JP2006300487A - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱ロスが少なく、熱交換効率が高い内部熱交換器を用いることで、貯湯タンクへの高温水の貯留を実現すること。
【解決手段】圧縮機１１、放熱器１２、膨張弁１３、及び蒸発器１４を配管で接続し、放熱器１２から流出した高圧冷媒と、蒸発器１４から流出した低圧冷媒との間で熱交換を行わせる内部熱交換器３０を設け、放熱器１２で加熱した温水を貯湯タンク２１に貯留するヒートポンプ給湯装置であって、内部熱交換器３０が、超臨界領域にある高圧冷媒が流れる第一伝熱管３１と、低圧冷媒が流れる第二伝熱管３２とからなり、第一伝熱管３１を第二伝熱管３２内に配置したことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
【選択図】 図３

Description

本発明は、圧縮機、放熱器、膨張弁、及び蒸発器を配管で接続し、放熱器から流出した高圧冷媒と、蒸発器から流出した低圧冷媒との間で熱交換を行わせる内部熱交換器を設け、放熱器で加熱した温水を貯湯タンクに貯留するヒートポンプ給湯装置に関する。

ヒートポンプ式給湯機において、内部熱交換器を設け、この内部熱交換器によって、放熱器から減圧器に供給される冷媒と室外熱交換器から圧縮機に供給される冷媒との熱交換を行うことで貯湯温度を高めるものが提案されている（例えば特許文献１参照）。
一方、二酸化炭素を冷媒として用いる冷凍サイクル装置に内部熱交換器を用い、この内部熱交換器を、簡単でかつ熱交換能力が高い構造とするものが提案されている（例えば特許文献２参照）。
特許文献２における内部熱交換器は、大径管の中に中径管を同心上に配設し、中径管の内部には低温低圧の冷媒を流し、大径管と中径管との間には高温高圧の冷媒を流すものである。特許文献２においては、高温高圧の冷媒を内部熱交換器の外周側に配置することで、高温高圧の冷媒を外気とも熱交換させることで放熱量を増加させるものである。
環境に対する負荷が小さく、高熱量を取り出すことが可能であり、また冷凍機油の圧縮機への戻りも良好で、さらに長期にわたり安定して使用することができる冷凍サイクル装置として、冷媒として二酸化炭素を用いるとともに冷凍機油として非相溶タイプ又は難相溶性タイプの潤滑油を用いるものが提案されている（例えば特許文献３参照）。
特開平１１−１９３９５８号公報（段落番号（００２４）（００２５）参照） 特開２００１−５６１８８号公報（段落番号（００４３）（００４９）参照） 特開２００１−２５５０３０号公報（段落番号（００１６）（００１７）参照）

ヒートポンプ式給湯機において、特許文献１のように、内部熱交換器を設け、圧縮機に吸入される冷媒温度を高めることで、圧縮機の吐出温度を高めることで貯湯温度を高めることは有効である。
しかし、このような内部熱交換器は、放熱器で放熱させた後の冷媒が有する熱を圧縮機の吸入側に伝達する構成のため、内部熱交換器での熱交換効率を高めることが重要である。
ここで内部熱交換器として、特許文献２のように、いわゆる二重管を用いると構造が簡単な内部熱交換器を実現できるが、高温高圧の冷媒を内部熱交換器の外周側に配置すると、冷媒の熱が外気とも熱交換するため、圧縮機に吸入する冷媒温度を十分に高めることができない。
一方、二酸化炭素を冷媒として用いる冷凍サイクル装置にあっては、ＣＯＰを向上させる上で内部熱交換器を用いることが有効である。
しかし、内部熱交換器を設けた冷凍サイクル装置において、特許文献３のように圧縮機内の潤滑油として相溶性の低い潤滑油を用いると、特に低圧側領域では冷媒と潤滑油が分離するため、内部熱交換器の低圧側配管内に潤滑油が滞留してしまうという問題が生じる。
また、内部熱交換器として特許文献２のような二重管を用い、圧縮機内の潤滑油として相溶性の低い潤滑油を用いる場合には、中径管の内部に潤滑油が付着することで、熱交換効率が低下してしまうという問題を生じる。

そこで本発明は、放熱ロスが少なく、熱交換効率が高い内部熱交換器を用いることで、貯湯タンクへの高温水の貯留を実現することを目的とする。

請求項１記載の本発明のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機、放熱器、膨張弁、及び蒸発器を配管で接続し、前記放熱器から流出した高圧冷媒と、前記蒸発器から流出した低圧冷媒との間で熱交換を行わせる内部熱交換器を設け、前記放熱器で加熱した温水を貯湯タンクに貯留するヒートポンプ給湯装置であって、前記内部熱交換器が、超臨界領域にある前記高圧冷媒が流れる第一伝熱管と、前記低圧冷媒が流れる第二伝熱管とからなり、前記第一伝熱管を前記第二伝熱管内に配置したことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置において、冷媒として二酸化炭素を用いることを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置において、前記第一伝熱管を、複数の配管としたことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置において、前記内部熱交換器の両端にはそれぞれ所定長さの接続管を有し、前記接続管は拡管加工または縮管加工によって一端側開口部を他端側開口部よりも小さく形成し、前記一端側開口部には前記第二伝熱管を接続し、前記他端側開口部には前記第一伝熱管を接続するとともに前記低圧冷媒が流れる配管を接続したことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置において、前記第一伝熱管と前記第二伝熱管とによって形成される前記低圧冷媒の流路断面積を、前記蒸発器の出口側配管の内径断面積以上としたことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置において、前記内部熱交換器を、前記圧縮機の近傍に配設したことを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項２に記載のヒートポンプ給湯装置において、前記圧縮機内の潤滑油として難溶性オイルを用いることを特徴とする。

本発明によれば、放熱ロスが少なく、熱交換効率が高い内部熱交換器を用いることで、貯湯タンクへの高温水の貯留を実現することができる。

本発明の第１の実施の形態によるヒートポンプ給湯装置は、内部熱交換器が、超臨界領域にある高圧冷媒が流れる第一伝熱管と、低圧冷媒が流れる第二伝熱管とからなり、第一伝熱管を第二伝熱管内に配置したものである。本実施の形態によれば、第一伝熱管を第二伝熱管内に配置し、第二伝熱管に低圧冷媒を流すことで、第一伝熱管に低圧冷媒を流す場合と比較して、放熱ロスが少なく、内部熱交換器における熱交換効率を高めることができ、圧縮機の吸入温度、ひいては吐出温度を上昇させやすい。従って、高圧側において超臨界運転行うことで、冷媒は相変化（凝縮）することなく温度のみが変化するため、臨界圧力未満で使用する冷媒に比べ、熱交換効率がよく高温水を得やすく、その効果を得るのに特に大きな要因となるものである。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態によるヒートポンプ給湯装置において、冷媒として二酸化炭素を用いるものである。本実施の形態によれば、高圧側において冷媒として二酸化炭素にて超臨界運転行うことで、高温水を得ることができるとともに、オゾン層を破壊することがない等、自然環境に対して良好なものである。
本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態によるヒートポンプ給湯装置において、第一伝熱管を、複数の配管としたものである。本実施の形態によれば、第一伝熱管を複数の配管で構成することで、内部熱交換器における熱交換効率をさらに高めることができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１の実施の形態によるヒートポンプ給湯装置において、内部熱交換器の両端にはそれぞれ所定長さの接続管を有し、接続管は拡管加工または縮管加工によって一端側開口部を他端側開口部よりも小さく形成し、一端側開口部には第二伝熱管を接続し、他端側開口部には第一伝熱管を接続するとともに低圧冷媒が流れる配管を接続したものである。本実施の形態によれば、所定長さの接続管を用い、一方の開口部には第一伝熱管を接続するとともに低圧冷媒が流れる配管を接続し、高圧冷媒と低圧冷媒との分岐部における流れを同じ開口部から行わせることで、内部熱交換器の流入箇所と流出箇所における冷媒の流れをスムーズにすることができ、内部熱交換器における熱交換効率が良くなる。
本発明の第５の実施の形態は、第１の実施の形態によるヒートポンプ給湯装置において、第一伝熱管と第二伝熱管とによって形成される低圧冷媒の流路断面積を、蒸発器の出口側配管の内径断面積以上としたものである。本実施の形態によれば、内部熱交換器における冷媒の流れをスムーズにすることができ、内部熱交換器における熱交換効率が良くなる。
本発明の第６の実施の形態は、第１の実施の形態によるヒートポンプ給湯装置において、内部熱交換器を、前記圧縮機の近傍に配設したものである。本実施の形態によれば、圧縮機の熱を利用して内部熱交換器における放熱ロスを少なくすることができる。
本発明の第７の実施の形態は、第２の実施の形態によるヒートポンプ給湯装置において、圧縮機内の潤滑油として難溶性オイルを用いるものである。本実施の形態によれば、圧縮機への潤滑油の戻りも良好で、安定した性質を有するとともに、第一伝熱管を第二伝熱管内に配置し、第二伝熱管に低圧冷媒を流すことで、第一伝熱管に低圧冷媒を流す場合と比較して、潤滑油の伝熱管との接触面積を増加させることができるため、伝熱管表面における潤滑油の膜厚を薄くでき、内部熱交換器における熱交換効率が良くなる。

以下、本発明の一実施例によるヒートポンプ給湯装置について図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施例によるヒートポンプ給湯装置の回路構成図である。
本実施例によるヒートポンプ給湯装置は、冷凍サイクル装置１０と貯湯装置２０から構成されている。
冷凍サイクル装置１０は、圧縮機１１、放熱器１２、膨張弁１３、及び蒸発器１４を配管で接続して冷凍サイクルが構成されている。内部熱交換器３０は、放熱器１２から膨張弁１３に至る高圧側配管１５を流れる高圧冷媒と、蒸発器１４から圧縮機１１に至る低圧側配管１６を流れる低圧側冷媒との間で熱交換を行う。放熱器１２は、圧縮機１１から吐出された高圧冷媒と、貯湯装置２０から供給される貯湯水との間で熱交換を行う。なお、放熱器１２における冷媒流れ方向と貯湯水の流れ方向とは対向している。
蒸発用ファン１７は、蒸発器１４に送風するための送風装置である。また水用配管１８は、放熱器１２に貯湯水を導入し、放熱器１２で加熱された温水を導出する配管である。
冷凍サイクル装置１０は、圧縮機１１、膨張弁１３、及び内部熱交換器３０を圧縮機側筐体１０Ａに配置し、放熱器１２、蒸発器１４、及び蒸発用ファン１７を風路側筐体１０Ｂに配置し、圧縮機側筐体１０Ａと風路側筐体１０Ｂとは区画されている。また、内部熱交換器３０は、圧縮機１１に近接した位置に配設することが好ましい。
この冷凍サイクル装置１０は、二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側では臨界圧を越える状態で運転する。また、圧縮機１１内の潤滑油として難溶性オイルを用いる。本発明における難溶性オイルとしては、４０℃における粘度が５〜３００ｃＳｔである潤滑油が適している。また、本発明における難溶性オイルは、−４０℃〜３１℃の範囲で相溶しない油分率の領域を持つ。ここで、オイルの相溶性、非相溶性、難相溶性について図２に基づいて詳しく説明する。

図２にＣＯ₂冷媒と各種オイルとの二層分離温度を示す。ＰＶＥ（ポリビニルエーテル）、ＰＯＥ（ポリオールエステル）、ＰＣ（ポリカーボネート）では、−４０〜３１℃の範囲で相溶しない油分率の領域は、比較的高い温度での一部の領域のみである。例えば、ＰＣの場合には、５℃以上において、相溶しない油分率の領域が存在する。したがって、これらのオイルは、相溶性のあるオイル（相溶油）であるといえる。
一方、ＰＡＯ（ポリアルファオレフィン）、ＡＢ（アルキルベンゼン）、Ｍ（鉱油）は、−４０〜３１℃の範囲で相溶しない油分率の領域を持ち、これらのオイルは、相溶性が低い非相溶油であるといえる。
また、ＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）は、−４０〜３１℃の範囲で相溶しない油分率の領域を持つが、油リッチ層においても４５〜７５％のＣＯ₂が溶解しているために、ＰＶＥ、ＰＯＥ、ＰＣなどの相溶油と比較すると相溶性は低いものの、ＰＡＯ、ＡＢ、鉱油などの非相溶油と比較すると高い相溶性を有する難相溶油であるといえる。
ここで難溶性オイルとしては、例えば、鉱油、ＰＡＯ（ポリアルファオレフィン）、アルキルベンゼンのような非相溶性タイプの潤滑油を含み、ＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）のような難相溶性タイプの潤滑油が好ましい。

貯湯装置２０は、貯湯タンク２１を備え、貯湯タンク２１の底部配管２２は、流量調整弁、減圧弁、及び逆止弁を介して水道管等の水供給配管に接続されている。また底部流出配管２３は、循環ポンプ２４を介して水用配管１８の流入側接続口と接続されている。また、貯湯タンク２１の上部循環用配管２５は、水用配管１８の流出側接続口と接続されている。また、貯湯タンク２１の上部には供給用配管２６が接続されている。なお、本実施例による貯湯タンク２１は、積層式の貯湯タンクであり、タンク内での撹拌が防止され、上部に高温水が底部に低温水が蓄積されるように構成されている。

以下、本実施例によるヒートポンプ給湯装置の貯湯運転動作について説明する。
まず、冷凍サイクル装置１０は、貯湯タンク２１内の温水が所定量以下となったことを検出すると運転を開始する。
圧縮機１１で超臨界領域まで圧縮された冷媒は、放熱器１２、及び内部熱交換器３０にて放熱した後に、膨張弁１３で減圧され、蒸発器１４及び内部熱交換器３０にて吸熱し、ガス状態で圧縮機１１に吸入される。
一方、圧縮機１１の運転とともに、給湯装置２０のポンプ２４も運転を開始する。ポンプ２４の運転によって、貯湯タンク２１底部の冷水が、底部流出配管２３から水用配管１８に導かれ、放熱器１２で加熱された温水は、水用配管１８から上部循環用配管２５を通って貯湯タンク２１の上部に導入される。
貯湯タンク２１内に所定量の温水が蓄えられると、圧縮機１１及びポンプ２４の運転が停止される。

次に、本実施例によるヒートポンプ給湯装置に用いる内部熱交換器について説明する。
図３は、本実施例による内部熱交換器の要部側面図、図４は図３におけるＸ−Ｘ線断面図、図５は図３におけるＹ−Ｙ線断面図である。
内部熱交換器３０は、放熱器１２から膨張弁１３に至る高圧側配管１５の間に設けた第一伝熱管３１と、蒸発器１４から圧縮機１１に至る低圧側配管１６の間に設けた第二伝熱管３２とから構成され、両端にはそれぞれ所定長さの接続管３３を有している。第一伝熱管３１は、第二伝熱管３２より細管であり、第一伝熱管３１は第二伝熱管３２内に配置され、第一伝熱管３１には超臨界領域にある高圧冷媒が流れ、第二伝熱管３２には低圧冷媒が流れる。なお、第一伝熱管３１における冷媒流れ方向と第二伝熱管３２における冷媒流れ方向とは対向している。
第一伝熱管３１及び第二伝熱管３２としては、表面が平滑な直管を用い、配設される空間に応じて所定の折り曲げ部を形成する。特に第一伝熱管３１は、外表面に凹凸を設けない平滑管が好ましい。また、第二伝熱管３２内には第一伝熱管３１のみを配設し、例えば第一伝熱管３１の第二伝熱管３２への支持部材などの他の部材は設けないことが好ましい。また、第一伝熱管３１と第二伝熱管３２とによって形成される低圧冷媒の流路断面積は、蒸発器１４の出口側配管である低圧側配管１６の内径断面積以上とすることが好ましい。
また、冷媒の流速の低下により、オイルが堆積することを考慮すると、第一伝熱管３１と第二伝熱管３２とによって形成される低圧冷媒の流路断面積は、蒸発器１４の出口側配管である低圧側配管１６の２倍以下とすることが好ましい。
接続管３３は、所定長さの配管を、拡管加工または縮管加工によって一端側開口部３３Ａを他端側開口部３３Ｂよりも小さく形成し、一端側開口部３３Ａには第二伝熱管３２を溶接によって接続し、他端側開口部３３Ｂには第一伝熱管３１とともに低圧側配管１６を溶接によって接続する。

本実施例のように、第一伝熱管３１を第二伝熱管３２内に配置し、第二伝熱管３２に低圧冷媒を流すことで、第一伝熱管３１に低圧冷媒を流す場合と比較して、潤滑油の伝熱管との接触面積を増加させることができるため、第一伝熱管３１の外表面における潤滑油の膜厚を薄くでき、内部熱交換器３０における熱交換効率が良くなる。詳しく述べると、前記図２に示されるように、例えば、内部熱交換器におけるＣＯ₂冷媒の温度が１０℃であると、ＰＯＥの場合にはＣＯ₂とオイルは二層分離せず管内を流れ、また、ＰＣの場合には、冷媒リッチ層（油分率７％）と油リッチ層（油分率２２％）に分離して管内を流れるために、油リッチ層においても、ＣＯ₂の溶解量が多いために、管内に付着したオイルにより伝熱を阻害される程度は小さいが、一方、ＰＡＧ＃２の場合には、冷媒リッチ層（油分率０％＝冷媒１００％）と油リッチ層（油分率４８％）に分離して管内を流れるために、管内に付着したオイルにより伝熱を阻害されるからである。従って、上記構成は、難溶性オイルを使用した場合に、大きな効果をもたらすのである。
また本実施例のように、内部熱交換器３０を圧縮機側筐体１０Ａに配置し、さらに圧縮機１１に近接した位置に配設することで、第二伝熱管３２の冷媒熱が外気に放熱することを防止できる。従って、圧縮機１１の吸入温度を高めることができるので、圧縮機１１の吐出温度を高めることができ、冷凍効率を高めることができる。例えば、第一伝熱管３１の流入側温度を２０℃、第二伝熱管３２の流入側温度が５℃であれば、第一伝熱管３１の流出側温度は１５℃、第二伝熱管３２の流出側温度は１０℃程度となる。このような場合において外気温度が１０℃を下回る条件であっても、圧縮機１１の熱によって圧縮機側筐体１０Ａ内が１０℃前後であれば、第二伝熱管３２からの放熱を防止することができる。
また本実施例のように、第一伝熱管３１の特に外表面を平滑とするとともに、第一伝熱管３１と第二伝熱管３２との間には、支持部材など他の部材を設けないために、潤滑油の流れをスムーズにすることができ、潤滑油の内部熱交換器内への滞留を少なくすることができる。
また本実施例のように、接続管３３の一方の開口部３３Ｂには第一伝熱管３１を接続するとともに低圧側配管１６を接続し、高圧冷媒と低圧冷媒との分岐部における流れを同じ開口部３３Ｂから行わせることで、内部熱交換器３０の流入箇所と流出箇所における潤滑油の流れをスムーズにすることができ、潤滑油の内部熱交換器内への滞留を少なくすることができ、内部熱交換器における熱交換効率を高めることができる。
また本実施例のように、第一伝熱管３１と第二伝熱管３２とによって形成される低圧冷媒の流路断面積を、低圧側配管１６の内径断面積以上とすることで、内部熱交換器３０における潤滑油の流れをスムーズにすることで、潤滑油の内部熱交換器３０内への滞留を少なくすることができ、内部熱交換器における熱交換効率を高めることができる。

次に、本発明の他の実施例による内部熱交換器について説明する。
図６は、本実施例による内部熱交換器の要部側面図、図７は図６におけるＺ−Ｚ線断面図である。
本実施例による内部熱交換器３０は、第一伝熱管３１を、複数の第一伝熱管３１Ａ、３１Ｂで構成したものである。本実施例のように、複数の第一伝熱管３１Ａ、３１Ｂで構成することで、潤滑油の伝熱管との接触面積をさらに増加させることができるため、第一伝熱管３１Ａ、３１Ｂの外表面における潤滑油の膜厚をさらに薄くできる。
接続管３３の他端側開口部３３Ｂには、２本の第一伝熱管３１Ａ、３１Ｂを接続するとともに、第一伝熱管３１Ａと第一伝熱管３１Ｂとの間に低圧側配管１６を溶接によって接続している。
なお、本実施例においては、その他の構成は上記実施例と同様な構成となっている。
上記実施例においては、膨張弁１３を用いて冷凍サイクル装置１０を構成したが、膨張弁１３の代わりに膨張機を用いてもよい。
また、上記実施例においては、放熱器１２として、冷媒と水との熱交換器として説明したが、冷媒と冷媒との熱交換器、冷媒と空気との熱交換器に用いることもできる。

本発明によるヒートポンプ給湯装置は、高温水が必要な床暖房装置にも適するが、その他の装置として冷暖房空調装置や乾燥装置にも適用できる。

本発明の一実施例によるヒートポンプ給湯装置の回路構成図 本実施例によるＣＯ₂冷媒と各種オイルとの二層分離温度を示す図 本実施例による内部熱交換器の要部側面図 図３におけるＸ−Ｘ線断面図 図３におけるＹ−Ｙ線断面図 本発明の他の実施例による内部熱交換器の要部側面図 図６におけるＺ−Ｚ線断面図

符号の説明

１１ 圧縮機
１２ 放熱器
１３ 膨張弁
１４ 蒸発器
１５ 高圧側配管
１６ 低圧側配管
３１ 第一伝熱管
３２ 第二伝熱管
３３ 接続管

Claims (7)

1. 圧縮機、放熱器、膨張弁、及び蒸発器を配管で接続し、前記放熱器から流出した高圧冷媒と、前記蒸発器から流出した低圧冷媒との間で熱交換を行わせる内部熱交換器を設け、前記放熱器で加熱した温水を貯湯タンクに貯留するヒートポンプ給湯装置であって、前記内部熱交換器が、超臨界領域にある前記高圧冷媒が流れる第一伝熱管と、前記低圧冷媒が流れる第二伝熱管とからなり、前記第一伝熱管を前記第二伝熱管内に配置したことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
2. 冷媒として二酸化炭素を用いることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
3. 前記第一伝熱管を、複数の配管としたことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
4. 前記内部熱交換器の両端にはそれぞれ所定長さの接続管を有し、前記接続管は拡管加工または縮管加工によって一端側開口部を他端側開口部よりも小さく形成し、前記一端側開口部には前記第二伝熱管を接続し、前記他端側開口部には前記第一伝熱管を接続するとともに前記低圧冷媒が流れる配管を接続したことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
5. 前記第一伝熱管と前記第二伝熱管とによって形成される前記低圧冷媒の流路断面積を、前記蒸発器の出口側配管の内径断面積以上としたことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
6. 前記内部熱交換器を、前記圧縮機の近傍に配設したことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
7. 前記圧縮機内の潤滑油として難溶性オイルを用いることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ給湯装置。

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