JP7243300B2 - ヒートポンプシステム - Google Patents
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Description
例えば特許文献1には、このような給水加温システムのヒートポンプにおいて、液冷媒と給水とを熱交換する過冷却器を設け、さらに、凝縮器から過冷却器に向かって流れる液冷媒と、蒸発器から圧縮機に向かって流れるガス冷媒とを熱交換する液ガス熱交換器を設ける構成が示されている。
しかしながら、このようなヒートポンプにおいては、膨張弁に流入する液冷媒が、液ガス熱交換器および過冷却器を通過することによって極度に冷却されてしまう可能性がある。液冷媒の過冷却度が極度に大きく、蒸発器に過冷却液が供給される状況になってしまうと、蒸発器での気化が不十分なまま圧縮機に湿り蒸気が送られるようになる。圧縮機が湿り蒸気を吸入すると、液圧縮によるリキッドハンマー等により、圧縮機を破損させるおそれがある。
前記凝縮器から前記膨張弁に向かって流れる液冷媒と前記蒸発器から前記圧縮機に向かって流れるガス冷媒とを熱交換する液ガス熱交換器と、
前記液ガス熱交換器のガス冷媒側の前記冷媒循環ラインにおいて、前記液ガス熱交換器の入口流路から分岐し、出口流路に合流する冷媒バイパスラインと、
前記液ガス熱交換器に分配させる前記ガス冷媒の流量と、前記冷媒バイパスラインに分配させる前記ガス冷媒の流量との流量比を調整するバイパス流量調整部と、
前記膨張弁に流入する前記液冷媒の温度情報を測定する温度センサと、
前記バイパス流量調整部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記温度センサの温度情報に基づき、前記膨張弁に流入する前記液冷媒の過冷却度を一定値、または一定範囲に保つように、前記バイパス流量調整部を制御するヒートポンプシステムに関する。
以下、本発明の第1実施形態に係るヒートポンプシステム1について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書における「ライン」とは、流路、経路、管路等の流体の流通が可能なラインの総称である。
本実施形態のヒートポンプシステム1は、加温対象流体としての用水W1(水道用水、工業用水等)を加温する温水製造システムとして機能するヒートポンプシステムであり、蒸気圧縮式のヒートポンプ10を備える。
冷媒循環ラインL10を循環する冷媒Rは、その循環過程において、ガス冷媒RGと、液冷媒RLと、湿り蒸気状態の冷媒RWとの間で相変化する。
なお、蒸発器15の構造として、伝熱面が外部に露出されている場合、熱源ガスはファンにより伝熱面に供給(例えば、大気の通風)される。また、蒸発器15の構造として、伝熱面が閉鎖空間(例えば、シェル)内に存在している場合、熱源ガスはブロワにより伝熱面に供給される。
そして、凝縮器12を通過することにより加温されて温水となった用水W1は、用水ラインL1の二次側を通じて、不図示の温水需要箇所に供給される。
このような液ガス熱交換器16を設けることにより、蒸発器15に供給される熱源水W2の温度が低い場合であっても、膨張弁14を通過した後の湿り蒸気状態の冷媒RWが、蒸発器15に加えて液ガス熱交換器16を通過するため、圧縮機11に吸入されるガス冷媒RGの温度と圧力を高めることができる。これにより、圧縮機11で圧縮されるガス冷媒RGの流量が増加するため、凝縮器12での発熱量(凝縮器12で冷媒Rが放出する熱量)が増加し、ヒートポンプ10のCOP(エネルギー消費効率)が高まる。
圧縮機11によって圧縮された冷媒Rは、ゲージ圧力2.0MPaG、86℃(飽和温度70℃に対して過熱度16℃)の高温高圧のガス冷媒RGとなる。その後、凝縮器12および過冷却器13を通過した冷媒Rは、23℃の液冷媒RLとなり、さらに、液ガス熱交換器16を通過した冷媒Rは、13℃の液冷媒RLとなる。さらにその後、膨張弁14を通過した冷媒Rは、7℃の湿り蒸気状態の冷媒RWとなる。湿り蒸気状態の冷媒RWは、蒸発器15および液ガス熱交換器16を通過して、ゲージ圧力0.27MPaG、17℃(飽和温度7℃に対して過熱度10℃)のガス冷媒RGとなる。このガス冷媒RGが圧縮機11によって再び圧縮され、高温高圧のガス冷媒RGとなる。このようなサイクルを繰り返し、冷媒Rは循環する。
このモリエル線図の縦軸は冷媒の圧力(p)であり、横軸は冷媒の比エンタルピー(h)である。そして、モリエル線図には、飽和液線Y1と、飽和蒸気線Y2が示されている。このようなモリエル線図により、ヒートポンプサイクル中における冷媒Rの状態変化を表すことができる。冷媒Rは、飽和液線Y1よりも左側で過冷却液状態(液冷媒RLの状態)、飽和液線Y1と飽和蒸気線Y2との間で気液混合状態である湿り蒸気状態(冷媒RWの状態)、飽和蒸気線Y2より右側で過熱蒸気状態(ガス冷媒RGの状態)となる。
圧縮機11に吸引された過熱蒸気状態のガス冷媒RGは、圧縮機11において断熱圧縮されて高温高圧の過熱蒸気状態のガス冷媒RGとなり(a→b)、その後、凝縮器12で凝縮され、さらに過冷却器13および液ガス熱交換器16で過冷却されることにより過冷却液状態の液冷媒RLとなり(b→c)、さらにその後、膨張弁14にて断熱膨張されることにより湿り蒸気状態の冷媒RWとなる(c→d)。そして、湿り蒸気状態の冷媒RWは、蒸発器15において蒸発し、さらに液ガス熱交換器16で加温されて、過熱蒸気状態のガス冷媒RGとなる(d→a)。このようなサイクルで、冷媒Rは循環する。
また、液ガス熱交換器16によりガス冷媒RGの温度(過熱度)を高めることができるため、凝縮器12での発熱量(凝縮器12で冷媒Rが放出する熱量)を増加させて、ヒートポンプ10のCOPを高めることができる。
この場合、図3のモリエル線図において破線R2で示されるように、液ガス熱交換器16を通過した後の液冷媒RLの状態を示す「c2」の位置が、図2に示される適正な場合に比べて左側にずれてしまう。この場合、「c2」の状態にある液冷媒RLは、膨張弁14を通過した後も相状態が変化せず、液冷媒RLの状態を維持してしまう可能性がある(c2→d2)。すなわち、破線R2に示されるように、膨張弁14を通過した後の冷媒Rの状態を示す「d2」の位置が、飽和液線Y1の左側の領域のままとなってしまう可能性がある。
運よくリキッドハンマーが起こらない状態であっても、湿り蒸気の液体部分は非圧縮性であるので、断熱圧縮を経た冷媒RWは湿り蒸気状態のままである。そのため、圧縮機11から吐出される冷媒RWの温度と圧力が低下する(a2→b2)ので、凝縮器12での発熱量が減ることに加えて膨張弁14に送られる液冷媒RLの過冷却も進行しやすくなる。その結果、当初に計画していた冷凍サイクルを実現できなくなる。
バイパス流量調整部は、液ガス熱交換器16に向かう液冷媒RLの流量と、冷媒バイパスラインL20に流入させる液冷媒RLの流量とを分配できるものであればよく、冷媒バイパスラインL20に設けられていてもよいし、冷媒循環ラインL10に設けられていてもよい。あるいは、その両方や、分岐部に設けられていてもよい。本実施形態においては、分岐部Aに三方弁21が設けられている。
例えば、制御部100は、温度センサ22により測定した温度情報と目標温度とを比較し、目標温度に比べて液冷媒RLの温度が低いときは、バイパス流量を増やす方向となるような開度指定信号を生成し、その信号を三方弁21に供給する。一方、目標温度に比べて液冷媒RLの温度が高いときは、バイパス流量を減らす方向となるような開度指定信号を生成し、その信号を三方弁21に供給する。この流量比の調整には、PIDアルゴリズムによるフィードバック制御を用いるのが好適である。
すなわち、液ガス熱交換器16を通過する液冷媒RLの流量を調整することで、図3のモリエル線図において実線R3で示されるように、液ガス熱交換器16を通過した後の液冷媒RLの状態を示す位置が「c3」となり、適正な位置となる。この場合、「c3」の状態にある液冷媒RLは、膨張弁14を通過した後、適正に湿り蒸気状態の冷媒RWとなる(c3→d3)。すなわち、実線R3に示されるように、膨張弁14を通過した後の冷媒Rの状態を示す「d3」の位置が、飽和液線Y1の右側の領域に入る。
このように、膨張弁14を通過した後の冷媒Rが確実に湿り蒸気状態の冷媒RWとなるように、液ガス熱交換器16を通過する液冷媒RLの流量を調整することで、蒸発器15および液ガス熱交換器16で冷媒Rの気化が効率よく進行する。その結果、圧縮機11において液圧縮を防止しつつ、吐出されるガス冷媒RGの過熱度を高めることができる。
また、ヒートポンプ10の圧縮機11は、その出力が変更可能に構成されていてもよい。例えば、インバータ制御により、圧縮機11のモータ17の回転数を変更できるように構成されていてもよい。この場合、給湯温度センサ42が検出した検出温度が目標温度となるように、圧縮機11の回転数を制御する構成を採用することができる。この圧縮機11の回転数の調整には、PIDアルゴリズムによるフィードバック制御を用いるのが好適である。
これにより、蒸発器15に通される熱源水W2の温度が低い場合であっても、膨張弁14を通過した後の冷媒RWが蒸発器15に加えて液ガス熱交換器16を通過するため、圧縮機11に吸入されるガス冷媒RGの温度を高めることができる。よって、圧縮機11から吐出されるガス冷媒RGの温度が上昇(すなわち、過熱度が上昇)するため、凝縮器12での発熱量が増加し、ヒートポンプ10のCOPが高まる。
さらに、膨張弁14に流入する前の液冷媒RLの温度情報に基づいて、液ガス熱交換器16を通過する液冷媒RLの流量を調整することができるため、液冷媒RLが極度に冷却されることがなくなる。よって、膨張弁14を通過した後の冷媒Rが確実に湿り蒸気に相変化することで、蒸発器15および液ガス熱交換器16では、冷媒Rの気化が確実に行われるので、液圧縮による圧縮機11の破損を防止することができる。
これにより、用水W1が過冷却器13および凝縮器12を通過するため、過冷却器13では液冷媒RLの顕熱を利用して、また凝縮器12ではガス冷媒RGの顕熱および潜熱を利用して、用水W1を効率的に加温することができる。
これにより、バイパス流量調整部としての三方弁21の制御を、膨張弁14に流入する液冷媒RLの温度情報、すなわち過冷却度に基づいて適切に実行することができる。
これにより、膨張弁14に流入する液冷媒RLの温度が目標温度となるようにバイパス流量を制御するため、膨張弁14を通過した後の冷媒を確実に湿り蒸気に相変化させることができる。よって、蒸発器15および液ガス熱交換器16では、冷媒Rの気化が確実に行われるので、液圧縮による圧縮機11の破損を防止することができる。
次に、第2実施形態について、図4~5を参照しながら説明する。なお、第1実施形態と同様の構成についてはその説明を省略する。
そして、制御部100は、圧力センサ23が測定した圧力に基づいて前述の目標温度を設定し、この目標温度と温度センサ22が測定した温度情報とに基づき、バイパス流量調整部としての三方弁21を制御する。
図5において破線R4で示されるように、膨張弁14に流入する過冷却液状態の液冷媒RLの圧力が高い場合は、膨張弁14での減圧量が十分でないと、冷媒Rが湿り蒸気の状態とならない(c4→d4)。すなわち、冷媒Rを湿り蒸気の状態とするためには、一点鎖線R5で示されるように、膨張弁14での減圧量を大きく取らなくてはならない(c4→d5)。
膨張弁14に流入する過冷却液としての液冷媒RLの圧力が高いほど、膨張弁14での減圧量を大きく取らないと湿り蒸気が生成しない。この場合、過冷却液をより高い目標温度で膨張弁14に流入させることで、少ない減圧量で湿り蒸気を生成させることができる。これにより、膨張弁14を通過した後の冷媒Rを確実に湿り蒸気に相変化させることができる。よって、蒸発器15および液ガス熱交換器16では、冷媒Rの気化が確実に行われるので、液圧縮による圧縮機11の破損を防止することができる。
次に、第3実施形態について、図6を参照しながら説明する。なお、第1実施形態と同様の構成についてはその説明を省略する。
これにより、用水W1が過冷却器13および凝縮器12を通過するため、過冷却器13では液冷媒RLの顕熱を利用して、また凝縮器12ではガス冷媒RGの顕熱および潜熱を利用して、加温対象流体を効率的に加温することができる。
次に、第4実施形態について、図7を参照しながら説明する。なお、第1実施形態と同様の構成についてはその説明を省略する。
冷媒バイパス流量調整部は、液ガス熱交換器16に向かう冷媒循環ラインL10を流れるガス冷媒RGの流量と、冷媒バイパスラインL30に流入させるガス冷媒RGの流量とを適切に分配するものであればよく、冷媒バイパスラインL30に設けられていてもよいし、冷媒循環ラインL10に設けられていてもよい。あるいは、その両方や、分岐部に設けられていてもよい。本実施形態においては、分岐部Cに三方弁31が設けられている。
これにより、膨張弁14に流入する液冷媒RLの温度が目標温度となるようにバイパス流量を制御するため、膨張弁14を通過した後の冷媒を確実に湿り蒸気に相変化させることができる。よって、蒸発器15および液ガス熱交換器16では、冷媒Rの気化が確実に行われるので、液圧縮による圧縮機11の破損を防止することができる。
10…ヒートポンプ
11…圧縮機
12…凝縮器
13…過冷却器
14…膨張弁
15…蒸発器
16…液ガス熱交換器
20…液冷媒バイパス手段
21…三方弁(バイパス流量調整部)
22…温度センサ
23…圧力センサ
30…ガス冷媒バイパス手段
31…三方弁(バイパス流量調整部)
100…制御部
L1…用水ライン
L2…熱源水ライン
L10…冷媒循環ライン
L20…冷媒バイパスライン
L30…冷媒バイパスライン
R…冷媒
RG…ガス冷媒
RL…液冷媒
RW…湿り蒸気状態の冷媒
W1…用水(加温対象流体)
W2…熱源水(熱源流体)
B…合流部
Claims (6)
- 圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続された冷媒循環ラインに冷媒を循環させ、前記蒸発器を通過する熱源流体から熱を汲み上げながら前記凝縮器を通過する加温対象流体を加温するヒートポンプシステムであって、
前記凝縮器から前記膨張弁に向かって流れる液冷媒と前記蒸発器から前記圧縮機に向かって流れるガス冷媒とを熱交換する液ガス熱交換器と、
前記液ガス熱交換器の前記液冷媒側の前記冷媒循環ラインにおいて、前記液ガス熱交換器の入口流路から分岐し、出口流路に合流する冷媒バイパスラインと、
前記液ガス熱交換器に分配させる前記液冷媒の流量と、前記冷媒バイパスラインに分配させる前記液冷媒の流量との流量比を、前記液冷媒を減圧することなく調整するバイパス流量調整部と、
前記膨張弁に流入する液冷媒の温度情報を測定する温度センサと、
前記バイパス流量調整部を制御する制御部と、を備え、
前記冷媒バイパスラインの合流点は、前記膨張弁の入口流路に位置しており、
前記温度センサは、前記冷媒バイパスラインの合流点よりも下流側に配置され、
前記制御部は、前記温度センサの温度情報に基づき、前記膨張弁に流入する前記液冷媒の過冷却度を一定値、または一定範囲に保つように、前記バイパス流量調整部を制御するヒートポンプシステム。 - 圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続された冷媒循環ラインに冷媒を循環させ、前記蒸発器を通過する熱源流体から熱を汲み上げながら前記凝縮器を通過する加温対象流体を加温するヒートポンプシステムであって、
前記凝縮器から前記膨張弁に向かって流れる液冷媒と前記蒸発器から前記圧縮機に向かって流れるガス冷媒とを熱交換する液ガス熱交換器と、
前記液ガス熱交換器のガス冷媒側の前記冷媒循環ラインにおいて、前記液ガス熱交換器の入口流路から分岐し、出口流路に合流する冷媒バイパスラインと、
前記液ガス熱交換器に分配させる前記ガス冷媒の流量と、前記冷媒バイパスラインに分配させる前記ガス冷媒の流量との流量比を調整するバイパス流量調整部と、
前記膨張弁に流入する前記液冷媒の温度情報を測定する温度センサと、
前記バイパス流量調整部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記温度センサの温度情報に基づき、前記膨張弁に流入する前記液冷媒の過冷却度を一定値、または一定範囲に保つように、前記バイパス流量調整部を制御するヒートポンプシステム。 - 前記制御部は、前記膨張弁に流入する前記液冷媒の温度が目標温度となるように、前記バイパス流量調整部を制御する、請求項1又は請求項2に記載のヒートポンプシステム。
- 前記目標温度は、前記膨張弁に流入する液冷媒の圧力に基づいて設定される、請求項3に記載のヒートポンプシステム。
- 前記凝縮器より上流側の加温対象流体と、前記凝縮器から前記膨張弁に向かって流れる前記液冷媒とを熱交換する過冷却器をさらに備え、
前記液ガス熱交換器は、前記過冷却器から前記膨張弁に向かって流れる前記液冷媒と、前記蒸発器から前記圧縮機に向かって流れるガス冷媒とを熱交換する、請求項1~4のいずれか1項に記載のヒートポンプシステム。 - 前記凝縮器より上流側の加温対象流体と、前記凝縮器から前記膨張弁に向かって流れる前記液冷媒とを熱交換する過冷却器をさらに備え、
前記液ガス熱交換器は、前記凝縮器から前記過冷却器に向かって流れる前記液冷媒と、前記蒸発器から前記圧縮機に向かって流れるガス冷媒とを熱交換する、請求項1~4のいずれか1項に記載のヒートポンプシステム。
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JP2009127938A (ja) | 2007-11-22 | 2009-06-11 | Hitachi Appliances Inc | ヒートポンプ給湯機 |
WO2011142414A1 (ja) | 2010-05-14 | 2011-11-17 | 三浦工業株式会社 | ヒートポンプ式蒸気発生装置 |
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