JPH0953843A - ヒートポンプ式冷暖房装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単に除霜運転できるとともに、好ましくは
暖房運転を継続しながら除霜運転することのできるヒー
トポンプ式冷暖房装置を提供する。 【解決手段】 外部からの熱又は動力により作動する熱
ガス機関１を有し、この熱ガス機関１の吸熱用熱源１３
と、熱ガス機関１の放熱用熱源１１と、室外機に設けた
室外熱交換器３０１と、室内機に設けた室内熱交換器２
０１とを熱搬送回路でつないだヒートポンプ式冷暖房装
置において、放熱用熱源１１につながる熱搬送回路に放
熱器３０２をつなぎ、この放熱器３０２を室外熱交換器
３０１の風上に配置し、除霜運転時には放熱用熱源１１
と室内熱交換器２０１とをつないだまま、放熱用熱源１
１と放熱器３０２とをつなぐ切替手段を設けたものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、外部からの熱又は
動力により作動する熱ガス機関を利用して冷暖房と給湯
を行う装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、スターリングサイクル機関や吸収
式冷凍機関など燃焼等による高温熱源や電動機などの動
力を駆動源として冷暖房等を行う熱ガス機関は知られて
いる。この種の熱ガス機関の特徴は、冷媒としてフロン
を使用せず、ヘリウム、窒素、アンモニア等の気体を使
用して、ヒートポンプ仕事を行うことである。この種の
熱ガス機関では、フロンを使用する逆ランキン式冷暖房
機のように冷媒を用いて室内機に冷温熱を搬送すること
ができないという欠点がある。

【０００３】そこで、従来は、熱ガス機関の吸熱用熱源
と、熱ガス機関の放熱用熱源と、室内熱交換器と、室外
熱交換器とを管路でつなぎ、冷温水により熱搬送を行う
空気調和装置が提案されている（例えば、特許第１８５
７５８１号）。

【０００４】この空気調和装置においては、室内機や室
外機等の端末機器が冷房と暖房に兼用されるので、四方
弁を用いて冷水回路と温水回路を切り換えている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の構成では、冷房時に室内機により室内から汲み上げ
た熱と熱サイクルを駆動するために投入した熱とを、室
外機により外気に放出するため、エネルギの有効利用が
図れないという問題がある。また、上記した熱を有効利
用しようとしても、上記従来例では熱搬送媒体として水
を用いており、かつその水を冷房と暖房とで共用するた
めに、不凍液が必要となり、そのままでは給湯水として
利用することができないという問題がある。また、ヒー
トポンプの稼働率を考えると、熱ガス機関で熱が発生す
る時点と給湯要求時点とが一致しないと、熱の有効利用
が図れないという問題もある。

【０００６】更にまた、この種のヒートポンプ式冷暖房
装置にあっては、外気が著しく低い時に、暖房運転を行
うと、室外機の室外熱交換器に着霜し、暖房運転を継続
できなくなるという問題がある。この場合には、従来、
一時的に暖房運転を停止し、除霜運転に切り替えるよう
にしているが、これだとせっかく暖まっている室内の温
度が除霜運転中に低下してしまうという問題がある。

【０００７】そこで、本発明の目的は、上記した従来例
の有する課題を解消し、簡単に除霜運転できるととも
に、好ましくは暖房運転を継続しながら除霜運転するこ
とができるヒートポンプ式冷暖房装置を提供することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、外部からの熱又は動力により作動する熱ガス機関を
有し、この熱ガス機関の吸熱用熱源と、前記熱ガス機関
の放熱用熱源と、室外機に設けた室外熱交換器と、室内
機に設けた室内熱交換器とを熱搬送回路でつないだヒー
トポンプ式冷暖房装置において、前記放熱用熱源につな
がる熱搬送回路に放熱器をつなぎ、この放熱器を前記室
外熱交換器の風上に配置し、除霜運転時には前記放熱用
熱源と前記放熱器とをつなぐ切替手段を設けたものであ
る。

【０００９】請求項２に記載の発明は、外部からの熱又
は動力により作動する熱ガス機関を有し、この熱ガス機
関の吸熱用熱源と、前記熱ガス機関の放熱用熱源と、室
外機に設けた室外熱交換器と、室内機に設けた室内熱交
換器とを熱搬送回路でつないだヒートポンプ式冷暖房装
置において、前記放熱用熱源につながる熱搬送回路に放
熱器をつなぎ、この放熱器を前記室外熱交換器の風上に
配置し、除霜運転時には前記放熱用熱源と前記室内熱交
換器とをつないだまま、前記放熱用熱源と前記放熱器と
をつなぐ切替手段を設けたものである。

【００１０】請求項３記載の発明は、請求項１又は２記
載のものにおいて、前記放熱器と前記室外熱交換器とを
一体に成形したものである。

【００１１】請求項１に記載の発明では、暖房運転時に
は、熱ガス機関の放熱用熱源で暖められた温水が熱搬送
回路を通じて室内機の室内熱交換器に入るので、室内は
暖房されて、そのときには、吸熱用熱源で冷やされた冷
水が室外機の室外熱交換器に入るので、そこでは室外か
ら吸熱する。一方、冷房運転時には、熱ガス機関の吸熱
用熱源で冷やされた冷水が熱搬送回路を通じて室内機の
室内熱交換器に入るので、室内は冷房されて、そのとき
には、放熱用熱源で暖められた温水が室外機の室外熱交
換器に入るので、そこでは室外に放熱する。除霜運転時
には、放熱用熱源で暖められた温水が熱搬送回路を通じ
て、室外熱交換器の風上に配置された放熱器に入るの
で、この放熱器からの熱が室外熱交換器に触れるので、
これにより室外熱交換器の除霜が行われる。

【００１２】請求項２に記載の発明では、請求項１のも
のに加えて、暖房運転を継続しながら、放熱用熱源で暖
められた温水を、室外熱交換器の風上に配置された放熱
器に流すことができるので、暖房運転を継続したまま、
この放熱器からの熱により室外熱交換器の除霜が行われ
る。

【００１３】請求項３に記載の発明では、放熱器と室内
熱交換器とが一体であるので、組み立てが簡単で、作り
勝手がよい。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に本発明の一実施の形態を添
付図面に従って説明する。

【００１５】図１は本発明に係るヒートポンプ式冷暖房
装置の一実施の形態の構成を示したもので、この回路に
は熱源としてスターリングサイクル機関のヒートポンプ
を利用した熱ガス機関１が使用されている。なお、この
スターリングサイクル熱ガス機関１自体は公知であり、
詳細な説明は省略するが、高温側ピストン３と低温側ピ
ストン５とを備えている。両ピストン３，５は、例えば
高温側ピストン３が上死点へ向かう中間の位置へ到達す
るときには、低温側ピストン５は上死点に達する等のよ
うに、互いに９０°位相をずらして動作可能に、モータ
６で駆動されるクランク７を介してつながれている。

【００１６】高温側ピストン３と低温側ピストン５とが
動作すると、封入されたヘリウムが、再生器９を通って
移動し、この再生器９を通過する際に、加熱されたり冷
却され、かつ各ピストンの動作による容積変化により、
ヘリウムが昇圧されたり減圧されたりする。ヘリウムの
昇圧時には温度が上がり中温熱交換器１１に放熱し、減
圧時には温度が下がり低温熱交換器１３から吸熱する。

【００１７】つまり低温熱交換器１３は本熱ガス機関１
の吸熱用熱源を構成し、中温熱交換器１１は本熱ガス機
関１の放熱用熱源を構成する。

【００１８】しかして、この実施の形態によれば、熱ガ
ス機関１の低温熱交換器（吸熱用熱源）１３、および中
温熱交換器（放熱用熱源）１１を利用してなる空気調和
機１０１が提供される。この空気調和機１０１は、室内
機２００と熱ガス機関１を含む室外機３００とによって
構成される。

【００１９】室内機２００は、室内熱交換器２０１と室
内ファン２０３とを備えている。また、室外機３００
は、熱ガス機関１と室外熱交換器３０１と放熱器３０２
と室外ファン３０３とを備え、さらに、温水用ポンプ２
０と、冷水用ポンプ２１と、三方弁４００と、流量制御
弁５００と、四方弁３０，３１と、給湯用熱交換器６０
と、この給湯用熱交換器６０に外部供給水を導くための
外部給水管７０とを備えている。尚、三方弁４００と流
量制御弁５００とは切替手段を構成する。

【００２０】そして、この実施の形態によれば、給湯用
熱交換器６０には、外部給水管７０のほかに給湯管（給
湯回路）５０がつながれ、この給湯管５０には、加熱用
熱交換器９１及び燃焼器９２からなる補助加熱手段９０
と開閉弁５１とが設けられる。そして、この開閉弁５１
を開くと、外部給水管７０を通じて供給される外部供給
水が、給湯用熱交換器６０、更には加熱用熱交換器９１
に導かれ、そこで加熱された後、給湯管５０を通じて給
湯されるようになっている。

【００２１】図１は冷房運転時を示すが、この冷房運転
時における冷水、温水の流れを基準として、図１の熱搬
送回路４０〜４７を説明する。

【００２２】冷房運転時には、四方弁３０，３１は図１
において実線で示すように切り替えられる。この場合、
低温熱交換器（吸熱用熱源）１３で吸熱された冷水は、
管路４０を通って四方弁３０に至り、管路４１を通じて
室内熱交換器２０１に流れ、そこで熱交換を行い、室内
ファン２０３を回転させることにより室内に冷風を送り
出した（冷房）後、管路４２、四方弁３１、冷水用ポン
プ２１、管路４３を通じて低温熱交換器（吸熱用熱源）
１３に戻る。

【００２３】このとき、中温熱交換器（放熱用熱源）１
１で放熱された温水は、管路４４、温水用ポンプ２０、
三方弁４００、四方弁３０、更には管路４５を通じて室
外熱交換器３０１に流れ、そこで室外ファン３０３を回
転させることにより熱交換を行った後、管路４６、四方
弁３１、給湯用熱交換器６０、管路４７を通じて中温熱
交換器（放熱用熱源）１１に戻る。このように冷温水の
循環により、給湯用熱交換器６０と室外熱交換器３０
１、あるいはどちらか一方の熱交換器６０，３０１を通
じて熱サイクルによる廃熱が放熱され、室内熱交換器２
０１を通じて室内空気から熱が吸熱されて、冷房が行わ
れる。

【００２４】特に、この冷房運転時には、室外熱交換器
３０１だけで放熱するよりも、給湯用熱交換器６０でも
放熱する方が、冷房効率が向上するし、しかも給湯用熱
交換器６０で放熱すればするほど、給湯量が増えるの
で、エネルギを有効利用して一石二鳥の効果を奏するも
のである。これは室外ファン３０３の回転数を制御する
ことにより容易に達成され、ファンを停止した時が最大
給湯能力となる。ただし、給湯用熱交換器６０での加熱
温度は、そこでの放熱温度を越えることはできない。給
湯用熱交換器６０での加熱温度はたかだか３０〜５０℃
程度である。

【００２５】給湯温度を上昇させたい時には、この実施
の形態では補助加熱手段９０の燃焼器９２を燃焼させれ
ばよい。これによれば、補助加熱手段９０の加熱用熱交
換器９１を通る温水は燃焼器９２で加熱され、燃焼器９
２の容量にもよるが、給湯温度は８０℃程度にまで上昇
する。

【００２６】また、この冷房運転時には、管路４９ａ上
の流量制御弁５００を開くことも可能である。この流量
制御弁５００を開くと、放熱器３０２にも温水が流れる
ので、結局、放熱器３０２と室外熱交換器３０１の双方
に温水が流れることになる。これによれば、熱交換器の
容量が増大するので、外気に対する放熱容量が増加し、
中温熱交換器（放熱用熱源）１１に戻る温水の温度が低
下し、冷房装置の効率を向上させることができる。

【００２７】次に、暖房運転時には、四方弁３０，３１
は図１において点線で示すように切り替えられる。この
場合、流量制御弁５００は全閉である。中温熱交換器
（放熱用熱源）１１で放熱された温水は、管路４４、温
水用ポンプ２０、三方弁４００、四方弁３０、管路４１
を通じて室内熱交換器２０１に流れ、そこで室内ファン
２０３を回転させることにより熱交換を行い、室内に温
風を送り出した（暖房）後、管路４２、四方弁３１、給
湯用熱交換器６０、管路４７を通じて中温熱交換器（放
熱用熱源）１１に戻る。

【００２８】このとき、低温熱交換器（吸熱用熱源）１
３で吸熱された冷水は、管路４０、四方弁３０、管路４
５を通じて室外熱交換器３０１に流れ、そこで室外ファ
ン３０３を回転させることにより熱交換を行った後、管
路４６、四方弁３１、冷水用ポンプ２１、管路４３を通
じて低温熱交換器（吸熱用熱源）１３に戻る。このよう
に冷温水の循環により、室外熱交換器３０１を通じて外
気から熱が吸収され、給湯用熱交換器６０と室内熱交換
器２０１、あるいはどちらか一方の熱交換器６０，２０
１を通じて熱サイクルによる廃熱が放熱され、暖房又は
給湯、あるいは暖房と給湯の同時運転が行われる。

【００２９】次に、除霜運転について説明する。外気が
著しく低い時に、暖房運転を行うと、室外機３００の室
外熱交換器３０１に着霜し、暖房運転を継続できなくな
る。

【００３０】この場合には、室内機２００の室内熱交換
器２０１に温水を流しながら、管路４９ａ上の流量制御
弁５００を開いて、放熱器３０２にも温水を流す。この
放熱器３０２に温水を流すと、この放熱器３０２は室外
熱交換器３０１の風上に位置しているので、この室外熱
交換器３０１に温風がかかる。この温風がかかることに
より室外熱交換器３０１の霜が除霜される。

【００３１】要するに、これによれば、暖房運転を継続
しながら、除霜運転に切り替えることができるので、暖
まっている室内の温度を維持しながら、室外熱交換器３
０１の霜をほぼ確実に除霜することができる。

【００３２】給湯時には、外部給水管７０を通じて、外
部水が給湯用熱交換器６０に供給され、ここを通る温水
によって加熱され、給湯管５０及び開閉弁５１を経て給
湯に利用される。ただし、給湯用熱交換器６０での加熱
温度は、そこでの放熱温度を当然に越えることはできな
い。給湯用熱交換器６０での加熱温度は冷房運転時のそ
れよりも更に低下する。

【００３３】給湯温度を上昇させたい時には、この実施
の形態では、補助加熱手段９０の燃焼器９２を燃焼させ
ればよい。

【００３４】これによれば、補助加熱手段９０の加熱用
熱交換器９１を通る温水は燃焼器９２で加熱され、燃焼
器９２の容量にもよるが、給湯温度は上昇する。なお、
暖房時には、室内機２００における放熱も加わるため、
給湯に利用できる温水の温度は低下するので、給湯時に
は、室内機２００の能力を制限するか（暖房温度に制限
を設けるか）あるいは室内機の暖房運転を停止すること
が望ましい。

【００３５】また、この実施の形態によれば、空調運転
の要求がなく給湯運転のみの要求があるとき、流量制御
弁５００が全閉にされ、三方弁４００が切り替えられ、
四方弁３０，３１が点線の位置に切り替えられる。

【００３６】これによれば、中温熱交換器（放熱用熱
源）１１で放熱された温水は、管路４４、温水用ポンプ
２０、三方弁４００に流れ、室内機２００をバイパスし
て管路４８を通じて給湯用熱交換器６０に流れ、そこか
ら管路４７を通じて中温熱交換器（放熱用熱源）１１に
戻る。

【００３７】給湯用熱交換器６０には、外部給水管７０
を通じて外部水が供給され、この外部水は給湯用熱交換
器６０で加熱され、給湯管５０及び開閉弁５１を経て給
湯に利用される。ただし、給湯用熱交換器６０での加熱
温度は、そこでの放熱温度を越えることはできず、３０
℃程度であるので、必要があれば、補助加熱手段９０の
燃焼器９２を燃焼させる。

【００３８】一方、低温熱交換器（吸熱用熱源）１３で
吸熱された冷水は、管路４０、四方弁３０、管路４５を
通じて室外熱交換器３０１に流れ、そこで室外ファン３
０３を回転させることにより熱交換を行った後、管路４
６、四方弁３１、冷水用ポンプ２１、管路４３を通じて
低温熱交換器（吸熱用熱源）１３に戻る。これによれ
ば、冷温水の循環により室外熱交換器３０１を通じて外
気から熱が吸収され、熱サイクルにより給湯用熱交換器
６０を通じて放熱され、この熱が給湯に利用されること
になる。

【００３９】図１を参照して、外部給水管７０に三方弁
７１を設け、この三方弁７１に給湯用熱交換器６０をバ
イパスするバイパス管７２を設けることは望ましい。こ
れによれば、三方弁７１を切り替えることにより、外部
水を、給湯用熱交換器６０をバイパスして流せるので、
熱ガス機関１を運転しなくても、補助加熱手段９０の動
作により給湯が可能になるという利点が得られる。ある
いは、給湯の要求がない場合にも対応できる。

【００４０】以上の実施の形態では、室内機２００以外
の各機器はすべてが室外機３００にまとめて収容されコ
ンパクトである。

【００４１】図２は、本発明の別の実施の形態を示して
いる。図１の実施の形態では、室外機３００に内蔵され
る室外熱交換器３０１と放熱器３０２とが夫々別体であ
るが、この実施の形態では、室外熱交換器と放熱器とが
一体の熱交換器３０４として成形されている。これによ
れば、組み立てが簡単になり、きわめて作り勝手のよい
ものになる。

【００４２】上記の各実施の形態の場合の省エネルギ効
果は、例えば熱ガス機関１を駆動するために投入した熱
（仕事）を１とし、冷房時の成績係数（ＣＯＰ）を０．
７とすると、給湯に利用できる熱は１．７となる。した
がって、冷房の場合と給湯の場合を加えると、利用でき
る熱は２．４となり、冷房のみを行う場合に比べて非常
に有効な熱利用が図れる。熱駆動ヒートポンプの場合の
燃焼器の効率０．８を考慮しても、有効に利用できる熱
は２．２という値になり、この場合でも非常に省エネル
ギ性に富んでいる。

【００４３】また、上記各実施の形態により給湯を行う
と付加的な効果として熱ガス機関１の効率改善を行うこ
ともできる。

【００４４】すなわち、ヒートポンプは熱を汲み上げる
熱源の温度（Ｔc ）に対する熱を放出する熱源の温度
（Ｔm ）の温度比（Ｔm ／Ｔc ）を小さくした方が効率
を高めることができるが、上記各実施の形態の場合に
は、熱を放出する熱源である温水の温度が水で冷やされ
る（例えば、冷房時の水道水の標準温度は約２７℃）た
め、空気熱源（例えば、冷房時の空気の標準温度は約３
５℃）に比べて低くなり、熱ガス機関１の効率を改善す
ることができる。

【００４５】上記の各実施の形態における各ポンプや各
四方弁は、それぞれ弁等を操作するアクチュエータ（図
示せず）を装備しており、この装置１０１内には、これ
らのアクチュエータを各運転モードに応じて上記のよう
に制御するマイクロコンピュータ等の制御装置（図示せ
ず）が搭載される。

【００４６】したがって、温水用ポンプ２０と、冷水用
ポンプ２１と、管路４０〜４７と、給湯管５０と、図示
しない制御装置及びアクチュエータと、四方弁３０及び
３１と、開閉弁５１等は制御手段を構成する。

【００４７】以上、本発明の実施の形態に基づいて本発
明を説明したが、本発明は、上記各実施の形態に限定さ
れるものでないことは明らかである。

【００４８】例えば、上記の実施の形態では、熱ガス機
関１としてスターリングサイクルヒートポンプを利用し
たものを示したが、熱ガス機関１としては、温水を生成
しうる放熱熱源と冷水を生成しうる吸熱熱源を有するも
のであれば如何なるものであってもよく、例えば、吸収
式ヒートポンプ等を用いてもよい。また、上記の実施の
形態では、冷水や温水の経路を制御するために四方弁や
開閉弁を用いているが、開閉弁や三方弁の組み合わせに
よって実現することもできる。

【００４９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１に記載の発明によれば、除霜運転時には、放熱用熱源
で暖められた温水が熱搬送回路を通じて、室外熱交換器
の風上に配置された放熱器に入るので、この放熱器から
の熱が室外熱交換器に触れるので、これにより室外熱交
換器の除霜を行うことができる。

【００５０】請求項２に記載の発明によれば、請求項１
のものに加えて、暖房運転を継続しながら、放熱用熱源
で暖められた温水を、室外熱交換器の風上に配置された
放熱器に流すことができるので、暖房運転を継続したま
ま、この放熱器からの熱により室外熱交換器の除霜を行
うことができる。

【００５１】請求項３に記載の発明によれば、放熱器と
室内熱交換器とが一体であるので、組み立てが簡単で、
作り勝手がよいものになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のヒートポンプ式冷暖房装置の一実施の
形態を示す回路図である。

【図２】本発明のヒートポンプ式冷暖房装置の別の実施
の形態を示す回路図である。

【符号の説明】

１ 熱ガス機関 １１ 中温熱交換器（放熱用熱源） １３ 低温熱交換器（吸熱用熱源） ４０〜４７ 管路 ５０ 給湯管（給湯回路） ５１ 開閉弁 ６０ 給湯用熱交換器 ７０ 外部給水管 １０１ 冷暖房装置 ２００ 室内機 ３００ 室外機 ３０２ 放熱器 ３０１ 室外熱交換器 ４００ 三方弁 ５００ 流量制御弁

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外部からの熱又は動力により作動する熱
   ガス機関を有し、この熱ガス機関の吸熱用熱源と、前記
   熱ガス機関の放熱用熱源と、室外機に設けた室外熱交換
   器と、室内機に設けた室内熱交換器とを熱搬送回路でつ
   ないだヒートポンプ式冷暖房装置において、 前記放熱用熱源につながる熱搬送回路に並列に放熱器を
   つなぎ、この放熱器を前記室外熱交換器の風上に配置
   し、除霜運転時には前記放熱用熱源と前記放熱器とをつ
   なぐ切替手段を設けたことを特徴とするヒートポンプ式
   冷暖房装置。
2. 【請求項２】 外部からの熱又は動力により作動する熱
   ガス機関を有し、この熱ガス機関の吸熱用熱源と、前記
   熱ガス機関の放熱用熱源と、室外機に設けた室外熱交換
   器と、室内機に設けた室内熱交換器とを熱搬送回路でつ
   ないだヒートポンプ式冷暖房装置において、 前記放熱用熱源につながる熱搬送回路に並列に放熱器を
   つなぎ、この放熱器を前記室外熱交換器の風上に配置
   し、除霜運転時には前記放熱用熱源と前記室内熱交換器
   とをつないだまま、前記放熱用熱源と前記放熱器とをつ
   なぐ切替手段を設けたことを特徴とするヒートポンプ式
   冷暖房装置。
3. 【請求項３】 前記放熱器と前記室外熱交換器とを一体
   に成形したことを特徴とする請求項１又は２記載のヒー
   トポンプ式冷暖房装置。