JP2008275214A - 圧縮式ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地中熱を利用してＣＯＰの向上を図りながら、地中熱を利用するための掘削コストの低減を図ることができる圧縮式ヒートポンプ装置の提供。
【解決手段】冷媒を圧縮する圧縮機１、冷媒から放熱させる凝縮器２、冷媒を膨張させる膨張弁３、冷媒に吸熱させる蒸発器４の順に冷媒を循環する冷媒回路５を設け、冷媒の熱交換対象を地上の空気とする空気熱交換器６と冷媒の熱交換対象を地下の地中熱とする地中熱熱交換器７とが設けられ、冷媒回路５が、圧縮機１で圧縮後の冷媒を空気熱交換器６と地中熱熱交換器７との順に夫々を通過させて、空気熱交換器６及び地中熱熱交換器７を凝縮器２として機能させるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機、前記冷媒から放熱させる凝縮器、前記冷媒を膨張させる膨張部、前記冷媒に吸熱させる蒸発器の順に前記冷媒を循環する冷媒回路を設けた圧縮式ヒートポンプ装置に関する。

上記のような圧縮式ヒートポンプ装置は、凝縮器において圧縮機で圧縮後の冷媒を放熱させることにより冷媒の温度を低下させ、蒸発器において膨張部で膨張後の冷媒に吸熱させることにより、蒸発器における冷媒の熱交換対象の媒体を冷却し、その冷却された媒体を用いて冷房を行うようにしている。

この圧縮式ヒートポンプ装置では、圧縮機に加えられた仕事量に対する冷凍能力の比を示す成績係数（以下、「ＣＯＰ」と略称する（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ））を向上させるために、凝縮器における冷媒の熱交換対象の媒体をより低温の媒体として、凝縮器において冷媒の温度を十分に低下させることが求められている。
凝縮器における熱交換対象の媒体を地上の空気とすると、冷房を行う夏季等では、その地上の空気が高温となっており、凝縮器において冷媒の温度を十分に低下させることができず、ＣＯＰの向上を図ることができない。

そこで、最近、地下の地中熱を利用して、凝縮器における冷媒の熱交換対象を地中熱とすることが考えられている。地下の地中熱は、その温度が年間を通じてほぼ一定であるので、夏季等では地中熱の方が地上の空気の温度よりも低温となる。したがって、凝縮器における冷媒の熱交換対象を地中熱することにより、凝縮器において冷媒の温度を十分に低下させることができ、ＣＯＰを向上することができる。

従来の圧縮式ヒートポンプ装置では、冷媒の熱交換対象を地下の地中熱とする地中熱熱交換器が設けられ、冷媒回路が、圧縮機で圧縮後の冷媒を地中熱熱交換器を通過させて地中熱熱交換器を凝縮器として機能させるように構成されている（例えば、特許文献１参照。）。この従来の圧縮式ヒートポンプ装置は、地中熱との間で熱交換するＵ字形の配管にて形成された埋設熱交換器を地中に埋設し、地中熱熱交換器と埋設熱交換器との間で地中循環水を循環させることにより、地中熱熱交換器において冷媒と地中熱とを熱交換させるようにしている。

特開２００１−２８９５３３号公報

上記従来の圧縮式ヒートポンプ装置では、地中熱熱交換器における冷媒と地中熱との熱交換により冷媒の温度を十分に低下させなければならないので、地中熱熱交換器における冷媒と地中熱との熱交換量として大きなものが求められる。地中熱熱交換器における冷媒と地中熱との熱交換量を増加させるためには、埋設熱交換器の設置箇所の土壌の質にもよるが、一般的には、より地下深い位置までの地中熱を利用しなければならず、そのために、埋設熱交換器を地下の深い位置（例えば、地下数十〜百数十メートル）まで配設させている。したがって、従来の圧縮式ヒートポンプ装置では、地中熱を利用するために、より地下深い位置まで掘らなければならず、掘削コストが増大することになる。

本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、地中熱を利用してＣＯＰの向上を図りながら、地中熱を利用するための掘削コストの低減を図ることができる圧縮式ヒートポンプ装置を提供する点にある。

この目的を達成するために、本発明に係る圧縮式ヒートポンプ装置の第１特徴構成は、冷媒を圧縮する圧縮機、前記冷媒から放熱させる凝縮器、前記冷媒を膨張させる膨張部、前記冷媒に吸熱させる蒸発器の順に前記冷媒を循環する冷媒回路を設けた圧縮式ヒートポンプ装置であって、前記冷媒の熱交換対象を地上の空気とする空気熱交換器と前記冷媒の熱交換対象を地下の地中熱とする地中熱熱交換器とが設けられ、前記冷媒回路が、前記圧縮機で圧縮後の冷媒を前記空気熱交換器と前記地中熱熱交換器との順に夫々を通過させて、前記空気熱交換器及び前記地中熱熱交換器を前記凝縮器として機能させるように構成されている点にある。

すなわち、圧縮機で圧縮後の冷媒を空気熱交換器と地中熱熱交換器との順に夫々を通過させて、空気熱交換器及び地中熱熱交換器を凝縮器として機能させることができる。夏季等、地中熱の方が地上の空気の温度よりも低温となっているときには、まず、空気熱交換器において圧縮後の冷媒の顕熱部分（潜熱部分の一部を含む）の放熱により冷媒の温度を低下させることができ、さらに、地中熱熱交換器において圧縮後の冷媒の潜熱部分の放熱により冷媒の温度をさらに低下させることができる。このように、空気熱交換器と地中熱熱交換器との順に夫々において圧縮後の冷媒を２段階で放熱させることができ、冷媒の温度を十分に低下させてＣＯＰの向上を図ることができる。
地中熱熱交換器では、空気熱交換器にて放熱された冷媒の潜熱部分を放熱させるだけでよいので、地中熱熱交換器における熱交換量はそれほど大きなものが求められない。したがって、より深い位置までの地中熱を利用しなくても、冷媒の温度を十分に低下させることができる。
以上のことから、地中熱を利用してＣＯＰの向上を図りながら、地中熱を利用するための掘削コストの低減を図ることができる圧縮式ヒートポンプ装置を提供できるに至った。

本発明に係る圧縮式ヒートポンプ装置の第２特徴構成は、前記地中熱熱交換器をバイパスさせて前記冷媒を循環させるバイパス状態と前記地中熱熱交換器を通過させて前記冷媒を循環させる非バイパス状態とに前記冷媒回路における冷媒の循環状態を切替自在なバイパス切替手段が設けられ、冷凍負荷が設定負荷未満或いは外気温度が設定温度未満となる場合には、前記バイパス切替手段を前記バイパス状態に切り替え、且つ、冷凍負荷が設定負荷以上或いは外気温度が設定温度以上となる場合には、前記バイパス切替手段を前記非バイパス状態に切り替えるバイパス切替制御手段が設けられている点にある。

すなわち、蒸発器において要求される吸熱量に相当する冷凍負荷が設定負荷未満であり、地中熱熱交換器において冷媒と地中熱との熱交換を行わなくても要求されている冷凍負荷を賄えるとき、或いは外気温度が設定温度未満となるときには、バイパス切替手段がバイパス切替手段をバイパス状態に切り替えて、空気熱交換器を通過後の冷媒を地中熱熱交換器をバイパスさせて、地中熱熱交換器での冷媒と地中熱との熱交換を行わない。したがって、地中熱熱交換器における冷媒と地中熱との熱交換を無駄に行うことを防止できるので、浅く設置した熱容量の小さい地中熱熱交換器であっても、地中の温度上昇を抑制でき、地中熱を長期間に渡って利用できる。また、地中熱熱交換器における冷媒と地中熱との熱交換を行うときに作動させる循環ポンプ等の機器を無駄に作動させることなく、無駄なエネルギー消費を抑えることができる。
冷凍負荷が設定負荷以上或いは外気温度が設定温度以上となるときには、バイパス切替手段がバイパス切替手段を非バイパス状態に切り替えて、空気熱交換器を通過後の冷媒を地中熱熱交換器を通過させて、地中熱熱交換器での冷媒と地中熱との熱交換を行い、要求されている冷凍負荷を賄えることができる。
このように、バイパス切替制御手段が、要求されている冷凍負荷に応じて地中熱熱交換器における冷媒と地中熱との熱交換を行うか否かを切り替えることにより、要求されている冷凍負荷を的確に賄いながら、地中の温度変化を所定値以下に抑制でき、地中熱の長期間の利用が可能になり、無駄なエネルギー消費を抑えてエネルギー効率の向上を図ることができる。

本発明に係る圧縮式ヒートポンプ装置の第３特徴構成は、前記冷媒の熱交換対象を空調用媒体とする空調用媒体熱交換器と、前記圧縮機で圧縮後の冷媒を前記空気熱交換器と前記地中熱熱交換器との順に夫々を通過させて前記空気熱交換器及び前記地中熱熱交換器を前記凝縮器として機能させ且つ前記膨張部で膨張後の冷媒を前記空調用媒体熱交換器を通過させて前記空調用媒体熱交換器を前記蒸発器として機能させる冷房状態と、前記圧縮機で圧縮後の冷媒を前記空調用媒体熱交換器を通過させて前記空調用媒体熱交換器を前記凝縮器として機能させ且つ前記膨張部で膨張後の冷媒を前記空気熱交換器と前記地中熱熱交換器との順に夫々を通過させて前記空気熱交換器及び前記地中熱熱交換器を前記蒸発器として機能させる暖房状態とに前記冷媒回路における冷媒の循環状態を切替自在な第１切替手段とが設けられている点にある。

すなわち、夏季では、地中熱の方が地上の空気の温度よりも低温となっているので、第１切替手段を冷房状態に切り替えることにより、上記第１特徴構成で述べた如く、圧縮機で圧縮後の冷媒を空気熱交換器と地中熱熱交換器との順に夫々を通過させて、空気熱交換器及び地中熱熱交換器を凝縮器として機能させることができる。したがって、空気熱交換器と地中熱熱交換器との順に夫々において圧縮後の冷媒を放熱させることができ、冷媒の温度を十分に低下させてＣＯＰの向上を図ることができる。
冬季では、地中熱の方が地上の空気の温度よりも高温となっているので、第１切替手段を暖房状態に切り替えることにより、膨張部で膨張後の冷媒を空気熱交換器と地中熱熱交換器との順に夫々を通過させて、空気熱交換器及び地中熱熱交換器を蒸発器として機能させる。まず、空気熱交換器において膨張後の冷媒を低温状態で吸熱させて冷媒の温度を上昇させることができ、さらに、地中熱熱交換器において膨張後の冷媒を高温状態で吸熱させて冷媒の温度をさらに上昇させることができる。このように、空気熱交換器と地中熱熱交換器との順に夫々において膨張後の冷媒を２段階で吸熱させることができ、冷媒の温度を十分に上昇させてＣＯＰの向上を図ることができる。地中熱熱交換器では、空気熱交換器にて吸熱された冷媒を高温状態で吸熱させるだけでよいので、地中熱熱交換器における熱交換量はそれほど大きなものが求められない。したがって、より深い位置までの地中熱を利用しなくても、掘削コストの低減を図ることができる。
このようにして、冷房と暖房との両方において、地中熱を利用してＣＯＰの向上を図りながら、地中熱を利用するための掘削コストの低減を図ることができる。

本発明に係る圧縮式ヒートポンプ装置の第４特徴構成は、前記第１切替手段を前記暖房状態に切り替えているときに、前記地中熱熱交換器をバイパスさせて前記冷媒を循環させるバイパス状態と前記地中熱熱交換器を通過させて前記冷媒を循環させる非バイパス状態とに前記冷媒の循環状態を切替自在な暖房バイパス切替手段が設けられ、前記第１切替手段を前記冷房状態に切り替える冷房運転と前記第１切替手段を前記暖房状態に切り替える暖房運転とを択一的に行うとともに、前記暖房運転を行うに当り、暖房負荷が設定負荷未満或いは外気温度が設定温度以上となる場合には前記暖房バイパス切替手段を前記バイパス状態に切り替え、且つ、暖房負荷が設定負荷以上或いは外気温度が設定温度未満となる場合には前記暖房バイパス切替手段を前記非バイパス状態に切り替える運転制御手段が設けられている点にある。

すなわち、凝縮器において要求される放熱量に相当する暖房負荷が設定負荷未満であり、地中熱熱交換器において冷媒と地中熱との熱交換を行わなくても要求されている暖房負荷を賄えるとき、或いは外気温度が設定温度以上となるときには、運転制御手段が暖房バイパス切替手段をバイパス状態に切り替えて、空気熱交換器を通過後の冷媒を地中熱熱交換器をバイパスさせて、地中熱熱交換器での冷媒と地中熱との熱交換を行わない。したがって、地中熱熱交換器における冷媒と地中熱との熱交換を無駄に行うことを防止できるので、浅く設置した熱容量の小さい地中熱熱交換器であっても、地中の温度低下を抑制でき、地中熱を長期間に渡って利用できる。また、地中熱熱交換器における冷媒と地中熱との熱交換を行うときに作動させる循環ポンプ等の機器を無駄に作動させることなく、無駄なエネルギー消費を抑えることができる。
暖房負荷が設定負荷以上或いは外気温度が設定温度未満となるときには、運転制御手段が暖房バイパス切替手段を非バイパス状態に切り替えて、空気熱交換器を通過後の冷媒を地中熱熱交換器を通過させて、地中熱熱交換器での冷媒と地中熱との熱交換を行い、要求されている暖房負荷を賄えることができる。
このように、運転制御手段が、要求されている暖房負荷に応じて地中熱熱交換器における冷媒と地中熱との熱交換を行うか否かを切り替えることにより、要求されている暖房負荷を的確に賄いながら、地中の温度変化を所定値以下に抑制でき、地中熱の長期間の利用が可能になり、無駄なエネルギー消費を抑えてエネルギー効率の向上を図ることができる。

本発明に係る圧縮式ヒートポンプ装置の第５特徴構成は、前記圧縮機が、エンジンにより駆動されるように構成され、前記冷媒の熱交換対象を空調用媒体とする空調用媒体熱交換器と、前記冷媒の熱交換対象を前記エンジンの排熱を回収した排熱回収流体とする排熱熱交換器と、前記圧縮機で圧縮後の冷媒を前記空気熱交換器と前記地中熱熱交換器との順に夫々を通過させて前記空気熱交換器及び前記地中熱熱交換器を前記凝縮器として機能させ且つ前記膨張部で膨張後の冷媒を前記空調用媒体熱交換器を通過させて前記空調用媒体熱交換器を前記蒸発器として機能させる冷房状態と、前記圧縮機で圧縮後の冷媒を前記空調用媒体熱交換器を通過させて前記空調用媒体熱交換器を前記凝縮器として機能させ且つ前記膨張部で膨張後の冷媒を前記地中熱熱交換器と前記排熱熱交換器との順に夫々を通過させて前記地中熱熱交換器及び前記排熱熱交換器を前記蒸発器として機能させる暖房状態とに前記冷媒回路における冷媒の循環状態を切替自在な第２切替手段とが設けられている点にある。

すなわち、夏季では、地中熱の方が地上の空気の温度よりも低温となっているので、第２切替手段を冷房状態に切り替えることにより、上記第１特徴構成で述べた如く、圧縮機で圧縮後の冷媒を空気熱交換器と地中熱熱交換器との順に夫々を通過させて、空気熱交換器及び地中熱熱交換器を凝縮器として機能させることができる。したがって、空気熱交換器と地中熱熱交換器との順に夫々において圧縮後の冷媒を放熱させることができ、冷媒の温度を十分に低下させてＣＯＰの向上を図ることができる。
排熱回収流体はエンジンの排熱を回収して高温であり、冬季では、排熱回収流体の方が地中熱よりも高温となっているので、第２切替手段を暖房状態に切り替えることにより、膨張部で膨張後の冷媒を地中熱熱交換器と排熱熱交換器の順に夫々を通過させて、地中熱熱交換器及び排熱熱交換器を蒸発器として機能させる。したがって、まず、地中熱熱交換器において膨張後の冷媒を吸熱させて冷媒の温度を上昇させることができ、さらに、排熱熱交換器において膨張後の冷媒を吸熱させて冷媒の温度をさらに上昇させることができる。このように、地中熱熱交換器と排熱熱交換器の順に夫々において膨張後の冷媒を２段階で吸熱させることができ、冷媒の温度を十分に上昇させてＣＯＰの向上を図ることができる。
このようにして、冷房と暖房との両方において、地中熱を利用してＣＯＰの向上を図ることができる。

本発明に係る圧縮式ヒートポンプ装置の第６特徴構成は、前記冷媒回路において、前記空気熱交換器と前記排熱熱交換器とが並列状態で設けられ且つ前記空気熱交換器及び前記排熱熱交換器に対して前記地中熱熱交換器が直列状態で設けられている点にある。

すなわち、冷媒回路において、空気熱交換器と排熱熱交換器と地中熱熱交換器とが配設されている部分での冷媒の循環方向を反対とするだけで、圧縮後の冷媒を空気熱交換器と地中熱熱交換器との順に通過させる冷媒状態と、膨張後の冷媒を地中熱熱交換器と排熱熱交換器との順に通過させる暖房状態とに第２切替手段を切り替えることができる。
したがって、第２切替手段が、容易に冷房状態と暖房状態とに切り替えることができ、構成の簡素化を図ることができる。

本発明に係る圧縮式ヒートポンプ装置の第７特徴構成は、前記第２切替手段が、前記暖房状態において、前記膨張部で膨張後の冷媒を前記空気熱交換器と前記地中熱熱交換器と前記排熱熱交換器との順に夫々を通過させ、前記空気熱交換器と前記地中熱熱交換器と前記排熱熱交換器との夫々が前記蒸発器として機能する点にある。

すなわち、冬季では、地中熱の方が地上の空気の温度よりも高温となっており、さらに排熱回収流体の方が地中熱よりも高温となっている。まず、空気熱交換器において膨張後の冷媒を低温状態で吸熱させて冷媒の温度を上昇させることができ、さらに、地中熱熱交換器において膨張後の冷媒を高温状態で吸熱させて冷媒の温度をさらに上昇させることができる。しかも、排熱熱交換器においても膨張後の冷媒を吸熱させて冷媒の温度をより一層上昇させることができる。このように、空気熱交換器と地中熱熱交換器と排熱熱交換器との順に夫々において膨張後の冷媒を３段階で吸熱させることができ、冷媒の温度をより一層上昇させてＣＯＰの向上を図ることができる。

本発明に係る圧縮式ヒートポンプ装置の第８特徴構成は、前記冷媒が、非共沸混合媒体である点にある。

すなわち、冷媒が非共沸混合媒体であると、地中熱熱交換器においてその冷媒を一定圧力下で凝縮させる際に冷媒の温度が低下しつつ凝縮することになる。したがって、凝縮温度（潜熱部分）が一定である単一媒体と比較して、空気熱交換器における冷媒と空気との熱交換量を増加させることができるため、地中熱熱交換器において必要となる冷媒と地中熱との熱交換量を低減させることができる。空気熱交換器で必要となる伝熱面積は増加するものの、コスト面で大幅に高い地中熱熱交換器で必要となる伝熱面積を低減できるため、全体で考えるとコスト低減をより一層図ることができる。

本発明に係る圧縮式ヒートポンプ装置の実施形態について図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
この第１実施形態における圧縮式ヒートポンプ装置は、図１に示すように、冷媒を圧縮する圧縮機１、冷媒から放熱させる凝縮器２、冷媒を膨張させる膨張部としての膨張弁３、冷媒に吸熱させる蒸発器４の順に冷媒を循環する冷媒回路５を設けている。
この圧縮式ヒートポンプ装置は、蒸発器４において膨張弁３で膨張後の冷媒に吸熱させることにより、蒸発器４における冷媒の熱交換対象の媒体を冷却し、その冷却された熱交換対象の媒体を用いて冷房を行うようにしている。

圧縮機１は、図外の駆動装置により駆動されるように構成されている。冷媒回路５には、膨張弁３の上流側に冷媒の液分を貯留させる液分貯留部９が設けられている。ただし、膨張弁３と液分貯留部９との位置関係については逆に配置することも可能である。冷媒は、非共沸混合媒体（例えば、アンモニアと水との非共沸混合媒体やメタノールと水との非共沸混合媒体）である。

冷媒の熱交換対象を地上の空気とする空気熱交換器６と冷媒の熱交換対象を地下の地中熱とする地中熱熱交換器７とが設けられている。冷媒の熱交換対象を空調用媒体（例えば水）とする空調用媒体熱交換器８が設けられている。冷媒回路５は、圧縮機１で圧縮後の冷媒を空気熱交換器６と地中熱熱交換器７との順に夫々を通過させて、空気熱交換器６及び地中熱熱交換器７を凝縮器２として機能させ、且つ、膨張弁３で膨張後の冷媒を空調用媒体熱交換器８を通過させて、空調用媒体熱交換器８を蒸発器４として機能させる。

空気熱交換器６は、空気ファン１０の作動により送風される空気と冷媒とを熱交換させるように構成されている。
地中熱熱交換器７は、地中循環水路１１にて埋設熱交換器１２との間で循環される地中循環水と冷媒とを熱交換させるように構成されている。地中循環水路１１には地中循環水ポンプ１３が設けられている。埋設熱交換器１２は、地中に埋設されたＵ字状の配管にて構成されている。埋設熱交換器１２は、地中循環水をＵ字状の配管にて地中を通流させることにより地中循環水と地中熱とを熱交換させるように構成されている。

地中熱熱交換器７をバイパスさせて冷媒を循環させるバイパス状態（図中一鎖線矢印）と地中熱熱交換器７を通過させて冷媒を循環させる非バイパス状態とに冷媒の循環状態を切替自在なバイパス切替手段１４が設けられている。バイパス切替手段１４は、冷媒回路５から分岐して地中熱熱交換器７をバイパスしたのち冷媒回路５に合流する第１バイパス路１５、及び、冷媒回路５におけるバイパス路１５の分岐箇所に配置された第１三方弁１６から構成されている。バイパス切替手段１４は、空気熱交換器６を通過した後の冷媒を第１バイパス路１５に通流させるように第１三方弁１６を切り替えてバイパス状態（図中一鎖線矢印）に切り替え、且つ、空気熱交換器６を通過した後の冷媒を地中熱熱交換器７を通過させるように第１三方弁１６を切り替えて非バイパス状態に切り替えるように構成されている。

この圧縮式ヒートポンプ装置の運転を制御する運転制御装置１７が設けられている。制御装置１７は、図外の冷房リモコンにより冷房運転が要求されると、図外の駆動装置により圧縮機１を駆動させて、空調用媒体熱交換器８において空調用媒体（例えば水）を冷却させる冷房運転を行うように構成されている。

運転制御装置１７は、冷房運転を行うに当り、蒸発器４において要求される吸熱量に相当する冷凍負荷が設定負荷未満となる場合には、バイパス切替手段１４をバイパス状態（図中一点鎖線矢印で示す）に切り替えるとともに、地中循環水ポンプ１３を作動させないように構成されている。運転制御装置１７は、冷房運転を行うに当り、冷凍負荷が設定負荷以上となる場合には、バイパス切替手段１４を非バイパス状態に切り替えるとともに、地中循環水ポンプ１３を作動させるように構成されている。バイパス切替制御手段は、運転制御装置１７にて構成されている。
このようにして、運転制御装置１７は、要求されている冷凍負荷に応じて地中熱熱交換器７における冷媒と地中熱との熱交換を行うか否かを切り替えることにより、要求されている冷凍負荷を的確に賄いながら、地中の温度変化を抑え、地中循環水ポンプ１３を無駄に作動させずにエネルギー効率の向上を図っている。

また、運転制御装置１７は、外気温度が設定温度未満となる場合に、バイパス切替手段１４をバイパス状態に切り替え、且つ、外気温度が設定温度以上となる場合に、バイパス切替手段１４を非バイパス状態に切り替えることもできる。

バイパス切替手段１４を非バイパス状態に切り替えるとともに、地中循環水ポンプ１３を作動させた冷房運転では、圧縮機１で圧縮後の冷媒が空気熱交換器６と地中熱熱交換器７との順に夫々を通過して、空気熱交換器６及び地中熱熱交換器７を凝縮器２として機能させる。冷房運転を行う夏季等では、地下の地中熱の方が地上の空気よりも低温となっている。したがって、まず、空気熱交換器６において圧縮後の冷媒の顕熱部分（潜熱部分の一部を含む）を放熱させて冷媒の温度を低下させることができ、さらに、地中熱熱交換器７において圧縮後の冷媒の潜熱部分を放熱させて冷媒の温度をさらに低下させることができる。このように、空気熱交換器６と地中熱熱交換器７との順に夫々において圧縮後の冷媒を２段階で放熱させることができ、冷媒の温度を十分に低下させてＣＯＰの向上を図ることができる。地中熱熱交換器７では、空気熱交換器６にて放熱された冷媒の潜熱部分を放熱させるだけでよいので、地中熱熱交換器７における熱交換量はそれほど大きなものが求められない。したがって、埋設熱交換器１２をより深い位置まで配設させなくても、掘削コストの低減を図ることができる。

膨張弁３で膨張後の冷媒は、空調用媒体熱交換器８を通過して空調用媒体熱交換器８を蒸発器４として機能させる。空調用媒体熱交換器８では、膨張後の冷媒が空調用媒体（例えば水）から吸熱して空調用媒体を冷水とする。冷水とされた空調用媒体は、冷房端末等に供給されて冷房に用いられる。空調用媒体熱交換器８を通過後の冷媒は圧縮機１に戻される。

この圧縮式ヒートポンプ装置におけるＴ（温度）−Ｓ（エントロピ）線図を図２に示す。
この圧縮式ヒートポンプ装置では、圧縮機１により冷媒を断熱圧縮する圧縮過程（Ａ→Ｂ）を行ったのち、凝縮器２により冷媒を等圧冷却する凝縮過程（Ｂ→Ｂ’→Ｃ）を行う。次に、膨張弁３により冷媒を等エンタルピー膨張させる膨張過程（Ｃ→Ｄ）を行ったのち、蒸発器４により冷媒を等圧加熱する蒸発過程（Ｄ→Ａ）を行う。
凝縮過程（Ｂ→Ｂ’→Ｃ）では、空気熱交換器６により冷媒が等圧冷却されて冷媒の温度が図中Ｂ’の付近まで低下し、地中熱熱交換器７により等圧冷却されてさらに冷媒の温度が低下される（Ｂ→Ｂ’→Ｃ）。空気熱交換器６及び地中熱熱交換器７の順に夫々で圧縮後の冷媒を２段階で放熱させる凝縮過程を行うことにより、凝縮過程において冷媒の温度を十分に低下させることができ、ＣＯＰの向上を図ることができる。また、地中熱熱交換器７においては、空気熱交換器６により図中Ｂ’の付近まで温度が低下された冷媒を凝縮させてさらに温度を低下させるだけでよい。したがって、地中熱熱交換器７において要求される冷媒と地中熱との熱交換量を低減することができ、埋設熱交換器１２をより深い位置まで配設させなくてもよく、掘削コストの低減を図ることができる。
また、冷媒が非共沸混合媒体であるので、凝縮過程（Ｂ’→Ｃ）において冷媒の温度が低下する。したがって、地中熱熱交換器７において要求される冷媒と地中熱との熱交換量をさらに低減することができる。

〔第２実施形態〕
この第２実施形態における圧縮式ヒートポンプ装置では、図３に示すように、冷媒回路５における冷媒の循環状態を冷房状態と暖房状態とに切替自在な第１切替手段１８が設けられている。
第１切替手段１８は、冷房状態において、図３（ａ）に示すように、圧縮機１で圧縮後の冷媒を空気熱交換器６と地中熱熱交換器７との順に夫々を通過させて、空気熱交換器６及び地中熱熱交換器７を凝縮器２として機能させ、且つ、膨張弁３で膨張後の冷媒を空調用媒体熱交換器８を通過させて、空調用媒体熱交換器８を蒸発器４として機能させる。
また、第１切替手段１８は、暖房状態において、図３（ｂ）に示すように、圧縮機１で圧縮後の冷媒を空調用媒体熱交換器８を通過させて、空調用媒体熱交換器８を凝縮器２として機能させ、且つ、膨張弁３で膨張後の冷媒を空気熱交換器６と地中熱熱交換器７との順に夫々を通過させて、空気熱交換器６及び地中熱熱交換器７を蒸発器４として機能させる。

冷媒回路５には、４つの流路の接続状態を切替自在な第１四方弁１９、及び、４つの流路の接続状態を切替自在な第２四方弁２０が設けられている。第１切替手段１８は、第１四方弁１９及び第２四方弁２０から構成されている。第１切替手段１８は、第１四方弁１９及び第２四方弁２０を９０度回転させることにより、冷房状態と暖房状態とに切り替えるように構成されている。

また、冷媒回路５には、冷媒の循環方向において、液分貯留部９と膨張弁３と逆止弁２１との順に並べたものを１組として、並列状態となるように２組設けている。各組における逆止弁２１は、もう１つの組の逆止弁２１と冷媒の通流を許容する方向が反対側となるように設けられている。

運転制御装置１７は、第１切替手段１８を冷房状態に切り替える冷房運転と、第１切替手段１８を暖房状態に切り替える暖房運転とを択一的に行うように構成されている。運転制御手段が運転制御装置１７にて構成されている。冷房運転（図３（ａ）参照）については、上記第１実施形態における冷房運転と同様であるので、以下、図３（ｂ）に基づいて暖房運転についてのみ説明する。

運転制御装置１７は、暖房運転を行うに当り、凝縮器２において要求される放熱量に相当する暖房負荷が設定負荷未満となる場合には、バイパス切替手段１４をバイパス状態（図中一点鎖線矢印で示す）に切り替えるとともに、地中循環水ポンプ１３を作動させないように構成されている。運転制御装置１７は、暖房運転を行うに当り、暖房負荷が設定負荷以上となる場合には、バイパス切替手段１４を非バイパス状態に切り替えるとともに、地中循環水ポンプ１３を作動させるように構成されている。
ちなみに、冷房運転を行う際にも、上記第１実施形態と同様に、運転制御装置１７は、冷房負荷が設定負荷未満であるか否かによって、バイパス切替手段１４をバイパス状態と非バイパス状態とに切り替えるようにしている。また、運転制御装置１７は、暖房運転を行うに当り、外気温度が設定温度以上となる場合に、バイパス切替手段１４をバイパス状態に切り替え、且つ、外気温度が設定温度未満となる場合に、バイパス切替手段１４を非バイパス状態に切り替えることもできる。

バイパス切替手段１４は、第１切替手段１８を暖房状態に切り替えているときに、地中熱熱交換器７をバイパスさせて冷媒を循環させるバイパス状態と地中熱熱交換器７を通過させて冷媒を循環させる非バイパス状態とに冷媒の循環状態を切替自在に構成されている。このようにして、バイパス切替手段１４が、第１切替手段１８を暖房状態に切り替えているときにバイパス状態と非バイパス状態とに切替自在な暖房バイパス切替手段と、切替手段１８を冷房状態に切り替えているときにバイパス状態と非バイパス状態とに切替自在なバイパス切替手段とを兼用するように構成されている。

バイパス切替手段１４を非バイパス状態に切り替えるとともに、地中循環水ポンプ１３を作動させた冷房運転では、圧縮機１で圧縮後の冷媒が空調用媒体熱交換器８を通過して空調用媒体熱交換器８を凝縮器２として機能させる。空調用媒体熱交換器８では、膨張後の冷媒が空調用媒体（例えば水）を加熱して空調用媒体を温水とする。温水とされた空調用媒体は、暖房端末等に供給されて暖房に用いられる。

膨張弁３で膨張後の冷媒は、空気熱交換器６と地中熱熱交換器７との順に夫々を通過して空気熱交換器６及び地中熱熱交換器７を蒸発器４として機能させる。暖房運転を行う冬季等では、地下の地中熱の方が地上の空気よりも高温となっている。したがって、まず、空気熱交換器６において膨張後の冷媒を低温状態で吸熱させて冷媒の温度を上昇させることができ、さらに、地中熱熱交換器７において膨張後の冷媒を高温状態で吸熱させて冷媒の温度をさらに上昇させることができる。このように、空気熱交換器６と地中熱熱交換器７との順に夫々において膨張後の冷媒を２段階で吸熱させる蒸発過程を行うことができ、冷媒の温度を十分に上昇させてＣＯＰの向上を図ることができる。地中熱熱交換器７では、空気熱交換器６にて吸熱された冷媒を高温状態で蒸発させるだけでよいので、地中熱熱交換器７における熱交換量はそれほど大きなものが求められない。したがって、埋設熱交換器１２をより深い位置まで配設させなくてもよく、掘削コストの低減を図ることができる。
また、冷媒が非共沸混合媒体であるので、図２のＴ−Ｓ線図に示すように、蒸発過程（Ｄ→Ａ）において冷媒の温度が上昇する。したがって、地中熱熱交換器７において要求される冷媒と地中熱との熱交換量を低減することができる。

〔第３実施形態〕
この第３実施形態における圧縮式ヒートポンプ装置では、図４及び図５に示すように、圧縮機１がエンジン２２により駆動されるように構成されている。圧縮機１は、エンジン２２の駆動力がベルト２２ａで伝達されて回転駆動するように設けられている。
冷媒回路５には、冷媒の熱交換対象をエンジン２２の排熱を回収した排熱回収流体（例えば冷却水）とする排熱熱交換器２３が設けられている。排熱回収流体が、冷却水循環ポンプ２７の作動により冷却水循環路２８にてエンジン２２と排熱熱交換器２３との間で循環される。排熱回収流体は、エンジン２２本体の排熱を回収することに加えて、エンジン２２の燃焼排ガスとの熱交換によりエンジン２２の燃焼排ガスが有する熱をも回収するように構成されている。図示は省略するが、冷却水循環路２８には、放熱器（例えばラジエータ）が設けられ、この放熱器において排熱回収流体の余剰な熱を放熱させるように構成されている。

冷媒回路５において、空気熱交換器６と排熱熱交換器２３とが並列状態で設けられ且つ空気熱交換器６及び排熱熱交換器２３に対して地中熱熱交換器７が直列状態で設けられている。
冷媒回路５における冷媒の循環状態を冷房状態と暖房状態とに切替自在な第２切替手段２４が設けられている。第２切替手段２４は、冷房状態において、図４に示すように、圧縮機１で圧縮後の冷媒を空気熱交換器６と地中熱熱交換器７との順に夫々を通過させて、空気熱交換器６及び地中熱熱交換器７を凝縮器２として機能させ、且つ、膨張弁３で膨張後の冷媒を空調用媒体熱交換器８を通過させて、空調用媒体熱交換器８を蒸発器４として機能させる。また、第２切替手段２４は、暖房状態において、図５に示すように、圧縮機１で圧縮後の冷媒を空調用媒体熱交換器８を通過させて、空調用媒体熱交換器８を凝縮器２として機能させ、且つ、膨張弁３で膨張後の冷媒を地中熱熱交換器７と排熱熱交換器２３との順に夫々を通過させて、地中熱熱交換器７及び排熱熱交換器２３を蒸発器４として機能させる。

冷媒回路５には、４つの流路の接続状態を切替自在な第３四方弁２５、空気熱交換器６に冷媒を供給させる状態と排熱熱交換器２３に冷媒を供給させる状態とに切替自在な第２三方弁２６が設けられている。
第２切替手段２４は、第３四方弁２５と第２三方弁２６とから構成されている。第２切替手段２４は、第３四方弁２５と第２三方弁２６との切替状態を制御することにより、冷房状態と暖房状態とに切り替えるように構成されている。

運転制御装置１７は、第２切替手段２４を冷房状態に切り替えるとともに、地中循環水ポンプ１３、冷却水循環ポンプ２７の夫々を作動させる冷房運転と、第２切替手段２４を暖房状態に切り替えるとともに、地中循環水ポンプ１３、冷却水循環ポンプ２７の夫々を作動させる暖房運転とを択一的に行うように構成されている。

冷房運転（図４参照）については、上記第１実施形態における冷房運転と同様であるので、以下、図５に基づいて暖房運転についてのみ説明する。
圧縮機１で圧縮後の冷媒が空調用媒体熱交換器８を通過して空調用媒体熱交換器８を凝縮器２として機能させる。空調用媒体熱交換器８では、膨張後の冷媒が空調用媒体（例えば水）を加熱して空調用媒体を温水とする。温水とされた空調用媒体は、暖房端末等に供給されて暖房に用いられる。

膨張弁３で膨張後の冷媒は、空気熱交換器６と排熱熱交換器２３との順に夫々を通過して空気熱交換器６及び排熱熱交換器２３を蒸発器４として機能させる。排熱回収流体は、エンジン２２の排熱を回収しているので、排熱回収流体の方が地下の地中熱よりも高温となっている。したがって、まず、空気熱交換器６において膨張後の冷媒を吸熱させて冷媒の温度を上昇させることができ、さらに、排熱熱交換器２３において膨張後の冷媒を吸熱させて冷媒の温度をさらに上昇させることができる。このように、空気熱交換器６と排熱熱交換器２３との順に夫々において膨張後の冷媒を２段階で吸熱させることができ、冷媒の温度を十分に上昇させてＣＯＰの向上を図ることができる。しかも、地中熱熱交換器７を通過した冷媒を排熱熱交換器２３においても吸熱させて温度が上昇するので、地中熱熱交換器７における熱交換量はそれほど大きなものが求められない。したがって、埋設熱交換器１２をより深い位置まで配設させなくてもよく、掘削コストの低減を図ることができる。

〔第４実施形態〕
この第４実施形態における圧縮式ヒートポンプ装置では、図６及び図７に示すように、冷媒回路５において、冷媒が空気熱交換器６と地中熱熱交換器７と排熱熱交換器２３との順に夫々を通過するように、空気熱交換器６と地中熱熱交換器７と排熱熱交換器２３とが直列状態で設けられている。

冷媒回路５における冷媒の循環状態を冷房状態と暖房状態とに切替自在な第２切替手段２９が設けられている。
第２切替手段２９は、冷房状態において、図６に示すように、圧縮機１で圧縮後の冷媒を空気熱交換器６と地中熱熱交換器７との順に夫々を通過させて、空気熱交換器６及び地中熱熱交換器７を凝縮器２として機能させ、且つ、膨張弁３で膨張後の冷媒を空調用媒体熱交換器８を通過させて、空調用媒体熱交換器８を蒸発器４として機能させる。
また、第２切替手段２９は、暖房状態において、図７に示すように、圧縮機１で圧縮後の冷媒を空調用媒体熱交換器８を通過させて、空調用媒体熱交換器８を凝縮器２として機能させ、且つ、膨張弁３で膨張後の冷媒を空気熱交換器６と地中熱熱交換器７と排熱熱交換器２３との順に夫々を通過させて、空気熱交換器６と地中熱熱交換器７と排熱熱交換器２３との夫々を蒸発器４として機能させる。

冷媒回路５には、上記第２実施形態と同様に（図３参照）、第１四方弁１９及び第２四方弁２０が設けられている。また、冷媒回路５には、冷媒回路５から分岐して排熱熱交換器２３をバイパスしたのち冷媒回路５に合流する第２バイパス路３０、及び、冷媒回路５における第２バイパス路２９の分岐箇所に配置された第３三方弁３１が設けられている。
第２切替手段２９は、第１四方弁１９、第２四方弁２０、第２バイパス路３０、及び、第３三方弁３１から構成されている。

第２切替手段２９は、冷房状態において、図６に示すように、地中熱熱交換器７を通過後の冷媒を第２バイパス路３０に通流させるように第３三方弁３１を切り替えることにより、圧縮機１で圧縮後の冷媒を空気熱交換器６と地中熱熱交換器７との順に夫々を通過させて空気熱交換器６及び地中熱熱交換器７を凝縮器２として機能させている。
また、第２切替手段２９は、暖房状態において、図７に示すように、地中熱熱交換器７を通過後の冷媒を排熱熱交換器２３を通過させるように第３三方弁３１を切り替えることにより、膨張弁３で膨張後の冷媒を空気熱交換器６と地中熱熱交換器７と排熱熱交換器２３との順に夫々を通過させて空気熱交換器６と地中熱熱交換器７と排熱熱交換器２３との夫々を蒸発器４として機能させている。

〔別実施形態〕
（１）上記第１〜第４実施形態では、冷媒を非共沸混合媒体としているが、単一媒体とすることもできる。また、上記第１〜第４実施形態において、外気温度とは、乾球温度もしくは湿球温度のいずれかを意味する。

（２）上記第１〜第４実施形態では、地中熱熱交換器７における冷媒の熱交換対象を地中熱とするために、地中に埋設した埋設熱交換器１２と地中熱熱交換器７との間で地中循環水を循環させているが、地中熱熱交換器７における冷媒の熱交換対象を地中熱とするための構成は適宜変更が可能である。
また、埋設熱交換器１２については、Ｕ字状の配管にて構成するものに限らず、各種の熱交換器を適応することができる。

（３）上記第３及び第４実施形態において、排熱熱交換器２３で冷媒と熱交換される冷却水で回収しないエンジン２２の排熱は、暖房運転時に冷媒の加熱に利用することは当然できる。

本発明は、圧縮機、凝縮器、膨張部、蒸発器の順に冷媒を循環する冷媒回路を設け、地中熱を利用してＣＯＰの向上を図りながら、地中熱を利用するための掘削コストの低減を図ることができる各種の圧縮式ヒートポンプ装置に適応することができる。

第１実施形態における圧縮式ヒートポンプ装置の概略図 Ｔ−Ｓ線図 第２実施形態における圧縮式ヒートポンプ装置の概略図 第３実施形態における圧縮式ヒートポンプ装置の概略図 第３実施形態における圧縮式ヒートポンプ装置の概略図 第４実施形態における圧縮式ヒートポンプ装置の概略図 第４実施形態における圧縮式ヒートポンプ装置の概略図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 凝縮器
３ 膨張部（膨張弁）
４ 蒸発器
５ 冷媒回路
６ 空気熱交換器
７ 地中熱熱交換器
８ 空調用媒体熱交換器
１４ バイパス切替手段（暖房バイパス切替手段）
１７ 運転制御手段（運転制御装置、バイパス切替手段）
１８ 第１切替手段
２２ エンジン
２３ 排熱熱交換器
２４，２９ 第２切替手段

Claims (8)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機、前記冷媒から放熱させる凝縮器、前記冷媒を膨張させる膨張部、前記冷媒に吸熱させる蒸発器の順に前記冷媒を循環する冷媒回路を設けた圧縮式ヒートポンプ装置であって、
   前記冷媒の熱交換対象を地上の空気とする空気熱交換器と前記冷媒の熱交換対象を地下の地中熱とする地中熱熱交換器とが設けられ、
   前記冷媒回路が、前記圧縮機で圧縮後の冷媒を前記空気熱交換器と前記地中熱熱交換器との順に夫々を通過させて、前記空気熱交換器及び前記地中熱熱交換器を前記凝縮器として機能させるように構成されている圧縮式ヒートポンプ装置。
2. 前記地中熱熱交換器をバイパスさせて前記冷媒を循環させるバイパス状態と前記地中熱熱交換器を通過させて前記冷媒を循環させる非バイパス状態とに前記冷媒回路における冷媒の循環状態を切替自在なバイパス切替手段が設けられ、
   冷凍負荷が設定負荷未満或いは外気温度が設定温度未満となる場合には、前記バイパス切替手段を前記バイパス状態に切り替え、且つ、冷凍負荷が設定負荷以上或いは外気温度が設定温度以上となる場合には、前記バイパス切替手段を前記非バイパス状態に切り替えるバイパス切替制御手段が設けられている請求項１に記載の圧縮式ヒートポンプ装置。
3. 前記冷媒の熱交換対象を空調用媒体とする空調用媒体熱交換器と、
   前記圧縮機で圧縮後の冷媒を前記空気熱交換器と前記地中熱熱交換器との順に夫々を通過させて前記空気熱交換器及び前記地中熱熱交換器を前記凝縮器として機能させ且つ前記膨張部で膨張後の冷媒を前記空調用媒体熱交換器を通過させて前記空調用媒体熱交換器を前記蒸発器として機能させる冷房状態と、前記圧縮機で圧縮後の冷媒を前記空調用媒体熱交換器を通過させて前記空調用媒体熱交換器を前記凝縮器として機能させ且つ前記膨張部で膨張後の冷媒を前記空気熱交換器と前記地中熱熱交換器との順に夫々を通過させて前記空気熱交換器及び前記地中熱熱交換器を前記蒸発器として機能させる暖房状態とに、前記冷媒回路における冷媒の循環状態を切替自在な第１切替手段とが設けられている請求項１又は２に記載の圧縮式ヒートポンプ装置。
4. 前記第１切替手段を前記暖房状態に切り替えているときに、前記地中熱熱交換器をバイパスさせて前記冷媒を循環させるバイパス状態と前記地中熱熱交換器を通過させて前記冷媒を循環させる非バイパス状態とに前記冷媒の循環状態を切替自在な暖房バイパス切替手段が設けられ、
   前記第１切替手段を前記冷房状態に切り替える冷房運転と前記第１切替手段を前記暖房状態に切り替える暖房運転とを択一的に行うとともに、前記暖房運転を行うに当り、暖房負荷が設定負荷未満或いは外気温度が設定温度以上となる場合には前記暖房バイパス切替手段を前記バイパス状態に切り替え、且つ、暖房負荷が設定負荷以上或いは外気温度が設定温度未満となる場合には前記暖房バイパス切替手段を前記非バイパス状態に切り替える運転制御手段が設けられている請求項３に記載の圧縮式ヒートポンプ装置。
5. 前記圧縮機が、エンジンにより駆動されるように構成され、
   前記冷媒の熱交換対象を空調用媒体とする空調用媒体熱交換器と、
   前記冷媒の熱交換対象を前記エンジンの排熱を回収した排熱回収流体とする排熱熱交換器と、
   前記圧縮機で圧縮後の冷媒を前記空気熱交換器と前記地中熱熱交換器との順に夫々を通過させて前記空気熱交換器及び前記地中熱熱交換器を前記凝縮器として機能させ且つ前記膨張部で膨張後の冷媒を前記空調用媒体熱交換器を通過させて前記空調用媒体熱交換器を前記蒸発器として機能させる冷房状態と、前記圧縮機で圧縮後の冷媒を前記空調用媒体熱交換器を通過させて前記空調用媒体熱交換器を前記凝縮器として機能させ且つ前記膨張部で膨張後の冷媒を前記地中熱熱交換器と前記排熱熱交換器との順に夫々を通過させて前記地中熱熱交換器及び前記排熱熱交換器を前記蒸発器として機能させる暖房状態とに、前記冷媒回路における冷媒の循環状態を切替自在な第２切替手段とが設けられている請求項１又は２に記載の圧縮式ヒートポンプ装置。
6. 前記冷媒回路において、前記空気熱交換器と前記排熱熱交換器とが並列状態で設けられ且つ前記空気熱交換器及び前記排熱熱交換器に対して前記地中熱熱交換器が直列状態で設けられている請求項５に記載の圧縮式ヒートポンプ装置。
7. 前記第２切替手段が、前記暖房状態において、前記膨張部で膨張後の冷媒を前記空気熱交換器と前記地中熱熱交換器と前記排熱熱交換器との順に夫々を通過させ、前記空気熱交換器と前記地中熱熱交換器と前記排熱熱交換器との夫々が前記蒸発器として機能する請求項５に記載の圧縮式ヒートポンプ装置。
8. 前記冷媒が、非共沸混合媒体である請求項１〜７の何れか１項に記載の圧縮式ヒートポンプ装置。

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