WO2014038470A1 - エンジン駆動ヒートポンプチラー - Google Patents

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WO2014038470A1
WO2014038470A1 PCT/JP2013/073176 JP2013073176W WO2014038470A1 WO 2014038470 A1 WO2014038470 A1 WO 2014038470A1 JP 2013073176 W JP2013073176 W JP 2013073176W WO 2014038470 A1 WO2014038470 A1 WO 2014038470A1
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water
chiller
heat exchanger
path
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PCT/JP2013/073176
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啓二 杉森
一就 野田
Original Assignee
ヤンマー株式会社
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    • Y02P80/15—On-site combined power, heat or cool generation or distribution, e.g. combined heat and power [CHP] supply

Definitions

  • the present invention relates to an engine-driven heat pump chiller in which a compressor for compressing a refrigerant is driven by an engine and the temperature of water as a heat medium is adjusted by the heat of condensation or evaporation of the refrigerant.
  • frost adheres to the outdoor heat exchanger.
  • a heat pump chiller that performs a defrosting operation for removing frost is known.
  • Patent Document 1 discloses performing a defrosting operation in a heat pump chiller in which a plurality of chiller units are connected in parallel to a water circuit (paragraphs 0140 to 0147).
  • the number (predetermined number) of chiller units that perform the defrosting operation is set by the number of connected chiller units connected to the water circuit (paragraph 0140). For example, when the number of connected units is four, the predetermined number is set to one, and when the number of connected units is five to eight, the predetermined number is set to two (paragraph 0141) so that the water temperature of the water circuit does not decrease.
  • Patent Document 1 does not indicate the presence of other evaporators used in place of the water heat exchanger during the defrosting operation, and the water temperature generated by the defrosting operation (cooling operation) of a predetermined number of chiller units.
  • the decrease in power must be offset by heating operation of other chiller units.
  • Patent Document 2 discloses performing a defrosting operation in a heat pump chiller connected to a water circuit (paragraph 0034).
  • This heat pump chiller includes an engine exhaust heat recovery unit that uses engine exhaust heat as a heat absorption source as an evaporator used instead of the water heat exchanger.
  • the refrigerant discharged from the compressor is caused to flow to the outdoor heat exchanger during the defrosting operation as in the cooling operation, and then returned to the compressor via the engine exhaust heat recovery device. That is, in the defrosting operation, the refrigerant does not flow through the water heat exchanger that adjusts the temperature of the water.
  • Patent Document 1 discloses a heat pump chiller in which a plurality of chiller units are connected in parallel to a water circuit. However, in order to suppress a decrease in the water temperature of the water circuit during a defrosting operation, a load is applied to another chiller unit. Patent Document 2 does not disclose a heat pump chiller in which a plurality of chiller units are connected in parallel to a water circuit.
  • the present invention provides a configuration that can suppress a decrease in the water temperature of the water circuit during the defrosting operation without applying a load to the chiller unit other than the defrosting operation in the heat pump chiller in which a plurality of chiller units are connected in parallel to the water circuit. To do.
  • An engine-driven heat pump chiller includes a plurality of engine-driven heat pump chiller units that drive a compressor that compresses a refrigerant by an engine and adjust the temperature of water as a heat medium by the condensation heat or evaporation heat of the refrigerant.
  • the chiller unit includes an air heat exchanger that functions as a condenser that liquefies refrigerant using air as a heat radiation source or an evaporator that vaporizes refrigerant using air as a heat absorption source, and a water inlet pipe for introducing the water.
  • a water discharge pipe for discharging the water as a cooler for cooling the water using a gas-liquid two-phase refrigerant as a heat radiation source, or as a heater for heating water using the refrigerant discharged from the compressor as a heat absorption source
  • a first expansion valve that adjusts a flow rate of the refrigerant in a state and adjusts a flow rate of the refrigerant in a liquid state toward the water heat exchanger during the non-warm water operation, and a liquid state toward the engine exhaust heat recovery unit
  • a second expansion valve that adjusts the flow rate of the refrigerant, and a flow rate adjustment valve that adjusts the flow rate of the exhaust heat medium flowing through the engine exhaust heat recovery unit, and each of the inlet pipe and the outlet pipe includes Are connected in parallel, and the defrosting control is performed while at least one of the chiller units does not perform defrosting operation at the same time while the plurality of the chiller units are in hot water operation.
  • the chiller unit that performs the defrosting operation switches the hot water operation to the non-warm water operation by controlling the operation switching mechanism so that the refrigerant does not flow through the water heat exchanger.
  • the first expansion valve is closed, and the opening degrees of the second expansion valve and the flow rate adjustment valve are controlled so that the refrigerant and the exhaust heat medium flow through the engine exhaust heat recovery device.
  • the heat pump chiller according to the present invention can suppress a decrease in the water temperature of the water circuit during the defrosting operation without applying a load to the chiller unit other than the defrosting operation.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a heat pump chiller 1000 according to the present embodiment.
  • the heat pump chiller 1000 includes four chiller units 100A, 100B, 100C, and 100D, and a water circuit 200.
  • the chiller units 100A, 100B, 100C, and 100D have the same configuration, and different reference numerals are provided for the convenience of identification. Hereinafter, when it is not necessary to distinguish the four chiller units, reference numeral 100 is used for the chiller unit.
  • the heat pump chiller 1000 adjusts the temperature of the water flowing through the water circuit 200.
  • the water circuit 200 includes an incoming water main pipe 210, an outgoing water main pipe 220, and the water circuit 40 of each chiller unit 100.
  • the water circuit 40 includes a water inlet branch pipe (water inlet pipe) 41 and a water outlet branch pipe (water outlet pipe) 42.
  • the incoming water branch pipe 41 of each chiller unit 100 is connected in parallel to the incoming water main pipe 210, and the outgoing water branch pipe 42 of each chiller unit 100 is connected in parallel to the outgoing water main pipe 220. Water is distributed from the incoming water main pipe 210 to each chiller unit 100 via each incoming water branch pipe 41, and the temperature is adjusted in each chiller unit 100.
  • the water whose temperature has been adjusted merges from each chiller unit 100 to each water discharge main pipe 220 via each water discharge branch pipe 42 and is discharged from the heat pump chiller 1000.
  • the water circuit 200 may be a part of either a closed circuit or an open circuit. In the case of a closed circuit, the incoming water main pipe 210 and the outgoing water main pipe 220 are connected via a heat exchanger on the load side.
  • the chiller unit 100 can perform any one of hot water operation, cold water operation, and defrosting operation. Below, the structure of the chiller unit 100 is demonstrated first, and a hot water driving
  • FIG. 2 is a configuration diagram of the chiller unit 100 according to the present embodiment.
  • the chiller unit 100 includes a refrigerant circuit 10 through which refrigerant circulates, a cooling water circuit 30 through which engine cooling water circulates, a water circuit 40 through which water flows, a control device 50, and an input device 60.
  • the user commands the operation of the heat pump chiller 100 by operating the input device 60.
  • the control device 50 controls driving of the refrigerant circuit 10, the cooling water circuit 30, and the water circuit 40 based on the input command. By this operation, the chiller unit 100 adjusts the temperature of the water flowing through the water circuit 40.
  • the refrigerant circuit 10 includes a compressor 1, a four-way valve 2, an air heat exchanger 3, a water heat exchanger 4, an engine exhaust heat recovery device 5, a first expansion valve 6, a second expansion valve 7, and a bridge circuit 8. ing.
  • the refrigerant circuit 10 includes a discharge path 11, a suction path 12, a gas path 13, a liquid path 14, a high pressure liquid path 15, a low pressure liquid path 16, a liquid path 17, a gas path 18, a high pressure liquid path 19, and a low pressure liquid path 20. , And a low-pressure gas path 21.
  • the discharge path 11 connects the compressor 1 and the four-way valve 2.
  • the suction path 12 connects the four-way valve 2 and the compressor 1.
  • the gas path 13 connects the four-way valve 2 and the air heat exchanger 3.
  • the liquid path 14 connects the air heat exchanger 3 and the bridge circuit 8.
  • the high pressure liquid path 15 connects the bridge circuit 8 and the first expansion valve 6.
  • the low-pressure liquid path 16 connects the first expansion valve 6 and the bridge circuit 8.
  • the liquid path 17 connects the bridge circuit 8 and the water heat exchanger 4.
  • the gas path 18 connects the water heat exchanger 4 and the four-way valve 2.
  • the high-pressure liquid path 19 branches from the high-pressure liquid path 15 at the connection point P1, and connects the high-pressure liquid path 15 and the second expansion valve 7.
  • the low-pressure liquid path 20 connects the second expansion valve 7 and the engine exhaust heat recovery device 5.
  • the low-pressure gas path 21 connects the engine exhaust heat recovery device 5 and the suction path 12 and joins the suction path 12 at the connection point P2.
  • the merging path 12a points to the downstream side (compressor 1 side) of the connection point P2 in the suction path 12.
  • the compressor 1 sucks the refrigerant from the suction path 12, compresses the refrigerant, and discharges the refrigerant from the discharge path 11.
  • the four-way valve 2 connects the discharge path 11 to the gas path 13 and the suction path 12 to the gas path 18 during cold water operation, and connects the discharge path 11 to the gas path 18 and the suction path 12 to the gas path 13 during hot water operation.
  • the cold water operation refers to an operation state in which water in the water circuit 40 is cooled
  • the hot water operation refers to an operation state in which water in the water circuit 40 is heated.
  • the air heat exchanger 3 functions as a condenser that liquefies refrigerant using air as a heat radiation source during cold water operation, and functions as an evaporator that vaporizes refrigerant using air as a heat absorption source during hot water operation.
  • the water heat exchanger 4 functions as a cooler that cools water using a gas-liquid two-phase refrigerant as a heat radiation source during cold water operation, and functions as a heater that heats water using the refrigerant in the discharge path 11 as a heat absorption source during hot water operation.
  • the engine exhaust heat recovery unit 5 functions as an evaporator that evaporates the refrigerant using the exhaust heat of the engine 31 as a heat absorption source via engine cooling water, as will be described later.
  • the first expansion valve 6 adjusts the flow rate of the liquid refrigerant toward the air heat exchanger 3 during the hot water operation, and adjusts the flow rate of the liquid refrigerant toward the water heat exchanger 4 during the cold water operation.
  • the second expansion valve 7 adjusts the flow rate of the refrigerant in the liquid state toward the engine exhaust heat recovery unit 5.
  • a first expansion valve 6 and a second expansion valve 7 are arranged in parallel downstream of the bridge circuit 8. As a result, the water heat exchanger 4 and the engine exhaust heat recovery device 5 are arranged in parallel in the refrigerant flow direction during cold water operation, and the air heat exchanger 3 and the engine exhaust heat recovery device in the refrigerant flow direction during hot water operation. 5 are arranged in parallel. Next, the configuration of the bridge circuit 8 will be described.
  • the bridge circuit 8 includes a closed path 80 and four check valves 81, 82, 83, and 84.
  • the four check valves 81, 82, 83, 84 are arranged on the closed path 80.
  • the inlets of the two check valves 81 and 82 are disposed on the opposite side to the inlets of the other two check valves 83 and 84.
  • Connection points P3, P4, P5, and P6 are provided between two adjacent check valves 81, 82, 83, and 84, respectively.
  • the liquid path 14 is connected to the connection point P3, the high pressure liquid path 15 is connected to the connection point P4, the liquid path 17 is connected to the connection point P4, and the low pressure liquid path 16 is connected to the connection point P5.
  • the operation of the bridge circuit 8 will be described in the description of the cold water operation and the hot water operation described later.
  • the cooling water circuit 30 includes an engine 31, a thermostat valve 32, a three-way valve 33, a radiator 34, and the engine exhaust heat recovery unit 5 described above.
  • the engine 31 drives the compressor 1.
  • the engine exhaust heat recovery device 5 belongs to both the refrigerant circuit 10 and the cooling water circuit 30.
  • the cooling water circuit 30 includes a main path 35, a return path 36, and an exhaust heat recovery path 37.
  • the main path 35 returns cooling water from the engine 31 to the engine 31 via the thermostat valve 32, the three-way valve 33, and the radiator 34.
  • the return path 36 branches from the main path 35 at the thermostat valve 32 and joins the main path 35 on the downstream side of the radiator 34.
  • the exhaust heat recovery path 37 branches from the main path 35 at the three-way valve 33 and joins the main path 35 on the downstream side of the radiator 34 via the engine exhaust heat recovery unit 5.
  • the thermostat valve 32 opens one of the main path 35 and the return path 36 based on the temperature of the cooling water in the main path 35 or the engine 31 and closes the other.
  • a predetermined temperature for example, 60 ° C.
  • the thermostat valve 32 closes the main path 35 and opens the return path 36.
  • the cooling water circulates only through the engine 31 and the thermostat valve 32. That is, the low-temperature cooling water is not supplied to the radiator 34 and the engine exhaust heat recovery unit 5.
  • the thermostat valve 32 opens the main path 35 and closes the return path 36.
  • the three-way valve (flow control valve) 33 adjusts the opening degree of the main path 35 and the exhaust heat recovery path 37 based on a command from the control device 50, and the cooling water flowing through the main path 35 and the exhaust heat recovery path 37. Change the flow rate.
  • the three-way valve 33 can also completely close one of the main path 35 and the exhaust heat recovery path 37.
  • the cooling water returns to the engine 31 via the radiator 34.
  • the three-way valve 33 opens the exhaust heat recovery path 37, the cooling water returns to the engine 31 via the engine exhaust heat recovery device 5.
  • the engine exhaust heat recovery device 5 can function as a refrigerant evaporator using the exhaust heat of the engine 31 as a heat absorption source via the engine cooling water.
  • the water circuit 40 includes a water heat exchanger 40, a water inlet path 41, and a water outlet path 42.
  • the water heat exchanger 40 belongs to both the refrigerant circuit 10 and the water circuit 40.
  • the chiller unit 100 includes various sensors.
  • the refrigerant circuit 10 includes a first pressure sensor 61, a first temperature sensor 71, a second pressure sensor 62, and a second temperature sensor 72.
  • the first pressure sensor 61 and the first temperature sensor 71 respectively detect the pressure and temperature of the refrigerant in the merge path 12a.
  • the second pressure sensor 62 and the second temperature sensor 72 detect the pressure and temperature of the refrigerant in the low-pressure gas path 21, respectively.
  • the coolant circuit 30 includes a rotation speed sensor 38 that detects the rotation speed of the engine 31.
  • the water circuit 40 includes an incoming water temperature sensor 43 and an outgoing water temperature sensor 44.
  • the incoming water temperature sensor 43 detects the temperature of water in the incoming water path 41
  • the outgoing water temperature sensor 44 detects the temperature of water in the outgoing water path 41.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of the chiller unit 100 in the cold water operation.
  • the four-way valve 2 connects the discharge path 11 to the gas path 13 and connects the suction path 12 to the gas path 18. For this reason, the refrigerant in the high-pressure gas state discharged from the compressor 1 flows to the air heat exchanger 3.
  • the air heat exchanger 3 Since the temperature of the refrigerant flowing through the air heat exchanger 3 is higher than the temperature of the air flowing through the air heat exchanger 3, heat is transferred from the refrigerant to the air. As a result, the refrigerant loses heat of condensation and liquefies, and becomes a high-pressure liquid refrigerant. That is, the air heat exchanger 3 functions as a refrigerant condenser using air as a heat radiation source.
  • the refrigerant in the high-pressure liquid state flows from the air heat exchanger 3 to the connection point P3 of the bridge circuit 8 via the liquid path 14.
  • the connection point P3 is located on the outlet side of the check valves 81 and 83 and is located on the inlet side of the check valve 82. Therefore, the refrigerant flows from the connection point P3 to the high-pressure liquid path 15 via the check valve 82 and the connection point P4.
  • the three-way valve 33 is controlled so that the cooling water does not flow through the engine exhaust heat recovery device 5, and the second expansion valve 7 is closed. For this reason, the refrigerant passes only through the first expansion valve 6.
  • the high-pressure liquid refrigerant expands to become a low-pressure gas-liquid two-phase refrigerant.
  • the low-pressure gas-liquid two-phase refrigerant flows from the low-pressure liquid path 16 to the connection point P6 of the bridge circuit 8.
  • the connection point P6 is on the inlet side of the four check valves 81, 82, 83, and 84
  • the high-pressure liquid refrigerant described above flows through the connection points P3 and P4. Due to the pressure difference, the refrigerant at the connection point P6 can pass only through the check valve 84 and cannot pass through the check valves 81 and 83. For this reason, the low-pressure gas-liquid two-phase refrigerant flows from the connection point P6 to the water heat exchanger 4 via the check valve 84, the connection point P5, and the liquid path 17.
  • the temperature of the refrigerant flowing through the water heat exchanger 4 is lower than the temperature of the water flowing through the water heat exchanger 4, heat moves from water to the refrigerant.
  • the refrigerant is vaporized by obtaining the heat of evaporation, and becomes a refrigerant in a low-pressure gas state.
  • water is cooled by the heat radiation to the refrigerant. That is, the water heat exchanger 4 functions as a cooler of the water circuit 40 using the gas-liquid two-phase refrigerant as a heat radiation source.
  • the refrigerant in the low pressure gas state flows from the water heat exchanger 4 to the gas path 18. Since the suction path 12 is connected to the gas path 18, the refrigerant is sucked into the compressor 1.
  • the refrigerant circulates in the refrigerant circuit 10 along the above-described path.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of the chiller unit 100 in the hot water operation.
  • the four-way valve 2 connects the discharge path 11 to the gas path 18 and connects the suction path 12 to the gas path 13. For this reason, the refrigerant in the high-pressure gas state discharged from the compressor 1 flows to the water heat exchanger 4.
  • the temperature of the refrigerant flowing through the water heat exchanger 4 is higher than the temperature of the water flowing through the water heat exchanger 4, heat is transferred from the refrigerant to the water. As a result, the refrigerant loses heat of condensation and liquefies, and becomes a high-pressure liquid refrigerant. Moreover, water is heated by the endothermic heat from the refrigerant. That is, the water heat exchanger 4 functions as a heater of the water circuit 40 that uses the refrigerant in the discharge path 11 as a heat absorption source.
  • the refrigerant in the high-pressure liquid state flows from the water heat exchanger 4 via the liquid path 17 to the connection point P5 of the bridge circuit 8.
  • the connection point P5 is located on the inlet side of the check valve 83 and on the outlet side of the check valves 82 and 84. Therefore, the refrigerant flows from the connection point P5 to the high-pressure liquid path 15 via the check valve 83 and the connection point P4.
  • the refrigerant flows from the high pressure liquid path 15 to the first expansion valve 6 and flows from the connection point P1 of the high pressure liquid path 15 to the second expansion valve 7 via the high pressure liquid path 19. In the hot water operation, the refrigerant passes through the first expansion valve 6 and the second expansion valve 7.
  • the high-pressure liquid refrigerant expands to become a low-pressure gas-liquid two-phase refrigerant.
  • the low-pressure gas-liquid two-phase refrigerant flows from the low-pressure liquid path 16 to the connection point P6 of the bridge circuit 8.
  • the connection point P6 is on the inlet side of the four check valves 81, 82, 83, and 84, but the above-described high-pressure liquid refrigerant flows through the connection points P4 and P5. Due to the pressure difference, the refrigerant at the connection point P6 can pass only through the check valve 81 and cannot pass through the check valves 82 and 84.
  • the low-pressure gas-liquid two-phase refrigerant flows from the connection point P6 to the air heat exchanger 3 via the check valve 81, the connection point P3, and the liquid path 14.
  • the flow of the refrigerant passing through the second expansion valve 7 will be described later.
  • the air heat exchanger 3 Since the temperature of the refrigerant flowing through the air heat exchanger 3 is lower than the temperature of the air flowing through the air heat exchanger 3, heat is transferred from the air to the refrigerant. As a result, the refrigerant is vaporized by obtaining the heat of evaporation, and becomes a refrigerant in a low-pressure gas state. That is, the air heat exchanger 3 functions as a refrigerant evaporator using air as a heat absorption source.
  • the refrigerant in the low pressure gas state flows from the air heat exchanger 3 to the gas path 13. Since the suction path 12 is connected to the gas path 13, the refrigerant is sucked into the compressor 1.
  • the refrigerant passing through the second expansion valve 7 expands in the second expansion valve 7 and becomes a low-pressure gas-liquid two-phase refrigerant.
  • the low-pressure gas-liquid two-phase refrigerant flows to the engine exhaust heat recovery device 5 via the low-pressure liquid path 20.
  • the engine exhaust heat recovery device 5 Since the temperature of the refrigerant flowing through the engine exhaust heat recovery unit 5 is lower than the temperature of the cooling water flowing through the engine exhaust heat recovery unit 5, heat is transferred from the cooling water to the refrigerant. As a result, the refrigerant is vaporized by obtaining the heat of evaporation, and becomes a refrigerant in a low-pressure gas state. That is, the engine exhaust heat recovery device 5 functions as a refrigerant evaporator using cooling water as a heat absorption source.
  • the refrigerant in the low pressure gas state flows from the engine exhaust heat recovery device 5 to the suction path 12 via the low pressure gas path 21.
  • the refrigerant from the engine exhaust heat recovery device 5 merges with the refrigerant from the air heat exchanger 3.
  • the merged refrigerant flows through the merge path 12a and is sucked into the compressor 1.
  • the refrigerant circulates in the refrigerant circuit 10 along the above-described path.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of the chiller unit 100 in the defrosting operation.
  • Hot water operation, cooling operation, and defrosting operation have the following relationship.
  • the four-way valve (operation switching mechanism) 2 switches between the hot water operation and the non-warm water operation by switching the flow path in the refrigerant circuit 10.
  • the non-warm water operation indicates a cooling operation and a defrosting operation.
  • the four-way valve 2 is switched to the non-warm water operation, the first expansion valve 6 is closed so that the refrigerant does not flow through the water heat exchanger 4, and the refrigerant and cooling water flow through the engine exhaust heat recovery device 5.
  • the opening degree of the second expansion valve 7 and the flow rate adjustment valve 33 is controlled. Since the first expansion valve 6 is closed, the entire amount of refrigerant flows through the engine exhaust heat recovery device 5.
  • the three-way valve 33 has a small opening so that a part of the cooling water flows through the engine exhaust heat recovery device 5 even if the main path 35 is closed so that the entire amount of cooling water flows through the engine exhaust heat recovery device 5.
  • the main path 35 may be opened.
  • the air heat exchanger 3 functions as a condenser as in the cooling operation
  • the engine exhaust heat recovery device 5 functions as an evaporator instead of the water heat exchanger 4 that functions as an evaporator in the cooling operation.
  • the refrigerant in the high-pressure gas state is supplied to the air heat exchanger 3 as in the cooling operation, so that the piping in the air heat exchanger 3 is heated.
  • the frost attached to the air heat exchanger 3 in the hot water operation is removed.
  • the water temperature does not decrease due to the evaporation of the refrigerant.
  • the chiller unit 100 controls the opening degree of the second expansion valve 7 based on the degree of superheat of the refrigerant flowing through the merge path 12a or the degree of superheat of the refrigerant flowing through the low-pressure gas path 21.
  • the first expansion valve 6 since the first expansion valve 6 is closed, the entire amount of the refrigerant flowing through the low-pressure gas path 21 flows through the merge path 12a. For this reason, the superheat degree of the refrigerant in the junction path 12a is substantially equal to the superheat degree of the refrigerant in the low-pressure gas path 21.
  • the degree of superheat of the refrigerant can be specified by detecting the pressure of the refrigerant and the temperature of the refrigerant. Specifically, the saturated vapor temperature corresponding to the refrigerant pressure is identified based on the saturated vapor line of the refrigerant, and the degree of superheat is identified as the temperature difference between the refrigerant temperature and the saturated vapor temperature. For this reason, the superheat degree of the refrigerant flowing through the merging path 12 a is specified based on the detection value by the first pressure sensor 61 and the detection value by the first temperature sensor 71. Similarly, the degree of superheat of the refrigerant flowing through the low-pressure gas path 21 is specified based on the detection value by the second pressure sensor 62 and the detection value by the second temperature sensor 72.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of the heat pump chiller 1000 in the defrost control.
  • Each chiller unit 100 executes defrost control in order to remove frost attached to the air heat exchanger 3. For example, the chiller unit 100 determines that the defrosting operation is necessary when the continuous execution time of the hot water operation exceeds a predetermined time. In order to cope with the case where the need for the defrosting operation occurs in the plurality of chiller units 100, the defrosting control is prepared.
  • the defrosting control is a control for causing the chiller units 100 to perform the defrosting operation alternately at least one unit without performing the defrosting operation at the same time while all the chiller units 100 are operating in the hot water operation. .
  • the heat pump chiller 1000 includes a control mechanism for executing defrost control.
  • the control mechanism is an aggregate of the control devices 50 of all the chiller units 100, and the control devices 50 are connected so as to communicate with each other.
  • one chiller unit 100 is designated as a parent device, and the control device 50 of the parent device causes each chiller unit 100 to perform a snow removal operation.
  • the control mechanism may be a device that is arranged outside each chiller unit 100 and that controls each chiller unit 100 in an integrated manner.
  • three chiller units 100A, 100B, and 100C are operating, and one chiller unit 100D is at rest.
  • the three chiller units 100A, 100B, and 100C that are in operation are all performing hot water operation.
  • the master unit for example, the chiller unit 100A
  • the master unit causes the other two chiller units 100B and 100C to continue the hot water operation.
  • the defrosting operation is executed for a predetermined time, for example.
  • the master unit designates another chiller unit 100B and causes the chiller unit 100B to perform the defrosting operation. In this manner, the master unit designates the chiller unit 100 that performs the defrosting operation in turn, and causes the other chiller units 100 to continue the hot water operation. In this way, while all the chiller units 100 are performing hot water operation while all the chiller units 100 are performing defrost operation at the same time, at least one chiller unit 100 is performing hot water operation, 100 defrosting operations are performed alternately. In addition, when only one chiller unit 100 is performing the hot water operation and it is determined that the defrosting operation is necessary, the process proceeds to the defrosting operation. In this case, another chiller unit 100 is appropriately activated for the hot water operation according to the target water temperature.
  • the heat pump chiller 1000 according to the present embodiment has the following effects due to the above-described configuration.
  • the heat pump chiller 1000 when a plurality of chiller units 100 are performing hot water operation, all the chiller units 100 perform hot water operation on at least one chiller unit 100 without performing defrosting operation at the same time.
  • the defrosting operation is performed on at least one chiller unit 100 in turn while continuing.
  • the operation switching mechanism four-way valve 2 is switched to the non-warm water operation, the first expansion valve 6 is closed so that the refrigerant does not flow through the water heat exchanger 4, and the refrigerant and the exhaust heat medium (cooling water) are supplied.
  • the opening degree of the second expansion valve 7 and the flow rate adjusting valve (three-way valve 33) is controlled so as to flow through the engine exhaust heat recovery device 5.
  • the engine exhaust heat recovery device 5 functions as an evaporator instead of the water heat exchanger 4 when the refrigerant is flown so that the air heat exchanger 3 becomes a condenser as in the cooling operation.
  • the heat pump chiller 1000 according to the present embodiment can suppress a decrease in the water temperature of the water circuit 200 during the defrosting operation without imposing a load on the chiller unit 100.
  • Compressor 2 Four-way valve (Operation switching mechanism) DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 Air heat exchanger 4 Water heat exchanger 5 Engine exhaust heat recovery device 6 1st expansion valve 7 2nd expansion valve 8 Position switching mechanism 31 Engine 33 Three-way valve (flow control valve) 41 Inlet branch pipe (inlet pipe) 42 Drainage branch pipe (Drainage pipe) 100, 100A, 100B, 100C, 100D Chiller unit 1000 Engine heat pump chiller

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Abstract

　ヒートポンプチラー（１０００）は、複数のチラーユニット（１００）が温水運転を行っているときに全てのチラーユニットが同時期に除霜運転を行うことなく少なくとも１台の前記チラーユニット（１００）に温水運転を継続させながら、少なくとも１台ずつ交代で前記チラーユニット（１００）に除霜運転を行い、前記除霜運転は、前記運転切替機構（２）を制御することによって前記温水運転を前記非温水運転に切替え、前記冷媒が前記水熱交換器（４）を流れないように前記第１膨張弁（６）を閉じ、前記冷媒及び前記排熱媒体が前記エンジン排熱回収器（５）を流れるように前記第２膨張弁（７）及び前記流量調整弁（３３）の開度を制御する運転である。

Description

エンジン駆動ヒートポンプチラー
　本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機をエンジンにより駆動し、前記冷媒の凝縮熱又は蒸発熱により熱媒体としての水の温度を調節する、エンジン駆動ヒートポンプチラーに関する。
　低温環境下で暖房運転が継続的に実行されると、室外熱交換器に霜が付着する。従来、霜を除去する除霜運転を行うヒートポンプチラーが知られている。
　特許文献１は、水回路に複数のチラーユニットを並列に接続するヒートポンプチラーにおいて、除霜運転を行うことを開示している（段落０１４０～０１４７）。除霜運転を実行するチラーユニットの台数（所定台数）は、水回路に接続されているチラーユニットの接続台数によって設定されている（段落０１４０）。水回路の水温が低下しないように、例えば接続台数が４台のとき所定台数は１台、接続台数が５～８台のとき所定台数は２台に設定される（段落０１４１）。しかし、特許文献１は、除霜運転時に、水熱交換器に代えて用いられる他の蒸発器の存在を示しておらず、所定台数のチラーユニットの除霜運転（冷房運転）によって発生する水温の低下を、他のチラーユニットの暖房運転によって打ち消さざるを得ない。
　特許文献２は、水回路に接続されるヒートポンプチラーにおいて、除霜運転を行うことを開示している（段落００３４）。このヒートポンプチラーは、水熱交換器に代えて用いられる蒸発器として、エンジン排熱を吸熱源とするエンジン排熱回収器を備えている。このヒートポンプチラーは、除霜運転時に冷房運転と同様に圧縮機から吐出される冷媒を室外熱交換器に流した後、エンジン排熱回収器を経由して圧縮機に戻している。つまり、除霜運転では、水の温度を調節する水熱交換器を冷媒が流れない。
特許第３７３１０９５号公報 特許第４５４９２０５号公報
　特許文献１は、水回路に複数のチラーユニットを並列に接続するヒートポンプチラーを開示しているが、除霜運転時における水回路の水温低下を抑えるために、他のチラーユニットに負荷を掛けており、特許文献２は、水回路に複数のチラーユニットを並列に接続するヒートポンプチラーを開示していない。
　そこで本発明は、水回路に複数のチラーユニットを並列に接続するヒートポンプチラーにおいて、除霜運転以外のチラーユニットに負荷を掛けることなく除霜運転時における水回路の水温低下を抑制できる構成を提供する。
　本発明に係るエンジン駆動ヒートポンプチラーは、冷媒を圧縮する圧縮機をエンジンにより駆動し、前記冷媒の凝縮熱又は蒸発熱により熱媒体としての水の温度を調節する、エンジン駆動ヒートポンプチラーユニットを複数台設け、前記チラーユニットは、空気を放熱源として冷媒を液化する凝縮器として又は空気を吸熱源として冷媒を気化する蒸発器として機能する空気熱交換器と、前記水を導入するための入水管と前記水を排出するための出水管とを備えており、気液二相冷媒を放熱源として前記水を冷却する冷却器として又は前記圧縮機の吐出冷媒を吸熱源として水を加熱する加熱器として機能する水熱交換器と、前記空気熱交換器を蒸発器として機能させる温水運転と、前記空気熱交換器を凝縮器として機能させる非温水運転とを切り替える運転切替機構と、排熱媒体を介して前記エンジンの排熱を吸熱源とする冷媒の蒸発器として機能するエンジン排熱回収器と、前記温水運転時では前記空気熱交換器に向かう液状態の前記冷媒の流量を調整し、前記非温水運転時では前記水熱交換器に向かう液状態の前記冷媒の流量を調節する第１膨張弁と、前記エンジン排熱回収器に向かう液状態の前記冷媒の流量を調節する第２膨張弁と、前記エンジン排熱回収器を流れる前記排熱媒体の流量を調節する流量調整弁と、を備えており、各々の前記入水管及び前記出水管は、それぞれ並列に接続されており、除霜制御は、複数の前記チラーユニットが温水運転中に全ての前記チラーユニットが同時期に除霜運転を行うことなく少なくとも１台ずつ交代で前記チラーユニットに除霜運転を実行させる制御であり、除霜運転を行う前記チラーユニットは、前記運転切替機構を制御することによって前記温水運転を前記非温水運転に切替え、前記冷媒が前記水熱交換器を流れないように前記第１膨張弁を閉じ、前記冷媒及び前記排熱媒体が前記エンジン排熱回収器を流れるように前記第２膨張弁及び前記流量調整弁の開度を制御する。
　本発明に係るヒートポンプチラーは、除霜運転以外のチラーユニットに負荷を掛けることなく除霜運転時における水回路の水温低下を抑制できる。
本実施形態に係るヒートポンプチラーの構成図である。 本実施形態に係るチラーユニットの構成図である。 冷水運転におけるチラーユニットの構成図である。 温水運転におけるチラーユニットの構成図である。 除霜運転におけるチラーユニットの構成図である。 除霜制御におけるヒートポンプチラーの構成図である。
（本実施形態の構成）
　図１を参照して、本実施形態に係るエンジン駆動ヒートポンプチラー１０００を説明する。図１は、本実施形態に係るヒートポンプチラー１０００の構成図である。
　図１において、ヒートポンプチラー１０００は、４台のチラーユニット１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄと、水回路２００とを備えている。チラーユニット１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄは同一の構成を有しており、識別の都合上、異なる符号が設けられている。以下、４つのチラーユニットを区別する必要がない場合、チラーユニットに対して符号１００を用いる。
　ヒートポンプチラー１０００は、水回路２００を流れる水の温度を調節する。水回路２００は、入水幹管２１０、出水幹管２２０、各チラーユニット１００の水回路４０から構成されている。水回路４０は、入水枝管（入水管）４１及び出水枝管（出水管）４２を備えている。各チラーユニット１００の入水枝管４１は並列に入水幹管２１０に接続されており、各チラーユニット１００の出水枝管４２は並列に出水幹管２２０に接続されている。水は、入水幹管２１０から各入水枝管４１を介して各チラーユニット１００に分配され、各チラーユニット１００において温度を調節される。温度が調節された水は、各チラーユニット１００から各出水枝管４２を介して出水幹管２２０に合流し、ヒートポンプチラー１０００から排出される。なお、水回路２００は、閉回路及び開回路のどちらの一部であってもよい。閉回路の場合、入水幹管２１０及び出水幹管２２０は、負荷側の熱交換器を介して接続されている。
　チラーユニット１００は、温水運転、冷水運転、及び除霜運転のいずれか１つを実行できる。以下では、まずチラーユニット１００の構成を説明し、その上で温水運転、冷水運転、及び除霜運転を説明する。
　図２を参照して、本実施形態に係るチラーユニット１００を説明する。図２は、本実施形態に係るチラーユニット１００の構成図である。
　チラーユニット１００は、冷媒が循環する冷媒回路１０、エンジン冷却水が循環する冷却水回路３０、水が流れる水回路４０、制御装置５０、及び入力装置６０を備えている。ユーザは、入力装置６０を操作することにより、ヒートポンプチラー１００の運転を指令する。制御装置５０は、入力された指令に基づいて、冷媒回路１０、冷却水回路３０、及び水回路４０の駆動を制御する。この操作により、チラーユニット１００は、水回路４０を流れる水の温度を調整する。
　冷媒回路１０は、圧縮機１、四方弁２、空気熱交換器３、水熱交換器４、エンジン排熱回収器５、第１膨張弁６、第２膨張弁７、及びブリッジ回路８を備えている。
　また、冷媒回路１０は、吐出経路１１、吸入経路１２、ガス経路１３、液経路１４、高圧液経路１５、低圧液経路１６、液経路１７、ガス経路１８、高圧液経路１９、低圧液経路２０、及び低圧ガス経路２１を備えている。吐出経路１１は、圧縮機１及び四方弁２を接続している。吸入経路１２は、四方弁２及び圧縮機１を接続している。ガス経路１３は、四方弁２及び空気熱交換器３を接続している。液経路１４は、空気熱交換器３及びブリッジ回路８を接続している。高圧液経路１５は、ブリッジ回路８及び第１膨張弁６を接続している。低圧液経路１６は、第１膨張弁６及びブリッジ回路８を接続している。液経路１７は、ブリッジ回路８及び水熱交換器４を接続している。ガス経路１８は、水熱交換器４及び四方弁２を接続している。高圧液経路１９は、接続点Ｐ１で高圧液経路１５から分岐し、高圧液経路１５及び第２膨張弁７を接続している。低圧液経路２０は、第２膨張弁７及びエンジン排熱回収器５を接続している。低圧ガス経路２１は、エンジン排熱回収器５及び吸入経路１２を接続しており、接続点Ｐ２で吸入経路１２に合流している。合流経路１２ａは、吸入経路１２において接続点Ｐ２の下流側（圧縮機１側）を指している。
　圧縮機１は、吸入経路１２から冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮し、その冷媒を吐出経路１１から吐出する。四方弁２は、冷水運転時に吐出経路１１をガス経路１３に且つ吸入経路１２をガス経路１８に接続し、温水運転時に吐出経路１１をガス経路１８に且つ吸入経路１２をガス経路１３に接続する。なお、冷水運転とは、水回路４０の水を冷却する運転状態をいい、温水運転とは、水回路４０の水を加熱する運転状態をいう。空気熱交換器３は、冷水運転時に空気を放熱源として冷媒を液化する凝縮器として機能し、温水運転時に空気を吸熱源として冷媒を気化する蒸発器として機能する。水熱交換器４は、冷水運転時に気液二相冷媒を放熱源として水を冷却する冷却器として機能し、温水運転時に吐出経路１１の冷媒を吸熱源として水を加熱する加熱器として機能する。エンジン排熱回収器５は、後述のようにエンジン冷却水を介してエンジン３１の排熱を吸熱源として冷媒を気化する蒸発器として機能する。第１膨張弁６は、温水運転時では空気熱交換器３に向かう液状態の冷媒の流量を調整し、冷水運転時では水熱交換器４に向かう液状態の冷媒の流量を調整する。第２膨張弁７は、エンジン排熱回収器５に向かう液状態の冷媒の流量を調整する。ブリッジ回路８の下流に第１膨張弁６及び第２膨張弁７を並列に配置する。この結果、冷水運転時の冷媒の流れ方向では水熱交換器４及びエンジン排熱回収器５が並列に配置され、温水運転時の冷媒の流れ方向では空気熱交換器３及びエンジン排熱回収器５が並列に配置される。ブリッジ回路８の構成を次に説明する。
　図２において、ブリッジ回路８は、閉経路８０と、４つの逆止弁８１、８２、８３、８４とを備えている。４つの逆止弁８１、８２、８３、８４は、閉経路８０上に配置されている。閉経路８０において、２つの逆止弁８１、８２の入口は、他の２つの逆止弁８３、８４の入口とは反対側に配置されている。逆止弁８１、８２、８３、８４の隣り合う２つの間に、それぞれ、接続点Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６が設けられている。液経路１４は接続点Ｐ３に接続されており、高圧液経路１５は接続点Ｐ４に接続されており、液経路１７は接続点Ｐ４に接続されており、低圧液経路１６は接続点Ｐ５に接続されている。ブリッジ回路８の作用は、後述の冷水運転及び温水運転の説明において説明する。
　冷却水回路３０は、エンジン３１、サーモスタットバルブ３２、三方弁３３、ラジエータ３４、及び前述のエンジン排熱回収器５を備えている。エンジン３１は、圧縮機１を駆動する。エンジン排熱回収器５は、冷媒回路１０及び冷却水回路３０の双方に属している。
　また、冷却水回路３０は、主経路３５、戻り経路３６、及び排熱回収経路３７を備えている。主経路３５は、エンジン３１から、サーモスタットバルブ３２及び三方弁３３及びラジエータ３４を経由して、エンジン３１に冷却水を戻す。戻り経路３６は、サーモスタットバルブ３２において主経路３５から分岐し、ラジエータ３４の下流側で主経路３５に合流する。排熱回収経路３７は、三方弁３３において主経路３５から分岐し、エンジン排熱回収器５を経由してラジエータ３４の下流側で主経路３５に合流する。
　サーモスタットバルブ３２は、主経路３５又はエンジン３１内の冷却水の温度に基づいて、主経路３５及び戻り経路３６のいずれか一方を開放し、他方を閉じる。冷却水の温度が所定温度（例えば６０℃）未満である場合、サーモスタットバルブ３２は主経路３５を閉じ且つ戻り経路３６を開く。この場合、冷却水はエンジン３１及びサーモスタットバルブ３２のみを循環する。つまり、低温の冷却水は、ラジエータ３４及びエンジン排熱回収器５に供給されない。冷却水の温度が所定温度以上である場合、サーモスタットバルブ３２は主経路３５を開き且つ戻り経路３６を閉じる。三方弁（流量制御弁）３３は、制御装置５０からの指令に基づいて、主経路３５及び排熱回収経路３７の開度を調節し、主経路３５及び排熱回収経路３７を流れる冷却水の流量を変更する。三方弁３３は、主経路３５及び排熱回収経路３７の一方を完全に閉じることもできる。三方弁３３が主経路３５を開いている場合、冷却水はラジエータ３４を経由してエンジン３１に戻る。三方弁３３が排熱回収経路３７を開いている場合、冷却水はエンジン排熱回収器５を経由してエンジン３１に戻る。この場合、冷却水がエンジン排熱回収器５に供給されるので、エンジン排熱回収器５がエンジン冷却水を介してエンジン３１の排熱を吸熱源とする冷媒の蒸発器として機能できる。
　水回路４０は、水熱交換器４０、入水経路４１、及び出水経路４２を備えている。水熱交換器４０は、冷媒回路１０及び水回路４０の双方に属している。
　チラーユニット１００は、各種のセンサを備えている。冷媒回路１０は、第１圧力センサ６１、第１温度センサ７１、第２圧力センサ６２、及び第２温度センサ７２を備えている。第１圧力センサ６１及び第１温度センサ７１はそれぞれ、合流経路１２ａ内の冷媒の圧力及び温度を検出する。第２圧力センサ６２及び第２温度センサ７２はそれぞれ、低圧ガス経路２１内の冷媒の圧力及び温度を検出する。冷却水回路３０は、エンジン３１の回転数を検出する回転数センサ３８を備えている。水回路４０は、入水温度センサ４３及び出水温度センサ４４を備えている。入水温度センサ４３は入水経路４１内の水の温度を検出し、出水温度センサ４４は出水経路４１内の水の温度を検出する。
　図３を参照して、冷水運転を説明する。図３は、冷水運転におけるチラーユニット１００の構成図である。
　冷水運転において、四方弁２は吐出経路１１をガス経路１３に接続し、且つ吸入経路１２をガス経路１８に接続する。このため、圧縮機１から吐出される高圧ガス状態の冷媒が、空気熱交換器３に流れる。
　空気熱交換器３を流れる冷媒の温度は、空気熱交換器３を流れる空気の温度よりも高いため、冷媒から空気に熱が移動する。この結果、冷媒は凝縮熱を失って液化し、高圧液状態の冷媒になる。つまり、空気熱交換器３は、空気を放熱源とする冷媒の凝縮器として機能している。
　高圧液状態の冷媒は、空気熱交換器３から液経路１４を経由してブリッジ回路８の接続点Ｐ３に流れる。接続点Ｐ３は、逆止弁８１、８３の出口側に位置し、且つ逆止弁８２の入口側に位置している。このため、冷媒は、接続点Ｐ３から逆止弁８２及び接続点Ｐ４を経由して、高圧液経路１５に流れる。冷水運転では、冷却水がエンジン排熱回収器５を流れないように三方弁３３が制御され、且つ第２膨張弁７が閉じられている。このため、冷媒は第１膨張弁６のみを通過する。第１膨張弁６において高圧液状態の冷媒は膨張し、低圧気液二相冷媒となる。低圧気液二相冷媒は、低圧液経路１６からブリッジ回路８の接続点Ｐ６に流れる。接続点Ｐ６は、４つの逆止弁８１、８２、８３、８４の入口側にあるが、上述した高圧液状態の冷媒が接続点Ｐ３、Ｐ４を流れている。圧力差のため、接続点Ｐ６の冷媒は、逆止弁８４のみを通過でき、逆止弁８１、８３を通過できない。このため、低圧気液二相冷媒は、接続点Ｐ６から、逆止弁８４及び接続点Ｐ５及び液経路１７を経由して、水熱交換器４に流れる。
　水熱交換器４を流れる冷媒の温度は、水熱交換器４を流れる水の温度より低いため、水から冷媒に熱が移動する。この結果、冷媒は蒸発熱を得て気化し、低圧ガス状態の冷媒になる。また、水は冷媒への放熱により冷却される。つまり、水熱交換器４は、気液二相冷媒を放熱源とする水回路４０の冷却器として機能している。
　低圧ガス状態の冷媒は、水熱交換器４からガス経路１８に流れる。吸入経路１２がガス経路１８に接続されているので、冷媒は圧縮機１に吸入される。
　冷水運転が実行されている間、冷媒は上述の経路に沿って冷媒回路１０内を循環する。
　図４を参照して、温水運転を説明する。図４は、温水運転におけるチラーユニット１００の構成図である。
　温水運転において、四方弁２は吐出経路１１をガス経路１８に接続し、且つ吸入経路１２をガス経路１３に接続する。このため、圧縮機１から吐出される高圧ガス状態の冷媒が、水熱交換器４に流れる。
　水熱交換器４を流れる冷媒の温度は、水熱交換器４を流れる水の温度よりも高いため、冷媒から水に熱が移動する。この結果、冷媒は凝縮熱を失って液化し、高圧液状態の冷媒になる。また、水は冷媒からの吸熱により加熱される。つまり、水熱交換器４は、吐出経路１１の冷媒を吸熱源とする水回路４０の加熱器として機能している。
　高圧液状態の冷媒は、水熱交換器４から液経路１７を経由してブリッジ回路８の接続点Ｐ５に流れる。接続点Ｐ５は、逆止弁８３の入口側に位置し、且つ逆止弁８２、８４の出口側に位置している。このため、冷媒は、接続点Ｐ５から逆止弁８３及び接続点Ｐ４を経由して高圧液経路１５に流れる。冷媒は、高圧液経路１５から第１膨張弁６へと流れ、且つ高圧液経路１５の接続点Ｐ１から高圧液経路１９を経由して第２膨張弁７へと流れる。温水運転では、冷媒は第１膨張弁６及び第２膨張弁７を通過する。第１膨張弁６において高圧液状態の冷媒は膨張し、低圧気液二相冷媒となる。低圧気液二相冷媒は、低圧液経路１６からブリッジ回路８の接続点Ｐ６に流れる。接続点Ｐ６は、４つの逆止弁８１、８２、８３、８４の入口側にあるが、上述した高圧液状態の冷媒が接続点Ｐ４、Ｐ５を流れている。圧力差のため、接続点Ｐ６の冷媒は、逆止弁８１のみを通過でき、逆止弁８２、８４を通過できない。このため、低圧気液二相冷媒は、接続点Ｐ６から、逆止弁８１及び接続点Ｐ３及び液経路１４を経由して空気熱交換器３に流れる。第２膨張弁７を通過する冷媒の流れは後述する。
　空気熱交換器３を流れる冷媒の温度は、空気熱交換器３を流れる空気の温度より低いため、空気から冷媒に熱が移動する。この結果、冷媒は蒸発熱を得て気化し、低圧ガス状態の冷媒になる。つまり、空気熱交換器３は、空気を吸熱源とする冷媒の蒸発器として機能している。
　低圧ガス状態の冷媒は、空気熱交換器３からガス経路１３に流れる。吸入経路１２がガス経路１３に接続されているので、冷媒は圧縮機１に吸入される。
　一方、第２膨張弁７を通過する冷媒は、第２膨張弁７において膨張し、低圧気液二相冷媒となる。低圧気液二相冷媒は、低圧液経路２０を経由してエンジン排熱回収器５に流れる。
　エンジン排熱回収器５を流れる冷媒の温度は、エンジン排熱回収器５を流れる冷却水の温度より低いため、冷却水から冷媒に熱が移動する。この結果、冷媒は蒸発熱を得て気化し、低圧ガス状態の冷媒になる。つまり、エンジン排熱回収器５は、冷却水を吸熱源とする冷媒の蒸発器として機能している。
　低圧ガス状態の冷媒は、エンジン排熱回収器５から低圧ガス経路２１を経由して吸入経路１２に流れる。接続点Ｐ２において、エンジン排熱回収器５からの冷媒は、空気熱交換器３からの冷媒に合流する。合流した冷媒は、合流経路１２ａを流れて、圧縮機１に吸入される。
　温水運転が実行されている間、冷媒は上述の経路に沿って冷媒回路１０内を循環する。
　図５を参照して、除霜運転を説明する。図５は、除霜運転におけるチラーユニット１００の構成図である。
　温水運転、冷房運転、除霜運転は、次の関係にある。四方弁（運転切替機構）２は、冷媒回路１０内の流路を切り替えることにより、温水運転と非温水運転とを切り替える。ここで、非温水運転は、冷房運転及び除霜運転を指している。除霜運転は、四方弁２を非温水運転に切替え、冷媒が水熱交換器４を流れないように第１膨張弁６を閉じ、冷媒及び冷却水がエンジン排熱回収器５を流れるように第２膨張弁７及び流量調整弁３３の開度を制御する運転である。第１膨張弁６が閉じられているので、冷媒の全量がエンジン排熱回収器５を流れる。一方、三方弁３３は、冷却水の全量がエンジン排熱回収器５を流れるように主経路３５を閉じても、一部の冷却水がエンジン排熱回収器５を流れるように開度を小さくしながら主経路３５を開いていても良い。
　除霜運転では、冷房運転と同様に空気熱交換器３が凝縮器として機能し、冷房運転で蒸発器として機能する水熱交換器４の代わりに、エンジン排熱回収器５が蒸発器として機能する。除霜運転では、冷房運転と同様に空気熱交換器３に高圧ガス状態の冷媒が供給されるので、空気熱交換器３内の配管が加熱される。この結果、温水運転において空気熱交換器３に付着した霜が除去される。また、除霜運転では、冷媒が水熱交換器４を流れないので、冷媒蒸発に伴う水温の低下は生じない。
　除霜運転において、チラーユニット１００は、合流経路１２ａを流れる冷媒の過熱度、又は低圧ガス経路２１を流れる冷媒の過熱度に基づいて第２膨張弁７の開度を制御する。除霜運転では、第１膨張弁６が閉じられているので、低圧ガス経路２１を流れる冷媒の全量が、合流経路１２ａを流れている。このため、合流経路１２ａにおける冷媒の過熱度は、低圧ガス経路２１における冷媒の過熱度に実質的に等しい。
　冷媒の過熱度は、冷媒の圧力及び冷媒の温度を検出することによって特定できる。具体的には、冷媒の飽和蒸気線に基づいて冷媒の圧力に対応する飽和蒸気温度が特定され、過熱度が冷媒の温度と飽和蒸気温度との温度差として特定される。このため、合流経路１２ａを流れる冷媒の過熱度は、第１圧力センサ６１による検出値及び第１温度センサ７１による検出値に基づいて特定される。同様に、低圧ガス経路２１を流れる冷媒の過熱度は、第２圧力センサ６２による検出値及び第２温度センサ７２による検出値に基づいて特定される。
　図６を参照して、除霜制御を説明する。図６は、除霜制御におけるヒートポンプチラー１０００の構成図である。
　各チラーユニット１００は、空気熱交換器３に付着した霜を除去するために、除霜制御を実行する。チラーユニット１００は、例えば、温水運転の連続実行時間が所定時間を超えている場合に除霜運転が必要と判定する。除霜運転の必要が複数のチラーユニット１００で発生した場合に対処するため、除霜制御が用意されている。除霜制御は、複数のチラーユニット１００が温水運転中に全てのチラーユニット１００が同時期に除霜運転を行うことなく少なくとも１台ずつ交代でチラーユニット１００に除霜運転を実行させる制御である。
　ヒートポンプチラー１０００は、除霜制御を実行するための制御機構を備えている。本実施形態では、制御機構は全チラーユニット１００の制御装置５０の集合体であり、各制御装置５０は互いに通信可能に接続されている。全チラーユニット１００のうち、１台のチラーユニット１００が親機に指定され、親機の制御装置５０が各チラーユニット１００に除雪運転を実行させる。なお、制御機構は、各チラーユニット１００の外部に配置されて各チラーユニット１００を統括制御する装置であってもよい。
　図６において、３台のチラーユニット１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃが稼働中であり、１台のチラーユニット１００Ｄは休止している。稼働中の３台のチラーユニット１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃは、全て温水運転を実行している。チラーユニット１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃの３台がそれぞれ除霜運転が必要と判定すると、親機（例えばチラーユニット１００Ａ）が１台のチラーユニット１００Ａを指定し、このチラーユニット１００Ａに除霜運転を実行させる。親機は、他の２台のチラーユニット１００Ｂ、１００Ｃには、温水運転を継続させる。除霜運転は、例えば所定時間の間、実行される。指定されたチラーユニット１００Ａの除霜運転が終了すると、親機は、別のチラーユニット１００Ｂを指定し、このチラーユニット１００Ｂに除霜運転を実行させる。このように、親機は、除霜運転を実行させるチラーユニット１００を交代で指定し、他のチラーユニット１００には温水運転を継続させる。このようにして、複数のチラーユニット１００が温水運転中に全てのチラーユニット１００が同時期に除霜運転を行うことなく少なくとも１台のチラーユニット１００が温水運転を実行しながら、全てのチラーユニット１００の除霜運転が交代で実行される。なお、１台のチラーユニット１００のみが温水運転を行っていて除霜運転が必要と判定されたときは除霜運転に移行する。この場合は、目標水温に応じて他のチラーユニット１００が適宜、温水運転のために起動する。
（本実施形態の効果）
　本実施形態に係るヒートポンプチラー１０００は、上述の構成により次の効果を有している。
　本実施形態に係るヒートポンプチラー１０００は、複数のチラーユニット１００が温水運転を行っているときに全てのチラーユニット１００が同時期に除霜運転を行うことなく少なくとも１台のチラーユニット１００に温水運転を継続させながら、交代で少なくとも１台のチラーユニット１００に除霜運転を行う。除霜運転は、運転切替機構（四方弁２）を非温水運転に切替え、冷媒が水熱交換器４を流れないように第１膨張弁６を閉じ、冷媒及び排熱媒体（冷却水）がエンジン排熱回収器５を流れるように第２膨張弁７及び流量調整弁（三方弁３３）の開度を制御する運転である。
　除霜運転では、冷房運転と同様に空気熱交換器３が凝縮器となるように冷媒が流されるときに、水熱交換器４の代わりにエンジン排熱回収器５が蒸発器として機能する。このため、除霜運転が実行されるチラーユニット１００において、冷媒蒸発に伴う水熱交換器４内の水温の低下は生じない。したがって、本実施形態に係るヒートポンプチラー１０００は、チラーユニット１００に負荷を掛けることなく除霜運転時における水回路２００の水温低下を抑制できる。
　　１　圧縮機
　　２　四方弁（運転切替機構）
　　３　空気熱交換器
　　４　水熱交換器
　　５　エンジン排熱回収器
　　６　第１膨張弁
　　７　第２膨張弁
　　８　位置切替機構
　３１　エンジン
　３３　三方弁（流量調整弁）
　４１　入水枝管（入水管）
　４２　出水枝管（出水管）
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ　チラーユニット
１０００　エンジンヒートポンプチラー

Claims (1)

  1. 　冷媒を圧縮する圧縮機をエンジンにより駆動し、前記冷媒の凝縮熱又は蒸発熱により熱媒体としての水の温度を調節する、エンジン駆動ヒートポンプチラーユニットを複数台設け、
    　　前記チラーユニットは、
    　　空気を放熱源として冷媒を液化する凝縮器として又は空気を吸熱源として冷媒を気化する蒸発器として機能する空気熱交換器と、
    　　前記水を導入するための入水管と前記水を排出するための出水管とを備えており、気液二相冷媒を放熱源として前記水を冷却する冷却器として又は前記圧縮機の吐出冷媒を吸熱源として水を加熱する加熱器として機能する水熱交換器と、
    　　前記空気熱交換器を蒸発器として機能させる温水運転と、前記空気熱交換器を凝縮器として機能させる非温水運転とを切り替える運転切替機構と、
    　　排熱媒体を介して前記エンジンの排熱を吸熱源とする冷媒の蒸発器として機能するエンジン排熱回収器と、
    　　前記温水運転時では前記空気熱交換器に向かう液状態の前記冷媒の流量を調整し、前記非温水運転時では前記水熱交換器に向かう液状態の前記冷媒の流量を調節する第１膨張弁と、
    　　前記エンジン排熱回収器に向かう液状態の前記冷媒の流量を調節する第２膨張弁と、
    　　前記エンジン排熱回収器を流れる前記排熱媒体の流量を調節する流量調整弁と、を備えており、
    　各々の前記入水管及び前記出水管は、それぞれ並列に接続されており、
    　除霜制御は、複数の前記チラーユニットが温水運転中に全ての前記チラーユニットが同時期に除霜運転を行うことなく少なくとも１台ずつ交代で前記チラーユニットに除霜運転を実行させる制御であり、除霜運転を行う前記チラーユニットは、前記運転切替機構を制御することによって前記温水運転を前記非温水運転に切替え、前記冷媒が前記水熱交換器を流れないように前記第１膨張弁を閉じ、前記冷媒及び前記排熱媒体が前記エンジン排熱回収器を流れるように前記第２膨張弁及び前記流量調整弁の開度を制御する、エンジン駆動ヒートポンプチラー。
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