JP2003075009A - ヒートポンプシステム - Google Patents
ヒートポンプシステムInfo
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Abstract
換器で冷媒液の蒸発を良好にし、冷却運転時に外気温が
高い場合にも室外熱交換器で冷媒蒸気の凝縮を良好にし
て成積係数を増大し、圧縮機に吸入される湿り冷媒蒸気
を乾き飽和または過熱蒸気化して成積係数を追加増大で
きるようにしたヒートポンプシステムを提供する。 【解決手段】 基本冷凍回路の冷却用膨張弁5と加熱用
膨張弁6との間に蓄熱槽10を設置し、凝縮器として作
用する室内または室外熱交換器(4,7)から排出され
る冷媒液で熱媒体を加熱して、この熱媒体を室外熱交換
器7の吸入部に設置した熱交換器20に供給することに
より、室外熱交換器7に吸入される外気を加熱または冷
却するようにする。
Description
ムに関し、より詳細には空気を熱源として用いるヒート
ポンプシステムに関する。
圧縮機、四方弁、室内熱交換器、膨張弁、室外熱交換器
及び前記四方弁を導管で順次連結し、前記四方弁と圧縮
機を吸入導管で連結する。これにより、加熱運転の際に
は、四方弁を、圧縮機で圧縮された高温・高圧の冷媒蒸
気が室内熱交換器側へ流れるように操作し、高温・高圧
の冷媒蒸気を凝縮器として作用する室内熱交換器で凝縮
して、その凝縮熱を流体と熱交換させることにより、温
水を生成し或いは室内空気を加熱して暖房または乾燥機
能を行い、室内熱交換器で凝縮された高温・高圧の冷媒
液を膨張弁で膨張させた後、蒸発器として作用する室外
熱交換器で空気(外気)を熱源として蒸発させて低温・
低圧の冷媒蒸気にした後、圧縮機で吸入して再圧縮する
サイクルを繰り返す。
機で圧縮された高温・高圧の冷媒蒸気が室外熱交換器側
へ流れるように操作し、高温・高圧の冷媒蒸気を、凝縮
器として作用する室外熱交換器で空気を熱源として凝縮
させ、室外熱交換器で凝縮された高温・高圧の冷媒液を
膨張弁で膨張させた後、蒸発器として作用する室内熱交
換器で冷媒液が蒸発されるときにその蒸発熱を流体に吸
収させることにより、冷水を生成し或いは室内空気を冷
却して冷房などを行い、室内熱交換器で蒸発された低温
・低圧の冷媒蒸気を圧縮機で吸入して再圧縮するサイク
ルを繰り返す。
場合、室外熱交換器で外気を熱源として冷媒液を蒸発さ
せるときに外気温が低ければ、室外熱交換器の表面に霜
が付くことにより、冷媒液の蒸発が良好でなくて加熱能
力が著しく低下するため、蒸発器における冷媒液の蒸発
を助長するか或いは圧縮機に吸入される冷媒蒸気の蒸発
促進に多くの能力を注いでいる。
949号公報には、暖房回路中に冷媒加熱器を設置して
暖房運転時に蒸発器として兼用できるようにし、圧縮機
で圧縮された高温・高圧の冷媒蒸気を室内熱交換器で凝
縮して室内を暖房した後、暖房用減圧機構で減圧された
冷媒液を冷媒加熱器で蒸発させることにより、外気温が
低い場合でも暖房能力が低下しないようにした冷・暖房
装置が開示されている。
には、室外側熱交換器を複数個設置し、冷房時には前記
複数個の室外側熱交換器を同時に凝縮器として、暖房時
には蒸発器として作用させる第1サイクルと、圧縮機か
ら室内側熱交換器に流れる高温・高圧の冷媒蒸気の一部
を分流させて前記複数個の室外熱交換器に直接導入し、
前記室外熱交換器の一方を凝縮器、他方を蒸発器として
交互に作用させる第2サイクルを切り換える流路切換装
置を備えたヒートポンプ式冷・暖房装置が開示されてい
る。
室内熱交換器、冷房用減圧機構、暖房用減圧機構及び室
外熱交換器を第1導管と冷媒ガス戻り管で連結した冷媒
回路において、前記第1導管の前記室内熱交換器と暖房
用減圧機構との間に設置した第1熱交換器と、前記第1
導管の前記室外熱交換器と変換バルブとの間に、前記第
1熱交換器より上方に位置するように設置され、前記第
1熱交換器とバルブ付き連結管で連結されて閉回路を形
成するた第2熱交換器とを備えると共に、前記第1及び
第2熱交換器に作動流体を充填し、前記室内熱交換器で
凝縮される冷媒液からの熱を熱源として圧縮機に吸入さ
れる冷媒液及び冷媒蒸気の蒸発を促進するようにしたヒ
ートポンプ式空気調和機を日本特許第3,120,234
号で提案したことがある。
室外熱交換器で外気を熱源として冷媒液を蒸発させるか
或いは冷媒蒸気を凝縮させるものなので、その容量は室
外熱交換器から伝達される熱量によって決定され、室外
熱交換器の熱伝達面積は室内熱交換器の熱伝達面積の
1.2〜1.4倍に設計することが当業界で知られている
事実である。
特開昭54−45949号公報に記載のものは、暖房運
転時に冷媒加熱器を蒸発器として兼用できるようになっ
ているが、その冷媒加熱器の具体的な技術手段が記載さ
れていないところ、蒸発器の構造上、体積が小さく且つ
設置が容易な電熱構造を用いるほかはないので、維持費
が高くなり、日本国特公昭55−5017号公報に記載
のものは、暖房時に外気温が低下して室外側熱交換器に
霜が付いた場合、圧縮機で圧縮された高温・高圧の冷媒
蒸気の一部を分流して使用するため、圧縮機を大容量に
しなければならないため、設備費及び維持費が高くなる
という問題点がある。さらに、本発明者の先特許も、外
気温が低い場合、室外熱交換器で冷媒液の蒸発が充分で
なく、酷寒期には補助加熱手段を用いるべきなので、そ
の構造が複雑で且つ維持費が高くかかるという問題点が
ある。それだけでなく、上述した特許らは、酷寒期に室
外熱交換器における冷媒液の蒸発が低調であるから、成
積係数(COP;coefficient of performance)が低下し
て加熱効率が劣るという問題点がある。
は、室外熱交換器で凝縮される冷媒蒸気と外気との温度
差が小さくなることにより、冷媒蒸気の凝縮が不完全に
なって冷却負荷が減少する場合などには、室内熱交換器
で冷媒液の蒸発が不完全なので、湿り蒸気状態で圧縮機
に吸入されることにより、リキッドバック(liquid bac
k)が発生して圧縮機のバルブを損傷させる原因になり、
液圧縮によるリキッドハンマー(liquid hammer)が発生
して圧縮機が損傷することがあり、成積係数も低下す
る。
室外熱交換器を大容量とすることが考えられるが、この
場合は材料費が高く、設置面積を大きく占めるなどの他
の問題点が発生する。
もので、その目的は、加熱運転時に外気温が低い場合に
も室外熱交換器で冷媒液の蒸発を良好にし、冷却運転時
に外気温が高い場合にも室外熱交換器で冷媒蒸気の凝縮
を良好にして、成積係数を増大できるようにしたヒート
ポンプシステムを提供することにある。
湿り冷媒蒸気を乾き飽和または過熱蒸気化して成積係数
をさらに増大できるようにしたヒートポンプシステムを
提供することにある。
に、本発明は、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、冷却用
膨張弁、加熱用膨張弁、室外熱交換器及び前記四方弁を
導管で順次連結し、前記四方弁と圧縮機を吸入導管で連
結した基本冷凍回路と、前記導管の冷却用膨張弁と加熱
用膨張弁との間に設置して熱媒体を充填し、潜熱蓄熱材
を内蔵した蓄熱槽と、前記蓄熱槽を貫通する前記導管に
設置した加熱熱交換器と、前記蓄熱槽に供給管及び循環
ポンプ付き帰還管で連結し、前記室外熱交換器の吸入側
に設置した熱交換器と、前記加熱熱交換器の外周に蒸発
部を設置し、前記蒸発部に連結管で連結された放熱部を
蓄熱槽の外部に位置させたヒートパイプと、前記吸入導
管に並設し、前記放熱部及び蓄熱槽に内蔵して、圧縮機
に吸入される冷媒蒸気の温度によって選択的に作用する
第1及び第2吸熱熱交換器とを含むヒートポンプシステ
ムを提供する。
図である。図1において、1は基本冷凍回路である。前
記基本冷凍回路1は、圧縮機2の吐出口、四方弁3、室
内熱交換器4、冷却用膨張弁5、加熱用膨張弁6、室外
熱交換器7及び前記四方弁3を導管8で順次連結し、前
記四方弁3と圧縮機2の吸入口を吸入導管9で連結し
て、加熱運転時には室内連結交換器4を凝縮器として、
室外熱交換器7を蒸発器として作用させ、冷却運転時に
は室外熱交換器7を凝縮器として、室内熱交換器4を蒸
発器として作用させるものである。
記導管8の前記冷却用膨張弁5と加熱用膨張弁6との間
に設置し、前記蓄熱槽10内には前記導管8を貫通させ
て、前記導管8に設置した加熱交換器11を内蔵すると
共に、熱媒体12を充填してなるものである。そして、
前記蓄熱槽10には潜熱蓄熱材13を内蔵して熱媒体1
2の縮熱時間を延長し、その温度を一定に維持し、蓄熱
槽10の側壁にはヒータ14を設置して熱媒体12をさ
らに加熱する。
ン酸塩、炭酸塩、パラフィンなど公知のものを使用し、
27〜30°で相変化を起こすようにするものである。
は、前記蓄熱槽10と供給管21及び帰還管22で連結
して前記室外熱交換器7の吸入側に一体に形成し或いは
近接設置し、帰還管22には循環ポンプ23を設置した
ものである。前記熱交換器20は、加熱運転時には、外
気温が5℃以下の場合、加熱熱交換器11の放熱によっ
て熱媒体12を加熱すると同時に潜熱蓄熱材13に縮熱
しながら加熱された熱媒体12を循環させて、室外熱交
換器7に吸入される外気を予熱して室外熱交換器7に供
給することにより、室外熱交換器7の霜付を防止し或い
は付いた霜を除去し、これに対し、冷却運転時には、外
気温が設定温度(例えば30℃内外)以上の場合、前記
熱媒体12を循環させて室外熱交換器7への外気を冷却
して冷却空気を室外熱交換器7に供給することにより、
冷媒蒸気の凝縮を良好にするものである。
ば、図2に示すように、室外熱交換器7の吸入側に設置
して信号を出力する高温センサ123及び低温センサ1
24と、高温(例えば30℃)基準電圧を「−」端子
に、前記高温センサ123の出力信号を「+」端子に受
けて、その両端子に入力される電圧の大きさを比較し、
その比較値を論理信号として出力する第1比較器125
と、低温(5℃)基準電圧を「+」端子に、前記低温セ
ンサ124の出力信号を「−」端子に受けて、その両端
子に入力される電圧の大きさを比較し、その比較値を論
理信号として出力する第2比較器126と、前記第2比
較器126の出力信号を受け、論理状態を反転させて出
力するインバータ127と、前記第1比較器125また
はインバータ127の出力信号を受けて論理和演算を行
い、その演算結果を出力するORゲート128と、前記
ORゲート128の演算結果が論理ハイレベルであれ
ば、ターンオン動作を行って循環ポンプ23に電源を供
給するスイッチ129とからなる。
イプ30は、前記加熱熱交換器11の外周に設置する蒸
発部31と、前記蓄熱槽10の外部に位置させる放熱部
32と、前記蒸発部31と前記放熱部32を連結する連
結管33とからなり、内部に蒸留水、アルコールなどの
作動流体を真空充填してなるものである。
熱交換器である。前記第1吸熱熱交換器40及び第2吸
熱熱交換器41は前記吸入導管9に並設して、第1吸熱
熱交換器40は前記放熱部32に内蔵し、第2吸熱熱交
換器41は前記蓄熱槽10に内蔵する。そして、前記第
1及び第2吸熱熱交換器40、41の入口側には、吸入
導管9の圧縮機2の吸入側に設置した温度センサ42の
出力信号によって開放されるソレノイドバルブ40’、
41’を設置し、圧縮機2に吸入される冷媒蒸気の温度
が適正温度(例えば12℃)以上の場合にはソレノイド
バルブ40’を開放し、圧縮機2に吸入される冷媒蒸気
を放熱部32で作動流体の凝縮熱によって加熱して少し
だけ温度を上げ、適正温度以下の場合にはソレノイドバ
ルブ41’を開放して第2吸熱熱交換器41で熱媒体の
保有熱によって加熱して大きく温度を上げることによ
り、圧縮機2に吸入される湿り冷媒蒸気を乾き飽和また
は過熱蒸気化するものである。
ェックバルブをそれぞれ示す。上述した本発明は、加熱
運転時には、四方弁3を冷媒が実線矢印に沿って流れる
ように操作した後、圧縮機2を駆動すると、圧縮機2で
圧縮された高温・高圧の冷媒蒸気は、凝縮器として作用
する室内熱交換器4に流入して凝縮され、その凝縮熱に
よって流体を加熱させることにより、温水を生成し或い
は空気調和(暖房)機能などを行い、室内熱交換器4で
凝縮された高温・高圧の冷媒液は、チェックバルブ52
を経由して蓄熱槽10に内蔵された加熱熱交換器11で
ヒートパイプ30の蒸発部31内の作動流体を蒸発させ
ると同時に熱媒体12を加熱することにより過冷却され
る。前記過冷却された冷媒液は、加熱用膨張弁6で膨張
された後、蒸発器として作用する室外熱交換器7で外気
を熱源として蒸発され、室外熱交換器7で蒸発された低
温・低圧の冷媒蒸気は、四方弁3を経由した後、吸入導
管9に並設してヒートパイプ30の放熱部32及び蓄熱
槽10に内蔵された第1吸熱熱交換器40または第2吸
熱熱交換器41を選択的に経由しながら、作動流体の凝
縮熱または熱媒体保有熱によって加熱され、乾き飽和ま
たは過熱蒸気化された後、圧縮機2に吸入されて再圧縮
されるサイクルを繰り返す。
が破線矢印に沿って流れるように操作した後、圧縮機2
を駆動すると、圧縮機2で圧縮された高温・高圧の冷媒
蒸気は、凝縮器として作用する室外熱交換器7に流入さ
れて凝縮され、室外熱交換器7で凝縮された高温・高圧
の冷媒液はチェックバルブ53を経由して冷却用膨張弁
5で膨張された後、蒸発器として作用する室内熱交換器
4に流入されて蒸発しながら、その蒸発熱を流体で吸収
して流体を冷却させることにより、冷水を生成し或いは
空気調和(冷房)機能などを行い、室内熱交換器4で蒸
発された低温・低圧の冷媒蒸気は、四方弁3及び吸入導
管9を経由して圧縮機2に吸入されて再圧縮されるサイ
クルを繰り反す。前記冷却サイクルを繰返し行った場
合、加熱熱交換器11、第1吸熱熱交換器40及び第2
吸熱熱交換器41は前記加熱運転時と同一の機能を行
う。
に加熱熱交換器11で冷媒液が過冷却される場合、その
凝縮熱を放熱してヒートパイプ30の蒸発部31に充填
された作動流体を蒸発させると同時に熱媒体12が加熱
され、前記熱媒体12の温度が潜熱蓄熱材13の相変化
温度27〜30℃以上になると、潜熱蓄熱材13が液体
になると共に融解熱を吸収貯蔵し、相変化温度以下にな
ると、固体になると共に熱媒体に凝固熱を放出すること
により、熱媒体12はほぼ一定の温度を維持する。
温が5℃以下になると、低温センサ124の出力信号は
第2比較器126の「−」端子に入力される。すると、
第2比較器126は「+」端子と「−」端子に入力され
る電圧の大きさを比較してローレベルの論理信号「0」
を出力する。次に、前記第2比較器126の出力信号は
インバータ127を介して反転される。ORゲート12
8ではその演算結果によってスイッチ129を「オン」
させる。これにより、循環ポンプ23が駆動されて蓄熱
槽10に貯蔵され、潜熱蓄熱材13の凝固熱によって加
熱された熱媒体12を熱交換器20に供給して室外熱交
換器7の吸入部周囲の外気を予熱した後、室外熱交換器
7に吸入されるようにした。このため、外気温が低い場
合にも室外熱交換器7に霜が付かないか、或いは霜が除
去されるため、室外熱交換器7で冷媒液の蒸発が良好に
なる。一方、外気温が5℃以上になると、循環ポンプ2
3が停止することにより、室外熱交換器7の吸入部の外
気予熱は中止される。したがって、運転中止などの理由
で、温度が適正温度以下の場合にはヒータ14によって
加熱するものである。
なると、高温センサ123の出力信号は、第1比較器1
25の「+」端子に入力される。前記第1比較器125
は「+」端子と「−」端子に入力される電圧の大きさを
比較してハイレベルの論理信号「1」を出力し、前記第
1比較器125の出力信号はORゲート128でその演
算結果によってスイッチ129を「オン」させる。これ
により、循環ポンプ23が駆動されて蓄熱槽10に貯蔵
された熱媒体を熱交換器20に供給して室外熱供給器7
周囲の外気を冷却させた後、室外熱交換器7に吸入され
るようにした。このため、冷媒蒸気の凝縮温度と外気温
との差を大きくすることにより、冷媒蒸気の凝縮が良好
になり、外気温が30℃未満になると、循環ポンプ23
は停止する。
信号温度を30℃と例示したが、室外熱交換器7の熱伝
達面積または外気の気候条件などによって上昇または下
降させることができ、この場合、潜熱蓄熱材13の相変
化温度も変更する。
室外熱交換器7または室内熱交換器4で蒸発された冷媒
蒸気の温度が適正温度、例えば12℃以下の場合には、
吸入導管9の圧縮機2の吸入側に設置した温度センサ4
2の出力信号によってソレノイドバルブ41’が開放さ
れるので、その湿り冷媒蒸気は第2吸熱熱交換器41を
経由して熱媒体によって加熱され、12℃以上の場合に
はソレノイドバルブ40’が開放されるので、その湿り
冷媒蒸気はヒートパイプ30の放熱部32で作動流体が
凝縮される時の凝縮熱によって加熱されることにより、
乾き飽和または過熱蒸気化されるため、圧縮機のリキッ
ドバック及びリキッドハンマーが発生しなくなる。
転時には室外熱交換器で冷媒液の蒸発を良好にし、外気
温の高い冷却運転時には室外熱交換器で冷媒蒸気の凝縮
を良好にすると同時に、圧縮機に吸入される湿り冷媒蒸
気を乾き飽和または過熱蒸気化することにより、圧縮機
の信頼性を確保することができる。
は、基本冷凍回路の冷却用膨張弁と加熱用膨張弁との間
に蓄熱槽を設置し、凝縮器として作用する室内または室
外熱交換器から排出される冷媒液で熱媒体を加熱して、
前記熱媒体を室外熱交換器の吸入部に設置した熱交換器
に供給することにより、室外熱交換器に吸入される外気
を加熱または冷却するようにしたため、外気温の低い加
熱運転時には室外熱交換器で冷媒液の蒸発を良好にし、
外気温の高い冷却運転時には冷媒蒸気の凝縮を良好にす
るとともに、前記熱媒体及びヒットパイプの作動流体に
よって圧縮機に吸入される湿り冷媒蒸気を乾き飽和また
は過熱蒸気化することにより、圧縮機のリキッドバック
及びリキッドハンマーの発生を防止したため、成積係数
が向上し、外気温が低い或いは高い時にも成積係数が向
上することにより、季節に拘らず効率を良好に維持する
ことができる。
2の効果に加え、循環ポンプの制御を良好に行うことが
できる。
2の効果に加え、蓄熱槽の温度調節を良好に行うことが
できる。
2の効果に加え、圧縮機に吸入される湿り飽和蒸気を外
気または運転条件に拘らず、良好に乾き飽和または過熱
蒸気化することができる。
図である。
器、10 蓄熱槽、11 加熱熱交換器、13 潜熱蓄
熱材、14 ヒータ、20 熱交換器、30ヒートパイ
プ、31 蒸発部、32 放熱部、40、41 第1及
び第2吸熱熱交換器。
Claims (5)
- 【請求項1】 圧縮機、四方弁、室内熱交換器、冷却用
膨張弁、加熱用膨張弁、室外熱交換器及び前記四方弁を
導管で順次連結し、前記四方弁と圧縮機を吸入導管で連
結した基本冷凍回路と、 前記導管の冷却用膨張弁と加熱用膨張弁との間に設置し
て熱媒体を充填し、潜熱蓄熱材を内蔵した蓄熱槽と、 前記蓄熱槽を貫通する前記導管に設置した加熱熱交換器
と、 前記蓄熱槽に供給管及び循環ポンプ付き帰還管で連結
し、前記室外熱交換器の吸入側に設置した熱交換器と、 前記加熱熱交換器の外周に蒸発部を設置し、前記蒸発部
に連結管で連結された放熱部を蓄熱槽の外部に位置させ
たヒートパイプと、 前記吸入導管に並設し、前記放熱部及び蓄熱槽に内蔵し
て、圧縮機に吸入される冷媒蒸気の温度によって選択的
に作用する第1及び第2吸熱熱交換器とを備えるヒート
ポンプシステム。 - 【請求項2】 前記循環ポンプは、外気温が5℃以下或
いは30℃以上の時に駆動されることを特徴とする請求
項1記載のヒートポンプシステム。 - 【請求項3】 前記循環ポンプは、室外熱交換器の吸入
側に設置して信号を出力する高温センサ及び低温センサ
と、高温基準電圧を「−」端子、前記高温センサの出力
信号を「+」端子に受け、その両端子に入力される電圧
の大きさを比較して、その比較値を論理信号として出力
する第1比較器と、低温基準電圧を「+」端子、前記低
温センサの出力信号を「−」端子に受け、その両端子に
入力される電圧の大きさを比較して、その比較値を論理
信号として出力する第2比較器と、前記第2比較器の出
力信号を受け、論理状態を反転させて出力するインバー
タと、前記第1比較器またはインバータの出力信号を受
けて論理和演算を行い、その演算結果を出力するORゲ
ートと、前記ORゲートの演算結果が論理ハイレベルで
あれば、ターンオンして循環ポンプに電源を供給するス
イッチとからなる制御回路によって制御されることを特
徴とする請求項1または2記載のヒートポンプシステ
ム。 - 【請求項4】 蓄熱槽にヒータを附設したことを特徴と
する請求項1記載のヒートポンプシステム。 - 【請求項5】 前記第1吸熱熱交換器及び第2吸熱熱交
換器の入口側にソレノイドバルブを設置し、吸入導管の
圧縮機の吸入側に設置した温度センサによって選択的に
開放することを特徴とする請求項1記載のヒートポンプ
システム。
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