JP2003090653A

JP2003090653A - ヒートポンプ式給湯機

Info

Publication number: JP2003090653A
Application number: JP2001278700A
Authority: JP
Inventors: Teruhiko Taira; 輝彦平
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-09-13
Filing date: 2001-09-13
Publication date: 2003-03-28

Abstract

(57)【要約】【課題】除霜運転時に通常運転時と同一経路を同一方
向に冷媒を流通するヒートポンプ式給湯機であっても、
室外熱交換器の除霜を良好に行なうことが可能なヒート
ポンプ式給湯機を提供すること。【解決手段】室外熱交換器７の除霜運転を行なうとき
には、減圧弁６の弁開度を最大とし、ウォータポンプ３
を停止して、通常運転時と同一方向にヒートポンプサイ
クルＣを循環する。このとき、室外熱交換器７には、室
外熱交換器７の略最下部より冷媒が流入する構成となっ
ている。従って、室外熱交換器７の除霜を室外熱交換器
７の下部から優先的に行なうことができる。このように
して、低外気温時であっても、除霜水の再凍結による熱
交換性能の低下、除霜水の排水不良を防止することが可
能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヒートポンプ式給
湯機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術として、特開２００１−８２８
０２号公報に開示されたヒートポンプ式給湯機がある。
この給湯機は、除霜運転時には、給湯運転時（通常運転
時）より減圧装置の弁開度を大きくし、かつ給湯用熱交
換器での熱交換を抑制することで、給湯運転時と同一経
路を同一方向に高温冷媒（ホットガス）を流通し、熱源
用熱交換器の除霜を行なうものである。

【０００３】また、一般的に、エアコン等のヒートポン
プ式熱源用熱交換器としては、特開２０００−８１２５
５号公報に示されているように、伝熱フィンを貫通する
伝熱管を有し、除霜時には熱源用熱交換器の上部から下
部に向かって、伝熱管内に冷媒を流通するものが知られ
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来技術では、除霜運転時に、熱源用熱交換器の上部か
ら下部に向かって高温冷媒が流れる。従って、熱源用熱
交換器の上部に対し下部が除霜され難く、低外気温時に
は、除霜時の除霜水が熱源用熱交換器の下部や、熱源用
熱交換器の下方に設けられたドレンパン内で再凍結し、
熱交換を妨げたり、排水を不能とするといった不具合を
発生し易いという問題がある。

【０００５】本発明は、上記点に鑑みてなされたもの
で、除霜運転時に通常運転時と同一経路を同一方向に冷
媒を流通するヒートポンプ式給湯機であっても、熱源用
熱交換器の除霜を良好に行なうことが可能なヒートポン
プ式給湯機を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、圧縮機（４）、給湯用
熱交換器（５）、減圧装置（６）、および熱源用熱交換
器（７）を環状に接続して構成され、減圧装置（６）の
弁開度を調節できるヒートポンプサイクル（Ｃ）と、給
湯用の液体を蓄える貯湯槽（２）と、この貯湯槽（２）
内の液体が給湯用熱交換器（５）を通って循環できる循
環通路（１７、１８）と、この循環通路（１７、１８）
に貯湯槽（２）内の液体を流通させるポンプ（３）とを
備え、熱源用熱交換器（７）の除霜を行なうときには、
減圧装置（６）の弁開度を通常運転時より大きくし、か
つポンプ（３）の運転を停止して、通常運転時と同一経
路を同一方向に高温冷媒を流通し、この高温冷媒により
熱源用熱交換器（７）を加熱するヒートポンプ式給湯機
であって、熱源用熱交換器（７）は、減圧装置（６）を
通過して熱源用熱交換器（７）に流入する冷媒の流入口
（７５ａ）を略最下部に備えていることを特徴としてい
る。

【０００７】これによると、熱源用熱交換器（７）の除
霜を、熱源用熱交換器の下部から優先的に行なうことが
できる。従って、低外気温時であっても除霜水の再凍結
による熱交換性能の低下を防止し、除霜水の排水性を確
保し易い。

【０００８】また、請求項２に記載の発明では、熱源用
熱交換器（７）は、伝熱フィン（７１）を貫通する複数
列の伝熱管（７２）を有し、熱源用熱交換器（７）は、
熱源用熱交換器（７）から流出する冷媒の全ての流出口
（７６ａ、７６ｂ）を、複数列の伝熱管（７２）のうち
最も風上列の伝熱管（７２ａ）に備えることを特徴とし
ている。

【０００９】これによると、ヒートポンプサイクル
（Ｃ）内への封入冷媒量を適量とした場合には、高外気
温時において、熱源用熱交換器（７）から流出する冷媒
は、最も風上列の伝熱管（７２ａ）により高温の空気と
充分に熱交換され、充分な過熱度を持ったガス冷媒とな
る。従って、給湯用熱交換器（５）の入口においてガス
冷媒温度を高温にすることができ、高温給湯が可能とな
る。

【００１０】また、請求項３に記載の発明では、減圧装
置（６）を通過して熱源用熱交換器（７）に流入する冷
媒経路は、熱源用熱交換器（７）に流入する前に複数の
経路に分岐され、この複数の経路のうち略半数は、熱源
用熱交換器（７）の略最下部に設けられた流入口（７５
ａ）に接続していることを特徴としている。

【００１１】これによると、熱源用熱交換器（７）の除
霜を、熱源用熱交換器（７）の下部から優先的に行なう
とともに、分岐された複数の経路に冷媒を流通すること
で、熱源用熱交換器（７）内における圧力損失を低下さ
せることができる。

【００１２】また、請求項４に記載の発明では、減圧装
置（６）を通過して熱源用熱交換器（７）に流入する全
ての冷媒は、熱源用熱交換器（７）の略最下部に設けら
れた流入口（７５）から流入する構成であることを特徴
としている。

【００１３】これによると、熱源用熱交換器（７）の除
霜を、熱源用熱交換器（７）の下部から確実に行なうこ
とができる。

【００１４】また、請求項５に記載の発明では、請求項
４に記載の発明において、熱源用熱交換器（７）は、熱
源用熱交換器（７）に流入した冷媒の経路を熱源用熱交
換器（７）内において分岐する構成であることを特徴と
している。

【００１５】これによると、熱源用熱交換器（７）の除
霜を、熱源用熱交換器（７）の下部から確実に行なうと
ともに、冷媒の通路を分岐することで、熱源用熱交換器
（７）内における圧力損失を低下させることができる。

【００１６】また、請求項６に記載の発明では、ヒート
ポンプサイクル（Ｃ）に使用される冷媒は、二酸化炭素
であることを特徴としている。

【００１７】このように、冷媒に二酸化炭素（ＣＯ₂）
を採用すると、フロン等を使用するヒートポンプサイク
ルと比較して作動圧力が高いため、低外気温時でも給湯
運転（通常運転）を良好に行なうことができる特性があ
り、熱源用熱交換器（７）の除霜や凍結防止を効率的に
行なうことができるため、この特性を最大限に生かすこ
とができる。

【００１８】なお、上記各手段に付した括弧内の符号
は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を
示す。

【００１９】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。

【００２０】図１はヒートポンプ式給湯機１の概略全体
構成図である。本実施例のヒートポンプ式給湯機（以下
給湯機１と呼ぶ）は、給湯用の液体（例えば水）を貯留
する貯湯槽２、液体を加熱するためのヒートポンプサイ
クルＣ、貯湯槽２内の液体が循環できる循環通路（後述
する）、この循環通路に液体を循環させるウォータポン
プ３、及び給湯機１の作動を制御する制御装置（図示し
ない）等より構成される。

【００２１】ヒートポンプサイクルＣは、圧縮機４、給
湯用熱交換器５、膨張弁６、室外熱交換器７、アキュム
レータ８を順次配管接続して構成され、冷媒としてＣＯ
₂を使用している。圧縮機４は、内蔵する電動モータ
（図示しない）によって駆動され、アキュムレータ８よ
り吸引した気相冷媒を臨界圧力以上まで圧縮して吐出す
る。

【００２２】給湯用熱交換器５は、圧縮機４より吐出さ
れた高温冷媒（ホットガス）と貯湯槽２内から供給され
た液体とを熱交換するもので、冷媒が流れる冷媒通路
（図示しない）と、液体が流れる液体通路（図示しな
い）とを有し、冷媒通路を流れる冷媒の流れ方向と液体
通路を流れる液体の流れ方向とが対向するように構成さ
れている。なお、給湯用熱交換器５を流れる冷媒（ＣＯ
₂）は、圧縮機４で臨界圧力以上に加圧されているの
で、給湯用熱交換器５を流通する液体に放熱して温度低
下しても凝縮することはない。

【００２３】膨張弁６は、給湯用熱交換器５から流出す
る冷媒を弁開度に応じて減圧する減圧装置で、制御装置
によって弁開度を電気的に制御される。

【００２４】室外熱交換器７（本発明の熱源用熱交換
器）は、膨張弁６で減圧された冷媒をファン１６によっ
て送風される外気との熱交換によって蒸発させる。室外
熱交換器７については、後に詳述する。アキュムレータ
８は、室外熱交換器７より流出する冷媒を気液分離し
て、気相冷媒のみを圧縮機４に吸引させるとともに、サ
イクル中の余剰冷媒を蓄えている。

【００２５】循環通路は、給湯用熱交換器５の液体通路
に接続される冷水管１７と温水管１８とから構成され、
冷水管１７の上流端が貯湯槽２の下部に設けられた流出
口２ａに接続され、温水管１８の下流端が貯湯槽２の上
部に設けられた流入口２ｂに接続されている。ウォータ
ポンプ３は、冷水管１７（温水管１８でも良い）に設け
られ、通電されて回転することにより、貯湯槽２内の液
体を循環通路に流通させる。なお、液体の流通方向は、
図１に矢印で示すように、貯湯槽２内の下部→流出口２
ａ→冷水管１７→給湯用熱交換器５の液体通路→温水管
１８→流入口２ｂ→貯湯槽２内の上部へと流れる。

【００２６】制御装置は、圧縮機４（電動モータ）、フ
ァン１６、ウォータポンプ３、及び膨張弁６を通電制御
して、貯湯槽２内に蓄えられる液体の温度をコントロー
ル（通常運転）している。また、制御装置は、除霜制御
手段としての機能を有し、室外熱交換器７の出口温度を
検出する温度センサ１９の検出値に基づいて、室外熱交
換器７の着霜を取り除くための除霜運転を制御してい
る。この除霜運転は、温度センサ１９の検出値が約−５
℃まで低下した時に開始され、約１０℃まで上昇した時
に終了する。

【００２７】ここで、室外熱交換器７（熱源用熱交換
器）について説明する。

【００２８】図２に示すように、室外熱交換器７は、ア
ルミニウム製の板状の伝熱フィン７１と、伝熱フィン７
１を貫通するように設けられた複数列（本例では２列）
の銅製の伝熱管７２とからなるフィンチューブ型熱交換
器であり、全体をＬ字状に湾曲させて、図示しない室外
ユニットに搭載されている。そして、膨張弁６を通過
し、分流器７３により分流された冷媒が流入するように
なっている。

【００２９】図３は、図２におけるＡ矢視図であって、
室外熱交換器７の冷媒回路構成を示す模式図である。

【００３０】図３に示すように、膨張弁６の下流側に
は、分流器７３が設けられ、この分流器７３には、室外
熱交換器７に流入する冷媒の回路（冷媒経路）を４回路
に分岐するように４本の分流配管７４の一端が接続して
いる。４本の分流配管７４のうち２本の分流配管７４の
他端は、室外熱交換器７の略最下部に設けられた流入口
７５ａにそれぞれ接続しており、他の２本の分流配管７
４の他端は、室外熱交換器７の上部に設けられた流入口
７５ｂにそれぞれ接続している。

【００３１】流入口７５ａに繋がる室外熱交換器７内の
２回路は、図３に示すように、一部は室外熱交換器の最
下部を通った後、順次上方に向かって、各回路の熱負荷
がほぼ同一となるように途中で交差しながら、風上列伝
熱管７２ａと風下列伝熱管７２ｂとをほぼ均等に通過す
るように構成されている。そして、この２回路の流出口
７６ａは、風上列伝熱管７２ａに設けられており、流出
口７６ａの上流側において、少なくとも伝熱管２本分
は、風上列伝熱管７２ａにより回路を構成するようにな
っている。

【００３２】また、流入口７５ｂに繋がる室外熱交換器
７内の２回路は、図３に示すように、室外熱交換器７の
略上半分に配置され、熱負荷が同等となるように、それ
ぞれ風下列伝熱管７２ｂから風上列伝熱管７２ａに向か
うように回路を構成している。そして、この２回路の流
出口７６ｂも風上列伝熱管７２ａに設けられており、流
出口７６ｂの上流側において、伝熱管数本分は、風上列
伝熱管７２ａにより回路を構成するようになっている。

【００３３】流出口７６ａ、７６ｂにはそれぞれ合流配
管７７の端部が接続しており、４回路を流れた冷媒をま
とめてアキュムレータ８に送るように構成されている。

【００３４】次に、本実施形態の作動を上記構成に基づ
いて説明する。

【００３５】貯湯槽２内の液体を給湯用熱交換器５に流
通させて加熱する通常運転時には、給湯用熱交換器５で
加熱された液体の温度が所定温度（例えば８５℃）とな
るように、ウォータポンプ３によって給湯用熱交換器５
を流通する液体流量を制御する。なお、給湯用熱交換器
５は、冷媒の流れ方向と液体の流れ方向とが対向するよ
うに構成されているので、給湯用熱交換器５内を流れる
液体は、液体入口から液体出口に向かうほど温度が上昇
する。ヒートポンプサイクルＣの膨張弁６は、給湯用熱
交換器５の冷媒入口での冷媒圧力（圧縮機４の吐出圧）
が、上記の所定温度の液体を得るために必要な冷媒温度
に対応する圧力となるように、制御装置を通じて弁開度
が制御され、ヒートポンプサイクルＣが運転される。

【００３６】このようにして、通常運転時には、室外熱
交換器７で吸熱した熱により給湯用熱交換器５において
液体を適宜加熱することができる。このとき、圧縮機４
に吸引されるガス冷媒の過熱度が大きくなると、圧縮機
４の吐出温度が上がり、給湯用熱交換器５で液体を高温
に加熱することができる。低外気温時には、室外熱交換
器７の吸熱負荷が減るため、過熱度が減り高くなりすぎ
ることを防止する。

【００３７】そこで、本実施形態では、高外気温時にお
いて、圧縮機４に吸引されるガス冷媒が過熱度を持ち易
いように、サイクル内への冷媒封入量を決定している。
具体的には、低外気温（例えば３℃）時において、通常
運転時の制御が行なわれたときに、圧縮機４に吸引され
るガス冷媒が乾燥飽和蒸気となるように冷媒封入量を決
定している。

【００３８】上記のように冷媒が封入されたヒートポン
プサイクルＣが、高外気温時において通常運転が行なわ
れると、室外熱交換器７から流出する冷媒は、流出口７
６ａ、７６ｂの上流側において、風上列伝熱管７２ｂを
通過することにより、高温の空気と充分に熱交換され、
充分な過熱度を持ったガス冷媒となって流出口７６ａ、
７６ｂから合流配管７７に流出する。従って、高外気温
時であっても、液体を高温に加熱することができる。

【００３９】また、室外熱交換器７は、分流器７３によ
り分岐された冷媒回路（冷媒経路）の半数は、室外熱交
換器７の略下半分を流れ、残りの半数は室外熱交換器７
の略上半分を流れる。従って、室外熱交換器７内の冷媒
回路の圧力損失を低減することが可能である。

【００４０】このように通常運転を実行している時に、
室外熱交換器７に霜が付着し出口温度（温度センサ１９
の検出温度）が所定温度まで低下すると、通常運転から
除霜運転に切り替えられる。この除霜運転では、ウォー
タポンプ３の運転を停止し、且つ膨張弁６の弁開度を通
常運転時より大きく（例えば全開）する。これにより、
圧縮機４から吐出されるホットガスが給湯用熱交換器５
で放出する熱エネルギー量を少なくでき、且つ膨張弁６
での減圧による温度低下を小さくできる。この結果、圧
縮機４から吐出されたホットガスが大きく温度低下する
ことなく室外熱交換器７まで到達して、室外熱交換器７
の除霜を行う。

【００４１】上述の構成および作動によれば、除霜運転
時に、ホットガスの約半分は、まず室外熱交換器７の最
下部を加熱し除霜を行なう。そして、最下部の除霜が完
了した後は、順次上方向に除霜を行なっていく。従っ
て、室外熱交換器７の最下部には、常にホットガスが通
過しているため、除霜水が滴下してきた場合でも再凍結
することはない。また、室外熱交換器７の下方にドレン
パンが設けられている場合であっても、ドレンパンおよ
びこれに落下する除霜水が室外熱交換器７の最下部から
の放熱により加熱され、ドレンパン内で除霜水が再凍結
して排水を不能にするといった不具合を発生し難い。

【００４２】また、本実施形態の給湯機１は、通常運転
からウォータポンプ３の運転を停止し、且つ膨張弁６の
弁開度を通常運転時より大きくするだけで室外熱交換器
７の除霜を行うことができる。この場合、除霜運転を行
うために新たな機能部品（例えば四方弁、開閉弁等）を
追加する必要がなく、サイクル構成が複雑化することを
防止でき、且つシステムコストの増大を防止できる。

【００４３】（他の実施形態）上記一実施形態では、室
外熱交換器７は、図３に示すような冷媒回路構成とした
が、例えば、図４に示すように、全ての冷媒が室外熱交
換器７の略最下部の流入口７５に流入する構成であって
もよい。図４に示す構成であれば、上記一実施形態より
も圧力損失は大きくなるものの、室外熱交換器７の最下
部への熱供給量を増加させ、除霜水の再凍結防止効果が
増大する。また、分流器を廃止あるいは簡素化すること
が可能であるので、コストを低減することも可能であ
る。

【００４４】また、例えば、図５に示すように、全ての
冷媒が室外熱交換器７の略最下部の流入口７５に流入す
るとともに、流入した冷媒の回路（経路）を熱交換器内
において分岐する構成であってもよい。これによれば、
図４に示す構成と同様に、室外熱交換器７の最下部への
熱供給量を増加させ、除霜水の再凍結防止効果が増大す
る。また、分流器を廃止あるいは簡素化することが可能
であるので、コストを低減することも可能である。さら
に、図４に示す構成よりも圧力損失を低減することが可
能である。

【００４５】なお、図４および図５に示した構成によれ
ば、上記一実施形態と同様に、冷媒の流出口７６を風上
列伝熱管７２ａに設けているので、高外気温時にガス冷
媒に過熱度を持たせ易く、効率のよい給湯を行なうこと
ができる。

【００４６】また、上記一実施形態では、室外熱交換器
７の伝熱管７２を２列に配置し、風上列伝熱管７２ａに
冷媒の流出口７６ａ、７６ｂを設けたが、伝熱管７２を
３列以上配置し、流出口を最も風上列の伝熱管に設ける
ものであってもよい。

【００４７】また、上記一実施形態において、貯湯槽２
内に貯留されている液体（温水）は、そのまま飲料水や
風呂湯等に使用しても良いが、貯湯槽２内の液体を飲料
水や風呂水を加熱するための熱媒体として使用しても良
い。また、貯湯槽２内の液体は、給湯用だけでなく、床
暖房用、室内空調用として使用しても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態におけるヒートポンプ式給
湯機の概略全体構成図である。

【図２】本発明の一実施形態における室外熱交換器（熱
源用熱交換器）の概略構成図である。

【図３】本発明の一実施形態における室外熱交換器の冷
媒配管構成を示す模式図である。

【図４】他の実施形態における室外熱交換器の冷媒配管
構成を示す模式図である。

【図５】他の実施形態における室外熱交換器の冷媒配管
構成を示す模式図である。

【符号の説明】

１ヒートポンプ式給湯機２貯湯槽３ウォータポンプ（ポンプ）４圧縮機５給湯用熱交換器６膨張弁（減圧装置）７室外熱交換器（熱源用熱交換器）１７冷水管（循環通路の一部）１８温水管（循環通路の一部）７１伝熱フィン７２伝熱管７２ａ風上列伝熱管７３分流器７４分流配管７５、７５ａ、７５ｂ流入口７６、７６ａ、７６ｂ流出口７７合流配管Ｃヒートポンプサイクル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ２５Ｂ 39/02 Ｆ２５Ｂ 39/02 Ｔ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧縮機（４）、給湯用熱交換器（５）、
減圧装置（６）、および熱源用熱交換器（７）を環状に
接続して構成され、前記減圧装置（６）の弁開度を調節
できるヒートポンプサイクル（Ｃ）と、給湯用の液体を蓄える貯湯槽（２）と、この貯湯槽（２）内の液体が前記給湯用熱交換器（５）
を通って循環できる循環通路（１７、１８）と、この循環通路（１７、１８）に前記貯湯槽（２）内の液
体を流通させるポンプ（３）とを備え、前記熱源用熱交換器（７）の除霜を行なうときには、前
記減圧装置（６）の弁開度を通常運転時より大きくし、
かつ前記ポンプ（３）の運転を停止して、前記通常運転
時と同一経路を同一方向に高温冷媒を流通し、この高温
冷媒により前記熱源用熱交換器（７）を加熱するヒート
ポンプ式給湯機であって、前記熱源用熱交換器（７）は、前記減圧装置（６）を通
過して前記熱源用熱交換器（７）に流入する冷媒の流入
口（７５ａ）を略最下部に備えていることを特徴とする
ヒートポンプ式給湯機。
【請求項２】前記熱源用熱交換器（７）は、伝熱フィ
ン（７１）を貫通する複数列の伝熱管（７２）を有し、前記熱源用熱交換器（７）は、前記熱源用熱交換器
（７）から流出する冷媒の全ての流出口（７６ａ、７６
ｂ）を、前記複数列の伝熱管（７２）のうち最も風上列
の伝熱管（７２ａ）に備えることを特徴とする請求項１
に記載のヒートポンプ式給湯機。
【請求項３】前記減圧装置（６）を通過して前記熱源
用熱交換器（７）に流入する冷媒経路は、前記熱源用熱
交換器（７）に流入する前に複数の経路に分岐され、この複数の経路のうち略半数は、前記熱源用熱交換器
（７）の略最下部に設けられた前記流入口（７５ａ）に
接続していることを特徴とする請求項１または請求項２
に記載のヒートポンプ式給湯機。
【請求項４】前記減圧装置（６）を通過して前記熱源
用熱交換器（７）に流入する全ての冷媒は、前記熱源用
熱交換器（７）の略最下部に設けられた前記流入口（７
５）から流入する構成であることを特徴とする請求項１
または請求項２に記載のヒートポンプ式給湯機。
【請求項５】前記熱源用熱交換器（７）は、前記熱源
用熱交換器（７）に流入した冷媒の経路を前記熱源用熱
交換器（７）内において分岐する構成であることを特徴
とする請求項４に記載のヒートポンプ式給湯機。
【請求項６】前記ヒートポンプサイクル（Ｃ）に使用
される冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする請求
項１ないし請求項５のいずれか１つに記載のヒートポン
プ式給湯機。