JP5969270B2

JP5969270B2 - ヒートポンプ装置

Info

Publication number: JP5969270B2
Application number: JP2012124003A
Authority: JP
Inventors: 焦石井
Original assignee: Sanden Holdings Corp
Current assignee: Sanden Holdings Corp
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2032-05-31
Also published as: WO2013180030A1; JP2013249988A

Description

給湯や暖房用のヒートポンプ装置に関する技術が以下に開示される。

冷媒を循環させる冷凍サイクルをヒートポンプユニットとして熱源に利用し、給湯や暖房用の温水を生成するヒートポンプ装置が知られている。この種のヒートポンプ装置では、より高温の温水（熱媒）を効率的に得られるようにするため、圧縮機と熱媒熱交換器を縦列に２組備えた二段型、２つの冷凍サイクルをカスケード熱交換器でつないだ二元型の構造とすることが提案されている。これらの場合、一度の加熱サイクルで熱媒が、冷媒と二箇所で熱交換することになるので、冷媒から熱媒へ熱交換する熱媒熱交換器を２つ備えなければならない。低コストあるいは小型化などの目的で、２つ必要な熱媒熱交換器を１台で済ませようとすると、特許文献１，２に開示されるような３流体用の熱交換器の構造を採用することになる。

特許第３９３６０８８号公報特開平１０−０１９４８２号公報

上記二段型又は二元型ヒートポンプ装置では、片方の圧縮機を止めて圧縮機１つだけの冷凍サイクルを実行する制御が、熱負荷に応じて行われる。この場合、特許文献１の熱交換器では前段熱交換部（１３Ａ）又は後段熱交換部（１３Ｂ）のいずれかにおいて冷媒が流動停止し、また、特許文献２の熱交換器でも、第１の高温流体（１５ａ）又は第２の高温流体（１５ｂ）のいずれかの流路において冷媒が流動停止する状態になる。そうすると、図６に示すように、冷媒の止まった熱交換部位は熱交換が行われない不要部位となり、且つ、特許文献１の場合は当該熱交換が行われない部位が単なる流路抵抗として作用するだけになるため、熱交換の効率が落ちることになる。
この点に着目すると、少なくとも２冷媒対１熱媒の流路を備えた熱媒熱交換器について、冷媒のいずれかが熱交換に寄与しない場合に、できるだけ効率を落とさない構造とすることが望まれる。

当課題に対して提案するのは、少なくとも２つの第１及び第２圧縮機を縦列形式に備えて冷媒を循環させる冷媒回路と、熱媒を循環させる熱媒回路と、前記第１圧縮機で圧縮された冷媒及び前記第２圧縮機で圧縮された冷媒と前記熱媒との熱交換を行う熱媒熱交換器と、を含んで構成され、前記熱媒熱交換器が、前記熱媒を通す外管と、該外管内に収容されて前記第１圧縮機で圧縮された冷媒を通す第１の内管と、前記外管内に収容されて前記第２圧縮機で圧縮された冷媒を通す第２の内管と、を有し、これら第１及び第２の内管が、互いに直接熱伝導するように組み付けられている、ヒートポンプ装置である。

上記提案に係るヒートポンプ装置によれば、熱媒熱交換器において、冷媒を通す内管が互いに直接熱伝導するように組み付けられているので、そのいずれかの内管において冷媒が流動停止したときに、他の内管（冷媒流動中の内管）の熱が当該流動停止中の内管へも伝わる。したがって、冷媒が流動停止中ではあるが他の内管から熱を受けるこの内管も、他の内管による冷媒と熱媒との熱交換に参加させることができ、上記従来の熱媒熱交換器構造に比べて熱交換の効率が向上する。

二元型ヒートポンプ装置の構成例を示した回路図。二段型ヒートポンプ装置の構成例を示した回路図。熱媒熱交換器の第１実施形態を説明する要部断面図。熱媒熱交換器の第２実施形態を説明する要部断面図。熱媒熱交換器の第３実施形態を説明する要部断面図。従来の熱媒熱交換器を説明した図。

図１は、ヒートポンプ装置の一例として、二元型ヒートポンプ装置の構成例を示している。この二元型ヒートポンプ装置は、それぞれ冷媒を循環させる少なくとも２つの第１、第２冷媒回路１０，２０と、負荷へ熱を供給する熱媒を循環させる熱媒回路３０と、第１、第２冷媒回路１０，２０の各冷媒と熱媒回路３０の熱媒との熱交換を行う１つの熱媒熱交換器４０と、を含んで構成される。なお、冷媒回路の個数は、必要に応じてさらに増やすこともできる。

低元側の第１冷媒回路１０は、第１圧縮機１１、熱媒熱交換器４０、カスケード熱交換器１２、第１膨張弁１３、及び冷媒熱交換器１４を、冷媒循環路でつないで冷凍サイクルを構成したヒートポンプユニットである。冷媒には、例えばＣＯ_２が使用され、該冷媒が、第１圧縮機１１で超臨界の状態まで圧縮されて高温高圧となった後、熱媒熱交換器４０において、熱媒回路３０を循環する熱媒と熱交換する。次いで冷媒は、熱媒熱交換器４０からカスケード熱交換器１２へ流れ、熱媒との熱交換で使い切れず、外気温度よりも高く吸熱源として未だ使用可能な当該冷媒の熱が、第２冷媒回路２０の吸熱源として利用される。冷媒と冷媒の熱交換器であるカスケード熱交換器１２で熱交換した後の冷媒は、第１膨張弁１３で膨張後、ファンを備えた冷媒熱交換器（蒸発器）１４で外気と熱交換し、第１圧縮機１１へ循環する。なお、冷媒熱交換器１４としては、外気と熱交換するものの他にも、例えば地中熱との熱交換を行う仕組みのものも使用できる。

高元側の第２冷媒回路２０は、第２圧縮機２１、熱媒熱交換器４０、第２膨張弁２２、そしてカスケード熱交換器１２を、冷媒循環路でつないで冷凍サイクルを構成したヒートポンプユニットである。冷媒には、第１冷媒回路１０と同じくＣＯ_２が使用され、該冷媒が、第２圧縮機２１で超臨界の状態まで圧縮されて高温高圧となった後、熱媒熱交換器４０において、熱媒回路３０を循環する熱媒と熱交換する。次いで冷媒は、第２膨張弁２２で膨張後、カスケード熱交換器１２において第１冷媒回路１０の冷媒と熱交換し、第２圧縮機２１へ循環する。

第１及び第２冷媒回路１０，２０において、圧縮機１１，２１の各回転速度や膨張弁１３，２２の各吐出開度は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）等を備えた制御部５０により、良好なＣＯＰ（成績係数）が達成されるように制御される。例えば、第２圧縮機２１による冷媒圧縮が第１圧縮機１１による圧力と同程度の圧力範囲となるように制御され、また、第２冷媒回路２０の冷媒蒸発温度が所定範囲となるように制御される。

熱媒回路３０は、一例として、床下に通したパイプに温水を流す床暖房ユニットを備えた暖房負荷Ｌ１及び給湯用温水を貯湯する給湯負荷Ｌ２に対して熱を供給する熱媒として水を循環させる。熱媒は、制御部５０により制御される循環ポンプ３１で循環し、熱媒熱交換器４０で吸熱した熱媒が、三方弁３２の切り換えにより決定される流路に従って、暖房負荷Ｌ１と給湯加熱用の熱媒−水熱交換器３４を通り、熱媒熱交換器４０へ戻る。なお、三方弁３２は、暖房負荷Ｌ１及び熱媒−水熱交換器３４の上流側分流部分に設けた例を示してあるが、暖房負荷Ｌ１及び熱媒−水熱交換器３４の下流側合流部分に設けてもよい。

上記形態のヒートポンプ装置と異なり、第１冷媒回路１０と第２冷媒回路２０とにそれぞれ熱媒熱交換器が設けられ、これら熱媒熱交換器へ熱媒を分流させて熱交換を行う構成の二元型ヒートポンプ装置の場合、循環ポンプ３１で負荷に対し送り出す熱媒の温度管理において、負荷から戻って加熱される熱媒の分流量を制御する必要がある。これに対し、上記形態のヒートポンプ装置の場合、熱媒交換器４０が１つなので、分流量制御が不要であり、これに伴い冷媒、熱媒の温度センサ数も少なくすることができる。

図１のヒートポンプ装置において制御部５０は、三方弁３２を切り換えて暖房負荷Ｌ１へ熱媒を回すときには、第１及び第２冷媒回路１０，２０の両方を使って熱媒を加熱する。すなわち、第１圧縮機１１及び第２圧縮機２１を両者とも動作させ、両方の冷媒回路１０，２０の冷媒から熱媒へ熱交換する。一方、制御部５０は、三方弁３２を切り換えて給湯負荷Ｌ２用に水熱交換器３４へ熱媒を回すときには、高元側の第２冷媒回路２０を止めて、すなわち、第２圧縮機２１を止めて冷媒の循環流動を停止とし、第１冷媒回路１０のみを使用して冷媒から熱媒へ熱交換する。この他にも、制御部５０が、暖房負荷Ｌ１による暖房中に外気温に応じて、第２冷媒回路２０を止める制御を行う状況もあり得る。

第２冷媒回路２０が止められると、熱媒熱交換器４０において、第２冷媒回路２０の冷媒が流動停止し、第１冷媒回路１０の冷媒だけが流動して熱媒へ熱交換が行われる。

図２は、ヒートポンプ装置の他の例として、二段型ヒートポンプ装置の構成例を示している。この二段型ヒートポンプ装置は、少なくとも２つの第１及び第２圧縮機を縦列形式に備えて冷媒を循環させる冷媒回路６０と、負荷へ熱を供給する熱媒を循環させる熱媒回路７０と、冷媒回路６０の冷媒と熱媒回路７０の熱媒との熱交換を行う１つの熱媒熱交換器４０と、を含んで構成される。なお、圧縮機の個数は、必要に応じてさらに増やすこともできる。

このような二段型ヒートポンプ装置の冷媒回路６０においては、冷媒熱交換器６１の出口側に三方弁６２が設けられており、冷媒の循環ルートについて選択可能とされている。すなわち、冷媒熱交換器６１→第１圧縮機６３→熱媒熱交換器４０→三方弁６２→第２圧縮機６４→熱媒熱交換器４０の二段圧縮ルートと、冷媒熱交換器６１→三方弁６２→第２圧縮機６４→熱媒熱交換器４０の一段圧縮ルートと、を三方弁６２の切り換えにより選択できるようになっている。

縦列形式の前段である第１圧縮機６３は、冷媒熱交換器６１で外気と熱交換した冷媒を圧縮し、この第１圧縮機６３で圧縮された冷媒が熱媒熱交換器４０で熱媒と熱交換する。二段圧縮ルートの場合、その熱交換後の冷媒が、縦列形式に設けられた後段の第２圧縮機６４で再度圧縮され、この第２圧縮機６４で圧縮された冷媒が熱媒熱交換器４０でさらに熱媒と熱交換する。一段圧縮ルートの場合は、冷媒熱交換器６１で外気と熱交換した冷媒が三方弁６２を通り第２圧縮機６４で圧縮され、この第２圧縮機６４で圧縮された冷媒が熱媒熱交換器４０で熱媒と熱交換する。第２圧縮機６４で圧縮後に熱媒熱交換器４０で熱交換を終えた冷媒は、膨張弁６５で膨張し、冷媒熱交換器６１で熱交換して第１圧縮機６３又は第２圧縮機６４へ循環する。なお、上記二元型同様、冷媒熱交換器６１としては、例えば地中熱との熱交換を行う仕組みのものも使用できる。

この二段型ヒートポンプ装置の制御部５０は、負荷に応じて三方弁６２を切り換え、第１圧縮機６３をバイパスして冷媒熱交換器６１から第２圧縮機６４へ冷媒を流すようにした第２圧縮機６４の１台による一段運転と、第１圧縮機６３及び第２圧縮機６４の２台による二段運転と、を実行することが可能である。

冷媒回路６０における圧縮機６３，６４の各回転速度や膨張弁６５の吐出開度は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）等を備えた制御部５０により、良好なＣＯＰが達成されるように制御される。

熱媒回路７０は、一例として、給湯用温水を貯湯する給湯負荷Ｌ２に対して熱を供給する熱媒として水を循環させる。熱媒は、制御部５０により制御される循環ポンプ７１で循環し、熱媒熱交換器４０で吸熱した熱媒が、給湯加熱用の熱媒−水熱交換器７２を通って熱交換した後、熱媒熱交換器４０へ戻る。熱媒熱交換器４０では、第１圧縮機６３で圧縮された冷媒及び第２圧縮機６４で圧縮された冷媒と熱媒が熱交換する。

上記ヒートポンプ装置における熱媒熱交換器４０の第１実施形態を図３に示す。図３Ａが軸方向と直交する方向に切った横断面図、図３Ｂと図３Ｃが軸方向に外管を切った縦断面図である。

第１実施形態の熱媒熱交換器４０は、熱媒を通す外管４１と、この外管４１内に収容された第１内管４２及び第２内管４３と、を含んで構成される。内管４２，４３の数は、熱媒と熱交換する冷媒数や各冷媒の流動量に応じて決められる。第１実施形態の熱媒熱交換器４０の場合、同径又は異径の第１内管４２及び第２内管４３の２つの管が外管４１内に収容され、第１内管４２に、第１冷媒回路１０（図１）の第１圧縮機１１により圧縮された冷媒又は冷媒回路６０の第２圧縮機６４（図２）により圧縮された冷媒が通される。そして、第２内管４３には、第２冷媒回路２０（図１）の第２圧縮機２１により圧縮された冷媒又は冷媒回路６０の第１圧縮機６３（図２）により圧縮された冷媒が通される。外管４１に通す熱媒の流動方向と内管４２，４３に通す各冷媒の流動方向とは、互いに逆方向とする。

それぞれ冷媒を通す第１内管４２と第２内管４３とは、図３Ｂに示すように、管外周面が互いに直接的に接触するか、又は、ロウ付け等で熱伝導性接着剤を介し互いに間接的に接触する構造とする。あるいは、図３Ｃに示すように、熱伝導性素材のブラケット４４で内管４２，４３を互いに固定し、ブラケット４４を介して両者が間接的に接触する構造とする。これにより、当該冷媒を通す第１及び第２内管４２，４３は、熱媒が流れる外管４１の中において、熱媒（管内流体）を介さずに互いに熱伝導することが可能に、すなわち、互いに直接熱伝導するように組み付けられる。したがって、第１内管４２から第２内管４３へ、あるいはその逆に熱が伝導して、相手を暖めることができる。

図３Ａで矢示するのは、例えば図１に示す二元型ヒートポンプ装置において第２冷媒回路２０が止められ、第２内管４３の冷媒が流動停止した場合の熱伝達である。この場合、他方の第１内管４２の冷媒により加熱される第１内管４２の熱が、熱的に接触している第２内管４３へ直接伝わって、第２内管４３も暖められる。したがって、冷媒が流動停止中ではあるが第１内管４２から熱を受ける第２内管４３も、第１内管４２に係る冷媒と熱媒との熱交換に参加させることができる。したがって、前述した従来の熱媒熱交換器構造に比べて熱交換の効率を向上させられる。

このような２つの内管４２，４３の断面積比は、冷媒の流動停止が行われる方の第２内管４３の径を細くするのが好ましいので、熱交換の効率を加味して次式１の関係とするのが良い。この式１は、以下に説明する各実施形態においてもあてはめることができる。
［式１］
０．２５≦第２内管総断面積／（第１内管総断面積＋第２内管総断面積）≦０．５

第１及び第２内管４２，４３は、冷媒漏れを検知可能な構造の二重管とすることができる。この場合、内側管と外側管との間に設ける冷媒検知用の隙間を部分的にするなどし、二重の管が熱的に一体と見なせる接続構造をもたせる。

熱媒熱交換器４０の第２実施形態を図４に示す。図４Ａが軸方向と直交する方向に切った横断面図、図４Ｂが軸方向に外管を切った縦断面図である。

第２実施形態の熱媒熱交換器４０は、熱媒を通す外管４１内に、２本の第１内管４２と１本の第２内管４３とを収容して構成される。例えば図１の二元型ヒートポンプ装置の場合、第１冷媒回路１０で循環する冷媒量の方が、第２冷媒回路２０で循環する冷媒量に比べて多いので、第１冷媒回路１０の冷媒を通す第１内管４２の本数を多くした形態である。なおかつ第２実施形態では、これら３本の内管４２，４３を螺旋状に撚り合わせることで、互いの密着度を上げて組み付けている。第１及び第２内管４２，４３は、上述したような手法で直接的又は間接的に互いに接触させ、互いに直接熱伝導するように組み付ける。

第２実施形態では第１及び第２内管４２，４３が螺旋状に組み入れられているので、外管４１内を逆方向に流れる熱媒の乱流化が促進される。これにより、冷媒から熱媒への熱交換効率が向上する。

熱媒熱交換器４０の第３実施形態を図５に示す。図５Ａが軸方向と直交する方向に切った横断面図、図５Ｂが軸方向に外管を切った縦断面図である。

第３実施形態の熱媒熱交換器４０は、熱媒を通す外管４１内に、３本の第１内管４２と１本の第２内管４３とを収容して構成される。すなわち、第２実施形態同様、第１冷媒回路１０の冷媒を通す第１内管４２の本数を多くした形態である。

第３実施形態の場合、第２冷媒回路２０の第２圧縮機２１により圧縮された冷媒又は冷媒回路６０の第１圧縮機６３により圧縮された冷媒を通す第２内管４３がストレートパイプの形状とされ、この第２内管４３の周囲に、３本の第１内管４２を螺旋状に巻き付けた構造である。第１及び第２内管４２，４３は、上述したような手法で直接的又は間接的に互いに接触させ、互いに直接熱伝導するように組み付ける。第２実施形態と同様に、第１内管４２が螺旋状に組み入れられているので、外管４１内を逆方向に流れる熱媒の乱流化が促進される。

第２及び第３実施形態では、第２内管４３に対して第１内管４２の本数を多くし且つ各内管４２，４３を互いに撚り合わせるか又は第２内管４３の周囲に第１内管４２を巻き付けることにより、第１内管４２から第２内管４３へ伝わる熱が多くなるように工夫されている。

１０第１冷媒回路
１１第１圧縮機
１２カスケード熱交換器
１３第１膨張弁
１４冷媒熱交換器
２０第２冷媒回路
２１第２圧縮機
２２第２膨張弁
３０熱媒回路
３１循環ポンプ
３２三方弁
３４熱媒−水熱交換器
４０熱媒熱交換器
４１外管
４２，４３内管
４４ブラケット
５０制御部
６０冷媒回路（二段型）
６１冷媒熱交換器
６２三方弁
６３第１圧縮機
６４第２圧縮機
６５膨張弁
７０熱媒回路
７１循環ポンプ
７２熱媒−水熱交換器

Claims

少なくとも２つの第１及び第２圧縮機を縦列形式に備えて冷媒を循環させる冷媒回路と、熱媒を循環させる熱媒回路と、前記第１圧縮機で圧縮された冷媒及び前記第２圧縮機で圧縮された冷媒と前記熱媒との熱交換を行う熱媒熱交換器と、を含んで構成され、
前記熱媒熱交換器は、
前記熱媒を通す外管と、該外管内に収容されて前記第１圧縮機で圧縮された冷媒を通す第１の内管と、前記外管内に収容されて前記第２圧縮機で圧縮された冷媒を通す第２の内管と、を有し、前記第１及び第２の内管が、互いに直接熱伝導するように組み付けられている、
ヒートポンプ装置。
前記熱媒熱交換器において、
前記第１の内管と前記第２の内管とが螺旋状に組み合わされて該両内管が直接又は間接的に接触する、
請求項１に記載のヒートポンプ装置。
前記熱媒熱交換器において、
前記第２の内管の周囲に前記第１の内管が螺旋状に巻き付けられて該両内管が直接又は間接的に接触する、
請求項１に記載のヒートポンプ装置。