JPH08303893A - ヒートポンプ式冷暖房装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷暖房と給湯とを同時又は個別に制御するこ
とができるヒートポンプ式冷暖房装置を提供する。 【構成】 熱ガス機関１の低温熱交換器１３と、熱ガス
機関１の中温熱交換器１１と、室外機３００に設けた室
外熱交換器３０１と、室内機２００に設けた室内熱交換
器２０１と、これらを接続する管路４０〜４７と、外部
給水管７０と、外部供給水の加熱を行う給湯用熱交換器
６０と、給湯用熱交換器６０により加熱された温水を供
給する給湯管５０とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、外部からの熱又は動力
により作動する熱ガス機関を利用して冷暖房と給湯を行
う装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、スターリングサイクル機関や吸収
式冷凍機関など燃焼等による高温熱源や電動機などの動
力を駆動源として冷暖房等を行う熱ガス機関は知られて
いる。この種の熱ガス機関の特徴は、冷媒としてフロン
を使用せず、ヘリウム、窒素、アンモニア等の気体を使
用して、ヒートポンプ仕事を行うことである。この種の
熱ガス機関では、フロンを使用する逆ランキン式冷暖房
機のように冷媒を用いて室内機に冷温熱を搬送すること
ができないという欠点がある。

【０００３】そこで、従来は、熱ガス機関の吸熱用熱源
と、熱ガス機関の放熱用熱源と、室内熱交換器と、室外
熱交換器とを管路でつなぎ、冷温水により熱搬送を行う
空気調和装置が提案されている（例えば、特許第１８５
７５８１号）。

【０００４】この空気調和装置においては、室内機や室
外機等の端末機器が冷房と暖房に兼用されるので、四方
弁を用いて冷水回路と温水回路を切り換えている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の構成では、冷房時に室内機により室内から汲み上げ
た熱と熱サイクルを駆動するために投入した熱とを、室
外機により外気に放出するため、エネルギの有効利用が
図れないという問題がある。また、上記した熱を有効利
用しようとしても、上記従来例では熱搬送媒体として水
を用いており、かつその水を冷房と暖房とで共用するた
めに、不凍液が必要となり、そのままでは給湯水として
利用することができないという問題がある。また、ヒー
トポンプの稼働率を考えると、熱ガス機関で熱が発生す
る時点と給湯要求時点とが一致しないと、熱の有効利用
が図れないという問題もある。

【０００６】そこで、本発明の目的は、上記従来例の課
題を解消し、冷暖房と同時又は個別に給湯できるヒート
ポンプ式冷暖房装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、外部からの熱又は動力により作動する熱ガス機関を
有し、この熱ガス機関の吸熱用熱源と、前記熱ガス機関
の放熱用熱源と、室外機に設けた室外熱交換器と、室内
機に設けた室内熱交換器とを熱搬送回路でつないだヒー
トポンプ式冷暖房装置において、前記放熱用熱源につな
がる前記熱搬送回路に給湯用熱交換器をつなぎ、この給
湯用熱交換器に外部供給水或いは循環水を通して加熱・
給湯することを特徴とするものである。

【０００８】請求項２に記載の発明は、外部からの熱又
は動力により作動する熱ガス機関を有し、この熱ガス機
関の吸熱用熱源と、前記熱ガス機関の放熱用熱源と、室
外機に設けた室外熱交換器と、室内機に設けた室内熱交
換器とを熱搬送回路でつないだヒートポンプ式冷暖房装
置において、前記放熱用熱源につながる前記熱搬送回路
に給湯用熱交換器をつなぎ、この給湯用熱交換器に外部
供給水或いは循環水を通して加熱・給湯するとともに、
冷房と暖房と給湯とを同時又は個別に制御する制御手段
を設けたことを特徴とするものである。

【０００９】請求項３に記載の発明は、請求項１又は２
に記載のものにおいて、外部供給水或いは循環水を導く
ための外部給水管を有し、この外部給水管には貯湯槽を
設けたことを特徴とするものである。

【００１０】

【作用】請求項１に記載の発明では、熱ガス機関の放熱
用熱源で暖められた温水が熱搬送回路を通じて室内機の
室内熱交換器に入ると、室内は暖房されて、そのときに
は、吸熱用熱源で冷やされた冷水が室外機の室外熱交換
器に入り、そこでは室外から吸熱する。一方、熱ガス機
関の吸熱用熱源で冷やされた冷水が熱搬送回路を通じて
室内機の室内熱交換器に入ると、室内は冷房されて、そ
のときには、放熱用熱源で暖められた温水が室外機の室
外熱交換器に入り、そこでは室外に放熱する。特に冷房
時には、放熱用熱源で暖められた温水を通じて放熱する
ので、そこに給湯用熱交換器を設けておけば、その温水
を利用して、外部供給水或いは循環水を加熱して給湯す
ることができる。この際、放熱する熱源を利用して加熱
・給湯するので、エネルギの有効利用が図れる。尚、本
発明によれば、冷房時に限らず、暖房時にも給湯は可能
である。

【００１１】請求項２に記載の発明では、冷房と給湯、
暖房と給湯のほかに、給湯だけを個別に制御することが
できる。

【００１２】請求項３に記載の発明では、請求項１又は
２に記載の発明において、外部供給水或いは循環水を導
くための外部給水管を有し、この外部給水管には貯湯槽
を設けているので、ヒートポンプが稼働しているときの
熱を温水として有効に蓄熱し、温水に蓄熱した熱を必要
な時点で給湯して利用できるため、給湯負荷に見合った
有効な冷暖房運転が可能となる。

【００１３】

【実施例】以下に本発明の一実施例を添付図面に従って
説明する。

【００１４】図１は本発明に係るヒートポンプ式冷暖房
装置の一実施例の構成を示したもので、この回路には熱
源としてスターリングサイクル機関のヒートポンプを利
用した熱ガス機関１が使用されている。なお、このスタ
ーリングサイクル熱ガス機関１自体は公知であり、詳細
な説明は省略するが、高温側ピストン３と低温側ピスト
ン５とを備えている。両ピストン３，５は、例えば高温
側ピストン３が下死点へ向かう中間の位置へ到達すると
きには、低温側ピストン５は上死点に達する等のよう
に、互いに９０°位相をずらして動作可能に、モータ６
で駆動されるクランク７を介してつながれている。

【００１５】高温側ピストン３と低温側ピストン５とが
動作すると、封入されたヘリウムが、再生器９を通って
移動し、この再生器９を通過する際に、加熱されたり冷
却され、かつ各ピストンの動作による容積変化により、
ヘリウムが昇圧されたり減圧されたりする。ヘリウムの
昇圧時には温度が上がり中温熱交換器１１に放熱し、減
圧時には温度が下がり低温熱交換器１３から吸熱する。

【００１６】つまり低温熱交換器１３は本熱ガス機関１
の吸熱用熱源を構成し、中温熱交換器１１は本熱ガス機
関１の放熱用熱源を構成する。

【００１７】しかして、この実施例によれば、熱ガス機
関１の低温熱交換器（吸熱用熱源）１３、および中温熱
交換器（放熱用熱源）１１を利用してなる空気調和機１
０１が提供される。この空気調和機１０１は、室内機２
００と、熱ガス機関１を含む室外機３００によって構成
される。

【００１８】室内機２００は、室内熱交換器２０１と室
内ファン２０３とを備えている。また、室外機３００
は、熱ガス機関１と室外熱交換器３０１と室外ファン３
０３とを備え、さらに、温水用ポンプ２０と、冷水用ポ
ンプ２１と、四方弁３０，３１と、給湯用熱交換器６０
と、この給湯用熱交換器６０に外部供給水を導くための
外部給水管７０とを備えている。

【００１９】そして、この実施例によれば、給湯用熱交
換器６０には給湯管５０がつながれ、この給湯管５０に
は開閉弁５１が設けられ、この開閉弁５１を開くと、外
部給水管７０を通じて供給される外部供給水が、給湯用
熱交換器６０に導かれ、そこで加熱された後、給湯管５
０を通じて給湯される。

【００２０】図１は冷房運転時を示すが、この冷房運転
時における冷水、温水の流れを基準として、図１の熱搬
送回路４０〜４７を説明する。

【００２１】冷房運転時には、四方弁３０，３１は図１
において実線で示すように切り替えられる。この場合、
低温熱交換器（吸熱用熱源）１３で吸熱された冷水は、
管路４０を通って四方弁３０に至り、管路４１を通じて
室内熱交換器２０１に流れ、そこで熱交換を行い、室内
ファン２０３を回転させることにより室内に冷風を送り
出した（冷房）後、管路４２、四方弁３１、冷水用ポン
プ２１、管路４３を通じて低温熱交換器（吸熱用熱源）
１３に戻る。

【００２２】このとき、中温熱交換器（放熱用熱源）１
１で放熱された温水は、管路４４、温水用ポンプ２０、
四方弁３０、更には管路４５を通じて室外熱交換器３０
１に流れ、そこで室外ファン３０３を回転させることに
より熱交換を行った後、管路４６、四方弁３１、給湯用
熱交換器６０、管路４７を通じて中温熱交換器（放熱用
熱源）１１に戻る。このように冷温水の循環により、給
湯用熱交換器６０と室外熱交換器３０１、あるいはどち
らか一方の熱交換器６０，３０１を通じて熱サイクルに
よる廃熱が放熱され、室内熱交換器２０１を通じて室内
空気から熱が吸熱されて、冷房が行われる。

【００２３】特に、この冷房運転時には、室外熱交換器
３０１だけで放熱するよりも、給湯用熱交換器６０でも
放熱する方が、冷房効率が向上するし、しかも給湯用熱
交換器６０で放熱すればするほど、給湯量が増えるの
で、エネルギを有効利用して一石二鳥の効果を奏するも
のである。これは、室外ファン３０３の回転数を制御す
ることにより容易に達成され、ファンを停止した時が最
大給湯能力となる。

【００２４】次に、暖房運転時には、四方弁３０，３１
は図１において点線で示すように切り替えられる。この
場合、中温熱交換器（放熱用熱源）１１で放熱された温
水は、管路４４、温水用ポンプ２０、四方弁３０、管路
４１を通じて室内熱交換器２０１に流れ、そこで室内フ
ァン２０３を回転させることにより熱交換を行い、室内
に温風を送り出した（暖房）後、管路４２、四方弁３
１、給湯用熱交換器６０、管路４７を通じて中温熱交換
器（放熱用熱源）１１に戻る。

【００２５】このとき、低温熱交換器（吸熱用熱源）１
３で吸熱された冷水は、管路４０、四方弁３０、管路４
５を通じて室外熱交換器３０１に流れ、そこで室外ファ
ン３０３を回転させることにより熱交換を行った後、管
路４６、四方弁３１、冷水用ポンプ２１、管路４３を通
じて低温熱交換器（吸熱用熱源）１３に戻る。このよう
に冷温水の循環により、室外熱交換器３０１を通じて外
気から熱が吸収され、給湯用熱交換器６０と室内熱交換
器２０１、あるいはどちらか一方の熱交換器６０，２０
１を通じて熱サイクルによる廃熱が放熱され、暖房又は
給湯、あるいは暖房と給湯の同時運転が行われる。

【００２６】この実施例によれば、給湯時には、外部給
水管７０を通じて、外部水が給湯用熱交換器６０に供給
され、ここを通る温水によって加熱され、給湯管５０及
び開閉弁５１を経て給湯に利用される。なお、暖房時に
は、室内機２００における放熱も加わるため、給湯に利
用できる温水の温度は低下するので、給湯時には、室内
機２００の能力を制限するか（暖房温度に制限を設ける
か）あるいは室内機の暖房運転を停止することが望まし
い。

【００２７】図２は、本発明の別の実施例を示してい
る。ほとんどの構成は、図１のものと同じであるので、
図１と同一構成を有するものについては同一符号を付し
て説明を省略する。図２の実施例の冷暖房装置１０２が
図１の実施例の装置１０１と異なる点は、給湯用熱交換
器６０の取付位置を、中温熱交換器（放熱用熱源）１１
からの復路４７側ではなく往路４４側にした点にある。
このように構成しても、図１に示す実施例１０１と同様
に冷房、暖房の個別運転を行うことができるほか、給湯
も行うことができる。しかし、図２に示す実施例の冷暖
房装置１０２の場合には、暖房運転と給湯運転の併用は
困難であり、給湯時には暖房運転を停止することが望ま
しい。

【００２８】図３は、本発明のさらに別の実施例を示し
ている。ほとんどの構成は、図１のものと同じであるの
で、図１と同一構成を有するものについては同一符号を
付して説明を省略する。

【００２９】図３の実施例の冷暖房装置１０３が図１の
実施例の装置１０１と異なる点は、外部給水管７０と給
湯管５０との間に貯湯槽８１が設けられ、この貯湯槽８
１と外部給水管７０とは、循環用ポンプ８３と管路８６
と切換弁８４とでつながれ、貯湯槽８１と給湯管５０と
は、管路８７と二方弁８５とでつながれ、いわゆる循環
回路が並設された点にある。

【００３０】このように構成すると、外部給水管７０を
通じて外部供給された水は、給湯用熱交換器６０に導か
れ、温水によって加熱された後、二方弁８５が開かれて
いると、管路８７を通じて貯湯槽８１に蓄えられる。必
要に応じて、切換弁８４と二方弁８５を操作し、循環用
ポンプ８３を用いて給湯用熱交換器６０と貯湯槽８１と
の間で湯を循環させれば、開閉弁５１から給湯される湯
の温度を高めることができる。したがって、この実施例
によれば、暖房又は給湯運転のみならず、給湯負荷に見
合った有効な冷暖房運転が可能となる。

【００３１】上記の各実施例の場合の省エネルギ効果
は、例えば熱ガス機関１を駆動するために投入した熱
（仕事）を１とし、冷房時の成績係数（ＣＯＰ）を０．
７とすると、給湯に利用できる熱は１．７となる。した
がって、冷房の場合と給湯の場合を加えると、利用でき
る熱は２．４となり、冷房のみを行う場合に比べて非常
に有効な熱利用が図れる。熱駆動ヒートポンプの場合の
燃焼器の効率０．８を考慮しても、有効に利用できる熱
は２．２という値になり、この場合でも非常に省エネル
ギ性に富んでいる。

【００３２】また、上記各実施例により給湯を行うと付
加的な効果として熱ガス機関１の効率改善を行うことも
できる。

【００３３】すなわち、ヒートポンプは熱を汲み上げる
熱源の温度（Ｔc ）に対する熱を放出する熱源の温度
（Ｔm ）の温度比（Ｔm ／Ｔc ）を小さくした方が効率
を高めることができるが、上記各実施例の場合には、熱
を放出する熱源である温水の温度が水で冷やされる（例
えば、冷房時の水道水の標準温度は約２７℃）ため、空
気熱源（例えば、冷房時の空気の標準温度は約３５℃）
に比べて低くなり、熱ガス機関１の効率を改善すること
ができる。

【００３４】上記の各実施例における各ポンプや各四方
弁は、それぞれ弁等を操作するアクチュエータ（図示せ
ず）を装備しており、この装置１０１〜１０３内には、
これらのアクチュエータを各運転モードに応じて上記の
ように制御するマイクロコンピュータ等の制御装置（図
示せず）が搭載される。

【００３５】したがって、温水用ポンプ２０と、冷水用
ポンプ２１と、循環用ポンプ８３と、管路４０〜４７
と、給湯管５０と、図示しない制御装置及びアクチュエ
ータと、四方弁３０及び３１と、開閉弁５１と、切換弁
８４と、二方弁８５と、貯湯槽８１とは制御手段を構成
する。

【００３６】以上、本発明の実施例に基づいて本発明を
説明したが、本発明は、上記各実施例に限定されるもの
でないことは明らかである。

【００３７】例えば、上記の実施例では、熱ガス機関１
としてスターリングサイクルヒートポンプを利用したも
のを示したが、熱ガス機関１としては、温水を生成しう
る放熱熱源と冷水を生成しうる吸熱熱源を有するもので
あれば如何なるものであってもよく、例えば、吸収式ヒ
ートポンプ等を用いてもよい。また、上記の実施例で
は、冷水や温水の経路を制御するために四方弁や開閉弁
を用いているが、開閉弁や三方弁の組み合わせによって
実現することもできる。

【００３８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１に記載の発明によれば、放熱用熱源につながる熱搬送
回路に給湯用熱交換器をつなぎ、この給湯用熱交換器に
外部供給水或いは循環水を通して加熱・給湯するので、
特に冷房時に外気に放出していた熱を給湯用に活用し有
効利用することができる。

【００３９】請求項２に記載の発明によれば、冷房、暖
房と給湯とを同時又は個別に制御でき、活用範囲が広が
る等の効果が得られる。

【００４０】請求項３に記載の発明では、請求項１又は
２に記載の発明において、外部供給水或いは循環水を導
くための外部給水管を有し、この外部給水管には貯湯槽
を設けたので、ヒートポンプが稼働しているときの熱を
温水として有効に蓄熱し、温水に蓄熱した熱を必要な時
点で給湯して利用できるため、給湯負荷に見合った有効
な冷房、暖房運転を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のヒートポンプ式冷暖房装置の一実施例
を示す回路図である。

【図２】本発明のヒートポンプ式冷暖房装置の別の実施
例を示す回路図である。

【図３】本発明のヒートポンプ式冷暖房装置の更に別の
実施例を示す回路図である。

【符号の説明】

１ 熱ガス機関９ 再生器 １１ 中温熱交換器（放熱用熱源） １３ 低温熱交換器（吸熱用熱源） ２０ 温水用ポンプ ２１ 冷水用ポンプ ３０，３１ 四方弁 ４０〜４７ 管路 ５０ 給湯管 ５１ 開閉弁 ６０ 給湯用熱交換器 ７０ 外部給水管 ８１ 貯湯槽 ８３ 循環ポンプ ８４ 切換弁 ８５ 二方弁 ８６ 管路 １０１〜１０３ 冷暖房装置 ２００ 室内機 ２０１ 室内熱交換器 ２０３ 室内ファン ３００ 室外機 ３０１ 室外熱交換器 ３０３ 室外ファン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外部からの熱又は動力により作動する熱
   ガス機関を有し、この熱ガス機関の吸熱用熱源と、前記
   熱ガス機関の放熱用熱源と、室外機に設けた室外熱交換
   器と、室内機に設けた室内熱交換器とを熱搬送回路でつ
   ないだヒートポンプ式冷暖房装置において、 前記放熱用熱源につながる前記熱搬送回路に給湯用熱交
   換器をつなぎ、この給湯用熱交換器に外部供給水或いは
   循環水を通して加熱・給湯することを特徴とするヒート
   ポンプ式冷暖房装置。
2. 【請求項２】 外部からの熱又は動力により作動する熱
   ガス機関を有し、この熱ガス機関の吸熱用熱源と、前記
   熱ガス機関の放熱用熱源と、室外機に設けた室外熱交換
   器と、室内機に設けた室内熱交換器とを熱搬送回路でつ
   ないだヒートポンプ式冷暖房装置において、 前記放熱用熱源につながる前記熱搬送回路に給湯用熱交
   換器をつなぎ、この給湯用熱交換器に外部供給水或いは
   循環水を通して加熱・給湯するとともに、冷房と暖房と
   給湯とを同時又は個別に制御する制御手段を設けたこと
   を特徴とするヒートポンプ式冷暖房装置。
3. 【請求項３】 外部供給水或いは循環水を導くための外
   部給水管を有し、この外部給水管には貯湯槽を設けたこ
   とを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプ式
   冷暖房装置。