JP2023515811A - ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

【要約】
本開示内容は、第１冷媒が流動する第１パイプ、前記第１パイプの他側に配置され第２冷媒が流動する第２パイプをと含む第１熱交換器と、前記第１パイプに連結されるボイラーと、前記第２パイプに連結されて第２冷媒が循環される第２熱交換器及び圧縮機と、前記第２熱交換器と前記第１冷媒が熱交換されうるよう配置されたバイパス管と、前記第１冷媒が前記バイパス管を通過するように切り替える３方弁とを含む。本開示内容によれば、室外熱交換器の蒸発機作動時に霜の形成を防止できる。

Description

本発明は、ヒートポンプに関し、さらに詳細には、暖房モード時に暖房効率を増大させエネルギーを低減させるヒートポンプに関する。

従来の技術によるヒートポンプは、冷房運転モードにおける冷媒は、圧縮機から吐き出された後、４方弁を経由して室外側熱交換器に移送され、室外側熱交換器から膨張器具を介して室内側熱交換器に移送された後、アキュムレーターを経て圧縮機に吸入される。暖房運転モードに変わると、冷媒の流動方向は、冷房運転時と反対に変わるようになる。

暖房運転モードにおいて、室外側熱交換器に流入する冷媒は、液体状態である。

液体状態の冷媒が気体状態に蒸発するのに必要な熱は、外部の空気から得るようになる。

そのため、外気温度が低くなると、蒸発作用が円滑にならず、これにより室内側熱交換器に流入する冷媒には液体成分が増加するようになって、暖房能力が大きく低下する。

実質的に外気温度が水の氷点である温度０℃以下に下がると、室外側熱交換器に霜が付きながら暖房運転効率が大きく低減する。

上記の問題点を解決するために、最近では、暖房モードから再度冷房モードに一定時間の間に逆稼動させる除霜モードを有するように設計される。このように、除霜モードに転換されると、室外側熱交換器に付着された霜を除去できる。

しかしながら、従来のヒートポンプにおいて室内側熱交換器は、暖房モードで運転する時に単純にヒートポンプサイクルの冷媒循環により暖房を実施するから、最近になって暖房効率の増加とエネルギー低減に対する消費者の期待に大きく応えることができなくなる。

その上、暖房時に蒸発温度が過度に落ちて凍って破裂する問題も伴われる。

そのため、低温環境に露出する空気調和機の室外熱交換器に発生する着霜を防止または遅延することのできる構造が求められる。

本発明が解決しようとする課題は、暖房運転時に室外熱交換器に発生できる着霜を効率的に防止するか、または発生した着霜を効率的に低減することにある。

本発明の課題は、以上言及した課題に制限されず、言及していないさらに他の課題は、以下の記載により当業者にとって明確に理解されるはずである。

前記課題を達成するために、本発明の一実施の形態によるヒートポンプは、第１冷媒が流動する第１パイプと、前記第１パイプの一側に配置され第２冷媒が流動する第２パイプと、前記第１パイプ及び前記第２パイプに連結され、前記第１冷媒が前記第２冷媒と熱交換する第１熱交換器と、前記第１パイプに連結されて前記第１冷媒が流動するボイラーと、前記第２パイプに連結されて前記第２冷媒を圧縮する圧縮機と、前記第２パイプに連結され、前記第２冷媒が外気と熱交換する第２熱交換器と、前記第１パイプから分岐して、前記第２熱交換器と熱交換するバイパス管と、前記第１冷媒がバイパス管を通過するように誘導する３方弁とを含む（備える；構成する；構築する；設定する；包接する；包含する；含有する）。

その他実施の形態の具体的な事項は、詳細な説明及び図面に含まれている。

本実施の形態によれば、暖房時に蒸発機として使用される第２熱交換器１２０、２２０と近い位置に水管を設置するか、または凝縮器から排出した直後に冷媒管を設置し、高温の流体を側方に循環させて、蒸発機の場合、第２熱交換器１２０、２２０の表面の結氷が遅延されることができる。

また、ヒートポンプと連通するボイラーＢに適用することによって、凝縮器である板形熱交換器に流入する温度を低くして効率を上げることができる。

また、流入温度を低くしてヒートポンプの作動範囲を広げて運営費を低減できる。

本発明の一実施の形態によるヒートポンプを概略的に示したものである。 本発明の他の実施の形態によるヒートポンプを概略的に示したものである。 図１及び図２によるボイラー－ヒートポンプ連動運転時の温度－性能グラフである。

本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付図面と共に詳細に後述されている実施の形態を参照すれば明確になるはずである。しかしながら、本発明は、以下に開示される実施の形態に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態により具現化されることができ、但し本実施の形態は、本発明の開示が完全になるようにし、本発明が属する技術分野における通常の知識を有した者に発明の範ちゅうを完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は、請求項の範ちゅうにより定義されるだけである。明細書全般にわたって同じ参照番号で表示された部分は、同じ構成要素を示す。

図１は、本発明の一実施の形態によるヒートポンプを概略的に示したものである。

図１に示すように、ヒートポンプは、第１冷媒が流動する第１パイプ１１１及び第１パイプ１１１の他側に配置され、第２冷媒が流動する第２パイプ１１２を含む第１熱交換器１１０、第１パイプ１１１に連結されるボイラーＢ及び第２パイプ１１２に連結されて第２冷媒が循環される第２熱交換器１２０、及び圧縮機１３０を含み、第２熱交換器１２０が蒸発機として機能すると、第１冷媒が第２熱交換器１２０と熱交換するよう切り替える３方弁１４０を含むことができる。

第１熱交換器１１０は、ヒートポンプの冷房または暖房モードにより可変する前記第１冷媒または第２冷媒の流動方向に従って可変的に作用する。

具体的に、第１熱交換器１１０は、ヒートポンプの暖房運転時に高温高圧気体状態の冷媒を常温高圧液体状態に凝縮させる凝縮器の役割を果たし、空気調和機の冷房運転時に低温低圧液体状態の冷媒を気体状態に蒸発させる蒸発機の役割を果たす。

このように前記第１冷媒または第２冷媒の循環によって第１熱交換器１１０は、第２熱交換器１２０と正反対に駆動することによって、ユーザーが望む通りに空気調和がなされるようにする。

なお、第１熱交換器１１０は、互いに独立的に流動する冷媒を有する板形熱交換器でありうる。

第１熱交換器１１０は、第１パイプ１１１及び第２パイプ１１２が両端に配置されて、第１冷媒及び第２冷媒は、互いに会わないで独自の流れを有するようになる。

第１熱交換器１１０の内部の流動をさらに詳細に説明すれば、第１冷媒は、左側の一端に形成された第１パイプ１１１の入口（図示せず）を介して流入し、一側へ移動されながらプレート１１３の長さ方向へ移動し、第１パイプ１１１の他側を介して排出する単一パスを有する。

また、第２冷媒は、右側の一端に形成された第２パイプ１１２の入口（図示せず）を介して流入した第２冷媒は、一側へ移動しながらプレート１１３の長さ方向（第１熱交換媒体の流動方向と反対）へ移動し、第２パイプ１１２の出口（図示せず）を介して排出する単一パスを有する。

なお、プレート１１３は、二種類の第１プレート（図示せず）と第２プレート（図示せず）が接合部（図示せず）の接合により上述した第１流動部（図示せず）と第２流動部（図示せず）を画定することができる。ここで、互いに隣接したプレート１１３の間は、蝋付け（ろう付け：ｂｒａｚｉｎｇ）で接着されることができる。

第２熱交換器１２０の一側には、送風ファン１２１が備えられることができる。送風ファン１２１は、室外空気を第２熱交換器１２０に案内する。

送風ファン１２１により強制流動する空気は、第２熱交換器１２０の内部を流動する第２冷媒と熱交換するようになる。

ボイラーＢは、第１パイプ１１１に連結され、第１パイプ１１１の内部において流動する水冷媒が含まれて給湯機能を行うことができる。

前記第２冷媒は、第２熱交換器１２０と圧縮機１３０を循環するものであって、Ｒ３２またはＲ２９０冷媒を含むことができる。

換言すれば、第２冷媒は、オゾン破壊指数（ＯＺＯＮＥ ＤＥＰＬＥＴＩＯＮ ＰＯＴＥＮＴＩＡＬ、ＯＤＰ）が０．０で、代替冷媒であるジフルオロメタン（Ｄｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅ、Ｒ３２）またはプロパン（Ｐｒｏｐａｎｅ、Ｒ２９０）から選択される群のうち、何れか一つまたはそれ以上の混合冷媒を含むことができる。

圧縮機１３０は、低温低圧の気体冷媒を高温高圧で圧縮して凝縮器に供給する。

そして、圧縮機１３０は、複数備えられることができ、一例として、圧縮機１３０が運転周波数の変換が可能なインバータ圧縮機である場合には、固定運転周波数を使用する定速圧縮機を含むことができる。

３方弁１４０は、第１流路１４１、第２流路１４２及び第３流路１４３を含むことができ、第１流路１４１は、ボイラーＢに連結されて第１冷媒の循環がなされるようにし、第２流路１４２は、第１パイプ１１１に連結され、第３流路１４３は、第１流路１４１と第２流路１４２を除いた方向に排出するものの、第２熱交換器１２０と熱交換されるバイパス管１４４を経由し第２流路１４２と合流するよう配置されることができる。

３方弁１４０は、空気調和機の冷房モードでは、ボイラーＢを経由する第１冷媒が第２熱交換器１２０に供給されないように閉鎖制御され、暖房モードでは、ボイラーＢを経由する第１冷媒が第２熱交換器１２０に供給されるように開放制御するようになる。これと関連した作動は、以後に説明する。

圧縮機１３０と第２熱交換器１２０との間にアキュムレーター１５０がさらに含まれることができる。

アキュムレーター１５０では、まだ蒸発しない液体状態の冷媒は濾され、気体状態の冷媒だけが選別されて、前記圧縮機１３０に供給される。

アキュムレーター１５０は、圧縮機１３０の吸込側配管の間に備えられることができる。アキュムレーター１５０は、第１熱交換器１１０または第２熱交換器１２０から冷媒を受け、冷媒を気体及び液体状態に分離して、気体状態の冷媒だけを圧縮機１３０に供給する。

膨脹弁１６０が第２パイプ１１２と第２熱交換器１２０との間にさらに含まれることができる。

膨脹弁１６０は、凝縮器を通過した常温高圧の液冷媒を膨脹させて、低温低圧の液冷媒で蒸発機に供給する機能を行う。

膨脹弁１６０は、開度を制御できる電子膨脹弁（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ Ｖａｌｖｅ）などが採用されることができる。

４方弁１７０は、ヒートポンプが暖房モードで作動する場合には、圧縮機１３０を経由する冷媒が第１熱交換器１１０に流動するように案内し、第２熱交換器１２０を経由する冷媒がアキュムレーター１５０に流動するように案内する。

一方、ヒートポンプが冷房モードで作動する場合には、圧縮機１３０を経由する冷媒が第２熱交換器１２０に流動するように案内し、第１熱交換器１１０を経由する冷媒は、アキュムレーター１５０に流動するように制御する。

４方弁１７０と圧縮機１３０との間にマフラー１８０がさらに含まれることができる。膨脹弁１６０は、一般に毛細管が使用されるが、冷凍性能には影響を与えないが、騒音の側面において冷媒の急激な流れの変化によって騒音が発生する。

このときの騒音は、冷媒の状態が相変化、圧変化、速度及び内部エネルギーの複雑な変化によってかなり大きな流動騒音を発生させるようになり、このような騒音を低減するためにマフラー１８０が含まれることができる。

換言すれば、マフラー１８０は、圧縮機１３０から排出する冷媒の振動または騒音を抑制する機能を行うようになる。

以下、本発明の一実施の形態によるヒートポンプの作動を説明する。

本発明の一実施の形態によるヒートポンプが暖房モードで作動すると、４方弁１７０の制御により圧縮機１３０から吐き出された冷媒が高温高圧の状態で第１熱交換器１１０に流動する。

以後、高温高圧状態の第２冷媒は、第１熱交換器１１０を通過しながら第１冷媒と熱交換される過程で凝縮液化される相変化を起こす。

以後、前記第２冷媒は、膨脹弁１６０を通過しながら高温低圧の２相冷媒状態で第２熱交換器１２０を通過するようになる。

これによって、第２熱交換器１２０は、蒸発機として作用するようになって、第２熱交換器１２０の表面温度が低温状態となる。

ここで、第２熱交換器１２０の表面温度が外部温度より低くなるので、表面に凝縮水が結ばれるようになる。

また、外部温度が結氷温度以下の場合には、凝縮水が第２熱交換器１２０の表面に凍りつくようになる。このような状態が長時間持続しながら第２熱交換器１２０は、結氷現象によって外部空気との熱交換性能が低下し、終局には、除霜運転を行って表面に凍りついた氷を除去しなければならない。

このために、前記第１冷媒は、ボイラーＢから排出して比較的高温状態であり、このような第１冷媒を３方弁１４０の制御によりバイパス管１４４にバイパスされるようにする。

したがって、第２冷媒が第２熱交換器１２０と熱交換される過程により第２熱交換器１２０の外表面に生成された氷が溶けて除去されるようにする。

バイパス管１４４は、第２熱交換器１２０と熱交換されうるよう、最大限隣接して配置され、その配置位置は、設計位置によって多様に適用されることができる。

一方、本発明の一実施の形態によるヒートポンプが冷房モードで作動すると、４方弁１７０の制御により圧縮機１３０から吐き出された冷媒が高温高圧の状態で第２熱交換器１２０に流動する。

以後、高温高圧状態の第２冷媒は、第２熱交換器１２０を通過しながら送風ファン１２１により外部空気と熱交換される過程で凝縮液化される相変化を起こす。

以後、前記第２冷媒は、膨脹弁１６０を通過しながら高温低圧の２相冷媒状態で第１熱交換器１１０を通過するようになる。

これによって、第１熱交換器１１０は、蒸発機として作用するようになる。

第１熱交換器１１０で低温低圧の冷媒に相変化された第２冷媒は、マフラー１８０を通過しながら騒音及び脈動が低減した後、圧縮機１３０に流動する。

図２は、本発明の他の実施の形態によるヒートポンプを概略的に示したものである。

図２を参照すると、本発明の他の実施の形態によるヒートポンプは、図１の空気調和器と比較してみると、３方弁の位置が異なり、その他の構成要素は同一なので、重複する構成要素の説明は省略する。

図２に示す３方弁２４０は、第１流路２４１、第２流路２４２及び第３流路２４３を含むものの、第１流路２４１は、第１熱交換器２４１に連結され、第２流路２４２は、第２熱交換器２４２に連結され、第３流路２４３は、第１流路２４１と第２流路２４２を除いた方向に排出した後、第２熱交換器２４２と熱交換されるバイパス管２４４を経由し、第１流路２４１と合流するよう配置されることができる。

図２のヒートポンプが暖房モードで作動すると、図１の場合と同様に、４方弁２７０の制御により圧縮機２３０から吐き出された冷媒が高温高圧の状態で第１熱交換器２１０に流動する。

以後、高温高圧状態の第２冷媒は、第１熱交換器２１０を通過しながら第１冷媒と熱交換される過程で凝縮液化される相変化を起こす。

以後、前記第２冷媒は、膨脹弁２６０を通過しながら高温低圧の２相冷媒状態で第２熱交換器２２０を通過するようになる。

これによって、第２熱交換器２２０は、蒸発機として作用するようになって、第２熱交換器２２０の表面温度が低温状態となる。

ここで、第２熱交換器２２０の表面温度が外部温度より低くなるので、表面に凝縮水が結ばれるようになる。

また、外部温度が結氷温度以下の場合には、凝縮水が第２熱交換器２２０の表面に凍りつくようになる。このような状態が長時間持続しながら第２熱交換器２２０は、結氷現象によって外部空気との熱交換性能が低下し、結果的に、除霜運転を行って表面に凍りついた氷を除去しなければならない。

このために、前記第２冷媒が第１熱交換器２１０から第２熱交換器２２０に流動する途中に設置された膨脹弁２６０に流入する前の第２冷媒が３方弁２４０の制御によって膨脹弁２６０を通過せずにバイパスされるよう、バイパス管２４４を介して第２熱交換器２２０に直に流動できるようにする。

換言すれば、第１熱交換器２１０を通過した第２冷媒は、常温または低温の高圧状態であり、この状態の第２冷媒は、蒸発機として作用している第２熱交換器２２０の第２冷媒より相対的に高い温度を形成しているから、第２熱交換器２２０の外表面に生成された氷が溶けて除去できるようになる。

図２に示したバイパス管２４４は、第２熱交換器２２０と熱交換されうるよう最大限隣接して配置され、その配置位置は、設計位置によって多様に適用されることができる。

一方、本発明の他の実施の形態によるヒートポンプが冷房モードで作動すると、４方弁２７０の制御により圧縮機２３０から吐き出された冷媒が高温高圧の状態で第２熱交換器２２０に流動する。

以後、高温高圧状態の第２冷媒は、第２熱交換器２２０を通過しながら送風ファン２２１により外部空気と熱交換される過程で凝縮液化される相変化を起こす。

以後、前記第２冷媒は、膨脹弁２６０を通過しながら高温低圧の２相冷媒状態で第１熱交換器２１０を通過するようになる。

これによって、第１熱交換器２１０は、蒸発機として作用するようになる。

図１の場合と同様に、第１熱交換器２１０で低温低圧の冷媒に相変化された第２冷媒は、マフラー２８０を通過しながら騒音及び脈動が低減した後、圧縮機２３０に流動する。

図３は、図１及び図２によるボイラー－ヒートポンプ連動運転時の温度－性能グラフである。

図３を参照すると、一定温度未満の領域（ａ＋ｂ領域より低い温度の領域）では、ボイラー運転のみが作動されるが、室外温度がａ＋ｂ領域の範囲である場合には、ボイラーとヒートポンプを同時に運転して効率を増大させることができる。このとき、ヒートポンプに入る温度が低いと、凝縮器の凝縮温度を低くすることができ、これにより、過冷度を確保して効率を向上させることができるようになる。

以上、本発明の好ましい実施の形態に対して図示し説明したが、本発明は、上述した特定の実施の形態に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨から逸脱せずに当該発明が属する技術分野における通常の知識を有した者によって多様な変形実施が可能であることはもちろんで、このような変形実施は、本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはならない。

Claims (11)

1. ヒートポンプであって、
   第１冷媒が流動する第１パイプと、
   前記第１パイプの一側に配置され第２冷媒が流動する第２パイプと、
   前記第１パイプ及び前記第２パイプに連結され、前記第１冷媒が前記第２冷媒と熱交換する第１熱交換器と、
   前記第１パイプに連結されて前記第１冷媒が流動するボイラーと、
   前記第２パイプに連結されて前記第２冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記第２パイプに連結され、前記第２冷媒が外気と熱交換する第２熱交換器と、
   前記第１パイプから分岐して、前記第２熱交換器と熱交換するバイパス管と、
   第１冷媒がバイパス管を通過するように誘導するために、切り替えられた３方弁と、を備える、ヒートポンプ。
2. 前記３方弁は、第１流路、第２流路、及び第３流路を備え、
   前記第１流路は、前記ボイラーに連結され、
   前記第２流路は、前記第１パイプに連結され、
   前記第３流路は、前記バイパス管を経由した後に前記第２流路と合流する、請求項１に記載のヒートポンプ。
3. 第１冷媒が流動する第１パイプと、
   前記第１パイプの一側に配置され第２冷媒が流動する第２パイプと、
   前記第１パイプ及び前記第２パイプに連結され、前記第１冷媒が前記第２冷媒と熱交換する第１熱交換器と、
   前記第１パイプに連結されて前記第１冷媒が流動するボイラーと、
   前記第２パイプに連結されて前記第２冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記第２パイプに連結され、前記第２冷媒が外気と熱交換する第２熱交換器と、
   前記第２パイプから分岐して前記第２熱交換器と熱交換するバイパス管と、
   前記バイパス管を通過する第２冷媒を誘導するための３方弁と、を備える、ヒートポンプ。
4. 前記３方弁は、第１流路、第２流路、及び第３流路を備え、
   前記第１流路は、前記第１熱交換器に連結され、
   前記第２流路は、前記第２熱交換器に連結され、
   前記第３流路は、前記バイパス管を経由した後に前記第２流路と合流する、請求項３に記載のヒートポンプ。
5. 前記圧縮機と前記第２熱交換器との間に配置されるアキュムレーターを更に備える、請求項２又は４に記載のヒートポンプ。
6. 前記第２パイプと前記第２熱交換器との間に配置される膨脹弁を更に備える、請求項５に記載のヒートポンプ。
7. 前記圧縮機、前記第１熱交換器、前記アキュムレーター、及び前記第２熱交換器の間に配置され、前記第２冷媒の流動方向を前記圧縮機、前記第１熱交換器、前記アキュムレーター、又は前記第２熱交換器の間において切り替える４方弁を更に備える、請求項６に記載のヒートポンプ。
8. 前記第１熱交換器は板形熱交換器を備える、請求項６に記載のヒートポンプ。
9. 前記第１冷媒は水を含む、請求項８に記載のヒートポンプ。
10. 前記第２冷媒は、Ｒ３２、Ｒ２９０、又は、Ｒ３２及びＲ２９０の混合物を含む、請求項８に記載のヒートポンプ。
11. 前記４方弁と前記圧縮機との間に配置されるマフラーを更に備える、請求項８に記載のヒートポンプ。

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