JP2014009899A - ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】補助加熱部による熱媒体の加熱量を抑えずに、冷媒回路の動作を継続させながら対象流体を加熱できるヒートポンプシステムを提供する。
【解決手段】ヒートポンプシステム（10）に、熱媒体回路（20）の加熱熱交換器（22）から放熱器（12）へ向かう熱媒体から吸熱して、前記熱媒体回路（20）の放熱器（12）から加熱熱交換器（22）へ向かう熱媒体へ放熱するペルチェ素子（2b）と、放熱器（12）の熱媒体の入口温度が放熱器（12）の冷媒の出口温度よりも低く且つ前記恒温槽（23）の水の温度が目標温度に近づくようにペルチェ素子（2b）の動作を制御する第１動作を行うコントローラ（40）とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプシステムに関し、特に補助加熱部を備えるものに関する。

従来より、第１熱交換器と第２熱交換器とが接続された熱媒体回路を備え、この熱媒体回路を循環する熱媒体が、前記第１熱交換器で冷凍サイクルを行う冷媒回路の冷媒から吸熱し且つ前記第２熱交換器で対象流体へ放熱するヒートポンプシステムが知られている。そして、これらのヒートポンプシステムの中には、特許文献１に示すように、熱媒体回路の第１熱交換器とは別に、熱媒体回路の熱媒体を加熱する加熱ヒータが設けられているものがある。

この加熱ヒータは、前記熱媒体回路の第１熱交換器と第２熱交換器との間に接続され、第１熱交換器から第２熱交換器へ向かう熱媒体を加熱するように構成されている。これにより、第１熱交換器で加熱された熱媒体をさらに加熱ヒータで加熱することができるので、第２熱交換器における熱媒体から対象流体への加熱量を増大させることができる。

特開２００４−１３２６１２号公報

しかしながら、前記加熱ヒータを構成する補助加熱部で熱媒体回路の熱媒体を加熱し過ぎると、第１熱交換器へ流入する熱媒体の温度が、第１熱交換器の冷媒の温度を超えてしまう場合があり、冷媒が熱媒体へ放熱できなくなる。この結果、冷媒回路の冷凍サイクルの動作がうまく行われなくなる。このような事態を避けるためには、補助加熱部の加熱量を強制的に低下させなければならず、対象流体を十分に加熱できないという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、補助加熱部による熱媒体の加熱量を抑えずに、冷媒回路の動作を継続させながら対象流体を加熱できるようにすることにある。

第１の発明は、放熱器として機能する第１熱交換器（12）の１次側流路（12a）が接続されて冷媒が循環する蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒回路（50）と、前記第１熱交換器（12）の２次側流路（12b）と第２熱交換器（22）とが接続され且つ前記第１熱交換器（12）と前記第２熱交換器（22）との間を熱媒体が循環して、前記第１熱交換器（12）で前記熱媒体が前記冷媒回路（50）の冷媒から加熱されるとともに前記第２熱交換器（22）で前記熱媒体が対象流体を加熱する熱媒体回路（20）とを備えたヒートポンプシステムである。

そして、ヒートポンプシステムは、前記熱媒体回路（20）の第２熱交換器（22）から第１熱交換器（12）へ向かう熱媒体から吸熱して、前記熱媒体回路（20）の第１熱交換器（12）から第２熱交換器（22）へ向かう熱媒体へ放熱する熱電素子部（2b）と、前記第１熱交換器（12）の熱媒体の入口温度が前記第１熱交換器（12）の冷媒の出口温度よりも低く且つ前記対象流体の温度が目標温度に近づくように熱電素子部（2b）の動作を制御する第１動作を行う制御部（40）とを備えている。

第１の発明では、前記熱媒体回路（20）の熱媒体が、前記第１熱交換器（12）で前記冷媒回路（50）の冷媒によって加熱された後、さらに前記熱電素子部（2b）で加熱される。該熱電素子部（2b）で加熱された熱媒体は、前記第２熱交換器（22）を通過する際に対象流体へ放熱した後、前記熱電素子部（2b）で冷却される。この冷却された状態の熱媒体が前記第１熱交換器（12）へ流入する。

第２の発明は、第１の発明において、前記制御部（40）は、前記第１熱交換器（12）の熱媒体の入口温度を前記第１熱交換器（12）の冷媒の出口温度よりも低く保ちながら、前記対象流体の温度が目標温度に近づくように熱電素子部（2b）の入力電圧をＰＩ制御又はＰＩＤ制御で調整する第２動作を行う。

第２の発明では、前記第１熱交換器（12）の熱媒体の入口温度を前記第１熱交換器（12）の冷媒の出口温度よりも低く保つことが可能な前記熱電素子部（2b）の入力電圧の範囲内で、対象流体の温度が目標温度に近づくに連れて、前記熱電素子部（2b）の入力電圧が徐々に減少する。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記冷媒回路（50）の冷媒は、臨界温度が１１０℃未満の冷媒であり、前記制御部（40）は、前記熱媒体回路（20）の第１熱交換器（12）から第２熱交換器（22）へ向かう熱媒体の温度が１００℃以上になるように熱電素子部（2b）の動作を制御する第３動作を行う。

第３の発明では、前記冷媒回路（50）の凝縮温度が１００℃未満であった場合でも、熱電素子部（2b）の動作により、熱媒体が１００℃以上に加熱される。

本発明によれば、熱媒体回路（20）の補助加熱部を従来の加熱ヒータでなく熱電素子部（2b）で構成したので、熱媒体回路（20）の熱媒体を加熱するだけでなく冷却も行うことができる。この熱電素子部（2b）の冷却動作によって、前記第１熱交換器（12）へ流入する熱媒体の温度を第１熱交換器（12）の冷媒の温度よりも低くしながら、この熱電素子部（2b）の加熱動作によって熱媒体回路（20）の熱媒体を加熱して、前記対象流体の温度を目標温度に近づけることができる。つまり、熱電素子部（2b）の熱媒体に対する加熱量を抑えずに、冷媒回路（50）の動作を継続させながら対象流体を加熱することができる。

また、前記第２の発明によれば、対象流体の温度が目標温度に近づくに連れて、所定の範囲内で、前記熱電素子部（2b）の入力電圧を徐々に減少させるようにしたので、対象流体の温度をオーバシュートさせずに目標値へ近づけることができる。

第３の発明によれば、前記冷媒回路（50）の凝縮温度が１００℃未満であった場合でも、熱電素子部（2b）の動作により、熱媒体を１００℃以上に加熱することができる。

本実施形態に係るヒートポンプシステムの冷媒回路図である。

以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

本実施形態のヒートポンプシステム（1）は、産業用として用いられるものであり、熱媒体を１００℃以上に加熱するものである。図１に示すように、ヒートポンプシステム（10）は、冷媒回路（50）と熱媒体回路（20）とコントローラ（40）とを備えている。

冷媒回路（50）は、冷媒が循環して二段圧縮式の冷凍サイクルを行うものである。冷媒回路（50）は、低段側圧縮機（11a）および高段側圧縮機（11b）と、放熱器（第１熱交換器）（12）と、膨張弁（13）と、蒸発器（14）とが順に冷媒配管によって接続されている。前記冷媒回路（50）の冷媒は、臨界温度が１１０℃未満の冷媒である。

低段側圧縮機（11a）および高段側圧縮機（11b）は、図示しないが、全密閉型で構成され、圧縮部とその圧縮部を回転駆動するモータとを収容したケーシング内が吸入圧力の雰囲気になる、いわゆる低圧ドーム型に構成されている。つまり、各圧縮機（11a,11b）では吸入冷媒がケーシング内に流入し、圧縮部で圧縮された冷媒がケーシング内に流出することなくケーシング外へ直接吐出される。各圧縮機（11a,11b）は、運転回転数が可変に構成されている。両圧縮機（11a,11b）は、互いに直列に接続されて冷媒を二段圧縮するものであり、冷媒の圧縮機構を構成している。

放熱器（12）は、冷媒流路（１次側流路）（12a）および熱媒体流路（２次側流路）（12b）を有している。冷媒流路（12a）は、流入端が高段側圧縮機（11b）の吐出側と接続され、流出端が後述する過冷却熱交換器（15）と接続されている。

膨張弁（13）は、開度が調節可能な電子膨張弁で構成されている。

蒸発器（14）は、冷水流路（14a）および冷媒流路（14b）を有している。冷媒流路（14b）は、流入端が膨張弁（13）と接続され、流出端が低段側圧縮機（11a）の吸入側と接続されている。一方、蒸発器（14）の冷水流路（14a）は冷水回路（30）に接続されている。蒸発器（14）では、冷水流路（14a）を流れる冷水回路（30）の水と冷媒流路（14b）を流れる冷媒とが熱交換し、水が冷却される。

また、冷媒回路（50）には、過冷却熱交換器（15）とインジェクション通路（19）が設けられている。過冷却熱交換器（15）は、放熱器（12）と膨張弁（13）との間に接続されており、高温流路（15b）および低温流路（15a）を有している。インジェクション通路（19）は、流入端が放熱器（12）と過冷却熱交換器（15）との間に接続され、流出端が低段側圧縮機（11a）と高段側圧縮機（11b）との間に接続されている。インジェクション通路（19）には流量調整弁（16）が設けられている。流量調整弁（16）は、通過する冷媒を減圧する作用も有している。

過冷却熱交換器（15）の高温流路（15b）は、流入端が放熱器（12）と接続され、流出端が膨張弁（13）と接続されている。過冷却熱交換器（15）の低温流路（15a）は、インジェクション通路（19）における流量調整弁（16）の下流側に接続されている。過冷却熱交換器（15）では、高温流路（15b）を流れる放熱器（12）の出口冷媒と低温流路（15a）を流れる前記出口冷媒の分岐冷媒とが熱交換し、高温流路（15b）の出口冷媒が過冷却される一方、低温流路（15a）の分岐冷媒が蒸発する。インジェクション通路（19）は、過冷却熱交換器（15）で蒸発した分岐冷媒を、低段側圧縮機（11a）と高段側圧縮機（11b）の間の中間圧の冷媒、即ち圧縮機構における圧縮途中の冷媒と合流させるものである。

熱媒体回路（20）は、ポンプ（21）と加熱熱交換器（第２熱交換器）（22）と放熱器（12）の熱媒体流路（12b）とが順に接続された閉回路で構成されている。熱媒体回路（20）には熱媒体（例えば、油や水）が封入されている。ポンプ（21）によって熱媒体が熱媒体回路（20）内を循環する。放熱器（12）では、冷媒流路（12a）を流れる冷媒回路（50）の高圧冷媒と熱媒体流路（12b）を流れる熱媒体回路（20）の熱媒体とが熱交換し、熱媒体が加熱される。加熱熱交換器（22）は、温水を貯留する恒温槽（23）内に設けられている。この温水が本願発明の対象流体である。尚、この対象流体は水に限定されず、例えば油や空気であってもよい。

この加熱熱交換器（22）では、放熱器（12）で加熱された熱媒体が恒温槽（23）内の水と熱交換し、恒温槽（23）内の水が一定温度に加熱される。また、この恒温槽（23）内には、該恒温槽（23）の水温を検出する水温度センサ（43）が設けられている。この水温度センサ（43）の検出値はコントローラ（40）へ入力される。

この熱媒体回路（20）には、放熱器（12）及び加熱熱交換器（22）の間に補助熱交換器（1）が設けられている。この補助熱交換器（1）には、ペルチェ素子（熱電素子部）（2b）が設けられている。この補助熱交換器（1）は、高温通路（3b）と低温通路（3a）を有している。ペルチェ素子（2b）の放熱面が高温通路（3b）を区画する壁体に接触し、ペルチェ素子（2b）の吸熱面が低温通路（3a）を区画する壁体に接触している。また、補助熱交換器（1）の低温通路（3a）の一端は放熱器（12）の熱媒体流路（12b）の出口に接続され、他端は加熱熱交換器（22）の出口に接続されている。補助熱交換器（1）の高温通路（3b）の一端は放熱器（12）の熱媒体流路（12b）の入口に接続され、他端はポンプ（21）の吸入口に接続されている。この補助熱交換器（1）は、前記熱媒体回路（20）の加熱熱交換器（22）から放熱器（12）へ向かう熱媒体から吸熱して、前記熱媒体回路（20）の放熱器（12）から加熱熱交換器（22）へ向かう熱媒体へ放熱するように構成されている。

コントローラ（40）は、冷媒回路（50）及び熱媒体回路（20）の動作を制御する。このコントローラ（40）が行う制御の１つにペルチェ素子（2b）の動作制御がある。

−運転動作−
〈冷媒回路及び熱媒体回路の運転動作〉
両圧縮機（11a,11b）が駆動されると、低段側圧縮機（11a）で圧縮された冷媒は高段側圧縮機（11b）で更に圧縮されて高圧冷媒となる。高段側圧縮機（11b）から吐出された高圧冷媒は、放熱器（12）で熱媒体回路（20）の熱媒体と熱交換して凝縮し、熱媒体が１００℃以上に加熱される。放熱器（12）で凝縮した高圧冷媒は、一部がインジェクション通路（19）に流れ、残りが過冷却熱交換器（15）の高温流路（15b）に流れる。インジェクション通路（19）に流れた高圧冷媒は、流量調整弁（16）で減圧された後、過冷却熱交換器（15）の低温流路（15a）に流れて高温流路（15b）の高圧冷媒と熱交換する。これによって、高温流路（15b）の高圧冷媒は過冷却される一方、低温流路（15a）の冷媒は蒸発して中間圧の過熱ガス冷媒となる。高温流路（15b）の高圧冷媒は、過冷却されたことによって冷媒のエンタルピーが減少する。

過冷却熱交換器（15）で過冷却された高圧冷媒は、膨張弁（13）で減圧されて低圧冷媒となる。低圧冷媒は、蒸発器（14）に流れて、冷水回路（30）の熱源水と熱交換して蒸発し、熱源水が冷却されて冷水となる。蒸発器（14）に流れる低圧冷媒は上述したように過冷却された分だけエンタルピーが減少しているので、蒸発器（14）の蒸発能力（冷却能力）が増大する。蒸発器（14）から流出した冷媒は、低段側圧縮機（11a）に吸入されて再び圧縮される。低段側圧縮機（11a）から吐出された冷媒は、インジェクション通路（19）からの中間圧の過熱ガス冷媒と合流して高段側圧縮機（11b）に吸入される。

熱媒体回路（20）では、該熱媒体回路（20）の熱媒体が、前記放熱器（12）で前記冷媒回路（50）の冷媒によって加熱された後、さらに補助熱交換器（1）のペルチェ素子（2b）で加熱される。該ペルチェ素子（2b）で加熱された熱媒体は、加熱熱交換器（22）を通過する際に恒温槽（23）の水へ放熱した後、ペルチェ素子（2b）で冷却される。この冷却された状態の熱媒体が前記放熱器（12）へ流入する。

〈コントローラの運転制御〉
前記コントローラ（40）は、前記放熱器（12）の熱媒体の入口温度が前記放熱器（12）の冷媒の出口温度よりも低く且つ前記恒温槽（23）の水の温度が目標温度に近づくようにペルチェ素子（2b）の動作を制御する第１動作を行う。これにより、冷媒回路（50）の動作を継続しつつ、補助熱交換器（1）で熱媒体を加熱することができる。

また、前記コントローラ（40）は、前記放熱器（12）の熱媒体の入口温度を前記放熱器（12）の冷媒の出口温度よりも低く保ちながら、前記恒温槽（23）の水の温度が目標温度に近づくようにペルチェ素子（2b）の入力電圧をＰＩ制御又はＰＩＤ制御で調整する第２動作を行う。これにより、前記放熱器（12）の熱媒体の入口温度を前記放熱器（12）の冷媒の出口温度よりも低く保つことが可能な前記ペルチェ素子（2b）の入力電圧の範囲内で、恒温槽（23）の水の温度が目標温度に近づくに連れて、前記ペルチェ素子（2b）の入力電圧を徐々に減少させることができる。

また、前記コントローラ（40）は、前記制御部（40）は、前記熱媒体回路（20）の放熱器（12）から加熱熱交換器（22）へ向かう熱媒体の温度が１００℃以上になるようにペルチェ素子（2b）の動作を制御する第３動作を行う。

−実施形態の効果−
本実施形態によれば、熱媒体回路（20）の補助加熱部を従来の加熱ヒータでなくペルチェ素子（2b）で構成したので、熱媒体回路（20）の熱媒体を加熱するだけでなく冷却も行うことができる。このペルチェ素子（2b）の冷却動作によって、前記放熱器（12）へ流入する熱媒体の温度を放熱器（12）の冷媒の温度よりも低くしながら、このペルチェ素子（2b）の加熱動作によって熱媒体回路（20）の熱媒体を加熱して、前記恒温槽（23）の水の温度を目標温度に近づけることができる。つまり、ペルチェ素子（2b）の熱媒体に対する加熱量を抑えずに、冷媒回路（50）の動作を継続させながら恒温槽（23）の水を加熱することができる。

また、本実施形態によれば、恒温槽（23）の水の温度が目標温度に近づくに連れて、所定の範囲内で、前記ペルチェ素子（2b）の入力電圧を徐々に減少させるようにしたので、恒温槽（23）の水の温度をオーバシュートさせずに目標値へ近づけることができる。

また、本実施形態によれば、前記冷媒回路（50）の凝縮温度が１００℃未満であった場合でも、ペルチェ素子（2b）の動作により、熱媒体を１００℃以上に加熱することができる。

以上説明したように、本発明は、ヒートポンプシステムに関し、特に補助加熱部を備えるものについて有用である。

１ 補助熱交換器
２ｂ ペルチェ素子（熱電素子部）
１０ ヒートポンプシステム
１２ 放熱器（第１熱交換器）
２２ 加熱熱交換器 （第２熱交換器）
２３ 恒温槽
２０ 熱媒体回路
４０ コントローラ
５０ 冷媒回路

Claims (3)

1. 放熱器として機能する第１熱交換器（12）の１次側流路（12a）が接続されて冷媒が循環する蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒回路（50）と、
   前記第１熱交換器（12）の２次側流路（12b）と第２熱交換器（22）とが接続され且つ前記第１熱交換器（12）と前記第２熱交換器（22）との間を熱媒体が循環して、前記第１熱交換器（12）で前記熱媒体が前記冷媒回路（50）の冷媒から加熱されるとともに前記第２熱交換器（22）で前記熱媒体が対象流体を加熱する熱媒体回路（20）とを備えたヒートポンプシステムであって、
   前記熱媒体回路（20）の第２熱交換器（22）から第１熱交換器（12）へ向かう熱媒体から吸熱して、前記熱媒体回路（20）の第１熱交換器（12）から第２熱交換器（22）へ向かう熱媒体へ放熱する熱電素子部（2b）と、
   前記第１熱交換器（12）の熱媒体の入口温度が前記第１熱交換器（12）の冷媒の出口温度よりも低く且つ前記対象流体の温度が目標温度に近づくように熱電素子部（2b）の動作を制御する第１動作を行う制御部（40）と、
   を備えていることを特徴とするヒートポンプシステム。
2. 請求項１において、
   前記制御部（40）は、前記第１熱交換器（12）の熱媒体の入口温度を前記第１熱交換器（12）の冷媒の出口温度よりも低く保ちながら、前記対象流体の温度が目標温度に近づくように熱電素子部（2b）の入力電圧をＰＩ制御又はＰＩＤ制御で調整する第２動作を行うことを特徴とするヒートポンプシステム。
3. 請求項１又は２において、
   前記冷媒回路（50）の冷媒は、臨界温度が１１０℃未満の冷媒であり、
   前記制御部（40）は、前記熱媒体回路（20）の第１熱交換器（12）から第２熱交換器（22）へ向かう熱媒体の温度が１００℃以上になるように熱電素子部（2b）の動作を制御する第３動作を行うことを特徴とするヒートポンプシステム。

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