JPH0432669A - ヒートポンプシステムとその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は　ヒートポンプによる高温から低温まで目的に
応じた温度が利用できるシステムに関するものであム 従来の技術 従来より、ヒートポンプで高温または低温を得る方法と
して、複数個の冷凍サイクル装置をカスケード式に連結
した多元の冷凍サイクル装置を用いたシステムが知られ
ている。第５図はこれを冷暖給湯システムとして適用し
た例であり、圧縮機１、常に凝縮器として作用する給湯
用熱交換器２、膨張弁３、常に蒸発器として作用する水
側熱交換器４等を連結して給湯用サイクル５を構成して
いも　次に圧縮機６、四方弁７の切換えにより凝縮器叉
は蒸発器として作用する水側熱交換器８、膨張弁９、四
方弁７の切換えにより蒸発器叉は凝縮器として作用する
空気側熱交換器１０等を連結して冷暖ヒートポンプサイ
クル１１を構成していもここで給湯用サイクル５にはフ
ロン系の単一冷媒Ｒ１２が封入され　冷暖ヒートポンプ
サイクル１１にはフロン系の単一冷媒Ｒ２２が封入され
　その水側熱交換器４及び８は同一の蓄熱槽１２の中に
配置され　熱交換された水等を循環回路（図示せず）を
通して冷暖房を行なう如く構成していも本システムにお
いて夏期には、　主たる運転を給湯用サイクル５で行１
．％　　水側熱交換器４で冷水を作りなが収　その排熱
を利用して給湯用熱交換器２で給湯水を作も　また冷房
負荷が増大した時にζよ　冷暖ヒートポンプサイクル１
１も運転し　水側熱交換器８を蒸発器として作用させ冷
水を補助し　その排熱を凝縮器として作用する空気側熱
交換器１０から排出する。また給湯負荷があり冷房負荷
が減少し冷水温度が極端に下る時に（友　冷暖ヒートポ
ンプサイクル１１を切換え　水側熱交換器８を凝縮器と
して作用させ加熱すも 次に中間期においては一般的に給湯モードのみであるの
で冷暖ヒートポンプサイクル１１を適宜運転して水側熱
交換器８で加温しなが収　給湯用サイクル５により給湯
運転を行う。さらに冬期において３表　冷暖ヒートポン
プサイクル１１を連続運転して加温しながら給湯用サイ
クル５により給湯運転を行し＼　さらに暖房負荷が増大
した時には給湯用サイクル５を停止して暖房モードを優
先させも 発明が解決しようとする課題 上記従来例では、　冷房時、冷暖ヒートポンプサイクル
１１を運転した場合の廃熱は　空気側熱交換器１０から
排出するた敦　冷房の廃熱を給湯に利用することが出来
なく、不経済な運転となもまた　２元冷凍サイクルの高
段側になる給湯サイクル５１ヨ　　水側熱交換器４の温
度が冷房条件の７〜１０℃程度の水を熱源として運転さ
れるたム高温給湯を行う上で圧縮比の増大により効率の
低下が避けられなｌ、Ｘ、などの課題があム本発明は、
　高温または低温を得るための不具合点を解消し　特に
高温を効率よく実現できる多温度利用ヒートポンプシス
テムの提案を目的とするものであも 課題を解決するための手段 本発明になる多温度利用ヒートポンプシステムは、　高
温凝縮器　高温蒸発器　高温用圧縮機、　高温膨張弁を
環状に接続して高温サイクルを構成し低段圧縮機、　第
一制御弁、四方弁、中間凝縮器兼蒸発ａ　第一膨張弁、
熱源側熱交換器を環状に接続して第一中温サイクルを構
成し　前記低段圧縮機の吐出側と前記第一制御弁との間
から分岐上第二制御弁を介し中間凝縮銖　熱源側熱交換
器を経て四方弁を介して低段圧縮機の吸入側に接続して
第二中温サイクルを構成し　前記高温サイクルには、　
高沸点冷媒を、前記第一および第二中温サイクルにｃヨ
　　前記高温サイクルの冷媒より低沸点冷媒を用いるこ
とを特徴としたものである。

また　高温凝縮器からの高温出力　中間凝縮器兼蒸発器
からの中温出力　中間凝縮器兼蒸発器からの低温出力の
優先選択機能を設け、高温出力優先の場合（友　第二制
御弁を全開とし　同時に中間出力の要求が無ければ　第
一制御弁開度は閉じ、要求が有れば低段圧縮機の出力を
最大とし　吐出圧力が設定値になるように前記第−制御
弁開度を制御すム　中間出力優先の場合は　第一制御弁
を全開とし　同時に高温出力の要求が無ければ　第二制
御弁開度は閉ま　要求が有れば低段圧縮機の出力を最大
とし　吐出圧力が設定値になるように前記第二制御弁開
度を制御すも　低温出力優先の場合は　同時に高温出力
要求があれば第二制御弁を全脂　第一制御弁を全閉とし
　低段圧縮機の吐出圧力が設定値を越えないように第一
制御弁開度を制御し　高温出力要求が無い場合は第二制
御弁を閉とし第一制御弁を全開とするものであ４作用 本発明の多温度利用ヒートポンプシステムにおいて、高
温出力を優先で得る場合は、　第二制御弁が全開となり
、中温出力要求および低温出力要求が無い場合は第一制
御弁全閉で第二中温サイクルが運転され　熱源側熱交換
器からの吸熱により中湿度が中間凝縮器で得られ　その
凝縮熱を熱源として高温サイクルが運転される。ここで
高温サイクルと第二中温サイクルとの圧縮比を効率最高
のポイントに設定でき、これにより高温凝縮器では効率
よく高温が得られる。また同時に　中温出力の要求があ
る場合（友　低段圧縮機の出力を最大とし　吐出ガスが
中間凝縮器兼蒸発器へ流れるよう四方弁を切り換え　第
−制御弁開度を低段圧縮機の吐出圧力が設定値になるよ
う制御することにより低段圧縮機の余剰出力を中間凝縮
器兼蒸発器から中温として得られも　また　同時に中温
出力要求がなく低温出力要求がある場合は、　四方弁を
切り換えることにより中間凝縮器兼蒸発器からの吸熱を
高温サイクルの熱源として用いることが出来るため省エ
ネルギーな運転が可能となム　さらに低段圧縮機の吐出
圧力が設定値以下の場合は　第一制御弁を閉じる方向に
制ＭＬ、　　設定値以上ならば第−制御後弁を開方向に
制御すム　このことにより高温出力負荷と低温出力負荷
がバランスしてなくても安定な運転が可能となム 中温出力を優先で得る場合ζよ　第一制御弁を全開とし
て第一中間サイクルが運転され　熱源側熱交換器からの
吸熱により中温が中間凝縮器兼蒸発器で得られも　また
　同時に高温出力の要求がある場合は　低段圧縮機の出
力を最大とし　第二制御弁開度を低段圧縮機の吐出圧力
が設定値になるよう制御することにより、中間凝縮器で
得られる凝縮熱を熱源として、高温サイクルを運転し高
温凝縮器で高温が得られも 低温出力を優先で得る場合は　同時に高温出力要求も有
れば第二制御弁を全脂　第一制御弁を閉として低段圧縮
機を運転し　中間凝縮器兼蒸発器から吸熱し低温を殊　
中間凝縮器での廃熱を高温サイクルの熱源として利用し
高温凝縮器で高温を得る。また高温出力が少ない場合も
しく　ＬＬ　　中間凝縮器兼蒸発器からの吸熱量が多い
場合ζＬ　低段圧縮機の吐出圧力が設定値を越えないよ
うに第一制御弁開度を制御し　余剰熱を熱源側熱交換器
から外部に放熱すも 以上のことにより、中間凝縮器兼蒸発器からの吸熱を高
温出力として利用でき、経済的な運転が可能となり、高
温出力と低温出力同時運転においては、　中間凝縮器で
の温度は高くできるため第二中温サイクルと高温サイク
ルの圧縮比を効率最大となるポイントの設定ができる。

実施例 以下本発明の一実施例について図面を参照しながら説明
する。第１図において、２０（Ｌ　低段圧縮機で、第一
制御弁２１、四方弁２２、中間凝縮器兼蒸発器２３、膨
張弁２４、２５、熱源側熱交換器２６を環状に接続して
第一中温サイクル２７を構成し　低段圧縮機２０の吐出
側と第一制御弁２１との間から分岐し　第二制御弁２８
を介し中間凝縮器２９、逆止弁３０、熱源側熱交換器２
６を経て四方弁２２を介し低段圧縮機２０の吸入側に接
続して第二中温サイクル３１を構成し　高段圧縮機３２
、高温凝縮器３３、膨張弁３４、高温蒸発器３５を環状
に接続して高温サイクル３６を構成している。　３７４
友　低温／中温出力要求信号発生器であり、　３８（主
　高温出力要求信号発生器である。　３９　ｉｉ、高温
出力　中温出力　低温出力の優先選択機能装置であり、
低温／中温出力要求信号発生器３７と高温出力要求信号
発生器３８の信号から優先選択機能装置３って優先選択
を行い制御装置４０に信号を送る。また４　１　ｉ表　
　圧力センサーであり、優先選択機能装置３９の信号と
圧力センサー４１の信号とを併せて制御装置４０により
、第一制御弁２１、第二制御弁２８の開度、低段圧縮機
２０の出力を制御すも　高温出力　中温出力優先　低温
出力優先のフローチャートメを第２〜４図に示す。

夕風　この一実施例の構成における作用を、まず優先選
択機能装置３９により高温出力優先が選択されている場
合について、第１皿　第２図を用い説明すも　高温出力
要求信号発生器３８からの信号により高温出力優先が選
択されているとき、高温出力要求が有ると第二制御弁２
８が全開となも　その時、中温出力要求も低温出力要求
もなければ第一制御弁２１は全閉される。低段圧縮機２
０の吐出冷媒ガス６友　　第二制御弁２８、中間凝縮器
２９を通り凝縮液化し逆止弁３０へと流れも液冷媒は、
　膨張弁２５、熱源側熱交換器２６を通り減圧蒸発し　
四方弁２２を通り低段圧縮機２０へ吸入されも　同時に
高温サイクル３６の高段圧縮機３２が運転され　高温蒸
発器３５で中間凝縮器２９の凝縮熱を奪い冷媒は蒸発す
も　蒸発した冷媒ガスは　高段圧縮機２０へ吸入吐出さ
れ　高温凝縮器３３で凝縮し高温が得られる。凝縮した
液冷媒は、　膨張弁３４、高温蒸発器３５を通ることに
より減圧蒸発され再び高段圧縮機２０へ吸入されも　同
時に中温出力要求がある時！友　低段圧縮機２０の出力
は制御装置４０により最大出力となム　次番ミ　　中間
凝縮器兼蒸発器２３で中温を得るための飽和圧力を設定
値として、低段圧縮機２０の吐出圧力カ交　その設定値
より高ければそれを検知した圧力センサー４１により制
御装置４０を介して第一制御弁２１に開動作を行し＼　
低段圧縮機２０から吐出された冷媒ガスの一部を、第一
制御弁２１、四方弁２２を介し中間凝縮器兼蒸発器２３
に流す。また　低段圧縮機２０の吐出圧力カ丈その設定
値より低ければ圧力センサー４１により制御装置４０を
介して第一制御弁２１に閉動作を行う。そうすることに
より高温出力負荷が大きい場合は　高温サイクル３６の
高温蒸発器３５と中間凝縮器２９との熱交換量が大きく
、低段圧縮機２０の吐出圧力が上がりにくいため中温出
力要求があっても高温出力が優先される。また高温出力
優先の時、同時に低温出力要求が有るときＧＥＬ　　低
段圧縮機２０の吐出圧力が設定値より低ければ第一制御
弁２１は閉動作し　冷媒ガスは第二制御弁２８を通り中
間凝縮器２９で凝縮液化し逆止弁３０、膨張弁２４を通
り中間凝縮器兼蒸発器２３で蒸発ガス化し低温が得られ
も　高温出力負荷が小さいときζよ　中間凝縮器２９で
放熱が充分でなく吐出圧力が設定値を越えるため第一制
御弁２１は開動作し　低段圧縮機２０から吐出された冷
媒ガスを四方弁２２から熱源用熱交換器２６へ通し放熱
し吐出圧力の上昇を抑える。これにより中間凝縮器兼蒸
発器２３での吸熱した廃熱を中間凝縮器２９を介して高
温サイクル３６での高温出力に有効に利用できも　この
ことにより、高温出力優先運転中においても中温出力要
求が有れば低段圧縮機２０の出力の余剰熱を利用できる
。また低温出力要求が有れば第二中温サイクル３１と高
温サイクル３６を最高の効率で運転可能な圧縮比にでき
、しかも低温部からの廃熱を高温サイクル３６の熱源と
して有効に利用でき、高温出力負荷と低温出力負荷のバ
ランスが取れなくても安定な運転が可能となム 次に　中温出力優先が選択された場合について第１＠　
第３図を用い説明する。中温出力優先で中温出力要求が
あるとき第一制御弁２ｉを全開とす４　低段圧縮機２０
から吐出された冷媒は、　第一制御弁２１、四方弁２２
を通り中間凝縮器兼蒸発器２３で凝縮液化し中温が得ら
れる。その時高温出力要求があると低段圧縮機２０（友
　制御装置４０により最大出力となり吐出圧力が設定値
以上に有るときは第二制御弁２８を開動作させ高温サイ
クル３６の熱源として中間凝縮器２９へ冷媒を流す。ま
た中温出力負荷が多いとき（友　低段圧縮機２０の吐出
圧力は設定値以上に上昇せず、従って第二制御弁２８は
閉動作される。これにより中温出力優先が行える。これ
により中温出力優先では、　同時に高温出力要求がある
と低段圧縮機２０の出力の余剰熱が高温出力として利用
できも次へ　低温出力優先が選択された場合について第
１医　第４図を用い説明する。低温出力優先で高温出力
要求が無い場合、第一制御弁２１は全皿第二制御弁２８
を全閉とする。低段圧縮機２０から吐出された冷媒ガス
Ｃｔ　　第一制御弁２１を通り四方弁２２、熱源側熱交
換器２６で凝縮液化し膨張弁２５、２４を通り中間凝縮
器兼蒸発器２３で減圧蒸発し低温が得られも　同時に高
温出力要求がある場合、第二制御弁２８が全開となり低
段圧縮機２０で吐出された冷媒ガスは、　中間凝縮器２
９で凝縮液化し高温サイクル３６の熱源となる。

その隊　低温出力負荷が大きく高温出力が小さい場合、
中間凝縮器での凝縮熱量が低下し低段圧縮機２０の吐出
圧力が設定値より高くなると圧力センサー４１により制
御装置４０から第一制御弁２１に対して開動作を行う。

それにより余剰の冷媒ガスζよ　第一制御弁２１から四
方弁２２を経て熱源側熱交換器２６で放熱する。液化し
た冷媒ｃヨ膨張弁２５、２４を経て中間凝縮器兼蒸発器
２３で減圧蒸発し低温が得られ　蒸発した冷媒は、　四
方弁２２を経て低段圧縮機２０に吸入される。このこと
により低温出力優先では、　高温出力要求がないとき第
一中温サイクル２７の運転が行われム同時に高温出力要
求が有ると第二中温サイクル３１が運転され　第二中温
サイクル３１と高温サイクル３６を最高の効率で運転可
能な圧縮比にでき、しかも低温部からの廃熱を高温サイ
クル３６の熱源として有効に利用でき、さらに低温出力
負荷と高温出力負荷とのバランスが取れなくても安定な
運転が可能となａ 封入冷媒については　高温サイクル３６に高沸点冷媒が
封入されているため高温であっても圧力は低く、システ
ムとして耐圧的に有利とな本発明の効果 以上のように本発明は、　高温出力優先運転中において
も中温出力要求が有れば低段圧縮機の出力の余剰熱を利
用できる。また低温出力要求が有れば第二中温サイクル
と高温サイクルを最高の効率で運転可能な圧縮比にでき
、　しかも低温部からの廃熱を高温サイクルの熱源とし
て有効に利用でき、高温出力負荷と低温出力負荷のバラ
ンスが取れなくても安定な運転が可能となる。中温出力
優先で（戴　同時に高温出力要求があると低段圧縮機の
出力の余剰熱が利用できる。低温出力優先で６表　高温
出力要求がないとき第一中温サイクルの運転が行われ　
同時に高温出力要求が有ると第二中温サイクルが運転さ
れ　第二中温サイクルと高温サイクルを最高の効率で運
転可能な圧縮比にでき、　しかも低温部からの廃熱を高
温サイクルの熱源として有効に利用でき、低温出力負荷
と高温出力負荷とのバランスが取れなくても安定な運転
が可能となるなどの多大な効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である多温度利用ヒートポン
プシステムの構成＠　第２図は同装置における高温出力
優先の制御フローチャート、第３図は同装置における中
温出力優先の制御フローチャート　第４図は同装置にお
ける低温出力優先の８・・第二制御弁、　２９・・中間
凝縮器　３１・・第二中温サイクル、　３２・・高段圧
縮穀　３３・・高温凝縮縁　３５・・高温蒸発銖　３６
・・高温サイク／に３７・・低温／中温要求信号発生器
　３８・・高温要求信号発生器　３９・・優先選択機能
装置　４０・・制御装置　４１・・圧力センサ。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名２０・・低
段圧縮銑　２１・・第一制御弁、　２３・・中間凝縮器
兼蒸発器２４、２５、３４・・膨張弁、２６・・熱源側
熱交換器　２７・・中温サイクツＩ／、２儀鏝圧縞機 第−制御弁 中間′Ｊｉ膳器兼姦仕器 第−中温サイクル 中聞凝縮巽 第二中＠ゴイクル ・高段サイクル 高温Ｘ＃基 、高１サイクル 低温／中、１饗求信号発生器 制御襞！ 圧力七ンザー

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）高温凝縮器　高温蒸発器　高温用圧縮機高温膨張
   弁を環状に接続して高温サイクルを構成し、低段圧縮機
   、第一制御弁、四方弁、中間凝縮器兼蒸発器、第一膨張
   弁、熱源側熱交換器を環状に接続して第一中温サイクル
   を構成し、前記低段圧縮機の吐出側と前記第一制御弁と
   の間から分岐し、第二制御弁を介し中間凝縮器、熱源側
   熱交換器を経て四方弁を介し低段圧縮機の吸入側に接続
   して第二中温サイクルを構成したことを特徴とするヒー
   トポンプシステム。
2. （２）高温サイクルには高沸点冷媒を、第一および第二
   中温サイクルには、前記高温サイクルの冷媒より低沸点
   冷媒を用いたことを特徴とする請求項１記載のヒートポ
   ンプシステム。
3. （３）高温凝縮器からの高温出力、中間凝縮器兼蒸発器
   からの中温出力、中間凝縮器兼蒸発器からの低温出力の
   優先選択機能を設け、高温出力優先の場合は第二制御弁
   を全開とし、同時に中間出力の要求が無ければ、第一制
   御弁開度は閉じ、要求が有れば低段圧縮機の出力を最大
   とし、吐出圧力が設定値になるように前記第一制御弁開
   度を制御する。中間出力優先の場合は、第一制御弁を全
   開とし、同時に高温出力の要求が無ければ、第二制御弁
   開度は閉じ、要求が有れば低段圧縮機の出力を最大とし
   、吐出圧力が設定値になるように前記第二制御弁開度を
   制御する。低温出力優先の場合は、同時に高温出力要求
   があれば第二制御弁を全開、第一制御弁を全閉とし、低
   段圧縮機の吐出圧力が設定値を越えないように第一制御
   弁開度を制御し、高温出力要求が無い場合は第二制御弁
   を閉とし、第一制御弁を全開とすることを特徴とする多
   温度利用ヒートポンプシステムの制御方法。