JP2007225274A - ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】加熱運転の際に、外気温度が低い時、室外熱交換器の除霜を迅速で効率よく行い、冷却運転の際に、外気温度が高い時にも、室外熱交換器で冷媒蒸気の凝縮を効率よく行うようにしたヒートポンプシステムを提供する。
【解決手段】圧縮機、４方バルブ、室内熱交換器、冷却用膨張バルブ、加熱用膨張バルブ、室外熱交換器及び前記４方バルブを導管で順に連結し、４方バルブと圧縮機を吸入導管で連結した基本冷凍回路と、導管の圧縮機と４方バルブとの間に連結した温水加熱回路と、伝熱槽に循環ポンプの取り付けられた供給管と帰還管を介して連結した吸気温度調節手段とを備え、室外熱交換器及び温度調節用熱交換器は、ケーシングＣに冷媒用伝熱管３１とブライン用伝熱管３２を交互に垂直に配置し、前記冷媒用伝熱管３１及びブライン用伝熱管３２に複数のフィン３５を垂直に設置してなる。
【選択図】図２

Description

本発明はヒートポンプシステムに係り、より詳しくは室外熱交換器の熱源として空気を用いるヒートポンプ式冷・暖房システムに関するものである。

周知のように、ヒートポンプシステムは、圧縮機、４方バルブ、室内熱交換器、膨張バルブ、室外熱交換器、及び前記４方バルブを導管で順に連結し、前記４方バルブと圧縮機を吸入導管で連結したもので、加熱運転の時は、４方バルブを、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に流れるように、操作して、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、その凝縮熱を流体と熱交換させることにより、温水を生成するかあるいは室内空気を加熱して暖房または乾燥の機能をし、前記室内熱交換器で凝縮された高温・高圧の冷媒液を膨張バルブで膨張させた後、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、圧縮機で吸入して前記サイクルを繰り返すものである。

そして、冷却運転の時は、４方バルブを、圧縮機で圧縮された高温・高圧の冷媒蒸気が室外熱交換器に流れるように、操作して、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、前記室外熱交換器で凝縮された高温・高圧の冷媒液を膨張バルブで膨張させた後、蒸発器として作用する室内熱交換器で冷媒液を蒸発させて、流体から蒸発熱を吸収することにより、冷水を生成するかあるいは室内空気を冷却して冷房などを行い、前記室内熱交換器で蒸発された低温・低圧の冷媒蒸気は圧縮機で吸入して前記サイクルを繰り返すものである。

前記ヒートポンプシステムは、加熱運転の際に、室外熱交換器で外気を熱源として冷媒液を蒸発させる時、その外気温度が露点以下に下降すれば、室外熱交換器の表面で霜が結ぶから冷媒液の蒸発が良くなくて加熱能力が著しく落ちるので、前記ヒートポンプシステムの加熱能力の低下を解決することがヒートポンプシステムの重要な研究開発課題となっている。

そして、冷却運転の際に、外気温が高い時は、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につれて、冷媒蒸気の凝縮が不完全になることによって冷却負荷が減少する場合などは、室内熱交換器で冷媒液が完全に蒸発できないから、湿冷媒蒸気状態で圧縮機に吸入されることにより、液バック（ｌｉｑｕｉｄ ｂａｃｋ）が発生して圧縮機のバルブを損傷させる原因になり、液圧縮による液撃（ｌｉｑｕｉｄ ｈａｍｍｅｒ）が発生して圧縮機を損傷させる場合があるだけなく、成績係数が低下する現象が発生している。

このような実情に鑑みてなされたヒートポンプ式冷・暖房装置とヒートポンプシステムが特許文献１及び特許文献２にそれぞれ開示されている。

前記ヒートポンプ式冷・暖房装置は、圧縮機、４方バルブ、室内熱交換器、減圧機構、室外熱交換器及び前記４方バルブを導管で順に連結し、前記４方バルブと圧縮機を吸入導管で連結した冷媒回路において、前記圧縮機と４方バルブとの間の導管に設置した第２加熱回路と、前記第２加熱回路に連結され、前記室外熱交換器の少なくとも１側面に設置した補助熱交換器とを備え、外気温度が露点温度以下に下降すれば、圧縮機で圧縮された高温・高圧の冷媒ガスの凝縮熱によって第２加熱回路の熱媒体を加熱し、前記熱媒体を室外熱交換器の側面に設置した補助熱交換器に循環させることで、室外熱交換器に吸入される
外気を加熱し、暖房運転の時は、対流暖房と輻射暖房を併用して快適な暖房を行うようにしたものである。

そして、前記ヒートポンプシステムは、圧縮機、４方バルブ、室内熱交換器、冷却用膨張バルブ、加熱用膨張バルブ、室外熱交換器、及び前記４方バルブを導管で順に連結し、前記４方バルブと圧縮機を吸入導管で連結した基本冷凍回路と；前記導管の圧縮機と４方バルブとの間に連結した温水加熱回路と；前記導管の冷却用膨張バルブと加熱用膨張バルブとの間に設置して熱媒体を充填し、潜熱蓄熱材と前記温水加熱回路に連結した加熱熱交換器及び前記導管の冷却用膨張バルブと加熱用膨張バルブとの間に設置した再凝縮熱交換器とを内蔵した蓄熱槽と；前記蓄熱槽に供給管及び循環ポンプの取り付けられた帰還管で連結され、前記室外熱交換器の吸入側に設置した熱媒体循環用熱交換器と；から構成し、蓄熱槽に充填した熱媒体を再凝縮熱交換器と加熱熱交換器によって設定温度に維持し、前記設定温度を維持した熱媒体を、室外熱交換器の吸入側に設置した熱媒体循環用熱交換器に循環して、外気温度が露点以下の加熱運転の時は外気を予熱し、外気温度が高い冷却運転の時は外気を冷却するようにしたものである。
大韓民国特許登録第３６７１７６号明細書 大韓民国特許登録第４８６０９５号明細書

しかし、前記ヒートポンプ式冷・暖房装置及びヒートポンプシステムは、補助熱交換器または熱交換器を室外熱交換器の吸入側に配置し、吸入ファンによって、補助熱交換器または熱交換器で予熱または冷却された外気を室外熱交換器側に吸入するものであるから、室外熱交換器のフィン（ｆｉｎ）間に生成した霜の除霜が効率的でないのみならず、除霜時間が長くかかり、さらに冷却された空気がフィンを通過する時に再加熱されるので、冷媒蒸気の凝縮がよくないものである。

そして、前記ヒートポンプ式冷・暖房装置は蓄熱槽に加熱貯蔵された熱媒体と外気をヒートパイプを介して間接加熱するものであるから、外気加熱効率が低下することになるものである。

また、前記ヒートポンプシステムは、蓄熱槽を冷却用膨張バルブと加熱用膨張バルブとの間に設置し、前記蓄熱槽に再凝縮熱交換器を内蔵し、加熱運転の時、室内熱交換器（凝縮器）で凝縮された冷媒液を再凝縮熱交換器で過冷却させることで成績係数を向上させる利点はあるが、蓄熱槽に再凝縮熱交換器が内蔵されているから、酷寒の時など、蓄熱槽に充填した熱媒体が凍結する時、再凝縮熱交換器が破損すれば、冷媒と熱媒体が混合して周囲を不潔にして環境汚染を引き起こし、修理費がたくさん必要となっている。

本発明は、前記問題点を解決して、加熱運転の際に、外気温度が低い時、室外熱交換器の除霜を迅速で効率よく行い、冷却運転の際に、外気温度が高い時にも室外熱交換器で冷媒蒸気の凝縮を効率よく行うようにしたヒートポンプシステムを提供することをその目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、圧縮機、４方バルブ、室内熱交換器、冷却用膨張バルブ、加熱用膨張バルブ、室外熱交換器及び前記４方バルブを導管で順に連結し、前記４方バルブと圧縮機を吸入導管で連結した基本冷凍回路と；前記導管の圧縮機と４方バルブとの間に連結した温水加熱回路と；前記温水加熱回路にブライン加熱用熱交換器を並列に連結し、前記吸入導管にブライン冷却用熱交換器をバイパスされるように連結して前記ブライン加熱用熱交換器及びブライン冷却用熱交換器に伝熱槽を形成し、前記室外熱交
換器に温度調節用熱交換器を設置し、前記伝熱槽に循環ポンプの取り付けられた供給管と帰還管を介して連結した吸気温度調節手段と；を備え、前記室外熱交換器及び温度調節用熱交換器は、ケーシングに冷媒用伝熱管とブライン用伝熱管を交互に垂直に配置し、前記冷媒用伝熱管及びブライン用伝熱管に複数のフィンを垂直に設置してなる。

本発明の請求項１の発明は、基本冷凍回路の室外熱交換器の冷媒用伝熱管間にブライン用伝熱管を配置し、前記両伝熱管に複数のフィンを垂直に設置し、前記ブライン用伝熱管に加熱または冷却用ブラインを循環させてフィン及び冷媒用伝熱管を加熱または冷却することにより、外気温の低い加熱運転の時、室外熱交換器で冷媒液の蒸発を効率よくし、外気温の高い冷却運転の時、冷媒蒸気の凝縮を効率よく行うことで成績係数を向上させ、外気温が低いか高い時にも成績係数を向上させることにより、季節にかかわらず効率を良く維持することができ、特に加熱運転の時は、重力によって凝縮水を分離下降させることで除霜を迅速になすことができるものである。

そして、導管の圧縮機と４方バルブとの間に温水加熱回路を設置して対流暖房と輻射暖房を兼ねることにより、快適な暖房が可能であり、騒音を低減するとともにいつも温水も生成することができるものである。

また、冷媒用伝熱管間にブライン用伝熱管を配置することにより、構造が簡単であり、ヒートポンプシステムの設置場所で易しく求めることができる温水または冷水などをブラインとして利用することにより、維持管理が簡便になるものである。

請求項２記載の発明は、暖房の時、輻射暖房を兼ねることで、快適な暖房をなし、さらに給湯用などの温水を簡便に生成することができるものである。

請求項３記載の発明は、ケーシングに検知手段を設置することで、ブライン循環ポンプまたはバルブの制御を簡便で迅速に行うことができるものである。

請求項４記載の発明は、室外熱交換器の内部圧力の変動によってマイクロスイッチを接続または分離させることで、除霜時期を簡便で速かに合わせることができ、さらに除霜時間の調節を簡便になし得るものである。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態の系統図を示すもので、符号１は基本冷凍回路を示す。前記基本冷凍回路１は、圧縮機２の吐出口、４方バルブ３、室内熱交換器４、冷却用膨張バルブ５、加熱用膨張バルブ６、室外熱交換器７及び前記４方バルブ３を導管８で順に連結し、前記４方バルブ３と圧縮機２の吸入口を吸入導管９で連結し、加熱運転の時は、室内熱交換器４が凝縮器として、室外熱交換器７が蒸発器として作用するようにし、冷却運転の時は、室外熱交換器７が凝縮器として、室内熱交換器４が蒸発器と作用するようにしたものである。

符号１０は温水加熱回路を示すものである。前記温水加熱回路１０は、導管８の圧縮機２と４方バルブ３の間に冷媒バイパス管１１の両端を連結して凝縮器１２を設置し、前記凝縮器１２と熱交換関係を有する温水熱交換器１３を一側に設置し、他側には前記室内熱交換器４の設置床に埋設する放熱コイルまたはラジエーターなどの輻射熱発生手段１４及び給湯用熱交換器１５を循環ポンプ１７の取り付けられた温水循環管１６で連結設置するとともに、前記給湯用熱交換器１５に給湯槽１８を設置し、前記給湯槽１８に給水管１９ａと給湯管１９ｂを連結し、前記圧縮機２で圧縮された高温・高圧の冷媒蒸気の一部が凝
縮器１２で凝縮される時、その凝縮熱によって温水熱交換器１３で温水を生成し、後述するブライン加熱用熱交換器２１に加熱された温水を供給するか、あるいは輻射熱発生手段１４で輻射暖房を兼ねることにより、快適な暖房を行うかまたは浴用または給湯用温水を使用するものである。

符号２０は吸気温度調節手段を示すものである。前記吸気温度調節手段２０は、前記温水循環管１６にブライン加熱用熱交換器２１を並列に連結し、前記吸気導管９にブライン冷却用熱交換器２２をバイパスされるように連結し、前記ブライン加熱用及び冷却用熱交換器２１、２２に伝熱槽２３を形成してブラインを充填し、前記室外熱交換器７に吸気（供給）される外気の温度を調節する温度調節用熱交換器２７を設置し、前記伝熱槽２３に循環ポンプ２５の取り付けられた供給管２４と帰還管２６で連結することにより、加熱運転の際に、外気温度が低い時は、ブライン加熱用熱交換器２１によって伝熱槽２３内のブラインを加熱し、前記加熱されたブラインを温度調節用熱交換器２７に循環させて室外熱交換器７の除霜を行い、一方、冷却運転の際に、外気温度が高い時は、圧縮機２に吸入される低温・低圧の冷媒蒸気をブライン冷却用熱交換器２２に経由させて伝熱槽２３内のブラインを冷却し、前記冷却されたブラインによって、室外熱交換器７に供給される外気を冷却することにより、高温・高圧の冷媒蒸気の凝縮を効率よく行うものである。

前記室外熱交換器７及び温度調節用熱交換器２７は、図２及び図３に示すように、ケーシングＣに冷媒用伝熱管３１とブライン用伝熱管３２をそれぞれジグザグに形成して交互に垂直に配置し、前記冷媒用伝熱管３１とブライン用伝熱管３２にそれぞれ入口及び出口ヘッダー３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂを設置し、冷媒用伝熱管３１は導管８に、かつブライン用伝熱管３２は供給管２４及び帰還管２６に連結し、前記冷媒用伝熱管３１及びブライン用伝熱管３２に複数の一体型フィン３５を垂直に設置し、フィン３５の上部にファン３６を設置することにより、ブライン用伝熱管３２に供給される加熱または冷却されたブラインをフィン３５及び冷媒用伝熱管３１に迅速で効率よく伝達するようにしたものである。

そして、前記循環ポンプ２５は、室外熱交換器７に設置した温度センサー、結露センサーなどの検知手段３７またはタイマー（図示せず）によって簡便で速かに制御し、前記検知手段３７のうち、加熱運転用は、ファンシュラウド３８にマイクロスイッチ３９を設置し、ファンシュラウド３８の内部の前記前記マイクロスイッチ３９の隣接位置にレバー４０の一端を ヒンジで結合するとともに他端にウェイト４１をネジで結合し、フィン３５間に結露が発生すれば室外熱交換器７内の圧力が上昇し、室外熱交換器７内の圧力上昇による負圧によってレバー４０の他端が上昇しながらマイクロスイッチ３９と接続して循環ポンプ２５を駆動することにより、除霜時期を簡便で速かに合わせることができ、さらにウェイト４１をレバー４０のヒンジ点から遠くまたは近く調節することにより除霜時間の調節を簡便になし得るものである。

未説明符号５１、５２はチェックバルブ、５３は凍結防止または始動用ヒーター、５４〜６０はバルブ、６１、６２は温度センサーである。

以上のような本発明の実施例は、加熱運転の時は、バルブ５４、５９を開放し、４方バルブ３を、冷媒が実線矢印の方向に流れるように、操作した後、圧縮機２を駆動すれば、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って温水を生成するか空気調和（対流暖房）の機能などを行い、前記室内熱交換器４で凝縮された高温・高圧の冷媒液はチェックバルブ５１を通じて加熱用膨張バルブ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、前記室外熱交換器７で蒸発された低温・低圧の冷媒蒸気は４方バルブ３を通った後、吸入導管９を経由しながら乾飽和または
過熱蒸気化状態になって圧縮機２に吸入され、前記サイクルを繰り返すものである。

そして、前記のように加熱運転を行って室内熱交換器４で対流暖房運転を行う場合、バルブ５５及びバルブ５７をさらに開放し、圧縮機２で圧縮された高温・高圧の冷媒蒸気の一部を冷媒バイパス管１１に流れるようにして凝縮器１２で凝縮させ、前記凝縮器１２の凝縮熱によって、温水熱交換器１３を流れる温水を加熱して循環ポンプ１７を駆動し、輻射熱発生手段１４で輻射暖房を行うことで対流暖房と輻射暖房を同時に行うことができ、前記のように輻射暖房と対流暖房を同時に行う時、バルブ５５の開度を増大し、バルブ５４の開度を減少させるとともに、室内熱交換器４の付設ファンの回転数を減少させれば、輻射暖房を主として行うから、気流が居住者に触れる量が少なくて快適な暖房が可能であり、騒音も低減するものである。

そして、室内の床の温度が設定温度になれば、温度調節器（図示せず）によってバルブ５７が閉鎖し、バルブ５８が開放して温水加熱回路１０は続いて運転され、前記温水加熱回路１０は、給湯槽１８に設置した温度センサー６１の設定温度によってバルブ５８、５５を閉鎖することにより、運転が停止するものである。また、給湯槽１８から浴用と給湯用温水を共に得ることができるものである。

そして、冷却運転の時は、バルブ５４、５９のみを開放し、４方バルブ３を、冷媒が点線矢印の方向に流れるように、操作した後、圧縮機２を駆動すれば、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、前記室外熱交換器７で凝縮された高温・高圧の冷媒液はチェックバルブ５２を経由して冷却用膨張バルブ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、室内熱交換器４の周りの流体から蒸発熱を吸収することにより、冷水を生成するか空気調和（冷房）の機能などを行い、前記室内熱交換器４で蒸発された低温・低圧の冷媒蒸気は４方バルブ３及び吸入導管９を通じて圧縮機２に吸入され、前記サイクルを繰り返すものである。

また、この冷却運転の時にも、前記暖房運転の時と同様に運転して、バルブ５７のみを閉鎖すれば、給湯槽１８から浴用と給湯用の温水を共に得ることができるものである。

一方、加熱運転の時、外気温度が露点以下に下降する場合には、バルブ５６を開放して、加熱された温水を伝熱槽２３に内蔵されたブライン加熱用熱交換器２１に循環させ、伝熱槽２３内のブラインを設定温度（例えば、４５℃）に加熱して貯蔵し、この状態で、室外熱交換器７に設置された検知手段３７が室外熱交換器７の着霜を検知し、その信号を循環ポンプ２５に出力して駆動させれば、伝熱槽２３内の加熱されたブラインが冷媒用伝熱管３１間に設置されたブライン用伝熱管３２を循環しながら、ブラインの保有熱をフィン３５及び冷媒用伝熱管３１に伝逹することで除霜を実施するものである。

前記のように室外熱交換器７の除霜を実施する時、初期にはファン３６の駆動を停止し、一定時間の後にファン３６を駆動すれば、外気がフィン３５間に流入され、凝縮水は重力によって速かにフィン３５から分離されて下降するので、除霜が迅速で効率的になるものであり、前記室外熱交換器７の除霜が完了すれば、検知手段３７の出力信号中断によって循環ポンプ２５の駆動が停止するので、通常の加熱運転を実施するものである。

そして、冷却運転の時、外気温が高い時は、バルブ５９を閉鎖しバルブ６０を開放すれば、蒸発器として作用する室内熱交換器４で蒸発された低温・低圧の冷媒ガスが伝熱槽２３に内蔵されたブライン冷却用熱交換器２２を通る時、伝熱槽２３内のブラインを冷却して貯蔵し、前記状態で検知手段３７の出力信号によって循環ポンプ２５を駆動すれば、伝熱槽２３内の冷却されたブラインが室外熱交換器７の冷媒用伝熱管３１間に設置されたた
ブライン用伝熱管３２を循環しながらフィン３５及び冷媒用伝熱管３１を冷却することにより、冷媒用伝熱管３１を通過する高温・高圧の冷媒蒸気の凝縮を均一で効率よく行って成績係数を増大させるものである。

本発明の実施例の系統図である。 本発明の実施例の室外熱交換器の一部切断斜視図である。 本発明の実施例の室外熱交換器の断面図である。

符号の説明

１ 基本冷凍回路
４ 室内熱交換器
７ 室外熱交換器
１０ 温水加熱回路
２０ 吸気温度調節手段
２１ ブライン加熱用熱交換器
２２ ブライン冷却用熱交換器
２３ 伝熱槽
３１ 冷媒用伝熱管
３２ ブライン用伝熱管

Claims (4)

1. 圧縮機、４方バルブ、室内熱交換器、冷却用膨張バルブ、加熱用膨張バルブ、室外熱交換器及び前記４方バルブを導管で順に連結し、前記４方バルブと圧縮機を吸入導管で連結した基本冷凍回路と；前記導管の圧縮機と４方バルブとの間に連結した温水加熱回路と；前記温水加熱回路にブライン加熱用熱交換器を並列に連結し、前記吸入導管にブライン冷却用熱交換器をバイパスされるように連結して前記ブライン加熱用熱交換器及びブライン冷却用熱交換器に伝熱槽を形成し、前記室外熱交換器に温度調節用熱交換器を設置し、前記伝熱槽に循環ポンプの取り付けられた供給管と帰還管を介して連結した吸気温度調節手段と；を備え、前記室外熱交換器及び温度調節用熱交換器は、ケーシングに冷媒用伝熱管とブライン用伝熱管を交互に垂直に配置し、前記冷媒用伝熱管及びブライン用伝熱管に複数のフィンを垂直に設置してなるヒートポンプシステム。
2. 前記温水加熱回路は、導管の圧縮機と４方バルブとの間に冷媒バイパス管の両端を連結して凝縮器を設置し、前記凝縮器と熱交換関係を有する温水熱交換器を一側に設置し、他側には前記室内熱交換器の設置床に埋設する輻射熱発生手段及び給湯用熱交換器を循環ポンプの取り付けられた温水循環管で連結設置するとともに、前記給湯用熱交換器に給湯槽を設置してなる、請求項１に記載のヒートポンプシステム。
3. 前記ケーシングに検知手段を付設した、請求項１に記載のヒートポンプシステム。
4. 前記検知手段は、ファンシュラウドにマイクロスイッチを設置し、前記ファンシュラウドの内部の前記マイクロスイッチの隣接位置にレバーの一端をネジで結合するとともに他端にウェイトをネジで結合してなる、請求項３に記載のヒートポンプシステム。

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