JP2005351538A - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の吐出圧力上昇もなく、高効率で貯湯槽の下部まで高温湯を貯湯し、貯湯槽の容量を有効に利用可能であり、また、高外気温時にも、高効率で高温の給湯水温を生成することができるヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。
【解決手段】圧縮機３１、放熱器３２、主絞り装置３３、蒸発器３４を順次接続し、前記放熱器３２と前記主絞り装置３３の間の冷媒と前記蒸発器３４と前記圧縮機３１の間の冷媒とを熱交換する補助熱交換器３８と、前記蒸発器３４と前記補助熱交換器３８との間、または、前記補助熱交換器３８と前記圧縮機３１との間に開閉弁３９または副絞り装置と、前記補助熱交換器３８をバイパスするように前記蒸発器３４と前記圧縮機３１とを接続する接続部４０とを設けたもので、前記補助熱交換器３８での熱交換量を増減でき、圧縮機３１の吐出圧力と吐出温度を制御して、生成する給湯水温度に適した高効率な運転が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明はヒートポンプ給湯装置に関するものである。

従来、この種のヒートポンプ給湯装置は、図３に示すものがある。図３は従来のヒートポンプ給湯機のサイクル構成図である。図３において、圧縮機１、給湯用熱交換器２、絞り装置３、蒸発器４からなる冷媒循環回路と、貯湯槽５、循環ポンプ６、前記給湯用熱交換器２、補助加熱器１９を接続した給湯回路からなり、前記圧縮機１より吐出された高温高圧の過熱ガス冷媒は前記給湯用熱交換器２に流入し、ここで前記循環ポンプ６から送られてきた給湯水を加熱する。

そして、凝縮液化した冷媒は前記絞り装置３で減圧され、前記蒸発器４に流入し、ここで大気熱を吸熱して蒸発ガス化し、前記圧縮機１にもどる。一方、前記給湯用熱交換器２で加熱された湯は前記貯湯槽５の上部に流入し、上から次第に貯湯されていく。そして、前記給湯用熱交換器２の入口水温が設定値に達すると水温検知器２０が検知し、前記圧縮機１によるヒートポンプ運転を停止して、前記補助加熱器１９の単独運転に切り換えるものである（たとえば特許文献１参照）。
特開昭６０−１６４１５７号公報

しかしながら、上記のような従来の構成では、沸き上げ運転時間の経過とともに貯湯槽５内の湯と水の接する部分で湯水混合層が生じ、その層は次第に拡大していく。これは、高温湯と低温水の熱伝導および対流により発生するものであり、高温湯から低温水へ伝熱されその境界部分で高温湯は温度低下し、逆に低温水は温度上昇する。従って、沸き上げ運転完了近くになると、前記給湯用熱交換器２に流入する水温は高くなるため、前記圧縮機１の吐出圧力が上昇して、前記圧縮機１の耐久性が課題となる。

そのため、前記給湯用熱交換器に流入する水温が低い状態で運転を停止していたため、前記貯湯槽５の下部が低温の水の状態で運転を停止することになり、前記貯湯槽５の湯容量を有効に利用できず、そのため、貯湯熱量は減少していた。また、貯湯熱量を増加するため、ヒートポンプ運転を停止した後、補助加熱器１９の単独運転で貯湯熱量を増加する場合には、電気ヒータで加熱するため、消費電力が大きくなり、効率が悪くなっていた。

さらにまた、外気温度が高い場合、給湯水温を高く維持するためには、前記圧縮機１の吐出温度を高く維持する必要があるが、外気温度が高いため、蒸発温度が上昇し、前記圧縮機１の圧縮比が小さくなって吐出温度が上昇しないため、高温の給湯水温を得ることができなかった。また、この場合、従来は、絞り装置の開度を小さくして、冷媒を流れにくくし、圧縮機の吐出圧力を上昇、吸入圧力を低下させて圧縮比を大きくして吐出温度を上昇させていたので、効率の悪い運転となっていた。

本発明は前記従来の課題を解決するものであり、圧縮機の吐出圧力上昇もなく、高効率で貯湯槽の下部まで高温湯を貯湯し、貯湯槽の容量を有効に利用可能であり、また、高外気温時にも、高効率で高温の給湯水温を生成することができるヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯装置は、少なくとも圧縮機、放熱器、主絞り装置、蒸発器を順次接続した冷媒回路を備え、前記冷媒回路に、前記放熱器と前記主絞り装置の間の冷媒と前記蒸発器と前記圧縮機の間の冷媒とを熱交換する補助熱交換器と、前記蒸発器と前記補助熱交換器との間、または、前記補助熱交換器と前記圧縮機との間に開閉弁または副絞り装置と、前記補助熱交換器をバイパスするように前記蒸発器と前記圧縮機とを接続する接続部とを設けたことを特徴とするもので、前記補助熱交換器での熱交換量を増減でき、圧縮機の吐出圧力と吐出温度を制御して、生成する給湯水温度に適した高効率な運転が可能となる。

本発明によれば、圧縮機の吐出圧力上昇もなく、高効率で貯湯槽の下部まで高温湯を貯湯し、貯湯槽の容量を有効に利用可能であり、また、高外気温時にも、高効率で高温の給湯水温を生成することができるヒートポンプ給湯装置を提供できる。

第１の発明は、少なくとも圧縮機、放熱器、主絞り装置、蒸発器を順次接続した冷媒回路を備え、前記冷媒回路に、前記放熱器と前記主絞り装置の間の冷媒と前記蒸発器と前記圧縮機の間の冷媒とを熱交換する補助熱交換器と、前記蒸発器と前記補助熱交換器との間、または、前記補助熱交換器と前記圧縮機との間に開閉弁または副絞り装置と、前記補助熱交換器をバイパスするように前記蒸発器と前記圧縮機とを接続する接続部とを設けたことを特徴とするもので、前記補助熱交換器での熱交換量を増減でき、蒸発器入口の冷媒乾き度と圧縮機吸入ガス温度とを制御して、圧縮機の吐出圧力と吐出温度を制御することが可能となり、高効率な運転が可能となる。

第２の発明は、少なくとも貯湯槽、放熱器を順次接続した給湯回路を備え、前記貯湯槽より前記放熱器に流入する給湯水の温度を検知する入水温度センサーと、前記入水温度センサーの検知温度と予め設定された入水温度値とを比較して、前記開閉弁の開閉または前記副絞り装置の開度を制御する制御装置とを設けたことを特徴とするもので、前記入水温度に応じて、前記補助熱交換器での熱交換量を増減でき、蒸発器入口の冷媒乾き度と圧縮機吸入ガス温度とを制御して、圧縮機の吐出圧力と吐出温度を制御することが可能となり、生成する給湯水温度に適した高効率な運転が可能となる。

また、沸き上げ運転完了近くになって入水温度が高くなった場合にも、圧縮機の吐出圧力や吐出温度を低減しながら、給湯水を容易に高温に加熱することができ、ヒートポンプを安全にかつ高効率で運転できる。また、貯湯槽の下部まで高温湯を貯湯でき、貯湯槽の容量を有効に利用できる。

第３の発明は、制御装置は、入水温度センサーの検知温度と予め設定された入水温度値とを比較して、前記入水温度センサーの検知温度が、予め設定された入水温度値より高い場合に、前記開閉弁を開放または前記副絞り装置の開度を大きくすることを特徴とするもので、入水温度が高く高温給湯が必要な場合に、前記補助熱交換器に流入する吸入ガス冷媒循環量を多くして熱交換量を増加でき、蒸発器入口の乾き度を低くして、そこでの冷媒ホールド量を多くでき、圧縮機の吐出圧力を低く維持したまま高温給湯を高効率で生成することができる。

第４の発明は、放熱器出口の冷媒温度を検知する冷媒温度センサーと、前記冷媒温度センサーの検知温度と予め設定された冷媒温度値とを比較して、前記開閉弁の開閉または前記副絞り装置の開度を制御する制御装置とを設けたことを特徴とするもので、前記放熱器出口冷媒温度に応じて、前記補助熱交換器での熱交換量を増減でき、蒸発器入口の冷媒乾き度と圧縮機吸入ガス温度とを制御して、圧縮機の吐出圧力と吐出温度を制御することが
可能となり、生成する給湯水温度に適した高効率な運転が可能となる。

また、沸き上げ運転完了近くになって入水温度が高くなった場合にも、圧縮機の吐出圧力や吐出温度を低減しながら、給湯水を容易に高温に加熱することができ、ヒートポンプを安全にかつ高効率で運転できる。また、貯湯槽の下部まで高温湯を貯湯でき、貯湯槽の容量を有効に利用できる。

第５の発明は、制御装置は、冷媒温度センサーの検知温度が、予め設定された冷媒温度値より高い場合に、前記開閉弁を開放または前記副絞り装置の開度を大きくすることを特徴とするもので、入水温度が高く、高温給湯が必要な場合に、前記補助熱交換器に流入する吸入ガス冷媒循環量を多くして熱交換量を増加でき、蒸発器入口の乾き度を低くして、そこでの冷媒ホールド量を多くでき、圧縮機の吐出圧力を低く維持したまま、高温給湯を高効率で生成することができる。

第６の発明は、圧縮機より吐出される冷媒温度を検知する吐出温度センサーと、前記吐出温度センサーの検知温度と予め設定された吐出温度値とを比較して、前記開閉弁の開閉または前記副絞り装置の開度を制御する制御装置とを設けたことを特徴とするもので、前記開閉弁の開閉、または前記副絞り装置の開度を増減することにより、前記補助熱交換器での熱交換量を制御でき、給湯温度に適した吐出温度に制御することが可能となる。

第７の発明は、制御装置は、吐出温度センサーの検知温度が、予め設定された吐出温度値より低い場合に、前記開閉弁を開放または前記副絞り装置の開度を大きくすることを特徴とするもので、外気温度が高く、高温給湯が必要な場合に、前記補助熱交換器での熱交換量を増加でき、圧縮機の吸入温度を高くすることにより、吐出温度を高くすることができ、高温給湯に適した運転が可能となる。

第８の発明は、冷媒として炭酸ガスを用いたもので、給湯水の高温化を高効率で実現すると共に、冷媒が外部に漏れた場合にも、地球温暖化への影響は非常に少なくなる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。なお、各実施の形態において、同じ構成、同じ動作をする部分については同一符号を付与し、詳細な説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置とその制御方法の構成図を示すものである。

図１において、圧縮機３１、放熱器３２、主絞り装置３３、蒸発器３４を順に環状に接続し、冷媒として炭酸ガスを封入して冷媒循環回路を形成し、蒸発器３４は外気を送風するためのファン３５を備えている。また、貯湯槽３６、循環ポンプ３７、放熱器３２を順に接続した給湯回路を形成しており、圧縮機３１より吐出された高温高圧の過熱ガス冷媒は放熱器３２に流入し、ここで循環ポンプ３７から送られてきた給湯水を加熱するようになっている。さらに、放熱器３２と主絞り装置３３の間の配管と、蒸発器３４と圧縮機３１との間の配管は、補助熱交換器３８を介して間接的に熱交換するようにしている。また、蒸発器３４と補助熱交換器３８の間には開閉弁３９が設けられ、また、補助熱交換器３８をバイパスするように、蒸発器３４と圧縮機３１を直接接続する配管４０が設けられている。

さらに、循環ポンプ３７より放熱器３２に流入する給湯水の入水温度を検知する入水温度センサー４１と、その温度を検知し開閉弁３７の開閉を制御する制御装置４２が設けら
れている。この制御装置４２は、入水温度センサー４１の温度と、予め設定された温度とを比較して、入水温度が設定温度より高い場合に開閉弁３９を開放するように制御する。また、冷媒としては炭酸ガスが封入されている。

以上のように構成されたヒートポンプ給湯装置とその制御方法について、以下その動作、作用を説明する。

圧縮機３１で高温高圧の超臨界状態に圧縮された冷媒（炭酸ガス）は、放熱器３２で給湯回路を流れる水と熱交換し、自らは中温高圧の冷媒となり、補助熱交換器３８を通過して、主絞り装置３３で減圧された後、蒸発器３４に流入し、ここでファン３５で送風された外気と熱交換して蒸発ガス化する。

通常の場合、循環ポンプ３７で送られた給湯水の入水温度は低く、その場合には開閉弁３９は閉止している。そのため、冷媒は補助熱交換器３８を通ることなく、すべて配管４０を通って圧縮機３１にもどる通常のヒートポンプサイクルで運転される。

一方、循環ポンプ３７で送られた給湯水は放熱器３２で加熱され、生成した湯は貯湯槽３６の上部に流入し、上から次第に貯湯されていく。

一方、沸き上げ運転時間の経過とともに貯湯槽３６内の湯と水の接する部分で湯水混合層が生じ、その層は貯湯槽３６の下部に拡大し、沸き上げ運転完了近くになると、貯湯槽３６下部より循環ポンプ３７を経て、放熱器３２に流入する水温は高くなってくる。この場合、入水温度センサー４１で検知した入水温度が制御装置４２にあらかじめ設定してある温度よりも上昇した場合には、開閉弁３９を開放する方向に動作させる。こうすることにより、蒸発器３４を出た比較的低温の冷媒の一部は開閉弁３９を通って補助熱交換器３８に流入する。

一方、圧縮機３１より吐出した高温高圧の冷媒は、放熱器３２で高温の給湯水と熱交換した後、補助熱交換器３８に流入し、ここで、蒸発器３４を出た比較的低温の冷媒の一部と熱交換して、その温度が低下してエンタルピーが減少する。

このように入水温度が高い場合、通常のヒートポンプサイクルの場合、放熱器３２の出口温度も上昇し、放熱器３２および蒸発器３４の冷媒ホールド量が減少するため高圧が上昇する傾向にあるが、本発明のように、補助熱交換器３８で蒸発器３４を出た低温の冷媒と熱交換して、放熱器３２を出た冷媒を冷却することにより、冷媒エンタルピーが減少してその密度が増加し、また、蒸発器３４入口の乾き度も減少して蒸発器３４の冷媒ホールドが増加するため、高圧は上昇することなくヒートポンプサイクルを安全に運転できる。したがって、入水温度が高くなっても連続運転ができるので、貯湯槽３６の下部まで高温湯を貯湯でき、貯湯槽３６の容量を有効に利用できる効果がある。

また、開閉弁３９を開放することにより、蒸発器３４から圧縮機３１までの冷媒通路面積が拡大して、その間の圧力損失が減少し、圧縮機３１の吸入圧力が上昇して圧縮機３１での圧縮比が低減され、圧縮動力が減少するので、高効率な運転が可能となる。

一方、入水温度センサー４１で検知した入水温度が制御装置４２にあらかじめ設定してある温度よりも低下した場合には、開閉弁３９を閉止する方向に動作させる。こうすることにより、蒸発器３４を出た冷媒は開閉弁３９を通って補助熱交換器３８には流れず、すべて配管３９を通って圧縮機３１に吸入される通常の高効率なヒートポンプサイクルで運転される。なお、入水温度が低い通常運転時に、開閉弁３９を開放のまま運転した場合には、圧縮機３１の吸入ガス温度が、最適な状態とはならないため、本発明のように入水温
度が高い場合に開閉弁３９を開放することが望ましい。、
また、開閉弁３９は副絞り装置としても同様な効果があり、この場合には、入水温度センサー４１で検知した入水温度が制御装置４２にあらかじめ設定してある温度よりも上昇した場合には、副絞り装置の開度を大きくする（開く）方向に動作させる。こうすることにより、同じく、蒸発器３４を出た比較的低温の冷媒の一部が副絞り装置を通って補助熱交換器３８に流入し、同様な作用により、入水温度が高くなっても、安全に、かつ高効率な運転ができる。

なお、ここにおいては、補助熱交換器３８は、管と管をロー付してある構成や、二重管の構成などの形態でもよく、これらは、すべて本発明に含まれる。
また、開閉弁３９は、補助熱交換器３８と圧縮機３１の間に設けても同様な効果を有し、これらも本発明に含まれる。

さらに、入水温度センサー４１に代わって、放熱器３２の出口冷媒温度としても良い。すなわち、入水温度が高い場合には、放熱器出口冷媒温度も高くなり、温度の上昇下降の傾向は同様になるため、これらも本発明に含まれる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の構成図を示すものである。図２において、実施の形態1で示した図１と同様の構成で同様の機能を有する部品については同一の番号を付してある。

本実施の形態においては、圧縮機３１の吐出ガス温度を検知する吐出温度センサー５１と、その温度を検知し副絞り装置５２の開度を制御する制御装置５３が設けられている。この、制御装置５３は、吐出温度センサー５１の温度と、予め設定された吐出温度とを比較して、吐出温度が設定温度より低い場合に副絞り装置５２の開度を大きくするように制御する。また、冷媒としては炭酸ガスが封入されている。

以上のように構成されたヒートポンプ給湯装置について、以下その動作、作用を説明する。

圧縮機３１で高温高圧の超臨界状態に圧縮された冷媒（炭酸ガス）は、放熱器３２で給湯回路を流れる水と熱交換し、自らは中温高圧の冷媒となり、補助熱交換器３８を通過して、主絞り装置３３で減圧された後、蒸発器３４に流入し、ここでファン３５で送風された外気と熱交換して蒸発ガス化する。

外気温度が比較的低い場合、蒸発器３４での蒸発温度も低いため、圧縮機３１の吸入圧力は低下し、圧縮機３１での圧縮比が大きくとれるので、圧縮機３１の吐出温度は高くなり、高温の給湯が容易に生成できる。

一方、外気温度が高い場合には、蒸発器３４での蒸発温度も高くなるため、圧縮機３１の吸入圧力は上昇し、圧縮機３１での圧縮比が小さくなるので、圧縮機３１の吐出温度は高くできず、高温の給湯が生成できない。そのため、従来は、主絞り装置３３の開度をさらに小さくして、冷媒を流れにくくして、圧縮機３１の吐出圧力を上昇、吸入圧力を低下させて圧縮比を大きくして吐出温度を上昇させていた。

本発明では、吐出温度センサー５１の温度と、予め設定された吐出温度とを比較して、吐出温度が設定温度より低い場合に副絞り装置５２の開度を大きくするように制御する。そうすることにより、蒸発器３４を出た比較的低温の冷媒の一部は開閉弁３９を通って補助熱交換器３８に流入する。

一方、圧縮機３１より吐出した高温高圧の冷媒は、放熱器３２で給湯水と熱交換した後、補助熱交換器３８に流入し、ここで、蒸発器３４を出た比較的低温の冷媒の一部と熱交換して、蒸発器３４を出たの冷媒温度を上昇させ、過熱度が高くなった状態で圧縮機３１に吸入される。こうすることにより、主絞り装置３３の開度を小さくして、圧縮機３１の吐出圧力を上昇、吸入圧力を低下させて圧縮比を大きくすることなく、吐出温度を上昇させることができるので、高効率な運転で高温の給湯水が生成できる。したがって、外気温が高い場合にも、給湯水を容易に高温に加熱することができ、ヒートポンプを安全にかつ高効率で運転でき、貯湯槽の容量を有効に利用できる効果がある。

また、副絞り装置５２を開放することにより、蒸発器３４から圧縮機３１までの冷媒通路面積が拡大して、その間の圧力損失が減少し、圧縮機３１の吸入圧力が上昇して圧縮機３１での圧縮比がさらに低減され、圧縮動力が減少するので、高効率な運転が可能となる。

一方、吐出温度センサー５１の温度と、予め設定された吐出温度とを比較して、吐出温度が設定温度より高い場合には、副絞り装置５２の開度を小さくするように制御する。こうすることにより、蒸発器３４を出た冷媒は開閉弁３９を通って補助熱交換器３８には流れず、ほとんどの冷媒が配管３９を通って圧縮機３１に吸入されるため、吸入ガス冷媒が過度に温度上昇することはなくなり、通常の高効率なヒートポンプサイクルで運転される。

また、副絞り装置３９は開閉弁としても同様な効果があり、この場合には、吐出温度センサー５１の温度と、予め設定された吐出温度とを比較して、吐出温度が設定温度より低い場合に開閉弁を開放するように制御する。こうすることにより、主絞り装置３３の開度を小さくして、圧縮機３１の吐出圧力を上昇、吸入圧力を低下させて圧縮比を大きくすることなく、吐出温度を上昇させることができるので、高効率な運転で高温の給湯水が生成できる。

なお、ここにおいては、補助熱交換器３８は、管と管をロー付してある構成や、二重管の構成などの形態でもよく、これらは、すべて本発明に含まれる。また、副絞り装置５２は、補助熱交換器３８と圧縮機３１の間に設けても同様な効果を有し、これらも本発明に含まれる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯装置は、冷媒回路の圧縮機の吐出圧力を低減しながら、給湯水を容易に高温に加熱することができが可能となるので、高温を得るヒートポンプ給湯機や高温風を得る空調機等に有用である。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯装置の構成図 本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ給湯装置の構成図 従来のヒートポンプ給湯装置の構成図

符号の説明

３１ 圧縮機
３２ 放熱器
３３ 主絞り装置
３４ 蒸発器
３５ ファン
３６ 貯湯槽
３７ 循環ポンプ
３８ 補助熱交換器
３９ 開閉弁
４０ 配管
４１ 入水温度センサー
４２、５３ 制御装置
５１ 吐出温度センサー
５２ 副絞り装置

Claims (8)

1. 少なくとも圧縮機、放熱器、主絞り装置、蒸発器を順次接続した冷媒回路を備え、前記冷媒回路に、前記放熱器と前記主絞り装置の間の冷媒と前記蒸発器と前記圧縮機の間の冷媒とを熱交換する補助熱交換器と、前記蒸発器と前記補助熱交換器との間、または、前記補助熱交換器と前記圧縮機との間に開閉弁または副絞り装置と、前記補助熱交換器をバイパスするように前記蒸発器と前記圧縮機とを接続する接続部とを設けたことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
2. 少なくとも貯湯槽、放熱器を順次接続した給湯回路を備え、前記貯湯槽より前記放熱器に流入する給湯水の温度を検知する入水温度センサーと、前記入水温度センサーの検知温度と予め設定された入水温度値とを比較して、前記開閉弁の開閉または前記副絞り装置の開度を制御する制御装置とを設けたことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ給湯装置。
3. 制御装置は、入水温度センサーの検知温度と予め設定された入水温度値とを比較して、前記入水温度センサーの検知温度が、予め設定された入水温度値より高い場合に、前記開閉弁を開放または前記副絞り装置の開度を大きくすることを特徴とする請求項２記載のヒートポンプ給湯装置。
4. 放熱器出口の冷媒温度を検知する冷媒温度センサーと、前記冷媒温度センサーの検知温度と予め設定された冷媒温度値とを比較して、前記開閉弁の開閉または前記副絞り装置の開度を制御する制御装置とを設けたことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ給湯装置。
5. 制御装置は、冷媒温度センサーの検知温度が、予め設定された冷媒温度値より高い場合に、前記開閉弁を開放または前記副絞り装置の開度を大きくすることを特徴とする請求項４記載のヒートポンプ給湯装置。
6. 圧縮機より吐出される冷媒温度を検知する吐出温度センサーと、前記吐出温度センサーの検知温度と予め設定された吐出温度値とを比較して、前記開閉弁の開閉または前記副絞り装置の開度を制御する制御装置とを設けたことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ給湯装置。
7. 制御装置は、吐出温度センサーの検知温度が、予め設定された吐出温度値より低い場合に、前記開閉弁を開放または前記副絞り装置の開度を大きくすることを特徴とする請求項６記載のヒートポンプ給湯装置。
8. 冷媒として炭酸ガスを用いたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。

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