JP7508933B2 - 給湯システム - Google Patents
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Description
しかしながら、このような給湯システムにおいては、補給水の水源温度が低い場合等には、膨張弁に流入する液冷媒が凝縮器および過冷却器を順番に通過することによって極度に冷却されてしまうことがある。蒸発器に高過冷却状態の液冷媒が供給される状況では、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。
以下、本発明の給湯システム1の第1実施形態について、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。
この給湯システム1は、ヒートポンプ回路10で加温した貯湯タンク60内の貯留水W3を、給湯水W4として温水需要箇所または温熱需要箇所に供給するシステムである。
補給水加熱用の第2放熱用熱交換器12Bは、補給水W2と冷媒Rとを間接熱交換させ、冷媒Rの顕熱の放熱を行う。第2放熱用熱交換器12Bは、補給水W2を用いて冷媒Rの過冷却を行うと共に、冷媒Rを用いて補給水W2を加温する。
このように、冷媒Rの凝縮用と過冷却用とで熱交換器を分けることで、熱交換器の設計が容易となり、コスト削減を図ることができる。また、汎用の熱交換器の利用も可能となる。
なお、運転条件等により、第1放熱用熱交換器12Aでガス冷媒Rの凝縮液化が部分的な相変化に止まった場合は、第2放熱用熱交換器12Bにおいて、残りのガス冷媒Rの凝縮液化が行われる。
ここで、第1分配バルブ31の開放時においては、冷媒循環ラインL9を流れる冷媒Rのうち、第1バイパスラインL11を流れる第1の分流は、第1分配バルブ31を通過する過程で比較的小さな摩擦損失を弁室内で受けるだけで済む。一方、第2放熱用熱交換器12Bが配置されている冷媒循環ラインL9を流れる第2の分流は、第2放熱用熱交換器12Bを通過する過程で比較的大きな摩擦損失を第2放熱用熱交換器12B内で受けることになる。そのため、冷媒Rの流量比は「第1の分流>第2の分流」となって、大部分の冷媒Rが第1バイパスラインL11側を流れることなる。よって、このような簡単な構成によっても、第1分配バルブ31の弁開度を調整することによって、第2放熱用熱交換器12Bに送給する液冷媒Rおよび第1バイパスラインL11に送給する液冷媒Rの分配量を調整することができる。
一方、温熱需要箇所とは、給湯水W4の熱エネルギーのみを利用し、貯留水W3を消費しない生産設備等をいう。熱エネルギーの利用は、種々の熱交換器を介して行われ、熱エネルギーの取り出しによって温度降下した給湯水W4は、図示しない返湯水ラインを通じて貯湯タンク60に返送される。温熱需要箇所の例としては、金属加工品の塗装設備における脱脂槽や化成槽、空調設備におけるエアハンドリングユニット等を挙げることができる。
ここで、図1における破線は、本実施形態における主要な電気的な接続の経路を示している。なお、これらの電気的な接続は、実際には制御部100を経由するが、その点は省略している。
ここで、目標温度は、手動により、または装置状態等に応じて自動で設定される。
これにより、第2放熱用熱交換器12Bに対する液冷媒Rのバイパス量が調整され、第2放熱用熱交換器12Bでの液冷媒Rの冷却量が抑制される。
これにより、第2放熱用熱交換器12Bに対する液冷媒Rのバイパス量が調整され、膨張弁13に流入する液冷媒Rの過冷却度が調整される。
ここで、目標過冷却度は、手動により、または装置状態等に応じて自動で設定される。
三方弁の場合は、弁開度を調整するアクチュエータ回路に0~100%の弁開度指定信号が入力されることにより、第2放熱用熱交換器12Bに向かう第1出口ポート側の弁開度と、第1バイパスラインL11に向かう第2出口ポート側の弁開度とが調節される。これにより、第2放熱用熱交換器12Bに流れる液冷媒Rの流量と、第1バイパスラインL11に流れる液冷媒Rの流量との流量比が調整される。但し、第1出口ポート側および第2出口ポート側の流量比の合計は常に100%である。なお、三方弁の弁開度は、第1出口ポート側の弁開度が基準となっており、第1出口ポート側の弁開度が、0%→25%→50%→75%→100%となる場合、第2出口ポート側の弁開度は、100%→75%→50%→25%→0%となる。このような三方弁を用いる場合についても、例えば、冷媒温度センサ16によりリアルタイムに検知される冷媒温度や、過冷却度算出部140によりリアルタイムで算出される算出過冷却度をフィードバック値として、これらの冷媒温度や算出過冷却度を目標値に収束させるように三方弁の弁開度を調整するフィードバック制御を採用することが好ましい。
このように、膨張弁13に流入する液冷媒Rの温度を調整する冷媒温度調整手段50と、この冷媒温度調整手段50を制御する制御手段100とを備えているので、吸熱用熱交換器14(蒸発器14)に高過冷却状態の冷媒Rが供給されることが回避され、圧縮機11が湿り蒸気を吸入する障害が起こらない。これにより、圧縮機11の破損を防止しつつ、冷凍サイクルを最適作動させることができる。
このように、膨張弁13に流入する冷媒Rの検知温度が目標温度になるように第1分配バルブ31を制御することにより、第2放熱用熱交換器12Bに対する冷媒Rのバイパス量が調整され、第2放熱用熱交換器12Bでの冷媒Rの冷却量が抑制される。これにより、補給水W2の水源温度が低い場合であっても、膨張弁13に流入する液冷媒Rの温度を高過冷却状態とならない一定の温度に保つことができる。
このように、膨張弁13に流入する冷媒Rの算出過冷却度が目標過冷却度になるように第1分配バルブ31を制御することにより、第2放熱用熱交換器12Bに対する冷媒Rのバイパス量が調整され、第2放熱用熱交換器12Bでの冷媒Rの冷却量が抑制される。これにより、補給水W2の水源温度が低い場合であっても、膨張弁13に流入する液冷媒Rの温度を高過冷却状態とならない一定の温度に保つことができる。
次に、第2実施形態について、図面を参照しながら説明する。図3は、本実施形態における給湯システム1の構成を模式的に示す図である。なお、本実施形態において、第1実施形態と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略することがある。
本実施形態においては、冷媒温度センサ16、第2バイパスラインL12および第2分配バルブ32が、冷媒温度調整手段50を構成する。
そして、第2分配バルブ32は、第2放熱用熱交換器12Bに送給する補給水W2および第2バイパスラインL12に送給する補給水W2の分配量を調整するバルブである。本実施形態の第2分配バルブ32は、制御部100の分配バルブ制御部130によって制御される。
これにより、第2放熱用熱交換器12Bに対する補給水W2のバイパス量が調整され、膨張弁13に流入する液冷媒Rの温度が調整される。
このように、膨張弁13に流入する冷媒Rの検知温度が目標温度になるように第2分配バルブ32を制御することにより、第2放熱用熱交換器12Bに対する補給水W2のバイパス量が調整され、第2放熱用熱交換器12Bでの冷媒Rの冷却量が抑制される。これにより、補給水W2の水源温度が低い場合であっても、膨張弁13に流入する液冷媒Rの温度を高過冷却状態とならない一定の温度に保つことができる。
このように、膨張弁13に流入する冷媒Rの算出過冷却度が目標過冷却度になるように第2分配バルブ32を制御することにより、第2放熱用熱交換器12Bに対する補給水W2のバイパス量が調整され、第2放熱用熱交換器12Bでの冷媒Rの冷却量が抑制される。これにより、補給水W2の水源温度が低い場合であっても、膨張弁13に流入する液冷媒Rの温度を高過冷却状態とならない一定の温度に保つことができる。
次に、第3実施形態について、図面を参照しながら説明する。図5は、本実施形態における給湯システム1の構成を模式的に示す図である。なお、本実施形態において、第1実施形態と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略することがある。
本実施形態においては、冷媒温度センサ16、第3バイパスラインL13および第3分配バルブ33が、冷媒温度調整手段50を構成する。
そして、第3分配バルブ33は、第1放熱用熱交換器12Aに送給する冷媒Rおよび第3バイパスラインL13に送給する冷媒Rの分配量を調整するバルブである。本実施形態の第3分配バルブ33は、制御部100の分配バルブ制御部130によって制御される。
これにより、第1放熱用熱交換器12Aに対する冷媒Rのバイパス量が調整され、第1放熱用熱交換器12Aでの冷媒Rの冷却量が抑制される。
なお、バイパスされた結果、第1放熱用熱交換器12Aで凝縮液化しなかった冷媒Rは、第2放熱用熱交換器12Bにおいて凝縮液化する。
このように、膨張弁13に流入する冷媒Rの検知温度が目標温度になるように第3分配バルブ33を制御することにより、第1放熱用熱交換器12Aに対する冷媒Rのバイパス量が調整され、第1放熱用熱交換器12Aでの冷媒Rの冷却量が抑制される。これにより、貯湯温度が低温設定の場合であっても、膨張弁13に流入する液冷媒Rの温度を高過冷却状態とならない一定の温度に保つことができる。
このように、膨張弁13に流入する冷媒Rの算出過冷却度が目標過冷却度になるように第3分配バルブ33を制御することにより、第1放熱用熱交換器12Aに対する冷媒Rのバイパス量が調整され、第1放熱用熱交換器12Aでの冷媒Rの冷却量が抑制される。これにより、貯湯温度が低温設定の場合であっても、膨張弁13に流入する液冷媒Rの温度を高過冷却状態とならない一定の温度に保つことができる。
次に、第4実施形態について、図面を参照しながら説明する。図7は、本実施形態における給湯システム1の構成を模式的に示す図である。なお、本実施形態において、第1実施形態と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略することがある。
本実施形態においては、冷媒温度センサ16、第4バイパスラインL14および第4分配バルブ34が、冷媒温度調整手段50を構成する。
そして、第4分配バルブ34は、第1放熱用熱交換器12Aに送給する循環水W1および第4バイパスラインL14に送給する循環水W1の分配量を調整するバルブである。本実施形態の第4分配バルブ34は、制御部100の分配バルブ制御部130によって制御される。
これにより、第1放熱用熱交換器12Aに対する循環水W1のバイパス量が調整され、膨張弁13に流入する液冷媒Rの温度が調整される。
なお、バイパスされた結果、第1放熱用熱交換器12Aで凝縮液化しなかった冷媒Rは、第2放熱用熱交換器12Bにおいて凝縮液化する。
このように、膨張弁13に流入する液冷媒Rの検知温度が目標温度になるように第4分配バルブ34を制御することにより、第1放熱用熱交換器12Aに対する循環水W1のバイパス量が調整され、第1放熱用熱交換器12Aでの冷媒Rの冷却量が抑制される。これにより、貯湯温度が低温設定の場合であっても、膨張弁13に流入する液冷媒Rの温度を高過冷却状態とならない一定の温度に保つことができる。
このように、膨張弁13に流入する冷媒Rの算出過冷却度が目標過冷却度になるように第4分配バルブ34を制御することにより、第1放熱用熱交換器12Aに対する循環水W1のバイパス量が調整され、第1放熱用熱交換器12Aでの冷媒Rの冷却量が抑制される。これにより、貯湯温度が低温設定の場合であっても、膨張弁13に流入する液冷媒Rの温度を高過冷却状態とならない一定の温度に保つことができる。
10 ヒートポンプ回路
11 圧縮機
12A 第1放熱用熱交換器(凝縮器)
12B 第2放熱用熱交換器(過冷却器)
13 膨張弁
14 吸熱用熱交換器(蒸発器)
16 冷媒温度センサ(温度センサ)
17 冷媒圧力センサ(圧力センサ)
21 水循環ポンプ
22 第1温度センサ
25 補給水弁
26 第2温度センサ
31 第1分配バルブ
32 第2分配バルブ
33 第3分配バルブ
34 第4分配バルブ
60 貯湯タンク
61 貯湯温度センサ
62 水位センサ
100 制御部(制御手段)
110 水循環ポンプ制御部
120 補給水弁制御部
130 分配バルブ制御部
140 過冷却度算出部
L1 水循環ライン
L2 補給水ライン
L4 給湯水ライン
L9 冷媒循環ライン
L11 第1バイパスライン
L12 第2バイパスライン
L13 第3バイパスライン
L14 第4バイパスライン
W1 循環水
W2 補給水
W3 貯留水
W4 給湯水
R 冷媒(ガス冷媒、液冷媒)
Claims (9)
- 圧縮機、第1放熱用熱交換器、第2放熱用熱交換器、膨張弁および吸熱用熱交換器が冷媒循環ラインにより環状に接続され、前記圧縮機の駆動により前記第1放熱用熱交換器および/または前記第2放熱用熱交換器で温熱を取り出す蒸気圧縮式のヒートポンプ回路と、
補給水を貯留する貯湯タンクと、
前記貯湯タンク内の貯留水を前記第1放熱用熱交換器に循環させる水循環ラインと、
補給水を前記第2放熱用熱交換器に流通させつつ、前記貯湯タンクへ送給する補給水ラインと、
前記膨張弁に流入する液冷媒の温度を調整する冷媒温度調整手段と、
前記冷媒温度調整手段を制御する制御手段と、を備え、
前記冷媒温度調整手段は、
前記第1放熱用熱交換器に対して冷媒もしくは循環水をバイパス、または、前記第2放熱用熱交換器に対して冷媒もしくは補給水をバイパスさせるバイパスラインと、
前記バイパスラインに送給する冷媒、循環水または補給水の分配量を調整する分配バルブと、を含む給湯システム。 - 前記冷媒温度調整手段は、
前記膨張弁に流入する液冷媒の温度を検知する温度センサと、
前記冷媒循環ラインに接続され、前記第2放熱用熱交換器に対して冷媒をバイパスさせる第1バイパスラインと、
前記第2放熱用熱交換器に送給する冷媒および前記第1バイパスラインに送給する冷媒の分配量を調整する第1分配バルブと、を備え、
前記制御手段は、前記圧縮機の駆動中、前記温度センサの検知温度が目標温度になるように、前記第1分配バルブを制御する、請求項1に記載の給湯システム。 - 前記冷媒温度調整手段は、
前記膨張弁に流入する液冷媒の温度を検知する温度センサと、
前記膨張弁に流入する液冷媒の圧力を検知する圧力センサと、
前記冷媒循環ラインに接続され、前記第2放熱用熱交換器に対して冷媒をバイパスさせる第1バイパスラインと、
前記第2放熱用熱交換器に送給する冷媒および前記第1バイパスラインに送給する冷媒の分配量を調整する第1分配バルブと、を備え、
前記制御手段は、前記圧縮機の駆動中、前記圧力センサの検知圧力からガス冷媒の凝縮温度を求めると共に、当該凝縮温度から前記温度センサの検知温度を差し引いて液冷媒の過冷却度を算出し、当該算出過冷却度が目標過冷却度になるように、前記第1分配バルブを制御する、請求項1に記載の給湯システム。 - 前記冷媒温度調整手段は、
前記膨張弁に流入する液冷媒の温度を検知する温度センサと、
前記補給水ラインに接続され、前記第2放熱用熱交換器に対して補給水をバイパスさせる第2バイパスラインと、
前記第2放熱用熱交換器に送給する補給水および前記第2バイパスラインに送給する補給水の分配量を調整する第2分配バルブと、を備え、
前記制御手段は、前記圧縮機の駆動中、前記温度センサの検知温度が目標温度になるように、前記第2分配バルブを制御する、請求項1に記載の給湯システム。 - 前記冷媒温度調整手段は、
前記膨張弁に流入する液冷媒の温度を検知する温度センサと、
前記膨張弁に流入する液冷媒の圧力を検知する圧力センサと、
前記補給水ラインに接続され、前記第2放熱用熱交換器に対して補給水をバイパスさせる第2バイパスラインと、
前記第2放熱用熱交換器に送給する補給水および前記第2バイパスラインに送給する補給水の分配量を調整する第2分配バルブと、を備え、
前記制御手段は、前記圧縮機の駆動中、前記圧力センサの検知圧力からガス冷媒の凝縮温度を求めると共に、当該凝縮温度から前記温度センサの検知温度を差し引いて液冷媒の過冷却度を算出し、当該算出過冷却度が目標過冷却度になるように、前記第2分配バルブを制御する、請求項1に記載の給湯システム。 - 前記冷媒温度調整手段は、
前記膨張弁に流入する液冷媒の温度を検知する温度センサと、
前記冷媒循環ラインに接続され、前記第1放熱用熱交換器に対して冷媒をバイパスさせる第3バイパスラインと、
前記第1放熱用熱交換器に送給する冷媒および前記第3バイパスラインに送給する冷媒の分配量を調整する第3分配バルブと、を備え、
前記制御手段は、前記圧縮機の駆動中、前記温度センサの検知温度が目標温度になるように、前記第3分配バルブを制御する、請求項1に記載の給湯システム。 - 前記冷媒温度調整手段は、
前記膨張弁に流入する液冷媒の温度を検知する温度センサと、
前記膨張弁に流入する液冷媒の圧力を検知する圧力センサと、
前記冷媒循環ラインに接続され、前記第1放熱用熱交換器に対して冷媒をバイパスさせる第3バイパスラインと、
前記第1放熱用熱交換器に送給する冷媒および前記第3バイパスラインに送給する冷媒の分配量を調整する第3分配バルブと、を備え、
前記制御手段は、前記圧縮機の駆動中、前記圧力センサの検知圧力からガス冷媒の凝縮温度を求めると共に、当該凝縮温度から前記温度センサの検知温度を差し引いて液冷媒の過冷却度を算出し、当該算出過冷却度が目標過冷却度になるように、前記第3分配バルブを制御する、請求項1に記載の給湯システム。 - 前記冷媒温度調整手段は、
前記膨張弁に流入する液冷媒の温度を検知する温度センサと、
前記水循環ラインに接続され、前記第1放熱用熱交換器に対して循環水をバイパスさせる第4バイパスラインと、
前記第1放熱用熱交換器に送給する循環水および前記第4バイパスラインに送給する循環水の分配量を調整する第4分配バルブと、を備え、
前記制御手段は、前記圧縮機の駆動中、前記温度センサの検知温度が目標温度になるように、前記第4分配バルブを制御する、請求項1に記載の給湯システム。 - 前記冷媒温度調整手段は、
前記膨張弁に流入する液冷媒の温度を検知する温度センサと、
前記膨張弁に流入する液冷媒の圧力を検知する圧力センサと、
前記水循環ラインに接続され、前記第1放熱用熱交換器に対して循環水をバイパスさせる第4バイパスラインと、
前記第1放熱用熱交換器に送給する循環水および前記第4バイパスラインに送給する循環水の分配量を調整する第4分配バルブと、を備え、
前記制御手段は、前記圧縮機の駆動中、前記圧力センサの検知圧力からガス冷媒の凝縮温度を求めると共に、当該凝縮温度から前記温度センサの検知温度を差し引いて液冷媒の過冷却度を算出し、当該算出過冷却度が目標過冷却度になるように、前記第4分配バルブを制御する、請求項1に記載の給湯システム。
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