JPWO2017163337A1 - ヒートポンプ式暖房装置 - Google Patents

Abstract

本発明に係るヒートポンプ式暖房装置（１）は、暖房端末（７０）に熱を供給する。ヒートポンプ式暖房装置（１）は、冷凍サイクル（１０）と、熱交換部（３１）と、放熱部（３２）と、送風装置（５０）とを備える。冷凍サイクル（１０）は、第１冷媒を圧縮機（１１）、凝縮器（１２）、膨張弁（１３）、および蒸発器（１４）の順に循環させるように構成される。熱交換部（３１）は、凝縮器（１２）からの熱を用いて、暖房端末（７０）へ流れる第２冷媒を加熱するように構成される。放熱部（３２）は、暖房端末（７０）から熱交換部（３１）へ流れる第２冷媒の熱を放出するように構成される。送風装置（５０）は、放熱部（３２）から蒸発器（１４）へ送風するように構成される。

Description

本発明は、ヒートポンプ式暖房装置に関する。

冷凍サイクルを備える装置において、蒸発器の周囲の温度が低下すると、蒸発器に霜が発生する場合がある。蒸発器に霜が発生すると蒸発器における熱交換効率が低下して、冷凍サイクルの能力が低下することが知られている。そのため、冷凍サイクルを備える装置は、蒸発器に発生した霜を取り除く為に除霜運転を行なう構成を有するものがある。たとえば、特開２００８−９６０４４号公報（特許文献１）には、除霜運転として蒸発器を貯湯タンクからの温水で加熱する、貯湯式給湯装置が開示されている。

特開２００８−９６０４４号公報

除霜運転を行なっている間、蒸発器による熱の吸熱を停止して除霜を速やかに完了するために、冷凍サイクルの通常の運転は行なわれない場合が多い。除霜運転が頻繁に行なわれると、通常の運転が妨げられるため、ユーザの快適性が損なわれ得る。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、暖房運転を継続しながら蒸発器における霜の発生を抑制することができるヒートポンプ式暖房装置を提供することである。

本発明に係るヒートポンプ式暖房装置は、暖房端末に熱を供給して室内の暖房を行なう。ヒートポンプ式暖房装置は、冷凍サイクルと、熱交換部と、放熱部と、送風装置とを備える。冷凍サイクルは、第１冷媒を圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器の順に循環させるように構成される。熱交換部は、凝縮器からの熱を用いて、暖房端末へ流れる第２冷媒を加熱するように構成される。放熱部は、暖房端末から熱交換部へ流れる第２冷媒の熱を放出するように構成される。送風装置は、放熱部から蒸発器へ送風するように構成される。

本発明によれば、暖房運転中の第２冷媒の残熱を蒸発器の加熱に利用することができる。そのため、暖房運転を継続しながら蒸発器を加熱して霜の発生を抑制することができ、ユーザの快適性を向上させることができる。

実施の形態に係るヒートポンプ式暖房装置の構成を示す機能ブロック図である。 冷凍サイクルを循環する１次冷媒の圧力とエンタルピとの関係を示すＰ−ｈ線図である。 ヒートポンプ式暖房装置の暖房能力と成績係数ＣＯＰ（Coefficient Of Performance）とを比較するための図である。 制御装置によって行なわれる切換弁を制御する処理を説明するためのフローチャートである。 実施の形態の変形例に係るヒートポンプ式暖房装置の構成を示す機能ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、実施の形態に係るヒートポンプ式暖房装置１の構成図である。図１に示されるように、ヒートポンプ式暖房装置１は、冷凍サイクル１０と、ポンプ２０と、冷却器３２と、切換弁４０と、ファン５０と、制御装置１００とを備える。

冷凍サイクル１０は、圧縮機１１と、凝縮器１２と、膨張弁１３と、蒸発器１４とを含む。冷凍サイクル１０においては、１次冷媒が、圧縮機１１、凝縮器１２、膨張弁１３、および蒸発器１４の順に循環する。凝縮器１２には、熱交換部３１が組み込まれている。

１次冷媒（たとえばＲ３２）は、凝縮器１２において熱交換部３１を通過する２次冷媒に熱を放出する。１次冷媒からの熱を受けた２次冷媒は、ポンプ２０によって暖房端末７０（たとえばファンコイルあるいはラジエータ）に出力される。暖房端末７０は、２次冷媒から放出される熱によって暖められる。暖房端末７０に熱を放出した２次冷媒は、凝縮器１２に戻り再び１次冷媒から熱を受けてポンプ２０によって暖房端末７０に出力される。

冷却器３２は、熱交換部３１および暖房端末７０に接続されている。冷却器３２と暖房端末７０とを接続する流路から分岐して、熱交換部３１に接続される流路の途中に切換弁４０が接続されている。

２次冷媒は、たとえば水あるいはブラインである。ブラインは、凝固点が０℃より低い不凍液であり、たとえば塩化ナトリウム水溶液、塩化カルシウム水溶液あるいはエチレングリコール水溶液を含む。２次冷媒として水よりも凝固点の低いブラインを用いることで、配管中での凍結を抑制することができる。

圧縮機１１は、蒸発器１４から気体の１次冷媒（ガス冷媒）を、圧縮して出力する。圧縮機１１は、制御装置１００によって駆動周波数が制御されて、単位時間あたりに吐出する冷媒量が制御される。

凝縮器１２においては、圧縮機１１からの高温高圧のガス冷媒が冷却されて凝縮し、液体の１次冷媒（液冷媒）が出力される。凝縮器１２は、ガス冷媒が凝縮するときの熱（凝縮熱）を２次冷媒に放出する。

膨張弁１３は、凝縮器１２からの液冷媒を断熱膨張させて減圧する。膨張弁１３は、制御装置１００によって開度が調節される。膨張弁１３で減圧された１次冷媒は、気液二相状態（湿り蒸気）となる。膨張弁１３は、たとえば電子制御式膨張弁（ＬＥＶ：Linear Expansion Valve）である。

蒸発器１４は、熱交換により外気から熱を受け、膨張弁１３からの湿り蒸気に含まれる液冷媒を蒸発させる。蒸発器１４からは、ガス冷媒が出力される。蒸発器１４は、周囲の空気から熱（蒸発熱）を奪って液冷媒を蒸発させる。

ファン５０は、送風により冷却器３２から蒸発器１４への空気の流れを促進する。ファン５０は、図１に示されるように冷却器３２へ送風するように配置されていてもよいし、あるいは蒸発器１４からの空気を吸い込むように配置されていてもよい。

制御装置１００は、膨張弁１３の開度を制御して、たとえば蒸発器１４から出力される冷媒の過熱度が目標過熱度に近づくようにする（過熱度制御）。制御装置１００は、ポンプ２０を制御して２次冷媒を暖房端末に出力する。制御装置１００は、凝縮器１２を通過した冷媒の温度が一定の温度となるように圧縮機１１の駆動周波数を制御して圧縮機１１から出力される単位時間に出力される冷媒の量を調節する。制御装置１００は、ファン５０を制御して冷却器３２へ送風する。制御装置１００は、切換弁４０の開閉を制御する。制御装置１００は、蒸発器１４の周囲の温度を温度センサ６０から受ける。制御装置１００は、ヒートポンプ式暖房装置１の暖房運転を停止している場合でも、２次冷媒を間欠的に循環させて、２次冷媒の凍結を防止する。

蒸発器の周囲の温度が低下すると、蒸発器に霜が発生する場合がある。蒸発器に霜が発生すると蒸発器における熱交換効率が低下して、冷凍サイクルの能力が低下することが知られている。そのような場合、ヒートポンプ式暖房装置においては蒸発器に発生した霜を取り除く除霜運転を行なう。除霜運転としては、たとえば冷凍サイクルにおける１次冷媒の循環を逆向きにしたり、あるいは、暖房端末によって暖められた温水を利用する方法を挙げることができる。

除霜運転を行なっている間、蒸発器による熱の吸熱を停止して除霜を速やかに完了するために、冷凍サイクル１０の通常の運転は停止されるのが通常である。除霜運転が頻繁に行なわれると、暖房運転の継続が妨げられるため、ユーザの快適性が損なわれ得る。

そこで、実施の形態においては、暖房運転中に２次冷媒の残熱を利用して蒸発器１４を加熱し、蒸発器１４における霜の発生を抑制する。その結果、暖房運転を継続的に行なうことができ、ユーザの快適性を向上させることができる。

実施の形態においては、暖房端末７０から戻ってきた２次冷媒は、切換弁４０が閉まっている場合に冷却器３２を経由してから凝縮器１２に戻る。冷却器３２は、２次冷媒を冷却する。２次冷媒は、冷却器３２を通過するときに熱を放出する。当該熱によって暖められた空気がファン５０によって蒸発器１４へ送風される。蒸発器１４は、当該空気によって加熱される。

切換弁４０が開いている場合、冷却器３２を経由する流路は切換弁４０を経由する流路よりも流路抵抗が高いため、暖房端末７０から戻ってきた２次冷媒のほとんどは、切換弁４０を経由して、凝縮器１２に入力される。切換弁４０が開いている場合、蒸発器１４は、２次冷媒によってほとんど加熱されない。

実施の形態においては、切換弁４０が閉まっている場合に暖房端末７０に熱を放出した２次冷媒から冷却器３２がさらに熱を奪って、当該熱を用いて蒸発器１４を加熱する。凝縮器１２に入力される２次冷媒の温度は、切換弁４０が閉まっている場合の方が切換弁４０が開いている場合よりも低くなる。切換弁４０が閉まっている場合、暖房端末７０へ出力される２次冷媒の温度を切換弁４０が開いている場合と同じ温度とするためには、切換弁４０が開いている場合よりも凝縮器１２において多くの熱を２次冷媒に与える必要がある。すなわち、蒸発器１４を通過する１次冷媒のエンタルピは、切換弁４０が閉まっている場合の方が切換弁４０が開いている場合よりも大きくする必要がある。そのため、冷凍サイクル１０の圧縮機１１は、切換弁４０が閉まっている場合の方が切換弁４０が開いている場合よりも１次冷媒に行なう仕事量（エネルギー）を高めるように制御装置１００によって制御される。

図２は、冷凍サイクル１０を循環する１次冷媒の圧力とエンタルピとの関係を示すＰ−ｈ線図である。図２において、曲線ＬＣは、１次冷媒の飽和液線である。曲線ＧＣは、単１次冷媒の飽和蒸気線である。点ＣＰは、１次冷媒の臨界点である。

臨界点は、液冷媒とガス冷媒との間で相変化が生じ得る範囲の限界を示す点であり、飽和液線と飽和蒸気線との交点となる。臨界点における圧力より１次冷媒の圧力が高くなると液冷媒とガス冷媒との間で相変化が生じなくなる。飽和液線よりエンタルピが低い領域においては１次冷媒は液体であり、飽和蒸気線よりもエンタルピが高い領域においては１次冷媒は気体である。飽和液線と飽和蒸気線とで挟まれた領域においては、１次冷媒は気液二相状態（湿り蒸気）である。

図２を参照して、切換弁４０が開いている場合（２次冷媒による蒸発器１４の加熱を行なわない場合）における１次冷媒の循環は、点Ｒ１１から、点Ｒ１２、点Ｒ１３、および点Ｒ１４を経て点Ｒ１１へ戻ってくるサイクルＣ１（破線）として表される。点Ｒ１１から点Ｒ１２への状態変化は、圧縮機１１による１次冷媒の圧縮の過程を表わす。点Ｒ１２から点Ｒ１３への状態変化は、凝縮器１２による１次冷媒の凝縮の過程を表わす。点Ｒ１３から点Ｒ１４への状態変化は、膨張弁１３による１次冷媒の断熱膨張の過程を表わす。点Ｒ１４から点Ｒ１１への状態変化は、蒸発器１４による１次冷媒の蒸発の過程を表わす。

切換弁４０が閉まっている場合（２次冷媒による蒸発器１４の加熱を行なう場合）における１次冷媒の循環は、点Ｒ２１から、点Ｒ２２、点Ｒ２３、および点Ｒ２４を経て点Ｒ２１へ戻ってくるサイクルＣ２（実線）として表される。点Ｒ２１から点Ｒ２２への状態変化は、圧縮機１１による１次冷媒の圧縮の過程を表わす。点Ｒ２２から点Ｒ２３への状態変化は、凝縮器１２による１次冷媒の凝縮の過程を表わす。点Ｒ２３から点Ｒ２４への状態変化は、膨張弁１３による１次冷媒の断熱膨張の過程を表わす。点Ｒ２４から点Ｒ２１への状態変化は、蒸発器１４による１次冷媒の蒸発の過程を表わす。

切換弁４０が開いている場合のサイクルＣ１と切換弁４０が閉まっている場合のサイクルＣ２とを比較すると、圧縮機１１による断熱圧縮の過程の終点に関して、点Ｒ２２の状態の方が、点Ｒ２１の状態よりもエンタルピおよび圧力ともに高くなっている。これは、切換弁４０が閉まっている場合の方が開いている場合よりも１次冷媒を圧縮するように圧縮機１１が制御装置１００によって制御された結果である。

また、凝縮器１２による凝縮過程の終点に関して、点Ｒ２３の状態の方が、点Ｒ１３の状態よりもエンタルピが小さい。これは、切換弁４０が閉まっている場合、暖房端末７０から戻ってきた２次冷媒が冷却器３２を経由するため、凝縮器１２に入力される２次冷媒の温度は、切換弁４０が開いている場合よりも下がる。凝縮器１２を通過した１次冷媒は、切換弁４０が開いている場合より切換弁４０が閉まっている場合の方が冷却される。その結果、切換弁４０が開いている場合よりも切換弁４０が閉まっている場合の方が過冷却度が高まり、点Ｒ２３の状態の方が、点Ｒ１３の状態よりもエンタルピが小さくなっている。

このように、切換弁４０を閉めて２次冷媒を用いて蒸発器１４を加熱すると、圧縮機１１が１次冷媒に行なう仕事量（エネルギー）が高まる。すなわち、ヒートポンプ式暖房装置１で消費するエネルギーが増加する。そのため、切換弁４０を閉めて２次冷媒を用いて蒸発器１４を加熱すると、ヒートポンプ式暖房装置１の効率が低下してしまう。そこで、実施の形態においては、霜の発生を抑制することによりヒートポンプ式暖房装置１の暖房能力を向上させることができる場合に切換弁４０を閉めて、蒸発器１４を加熱する。

図３は、ヒートポンプ式暖房装置１の暖房能力と成績係数ＣＯＰ（Coefficient Of Performance）とを比較するための図である。実施の形態においてヒートポンプ式暖房装置１の暖房能力とは、暖房端末が２次冷媒から受ける熱量である。実施の形態においてヒートポンプ式暖房装置１のＣＯＰとは、暖房能力と圧縮機１１によって１次冷媒に与えられたエネルギーとの比であり、ヒートポンプ式暖房装置１の効率を示す指標である。図３に示されるグラフは、実機実験あるいはシミュレーションによって得ることができる。

図３（ａ）は、暖房能力と蒸発器１４の周囲の温度との関係を示す図である。図３（ａ）において、曲線ＰＮは、蒸発器１４に霜が発生しないと仮定した場合を示す。曲線ＰＣは、切換弁４０が閉まっている場合を示す。曲線ＰＯは、切換弁４０が開いている場合を示す。図３（ａ）に示されるように、蒸発器１４の周囲の温度Ｔが温度Ｔ１から温度Ｔ２の間（Ｔ１＜Ｔ＜Ｔ２）にある場合、暖房能力は、切換弁４０が閉まっている場合の方が開いている場合よりも大きい。一方、温度Ｔが温度Ｔ１より小さい場合、湿度が低くなるため、蒸発器１４に霜が発生しにくい。そのため、暖房能力は、切換弁４０が閉まっている場合と開いている場合とではほとんど変わらない。また、温度Ｔが温度Ｔ２より大きい場合、水の凝固点である０℃よりも十分に温度が高いため、暖房能力は切換弁４０が閉まっている場合と開いている場合とではほとんど変わらない。

図３（ｂ）は、ＣＯＰと蒸発器１４の周囲の温度との関係を示す図である。図３（ｂ）において、曲線ＥＮは、蒸発器１４に霜が発生しないと仮定した場合を示す。曲線ＥＣは、切換弁４０が閉まっている場合を示す。曲線ＥＯは、切換弁４０が開いている場合を示す。図３（ｂ）に示されるように、切換弁４０が閉まっている場合のＣＯＰは、切換弁４０が開いている場合のＣＯＰを下回っている。すなわち、切換弁４０を閉めて２次冷媒の残熱を用いて蒸発器１４を加熱すると、ヒートポンプ式暖房装置１の効率が低下する。

図３に示されるように、ＣＯＰ（図３（ｂ））が低下するものの、暖房能力（図３（ａ））が向上するのは蒸発器１４の周囲の温度Ｔが温度Ｔ１から温度Ｔ２の間（Ｔ１＜Ｔ＜Ｔ２）にある場合である。そこで、実施の形態においては蒸発器１４の周囲の温度Ｔが温度Ｔ１から温度Ｔ２の間（Ｔ１＜Ｔ＜Ｔ２）にある場合に、切換弁４０を閉めて、２次冷媒に冷却器３２を経由させて、蒸発器１４を加熱する。

図４は、制御装置１００によって行なわれる切換弁４０の開閉を制御する処理を説明するためのフローチャートである。図３に示される処理は、ヒートポンプ式暖房装置１の制御のために制御装置１００によって実行される不図示のメインルーチンによって行なわれる。

図４に示されるように、制御装置１００は、ステップ（以下では単にＳと記載する）Ｓ１０１において、蒸発器１４の周囲の温度Ｔを温度センサ６０により測定し、処理をＳ１０２に進める。制御装置１００は、Ｓ１０２において温度Ｔが基準温度Ｔ１より大きく、かつ基準温度Ｔ２より小さいか否かを判定する。温度Ｔが基準温度Ｔ１より大きく、かつ基準温度Ｔ２より小さい場合（Ｓ１０２においてＹＥＳ）、制御装置１００は、Ｓ１０３において切換弁４０を閉めて蒸発器１４を暖めて霜の発生を抑制する。処理をメインルーチンに返す。温度Ｔが基準温度Ｔ１以下、または基準温度Ｔ２以上である場合（Ｓ１０２においてＮＯ）、制御装置１００は、Ｓ１０４において切換弁４０を開けて蒸発器１４の加熱を中止する。

上記のような処理を行なうことにより、２次冷媒を冷却器３２において冷却することによるＣＯＰの低下を、蒸発器１４の周囲の温度Ｔが温度Ｔ１から温度Ｔ２の間（Ｔ１＜Ｔ＜Ｔ２）にある場合に限定することができる。

以上、実施の形態によれば、暖房運転を継続しながら蒸発器１４における霜の発生を抑制することができる。その結果、暖房運転を継続的に行なうことができ、ユーザの快適性を向上させることができる。

実施の形態においては、凝縮器１２と熱交換部３１が一体である場合について説明した。熱交換部３１は、凝縮器１２から分離していてもよい。

実施の形態においては、切換弁４０を備える場合について説明した。切換弁４０は本発明における必須の構成要素ではない。たとえば、図５に示されるヒートポンプ式暖房装置１Ａのように、切換弁４０を備えず、暖房端末から戻ってきた２次冷媒が冷却器３２に入力されるようにしてもよい。ヒートポンプ式暖房装置１Ａによれば、切換弁が不要のため、製造コストを抑えることができる。

実施の形態においては、霜の発生によりヒートポンプ式暖房装置１の暖房能力が低下する温度の範囲において、切換弁４０を閉めるように制御して、蒸発器１４を加熱する場合について説明した。蒸発器１４に生じる霜の量は、蒸発器１４の周囲の湿度にも依存することが知られている。そのため、蒸発器１４の周囲の湿度に基づいて切換弁４０を制御してもよい。あるいは、蒸発器１４の周囲の温度および湿度に基づいて切換弁４０を制御してもよい。

なお、蒸発器１４における通風抵抗を小さくすることにより、ファン５０によって送風される冷却器３２からの空気が蒸発器１４の全体に行き渡り易くなり、蒸発器１４の加熱をより効率的に行なうことができる。たとえば、冷却器３２のフィンピッチを蒸発器１４のフィンピッチより大きくすることにより蒸発器１４の通風抵抗を小さくすることができる。あるいは、冷却器３２のフィンの切り起こしを蒸発器１４のフィンの切り起こしより抑えることによりにおける蒸発器１４の通風抵抗を小さくすることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ ヒートポンプ式暖房装置、１０ 冷凍サイクル、１１ 圧縮機、１２ 凝縮器、１３ 膨張弁、１４ 蒸発器、２０ ポンプ、３１ 熱交換部、３２ 冷却器、４０ 切換弁、５０ ファン、７０ 暖房端末、１００ 制御装置、Ｔ１，Ｔ２ 基準温度。

Claims (3)

1. 暖房端末に熱を供給するためのヒートポンプ式暖房装置であって、
   第１冷媒を圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器の順に循環させるように構成される冷凍サイクルと、
   前記凝縮器からの熱を用いて、前記暖房端末へ流れる第２冷媒を加熱するように構成される熱交換部と、
   前記暖房端末から前記熱交換部へ流れる前記第２冷媒の熱を放出するように構成される放熱部と、
   前記放熱部から前記蒸発器へ送風するように構成される送風装置とを備える、ヒートポンプ式暖房装置。
2. 前記暖房端末からの前記第２冷媒を、前記放熱部を経由せずに前記熱交換部へ供給するように構成されるバイパス部をさらに備え、
   前記バイパス部は、前記蒸発器の周囲の温度が所定の範囲内である場合、前記第２冷媒を前記熱交換部へ供給せず、前記温度が前記所定の範囲外である場合、前記第２冷媒を前記熱交換部へ供給するように構成される、請求項１に記載のヒートポンプ式暖房装置。
3. 前記第２冷媒は、ブラインである、請求項１に記載のヒートポンプ式暖房装置。

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