ヒートポンプシステム
【課題】デフロスト運転をすることなく空気と熱交換する熱交換器の着霜を防止してフロストフリー（無着霜）運転を可能とするヒートポンプシステムを提供する。
【解決手段】冷媒を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１で圧縮された高温・高圧の冷媒を用いて被加熱媒体を加熱する第１の熱交換器２と、第１の熱交換器２で熱交換された冷媒を膨張させる第１の膨張弁３と、第１の膨張弁３で膨張させた低温の冷媒を蒸発させて空気と熱交換させる吸着材付の熱交換器である第２の熱交換器４と、第２の熱交換器４で蒸発させて空気と熱交換させた冷媒と前記空気とをさらに熱交換させて圧縮機１に戻す空気熱交換器である第３の熱交換器６、第２の熱交換器４の出口側と第３の熱交換器６の入口側との間に配設した第２の膨張弁５と、第２の熱交換器４と第３の熱交換器６でそれぞれ熱交換を行う空気を第２の熱交換器４側から第３の熱交換器６側に向けて流通させるための空気流路７とを有する。
【解決手段】冷媒を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１で圧縮された高温・高圧の冷媒を用いて被加熱媒体を加熱する第１の熱交換器２と、第１の熱交換器２で熱交換された冷媒を膨張させる第１の膨張弁３と、第１の膨張弁３で膨張させた低温の冷媒を蒸発させて空気と熱交換させる吸着材付の熱交換器である第２の熱交換器４と、第２の熱交換器４で蒸発させて空気と熱交換させた冷媒と前記空気とをさらに熱交換させて圧縮機１に戻す空気熱交換器である第３の熱交換器６、第２の熱交換器４の出口側と第３の熱交換器６の入口側との間に配設した第２の膨張弁５と、第２の熱交換器４と第３の熱交換器６でそれぞれ熱交換を行う空気を第２の熱交換器４側から第３の熱交換器６側に向けて流通させるための空気流路７とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はヒートポンプシステムに関し、特に空気を熱源とするヒートポンプシステムにおいてフロストフリー（無着霜）運転を行う場合に適用して有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来技術に係る空気を熱源とするヒートポンプの基本的な構成は、冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機で圧縮された高温・高圧の冷媒を用いて被加熱媒体を加熱する凝縮器またはガスクーラー等で形成した第１の熱交換器、該第１の熱交換器で熱交換された冷媒を膨張させる膨張弁及び該膨張弁で膨張された低温の冷媒を蒸発させて空気と熱交換させるとともに熱交換後の冷媒を前記圧縮機に戻す蒸発器で形成した第２の熱交換器を有しており、圧縮機から第１の熱交換器、膨張弁、第２の熱交換器を経て圧縮機に至る冷媒の循環路を形成することにより空気の熱を利用して第１の熱交換器における被加熱媒体を加熱するようになっている(例えば特許文献１参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−５４１３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の如き空気を熱源とするヒートポンプシステムにおいては外気低温、高湿度運転時に蒸発器として機能している第２の熱交換器に着霜し、受熱量の低下や伝熱性能の悪化を生起する。このため、着霜が検出された場合にはデフロスト運転を行っている。かかるデフロスト運転は、第２の熱交換器を凝縮器またはガスクーラーとして機能させる。この結果、デフロスト運転を行う場合には、基本的に、その間ヒートポンプシステムの本来的な運転モード、すなわち被加熱媒体の加熱や、被冷却媒体の冷却を中断する必要がある。デフロスト運転中も被加熱媒体の加熱を継続するため第２の熱交換器を２系統準備して何れか一方が常に蒸発器として機能するように切替運転を行うようにしたものも提案されている。しかしながら、何れにしても運転モードを切替えてデフロスト運転モードとする必要がある。
【０００５】
本発明は、上記従来技術に鑑み、デフロスト運転をすることなく空気と熱交換する熱交換器の着霜を防止してフロストフリー（無着霜）運転を可能とするヒートポンプシステム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】
【０００６】
上記目的を達成する本発明の第１の態様は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された高温・高圧の冷媒を用いて被加熱媒体を加熱する第１の熱交換器と、前記第１の熱交換器で熱交換された冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁で膨張させた低温の冷媒を蒸発させて空気と熱交換させる吸着材付の熱交換器である第２の熱交換器と、前記第２の熱交換器で蒸発させて空気と熱交換させた冷媒と前記空気とをさらに熱交換させて前記圧縮機に戻す空気熱交換器である第３の熱交換器と、前記第２の熱交換器と前記第３の熱交換器でそれぞれ熱交換を行う前記空気を前記第２の熱交換器側から前記第３の熱交換器側に向けて流通させるための空気流路とを有することを特徴とするヒートポンプシステムにある。
【０００７】
本態様によれば、吸着剤付の第２の熱交換器と第３の熱交換器とを直列に接続して何れも蒸発器として機能させ、第２の熱交換器で熱交換した空気が第３の熱交換器でさらに熱交換されるようにすることができるので、第２の熱交換器に空気中の水分を吸着させ、第３の熱交換器では除湿乾燥された空気と熱交換させることができる。ここで、第３の熱交換器の蒸発温度を熱交換される空気の露点温度より高くすることにより、第３の熱交換器における着霜を防止し得る。
【０００８】
かくして、ヒートポンプ本来の運転モードが阻害されることなく（デフロスト運転をすることなく）フロストフリー運転が可能になる。
【０００９】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載するヒートポンプシステムにおいて、第１の熱交換器の出口側と第２の熱交換器の入口側との間に他の膨張弁を設けたことを特徴とするヒートポンプシステムにある。
【００１０】
本態様によれば、膨張弁で冷媒を断熱膨張させることにより第２の熱交換器を吸着機能を有する蒸発器である熱交換器（以下、「吸着熱交換器」という。）として機能させる吸着モード運転を行うことができるので、熱交換する空気の除湿乾燥を行うことができる。同時に、第２の熱交換器で熱交換した冷媒を他の膨張弁で膨張させることにより第２の熱交換器にタンデムに接続された第３の熱交換器を蒸発器として機能させることができる。ここで、第３の熱交換器は第２の熱交換器で熱交換されて除湿乾燥され、露点温度が第３の熱交換器の蒸発温度より低くなっている空気と熱交換させることができるので、第３の熱交換器における着霜を良好に防止することができる。
【００１１】
この結果、第１の態様と同様に、ヒートポンプ本来の運転モードが阻害されることなく（デフロスト運転をすることなく）フロストフリー運転が可能になる。
【００１２】
さらに、本態様では他の膨張弁における開度を調整することにより第３の熱交換器における蒸発温度の制御が可能になり、しかも吸着熱交換器として機能する第２の熱交換器と第３の熱交換器におけるそれぞれの冷媒蒸発温度が異なるので、吸着材の吸着過程において、熱源空気の潜熱と顕熱とを分けて利用することが可能になる。
【００１３】
一方、膨張弁を機能させないように全開とすることにより第２の熱交換器を脱着機能を有する凝縮器またはガスクーラーである熱交換器（以下、「脱着熱交換器」という）として機能させる脱着モード運転を行うことができる。この場合には他の膨張弁を絞り第３の熱交換器のみを蒸発器として機能させる。この結果、第２の熱交換器で熱交換する空気を昇温させることにより吸着材から水を脱着させることができる。ここで、第３の熱交換器は蒸発器として機能させているので、第１の熱交換器による被加熱媒体の加熱は継続することができる。
【００１４】
脱着熱交換器として機能する第２の熱交換器で熱交換されて高温高湿状態となった空気は第３の熱交換器で熱交換されることにより潜熱および顕熱が回収される。この結果、凝縮した空気中の水分がそのまま外部に排出される。すなわち、吸着モード運転により吸着材に付着した水分は第２の熱交換器から第３の熱交換器に向けて流通する空気を媒体として第３の熱交換器で排出することができ、このことにより吸着材が再生されて再び水分を吸着することが可能な状態とすることができる。
【００１５】
本発明の第３の態様は、第２の態様に記載するヒートポンプシステムにおいて、前記膨張弁をバイパスし得るように構成したことを特徴とするヒートポンプシステムにある。
【００１６】
本態様によれば、第２の熱交換器を脱着熱交換器として機能させる際の膨張弁部分での冷媒の通過に伴う圧力損失を低減することができる。
【００１７】
本発明の第４の態様は、第２または第３の態様に記載するヒートポンプシステムにおいて、前記第２の熱交換器と前記他の膨張弁との間に気液分離器を配設し、該気液分離器で分離された冷媒のガス成分を前記圧縮機の冷媒吸入口と冷媒吐出口の途中に戻すように構成したことを特徴とするヒートポンプシステムにある。
【００１８】
本態様によれば、圧縮機の圧縮動力低減を図ることができる。
【００１９】
本発明の第５の態様は、第２〜第４の態様の何れか一つに記載するヒートポンプシステムにおいて、前記空気流路を流通する空気の、前記第２の熱交換器の出口側における露点温度を計測する露点計測手段を有することを特徴とするヒートポンプシステムにある。
【００２０】
本態様によれば、第３の熱交換器に着霜が発生する時点を検知することができる。すなわち、当該ヒートポンプシステムの脱着モード運転を開始すべき時点を検出することができる。
【００２１】
本発明の第６の態様は、第５の態様に記載するヒートポンプシステムにおいて、前記露点計測手段により検出される露点温度が所定の第１の閾値になるまでは前記膨張弁および前記他の膨張弁を絞って第２および第３の熱交換器を何れも蒸発器として機能させる吸着モード運転を行う一方、前記第１の閾値に達した時点で前記膨張弁を開放し、前記他の膨張弁を絞って前記第２の熱交換器を凝縮器またはガスクーラーとして機能させる脱着モード運転を行い、前記露点温度が所定の第２の閾値に達した後、前記吸着モード運転に戻るように制御する制御手段を、さらに有することを特徴とするヒートポンプシステムにある。
【００２２】
本態様によれば、吸着モード運転と脱着モード運転とを自動的に切替えつつ当該ヒートポンプシステムの継続的な運転を行うことができる。
【００２３】
本発明の第７の態様は、第２〜第４の態様の何れか一つに記載するヒートポンプシステムにおいて、前記空気流路を流通する空気の第２の熱交換器の入口側と出口側とにおける物理量をそれぞれ計測する第１および第２のセンサの出力信号に基づき前記吸着材の平衡吸着状態を検出する平衡吸着状態検出手段を有することを特徴とするヒートポンプシステムにある。
【００２４】
本態様によれば、第１および第２のセンサの信号に基づき前記吸着材の平衡吸着状態を検出し得る。この結果、当該ヒートポンプシステムの脱着モード運転を開始すべき時点を検出することができる。
【００２５】
本発明の第８の態様は、第７の態様に記載するヒートポンプシステムにおいて、前記平衡吸着状態が検出されるまでは前記膨張弁および前記他の膨張弁を絞って前記第２および第３の熱交換器を何れも蒸発器として機能させる吸着モード運転を行う一方、前記平衡吸着状態が検出された時点で前記膨張弁を開放し、前記他の膨張弁を絞って前記第２の熱交換器を凝縮器またはガスクーラーとして機能させる脱着モード運転を行い、さらに前記平衡吸着状態の解除が検出された後、前記吸着モードに戻るように制御する制御手段をさらに有することを特徴とするヒートポンプシステムにある。
【００２６】
本態様によれば、吸着モード運転と脱着モード運転とを自動的に切替えつつ当該ヒートポンプシステムの継続的な運転を行うことができる。
【００２７】
本発明の第９の態様は、第２〜第４の態様の何れか一つに記載するヒートポンプシステムにおいて、タイマーに設定された所定の第１の設定時間が経過するまでは、前記膨張弁と前記他の膨張弁とを絞って第２および第３の熱交換器を何れも蒸発器として機能させる吸着モード運転を行う一方、前記第１の設定時間の経過後に前記膨張弁を開放し、前記他の膨張弁を絞って前記第２の熱交換器を凝縮器またはガスクーラーとして機能させる脱着モード運転を行い、さらに前記タイマーに設定された第２の設定時間が経過した後、前記吸着モードに戻るように制御する制御手段を有することを特徴とするヒートポンプシステムにある。
【００２８】
本態様によれば、吸着モード運転と脱着モード運転とを自動的に切替えつつ当該ヒートポンプシステムの継続的な運転を行うことができる。
【００２９】
本発明の第１０の態様は、第２〜第９の態様の何れか一つに記載するヒートポンプシステムにおいて、前記空気流通路は、外部に開口する第２の熱交換器側の空気吸入口と第３の熱交換器側の空気排出口とを有するとともに前記空気吸入口と空気排出口との間で空気を循環させるためのバイパス通路を有し、さらに前記空気吸入口から流入した空気が第２および第３の熱交換器で熱交換して前記空気排出口から排出されるモードと、前記第２および第３の熱交換器で熱交換しつつ空気が前記バイパス通路を介して循環されるモードとを切替える切替手段とを有することを特徴とするヒートポンプシステムにある。
【００３０】
本態様によれば、脱着モード運転で脱着した空気を循環させることにより、排気損失がゼロになり、第１の熱交換器における熱の回収を継続的に行うことができる。同時に、脱着空気を循環させることで第３の熱交換器における蒸発温度を上昇させることができる。この結果、熱交換効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、空気を熱源とする吸着材付の第２の熱交換器を吸着熱交換器として機能させるとともに脱着熱交換器としても機能させることができる。前者の場合における第３の熱交換器では第２の熱交換器で熱交換されて除湿乾燥され、露点温度が第３の熱交換器の蒸発温度より低くなっている空気と熱交換させることができるので、外気温度が低下しても第３の熱交換器における着霜を防止して良好なフロストフリー運転を行うことができる。一方、後者の場合には、第２の熱交換器で熱交換する空気を昇温させることで吸着材から水分を脱着させることができる。すなわち、吸着材の再生を行うことができる。このとき、第３の熱交換器は蒸発器として機能しているので、第１の熱交換器における被加熱媒体の加熱機能が中断されることはない。
【００３２】
このように、本発明によれば、第２の熱交換器における吸着材による水分の吸着および吸着材からの水分の脱着・再生を繰り返しながら、空気を熱源とする被加熱媒体の加熱という当該ヒートポンプシステムの本来の機能を阻害することなく、フロストフリー運転を継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るヒートポンプシステムを示すブロック線図である。
【図２】図１に示すヒートポンプシステムにおける吸着モード運転時のブロック線図である。
【図３】図１に示すヒートポンプシステムにおける脱着モード運転時のブロック線図である。
【図４】図１の実施の形態における吸着および脱着運転の際の制御の一例を示す図で、（ａ）は本形態に係るヒートポンプシステムの一部を抽出して示す概略図、（ｂ）はその制御動作を示すフローチャートである。
【図５】図１に示すヒートポンプシステムを給湯システムに適用した場合の吸着モードでのブロック線図である。
【図６】図１に示すヒートポンプシステムを給湯システムに適用した場合の脱着モードでのブロック線図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係るヒートポンプシステムを示すブロック線図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係るヒートポンプシステムを示すブロック線図である。
【図９】本発明の他の実施の形態における吸着および脱着運転の際の制御の一例を示す図で、（ａ）は本形態に係るヒートポンプシステムの一部を抽出して示す概略図、（ｂ）はその制御動作を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の他の実施の形態における吸着および脱着運転の際の制御の他の例を示す図で、（ａ）は本形態に係るヒートポンプシステムの一部を抽出して示す概略図、（ｂ）はその制御動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００３５】
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施の形態に係るヒートポンプシステムを示すブロック線図である。同図に示すように、本形態に係るヒートポンプシステムは、冷媒を圧縮する圧縮機１から第１の熱交換器２、膨張弁３、吸着材付の熱交換器である第２の熱交換器４、膨張弁５、第３の熱交換器６を経て圧縮機１に戻る冷媒の循環路を形成することにより、第２および第３の熱交換器４，６で熱交換される空気を熱源として第１の熱交換器２で熱交換される被加熱媒体を加熱するように構成してある。ここで、第１の熱交換器２は圧縮機１で圧縮された高温・高圧の冷媒を用いて被加熱媒体を加熱する凝縮器やＣＯ２冷媒を用いる場合のガスクーラーで構成してある。第２の熱交換器４は膨張弁３で膨張させた低温の冷媒を蒸発させて空気と熱交換させる吸着熱交換器として機能するとともに、膨張弁３を全開とすることにより脱着熱交換器としても機能するように構成してある。第３の熱交換器６は第２の熱交換器４に対してタンデムに接続してあり、常に蒸発器として機能する。
【００３６】
空気流路７は第２の熱交換器４と第３の熱交換器６でそれぞれ熱交換を行う空気を、ファン８の吸引力により第２の熱交換器４側から第３の熱交換器６側に向けて流通させる。さらに詳言すると、空気流路７は、基本的には第２の熱交換器４側の空気吸入口から外気ＯＡを吸入して第２の熱交換器４および第３の熱交換器６を通過した後、第３の熱交換器６側の空気排気口から排気ＥＡを排出するように構成してある。さらに、空気流路７は、第２の熱交換器４側の空気吸入口と第３の熱交換器６側の空気排出口との間で循環空気ＲＡを流通させるためのバイパス通路９を有するとともに、空気の通路を切替える切替手段としてのダンパ１０，１１，１２を有している。ここで、ダンパ１０は空気吸入口の近傍でバイパス通路９の出口の上流位置に、ダンパ１１は空気排出口の近傍でバイパス通路９の入口の下流位置に、ダンパ１２はバイパス通路９の途中にそれぞれ配設されている。かくして、ダンパ１０，１１を開き、且つダンパ１２を閉じた状態で、前記空気吸入口から流入した外気ＯＡが第２および第３の熱交換器４，６で熱交換して前記空気排出口から排気ＥＡとして排出されるモードと、ダンパ１０，１１を閉じ、且つダンパ１２を開いた状態で、第２および第３の熱交換器で熱交換しつつ循環空気ＲＡがバイパス通路９を介して循環されるモードとの２種類のモードで運転される。
【００３７】
空気流路７における第２の熱交換器４の入口側と出口側とには絶対湿度センサ１３，１４が配設してある。かかる絶対湿度センサ１３，１４が計測する第２の熱交換器４の入口側と出口側との絶対湿度を比較することにより吸着材が平衡吸着状態に至ったことを検出できる。平衡吸着状態では熱交換器４の入口側と出口側との絶対湿度に差がなくなるからである。
【００３８】
かかる本形態では、膨張弁３で膨張させた低温の冷媒を蒸発させて空気と熱交換させる吸着熱交換器として第２の熱交換器４を機能させる吸着モード運転と、膨張弁３を全開とすることにより脱着熱交換器として第２の熱交換器を機能させる脱着モード運転との２種類の運転を行うことができる。
【００３９】
かかる吸着モード運転および脱着モード運転の態様とともに、本形態に係るヒートポンプシステムの作用を説明する。図２は吸着モード運転時の態様を示すブロック線図、図３は脱着モード運転時の態様を示すブロック線図である。
【００４０】
図２に示す吸着モード運転は、第１及び第２の膨張弁３，５を絞り、第２の熱交換器４を吸着熱交換器として機能させ、第３の熱交換器６を蒸発器として機能させることにより行う。また、当該運転モードでは、ダンパ１０，１１を開き、且つダンパ１２を閉じて空気流路７の空気吸入口から外気ＯＡを取込むとともに、第２の熱交換器４における熱交換に伴い水分が吸着されて乾燥した吸着空気ＡＡを第３の熱交換器６でさらに熱交換し、その後空気排出口から排気ＥＡとして排出する。
【００４１】
かかる吸着モード運転では、圧縮機１で圧縮されて高温高圧となった冷媒が凝縮器ないしガスクーラーとして機能する第１の熱交換器２で被加熱媒体を加熱した後、第１の膨張弁３に至る。第１の膨張弁３で冷媒を断熱膨張させることにより第２の熱交換器４が吸着熱交換器として機能して空気流路７を流通することにより熱交換される空気の除湿乾燥を行うことができる。同時に、第２の熱交換器４で熱交換した冷媒を第２の膨張弁５で膨張させることにより第２の熱交換器４にタンデムに接続された第３の熱交換器６を蒸発器として機能させることができる。ここで、第３の熱交換器６では第２の熱交換器４で熱交換されて除湿乾燥され、露点温度が第３の熱交換器６の蒸発温度より低くなっている吸着空気ＡＡと熱交換させることができるので、第３の熱交換器６における着霜を防止することができる。
【００４２】
この結果、被加熱媒体を加熱するというヒートポンプシステムとしての本来の運転は阻害されることなく、フロストフリー運転が可能になる。ここで、第２の膨張弁５における開度を調整することにより第３の熱交換器６における蒸発温度の制御が可能になり、しかも吸着熱交換器として機能する第２の熱交換器４と第３の熱交換器６におけるそれぞれの冷媒蒸発温度が異なるので、吸着材の吸着過程において、熱源空気の潜熱と顕熱とを分けて利用することが可能になる。
【００４３】
かかる吸着モード運転を継続すると第２の熱交換器４における吸着材が平衡吸着状態となり、空気中の水分の吸着・除去能力がなくなる。したがって、吸着材が平衡吸着状態となった場合には、脱着モード運転を行って吸着材の再生を行う必要がある。そこで、平衡吸着状態が絶対湿度センサ１３，１４により検出された場合には、脱着モード運転に移行させる。
【００４４】
図３に示す脱着モード運転は、第１の膨張弁３を全開とし、第２の膨張弁５のみを絞ることにより、第２の熱交換器４を脱着熱交換器として機能させ、第３の熱交換器６のみを蒸発器として機能させることにより行う。また、当該運転モードではダンパ１０，１１を閉じ、且つダンパ１２を開いて第２の熱交換器４で熱交換した脱着空気ＤＡがバイパス通路９を介し循環空気ＲＡとして循環されるようにしておく。
【００４５】
かかる脱着モード運転でも、圧縮機１で圧縮されて高温高圧となった冷媒が第１の熱交換器２で被加熱媒体を加熱する。その後、冷媒は第１の膨張弁３で膨張されることなくこれを通過し第２の熱交換器４に至る。この結果、第２の熱交換器４が脱着熱交換器として機能する。これに伴い第２の熱交換器４で熱交換される空気が昇温されて吸着材から水を脱着させ高温高湿の脱着空気ＤＡとして第３の熱交換器６に至る。ここで、第２の熱交換器４で熱交換を行うことにより冷却された冷媒を第２の膨張弁５で断熱膨張させているので、第３の熱交換器６は蒸発器として機能する。このときの冷媒飽和温度は脱着空気ＤＡの露点温度よりも低く、０度よりも高くなるようにしておく。この結果、第１の熱交換器２による被加熱媒体の加熱は継続することができる。
【００４６】
一方、第２の熱交換器４における熱交換で高温高湿状態となった脱着空気ＤＡは第３の熱交換器６で熱交換されることにより潜熱および顕熱が回収される。この結果、脱着空気ＤＡ中の水分がそのまま外部に排出される。すなわち、吸着モード運転により吸着材に付着した水分は第２の熱交換器４から第３の熱交換器６に向けて流通する脱着空気ＤＡを媒体として第３の熱交換器６で排出することができる。このことにより吸着材が再生されて再び水分を吸着することが可能な状態となる。かかる再生完了状態は、本形態の場合、絶対湿度センサ１３，１４により検出している。
【００４７】
ここで、本形態においてはバイパス通路９を設けて空気を循環させる（脱着空気ＤＡ、循環空気ＲＡ）ようにしているが、このことにより排気損失がゼロになり、システム性能を向上させることができる。すなわち、脱着空気ＤＡを循環させることで脱着過程消費エネルギーを当該ヒートポンプシステムの蒸発熱として全部回収することができる。ただ、脱着機能のみを考慮すれば、バイパス通路９は、原理的には必ずしも必要ではない。
【００４８】
上述の如き吸着モード運転および脱着モード運転は、図示しない制御手段として、絶対湿度センサ１３，１４が計測する絶対湿度を表す信号に基づき所定の処理を行って、膨張弁３，５等の動作を制御することにより行う。かかる制御態様を図４に基づきさらに説明する。
【００４９】
図４は本形態における吸着および脱着運転の際の制御態様を説明するための図で、（ａ）は本形態に係るヒートポンプシステムの一部を抽出して示す概略図、（ｂ）はその制御動作を示すフローチャートである。なお、図４（ａ）中、図１〜図３と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００５０】
両図に示すように、本形態では、絶対湿度センサ１３で検出された空気の絶対湿度Ｘ１と絶対湿度センサ１４で検出された空気の絶対湿度Ｘ２との関係がＸ２＜Ｘ１のときは吸着モード運転を行う（ステップＳ１参照）。次に、（Ｘ１−Ｘ２）の値が所定の閾値Xadth未満となったことが検出された時点（ステップＳ２参照）で、脱着モード運転に切り替え、Ｘ２＞Ｘ１の条件の下で脱着モード運転を行う（ステップＳ３参照）。最後に、（Ｘ２−Ｘ１）の値が所定の閾値Xdeth未満となったことが検出された時点（ステップＳ４参照）で、吸着モード運転に戻し、以下同様の動作を繰り返す。なお、本例は絶対湿度センサ１３，１４を利用して平衡吸着状態検出手段を構成したが、これに限るものではない。他の物理量、例えば相対湿度、空気温度等のデータを収集して所定の演算処理を行うことにより同様の平衡吸着状態検出手段を構成することも可能である。
【００５１】
図５は本形態に係るヒートポンプシステムを給湯システムに適用した場合の吸着モードでのブロック線図、図６は脱着モードでのブロック線図である。両図に示すように、当該給湯システムは第１の熱交換器２で加熱する被加熱媒体をお湯とする場合である。当該給湯システムにおいては給湯機能が阻害されることなく、すなわち第１の熱交換器２におけるお湯の加熱が中断されることなく継続的なフロストフリー運転が可能になる。ここで、第１の熱交換器２で熱交換して加熱されたお湯はタンク１５内に貯留されるとともに、ポンプ１６で第１の熱交換器２との間を循環するように構成してある。
【００５２】
なお、図５及び図６中、図２および図３と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００５３】
＜第２の実施の形態＞
図７は本発明の第２の実施の形態に係るヒートポンプシステムを示すブロック線図である。なお、図７中、図１と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。図７に示すように、本形態にかかるヒートポンプシステムは、第１の膨張弁３をバイパスする管路１７と開閉弁１８を有しており、第２の熱交換器４を脱着熱交換器として機能させる脱着モード運転の際には開閉弁１８を閉じることで冷媒を管路１７に導いて第１の膨張弁３をバイパスさせるようにしたものである。
【００５４】
本形態によれば、第２の熱交換器４を脱着熱交換器として機能させる際、冷媒を、第１の膨張弁３を通過させる場合に較べて圧力損失を低減することができる。
【００５５】
＜第３の実施の形態＞
図８は本発明の第３の実施の形態に係るヒートポンプシステムを示すブロック線図である。なお、図８中、図１と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。同図に示すように、本形態にかかるヒートポンプシステムは、第２の熱交換器４と第２の膨張弁５との間に気液分離器１９を配設し、気液分離器１９で分離された冷媒のガス成分を管路２０を介して圧縮機１の冷媒吸入口と冷媒吐出口の途中に戻すように構成したものである。
【００５６】
本形態によれば、圧縮機の圧縮動力の低減を図ることができる。
【００５７】
＜他の実施の形態＞
上記実施の形態においては、第２の熱交換器４と第３の熱交換器６との間にも膨張弁５を配設したが、これは必ずしも必要ではない。膨張弁５を設けない場合でも、前述の如く第３の熱交換器６におけるフロストフリー運転を行うことはできるからである。
【００５８】
また、上記実施の形態においては、脱着運転に切替える時点を検出するため、空気流路７における第２の熱交換器４の入口側と出口側とに一対の絶対湿度センサを配設したが、これに限るものではない。他のセンサ等を用いても吸着モード運転および脱着モード運転を行うように構成することは可能であるからである。具体的な他の例を図９および図１０に基づき説明する。
【００５９】
図９は吸着および脱着運転の際の他の制御態様を説明するための図で、（ａ）はその場合のヒートポンプシステムの一部を抽出して示す概略図、（ｂ）はその制御動作を示すフローチャートである。なお、図９中、図４と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００６０】
図９（ａ）に示すように、本例では第２の熱交換器４の出口側で空気流路７に配設した露点温度センサ２３で検出する空気の露点温度ＤＰと、第３の熱交換器６の出口側で冷媒の流路に配設した温度センサ２４で検出する蒸発温度Ｔｅとを制御パラメータとしている。すなわち、露点温度ＤＰと蒸発温度Ｔｅとの関係がＤＰ＜Ｔｅのときは吸着モード運転を行う（ステップＳ１１参照）。次に、（Ｔｅ−ＤＰ）の値が所定の閾値Tadth未満となったことが検出された時点（ステップＳ１２参照）で、脱着モード運転に切り替え、ＤＰ＞Ｔｅの条件の下で脱着モード運転を行う（ステップＳ１３参照）。最後に、（ＤＰ−Ｔｅ）の値が所定の閾値Tdeth未満となったことが検出された時点（ステップＳ１４参照）で、吸着モード運転に戻し、以下同様の動作を繰り返す。
【００６１】
図１０は吸着および脱着運転の際のさらに他の制御態様を説明するための図で、（ａ）はその場合のヒートポンプシステムの一部を抽出して示す概略図、（ｂ）はその制御動作を示すフローチャートである。なお、図１０中、図４と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００６２】
図１０（ａ）に示すように、本例では第２の熱交換器４の入口側における空気流路７での空気温度（外気温度）Ｔａを温度センサ３３で検出しており、この温度Ｔａに対応させて予め定められた時定数に基づく設定時間τad、τdeを管理することにより所定の制御を行っている。すなわち、所定の設定時間τadでは吸着モード運転を行う（ステップＳ２１参照）。次に、設定時間τadが所定の閾値τadthとなった時点（ステップＳ２２参照）で、脱着モード運転に切り替え、所定の設定時間τdeの間は脱着モード運転を行う（ステップＳ２３参照）。最後に、設定時間τdeが所定の閾値τdethとなった時点（ステップＳ２４参照）で吸着モード運転に戻し、以下同様の動作を繰り返す。
【００６３】
また、上記実施例では空気流路７における流路の切替手段はダンパ１０〜１２で形成したが、これに限るものではない。流路切替の機能を有するものであれば特に制限はない。例えば、弁等でも構わない。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明はヒートポンプ等の熱交換機器を製造・販売する産業分野において有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１ 圧縮機
２ 第１の熱交換器
３ 第１の膨張弁
４ 第２の熱交換器
５ 第２の膨張弁
６ 第３の熱交換器
７ 空気流路
９ バイパス通路
１０，１１，１２ ダンパ
１３，１４ 絶対湿度センサ
１７ 管路
１８ 開閉弁
１９ 気液分離器
２０ 管路
【技術分野】
【０００１】
本発明はヒートポンプシステムに関し、特に空気を熱源とするヒートポンプシステムにおいてフロストフリー（無着霜）運転を行う場合に適用して有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来技術に係る空気を熱源とするヒートポンプの基本的な構成は、冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機で圧縮された高温・高圧の冷媒を用いて被加熱媒体を加熱する凝縮器またはガスクーラー等で形成した第１の熱交換器、該第１の熱交換器で熱交換された冷媒を膨張させる膨張弁及び該膨張弁で膨張された低温の冷媒を蒸発させて空気と熱交換させるとともに熱交換後の冷媒を前記圧縮機に戻す蒸発器で形成した第２の熱交換器を有しており、圧縮機から第１の熱交換器、膨張弁、第２の熱交換器を経て圧縮機に至る冷媒の循環路を形成することにより空気の熱を利用して第１の熱交換器における被加熱媒体を加熱するようになっている(例えば特許文献１参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−５４１３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の如き空気を熱源とするヒートポンプシステムにおいては外気低温、高湿度運転時に蒸発器として機能している第２の熱交換器に着霜し、受熱量の低下や伝熱性能の悪化を生起する。このため、着霜が検出された場合にはデフロスト運転を行っている。かかるデフロスト運転は、第２の熱交換器を凝縮器またはガスクーラーとして機能させる。この結果、デフロスト運転を行う場合には、基本的に、その間ヒートポンプシステムの本来的な運転モード、すなわち被加熱媒体の加熱や、被冷却媒体の冷却を中断する必要がある。デフロスト運転中も被加熱媒体の加熱を継続するため第２の熱交換器を２系統準備して何れか一方が常に蒸発器として機能するように切替運転を行うようにしたものも提案されている。しかしながら、何れにしても運転モードを切替えてデフロスト運転モードとする必要がある。
【０００５】
本発明は、上記従来技術に鑑み、デフロスト運転をすることなく空気と熱交換する熱交換器の着霜を防止してフロストフリー（無着霜）運転を可能とするヒートポンプシステム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】
【０００６】
上記目的を達成する本発明の第１の態様は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された高温・高圧の冷媒を用いて被加熱媒体を加熱する第１の熱交換器と、前記第１の熱交換器で熱交換された冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁で膨張させた低温の冷媒を蒸発させて空気と熱交換させる吸着材付の熱交換器である第２の熱交換器と、前記第２の熱交換器で蒸発させて空気と熱交換させた冷媒と前記空気とをさらに熱交換させて前記圧縮機に戻す空気熱交換器である第３の熱交換器と、前記第２の熱交換器と前記第３の熱交換器でそれぞれ熱交換を行う前記空気を前記第２の熱交換器側から前記第３の熱交換器側に向けて流通させるための空気流路とを有することを特徴とするヒートポンプシステムにある。
【０００７】
本態様によれば、吸着剤付の第２の熱交換器と第３の熱交換器とを直列に接続して何れも蒸発器として機能させ、第２の熱交換器で熱交換した空気が第３の熱交換器でさらに熱交換されるようにすることができるので、第２の熱交換器に空気中の水分を吸着させ、第３の熱交換器では除湿乾燥された空気と熱交換させることができる。ここで、第３の熱交換器の蒸発温度を熱交換される空気の露点温度より高くすることにより、第３の熱交換器における着霜を防止し得る。
【０００８】
かくして、ヒートポンプ本来の運転モードが阻害されることなく（デフロスト運転をすることなく）フロストフリー運転が可能になる。
【０００９】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載するヒートポンプシステムにおいて、第１の熱交換器の出口側と第２の熱交換器の入口側との間に他の膨張弁を設けたことを特徴とするヒートポンプシステムにある。
【００１０】
本態様によれば、膨張弁で冷媒を断熱膨張させることにより第２の熱交換器を吸着機能を有する蒸発器である熱交換器（以下、「吸着熱交換器」という。）として機能させる吸着モード運転を行うことができるので、熱交換する空気の除湿乾燥を行うことができる。同時に、第２の熱交換器で熱交換した冷媒を他の膨張弁で膨張させることにより第２の熱交換器にタンデムに接続された第３の熱交換器を蒸発器として機能させることができる。ここで、第３の熱交換器は第２の熱交換器で熱交換されて除湿乾燥され、露点温度が第３の熱交換器の蒸発温度より低くなっている空気と熱交換させることができるので、第３の熱交換器における着霜を良好に防止することができる。
【００１１】
この結果、第１の態様と同様に、ヒートポンプ本来の運転モードが阻害されることなく（デフロスト運転をすることなく）フロストフリー運転が可能になる。
【００１２】
さらに、本態様では他の膨張弁における開度を調整することにより第３の熱交換器における蒸発温度の制御が可能になり、しかも吸着熱交換器として機能する第２の熱交換器と第３の熱交換器におけるそれぞれの冷媒蒸発温度が異なるので、吸着材の吸着過程において、熱源空気の潜熱と顕熱とを分けて利用することが可能になる。
【００１３】
一方、膨張弁を機能させないように全開とすることにより第２の熱交換器を脱着機能を有する凝縮器またはガスクーラーである熱交換器（以下、「脱着熱交換器」という）として機能させる脱着モード運転を行うことができる。この場合には他の膨張弁を絞り第３の熱交換器のみを蒸発器として機能させる。この結果、第２の熱交換器で熱交換する空気を昇温させることにより吸着材から水を脱着させることができる。ここで、第３の熱交換器は蒸発器として機能させているので、第１の熱交換器による被加熱媒体の加熱は継続することができる。
【００１４】
脱着熱交換器として機能する第２の熱交換器で熱交換されて高温高湿状態となった空気は第３の熱交換器で熱交換されることにより潜熱および顕熱が回収される。この結果、凝縮した空気中の水分がそのまま外部に排出される。すなわち、吸着モード運転により吸着材に付着した水分は第２の熱交換器から第３の熱交換器に向けて流通する空気を媒体として第３の熱交換器で排出することができ、このことにより吸着材が再生されて再び水分を吸着することが可能な状態とすることができる。
【００１５】
本発明の第３の態様は、第２の態様に記載するヒートポンプシステムにおいて、前記膨張弁をバイパスし得るように構成したことを特徴とするヒートポンプシステムにある。
【００１６】
本態様によれば、第２の熱交換器を脱着熱交換器として機能させる際の膨張弁部分での冷媒の通過に伴う圧力損失を低減することができる。
【００１７】
本発明の第４の態様は、第２または第３の態様に記載するヒートポンプシステムにおいて、前記第２の熱交換器と前記他の膨張弁との間に気液分離器を配設し、該気液分離器で分離された冷媒のガス成分を前記圧縮機の冷媒吸入口と冷媒吐出口の途中に戻すように構成したことを特徴とするヒートポンプシステムにある。
【００１８】
本態様によれば、圧縮機の圧縮動力低減を図ることができる。
【００１９】
本発明の第５の態様は、第２〜第４の態様の何れか一つに記載するヒートポンプシステムにおいて、前記空気流路を流通する空気の、前記第２の熱交換器の出口側における露点温度を計測する露点計測手段を有することを特徴とするヒートポンプシステムにある。
【００２０】
本態様によれば、第３の熱交換器に着霜が発生する時点を検知することができる。すなわち、当該ヒートポンプシステムの脱着モード運転を開始すべき時点を検出することができる。
【００２１】
本発明の第６の態様は、第５の態様に記載するヒートポンプシステムにおいて、前記露点計測手段により検出される露点温度が所定の第１の閾値になるまでは前記膨張弁および前記他の膨張弁を絞って第２および第３の熱交換器を何れも蒸発器として機能させる吸着モード運転を行う一方、前記第１の閾値に達した時点で前記膨張弁を開放し、前記他の膨張弁を絞って前記第２の熱交換器を凝縮器またはガスクーラーとして機能させる脱着モード運転を行い、前記露点温度が所定の第２の閾値に達した後、前記吸着モード運転に戻るように制御する制御手段を、さらに有することを特徴とするヒートポンプシステムにある。
【００２２】
本態様によれば、吸着モード運転と脱着モード運転とを自動的に切替えつつ当該ヒートポンプシステムの継続的な運転を行うことができる。
【００２３】
本発明の第７の態様は、第２〜第４の態様の何れか一つに記載するヒートポンプシステムにおいて、前記空気流路を流通する空気の第２の熱交換器の入口側と出口側とにおける物理量をそれぞれ計測する第１および第２のセンサの出力信号に基づき前記吸着材の平衡吸着状態を検出する平衡吸着状態検出手段を有することを特徴とするヒートポンプシステムにある。
【００２４】
本態様によれば、第１および第２のセンサの信号に基づき前記吸着材の平衡吸着状態を検出し得る。この結果、当該ヒートポンプシステムの脱着モード運転を開始すべき時点を検出することができる。
【００２５】
本発明の第８の態様は、第７の態様に記載するヒートポンプシステムにおいて、前記平衡吸着状態が検出されるまでは前記膨張弁および前記他の膨張弁を絞って前記第２および第３の熱交換器を何れも蒸発器として機能させる吸着モード運転を行う一方、前記平衡吸着状態が検出された時点で前記膨張弁を開放し、前記他の膨張弁を絞って前記第２の熱交換器を凝縮器またはガスクーラーとして機能させる脱着モード運転を行い、さらに前記平衡吸着状態の解除が検出された後、前記吸着モードに戻るように制御する制御手段をさらに有することを特徴とするヒートポンプシステムにある。
【００２６】
本態様によれば、吸着モード運転と脱着モード運転とを自動的に切替えつつ当該ヒートポンプシステムの継続的な運転を行うことができる。
【００２７】
本発明の第９の態様は、第２〜第４の態様の何れか一つに記載するヒートポンプシステムにおいて、タイマーに設定された所定の第１の設定時間が経過するまでは、前記膨張弁と前記他の膨張弁とを絞って第２および第３の熱交換器を何れも蒸発器として機能させる吸着モード運転を行う一方、前記第１の設定時間の経過後に前記膨張弁を開放し、前記他の膨張弁を絞って前記第２の熱交換器を凝縮器またはガスクーラーとして機能させる脱着モード運転を行い、さらに前記タイマーに設定された第２の設定時間が経過した後、前記吸着モードに戻るように制御する制御手段を有することを特徴とするヒートポンプシステムにある。
【００２８】
本態様によれば、吸着モード運転と脱着モード運転とを自動的に切替えつつ当該ヒートポンプシステムの継続的な運転を行うことができる。
【００２９】
本発明の第１０の態様は、第２〜第９の態様の何れか一つに記載するヒートポンプシステムにおいて、前記空気流通路は、外部に開口する第２の熱交換器側の空気吸入口と第３の熱交換器側の空気排出口とを有するとともに前記空気吸入口と空気排出口との間で空気を循環させるためのバイパス通路を有し、さらに前記空気吸入口から流入した空気が第２および第３の熱交換器で熱交換して前記空気排出口から排出されるモードと、前記第２および第３の熱交換器で熱交換しつつ空気が前記バイパス通路を介して循環されるモードとを切替える切替手段とを有することを特徴とするヒートポンプシステムにある。
【００３０】
本態様によれば、脱着モード運転で脱着した空気を循環させることにより、排気損失がゼロになり、第１の熱交換器における熱の回収を継続的に行うことができる。同時に、脱着空気を循環させることで第３の熱交換器における蒸発温度を上昇させることができる。この結果、熱交換効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、空気を熱源とする吸着材付の第２の熱交換器を吸着熱交換器として機能させるとともに脱着熱交換器としても機能させることができる。前者の場合における第３の熱交換器では第２の熱交換器で熱交換されて除湿乾燥され、露点温度が第３の熱交換器の蒸発温度より低くなっている空気と熱交換させることができるので、外気温度が低下しても第３の熱交換器における着霜を防止して良好なフロストフリー運転を行うことができる。一方、後者の場合には、第２の熱交換器で熱交換する空気を昇温させることで吸着材から水分を脱着させることができる。すなわち、吸着材の再生を行うことができる。このとき、第３の熱交換器は蒸発器として機能しているので、第１の熱交換器における被加熱媒体の加熱機能が中断されることはない。
【００３２】
このように、本発明によれば、第２の熱交換器における吸着材による水分の吸着および吸着材からの水分の脱着・再生を繰り返しながら、空気を熱源とする被加熱媒体の加熱という当該ヒートポンプシステムの本来の機能を阻害することなく、フロストフリー運転を継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るヒートポンプシステムを示すブロック線図である。
【図２】図１に示すヒートポンプシステムにおける吸着モード運転時のブロック線図である。
【図３】図１に示すヒートポンプシステムにおける脱着モード運転時のブロック線図である。
【図４】図１の実施の形態における吸着および脱着運転の際の制御の一例を示す図で、（ａ）は本形態に係るヒートポンプシステムの一部を抽出して示す概略図、（ｂ）はその制御動作を示すフローチャートである。
【図５】図１に示すヒートポンプシステムを給湯システムに適用した場合の吸着モードでのブロック線図である。
【図６】図１に示すヒートポンプシステムを給湯システムに適用した場合の脱着モードでのブロック線図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係るヒートポンプシステムを示すブロック線図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係るヒートポンプシステムを示すブロック線図である。
【図９】本発明の他の実施の形態における吸着および脱着運転の際の制御の一例を示す図で、（ａ）は本形態に係るヒートポンプシステムの一部を抽出して示す概略図、（ｂ）はその制御動作を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の他の実施の形態における吸着および脱着運転の際の制御の他の例を示す図で、（ａ）は本形態に係るヒートポンプシステムの一部を抽出して示す概略図、（ｂ）はその制御動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００３５】
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施の形態に係るヒートポンプシステムを示すブロック線図である。同図に示すように、本形態に係るヒートポンプシステムは、冷媒を圧縮する圧縮機１から第１の熱交換器２、膨張弁３、吸着材付の熱交換器である第２の熱交換器４、膨張弁５、第３の熱交換器６を経て圧縮機１に戻る冷媒の循環路を形成することにより、第２および第３の熱交換器４，６で熱交換される空気を熱源として第１の熱交換器２で熱交換される被加熱媒体を加熱するように構成してある。ここで、第１の熱交換器２は圧縮機１で圧縮された高温・高圧の冷媒を用いて被加熱媒体を加熱する凝縮器やＣＯ２冷媒を用いる場合のガスクーラーで構成してある。第２の熱交換器４は膨張弁３で膨張させた低温の冷媒を蒸発させて空気と熱交換させる吸着熱交換器として機能するとともに、膨張弁３を全開とすることにより脱着熱交換器としても機能するように構成してある。第３の熱交換器６は第２の熱交換器４に対してタンデムに接続してあり、常に蒸発器として機能する。
【００３６】
空気流路７は第２の熱交換器４と第３の熱交換器６でそれぞれ熱交換を行う空気を、ファン８の吸引力により第２の熱交換器４側から第３の熱交換器６側に向けて流通させる。さらに詳言すると、空気流路７は、基本的には第２の熱交換器４側の空気吸入口から外気ＯＡを吸入して第２の熱交換器４および第３の熱交換器６を通過した後、第３の熱交換器６側の空気排気口から排気ＥＡを排出するように構成してある。さらに、空気流路７は、第２の熱交換器４側の空気吸入口と第３の熱交換器６側の空気排出口との間で循環空気ＲＡを流通させるためのバイパス通路９を有するとともに、空気の通路を切替える切替手段としてのダンパ１０，１１，１２を有している。ここで、ダンパ１０は空気吸入口の近傍でバイパス通路９の出口の上流位置に、ダンパ１１は空気排出口の近傍でバイパス通路９の入口の下流位置に、ダンパ１２はバイパス通路９の途中にそれぞれ配設されている。かくして、ダンパ１０，１１を開き、且つダンパ１２を閉じた状態で、前記空気吸入口から流入した外気ＯＡが第２および第３の熱交換器４，６で熱交換して前記空気排出口から排気ＥＡとして排出されるモードと、ダンパ１０，１１を閉じ、且つダンパ１２を開いた状態で、第２および第３の熱交換器で熱交換しつつ循環空気ＲＡがバイパス通路９を介して循環されるモードとの２種類のモードで運転される。
【００３７】
空気流路７における第２の熱交換器４の入口側と出口側とには絶対湿度センサ１３，１４が配設してある。かかる絶対湿度センサ１３，１４が計測する第２の熱交換器４の入口側と出口側との絶対湿度を比較することにより吸着材が平衡吸着状態に至ったことを検出できる。平衡吸着状態では熱交換器４の入口側と出口側との絶対湿度に差がなくなるからである。
【００３８】
かかる本形態では、膨張弁３で膨張させた低温の冷媒を蒸発させて空気と熱交換させる吸着熱交換器として第２の熱交換器４を機能させる吸着モード運転と、膨張弁３を全開とすることにより脱着熱交換器として第２の熱交換器を機能させる脱着モード運転との２種類の運転を行うことができる。
【００３９】
かかる吸着モード運転および脱着モード運転の態様とともに、本形態に係るヒートポンプシステムの作用を説明する。図２は吸着モード運転時の態様を示すブロック線図、図３は脱着モード運転時の態様を示すブロック線図である。
【００４０】
図２に示す吸着モード運転は、第１及び第２の膨張弁３，５を絞り、第２の熱交換器４を吸着熱交換器として機能させ、第３の熱交換器６を蒸発器として機能させることにより行う。また、当該運転モードでは、ダンパ１０，１１を開き、且つダンパ１２を閉じて空気流路７の空気吸入口から外気ＯＡを取込むとともに、第２の熱交換器４における熱交換に伴い水分が吸着されて乾燥した吸着空気ＡＡを第３の熱交換器６でさらに熱交換し、その後空気排出口から排気ＥＡとして排出する。
【００４１】
かかる吸着モード運転では、圧縮機１で圧縮されて高温高圧となった冷媒が凝縮器ないしガスクーラーとして機能する第１の熱交換器２で被加熱媒体を加熱した後、第１の膨張弁３に至る。第１の膨張弁３で冷媒を断熱膨張させることにより第２の熱交換器４が吸着熱交換器として機能して空気流路７を流通することにより熱交換される空気の除湿乾燥を行うことができる。同時に、第２の熱交換器４で熱交換した冷媒を第２の膨張弁５で膨張させることにより第２の熱交換器４にタンデムに接続された第３の熱交換器６を蒸発器として機能させることができる。ここで、第３の熱交換器６では第２の熱交換器４で熱交換されて除湿乾燥され、露点温度が第３の熱交換器６の蒸発温度より低くなっている吸着空気ＡＡと熱交換させることができるので、第３の熱交換器６における着霜を防止することができる。
【００４２】
この結果、被加熱媒体を加熱するというヒートポンプシステムとしての本来の運転は阻害されることなく、フロストフリー運転が可能になる。ここで、第２の膨張弁５における開度を調整することにより第３の熱交換器６における蒸発温度の制御が可能になり、しかも吸着熱交換器として機能する第２の熱交換器４と第３の熱交換器６におけるそれぞれの冷媒蒸発温度が異なるので、吸着材の吸着過程において、熱源空気の潜熱と顕熱とを分けて利用することが可能になる。
【００４３】
かかる吸着モード運転を継続すると第２の熱交換器４における吸着材が平衡吸着状態となり、空気中の水分の吸着・除去能力がなくなる。したがって、吸着材が平衡吸着状態となった場合には、脱着モード運転を行って吸着材の再生を行う必要がある。そこで、平衡吸着状態が絶対湿度センサ１３，１４により検出された場合には、脱着モード運転に移行させる。
【００４４】
図３に示す脱着モード運転は、第１の膨張弁３を全開とし、第２の膨張弁５のみを絞ることにより、第２の熱交換器４を脱着熱交換器として機能させ、第３の熱交換器６のみを蒸発器として機能させることにより行う。また、当該運転モードではダンパ１０，１１を閉じ、且つダンパ１２を開いて第２の熱交換器４で熱交換した脱着空気ＤＡがバイパス通路９を介し循環空気ＲＡとして循環されるようにしておく。
【００４５】
かかる脱着モード運転でも、圧縮機１で圧縮されて高温高圧となった冷媒が第１の熱交換器２で被加熱媒体を加熱する。その後、冷媒は第１の膨張弁３で膨張されることなくこれを通過し第２の熱交換器４に至る。この結果、第２の熱交換器４が脱着熱交換器として機能する。これに伴い第２の熱交換器４で熱交換される空気が昇温されて吸着材から水を脱着させ高温高湿の脱着空気ＤＡとして第３の熱交換器６に至る。ここで、第２の熱交換器４で熱交換を行うことにより冷却された冷媒を第２の膨張弁５で断熱膨張させているので、第３の熱交換器６は蒸発器として機能する。このときの冷媒飽和温度は脱着空気ＤＡの露点温度よりも低く、０度よりも高くなるようにしておく。この結果、第１の熱交換器２による被加熱媒体の加熱は継続することができる。
【００４６】
一方、第２の熱交換器４における熱交換で高温高湿状態となった脱着空気ＤＡは第３の熱交換器６で熱交換されることにより潜熱および顕熱が回収される。この結果、脱着空気ＤＡ中の水分がそのまま外部に排出される。すなわち、吸着モード運転により吸着材に付着した水分は第２の熱交換器４から第３の熱交換器６に向けて流通する脱着空気ＤＡを媒体として第３の熱交換器６で排出することができる。このことにより吸着材が再生されて再び水分を吸着することが可能な状態となる。かかる再生完了状態は、本形態の場合、絶対湿度センサ１３，１４により検出している。
【００４７】
ここで、本形態においてはバイパス通路９を設けて空気を循環させる（脱着空気ＤＡ、循環空気ＲＡ）ようにしているが、このことにより排気損失がゼロになり、システム性能を向上させることができる。すなわち、脱着空気ＤＡを循環させることで脱着過程消費エネルギーを当該ヒートポンプシステムの蒸発熱として全部回収することができる。ただ、脱着機能のみを考慮すれば、バイパス通路９は、原理的には必ずしも必要ではない。
【００４８】
上述の如き吸着モード運転および脱着モード運転は、図示しない制御手段として、絶対湿度センサ１３，１４が計測する絶対湿度を表す信号に基づき所定の処理を行って、膨張弁３，５等の動作を制御することにより行う。かかる制御態様を図４に基づきさらに説明する。
【００４９】
図４は本形態における吸着および脱着運転の際の制御態様を説明するための図で、（ａ）は本形態に係るヒートポンプシステムの一部を抽出して示す概略図、（ｂ）はその制御動作を示すフローチャートである。なお、図４（ａ）中、図１〜図３と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００５０】
両図に示すように、本形態では、絶対湿度センサ１３で検出された空気の絶対湿度Ｘ１と絶対湿度センサ１４で検出された空気の絶対湿度Ｘ２との関係がＸ２＜Ｘ１のときは吸着モード運転を行う（ステップＳ１参照）。次に、（Ｘ１−Ｘ２）の値が所定の閾値Xadth未満となったことが検出された時点（ステップＳ２参照）で、脱着モード運転に切り替え、Ｘ２＞Ｘ１の条件の下で脱着モード運転を行う（ステップＳ３参照）。最後に、（Ｘ２−Ｘ１）の値が所定の閾値Xdeth未満となったことが検出された時点（ステップＳ４参照）で、吸着モード運転に戻し、以下同様の動作を繰り返す。なお、本例は絶対湿度センサ１３，１４を利用して平衡吸着状態検出手段を構成したが、これに限るものではない。他の物理量、例えば相対湿度、空気温度等のデータを収集して所定の演算処理を行うことにより同様の平衡吸着状態検出手段を構成することも可能である。
【００５１】
図５は本形態に係るヒートポンプシステムを給湯システムに適用した場合の吸着モードでのブロック線図、図６は脱着モードでのブロック線図である。両図に示すように、当該給湯システムは第１の熱交換器２で加熱する被加熱媒体をお湯とする場合である。当該給湯システムにおいては給湯機能が阻害されることなく、すなわち第１の熱交換器２におけるお湯の加熱が中断されることなく継続的なフロストフリー運転が可能になる。ここで、第１の熱交換器２で熱交換して加熱されたお湯はタンク１５内に貯留されるとともに、ポンプ１６で第１の熱交換器２との間を循環するように構成してある。
【００５２】
なお、図５及び図６中、図２および図３と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００５３】
＜第２の実施の形態＞
図７は本発明の第２の実施の形態に係るヒートポンプシステムを示すブロック線図である。なお、図７中、図１と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。図７に示すように、本形態にかかるヒートポンプシステムは、第１の膨張弁３をバイパスする管路１７と開閉弁１８を有しており、第２の熱交換器４を脱着熱交換器として機能させる脱着モード運転の際には開閉弁１８を閉じることで冷媒を管路１７に導いて第１の膨張弁３をバイパスさせるようにしたものである。
【００５４】
本形態によれば、第２の熱交換器４を脱着熱交換器として機能させる際、冷媒を、第１の膨張弁３を通過させる場合に較べて圧力損失を低減することができる。
【００５５】
＜第３の実施の形態＞
図８は本発明の第３の実施の形態に係るヒートポンプシステムを示すブロック線図である。なお、図８中、図１と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。同図に示すように、本形態にかかるヒートポンプシステムは、第２の熱交換器４と第２の膨張弁５との間に気液分離器１９を配設し、気液分離器１９で分離された冷媒のガス成分を管路２０を介して圧縮機１の冷媒吸入口と冷媒吐出口の途中に戻すように構成したものである。
【００５６】
本形態によれば、圧縮機の圧縮動力の低減を図ることができる。
【００５７】
＜他の実施の形態＞
上記実施の形態においては、第２の熱交換器４と第３の熱交換器６との間にも膨張弁５を配設したが、これは必ずしも必要ではない。膨張弁５を設けない場合でも、前述の如く第３の熱交換器６におけるフロストフリー運転を行うことはできるからである。
【００５８】
また、上記実施の形態においては、脱着運転に切替える時点を検出するため、空気流路７における第２の熱交換器４の入口側と出口側とに一対の絶対湿度センサを配設したが、これに限るものではない。他のセンサ等を用いても吸着モード運転および脱着モード運転を行うように構成することは可能であるからである。具体的な他の例を図９および図１０に基づき説明する。
【００５９】
図９は吸着および脱着運転の際の他の制御態様を説明するための図で、（ａ）はその場合のヒートポンプシステムの一部を抽出して示す概略図、（ｂ）はその制御動作を示すフローチャートである。なお、図９中、図４と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００６０】
図９（ａ）に示すように、本例では第２の熱交換器４の出口側で空気流路７に配設した露点温度センサ２３で検出する空気の露点温度ＤＰと、第３の熱交換器６の出口側で冷媒の流路に配設した温度センサ２４で検出する蒸発温度Ｔｅとを制御パラメータとしている。すなわち、露点温度ＤＰと蒸発温度Ｔｅとの関係がＤＰ＜Ｔｅのときは吸着モード運転を行う（ステップＳ１１参照）。次に、（Ｔｅ−ＤＰ）の値が所定の閾値Tadth未満となったことが検出された時点（ステップＳ１２参照）で、脱着モード運転に切り替え、ＤＰ＞Ｔｅの条件の下で脱着モード運転を行う（ステップＳ１３参照）。最後に、（ＤＰ−Ｔｅ）の値が所定の閾値Tdeth未満となったことが検出された時点（ステップＳ１４参照）で、吸着モード運転に戻し、以下同様の動作を繰り返す。
【００６１】
図１０は吸着および脱着運転の際のさらに他の制御態様を説明するための図で、（ａ）はその場合のヒートポンプシステムの一部を抽出して示す概略図、（ｂ）はその制御動作を示すフローチャートである。なお、図１０中、図４と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００６２】
図１０（ａ）に示すように、本例では第２の熱交換器４の入口側における空気流路７での空気温度（外気温度）Ｔａを温度センサ３３で検出しており、この温度Ｔａに対応させて予め定められた時定数に基づく設定時間τad、τdeを管理することにより所定の制御を行っている。すなわち、所定の設定時間τadでは吸着モード運転を行う（ステップＳ２１参照）。次に、設定時間τadが所定の閾値τadthとなった時点（ステップＳ２２参照）で、脱着モード運転に切り替え、所定の設定時間τdeの間は脱着モード運転を行う（ステップＳ２３参照）。最後に、設定時間τdeが所定の閾値τdethとなった時点（ステップＳ２４参照）で吸着モード運転に戻し、以下同様の動作を繰り返す。
【００６３】
また、上記実施例では空気流路７における流路の切替手段はダンパ１０〜１２で形成したが、これに限るものではない。流路切替の機能を有するものであれば特に制限はない。例えば、弁等でも構わない。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明はヒートポンプ等の熱交換機器を製造・販売する産業分野において有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１ 圧縮機
２ 第１の熱交換器
３ 第１の膨張弁
４ 第２の熱交換器
５ 第２の膨張弁
６ 第３の熱交換器
７ 空気流路
９ バイパス通路
１０，１１，１２ ダンパ
１３，１４ 絶対湿度センサ
１７ 管路
１８ 開閉弁
１９ 気液分離器
２０ 管路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された高温・高圧の冷媒を用いて被加熱媒体を加熱する第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器で熱交換された冷媒を膨張させる膨張弁と、
前記膨張弁で膨張させた低温の冷媒を蒸発させて空気と熱交換させる吸着材付の熱交換器である第２の熱交換器と、
前記第２の熱交換器で蒸発させて空気と熱交換させた冷媒と前記空気とをさらに熱交換させて前記圧縮機に戻す空気熱交換器である第３の熱交換器と、
前記第２の熱交換器と前記第３の熱交換器でそれぞれ熱交換を行う前記空気を前記第２の熱交換器側から前記第３の熱交換器側に向けて流通させるための空気流路とを有することを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項２】
請求項１に記載するヒートポンプシステムにおいて、
第１の熱交換器の出口側と第２の熱交換器の入口側との間に他の膨張弁を設けたことを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項３】
請求項２に記載するヒートポンプシステムにおいて、
前記膨張弁をバイパスし得るように構成したことを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載するヒートポンプシステムにおいて、
前記第２の熱交換器と前記他の膨張弁との間に気液分離器を配設し、該気液分離器で分離された冷媒のガス成分を前記圧縮機の冷媒吸入口と冷媒吐出口の途中に戻すように構成したことを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項５】
請求項２〜請求項４の何れか一つに記載するヒートポンプシステムにおいて、
前記空気流路を流通する空気の、前記第２の熱交換器の出口側における露点温度を計測する露点計測手段を有することを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項６】
請求項５に記載するヒートポンプシステムにおいて、
前記露点計測手段により検出される露点温度が所定の第１の閾値になるまでは前記膨張弁および前記他の膨張弁を絞って前記第２および第３の熱交換器を何れも蒸発器として機能させる吸着モード運転を行う一方、前記第１の閾値に達した時点で前記膨張弁を開放し、前記他の膨張弁を絞って前記第２の熱交換器を凝縮器またはガスクーラーとして機能させる脱着モード運転を行い、前記露点温度が所定の第２の閾値に達した後、前記吸着モード運転に戻るように制御する制御手段を、さらに有することを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項７】
請求項２〜請求項４の何れか一つに記載するヒートポンプシステムにおいて、
前記空気流路を流通する空気の第２の熱交換器の入口側と出口側とにおける物理量をそれぞれ計測する第１および第２のセンサの出力信号に基づき前記吸着材の平衡吸着状態を検出する平衡吸着状態検出手段を有することを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項８】
請求項７に記載するヒートポンプシステムにおいて、
前記平衡吸着状態が検出されるまでは前記膨張弁および前記他の膨張弁を絞って前記第２および第３の熱交換器を何れも蒸発器として機能させる吸着モード運転を行う一方、前記平衡吸着状態が検出された時点で前記膨張弁を開放し、前記他の膨張弁を絞って前記第２の熱交換器を凝縮器またはガスクーラーとして機能させる脱着モード運転を行い、さらに前記平衡吸着状態の解除が検出された後、前記吸着モードに戻るように制御する制御手段をさらに有することを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項９】
請求項２〜請求項４の何れか一つに記載するヒートポンプシステムにおいて、
タイマーに設定された所定の第１の設定時間が経過するまでは、前記膨張弁と前記他の膨張弁とを絞って第２および第３の熱交換器を何れも蒸発器として機能させる吸着モード運転を行う一方、前記第１の設定時間の経過後に前記膨張弁を開放し、前記他の膨張弁を絞って前記第２の熱交換器を凝縮器またはガスクーラーとして機能させる脱着モード運転を行い、さらに前記タイマーに設定された第２の設定時間が経過した後、前記吸着モードに戻るように制御する制御手段を有することを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項１０】
請求項２〜請求項９の何れか一つに記載するヒートポンプシステムにおいて、
前記空気流通路は、外部に開口する第２の熱交換器側の空気吸入口と第３の熱交換器側の空気排出口とを有するとともに前記空気吸入口と空気排出口との間で空気を循環させるためのバイパス通路を有し、
さらに前記空気吸入口から流入した空気が第２および第３の熱交換器で熱交換して前記空気排出口から排出されるモードと、前記第２および第３の熱交換器で熱交換しつつ空気が前記バイパス通路を介して循環されるモードとを切替える切替手段とを有することを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された高温・高圧の冷媒を用いて被加熱媒体を加熱する第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器で熱交換された冷媒を膨張させる膨張弁と、
前記膨張弁で膨張させた低温の冷媒を蒸発させて空気と熱交換させる吸着材付の熱交換器である第２の熱交換器と、
前記第２の熱交換器で蒸発させて空気と熱交換させた冷媒と前記空気とをさらに熱交換させて前記圧縮機に戻す空気熱交換器である第３の熱交換器と、
前記第２の熱交換器と前記第３の熱交換器でそれぞれ熱交換を行う前記空気を前記第２の熱交換器側から前記第３の熱交換器側に向けて流通させるための空気流路とを有することを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項２】
請求項１に記載するヒートポンプシステムにおいて、
第１の熱交換器の出口側と第２の熱交換器の入口側との間に他の膨張弁を設けたことを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項３】
請求項２に記載するヒートポンプシステムにおいて、
前記膨張弁をバイパスし得るように構成したことを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載するヒートポンプシステムにおいて、
前記第２の熱交換器と前記他の膨張弁との間に気液分離器を配設し、該気液分離器で分離された冷媒のガス成分を前記圧縮機の冷媒吸入口と冷媒吐出口の途中に戻すように構成したことを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項５】
請求項２〜請求項４の何れか一つに記載するヒートポンプシステムにおいて、
前記空気流路を流通する空気の、前記第２の熱交換器の出口側における露点温度を計測する露点計測手段を有することを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項６】
請求項５に記載するヒートポンプシステムにおいて、
前記露点計測手段により検出される露点温度が所定の第１の閾値になるまでは前記膨張弁および前記他の膨張弁を絞って前記第２および第３の熱交換器を何れも蒸発器として機能させる吸着モード運転を行う一方、前記第１の閾値に達した時点で前記膨張弁を開放し、前記他の膨張弁を絞って前記第２の熱交換器を凝縮器またはガスクーラーとして機能させる脱着モード運転を行い、前記露点温度が所定の第２の閾値に達した後、前記吸着モード運転に戻るように制御する制御手段を、さらに有することを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項７】
請求項２〜請求項４の何れか一つに記載するヒートポンプシステムにおいて、
前記空気流路を流通する空気の第２の熱交換器の入口側と出口側とにおける物理量をそれぞれ計測する第１および第２のセンサの出力信号に基づき前記吸着材の平衡吸着状態を検出する平衡吸着状態検出手段を有することを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項８】
請求項７に記載するヒートポンプシステムにおいて、
前記平衡吸着状態が検出されるまでは前記膨張弁および前記他の膨張弁を絞って前記第２および第３の熱交換器を何れも蒸発器として機能させる吸着モード運転を行う一方、前記平衡吸着状態が検出された時点で前記膨張弁を開放し、前記他の膨張弁を絞って前記第２の熱交換器を凝縮器またはガスクーラーとして機能させる脱着モード運転を行い、さらに前記平衡吸着状態の解除が検出された後、前記吸着モードに戻るように制御する制御手段をさらに有することを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項９】
請求項２〜請求項４の何れか一つに記載するヒートポンプシステムにおいて、
タイマーに設定された所定の第１の設定時間が経過するまでは、前記膨張弁と前記他の膨張弁とを絞って第２および第３の熱交換器を何れも蒸発器として機能させる吸着モード運転を行う一方、前記第１の設定時間の経過後に前記膨張弁を開放し、前記他の膨張弁を絞って前記第２の熱交換器を凝縮器またはガスクーラーとして機能させる脱着モード運転を行い、さらに前記タイマーに設定された第２の設定時間が経過した後、前記吸着モードに戻るように制御する制御手段を有することを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項１０】
請求項２〜請求項９の何れか一つに記載するヒートポンプシステムにおいて、
前記空気流通路は、外部に開口する第２の熱交換器側の空気吸入口と第３の熱交換器側の空気排出口とを有するとともに前記空気吸入口と空気排出口との間で空気を循環させるためのバイパス通路を有し、
さらに前記空気吸入口から流入した空気が第２および第３の熱交換器で熱交換して前記空気排出口から排出されるモードと、前記第２および第３の熱交換器で熱交換しつつ空気が前記バイパス通路を介して循環されるモードとを切替える切替手段とを有することを特徴とするヒートポンプシステム。
【図４】
【図９】
【図１０】
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１５９２７３（Ｐ２０１２−１５９２７３Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１２３０（Ｐ２０１１−２１２３０）
【出願日】平成２３年２月２日（２０１１．２．２）
【出願人】（０００１７３８０９）一般財団法人電力中央研究所 (1,040)
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２日（２０１１．２．２）
【出願人】（０００１７３８０９）一般財団法人電力中央研究所 (1,040)
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