JP7390605B2 - ヒートポンプシステム - Google Patents

ヒートポンプシステム Download PDF

Info

Publication number
JP7390605B2
JP7390605B2 JP2019223863A JP2019223863A JP7390605B2 JP 7390605 B2 JP7390605 B2 JP 7390605B2 JP 2019223863 A JP2019223863 A JP 2019223863A JP 2019223863 A JP2019223863 A JP 2019223863A JP 7390605 B2 JP7390605 B2 JP 7390605B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
refrigerant
heat exchanger
side heat
temperature
expansion device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2019223863A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2021092358A (ja
Inventor
常子 今川
由樹 山岡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority to JP2019223863A priority Critical patent/JP7390605B2/ja
Priority to EP20206234.5A priority patent/EP3835687A1/en
Publication of JP2021092358A publication Critical patent/JP2021092358A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7390605B2 publication Critical patent/JP7390605B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • F25B1/10Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with multi-stage compression
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B25/00Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
    • F25B25/005Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00 using primary and secondary systems
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00Heat pumps
    • F25B30/02Heat pumps of the compression type
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B40/00Subcoolers, desuperheaters or superheaters
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/06Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide
    • F25B2309/061Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide with cycle highest pressure above the supercritical pressure
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2339/00Details of evaporators; Details of condensers
    • F25B2339/04Details of condensers
    • F25B2339/047Water-cooled condensers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2600/00Control issues
    • F25B2600/25Control of valves
    • F25B2600/2509Economiser valves
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2600/00Control issues
    • F25B2600/25Control of valves
    • F25B2600/2513Expansion valves
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2700/00Sensing or detecting of parameters; Sensors therefor
    • F25B2700/17Speeds
    • F25B2700/171Speeds of the compressor
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2700/00Sensing or detecting of parameters; Sensors therefor
    • F25B2700/19Pressures
    • F25B2700/193Pressures of the compressor
    • F25B2700/1931Discharge pressures
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2700/00Sensing or detecting of parameters; Sensors therefor
    • F25B2700/21Temperatures
    • F25B2700/2115Temperatures of a compressor or the drive means therefor
    • F25B2700/21152Temperatures of a compressor or the drive means therefor at the discharge side of the compressor
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2700/00Sensing or detecting of parameters; Sensors therefor
    • F25B2700/21Temperatures
    • F25B2700/2116Temperatures of a condenser
    • F25B2700/21161Temperatures of a condenser of the fluid heated by the condenser

Description

本発明は、高圧側が超臨界圧力で運転するヒートポンプシステムに関するものである。
従来、この種の冷凍サイクル装置には、高圧側が超臨界圧力となる冷媒を用い、2段圧縮式の圧縮機、温水を加熱する加熱用熱交換器、冷却器、第1電動膨張弁及び蒸発器を冷
媒配管で環状に接続してなる冷媒回路と、前記加熱用熱交換器と前記冷却器との間の前記冷媒回路から分岐され、その途中に第2電動膨張弁及び前記冷却器を有し、前記加熱用熱交換器から吐出した冷媒の一部を前記圧縮機の低圧側と高圧側との中間に冷媒を戻す中間インジェクション回路とを備えているものがある。
そして、前記圧縮機の高圧側の冷媒吐出温度を検出する第1温度検出センサと、前記加熱用熱交換器出口の冷媒温度を検出する第2温度検出センサと、前記冷却器出口の冷媒温度を検出する第3温度検出センサと、前記第1温度検出センサの検出温度が第1の所定温度範囲内にある場合には前記第1電動膨張弁の開度を維持するように制御すると共に前記第2温度検出センサの検出温度と前記第3温度検出センサの検出温度との差が第2の所定温度範囲内にある場合には前記第2電動膨張弁の開度を維持するように制御することで、中間インジェクション回路に流れる冷媒循環量を一定の範囲内に抑え、想定した冷凍サイクルの形成の実現を図っている。
そして、暖房装置の暖房負荷が軽くなると、加熱用熱交換器への温水回路からの水の戻り温度が上昇し、高段側回転圧縮要素の冷媒吐出温度も上昇するため、第1電動膨張弁を開くことで、高段側回転圧縮要素の冷媒吐出温度を低下させる制御を行っている(例えば、特許文献1参照)。
特開2008-008499号公報
しかしながら、前記従来の構成では、温水を加熱する加熱用熱交換器と中間インジェクション回路とを備え、高圧側が超臨界圧力の冷凍サイクル装置において、加熱用熱交換器への水の戻り温度が上昇したときには、冷凍サイクル装置のCOPも低下するが、それを抑制する技術に関しては開示されていないという課題を有していた。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、利用側熱交換器に流入する利用側熱媒体の温度が上昇しても、適切な制御を行うことでCOPの低下を抑制した高圧側が超臨界圧力で運転するヒートポンプシステムを提供することを目的とする。
前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプシステムは、圧縮回転要素から構成される圧縮機構、前記圧縮回転要素から吐出され臨界圧を超えた冷媒により利用側熱媒体を加熱する利用側熱交換器、中間熱交換器、第1膨張装置、熱源側熱交換器が配管で順次接続されて形成される主冷媒回路と、前記利用側熱交換器から前記第1膨張装置までの間の前記配管から分岐され、分岐された前記冷媒が第2膨張装置により減圧された後に、前記中間熱交換器で前記主冷媒回路を流れる前記冷媒と熱交換され、前記圧縮回転要素の圧縮途中の前記冷媒に合流されるバイパス冷媒回路と、制御装置と、前記利用側熱交換器に流入する前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体入口温度サーミスタと、前記圧縮回転要素から吐出される前記冷媒の温度を検出する吐出温度サーミスタとを備え、前記制御装置は、前記熱媒体入口温度サーミスタの検出温度が上昇する場合、前記第2膨張装置の弁開度を大きく、前記第1膨張装置の弁開度を小さくして、前記中間熱交換器の前記主冷媒回路側を流れる前記冷媒の量に対する前記バイパス冷媒回路を流れる前記冷媒の量の比率を増加させ、前記第1膨張装置の前記弁開度と前記第2膨張装置の前記弁開度を調整することで、前記吐出温度サーミスタが検出する前記温度を目標値に近づけることを特徴とするものである。
これにより、利用側熱交換器に流入する利用側熱媒体の温度が上昇する場合でも、バイパス冷媒回路、高段側圧縮回転要素、利用側熱交換器を循環する冷媒の量は増加するため、利用側熱交換器における加熱能力の低減を抑制できる。
また、利用側熱交換器に流入する利用側熱媒体の温度が上昇する場合でも、中間熱交換器における主冷媒回路を流れる高圧冷媒とバイパス冷媒回路を流れる中間圧冷媒との熱交換量は増加するため、利用側熱交換器における冷媒の出口と冷媒の入口とのエンタルピー差の減少を抑制することができる。
このため、利用側熱交換器に流入する利用側熱媒体の温度が上昇しても、COPの低下を抑制した高圧側が超臨界圧力で運転するヒートポンプシステムを提供できる。
本発明によれば、利用側熱交換器に流入する利用側熱媒体の温度が上昇しても、適切な制御を行うことでCOPの低下を抑制した高圧側が超臨界圧力で運転するヒートポンプシステムを提供できる。
本発明の実施の形態1におけるヒートポンプシステムの構成図 本発明の実施の形態1における冷凍サイクル装置の圧力-エンタルピー線図(P-h線図) 本発明の実施の形態1におけるヒートポンプシステムにおいて、利用側熱交換器に流入する利用側熱媒体の温度が上昇する場合の、冷凍サイクル装置の圧力-エンタルピー線図(P-h線図)
第1の発明は、圧縮回転要素から構成される圧縮機構、前記圧縮回転要素から吐出され臨界圧を超えた冷媒により利用側熱媒体を加熱する利用側熱交換器、中間熱交換器、第1膨張装置、熱源側熱交換器が配管で順次接続されて形成される主冷媒回路と、前記利用側熱交換器から前記第1膨張装置までの間の前記配管から分岐され、分岐された前記冷媒が第2膨張装置により減圧された後に、前記中間熱交換器で前記主冷媒回路を流れる前記冷媒と熱交換され、前記圧縮回転要素の圧縮途中の前記冷媒に合流されるバイパス冷媒回路と、制御装置と、前記利用側熱交換器に流入する前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体入口温度サーミスタと、前記圧縮回転要素から吐出される前記冷媒の温度を検出する吐出温度サーミスタとを備え、前記制御装置は、前記熱媒体入口温度サーミスタの検出温度が上昇する場合、前記第2膨張装置の弁開度を大きく、前記第1膨張装置の弁開度を小さくして、前記中間熱交換器の前記主冷媒回路側を流れる前記冷媒の量に対する前記バイパス冷媒回路を流れる前記冷媒の量の比率を増加させ、前記第1膨張装置の前記弁開度と前記第2膨張装置の前記弁開度を調整することで、前記吐出温度サーミスタが検出する前記温度を目標値に近づけることを特徴とするヒートポンプシステムである。
これにより、利用側熱交換器に流入する利用側熱媒体の温度が上昇する場合でも、中間熱交換器における主冷媒回路を流れる高圧冷媒とバイパス冷媒回路を流れる中間圧冷媒との熱交換量は増加するため、利用側熱交換器における冷媒の出口と冷媒の入口とのエンタルピー差の減少を抑制することができる。
また、バイパス冷媒回路、高段側圧縮回転要素、利用側熱交換器を循環する冷媒の量は増加するため、利用側熱交換器における加熱能力の低減を抑制できる。
このため、利用側熱交換器に流入する利用側熱媒体の温度が上昇しても、COPの低下を抑制した高圧側が超臨界圧力で運転するヒートポンプシステムを提供できる。
また、利用側熱交換器に流入する利用側熱媒体の温度が上昇する場合でも、バイパス冷媒回路、高段側圧縮回転要素、利用側熱交換器を循環する冷媒の量は増加するため、利用側熱交換器における加熱能力の低減を抑制できる。
また、主冷媒回路の冷媒の高圧側の圧力が上昇するため、利用側熱交換器に流入する利用側熱媒体の温度が上昇しても、利用側熱交換器における冷媒の出口と冷媒の入口とのエンタルピー差の減少を抑制することができる。
また、圧縮回転要素から吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度の過度の上昇や低下を防止しつつ、中間熱交換器における主冷媒回路を流れる高圧冷媒とバイパス冷媒回路を流れる中間圧冷媒との熱交換量の増加や、バイパス冷媒回路、高段側圧縮回転要素、利用側熱交換器を循環する冷媒の量の増加を実現できる。
このため、安定した冷媒の吐出温度を実現しつつ、利用側熱交換器に流入する利用側熱媒体の温度が上昇しても、利用側熱交換器における冷媒の出口と冷媒の入口とのエンタルピー差の減少や利用側熱交換器における加熱能力の低減を抑制できる。
第2の発明は、圧縮回転要素から構成される圧縮機構、前記圧縮回転要素から吐出され臨界圧を超えた冷媒により利用側熱媒体を加熱する利用側熱交換器、中間熱交換器、第1膨張装置、熱源側熱交換器が配管で順次接続されて形成される主冷媒回路と、前記利用側熱交換器から前記第1膨張装置までの間の前記配管から分岐され、分岐された前記冷媒が第2膨張装置により減圧された後に、前記中間熱交換器で前記主冷媒回路を流れる前記冷媒と熱交換され、前記圧縮回転要素の圧縮途中の前記冷媒に合流されるバイパス冷媒回路と、制御装置と、前記利用側熱交換器に流入する前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体入口温度サーミスタと、前記圧縮回転要素から吐出される前記冷媒の圧力を検出する高圧側圧力検出装置を備え、前記制御装置は、前記熱媒体入口温度サーミスタの検出温度が上昇する場合、前記第2膨張装置の弁開度を大きく、前記第1膨張装置の弁開度を小さくして、前記中間熱交換器の前記主冷媒回路側を流れる前記冷媒の量に対する前記バイパス冷媒回路を流れる前記冷媒の量の比率を増加させ、前記第1膨張装置の前記弁開度と前記第2膨張装置の前記弁開度を調整することで、前記高圧側圧力検出装置が検出する圧力値を目標値に近づけることを特徴とするヒートポンプシステムである。
これにより、圧縮回転要素から吐出される冷媒の圧力の過度の上昇や低下を防止しつつ、利用側熱交換器に流入する利用側熱媒体の温度が上昇しても、利用側熱交換器における冷媒の出口と冷媒の入口とのエンタルピー差の減少を抑制することができる。
第3の発明は、特に、第1又は第2の発明において、搬送装置を有し、前記搬送装置によって前記利用側熱媒体を循環させる利用側熱媒体回路を備えることを特徴とするヒートポンプシステムである。
これによれば、利用側熱交換器に流入する利用側熱媒体の温度が上昇しても、COPの低下を抑制し、高温の利用側熱媒体を利用できる高圧側が超臨界圧力で運転するヒートポンプシステムを提供できる。
第4の発明は、特に、第1から第3のいずれかの発明において、前記利用側熱媒体を水又は不凍液としたことを特徴とするものである。
これにより、例えば、貯湯タンクに高温水を貯めることができ、また、高温水を用いて暖房する高圧側が超臨界圧力で運転するヒートポンプシステムを提供できる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1におけるヒートポンプシステムの構成図である。ヒートポンプシステムは、超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルである冷凍サイクル装置9、利用側熱媒体回路30から構成されている。また、冷凍サイクル装置9は、主冷媒回路10、バイパス冷媒回路20から構成されている。
主冷媒回路10は、冷媒を圧縮する圧縮機構11、放熱器である利用側熱交換器12、中間熱交換器13、第1膨張装置14、蒸発器である熱源側熱交換器15が、配管16で順次接続されて形成され、冷媒として二酸化炭素(CO2)を用いている。
圧縮機構11は、低段側圧縮回転要素11aと高段側圧縮回転要素11bとで構成される。利用側熱交換器12は、高段側圧縮回転要素11bから吐出された冷媒により利用側熱媒体を加熱する。
なお、圧縮機構11を構成する低段側圧縮回転要素11aと高段側圧縮回転要素11bとの容積比は一定で、駆動軸(図示せず)を共通化させ、1つの容器内に配置した1台の圧縮機で構成されている。
なお、本実施の形態では、圧縮回転要素が、低段側圧縮回転要素11aと高段側圧縮回転要素11bとで構成される二段の圧縮機構11を用いて説明するが、低段側圧縮回転要素11aと高段側圧縮回転要素11bとに分かれてなく、単一の圧縮回転要素においても適用できる。
ここで、単一の圧縮回転要素の場合には、バイパス冷媒回路20からの冷媒が合流する位置を圧縮回転要素の圧縮途中とし、バイパス冷媒回路20からの冷媒が合流する位置までの圧縮回転要素を低段側圧縮回転要素11aとし、バイパス冷媒回路20からの冷媒が合流する位置以降の圧縮回転要素を高段側圧縮回転要素11bとして適用することができる。
また、低段側圧縮回転要素11aと高段側圧縮回転要素11bとが、それぞれが独立した2台の圧縮機から構成されている二段の圧縮機構11でもよい。
バイパス冷媒回路20は、利用側熱交換器12から第1膨張装置14までの間の配管16から分岐され、低段側圧縮回転要素11aと高段側圧縮回転要素11bとの間の配管16に接続されている。
バイパス冷媒回路20には、第2膨張装置21が設けられている。利用側熱交換器12を通過後の一部の高圧冷媒、又は、中間熱交換器13を通過後の一部の高圧冷媒は、第2膨張装置21により減圧されて中間圧冷媒となった後に、中間熱交換器13で主冷媒回路10を流れる高圧冷媒と熱交換され、低段側圧縮回転要素11aと高段側圧縮回転要素11bとの間の冷媒と合流される。
利用側熱媒体回路30は、利用側熱交換器12、搬送ポンプである搬送装置31、暖房端末32aが熱媒体配管33で順次接続されて形成され、利用側熱媒体として、水又は不凍液を用いている。
本実施の形態における利用側熱媒体回路30は、暖房端末32aと並列に貯湯タンク32bを備えており、第1切替弁34、第2切替弁35の切り替えによって利用側熱媒体を、暖房端末32a又は貯湯タンク32bに循環させる。なお、利用側熱媒体回路30は、
暖房端末32a及び貯湯タンク32bのいずれかを備えていればよい。
利用側熱交換器12で生成された高温水は、暖房端末32aで放熱して暖房に利用され、暖房端末32aで放熱された低温水は再び利用側熱交換器12で加熱される。
また、利用側熱交換器12で生成された高温水は、貯湯タンク32bの上部から貯湯タンク32bに導入され、貯湯タンク32bの下部から低温水が導出されて利用側熱交換器12で加熱される。
給湯用熱交換器42は、貯湯タンク32b内に配置され、給水配管43からの給水と貯湯タンク32b内の高温水との間で熱交換させる。すなわち、給湯栓41が開栓されると、給水配管43から給湯用熱交換器42内に給水され、給湯用熱交換器42で加熱されて、給湯栓41で所定温度になるように調整され、給湯栓41からから給湯される。
なお、給水配管43から給水され、給湯用熱交換器42で加熱されて、給湯栓41から給湯される湯水と、貯湯タンク32b内の高温水とは、互いに混ざり合うことがない間接加熱である。
給湯用熱交換器42は、伝熱管として銅管あるいはステンレス管を使用する水熱交換器であって、図1に示すように、給水源(水道)から延びる給水配管43と、給湯栓41とが接続されている。給水配管43は、常温の水を、給湯用熱交換器42の下端、すなわち、貯湯タンク32b内の下方に入れる。
給水配管43より給湯用熱交換器42に入った常温水は、貯湯タンク32b内を下方から上方に移動しながら、貯湯タンク32b内の高温水から熱を奪い、加熱された高温の加熱水となって給湯栓41から給湯される。
貯湯タンク32bには、複数の異なる高さ位置において温水の温度を計測する目的で、例えば、複数の第1貯湯タンク温度サーミスタ55a、第2貯湯タンク温度サーミスタ55b、第3貯湯タンク温度サーミスタ55cが設けられている。
給水配管43より給湯用熱交換器42に入った常温水は、貯湯タンク32b内を下方から上方に移動しながら貯湯タンク32b内の高温水から熱を奪う構成のため、貯湯タンク32b内の温水は、自然と、上部が高温、下部が低温となる。
主冷媒回路10には、高段側圧縮回転要素11bの吐出側の配管16に、高圧側圧力検出装置51、吐出温度サーミスタ52が設けられている。
なお、高圧側圧力検出装置51は、高段側圧縮回転要素11bの吐出側から、第1膨張装置14の上流側までの、主冷媒回路10に設けられていて、主冷媒回路10の高圧冷媒の圧力を検出できればよい。
また、吐出温度サーミスタ52も、高段側圧縮回転要素11bの吐出側から、第1膨張装置14の上流側までの、主冷媒回路10に設けられていて、主冷媒回路10の高圧冷媒の温度を検出できればよい。
利用側熱媒体回路30には、利用側熱交換器12に流入する利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体入口温度サーミスタ54が設けられている。
また、制御装置60は、高圧側圧力検出装置51からの検出圧力、吐出温度サーミスタ
52の検出温度、熱媒体入口温度サーミスタ54の検出温度によって、低段側圧縮回転要素11a及び高段側圧縮回転要素11bの運転周波数、第1膨張装置14の弁開度、第2膨張装置21の弁開度、搬送装置31による利用側熱媒体の搬送量を制御する。
図2は、本実施の形態における冷凍サイクル装置について、理想条件での圧力-エンタルピー線図(P-h線図)である。
図2のa~e点、およびA~B点は、図1に示す冷凍サイクル装置における各ポイントに相当する。
まず、高段側圧縮回転要素11bから吐出される高圧冷媒(a点)は、利用側熱交換器12で放熱した後の冷媒分岐点(A点)で主冷媒回路10から分岐し、第2膨張装置21により中間圧まで減圧されて中間圧冷媒(e点)となり、中間熱交換器13にて熱交換する。
利用側熱交換器12で放熱した後の主冷媒回路10を流れる高圧冷媒は、バイパス冷媒回路20を流れる中間圧冷媒(e点)によって冷却され、エンタルピーが低減された状態(b点)で第1膨張装置14にて減圧される。
これにより、第1膨張装置14にて減圧された後に、熱源側熱交換器15に流入する冷媒(c点)の冷媒エンタルピーも低減される。熱源側熱交換器15に流入する時点での冷媒乾き度(全冷媒に対して気相成分が占める重量比率)が低下して冷媒の液成分が増大するため、熱源側熱交換器15において蒸発に寄与し、冷媒比率が増大して外気からの吸熱量が増大され、低段側圧縮回転要素11aの吸入側(d点)に戻る。
一方、熱源側熱交換器15において蒸発に寄与しない気相成分に相当する量の冷媒は、バイパス冷媒回路20にバイパスされて低温の中間圧冷媒(e点)となり、中間熱交換器13にて主冷媒回路10を流れる高圧冷媒によって加熱されて冷媒エンタルピーが高まった状態で、低段側圧縮回転要素11aと高段側圧縮回転要素11bとの間にある冷媒合流点Bに至る。
従って、高段側圧縮回転要素11bの吸入側(B点)では、低段側圧縮回転要素11aの吸入側(d点)より冷媒圧力が高いため冷媒密度も高く、かつ、低段側圧縮回転要素11aから吐出した冷媒と合流した冷媒が吸入され、高段側圧縮回転要素11bで更に圧縮されて吐出されるため、利用側熱交換器12に流入する冷媒流量が大幅に増大し、利用側熱媒体である水を加熱する能力が大幅に増大する。
以下、利用側熱媒体回路30に貯湯タンク32bを用いる場合について説明する。
複数の貯湯タンク温度サーミスタのうち、例えば、貯湯タンク32bの最も高い位置に配置されている第1貯湯タンク温度サーミスタ55aの検出温度が所定値未満の場合、貯湯タンク32b内に高温水が足りないと、制御装置60は判断する。
そして、制御装置60は、低段側圧縮回転要素11a及び高段側圧縮回転要素11bを動作させ、利用側熱交換器12で低温水を加熱するが、その加熱生成温度である熱媒体出口温度サーミスタ53の検出温度が目標温度となるように、搬送装置31を動作させる。
これにより、貯湯タンク32bの下部から低温水が導出されて利用側熱交換器12で加熱生成された高温水は、貯湯タンク32bの上部から貯湯タンク32bに導入される。
そして、貯湯タンク32b内には上部から次第に高温水が貯湯されていくため、熱媒体入口温度サーミスタ54の検出温度は次第に上昇していく。
利用側熱媒体回路30に暖房端末32aを用いる場合について説明する。
制御装置60は、低段側圧縮回転要素11a及び高段側圧縮回転要素11bを動作させ、利用側熱交換器12で循環水を加熱するが、その循環水の温度差である熱媒体出口温度サーミスタ53の検出温度と熱媒体入口温度サーミスタ54の検出温度との温度差が目標温度差となるように、搬送装置31を動作させる。
これにより、利用側熱交換器12で生成された高温水は、暖房端末32aで放熱して暖房に利用され、暖房端末32aで放熱された低温水は、再び利用側熱交換器12で加熱される。このときには、熱媒体出口温度サーミスタ53の検出温度と熱媒体入口温度サーミスタ54の検出温度との温度差が目標温度差となるように制御される。
そして、次第に暖房負荷が小さくなるため、熱媒体出口温度サーミスタ53の検出温度と熱媒体入口温度サーミスタ54の検出温度との温度差が目標温度差となるように制御している関係上、熱媒体出口温度サーミスタ53の検出温度及び熱媒体入口温度サーミスタ54の検出温度は次第に上昇していく。
以下、図3を用いて、利用側熱媒体回路30において、利用側熱交換器12に流入する利用側熱媒体の温度が上昇する場合、すなわち、熱媒体入口温度サーミスタ54の検出温度が上昇する場合について、以下に説明する。
図3において、実線は、破線に対して、利用側熱交換器12に流入する利用側熱媒体の温度が上昇した場合の圧力-エンタルピー線図である。
図3において、利用側熱交換器12に流入する利用側熱媒体の温度が上昇していくと、利用側熱交換器12への冷媒の入口温度(a点)はエンタルピー増加の方向(a‘点)へ移動する。また、利用側熱交換器12からの冷媒の出口温度(A点)はエンタルピー増加の方向(A‘点)へ移動する。
同様に、中間熱交換器13のバイパス冷媒回路20からの冷媒の出口温度(B点)もエンタルピー増加の方向(B‘点)へ移動する。また、中間熱交換器13のバイパス冷媒回路20への冷媒の入口温度(e点)もエンタルピー増加の方向(e’点)へ移動する。
なお、圧力が臨界圧を超えた状態において、エンタルピー増加の方向へ移動していくと、圧力に対する等温線の傾きも急になっていく。
このため、利用側熱交換器12に流入する利用側熱媒体の温度が上昇しても、冷凍サイクル装置9のCOPの低下を抑制するためには、中間熱交換器13において、中間熱交換器13のバイパス冷媒回路20からの冷媒の出口温度(B‘点)と、中間熱交換器13へのバイパス冷媒回路20への冷媒の入口温度(e’点)との温度差ができるだけ小さくならないように、制御装置60は、第2膨張装置21の弁開度を制御しなければならない。
また、利用側熱交換器12に流入する利用側熱媒体の温度が上昇しても、利用側熱交換器12において、高段側圧縮回転要素11bから吐出された冷媒により、利用側熱媒体を加熱能力ができるだけ低下しないようにしなければならない。
具体的には、中間熱交換器13の主冷媒回路10側を流れる冷媒の量に対するバイパス
冷媒回路20を流れる冷媒の量の比率が増加させる。
すなわち、第2膨張装置21の弁開度を大きくして、主冷媒回路10を循環する冷媒の量に対する、バイパス冷媒回路20、高段側圧縮回転要素11b、利用側熱交換器12を循環する冷媒の量の比率を増加させる。
これにより、利用側熱交換器12に流入する利用側熱媒体の温度が上昇する場合でも、中間熱交換器13における主冷媒回路10を流れる高圧冷媒とバイパス冷媒回路20を流れる中間圧冷媒との熱交換量は増加する。
このため、利用側熱交換器12における冷媒の出口と冷媒の入口とのエンタルピー差(a‘点~A‘点)の減少を抑制することができる。
なお、高段側圧縮回転要素11bから吐出される高圧冷媒(a‘点)と利用側熱交換器12で放熱した後の冷媒分岐点(A’点)とのエンタルピー差は、高段側圧縮回転要素11bの吸入側(B‘点)とバイパス冷媒回路20を流れる中間圧冷媒(e’点)とのエンタルピー差に高段側圧縮回転要素11bのエンタルピー差が付加されたものである。
このため、利用側熱交換器12における冷媒の出口と冷媒の入口とのエンタルピー差(a‘点~A‘点)を大きくするには、中間熱交換器13のバイパス冷媒回路20のエンタルピー差(B‘点~e’点)を大きくすれば良い。
また、バイパス冷媒回路20、高段側圧縮回転要素11b、利用側熱交換器12を循環する冷媒の量は増加するため、利用側熱交換器12における加熱能力の低減を抑制できる。
また、制御装置60は、第1膨張装置14の弁開度を小さくする。これにより、主冷媒回路10の冷媒の高圧側の圧力が上昇するため、利用側熱交換器12に流入する利用側熱媒体の温度が上昇しても、利用側熱交換器12における冷媒の出口と冷媒の入口とのエンタルピー差(a‘点~A‘点)の減少を抑制することができる。
また、制御装置60は、第1膨張装置14の弁開度と前記第2膨張装置21の弁開度を調整することで、吐出温度サーミスタ52が検出する温度を目標値に近づける。なお、吐出温度の目標値は、制御装置60に予め設定してある値である。
これにより、高段側圧縮回転要素11bから吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度の過度の上昇や低下を防止しつつ、中間熱交換器13における主冷媒回路10を流れる高圧冷媒とバイパス冷媒回路20を流れる中間圧冷媒との熱交換量の増加や、バイパス冷媒回路20、高段側圧縮回転要素11b、利用側熱交換器12を循環する冷媒の量の増加を実現できる。
また、制御装置60は、第1膨張装置14の弁開度と第2膨張装置21の弁開度を調整することで、高圧側圧力検出装置51が検出する圧力値を目標値に近づけるようにしている。
これにより、高段側圧縮回転要素11bから吐出される冷媒の圧力の過度の上昇や低下を防止しつつ、利用側熱交換器12に流入する利用側熱媒体の温度が上昇しても、利用側熱交換器12における冷媒の出口と冷媒の入口とのエンタルピー差(a‘点~A‘点)の減少を抑制することができる。
なお、低段側圧縮回転要素11aと高段側圧縮回転要素11bとに分かれてなく、単一の圧縮回転要素であってもよく、単一の圧縮回転要素の場合には、バイパス冷媒回路20からの冷媒を圧縮回転要素の圧縮途中とする。
また、利用側熱媒体を水又は不凍液とすることで、暖房端末32aに用い、又は貯湯タンク32bに高温水を貯えることができる。
以上のように、本発明にかかる高圧側が超臨界圧力で運転するヒートポンプシステムは、利用側熱交換器に流入する利用側熱媒体の温度が上昇しても、適切な制御を行うことでCOPの低下を抑制するので、冷凍、空調、および、給湯、暖房機器のヒートポンプシステム等に有用である。
9 冷凍サイクル装置
10 主冷媒回路
11 圧縮機構
11a 低段側圧縮回転要素
11b 高段側圧縮回転要素
12 利用側熱交換器
13 中間熱交換器
14 第1膨張装置
15 熱源側熱交換器
16 配管
20 バイパス冷媒回路
21 第2膨張装置
30 利用側熱媒体回路
31 搬送装置
32a 暖房端末
32b 貯湯タンク
33 熱媒体配管
34 第1切替弁
35 第2切替弁
41 給湯栓
42 給湯用熱交換器
43 給水配管
51 高圧側圧力検出装置
52 吐出温度サーミスタ
54 熱媒体入口温度サーミスタ
55a 第1貯湯タンク温度サーミスタ
55b 第2貯湯タンク温度サーミスタ
55c 第3貯湯タンク温度サーミスタ
60 制御装置

Claims (4)

  1. 圧縮回転要素から構成される圧縮機構、前記圧縮回転要素から吐出され臨界圧を超えた冷媒により利用側熱媒体を加熱する利用側熱交換器、中間熱交換器、第1膨張装置、熱源側熱交換器が配管で順次接続されて形成される主冷媒回路と、
    前記利用側熱交換器から前記第1膨張装置までの間の前記配管から分岐され、分岐された前記冷媒が第2膨張装置により減圧された後に、前記中間熱交換器で前記主冷媒回路を流れる前記冷媒と熱交換され、前記圧縮回転要素の圧縮途中の前記冷媒に合流されるバイパス冷媒回路と、
    制御装置と、
    前記利用側熱交換器に流入する前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体入口温度サーミスタと、
    前記圧縮回転要素から吐出される前記冷媒の温度を検出する吐出温度サーミスタと
    を備え、
    前記制御装置は、
    前記熱媒体入口温度サーミスタの検出温度が上昇する場合、
    記第2膨張装置の弁開度を大きく、前記第1膨張装置の弁開度を小さくして、前記中間熱交換器の前記主冷媒回路側を流れる前記冷媒の量に対する前記バイパス冷媒回路を流れる前記冷媒の量の比率を増加させ
    前記第1膨張装置の前記弁開度と前記第2膨張装置の前記弁開度を調整することで、前記吐出温度サーミスタが検出する前記温度を目標値に近づけ
    ことを特徴とするヒートポンプシステム。
  2. 圧縮回転要素から構成される圧縮機構、前記圧縮回転要素から吐出され臨界圧を超えた冷媒により利用側熱媒体を加熱する利用側熱交換器、中間熱交換器、第1膨張装置、熱源側熱交換器が配管で順次接続されて形成される主冷媒回路と、
    前記利用側熱交換器から前記第1膨張装置までの間の前記配管から分岐され、分岐された前記冷媒が第2膨張装置により減圧された後に、前記中間熱交換器で前記主冷媒回路を流れる前記冷媒と熱交換され、前記圧縮回転要素の圧縮途中の前記冷媒に合流されるバイパス冷媒回路と、
    制御装置と、
    前記利用側熱交換器に流入する前記利用側熱媒体の温度を検出する熱媒体入口温度サーミスタと、
    前記圧縮回転要素から吐出される前記冷媒の圧力を検出する高圧側圧力検出装置
    を備え、
    前記制御装置は、
    前記熱媒体入口温度サーミスタの検出温度が上昇する場合、
    前記第2膨張装置の弁開度を大きく、前記第1膨張装置の弁開度を小さくして、前記中間熱交換器の前記主冷媒回路側を流れる前記冷媒の量に対する前記バイパス冷媒回路を流れる前記冷媒の量の比率を増加させ、
    記第1膨張装置の前記弁開度と前記第2膨張装置の前記弁開度を調整することで、前記高圧側圧力検出装置が検出する圧力値を目標値に近づける
    ことを特徴とするヒートポンプシステム。
  3. 搬送装置を有し、前記搬送装置によって前記利用側熱媒体を循環させる利用側熱媒体回路を備えることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のヒートポンプシステム。
  4. 前記利用側熱媒体を水又は不凍液としたことを特徴とする請求項1~請求項3のいずれか1項に記載のヒートポンプシステム。
JP2019223863A 2019-12-11 2019-12-11 ヒートポンプシステム Active JP7390605B2 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019223863A JP7390605B2 (ja) 2019-12-11 2019-12-11 ヒートポンプシステム
EP20206234.5A EP3835687A1 (en) 2019-12-11 2020-11-06 Heat pump system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019223863A JP7390605B2 (ja) 2019-12-11 2019-12-11 ヒートポンプシステム

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021092358A JP2021092358A (ja) 2021-06-17
JP7390605B2 true JP7390605B2 (ja) 2023-12-04

Family

ID=73172579

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019223863A Active JP7390605B2 (ja) 2019-12-11 2019-12-11 ヒートポンプシステム

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP3835687A1 (ja)
JP (1) JP7390605B2 (ja)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005315558A (ja) 2004-03-29 2005-11-10 Mitsubishi Electric Corp ヒートポンプ給湯機
JP2008008499A (ja) 2006-06-27 2008-01-17 Sanyo Electric Co Ltd 冷凍サイクル装置及びヒートポンプ式給湯機
WO2017061233A1 (ja) 2015-10-05 2017-04-13 株式会社デンソー 冷凍サイクル装置
JP2019173987A (ja) 2018-03-27 2019-10-10 株式会社富士通ゼネラル 空気調和機
WO2019230070A1 (ja) 2018-05-31 2019-12-05 パナソニックIpマネジメント株式会社 超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクル及び液体加熱装置

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2147264B1 (en) * 2007-04-24 2019-01-16 Carrier Corporation Refrigerant vapor compression system
US20100281894A1 (en) * 2008-01-17 2010-11-11 Carrier Corporation Capacity modulation of refrigerant vapor compression system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005315558A (ja) 2004-03-29 2005-11-10 Mitsubishi Electric Corp ヒートポンプ給湯機
JP2008008499A (ja) 2006-06-27 2008-01-17 Sanyo Electric Co Ltd 冷凍サイクル装置及びヒートポンプ式給湯機
WO2017061233A1 (ja) 2015-10-05 2017-04-13 株式会社デンソー 冷凍サイクル装置
JP2019173987A (ja) 2018-03-27 2019-10-10 株式会社富士通ゼネラル 空気調和機
WO2019230070A1 (ja) 2018-05-31 2019-12-05 パナソニックIpマネジメント株式会社 超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクル及び液体加熱装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP3835687A1 (en) 2021-06-16
JP2021092358A (ja) 2021-06-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5984914B2 (ja) 空気調和装置
JP5791785B2 (ja) 空気調和装置
JP4670329B2 (ja) 冷凍空調装置、冷凍空調装置の運転制御方法、冷凍空調装置の冷媒量制御方法
JP5380226B2 (ja) 空調給湯システム及びヒートポンプユニット
JP5614757B2 (ja) 空気調和装置
US20120000237A1 (en) Heat pump system
JP5455521B2 (ja) 空調給湯システム
JP2006283989A (ja) 冷暖房システム
JP2014169854A (ja) 冷凍サイクル装置およびそれを備えた温水生成装置
JP2017161182A (ja) ヒートポンプ装置
JP2005274134A (ja) ヒートポンプ床暖房空調装置
JP4258241B2 (ja) ヒートポンプシステム、ヒートポンプ式給湯機
CN113439188B (zh) 空调装置
JP7390605B2 (ja) ヒートポンプシステム
JP4661908B2 (ja) ヒートポンプユニット及びヒートポンプ給湯装置
JP6675083B2 (ja) 二元ヒートポンプ装置
JP6986675B2 (ja) 超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクル及び液体加熱装置
JP7012208B2 (ja) 冷凍サイクル装置及びそれを備えた液体加熱装置
JP2017161164A (ja) 空調給湯システム
JP6695034B2 (ja) ヒートポンプ装置
JP6695033B2 (ja) ヒートポンプ装置
JP2009085479A (ja) 給湯装置
JP2020148381A (ja) 冷凍サイクル装置及びそれを備えた液体加熱装置
JP2021004687A (ja) 冷凍サイクル装置及びそれを備えた流体加熱装置
JP2017227396A (ja) 二元冷凍サイクル装置

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220905

RD01 Notification of change of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421

Effective date: 20221020

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230613

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20230614

RD03 Notification of appointment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423

Effective date: 20230619

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20230621

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230724

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20231031

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20231108

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 7390605

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151