(57)【要約】【課題】従来のヒートポンプユニットでは、加熱と冷却の熱量をバランスさせ、加熱冷却対象物の温度を制御する二次的なシステムが必要となり、システム全体が複雑になって、効率の高いヒートポンプの普及の妨げになっていた。【解決手段】調整用凝縮器９と、調整用蒸発器１３と、冷媒状態を監視する冷媒状態監視手段（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）と、凝縮器７と蒸発器１５における熱移動による加熱対象と冷却対象の温度を監視する加熱・冷却温度監視手段（Ｅ，Ｆ）と、圧縮機５等の自律制御により、前記監視対象を目標範囲に収める制御手段２１とを備え、加熱熱量と冷却熱量をバランスさせ、加熱対象物や冷却対象物の温度を設定された温度に保つことができる。これによって乾燥装置、農業ハウスの冷暖房、水の蒸留、工場における排熱のカスケード利用、店舗のショーケースの適温維持など、さまざまな分野へのヒートポンプの応用が可能になる。【選択図】  図１
2010243001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒循環経路に圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が介挿されてなる蒸気圧縮式冷凍サイクルによって構成される自律平衡型ヒートポンプユニットにおいて、
前記冷媒循環経路に前記凝縮器と直列に介挿された交換熱量可変の調整用凝縮器と、前記冷媒循環経路に前記蒸発器と直列に介挿された交換熱量可変の調整用蒸発器と、膨張弁前と蒸発と吸入と吐出の位置における冷媒状態を監視する冷媒状態監視手段と、前記圧縮機等の制御により、前記監視対象を目標範囲に収める制御手段とを備え、前記制御手段により、冷凍サイクル内の放熱熱量と吸熱熱量を自律的に平衡させることを特徴とするヒートポンプユニット。
【請求項２】
請求項１に記載した自律平衡型ヒートポンプユニットにおいて、
凝縮器と蒸発器における熱移動によって変化する加熱対象と冷却対象の温度を監視する加熱・冷却温度監視手段を備え、圧縮機として容量可変の圧縮機を備え、膨張弁として開度可変の膨張弁を備え、加熱対象と冷却対象の温度がそれぞれ設定した目標範囲になるように、前記圧縮機と前記膨張弁を制御する制御手段を備えたことを特徴とするヒートポンプユニット。
【請求項３】
請求項１または２に記載した自律平衡型ヒートポンプユニットにおいて、
凝縮器または蒸発器は冷媒と水やブライン等の二次冷媒との間で熱交換を行う熱交換器であり、加熱対象または冷却対象との間に二次冷媒を循環させて間接的に熱交換を行うことを特徴とするヒートポンプユニット。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載した自律平衡型ヒートポンプユニットにおいて、
１つの熱交換器を調整用凝縮器または調整用蒸発器として択一的に使い分けることを特徴とするヒートポンプユニット。
【請求項５】
請求項４に記載した自律平衡型ヒートポンプユニットにおいて、
冷媒循環経路に、調整用凝縮器と調整用蒸発器を兼用できる１つの調整用熱交換器と、四方弁を介挿し、前記四方弁の切替えにより前記調整用熱交換器を前記調整用凝縮器または調整用蒸発器として利用することを特徴とするヒートポンプユニット。
【請求項６】
請求項５に記載した自律平衡型ヒートポンプユニットにおいて、
冷媒循環経路に圧縮機、凝縮器、四方弁、調整用凝縮器および調整用蒸発器として兼用される熱交換器、膨張弁、前記四方弁、蒸発器、圧縮機の順に接続されてなり、前記１つの四方弁の切替えにより、前記熱交換器を調整用凝縮器または調整用蒸発器として利用することを特徴とするヒートポンプユニット。
【請求項７】
請求項４に記載した自律平衡型ヒートポンプユニットにおいて、
冷媒循環経路に圧縮機、凝縮器、第一膨張弁、調整用凝縮器および調整用蒸発器として兼用される熱交換器、第二膨張弁、蒸発器、圧縮機の順に接続され、且つ前記第一膨張弁と第二膨張弁に並行してそれぞれ開閉自在なバイパス路が設けられてなり、前記バイパス路の一方を開閉することにより、前記熱交換器を調整用凝縮器または調整用蒸発器として利用することを特徴とするヒートポンプユニット。
【請求項８】
請求項４に記載した自律平衡型ヒートポンプユニットにおいて、
冷媒循環経路に圧縮機、凝縮器、完全開放可能な第一膨張弁、調整用凝縮器および調整用蒸発器として兼用される熱交換器、完全開放可能な第二膨張弁、蒸発器、圧縮機の順に接続され、第一膨張弁と第二膨張弁のいずれかを完全開放にすることにより、前記熱交換器を調整用凝縮器または調整用蒸発器として利用することを特徴とするヒートポンプユニット。
【請求項９】
請求項７または８に記載した自律平衡型ヒートポンプユニットにおいて、
冷媒循環経路の圧縮機と凝縮器の間に四方弁を配置し、蒸発器と圧縮機の間に前記四方弁の戻り側を配置し、前記四方弁を切り替えることにより、前記凝縮器と前記蒸発器の機能を相互に反転して利用可能なことを特徴とするヒートポンプユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化の原因とされているＣＯ２排出の削減が急務となったことなどが追い風となって、既存の熱源を高いエネルギー効率と安全性を兼ね備えたヒートポンプに置き換えようという動きが活発化してきており、都市開発レベルのヒートアイランド対策から、省エネエアコンまで、ヒートポンプが急速に普及しつつある。
さらに加熱と冷却を同時に行い、または温水と冷水を同時に取り出すことによってヒートポンプの効率をさらに高めることができるため、冷温同時使用または冷温水同時取出技術に対するニーズが高まっている。
加えて、圧縮機の直流化、熱交換器の小型高性能化、電子膨張弁等各種部品の技術向上により、効率の高い冷凍サイクルが低価格で製造できるようになり、より規模の小さい分野までヒートポンプの応用範囲が拡大される条件が整ってきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１３４０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ヒートポンプは原理的に加熱熱量と冷却熱量を常にバランスさせておく必要があるため、従来のヒートポンプユニットでは、熱量バランスを保持するようにヒートポンプユニット外部の二次的なシステムを構築する必要があった。さらに、特許文献１に記載のように、ユニット内と外部とで受け渡しする熱の温度を正確に制御することはできず、温水や冷水の温度を制御するために、周辺の二次的なシステムはさらに複雑なものになってしまっていた。たとえば、４２℃の温水と３８℃の温水は熱量的には絶対温度で３１１Ｋと３１５Ｋの違いしかないが、風呂に使える４２℃の温水と風呂には使えない３８℃の温水とでは実用価値は大きく違う。このようなプラントの設計の煩雑さや要求される冷凍サイクルについての専門知識が、さまざまな設計者のアイディアを引き出して応用範囲を拡大することを妨げる制約要因となっている。
本発明では、上記課題を解決するために、新規且つ有用なヒートポンプ方式を利用した汎用熱源ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、請求項１の発明は、冷媒循環経路に圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が介挿されてなる蒸気圧縮式冷凍サイクルによって構成される自律平衡型ヒートポンプユニットにおいて、前記冷媒循環経路に前記凝縮器と直列に介挿された交換熱量可変の調整用凝縮器と、前記冷媒循環経路に前記蒸発器と直列に介挿された交換熱量可変の調整用蒸発器と、膨張弁前と蒸発と吸入と吐出の位置における冷媒状態を監視する冷媒状態監視手段と、前記圧縮機等の制御により、前記監視対象を目標範囲に収める制御手段とを備え、前記制御手段により、冷凍サイクル内の放熱熱量と吸熱熱量を自律的に平衡させることを特徴とするヒートポンプユニットである。
【０００６】
請求項２の発明は、請求項１に記載した自律平衡型ヒートポンプユニットにおいて、凝縮器と蒸発器における熱移動によって変化する加熱対象と冷却対象の温度を監視する加熱・冷却温度監視手段を備え、圧縮機として容量可変の圧縮機を備え、膨張弁として開度可変の膨張弁を備え、加熱対象と冷却対象の温度がそれぞれ設定した目標範囲になるように、前記圧縮機と前記膨張弁を制御する制御手段を備えたことを特徴とするヒートポンプユニットである。
【０００７】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載した自律平衡型ヒートポンプユニットにおいて、凝縮器または蒸発器は冷媒と水やブライン等の二次冷媒との間で熱交換を行う熱交換器であり、加熱対象または冷却対象との間に二次冷媒を循環させて間接的に熱交換を行うことを特徴とするヒートポンプユニットである。
【０００８】
請求項４の発明は、請求項１から３のいずれかに記載した自律平衡型ヒートポンプユニットにおいて、１つの熱交換器を調整用凝縮器または調整用蒸発器として択一的に使い分けることを特徴とするヒートポンプユニットである。
【０００９】
請求項５の発明は、請求項４に記載した自律平衡型ヒートポンプユニットにおいて、冷媒循環経路に、調整用凝縮器と調整用蒸発器を兼用できる１つの調整用熱交換器と、四方弁を介挿し、前記四方弁の切替えにより前記調整用熱交換器を前記調整用凝縮器または調整用蒸発器として利用することを特徴とするヒートポンプユニットである。
【００１０】
請求項６の発明は、請求項５に記載した自律平衡型ヒートポンプユニットにおいて、冷媒循環経路に圧縮機、凝縮器、四方弁、調整用凝縮器および調整用蒸発器として兼用される熱交換器、膨張弁、前記四方弁、蒸発器、圧縮機の順に接続されてなり、前記１つの四方弁の切替えにより、前記熱交換器を調整用凝縮器または調整用蒸発器として利用することを特徴とするヒートポンプユニットである。
【００１１】
請求項７の発明は、請求項４に記載した自律平衡型ヒートポンプユニットにおいて、冷媒循環経路に圧縮機、凝縮器、第一膨張弁、調整用凝縮器および調整用蒸発器として兼用される熱交換器、第二膨張弁、蒸発器、圧縮機の順に接続され、且つ前記第一膨張弁と第二膨張弁に並行してそれぞれ開閉自在なバイパス路が設けられてなり、前記バイパス路の一方を開閉することにより、前記熱交換器を調整用凝縮器または調整用蒸発器として利用することを特徴とするヒートポンプユニットである。
【００１２】
請求項８の発明は、請求項４に記載した自律平衡型ヒートポンプユニットにおいて、冷媒循環経路に圧縮機、凝縮器、完全開放可能な第一膨張弁、調整用凝縮器および調整用蒸発器として兼用される熱交換器、完全開放可能な第二膨張弁、蒸発器、圧縮機の順に接続され、第一膨張弁と第二膨張弁のいずれかを完全開放にすることにより、前記熱交換器を調整用凝縮器または調整用蒸発器として利用することを特徴とするヒートポンプユニットである。
【００１３】
請求項９の発明は、請求項７または８に記載した自律平衡型ヒートポンプユニットにおいて、冷媒循環経路の圧縮機と凝縮器の間に四方弁を配置し、蒸発器と圧縮機の間に前記四方弁の戻り側を配置し、前記四方弁を切り替えることにより、前記凝縮器と前記蒸発器の機能を相互に反転して利用可能なことを特徴とするヒートポンプユニットである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の自律平衡型ヒートポンプユニットによれば、ユニット内で自律的に加熱熱量と冷却熱量をバランスさせ、適正運転状態を維持できる。
また、凝縮器や蒸発器において加熱・冷却対象を所望の設定温度に加熱・冷却できる。
特に主凝縮器と主蒸発器の熱交換器として、水・ブライン等の二次冷媒と冷媒の熱交換を行う熱交換器を使用して、間接加熱・間接冷却を行うユニットとすれば、冷凍サイクルの知識がない利用者が容易に扱えるようになり、加熱や冷却を必要とするさまざまなシステムにヒートポンプユニットを容易に組み込んで使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る自律平衡型ヒートポンプユニットの構成図である。
【図２】図１の自律平衡型ヒートポンプユニットの熱移動パターンの説明図である。
【図３】冷凍サイクル（加熱温度と冷却温度を設定したとき）の調整例を示す。
【図４】冷凍サイクル（加熱温度のみ設定したとき）の調整例を示す。
【図５】冷凍サイクル（冷却温度のみ設定したとき）の調整例を示す。
【図６】冷凍サイクル（加熱温度も冷却温度も設定しないとき）の調整例を示す。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る自律平衡型ヒートポンプユニットの構成図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る自律平衡型ヒートポンプユニットの構成図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態に係る自律平衡型ヒートポンプユニットの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施の形態に係るヒートポンプユニット１を、図１にしたがって説明する。
本発明では、このヒートポンプユニット１は、加熱と冷却を同時に行い、かつ加熱熱量と冷却熱量を自律的に平衡させることを可能とするものである。
ユニットボックス２内の構成を説明する。図１の構成図に示すように、ヒートポンプユニット１には、冷媒循環経路３が設けられ、この冷媒循環経路３に、圧縮機５、主凝縮器７、調整用凝縮器９、（電子）膨張弁１１、調整用蒸発器１３、主蒸発器１５がこの順に介挿されている。従って、圧縮機５から吐き出された冷媒は、矢印に示すように、主凝縮器７、調整用凝縮器９、膨張弁１１、調整用蒸発器１３、主蒸発器１５を順次通って、圧縮機５に戻るようになっている。
【００１７】
上記で、膨張弁１１の開度、調整用凝縮器９に付設され熱交換量を可変させる凝縮ファン１０の回転数、調整用蒸発器１３に付設され熱交換量を可変させる蒸発ファン１４の回転数が制御可能になっている。
【００１８】
主凝縮器７および主蒸発器１５としてはさまざまな熱交換器を接続することができるが、この実施の形態では、二次冷媒である水と熱交換を行う熱交換器を使用しており、主凝縮器７で加熱された水は循環経路１７を介して加熱対象を加熱し、主蒸発器１５で冷却された水は循環経路１９を介して冷却対象を冷却するようになっている。
このように二次冷媒による間接加熱・冷却方式を利用すれば、主凝縮器７等の熱交換器をコンパクトに設計できる。また、熱交換器としての耐久性（目詰まりや錆の発生）も向上する。さらに、二次冷媒を循環させることで、ユニット内での凍結を防ぎながら、冷水の設定温度を零下にまで下げることができる。また、ヒートポンプユニットの工場出荷時点で冷媒封入や試験を済ませておくことができ、性能・品質を確保しやすいうえ、利用者側に水道配管程度の技術があれば、容易に扱うことができる。
【００１９】
上記した構成の各所に配置された温度センサー群のうち、
温度センサーＡは吐出温度を、
温度センサーＢは膨張弁前温度（凝縮温度）を、
温度センサーＣは蒸発温度を、
温度センサーＤは吸入温度を、
温度センサーＥは加熱対象物温度（加熱用水出口温度）を、
温度センサーＦは冷却対象物温度（冷却用水出口温度）をそれぞれ検出する。
【００２０】
符号２１は制御手段を示し、この制御手段２１はセンサー群Ａ〜Ｆから温度情報を受け取り、膨張弁１１の開度、凝縮ファン１０の回転数、蒸発ファン１４の回転数を制御する。
ユニットボックス２には制御用出力が備えられており、制御手段２１によって制御されるようになっている。外部システムから制御手段２１に対しては、アナログ出力による指令（ON/OFFや多段速指令）やコマンド通信による指令（たとえばRS-232C等の通信方式におけるコマンドによる指令・読出）によって、動作・停止の指示、情報の読出しができるようにすることで、外部システムはヒートポンプユニットを部品として扱うことができる。
【００２１】
次に、制御手段２１による冷凍サイクルの制御について説明する。
熱移動の想定されるパターンは、図２に示すものである。
加熱のみ行うときには、主凝縮器７で放熱し、圧縮機のジュール熱分（圧縮仕事の熱量）を加えても不足する熱量を調整用蒸発器１３で系外から吸熱する。調整用凝縮器９と主蒸発器１５は使用しない。
加熱と冷却を同時に行うときには：
加熱熱量＞冷却熱量＋圧縮機のジュール熱の場合には、主凝縮器７で放熱し、主蒸発器１５で吸熱し、圧縮機のジュール熱分を加えても不足する熱量を調整用蒸発器１３で系外から吸熱する。調整用凝縮器９は使用しない。
加熱熱量＝冷却熱量＋圧縮機のジュール熱の場合には、主凝縮器７で放熱し、主蒸発器１５で吸熱する。調整用凝縮器９と調整用蒸発器１３は使用しない。
加熱熱量＜冷却熱量＋圧縮機のジュール熱の場合には、主凝縮器７で放熱し、調整用凝縮器９で系外に対して放熱し、圧縮機のジュール熱分を加えても不足する熱量を主蒸発器１５で吸熱する。調整用蒸発器１３は使用しない。
冷却のみ行うときには、主蒸発器１５で吸熱し、調整用凝縮器９で系外に対して放熱する。主凝縮器７と調整用蒸発器１３は使用しない。
【００２２】
容量可変の圧縮機５と、加熱対象物の温度を測定するセンサーＥと、冷却対象物の温度を測定するセンサーＦを備えることにより、自律平衡を維持しながら、加熱対象物の温度と冷却対象物の温度を設定どおりに保つことが可能となっている。
具体的には、主凝縮器７および主蒸発器１５として、水と冷媒の熱交換を行う熱交換器を使用しており、加熱対象物の温度を測定するセンサーＥを主凝縮器７からの温水出口に配置し、冷却対象物の温度を測定するセンサーＦを主蒸発器１５からの冷水出口に配置することで、冷温水取出し温度を設定どおりに保つことが可能になっている。
【００２３】
上記したハード構成のヒートポンプユニット１において、圧縮機５、膨張弁１１、凝縮ファン１０、蒸発ファン１４を変化させたときの冷凍サイクルに与える変化を利用して、加熱熱量、加熱温度、冷却熱量、冷却温度を制御することができる。
すなわち、圧縮機５の容量が大きいほど、加熱熱量と冷却熱量が増加する。凝縮ファン１０の回転数が大きくなるほど、放熱量が増加し、膨張弁１１の開度が小さくなるほど圧力比が大きくなって凝縮温度（加熱の温度）と蒸発温度（冷却の温度）の差は大きくなり、蒸発ファン１４の回転数が大きくなるほど、吸熱量が増加する。
従って、想定される熱移動のパターンと上記の冷凍サイクルに与える影響を考慮して、圧縮機５、膨張弁１１、凝縮ファン１０、蒸発ファン１４等を組合せ制御することになる。
【００２４】
当然ながら、制御方針として、安全と冷凍サイクルの性能の維持のための動作を最優先としたうえで、加熱目標温度や冷却目標温度の操作を行う。
まず吐出温度については常時監視し、許容限界を超えた場合にはインターロックをかける保護制御を行う。保護制御は深刻でない場合には圧縮機５の容量を下げるか、膨張弁１１を開き圧力比を下げるか、凝縮ファン１０を大きくするなどの対策を行うことができる。さらに吐出側に高圧スイッチを設けたり、圧縮機５内部に高温高圧センサーを設けたりしてそれらの情報によっても停止するなどの対策と併用することでより安全性を高めることができる。
凝縮温度については冷媒の特性から知られる上限設定値を超えないように凝縮ファン１０を制御することを優先する。
膨張弁１１については蒸発温度を操作するためにテクニカルに利用することもできるが、基本的にはスーパーヒート(ＳＨ)量（＝吸入温度−蒸発温度）としての適正量（０〜４℃）を確保するように制御することを優先する。
【００２５】
加熱温度のみを設定した場合には、加熱対象物の温度が設定温度を保つことを優先して圧縮機５の容量を制御する。
冷却温度のみを設定した場合には、冷却対象物の温度が設定温度を保つことを優先して圧縮機５の容量を制御する。
加熱温度と冷却温度の両方を設定した場合には、加熱対象物の温度と冷却対象物の温度を維持することを優先して圧縮機５の容量を制御し、圧力比の増加による効率（成績係数＝COP）の低下は許容する。
加熱温度を設定しない場合には、圧縮機５は利用者が任意の容量を指定し、移動熱量と加熱・冷却対象の熱収支のバランスによって加熱対象物の温度や冷却対象物の温度が決まる。
【００２６】
組合せ制御になるため、種々の制御方法が考えられるが、一例として、以下のものを例示する。
圧縮機５については、加熱温度と冷却温度の両方を設定した場合には、加熱温度と冷却温度の両方が設定値に到達するまで、容量を大きく制御する必要がある。
凝縮ファン１０については、加熱温度を設定しているときには、加熱温度が設定値になるように制御する。すなわち、加熱温度が設定値を超えて高温になるときに放熱熱量が大きくなる方向に制御する。
蒸発ファン１４については、冷却温度を設定しているときには、冷却温度が設定値になるように制御する。すなわち、冷却温度が設定値を下回って低温になるときに吸熱熱量が大きくなる方向に制御する。
【００２７】
冷凍サイクルの熱収支が平衡するということは以下の式が成り立つように動作することを意味する。
加熱熱量合計(QH)＝冷却熱量合計(QR) ＋圧縮機ジュール熱熱量（AL）
加熱熱量合計(QH)＝必要加熱熱量(QH1) ＋放熱熱量(QH2)
冷却熱量合計(QR)＝必要冷却必要熱量(QR1)＋吸熱熱量(QR2)
そこで、［必要加熱熱量＞必要冷却熱量＋圧縮機ジュール熱熱量（AL）］のときには：
加熱熱量合計(QH)＝必要加熱熱量(QH1)
冷却熱量合計(QR)＝必要冷却熱量(QR1)＋吸熱熱量(QR2)＋圧縮機ジュール熱熱量（AL）
となる。すなわち、
吸熱熱量(QR2)＝必要加熱熱量(QH1) −必要冷却熱量（QR1）−圧縮機ジュール熱熱量（AL）
また、［必要加熱熱量＜必要冷却熱量＋圧縮機ジュール熱熱量（AL）］のときには：
加熱熱量合計(QH)＝必要加熱熱量(QH１)＋放熱熱量(QH2)
冷却熱量合計(QR)＝必要冷却熱量(QR1)＋圧縮機ジュール熱熱量（AL）
となる。すなわち、
放熱熱量(QH2)＝必要冷却熱量(QR1)＋圧縮機ジュール熱熱量（AL）−必要加熱熱量(QH1)
【００２８】
（設定Ａ）加熱温度・冷却温度の両方を設定した場合（図３）
温水と冷水の設定の温度差が小さいときは膨張弁を開いて圧力比を小さくできるのでヒートポンプの効率（ＣＯＰ）が高くなり、温水と冷水の設定の温度差が大きいときは膨張弁を絞って圧力比を大きくするのでヒートポンプの効率（ＣＯＰ）が低くなる。
（設定Ｂ）加熱温度のみを設定した場合（図４）
冷却温度を設定しない場合には、圧縮機容量は吸熱側の熱交換効率に依存するので、その熱交換効率が低いときはスーパーヒートを適正に維持するため膨張弁を絞って圧力比を大きくするためＣＯＰが低下するとともに冷却側の温度は低下し、その熱交換効率が高いときはスーパーヒートを適正に維持するため膨張弁を開いて圧力比を小さくするためＣＯＰが向上するとともに、冷却側の温度は上昇する。
【００２９】
（設定Ｃ）冷却温度のみを設定した場合（図５）
加熱温度を設定しない場合には、圧縮機の圧力比は加熱側の熱交換効率に依存するので、その熱交換効率が低いときはスーパーヒートを適正に維持するため膨張弁を絞って圧力比を大きくするためＣＯＰが低下するとともに加熱側の温度は上昇し、その熱交換効率が高いときはスーパーヒートを適正に維持するため膨張弁を開いて圧力比を小さくするためＣＯＰが向上するとともに加熱側の温度は下がる。
（設定Ｄ）加熱温度・冷却温度とも設定しない場合（図６）
加熱側の熱交換効率が高く、冷却側の熱交換効率が高いときは、圧力比が小さくなってＣＯＰが高くなる。加熱側の熱交換効率が低く、冷却側の熱交換効率が低いときは、圧力比が大きくなってＣＯＰが低くなる。加熱側の熱交換効率が低く、冷却側の熱交換効率が高いときは、全体が上方にシフトする。加熱側の熱交換効率が高く、冷却側の熱交換効率が低いときは、全体が下方にシフトする。
【００３０】
以下に、別の構成のものを示すが、共通する部分は同じ符号を付してその説明を省略する。
【００３１】
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る自律平衡型ヒートポンプユニット２３の構成図である。
冷媒循環経路３に圧縮機５、凝縮器７、四方弁２５、熱交換器２７、膨張弁１１、四方弁２５、蒸発器１５、圧縮機５の順に接続されている。四方弁２５のＯＮ／ＯＦＦ切替えにより熱交換器２７を調整用凝縮器または調整用蒸発器として使い分けることができる。
調整用凝縮器と調整用蒸発器は構造や必要能力が同じで、上記の熱移動のパターンで説明したように同時には使わないので、四方弁２５の切替えにより使い分けることで、低価格化及びユニットのコンパクト化を図れる。
【００３２】
図８は、本発明の第３の実施の形態に係る自律平衡型ヒートポンプユニット２９の構成図である。
冷媒循環経路３に圧縮機５、主凝縮器７、完全開放可能な第一膨張弁３１、調整用凝縮器および調整用蒸発器として兼用される熱交換器２７、完全開放可能な第二膨張弁３３、主蒸発器１５、圧縮機５の順に接続され、第一膨張弁３１と第二膨張弁３３のいずれかを完全開放にすることにより、熱交換器２７を調整用凝縮器または調整用蒸発器として使い分けることができる。
なお、図８の右側に示されているように、完全開放可能な膨張弁３１、３３の位置に、膨張弁１１、１１を代わりに配置し、各膨張弁１１と並行して電磁弁３５等の切替手段を使った開閉自在のバイパス経路３７を設置することで、膨張弁１１の一方を無効化してもよい。
【００３３】
図９は、本発明の第４の実施の形態に係る自律平衡型ヒートポンプユニット３９の構成図である。
第一主熱交換器４１を主凝縮器として、第二主熱交換器４３を主蒸発器として使用し、四方弁２５の切替えにより、主熱交換器４１を主蒸発器として、主熱交換器４３を主凝縮器として使用することができる。例えば、夏と冬で使い方を逆にしたい場合に有用である。
第一膨張弁３１と第二膨張弁３３の有効・無効化によって、熱交換器２７を調整用凝縮器または調整用蒸発器として使い分けている。
なお、この実施の形態でも、図９の右側に示されているように、完全開放可能な膨張弁３１、３３の位置に、膨張弁１１、１１を代わりに配置し、各膨張弁１１と並行して電磁弁３５等の切替手段を使った開閉自在のバイパス経路３７を設置することで、膨張弁１１の一方を無効化してもよい。但し、実際の多くの電磁弁がそうであるように方向性を持つときは、四方弁を逆にして冷媒の方向が逆になったときに、電磁弁が使えなくなるため、両方向に電磁弁を使う等の対策が必要である。
【００３４】
以上、本発明の実施の形態について詳述してきたが、具体的構成は、この実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計の変更などがあっても発明に含まれる。
例えば、主凝縮器と調整用凝縮器は冷媒の循環方向に対して逆に配置してもよい。主蒸発器と調整用凝縮器も冷媒の循環方向に対して逆に配置してもよい。
また、二次冷媒の温度を直接監視する代わりに、冷媒状態の監視情報に基づいて推定してもよい。
また、本発明のヒートポンプユニットは、汎用型であることを最大の特徴としており、上記した冷温水の取出しだけでなく、乾燥装置や、農業ハウスの冷暖房や、水の蒸留や、工場における排熱のカスケード利用や、店舗のショーケースの適温保持等にも有用である。
また、熱交換器で熱交換する系外のものは空気に限定されず、地下水や河川水でもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の自律平衡型ヒートポンプユニットでは、ユニットだけの作動で加熱・冷却対象を所望の温度に加熱・冷却でき、ヒートポンプユニットを組み込んだシステムが全体として複雑化せずに済む。
【符号の説明】
【００３６】
１…自律平衡型ヒートポンプユニット（第１の実施の形態）
２…ユニットボックス          ３…冷媒循環経路
５…圧縮機                    ７…主凝縮器
９…調整用凝縮器              １０…凝縮ファン
１１…（電子）膨張弁          １３…調整用蒸発器
１４…蒸発ファン              １５…主蒸発器
１７…温水供給経路            １９…冷水供給経路
２１…制御手段
Ａ〜Ｄ…冷媒温度センサー
Ｅ、Ｆ…加熱・冷却対象物温度センサー
２３…自律平衡型ヒートポンプユニット（第２の実施の形態）
２５…四方弁                  ２７…放熱・吸熱兼用熱交換器
２９…自律平衡型ヒートポンプユニット（第３の実施の形態）
３１…第一膨張弁              ３３…第二膨張弁
３５…電磁弁                  ３７…バイパス経路
３９…自律平衡型ヒートポンプユニット（第４の実施の形態）
４１…第一主熱交換器（第４の実施の形態）
４３…第二主熱交換器（第４の実施の形態）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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