JP2007178088A - ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】CO2冷媒が循環されるCO2サイクル1と,R410A冷媒が循環されるR410Aサイクル2と,前記CO2冷媒及び/又は前記R410A冷媒と水との間で熱交換を行う水熱交換器32と,を備えてなり,前記R410Aサイクル2に,前記水熱交換器32を通過する循環経路20と,前記R410A冷媒と室内空気との間で熱交換を行う室内空気熱交換器4を通過する循環経路40と,当該R410Aサイクル2における前記R410A冷媒の循環方向を切り替える四方弁24とが設けられている。
【選択図】図1
Description
ここに,前記炭酸ガス冷媒は,その冷媒の特性として水を高温(例えば90℃程度)まで加熱することができる。一方,前記HFC冷媒は,冷媒の特性上比較的低温(例えば65℃程度)までしか水を加熱することができない。しかし,空調用機器に用いた場合,エネルギ消費効率(COP)は,前記炭酸ガス冷媒を用いるよりも前記HFC冷媒を用いる方が優れている。
さらに,前記特許文献1の発明では,前記R410Aサイクルに温水暖房用の閉回路を接続し,前記R410Aサイクルを給湯及び温水暖房で共用することが提案されている。
しかも,前記ヒートポンプ式給湯システムは,前記CO2サイクル及び前記R410Aサイクルのいずれか一方だけが選択的に用いられる構成である。したがって,前記ヒートポンプ式給湯システムにおける水の加熱効率は,前記CO2サイクル及び前記R410Aサイクルの個々による水の加熱効率が限界である。そのため,仮に前記R410AサイクルでR410A冷媒を分配して給湯及び温水暖房を同時に行った場合には,水の加熱効率が低下するため十分な給湯温度や給湯量を得ることができないという問題が生じる。もちろん,このときにも十分な給湯温度が得られるように前記R410Aサイクルを構成することも考えられるが,前記R410Aサイクルで十分な給湯温度や給湯量を得るためには,装置の拡大やコストの増大という問題が生じる。
従って,本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり,第一の目的は,給湯用のヒートポンプサイクルを冷暖房(空調)に用いることのできるヒートポンプ式給湯機を提供することにある。そして,本発明の第二の目的は,前記ヒートポンプ式給湯機において暖房と同時に給湯を行う際に十分な給湯温度や給湯量を得ることにある。
本発明によれば,前記第二のヒートポンプサイクルにおける前記第二の冷媒の循環方向を切り替えることができるため,該第二のヒートポンプサイクルを用いて冷暖房(空調)を行うことが可能となる。
また,水を前記水熱交換器において前記第一の冷媒及び前記第二の冷媒と同時に熱交換させることも可能な構成であるため,前記第一の循環経路に加えて前記第二の循環経路に前記第二の冷媒を分配して循環させることにより,十分な給湯温度や給湯量を得ることができる。
ここに,図1は本発明の実施の形態に係るヒートポンプ式給湯機Xの概略構成図である。
図1に示すように,前記ヒートポンプ式給湯機Xは,冷媒が循環される二つのヒートポンプサイクル1(第一のヒートポンプサイクルの一例),2(第二のヒートポンプサイクルの一例),流水経路30a〜30d,貯留タンク31,水熱交換器32,循環ポンプ34及び切換弁41〜45を備えて概略構成されている。また,前記ヒートポンプ式給湯機Xは,CPUやRAM,ROMなどを有する不図示の制御部を備えている。
前記水熱交換器32は,前記ヒートポンプサイクル1に接続された配管14に流れる冷媒や,前記ヒートポンプサイクル2に接続された配管25に流れる冷媒と,給水口から給湯口への流水経路30b,又は前記貯留タンク31に戻る流水経路30a上を流れる水との間で熱交換を行うものである。ここに,前記流水経路30aは,前記給水口から前記貯留タンク31,循環ポンプ34,切換弁45,水熱交換器32,切換弁43,貯留タンク31が順に接続された水の流水経路である。また,前記流水経路30bは,前記給水口から切換弁45,水熱交換器32,切換弁43,前記給湯口が順に接続された水の流水経路である。なお,前記流水経路30cは,前記貯留タンク31から前記切換弁44を経て前記給湯口に続く温水の流通経路,前記流通経路30dは,前記給水口から前記切換弁44を経て前記給湯口に続く水の流通経路である。
当該ヒートポンプ式給湯機Xでは,前記制御部(不図示)によって前記各構成要素が制御されることにより,給水口から供給された水を前記流水経路30b上で前記水熱交換器32によって加熱して給湯口から直接給湯する瞬間給湯運転や,給水口から供給された水を前記流水経路30a上で前記水熱交換器32によって加熱して前記貯留タンク31に貯留する貯湯運転などが行われる。
ここで,前記瞬間給湯運転では,前記切換弁43及び45が前記制御部によって制御されることにより,前記給水口から供給された水が前記流水経路30bに沿って破線矢印方向に流通することとなる。但し,前記瞬間給湯運転が開始してからの一定時間は,前記水熱交換器32による加熱量が十分得られない。そのため,瞬間運転開始後の一定時間は,前記貯留タンク31に貯留された温水が,前記流水経路30cを経て切換弁44において,前記給水口から前記流水経路30dを経て供給される水と混合されて温度調節された後,前記給湯口に供給される。これにより,前記給湯口から瞬時に温水を給湯することが可能である。そして,前記水熱交換器32によって給水口から供給された水を十分に加熱することが可能となった時点で,前記貯留タンク31の給水は停止され,その後は,前記給水口から前記水熱交換器32を経て前記給湯口に続く流水経路30bを用いて瞬間給湯が行われる。なお,前記貯留タンク31に貯留された高温の温水を前記給水口から供給される水と混合することなく,そのまま給湯することも可能である。
また,前記貯湯運転では,前記循環ポンプ34が駆動されることにより,前記流水経路30aに沿って実線矢印方向に水が流通することにより,貯留タンク31に温水が貯留される。
前記循環経路10では,前記制御部(不図示)によって前記圧縮機11が駆動されることにより,炭酸ガス冷媒の一例であるCO2冷媒(第一の冷媒の一例)が図示する矢印方向に循環される。ここに,前記CO2冷媒は,後述するR410A冷媒と異なる特性を持ち,冷媒の特性として水を高温(90℃程度)まで加熱することができるが,エネルギ消費効率が比較的低い。そのため,前記CO2サイクル1は,主に前記貯湯運転における水の加熱に用いられる。
具体的には,前記圧縮機11において圧縮して吐出された高温高圧の前記CO2冷媒が,前記水熱交換器32において前記流水経路30aまたは30b上を流れる水と熱交換されて冷却された後,前記膨張器12において膨張する。その後,前記膨張器12で膨張した低温低圧の前記CO2冷媒は,前記室外空気熱交換器13において室外の空気と熱交換されて吸熱し気化した後,再度前記圧縮機11に流入する。
前記CO2サイクル1では,前記のように前記CO2冷媒が前記循環経路10に循環されることにより,前記流水経路30aまたは30b上を矢印方向に流れる水が,前記水熱交換器32における前記CO2冷媒との熱交換によって90℃程度まで加熱される。なお,前記水熱交換器32における前記CO2冷媒と水との流通方向が反対であるため,該CO2冷媒と水との熱交換は効率的に行われる。
このとき,前記瞬間給湯運転においては,前記流水経路30bを通るよう前記制御部(不図示)によって前記切換弁45が制御され,前記制御部(不図示)によって前記切換弁43が制御されることにより前記水熱交換器32において加熱された温水が前記給湯口に供給される。また,前記貯湯運転においては,前記流水経路30aを通るよう前記制御部(不図示)によって前記切換弁45が制御され,前記制御部(不図示)によって前記切換弁43が制御されることにより,前記水熱交換器32において加熱された温水が前記貯留タンク31に貯留されるように切り替えられる。
前記循環経路20では,前記制御部(不図示)によって制御されて前記圧縮機21が駆動されることにより,前記R410A冷媒が図示する実線矢印方向に循環される。具体的には,前記圧縮機21において圧縮して吐出された高温高圧の前記R410A冷媒が,前記四方弁24及び前記切換弁41を経て前記水熱交換器32に達する。そして,前記R410A冷媒は,前記水熱交換器32において前記流水経路30aまたは30b上を流れる水と熱交換されて冷却される。その後,前記R410A冷媒は,前記切換弁42を経て前記膨張器22において膨張される。そして,前記膨張器22で膨張した低温低圧の前記R410A冷媒は,前記室外空気熱交換器23において室外空気と熱交換されて吸熱し気化した後,前記四方弁24を経て再度前記圧縮機21に流入する。
前記R410Aサイクル2では,前記のように前記R410A冷媒が前記循環経路20において実線矢印方向に循環されることにより,前記流水経路30aまたは30b上を矢印方向に流れる水が,前記水熱交換器32における前記R410A冷媒との熱交換によって65℃程度まで加熱される。なお,前記水熱交換器32における前記R410A冷媒と水との流通方向が反対であるため,該R410A冷媒と水との熱交換は効率的に行われる。
したがって,前記ヒートポンプ式給湯機Xでは,前記CO2サイクル1及び前記R410Aサイクル2を同時に用いることにより,個々の熱交換効率以上の熱交換効率で水を加熱することができる。これにより,前記瞬間給湯運転時における給湯量を増加させることができる。
ここに,前記室内空気熱交換器4は,室内の冷暖房を行う空気調和機(不図示)に設けられ,前記循環経路40内に循環される前記R410A冷媒と室内空気との間で熱交換を行うことにより室内空気を加熱或いは冷却するものである。
ところで,前記のように構成されたヒートポンプ式給湯機Xでは,前記R410Aサイクル2における前記R410A冷媒の循環方向が一定であれば,該R410Aサイクル2を前記空気調和機(不図示)で行われる冷暖房(空調)に用いることはできない。具体的には,前記R410A冷媒の循環方向が,前記循環経路20と同様の方向(図1の実線矢印方向)だけである構成では,暖房のみが可能であって冷房を行うことはできない。
しかし,本発明の実施の形態に係る前記ヒートポンプ式給湯機Xでは,前記四方弁24が前記制御部(不図示)によって制御され,前記循環経路40における前記R410A冷媒の循環方向が図示する実線矢印方向又は破線矢印方向に切り替えられる。ここに,前記R410A冷媒の循環方向を切り替えるときの前記制御部及び前記四方弁24が循環方向切替手段に相当する。
(1)暖房運転について
ユーザにより前記ヒートポンプ式給湯機Xに対して,不図示の操作部から暖房運転の開始が要求されると,該ヒートポンプ式給湯機Xでは,前記制御部(不図示)によって前記圧縮機21及び前記四方弁24が制御され,前記R410Aサイクル2の循環経路40において前記R410A冷媒の実線矢印方向の循環が開始される。このとき,前記四方弁24内部では図示する実線経路が確立されている。
これにより,前記循環経路40では,図示する実線矢印方向に前記R410A冷媒が循環される。具体的には,前記圧縮機21において圧縮して吐出された高温高圧の前記R410A冷媒が,前記四方弁24及び前記切換弁41を経て前記室内空気熱交換器4に達する。そして,前記R410A冷媒は,前記室内空気熱交換器4において室内の空気と熱交換されて冷却される。その後,前記R410A冷媒は,前記切換弁42を経て前記膨張器22において膨張される。そして,前記膨張器22において膨張した低温低圧の前記R410A冷媒は,前記室外空気熱交換器23において室外の空気と熱交換されて吸熱し気化した後,前記四方弁24を経て再度前記圧縮機21に流入する。
前記R410Aサイクル2では,前記のように前記R410A冷媒が前記循環経路40において実線矢印方向に循環されることにより,室内の空気が,前記室内空気熱交換器4における前記R410A冷媒との熱交換によって加熱される。即ち,前記ヒートポンプ式給湯機Xによって暖房が実現される。
しかし,前記ヒートポンプ式給湯機Xでは,瞬間給湯と暖房とを同時に行う際,前記水熱交換器32において,前記CO2サイクル1に循環する前記CO2冷媒と,前記R410Aサイクル2に循環するR410A冷媒とで同時に水が加熱される。これにより,瞬間給湯と暖房とを同時に行う際に,十分な給湯温度や給湯量を得ることができる。以下,この点について詳説する。
そこで,前記ヒートポンプ式給湯機Xでは,前記R410Aサイクル2によって暖房運転が行われているときに,ユーザによって不図示の操作部に対して瞬間給湯の要求が行われると,前記制御部(不図示)によって前記CO2サイクル1の圧縮機11の駆動が制御されて,前記CO2サイクル1における前記CO2冷媒の循環が開始される。
これにより,前記水熱交換器32では,前記R410A冷媒と前記CO2冷媒との両方で水が加熱されることとなる。即ち,前記R410Aサイクル1における瞬間給湯と暖房の同時運転時の水の加熱効率の低下は,前記CO2サイクル1を循環する前記CO2冷媒と水との熱交換によって補われる。したがって,前記R410Aサイクル2において瞬間給湯と暖房とを同時に行う際に,十分な給湯温度や給湯量を得ることができる。
一方,ユーザにより前記ヒートポンプ式給湯機Xに対して,不図示の操作部から冷房運転の開始が要求されると,該ヒートポンプ式給湯機Xでは,前記制御部(不図示)によって前記圧縮機21及び前記四方弁24が制御され,前記R410Aサイクル2の循環経路40において前記R410A冷媒の破線矢印方向の循環が開始される。このとき,前記四方弁24内部では図示する破線経路が確立されている。
これにより,前記循環経路40では,図示する破線矢印方向に前記R410A冷媒が循環される。具体的には,前記圧縮機21において圧縮して吐出された高温高圧の前記R410A冷媒が,前記四方弁24を経て前記室外空気熱交換器23に達する。そして,前記R410A冷媒は,前記室外空気熱交換器23において室外空気と熱交換されて冷却される。その後,前記R410A冷媒は,前記膨張器22において膨張される。そして,前記膨張器22において膨張した低温低圧の前記R410A冷媒は,前記切換弁42を経て前記室内空気熱交換器4において室内空気と熱交換されて吸熱し気化した後,前記切換弁41及び前記四方弁24を経て再度前記圧縮機21に流入する。
前記R410Aサイクル2では,前記のように前記R410A冷媒が前記循環経路40において破線矢印方向に循環されることにより,室内の空気が,前記室内空気熱交換器4における前記R410A冷媒との熱交換によって冷却される。即ち,前記ヒートポンプ式給湯機Xによって冷房が実現される。
また,前記ヒートポンプ式給湯機XのR410Aサイクル2では,前記四方弁24によって前記循環経路20及び40における前記R410A冷媒の循環方向が共に切り替えられる。そのため,前記ヒートポンプ式給湯機Xでは,冷房及び瞬間給湯を同時に行うことはできない。しかし,後述する実施例のように前記R410Aサイクル2を構成すれば,冷房及び瞬間給湯の同時運転も可能となる。
図2に示すように,前記ヒートポンプ式給湯機X1は,前記ヒートポンプ式給湯機XのR410Aサイクル2に換えてR410Aサイクル5を有している。前記R410Aサイクル5には,前記制御部(不図示)によって制御される切換弁51〜56,二つの膨張器22a及び22bが設けられている。
このように構成された前記R410Aサイクル5では,前記循環経路20における前記R410A冷媒の循環方向と,前記循環経路40における前記R410A冷媒の循環方向とを独立して制御することが可能である。したがって,前記R410Aサイクル5では,冷房又は暖房と瞬間給湯とを同時に行うことが可能である。以下,具体的に説明する。
暖房と瞬間給湯との同時運転時,前記R410Aサイクル5では,前記制御部(不図示)によって前記圧縮機21,前記四方弁24及び前記切換弁51〜56が制御されることにより,前記R410A冷媒が図2に示す実線矢印方向に循環される。
具体的には,前記循環経路20では,前記R410A冷媒が,圧縮機21,四方弁24,切換弁51,切換弁52,水熱交換器32,膨張器22a,切換弁53,切換弁54,室外空気熱交換器23,切換弁56,四方弁24,圧縮機21の順に循環される。これにより,前記水熱交換器32において前記流水経路30aまたは30b上を流れる水が加熱される。
一方,前記循環経路40では,前記R410A冷媒は,圧縮機21,四方弁24,切換弁51,室内空気熱交換器4,切換弁55,膨張器22b,切換弁54,室外空気熱交換器23,切換弁56,四方弁24,圧縮機21の順に循環される。これにより,前記室内空気熱交換器4において室内空気が加熱されて暖房が行われる。
このように,前記R410Aサイクル5では,前記切換弁51で前記R410A冷媒を分配することによって暖房と瞬間給湯とを同時に行うことができる。なお,前述したように,前記R410A冷媒の分配による前記水熱交換器32における水の加熱効率の低下は,前記CO2サイクル1によって補うことができる。
(2)冷房と瞬間給湯の同時運転について
冷房と瞬間給湯との同時運転時,前記R410Aサイクル5では,前記制御部(不図示)によって前記圧縮機21,前記四方弁24及び前記切換弁51〜56が制御されることにより,前記R410A冷媒が図2に示す破線矢印方向に循環される。
具体的には,前記循環経路20では,前記R410A冷媒が,圧縮機21,四方弁24,切換弁56,切換弁52,水熱交換器32,膨張器22a,切換弁53,切換弁55,室内空気熱交換器4,切換弁51,四方弁24,圧縮機21の順に循環される。これにより,前記水熱交換器32において前記流水経路30aまたは30b上を流れる水が加熱される。
一方,前記循環経路40では,前記R410A冷媒は,圧縮機21,四方弁24,切換弁56,室外空気熱交換器23,切換弁54,膨張器22b,切換弁55,室内空気熱交換器4,切換弁51,四方弁24,圧縮機21の順に循環される。これにより,前記室内空気熱交換器4において室内空気が冷却されて冷房が行われる。
このように,前記R410Aサイクル5では,前記切換弁56で前記R410A冷媒を分配することによって冷房と瞬間給湯とを同時に行うことができる。なお,前述したように,前記R410A冷媒の分配による前記水熱交換器32における水の加熱効率の低下は,前記CO2サイクル1によって補うことができる。
なお,本実施例及び前記実施の形態では切換弁を用いているが,用いないで機能を縮小して同様の効果を得ることも可能である。
2,5…ヒートポンプサイクル(第二のヒートポンプサイクルの一例)
4…室内空気熱交換器
11,21…圧縮機
12,22,22a,22b…膨張器
13,23…室外空気熱交換器
14,25,33…配管
20…循環経路(第一の循環経路の一例)
40…循環経路(第二の循環経路の一例)
24…四方弁
30a〜30d…流水経路
31…貯留タンク
41〜45,51〜56…切換弁
Claims (2)
- 第一の冷媒が少なくとも圧縮機及び膨張器を経て循環される第一のヒートポンプサイクルと,前記第一の冷媒と異なる特性を持つ第二の冷媒が少なくとも圧縮機及び膨張器を経て循環される第二のヒートポンプサイクルと,前記第一の冷媒及び/又は前記第二の冷媒と水との間で熱交換を行う水熱交換器と,を備えてなり,
前記第二のヒートポンプサイクルが,前記水熱交換器を通過する第一の循環経路と,前記第二の冷媒と室内空気との間で熱交換を行う室内空気熱交換器を通過する第二の循環経路と,当該第二のヒートポンプサイクルにおける前記第二の冷媒の循環方向を切り替える循環方向切替手段と,を含んでなることを特徴とするヒートポンプ式給湯機。 - 前記第一の冷媒が炭酸ガス冷媒であって,前記第二の冷媒がHFC冷媒である請求項1に記載のヒートポンプ式給湯機。
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