JP2012225619A - ヒートポンプ給湯空調機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷房運転，暖房運転，給湯運転，冷房給湯運転，暖房給湯運転および冷房運転時の排熱回収による給湯運転を行うことができる冷凍サイクル回路構成を実現し、さらに、より効率よく各運転を行うことのできるヒートポンプ給湯空調機を提供することを目的とする。
【解決手段】圧縮機１の吐出側に第１四方弁６ａ，第２四方弁６ｂおよび給湯側熱交換器３を並列に配置し、第１四方弁６ａの先に室内側熱交換器１０，室内側電子膨張弁１１を設け、第２四方弁６ｂの先に室外側熱交換器２，室外側電子膨張弁５ａを設け、給湯側熱交換器３の先に給湯側電子膨張弁５ｂを設け、各々が合流する場所に冷媒量調節器４を設けた冷凍サイクル回路とし、運転用途により第１四方弁６ａおよび第２四方弁６ｂを切替え、各電子膨張弁をコントロールすることで、冷暖房や給湯、冷房（または暖房）と給湯の同時運転、および冷房運転時の排熱回収による給湯運転を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ヒートポンプ空調機とヒートポンプ給湯機の２つの役割を担う機器により、冷房運転，暖房運転，給湯運転，冷房給湯運転，暖房給湯運転および冷房運転時の排熱回収による給湯運転を行うことができるとともに、給湯側の水回路の変更や、室外側熱交換器を水またはブラインによる循環式として回路を追加することで運転効率を向上させることができ、さらに、複数台の室内側熱交換器による冷暖房運転を可能とする冷凍サイクル回路の構成に関する。

従来のヒートポンプ給湯空調機としては、特許文献１のように、冷房運転，冷房給湯運転，給湯運転を行うことのできる構成があるが、この場合、冷房給湯運転時は、凝縮器としての役割を果たすのは給湯側熱交換器のみであるため、冷房負荷が大きい場合には冷房能力を制限する必要がある。逆に、冷房負荷が小さい場合には、室外側熱交換器へ冷房能力を捨てることで室内の快適性を確保するとしている。

冷房運転，暖房運転，給湯運転，冷房給湯運転，暖房給湯運転を行える従来のヒートポンプ給湯空調機としては、特許文献２があるが、暖房給湯運転時には、給湯側熱交換器と室内側熱交換器を直列に配置しており、室内側熱交換器での暖房能力の低下を抑制するため、給湯側熱交換器に水を供給する給水ポンプの循環量を制限するか、あるいは給水ポンプを停止させて、給湯能力を落としている。

特開２００１−２４８９３７号公報 特開２００５−２４９３１９号公報

ここで、特許文献１では、給湯側供給水の温度が上がることによる負荷の変動に関しては特に対応しておらず、加えて空調機としては暖房運転を行うことができない。また、特許文献２では、冷房運転時の排熱を回収できる冷凍サイクル回路となっていないため、冷媒の熱が大気に放出されて有効に活用されていないだけではなく、ヒートアイランド現象の要因となる。なお、両ヒートポンプ給湯空調機ともに、室内側熱交換器は１つであり、複数台の冷房運転，暖房運転を行うことはできない。

そこで本発明は、これらの問題点を解決し、冷房運転，暖房運転，給湯運転，冷房給湯運転，暖房給湯運転および冷房運転時の排熱回収による給湯運転を行うことができるヒートポンプ給湯空調機を提供することを目的とする。

本発明では、冷媒を圧縮する圧縮機１の吐出配管を第１四方弁６ａ，第２四方弁６ｂおよび給湯側熱交換器３へ分岐し、第２四方弁６ｂから室外側熱交換器２を、室外側電子膨張弁５ａを介して冷媒量調節器４に接続し、上記部品と並列に給水ポンプ８により貯湯タンク９から供給される水を加熱する給湯側熱交換器３を、給湯側電子膨張弁５ｂを介して冷媒量調節器４に接続し、第１四方弁６ａから室内側熱交換器１０を、室内側電子膨張弁１１を介して冷媒量調節器４に接続し、第１四方弁６ａおよび第２四方弁６ｂを介して圧縮機１が冷媒を吸入する冷凍サイクル回路をもち、第１四方弁６ａ，第２四方弁６ｂの切替えにより、冷房運転，暖房運転，給湯運転，冷房給湯運転，暖房給湯運転および冷房運転時の排熱回収の各運転を切替えることが可能である。

本発明によれば、冷房運転，暖房運転，給湯運転，冷房給湯運転，暖房給湯運転および冷房運転時の排熱回収による給湯運転を行うことができる。

本実施例によるヒートポンプ給湯空調機の冷凍サイクル系統図。 冷房運転時の冷媒の流れを示す冷凍サイクル系統図。 暖房運転時の冷媒の流れを示す冷凍サイクル系統図。 給湯運転時の冷媒の流れを示す冷凍サイクル系統図。 冷房給湯運転時の冷媒の流れを示す冷凍サイクル系統図。 暖房給湯運転時の冷媒の流れを示す冷凍サイクル系統図。 冷房運転時の排熱回収による給湯運転における冷媒の流れを示す冷凍サイクル系統図。 実施例２の冷凍サイクル系統図。 実施例３の冷凍サイクル系統図。 実施例４の冷凍サイクル系統図。 実施例５の冷凍サイクル系統図。 実施例６の冷凍サイクル系統図。 実施例７の冷凍サイクル系統図。

以下、本発明の実施形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。

本発明の実施例１によるヒートポンプ給湯空調機は、図１に示すように、圧縮機１の吐出側に第１四方弁６ａ，第２四方弁６ｂ，給湯側熱交換器３を並列に設け、第１四方弁６ａの先に室内側熱交換器１０および室内側電子膨張弁１１，第２四方弁６ｂの先に室外側熱交換器２および室外側電子膨張弁５ａ，給湯側熱交換器３の先に給湯側電子膨張弁５ｂを設け、上記三方向の合流する場所に冷媒量調節器４を設けた構造としている。給湯側については、給湯側熱交換器３と貯湯タンク９を水配管で接続しており、給湯側熱交換器３の一次側に給水ポンプ８を設けて、給湯側熱交換器３で温めた湯が貯湯タンク９に送られる構造となっている。ここで、各運転の切替えについては、第１四方弁６ａ，第２四方弁６ｂを切替えることにより行い、余計なところに冷媒が流れることがないよう、逆止弁Ａ７ａ，逆止弁Ｂ７ｂを設けている。以下に、冷房運転，暖房運転，給湯運転，冷房給湯運転，暖房給湯運転および冷房運転時の排熱回収による給湯運転の各運転について説明する。

冷房運転を行う場合は、図２に示すように、圧縮機１から吐出した高温高圧のガス冷媒を、第２四方弁６ｂを介し、室外側熱交換器２にて放熱することで冷媒を凝縮させ、冷媒量調節器４に一旦溜める。その後、室内側電子膨張弁１１にて断熱膨張され、低温低圧になった冷媒を室内側熱交換器１０にて周囲の空気から熱を吸熱させることで蒸発させ、低温低圧のガス冷媒として、第１四方弁６ａ，第２四方弁６ｂを介し、圧縮機１の吸入側に流れるようになっている。このとき、室内側熱交換器１０にて冷やされた空気をファンにより送風することで冷房している。

暖房運転を行う場合は、図３に示すように、圧縮機１から吐出した高温高圧のガス冷媒を、第１四方弁６ａを介し、室内側熱交換器１０にて周囲の空気に放熱することで冷媒を凝縮させ、冷媒量調節器４に一旦溜める。その後、室外側電子膨張弁５ａにて断熱膨張され、低温低圧となった冷媒を室外側熱交換器２にて周囲の熱を吸熱させることで蒸発させ、低温低圧のガス冷媒として、第２四方弁６ｂ，第１四方弁６ａを介し、圧縮機１の吸入側に流れるようになっている。このとき、室内側熱交換器１０にて暖められた空気をファンにより送風することで暖房している。

なお、上記の冷房運転および暖房運転では、給湯側熱交換器３を使用しないため、給湯側電子膨張弁５ｂにて冷媒の流れを閉止している。

給湯運転の場合は、図４に示すように、圧縮機１から吐出した高温高圧のガス冷媒を給湯側熱交換器３にて給水ポンプ８で送られてくる水に放熱することで冷媒を凝縮させ、冷媒量調節器４に一旦溜める。その後、室外側電子膨張弁５ａにて断熱膨張され、低温低圧となった冷媒を室外側熱交換器２にて周囲の熱を吸熱させることで蒸発させ、低温低圧のガス冷媒として、第２四方弁６ｂを介し、圧縮機１の吸入側に流れるようになっている。このとき、給湯側熱交換器３により温められた湯は、給水ポンプ８により貯湯タンク９に送ることで貯湯している。また、給湯運転では、室内側熱交換器１０を使用しないため、室内側電子膨張弁１１で冷媒の流れを閉止している。

冷房給湯運転の場合は、図５に示すように、圧縮機１から吐出した高温高圧のガス冷媒を給湯側熱交換器３にて給水ポンプ８で送られてくる水に放熱することで冷媒を凝縮させ、冷媒量調節器４に一旦溜める。その後、室内側電子膨張弁１１および室外側電子膨張弁５ａにて断熱膨張され、低温低圧となった冷媒を室内側熱交換器１０および室外側熱交換器２にて周囲の熱を吸熱させることで蒸発させ、低温低圧のガス冷媒として、第１四方弁６ａおよび第２四方弁６ｂを介し、圧縮機１の吸入側に流れるようになっている。

なお、室内側熱交換器１０と室外側熱交換器２を流れる冷媒量については、必要な冷房能力や給湯能力に応じて、室内側電子膨張弁１１および室外側電子膨張弁５ａによりコントロールしている。このとき、室内側熱交換器１０にて冷やされた空気をファンにより送風することで冷房し、給湯側熱交換器３により温められた湯は、給水ポンプ８により貯湯タンク９に送ることで貯湯している。

暖房給湯運転の場合は、図６に示すように、圧縮機１から吐出した高温高圧のガス冷媒を給湯側熱交換器３にて給水ポンプ８で送られてくる水に放熱することで冷媒を凝縮させ、また、第１四方弁６ａを介し、室内側熱交換器１０にて周囲の空気により放熱することで冷媒を凝縮させ、冷媒量調節器４にて合流させて一旦溜める。その後、室外側電子膨張弁５ａにて断熱膨張され、低温低圧となった冷媒を室外側熱交換器２にて周囲の熱を吸熱させることで蒸発させ、低温低圧のガス冷媒として、第１四方弁６ａおよび第２四方弁６ｂを介し、圧縮機１の吸入側に流れるようになっている。

なお、室内側熱交換器１０および給湯側熱交換器３を流れる冷媒量については、必要な暖房能力や給湯能力に応じて、室内側電子膨張弁１１と給湯側電子膨張弁５ｂにてコントロールしている。このとき、室内側熱交換器１０により暖められた空気をファンにより送風することで暖房し、給湯側熱交換器３により温められた湯は、給水ポンプ８により貯湯タンク９に送ることで貯湯している。これらの暖房給湯運転で冷媒の凝縮側となる室内側熱交換器１０と給湯側熱交換器３とは並列に配置されており、それぞれ室内側電子膨張弁１１と給湯側電子膨張弁５ｂによって冷媒量をコントロールして、暖房能力や給湯能力を確保することができる。

冷房運転時の排熱回収による給湯運転の場合は、図７に示すように、圧縮機１から吐出した高温高圧のガス冷媒を給湯側熱交換器３にて給水ポンプ８で送られてくる水に放熱することで冷媒を凝縮させ、冷媒量調節器４に一旦溜める。その後、室内側電子膨張弁１１にて断熱膨張され、低温低圧になった冷媒を室内側熱交換器１０にて周囲の熱を吸熱させることで蒸発させ、低温低圧のガス冷媒として、第１四方弁６ａおよび第２四方弁６ｂを介し、圧縮機１の吸入側に流れるようになっている。

このとき、室内側熱交換器１０にて冷やされた空気をファンにより送風することで冷房し、給湯側熱交換器３により温められた湯は、給水ポンプ８により貯湯タンク９に送ることで貯湯している。なお、必要な冷房能力が大きい場合、すなわち給湯側熱交換器３のみでは冷媒を完全に凝縮させることができない場合には、圧縮機１から吐出した高温高圧のガス冷媒を、第２四方弁６ｂを介し室外側熱交換器２にも流して放熱させて冷媒を凝縮するよう、室外側電子膨張弁５ａをコントロールしている。

このように冷房運転時の排熱回収による給湯運転では、圧縮機１から吐出した高温高圧のガス冷媒を給湯側熱交換器３に流し、給水ポンプ８により水を循環させることで給湯運転を行うことができ、ここで凝縮させた冷媒を室内側熱交換器１０にて蒸発させることで冷房運転を行うことができる。

ここで、必要な冷房能力が大きい場合には、給湯側電子膨張弁５ｂのみでなく室外側熱交換器２にも冷媒を流して凝縮させることにより、冷房能力を低下させることなく排熱回収による給湯運転を可能とする。また、必要な冷房能力が小さく、かつ、給湯能力を確保したい場合には、第２四方弁６ｂの切替えにより、室内側熱交換器１０に加えて室外側熱交換器２も冷媒の吸熱側とする冷房給湯運転と同じ冷凍サイクル回路とし、給湯能力を増加させるよう室外側熱交換器２により冷媒の吸熱量を補助することができる。このように、必要な冷房能力の大小によって第２四方弁６ｂを切替え、室外側熱交換器２を冷媒の凝縮側としたり吸熱側としたりするのは、前述の冷房給湯運転においても有効である。

以上のように実施例１によれば、単一の冷凍サイクル構成で冷房運転，暖房運転，給湯運転，冷房給湯運転，暖房給湯運転および冷房運転時の排熱回収による給湯運転を行うことのできる冷凍サイクル回路を得ることができる。この構成を採用することで、機器をコンパクトに設計することができ、また、冷房時の排熱回収による給湯運転によってヒートアイランド現象の抑制を図ることができる。

前述の実施例１にて説明した冷凍サイクル回路において、図８に示すように、室外側熱交換器２の熱交換媒体として水またはブラインを利用して循環式とした場合で、給湯側熱交換器３一次側の供給水を室外側熱交換器２二次側の熱交換媒体と熱交換させるためのバイパス回路と、室外側に調整弁Ａ１３および給湯側に調整弁Ｂ１４を新しく設けてあり、室外側熱交換器２が冷媒の吸熱側となる給湯、冷房給湯および暖房給湯時に、給湯側熱交換器３一次側の供給水の温度を下げ、かつ、室外側熱交換器２二次側の熱交換媒体の温度を上げて、湯を温める効率がよくなるようコントロールする。

このように、室外側熱交換器２の熱交換媒体を水またはブラインとした場合には、給湯側熱交換器３一次側の供給水と室外側熱交換器２二次側の水またはブラインを熱交換させる回路を設けることにより、給湯側供給水の温度上昇や室外側の水またはブラインの温度低下に伴う効率低下を抑えることができる。

実施例１にて説明した冷凍サイクル回路において、図９に示すように、給湯側熱交換器３の一次側に電磁弁１６、二次側に逆止弁Ｃ１７を設けてあり、実施例１にて説明した暖房運転中に給湯側熱交換器３での無駄な冷媒の放熱を防止し、高温高圧のガス冷媒すべてを室内側熱交換器１０に流すことができる。

このように給湯側熱交換器３を使用しない暖房運転において、給湯側熱交換器３へつながる余計な冷媒流路を遮断することにより、高温高圧のガス冷媒が給湯側熱交換器３に流れて放熱してしまうのを防止し、暖房効率の向上を図ることができる。

実施例１にて説明した冷凍サイクル回路において、図１０に示すように、給湯側熱交換器３の二次側の湯を電気品箱１８に設けた電気部品の放熱用のヒートシンク１９内に通す回路と調整弁Ｃ１５を新しく設け、湯を温める給湯運転，冷房給湯運転，暖房給湯運転において、一般に高温となるインバータなどの電気品からの発熱を利用して給湯側熱交換器３の二次側の湯をさらに温める構造とし、かつ、電気品箱１８内の温度を下げるようにコントロールする。

このように、電気品からの発熱を利用する回路を設けることで給湯運転により温められる湯の温度を上げることができ、さらに電気品箱内の温度は低く抑えることができる。

実施例１にて説明した冷凍サイクル回路において、室外側熱交換器２の熱交換媒体として水またはブラインを利用して循環式とした場合で、図１１に示すように、室外側熱交換器２二次側の熱交換媒体を電気品箱１８に設けてある電気部品の放熱用のヒートシンク１９内を通すバイパス回路と調整弁Ａ１３を新しく設けてあり、室外側熱交換器２が冷媒の吸熱側となる暖房運転，給湯運転，冷房給湯運転，暖房給湯運転時に、一般に高温となるインバータなどの電気品からの発熱を利用して室外側熱交換器２二次側の熱交換媒体の温度を効率のよい温度に上げられる構造とし、かつ、電気品箱１８内の温度を下げるようにコントロールする。

このように、電気品からの発熱を利用する回路を設けることで、冷媒の吸熱側となる室外側熱交換器２を効率の良い状態で運転することができ、さらに電気品箱内の温度は低く抑えることができる。

実施例１にて説明した冷凍サイクル回路において、図１２に示すように、給湯側熱交換器３一次側の供給水を室外側熱交換器２と熱交換させるためのバイパス回路と調整弁Ａ１３を新しく設けてあり、給湯側熱交換器３一次側の供給水の温度を効率のよい温度に下げるようにコントロールする。

このように、給湯側熱交換器３一次側の供給水の温度を低くすることで、給湯側供給水の温度上昇による給湯運転時の効率低下を抑えることができる。

実施例１にて説明した冷凍サイクル回路において、図１３に示すように、複数台（例えば３台）の室内側熱交換器１０ａ〜ｃおよび室内側電子膨張弁１１ａ〜ｃを並列に新しく配置してあり、室内側熱交換器１０ａ〜ｃが設置された場所の各々の必要冷暖房能力に応じて室内側電子膨張弁１１ａ〜ｃをコントロールすることで、複数台の室内側熱交換器による冷房運転，暖房運転を行えるようになっている。また、この場合でも実施例１と同様に冷房給湯運転，暖房給湯運転および冷房運転時の排熱回収による給湯運転を行えるようになっている。

以上、実施例によって、単一の冷凍サイクルで冷房運転，暖房運転，給湯運転，冷房給湯運転，暖房給湯運転および冷房運転時の排熱回収による給湯運転を行うことの可能なヒートポンプ給湯空調機を提供することができる。さらに、必要な冷房能力の大小に関係なく冷房と給湯の同時運転ができ、給湯能力を制限することなく暖房給湯運転を行うことができ、また、様々な構成によって各運転の効率を上げることの可能な冷凍サイクル回路とすることができる。

１ 圧縮機
２ 室外側熱交換器
３ 給湯側熱交換器
４ 冷媒量調節器
５ａ 室外側電子膨張弁
５ｂ 給湯側電子膨張弁
６ａ 第１四方弁
６ｂ 第２四方弁
７ａ 逆止弁Ａ
７ｂ 逆止弁Ｂ
８ 給水ポンプ
９ 貯湯タンク
１０（ａ〜ｃ） 室内側熱交換器
１１（ａ〜ｃ） 室内側電子膨張弁
１２ 循環ポンプ
１３ 調整弁Ａ
１４ 調整弁Ｂ
１５ 調整弁Ｃ
１６ 電磁弁
１７ 逆止弁Ｃ
１８ 電気品箱
１９ ヒートシンク

Claims (8)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機１の吐出配管を第１四方弁６ａ，第２四方弁６ｂおよび給湯側熱交換器３へ分岐し、第２四方弁６ｂから室外側熱交換器２を、室外側電子膨張弁５ａを介して冷媒量調節器４に接続し、上記部品と並列に給水ポンプ８により貯湯タンク９から供給される水を加熱する給湯側熱交換器３を、給湯側電子膨張弁５ｂを介して冷媒量調節器４に接続し、第１四方弁６ａから室内側熱交換器１０を、室内側電子膨張弁１１を介して冷媒量調節器４に接続し、第１四方弁６ａおよび第２四方弁６ｂを介して圧縮機１が冷媒を吸入する冷凍サイクル回路をもち、第１四方弁６ａ，第２四方弁６ｂの切替えにより、冷房運転，暖房運転，給湯運転，冷房給湯運転，暖房給湯運転および冷房運転時の排熱回収による給湯運転を行うことのできるヒートポンプ給湯空調機。
2. 請求項１において、
   室外側熱交換器２の熱交換媒体として水またはブラインを利用し、熱交換した媒体を循環ポンプ１２により給湯側熱交換器３一次側の供給水と熱交換させることで、供給水の温度を下げ、給湯運転時の効率を上げることのできるヒートポンプ給湯空調機。
3. 請求項１または２において、
   室外側熱交換器２の熱交換媒体を循環式とした場合に、循環ポンプ１２により給湯側熱交換器３一次側の供給水と熱交換させることで、室外側熱交換器２の循環媒体の温度を上げて運転効率を上げることのできるヒートポンプ給湯空調機。
4. 請求項１において、
   給湯側熱交換器３の一次側に電磁弁１６、二次側に逆止弁Ｃ１７を設けることで暖房効率を上げることのできるヒートポンプ給湯空調機。
5. 請求項１において、
   給湯側熱交換器３の二次側の供給水を電気品箱１８に設けてある排熱用のヒートシンク１９内に通すことで、給湯側の出湯温度を上げ、かつ、電気品箱１８内の温度を下げることができるヒートポンプ給湯空調機。
6. 請求項１において、
   室外側熱交換器２の熱交換媒体として水またはブラインを利用した循環式とした場合、熱交換した媒体を循環ポンプ１２により電気品箱１８に設けてある排熱用のヒートシンク１９内に通すことで、循環媒体の温度を上げて運転効率を上げることができ、かつ、電気品箱１８内の温度を下げることのできるヒートポンプ給湯空調機。
7. 請求項１において、
   給湯側熱交換器３一次側の供給水を室外側熱交換器２の一部に通すことで、供給水の温度を下げ、給湯運転時の効率を上げることのできるヒートポンプ給湯空調機。
8. 請求項１において、
   室内側熱交換器１０，室内側電子膨張弁１１を並列に複数設けることで、複数台の室内側熱交換器による冷房運転，暖房運転、および冷房給湯運転，暖房給湯運転を行うことのできるヒートポンプ給湯空調機。

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