JP5898506B2

JP5898506B2 - ヒートポンプ装置

Info

Publication number: JP5898506B2
Application number: JP2012012312A
Authority: JP
Inventors: 粕谷　潤一郎; 潤一郎粕谷; 焦石井; 速彦高城
Original assignee: Sanden Holdings Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2012-01-24
Filing date: 2012-01-24
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2032-01-24
Also published as: JP2013152037A; WO2013111786A1

Description

給湯や暖房用のヒートポンプ装置に関する技術が以下に開示される。

従来より、冷媒を循環させる冷凍回路をヒートポンプユニットとして利用し、シャワー等の給湯に使用する温水や、温水を床下に巡らして暖房する床暖房用の温水を生成するヒートポンプ装置が知られている。この種のヒートポンプ装置では、より高温の温水を得られるようにするため、特許文献１に示すような二元型のヒートポンプユニットを備えることが周知である。すなわち、低元側（低温側）ヒートポンプユニット（冷媒Ａが循環するヒートポンプサイクル）と高元側（高温側）ヒートポンプユニット（冷媒Ｂが循環するヒートポンプサイクル）とをカスケード熱交換器で縦列接続し、高元側ヒートポンプユニットの熱媒−冷媒熱交換器で温水を生成するヒートポンプ装置である。

特開昭６２−５２３７６号公報

上記のような二元型ヒートポンプ装置に関し、一般的なモリエル線図（実線）を図５Ａに示す。同図に点線で示す単元型ヒートポンプ装置のモリエル線図と比較すると、低元側ヒートポンプユニットの使用ではエンタルピ差が大きくなって効率が良好である一方、高元側ヒートポンプユニットの使用ではエンタルピ差が少なくて、ＣＯＰ（成績係数）の向上について改善の余地があることが分かる。

このことは、冷媒としてＣＯ_２（二酸化炭素）を用いた二元型ヒートポンプ装置において、超臨界圧の範囲でヒートポンプユニットを動作させる場合に、図５Ｂに実線のモリエル線図で示すごとく、顕著となる（図５Ｂ中の点線は単元型ヒートポンプ装置）。特に、冷媒としてＣＯ_２を用いた二元型ヒートポンプ装置の場合、高元側ヒートポンプユニットの使用時、低元側ヒートポンプユニットにおける矢印で示す範囲の熱、すなわち熱交換で使用されずに残り、外気温度（吸熱源）よりも温度が高く未だ吸熱源として使用し得る熱（余熱）、を効率的に使用できておらず、ＣＯＰの向上について改善の余地が残されている。

このような背景に鑑みて本発明は、上記のような二元型ヒートポンプ装置に関し、よりＣＯＰを向上させることの可能な構成を提案する。

当課題に対して提案するヒートポンプ装置は、
低元側圧縮機、低元側熱媒−冷媒熱交換器、カスケード熱交換器、低元側膨張弁及び低元側蒸発器の順に冷媒が循環する低元側ヒートポンプユニットと、
高元側圧縮機、高元側熱媒−冷媒熱交換器、高元側膨張弁及び前記カスケード熱交換器の順に冷媒が循環する高元側ヒートポンプユニットと、
負荷からの戻り熱媒を前記低元側熱媒−冷媒熱交換器と前記高元側熱媒−冷媒熱交換器とに分流させ、且つ、前記低元側熱媒−冷媒熱交換器及び前記高元側熱媒−冷媒熱交換器を通過した各分流熱媒を合流させて前記負荷へ送り出すように構成されると共に、前記低元側熱媒−冷媒熱交換器への熱媒分流量と前記高元側熱媒−冷媒熱交換器への熱媒分流量とを調節する分流調節器を備えた負荷ユニットと、
を含み、
前記低元側ヒートポンプユニットの前記冷媒及び前記高元側ヒートポンプユニットの前記冷媒として二酸化炭素冷媒が使用されると共に、前記低元側圧縮機と前記高元側圧縮機とが個別に制御可能に構成されている。

上記提案に係るヒートポンプ装置は、低元側ヒートポンプユニットにおいて熱媒−冷媒熱交換器で使用しきれない熱を、その下流のカスケード熱交換器により、高元側ヒートポンプユニットが吸熱源として使用し、これら低元側及び高元側の両ヒートポンプユニットにより、負荷へ送る熱媒と熱交換を行う。したがって、従来装置に比べて熱の利用効率に優れ、ＣＯＰを向上させることができる。

ヒートポンプ装置の第１実施形態を示した回路図。ヒートポンプ装置の第２実施形態を示した回路図。ヒートポンプ装置の第３実施形態を示した回路図。実施形態に係るヒートポンプ装置のモリエル線図。従来のヒートポンプ装置のモリエル線図。ヒートポンプ装置の第４実施形態を示した回路図。ヒートポンプ装置の第５実施形態を示した回路図。ヒートポンプ装置の第６実施形態を示した回路図。

ヒートポンプ装置の第１実施形態が図１に示されている。
第１実施形態に係るヒートポンプ装置は、低元側ヒートポンプユニット１０、高元側ヒートポンプユニット２０、及び負荷ユニット３０を含んで構成される、二元型ヒートポンプ装置である。

低元側ヒートポンプユニット１０は、低元側圧縮機１１、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２、カスケード熱交換器１３、低元側膨張弁１４及び低元側蒸発器１５を、冷媒循環路でつないで構成される冷凍回路である。冷媒には、例えばＣＯ_２が使用され、該冷媒が、低元側圧縮機１１、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２、カスケード熱交換器１３、低元側膨張弁１４及び低元側蒸発器１５の順に循環して冷凍サイクルが実行される。すなわち冷媒は、低元側圧縮機１１で超臨界の状態まで圧縮されて高温高圧となった後、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２において、負荷ユニット３０を循環する熱媒（低元側分流）と熱交換する。次いで冷媒は、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２からカスケード熱交換器１３へ流れ、熱媒との熱交換で使い切れず、外気温度よりも高く吸熱源として未だ使用可能な冷媒の熱が、高元側ヒートポンプユニット２０の吸熱源として利用される。冷媒−冷媒熱交換器であるカスケード熱交換器１３で熱交換した後の冷媒は、低元側膨張弁１４で膨張後、ファンを備えた低元側蒸発器１５で外気と熱交換し、低元側圧縮機１１へ循環する。

高元側ヒートポンプユニット２０は、高元側圧縮機２１、高元側熱媒−冷媒熱交換器２２、高元側膨張弁２３、そしてカスケード熱交換器１３を、冷媒循環路でつないで構成される冷凍回路である。冷媒には、低元側と同じくＣＯ_２が使用され、該冷媒が、高元側圧縮機２１、高元側熱媒−冷媒熱交換器２２、膨張弁２３及びカスケード熱交換器１３の順に循環して冷凍サイクルが実行される。すなわち冷媒は、高元側圧縮機２１で超臨界の状態まで圧縮されて高温高圧となった後、高元側熱媒−冷媒熱交換器２２において、負荷ユニット３０を循環する熱媒（高元側分流）と熱交換する。次いで冷媒は、高元側膨張弁２３で膨張後、カスケード熱交換器１３において低元側ヒートポンプユニット１０の冷媒と熱交換し、高元側圧縮機２１へ循環する。

低元側及び高元側ヒートポンプユニット１０，２０において、圧縮機１１，２１の各回転速度や膨張弁１４，２３の各吐出開度は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）等のコントローラにより、良好なＣＯＰが達成されるように制御される。例えば、高元側圧縮機２１による冷媒圧縮が低元側圧縮機１１による圧力と同程度の圧力範囲となるように制御され、また、高元側ヒートポンプユニット２０の冷媒蒸発温度が所定範囲となるように制御される。

負荷ユニット３０は、一例として、床下に通したパイプに温水を流す床暖房ユニットである。負荷として暖房負荷を示すが、給湯負荷など他の負荷でも同様に適用可能である。第１実施形態の負荷ユニット３０は、熱媒として温水（水）を循環させる熱媒循環路３１を備え、この熱媒循環路３１において、暖房負荷より上流側にポンプ３２、下流側に膨張タンク３３が設けられる。ポンプ３２が熱媒を暖房負荷へ送り出して（暖房負荷への往き熱媒）循環させ、膨張タンク３３は、熱媒循環路３１内の熱媒量を一定に保つために設けられる。

熱媒循環路３１は、暖房負荷より下流側で、２つの分流路、すなわち低元側流路３１ａと高元側流路３１ｂとに分岐しており、暖房負荷で使用されて戻ってくる熱媒（負荷からの戻り熱媒）を、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２と高元側熱媒−冷媒熱交換器２２とに分流させる。そして、第１実施形態の負荷ユニット３０では、高元側流路３１ｂの途中に、分流して高元側流路３１ｂへ流れる熱媒分流量を調節する分流調節器として流量制御弁３４が配設される。この流量制御弁３４の流量がＥＣＵ等のコントローラ３５により制御されることで、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２への熱媒分流量と高元側熱媒−冷媒熱交換器２２への熱媒分流量とが調節される。

この低元側流路３１ａと高元側流路３１ｂの各流路径（断面積、管内径）は、例えば、「低元側流路３１ａの径＞高元側流路３１ｂの径」というように、互いに異なる径とする（すなわち、互いに異なる流路抵抗を設定する）ことができる。図１のように、暖房負荷からの戻り流路に対して、高元側流路３１ｂが直進関係にあり且つ低元側流路３１ａが曲折関係にある場合、流量制御弁３４を全開にしたときに、戻り熱媒の流れの慣性により、高元側流路３１ｂへ直進する熱媒の量が多くなる一方、低元側流路３１ａへ折れ曲がる熱媒の量は少なくなり、均等に分流させることが難しい状況が生じ得る。予めこの状況を考慮して、「低元側流路３１ａの径＞高元側流路３１ｂの径」としておくことで、分流の不均衡を是正することが可能である。このように互いに異なる流路抵抗を設定するための流路径の調節は、分流路全体又は一部の流路径、分流路入り口部分の流路径、分流調節器（後述の三方弁の場合は分岐部）の流路径、のいずれか又は組み合わせによって実施することができる。この他にも、流路抵抗を変えるには、流路抵抗を大きくする側の分流路を先細りにするなどの方法が考えられる。

低元側熱媒−冷媒熱交換器１２及び高元側熱媒−冷媒熱交換器２２より各下流において、低元側流路３１ａ及び高元側流路３１ｂは再び合流して１本の熱媒循環路３１となり、ポンプ３２へつながっている。したがって、低元側流路３１ａへ分流して低元側熱媒−冷媒熱交換器１２を通過し、低元側ヒートポンプユニット１０の冷媒と熱交換した後の分流熱媒と、高元側流路３１ｂへ分流して高元側熱媒−冷媒熱交換器２２を通過し、高元側ヒートポンプユニット２０の冷媒と熱交換した後の分流熱媒とは、合流してからポンプ３２により暖房負荷へ送り出される。

低元側熱媒−冷媒熱交換器１２の出口熱媒温度を計測する温度センサＳ１が低元側流路３１ａに、高元側熱媒−冷媒熱交換器２２の出口熱媒温度を計測する温度センサＳ２が高元側流路３１ｂに、そして、合流後の熱媒温度を計測する温度センサＳ３が暖房負荷より上流側の熱媒循環路３１に、それぞ設けられている。コントローラ３５は、これら温度センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３の出力値に基づいて流量制御弁３４を制御し、例えば６５℃前後の目標出湯温度が得られるように、各熱媒分流量を調節する。すなわち、コントローラ３５は暖房負荷（の大小）に応じて流量制御弁３４を制御し、低元側流路３１ａ及び高元側流路３１ｂへ流れる各熱媒分流量を調節する。暖房負荷の変動を検出する検出値としては、温度センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３による熱媒温度計測値の他にも、外気温、圧縮機の回転速度、戻り熱媒温度及び往き熱媒温度のいずれか又は両方、熱媒−冷媒熱交換器の出口冷媒温度、のうちの少なくとも１つを利用することが可能である。すなわち、暖房負荷の変動を直接又は間接的に現す値（戻り熱媒温度、往き熱媒温度、熱媒−冷媒熱交換器出口冷媒温度）や、暖房負荷変動に応じた動作の結果変化する値（圧縮機回転速度）を利用して制御が実行される。

図２は、ヒートポンプ装置の第２実施形態を示す。
第２実施形態に係るヒートポンプ装置は、第１実施形態と同じ低元側ヒートポンプユニット１０及び高元側ヒートポンプユニット２０を備える。各ヒートポンプユニット１０，２０は、第１実施形態同様の圧縮機１１，２１、熱媒−冷媒熱交換器１２，２２、カスケード熱交換器１３、膨張弁１４，２３及び蒸発器１５を有する。

第２実施形態の負荷ユニット４０において、熱媒循環路４１、ポンプ４２、膨張タンク４３は、第１実施形態同様である。第２実施形態では、戻り熱媒を低元側流路４１ａと高元側流路４１ｂとに分流させる分流調節器が、分岐点に設けた三方弁４４を用いて構成され、第１実施形態同様の温度センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３の出力値に基づいてコントローラ４５により制御されている。三方弁４４により、目標出湯温度が得られるように、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２への熱媒分流量と高元側熱媒−冷媒熱交換器２２への熱媒分流量とが調節される。三方弁４４を用いることで、各流路４１ａ，４１ｂへの分流量調節が、より高精度に細かく行われる。

図３は、ヒートポンプ装置の第３実施形態を示す。
第３実施形態に係るヒートポンプ装置も、第１及び第２実施形態と同じ低元側ヒートポンプユニット１０及び高元側ヒートポンプユニット２０を備える。各ヒートポンプユニット１０，２０は、第１及び第２実施形態同様の圧縮機１１，２１、熱媒−冷媒熱交換器１２，２２、カスケード熱交換器１３、膨張弁１４，２３及び蒸発器１５を有する。

第３実施形態の負荷ユニット５０において、熱媒循環路５１、ポンプ５２、膨張タンク５３は、第１及び第２実施形態同様である。また、戻り熱媒を低元側流路５１ａと高元側流路５１ｂとに分流させる分流調節器として用いられる三方弁５４も、第２実施形態同様である。第２実施形態との相異点は、低元側及び高元側流路５１ａ，５１ｂを通り、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２及び高元側熱媒−冷媒熱交換器２２を通過した各分流熱媒を合流させる、所定容量の合流タンク５６を備えることである。この合流タンク５６で合流させた熱媒が、熱媒循環路５１を通りポンプ５２から暖房負荷へ送り出される。三方弁５４を制御するコントローラ５５は、第１実施形態同様の温度センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３の出力値に基づいて、各熱媒分流量を調節する。第３実施形態の温度センサＳ３は、合流タンク５６の出口近辺（タンク内又は外）に設けられる。

合流タンク５６は、内部に貯留する熱媒の液位（水位）を計測するレベルセンサを備え、常に一定量の合流熱媒を一時的に貯留するように構成する。レベルセンサは、タンク内上部に一定の空間が残されるように、タンク天井から少し下がった位置に設けられる。すなわち例えば、タンク容量の８割程度の熱媒が貯留することを検知できる位置に、レベルセンサは設けられる。タンク内上部に空間があることにより、合流タンク５６に一時的に貯留される熱媒の気液分離（エア抜き）が進むので、ヒートポンプ装置の効率がより向上する。レベルセンサの出力値に基づいて、コントローラ５５がポンプ５２及び三方弁５４を制御して熱媒の流量を調節し、タンク内貯留熱媒量を制御することができる。また。コントローラ５５は、液位に異常がある場合にポンプ５２を停止させ、熱媒循環を止める制御を実施することができる。この場合、膨張タンク５３を省くことが可能である。

図４に、本実施形態に係るヒートポンプ装置のモリエル線図を示してあり、ａ→ｂ→ｃ→ｄが低元側ヒートポンプユニット１０の熱サイクルを示し、ｅ→ｆ→ｇ→ｈが高元側ヒートポンプユニット２０の熱サイクルを示す。同図に示す通り、本ヒートポンプ装置では、低元側ヒートポンプユニット１０の熱サイクルに高元側ヒートポンプユニット２０の熱サイクルが重なっており、負荷用に得られる熱量は、低元側ヒートポンプユニット１０により得られる熱量（矢印Ａ）と高元側ヒートポンプユニット２０により得られる熱量（矢印Ｂ）との合算値となる。そして、低元側ヒートポンプユニット１０の低元側熱媒−冷媒熱交換器１２で使い切れずに残る、外気温度より高い余熱量（矢印Ｃ）が、カスケード熱交換器１３において高元側ヒートポンプユニット２０の吸熱量（矢印Ｄ）として使用される（Ｃ→Ｄ）。したがって、従来装置で未使用の熱を利用するので、従来装置に比べて熱の利用効率に優れ、ＣＯＰを向上させることができる。例えばＣＯ_２冷媒の場合、低元側及び高元側ヒートポンプユニット１０，２０の各高圧側を共に超臨界圧の略同一圧力範囲で動作させるように組み合わせ、低元側及び高元側ともに高温を発生させて能力向上を図ることができると共に、高元側ヒートポンプユニット２０の吸熱源に低元側ヒートポンプユニット１０における外気温度より高い余熱を利用することで、外気を吸熱源とする場合に比べて圧縮比を小さくすることが可能となり、ＣＯＰを向上させることができる。

図６〜図８に、ヒートポンプ装置の第４〜第６実施形態を示している。
分流調節器３４，４４，５５による熱媒分流量の調節は、第１〜第３実施形態のように、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２及び高元側熱媒−冷媒熱交換器２２の上流側（分岐側）で行った方が高精度に調節できて好ましいが、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２及び高元側熱媒−冷媒熱交換器２２の下流側（合流側）で調節することもできる。すなわち、第４〜第６実施形態は、第１〜第３実施形態に示したような分流調節器の流量制御弁や三方弁を、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２及び高元側熱媒−冷媒熱交換器２２の下流側に設けた形態である。

図６に示す第４実施形態の場合、流量制御弁３４’が高元側熱媒−冷媒熱交換器２２の下流に設けられて、該流量制御弁３４’を通った分流熱媒が低元側熱媒−冷媒熱交換器１２を通った後の分流熱媒と合流する。図７及び図８に示す第５及び第６実施形態の場合、三方弁４４’，５４’が、低元側流路４１ａ，５１ａと高元側流路４１ｂ，５１ｂの合流点に設けられる。これら分流調節器３４’，４４’，５４’の制御やその他の要素については、第１〜第３実施形態と同様である。また、上述（段落００１６）したような低元側流路３１ａと高元側流路３１ｂの各流路径調節を第４〜第６実施形態でも適用するのが好ましい。

１０低元側ヒートポンプユニット
１１低元側圧縮機
１２低元側熱媒−冷媒熱交換器
１３カスケード熱交換器
１４低元側膨張弁
１５低元側蒸発器
２０高元側ヒートポンプユニット
２１高元側圧縮機
２２高元側熱媒−冷媒熱交換器
２３高元側膨張弁
３０，４０，５０負荷ユニット
３１，４１，５１熱媒循環路
３１ａ，４１ａ，５１ａ低元側流路
３１ｂ，４１ｂ，５１ｂ高元側流路
３２，４２，５２ポンプ
３３，４３，５３膨張タンク
３４，３４’ 流量制御弁（分流調節器）
４４，４４’，５４，５４’ 三方弁（分流調節器）
３５，４５，５５コントローラ
５６合流タンク

Claims

低元側圧縮機、低元側熱媒−冷媒熱交換器、カスケード熱交換器、低元側膨張弁及び低元側蒸発器の順に冷媒が循環する低元側ヒートポンプユニットと、
高元側圧縮機、高元側熱媒−冷媒熱交換器、高元側膨張弁及び前記カスケード熱交換器の順に冷媒が循環する高元側ヒートポンプユニットと、
負荷からの戻り熱媒を前記低元側熱媒−冷媒熱交換器と前記高元側熱媒−冷媒熱交換器とに分流させ、且つ、前記低元側熱媒−冷媒熱交換器及び前記高元側熱媒−冷媒熱交換器を通過した各分流熱媒を合流させて前記負荷へ送り出すように構成されると共に、前記低元側熱媒−冷媒熱交換器への熱媒分流量と前記高元側熱媒−冷媒熱交換器への熱媒分流量とを調節する分流調節器を備えた負荷ユニットと、
を含み、
前記低元側ヒートポンプユニットの前記冷媒及び前記高元側ヒートポンプユニットの前記冷媒として二酸化炭素冷媒が使用されると共に、前記低元側圧縮機と前記高元側圧縮機とが個別に制御可能に構成されている、
ヒートポンプ装置。
前記負荷ユニットは、前記低元側熱媒−冷媒熱交換器及び前記高元側熱媒−冷媒熱交換器を通過した各分流熱媒を合流させる、所定容量の合流タンクを備える、請求項１に記載のヒートポンプ装置。
前記低元側熱媒−冷媒熱交換器へ分流熱媒を流す分流路と前記高元側熱媒−冷媒熱交換器へ分流熱媒を流す分流路とが、互いに異なる流路抵抗を有する、請求項１又は請求項２に記載のヒートポンプ装置。
前記負荷ユニットの分流調節器が三方弁を用いて構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
前記負荷ユニットの分流調節器は、前記負荷に応じて制御される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。