JP2006023005A - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 着霜の多い風上側に冷媒流入口を配設させることで除霜性能の向上が図れるヒートポンプ式給湯装置を実現する。
【解決手段】 給湯用熱交換器２２に給湯用流体を流通させて高温の温水を出力するヒートポンプ式給湯装置において、空気熱交換器２４は、チューブ２４１が空気流れ方向に沿って千鳥状に配設され、かつ風上側の最下端に配設されるチューブ２４１は、風下側の最下端に配設されるチューブ２４１よりもフィン２４２の下端側に近い部位に配設されるとともに、除霜運転のときに、圧縮機２１からのホットガスが風上側の最下端に配設されるチューブ２４１に流入されるように構成した。これにより、除霜性能の向上が図れる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ヒートポンプサイクルを構成する給湯用熱交換器に給湯用流体を流通させて高温の温水を出力するヒートポンプ式給湯装置に関するものであり、特に、室外に設置される蒸発器となる空気熱交換器の除霜に関する。

従来、この種のヒートポンプ式給湯装置として、例えば、特許文献１のように、圧縮機、この圧縮機で圧縮された高圧冷媒と給湯用流体（例えば、水道水）とを熱交換する給湯用熱交換器、減圧装置、この減圧装置で減圧された冷媒を蒸発する空気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なるヒートポンプサイクルを用いて、空気熱交換器で大気から吸熱を行なって冷媒を加熱し、給湯用熱交換器に水道水を流通させて高温の温水を出力する給湯装置である。

そして、高温の温水を出力するときに、空気熱交換器側では大気より８〜１０℃程度低い蒸発温度でヒートポンプサイクルを作動させることで高効率の沸き上げ運転を行なっている（例えば、特許文献１参照。）。
特許第３２２７６５１号明細書

しかしながら、上記特許文献１には詳しくは記載されていないが、この種の空気熱交換器１００の構成は図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように形成されている。具体的には、プレートフィン１１０とチューブ１２０からなるフィンアンドチューブ方式の熱交換器であって、内部に冷媒が流れるチューブ１２０が空気流れ方向に対して千鳥状に配列している。

そして、減圧装置で減圧された冷媒を風下側の最下端に配列されたチューブ１２０に流入させて風下側を上方に流通させて、風上側の最上端に配設されたチューブ１２０から下方に流通させるＵターン方式のパスで構成している。ところが、冬季など外気温度が低下してくると、風上側のプレートフィン１１０に霜付きが起こり、順次、プレートフィン１１０間の空気通路を閉塞するように着霜してくる。

この着霜を除去するために、圧縮機のホットガスを流入させる除霜運転があるが、この除霜運転のときに、ホットガスが風下側の最下端に配列されたチューブ１２０から流入することで、着霜度合いの多い風上側への熱伝達が遅れることで除霜時間が多くなる問題がある。

さらに、風上側の最下端に配列されたチューブ１２０は、風下側の最下端に配列されたチューブ１２０よりも上方に位置する部位（図中に示すＬ）に配列されている。この部位（図中に示すＬ）は、定常運転のときに結露水がドレンパンに向けて滴下し、除霜運転にときに、霜の水滴がドレンパンに向けて滴下しているため、除霜運転後の定常運転のときに再着霜し易い問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記点に鑑みたものであり、着霜の多い風上側に冷媒流入口を配設させることで除霜性能の向上が図れるヒートポンプ式給湯装置を提供することにある。

上記、目的を達成するために、請求項１ないし請求項６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、圧縮機（２１）、この圧縮機（２１）で圧縮された高圧冷媒と給湯用流体とを熱交換する給湯用熱交換器（２２）、減圧装置（２３）、この減圧装置（２３）で減圧された冷媒と大気とを熱交換させて大気から冷媒に熱を吸収する空気熱交換器（２４）、およびアキュームレータ（２５）を順に環状に冷媒配管で接続し、給湯用熱交換器（２２）に給湯用流体を流通させて高温の温水を出力するヒートポンプ式給湯装置において、
空気熱交換器（２４）は、チューブ（２４１）とフィン（２４２）とからなるフィンアンドチューブ方式の熱交換器であって、チューブ（２４１）が空気流れ方向に沿って千鳥状に配設され、かつ風上側の最下端に配設されるチューブ（２４１）は、風下側の最下端に配設されるチューブ（２４１）よりもフィン（２４２）の下端側に近い部位に配設されることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、風上側の最下端に配設されるチューブ（２４１）の下端側を短くすることにより、定常運転のときに着霜がしにくくなるとともに、除霜運転においても霜の除去が短時間にできる。

請求項２に記載の発明では、風上側の最下端に配設されるチューブ（２４１）は、減圧装置（２３）で減圧された冷媒の流入口であり、空気熱交換器（２４）は、除霜運転のときに、圧縮機（２１）からのホットガスが風上側の最下端に配設されるチューブ（２４１）に流入されるように構成したことを特徴としている。請求項２に記載の発明によれば、着霜の多い風上側から除霜が開始されるので除霜時間が短縮される。これにより、除霜性能が向上する。

請求項３に記載の発明では、空気熱交換器（２４）は、チューブ（２４１）が風上側と風下側とに少なくとも２列配設されていることを特徴としている。請求項３に記載の発明によれば、風下側に流入口を配設した場合と比べて、定常運転時における熱交換効率が著しく低下することはない。

請求項４に記載の発明では、ヒートポンプサイクル中に、給湯用熱交換器（２２）から流出した高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させる開度を変更可能なノズル部（２８１）と、このノズル部（２８１）から噴射する高速の冷媒流により空気熱交換器（２４）で蒸発した気相冷媒を吸引し、ノズル部（２８１）から噴射する冷媒と空気熱交換器（２４）から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部（２８３）とを有するエジェクタ（２８）を備え、減圧装置（２３）はノズル部（２８１）からなることを特徴としている。

請求項４に記載の発明によれば、ヒートポンプサイクル中にエジェクタ（２８）を備える所謂エジェクタサイクルにおいてもエジェクタ（２８）のノズル部（２８１）は冷媒の減圧装置（２３）として機能するので、本発明を適用することができる。

請求項５に記載の発明では、圧縮機（２１）は、冷媒を臨界圧以上に圧縮して吐出することを特徴としている。請求項５に記載の発明によれば、圧縮機（２１）の吐出側圧力が冷媒を臨界圧以上となる超臨界式冷凍サイクルからなるヒートポンプサイクルによれば、高温の湯を得ることが可能である。このように、高温の湯が容易に得られる給湯装置において、本発明により、冬季における外気条件が厳しいときにおいても熱効率の良い給湯水が得られる。

請求項６に記載の発明では、冷媒は、二酸化炭素であることを特徴としている。請求項６に記載の発明によれば、二酸化炭素で容易に超臨界式ヒートポンプサイクルにすることができる。

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。

以下、本発明の一実施形態によるヒートポンプ式給湯装置を図１および図２に基づいて説明する。図１は本発明を適用したヒートポンプ式給湯装置の全体構成を示す模式図であり、図２は空気熱交換器２４の全体構成を示す（ａ）は斜視図、（ｂ）は縦断面図である。

図１に示すように、１０は耐食性に優れた金属製（例えば、ステンレス製）の貯湯タンクであり、外周部に図示しない断熱材が配置されており、給湯用流体である給湯用の高温の湯を長時間に渡って保温することができるようになっている。下部には導水口１１が設けられ、この導水口１１には貯湯タンク１０内に水道水を導入する給水配管１２が接続されている。

一方、貯湯タンク１０の上部には導出口１３が設けられ、この導出口１３には貯湯タンク１０内の高温の湯を導出するための給湯経路である導出管１４が接続されている。この導出管１４には、図示しない水道水の給水配管との合流点に、図示しない混合弁が配置され、この混合弁は開口面積比（導出管１４に連通する湯側の開度と水道水側の開度の比率）を調節することにより、下流側にある水栓、シャワー、風呂などに高温の湯と水とを適宜に混合して給湯するようになっている。

また、貯湯タンク１０の下部には貯湯タンク１０内の水を吸入するための吸入口１５が設けられ、貯湯タンク１０の上部には貯湯タンク１０内に湯を吐出するための吐出口１６が設けられている。吸入口１５と吐出口１６とは循環回路１７で接続されており、この循環回路１７の一部はヒートポンプ装置（ヒートポンプサイクル）２０の給湯用熱交換器２２内に配置されている。

循環回路１７の給湯用熱交換器２２より上流側には、循環回路１７に貯湯タンク１０内の水を上部に向けて循環する循環ポンプ１８が設けられている。なお、この循環ポンプ１８の配設位置は給湯用熱交換器２２より上流側に限定されず、下流側に配設しても良い。なお、給湯用熱交換器２２の下流側には、給湯用熱交換器２２で加熱された湯温を検出する湯温センサ（図示せず）が設けられ、図示しない制御装置に貯湯タンク１０内に戻る湯の温度情報を出力するようにしている。

次に、ヒートポンプ装置２０は、圧縮機２１、給湯用熱交換器２２、減圧装置である膨張弁２３、空気熱交換器２４およびアキュームレータ２５を順次、配管接続して構成され、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）を使用している。圧縮機２１は、内蔵する電動モータ（図示せず）によって駆動され、アキュームレータ２５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。なお、圧縮機２１の駆動源は電動モータに限定されず、車両などの内燃機関（エンジン）であっても良い。

給湯用熱交換器２２は、圧縮機２１により吐出された高温冷媒（ホットガス）と循環ポンプ１８により貯湯タンク１０内から吸入された水とを熱交換するもので、冷媒が流れる冷媒通路（図示せず）と水が流れる水通路（図示せず）とを有し、冷媒通路を流れる冷媒の流れ方向と水通路を流れる水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２２を流れる冷媒は、圧縮機２１で臨界圧力以上に加圧されているので、給湯用熱交換器２２を流通する水に放熱して温度低下しても凝縮することはない。

本実施形態では、給湯用熱交換器２２を迂回して圧縮機２１により吐出された高温冷媒（ホットガス）を後述する空気熱交換器２４に直接流出させるバイパス回路２６と、そのバイパス流路２６を開閉する除霜弁２７が設けられている。

このバイパス回路２６は、圧縮機２１の吐出側と空気熱交換器２４の上流側部位との間の冷媒の圧力差によって、高圧側の高温冷媒がバイパス流路２６を介してチューブ２４１の流入口に流入するように形成している。また、除霜弁２７は電磁弁であって、空気熱交換器２４の霜付きを除去する除霜運転のときに開弁するように制御装置（図示せず）により制御される。

膨張弁２３は、給湯用熱交換器２２から流出す冷媒を弁開度に応じて減圧する減圧装置であり、制御装置（図示せず）により弁開度が制御される。アキュームレータ２５は、後述する空気熱交換器２４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２１に吸引させるとともにサイクル中の余剰冷媒を貯える容器である。

次に、本発明の要部である空気熱交換器２４は、膨張弁２３で減圧された冷媒と送風機２４ａによって送風される大気（以下、外気と称する）とを熱交換させて外気から冷媒に熱を吸収させる蒸発器である。本実施形態の空気熱交換器２４は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、チューブ２４１とフィン２４２とからなるフィンアンドチューブ方式の熱交換器である。内部に冷媒が流通するチューブ２４１は、空気流れ方向に沿って千鳥状に風上側と風下側との２列配列している。

そして、風上側の最下端に配列されたチューブ２４１は、風下側の最下端に配列されたチューブ２４１よりも高さ方向に対して下方に配列するようにしている。具体的には、最下端のチューブ２４１とフィン２４２の下端との寸法が、図に示すように、風上側距離Ｌ１のほうが風下側距離Ｌ２よりも短くなるように形成している。これは、除霜運転のときにその部位が他の部位に比べていち早く除霜しやすいように構成したものである。

また、風上側の最下端に配列されたチューブ２４１が冷媒の流入口であり、風下側の最下端に配列されたチューブ２４１が流出口である。つまり、風上側の最下端に配列されたチューブ２４１に冷媒が流入して風上側を上方に向けて流れ、さして風上側の最上端から風下側の最上端に流れ、風下側の最上端から下方に向けて流れる前後Ｕターンする冷媒流れを形成している。そして、空気熱交換器２４の空気流れの下流側には、熱交換後の空気温度を検出する温度センサが設けられ、その温度センサで検出された温度情報が制御装置に出力するようになっている。

なお、図示しない制御装置は圧縮機２１（実質的には駆動源である電動モータ）、膨張弁２３、送風機２４ａおよび循環ポンプ１８を通電制御するとともに、圧縮機の作動状態や膨張弁２３の開度などを監視している。また、圧縮機２１などを制御し、空気熱交換器２４で外気から吸熱し、給湯用熱交換器２４で循環回路１７を流通する水を加熱するようになっている。

さらに、例えば、外気温度が低下して空気熱交換器２４が霜付きを起こしたときには、例えば、温度センサ（図示せず）で検出された熱交換後の空気温度に基づいて除霜弁２７を開弁させて空気熱交換器２４に高温冷媒（ホットガス）を流通させる除霜運転を行なうようにしている。

以上の構成によるヒートポンプ式給湯装置および空気熱交換器２４の作動について説明する。まず、図示しない運転スイッチを操作することで、循環ポンプ１８を作動させるとともに、圧縮機２１、膨張弁２３、送風機２４ａを作動させて、給湯用熱交換器２４で循環回路１７を流通する水を加熱する。

このときは、湯温センサ（図示せず）が検出した湯温と貯湯目標温度とを比較して、これらの温度が一致するように循環ポンプ１８を制御している。つまり、貯湯タンク１０内に戻る湯温が貯湯目標温度となる流量になるように、循環ポンプ１８の回転数を制御している。これにより、貯湯タンク１０内に貯湯目標温度の湯が貯えられる。

一方、空気熱交換器２４側では、膨張弁２３で減圧された冷媒が風上側の最下端に配列されたチューブ２４１から風下側の最下端に配列されたチューブ２４１に向けて流通されることで外気と熱交換される。なお、除霜弁２７は閉じられているのでバイパス流路１６には冷媒は流れない。

ところで、冬季など外気温度が低下してくると、空気熱交換器２４内の蒸発温度も低下してフィン２４２間の空気通路側に霜付きが起きてくる。この霜付きは風上側から発生して徐々にフィン２４２間の空気通路を閉鎖するほど着霜してくる。この着霜を除去するために、例えば、温度センサ（図示せず）で検出された熱交換後の空気温度が所定温度以下に達したときに、除霜運転が開始される。

具体的には、熱交換後の空気温度に基づいて除霜運転を開始する。この除霜運転は、まず、送風機２４ａを停止させて除霜弁２７が開弁することで空気熱交換器２４内に高温冷媒（ホットガス）が流入する。高温冷媒が空気熱交換器２４内の風上側の最下端に配列されたチューブ２４１に流入されることで、その近傍から着霜した霜が融解して水となり、ドレンパンに滴下して霜付きが除去される。

このときに、風上側の流入口とフィン２４２の下端との距離（Ｌ１）が短いためいち早く霜付きが除去されるとともに、風上側に先に流れて高温冷媒（ホットガス）が流入することで風上側の除霜時間が従来と比べて短縮できる。これにより、従来よりも除霜性能を向上することができる。

なお、本実施形態では、チューブ２４１の配列を風上側と風下側に２列配列させたが、これに限らず、２列以上の複数列配列させても良い。ただし、チューブ列が２列を超えると、冷媒流れが風上側から風下側に流れることで定常運転における空気熱交換器２４の熱交換効率が若干低下する。

以上の一実施形態によるヒートポンプ式給湯装置によれば、風上側の最下端に配設されるチューブ２４１の下端側の距離Ｌ１が短くなるように構成することにより、定常運転のときに着霜がしにくくなるとともに、除霜運転においても霜の除去がいち早くできる。これにより除霜時間を短縮できる。

また、風上側の最下端に配設されるチューブ２４１は、膨張弁２３で減圧された冷媒の流入口であり、空気熱交換器２４は、除霜運転のときに、圧縮機２１からのホットガスが風上側の最下端に配設されるチューブ２４１に流入されるように構成したことにより、着霜の多い風上側から除霜が開始されるので除霜時間が短縮される。これにより、除霜性能が向上する。また、空気熱交換器２４は、チューブ２４１が風上側と風下側とに少なくとも２列配設されていることにより、風下側に流入口を配設した場合と比べて、定常運転時における熱交換効率が著しく低下することはない。

ところで、圧縮機２１は、冷媒を臨界圧以上に圧縮して吐出することにより、圧縮機（２１）の吐出側圧力が冷媒を臨界圧以上となる超臨界式冷凍サイクルからなるヒートポンプサイクルによれば、高温の湯を得ることが可能である。このように、高温の湯が容易に得られる給湯装置において、本発明により、冬季における外気条件が厳しいときにおいても熱効率の良い給湯水が得られる。

（他の実施形態）
以上の一実施形態では、本発明を周知の膨張弁２３を備えるヒートポンプサイクルに適用させたが、これに限らず、膨張弁２３の代わりにエジェクタを備えるヒートポンプサイクルに本発明を適用させても良い。具体的には、図３に示すように、給湯用熱交換器２２とアキュームレータ２５との間にエジェクタ２８を設ける。

このエジェクタ２８は、給湯用熱交換器２２から流出した高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させる開度を変更可能なノズル部２８１と、このノズル部２８１から噴射する高速の冷媒流により空気熱交換器２４で蒸発した気相冷媒を吸引し、ノズル部２８１から噴射する冷媒と空気熱交換器２４から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部２８３とから構成している。

図中に示す２８４は吸引部であり空気熱交換器２４の流出口に接続されている。また、２８２はディフューザであり、ノズル部２８１から噴射する高速の冷媒流により空気熱交換器２４で蒸発した気相冷媒を吸引して混合させる。従って、ノズル部２８１の上流端が給湯用熱交換器２２の下流側に接続され、昇圧部２８３の下流端がアキュームレータ２５に接続される。さらに、空気熱交換器２４の流入口はアキュームレータ２５に接続される。これによれば、ノズル部２８１が膨張弁２３としての機能を有するので本発明を適用することができる。

また、以上の実施形態では、風上側の最下端に配列されたチューブ２４１を流入口とし、風下側の最下端に配列されたチューブ２４１を流出口として、前後Ｕターンする冷媒流れを形成するように構成したが、これに限らず、風上側の最下端に配列されたチューブ２４１から風下側の最下端に配列されたチューブ２４１、そして、風上側の下端から２本目のチューブ２４１、そして、風下側の下端から２本目のチューブ２４１の順に上方に向けて冷媒を流し、風下側の最上端に配列するチューブ２４１を流出口となるように冷媒流れを形成しても良い。

また、以上の実施形態では、除霜運転時に、除霜弁２７が開かれ、圧縮機２１の吐出側と空気熱交換器２４の上流側部位との間の冷媒の圧力差によって、高圧側の高温冷媒がバイパス流路２６を介してチューブ２４１の流入口に流入するようにしているが、例えば、バイパス流路２６の管径を太くさせることで、チューブ２４１の流入口に多くの冷媒を流入するようにすれば、除霜運転時間を短時間に終えることができる。

本発明の一実施形態におけるヒートポンプ式給湯装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態における（ａ）は空気熱交換器２４の全体構成を示す外観図、（ｂ）は空気熱交換器２４の全体構成を示す縦断面図である。 他の実施形態におけるヒートポンプ式給湯装置の全体構成を示す模式図である。 従来技術における（ａ）は空気熱交換器２４の全体構成を示す外観図、（ｂ）は空気熱交換器２４の全体構成を示す縦断面図である。

符号の説明

２１…圧縮機
２２…給湯用熱交換器
２３…膨張弁（減圧装置）
２４…空気熱交換器
２５…アキュームレータ
２８…エジェクタ
２４１…チューブ
２４２…フィン
２８１…ノズル部
２８３…昇圧部

Claims (6)

1. 圧縮機（２１）、前記圧縮機（２１）で圧縮された高圧冷媒と給湯用流体とを熱交換する給湯用熱交換器（２２）、減圧装置（２３）、前記減圧装置（２３）で減圧された冷媒と大気とを熱交換させて大気から冷媒に熱を吸収する空気熱交換器（２４）、およびアキュームレータ（２５）を順に環状に冷媒配管で接続し、前記給湯用熱交換器（２２）に給湯用流体を流通させて高温の温水を出力するヒートポンプ式給湯装置において、
   前記空気熱交換器（２４）は、チューブ（２４１）とフィン（２４２）とからなるフィンアンドチューブ方式の熱交換器であって、前記チューブ（２４１）が空気流れ方向に沿って千鳥状に配設され、かつ風上側の最下端に配設される前記チューブ（２４１）は、風下側の最下端に配設される前記チューブ（２４１）よりも前記フィン（２４２）の下端側に近い部位に配設されることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
2. 風上側の最下端に配設される前記チューブ（２４１）は、前記減圧装置（２３）で減圧された冷媒の流入口であり、前記空気熱交換器（２４）は、除霜運転のときに、前記圧縮機（２１）からのホットガスが風上側の最下端に配設される前記チューブ（２４１）に流入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式給湯装置。
3. 前記空気熱交換器（２４）は、前記チューブ（２４１）が風上側と風下側とに少なくとも２列配設され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装置。
4. ヒートポンプサイクル中に、前記給湯用熱交換器（２２）から流出した高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させる開度を変更可能なノズル部（２８１）と、前記ノズル部（２８１）から噴射する高速の冷媒流により前記空気熱交換器（２４）で蒸発した気相冷媒を吸引し、前記ノズル部（２８１）から噴射する冷媒と前記空気熱交換器（２４）から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部（２８３）とを有するエジェクタ（２８）を備え、
   前記減圧装置（２３）は前記ノズル部（２８１）からなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のヒートポンプ式給湯装置。
5. 前記圧縮機（２１）は、冷媒を臨界圧以上に圧縮して吐出することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のヒートポンプ式給湯装置。
6. 前記冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする請求項５に記載のヒートポンプ式給湯装置。

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