媒を膨脹するための過冷却膨張器とが備えられる、請求項1に記載のカスケードヒートポンプ装置。

請求項8

前記第1冷媒サイクルに備えられて、前記第1圧縮器及び第1室内熱交換器を循環する冷媒の流動をガイドする第1冷媒配管と、前記第2冷媒サイクルに備えられて、前記第2圧縮器及び第2室内熱交換器を循環する冷媒の流動をガイドする第2冷媒配管と、をさらに備える、請求項1に記載のカスケードヒートポンプ装置。

請求項9

前記第1冷媒配管には、前記室外熱交換器を通過した冷媒のうち、少なくとも一部の冷媒を前記第2冷媒配管に分枝されるようにする第1分枝部と、前記第2室内熱交換器を通過した冷媒が前記第1冷媒配管に合枝されるようにする第1合枝部と、が備えられる、請求項8に記載のカスケードヒートポンプ装置。

請求項10

前記第1流量調節部は、前記第2圧縮器の吐出端と第1合枝部との間に提供されることを特徴とする請求項9に記載のカスケードヒートポンプ装置。

請求項11

前記第1冷媒サイクルには、前記室外熱交換器で凝縮された冷媒のうち、少なくとも一部の冷媒が前記過冷却膨張器に流入するようにする第2分枝部と、前記過冷却熱交換器を通過した冷媒が前記第1冷媒サイクルの第1冷媒配管に合枝されるようにする第2合枝部とが備えられる、請求項7に記載のカスケードヒートポンプ装置。

請求項12

前記第1流量調節部の吐出側から前記第1圧縮器の吐出側に延びて、冷媒が前記第1圧縮器をバイパスするようにする平圧配管と、前記平圧配管の開度を調節する第2流量調節部とがさらに備えられる、請求項1に記載のカスケードヒートポンプ装置。

請求項13

前記第1流量調節部及び第2流量調節部の開度を制御する制御部がさらに備えられ、前記制御部は、外気温度設定温度以下になると、前記第1流量調節部を制御して冷媒が前記バイパス配管を流動するようにし、前記第2流量調節部を閉鎖し、外気温度が設定温度以上になると、前記第1流量調節部を制御して冷媒が前記第2圧縮器及び第1圧縮器で2段に圧縮されるようにし、前記第2流量調節部を開放することを特徴とする請求項12に記載のカスケードヒートポンプ装置。

請求項14

前記第1圧縮器の吸入側の圧力を感知する吸入圧力感知部と、前記第1圧縮器の吐出側の圧力を感知する吐出圧力感知部とをさらに備え、前記第1圧縮器の吐出側の圧力と吸入側の圧力との差が設定圧力以下になると、前記第2流量調節部は閉鎖されることを特徴とする請求項12に記載のカスケードヒートポンプ装置。

請求項15

前記第1流量調節部は、四方バルブであり、前記第2流量調節部は、チェックバルブであることを特徴とする請求項12に記載のカスケードヒートポンプ装置。

請求項16

冷蔵用圧縮器及び冷蔵用室内熱交換器を有する冷蔵サイクルと、冷凍用圧縮器及び冷凍用室内熱交換器を有する冷凍サイクルと、前記冷蔵用圧縮器又は冷凍用圧縮器で圧縮された冷媒が凝縮される室外熱交換器と、空調のための圧縮器及び空調用室内熱交換器を有する空調サイクルと、前記室外熱交換器の一側に提供され、前記室外熱交換器で凝縮された冷媒と前記空調サイクルの冷媒との間で熱交換がなされる冷媒熱交換器と、前記冷凍用圧縮器の吐出側に提供され、前記冷凍用圧縮器で圧縮された冷媒が前記冷蔵用圧縮器で2段に圧縮可能なように冷媒の流動方向を調節する第1流量調節部と、を備えるカスケードヒートポンプ装置。

請求項17

前記第1流量調節部に連結され、前記冷凍用圧縮器で圧縮された冷媒が前記冷蔵用圧縮器を迂回するようにガイドするバイパス配管がさらに備えられる、請求項16に記載のカスケードヒートポンプ装置。

請求項18

前記第1流量調節部の吐出側に連結され、前記冷蔵用圧縮器に流入する冷媒のうち、少なくとも一部の冷媒を迂回させる平圧配管がさらに備えられる、請求項17に記載のカスケードヒートポンプ装置。

請求項19

前記平圧配管に備えられ、冷媒の流れを選択的に遮断する第2流量調節部がさらに備えられる、請求項18に記載のカスケードヒートポンプ装置。

請求項20

外気温度を感知する外気温度感知部と、前記外気温度感知部で認識された外気温度が設定温度以上になると、前記第1流量調節部を制御して冷媒が前記2段に圧縮されるようにする制御部と、をさらに備える、請求項16に記載のカスケードヒートポンプ装置。

技術分野

0001

本発明は、カスケードヒートポンプ装置に関する。

背景技術

0002

一般に、ヒートポンプ装置は、冷媒圧縮する圧縮器と、圧縮器から吐出される冷媒が凝縮される凝縮器と、凝縮器を通過した冷媒が膨脹される膨張器と、膨張器で膨脹された冷媒が蒸発する蒸発器とを備えて冷媒サイクルを構成し、冷媒サイクルを循環する冷媒を利用して室内を冷暖房したり、冷蔵又は冷凍を行う装置である。

0003

最近では、システムの効率を上げるために、第1冷媒を循環させる第1冷媒サイクルと、第2冷媒を循環させる第2冷媒サイクルとを備え、冷媒熱交換器を介して第1冷媒と第2冷媒とが熱交換されるようにするカスケードヒートポンプ装置が開発された。

0004

この場合に、第1冷媒サイクルは、室内を冷暖房するサイクルとして用いられ、第2冷媒サイクルは、冷蔵又は冷凍を行うサイクルとして用いられることができる。このとき、第1冷媒は冷媒熱交換器から蒸発し、第2冷媒は凝縮されて、互いに熱交換されうる。

0005

そして、第1冷媒サイクルで循環する第1冷媒は、冷暖房運転モードの転換によって流動方向が転換されうるが、第2冷媒サイクルで循環する第2冷媒は、常に同じ方向に循環されうる。

0006

一方、冷暖房と冷蔵又は冷凍を具現する従来のカスケードヒートポンプ装置は、一つの圧縮器で冷媒サイクルの冷媒を圧縮させるように構成されるので、圧縮比落ち、効率が低下するという問題点がある。

発明が解決しようとする課題

0007

本発明の目的は、冷凍サイクルの圧縮器と冷蔵サイクルの圧縮器とを利用して冷媒を2段に圧縮することによって、高圧縮比具現化し効率を向上させうるカスケードヒートポンプ装置及びその駆動方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0008

一側面によるカスケードヒートポンプ装置には、第1圧縮器及び第1室内熱交換器を有する第1冷媒サイクルと、第2圧縮器及び第2室内熱交換器を有する第2冷媒サイクルと、
前記第1圧縮器又は第2圧縮器で圧縮された冷媒が凝縮される室外熱交換器と、前記第2圧縮器で圧縮された冷媒が前記第1圧縮器を迂回して、前記第1圧縮器の吐出側に流動するようにするバイパス配管と、前記第2圧縮器の吐出側に提供され、前記第2圧縮器から吐出された冷媒を前記第1圧縮器及びバイパス配管のうちの何れか一つに流入するようにする第1流量調節部とが備えられる。

0009

他の側面によるカスケードヒートポンプ装置には、冷蔵用圧縮器及び冷蔵用室内熱交換器を有する冷蔵サイクルと、冷凍用圧縮器及び冷凍用室内熱交換器を有する冷凍サイクルと、前記冷蔵用圧縮器又は冷凍用圧縮器で圧縮された冷媒が凝縮される室外熱交換器と、空調のための圧縮器及び空調用室内熱交換器を有する空調サイクルと、前記室外熱交換器の一側に提供され、前記室外熱交換器で凝縮された冷媒と前記空調サイクルの冷媒との間で熱交換がなされる冷媒熱交換器と、前記冷凍用圧縮器の吐出側に提供され、前記冷凍用圧縮器で圧縮された冷媒が前記冷蔵用圧縮器で2段に圧縮可能なように冷媒の流動方向を調節する第1流量調節部とが備えられる。

発明の効果

0010

本発明によれば、冷凍サイクルを循環する冷媒が冷凍サイクルの圧縮器及び冷蔵サイクルの圧縮器に順に流入して圧縮されうるので、冷凍サイクルの圧縮比が向上することができるという長所がある。

0011

また、外気温度が低い場合には、冷蔵サイクルと冷凍サイクルとを循環する各冷媒が一つの圧縮器によりそれぞれ圧縮され、外気温度が高い場合には、冷凍サイクルを循環する冷媒が冷凍サイクルの圧縮器と冷蔵サイクルの圧縮器とを経て2段に圧縮されるようにすることによって、消費電力を低減できる。

0012

また、冷凍サイクルの冷媒を2段に圧縮する場合に、冷蔵サイクル圧縮器流入端吐出端の圧力を平滑にして、圧縮器の起動信頼性を確保することができる。

図面の簡単な説明

0013

本発明の第1の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置の構成図である。
本発明の第1の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置での冷媒の流れを示す図である。
本発明の第1の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置での冷媒の流れを示す図である。
本発明の第1の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置での冷媒の流れを示す図である。
本発明の第1の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置での冷媒の流れを示す図である。
本発明の第2の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置の構成図である。
本発明の第2実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置に関するブロック図である。
本発明の第2の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置での冷媒の流れを示す図である。
本発明の第2の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置での冷媒の流れを示す図である。
本発明の第2の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置での冷媒の流れを示す図である。
本発明の第2の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置の駆動方法のフローチャートである。

実施例

0014

図1は、本発明の第1の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置の構成図である。
図1に示すように、本発明の第1の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置1は、第1冷媒サイクル10、第2冷媒サイクル20、第3冷媒サイクル30を備える。

0015

第1冷媒サイクル10は、第1冷媒が循環する第1圧縮器11、第1室外熱交換器12、第1室内熱交換器13及び第1膨張器14を備える。そして、第1冷媒サイクル10は、第1圧縮器11、第1室外熱交換器12、第1室内熱交換器13及び第1膨張器14を連結して、第1冷媒の循環をガイドする第1冷媒配管16をさらに備える。第1圧縮器11を「冷蔵用圧縮器」、第1室内熱交換器13を「冷蔵用室内熱交換器」、第1冷媒サイクルを「冷蔵サイクル」と名付けることができる。

0016

第1冷媒サイクル10は、冷蔵サイクルでありうる。冷蔵サイクルにおいて、第1冷媒は、第1室外熱交換器12を通過する空気によって凝縮され、第1室内熱交換器13から蒸発できる。

0017

第1冷媒は、後述する冷媒熱交換器36において第3冷媒サイクル30の第3冷媒と熱交換されうる。一例として、第1冷媒と第3冷媒との熱交換過程において第1冷媒は凝縮し、第1冷媒の凝縮熱は、第3冷媒に伝達されて第3冷媒を蒸発させる。

0018

第1冷媒サイクル10は、第1冷媒を貯蔵する冷媒貯蔵部15をさらに備えることができる。冷媒貯蔵部15は、第1室外熱交換器12を通過した後に第1室内熱交換器13に流入する第1冷媒の量、又は第1室外熱交換器12を通過した後に第2室内熱交換器22に流入する第2冷媒の量を適切に調節できる。すなわち、冷媒貯蔵部15は、第1冷媒又は第2冷媒を貯蔵することができる。冷媒貯蔵部15は、レシーバーでありうる。

0019

第1圧縮器11で圧縮された第1冷媒は、第1室外熱交換器12で凝縮された後に冷媒貯蔵部15に貯蔵されることができ、以後第1室内熱交換器13から蒸発して周辺、一例として第1貯蔵室冷蔵室)を冷却させることができる。

0020

第2冷媒サイクル20は、第2冷媒が循環する第2圧縮器21、第1室外熱交換器12、第2室内熱交換器22及び第2膨張器23を備える。そして、第2冷媒サイクル20は、第2圧縮器21、第1室外熱交換器12、第2室内熱交換器22及び第2膨張器23を連結して、第2冷媒の循環をガイドする第2冷媒配管28をさらに備える。第2圧縮器21は、「冷凍用圧縮器」、第2室内熱交換器22を「冷凍用室内熱交換器」、第2冷媒サイクルを「冷凍サイクル」と名付けることができる。

0021

第2冷媒サイクル10は、冷凍サイクルでありうる。冷凍サイクルにおいて、第2冷媒は、第1室外熱交換器12に流入して凝縮され、第2室内熱交換器22から蒸発できる。第2冷媒サイクル20は、第1冷媒サイクル10と凝縮器(第1室外熱交換器12)を共有できる。

0022

第2冷媒は、第1冷媒と同じ冷媒でありうる。すなわち第1冷媒サイクル10と第2冷媒サイクル20とは、同じ冷媒を使用し、本実施の形態は、一つの冷媒を分配して第1、2冷媒サイクル10、20、すなわち冷蔵サイクル及び冷凍サイクルを運転することを特徴とする。

0023

第2冷媒は、第1冷媒と同様に、冷媒熱交換器36において第3冷媒サイクル30の第3冷媒と熱交換されうる。第1冷媒及び第2冷媒の凝縮熱は、第3冷媒に伝達されて、第3冷媒を蒸発させる。

0024

第2冷媒サイクル20は、第1冷媒サイクル10の第1室外熱交換器12と、冷媒貯蔵部15とを共有できる。すなわち、第2圧縮器21で圧縮された第2冷媒は、第1室外熱交換器12で凝縮された後冷媒貯蔵部15に貯蔵されることができ、以後第2室内熱交換器22から蒸発して周辺、一例として第2貯蔵室(冷凍室)を冷却させることができる。

0025

第2冷媒サイクル2cは、第1流量調節部24と、バイパス配管25をさらに備えることができる。

0026

第1流量調節部24は、第2圧縮器21の出口側と第1圧縮器11の入口側との間の一地点に提供されることができる。第2圧縮器21を通過した第2冷媒は、第1流量調節部24を介して第1圧縮器11に流入することができる。

0027

このために、第2冷媒配管28は、第1冷媒配管16の一地点に連結されることができる。詳細に、第1冷媒配管16には、第2冷媒配管28が合枝される第1合枝部50が提供される。第2圧縮器21から吐出された冷媒は、第1流量調節部24及び第1合枝部50を介して第1圧縮器11に流入することができる。言い換えれば、第1流量調節部24は、第2圧縮器24の吐出端と第1合枝部50の間に提供されることができる。

0028

第1流量調節部24は、四方バルブでありうる。もちろん本実施の形態は、第1流量調節部24のバルブ形態を四方バルブに限定するものではなく、第2冷媒の流路を転換するバルブであれば、多様なバルブ装置が提供されうる。

0029

第1流量調節部24は、第2圧縮器21から吐出された第2冷媒が第1圧縮器11に流入するようにしたり、又は第2圧縮器21から吐出された第2冷媒がバイパス配管25に沿って第1圧縮器11から吐出された第1冷媒と会うようにすることができる。

0030

一方、第1冷媒配管16には、第2冷媒配管28が分枝される第1分枝部52が提供される。第1分枝部52は、冷媒貯蔵部15の出口側に形成される。冷媒貯蔵部15を通過した冷媒のうち、少なくとも一部の冷媒(第2冷媒)は、第1分枝部52を経て第2膨張器23側に流動できる。そして、冷媒貯蔵部15を通過した冷媒のうち、残りの冷媒(第1冷媒)は、第1分枝部52を経て第1膨張器14側に流動できる。

0031

第2冷媒サイクル20を流動する冷媒(第2冷媒)は、第1圧縮器11を通過するように制御できる。すなわち、第2冷媒は、第2圧縮器21により1段に圧縮された後、第1流量調節部24によってその流動方向が変化して第1圧縮器11に流入し、第1圧縮器11で2段に圧縮されることができる。

0032

冷凍性能を確保するために、高圧縮が必要な場合に、一つの圧縮器のみを使用して冷媒を圧縮するようになれば、圧縮器を過度に駆動しなければならないので、効率が落ちることができる。よって、本実施の形態は、既設定の条件を満たすとき、第2冷媒が第2圧縮器21で1次に圧縮された後、第1圧縮器11で2次に圧縮されるようにして、高圧縮比を確保し効率を上げ、消費電力を低減できるようにする。一例として、前1圧縮器11は、定速圧縮器で、第2圧縮器21は、インバータ圧縮器でありうる。

0033

既設定の条件とは、外気温度が基準値以上である場合を意味する。夏季には、外気温度が高い方であるゆえに、冷凍サイクルを円滑に具現するためには、冷媒を十分に圧縮させなければならない。よって、本実施の形態は、外気温度が基準値以上であれば、第2冷媒が第2圧縮器21及び第1圧縮器11で順に圧縮されるようにすることができる。外気温度は、外気温度感知部110(図7参照)によって感知されることができ、制御部100(図7参照)は、外気温度感知部110によって認識された情報に基づいて、第1流量調節部24の作動を制御できる。

0034

バイパス配管25は、第1流量調節部24に連結され、第2冷媒が第1圧縮器11を迂回するようにする。言い換えれば、バイパス配管25の一端部は、第2圧縮器21の吐出側、すなわち第1流量調節部24に連結され、他端部は、第1圧縮器11の吐出側、すなわち第4合枝部59に連結されることができる。

0035

第2冷媒がバイパス配管25を流動するように第1流量調節部24が制御されると、第2冷媒は、第1圧縮器11に流入せずに第1流量調節部24を経てバイパス配管25に流入し、第4合枝部59で第1冷媒と合わせられて第1室外熱交換器12に流入することができる。

0036

この場合に、第1冷媒サイクル10の第1冷媒は、第1圧縮器11で圧縮され、第2冷媒サイクル20の第2冷媒は、第2圧縮器21で圧縮される。すなわち第1冷媒と第2冷媒とは、それぞれ1段に圧縮される。

0037

反面に、第2圧縮器21で圧縮された第2冷媒が第1合枝部50を通過するように第1流量調節部24が制御されると、第2冷媒は、第1流量調節部24を経て第1圧縮器11に流入する。そして、第2冷媒は、第1圧縮器11で2段に圧縮されることができる。

0038

この場合に、第1室内熱交換器13から吐出された第1冷媒と、第2圧縮器21から圧縮された後に吐出された第2冷媒は、第1合枝部50で合わせられて第1圧縮器11に流入する。そして、第1圧縮器11で圧縮された第1冷媒及び第2冷媒は、第1室外熱交換器12と冷媒貯蔵部15とを通過した後、第1分枝部52で分配されて、第1室内熱交換器13及び第2室内熱交換器22にそれぞれ流入することができる。

0039

一方、第1、2冷媒が第1、2室内熱交換器13、22に流入する過程で、第1膨張器14と第2膨張器23の開度が調節されることができ、これにより、第1、2冷媒は、冷蔵又は冷凍のために要求される状態に相変化できる。

0040

第2冷媒サイクル20は、過冷却器29をさらに備えることができる。過冷却器29は、冷媒熱交換器36で第3冷媒と熱交換した第2冷媒を過冷却させるように構成される。

0041

過冷却器29は、冷媒熱交換器36を通過した冷媒のうち、一部を膨脹させる過冷却膨張器292と、過冷却膨張器292により膨脹された冷媒と冷媒熱交換器36から第2室内熱交換器22に流入する冷媒を熱交換させる過冷却熱交換器291とを備えることができる。

0042

そして、第1冷媒配管16には、冷媒貯蔵部15を通過した冷媒のうち、少なくとも一部の冷媒を過冷却器29に分枝されるようにする第2分枝部54が提供される。第2分枝部54で分枝された冷媒は、過冷却膨張器292を介して過冷却熱交換器291に流入することができる。

0043

すなわち、冷媒熱交換器36から吐出された冷媒は、冷媒貯蔵部15を通過した後に第2分枝部54で分配されて過冷却器29に流入することができる。このとき、過冷却膨張器292に流入した冷媒(分枝冷媒と名付ける)は、過冷却熱交換器291から蒸発する。

0044

そして、蒸発した冷媒は、第1冷媒配管16の第2合枝部56に流動し、第2合枝部56で第1冷媒と合わせられて第1圧縮器11に流入する。第2合枝部56は、第1冷媒配管16のうち、第1圧縮器11の入口側の一地点に形成されることができる。

0045

反面に、第1分枝部52から第2室内熱交換器22側に分枝された冷媒(第2冷媒と名付ける)は、過冷却熱交換器291で分枝冷媒と熱交換されて過冷却されうる。結局、第2冷媒は、過冷却器29で過冷却されて第2室内熱交換器22に流入することができるので、第2室内熱交換器22での熱交換効率が改善され、これにより、冷凍室を十分に冷却させることができるようになる。

0046

一方、冷媒熱交換器36を通過した一部の冷媒は、第1膨張器14に流動して、第1室内熱交換器13から蒸発できる。

0047

第3冷媒サイクル30は、第3冷媒が循環する第3圧縮器31、第3室外熱交換器32、第3室内熱交換器33、複数の膨張器34a、34bを備える。そして、第3冷媒サイクル30は、第3圧縮器31、第3室外熱交換器32、第3室内熱交換器33、第3膨張器34a及び第4膨張器34bを連結して、第3冷媒の循環をガイドする第3冷媒配管37をさらに備える。第3圧縮器を「空調用圧縮器」、第3室内熱交換器33を「空調用室内熱交換器」、第3冷媒サイクルを「空調サイクル」と名付けることができる。

0048

複数の膨張器34a、34bには、第3膨張器34a及び第4膨張器34bが備えられる。第3膨張器34aは、第3室内熱交換器33の一側に提供され、第4膨張器34bは、冷媒熱交換器36の一側に提供されることができる。

0049

そして、第3圧縮器31の出口側には、冷房又は暖房運転に応じて冷媒の流動方向を転換させる第3流量調節部35が備えられる。第3流量調節部35は、第3圧縮器31から吐出される第3冷媒が第3室内熱交換器33又は第3室外熱交換器32に流入するように制御し、また第3室内熱交換器33又は第3室外熱交換器32から蒸発した第3冷媒が第3圧縮器31に流入するように制御できる。

0050

冷房運転の際、第3圧縮器31で圧縮された冷媒は、第3流量調節部35を経て第3室外熱交換器32で外気と熱交換(凝縮)され、第3膨張器34a又は第4膨張器34bで膨脹された後、第3室内熱交換器33又は冷媒熱交換器36から蒸発しうる。

0051

反面に、暖房運転の際、第3圧縮器31で圧縮された冷媒は、第3流量調節部35を経て第3室内熱交換器33で凝縮され、第3膨張器34a又は第4膨張器34bで膨脹された後、第3室外熱交換器32又は冷媒熱交換器36から蒸発できる。

0052

第3冷媒サイクル30は、室内を冷房又は暖房する空調サイクルでありうる。すなわち第3室内熱交換器33は、第3冷媒と室内空気を熱交換させて、室内をユーザー望む環境を作ることができる。

0053

第3冷媒サイクル30を循環する第3冷媒は、冷媒熱交換器36で第1冷媒サイクル10の第1冷媒及び第2冷媒サイクル20の第2冷媒と熱交換できる。冷媒熱交換器36は、第1室外熱交換器12の吐出端に連結されることができる。すなわち、第1室外熱交換器12で凝縮された第1冷媒と第2冷媒とは、冷媒熱交換器36でさらに凝縮され、このとき、排出した熱は、第3冷媒に伝達される。したがって、第3冷媒サイクル30の第3冷媒は、冷媒熱交換器36から熱を吸収して蒸発するようになる。

0054

第3圧縮器31から吐出された第3冷媒は、冷房モードの場合に、第3室外熱交換器32を通過した後に第3室内熱交換器33又は冷媒熱交換器36に流入して蒸発できる。

0055

これに対し、暖房モードの場合に、第3圧縮器31から吐出された第3冷媒は、第3室内熱交換器33を通過した後に第3室外熱交換器32又は冷媒熱交換器36に流入して蒸発するようになる。

0056

結局、本実施の形態によれば、第3冷媒の一部が第1冷媒サイクル10を循環する第1冷媒及び第2冷媒サイクル20を循環する第2冷媒から熱を吸収して蒸発できるので、第3冷媒サイクル30の蒸発効率が向上することができるという効果が現れる。

0057

もちろん、本実施の形態は、冷媒熱交換器36を省略し、第3冷媒が第1室外熱交換器12に流入するようにすることができる。この場合に、第1室外熱交換器12は、冷媒間の熱交換、すなわち第1冷媒と第2冷媒とが第3冷媒と熱交換されるように構成されることができる。

0058

以下、図2ないし図5を参照して、本実施の形態の駆動について説明する。
図2ないし図5は、本発明の第1の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置での冷媒の流れを示す図である。

0059

図2は、第2冷媒が第1圧縮器を迂回してバイパス配管を流動し、第3冷媒サイクルの冷房運転時に第3冷媒が第3室内熱交換器から蒸発する様子を示す図で、図3は、第2冷媒が第1圧縮器を迂回してバイパス配管を流動し、第3冷媒サイクルの冷房運転時に第3冷媒が第3室内熱交換器から蒸発する様子を示す図である。

0060

そして、図4は、第2冷媒が2段に圧縮される様子を示す図であり、図5は、第2冷媒が2段に圧縮され過冷却される様子を示す図である。
図2に示すように、第1冷媒は、第1圧縮器11で圧縮された後に第1室外熱交換器12で凝縮され、冷媒熱交換器36で第3冷媒と熱交換し、冷媒貯蔵部15を通過して第1室内熱交換器13から蒸発する。

0061

第2冷媒は、第2圧縮器21で圧縮された後に第1室外熱交換器12で凝縮され、冷媒熱交換器36で第3冷媒と熱交換し、冷媒貯蔵部15を通過して第2室内熱交換器22から蒸発する。このとき、第2圧縮器21から吐出された第2冷媒は、第1流量調節部24によってバイパス配管25に沿って流動し、第1圧縮器11の吐出端側に流入することができる。

0062

すなわち、第1冷媒と第2冷媒とは、第1圧縮器11と第2圧縮器21のそれぞれで圧縮されることができ、圧縮された第1冷媒と第2冷媒とは合枝されて、第1室外熱交換器12に流入することができる。

0063

第3冷媒は、第3圧縮器31で圧縮された後に第3室外熱交換器32で凝縮され、第3室内熱交換器33又は冷媒熱交換器36から蒸発する。すなわち、第3室外熱交換器32を通過した第3冷媒のうち、少なくとも一部は、第3室内熱交換器33に流入することができ、残りの冷媒は、冷媒熱交換器36に流入することができる。このような第3冷媒サイクル30は、冷房運転のためのサイクルでありうる。

0064

図3に示すように、第1冷媒と第2冷媒との循環は、図2に示したものと同様であり、第3冷媒の循環方向は、反対に形成される。すなわち、第3冷媒は、第3圧縮器31で圧縮された後に第3室内熱交換器33で凝縮され、第3室外熱交換器32又は冷媒熱交換器36から蒸発できる。このような第3冷媒サイクル30は、暖房運転のためのサイクルでありうる。

0065

図4に示すように、第1冷媒は、図2及び図3に示すように循環する。これに対し、第2冷媒の場合に、第2圧縮器21で圧縮された後に第1流量調節部24によって第1圧縮器11に流入することができる。第2冷媒は、第1圧縮器11でさらに圧縮されることができる。結局、図4において第2冷媒は、2段に圧縮されることができる。

0066

第1流量調節部24が第2冷媒を第1圧縮器11に流入させる作動は、外気温度が基準値以上である場合に、一例として夏季の場合になされることができる。整理すれば、外気温度の高い場合に、第2冷媒を十分に圧縮しなければ冷凍サイクルを駆動できないが、第2圧縮器21のみで第2冷媒を圧縮するようになれば、過度に多くの電力を使用して効率が落ちるようになるので、2段に圧縮されるようにすることである。

0067

よって、本実施の形態によれば、外気温度に応じて第2冷媒を1段又は2段に圧縮して、熱交換効率を上げ、消費電力を低減できるという効果が現れる。

0068

図5に示すように、冷媒貯蔵部15を通過した冷媒のうち、一部は、過冷却されうる。詳細に述べると、冷媒貯蔵部15を通過した冷媒のうち、一部(分枝冷媒)は、第2分枝部54から分枝されて過冷却膨張器292で膨脹され、過冷却熱交換器291から蒸発する。そして、冷媒のうち、残りの冷媒(第2冷媒)は、過冷却熱交換器291を通過しながら、分枝冷媒と熱交換して過冷却できる。

0069

このとき、過冷却熱交換器291から蒸発した分枝冷媒は、第2合枝部56で第1冷媒配管16の第1冷媒と合流して、第1圧縮器11に流入することができる。
図6は、本発明の第2の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置の構成図である。
図6に示すように、本発明の第2の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置1は、第1冷媒サイクル10、第2冷媒サイクル20、第3冷媒サイクル30を備える。

0070

本実施の形態に係るヒートポンプ装置1には、第1圧縮器11の一側に提供されて冷媒を迂回させる平圧配管26及び平圧配管26に提供される第2流量調節部27をさらに備えることができる。その他、第1冷媒サイクル10、第2冷媒サイクル20及び第3冷媒サイクル30の構成は、第1実施の形態で説明したものと同様なので、詳細な説明は省略する。

0071

平圧配管26は、第1圧縮器11の一端及び他端に連結されて、第1圧縮器11の吐出端の圧力を調節する。詳細に、第1冷媒配管16には、第1圧縮器11の吸入側に提供されて、少なくとも一部の冷媒を平圧配管26に分枝されるようにする第3分枝部57及び第1圧縮器11の吐出側に提供されて、平圧配管26の冷媒が第1冷媒配管16に合流するようにする第3合枝部58が備えられる。第3分枝部57は、第1合枝部50と第1圧縮器11との間に形成される。

0072

平圧配管26は、第1圧縮器11に流入する冷媒のうち、少なくとも一部を迂回させて、第1圧縮器11の吐出端に流れるようにして、第1圧縮器11の流入端の圧力と吐出端の圧力との差を減少させることができる。このような構成によって、第1圧縮器11の負荷を減少させて、第1圧縮器11の起動時の信頼性を確保することができる。

0073

第2流量調節部27は、平圧配管26に備えられて、平圧配管26の開度を制御する。第2流量調節部27は、チェックバルブでありうる。

0074

第1流量調節部24が制御されて第2冷媒が第1圧縮器11に流入すれば、平圧配管26は開放され、第2冷媒がバイパス配管25に流入すれば、平圧配管26は閉鎖されるように制御できる。

0075

整理すれば、第2冷媒が1段に圧縮される場合に、第1圧縮器11の負荷は大きくないので、平圧配管26を使用しなくても十分に信頼性を確保することができる。これに対し、第2冷媒が2段に圧縮される場合には、第1圧縮器11の流入端の圧力と吐出端の圧力との差が大きくなるようになって、第1圧縮器11の性能が低下できる。

0076

したがって、第2冷媒が2段に圧縮される場合に、第2流量調節部27が平圧配管26を開放するようにして、第1圧縮器11の負荷を減らして圧縮器の運転効率を高めることができる。すなわち、第2流量調節部27は、外気温度が基準値以上である場合に、平圧配管26を開放すると理解されることができる。

0077

一方、平圧配管26に沿って冷媒が流動する過程において、第1圧縮器11の流入端の圧力と吐出端の圧力との差が既設定の圧力以下に落ちる場合、第2流量調節部27は、平圧配管26への冷媒の流れを遮断するように制御できる。すなわち、第2流量調節部27は、第1圧縮器11の流入端の圧力と吐出端の圧力との差によって、平圧配管26の開度を制御できる。

0078

ヒートポンプ装置1には、第1圧縮器11の吸入側の圧力を感知する吸入圧力感知部120及び第1圧縮器11の吐出側の圧力を感知する吐出圧力感知部130が備えられる。感知部120、130で認識された情報に基づいて、第1圧縮器11の吐出圧力と吸入圧力との差が設定圧力以下になると、第2流量調節部27は閉鎖されて、平圧配管26への冷媒の流れを防止する。

0079

以下、図8ないし図10を参照して、本実施の形態の駆動について説明する。
図8ないし図10は、本発明の第2の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置での冷媒の流れを示す図である。

0080

図8は、第2冷媒が第1圧縮器を迂回する状態を示す図で、図9は、第2冷媒が2段に圧縮される状態を示す図で、図10は、第2冷媒が2段に圧縮されて過冷却される状態を示す図である。

0081

図8に示すように、第1冷媒は、第1圧縮器11で圧縮された後に第1室外熱交換器12で凝縮され、冷媒熱交換器36で第3冷媒と熱交換する。そして、第1冷媒は、冷媒貯蔵部15を通過して第1室内熱交換器13から蒸発する。

0082

第2冷媒は、第2圧縮器21で圧縮された後に第1室外熱交換器12で凝縮され、冷媒熱交換器36で第3冷媒と熱交換する。そして、第2冷媒は、冷媒貯蔵部15を通過して第2室内熱交換器22から蒸発する。このとき、第2圧縮器21から吐出された第2冷媒は、第1流量調節部24によってバイパス配管25に沿って第1圧縮器11を迂回し、第4合枝部59で第1冷媒と合わせられて第1室外熱交換器12に流入することができる。

0083

整理すれば、第1冷媒と第2冷媒とは、第1圧縮器11と第2圧縮器21のそれぞれで圧縮されることができ、圧縮された第1冷媒と第2冷媒とは合枝されて、第1室外熱交換器12で凝縮できる。

0084

図9に示すように、第2冷媒は、第2圧縮器21で圧縮された後に第1流量調節部24を介して第1圧縮器11に流入することができる。

0085

そして、第2流量調節部27は、平圧配管26を開放し、これにより第1圧縮器11の吸入側冷媒のうち、少なくとも一部は、第1圧縮器11を迂回して第1圧縮器11の吐出端に流れるようになる。したがって、第1圧縮器11の前後端の圧力の差が減少するので、第1圧縮器11の負荷が減少して、圧縮器の運転効率が増加できる。

0086

図10に示すように、第2冷媒は、2段に圧縮された後に過冷却できる。第2冷媒が過冷却される過程は、図5で説明したものと同様なので、詳細な説明は省略する。

0087

図11は、本発明の第2の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置の駆動方法のフローチャートである。

0088

図11に示すように、本発明の第2の実施の形態に係るカスケードヒートポンプ装置1は、第2冷媒を第2圧縮器21に流入させた後(S10)、既設定条件を満たすとき(S11)、第2圧縮器21から吐出された冷媒を第1圧縮器11に流入させることができる(S12)。このとき、既設定条件とは、外気温度が基準値以上である場合を意味する。

0089

このとき、第1圧縮器11に流入する冷媒のうち、一部の冷媒を迂回させて第1圧縮器11の吐出側に送ることによって、第1圧縮器11の流入端と吐出端との圧力差を調節でき、これにより第1圧縮器11の信頼性を確保することができる(S14)。

0090

これに対して、既設定条件が満たされないと、本実施の形態は、第2圧縮器21から吐出された冷媒を迂回させて、第4合枝部59で第1圧縮器11から吐出された第1冷媒と合流するようにすることができる(S13)。

0091

以後、第1冷媒又は第2冷媒とは、冷媒熱交換器36で第3冷媒と熱交換され(S15)、第2冷媒は、過冷却されうる(S16)。過冷却された第2冷媒は、第2室内熱交換器22から蒸発する。そして、第1冷媒は、第1室内熱交換器13から蒸発できる。

0092

このような制御方法によれば、外気温度と基準値とを比較して、第2冷媒を1段に圧縮又は2段に圧縮することによって高圧縮比を得ることができ、消費電力を低減できるようになる。そして、2段に圧縮される場合に、平圧配管26を利用して第1圧縮器11の流入端の圧力と吐出端の圧力との差を調節できるので、圧縮器の作動信頼性を確保することができる。

0093

以上、 本発明についてその好ましい実施の形態を中心に説明したが、これは、単に一例にすぎず、本発明を限定するものではなく、本発明の属する技術分野における通常の知識を有した者であれば、本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲内で、以上に例示されない様々な変形と応用が可能であることが分かる。例えば、本発明の実施の形態に具体的に現れた各構成要素は変形して実施できる。そして、このような変形と応用と関連された差異点は、添付された請求の範囲で規定する本発明の範囲に含まれると解析されなければならない。

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