JP2016138720A - ヒートポンプ装置及びそれを備えた自動販売機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】蒸気圧縮回路Rと、2次媒体回路M2と、加熱用熱交換器82を備えた3次媒体回路M3と、2次媒体加熱器29と、3次媒体加熱器61と、ペルチェ素子92と、ペルチェ素子の吸熱側と2次媒体回路の2次媒体とを熱交換させる吸熱側熱交換部、及び、ペルチェ素子の放熱側と3次媒体回路の3次媒体とを熱交換させる放熱側熱交換部を備えたペルチェ素子熱交換器63と、3次媒体を3次媒体加熱器に流すか、ペルチェ素子熱交換器の放熱側熱交換部に流すかを切り換える三方弁74を備える。
【選択図】図3
Description
先ず、中央の冷温切換室25内を冷却(C)し、右端の冷温切換室15内を加熱(H)して使用する場合で、冷却専用室20(C)及び冷温切換室25を冷やしているモードについて説明する。この場合、制御装置Cは図6に示すH−C−C室内吸熱蓄熱モードを実行する。このH−C−C室内吸熱蓄熱モードは、冷却専用室20及び冷温切換室25内の温度が所定の冷却下限値以上であり、タンク68内にも後述する如き蓄熱が終了していない場合のモードである。
上記の如きH−C−C室内吸熱蓄熱モードを実行している間に、冷温切換室25と冷却専用室20内の温度が冷却下限値まで低下した場合、制御装置Cは図7に示すH−C−C室外吸熱蓄熱モードに移行する。このモードで制御装置Cは、各室25、20の膨張弁44、47を全閉とし、電磁弁34を閉じ、電磁弁49を開く。また、送風機96、97を停止し、送風機36を運転する。
図7の如きH−C−C室外吸熱蓄熱モードにおいて、冷温切換室25、又は、冷却専用室20内の温度が冷却上限値以上になった場合、制御装置Cは再び図6の如きH−C−C室内吸熱蓄熱モードに戻り、以後タンク68への蓄熱が終了するまでこれを繰り返す。そして、制御装置Cは図8に示す如く、温度センサ104が検出するタンク68の下部の2次媒体の温度が所定の蓄熱終了温度(例えば+80℃)まで上昇した場合、タンク68への蓄熱が完了したものと判定して、H−C−C室内吸熱蓄熱モードとH−C−C室外吸熱蓄熱モードを終了する。
以上のようにタンク68への蓄熱が終了した状態では、タンク68内の全体の2次媒体の温度が+80℃になっている。このようにしてタンク68内に蓄熱を完了した場合、制御装置Cは図9に示すH−C−C蓄熱直接利用モードに移行する。このH−C−C蓄熱直接利用モードで制御装置Cは、圧縮機27を停止し、2次媒体ポンプ57は一定の回転数で運転し、3次媒体ポンプ72は前述した回転数制御を行う。また、四方弁66を切り換え、第1のポート66Aと第3のポート66Cを連通し、第2のポート66Bと第4のポート66Dを連通する状態として、2次媒体がタンク68の下部から当該タンク68内に流入し、上部から流出するようにする。尚、この時点ではペルチェ素子92は未だ通電しない。
図9の如きH−C−C蓄熱直接利用モードを実行することにより、タンク68内の2次媒体の熱量は冷温切換室15の加熱のために費やされ、2次媒体の温度は徐々に低下していく。そして、3次媒体加熱器61の2次媒体流路61Aを出た2次媒体の温度が図10に示す如く+70℃程までに低下するようになると、十分に3次媒体を加熱することができなくなり、3次媒体ポンプ72の回転数を上げても、冷温切換室15内の温度は徐々に低下していくようになる。
上記のように3次媒体ポンプ72の回転数を上げているにも拘わらず、冷温切換室15内の温度がペルチェ起動温度(例えば+55℃)まで低下した場合、制御装置Cは図11に示すH−C−C蓄熱昇温利用モードに移行する。このH−C−C蓄熱昇温利用モードで制御装置Cは、圧縮機27を停止したまま(各室25、20内が十分冷えているものとする)、各ポンプ57、72は一定の回転数で運転し、ペルチェ素子92に通電を開始して起動する。また、三方弁74を切り換え、ポート72から吐出された3次媒体が配管89を経てペルチェ素子熱交換器63の3次媒体流路63Bに流れるようにする。
このようなペルチェ素子92による3次媒体の加熱に伴い、2次媒体はその吸熱側92Aで冷却されるので、温度は徐々に低下していく。一方、タンク68には下部から2次媒体が流入し、上部から流出する状態となっているので、このタンク68の上部の温度を監視することで、タンク68内全体の2次媒体の温度が低下していることを確認できる。
尚、図15は自動販売機1の右端の冷温切換室15に加えて中央の冷温切換室25内も加熱(H)して使用する場合を示している。この場合は、制御装置Cは膨張弁44を全閉とし、電磁弁83を前述したH−C−Cのモードの場合の電磁弁81と同様に開閉制御する。これにより、3次媒体加熱器61、又は、ペルチェ素子熱交換器63で加熱された3次媒体が冷温切換室25の加熱用熱交換器84にも流入することになるので、当該室内の商品も加熱されるようになる。
また、図16は冷温切換室15、25と冷却専用室20内を全て冷却(C)して使用する場合を示している。この場合は、制御装置Cは各ポンプ57、72を停止し、電磁弁81、83を閉じ、電磁弁34を開く。また、送風機36を運転し、ペルチェ素子92には通電しない。そして、膨張弁42、44を開いて弁開度を制御する。これにより、圧縮機27から吐出された高温冷媒は室外熱交換器33で外気に放熱し、分流されて各膨張弁42、44、47に至り、そこで絞られた後、各冷却用熱交換器43、46、48に流入して蒸発することになるので、各室15、25、20内の商品は冷却されることになる。
尚、前記実施例で制御装置Cは、3次媒体ポンプ72を運転する場合、当該3次媒体ポンプ72を冷温切換室15(25)内の温度に応じて回転数を制御するようにしたが、三方弁74により3次媒体加熱器61に3次媒体を流している状態では、それに限らず、3次媒体加熱器61の2次媒体流路61Aを流れる2次媒体の温度(例えば、温度センサ102で検出できる2次媒体流路61Aに入る2次媒体の温度等)に応じて3次媒体ポンプ72の回転数を制御するようにしてもよい。
この3次媒体ポンプ72の制御の更に他の例としては、例えば、3次媒体加熱器61に3次媒体を流している状態で、当該3次媒体ポンプ72を一定の回転数で運転するようにしてもよい。その場合、制御装置Cは冷温切換室15(25)内の温度を温度センサ98や99で検出し、各電磁弁81、83をON(開)−OFF(閉)する。そして、全ての電磁弁81、83がOFF(閉)の場合は、3次媒体ポンプ72も停止するようにする。
また、圧縮機27は前述した如く蓄熱完了まで運転を継続してもよいし、冷温切換室15(25)内を加熱しているときのみ運転してもよい(圧縮機27の停止中は各ポンプ57、72は共に停止する)。即ち、圧縮機27を断続運転して蓄熱を完了させてもよい。その場合、蓄熱完了後は再び前述した各蓄熱モードとなるまで圧縮機27は運転しないようにする。
また、前記実施例ではペルチェ素子92の通電電圧を、ペルチェ素子熱交換器73の3次媒体流路63Bの出口の3次媒体の温度に基づいて制御するようにしたが、それに限らず、制御装置Cが、ペルチェ素子熱交換器63の3次媒体流路63Bに3次媒体を流している場合、冷温切換室15(25)内の温度に応じ、当該室15(25)内の温度が低い場合は高くし、室内の温度が高い場合は低くするようにペルチェ素子92の通電電圧を制御するようにしてもよい。その場合は、ペルチェ素子92の通電を冷温切換室15(25)内の温度により直接的に制御できるので、室15(25)内の加熱を的確に行うことが可能となる。
また、蒸気圧縮回路Rの冷却用熱交換器48で冷却される冷却専用室20内に、蓄冷剤を設けても良い。冷却専用室20内に蓄冷剤を設ければ、冷却用熱交換器48による冷却で蓄冷剤に冷熱(潜熱)を貯えておき、蒸気圧縮回路Rの圧縮機27の停止中は、この貯えられた冷熱によって冷却専用室20内を冷却することができるようになる。それにより、冷却専用室20の冷却のために圧縮機27が起動される状況を減らし、更なる運転効率を向上を図ることが可能となる。
また、前記実施例の2次媒体回路M2は、2次媒体加熱器29の2次媒体流路29Bと、3次媒体加熱器61の2次媒体流路61Aと、ペルチェ素子熱交換器63の2次媒体流路63Aが直列に接続されたかたちとなっているが、それに限らず、何れか二つ又は全てが並列に接続されるようにしてもよい。
15、25 冷温切換室(加熱対象、商品収納室)
20 冷却専用室(商品収納室)
27 圧縮機
29 2次媒体加熱器
33 室外熱交換器
43、46、48 冷却用熱交換器
57 2次媒体ポンプ
61 3次媒体加熱器
63 ペルチェ素子熱交換器
66 四方弁
68 タンク
72 3次媒体ポンプ
74 三方弁
82、84 加熱用熱交換器
92 ペルチェ素子
93 吸放熱ジャケット(吸熱側熱交換部、放熱側熱交換部)
119 2次媒体冷却器
C 制御装置
HP ヒートポンプ装置
M2 2次媒体回路
M3 3次媒体回路
R 蒸気圧縮回路
Claims (17)
- 冷媒を圧縮する圧縮機を備えた蒸気圧縮回路と、
2次媒体を循環させる2次媒体ポンプ、及び、タンクを備えた2次媒体回路と、
3次媒体を循環させる3次媒体ポンプ、及び、前記3次媒体を放熱させて加熱対象を加熱する加熱用熱交換器を備えた3次媒体回路と、
前記圧縮機から吐出された高温冷媒と前記2次媒体回路を循環する2次媒体とを熱交換させる2次媒体加熱器と、
前記2次媒体回路を循環する2次媒体と前記3次媒体回路を循環する3次媒体とを熱交換させる3次媒体加熱器と、
ペルチェ素子と、
該ペルチェ素子の吸熱側と前記2次媒体回路を循環する2次媒体とを熱交換させる吸熱側熱交換部、及び、前記ペルチェ素子の放熱側と前記3次媒体回路を循環する3次媒体とを熱交換させるための放熱側熱交換部を備えたペルチェ素子熱交換器と、
前記3次媒体を前記3次媒体加熱器に流すか、前記ペルチェ素子熱交換器の放熱側熱交換部に流すかを切り換える3次媒体弁装置と、
を備えたことを特徴とするヒートポンプ装置。 - 前記圧縮機、前記各ポンプ、及び、前記3次媒体弁装置を制御する制御装置を備え、
該制御装置は、前記各ポンプを運転し、前記タンク内の2次媒体の温度が所定の蓄熱開始温度まで低下した場合に前記圧縮機を起動し、前記2次媒体加熱器にて前記高温冷媒により前記2次媒体を加熱し、前記タンク内の2次媒体の温度が所定の蓄熱終了温度まで上昇した場合に前記圧縮機を停止し、
前記圧縮機を運転している状態では前記ペルチェ素子を非通電とし、前記3次媒体加熱器に前記3次媒体を流して前記2次媒体により前記3次媒体を加熱し、加熱された当該3次媒体により前記加熱用熱交換器にて前記加熱対象を加熱すると共に、
前記圧縮機が停止している状態で前記加熱対象の温度が所定のペルチェ起動温度まで低下した場合に前記ペルチェ素子に通電し、前記ペルチェ素子熱交換器の放熱側熱交換部に前記3次媒体を流して前記ペルチェ素子の放熱側により前記3次媒体を加熱し、加熱された当該3次媒体により前記加熱用熱交換器にて前記加熱対象を加熱し、前記吸熱側熱交換部にて前記ペルチェ素子の吸熱側により前記2次媒体から吸熱することを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプ装置。 - 前記制御装置は、前記圧縮機を運転している状態では、前記2次媒体加熱器出口の前記2次媒体の温度が所定の2次媒体出口設定温度となるよう前記2次媒体ポンプの回転数を制御することを特徴とする請求項2に記載のヒートポンプ装置。
- 前記制御装置は、前記3次媒体加熱器に前記3次媒体を流している場合、当該3次媒体加熱器における前記2次媒体の温度に応じ、当該2次媒体の温度が低い場合は高くするように前記3次媒体ポンプの回転数を制御することを特徴とする請求項2又は請求項3に記載のヒートポンプ装置。
- 前記制御装置は、前記3次媒体加熱器に前記3次媒体を流している場合、前記加熱対象の温度に応じ、当該加熱対象の温度が低い場合は高くするように前記3次媒体ポンプの回転数を制御することを特徴とする請求項2又は請求項3に記載のヒートポンプ装置。
- 前記制御装置は、前記ペルチェ素子熱交換器の放熱側熱交換部に前記3次媒体を流している場合、当該放熱側熱交換部出口の前記3次媒体の温度が所定の3次媒体出口設定温度となるよう前記ペルチェ素子の通電電圧を制御することを特徴とする請求項2乃至請求項5のうちの何れかに記載のヒートポンプ装置。
- 前記制御装置は、前記ペルチェ素子熱交換器の放熱側熱交換部に前記3次媒体を流している場合、前記加熱対象の温度に応じ、当該加熱対象の温度が低い場合は高くするように前記ペルチェ素子の通電電圧を制御することを特徴とする請求項2乃至請求項5のうちの何れかに記載のヒートポンプ装置。
- 前記2次媒体回路は、前記タンクにおける前記2次媒体の流入と流出の向きを切り換える2次媒体弁装置を備え、
前記制御装置は、前記圧縮機を運転している状態では、前記2次媒体弁装置により前記タンクの上部から前記2次媒体を流入させて下部から流出させ、当該タンク下部の2次媒体の温度にて前記蓄熱終了温度を判定すると共に、
前記圧縮機が停止している状態では、前記2次媒体弁装置により前記タンクの下部から前記2次媒体を流入させて上部から流出させ、当該タンク上部の2次媒体の温度にて前記蓄熱開始温度を判定することを特徴とする請求項2乃至請求項7のうちの何れかに記載のヒートポンプ装置。 - 本体内に構成された商品収納室を備え、前記加熱用熱交換器により前記商品収納室内を加熱することを特徴とする請求項1乃至請求項8のうちの何れかに記載のヒートポンプ装置を備えた自動販売機。
- 前記蒸気圧縮回路は、冷媒を蒸発させて前記商品収納室内を冷却する冷却用熱交換器を備え、
前記制御装置は、前記圧縮機が停止している状態で、前記冷却用熱交換器により冷却される前記商品収納室の温度が所定の冷却上限値まで上昇した場合は、当該圧縮機を起動することを特徴とする請求項9に記載の自動販売機。 - 前記蒸気圧縮回路は、室外熱交換器と、冷媒を蒸発させて前記商品収納室内を冷却する冷却用熱交換器を備え、
前記制御装置は、前記圧縮機を運転している状態で、前記冷却用熱交換器により冷却される前記商品収納室の温度が所定の冷却下限値まで低下したとき、前記冷却用熱交換器を迂回して冷媒を流す状態とし、前記室外熱交換器にて冷媒を蒸発させることを特徴とする請求項9又は請求項10に記載の自動販売機。 - 前記冷却用熱交換器により冷却される前記商品収納室内に蓄冷剤を設けたことを特徴とする請求項10又は請求項11に記載の自動販売機。
- 前記制御装置は、夜間に前記圧縮機を運転して前記タンク内の2次媒体に蓄熱し、前記蓄冷剤に蓄冷するピークシフト運転を実行することを特徴とする請求項12に記載の自動販売機。
- 前記2次媒体回路は、前記2次媒体を冷却するための2次媒体冷却器を備え、
前記制御装置は、前記加熱用熱交換器により前記商品収納室内を加熱する必要が無く、前記冷却用熱交換器により前記商品収納室内を冷却する場合に、前記2次媒体ポンプを運転し、前記2次媒体冷却器にて前記2次媒体を冷却することを特徴とする請求項10乃至請求項13のうちの何れかに記載の自動販売機。 - 前記制御装置は、夜間に前記2次媒体冷却器で前記2次媒体を冷却し、前記タンク内の2次媒体に蓄冷するピークシフト運転を実行することを特徴とする請求項14に記載の自動販売機。
- 冷却及び加熱の切り換えが可能な前記商品収納室としての冷温切換室と、冷却専用の前記商品収納室としての冷却専用室を備え、
前記冷却用熱交換器は前記冷温切換室及び前記冷却専用室に設けられ、前記加熱用熱交換器は前記冷温切換室に設けられることを特徴とする請求項10乃至請求項15のうちの何れかに記載の自動販売機。 - 前記蒸気圧縮回路の冷媒として二酸化炭素を使用することを特徴とする請求項1乃至請求項16のうちの何れかに記載のヒートポンプ装置又は自動販売機。
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