JP2002106959A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

ヒートポンプ給湯機

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JP2002106959A
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Osamu Kuwabara
修 桑原
Hiroshi Mukoyama
洋 向山
Toshikazu Ishihara
寿和 石原
Toshiyuki Ebara
俊行 江原
Hirokazu Izaki
博和 井崎
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷媒回路に循環する冷媒量を調整可能にす
る。 【解決手段】 膨張弁１４と並列に冷媒量調整器１５を
設けて該膨張弁１４に向かって流動する冷媒の一部を分
流させて貯め、これにより冷媒回路に循環する冷媒量の
調整を行う。この冷媒量調整器１５は、冷媒を貯留する
冷媒タンク２１と、該冷媒タンク２１の頂部と膨張弁１
４の入口とに設けられて、膨張弁１４に向う冷媒の一部
を膨張させながら冷媒タンク２１に導くキャピラリーチ
ューブ２２と、冷媒タンク２１の底部と膨張弁１４の出
口とを接続する冷媒管に設けられて該冷媒タンク２１に
貯留されている液冷媒を冷媒回路に戻す量を調整する冷
媒調整弁２５とにより構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、蒸発器における吐
出側冷媒の過熱度に応じて冷媒回路を循環する冷媒量が
調整できるようにしたヒートポンプ給湯機に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、給湯機としてはガスや電気ヒータ
を熱源とするものが大勢的であるが、近年のエネルギー
利用の効率化の要望やガスや電気ヒータによる火災等の
防止の観点からヒートポンプ給湯機が提案されている。
【０００３】このようなヒートポンプ給湯機は、図４に
示すような冷媒回路構成が一般的で、冷媒を圧縮する圧
縮機１１０、該圧縮機１１０からの冷媒と給湯用の水と
を熱交換させる凝縮器１１１、冷媒を膨張させる膨張弁
１１３、冷媒と機外空気とを熱交換させる蒸発器１１
４、該蒸発器１１４からの冷媒が気液混合状態であるの
で気液分離を行い圧縮機１１０にガス冷媒が戻るように
するアキュムレータ１１５等を備えている。以下、この
凝縮器１１１を放熱器１１１という。
【０００４】このような構成で、冷媒は圧縮機１１０で
圧縮されて高温高圧になって放熱器１１１に供給され
る。放熱器１１１には給湯用の水が循環しているので、
冷媒の熱はこの水を加熱するために用いられる。
【０００５】水を加熱した冷媒は、膨張弁１１３で絞ら
れ、蒸発器１１４で機外空気と熱交換して蒸発する。
【０００６】このとき、冷媒は機外空気から熱を汲上げ
るために、電気ヒータ等による給湯機に比べエネルギー
効率が高くなる。
【０００７】蒸発器１１４からの冷媒は、アキュムレー
タ１１５に供給され、ここで未蒸発の冷媒（液冷媒）と
ガス冷媒とが分離されて、ガス冷媒が圧縮機１１０に戻
るようになる。
【０００８】このような冷媒回路には、従来Ｒ−２２等
の冷媒が用いられてきたが、この冷媒には塩素が含ま
れ、この塩素によりオゾン層が破壊することが判明して
規制対象となり、これに代わる冷媒が望まれている。
【０００９】そこで、自然冷媒であるため環境破壊等の
恐れが無い二酸化炭素冷媒の利用が検討されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、機外空
気や給湯用に供給される水の温度等の条件により蒸発器
１１４における吐出側での冷媒の過熱度が変動してサイ
クル効率が低下したり液圧縮が生じて圧縮機の故障原因
となる等の問題があった。
【００１１】そこで、本発明は、二酸化炭素冷媒を用い
ても簡単な構成で冷媒回路に循環する冷媒量を調整可能
にして上述した不都合の発生を抑制することにより信頼
性が高く、かつ、サイクル効率の高いヒートポンプ給湯
機を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１にかかる発明は、冷媒を圧縮する圧縮機
と、該圧縮機からの冷媒の熱を給湯用の水に放熱させ
て、当該水をお湯にする放熱器と、該放熱器からの冷媒
を膨張させる膨張弁と、該膨張弁からの冷媒と機外空気
とを熱交換させて、当該機外空気から熱を汲上げて冷媒
を蒸発させる蒸発器と、膨張弁と並列接続されて、放熱
器からの冷媒が該膨張弁に流動すると共にその一部が分
流して、当該分流した冷媒を貯留することにより冷媒回
路に循環する冷媒量を調整する冷媒量調整器とを有し
て、サイクル効率を向上させると共に液圧縮等が起きな
いようにして信頼性を向上させたことを特徴とする。
【００１３】請求項２にかかる発明は、冷媒量調整器を
冷媒を貯留する冷媒タンクと、放熱器から分流した冷媒
を膨張させながら冷媒タンクに導くキャピラリーチュー
ブと、冷媒タンクに貯留された液冷媒を冷媒回路に戻す
と共に戻量が調整可能に設けられた冷媒調整弁とにより
構成して、簡単な構成で冷媒回路に循環する冷媒量が調
整できるようにして、サイクル効率を向上させると共に
液圧縮等が起きないようにして信頼性を向上させたこと
を特徴とする。
【００１４】請求項３にかかる発明は、放熱器からの冷
媒と蒸発器から圧縮機に戻る冷媒とを熱交換させる内部
熱交換器を設けて、サイクル効率を向上させたことを特
徴とする。
【００１５】請求項４にかかる発明は、冷媒として二酸
化炭素冷媒を用いて、自然環境に優しい装置にすると共
に、高温給湯が可能にしたことを特徴とする。
【００１６】請求項５にかかる発明は、冷媒調整弁の開
弁度を蒸発器における吐出側の温度又は圧力のうち少な
くとも１つの情報に基づき制御するようにして、冷媒の
過熱度を調整可能にし、簡単な構成でサイクル効率を向
上させたことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態を図を
参照して説明する。図１は、本発明にかかるヒートポン
プ給湯機の冷媒回路図である。
【００１８】なお、本発明にかかるヒートポンプ給湯機
に用いる冷媒として従来広く用いられているＲ−２２等
でもよいが、近年盛んに研究されている自然冷媒である
二酸化炭素冷媒の方がより大きな効果を得ることが可能
である。以下では、冷媒として二酸化炭素冷媒を用い
る。
【００１９】ヒートポンプ給湯機は、冷媒を圧縮する圧
縮機１１、冷媒と水と熱交換させる放熱器１２、冷媒を
膨張させる膨張弁１４、冷媒と機外空気等とを熱交換さ
せる蒸発器１６、冷媒回路に循環する冷媒量を調整する
冷媒量調整器１５、放熱器１２からの冷媒により蒸発器
１６から圧縮機１１に戻る冷媒を加熱する内部熱交換器
１３等を有している。
【００２０】冷媒量調整器１５は、図２に詳細に示すよ
うに、運転条件により余剰となる冷媒を液媒液で貯める
冷媒タンク２１、該冷媒タンク２１の底部に設けられて
液冷媒を冷媒回路に戻す量を調整する冷媒調整弁２５、
一端が内部熱交換器１３と膨張弁１４とを接続する冷媒
管と接続され、他端が冷媒タンク２１の上部空間と連通
するように接続されたキャピラリーチューブ２２等を有
している。
【００２１】内部熱交換器１３からの冷媒は大部分が膨
張弁１４に流入し、残りはキャピラリーチューブ２２に
流入して、当該キャピラリーチューブ２２で膨張して気
液混合状態で冷媒タンク２１に流入して貯まる。
【００２２】このキャピラリーチューブ２２を介して冷
媒タンク２１に流入する冷媒量は、膨張弁１４に流れる
冷媒量の１／１０〜１／５程度になるように設定するこ
とが好ましい。これは、当該冷媒タンク２１に流入する
冷媒量が多くなると、膨張弁１４の制御が煩雑になるた
めである。
【００２３】なお、液冷媒は、重力の下で冷媒タンク２
１の底部に貯まり、当該底部に設けられている冷媒調整
弁２５を介して蒸発器１６へと供給されて冷媒回路に戻
る。
【００２４】次に、このような構成のヒートポンプ給湯
機の動作を説明する。圧縮機１１で冷媒を圧縮して高温
高圧にし、これを放熱器１２に循環させる。
【００２５】放熱器１２には、給湯用の水が循環してい
るので、冷媒はこの水と熱交換して、当該水は加熱され
て湯となり、冷媒は熱を失う。
【００２６】なお、放熱器１２を流動する冷媒と水と
は、対向流なすように流動している。このように対向流
で循環させることにより、放熱器１２での循環方向に沿
った冷媒の温度勾配と給湯用の水の温度勾配とが逆の温
度勾配になって効率的に熱交換ができるようになってい
る。
【００２７】放熱器１２からの冷媒は、内部熱交換器１
３に供給され、ここで圧縮機１１に戻る冷媒と熱交換す
る。
【００２８】これにより、放熱器１２から蒸発器１６に
向けて供給される冷媒の温度が下がり、当該蒸発器１６
で機外空気からの熱の汲上量を増やすことができるよう
になると共に、熱回収により圧縮機１１に戻る冷媒の温
度が上昇して、サイクル効率を高めることができるよう
になっている。
【００２９】その後、冷媒は膨張弁１４と冷媒量調整器
１５とに分流し、膨張弁１４に流れた冷媒は、ここで膨
張する。
【００３０】一方、冷媒量調整器１５に流入した冷媒
は、キャピラリーチューブ２２で膨張して冷媒タンク２
１に流入して貯まる。従って、当該冷媒タンク２１に貯
まっている冷媒量を調整することにより、冷媒回路に循
環している冷媒量が調整できるようになる。
【００３１】例えば、蒸発器１６における吐出側冷媒の
過熱度が大きい場合には、冷媒調整弁２５の開弁度を大
きくして、冷媒タンク２１に貯留されている液冷媒を多
量に冷媒回路に戻して当該過熱度を押えるようにする。
【００３２】一方、蒸発器１６における吐出側冷媒の過
熱度が小さかったり、圧縮機１１に液冷媒が戻るような
場合には、冷媒調整弁２５の開弁度を小さくして、冷媒
タンク２１に冷媒を貯めることにより冷媒回路を循環す
る冷媒量を少なくして過熱度を大きくするようにする。
【００３３】このような制御により、冷媒回路に循環す
る冷媒量が調整され、当該冷媒タンク２１内の液面が静
止すると蒸発器１６の吐出側冷媒の過熱度が適正な値に
なって、外気温等の運転条件に関わらずサイクル効率を
向上させ、それを維持することが可能になる。
【００３４】また、圧縮機１１に液冷媒が戻らないよう
にできるので当該圧縮機１１が液圧縮することにより故
障等を起す不都合が防止できるようになる。
【００３５】このような冷媒の貯留メカニズムを図３に
示す圧力（ｐ）−エンタルピー（ｈ）線図を参照して説
明する。
【００３６】今、ＡＣＤＥで示すサイクルで冷媒回路が
定常運転されているとする。定常運転時には、膨張弁１
４の入口側圧力は高圧に調整されているので、キャピラ
リーチューブ２２を介して冷媒が冷媒タンク２１に流入
するようになる。
【００３７】このようにして冷媒タンク２１に流入した
冷媒は当該冷媒タンク２１に貯留される。そして、冷媒
タンク２１内の圧力と冷媒調整弁２５の出口側の圧力と
の圧力差及び冷媒調整弁２５の開弁度により定る量の液
冷媒が冷媒タンク２１から冷媒回路に戻される。
【００３８】冷媒タンク２１に流入する冷媒量と冷媒調
整弁２５から冷媒回路の戻る冷媒量が一定すると、冷媒
回路は定常状態となる。
【００３９】このような状況では、冷媒タンク２１内の
状態はＢであり、冷媒タンク２１の出入口は飽和液であ
る。そこで、冷媒回路に戻す液冷媒量を増やすべく冷媒
調整弁２５の開弁度を大きくすると、冷媒タンク２１に
流入する冷媒は一時的にＢ’（気液混合状態）となり、
冷媒タンク２１内からは液冷媒のみ回路に戻るため冷媒
タンク２１内の冷媒は減少する。
【００４０】これにより、冷媒回路に循環する冷媒量が
増え、冷媒回路を循環している冷媒量が増加すると蒸発
器１６の吐出側圧力及び高圧側の圧力が上昇して、最終
的にＡ’Ｃ’Ｄ’Ｅ’のようになったとき冷媒タンク２
１の状態は再びＢとなり、冷媒タンク２１内の液面が静
止する（定常状態に達する）。
【００４１】
【発明の効果】以上説明したように請求項１にかかる発
明によれば、ヒートポンプ給湯機を冷媒を圧縮する圧縮
機と、該圧縮機からの冷媒の熱を給湯用の水に放熱させ
て、当該水をお湯にする放熱器と、該放熱器からの冷媒
を膨張させる膨張弁と、該膨張弁からの冷媒と機外空気
とを熱交換させて、当該機外空気から熱を汲上げて冷媒
を蒸発させる蒸発器と、膨張弁と並列接続されて、放熱
器からの冷媒が該膨張弁に流動すると共にその一部が分
流して、当該分流した冷媒を貯留することにより冷媒回
路に循環する冷媒量を調整する冷媒量調整器とにより構
成したので、サイクル効率の向上維持が可能になると共
に圧縮機で液圧縮等が起きないようになり信頼性が向上
する。
【００４２】請求項２にかかる発明によれば、冷媒量調
整器を冷媒を貯留する冷媒タンクと、放熱器から分流し
た冷媒を膨張させながら冷媒タンクに導くキャピラリー
チューブと、冷媒タンクに貯留された液冷媒を冷媒回路
に戻すと共に戻量が調整可能に設けられた冷媒調整弁と
により構成したので、簡単な構成で冷媒回路に循環する
冷媒量が調整できるようになり、サイクル効率を向上維
持が行えるようになると共に圧縮機が液圧縮等が起きな
いようになって信頼性が向上する。
【００４３】請求項３にかかる発明によれば、放熱器か
らの冷媒と蒸発器から圧縮機に戻る冷媒とを熱交換させ
る内部熱交換器を設けたので、サイクル効率を向上させ
る事が可能になる。
【００４４】請求項４にかかる発明によれば、冷媒とし
て二酸化炭素冷媒を用いたので、自然環境に優しい装置
になると共に、高温給湯が可能になる。
【００４５】請求項５にかかる発明によれば、冷媒調整
弁の開弁度を蒸発器における吐出側の温度又は圧力のう
ち少なくとも１つの情報に基づき制御するようにして冷
媒の過熱度を調整できるようにしたので、簡単な構成で
冷媒回路に循環する冷媒量が調整できるようになり、サ
イクル効率を向上維持が行えるようになると共に圧縮機
が液圧縮等が起きないようになって信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の説明に適用されるヒート
ポンプ給湯機の冷媒回路図である。
【図２】冷媒量調整器の冷媒回路構成を示す図である。
【図３】冷媒量調整器における冷媒調整メカニズムを説
明するための圧力ーエンタルピー線図である。
【図４】従来の技術の説明に適用されるヒートポンプ給
湯機の冷媒回路図である。
【符号の説明】
１１ 圧縮機 １２ 放熱器 １３ 内部熱交換器 １４ 膨張弁 １５ 冷媒量調整器 １６ 蒸発器 ２１ 冷媒タンク ２２ キャピラリーチューブ ２５ 冷媒調整弁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石原 寿和 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 江原 俊行 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 井崎 博和 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 Ｆターム(参考） 3L060 AA03 CC04 DD02 EE09

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 冷媒を圧縮する圧縮機と、 該圧縮機からの冷媒の熱を給湯用の水に放熱させて、当
    該水をお湯にする放熱器と、 該放熱器からの冷媒を膨張させる膨張弁と、 該膨張弁からの冷媒と機外空気とを熱交換させて、当該
    機外空気から熱を汲上げて冷媒を蒸発させる蒸発器と、 前記膨張弁と並列接続されて、前記放熱器からの冷媒が
    該膨張弁に流動すると共にその一部が分流して、当該分
    流した冷媒を貯留することにより冷媒回路に循環する冷
    媒量を調整する冷媒量調整器とを有することを特徴とす
    るヒートポンプ給湯機。
  2. 【請求項２】 前記冷媒量調整器が、冷媒を貯留する冷
    媒タンクと、 前記放熱器から分流した冷媒を膨張させながら前記冷媒
    タンクに導くキャピラリーチューブと、 前記冷媒タンクに貯留された液冷媒を冷媒回路に戻すと
    共に戻量が調整可能に設けられた冷媒調整弁とを有する
    ことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ給湯機。
  3. 【請求項３】 前記放熱器からの冷媒と前記蒸発器から
    圧縮機に戻る冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を設け
    たことを特徴とする請求項１又は２記載のヒートポンプ
    給湯機。
  4. 【請求項４】 前記冷媒が二酸化炭素冷媒であることを
    特徴とする請求項１乃至３いずれか１記載のヒートポン
    プ給湯機。
  5. 【請求項５】 前記冷媒調整弁の開弁度を前記蒸発器に
    おける吐出側の温度又は圧力のうち少なくとも１つの情
    報に基づき制御するようにしたことを特徴とする請求項
    ２乃至４いずれか１項記載のヒートポンプ給湯機。
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