JP2004239506A - ヒートポンプ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】伝熱手段を圧縮機に一体となるように配設させることで、搭載性が良好で、かつヒートポンプサイクルの運転効率の向上が図れるヒートポンプ装置を実現する。
【解決手段】圧縮機2、高圧冷媒と熱媒体とを熱交換する凝縮用熱交換器3、減圧手段5、蒸発用熱交換器6およびアキュームレータ7を順に環状に接続し、凝縮用熱交換器3に熱媒体を流通させて高温の熱媒体を出力するヒートポンプ装置において、凝縮用熱交換器3から吐出される高圧冷媒を流通させて高圧冷媒の熱を外部に伝熱する伝熱手段4が圧縮機2の外郭部21に設けられるとともに、圧縮機2は、伝熱手段4からの伝熱により外郭部21の内部に流通する吸入冷媒が加熱されるように構成した。これにより、搭載性が良好で、かつ運転効率の向上が図れる。
【選択図】 図2
【解決手段】圧縮機2、高圧冷媒と熱媒体とを熱交換する凝縮用熱交換器3、減圧手段5、蒸発用熱交換器6およびアキュームレータ7を順に環状に接続し、凝縮用熱交換器3に熱媒体を流通させて高温の熱媒体を出力するヒートポンプ装置において、凝縮用熱交換器3から吐出される高圧冷媒を流通させて高圧冷媒の熱を外部に伝熱する伝熱手段4が圧縮機2の外郭部21に設けられるとともに、圧縮機2は、伝熱手段4からの伝熱により外郭部21の内部に流通する吸入冷媒が加熱されるように構成した。これにより、搭載性が良好で、かつ運転効率の向上が図れる。
【選択図】 図2
Description
【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を構成する凝縮用熱交換器に熱媒体を流通させて高温の熱媒体を出力するヒートポンプ装置に関するものであり、特に、圧縮機に吸入される低圧冷媒の加熱に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、熱媒体(例えば、水道水)の加熱手段として、ヒートポンプサイクルを用いて高圧冷媒と水道水とを熱交換させるヒートポンプ装置が知られている。このヒートポンプ装置は、冷媒を圧縮する圧縮機、この圧縮機より吐出された高圧、高温冷媒と水道水とを熱交換する凝縮用熱交換器、減圧手段、蒸発用熱交換器およびアキュームレータを順に環状に冷媒配管で接続して、凝縮用熱交換器に低温の水道水を流通させて高温の給湯水を出力している(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
【特許文献1】
特開2002−5515号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献1のようなヒートポンプサイクルによれば、凝縮用熱交換器に供給される水道水の温度が高くなってくると、凝縮用熱交換器の出口側の冷媒温度が下がらないために凝縮用熱交換器の加熱能力が減少してしまう。所謂、ヒートポンプシステムの入力となる圧縮機の動力に対する出力である凝縮用熱交換器の加熱能力が低下してしまうので運転効率が低下するという問題があった。
【0005】
そこで、発明者らは上述の問題を解消するために、凝縮用熱交換器から吐出される冷媒の熱を圧縮機に吸入する冷媒に加熱させて、圧縮機の吐出温度を高めて凝縮用熱交換器の加熱能力を増加させる方法があることを見出した。因みに、図5はヒートポンプサイクルを構成する低圧冷媒配管に伝熱手段を配設して、圧縮機に吸入する低圧冷媒を加熱するように構成したものである。
【0006】
これは、図5に示すように、圧縮機110、凝縮用熱交換器120、減圧手段130、蒸発用熱交換器140、およびアキュームレータ150から構成されるヒートポンプサイクル100において、圧縮機110とアキュームレータ150とを接続する低圧冷媒配管160と、凝縮用熱交換器120と減圧手段130とを接続する高圧冷媒配管170とを熱交換するように伝熱手段180を設けたものである。
【0007】
これによれば、凝縮用熱交換器120から吐出される冷媒の熱を低圧冷媒配管160に流通する低圧冷媒に伝熱させることができる。しかも、この伝熱手段180の伝熱部190をろう付けなどの接合手段により接合させて、これらの冷媒配管160、170を断熱材160で覆うように構成することにより、高圧冷媒配管170側の熱を低圧冷媒配管160側に確実に伝熱させることが可能である。
【0008】
ところが、伝熱部190の伝熱面積を大となるような伝熱手段180を構成させると、低圧冷媒配管160の圧力損失が増大するため、圧縮機110の吸入圧力が低下してしまい運転効率の低下という不具合が発生することが分かった。さらに、ヒートポンプサイクル100に伝熱手段180を構成するための搭載空間が新たに必要となることも併せて分かった。
【0009】
そこで、本発明では、上記点を鑑みたものであり、伝熱手段を圧縮機に一体となるように配設させることで、伝熱手段の搭載性が良好で、かつヒートポンプサイクルの運転効率の向上が図れるヒートポンプ装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記、目的を達成するために、請求項1ないし請求項9に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項1に記載の発明では、冷媒を吸入して圧縮する圧縮機(2)、この圧縮機(2)より吐出された高圧冷媒と熱媒体とを熱交換する凝縮用熱交換器(3)、減圧手段(5)、蒸発用熱交換器(6)およびアキュームレータ(7)を順に環状に接続し、凝縮用熱交換器(3)に熱媒体を流通させて高温の熱媒体を出力するヒートポンプ装置において、
凝縮用熱交換器(3)から吐出される高圧冷媒を流通させて高圧冷媒の熱を外部に伝熱する伝熱手段(4)が圧縮機(2)の外郭部(21)に設けられるとともに、圧縮機(2)は、伝熱手段(4)からの伝熱により外郭部(21)の内部に流通する吸入冷媒が加熱されるように構成したことを特徴としている。
【0011】
請求項1に記載の発明によれば、凝縮用熱交換器(3)から吐出される高圧冷媒を流通させて高圧冷媒の熱を外部に伝熱する伝熱手段(4)が圧縮機(2)の外郭部(21)に設けられることにより、圧縮機(2)の外郭がやや大となることで、圧縮機(2)の容積がやや増加するが伝熱手段(4)の搭載性を悪化させることはない。
【0012】
また、伝熱手段(4)は、凝縮用熱交換器(3)から吐出される高圧冷媒を流通させて高圧冷媒の熱を外部に伝熱するように構成し、かつ圧縮機(2)の外郭部(21)から吸入冷媒が加熱されるように構成したので、低圧側の圧力損失が全く増加することなくヒートポンプサイクル(C)の運転効率の向上が図れる。
【0013】
請求項2に記載の発明では、凝縮用熱交換器(3)と減圧手段(5)とを接続する冷媒配管(8c)は、凝縮用熱交換器(3)の吐出側から伝熱手段(4)を経由させて減圧手段(5)に接続されるように構成したことを特徴としている。
【0014】
請求項2に記載の発明によれば、凝縮用熱交換器(3)から吐出される高圧冷媒の熱が伝熱手段(4)により外部、具体的には、圧縮機(2)の外郭部(21)を介して圧縮機(2)内部の吸入冷媒に伝熱されることで、吸入冷媒が加熱されて圧縮機(2)の吐出温度を高めて凝縮用熱交換器(3)の加熱能力を増加させる。これにより、ヒートポンプサイクル(C)の運転効率の向上が図れる。
【0015】
請求項3に記載の発明では、伝熱手段(4)は、圧縮機(2)の外郭部(21)に熱伝導性が良好となるように接合されたことを特徴としている。
【0016】
請求項3に記載の発明によれば、伝熱手段(4)を外郭部(21)に熱伝導性が良好となるように接合されたことにより、高圧冷媒の熱が確実に伝熱できる。
【0017】
請求項4に記載の発明では、伝熱手段(4)は、パイプ状の金属配管で形成され、かつ外郭部(21)に略どぐろ状に巻きつけられたことを特徴としている。
【0018】
請求項4に記載の発明によれば、圧縮機(2)の容積がやや増加するが、伝熱手段(4)を小型にすることができるため、伝熱手段(4)を別体に設ける方式よりも搭載性が良好となる。
【0019】
請求項5に記載の発明では、伝熱手段(4)は、多孔状に配設された多孔管で形成され、かつ外郭部(21)に巻きつけられたことを特徴としている。
【0020】
請求項5に記載の発明によれば、伝熱手段(4)を、例えば、押出し加工などによって多孔状に配設された多孔管を形成することにより、上記請求項4よりも伝熱特性が向上することで伝熱手段(4)が小型にできる。
【0021】
請求項6に記載の発明では、伝熱手段(4)は、接合手段としてろう付け、または、はんだ付けのいずれかによって外郭部(21)に接合されたことを特徴としている。
【0022】
請求項6に記載の発明によれば、伝熱手段(4)の熱を確実に外郭部(21)に伝熱できるため吸入側の低圧冷媒を確実に加熱できる。
【0023】
請求項7に記載の発明では、高圧冷媒と熱媒体とを熱交換する凝縮用熱交換器(3)は、熱媒体として水道水またはブライン水のいずれかを流通させて高温の温水を出力し、その高温の温水を用いて給湯および暖房を行なうことを特徴としている。
【0024】
請求項7に記載の発明によれば、凝縮用熱交換器(3)に供給される熱媒体の温度が高くなっても、圧縮機(2)の吐出温度が高まることで凝縮用熱交換器(3)の加熱能力の低下が防止できる。従って、運転効率の低下が防止できる。
【0025】
請求項8に記載の発明では、圧縮機(2)、凝縮用熱交換器(3)、減圧手段(5)、蒸発用熱交換器(6)およびアキュームレータ(7)から構成されるヒートポンプサイクル(C)は、蒸気圧縮サイクルが超臨界域で作動されることを特徴としている。
【0026】
請求項8に記載の発明によれば、圧縮機(2)の吐出温度が、より高められることにより、高温の熱媒体を出力する凝縮用熱交換器(3)の加熱能力が向上するとともに、ヒートポンプサイクル(C)の運転効率の向上が図れる。
【0027】
請求項9に記載の発明では、ヒートポンプサイクル(C)は、冷媒が二酸化炭素であることを特徴としている。
【0028】
請求項9に記載の発明によれば、冷媒に二酸化炭素を用いることで、圧縮機(2)の吐出温度がより高められることにより、凝縮用熱交換器(3)の加熱能力がより向上する。
【0029】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。
【0030】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
以下、本発明を適用した第1実施形態のヒートポンプ装置を図1および図2に基づいて説明する。図1は、ヒートポンプ装置1の全体構成を示す模式図である。本実施形態のヒートポンプ装置1は、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルCである蒸気圧縮システムと、ヒートポンプサイクルCを構成する凝縮用熱交換器3に熱媒体(例えば、水道水、給湯用水)を流通させる給湯水通路10とからなっている。
【0031】
本実施形態のヒートポンプサイクルCは、図1に示すように、圧縮機2、凝縮用熱交換器3、伝熱手段4、減圧手段5、蒸発用熱交換器6およびアキュームレータ7などを順に環状に冷媒配管8により接続して構成され、冷媒として、臨界圧力の低い二酸化炭素(CO2)を用いている。
【0032】
圧縮機2は、詳しくは後述するが内蔵する電動部である電動モータにより駆動され、アキュームレータ7より吸入した冷媒を圧縮して吐出する。凝縮用熱交換器3は、圧縮機2より吐出された高圧のガス冷媒と熱媒体(例えば、水道水、給湯用水)とを熱交換する水熱交換器である。減圧手段5は、弁開度を電気的に調節可能な構造を有し、凝縮用熱交換器3および詳しくは後述する伝熱手段4で冷却された冷媒を弁開度に応じて減圧する膨張弁である。
【0033】
蒸発用熱交換器6は、ファン6aによる送風を受け、減圧手段5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。アキュームレータ7は、蒸発用熱交換器6と圧縮機2との間に介在してサイクルC内の余剰冷媒を蓄え、気相冷媒のみを圧縮機2に吸入させる。
【0034】
なお、冷媒配管8のうち、8aはアキュームレータ7と圧縮機2の吸入側との間に接続される低圧冷媒配管であり、8bは凝縮用熱交換器3と圧縮機2の吐出側との間に接続される第1高圧冷媒配管であり、8cは、凝縮用熱交換器3の出口側と減圧手段5との間に接続される冷媒高圧配管である第2高圧冷媒配管である。
【0035】
一方、給湯水通路10には、給湯用水を貯湯する貯湯タンク11、循環ポンプ12、および凝縮用熱交換器3から構成され、図1に示すように、ヒートポンプサイクルCの冷媒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。貯湯タンク11は、耐食性に優れた金属製(例えば、ステンレス製)で断熱構造を有し、高温(例えば、80〜90℃)の給湯用水を長時間に渡って保温するようになっており、給湯のときに、貯湯タンク11内から取り出した給湯用水と水道水とを温度調節して使用者に供給するシステムになっている。
【0036】
なお、貯湯タンク11内に貯湯される給湯用水は、キッチンや風呂などで直接使用しても良いが、給湯用以外に、例えば、床暖房用、室内空調用の暖房熱源として利用することもできる。また、循環ポンプ12は、貯湯タンク11内の給湯用水を凝縮用熱交換器3に循環させるポンプである。
【0037】
次に本発明の要部である伝熱手段4について説明する。本実施形態の伝熱手段4は凝縮用熱交換器3と減圧手段5とを接続する高圧冷媒が流通する第2高圧冷媒配管8cの中途に形成され、詳しくは、図2に示すように、パイプ状の金属配管を圧縮機2の外郭部21に略どぐろ状に巻きつけるように形成して配設している。また、図中の4aは、伝熱手段4への入口部であって、凝縮用熱交換器3の出口側に接続され、4bは、伝熱手段4の出口部であって、減圧手段5に接続されている。
【0038】
次に、伝熱手段4の内周側と外郭部21とは、伝熱手段4の熱伝導性が良好となるように、ろう付けもしくは、はんだ付けなどの接合手段によって接合している。これにより、圧縮機2で吐出された高温高圧の冷媒が、凝縮用熱交換器3において、給湯用水と熱交換された高圧冷媒が減圧手段5に流通される前に、高圧冷媒の熱が伝熱手段4より圧縮機2の外郭部21に伝熱されるものである。さらに、図中に示す2点鎖線は断熱材4cであり、伝熱手段4の外表面を覆うように配設されている。
【0039】
一方の圧縮機2側は、下方に吸入口2a、伝熱手段4が配設される外郭部21の内側には電動部である電動モータ22と、その電動モータ22の上方に圧縮部23と、その上方に吐出口2bとが設けられるとともに、電動モータ22の内部には、吸入口2aより吸入した低圧冷媒の吸入通路24が形成されている。従って、吸入口2aより吸入された低圧冷媒は吸入通路24を流通して電動モータ22および外郭部21からの熱により加熱された後に、圧縮部23に流通するようになっている。なお、吸入口は低圧冷媒配管8aに接続され、吐出口2bは第1高圧冷媒配管8bに接続されている。
【0040】
なお、本実施形態では電動モータ22を下方に、圧縮部23を電動モータ22の上方に配設して、電動モータ22の外側の外郭部21に伝熱手段4を接合させたが、これに限らず、電動モータ22が上方に、圧縮部23が下方に配設された構造の圧縮機であっても、伝熱手段4を電動モータ22の外側の外郭部21に接合させても良い。
【0041】
また、伝熱手段4が必ずしも電動モータ22の外側の外郭部21に接合する必要はないが、圧縮部23の上流側に形成される吸入通路24の外側の外郭部21に伝熱手段4を接合させるのが最適である。
【0042】
次に、以上の構成によるヒートポンプサイクルCの作動について説明する。圧縮機2で圧縮された高温高圧の冷媒は、凝縮用熱交換器3において、給湯用水に放熱されて冷却される。そして、凝縮用熱交換器3にて冷却された高圧冷媒の熱は、伝熱手段4によって圧縮機2の外郭部21に伝熱されることで、さらに冷却した後に減圧手段5にて減圧される。
【0043】
そして、凝縮用熱交換器3にて冷却された高圧冷媒の熱が外郭部21に伝熱されることで、外郭部21内の吸入通路24を流通する低圧冷媒が加熱されて、圧縮機の吐出温度が高められるものである。
【0044】
従って、凝縮用熱交換器3に供給される給湯用水の温度が所定値よりも高くなってくるときには、凝縮用熱交換器3の出口側の冷媒温度が下がらないために凝縮用熱交換器3の加熱能力が減少するが、伝熱手段4によって凝縮用熱交換器3の出口側の冷媒温度を伝熱させて圧縮機2内を流通する低圧冷媒に加熱することで、凝縮用熱交換器3の加熱能力を増加することができる。
【0045】
以上の第1実施形態のヒートポンプ装置1によれば、凝縮用熱交換器3から吐出される高圧冷媒を流通させて高圧冷媒の熱を外部に伝熱する伝熱手段4が圧縮機2の外郭部21に設けられることにより、圧縮機2の外郭がやや大となることで、圧縮機2の容積がやや増加するが伝熱手段4の搭載性を悪化させることはない。
【0046】
また、この伝熱手段4は凝縮用熱交換器3から吐出される高圧冷媒を流通させて高圧冷媒の熱を外部に伝熱するように構成し、かつ圧縮機2の外郭部21から吸入冷媒が加熱されるように構成したので、低圧冷媒配管8a側の圧力損失が全く増加することなくヒートポンプサイクルCの運転効率の向上が図れる。
【0047】
また、凝縮用熱交換器3から吐出される高圧冷媒の熱が伝熱手段4により外部、具体的には、圧縮機2の外郭部21を介して圧縮機2内部の吸入冷媒に伝熱されることで、吸入冷媒が加熱されて圧縮機2の吐出温度を高めて凝縮用熱交換器3の加熱能力を増加させることができることで、ヒートポンプサイクルCの運転効率の向上が図れる。
【0048】
また、伝熱手段4をパイプ状の金属配管で、外郭部21に略どぐろ状に巻きつけるように配設したことにより、圧縮機2の容積がやや増加するが、伝熱手段4を小型にすることができるため、伝熱手段4を別体に設ける従来の方式よりも搭載性が良好となる。
【0049】
また、伝熱手段4は、接合手段としてろう付け、もしくは、はんだ付けのいずれかによって外郭部21に接合したことにより、伝熱手段4の熱を確実に外郭部21に伝熱できるため吸入側の低圧冷媒を確実に加熱できる。
【0050】
また、ヒートポンプサイクルCには、冷媒に二酸化炭素を用いるとともに、蒸気圧縮サイクルが超臨界域で作動されるように構成することにより、圧縮機2の吐出温度が、より高められることにより、高温の熱媒体を出力する凝縮用熱交換器3の加熱能力が向上するとともに、ヒートポンプサイクルCの運転効率の向上が図れる。
【0051】
(第2実施形態)
以上の第1実施形態では、伝熱手段4をパイプ状の金属配管で形成し、かつ圧縮機の外郭部21に略どぐろ状に巻きつけるように配設したが、これに限らず、多孔状に配設された多孔管で伝熱手段4を形成させて、かつ外郭部21に巻きつけるように配設しても良い。
【0052】
具体的には、図3に示すように、例えば、押出し材などを用いて押出加工により多孔状に配設された多孔管4dで伝熱手段4を形成させて、圧縮機2の外郭部21に巻きつけたものである。なお、図中の符合は第1実施形態と同じ構成のものは同一の符合を付して説明は省略する。以上の構成による第2実施形態のヒートポンプ装置1によれば、第1実施形態よりも成形型が必要となるが、伝熱特性が向上することで伝熱手段4が小型にできる。
【0053】
(他の実施形態)
以上の実施形態では、電動モータ22が内蔵する圧縮機2の外郭部21に伝熱手段4を配設した説明をしたが、これに限らず、圧縮部23を駆動するための駆動部が圧縮機2の外部に設けられており、その外部の駆動によって冷媒を圧縮する圧縮機においても本発明を適用できる。
【0054】
図4は、本発明を車両用のエンジン等の動力を図示しないVベルトを介して駆動させる圧縮機に本発明を適用させたもので、図4に示すように、25は電磁クラッチであって、この電磁クラッチ25を作動させることで圧縮機2が外部から駆動されるものである。この圧縮機2においても、圧縮部23の上流側において、吸入通路24の外側の外郭部21に伝熱手段4を巻きつけるように配設させることにより、以上の実施形態と同様の効果を奏する。
【0055】
なお、ここでは、第2実施形態にて説明した伝熱手段4を配設させたが、第1実施形態のパイプ状のものでも良い。また、以上の実施形態では、伝熱手段4の外側に断熱材4cを設けたが、断熱材4cがなくても良い。
【0056】
また、以上の実施形態では、本発明を圧縮機2、凝縮用熱交換器3、減圧手段5、蒸発用熱交換器6などから構成され、超臨界ヒートポンプからなるヒートポンプサイクルCに適用したが、これに限らず、一般のヒートポンプサイクルを構成する圧縮機2に適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態におけるヒートポンプ装置1の全体構成を示す模式図である。
【図2】本発明の第1実施形態における伝熱手段4の圧縮機2への搭載形態を示す縦断面図である。
【図3】本発明の第2実施形態における伝熱手段4の圧縮機2への搭載形態を示す縦断面図である。
【図4】他の実施形態における伝熱手段4の圧縮機2への搭載形態を示す縦断面図である。
【図5】伝熱手段180を冷媒配管に構成したときのヒートポンプサイクル100を示す模式図である。
【符号の説明】
2…圧縮機
3…凝縮用熱交換器
4…伝熱手段
5…減圧手段
6…蒸発用熱交換器
7…アキュームレータ
8c…第2高圧冷媒配管(冷媒配管)
21…外郭部
C…ヒートポンプサイクル
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプサイクルを構成する凝縮用熱交換器に熱媒体を流通させて高温の熱媒体を出力するヒートポンプ装置に関するものであり、特に、圧縮機に吸入される低圧冷媒の加熱に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、熱媒体(例えば、水道水)の加熱手段として、ヒートポンプサイクルを用いて高圧冷媒と水道水とを熱交換させるヒートポンプ装置が知られている。このヒートポンプ装置は、冷媒を圧縮する圧縮機、この圧縮機より吐出された高圧、高温冷媒と水道水とを熱交換する凝縮用熱交換器、減圧手段、蒸発用熱交換器およびアキュームレータを順に環状に冷媒配管で接続して、凝縮用熱交換器に低温の水道水を流通させて高温の給湯水を出力している(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
【特許文献1】
特開2002−5515号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献1のようなヒートポンプサイクルによれば、凝縮用熱交換器に供給される水道水の温度が高くなってくると、凝縮用熱交換器の出口側の冷媒温度が下がらないために凝縮用熱交換器の加熱能力が減少してしまう。所謂、ヒートポンプシステムの入力となる圧縮機の動力に対する出力である凝縮用熱交換器の加熱能力が低下してしまうので運転効率が低下するという問題があった。
【0005】
そこで、発明者らは上述の問題を解消するために、凝縮用熱交換器から吐出される冷媒の熱を圧縮機に吸入する冷媒に加熱させて、圧縮機の吐出温度を高めて凝縮用熱交換器の加熱能力を増加させる方法があることを見出した。因みに、図5はヒートポンプサイクルを構成する低圧冷媒配管に伝熱手段を配設して、圧縮機に吸入する低圧冷媒を加熱するように構成したものである。
【0006】
これは、図5に示すように、圧縮機110、凝縮用熱交換器120、減圧手段130、蒸発用熱交換器140、およびアキュームレータ150から構成されるヒートポンプサイクル100において、圧縮機110とアキュームレータ150とを接続する低圧冷媒配管160と、凝縮用熱交換器120と減圧手段130とを接続する高圧冷媒配管170とを熱交換するように伝熱手段180を設けたものである。
【0007】
これによれば、凝縮用熱交換器120から吐出される冷媒の熱を低圧冷媒配管160に流通する低圧冷媒に伝熱させることができる。しかも、この伝熱手段180の伝熱部190をろう付けなどの接合手段により接合させて、これらの冷媒配管160、170を断熱材160で覆うように構成することにより、高圧冷媒配管170側の熱を低圧冷媒配管160側に確実に伝熱させることが可能である。
【0008】
ところが、伝熱部190の伝熱面積を大となるような伝熱手段180を構成させると、低圧冷媒配管160の圧力損失が増大するため、圧縮機110の吸入圧力が低下してしまい運転効率の低下という不具合が発生することが分かった。さらに、ヒートポンプサイクル100に伝熱手段180を構成するための搭載空間が新たに必要となることも併せて分かった。
【0009】
そこで、本発明では、上記点を鑑みたものであり、伝熱手段を圧縮機に一体となるように配設させることで、伝熱手段の搭載性が良好で、かつヒートポンプサイクルの運転効率の向上が図れるヒートポンプ装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記、目的を達成するために、請求項1ないし請求項9に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項1に記載の発明では、冷媒を吸入して圧縮する圧縮機(2)、この圧縮機(2)より吐出された高圧冷媒と熱媒体とを熱交換する凝縮用熱交換器(3)、減圧手段(5)、蒸発用熱交換器(6)およびアキュームレータ(7)を順に環状に接続し、凝縮用熱交換器(3)に熱媒体を流通させて高温の熱媒体を出力するヒートポンプ装置において、
凝縮用熱交換器(3)から吐出される高圧冷媒を流通させて高圧冷媒の熱を外部に伝熱する伝熱手段(4)が圧縮機(2)の外郭部(21)に設けられるとともに、圧縮機(2)は、伝熱手段(4)からの伝熱により外郭部(21)の内部に流通する吸入冷媒が加熱されるように構成したことを特徴としている。
【0011】
請求項1に記載の発明によれば、凝縮用熱交換器(3)から吐出される高圧冷媒を流通させて高圧冷媒の熱を外部に伝熱する伝熱手段(4)が圧縮機(2)の外郭部(21)に設けられることにより、圧縮機(2)の外郭がやや大となることで、圧縮機(2)の容積がやや増加するが伝熱手段(4)の搭載性を悪化させることはない。
【0012】
また、伝熱手段(4)は、凝縮用熱交換器(3)から吐出される高圧冷媒を流通させて高圧冷媒の熱を外部に伝熱するように構成し、かつ圧縮機(2)の外郭部(21)から吸入冷媒が加熱されるように構成したので、低圧側の圧力損失が全く増加することなくヒートポンプサイクル(C)の運転効率の向上が図れる。
【0013】
請求項2に記載の発明では、凝縮用熱交換器(3)と減圧手段(5)とを接続する冷媒配管(8c)は、凝縮用熱交換器(3)の吐出側から伝熱手段(4)を経由させて減圧手段(5)に接続されるように構成したことを特徴としている。
【0014】
請求項2に記載の発明によれば、凝縮用熱交換器(3)から吐出される高圧冷媒の熱が伝熱手段(4)により外部、具体的には、圧縮機(2)の外郭部(21)を介して圧縮機(2)内部の吸入冷媒に伝熱されることで、吸入冷媒が加熱されて圧縮機(2)の吐出温度を高めて凝縮用熱交換器(3)の加熱能力を増加させる。これにより、ヒートポンプサイクル(C)の運転効率の向上が図れる。
【0015】
請求項3に記載の発明では、伝熱手段(4)は、圧縮機(2)の外郭部(21)に熱伝導性が良好となるように接合されたことを特徴としている。
【0016】
請求項3に記載の発明によれば、伝熱手段(4)を外郭部(21)に熱伝導性が良好となるように接合されたことにより、高圧冷媒の熱が確実に伝熱できる。
【0017】
請求項4に記載の発明では、伝熱手段(4)は、パイプ状の金属配管で形成され、かつ外郭部(21)に略どぐろ状に巻きつけられたことを特徴としている。
【0018】
請求項4に記載の発明によれば、圧縮機(2)の容積がやや増加するが、伝熱手段(4)を小型にすることができるため、伝熱手段(4)を別体に設ける方式よりも搭載性が良好となる。
【0019】
請求項5に記載の発明では、伝熱手段(4)は、多孔状に配設された多孔管で形成され、かつ外郭部(21)に巻きつけられたことを特徴としている。
【0020】
請求項5に記載の発明によれば、伝熱手段(4)を、例えば、押出し加工などによって多孔状に配設された多孔管を形成することにより、上記請求項4よりも伝熱特性が向上することで伝熱手段(4)が小型にできる。
【0021】
請求項6に記載の発明では、伝熱手段(4)は、接合手段としてろう付け、または、はんだ付けのいずれかによって外郭部(21)に接合されたことを特徴としている。
【0022】
請求項6に記載の発明によれば、伝熱手段(4)の熱を確実に外郭部(21)に伝熱できるため吸入側の低圧冷媒を確実に加熱できる。
【0023】
請求項7に記載の発明では、高圧冷媒と熱媒体とを熱交換する凝縮用熱交換器(3)は、熱媒体として水道水またはブライン水のいずれかを流通させて高温の温水を出力し、その高温の温水を用いて給湯および暖房を行なうことを特徴としている。
【0024】
請求項7に記載の発明によれば、凝縮用熱交換器(3)に供給される熱媒体の温度が高くなっても、圧縮機(2)の吐出温度が高まることで凝縮用熱交換器(3)の加熱能力の低下が防止できる。従って、運転効率の低下が防止できる。
【0025】
請求項8に記載の発明では、圧縮機(2)、凝縮用熱交換器(3)、減圧手段(5)、蒸発用熱交換器(6)およびアキュームレータ(7)から構成されるヒートポンプサイクル(C)は、蒸気圧縮サイクルが超臨界域で作動されることを特徴としている。
【0026】
請求項8に記載の発明によれば、圧縮機(2)の吐出温度が、より高められることにより、高温の熱媒体を出力する凝縮用熱交換器(3)の加熱能力が向上するとともに、ヒートポンプサイクル(C)の運転効率の向上が図れる。
【0027】
請求項9に記載の発明では、ヒートポンプサイクル(C)は、冷媒が二酸化炭素であることを特徴としている。
【0028】
請求項9に記載の発明によれば、冷媒に二酸化炭素を用いることで、圧縮機(2)の吐出温度がより高められることにより、凝縮用熱交換器(3)の加熱能力がより向上する。
【0029】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。
【0030】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
以下、本発明を適用した第1実施形態のヒートポンプ装置を図1および図2に基づいて説明する。図1は、ヒートポンプ装置1の全体構成を示す模式図である。本実施形態のヒートポンプ装置1は、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルCである蒸気圧縮システムと、ヒートポンプサイクルCを構成する凝縮用熱交換器3に熱媒体(例えば、水道水、給湯用水)を流通させる給湯水通路10とからなっている。
【0031】
本実施形態のヒートポンプサイクルCは、図1に示すように、圧縮機2、凝縮用熱交換器3、伝熱手段4、減圧手段5、蒸発用熱交換器6およびアキュームレータ7などを順に環状に冷媒配管8により接続して構成され、冷媒として、臨界圧力の低い二酸化炭素(CO2)を用いている。
【0032】
圧縮機2は、詳しくは後述するが内蔵する電動部である電動モータにより駆動され、アキュームレータ7より吸入した冷媒を圧縮して吐出する。凝縮用熱交換器3は、圧縮機2より吐出された高圧のガス冷媒と熱媒体(例えば、水道水、給湯用水)とを熱交換する水熱交換器である。減圧手段5は、弁開度を電気的に調節可能な構造を有し、凝縮用熱交換器3および詳しくは後述する伝熱手段4で冷却された冷媒を弁開度に応じて減圧する膨張弁である。
【0033】
蒸発用熱交換器6は、ファン6aによる送風を受け、減圧手段5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。アキュームレータ7は、蒸発用熱交換器6と圧縮機2との間に介在してサイクルC内の余剰冷媒を蓄え、気相冷媒のみを圧縮機2に吸入させる。
【0034】
なお、冷媒配管8のうち、8aはアキュームレータ7と圧縮機2の吸入側との間に接続される低圧冷媒配管であり、8bは凝縮用熱交換器3と圧縮機2の吐出側との間に接続される第1高圧冷媒配管であり、8cは、凝縮用熱交換器3の出口側と減圧手段5との間に接続される冷媒高圧配管である第2高圧冷媒配管である。
【0035】
一方、給湯水通路10には、給湯用水を貯湯する貯湯タンク11、循環ポンプ12、および凝縮用熱交換器3から構成され、図1に示すように、ヒートポンプサイクルCの冷媒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。貯湯タンク11は、耐食性に優れた金属製(例えば、ステンレス製)で断熱構造を有し、高温(例えば、80〜90℃)の給湯用水を長時間に渡って保温するようになっており、給湯のときに、貯湯タンク11内から取り出した給湯用水と水道水とを温度調節して使用者に供給するシステムになっている。
【0036】
なお、貯湯タンク11内に貯湯される給湯用水は、キッチンや風呂などで直接使用しても良いが、給湯用以外に、例えば、床暖房用、室内空調用の暖房熱源として利用することもできる。また、循環ポンプ12は、貯湯タンク11内の給湯用水を凝縮用熱交換器3に循環させるポンプである。
【0037】
次に本発明の要部である伝熱手段4について説明する。本実施形態の伝熱手段4は凝縮用熱交換器3と減圧手段5とを接続する高圧冷媒が流通する第2高圧冷媒配管8cの中途に形成され、詳しくは、図2に示すように、パイプ状の金属配管を圧縮機2の外郭部21に略どぐろ状に巻きつけるように形成して配設している。また、図中の4aは、伝熱手段4への入口部であって、凝縮用熱交換器3の出口側に接続され、4bは、伝熱手段4の出口部であって、減圧手段5に接続されている。
【0038】
次に、伝熱手段4の内周側と外郭部21とは、伝熱手段4の熱伝導性が良好となるように、ろう付けもしくは、はんだ付けなどの接合手段によって接合している。これにより、圧縮機2で吐出された高温高圧の冷媒が、凝縮用熱交換器3において、給湯用水と熱交換された高圧冷媒が減圧手段5に流通される前に、高圧冷媒の熱が伝熱手段4より圧縮機2の外郭部21に伝熱されるものである。さらに、図中に示す2点鎖線は断熱材4cであり、伝熱手段4の外表面を覆うように配設されている。
【0039】
一方の圧縮機2側は、下方に吸入口2a、伝熱手段4が配設される外郭部21の内側には電動部である電動モータ22と、その電動モータ22の上方に圧縮部23と、その上方に吐出口2bとが設けられるとともに、電動モータ22の内部には、吸入口2aより吸入した低圧冷媒の吸入通路24が形成されている。従って、吸入口2aより吸入された低圧冷媒は吸入通路24を流通して電動モータ22および外郭部21からの熱により加熱された後に、圧縮部23に流通するようになっている。なお、吸入口は低圧冷媒配管8aに接続され、吐出口2bは第1高圧冷媒配管8bに接続されている。
【0040】
なお、本実施形態では電動モータ22を下方に、圧縮部23を電動モータ22の上方に配設して、電動モータ22の外側の外郭部21に伝熱手段4を接合させたが、これに限らず、電動モータ22が上方に、圧縮部23が下方に配設された構造の圧縮機であっても、伝熱手段4を電動モータ22の外側の外郭部21に接合させても良い。
【0041】
また、伝熱手段4が必ずしも電動モータ22の外側の外郭部21に接合する必要はないが、圧縮部23の上流側に形成される吸入通路24の外側の外郭部21に伝熱手段4を接合させるのが最適である。
【0042】
次に、以上の構成によるヒートポンプサイクルCの作動について説明する。圧縮機2で圧縮された高温高圧の冷媒は、凝縮用熱交換器3において、給湯用水に放熱されて冷却される。そして、凝縮用熱交換器3にて冷却された高圧冷媒の熱は、伝熱手段4によって圧縮機2の外郭部21に伝熱されることで、さらに冷却した後に減圧手段5にて減圧される。
【0043】
そして、凝縮用熱交換器3にて冷却された高圧冷媒の熱が外郭部21に伝熱されることで、外郭部21内の吸入通路24を流通する低圧冷媒が加熱されて、圧縮機の吐出温度が高められるものである。
【0044】
従って、凝縮用熱交換器3に供給される給湯用水の温度が所定値よりも高くなってくるときには、凝縮用熱交換器3の出口側の冷媒温度が下がらないために凝縮用熱交換器3の加熱能力が減少するが、伝熱手段4によって凝縮用熱交換器3の出口側の冷媒温度を伝熱させて圧縮機2内を流通する低圧冷媒に加熱することで、凝縮用熱交換器3の加熱能力を増加することができる。
【0045】
以上の第1実施形態のヒートポンプ装置1によれば、凝縮用熱交換器3から吐出される高圧冷媒を流通させて高圧冷媒の熱を外部に伝熱する伝熱手段4が圧縮機2の外郭部21に設けられることにより、圧縮機2の外郭がやや大となることで、圧縮機2の容積がやや増加するが伝熱手段4の搭載性を悪化させることはない。
【0046】
また、この伝熱手段4は凝縮用熱交換器3から吐出される高圧冷媒を流通させて高圧冷媒の熱を外部に伝熱するように構成し、かつ圧縮機2の外郭部21から吸入冷媒が加熱されるように構成したので、低圧冷媒配管8a側の圧力損失が全く増加することなくヒートポンプサイクルCの運転効率の向上が図れる。
【0047】
また、凝縮用熱交換器3から吐出される高圧冷媒の熱が伝熱手段4により外部、具体的には、圧縮機2の外郭部21を介して圧縮機2内部の吸入冷媒に伝熱されることで、吸入冷媒が加熱されて圧縮機2の吐出温度を高めて凝縮用熱交換器3の加熱能力を増加させることができることで、ヒートポンプサイクルCの運転効率の向上が図れる。
【0048】
また、伝熱手段4をパイプ状の金属配管で、外郭部21に略どぐろ状に巻きつけるように配設したことにより、圧縮機2の容積がやや増加するが、伝熱手段4を小型にすることができるため、伝熱手段4を別体に設ける従来の方式よりも搭載性が良好となる。
【0049】
また、伝熱手段4は、接合手段としてろう付け、もしくは、はんだ付けのいずれかによって外郭部21に接合したことにより、伝熱手段4の熱を確実に外郭部21に伝熱できるため吸入側の低圧冷媒を確実に加熱できる。
【0050】
また、ヒートポンプサイクルCには、冷媒に二酸化炭素を用いるとともに、蒸気圧縮サイクルが超臨界域で作動されるように構成することにより、圧縮機2の吐出温度が、より高められることにより、高温の熱媒体を出力する凝縮用熱交換器3の加熱能力が向上するとともに、ヒートポンプサイクルCの運転効率の向上が図れる。
【0051】
(第2実施形態)
以上の第1実施形態では、伝熱手段4をパイプ状の金属配管で形成し、かつ圧縮機の外郭部21に略どぐろ状に巻きつけるように配設したが、これに限らず、多孔状に配設された多孔管で伝熱手段4を形成させて、かつ外郭部21に巻きつけるように配設しても良い。
【0052】
具体的には、図3に示すように、例えば、押出し材などを用いて押出加工により多孔状に配設された多孔管4dで伝熱手段4を形成させて、圧縮機2の外郭部21に巻きつけたものである。なお、図中の符合は第1実施形態と同じ構成のものは同一の符合を付して説明は省略する。以上の構成による第2実施形態のヒートポンプ装置1によれば、第1実施形態よりも成形型が必要となるが、伝熱特性が向上することで伝熱手段4が小型にできる。
【0053】
(他の実施形態)
以上の実施形態では、電動モータ22が内蔵する圧縮機2の外郭部21に伝熱手段4を配設した説明をしたが、これに限らず、圧縮部23を駆動するための駆動部が圧縮機2の外部に設けられており、その外部の駆動によって冷媒を圧縮する圧縮機においても本発明を適用できる。
【0054】
図4は、本発明を車両用のエンジン等の動力を図示しないVベルトを介して駆動させる圧縮機に本発明を適用させたもので、図4に示すように、25は電磁クラッチであって、この電磁クラッチ25を作動させることで圧縮機2が外部から駆動されるものである。この圧縮機2においても、圧縮部23の上流側において、吸入通路24の外側の外郭部21に伝熱手段4を巻きつけるように配設させることにより、以上の実施形態と同様の効果を奏する。
【0055】
なお、ここでは、第2実施形態にて説明した伝熱手段4を配設させたが、第1実施形態のパイプ状のものでも良い。また、以上の実施形態では、伝熱手段4の外側に断熱材4cを設けたが、断熱材4cがなくても良い。
【0056】
また、以上の実施形態では、本発明を圧縮機2、凝縮用熱交換器3、減圧手段5、蒸発用熱交換器6などから構成され、超臨界ヒートポンプからなるヒートポンプサイクルCに適用したが、これに限らず、一般のヒートポンプサイクルを構成する圧縮機2に適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態におけるヒートポンプ装置1の全体構成を示す模式図である。
【図2】本発明の第1実施形態における伝熱手段4の圧縮機2への搭載形態を示す縦断面図である。
【図3】本発明の第2実施形態における伝熱手段4の圧縮機2への搭載形態を示す縦断面図である。
【図4】他の実施形態における伝熱手段4の圧縮機2への搭載形態を示す縦断面図である。
【図5】伝熱手段180を冷媒配管に構成したときのヒートポンプサイクル100を示す模式図である。
【符号の説明】
2…圧縮機
3…凝縮用熱交換器
4…伝熱手段
5…減圧手段
6…蒸発用熱交換器
7…アキュームレータ
8c…第2高圧冷媒配管(冷媒配管)
21…外郭部
C…ヒートポンプサイクル
Claims (9)
- 冷媒を吸入して圧縮する圧縮機(2)、前記圧縮機(2)より吐出された高圧冷媒と熱媒体とを熱交換する凝縮用熱交換器(3)、減圧手段(5)、蒸発用熱交換器(6)およびアキュームレータ(7)を順に環状に接続し、前記凝縮用熱交換器(3)に熱媒体を流通させて高温の熱媒体を出力するヒートポンプ装置において、
前記凝縮用熱交換器(3)から吐出される高圧冷媒を流通させて高圧冷媒の熱を外部に伝熱する伝熱手段(4)が前記圧縮機(2)の外郭部(21)に設けられるとともに、前記圧縮機(2)は、前記伝熱手段(4)からの伝熱により前記外郭部(21)の内部に流通する吸入冷媒が加熱されるように構成したことを特徴とするヒートポンプ装置。 - 前記凝縮用熱交換器(3)と前記減圧手段(5)とを接続する冷媒配管(8c)は、前記凝縮用熱交換器(3)の吐出側から前記伝熱手段(4)を経由させて前記減圧手段(5)に接続されるように構成したことを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプ装置。
- 前記伝熱手段(4)は、前記圧縮機(2)の前記外郭部(21)に熱伝導性が良好となるように接合されたことを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプ装置。
- 前記伝熱手段(4)は、パイプ状の金属配管で形成され、かつ前記外郭部(21)に略どぐろ状に巻きつけられたことを特徴とする請求項3に記載のヒートポンプ装置。
- 前記伝熱手段(4)は、多孔状に配設された多孔管で形成され、かつ前記外郭部(21)に巻きつけられたことを特徴とする請求項3に記載のヒートポンプ装置。
- 前記伝熱手段(4)は、接合手段としてろう付け、または、はんだ付けのいずれかによって前記外郭部(21)に接合されたことを特徴とする請求項3ないし請求項5のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
- 高圧冷媒と熱媒体とを熱交換する前記凝縮用熱交換器(3)は、熱媒体として水道水またはブライン水のいずれかを流通させて高温の温水を出力し、その高温の温水を用いて給湯および暖房を行なうことを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
- 前記圧縮機(2)、前記凝縮用熱交換器(3)、前記減圧手段(5)、前記蒸発用熱交換器(6)およびアキュームレータ(7)から構成されるヒートポンプサイクル(C)は、蒸気圧縮サイクルが超臨界域で作動されることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
- ヒートポンプサイクル(C)は、冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項8に記載のヒートポンプ装置。
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