JP2006090658A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 部品サイズを変更することなくユニットの体格を小さくすることが可能なヒートポンプ装置を提供すること。
【解決手段】 ヒートポンプユニット１を上から見た時、水冷媒熱交換器２０をユニット前面ラインであるフロントパネル３ｂに対し傾斜して配置しているため、水冷媒熱交換器２０の幅Ｗ１、ファン５１径Ｗ２、図示左側の空気冷媒熱交換器５０幅Ｗ３を小さくせずに、ヒートポンプユニット１の幅を、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の和よりも小さくすることが可能である。したがって、ヒートポンプユニット１の設置に必要な面積を小さくすることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、空気と冷媒とを熱交換して空気から吸熱する空気冷媒熱交換器と、冷媒と水とを熱交換して水を加熱する水冷媒熱交換器とを、ケーシング内に配設したヒートポンプ装置に関する。

本出願人が製造し市場に供給されているヒートポンプ装置として、空気と冷媒とを熱交換して空気から吸熱する空気冷媒熱交換器と冷媒と水とを熱交換して水を加熱する水冷媒熱交換器とを有するヒートポンプサイクルを備えた給湯用のヒートポンプ装置がある。

このヒートポンプ装置は、図５に示すレイアウトのように部品（構成機器）を配置したユニットであり、ケーシング３内において、水冷媒熱交換器２０は、空気冷媒熱交換器５０を通過した空気の吹出口３ｃが形成された正面部３ｂに対し平行に配置されている。

ちなみに、図５は、ヒートポンプユニット９０１を上から見たときのケーシング３内のレイアウト図であり、符号５１を付した構成は、空気冷媒熱交換器５０にケーシング３の背面側から正面側に向かって空気を流通するための電動ファンである。

しかしながら、上記従来のヒートポンプ装置（ヒートポンプユニット）９０１では、ユニット９０１の幅（ケーシング３の図示左右方向の寸法）は、水冷媒熱交換器２０の幅Ｗ１、ファン５１の径Ｗ２、および空気冷媒熱交換器５０の幅（厚さ）Ｗ３の和の制約を受ける。したがって、現状の配置のままでは、いずれかの部品の幅を小さくしない限り、ユニット幅を小さくすることができないという問題がある。

本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、部品サイズを変更することなくユニットの体格を小さくすることが可能なヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
箱状のケーシング（３）と、
ケーシング（３）内に設けられ、空気と冷媒とを熱交換して空気から吸熱する空気冷媒熱交換器（５０）と、
ケーシング（３）内に設けられ、空気冷媒熱交換器（５０）と冷媒回路（７０）で接続されて、冷媒と水とを熱交換して水を加熱する水冷媒熱交換器（２０）とを備え、
ケーシング（３）の正面部（３ｂ）に空気冷媒熱交換器（５０）を通過した空気の吹出口（３ｃ）が形成されたヒートポンプ装置において、
水冷媒熱交換器（２０）は、ケーシング（３）の正面部（３ｂ）に対し傾斜して配設されていることを特徴としている。

これによると、ケーシング（３）正面部（３ｂ）の延設面と水冷媒熱交換器（２０）の延設面との交差線に直交する方向において、正面部（３ｂ）の寸法を小さくすることができる。したがって、部品サイズを小さくしなくても、ヒートポンプ装置（１）の体格を小さくすることが可能である。

また、請求項２に記載の発明では、
ケーシング（３）の正面部（３ｂ）は、略鉛直方向に延設され、
水冷媒熱交換器（２０）は、略鉛直方向に延設されるとともに、水平方向の一端（２１）側と他端（２２）側とでは正面部（３ｂ）からの距離が異なるように正面部（３ｂ）に対し傾斜して配設されていることを特徴としている。

これによると、ケーシング（３）正面部（３ｂ）の水平方向の幅を小さくすることが可能である。したがって、ヒートポンプ装置（１）の底面積（鉛直方向の投影面積）を小さくすることが可能であり、ヒートポンプ装置（１）の設置に必要な面積を小さくすることができる。

また、請求項３に記載の発明では、
空気冷媒熱交換器（５０）は、ケーシング（３）の正面部（３ｂ）に対向し前面部（３ｂ）に略平行な背面部（３ｄ）に沿って延設されており、
水冷媒熱交換器（２０）は、ケーシング（３）の正面部（３ｂ）側から見たときに空気冷媒熱交換器（５０）の縁部に重なるように空気冷媒熱交換器（５０）の正面部（３ｂ）側に隣接配設されるとともに、空気冷媒熱交換器（５０）中央部側の端部（２１）が縁部側の端部（２２）より正面部（３ｂ）に近づくように、正面部（３ｂ）に対し傾斜して配設されていることを特徴としている。

これによると、水冷媒熱交換器（２０）は、空気冷媒熱交換器（５０）中央部側の端部（２１）が縁部側の端部（２２）より空気冷媒熱交換器（５０）から離れている。したがって、ケーシング（３）の正面部（３ｂ）側から見たときに水冷媒熱交換器（２０）が空気冷媒熱交換器（５０）の縁部に重なるように配設しても、空気冷媒熱交換器（５０）を通過した空気を正面部（３ｂ）に向かって流し易い。

また、請求項４に記載の発明では、
ケーシング（３）内を、空気冷媒熱交換器（５０）が配設された第１室（５）と、水冷媒熱交換器（２０）が配設された第２室（６）とに仕切る仕切り板部材（４）を備え、
仕切り板部材（４）は、水冷媒熱交換器（２０）に沿って配設されていることを特徴としている。

これによると、仕切り部材（４）を水冷媒熱交換器（２０）に沿って組み付け易く、ケーシング（３）内を容易に第１室（５）と第２室（６）とに仕切ることができる。

また、請求項５に記載の発明では、
冷媒回路（７０）が接続されるとともに、制御装置（１００）からの電気配線が着脱可能な電気部品（１０、３０、７５、７９）を備え、
電気部品（１０、３０、７５、７９）は、第２室（６）内において、水冷媒熱交換器（２０）と正面部（３ｂ）との間に配設されていることを特徴としている。

これによると、ケーシング（３）の正面部（３ｂ）側から電気部品（１０、３０、７５、７９）に係わるメンテナンスを行ない易い。

また、請求項６に記載の発明では、電気部品（１０、３０、７５、７９）は、全て水冷媒熱交換器（２０）と正面部（３ｂ）との間に配設されていることを特徴としている。

これによると、電気部品（１０、３０、７５、７９）に係わるメンテナンスを一層行ない易い。

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一例である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。

図１はヒートポンプユニット（ヒートポンプ装置）１の概略構成を示す斜視図、図２はヒートポンプユニット１の上面図であり、いずれも、内部の部品レイアウトを理解しやすくするために透視図としている。

また、図３は、ヒートポンプユニット１に用いられる水冷媒熱交換器２０の正面図であり、図４は、ヒートポンプユニット１の模式構成図である。

図４に示すように、本実施形態のヒートポンプユニット１は、給湯装置に用いられて屋外等に設置されるものである。

ヒートポンプユニット１は、圧縮機１０、水冷媒熱交換器（給湯用熱交換器）２０、エジェクタ（減圧手段）３０、アキュムレータ４０、空気冷媒熱交換器（熱源用熱交換器）５０、内部熱交換器６０、およびこれらを環状に接続する冷媒配管（冷媒回路）７０で構成されるヒートポンプサイクル２を備えている。

圧縮機１０は、内蔵する同期モータによって圧縮機構が運転されて、気相冷媒を臨界圧力以上まで圧縮して吐出する電動コンプレッサである。

水冷媒熱交換器２０は、圧縮機１０の吐出口より吐出された高温高圧の冷媒によって水を湯に昇温させる給湯用熱交換器であり、冷媒が流通する冷媒通路部と水が流通する水通路部とにより構成されている。水冷媒熱交換器２０の冷媒通路部は冷媒流路管により構成され、冷媒通路部が水通路部の表面に熱交換可能に密着するように配置された熱交換構造となっている。

水冷媒熱交換器２０の水通路部は、給水を流通する給水通路（流水路）８０の一部を構成しており、ポンプ９０の作動により給水通路８０内を流れる水を、水冷媒熱交換器２０内で高温高圧冷媒との熱交換によって給湯用の高温の湯とするようになっている。

空気冷媒熱交換器（蒸発器）５０は、外気と液相冷媒とを熱交換させて液相冷媒を蒸発させることにより外気から吸熱するための熱交換器である。また、エジェクタ３０は水冷媒熱交換器２０から流出する冷媒を減圧膨張させて空気冷媒熱交換器５０にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機１０の吸入圧を上昇させるものである。

ここで、エジェクタ３０は、水冷媒熱交換器２０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略等エントロピ的に減圧膨張させるノズル部と、ノズル部から噴射する高い速度の冷媒流により空気冷媒熱交換器５０にて蒸発した気相冷媒を吸引しながら、ノズル部から噴射する冷媒流と混合する混合部、およびノズル部から噴射する冷媒と空気冷媒熱交換器５０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ディフューザ等の昇圧部からなるものである。

エジェクタ３０のノズル部は、ノズル開度を調節するための図示しないニードル弁を有しており、ニードル弁は図示しないステッピングモータの作動によりノズル部の軸線方向に駆動するようになっている。

また、アキュムレータ４０は、エジェクタ３０から流出した冷媒が流入するとともに、その流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄える気液分離器であり、分離された気相冷媒は内部熱交換器６０を介して圧縮機１０に吸引され、分離された液相冷媒は空気冷媒熱交換器５０側に吸引されるようになっている。

内部熱交換器６０は、アキュムレータ４０から導出された低圧気相冷媒と、エジェクタ３０にて減圧される前の高圧側の冷媒とを熱交換する熱交換器であり、この内部熱交換器６０により圧縮機１０吸入側での冷媒のエンタルピを上昇させて、超臨界ヒートポンプサイクル２の能力を向上させている。

また、ヒートポンプサイクル２には、圧縮機１０の吐出側と空気冷媒熱交換器５０の上流側とを連通する連通配管７８と、この連通配管７８の経路を開閉する電磁弁７９が設けられている。この連通配管７８は除霜用の冷媒配管であって、電磁弁７９が開弁すると、連通配管７８を介して高温冷媒が空気冷媒熱交換器５０に導入され、空気冷媒熱交換器５０の除霜を行なうことができるようになっている。

図４に示すように、冷媒配管７０には、圧縮機１０の吐出冷媒温度を検出する吐出温サーミスタ７１、水冷媒熱交換器２０下流側の冷媒温度を検出する冷媒出口サーミスタ７２、空気冷媒熱交換器５０上流側の冷媒温度を検出するエバ入口サーミスタ７３、空気冷媒熱交換器５０下流側の冷媒温度を検出するフロストサーミスタ７４、およびエジェクタ３０上流側においてヒートポンプサイクル２の高圧側冷媒圧力を検出する圧力センサ７５が設けられている。

また、空気冷媒熱交換器５０の空気流れ上流側面には、電動ファン５１の作動により空気冷媒熱交換器５０を通過する前の外気の温度を検出する外気サーミスタ５２が設けられている。

一方、給水通路８０には、水冷媒熱交換器２０上流側の水温を検出する給水サーミスタ８１、および水冷媒熱交換器２０下流側の水温を検出する給湯サーミスタ８２が設けられている。

上記各サーミスタ５２、７１〜７４、８１、８２から温度情報、および圧力センサ７５からの圧力情報は、制御ユニット（制御装置）１００に入力される。そして、この制御ユニット１００は、上記各情報および図示しない操作手段や検出手段からの入力信号に基づいて、圧縮機１０、エジェクタ３０、電動ファン５１、電磁弁７９、ポンプ９０等を作動制御するようになっている。

上述したヒートポンプユニット１を構成する各部品は、図１に示すように、略直方体をなすケーシング３内に収納されている。

ケーシング３内は、仕切り板部材である中仕切り板４によって熱交換室５と機械室６とに区画されている。空気冷媒熱交換器５０および電動ファン５１は熱交換室５に配置され、圧縮機１０、水冷媒熱交換器２０、エジェクタ３０、アキュムレータ４０、内部熱交換器６０、圧力センサ７５、電磁弁７９、およびポンプ９０は機械室６に配置されている。熱交換室５が本実施形態における第１室であり、機械室６が本実施形態における第２室である。

圧縮機１０、水冷媒熱交換器２０、アキュムレータ４０、空気冷媒熱交換器５０、および内部熱交換器６０の冷凍サイクル部品はケーシング３のベース板３ａ上に配置されており、エジェクタ３０、圧力センサ７５、電磁弁７９の冷凍サイクル部品と冷媒配管をなす銅パイプ（図示省略）を介して連結されている。

ポンプ９０もベース板３ａ上に配置されており、給水通路をなす給水配管（図示省略）によって水冷媒熱交換器２０と連結されている。電動ファン５１はファンモータ（図示省略）に固定されており、ファンモータはブラケット（図示省略）を介してベース板３ａ上に固定されている。

圧縮機１０を駆動するためのインバータ回路を含む制御ユニット（ＥＣＵ）１００は、電動ファン５１の上方に配置されており、前述のファンモータブラケットと中仕切り板４上に配置されている。

このように、制御ユニット１００を熱交換室５の上部に配置することで、熱交換室５を流通する空気により、インバータ回路等の発熱により昇温し易い制御ユニット１００を冷却できるようになっている。

中仕切り板４はベース板３ａ、空気冷媒熱交換器５０、およびケーシング３のフロントパネル３ｂに固定されている。制御ユニット１００と各電気部品（圧縮機１０、エジェクタ３０、電動ファン５１、圧力センサ７５、電磁弁７９、ポンプ９０等）は電気配線（図示省略）によって繋がれている。

図２に示すように、ケーシング３の正面部をなすフロントパネル３ｂのうち、熱交換室５に対応する部位には、空気冷媒熱交換器５０を通過した空気をケーシング３外に吹き出すための吹出口３ｃが形成されている。

空気冷媒熱交換器５０は、上側から見たときに略Ｌ字状をなすプレートフィンタイプの熱交換器であり、主要部分がフロントパネル３ｂと平行に形成されたケーシング３の背面部３ｄに沿うように配置されている。

なお、本実施形態では、フロントパネル３ｂや背面部３ｄが鉛直面となるようにケーシング３は設置されている。

水冷媒熱交換器２０は、機械室６内において最も背面部３ｄ側に配設されており、ケーシング３フロントパネル３ｂ側から見たときに空気冷媒熱交換器５０の図示右方縁部に重なるように空気冷媒熱交換器５０のフロントパネル３ｂ側に、空気冷媒熱交換器５０に対し隣接配設されている。

前述したように、水冷媒熱交換器２０は、冷媒が流通する冷媒通路部と水が流通する水通路部とにより構成されている。

図３に水冷媒熱交換器２０の概略構造を示すように、銅板を浅底容器形に絞り成形した上下２枚のプレートを、その周縁を接合して薄型矩形の箱体２５を形成し、箱体の周縁に入口２６を開口し、その対向辺に出口２７を開口し、入口２６から出口２７に至る水通路部を形成している。

箱体２５内には、図示しない銅板を波形成形するとともに開口を形成したコルゲート板が接合され、箱体２５内に蛇行した長い通水路を形成している。

冷媒通路部は、密着並置した２本の銅製細管２８を、箱体２５の外周に螺旋状に巻装して形成され、細管２８は、箱体２５の両平坦面（表側及び裏側）に接合されている。上述の構成より、水冷媒熱交換器２０は、略薄板形状の熱交換器であると言える。

この薄板形状の水冷媒熱交換器２０は、図２に示すように、鉛直方向に延設されるとともに、空気冷媒熱交換器５０中央部側の一端部（図示左方側端部）２１が空気冷媒熱交換器５０縁部（図示右方縁部）側の他端部（図示右方側端部）２２よりフロントパネル３ｂに近づくように、フロントパネル３ｂ、背面部３ｄ、空気冷媒熱交換器５０に対し傾斜して配設されている。

そして、中仕切り板４は、水冷媒熱交換器２０と空気冷媒熱交換器５０との間では、水冷媒熱交換器２０に沿って配設している。したがって、この部位においては、熱交換室５の空気通路面積が空気流れ上流側（空気冷媒熱交換器５０側）に向かって暫時増大している。

また、図２からも明らかなように、機械室６内において、圧縮機１０、エジェクタ３０、アキュムレータ４０、内部熱交換器６０、圧力センサ７５、電磁弁７９、およびポンプ９０は、全て水冷媒熱交換器２０よりフロンのパネル３ｂ側に配置されている。

圧縮機１０、エジェクタ３０、圧力センサ７５、電磁弁７９は、制御ユニット１００からの電気配線が着脱可能な本実施形態における電気部品である。

なお、圧縮機１０および水冷媒熱交換器２０の周囲には、断熱等を目的として、断熱材１０ａ、２０ａが形成されている。また、機械室６の内側面には、防音等を目的として防音フェルト材６ａが形成されている。

上述の構成によれば、ヒートポンプユニット１を上から見た時、水冷媒熱交換器２０をユニット前面ライン（フロントパネル３ｂ）に対し斜めに配置しているため、水冷媒熱交換器２０の幅Ｗ１、ファン５１径Ｗ２、図示左側の空気冷媒熱交換器５０幅Ｗ３を小さくせずに、ヒートポンプユニット１の幅（図示左右方向となる水平方向寸法）を、水冷媒熱交換器２０の幅Ｗ１＋ファン５１径Ｗ２＋空気冷媒熱交換器５０厚さＷ３よりも小さくすることが可能である。したがって、ヒートポンプユニット１の設置に必要な面積を小さくすることができる。

また、水冷媒熱交換器２０を空気冷媒熱交換器５０の正面側に傾斜して配置し、中仕切り板４を水冷媒熱交換器２０に沿って配置して、水冷媒熱交換器２０と空気冷媒熱交換器５０の間の空気通路面積が空気流れ上流側（空気冷媒熱交換器５０側）に向かって暫時増大するようにしている。これにより、風の流れやすさを向上することができる。

さらに、圧縮機１０、エジェクタ３０、圧力センサ７５、電磁弁７９、およびポンプ９０を水冷媒熱交換器２０よりも手前（フロントパネル３ｂ側）に配置することができるため、各電気部品脱着、配線の取り回し等のユニット正面側からのメンテナンス性を向上することができる。

また、ヒートポンプユニット１の製造工程において、ヒートポンプサイクルを構成している部品をベース板３ａ上でろう付けした後、中仕切り板４等の他の部品を組み付けることが一般的であるので、中仕切り板４を組み付ける際に水冷媒熱交換器２０を案内にして上から挿入することができ、組み付け性を向上することができる。

（他の実施形態）
上記一実施形態では、水冷媒熱交換器２０を鉛直方向に延設するとともに、水平方向の一端２１側と他端２２側とではフロントパネル３ｂからの距離が異なるようにフロントパネル３ｂに対し傾斜して配設し、水平方向の幅を小さくすることでヒートポンプユニット１の体格を小さくしていたが、水冷媒熱交換器２０の傾斜方向はこれに限定されるものではない。

水冷媒熱交換器２０をフロントパネル３ｂに対して傾斜させるものであれば、フロントパネル３ｂの延設面と水冷媒熱交換器２０の延設面との交差線に直交する方向において、フロントパネル（正面部）３ｂの寸法を小さくすることが可能である。

また、上記一実施形態では、ヒートポンプサイクル２中の減圧手段としてエジェクタを用いていたが、膨張弁を採用するものであってもよい。また、圧力センサ７５に変えて圧力検出手段として圧力スイッチを用いるものであってもよい。また、アキュムレータ４０、内部熱交換器６０、電磁弁７９（除霜回路）を有しないサイクルであってもかまわない。

本発明を適用した一実施形態におけるヒートポンプ装置であるヒートポンプユニット１の概略構成を示す斜視透視図である。 ヒートポンプユニット１の上面視透視図である。 水冷媒熱交換器２０の正面図である。 ヒートポンプユニット１の模式構成図である。 従来のヒートポンプユニット９０１の上面視透視図である。

符号の説明

１ ヒートポンプユニット（ヒートポンプ装置）
２ ヒートポンプサイクル（冷凍サイクル）
３ ケーシング
３ｂ フロントパネル（正面部）
３ｃ 吹出口
３ｄ 背面部
４ 中仕切り板（仕切り板部材）
５ 熱交換室（第１室）
６ 機械室（第２室）
１０ 圧縮機（電気部品の１つ）
２０ 水冷媒熱交換器（給湯用熱交換器）
２１ 一端（水冷媒熱交換器の一端部）
２２ 他端（水冷媒熱交換器の他端部）
３０ エジェクタ（電気部品の１つ）
５０ 空気冷媒熱交換器（熱源用熱交換器）
７０ 冷媒配管（冷媒回路）
７５ 圧力センサ（電気部品の１つ）
７９ 電磁弁（電気部品の１つ）
１００ 制御ユニット（ＥＣＵ、制御装置）

Claims (6)

1. 箱状のケーシング（３）と、
   前記ケーシング（３）内に設けられ、空気と冷媒とを熱交換して空気から吸熱する空気冷媒熱交換器（５０）と、
   前記ケーシング（３）内に設けられ、前記空気冷媒熱交換器（５０）と冷媒回路（７０）で接続されて、冷媒と水とを熱交換して水を加熱する水冷媒熱交換器（２０）とを備え、
   前記ケーシング（３）の正面部（３ｂ）に前記空気冷媒熱交換器（５０）を通過した空気の吹出口（３ｃ）が形成されたヒートポンプ装置において、
   前記水冷媒熱交換器（２０）は、前記正面部（３ｂ）に対し傾斜して配設されていることを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 前記正面部（３ｂ）は、略鉛直方向に延設され、
   前記水冷媒熱交換器（２０）は、略鉛直方向に延設されるとともに、水平方向の一端（２１）側と他端（２２）側とでは前記正面部（３ｂ）からの距離が異なるように前記正面部（３ｂ）に対し傾斜して配設されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
3. 前記空気冷媒熱交換器（５０）は、前記ケーシング（３）の前記正面部（３ｂ）に対向し前記前面部（３ｂ）に略平行な背面部（３ｄ）に沿って延設されており、
   前記水冷媒熱交換器（２０）は、前記正面部（３ｂ）側から見たときに前記空気冷媒熱交換器（５０）の縁部に重なるように前記空気冷媒熱交換器（５０）の前記正面部（３ｂ）側に隣接配設されるとともに、前記空気冷媒熱交換器（５０）の中央部側の端部（２１）が前記縁部側の端部（２２）より前記正面部（３ｂ）に近づくように、前記正面部（３ｂ）に対し傾斜して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装置。
4. 前記ケーシング（３）内を、前記空気冷媒熱交換器（５０）が配設された第１室（５）と、前記水冷媒熱交換器（２０）が配設された第２室（６）とに仕切る仕切り板部材（４）を備え、
   前記仕切り板部材（４）は、前記水冷媒熱交換器（２０）に沿って配設されていることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ装置。
5. 前記冷媒回路（７０）が接続されるとともに、制御装置（１００）からの電気配線が着脱可能な電気部品（１０、３０、７５、７９）を備え、
   前記電気部品（１０、３０、７５、７９）は、前記第２室（６）内において、前記水冷媒熱交換器（２０）と前記正面部（３ｂ）との間に配設されていることを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ装置。
6. 前記電気部品（１０、３０、７５、７９）は、全て前記水冷媒熱交換器（２０）と前記正面部（３ｂ）との間に配設されていることを特徴とする請求項５に記載のヒートポンプ装置。

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