JP2006349333A - 空水冷ハイブリッドヒートポンプ及び空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】 水冷式と空冷式の交換機を一体化した構成の新規なヒートポンプを提供する。
【解決手段】 空調機器１１と接続される流路４内を循環する熱交換媒体に対して気体を用いて熱交換する空冷式熱交換機５と、流路４内を循環する熱交換媒体に対して冷却水を用いて熱交換する水冷式熱交換機２０とを１つのユニットとして構成し、空冷熱交換機５と水冷熱交換機２０とを切換可能に構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱交換媒体を空気と熱交換する空冷熱交換機と、熱交換媒体を水熱源で熱交換する水冷熱交換機を備えた空水冷ハイブリッドヒートポンプおよび、このヒートポンプを備えた空調システムに関する。

所謂、空冷式の熱交換機となるヒートポンプを有する本空調装置では、一般に直接膨張方式（以下、直膨方式）を用いて冷房及び暖房を行っている。以下、冷房サイクルを用いて冷房システムについて説明すると、直膨方式は室内に設置された蒸発器に熱交換媒体を送り、コイルの中で膨張気化させてコイルを冷却し、通過する空気と熱交換をし、その空気より吸熱を行っている。本空調装置は、室外に設置された凝縮器で空気と直接熱交換を行う構造であるため、構造が簡単である反面、放熱する空気温度（外気温度）によってその性能が大きく変化する特性となっている。

一方、空冷式に比べて熱交換率が良いことで、水冷式の熱交換機としてのヒートポンプが種々提案されている。例えば特許文献１が挙げられる。ここで空冷式と水冷式のヒートポンプの差を冷却サイクルで説明する。この水冷式のヒートポンプは、熱交換媒体を水熱源とする地下水、クーリングタワー内の水等の冷却水に放熱するので、空冷式に比べて熱交換性能が安定する特性がある。しかしながら、冷却水への放熱方式を行おうとしても、この冷却水として水道水を利用するとコストが高く、地下水を利用すると、汲み上げ規制のある地域では十分に利用できるものとは限らない。また、冷却水を循環させる経路を地中に埋設して熱交換させる場合、ヒートポンプの原理的な問題から冷却水の温度がある一定温度を越えると、冷却水と熱交換媒体との間で熱交換を行えなくなる。

ここで、冷却水を熱源とするヒートポンプの原理について説明する。ヒートポンプは、図３、図４に示すように、エンタルピー（ｈ）と圧力（ｐ）に対して用いる熱交換媒体の飽和線上に変化を示した図で説明される。ヒートポンプは、暖房サイクルと冷房サイクルで熱交換媒体の動きが逆になるが、以下に示すように、両サイクルとも、水冷式の方の熱交換効率が向上する。

図３を用いて暖房サイクルを説明する。ヒートポンプにおいては、蒸発器が熱源との熱交換機分となり、ここが空冷冷却機と水冷冷却機で異なる部分となる。水の熱伝達率は、空気のそれと比べて数百倍と大変大きく、また、熱容量も大きくなることから、効率的に吸熱反応が行われ、ヒートポンプの動力費（電気消費量）が空気の場合と比べて小さく、効率が向上しており、暖房能力がよくなる。

図４を用いて冷房サイクルを説明すると、熱交換媒体の循環サイクルは暖房サイクルと逆向きとなり、凝縮器での放熱が冷却機の仕事となる。この効率も暖房サイクルと同様に熱伝達率が、圧倒的に空気と比べて高いことから、水による放熱が少ない動力費で行われ、効率が向上して冷房能力もよくなる。

特願平６−２２７７１８号公報

本発明は、水冷式と空冷式の交換機を一体化した構成の新規なヒートポンプを提供することを、その目的とする。

本発明は、空調機器と接続される流路内を循環する熱交換媒体に対して気体を用いて熱交換する空冷式熱交換機と、前記流路内を循環する熱交換媒体に対して冷却水を用いて熱交換する水冷式熱交換機とを１つのユニットとして構成し、前記空冷熱交換機と前記水冷熱交換機とを切換可能に構成したことを特徴としている。
本発明に係る空水冷式ハイブリッドヒートポンプでは、流路内を流れる熱交換媒体を水冷熱交換機へ案内する第１の経路と、流路内を流れる熱交換媒体を空冷熱交換機へと案内する第２の経路と、熱交換媒体が流れる経路を第１の経路と第２の経路とに切換る切換手段と、流路に配置された四方弁と圧縮機とを結ぶ流路上に設けられたアキュムレータの一次側と水冷熱交換機とを接続する第３の経路と、アキュムレータの一次側と空冷熱交換機とを接続する第４の経路と、第３及び第４の経路をそれぞれ開閉可能とする開閉手段とを具備することを特徴としている。
本発明は、空調機器と、空調機器に接続されたヒートポンプとを備えた空調システムにおいて、前記ヒートポンプとして上記何れかの空水冷式ハイブリッドヒートポンプを備えていることを特徴としている。

本発明によれば、空調機器と接続される流路内を循環する熱交換媒体に対して気体を用いて熱交換する空冷式熱交換機と、前記流路内を循環する熱交換媒体に対して冷却水を用いて熱交換する水冷式熱交換機とを１つのユニットとして構成し、前記空冷熱交換機と前記水冷熱交換機とを切換可能に構成したので、既存の空冷熱交換機部や水冷熱交換機を単独で備えたヒートポンプによりも熱交換効率を高めた新規なヒートポンプを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図１は、空調システム１００を示す概略図である。図１において、符号１は室内に装着されるファンコイルユニット１１と接続する空水冷ハイブリッドヒートポンプとしての室外機１の内部構造を示す。この室外機１は、熱交換媒体を空気と水熱源でそれぞれ熱交換する空冷熱交換機部と水冷熱交換機部を備えている。室外機１は、その図示しないケーシングの内部に、四方弁２、膨張弁３、四方弁２と膨張弁３とを結ぶ流路４上に配置された空冷熱交換５、四方弁２と圧縮機６とを結ぶ低圧の流路７上にアキュムレータ８と低圧開閉弁９、四方弁２と膨張弁３の流路４を閉鎖して室外機１とファンコイルユニット１１を切り離し可能とする停止弁１０Ａ，１０Ｂがそれぞれ設けられている。空冷熱交換５と対向する部位には、駆動モータ１９によって回転駆動されるファン１８が設けられている。圧縮機６と四方弁２とを結ぶ高圧の流路１２には、周知の消音器１３と圧力開閉弁１４が設けられている。これら各構成要素は、流路４内を循環する熱交換媒体の熱交換を行い、冷房と暖房を行う空冷熱交換機と冷凍サイクルの構成要素である。熱交換媒体は、最適な性能を得られる量が流路４内に封入されている。

この室外機１は、熱交換媒体と熱交換、すなわち、冷却／加熱する水冷熱交換機２０を備え、空冷熱交換機５と水冷熱交換機２０とを切換可能に構成して、熱交換媒体の熱交換場所を適宜変更するようにしている。空冷熱交換機５と水冷熱交換機２０は、互いに並列に配置されている。

以下、この特徴的な構成について説明する。水冷熱交換機２０は、空冷熱交換機５を迂回するように流路４に接続された追加流路４Ａに配設されている。この迂回流路４Ａは、流路４内を流れる熱交換媒体を水冷熱交換機２０へ案内する第１の経路を構成する。水冷熱交換機２０に対して迂回流路となる流路４Ｂには、空冷熱交換機５が配設されている。

水冷熱交換機２０の上流側と下流側に位置する追加流路４Ａには電磁弁２２，２３が、水冷熱交換機５の上流側と下流側に位置する経路４Ｂには電磁弁２４，２５がそれぞれ配設されている。これら電磁弁は、オフ状態では各経路を閉じて水冷熱交換機２０と空冷熱交換機５への熱交換媒体の流入を停止し、オン状態となると、各経路を開き各熱交換機に対して熱交換媒体を流入するように構成されている。

水冷熱交換機２０は、その内部に水熱源の一形態である地下水を通過させる水流路が形成されていて、ファンコイルユニット１１との間で循環する熱交換媒体を、地下水によって冷却あるいは加熱するように構成されている。水熱源としては地下水に限定されるものではなく、水道水、クーリングタワーで用いる水、貯水されている水等の冷却水全般を含むものである。

アキュムレータ８の一次側に位置する流路７と水冷熱交換機２０とは、第３の経路２６で接続されている。この第３の経路２６は、電磁弁２２，２３がオフ、かつ電磁弁２４，２５がオンの時に、水冷熱交換機２０内にある熱交換媒体をアキュムレータ８に導入するための媒体回収通路を構成する。

アキュムレータ８の一次側に位置する流路７と空冷熱交換機５とは、第４の経路２７で接続されている。この第４の経路２７は、電磁弁２２，２３がオン、かつ電磁弁２４，２５がオフの時に、空冷熱交換機５内にある熱交換媒体をアキュムレータ８に導入するための媒体回収通路を構成する。これら第３及び第４の経路２６，２７には、同経路をそれぞれ開閉可能とする開閉手段としての電磁式の開閉弁２８，２９が設けられている。すなわち、電磁弁２２，３３及び電磁弁２４，２５は、そのオン／オン状態に応じて迂回経路４Ａと経路４Ｂとを切換る切換手段を構成している。

駆動モータ１９、電磁弁２２，２３，２４，２５及び開閉弁２８，２９のオン／オフ制御は、図２に示す制御手段３０で制御されるようになっている。制御手段３０は、図示を省略したが、ＣＰＵ（中央処理装置）、Ｉ／Ｏ（入出力）ポート、ＲＯＭ（読み出し専用記憶装置）、ＲＡＭ（読み書き可能な記憶装置）およびタイマー等をそれぞれ備え、これらが信号バスによって接続された構成を有する周知のコンピュータで構成されている。制御手段３０の入力側には、水冷熱交換機２０への冷却水の流入温度を検出する温度検知手段としての温度検知センサ３１が接続されている。

本形態において、温度検知センサ３１には周知のサーミスタを用いるが、これ以外の構成であっても無論構わない。制御手段３０の出力側には、電磁弁２２〜２５と開閉弁２８，２９及び圧縮機６と駆動モータ１８が電気的に接続されている。制御手段３０のＲＯＭには、電磁弁２２，２３と開閉弁２９及び電磁弁２４，２５と開閉弁２８、駆動モータ１９をオン／オフするためのパラメータとなる所定温度ｔ１，ｔ２が予め設定されている。所定温度ｔ１、ｔ２は、ｔ１＞ｔ２の関係にある。制御手段３０は、水温検知センサ３１からの温度情報が所定温度ｔ１となると、電磁弁２４，２５、開閉弁２８、駆動モータ１９をオン状態、電磁弁２２，２３、開閉弁２８をオフ状態とし、所定温度ｔ２となると電磁弁２２，２３と開閉弁２９をオン状態、電磁弁２４，２５、開閉弁２８及び駆動モータ１９をオフ状態とするようにして経路の切換制御と冷却用のファン１８の動作制御を実行する。

このような構成において、図示しない電源が投入されると、制御手段３０は、温度検知センサ３１からの温度情報に応じて、各電磁弁と開閉弁のオンさせる。例えば、温度検知センサ３１からの温度情報Ｔが、所定温度ｔ１＞ｔ＞ｔ２で、冷房運転する場合には、電磁弁２２，２３と開閉弁２９だけをオンして圧縮機５を駆動する。このため、熱交換媒体は、ファンコイルユニット１１から四方弁２を介して図１において実線示す矢印方向に移動する。この時、電磁弁２２，２３はオンされて迂回迷路４Ａが開放されているので、熱交換媒体は水冷熱交換機２０へ導入される。また、開閉弁２８はオフ状態、開閉弁２９はオン状態とされるので、第４の経路２７が開放されて使用しない空冷熱交換機５内の存在する熱交換媒体が、アキュムレータ８の負圧によりアキュムレータ８に回収される。このため、流路４内を循環する熱交換媒体の量が、封入時の量とほぼ同一の量とされて水冷熱交換機２０へ導入される。導入された熱交換媒体は、冷却水と間で熱交換されて冷却され、膨張弁３を介してファンコイルユニット１１へと戻される。水冷熱交換機２０での熱交換を時には、駆動モータ１９が停止状態となるので、省エネと、ファン１８の回転に伴い発生する風切り音などの騒音を低減することができる。

冷房運転の継続により熱交換媒体の温度は上昇し、これに伴い水冷熱交換機２０での熱交換負荷が高まり冷却水の温度も上昇する。そして、冷却水の温度が所定温度ｔ１となると、電磁弁２４，２５、開閉弁２８、駆動モータ１９がオン状態、電磁弁２２，２３と開閉弁２９をオフ状態となる。このため、迂回流路４Ａは閉じ、流路４Ｂが開放されて経路切換えが行われるとともに第３の経路２６が開放されて使用しない水冷熱交換機２０内の存在する熱交換媒体がアキュムレータ８の負圧によりアキュムレータ８に回収されるとともにファン１８が回転する。このため、圧縮機６、四方弁２を通過した熱交換媒体は、全て空冷熱交換機５へ案内され、ファン１８の回転に発生する気流により空気と間で熱交換されて冷却され、膨張弁３を介してファンコイルユニット１１へと戻される。

次に暖房運転時の動作について説明する。暖房運転する場合、熱交換媒体は膨張弁３から四方弁２に向かって、図１に破線で示す矢印方向に移動する。制御手段３０は、暖房運転時においても、温度検知センサ３１からの温度情報に応じて、各電磁弁と開閉弁及び駆動モータ１９のオン／オフン制御する。例えば、温度検知センサ３１からの温度情報Ｔが、所定温度ｔ１＞ｔ＞ｔ２の場合には、電磁弁２２，２３はオンして迂回迷路４Ａが開放し、熱交換媒体を水冷熱交換機２０へ導入する。無論、開閉弁２９もオン状態とされるので、第４の経路２７が開放されて使用しない空冷熱交換機５内の存在する熱交換媒体がアキュムレータ８に回収される。このため、流路４内を循環する熱交換媒体の量が、封入時の量とほぼ同一の量とされて水冷熱交換機２０へ導入される。導入された熱交換媒体は、冷却水と間で熱交換されて加熱され、膨張弁３を介してファンコイルユニット１１へと戻される。暖房時においても、水冷熱交換機５での熱交換を時には、駆動モータ１９が停止状態となるので、省エネと、ファン１８の回転に伴い発生する風切り音などの騒音を低減することができる。

暖房運転の継続により熱交換媒体の温度は低下し、これに伴い水冷熱交換機２０での熱交換負荷が高まり冷却水の温度も低下する。そして、冷却水の温度が所定温度ｔ２となると、電磁弁２４，２５と開閉弁２８、駆動モータ１９をオン状態、電磁弁２２，２３と開閉弁２９をオフ状態とする。このため、迂回流路４Ａは閉じ、流路４Ｂが開放されて経路切換えが行われ、同時に第３の経路２６が開放されて使用しない水冷熱交換機２０内の存在する熱交換媒体がアキュムレータ８に回収されるとともにファン１８が回転する。このため、圧縮機６，四方弁２を通過した熱交換媒体は、全て空冷熱交換機５へ案内され、ファン１８の回転に発生する気流により空気と間で熱交換されて、膨張弁３を介してファンコイルユニット１１へと戻される。

このように、空冷熱交換機５と水冷熱交換機２０とを備えた室外機１においては、冷却水の温度に応じて適宜、空冷熱交換機２と水冷熱交換機２０とを切換えて使用することで、空冷熱交換機５と水冷熱交換機２０に体する負荷を軽減できるので、熱交換効率を高めることができる。

本形態においては、空冷熱交換機５と水冷熱交換機２０を１つのユニットとして最初から構成したが、空冷熱交換機５を有するヒートポンプに対して水冷熱交換機２０を、あるいは水冷熱交換機２０を有するヒートポンプに空冷熱交換機５を後から装着して１つのユニットとして構成してもよい。このように後付方式とすると、既存の空冷式ヒートポンプあるいは水冷式ヒートポンプを利用してハイブリッドヒートポンプを構成することができ、コスト低減や資源の再利用を行える。

本発明の一形態である空水冷式ハイブリッドヒートポンプと、これを備えた空調システムの概略構成図である。 制御手段とこれにつながる構成要素を示すブロック図である。 熱交換媒体の暖房時の特性を示すモリエ線図である。 熱交換媒体の冷房時の特性を示すモリエ線図である。

符号の説明

２ 四方弁
３ 膨張弁
４ 流路
５ 空冷熱交換機
８ アキュムレータ
２０ 水冷熱交換機
４Ａ 第１の経路
４Ｂ 第２の経路
２２〜２５ 切換手段
２６ 第３の経路
２７ 第４の経路
２８，２９ 開閉手段
１００ 空調システム

Claims (3)

1. 空調機器と接続される流路内を循環する熱交換媒体に対して気体を用いて熱交換する空冷式熱交換機と、前記流路内を循環する熱交換媒体に対して冷却水を用いて熱交換する水冷式熱交換機とを１つのユニットとして構成し、前記空冷熱交換機と前記水冷熱交換機とを切換可能に構成したことを特徴とする空水冷式ハイブリッドヒートポンプ。
2. 請求項１記載の空水冷式ハイブリッドヒートポンプにおいて、
   前記流路内を流れる熱交換媒体を前記水冷熱交換機へ案内する第１の経路と、
   前記流路内を流れる熱交換媒体を前記空冷熱交換機へと案内する第２の経路と、
   前記熱交換媒体が流れる経路を第１の経路と第２の経路とに切換る切換手段と、
   前記流路に配置された四方弁と圧縮機とを結ぶ流路上に設けられたアキュムレータの一次側と前記水冷熱交換機とを接続する第３の経路と、
   前記アキュムレータの一次側と前記空冷熱交換機とを接続する第４の経路と、
   第３及び第４の経路をそれぞれ開閉可能とする開閉手段とを具備することを特徴とする空水冷式ハイブリッドヒートポンプ。
3. 空調機器と、前記空調機器に接続されたヒートポンプとを備えた空調システムにおいて、
   前記ヒートポンプとして請求項１または２記載の空水冷式ハイブリッドヒートポンプを備えていることを特徴とする空調システム。

Images