JP2008511813A - 再熱回路を備えるヒートポンプ - Google Patents

Abstract

冷媒ヒートポンプシステムは、暖房モードでも冷房モードでも動作可能である。温度および湿度の制御を改善し顕熱および潜熱の容量需要の広い範囲をカバーするために、再熱回路がシステムの回路内に組み込まれる。暖房モードでは、容量損失を伴わずにシステム効率を向上させるために、再熱コイルは、拡大された室内熱交換器（この場合はコンデンサ）の一部として働くように使用される。場合によっては、設計者が、効率向上と容量増大の間で選択できる場合は、暖房モードでは、再熱コイルの選択的な動作により、容量調節の追加の段階を提供することができる。システムの信頼性がスタート・ストップの繰り返しの低減によって改善される。室内および室外熱交換器に関する様々な再熱コイルの配置が提供され、再熱のコンセプトが考えられているが、本発明の利益は、このようなシステム設計の特徴とは独立しておりそれらに対して明白である。

Description

本発明は、冷房モードでも暖房モードでも動作可能であるとともに、正確な温度および湿度の制御、機能強化、信頼性の改善および容量調節の利益をもたらすように、再熱コイルがシステムの回路内に組み込まれ上記の両方の動作モードで選択的に利用される、ヒートポンプシステムに関する。

冷媒システムは、調整対象の様々な室内環境の空気における温度および湿度を制御するために使用される。冷房モードで動作する典型的な冷媒システムでは、冷媒が、圧縮機で圧縮され、コンデンサ（またはこの場合は室外熱交換器）に送られる。コンデンサでは、外部の周囲空気と冷媒の間で熱が交換される。冷媒は、コンデンサから膨張器に流れ、この膨張器で低圧低温に膨張され、次いで、蒸発器（または室内熱交換器）に流れる。蒸発器では、室内空気を調整するように冷媒と室内空気の間で熱が交換される。冷媒システムが動作しているときは、蒸発器は、室内環境に供給される空気を冷却する。さらに、室内空気の温度が低下されるにつれて、通常、空気から湿気が取り除かれる。このようにして、室内空気の湿度の高さを制御することができる。

上記の説明は、冷房動作モードで使用される冷媒システムのものである。暖房モードでは、システム中を通る冷媒流は、基本的に逆方向である。室内熱交換器が、コンデンサになり、調整（この場合は加熱）対象の環境に熱を放出し、室外熱交換器が蒸発器の目的で働き、比較的低温の外部空気と熱交換を行う。ヒートポンプは、暖房モードと冷房モードの両方で動作するために冷媒サイクルを通る冷媒流を逆流させることができるシステムとして知られている。これは通常、四方弁（または等価の装置）をシステム回路中の圧縮機の吐出口の下流に組み込むことによって実現することができる。この四方弁は、システムが暖房または冷房動作モードのときに、冷媒流をそれぞれ室内または室外熱交換器を通すように選択的に方向付けをする。さらに、もし膨張器が逆方向の流れを処理できない場合は、その代わりに１対の膨張器を、それぞれを１つの逆止弁とともに採用すべきである。

場合によっては、システムが冷房モードで動作している間、調整対象の空間に快適な環境を提供するように空気がもたらされる温度の高さが、理想的な湿度の高さを提供する温度より高い必要があることもある。このことは、冷媒システムの設計者に設計上の課題を提示してきた。このような課題に対処する１つの方法は、再熱コイルを組み込む様々な回路を使用することである。多くの場合、再熱コイルは、室内空気流の通り道上で蒸発器の後に配置されるが、蒸発器で空気が冷却されそこで湿気が除去された後、調整対象の空間に供給される空気を再熱するために採用される。

再熱コイルは、冷房モードで動作している空調システム内に組み込まれてきたが、冷房モードでも暖房モードでも動作可能なヒートポンプシステムで、上記の両方の動作モードで、（温度および湿度の正確な制御に加えて）機能強化、信頼性の改善および容量調節を実現するためには使用されていなかった。また、このようなヒートポンプに関連されたシステムの制御は、一般的に十分開発されて来なかった。

本発明の開示された実施形態では、ヒートポンプシステムは、四方弁などの主流れ制御装置を使用することにより、圧縮機から出て回路中を通る冷媒流を逆流させることによって、冷房モードか暖房モードのいずれかで動作可能である。再熱コイルが、システムの回路中に組み込まれ、冷房動作モードと暖房動作モードの両方で選択的に動作される。

冷房モードでは、再熱コイルは、気相、液相または二相状態の比較的高温の冷媒流を受け取り、空気流が従来の設計回路によって提供されるであろう温度より高い温度に（こうした冷媒との熱伝達相互作用によって）再熱する。再熱コイルは一般的に、除湿した空気を所望の温度で調整対象の環境に供給することを可能にする。室内熱交換器の周りを空気流が通され、その熱交換器は空気を低温に維持しその空気から確実に湿気を除去するが、多くの場合、調整対象の環境で所望の温度より低い温度となる。次いで、この空気の少なくとも一部は、再熱コイルの周りを通り、そこで目標の温度まで再熱される。

暖房モードでは、再熱コイルは、吐出圧を低減させることによってシステムの機能を強化するために、拡大された室内熱交換器（この場合はコンデンサ）の一部として働くように利用される。この結合された室内熱交換器の増大された寸法により、通常は容量の損失なしにヒートポンプ効率を向上させる。場合によっては、設計者が、効率の向上と容量の増大の間で選択できるとき、再熱コイルの選択的な動作により、暖房モードにおける容量調節の追加の段階を提供することができる。

暖房動作モードでは、いくつかの異なる構成においてヒートポンプ効率を向上させるように再熱コイルを使用することができる。本発明は、再熱コイル用の別々の取出し点（ｔａｐ）および戻り点（ｒｅｔｕｒｎ ｐｏｉｎｔ）が、関連する冷媒流れ制御装置とともに採用される、様々なシステム構成を提供する。このようにして、システム設計者は、冷媒が異なる熱物理特性および流れのパターンを有するように再熱コイルを使用するという選択肢を有する。いくつかの実施形態では、再熱コイルは、室内および室外熱交換器と直列または並列連通のいずれかとすることができ、動作モードに応じて再熱コイル中を同じまたは反対方向に冷媒を流すことができる。当業者はまた、これがどの程度有益な制御オプションを提供するかを認識している。

以下の明細書および図面は、多種多様の既知の再熱回路の設計およびシステム構成を包含するものではなく、本発明の教示から得られる利益をもたらすための例示的な回路を示しているにすぎない。

これらのおよび他の本発明の特徴は、以下の詳細な説明および図面から最もよく理解することができる。

図１は、圧縮された冷媒を吐出ライン１４に送り、圧縮しようとする冷媒を吸入ライン１６から受け取る圧縮機１２を組み込んだヒートポンプシステム１０を示す。四方弁１８などの主流れ制御装置は、図示のように、冷房または暖房動作モードで、それぞれ室外熱交換器２０または室内熱交換器２４のいずれかに冷媒を通らせる。冷房モードでは、冷媒は、吐出ライン１４から出て四方弁１８中を通り、室外熱交換器２０へと下流に向かう。室外熱交換器２０の下流には膨張器２２があり、膨張器２２の下流には室内熱交換器２４がある。冷媒は、再び四方弁１８を通り吸入ライン１６を通って圧縮機１２に戻される。従来の冷房動作モードでは、室内熱交換器２４（この場合は蒸発器）の周りを流れる空気は、冷却され、通常は除湿された後に調整対象の環境に供給される。

暖房モードでは、冷媒は、吐出ライン１４から出て、四方弁１８を通って室内熱交換器２４、膨張器２２、室外熱交換器２０、を通り、再度四方弁１８を通って、吸入ライン１６に至り、最後に圧縮機１２に戻る。暖房モードでは、室内コイル２４（この場合はコンデンサ）の周りを通る空気は、加熱された後に調整対象の空間に入る。

当業界で知られているように、膨張器２２が逆方向の流れを処理できない場合は、それぞれが、一方向膨張器と、冷媒流を適切な方向に制御するための逆止弁と、を備えた２つのアセンブリを代わりに使用することができる。

図１に示すように、吐出ライン１４に、冷媒の少なくとも一部をライン１４の主冷媒流から選択的に取り出して再熱コイル３２に向けることを可能にする三方弁３０が組み込まれている。この冷媒は、再熱コイル３２中を通り、任意選択的な逆止弁３６を有する冷媒ライン３４を通り、主要回路のライン１４に戻る。当業界で知られているように、１対のＯＮ／ＯＦＦ弁または調整弁を三方弁の代わりに使うことができる。

再熱コイル３２は、空気移動装置３３によって押し流されて室内熱交換器２４の周りを通過した空気の流路内に配置される。再熱コイルが冷房動作モードで使用されるのは、システム制御装置が調整対象の環境に供給される空気を、温度の高さを維持しながら主として除湿することが望ましいと判断するときである。システム制御装置は、室内熱交換器２４が、室内環境へ向かう空気流を冷却するとともに除湿するように調整し、次いでその空気の少なくとも一部が再熱コイルの周りを通り、この再熱コイルがその空気をその環境にとって所望の温度まで再熱するように、冷媒流およびシステムの動作を管理する。したがって、冷房モードで再熱コイル３２を使用することによって、本発明は、温度および湿度に関してヒートポンプシステムの動作の制御を改善し、動作の柔軟性を強化し、外部の潜熱および顕熱の負荷需要のより広い範囲をカバーする。冷房動作モードで再熱コイルが室外熱交換器の上流に配置された、ホットガス再熱回路が、図１に示されるが、以下でその利益が明らかになる本発明の教示は、どんな特定の再熱システム設計とも関係なく、どんな再熱コンセプトおよびシステム構成に対しても明白である。

暖房モードでは、吐出ライン１４中の冷媒の少なくとも一部が、所望の場合にヒートポンプ効率を向上させるために再熱コイル３２を流れるように、三方弁３０によって選択的に案内される。次いでこの冷媒は、冷媒ライン３４および逆止弁３６を通って三方弁３０の下流の吐出ライン１４に戻される。続いて、この冷媒は、四方弁１８、室内熱交換器２４、膨張器２２、室外熱交換器２０、を通り、再度四方弁１８中を流れて最後に圧縮機１２に戻ることによって、引き続き加熱サイクルを通る。したがって、再熱コイル３２と室内熱交換器２４とが結合され、事実上、結合されて拡大されたコンデンサを表し、このコンデンサは、吐出圧（およびしたがって温度）の低減およびヒートポンプシステム１０の効率向上を可能にする。このような効率向上には通常はどんな容量損失も伴わないが、まれに、設計者が、効率の向上と容量の増大の間で選択しなければならないときに、再熱コイル３２の選択的な動作により、暖房モードにおけるより高い効率のレベルでの容量調節の追加の段階を提供することができる。その結果、システム効率および信頼性を、スタート・ストップの繰り返しの低減によって改善することができる。図１に示す再熱サイクルの場合は、この構成が、（追加のハードウェアを必要としないので）最も単純であり、（暖房モードでは、冷媒流と空気流が、熱伝達相互作用のために向流するように配置されるので）最も効率的であるが、他の冷媒流パターンおよびシステム構成要素の配置もまた、以下で明らかになるように実現可能である。

図１に示すように、ヒートポンプシステム１０はまた、任意選択的な遮断弁４０、４２を備える。さらに、ライン３４上に任意の遮断弁３８が配置され、それを逆止弁３６の代わりに使用することができる。当然のことながら、ヒートポンプシステム１０が暖房モードで動作していて、冷媒が、上記に説明したように、三方弁３０から流れ再熱コイル３２を通り、ライン３４を通って吐出ライン１４に戻るときには、弁４０および弁４２は、閉となり、弁３８は開となる。

冷媒流を再熱コイル３２と室内熱交換器２４を通る並列の配置にすることが望ましい場合は、弁４０が開けられ、三方弁３０が開けられ、弁３８、４２は閉じられる。冷媒の少なくとも一部は、今や三方弁３０から流れ再熱コイル３２中を通り、目下開いている弁４０を通って室内熱交換器２４の下流の冷媒ライン２８に戻ることができる。さらに、冷媒が室内熱交換器２４中を流れた後に再熱コイル３２中を流れることが望ましい場合は、冷媒をコイル３２に通すために弁４０、４２が開けられ、三方弁３０および弁３８が閉じられる。

さらに、三方弁３０および弁４０を閉じて弁３８、４２を開けることによって、再熱コイル３２に至る入口および出口用冷媒ラインを切り替えて、制御および柔軟性を高めることができる。（この場合、逆止弁３６が存在するはずのないことに留意されたい。）最後に、弁４２を開けることにより、所望の場合、前述のシステム構成のいくつかで、再熱コイル３２の周りに冷媒をバイパスさせる選択肢を与える。

上記に示し評価をしたシステム配置は、例示的であり説明の目的だけのためとみなされることを理解されたい。明らかに、各システム構成を別々に採用することができ、同じく多くの他の回路も、冷媒流れ制御装置および連結用のラインを追加することによって実現可能である。

他のヒートポンプシステム回路５０が、図２に示されている。弁３８、４０、４２は、図１の実施形態と同様に動作する（この場合も弁４０、４２を任意選択的に設けることができる）。ただし、もう１つの弁５２が、システム設計内に組み込まれており、冷房動作モードにおけるさらなる柔軟性を提供する。ここでは、三方弁３０および遮断弁５２を開けて遮断弁３８、４０、４２を閉じることによって再熱コイル３２と室外コイル２０を並列配置に構成することができる。さらに、図１の実施形態のように、再熱コイル３２が室内熱交換器２４の上流に配置された暖房動作モード用の直列配置では、制御装置が、三方弁３０および遮断弁３８を開けて、弁４０、４２、５２を閉じることができる。これは、冷媒が再熱コイル３２中を流れた後、室内熱交換器２４に入ることを可能にする。

さらに、図１の実施形態と同様に、暖房動作モードで並列の流れの配置が好ましい場合は、三方弁３０および遮断弁４０が開けられ、遮断弁３８、４２、５２が閉じられる。さらに、遮断弁４０、４２を開け遮断弁３８、５２および三方弁３０を閉じることにより、冷媒が順次、室内熱交換器２４中を通った後に再熱コイル３２中に入ることが可能になる。最後に、図１の実施形態のように、制御装置は、所望の場合、冷媒を反対方向に再熱コイル３２中を流れることを可能にすることができる。関連する流れ制御装置を有する補助サイクルの支流が選択可能なので、明らかに、図２の実施形態システムのどんなサブシステムも単独で採用することができる。さらに、当業者は、所望の条件および設計要件に合うように様々な選択肢をどのようにして最適に使用するかを理解している。

他のヒートポンプ回路６０が、図３に示されており、冷房動作モードで再熱コイル内で中温の液相または二相混合物が使用される。この実施形態では、遮断弁６２が設計に追加され、遮断弁７２を、再熱コイルから主要回路への戻り冷媒ラインで逆止弁の代わりに使用する。前述のように、従来の設計と比較して、冷房および除湿動作モードは変更がない。ただし、遮断弁７２は除湿動作モード中に開いていなければならない。暖房モードでは、冷媒流は、システムの主要回路ならびに再熱コイルを通って逆流される。暖房モード中は、弁６２は開けられ弁７２は閉じられている。冷媒は、まず室内熱交換器２４中を、次いで再熱コイル３２中を流れる。暖房動作モードで再熱コイルが使用されるときは、こうした構成には第２の膨張器７４が必要とされ、暖房モード中に冷媒流の量および適切な方向を制御するための逆止弁７６と、冷房モード中に膨張器７４を迂回して再熱コイル３２への流れを可能にするための逆止弁８０を備えたバイパスライン７８と、を備える。さらに、単一の膨張器が冷房動作モードでも暖房動作モードでも使用されようとする場合は、遮断弁８１が、この代替の設計配置を提供する。

さらに、バイパスライン６８が、室外熱交換器２０を迂回する冷媒流を可能にする。弁６６、７０が、室外熱交換器２０中をおよびそれを迂回して流れる冷媒流の量を制御する。より小さい顕熱冷却システム容量が必要であるが、除湿（潜熱容量）がやはり望ましいときに、このようなバイパスを使用することができる。

図４は、他のシステムの回路８２を示す。暖房動作モード中に、冷媒が、まず再熱コイル３２中を、次いで室内熱交換器２４中を流れることを除き、この設計は図３の実施形態の設計に類似している。暖房モード中は、遮断弁８４と８６が同時に開位置に、弁７２が閉位置に制御されるべきである。

図５は、ヒートポンプシステム回路９０を示す。この設計では、冷媒は、全ての動作モードで再熱コイル３２を同じ方向に流れる。暖房モードでは、冷媒は、室内熱交換器２４、次いで再熱コイル３２を通って順に流れる。第２の膨張器９８が電子的に制御されない場合は、その下流に遮断弁１００が追加される。遮断弁９２、９６も、設計に追加され、後者は従来の逆止弁の代わりに使用される。任意選択的な遮断弁９４も冷媒ライン９５上に配置される。暖房動作モード中は、再熱コイル３２が動作可能な場合、遮断弁９２、１００は開かれ、弁９６は閉じられる。同じ膨張器を暖房モードでも冷房モードでも使用しようとする場合は、遮断弁９４が開けられ、遮断弁１００が閉じられる。

図６は、さらに他の実施形態１１０を示すが、これは図５の実施形態とある程度類似している。実施形態１１０において、冷媒は、暖房動作モードで、再熱コイル３２を通った後に室内熱交換器２４に流入する。前述のように、冷媒は、全ての動作モードにおいて再熱コイル３２を通って同じ方向に流れる。システムの回路に遮断弁１１４が追加される。暖房モード中は、遮断弁１１２、１１４は開けられており、遮断弁９６は閉じられている。

これらの実施形態全てと同様に、暖房動作モードで再熱コイルに至る入口および出口用冷媒ラインの位置を切り替えて、制御および動作の柔軟性を高めることができる。また、すべての遮断弁の代わりに、変化する外部負荷需要に対するシステムの応答を無限に改善する調整流れ制御装置を使用することができる。さらに、除湿動作モードで変動する顕熱比を得るように室外コイル周りに迂回させる同一のバイパス機能を実行するために、単一の三方弁を、１対の従来の弁の代わりに使用することができる。当業者は、適切な制御装置を設計することができる。

さらに、当業者は、冷媒システムの様々な弁および構成要素を制御するためにどのような制御装置が必要となるか、ならびに何が様々な制御装置がその状況で実装される必要がある望ましい状況なのかを認識している。

特定のシステムの回路および再熱回路コンセプトが開示されているが、多くの他の再熱回路の設計を利用することができ、それらが本発明の教示から得られる最大限の利益を提供することが当業者によって理解されるであろう。したがって、本発明は、再熱回路の組み込みを暖房モードでも冷房モードでも動作可能なヒートポンプシステムに広く拡大し、顕熱および潜熱負荷需要を満たすために、また、機能強化、信頼性の改善および容量調節のために温度および湿度の制御の柔軟性の利点を提供する。このような利点は、本発明の趣旨を特徴付ける、暖房動作モードと冷房動作モードの両方における再熱コイルの選択的な動作によって得られる。

本発明の好ましい実施形態を説明してきたが、当業者は、何らかの修正形態も本発明の範囲に含まれることを認識する。よって、本発明の真の範囲および内容を決定するために添付の特許請求の範囲を熟慮すべきである。

第１の回路を示す図である。 第２の回路を示す図である。 第３の回路を示す図である。 第４の回路を示す図である。 第５の回路を示す図である。 第６の回路を示す図である。

Claims (20)

1. 冷媒を圧縮し、上記冷媒を吐出ラインに送る圧縮機であって、吸入ラインから冷媒を受け取る圧縮機と、
   室内熱交換器および室外熱交換器と、
   冷房モードのときは、冷媒を、上記吐出ラインから冷媒回路を通って、室外熱交換器、膨張器、次いで室内熱交換器へと送るように動作可能であり、暖房モードのときは、冷媒を、上記冷媒回路を通って上記吐出ラインから上記室内熱交換器、膨張器、次いで上記室外熱交換器へと送るように動作可能である主流れ制御装置と、
   上記冷媒回路から冷媒を取り出しかつこの冷媒を上記冷媒回路に戻すように上記冷媒回路に連通した再熱コイルと、
   上記室内熱交換器の周りを通して調整対象の環境に空気を送り、かつ上記空気の少なくとも一部を上記再熱コイルの周りを通過させる空気移動装置と、
   所望のときに冷房動作モードおよび暖房動作モードの双方で、冷媒の少なくとも一部を上記再熱コイルに通す再熱回路流れ制御装置を選択的に動作させる制御装置と、
   を備える冷媒システム。
2. 上記再熱回路流れ制御装置が、冷媒を上記冷媒回路から上記再熱コイルに選択的に通す三方弁である請求項１に記載の冷媒システム。
3. 上記主流れ制御装置が四方弁である請求項１に記載の冷媒システム。
4. 上記再熱コイルと上記室内熱交換器が、上記暖房動作モードで直列に配置される請求項１に記載の冷媒システム。
5. 上記再熱コイルが、上記室内熱交換器の下流に配置される請求項４に記載の冷媒システム。
6. 上記再熱コイルが、上記室内熱交換器の上流に配置される請求項４に記載の冷媒システム。
7. 上記再熱コイルおよび上記室内熱交換器が、上記暖房動作モードで並列に配置される請求項１に記載の冷媒システム。
8. 上記再熱コイルを通る流れが、上記冷房動作モードと暖房動作モードで同じ方向である請求項１に記載の冷媒システム。
9. 上記再熱コイルを通る流れが、上記冷房動作モードと暖房動作モードで互いに反対方向である請求項１に記載の冷媒システム。
10. 上記再熱コイルが、上記主流れ制御装置の上流に配置される請求項１に記載の冷媒システム。
11. 上記再熱コイルが、上記主流れ制御装置の下流に配置される請求項１に記載の冷媒システム。
12. 上記再熱コイルが、上記主流れ制御装置の上流に配置された入口ラインと、上記主流れ制御装置の下流に配置された戻りラインと、を有する請求項１に記載の冷媒システム。
13. バイパスが、冷媒を選択的に上記室外熱交換器を迂回させる請求項１に記載の冷媒システム。
14. 上記バイパスが選択的に制御可能な弁を含む請求項１３に記載の冷媒システム。
15. 上記膨張器が、上記暖房モードと冷房モードのそれぞれで１つが動作可能である１対の膨張器を備える請求項１に記載の冷媒システム。
16. （１）冷媒を、冷房モードか暖房モードのいずれかで動作するシステム中と、再熱コイル中と、室内熱交換器の周りを通る空気の少なくとも一部が上記再熱コイルの周りも通るように該再熱コイルの隣に配置された上記室内熱交換器中と、に選択的に通らせる主流れ制御装置を提供するステップと、
    （２）上記冷媒システムを上記暖房モードまたは冷房モードの一方で選択的に動作させ、所望の場合は冷房モードと暖房モードの双方で、冷媒を上記再熱コイルに選択的に通らせるステップと、
    を含む冷媒システムの運転方法。
17. 室外熱交換器を迂回するバイパスを提供するステップと、上記バイパスを所望のときに選択的に動作させるステップと、をさらに含む請求項１６に記載の方法。
18. 上記室内または室外熱交換器の一方と直列か、または上記室内または室外熱交換器の一方と並列の上記再熱コイルに任意に上記冷媒流を提供するステップと、所望の冷媒流を提供するように流れ制御装置を選択的に動作させるステップと、をさらに含む請求項１６に記載の方法。
19. 上記冷媒を上記再熱コイル中に上記選択的に通らせるステップが、暖房動作モードでのシステム効率を向上させるために使用される請求項１６に記載の方法。
20. 上記冷媒を上記再熱コイル中に上記選択的に通らせるステップが、暖房動作モードで容量調節を提供するために使用される請求項１６に記載の方法。

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