JP4275570B2 - ヒーティングタワーの除霜方法および水冷式ヒートポンプシステム - Google Patents

Description

本発明は、水冷式ヒートポンプシステムにおけるヒーティングタワーの除霜方法およびヒーティングタワーの除霜装置を備えた水冷式ヒートポンプシステムに関し、特に、簡便な方法によりヒーティングタワーの除霜をすることができる技術に関するものである。

従来、水冷式ヒートポンプシステムにおいて除霜を行うには、水冷式ヒートポンプにおいてブラインを加熱して除霜を行う方法がある（例えば特許文献１参照）。
この場合、図６に示すように、ヒートポンプ４０では、電動機により駆動される圧縮機４１から吐出された冷媒は、凝縮器４４に入り、ここで温水を昇温させることにより自身は凝縮液化する。この冷媒液は減圧弁４３により断熱膨張して気液二相となる。この気液二相の冷媒は、蒸発器４２に入り、ここでブラインを降温させることにより自身は蒸発気化し、この状態で再び圧縮機４１に吸い込まれる。凝縮器４４で昇温した温水は温水ポンプにより被空調室内に設置されたファンコイル等に導かれ、ここで放熱して被空調室を暖房することにより降温した後に凝縮器４４に循環する。
蒸発器４２で降温したブラインは互いに並列に接続されたヒーティングタワー３０ａ、３０ｂ、３０ｃに入り、ここでファン３１ａ、３１ｂ、３１ｃによって送風される外気から吸熱することによって昇温した後、蒸発器４２に循環する。

そして、ヒーティングタワー３０ａ〜３０ｃの熱交換部３４にはー１１℃のブラインが流入するので、この熱交換部３４に霜が付着する。この霜によりヒーティングタワー３０ａ〜３０ｃの吸熱能力が低下するのみならず、外気が熱交換部３４を通過する際の抵抗が増加してファン３１ａ、３１ｂ、３１ｃを駆動するモータ３２ａ、３２ｂ、３２ｃの負荷が増加する。そこで、前記霜が一定量以上付着したことを差圧センサ３５が検出した場合には、二方弁３３ａ〜３３ｍを切り替えて蒸発器４２からブラインがヒーティングタワー３０ａ〜３０ｃの熱交換部３４に流入しないようにし、ブラインタンク４５内にて加温装置４６で加熱された高温のブラインがヒーティングタワー３０ａ〜３０ｃの熱交換部３４に流入するようにする。これにより、熱交換部３４が高温のブラインにより加熱されるので、熱交換部３４の除霜をすることができる。このようにして、ヒートポンプ４０を稼動させた状態で、各ヒーティングタワー３０ａ〜３０ｃの熱交換部３４の除霜を順次行うことができる。
特開昭６３−３１８４５５号公報

しかし、上述の従来例では、高温のブラインを保管中にブラインタンク４５およびその配管から熱が散逸する。また、外気温に拘わらず常に除霜のために高温のブラインをスタンバイさせていなければならないため、無駄が多い。さらに、複数のヒーティングタワー３０ａ〜３０ｃの除霜を賄えるだけの容量を持ったブラインタンク４５が必要になり、そのうえ、除霜用の配管系統が複雑になり、二方弁３３ａ〜３３ｍのように多数の二方弁が必要となる。また、ブラインタンク４５用の基礎が必要となるという問題があった。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、水冷式ヒートポンプシステムのヒーティングタワーの除霜を簡便に行うことができるようにすることである。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、ヒートポンプの蒸発器側のブラインを配管路により複数のヒーティングタワーに循環させ吸熱して暖房運転する水冷式ヒートポンプシステムにおけるヒーティングタワーの除霜方法であって、前記ヒートポンプを稼動させたままの状態において、外気温度が外気により前記ヒーティングタワーの除霜可能な温度以上の場合、前記ヒートポンプからの除霜を要するヒーティングタワーへのブラインの供給を止め、前記ヒーティングタワーのファンを駆動させて前記ヒーティングタワーの除霜を実施し、外気温度が外気により前記ヒーティングタワーの除霜可能な温度未満の場合、前記ヒートポンプからの除霜を要するヒーティングタワーへのブラインの供給を止めるとともに、前記ヒートポンプと切り離されたブライン配管路中のブラインを前記ヒーティングタワーへ循環させる循環路を形成し、この循環路のブラインを加熱して前記ヒーティングタワーに循環させて前記ヒーティングタワーの除霜を実施することを特徴とする水冷式ヒートポンプシステムにおけるヒーティングタワーの除霜方法である。
これにより、前記ヒートポンプを稼動させたままの状態において、外気温度が外気により前記ヒーティングタワーの除霜可能な温度以上の場合、前記ヒートポンプから前記複数のヒーティングタワーのうち除霜を要するヒーティングタワーへブライン供給を止め、前記ヒーティングタワーのファンを駆動させて、このファンの送風により前記ヒーティングタワーの除霜を容易に実施することができる。
一方、外気温度が外気により前記ヒーティングタワーの除霜可能な温度未満の場合、前記ヒートポンプから前記複数のヒーティングタワーのうち除霜を要するヒーティングタワーへのブライン供給を止め、前記ヒートポンプと切り離されたブライン配管路中のブラインを前記除霜を要するヒーティングタワーへ循環させる循環路を形成し、この循環路のブラインを加熱して前記除霜を要するヒーティングタワーに循環させて、加熱されたブラインの熱により前記除霜を要するヒーティングタワーの除霜を容易に実施することができる。

さらに、請求項２記載の発明は、前記請求項１記載の発明において、前記循環路のブラインの加熱は、ブラインの前記循環路の配管に配設されたヒータで行うことである。
これにより、ブラインの前記循環路の配管に配設されたヒータでブラインの加熱を容易に行うことができる。

さらに、請求項３記載の発明は、ヒートポンプの蒸発器側のブラインを配管路により複数のヒーティングタワーに循環させ吸熱し暖房運転する水冷式ヒートポンプシステムであって、各ヒーティングタワーに設けられたファン、ヒーティングタワーの除霜開始信号を発生するセンサおよび外気温測定手段と、稼動中のヒートポンプとヒーティングタワーとのブラインの循環を停止させるブライン停止手段と、前記稼動中のヒートポンプと切り離されたブライン配管路中のブラインを前記ヒーティングタワーへ循環させる循環路を形成する循環路形成手段と、前記循環路のブラインを加熱する加熱手段と、前記外気温測定手段の測定温度が外気により前記ヒーティングタワーの除霜可能な温度以上で、前記センサからの除霜開始信号を受けたときに前記ブライン停止手段を駆動させて稼動中のヒートポンプと除霜対象のヒーティングタワーとの間のブライン循環を停止するとともに、前記除霜対象のヒーティングタワーのファンを駆動させ除霜を実施する第１除霜制御手段と、前記測定温度が外気により前記ヒーティングタワーの除霜可能な温度未満で、前記センサからの除霜開始信号を受けたときに、前記ブライン停止手段、循環路形成手段および加熱手段を駆動して、前記ヒートポンプと除霜対象のヒーティングタワーとの間のブラインの循環を止めるとともに、前記ヒートポンプと切り離され、前記加熱手段で加熱されたブライン循環路中のブラインを前記除霜対象のヒーティングタワーへ循環させる第２除霜制御手段とからなるヒーティングタワーの除霜装置を備えたことを特徴とする水冷式ヒートポンプシステムである。
これにより、ヒートポンプの蒸発器側のブラインを配管路により複数のヒーティングタワーに循環させ吸熱し暖房運転する水冷式ヒートポンプシステムにおけるヒーティングタワーの除霜装置の動作は以下のようになる。
ａ．外気温測定手段の測定温度が外気により前記ヒーティングタワーの除霜可能な温度以上のときに、センサがヒーティングタワーの除霜開始信号を発生した場合に、第１除霜制御手段が前記ブライン停止手段を駆動させて稼動中のヒートポンプと除霜対象のヒーティングタワーとの間のブライン循環を停止するとともに、前記除霜対象のヒーティングタワーのファンを駆動させ除霜を実施する。
ｂ．一方、前記測定温度が外気により前記除霜対象のヒーティングタワーの除霜可能な温度未満で、前記センサからの除霜開始信号を受けたときに、第２除霜制御手段が前記ブライン停止手段、循環路形成手段および加熱手段を駆動して、前記稼動中のヒートポンプと前記除霜対象のヒーティングタワーとの間のブラインの循環を止めるとともに、前記稼動中のヒートポンプと切り離され、前記加熱手段で加熱されたブライン配管路中のブラインを前記除霜対象のヒーティングタワーへ循環させるので、前記加熱されたブラインの熱により前記除霜対象のヒーティングタワーの除霜を実施することができる。

さらに、請求項４記載の発明は、前記請求項３記載の発明において、前記循環路のブラインの加熱手段が、ブラインの前記循環路の配管に配設したヒータであることである。
これにより、前記循環路の配管に配設された加熱手段が前記循環路のブラインを容易に加熱することができる。

請求項１記載の発明によれば、ヒートポンプの蒸発器側のブラインを配管路により複数のヒーティングタワーに循環させ吸熱して暖房運転する水冷式ヒートポンプシステムにおけるヒーティングタワーの除霜を容易に実施することができる。
さらに、請求項２記載の発明によれば、前記請求項１記載の発明の効果とともに、ヒーティングタワーの除霜を一層容易に実施することができる。
さらに、請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の水冷式ヒートポンプシステムにおけるヒーティングタワーの除霜方法を容易に実施することができる。
さらに、請求項４記載の発明によれば、請求項２記載の水冷式ヒートポンプシステムにおけるヒーティングタワーの除霜方法を容易に実施することができる。

以下、本発明における実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る除霜装置を適用する水冷式ヒートポンプシステムを示し、図２は本発明に係る除霜装置のブロック図を示し、図３は本発明に係るヒーティングタワーを示し、図４は図３の熱交換部を示す。さらに、図５は本発明に係る除霜方法を示す。

図１に示すように、水冷式ヒートポンプシステムにおけるヒートポンプ２０は、順に接続された圧縮機２１、蒸発器２２、減圧弁２３および凝縮器２４を有してしる。そして、電動機により駆動される圧縮機２１から吐出された冷媒は、凝縮器２４に入り、ここで温水を昇温させることにより自身は凝縮液化する。この冷媒液は減圧弁２３により断熱膨張して気液二相となる。この気液二相の冷媒は、蒸発器２２に入り、ここでブラインを降温させることにより自身は蒸発気化し、この状態で再び圧縮機２１に吸い込まれる。そして、凝縮器２４で昇温した温水はポンプ２４ａによりにより被空調室内に設置されたファンコイル等に導かれ、ここで放熱して被空調室を暖房することにより降温した後に凝縮器２４に循環する。

蒸発器２２で降温したブラインはポンプ２２ａにより配管路を経て互いに並列に接続された複数のヒーティングタワー（ＨＴ）１０ａ、１０ｂ、１０ｃに入り、ここでファン１１ａ、１１ｂ、１１ｃによって送風される外気から吸熱することによって昇温した後、蒸発器２２に循環する。

この水冷式ヒートポンプシステムにおけるヒーティングタワー１０ａ、１０ｂ、１０ｃの除霜装置は、以下の構成をとっている。
すなわち、まず、ヒーティングタワー１０ａ、１０ｂ、１０ｃの除霜開始信号を発生するセンサ１３（図２参照）および外気温測定手段１４（図２参照）と、稼動中のヒートポンプ２０とヒーティングタワー１０ａ、１０ｂ、１０ｃとのブラインの循環を停止させるブライン停止手段１５ａ、１５ｂ、１５ｃと、循環路形成手段１６ａ、１６ｂ、１６ｃおよび加熱手段１８ａ、１８ｂ，１８ｃを備えている。

図３に示すように、例えばヒーティングタワー１０ａの構造は、以下のようになっている。すなわち、外箱の内部に熱交換部１２が配設され、図４に示すように、この熱交換部１２はブラインが流れる伝熱管１２ａおよび伝熱管１２ａの放熱板となるフィン１２ｂを備えている。ファン１１ａにより吸引された気流は矢印１２ｃに示す方向に流れ、この気流が熱交換部１２の表面に沿って流れると、この気流から熱交換部１２のブラインが吸熱する。しかし、従来例にて説明したように、このブラインはー１１℃程度になるので、前記気流中の水蒸気が氷結し、これにより熱交換部１２の表面に霜が付着する。この霜の付着量が増加すると、図３および図４の熱交換部１２のフィン１２ｂ間の気流の流路が狭くなるので、図３に示す熱交換部１２の気流の入口Ａ点と出口Ｂ点との間の気圧差が大きくなり、この気圧差が所定値になると、前記Ａ、Ｂ点間の気圧差を検出するセンサ１３が除霜開始信号を発する。ヒーティングタワー１０ｂ、１０ｃの構造は、ヒーティングタワー１０ａの構造と同じである。
また、図２の外気温測定手段１４が図１のヒーティングタワー１０ａ等の近傍の外気温度を測定するように配設されている。

図２に示すように、除霜装置の制御部２５は、具体的にはシーケンサであり、第１除霜制御手段２６および第２除霜制御手段２７を備えている。そして、温度設定値、センサ１３の除霜開始信号および外気温測定手段１４の測定温度が制御部２５に入力される。また、第１除霜制御手段２６はファン１１ａ，１１ｂ、１１ｃおよびブライン停止手段１５ａ、１５ｂ、１５ｃを駆動し、第２除霜制御手段２７はブライン停止手段１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、循環路形成手段１６ａ、１６ｂ、１６ｃおよび加熱手段１８ａ、１８ｂ、１８ｃを駆動する。

ブライン停止手段１５ａは、具体的には二方弁または三方弁であり、通常は蒸発器２２とヒーティングタワー１０ａを接続しているが、ブライン停止手段１５ａが駆動されると、ブライン停止手段１５ａは蒸発器２２とヒーティングタワー１０ａとの接続を断つともに、三方弁の場合は蒸発器２２から流れるブラインをバイパスして蒸発器２２に還流させる。ヒーティングタワー１０ｂ、１０ｃに対するブライン停止手段１５ｂ、１５ｃはブライン停止手段１５ａと同様のものである。

前記稼動中のヒートポンプ２０と切り離されたブライン配管路中のブラインを前記ヒーティングタワー１０ａへ循環させる循環路を形成する循環路形成手段１６ａは、具体的にはポンプであり、逆止弁１７ａおよび加熱手段１８ａと直列に接続されてヒーティングタワー１０ａに接続されている。上述のように、第２除霜制御手段２７によりブライン停止手段１５ａが駆動されると、循環路形成手段１６ａが駆動されるので、ブラインが循環路形成手段１６ａ、逆止弁１７ａ、ヒーティングタワー１０ａおよびヒータ等の加熱手段１８ａの順序で循環する。このため、加熱手段１８ａで加熱された循環路のブラインがヒーティングタワー１０ａに流れ、このブラインの熱によりヒーティングタワー１０ａの除霜が行われる。
なお、ヒーティングタワー１０ｂ、１０ｃに対する循環路形成手段１６ｂ、１６ｃは循環路形成手段１６ａと同様のものである。また、ヒーティングタワー１０ｂ、１０ｃに対する加熱手段１８ｂ、１８ｃは加熱手段１８ａと同様のものであり、これらの加熱手段１８ａ、１８ｂ、１８ｃはブラインの循環路を形成する配管の内部または外周に設けられている。

上記構成の水冷式ヒートポンプシステムにおけるヒーティングタワー１０ａ、１０ｂ、１０ｃの除霜装置を使用して、図５のフローチャートに示す除霜方法を実施することができる。
まず、通常運転（ステップＳ１）において、外気温測定手段１４により外気温を測定し（ステップＳ２）、この測定温度が設定値１以上か否かを制御部２５が判断する（ステップＳ３）。ここで、設定値１の温度は、ヒーティングタワー１０ａ等に霜が付着するおそれがない温度である。前記測定温度が前記設定値１以上であるときは、ヒーティングタワー１０ａ等は通常運転となる（ステップＳ１）。一方、前記測定温度が前記設定値１未満であるときは、ヒーティングタワー１０ａ等に霜が付着するおそれがあるので、制御部２５がヒーティングタワー１０ａの運転を停止し、予備機とする（ステップＳ４）。

つぎに、センサ１３が稼動中のヒーティングタワー１０ｂ等の着霜が除霜を要する量になったことを感知し、除霜開始信号を発したときは（ステップＳ５）、上述の予備機のヒーティングタワー１０ａを稼動させるとともに（ステップＳ６）、外気温測定手段１４の測定温度が設定値２（前記設定値１より低い温度であり、外気により前記除霜対象のヒーティングタワー１０ｂまたは１０ｃの除霜可能な温度である。）以上のときは（ステップＳ７）、第１除霜制御手段２６がブライン停止手段１５ｂもしくは１５ｃを駆動させて稼動中のヒートポンプ２０と除霜対象のヒーティングタワー１０ｂまたは１０ｃとの間のブライン循環を停止するとともに、前記除霜対象のヒーティングタワー１０ｂまたは１０ｃのファン１１ｂまたは１１ｃを駆動させ除霜を実施し（ステップＳ８）、除霜が完了したときは（ステップＳ９）、ステップＳ２へ戻る。
一方、前記測定温度が前記設定値２未満で、センサ１３からの除霜開始信号を制御部２５が受けたときに、第２除霜制御手段２７がブライン停止手段１５ｂまたは１５ｃ、循環路形成手段１６ｂまたは１６ｃおよび加熱手段１８ｂまたは１８ｃを駆動して、稼動中のヒートポンプ２０と前記除霜対象のヒーティングタワー１０ｂまたは１０ｃとの間のブラインの循環を止めるとともに、前記稼動中のヒートポンプ２０と切り離され、加熱手段１８ｂまたは１８ｃで加熱されたブライン配管路中のブラインをヒーティングタワー１０ｂまたは１０ｃへ循環させるので、前記加熱されたブラインの熱によりヒーティングタワー１０ｂまたは１０ｃの除霜を実施する（ステップＳ１０）。そして、この場合の除霜が完了したときは（ステップＳ１１）、ステップＳ２へ戻る。

これにより、ヒートポンプ２０を稼動させたままの状態において、外気温度が外気によりヒーティングタワー１０ａ、１０ｂ、１０ｃの除霜可能な温度以上の場合、ヒートポンプ２０から前記複数のヒーティングタワー１０ａ等のうち除霜を要するヒーティングタワー１０ａ等へブライン供給を止め、ヒーティングタワー１０ａ等のファン１１ａ等を駆動させて、このファン１１ａ等の送風によりヒーティングタワー１０ａ等の除霜を容易に実施することができる。
一方、外気温度が外気によりヒーティングタワー１０ａ等の除霜可能な温度未満の場合、ヒートポンプ２０から前記複数のヒーティングタワー１０ａ等のうち除霜を要するヒーティングタワー１０ａ等へのブライン供給を止め、ヒートポンプ２０と切り離されたブライン配管路中のブラインをヒーティングタワー１０ａ等へ循環させる循環路を形成し、この循環路のブラインを加熱してヒーティングタワー１０ａ等に循環させて、加熱されたブラインの熱によりヒーティングタワー１０ａ等の除霜を容易に実施することができる。
さらに、前記加熱手段１８ａ等がブラインの前記循環路中に配設されたヒータであるときは、このヒータにより前記循環路のブラインの加熱を容易に行うことができる。

なお、上記実施の形態において、並列に接続されているヒーティングタワーの数は３であるが、これに限定されず、任意の数にすることができる。

本発明に係る除霜装置を適用する水冷式ヒートポンプシステムを示す説明図である。 本発明に係る除霜装置のブロック図である。 本発明に係るヒーティングタワーを示す一部分破断した正面図である。 図３の熱交換部を示す斜視図である。 本発明に係る除霜方法を示すフローチャートである。 従来例を示す説明図である。

符号の説明

１０ａ、１０ｂ、１０ｃ ヒーティングタワー
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ ファン
１３ センサ
１４ 外気温度測定手段
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ ブライン停止手段
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ 循環路形成手段
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ 加熱手段
２０ ヒートポンプ
２２ 蒸発器
２６ 第１除霜制御手段
２７ 第２除霜制御手段

Claims (4)

1. ヒートポンプの蒸発器側のブラインを配管路により複数のヒーティングタワーに循環させ吸熱して暖房運転する水冷式ヒートポンプシステムにおけるヒーティングタワーの除霜方法であって、
   前記ヒートポンプを稼動させたままの状態において、
   外気温度が外気により前記ヒーティングタワーの除霜可能な温度以上の場合、前記ヒートポンプからの除霜を要するヒーティングタワーへのブラインの供給を止め、前記ヒーティングタワーのファンを駆動させて前記ヒーティングタワーの除霜を実施し、
   外気温度が外気により前記ヒーティングタワーの除霜可能な温度未満の場合、前記ヒートポンプからの除霜を要するヒーティングタワーへのブラインの供給を止めるとともに、前記ヒートポンプと切り離されたブライン配管路中のブラインを前記ヒーティングタワーへ循環させる循環路を形成し、この循環路のブラインを加熱して前記ヒーティングタワーに循環させて前記ヒーティングタワーの除霜を実施することを特徴とする水冷式ヒートポンプシステムにおけるヒーティングタワーの除霜方法。
2. 請求項１記載の水冷式ヒートポンプシステムにおけるヒーティングタワーの除霜方法であって、
   前記循環路のブラインの加熱は、ブラインの前記循環路の配管に配設されたヒータで行うことを特徴とする水冷式ヒートポンプシステムにおけるヒーティングタワーの除霜方法。
3. ヒートポンプの蒸発器側のブラインを配管路により複数のヒーティングタワーに循環させ吸熱し暖房運転する水冷式ヒートポンプシステムであって、
   各ヒーティングタワーに設けられたファン、ヒーティングタワーの除霜開始信号を発生するセンサおよび外気温測定手段と、
   稼動中のヒートポンプとヒーティングタワーとのブラインの循環を停止させるブライン停止手段と、
   前記稼動中のヒートポンプと切り離されたブライン配管路中のブラインを前記ヒーティングタワーへ循環させる循環路を形成する循環路形成手段と、
   前記循環路のブラインを加熱する加熱手段と、
   前記外気温測定手段の測定温度が外気により前記ヒーティングタワーの除霜可能な温度以上で、前記センサからの除霜開始信号を受けたときに前記ブライン停止手段を駆動させて稼動中のヒートポンプと除霜対象のヒーティングタワーとの間のブライン循環を停止するとともに、前記除霜対象のヒーティングタワーのファンを駆動させ除霜を実施する第１除霜制御手段と、
   前記測定温度が外気により前記ヒーティングタワーの除霜可能な温度未満で、前記センサからの除霜開始信号を受けたときに、前記ブライン停止手段、循環路形成手段および加熱手段を駆動して、前記ヒートポンプと除霜対象のヒーティングタワーとの間のブラインの循環を止めるとともに、前記ヒートポンプと切り離され、前記加熱手段で加熱されたブライン循環路中のブラインを前記除霜対象のヒーティングタワーへ循環させる第２除霜制御手段とからなるヒーティングタワーの除霜装置を備えたことを特徴とする水冷式ヒートポンプシステム。
4. 請求項３記載の水冷式ヒートポンプシステムであって、
   前記循環路のブラインの加熱手段が、ブラインの前記循環路の配管に配設したヒータであることを特徴とする水冷式ヒートポンプシステム。
   

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