(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-10-02
(45)【発行日】2023-10-11
(54)【発明の名称】ヒートポンプ装置
(51)【国際特許分類】
F25B 39/00 20060101AFI20231003BHJP
F25B 30/06 20060101ALI20231003BHJP
F25B 13/00 20060101ALI20231003BHJP
F25B 1/00 20060101ALI20231003BHJP
F28F 19/04 20060101ALI20231003BHJP
F28F 13/12 20060101ALI20231003BHJP
【FI】
F25B39/00 G
F25B30/06 T
F25B13/00 R
F25B1/00 381H
F25B1/00 361D
F25B1/00 371Z
F28F19/04 Z
F28F13/12 D
(21)【出願番号】P 2018183856
(22)【出願日】2018-09-28
【審査請求日】2021-09-08
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)平成26年度国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「再生可能エネルギー熱利用技術開発/地中熱利用トータルシステムの高効率化技術開発及び規格化/地中熱・流水熱利用型クローズドシステムの技術開発に係る委託研究」、産業技術力強化法第19条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】501203344
【氏名又は名称】国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構
(73)【特許権者】
【識別番号】505292111
【氏名又は名称】ジオシステム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100083404
【氏名又は名称】大原 拓也
(72)【発明者】
【氏名】石井 雅久
(72)【発明者】
【氏名】奥島 里美
(72)【発明者】
【氏名】森山 英樹
(72)【発明者】
【氏名】土屋 遼太
(72)【発明者】
【氏名】高杉 真司
【審査官】森山 拓哉
(56)【参考文献】
【文献】特開2016-133232(JP,A)
【文献】特開2008-164237(JP,A)
【文献】国際公開第2013/172166(WO,A1)
【文献】国際公開第2014/054310(WO,A1)
【文献】特開2013-024457(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F25B 39/00
F25B 30/06
F25B 13/00
F25B 1/00
F28F 19/04
F28F 13/12
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
冷媒を圧縮する圧縮機、四方弁、室外熱交換器、膨張弁
、室内熱交換器
およびアキュムレータを冷媒配管を介して接続してなる冷凍サイクルを含み、上記四方弁の切り替えにより、冷房運転時には上記室外熱交換器が凝縮器、上記室内熱交換器が蒸発器として作用し、暖房運転時には上記室内熱交換器が凝縮器、上記室外熱交換器が蒸発器として作用するヒートポンプ装置において、
上記室内熱交換器が農業等の栽培ハウス内に配置されるとともに、河川水、工業用水の排水、農業用水の中から選択される水が溜められるオープンループ方式の貯水槽を有し、上記室外熱交換器が上記貯水槽内の水中に浸漬され、上記水と上記冷媒との間で熱交換が行われるオープンループ方式でかつ直接膨張方式の水-冷媒熱交換器であ
り、
冷房運転時には、上記四方弁の切り替えにより、上記圧縮機にて生成された高温高圧のガス冷媒が上記室外熱交換器に送られ、上記室外熱交換器で上記貯水槽内の水と熱交換して凝縮され、上記膨張弁にて所定に減圧されたのち、上記室内熱交換器で上記栽培ハウス内の空気と熱交換して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって上記四方弁を経由して上記アキュムレータに至り、再度上記圧縮機に吸入され、
暖房運転時には、上記四方弁の切り替えにより、上記圧縮機にて生成された高温高圧のガス冷媒が上記室内熱交換器に送られ、上記室内熱交換器で上記栽培ハウス内の空気と熱交換して凝縮され、上記膨張弁を経て上記室外熱交換器で上記貯水槽内の水と熱交換して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって上記四方弁を経由して上記アキュムレータに至り、再度上記圧縮機に吸入されることを特徴とするヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、地下水等の水を採熱・放熱の熱源とするヒートポンプ装置に関し、さらに詳しく言えば、冷媒を水と直接的に熱交換を行わせるオープンループ方式でかつ直接膨張方式のヒートポンプ装置に関するものである。
【0002】
近年、節電やCO2排出削減、ヒートアイランド対策等の観点から地中熱の利用が注目されている。地中熱とは、地表からおおよそ地下200mの深さまでの地中に存在している熱のことを言い、このうち深さ10m以深の地中温度は季節に関わらずほぼ安定していて、夏場は外気温よりも冷たく、冬場は外気温よりも暖かい性質を持っている。
【0003】
地中熱を利用する方法の一つとして、直接膨張式と呼ばれる地中熱ヒートポンプシステムがある。直接膨張式地中熱ヒートポンプシステムとは、現在一般に市場に供給されている空気熱源のエアコン(空気調和機)の室外熱交換器の冷媒管(通常は銅管)を地中熱交換器として例えば住宅用鋼管杭内に挿入し、冷媒(例えば、代替フロン冷媒)と地中熱とを直接的に熱交換するヒートポンプシステムである(例えば、非特許文献1参照)。
【0004】
この直接膨張式地中熱ヒートポンプシステムによれば、間接式で必要とされている水-冷媒熱交換器や循環ポンプが不要となり、熱交換ロスが少なくなり、また、循環ポンプ等の補機の動力が不要となることから、システム全体としての消費エネルギーが少なくて済む、という利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】依田修ら共著:「F131 住宅用鋼管杭を用いた地中熱ヒートポンプの実施例」2017年度日本冷凍空調学会年次大会講演論文集(2017.9.26-29,東京)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、これまでの直接膨張式地中熱ヒートポンプシステムの多くは、地中に掘削した熱交換井内に地中熱交換器を挿入したクローズドループ方式を採用している。クローズドループ方式では、地中に熱交換井(代用として住宅用鋼管杭等)を掘削する必要があるため、まず設置コストがかかるという問題がある。
【0007】
また、地中熱(深さ10m以深の地中温度)は、季節に関わらずほぼ安定しているものの地層内での熱移動が遅いため、特に急激な放熱・採熱時に熱交換井周囲が熱的に飽和状態になり易く熱交換が促進されない、という問題もある。
【0008】
したがって、本発明の課題は、クローズドループ方式よりも低コストでありながら熱交換効率もよい、オープンループ方式でかつ直接膨張方式のヒートポンプ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するため、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機、四方弁、室外熱交換器、膨張弁、室内熱交換器およびアキュムレータを冷媒配管を介して接続してなる冷凍サイクルを含み、上記四方弁の切り替えにより、冷房運転時には上記室外熱交換器が凝縮器、上記室内熱交換器が蒸発器として作用し、暖房運転時には上記室内熱交換器が凝縮器、上記室外熱交換器が蒸発器として作用するヒートポンプ装置において、
上記室内熱交換器が農業等の栽培ハウス内に配置されるとともに、河川水、工業用水の排水、農業用水の中から選択される水が溜められるオープンループ方式の貯水槽を有し、上記室外熱交換器が上記貯水槽内の水中に浸漬され、上記水と上記冷媒との間で熱交換が行われるオープンループ方式でかつ直接膨張方式の水-冷媒熱交換器であり、
冷房運転時には、上記四方弁の切り替えにより、上記圧縮機にて生成された高温高圧のガス冷媒が上記室外熱交換器に送られ、上記室外熱交換器で上記貯水槽内の水と熱交換して凝縮され、上記膨張弁にて所定に減圧されたのち、上記室内熱交換器で上記栽培ハウス内の空気と熱交換して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって上記四方弁を経由して上記アキュムレータに至り、再度上記圧縮機に吸入され、
暖房運転時には、上記四方弁の切り替えにより、上記圧縮機にて生成された高温高圧のガス冷媒が上記室内熱交換器に送られ、上記室内熱交換器で上記栽培ハウス内の空気と熱交換して凝縮され、上記膨張弁を経て上記室外熱交換器で上記貯水槽内の水と熱交換して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって上記四方弁を経由して上記アキュムレータに至り、再度上記圧縮機に吸入されることを特徴としている。
【0010】
本発明において、上記貯水槽内での水の流方向と上記水-冷媒熱交換器の冷媒の流方向とが逆方向の対向流であることが好ましい。
【0011】
また、上記貯水槽内には上記水-冷媒熱交換器の下側から空気を噴出する空気供給パイプが設けられることが好ましい。
【0012】
また、上記圧縮機は、好ましくはインバータ制御による可変速型の圧縮機であり、上記貯水槽内での上記水-冷媒熱交換器の熱交換量に応じて回転数が制御されるとよい。
【0013】
さらには、上記水-冷媒熱交換器の冷媒管は、耐腐食性の塗料が塗布されるか、もしくは耐腐食性の樹脂で被覆されることが好ましい。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、室外熱交換器(水-冷媒熱交換器)を貯水槽内に浸漬するオープンループ方式であるため、構築コストがクローズドループ方式よりも低コストであり、また、貯水槽内を流水とすることにより、熱交換効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【
図1】本発明によるヒートポンプ装置の一実施形態を示す模式図。
【
図2】上記実施形態において、貯水槽と室外熱交換器を示す模式図。
【
図3】対向流方式とした水-冷媒熱交換器を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【0016】
次に、
図1ないし
図3を参照して、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【0017】
図1に示すように、この実施形態に係るヒートポンプ装置1は、熱源側の室外機10と利用側の室内機20とを備えている。この実施形態において、室内機20は、農業等の栽培ハウス内に設置されることを想定しているが、通常の住居家屋やビルもしくは産業用として工場施設等に設置されてもよい。
【0018】
室外機10は、基本的な構成として、冷媒を圧縮する圧縮機110、四方弁120、室外熱交換器130、膨張弁140およびアキュムレータ150とを備えている。冷媒には例えばR410A,R32やR452BなどHFO混合冷媒などが用いられてよい。
【0019】
室内機20には、基本的な構成として、室内熱交換器210と室内送風機211とが設けられている。なお、床暖房等を行う場合には、室内熱交換器210は図示しない温水タンク内に入れられる。室外機10と室内機20は、液側配管2とガス側配管3を介して接続される。
【0020】
本発明において、室外熱交換器130は、オープンループ方式の水-冷媒直接膨張式の熱交換器であり、
図2に示すように、貯水槽160内に浸漬される。
【0021】
この実施形態において、貯水槽160は地表に設置された貯水タンクで、揚水ポンプP1を有する給水管161より地下水(井戸水)が汲み上げられる。貯水槽160内で、貯留水が下から上に向けて流れるようにするため、給水管161の先端は貯水槽160の底部にまで引き込まれることが好ましいが、給水管161を貯水槽160の底部から引き込んでもよい。また、貯水槽160には、オーバーフロー水を排水する排水管162が設けられる。
【0022】
室外熱交換器130は、その冷媒配管(パスとも呼ばれる銅管)131が貯水槽160内に浸漬されることにより、水-冷媒熱交換器として作用する。浸漬される冷媒配管131にはフィンが取り付けられてもよい。ジグザク状ではなく、例えば螺旋条に巻回された状態で浸漬されてもよい。
【0023】
冷媒配管131に銅管以外の材質の管が用いられてもよいが、いずれにしても、その冷媒配管131には、耐腐食性の金属材料製の配管、耐腐食性の塗料(例えば、一般的な金属管内外面のライニング処理に用いられるエポキシ樹脂塗料)が塗布された配管もしくは耐腐食性の例えばポリエチレン樹脂で被覆された配管が用いられることが好ましい。
【0024】
図2に示すように、貯水槽160内に、端部側の管壁に複数の空気噴出孔166を有する空気供給パイプ165を配置して、ブロワーP2より空気供給パイプ165内に空気を送り込んで空気噴出孔166から空気を噴出させて貯留水の対流を促進させることが好ましい。この場合、空気供給パイプ165の空気噴出孔166が設けられている端部側を貯水槽160の底部に沿って配置するとよい。
【0025】
空気供給パイプ165に代えて、もしくは空気供給パイプ165とともに貯水槽160内に、例えばプロペラ状の撹拌羽根が設けられてもよい。
【0026】
別の態様として、
図3(貯水槽160の平面図)に示すように、貯水槽160内に仕切板167(この例では3枚の仕切板)によりジグザグ状の水路を形成し、その水路に沿って室外熱交換器130の冷媒配管131をジグザグ状に配管し、水路内の水の流れ方向(実線矢印)と、冷媒配管131内の冷媒の流れ方向(鎖線矢印)とを逆方向の対向流とすることにより、水-冷媒の熱交換効率を高めることもできる。
【0027】
また、水温センサーを設け水温が所定温度内に収まるように揚水ポンプP1を駆動することもできる。貯水槽160は掘削による貯水池等であってもよく、熱交換用の水は井戸水のほかに、河川水、工業用の排水や農業用水等であってもよい。
【0028】
圧縮機110は、好ましくはインバータ制御による可変速型の圧縮機で、貯水槽160内での室外熱交換器(水-冷媒熱交換器)130の熱交換量に応じてその回転数が制御されるとよい。
【0029】
冷房運転時には、四方弁120が図示実線の状態に切り替えられ、圧縮機110にて生成された高温高圧のガス冷媒が室外熱交換器130に送られ、室外熱交換器130で貯水槽160内の水と熱交換して凝縮され、膨張弁140にて所定に減圧されたのち、室内熱交換器210で室内の空気と熱交換して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって四方弁120を経由してアキュムレータ150に至り、再度圧縮機110に吸入される。
【0030】
暖房運転時には、四方弁120が図示鎖線の状態に切り替えられ、圧縮機110にて生成された高温高圧のガス冷媒が室内熱交換器210に送られ、室内熱交換器210で室内の空気と熱交換して凝縮され、膨張弁140を経て室外熱交換器130で貯水槽160内の水と熱交換して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって四方弁120を経由してアキュムレータ150に至り、再度圧縮機110に吸入される。
【0031】
このように、冷房運転時、室外熱交換器130は凝縮器(放熱器)、室内熱交換器210は蒸発器(採熱器)として作用し、これに対して、暖房運転時には、室外熱交換器130は蒸発器(採熱器)、室内熱交換器210は凝縮器(放熱器)として作用するが、本発明によれば、室外熱交換器(水-冷媒熱交換器)130を貯水槽160内に浸漬するオープンループ方式であるため、構築コストがクローズドループ方式よりも低コストであり、また、貯水槽内を流水とすることにより、熱交換効率を高めることができる。
【符号の説明】
【0032】
1 ヒートポンプ装置
2 液側配管
3 ガス側配管
10 室外機
110 圧縮機
120 四方弁
130 室外熱交換器(水-冷媒直接膨張式熱交換器)
131 冷媒配管
140 膨張弁
150 アキュムレータ
160 貯水槽
20 室内機
210 室内熱交換器