JP2002005515A - ヒートポンプ式給湯器 - Google Patents
ヒートポンプ式給湯器Info
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- F25B2339/00—Details of evaporators; Details of condensers
- F25B2339/04—Details of condensers
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- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
- F25B9/008—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being carbon dioxide
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- Heat-Pump Type And Storage Water Heaters (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高効率なサイクル制御を実行できるヒートポ
ンプ式給湯器１を提供すること。 【解決手段】 ヒートポンプサイクルは、水熱交換器７
に流入する給湯用水と水熱交換器７より流出する冷媒と
の温度差ΔＴに基づいて高圧圧力が制御され、且つ低温
度条件下において、圧縮機６に吸引されるガス冷媒が乾
燥飽和蒸気となる様に、サイクル内への冷媒封入量が決
定されている。この場合、アキュムレータ１０内には、
殆ど液冷媒が存在せず、且つ空気熱交換器９で蒸発した
冷媒が過熱度を持たない乾燥飽和蒸気（ＳＨ＝０）とな
る。その結果、高温度条件下（夏季）においては、高圧
圧力が適切に制御されることにより、圧縮機６に吸引さ
れるガス冷媒が過熱蒸気（過熱度を持つ飽和蒸気）とな
るので、従来（ＳＨ＝０の場合）より高効率な給湯シス
テムを実現できる。
ンプ式給湯器１を提供すること。 【解決手段】 ヒートポンプサイクルは、水熱交換器７
に流入する給湯用水と水熱交換器７より流出する冷媒と
の温度差ΔＴに基づいて高圧圧力が制御され、且つ低温
度条件下において、圧縮機６に吸引されるガス冷媒が乾
燥飽和蒸気となる様に、サイクル内への冷媒封入量が決
定されている。この場合、アキュムレータ１０内には、
殆ど液冷媒が存在せず、且つ空気熱交換器９で蒸発した
冷媒が過熱度を持たない乾燥飽和蒸気（ＳＨ＝０）とな
る。その結果、高温度条件下（夏季）においては、高圧
圧力が適切に制御されることにより、圧縮機６に吸引さ
れるガス冷媒が過熱蒸気（過熱度を持つ飽和蒸気）とな
るので、従来（ＳＨ＝０の場合）より高効率な給湯シス
テムを実現できる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超臨界ヒートポン
プサイクルを給湯用流体の加熱手段として使用するヒー
トポンプ式給湯器に関する。
プサイクルを給湯用流体の加熱手段として使用するヒー
トポンプ式給湯器に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、高圧側圧力が冷媒の臨界点を
超えて作動する超臨界ヒートポンプサイクルを用いた給
湯器が公知である。ヒートポンプサイクルは、図１に示
すように、圧縮機６で加圧された高温冷媒を熱源として
給湯水を加熱する水熱交換器７を有し、この水熱交換器
７に流入する給湯水と水熱交換器７から流出する冷媒と
の温度差に基づいて高圧制御が行われている。
超えて作動する超臨界ヒートポンプサイクルを用いた給
湯器が公知である。ヒートポンプサイクルは、図１に示
すように、圧縮機６で加圧された高温冷媒を熱源として
給湯水を加熱する水熱交換器７を有し、この水熱交換器
７に流入する給湯水と水熱交換器７から流出する冷媒と
の温度差に基づいて高圧制御が行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のヒー
トポンプサイクルは、図２に示すように、圧縮機６に吸
引されるガス冷媒の過熱度を大きくすると、水熱交換器
７の放熱能力が大きくなる（Ｑ→Ｑ′）。また、ガス冷
媒の過熱度を大きくすると、圧縮機６の圧縮効率が低下
して圧縮仕事も大きくなる（Ｌ→Ｌ′）。しかし、年間
の外気温度が低い時期（冬季）と高い時期（夏季）とで
は、外気温度が高い時期の方がサイクル内の低圧圧力
（空気熱交換器９の蒸発圧力）が高くなるため、外気温
度が低い時期より圧縮機６の圧縮仕事の増加が少なくな
る。
トポンプサイクルは、図２に示すように、圧縮機６に吸
引されるガス冷媒の過熱度を大きくすると、水熱交換器
７の放熱能力が大きくなる（Ｑ→Ｑ′）。また、ガス冷
媒の過熱度を大きくすると、圧縮機６の圧縮効率が低下
して圧縮仕事も大きくなる（Ｌ→Ｌ′）。しかし、年間
の外気温度が低い時期（冬季）と高い時期（夏季）とで
は、外気温度が高い時期の方がサイクル内の低圧圧力
（空気熱交換器９の蒸発圧力）が高くなるため、外気温
度が低い時期より圧縮機６の圧縮仕事の増加が少なくな
る。
【０００４】従って、外気温度が高い時期には、圧縮機
６に吸引されるガス冷媒にある程度の過熱度を持たせた
方が、高効率にサイクル制御を行うことが可能である。
ところが、従来のヒートポンプサイクルは、アキュムレ
ータ１０に余剰冷媒を貯留しているので、外気温度の変
化に係わらず、圧縮機６に吸引されるガス冷媒の過熱度
はゼロである。本発明は、上記事情に基づいて成された
もので、その目的は、年間の外気温度が高い時期におい
て、効率の高いサイクル制御を実行できるヒートポンプ
式給湯器を提供することにある。
６に吸引されるガス冷媒にある程度の過熱度を持たせた
方が、高効率にサイクル制御を行うことが可能である。
ところが、従来のヒートポンプサイクルは、アキュムレ
ータ１０に余剰冷媒を貯留しているので、外気温度の変
化に係わらず、圧縮機６に吸引されるガス冷媒の過熱度
はゼロである。本発明は、上記事情に基づいて成された
もので、その目的は、年間の外気温度が高い時期におい
て、効率の高いサイクル制御を実行できるヒートポンプ
式給湯器を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】（請求項１の手段）本発
明のヒートポンプ式給湯器は、圧縮機に吸引される冷媒
が、年間で外気温度が低い時期には乾燥飽和蒸気とな
り、且つ年間で外気温度が高い時期には過熱蒸気となる
様に、サイクル内への冷媒封入量が決定されている。こ
の場合、外気温度が高い時期には、圧縮機に吸引される
冷媒がある程度の過熱度を持つことにより、過熱度を持
たない場合（過熱度＝０）と比較して、高圧側熱交換器
の能力を圧縮機の仕事量（圧縮仕事）で除算して求めら
れるサイクル効率が向上する。
明のヒートポンプ式給湯器は、圧縮機に吸引される冷媒
が、年間で外気温度が低い時期には乾燥飽和蒸気とな
り、且つ年間で外気温度が高い時期には過熱蒸気となる
様に、サイクル内への冷媒封入量が決定されている。こ
の場合、外気温度が高い時期には、圧縮機に吸引される
冷媒がある程度の過熱度を持つことにより、過熱度を持
たない場合（過熱度＝０）と比較して、高圧側熱交換器
の能力を圧縮機の仕事量（圧縮仕事）で除算して求めら
れるサイクル効率が向上する。
【０００６】（請求項２の手段）請求項１に記載したヒ
ートポンプ式給湯器において、ヒートポンプサイクル
は、高圧側熱交換器の下流に弁開度を調節可能な膨張弁
を具備し、この膨張弁の開度を変化させて高圧制御を行
うことを特徴とする。例えば、膨張弁の開度を小さくす
ると、冷媒の流路抵抗が大きくなるので、圧縮機から吐
出される高圧側の冷媒圧力が上昇する。逆に、膨張弁の
開度を大きくすると、冷媒の流路抵抗が小さくなるの
で、圧縮機から吐出される高圧側の冷媒圧力が低下す
る。
ートポンプ式給湯器において、ヒートポンプサイクル
は、高圧側熱交換器の下流に弁開度を調節可能な膨張弁
を具備し、この膨張弁の開度を変化させて高圧制御を行
うことを特徴とする。例えば、膨張弁の開度を小さくす
ると、冷媒の流路抵抗が大きくなるので、圧縮機から吐
出される高圧側の冷媒圧力が上昇する。逆に、膨張弁の
開度を大きくすると、冷媒の流路抵抗が小さくなるの
で、圧縮機から吐出される高圧側の冷媒圧力が低下す
る。
【０００７】（請求項３の手段）請求項２に記載したヒ
ートポンプ式給湯器において、ヒートポンプサイクル
は、目標の給湯能力が得られるように圧縮機の回転数を
可変することを特徴とする。例えば、膨張弁の開度を大
きくすると、高圧側の冷媒圧力が低下して冷媒温度が低
下するため、高圧側熱交換器での熱交換量が低下して給
湯能力が低下する。この場合、圧縮機の回転数を大きく
して高圧側熱交換器を流れる冷媒流量を増加させること
により、目標の給湯能力を確保することができる。
ートポンプ式給湯器において、ヒートポンプサイクル
は、目標の給湯能力が得られるように圧縮機の回転数を
可変することを特徴とする。例えば、膨張弁の開度を大
きくすると、高圧側の冷媒圧力が低下して冷媒温度が低
下するため、高圧側熱交換器での熱交換量が低下して給
湯能力が低下する。この場合、圧縮機の回転数を大きく
して高圧側熱交換器を流れる冷媒流量を増加させること
により、目標の給湯能力を確保することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】次に、本発明のヒートポンプ式給
湯器を図面に基づいて説明する。図１はヒートポンプ式
給湯器の構成を示す模式図、図２はＣＯ2 サイクルのＰ
−Ｈ線図である。本実施例のヒートポンプ式給湯器１
は、加熱された給湯用水をタンク２内に貯留しておき、
使用時にタンク２内から取り出した給湯用水を温度調節
して使用者に供給するシステムであり、図１に示すよう
に、給湯用水を貯留するタンク２、このタンク２に接続
される温水回路３、給湯用水の加熱手段であるヒートポ
ンプサイクル（下述する）、及び給湯器１の作動を制御
する制御装置４等を具備している。
湯器を図面に基づいて説明する。図１はヒートポンプ式
給湯器の構成を示す模式図、図２はＣＯ2 サイクルのＰ
−Ｈ線図である。本実施例のヒートポンプ式給湯器１
は、加熱された給湯用水をタンク２内に貯留しておき、
使用時にタンク２内から取り出した給湯用水を温度調節
して使用者に供給するシステムであり、図１に示すよう
に、給湯用水を貯留するタンク２、このタンク２に接続
される温水回路３、給湯用水の加熱手段であるヒートポ
ンプサイクル（下述する）、及び給湯器１の作動を制御
する制御装置４等を具備している。
【０００９】タンク２は、耐蝕性に優れた金属製（例え
ばステンレス製）で断熱構造を有し、高温の給湯用水を
長時間に渡って保温することができる。なお、タンク２
内に貯留される給湯用水は、キッチンや風呂等で直接使
用しても良いが、給湯用以外に、例えば床暖房用、室内
空調用等の熱源として利用することもできる。温水回路
３は、タンク２とヒートポンプサイクルの水熱交換器７
とを環状に接続して設けられ、この温水回路３にタンク
２内の給湯用水を流通させるウォータポンプ５が介在さ
れている。ウォータポンプ５は、内蔵するモータの回転
数を可変して循環水量を調節することができる。
ばステンレス製）で断熱構造を有し、高温の給湯用水を
長時間に渡って保温することができる。なお、タンク２
内に貯留される給湯用水は、キッチンや風呂等で直接使
用しても良いが、給湯用以外に、例えば床暖房用、室内
空調用等の熱源として利用することもできる。温水回路
３は、タンク２とヒートポンプサイクルの水熱交換器７
とを環状に接続して設けられ、この温水回路３にタンク
２内の給湯用水を流通させるウォータポンプ５が介在さ
れている。ウォータポンプ５は、内蔵するモータの回転
数を可変して循環水量を調節することができる。
【００１０】ヒートポンプサイクルは、高圧側の冷媒圧
力が臨界圧力以上となるサイクルで、図１に示すよう
に、圧縮機６、上記の水熱交換器７（本発明の高圧側熱
交換器）、膨張弁８、空気熱交換器９、アキュムレータ
１０等によって構成され、冷媒として臨界圧力の低い二
酸化炭素（ＣＯ2 ）を使用している。圧縮機６は、内蔵
する電動モータ（図示しない）によって駆動され、吸引
したガス冷媒を臨界圧力以上まで圧縮して吐出する。水
熱交換器７は、圧縮機６より吐出された高圧のガス冷媒
と給湯用水とを熱交換するもので、図１に矢印で示すよ
うに、冷媒の流れ方向と給湯用水の流れ方向とが対向す
るように構成されている。
力が臨界圧力以上となるサイクルで、図１に示すよう
に、圧縮機６、上記の水熱交換器７（本発明の高圧側熱
交換器）、膨張弁８、空気熱交換器９、アキュムレータ
１０等によって構成され、冷媒として臨界圧力の低い二
酸化炭素（ＣＯ2 ）を使用している。圧縮機６は、内蔵
する電動モータ（図示しない）によって駆動され、吸引
したガス冷媒を臨界圧力以上まで圧縮して吐出する。水
熱交換器７は、圧縮機６より吐出された高圧のガス冷媒
と給湯用水とを熱交換するもので、図１に矢印で示すよ
うに、冷媒の流れ方向と給湯用水の流れ方向とが対向す
るように構成されている。
【００１１】膨張弁８は、弁開度を電気的に調節可能な
構造を有し、水熱交換器７で冷却された冷媒を弁開度に
応じて減圧する。空気熱交換器９は、ファン１１による
送風を受けて、膨張弁８で減圧された冷媒を外気との熱
交換によって蒸発させる。アキュムレータ１０は、空気
熱交換器９と圧縮機６との間に介在されてサイクル内の
余剰冷媒を蓄え、気相冷媒のみを圧縮機６に吸引させ
る。
構造を有し、水熱交換器７で冷却された冷媒を弁開度に
応じて減圧する。空気熱交換器９は、ファン１１による
送風を受けて、膨張弁８で減圧された冷媒を外気との熱
交換によって蒸発させる。アキュムレータ１０は、空気
熱交換器９と圧縮機６との間に介在されてサイクル内の
余剰冷媒を蓄え、気相冷媒のみを圧縮機６に吸引させ
る。
【００１２】ヒートポンプサイクルは、水熱交換器７に
流入する給湯用水の温度を検出する水温センサ１２、水
熱交換器７より流出する冷媒の温度を検出する冷媒温度
センサ１３等を具備し、各センサ１２、１３の検出信号
が制御装置４に入力される。制御装置４は、水温センサ
１２及び冷媒温度センサ１３の検出信号から、水熱交換
器７に流入する給湯用水と水熱交換器７より流出する冷
媒との温度差ΔＴを求め、この温度差ΔＴに基づいてサ
イクル内の高圧圧力を制御している。具体的には、温度
差ΔＴが目標値（例えば１０℃）となるように、膨張弁
８の弁開度を電気的に制御し、且つ目標の給湯能力が得
られるように、圧縮機６の回転数を制御している。
流入する給湯用水の温度を検出する水温センサ１２、水
熱交換器７より流出する冷媒の温度を検出する冷媒温度
センサ１３等を具備し、各センサ１２、１３の検出信号
が制御装置４に入力される。制御装置４は、水温センサ
１２及び冷媒温度センサ１３の検出信号から、水熱交換
器７に流入する給湯用水と水熱交換器７より流出する冷
媒との温度差ΔＴを求め、この温度差ΔＴに基づいてサ
イクル内の高圧圧力を制御している。具体的には、温度
差ΔＴが目標値（例えば１０℃）となるように、膨張弁
８の弁開度を電気的に制御し、且つ目標の給湯能力が得
られるように、圧縮機６の回転数を制御している。
【００１３】上記のヒートポンプサイクルは、図２に示
すように、圧縮機６に吸引されるガス冷媒の過熱度ＳＨ
が大きくなると、圧縮機６の圧縮仕事が増加し（Ｌ→
Ｌ′）、それに伴って水熱交換器７の放熱能力も大きく
なる（Ｑ→Ｑ′）。しかし、年間で外気温度が低い時期
（冬季）と高い時期（夏季）とでは、外気温度が高い時
期の方がサイクル内の低圧圧力（空気熱交換器９の蒸発
圧力）が高くなるため、外気温度が低い時期より圧縮機
６の圧縮仕事の増加が少なくなる。従って、外気温度が
高い時期には、圧縮機６に吸引されるガス冷媒にある程
度の過熱度を持たせた方が、システム効率を向上でき
る。
すように、圧縮機６に吸引されるガス冷媒の過熱度ＳＨ
が大きくなると、圧縮機６の圧縮仕事が増加し（Ｌ→
Ｌ′）、それに伴って水熱交換器７の放熱能力も大きく
なる（Ｑ→Ｑ′）。しかし、年間で外気温度が低い時期
（冬季）と高い時期（夏季）とでは、外気温度が高い時
期の方がサイクル内の低圧圧力（空気熱交換器９の蒸発
圧力）が高くなるため、外気温度が低い時期より圧縮機
６の圧縮仕事の増加が少なくなる。従って、外気温度が
高い時期には、圧縮機６に吸引されるガス冷媒にある程
度の過熱度を持たせた方が、システム効率を向上でき
る。
【００１４】そこで、本実施例では、より高いシステム
効率を実現するために、高温度条件下（例えば２５．６
℃）において、圧縮機６に吸引されるガス冷媒がある程
度の過熱度を持つ（過熱蒸気となる）様に制御されてい
る。具体的には、低温度条件下（例えば３．０℃）にお
いて、前記の温度差ΔＴに基づいて高圧圧力が適切に制
御されている状態で、圧縮機６に吸引されるガス冷媒が
乾燥飽和蒸気（図２に示す飽和蒸気線上の冷媒）となる
様に、サイクル内への冷媒封入量が決定されている。こ
の場合、アキュムレータ１０内には、殆ど液冷媒が存在
せず、且つ空気熱交換器９で蒸発した冷媒が過熱度を持
たない乾燥飽和蒸気（ＳＨ＝０）となる。この冷媒量
は、ヒートポンプサイクルの容積、水熱交換器７の放熱
能力、空気熱交換器９の吸熱能力、温度差ΔＴに基づい
て制御される最適な高圧圧力等から計算でき、最終的に
は実機での試験により決定される。
効率を実現するために、高温度条件下（例えば２５．６
℃）において、圧縮機６に吸引されるガス冷媒がある程
度の過熱度を持つ（過熱蒸気となる）様に制御されてい
る。具体的には、低温度条件下（例えば３．０℃）にお
いて、前記の温度差ΔＴに基づいて高圧圧力が適切に制
御されている状態で、圧縮機６に吸引されるガス冷媒が
乾燥飽和蒸気（図２に示す飽和蒸気線上の冷媒）となる
様に、サイクル内への冷媒封入量が決定されている。こ
の場合、アキュムレータ１０内には、殆ど液冷媒が存在
せず、且つ空気熱交換器９で蒸発した冷媒が過熱度を持
たない乾燥飽和蒸気（ＳＨ＝０）となる。この冷媒量
は、ヒートポンプサイクルの容積、水熱交換器７の放熱
能力、空気熱交換器９の吸熱能力、温度差ΔＴに基づい
て制御される最適な高圧圧力等から計算でき、最終的に
は実機での試験により決定される。
【００１５】（本実施例の効果）本実施例のヒートポン
プサイクルは、低温度条件下（冬季）において、圧縮機
６に吸引されるガス冷媒が乾燥飽和蒸気となるため、高
温度条件下（夏季）においては、高圧圧力が適切に制御
されることにより、圧縮機６に吸引されるガス冷媒が過
熱蒸気（過熱度を持つ飽和蒸気）となる。つまり、高温
度条件下では、低圧側のバランス圧力が外気温度の低い
冬季より高くなるため、冷媒密度が大きくなる。そのた
め、高温度条件下では、ＳＨ＝０となるための冷媒存在
量が低温度条件下よりも多くなり、必然的に圧縮機６に
吸引されるガス冷媒が過熱度を持つことになる。これに
より、圧縮機６に吸引されるガス冷媒の過熱度を、外気
温度の変化に応じて制御することができ、特に外気温度
の高い夏季では、水熱交換器７の放熱能力が増加し、且
つ圧縮機６の仕事量（圧縮仕事）の増加分を小さく抑え
ることができるので、従来（ＳＨ＝０の場合）より高効
率な給湯システムを実現できる。
プサイクルは、低温度条件下（冬季）において、圧縮機
６に吸引されるガス冷媒が乾燥飽和蒸気となるため、高
温度条件下（夏季）においては、高圧圧力が適切に制御
されることにより、圧縮機６に吸引されるガス冷媒が過
熱蒸気（過熱度を持つ飽和蒸気）となる。つまり、高温
度条件下では、低圧側のバランス圧力が外気温度の低い
冬季より高くなるため、冷媒密度が大きくなる。そのた
め、高温度条件下では、ＳＨ＝０となるための冷媒存在
量が低温度条件下よりも多くなり、必然的に圧縮機６に
吸引されるガス冷媒が過熱度を持つことになる。これに
より、圧縮機６に吸引されるガス冷媒の過熱度を、外気
温度の変化に応じて制御することができ、特に外気温度
の高い夏季では、水熱交換器７の放熱能力が増加し、且
つ圧縮機６の仕事量（圧縮仕事）の増加分を小さく抑え
ることができるので、従来（ＳＨ＝０の場合）より高効
率な給湯システムを実現できる。
【００１６】（変形例）上記の実施例では、温度差ΔＴ
（水熱交換器７に流入する給湯用水と水熱交換器７より
流出する冷媒との温度差）に基づいて膨張弁８の弁開度
を制御しているが、目標の温度差ΔＴを得るために、ウ
ォータポンプ５の吐出量を制御して水熱交換器７を流れ
る給湯用水の流量を変化させても良い。
（水熱交換器７に流入する給湯用水と水熱交換器７より
流出する冷媒との温度差）に基づいて膨張弁８の弁開度
を制御しているが、目標の温度差ΔＴを得るために、ウ
ォータポンプ５の吐出量を制御して水熱交換器７を流れ
る給湯用水の流量を変化させても良い。
【図１】ヒートポンプ式給湯器の構成を示す模式図であ
る。
る。
【図２】ＣＯ2 サイクルのＰ−Ｈ線図である。
１ ヒートポンプ式給湯器 ２ タンク ６ 圧縮機 ７ 水熱交換器（高圧側熱交換器） ８ 膨張弁 １０ アキュムレータ
Claims (3)
- 【請求項１】サイクル内の余剰冷媒を貯留するアキュム
レータと、 このアキュムレータより吸引した気相冷媒を臨界圧力以
上に加圧して吐出する圧縮機と、 この圧縮機で加圧された冷媒と給湯用の流体とを対向流
として熱交換させる高圧側熱交換器とを有し、 前記高圧側熱交換器に流入する流体と前記高圧側熱交換
器より流出する冷媒との温度差に基づいて高圧制御を行
うヒートポンプサイクルを備え、 前記高圧側熱交換器で冷媒との熱交換により加熱された
流体をタンク内に貯留して給湯等に使用するヒートポン
プ式給湯器であって、 前記圧縮機に吸引される冷媒が、年間で外気温度が低い
時期には乾燥飽和蒸気となり、且つ年間で外気温度が高
い時期には過熱蒸気となる様に、サイクル内への冷媒封
入量が決定されていることを特徴とするヒートポンプ式
給湯器。 - 【請求項２】請求項１に記載したヒートポンプ式給湯器
において、 前記ヒートポンプサイクルは、前記高圧側熱交換器の下
流に弁開度を調節可能な膨張弁を具備し、この膨張弁の
開度を変化させて高圧制御を行うことを特徴とするヒー
トポンプ式給湯器。 - 【請求項３】請求項２に記載したヒートポンプ式給湯器
において、 前記ヒートポンプサイクルは、目標の給湯能力が得られ
るように前記圧縮機の回転数を可変することを特徴とす
るヒートポンプ式給湯器。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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