JP2016502636A - 加熱動作中にヒートポンプのソース側に接続された熱交換器内の熱流の方向反転を考慮してヒートポンプの熱流を切り替えるバルブ - Google Patents

Abstract

本発明は、ハウジング（７）を有する切替弁を備えるバルブ機構に関し、ハウジング（７）には、ヒートポンプと接続された少なくとも4つの接続パイプ（８）と、熱源とヒートシンクの夫々と接続された少なくとも２つを含む少なくとも４つの接続パイプ（９）と、少なくとも一つのバルブ体（１０）と、前記ハウジング内で前記接続パイプとの関連で前記バルブ体を相対的に動かす駆動要素と、を設け、前記ヒートポンプの加熱動作中に前記熱交換器が前記ヒートポンプのソース側に接続される熱交換器（２）を更に備え、前記ヒートポンプの加熱動作と冷却動作の切替え中に、前記熱交換器内で伝熱媒体の流れ方向の反転が可能である。【選択図】図２

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに従って、熱流を切り替えることによって異なる方法でヒートポンプを操作するバルブ機構（valve arrangement）、および異なる方法でヒートポンプを操作する方法に関する。

建物はヒートポンプによって加熱されることも冷却されることもできる。建物の加熱モードから冷却モードへの切替えは異なる方法で行うことができるが、液圧接続においてヒートポンプの内部または外部の能動的シフトが必要である。このシフトによってのみ、例えば冷却動作中に、加熱動作中に加熱された建物から熱を取り出すことができる。

加熱動作および冷却動作のために設計された典型的なヒートポンプ装置および一般的なエアコンディショナーでは、ヒートポンプサイクル内で切替えが行われる。これにより、蒸発器を凝縮器に変化させ、凝縮器を蒸発器に変化させることによってヒートポンプの動作モードが変化する。この種の切替えは理想的ではなく、その構成要素である蒸発器と凝縮器が同一ではないため、２つの動作モードの一方の効率損失につながる。また、切替えを必要とする追加的なバルブ機器によって冷却媒体サイクルが更に複雑になる。

上述の欠点により、切替えのための様々な可能性を利用することが望ましい。他の可能性は、ヒートポンプサイクルは変えないが、例えば独国特許公開公報第２５４２７２８（Ａ１）号明細書に記載されているように、動作モードの切替え中、例えば加熱モードから他のモード、例えば冷却モードへ切り替えるときに設備側の熱源とヒートシンクを入れ替えることである。しかしながら、上述の入替えは、熱源とヒートシンクとの間の媒体の混合につながるため、外側での切替えという上述の方法は、熱源とヒートシンク側で同じ媒体が使用される場合にのみ適切である。したがって、例えば空気−水およびブライン−水ヒートポンプは、追加的な熱交換器が使用されない限り、媒体の混合が防止される。

現在、多くの場合、ヒートポンプ装置は地熱プローブとともに操作される。温暖な気候帯での一般的な自然温度勾配のため、効率的理由から、ヒートポンプを用いた加熱に３００ｍ超の深い地熱プローブを用いることは興味深いことである。現在、標準的に用いられているＵ字状／二重Ｕ字状の管状プローブの場合、そのような大深度の場合には媒体循環の圧力損失が無視できない。

また、この種のプローブの場合、熱的短絡が発生し、深い地熱プローブドリルの可能性を最大限に利用することができない。代替的なプローブタイプとして、例えば所謂同軸地熱プローブが適切である。このようなプローブでは、外部チューブと、より小さな直径の内部、理想的には断熱された中心チューブの両方を伝熱媒体が流れる。ヒートポンプの加熱動作中の高温の可能性をより良く利用するため、冷却された伝熱媒体が外部チューブの内側の地熱プローブ内を深部まで流れ、持続的に温められる。地熱プローブの端部において最高温度に達し、伝熱媒体は内部中心チューブ内を流れてヒートポンプに戻る。ヒートポンプの冷却動作中、熱源とヒートシンクが入れ替えられて地熱プローブ内の熱流の方向が反転する。これにより、ヒートポンプの凝縮器から奪われる熱は最高温度で、地熱プローブの最深地点で大地に戻さ、そこで効率的に蓄積される。その結果、温められた伝熱媒体は中心チューブ内を下方へ流れ、外部チューブ内を逆流する。加熱動作と冷却動作の切替え中のヒートポンプの熱源側に接続された熱交換器の熱流の方向反転は、図１を参照して後で詳細に説明する。

ヒートポンプの冷却媒体の切替えの代わりに現在入手可能なバルブタイプ（四方弁、三方弁、停止弁等）を使って、現在では極めてまれに設備側の熱流の切替えが適用される。そのような切替方法は高い設備費と付随するコストを伴い、加熱／冷却を切替える少なくとも２つのシングルバルブと、地熱プローブの熱流の方向反転を含む切替用の少なくとも３つのバルブと、多数の接続部とを備えた大規模な液圧システムになる。外側切替えと追加的な熱流の方向反転を実施する材料費や設備費の増加は、この解決策の普及を制限している。したがって、熱流の方向反転を含み、熱流を切替える、簡単で材料費や設備費が低減可能な技術的解決策が必要とされている。

欧州特許公開公報第０９６７４４７（Ａ１）号明細書に記載された可能な解決策ではシングルバルブで熱源とヒートシンクの交換を行っているが、例えば接続された同軸地熱プローブ内の熱流の方向反転は生じない。したがって、本発明の目的は、加熱動作中にヒートポンプのソース側に接続された地熱プローブ等の熱交換器内で熱流の方向反転で熱流を切り替える可能性を提案することであり、この解決策は簡単で材料費や設備費の低減が可能である。

欧州特許公開公報第０９６７４４７（Ａ１）号明細書にも記載されたように、発明の本題は、シングルバルブを用いてヒートポンプの簡単な外側切替えを確立することであり、ヒートポンプにはソース側とヒートシンク側の両方で同じ液体媒体が用いられている。

ソース側とヒートシンク側の簡単な切替えを伴う様々な実施の形態において、例えば地熱プローブ内において熱流の方向反転が達成できるように、バルブが形成される必要がある。また、バルブは、必要に応じてヒートポンプをバイパスしてソース側とヒートシンク側を直接的に短絡し、例えば地熱プローブと組み合わせて建物の直接冷却、所謂「フリー・クーリング」、および／または例えば集熱器を用いて大地への直接回生を可能にする。

本発明によれば、ヒートポンプを異なる方法で作動させるため、請求項１の記載に基づいてヒートポンプの熱流を切り替えるバルブ機構が提案されている。

このバルブ機構が切替弁と熱交換器を備えることが提案されている。切替弁はハウジングを有し、前記ハウジングが、前記ヒートポンプと接続される少なくとも４つの接続ピース（connection pieces）と、少なくとも２つが熱源と接続され、少なくとも２つがヒートシンクと接続される少なくとも４つの接続ピースと、少なくとも１つのバルブ体と、前記ハウジング内で前記接続ピースとの関連で前記バルブ体を相対的に動かす駆動要素と、を備えている。前記ヒートポンプの加熱動作中に前記熱交換器が前記ヒートポンプのソース側に接続され、前記ヒートポンプの加熱動作と冷却動作の切替え中に、前記熱交換器内の伝熱媒体の流れ方向を反転するように、前記熱交換器が前記バルブと接続される。熱交換器として、例えば同軸地熱プローブが用いられてもよい。

実施の形態によれば、前記切替弁の前記バルブ体が中空の経路のような複数の貫通部を有し、少なくとも一部が、作動モードに従って異なる方法で前記ハウジング内の少なくとも２つの接続ピースを互いに接続することが提案されている。

実施の形態によれば、前記バルブ体は、回転対称、例えば円筒形または球状に設計され、前記接続ピースを異なる方法で互いに接続するため、前記バルブ体を殻のように取り囲む前記ハウジングとの関連で回転可能であることが提案されている。

他の実施の形態によれば、前記バルブ体は、前記ハウジングとの関連で直線状に移動可能であり、これにより、前記接続ピースが、並進運動を用いた作動モードに従って異なる方法で互いに接続可能であることが提案されている。また、本発明の他の実施の形態は、従属請求項において特徴付けられている。

また、請求項１１の記載に基づいて前記ヒートポンプの熱流を切替えて異なる方法でヒートポンプを操作する方法が提案されている。

本発明の方法の他の実施の形態が従属請求項により特徴付けられている。

次に、典型的な実施の形態を示した添付図面を参照して、本発明を更に説明する。

図１ａは、本発明のバルブ機構を有するヒートポンプシステムの液圧接続の実施例を示す図である。 図１ｂは、本発明のバルブ機構を有するヒートポンプシステムの液圧接続の実施例を示す図である。 図２は、加熱動作中にヒートポンプのソース側に接続される熱交換器を有する、本発明の切替弁の概略断面図である。 図３は、加熱動作中にヒートポンプのソース側に接続される熱交換器を有する、本発明の典型的な実施の形態の切替弁の概略断面図である。 図４は、加熱動作中にヒートポンプのソース側に接続される熱交換器を有する、本発明の典型的な実施の形態の切替弁の概略断面図である。 図５は、切替弁の様々な接続部間の接続を有する様々な作動モードと、加熱動作中にヒートポンプのソース側に接続された熱交換器の熱流方向とを概略的に示す図である。

図１ａ、１ｂは、ヒートポンプ１と、同軸地熱プローブ２と、集熱器３と、ルーム・リリーシング・システム（room releasing system）４と、循環ポンプ５と、本発明のバルブ機構のバルブ装置６と、を有するヒートポンプシステムの液圧接続の実施例を示している。

図１ａは典型的な動作温度で加熱動作中のシステムを示し、図１ｂは典型的な動作温度で冷却動作中のシステムを示している。加熱動作中には集熱器のサイクルのスイッチが切られ、同軸地熱プローブは外側から内側へ（αからβへ）流される。冷却動作中には集熱器のサイクルのスイッチが入り、同軸地熱プローブ内の流れが反転し、内側から外側へ（βからαへの）流れが生じる。熱流の方向反転は、プローブ流体とプローブ長さに沿う大地の間の熱伝達を夫々選択的に抑え、選択的に優先する。

外側切替えはヒートポンプの冷却サイクルの一定で適合した動作を可能にし、それによって加熱と冷却の両動作モードでヒートポンプの平均効率を向上させている。

本発明は、典型的なバルブ技術を用いた熱流の方向反転を伴う外側切替えに起因する液圧設備の複雑さを、接続の複雑さを１つのシングルバルブ内に置くことによって低減している。そのため、設備費が低減され、有利な解決策が実現可能である。プローブ内の熱流の方向反転を含み、加熱／冷却を切り替える少なくとも４つの四方弁または三方弁から、１つのシングルバルブへの低減は、設置面積の節約により、外側切替えをヒートポンプのハウジングに組み込む可能性も高めている。

また、バルブ装置の切替弁は、例えば「フリー・クーリング」モードのため、または集熱器を用いた大地への直接回生のためにヒートポンプをバイパスすることや、同軸地熱プローブまたはその他の熱流の方向反転に関して地熱プローブと集熱器の流れる順番の入替え等の追加的な機能の単純な統合を可能にしている。

本発明によれば、バルブ装置の切替弁は、図２に示すように、ヒートポンプ８およびソース／ヒートシンク９の接続を有するハウジング７と、バルブ体１０と、例えば集熱器を直接接続する接続ピースの可能な拡張を伴う駆動要素１１とを備えている。

バルブ体１０は、キャビティとヒートポンプ側８の接続ピースを、特別な方法でソース／ヒートシンク側９に接続する貫通部を備えている。どの接続ピースが互いに接続されるかは、作動モード（加熱／冷却、「フリー・クーリング」、回生地表等）による。また、図２の説明とは対照的に、ヒートポンプの接続部、ソース／ヒートシンク側の接続部を、夫々バルブ体の両側に配置することが可能である。必要に応じて、接続部は全ての側部に配置することができる。

バルブ装置の場合、図２に示すように、記載された発明に従って熱流を切り替える様々な実施の形態が可能である。２つの可能な実施の形態はｘ軸、ｙ軸の周りの回転運動によって夫々切替えられ、シェル面または正面に貫通部を有する円筒形のバルブ体に基づいている。また、ボール等の回転対称形状がバルブ体とともに考えられる。また、他の実施の形態は、ｘ軸に沿って並進する運動、またはｘ軸に直角な運動による切替えを引き起こす線形スライダーに基づいている。

外側切替えと熱流の方向反転が、加熱動作中にヒートポンプのソース側に接続された地熱プローブ等の熱交換器と一つの構成要素（バルブ）内で行われ、その切替えのために１つの調整要素だけを必要とすることは、本発明にとって特徴的である。図２の実施の形態に対する代替的な実施の形態として、コネクターの接続をハウジング７内に画成することもでき、バルブ体１０の代わりに、ハウジング内の特定の接続を選択的にリリースし、他の接続を分離する簡単な制御ディスクを用いてもよい。

図３、４には、本発明のバルブ機構の２つの典型的な実施の形態が図示されている。切替弁が、上述のバルブ機構の構成要素として、一方においてはｘ軸（図３）周りの回転を伴うシリンダとして、他方においてはｘ軸（図４）に沿った運動を伴う軸方向スライダーとして、断面図に示されている。何れの実施の形態においても、加熱動作中にヒートポンプのソース側に接続される熱交換器が切替弁に接続される。両実施の形態において、ソースとヒートシンクの間で切替えが行われ、接続された熱交換器内の流れ方向が反転する。

図３において、上図の円筒形の切替弁の位置は加熱動作を示し、ｉはＡに、ｉｉはＣに、ｉｉｉはＢに、ｉｖはＤに接続されている。接続された熱交換器の熱流はコネクターαからコネクターβの方向である。冷却動作中（図３の下図）、コネクターは次のように互いに接続され、すなわちｉはＣに、ｉｉはＡに、ｉｉｉはＤに、ｉｖはＢに接続されている。接続された熱交換器の熱流はコネクターβからコネクターαの方向である。

図４には、バルブが、軸方向の実施の形態において加熱動作の位置で図示されている。そのため、同様にｉはＡに、ｉｉはＢに、ｉｉｉはＣに、ｉｖはＤに接続されている。この実施の形態において、加熱動作中のｉｖとＤの接続は、バルブ体だけでなく、バルブ体とハウジングのキャビティによっても実現される。接続された熱交換器の熱流は、コネクターαからコネクターβの方向である。冷却動作中（図４の下）、コネクターは次のように互いに接続され、すなわちｉはＢに、ｉｉはＤに、ｉｉｉはＡに、ｉｖはＣに接続されている。

冷却動作中のヒートポンプとソース／ヒートシンクの接続は、この場合も図示された構成に対してバルブ体だけで実現される。接続された熱交換器はコネクターβからコネクターαの方向に循環する。

ヒートポンプとソース／ヒートシンクの接続と、加熱動作中にヒートポンプのソース側に接続された熱交換器の熱流の方向の典型的な説明は、様々な動作モードに対応している。

図５には、様々な動作モードのバルブ装置の異なるコネクター間の接続と、接続された熱交換器の熱流の方向の両方が、概略的に図示されている。熱流の方向反転（図５、位置ａ〜ｃ）を含むソースとヒートシンク側の外側切替えのため、ヒートポンプと、リリースシステムと、熱交換器（例えば、地熱プローブ）がバルブ装置に接続される。バルブ装置の可能な拡張の場合、集熱器がバルブ装置に追加的に接続される（図５、位置ｄ〜ｆ）。前記拡張によって、地熱プローブと集熱器の流れの順番の維持、または地熱プローブ内の流れ方向の同時反転中の順番の入替えが可能である。

図５の様々な動作モードは以下の通りである。
位置ａ： 加熱
位置ｂ： 地熱プローブ内の流れ方向の反転を伴う冷却
位置ｃ： フリー・クーリング
位置ｄ： 可能な拡張； 集熱器と同軸地熱プローブを使って加熱
位置ｅ： 可能な拡張； 集熱器と同軸地熱プローブを使って冷却
位置ｆ： 可能な拡張； 集熱器を使って地表の回生
説明
ｉ 凝縮器出力
ｉｉ 蒸発器入力
ｉｉｉ 蒸発器出力
ｉｖ 凝縮器入力
Ａ ルームＶＬ
Ｂ 熱交換器コネクターα
Ｃ 熱交換器コネクターβ
Ｄ ルームＲＬ
Ｅ ＶＬ集熱器
Ｆ ＲＬ集熱器
図１〜５に示す本発明のバルブ機構の可能な実施の形態と記載された方法は、当然のことながら、本発明をより良く理解するための実施例である。

具体的には、図示されたバルブ機構は実施例にすぎず、その他の実施の形態も可能である。例えばバルブ体がボールとして形成され、本体を取り囲むシェル状のハウジング内でバルブ体を回転させることによって、図５に示すように、異なるコネクターを互いに接続することができる。当然のことながら、スライダーの代わりにシリンダをハウジング内で直線状に動かすことができ、また必要に応じて接続の一部を予めハウジング内で指定することができる。ｘ軸に関して直角にスライドされ、バルブ体内に夫々位置毎に外側コネクターの数に相当する貫通部を備えるスライダーとしての解決策も考えられる。本発明は、要件により、金属材料ならびにポリマー、セラミックまたは他の材料を用いることができるため、ハウジングとバルブ体を形成する材料の選択に関しては特に重視しない。本発明は、可能性は無限にあるため、バルブの制御に関しても特に重視しない。

Claims (14)

1. ハウジング（７）を有する切替弁を備えるバルブ機構であって、前記ハウジング（７）は、ヒートポンプと接続される少なくとも４つの接続ピース（８）と、少なくとも２つが熱源と接続され、少なくとも２つがヒートシンクと接続される少なくとも４つの接続ピース（９）と、少なくとも一つのバルブ体（１０）と、前記ハウジング内で前記接続ピースとの関連で前記バルブ体を相対的に動かす駆動要素と、を設け、
   加熱動作中に前記ヒートポンプのソース側に接続される熱交換器を更に備え、前記ヒートポンプの加熱動作と冷却動作の切替え中に伝熱媒体の流れ方向の反転が可能なバルブ機構。
2. 前記バルブ体（１０）が、作動モードに従って異なる方法で前記ハウジング内の少なくとも２つの接続ピースを互いに接続する貫通部または中空の経路を有することを特徴とする請求項１に記載のバルブ機構。
3. 前記バルブ体は回転対称、円筒形または球状に設計され、前記接続ピースを異なる方法で互いに接続するために、前記バルブ体をシェル状に取り囲んでいる前記ハウジングとの関連で回転可能なことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のバルブ機構。
4. 前記バルブ体は、前記ハウジングとの関連で直線状に移動可能であり、並進運動により作動モードに従って異なる方法で記接続ピースが互いに接続可能であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のバルブ機構。
5. 前記駆動要素は機械駆動により形成され、制御が手動または例えば電気エネルギーに基づいて実行されることを特徴とする請求項１〜４の何れか一つに記載のバルブ機構。
6. 凝縮器用に少なくとも２つのコネクターが指定され、蒸発器用に少なくとも２つのコネクターが指定され、冷却または加熱サイクル用に少なくとも２つのコネクターが指定され、熱源／シンクおよび／または地熱プローブ等の蓄熱装置用に少なくとも２つのコネクターが指定されることを特徴とする請求項１〜５の何れか一つに記載のバルブ機構。
7. 前記熱源と前記ヒートポンプのシンクが入れ替えられ、加熱動作と冷却動作が可能なように、前記接続ピースが異なる方法で接続されることが可能なことを特徴とする請求項１〜６の何れか一つに記載のバルブ機構。
8. 前記熱源とヒートシンクの前記接続ピースが互いに直接接続されるように、前記コネクターが接続可能なことを特徴とする請求項１〜７の何れか一つに記載のバルブ機構。
9. 集熱器、他の冷却または加熱サイクル、蓄熱等の付属装置の接続のために、前記ハウジング内の他のコネクターが指定されることを特徴とする請求項１〜８の何れか一つに記載のバルブ機構。
10. ヒートポンプと、同軸地熱プローブ、ルーム・リリーシング・システム、循環ポンプ、クレーム１〜９の何れか一つに記載の、バルブ機構を設けた集熱器を有するヒートポンプシステム。
11. ヒートポンプの熱流を切り替えることによって異なる方法で前記ヒートポンプを操作し、加熱動作中に前記ヒートポンプのソース側に接続される熱交換器内の流れ方向を反転させる方法であって、
    前記ヒートポンプは、少なくとも４つのコネクターによってバルブ機構のハウジングと接続され、
    少なくとも１つの熱源と少なくとも１つのヒートシンクが少なくとも２つのコネクターによって異なる方法で前記ハウジングと接続され、前記ハウジング内のバルブ体を用いて異なる方法で前記コネクターを互いに接続することによって異なる動作モードが実行され、前記バルブ体は前記ハウジングとの関連で動かされることを特徴とする方法。
12. 少なくとも１つの熱源／吸熱等のヒートシンク／ヒート・リリース・システムおよび地熱プローブを使って建物を加熱または冷却し、
    前記ヒートポンプと前記熱源／ヒートシンクの前記コネクターは、内部冷却媒体の流れを反転しないで前記ヒートポンプ（加熱／冷却）の異なる使用が可能なように、前記バルブ体の前記貫通部または中空の経路を用いて切り替えられることを特徴とする請求項１１に記載のバルブ機構。
13. 前記流れ方向の反転は、前記コネクターを異なる方法で接続することによって、特に同軸地熱プローブ内で発生することを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の方法。
14. １つまたは複数の集熱器の使用下でコネクターを更に配置し、前記コネクターを異なる方法で接続することによって、前記地熱プローブの熱流の反転と同時に集熱器と地熱プローブの流れの順序の永続が可能なことを特徴とする請求項１１〜１３の何れか一つに記載の方法。
    

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