JP6986675B2 - 超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクル及び液体加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクル及びこの超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルを用いた液体加熱装置に関する。

特許文献１は、冷媒を二段で圧縮する二段圧縮機と、冷媒を二段で膨張する二つの膨張装置とを備えた超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルを開示し、冷媒には二酸化炭素を用いている。
特許文献１の超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルは気液分離器を備え、気液分離器内の気相を主成分とする冷媒は、インジェクション回路から二段圧縮機の中間連結回路の途中にある冷媒混合器に中間インジェクションされ、低段側回転圧縮回転要素から吐出された冷媒に混合され、高段側回転圧縮回転要素に吸入される。
特許文献１では、低段側回転圧縮回転要素の排除容積に対する高段側回転圧縮回転要素の排除容積の割合（排除容積比）を、二段圧縮機の吸入圧力を第１膨脹装置における冷媒飽和液圧で除算した商の等エントロピ指数乗根以上とすることで、低段側回転圧縮回転要素の吐出圧力を冷媒の臨界圧力以下にしている。

特開２０１０−０７１６４３号公報

しかし、特許文献１の超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルでは、高温水を生成するために高圧を上昇させたとき、インジェクション回路における冷媒の中間圧が冷媒の臨界圧力以下であるため、高圧と中間圧との差圧が大きくなり、超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルのＣＯＰが低下してしまうという課題を有している。

そこで本発明は、高圧を上昇させたときにも超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルのＣＯＰを低下させない超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクル及びこの超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルを用いた液体加熱装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明の超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルは、圧縮回転要素１１ａ、１１ｂから構成される圧縮機構１１、前記圧縮回転要素１１ｂから吐出された冷媒により利用側熱媒体を加熱する利用側熱交換器１２、中間熱交換器１３、第１膨張装置１４、及び熱源側熱交換器１５が配管１６で順次接続されて形成される主冷媒回路１０と、前記利用側熱交換器１２から前記第１膨張装置１４までの間の前記配管１６から分岐され、分岐された冷媒は、第２膨張装置２１により減圧された後に、前記中間熱交換器１３で前記主冷媒回路１０を流れる前記冷媒と熱交換され、前記圧縮回転要素１１ａ、１１ｂの圧縮途中の前記冷媒に合流されるバイパス冷媒回路２０と、制御装置６０と、前記主冷媒回路１０の高圧側の圧力を検出する高圧側圧力検出装置５１と、前記バイパス冷媒回路２０の前記第２膨張装置２１の下流側の圧力が臨界圧を超えているか否かを、直接的または間接的に検出する中間圧側圧力検出装置５２と、を備え、前記制御装置６０は、第１所定高圧値と、前記第１所定高圧値よりも高く目標高圧値である第２所定高圧値とを記憶し、前記高圧側圧力検出装置５１で検出される検出圧力が上昇し、前記第１所定高圧値を超えたと判断した場合に、前記中間圧側圧力検出装置５２で検出される検出圧力が、前記臨界圧以下の場合には、前記第２膨張装置２１の弁開度を大きくなる方向に動作を開始し、かつ、前記圧縮回転要素１１ａ、１１ｂの運転周波数を上昇させて、前記利用側熱交換器１２と前記バイパス冷媒回路２０との間を流れる前記冷媒の循環量を増加させ、前記高圧側圧力検出装置５１で検出される前記検出圧力が前記第２所定高圧値になるとともに、前記第２膨張装置１２の下流側の前記冷媒の圧力が前記臨界圧を越えた状態を保つように前記第２膨張装置２１の弁開度を制御することを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、前記冷媒を二酸化炭素としたことを特徴とする。
請求項３記載の本発明の液体加熱装置は、請求項１又は請求項２に記載の超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルを用いた液体加熱装置であって、搬送装置３１によって前記利用側熱媒体を循環させる利用側熱媒体回路３０を備えたことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項３に記載の液体加熱装置において、前記利用側熱交換器１２から流出する前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体出口温度サーミスタ５３と、前記利用側熱交換器１２に流入する前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体入口温度サーミスタ５４とを備え、前記制御装置６０は、前記熱媒体出口温度サーミスタ５３で検出される検出温度が目標温度となるように、前記搬送装置３１を動作させるとともに、前記熱媒体入口温度サーミスタ５４で検出される検出温度が第１所定温度を超えた場合には、前記圧縮回転要素１１ａ、１１ｂの運転周波数を低下させることを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項３に記載の液体加熱装置において、前記利用側熱交換器１２から流出する前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体出口温度サーミスタ５３と、前記利用側熱交換器１２に流入する前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体入口温度サーミスタ５４とを備え、前記制御装置６０は、前記熱媒体出口温度サーミスタ５３で検出される検出温度と前記熱媒体入口温度サーミスタ５４で検出される検出温度との温度差が目標温度差となるように、前記搬送装置３１を動作させるとともに、前記熱媒体出口温度サーミスタ５３で検出される前記検出温度が第２所定温度を超えた場合には、前記圧縮回転要素１１ａ、１１ｂの運転周波数を低下させることを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の液体加熱装置において、前記利用側熱媒体を水又は不凍液としたことを特徴とする。

本発明によれば、高圧が所定圧以上に上昇した時に、圧縮回転要素の圧縮途中であり、バイパス冷媒回路からの冷媒が合流する位置での圧力を、臨界圧を超えた状態に保ち、高段側圧縮回転要素での吸入圧力と吐出圧力との差圧を小さくすることで、超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルのＣＯＰを向上させることができる。

本発明の一実施例による液体加熱装置の構成図 同液体加熱装置について理想条件での圧力―エンタルピー線図（Ｐ−ｈ線図）

本発明の第１の実施の形態による超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルは、制御装置が、第１所定高圧値と、第１所定高圧値よりも高く目標高圧値である第２所定高圧値とを記憶し、高圧側圧力検出装置で検出される検出圧力が上昇し、第１所定高圧値を超えたと判断した場合に、中間圧側圧力検出装置で検出される検出圧力が、臨界圧以下の場合には、第２膨張装置の弁開度を大きくなる方向に動作を開始し、かつ、圧縮回転要素の運転周波数を上昇させて、利用側熱交換器とバイパス冷媒回路との間を流れる冷媒の循環量を増加させ、高圧側圧力検出装置で検出される検出圧力が第２所定高圧値になるとともに、第２膨張装置の下流側の冷媒の圧力が臨界圧を越えた状態を保つように制御するものである。本実施の形態によれば、高圧が所定圧以上に上昇した時に、圧縮回転要素の圧縮途中であり、バイパス冷媒回路からの冷媒が合流する位置での圧力を、臨界圧を超えた状態に保つことで、圧縮回転要素におけるバイパス冷媒回路からの冷媒が合流する位置での圧力と吐出圧力との差圧を小さくすることができるため、超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルのＣＯＰを低下させない。

本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、冷媒を二酸化炭素としたものである。本実施の形態によれば、利用側熱交換器において、冷媒で利用側熱媒体を加熱したときの、利用側熱媒体の高温化が可能となる。

本発明の第３の実施の形態による液体加熱装置は、第１又は第２の実施の形態による超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルを用い、搬送装置によって利用側熱媒体を循環させる利用側熱媒体回路を備えたものである。本実施の形態によれば、超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルのＣＯＰを低下させることなく、高温の利用側熱媒体を利用することができる。

本発明の第４の実施の形態は、第３の実施の形態による液体加熱装置において、制御装置は、熱媒体出口温度サーミスタで検出される検出温度が目標温度となるように、搬送装置を動作させるとともに、熱媒体入口温度サーミスタで検出される検出温度が第１所定温度を超えた場合には、圧縮回転要素の運転周波数を低下させるものである。本実施の形態によれば、超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルの高圧冷媒の圧力の上昇を抑えながら、例えば貯湯タンクに高温水を貯めることができる。

本発明の第５の実施の形態は、第３の実施の形態による液体加熱装置において、制御装置は、熱媒体出口温度サーミスタで検出される検出温度と熱媒体入口温度サーミスタで検出される検出温度との温度差が目標温度差となるように、搬送装置を動作させるとともに、熱媒体出口温度サーミスタで検出される検出温度が第２所定温度を超えた場合には、圧縮回転要素の運転周波数を低下させるものである。本実施の形態によれば、超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルの高圧冷媒の圧力の上昇を抑えながら、例えば高温水を用いた暖房機器として利用できる。

本発明の第６の実施の形態は、第３から第５の実施の形態による液体加熱装置において、利用側熱媒体を水又は不凍液としたものである。本実施の形態によれば、暖房機器に用い、又は貯湯タンクに高温水を貯えることができる。

以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら説明する。
図１は本実施例による液体加熱装置の構成図である。
液体加熱装置は、主冷媒回路１０、バイパス冷媒回路２０、及び利用側熱媒体回路３０から構成される。
超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルは、主冷媒回路１０、及びバイパス冷媒回路２０から構成される。

主冷媒回路１０は、圧縮機構１１、放熱器である利用側熱交換器１２、中間熱交換器１３、第１膨張装置１４、及び蒸発器である熱源側熱交換器１５が配管１６で順次接続されて形成され、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）を用いている。圧縮機構１１は、低段側圧縮回転要素１１ａと高段側圧縮回転要素１１ｂとで構成される。利用側熱交換器１２は、高段側圧縮回転要素１１ｂから吐出された冷媒により利用側熱媒体を加熱する。なお、圧縮機構１１を構成する低段側圧縮回転要素１１ａと高段側圧縮回転要素１１ｂとの容積比は一定で、駆動軸（図示せず）を共通化させ、１つの容器内に配置した１台の圧縮機で構成されている。なお、本実施例では、圧縮回転要素が、低段側圧縮回転要素１１ａと高段側圧縮回転要素１１ｂとで構成される二段圧縮機構を用いて説明するが、単一の圧縮機構においても適用でき、単一の圧縮機構の場合には、バイパス冷媒回路２０からの冷媒を圧縮回転要素の圧縮途中とし、バイパス冷媒回路２０からの冷媒が合流する位置までの圧縮回転要素を低段側圧縮回転要素１１ａとし、バイパス冷媒回路２０からの冷媒が合流する位置以降の圧縮回転要素を高段側圧縮回転要素１１ｂとして適用することができる。

バイパス冷媒回路２０は、利用側熱交換器１２から第１膨張装置１４までの間の配管１６から分岐され、低段側圧縮回転要素１１ａと高段側圧縮回転要素１１ｂとの間の配管１６に接続されている。
バイパス冷媒回路２０には、第２膨張装置２１を設けている。利用側熱交換器１２を通過後の一部の高圧冷媒、又は中間熱交換器１３を通過後の一部の高圧冷媒は、第２膨張装置２１により減圧されて中間圧冷媒となった後に、中間熱交換器１３で主冷媒回路１０を流れる高圧冷媒と熱交換され、低段側圧縮回転要素１１ａと高段側圧縮回転要素１１ｂとの間の冷媒と合流される。

利用側熱媒体回路３０は、利用側熱交換器１２、搬送ポンプである搬送装置３１、及び暖房端末３２ａが熱媒体配管３３で順次接続されて形成され、利用側熱媒体として水又は不凍液を用いている。
本実施例における利用側熱媒体回路３０は、暖房端末３２ａと並列に貯湯タンク３２ｂを備えており、切替弁３４、切替弁３５の切り替えによって利用側熱媒体を、暖房端末３２ａ又は貯湯タンク３２ｂに循環させる。なお、利用側熱媒体回路３０は、暖房端末３２ａ及び貯湯タンク３２ｂのいずれかを備えていればよい。

利用側熱交換器１２で生成された高温水は、暖房端末３２ａで放熱して暖房に利用され、暖房端末３２ａで放熱された低温水は再び利用側熱交換器１２で加熱される。
また、利用側熱交換器１２で生成された高温水は、貯湯タンク３２ｂの上部から貯湯タンク３２ｂに導入され、貯湯タンク３２ｂの下部から低温水が導出されて利用側熱交換器１２で加熱される。
給湯用熱交換器４２は、貯湯タンク３２ｂ内に配置され、給水配管４３からの給水と貯湯タンク３２ｂ内の高温水との間で熱交換させる。すなわち、給湯栓４１が開栓されると、給水配管４３から給湯用熱交換器４２内に給水され、給湯用熱交換器４２で加熱されて、給湯栓４１で所定温度になるように調整され、給湯栓４１からから給湯される。なお、給水配管４３から給水され、給湯用熱交換器４２で加熱されて、給湯栓４１から給湯される湯水と、貯湯タンク３２ｂ内の高温水とは、互いに混ざり合うことがない間接加熱である。
給湯用熱交換器４２は、伝熱管として銅管あるいはステンレス管を使用する水熱交換器であって、図１に示すように、給水源（水道）から延びる給水配管４３と、給湯栓４１とが接続されている。給水配管４３は、常温の水を、給湯用熱交換器４２の下端、すなわち、貯湯タンク３２ｂ内の下方に入れる。給水配管４３より給湯用熱交換器４２に入った常温水は、貯湯タンク３２ｂ内を下方から上方に移動しながら、貯湯タンク３２ｂ内の高温水から熱を奪い、加熱された高温の加熱水となって給湯栓４１から給湯される。
貯湯タンク３２ｂには、複数の異なる高さ位置において温水の温度を計測する目的で、例えば、複数の第１貯湯タンク温度サーミスタ５５ａ、第２貯湯タンク温度サーミスタ５５ｂ、第３貯湯タンク温度サーミスタ５５ｃが備えられている。給水配管４３より給湯用熱交換器４２に入った常温水は、貯湯タンク３２ｂ内を下方から上方に移動しながら貯湯タンク３２ｂ内の高温水から熱を奪う構成のため、貯湯タンク３２ｂ内の温水は、自然と、上部が高温、下部が低温となる。

主冷媒回路１０は、高段側圧縮回転要素１１ｂの吐出側の配管１６に、高圧側圧力検出装置５１を設けている。なお、高圧側圧力検出装置５１は、高段側圧縮回転要素１１ｂの吐出側から、第１膨張装置１４の上流側までの、主冷媒回路１０に設けられていて、主冷媒回路１０の高圧冷媒の圧力を検出できればよい。
また、主冷媒回路１０の利用側熱交換器１２の下流側で、中間熱交換器１３の上流側の配管１６には、利用側熱交換器１２から流出した冷媒の温度を検出する中間熱交換器主冷媒入口サーミスタ５７が設けられていている。さらに、バイパス冷媒回路２０には、第２膨張装置２１の下流側で、中間熱交換器１３の上流側に、第２膨張装置２１から流出した冷媒の温度を検出する中間熱交換器バイパス入口サーミスタ５６が設けられている。
また、利用側熱媒体回路３０は、利用側熱交換器１２から流出する利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体出口温度サーミスタ５３と、利用側熱交換器１２に流入する利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体入口温度サーミスタ５４とを備えている。

さらに、バイパス冷媒回路２０の、第２膨張装置２１の下流側の圧力を、直接的または間接的に検出する中間圧側圧力検出装置５２を備えている。
なお、第２膨張装置２１の下流側の圧力を、直接的に検出する中間圧側圧力検出装置５２とは、冷媒の圧力を直接、すなわち、機械的に検出する圧力検出装置のことである。
以下、第２膨張装置２１の下流側の圧力を、間接的に検出する中間圧側圧力検出装置５２について説明する。
具体的には、間接的に検出する中間圧側圧力検出装置５２とは、高圧側圧力検出装置５１で検出される検出圧力と、中間熱交換器主冷媒入口サーミスタ５７で検出される検出温度、または、熱媒体入口温度サーミスタ５４で検出される検出温度と、中間熱交換器バイパス入口サーミスタ５６で検出される検出温度とに基づいて、第２膨張装置２１により減圧された後の冷媒の圧力（中間圧）の値を、制御装置６０が算出する演算処理装置である。
すなわち、制御装置６０には、図２に示すような、圧力―エンタルピー線図（Ｐ−ｈ線図）が記憶してある。
そして、高圧側圧力検出装置５１により高圧側圧力（高段側圧縮回転要素１１ｂの吐出圧力）、中間熱交換器主冷媒入口サーミスタ５７により利用側熱交換器１２の冷媒の出口温度（Ａ点）、中間熱交換器バイパス入口サーミスタ５６により中間熱交換器１３のバイパス冷媒回路２０の冷媒の入口温度（ｅ点）を所定時間ごとに検出する。
そして、Ａ点とｅ点とはエンタルピーがほぼ同一値であるとの理想条件に基づいて、制御装置６０が、ｅ点の圧力とエンタルピーとを算出することで、第２膨張装置２１により減圧された後の冷媒の圧力（中間圧）の値を算出し、その値で臨界圧以上であるか否かを判断することができる。

なお、中間熱交換器主冷媒入口サーミスタ５７で検出される検出温度の代わりに、熱媒体入口温度サーミスタ５４で検出される検出温度を用いても、値はほぼ同一なので構わない。
すなわち、高段側圧縮回転要素１１ｂの吐出圧力と、利用側熱交換器１２の冷媒の出口温度（Ａ点）と、中間熱交換器１３のバイパス冷媒回路２０の冷媒の入口温度（ｅ点）、あるいは、利用側熱交換器１２に流入する利用側熱媒体の温度とから、第２膨張装置２１により減圧された後の冷媒の圧力（中間圧）が、臨界圧以上であることを判断できるのである。
なお、中間圧側圧力検出装置５２は、直接的または間接的に検出する圧力検出装置のうち、どちらか一方を備えていえば良い。

制御装置６０は、高圧側圧力検出装置５１及び中間圧側圧力検出装置５２で検出される検出圧力、熱媒体出口温度サーミスタ５３及び熱媒体入口温度サーミスタ５４で検出される検出温度によって、低段側圧縮回転要素１１ａ及び高段側圧縮回転要素１１ｂの運転周波数、第１膨張装置１４と第２膨張装置２１の弁開度、及び搬送装置３１を制御する。

図２は本実施例における液体加熱装置について理想条件での圧力―エンタルピー線図（Ｐ−ｈ線図）であり、図２（ａ）は高圧が所定圧力未満、図２（ｂ）は高圧が所定圧力以上の場合を示している。
図２のａ〜ｅ点、およびＡ〜Ｂ点は、図１に示す液体加熱装置における各ポイントに相当する。

まず、高段側圧縮回転要素１１ｂから吐出される高圧冷媒（ａ点）は、利用側熱交換器１２で放熱した後に冷媒分岐点Ａで主冷媒回路１０から分岐し、第２膨張装置２１により中間圧まで減圧されて中間圧冷媒（ｅ点）となり、中間熱交換器１３にて熱交換する。
利用側熱交換器１２で放熱した後の主冷媒回路１０を流れる高圧冷媒は、バイパス冷媒回路２０を流れる中間圧冷媒（ｅ点）によって冷却され、エンタルピーが低減された状態（ｂ点）で第１膨張装置１４にて減圧される。
これにより、第１膨張装置１４にて減圧された後に熱源側熱交換器１５に流入する冷媒（ｃ点）の冷媒エンタルピーも低減される。熱源側熱交換器１５に流入する時点での冷媒乾き度（全冷媒に対して気相成分が占める重量比率）が低下して冷媒の液成分が増大するため、熱源側熱交換器１５において蒸発に寄与し、冷媒比率が増大して外気からの吸熱量が増大され、低段側圧縮回転要素１１ａの吸入側（ｄ点）に戻る。
一方、熱源側熱交換器１５において蒸発に寄与しない気相成分に相当する量の冷媒は、バイパス冷媒回路２０にバイパスされて低温の中間圧冷媒（ｅ点）となり、中間熱交換器１３にて主冷媒回路１０を流れる高圧冷媒によって加熱されて冷媒エンタルピーが高まった状態で、低段側圧縮回転要素１１ａと高段側圧縮回転要素１１ｂとの間にある冷媒合流点Ｂに至る。
従って、高段側圧縮回転要素１１ｂの吸入側（Ｂ点）では、低段側圧縮回転要素１１ａの吸入側（ｄ点）より冷媒圧力が高いため冷媒密度も高く、かつ、低段側圧縮回転要素１１ａから吐出した冷媒と合流した冷媒が吸入され、高段側圧縮回転要素１１ｂで更に圧縮されて吐出されるため、利用側熱交換器１２に流入する冷媒流量が大幅に増大し、利用側熱媒体である水を加熱する能力が大幅に増大する。

高段側圧縮回転要素１１ｂの吐出圧力が上昇し、所定値を超えた場合には、制御装置６０は、第２膨張装置２１により減圧された後の冷媒の圧力が、臨界圧を超えた状態となるように、第２膨張装置２１の弁開度の制御を開始する。
具体的には、制御装置６０は、高圧側圧力検出装置５１で検出される検出圧力が上昇し、第１所定高圧値を超えたと判断した場合に、中間圧側圧力検出装置５２で検出される検出圧力が、臨界圧以下の場合には、第２膨張装置２１の弁開度を大きくなる方向に動作を開始させる。

そして、図２（ｂ）に示すように、制御装置６０は、第２膨張装置２１の弁開度を大きくなる方向に動作させ、かつ、低段側圧縮回転要素１１ａ及び高段側圧縮回転要素１１ｂの運転周波数を上昇させて、利用側熱交換器１２とバイパス冷媒回路２０との間を流れる冷媒の循環量を増加させ、高圧側圧力検出装置５１で検出される検出圧力が目標高圧値である第２所定高圧値になるようにする。なお、第２所定高圧値は、第１所定高圧値よりも高い値である。このとき、制御装置６０は、第１膨張装置１４の弁開度を小さくなる方向に動作させる。
それと同時に、制御装置６０は、中間圧側圧力検出装置５２で検出される検出圧力が、目標中間圧値である所定中間圧値になるようにして、高段側圧縮回転要素１１ｂの吸入圧力を、臨界圧を超えた状態を保つようにする。
なお、第２膨張装置２１での減圧量を低下させることで、バイパス冷媒回路２０を流れる冷媒流量を増加できるため、高段側圧縮回転要素１１ｂの吸入圧力を、所定中間圧値である臨界圧を超えた状態に保つことができる。これにより、高段側圧縮回転要素１１ｂの吸入圧力を、臨界圧を超えた状態に保つことができるとともに、利用側熱交換器１２における冷媒の加熱能力も増加できる。
このように、主冷媒回路１０の高圧冷媒が、臨界圧より高い第２所定高圧値を保ちながら、高段側圧縮回転要素１１ｂの吸入圧力も、所定中間圧値である臨界圧を超えた状態を保つことで、高段側圧縮回転要素１１ｂでの吸入圧力と吐出圧力との差圧を小さくすることができるため、超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルのＣＯＰを低下させない。
なお、低段側圧縮回転要素１１ａと高段側圧縮回転要素１１ｂとが、それぞれが独立した２台の圧縮機から構成されている二段圧縮機構の構成でもよく、少なくとも、高段側圧縮回転要素１１ｂの運転周波数を上昇させれば良い。

利用側熱媒体回路３０に貯湯タンク３２ｂを用いる場合について説明する。
複数の貯湯タンク温度サーミスタのうち、例えば、貯湯タンク３２ｂの最も高い位置に配置されている第１貯湯タンク温度サーミスタ５５ａで検出される検出温度が所定値未満の場合、貯湯タンク３２ｂ内に高温水が足りないと、制御装置６０は判断する。
そして、制御装置６０は、低段側圧縮回転要素１１ａ及び高段側圧縮回転要素１１ｂを動作させ、利用側熱交換器１２で低温水を加熱するが、その加熱生成温度である熱媒体出口温度サーミスタ５３で検出される検出温度が目標温度となるように、搬送装置３１を動作させる。
これにより、貯湯タンク３２ｂの下部から低温水が導出されて利用側熱交換器１２で加熱生成された高温水は、貯湯タンク３２ｂの上部から貯湯タンク３２ｂに導入される。このときには、熱媒体入口温度サーミスタ５４で検出される検出温度が第３所定温度以下のため、図２（ａ）に記載の状態で動作する。
そして、貯湯タンク３２ｂ内には上部から次第に高温水が貯湯されていくため、熱媒体入口温度サーミスタ５４で検出される検出温度は次第に上昇していくが、熱媒体入口温度サーミスタ５４で検出される検出温度が第３所定温度を超えた場合には、図２（ｂ）に記載の状態で動作するようにする。

すなわち、制御装置６０は、第２膨張装置２１の弁開度を大きくなる方向に動作させ、かつ、低段側圧縮回転要素１１ａ及び高段側圧縮回転要素１１ｂの運転周波数を上昇させて、利用側熱交換器１２とバイパス冷媒回路２０との間を流れる冷媒の循環量を増加させ、高圧側圧力検出装置５１で検出される検出圧力が目標高圧値である第２所定高圧値になるようにする。制御装置６０は、それと同時に、中間圧側圧力検出装置５２で検出される検出圧力が、目標中間圧値である所定中間圧値になるようにする。このとき、制御装置６０は、第１膨張装置１４の弁開度を小さくなる方向に動作させる。
これにより、利用側熱交換器１２への熱媒体の入口温度が高くなり、利用側熱交換器１２における冷媒のエンタルピー差（ａ−Ａ）が小さくなった分を、利用側熱交換器１２における冷媒の加熱能力を増加させることで、高温水の貯湯タンク３２ｂへの供給を維持できるようにしている。
そして、制御装置６０は、熱媒体入口温度サーミスタ５４で検出される検出温度が第３所定温度より高い第１所定温度を超えた場合には、低段側圧縮回転要素１１ａ及び高段側圧縮回転要素１１ｂの運転周波数を低下させる、あるいは、第１膨張装置１４の弁開度を大きくなる方向に動作させる、のうち少なくともどちらか一方を実行するとともに、第２膨張装置２１の弁開度を小さくなる方向に動作させることで、利用側熱交換器１２における高圧冷媒の圧力が、目標高圧値である第２所定高圧値を超えないにように、利用側熱交換器１２における高圧冷媒の圧力上昇を抑えながら、貯湯タンク３２ｂに高温水を貯めることができる。

なお、閾値として、熱媒体入口温度サーミスタ５４で検出される検出温度である第３所定温度および第１所定温度の代わりに、それぞれ、高圧側圧力検出装置５１で検出される検出圧力である第１所定高圧値および第２所定高圧値を用いて、同様の運転動作を実行してもよい。
また、低段側圧縮回転要素１１ａと高段側圧縮回転要素１１ｂとが、それぞれが独立した２台の圧縮機から構成されている二段圧縮機構の構成でもよく、少なくとも、高段側圧縮回転要素１１ｂの運転周波数を低下させれば良い。

利用側熱媒体回路３０に暖房端末３２ａを用いる場合について説明する。
制御装置６０は、低段側圧縮回転要素１１ａ及び高段側圧縮回転要素１１ｂを動作させ、利用側熱交換器１２で循環水を加熱するが、その循環水の温度差である熱媒体出口温度サーミスタ５３で検出される検出温度と熱媒体入口温度サーミスタ５４で検出される検出温度との温度差が目標温度差となるように、搬送装置３１を動作させる。
これにより、利用側熱交換器１２で生成された高温水は、暖房端末３２ａで放熱して暖房に利用され、暖房端末３２ａで放熱された低温水は、再び利用側熱交換器１２で加熱される。このときには、熱媒体出口温度サーミスタ５３で検出される検出温度と熱媒体入口温度サーミスタ５４で検出される検出温度との温度差が目標温度差となるように制御され、かつ、熱媒体出口温度サーミスタ５３で検出される検出温度が第４所定温度以下のため、図２（ａ）に記載の状態で動作する。
そして、次第に暖房負荷が小さくなるため、熱媒体出口温度サーミスタ５３で検出される検出温度と熱媒体入口温度サーミスタ５４で検出される検出温度との温度差が目標温度差となるように制御している関係上、熱媒体出口温度サーミスタ５３で検出される検出温度及び熱媒体入口温度サーミスタ５４で検出される検出温度は次第に上昇していくが、熱媒体出口温度サーミスタ５３で検出される検出温度が第４所定温度を超えた場合には、図２（ｂ）に記載の状態で動作するようにする。

すなわち、制御装置６０は、第２膨張装置２１の弁開度を大きくなる方向に動作させ、かつ、低段側圧縮回転要素１１ａ及び高段側圧縮回転要素１１ｂの運転周波数を上昇させて、利用側熱交換器１２とバイパス冷媒回路２０との間を流れる冷媒の循環量を増加させ、高圧側圧力検出装置５１からで検出される検出圧力が目標高圧値である第２所定高圧値になるようにする。制御装置６０は、それと同時に、中間圧側圧力検出装置５２で検出される検出圧力が、目標中間圧値である所定中間圧値になるようにする。このとき、制御装置６０は、第１膨張装置１４の弁開度を小さくなる方向に動作させる。
これにより、暖房負荷が小さくなり、利用側熱交換器１２におけるエンタルピー差（ａ−Ａ）が小さくなった分を、利用側熱交換器１２における冷媒の加熱能力を増加させることで、高温水の暖房端末３２ａへの供給を維持できるようにしている。
そして、制御装置６０は、熱媒体出口温度サーミスタ５３で検出される検出温度が、第４所定温度より高い第２所定温度を超えた場合には、低段側圧縮回転要素１１ａ及び高段側圧縮回転要素１１ｂの運転周波数を低下させる、あるいは、第１膨張装置１４の弁開度を大きくなる方向に動作させる、のうち少なくともどちらか一方を実行するとともに、第２膨張装置２１の弁開度を小さくなる方向に動作させることで、利用側熱交換器１２における高圧冷媒の圧力が、目標高圧値である第２所定高圧値を超えないにように、利用側熱交換器１２における高圧冷媒の圧力上昇を抑えながら、高温水を用いた暖房機器として利用できる。

なお、閾値として、熱媒体出口温度サーミスタ５３で検出される検出温度である第４所定温度および第２所定温度の代わりに、それぞれ、高圧側圧力検出装置５１で検出される検出圧力である第１所定高圧値および第２所定高圧値を用いて、同様の運転動作を実行してもよい。
また、低段側圧縮回転要素１１ａと高段側圧縮回転要素１１ｂとが、それぞれが独立した２台の圧縮機から構成されている二段圧縮機構の構成でもよく、少なくとも、高段側圧縮回転要素１１ｂの運転周波数を低下させれば良い。
また、低段側圧縮回転要素１１ａと高段側圧縮回転要素１１ｂとに分かれてなく、単一の圧縮回転要素であってもよく、単一の圧縮回転要素の場合には、バイパス冷媒回路２０からの冷媒を圧縮回転要素の圧縮途中とする。

本実施例による超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルでは、冷媒を二酸化炭素とすることが好ましい。これは、利用側熱交換器１２において、冷媒である二酸化炭素で、利用側熱媒体を加熱したときの、利用側熱媒体の高温化が可能となるためである。
また、利用側熱媒体を水又は不凍液とすることで、暖房端末３２ａに用い、又は貯湯タンク３２ｂに高温水を貯えることができる。

本発明によれば、超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルのＣＯＰを向上させることができる。

１０ 主冷媒回路
１１ 圧縮機構
１１ａ 低段側圧縮回転要素
１１ｂ 高段側圧縮回転要素
１２ 利用側熱交換器
１３ 中間熱交換器
１４ 第１膨張装置
１５ 熱源側熱交換器
１６ 配管
２０ バイパス冷媒回路
２１ 第２膨張装置
３０ 利用側熱媒体回路
３１ 搬送装置
３２ａ 暖房端末
３２ｂ 貯湯タンク
３３ 熱媒体配管
３４、３５ 切替弁
４１ 給湯栓
４２ 給湯用熱交換器
４３ 給水配管
５１ 高圧側圧力検出装置
５２ 中間圧側圧力検出装置
５３ 熱媒体出口温度サーミスタ
５４ 熱媒体入口温度サーミスタ
５５ａ 第１貯湯タンク温度サーミスタ
５５ｂ 第２貯湯タンク温度サーミスタ
５５ｃ 第３貯湯タンク温度サーミスタ
５６ 中間熱交換器バイパス入口サーミスタ
５７ 中間熱交換器主冷媒入口サーミスタ
６０ 制御装置

Claims (6)

1. 圧縮回転要素から構成される圧縮機構、前記圧縮回転要素から吐出された冷媒により利用側熱媒体を加熱する利用側熱交換器、中間熱交換器、第１膨張装置、及び熱源側熱交換器が配管で順次接続されて形成される主冷媒回路と、
   前記利用側熱交換器から前記第１膨張装置までの間の前記配管から分岐され、分岐された冷媒は、第２膨張装置により減圧された後に、前記中間熱交換器で前記主冷媒回路を流れる前記冷媒と熱交換され、前記圧縮回転要素の圧縮途中の前記冷媒に合流されるバイパス冷媒回路と、
   制御装置と、
   前記主冷媒回路の高圧側の圧力を検出する高圧側圧力検出装置と、
   前記バイパス冷媒回路の前記第２膨張装置の下流側の圧力が臨界圧を超えているか否かを、直接的または間接的に検出する中間圧側圧力検出装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   第１所定高圧値と、前記第１所定高圧値よりも高く目標高圧値である第２所定高圧値とを記憶し、
   前記高圧側圧力検出装置で検出される検出圧力が上昇し、前記第１所定高圧値を超えたと判断した場合に、前記中間圧側圧力検出装置で検出される検出圧力が、前記臨界圧以下の場合には、前記第２膨張装置の弁開度を大きくなる方向に動作を開始し、かつ、前記圧縮回転要素の運転周波数を上昇させて、前記利用側熱交換器と前記バイパス冷媒回路との間を流れる前記冷媒の循環量を増加させ、前記高圧側圧力検出装置で検出される前記検出圧力が前記第２所定高圧値になるとともに、前記第２膨張装置の下流側の前記冷媒の圧力が前記臨界圧を越えた状態を保つように制御する
   ことを特徴とする超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクル。
2. 前記冷媒を二酸化炭素としたことを特徴とする請求項１に記載の超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクル。
3. 請求項１又は請求項２に記載の超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルを用いた液体加熱装置であって、
   搬送装置によって前記利用側熱媒体を循環させる利用側熱媒体回路を備えたことを特徴とする液体加熱装置。
4. 前記利用側熱交換器から流出する前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体出口温度サーミスタと、
   前記利用側熱交換器に流入する前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体入口温度サーミスタと
   を備え、
   前記制御装置は、前記熱媒体出口温度サーミスタで検出される検出温度が目標温度となるように、前記搬送装置を動作させるとともに、前記熱媒体入口温度サーミスタで検出される検出温度が第１所定温度を超えた場合には、前記圧縮回転要素の運転周波数を低下させることを特徴とする請求項３に記載の液体加熱装置。
5. 前記利用側熱交換器から流出する前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体出口温度サーミスタと、
   前記利用側熱交換器に流入する前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体入口温度サーミスタと
   を備え、
   前記制御装置は、前記熱媒体出口温度サーミスタで検出される検出温度と前記熱媒体入口温度サーミスタで検出される検出温度との温度差が目標温度差となるように、前記搬送装置を動作させるとともに、前記熱媒体出口温度サーミスタで検出される前記検出温度が第２所定温度を超えた場合には、前記圧縮回転要素の運転周波数を低下させることを特徴とする請求項３に記載の液体加熱装置。
6. 前記利用側熱媒体を水又は不凍液としたことを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の液体加熱装置。

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