JP2012237504A

JP2012237504A - ヒートポンプ式熱源機

Info

Publication number: JP2012237504A
Application number: JP2011106755A
Authority: JP
Inventors: Tomoya Kagiyama; 智也鍵山
Original assignee: Chofu Seisakusho Co Ltd
Current assignee: Chofu Seisakusho Co Ltd
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2012-12-06

Abstract

【課題】
従来のヒートポンプ式熱源機は液体熱交換器と内部熱交換器を別々に設置させているため、ヒートポンプ式熱源機の筐体内部に大きな設置空間が必要となり、延いては前記筐体の外形寸法が大きくなるという問題があった。
【解決手段】
液体加熱用のヒートポンプ式熱源機１は、液体と熱媒体を熱交換するコイル式の液体熱交換器３０と、熱媒体と熱媒体を熱交換するコイル式の内部熱交換器５０とを備え、内部熱交換器５０が液体熱交換器３０の内側に納められている。
【選択図】図４

Description

本発明は、熱媒体により外気からの熱量を移動させ、加熱される貯湯タンクと一体または分離して設置されるヒートポンプ式熱源機に関する。

従来、ヒートポンプ式熱源機は、代替フロンや二酸化炭素等の熱媒体を圧縮機で圧縮し、凝縮器で熱媒体を液化（熱媒体が二酸化炭素の場合には超臨界領域を使うので必ずしも液体ではないが、以下便宜上「液体」として説明する。）し、膨張弁で熱媒体を膨張させ、蒸発器で熱媒体を再び気化させて圧縮機に戻す、所謂冷凍サイクルを利用する熱源機である。前記冷凍サイクル上の凝縮器に相当する液体が加熱される熱交換器（以下、「液体熱交換器」と呼ぶ。）を有している。液体熱交換器は凝縮器の性質を利用し、気体の熱媒体が保有する熱量が液体に奪われることで熱媒体が液化し、これにより液体に熱が移動して液体を加熱する。前記液体の加熱には、水道水を直接的に加熱する場合と、不凍液を介して間接的に水道水を加熱する場合があり、この加熱された水道水を貯湯タンクに貯めて給湯機として利用する。

ヒートポンプ式熱源機の冷凍サイクルでは、前記凝縮器に相当する液体熱交換器以外に、膨張弁と蒸発器が必要となるが、これ以外にも前記液体熱交換器から前記膨張弁に流入する前の高圧の熱媒体と、前記蒸発器から前記圧縮機に戻る前の低圧の熱媒体の熱交換を行う熱交換器（以下、「内部熱交換器」と呼ぶ。）を設けたものが有った。これは、前記液体熱交換器で液体を加熱していく過程で、前記貯湯タンク内の水の温度が上昇するのに従い、圧縮機に戻る熱媒体の湿り状態を改善するのに有効なものであった。（特許文献１）

前記蒸発器は外気と熱媒体の熱交換を行って、外気が保有する熱で液化した熱媒体を蒸発させており、前記蒸発器の周囲は外気が流通する環境であることが必要となる。また、前記液体熱交換器は液体を加熱させるため、高温の熱媒体と液体が熱交換するようにしているので、前記液体熱交換器では高温の熱媒体の保有する温度が、外気に放熱しないようにして放熱損失を少なくする必要がある。さらに前記内部熱交換器は、前記液体熱交換器を通過した熱媒体の保有する熱量を、前記蒸発器を通過した熱媒体に移動させるために、外気から隔離されていることが望ましいものとなる。

前記液体熱交換器の液体熱交換部には液体が通過することから、内部の液体に乱流が生じて熱媒体と効率良く熱交換する必要があり、液体に乱流を生じさせる方法として前記液体熱交換器をコイル式とする方法がある。また、前記液体熱交換器の一方の流路は液体が通過する必要があること、及び熱媒体から液体への熱の移動量は前記内部熱交換器に比較して大きいため、熱媒体と液体が管を介して接触する面積を広くしていることから、前記内部熱交換器と比較して大きな設置空間が必要になる。

特開２００７−１１３８４０号公報

特許文献１のヒートポンプ式熱源機では、前記液体熱交換器と前記内部熱交換器を別々に設置させているため、前記ヒートポンプ式熱源機の筐体内部に大きな設置空間が必要となり、延いては前記筐体の外形寸法が大きくなるという問題があった。

また、前記液体熱交換器が、外気が通る蒸発器の下部に設置されているため、前記蒸発器で冷却された外気や雨水の影響を受けやすいので、前記液体熱交換器の外部を厚い断熱材で覆う必要があり、結果として前記液体熱交換器の設置空間が大きくなるという問題があった。

さらには、前記内部熱交換器については、蒸発器の下部の外気温度や雨水に晒されても、前記液体熱交換器に比較して、影響は受け難いが、前述のように圧縮機に戻る熱媒体の湿り状態を改善するためには、外気温度や雨水から影響を受けない方が良いという課題があった。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段が講じられている。

第１発明の液体加熱用のヒートポンプ式熱源機は、液体と熱媒体を熱交換するコイル式の液体熱交換器と、熱媒体と熱媒体を熱交換するコイル式の内部熱交換器とを備え、前記内部熱交換器が前記液体熱交換器の内側に納められている。
第２発明のヒートポンプ式熱源機は、第１の発明において、前記内部熱交換器が断熱材を介して、前記液体熱交換器の内側に納められている。
第３発明のヒートポンプ式熱源機は、第２の発明において、前記断熱材は前記液体熱交換器上部の開口部の上縁に保持されており、前記内部熱交換器が前記断熱材で保持されている。
第４発明のヒートポンプ式熱源機は、第１乃至第３いずれかの発明において、前記液体熱交換器と前記内部熱交換器とは、機械室に設置されていることを特徴とする。

以上のような、技術的手段が講じられていることにより、以下の効果を有する。
第１発明によれば、内部熱交換器が液体熱交換器の内側に納められていることで、ヒートポンプ式熱源機の筐体内部の限られた空間を有効に利用することができ、筐体の外形寸法を小さくすることができる。
第２発明によれば、第１発明を利用し、前記内部熱交換器が断熱材を介して、前記液体熱交換器の内側に納められていることで、前記内部熱交換器よりも高温で使用される前記液体熱交換器からの熱の影響を受け難くくさせて、圧縮機に戻る熱媒体の湿り状態を改善する効果を安定して発揮させることができる。
第３発明によれば、第２発明を利用し、前記断熱材が前記液体熱交換器上部の開口部の上縁に保持されており、前記内部熱交換器が前記断熱材で保持されているので、前記内部熱交換器を前記液体熱交換器の内部に組立容易な簡単な構成で前記内部熱交換器を保持させることができる。
第４発明によれば、第１発明乃至第３発明のいずれかを利用し、前記液体熱交換器と前記内部熱交換器とは、機械室に設置されているので、機械室はヒートポンプ式熱源機の筐体内部で比較的蒸発器で冷却された空気の温度や雨水の影響を受けない区画であることにより、前記液体熱交換器の熱媒体から液体への熱交換の効率や、前記内部熱交換器の熱媒体と熱媒体との熱交換の効率を上げると同時に、外気温度や雨水からの影響を受け難くさせることができる。

本発明に係るヒートポンプ式熱源機とタンクユニットとを組み合わせた状態での概略説明図である。本発明に係るヒートポンプ式熱源機の前側板を外した状態の外観図である。本発明に係るヒートポンプ式熱源機の上方から見た主要部品の配置図である。本発明に係るヒートポンプ式熱源機の液体熱交換器と、内部熱交換器と、断熱材の図３におけるＡ−Ａ断面図である。本発明に係るヒートポンプ式熱源機の内部熱交換器の外観図である。

発明を実施するための形態について図１乃至図５に基づき具体的に説明する。

（概略の構成）
図１を用いて、実施例１のヒートポンプ式熱源機１とタンクユニット１０の概要について説明する。ヒートポンプ式熱源機１を構成する主要部品は、圧縮機２０、膨張弁２５、液体熱交換器３０、蒸発器４０、送風機４５、内部熱交換器５０で、屋外に設置するため略直方体の筐体の中に納められている。また、タンクユニット１０を構成する主要部品は貯湯タンク１１と循環ポンプ１５で、屋外または屋内に設置するため筐体の中に納められている。

なお、ヒートポンプ式熱源１による方法とは、代替フロンや二酸化炭素等の熱媒体を圧縮機２０で圧縮して、熱媒体が凝縮（液化）する際に発生する熱を利用するものであり、電気温水器と異なり、熱媒体を循環させることで大気の熱を移動することができるので、投入する電気エネルギー以上の熱エネルギーを利用できる熱源のことである。冷凍サイクルの凝縮器で発生する熱を受ける熱交換器内を水や熱媒体を強制的に循環させることにより、貯湯タンク１１内の水をゆっくりと昇温させて蓄熱するものである。

（圧縮機）
圧縮機２０は電気的に駆動して、回転式（ローターリー式）や往復式（レシプロ式）等の方式により気体状の熱媒体を圧縮し、高温高圧にして次工程で熱媒体が液化しやすいようにしている。圧縮機２０は吸入側に吸入口２１が、吐出側に吐出口２２が設けられ配管が接続されるようになっている。

（膨張弁）
膨張弁２５は、液化した熱媒体を減圧して気化し易くするもので、電気的に駆動することで通過する熱媒体の流量の調整が可能となっている。膨張弁２５には配管が接続される膨張弁入口２６と膨張弁出口２７が設けられている。

（液体熱交換器）
液体熱交換器３０の構造を図４により説明する。液体熱交換器３０は、３本の小径の銅管を並列に並べた熱媒管３１と、１本の大径で扁平させた銅管の液体管３６で形成されている。熱媒管３１と液体管３６とは、交互に密着させて溶接されており、熱媒管３１を通過する熱媒体から液体管３６を通過する液体への熱移動が容易になるようにされている。さらに、熱媒管３１と液体管３６を溶接したものは、コイル状に加工されており、液体管３６を通過する液体に乱流が生じて、熱媒管３１からの熱移動が満遍なくおこなわれて、熱交換効率が上昇するようにされている。液体熱交換器３０のコイル状の一端には、熱媒入口３２と液体出口３８が設けられており、反対の端には熱媒出口３３と液体入口３７が設けられている。熱媒入口３２と熱媒出口３３には配管が接続され、液体入口３７には後述する循環往き管１６が接続され、液体出口３８には後述する循環戻り管１７が接続される。液体熱交換器３０は、この構成により、熱媒管３１を通過する気化した熱媒体は凝縮して液化し、液体管３６を通過する液体は加熱される。

（蒸発器と送風機）
蒸発器４０は、内部を通過する熱媒体を、送風機４５で送られる外気で気化させるものであり、この熱媒体が気化する際に、外気が保有する熱量が熱媒体に移動する。蒸発器４０は、送風機４５が生じさせる外気の流れに直行するように設けられた略平板状であり、熱媒体が通過する管と管の周囲に密着させた多数のフィンで構成されている。蒸発器４０には配管が接続される蒸発器入口４１と蒸発器出口４２が設けられている。

（内部熱交換器）
内部熱交換器５０の構造を図５により説明する。内部熱交換器５０は、銅管から成る高圧管５１と、高圧管５１よりも大径の銅管から成る低圧管５６で形成されている。高圧管５１と低圧管５６とは、交互に密着させて溶接されており、高圧管５１を通過する熱を保有する熱媒体から低圧管５６を通過する熱媒体への熱移動が容易になるようにされている。さらに、高圧管５１と低圧管５６を溶接したものは、コイル状に加工されており、内部熱交換器５０の外形はコイル状にされた液体熱交換器３０の内部の空間に収まる大きさにされている。内部熱交換器５０のコイル状の一端には、高圧入口５２と低圧出口５８が設けられており、反対の端には高圧出口５３と低圧入口５７が設けられている。高圧入口５２、高圧出口５３、低圧入口５７と低圧出口５８の夫々には配管が接続される。内部熱交換器５０は、この構成により、高圧管５１を通過する熱媒体の熱により、低圧管５６を通過する熱媒体は加熱されて熱媒体の蒸発不足を改善させることができる。

（貯湯タンク）
タンクユニット１０の貯湯タンク１１は、ヒートポンプ式熱源機１で加熱されることを前提とし、概ね家庭における一日の給湯量を供給できる程度の容量を想定して選定される。貯湯タンク１１は、強度上及び製造上の利点より一般的に円筒形の形状となっている。貯湯タンク１１の下部には給水管１２が、貯湯タンク１１の上部には給湯管１３が連接されている。なお、図示されてないが、給水管１２の途中には減圧弁が設けられており、給水管１２の上流側に連接された上水道の水道圧を減圧して、貯湯タンク１１に水道水を供給している。また、貯湯タンク１１の適当な場所には貯湯タンク１１に過大な圧力が加わった場合に圧力を逃がす逃し弁が設けられており、給湯管１３の下流側は風呂場や台所等の混合水栓等に連接されている。

（循環ポンプ及び循環回路）
循環ポンプ１５はタンクユニット１０の貯湯タンク１１とヒートポンプ式熱源機１との間で液体を循環させ、ヒートポンプ式熱源機１で加熱された液体で貯湯タンク１１内に貯留された水道水を加熱している。貯湯タンク１１には、下部には循環往き管１６が、貯湯タンク１１の上部には循環戻り管１７が連接されており、ヒートポンプ式熱源機１の液体熱交換器３０の液体管３６の液体入口３７に循環往き管１６が、液体出口３８に循環戻り管１７が連接されている。循環往き管１６の途中には循環ポンプ１５が設けられており、循環ポンプ１５が駆動することで、貯湯タンク１１、循環往き管１６、液体管３６、循環戻り管１７、で再び貯湯タンク１１に戻る循環回路が形成されている。なお、貯湯タンク１１の加熱については、貯湯タンク１１内部の水道水を循環させて直接的に加熱する場合と、貯湯タンク１１内部に熱交換器を設けて、前記熱交換器内部に不凍液を循環させ、貯湯タンク１１内部の水道水を間接的に加熱する場合がある。

（ヒートポンプ式熱源機内の配管）
以上の圧縮機２０、膨張弁２５、蒸発器４０、液体熱交換器３０および内部熱交換器５０の間は銅製の配管により連接されている。具体的には、圧縮機２０の吐出口２２から液体熱交換器３０の熱媒入口３２までの間の配管と、液体熱交換器３０の熱媒出口３３から内部熱交換器５０の高圧入口５２までの間の配管と、内部熱交換器５０の高圧出口５３から膨張弁２５の膨張弁入口２６までの間の配管と、膨張弁２５の膨張弁出口２７から蒸発器４０の蒸発器入口４１までの間の配管と、蒸発器４０の蒸発器出口４２から内部熱交換器５０の低圧入口５７までの間の配管と、内部熱交換器５０の低圧出口５８から圧縮機２０の吸入口２１までの間の配管とで連接されている。

これにより、圧縮機２０、液体熱交換器３０の熱媒管３１、内部熱交換器５０の高圧管５１、膨張弁２５、蒸発器４０、内部熱交換器５０の低圧管５６を経て、圧縮機２０に戻る冷凍サイクルが形成されている。

（各部の制御）
図示されてないが、ヒートポンプ式熱源機１には制御基板や温度センサーと圧力センサー等の検知機器が設けられている。前記制御基板には、内部にＣＰＵを有しており予めプログラムされた内容により、前記検知機器の検知信号に対応して循環ポンプ１５、圧縮機２０、膨張弁２５、送風機４５の駆動を制御している。

（ヒートポンプ式熱源機の構造）
ヒートポンプ式熱源機１の構造について、図２乃至図４を用いて説明する。図２はヒートポンプ式熱源機１の前側板７６を外した状態の外観図である。ヒートポンプ式熱源機１は、天板７１、底板７２、右側板７３、左側板７４、後側板７５、前側板７６（図２においては外されている。）により成る筐体に納められている。前側板７６を外した状態で、図２の左より蒸発器４０、送風機４５、仕切り板７７、圧縮機２０、断熱材６１に覆われた液体熱交換器３０が配置されている。

ヒートポンプ式熱源機１の主要部品の配置をより詳しく説明するために、ヒートポンプ式熱源機１の上方から見た状態での配置図が図３である。ヒートポンプ式熱源機１の内部は大きく分けると、仕切り板７７により蒸発器室６と機械室７の２つの区画に仕切られている。全体の約３分の２を占める区画が、蒸発器室６であり、Ｌ型の蒸発器４０と、送風機４５が配置されている。残りの約３分の１の区画が機械室７であり、圧縮機２０、液体熱交換器３０、液体熱交換器３０の内部に納められた内部熱交換器５０、膨張弁２５や図示されてないが、制御基板が納められている。

蒸発器室６では、蒸発器４０に送風機４５で外気を通過させており、周囲に設けた左側板７４、後側板７５、前側板７６には外気の通る丸孔や角孔が設けられており、蒸発器室６内部の温度は、外気温度より低くなる。これに対して機械室７側の右側板７３、後側板７５、前側板７６には丸孔や角孔が設けられておらず、底板７２に水抜き用の多少の隙間や、小さい孔を設けてはあるが、蒸発器室６に比較して外気の影響を受けにくく、雨水の侵入することのない閉鎖された区画となっている。

液体熱交換器３０は断熱材６１で覆われており、液体熱交換器３０が略長円状のコイルに形成されているため、液体熱交換器３０の内部に出来る略長円状の空間には、外部に２分割された断熱材６６、６７に周囲を囲まれた、内部熱交換器５０が納められている。内部熱交換器５０は縦長の略長円状のコイルに形成され、液体熱交換器３０のコイルの巻き中心と、内部熱交換器５０のコイルの巻き中心が直交するような状態で断熱材６６、６７を介して液体熱交換器３０の内部に納められている。

図３の液体熱交換器３０と内部熱交換器５０を組み合わせた部分について、図４で説明する。液体熱交換器３０の周囲は断熱材６１で覆われており、液体熱交換器３０を通過する高温の熱媒体や高温の液体の温度を放熱させないようにしている。なお、液体熱交換器３０は機械室７に設置されており、外気温度や雨水の影響を受けることは少ないので、断熱材６１の厚みも従来例に比較して薄くすることができる。そしてこれにより、液体熱交換器３０を設置する空間も従来例に比較して小さくすることができる。液体熱交換器３０の上部には熱媒入口３２と液体出口３８が設けられ、下部には、熱媒出口３３と液体入口３７が設けられている。なお、図３のＡ―Ａ断面の方向では、熱媒入口３２、液体出口３８、熱媒出口３３および液体入口３７は見えないものとなるが、説明のため、図４に熱媒入口３２、液体出口３８、熱媒出口３３および液体入口３７を破線で表している。また、図３に図示されてないが、内部熱交換器５０を納めた断熱材６６、６７の上部には蓋断熱材６８があり、図４において破線で表している。

液体熱交換器３０のコイル状の内部の空間には断熱材６６と断熱材６７で覆われた内部熱交換器５０が設けられており、コイルの巻き方向が床面に対して水平となり、コイルの巻き形状も長円となるようにされているため、上部と下部に円形の高圧管５１の断面と、高圧管５１の断面よりも大きい円形の低圧管５６の断面が表れる形状となる。高圧管５１と低圧管５６は密着させた状態で３巻きのコイルとなっており、液体熱交換器３０のコイルの上部開口部には、高圧出口５３と低圧入口５７との組み合わせ端と、高圧入口５２と低圧出口５８との組み合わせ端が突き出た状態となる。なお、図３のＡ―Ａ断面の方向では、高圧入口５２と低圧出口５８との組み合わせ端は見えないものとなるが、説明のため図４に高圧入口５２と低圧出口５８との組み合わせ端を破線で表している。

内部熱交換器５０を納めた断熱材６６と断熱材６７は、下部に内部熱交換器５０を固定して液体熱交換器３０のコイルの内側への脱落を防止する底と、上部に液体熱交換器３０のコイル開口部上端に張り出し、断熱材６６と断熱材６７を固定するための鍔状の出っ張りが設けられている。また、前記鍔状の出っ張りは断熱材６１の内径よりも大径に形成されている。内部熱交換器５０は液体熱交換器３０のコイルの内側に断熱材６６、６７を介して設置されているため、外気温度や雨水の影響を受けることはなく、同時に液体熱交換器３０からの熱の影響を受けにくいものとなっている。

以上、本発明について、実施例に基づき説明してきたが、本発明は何らこれらの実施例の構成に限定するものではない。例えば、内部熱交換器５０のコイルの巻き方向が床面に対して水平となるように説明しているが。コイルの巻き方向が床面に対して垂直やその他の方向であっても可能であり、内部熱交換器５０の高圧入口５２、低圧出口５８、高圧出口５３、低圧入口５７の取り出し方向も、液体熱交換器３０の下部から取り出しても良い。また、液体熱交換器３０の熱媒管３１を３本、内部熱交換器５０を３巻きとして説明したが、これに限定するものではなく、試験により決定されるべきものである。

１：ヒートポンプ式熱源機
６：蒸発器室
７：機械室
１０：タンクユニット
１１：貯湯タンク
１２：給水管
１３：給湯管
１５：循環ポンプ
１６：循環往き管
１７：循環戻り管
２０：圧縮機
２１：吸入口
２２：吐出口
２５：膨張弁
２６：膨張弁入口
２７：膨張弁出口
３０：液体熱交換器
３１：熱媒管
３２：熱媒入口
３３：熱媒出口
３６：液体管
３７：液体入口
３８：液体出口
４０：蒸発器
４１：蒸発器入口
４２：蒸発器出口
４５：送風機
５０：内部熱交換器
５１：高圧管
５２：高圧入口
５３：高圧出口
５６：低圧管
５７：低圧入口
５８：低圧出口
６１、６６、６７：断熱材
６８：蓋断熱材
７１：天板
７２：底板
７３：右側板
７４：左側板
７５：後側板
７６：前側板
７７：仕切り板

Claims

液体加熱用のヒートポンプ式熱源機において、液体と熱媒体を熱交換するコイル式の液体熱交換器と、熱媒体と熱媒体を熱交換するコイル式の内部熱交換器とを備え、前記内部熱交換器が前記液体熱交換器の内側に納められていることを特徴とするヒートポンプ式熱源機。
前記内部熱交換器が断熱材を介して、前記液体熱交換器の内側に納められていることを
特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式熱源機。
前記断熱材は前記液体熱交換器上部の開口部の上縁に保持されており、前記内部熱交換器が前記断熱材で保持されていることを特徴とする請求項２記載のヒートポンプ式熱源機。
前記液体熱交換器と前記内部熱交換器とは、機械室に設置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項記載のヒートポンプ式熱源機。