(57)【要約】【課題】  簡素な構成として低コストで小型化を図れるヒートポンプ装置を提供する。【解決手段】  本発明に係るヒートポンプ装置１は、機器１１と接続される流路４内を循環する熱交換媒体に対して気体を用いて熱交換する空冷式熱交換機５と、流路内を循環する熱交換媒体に対して冷却水を用いて熱交換する水冷式熱交換機２０とを有し、これら空冷式熱交換機５及び水冷式熱交換機２０とを四方弁２と電子膨張弁３との間の流路４Ａ，４Ｂにそれぞれ並列に配置し、各熱交換媒体への熱交換媒体の流量を、切換手段を用いずに変化するように構成した。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機器と接続される流路内を循環する熱交換媒体に対して気体を用いて熱交換する空冷式熱交換機と、前記流路内を循環する熱交換媒体に対して冷却水を用いて熱交換する水冷式熱交換機とを有し、
前記空冷式熱交換機及び前記水冷式熱交換機への熱交換媒体の流量を、切換手段を用いずに変化するように構成したことを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項２】
請求項１記載のヒートポンプ装置において、
前記空冷式熱交換機と前記水冷式熱交換機が、四方弁と電子膨張弁との間の流路に並列に配置されていることを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項３】
請求項２記載のヒートポンプ装置において、
前記空冷式熱交換機と前記電子膨張弁及び前記水冷式熱交換機と前記電子膨張弁の間に、毛細管部がそれぞれ設けられていることを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れかに記載のヒートポンプ装置と、
このヒートポンプ装置と接続する熱交換部を備えた空調機器と、
前記ヒートポンプ装置の水冷式熱交換機に対して熱源水を供給する搬送ユニットとを有することを特徴とする空調システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、熱交換媒体を空気で熱交換する空冷式熱交換機と水熱源で熱交換する水冷式熱交換機の双方を有する空水冷ハイブリッドタイプのヒートポンプ装置及び、このヒートポンプを備えた空調システムに関する。
【背景技術】
【０００２】  空冷式の熱交換機となるヒートポンプ装置は、一般に直接膨張方式（以下、直膨方式）を用いて冷却及び加熱を行っている。以下、冷却サイクルを用いて冷却システムについて説明すると、直膨方式は室内に設置された蒸発器に熱交換媒体を送り、コイルの中で膨張気化させてコイルを冷却し、通過する空気と熱交換をし、その空気より吸熱を行っている。このようなヒートポンプ装置は、室外に設置された凝縮器で空気と直接熱交換を行う構造であるため、構造が簡単である反面、放熱する空気温度（外気温度）によってその性能が大きく変化する特性となっている。
一方、空冷式に比べて熱交換率が良いことで、水冷式の熱交換機を備えたヒートポンプ装置が種々提案されている。ここで空冷式と水冷式のヒートポンプ装置の差を説明する。この水冷式のヒートポンプは、熱交換媒体の熱を熱源水となる地下水、クーリングタワー内の水等の冷却水あるいは地中内に対して吸熱／放熱するので、空冷式に比べて熱交換性能が安定する特性がある。しかしながら、冷却水への放熱方式を行おうとしても、この冷却水として水道水を利用するとコストが高く、地下水を利用すると、汲み上げ規制のある地域では十分に利用できるものとは限らない。また、冷却水として水または不凍液を循環させる流路を地中に埋設して熱交換させる場合、ヒートポンプの原理的な問題から冷却水の温度がある一定温度を越えると、冷却水と熱交換媒体との間での熱交換の効率が低減してしまう。【０００３】  ここで、冷却水を熱源とするヒートポンプの原理について説明する。ヒートポンプは、図７に示すように、エンタルピー（ｈ）と圧力（ｐ）に対して用いる熱交換媒体の飽和線上に変化を示した図で説明される。ヒートポンプは、暖房時と冷房時で室内機と室内機の凝縮器と蒸発器の機能が逆になるが、以下に示すように、暖房時及び冷房時においても、水冷式の方の熱交換効率が向上する。図７の左側の図を用いて暖房時サイクルを説明する。ヒートポンプにおいては、蒸発器（室外機）が熱源との熱交換機となり、ここが空冷式熱交換機と水冷式熱交換機で異なる部分となる。水の熱伝達率は、空気のそれと比べて数百倍と大変大きく、また、熱容量も大きくなることから、効率的に吸熱反応が行われ、ヒートポンプの動力費（電気消費量）が空気の場合と比べて小さく、効率が向上しており加熱能力がよくなる。図７の右側の図を用いて冷房時のサイクルを説明すると、室内機と室外機がそれぞれ蒸発器と凝縮器となり、凝縮器での放熱が冷却機の仕事となる。この効率も加熱時と同様に熱伝達率が、圧倒的に空気と比べて高いことから、水による放熱が少ない動力費で行われ、効率が向上して冷却能力もよくなる。このような特性を鑑み、空冷式と水冷式の熱交換機を備えたハイブリッドタイプのヒートポンプ装置が、本願出願人から特許文献１として出願されている。
この特許文献１に記載のヒートポンプ装置では、空冷式と水冷式の熱交換機を備え、これら熱交換機が設けられた流路に流路切換手段として電磁弁を配置し、電磁弁の開閉を制御手段で制御して、水冷式熱交換機と空冷式熱交換機への熱交換媒体の流路を切換えて各熱交換機を交互に使用して熱交換を行うように構成している。【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２１６５８３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  特許文献１においては、２つの異なる熱交換方式の熱交換機、すなわち、水冷式と空冷式の熱交換機を備え、これらへの流路を適宜電磁弁で切換えて何れか一方の熱交換機を用いて熱交換媒体との間で熱交換しているが、電磁弁などの切換手段が複数必要となるのでコストが高くなると共に、装置構成が煩雑となって大型化の要因となってしまう。また、水冷式の熱交換機により単独で熱交換が行われる期間が長くなると、熱源となる冷却水や地中に対して大きな負荷となり、冷却水や地中での熱交換効率が想定よりも早く低下してしまう要因になり兼ねない。【０００６】  本発明は、簡素な構成として低コストで小型化を図れるヒートポンプ装置を提供することを、その目的とする。
本発明は、水冷式熱交換機に供給される冷却水や、冷却水に対して給熱／放熱する地下に対する負荷を軽減して、熱交換効率の低下を抑制可能な空調システムを提供することを、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  上記目的を達成するため、本発明に係るヒートポンプ装置は、機器と接続される流路内を循環する熱交換媒体に対して気体を用いて熱交換する空冷式熱交換機と、流路内を循環する熱交換媒体に対して冷却水を用いて熱交換する水冷式熱交換機とを有し、空冷式熱交換機及び水冷式熱交換機への熱交換媒体の流量を、切換手段を用いずに変化するように構成したことを特徴としている。【０００８】  本発明にかかるヒートポンプ装置において、空冷式熱交換機と水冷式熱交換機は、四方弁と電子膨張弁との間の流路に並列に配置されていることを特徴としている。
本発明にかかるヒートポンプ装置において、空冷式熱交換機と電子膨張弁及び水冷式熱交換機と電子膨張弁の間には、毛細管部がそれぞれ設けられていることを特徴としている。【０００９】  本発明に係る空調システムは、上記の何れかのヒートポンプ装置と、ヒートポンプ装置と接続する熱交換部を備えた空調機器とを備えたことを特徴としている。本発明に係る空調システムは、ヒートポンプ装置の水冷式熱交換機に対して熱源水を供給する搬送ユニットを有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】  本発明によれば、空冷式熱交換機及び水冷式熱交換機への熱交換媒体の流量を、切換手段を用いずに変化するように構成したので、従来のような流路切換手段が不要となり、簡素な構成となって低コスト、かつ小型化を図ることができる。【００１１】  本発明によれば、空冷式熱交換機及び水冷式熱交換機を、四方弁と電子膨張弁との間の流路に並列に配置すると、空冷式熱交換機及び水冷式熱交換機に対する熱交換媒体の流量が各熱交換媒体の温度差や圧力差によって変化するので、電磁弁のような流路切換手段が不要となり、簡素な構成となって低コストで小型化を図ることができる。【００１２】  本発明によれば、空冷式熱交換機と電子膨張弁及び水冷式熱交換機と電子膨張弁の間に、毛細管部をそれぞれ設けたので、この毛細管部の径や長さを変更することで空冷式熱交換機や水冷式熱交換機への熱交換媒体の流入特性を変更でき、空冷式熱交換機と水冷式熱交換機の使用頻度を任意に調整して設定することができる。【００１３】  本発明によれば、上記ヒートポンプ装置と、このヒートポンプ装置と接続する熱交換部を備えた空調機器と、ヒートポンプ装置の水冷式熱交換機に対して熱源水を供給する搬送ユニットとを有するので、従来のように空冷式熱交換あるいは水冷式熱交換機の何れか一方のみを使用するハイブリッドタイプのヒートポンプ装置を使用する場合に比べ、水冷式熱交換機に供給される冷却水や冷却水に対して給熱／放熱する地下に対する負荷が軽減し、熱交換効率の低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】  以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図１は空調システムを示す概略図である。図１において、符号１は室内に装着される空調機器としてのファンコイルユニット１１に接続するヒートポンプ装置を示す。ファンコイルユニット１１内には、室内空気と熱交換する熱交換部１１０と、周知の送風ファン１１１が設けられている。ヒートポンプ装置１は、そのケーシング１００の内部に、電磁式の四方弁２、膨張弁３、四方弁２と膨張弁３とを結ぶ流路４上に配置された空冷式熱交換機５、四方弁２と圧縮機６とを結ぶ低圧の流路７上にアキュムレータ８と低圧開閉弁９、四方弁２と膨張弁３の流路４を閉鎖してヒートポンプ１とファンコイルユニット１１を切り離し可能とする停止弁１０Ａ，１０Ｂ、水冷式熱交換機２０、水冷式熱交換機２０に冷却水を循環させる冷却水流路３０がそれぞれ設けられている。空冷式熱交換機５と対向する部位には、駆動モータ１９によって回転駆動される冷却用のファン１８が設けられている。圧縮機６と四方弁２とを結ぶ高圧の流路１２には、周知の消音器１３と圧力開閉弁１４が設けられている。これら各構成により、ファンコイルユニット１１と流路４内を循環する熱交換媒体の熱交換を行い、冷却と加熱を行う冷凍サイクルが行なわれる。熱交換媒体は、最適な性能を得られる量が流路４内に充填されている。熱交換媒体としては、ＣＦＣ系のＲ−１２、ＨＣＦＣ系のＲ−２２，Ｒ−１２３、ＨＦＣ系のＲ−１３４ａ，Ｒ−４０７（ＨＦＣ−３２、１２５ｄ、１３４ａ混合），Ｒ４１０Ａ（ＨＦＣ−３２、１２５混合）等の科学冷媒が用いられている。【００１５】  水冷式熱交換機２０は、空冷式熱交換機５を迂回するように流路４に接続された流路４Ａに配設されている。流路４Ａは、流路４内を流れる熱交換媒体を水冷式熱交換機２０へ案内する第１の流路を構成する。水冷式熱交換機２０に対して迂回流路となる流路４Ｂには空冷式熱交換機５が配設されていて、第２の流路を構成している。流路４Ａと流路４Ｂは互いに並列に配置されている。すなわち、水冷式熱交換機２０と空冷式熱交換機５は、四方弁２と電子膨張弁３との間の流路４のうち流路４Ａと流路４Ｂに並列に配置されている。【００１６】  空冷式熱交換機５と電子膨張弁３及び水冷式熱交換機２０と電子膨張弁３の間の流路４Ｂと流路４Ａには、毛細管部を構成するキャピラリチューブ２３，２４がそれぞれ設けられている。キャピラリチューブ２３，２４は、流路４Ｂ及び流路４Ａの径よりも小径で螺旋状をなし、流路４Ｂ，４Ａ内を流れる熱交換媒体を減圧している。キャピラリチューブ２３，２４の長さや径をそれぞれ変更することで、空冷式熱交換機５や水冷式熱交換機２０に対する熱交換媒体の流入特性を調整している。本形態では、外気温と冷却水温度が同一温度となったときに、熱交換媒体が空冷式熱交換機５と水冷式熱交換機２０とに略均等に流れるように、各熱交換機の容量とキャピラリチューブ２３，２４の長さが予め調整されている。【００１７】  水冷式熱交換機２０は、冷却水をその内部に導入する流入口２０Ａと、内部の通過して熱交換された冷却水を排出する排出口２０Ｂとを備えている。流入口２０Ａには冷却水流路３０を構成する給水流���３４の一端３４Ａが接続され、排出口２０Ｂには冷却水流路３０を構成する排水流路３７の一端３７Ａがそれぞれ連結されている。給水流路３４の他端３４Ｂ側と排水流路３７の他端３７Ｂは、搬送ユニット３１に接続されている。搬送ユニット３１は、水冷式熱交換機２０に対して熱源水である冷却水を供給するものである。搬送ユニット３１は、冷却水搬送用のポンプ３２と、冷却水系の容積変動を吸収する膨張タンク３８が設けられている。給水流路３４の他端３４Ｂはポンプ３２の吐出側に連結され、排水流路３７の他端３７Ｂは膨張タンク３８の流入側にそれぞれ接続されている。【００１８】  ポンプ３２の流入側３２Ａと、クッションタンク３８の排出側３８Ａには、地下３３に設けた熱交換井３５に挿入された地中内熱交換機を構成するＵ字状の熱交換パイプ３６の両端３６Ａ、３６Ｂがそれぞれ連接されている。搬送ユニット３１は、ポンプ３２が駆動されることで冷却水を水冷式熱交換機２０と熱交換パイプ３６の間で循環するように機能する。本形態において、搬送ユニット３１はヒートポンプ装置１と別体の構成とし、熱交換パイプ３６やヒートポンプ装置１の位置関係に自由度を持たせて、給水流路３４、排水流路３７及び熱交換パイプ３６との連結工事の作業性を良くしているが、熱交換パイプ３６の長さやヒートポンプ装置１の設置位置が予め決定されていて変更が無いような場合には、搬送ユニット３１をヒートポンプ装置１と一体的な構成としても良い。【００１９】  四方弁２、圧縮機６、駆動モータ１９及びポンプ３２、及び空調システムの操作部５０は、図２に示すように、制御手段４０と電気的に接続されている。制御手段４０は、図示を省略したが、ＣＰＵ（中央処理装置）、Ｉ／Ｏ（入出力）ポート、ＲＯＭ（読み出し専用記憶装置）、ＲＡＭ（読み書き可能な記憶装置）およびタイマー等を備え、これらが信号バスによって接続された構成を有する周知のコンピュータで構成されている。操作部５０には、図３に示すように、冷却サイクルとなる冷房モードを選択する際に操作する冷房スイッチ５１、加熱サイクルとなる暖房モードを選択する際に操作する暖房スイッチ５２、除湿サイクルとしての除湿モードを選択する際に操作する除湿スイッチ５３、電源をオン／オフする電源スイッチ５４が設けられている。制御手段４０のＲＯＭには、四方弁２、駆動モータ１９、ポンプ３２をオン／オフするための運転モードが予め記憶設定されている。【００２０】  制御手段４０は、冷房スイッチ５１が操作されたときに始動する冷房運転処理ルーチンと、暖房スイッチ５２が操作されたときに始動する暖房運転処理ルーチンを備えている。本形態において、四方弁２は、通常オフとされていて、この状態の時には図１において実線で示す矢印方向に熱交換媒体を移動させるように流路４を連通し、オン状態となると図１において破線で示す矢印方向に熱交換媒体を移動させるように流路４を連通するように切り替わる。四方弁２は、冷却モード及び除湿モードの時にはオフ状態とされ、暖房モードの時にはオンされるように制御される。【００２１】  図４を用いて空調システムの基本動作について説明する。図４のステップＨ１で電源スイッチ５４が操作されて電源がオンとなる��、ステップＨ２おいて運転モードが判断される。本形態では、ステップＨ２において運転モードが冷房の場合にはステップＨ３に進んで冷房運転処理が行われ、ステップＨ２において運転モードが冷房でない場合にはステップＨ４に進む。ステップＨ４において運転モードが暖房の場合にはステップＨ５に進んで暖房運転処理が行われ、ステップＨ４において運転モードが冷房でない場合にはステップＨ６に進む。ステップＨ６において運転モードが除湿の場合にはステップＨ７に進んで除湿運転処理が行われる。そして、各運転処理が実行されていても、電源スイッチ５４が操作されて電源オフとなると装置を停止させる。除湿運転は、冷房の一形態となるので、除湿運転処理は冷房運転処理と同一な処理内とし、除湿時の処理動作の説明は省力するものとする。【００２２】（冷房運転処理）
図４のステップＨ２において冷房運転が選択されると、図５の冷房運転処理が開始される。この処理では、ステップＡ１において運転モードの変換がないかが判断される。ここでは、操作部５０で設定した冷房モードが他の運転モードに変更されたか否かが判断され、冷房モードの場合にはステップＡ２に進む。ステップＡ１において運転モードが冷房以外に変更されている場合には、この冷房運手処理を継続しないで、図４のステップＨ２にリターンして再度運転モードの確認が実行される。【００２３】  ステップＡ２では、ポンプ３２をオンして冷却水流路３０及び水冷式熱交換機２０内に対して冷却水を流通させてステップＡ３に進む。ステップＡ３では圧縮機６を駆動し、ステップＡ４で駆動モータ１９を駆動してファン１８を回転する。【００２４】  このように冷房運転に必要な駆動源が駆動されると、熱交換媒体は、ファンコイルユニット１１から四方弁２を介して図１において実線示す矢印方向に移動し、流路４から流路４Ａ、４Ｂへと流れ込む。そして、空冷式熱交換機５と水冷式熱交換機２０の圧力や温度状態に応じて、熱交換媒体の各熱交換機への流量が自動的に分かれて各熱交換機内に導入される。【００２５】  水冷式熱交換機に導入された熱交換媒体は、冷却水と間で熱交換されて冷却され、空冷式熱交換機５に導入された熱交換媒体は、ファン１８の回転によって発生する空気と間で熱交換される。熱交換された熱交換媒体はそれぞれキャピラリチューブ２３，２４を解して再び流路４で合流する。合流した熱交換媒体は、膨張弁３を介してファンコイルユニット１１へと戻され、そこで熱交換されて四方弁２を介してアキュムレータ８から圧縮機６へと戻される。【００２６】（暖房運転処理）
図４のステップＨ４において、暖房運転が選択されると、図６に示す暖房運転処理が開始される。この処理では、ステップＡ１１において運転モードの変換がないかが判断される。ここでは、操作部５０のスイッチが操作されて他の運転モードに変更されたか否かが判断され、暖房モードの場合にはステップＡ１２に進む。ステップＡ１において運転モードが暖房以外に変更されている場合には、この暖房運手処理を継続しないで、図４のステップＨ２にリターンして再度運転モードの確認が実行される。【００２７】  ステップＡ１２では、四方弁２をオンして流路４を冷房用流路から暖房用流路へと切換えステップＡ１３に進む。ステップＡ１３では、ポンプ３２をオンして冷却水流路３０及び水冷式熱交換機２０内に対して冷却水を流通させてステップＡ１４に進む。ステップＡ１４では圧縮機６を駆動し、ステップＡ１５で駆動モータ１９を駆動してファン１８を回転する。【００２８】  このように冷房運転に必要な駆動源が駆動されると、四方弁２が駆動されているので、熱交換媒体はファンコイルユニット１１から停止弁１０Ｂを介して流路４に流入し、図１において破線示す矢印方向に移動する。そして、流路４Ａ，４Ｂ、キャピラリチューブ２４，２３を介して水冷式熱交換機２０と空冷式熱交換機５の圧力や温度状態に応じて、熱交換媒体の各熱交換機への流量が自動的に分かれて各熱交換機内に導入される。【００２９】  水冷式熱交換機に導入された熱交換媒体は、冷却水と間で熱交換されて冷却され、空冷式熱交換機５に導入された熱交換媒体は、ファン１８の回転によって発生する空気と間で熱交換される。熱交換された熱交換媒体は再び流路４で合流し、四方弁２を介してファンコイルユニット１１へと戻され、そこで熱交換されて四方弁２を介してアキュムレータ８から圧縮機６へと戻される。【００３０】  このように本形態の構成によると、空冷式熱交換機５及び水冷式熱交換機２０への熱交換媒体の流量を、切換手段を用いずに変化するように構成したので、従来のような流路切換手段が不要となり、簡素な構成となって低コスト、かつ小型化を図ることができる。つまり、空冷式熱交換機５及び水冷式熱交換機２０が、四方弁２と電子膨張弁３との間の流路４Ｂ，４Ａに並列に配置したので、空冷式熱交換機５及び水冷式熱交換機２０に対する熱交換媒体の流量が各熱交換媒体の温度差や圧力差によって変化する。このため、流路切換手段が不要となり、簡素な構成となって低コストで小型化を図ることができる。【００３１】  本形態によると、空冷式熱交換機５と電子膨張弁３及び水冷式熱交換機２０と電子膨張弁３の間の流路４Ｂ、４Ａに、キャピラリチューブ２３，２４を配置したので、キャピラリチューブ２３，２４の径や長さを変更することで空冷式熱交換機５や水冷式熱交換機２０への熱交換媒体の流入特性を変更することができる。このため、空冷式熱交換機５と水冷式熱交換機２０の使用頻度を任意に調整して設定することができる。【００３２】  本形態に掛かる空調システムによると、ヒートポンプ装置１と、このヒートポンプ装置１と接続する熱交換部１１１を備えた空調機器１１と、ヒートポンプ装置１の水冷式熱交換機２０に対して熱源水を供給する搬送ユニット３１とを有するので、従来のように空冷式熱交換５あるいは水冷式熱交換機２０の何れか一方のみを使用するハイブリッドタイプのヒートポンプ装置を使用する場合に比べ、水冷式熱交換機２０に供給される冷却水や冷却水に対して給熱／放熱する地下３３に対する負荷が軽減され、熱交換効率の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】  本発明の一形態であるヒートポンプ装置を備えた空調システムの概略構成図である。
【図２】  ヒートポンプ装置及び空調システムの制御手段とこれにつながる構成要素を示すブロック図である。
【図３】  操作部の一形態を示す構成図である。
【図４】  制御手段による基本動作処理の一形態を示すフローチャートである。
【図５】  冷房運転処理の一形態を示すフローチャートである。
【図６】  暖房運転処理の一形態を示すフローチャートである。
【図７】  モリエ線図による空冷と水冷の性能比較概念図である。
【符号の説明】
【００３４】  １    ヒートポンプ装置
２    四方弁
３    電子膨張弁
４    流路
４Ａ，４Ｂ    流路
５    空冷式熱交換機
１１    空調機器
２０    水冷式熱交換機
２３，２４    毛細管部
３１    搬送ユニット
【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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