JP2553738B2 - ヒートポンプシステムとその制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ヒートポンプによる高温から低温まで目的
に応じた温度が利用できるシステムに関するものであ
る。

従来の技術 従来より、ヒートポンプで高温または低温を得る方法
として、複数個の冷凍サイクル装置をカスケード式に連
結した多元の冷凍サイクル装置を用いたシステムが知ら
れている。第５図はこれを冷暖給湯システムとして適用
した例であり、圧縮機１、常に凝縮器として作用する給
湯用熱交換器２、膨張弁３、常に蒸発器として作用する
水側熱交換器４等を連結して給湯用サイクル５を構成し
ている。次に圧縮機６、四方弁７の切換えにより凝縮器
又は蒸発器として作用する水側熱交換器８、膨張弁９、
四方弁７の切換えにより蒸発器又は凝縮器として作用す
る空気側熱交換器10等を連結して冷暖ヒートポンプサイ
クル11を構成している。ここで給湯用サイクル５にはフ
ロン系の単一冷媒R12が封入され、冷暖ヒートポンプサ
イクル11にはフロン系の単一冷媒R22が封入され、その
水側熱交換器４及び８は同一の蓄熱槽12の中に配置さ
れ、熱交換された水等を循環回路（図示せず）を通して
冷暖房を行なう如く構成している。

本システムにおいて夏期には、主たる運転を給湯用サ
イクル５で行い、水側熱交換器４で冷水を作りながら、
その排熱を利用して給湯用熱交換器２で給湯水を作る。
また冷房負荷が増大した時には、冷暖ヒートポンプサイ
クル11も運転し、水側熱交換器８を蒸発器として作用さ
せ冷水を補助し、その排熱を凝縮器として作用する空気
側熱交換器10から排出する。また給湯負荷があり冷房負
荷が減少し冷水温度が極端に下る時には、冷暖ヒートポ
ンプサイクル11を切換え、水側熱交換器８を凝縮器とし
て作用させ加熱する。

次に中間期においては一般的に給湯モードのみである
ので冷暖ヒートポンプサイクル11を適宜運転して水側熱
交換器８で加温しながら、給湯用サイクル５により給湯
運転を行う。さらに冬期においては、冷暖ヒートポンプ
サイクル11を連続運転して加温しながら給湯用サイクル
５により給湯運転を行い、さらに暖房負荷が増大した時
には給湯用サイクル５を停止して暖房モードを優先させ
る。

発明が解決しようとする課題 上記従来例では、冷房時、冷暖ヒートポンプサイクル
11を運転した場合の廃熱は、空気側熱交換器10から排出
するため、冷房の廃熱を給湯に利用することが出来な
く、不経済な運転となる。また、２元冷凍サイクルの高
段側になる給湯サイクル５は、水側熱交換器４の温度が
冷房条件の７〜10℃程度の水を熱源として運転されるた
め、高温給湯を行う上で圧縮比の増大により効率の低下
が避けられない、などの課題がある。

本発明は、高温または低温を得るための不具合点を解
消し、特に高温を効率よく実現できる多温度利用ヒート
ポンプシステムの提案を目的とするものである。

課題を解決するための手段 本発明になるヒートポンプシステムは、高温凝縮器、
高温蒸発器、高段圧縮機、高温膨張弁を環状に接続して
高温サイクルを構成し、低段圧縮機、第一制御弁、四方
弁、中間凝縮器兼蒸発器、第一膨張弁、熱源側熱交換器
を環状に接続して第一中温サイクルを構成し、前記低段
圧縮機の吐出側と前記第一制御弁との間から分岐し、第
二制御弁を介し中間凝縮器、熱源側熱交換器を経て四方
弁を介して低段圧縮機の吸入側に接続して第二中温サイ
クルを構成し、前記高温サイクルの高温蒸発器と前記第
二中温サイクルの中間熱交換器とが熱交換可能に設け、
前記高温サイクルには、高沸点冷媒を、前記第一および
第二中温サイクルには、前記高温サイクルの冷媒より低
沸点冷媒を用いることを特徴としたものである。

また、高温凝縮器からの高温出力、中間凝縮器兼蒸発
器からの中温出力、中間凝縮器兼蒸発器からの低温出力
の優先選択機能を設け、高温出力優先の場合は、第二制
御弁を全開とし、同時に中間出力の要求が無ければ、第
一制御弁開度は閉じ、要求が有れば低段圧縮機の出力を
最大とし、吐出圧力が設定値になるように前記第一制御
弁開度を制御する。中間出力優先の場合は、第一制御弁
を全開とし、同時に高温出力の要求が無ければ、第二制
御弁開度は閉じ、要求が有れば低段圧縮機の出力を最大
とし、吐出圧力が設定値になるように前記第二制御弁開
度を制御する。低温出力優先の場合は、同時に高温出力
要求があれば第二制御弁を全開、第一制御弁を全閉と
し、低段圧縮機の吐出圧力が設定値を越えないように第
一制御弁開度を制御し、高温出力要求が無い場合は第二
制御弁を閉とし第一制御弁を全開とするものである。

作用 本発明のヒートポンプシステムにおいて、高温出力を
優先で得る場合は、第二制御弁が全開となり、中温出力
要求および低温出力要求が無い場合は第一制御弁全閉で
第二中温サイクルが運転され、熱源側熱交換器からの吸
熱により中温度が中間凝縮器で得られ、その凝縮熱を熱
源として高温サイクルが運転される。ここで高温サイク
ルと第二中温サイクルとの圧縮比を効率最高のポイント
に設定でき、これにより高温凝縮器では、効率よく高温
が得られる。また同時に、中温出力の要求がある場合
は、低段圧縮機の出力を最大とし、吐出ガスが中間凝縮
器兼蒸発器へ流れるよう四方弁を切り換え、第一制御弁
開度を低段圧縮機の吐出圧力が設定値になるよう制御す
ることにより低段圧縮機の余剰出力を中間凝縮器兼蒸発
器から中温として得られる。また、同時に中温出力要求
がなく低温出力要求がある場合は、四方弁を切り換える
ことにより中間凝縮器兼蒸発器からの吸熱を高温サイク
ルの熱源として用いることが出来るため省エネルギーな
運転が可能となる。さらに、低段圧縮機の吐出圧力が設
定値以下の場合は、第一制御弁を閉じる方向に制御し、
設定値以上ならば第一制御弁を開方向に制御する。この
ことにより高温出力負荷と低温出力負荷がバランスして
なくても安定な運転が可能となる。

中温出力を優先で得る場合は、第一制御弁を全開とし
て第一中間サイクルが運転され、熱源側熱交換器からの
吸熱により中温が中間凝縮器兼蒸発器で得られる。ま
た、同時に高温出力の要求がある場合は、低段圧縮機の
出力を最大とし、第二制御弁開度を低段圧縮機の吐出圧
力が設定値になるよう制御することにより、中間凝縮器
で得られる凝縮熱を熱源として、高温サイクルを運転し
高温凝縮器で高温が得られる。

低温出力を優先で得る場合は、同時に高温出力要求も
有れば第二制御弁を全開、第一制御弁を閉として低段圧
縮機を運転し、中間凝縮器兼蒸発器から吸熱し低温を
得、中間凝縮器での廃熱を高温サイクルの熱源として利
用し高温凝縮器で高温を得る。また高温出力が少ない場
合もしくは、中間凝縮器兼蒸発器からの吸熱量が多い場
合は、低段圧縮機の吐出圧力が設定値を越えないように
第一制御弁開度を制御し、余剰熱を熱源側熱交換器から
外部に放熱する。

以上のことにより、中間凝縮器兼蒸発器からの吸熱
を、中間凝縮器と熱交換可能に設けられた高温サイクル
の高温蒸発器を介して高温出力として利用でき、経済的
な運転が可能となり、高温出力と低温出力同時運転にお
いては、中間凝縮器での温度は高くできるため第二中温
サイクルと高温サイクルの圧縮比を効率最大となるポイ
ントの設定ができる。

実施例 以下本発明の一実施例について図面を参照しながら説
明する。第１図において、20は、低段圧縮機で、第一制
御弁21、四方弁22、中間凝縮器兼蒸発器23、膨張弁24、
25、熱源側熱交換器26を環状に接続して第一中温サイク
ル27を構成し、低段圧縮機20の吐出側と第一制御弁21と
の間から分岐し、第二制御弁28を介し中間凝縮器29、逆
止弁30、熱源側熱交換器26を経て四方弁22を介し低段圧
縮機20の吸入側に接続して第二中温サイクル31を構成
し、高段圧縮機32、高温凝縮器33、膨張弁34、高温蒸発
器35を環状に接続して高温サイクル36を構成している。
37は、低温／中温出力要求信号発生器であり、38は、高
温出力要求信号発生器である。39は、高温出力、中温出
力、低温出力の優先選択機能装置であり、低温／中温出
力要求信号発生器37と高温出力要求信号発生器38の信号
から優先選択機能装置39で優先選択を行い制御装置40に
信号を送る。また41は、圧力センサーであり、優先選択
機能装置39の信号と圧力センサー41の信号とを併せて制
御装置40により、第一制御弁21、第二制御弁28の開度、
低段圧縮機20の出力を制御する。高温出力、中温出力優
先、低温出力優先のフローチャートを第２〜４図に示
す。

次に、この一実施例の構成における作用を、まず優先
選択機能装置39により高温出力優先が選択されている場
合について、第１図、第２図を用い説明する。高温出力
要求信号発生器38からの信号により高温出力優先が選択
されているとき、高温出力要求が有ると第二制御弁28が
全開となる。その時、中温出力要求も低温出力要求もな
ければ第一制御弁21は全閉される。低段圧縮機20の吐出
冷媒ガスは、第二制御弁28、中間凝縮器29を通り凝縮液
化し逆止弁30へと流れる。液冷媒は、膨張弁25、熱源側
熱交換器26を通り減圧蒸発し、四方弁22を通り低段圧縮
機20へ吸入される。同時に高温サイクル36の高段圧縮機
32が運転され、高温蒸発器35で中間凝縮器29の凝縮熱を
奪い冷媒は蒸発する。蒸発した冷媒ガスは、高段圧縮機
32へ吸入吐出され、高温凝縮器33で凝縮し高温が得られ
る。凝縮した液冷媒は、膨張弁34、高温蒸発器35を通る
ことにより減圧蒸発され再び高段圧縮機32へ吸入され
る。同時に中温出力要求がある時は、低段圧縮機20の出
力は制御装置40により最大出力となる。次に、中間凝縮
器兼蒸発器23で中温を得るための飽和圧力を設定値とし
て、低段圧縮機20の吐出圧力が、その設定値より高けれ
ばそれを検知した圧力センサー41により制御装置40を介
して第一制御弁21に開動作を行い、低段圧縮機20から吐
出された冷媒ガスの一部を、第一制御弁21、四方弁22を
介し中間凝縮器兼蒸発器23に流す。また、低段圧縮機20
の吐出圧力が、その設定値より低ければ圧力センサー41
により制御装置40を介して第一制御弁21に閉動作を行
う。そうすることにより高温出力負荷が大きい場合は、
高温サイクル36の高温蒸発器35と中間凝縮器29との熱交
換量が大きく、低段圧縮機20の吐出圧力が上がりにくい
ため中温出力要求があっても高温出力が優先される。ま
た高温出力優先の時、同時に低温出力要求が有るとき
は、低段圧縮機20の吐出圧力が設定値より低ければ第一
制御弁21は閉動作し、冷媒ガスは第二制御弁28を通り中
間凝縮器29で凝縮液化し逆止弁30、膨張弁24を通り中間
凝縮器兼蒸発器23で蒸発ガス化し低温が得られる。高温
出力負荷が小さいときは、中間凝縮器29で放熱が充分で
なく吐出圧力が設定値を越えるため第一制御弁21は開動
作し、低段圧縮機20から吐出された冷媒ガスを四方弁22
から熱源用熱交換器26へ通し放熱し吐出圧力の上昇を抑
える。これにより中間凝縮器兼蒸発器23での吸熱した廃
熱を中間凝縮器29を介して高温サイクル36での高温出力
に有効に利用できる。このことにより、高温出力優先運
転中においても中温出力要求が有れば低段圧縮機20の出
力の余剰熱を利用できる。また低温出力要求が有れば第
二中温サイクル31と高温サイクル36を最高の効率で運転
可能な圧縮比にでき、しかも低温部からの廃熱を高温サ
イクル36の熱源として有効に利用でき、高温出力負荷と
低温出力負荷のバランスが取れなくても安定な運転が可
能となる。

次に、中温出力優先が選択された場合について第１
図、第３図を用い説明する。中温出力優先で中温出力要
求があるとき第一制御弁21を全開とする。低段圧縮機20
から吐出された冷媒は、第一制御弁21、四方弁22を通り
中間凝縮器兼蒸発器23で凝縮液化し中温が得られる。そ
の時高温出力要求があると低段圧縮機20は、制御装置40
により最大出力となり吐出圧力が設定値以上に有るとき
は第二制御弁28を開動作させ高温サイクル36の熱源とし
て中間凝縮器29へ冷媒を流す。また中温出力負荷が多い
ときは、低段圧縮機20の吐出圧力は設定値以上に上昇せ
ず、従って第二制御弁28は閉動作される。これにより中
温出力優先が行える。これにより中温出力優先では、同
時に高温出力要求があると低段圧縮機20の出力の余剰熱
が高温出力として利用できる。

次に、低温出力優先が選択された場合について第１
図、第４図を用い説明する。低温出力優先で高温出力要
求が無い場合、第一制御弁21は全開、第二制御弁28を全
閉とする。低段圧縮機20から吐出された冷媒ガスは、第
一制御弁21を通り四方弁22、熱源側熱交換器26で凝縮液
化し膨張弁25、24を通り中間凝縮器兼蒸発器23で減圧蒸
発し低温が得られる。同時に高温出力要求がある場合、
第二制御弁28が全開となり低段圧縮機20で吐出された冷
媒ガスは、中間凝縮器29で凝縮液化し高温サイクル36の
熱源となる。その時、低温出力負荷が大きく高温出力が
小さい場合、中間凝縮器での凝縮熱量が低下し低段圧縮
機20の吐出圧力が設定値より高くなると圧力センサー41
により制御装置40から第一制御弁21に対して開動作を行
う。それにより余剰の冷媒ガスは、第一制御弁21から四
方弁22を経て熱源側熱交換器26で放熱する。液化した冷
媒は、膨張弁25、24を経て中間凝縮器兼蒸発器23で減圧
蒸発し低温が得られ、蒸発した冷媒は、四方弁22を経て
低段圧縮機20に吸入される。このことにより低温出力優
先では、高温出力要求がないとき第一中温サイクル27の
運転が行われる。同時に高温出力要求が有ると第二中間
サイクル31が運転され、第二中温サイクル31と高温サイ
クル36を最高の効率で運転可能な圧縮比にでき、しかも
低温部からの廃熱を高温サイクル36の熱源として有効に
利用でき、さらに低温出力負荷と高温出力負荷とのバラ
ンスが取れなくても安定な運転が可能となる。

封入冷媒については、高温サイクル36に高沸点冷媒が
封入されているため高温であっても圧力は低く、システ
ムとして耐圧的に有利となる。

発明の効果 以上のように本発明は、高温出力優先運転中において
も中温出力要求が有れば低段圧縮機の出力の余剰熱を利
用できる。また低温出力要求が有れば第二中温サイクル
と高温サイクルを最高の効率で運転可能な圧縮比にで
き、しかも低温部からの廃熱を中間凝縮器と熱交換可能
に設けられた高温サイクルの高温蒸発器を介して高温サ
イクルの熱源として有効に利用でき、高温出力負荷と低
温出力負荷のバランスが取れなくても安定な運転が可能
となる。中温出力優先では、同時に高温出力要求がある
と低段圧縮機の出力の余剰熱が利用できる。低温出力優
先では、高温出力要求がないとき第一中温サイクルの運
転が行われ、同時に高温出力要求が有ると第二中温サイ
クルが運転され、第二中温サイクルと高温サイクルを最
高の効率で運転可能な圧縮比にでき、しかも低温部から
の廃熱を高温サイクルの熱源として有効に利用でき、低
温出力負荷と高温出力負荷とのバランスが取れなくても
安定な運転が可能となるなどの多大な効果を有するもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である多温度利用ヒートポン
プシステムの構成図、第２図は同装置における高温出力
優先の制御フローチャート、第３図は同装置における中
温出力優先の制御フローチャート、第４図は同装置にお
ける低温出力優先の制御フローチャート、第５図は従来
例の冷暖ヒートポンプサイクルの構成図である。 20……低段圧縮機、21……第一制御弁、23……中間凝縮
器兼蒸発器、24、25、34……膨張弁、26……熱源側熱交
換器、27……中温サイクル、28……第二制御弁、29……
中間凝縮器、31……第二中温サイクル、32……高段圧縮
機、33……高温凝縮器、35……高温蒸発器、36……高温
サイクル、37……低温／中温要求信号発生器、38……高
温要求信号発生器、39……優先選択機能装置、40……制
御装置、41……圧力センサ。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高温凝縮器、高温蒸発器、高段圧縮機、高
   温膨張弁を環状に接続して高温サイクルを構成し、低段
   圧縮機、第一制御弁、四方弁、中間凝縮器兼蒸発器、第
   一膨張弁、熱源側熱交換器を環状に接続して第一中温サ
   イクルを構成し、前記低段圧縮機の吐出側と前記第一制
   御弁との間から分岐し、第二制御弁を介し中間凝縮器、
   熱源側熱交換器を経て四方弁を介し低段圧縮機の吸入側
   に接続して第二中温サイクルを構成し、前記高温サイク
   ルの高温蒸発器と前記第二中温サイクルの中間熱交換器
   とが熱交換可能に設けられたことを特徴とするヒートポ
   ンプシステム。
2. 【請求項２】高温サイクルには高沸点冷媒を、第一およ
   び第二中温サイクルには、前記高温サイクルの冷媒より
   低沸点冷媒を用いたことを特徴とする請求項１記載のヒ
   ートポンプシステム。
3. 【請求項３】高温凝縮器からの高温出力、中間凝縮器兼
   蒸発器からの中温出力、中間凝縮器兼蒸発器からの低温
   出力の優先選択機能を設け、高温出力優先の場合は第二
   制御弁を全開とし、同時に中間出力の要求が無ければ、
   第一制御弁開度は閉じ、要求が有れば低段圧縮機の出力
   を最大とし、吐出圧力が設定値になるように前記第一制
   御弁開度を制御し、中間出力優先の場合は、第一制御弁
   を全開とし、同時に高温出力の要求が無ければ、第二制
   御弁開度は閉じ、要求が有れば低段圧縮機の出力を最大
   とし、吐出圧力が設定値になるように前記第二制御弁開
   度を制御し、低温出力優先の場合は、同時に高温出力要
   求があれば第二制御弁を全開、第一制御弁を全閉とし、
   低段圧縮機の吐出圧力が設定値を越えないように第一制
   御弁開度を制御し、高温出力要求が無い場合は第二制御
   弁を閉とし、第一制御弁を全開とすることを特徴とする
   ヒートポンプシステムの制御方法。