JP5415428B2 - ヒート・ポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、加熱及び冷却、それぞれのための装置に関するものである。より詳しくは、本発明はヒート・ポンプを含むそのような装置に関するものである。

ヒート・ポンプは、加熱及び／又は冷却のために使用されることが多い。そのようなヒート・ポンプは、２つの側、すなわち、高温側と低温側とを備えている。いわゆる可逆式ヒート・ポンプでは、この２つの側を変更することが可能であり、高温側が低温側になったり、その逆になったりする。このことは、ヒート・ポンプが異なる時間において加熱と冷却との両方のために運転される場合に有用である。

閉システムでは、そのようなヒート・ポンプの２つの側の間を冷却媒体が流れる。各側は、それぞれの熱交換器を介して外部ループに熱的に接続される。この外部ループを通って熱媒体がそれぞれ流れる。本明細書において、用語「熱媒体」は、２つの場所の間を液体が輸送されるとき、１つの場所から別の場所へ熱エネルギーを搬送することができる液体について使用する。換言すれば、熱媒体は、温熱又は冷熱のいずれかを輸送することができる。そのようなシステムの一例として、第１の外部ループは、地熱暖房のためのドリル穴によって構成される。そして、それはヒート・ポンプの低温側に熱的に接続される。第２の外部ループは、例えば建物内で使用される暖房システムから構成される。そして、それはヒート・ポンプの高温側に熱的に接続される。

したがって、そのようなシステムでは少なくとも２つの別々のループが存在する。とりわけ、それらのループのそれぞれが、１つの補給手段と１つの膨張タンクとを必要とする。したがって、そのようなシステムを製造するために、多数の構成部品が必要となる。このことにより、不必要に生産の信頼性が低下し、不必要にメインテナンスの要求が大きくなることにより、コストが増加する。さらに、それぞれ別々のループに別々の圧力センサーが必要なので、運転の監視はより難しくなる。さらに加えて、熱媒体をいくつかの異なる場所で充填しなければならないので、システムの起動は複雑になる。

建物を暖房及び冷房するための従来のシステムでは、冷却運転中、ヒート・ポンプの低温側に接続されているループ内において、凍結のリスクがあることが多い。何故なら、建物内の冷却媒体は、比較的低い温度に維持されており、ヒート・ポンプの低温側にある熱交換器に接触すると、さらに冷却されるからである。そして、この冷却媒体は、凍結防止剤が全く添加されていない水によって構成されていることが多いからである。

さらに、ヒート・ポンプが運転されているとき、過大な加熱に起因する熱交換器内の損傷を避けるために、そのシステムの外部ループは、定常的に熱媒体を流しながら常に運転されなければならない。この外部ループは、熱交換器から熱エネルギーを受け取っている。例えば建物などの屋内空気を加熱するためのシステムは、通常１つ又は複数の温度調節器に接続されており、所望の空気温度に到達すると、この調節器が、熱エネルギーを吸収する外部ループのスイッチを切るので、上述のことが問題となる。これによって、ヒート・ポンプも損傷しないようにスイッチを切らなければならず、総合システム効率が低下することになる。また、スイッチの入り切りを繰り返すことにより、ヒート・ポンプの磨耗が増加する。

スウェーデン国特許第０６０２６８８−４号

本発明は、上記に記載する問題点を解決する。

したがって、本発明は、加熱と冷却、それぞれのための装置であって、装置は、ヒート・ポンプと、第１の熱交換器と、第２の熱交換器とを含み、第１の熱交換器は、ヒート・ポンプの第１の側に配置され、第１の熱交換器は、第１のループ内を循環する第１の熱媒体と熱的に接続されており、第２の熱交換器は、ヒート・ポンプの第２の側に配置され、第２の熱媒体に熱エネルギーを搬送し、又は、第２の熱媒体から熱エネルギーを搬送するように構成されており、第２の熱媒体は、第２のループ内を循環する、装置において、第１のループと第２のループと導管とが、共に接続されたシステムを形成するように、第１のループと第２のループとが、導管によって相互接続されており、接続されたシステム内に同一の熱媒体が配置されていることを特徴とする装置に関するものである。

以下に、本発明の例示的な実施形態及び添付の図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。

本発明による装置の主要部の概観図である。

ヒート・ポンプ１は２つの側を備えている。１つは高温側であり、１つは低温側である。それぞれの側に、第１の熱交換器２と第２の熱交換器３とが、それぞれ配置される。このヒート・ポンプ１は、液体−液体型のものである。液体−液体型は、２つの液体熱媒体の間で熱エネルギーを搬送するように構成されていることを意味する。

好ましい実施形態によれば、このヒート・ポンプ１は可逆式である。可逆式とは、加熱と冷却との両方のためにヒート・ポンプ１を使用できることを意味する。どちらの運転モードが選ばれるかに応じて、両側のうちのいずれかの側が低温側になる。加熱運転中、第１の熱交換器２の側が低温側であり、第２の熱交換器３の側が高温側である。冷却運転中は、その逆になる。

換言すれば、ヒート・ポンプ１は、第１の熱交換器２の側から第２の熱交換器３の側に、及びその逆のどちらにも熱エネルギーを搬送できるように構成されている。そのようなヒート・ポンプの設置、運転、及び保守経済性を良好にするために、第１の熱交換器２は第２の熱交換器３と同じ容量で構成されるのが好ましい。そのようなヒート・ポンプの構成は、スウェーデン国特許第０６０２６８８−４号によって既知であり、参照によりその全体が本明細書に援用されている。

第１の熱交換器２は、第１のループ１０に熱的に接続されており、配管の形式になっている。熱媒体が、この第１のループ１０内を、それ自体は周知のポンプ装置１２により循環させられる。

好ましい実施形態によれば、第１のループ１０は、熱媒体をエネルギー・ウェル１３内へ運び、エネルギー・ウェル１３から汲み上げる。このエネルギー・ウェル１３は、地面に埋設されたループ、又は湖の水中に設置されたループ、或いは地面内に掘られた穴、又はドリル穴の形態のループなど、多くの異なる形態を取ることができることを理解されたい。エネルギー・ウェル１３がヒート・ポンプ１の第１の熱交換器２の側より高温であるときは、熱媒体によって、エネルギー・ウェル１３からヒート・ポンプ１へ熱エネルギーが搬送される。熱媒体は、ポンプ装置１２を使用することによって、第１のループ１０内を循環させられる。これに対して、エネルギー・ウェル１３がヒート・ポンプ１の第１の熱交換器２の側より低温である場合は、熱媒体によって、ヒート・ポンプ１からエネルギー・ウェル１３へ熱エネルギーが搬送される。

さらに、第２の熱交換器３は、第２のループ２０に熱的に接続されており、配管の形式になっている。熱媒体が、この第２のループ２０内を、それ自体は周知の第２のポンプ装置２２によって、循環させられる。

熱媒体１が加熱運転に設定されると、すなわち熱エネルギーを第１の熱交換器２から第２の熱交換器３へ搬送するように設定されると、熱エネルギーは、エネルギー・ウェル１３から第１の熱交換器２へ、そしてヒート・ポンプ作用を介して第２の熱交換器３へ、さらには第２のループ２０内の熱媒体へ搬送される。この場合、この加えられた熱エネルギーを建物（図示していない）の加熱のために、例えば、水道水の加熱、及び／又は屋内空気の加熱などに使用することができる。

一方、ヒート・ポンプ１が冷却運転に設定されると、すなわちヒート・ポンプ１及び第１のループ１０内の熱媒体を介して、熱エネルギーを第２のループ２０内の熱媒体からエネルギー・ウェル１３へ搬送するように設定されると、冷却された熱媒体を、屋内空気の冷却など、建物の冷却のために使用することができる。

第２のループ２０は、第１の追加の熱交換器３１と第２の追加の熱交換器４１とを含む。第１の追加の熱交換器３１は、水道水用の温水タンク３０に熱的に接続される。第２の追加の熱交換器４１は、エネルギー・バッファ装置４０に熱的に接続される。エネルギー・バッファ装置４０は、タンクを備え、熱媒体を有している。このタンクの容積は、実際に適用したときに、熱エネルギーをバッファ（ｂｕｆｆｅｒ）する役目を適切に果たせるよう十分な寸法を有している。バッファ装置４０内の熱媒体は、例えば水としてもよい。

第２のポンプ装置２２が、第２の熱媒体を第２のループ２０内で循環させるように構成されているので、熱エネルギーを、一方にあるヒート・ポンプ１と、他方にある追加の熱交換器３１、４１との間で、第２のループ２０を介して搬送することができる。

運転中、第２のループ２０内の熱媒体は、矢印Ａ、Ｂに従って循環する。さらに、制御装置２３は、弁装置２１を制御する。これにより、第２のループ２０内の熱媒体の流れは、矢印Ｆ、Ｃに従い、熱媒体が第２の追加の熱交換器４１に導かれるか、又は矢印Ｄ、Ｅに従い、熱媒体が第１の追加の熱交換器３１に導かれる。この弁装置２１は、例えば、従来型の調整可能な３方弁によって構成されてもよい。

制御装置２３は、一方では、ヒート・ポンプ１が加熱モード又は冷却モードで運転されているかどうかに基づいて弁装置２１を制御する。制御装置２３は、他方では、熱バッファ装置４０内の温度が所定の値を超えていることを温度調節器又は温度センサー４２が示しているかどうかに応じて弁装置２１を制御する。温度調節器又は温度センサー４２は、熱バッファ装置４０内に配置され、制御装置２３に接続されている。

好ましい実施形態によれば、ヒート・ポンプ１が加熱モードで運転されるとき、すなわち、ヒート・ポンプ１が第１のループ１０から第２のループ２０へ熱エネルギーを搬送するとき、熱媒体は主として第２の熱交換器４１に導かれる。温度調節器４２は、エネルギー・バッファ装置４０内の温度を連続的に監視している。温度調節器４２は、所定の値を超える温度を測定すると、制御装置２３へ信号を発する。そして、制御装置２３は、弁装置２１を制御し、熱媒体を、代わりに第１の熱交換器３１へ導く。この所定の値は、製造時又は設置する時に設定してもよく、或いは調整可能にしてもよい。したがって、加熱運転中、エネルギー・バッファ装置４０の温度が少なくとも所定の値よりも低い限り、熱エネルギーはエネルギー・バッファ装置４０へ搬送される。そうでなければ、熱エネルギーは、ヒート・ポンプ１から温水タンク３０へ搬送される。それにより、温水タンク３０はエネルギー・バッファとしても働く。温水タンク３０も、温度調節器３２を備える。温水タンク３０内の温度がある所定の値を超えると、温度調節器３２は、温度調節器４２に対応するような方法で制御装置２３に信号を発する。こうなったときには、制御装置２３によって、システムを一時的に、スイッチが切れた状態に設定してもよい。

この構成とすることによって、温度調節器４２を使用してエネルギー・バッファ装置４０内の温度レベルを一定に維持するのにもかかわらず、加熱運転中、ヒート・ポンプ１を、従来のシステムと比較して、実質的により少ない頻度のスイッチの入り切りによって運転することが可能となる。それによって、ヒート・ポンプ１の過熱及び磨耗に関する問題が減少し、ヒート・ポンプ１をより円滑に運転することができる。また、それによりシステムの高い総合効率にもつながる。運転中、熱生産量を調整するために、ヒート・ポンプ１の入り切りを設定する必要がないので、システムのより円滑な運転も実現される。

一方、ヒート・ポンプ１が冷却モードで運転されるとき、すなわち、ヒート・ポンプ１が第２のループ２０から第１のループ１０へ熱エネルギーを搬送するとき、熱媒体は常に第２の熱交換器４１に導かれる。したがって、この場合、熱媒体は、エネルギー・バッファ装置４０からヒート・ポンプ１へ熱エネルギーを搬送する。これによって、エネルギー・バッファ装置４０が冷却される。

熱的連結（ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）装置４３が、エネルギー・バッファ装置４０に接続され、制御装置２３によって制御される。例えば、この熱的連結装置４３は、従来型の適切な、配管の閉システムと熱交換器から構成させてもよい。その中では、熱媒体が、ポンプ装置（図示していない）を使用して循環させられる。そして、一方にあるエネルギー・バッファ装置４０と、他方にある加熱のための第１の分配システム４４又は冷却のための第２の分配システム４５のいずれかとの間を任意選択で熱エネルギーを搬送するように構成されている。

この第１の分配システム４４は、例えば、水で充填されたラジエータ又は水を媒体とする（ｗａｔｅｒｂｏｒｎｅ）床下暖房を備えたシステムなど、建物内の部屋に熱を分配する液体ベースのシステムとしてもよいが、ファン・コイル・ユニットを使用して熱を搬送するシステムとしてもよい。

第２の分配システム４５は、同様に、建物に冷熱を分配する液体ベースのシステムとしてもよい。

したがって、加熱運転中、ヒート・ポンプ１は、温水タンク３０とエネルギー・バッファ装置４０とのどちらにも熱エネルギーを供給する。温水タンク３０から、例えば、建物内の家庭用の水道水を取ってもよい。この場合、制御装置２３が、熱的連結装置４３を制御して、エネルギー・バッファ装置４０から加熱のための第１の分配システム４４へ熱エネルギーを分配する。それによって、建物が暖房される。建物を暖房するのに必要でない熱エネルギーは、温度調節のために、温水タンク３０に導かれる。

冷却運転中、ヒート・ポンプ１は、エネルギー・バッファ装置４０から熱エネルギーを吸収し、その中の熱媒体が冷却される。この場合、制御装置２３が、熱的連結装置４３を制御して、建物からの熱エネルギーを、冷却のための第２の分配システム４５に吸収させて、それを装置４０に搬送し、さらにヒート・ポンプ１へ輸送する。

水道水の加熱と同時に建物の冷却が望まれる場合、ヒート・ポンプ１に加熱運転と冷却運転を交互にさせることは当然可能である。それによって、ヒート・ポンプ１から温水タンク３０へ、そして、エネルギー・バッファ装置４０からヒート・ポンプ１へ熱エネルギーが交互に搬送される。

好ましい実施形態によれば、両方の分配システム４４、４５は低温型である。これは、加熱及び冷却中のどちらでも、一方にある加熱される空気又は冷却される空気と、他方にある加熱及び冷却のために作動している分配システム内の熱媒体との間の温度差が、それぞれ小さいことを意味する。さらに、これは、上述のこれらの気候帯（ｃｌｉｍａｔｉｃ ｚｏｎｅ）では、一方にあるエネルギー・バッファ装置４０、すなわち、第２のループ２０と、他方にある第１のループ１０との間の温度差が小さいことを意味する。このことは、ヒート・ポンプ１の効率が高いことにつながる。

ループ１０とループ２０との間の温度差ができるだけ小さいことは、加熱中と冷却中のどちらにおいても、より良好な効率につながるので好ましい。

図１に示すように、第１のループ１０は第２のループ２０に導管４を使用して接続される。これによって、第１のループ１０と、第２のループ２０と、導管４とを含む、接続されたシステムが形成される。導管４は、これらの間の橋として形成されている。したがって、このシステムに、１つの共通の熱媒体が配置される。この共通の熱媒体は、任意の適切な種類のものとすることができ、例えば、従来の凍結防止添加剤を含む水としてもよい。

導管４の内径は、その長さと比較して小さい。より具体的には、この直径が非常に小さいので、第１のループ１０及び第２のループ２０が、導管４のレベルよりも上のレベルまで熱媒体で充填されているときにも、第１のループ１０と第２のループ２０との間を熱媒体が循環することが本質的に妨げられる。換言すれば、第１のループ１０から第２のループ２０へ、又はその逆へ熱媒体は本質的に全く流れない。本明細書において、用語「熱媒体は本質的に全く〜ない」とは、ループ１０、２０内に存在する熱媒体を加熱及び／又は冷却した結果生じた相対的な圧力変化に関連して、少量の熱媒体が、それぞれ２つのループ１０、２０の間を流れる可能性はあるが、しかし、熱媒体が、システムの運転に対して無視できる程度の量しか、運転中のループ１０、２０の間を流れないということを意味する。

好ましい実施形態によれば、この導管の長さは少なくとも５０ｃｍであり、その内径は最大１０ｍｍである。

導管４は、第１のループ１０と第２のループ２０との間の圧力を均衡化する効果を有する。このことは、両方のループ１０、２０の運転に対して膨張タンク１４が１つだけ必要であるという利点につながる。このことは、同様の周知のシステムと比較して簡略化されるということを意味する。

さらに、この構成とすることにより、ループ１０、２０を熱媒体で充填するための補給装置５を１つしか必要としない。補給装置５は、それ自体は周知である。補給装置５は、ループ１０に沿って配置されることが好ましい。そして、それを介して、熱媒体を第１のループ１０に充填すると同時に、導管４を介して第２のループ２０に充填することができることが好ましい。これは、同様の周知のシステムと比較して簡略化されるということも意味するが、より迅速に充填手順が行われるということも意味する。

このシステムを排気するために、少なくとも１つの排気弁（図示していない）が配置される。現状の適用に応じて、排気弁を第１のループ１０と第２のループ２０内との両方に配置してもよい。

本質的に両方のループ１０、２０内の圧力は同じとなるので、ループ１０、２０を監視するために、圧力センサーは１つしか必要でない。

最後に、接続導管４を用いて上述した構成とすることによって、第１のループ１０で使用されるのと同じ熱媒体が使用されるので、第２のループ２０内での凍結リスクの問題が解決される。したがって、第１のループ１０で使用される熱媒体は耐凍結性のものでなければならず、第２のループ２０内の熱媒体に対しても同じ熱媒体が適用されるので、冷却運転中、第２のループ２０内に凍結リスクは全く存在しない。共通の熱媒体が、少なくとも−１０℃まで耐凍結性を有することが好ましい。例えば、エチル・アルコールを３０％含む水によって構成させてもよい。

上記で、好ましい実施形態を説明した。しかし、本発明の概念から逸脱することなく、説明された実施形態に対して多くの修正を行うことができるということは、当業者にとって明らかである。したがって、本発明は、説明された実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲内で変更することが可能である。

Claims (9)

1. 加熱と冷却、それぞれのためのヒート・ポンプ装置であって、前記ヒート・ポンプ装置は、ヒート・ポンプ（１）と、第１の熱交換器（２）と、第２の熱交換器（３）とを含み、
   前記第１の熱交換器（２）は、前記ヒート・ポンプ（１）の第１の側に配置され、前記第１の熱交換器（２）は、第１のループ（１０）内を循環する第１の熱媒体と熱的に接続されており、
   前記第２の熱交換器（３）は、前記ヒート・ポンプ（１）の第２の側に配置され、第２の熱媒体に熱エネルギーを搬送し、又は、第２の熱媒体から熱エネルギーを搬送するように構成されており、前記第２の熱媒体は、第２のループ（２０）内を循環する、ヒート・ポンプ装置において、
   前記第１のループ（１０）と前記第２のループ（２０）と導管（４）とが、共に接続されたシステムを形成するように、前記第１のループ（１０）と前記第２のループ（２０）とが、前記導管（４）によって相互接続されて組み合わされており、前記接続されたシステム内に同一の熱媒体が配置されており、前記導管（４）の長さは少なくとも５０ｃｍであり、前記導管（４）の内径は最大１０ｍｍであり、前記熱媒体が、前記導管（４）の中をどちらの方向にも流れることが可能である、ことを特徴とするヒート・ポンプ装置。
2. 前記ヒート・ポンプ（１）が、可逆式ヒート・ポンプであり、前記第１の側から前記第２の側へ、及び前記第２の側から前記第１の側へ、両方向に熱エネルギーを搬送するように構成さ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・ポンプ装置。
3. 前記第１の熱交換器（２）が、前記第２の熱交換器（３）と同じ容量を有することを特徴とする、請求項２に記載されたヒート・ポンプ装置。
4. 前記第１のループ（１０）が、一方にあるエネルギー・ウェル（１３）と、他方にある前記ヒート・ポンプ（１）との間で、第１のポンプ装置（１２）を使用して、熱エネルギーを搬送するように構成されており、前記第１のポンプ装置（１２）は、前記第１の熱媒体を前記第１のループ（１０）内に循環させるように構成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・ポンプ装置。
5. 前記第２のループ（２０）が、少なくとも１つの追加の熱交換器（３１、４１）を含み、前記第２のループ（２０）が、前記第２の熱媒体を前記第２のループ（２０）内に循環させるように構成された第２のポンプ装置（２２）を使用して、一方にある前記ヒート・ポンプ（１）と、他方にある前記追加の熱交換器（３１、４１）との間で熱エネルギーを搬送するように構成されていることを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載されたヒート・ポンプ装置。
6. 前記第２のループ（２０）が、温水タンク（３０）に熱的に接続される第１の追加の熱交換器（３１）と、エネルギー・バッファ装置（４０）に熱的に接続される第２の追加の熱交換器（４１）と、弁装置（２１）とを含み、
   前記ヒート・ポンプ（１）が、熱エネルギーを前記第１の側から前記第２の側に搬送するように設定されるとき、前記熱媒体が前記第１の追加の熱交換器（３１）又は前記第２の追加の熱交換器（４１）のどちらかに導かれるように、制御装置（２３）が前記弁装置（２１）を制御するように構成されており、
   前記ヒート・ポンプ（１）が、熱エネルギーを前記第２の側から前記第１の側に搬送するように設定されるとき、前記熱媒体が前記第２の追加の熱交換器（４１）に導かれるように、前記制御装置（２３）が前記弁装置（２１）を制御するように構成されている、ことを特徴とする、請求項５に記載されたヒート・ポンプ装置。
7. 熱的連結装置（４３）が、加熱運転モードに設定されると、前記エネルギー・バッファ装置（４０）から、加熱のための第１の分配システム（４４）へ、熱エネルギーを搬送するように構成されており、前記熱的連結装置（４３）が、冷却運転モードに設定されると、冷却のための第２の分配システム（４５）から、前記エネルギー・バッファ装置（４０）へ、熱エネルギーを搬送するように構成されていることを特徴とする、請求項６に記載されたヒート・ポンプ装置。
8. 前記第１のループ（１０）と前記第２のループ（２０）とが、合わせて１つだけ膨張タンク（１４）を含むことを特徴とする、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載されたヒート・ポンプ装置。
9. 前記第１のループ（１０）が、補給装置（５）を備えており、前記補給装置（５）は、前記第１のループ（１０）と前記第２のループ（２０）との両方に熱媒体を同時に充填することを可能にするように構成されていることを特徴とする、請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載されたヒート・ポンプ装置。

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