JP2000154942A - 給湯用ヒートポンプサイクル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 気液２相状態の冷媒が減圧器に流入しまうこ
とを防止しつつ、高温の給湯水を得る。 【解決手段】 高温の温水供給時には、減圧器３に流入
する高圧冷媒と空気熱交換器４から流出する低圧冷媒と
を熱交換し、低温の温水供給時には、高圧冷媒と低圧冷
媒との間で熱交換を行わない。これにより、高圧冷媒と
低圧冷媒とを熱交換するときは、水熱交換器２中の気相
冷媒の占める割合が大きくなり、高温の温水を得ること
ができる。したがって、高温の温水を得る場合であって
も、減圧器３には、凝縮又は過冷却された液相冷媒が流
入するので、給湯用ヒートポンプサイクルが安定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヒートポンプサイ
クルにて給湯水を加熱する給湯用ヒートポンプサイクル
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】給湯用ヒートポンプサイクルとして、例
えば特開平９−２６４６３２号公報に記載の発明では、
高温の高圧冷媒と給湯水とを熱交換する水熱交換器（凝
縮器）の冷媒出口側に液相冷媒を吸収する冷媒バッファ
を設けて、水熱交換器内の液相冷媒量を減少させること
で、高温の給湯水を得ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記公報に記
載の給湯用ヒートポンプサイクルでは、冷媒バッファに
て液相冷媒を吸収するので、気液２相状態の冷媒が減圧
器に流入してしまうおそれがある。このため、ヒートポ
ンプサイクルが不安定となるとともに、蒸発器入口での
冷媒の乾き度が大きくなるので、ヒートポンプサイクル
の能力及び成績係数（ＣＯＰ）が悪化してしまう。

【０００４】本発明は、上記点に鑑み、気液２相状態の
冷媒が減圧器に流入しまうことを防止しつつ、高温の給
湯水を得ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、以下の技術的手段を用いる。請求項１に
記載の発明では、圧縮機（１）から吐出する冷媒と給湯
水とを熱交換する水熱交換器（２）と、水熱交換器
（２）から流出する冷媒を減圧する減圧器（３）と、減
圧器（３）から流出する冷媒と空気とを熱交換し、その
熱交換した冷媒を圧縮機（１）の吸入側に向けて流出す
る空気熱交換器（４）と、減圧器（３）に流入する高圧
冷媒と空気熱交換器（４）から流出する低圧冷媒とを熱
交換する場合と、高圧冷媒と低圧冷媒とを熱交換させな
い場合とを切り換える切換手段（６、７）とを備えるこ
とを特徴とする。

【０００６】これにより、高圧冷媒と低圧冷媒とを熱交
換することにより、後述するように、高圧冷媒で行われ
る熱交換のうち水熱交換器（２）で行われる熱交換の占
める割合が小さくなるので、水熱交換器（２）中の気相
冷媒の占める割合が大きくなり、高温の温水を得ること
ができる。したがって、本発明では、高温水を得る場合
であっても、減圧器（３）には、高圧冷媒と低圧冷媒と
を熱交換することにより凝縮又は過冷却された液相冷媒
が流入するので、給湯用ヒートポンプサイクルが安定す
る。延いては、圧縮機（１）から見た（熱）負荷の変動
が小さくなるので、圧縮機（１）の耐久性（信頼性）が
向上する。

【０００７】また、高温水を得る場合であっても、減圧
器（３）には液相冷媒が流入するので、上記公報に記載
の発明に比べて、空気熱交換器（４）入口での冷媒の乾
き度が小さくなるので、給湯用ヒートポンプサイクルの
能力及び成績係数（ＣＯＰ）が悪化してしまうことを防
止できる。請求項２に記載の発明では、圧縮機（１）か
ら吐出する冷媒と給湯水とを熱交換する水熱交換器
（２）と、水熱交換器（２）から流出する冷媒を減圧す
る減圧器（３）と、減圧器（３）から流出する冷媒と空
気とを熱交換し、その熱交換した冷媒を圧縮機（１）の
吸入側に向けて流出する空気熱交換器（４）と、減圧器
（３）に流入する高圧冷媒と前記空気熱交換器（４）か
ら流出する低圧冷媒とを熱交換する冷媒熱交換器（５）
と、水熱交換器（２）から流出する冷媒を冷媒熱交換器
（５）を迂回させて減圧器（３）に導くバイパス通路
（６）を開閉する弁手段（７）とを備えることを特徴と
する。

【０００８】これにより、高圧冷媒と低圧冷媒とを熱交
換する場合と、高圧冷媒と低圧冷媒とを熱交換させない
場合とを切り換えることができるので、請求項１に記載
の発明と同様に、給湯用ヒートポンプサイクルを安定さ
せて圧縮機（１）の耐久性（信頼性）を向上させつつ、
給湯用ヒートポンプサイクルの能力及び成績係数（ＣＯ
Ｐ）が悪化してしまうことを防止できる。

【０００９】因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後
述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す
一例である。

【００１０】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）本実施形態は、
温水及び冷水を供給すことができる給湯器に本発明に係
る給湯用ヒートポンプサイクル（以下、ヒートポンプと
略す。）を適用したものであって、図１はヒートポンプ
の模式図である。

【００１１】図１中、１は冷媒を吸入圧縮する圧縮機で
あり、２は冷媒と給湯水とを熱交換する水熱交換器であ
る。３は圧縮機１にて圧縮された高圧冷媒を減圧する減
圧器であり、この減圧器３は、キャピラリチューブのご
とく、開度が固定された固定絞りである。なお、圧縮機
１は電動モータ（図示せず）にて略一定回転数にて駆動
されている。

【００１２】また、４は冷媒と空気とを熱交換する空気
熱交換器であり、５は減圧器３に流入する高圧冷媒と空
気熱交換器４から流出する低圧冷媒とを熱交換する冷媒
熱交換器である。６は水熱交換器２から流出する冷媒を
冷媒熱交換器５を迂回させて減圧器３に導くバイパス通
路であり、７はバイパス通路６を開閉する電磁弁（弁手
段）である。そして、電磁弁７は、水熱交換器２に循環
させる給湯水量を調節する流量調整弁８と連動して電子
制御装置９により制御される。

【００１３】また、１０は圧縮機１から吐出する冷媒
を、水熱交換器２に向けて流通させる場合と空気熱交換
器４に向けて流通させる場合とを切り換える切換弁であ
り、１１はヒートポンプサイクル中の余剰冷媒を蓄える
とともに、冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相
冷媒を圧縮機１の吸入側に向けて流出するアキュムレー
タである。

【００１４】なお、１２、１３は冷媒が一方向にのみ流
通することを許容する逆止弁であり、１４は水熱交換器
４に空気を送風する送風機である。１５は水熱交換器２
にて冷媒と熱交換した給湯水を保温貯蔵する保温タンク
であり、この保温タンク１５は、内側タンクと外側タン
クとの間が略真空となった真空二重タンクである。次
に、本実施形態の作動を述べる。

【００１５】１．低温の温水を保温タンク１５に給水す
る場合（図１参照） 圧縮機１から吐出する冷媒を水熱交換器２に向けて流通
させるように切換弁１０を作動させるとともに、電磁弁
７を開く。これにより、圧縮機１から吐出した冷媒は、
水熱交換器２、及びバイパス通路６を経由して減圧器３
に流入し、その後、減圧器３にて減圧された減圧された
冷媒は、空気熱交換器４、アキュムレータ１１を経由し
て圧縮機１に吸入される。

【００１６】なお、逆止弁１３が設けられているため、
水熱交換器２から流出した冷媒は、必ず、バイパス通路
６を経由して減圧器３に到達する。また、圧縮機１から
吐出した冷媒はバイパス通路６を経由して減圧器３に流
入するので、減圧器３に流入する高圧冷媒と空気熱交換
器４から流出する低圧冷媒とは熱交換されない。このと
き、水熱交換器２には、圧縮機１から吐出した高温高圧
の冷媒が流入するので、給湯水が冷媒により加熱され
る。一方、冷媒は給湯水により冷却されるので、図４
（ａ）に示すように、水熱交換器２内を流通する冷媒
は、凝縮（液化）していく。

【００１７】また、空気熱交換器４には、減圧器３にて
低温低圧となった冷媒が流入するので、図４（ａ）に示
すように、空気熱交換器４内を流通する冷媒は、空気か
ら熱を奪って蒸発（気化）する。 ２．高温の温水を保温タンク１５に給水する場合（図２
参照） 圧縮機１から吐出する冷媒を水熱交換器２に向けて流通
させるように切換弁１０を作動させるとともに、電磁弁
７を閉じる。

【００１８】これにより、圧縮機１から吐出した冷媒
は、水熱交換器２、及び冷媒熱交換器５を経由して減圧
器３に流入し、その後、減圧器３にて減圧された冷媒
は、空気熱交換器４、アキュムレータ１１を経由して圧
縮機１に吸入される。なお、逆止弁１３が設けられてい
るため、水熱交換器２から流出した冷媒は、必ず、バイ
パス通路６を経由して減圧器３に到達する。

【００１９】このとき、水熱交換器２には、圧縮機１か
ら吐出した高温高圧の冷媒が流入するので、給湯水が冷
媒により加熱される。一方、冷媒は給湯水により冷却さ
れるので、図４（ｂ）に示すように、水熱交換器２内を
流通する冷媒は、凝縮（液化）していく。また、空気熱
交換器４には、減圧器３にて低温低圧となった冷媒が流
入するので、図４（ｂ）に示すように、空気熱交換器４
内を流通する冷媒は、空気から熱を奪って蒸発（気化）
する。

【００２０】ところで、高温の温水を保温タンク１５に
給水する場合（以下、高温水供給時と略す。）には、減
圧器３に流入する高圧冷媒と空気熱交換器４から流出す
る低圧冷媒との間で熱交換が行われるので、高圧冷媒
は、図４（ｂ）に示すように、水熱交換器２にて冷却及
び凝縮した後、冷媒熱交換器５にて凝縮又は過冷却され
ることとなる。

【００２１】一方、低温の温水を保温タンク１５に給水
する場合（以下、低温水供給時と略す。）には、高圧冷
媒と低圧冷媒との間で熱交換が行われないので、高圧冷
媒は、図４（ａ）に示すように、水熱交換器２にて冷却
及び凝縮又は過冷却されることとなる。したがって、高
温水供給時に給湯水と熱交換する冷媒（水熱交換器２内
の冷媒）の相状態と、低温水供給時に給湯水と熱交換す
る冷媒（水熱交換器２内の冷媒）の相状態とを比較する
と、高温水供給時の方が低温水供給時に比べて、水熱交
換器２内の気相冷媒の占める割合（水熱交換器２内の平
均乾き度）が大きくなる。

【００２２】このため、高温水供給時の方が低温水供給
時に比べて、水熱交換器２内の平均温度が高くなるとと
もに、水熱交換器２内に存在する冷媒の平均熱伝達率が
大きくなるので、高温水供給時の方が低温水供給時に比
べて、高温の温水を保温タンク１５に供給することがで
きる。ところで、図４（ａ）、（ｂ）から明らかなよう
に、水熱交換器２にて冷媒から給湯水に与えることがで
きる熱量は、高温水供給時の方が低温水供給時に比べて
小さいので、電磁弁７を閉じて高温水を供給するときに
は、電磁弁７の作動に連動して流量調整弁８を作動させ
て、電磁弁７を開いて低温水を供給するときに比べて、
水熱交換器２を循環させる給湯水量を減少させる。

【００２３】３．冷水を保温タンク１５に供給する場合
（図３参照） 圧縮機１から吐出する冷媒を空気熱交換器４に向けて流
通させるように切換弁１０を作動させる。これにより、
圧縮機１から吐出した冷媒は、空気熱交換器４を経由し
て減圧器３に流入し、その後、減圧器３にて減圧された
減圧された冷媒は、水熱交換器２、アキュムレータ１１
を経由して圧縮機１に吸入される。

【００２４】このとき、ヒートポンプサイクル中、圧縮
機１の吸入側が最も圧力が低くなる加えて、逆止弁１２
が設けられているので、減圧器３から流出した冷媒を冷
媒熱交換器５を経由しないで、水熱交換器２に流入す
る。このため、水熱交換器２には、減圧器３にて低温低
圧となった冷媒が流入するので、水熱交換器内２を流通
する冷媒は、給湯水から熱を奪って給湯水を冷却して蒸
発する。一方、空気熱交換器４内を流通する冷媒は、空
気にて冷却されて凝縮していく。

【００２５】次に、本実施形態の特徴を述べる。上記公
報に記載のヒートポンプでは、冷媒バッファにて液相冷
媒を吸収することにより強制的に水熱交換器中の気相冷
媒の占める割合を大きくして、高温の温水を得ていたの
に対して、本実施形態では、冷媒熱交換器５にて高圧冷
媒と低圧冷媒とを熱交換することにより、高圧冷媒で行
われる熱交換のうち水熱交換器２で行われる熱交換の占
める割合を小さくすることによって、水熱交換器２中の
気相冷媒の占める割合を大きくして高温の温水を得てい
る。

【００２６】したがって、本実施形態では、高温水供給
時であっても、減圧器３には冷媒熱交換器５にて凝縮又
は過冷却された液相冷媒が流入するので、ヒートポンプ
が安定する。延いては、圧縮機１から見た（熱）負荷の
変動が小さくなるので、圧縮機１の耐久性（信頼性）が
向上する。また、高温水供給時であっても減圧器３には
液相冷媒が流入するので、上記公報に記載の発明に比べ
て、空気熱交換器４（蒸発器）入口での冷媒の乾き度が
小さくなるので、ヒートポンプの能力及び成績係数（Ｃ
ＯＰ）が悪化してしまうことを防止できる。

【００２７】（第２実施形態）上述の実施形態では、減
圧器３に流入する前の高圧冷媒と、減圧器３から流出す
る低圧冷媒のうち空気熱交換器４から流出する冷媒とを
冷媒熱交換器５にて熱交換していたが、本実施形態は、
図５に示すように、冷媒熱交換器１６にて高圧冷媒と低
圧冷媒のうち空気熱交換器４に流入する前の冷媒とを
（減圧器３の前後）で熱交換するようにしたものであ
る。

【００２８】これにより、第１実施形態と同様に、高温
水供給時であっても、減圧器３には冷媒熱交換器５にて
凝縮又は過冷却された液相冷媒が流入するので、ヒート
ポンプが安定する。ところで、上述の実施形態では、低
圧冷媒と高圧冷媒とを熱交換することにより、高温の温
水を得ていたが、減圧器３に流入する前の高圧冷媒を空
気にて冷却することにより、水熱交換器２中の気相冷媒
の占める割合を増大させても、気液２相状態の冷媒が減
圧器に流入しまうことを防止しつつ、高温の給湯水を得
ることができる。

【００２９】なお、この手段では、低圧側で空気から汲
み上げた熱量を高圧側で空気中に放熱することとなるの
で、圧縮機１の仕事のうち温水を得るのに直接に関与し
ない分が増大してしまうという問題がある。また、上述
の実施形態では、電磁弁７を単純に開閉することによ
り、低温水供給時と高温水供給時とを切り換えたが、電
磁弁７の開閉時間比を制御する（電磁弁７への通電をデ
ューティ比を制御する）ことにより、保温タンク１５に
供給する温水の温度を制御してもよい。

【００３０】また、上述の実施形態では、保温タンク１
５を備える給湯器であったが、保温タンク１５を廃止し
てもよい。また、上述の実施形態では、水熱交換器２を
流出した冷媒を冷媒熱交換器５を迂回させて減圧器３に
導くバイパス通路６を電磁弁７にて開閉することによ
り、高圧冷媒と低圧冷媒と熱交換する場合と、高圧冷媒
と低圧冷媒とを熱交換させない場合とを切り換えるの切
換手段を構成したが、本発明はこれに限定されるもので
はなく、例えば空気熱交換器４を流出した冷媒を冷媒熱
交換器５を迂回させて圧縮機１の吸入側に導くバイパス
通路を設け、このバイパス通路を開閉することによって
切換手段を構成してもよい。

【００３１】さらに、上述の実施形態では、固定絞り式
の減圧器３であったが、この減圧器３に代えて、水熱交
換器２の冷媒出口側や空気熱交換器４の冷媒出口側等に
おける冷媒温度や冷媒圧力に基づいて、開度を電気的に
制御する電気式減圧弁としてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】低温水供給時における給湯用ヒートポンプサイ
クルの模式図である。

【図２】高温水供給時における第１実施形態に係る給湯
用ヒートポンプサイクルの模式図である。

【図３】冷水供給時における第１実施形態に係る給湯用
ヒートポンプサイクルの模式図である。

【図４】（ａ）は低温水供給時における給湯用ヒートポ
ンプサイクルのｐ−ｈ線図であり、（ｂ）は高温水供給
時における給湯用ヒートポンプサイクルのｐ−ｈ線図で
ある。

【図５】第２実施形態に係る給湯用ヒートポンプサイク
ルの模式図である。

【符号の説明】

１…圧縮機、２…水熱交換器、３…減圧器、４…空気熱
交換器、５…冷媒熱交換器、６…バイパス通路、７…電
磁弁、１１…アキュムレータ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１）と、 前記圧縮機（１）から吐出する冷媒と給湯水とを熱交換
   する水熱交換器（２）と、 前記水熱交換器（２）から流出する冷媒を減圧する減圧
   器（３）と、 前記減圧器（３）から流出する冷媒と空気とを熱交換
   し、その熱交換した冷媒を前記圧縮機（１）の吸入側に
   向けて流出する空気熱交換器（４）と、 前記減圧器（３）に流入する高圧冷媒と前記減圧器
   （３）から流出する低圧冷媒とを熱交換する場合と、前
   記高圧冷媒と前記低圧冷媒とを熱交換させない場合とを
   切り換える切換手段（６、７）とを備えることを特徴と
   する給湯用ヒートポンプサイクル。
2. 【請求項２】 冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１）と、 前記圧縮機（１）から吐出する冷媒と給湯水とを熱交換
   する水熱交換器（２）と、 前記水熱交換器（２）から流出する冷媒を減圧する減圧
   器（３）と、 前記減圧器（３）から流出する冷媒と空気とを熱交換
   し、その熱交換した冷媒を前記圧縮機（１）の吸入側に
   向けて流出する空気熱交換器（４）と、 前記減圧器（３）に流入する高圧冷媒と前記空気熱交換
   器（４）から流出する低圧冷媒とを熱交換する冷媒熱交
   換器（５）と、 前記水熱交換器（２）から流出する冷媒を前記冷媒熱交
   換器（５）を迂回させて前記減圧器（３）に導くバイパ
   ス通路（６）を開閉する弁手段（７）とを備えることを
   特徴とする給湯用ヒートポンプサイクル。
3. 【請求項３】 前記弁手段（７）を閉じたときには、前
   記弁手段（７）を開いたときに比べて、前記水熱交換器
   （２）を循環させる給湯水量を減少させることを特徴と
   する請求項２に記載の給湯用ヒートポンプサイクル。