JP2008145003A - ヒートポンプユニット - Google Patents
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Abstract
【解決手段】水が流通される水回路20が,外部接続口21から供給された水を,冷媒と室外空気との間で熱交換を行う空気熱交換器3の底部近傍を経由させた後,冷媒と水との間で熱交換を行う水熱交換器2に流入させるように構成される。これにより,前記外部接続口21から供給された水は,前記空気熱交換器3の底部近傍で,該空気熱交換器3からの凝縮水との間の熱交換によって冷却されてから前記水熱交換器に流入する。一方,前記空気熱交換器3の底部近傍では,該空気熱交換器3からの凝縮水が加熱されて凍結が防止される。
【選択図】図2
Description
そこで,冷媒循環経路において水熱交換器から膨張弁を経て流れる低温の冷媒との熱交換により中温水を予め冷却する水冷却用熱交換器を設けることが考えられる(例えば,特許文献1参照)。このような構成では,中温水を水冷却用熱交換器で一旦冷却してから水熱交換器に流入させることにより,水熱交換器における熱交換効率を改善することができる。
ところで,ヒートポンプユニットを寒冷地で用いる場合には,空気熱交換器からの凝縮水が,該空気熱交換器の底部近傍やドレンパン上で凍結するという問題がある。このとき,ドレンパンを加熱する加熱ヒータを新たに追加することも考えられるが,その構成では,ヒートポンプユニットのサイズ拡大やコスト高,消費電力の増大などの問題を伴う。
従って,本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり,その目的とするところは,空気熱交換器からの凝縮水の凍結防止及び当該ヒートポンプユニットのエネルギー消費効率(COP)の向上を,簡単な構成で同時に達成することのできるヒートポンプユニットを提供することにある。
このように構成された前記ヒートポンプユニットでは,外部から供給された水を前記空気熱交換器の底部近傍を経由させるという簡単な構成によって,前記空気熱交換器からの凝縮水の凍結防止及び当該ヒートポンプユニットにおけるエネルギ消費効率の向上を同時に達成することができる。
具体的には,外部から供給された水は,前記空気熱交換器の底部近傍を経由することにより,該空気熱交換器からの凝縮水との熱交換によって冷却されてから前記水熱交換器に流入することになる。これにより,前記水熱交換器における冷媒との間の熱交換効率が向上し,当該ヒートポンプユニットにおけるエネルギー消費効率(COP)を向上させることができる。一方,前記空気熱交換器からの凝縮水は,前記空気熱交換器の底部近傍において,前記水流通経路上を流れる水との間の熱交換によって加熱されるため,該凝縮水の凍結を防止することができる。
これにより,前記仕切板を加熱して該仕切板上の凝縮水の凍結を防止することができる。また,前記水流通経路は,前記仕切板の下方に位置するため,該水流通経路における水漏れが前記上収容室に及ばないため,該上収容室に電装機器などを収容することで該電装機器への水の飛散を防止することができる。
これにより,必要に応じて前記第一の水流通経路及び前記第二の水流通経路への水の流入を有無を切り替えることによって,外部から供給される水を前記空気熱交換器の底部近傍を経由させて冷却するか否かを切り替えることができる。
例えば,外部から供給された水の温度や室外温度を検出する手段(水温検出手段や室外温度検出手段)を設けておき,その検出結果に基づいて前記流入切替手段による切り替えを制御することが考えられる。
より具体的には,外部から供給された水の温度を検出し,その検出温度が,予め設定された第一の設定温度以上であることを条件に,前記第二の水流通経路へ水を流入させるように前記流入切替手段を制御することが考えられる。これにより,水が例えば45℃程度の中温水である場合などに,その中温水を前記空気熱交換器の底部近傍を経由させて,予め冷却してから前記水熱交換器に流入させることができるため,該水熱交換器における熱交換効率を向上させることができる。
また,前記ヒートポンプユニットが寒冷地で用いられる場合や冬季など,室外温度が低すぎる場合には前記凝縮水が凍結するおそれが高い。そこで,室外温度を検出し,その検出温度が予め設定された第二の設定温度以下であることを条件に,前記第二の水流通経路へ水を流入させるように前記流入切替手段を制御することが考えられる。これにより,室外温度が低すぎて前記凝縮水が凍結するおそれが高い場合に,外部から供給された水が前記空気熱交換器の底部近傍を通過し,その水との熱交換によって前記凝縮水が加熱されるため,該凝縮水の凍結を防止することができる。
具体的には,外部から供給された水は,前記空気熱交換器の底部近傍を経由することにより,該空気熱交換器からの凝縮水との熱交換によって冷却されてから前記水熱交換器に流入することになる。これにより,前記水熱交換器における冷媒との間の熱交換効率が向上し,当該ヒートポンプユニットにおけるエネルギー消費効率(COP)を向上させることができる。一方,前記空気熱交換器からの凝縮水は,前記空気熱交換器の底部近傍において,前記水流通経路上を流れる水との間の熱交換によって加熱されるため,該凝縮水の凍結を防止することができる。
ここに,図1は本発明の実施の形態に係るヒートポンプユニットXの内部構成図であって,(a)は外観図,(b)はヒートポンプユニットXの前面パネル10aを取り外した状態を示す内部構成図,図2はヒートポンプユニットXが適用されるヒートポンプ給湯機Yの一例を示す概略構成図である。
図1に示すように,本発明の実施の形態に係るヒートポンプユニットX(X1)は,冷媒を圧縮する圧縮機1と,当該ヒートポンプユニットXの底部に設けられてなり,冷媒と水との間で熱交換を行う水熱交換器2と,冷媒と室外空気との間で熱交換を行う空気熱交換器3と,空気熱交換器3に室外空気を送風する送風ファンや駆動モータなどを有する送風機4と,当該ヒートポンプユニットX全体を制御するための電子回路などを有する電装機器5とを本体筐体10に内蔵している。なお,電装機器5には,CPUやRAM,ROMなどの制御機器が含まれる。また,ヒートポンプユニットXには,冷媒の流通量(弁開度)を制御することによりその冷媒を膨張させる膨張弁7(図2参照)も設けられている。
前記ヒートポンプサイクルでは,圧縮機1において圧縮して吐出された高温高圧の冷媒が,水熱交換器2において水と熱交換されて冷却された後,膨張弁7において膨張する。その後,膨張弁7で膨張した低温低圧の冷媒は,空気熱交換器3において室外空気と熱交換されて吸熱し気化した後,再度圧縮機1に流入する。このように冷媒が循環されることにより,水熱交換器2に流れ込んだ水は,該水熱交換器2における冷媒との熱交換によって65℃〜90℃程度まで加熱される。
後述するように,ヒートポンプユニットXは,水熱交換器2で加熱された後の温水を貯湯する貯湯タンク9(図2参照)等と接続されることによりヒートポンプ給湯機Y(図2参照)を構成する。
このとき,前記開口(不図示)と圧縮機1との隙間を,例えば断熱材(不図示)で塞ぐことによって,圧縮機1と前記開口(不図示)の縁部との間の振動音の発生を防止することもできる。また,仕切板13の開口(不図示)には,圧縮機1が挿入されているため,下収容室11から上収容室12へ水が飛散する可能性は低いが,前記断熱材(不図示)を設けることで,圧縮機1と前記開口(不図示)の縁部との隙間を通る水の飛散を阻止することができる。
一方,本体筐体10の背面10cには,仕切板13(或いはドレンパン)の凝縮水を排水するための排水口14が設けられている。空気熱交換器3からの凝縮水は,ドレンパンとして機能する仕切板13を介して排水口14に接続された外部配管(不図示)から外部に排水される。
ここで,排水口14は,下収容室11の背部において底部よりも高い位置に配置されている。したがって,ヒートポンプユニットXを寒冷地で用いる場合には,前記外部配管(不図示)を直接暖かい室内に導くことで該外部配管内を流れる凝縮水の凍結を防止することができる。また,このとき,排水口14を,例えばφ25〜35mm程度の大きさで形成すると共に,上収容室12側の出口,即ち仕切板13側の出口が,送風機4による空気熱交換器3への送風空気の上流側に位置するように設けておけば,送風機4によってその外部配管(不図示)を通じて室内の暖かい空気が吸い込まれるため,その外部配管(不図示)内だけではなく,上収容室12の仕切板13上における凝縮水の凍結を防止することができる。なお,排水口14や前記外部配管(不図示)の径は,前記凝縮水が通過しているときに室内空気が流通し得る程度のサイズであればよい。
水回路20は,外部接続口21から供給される水を,空気熱交換器3の底部近傍を経由した後,水熱交換器2に流入させ,該水熱交換器2で加熱された後の温水を外部接続口21から外部に供給するための水配管22や該水配管22に水を循環させるための循環ポンプ23などを含んでいる。
ここに,冷却部22aは,該冷却部22a内の水と空気熱交換器3からの凝縮水との間の熱交換が可能な位置に配管された部分である。このように構成されたヒートポンプユニットXでは,外部接続口21から供給される水は,水配管22の冷却部22aを経由することによって,該冷却部22aにおける仕切板13上の凝縮水との間の熱交換によって冷却される。逆に,空気熱交換器3から仕切板13上に滴る凝縮水は,冷却部22aの水との間の熱交換によって加熱される。なお,冷却部22aの水と仕切板13上の凝縮水との間の熱交換は,仕切板13及び空気を介して行われる。
一方,仕切板13では,空気熱交換器3からの凝縮水が,水配管22の冷却部22aを流れる水との間の熱交換によって加熱されるため,ヒートポンプユニットXを寒冷地などで用いる場合であっても,前記凝縮水の凍結を防止することができる。
このように,ヒートポンプユニットXでは,外部から供給された水を仕切板13の下面近傍を経由させてから水熱交換器2に流入させるという簡単な構成によって,空気熱交換器3から仕切板13に滴る凝縮水の凍結防止及び当該ヒートポンプユニットXにおけるエネルギ消費効率の向上を同時に達成することができる。具体的には,水配管22内の水と前記冷媒との間の熱交換によって該水配管22内の水を冷却する水冷却用熱交換器や,空気熱交換器3から仕切板13に滴る凝縮水を加熱する加熱ヒータなどの構成要素を追加する必要がない。
例えば,水配管22が,仕切板13の上面を経由するものであってもかまわない。また,仕切板13を有しないヒートポンプユニットであって,底板10bがドレンパンを兼ねる場合には,該底板10bの上面を経由させることが考えられる。このように水配管22が,仕切板13や底板10bの上方を経由する場合には,特に,送風機4により送風される室外空気の空気熱交換器3よりも風下側における空気熱交換器3の底部近傍を経由するように構成することが望ましい。これにより,水配管22内の水を,送風機4によって空気熱交換器3を介して送風される冷気との間の熱交換によって冷却することができる。
図2に示すように,ヒートポンプ給湯機Yは,ヒートポンプユニットXと,ヒートポンプユニットXで加熱された温水を貯湯する貯湯タンク9と,貯湯タンク9に貯湯された温水を熱媒体とする暖房サイクル8とを備えて構成されている。また,ヒートポンプ給湯機Yは,CPUやRAM,ROMなどを有する不図示の制御部を備えており,該制御部によって統括的に制御される。
貯湯タンク9の下層には給水口から水経路91を経て供給される低温(例えば15℃程度)の水が貯留され,上層にはヒートポンプユニットXで加熱された高温(例えば65℃〜90℃程度)の温水が貯留される。貯湯タンク9の上層に貯留された高温の温水は,水経路92に設けられた給湯コック93が開かれることにより,貯湯タンク9から水経路92を経て給湯口に吐出される。
また,貯湯タンク9の上層に貯留された高温の温水は,暖房サイクル8において暖房運転を実現する熱媒体として利用される。
暖房機84は,例えば床暖房パネル,輻射パネル,温風機等(不図示)を有して構成される床暖房装置である。なお,ここでは貯湯タンク9の温水とブラインとの間で熱交換を行う構成について説明するが,ブライン循環回路8bを省略して,貯湯タンク9の温水を暖房機84にそのまま循環させる構成であってもよい。また,暖房サイクル8は,床暖房装置に用いられるものに限られず,風呂の追い焚き装置や空気調和機など,貯湯タンク9に貯湯された温水を利用する種々の装置にも同様に適用することができる。
また,ブライン循環回路8bでは,前記制御部(不図示)によってブライン循環ポンプ83が駆動されると,ブラインが暖房用熱交換器82,暖房機84を経て循環される。これにより,ブライン循環回路8bを循環するブラインは,暖房用熱交換器82における水循環回路8a上の温水との熱交換により吸熱し,暖房機84において放熱する。
このとき,貯湯タンク9の上層から供給された高温の温水は,暖房用熱交換器82においてブラインとの熱交換により温度が下げられて貯湯タンク9の下層に還流される。ここで,貯湯タンク9の下層に還流される温水の温度は,貯湯タンク9の上層に貯留された高温(例えば65℃〜90℃程度)の温水よりも低い温度(例えば45℃程度)であって,前記給水口から供給される水の温度(例えば15℃程度)よりも高い。
しかしながら,本発明の実施の形態に係るヒートポンプ給湯機Yでは,ヒートポンプユニットXにおいて,貯湯タンク9から供給される水が,空気熱交換器3の底部近傍の冷却部22aを経由した後,水熱交換器2に流入することになる。
したがって,貯湯タンク9から供給される水が中温水であっても,その中温水が,空気熱交換器3の底部近傍の冷却部22aにおいて,空気熱交換器3からの凝縮水との間の熱交換によって予め冷却されてから,水熱交換器2に流入することになる。これにより,水熱交換器2における冷媒と水との間の熱交換効率を改善することができ,当該ヒートポンプ給湯機Yにおけるエネルギ消費効率を向上させることができる。このように,ヒートポンプユニットXは,暖房サイクル8などの貯湯タンク9の温水を熱媒体として利用する加熱サイクルを有するヒートポンプ給湯機Yに好適である。
図3に示すように,本実施例1に係るヒートポンプユニットX1は,外部接続口21から供給される水の温度を検出する水温センサ24(水温検出手段の一例)を備えている。なお,水温センサ24による検出結果は,電装機器5に入力される。
また,本実施例に係るヒートポンプユニットX1は,水回路20が,外部接続口21から供給される水を水熱交換器2を経て外部接続口21に供給させるための水配管221(第一の水流通経路の一例)と,外部接続口21から供給される水を空気熱交換器3の底部近傍及び水熱交換器2を順に経て外部接続口21に供給させるための水配管222(第二の水流通経路の一例)と,水配管221及び水配管222への水の流入の有無を切り替える流入切替弁223(流入切替手段の一例)とを含む点で,ヒートポンプユニットXと構成を異にする。即ち,水回路20は,冷却部22aをバイパスする流通経路として水配管221を備えている。水配管221及び水配管222を流れる水は合流された後,水熱交換器2に流入される。
電装機器5は,水温センサ24によって検出された水温が予め設定された設定温度T1(第一の設定温度に相当)以上である場合には,水配管222へ水を流入させるように流入切替弁223の切替制御を行う。ここで,設定温度T1は,水熱交換器2における冷媒との熱交換効率が悪いと判断するための温度であって,ヒートポンプユニットX1で用いる冷媒の特性等に基づいて予め設定される。例えば,設定温度T1は35℃程度に設定される。
一方,水温センサ24によって検出された水温が設定温度T1未満である場合には,水熱交換器2における熱交換効率が低下していないため,電装機器5は,水配管221へ水を流入させるように流入切替弁223の切替制御を行う。
このように,ヒートポンプユニットX1では,外部接続口21から供給される水が設定温度T1以上であることを条件に,即ち水熱交換器2における熱交換器効率が悪くなると考えられる場合にだけ,その水を水配管222に流入させるように制御することが可能である。
例えば,室外空気の温度が非常に低く,空気熱交換器3からの凝縮水が仕切板13(或いはドレンパン)上などで凍結するおそれが高い場合には,水配管222に水を流入させて前記凝縮水を加熱することにより該凝縮水の凍結を防止することが望ましい。
そこで,室外空気を検出する室外温度センサ(不図示,室外温度検出手段の一例)を設けておき,その室外温度センサによる検出温度に基づいて流入切替弁223の切替制御を行うことが考えられる。
一方,前記室外温度センサ(不図示)による検出温度が,設定温度T2よりも高い場合には,前記凝縮水が凍結しないため,電装機器5は,水配管221へ水を流入させるように流入切替弁223の切替制御を行う。
このように,前記室外温度センサ(不図示)による検出温度が,設定温度T2以下であることを条件に,即ち空気熱交換器3からの凝縮水が凍結するおそれが高いと考えられる場合にだけ,その水を水配管222に流入させるように制御することが可能である。
具体的には,電装機器5が,水温センサ24による検出温度が設定温度T1以上であるという条件と,前記室外温度センサ(不図示)による検出温度が設定温度T2以下であるという条件のいずれか一方又は両方が満たされる場合に,水配管222へ水を流入させるように流入切替弁223の切替制御を行うことが考えられる。
また,前記実施例1及び本実施例2では,流入切替弁223が,水の流入先を水配管221及び水配管222のいずれかに切り替える場合について説明したが,水配管221及び水配管222各々に流入させる水量を調整(増減)するものであってもかまわない。この場合,電装機器5は,水温センサ24や前記室外温度センサ(不図示)による検出結果に基づいて,水配管221及び水配管222各々に流入させる水量を調整するように流入切替弁223を制御する。もちろん,電装機器5が自動的に切替制御を行うものではなく,ユーザの要求操作等に応じて流入切替弁223の切り替えが行われてもかまわない。
2…水熱交換器
3…空気熱交換器
4…送風機
5…電装機器
6…冷媒配管
7…膨張弁
8…暖房サイクル
8a…水循環回路
8b…ブライン循環回路
81…水循環ポンプ
82…暖房用熱交換器
83…ブライン循環ポンプ
84…暖房機
9…貯湯タンク
91,92…水経路
93…給湯コック
10…筐体
10a…前面パネル
10b…底板
10c…背面
11…下収容室
12…上収容室
13…仕切板
14…排水口
20…水回路(水流通経路の一例)
21…外部接続口
22…水配管
221…水配管(第一の水流通経路の一例)
222…水配管(第二の水流通経路の一例)
223…流入切替弁(流入切替手段の一例)
22a…冷却部
23…循環ポンプ
24…水温センサ(水温検出手段の一例)
X,X1…ヒートポンプユニット
Y…ヒートポンプ給湯機
Claims (8)
- 冷媒が循環される冷媒循環経路と,水が流通される水流通経路と,前記冷媒循環経路において圧縮機から吐出された前記冷媒と前記水流通経路に流通する水との間で熱交換を行う水熱交換器と,前記水熱交換器から吐出された前記冷媒を膨張させる膨張弁と,前記膨張弁から前記圧縮機に向けて流れる前記冷媒と室外空気との間で熱交換を行う空気熱交換器と,を備えてなるヒートポンプユニットであって,
前記水流通経路が,外部から供給された水を前記空気熱交換器の底部近傍を経由させた後,前記水熱交換器に流入させるものであることを特徴とするヒートポンプユニット。 - 前記空気熱交換器に室外空気を送風する送風機を更に備えてなり,
前記水流通経路が,外部から供給された水を前記送風機により送風される室外空気の前記空気熱交換器よりも風下側における前記空気熱交換器の底部近傍を経由させるものである請求項1に記載のヒートポンプユニット。 - 前記空気熱交換器の底部近傍に設けれ,該空気熱交換器からの凝縮水を受けるドレンパンを更に備えてなり,
前記水流通経路が,外部から供給された水を前記ドレンパンの近傍を経由させるものである請求項1又は2のいずれかに記載のヒートポンプユニット。 - 当該ヒートポンプユニット内を,少なくとも前記水熱交換器が収容される下収容室と,該下収容室の上方に位置してなり,少なくとも前記空気熱交換器が収容される上収容室とに仕切ると共に,前記ドレンパンを兼ねてなる仕切板を更に備えてなり,
前記水流通経路が,外部から供給された水を前記仕切板の下面近傍を経由させるものである請求項3に記載のヒートポンプユニット。 - 前記水流通経路が,外部から供給された水を前記水熱交換器を経て外部に供給させるための第一の水流通経路と,外部から供給された水を前記空気熱交換器の底部近傍及び前記水熱交換器を順に経て外部に供給させるための第二の水流通経路と,前記第一の水流通経路及び前記第二の水流通経路への水の流入の有無を切り替える流入切替手段と,を含んでなる請求項1〜4のいずれかに記載のヒートポンプユニット。
- 外部から供給された水の温度を検出する水温検出手段及び/又は室外温度を検出する室外温度検出手段と,前記水温検出手段及び/又は前記室外温度検出手段による検出結果に基づいて前記流入切替手段による切り替えを制御する流入切替制御手段と,を更に備えてなる請求項5に記載のヒートポンプユニット。
- 前記流入切替制御手段が,前記水温検出手段により検出された水の温度が予め設定された第一の設定温度以上であることを条件に,前記第二の水流通経路へ水を流入させるように前記流入切替手段を制御するものである請求項6に記載のヒートポンプユニット。
- 前記流入切替制御手段が,前記室外温度検出手段により検出された室外温度が予め設定された第二の設定温度以下であることを条件に,前記第二の水流通経路へ水を流入させるように前記流入切替手段を制御するものである請求項6又は7のいずれかに記載のヒートポンプユニット。
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