JP4363024B2 - 冷媒回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、床暖房装置等に使用される冷媒回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
冷媒回路として、図６に示すように、床暖房装置（床暖房機器）に使用される場合がある。この場合、冷媒回路は、圧縮機５１と水熱交換器５２と膨張弁５３と空気熱交換器（蒸発器）５４とを順に接続して構成される。そして、床暖房ユニット５５として、循環パイプ（床暖房用配管）を有する床暖房用パネル５６を備え、この循環パイプに循環路５７が接続されている。そして、この循環路５７の一部が、上記水熱交換器５２を通過する熱交換路５８とされる。また、この循環路５７は循環用ポンプ５９が介設されている。
【０００３】
従って、圧縮機５１を駆動させると共に、ポンプ５９を駆動（作動）させると、床暖房用パネル５６内の低温水が流出口５６ａから矢印のように循環路５７に流出し、これが熱交換路５８を流通する。そのときこの温湯は水熱交換器５２によって加熱され（沸き上げられ）、流入口（返流口）５６ｂから床暖房用パネル５６へ返流される。これによって、床暖房用パネル５６を加熱（保温）するものである。
【０００４】
また、このような床暖房装置（ヒートポンプ式床暖房装置）において、従来から正常な冷凍サイクルの形成を可能とするものがある（特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１２２３３４号公報（第３−５頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載のヒートポンプ式床暖房装置では、床暖房運転の立上げ時に、水熱交換器の凝縮温度に基づいて、循環路の水循環量を調整して、この水熱交換器の高圧状態を維持して正常な冷凍サイクルを形成するものである。
【０００７】
また、従来においては、上記冷媒回路の冷媒として、ジクロロジフルオロメタン（Ｒ−１２）やクロロジフルオロメタン（Ｒ−２２）のような冷媒が使用されてきたが、オゾン層の破壊、環境汚染等の問題から、１，１，１，２−テトラフルオロエタン（Ｒ−１３４ａ）のような代替冷媒が使用されるようになっている。しかしながらこのＲ−１３４ａにおいても、依然として地球温暖化能が高いなどの問題があることから、近年では、このような問題のない自然系冷媒を使用することが推奨されつつある。この自然系冷媒として炭酸ガス等の超臨界冷媒が有用であることは、公知である。
【０００８】
ところで、床暖房に上記図６に示した冷媒回路等を使用すれば、床暖房用パネル５６の湯を循環路５７にて暖めて保温するものであるので、床暖房用パネル５６から流出して水熱交換器５２に流入する温水の温度（入水温度）は、比較的高温（例えば、４０℃程度）である。そして、冷媒に、超臨界冷媒を用いた場合には、高圧側が超臨界圧力で運転することになって、一般には、その冷凍サイクルは図５の実線で示すものとなる。このため、水熱交換器５２への入水温度が上昇(水温ＵＰ)すれば、図５の２点鎖線で示すように、放熱過程でのエンタルピ差が狭くなる。この際、ＣＯＰは、次の数１から求めることができるので、給湯能力及びＣＯＰが減少することがわかる。なお、図５において、多数のドットで示している範囲が超臨界域である。
【０００９】
【数１】

【００１０】
このため、高圧側が超臨界圧力で運転するものであれば、循環路の水循環量を調整する上記特許文献１に記載されたようなものでは、正常な冷凍サイクルを形成することができない。
【００１１】
この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、運転時の能力及びＣＯＰを高く維持でき、ランニングコストの低減を図ることが可能な冷媒回路を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
そこで請求項１の冷媒回路は、圧縮機７と、水熱交換器８と、減圧機構９と、空気熱交換器１０とが順次接続され、かつ高圧側が超臨界圧力で運転すると共に、床暖房機器等からの戻り水を、低圧側に熱回収させて上記水熱交換器８に導入して加熱する冷媒回路において、上記水熱交換器８と床暖房機器等との間で湯水を循環させる循環路４には、水熱交換器８の上流側の分岐部において分岐すると共に、水熱交換器８の上流側で上記分岐部よりも下流側の循環路４に合流する冷却用配管１６を設け、この冷却用配管１６は、上記空気熱交換器１０を通過する前の外気で冷却可能に配置し、外気温度が所定温度以上のときには、上記熱回収を行わず、外気温度が所定温度より低く上記熱回収を行うときには、冷却前の戻り水と冷却後の戻り水とを混合してほぼ一定温度として上記水熱交換器８に導入することを特徴としている。
【００１３】
請求項１の冷媒回路では、床暖房機器等からの戻り水の内、冷却前の戻り水と冷却後の戻り水とを混合することにより、ほぼ一定温度の低温水を上記水熱交換器８に導入することができる。これにより、効率のよい運転を安定して行うことができる。しかも、水熱交換器８に導入する水を低圧側に熱回収させて冷却するものであるので、他の冷却手段を必要としない。また、この冷媒回路では、外気温度が高ければ、空気熱交換器１０は高性能状態となり、上記水熱交換器８に導入される水の温度（入水温度）が高くても、高ＣＯＰ状態を維持することをできる。このため、所定の高外気温度以上では、熱回収を行わなくても効率のよい運転が可能である。しかも、高圧側が超臨界圧力で運転することになる炭酸ガス等を用いることが可能であるので、オゾン層の破壊、環境汚染、地球温暖化等の問題の発生を防止することができる。
【００１８】
請求項２の冷媒回路は、上記空気熱交換器１０を通過する前の外気にて上記水熱交換器８に導入される水を冷却することを特徴としている。
【００１９】
上記請求項２の冷媒回路では、空気熱交換器１０を通過する前の外気にて上記水熱交換器８に導入される水を冷却するものであり、上記水熱交換器８に導入される水を確実に冷却することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の冷媒回路の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。まず、最初に参考例について説明する。図１はこの冷媒回路の簡略図を示し、この冷媒回路は床暖房装置に使用される。すなわち、床暖房装置は、この冷媒回路を有するヒートポンプユニット１と、床暖房用パネル２の床暖房機器を有する床暖房ユニット３を備え、この床暖房用パネル２内の図示省略の床暖房用配管内の湯をこのヒートポンプユニット１を使用して加熱（保温）するものである。そのため、床暖房用パネル２の床暖房用配管には循環路４が接続され、この循環路４には水循環用ポンプ５と熱交換路６とが介設されている。
【００２３】
この冷媒回路は、圧縮機７と、上記熱交換路６を構成する水熱交換器８と、減圧機構（膨張弁）９と、空気熱交換器１０とを順に接続して構成される。すなわち、圧縮機７と水熱交換器８とを冷媒通路１１にて接続し、水熱交換器８と膨張弁９とを冷媒通路１２にて接続し、膨張弁９と空気熱交換器１０とを冷媒通路１３にて接続し、空気熱交換器１０と圧縮機７とを冷媒通路１４にて接続している。これにより、圧縮機７が駆動すると、水熱交換器８において熱交換路６を流れる水が加熱されることになる。また、この冷媒回路の冷媒には、高圧側が超臨界圧力で運転することになる炭酸ガス（ＣＯ₂）等を用いる。また、空気熱交換器１０にはこの空気熱交換器１０の能力を調整するファン１５が付設されている。
【００２４】
また、上記循環路４には冷却用配管１６が接続される。すなわち、冷却用配管１６は、その一端部（つまり往き配管１６ａの上流端）が熱交換路６よりも上流側において循環路４に切換弁（３方弁）１７を介して接続され、その他端部（つまり戻り配管１６ｂの下流端）がこの切換弁１７よりも熱交換路６側において循環路４に接続される。そして、冷却用配管１６の折り返し部が上記空気熱交換器１０の近傍に達し、上記ファン１５の駆動により、この空気熱交換器１０を通過する前の外気をこの冷却用配管１６に当てることができる。なお、冷却用配管１６の戻り配管１６ｂの下流端側には開閉弁１８が介設されている。
【００２５】
そして、上記循環路４は、床暖房用パネル２から３方弁１７までの第１部４ａと、この３方弁１７から水熱交換器８までの第２部４ｂと、水熱交換器８から床暖房用パネル２までの第３部４ｃとを有する。第１部４ａには戻り水（床暖房用パネル２から流出する水）の温度を検出する戻り水温度検出器２０が付設され、第２部４ｂには水熱交換器８に入水する水の温度（入水温度）を検出する入水温度検出器２１が付設され、第３部４ｃには水熱交換器８から流出する湯の温度（出湯温度）を検出する出湯温度検出器２２が付設されている。さらには、この装置は、外気温度を検出する外気温検出器２３が配置されている。なお、各検出器２０、２１、２２、２３は例えば温度サーミスタにて構成することができる。
【００２６】
ところで、床暖房装置の制御部は、図２に示すように、外気温検出手段２５と、入水温度検出手段２６と、戻り水温検出手段２７と、出湯温度検出手段２８と、これらの各検出手段２５、２６、２７、２８のデータが入力される制御手段２９と、この制御手段２９からの指令で上記切換弁（３方弁）１７等を切換える切換手段３０等を備える。この際、外気温検出手段２５は上記外気温検出器２３にて構成でき、入水温度検出手段２６は上記入水温度検出器２１にて構成でき、出湯温度検出手段２８は上記出湯温度検出器２２にて構成でき、戻り水温検出手段２７は上記戻り水温度検出器２０にて構成できる。なお、上記制御手段２９及び切換手段３０等は例えばマイクロコンピュータを用いて構成することができる。
【００２７】
従って、切換弁１７を熱交換路６側に切換えてさらに開閉弁１８を閉状態として、圧縮機２５を駆動させると共に、水循環用ポンプ５を駆動させると、床暖房用パネル２の床暖房用配管内の水（温水）が流出口２ａから循環路４内へ矢印のように流出して、熱交換路６を流れる。そのときこの水は水熱交換器８によって加熱され（沸き上げられ）、流入口２ｂから床暖房用パネル２内へ返流される。そして、この循環を継続させることによって、床暖房用パネル２の床暖房用配管内の温水を保温することができる。
【００２８】
また、切換弁１７を冷却用配管１６側へ切換えれば、床暖房用パネル２の床暖房用配管内の水（温水）が冷却用配管１６に流れる。これによって、この冷却用配管１６内を流れる水（温水）は、空気熱交換器１０の近傍を流れ、その際、この空気熱交換器１０を通過する前の外気にて冷却することができる。
【００２９】
ところで、上記のように構成された床暖房装置を作動した際に、例えば外気温度が７℃で、出湯温度が８５℃となる運転を行えば、ＣＯＰは図４（ａ）のようになる。すなわち、入水温度が上昇するに従ってＣＯＰが減少し、入水温度が約３０℃でＣＯＰが「２」を切ることになる。また、外気温度が１５℃で、出湯温度が８５℃となる運転を行えば、ＣＯＰは図４（ｂ）のようになる。この場合、入水温度が約４０℃でＣＯＰが「２」を切ることになる。これに対して、外気温度が２５℃で、出湯温度が８５℃となる運転を行えば、ＣＯＰは図４（ｃ）のようになる。この場合、入水温度が５０℃であっても、ＣＯＰが「２」を切ることがない。すなわち、外気温度が高ければ、入水温度が高くても高効率の運転が可能である。これは、外気温度が高ければ、空気熱交換器１０が高性能状態となるからである。
【００３０】
従って、外気温検出手段２５にて検出した外気温度が２５℃以上であれば、３方弁１７を熱交換路６側に切換えて冷却用配管１６に、床暖房用パネル２からの戻り水を流さないようにする。これによって、床暖房用パネル２からの戻り水が直接水熱交換器８に入水することになるが、この場合、外気温度が２５℃以上であり、しかもこの戻り水は床暖房用パネル２からのものであり、５０℃以上の高温となることがないので、上記図４の（ｃ）に示すように、ＣＯＰが２以上となる運転となって、効率良く床暖房用パネル２を保温することができる。なお、外気温度が２５℃以上の高温であれば、通常あまり床暖房を行わない。
【００３１】
これに対して、外気温度が低い場合、例えば２５℃未満であれば、入水温度を低くするのが好ましい。そこで、この床暖房装置では、この入水温度を所定温度以下となるように制御している。すなわち、外気温度が２５℃未満であれば、戻り水温検出手段２７にて戻り水温を検出し、この戻り水温が高い場合、つまり、図４（ａ）（ｂ）で分るように、このままの温度で水熱交換器８に入水すれば、ＣＯＰが例えば２を切る温度（上記所定温度）であるときに、切換弁１７を冷却用配管１６側に切換えて冷却用配管１６に戻り水を流すようにする。この際、開閉弁１８を開状態とする。これによって、戻り水は冷却されて水熱交換器８に入水することになり、ＣＯＰが２以上となる運転を行うことができる。このように、この床暖房装置では外気温度に応じた入水温度に設定することができ、外気温度が低いときでも外気温度が高い時のように高効率の運転を行うことができる。
【００３２】
次に図３はこの発明の実施の形態を示し、この場合、混合弁３３を使用している。すなわち、循環路４に混合弁３３を介設し、冷却用配管１６の往き配管１６ａの上流端を混合弁３３よりも上流側の循環路４に接続し、冷却用配管１６の戻り配管１６ｂの下流端を混合弁３３に接続している。
【００３３】
従って、混合弁３３を調整することによって、水循環用ポンプ５を駆動させた場合、床暖房用パネル２からの戻り水をそのまま水熱交換器８へ入水させる流路と、戻り水を冷却して水熱交換器８へ入水させる流路と、冷却前の戻り水と冷却後の戻り水とを混合させて水熱交換器８へ入水させる流路とを形成することができる。また、混合させる場合には、上記混合弁３３を調整することにより、冷却前の戻り水と冷却後の戻り水との混合比を調整することができる。
【００３４】
この際、外気温度が２５℃以上の高温であれば、床暖房用パネル２からの戻り水をそのまま水熱交換器８へ入水させる流路を形成し、この流路を床暖房用パネル２内の温水を循環させる運転を行い、外気温度２５℃未満の低温であれば、戻り水を冷却して水熱交換器８へ入水させる流路、又は冷却前の戻り水と冷却後の戻り水とを混合させて水熱交換器８へ入水させる流路を形成し、これらの流路において床暖房用パネル２内の温水を循環させる運転を行うことになる。これによって、入水温度をより細かく制御（調整）することができる。すなわち、戻り水の温度がどのような温度であっても、入水温度を常にほぼ一定の温度に設定することができ、安定した高効率の運転が可能となり、コスト低減を達成できる。
【００３５】
以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、水熱交換器８に導入される水（温水）としては、床暖房機器からの戻り水に限るものではなく、給湯機の貯湯タンクからの水（低温水）や、浴室の暖房に使用する低温水等であってもよく、さらには、水道配管からの直接の水等であってもよい。また、水熱交換器８に導入される水（温水）を冷却するための熱回収としては、この冷媒回路の低温・低圧側の配管に上記冷却用配管１６を沿わせるようにしてもよい。さらに、冷却しない場合の基準となる外気温度としては、２５℃に限るものではなく、任意に設定できる。すなわち、図４（ｂ）等から分るように、外気温度が１５℃であっても、入水温度が４０℃未満であれば、ＣＯＰが２を越えるので、このような場合には冷却する必要がない。また、上記実施の形態では、ＣＯＰが２を切らないように入水温度を調整していたが、もちろんこれに限るものではない。なお、冷媒として、炭酸ガス以外に、エチレンやエタン、酸化窒素等の超臨界で使用する冷媒であってもよい。
【００３６】
【発明の効果】
請求項１の冷媒回路によれば、床暖房機器等からの戻り水の内、冷却前の戻り水と冷却後の戻り水とを混合することにより、ほぼ一定温度の低温水を上記水熱交換器に導入することができる。これにより、効率のよい運転を安定して行うことができる。すなわち、運転時の能力及びＣＯＰを高く維持でき、ランニングコストの低減を図ることが可能となる。しかも水熱交換器に導入する水を低圧側に熱回収させて冷却するものであるので、他の冷却手段を必要としない。このため低コストにて高精度の床暖房装置を提供することができる。また、この冷媒回路では、外気温度が高ければ、空気熱交換器は高性能状態となり、上記水熱交換器に導入される水の温度（入水温度）が高くても、高ＣＯＰ状態を維持することをできる。このため、所定の高外気温度以上では、熱回収を行わなくても効率のよい運転が可能である。しかも、高圧側が超臨界圧力で運転することになる炭酸ガス等を用いることが可能であるので、オゾン層の破壊、環境汚染、地球温暖化等の問題の発生を防止することができる。
【００３９】
請求項２の冷媒回路によれば、上記水熱交換器に導入される水を確実に冷却することができる。これによって信頼性の高い運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の冷媒回路の参考例を示す簡略図である。
【図２】 上記冷媒回路が使用された床暖房装置の制御部の簡略ブロック図である。
【図３】 上記冷媒回路が使用されたこの発明の実施の形態としての床暖房装置の簡略図である。
【図４】 外気温度と入水温度とＣＯＰとの関係を示すグラフ図である。
【図５】 従来の冷媒回路の欠点を説明するための冷凍サイクルのグラフ図である。
【図６】 従来の冷媒回路の簡略図である。

Claims (2)

1. 圧縮機（７）と、水熱交換器（８）と、減圧機構（９）と、空気熱交換器（１０）とが順次接続され、かつ高圧側が超臨界圧力で運転すると共に、床暖房機器等からの戻り水を、低圧側に熱回収させて上記水熱交換器（８）に導入して加熱する冷媒回路において、上記水熱交換器（８）と床暖房機器等との間で湯水を循環させる循環路（４）には、水熱交換器（８）の上流側の分岐部において分岐すると共に、水熱交換器（８）の上流側で上記分岐部よりも下流側の循環路（４）に合流する冷却用配管（１６）を設け、この冷却用配管（１６）は、上記空気熱交換器（１０）を通過する前の外気で冷却可能に配置し、外気温度が所定温度以上のときには、上記熱回収を行わず、外気温度が所定温度より低く上記熱回収を行うときには、冷却前の戻り水と冷却後の戻り水とを混合してほぼ一定温度として上記水熱交換器（８）に導入することを特徴とする冷媒回路。
2. 上記空気熱交換器（１０）を通過する前の外気にて上記水熱交換器（８）に導入される水を冷却することを特徴とする請求項１の冷媒回路。

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