JP2009264717A - ヒートポンプ温水システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換効率の高いヒートポンプ温水システムを提供すること。
【解決手段】本発明は、室外機１と、冷暖房パネル４と、冷媒水熱交換器２１を有する室内機２と、貯湯タンク３２と、タンク用水冷媒熱交換器３１と、水ポンプ２２とを有し、タンク用水冷媒熱交換器３１を水冷媒熱交換器２１と並列に配設し、水冷媒熱交換器２１から出る冷媒温度を検出する室内側冷媒温度検出手段２４と、タンク用水冷媒熱交換器３１から出る冷媒温度を検出するタンク側冷媒温度検出手段２６と、水冷媒熱交換器２１から出る水の温度を検出する出水温度検出手段２３と、貯湯タンク３２内の温度を検出するタンク水温検出手段３３とを備え、圧縮比が所定値よりも低い場合は、絞り機構を閉じる方向に動作させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、温水で暖房を行うヒートポンプ温水システムに関するものである。

図２は、従来の水と冷媒とを熱交換するヒートポンプ装置を示した構成図である。図２に示すように、従来のヒートポンプ装置では、貯湯タンクの下部の水をヒートポンプに供給するとともに、貯湯タンクの上部にヒートポンプで生成された高温水を貯留する一方で、風呂の追い焚きや床暖房等には、温水を循環することで機能を実現させており、風呂や床暖房を循環する温水は、貯湯タンク内の高温水と風呂や床暖房を循環して戻ってきた低温水とで熱交換し、貯湯タンク内の高温水の熱から吸熱し、再度高温水となって風呂の追い焚きや床暖房パネル内を循環している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−１１３８３６号公報

しかしながら、前記従来の構成では、貯湯タンクから湯を取り出して外部の熱交換器にて水と水とで熱交換しているため、貯湯タンクが有する熱量に制限があると同時に、低外気温下に設置した場合には、貯湯タンクから熱交換器までの配管、もしくは風呂や床暖房パネルから熱交換器までの配管に温水を流通させると外気温の影響を受けやすく、さらに熱交換効率が低下してしまうという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、熱交換効率の高いヒートポンプ温水システムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ温水システムは、空気熱源熱交換器と四方弁と圧縮機と絞り機構とを有する室外機と、温水または冷水を循環して冷暖房を行う冷暖房パネルと、冷媒と前記冷暖房パネル内の水とを熱交換する水冷媒熱交換器を有する室内機と、湯水を貯える貯湯タンクと、前記貯湯タンク内に設けて冷媒と水とを熱交換するタンク用水冷媒熱交換器と、前記冷暖房パネル内を流通する水を搬送するための水ポンプとを有し、前記空気熱源熱交換器と前記四方弁と前記圧縮機と前記水冷媒熱交換器と前記絞り機構で冷凍サイクルを構成すると共に、前記タンク用水冷媒熱交換器を前記水冷媒熱交換器と並列に配設し、前記水冷媒熱交換器および前記タンク用水冷媒熱交換器が凝縮器として作用する時の前記水冷媒熱交換器から出る冷媒温度を検出する室内側冷媒温度検出手段と、前記タンク用水冷媒熱交換器から出る冷媒温度を検出するタンク側冷媒温度検出手段と、前記水冷媒熱交換器から出る水の温度を検出する出水温度検出手段と、前記貯湯タンク内の温度を検出するタンク水温検出手段と、前記水冷媒熱交換器および前記タンク側水冷媒熱交換器が凝縮器として作用する時の前記水冷媒熱交換器の冷媒出口側に冷媒量を絞る室内側膨張弁と、前記タンク側水冷媒熱交換器の冷媒出口側に冷媒量を絞るタンク側膨張弁と、前記圧縮機の高圧側の圧力を検出する高圧側圧力検出手段と、前記圧縮機の低圧側の圧力を検出する低圧側圧力検出手段とを備え、前記高圧側圧力検出手段と前記低圧側圧力検出手段によって検出された圧力に基づいて算出される圧縮比が所定値よりも低い場合は、前記絞り機構を閉じる方向に動作させることにより、冷媒経路を複数に分岐しているので、同時に複数の熱交換器で冷媒と水とを熱交換することができ、さらに、適正な圧縮比となるような制御が可能となり、圧縮機の信頼性を向上させることができる。

本発明は、熱交換効率の高いヒートポンプ温水システムを提供することができる。

第１の発明のヒートポンプ温水システムは、空気熱源熱交換器と四方弁と圧縮機と絞り機構とを有する室外機と、温水または冷水を循環して冷暖房を行う冷暖房パネルと、冷媒と前記冷暖房パネル内の水とを熱交換する水冷媒熱交換器を有する室内機と、湯水を貯える貯湯タンクと、前記貯湯タンク内に設けて冷媒と水とを熱交換するタンク用水冷媒熱交換器と、前記冷暖房パネル内を流通する水を搬送するための水ポンプとを有し、前記空気熱源熱交換器と前記四方弁と前記圧縮機と前記水冷媒熱交換器と前記絞り機構で冷凍サイクルを構成すると共に、前記タンク用水冷媒熱交換器を前記水冷媒熱交換器と並列に配設し、前記水冷媒熱交換器および前記タンク用水冷媒熱交換器が凝縮器として作用する時の前記水冷媒熱交換器から出る冷媒温度を検出する室内側冷媒温度検出手段と、前記タンク用水冷媒熱交換器から出る冷媒温度を検出するタンク側冷媒温度検出手段と、前記水冷媒熱交換器から出る水の温度を検出する出水温度検出手段と、前記貯湯タンク内の温度を検出するタンク水温検出手段と、前記水冷媒熱交換器および前記タンク側水冷媒熱交換器が凝縮器として作用する時の前記水冷媒熱交換器の冷媒出口側に冷媒量を絞る室内側膨張弁と、前記タンク側水冷媒熱交換器の冷媒出口側に冷媒量を絞るタンク側膨張弁と、前記圧縮機の高圧側の圧力を検出する高圧側圧力検出手段と、前記圧縮機の低圧側の圧力を検出する低圧側圧力検出手段とを備え、前記高圧側圧力検出手段と前記低圧側圧力検出手段によって検出された圧力に基づいて算出される圧縮比が所定値よりも低い場合は、前記絞り機構を閉じる方向に動作させることにより、冷媒経路を複数に分岐しているので、同時に複数の熱交換器で冷媒と水とを熱交換することができ、さらに、適正な圧縮比となるような制御が可能となり、圧縮機の信頼性を向上させることができる。

第２の発明のヒートポンプ温水システムは、特に第１の発明において、圧縮比が所定値よりも高い場合は、前記絞り機構を開く方向に動作させることにより、さらに、適正な圧縮比となるような制御が可能となり、圧縮機の信頼性を向上させることができる。

第３の発明のヒートポンプ温水システムは、特に第１または第２の発明において、圧縮比が所定値よりも高い場合は、前記圧縮機の運転周波数を下げることにより、さらに、適正な圧縮比となるような制御が可能となり、圧縮機の信頼性を向上させることができる。

第４の発明のヒートポンプ温水システムは、特に第１から第３の発明において、圧縮比が所定値よりも低い場合は、前記圧縮機の運転周波数を上げることにより、さらに、適正な圧縮比となるような制御が可能となり、圧縮機の信頼性を向上させることができる。

第５の発明のヒートポンプ温水システムは、特に第１から第４の発明において、前記空気熱源熱交換器に送風する送風ファンを備え、圧縮比が所定値の範囲外にある場合は、前記送風ファンの回転速度を変更することにより、さらに、適正な圧縮比となるような制御が可能となり、圧縮機の信頼性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ温水システムの構成図を示すものである。図１において、ヒートポンプ温水システムは、室外機１、室内機２、タンクユニット３、冷暖房パネル４で構成される。以下にそれぞれのユニットの構成について説明する。

室外機１には、空気と冷媒とで熱交換を行うための空気熱源熱交換器１１、冷媒を減圧するための絞り機構１２、冷凍サイクルを暖房サイクル（空気熱源熱交換器１１が蒸発器として作用）および冷房サイクル（空気熱源熱交換器１１が凝縮器として作用）のどちらかとなるように切り換えるための四方弁１３、冷媒を高温高圧に圧縮する圧縮機１４、空気熱源熱交換器１１において空気と冷媒との熱交換を促進するための送風ファン１５、圧縮機１４の冷媒吐出口側に高圧側圧力検出手段である圧力センサ１６、圧縮機１４の冷媒吸入側に低圧側圧力検出手段である圧力センサ１７が設けられている。

そして室内機２に配設される水冷媒熱交換器２１と、絞り機構１２と、空気熱源熱交換器１１と、圧縮機１４とを図１に示すように四方弁１３を介して順次冷媒配管で接続して冷凍サイクルを構成している。さらに、水冷媒熱交換器２１と絞り機構１２との間と、四方弁１３と水冷媒熱交換器２１との間から冷媒配管がそれぞれ分岐する構成となっており、水冷媒熱交換器２１と並列な位置となるようにタンク用水冷媒熱交換器３１が設けられている。なお、四方弁１３の実線で示す回路が暖房サイクル時の回路となり、点線で示す回路が冷房サイクル時の回路となる。また、室外機１内の機器を制御するための制御基板１８を有している。

室内機２には、冷暖房パネル４を流通する水と冷媒で熱交換を行う水冷媒熱交換器２１、冷暖房パネル４を流通する水を搬送する水ポンプ２２、水冷媒熱交換器２１から出る水の温度を検出する出水温度検出手段であるサーミスタ２３が配設されており、水冷媒熱交換器２１の水経路と、水ポンプ２２と、冷暖房パネルの水経路が順次配管で環状に接続されている。また、室内機２内の機器を制御するための制御基板２８を有している。

また、水冷媒熱交換器２１が凝縮器として作用する時の、水冷媒熱交換器２１から出る冷媒の温度を検出する室内側冷媒温度検出手段であるサーミスタ２４、水冷媒熱交換器２１から出る冷媒の流量を絞るための室内側膨張弁２５を備えている。さらに、タンク側水冷媒熱交換器３１が凝縮器として作用する時の、タンク側水冷媒熱交換器３１から出る冷媒の温度を検出するタンク側冷媒温度検出手段であるサーミスタ２６、タンク側水冷媒熱交換器３１を流れる冷媒の流量を絞るためのタンク側膨張弁２７を備えている。

タンクユニット３には、湯水を貯える貯湯タンク３２、貯湯タンク３２内の湯水を沸き上げるために貯湯タンク３２内にタンク側水冷媒熱交換器３１が配設されている。さらに貯湯タンク３２内の湯水の温度を検出するタンク水温検出手段であるサーミスタ３３が配設されている。また貯湯タンク３２の下部には、給水源から水を供給するための給水管３４が接続されており、貯湯タンク３２の上部には、給湯端末へ湯を供給するための出湯管３５が設けられている。

冷暖房パネル４は、水冷媒熱交換器２１で生成した冷水または温水を流通させることで、居室内で暖房もしくは冷房を実現するものである。

以上のように構成されたヒートポンプ温水システムについて、以下その動作、作用を説明する。

まず、暖房サイクル時には、四方弁１３に実線で示す経路となるように四方弁１３を切り換えて、圧縮機１４の運転を開始することで、冷凍サイクル内に冷媒を流通させる。なお、暖房サイクル時には、図１の実線矢印方向に冷媒が流れる。そして、空気熱源熱交換器１１で熱を吸熱するとともに、圧縮機１４で高温高圧冷媒を生成する。

そして、高温高圧の冷媒は、冷媒配管５１から水冷媒熱交換器２１に入る冷媒配管５２
と、タンク側水冷媒熱交換器３１に入る冷媒配管５３とに分岐してそれぞれの熱交換器へ流入する。それぞれの熱交換器へ流入する冷媒量は、室内側膨張弁２５およびタンク側膨張弁２７の開度を調節することで決定される。

冷媒配管５２を通って水冷媒熱交換器２１へ入った高温高圧の冷媒は、冷暖房パネル４を流通する水と熱交換する。そして水冷媒熱交換器２１で生成された高温水は、サーミスタ２３が検出する温度が、使用者が設定した温度となるように水ポンプ２２を駆動することによって冷暖房パネル４内を流通し、使用者の居住空間に快適な暖房を提供する。

一方、冷媒配管５３を取ってタンク側水冷媒熱交換器３１へ入った高温高圧の冷媒は、貯湯タンク内部に貯えられている湯水と熱交換する。そして、サーミスタ３３で検出する温度が、使用者が操作部（図示せず）にて設定する温度となるように貯湯タンク３２内の湯水を沸き上げる。

そして、水冷媒熱交換器２１から出てくる冷媒配管５４と、タンク側水冷媒熱交換器３１から出てくる冷媒配管５５とが合流して、一つの冷媒配管５６となり、絞り機構１２で減圧されて、再度空気熱源熱交換器１１で空気と冷媒とで熱交換を行う。

また、水冷媒熱交換器２１から出る熱交換した後の冷媒の温度やタンク側水冷媒熱交換器３１から出る熱交換した後の冷媒の温度の情報に基づいて、圧縮機１４の周波数や、絞り機構１２の調節を行っている。

次に、冷房サイクル時について説明する。冷房サイクル時には、四方弁１３に点線で示す経路となるように四方弁１３を切り換えて、圧縮機１４の運転を開始することで、冷凍サイクル内に冷媒を流通させる。なお、冷房サイクル時には、図１の点線矢印方向に冷媒が流れる。そして、圧縮機１４で生成された高温高圧冷媒は、空気熱源熱交換器１１で空気と熱交換すると共に、絞り機構１２で減圧される。

そして、低温低圧の冷媒は、冷媒配管５６から水冷媒熱交換器２１に入る冷媒配管５４と、タンク側水冷媒熱交換器３１に入る冷媒配管５５とに分岐してそれぞれの熱交換器へ流入する構成となっているが、通常は、貯湯タンク３２は湯を貯えておくので、タンク側膨張弁２７を全閉にしておくことで、タンク側水冷媒熱交換器３１へは冷媒が供給されず、貯湯タンク内の湯水の温度低下を防止している。

また、冷媒配管５４を通って水冷媒熱交換器２１へ入った低温低圧の冷媒は、冷暖房パネル４を流通する水と熱交換する。そして水冷媒熱交換器２１で生成された冷温水は、サーミスタ２３が検出する温度が、使用者が設定した温度となるように水ポンプ２２を駆動することによって冷暖房パネル４内を流通し、使用者の居住空間に快適な冷房を提供する。

以上のように構成されたヒートポンプ温水システムは、冷媒と空気とで熱交換を行う通常の空気調和機に比べて、水と冷媒とで熱交換しているので熱交換効率に優れるが、冷房では高圧が高くなり、暖房では高圧が低くなる。その結果、圧縮比が非常に大きくなったり、小さくなったりしてしまい、圧縮機の信頼性を確保しなければならない。

そのため、本発明では、高圧側圧力検出手段である圧力センサ１６および低圧側圧力検出手段である圧力センサ１７で検出される圧力値を、制御基板１８で読み取り、圧縮比（高圧／低圧）を算出する。その算出結果が、予め制御基板１８で記憶させている所定値Ａよりも低い場合には、絞り機構１２の開度を閉じる方向に動作させて、圧縮比を所定値よりも高くなるように、絞り機構１２を制御する。その結果、圧縮比を確保することができ
、圧縮機１４の信頼性を向上させることができる。

また、本発明では、圧縮比が予め制御基板１８で記憶させている所定値Ａよりも低い場合には、圧縮機１４の運転周波数を上げて高圧と低圧との差を確保し、圧縮比を所定値よりも高くする。その結果、圧縮比を確保することができ、圧縮機１４の信頼性を向上させることができる。

また、本発明では、圧縮比が、予め制御基板１８で記憶させている所定値Ｂよりも高い場合には、絞り機構１２の開度を開く方向に動作させて、圧縮比を所定値よりも低くなるように絞り機構１２を制御する。その結果、圧縮比を所定範囲内に収めることができるので、圧縮機１４の信頼性を向上させることができる。

また、本発明では、圧縮比が、予め制御基板１８で記憶させている所定値Ｂよりも高い場合には、圧縮機１４の運転周波数を下げて高圧と低圧との差を狭めて、圧縮比を所定値よりも低くする。その結果、圧縮比を所定範囲内に収めることができるので、圧縮機１４の信頼性を向上させることができる。

また、本発明では、圧縮比が、予め制御基板１８で記憶させている所定値Ａから所定値Ｂの間（所定値Ａ＜所定値Ｂ）の範囲外となる場合は、送風ファン１５の回転速度の変更を行う。

例えば、暖房サイクル時において、低外気温時には、低圧側が著しく低下するため、圧縮比が大きくなってしまう。そのため低外気温度（例えば、−１０度）以下の時に、圧縮比が所定値Ｂよりも高い場合には、送風ファン１５の回転速度を、通常の回転速度よりも上げることで低圧側を上昇させる。そして、低圧側を上昇させた場合、室温側に変化がなければ、低外気温時には高圧側は殆ど上昇しないので、圧縮比を低くすることができる。また、高外気温度（例えば、１５度）の条件下で圧縮比が所定値Ａよりも小さい場合は、送風ファン１５の回転速度を、通常の回転速度よりも下げることで、低圧側を低下させて圧縮比を高くすることができる。

また、冷房サイクル時において、高外気温時には、高圧側が著しく上昇するため、圧縮比が高くなってしまう。そのため高外気温度（例えば、４０度）の条件下で圧縮比が所定値Ｂよりも高い場合には、送風ファン１５の回転速度を、通常の回転速度よりも上げることで、高圧側の上昇を抑制し、圧縮比を低下させることができる。また、低外気温度（例えば、２０度）の条件下で圧縮比が所定値Ａよりも小さい場合には、送風ファン１５の回転速度を、通常の回転速度よりも下げることで、高圧側が低下するのを抑制し、圧縮比を高くすることができる。

なお、本実施の形態に記載の所定値Ａおよび所定値Ｂは実験値に基づく値であり、熱交換器の性能等によって様々な値に変更することが可能である。

以上のように、室内冷媒温度検出手段２４と、出水温度検出手段２３と、タンク冷媒温度検出手段２６と、タンク水温検出手段２３とを有することで、常に冷凍サイクル挙動と温水温度を把握することができるので、非常に効率の良いヒートポンプ温水システムを実現することができる。

また、適正な圧縮比となるような制御が可能となり、圧縮機の信頼性を向上させることができる。

本発明は、水と冷媒を熱交換させる構成を内蔵した室内機と貯湯タンクの組み合わせによるヒートポンプ温水システムはもちろん、水と冷媒を熱交換させる構成を内蔵した室内機同士の組み合わせや貯湯タンク同士の組み合わせ及び、空調用室内機を接続したヒートポンプ温水システムにも適用させる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ温水システムの構成図 従来のヒートポンプ装置の構成図

符号の説明

１ 室外機
２ 室内機
３ タンクユニット
４ 冷暖房パネル
１１ 空気熱源熱交換器
１２ 絞り機構
１３ 四方弁
１４ 圧縮機
１５ 送風ファン
１６ 圧力センサ
１７ 圧力センサ
２１ 水冷媒熱交換器
２２ 水ポンプ
２３ 出水温度検出手段
２４ 室内側冷媒温度検出手段
２６ タンク側冷媒温度検出手段
３１ タンク側水冷媒熱交換器
３２ 貯湯タンク
３３ タンク水温検出手段

Claims (5)

1. 空気熱源熱交換器と四方弁と圧縮機と絞り機構とを有する室外機と、温水または冷水を循環して冷暖房を行う冷暖房パネルと、冷媒と前記冷暖房パネル内の水とを熱交換する水冷媒熱交換器を有する室内機と、湯水を貯える貯湯タンクと、前記貯湯タンク内に設けて冷媒と水とを熱交換するタンク用水冷媒熱交換器と、前記冷暖房パネル内を流通する水を搬送するための水ポンプとを有し、前記空気熱源熱交換器と前記四方弁と前記圧縮機と前記水冷媒熱交換器と前記絞り機構で冷凍サイクルを構成すると共に、前記タンク用水冷媒熱交換器を前記水冷媒熱交換器と並列に配設し、前記水冷媒熱交換器および前記タンク用水冷媒熱交換器が凝縮器として作用する時の前記水冷媒熱交換器から出る冷媒温度を検出する室内側冷媒温度検出手段と、前記タンク用水冷媒熱交換器から出る冷媒温度を検出するタンク側冷媒温度検出手段と、前記水冷媒熱交換器から出る水の温度を検出する出水温度検出手段と、前記貯湯タンク内の温度を検出するタンク水温検出手段と、前記水冷媒熱交換器および前記タンク側水冷媒熱交換器が凝縮器として作用する時の前記水冷媒熱交換器の冷媒出口側に冷媒量を絞る室内側膨張弁と、前記タンク側水冷媒熱交換器の冷媒出口側に冷媒量を絞るタンク側膨張弁と、前記圧縮機の高圧側の圧力を検出する高圧側圧力検出手段と、前記圧縮機の低圧側の圧力を検出する低圧側圧力検出手段とを備え、前記高圧側圧力検出手段と前記低圧側圧力検出手段によって検出された圧力に基づいて算出される圧縮比が所定値よりも低い場合は、前記絞り機構を閉じる方向に動作させることを特徴とするヒートポンプ温水システム。
2. 圧縮比が所定値よりも高い場合は、前記絞り機構を開く方向に動作させることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ温水システム。
3. 圧縮比が所定値よりも高い場合は、前記圧縮機の運転周波数を下げることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ温水システム。
4. 圧縮比が所定値よりも低い場合は、前記圧縮機の運転周波数を上げることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のヒートポンプ温水システム。
5. 前記空気熱源熱交換器に送風する送風ファンを備え、圧縮比が所定値の範囲外にある場合は、前記送風ファンの回転速度を変更することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のヒートポンプ温水システム。

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