JP2013148331A - ヒートポンプシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1高温側ユニット(110a)と第2高温側ユニット(110b)との構成を異ならせることで、第1高温側ユニット(110a)が第1対象流体を100℃未満に加熱し、上記第2高温側ユニット(110b)が第1対象流体を100℃以上に加熱するようにする。
【選択図】図1
Description
第1高温側ユニット(110a)の高温側圧縮機(11)、低温側ユニット(150)の低温側圧縮機(51)及び熱源側ユニット(120)の熱源側圧縮機(21)は、いずれも全密閉型で構成されている。これらの圧縮機(11,21,51)には、それぞれインバータ(図示なし)が電気的に接続されている。これらのインバータにより、各圧縮機(11,21,51)は容量可変に構成されている。
第1高温側ユニット(110a)の第1高温側回路(10a)の高温側凝縮器(12)は上記第1高温側回路(10a)の凝縮器を構成する。この高温側凝縮器(12)は、例えばプレート式熱交換器であり、冷媒流路(12a)及び熱媒体流路(12b)を有している。上記冷媒流路(12a)が上記第1高温側回路(10a)に連通し、上記熱媒体流路(12b)が高温側利用回路(図示なし)に連通している。この高温側利用回路は、高温側ポンプ(図示なし)と高温側利用熱交換器(図示なし)とが接続された閉回路である。
低温側ユニット(150)の低温側回路(50)の低温側蒸発器(52)は、上記低温側回路(50)の蒸発器を構成する。この低温側蒸発器(52)は、例えばプレート式熱交換器であり、水流路(52a)及び冷媒流路(52b)を有している。上記冷媒流路(52b)が低温側回路(50)に連通し、上記水流路(52a)が低温側利用回路(図示なし)に連通している。この低温側利用回路は、低温側ポンプ(図示なし)と低温側利用熱交換器(図示なし)とが接続された閉回路である。
上記第1高温側回路(10a)及び上記熱源側回路(20)に係る高温側カスケード熱交換器(14)は、上記第1高温側回路(10a)の蒸発器として機能すると同時に上記熱源側回路(20)の凝縮器として機能する。この高温側カスケード熱交換器(14)は、例えばプレート式熱交換器であり、凝縮側流路(14a)及び蒸発側流路(14b)を有している。蒸発側流路(14b)が第1高温側回路(10a)に連通し、凝縮側流路(14a)が熱源側回路(20)に連通している。
上記熱源側回路(20)及び上記低温側回路(50)に係る低温側カスケード熱交換器(54)は、上記熱源側回路(20)の蒸発器として機能すると同時に上記低温側回路(50)の凝縮器として機能する。この低温側カスケード熱交換器(54)は、例えばプレート式熱交換器であり、凝縮側流路(54a)及び蒸発側流路(54b)を有している。蒸発側流路(54b)が熱源側回路(20)に連通し、凝縮側流路(54a)が低温側回路(50)に連通している。
上記熱源側ユニット(120)の熱源側回路(20)の三方弁(26)は、放熱過多状態(第2状態)(図1に実線で示す状態)と、吸熱過多状態(第1状態)(図1に破線で示す状態)とに切り換わる。放熱過多状態の三方弁(26)では、第1ポート(P1)が第2ポート(P2)に連通し、第3ポート(P3)が閉鎖される。一方、吸熱過多状態の三方弁(26)では、第1ポート(P1)が第3ポート(P3)に連通し、第2ポート(P2)が閉鎖される。
第1高温側ユニット(110a)の第1高温側回路(10a)では、上記高温側圧縮機(11)の吐出口と上記高温側膨張弁(13)の流入口とを接続する冷媒配管の途中に、上記高温側凝縮器(12)の冷媒流路(12a)が連通している。また、上記高温側膨張弁(13)の流出口と上記高温側圧縮機(11)の吸入口とを接続する冷媒配管の途中に、上記高温側カスケード熱交換器(14)の蒸発側流路(14b)が連通している。
低温側ユニット(150)の低温側回路(50)では、上記低温側圧縮機(51)の吐出口と上記低温側膨張弁(53)の流入口とを接続する冷媒配管の途中に、上記低温側カスケード熱交換器(54)の凝縮側流路(54a)が連通している。また、上記低温側膨張弁(53)の流出口と上記低温側圧縮機(51)の吸入口とを接続する冷媒配管の途中に、上記低温側蒸発器(52)の冷媒流路(52b)が連通している。
上記熱源側ユニット(120)の熱源側回路(20)では、上記熱源側圧縮機(21)の吐出口から延びる吐出配管は2つに分岐し、一方が上記三方弁(26)の第3ポート(P3)に接続され、他方が吐出側仕切弁(60)を介して高圧ガスライン(28)に接続されている。この高圧ガスライン(28)には、上記高温側カスケード熱交換器(14)に係る凝縮側流路(14a)の流入口が連通している。
第2高温側ユニット(110b)の第2高温側回路(10b)は、冷媒が循環して二段圧縮式の冷凍サイクルを行うものである。第2高温側回路(10b)は、図4に示すように、低段側圧縮機(11a)および高段側圧縮機(11b)と、高温側凝縮器(12)と、膨張弁(13)と、高温側カスケード熱交換器(14)の蒸発側流路(14b)とが順に冷媒配管によって接続されている。本実施形態では、上述したように、冷媒として、R245fa(臨界温度は154℃)の単一冷媒が用いられている。
次に、上記ヒートポンプシステムの運転動作について説明する。
上記放熱過多運転では、上述したように熱源側ユニット(120)の三方弁(26)が放熱過多状態に設定される。そして、図2の矢印に示すように冷媒が循環する。この放熱過多運転の開始により、第1高温側ユニット(110a)の高温側圧縮機(11)、第2高温側ユニット(110b)の低段側圧縮機(11a)と高段側圧縮機(11b)、低温側ユニット(150)の低温側圧縮機(51)及び熱源側ユニット(120)の熱源側圧縮機(21)が起動する。ここで、コントローラ(100)は、熱源側回路(20)の高圧圧力が高圧設定値で一定となるように熱源側圧縮機(21)の運転容量を調整する。尚、この高圧設定値は、運転状態によって予め決定されているシステム全体の効率が最大となるように設定される値である。本実施形態では、この高圧設定値は、冷媒の凝縮温度40℃の相当飽和圧力である。この動作が、本発明の制御部(100)の第3動作である。
上記熱源側回路(20)では、上記熱源側圧縮機(21)から吐出された冷媒が、上記高圧ガスライン(28)を通じて上記各高温側カスケード熱交換器(14)の凝縮側流路(14a)へ流入し、該各高温側カスケード熱交換器(14)の凝縮側流路(14a)で上記高温側回路(10a,10b)の冷媒に放熱して凝縮する。これらの凝縮した各冷媒は、上記高温側流路調整弁(62)で減圧された後に上記液ライン(27)で合流する。この合流した冷媒は再び分流して上記各低温側減圧弁(63)と上記熱源側膨張弁(22)とに流入した後で減圧される。
上記低温側回路(50)では、上記低温側圧縮機(51)から吐出された冷媒が、上記低温側カスケード熱交換器(54)で上記熱源側回路(20)の冷媒に放熱して凝縮する。この凝縮した冷媒は、上記低温側膨張弁(53)で膨張した後で上記低温側蒸発器(52)に流入し、該低温側蒸発器(52)で上記低温側利用回路の水から吸熱して蒸発する。
上記第1高温側回路(10a)では、上記高温側圧縮機(11)から吐出された冷媒が、上記高温側凝縮器(12)で上記高温側利用回路の水に放熱して凝縮する。上記高温側凝縮器(12)で凝縮した高圧の冷媒は、上記高温側膨張弁(13)で減圧されて低圧の冷媒になった後に上記高温側カスケード熱交換器(14)で上記熱源側回路(20)の冷媒から吸熱して蒸発する。この蒸発した冷媒は、上記高温側圧縮機(11)に吸入されて圧縮された後で上記高温側凝縮器(12)へ向けて再び吐出される。このように、上記第1高温側回路(10a)内を冷媒が循環することにより、上記高温側利用回路の水を加熱する。
両圧縮機(11a,11b)が駆動されると、低段側圧縮機(11a)で圧縮された冷媒は高段側圧縮機(11b)で更に圧縮されて高圧冷媒となる。高段側圧縮機(11b)から吐出された高圧冷媒は、高温側凝縮器(12)で熱媒体(油)と熱交換して凝縮し液冷媒となる。これにより、この熱媒体が加熱される。高温側凝縮器(12)で凝縮した高圧の液冷媒は、一部がインジェクション通路(30)の主通路(45)に流れ、残りが過冷却熱交換器(15)の高温流路(15b)に流れる。
乾き度調整動作は、上述した運転時に、高温側カスケード熱交換器(14)の蒸発側流路(14b)の出口の冷媒が乾き度1未満(いわゆる湿り冷媒)となるように第2高温側回路(10b)を制御する。本実施形態では、高温側カスケード熱交換器(14)の蒸発側流路(14b)の出口の冷媒の乾き度が目標値(例えば、0.8)となるように調整される。なお、本実施形態において、上記乾き度の目標値は、1未満の値に設定すればよいが、第2高温側回路(10b)のCOPが最適となる0.7から0.9の範囲内で設定するのが好ましい。
インジェクション調整動作は、上述した運転時に、高段側圧縮機(11b)の吐出冷媒の温度(吐出温度)が目標値となるように、且つ、低段側圧縮機(11a)の吐出圧力(高段側圧縮機(11b)の吸入圧力)が目標値となるように、第1流量調整弁(23)および第2流量調整弁(26)の開度を調整する。高段側圧縮機(11b)の吐出温度の目標値は、高温側凝縮器(12)で120℃の蒸気を生成するために必要な高段側圧縮機(11b)の吐出冷媒の温度に設定される。ここで、最適な圧縮比とは、各圧縮比に対する各圧縮機(11a,11b)の圧縮機効率(運転効率)の組み合わせとして、冷凍サイクル全体の効率が最も良くなる値である。
次に、吸熱過多運転について説明する。この吸熱過多運転では、上述したように熱源側ユニット(120)の三方弁(26)が吸熱過多状態に設定される。そして、図3の矢印に示すように冷媒が循環する。この吸熱過多運転の開始により、第1高温側ユニット(110a)の高温側圧縮機(11)、第2高温側ユニット(110b)の低段側圧縮機(11a)と高段側圧縮機(11b)、低温側ユニット(150)の低温側圧縮機(51)及び熱源側ユニット(120)の熱源側圧縮機(21)が起動する。ここで、コントローラ(100)は、熱源側回路(20)の低圧圧力が低圧設定値で一定となるように熱源側圧縮機(21)の運転容量を調整する。尚、この低圧設定値は、運転状態によって予め決定されているシステム全体の効率が最大となるように設定される値である。本実施形態では、この低圧設定値は、冷媒の蒸発温度20℃の相当飽和圧力である。この動作が、本発明の制御部(100)の第2動作である。
上記熱源側回路(20)では、上記熱源側圧縮機(21)から吐出された冷媒が分流して、一方が高圧ガスライン(28)を通じて上記各高温側カスケード熱交換器(14)の凝縮側流路(14a)へ流入し、他方が上記三方弁(26)を通じて上記熱源側熱交換器(25)へ流入する。
本実施形態によれば、第1対象流体を100℃未満に加熱する第1高温側ユニット(110a)と、第1対象流体を100℃以上まで加熱する第2高温側ユニット(110b)との構成を異ならせる。つまり、各高温側ユニット(110a,110b)の第1対象流体の加熱温度、言い換えれば温度差(第1対象流体と冷媒との温度差)に合わせて、例えば各高温側ユニット(110a,110b)に、コストや効率面を考えた適正な冷媒回路や冷媒を採用する。これにより、1つのヒートポンプシステムで異なる温度の第1対象流体を効率よく生成することができる。
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
10 高温側回路
11 高温側圧縮機(高温側圧縮機構)
12 高温用熱交換器(主凝縮器)
13 高温側膨張弁
14 高温側カスケード熱交換器(高温側熱交換器)
20 熱源側回路
25 熱源側熱交換器(補助熱交換器)
50 低温側回路
51 低温側圧縮機
52 低温側膨張弁(副膨張機構)
53 低温用熱交換器
54 低温側カスケード熱交換器(低温側熱交換器)
Claims (6)
- 複数の高温側熱交換器(14)の一次側流路(14a)と複数の低温側熱交換器(54)の一次側流路(54b)とが接続されて冷媒が循環する蒸気圧縮式冷凍サイクルの熱源側回路(20)を有する熱源側ユニット(120)と、
上記各高温側熱交換器(14)の二次側流路(14b)と放熱器(12)とが接続されて冷媒が循環し、上記高温側熱交換器(14)で上記二次側流路(14b)の冷媒が上記一次側流路(14a)の冷媒から吸熱して蒸発し、上記放熱器(12)で冷媒が第1対象流体へ放熱して蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う高温側回路(10a,10b)を有する高温側ユニット(110a,110b)と、
上記各低温側熱交換器(54)の二次側流路(54a)と蒸発器(52)とが接続されて冷媒が循環し、上記低温側熱交換器(54)で上記二次側流路(54a)の冷媒が上記一次側流路(54b)の冷媒へ放熱して、上記蒸発器(52)で冷媒が第2対象流体から吸熱して蒸発して蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う低温側回路(50)を有する低温側ユニット(150)とを備え、
上記熱源側回路(20)は、上記補助熱交換器(25)を除く熱源側回路(20)の熱収支が吸熱過多の場合に上記熱源側回路(20)の放熱器となり、上記補助熱交換器(25)を除く熱源側回路(20)の熱収支が放熱過多の場合に上記熱源側回路(20)の蒸発器となって、上記熱源側回路(20)の冷媒と被熱交換流体とを熱交換する補助熱交換器(25)が接続され、
上記複数の高温側ユニット(110a,110b)は、第1対象流体を所定温度未満に加熱する第1高温側ユニット(110a)と、第1対象流体を上記所定温度以上に加熱し且つ第1高温側ユニット(110a)とは構成が異なる第2高温側ユニット(110b)とを含んでいることを特徴とするヒートポンプシステム。 - 請求項1において、
上記第1高温側ユニット(110a)は、該第1高温側ユニット(110a)の高温側回路(10a)を冷媒が循環することにより、上記第1対象流体を100℃未満に加熱するように構成され、
上記第2高温側ユニット(110b)は、該第2高温側ユニット(110b)の高温側回路(10b)を、上記第1高温側ユニット(110a)の冷媒の臨界温度よりも高く且つ上記第1対象流体の目標温度よりも高い臨界温度の冷媒が循環することにより、上記第1対象流体を100℃以上に加熱するように構成されていることを特徴とするヒートポンプシステム。 - 請求項1において、
上記第1高温側ユニット(110a)は、該第1高温側ユニット(110a)の高温側回路(10a)に1つの高温側圧縮機構(11)が接続されて蒸気圧縮式冷凍サイクルを行うことにより、上記第1対象流体を100℃未満に加熱するように構成され、
上記第2高温側ユニット(110b)は、該第1高温側ユニット(110a)の高温側回路(10b)に低段側の高温側圧縮機構(11a)と、該低段側の高温側圧縮機構(11a)で圧縮した冷媒をさらに圧縮する高段側の高温側圧縮機構(11b)とが接続されて蒸気圧縮式冷凍サイクルを行うことにより、上記第1対象流体を100℃以上に加熱するように構成されていることを特徴とするヒートポンプシステム。 - 請求項3において、
上記第2高温側ユニット(110b)の高温側回路(10b)は、冷媒として臨界温度が上記放熱器(12)による上記第1対象流体の加熱温度を超える冷媒が用いられ、
上記第2高温側ユニット(110b)の高温側回路(10b)において高温側熱交換器(14)の二次側流路(14b)から流出した冷媒の乾き度が1未満となるように冷凍サイクルを行わせる第1動作を行う制御部(100)を備えていることを特徴とするヒートポンプシステム。 - 請求項4において、
上記第2高温側ユニット(110b)の高温側回路(10b)は、上記放熱器(12)から流出した冷媒と該冷媒の分岐冷媒とが熱交換する過冷却熱交換器(15)と、該過冷却熱交換器(15)で熱交換した上記分岐冷媒を、上記低段側の高温側圧縮機構(11a)から吐出された冷媒と合流させた後に上記高段側の高温側圧縮機構(11b)へ吸入させるインジェクション通路(30)と、該インジェクション通路(30)を流れる上記分岐冷媒の流量調整機構(23,26)とを備えていることを特徴とするヒートポンプシステム。 - 請求項1から5の何れか1つにおいて、
上記熱源側ユニット(120)の熱源側回路(20)は、上記冷媒を循環させる容量可変の熱源側圧縮機構(21)が接続される一方、
上記制御部(100)は、上記補助熱交換器(25)を除く熱源側回路(20)の熱収支が吸熱過多の場合に該熱源側回路(20)の低圧圧力が低圧設定値になるように上記熱源側圧縮機構(21)の運転容量を調整する第2動作と、上記補助熱交換器(25)を除く熱源側回路(20)の熱収支が放熱過多の場合に上記熱源側回路(20)の高圧圧力が高圧設定値になるように上記熱源側圧縮機構(21)の運転容量を調整する第3動作とを行うように構成されていることを備えていることを特徴とするヒートポンプシステム。
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