<実施形態1>
 -冷凍サイクル装置の構成-
 図1に示すように、実施形態1に係る冷凍サ� �クル装置50は、給湯および暖房を実行可能な 多機能ヒートポンプを構成している。冷凍サ イクル装置50は、給湯または暖房に用いられ� ��水が流れる水回路30と、冷媒回路20とを備え ている。冷媒回路20は、水回路30の水を加熱� �る熱源として機能する。

 冷媒回路20は、主冷媒回路21と、インジェ クション通路22とを備えている。主冷媒回路2 1は、圧縮機1、放熱器2、第1膨張機構5、第2膨 張機構6、および蒸発器4を有する。これらの� ��器が順に環状に接続されることによって主� ��媒回路21が形成されている。冷媒回路20には 、冷媒として二酸化炭素が充填されている。

 圧縮機1は、吸入ポート1a、吐出ポート1b� �およびインジェクションポート1cを有してい る。インジェクションポート1cは、インジェ� ��ション通路22からの冷媒を圧縮室にインジ� �クションするためのインジェクション部と� �て設けられている。なお、圧縮機1の具体的� ��成は何ら限定されるものではない。圧縮機1 には、例えば、ロータリ式圧縮機、スクロー ル式圧縮機等を好適に用いることができる。

 放熱器2は、いわゆる液-液熱交換器であ� �、高温側流路2aと低温側流路2bとを備えてい� ��。放熱器2には、例えば、二重管式熱交換器 、プレート式熱交換器等を好適に用いること ができる。

 第1膨張機構5および第2膨張機構6には、例 えば、電動式膨張弁等を好適に用いることが できる。ただし、第1膨張機構5および第2膨張 機構6の具体的構成は、何ら限定されない。� �1膨張機構5と第2膨張機構6とは、同一種類の� ��張機構であってもよく、互いに異なる種類� ��膨張機構であってもよい。一例として、第1 膨張機構5が電動式膨張弁であり、第2膨張機� ��6がキャピラリである。さらに、第1膨張機� �5および第2膨張機構6の少なくとも一方が冷� �から動力を回収可能な容積式流体機械で構� �されていてもよい。

 蒸発器4の具体的構成も特に限定されない が、本実施形態では、蒸発器4はいわゆる空� �熱交換器である。蒸発器4には、例えばプレ� ��トフィンチューブ熱交換器等を好適に用い� ��ことができる。蒸発器4に対しては、送風機 14が設けられている。ただし、蒸発器4として 、液-液熱交換器を用いることももちろん可� �である。

 インジェクション通路22は、主冷媒回路21 における第1膨張機構5と第2膨張機構6との間� �部分と、圧縮機1のインジェクションポート1 cとを接続している。インジェクション通路22 には、冷媒の流量を調整する流量調整器7が� �けられている。流量調整器7の構成は何ら限� ��されず、例えば、開度調整可能な電動弁等� ��好適に用いることができる。また、インジ� ��クション通路22には、副熱交換器3が配置さ� ��ている。副熱交換器3は、液-液熱交換器で� �り、低温側流路3aと高温側流路3bとを備えて� ��る。副熱交換器3の具体的構成も何ら限定さ れず、例えば、二重管式熱交換器、プレート 式熱交換器等を好適に用いることができる。

 冷凍サイクル装置50は、さらに、第1膨張� ��構5および第2膨張機構6の一方または両方と� ��流量調整器7とを制御する制御器15を備えて� ��る。制御器15は、例えば、市販のDSP(digital s ignal processor)である。インジェクション通路2 2には、インジェクション通路22を流れる冷媒 の流量を検出する流量センサ16と、インジェ� ��ション通路22を流れる冷媒の圧力(中間圧)を 検出する圧力センサ17とが設けられている。� ��量センサ16および圧力センサ17の検出信号は 、制御器15に送信されるようになっている。� ��力センサ17に代えて、温度センサを用いて� �ンジェクション通路22における冷媒の状態(� �度および圧力)を検出しうる。また、流量セ� ��サ16を省略してもよい。

 水回路30は、貯湯タンク9と、熱源側水回� ��35と、暖房用水回路36と、給湯回路37とを備� ��ている。

 貯湯タンク9は、水を貯留する縦長のタン クであり、下方から上方にいくに従って水温 が高くなるような温度分布を呈するいわゆる 温度成層式タンクである。ただし、貯湯タン ク9の構成は特に限定される訳ではない。貯� �タンク9の内部には、加熱ヒータ18が設けら� �ている。

 熱源側水回路35は、冷媒回路20を熱源とし て、水を加熱するための回路である。熱源側 水回路35の上流端35aは、貯湯タンク9の下部に 接続されている。そのため、貯湯タンク9か� �熱源側水回路35に対しては、貯湯タンク9の� �部に貯留された比較的低温の水が供給され� �。熱源側水回路35の下流端35bは、貯湯タンク 9の上下方向の略中央部に接続されている。� �源側水回路35には、ポンプ25、副熱交換器3の 高温側流路3b、および放熱器2の低温側流路2b� ��順に設けられている。ポンプ25と副熱交換� �3の高温側流路3bとの間には、熱源側水回路35 の構成部品として流路切換弁13が設けられて� ��る。

 熱源側水回路35は、副熱交換器3を含む主� ��路34aと、副熱交換器3をバイパスしているバ イパス通路34bとを含む。バイパス通路34bは、 副熱交換器3よりも上流側において主通路34a� �ら分岐する一方、副熱交換器3の出口と放熱� ��2の入口との間において主流路34aに合流して いる。具体的に、バイパス通路34bの一端は流 路切換弁13に接続されており、他端は副熱交� ��器3と放熱器2との間の部分に接続されてい� �。熱源側水回路35において、主通路34aにのみ 水を流す第1状態と、バイパス通路34bにのみ� �を流す第2状態とを切換可能である。流路切� ��弁13を制御することによって、第1状態と第2 状態との切換を行える。放熱器2で加熱する� �の水を副熱交換器3で予冷する必要が無い場� ��に第2状態を設定することによって、圧力損 失の増大を防止できる。

 暖房用水回路36は、貯湯タンク9の温水を� ��源として暖房を行う回路である。暖房用水� ��路36の上流端36aは、貯湯タンク9の上下方向� ��中央部に接続されている。暖房用水回路36� �下流端36bは、熱源側水回路35における上流端 35aとポンプ25との間の部分に接続されている� ��すなわち、暖房用水回路36の水は、下流端36 bにおいて熱源側水回路35の水と合流する。暖 房用水回路36には、暖房機器としてのラジエ� ��10が設けられている。ラジエタ10(室内ラジ� �タ)は、暖房用の熱交換器であり、ラジエタ1 0に貯湯タンク9の温水を流通させることによ� ��て室内暖房を行える。また、ラジエタ10と� �流端36bとの間には、弁19が設けられている。

 このように、熱源側水回路35には暖房用� �回路36が接続されている。具体的には、室内 ラジエタ10から流出した水(還り水)が副熱交� �器3を経由して放熱器2で加熱されるように、 暖房用水回路36の下流端36bが、熱源側水回路3 5における副熱交換器3よりも上流側の部分に� ��続されている。室内ラジエタ10から流出し� �還り水を副熱交換器3で冷却した後に、放熱� ��2で加熱するのに熱源側水回路35が使用され� ��。

 給湯回路37は、貯湯タンク9の温水を熱源� ��して利用し、給湯機器45に温水を供給する� �路である。給湯回路37は、熱源側の回路であ る第1回路38と、利用側の回路である第2回路39 とを備えている。第1回路38の上流端38aは、貯 湯タンク9の上部に接続されている。第1回路3 8の下流端38bは、貯湯タンク9の下部に接続さ� ��ている。第1回路38には、ポンプ26が設けら� �ている。第2回路39には、温水を利用する給� �機器45が設けられている。給湯機器45の具体� ��種類は何ら限定されず、例えば、シャワー� ��キッチン等を好適に利用することができる� ��第1回路38と第2回路39とは、熱交換器40を介� �て接続されている。熱交換器40には、例えば 、二重管式熱交換器、プレート式熱交換器等 を用いることができる。第1回路38には貯湯タ ンク9の水が流通し、第2回路39には上水が供� �される。第2回路39に供給された上水は、熱� �換器40を介して第1回路38の温水によって加熱 され、温水となって給湯機器45に供給される� ��

 熱源側水回路35には、副熱交換器3を流れ� ��水の流量を検出する流量センサ31と、副熱� �換器3を流れる水の温度を検出する温度セン� ��32とが設けられている。流量センサ31は、高 温側流路3bを流れる水の流量を直接または間� ��的に検出するものであれば足り、その種類� ��よび配置箇所は何ら限定されない。本実施� ��態では、流量センサ31は、流路切換弁13と高 温側流路3bとの間に配置されている。温度セ� ��サ32は、副熱交換器3の入口における水の温� ��を直接または間接的に検出するものであれ� ��よい。なお、流量センサ31を省略し、ポン� �25の回転数に基づいて熱源側水回路35の流量� ��検出してもよい。

 -冷凍サイクル装置の動作-
 冷凍サイクル装置50は、貯湯タンク9に温水� ��供給する温水生成運転と、ラジエタ10を利� �して暖房を行う暖房運転と、貯湯タンク9の� ��水を利用して給湯機器45に温水を供給する� �湯運転とを実行可能である。なお、これら� �各運転は、独立して行われてもよく、他の� �転と同時に行われてもよい。

 《温水生成運転》
 まず、温水生成運転について説明する。冷� ��回路20では、インジェクション通路22を通じ て中間圧の冷媒を圧縮機1に供給するインジ� �クション運転と、インジェクション通路22に 冷媒を流さない非インジェクション運転とを 選択的に実行可能である。

 温水生成運転を暖房運転と同時に行わな� ��場合には、冷媒回路20には、暖房用水回路36 からの水は供給されず、貯湯タンク9の水の� �が供給される。そのため、冷媒回路20に供給 される水の温度は、比較的低温となる。した がって、水を予め冷却せずに放熱器2の低温� �流路2bに供給しても、冷媒回路20の高圧側圧� ��(圧縮機1の吐出側から放熱器2を経て第1膨張 機構5に至る部分の圧力)が過剰に上昇するお� ��れは少ない。そこで、本実施形態では、温� ��生成運転を暖房運転と同時に行わない場合� ��は、冷媒回路20は非インジェクション運転� �行う。

 一方、温水生成運転を暖房運転と同時に� ��う場合には、冷媒回路20には、貯湯タンク9� ��けでなく、ラジエタ10からも水が供給され� �。しかし、ラジエタ10から冷媒回路20側に戻� ��てくる水(以下、「還り水」という)の温度� �、比較的高温である。そのため、還り水を� �のまま放熱器2の低温側流路2bに供給すると� �冷媒回路20の高圧側圧力が上昇し、COPが大幅 に低下するおそれがある。そこで、本実施形 態では、温水生成運転を暖房運転と同時に行 う場合には、冷媒回路20はインジェクション� ��転を行う。

 温水生成運転のみを行う場合には、暖房� ��水回路36の弁19は閉鎖される。流路切換弁13� ��、水をバイパス通路34bに流すように、図1の 破線で示す状態に設定される。また、非イン ジェクション運転を行うので、流量調整器7� �、冷媒の流通を遮断するように全閉状態に� �定される。すなわち、制御器15は、インジェ クション通路22の冷媒流量がゼロのときには� ��イパス通路34bにのみ水が流れるように、流� ��調整器7の制御と流路切換弁13の制御とを関� ��付けて行う。これにより、熱源側水回路35� �流路長を短縮化でき、圧力損失の増大を防� �できる。

 冷媒回路20では、圧縮機1の吐出ポート1b� �ら吐出された冷媒は、放熱器2の高温側流路2 aを流れ、低温側流路2bを流れる水に対して放 熱する。放熱後の冷媒は、第1膨張機構5およ� ��第2膨張機構6において膨張し、高圧の冷媒� �ら低圧の冷媒となる。この低圧の冷媒は、� �発器4で蒸発し、吸入ポート1aを通じて圧縮� �1に吸入される。

 水回路30では、貯湯タンク9の下部から供� ��された比較的低温の水が、ポンプ25によっ� �搬送される。ポンプ25から吐出された水は、 バイパス通路34bを通過し、放熱器2の低温側� �路2bに流入する。放熱器2において、低温側� �路2bを流れる水は、高温側流路2aを流れる冷� ��によって加熱され、温水となる。この温水� ��、放熱器2の低温側流路2bを流出した後、貯� ��タンク9の上下方向の略中央部分に返送され る。

 ただし、温水生成運転をインジェクショ� ��運転と同時に行ってもよい。すなわち、貯� ��タンク9の下部に貯められた水を副熱交換器 3で冷却し、放熱器2で加熱した後に、貯湯タ� ��ク9へと戻すために熱源側水回路35を使用し� ��もよい。特に、貯湯タンク9の下部に貯めら れた水の温度がある程度高い場合に、副熱交 換器3で冷却することに意義がある。

 《暖房運転》
 次に、暖房運転について説明する。なお、� ��媒回路20の運転を停止することによって暖� �運転を単独で実行することも可能であるが� �以下では、温水生成運転と暖房運転とを同� �に行う場合について説明する。前述したよ� �に、温水生成運転と暖房運転とを同時に行� �場合には、冷媒回路20においてインジェクシ ョン運転が実行される。そのため、インジェ クション通路22の流量調整器7は開状態に設定 される。

 本暖房運転では、圧縮機1の吐出ポート1b� ��ら吐出された高圧の冷媒(図2の点D参照)は、 放熱器2の高温側流路2aを流れ、低温側流路2b� ��流れる水に対して放熱する。放熱後の冷媒( 図2の点E参照)は、第1膨張機構5で膨張し、気� ��二相または液相の中間圧の冷媒(図2の点F参� ��)となる。

 中間圧の冷媒は分流し、一方の冷媒は第2 膨張機構6でさらに膨張し、低圧の冷媒(図2の 点G参照)となる。他方の冷媒は、インジェク� ��ョン通路22に流入する。

 低圧の冷媒は、蒸発器4で蒸発した後、吸 入ポート1aを通じて圧縮機1に吸入される(図2� ��点A参照)。

 インジェクション通路22に流入した中間� �の冷媒(一部に液を含む冷媒)は、副熱交換器 3の低温側流路3aを流れる。この冷媒は、高温 側流路3bを流れる水と熱交換を行い、水を冷� ��する一方、自らは加熱される。この際、液� ��媒は蒸発する。そして、ガス化した中間圧� ��冷媒は、インジェクションポート1cを通じ� �圧縮機1に吸入される。この中間圧の冷媒は� ��吸入ポート1aから吸入された後、中間圧ま� �昇圧された冷媒(図2の点B参照)と合流し(図2� �点C参照)、さらに、高圧まで圧縮される(図2� ��点D参照)。その後は、圧縮後の高圧冷媒が� �出ポート1bから吐出され、前述の動作を繰り 返す。

 暖房用水回路36においては、弁19が開放さ れる。貯湯タンク9から供給された温水は、� �ジエタ10に流れ込み、ラジエタ10を介して室� ��空気を加熱する。これにより、室内の暖房� ��行われる。ラジエタ10を流出した水は、暖� �用水回路36の下流端36bから熱源側水回路35に� ��れ込む。

 熱源側水回路35では、ポンプ25から搬送さ れてきた水を副熱交換器3の高温側流路3bに供 給するように、流路切換弁13が図1の実線で示 す状態に設定される。この状態で、ラジエタ 10からの還り水は、暖房用水回路36の下流端36 bから熱源側水回路35に流れ込み、ポンプ25を� ��過した後、副熱交換器3の高温側流路3bに流� ��する。高温側流路3bを流れる水は、低温側� �路3aを流れる冷媒によって冷却される。冷却 された水は、高温側流路3bを流出した後、放� ��器2の低温側流路2bに流入する。低温側流路2 bに流入した水は、高温側流路2aを流れる冷媒 によって加熱され、高温の水となって低温側 流路2bから流出する。そして、低温側流路2b� �流出した高温の水は、貯湯タンク9に返送さ� ��る。

 暖房運転の際に、制御器15は、副熱交換� �3を流れる水の流量および温度に基づいて、� ��1膨張機構5および第2膨張機構6から選ばれた 少なくとも1つと、流量調整器7とを制御する� ��詳しくは、制御器15は、放熱器2または蒸発� ��4が要求される能力を発揮しうる運転状況下 で、COPが最大となるような制御を行う。具体 的には、第1膨張機構5および/または第2膨張� �構6を制御することによって、COPが最大とな� ��ように冷媒回路20の中間圧を調整する一方� �流量調整器7を制御することによって、COPが� ��大となるようにインジェクション量(圧縮機 1のインジェクションポート1cから吸入される 冷媒流量)を調整する。

 冷媒回路20の中間圧は、例えば、圧縮機1� ��吐出冷媒温度と副熱交換器3の入水温度とに 基づいて決定される。これらの温度の種々の 組み合わせに対して、COPが最大となる中間圧 を実験やシミュレーションで予め調べてデー タベース化する。作成されたデータベースを 制御器15が持つことにより、吐出冷媒温度と� ��水温度との組み合わせに応じて、最適な中� ��圧を迅速に導出可能となる。なお、中間圧� ��センサ17で検出可能である。

 なお、COPを向上させるためには、冷媒回� ��20の高圧側圧力を下げることが好ましい。� �のため、放熱器2の低温側流路2bを流れる水� �温度を、できるだけ低下させることが好ま� �い。そこで、本実施形態では、副熱交換器3� ��おける熱交換量を多くし、副熱交換器3にお いて還り水をできるだけ冷却することとして いる。

 また、COPを向上させるためには、圧縮機1 へのインジェクション量をできるだけ多くす ることが好ましい。そのため、インジェクシ ョン通路22の冷媒流量をできるだけ多くする� ��とが好ましい。本実施形態では、インジェ� ��ション通路22に副熱交換器3が設けられてお� ��、冷媒は副熱交換器3で加熱される。そのた め、インジェクション通路22を流れる中間圧� ��冷媒の一部に液冷媒が含まれていたとして� ��、その液冷媒は副熱交換器3において蒸発し 、ガス冷媒となって圧縮機1にインジェクシ� �ンされる。また、インジェクション通路22を 流れる冷媒の一部に液冷媒が含まれている方 が、すべての冷媒がガス冷媒である場合に比 べて、副熱交換器3における還り水の冷却量� �多くなるので、好ましい。しかし、インジ� �クション通路22の冷媒流量が多くなりすぎる と、還り水の温度または流量によっては、一 部の液冷媒が副熱交換器3で十分に蒸発しき� �ず、圧縮機1のインジェクションポート1cに� �冷媒が吸い込まれるおそれがある。

 このように、副熱交換器3の低温側流路3a� ��は、液冷媒がすべて蒸発する限りにおいて� ��できるだけ多くの冷媒を流すことが好まし� ��。そこで、本実施形態では、副熱交換器3の 低温側流路3aに流れ込む液冷媒がすべて蒸発� ��、かつ、低温側流路3aの冷媒流量ができる� �け多くなるように、流量調整器7を制御する� ��ととしている。具体的には、制御器15は、� �熱交換器3を流れる水の流量および温度に基� ��いて流量調整器7を制御する。インジェクシ ョン通路22を通じてインジェクションポート1 cへと導かれる冷媒流量(質量流量)が、インジ ェクションポート1cに液冷媒が導かれるのを� ��避しうる範囲での最大量に近づくように、� ��量調整器7が制御される。

 一例として、副熱交換器3を流れる水の流 量および温度の種々の組み合わせに対して、 COPが最大となるインジェクション通路22の冷� ��流量を実験やシミュレーションで予め調べ� ��データベース化する。作成されたデータベ� ��スを制御器15が持つことにより、副熱交換� �3を流れる水の流量および温度の組み合わせ� ��応じて、最適なインジェクション量(インジ ェクション通路22の冷媒流量)を迅速に導出可 能となる。

 例えば、副熱交換器3の高温側流路3bを流� ��る水の流量が多い場合には、副熱交換器3に おける熱交換量を多くすることができるので 、低温側流路3aの冷媒流量が多くなるように� ��量調整器7を制御する。また、副熱交換器3� �高温側流路3bを流れる水の温度が高い場合に は、副熱交換器3における熱交換量を多くす� �ことができるので、低温側流路3aの冷媒流量 が多くなるように流量調整器7を制御する。

 このように、本実施形態では、副熱交換� ��3の低温側流路3aに流れ込む液冷媒をすべて� ��発させ、かつ、低温側流路3aを流れる冷媒� �量を最大化することを、制御目標としてい� �。インジェクション通路22の終点付近(副熱� �換器3の出口)で冷媒が100%飽和ガスになるか� �少し過熱されるように、第1膨張機構5および /または第2膨張機構6の制御と、流量調整器7� �制御とを行う。ただし、圧縮機1に液冷媒が� ��ンジェクションされたとしても、それが少� ��であれば、圧縮機1の効率や信頼性に殆ど影 響しない。

 また、本実施形態では、副熱交換器3の出 口と圧縮機1のインジェクションポート1cとの 間にセンサ17が設けられている。センサ17に� �り、この区間を流通する冷媒の温度をモニ� �できる。センサ17の検出結果、圧縮機1の吸� �冷媒温度、圧縮機1の吐出冷媒温度に基づい� ��、この区間を流通する冷媒の状態を推定で� ��る。この推定結果に基づき、補正制御を行� ��てもよい。例えば、当該区間を流通する冷� ��の過熱度が大きすぎる場合には、インジェ� ��ション通路22の冷媒流量が増えるように、� �量調整器7の制御に補正をかける。他方、こ� ��区間を流通する冷媒に液相の冷媒が含まれ� ��いる場合には、インジェクション通路22の� �媒流量が減少するように、流量調整器7の制� ��に補正をかける。このようにすれば、飽和� ��スに近い状態の最大量の冷媒を圧縮機1にイ ンジェクションでき、COPの最適化に資する。

 なお、副熱交換器3の高温側流路3bを流れ� ��水の流量および温度に基づいて流量調整器7 の制御を行うに際して、制御目標は上記制御 目標に限定されるわけではない。他にも、種 々の制御が可能である。

 《給湯運転》
 次に、給湯運転について説明する。給湯運� ��の際には、給湯回路37のポンプ26が駆動され 、貯湯タンク9内の上層部の高温水が、給湯� �路37の第1回路38に流れ込む。一方、給湯回路 37の第2回路39には、上水が供給される。第1回 路38の高温水と第2回路39の上水とは、熱交換� ��40を介して熱交換を行う。その結果、上水� �加熱され、高温水となって給湯機器45に供給 される。一方、第1回路38の高温水は、熱交換 器40を介して上記上水に冷却され、貯湯タン� ��9の下部に返送される。

 なお、前述の温水生成運転、暖房運転お� ��び給湯運転のいずれにおいても、貯湯タン� ��9内の水温が低下した場合等には、加熱ヒー タ18によって貯湯タンク9内の水を加熱し、水 温を上昇させることができる。

 -実施形態の効果-
 以上のように、本実施形態に係る冷凍サイ� ��ル装置50は、中間圧の冷媒を圧縮機1にイン� ��ェクションさせるインジェクション通路22� �、放熱器2で加熱される前の水をインジェク� ��ョン通路22の冷媒で冷却する副熱交換器3と� ��備えている。そのため、以下に説明するよ� ��に、COPを向上させるにあたって、インジェ� ��ションによる効果と、放熱器2で加熱される 前の水を予め冷却することによる効果(以下� �予冷効果という)とが得られるだけでなく、� ��れらの相乗効果も得ることができる。

 すなわち、まず、本実施形態に係る冷凍� ��イクル装置50によれば、インジェクション� �よる効果を得ることができる。具体的には� �本冷凍サイクル装置50では、放熱器2の高温� �流路2aを流出した冷媒の一部は、インジェク ション通路22を流れる。そのため、インジェ� ��ション通路22を流れる冷媒の量だけ、蒸発� �4を流れる冷媒の量が減るので、圧縮機1の吸 入ポート1aから吸入される冷媒の量が減少す� ��。したがって、低圧から中間圧までの圧縮� ��1の圧縮仕事を低減させることができる。す なわち、図2に示すように、放熱器2の高温側� ��路2aを流出した冷媒(点E→点F参照)の質量流� ��をG1、インジェクション通路22を流れる冷媒 (点F→点C参照)の質量流量をG3とすると、蒸発 器4を流れる冷媒(点G→点A参照)の質量流量G2� �、G2=G1-G3となり、G1よりも少なくなる。その� ��め、点Aの状態から点Bの状態に至る冷媒の� �が少なくなるので、圧縮機1の圧縮仕事を低� ��させることができる。その結果、圧縮機1の 入力(消費電力)を低減させることができる。

 ところで、インジェクション通路22がな� �場合には、圧縮機1で圧縮される冷媒は、図2 の点Aから点D´まで状態変化する。これに対� �、本実施形態では、インジェクション通路22 を備えていることから、圧縮機1で圧縮され� �前の中間圧の冷媒は、圧縮機1において低圧� ��ら中間圧まで昇圧された後の冷媒(図2の点B� ��点Cの冷媒)と、インジェクションポート1cを 通じて導入された中間圧の冷媒(図2の点F→点 Cの冷媒)とが混合されたものとなる。そのた� ��、圧縮前の中間圧冷媒の状態点は、点Bでは なく点Cとなる。そして、中間圧冷媒は、圧� �機1で圧縮されることによって、点Cから点D� �状態に変化する。したがって、中間圧冷媒� �高圧冷媒まで圧縮する際に圧縮機1に必要と� ��れる仕事量は、インジェクション通路22が� �い場合にはエンタルピ差δ´=hd´-hbに相当す� �仕事量となるが、本実施形態ではエンタル� �差δ=hd-hcに相当する仕事量となる。ここで、 圧縮機1において冷媒は等エントロピ線に沿� �て昇圧されること、等エントロピ線の傾き� �低エンタルピ側から高エンタルピ側に向か� �ほど緩やかになることから、δ´>δである� ��したがって、本実施形態によれば、インジ� ��クション通路22を備えていることにより、� �間圧冷媒を高圧冷媒にまで圧縮する部分に� �いても、圧縮機1の入力を低減させることが� ��きる。

 さらに、本実施形態によれば、以下の予� ��効果を得ることができる。すなわち、本実� ��形態によれば、副熱交換器3において、イン ジェクション通路22を流れる冷媒によって、� ��熱器2の低温側流路2bに流入する前の水を冷� ��することができる。そのため、放熱器2の低 温側流路2bを流れる水の温度を低下させるこ� ��ができ、結果として、放熱器2の高温側流路 2aを流れる冷媒の温度を低下させることがで� ��る。したがって、冷媒の高圧側圧力の上昇� ��抑制することができ、圧縮機1の入力を低減 させることができる。例えば、図2に示すよ� �に、副熱交換器3を設けたことによって、高� ��側圧力をP2からP1にまで低下させることがで き、その分、圧縮機1の入力を低減させるこ� �が可能となる。

 ところで、上述のインジェクションによ� ��効果と予冷効果とは、冷媒回路の蒸発器の� ��口側に副熱交換器を備えた従来の冷凍サイ� ��ル装置(例えば、図8参照)に、インジェクシ� ��ン通路を付加することによっても得ること� ��できる。また、冷媒の温度は、蒸発器の出� ��側の方がインジェクション通路よりも低い� ��そのため、前述の予冷効果は、副熱交換器� ��蒸発器の出口側に設けた方が、より大きく� ��ると考えられる。また、副熱交換器を蒸発� ��の出口側に設けることにより、一見したと� ��ろ、冷媒の低圧側圧力を上昇させ、COPをさ� ��に向上させることが可能であるように見え� ��。

 確かに、副熱交換器を蒸発器の出口側に� ��けた場合、放熱器に流入する前の水は、よ� ��低い温度にまで冷却される。そのため、予� ��効果自体は大きくなる。ところが、この予� ��効果の増加によるCOPの増加分は、それほど� ��きなものではない。また、冷媒回路におけ� ��冷媒の低圧側圧力は、主として蒸発器にお� ��る被冷却流体(本実施形態では空気)の温度� �依存する。そのため、副熱交換器を蒸発器� �出口側に設けたとしても、副熱交換器をイ� �ジェクション通路に設けた場合と比較して� �冷媒の低圧側圧力が大きく上昇する訳では� �く、COPが大きく増加する訳ではない。

 インジェクション通路を備えた従来の冷� ��サイクル装置では、圧縮機への液バックを� ��避するために、インジェクション通路の手� ��に気液分離器を設け、分離後のガス冷媒の� ��をインジェクション通路に供給するように� ��ていた。ところが、本実施形態によれば、� ��ンジェクション通路22に副熱交換器3が設け� ��れているので、インジェクション通路22を� �れる冷媒の一部に液冷媒が含まれていたと� �ても、液冷媒は副熱交換器3で蒸発する。そ� ��ため、インジェクション通路22に流入した� �冷媒が、液相の状態のまま圧縮機1のインジ� ��クションポート1cに吸い込まれることはな� �。したがって、インジェクション通路22に液 冷媒を流すことができるので、インジェクシ ョン通路22を流れる冷媒の質量流量(以下、イ ンジェクション量という)を多くすることが� �きる。

 このインジェクション量の増加は、前述� ��インジェクションによる効果および予冷効� ��を相乗的に増大させることとなる。そのた� ��、本実施形態によれば、インジェクション� ��よる効果と予冷効果とをそれぞれ別個に得� ��冷凍サイクル装置(つまり、蒸発器の出口側 に副熱交換器を備えた従来の冷凍サイクル装 置にインジェクション通路を単に付加したも の)と異なり、それぞれの効果に加えて、そ� �らの相乗効果も得ることができる。したが� �て、本実施形態によれば、上述の諸効果が� �み合わさって相乗効果となって発揮され、CO Pのより一層の向上を図ることができる。

 また、本実施形態によれば、制御器15は� �放熱器2または蒸発器4が要求される能力を発 揮しうる運転状況下で、COPが最大となるよう に、第1膨張機構5および第2膨張機構6の一方� �たは両方と、流量調整器7とを制御する。具� ��的には、副熱交換器3を流れる水の流量およ び温度に基づいて、第1膨張機構5および第2膨 張機構6の一方または両方と、流量調整器7と� ��制御する。したがって、本実施形態によれ� ��、安定的にCOPの向上を図ることができる。

 さらに本実施形態では、制御器15は、副� �交換器3を流れる水の流量および温度に基づ� ��て、流量調整器7を制御することとしている 。そのため、圧縮機1のインジェクションポ� �ト1cに液冷媒が吸い込まれないようにしつつ 、インジェクション通路22にできるだけ多く� ��冷媒を流すことができる。したがって、COP� ��より一層の向上を図ることができる。

 本実施形態では、冷媒回路20の冷媒は二� �化炭素であり、高圧側部分において超臨界� �態となるものである。そのため、冷媒回路20 の高圧側圧力が本来的に高いという特徴を有 している。ところが、本実施形態によれば、 前述のように高圧側圧力の上昇を抑制するこ とができる。したがって、COPを顕著に向上さ せることができる。

 また、本実施形態に係る冷凍サイクル装� ��50は、給湯と暖房とを実行可能な多機能ヒ� �トポンプを構成している。本実施形態では� �暖房運転の有無によって、冷媒回路20側に戻 ってくる還り水の温度が大きく異なり、暖房 運転時には還り水は高温となる。しかし、上 述したように、本実施形態によれば、還り水 の温度が高温であってもCOPの向上を図ること ができる。したがって、効率の良い暖房運転 が可能となる。

 なお、給湯や暖房の負荷は、季節によっ� ��変動する。上述したように、本実施形態に� ��る冷凍サイクル装置50によれば、冷媒回路20 側に戻ってくる還り水の温度が高い場合であ っても、COPの大幅な低下は抑制される。した がって、季節による性能変動を抑えることが でき、年間を通してCOPの高い運転を行うこと ができる。

 <実施形態2>
 図3に示すように、実施形態2に係る冷凍サ� �クル装置50Bは、冷媒回路20および水回路30Bを 備えている。水回路30Bは、実施形態1の水回� �30の構成に変更を加えたものである。冷媒回 路20の構成は実施形態1と同様である。以下の 説明では、実施形態1と同様の部分には同様� �符号を付し、それらの説明は省略する。

 実施形態2では、熱源側水回路35の下流端3 5bは、貯湯タンク9の下部に接続されている。 熱源側水回路35の構成は、実施形態1と同様で ある。

 暖房用水回路36の上流端36aは、貯湯タン� �9の上部に接続されている。暖房用水回路36� �下流端36bは、貯湯タンク9の下部に接続され� ��いる。暖房用水回路36には、ラジエタ10とポ ンプ25aとが設けられている。このような構成 により、貯湯タンク9の上部の高温水がラジ� �タ10に供給され、ラジエタ10で温度が低下し� ��水は、貯湯タンク9の下部に返送されること になる。

 本実施形態では、貯湯タンク9の内部には 、加熱ヒータ18の他に、下側熱交換器41およ� �上側熱交換器42が設けられている。下側熱交 換器41は貯湯タンク9内の下部に配置され、上 側熱交換器42は貯湯タンク9内の上部に配置さ れている。

 給湯回路37には、下側熱交換器41、上側熱 交換器42および給湯機器45がこの順に接続さ� �ている。貯湯タンク9の内部には、下側から� ��側に行くに従って温度が高くなるような温� ��分布が形成されている。そのため、貯湯タ� ��ク9の下側には、比較的低温の温水が貯留さ れ、貯湯タンク9の上側には、比較的高温の� �水が貯留される。給湯回路37に供給された上 水は、下側熱交換器41を流れる際に、比較的� ��温の温水によって加熱され、その後、上側� ��交換器42を流れる際に、比較的高温の温水� �よって更に加熱され、高温水となる。そし� �、この高温水は、給湯機器45に供給される。

 熱源側水回路35は、貯湯タンク9の下部に� ��められた水を副熱交換器3で冷却し、さらに 、放熱器2で加熱した後に、貯湯タンク9へと� ��すのに使用されうる。例えば、貯湯タンク9 の下部に貯められた水の温度がある程度高い 場合には、副熱交換器3で冷却した後、放熱� �2で加熱する。逆に、貯湯タンク9の下部に貯 められた水の温度が十分に低い場合には、バ イパス通路34bを通じて放熱器2に直接導く。

 本実施形態においても、実施形態1と同様 の効果を得ることができる。

 <実施形態3>
 図4に示すように、実施形態3に係る冷凍サ� �クル装置50Cは、冷媒回路20および水回路30Cを 備えている。水回路30Cは、実施形態1の水回� �30の構成に変更を加えたものである。冷媒回 路20の構成は実施形態1と同様である。以下の 説明では、実施形態1と同様の部分には同様� �符号を付し、それらの説明は省略する。

 熱源側水回路35の構成は、実施形態1と同� ��である。

 暖房用水回路36の上流端36aは、熱源側水� �路35の下流端35bの近傍部分に接続されている 。暖房用水回路36の下流端36bは、熱源側水回� ��35の上流端35aとポンプ25との間の部分に接続 されている。暖房用水回路36には、ラジエタ1 0が設けられている。本実施形態では、熱源� �水回路35を流れる温水の一部が分流し、一部 の温水は貯湯タンク9に返送され、他の温水� �暖房用水回路36に供給される。暖房用水回路 36に供給された温水は、ラジエタ10を流れ、� �内空気を加熱する。ラジエタ10を流出した水 は、下流端36bから熱源側水回路35に流入し、� ��湯タンク9から熱源側水回路35に供給された� ��と合流する。なお、ラジエタ10に温水を供� �するために、暖房用水回路36にポンプ27が設� ��られていてもよい。

 本実施形態では、貯湯タンク9の内部に、 内側タンク9aが設けられている。言い換える� ��、本実施形態に係る冷凍サイクル装置50は� �2槽式のタンクを備えている。内側タンク9a� �内部には、外側の貯湯タンク9内よりも高温� ��温水が貯留される。内側タンク9a内には加� �ヒータ18aが配置され、内側タンク9aの外側か つ貯湯タンク9の内側には、加熱ヒータ18bが� �置されている。

 給湯回路37には、内側タンク9aおよび給湯 機器45がこの順に接続されている。給湯回路3 7に供給された上水は、いったん内側タンク9a に流入する。内側タンク9a内の温水は、貯湯� ��ンク9内の温水によって加熱され、あるいは 、加熱ヒータ18aによって加熱され、高温水と なって給湯機器45に供給される。

 本実施形態においても、実施形態1と同様 の効果を得ることができる。

 -変形例-
 前記実施形態では、「流体」は水であった� ��、本発明の「流体」は水に限定されず、ブ� ��イン(典型的には不凍剤)等の他の流体であ� �てもよい。

 また、前記実施形態では、冷媒回路20の� �媒は二酸化炭素であった。しかし、本発明� �「冷媒」は、二酸化炭素に限らず、フロン� �冷媒等の他の冷媒であってもよい。

 本発明における「暖房用の熱交換器」は� ��ラジエタ10に限定されるわけではない。ま� �、ここでいう暖房には、いわゆる床暖房等� �含まれる。

 また、各実施形態には、インジェクショ� ��ポート1cを有する圧縮機1に代えて、インジ� ��クションポートを有していない圧縮機を用� ��てもよい。図5に示す冷凍サイクル装置50Dは 、多段圧縮機53を有する冷媒回路20Dを備えて� ��る。多段圧縮機53は、低圧段圧縮機構52と、 高圧段圧縮機構51と、低圧段圧縮機構52の出� �(吐出口)と高圧段圧縮機構51の入口(吸入口)� �を接続している流路54とを含む。流路54(典型 的には配管)が、インジェクション通路22から の冷媒が導かれるインジェクション部として 用いられている。多段圧縮機が用いられてい る点を除き、本冷凍サイクル装置50Dによれば 、実施形態1と同様の効果を得ることができ� �。