JPH0953846A - ヒートポンプ式冷暖房装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱負荷の高い要求に対応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 【解決手段】 ヒートポンプ式冷暖房装置において、熱
搬送回路の熱媒体が、熱ガス機関１に加えて、加熱用熱
交換器９０を介して加熱手段５５により間接的に加熱で
きる構成としている。従って、熱ガス機関１の熱源だけ
では対応できない高い熱負荷要求（急速暖房等）にも対
応することができ、しかも、加熱用熱交換器９０は加熱
手段により直接加熱されるものでなく、加熱媒体を介し
て間接的に加熱されるから、安定して加熱できるほか、
加熱用熱交換器９０は利用熱交換器５１、５３を備える
から、他の用途への利用の可能性をも高めることができ
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。

【０００６】また、外部からの熱または動力により作動
する熱ガス機関にあっては、それのみでは熱量が十分で
ないために、暖房時に要求される高い熱負荷に十分に対
応できない場合がある。例えば、気温が著しく低い場合
において、使用開始直後に部屋を急速に暖めること（以
下「急速暖房」という）が要求されることがあるが、熱
ガス機関のみではその熱量が十分でないためにかかる急
速暖房ができないという問題点がある。

【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、熱負荷の高い要求に対応するこ
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、加熱手段と、この加熱
手段により加熱される加熱媒体を有する加熱用熱交換器
とを備え、この加熱用熱交換器に前記熱搬送回路の熱媒
体が通過する搬送熱交換器を備え、且つ前記加熱用熱交
換器は前記熱搬送回路とは別系統の回路につながる利用
熱交換器を備え、この利用熱交換器につながる回路には
利用機器をつないだものである。

【０００９】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
のヒートポンプ式冷暖房装置において、前記利用熱交換
器は、風呂の追い炊き用の回路を流れる水が通過する追
焚用熱交換器としたものである。

【００１０】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
の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は、前記搬送熱交換器を迂回可
能な加熱迂回手段を設けたものである。

【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
暖房される。一方、熱ガス機関の熱源だけでは対応でき
ない高い熱負荷要求（急速暖房等）に対しては、加熱手
段により加熱された加熱用熱交換器に備えられた搬送熱
交換器を通過させた後に室内熱交換器に供給する。従っ
て、熱ガス機関に加えて、加熱手段による熱をも加える
ことができるので、高い要求負荷にも対応することがで
きる。

【００１２】しかも、搬送熱交換器は加熱手段により直
接加熱されるものでなく、加熱媒体を収納した加熱用熱
交換器を介して間接的に加熱されるから、熱搬送回路の
熱媒体を安定して加熱できるほか、利用熱交換器を有す
るので加熱用熱交換器の他の用途への利用の可能性をも
高めることができる。

【００１３】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の発明のほか、加熱用熱交換器に設けられる利用熱交
換器は追焚用熱交換器であるから、前述した加熱用熱交
換器の他の用途への利用態様として、風呂の追い焚き用
として風呂の水（またはお湯）を加温するものである。

【００１４】請求項３に記載の発明では、請求項１のも
のに加えて、熱搬送回路には加熱用熱交換器を迂回する
加熱迂回手段を設けているから、加熱用熱交換器が加熱
手段により加熱されていない場合や十分な温度に至って
いない場合等には、加熱用熱交換器では熱搬送回路に熱
を十分に供給できないばかりか、かえって熱を吸収して
しまうこともある。従って、かかる場合等には加熱用熱
交換器を迂回させることにより、効率良く暖房をおこな
うことができる。

【００１５】

【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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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１００は、室内
機２００と熱ガス機関１を含むその他の要素によって構
成される。

【００２０】室内機２００は、室内熱交換器２０１と室
内放熱熱交換器２０２及び室内フアン２０３とから構成
されている。

【００２１】室内機２００は、室内熱交換器２０１と放
熱器２０２と室内ファン２０３とを備え、放熱器２０２
は室内熱交換器２０１の風下に配置される。

【００２２】また、熱ガス機関１を含むその他の要素に
は、以下に説明する熱搬送回路の他に、室外熱交換器４
０と室外放熱器４２、室外ファン４１とが含まれてい
る。

【００２３】図１に示す熱搬送回路は、温水用ポンプ２
０と、冷水用ポンプ２１と、三方弁７０と、追炊用ポン
プ２２、貯湯用ポンプ２３と、回路内に設けられた四方
弁３０、３１、熱搬送回路内の熱を回収する回収熱交換
器５０、外部熱源である燃焼器５５により加熱される加
熱用熱交換器９０とが設けられている。

【００２４】加熱用熱交換器９０には、利用熱交換器と
して、温水回路の一部が分岐されて導入される温水熱交
換器（搬送熱交換器）５２が配置されているほか、給湯
用熱交換器５１、追炊用熱交換器５３が配置されてお
り、他の用途への利用を図ることができる。給湯用熱交
換器５１は給湯配管により湯を供給するものであり、温
水熱交換器５２は温水暖房に供するものである。また、
追炊用熱交換器５３は風呂の温水循環回路につながれて
おり風呂の追炊に利用できるようになっている。

【００２５】給湯用熱交換器５１は外部より水を供給す
る供給配管（水道配管）６０に接続されており、回収熱
交換器５０を経て水が供給されている。

【００２６】バイパス弁７０は、室内熱交換器２０１あ
るいは室外熱交換器４０をバイパスするように切り替え
可能に設けられており、バイパス弁７１は温水熱交換器
５２をバイパスするものであり、切り替え弁７２は温水
の供給先を室内放熱熱交換器２０２あるいは床暖房装置
４２０に選択切り替えするものである。切り替え弁７３
は温水熱交換器５２で加熱された高温温水の供給先を室
内熱交換器２０１あるいは床暖房装置４２０して切り替
えるようになっており、切り替え弁７４は貯湯槽４１０
における循環水の切り替え弁であり、切り替え弁７５は
貯湯槽４１０の循環水と外部供給水の切り替え弁であ
り、制御弁８０は室内熱交換器２０１への温水供給を制
御する制御弁であり、温水制御弁８１は室外放熱熱交換
器４２への温水供給を制御する弁であり、制御弁８２は
貯湯槽４１０への循環水を制御する弁である。

【００２７】加熱用加熱器９０は、その内部に、他の利
用機器につないだ利用熱交換器として前述の給湯用熱交
換器５１、温水熱交換器５２、追炊用熱交換器５３を装
備しており、加熱媒体としての例えば湯浴による間接加
熱をするものである。図１に示す各バイパス回路３０１
乃至３０５は、それぞれ、貯湯槽４１０、床暖房４２
０、浴槽４３０をバイパスさせる回路を形成している。

【００２８】図１は暖房運転時を示すものであり、この
暖房運転時における冷水、温水の流れについて説明す
る。

【００２９】吸熱用熱交換器（吸熱用熱源）１３を出た
冷水を四方弁３０、室外熱交換器４０、四方弁３１、ポ
ンプ２１を経て吸熱用熱交換器１３に戻し、また、放熱
用熱交換器１１を出た温水はポンプ２０、バイパス弁７
０、四方弁３０、室内熱交換器２０１、四方弁３１及び
回収熱交換器５０を経て放熱用熱交換器１１に戻すこと
により、室外熱交換器４０より外気から熱を吸収し、回
収熱交換器５０、室内熱交換器２０１、床暖房装置４２
０や室外放熱熱交換器４２において放熱し、暖房、給湯
や除霜をおこなうことができる。

【００３０】床暖房が要求されている場合には、バイパ
ス弁７１、切り替え弁７２、７３を操作して温水回路中
のＡ点から分岐された温水を床暖房装置４２０へ供給す
る。床暖房装置４２０を出た温水はＨ点にてメインの温
水回路に合流するが、合流点はＨ点に限定されるもので
なく、四方弁３１と熱ガス機関１の放熱用熱交換器（放
熱用熱源）１１の間であればよい。但し、床暖房装置４
２０を出た時の温度によって、回収熱交換器５０の上流
に供給するか下流に供給するかを予め決定する必要があ
る。この時、床暖房装置４２０と室内熱交換器２０１の
負荷分担は制御弁８０の開度を調整することにより行う
ことができる。

【００３１】床暖房装置４２０に高温の温水の供給が要
求された場合は、バイパス弁７１と切り替え弁７２を操
作し、温水を温水熱交換器５２を経由して、床暖房装置
４２０に供給し、燃焼器５５を運転することにより対応
することができる。

【００３２】室内及び各機器が運転停止時における冷え
た状態から暖房運転を開始する際において、熱ガス機関
１の出力が十分に発揮される前に急速な暖房が要求され
る場合は、バイパス弁７１と切り替え弁７２を操作し、
Ａ点から分岐された温水を温水熱交換器５２を通し、燃
焼器５５で加熱して切り替え弁７３、バイパス回路３０
３を経由して図に示すＣ点にて温水回路に合流させるこ
とにより室内熱交換器２０１に高温の温水を供給して急
速暖房が可能になる。この時、メインの温水回路はバイ
パス弁７０を調整することにより、流量を制御すること
ができる。

【００３３】暖房運転時に外気温度が低下し、室外熱交
換器４０に霜が付着した場合は、制御弁８１を調整して
Ａ点から分岐された温水を室外放熱熱交換器４２に供給
することにより前記室外熱交換器４０に付着した霜を暖
房運転を継続したまま除去することができる。室外放熱
熱交換器４２を出た温水はメインの温水回路Ｆ点に合流
する。

【００３４】さらに、冷房運転時に室外熱交換器４２と
室外熱交換器４０とを併用することにより、熱交換器容
量を増加させることができる。これは、外気に対する放
熱容量が増加することを意味し、熱ガス機関の放熱用熱
交換器１１へ戻る温水温度が低下することにより効率の
向上を図ることができる。

【００３５】冷房運転時には、四方弁３０、３１は、図
１において破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、四方弁３０に至り、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、四方弁３
１、冷水用ポンプ２１を経て低温熱交換器（吸熱用熱
源）１３に戻る。また、放熱用熱交換器１１を出た温水
はポンプ２０、バイパス弁７０、四方弁３０、室外熱交
換器４０、四方弁３１及び回収熱交換器５０を経て放熱
用熱交換器に戻すことにより、回収熱交換器５０、室外
熱交換器４０や室内放熱熱交換器２０２にて放熱し、室
内熱交換器２０１にて室内空気から熱を吸熱して冷房を
行うことができる。

【００３６】除湿運転をする場合には、分岐した温水を
バイパス弁７１、切り替え弁７２を操作し、室内放熱熱
交換器２０２に供給することにより室内熱交換器２０１
にて冷却された室内空気を室内放熱熱交換器２０２にて
再加熱し、除湿後に温度制御された空気を供給すること
ができ、快適な環境を作りだすことができる。熱ガス機
関１が作り出す温水温度で対応できない条件が要求され
たときは、バイパス７１、切り替え弁７２を操作し、温
水熱交換器５２を通し燃焼器５５で加熱した高温の温水
を室内放熱熱交換器２０２に供給できるため広い温度範
囲の条件に対応できる。更に、暖房運転時に室内放熱熱
交換器２０２と室内熱交換器２０１とを併用することに
より、室内放熱器容量を増加させることができる。これ
は、静かな風速でも熱交換が有効にできることを示し、
冷風感の少ない快適な暖房運転ができる。

【００３７】給湯は、外部供給配管６０によって回収熱
交換器５０に導かれ、ここで回路内の温水によって加熱
された後、必要に応じて熱交換器５１を介して燃焼器５
５によってさらに加熱される。回収熱交換器５０は予備
加熱が主な目的であるため、利用できる温度は低い場合
が多く、さらに高い温度や熱量を必要とする場合は燃焼
器５５による加熱を併用する。

【００３８】外部供給配管６０には、貯湯槽４１０、循
環ポンプ２３、切り替え弁７４、７５、二方弁及び配管
からなる回路が併設されている。外部供給配管６０を介
して外部より供給された水は回収熱交換器５０に導か
れ、温水によって加熱された後、貯湯槽４１０に蓄えら
れる。必要に応じて切り替え弁７４と７５を操作し、循
環ポンプ２３を運転して回収熱交換器５０と貯湯槽４１
０との間を循環させることにより貯湯温度を高くするこ
とができる。

【００３９】さらに、高温が必要な場合は、燃焼器５５
を運転し、給湯用熱交換器５１を利用するように、切り
替え弁７４及び７５を操作して、ヒートポンプが運転し
ていない場合でも貯湯できるように回路を切り替えるこ
とができ、幅広い運転モードを実現することが可能であ
る。冷房あるいは暖房の要求がなく給湯の要求のみであ
る場合の運転に対応するため、バイパス弁７０と７１と
を切り替え、室内熱交換器２０１、室外熱交換器４０へ
の温水の供給を停止し、同時に四方弁３０、３１も切り
替え、冷水の供給を室外熱交換器４０へおこなうことに
よりヒートポンプ運転による給湯が可能となる。

【００４０】また、暖房の要求が部分的に発生した場合
についても、図の運転状態からバイパス弁７０の開度を
制御し、室内器に流れる温水流量を調整することにより
対応が可能である。

【００４１】浴槽４３０を循環する回路にある追炊用熱
交換器５３を加熱用熱交換器９０に設けているため、燃
焼器５５とポンプ２２を運転することにより追炊ができ
る。

【００４２】尚、上述した実施の形態では切り替え弁に
三方弁を採用しているが、二方弁を組み合わせるもので
あっても同様な効果得ることができる。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】また、加熱用熱交換器９０は、上述の給湯
や追い焚きに限らず他の目的、例えば別個の床暖房用の
熱媒体の加熱や室外熱交換器の除霜用の熱媒体の加熱等
に利用するものであってもよい。

【００４６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１に記載の発明では、暖房運転時には、熱ガス機関に加
えて、加熱手段による熱をも加えることができるので、
高い要求負荷にも対応することができ、急速加熱暖房が
できる。

【００４７】しかも、搬送熱交換器は直接加熱手段によ
り加熱されるものでなく、加熱媒体を収納した加熱用熱
交換器を介して加熱されるから、熱搬送回路の熱媒体を
安定して加熱できるほか、利用熱交換器を備える構成で
あるから加熱用熱交換器の他の用途への利用の可能性を
も高めることができる。

【００４８】請求項２に記載の発明では、上述の請求項
１に記載の発明において、加熱用熱交換器が利用熱交換
器として追焚用熱交換器を備えた構成であるから、加熱
用熱交換器の他の用途への具体的な利用態様として、風
呂の追い焚き用として風呂の水（またはお湯）を加温す
ることができる。

【００４９】請求項３に記載の発明では、上述の請求項
１の記載の発明において、加熱用熱交換器を迂回する加
熱迂回手段を備えた構成であるから、加熱用熱交換器が
加熱手段により加熱されていない場合や十分な温度に至
っていない場合等には、加熱用熱交換器を迂回させるこ
とにより、効率良く暖房をおこなうことができる。

【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。

【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） ５０ 回収熱交換器 ５１ 給湯用熱交換器（利用熱交換器） ５２ 温水熱交換器（搬送熱交換器） ５３ 追焚用熱交換器（利用熱交換器） ５５ 燃焼器（加熱手段） ９０ 加熱用熱交換器

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、 加熱手段と、この加熱手段により加熱される加熱媒体を
   有する加熱用熱交換器とを備え、この加熱用熱交換器に
   前記熱搬送回路の熱媒体が通過する搬送熱交換器を備
   え、且つ前記加熱用熱交換器は前記熱搬送回路とは別系
   統の回路につながる利用熱交換器を備え、この利用熱交
   換器につながる回路には利用機器をつないだことを特徴
   とするヒートポンプ式冷暖房装置。
2. 【請求項２】 前記利用熱交換器は、風呂の追い炊き用
   の回路を流れる水が通過する追焚用熱交換器であること
   を特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式冷暖房装
   置。
3. 【請求項３】 前記熱搬送回路には、前記搬送熱交換器
   を迂回可能な加熱迂回手段を設けたことを特徴とする請
   求項１に記載のヒートポンプ式冷暖房装置。