JP5030933B2 - 水熱交換装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクルを用いて温水をつくり暖房又は冷房に利用する水熱交換装置に係り、特にパワーモジュールからの発熱を有効利用する技術に関する。

従来の水熱交換装置として、ガスエンジンの排熱を回収し、このガスエンジンを冷却する冷却水が循環する冷却回路と、この冷却水回路の冷却水と冷媒回路の冷媒とを熱交換させることにより、冷却水を介して排熱を冷媒に回収させる排熱回収熱交換器とを備える水熱交換装置において、暖房運転時においても、排熱回収熱交換器における冷媒の排熱回収が十分と判断された場合は冷却水の一部を温水熱交換器に流すことにより利用水を加熱して温水を作るようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）
特開２００８−１２８６１７号公報（第２頁、図１）

前記特許文献１に記載の従来の水熱交換装置では、暖房運転時においても、排熱回収熱交換器における冷媒の排熱回収が十分と判断された場合にだけ冷却水の一部を温水熱交換器に流すことにより利用水を加熱して温水を作るようにしているため、温水を作る場合が限定され、さらに熱源であるガスエンジンからの熱の回収が充分でなく、室外機の負荷を軽減させることができず、室外機の性能を向上させられないという問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、パワーモジュールから発生した熱を回収することにより、室外機の負荷を軽減させ、室外機の性能を向上させることができる水熱交換装置を得ることを目的としている。

本発明に係る水熱交換装置は、室外機に内蔵され、パワーモジュールにより駆動される圧縮機、暖房・冷房用に水−冷媒間で熱交換を行うプレート式熱交換器、パワーモジュールにより駆動される冷媒を減圧する電子制御弁及び空気−冷媒間で熱交換を行う空気−冷媒熱交換器を有し、さらに前記圧縮機より吐出された冷媒の流れを暖房側と冷房側とに切り替えるパワーモジュールにより駆動される四方弁を有し、当該冷媒が循環する冷媒回路と、前記プレート式熱交換器で水−冷媒間で熱交換され、室内暖房や冷房の用途に使用される循環水が循環する暖房・冷房用水回路を備えた水熱交換装置において、前記室内暖房や冷房の用途に使用された後の前記暖房・冷房用水回路の循環水の一部を前記暖房・冷房用水回路から分岐させ、その分岐点から前記プレート式熱交換器に向かう循環水に再び合流させる回路であって、前記パワーモジュールを冷却するための冷却用水回路を設け、該冷却用水回路に循環水と前記パワーモジュールとの間で熱交換し、前記パワーモジュールを冷却する排熱回収熱交換器を設けたものである。

本発明に係る水熱交換装置においては、室内暖房や冷房の用途に使用された後の暖房・冷房用水回路の循環水の一部を暖房・冷房用水回路から分岐させ、その分岐点からプレート式熱交換器に向かう循環水に再び合流させる回路であって、パワーモジュールを冷却するための冷却用水回路を設け、該冷却用水回路に循環水と前記パワーモジュールとの間で熱交換し、前記パワーモジュールを冷却する排熱回収熱交換器を設けたので、暖房・冷房用水回路に流れる循環水の一部を冷却用水回路に流し、排熱回収熱交換器によって水と室外機駆動時に発熱するパワーモジュールの間で熱交換し、パワーモジュールを冷却することでパワーモジュールの排熱を回収することができ、プレート式熱交換器に流入する循環水をパワーモジュールから回収した排熱で昇温の一部とすることにより、プレート式熱交換器で循環水を加熱する際に暖房を行うために必要な循環水の昇温幅を小さくできるため、圧縮機にかかる負荷を低減することでき、室外機の性能を向上させることができるという効果がある。

実施の形態．
図１は本発明の実施の形態の水熱交換装置の室外機を示す斜視図、図２は同水熱交換装置の室外機の内部を示す正面図、図３は同水熱交換装置の室外機の内部を示す上面図、図４は同水熱交換装置の室外機の冷媒回路と暖房・冷房用水回路を示す回路構成図、図５は同水熱交換装置の暖房・冷房用水回路を示す回路構成図、図６は同水熱交換装置の暖房・冷房用水回路の制御フローチャートである。
図１に示すように、この実施の形態の水熱交換装置の室外機１はセパレート式空気調和機の室外機に酷似しており、前面側に空気が吹出される前面グリル１ａを備えている。 その室外機１は、内部に備えた冷媒回路１０の冷凍サイクルにより、例えば水を加熱して温水をつくる、又は水を冷却して冷水をつくる装置で、冷凍空調装置の一種の水熱交換装置である。そして、冷媒回路１０が室外機１内で完結しているのが特徴である。

図２、３に示すように、室外機１は、送風機室２と機械室３とを備え、送風機室２と機械室３とはセパレータ４で仕切られている。送風機室２には、空気と冷媒とが熱交換を行う空気−冷媒熱交換器５、この空気−冷媒熱交換器５に送風を行うファン６等が配置されている。

また、機械室３には、冷媒の圧縮を行う圧縮機１１、この圧縮機１１の吸入側に設けられ、冷媒を保持するアキュムレータ１５、暖房時と冷房時により冷媒の流れの向きを切り替える四方弁１２、冷媒と水の間とが熱交換を行うプレート式熱交換器１３、冷媒の減圧装置として使用される電子膨張弁１４ａ，１４ｂ等が配置される。圧縮機１１は、吸入側に吸入マフラー１１ａを備える。
室外機１は、機械室３の上に電気品箱７を備え、本件での冷却対象であるパワーモジュール８、制御手段を有する制御基盤９を格納している。
このパワーモジュール８は圧縮機１１やファン６の駆動電源、その他には四方弁１２，電子膨張弁１４ａ、１４ｂ、バルブ２２、水循環用ポンプ２３、循環水用バルブ２４ａ、２４ｂの駆動電源、制御基盤９に設けられている制御手段の動作電源として機能するものであり、パワーモジュール８に発熱をもたらすものは主として圧縮機１１やファン６である。
また、この実施の形態では、Ｒ４１０Ａ冷媒を用いるとともに、インバータ駆動の圧縮機１１によるヒートポンプ運転により、省エネ及びＣＯ₂削減に貢献できる。

図４に示すように、室外機１の冷媒回路１０は、プレート式熱交換器１３に高圧・高温のガス冷媒を圧縮機１１から供給し、プレート式熱交換器１３の水回路に入る水を加熱する場合を示している。
圧縮機１１で冷媒（例えば、Ｒ４１０Ａ）を圧縮して高圧・高温のガス冷媒とし、四方弁１２を介してプレート式熱交換器１３に供給する。プレート式熱交換器１３では、冷媒と水の流れが対向流となり、冷媒と水との間で熱交換が行われて、水が加熱される。
プレート式熱交換器１３を出た液冷媒は、電子膨張弁１４ａで過冷却されてアキュムレータ１５に入る。さらに、電子膨張弁１４ｂで減圧されて二相冷媒となり、空気−冷媒熱交換器５で蒸発し低圧のガス冷媒となり、四方弁１２を介して吸入マフラー１１ａから圧縮機１１に戻る。プレート式熱交換器１３で加熱された高温の水は、図４に示す暖房・冷房用水回路１６を循環し、例えば給湯タンク１７によって給湯に、例えばファンコイルユニット１８に供給され暖房に利用される。

また、プレート式熱交換器１３で水を冷却する場合は、冷媒の流れは上記と逆方向になる。圧縮機１１で冷媒（例えば、Ｒ４１０Ａ）を圧縮して高圧・高温のガス冷媒とし、四方弁１２を介して空気−冷媒熱交換器５に供給する。空気−冷媒熱交換器５を出た液冷媒は、電子膨張弁１４ｂで過冷却されてアキュムレータ１５に入る。
さらに、電子膨張弁１４ａで減圧されて二相冷媒となり、プレート式熱交換器１３で蒸発し低圧のガス冷媒となる。
プレート式熱交換器１３では、冷媒と水とが並行流となり、冷媒と水との間で熱交換が行われて、水が冷却される。プレート式熱交換器１３から出た低圧のガス冷媒は、四方弁１２を介して吸入マフラー１１ａから圧縮機１１に戻る。プレート式熱交換器１３で冷却された水は、暖房・冷房用水回路１６を循環し例えばファンコイルユニット１８に供給され冷房等に利用される。

暖房・冷房用水回路１６は室外機１に接続する室内側の暖房・冷房システムであり、屋内壁面や床面、もしくは天面に配管された水を循環するための回路であり、暖房・冷房用水回路１６に接続された水循環用ポンプ２２により水を循環させる。
屋内、もしくは屋内の各部屋に単体、または複数台設置されたファンコイル１８の放熱器により室内の空調を行う。また、ファンコイル１８の放熱器に並列に給湯タンク１７が取付けられ、暖房・冷房用水回路１６の循環水を熱源として、利用水を過熱し給湯を行うようにしている。
暖房、もしくは冷房の場合には放熱器であるファンコイル１８の循環水流入口に接続されている循環水用バルブ２４ａを開き、給湯タンク１７の循環水流入口に接続されている循環水用バルブ２４ｂを閉じることで、室外機１から出る加熱水、もしくは冷却水をファンコイル１８の放熱器へと流す閉回路を形成することで、暖房、もしくは冷房する。

給湯を行う際には、放熱器であるファンコイル１８の循環水流入口に接続されている循環水用バルブ２４ａを閉じ、給湯タンク１７の循環水入口に接続されている循環水用バルブ２４ｂを開くことで室外機１から出る加熱水を給湯タンク１７へ流す閉回路を形成し給湯を行う。
給湯タンク１７は２層式であり、外側の層を循環水が熱源として循環し、内側の層に貯水された利用水を過熱する。利用水が加熱されるに従い、室外機１に戻ってくる循環水の温度も高くなり、高い温度で戻ってきた循環水をプレート式熱交換器１３で過熱し、さらに過熱した循環水として給湯タンク１７に送り、利用水を目標温度になるまで加熱する。

制御基盤９に設けられた制御手段はパワーモジュール８から電圧の供給を受け、室外機１の運転を制御し、具体的には室外機１の冷媒回路１０における圧縮機１１、四方弁１２、電子膨張弁１４ａ、１４ｂ及びファン６をそれぞれ制御する。
制御基盤９の制御手段により四方弁１２が切り替えられ、室外機１が冷房運転または暖房運転に設定される。制御手段が四方弁１２を暖房側に切り替えたときは冷媒が実線矢印の如く流れ、プレート式熱交換器１３が凝縮器に、空気−冷媒熱交換器５が蒸発器となり暖房運転となる。それによりプレート式熱交換器１３を通り暖房・冷房用水回路１６を循環する循環水が昇温され、例えばファンコイルユニット１８の放熱器により室内に放熱され暖房する。
また、制御手段が四方弁１２を冷房側に切り替えたときには冷媒が破線矢印の如く流れ、空気−冷媒熱交換器５が凝縮器、プレート式熱交換器１３が蒸発器となり、冷房運転となる。それによりプレート式熱交換器１３を通り暖房・冷房用水回路１６を循環する循環水が冷却され、例えばファンコイルユニット１８により室内の熱を吸収し冷却する。

また、制御手段は運転時、外気温度・循環水温に応じて、圧縮機１１を制御し、室外機１の負荷に応じて電子膨張弁１４ａ、１４ｂ、ファン６の制御を行う。具体的には外気温度、循環水温より圧縮機１１の周波数を算出し、圧縮機１１を動作させる。
冷媒回路１０において、高圧側になる電子膨張弁１４ａ若しくは１４ｂを制御することによって凝縮器となるプレート式熱交換器１３若しくは空気−冷媒熱交換器５の過冷却が適正範囲内になるように調整する。
また、冷媒回路１０において低圧側になる電子膨張弁１４ａ若しくは１４ｂを制御することで蒸発器となるプレート式熱交換器１３若しくは空気−冷媒熱交換器５に流入する冷媒量を調節し、冷媒が蒸発器で完全に蒸発するように制御を行う。

図４に示すように、パワーモジュール８を冷却することを目的とした冷却用水回路２０は、暖房・冷房用水回路１６のうち、室外機１からプレート式熱交換器１３に接続される前に分岐し、暖房・冷房用水回路１６に流れる循環水の一部を冷却用水回路２０に流し、パワーモジュール８と循環水の間で熱交換を行う排熱回収熱交換器１９を通り、再び暖房・冷房用水回路１６に合流する。この冷却用水回路２０は室外機１に内蔵された形となる。
図４に示すように、冷却用水回路２０のうち、排熱回収熱交換器１９を出た後、暖房・冷房用水回路１６に合流する直前に水温度センサ２１とバルブ２２が接続されている。

次に、暖房・冷房用水回路の制御について図６のフローチャートに基づいて説明する。
暖房時に、図６に示すようにパワーモジュール８の温度を循環水の温度として水温度センサ２１で測定し（ステップＳ１）、パワーモジュール８の温度を知ることにより、制御基盤９の制御手段は冷却用水回路２０に流れる循環水の流量をバルブ２２で制御を行う。
具体的には、パワーモジュール８の温度が上昇しすぎた場合（ステップＳ２）は、制御手段はバルブ２２を開放方向に駆動し（ステップＳ３）、冷却用水回路２０に流れる循環水の量を多くすることでパワーモジュール８の冷却量を増やし適正温度を維持する。

また、水温度センサ２１の温度が適正温度内以下（ステップＳ２）である場合は、制御手段はバルブ２１を閉口方向に駆動し（ステップＳ５）、冷却用水回路２０に流れる循環水を少なくすることで水温度センサ２１の温度が適正温度内に入るようにする。
水温度センサ２１の温度が適正温度内（ステップＳ２）であるときは、バルブ２２の開度を維持する（ステップＳ４）。
この制御により、パワーモジュール８の温度が高すぎるときは冷却用水回路２０に流れる循環水の量を増やし、パワーモジュール８を冷却し保護する。適正温度範囲内よりも下回っていた場合は、排熱回収熱交換器１９の冷却能力が過剰であるため冷却用水回路２０の流量を落すことにより、暖房・冷房用水回路１６の圧力損失が下がり暖房・冷房用水回路１６に接続されている水循環用ポンプ２３の負荷が軽減する。

冷房時には、バルブ２２を絞ることで、冷却用水回路２０に流れる循環水の流量を抑えることにより、少量の循環水でパワーモジュール８の冷却を行う。パワーモジュール８を冷却するとともに、暖房・冷房用水回路１６と冷却用水回路２０が合流しプレート式熱交換器１３に流入する循環水の昇温量を抑えることにより、室外機１にかかる負荷増加を最小限に抑える。

給湯時は、バルブ２２を全開にすることで、給湯により温まった循環水が排熱回収熱交換器１９に流入した場合に、流量の増加により循環水とパワーモジュール８の間で熱交換する量を増やし、パワーモジュール８の温度が上昇しすぎることを抑制する。

排熱回収熱交換器１９は、電気品箱７に内蔵され地面に対して垂直に設置されたパワーモジュール８の背面に設置され、暖房・冷房用水回路１６から分岐した冷却用水回路２０の上流側の循環水が排熱回収熱交換器１９の上部より流入するように接続する。
このように冷却用水回路２０の上流側の循環水が排熱回収熱交換器１９の上部より流入するようにしたことで、ヘッド差の影響が無くなり、排熱回収熱交換器１９内に流れる循環水の均等分配が保たれる。

また、パワーモジュール８や制御基盤９を格納した電気品箱７は室外機１の機械室３の上部に取付けられ、パワーモジュール８を冷却する排熱回収熱交換器１９を電気品箱７の外に設置することにより、冷媒配管や排熱回収熱交換器１９に結露した水滴は全て機械室３内へと落下し電気品箱７の内部にあるパワーモジュール８や制御基盤９に水滴がつかない。

パワーモジュール８を排熱回収熱交換器１９で水冷することにより、放熱板などの排熱機構を送風機室２に設置することなく機械室３内部に納めることができ、ファン６による送風機室２に流れる空気の流れを整流する。
これにより、空気−冷媒熱交換器５の風上、風下での圧力損失が減少し、風速分布が均一になり空気−冷媒熱交換器５を効率よく利用する。

また、機械室３を送風機室２とセパレータ４により完全に分離することが可能となるため、セパレータ４がない場合に比べて機械室３から発生する騒音が外部へ漏れることが抑制される。

本発明の実施の形態の水熱交換装置の室外機を示す斜視図。 同水熱交換装置の室外機の内部を示す正面図。 同水熱交換装置の室外機の内部を示す上面図。 同水熱交換装置の室外機の冷媒回路と暖房・冷房用水回路を示す回路構成図。 同水熱交換装置の暖房・冷房用水回路を示す回路構成図。 同水熱交換装置の暖房・冷房用水回路の制御フローチャート。

符号の説明

１ 室外機、１ａ 前面グリル、２ 送風機室、３ 機械室、４ セパレータ、５ 空気−冷媒熱交換器、６ ファン、７ 電気品箱、８ パワーモジュール、９ 制御基盤、１０ 冷媒回路、１１ 圧縮機、１１ａ 吸入マフラー、１２ 四方弁、１３ プレート式熱交換器、１４ａ，１４ｂ 電子膨張弁、１５ アキュムレータ、１６ 暖房・冷房用水回路、１７ 給湯タンク、１８ ファンコイルユニット、１９ 排熱回収熱交換器、２０ 冷却用水回路、２１ 水温度センサ、２２ バルブ、２３ 水循環用ポンプ、２４ａ，２４ｂ 循環水用バルブ。

Claims (4)

1. 室外機に内蔵され、パワーモジュールにより駆動される圧縮機、暖房・冷房用に水−冷媒間で熱交換を行うプレート式熱交換器、パワーモジュールにより駆動される冷媒を減圧する電子制御弁及び空気−冷媒間で熱交換を行う空気−冷媒熱交換器を有し、さらに前記圧縮機より吐出された冷媒の流れを暖房側と冷房側とに切り替えるパワーモジュールにより駆動される四方弁を有し、当該冷媒が循環する冷媒回路と、
   前記プレート式熱交換器で水−冷媒間で熱交換され、室内暖房や冷房の用途に使用される循環水が循環する暖房・冷房用水回路を備えた水熱交換装置において、
   前記室内暖房や冷房の用途に使用された後の前記暖房・冷房用水回路の循環水の一部を前記暖房・冷房用水回路から分岐させ、その分岐点から前記プレート式熱交換器に向かう循環水に再び合流させる回路であって、前記パワーモジュールを冷却するための冷却用水回路を設け、該冷却用水回路に循環水と前記パワーモジュールとの間で熱交換し、前記パワーモジュールを冷却する排熱回収熱交換器を設けたことを特徴とする水熱交換装置。
2. 前記パワーモジュールを地面に対し垂直に設置し、そのパワーモジュールの背面に前記排熱回収熱交換器を設置し、前記冷却用水回路の上流側を前記排熱回収熱交換器の上部に配置するようにしたことを特徴とする請求項１記載の水熱交換装置。
3. 前記暖房・冷房用水回路から分岐した前記冷却用水回路が再び前記暖房・冷房用水回路と交わる位置の手前に水温検知センサと流量調節弁を設置し、前記水温検知センサの検出信号が入力される制御手段は該水温検知センサの検出信号に基づいて前記流量調節弁の開閉制御を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の水熱交換装置。
4. 前記室外機内の送風機室に前記空気−冷媒熱交換器に送風を行うファンを配置し、前記室外機内の機械室に少なくとも圧縮機、前記プレート式熱交換器及び前記アキュムレータを配置し、前記室外機内の送風機室と機械室をセパレータで隔離することを特徴とする請求項１〜３記載の水熱交換装置。

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