JP2010236737A

JP2010236737A - ヒートポンプ装置

Info

Publication number: JP2010236737A
Application number: JP2009083841A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Kobayashi; 雅博小林
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2010-10-21

Abstract

【課題】外気温が低く暖房や給湯の負荷が大きいときでも能力を維持できるようにし、ＣＯＰの低下を小さく抑えること。
【解決手段】圧縮機１３ｂを備えて当該圧縮機１３ｂで圧縮された高温の冷媒を供給する第２室外機１２と、循環水が流動して当該循環水の熱を利用する熱利用機器である温水放熱器５や床暖房パネル６と、前記第２室外機１２からの冷媒と温水放熱器５や床暖房パネル６からの循環水とを熱交換させる冷媒−水熱交換器である第２熱交換器２２と、この第２熱交換器２２の出口側と第２室外機１２の入口側との間の冷媒流路に設けられた冷媒−空気熱交換器７とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機を備えて当該圧縮機で圧縮された高温の冷媒を供給する室外機と、循環水が流動して当該循環水の熱を利用する熱利用機器と、前記室外機からの冷媒と熱利用機器からの循環水とを熱交換させる冷媒−水熱交換器とを備え、前記室外機からの冷媒と熱利用機器に循環する循環水とを熱交換させて、温水を生成するヒートポンプ装置に関する。

この種のヒートポンプ装置は冷凍効率が高いことからその利用が研究され、実用化されている。そして、更なる成績係数ＣＯＰ（ＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔＯｆＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）の向上を図るため、熱利用機器の出口側と冷媒−水熱交換器の入口側の間の循環水流路に水−空気熱交換器を設け、循環水の余熱を利用して屋外から室内に導入される空気を加熱して暖房を行うものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１５６８０６号公報

しかしながら、このものでは外気温が低く、負荷が大きいときには能力が維持できなくなり、ＣＯＰの低下が大きくなるという問題があった。

そこで本発明は、外気温が低く暖房や給湯の負荷が大きいときでも能力を維持できるようにし、ＣＯＰの低下を小さく抑えることを目的とする。

このためヒートポンプ装置に係る本発明は、圧縮機を備えて当該圧縮機で圧縮された高温の冷媒を供給する室外機と、循環水が流動して当該循環水の熱を利用する熱利用機器と、前記室外機からの冷媒と熱利用機器からの循環水とを熱交換させる冷媒−水熱交換器とを備えたヒートポンプ装置であって、前記冷媒−水熱交換器の出口側と前記室外機の入口側との間の冷媒流路中に冷媒−空気熱交換器を設けたことを特徴とする。

本発明は、冷媒−水熱交換器の出口側と室外機の入口側との間の冷媒流路に冷媒−空気熱交換器が設けられているため、冷媒−水熱交換器の出口側の冷媒流路のエンタルピーが小さくなり、室外機の入口と出口との間のエンタルピーの差が大きくなるため、従来の循環水流路側に水―空気熱交換器を設けたものに比べて冷凍能力が大幅に向上し、外気温が低く負荷が大きいときでも能力を維持でき、その結果、ＣＯＰの低下を小さく抑えることができる。

本発明の実施の形態の説明に適用されるヒートポンプ装置の構成図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態につき説明する。図１は本発明に係るヒートポンプ装置１の構成を示す回路図である。ヒートポンプ装置１は、室外に配置される第１，第２室外機１１，１２からなる熱源部１０、第１、第２熱交換器２１、２２からなる熱交換部２０、循環型熱利用部３０を主要構成としている。

循環型熱利用部３０における熱利用機器としては、温水放熱器、床暖房パネル、融雪パネルのような循環水が循環する循環型熱利用機器がある。また、これらの熱利用機器は、その要求温度により高温型熱利用機器と低温型熱利用機器に分類できる。この場合、高温型熱利用機器は、要求温度が例えば６０℃〜９０℃の機器で温水放熱器や給湯器が相当し、低温型熱利用機器は３０℃〜４５℃の機器で床暖房パネルや融雪パネルが相当する。

なお、熱源部１０における室外機の数、熱交換部２０における熱交換器の数、熱利用部３０における熱利用機器の種類や数は例示であって、本発明を限定するものではない。

本実施の形態では、循環型熱利用機器として温水放熱器５や床暖房パネル６を例として説明する。そして、第１熱交換器２１の１次回路には第１室外機１１が接続され、第２熱交換器２２の１次回路には第２室外機１２が接続されている。また、第１熱交換器２１及び第２熱交換器２２の２次回路には、温水放熱器５や床暖房パネル６等の循環型熱利用機器に循環水を供給するための循環水タンク３１が接続されている。また、第２熱交換器２２の１次回路には、第２熱交換器２２の出口側と第２室外機１２の入口側の間の冷媒流路に冷媒−空気熱交換器７が設けられている。

以上が概略構成であり、次に詳細な構成及び作用効果を説明する。前記熱源部１０を構成する第１，第２室外機１１，１２は、冷媒を圧縮して熱交換部２０に供給する圧縮機１３ａ，１３ｂ、熱交換部２０で熱交換した冷媒を膨張させる膨張弁１４ａ，１４ｂ、膨張した冷媒と送風機１５ａ，１５ｂで送風された外気と熱交換させることにより蒸発させる蒸発器１６ａ，１６ｂを主要構成としている。

なお、循環水としては市水等の水やブラインが利用可能であり、冷媒としては二酸化炭素冷媒やＨＦＣ冷媒等の種々の冷媒を用いることができる。

前記熱交換部２０は第１、第２熱交換器２１、２２が内部配管されてユニット化され、それぞれの１次回路には第１，第２室外機１１，１２からの冷媒が循環し、２次回路には循環水タンク３１を介して温水放熱器５や床暖房パネル６の循環水が循環するようになっている。

なお、第１、第２熱交換器２１、２２における１次回路と２次回路とは、フィンを介して熱交換する構成でも良く、水、ブライン、油等の流体に浸されて、これを介して熱交換する構成でも良い。

上述したように、第１熱交換器２１の１次回路には第１室外機１１が接続され、第２熱交換器２２の１次回路には第２室外機１２が接続され、第１熱交換器２１及び第２熱交換器２２の２次回路には循環水タンク３１が接続されているが、このような接続構成にしたのは以下の理由による。

即ち、温水放熱器５、床暖房パネル６等の熱利用機器は、機種毎に必要とされる熱量が異なったり、使用時間帯が一致していなかったりする。無論、一度に利用されることもあるので、熱源部１０側としてはこれに対応できるような熱供給能力を備えることが好ましい。

しかし、このような熱供給を１台の室外機で賄おうとすると、非常に大きな熱供給能力の室外機を用いる必要があって、コストアップの要因になると共に、複数の熱利用機器のうち一部が運転停止しているような場合には過剰能力となって経済性が悪くなる。

そこで、循環水タンク３１を設置して、一時的に急増する負荷量に対応できるようにしている。また、大きな熱供給能力の室外機を設けないで、同一仕様の小型室外機を複数設けて、循環水タンク３１側の循環型熱利用機器で必要とする熱量に応じて室外機１１、１２の熱を循環水タンク３１側に選択的に供給できるようにしている。

なお、図１に示す構成で、第１、第２熱交換器２１、２２の二次回路（循環水流路）に接続されている弁は電磁弁等からなる熱分配器７１ａ，７１ｂで、循環水タンク３１の水温を検出し、これに基づき制御されるようになっている。この熱分配器７１ａ，７１ｂは、上述したように電磁弁により形成されているため、開弁、閉弁の何れかの態様をとる。しかし、現実には、より細かに熱量分配を行いたい場合もあるので、このような場合に対応するためには流量調整弁を用いることが好ましい。

そして、前記循環型熱利用部３０は、温水放熱器５、床暖房パネル６、循環水タンク３１、三方弁３３、高温側ポンプ３４、低温側ポンプ３５、膨張タンク３６等を主要構成としている。

循環水タンク３１は、１次流入管４１、２次流出管４２、１次流出管４３、２次流入管４４、空気抜弁４５、安全弁４６、タンクドレン４７等を有して、外気に対して断熱されて、循環水等が成層をなして貯留できるようになっている。なお、成層とはタンク内で対流が殆どなく、貯留されている循環水の温度勾配が例えばタンクの上部から下部に向って滑らかに変化している状態を言う。

前記１次流入管４１及び２次流出管４２は、循環水タンク３１の上部側に設けられ、１次流出管４３及び２次流入管４４は循環水タンク３１の下部側に設けられている。空気抜弁４５や安全弁４６は、２次流出管４２に接続して設けられ、１次流出管４３や２次流入管４４にはタンクドレン４７が設けられている。空気抜弁４５は、かかるシステムを初めて使用するときやメンテナンス後の使用再開時のように、循環水タンク３１に循環水を貯留し始めた際に当該循環水タンク３１や配管内の空気が逃げるための逃道をなす弁である。

安全弁４６は、何らかの原因により循環水タンク３１や該循環水タンク３１に連通する配管の圧力が異常圧になって機器等の破損が生じないように、予め設定された圧力に達すると開弁して、この圧力以上にならないようにするためのものである。タンクドレン４７は、メンテナンス時等において循環水タンク３１や配管内の水を抜くためのものである。

そして、熱交換部２０で熱交換して温度上昇した循環水は、１次流入管４１から循環水タンク３１の上部に流入して、当該循環水タンク３１に貯留される。循環水タンク３１に貯留された循環水は、図１に示す実線矢印に示す流路（以下、「流路Ａ」と記載する。）に従い、２次流出管４２から流出して、三方弁３３、高温側ポンプ３４を介して温水放熱器５と床暖房パネル６に供給され、２次流入管４４から循環水タンク３１の下部に戻る。

なお、温水放熱器５や床暖房パネル６と２次流入管４４とを接続する配管と三方弁３３とはバイパス管４８により接続されている。このバイパス管４８及び三方弁３３により点線矢印に示す流路（以下、「流路Ｂ」と記載する。）が形成される。

三方弁３３は、循環水タンク３１から流路Ａを介して温水放熱器５に供給される循環水と、バイパス管４８から流路Ｂを介して温水放熱器５や床暖房パネル６に供給される循環水とを混合すると共にその混合比率を設定するためのもので、温度検出器４９からの信号により温水放熱器５や床暖房パネル６に供給される循環水の温度が設定された設定温度になるようになるように、循環水タンク３１からの循環水量とバイパス管４８からの循環水量を調整する。

即ち、高温側ポンプ３４が駆動されると、当該高温側ポンプ３４の送水量に応じた水量が温水放熱器５や床暖房パネル６に供給される。このとき、三方弁３３により循環水タンク３１からの循環水量が調整されるため、不足する分はバイパス管４８を介して温水放熱器５や床暖房パネル６から戻ってきた循環水が供給されるようになる。

これにより三方弁３３では、循環水タンク３１からの高温の循環水がバイパス管４８からの低温の循環水と混合され、これにより温度調整されて温水放熱器５や床暖房パネル６に供給されることになる。なお、温水放熱器５や床暖房パネル６から戻ってきた循環水の一部は上述したようにバイパス管４８を介して流路Ｂを循環するが、残りは２次流入管４４を介して循環水タンク３１に戻る。

このようにして戻った循環水は、低温側ポンプ３５により１次流出管４３を介して熱交換部２０の熱交換器２１，２１で加熱され、一次流入管４１から循環水タンク３１に戻る。

ところで、循環水タンク３１に貯留される循環水は、１００℃を越えないように設計されているが、低温側ポンプ３５や高温側ポンプ３４によりこの循環水が圧送されるために、循環水の圧力は大気圧を下回る場合があり、かかる場合には９０℃でも沸騰したりすることが危惧される。

また、沸騰しないまでも、循環水が温度上昇すると微少ながらも体積変化するが、この循環水が流動する配管は密閉配管であるため、その体積変動を吸収することができない。このような場合に、直ちに安全弁４６を開弁して大気圧にしたり、体積変化を吸収したりできるように動作圧を低くすると、安全弁４６としての機能が失われてしまうと共に、安全弁４６を開弁してしまうと定常状態に達した際には配管内等が負圧になってしまう問題がある。

そこで、膨張タンク３６を設けて多少の沸騰や体積変動が吸収できるようにしている。

床暖房パネル５毎に温度調整を行うようにするためには、温水放熱器５や床暖房パネル６に熱動弁５３を設けて、温水放熱器５や床暖房パネル６のコントローラに設定された温度になるように、その温水放熱器５や床暖房パネル６に流入する循環水量を調整すればよい。

一方、第２熱交換器２２から第２室外機１２に戻る冷媒は、冷媒―空気熱交換器７を通るが、当該冷媒―空気熱交換器７は送風機５１を有するダクト５２内に設置されており、送風機５１を運転することにより外気が冷媒―空気熱交換器７を介してダクト５２内に取込まれ、当該ダクト５２を介して各部屋に温風となって送風され、各部屋を暖房する。

さて、このような構成で、循環水タンク３１側で要求される熱量が、第２室外機１２からの冷媒により賄える場合には、熱分配器７１ａを閉弁すると共に熱分配器７１ｂを開弁する。これにより熱利用部３０の循環水は、第２室外機２２の冷媒によってのみ加熱されるようになる。

一方、第２室外機からの冷媒では循環水タンク３１側で要求される熱量を賄えない場合には、熱分配器７１ａをも開弁する。勿論、冷媒−空気熱交換器７による室内暖房が不要なときには、熱分配器７１ａを開弁し、熱分配器７１ｂを閉弁することにより第１室外機１１を優先的に運転させても良い。

本発明によれば、冷媒−水熱交換器である第２熱交換器２２の出口側と第２室外機１２の入口側との間の冷媒流路に冷媒−空気熱交換器７が設けられているため、第２熱交換器２２の出口側の冷媒流路のエンタルピーが小さくなり、第２室外機１２の入口と出口との間のエンタルピーの差が大きくなるため、従来のように循環水流路側に水―空気熱交換器を設け、室内暖房を行うものに比べて冷凍能力が大幅に向上し、外気温が低く、負荷が大きいときでも暖房能力を維持でき、その結果、ＣＯＰの低下を小さく抑えることができる。

以上のように本発明の実施態様について説明したが、上述の説明に基づいて当業者にとって種々の代替例、修正又は変形が可能であり、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で前述の種々の代替例、修正又は変形を包含するものである。

５温水放熱器（熱利用機器）
６床暖房パネル（熱利用機器）
７冷媒−空気熱交換器
１０熱源部
１１第１室外機
１２第２室外機
２０熱交換部
２１第１熱交換器
２２第２熱交換器
３０循環型熱利用部

Claims

圧縮機を備えて当該圧縮機で圧縮された高温の冷媒を供給する室外機と、循環水が流動して当該循環水の熱を利用する熱利用機器と、前記室外機からの冷媒と熱利用機器からの循環水とを熱交換させる冷媒−水熱交換器とを備えたヒートポンプ装置であって、前記冷媒−水熱交換器の出口側と前記室外機の入口側との間の冷媒流路中に冷媒−空気熱交換器を設けたことを特徴とするヒートポンプ装置。