JP5563521B2

JP5563521B2 - 地中熱ヒートポンプ装置

Info

Publication number: JP5563521B2
Application number: JP2011113127A
Authority: JP
Inventors: 真典上田; 菅　　崇
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2031-05-20
Also published as: JP2012241984A

Description

この発明は、熱源側の地中熱循環回路を循環する熱媒を利用してパワー半導体を適切に冷却できる地中熱ヒートポンプ装置に関するものである。

従来この種の地中熱ヒートポンプ装置においては、図４に示すように、圧縮機１０１、負荷側熱交換器１０２、膨張弁１０３、熱源側熱交換器１０４を冷媒配管１０５で環状に接続したヒートポンプ回路１０６と、熱源側熱交換器１０４と地中に設置された地中熱交換器１０７を熱媒配管１０８で環状に接続した地中熱循環回路１０９と、地中熱循環回路１０９に熱媒としての不凍液を循環させる地中熱循環ポンプ１１０と、床暖房パネル等の負荷端末１１１と負荷側熱交換器１０２を循環液配管１１２で環状に接続した負荷側循環回路１１３と、負荷側循環回路１１３に循環液を循環させる負荷側循環ポンプ１１４と、圧縮機１０１の駆動をインバータ制御するパワー半導体１１５と、パワー半導体１１５に取り付けられパワー半導体１１５で発生する熱を放熱するヒートシンク１１６と、熱源側熱交換器１０４の上流側において熱媒配管１０８から分岐しヒートシンク１１６と熱的に接続したバイパス管１１７とを備え、圧縮機１０１、地中熱循環ポンプ１１０、負荷側循環ポンプ１１４を駆動させ、熱源側熱交換器１０４を蒸発器、負荷側熱交換器１０２を凝縮器として機能させて、負荷端末１１１で被空調空間を加熱する暖房運転等の負荷運転を行っている時に、バイパス管１１７側にも熱媒を循環させることによりヒートシンク１１６を冷却しパワー半導体１１５の冷却を行うものがあった。（例えば、特許文献１参照。）

特開２００５−３０７０８号公報

ところで、この従来の地中熱ヒートポンプ装置において、パワー半導体１１５を適切に冷却するためには、パワー半導体１１５を冷却するのに必要とされる適切な流量がバイパス管１１７側に流れるように、バイパス管１１７の配管径や配管長を設定することが重要となり、例えば、地中熱循環ポンプ１１０の回転数が固定され、地中熱循環回路１０９を流れる熱媒の流量が固定されているような場合は、バイパス管１１７側に熱媒が適切な流量流れるようにバイパス管１１７の配管径や配管長を設定することは容易である。

しかし、前記負荷運転の負荷の大小に応じて地中熱循環ポンプ１１０の回転数が可変され、地中熱循環回路１０９を流れる熱媒の流量が可変されるようなものの場合、その可変流量に応じたバイパス管１１７の配管径や配管長の設定が必要となるが、地中熱循環回路１０９に大流量で熱媒が循環する場合に対応させて、バイパス管１１７側に熱媒が適切な流量流れるようにバイパス管１１７を設定した場合、バイパス管１１７によってバイパスされる部分の熱媒配管１０８を流れる熱媒の流量に対する圧力損失の特性とバイパス管１１７を流れる熱媒の流量に対する圧力損失の特性が、図５に示すような関係になり、地中熱循環回路１０９に小流量で熱媒を循環させた時に、バイパス管１１７によってバイパスされる部分の熱媒配管１０８とバイパス管１１７との圧力損失の差が大きく、バイパス管１１７によってバイパスされる部分の熱媒配管１０８側にのみ熱媒が流れ、バイパス管１１７側にはほとんど熱媒が流れず、パワー半導体１１５の冷却が行われなくなるおそれがあり、それによって、パワー半導体１１５が過熱状態となり異常停止する問題を有するものであった。

逆に、熱媒配管１０８に小流量で熱媒が循環する場合に対応させて、バイパス管１１７側に熱媒が適切な流量流れるようなバイパス管１１７を設定した場合、バイパス管１１７によってバイパスされる部分の熱媒配管１０８を流れる熱媒の流量に対する圧力損失の特性とバイパス管１１７を流れる熱媒の流量に対する圧力損失の特性が、図６に示すような関係になり、熱媒配管１０８に大流量で熱媒が循環した時に、バイパス管１１７によってバイパスされる部分の熱媒配管１０８とバイパス管１１７との圧力損失の差が小さく、バイパス管１１７側に流れる熱媒が過大となり、パワー半導体１１５が過冷却状態となり結露を生じさせてしまうおそれがあり、それによって、パワー半導体１１５もしくは周辺の電気回路がショートして異常停止する問題を有するものであった。

そこで、本発明は、地中熱循環回路１０９を流れる熱媒の流量が可変されるものにおいて、パワー半導体１１５の冷却を適切に行うことができる地中熱ヒートポンプ装置を提供することを目的とするものである。

この発明は上記課題を解決するために、特に請求項１ではその構成を、圧縮機、負荷側熱交換器の冷媒流路、減圧手段、熱源側熱交換器の冷媒流路を冷媒配管で環状に接続したヒートポンプ回路と、前記熱源側熱交換器の熱媒流路と地中に設置された地中熱交換器とを熱媒配管で環状に接続した地中熱循環回路と、該地中熱循環回路に熱媒を循環させる回転数可変の地中熱循環ポンプと、前記圧縮機の駆動を制御するパワー半導体と、該パワー半導体の発する熱を放熱する放熱器と、前記熱源側熱交換器より上流側の前記熱媒配管から分岐し前記熱源側熱交換器の熱媒流路をバイパスして前記放熱器と熱的に接続したバイパス管とを備え、前記地中熱交換器により地中と熱交換し、前記熱源側熱交換器を蒸発器または凝縮器として機能させると共に、前記負荷側熱交換器を凝縮器または蒸発器として機能させて負荷側を加熱または冷却する負荷運転を行い、該負荷運転時の負荷の大小に応じて前記地中熱循環ポンプの回転数を可変制御する地中熱ヒートポンプ装置であって、前記熱源側熱交換器の熱媒流路と前記バイパス管とは、前記バイパス管を流れる熱媒の流量に対する圧力損失の特性の傾きが、前記熱源側熱交換器の熱媒流路を流れる熱媒の流量に対する圧力損失の特性の傾きより大きく、且つ、前記地中熱循環ポンプの回転数の可変範囲の略全域で前記バイパス管の圧力損失が前記熱源側熱交換器の熱媒流路の圧力損失より大きくなるような関係性を有するものとした。

この発明の請求項１によれば、負荷運転時の負荷の大小に応じて地中熱循環ポンプの回転数を可変制御する地中熱ヒートポンプ装置であって、熱源側熱交換器の熱媒流路とバイパス管とは、バイパス管を流れる熱媒の流量に対する圧力損失の特性の傾きが、熱源側熱交換器の熱媒流路を流れる熱媒の流量に対する圧力損失の特性の傾きより大きく、且つ、地中熱循環ポンプの回転数の可変範囲の略全域でバイパス管の圧力損失が前記熱源側熱交換器の熱媒流路の圧力損失より大きくなるような関係性を有するものとしたことで、負荷の大小に応じて地中熱循環ポンプの回転数を可変制御する負荷運転時において、パワー半導体が過冷却状態となることがなく、また、過熱状態となることもなく、パワー半導体の適切な冷却を行うことができるものである。

この発明の地中熱ヒートポンプ装置の一実施形態の概略構成図。同一実施形態のパワー半導体を冷却する構造を示す図。同一実施形態の熱源側熱交換器の熱媒流路とバイパス管の流量に対する圧力損失の特性を示す図。従来の地中熱ヒートポンプ装置の概略構成図。従来の地中熱ヒートポンプ装置の熱媒配管とバイパス管の流量に対する圧力損失の特性を示す図。従来の地中熱ヒートポンプ装置の熱媒配管とバイパス管の流量に対する圧力損失の特性を示す他の図。

次に、この発明の地中熱ヒートポンプ装置の一実施形態について図面に基づき説明する。
図１のように、本実施形態の地中熱ヒートポンプ装置は、大きく分けてヒートポンプユニット１と、地中熱交換部２と、負荷熱交換部３とから構成されるものである。

前記ヒートポンプユニット１は、冷媒を圧縮する能力可変の圧縮機４と、圧縮機４から吐出された高温冷媒を流通させ、この高温冷媒と負荷熱交換部３の負荷側の熱媒との熱交換を行う凝縮器としての負荷側熱交換器５の冷媒流路５ａと、負荷側熱交換器５の冷媒流路５ａから流出する冷媒を減圧する減圧手段としての膨張弁６と、膨張弁６によって減圧された低温冷媒と地中熱交換部２の熱源側の熱媒との熱交換を行う蒸発器としての熱源側熱交換器７の冷媒流路７ａとを備え、これらを冷媒配管８で環状に接続してヒートポンプ回路９を形成しているものである。なお、ヒートポンプユニット１の冷媒としては、二酸化炭素冷媒やＨＦＣ冷媒等の任意の冷媒を用いることができるものである。また、１０は膨張弁６から圧縮機４に至るまでの熱源側熱交換器７側の冷媒配管８、つまり低圧側の冷媒配管８に設けられ、低圧側の冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段としての冷媒温度センサである。

前記負荷側熱交換器５および前記熱源側熱交換器７はプレート式熱交換器で構成され、プレート式熱交換器は複数の伝熱プレートが積層され、冷媒を流通させる流路と流体を流通させる流路とが各伝熱プレートを境にして交互に形成されているものである。

また、前記地中熱交換部２は、熱源側熱交換器７の熱媒流路７ｂと地中に設置され互いに並列に接続された複数の地中熱交換器１１とを熱媒配管１２で環状に接続する地中熱循環回路１３と、地中熱循環回路１３に熱媒として不凍液を循環させる回転数可変の地中熱循環ポンプ１４とを備え、さらに、熱源側熱交換器７の上流側の熱媒配管１２から分岐され熱源側熱交換器７の熱媒流路７ｂのみをバイパスするバイパス管１５が備えられているものである。

ここで、前記バイパス管１５は、圧縮機４の駆動をインバータ制御するパワー半導体１６の発熱を放熱する放熱器としてのヒートシンク１７と熱的に接続されており、本実施形態では、図２に示すようにヒートシンク１７を構成する複数のフィン１８間にバイパス管１５を這わせてフィン１８とバイパス管１５とを接触させ、バイパス管１５に不凍液を循環させることにより、フィン１８が冷却されパワー半導体１６の冷却が行われるものである。

なお、前記熱源側熱交換器７の熱媒流路７ｂとバイパス管１５とは、図３に示すように、バイパス管１５を流れる熱媒の流量に対する圧力損失の特性の傾きが熱源側熱交換器７の熱媒流路７ｂを流れる熱媒の流量に対する圧力損失の特性の傾きより大きく、且つ、地中熱循環ポンプ１４の回転数の下限から上限までの可変範囲、すなわち地中熱循環回路１３での流量可変範囲の略全域でバイパス管１５の圧力損失が熱源側熱交換器７の熱媒流路７ｂの圧力損失より大きくなるような関係性を有するものである。

また、前記負荷熱交換部３は、負荷側熱交換器５の循環液流路５ｂと、被空調空間を加熱する床暖房パネル等の負荷端末１９とを循環液配管２０で環状に接続した負荷側循環回路２１と、負荷側循環回路２１に循環液を循環させる負荷側循環ポンプ２２と、負荷端末１９毎に分岐した負荷側循環回路２１に各々設けられ、その開閉により負荷端末１９への循環液の供給を制御する熱動弁２３（２３ａ、２３ｂ）とを備えているものである。なお、２４は負荷側循環回路２１に設けられ負荷端末１９から負荷側熱交換器５の循環液流路５ｂに流入する循環液の温度を検出する負荷温度検出手段としての負荷温度センサである。

２５は冷媒温度センサ１０、負荷温度センサ２４の各温度センサの入力や被空調空間に設置されたリモコン（図示せず）からの信号を受けて、圧縮機４、膨張弁６、地中熱循環ポンプ１４、負荷側循環ポンプ２２の各アクチュエータの駆動を制御する制御手段で、前記パワー半導体１６は前記制御手段２５の基板上に実装されているものである。

次に、一実施形態の地中熱ヒートポンプ装置の動作について説明する。
前記負荷端末１９によって加熱される被空調空間に設置された前記リモコンにより被空調空間の加熱の指示がなされると、前記制御手段２５は圧縮機４、地中熱循環ポンプ１４、負荷側循環ポンプ２２の駆動を開始させ、負荷運転としての暖房運転が開始される。

前記暖房運転時に、地中熱交換部２では、地中熱交換器１１によって地中と熱交換して地中熱を採熱し、その熱を帯びた不凍液が地中熱循環ポンプ１４により熱源側熱交換器７の熱媒流路７ｂに供給される。そして、熱源側熱交換器７にて冷媒流路７ａを流通する冷媒と熱媒流路７ｂを流通する不凍液とが対向して流れて熱交換が行われ、地中熱交換器１１にて採熱された地中熱が冷媒側に汲み上げられて冷媒が加熱され熱源側熱交換器７は蒸発器として機能するものとなる。

さらに、地中熱循環回路１３を流れる不凍液は、熱源側熱交換器７の熱媒流路７ｂをバイパスするバイパス管１５側にも流れ、パワー半導体１６が発する熱を放熱するヒートシンク１７がバイパス管１５を流れる不凍液によって冷却されるものである。

また、負荷熱交換部３では、負荷側熱交換器５の冷媒流路５ａを流通する冷媒と負荷側熱交換器５の循環液流路５ｂを流通する循環液とが対向して流れて熱交換が行われて、負荷側熱交換器５は凝縮器として機能して負荷側循環回路２１を循環する循環液が加熱され、加熱された循環液が熱動弁２３を介して負荷端末１９に送られ、リモコンにより指示された被空調空間を加熱するものである。

前記暖房運転時において、パワー半導体１６は暖房運転時の負荷の大小に応じてその発熱量が大小するものであり、負荷が大きい時、すなわち圧縮機４の出力が大きい時はパワー半導体１６の発熱量も大きく、負荷が小さい時、すなわち圧縮機４の出力が小さい時はパワー半導体１６の発熱量も小さいものである。

ここで、前記制御手段２５は、暖房運転中、冷媒温度センサ１０の検出する低圧側の冷媒温度が予め設定された目標蒸発温度になるように地中熱循環ポンプ１４の回転数を制御するものであるが、負荷が大きくなると、冷媒温度センサ１０の検出する冷媒温度が下がり、制御手段２５は、予め設定された目標蒸発温度になるように地中熱循環ポンプ１４の回転数を上げて、地中熱循環回路１３を循環する不凍液の流量を上げ、逆に負荷が小さくなると、冷媒温度センサ１０の検出する冷媒温度が上がり、予め設定された目標蒸発温度になるように地中熱循環ポンプ１４の回転数を下げて、地中熱循環回路１３を循環する不凍液の流量を下げるように制御している。

つまり、パワー半導体１６の発熱量が大きい時は、地中熱循環回路１３を循環する不凍液の流量が大きく、バイパス管１５側を流れる不凍液の流量も大きくなる。この時は、図３に示されるように、大流量時の熱媒流路７ｂとバイパス管１５との圧力損失の差は大きいので、バイパス管１５側に不凍液が流れ過ぎることはなく、パワー半導体１６の適切な冷却が行われるものである。逆に、パワー半導体１６の発熱量が小さい時は、地中熱循環回路１３を循環する不凍液の流量が小さく、バイパス管１５側を流れる不凍液の流量も小さくなる。この時は、図３に示されるように、小流量時の熱媒流路７ｂとバイパス管１５との圧力損失の差は小さくなるので、バイパス管１５側に適切な量の不凍液が流れ、パワー半導体１６の適切な冷却が行われる。したがって、本実施形態では、負荷の大小に応じて地中熱循環ポンプ１４の回転数が可変制御される暖房運転時において、バイパス管１５側に適切な量の不凍液が流れ、パワー半導体１６が過冷却状態となることがなく、また、過熱状態となることもなく、パワー半導体１６の適切な冷却が行われるものである。

なお、本発明は先に説明した一実施形態に限定されるものでなく、本実施形態では、ヒートシンク１７の複数のフィン１８間にバイパス管１５を這わせてフィン１８とバイパス管１５とを接触させてバイパス管１５を流れる不凍液により冷却を行っているが、フィン１８にバイパス管１５を貫通させてバイパス管１５を流れる不凍液により冷却を行うものであってもよく、バイパス管１５とヒートシンク１７が熱的に接続していればよいものであり、本発明の要旨を変更しない範囲で様々な変形が可能であり、これを妨げるものではない。

また、本実施形態では、熱源側熱交換器７としてプレート式熱交換器を使用したが、熱源側熱交換器７の熱媒流路７ｂの流量に対する圧力損失の特性の傾きが、バイパス管１５の流量に対する圧力損失の特性の傾きより小さいという関係性を有する熱媒流路７ｂを備えた熱源側熱交換器７であればプレート式熱交換器に限定されるものではない。

また、本実施形態では、地中熱交換器１１は地中に複数設置され互いに並列に接続されているが、複数の地中熱交換器１１を互いに直列に接続してもよく、また、地中熱交換器１１を複数設置せず、地中から所望の採熱ができるのであれば、地中熱交換器１１を１本だけ設置したものであってもよい。

また、本実施形態では、地中熱交換器１１を地中に設置するものとし、地中熱交換器１１は地中に直接埋設され地中熱を採熱しているが、地中熱交換器１１を井戸の中に設置し、地中熱によって温められた井戸水から採熱するものも地中熱交換器１１を地中に設置するものに含まれるものである。

また、本実施形態では、床暖房パネル等の負荷端末１９により被空調空間である室内を加熱する熱媒循環式の暖房運転を負荷運転としたが、被空調空間である室内に負荷側熱交換器５を有する室内機（図示せず）を設け、この室内機内で圧縮機４から吐出された高温冷媒を室内空気と直接熱交換し、送風により室内を加熱する暖房運転を負荷運転としてもよいものであり、また、負荷端末１９を給湯等に使用する湯水を貯湯する貯湯タンク（図示せず）とし、貯湯タンク内の湯水を沸き上げる沸き上げ運転を負荷運転としてもよいものである。

また、本実施形態では、地中熱交換器１１により地中から地中熱を採熱し、熱源側熱交換器７を蒸発器として機能させると共に、負荷側熱交換器５を凝縮器として機能させて負荷側を加熱する暖房運転を負荷運転としたが、地中熱交換器１１によって地中と熱交換して地中に排熱し、熱源側熱交換器７を凝縮器として機能させると共に、負荷側熱交換器５を蒸発器として機能させて負荷側を冷却する冷房運転を負荷運転としてもよいものである。

４圧縮機
５負荷側熱交換器
５ａ負荷側熱交換器の冷媒流路
６膨張弁
７熱源側熱交換器
７ａ熱源側熱交換器の冷媒流路
７ｂ熱源側熱交換器の熱媒流路
８冷媒配管
９ヒートポンプ回路
１１地中熱交換器
１２熱媒配管
１３地中熱循環回路
１４地中熱循環ポンプ
１５バイパス管
１６パワー半導体
１７ヒートシンク

Claims

圧縮機、負荷側熱交換器の冷媒流路、減圧手段、熱源側熱交換器の冷媒流路を冷媒配管で環状に接続したヒートポンプ回路と、前記熱源側熱交換器の熱媒流路と地中に設置された地中熱交換器とを熱媒配管で環状に接続した地中熱循環回路と、該地中熱循環回路に熱媒を循環させる回転数可変の地中熱循環ポンプと、前記圧縮機の駆動を制御するパワー半導体と、該パワー半導体の発する熱を放熱する放熱器と、前記熱源側熱交換器より上流側の前記熱媒配管から分岐し前記熱源側熱交換器の熱媒流路をバイパスして前記放熱器と熱的に接続したバイパス管とを備え、前記地中熱交換器により地中と熱交換し、前記熱源側熱交換器を蒸発器または凝縮器として機能させると共に、前記負荷側熱交換器を凝縮器または蒸発器として機能させて負荷側を加熱または冷却する負荷運転を行い、該負荷運転時の負荷の大小に応じて前記地中熱循環ポンプの回転数を可変制御する地中熱ヒートポンプ装置であって、前記熱源側熱交換器の熱媒流路と前記バイパス管とは、前記バイパス管を流れる熱媒の流量に対する圧力損失の特性の傾きが、前記熱源側熱交換器の熱媒流路を流れる熱媒の流量に対する圧力損失の特性の傾きより大きく、且つ、前記地中熱循環ポンプの回転数の可変範囲の略全域で前記バイパス管の圧力損失が前記熱源側熱交換器の熱媒流路の圧力損失より大きくなるような関係性を有するようにしたことを特徴とする地中熱ヒートポンプ装置。