JP2017110892A

JP2017110892A - ヒートポンプ装置

Info

Publication number: JP2017110892A
Application number: JP2015247829A
Authority: JP
Inventors: 大弥下司; Hiroya Shimoji; 岳彦川上; Takehiko Kawakami; 眞柄　隆志; Takashi Magara; 隆志眞柄; 真典上田; Masanori Ueda
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2017-06-22

Abstract

【課題】負荷側熱交換器において負荷側循環液を冷却して冷熱を供給する冷却運転時に、負荷側循環液の冷却を妨げることのないヒートポンプ装置を提供する。
【解決手段】圧縮機２と、負荷側熱交換器４と、減圧手段５と、熱源側熱交換器６とを環状に接続したヒートポンプ回路８を有するヒートポンプユニット１を備え、負荷側熱交換器４および熱源側熱交換器６が液・冷媒熱交換器からなり、少なくとも負荷側熱交換器４において負荷側循環液を冷却して冷熱を供給する冷却運転を行うヒートポンプ装置において、少なくとも圧縮機２、負荷側熱交換器４、熱源側熱交換器６をヒートポンプユニット１の筐体内に収容すると共に、平面視で、負荷側熱交換器４と、圧縮機２とを結んだ間の空間内に熱源側熱交換器６を配設するようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は、ヒートポンプ装置に係り、特に、負荷側熱交換器および熱源側熱交換器が共に、循環液と冷媒が熱交換する液−冷媒熱交換器であるヒートポンプ装置に関するものである。

従来、圧縮機と、負荷側熱交換器と、膨張弁と、熱源側熱交換器とを冷媒配管で環状に接続したヒートポンプ回路を備え、負荷側熱交換器および熱源側熱交換器が液・冷媒熱交換器からなるヒートポンプ装置において、圧縮機、負荷側熱交換器、熱源側熱交換器を同一の筐体内に収めると共に、負荷側熱交換器とそれに対向させて配置した熱源側熱交換器との間の空間に圧縮機を配設したものがあった。（例えば、特許文献１参照。）

特開２００７−６４５４０号公報

ところで、この従来のものでは、負荷側熱交換器において、冷媒と負荷側循環液との熱交換によって負荷側循環液を冷却し、その冷却された負荷側循環液を輻射パネル等の室内端末に供給することにより、室内を冷房する冷却運転を行うことが考えられるものであるが、負荷側熱交換器とそれに対向させて配置した熱源側熱交換器との間の空間に圧縮機を配設した場合、負荷側熱交換器、圧縮機、熱源側熱交換器の並び順となって圧縮機と負荷側熱交換器は隣り合うことになり、前記冷却運転時には、圧縮機と負荷側熱交換器との間で温度差が大きくなり、最も高温である圧縮機の熱が低温の負荷側熱交換器に悪影響を及ぼしてしまい、負荷側循環液の冷却を妨げるおそれがあった。

負荷側循環液の冷却が妨げられると、負荷側循環液の温度が目標温度まで低下しづらくなるということになり、負荷側循環液の温度を目標温度まで低下させようとすると、膨張弁の開度を絞ったり、圧縮機の回転数を上げる等の制御を行うことになるが、そうすると、圧縮機から吐出される冷媒の温度はより高温となるので、最も高温である圧縮機の熱が低温の負荷側熱交換器に悪影響を及ぼす状態は変わらず、圧縮機の消費電力が増加して、冷却運転時にヒートポンプ装置としての効率が低下するものであった。

本発明は上記課題を解決するために、請求項１では、圧縮機と、負荷側熱交換器と、減圧手段と、熱源側熱交換器とを環状に接続したヒートポンプ回路を有するヒートポンプユニットを備え、前記負荷側熱交換器および前記熱源側熱交換器が液・冷媒熱交換器からなり、少なくとも前記負荷側熱交換器において負荷側循環液を冷却して冷熱を供給する冷却運転を行うヒートポンプ装置において、少なくとも前記圧縮機、前記負荷側熱交換器、前記熱源側熱交換器を前記ヒートポンプユニットの筐体内に収容すると共に、平面視で、前記負荷側熱交換器の平面と、前記圧縮機の平面とを結んだ間の空間内に前記熱源側熱交換器を配設するものとした。

また、請求項２では、圧縮機と、負荷側熱交換器と、減圧手段と、熱源側熱交換器とを環状に接続したヒートポンプ回路を有するヒートポンプユニットを備え、前記負荷側熱交換器および前記熱源側熱交換器が液・冷媒熱交換器からなり、前記負荷側熱交換器において負荷側循環液を冷却して冷熱を供給する冷却運転、または前記負荷側熱交換器において負荷側循環液を加熱して温熱を供給する加熱運転を行うヒートポンプ装置において、少なくとも前記圧縮機、前記負荷側熱交換器、前記熱源側熱交換器を前記ヒートポンプユニットの筐体内に収容すると共に、平面視で、前記負荷側熱交換器の平面と、前記圧縮機の平面とを結んだ間の空間内に前記熱源側熱交換器を配設するものとした。

また、請求項３では、前記負荷側熱交換器の一側面には、前記負荷側循環液が流通する負荷側配管を接続する接続口が設けられ、該接続口に接続される前記負荷側配管は、前記圧縮機から遠ざかる方向に延設されるものとした。

この発明の請求項１によれば、負荷側熱交換器において負荷側循環液を冷却して冷熱を供給する冷却運転を行うヒートポンプ装置において、少なくとも圧縮機、負荷側熱交換器、熱源側熱交換器をヒートポンプユニットの筐体内に収容すると共に、平面視で、前記負荷側熱交換器の平面と、圧縮機の平面とを結んだ間の空間内に熱源側熱交換器を配設するようにしたことで、冷却運転時においては、負荷側熱交換器は低温となり、圧縮機が最も高温となるものであるが、負荷側熱交換器と圧縮機とは熱源側熱交換器を挟むようにして離れた位置に配設されているので、熱源側熱交換器が圧縮機と負荷側熱交換器との間の伝熱を妨げ、最も高温である圧縮機の熱が低温の負荷側熱交換器に作用して悪影響を及ぼすことが抑制されるものであり、負荷側循環液の冷却が妨げられることがなく、冷却運転時にヒートポンプ装置としての効率が低下することがないものである。

また、請求項２によれば、負荷側熱交換器において負荷側循環液を冷却して冷熱を供給する冷却運転、または負荷側熱交換器において負荷側循環液を加熱して温熱を供給する加熱運転を行うヒートポンプ装置において、少なくとも圧縮機、負荷側熱交換器、熱源側熱交換器をヒートポンプユニットの筐体内に収容すると共に、平面視で、前記負荷側熱交換器の平面と、圧縮機の平面とを結んだ間の空間内に熱源側熱交換器を配設するようにしたことで、冷却運転時においては、負荷側熱交換器は低温となり、圧縮機が最も高温となるものであるが、負荷側熱交換器と圧縮機とは熱源側熱交換器を挟むようにして離れた位置に配設されているので、熱源側熱交換器が圧縮機と負荷側熱交換器との間の伝熱を妨げ、最も高温である圧縮機の熱が低温の負荷側熱交換器に作用して悪影響を及ぼすことが抑制されるものであり、負荷側循環液の冷却が妨げられることがなく、冷却運転時にヒートポンプ装置としての効率が低下することがないものである。さらに、加熱運転時においては、最も高温となる圧縮機と低温となる熱源側熱交換器が隣り合い、圧縮機の熱が熱源側熱交換器に伝わるが、熱源側熱交換器が加熱されることで、熱源側熱交換器を通過する冷媒が加熱され、圧縮機に吸入される冷媒の温度が上昇し、圧縮機から吐出される冷媒の温度と圧縮機に吸入される冷媒の温度との温度差が小さくなるので、圧縮機の仕事量が小さくすることができ、圧縮機の消費電力を低減させ、加熱運転時にヒートポンプ装置としての効率を向上することができると共に、加熱運転時においては、負荷側熱交換器は温度が高いということに加えて、負荷側熱交換器と圧縮機とは熱源側熱交換器を挟むようにして離れた位置に配設されているので、圧縮機の熱が負荷側熱交換器に作用して負荷側循環液の温度に悪影響を及ぼすことがないものである。

また、請求項３によれば、負荷側熱交換器の一側面に設けられた接続口に接続される負荷側配管は、圧縮機から遠ざかる方向に延設されていることで、負荷側循環液は圧縮機から遠ざかる方向に導かれるので、圧縮機の熱が負荷循環液の温度に悪影響を及ぼすことがないものである。

本発明の一実施形態のヒートポンプ装置の概略構成図。ヒートポンプ装置の冷却運転時の動作を説明する説明図。ヒートポンプ装置の加熱運転時の動作を説明する説明図。ヒートポンプ装置のヒートポンプユニットを平面視した平面構造図。ヒートポンプ装置のヒートポンプユニットを平面視した他の平面構造図。

次に、この発明の一実施形態のヒートポンプ装置の構成について、図面に基づき詳細に説明する。
１は冷温熱を供給するヒートポンプ式の熱源機としてのヒートポンプユニットで、ヒートポンプユニット１は、その筐体内に、冷媒を圧縮する回転数可変の圧縮機２、四方弁３、負荷側熱交換器４、減圧手段としての膨張弁５、熱源側熱交換器６を備え、それらを冷媒配管７で環状に接続してヒートポンプ回路８を形成しているものである。なお、ヒートポンプ回路８を循環する冷媒としては、ＨＦＣ冷媒や二酸化炭素冷媒等の任意の冷媒を用いることができるものである。

前記冷媒配管７に設けられた四方弁３は、ヒートポンプ回路８における冷媒の流れ方向を切り換える切換弁としての機能を有し、圧縮機２から吐出された冷媒を、負荷側熱交換器４、膨張弁５、熱源側熱交換器６の順に流通させ、圧縮機２に戻す流路を形成する状態（加熱運転時の状態）と、圧縮機２から吐出された冷媒を、熱源側熱交換器６、膨張弁５、負荷側熱交換器４の順に流通させ、圧縮機２に戻す流路を形成する状態（冷却運転時の状態）とに切換可能なものである。

また、９は圧縮機２から吐出された冷媒の温度を検出する吐出温度センサ、１０は膨張弁５と熱源側熱交換器６とを接続する冷媒配管７に設けられ、ここを流通する冷媒の温度を検出する冷媒温度センサである。

１１は熱源側熱交換器６を流通する冷媒を加熱または冷却する熱源として地中に設置された地中熱交換器で、熱源側熱交換器６の液体流路と地中熱交換器１１とを熱源側配管１２で環状に接続して熱源側循環回路１３を形成するものであり、熱源側配管１２には、熱源側循環回路１３に熱源側循環液（例えば、水や不凍液等）を循環させる回転数可変の熱源側循環ポンプ１４と、熱源側循環液を貯留し熱源側循環回路１３の圧力を調整する熱源側シスターン１５とを備えているものである。

１６はヒートポンプユニット１で冷却または加熱された負荷側循環液が供給され、供給された負荷側循環液の熱を利用することで室内の空調を行う室内端末であり、室内端末１６としては冷暖房兼用の輻射パネルやファンコイル等を用いるものである。なお、室内端末１６は、図１では１つしか設けられていないが、複数であってもよいものであり、数量や仕様が特に限定されるものではない。

１７は負荷側熱交換器４の液体流路と室内端末１６とを負荷側配管１８で環状に接続した負荷側循環回路で、負荷側配管１８には、負荷側循環回路１７に負荷側循環液（例えば、水や不凍液等）を循環させる回転数可変の負荷側循環ポンプ１９と、室内端末１６から負荷側熱交換器４に流入する負荷側循環液の温度を検出する戻り温度センサ２０と、負荷側循環液を貯留し負荷側循環回路１７の圧力を調整する負荷側シスターン２１とを備えているものである。

前記負荷側熱交換器４および前記熱源側熱交換器６は液−冷媒熱交換器であり、例えばプレート式熱交換器で構成されている。このプレート式熱交換器は、複数の伝熱プレートが積層され、冷媒を流通させる冷媒流路と循環液等の液体を流通させる液体流路とが各伝熱プレートを境にして交互に形成されている。また、負荷側熱交換器４の一側面には、冷媒が流通する冷媒配管７が接続される接続口４ａ、４ｂと、負荷側循環液が流通する負荷側配管１８が接続される接続口４ｃ、４ｄとの４つの接続口が設けられており、熱源側熱交換器６の一側面には、冷媒が流通する冷媒配管７が接続される接続口６ａ、６ｂと、熱源側循環液が流通する熱源側配管１２が接続される接続口６ｃ、６ｄとの４つの接続口が設けられているものである。

２２は各種のデータやプログラムを記憶する記憶手段と、演算・制御処理を行う制御手段とを備えた制御部であり、制御部２２は、ヒートポンプユニット１内の各種センサの信号や、リモコン２３からの信号を受け、圧縮機２、四方弁３、膨張弁５、熱源側循環ポンプ１４、負荷側循環ポンプ１９の駆動を制御するものである。

次に、ヒートポンプ装置１の冷却運転時の動作について図２を用いて説明する。なお、図２中の矢線は、冷媒、負荷側循環液、熱源側循環液の流れる方向を示したものである。

リモコン２３から、負荷側熱交換器４において負荷側循環液を冷却し室内端末１６に冷熱を供給する冷却運転の指示がなされると、制御部２２は、四方弁３を冷却運転時の状態となるように流路を切り換え、圧縮機２、膨張弁５、熱源側循環ポンプ１４、負荷側循環ポンプ１９を駆動させて冷却運転を開始させる。

制御部２２は、冷却運転中、負荷側熱交換器４の直上流側の負荷側循環液の温度を検出する戻り温度センサ２０の検出値が、リモコン２３の設定温度に基づいて設定される目標冷水温度になるように、圧縮機２の回転数を制御するものである。

前記冷却運転中、ヒートポンプ回路８において、負荷側熱交換器４では、負荷側循環ポンプ１９により循環される負荷側循環液と膨張弁５から吐出された低温低圧の冷媒とが熱交換され負荷側循環液が冷却され、冷却された負荷側循環液は室内端末１６に供給され、室内端末１６を流通するときに負荷側循環液の冷熱が室内に放出されることで室内の冷房が行われるものである。一方、ヒートポンプ回路８において、熱源側熱交換器６では、熱源側循環回路１３を循環する熱源側循環液と圧縮機２から吐出された高温高圧の冷媒とが熱交換され、冷媒は冷却し凝縮され、熱源側循環液が冷媒から受け取った熱は地中熱交換器１１を介して地中に放出されるものである。

次に、ヒートポンプ装置１の加熱運転時の動作について図３を用いて説明する。なお、図３中の矢線は、冷媒、負荷側循環液、熱源側循環液の流れる方向を示したものである。

リモコン２３から、負荷側熱交換器４において負荷側循環液を加熱し室内端末１６に温熱を供給する加熱運転の指示がなされると、制御部２２は、四方弁３を加熱運転時の状態となるように流路を切り換え、圧縮機２、膨張弁５、熱源側循環ポンプ１４、負荷側循環ポンプ１９を駆動させて加熱運転を開始させる。

制御部２２は、加熱運転中、負荷側熱交換器４の直上流側の負荷側循環液の温度を検出する戻り温度センサ２０の検出値が、リモコン２３の設定温度に基づいて設定される目標温水温度になるように、圧縮機２の回転数を制御するものである。

前記加熱運転中、ヒートポンプ回路８において、負荷側熱交換器４では、負荷側循環ポンプ１９により循環される負荷側循環液と圧縮機２から吐出された高温高圧の冷媒とが熱交換され負荷側循環液が加熱され、加熱された負荷側循環液は室内端末１６に供給され、室内端末１６を流通するときに負荷側循環液の温熱が室内に放出されることで室内の暖房が行われるものである。一方、ヒートポンプ回路８において、熱源側熱交換器６では、熱源側循環ポンプ１４により循環され地中熱交換器１１を介して地中から採熱した熱源側循環液と膨張弁５から吐出された低温低圧の冷媒とが熱交換され、地中熱により冷媒を加熱し蒸発させるものである。

次に、本発明の要部について図４を用いて説明する。なお、図４中では、ヒートポンプユニット１の筐体内に収容されている主要な構成部品として、圧縮機２、負荷側熱交換器４、熱源側熱交換器６を図示し、それ以外の構成部品については省略している。

ここで、ヒートポンプユニット１の筐体内を平面視した場合、筐体内部は仕切板２４によって、圧縮機２が配設された圧縮機室２５と、負荷側熱交換器４および熱源側熱交換器６が配設された熱交換器室２６に仕切られ、左右方向に、負荷側熱交換器４、熱源側熱交換器６、圧縮機２の並び順で配置され、負荷側熱交換器４と、圧縮機２とを結んだ間の空間内に熱源側熱交換器６が配設されているものであり、負荷側熱交換器４の一側面に設けられた４つの接続口４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄのうち、接続口４ｂおよび接続口４ｄは負荷側熱交換器４の一側面の上部に設けられ、接続口４ａおよび接続口４ｃは負荷側熱交換器４の一側面の下部に設けられているものであり、負荷側配管１８が接続される接続口４ｃ、４ｄは、圧縮機２から遠い側に設けられており、且つ、負荷側熱交換器４の接続口４ｃ、４ｄに接続される負荷側配管１８は、圧縮機２から遠ざかる方向に延設されている。また、熱源側熱交換器６の一側面に設けられた４つの接続口６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄのうち、接続口６ｂおよび接続口６ｄは熱源側熱交換器６の一側面の上部に設けられ、接続口６ａおよび接続口６ｃは熱源側熱交換器６の一側面の下部に設けられているものであり、熱源側配管１２が接続される接続口６ｃ、６ｄは、圧縮機２から遠い側に設けられているものである。

前記冷却運転時においては、負荷側熱交換器４は低温となり、圧縮機２が最も高温となるものであるが、負荷側熱交換器４と圧縮機２とは、熱源側熱交換器６および仕切板２４を挟むようにして離れた位置に配設されているので、熱源側熱交換器６および仕切板２４が圧縮機２と負荷側熱交換器４との間の伝熱を妨げ、最も高温である圧縮機２の熱が低温の負荷側熱交換器４に作用して悪影響を及ぼすことが抑制されるものである。それにより、負荷側循環液の冷却が妨げられることがなく、冷却運転時にヒートポンプ装置としての効率が低下することがないものであり、また、負荷側熱交換器４の接続口４ｃ、４ｄに接続される負荷側配管１８は、圧縮機２から遠ざかる方向に延設されていることで、負荷側循環液は圧縮機２から遠ざかる方向に導かれるので、圧縮機２の熱が負荷循環液の冷却を妨げることがないものであり、さらに、負荷側熱交換器４の一側面に設けられ負荷側循環液が流通する負荷側配管１８が接続される接続口４ｃ、４ｄが圧縮機２から遠い側に設けられていることで、圧縮機２からの距離がより遠くなるので、圧縮機２の熱が負荷循環液の温度に悪影響を及ぼすことがないものである。

一方、前記加熱運転時において、最も高温となる圧縮機２と隣り合うのは、低温となる熱源側熱交換器６であり、最も高温である圧縮機２の熱が低温の熱源側熱交換器６に伝わるが、熱源側熱交換器６が加熱されるということは、熱源側熱交換器６を通過する冷媒が加熱されるということになり、圧縮機２に吸入される冷媒の温度が上昇することになる。つまり、圧縮機２から吐出される冷媒の温度と熱源側熱交換器６から流出し圧縮機２に吸入される冷媒の温度との温度差が小さくなり、圧縮機２を駆動させて同じ吐出温度の冷媒を生成する場合に、圧縮機２に吸入される冷媒の温度が高い方が圧縮機２に吸入される冷媒の温度が低い方よりも、圧縮機２の仕事量が小さくて済むので、圧縮機２の消費電力を低減させることができ、加熱運転時にヒートポンプ装置としての効率を向上することができるものである。なお、加熱運転時においては、負荷側熱交換器４は温度が高いということに加えて、負荷側熱交換器４と圧縮機２とは熱源側熱交換器６を挟むようにして離れた位置に配設されているので、圧縮機２の熱が負荷側熱交換器４に作用して負荷側循環液の温度に悪影響を及ぼすことがないものであり、また、負荷側熱交換器４の接続口４ｃ、４ｄに接続される負荷側配管１８は、圧縮機２から遠ざかる方向に延設されていることで、負荷側循環液は圧縮機２から遠ざかる方向に導かれるので、圧縮機２の熱が負荷循環液の温度に悪影響を及ぼすことがないものであり、さらに、負荷側熱交換器４の一側面に設けられ負荷側循環液が流通する負荷側配管１８が接続される接続口４ｃ、４ｄが圧縮機２から遠い側に設けられていることで、圧縮機２からの距離がより遠くなるので、圧縮機２の熱が負荷循環液の温度に悪影響を及ぼすことがないものである。

なお、本発明は先に説明した一実施形態に限定されるものでなく、本実施形態では、ヒートポンプユニット１の筐体内を平面視したときに、左右方向に、負荷側熱交換器４、熱源側熱交換器６、圧縮機２の並び順で配置したものを示したが、図５に示すように、前後方向に、負荷側熱交換器４、熱源側熱交換器６、圧縮機２の並び順で配置したものでもよく、ヒートポンプユニット１の筐体内において、負荷側熱交換器４と、圧縮機２とを結んだ間の空間内に熱源側熱交換器６が配設されているものであれば、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

また、本実施形態では、ヒートポンプユニット１の熱源として地中熱交換器１１を示したが、熱源としては、地中熱の他、河川の水、海水、井戸水、貯水等が利用可能であり、種類は問わないものであり、さらに、熱源側熱交換器６に供給される熱源側循環液は熱源側循環回路１３のような閉回路を循環する形態でなくてもよく、熱源側循環液は熱源側熱交換器６で熱交換した後は外部に排出されるような開放式の形態であってもよいものである。

１ヒートポンプユニット
２圧縮機
４負荷側熱交換器
４ｃ、４ｄ負荷側配管が接続される接続口
５膨張弁
６熱源側熱交換器
８ヒートポンプ回路
１８負荷側配管

Claims

圧縮機と、負荷側熱交換器と、減圧手段と、熱源側熱交換器とを環状に接続したヒートポンプ回路を有するヒートポンプユニットを備え、前記負荷側熱交換器および前記熱源側熱交換器が液・冷媒熱交換器からなり、少なくとも前記負荷側熱交換器において負荷側循環液を冷却して冷熱を供給する冷却運転を行うヒートポンプ装置において、少なくとも前記圧縮機、前記負荷側熱交換器、前記熱源側熱交換器を前記ヒートポンプユニットの筐体内に収容すると共に、平面視で、前記負荷側熱交換器と、前記圧縮機とを結んだ間の空間内に前記熱源側熱交換器を配設したことを特徴とするヒートポンプ装置。
圧縮機と、負荷側熱交換器と、減圧手段と、熱源側熱交換器とを環状に接続したヒートポンプ回路を有するヒートポンプユニットを備え、前記負荷側熱交換器および前記熱源側熱交換器が液・冷媒熱交換器からなり、前記負荷側熱交換器において負荷側循環液を冷却して冷熱を供給する冷却運転、または前記負荷側熱交換器において負荷側循環液を加熱して温熱を供給する加熱運転を行うヒートポンプ装置において、少なくとも前記圧縮機、前記負荷側熱交換器、前記熱源側熱交換器を前記ヒートポンプユニットの筐体内に収容すると共に、平面視で、前記負荷側熱交換器と、前記圧縮機とを結んだ間の空間内に前記熱源側熱交換器を配設したことを特徴とするヒートポンプ装置。
前記負荷側熱交換器の一側面には、前記負荷側循環液が流通する負荷側配管を接続する接続口が設けられ、該接続口に接続される前記負荷側配管は、前記圧縮機から遠ざかる方向に延設されていることを特徴とする請求項１または２記載のヒートポンプ装置。