JP2005265402A - ヒートポンプ装置及びその運転方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ヒートポンプ装置は、冷媒が、圧縮機31、放熱器32、第1の絞り装置33、熱交換器34、第2の絞り装置35、及び蒸発器36の順に循環する構成のヒートポンプ装置であり、第1の絞り装置33と第2の絞り装置35を操作し、熱交換器34を放熱器としても蒸発器としても利用できるので、高外気温条件下でも圧縮機の吐出圧力及び吸入圧力が上昇することなく、安定した冷凍サイクルでの運転が可能であり、さらに、省エネルギー化を実現できる。
【選択図】 図1
Description
図10の衣類乾燥機においては、衣類乾燥機の本体1内にて回転自在に設けられた乾燥室として使用される回転ドラム2が、モータ3によってドラムベルト4を介して駆動される。そして、乾燥用空気を回転ドラム2からフィルタ11と回転ドラム側吸気口10とを通して循環ダクト18へ送るための送風機22が、モータ3によってファンベルト8を介して駆動される構成となっている。
また、冷媒を蒸発させて乾燥用空気を除湿する蒸発器23と、冷媒を凝縮させて乾燥用空気を加熱する凝縮器24と、冷媒に圧力差を生じさせる圧縮機25と、冷媒の圧力差を維持するためのキャピラリチューブ等の膨張機構26と、冷媒が通る配管27とで、ヒートポンプ装置を構成している。なお、排気口28は凝縮器24で加熱された乾燥用空気の一部を本体1外へ排出する。矢印Bは乾燥用空気の流れを示している。
次にその動作を説明する。まず乾燥すべき衣類21を回転ドラム2内に置く。次にモータ3を回転させると回転ドラム2及び送風機22が回転して乾燥用空気の流れBが生じる。乾燥用空気は回転ドラム2内の衣類21から水分を奪った結果多湿となった後、送風機22により循環ダクト18内を通ってヒートポンプ装置の蒸発器23へ運ばれる。蒸発器23に熱を奪われた乾燥用空気は除湿され、更に凝縮器24へ運ばれて加熱された後、再び回転ドラム2内へ循環される。排水口19は循環ダクト18の途中に設けてあり、蒸発器23で除湿されて生じたドレン水を排出する。以上の結果、衣類21は乾燥していく仕組みになっている。
ここで、高温雰囲気下でのヒートポンプ運転時に圧縮機吐出圧力が上昇する原理について説明する。循環ダクトを有するヒートポンプ式乾燥装置においては定常状態では、圧縮機への外部電源からの入力と、ダクト内循環空気から外気への放熱量は等しくなる。つまり、圧縮機への入力が一定であれば、雰囲気温度と循環ダクト内空気平均温度の差は常に一定となる。したがって、雰囲気温度が上昇すれば、循環ダクト内空気の平均温度が上昇する。これに起因して、圧縮機が吸入、吐出する冷媒圧力が上昇し、圧縮機の許容圧力を超過する危険が生じる。
また、従来の構成では、高温雰囲気下のヒートポンプ運転時にヒートポンプのCOP(成績係数)が低下し、乾燥に必要な電力量が増加するという課題を有していた。
ここで、高温雰囲気下のヒートポンプ運転時にヒートポンプのCOP(成績係数)が低下する原理について説明する。前述の通り、雰囲気温度が上昇すれば、循環ダクト内の空気平均温度が上昇し、圧縮機が吸入する冷媒圧力が上昇する。これにより、圧縮機が吸入する冷媒密度が増加し、ヒートポンプサイクルにおける冷媒循環量が増加する。よって、ヒートポンプサイクルは、図11に示すようにシフトし、放熱器における冷媒のエンタルピー差が減少し、ヒートポンプサイクルのCOPが低下する。
また、従来の構成では、乾燥過程において、乾燥が進行するにつれて、乾燥速度が著しく低下し、乾燥時間が増大するという課題を有していた。
ここで、乾燥が進行するにつれ、乾燥速度が著しく低下する要因について説明する。一般的に温風を用いて、固体を乾燥する場合、乾燥が進行するにつれ、乾燥対象表面の含水率低下により乾燥速度が低下することが知られている。これに加えて、回転ドラム等で衣類を乾燥する場合、乾燥進行に伴い、回転ドラム内での衣類の偏りが顕著になり、衣類表面から衣類内部に残存する水分への伝熱抵抗が増大する。したがって、従来の構成においては、衣類内部への伝熱量が減少し、一般的な乾燥特性以上に乾燥速度が低下し、乾燥に要する消費電力の増大を招いている。
また、ヒートポンプ装置の冷媒として現在使われているHFC冷媒(分子中に水素、フッ素、炭素の各原子を含む冷媒)が、地球温暖化に直接的に影響するとして、これらの代替として自然界に存在する二酸化炭素(以下、CO2)などの自然冷媒への転換が提案されている。しかし、CO2冷媒を用いた場合は、HFC冷媒と比較して、ヒートポンプシステムの理論効率が低く、ヒートポンプ式乾燥装置の運転効率が低下する。そこで、地球温暖化に直接的に影響しないCO2などの自然冷媒を用いて、さらに地球温暖化への間接的な影響を小さくするための省エネルギー化、高効率化を実現しなくてはならないという課題を有していた。
請求項2記載の本発明のヒートポンプ装置は、請求項1に記載のヒートポンプ装置の運転方法において、前記熱交換器を第2の放熱器として用いたことを特徴とする。
請求項3記載の本発明は、請求項2に記載のヒートポンプ装置において、前記圧縮機の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段と、前記吐出圧力検出手段からの検出値を用いて前記第1の絞り装置及び前記第2の絞り装置を制御する絞り装置制御手段と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2に記載のヒートポンプ装置において、前記圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、前記吐出温度検出手段からの検出値を用いて前記第1の絞り装置及び前記第2の絞り装置を制御する絞り装置制御手段とを備えたことを特徴とする。
請求項5記載の本発明は、請求項2から請求項4のいずれかに記載のヒートポンプ装置において、前記蒸発器の入口空気温度を検出する空気温度検出手段と、前記空気温度検出手段からの検出値を用いて前記第1の絞り装置及び前記第2の絞り装置を制御する絞り装置制御手段とを備えたことを特徴とする。
請求項6記載の本発明は、請求項1に記載のヒートポンプ装置の運転方法において、前記ヒートポンプ装置の高圧サイドを超臨界状態として運転することを特徴とする。
請求項7記載の本発明は、請求項1に記載のヒートポンプ装置の運転方法において、前記冷媒として二酸化炭酸を用いたことを特徴とする。
また、ヒートポンプ装置を乾燥用途に用いた場合は、乾燥過程において、熱交換器の利用を蒸発器から放熱器へと切り換えることができるので、常に衣類内部に残存する水分への伝熱量を確保し、乾燥時間の増加を抑止することができ、乾燥に要する消費電力を削減できる。
本発明の第2の実施の形態によるヒートポンプ装置は、第1の実施の形態によるヒートポンプ装置の運転方法において、熱交換器を第2の放熱器として用いたものである。本実施の形態によれば、例えば乾燥過程において、熱交換器を第2の放熱器として利用することにより、乾燥用空気への総放熱量を増加させることができ、衣類内部に残存する水分への伝熱量を確保し、乾燥時間の増加を抑止することが可能となり、乾燥に要する消費電力を削減することができる。
本発明の第3の実施の形態は、第2の実施の形態によるヒートポンプ装置において、圧縮機の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段と、吐出圧力検出手段からの検出値を用いて第1の絞り装置及び第2の絞り装置を制御する絞り装置制御手段とを備えたものである。本実施の形態によれば、圧縮機の吐出圧力に応じて熱交換器を放熱器として利用することができ、吐出圧力の過昇を回避し、圧縮機等の信頼性をより確実に確保しつつ、安定かつ高効率な冷凍サイクル運転を行うことができる。
本発明の第4の実施の形態は、第2の実施の形態によるヒートポンプ装置において、圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、吐出温度検出手段からの検出値を用いて第1の絞り装置及び第2の絞り装置を制御する絞り装置制御手段とを備えたものである。本実施の形態によれば、圧縮機の吐出温度に応じて熱交換器を放熱器として利用することができ、吐出圧力の過昇を回避し、圧縮機等の信頼性をより確実に確保しつつ、安定かつ高効率な冷凍サイクル運転を行うことができる。
本発明の第5の実施の形態は、第2から第4の実施の形態によるヒートポンプ装置において、蒸発器の入口空気温度を検出する空気温度検出手段と、空気温度検出手段からの検出値を用いて第1の絞り装置及び第2の絞り装置を制御する絞り装置制御手段とを備えたものである。本実施の形態によれば、蒸発器の入口空気温度に応じて熱交換器を放熱器として利用することができ、乾燥終了間際に放熱量を増加させ、乾燥時間の増加を抑止することができる。
本発明の第6の実施の形態は、第1の実施の形態によるヒートポンプ装置の運転方法において、ヒートポンプ装置の高圧サイドを超臨界状態として運転するものである。本実施の形態によれば、放熱器における冷媒と乾燥用空気との間の熱交換効率を高くすることができ、乾燥用空気をより高温にして短時間で乾燥を行うことができる。
本発明の第7の実施の形態は、第1の実施の形態によるヒートポンプ装置の運転方法において、冷媒として二酸化炭酸を用いたものである。本実施の形態によれば、乾燥用空気をより高温にして短時間で乾燥を行うことができるとともに、地球温暖化への影響を少なくすることができる。
図1において、第1実施例のヒートポンプ装置は、ヒートポンプ装置と、このヒートポンプ装置を乾燥の熱源として用いるとともに乾燥用空気を循環させて再利用する構成とを備えている。即ち、冷媒を圧縮する圧縮機31と、放熱作用で冷媒を凝縮して乾燥用空気を加熱する放熱器32と、冷媒を減圧する第1の絞り装置33と、第1の絞り装置33及び第2の絞り装置35の切り換え制御によって吸熱作用または放熱作用をさせる熱交換器34と、冷媒を減圧する第2の絞り装置35と、吸熱作用で冷媒を蒸発させて乾燥用空気を除湿する蒸発器36とを順に配管37を介して接続し、冷媒を封入することにより、ヒートポンプ装置を構成している。冷媒としては、放熱側で超臨界となりうる冷媒、例えば二酸化炭素等が封入されている。
また、ヒートポンプ装置の循環ダクト41内に、放熱器32、熱交換器34及び蒸発器36を配設して、これらの放熱器32、熱交換器34及び蒸発器36を用いて、乾燥室42に置いた衣類等の乾燥対象39から水分を奪った乾燥用空気の除湿及び加熱を行い、送風ファン38で乾燥用空気を循環させ再利用する構成となっている。なお、図1中の実線矢印は冷媒流れを、また白抜き矢印は乾燥用空気の流れを示す。
冷媒は圧縮機31で圧縮されて高温高圧の状態となり、放熱器32で乾燥用空気に放熱することで冷媒は冷却される。次に、冷媒は第1の絞り装置33を通過するが、この流路抵抗により熱交換器34の入口冷媒圧力が決定され、図2に示すように第1の絞り装置33の出口冷媒温度(=熱交換器34の入口冷媒温度)が決定される。つまり、第1の絞り装置33の流路抵抗を制御すれば、任意に熱交換器34の入口冷媒温度を設定可能であり、熱交換器34は乾燥用空気の加熱にも、冷却除湿にも利用できる。
乾燥用空気は送風ファン38によって乾燥対象39に強制的に接触させられた際に、乾燥対象39から水分を奪って多湿状態となる。その後、乾燥用空気は蒸発器36、熱交換器34及び放熱器32によって、冷却除湿及び加熱され、放熱器32を通過後には高温低湿状態となる。そして、再び乾燥対象39に強制接触させられ、乾燥対象39から水分を奪う。以上が乾燥用空気を循環させて再利用して乾燥対象39から水分を奪う乾燥動作の原理である。
かかる構成では、第1の絞り装置33と第2の絞り装置35を操作し、熱交換器34を蒸発器または放熱器に切り換えて利用することが可能となる。これにより、例えば夏場の高外気温条件下等の、圧縮機吐出圧力や吸入圧力が上昇する条件下においては、熱交換器34を放熱器として利用すれば、蒸発器として利用した場合と比較して、圧縮機吐出圧力や吸入圧力を減少させることが可能となり、冷凍サイクルが安定し、冷凍サイクルの効率が向上する。
Q=K・A・ΔT(Q:熱量、K:熱通過率、A:伝熱面積、ΔT:空気−冷媒温度差)
熱交換器34を放熱器として利用した場合、熱交換器34を蒸発器として利用した場合と比較して、冷媒が乾燥用空気に放熱するために利用される伝熱面積が増加し、乾燥用空気から吸熱するために利用される伝熱面積が減少する。放熱に利用される伝熱面積が増加すれば、熱通過率K、放熱量Qが一定条件下では、空気と冷媒の温度差ΔTが減少し、高圧側冷媒温度はより空気温度に近づく。高圧側では、冷媒温度は常に乾燥用空気温度以上であるから、冷媒温度は低下する方向へシフトする。つまり高圧側冷媒圧力が低下する。
一方、吸熱に利用させる伝熱面積が減少すれば、熱通過率K、吸熱量Qが一定条件下では、空気と冷媒の温度差ΔTが増加する。低圧側では、冷媒温度は常に乾燥空気温度以下であるから、冷媒温度は低下する方向へシフトする。つまり低圧側冷媒圧力が低下する。
以上が熱交換器34を放熱器として利用した場合、熱交換器34を蒸発器として利用した場合と比較して、圧縮機の吐出圧力や吸入圧力が減少する原理である。
また、本実施例では、放熱側で超臨界となるCO2冷媒を用いたが、従来のHFC冷媒を用いた場合にも同様の効果が得られる。
なお、以下の実施例の説明において、第1実施例と同一構成には同一符号を付して説明を省略し、第1実施例と異なる構成について説明する。
第2実施例のヒートポンプ装置は、第1実施例の構成に、圧縮機31の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段45と、この吐出圧力検出手段45からの検出値を用いて第1の絞り装置33及び第2の絞り装置34を制御する絞り装置制御手段(図示せず)とを備えている。
図4に示すように、ステップ51で、吐出圧力検出手段45にて検出した吐出圧力Pdと、狙いの設定圧力Pm(例えば10MPa)を比較する。そして、PdがPmより大きい場合には、熱交換器34を放熱器として利用すると判定し、第1の絞り装置33の流路抵抗を小さく、第2の絞り装置35の流路抵抗を大きくする制御を実行した後、ステップ51に戻る。
なお、熱交換器34を放熱器として利用する際の、第1の絞り装置33と第2の絞り装置35の、それぞれの流路抵抗値ΔP1a,ΔP2aをあらかじめ設定しておき、PdがPmより大きい場合には、第1の絞り装置33と第2の絞り装置35の流路抵抗値をΔP1aとΔP2aに変更する制御でもよい。
第3実施例のヒートポンプ装置は、第1実施例の構成に、圧縮機31の吐出温度を検出する吐出温度検出手段46と、この吐出温度検出手段46からの検出値を用いて第1の絞り装置33及び第2の絞り装置35を制御する絞り装置制御手段(図示せず)とを備えている。
図6に示すように、ステップ61で、吐出温度検出手段46にて検出した吐出温度Tdと、狙いの設定温度Tm(例えば100℃)を比較する。そして、TdがTmより大きい場合には、熱交換器34を放熱器として利用すると判定し、第1の絞り装置33の流路抵抗を小さく、第2の絞り装置35の流路抵抗を大きくする制御を実行した後、ステップ61に戻る。
なお、熱交換器34を放熱器として利用する際の、第1の絞り装置33と第2の絞り装置35の、それぞれの流路抵抗値ΔP1b,ΔP2bをあらかじめ設定しておき、PdがPmより大きい場合には、第1の絞り装置33と第2の絞り装置35の流路抵抗値をΔP1bとΔP2bに変更する制御でもよい。
第4実施例のヒートポンプ装置は、第1実施例の構成に、蒸発器36の入口空気温度を検出する空気温度検出手段47と、この空気温度検出手段47からの検出値を用いて第1の絞り装置33及び第2の絞り装置35を制御する絞り装置制御手段(図示せず)とを備えている。
なお、蒸発器36の入口空気温度と乾燥対象39の乾燥率の間には図9に示す関係があり、入口空気温度を検出すれば、乾燥進行度を把握することが可能である。これは、乾燥が進行するにつれ、蒸発器36における乾燥用空気からの除湿水量が低下するため、冷媒が乾燥用空気から吸熱する熱量の内、潜熱として吸熱する熱量が低下し、顕熱として吸熱する熱量が増加するためである。よって、蒸発器36の入口空気温度を検出することで、乾燥進行度に応じた第1の絞り装置33と第2の絞り装置35の制御が可能となる。
図8に示すように、ステップ71で空気温度検出手段47にて検出した入口空気温度Tiと、狙いの設定温度Tc(例えば40℃)を比較する。そして、TiがTcより小さい場合には、熱交換器34を放熱器として利用すると判定し、第1の絞り装置33の流路抵抗を小さく、第2の絞り装置35の流路抵抗を大きくする制御を実行した後、ステップ71に戻る。
なお、熱交換器34を放熱器として利用する際の、第1の絞り装置33と第2の絞り装置35の、それぞれの流路抵抗値ΔP1c,ΔP2cをあらかじめ設定しておき、TiがTcより小さい場合には、第1の絞り装置33と第2の絞り装置35の流路抵抗値をΔP1cとΔP2cに変更する制御でも同様の効果が得られる。
また、第2実施例の吐出圧力検出手段45と本実施例の空気温度検出手段47とを組み合わせた構成や、第3実施例の吐出温度検出手段46と本実施例の空気温度検出手段47とを組み合わせた構成でも良く、相乗の効果が得られる。
なお、本発明は、衣類乾燥用途のみならず、浴室乾燥、食器乾燥等の乾燥用途、さらに、自動販売機等のヒートポンプ装置にも効果がある。
32 放熱器
33 第1の絞り装置
34 熱交換器
35 第2の絞り装置
36 蒸発器
37 配管
38 送風ファン
39 乾燥対象
41 循環ダクト
42 乾燥室
45 吐出圧力検出手段
46 吐出温度検出手段
47 空気温度検出手段
Claims (7)
- 冷媒が、圧縮機、放熱器、第1の絞り装置、熱交換器、第2の絞り装置、及び蒸発器の順に循環する構成のヒートポンプ装置の運転方法であって、前記第1の絞り装置、又は前記第1の絞り装置と前記第2の絞り装置とを操作することで前記熱交換器を第2の蒸発器または第2の放熱器に切り換えることを特徴とするヒートポンプ装置の運転方法。
- 請求項1に記載のヒートポンプ装置の運転方法において、前記熱交換器を第2の放熱器として用いたことを特徴とするヒートポンプ装置。
- 前記圧縮機の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段と、前記吐出圧力検出手段からの検出値を用いて前記第1の絞り装置及び前記第2の絞り装置を制御する絞り装置制御手段とを備えたことを特徴とする請求項2に記載のヒートポンプ装置。
- 前記圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、前記吐出温度検出手段からの検出値を用いて前記第1の絞り装置及び前記第2の絞り装置を制御する絞り装置制御手段とを備えたことを特徴とする請求項2に記載のヒートポンプ装置。
- 前記蒸発器の入口空気温度を検出する空気温度検出手段と、前記空気温度検出手段からの検出値を用いて前記第1の絞り装置及び前記第2の絞り装置を制御する絞り装置制御手段とを備えたことを特徴とする請求項2から請求項4のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
- 前記ヒートポンプ装置の高圧サイドを超臨界状態として運転することを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプ装置の運転方法。
- 前記冷媒として二酸化炭酸を用いたことを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプ装置の運転方法。
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