JP5237962B2 - ヒート・ポンプ組立体 - Google Patents

Description

本発明は、例えば住宅を冷房及び暖房するためのヒート・ポンプに関し、より正確には、快い屋内温度を保つために主に空気の冷却が必要な気候帯で、住宅を冷房及び暖房するためのヒート・ポンプに係るものである。

現在では、住宅を暖房するためにヒート・ポンプが用いられている。ある種のヒート・ポンプを用いて住宅を冷房することも可能であり、それによって、快適な屋内状態よりも屋外温度が高い気候帯では住居内を冷却することが望ましい。通常、こうした場合には、屋内は快適な状態よりも温度が高くなる。

快適な屋内温度を得るために冷房が必要な気候帯では、一般に空気／空気型ヒート・ポンプが設置される。１年のうちの望ましい屋内状態よりも屋外温度が低い季節では、ヒート・ポンプを用いて熱を発生させることもできる。

通常は冷房を必要とする気候帯で、そうしたヒート・ポンプを用いて冷房を行うことに関しては問題がある。快適な屋内温度を得るために効率的に冷房を行うには、ヒート・ポンプの能力が不十分である。例えば、住宅をかなり冷房する必要がある場合もあるが、空気／空気型ヒート・ポンプで必ずしも可能であるとは限らない。

また住宅の断熱性及び密閉性は、通常は冷気を締め出し、暖かい屋内環境を保つことに関係するものであるため、通常は空気を加熱するよりも冷却する必要のあることが多い気候帯では、住宅における断熱性及び密閉性が十分に機能しない危険性がある。温暖な地域ほど、住宅の建築時の気密性及び断熱性は劣る。さらに通常は、冬の間、屋内で快い暖かさを得るために住宅にラジエータが取り付けられることはほとんどない。したがって、屋内よりも屋外の温度が低い期間の間、屋内の温度を快適な暖かさの水準に保つために、しばしば建物内に電気ラジエータが置かれる。ラジエータは高温を発生させるように設定され、したがって、ラジエータは暑くなる。こうした電気ラジエータは住宅を局所的に暖めるため、電気ラジエータがない住宅の一部の場所では、同時に比較的低温になる可能性がある。

熱の発生は、ラジエータを使って住宅を暖めると費用がかかることに関連付けられる。しかし、屋外の温度が高い場合に高すぎる温度を保持しやすい空気を冷却することは、さらに高い費用を伴う。最も重要なのは、屋内よりも屋外の温度が高いときに快適な屋内温度を得ることは費用がかかるということである。

したがって、本発明の目的は、可逆的な、換言すれば、冷却も加熱も行えるヒート・ポンプ、並びに現在よりも安価に冷却及び加熱を行うヒート・ポンプの使用を可能にすることである。

本発明は、こうした問題を解決するものである。

したがって、本発明は、季節に応じた建物内温度の均衡をとるためのヒート・ポンプ組立体に関し、ヒート・ポンプ組立体は、それぞれ低温側及び高温側を有するヒート・ポンプを含み、熱交換器がそれぞれ低温側及び高温側に接続され、一方の熱交換器が加熱／冷却要素に接続され、他方の熱交換器が高温／低温バッファに接続され、ヒート・ポンプが液体−液体型のものであり、弁組立体がヒート・ポンプに配置されて、任意選択でヒート・ポンプの高温側又は低温側を加熱／冷却要素に接続し、それによって、加熱／冷却要素が任意選択で加熱又は冷却を行うことが可能になっていることを特徴とする。

以下では、添付図面に示す本発明の具体例と一部関連させて、本発明をより詳しく説明する。

熱を発生させる間、ヒート・ポンプ１及び熱交換器２、３を、高温／低温バッファ６及び加熱／冷却要素４に対してどのように配置するかを概略的に示す図。 冷却を行う間、ヒート・ポンプ１及び熱交換器２、３を、高温／低温バッファ６及び加熱／冷却要素４に対してどのように配置するかを概略的に示す図。

したがって、本発明は、それぞれ低温側及び高温側を有するヒート・ポンプ１を備えた、建物内で季節ごとの温度の均衡をとるためのヒート・ポンプ組立体に関するものである。

図１及び図２は、本発明に従って、熱交換器２、３がそれぞれ低温側及び高温側に接続されていることを示している。一方の熱交換器３は加熱／冷却要素４に接続され、他方の熱交換器２は高温／低温バッファ６に接続される。ヒート・ポンプ１は、液体−液体型のものである。図では鎖線によるボックスとして示した弁組立体７がヒート・ポンプ１内に配置され、任意選択でヒート・ポンプ１の高温側又は低温側を加熱／冷却要素４に接続し、それによって、加熱／冷却要素４が任意選択で熱エネルギーをそのまわりに供給するか、又は熱エネルギーをそのまわりから吸収することが可能になる。

例えば、加熱／冷却要素４はラジエータであり、床又はファン・コイル・ユニット内でループを形成する。

図１及び図２のいずれの場合も、点線は高温側を示し、実線は低温側を示している。

好ましい実施例によれば、弁組立体７は、液体の流れを任意の方向に流すように調節できるように配置された四方弁８を備えている。

四方弁８は、加熱／冷却要素４をヒート・ポンプ１の高温側に接続すべきか、低温側に接続すべきかに応じてその設定を変えるように配置される。こうした設定を得るために、四方弁を任意の適切な形で配置することができる。一例は、外管の中に内管を配置することであり、その場合、どちらの管も、それぞれの管の壁の異なる位置に孔を有する。冷却媒体が四方弁８の中を流れるべき方向に応じて、外管及び内管の一方を、内管及び外管を貫く孔の新しい組が現れるように回転させることができる。それによって、冷却媒体を単一の選択された方向に流すようにする。

好ましい実施例によれば、弁組立体７を、逆止め弁９ａ、９ｂの下流に配置された膨張弁１０ａ、１０ｂを備える膨張ユニット１１（図１及び図２の点線の楕円を参照）と共に配置することもできる。

さらに他の好ましい実施例によれば、２組の逆止め弁９ａ、９ｂ及び膨張弁１０ａ、１０ｂが、膨張ユニット１１の中で反対方向に配置され、それによって、高温流体が任意選択で熱交換器２、３のそれぞれから流れることが可能になる。しかしながら、逆止め弁９ａ、９ｂ及び膨張弁１０ａ、１０ｂのどちらの組においても、逆止め弁９ａ、９ｂは冷却媒体を特定の方向に流す。膨張ユニット１１は、反対に向けられた２組の逆止め弁９ａ、９ｂ及び膨張弁１０ａ、１０ｂを備えているため、逆止め弁９ａ、９ｂ及び膨張弁１０ａ、１ｂのそれぞれの組ごとに、冷却媒体を１方向のみに流す。

ヒート・ポンプ１は、冷却媒体の温度を上昇させるように配置された圧縮機１２、及び冷却媒体の温度を低下させるように配置された膨張弁を備えているため、弁組立体７は、加熱／冷却要素４にもたらすことが望まれるのが加熱であるか冷却であるかに関わらず、ヒート・ポンプの圧縮機１２及び膨張弁を使用すること、並びに低温側又は高温側が現在ヒート・ポンプ１のどの側にあるかに関わらず、熱交換器２、３を互いに対して、及び弁組立体７に対して同じ形で配置させることも可能にするために、きわめて重要なものである。

他の好ましい実施例によれば、高温／低温バッファ６は地中に少なくとも１つの孔を有し、その中で加熱／冷却媒体を閉ループにおいて循環させる。加熱／冷却媒体は、例えば水や液体の凝固点を低下させるための不凍剤を伴う液体など、適切な周知の種類の液体である。

図１及び図２に示すように、ヒート・ポンプ組立体には３つのループが配置される。第１のループ、すなわち高温／低温バッファ６における閉ループは、第１の熱交換器２を通るように配置される。第２の閉ループは、ヒート・ポンプ１の中で熱交換器２から離れるように、換言すれば第１のループの反対側で、弁組立体７を通り、さらに熱交換器３に至るように配置される。第３の閉ループは、第２のループの反対側で熱交換器３から出て加熱／冷却要素４に至り、熱交換器３に戻るように配置される。

さらに他の実施例によれば、高温／低温バッファ６はそれぞれ、熱エネルギーを地中の穿孔から受け取る、及び熱エネルギーを穿孔へ放出するように配置される。このため、高温／低温バッファ６は地面によって構成される。その代わりに、高温／低温バッファ６を、例えば海水や地中のコレクタによって構成することもできる。

１つの動作モードによれば、弁組立体７は、ヒート・ポンプ１の高温側が第２の熱交換器３に接続され、それによって熱の発生が得られるように配置される（図１参照）。

熱を発生させる間、第１のループの管路内の液体は、下方へ地中に流れ、さらに地面から上方に流れた後、ある温度に達する。ポンプ（図示せず）によって液体がさらに流れ、熱交換器２に入ると、液体は第２のループ内の冷却媒体に対して熱交換を行う。その後、この時点では数度温度が低下した第１のループ内の液体は、さらに下方へ流れ、再び穿孔に入るが、穿孔内の温度が熱交換器２を通過したばかりの液体の温度よりも高いため、液体は穿孔内で加熱される。

第２のループ内の冷却媒体は、熱交換器２における第１のループ内の液体に対する熱交換によって、数度加熱される。熱交換器２を通過した後、第２のループ内の冷却媒体はさらに流れ、冷却媒体が圧縮機１２に向かって流れるようなモードに設定された四方弁８を通る。圧縮機１２では、圧力が高められた結果として冷却媒体が加熱され、冷却媒体はその後、もう一度四方弁８に案内され、その後、さらに熱交換器３まで流れる。第２のループ内の冷却媒体は、第３のループ内の液体に対して熱交換を行い、それによって、第２のループ内の冷却媒体の温度は、熱交換器３の通過後に低下する。その後、第２のループ内の冷却媒体はさらに流れ、膨張ユニット１１に入るが、そこでは、液体は逆止め弁９ａを通って流れることしかできない。膨張弁１０ａでは、圧力の低下によって冷却媒体の温度がかなり下げられ、その後、冷却媒体は再び熱交換器２に戻る。

上記のように、第３のループ内の液体は熱交換器３で熱交換を行い、以前よりも温度が高まる。したがって、第３のループ内に配置されたポンプは液体をラジエータ４へ汲み出すことができるが、それによって、ラジエータ４は熱を放出する。液体が流れて熱交換器３へ戻るとき、液体の温度はある程度低下している。その後、液体は流れて熱交換器３に戻り、それによって、液体の温度を再び上昇させる。

熱交換器２、３は標準的なものであり、加熱も冷却も両方の熱交換器２、３によって行われるため、熱交換器２、３は、どちらも同じ性能特性を有するように配置されることが好ましい。加熱及び冷却中に熱交換器２、３が熱交換を行って上昇又は低下する度数はそれぞれ、熱交換器２、３が同じ型のものとなり得るような間隔の範囲内にあり、またそうすることが好ましい。

各ループ内の液体は、熱交換器２、３を通過する前後と比べて、所望される液体の温度の低下又は上昇が得られるように、様々な速度で熱交換器２、３を通って流れることができる。

他の動作モードによれば、弁組立体７は、ヒート・ポンプ１の低温側が第２の熱交換器３に接続され、それによって冷却が得られるように配置される。

この場合には、冷却中（図２参照）、第１のループ内の液体を、熱交換器２の中で熱交換を行って温度が高まるように、ポンプ作用によって循環させる。したがって第２のループ内では、冷却媒体は熱交換を行い、温度が低下する。第２のループ内の冷却媒体は、加熱中と比べると、熱交換器２、３及び弁組立体７の中を反対方向に流れる。第２のループ内の冷却媒体は熱交換器２を通って流れた後、冷却媒体は膨張ユニット１１を通って流れるが、加熱中と比べると、逆止め弁９ｂ及び膨張弁１０ｂの反対側の組を通って流れる。冷却媒体はその後、熱交換器３を通って流れ、熱交換を行って温度が高まり、さらに加熱中と比べると別のモードに設定された四方弁８に流入する。その後、冷却媒体はさらに流れて圧縮機１２に入り、そこで液体は、圧力上昇の結果としてさらに加熱される。ここから冷却媒体は再び四方弁を通り、さらに熱交換器２に向かって流れる。

第３のループは、ファン・コイル・ユニット４が周囲の空気を冷却することが可能な温度が得られるように、熱交換器３の中で熱交換を行い、温度が低下する。

地面が屋内温度よりも数度低い温度を保つ地域では、ヒート・ポンプは不要である。この場合、屋内の空気を冷却するために、地面からの冷気を直接使用することができる。しかし、地面の温度が高い気候帯があり、そこでは、ヒート・ポンプを用いずに穿孔を通って流れる液体の温度を使用しても冷却が得られない。したがって、本発明の主な使用地域は、例えばスペインやイタリアなどの南欧州やアフリカなど夏の間の地面の温度が高い気候帯、又は年間を通して同様の気候である世界中の他の地理的地域である。

さらに他の実施例によれば、このヒート・ポンプ組立体を用いて、温水又は冷水を供給することができる。この実施例では、温水器がヒート・ポンプ１、したがって熱交換器３に接続される。その他の方法では、温水及び冷水の製造はそれぞれ、温水器に対して、加熱／冷却要素４の加熱及び冷却と同じように機能する。

これまで、いくつかの実施例及び応用について説明してきた。しかし、本発明の基本的な考え方から逸脱することなく、弁組立体７、ヒート・ポンプ１、熱交換器２、３及び高温／低温バッファ６を他の適切な形に設計することが可能である。

したがって、本発明は先に示した方法の実施例に限定されず、添付の特許請求の範囲内で変更することができる。

Claims (4)

1. 季節に応じて建物内温度の均衡をとるためのヒート・ポンプ組立体において、該ヒート・ポンプ組立体は、それぞれ低温側及び高温側を有するヒート・ポンプ（１）を含み、
   熱交換器（２、３）が、それぞれ前記低温側及び前記高温側に接続され、
   一方の前記熱交換器（３）が加熱／冷却要素（４）に接続され、
   他方の前記熱交換器（２）が高温／低温バッファ（６）に接続され、
   前記ヒート・ポンプ（１）が液体−液体型であり、
   弁組立体（７）が前記ヒート・ポンプ（１）内に配置され、任意選択で前記ヒート・ポンプ（１）の前記高温側又は前記低温側を前記加熱／冷却要素（４）に接続し、それによって、前記加熱／冷却要素（４）が任意選択で加熱又は冷却を行うことが可能になっており、
   前記ヒート・ポンプ組立体が、液体用の３つの閉ループを有し、第１の閉ループが前記高温／低温バッファ（６）および前記他方の熱交換器（２）に接続され、第２の閉ループが前記ヒート・ポンプ（１）内に配置されて、２つの熱交換器（２、３）に接続され、第３の閉ループが前記一方の熱交換器（３）および前記加熱／冷却要素（４）に接続され、
   前記弁組立体（７）が四方弁（８）を含み、該四方弁（８）は、前記加熱／冷却要素（４）が任意選択でそれぞれ、前記高温側又は前記低温側を構成できるように調節されるように配置され、
   前記弁組立体（７）が、逆止め弁（９ａ、９ｂ）の下流に配置された膨張弁（１０ａ、１０ｂ）を備える膨張ユニット（１１）と共に配置され、
   ２組の逆止め弁（９ａ、９ｂ）及び膨張弁（１０ａ、１０ｂ）が、前記膨張ユニット（１１）の中で互いに反対方向に配置され、それによって、高温の液体が任意選択で前記２つの熱交換器（２、３）のうちの一方から流れることが可能になっていることを特徴とするヒート・ポンプ組立体。
2. 前記高温／低温バッファ（６）が、地中に少なくとも１つの孔を有し、該孔の中で加熱／冷却媒体が閉ループで循環させられていることを特徴とする請求項１に記載されたヒート・ポンプ組立体。
3. 前記高温／低温バッファ（６）が、それぞれ、前記地中の孔から熱又は冷気を受け取るように配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたヒート・ポンプ組立体。
4. 両方の前記熱交換器（２、３）が、同じ性能特性を有して配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載されたヒート・ポンプ組立体。