JP2002106960A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構成で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と蒸発器１７との間に冷媒量
調整器１５を設ける。この冷媒量調整器１５は、冷媒を
貯留する冷媒タンク２１と、膨張弁１４からの冷媒を当
該冷媒タンク２１に導く冷媒導入管２２と、冷媒タンク
２１に貯留されている液冷媒を流出させる液冷媒導出管
２４と、該液冷媒導出管２４に設けられて、当該液冷媒
導出管２４から流出する液冷媒量を調整する冷媒量調整
弁２５と、冷媒タンク２１の頂部と冷媒量調整弁２５の
出口とを連結して、当該冷媒タンク２１内のガス冷媒を
該冷媒量調整弁２５からの液冷媒と共に蒸発器１７に流
入させるバイパス管２６とにより構成する。そして、蒸
発器１７の出口における冷媒の過熱度に応じて冷媒量調
整弁２５の開弁度を調整して冷媒タンク２１に貯留され
る液冷媒を調整することにより冷媒回路に循環する冷媒
量を調整する。

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
で気液分離を行って圧縮機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には給湯する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
率が高くなっている。

【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、圧縮機１１０にガス冷媒が戻る
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、かかる冷媒には塩素が含ま
れ、当該塩素がオゾン層を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、膨張弁と蒸発器との間に接続さ
れて冷媒回路に循環してい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、該冷媒タンクの頂部に設
けられて、膨張弁からの冷媒を当該冷媒タンクに導く冷
媒導入管と、冷媒タンクの底部に設けられて、当該冷媒
タンクに貯留されている液冷媒を冷媒回路に戻す液冷媒
導出管と、該液冷媒導出管に設けられて、当該液冷媒導
出管から冷媒回路に戻る液冷媒量を調整する冷媒量調整
弁と、冷媒タンクの頂部空間と冷媒量調整弁の出口側と
を連結して、当該冷媒タンク内のガス冷媒を該冷媒量調
整弁からの液冷媒と共に冷媒回路に戻すバイパス管とに
より構成して、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、バイパス管に当
該バイパス管の入口と出口とに圧力差を発生させる圧力
差生成器を設けて、冷媒タンクに貯留されている液冷媒
量の重量に関わらず冷媒量調整弁が適正量の冷媒を冷媒
回路に戻せるようにしたことを特徴とする。

【００１５】請求項４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。

【００１６】請求項５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。

【００１７】請求項６にかかる発明は、冷媒量調整弁の
開弁度は、蒸発器の吐出側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。

【００１８】

【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。

【００１９】なお、本発明にかかるヒートポンプ給湯機
では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。

【００２０】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、冷媒の気液分離を行うと共に冷媒回路
に循環してい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。

【００２１】冷媒量調整器１５は、図２に詳細に示すよ
うに、冷媒の気液分離を行うと共に運転条件により余剰
となる冷媒を液貯めする冷媒タンク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、一端が冷媒タンク２１の上部空
間と連通するように接続され、他端が冷媒調整弁２５と
蒸発器１６と間の冷媒管に接続されて、冷媒タンク２１
に貯留されているガス冷媒を冷媒回路に戻すバイパス管
２６とを有している。

【００２２】そして、膨張弁１４からの気液混合状態の
冷媒は、冷媒タンク２１の頂部に設けられた冷媒導入管
２２を介して冷媒タンク２１に流入して貯まる。

【００２３】液冷媒は、重力の下で冷媒タンク２１の底
部に貯まり、当該底部に設けられている液冷媒導出管２
４から冷媒調整弁２５を介して冷媒回路に戻る。

【００２４】一方、冷媒タンク２１内のガス冷媒は、バ
イパス管２６を介して冷媒調整弁２５より下流で冷媒回
路に戻り、ここで冷媒調整弁２５からの液冷媒と合流す
る。

【００２５】なお、冷媒量の調整は、冷媒タンク２１の
液面と合流点との高低差（ヘッド）Ｈを考慮して冷媒調
整弁２５の開閉度を調整することにより行われる。

【００２６】これは、冷媒調整弁２５の開弁度が同じで
あっても、当該冷媒調整弁２５を介して流出する液冷媒
量がヘッドＨの高さ（即ち、冷媒タンク２１に貯留され
ている液冷媒の重さ）に依存するためである。

【００２７】無論、冷媒タンク２１に流入する液冷媒の
比率の変化と、ヘッドによる流出量の変化のバランスに
よって液面がある点に静止すると考えられるので、その
ような場合には開弁度の調整にあたってヘッドを考慮す
る必要は必ずしもない。

【００２８】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。

【００２９】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する。これにより、水は
加熱されて湯となり、冷媒は熱を失う。

【００３０】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。

【００３１】放熱器１２からの冷媒は内部熱交換器１３
に供給され、ここで圧縮機１１に戻る冷媒と熱交換す
る。

【００３２】これにより、放熱器１２から膨張弁１４に
供給される冷媒の温度が下がり、蒸発器１６での熱の汲
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。

【００３３】その後、冷媒は膨張弁１４で膨張し冷媒量
調整器１５に循環する。膨張弁１４の直後の冷媒は気液
混合状態であるので、冷媒タンク２１には液冷媒とガス
冷媒とが同時に流入するようになり、液冷媒が貯留され
るようになる。

【００３４】そして、冷媒回路に最適な量の冷媒が循環
するように冷媒量調整器１５で調整される。

【００３５】冷媒量調整器１５からの冷媒は蒸発器１６
に供給され、ここで機外空気と熱交換して熱を汲上げ
る。

【００３６】このとき、蒸発器１６の吐出側冷媒の過熱
度が大きすぎる場合には、冷媒調整弁２５が開かれて、
冷媒タンク２１からの液冷媒を増大させて冷媒回路を循
環する冷媒量を増やして過熱度を適正に保つ。この場合
には、冷媒タンク２１に貯留されている液冷媒の量が減
少する。

【００３７】一方、蒸発器１６の吐出側冷媒の過熱が不
十分だったり、圧縮機１１に液冷媒が戻るような場合に
は、冷媒調整弁２５が絞られて冷媒回路を循環する冷媒
を減少させてる過熱度を適正に保つ。この場合には、冷
媒タンク２１に貯留されている液冷媒の量が増大する。

【００３８】このような制御により、冷媒回路に循環す
る冷媒量が適正量に調整され、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
正な値になってサイクル効率が向上維持できるようにな
る。

【００３９】また、圧縮機１１に液冷媒が戻るようなこ
とが防止できるので、当該圧縮機１１が液圧縮して故障
等を起す恐れがなくなる。

【００４０】蒸発器１６からの冷媒は、内部熱交換器１
３で放熱器１２から膨張弁１４に向う冷媒により加熱さ
れて圧縮機１１へと戻る。

【００４１】次に、本発明の第２の実施の形態を図を参
照して説明する。なお、先の実施の形態と同一構成に関
しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。

【００４２】先の実施の形態では、冷媒回路に循環する
冷媒量を冷媒調整弁２５の開弁度により調整すると共
に、バイパス管２６により冷媒タンク２１内の圧力と冷
媒量調整器１５の下流の圧力とが略同圧となるようにし
ていた。

【００４３】従って、冷媒タンク２１に貯留されている
液冷媒を冷媒回路に戻そうとする力は、ヘッドＨ分の液
冷媒の重力による力しか無く、このため冷媒タンク２１
内の液冷媒量が少なくなると、冷媒調整弁２５の開弁度
に応じて液冷媒が冷媒回路に安定に供給され難くなって
しまうことが危惧される。

【００４４】無論、このような問題に対して冷媒調整弁
２５を口径を大きくすることにより対応可能であるが、
これでは冷媒調整弁２５のコストアップとなる。

【００４５】そこで、本実施の形態では当該バイパス管
２６にキャピラリーチューブのような絞り機能を備えた
圧力差生成器２７を接続して運転状態で冷媒タンク２１
の入口と冷媒調整弁２５の出口との間に１０〜１００ｋ
Ｐａの圧力差が生じるようにした。

【００４６】この圧力差により、冷媒タンク２１内の液
冷媒量に関わらず（ヘッドＨの大きさに関わらず）、安
定して液冷媒を冷媒回路に戻すことが可能になる。

【００４７】従って、冷媒調整弁２５の口径を大きくす
ることなく、常に最適な冷媒量を冷媒回路に循環させる
ことが可能になって信頼性が向上する。

【００４８】

【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、膨張弁と蒸発器との間に接続さ
れて冷媒回路に循環してい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
図れると共に圧縮機が液圧縮等を起きないようになって
信頼性が向上する。

【００４９】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、該冷媒タンクの頂
部に設けられて、膨張弁からの冷媒を当該冷媒タンクに
導く冷媒導入管と、冷媒タンクの底部に設けられて、当
該冷媒タンクに貯留されている液冷媒を冷媒回路に戻す
液冷媒導出管と、該液冷媒導出管に設けられて、当該液
冷媒導出管から冷媒回路に戻る液冷媒量を調整する冷媒
量調整弁と、冷媒タンクの頂部空間と冷媒量調整弁の出
口側とを連結して、当該冷媒タンク内のガス冷媒を該冷
媒量調整弁からの液冷媒と共に冷媒回路に戻すバイパス
管とにより構成したので、サイクル効率の向上維持が図
れると共に圧縮機が液圧縮等を起きないようになって信
頼性が向上する。

【００５０】請求項３にかかる発明によれば、バイパス
管に当該バイパス管の入口と出口とに圧力差を発生させ
る圧力差生成器を設けたので、冷媒タンクに貯留されて
いる液冷媒量の重量に関わらず冷媒量調整弁が適正量の
冷媒を冷媒回路に戻せるようになり、信頼性が向上す
る。

【００５１】請求項４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、サイクル効率が向上す
る。

【００５２】請求項５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
にすると共に、高温給湯が可能になる。

【００５３】請求項６にかかる発明によれば、冷媒量調
整弁の開弁度は、蒸発器の吐出側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ので、
冷媒の過熱度が調整可能になり、簡単な構成でサイクル
効率を向上維持させることが可能になる。

【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】第１の実施の形態の説明に適用される冷媒量調
整器の冷媒回路構成を示す図である。

【図３】第２の実施の形態の説明に適用される冷媒量調
整器の冷媒回路構成を示す図である。

【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 冷媒導入管 ２４ 液冷媒導出管 ２５ 冷媒調整弁 ２６ バイパス管 ２７ 圧力差生成器

───────────────────────────────────────────────────── 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 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 (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 Ｆターム(参考） 3L060 AA01 AA03 CC04 DD02 EE09

Claims (6)

【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、 前記膨張弁と蒸発器との間に接続されて冷媒回路に循環
   してい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、 該冷媒タンクの頂部に設けられて、前記膨張弁からの冷
   媒を当該冷媒タンクに導く冷媒導入管と、 前記冷媒タンクの底部に設けられて、当該冷媒タンクに
   貯留されている液冷媒を冷媒回路に戻す液冷媒導出管
   と、 該液冷媒導出管に設けられて、当該液冷媒導出管から冷
   媒回路に戻る液冷媒量を調整する冷媒量調整弁と、 前記冷媒タンクの頂部空間と前記冷媒量調整弁の出口側
   とを連結して、当該冷媒タンク内のガス冷媒を該冷媒量
   調整弁からの液冷媒と共に冷媒回路に戻すバイパス管と
   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】 前記バイパス管に当該バイパス管の入口
   と出口とに圧力差を発生させる圧力差生成器を設けて、
   前記冷媒タンクに貯留されている液冷媒量の重量に関わ
   らず前記冷媒量調整弁が適正量の冷媒を冷媒回路に戻せ
   るようにしたことを特徴とする請求項２記載のヒートポ
   ンプ給湯機。
4. 【請求項４】 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乃至３いずれか１項記載の
   ヒートポンプ給湯機。
5. 【請求項５】 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４いずれか１記載のヒートポン
   プ給湯機。
6. 【請求項６】 前記冷媒量調整弁の開弁度は、前記蒸発
   器の吐出側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５いずれか１項記載のヒートポンプ給湯機。