JP2006349333A - Air-and water-cooled hybrid heat pump, and air-conditioning system - Google Patents
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Description
本発明は、熱交換媒体を空気と熱交換する空冷熱交換機と、熱交換媒体を水熱源で熱交換する水冷熱交換機を備えた空水冷ハイブリッドヒートポンプおよび、このヒートポンプを備えた空調システムに関する。 The present invention relates to an air-cooled heat exchanger that exchanges heat between a heat exchange medium and air, an air-water cooled hybrid heat pump that includes a water-cooled heat exchanger that exchanges heat between the heat exchange medium using a water heat source, and an air-conditioning system including the heat pump.
所謂、空冷式の熱交換機となるヒートポンプを有する本空調装置では、一般に直接膨張方式(以下、直膨方式)を用いて冷房及び暖房を行っている。以下、冷房サイクルを用いて冷房システムについて説明すると、直膨方式は室内に設置された蒸発器に熱交換媒体を送り、コイルの中で膨張気化させてコイルを冷却し、通過する空気と熱交換をし、その空気より吸熱を行っている。本空調装置は、室外に設置された凝縮器で空気と直接熱交換を行う構造であるため、構造が簡単である反面、放熱する空気温度(外気温度)によってその性能が大きく変化する特性となっている。 In the present air conditioner having a heat pump as a so-called air-cooled heat exchanger, cooling and heating are generally performed using a direct expansion method (hereinafter referred to as a direct expansion method). Hereinafter, the cooling system will be described using a cooling cycle. In the direct expansion method, a heat exchange medium is sent to an evaporator installed in a room, and the coil is expanded and vaporized in the coil to cool the coil and exchange heat with the passing air. It absorbs heat from the air. Since this air conditioner has a structure in which heat is exchanged directly with air using a condenser installed outside the room, the structure is simple, but the performance varies greatly depending on the air temperature (outside air temperature) to dissipate heat. ing.
一方、空冷式に比べて熱交換率が良いことで、水冷式の熱交換機としてのヒートポンプが種々提案されている。例えば特許文献1が挙げられる。ここで空冷式と水冷式のヒートポンプの差を冷却サイクルで説明する。この水冷式のヒートポンプは、熱交換媒体を水熱源とする地下水、クーリングタワー内の水等の冷却水に放熱するので、空冷式に比べて熱交換性能が安定する特性がある。しかしながら、冷却水への放熱方式を行おうとしても、この冷却水として水道水を利用するとコストが高く、地下水を利用すると、汲み上げ規制のある地域では十分に利用できるものとは限らない。また、冷却水を循環させる経路を地中に埋設して熱交換させる場合、ヒートポンプの原理的な問題から冷却水の温度がある一定温度を越えると、冷却水と熱交換媒体との間で熱交換を行えなくなる。 On the other hand, various heat pumps as water-cooled heat exchangers have been proposed because of their better heat exchange rate than air-cooled. For example,
ここで、冷却水を熱源とするヒートポンプの原理について説明する。ヒートポンプは、図3、図4に示すように、エンタルピー(h)と圧力(p)に対して用いる熱交換媒体の飽和線上に変化を示した図で説明される。ヒートポンプは、暖房サイクルと冷房サイクルで熱交換媒体の動きが逆になるが、以下に示すように、両サイクルとも、水冷式の方の熱交換効率が向上する。 Here, the principle of a heat pump using cooling water as a heat source will be described. As shown in FIGS. 3 and 4, the heat pump is described with a diagram showing a change on a saturation line of a heat exchange medium used for enthalpy (h) and pressure (p). In the heat pump, the movement of the heat exchange medium is reversed between the heating cycle and the cooling cycle. However, as shown below, the heat exchange efficiency of the water-cooled type is improved in both cycles.
図3を用いて暖房サイクルを説明する。ヒートポンプにおいては、蒸発器が熱源との熱交換機分となり、ここが空冷冷却機と水冷冷却機で異なる部分となる。水の熱伝達率は、空気のそれと比べて数百倍と大変大きく、また、熱容量も大きくなることから、効率的に吸熱反応が行われ、ヒートポンプの動力費(電気消費量)が空気の場合と比べて小さく、効率が向上しており、暖房能力がよくなる。 The heating cycle will be described with reference to FIG. In the heat pump, the evaporator serves as a heat exchanger with the heat source, and this is a different part between the air-cooled cooler and the water-cooled cooler. The heat transfer coefficient of water is very large, several hundred times that of air, and the heat capacity is also large, so the endothermic reaction is carried out efficiently, and the heat pump power cost (electricity consumption) is air. Compared to the above, the efficiency is improved and the heating capacity is improved.
図4を用いて冷房サイクルを説明すると、熱交換媒体の循環サイクルは暖房サイクルと逆向きとなり、凝縮器での放熱が冷却機の仕事となる。この効率も暖房サイクルと同様に熱伝達率が、圧倒的に空気と比べて高いことから、水による放熱が少ない動力費で行われ、効率が向上して冷房能力もよくなる。 The cooling cycle will be described with reference to FIG. 4. The circulation cycle of the heat exchange medium is opposite to the heating cycle, and the heat radiation in the condenser is the work of the cooler. This efficiency is similar to the heating cycle because the heat transfer coefficient is overwhelmingly higher than that of air. Therefore, the heat is less radiated by water, improving the efficiency and improving the cooling capacity.
本発明は、水冷式と空冷式の交換機を一体化した構成の新規なヒートポンプを提供することを、その目的とする。 An object of the present invention is to provide a novel heat pump having a configuration in which a water-cooled type and an air-cooled type exchange are integrated.
本発明は、空調機器と接続される流路内を循環する熱交換媒体に対して気体を用いて熱交換する空冷式熱交換機と、前記流路内を循環する熱交換媒体に対して冷却水を用いて熱交換する水冷式熱交換機とを1つのユニットとして構成し、前記空冷熱交換機と前記水冷熱交換機とを切換可能に構成したことを特徴としている。
本発明に係る空水冷式ハイブリッドヒートポンプでは、流路内を流れる熱交換媒体を水冷熱交換機へ案内する第1の経路と、流路内を流れる熱交換媒体を空冷熱交換機へと案内する第2の経路と、熱交換媒体が流れる経路を第1の経路と第2の経路とに切換る切換手段と、流路に配置された四方弁と圧縮機とを結ぶ流路上に設けられたアキュムレータの一次側と水冷熱交換機とを接続する第3の経路と、アキュムレータの一次側と空冷熱交換機とを接続する第4の経路と、第3及び第4の経路をそれぞれ開閉可能とする開閉手段とを具備することを特徴としている。
本発明は、空調機器と、空調機器に接続されたヒートポンプとを備えた空調システムにおいて、前記ヒートポンプとして上記何れかの空水冷式ハイブリッドヒートポンプを備えていることを特徴としている。The present invention relates to an air-cooled heat exchanger that exchanges heat using a gas with respect to a heat exchange medium that circulates in a flow path connected to an air conditioner, and cooling water to the heat exchange medium that circulates in the flow path. A water-cooled heat exchanger that exchanges heat using a single unit is configured as one unit, and the air-cooled heat exchanger and the water-cooled heat exchanger can be switched.
In the air-water cooled hybrid heat pump according to the present invention, a first path for guiding the heat exchange medium flowing in the flow path to the water-cooled heat exchanger, and a second path for guiding the heat exchange medium flowing in the flow path to the air-cooled heat exchanger. Of the accumulator provided on the flow path connecting the four-way valve disposed in the flow path and the compressor, the switching means for switching the flow path of the heat exchange medium to the first path and the second path, A third path connecting the primary side and the water-cooled heat exchanger, a fourth path connecting the primary side of the accumulator and the air-cooled heat exchanger, and an opening / closing means capable of opening and closing the third and fourth paths, respectively. It is characterized by comprising.
The present invention is characterized in that, in an air conditioning system including an air conditioner and a heat pump connected to the air conditioner, any one of the above air-water-cooled hybrid heat pumps is provided as the heat pump.
本発明によれば、空調機器と接続される流路内を循環する熱交換媒体に対して気体を用いて熱交換する空冷式熱交換機と、前記流路内を循環する熱交換媒体に対して冷却水を用いて熱交換する水冷式熱交換機とを1つのユニットとして構成し、前記空冷熱交換機と前記水冷熱交換機とを切換可能に構成したので、既存の空冷熱交換機部や水冷熱交換機を単独で備えたヒートポンプによりも熱交換効率を高めた新規なヒートポンプを提供することができる。 According to the present invention, an air-cooled heat exchanger that exchanges heat using a gas with respect to a heat exchange medium that circulates in a flow path connected to an air conditioner, and a heat exchange medium that circulates in the flow path A water-cooled heat exchanger that exchanges heat using cooling water is configured as one unit, and the air-cooled heat exchanger and the water-cooled heat exchanger are configured to be switchable. Therefore, existing air-cooled heat exchanger units and water-cooled heat exchangers can be A new heat pump with improved heat exchange efficiency can be provided by a single heat pump.
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図1は、空調システム100を示す概略図である。図1において、符号1は室内に装着されるファンコイルユニット11と接続する空水冷ハイブリッドヒートポンプとしての室外機1の内部構造を示す。この室外機1は、熱交換媒体を空気と水熱源でそれぞれ熱交換する空冷熱交換機部と水冷熱交換機部を備えている。室外機1は、その図示しないケーシングの内部に、四方弁2、膨張弁3、四方弁2と膨張弁3とを結ぶ流路4上に配置された空冷熱交換5、四方弁2と圧縮機6とを結ぶ低圧の流路7上にアキュムレータ8と低圧開閉弁9、四方弁2と膨張弁3の流路4を閉鎖して室外機1とファンコイルユニット11を切り離し可能とする停止弁10A,10Bがそれぞれ設けられている。空冷熱交換5と対向する部位には、駆動モータ19によって回転駆動されるファン18が設けられている。圧縮機6と四方弁2とを結ぶ高圧の流路12には、周知の消音器13と圧力開閉弁14が設けられている。これら各構成要素は、流路4内を循環する熱交換媒体の熱交換を行い、冷房と暖房を行う空冷熱交換機と冷凍サイクルの構成要素である。熱交換媒体は、最適な性能を得られる量が流路4内に封入されている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing an
この室外機1は、熱交換媒体と熱交換、すなわち、冷却/加熱する水冷熱交換機20を備え、空冷熱交換機5と水冷熱交換機20とを切換可能に構成して、熱交換媒体の熱交換場所を適宜変更するようにしている。空冷熱交換機5と水冷熱交換機20は、互いに並列に配置されている。 The
以下、この特徴的な構成について説明する。水冷熱交換機20は、空冷熱交換機5を迂回するように流路4に接続された追加流路4Aに配設されている。この迂回流路4Aは、流路4内を流れる熱交換媒体を水冷熱交換機20へ案内する第1の経路を構成する。水冷熱交換機20に対して迂回流路となる流路4Bには、空冷熱交換機5が配設されている。 Hereinafter, this characteristic configuration will be described. The water-cooled
水冷熱交換機20の上流側と下流側に位置する追加流路4Aには電磁弁22,23が、水冷熱交換機5の上流側と下流側に位置する経路4Bには電磁弁24,25がそれぞれ配設されている。これら電磁弁は、オフ状態では各経路を閉じて水冷熱交換機20と空冷熱交換機5への熱交換媒体の流入を停止し、オン状態となると、各経路を開き各熱交換機に対して熱交換媒体を流入するように構成されている。
水冷熱交換機20は、その内部に水熱源の一形態である地下水を通過させる水流路が形成されていて、ファンコイルユニット11との間で循環する熱交換媒体を、地下水によって冷却あるいは加熱するように構成されている。水熱源としては地下水に限定されるものではなく、水道水、クーリングタワーで用いる水、貯水されている水等の冷却水全般を含むものである。 The water-cooled
アキュムレータ8の一次側に位置する流路7と水冷熱交換機20とは、第3の経路26で接続されている。この第3の経路26は、電磁弁22,23がオフ、かつ電磁弁24,25がオンの時に、水冷熱交換機20内にある熱交換媒体をアキュムレータ8に導入するための媒体回収通路を構成する。 The
アキュムレータ8の一次側に位置する流路7と空冷熱交換機5とは、第4の経路27で接続されている。この第4の経路27は、電磁弁22,23がオン、かつ電磁弁24,25がオフの時に、空冷熱交換機5内にある熱交換媒体をアキュムレータ8に導入するための媒体回収通路を構成する。これら第3及び第4の経路26,27には、同経路をそれぞれ開閉可能とする開閉手段としての電磁式の開閉弁28,29が設けられている。すなわち、電磁弁22,33及び電磁弁24,25は、そのオン/オン状態に応じて迂回経路4Aと経路4Bとを切換る切換手段を構成している。 The
駆動モータ19、電磁弁22,23,24,25及び開閉弁28,29のオン/オフ制御は、図2に示す制御手段30で制御されるようになっている。制御手段30は、図示を省略したが、CPU(中央処理装置)、I/O(入出力)ポート、ROM(読み出し専用記憶装置)、RAM(読み書き可能な記憶装置)およびタイマー等をそれぞれ備え、これらが信号バスによって接続された構成を有する周知のコンピュータで構成されている。制御手段30の入力側には、水冷熱交換機20への冷却水の流入温度を検出する温度検知手段としての温度検知センサ31が接続されている。 The on / off control of the
本形態において、温度検知センサ31には周知のサーミスタを用いるが、これ以外の構成であっても無論構わない。制御手段30の出力側には、電磁弁22〜25と開閉弁28,29及び圧縮機6と駆動モータ18が電気的に接続されている。制御手段30のROMには、電磁弁22,23と開閉弁29及び電磁弁24,25と開閉弁28、駆動モータ19をオン/オフするためのパラメータとなる所定温度t1,t2が予め設定されている。所定温度t1、t2は、t1>t2の関係にある。制御手段30は、水温検知センサ31からの温度情報が所定温度t1となると、電磁弁24,25、開閉弁28、駆動モータ19をオン状態、電磁弁22,23、開閉弁28をオフ状態とし、所定温度t2となると電磁弁22,23と開閉弁29をオン状態、電磁弁24,25、開閉弁28及び駆動モータ19をオフ状態とするようにして経路の切換制御と冷却用のファン18の動作制御を実行する。 In this embodiment, a known thermistor is used for the
このような構成において、図示しない電源が投入されると、制御手段30は、温度検知センサ31からの温度情報に応じて、各電磁弁と開閉弁のオンさせる。例えば、温度検知センサ31からの温度情報Tが、所定温度t1>t>t2で、冷房運転する場合には、電磁弁22,23と開閉弁29だけをオンして圧縮機5を駆動する。このため、熱交換媒体は、ファンコイルユニット11から四方弁2を介して図1において実線示す矢印方向に移動する。この時、電磁弁22,23はオンされて迂回迷路4Aが開放されているので、熱交換媒体は水冷熱交換機20へ導入される。また、開閉弁28はオフ状態、開閉弁29はオン状態とされるので、第4の経路27が開放されて使用しない空冷熱交換機5内の存在する熱交換媒体が、アキュムレータ8の負圧によりアキュムレータ8に回収される。このため、流路4内を循環する熱交換媒体の量が、封入時の量とほぼ同一の量とされて水冷熱交換機20へ導入される。導入された熱交換媒体は、冷却水と間で熱交換されて冷却され、膨張弁3を介してファンコイルユニット11へと戻される。水冷熱交換機20での熱交換を時には、駆動モータ19が停止状態となるので、省エネと、ファン18の回転に伴い発生する風切り音などの騒音を低減することができる。 In such a configuration, when a power supply (not shown) is turned on, the control means 30 turns on each solenoid valve and the on-off valve in accordance with temperature information from the
冷房運転の継続により熱交換媒体の温度は上昇し、これに伴い水冷熱交換機20での熱交換負荷が高まり冷却水の温度も上昇する。そして、冷却水の温度が所定温度t1となると、電磁弁24,25、開閉弁28、駆動モータ19がオン状態、電磁弁22,23と開閉弁29をオフ状態となる。このため、迂回流路4Aは閉じ、流路4Bが開放されて経路切換えが行われるとともに第3の経路26が開放されて使用しない水冷熱交換機20内の存在する熱交換媒体がアキュムレータ8の負圧によりアキュムレータ8に回収されるとともにファン18が回転する。このため、圧縮機6、四方弁2を通過した熱交換媒体は、全て空冷熱交換機5へ案内され、ファン18の回転に発生する気流により空気と間で熱交換されて冷却され、膨張弁3を介してファンコイルユニット11へと戻される。 As the cooling operation continues, the temperature of the heat exchange medium rises, and accordingly, the heat exchange load in the water-cooled
次に暖房運転時の動作について説明する。暖房運転する場合、熱交換媒体は膨張弁3から四方弁2に向かって、図1に破線で示す矢印方向に移動する。制御手段30は、暖房運転時においても、温度検知センサ31からの温度情報に応じて、各電磁弁と開閉弁及び駆動モータ19のオン/オフン制御する。例えば、温度検知センサ31からの温度情報Tが、所定温度t1>t>t2の場合には、電磁弁22,23はオンして迂回迷路4Aが開放し、熱交換媒体を水冷熱交換機20へ導入する。無論、開閉弁29もオン状態とされるので、第4の経路27が開放されて使用しない空冷熱交換機5内の存在する熱交換媒体がアキュムレータ8に回収される。このため、流路4内を循環する熱交換媒体の量が、封入時の量とほぼ同一の量とされて水冷熱交換機20へ導入される。導入された熱交換媒体は、冷却水と間で熱交換されて加熱され、膨張弁3を介してファンコイルユニット11へと戻される。暖房時においても、水冷熱交換機5での熱交換を時には、駆動モータ19が停止状態となるので、省エネと、ファン18の回転に伴い発生する風切り音などの騒音を低減することができる。 Next, operation during heating operation will be described. In the heating operation, the heat exchange medium moves from the
暖房運転の継続により熱交換媒体の温度は低下し、これに伴い水冷熱交換機20での熱交換負荷が高まり冷却水の温度も低下する。そして、冷却水の温度が所定温度t2となると、電磁弁24,25と開閉弁28、駆動モータ19をオン状態、電磁弁22,23と開閉弁29をオフ状態とする。このため、迂回流路4Aは閉じ、流路4Bが開放されて経路切換えが行われ、同時に第3の経路26が開放されて使用しない水冷熱交換機20内の存在する熱交換媒体がアキュムレータ8に回収されるとともにファン18が回転する。このため、圧縮機6,四方弁2を通過した熱交換媒体は、全て空冷熱交換機5へ案内され、ファン18の回転に発生する気流により空気と間で熱交換されて、膨張弁3を介してファンコイルユニット11へと戻される。 As the heating operation continues, the temperature of the heat exchange medium decreases, and accordingly, the heat exchange load in the water-cooled
このように、空冷熱交換機5と水冷熱交換機20とを備えた室外機1においては、冷却水の温度に応じて適宜、空冷熱交換機2と水冷熱交換機20とを切換えて使用することで、空冷熱交換機5と水冷熱交換機20に体する負荷を軽減できるので、熱交換効率を高めることができる。 Thus, in the
本形態においては、空冷熱交換機5と水冷熱交換機20を1つのユニットとして最初から構成したが、空冷熱交換機5を有するヒートポンプに対して水冷熱交換機20を、あるいは水冷熱交換機20を有するヒートポンプに空冷熱交換機5を後から装着して1つのユニットとして構成してもよい。このように後付方式とすると、既存の空冷式ヒートポンプあるいは水冷式ヒートポンプを利用してハイブリッドヒートポンプを構成することができ、コスト低減や資源の再利用を行える。 In this embodiment, the air-cooled
2 四方弁
3 膨張弁
4 流路
5 空冷熱交換機
8 アキュムレータ
20 水冷熱交換機
4A 第1の経路
4B 第2の経路
22〜25 切換手段
26 第3の経路
27 第4の経路
28,29 開閉手段
100 空調システム2 Four-
Claims (3)
前記流路内を流れる熱交換媒体を前記水冷熱交換機へ案内する第1の経路と、
前記流路内を流れる熱交換媒体を前記空冷熱交換機へと案内する第2の経路と、
前記熱交換媒体が流れる経路を第1の経路と第2の経路とに切換る切換手段と、
前記流路に配置された四方弁と圧縮機とを結ぶ流路上に設けられたアキュムレータの一次側と前記水冷熱交換機とを接続する第3の経路と、
前記アキュムレータの一次側と前記空冷熱交換機とを接続する第4の経路と、
第3及び第4の経路をそれぞれ開閉可能とする開閉手段とを具備することを特徴とする空水冷式ハイブリッドヒートポンプ。In the air-water cooled hybrid heat pump according to claim 1,
A first path for guiding the heat exchange medium flowing in the flow path to the water-cooled heat exchanger;
A second path for guiding the heat exchange medium flowing in the flow path to the air-cooled heat exchanger;
Switching means for switching a path through which the heat exchange medium flows between a first path and a second path;
A third path connecting the primary side of the accumulator provided on the flow path connecting the four-way valve disposed in the flow path and the compressor and the water-cooled heat exchanger;
A fourth path connecting the primary side of the accumulator and the air-cooled heat exchanger;
An air-water-cooled hybrid heat pump comprising: opening / closing means that can open and close each of the third and fourth paths.
前記ヒートポンプとして請求項1または2記載の空水冷式ハイブリッドヒートポンプを備えていることを特徴とする空調システム。In an air conditioning system comprising an air conditioner and a heat pump connected to the air conditioner,
An air-conditioning system comprising the air-water cooled hybrid heat pump according to claim 1 or 2 as the heat pump.
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JP2005203596A JP2006349333A (en) | 2005-06-15 | 2005-06-15 | Air-and water-cooled hybrid heat pump, and air-conditioning system |
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Cited By (2)
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Effective date: 20070711 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 |
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20071112 |