JP2004011950A - 蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力比を維持しつつ蓄熱速度の低下を抑制する。
【解決手段】冷媒を圧縮する圧縮機７と、冷媒とブラインとを熱交換させる冷媒−ブライン熱交換器９とを有する冷凍サイクル１と、水が貯留される蓄熱槽５に配設され水とブラインとを熱交換させる水−ブライン熱交換器２１と、水−ブライン熱交換器２１と冷媒−ブライン熱交換器９との間にブラインを循環させるブライン循環流路３と、ブラインを送り出す容量制御可能な循環ポンプ２３と、循環ポンプ２３を制御する制御装置６とを備え、制御装置６は、圧縮機７の吐出圧力を吸引圧力で除した圧力比を算出し、算出値が設定値以上である場合は循環ポンプ２３の容量を増加させ、設定値未満である場合は循環ポンプ２３の容量を減少させることで、圧力比を維持しつつ蓄熱速度の低下を抑制する蓄熱装置。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄熱装置にかかり、特に、冷媒とブラインとを熱交換させる熱交換器を備えた蓄熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
蓄熱装置は、冷凍サイクルと、蓄熱槽内に満たされた水に埋没するように配置された水−ブライン熱交換器との間をブラインが一定の流速で循環できるように構成されている。そして、電力需要の少ない夜間の電力で、冷凍サイクルにより冷却または加熱されたブラインを水−ブライン熱交換器に通流させて氷または湯を生成させる蓄熱運転を行い、その蓄熱運転において生成した氷または湯を電力需要の高い昼間に例えば空調などの熱源として利用するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般の冷凍サイクルにおいて、圧縮機の吐出側のガス冷媒圧力（以下、吐出圧力という）を吸引側のガス冷媒圧力（以下、吸引圧力という）で除したものである圧力比は、図２に示すように、圧縮機の断熱効率（または圧縮効率

とい
う）に相関することが広く知られている。この断熱効率を大きくすることで消費電力を低減できることから、圧力比を、断熱効率の最大値に相当する値（通常は２〜４、好ましくは３）に制御することが望まれている。なお、図２は、横軸に圧力比、縦軸に断熱効率を表し、冷凍サイクルにおける圧縮機の圧力比と断熱効率の関係を示したグラフである。
【０００４】
この圧力比を制御する方法として、特開平１０−３２５６２１号公報には、圧縮機の吐出側と吸引側のガス冷媒圧力を検出し、その検出値から算出した圧力比に応じて膨張弁の開度を調整するものが提案されている。このような制御を蓄熱装置の冷凍サイクルに適用すると、例えば氷を生成する蓄熱運転が進むにつれてブラインの温度が低下する場合において、冷媒−ブライン熱交換器の蒸発圧力の低下に合わせて膨張弁の開度を大きくする制御を行い、結果、冷媒−空気熱交換器の凝縮圧力を低下させて圧力比を最適な値に保つことができる。
【０００５】
しかしながら、凝縮圧力を低下させてしまうと冷媒−空気熱交換器における冷媒と空気との交換熱量が低下するという問題がある。このため、交換熱量が低下した冷凍サイクルを用いて所望の熱量を蓄熱するためには、比較的長い時間圧縮機を運転しなければならない。なお、湯を生成する蓄熱運転を行う場合も、冷媒−ブライン熱交換器における冷媒の凝縮圧力の上昇に合わせて、冷媒−空気熱交換器の蒸発圧力を上昇させるため同様の問題が生じる。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、圧力比を維持しつつ蓄熱速度の低下を抑制することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、冷媒が封入される環状の冷媒循環流路に、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒とブラインとを熱交換させる冷媒−ブライン熱交換器と、冷媒を減圧する膨張弁と、冷媒と空気とを熱交換させる冷媒−空気熱交換器とが順次設けられてなる冷凍サイクルと、ブラインが封入される環状のブライン循環流路に、水が貯留される蓄熱槽に配設され水とブラインとを熱交換させる水−ブライン熱交換器と、冷媒−ブライン熱交換器とが設けられ、ブライン循環流路内のブラインを送る循環ポンプと、循環ポンプの容量を制御する制御装置を備えた蓄熱装置を対象とする。
【０００８】
そして、上記課題を解決するために、圧縮機から吐出される冷媒の吐出圧力及び圧縮機に戻される冷媒の吸引圧力を検出する圧力センサとを備え、制御装置は、冷凍サイクル及び循環ポンプを作動させる蓄熱運転時に、圧力センサの出力から圧力比を算出し、算出値が設定値以上である場合は循環ポンプの容量を増加させ、設定値未満である場合は循環ポンプの容量を減少させることを特徴とする。
【０００９】
これにより、冷媒とブラインの交換熱量が蓄熱運転の経過に伴なって低下することを抑制することができることから、氷蓄熱時の蒸発圧力の低下、及び湯蓄熱時は凝縮圧力の上昇を抑制して圧力比を維持することができるので、冷媒と空気との時間当たりの交換熱量の低下を抑制することができる。したがって、冷媒と空気との時間当たりの交換熱量の低下を抑制することができる。
【００１０】
この場合において、制御装置は、例えば圧力比の最適値を予め設定しておき、この設定値と、例えば圧力センサなどにより実際に検出した値から求めた算出値（＝吐出圧力／吸引圧力）とを比較し、算出値≧設定値である場合は循環ポンプの容量を増加させる命令を、算出値＜設定値である場合は循環ポンプの容量を減少させる命令を出力する構成とすることができる。なお、設定値に、例えばヒストグラムや不感帯などを設けることで制御におけるハンチングを抑えることができることは言うまでもない。ここで、予め設定する圧力比の最適値は、シミュレーションや実機を用いた試験などにより求めることができる。また、圧力センサに代えて、圧縮機から吐出される冷媒の吐出圧力に相当する物理量、及び圧縮機に戻される冷媒の吸引圧力に相当する物理量を検出するセンサを用いた構成とすることができる。
【００１１】
また、制御装置は、冷凍サイクル及び循環ポンプを作動させる蓄熱運転時、冷媒とブラインとの交換熱量が設定値になるように循環ポンプの容量を制御する構成とすることもできる。この場合において、制御装置は、冷媒−ブライン熱交換器に導入されるブラインの温度、冷媒−ブライン熱交換器から排出されるブラインの温度及びブラインの流量から交換熱量を算出すること構成とすることができる。また、この蓄熱装置に搭載される冷凍サイクルの圧縮機は、四方弁により冷媒−ブライン熱交換器及び冷媒−空気熱交換器のいずれかに切り替えて冷媒を吐出する構成とすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用してなる蓄熱装置の一実施の形態について、図１を用いて説明する。図１は、本発明を適用してなる蓄熱装置の構成を示した図である。本実施形態の蓄熱装置は、例えばＨＦＣ系混合冷媒、ＨＦＣ、ＣＦＣ、ＨＣＦＣ系冷媒冷媒などを環状の管路に封入して形成される冷凍サイクル１と、ブラインが封入される環状のブライン循環流路３と、例えば水を主成分とする蓄熱体（以下、水という）が貯留される蓄熱槽５と、制御装置６とを備えて形成されている。
【００１３】
冷凍サイクル１は、冷媒を圧縮する圧縮機７、冷媒とブラインとを熱交換させる冷媒−ブライン熱交換器９と、冷媒を減圧する膨張弁１１と、冷媒と例えば外気や冷却水などを熱交換させる冷媒−空気熱交換器１３とを順次配設し、それぞれに冷媒が通流して循環できるようになっている。
【００１４】
圧縮機７の吸引側及び吐出側は、図示していない四方弁に接続されており、冷媒を冷媒−ブライン熱交換器９から吸引して冷媒−空気熱交換器１３に吐出するか、冷媒−空気熱交換器１３から吸引して冷媒−ブライン熱交換器９に吐出するかを切り替えて運転できるようになっている。冷媒−ブライン熱交換器９は、冷媒が通流する流路１５とブラインが通流する流路１７を備え、この流路１５、１７を介して冷媒とブラインとが熱交換できる周知の構造になっている。流路１５の一端は図示していない四方弁を介して圧縮機７に接続され、他端は膨張弁１１に接続されている。冷媒−空気熱交換器１３は、冷媒が通流する流路１９を備え、この流路１９を介して冷媒と外気とを熱交換させるように形成されている。流路１９の一端は膨張弁１１に接続され、他端は図示していない四方弁を介して圧縮機７に接続されている。
【００１５】
ブライン循環流路３は、水とブラインとを熱交換させる水−ブライン熱交換器２１と、冷媒−ブライン熱交換器９と、ブラインを送り出して循環させる容量制御可能な循環ポンプ２３とを順次備えて形成されている。水−ブライン熱交換器２１は蓄熱槽５内に貯留される水に埋没するように配置されている。また、蓄熱槽５は、槽内に水を供給する供給口２５と、槽内の水を利用する装置または機器類に導く排出口２７とを有している。
【００１６】
本実施形態の特徴部である制御装置６の構成について説明する。制御装置６は、圧縮機７と冷媒−ブライン熱交換器９の間の冷媒の圧力を検出する圧力センサ３１が検出する圧力Ｐ１と、圧縮機７と冷媒−空気熱交換器１３の間の冷媒の圧力を検出する圧力センサ３２が検出する圧力Ｐ２とが入力されるようになっている。また、制御装置６は、図示していないが、予め設定された設定圧力比Ａ０を記憶する記憶部と、氷を生成する蓄熱運転時の圧力比Ａ（＝Ｐ２／Ｐ１）、及び湯を生成する蓄熱運転時の圧力比Ａ（＝Ｐ１／Ｐ２）を求める演算部とを備え、Ａ０とＡとを比較し、Ａ＞Ａ０である場合に循環ポンプ２３に容量を増加させる制御信号を出力し、Ａ≦Ａ０である場合に循環ポンプ２３に容量を減少させる制御信号を出力するようになっている。
【００１７】
蓄熱装置の動作及び制御装置６の制御動作について説明する。まず、蓄熱槽５に氷を生成する蓄熱運転について説明する。蓄熱運転が開始されると、圧縮機７は作動し、ガス状の冷媒を圧縮して図示していない四方弁を介して冷媒−空気熱交換器１３に送る。冷媒−空気熱交換器１３に送られた高温高圧のガス冷媒は、外気に冷却されて凝縮され液状の冷媒となり膨張弁１１へ導かれる。膨張弁１１に導かれた液冷媒は減圧されて冷媒−ブライン熱交換器９に導かれ、ブラインの熱を奪って蒸発しガス冷媒となり四方弁を介して圧縮機７の吸引側に戻される。圧縮機７が作動すると同時に、循環ポンプ２３も作動を開始する。そして、循環ポンプ２３から吐出したブラインは、水−ブライン熱交換器２１を通流した後、冷媒−ブライン熱交換器９を通流して循環ポンプ２３の吸引側に戻される。
【００１８】
このような氷の蓄熱運転時において、制御装置６は、圧力センサ３１、３２から圧縮機の吐出圧力と吸引圧力とを取り込み、図示していない演算部で現在の圧力比Ａを算出する。この算出した圧力比Ａと予め設定されている設定圧力比Ａ０とを比較して、Ａ＞Ａ０である場合に循環ポンプ２３に容量を増加させる制御信号を出力し、Ａ≦Ａ０である場合に循環ポンプ２３に容量を減少させる制御信号を出力する。これにより、Ａ０を圧縮機７の圧力比を図２に示すような最適値に設定することで、効率の良い運転を行うことができる。さらに、氷の蓄熱運転を継続するにつれてブラインの温度が低下し、これに伴ない、冷媒−ブライン熱交換器９でのブラインと冷媒との交換熱量が減少して冷媒の蒸発圧力Ｐ１が低下する。この場合、制御装置６は、Ａ＞Ａ０であると判断し循環ポンプ２３に容量を増加させる制御信号を出力する。この結果、ブラインの流量が増加し、ブラインと冷媒との交換熱量が増加して冷媒の蒸発圧力Ｐ１を上昇させることができる。これにより、膨張弁の開度を制御して圧力比を制御していた従来に比べ、冷凍サイクルの能力を低下させることなく短時間で蓄熱を完了することができる。
【００１９】
次に、蓄熱槽５に湯を生成する蓄熱運転について説明する。蓄熱運転が開始されると、圧縮機７が作動し、ガス状の冷媒を圧縮して図示していない四方弁を介して冷媒−ブライン熱交換器９に送る。冷媒−ブライン熱交換器９に送られた高温高圧のガス冷媒は、ブラインに冷却されて凝縮され液状の冷媒となり膨張弁１１へ導かれる。膨張弁１１に導かれた液冷媒は減圧されて冷媒−空気熱交換器１３に導かれ、外気の熱を奪って蒸発しガス冷媒となり四方弁を介して圧縮機７の吸引側に戻される。圧縮機７が作動すると同時に、循環ポンプ２３も作動を開始する。そして、循環ポンプ２３から吐出したブラインは、水−ブライン熱交換器２１を通流した後、冷媒−ブライン熱交換器９を通流して循環ポンプ２３の吸引側に戻される。
【００２０】
このような湯の蓄熱運転時において、制御装置６は、圧力センサ３１、３２から圧縮機の吐出圧力と吸引圧力とを取り込み、図示していない演算部で現在の圧力比Ａを算出する。この算出した圧力比Ａと予め設定されている設定圧力比Ａ０とを比較して、Ａ＞Ａ０である場合に循環ポンプ２３に容量を増加させる制御信号を出力し、Ａ≦Ａ０である場合に循環ポンプ２３に容量を減少させる制御信号を出力する。これにより、Ａ０を圧縮機７の圧力比を図２に示すような最適値に設定することで、効率の良い運転を行うことができる。さらに、湯の蓄熱運転を継続するにつれてブラインの温度が上昇し、これに伴ない、冷媒−ブライン熱交換器９でのブラインと冷媒との交換熱量が減少して冷媒の凝縮圧力Ｐ１が上昇する。この場合、制御装置６は、Ａ＞Ａ０であると判断し循環ポンプ２３に容量を増加させる制御信号を出力する。この結果、ブラインの流量が増加し、ブラインと冷媒との交換熱量が増加して冷媒の凝縮圧力Ｐ１を低下させることができる。これにより、膨張弁の開度を制御して圧力比を制御していた従来に比べ、冷凍サイクルの能力を低下させることなく短時間で蓄熱を完了することができる。
【００２１】
このように本実施形態によれば、冷媒−ブライン熱交換器に流入するブラインの流量を制御して冷媒とブラインとの交換熱量を調整することで、氷蓄熱時の蒸発圧力の低下、及び湯蓄熱時は凝縮圧力の上昇を抑制して圧力比を維持することができ、冷媒と空気との時間当たりの交換熱量の低下を抑制することができる。この結果、蓄熱運転が進むにつれてブラインの温度が変化しても、消費電力を抑えた運転を行いつつ短時間で蓄熱運転を完了することができる。
【００２２】
また、本実施の形態では、圧縮機７の吐出圧力と吸引圧力を検出するために圧力センサ３１、３２を備えた構成としたが、これに代えて、圧縮機７の吐出側の冷媒と吸引側の冷媒の圧力に相関する例えば、温度などの物理量を検出し、その物理量から圧力を求めることもできる。なお、これらのセンサは、吐出側（高圧側）と吸引側（低圧側）の圧力を算出できればどこに設けてもよい。さらに、本実施形態では、循環ポンプ２３から吐出したブラインは、水−ブライン熱交換器２１を通流した後、冷媒−ブライン熱交換器９を通流する構成としたが、循環ポンプ２３はブラインを循環させることができればよく、任意の位置及び方向にブラインを送り出す構成とすることができる。
【００２３】
また、本実施形態では、制御装置６は、圧力センサ３１、３２などにより圧力比を検出する構成としたが、冷媒−空気熱交換器１３に通流する外気の温度が一定である場合は、冷媒−ブライン熱交換器９に導入されるブラインの温度、冷媒−ブライン熱交換器９から排出されるブラインの温度、及びブラインの流量から交換熱量を算出し、圧力比を算出することもできる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、圧力比を維持しつつ蓄熱速度の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用してなる蓄熱装置の構成を示した図である。
【図２】横軸に圧力比、縦軸に断熱効率を表し、冷凍サイクルにおける圧縮機の圧力比と断熱効率の関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１　冷凍サイクル
３　ブライン循環流路
５　蓄熱槽
７　圧縮機
９　冷媒−ブライン熱交換器
２１　水−ブライン熱交換器
２３　循環ポンプ

Claims (4)

1. 冷媒が封入される環状の冷媒循環流路に、該冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒とブラインとを熱交換させる冷媒−ブライン熱交換器と、前記冷媒を減圧する膨張弁と、前記冷媒と空気とを熱交換させる冷媒−空気熱交換器とが順次設けられてなる冷凍サイクルと、
   前記ブラインが封入される環状のブライン循環流路に、水が貯留される蓄熱槽に配設され該水と前記ブラインとを熱交換させる水−ブライン熱交換器と、前記冷媒−ブライン熱交換器とが設けられ、
   前記ブライン循環流路内の前記ブラインを送る循環ポンプと、該循環ポンプの容量を制御する制御装置と、
   前記圧縮機から吐出される前記冷媒の吐出圧力及び前記圧縮機に戻される前記冷媒の吸引圧力を検出する圧力センサとを備え、
   該制御装置は、前記冷凍サイクル及び前記循環ポンプを作動させる蓄熱運転時に、前記圧力センサの出力から圧力比を算出し、
   該算出値が設定値以上である場合は前記循環ポンプの容量を増加させ、設定値未満である場合は前記循環ポンプの容量を減少させる蓄熱装置。
2. 冷媒が封入される環状の冷媒循環流路に、該冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒とブラインとを熱交換させる冷媒−ブライン熱交換器と、前記冷媒を減圧する膨張弁と、前記冷媒と空気とを熱交換させる冷媒−空気熱交換器とが順次設けられてなる冷凍サイクルと、
   前記ブラインが封入される環状のブライン循環流路に、水が貯留される蓄熱槽に配設され該水と前記ブラインとを熱交換させる水−ブライン熱交換器と、前記冷媒−ブライン熱交換器とが設けられ、
   前記ブライン循環流路内の前記ブラインを送る循環ポンプと、該循環ポンプの容量を制御する制御装置と、
   前記圧縮機から吐出される前記冷媒の吐出圧力に相当する物理量、及び前記圧縮機に戻される前記冷媒の吸引圧力に相当する物理量を検出するセンサとを備え、
   該制御装置は、前記冷凍サイクル及び前記循環ポンプを作動させる蓄熱運転時に、前記センサの出力から圧力比を算出し、
   該算出値が設定値以上である場合は前記循環ポンプの容量を増加させ、設定値未満である場合は前記循環ポンプの容量を減少させる蓄熱装置。
3. 冷媒が封入される環状の冷媒循環流路に、該冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒とブラインとを熱交換させる冷媒−ブライン熱交換器と、前記冷媒を減圧する膨張弁と、前記冷媒と空気とを熱交換させる冷媒−空気熱交換器とが順次設けられてなる冷凍サイクルと、
   前記ブラインが封入される環状のブライン循環流路に、水が貯留される蓄熱槽に配設され該水と前記ブラインとを熱交換させる水−ブライン熱交換器と、前記冷媒−ブライン熱交換器とが設けられ、
   前記ブライン循環流路内の前記ブラインを送る循環ポンプと、該循環ポンプの容量を制御する制御装置とを備え、
   該制御装置は、前記冷凍サイクル及び前記循環ポンプを作動させる蓄熱運転時、前記冷媒と前記ブラインとの交換熱量が設定値になるように前記循環ポンプの容量を制御する蓄熱装置。
4. 前記制御装置は、前記冷媒−ブライン熱交換器に導入される前記ブラインの温度、前記冷媒−ブライン熱交換器から排出される前記ブラインの温度及び前記ブラインの流量から前記交換熱量を算出することを特徴とする蓄熱装置。

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