JP4279208B2 - Ｃｏ２冷媒ヒートポンプのガスクーラ給水温度制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機、ガスクーラ、膨張手段、蒸発器を備えてＣＯ _２ 冷媒循環サイクルを構成するとともに、前記ガスクーラに給水される水と前記ＣＯ _２ 冷媒との熱交換により給湯を行うＣＯ _２ 冷媒ヒートポンプにおいて、ガスクーラに供給する給水の温度を制御してＣＯ_２冷媒の圧縮機吐出側の圧力上昇及び温度上昇を抑制することができるＣＯ _２ 冷媒ヒートポンプのガスクーラ給水温度制御装置に関する。

ＣＯ_２超臨界冷凍サイクルは、大気環境汚染防止の見地より脱フロン対策の一環として広く使用されてきている。同冷凍サイクルは、一般に圧縮機、ガスクーラ、膨張弁、蒸発器よりなり、圧縮工程で臨界圧力を超えた超臨界圧まで圧縮され、この領域で高温度になったＣＯ_２冷媒をガスクーラで冷却し、液化しているが、ガスクーラに供給される給水の温度が上昇した際に、冷媒比容積の上昇及び蒸発器内の乾き度の上昇によって、圧縮機吐出圧力・温度が上昇するため、３５℃以上の高い給水温度での運転が困難である。

この対策として、特許文献１（特開２００３−２６９８１３号公報）には、ガスクーラに供給する水温をコントロールすることにより、広範囲の条件で運転可能なヒートポンプシステムが開示されている。このヒートポンプシステムは、給湯タンクから給湯用熱交換器（ガスクーラ）に送水される配管部分に分岐配管を持ち、分岐配管は空気熱交換器（蒸発器）を経由した後、前記配管部分の分岐部分と給湯用熱交換器との間に合流し、かつ分岐配管に流量調整弁を設け、前記合流部と給湯用熱交換器との間に温度検出器を設けることにより、分岐配管を経由して空気側熱交換器に送水する水量のコントロールができるようにしたものであり、これによって、給水温度が上昇した場合でもＣＯＰを高く維持することができ、ヒートポンプ部を停止する必要がなくなるという利点がある。

特開２００３−２６９８１３号公報

しかるに特許文献１に開示された手段では、流体が水であるために、外気温度が下がった場合に、空気熱交換器を含む分岐配管部分が凍結し、運転不能となるおそれや、装置破損のおそれがあるとともに、依然として、ガスクーラに供給される給水温度のコントロールを精度良く行なうことができず、運転条件に制約がある。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、ガスクーラに供給する冷却水の温度を下げる方法として、不凍液を介した熱交換を実施するとともに、給水温度が上昇した際に外気又は冷却水によってガスクーラに給水する水温を精密にコントロールすることにより、広範囲な運転条件で運転可能なＣＯ _２ 冷媒ヒートポンプのガスクーラ給水温度制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、かかる目的を達成するもので、圧縮機、ガスクーラ、膨張手段、蒸発器を備えてＣＯ _２ 冷媒循環サイクルを構成するとともに、前記ガスクーラに給水される水と前記ＣＯ _２ 冷媒との熱交換により給湯を行うＣＯ _２ 冷媒ヒートポンプにおいて、
前記ガスクーラに給水する給水配管ラインに、不凍液を冷媒とし前記給水を予め冷却する給水冷却器を設けるとともに、不凍液循環ポンプを介して前記給水冷却器と不凍液冷却器との間で前記不凍液を循環する不凍液循環ラインを設け、更に前記不凍液冷却器を前記蒸発器内に一体的に組み込んで外気冷却型の熱交換器で構成したことを特徴とする。

本発明においては、不凍液を冷媒とし給水を同不凍液と間接熱交換して同給水を冷却する冷却器を設けて、不凍液によって予め給水を冷却する。また不凍液は不凍液循環ポンプを介して前記給水冷却器と不凍液冷却器との間で循環する不凍液循環ラインにおける不凍液冷却器で冷却される。
また前記給水が同不凍液によって吸収される熱量を調整可能に構成することにより、ガスクーラに供給される給水の温度を調整可能とし、前記ガスクーラに給水される給水温度の上昇を防ぐようにする。

不凍液冷却器は、前記不凍液冷却器を前記蒸発器内に一体的に組み込んで外気冷却型の熱交換器で構成されることにより、蒸発器の蒸発潜熱により冷やされた空気により冷却されるようにする。

また好ましくは、ガスクーラに供給する水の温度を検出し、同検出値に基づいて、圧縮機の吐出側から膨張弁の入口側までの高圧の冷媒圧力を制御するか、又は圧縮機の吐出側からガスクーラの入口側までの高温の冷媒温度を制御する。

また好ましくは、不凍液を冷却水冷却器及び不凍液冷却器の間を循環させる不凍液循環ポンプを設け、圧縮機の吐出側から膨張弁の入口側までの高圧の冷媒圧力、又は圧縮機の吐出側からガスクーラの入口側までの高温の冷媒温度の設定条件に基づいて、あるいはこれに付加して、さらに給水冷却器の入口側の給水温度を検出し、同検出値に基づいて、不凍液循環ポンプの出力を制御し、ガスクーラに供給する水の温度を制御する。

本発明において使用可能な不凍液は、使用温度範囲において固化しないことを条件とし、たとえばエチレングリコール水溶液等が使用可能である。また冷媒は、主としてＣＯ_２冷媒が使用可能である。

本発明によれば、前記ガスクーラに給水する給水配管ラインに、不凍液を冷媒とし前記給水を予め冷却する給水冷却器を設けて、不凍液によって予め給水を冷却するため、ガスクーラに供給される給水の温度上昇を防止できるとともに、不凍液を使用しているため、外気温度が下がった場合でも、前記不凍液冷却器を前記蒸発器内に一体的に組み込んで外気冷却型の熱交換器で構成しても、空気熱交換器を含む分岐配管部分が凍結し、運転不能となるおそれや、装置破損のおそれがない。
また給水と不凍液との熱交換量を調整可能に構成することにより、ガスクーラに供給される給水の温度を調整可能とし、広範囲の条件で運転可能となる。

また好ましくは、ガスクーラに供給する水の温度を検出し、同検出値に基づいて、圧縮機の吐出側から膨張弁の入口側までの高圧の冷媒圧力を制御するか、又は圧縮機の吐出側からガスクーラの入口側までの高温の冷媒温度を制御することにより、ガスクーラに供給する水の温度がある程度高温であっても、運転可能となる。

また好ましくは、不凍液を給水冷却器及び不凍液冷却器の間を循環させる不凍液循環ポンプを設け、圧縮機の吐出側から膨張弁の入口側までの冷媒圧力、又は圧縮機の吐出側からガスクーラの入口側までの冷媒温度の設定条件に基づいて、あるいはこれに付加して、さらに給水冷却器の入口側の給水温度を検出し、同検出値に基づいて、不凍液循環ポンプの出力を制御し、ガスクーラに供給する水の温度を制御することにより、給水冷却器入口側の給水温度に大きなバラツキがあっても、ガスクーラに供給する水の温度を運転可能な温度に精度良く制御することができ、運転許容条件を格段に広げることができる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図１は、本発明の第１実施例に係るヒートポンプシステムの系統図である。

図１は、第１実施例に係る、超臨界状態となるＣＯ_２冷媒を用いた、給湯システムを備えたヒートポンプシステムを示し、１は、本実施例のヒートポンプシステムを収納するケースであり、ケース１内に、ＣＯ_２冷媒循環ラインｃが配設され、同ラインｃに、ＣＯ_２冷媒を圧縮して超臨界状態とする圧縮機２、圧縮機２で圧縮されて超臨界状態となったＣＯ_２冷媒を冷却するガスクーラ３、冷却されたＣＯ_２冷媒を膨張させる膨張弁４、ケース内に導入された外気ａ１から蒸発潜熱を吸収してＣＯ_２冷媒を蒸発させる空気熱交換器５、及び蒸発したＣＯ_２冷媒を一旦貯留するアキュムレータ６が介装されたヒートポンプシステムが内蔵されている。

また７は、ケース１内に外気ａ１を吸引するとともに、空気熱交換器５で熱を奪われて冷却された空気ａ２を冷房用等の冷熱源として供する吸引ファンである。８は、本ヒートポンプシステムに付設された給湯ラインであり、本給湯ライン８は、超臨界状態となったＣＯ_２冷媒をガスクーラ３で冷却するために、冷却水ラインｑから冷却水を供給する給水冷却器９、空気熱交換器５と一体となって配置され、空気熱交換器５の蒸発潜熱で不凍液を冷却する不凍液冷却器１０、給水冷却器９及び不凍液冷却器１０間を連絡する不凍液循環ラインｕ、不凍液循環ラインｕに介装された不凍液循環ポンプ１１から構成される。

なお１２は、冷却水ラインｑの冷却水温度を検出して、その検出値に基づいて不凍液循環ポンプ１１の出力を制御する温度検出器（Ｔ１）、１３は、圧縮機２吐出側のＣＯ_２冷媒温度を検出する温度センサ（Ｔ２）、１４は、給水冷却器９の入口側の給水ｗの温度を検出し、同検出値に基づいて不凍液循環ポンプ１１の出力を制御する温度検出器（Ｔ３）、１５は、圧縮機２吐出側のＣＯ_２冷媒圧力を検出する圧力センサ（Ｐ１）である。

かかる第１実施例において、ケース１内においては、ＣＯ_２冷媒による超臨界冷凍サイクル運転が行なわれ、一方給湯ライン８においては、給水ｗを給水冷却器９において、空気熱交換器５で冷媒蒸発潜熱分の熱で冷却された外気によって冷やされた不凍液を不凍液循環ラインｕから給水冷却器９に供給し、給水ｗと熱交換させることによって給水ｗを冷却し、冷却された給水をガスクーラ３に供給することによって、超臨界状態とされたＣＯ_２冷媒を冷却し、液化する。
一方冷却水はＣＯ_２冷媒の熱を吸収して温水となって（出湯ｈ）、他設備の熱源として供される。

なお本実施例では、圧縮機２の吐出側に設けられたＣＯ_２冷媒の温度及び圧力を温度センサ（Ｔ２）１３及び圧力センサ（Ｐ１）１５で検出し、これらの検出値に基づき、ガスクーラ３に供給する冷却水の温度を調節する。その調節方法は、冷却水ラインｑの冷却水温度を温度検出器（Ｔ１）１２で検出し、その検出値に基づいて、不凍液循環ポンプ１１の出力を調節して、給水冷却器９を通る不凍液の流量を変更したり、あるいは給水冷却器９の入口側の給水ｗの温度を温度検出器（Ｔ３）１４で検出し、その検出値に基づいて不凍液ポンプ１１の出力を変更するものである。

たとえば温度検出器（Ｔ３）１４の検出値が３５℃になったら、不凍液循環ポンプ１１を稼動させ、冷却水ラインｑの冷却水の温度を下げる。また一方温度検出器（Ｔ１）１２の検出値が２０℃になったら、不凍液循環ポンプ１１を停止する。

従って本実施例によれば、ガスクーラ３に供給させる給水を予め不凍液によって冷却するため、ガスクーラ３に供給される給水の温度上昇を防止できるとともに、不凍液を使用しているため、外気温度が下がった場合でも、空気熱交換器５を含む不凍液循環ラインｕが凍結し、運転不能となるおそれや、装置破損のおそれがない。
また給水が不凍液によって吸収される熱量を調整可能に構成して、ガスクーラ３に供給される給水の温度を調整可能であるため、広範囲の条件で運転可能となる。

またガスクーラ３に供給する水の温度を温度検出器（Ｔ１）１２により検出し、同検出値に基づいて、圧縮機２の吐出側の冷媒圧力及び冷媒温度を制御しており、これによってガスクーラ３に供給する水の温度がある程度高温であっても、運転可能となる。

また不凍液を給水冷却器９及び不凍液冷却器１０の間を循環させる不凍液循環ポンプ１１を設け、圧縮機２の吐出側の冷媒圧力及び冷媒温度の設定条件に基づいて、かつこれに付加して、さらに給水冷却器９の入口側の給水温度を検出し、同検出値に基づいて、不凍液循環ポンプ１１の出力を制御し、ガスクーラ３に供給する水の温度を制御しているため、給水冷却器９入口側の給水温度に大きなバラツキがあっても、ガスクーラ３に供給する水の温度を運転可能な温度に精度良く制御することができ、運転許容条件を格段に広げることができる。

本発明によれば、たとえば圧縮機、ガスクーラ、膨張弁、蒸発器よりなり、ガス冷却器と熱交換する給湯ラインを備えた、超臨界状態となるＣＯ_２冷媒ヒートポンプにおいて、ガスクーラに供給する給水の温度を制御してＣＯ_２冷媒の圧力上昇及び温度上昇を抑制することができるとともに、ガスクーラに供給する水の温度を運転可能な温度に制御することができ、運転許容条件を格段に広げることができるＣＯ _２ 冷媒のヒートポンプのガスクーラ給水温度制御装置を提供することができる。

本発明の第１実施例に係るヒートポンプシステムの系統図である。

符号の説明

１ ヒートポンプシステム収納ケース
２ 圧縮機
３ ガスクーラ
４ 膨張弁
５ 空気熱交換器
６ アキュムレータ
７ ファン
８ 給湯ライン
９ 給水冷却器
１０ 不凍液冷却器
１１ 不凍液循環ポンプ
１２、１４ 温度検出器
１３ 温度センサ
１５ 圧力センサ
ａ１ 外気
ａ２ 冷却空気
ｃ Ｃ０_２冷媒循環ライン
ｈ 出湯
ｑ 冷却水ライン
ｕ 不凍液循環ライン
ｗ 給水

Claims (3)

1. 圧縮機、ガスクーラ、膨張手段、蒸発器を備えてＣＯ _２ 冷媒循環サイクルを構成するとともに、前記ガスクーラに給水される水と前記ＣＯ _２ 冷媒との熱交換により給湯を行うＣＯ _２ 冷媒ヒートポンプにおいて、
   前記ガスクーラに給水する給水配管ラインに、不凍液を冷媒とし前記給水を予め冷却する給水冷却器を設けるとともに、不凍液循環ポンプを介して前記給水冷却器と不凍液冷却器との間で前記不凍液を循環する不凍液循環ラインを設け、更に前記不凍液冷却器を前記蒸発器内に一体的に組み込んで外気冷却型の熱交換器で構成したことを特徴とするＣＯ _２ 冷媒ヒートポンプのガスクーラ給水温度制御装置。
2. 前記給水冷却器の入口側の給水温度を検出し、同検出値に基づいて前記不凍液循環ポンプを制御することを特徴とする請求項１記載のＣＯ _２ 冷媒ヒートポンプのガスクーラ給水温度制御装置。
3. 前記圧縮機の吐出側から前記膨張弁の入口側までのＣＯ _２ 冷媒圧力、又は前記圧縮機の吐出側から前記ガスクーラの入口側までのＣＯ _２ 冷媒温度に基づいて、前記不凍液循環ポンプの出力を制御し、前記給水冷却器を介して前記ガスクーラに供給する水の温度を制御することを特徴とする請求項１記載のＣＯ _２ 冷媒ヒートポンプのガスクーラ給水温度制御装置。

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