JP6865146B2 - ヒートポンプ熱源機 - Google Patents

Description

この発明は、ヒートポンプ回路を備えたヒートポンプ熱源機に関するものである。

従来、この種のものにおいて、図８に示すように、室外機としてのヒートポンプユニット１０１内に圧縮機１０２と、負荷側熱交換器１０３と、減圧手段１０４と、熱源側熱交換器１０５と、圧縮機１０２と負荷側熱交換器１０３とを接続する第１冷媒配管１０６と、圧縮機１０２と熱源側熱交換器１０５とを接続する第２冷媒配管１０７と、減圧手段１０４と熱源側熱交換器１０５とを接続する第３冷媒配管１０８と、減圧手段１０４と負荷側熱交換器１０３とを接続する第４冷媒配管１０９とを環状に接続したヒートポンプ回路１１０とを備え、暖房運転時は、圧縮機１０２から吐出された冷媒が第１冷媒配管１０６、負荷側熱交換器１０３、第４冷媒配管１０９、減圧手段１０４、第３冷媒配管１０８、熱源側熱交換器１０５、第２冷媒配管１０７を介して圧縮機１０２に流入し、冷房運転時は、圧縮機１０２から吐出された冷媒が第２冷媒配管１０７、熱源側熱交換器１０５、第３冷媒配管１０８、減圧手段１０４、第４冷媒配管１０９、負荷側熱交換器１０３、第１冷媒配管１０６を介して圧縮機１０２に流入することで、負荷側熱交換器１０３と接続する負荷側配管１１１内を温水あるいは冷水が循環ポンプ１１２が駆動することで流動し、被空調空間に設置され負荷側配管１１１と接続された図示しない負荷端末へ温水あるいは冷水が流入することで暖房運転及び冷房運転を実施可能としたものがあった。（例えば、特許文献１）

特開２０１４−１５６９６７号公報

しかし、このような従来のものでは、圧縮機１０２及び減圧手段１０４を負荷側熱交換器１０３及び熱源側熱交換器１０５と水平方向に離れた位置に配置すると、第１冷媒配管１０６、第２冷媒配管１０７、第３冷媒配管１０８、及び第４冷媒配管１０９を水平方向に対して略平行かつ鉛直方向に対して各冷媒配管が隣接するように配置する箇所が形成されることから、暖房運転時においては、高温の冷媒が流通する第１冷媒配管１０６の上方に低温の冷媒が流通する第３冷媒配管が位置すると、第３冷媒配管周囲の空気が冷やされることで低温の下降気流が発生し、第１冷媒配管１０６が冷やされて負荷側熱交換器１０３へ流入する冷媒温度が低下し、また、冷房運転時においては、低温の冷媒が流通する第４冷媒配管１０９の下方に高温の冷媒が流通する第３冷媒配管１０８が位置すると、第３冷媒配管周囲の空気が温められることで高温の上昇気流が発生し、第４冷媒配管が温められて負荷側熱交換器１０３へ流入する冷媒温度が上昇するため、暖房運転、冷房運転共に運転効率が低下することから、改善の余地があった。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１では、圧縮機と負荷側熱交換器とを接続する第１冷媒配管と、
前記圧縮機と熱源側熱交換器とを接続する第２冷媒配管と、
減圧手段と前記熱源側熱交換器とを接続する第３冷媒配管と、
前記減圧手段と前記負荷側熱交換器とを接続する第４冷媒配管と、
暖房運転時は、前記圧縮機から吐出された冷媒が前記第１冷媒配管、前記負荷側熱交換器、前記第４冷媒配管、前記減圧手段、前記第３冷媒配管、前記熱源側熱交換器、前記第２冷媒配管を介して前記圧縮機に流入し、
冷房運転時は、前記圧縮機から吐出された冷媒が前記第２冷媒配管、前記熱源側熱交換器、前記第３冷媒配管、前記減圧手段、前記第４冷媒配管、前記負荷側熱交換器、前記第１冷媒配管を介して前記圧縮機に流入するよう、前記第１冷媒配管、前記第２冷媒配管、前記第３冷媒配管、及び前記第４冷媒配管を環状に接続したヒートポンプ回路と、を備え、
前記第１冷媒配管、前記第２冷媒配管、前記第３冷媒配管、及び前記第４冷媒配管は、水平方向に対して略平行かつ鉛直方向に対して前記各冷媒配管同士が隣接し、少なくとも鉛直方向の最上段に前記第１冷媒配管を配置し、最下段に前記第４冷媒配管を配置したことを特徴とした。

また、請求項２では、前記圧縮機と水平方向に離れた位置に形成された前記第１冷媒配管、前記第２冷媒配管、前記第３冷媒配管、及び前記第４冷媒配管が水平方向に対して略平行かつ鉛直方向に対して前記各冷媒配管同士が隣接する箇所と前記圧縮機との間に仕切り板を設置したことを特徴とした。

また、請求項３では、前記第１冷媒配管、前記第２冷媒配管、前記第３冷媒配管、及び前記第４冷媒配管が水平方向に対して略平行かつ鉛直方向に対して前記各冷媒配管同士が隣接する箇所で固定手段により固定されていることを特徴とした。

この発明によれば、第１冷媒配管、第２冷媒配管、第３冷媒配管、及び第４冷媒配管は、水平方向に対して略平行かつ鉛直方向に対して各冷媒配管同士が隣接し、鉛直方向の最上段に第１冷媒配管を配置し、最下段に第４冷媒配管を配置したので、暖房運転時においては、高温の冷媒が流通する第１冷媒配管が鉛直方向の最上段に位置し、また、冷房運転時においては、低温の冷媒が流通する第４冷媒配管が鉛直方向の最下段に位置するため、冷媒配管周囲の空気温度が上昇あるいは低下して発生する気流が鉛直方向に隣接する冷媒配管に干渉することで冷媒温度が変化し、運転効率が低下するのを抑制することができる。

また、圧縮機と水平方向に離れた位置に形成された第１冷媒配管、第２冷媒配管、第３冷媒配管、及び第４冷媒配管が水平方向に対して略平行かつ鉛直方向に対して各冷媒配管同士が隣接する箇所と圧縮機との間に仕切り板を設置したので、暖房運転及び冷房運転時に圧縮機が駆動することで発生する熱により上昇した周囲の空気が各冷媒配管に干渉することで冷媒温度が変化し、運転効率が低下するのを抑制することができる。

また、第１冷媒配管、第２冷媒配管、第３冷媒配管、及び第４冷媒配管が水平方向に対して略平行かつ鉛直方向に対して各冷媒配管同士が隣接する箇所で固定手段により固定されているので、暖房運転や冷房運転が実施されることで圧縮機が駆動することに伴い振動し、各冷媒配管が圧縮機の駆動により共振する影響を低減させることができる。

この発明の一実施形態を示す概略構成図 同実施形態のヒートポンプユニットの斜視図 同実施形態のヒートポンプユニット内部を説明する平面図 同実施形態のヒートポンプユニット内部を説明する背面側斜視図 同実施形態の間隙空間Ｓにおける冷媒配管の配置を説明する図 同実施形態の暖房運転時の冷媒配管による熱の干渉を説明する図 同実施形態の冷房運転時の冷媒配管による熱の干渉を説明する図 同発明の従来例を示す概略構成図

次にこの発明を適用した空気調和器の一実施形態を図に基づいて説明する。
１は冷温熱を供給するヒートポンプ式の熱源機としてのヒートポンプユニットで、ヒートポンプユニット１は、その筐体内に、冷媒を圧縮する回転数可変の圧縮機２、四方弁３、負荷側熱交換器４、減圧手段としての膨張弁５、熱源側熱交換器６を備え、それらを冷媒配管で環状に接続してヒートポンプ回路７を形成しているものである。
また、圧縮機２及び膨張弁５と負荷側熱交換器４及び熱源側熱交換器６とをヒートポンプユニット１内において水平方向に離間した位置に配設したことで、ヒートポンプユニット１の鉛直方向の高さを大きくすることなく各構成部材を筐体内部に配設することが可能となる。
なお、ヒートポンプ回路７を循環する冷媒としては、ＨＦＣ冷媒や二酸化炭素冷媒等の任意の冷媒を用いることができるものである。

前記ヒートポンプ回路７は、圧縮機２と負荷側熱交換器４とを接続する第１冷媒配管８と、圧縮機２と熱源側熱交換器６とを接続する第２冷媒配管９と、膨張弁５と熱源側熱交換器６とを接続する第３冷媒配管１０と、膨張弁５と負荷側熱交換器４とを接続する第４冷媒配管１１とで形成されており、前記第１冷媒配管８に設けられた四方弁３は、ヒートポンプ回路７における冷媒の流れ方向を切り換える切換弁としての機能を有し、圧縮機２から吐出された冷媒を、負荷側熱交換器４、膨張弁５、熱源側熱交換器６の順に流通させ、圧縮機２に戻す流路を形成する状態（加熱運転時の状態）と、圧縮機２から吐出された冷媒を、熱源側熱交換器６、膨張弁５、負荷側熱交換器４の順に流通させ、圧縮機２に戻す流路を形成する状態（冷却運転時の状態）とに切換可能なものである。

１２は熱源側熱交換器６を流通する冷媒を加熱または冷却する熱源として地中に設置された地中熱交換器で、熱源側熱交換器６の液体流路と地中熱交換器１２とを熱源側配管１３で環状に接続して熱源側循環回路１４を形成するものであり、熱源側配管１３には、熱源側循環回路１４に熱源側循環液（例えば、水や不凍液等）を循環させる回転数可変の熱源側循環ポンプ１５と、熱源側循環液を貯留し熱源側循環回路１４の圧力を調整する熱源側シスターン１６とを備えているものである。

１７はヒートポンプユニット１で冷却または加熱された負荷側循環液が供給され、供給された負荷側循環液の熱を利用することで室内の空調を行う負荷端末であり、負荷端末１７としては冷暖房兼用の輻射パネルやファンコイル等を用いるものである。なお、負荷端末１７は、図１では１つしか設けられていないが、複数であってもよいものであり、数量や仕様が特に限定されるものではない。

１８は負荷側熱交換器４の液体流路と負荷端末１７とを負荷側配管１９で環状に接続した負荷側循環回路で、負荷側配管１９には、負荷側循環回路１８に負荷側循環液（例えば、水や不凍液等）を循環させる回転数可変の負荷側循環ポンプ２０と、負荷端末１７から負荷側熱交換器４に流入する負荷側循環液の温度を検出する戻り温度センサ２１と、負荷側循環液を貯留し負荷側循環回路１８の圧力を調整する負荷側シスターン２２とを備えているものである。

前記負荷側熱交換器４および前記熱源側熱交換器６は液−冷媒熱交換器であり、例えばプレート式熱交換器で構成されている。このプレート式熱交換器は、複数の伝熱プレートが積層され、冷媒を流通させる冷媒流路と循環液等の液体を流通させる液体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。

２３は各種のデータやプログラムを記憶する記憶手段と、演算・制御処理を行う制御手段とを備えた制御部であり、制御部２３は、ヒートポンプユニット１内の各種センサの信号や、リモコン２４からの信号を受け、圧縮機２、四方弁３、膨張弁５、熱源側循環ポンプ１５、負荷側循環ポンプ２０の駆動を制御するものである。

２５はヒートポンプユニット１の底面を構成するベース板、２６は当該ベース板２５の前後左右の各辺に立設しヒートポンプユニット１内部に設置された各構成部材を覆う側面板、２７は当該側面板２６の上部に載置された上面板であり、前記ベース板２５には、圧縮機２と第１冷媒配管８から第４冷媒配管１１とを水平方向に仕切る仕切り板２８が載置されていることで、暖房運転、あるいは冷房運転時に圧縮機２が駆動することで発生する熱が各冷媒配管に干渉し冷媒温度が上昇するのを防止する。
また、ベース板２５には、負荷側熱交換器４と熱源側熱交換器６とが載置する置き台２９が設置されている。
また、側面板２６と仕切り板２８との間には、配管や構成部材等が配設可能な間隙空間Ｓが形成されている。

第１冷媒配管８、第２冷媒配管９、第３冷媒配管１０、及び第４冷媒配管１１は、圧縮機２の駆動に伴う振動により各冷媒配管が共振する影響を低減させるため、図５で示すように各冷媒配管の間にゴム材の配管固定具３０を挟み込むと共に、当該配管固定具３０を覆うように第１冷媒配管８から第４冷媒配管１１までを固定バンド３１で巻き付けて強固に固定してある。
よって、水平方向に対して略平行かつ鉛直方向に対して各冷媒配管が近接するように隣接して配置することで、各冷媒配管をコストをかけずに強固に固定することが可能となり、圧縮機２の振動による共振の影響を低減させることができ、各冷媒配管が破損する等の不具合を未然に防止している。
なお、本実施形態では前記配管固定具３０と前記固定バンド３１とで固定手段を構成しているが、これに限らず各冷媒配管が共振しないように固定可能な部材を用いた構成であればよい。

次に、本実施形態における各冷媒配管の位置と、各冷媒配管の位置による暖房運転、及び冷房運転時における影響について図４、５に基づいて詳述する。
ヒートポンプユニット１内において、圧縮機２及び膨張弁５は負荷側熱交換器４及び熱源側熱交換器６と水平方向に対して所定距離だけ離れた位置に設置されていることから、前記間隙空間Ｓにおいて、第１冷媒配管８から第４冷媒配管１１までの各冷媒配管が、水平方向に対して平行かつ鉛直方向に対して隣接するように配置され、鉛直方向の最上段に第１冷媒配管８、最下段に第４冷媒配管１１が位置し、鉛直上方から順に第１冷媒配管８、第２冷媒配管９、第３冷媒配管１０、第４冷媒配管１１がそれぞれ位置する。

そして、リモコン２４で暖房運転が指示されたと制御部２３が判断したら、制御部２３は、圧縮機２から吐出された高温冷媒が負荷側熱交換器４へ流入するよう四方弁３を切り替えると共に圧縮機２を駆動させ、ヒートポンプ回路７内の冷媒を循環させる。このとき、ヒートポンプ回路７内の冷媒は、図６で示すように圧縮機２から吐出された高温冷媒が第１冷媒配管８を介して負荷側熱交換器４へ流入し、負荷側熱交換器４内で負荷側配管１９内を流動する循環液と熱交換した冷媒が第４冷媒配管１１を介して膨張弁５内に流入し、膨張弁５により温度低下した低温冷媒が第３冷媒配管１０を介して熱源側熱交換器６へ流入し、熱源側熱交換器６内で熱源側循環回路１４内を流動する不凍液と熱交換した冷媒が第２冷媒配管９を介して圧縮機２内に流入する。

このように、暖房運転時に冷媒がヒートポンプ回路７内を循環するので、間隙空間Ｓにおいて、圧縮機２から吐出された高温冷媒が流動する第１冷媒配管８が他の各冷媒配管より鉛直方向の最上段に位置するため、第１冷媒配管８は、他の各冷媒配管内を流動する冷媒により加熱、または冷却された各冷媒配管周囲の空気の干渉を受けることがないことから、第１冷媒配管８内を流動する高温冷媒を熱ロスなく負荷側熱交換器４内へ流入することができるため、負荷端末１７での暖房効率低下を抑制することができる。

また、リモコン２４で冷房運転が指示されたと制御部２３が判断したら、制御部２３は、圧縮機２から吐出された高温冷媒が熱源側熱交換器６へ流入するよう四方弁３を切り替えると共に圧縮機２を駆動させヒートポンプ回路７内の冷媒を循環させる。このとき、ヒートポンプ回路７内の冷媒は、図７で示すように圧縮機２から吐出された高温冷媒が第２冷媒配管９を介して熱源側熱交換器６へ流入し、熱源側熱交換器６内で熱源側循環回路１４内を流動する不凍液と熱交換器した冷媒が第３冷媒配管１０を介して膨張弁５内に流入し、膨張弁５により温度低下した低温冷媒が第４冷媒配管１１を介して負荷側熱交換器４内へ流入し、負荷側熱交換器４内で負荷側配管１９内を流動する循環液と熱交換した冷媒が第１冷媒配管８を介して圧縮機２内に流入する。

このように、冷房運転時に冷媒がヒートポンプ回路７内を循環するので、間隙空間Ｓにおいて、膨張弁５から流出した低温冷媒が流動する第４冷媒配管１１が他の各冷媒配管より鉛直方向の最下段に位置するため、第４冷媒配管１１は、他の各冷媒配管内を流動する冷媒により加熱、または冷却された各冷媒配管周囲の空気の干渉を受けることがないことから、第４冷媒配管１１内を流動する低温冷媒を熱ロスなく負荷側熱交換器４内へ流入することができるため、負荷端末１７での冷房効率低下を抑制することができる。

以上のように、ヒートポンプユニット１内の間隙空間Ｓにおいて、第１冷媒配管８、第２冷媒配管９、第３冷媒配管１０、及び第４冷媒配管１１を水平方向に対して平行、かつ鉛直上方から順に第１冷媒配管８、第２冷媒配管９、第３冷媒配管１０、第４冷媒配管１１となるよう配置したことで、暖房運転時においては、圧縮機２から吐出し負荷側熱交換器４内へ流入する高温冷媒が流動する第１冷媒配管８が他の冷媒配管と比較して最も鉛直上方に位置し、冷房運転時においては、膨張弁５から流出し負荷側熱交換器４内へ流入する低温冷媒が流動する第４冷媒配管１１が他の冷媒配管と比較して最も延長下方に位置するため、高温あるいは低温の冷媒によって加熱あるいは冷却された冷媒配管周囲の空気が他の冷媒配管に干渉し、負荷側熱交換器４内へ流入する冷媒温度を上昇あるいは低下させることがなく、負荷端末１７での暖房効率、あるいは冷房効率の低下を抑制することができる。

また、間隙空間Ｓと圧縮機２との間に仕切り板２８を設置したことで、暖房運転や冷房運転時に圧縮機２が駆動して表面温度が上昇し、圧縮機２周囲の温度が高まっても、各冷媒配管側に圧縮機２周囲の高温空気が干渉し冷媒温度が上昇することを未然に防止することができるため、負荷端末１７での暖房効率、あるいは冷房効率の低下を抑制することができる。

また、第１冷媒配管８、第２冷媒配管９、第３冷媒配管１０、及び第４冷媒配管１１が水平方向に対して略平行かつ鉛直上方から順に第１冷媒配管８、第２冷媒配管９、第３冷媒配管１０、第４冷媒配管１１となるよう近接した状態で隣接して配置した箇所の配管間に配管固定具３０を挟み込み、更に、配管固定具３０覆うように各冷媒配管を固定バンド３１で巻き付けることで、暖房運転や冷房運転の実施時に冷媒配管内を流通する高温あるいは低温の冷媒により周囲の空気温度が変化し、他の冷媒配管に干渉して冷媒温度が上昇あるいは下降することを未然に防止して負荷端末１７での暖房効率、あるいは冷房効率の低下を抑制すると共に、暖房運転や冷房運転が実施され圧縮機２が駆動し振動が発生しても、各冷媒配管が共振する影響を低減させることができ、各冷媒配管が破損する等の不具合を未然に防止することができる。

なお、本実施形態では第１冷媒配管８、第２冷媒配管９、第３冷媒配管１０、及び第４冷媒配管１１を鉛直方向に対して一律な距離で配置しているが、これに限らず、第１冷媒配管８と他の冷媒配管との距離のみを他の冷媒配管間の距離より大きくする等してもよく、各冷媒配管１１の鉛直方向において、各冷媒配管内を通過する冷媒の温度により変化する冷媒配管周囲の空気温度が他の冷媒配管内の冷媒温度に干渉する範囲で各冷媒配管を隣接した状態のものは、本発明の範囲に含まれる。

また、本実施形態で用いたその他の構成は一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図しておらず、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

２ 圧縮機
４ 負荷側熱交換器
５ 膨張弁（減圧手段）
６ 熱源側熱交換器
７ ヒートポンプ回路
８ 第１冷媒配管
９ 第２冷媒配管
１０ 第３冷媒配管
１１ 第４冷媒配管
２８ 仕切り板
３０ 配管固定具（固定手段）
３１ 固定バンド（固定手段）

Claims (3)

1. 圧縮機と負荷側熱交換器とを接続する第１冷媒配管と、
   前記圧縮機と熱源側熱交換器とを接続する第２冷媒配管と、
   減圧手段と前記熱源側熱交換器とを接続する第３冷媒配管と、
   前記減圧手段と前記負荷側熱交換器とを接続する第４冷媒配管と、
   暖房運転時は、前記圧縮機から吐出された冷媒が前記第１冷媒配管、前記負荷側熱交換器、前記第４冷媒配管、前記減圧手段、前記第３冷媒配管、前記熱源側熱交換器、前記第２冷媒配管を介して前記圧縮機に流入し、
   冷房運転時は、前記圧縮機から吐出された冷媒が前記第２冷媒配管、前記熱源側熱交換器、前記第３冷媒配管、前記減圧手段、前記第４冷媒配管、前記負荷側熱交換器、前記第１冷媒配管を介して前記圧縮機に流入するよう、前記第１冷媒配管、前記第２冷媒配管、前記第３冷媒配管、及び前記第４冷媒配管を環状に接続したヒートポンプ回路と、を備え、
   前記第１冷媒配管、前記第２冷媒配管、前記第３冷媒配管、及び前記第４冷媒配管は、水平方向に対して略平行かつ鉛直方向に対して前記各冷媒配管同士が隣接し、少なくとも鉛直方向の最上段に前記第１冷媒配管を配置し、最下段に前記第４冷媒配管を配置したことを特徴とするヒートポンプ熱源機。
2. 前記圧縮機と水平方向に離れた位置に形成された前記第１冷媒配管、前記第２冷媒配管、前記第３冷媒配管、及び前記第４冷媒配管が水平方向に対して略平行かつ鉛直方向に対して前記各冷媒配管同士が隣接する箇所と前記圧縮機との間に仕切り板を設置したことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ熱源機。
3. 前記第１冷媒配管、前記第２冷媒配管、前記第３冷媒配管、及び前記第４冷媒配管が水平方向に対して略平行かつ鉛直方向に対して前記各冷媒配管同士が隣接する箇所で固定手段により固定されていることを特徴とする請求項１または２記載のヒートポンプ熱源機。

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