JPWO2013172166A1 - ヒートポンプ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明の実施の形態1のヒートポンプ装置が適用された空調装置の冷媒回路を示す図である。
空調装置100は、ヒートポンプ装置40と、負荷側媒体が循環する負荷側回路51を有し、ヒートポンプ装置40を熱源として冷房又は暖房を行う負荷側装置50とを有している。
ヒートポンプ装置40は、冷媒が循環する冷媒回路10と、地中熱源側回路20と、制御装置30とを備えており、屋外に設置される。
冷媒回路10は、圧縮機1と、第2切替装置である四方弁2と、負荷側熱交換器である水熱交換器3と、第一減圧装置である膨張弁4aと、第一熱源熱交換器である空気熱源熱交換器5aとが順次接続されて冷媒が循環する主回路10aと、副回路10bとを備えている。副回路10bは、主回路10aの膨張弁4aと水熱交換器3との間から分岐した分岐管11aに、膨張弁4bと地中熱源熱交換器5bの冷媒流路41とが直列に接続され、地中熱源熱交換器5bの冷媒流路41において膨張弁4bとは反対側が、第1切替装置である三方弁6によって、空気熱源熱交換器5a側(空気熱源熱交換器5aにおいて膨張弁4aと反対側)又は圧縮機1の吸入側に接続される回路である。また、主回路10aには、圧縮機1への急激な液戻りを防止するための緩衝容器である冷媒容器7aが設けられている。冷媒容器7aは、余剰冷媒を貯留する容器も兼ねている。
圧縮機1は、例えば全密閉式圧縮機であり、電動機部(図示せず)と圧縮部(図示せず)とが圧縮機シェル(図示せず)に収納された構成を有している。圧縮機1へ吸引された低圧冷媒は圧縮され、高温高圧冷媒となって圧縮機1より吐出される。圧縮機1は制御装置30によってインバータ(図示しない)を介して回転数制御されることで、ヒートポンプ装置40の能力を制御している。
水熱交換器3は、負荷側装置50の負荷側回路51である冷暖用の水回路51内の負荷側媒体(ここでは、水)と冷媒回路10内の冷媒とを熱交換する。水回路51にはポンプ52により水が循環しており、暖房を行う場合、水熱交換器3は凝縮器として機能し、冷媒回路10の冷媒の熱で水を加熱して温水を生成する。冷房を行う場合、水熱交換器3は蒸発器として機能し、冷媒回路10の冷媒の冷熱で水を冷却することで冷水を生成する。この温水又は冷水を利用して室内を暖房又は冷房する。この熱交換器の形態はプレートを積層したプレート式や、冷媒が流れる伝熱管と水が流れる伝熱管から成る二重管式などがあるが、本実施の形態ではどちらを用いても良い。なお、負荷側回路51を循環する負荷側媒体は水に限られず、ブラインなどの不凍液であってもよい。
膨張弁4aは、空気熱源熱交換器5aを流れる冷媒流量を調整する。また、第二減圧装置である膨張弁4bは、地中熱交換器21を流れる冷媒流量を調整する。各膨張弁4a、4nの開度は制御装置30からの制御信号に基づいて可変に設定される。膨張弁は電気信号によって開度が可変な電子膨張弁の他に、複数のオリフィスやキャピラリを並列に接続し、電磁弁などの開閉弁操作によって熱交換器へ流入する冷媒流量を制御できるようにしても良い。
空気熱源熱交換器5aは、例えば銅やアルミニウムで構成されるフィンアンドチューブ型熱交換器である。空気熱源熱交換器5aは、熱媒体搬送装置であるファン8から供給された外気と冷媒とを熱交換する。
第1切替装置である三方弁6は、通常運転(暖房運転又は冷房運転)時と、空気熱源熱交換器5aの除霜運転時とで、地中熱源熱交換器5bの冷媒の流れを切り替えるために用いられる。具体的には、通常運転時には、空気熱源熱交換器5aと地中熱源熱交換器5bとが共に凝縮器(放熱器)又は蒸発器として作用するように、空気熱源熱交換器5a側に切り替えられる。一方、除霜運転時は、空気熱源熱交換器5aが凝縮器として作用し、地中熱源熱交換器5bが蒸発器として作用するように、圧縮機1の吸入側に切り替えられる。
第2切替装置である四方弁2は、冷媒回路10の流れを切り替えるために用いられる。流路を切り替えることによって、水熱交換器3を暖房運転時は凝縮器として利用し、冷房運転時は蒸発器として利用することができる。
熱交換媒体回路である地中熱源側回路20は、第二熱源熱交換器である地中熱源熱交換器5bの地中熱源側媒体流路42と、地中に埋設される地中熱交換器21と、地熱用ポンプ22とが順次配管で接続され、ブラインなどの不凍液である熱交換媒体としての地中熱源側媒体が循環し、地中熱を採熱できるように構成されている。
地中熱交換器21は、例えば略U字状に形成されて地中に垂直又は水平に埋設された樹脂製の採熱パイプ群によって構成される。地中熱交換器21は、採熱パイプ群を埋設する地域や深度によって熱交換性能が異なったものとなる。地中熱交換器21では、内部を通過する地中熱源側媒体が地中から熱を採熱する。
地中熱源熱交換器5bは、冷媒回路10を循環する冷媒と地中熱源側回路20内を循環する地中熱源側媒体との熱交換を行う。地中熱源熱交換器5bには、地中熱交換器21によって地中熱を採熱した地中熱源側媒体が地中熱源側媒体流路42に流入するため、地中から地中熱交換器21によって採熱した熱が冷媒流路41の冷媒に伝達される。これにより、冷媒回路10は地中熱を採熱する。地中熱源熱交換器5bは水熱交換器3と同様に、プレート式や二重管式などがあり、どちらを用いても良い。
ヒートポンプ装置40には、必要に応じて温度又は圧力センサが設けられている。各センサの検出値は制御装置30に入力され、ヒートポンプ装置40の運転制御、例えば圧縮機1の容量制御や、膨張弁4a、4bの開度制御に使われている。図1では、冷媒温度センサ31と、大気温度センサ32と、地熱温度センサ33とを備えている。
本実施の形態1における通常運転、特に暖房運転の運転動作について説明する。暖房運転時、四方弁2及び三方弁6は共に図1の点線側に切り替えられる。
低温低圧の冷媒(状態[1])は圧縮機1で圧縮され、高温高圧の冷媒(状態[2])となって吐出される。圧縮機1から吐出された高温高圧の冷媒は、暖房用に切り替えられた四方弁2を通過して水熱交換器3に流入し、水回路51の水へ放熱する。水への放熱により低温高圧となった冷媒(状態[3])は2つに分岐してそれぞれ膨張弁4a、4bに流入する。
次に、本実施の形態における通常運転、特に冷房運転の運転動作について説明する。冷房運転時、四方弁2は図1の実線側に切り替えられ、三方弁6は図1の点線側に切り替えられる。
低温低圧の冷媒(状態[1])は圧縮機1で圧縮され、高温高圧の冷媒(状態[2])となって吐出される。圧縮機1から吐出された高温高圧の冷媒は、冷房用に切り替えられた四方弁2を通過後、合流分岐点Pで2つに分岐して一方は空気熱源熱交換器5aに流入し、他方は三方弁6を介して地中熱源熱交換器5bに流入する。
次に、本実施の形態1における除霜運転の運転動作について説明する。除霜運転時、四方弁2及び三方弁6は共に図1の実線側に切り替えられる。
低温低圧の冷媒(状態[1])は圧縮機1で圧縮され、高温高圧の冷媒(状態[2])となって吐出される。圧縮機1から吐出された高温高圧の冷媒は、除霜用(冷房用と同じ)に切り替えられた四方弁2を通過して空気熱源熱交換器5aに流入する。そして、空気熱源熱交換器5aに流入した冷媒は、空気熱源熱交換器5aに付着した霜や熱源側熱媒体である大気へ放熱して凝縮し、低温高圧冷媒(状態[3])となる。低温高圧となった冷媒は膨張弁4aに流入して減圧されて状態[4]の冷媒となる。
図8は、本発明の実施の形態1の空調装置における除霜運転時の処理の流れを示すフローチャートである。
空調装置の制御装置30は暖房運転中(S1)、センサ等からの検出値に基づき除霜運転要否を判断している(S2)。一般的な除霜要否の判断の例としては、例えば以下の方法がある。一つは、冷媒温度センサ31により検知された温度又は吸入圧力センサ34の検出値から換算された温度と、大気温度センサ32により検出された大気温度との差が所定値となった場合、除霜要と判断する方法がある。他には、大気温度が所定値以下でこのときの暖房運転時間が所定値以上となった場合、除霜要と判断する方法がある。
図9に示すように水熱交換器3と膨張弁4aとの間に開閉弁9を設けたり、図10(a)、図10(b)に示すように除霜運転時に水熱交換器3の入口側となる位置に膨張弁4cを設けたりしてもよい。このような構成とすると、除霜運転時に開閉弁9を閉とする又は膨張弁4cを全閉とすることで、水熱交換器3に流入する冷媒流量を無くすことができる。この場合、負荷側(室内側)からの吸熱量が減るため、除霜運転中の室内の快適性を更に向上することができる。なお、図10(a)において7bは冷媒を貯留する冷媒容器である。図10(a)に示すように冷媒容器7bの他に更に冷媒緩衝容器である冷媒容器7aを設けた構成としてもよい。
また、実施の形態1では、第1切替装置として三方弁6を例に挙げて説明したが、第1切替装置を三方弁6に限定するものではない。例えば、第1切替装置として二方流路切替弁を複数個用いたり、四方弁の1つの流路を閉塞したりして、同じように冷媒の流れを切り替えられるように構成してもよい。
実施の形態2は、除霜運転時の圧縮機仕事量の低減を図るようにしたものである。
本実施の形態2における通常運転、特に暖房運転の運転動作について説明する。暖房運転時、四方弁2は図11の点線側に切り替えられる。
低温低圧の冷媒は圧縮機1で圧縮され、高温高圧の冷媒となって吐出される。圧縮機1から吐出された高温高圧の冷媒は、暖房用に切り替えられた四方弁2を通過して水熱交換器3に流入し、水回路51の水へ放熱する。水への放熱により低温高圧となった冷媒は2つに分岐してそれぞれ膨張弁4a、4bに流入する。
次に、本実施の形態2における除霜運転の運転動作について説明する。
図13は、本実施の形態2における除霜運転時の冷媒の流れを示す図である。図13において一点鎖線は冷媒が流れない配管部分を示している。図14は、p−h線図(冷媒の圧力と比エンタルピーとの関係を示す線図)を示しており、図13の除霜運転時の運転状態と熱源側熱媒体の温度(大気温度及び地中温度)との関係を示した図である。ここでは、地熱温度が空気温度よりも高くなっている。また、図14における[i](i=1,2,...)は、図13の[i](i=1,2,...)に示す各配管位置における冷媒状態を示している。
制御装置30は、暖房運転中に除霜必要と判断した場合、圧縮機1を停止し、開閉弁12a、12bを閉とする。その後、冷媒ポンプ1bを稼動させ、除霜回路Aに冷媒を循環させる。これにより、上述したように地中熱源熱交換器5bで採熱した地中熱により空気熱源熱交換器5aの除霜を行う。そして、制御装置30は除霜終了すると判断すると、冷媒ポンプ1bを停止させ、開閉弁12a、12bを開き、圧縮機1を稼動させて再び暖房運転を実施する。
実施の形態1では、除霜運転中、暖房運転を停止して主回路10aを冷房運転する構成であったが、実施の形態3では、除霜運転中、暖房運転を継続しつつ除霜も行えるようにしたものである。
実施の形態3のヒートポンプ装置40では、実施の形態1と三方弁6の位置が異なる。具体的には、実施の形態3では主回路10aにおいて、圧縮機1と四方弁2との間から分岐した分岐管11bに三方弁6が設けられており、空気熱源熱交換器5aにおいて膨張弁4aと反対側が、三方弁6によって地中熱源熱交換器5b側(地中熱源熱交換器5bにおいて膨張弁4bと反対側)又は圧縮機1の吐出側に接続するように切り替えられる構成としたものである。
本実施の形態3における通常運転、特に暖房運転の運転動作について説明する。暖房運転時、四方弁2は図16の実線側、三方弁6は図16の点線側に切り替えられる。
低温低圧の冷媒は圧縮機1で圧縮され、高温高圧の冷媒となって吐出される。圧縮機1から吐出された高温高圧の冷媒は、暖房用に切り替えられた四方弁2を通過して水熱交換器3に流入し、水回路51の水へ放熱する。水への放熱により低温高圧となった冷媒は2つに分岐してそれぞれ膨張弁4a、4bに流入する。
次に、本実施の形態3における除霜運転の運転動作について説明する。除霜運転時、四方弁2及び三方弁6は共に図16の実線側に切り替えられる。
図20は、本発明の実施の形態4のヒートポンプ装置を備えた空調システムの冷媒回路を示す図である。実施の形態4のヒートポンプ装置40は、図16に示した実施の形態3のヒートポンプ装置40において分岐管11bが削除される一方、主回路10aに補助圧縮機1cを新たに追加した構成を有する。また、実施の形態4のヒートポンプ装置40は、三方弁6の切り替えにより空気熱源熱交換器5aが補助圧縮機1cの吐出側又は地中熱源熱交換器5b側(地中熱源熱交換器5bの冷媒流路41において膨張弁4bとは反対側)に流通するようになっている。また、水熱交換器3と膨張弁4a、4bの間に膨張弁4cを備えており、水熱交換器3に流入する冷媒流量を制御可能となっている。
本実施の形態4における通常運転、特に暖房運転の運転動作について説明する。暖房運転時、四方弁2は図20の実線側、三方弁6は図20の点線側に切り替えられる。
低温低圧の冷媒は圧縮機1で圧縮され、高温高圧の冷媒となって吐出される。圧縮機1から吐出された高温高圧の冷媒は、暖房用に切り替えられた四方弁2を通過して水熱交換器3に流入し、水回路51の水へ放熱する。水への放熱により低温高圧となった冷媒は2つに分岐してそれぞれ膨張弁4a、4bに流入する。
次に、本実施の形態4における除霜運転の運転動作について説明する。除霜運転時、四方弁2及び三方弁6は共に図20の実線側に切り替えられる。
また、実施の形態2〜4において第2切替装置を備える場合には、実施の形態1と同様に四方弁2に限定するものではなく、二方流路切替弁や三方流路切替弁を複数個用い、四方弁2と同じように冷媒の流れを切り替えられるように構成してもよい。
さらに、実施の形態2〜4では、第1切替装置として三方弁6を例に挙げて説明したが、実施の形態1と同様に第1切替装置を三方弁6に限定するものではない。例えば、第1切替装置として、二方流路切替弁を複数個用いたり、四方弁の1つの流路を閉塞したりして、同じように冷媒の流れを切り替えられるように構成してもよい。
Claims (11)
- 圧縮機、負荷側熱交換器の冷媒流路、第一減圧装置及び大気と熱交換する第一熱源熱交換器が順次接続されて冷媒が循環する主回路と、前記主回路の前記第一減圧装置と前記負荷側熱交換器との間から分岐した分岐管に、第二減圧装置と第二熱源熱交換器の冷媒流路とが直列に接続され、前記第二熱源熱交換器の冷媒流路において前記第二減圧装置とは反対側の接続先が、前記第一熱源熱交換器との合流分岐点側又は前記圧縮機の吸入側となるように第1切替装置によって切り替えられる副回路とを有する冷媒回路と、
前記第二熱源熱交換器の熱交換媒体流路を備え、大気とは別の熱源と熱交換して前記別の熱源の熱を吸熱する熱交換媒体が循環する熱交換媒体回路と、
前記第1切替装置を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は除霜運転時に、
前記第一熱源熱交換器を放熱器、前記第二熱源熱交換器を蒸発器として作用させ、前記第1切替装置を前記圧縮機の吸入側に切り替え、前記熱交換媒体回路により前記別の熱源から採熱した熱を、前記第二熱源熱交換器における熱交換により前記副回路を介して前記主回路へ採熱し、前記第二熱源熱交換器の除霜熱源として用いるようにした
ことを特徴とするヒートポンプ装置。 - 前記圧縮機の吐出側に第2切替装置を備え、
前記制御装置は除霜運転時に、
前記第2切替装置を切り替えて、前記第一熱源熱交換器を放熱器、前記第二熱源熱交換器を蒸発器として作用させる
ことを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプ装置。 - 前記圧縮機の吐出側に設けた第2切替装置と、
前記冷媒回路の一部の流路を遮断することにより形成され、前記第一熱源熱交換器と、前記第二熱源熱交換器との間を冷媒が循環する除霜回路と、
前記除霜回路上に設けられ、冷媒を循環させるための冷媒ポンプとを備え、
前記制御装置は除霜運転時に、
前記第一熱源熱交換器が放熱器、前記第二熱源熱交換器が蒸発器として作用するように前記第2切替装置を切り替えると共に前記第1切替装置を前記圧縮機の吸入側に切り替えて除霜を行う方法と、
前記圧縮機を停止させると共に、前記除霜回路を形成して前記冷媒ポンプを稼動させ、前記熱交換媒体回路から前記第二熱源熱交換器を介して前記別の熱源の熱を採熱した冷媒を前記除霜回路に循環させることにより除霜を行う方法とのどちらかにより除霜を行う
ことを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプ装置。 - 前記圧縮機の吐出側に設けた第2切替装置と、
前記冷媒回路の一部の流路を遮断することにより形成され、前記第一熱源熱交換器と、前記第二熱源熱交換器との間を冷媒が循環する除霜回路と、
前記第一熱源熱交換器が、前記第二熱源熱交換器よりも高い位置に配置され、前記熱交換媒体回路から前記第二熱源熱交換器を介して前記別の熱源の熱を採熱した冷媒が、前記除霜回路を自然循環するように構成され、
前記制御装置は除霜運転時に、
前記第一熱源熱交換器が放熱器、前記第二熱源熱交換器が蒸発器として作用するように前記第2切替装置を切り替えると共に前記第1切替装置を前記圧縮機の吸入側に切り替えて除霜を行う方法と、
前記圧縮機を停止させると共に前記除霜回路を形成し、自然循環により除霜を行う方法とのどちらかにより除霜を行う
ことを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプ装置。 - 前記主回路は、前記前記第一熱源熱交換器において前記第一減圧装置と反対側の接続先が前記第1切替装置によって切り替えられるように構成され、
前記副回路は、前記第二熱源熱交換器の冷媒流路において前記第二減圧装置とは反対側が前記圧縮機の吸入側に接続されるように構成され、
前記冷媒回路は、前記第一熱源熱交換器において前記第一減圧装置と反対側の接続先を、前記第二熱源熱交換器との合流分岐点側となるように前記第1切替装置を切り替えることで、前記負荷側熱交換器が放熱器として作用し、前記第一熱源熱交換器が蒸発器として作用するように冷媒が循環する加熱運転を少なくとも行うように構成されており、
前記制御装置は除霜運転時に、
前記第一熱源熱交換器において前記第一減圧装置と反対側の接続先を前記第1切替装置により前記圧縮機の吐出側とし、前記圧縮機から吐出された冷媒の一部が前記第一熱源熱交換器に流入するようにする
ことを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプ装置。 - 前記冷媒回路の前記合流分岐点と前記第一熱源熱交換器との間に前記第1切替装置を介して設けられた補助圧縮機を備え、
前記主回路は、前記前記第一熱源熱交換器において前記第一減圧装置と反対側の接続先が前記第1切替装置によって切り替えられるように構成され、
前記副回路は、前記第二熱源熱交換器の冷媒流路において前記第二減圧装置とは反対側が前記圧縮機の吸入側に接続されるように構成され、
前記冷媒回路は、前記第一熱源熱交換器において前記第一減圧装置と反対側の接続先を、前記第二熱源熱交換器との合流分岐点側となるように前記第1切替装置を切り替えることで、前記負荷側熱交換器が放熱器として作用し、前記第一熱源熱交換器が蒸発器として作用するように冷媒が循環する加熱運転を少なくとも行うように構成されており、
前記制御装置は除霜運転時に、
前記第一熱源熱交換器において前記第一減圧装置と反対側の接続先を前記第1切替装置により前記補助圧縮機の吐出側とし、前記第二熱源熱交換器の冷媒流路から流出した冷媒の一部が前記補助圧縮機で圧縮されて前記第二熱源熱交換器に流入するようにする
ことを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプ装置。 - 圧縮機、負荷側熱交換器の冷媒流路、第一減圧装置及び大気と熱交換する第一熱源熱交換器が順次接続されて冷媒が循環する主回路と、前記主回路の前記第一減圧装置及び前記第一熱源熱交換器に並列に接続される回路であって、第二減圧装置及び第二熱源熱交換器の冷媒流路が直列に接続された副回路とを有する冷媒回路と、
前記第二熱源熱交換器の熱交換媒体流路を備え、大気とは別の熱源と熱交換して前記別の熱源の熱を吸熱する熱交換媒体が循環する熱交換媒体回路と、
前記冷媒回路の一部の流路を遮断することにより形成され、前記第一熱源熱交換器と、前記第二熱源熱交換器との間を冷媒が循環する除霜回路と、
除霜運転時に、前記圧縮機を停止させると共に、前記除霜回路を形成して、前記熱交換媒体回路から前記第二熱源熱交換器を介して前記別の熱源の熱を採熱した冷媒を、前記除霜回路に循環させて除霜を行う制御装置とを備えた
ことを特徴とするヒートポンプ装置。 - 前記除霜回路上に設けられ、冷媒を循環させるための冷媒ポンプを備え、
前記制御装置は、
除霜運転時に、前記圧縮機を停止させると共に、前記除霜回路を形成して前記冷媒ポンプを稼動させ、前記熱交換媒体回路から前記第二熱源熱交換器を介して前記別の熱源の熱を採熱した冷媒を、前記除霜回路に循環させて除霜を行う
ことを特徴とする請求項7に記載のヒートポンプ装置。 - 前記第一熱源熱交換器は、前記第二熱源熱交換器よりも高い位置に配置され、
除霜運転時に前記熱交換媒体回路から前記第二熱源熱交換器を介して前記別の熱源の熱を採熱した冷媒が、前記除霜回路を自然循環する
ことを特徴とする請求項7に記載のヒートポンプ装置。 - 前記別の熱源として、前記負荷側熱交換器が設置される負荷側装置の設定温度よりも低い温度を有する熱源を用いる
ことを特徴とする請求項1〜9の何れか一項に記載のヒートポンプ装置。 - 前記別の熱源として、地熱、地下水、海水、太陽熱温水の何れかを用いる
ことを特徴とする請求項10に記載のヒートポンプ装置。
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