JP2007040627A

JP2007040627A - ヒートポンプ式温風暖房機

Info

Publication number: JP2007040627A
Application number: JP2005226259A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Takahashi; 俊彦高橋
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2005-08-04
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2025-08-04
Also published as: JP4581897B2

Abstract

【課題】簡素な構成で高いＣＯＰ（成績係数）を得ることのできる、ランニングコストが低減したヒートポンプ式温風暖房機を提供することを目的とする。
【解決手段】圧縮機４と、冷媒間熱交換器５と、電子膨張弁６と、蒸発器７とを順次接続して、ＣＯ２冷媒が循環する超臨界ヒートポンプサイクルとしての冷媒回路２を構成し、前記冷媒間熱交換器５と、ファンコンベクタ１０と、温水を循環させる温水ポンプ９を順次接続して温水循環回路３を構成し、前記ファンコンベクタ１０本体内を主空気流路と副空気流路とに区画し、前記主空気流路に、主放熱器と、主送風ファンとを設け、前記副空気流路に、一端を温水流出管に接続し、他端を前記主放熱器の流出側に接続した補助放熱器と、補助送風ファンとを設け、前記主放熱器と前記補助放熱器とで温水の熱を放出させて二段階で冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプを熱源とした温風暖房機に係わり、より詳細にはＣＯＰ（成績係数）を向上させる構成に関する。

ヒートポンプを熱源とした従来のヒートポンプ式温風暖房機は、例えば図７（Ａ）で示すように、ヒートポンプサイクル５０と、冷媒間熱交換器５１と、貯湯タンク５２と、温水暖房機５３と、床暖房パネル６３を順次接続して構成されている。前記ヒートポンプサイクル５０には、図示はされていないが、圧縮機と膨張弁と蒸発器及びアキュームレータが設けられ、圧縮機、前記冷媒間熱交換器５１、膨張弁、蒸発器及びアキュームレータを順次接続して冷媒回路を構成している。同冷媒回路にはＣＯ２（二酸化炭素）冷媒が循環するようになっており、前記冷媒間熱交換器５１に循環する温水と熱交換して、これを加熱するようになっている（例えば、特許文献１参照）。

前記冷媒間熱交換器５１でＣＯ２冷媒と熱交換して加熱された温水は前記温水暖房機５３あるいは前記床暖房パネル６３に循環した後、前記貯湯タンク５２に還流するようになっており、前記温水暖房機５３から吹出される温風の温度及び前記床暖房パネル６３の温度は制御装置６２によりコントロールされるようになっている。

前記温水暖房機５３は天井面等に据付けられ、図７（Ｂ）で示すように、本体の上面に吸込口５４を、下面に室内に向けて吹出口５５を夫々備え、同本体内に温水配管５６に接続された放熱器５７と、前記吸込口５４から流入した空気を同放熱器５７に流通させ前記吹出口５５から室内に送出する送風ファン６１を備えている。又、前記温水配管５６には第一開閉弁５８が備えられるとともに、第二開閉弁６０を備えたバイパス管５９が備えられており、通常の暖房運転時は前記第一開閉弁５８は開放され、前記第二開閉弁６０は閉鎖されるようになっている。前記温水配管５６及び前記第一開閉弁５８を介して前記放熱器５７に温水が循環すると、前記吸込口５４から吸込まれた空気は前記放熱器５７から放出される熱により加温され、前記送風ファン６１により前記吹出口５５から室内に送出されて、これを暖房するようになっている。

室内が予め設定された設定温度に達すると、前記制御装置６２は、前記温水暖房機５３に備えられた前記第一開閉弁５８を閉鎖する一方、前記バイパス管５９に備えられた前記第二開閉弁６０を開放するようになっており、これにより前記放熱器５７への温水の循環が停止され室内の暖房が中断されて室温が一定に維持されるとともに、温水は前記バイパス管５９により温水回路内を循環するようになっている。又、室温が設定温度以下になると前記第二開閉弁６０が再び閉鎖され、前記第一開閉弁５８が開放されて暖房運転が再開されるようになっており、暖房運転の発停が繰り返し反復されるにもかかわらず、前記ヒートポンプサイクル５０の運転を中断することなく継続できるようになっている。

しかしながら、前記第一開閉弁５８及び前記第二開閉弁６０の開閉をコントロールすることにより、前記ヒートポンプサイクル５０の運転を中断することなく継続して行い室温を一定に維持しても、前記冷媒間熱交換器５１には、やや高温の温水が還流することとなり、同冷媒間熱交換器５１での冷媒との熱交換効率が低下し、これに伴いＣＯＰ（成績係数）が低下してランニングコストが上昇してしまうという問題があった。

他の従来例として、例えば図７（Ｃ）で示すように、第一圧縮機７２と第一冷媒間熱交換器７３と第一膨張機構７４と第一蒸発器７５とで第一冷媒回路７０を構成し、第二圧縮機７６と第二冷媒間熱交換器７７と第二膨張機構７８と第二蒸発器７９とで第二冷媒回路７１を構成する一方、前記第一冷媒間熱交換器７３と前記第二冷媒間熱交換器７７と温水ポンプ８０と貯湯タンク８１とを順次接続して温水循環回路を構成したヒートポンプ給湯機がある（例えば、特許文献２参照）。

前記第一冷媒回路７０において、前記第一圧縮機７２から吐出された高温高圧の冷媒は前記第一冷媒間熱交換器７３に循環する温水と熱交換して凝縮し、凝縮した冷媒は前記第一膨張機構７４により断熱膨張して低温低圧となり、続いて前記第一蒸発器７５に流入し、同第一蒸発器７５で周囲の熱を吸収して蒸発し、蒸発した冷媒は前記第一圧縮機７２に還流するようになっている。前記第二冷媒回路７１においても同様に、前記第二圧縮機７６から吐出された高温高圧の冷媒は前記第二冷媒間熱交換器７７に循環する温水と熱交換して凝縮し、凝縮した冷媒は前記第二膨張機構７８により断熱膨張して低温低圧となり、続いて前記第二蒸発器７９に流入し、同第二蒸発器７９で周囲の熱を吸収して蒸発し、蒸発した冷媒は前記第二圧縮機７６に還流するようになっている。尚、前記第一冷媒回路７０には、冷媒としてＨＦＣ系、ＨＣ系の他、ＣＯ２冷媒を使用することも可能となっている。

前記温水循環回路において、前記第一冷媒間熱交換器７３にて加熱された温水は中温水となり、続いて前記第二冷媒間熱交換器７７に流入し、更に加熱されて高温水となり前記貯湯タンク８１に還流するようになっている。同貯湯タンク８１に貯湯された温水は必要に応じ、風呂場のバス８２等に供給されるようになっている。

中温水から高温水に加熱する前記第二冷媒回路７１ではＣＯＰ（成績係数）はやや低いが、低温水から中温水に加熱する前記第一冷媒回路７０においては高いＣＯＰを得ることができるようになっており、これにより前記第一冷媒回路７０及び前記第二冷媒回路７１を直列に接続して温水を二段階で加熱することにより、平均して高いＣＯＰを得てランニングコストを低減することができるようになっている。

しかしながら、前記第一圧縮機７２と前記第一冷媒間熱交換器７３と前記第一膨張機構７４と前記第一蒸発器７５とで第一冷媒回路７０を構成し、前記第二圧縮機７６と前記第二冷媒間熱交換器７７と第二膨張機構７８と第二蒸発器７９とで第二冷媒回路７１を構成することにより、高いＣＯＰを得られても、冷媒回路の構成がやや複雑となり設備費が上昇してしまうという虞があり、又、上記したように、低温水から中温水に加熱する前記第一冷媒回路７０ではＣＯＰが高いが、中温水から高温水に加熱する前記第二冷媒回路７１ではＣＯＰが低いという問題が残っていた。

特開２００４−３６０９６０号（３頁、図１）特開２００４−２３３０１０号（４頁、図１）

本発明は、上記問題点に鑑み、ＣＯ２（二酸化炭素）冷媒が循環するヒートポンプ回路を熱源とした温水暖房機において、簡素な構成で高いＣＯＰ（成績係数）を得ることのでき、ランニングコストが低減したヒートポンプ式温風暖房機を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、圧縮機と、冷媒間熱交換器と、減圧手段と、蒸発器とからなる冷媒回路と、前記冷媒間熱交換器と、放熱器及び送風ファンを備えたファンコンベクタと、温水ポンプとからなる温水循環回路を有するヒートポンプ式温風暖房機において、前記放熱器は、主放熱器と、同主放熱器の下流側に配置される補助放熱器とからなり、前記送風ファンは、前記主放熱器に対応する主送風ファンと、前記補助放熱器に対応する補助送風ファンとからなる構成となっている。又、前記ファンコンベクタに備えられた吹出口は、前記主送風ファンに対応する主吹出口と、前記補助送風ファンに対応するとともに、前記主吹出口とは吹出方向が異なる補助吹出口とからなる構成となっている。

本発明によると、圧縮機と、冷媒と温水との間で熱交換を行う冷媒間熱交換器と、電子膨張弁と、送風ファンを備えた蒸発器と、アキュームレータとを順次接続して、ＣＯ２（二酸化炭素）冷媒が循環するヒートポンプサイクルとしての冷媒回路を構成し、前記冷媒間熱交換器と、室内に据付けられるファンコンベクタと、温水を循環させる温水ポンプを順次接続して温水循環回路３を構成し、前記ファンコンベクタ本体内を主空気流路と副空気流路とに区画し、前記主空気流路に、主放熱器と、主送風ファンとを設け、前記副空気流路に、一端を温水流出管に接続し、他端を前記主放熱器の流出側に接続した補助放熱器と、補助送風ファンとを設け、前記主放熱器と前記補助放熱器とで温水の熱を放出させて、温水の充分な冷却を行うことにより、ＣＯＰ値が大きく改善され、エネルギ効率が高く、且つランニングコストを低減できるヒートポンプ式温風暖房機とすることができるようになっている。更に、高温風の吹出口と、低温風の吹出口とを区画し、暖房に適する高温風はユーザーに向け直接吹出すようにして暖房用に使用し、低温風は室内の加温に使用することにより好適なヒートポンプ式温風暖房機とすることができるようになっている。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。

図１は本発明によるヒートポンプ式温風暖房機の冷媒回路図であり、図２は室内に据付けられるファンコンベクタの断面図である。図３（Ａ）は第一実施例を示す同ファンコンベクタの正面からの断面図であり図３（Ｂ）は、その要部断面図であり、図４はモリエル線図である。図５は第二実施例を示すファンコンベクタの正面からの断面図であり、図６は第三実施例を示すファンコンベクタの側面からの断面図である。

本発明によるヒートポンプ式温風暖房機１は、図１で示すように、圧縮機４と、冷媒と温水との間で熱交換を行う冷媒間熱交換器５と、減圧手段としての電子膨張弁６と、送風ファン７ａを備えた蒸発器７と、アキュームレータ８とを順次接続して冷媒回路２を構成し、前記冷媒間熱交換器５と、室内に据付けられるファンコンベクタ１０と、温水を循環させる温水ポンプ９を順次接続して温水循環回路３を構成している。前記ファンコンベクタ１０には、循環する温水により周囲に熱を放出する放熱器１７及び後述する補助放熱器１８が設けられており、これらは前記温水回路３の温水流入管３ａ及び温水流出管３ｂに接続されている。

前記冷媒回路２は、ＣＯ２（二酸化炭素）冷媒が循環するヒートポンプサイクルとして構成され、ＣＯ２冷媒は前記圧縮機４により圧縮されて高圧側圧力が臨界圧力以上となり、これに伴い前記圧縮機４での吐出側冷媒温度を１２０°Ｃ以上とすることができるようになっている。前記冷媒間熱交換器５は、例えば二重管として形成され、二重管の一方をＣＯ２冷媒が流れ、他方を温水が相対向するように流れてＣＯ２冷媒と温水との間で熱交換が行われるようになっている。

前記圧縮機４で圧縮された高温高圧のＣＯ２冷媒は、矢印で示すように前記冷媒間熱交換器５に流入し、これを循環する温水と熱交換して、温水が約８０°Ｃとなるように加熱し、続いて前記電子膨張弁６により断熱膨張して低温低圧となる。低温低圧となったＣＯ２冷媒は前記蒸発器７で周囲の熱を吸収して前記圧縮機４に還流するようになっている。尚、ＣＯ２冷媒は臨界圧力以上に加圧されることにより、前記冷媒間熱交換器５で放熱しても凝縮しないようになっている。前記冷媒間熱交換器５で加熱された温水は、前記ファンコンベクタ１０に流入し、放熱して温度が低下した低温水となり、前記温水ポンプ９により再び前記冷媒間熱交換器５に流入して加熱されるようになっている。

前記ファンコンベクタ１０は、図２の断面図で示すように、ベース１３と、同ベース１３に支持される、後面が開放された前面パネル及びこれに装着される、前面が開放された後部パネルとから本体を構成し、同本体の背面上部に複数の桟からなる吸込口１５を、前面下部に、上下偏向板１６ａと左右偏向板１６ｂとを備えた吹出口１６を設け、本体内の前面側に熱を遮蔽する遮熱板１４を設けている。前記吸込口１５と前記吹出口１６とを結ぶ空気通路には、前記温水回路３から供給される温水を循環させ、通過する空気に熱を放出する主放熱器１７及び後述する補助放熱器１８と、加熱された空気を前記吹出口１６から室内に送出する主送風ファン２０及び後述する補助送風ファン２１とが設けられている。

前記ファンコンベクタ１０の正面からの断面図は、図３（Ａ）で示すように、本体内の左方寄りに仕切板１０ａを設け、同仕切板１０ａにより本体内を主空気流路１１と副空気流路１２とに区画している。前記主空気流路１１には、縦長矩形状に形成され左右方向に多数列設されたフィン１７ａと、同フィン１７ａに直交するように蛇行状に配設された伝熱管１７ｂとからなり、熱動弁２３を介して前記温水流入管３ａと接続される前記主放熱器１７と、駆動モータ２０ａにより駆動される前記主送風ファン２０とが設けられ、その前面には前記吹出口１６が形成されている。前記副空気流路１２には、一端を前記温水流出管３ｂに接続し、他端を接続配管１９により前記主放熱器１７の伝熱管１７ｂ流出側に接続した補助放熱器１８と、駆動モータ２１ａにより駆動される補助送風ファン２１とが設けられ、その前面には、図３（Ｂ）で示すように、本体前面の略中央位置となるように、複数の上下偏向板２２ａを備えた補助吹出口２２が形成されている。尚、前記熱動弁２３は、熱膨張を利用して弁の開閉を行う開閉弁であり、低速で開閉を行うようになっている。

次に動作について説明する。本体背面の前記吸込口１５から吸込まれた室内の空気は、前記温水流入管３ａを介して流入してくる約８０°Ｃの温水が循環する前記主放熱器１７から放出される熱を吸収して約５０°Ｃ前後まで加熱され、加熱された空気は前記主送風ファン２０により前記吹出口１６から、室内及び室内に居るユーザーに向けて高温の温風となって吹出されるようになっている。

前記温水流入管３ａから前記主放熱器１７に流入してきた約８０°Ｃの温水は熱を放出することにより温度が約５０°Ｃまで低下し、前記接続配管１９を介して前記補助放熱器１８に流入するようになっており、又、同補助放熱器１８に流入した約５０°Ｃの温水は、前記吸込口１５から吸込まれた空気に熱を放出して約２５°Ｃ前後迄温度が低下し、前記温水流出管３ｂを介して前記冷媒間熱交換器５に還流するようになっている。又、前記補助放熱器１８から放出する熱により加熱された比較的低温の空気は、前記補助送風ファン２１により前記補助吹出口２２から室内に送出されるようになっている。この際、同補助吹出口２２から吹出される低温の空気がユーザーに向かい直接吹出されると不快感を生じさせる虞があるので、前記上下偏向板２２ａにより室内の上方あるいは側方等、直接ユーザーに向かわない方向に吹出されるようになっている。

次に、上記構成によるＣＯＰ（成績係数）の効果について、シミュレーション計算結果に基づいて説明する。図４で示すグラフはモリエル線図であり、横軸にエンタルピ（ｋＪ／ｋｇ）を、縦軸に冷媒圧力Ｐ（Ｍｐａ）を表示している。前記圧縮機４での冷媒吐出温度Ｔ＝１００°Ｃ、高圧側冷媒圧力Ｐ２＝１１．５Ｍｐａ、低圧側冷媒圧力Ｐ１＝４Ｍｐａと仮定して計算すると、前記温水流出管３ｂでの温水出口温度ｔ２＝５０°Ｃの場合、ｈ１＝４９５ｋＪ／ｋｇ、ｈ２＝４４５ｋＪ／ｋｇ、ｈ３＝３６５ｋＪ／ｋｇとなり、ＣＯＰ値の計算結果は約２．６となる。これに対し、前記補助放熱器１８により前記温水流出管３ｂでの温水出口温度ｔ２を２５°Ｃ迄低下させると、ｈ１＝４９５ｋＪ／ｋｇ、ｈ２＝４４５ｋＪ／ｋｇ、ｈ４＝２６０ｋＪ／ｋｇとなり、ＣＯＰ値の計算結果は約４．７となり、温水出口温度ｔ２が５０°Ｃの場合のＣＯＰ値約２．６に比較してＣＯＰ値が大きく改善され、これによりエネルギ効率が高く、且つランニングコストを低減できるヒートポンプ式温風暖房機とすることができるようになっている。

次に、第二実施例について説明する。第二実施例は第一実施例に比較してファンコンベクタをより簡素な構成としている。図５で示すように、吸込口と吹出口とを備えたファンコンベクタ２４の本体内に、横長矩形状のフィン２５ａを上下方向に多数列設するとともに、同フィン２５ａに直交するように上下方向に蛇行する伝熱管２５ｂを配設して放熱器２５を構成し、駆動モータ２７により駆動される送風ファン２６を、大径部２６ａと、同大径部２６ａに連続して形成された小径部２６ｂとから構成している。又、前記大径部２６ａの前面には吹出口２８が形成され、前記小径部２６ｂの前面には補助吹出口２９が形成されている。前記放熱器２５の伝熱管２５ｂは、前記送風ファン２６の大径部２６ａ側となる一端が熱動弁２３を介して前記温水流入管３ａに接続され、他端が前記温水流出管３ｂに接続されている。

前記温水流入管３ａを介して流入した約８０°Ｃの温水は、前記送風ファン２６の大径部２６ａに対向した部位の前記伝熱管２５ｂを流れる間に熱を放出し、５０°Ｃ前後迄低下する。この間に放出された熱により加熱された空気は、高温の温風となって前記大径部２６ａにより勢いよく付勢され、前記吹出口２８から室内及び室内に居るユーザーに向かい吹出されるようになっている。又、前記小径部２６ｂに対向した部位の前記伝熱管２５ｂを流れる温水は、５０°Ｃから２５°Ｃ前後迄温度が低下した後、前記温水流出管３ｂを介して前記冷媒間熱交換器５に還流し、又、低温の温風は前記小径部２６ｂにより、室内に居るユーザーに直接吹きつけないようにして前記補助吹出口２９から小風量で送出されるようになっている。尚、前記送風ファン２６は大径部と小径部とに区画しなくとも、運転そのものに支障を生じることなない。

次に、第三実施例について説明する。第三実施例は図６の側断面図で示すように、ファンコンベクタ３０の本体背面に吸込口３４を、前面下部に吹出口３２を夫々設け、本体内を遮熱板３３で前後に区画するとともに、前記吸込口３４と前記吹出口３２とを結ぶ空気流路に、主放熱器３４と主送風ファン３５とを設けている。又、前記吹出口３２の上方には補助吸込口３７が、前面上部には補助吹出口３８が夫々設けられている。前記遮熱板３３の前面側には、前記補助吸込口３７と前記補助吹出口３８とを結ぶ副空気流路３６が形成されており、同副空気流路３６には、前記主放熱器３４と接続配管により接続された補助放熱器３９と、前記補助吹出口３８に臨んでプロペラ送風ファン４０が設けられている。

前記主放熱器３４には前記温水流入管３ａを介して約８０°Ｃの温水が流入し、熱を放出して５０°Ｃ前後迄温度が低下した後、前記補助放熱器３９に流入するようになっている。同補助放熱器３９に流入した温水は、前記補助吸込口３７から吸込まれ、前記副空気流路３６を流れる空気により２５°Ｃ前後迄冷却されて前記温水流出管３ｂを介して流出するようになっている。又、前記副空気流路３６で加熱された空気は、前記補助吹出口３８から室内の上方に向けて放出されるようになっている。

本発明によるヒートポンプ式温風暖房機の冷媒回路図である。室内に据付けられるファンコンベクタの断面図である（Ａ）は第一実施例を示す同ファンコンベクタの正面からの断面図である。（Ｂ）は、その要部断面図である。ＣＯＰの計算を示すモリエル線図である。第二実施例を示すファンコンベクタの正面からの断面図である。第三実施例を示すファンコンベクタの側面からの断面図である。（Ａ）は従来のヒートポンプ式温風暖房機を示す冷媒回路図である。（Ｂ）は、温水暖房機の断面図である。（Ｃ）は、従来のヒートポンプ給湯エアコンを示す冷媒回路図である。

符号の説明

１ヒートポンプ式温風暖房機
２冷媒回路
３温水循環回路
３ａ温水流入管
３ｂ温水流出管
４圧縮機
５冷媒間熱交換器
６電子膨張弁
７蒸発器
７ａ送風ファン
８アキュームレータ
９温水ポンプ
１０ファンコンベクタ
１０ａ仕切板
１１主空気流路
１２副空気流路
１３ベース
１４遮熱板
１５吸込口
１６吹出口
１６ａ上下偏向板
１６ｂ左右偏向板
１７主放熱器
１７ａフィン
１７ｂ伝熱管
１８補助放熱器
１９接続配管
２０主送風ファン
２０ａ駆動モータ
２１補助送風ファン
２１ａ駆動モータ
２２補助吹出口
２２ａ上下偏向板
２３熱動弁
２４ファンコンベクタ
２５放熱器
２５ａフィン
２５ｂ伝熱管
２６送風ファン
２６ａ大径部
２６ｂ小径部
２７駆動モータ
２８吹出口
２９補助吹出口
３０ファンコンベクタ
３１吸込口
３２吹出口
３３遮熱板
３４主放熱器
３５送風ファン
３６副空気流路
３７補助吸込口
３８補助吹出口
３９補助放熱器
４０プロペラ送風ファン

Claims

圧縮機と、冷媒間熱交換器と、減圧手段と、蒸発器とからなる冷媒回路と、前記冷媒間熱交換器と、放熱器及び送風ファンを備えたファンコンベクタと、温水ポンプとからなる温水循環回路を有するヒートポンプ式温風暖房機において、
前記放熱器は、主放熱器と、同主放熱器の下流側に配置される補助放熱器とからなり、前記送風ファンは、前記主放熱器に対応する主送風ファンと、前記補助放熱器に対応する補助送風ファンとからなることを特徴とするヒートポンプ式温風暖房機。
前記ファンコンベクタに備えられた吹出口は、前記主送風ファンに対応する主吹出口と、前記補助送風ファンに対応するとともに、前記主吹出口とは吹出方向が異なる補助吹出口とからなることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式温風暖房機。