冷凍サイクル装置及び温水生成装置
【課題】二元冷凍サイクルにおける高温側圧縮機内のオイル流出を防止し、省エネルギー性に優れ、かつ、圧縮機の信頼性が高い冷凍サイクル装置を提供すること。
【解決手段】水媒体の温度が、高温側圧縮機３１のシェル温度より、所定の温度差以上高くなる運転開始時において、高温側圧縮機３１を起動した後に、低温側圧縮機２１を起動することにより、高温側圧縮機３１の吐出圧力上昇が抑制された状態で、高温側圧縮機３１のシェル温度が上昇するので、圧縮機シェル内部での冷媒凝縮が抑制され、オイル吐出量が低減される。したがって、停止圧縮機のシェルをヒーターで加温する待機電力消費を抑制しながら、圧縮機の損傷を防止することが可能となり、機器の省エネルギー性信頼性が確保できる。
【解決手段】水媒体の温度が、高温側圧縮機３１のシェル温度より、所定の温度差以上高くなる運転開始時において、高温側圧縮機３１を起動した後に、低温側圧縮機２１を起動することにより、高温側圧縮機３１の吐出圧力上昇が抑制された状態で、高温側圧縮機３１のシェル温度が上昇するので、圧縮機シェル内部での冷媒凝縮が抑制され、オイル吐出量が低減される。したがって、停止圧縮機のシェルをヒーターで加温する待機電力消費を抑制しながら、圧縮機の損傷を防止することが可能となり、機器の省エネルギー性信頼性が確保できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温側冷媒回路と高温側冷媒回路とがカスケード熱交換器を介して接続される二元冷凍サイクルからなる冷凍サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の冷凍サイクル装置は、高温の温風または温水を生成することを目的のひとつとして、二元冷凍サイクルが利用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、特許文献１に記載された従来の冷凍サイクル装置を示すものである。図５に示すように、冷凍サイクル装置１００は、低温側冷媒を循環させる低温側冷媒回路１１０と、高温側冷媒を循環させる高温側冷媒回路１２０と、温水を循環させる温水回路１３０とを備えている。低温側冷媒回路１１０は、低温側圧縮機１１１、高温側冷媒と熱交換し凝縮器として機能するカスケード熱交換器１１２、低温側膨張弁１１３および蒸発器１１４が配管により環状に接続されて構成されている。
【０００４】
また、高温側冷媒回路１２０は、高温側圧縮機１２１、温水と熱交換し凝縮器として機能する高温側熱交換器１２２、高温側膨張弁１２３、および低温側冷媒と熱交換し蒸発器として機能するカスケード熱交換器１１２が配管により環状に接続されて構成されている。
【０００５】
一方、温水回路１３０は、循環ポンプ１３１、高温側冷媒と熱交換し温水を生成する高温側熱交換器１２２および例えば貯湯タンクやファンコンベクターのような放熱器１３２が配管により環状に接続されて構成されている。
【０００６】
さらに、冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１１１から吐出される冷媒の圧力（圧縮機吐出圧力）Ｐｄを検出する圧力センサ１５１と、低温側圧縮機１１１および高温側圧縮機１２１が停止した状態から起動する場合に、まず低温側圧縮機１１１を起動し、圧力センサ１５１で検出された吐出圧力Ｐｄが所定の圧力以上となった後に、高温側圧縮機１２１を起動するように圧縮機を制御する、圧縮機制御部１４１とから構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１９６９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来の構成では、長時間の運転停止状態の後、貯湯タンク等での蓄熱により、高温側冷媒で加熱される温水の温度が高い状態において、高圧シェル型の圧縮機を起動する場合は、高温側熱交換器における凝縮温度が高く、かつ、低温側圧縮機の先行運転によりカスケード熱交換器における蒸発温度が高い状態であるため、高温側圧縮機の起動とともに高温側の吐出圧力が急激に上昇する。
【０００９】
一方、高温側圧縮機のシェル温度は、長時間の停止により温度低下した状態から徐々に温度上昇する。その為、高温側圧縮機のシェル内部で吐出冷媒が凝縮して液冷媒となり、圧縮機シェル内部のオイルと混合された状態で圧縮機からシステム内に大量に吐出される。その結果、圧縮機のオイル量不足が発生し、最悪の場合、圧縮機が損傷する可能性があり、機器の信頼性が確保できないという課題を有していた。
【００１０】
また、圧縮機シェル内部での冷媒凝縮による起動時のオイル吐出を防止するために、停止中の圧縮機シェルをヒーターで加熱して、圧縮機シェル温度を予め高く維持する場合は、非常に大きな待機電力を消費することとなり、省エネルギー性が欠如するという課題を有していた。
【００１１】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、圧縮機を適切に起動することで、圧縮機のオイル量不足を防止し、省エネルギーでかつ信頼性の高い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】
【００１２】
前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、低温側冷媒を圧縮する低温側圧縮機、低温側冷媒の放熱器として機能するカスケード熱交換器、低温側膨張手段、低温側冷媒の蒸発器として機能する低温側熱交換器を有する低温側冷媒回路と、高温側冷媒を圧縮する高温側圧縮機、高温側冷媒の放熱器として機能する高温側熱交換器と、高温側膨張手段、低温側冷媒の放熱によって高温側冷媒の蒸発器として機能する前記カスケード熱交換器を有する高温側冷媒回路と、前記高温側圧縮機の温度または前記高温側熱交換器に至る高圧側冷媒配管の温度を検出する第１温度センサと、前記高温側熱交換器において高温側冷媒と熱交換される熱媒体の温度を検出する第２温度センサと、制御装置とを備え、前記制御装置は、前記第２温度センサで検出される温度が前記第１温度センサで検出される温度より所定の温度差以上高い場合、前記高温側圧縮機を起動させた後に、前記低温側圧縮機を起動させることを特徴とするものである。
【００１３】
これによって、運転開始時において、低温側冷凍サイクルが停止されているので、カスケード熱交換器において、高温側冷凍サイクルの吸熱源が供給されなくなり、前記高温側圧縮機の吸入圧力が低下して、高温側冷凍サイクルの冷媒循環量が減少する。
【００１４】
したがって、高温側圧縮機の吐出圧力上昇が抑制された状態で、圧縮機のシェル温度が上昇するので、圧縮機シェル内部での冷媒凝縮が抑制され、オイル吐出量が低減される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、圧縮機を適切に起動することで、圧縮機のオイル量不足を防止し、省エネルギーでかつ信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の概略構成図
【図２】従来の冷凍サイクル装置の運転開始時の冷凍サイクル経時変化を表す図
【図３】本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の運転開始時の冷凍サイクル経時変化を表す図
【図４】本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の運転制御のフローチャート
【図５】従来の冷凍サイクル装置の概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
第１の発明は、低温側冷媒を圧縮する低温側圧縮機、低温側冷媒の放熱器として機能するカスケード熱交換器、低温側膨張手段、低温側冷媒の蒸発器として機能する低温側熱交換器を有する低温側冷媒回路と、高温側冷媒を圧縮する高温側圧縮機、高温側冷媒の放熱器として機能する高温側熱交換器と、高温側膨張手段、低温側冷媒の放熱によって高温側冷媒の蒸発器として機能する前記カスケード熱交換器を有する高温側冷媒回路と、前記高温側圧縮機の温度または前記高温側熱交換器に至る高圧側冷媒配管の温度を検出する第１
温度センサと、前記高温側熱交換器において高温側冷媒と熱交換される熱媒体の温度を検出する第２温度センサと、制御装置とを備え、前記制御装置は、前記第２温度センサで検出される温度が前記第１温度センサで検出される温度より所定の温度差以上高い場合、前記高温側圧縮機を起動させた後に、前記低温側圧縮機を起動させることを特徴とする冷凍サイクル装置である。
【００１８】
これにより、運転開始時において、低温側冷媒回路における冷凍サイクルが停止されているので、カスケード熱交換器において、高温側冷媒回路における冷凍サイクルの吸熱源が供給されなくなり、前記高温側圧縮機の吸入圧力が低下して、高温側冷媒回路の冷媒循環量が減少する。
【００１９】
これにより、高温側圧縮機の吐出圧力上昇が抑制された状態で、高温側圧縮機のシェル温度が上昇するので、圧縮機シェル内部での冷媒凝縮が抑制され、オイル吐出量が低減される。
【００２０】
したがって、圧縮機内のオイル量低下による圧縮機の損傷を防止することが可能となり、停止圧縮機のシェルをヒーターで加温する待機電力消費を抑制しながら、機器の信頼性が確保できる。
【００２１】
第２の発明は、第１の発明において、前記高温側冷媒回路における低圧側の冷媒温度を検出する第３温度センサを備え、前記制御装置は、前記第３温度センサで検出される温度が所定の温度以下となった場合に、前記低温側圧縮機を起動させることを特徴とするものである。
【００２２】
これにより、高温側冷媒回路における冷凍サイクルの蒸発温度が、所定温度以下に低下したと判断されて、低温側冷媒回路における冷凍サイクルが運転開始されるので、カスケード熱交換器において、高温側冷媒回路における冷凍サイクルの吸熱源が供給され、高温側圧縮機の吸入圧力が、過度に低下することが抑制される。
【００２３】
したがって、高温側圧縮機が圧力使用範囲を逸脱して運転することを防止することができ、上記第１の発明の効果に加え、圧縮機の信頼性がさらに向上する。
【００２４】
第３の発明は、第１または第２の発明において、前記高温側冷媒回路において、前記高温側圧縮機から吐出される冷媒の過熱度を検出する第１過熱度検出手段を備え、前記制御装置は、前記第１過熱度検出手段で検出される過熱度が所定の第１過熱度を超えるまでの間、前記高温側冷媒の循環量を所定値以下にして運転させることを特徴とするものである。
【００２５】
これにより、圧縮機シェル内部での吐出冷媒凝縮が終了したと判断できる高温側圧縮機の吐出冷媒が過熱状態となるまで、高温側冷媒の循環量が少ない状態で運転されるので、高温側圧縮機シェル内部の凝縮液冷媒と混合されたオイルの吐出量がさらに低減される。
【００２６】
したがって、上記第１または第２の発明の効果に加え、配管長が長い場合などの多様な設置条件においても信頼性が確保できる。
【００２７】
第４の発明は、第１〜３のいずれか１つの発明において、前記高温側冷媒回路において、前記カスケード熱交換器から流出する冷媒の過熱度を検出する第２過熱度検出手段を備え、前記制御装置は、前記第２過熱度検出手段で検出される過熱度が所定の第２過熱度となるように、前記高温側膨張手段を流れる前記高温側冷媒の流量を制御することを特徴とするものである。
【００２８】
これにより、高温側冷媒回路における冷凍サイクルの蒸発器出口過熱度が、所定の過熱度（例えば１０ｄｅｇのように大きめの過熱度）となるように膨張弁を制御するので、高温側圧縮機の吸入冷媒は過熱状態となる。
【００２９】
したがって、高温側圧縮機のシェル温度上昇が速くなり、シェル内部での凝縮によるオイル吐出現象が短時間で終了する。よって、上記第１〜３のいずれか１つの発明の効果に加え、さらに、冷凍サイクルが迅速に立ち上がることで、快適性が向上する。
【００３０】
第５の発明は、第１〜４のいずれか１つの発明の熱媒体は、水または不凍液であり、前記高温側熱交換器により加温された前記水または不凍液を、給湯と暖房の少なくとも一方に利用することを特徴とする温水生成装置であることを特徴とするものである。
【００３１】
これにより、放熱器は、冷媒−水熱交換器でも冷媒−不凍液熱交換器でもよい。したがって、高温側熱交換器により加温された熱媒体を、暖房機器（温風機、ラジエータ、床暖房パネル等）や給湯機器などに幅広く使用することができる。
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置および温水生成装置の概略構成図を示すものである。図１において、冷凍サイクル装置１Ａは、低温側冷媒を循環させる低温側冷媒回路２と、高温側冷媒を循環させる高温側冷媒回路３と、を備えている。冷媒としては、例えば、Ｒ４０７Ｃ等の非共沸混合冷媒、Ｒ４１０Ａ等の擬似共沸混合冷媒、またはＲ１３４ａ等の単一冷媒等を用いることができる。
【００３４】
低温側冷媒回路２は、高圧シェル型の低温側圧縮機２１、高温側冷媒と熱交換し凝縮器として機能するカスケード熱交換器２２、低温側膨張弁（低温側膨張手段）２３および蒸発器として機能する低温側熱交換器２４が配管により環状に接続されて構成されている。本実施の形態では、低温側冷媒回路２に、通常運転とデフロスト運転を切り換えるための四方弁２５が設けられている。
【００３５】
高温側冷媒回路３は、高圧シェル型の高温側圧縮機３１、凝縮器として機能する高温側熱交換器３２、高温側膨張弁（高温側膨張手段）３３および低温側冷媒と熱交換し蒸発器として機能するカスケード熱交換器２２が配管により環状に接続されて構成されている。本実施の形態では、高温側冷媒回路３に、通常運転とデフロスト運転を切り換えるための四方弁３５が設けられている。
【００３６】
本実施の形態では、冷凍サイクル装置１Ａが、加熱手段により生成した温水を給湯や暖房に利用する温水生成装置の加熱手段を構成しており、高温側熱交換器３２が、高温側冷媒と水との間で熱交換を行わせて水を加熱する熱交換器となっている。
【００３７】
具体的には、高温側熱交換器３２と、水ポンプ７１と、例えば貯湯タンクやファンコンベクター等の放熱器７２とが配管により環状に接続されている温水回路７が備えられており、高温側熱交換器３２で加熱された温水が放熱器７２で放熱され、蓄熱や暖房が行われる。
【００３８】
通常運転では、低温側冷媒回路２は、低温側圧縮機２１から吐出された冷媒が四方弁２５を介してカスケード熱交換器２２に送られ、高温側冷媒回路３は、高温側圧縮機３１か
ら吐出された冷媒が四方弁３５を介して高温側熱交換器３２に送られる。一方、デフロスト運転では、低温側冷媒回路２は、低温側圧縮機２１から吐出された冷媒が四方弁２５を介して低温側熱交換器２４に送られ、高温側冷媒回路３は、高温側圧縮機３１から吐出された冷媒が四方弁３５を介してカスケード熱交換器２２に送られる。図１では、通常運転時の冷媒の流れ方向を矢印で示している。以下、通常運転における冷媒の状態変化を説明する。
【００３９】
低温側冷媒回路２において、低温側圧縮機２１から吐出された高圧の低温側冷媒は、カスケード熱交換器２２に流入し、高温側冷媒回路３を循環する冷凍サイクルにおける低圧の高温側冷媒と熱交換して放熱する。
【００４０】
カスケード熱交換器２２から流出した高圧の低温側冷媒は、低温側膨張弁２３によって減圧されて膨張した後に、低温側熱交換器２４に流入する。低温側熱交換器２４に流入した低圧の低温側冷媒は、ここで空気から吸熱し蒸発する。低温側熱交換器２４において蒸発した低圧の低温側冷媒は、再度、低温側圧縮機２１に吸入される。
【００４１】
一方、高温側冷媒回路３においては、カスケード熱交換器２２における低温側冷媒の放熱によって、高温側冷媒回路３を循環する冷凍サイクルにおける低圧の高温側冷媒が加熱されて蒸発する。カスケード熱交換器２２において蒸発した低圧の高温側冷媒は、高温側圧縮機３１に吸入され、冷凍サイクルにおける高圧まで圧縮された後に、吐出される。
【００４２】
高温側圧縮機３１から吐出された高圧の高温側冷媒は、高温側熱交換器３２に流入し、循環ポンプ７１によって温水回路７を循環する水媒体と熱交換して放熱する。高温側熱交換器３２から流出した高圧の高温側冷媒は、高温側膨張弁３３によって減圧されて膨張した後に、再び、カスケード熱交換器２２に流入する。
【００４３】
本実施の形態の冷凍サイクル装置１Ａの構成は、上述のように、高温側冷媒回路３を循環する低圧の高温側冷媒が、低温側冷媒回路２を循環する高圧の低温側冷媒の放熱によって加熱されるようになっているので、高温側冷媒回路３における冷凍サイクルの凝縮温度は、低温側冷媒回路２における冷凍サイクルの凝縮温度よりも高温にすることができる。したがって、高温側熱交換器３２における高温側冷媒の放熱によって、高温の水媒体を得ることができるようになっている。
【００４４】
しかしながら、水媒体温度が高温側圧縮機３１のシェル温度より高く、温度差が大きい状態（例えば、冷凍サイクル装置１Ａにより、水媒体が高温状態となる加熱運転が実施され、サーモオフなどにより停止された後、高温側圧縮機３１のシェル温度が周囲温度付近まで低下した状態）で、加熱運転が開始された場合に、高温側圧縮機３１内のオイルが大量に吐出されて、圧縮機内部の給油不良により、圧縮機が損傷するといった問題もある。
【００４５】
これは、上述した環境条件において、加熱運転開始により低温側圧縮機２１と高温側圧縮機３１を運転すると、高温側熱交換器３２において、放熱する水媒体の温度が高温であることと、カスケード熱交換器２２において、低温側冷媒回路２を循環する高圧の低温側冷媒により十分に吸熱源が供給されていることにより、高温側圧縮機３１の吐出圧力が急激に上昇する。
【００４６】
一方、高温側圧縮機３１のシェル温度は、圧縮運転により加熱されるが、圧縮機自体の熱容量により、周囲温度付近から徐々に温度上昇していく。そのため、図２中ａ−ｂ区間のように、高温側圧縮機３１のシェル温度が、吐出圧力の飽和温度を下回る状態となり、高温側圧縮機３１の内部において、吐出された高温側冷媒が高温側圧縮機３１のシェルと熱交換することによって凝縮される。
【００４７】
そして、凝縮により液冷媒となった高温側冷媒は、高温側圧縮機３１内のオイルと混合され、シェル内部のオイルを希釈しながら、液面（オイル＋液冷媒）の上昇によって圧縮機から大量に吐出される。その後、図２中ｂ以降のように、高温側圧縮機３１のシェル温度が、吐出圧力飽和温度より高くなると、希釈されたオイル中の冷媒成分が蒸発するために、液面は一気に低下し、給油可能な液面高さを下回ることとなる。
【００４８】
また、上述した環境条件において、高温側圧縮機３１内のオイルが大量に吐出されることを防止するために、ヒーター等の加熱源を用いて、停止中の圧縮機シェルを加熱する場合は、待機電力が大きくなり、省エネルギー性を損なうことになる。
【００４９】
高温の水媒体を生成し、幅広い用途や環境条件で活用し、省エネルギー性と機器の信頼性を確保するためには、この起動時のオイル吐出を抑制することが、重要である。
【００５０】
本実施の形態では、詳しくは後述するが、制御装置４は、水媒体の温度が高温側圧縮機３１のシェル温度より、所定の温度差以上高い状態において、加熱運転を開始する場合に、低温側圧縮機２１を停止させた状態で、高温側圧縮機３１のみを起動させ、高温側冷媒の循環量が所定の循環量以下となるように回転数を低下させて運転する。
【００５１】
また、制御装置４は、高温側膨張弁３３を、高温側冷媒回路３におけるカスケード熱交換器２２から流出する冷媒の過熱度が、所定の過熱度となるように制御する。これにより、図３中ａ−ｂ区間のように、カスケード熱交換器２２において、低温側冷媒回路２から吸熱源が供給されないために、高温側圧縮機３１の吸入圧力が低下し、かつ、高温側圧縮機３１が低回転数で運転し循環量が低下することで、吐出圧力の上昇速度が低下する。
【００５２】
一方、高温側圧縮機３１が過熱状態の冷媒を吸入することで、高温側圧縮機３１のシェル温度上昇速度が上昇する。よって、高温側圧縮機３１のシェル内部における吐出冷媒の凝縮現象は短時間で終了することとなり、凝縮液冷媒と混合されてシステム内に流出するオイル量は、大幅に低減されることとなる。
【００５３】
さらに、制御装置４は、高温側冷媒回路３における高温側冷媒が気液二相状態となるカスケード熱交換器２２入口の温度（蒸発温度）を検出し、高温側圧縮機３１の吸入圧力が、圧縮機の圧力使用範囲を逸脱しないレベルで設定された所定の温度まで蒸発温度が低下した時に、低温側圧縮機２１を起動して、カスケード熱交換器２２において、低温側圧縮機２１から吐出される高圧高温の低温側冷媒から、高温側冷媒に吸熱源を供給して、吸入圧力を適正な圧力まで上昇させる。
【００５４】
したがって、圧縮機シェルの加熱用ヒーター等を使用することなく、起動時の圧縮機内のオイル量が保持されるので、冷凍サイクル装置１Ａの省エネルギー性と信頼性が確保されることとなる。
【００５５】
以下、運転制御の動作について説明する。高温側冷媒回路３には、高温側圧縮機３１のシェル温度（シェル温度）Ｔｄを検出する第１温度センサ５１と、高温側圧縮機３１から吐出される冷媒の過熱度（高温側吐出過熱度）ＳＨｄを検出する第１過熱度検出手段６１と、カスケード熱交換器２２に流入する冷媒の温度（高温側蒸発温度）Ｔｅｉを検出する第３温度センサ５３と、カスケード熱交換器２２から流出する冷媒の過熱度（高温側吸入過熱度）ＳＨｅを検出する第２過熱度検出手段６２とが設けられている。
【００５６】
一方、温水回路７には、高温側熱交換器３２に流入する水媒体の温度（温水温度）Ｔｗを検出する第２温度センサ５２が設けられている。本実施の形態では、第１過熱度検出手
段６１は、高温側圧縮機３１から吐出される冷媒の圧力を検出し、その圧力の飽和温度（吐出圧力飽和温度）ＳＴｄを冷媒物性式から算出する。
【００５７】
そして、高温側吐出過熱度ＳＨｄを、ＳＨｄ＝Ｔｄ−ＳＴｄにより算出する構成となっている。また、第２過熱度検出手段６２は、カスケード熱交換器２２から流出する冷媒の温度Ｔｅｏを検出し、高温側吸入過熱度ＳＨｅを、ＳＨｅ＝Ｔｅｏ―Ｔｅｉにより算出する構成となっている。
【００５８】
制御装置４は、各種のセンサ５１、５２、５３、６１、６２で検出される検出値等に基づいて、低温側圧縮機２１および高温側圧縮機３１の回転数、低温側四方弁２５および高温側四方弁３５の切り換え、ならびに低温側膨張弁２３および高温側膨張弁３３の開度を動作させる。
【００５９】
本実施の形態では、制御装置４は、温水温度Ｔｗがシェル温度Ｔｄより、所定の温度差Ｔｘ以上高い場合に、高温側圧縮機３１を起動した後に、低温側圧縮機２１を起動させる。
【００６０】
また、制御装置４は、高温側蒸発温度Ｔｅｉが、所定の温度Ｔｘ以下となった場合に、低温側圧縮機２１を起動させる。
【００６１】
また、制御装置４は、高温側吐出過熱度ＳＨｄが、所定の第１過熱度ＳＨｘを超えるまでの間、高温側圧縮機３１の回転数を所定値以下にして運転させる。
【００６２】
また、制御装置４は、高温側吸入過熱度ＳＨｅが、所定の第２過熱度ＳＨｙとなるように高温側膨張弁３３の弁開度を動作させる。
【００６３】
次に、通常運転時の制御装置４の制御を図４に示すフローチャートを参照して詳細に説明する。
【００６４】
まず、制御装置４は、リモコン等により入力される暖房運転開始指示を受信し（ステップＳ１）、温水ポンプ７１を運転する（ステップＳ２）。次に、第２温度センサ５２で温水温度Ｔｗを検出するとともに、第１温度センサ５１でシェル温度Ｔｄを検出して（ステップＳ３）、温水温度Ｔｗとシェル温度Ｔｄとの温度差Ｔａを、Ｔａ＝Ｔｗ−Ｔｄにより算出する（ステップＳ４）。
【００６５】
ついで、制御装置４は、温度差Ｔａと所定の温度差Ｔｘを比較し、ＴａがＴｘ以上か否かを判断する（ステップＳ５）。温度差Ｔａが所定の温度差Ｔｘ未満の場合には（ステップＳ５でＮＯ）、高温側圧縮機３１のシェル内部において、高温側の吐出冷媒が凝縮されにくいと判断し、本起動制御を終了する。
【００６６】
一方、温度差Ｔａが所定の温度差Ｔｘ以上の場合には（ステップＳ５でＹＥＳ）、高温側圧縮機３１のシェル内部において、高温側の吐出冷媒が凝縮されやすいと判断し、高温側圧縮機３１のみを起動させる（ステップＳ６）。
【００６７】
その後、制御装置４は、第３温度センサ５３で高温側蒸発温度Ｔｅｉを検出し（ステップＳ７）、所定の温度Ｔｘと比較して、ＴｅｉがＴｘ以下か否かを判断するとともに、低温側圧縮機２１が停止中か否かを判断する（ステップＳ８）。
【００６８】
高温側蒸発温度Ｔｅｉが所定の温度Ｔｘ以下で、かつ、低温側圧縮機２１が停止中の場合には（ステップＳ８でＹＥＳ）、高温側圧縮機３１の吸入圧力が、圧縮機の圧力使用範
囲の下限付近であると判断し、低温側圧縮機２１を起動させて、カスケード熱交換器２２に高温高圧の低温側冷媒を吸熱源として供給する（ステップＳ９）。
【００６９】
一方、高温側蒸発温度Ｔｅｉが所定の温度Ｔｘより高い場合や低温側圧縮機２１が運転中の場合には（ステップＳ８でＮＯ）、ステップＳ１０に進む。
【００７０】
次に、制御装置４は、第１過熱度検出手段６１で高温側吐出過熱度ＳＨｄを、第２過熱度検出手段６２で高温側吸入過熱度ＳＨｅを検出する（ステップＳ１０）。
【００７１】
そして、高温側吐出過熱度ＳＨｄと所定の第１過熱度ＳＨｘとを比較して、ＳＨｄがＳＨｘ以下か否かを判断する（ステップＳ１１）。高温側吐出過熱度ＳＨｄが所定の第１過熱度ＳＨｘより大きい場合には（ステップＳ１１でＮＯ）、高温側圧縮機３１のシェル内部における、高温側吐出冷媒の凝縮は終了したと判断し、本起動制御を終了する。
【００７２】
一方、高温側吐出過熱度ＳＨｄが所定の第１過熱度ＳＨｘ以下の場合には（ステップＳ１１でＹＥＳ）、高温側圧縮機３１のシェル内部の冷媒凝縮を防止する必要があると判断し、高温側圧縮機３１の回転数を高温側冷媒回路３における冷媒循環量が所定値以下になるように低下させて運転する（ステップＳ１２）とともに、高温側吸入過熱度ＳＨｅが所定の第２過熱度ＳＨｙに等しくなるように高温側膨張弁３３の開度を調整する（ステップＳ１３）。そして、ステップＳ７に戻る。
【００７３】
以上のように、本実施の形態においては、制御装置４と、高温側冷媒回路３において、高温側圧縮機３１のシェル温度を検出する第１温度センサ５１と、高温側圧縮機から吐出される冷媒の過熱度を検出する第１過熱度検出手段６１と、カスケード熱交換器２２に流入する冷媒の温度を検出する第３温度センサ５３と、カスケード熱交換器２２から流出する冷媒の過熱度を検出する第２過熱度検出手段６２と、温水回路７において、高温側熱交換器３２に流入する水媒体の温度Ｔｗを検出する第２温度センサ５２とを備えた構成であり、制御装置４は、第２温度センサ５２で検出される温度が第１温度センサ５１で検出される温度より、所定の温度差以上高くなる運転開始時において、高温側圧縮機３１を起動させた後に、低温側圧縮機２１を起動させるように制御する。
【００７４】
これによって、運転開始時において、低温側冷媒回路２における冷凍サイクルが停止されているので、カスケード熱交換器２２において、高温側冷媒回路３における冷凍サイクルの吸熱源が供給されなくなり、高温側圧縮機３１の吸入圧力が低下して、高温側冷媒回路３の冷媒循環量が減少する。
【００７５】
これにより、高温側圧縮機３１の吐出圧力上昇が抑制された状態で、高温側圧縮機３１のシェル温度が上昇するので、圧縮機シェル内部での冷媒凝縮が抑制され、オイル吐出量が低減される。
【００７６】
したがって、圧縮機内のオイル量低下による圧縮機の損傷を防止することが可能となり、停止圧縮機のシェルをヒーターで加温する待機電力消費を抑制しながら、機器の信頼性が確保できる。
【００７７】
また、制御装置４は、第３温度センサ５３で検出される温度が、所定の温度以下となった場合に、低温側圧縮機２１を起動させるように制御する。
【００７８】
これによって、高温側冷媒回路３における冷凍サイクルの蒸発温度が、所定温度以下に低下したと判断されて、低温側冷媒回路２における冷凍サイクルが運転開始されるので、カスケード熱交換器２２において、高温側冷媒回路３における冷凍サイクルの吸熱源が供
給され、高温側圧縮機３１の吸入圧力が、過度に低下することが抑制される。
【００７９】
したがって、高温側圧縮機３１が圧力使用範囲を逸脱して運転することを防止することができ、圧縮機の信頼性がさらに向上する。
【００８０】
また、制御装置４は、第１過熱度検出手段６１で検出される過熱度が、所定の第１過熱度を超えるまでの間、高温側冷媒の循環量を所定値以下になるように運転制御する。
【００８１】
これによって、圧縮機シェル内部での吐出冷媒凝縮が終了したと判断できる高温側圧縮機３１の吐出冷媒が過熱状態となるまで、高温側冷媒の循環量が少ない状態で運転されるので、高温側圧縮機３１シェル内部の凝縮液冷媒と混合されたオイルの吐出量が、さらに低減される。したがって、配管長が長い場合などの多様な設置条件においても信頼性が確保できる。
【００８２】
さらに、制御装置４は、第２過熱度検出手段で検出される過熱度が、所定の第２過熱度となるように高温側膨張弁３３の開度を調整して制御する。
【００８３】
これによって、高温側冷媒回路３における冷凍サイクルの蒸発器出口冷媒が、所定の過熱度となるので、高温側圧縮機３１の吸入冷媒は過熱状態となる。したがって、高温側圧縮機３１のシェル温度上昇が速くなり、シェル内部での凝縮によるオイル吐出現象が短時間で終了する。よって、冷凍サイクルが迅速に立ち上がり、快適性が向上する。
【００８４】
なお、図１では、第１温度センサ５１が高温側圧縮機３１のシェルに設けられているが、第１温度センサ５１は、高温側圧縮機３１と高温側熱交換器３２の間の吐出冷媒が流れる配管上であればどの位置に設けられていてもよい。
【００８５】
また、図１では、第２温度センサが温水回路７における高温側熱交換器３２の入り口側に設けられているが、第２温度センサは、温水回路７のどの位置に設けられていてもよい。
【００８６】
また、図１では、第３温度センサが高温側冷媒回路３におけるカスケード熱交換器２２の入り口側に設けられているが、第３温度センサは、高温側冷媒回路における高温側膨張弁３３の下流側で、高温側冷媒が常に二相状態となる位置であれば、どの位置に設けられていてもよい。
【００８７】
あるいは、第３温度センサは、圧力センサで代用してもよい。この場合は、冷媒物性式を用いて、圧力センサの検知値から飽和温度を算出すればよい。
【００８８】
また、本実施の形態では、第１過熱度検出手段６１が第１温度センサの検知値を用いて吐出過熱度ＳＨｄを算出しているが、高温側吐出冷媒の圧力と温度をそれぞれ検知して、吐出過熱度ＳＨｄを算出する構成でもよい。
【００８９】
また、第２過熱度検出手段６２が、高温側冷媒回路３におけるカスケード熱交換器２２の入口冷媒温度と出口冷媒温度の温度差で吸入過熱度ＳＨｅを算出しているが、第２過熱度検出手段６２は、高温側冷媒回路３における低圧側冷媒の圧力と、カスケード熱交換器２２の出口と高温側圧縮機３１の冷媒吸入配管の間における低圧側冷媒の温度とを検出し、検出した低圧側冷媒の温度から、冷媒物性式によって算出した圧力飽和温度を差し引いて、吸入過熱度ＳＨｅを求める構成でもよい。
【００９０】
さらに、本発明の実施の形態では、高温側冷媒回路３における冷凍サイクルによって、
水媒体が加熱されるが、加熱される媒体は、ブラインや、空気であってもよいし、放熱器７２は、温風機やラジエータ、床暖房パネルでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明は、冷凍サイクル装置によって温水を生成し、その温水を給湯や暖房に利用する温水生成装置に特に有用である。
【符号の説明】
【００９２】
１Ａ 冷凍サイクル装置
２ 低温側冷媒回路
３ 高温側冷媒回路
４ 制御装置
２１ 低温側圧縮機
２２ カスケード熱交換器
２３ 低温側膨張弁（低温側膨張手段）
２４ 低温側熱交換器
３１ 高温側圧縮機
３２ 高温側熱交換器
３３ 高温側膨張弁（高温側膨張手段）
５１ 第１温度センサ
５２ 第２温度センサ
５３ 第３温度センサ
６１ 第１過熱度検出手段
６２ 第２過熱度検出手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温側冷媒回路と高温側冷媒回路とがカスケード熱交換器を介して接続される二元冷凍サイクルからなる冷凍サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の冷凍サイクル装置は、高温の温風または温水を生成することを目的のひとつとして、二元冷凍サイクルが利用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、特許文献１に記載された従来の冷凍サイクル装置を示すものである。図５に示すように、冷凍サイクル装置１００は、低温側冷媒を循環させる低温側冷媒回路１１０と、高温側冷媒を循環させる高温側冷媒回路１２０と、温水を循環させる温水回路１３０とを備えている。低温側冷媒回路１１０は、低温側圧縮機１１１、高温側冷媒と熱交換し凝縮器として機能するカスケード熱交換器１１２、低温側膨張弁１１３および蒸発器１１４が配管により環状に接続されて構成されている。
【０００４】
また、高温側冷媒回路１２０は、高温側圧縮機１２１、温水と熱交換し凝縮器として機能する高温側熱交換器１２２、高温側膨張弁１２３、および低温側冷媒と熱交換し蒸発器として機能するカスケード熱交換器１１２が配管により環状に接続されて構成されている。
【０００５】
一方、温水回路１３０は、循環ポンプ１３１、高温側冷媒と熱交換し温水を生成する高温側熱交換器１２２および例えば貯湯タンクやファンコンベクターのような放熱器１３２が配管により環状に接続されて構成されている。
【０００６】
さらに、冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１１１から吐出される冷媒の圧力（圧縮機吐出圧力）Ｐｄを検出する圧力センサ１５１と、低温側圧縮機１１１および高温側圧縮機１２１が停止した状態から起動する場合に、まず低温側圧縮機１１１を起動し、圧力センサ１５１で検出された吐出圧力Ｐｄが所定の圧力以上となった後に、高温側圧縮機１２１を起動するように圧縮機を制御する、圧縮機制御部１４１とから構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１９６９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来の構成では、長時間の運転停止状態の後、貯湯タンク等での蓄熱により、高温側冷媒で加熱される温水の温度が高い状態において、高圧シェル型の圧縮機を起動する場合は、高温側熱交換器における凝縮温度が高く、かつ、低温側圧縮機の先行運転によりカスケード熱交換器における蒸発温度が高い状態であるため、高温側圧縮機の起動とともに高温側の吐出圧力が急激に上昇する。
【０００９】
一方、高温側圧縮機のシェル温度は、長時間の停止により温度低下した状態から徐々に温度上昇する。その為、高温側圧縮機のシェル内部で吐出冷媒が凝縮して液冷媒となり、圧縮機シェル内部のオイルと混合された状態で圧縮機からシステム内に大量に吐出される。その結果、圧縮機のオイル量不足が発生し、最悪の場合、圧縮機が損傷する可能性があり、機器の信頼性が確保できないという課題を有していた。
【００１０】
また、圧縮機シェル内部での冷媒凝縮による起動時のオイル吐出を防止するために、停止中の圧縮機シェルをヒーターで加熱して、圧縮機シェル温度を予め高く維持する場合は、非常に大きな待機電力を消費することとなり、省エネルギー性が欠如するという課題を有していた。
【００１１】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、圧縮機を適切に起動することで、圧縮機のオイル量不足を防止し、省エネルギーでかつ信頼性の高い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】
【００１２】
前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、低温側冷媒を圧縮する低温側圧縮機、低温側冷媒の放熱器として機能するカスケード熱交換器、低温側膨張手段、低温側冷媒の蒸発器として機能する低温側熱交換器を有する低温側冷媒回路と、高温側冷媒を圧縮する高温側圧縮機、高温側冷媒の放熱器として機能する高温側熱交換器と、高温側膨張手段、低温側冷媒の放熱によって高温側冷媒の蒸発器として機能する前記カスケード熱交換器を有する高温側冷媒回路と、前記高温側圧縮機の温度または前記高温側熱交換器に至る高圧側冷媒配管の温度を検出する第１温度センサと、前記高温側熱交換器において高温側冷媒と熱交換される熱媒体の温度を検出する第２温度センサと、制御装置とを備え、前記制御装置は、前記第２温度センサで検出される温度が前記第１温度センサで検出される温度より所定の温度差以上高い場合、前記高温側圧縮機を起動させた後に、前記低温側圧縮機を起動させることを特徴とするものである。
【００１３】
これによって、運転開始時において、低温側冷凍サイクルが停止されているので、カスケード熱交換器において、高温側冷凍サイクルの吸熱源が供給されなくなり、前記高温側圧縮機の吸入圧力が低下して、高温側冷凍サイクルの冷媒循環量が減少する。
【００１４】
したがって、高温側圧縮機の吐出圧力上昇が抑制された状態で、圧縮機のシェル温度が上昇するので、圧縮機シェル内部での冷媒凝縮が抑制され、オイル吐出量が低減される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、圧縮機を適切に起動することで、圧縮機のオイル量不足を防止し、省エネルギーでかつ信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の概略構成図
【図２】従来の冷凍サイクル装置の運転開始時の冷凍サイクル経時変化を表す図
【図３】本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の運転開始時の冷凍サイクル経時変化を表す図
【図４】本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の運転制御のフローチャート
【図５】従来の冷凍サイクル装置の概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
第１の発明は、低温側冷媒を圧縮する低温側圧縮機、低温側冷媒の放熱器として機能するカスケード熱交換器、低温側膨張手段、低温側冷媒の蒸発器として機能する低温側熱交換器を有する低温側冷媒回路と、高温側冷媒を圧縮する高温側圧縮機、高温側冷媒の放熱器として機能する高温側熱交換器と、高温側膨張手段、低温側冷媒の放熱によって高温側冷媒の蒸発器として機能する前記カスケード熱交換器を有する高温側冷媒回路と、前記高温側圧縮機の温度または前記高温側熱交換器に至る高圧側冷媒配管の温度を検出する第１
温度センサと、前記高温側熱交換器において高温側冷媒と熱交換される熱媒体の温度を検出する第２温度センサと、制御装置とを備え、前記制御装置は、前記第２温度センサで検出される温度が前記第１温度センサで検出される温度より所定の温度差以上高い場合、前記高温側圧縮機を起動させた後に、前記低温側圧縮機を起動させることを特徴とする冷凍サイクル装置である。
【００１８】
これにより、運転開始時において、低温側冷媒回路における冷凍サイクルが停止されているので、カスケード熱交換器において、高温側冷媒回路における冷凍サイクルの吸熱源が供給されなくなり、前記高温側圧縮機の吸入圧力が低下して、高温側冷媒回路の冷媒循環量が減少する。
【００１９】
これにより、高温側圧縮機の吐出圧力上昇が抑制された状態で、高温側圧縮機のシェル温度が上昇するので、圧縮機シェル内部での冷媒凝縮が抑制され、オイル吐出量が低減される。
【００２０】
したがって、圧縮機内のオイル量低下による圧縮機の損傷を防止することが可能となり、停止圧縮機のシェルをヒーターで加温する待機電力消費を抑制しながら、機器の信頼性が確保できる。
【００２１】
第２の発明は、第１の発明において、前記高温側冷媒回路における低圧側の冷媒温度を検出する第３温度センサを備え、前記制御装置は、前記第３温度センサで検出される温度が所定の温度以下となった場合に、前記低温側圧縮機を起動させることを特徴とするものである。
【００２２】
これにより、高温側冷媒回路における冷凍サイクルの蒸発温度が、所定温度以下に低下したと判断されて、低温側冷媒回路における冷凍サイクルが運転開始されるので、カスケード熱交換器において、高温側冷媒回路における冷凍サイクルの吸熱源が供給され、高温側圧縮機の吸入圧力が、過度に低下することが抑制される。
【００２３】
したがって、高温側圧縮機が圧力使用範囲を逸脱して運転することを防止することができ、上記第１の発明の効果に加え、圧縮機の信頼性がさらに向上する。
【００２４】
第３の発明は、第１または第２の発明において、前記高温側冷媒回路において、前記高温側圧縮機から吐出される冷媒の過熱度を検出する第１過熱度検出手段を備え、前記制御装置は、前記第１過熱度検出手段で検出される過熱度が所定の第１過熱度を超えるまでの間、前記高温側冷媒の循環量を所定値以下にして運転させることを特徴とするものである。
【００２５】
これにより、圧縮機シェル内部での吐出冷媒凝縮が終了したと判断できる高温側圧縮機の吐出冷媒が過熱状態となるまで、高温側冷媒の循環量が少ない状態で運転されるので、高温側圧縮機シェル内部の凝縮液冷媒と混合されたオイルの吐出量がさらに低減される。
【００２６】
したがって、上記第１または第２の発明の効果に加え、配管長が長い場合などの多様な設置条件においても信頼性が確保できる。
【００２７】
第４の発明は、第１〜３のいずれか１つの発明において、前記高温側冷媒回路において、前記カスケード熱交換器から流出する冷媒の過熱度を検出する第２過熱度検出手段を備え、前記制御装置は、前記第２過熱度検出手段で検出される過熱度が所定の第２過熱度となるように、前記高温側膨張手段を流れる前記高温側冷媒の流量を制御することを特徴とするものである。
【００２８】
これにより、高温側冷媒回路における冷凍サイクルの蒸発器出口過熱度が、所定の過熱度（例えば１０ｄｅｇのように大きめの過熱度）となるように膨張弁を制御するので、高温側圧縮機の吸入冷媒は過熱状態となる。
【００２９】
したがって、高温側圧縮機のシェル温度上昇が速くなり、シェル内部での凝縮によるオイル吐出現象が短時間で終了する。よって、上記第１〜３のいずれか１つの発明の効果に加え、さらに、冷凍サイクルが迅速に立ち上がることで、快適性が向上する。
【００３０】
第５の発明は、第１〜４のいずれか１つの発明の熱媒体は、水または不凍液であり、前記高温側熱交換器により加温された前記水または不凍液を、給湯と暖房の少なくとも一方に利用することを特徴とする温水生成装置であることを特徴とするものである。
【００３１】
これにより、放熱器は、冷媒−水熱交換器でも冷媒−不凍液熱交換器でもよい。したがって、高温側熱交換器により加温された熱媒体を、暖房機器（温風機、ラジエータ、床暖房パネル等）や給湯機器などに幅広く使用することができる。
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置および温水生成装置の概略構成図を示すものである。図１において、冷凍サイクル装置１Ａは、低温側冷媒を循環させる低温側冷媒回路２と、高温側冷媒を循環させる高温側冷媒回路３と、を備えている。冷媒としては、例えば、Ｒ４０７Ｃ等の非共沸混合冷媒、Ｒ４１０Ａ等の擬似共沸混合冷媒、またはＲ１３４ａ等の単一冷媒等を用いることができる。
【００３４】
低温側冷媒回路２は、高圧シェル型の低温側圧縮機２１、高温側冷媒と熱交換し凝縮器として機能するカスケード熱交換器２２、低温側膨張弁（低温側膨張手段）２３および蒸発器として機能する低温側熱交換器２４が配管により環状に接続されて構成されている。本実施の形態では、低温側冷媒回路２に、通常運転とデフロスト運転を切り換えるための四方弁２５が設けられている。
【００３５】
高温側冷媒回路３は、高圧シェル型の高温側圧縮機３１、凝縮器として機能する高温側熱交換器３２、高温側膨張弁（高温側膨張手段）３３および低温側冷媒と熱交換し蒸発器として機能するカスケード熱交換器２２が配管により環状に接続されて構成されている。本実施の形態では、高温側冷媒回路３に、通常運転とデフロスト運転を切り換えるための四方弁３５が設けられている。
【００３６】
本実施の形態では、冷凍サイクル装置１Ａが、加熱手段により生成した温水を給湯や暖房に利用する温水生成装置の加熱手段を構成しており、高温側熱交換器３２が、高温側冷媒と水との間で熱交換を行わせて水を加熱する熱交換器となっている。
【００３７】
具体的には、高温側熱交換器３２と、水ポンプ７１と、例えば貯湯タンクやファンコンベクター等の放熱器７２とが配管により環状に接続されている温水回路７が備えられており、高温側熱交換器３２で加熱された温水が放熱器７２で放熱され、蓄熱や暖房が行われる。
【００３８】
通常運転では、低温側冷媒回路２は、低温側圧縮機２１から吐出された冷媒が四方弁２５を介してカスケード熱交換器２２に送られ、高温側冷媒回路３は、高温側圧縮機３１か
ら吐出された冷媒が四方弁３５を介して高温側熱交換器３２に送られる。一方、デフロスト運転では、低温側冷媒回路２は、低温側圧縮機２１から吐出された冷媒が四方弁２５を介して低温側熱交換器２４に送られ、高温側冷媒回路３は、高温側圧縮機３１から吐出された冷媒が四方弁３５を介してカスケード熱交換器２２に送られる。図１では、通常運転時の冷媒の流れ方向を矢印で示している。以下、通常運転における冷媒の状態変化を説明する。
【００３９】
低温側冷媒回路２において、低温側圧縮機２１から吐出された高圧の低温側冷媒は、カスケード熱交換器２２に流入し、高温側冷媒回路３を循環する冷凍サイクルにおける低圧の高温側冷媒と熱交換して放熱する。
【００４０】
カスケード熱交換器２２から流出した高圧の低温側冷媒は、低温側膨張弁２３によって減圧されて膨張した後に、低温側熱交換器２４に流入する。低温側熱交換器２４に流入した低圧の低温側冷媒は、ここで空気から吸熱し蒸発する。低温側熱交換器２４において蒸発した低圧の低温側冷媒は、再度、低温側圧縮機２１に吸入される。
【００４１】
一方、高温側冷媒回路３においては、カスケード熱交換器２２における低温側冷媒の放熱によって、高温側冷媒回路３を循環する冷凍サイクルにおける低圧の高温側冷媒が加熱されて蒸発する。カスケード熱交換器２２において蒸発した低圧の高温側冷媒は、高温側圧縮機３１に吸入され、冷凍サイクルにおける高圧まで圧縮された後に、吐出される。
【００４２】
高温側圧縮機３１から吐出された高圧の高温側冷媒は、高温側熱交換器３２に流入し、循環ポンプ７１によって温水回路７を循環する水媒体と熱交換して放熱する。高温側熱交換器３２から流出した高圧の高温側冷媒は、高温側膨張弁３３によって減圧されて膨張した後に、再び、カスケード熱交換器２２に流入する。
【００４３】
本実施の形態の冷凍サイクル装置１Ａの構成は、上述のように、高温側冷媒回路３を循環する低圧の高温側冷媒が、低温側冷媒回路２を循環する高圧の低温側冷媒の放熱によって加熱されるようになっているので、高温側冷媒回路３における冷凍サイクルの凝縮温度は、低温側冷媒回路２における冷凍サイクルの凝縮温度よりも高温にすることができる。したがって、高温側熱交換器３２における高温側冷媒の放熱によって、高温の水媒体を得ることができるようになっている。
【００４４】
しかしながら、水媒体温度が高温側圧縮機３１のシェル温度より高く、温度差が大きい状態（例えば、冷凍サイクル装置１Ａにより、水媒体が高温状態となる加熱運転が実施され、サーモオフなどにより停止された後、高温側圧縮機３１のシェル温度が周囲温度付近まで低下した状態）で、加熱運転が開始された場合に、高温側圧縮機３１内のオイルが大量に吐出されて、圧縮機内部の給油不良により、圧縮機が損傷するといった問題もある。
【００４５】
これは、上述した環境条件において、加熱運転開始により低温側圧縮機２１と高温側圧縮機３１を運転すると、高温側熱交換器３２において、放熱する水媒体の温度が高温であることと、カスケード熱交換器２２において、低温側冷媒回路２を循環する高圧の低温側冷媒により十分に吸熱源が供給されていることにより、高温側圧縮機３１の吐出圧力が急激に上昇する。
【００４６】
一方、高温側圧縮機３１のシェル温度は、圧縮運転により加熱されるが、圧縮機自体の熱容量により、周囲温度付近から徐々に温度上昇していく。そのため、図２中ａ−ｂ区間のように、高温側圧縮機３１のシェル温度が、吐出圧力の飽和温度を下回る状態となり、高温側圧縮機３１の内部において、吐出された高温側冷媒が高温側圧縮機３１のシェルと熱交換することによって凝縮される。
【００４７】
そして、凝縮により液冷媒となった高温側冷媒は、高温側圧縮機３１内のオイルと混合され、シェル内部のオイルを希釈しながら、液面（オイル＋液冷媒）の上昇によって圧縮機から大量に吐出される。その後、図２中ｂ以降のように、高温側圧縮機３１のシェル温度が、吐出圧力飽和温度より高くなると、希釈されたオイル中の冷媒成分が蒸発するために、液面は一気に低下し、給油可能な液面高さを下回ることとなる。
【００４８】
また、上述した環境条件において、高温側圧縮機３１内のオイルが大量に吐出されることを防止するために、ヒーター等の加熱源を用いて、停止中の圧縮機シェルを加熱する場合は、待機電力が大きくなり、省エネルギー性を損なうことになる。
【００４９】
高温の水媒体を生成し、幅広い用途や環境条件で活用し、省エネルギー性と機器の信頼性を確保するためには、この起動時のオイル吐出を抑制することが、重要である。
【００５０】
本実施の形態では、詳しくは後述するが、制御装置４は、水媒体の温度が高温側圧縮機３１のシェル温度より、所定の温度差以上高い状態において、加熱運転を開始する場合に、低温側圧縮機２１を停止させた状態で、高温側圧縮機３１のみを起動させ、高温側冷媒の循環量が所定の循環量以下となるように回転数を低下させて運転する。
【００５１】
また、制御装置４は、高温側膨張弁３３を、高温側冷媒回路３におけるカスケード熱交換器２２から流出する冷媒の過熱度が、所定の過熱度となるように制御する。これにより、図３中ａ−ｂ区間のように、カスケード熱交換器２２において、低温側冷媒回路２から吸熱源が供給されないために、高温側圧縮機３１の吸入圧力が低下し、かつ、高温側圧縮機３１が低回転数で運転し循環量が低下することで、吐出圧力の上昇速度が低下する。
【００５２】
一方、高温側圧縮機３１が過熱状態の冷媒を吸入することで、高温側圧縮機３１のシェル温度上昇速度が上昇する。よって、高温側圧縮機３１のシェル内部における吐出冷媒の凝縮現象は短時間で終了することとなり、凝縮液冷媒と混合されてシステム内に流出するオイル量は、大幅に低減されることとなる。
【００５３】
さらに、制御装置４は、高温側冷媒回路３における高温側冷媒が気液二相状態となるカスケード熱交換器２２入口の温度（蒸発温度）を検出し、高温側圧縮機３１の吸入圧力が、圧縮機の圧力使用範囲を逸脱しないレベルで設定された所定の温度まで蒸発温度が低下した時に、低温側圧縮機２１を起動して、カスケード熱交換器２２において、低温側圧縮機２１から吐出される高圧高温の低温側冷媒から、高温側冷媒に吸熱源を供給して、吸入圧力を適正な圧力まで上昇させる。
【００５４】
したがって、圧縮機シェルの加熱用ヒーター等を使用することなく、起動時の圧縮機内のオイル量が保持されるので、冷凍サイクル装置１Ａの省エネルギー性と信頼性が確保されることとなる。
【００５５】
以下、運転制御の動作について説明する。高温側冷媒回路３には、高温側圧縮機３１のシェル温度（シェル温度）Ｔｄを検出する第１温度センサ５１と、高温側圧縮機３１から吐出される冷媒の過熱度（高温側吐出過熱度）ＳＨｄを検出する第１過熱度検出手段６１と、カスケード熱交換器２２に流入する冷媒の温度（高温側蒸発温度）Ｔｅｉを検出する第３温度センサ５３と、カスケード熱交換器２２から流出する冷媒の過熱度（高温側吸入過熱度）ＳＨｅを検出する第２過熱度検出手段６２とが設けられている。
【００５６】
一方、温水回路７には、高温側熱交換器３２に流入する水媒体の温度（温水温度）Ｔｗを検出する第２温度センサ５２が設けられている。本実施の形態では、第１過熱度検出手
段６１は、高温側圧縮機３１から吐出される冷媒の圧力を検出し、その圧力の飽和温度（吐出圧力飽和温度）ＳＴｄを冷媒物性式から算出する。
【００５７】
そして、高温側吐出過熱度ＳＨｄを、ＳＨｄ＝Ｔｄ−ＳＴｄにより算出する構成となっている。また、第２過熱度検出手段６２は、カスケード熱交換器２２から流出する冷媒の温度Ｔｅｏを検出し、高温側吸入過熱度ＳＨｅを、ＳＨｅ＝Ｔｅｏ―Ｔｅｉにより算出する構成となっている。
【００５８】
制御装置４は、各種のセンサ５１、５２、５３、６１、６２で検出される検出値等に基づいて、低温側圧縮機２１および高温側圧縮機３１の回転数、低温側四方弁２５および高温側四方弁３５の切り換え、ならびに低温側膨張弁２３および高温側膨張弁３３の開度を動作させる。
【００５９】
本実施の形態では、制御装置４は、温水温度Ｔｗがシェル温度Ｔｄより、所定の温度差Ｔｘ以上高い場合に、高温側圧縮機３１を起動した後に、低温側圧縮機２１を起動させる。
【００６０】
また、制御装置４は、高温側蒸発温度Ｔｅｉが、所定の温度Ｔｘ以下となった場合に、低温側圧縮機２１を起動させる。
【００６１】
また、制御装置４は、高温側吐出過熱度ＳＨｄが、所定の第１過熱度ＳＨｘを超えるまでの間、高温側圧縮機３１の回転数を所定値以下にして運転させる。
【００６２】
また、制御装置４は、高温側吸入過熱度ＳＨｅが、所定の第２過熱度ＳＨｙとなるように高温側膨張弁３３の弁開度を動作させる。
【００６３】
次に、通常運転時の制御装置４の制御を図４に示すフローチャートを参照して詳細に説明する。
【００６４】
まず、制御装置４は、リモコン等により入力される暖房運転開始指示を受信し（ステップＳ１）、温水ポンプ７１を運転する（ステップＳ２）。次に、第２温度センサ５２で温水温度Ｔｗを検出するとともに、第１温度センサ５１でシェル温度Ｔｄを検出して（ステップＳ３）、温水温度Ｔｗとシェル温度Ｔｄとの温度差Ｔａを、Ｔａ＝Ｔｗ−Ｔｄにより算出する（ステップＳ４）。
【００６５】
ついで、制御装置４は、温度差Ｔａと所定の温度差Ｔｘを比較し、ＴａがＴｘ以上か否かを判断する（ステップＳ５）。温度差Ｔａが所定の温度差Ｔｘ未満の場合には（ステップＳ５でＮＯ）、高温側圧縮機３１のシェル内部において、高温側の吐出冷媒が凝縮されにくいと判断し、本起動制御を終了する。
【００６６】
一方、温度差Ｔａが所定の温度差Ｔｘ以上の場合には（ステップＳ５でＹＥＳ）、高温側圧縮機３１のシェル内部において、高温側の吐出冷媒が凝縮されやすいと判断し、高温側圧縮機３１のみを起動させる（ステップＳ６）。
【００６７】
その後、制御装置４は、第３温度センサ５３で高温側蒸発温度Ｔｅｉを検出し（ステップＳ７）、所定の温度Ｔｘと比較して、ＴｅｉがＴｘ以下か否かを判断するとともに、低温側圧縮機２１が停止中か否かを判断する（ステップＳ８）。
【００６８】
高温側蒸発温度Ｔｅｉが所定の温度Ｔｘ以下で、かつ、低温側圧縮機２１が停止中の場合には（ステップＳ８でＹＥＳ）、高温側圧縮機３１の吸入圧力が、圧縮機の圧力使用範
囲の下限付近であると判断し、低温側圧縮機２１を起動させて、カスケード熱交換器２２に高温高圧の低温側冷媒を吸熱源として供給する（ステップＳ９）。
【００６９】
一方、高温側蒸発温度Ｔｅｉが所定の温度Ｔｘより高い場合や低温側圧縮機２１が運転中の場合には（ステップＳ８でＮＯ）、ステップＳ１０に進む。
【００７０】
次に、制御装置４は、第１過熱度検出手段６１で高温側吐出過熱度ＳＨｄを、第２過熱度検出手段６２で高温側吸入過熱度ＳＨｅを検出する（ステップＳ１０）。
【００７１】
そして、高温側吐出過熱度ＳＨｄと所定の第１過熱度ＳＨｘとを比較して、ＳＨｄがＳＨｘ以下か否かを判断する（ステップＳ１１）。高温側吐出過熱度ＳＨｄが所定の第１過熱度ＳＨｘより大きい場合には（ステップＳ１１でＮＯ）、高温側圧縮機３１のシェル内部における、高温側吐出冷媒の凝縮は終了したと判断し、本起動制御を終了する。
【００７２】
一方、高温側吐出過熱度ＳＨｄが所定の第１過熱度ＳＨｘ以下の場合には（ステップＳ１１でＹＥＳ）、高温側圧縮機３１のシェル内部の冷媒凝縮を防止する必要があると判断し、高温側圧縮機３１の回転数を高温側冷媒回路３における冷媒循環量が所定値以下になるように低下させて運転する（ステップＳ１２）とともに、高温側吸入過熱度ＳＨｅが所定の第２過熱度ＳＨｙに等しくなるように高温側膨張弁３３の開度を調整する（ステップＳ１３）。そして、ステップＳ７に戻る。
【００７３】
以上のように、本実施の形態においては、制御装置４と、高温側冷媒回路３において、高温側圧縮機３１のシェル温度を検出する第１温度センサ５１と、高温側圧縮機から吐出される冷媒の過熱度を検出する第１過熱度検出手段６１と、カスケード熱交換器２２に流入する冷媒の温度を検出する第３温度センサ５３と、カスケード熱交換器２２から流出する冷媒の過熱度を検出する第２過熱度検出手段６２と、温水回路７において、高温側熱交換器３２に流入する水媒体の温度Ｔｗを検出する第２温度センサ５２とを備えた構成であり、制御装置４は、第２温度センサ５２で検出される温度が第１温度センサ５１で検出される温度より、所定の温度差以上高くなる運転開始時において、高温側圧縮機３１を起動させた後に、低温側圧縮機２１を起動させるように制御する。
【００７４】
これによって、運転開始時において、低温側冷媒回路２における冷凍サイクルが停止されているので、カスケード熱交換器２２において、高温側冷媒回路３における冷凍サイクルの吸熱源が供給されなくなり、高温側圧縮機３１の吸入圧力が低下して、高温側冷媒回路３の冷媒循環量が減少する。
【００７５】
これにより、高温側圧縮機３１の吐出圧力上昇が抑制された状態で、高温側圧縮機３１のシェル温度が上昇するので、圧縮機シェル内部での冷媒凝縮が抑制され、オイル吐出量が低減される。
【００７６】
したがって、圧縮機内のオイル量低下による圧縮機の損傷を防止することが可能となり、停止圧縮機のシェルをヒーターで加温する待機電力消費を抑制しながら、機器の信頼性が確保できる。
【００７７】
また、制御装置４は、第３温度センサ５３で検出される温度が、所定の温度以下となった場合に、低温側圧縮機２１を起動させるように制御する。
【００７８】
これによって、高温側冷媒回路３における冷凍サイクルの蒸発温度が、所定温度以下に低下したと判断されて、低温側冷媒回路２における冷凍サイクルが運転開始されるので、カスケード熱交換器２２において、高温側冷媒回路３における冷凍サイクルの吸熱源が供
給され、高温側圧縮機３１の吸入圧力が、過度に低下することが抑制される。
【００７９】
したがって、高温側圧縮機３１が圧力使用範囲を逸脱して運転することを防止することができ、圧縮機の信頼性がさらに向上する。
【００８０】
また、制御装置４は、第１過熱度検出手段６１で検出される過熱度が、所定の第１過熱度を超えるまでの間、高温側冷媒の循環量を所定値以下になるように運転制御する。
【００８１】
これによって、圧縮機シェル内部での吐出冷媒凝縮が終了したと判断できる高温側圧縮機３１の吐出冷媒が過熱状態となるまで、高温側冷媒の循環量が少ない状態で運転されるので、高温側圧縮機３１シェル内部の凝縮液冷媒と混合されたオイルの吐出量が、さらに低減される。したがって、配管長が長い場合などの多様な設置条件においても信頼性が確保できる。
【００８２】
さらに、制御装置４は、第２過熱度検出手段で検出される過熱度が、所定の第２過熱度となるように高温側膨張弁３３の開度を調整して制御する。
【００８３】
これによって、高温側冷媒回路３における冷凍サイクルの蒸発器出口冷媒が、所定の過熱度となるので、高温側圧縮機３１の吸入冷媒は過熱状態となる。したがって、高温側圧縮機３１のシェル温度上昇が速くなり、シェル内部での凝縮によるオイル吐出現象が短時間で終了する。よって、冷凍サイクルが迅速に立ち上がり、快適性が向上する。
【００８４】
なお、図１では、第１温度センサ５１が高温側圧縮機３１のシェルに設けられているが、第１温度センサ５１は、高温側圧縮機３１と高温側熱交換器３２の間の吐出冷媒が流れる配管上であればどの位置に設けられていてもよい。
【００８５】
また、図１では、第２温度センサが温水回路７における高温側熱交換器３２の入り口側に設けられているが、第２温度センサは、温水回路７のどの位置に設けられていてもよい。
【００８６】
また、図１では、第３温度センサが高温側冷媒回路３におけるカスケード熱交換器２２の入り口側に設けられているが、第３温度センサは、高温側冷媒回路における高温側膨張弁３３の下流側で、高温側冷媒が常に二相状態となる位置であれば、どの位置に設けられていてもよい。
【００８７】
あるいは、第３温度センサは、圧力センサで代用してもよい。この場合は、冷媒物性式を用いて、圧力センサの検知値から飽和温度を算出すればよい。
【００８８】
また、本実施の形態では、第１過熱度検出手段６１が第１温度センサの検知値を用いて吐出過熱度ＳＨｄを算出しているが、高温側吐出冷媒の圧力と温度をそれぞれ検知して、吐出過熱度ＳＨｄを算出する構成でもよい。
【００８９】
また、第２過熱度検出手段６２が、高温側冷媒回路３におけるカスケード熱交換器２２の入口冷媒温度と出口冷媒温度の温度差で吸入過熱度ＳＨｅを算出しているが、第２過熱度検出手段６２は、高温側冷媒回路３における低圧側冷媒の圧力と、カスケード熱交換器２２の出口と高温側圧縮機３１の冷媒吸入配管の間における低圧側冷媒の温度とを検出し、検出した低圧側冷媒の温度から、冷媒物性式によって算出した圧力飽和温度を差し引いて、吸入過熱度ＳＨｅを求める構成でもよい。
【００９０】
さらに、本発明の実施の形態では、高温側冷媒回路３における冷凍サイクルによって、
水媒体が加熱されるが、加熱される媒体は、ブラインや、空気であってもよいし、放熱器７２は、温風機やラジエータ、床暖房パネルでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明は、冷凍サイクル装置によって温水を生成し、その温水を給湯や暖房に利用する温水生成装置に特に有用である。
【符号の説明】
【００９２】
１Ａ 冷凍サイクル装置
２ 低温側冷媒回路
３ 高温側冷媒回路
４ 制御装置
２１ 低温側圧縮機
２２ カスケード熱交換器
２３ 低温側膨張弁（低温側膨張手段）
２４ 低温側熱交換器
３１ 高温側圧縮機
３２ 高温側熱交換器
３３ 高温側膨張弁（高温側膨張手段）
５１ 第１温度センサ
５２ 第２温度センサ
５３ 第３温度センサ
６１ 第１過熱度検出手段
６２ 第２過熱度検出手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温側冷媒を圧縮する低温側圧縮機、低温側冷媒の放熱器として機能するカスケード熱交換器、低温側膨張手段、低温側冷媒の蒸発器として機能する低温側熱交換器を有する低温側冷媒回路と、高温側冷媒を圧縮する高温側圧縮機、高温側冷媒の放熱器として機能する高温側熱交換器と、高温側膨張手段、低温側冷媒の放熱によって高温側冷媒の蒸発器として機能する前記カスケード熱交換器を有する高温側冷媒回路と、前記高温側圧縮機の温度または前記高温側熱交換器に至る高圧側冷媒配管の温度を検出する第１温度センサと、前記高温側熱交換器において高温側冷媒と熱交換される熱媒体の温度を検出する第２温度センサと、制御装置とを備え、前記制御装置は、前記第２温度センサで検出される温度が前記第１温度センサで検出される温度より所定の温度差以上高い場合、前記高温側圧縮機を起動させた後に、前記低温側圧縮機を起動させることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記高温側冷媒回路における低圧側の冷媒温度を検出する第３温度センサを備え、前記制御装置は、前記第３温度センサで検出される温度が所定の温度以下となった場合に、前記低温側圧縮機を起動させることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記高温側冷媒回路において、前記高温側圧縮機から吐出される冷媒の過熱度を検出する第１過熱度検出手段を備え、前記制御装置は、前記第１過熱度検出手段で検出される過熱度が所定の第１過熱度を超えるまでの間、前記高温側冷媒の循環量を所定値以下にして運転させることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記高温側冷媒回路において、前記カスケード熱交換器から流出する冷媒の過熱度を検出する第２過熱度検出手段を備え、前記制御装置は、前記第２過熱度検出手段で検出される過熱度が所定の第２過熱度となるように、前記高温側膨張手段を流れる前記高温側冷媒の流量を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱媒体は、水または不凍液であり、前記高温側熱交換器により加温された前記水または不凍液を、給湯と暖房の少なくとも一方に利用することを特徴とする温水生成装置。
【請求項１】
低温側冷媒を圧縮する低温側圧縮機、低温側冷媒の放熱器として機能するカスケード熱交換器、低温側膨張手段、低温側冷媒の蒸発器として機能する低温側熱交換器を有する低温側冷媒回路と、高温側冷媒を圧縮する高温側圧縮機、高温側冷媒の放熱器として機能する高温側熱交換器と、高温側膨張手段、低温側冷媒の放熱によって高温側冷媒の蒸発器として機能する前記カスケード熱交換器を有する高温側冷媒回路と、前記高温側圧縮機の温度または前記高温側熱交換器に至る高圧側冷媒配管の温度を検出する第１温度センサと、前記高温側熱交換器において高温側冷媒と熱交換される熱媒体の温度を検出する第２温度センサと、制御装置とを備え、前記制御装置は、前記第２温度センサで検出される温度が前記第１温度センサで検出される温度より所定の温度差以上高い場合、前記高温側圧縮機を起動させた後に、前記低温側圧縮機を起動させることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記高温側冷媒回路における低圧側の冷媒温度を検出する第３温度センサを備え、前記制御装置は、前記第３温度センサで検出される温度が所定の温度以下となった場合に、前記低温側圧縮機を起動させることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記高温側冷媒回路において、前記高温側圧縮機から吐出される冷媒の過熱度を検出する第１過熱度検出手段を備え、前記制御装置は、前記第１過熱度検出手段で検出される過熱度が所定の第１過熱度を超えるまでの間、前記高温側冷媒の循環量を所定値以下にして運転させることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記高温側冷媒回路において、前記カスケード熱交換器から流出する冷媒の過熱度を検出する第２過熱度検出手段を備え、前記制御装置は、前記第２過熱度検出手段で検出される過熱度が所定の第２過熱度となるように、前記高温側膨張手段を流れる前記高温側冷媒の流量を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱媒体は、水または不凍液であり、前記高温側熱交換器により加温された前記水または不凍液を、給湯と暖房の少なくとも一方に利用することを特徴とする温水生成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−１０４６２４（Ｐ２０１３−１０４６２４Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４９２６４（Ｐ２０１１−２４９２６４）
【出願日】平成２３年１１月１５日（２０１１．１１．１５）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１５日（２０１１．１１．１５）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
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