JP2010169290A - ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】内部熱交換器における高圧側冷媒配管と低圧側冷媒配管との形状記憶合金からなる熱的接触部の形状を簡素化して、効率の高い、低コストのヒートポンプ式給湯機を提供する。
【解決手段】圧縮機２、ガスクーラー３、内部熱交換器６、絞り弁４、及び蒸発器５を環状に接続した冷媒回路１と、給湯用の水はポンプ９を介してガスクーラー３を通過した後、貯湯タンクへ供給される給湯回路１０とを備え、前記内部熱交換器６は、少なくとも一方が形状記憶合金で構成された高圧側冷媒配管１１と低圧側冷媒配管１２とを備え、高圧側冷媒配管と低圧側冷媒配管とは互いに接触するように形成された曲管部１３、１４を有し、高圧側冷媒配管と低圧側冷媒配管の一方が所定の温度以下になると、曲管部の形状が変化してその熱的接触が解除されるように構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯機に係り、特にガスクーラーを流出した高圧冷媒から蒸発器を流出した低圧冷媒へ熱を回収する内部熱交換器に関するものである。

ヒートポンプ式給湯機においては、ガスクーラーを流出した高圧冷媒と蒸発器を流出した低圧冷媒を熱交換し、熱回収することにより効率が改善できることが知られている。このような高低圧熱交換器を「内部熱交換器」と呼び、二重管方式やパイプ管方式の構成がとられている。

しかしながら、低外気温で圧縮比が大きくなる条件では、前記内部熱交換器による熱回収を行うと吐出温度が上昇しやすくなり、圧縮機保護のため運転周波数増加や絞り弁開度が制約されて、加熱能力を抑制せざるを得ないという問題点がある。

また、除霜運転時に前記内部熱交換器は、除霜のための熱量を低圧側へ熱交換してしまうことになり、除霜に対する熱ロスとなってしまうという問題点がある。

上記のような問題点を解消するための従来技術として、二重管式熱交換において、形状記憶合金製の伝熱管を使用した自動温度コントロール装置付熱交換器が知られている（例えば、特許文献１参照）。

実開平０２−０２１４７１号公報

特許文献１に開示される熱交換器は、二重管式熱交換器の一方の伝熱管を形状記憶合金により構成し、管内を流れる水の温度によって熱的接触状態を変化させている。しかし、外管の内側に設けられた内管と、その内管の内側に設けられた形状記憶合金管とは、いずれも断面形状が星形状となっているため、熱的接触状態を変化（星形状からほぼ円管状へ変化）させるための変形量が大きくなければならないので、形状記憶合金管の材料費や加工費が高くなってしまう。

本発明は、上記の問題点に鑑み、内部熱交換器における高圧側冷媒配管と低圧側冷媒配管との形状記憶合金からなる熱的接触部の形状を簡素化して、効率の高い、低コストのヒートポンプ式給湯機を提供することを目的とする。

本発明に係るヒートポンプ式給湯機は、圧縮機、ガスクーラー、内部熱交換器、絞り弁、及び蒸発器を環状に接続した冷媒回路と、給湯用の水はポンプを介して前記ガスクーラーを通過した後、貯湯タンクへ供給される給湯回路とを備え、
前記内部熱交換器は、少なくとも一方が形状記憶合金で構成された高圧側冷媒配管と低圧側冷媒配管とを備え、前記高圧側冷媒配管と前記低圧側冷媒配管とは互いに接触するように形成された曲管部を有し、前記高圧側冷媒配管と前記低圧側冷媒配管の一方が所定の温度以下になると、前記曲管部の形状が変化してその熱的接触が解除されるように構成したものである。

本発明によれば、ヒートポンプ式給湯機の内部熱交換器が、少なくとも一方が形状記憶合金で構成された高圧側冷媒配管と低圧側冷媒配管とを備え、高圧側冷媒配管と低圧側冷媒配管とは互いに接触するように形成された曲管部を有し、高圧側冷媒配管と低圧側冷媒配管の一方が所定の温度以下になると、形状記憶合金で構成された曲管部の形状が変化してその熱的接触が解除されるように構成したので、簡単な構成で効率の高い、低コストのヒートポンプ式給湯機を得ることができるとともに、特に低外気温で圧縮比が大きくなる条件で、吐出温度の上昇を抑制して加熱能力の増大を図ることができ、また除霜運転時に、除霜のための熱量を低圧側への熱交換により低減することなく、熱ロスの無い効率の良い除霜運転を実現できる効果がある。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯機の分解斜視図である。 実施の形態１のヒートポンプ式給湯機の冷媒回路と給湯回路とを示す配管系統図である。 内部熱交換器の効果を示すｐ−ｈ線図である。 実施の形態１の内部熱交換器の構成を示す図である。 内部熱交換器の高圧側冷媒配管と低圧側冷媒配管との熱的接触が解除された状態を示す図である。 実施の形態２の内部熱交換器の高圧側冷媒配管と低圧側冷媒配管との接触部の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯機の分解斜視図、図２はこのヒートポンプ式給湯機の冷媒回路と給湯回路とを示す配管系統図である。
図１に示すように、給湯室外機１００の最下段に給湯用熱交換器ユニット２０を配置し、その上部に蒸発器５と、蒸発器５が外気と熱交換をするための風を送る送風機８と、圧縮機２とを配置している。給湯室外機１００内部の右側面には給湯用の水を循環するための水循環ポンプ９を配置し、図示省略の給湯タンク（貯湯タンクともいう）からの水を水入口バルブ２１から、給湯室外機１００の内部に取り入れる。給湯用熱交換器ユニット２０を経由した水は給湯出口バルブ２２(図２参照)より上記給湯タンクへ戻る。また、給湯室外機１００の外郭は、前面にグリル２３を配置し、左側面に吸込み口を備えたフロントパネル２４と、右側面から背面の蒸発器５の端部までバックパネル２５と、さらにはバルブ類を覆うサービスパネル２６とが取り付けられ、最上部にはトップパネル２７が配置されている。

図２に示す冷媒回路１において、冷媒には、例えば臨界温度の低いＣＯ₂冷媒を使用している。冷媒回路１は、圧縮機２、ガスクーラー３、内部熱交換器６、絞り弁４、及び蒸発器５を冷媒配管７で環状に接続して冷凍サイクルを構成している。圧縮機２は、内蔵の電動機（不図示）により駆動され、吸入冷媒を、一般使用条件で臨界圧力以上まで圧縮して吐出する。ガスクーラー３は、圧縮機２より吐出された高圧のガス冷媒と給湯用の水とを熱交換する。蒸発器５は、絞り弁４で減圧された冷媒を送風機８によって送風される外気との熱交換により蒸発させる。内部熱交換器６は、ガスクーラー３を流出した高圧冷媒と蒸発器５を流出した低圧冷媒とを熱交換をする。

給湯回路１０に設けられた水循環ポンプ９は、貯湯タンク（不図示）と接続され、貯湯タンクの底部から上記ガスクーラー３を通った後、貯湯タンクの天部に向けて水を循環させる。

図３は内部熱交換器がある場合と無い場合とを比較して示すｐ−ｈ線図である。内部熱交換器６は、蒸発器５出口から圧縮機２へと流れる低温低圧冷媒と、ガスクーラー３から絞り弁４へ向かう中温高圧冷媒との熱交換を行う。ここで、内部熱交換器を設けた場合の冷凍サイクルは状態Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｉであり、一方、内部熱交換器が無い場合の冷凍サイクルは状態Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄである。

それぞれの状態のエンタルピーをｈＡ、ｈＢ・・・ｈＩとすると、冷凍サイクルの効率は、内部熱交換器がある場合は、（ｈＥ−ｈＩ）／（ｈＦ−ｈＥ）であり、内部熱交換器が無い場合は、（ｈＡ−ｈＤ）／（ｈＢ−ｈＡ）である。両者を比較すると、（ｈＦ−ｈＥ）−（ｈＢ−ｈＡ）の増加分に対して（ｈＥ−ｈＩ）−（ｈＡ−ｈＤ）の増加分の方が多いため、その分だけ効率が向上する。しかし、圧縮機の吐出が状態Ｂから状態Ｆに変化する分、吐出ガスの温度が上昇してしまうので、特に吐出ガス温度が上がりやすい低外気温時には圧縮機の信頼性に影響が出てくる。

本実施の形態の内部熱交換器６は、図４に示すように、鋼管製の高圧側冷媒配管１１と形状記憶合金で構成された低圧側冷媒配管１２とを備え、高圧側冷媒配管１１と低圧側冷媒配管１２とは互いに接触するようにＵ字状に形成された曲管部１３、１４を有している。そして、形状記憶合金で構成された低圧側冷媒配管１２が所定の温度以下になると、低圧側冷媒配管１２の曲管部１３の形状が図中の矢印の方向に拡大するように変化して、図５に示すように高圧側冷媒配管１１との熱的接触が解除される。また、「熱的接触の解除」というのは、曲管部１３と曲管部１４との機械的接触の完全開離を意味するものではなく、図５に示すように、円弧部の一部が接触していても直線部を含む大部分が開離していればよいものである。

低外気温時は蒸発器出口の低圧冷媒配管１２は、外気温以下の低温状態となり、所定の温度以下の場合は上述のように高圧側冷媒配管１１との熱的接触が解除されるため、内部熱交換器６の高圧冷媒配管１１からの受熱が無くなるので、圧縮機吸入冷媒のエンタルピーの増加を抑制することができる。このように、低外気温で圧縮比が大きくなる条件において吐出温度の上昇が抑制できるので、従来よりも高回転数で圧縮機２を運転することができ、加熱能力を増大することができる。

次に除霜運転時について説明する。除霜運転時には貯湯タンク側の水循環ポンプ９を止め（あるいは間欠運転や、流量を極端に下げて）、絞り弁４を全開とすることで、圧縮機２から吐出された高温高圧冷媒の熱を蒸発器５で除霜に使用する。そのため、除霜時にも内部熱交換器６で高圧冷媒と低圧冷媒が熱交換してしまうと、不要な熱ロスが発生してしまう。そこで、除霜時にも蒸発器出口の低圧側冷媒配管１２は、０℃以下の低温状態となるので、所定の温度を０℃とおけば、形状記憶合金の特性により高圧側冷媒配管１１との熱的接触が解除されるので、除霜に作用すべき熱量を低圧側冷媒配管１２と熱交換しないので、熱ロス無しで効率の良い除霜運転が可能となる。

上記のように、本実施の形態の内部熱交換器６は、低圧側冷媒配管１２を形状記憶合金により構成している。これは、低圧側冷媒配管１２を通る低圧冷媒は外気温に対応した温度となるので、形状記憶合金の変形する温度の設定が容易なのに対して、高圧側冷媒配管１１を通る高圧冷媒は通常運転時と除霜運転時で温度が異なるからである。すなわち、通常運転時はガスクーラー３で水と熱交換して給水温度に応じて温度が低下するのに対して、除霜運転時は圧縮機２の吐出冷媒の高温がほぼそのまま保たれた状態で高圧側冷媒配管１１を通過するので、高圧側冷媒配管１１を形状記憶合金で構成しようとすると複雑な構成になってしまうためである。しかし、構成は複雑になるものの高圧側冷媒配管１１を形状記憶合金で構成することを除外するものではない。要は、内部熱交換器６の高圧側冷媒配管１１と低圧側冷媒配管１２とが所定の温度以下で熱的接触が解除されれば、一方もしくは両方の冷媒配管１１、１２を形状記憶合金で構成してよいものである。

また、本実施の形態では、高圧側冷媒配管１１と低圧側冷媒配管１２とをＵ字状に形成された曲管部１３、１４にて接触させることにより、曲げ加工が容易であるうえに、形状記憶合金で構成された方の曲管部１４の熱的接触を図５のように容易に解除することができる。なお、図４では、形状記憶合金で構成された方の曲管部１４を他方の曲管部１３の外側に配して接触させた状態（逆Ｕ字状の形態）に構成されているが、形状合金製の低圧側冷媒配管１２の曲管部１４を他方の曲管部１３の内側に配置してもよい。この場合、曲管部１３、１４は下向きＵ字状に構成され、所定の温度以下で形状合金製の内側の曲管部１４が収縮する方向形状を変化して他方の曲管部１３との熱的接触が解除されることになる。また、形状合金製とする配管部分は内部熱交換器６の一部分で構わない。但し、形状変化の緩衝部分を冷媒配管に設ける必要がある。

実施の形態２．
図６は本発明の実施の形態２における内部熱交換器６の高圧側冷媒配管１１と低圧側冷媒配管１２が接触した状態の断面を示す図である。本実施の形態２においても高圧側冷媒配管１１と低圧側冷媒配管１２とは図４のようにＵ字状の曲管部１３、１４にて接触するものとする。
高圧側冷媒配管１１と低圧側冷媒配管１２の断面は扁平形状としている。このため、内部熱交換器６として機能する場合には接触面積が大きくなるので、性能が改善できる。また、それぞれの冷媒配管の内部は仕切壁により複数の冷媒流路に分割されている。このように構成することで、配管の耐圧を高くすることができるとともに、冷媒と配管との接触面積が大きくなり熱交換性も向上することができる。なお、本実施の形態２では断面が扁平形状の内部熱交換器の例を示したが、当然のことながら、断面が円形状であってもよく、その場合は製造が容易となる。

１ 冷媒回路、２ 圧縮機、３ ガスクーラー、４ 絞り弁、５ 蒸発器、６ 内部熱交換器、７ 冷媒配管、８ 送風機、９ 水循環ポンプ、１０ 給湯回路、１１ 高圧冷媒配管、１２ 低圧冷媒配管、１３、１４ 曲管部、２０ 給湯用熱交換器ユニット、２１ 水入口バルブ、２２ 給湯出口バルブ、２３ グリル、２４ フロントパネル、２５ バックパネル、２６ サービスパネル、２７ トップパネル、１００ 給湯室外機。

Claims (4)

1. 圧縮機、ガスクーラー、内部熱交換器、絞り弁、及び蒸発器を環状に接続した冷媒回路と、
   給湯用の水はポンプを介して前記ガスクーラーを通過した後、貯湯タンクへ供給される給湯回路とを備え、
   前記内部熱交換器は、少なくとも一方が形状記憶合金で構成された高圧側冷媒配管と低圧側冷媒配管とを備え、前記高圧側冷媒配管と前記低圧側冷媒配管とは互いに接触するように形成された曲管部を有し、前記高圧側冷媒配管と前記低圧側冷媒配管の一方が所定の温度以下になると、前記曲管部の形状が変化してその熱的接触が解除されるように構成したことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
2. 前記高圧側冷媒配管及び前記低圧側冷媒配管は、Ｕ字状に形成された曲管部を有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。
3. 前記高圧側冷媒配管及び前記低圧側冷媒配管は、断面が扁平形状であることを特徴とする請求項１または２記載のヒートポンプ式給湯機。
4. ＣＯ₂を冷媒として使用することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のヒートポンプ式給湯機。

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