JP5827210B2

JP5827210B2 - ヒートポンプシステム

Info

Publication number: JP5827210B2
Application number: JP2012275684A
Authority: JP
Inventors: 宏年鬼原; 久保　孝典; 孝典久保; 広孝中村; 栄治太田; 弘樹成安
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2032-12-18
Also published as: JP2014119206A

Description

本発明は、圧縮機、凝縮器、主蒸発器、及びエンジン冷却水を熱源とする補助蒸発器を備えている冷媒回路と、圧縮機を駆動するエンジンの冷却水回路であって、エンジン冷却水を給湯用熱源とする給湯熱交換器を備えている冷却水回路と、を備えているヒートポンプシステムに関する。

特許文献１は、エンジン冷却水を熱源として空調能力の向上及び給湯を実行できるエンジン駆動ヒートポンプを開示している（００３６、００３７段落、図１、及び図２を参照）。エンジン駆動ヒートポンプは、冷媒回路３０及び冷却水回路８０を備えている。冷媒回路３０は、エンジン冷却水を熱源とする補助蒸発器（熱交換器９３）を備えている。冷却水回路８０は、エンジン冷却水を給湯用熱源とする給湯熱交換器（熱交換器９５）を備えている。このエンジン駆動ヒートポンプは、三方弁９１により、エンジン冷却水を給湯熱源（熱交換器９５）又は冷媒蒸発熱源（熱交換器９３）に分流する。

特開平１０−１０３８１０号公報

ところが、特許文献１は、給湯運転より空調運転を重視する場合などに対応して給湯回路の利用可否を設定する構成までは開示していない。

そこで、本発明は、給湯回路を利用しない場合などに対応して給湯を禁止できるヒートポンプシステムを提供する。

本発明に係るヒートポンプシステムは、圧縮機、凝縮器、主蒸発器、及びエンジン冷却水を熱源とする補助蒸発器を備えている冷媒回路と、圧縮機を駆動するエンジンの冷却水回路であって、エンジン冷却水を給湯用熱源とする給湯熱交換器を備えている冷却水回路と、を備えているヒートポンプシステムにおいて、補助蒸発器を流れる冷媒の流量を調整する冷媒流量調整器と、給湯熱交換器に送水する2次水ポンプと、給湯の許可又は禁止を設定する設定器と、設定器で給湯の禁止が設定されているときに給湯の開始信号を受けると、開始信号を無視し、設定器で給湯の許可が設定されているときに給湯の開始信号を受けると、補助蒸発器での熱交換量が小さくなるように冷媒流量調整器を制御し且つ2次水ポンプを駆動するように構成された制御機構と、を備えていることを特徴とする。

ヒートポンプシステムにおいて、制御機構は、設定器で給湯の許可が設定されているときに開始信号を受けると励磁され、電源を２次水ポンプに接続する第１リレーと、第１リレーが励磁されると励磁される第２リレーと、第２リレーが励磁されると冷媒流量調整器を制御する制御器と、を備えている。

ヒートポンプシステムは、給湯熱交換器からの２次水を蓄えるタンクと、タンク内の２次水の温度を検出する温度センサと、２次水の温度が所定温度よりも低い場合に開始信号を出力する比較器と、を備えている。

本発明に係るヒートポンプシステムは、給湯回路を利用しない場合などに対応して給湯を禁止できる。

本実施形態に係る冷媒回路の構成図である。本実施形態に係る冷却水回路及び給湯回路の構成図である。本実施形態に係る制御機構の構成図である。

図面を参照して、本実施形態に係るヒートポンプシステムを説明する。ヒートポンプシステムは、図１に示されるエンジン１０及び冷媒回路１００、図２に示される冷却水回路２００及び給湯回路３００、及び図３に示される制御機構４００を備えている。

図１は、本実施形態に係る冷媒回路１００の構成図である。図１において、冷媒回路１００は、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、室内熱交換器４、エンジン排熱回収器５、第１膨張弁６、第２膨張弁７、及びブリッジ回路８を備えている。室外熱交換器３及び室内熱交換器４は、空気（室内空気又は室外空気）と冷媒との間で熱交換を行う装置である。室外熱交換器３及び室内熱交換器４はそれぞれ、冷房運転又は暖房運転の実行に応じて、凝縮器又は蒸発器として機能する。エンジン排熱回収器５は、冷却水回路２００を流れる冷却水からエンジン１０の排熱を回収し、冷媒回路１００の冷媒を加熱する。このため、エンジン排熱回収器５は、冷媒回路１００において蒸発器として機能する。エンジン１０は圧縮機１を駆動する。

冷媒回路１００は、吐出経路１１、吸入経路１２、ガス経路１３、第１液経路１４、第２経路１５、第３液経路１６、第４液経路１７、ガス経路１８、及びガス経路１９を備えている。吐出経路１１は、圧縮機１及び四方弁２を接続している。吸入経路１２は、四方弁２及び圧縮機１を接続している。ガス経路１３は、四方弁２及び室外熱交換器３を接続している。第１液経路１４は、室外熱交換器３及びブリッジ回路８を接続している。第１膨張弁６は、第１液経路１４上に配置されている。第２液経路１５は、ブリッジ回路８及びエンジン排熱回収器５を接続している。第２膨張弁７は、第２液経路１５上に配置されている。第３液経路１６は、室内熱交換器４及びブリッジ回路８を接続している。第４液経路１７は、ブリッジ回路８及び第２液経路１５を接続しており、接続点Ｐ１で第２液経路１５に合流している。接続点Ｐ１は、第２膨張弁７とブリッジ回路８との間に位置している。ガス経路１８は、室内熱交換器４及び四方弁２を接続している。ガス経路１９は、エンジン排熱回収器５及び吸入経路１２を接続しており、接続点Ｐ２で吸入経路１２に合流している。合流経路１２ａは、吸入経路１２の一部であり、吸入経路１２における接続点Ｐ２の下流側（圧縮機１側）部分を指している。

ブリッジ回路８は、閉経路８０と、閉経路８０上に配置されている４つの逆止弁８１、８２、８３、８４とを備えている。ブリッジ回路８は、室外熱交換器３からの冷媒を室内熱交換器４及びエンジン排熱回収器５に流し、且つ室内熱交換器４からの冷媒を室外熱交換器３及びエンジン排熱回収器５に流すように、構成されている。

冷媒回路１００は、合流経路１２ａ内の冷媒の圧力（冷媒低圧）を検出する圧力センサ９を備えている。

冷房運転及び暖房運転を説明する。四方弁２は、冷房運転における冷房位置及び暖房運転における暖房位置のいずれか一方に切り替えられるように構成されている。図１において、四方弁２は暖房位置にある。四方弁２が冷房位置に切り替えられると、吐出経路１１がガス経路１３に接続され且つ吸入経路１２がガス経路１８に接続される。四方弁２が暖房位置に切り替えられると、吐出経路１１がガス経路１８に接続され且つ吸入経路１２がガス経路１３に接続される。

冷房運転において、冷媒は、圧縮機１から、吐出経路１１、ガス経路１３、室外熱交換器３、第１液経路１４、ブリッジ回路８、及び第４液経路１７（第１膨張弁６）を経由して、接続点Ｐ１に至る。第２膨張弁７が開かれている場合、冷媒は、接続点Ｐ１から、室内熱交換器４側だけでなくエンジン排熱回収器５側に流れる。第２膨張弁７が閉じられている場合、冷媒は、接続点Ｐ１から、室内熱交換器４側にのみ流れる。室内熱交換器４側に流れる冷媒は、接続点Ｐ１から、ブリッジ回路８、第３液経路１６、室内熱交換器４、ガス経路１８、及び吸入経路１２を経由して、圧縮機１に戻る。エンジン排熱回収器５側に流れる冷媒は、接続点Ｐ１から、第２膨張弁７、エンジン排熱回収器５、及びガス経路１９を経由して接続点Ｐ２に至り、接続点Ｐ２において室内熱交換器４側に流れる冷媒に合流する。なお、冷房運転では、第２膨張弁７は通常閉じられている。

冷房運転において、上述した冷媒の流れにより、室外熱交換器３は凝縮器として機能し、室内熱交換器４は蒸発器として機能する。また、第２膨張弁７が開かれている場合、エンジン排熱回収器５は補助的な蒸発器として機能する。

暖房運転において、冷媒は、圧縮機１から、吐出経路１１、ガス経路１８、室内熱交換器４、第３液経路１６、ブリッジ回路８、及び第４液経路１７（第１膨張弁６）を経由して、接続点Ｐ１に至る。第２膨張弁７が開かれている場合、冷媒は、接続点Ｐ１から、室外熱交換器３側だけでなくエンジン排熱回収器５側に流れる。第２膨張弁７が閉じられている場合、冷媒は、接続点Ｐ１から、室外熱交換器３側にのみ流れる。室外熱交換器３側に流れる冷媒は、接続点Ｐ１から、ブリッジ回路８、第１液経路１４、室外熱交換器３、ガス経路１３、及び吸入経路１２を経由して、圧縮機１に戻る。エンジン排熱回収器５側に流れる冷媒は、接続点Ｐ１から、第２膨張弁７、エンジン排熱回収器５、及びガス経路１９を経由して接続点Ｐ２に至り、接続点Ｐ２において室外熱交換器３側に流れる冷媒に合流する。暖房運転では、エンジン排熱回収器５が補助的な蒸発器として機能するように、第２膨張弁７が必要に応じて開かれる。

図２は、本実施形態に係る冷却水回路２００及び給湯回路３００の構成図である。図２において、冷却水回路２００は、エンジン１０、冷却水ポンプ２０、第１サーモスタットバルブ２１、第２サーモスタットバルブ２２、第３サーモスタットバルブ２３、給湯熱交換器２４、ラジエータ２５、及びエンジン排熱回収器５を備えている。給湯熱交換器２４は、冷却水回路２００を流れる冷却水からエンジン１０の排熱を回収し、給湯回路３００を流れる２次水を加熱する。

また、冷却水回路２００は、実線で示される主経路２６、破線で示される第１バイパス経路２７、破線で示される第２バイパス経路２８、及び二点鎖線で示される第３バイパス経路２９を備えている。主経路２６は、エンジン１０から、第２サーモスタットバルブ２２、給湯熱交換器２４、第１サーモスタットバルブ２１、ラジエータ２５、及び冷却水ポンプ２０を経由して、エンジン１０に至っている。第１バイパス経路２７は、第１サーモスタットバルブ２１から、第３サーモスタットバルブ２３及びエンジン排熱回収器５を経由して、主経路２６上の合流点Ｐ３に至っている。合流点Ｐ３は、主経路２６においてラジエータ２５と冷却水ポンプ２０との間にある。第２バイパス経路２８は、主経路２６上の合流点Ｐ４に至っている。合流点Ｐ４は、主経路２６において給湯熱交換器２４と第１サーモスタットバルブ２１との間にある。第３バイパス経路２９は、第３サーモスタットバルブ２３から、第１バイパス経路２７上の合流点Ｐ５に至っている。合流点Ｐ５は、第１バイパス経路２７においてエンジン排熱回収器５と合流点Ｐ３との間にある。

冷却水ポンプ２０は、主経路２６に冷却水を流す。サーモスタットバルブ２１−２３は、冷却水の温度に応じて、流路を切り替える。第１サーモスタットバルブ２１は、冷却水の温度が７１℃（第１温度）以上のときにラジエータ２５への流路を開き、８５°以上で第３サーモスタットバルブ２３への流路を閉じてラジエータ２５への流路だけを開く。一方で、第１サーモスタットバルブ２１は、冷却水の温度が７１℃未満のときにラジエータ２５への流路を閉じて第３サーモスタットバルブ２３への流路だけを開く。第２サーモスタットバルブ２２は、冷却水の温度が６８℃（第２温度）以上のときに給湯熱交換器２４への流路を開き、８０°以上でバイパス経路２８への流路を閉じて給湯熱交換器２４への流路だけを開く。一方で、第２サーモスタットバルブ２２は、冷却水の温度が６８℃未満のときに給湯熱交換器２４への流路を閉じて第２バイパス経路２８への流路だけを開く。第３サーモスタットバルブ２３は、冷却水の温度が６０℃（第３温度）以上のときにエンジン排熱回収器５へ流路を開き、７０°以上で第３バイパス経路２９への流路を閉じてエンジン排熱回収器５への流路だけを開く。一方で、第３サーモスタットバルブ２３は、冷却水の温度が６０℃未満のときにエンジン排熱回収器５への流路を閉じて第３バイパス経路２９への流路だけを開く。

なお、サーモスタットバルブ２２に替えて三方弁を使用すれば冷却水の温度に関わらず給湯熱交換器２４への流路を任意に開閉できるため、冷房運転時に給湯運転を禁止することも可能となる。

給湯回路３００は、２次水ポンプ３０、入水経路３１、出水経路３２、タンク３３、及び給湯熱交換器２４を備えている。給湯熱交換器２４及びタンク３３は、入水経路３１及び出水経路３２により接続されている。２次水ポンプ３０は、入水経路３１に２次水を流す。２次水ポンプ３０が駆動されると、２次水が給湯熱交換器２４とタンク３３との間で循環し、タンク３３に蓄えられる２次水の温度が上昇する。

図３を参照して、給湯の開始制御を行う制御機構４００を説明する。図３は、本実施形態に係る制御機構４００の構成図である。制御機構４００は、第１回路Ｃ１、第２回路Ｃ２、及び第３回路Ｃ３を備えている。温度センサ３４、比較器３５、信号電源５０、モータ電源５１は、制御機構４００に接続されている。概略的には、第１回路Ｃ１、第２回路Ｃ２、及び第３回路Ｃ３の全てが通電状態にあるとき、給湯の開始信号がヒートポンプユニット１０００に伝達され、給湯が実行される。ヒートポンプユニット１０００は、冷媒回路１００及び冷却水回路２００を内蔵するパッケージである。

温度センサ３４は、２次水が蓄えられているタンク３３内の温度を検出する。比較器３５は、温度センサ３４から２次水の温度を受信し、２次水の温度と所定温度とを比較する。比較器３５は、２次水の温度が所定温度よりも低い場合に、給湯の開始信号を出力する。

第１回路Ｃ１は、開始スイッチ４１、設定器４２、第１リレー４３、及び信号線４４を備えている。信号線４４の両端は信号電源５０に接続されている。開始スイッチ４１、設定器４２、及び第１リレー４３は、信号線４４上に配置されている。開始スイッチ４１及び設定器４２は信号線４４を開閉する接点である。開始スイッチ４１及び設定器４２の両方が閉じると、信号線４４は導通する。

開始スイッチ４１は通常開いており、比較器３５から開始信号が出力されると、閉じる。

設定器４２は、給湯の許可又は禁止を設定する。設定器４２を操作することにより、給湯の許可又は禁止を設定する。給湯の許可が設定されているとき、設定器４２は閉じている。一方、給湯の禁止が設定されているとき、設定器４２は開いている。

第１リレー４３は、信号線４４の導通又は不通に基づいて、第２回路Ｃ２（電力線４８）を開閉する。第１リレー４３は、信号線４４が導通すると励磁され、後述の電力線４８に通電する。

第２回路Ｃ２は、第１リレー４３、漏電遮断器４５、モータブレーカ４６、２次水ポンプ３０、第２リレー４７、及び電力線４８を備えている。電力線４８の両端はモータ電源５１に接続されている。第１リレー４３、漏電遮断器４５、モータブレーカ４６、２次水ポンプ３０、及び第２リレー４７は、電力線４８上に配置されている。２次水ポンプ３０及び第２リレー４７は、モータ電源５１に並列に接続されている。漏電遮断器４５及びモータブレーカ４６は、通常閉じており、非常時に開く。第１リレー４３が励磁されているとき、モータ電源５１からの電流が電力線４８を流れる。

第２リレー４７は、電力線４８の導通又は不通に基づいて、第３回路Ｃ３（信号線４９）を開閉するスイッチである。第２リレー４７は、電力線４８が通電すると励磁され、閉じる。

第３回路Ｃ３は、第２リレー４７、制御器６０、及び信号線４９を備えている。信号線４９の両端は、制御器６０に接続されている。制御器６０は、電源（信号出力源）として機能する。第２リレー４７が励磁されているとき、制御器６０からの電流（信号）が信号線４９を流れる。

制御器６０は、信号線４９の導通又は不通に応じて、第２膨張弁７を制御する。

給湯の開始制御は、次のように実行される。２次水の温度が所定温度より低下すると、比較器３５が給湯の開始信号を出力する。２次水の温度が所定温度以上であるとき、給湯の開始信号は出力されない。

開始信号が出力されると、開始スイッチ４１が閉じる。設定器４２で給湯の許可が設定されている場合、信号線４４が導通して、第１リレー４３が励磁される。つまり、給湯の許可が設定されているときに開始信号が発生すると、第１リレー４３が励磁される。一方、設定器４２で給湯の禁止が設定されている場合、開始信号の有無に関係なく信号線４４は導通しない。このため、第１リレー４３は励磁されない。つまり、設定器４２で給湯の禁止が設定されている場合、給湯の開始信号が無視される。

第１リレー４３が励磁されると、第１リレー４３は閉じ、電力線４８に電流が流れる。このため、２次水ポンプ３０に電力が供給され、且つ第２リレー４７が励磁される。電力の供給により２次水ポンプ３０が駆動されると、２次水が給湯回路３００内を流れる。

第２リレー４７が励磁されると、第２リレー４７は閉じ、信号線４９が導通する。信号線４９が導通すると、制御器６０が第２膨張弁７の制御を開始する。

信号線４９の導通に応じて、制御器６０は、エンジン排熱回収器５を流れる冷媒の流量が小さくなるように第２膨張弁７を制御する。信号線４９の導通に応じて２次水ポンプ３０が駆動されると、２次水が給湯熱交換器２４を流され、給湯熱交換器２４を流れる２次水の流量が増大する。このため、エンジン排熱回収器５での熱交換量が小さくなり、且つ給湯熱交換器２４での熱交換量が大きくなる。つまり、空調向上に供給される熱量が減少し、給湯に供給される熱量が増大する。このようにして、給湯が実行される。

設定器４２において、例えば次の場合に給湯の禁止が設定される。

（Ａ）ヒートポンプユニット１０００が給湯回路３００に接続されない場合
ヒートポンプユニット１０００は、給湯用及び非給湯用の双方で利用できるヒートポンプのパッケージとして製造されている。このため、ヒートポンプユニット１０００が給湯回路３００に接続されない場合、給湯の禁止が設定される。工場出荷時、又はヒートポンプシステムの施工時に、作業者が給湯の禁止を設定する。

（Ｂ）外気温度が着霜開始温度以下である場合
外気温度が低い時期に暖房運転が実行されると、室外熱交換器３に霜が発生する虞がある。着霜開始温度は室外熱交換器３に霜が発生する温度を指しており、外気温度が着霜開始温度以下となる場合、給湯の禁止が設定される。

本実施形態に係るヒートポンプシステムは、上述の構成を有することにより、次の作用、効果を有している。

（１）本実施形態に係るヒートポンプシステムは、第２膨張弁７（冷媒流量調整器）と、２次水ポンプ３０と、設定器４２と、制御機構４００と、を備えている。第２膨張弁７は、エンジン排熱回収器５（補助蒸発器）を流れる冷媒の流量を調整する。２次水ポンプ３０は、給湯熱交換器２４に２次水を送水する。設定器４２は、給湯の許可又は禁止を設定する。制御機構４００は、設定器４２で給湯の許可が設定されているときに給湯の開始信号を受けると、エンジン排熱回収器５を流れる冷媒の流量が小さくなるように第２膨張弁７を制御し且つ給湯熱交換器２４に２次水を送水するように構成されている。

給湯の禁止が設定されているときに制御機構４００が給湯の開始信号を受けると、開始信号が無視される。給湯の許可が設定されているときに制御機構４００が給湯の開始信号を受けると、空調向上に供給される熱量が減少し、給湯に供給される熱量が増大する。つまり、給湯の許可が設定されている場合にのみ、給湯が実行される。このため、本実施形態に係るヒートポンプシステムは、給湯より空調を重視する場合などに給湯の実行を禁止できる。

（２）本実施形態に係るヒートポンプシステムにおいて、制御機構４００は、第１リレー４３と、第２リレー４７と、制御器６０とを備えている。第１リレー４３は、設定器４２で給湯の許可が設定されているときに開始信号を受けると励磁され、信号電源５０を２次水ポンプ３０に接続する。第２リレー４７は、第１リレー４３が励磁されると励磁される。制御器６０は、第２リレー４７が励磁されると第２膨張弁（冷媒流量調整弁）を制御する。

リレーを用いて制御機構４００が構成されている。このため、本実施形態に係るヒートポンプシステムは、リレーの採用により安全性や操作の確実性を高めることができる。

（３）本実施形態に係るヒートポンプシステムは、温度センサ３４と、比較器４２と、を備えている。温度センサ３４は、タンク３３内の２次水の温度を検出する。比較器４２は、２次水の温度が所定温度よりも低い場合に開始信号を出力する。

タンク３３内の２次水の温度が所定温度より低下すると、２次水を加熱する給湯が実行される。このため、本実施形態に係るヒートポンプシステムは、タンク３３内の２次水の温度をほぼ所定温度に保つことができる。

給湯の開始信号は、タンク３３内の２次水の温度に基づく水温信号に限定されない。開始信号は、給湯の開始を指令する信号であればよく、ユーザが設定する信号（熱需要先のＯＮ信号）であってもよい。

１圧縮機
３室外熱交換器（暖房運転における主蒸発器）
４室内熱交換器（暖房運転における凝縮器）
５エンジン排熱回収器（補助蒸発器）
７第２膨張弁（冷媒流量調整器）
１０エンジン
２４給湯熱交換器
３０２次水ポンプ
３３タンク
３４温度センサ
３５比較器
４２設定器
４３第１リレー
４７第２リレー
６０制御器
１００冷媒回路
２００冷却水回路
４００制御機構

Claims

圧縮機、凝縮器、主蒸発器、及びエンジン冷却水を熱源とする補助蒸発器を備えている冷媒回路と、
圧縮機を駆動するエンジンの冷却水回路であって、エンジン冷却水を給湯用熱源とする給湯熱交換器を備えている冷却水回路と、を備えているヒートポンプシステムにおいて、
補助蒸発器を流れる冷媒の流量を調整する冷媒流量調整器と、
給湯熱交換器に送水する２次水ポンプと、
給湯の許可又は禁止を設定する設定器と、
設定器で給湯の禁止が設定されているときに給湯の開始信号を受けると、開始信号を無視し、設定器で給湯の許可が設定されているときに給湯の開始信号を受けると、補助蒸発器での熱交換量が小さくなるように冷媒流量調整器を制御し且つ２次水ポンプを駆動するように構成された制御機構と、を備えていることを特徴とするヒートポンプシステム。
制御機構は、
設定器で給湯の許可が設定されているときに開始信号を受けると励磁され、電源を２次水ポンプに接続する第１リレーと、
第１リレーが励磁されると励磁される第２リレーと、
第２リレーが励磁されると冷媒流量調整器を制御する制御器と、を備えている請求項１に記載のエンジン駆動ヒートポンプ。
給湯熱交換器からの２次水を蓄えるタンクと、
タンク内の２次水の温度を検出する温度センサと、
２次水の温度が所定温度よりも低い場合に開始信号を出力する比較器と、を備えている請求項１又は２に記載のヒートポンプシステム。