JP2008256360A

JP2008256360A - ヒートポンプ式給湯機

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Publication number: JP2008256360A
Application number: JP2008197950A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Yoshida; 孝行吉田; Shuji Mogi; 周二茂木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2008-10-23
Anticipated expiration: 2025-01-11
Also published as: JP4746078B2

Abstract

【課題】信頼性を向上すると共に効率の高いヒートポンプ式給湯機を低コストで提供することを目的とする。
【解決手段】この発明に係るヒートポンプ式給湯機は、圧縮機、ガスクーラ、絞り及び蒸発器を環状に接続し、絞りの弁開度を電気的に調節可能な冷媒回路と、給湯用の液体が水循環ポンプを介してガスクーラを通過した後、圧縮機と接する熱交換部分を有する圧縮機シェル熱交換器を通って給湯タンクへ供給される水回路とを備え、圧縮機シェル熱交換器をジャケットタイプを２分割した構成とし、ジャケット間を接続配管で接続すると共に、水入口配管・水出口配管とガスクーラ、バルブ等への接続部は樹脂配管で構成することを特徴とする。
【選択図】図１４

Description

この発明は、ヒートポンプ式給湯機に係り、特に圧縮機からの放熱を回収する熱交換器に関するものである。

ヒートポンプ式給湯機で、圧縮機シェル熱交換器を設け、圧縮機シェルからも加熱して温水を作るものがある（例えば、特許文献１、２参照）。
特開昭５８−８０４３８号公報特開２００２−３７２３１８公報

ヒートポンプ式給湯機においては、圧縮機の温度が大きく上昇した場合は、温度センサ等を用いて、電動機巻き線の保護を図るため、圧縮機の運転を停止しているが、この保護動作に入ると圧縮機の温度が所定温度以下に低下するまでの間、圧縮機が運転できないので加熱能力不足になるという問題点があった。

また、圧縮機からの放熱は、ヒートポンプ式給湯機にとって最も高温の熱源を廃棄していることになり、効率を低下させているという問題点があった。

特許文献１及び特許文献２は、上記問題点を解決するためになされたものであるが、圧縮機の周囲に熱交換器を配設するとヒートポンプ式給湯機設置工事の際の空気抜き作業が不充分となりやすく、沸き上げ異常等の不具合が生じるという問題点があった。

また、圧縮機の周囲に熱交換器を配設する場合、圧縮機と熱交換器との接触が不充分のため、圧縮機から水への伝熱性能が低下し、充分な効果が得られ難いという問題点があった。

また、圧縮機の周囲に熱交換器を配設する場合、圧縮機の振動により熱交換器本体や接続された配管が疲労破壊したり、電食による水漏れの発生という問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、信頼性を向上すると共に効率の高いヒートポンプ式給湯機を低コストで提供することを目的とする。

この発明に係るヒートポンプ式給湯機は、圧縮機、ガスクーラ、絞り及び蒸発器を環状に接続し、絞りの弁開度を電気的に調節可能な冷媒回路と、給湯用の液体が水循環ポンプを介してガスクーラを通過した後、圧縮機と接する熱交換部分を有する圧縮機シェル熱交換器を通って給湯タンクへ供給される水回路とを備え、圧縮機シェル熱交換器をジャケットタイプを２分割した構成とし、ジャケット間を接続配管で接続すると共に、水入口配管・水出口配管とガスクーラ、バルブ等への接続部は樹脂配管で構成することを特徴とする。

この発明に係るヒートポンプ式給湯機は、圧縮機と接する熱交換部分を、ジャケットタイプを２分割した構成としたので、圧縮機製造工程の変更不要で、吸入マフラー１２との干渉を防止でき組立性が向上する効果がある。また、ジャケット間を接続配管で接続すると共に、水入口配管・水出口配管とガスクーラ２、バルブ等への接続部は樹脂配管で構成したので、圧縮機の振動による配管破損を防止できると共に、配管の取り回しが容易になる効果がある。

実施の形態１．
図１〜図９は実施の形態１を示す図で、図１は冷媒及び水回路図、図２はヒートポンプ式給湯器ユニットの斜視図、図３はフロン系冷媒と自然冷媒の特性を比較した図、図４はロータリ圧縮機の縦断面図、図５はデフロスト運転時のフローチャート、図６は圧縮機及び圧縮機シェル熱交換器の組み立て概要を示す図、図７は圧縮機シェル熱交換器を示す図、図８は圧縮機シェル熱交換器の圧縮機と接する部材の断面図、図９は圧縮機シェル熱交換器の圧縮機と接する部材の他の例を示す断面図である。

図に示すように、冷媒回路５は、シェル内部が高圧方式の圧縮機１、ガスクーラ２、絞り３、蒸発器４を順次接続して構成される。圧縮機１の吐出冷媒配管１４には、吐出ガス温度を検知する吐出ガス温度検知センサ２４が取付られている。

水回路９は、水循環ポンプ７、圧縮機シェル熱交換器８、空気抜き回路１０を備える。

給湯器ユニットは、図２に示す構成であり、圧縮機１よりも下にガスクーラ２が配置されている。圧縮機１の横には仕切りを介して送風機２５があり、送風機２５を囲む蒸発器４を冷却する。ガスクーラ２の横には、水循環ポンプ７が置かれる。

図１に示す冷媒回路５の冷媒には、臨界温度の低いＣＯ_２冷媒（臨界温度は３１℃）を使用している。図３に示すように、ＣＯ_２冷媒はフロン系冷媒よりも地球温暖化係数（ＧＷＰ）、オゾン層破壊係数（ＯＤＰ）が小さい。ＣＯ_２を冷媒とするものであるので、効率良く高温（９０℃以上）沸き上げが可能となると同時に、地球温暖化防止に貢献できる効果がある。

圧縮機１は図４に示すような、シェル内部が高圧の例えばロータリ圧縮機であり、圧縮機シェル１１の内部に電動要素部１ａ、圧縮要素部１ｂ等を収納している。蒸発器４から出た低圧の冷媒は、吸入冷媒配管１３から吸入マフラー１２に入り、冷媒ガスが圧縮要素部１ｂに吸入されてここで圧縮され、高圧の冷媒ガスが圧縮機シェル１１内に吐出される。さらに、吐出冷媒配管１４からガスクーラ２に流れる。

図１に示す冷媒回路において、圧縮機１は、吸入マフラー１２より吸引した冷媒を、一般使用条件で臨界圧力以上まで圧縮し吐出する。ガスクーラ２は、圧縮機１より吐出された高圧のガス冷媒と給湯用水とを熱交換する。絞り３は、ガスクーラ２より流出する冷媒を弁開度に応じて減圧する装置で、制御装置（図示なし）によって電気的に制御される。蒸発器４は、絞り３で減圧された冷媒を送風機２５によって送風される外気との熱交換により蒸発させる。

水循環ポンプ７は、貯湯タンク（図示なし）と接続され、貯湯タンクの底部からガスクーラ２を通った後、圧縮機シェル熱交換器８を通って、貯湯タンクの天部に向けて水を循環させる。圧縮機シェル熱交換器８の水出口配管２０には、空気抜き回路１０が取り付けられている。

冬期に蒸発器４の表面が着霜した場合、絞り３の弁開度を大きくしてデフロスト運転を行なうが、通常は沸き上げ湯温の低下を防止するため、水循環ポンプ７を停止する。しかし、吐出ガス温度検知センサ２４が、圧縮機１の吐出温度が１００℃以上を検知した場合は、圧縮機と接する熱交換部分１５で突沸が発生し、圧縮機シェル熱交換器８が破壊するのを防止するため、ポンプを断続的に運転する（図５参照）。

図６に示すように、圧縮機シェル１１の周囲に圧縮機シェル熱交換器８が取り付けられている。圧縮機シェル熱交換器８の圧縮機と接する熱交換部分１５には水入口ヘッダー１６と水出口ヘッダー１８が接続されており、水入口ヘッダー１６の下部に水入口配管１９、水出口ヘッダー１８の上部に水出口配管２０が接続されている。また、水出口配管２０には、空気抜き回路１０が接続されている。

圧縮機と接する熱交換部分１５で構成された熱交換器の水入口配管１９を下部、水出口配管２０を上部としたので、ヒートポンプ式給湯機設置工事の際の空気抜き作業が容易となり、水回路内での滞留空気がなくなるため、沸き上げ異常等の発生を防止できる効果がある。

圧縮機と接する熱交換部分１５で構成された熱交換器の水出口配管２０に空気抜き回路１０（空気抜き用の配管及び栓）を接続したので、ヒートポンプ式給湯機設置工事の際の空気抜き作業が容易となり、水回路内での滞留空気がなくなるため、沸き上げ異常等の発生を防止できる効果がある。

図７は圧縮機シェル熱交換器８の製作図であり、圧縮機と接する熱交換部分１５は圧縮機の円周の角度θ≧１８０°である。
円筒形状の圧縮機と接する、圧縮機と接する熱交換部分１５で構成された熱交換器は、圧縮機シェル１１の円周１８０度以上接触しているので、圧縮機１と圧縮機シェル熱交換器８の接触面積が大きいので、圧縮機１からの放熱ロスを低減し、利用側に熱回収することで効率を向上できると共に、圧縮機１の電動要素部１ａの巻線温度を抑制できるため信頼性が向上する効果がある。

図８は圧縮機と接する熱交換部分１５の断面を示す。断面が扁平管形状であり、平面部が圧縮機シェル１１と面接触することで、圧縮機１と圧縮機シェル熱交換器８の接触面積が大きいので、圧縮機１からの放熱ロスを低減し、利用側に熱回収することで効率を向上できると共に、圧縮機１の電動要素部１ａの巻線温度を抑制できるため信頼性が向上する効果がある。

圧縮機シェル熱交換器８の断面は、圧縮機シェル１１と接触する側は平面部が好ましいが、外側の面は、平面でなくてもよく、例えば、図９のような半円形状でもよい。

圧縮機と接する熱交換部分１５で構成された熱交換器の接触部材は水入口ヘッダー１６及び水出口ヘッダー１８に接続されている構成であるため、製造コストを低減できるという効果がある。

実施の形態２．
図１０、１１は実施の形態２を示す図で、図１０は圧縮機シェル熱交換器８の構成の一例を示す図、図１１は圧縮機シェル熱交換器８の構成の他の例を示す図である。
実施の形態１のものに対し、ヘッダーが複数に分割され、水中間ヘッダー１７を介して圧縮機と接する熱交換部分１５が連結されている。

上記のように構成されたヒートポンプ式給湯機では、圧縮機シェル熱交換器８の水流路長さが長くなるため温度効率が向上する。また、圧縮機と接する熱交換部分１５を流れる水の流速が増加するので熱伝達率が向上する。このため、圧縮機１からの放熱ロス低減効果が大きく、利用側に熱回収することで効率を向上できると共に、圧縮機１の電動要素部１ａの巻線温度を抑制できるため信頼性が向上する効果がある。

実施の形態３．
図１２、１３は実施の形態３を示す図で、図１２は冷媒及び水回路図、図１３はデフロスト運転時のフローチャートである。
図１２に示す冷媒回路では、実施の形態１と異なるのはデフロスト方式で、ホットガスバイパス回路としている。ホットガスバイパス弁６を開くことによりデフロスト運転が行われる。

冬期に蒸発器４の表面が着霜した場合、ホットガスバイパス回路のホットガスバイパス弁６を開いてデフロスト運転を行なうが、通常は沸き上げ湯温の低下を防止するため、水循環ポンプ７を停止する。しかし、吐出ガス温度検知センサ２４が、圧縮機１の吐出温度が１００℃以上を検知した場合は、圧縮機と接する熱交換部分１５で突沸が発生し、圧縮機シェル熱交換器８が破壊するのを防止するため、ポンプを断続的に運転する（図１３参照）。

実施の形態４．
図１４、１５は実施の形態４を示す図で、図１４は圧縮機及びジャケットタイプの圧縮機シェル熱交換器の組み立て概要を示す図、図１５は圧縮機シェル熱交換器を示す図である。

図１４に示すように、圧縮機１と圧縮機シェル熱交換器８との間に薄肉樹脂シート２１を挟み込み、圧縮機シェル熱交換器８の外側には断熱性部材（図示なし）を巻き、その外側からバンド等で締め込んで固定する。薄肉樹脂シート２１により圧縮機シェル熱交換器８の変形や圧縮機１と圧縮機シェル熱交換器８の熱膨張率の違いで生じる隙間を無くし接触熱抵抗を増加を防止できるので性能向上する効果がある。また、圧縮機組立時のスパッタ付着物による圧縮機シェル熱交換器８の破損や電食による破損を防止でき信頼性が向上する効果がある。さらに、ペースト塗布に比べ組立性が向上する効果がある。

圧縮機シェル熱交換器８はジャケットタイプを周方向に２分割した構成とし、ジャケット間を接続配管２３で接続すると共に、水入口配管１９、水出口配管２０とガスクーラ２、バルブ等への接続部は樹脂配管（耐熱性の高いシリコンチューブ等）で構成する。

圧縮機と接する熱交換部分１５を、ジャケットタイプを２分割した構成としたので、圧縮機製造工程の変更不要で、吸入マフラー１２との干渉を防止でき組立性が向上する効果がある。
また、ジャケット間を接続配管２３で接続すると共に、水入口配管１９、水出口配管２０とガスクーラ２、バルブ等への接続部は樹脂配管で構成したので、圧縮機１の振動による配管破損を防止できると共に、配管の取り回しが容易になる効果がある。

なお、ジャケットタイプの圧縮機シェル熱交換器８は、内面側に銅板をインサート成形した樹脂で構成するものでも同様な効果を有し、軽量化及び低コスト化が図れる効果がある。

図１５に示すジャケットタイプの圧縮機シェル熱交換器８の水入口配管１９、水出口配管２０及びジャケット間を接続する接続配管２３は、ジャケット内に突き出して接合し、ジャケット内中間部に流路を蛇行させるように配置した流路形成部材２２を配置する。

上記の構成により、有効伝熱面積を増加でき性能が向上すると共に、流路形成部材により水圧に対する強度も向上向上する効果がある。

実施の形態５．
図１６は実施の形態５を示す図で、圧縮機シェル熱交換器８は水配管を圧縮機シェル１１に巻き付けた形態である。水配管の入口は下部に位置し、水配管の出口は上部に位置している。

上記構成により、実施の形態１と同様、ヒートポンプ式給湯機設置工事の際の空気抜き作業が容易となり、水回路内での滞留空気がなくなるため、沸き上げ異常等の発生を防止できる効果がある。

実施の形態６．
図１７は実施の形態６を示す図で、圧縮機シェル熱交換器８は圧縮機シェル１１を２重に構成した形態である。水配管の入口は下部に位置し、水配管の出口は上部に位置している。

実施の形態１を示す図で、冷媒及び水回路図である。実施の形態１を示す図で、ヒートポンプ式給湯機ユニットの斜視図である。実施の形態１を示す図で、フロン系冷媒と自然冷媒の特性を比較した図である。実施の形態１を示す図で、ロータリ圧縮機の縦断面図である。実施の形態１を示す図で、デフロスト運転時のフローチャート図である。実施の形態１を示す図で、圧縮機及び圧縮機シェル熱交換器の組み立て概要を示す図である。実施の形態１を示す図で、圧縮機シェル熱交換器を示す図である。実施の形態１を示す図で、圧縮機シェル熱交換器の圧縮機と接する部材の断面図である。実施の形態１を示す図で、圧縮機シェル熱交換器の圧縮機と接する部材の他の例を示す断面図である。実施の形態２を示す図で、圧縮機シェル熱交換器の構成の一例を示す図である。実施の形態２を示す図で、圧縮機シェル熱交換器の構成の他の例を示す図である。実施の形態３を示す図で、冷媒及び水回路図である。実施の形態３を示す図で、デフロスト運転時のフローチャート図である。実施の形態４を示す図で、圧縮機及びジャケットタイプの圧縮機シェル熱交換器の組み立て概要を示す図である。実施の形態４を示す図で、圧縮機シェル熱交換器を示す図である。実施の形態５を示す図で、水配管を圧縮機シェルに巻き付けた圧縮機シェル熱交換器を示す図である。実施の形態６を示す図で、圧縮機シェルを２重に構成した圧縮機シェル熱交換器を示す図である。

符号の説明

１圧縮機、２ガスクーラ、３絞り、４蒸発器、５冷媒回路、６ホットガスバイパス弁、７水循環ポンプ、８圧縮機シェル熱交換器、９水回路、１０空気抜き回路、１１圧縮機シェル、１２吸入マフラー、１３吸入冷媒配管、１４吐出冷媒配管、１５圧縮機と接する熱交換部分、１６水入口ヘッダー、１７水中間ヘッダー、１８水出口ヘッダー、１９水入口配管、２０水出口配管、２１薄肉樹脂シート、２２流路形成部材、２３接続配管、２４吐出ガス温度検知センサ、２５送風機。

Claims

圧縮機、ガスクーラ、絞り及び蒸発器を環状に接続し、前記絞りの弁開度を電気的に調節可能な冷媒回路と、
給湯用の液体が水循環ポンプを介して前記ガスクーラを通過した後、圧縮機と接する熱交換部分を有する圧縮機シェル熱交換器を通って給湯タンクへ供給される水回路とを備え、前記圧縮機シェル熱交換器をジャケットタイプを２分割した構成とし、ジャケット間を接続配管で接続すると共に、水入口配管・水出口配管とガスクーラ、バルブ等への接続部は樹脂配管で構成することを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
前記圧縮機シェル熱交換器の水入口配管・水出口配管及び前記ジャケット間の接続配管はジャケット内に突き出して接合し、ジャケット内中間部に流路を蛇行させるように配置した流路形成部材を設けることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯機。
前記圧縮機シェル熱交換器は、内面側に銅板をインサート成形した樹脂で構成することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯機。
前記圧縮機と前記圧縮機シェル熱交換器との間に薄肉樹脂シートを挟み込み、熱交換器の外側には断熱性部材を巻き、その外側からバンド等で締め込んで固定することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のヒートポンプ式給湯機。
デフロスト運転時に、前記圧縮機の吐出温度が１００℃以上の場合は、前記水循環ポンプを断続的に運転することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯機。
ＣＯ_２を冷媒とすることを特徴とする請求項１項乃至５の何れかに記載のヒートポンプ式給湯機。