JP2005512011A - 給湯と空気調節のための省エネ式ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、加熱および空気調和する水を供給するためのヒートポンプを提供するものであって、当該システムにおける冷媒を循環するための１または２以上の圧縮機（１）と、温水を加熱し貯蔵するための熱交換器（３）を有する温水タンク（２）と、空調モードまたは給湯および／または暖房モードのそれぞれにおいて、屋外環境に熱を放出する、または当該屋外環境から熱を取り込むための屋外用熱交換器（４）および送風機（５）と、屋内空間の空調および空気供給のための送風機（９）を備える屋内用熱交換器（８）とを備えている。当該システムは、一年を通じて給湯と住宅冷房を必要とする応用にとくに適している。当該システムは、また、季節によっては冷房を伴うものの一年を通じての給湯、季節によっては冷房と暖房とを伴うものの一年を通じての給湯するなどの他の場所にも適合し、同時に空間を暖房し冷房するなどの異なる適用にも使用される。

Description

本発明は、ヒートポンプシステムに関し、特に、年間を通じた空調、または、季節毎の空調、または、季節毎の空調と暖房とともに年間を通じた給湯を行える省エネ式ヒートポンプシステムに関する。

本明細書においての従来技術の説明は、そのような従来技術が広く周知であって、関連分野における一般的な知識の一部分を構成するという認識以上のことを記述するものではない。

米国特許第４、７６６、７３４号には、空調、快適空間暖房、給湯のためのヒートポンプシステムが記述されている。そのシステムに基づいた、空調と給湯のための改良ヒートポンプが、米国特許第５、０５０、３９４号に記述されている。一般的に、空調や給湯のためのヒートポンプは、冷媒をシステム内で循環させるための圧縮器と、水を加熱するための給湯用熱交換器と、空調すべき空間に空気を送り空調するための屋内用熱交換器と、屋外への熱の放出、あるいは、屋外から熱を取得するための屋外ファンを備えた屋外用熱交換器とからなる。前記米国特許第５、０５０、３９４号に記述のシステムの新規特徴とは、冷却負担に応じて圧縮器の速度を制御する手段を備えていることである。従来システムにおいては、圧縮器からの排出冷媒は、最初に給湯用熱交換器に流入されて、その後に屋外用熱交換器に送られる。米国特許第５、０５０、３９４号のシステムでは、屋外ファンを停止して、冷媒から送出された熱の大部分を加熱に使用する完全凝縮モード、および、屋外ファンを作動させて、冷媒から送出された熱の大部分を屋外用熱交換器により屋外へ放出する非過熱モードで運転される。しかしながら、そのようなシステムの問題点の１つは、非過熱モード運転の場合に、給湯用熱交換器内において部分凝縮が発生する恐れがあることである。つまり、システムの凝縮器の温度が不必要な高い値（温水の温度よりも高いレベル）まで上がって、システムの動作が非効率となってしまう。他方、水の温度を維持するのに必要な温度より高い熱が連続的に水に伝播されるため、水の温度が設定値よりも高くなり、水温が高くなれば、圧縮器の温度も高くなってしまい、その圧縮動作が低減する。そのゆえ、上記の問題を解決し、給湯や空調のためのヒートポンプシステムを、より大きな省エネの信頼できるモードで動作させることが望まれる。

また、経済的かつ互いに影響が少なくて、異なる加熱負担と冷却負担とに対応できるよう調整可能な給湯や空調のためのヒートポンプシステムを提供することも望まれる。その場合、加熱負担が変化すれば、冷却動作側への影響が最小限となるようシステムを調整でき、冷却負担が変化すれば、加熱動作側への影響が最小限となるようシステムを調整できる。

さらに、年間を通じた給湯や空調、年間を通じた給湯と季節毎の空調、年間を通じた給湯と季節毎の空調と暖房など、異なる所望モードで動作できるよう調整可能な給湯や空調のための省エネ式ヒートポンプシステムを提供することも望まれる。

本発明の目的は、上記で説明した従来技術の欠点の少なくとも１つを解消、または、低減すること、あるいは、有効な別技術を提供することである。

本発明による給湯と空調のためのヒートポンプシステムは、システム内で冷媒を循環させる１または２以上の圧縮器と、温水を加熱し貯水するための熱交換器を備える温水タンクと、空調モードまたは給湯および／または暖房モードのそれぞれにおいて、屋外環境に熱を放出する、または当該屋外環境から熱を取り込むための屋外用熱交換器および送風器と、屋内空間の空調および空気供給のための送風機を備える屋内用熱交換器とを備えてなる。

本発明の１つの局面において、水の加熱時には、前記圧縮器から排出された高温の冷媒蒸気が、最初に、前記給湯用熱交換器に導入されて、冷媒蒸気が冷却されて液体、つまり、副冷却液体状態に変わると同時に水を加熱し、その後に、屋外用熱交換器へ送られて、さらに冷却される。そして、水が所定の温度値まで加熱された後には、前記圧縮器から排出された冷媒蒸気が、直接に屋外用熱交換器へ送られて、熱を大気中に放出する。このようにして、凝縮器の温度を低く抑えることができるのである。

本発明の別の局面においては、前記屋外送風器が、コイルから排出された冷媒の温度が大気温度よりも所定分だけ高い場合に動作開始するが、前記屋外送風器の速度は、その温度差の幅に比例して変化する。これにより、冷媒を比較的一定した温度値まで冷却でき、たとえ暖房負荷に変動があっても、冷却側への影響は最小限となるのである。前記送風器および／または圧縮器は、屋内温度計の設定値と空調すべき空間の温度との差などの冷却負荷に応じて、可変速度で運転されるのが好ましい。

さらに特徴的なことに、前記システムは、年間を通じた室内冷却や給湯を必要とする応用例に特に好適である。また、このシステムは、季節毎の空調とともに年間を通じた給湯、あるいは、季節毎の空調と暖房とともに年間を通じた給湯などの適用例にも適しており、さらに、冷却と暖房を同時に行うなどの異なる適用例にも利用可能である。

本発明のさらに別の局面においては、前記圧縮器から排出された冷媒の通路が、２種類用意されている。水の加熱が必要な場合には、前記圧縮器から排出された冷媒は、最初に、前記給湯用熱交換器に導入されて水を加熱し、その後に、屋外用熱交換器へ送られて、さらに冷却される。そして、水が所定の温度値まで加熱された後には、前記圧縮器から排出された冷媒は、制御器および１つまたはそれ以上の数の関連バルブの動作で決められた冷媒通路を通って、バイパス／迂回路で屋外用熱交換器へ送られる。前記加熱する所定温度は、６０℃から６５℃の範囲であるのが好ましい。屋外環境の温度は温水の温度よりもかなり低いため、凝縮器の温度を低く抑えられることができる。蒸発器が所定温度であれば、凝縮器の温度が低いほど、システム効率が高くなる。それゆえ、上記の構成により、省エネ動作モード運転が可能となる。前記屋外用熱交換器がコイル式である場合、屋外送風器は、コイルから排出される冷媒の温度が周囲温度よりも所定分だけ越えると動作開始する。

本発明のさらにまた別の局面において、前記放出用の屋外送風器の速度が、コイルから排出される冷媒の温度と周囲温度との差の幅に比例して好適に変動する。このようにして、経済的な送風機電力消費と同じ配分で、冷媒を冷却することができるのである。加熱される水に比べて、屋外大気の温度変化はわずかであり、冷却される冷媒の温度変化もわずかであるため、給水負荷が（凝縮器の温度とともに）変動しても、冷却側への影響は最小限となる。

前記圧縮器から排出された冷媒の通路を制御する信号は、水あるいはタンク壁の熱センサーまたは温度計からの信号に応じて制御器により作成される。

前記屋外送風器の速度を制御する信号は、屋外コイルから排出された冷媒の温度と大気温度とを測定する温度センサーからの信号に応じて制御器により作成される。実験の結果、前記給湯用熱交換器から排出された冷媒の温度は、比較的に短時間（普通は運転開始後２分ほど）で大気温度値を越えることが判明した。その温度差が所定値分より大きくなると、前記屋外送風器の運転が開始される。その温度差が大きいほど、送風器の速度が早くなるのである。

特に明記しないかぎり、本文、特許請求項の用語「からなる」「で構成される」などは、排他的あるいは徹底的な意味ではなく、包括的な意味で解釈されるものであって、つまり、「含まれるが、それに限定されるものではない」という意味をもつ。

本発明の好適な実施例を、本発明のヒートポンプシステムの概略図である図１を参照して一実施例として説明する。

図１に示す好適な実施例のヒートポンプシステムは、圧縮器１と、温水タンク２と、配管２１と２２および配管２２のバルブ１２により前記圧縮器に接続された給湯用熱交換器３と、配管２３、バルブ１３、配管２５により前記給湯用熱交換器３に接続され、かつ、配管２４および配管２５のバルブ１４により前記圧縮器１に接続された屋外用熱交換器４と、配管２６により前記屋外用熱交換器４に接続された濾過器／乾燥器／蓄積器６と、配管２７、膨脹手段７、配管２８により前記濾過器／乾燥器／蓄積器６に接続され、かつ、配管２９により前記圧縮器１に接続された屋内用熱交換器８と、必要に応じて循環回路を構成するサクション濾過器／受水器１０とからなる。

前記屋外用熱交換器４は、フィン装備のコイルタイプであるのが好ましく、熱源あるいはヒートシンクとして空気を利用する場合に、そのフィン装備のコイルに向けて空気を送風させる、または、コイルから空気を流出させるための送風器５を備えている。送風器５の動作速度は、制御器１１からの信号に応じて可変する。屋外用熱交換器４は、一般的には屋外に設置するが、屋内の適当な場所に設置しても構わない。しかしながら、その排出する（熱風や冷風の）熱エネルギーを、いわゆる「屋内用熱交換器」で規定されるような同様場所に排出したり、熱交換器からの熱風や冷風が障害となる場所に排出することは避ける必要がある。

前記屋内用熱交換器８も同様に、フィン付きコイルに向けて空気を送風させる、または、そこから空気を流出させるための送風器を備えたフィン装備のコイルタイプであるのが好ましい。本発明において利用できる送風器駆動のフィン付きコイル式熱交換器の例としては、１９９６年４月１０日付けのオーストラリア特許出願第ＰＮ９２０２号、および、１９９７年４月９日付けのオーストラリア完全特許出願第１７８０３／９７号に記載のものがあり、その内容は、本明細書での参照例として取り扱われる。

前記圧縮器１は、電動式で駆動してもよい。利用にさいし、圧縮器１は、ヒートポンプシステム内で冷媒液を循環できるよう設定する。圧縮器１の動作により、冷媒が配管２９を経由して屋内用熱交換器８（または濾過器／受水器１０）から送出される。圧縮器１から冷媒が送出された後、以下のような動作が行われる。水が加熱を必要とする場合、圧縮器１からの冷媒蒸気は、最初に、配管２１と２２を経由して給湯用熱交換器３に導入され、冷媒蒸気が冷却されて液状つまり補冷却状態液体に変わって水を加熱して、次に、配管２３と２５を経由して屋外用熱交換器４に導入され、さらに冷却される（バルブ１２と１３は開放、バルブ１４は閉止）。そして、水が所定の温度値（たとえば、６０℃）まで上昇した後は、バルブ１３と１４を閉止して給湯用熱交換器３を停止させて、圧縮器１からの冷媒蒸気を屋外用熱交換器４へ送って、熱を大気中へ放出する（バルブ１２と１３は閉止、バルブ１４は開放）。屋外環境（水または大気）の温度は温水温度よりも低いので、給湯用熱交換器３からの冷媒が冷却され、水が加熱されると、屋外の低温度大気により直接に冷媒が冷却されるため、凝縮器の温度を低く維持できる。蒸発器の温度が同じ場合、凝縮器の温度が低いほど、システムの効率が高くなる。それゆえ、本システム構成は、高い省エネ運転を可能にする。なお、バルブ動作は、水やタンク壁の温度を感知する熱センサーや温度計１４に接続された制御器１１により行われる。

前記屋外用熱交換器４がコイル式の場合、コイル４から排出される冷媒の温度が大気温度よりも所定分だけ高くなると屋外送風器５が動作開始されるが、送風器５の速度は、温度差に比例して可変であるのが好ましく、温度差が大きいほど、送風器速度を早くする。このようにして、冷媒の温度を、（設定のごとく）経済的な送風機の電力消費だけで同じレベルにまで下げることができるのである。加熱する水に比べて、屋外大気温度の変化はわずかであるため、冷媒の温度の冷却変動も微量となり、給湯負荷が（凝縮器温度に伴って）変化しても、冷却動作側への影響は最小限にできる。なお、屋外送風器５の動作は、冷媒温度センサー１６と屋外温度センサー１７が感知する信号に応じて制御器１１により制御される。

そして、冷却された冷媒液は、スロットル制止バルブ、膨脹バルブ、あるいは、その他の適当な手段から構成された膨脹手段７により強制的に膨脹させられる。膨脹手段７の後、冷媒の圧力が、ゆえに温度が下降する。冷媒の温度は、空調される室内空気などの熱源の温度より低くなり、熱源（室内空気）からの熱は屋内用熱交換器８内の冷媒へ伝送されるのである。そして室内空気が冷却されるにつれて、冷媒は蒸気となり過熱される。同時に、送風器９により、室内の空気が所定速度でコイル８内へ送られて、熱伝送効果が高められ、冷却された空気は室内へ送り返されて、空調される空間の温度分布を一定にするのである。システムが空調負荷に効率的に対応できるよう、圧縮器１は、屋内温度計設定値と空調すべき空間温度との差などの冷却負荷に関係する動作速度に伴い、可変速度で運転できるよう設計されている。

本発明のヒートポンプシステムは、特に、給油や年間を通じた室内冷却など日常的に必要とされる適用例での利用に適している。また、このシステムは、季節毎の空調とともに年間を通じた給湯、あるいは、季節毎の空調と暖房とともに年間を通じた給湯などの適用例にも適している。

本発明のヒートポンプシステムは、さらに、年間を通じた給湯、および冷却と暖房を同時に行うのにも利用できる。たとえば、冬期間のビル内において、外部空間では暖房が必要で、同時に内部空間で冷却が必要な場合がある。屋外大気では不要な熱を用いて、暖房が可能となる。また、このシステム利用すれば、様々な例がある。たとえば、屋外から取り入れられた空気を、空調空間から排出された空気により予備冷却または予備加熱したり、空調室内から、あるいは、導入空気／排出空気熱交換器から排出された空気を屋外用熱交換器へ供給することも可能である。

上記の本発明の説明は、特定の実施例に基づいているが、本発明がその他の実施例でも可能なのは当業者には明白であろう。

本発明によるヒートポンプシステムの概略図である。

Claims (12)

1. 給湯と空調を行うためのヒートポンプシステムであって、システム内で冷媒を循環させる１または２以上の圧縮器と、温水を加熱し貯水するための熱交換器を備える温水タンクと、空調モードまたは給湯および／または暖房モードのそれぞれにおいて、屋外環境に熱を放出する、または当該屋外環境から熱を取り込むための屋外用熱交換器および送風器と、屋内空間の空調および空気供給のための送風機を備える屋内用熱交換器とを備えてなるヒートポンプシステム。
2. 水の加熱時には、前記圧縮器から排出された高温の冷媒蒸気が、最初に、前記給湯用熱交換器に導入されて、冷媒蒸気が冷却されて液体、すなわち副冷却液体状態に変わると同時に水を加熱し、ついで屋外用熱交換器へ送られて、さらに冷却される請求項１記載のヒートポンプシステム。
3. 水が所定の温度値まで加熱された後には、前記圧縮器から排出された冷媒蒸気が、直接に屋外用熱交換器へ送られて、熱を大気中に放出する請求項２記載のヒートポンプシステム。
4. 前記所定温度が、６０℃から６５℃の範囲である請求項３記載のヒートポンプシステム。
5. 前記屋外送風器が、コイルから排出された冷媒の温度が大気温度よりも所定分だけ高い場合に動作開始する請求項１記載のヒートポンプシステム。
6. 前記屋外送風器の速度が、コイルから排出された冷媒の温度と大気温度との差の幅に比例して変化する請求項５記載のヒートポンプシステム。
7. 前記送風器の動作速度が、冷却負荷に依存した可変速度である請求項１、２、３、４、５または６記載のヒートポンプシステム。
8. 前記１または２以上の圧縮器が、冷却負荷に依存した可変速度で動作する請求項１、２、３、４、５、６または７記載のヒートポンプシステム。
9. 前記屋外用熱交換器が、フィン付きコイルタイプである請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載のヒートポンプシステム。
10. 前記屋内用熱交換器が、フィン付きコイルタイプである請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９記載のヒートポンプシステム。
11. 前記圧縮器から排出された冷媒の通路を制御する信号が、熱センサーまたは温度計からの信号に応じて制御器により作成される請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９または１０記載のヒートポンプシステム。
12. 前記屋外送風器の速度を制御する信号が、屋外コイルから排出された冷媒の温度と大気温度とを測定する温度センサーからの信号に応じて制御器により作成される請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０または１１記載のヒートポンプシステム。

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