JP2015001356A - ヒートポンプ熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換効率に優れたヒートポンプ熱交換装置を提供すること。【解決手段】冷媒回路８と、水冷媒熱交換器５を有し、熱媒体が流れる熱媒回路１６と、を備え、水冷媒熱交換器５をプレート式熱交換器とし、冷媒回路８を循環する冷媒は、水冷媒熱交換器５の一の表面に形成された冷媒入口５ａから水冷媒熱交換器５へと流入し、冷媒入口５ａが形成された表面と同一の表面に形成された冷媒出口５ｂから流出し、熱媒回路１６を流れる熱媒体は、水冷媒熱交換器５の一の表面に形成された熱媒入口５ｃから水冷媒熱交換器５へと流入し、一の表面とは反対側の表面に形成された熱媒出口５ｄから流出するもので、水冷媒熱交換器５の内部を流れる熱媒体の流量分布を均一となり、水冷媒熱交換器５の内部全体で効率よく熱交換が行われるので熱交換効率が向上する。【選択図】図１

Description

本発明は、水あるいは不凍液などの熱媒体の加熱あるいは冷却を行うヒートポンプ熱交換装置に関するものである。

従来、この種のヒートポンプ熱交換装置は、圧縮機、水冷媒熱交換器、減圧器、および、蒸発器である空気熱交換器を環状に接続した冷媒回路を備え、水冷媒熱交換器にて、冷媒回路から供給を受けた冷媒と、水あるいは不凍液などの熱媒体とで熱交換を行うことにより、熱媒体を加熱するものがある。（例えば、特許文献１参照）。

図１０は、従来の温水暖房用ヒートポンプ熱交換装置１１０の上面内観斜視図を示すものである。

図１０に示すヒートポンプ熱交換装置１１０は、水冷媒熱交換器としてプレート式の水冷媒熱交換器１１１を採用している。また、ヒートポンプ熱交換装置１１０の内部は、仕切板（セパレータ）１１２によって、機械室と送風機室に分割され、機械室には、圧縮機１１３、膨張弁１１４、アキュームレータ１１５などの冷媒回路の一部と、プレート式の水冷媒熱交換器１１１が配置されている。図７に示すヒートポンプ熱交換装置１１０は、熱媒体を循環させる循環ポンプを内蔵しておらず、別体に設ける構成となっている。

循環ポンプや、熱媒体の補給および膨張した熱媒体のバッファの役目をするシスターンタンクは、ヒートポンプ熱交換装置１１０の外部に設けられている。循環ポンプ（図示せず）およびシスターンタンク（図示せず）と、ヒートポンプ装置１１０とは、水冷媒熱交換器１１１の背面側に向けて設けられた、温水往きポート１１１ａと温水戻りポート１１１ｂとを介して配管により接続される。これにより熱媒体が循環する熱媒回路が形成される。

水冷媒熱交換器１１１には、温水往きポート１１１ａと温水戻りポート１１１ｂとが配設される背面側に熱媒配管の接続部が２箇所形成される。また、正面側には冷媒配管の接続部が２箇所形成される。

特開２００８−１９６７７７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、水冷媒熱交換器の背面側に、熱媒体が流入する熱媒配管の接続部と熱媒体が流出する接続部との双方が設けられている。よって、水冷媒熱交換器の内部では、熱媒配管が接続される背面側の流路に多くの熱媒体が流れ、一方、正面側の流路に流れる熱媒体の流量は減少する。すなわち、水冷媒熱交換器の内部で熱媒体の流れに偏りが生じ、熱交換効率が低下してしまうという課題を有していた。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、水冷媒熱交換器の内部における熱媒体の流れの均一化して熱交換効率に優れたヒートポンプ熱交換装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ熱交換装置は、圧縮機、水冷媒熱交換器、減圧器、蒸発器が冷媒配管で環状に接続される冷媒回路と、熱媒体が流入する熱媒戻りポート、前記水冷媒熱交換器、熱媒体が流出する熱媒往きポートが熱媒配管で接続される熱媒回路と、を備え、前記水冷媒熱交換器をプレート式熱交換器とし、前記冷媒回路を循環する冷媒は、前記水冷媒熱交換器の一の表面に形成された冷媒入口から前記水冷媒熱交換器へと流入し、前記冷媒入口が形成された表面と同一の表面に形成された冷媒出口から流出し、前記熱媒回路を流れる熱媒体は、前記水冷媒熱交換器の一の表面に形成された熱媒入口から前記水冷媒熱交換器へと流入し、前記一の表面とは反対側の表面に形成された熱媒出口から流出することを特徴とするものである。

これにより、水冷媒熱交換器の内部において、熱媒体が流れる複数の流路の長さが、略同一となる。よって、水冷媒熱交換器の内部で熱媒体の流れが均一化される。

本発明によれば、水冷媒熱交換器における熱媒体と冷媒との熱交換効率に優れたヒートポンプ熱交換装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ熱交換装置の内部構造を示す斜視図 （ａ）同ヒートポンプ熱交換装置の内部構造を示す上面図、（ｂ）同ヒートポンプ熱交換装置の内部構造を示す正面図、（ｃ）同ヒートポンプ熱交換装置の内部構造を示す側面図 同ヒートポンプ熱交換装置を用いた冷温水暖房装置において温水生成時の概略構成図 同ヒートポンプ装置のプレート式水冷媒熱交換器の冷媒および熱媒体の流れを示す斜視図 （ａ）同プレート式水冷媒熱交換器の冷媒の流れを示す概略断面図、（ｂ）同プレート式水冷媒熱交換器の熱媒体の流れを示す概略断面図 （ａ）従来のプレート式水冷媒熱交換器の冷媒の流れを示す概略断面図、（ｂ）従来のプレート式水冷媒熱交換器の熱媒体の流れを示す概略断面図 本発明の実施の形態１におけるプレート式水冷媒熱交換器の冷媒の相状態の分布と熱媒体の温度との関係を示す図 同ヒートポンプ熱交換装置を用いた冷温水暖房装置において冷水生成時の概略構成図 本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ熱交換装置の他の形態を示す正面図 従来のヒートポンプ熱交換装置の上面斜視図

第１の発明は、圧縮機、水冷媒熱交換器、減圧器、蒸発器が冷媒配管で環状に接続される冷媒回路と、熱媒体が流入する熱媒戻りポート、前記水冷媒熱交換器、熱媒体が流出する熱媒往きポートが熱媒配管で接続される熱媒回路と、を備え、前記水冷媒熱交換器をプレート式熱交換器とし、前記冷媒回路を循環する冷媒は、前記水冷媒熱交換器の一の表面に形成された冷媒入口から前記水冷媒熱交換器へと流入し、前記冷媒入口が形成された表面と同一の表面に形成された冷媒出口から流出し、前記熱媒回路を流れる熱媒体は、前記水冷媒熱交換器の一の表面に形成された熱媒入口から前記水冷媒熱交換器へと流入し、前記一の表面とは反対側の表面に形成された熱媒出口から流出することを特徴とするヒートポンプ熱交換装置である。

これにより、プレート式の水冷媒熱交換器において、積層された複数のプレート間に形成された熱媒体の流路が、略同一の長さとなる。よって、水冷媒熱交換器の内部での熱媒体の流量分布が均一化される。

なお、冷媒は、例えば水冷媒熱交換器が放熱器として作用する場合、気相−二相−液相と相変化しつつ流通する。このうち、気相および液相の領域では圧力損失が少ない。よって、冷媒は、熱媒体に比較して流路の長さのよる流量分布の影響を比較的受けにくい。

その結果、積層されたプレート間を流通する熱媒体、冷媒の流量が流路によらず比較的均一となる。したがって、水冷媒熱交換器内での熱交換が均一化され、熱交換効率が向上する。また、熱交換効率が向上すると、同一性能の水冷媒熱交換器であっても小型化することができ、ヒートポンプ熱交換装置の小型化を実現できる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記冷媒回路と前記熱媒回路とが内部に配設される外装体を備え、
前記冷媒入口、前記冷媒出口、前記熱媒入口は、前記水冷媒熱交換器を構成する第１の表面に設けられ、前記熱媒出口は、前記第１の表面と反対側の第２の表面に設けられ、前記第１の表面が前記外装体の内方側に向いて配置され、前記熱媒入口は、前記熱媒出口よりも下方側に設けられていることを特徴とするものである。

ここで、外装体の内部には、電源接続部や圧縮機駆動部など、高電圧の電気が流れる箇所が存在する。この構成により、水冷媒熱交換器の熱媒入口が、外装体の内部で低い位置に配されることとなる。よって、例えば、水漏れが発生した場合等においても、熱媒入口部よりも上方に高電圧の箇所を設けておけば、水がかかることを防ぐことが可能となり安全性が向上する。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記熱媒戻りポートと前記熱媒往きポートとは、前記外装体の外方に突出していることを特徴とするものである。

これにより、水冷媒熱交換器の熱媒入口および熱媒出口は、熱媒戻りポートおよび熱媒往きポートを介して、本体外部の熱媒配管と接続されることとなる。よって、プレート式の水冷媒熱交換器には、本体外部の熱媒配管から直接力が加わらず、プレート式の水冷媒熱交換器が変形する恐れを低減することができる。よって、熱媒配管の接続時における施工性を向上させ、また、水冷媒熱交換器の耐久性に優れたヒートポンプ熱交換装置とすることができる。

第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、前記水冷媒熱交換器の下方に配設され、前記熱媒回路に前記熱媒体を流す循環ポンプを備え、前記戻りポートと前記循環ポンプとが熱媒配管で接続され、前記循環ポンプと前記熱媒入口とが熱媒配管で接続されることを特徴とするものである。

これにより、外装体内方にある水冷媒熱交換器と循環ポンプとが上下方向に配置され、水冷媒熱交換器と循環ポンプの収納面積が小さくなる。それにより、ヒートポンプ熱交換装置の小型化を実現できる。また、ヒートポンプ熱交換装置が小型化されると、設置の際の施工時間の短縮、室外に設置する際に必要となる面積の縮小化を図ることができる。また、循環ポンプと水冷媒熱交換器をつなぐ配管が短くなることで、熱媒配管を短くすることができ、熱媒配管における圧力損失を低減できるので、循環ポンプの動力を低減して、消費電力を減らすことができる。また、熱媒配管が短くなることで熱媒配管からの放熱ロスを低減し、効率向上を図ることが可能となり、省エネルギー性に優れたヒートポンプ装
置とすることができる。さらに熱媒配管における圧力損失を低減すると、ヒートポンプ装置と接続する外部放熱器（暖房端末）において生じる圧力損失の許容範囲が拡大し、ヒートポンプ装置の汎用性が高まる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施が限定されるものではない。

（実施の形態１）
本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ熱交換装置について、図１〜図３に基づいて、以下に説明する。

まず、図３のヒートポンプ熱交換装置の冷媒回路、熱媒回路図で説明を行う。

図３では、矢印は冷媒あるいは水あるいは不凍液などの熱媒体の流れを示しているが、温水を生成する際の動作を示している。

１は、循環される水あるいは不凍液などの熱媒体を加熱するためのヒートポンプ熱交換装置の外装体であり、２は、ヒートポンプ熱交換装置の外装体１と熱媒配管３で接続された外部放熱器であり、図３では輻射暖冷房などのパネル状の外部放熱器としているが、パネルヒーターや、送風ファンを備えたファンコンベクターなどでも構わない。

ヒートポンプ熱交換装置の外装体１で加熱あるいは冷却され、温水あるいは冷水となった水あるいは不凍液などの熱媒体は、熱媒配管３を通り、外部放熱器２へと送られ、外部放熱器２の設置された居室を暖房あるいは冷房する。ヒートポンプ熱交換装置は、その熱源となるものである。

このヒートポンプ熱交換装置の外装体１内に組み込まれている部品は以下の様になっている。

ヒートポンプ熱交換装置の外装体１には、冷媒を圧縮して冷媒回路を循環させる圧縮機４、水あるいは不凍液などの熱媒体と冷媒の熱交換を行う水冷媒熱交換器５、減圧器である膨張弁６、蒸発器である空気熱交換器７が配置されている、圧縮機４、凝縮器（水冷媒熱交換器）５、減圧器（膨張弁）６、蒸発器である空気熱交換器７を順に冷媒配管で環状に接続して閉回路である冷媒回路８を構成している。圧縮機４は、モータの組み込まれた圧縮機駆動部４ａと、冷媒回路８中の、冷媒を貯留するアキュームレータ４ｂを備えている。冷媒回路８に用いられる冷媒は、アキュームレータ４ｂから、圧縮機駆動部４ａに送られ、圧縮機駆動部４ａより吐出される。また、圧縮機４には、四方弁９が接続され、四方弁９には水冷媒熱交換器５、空気熱交換器７が接続されている。

水冷媒熱交換器５は、凹凸を設けた複数枚のステンレス板を積層して、それらをブレージングで一体化したプレート式の熱交換器である。水冷媒熱交換器５には、冷媒配管が接続され、冷媒が流入する冷媒入口５ａおよび冷媒が流出する冷媒出口５ｂが設けられている。また、水冷媒熱交換器５には、熱媒配管が接続され、熱媒体が流入する熱媒入口５ｃおよび熱媒体が流出する熱媒出口５ｄが設けられている。水冷媒熱交換器５は、水あるいは不凍液などの熱媒体と、冷媒回路８を循環する冷媒の熱交換を行い、水あるいは不凍液などの熱媒体を加熱あるいは冷却するものである。プレート式の水冷媒熱交換器５の形状についてはさらに後述する。

１０は、蒸発器である空気熱交換器７に空気を搬送する送風ファンであり、空気熱交換器７の熱交換量を増大させる。

１１は、冷媒回路８を流れる冷媒の圧力を検知するために設けられ圧力センサ、１２は、圧縮機４の圧縮機駆動部４ａに接続され、圧縮機駆動部４ａよりも上方に配置された吐出配管１３に設けられた圧縮機出口温センサ、１４は、空気熱交換器７の空気熱交出口配管１５に設けられた空気熱交出口温センサである。

一方、プレート式の水冷媒熱交換器５の熱媒流路を含み、熱媒戻りポート２０から水冷媒熱交換器５を介して熱媒往きポート１９に向かって熱媒体が流れるのが熱媒回路１６である。

１７は、熱媒回路１６内の熱媒体を強制的に循環する循環ポンプであり、プレート式の水冷媒熱交換器５の上流側に配されている。これは、水冷媒熱交換器５の下流側よりも低温の熱媒体が流れる水冷媒熱交換器５の上流側に設けることで循環ポンプ１７の耐久性を向上させるためである。

１８は、同じく熱媒回路１６内で、循環ポンプ１７の下流に設けられたフロースイッチであり、熱媒体の流量を検知するものである。

ところで、前述したように、プレート式の水冷媒熱交換器５には、冷媒回路８と接続する冷媒入口５ａ、冷媒出口５ｂと、熱媒回路１６と接続する熱媒入口５ｃ、熱媒出口５ｄが設けられている。

なお、図３では、プレート式の水冷媒熱交換器５において、温水を生成する際の冷媒、あるいは水あるいは不凍液などの熱媒体の流れを示している。冷水を生成する際は、四方弁９によって、図３の実線で示す流路を図３の点線で示す流路に切り替えることで、冷媒回路８の冷媒の流れ方向を逆にする。このときの、熱媒回路１６における熱媒体の流れ方向は同じである。

また、図３において、温水を生成する際の冷媒は、下方から上方へ、水あるいは不凍液などの熱媒体は上方から下方へ流れるように記載してある。しかし、実際のヒートポンプ熱交換装置では、温水を生成する際の冷媒は、プレート式の水冷媒熱交換器５の上方から下方へ向かって流れ、熱媒体は、プレート式の水冷媒熱交換器５の下方から上方へと向かって流れることとなる。

１９は、熱媒接続ポートの一方である熱媒往きポートであり、水冷媒熱交換器５の熱媒出口５ｄに接続されている。熱媒往きポート１９は、水冷媒熱交換器５で加熱あるいは冷却された熱媒を、外装体１の外部の外部放熱器２へと熱媒配管３を介して導く通過点となる。２０は、熱媒接続ポートの他方である熱媒戻りポートであり、同じく熱媒配管３が接続される。

２１は、水冷媒熱交換器５に入る熱媒体の温度を測定する水冷媒熱交換器入口温センサ、２２は、水冷媒熱交換器５から流出する熱媒体の温度を測定するための水冷媒熱交換器出口温センサである。

２３は、熱媒回路１６に設けられた、膨張タンクであり、熱媒回路１６内の熱媒体の温度が上昇し、体積膨張した際にその膨張分を吸収する。これにより、熱媒回路１６内の部品に異常な圧力がかからないようにするものである。

２４は、ヒートポンプ熱交換装置に設けられたセンサ情報を取得し、圧縮機４、膨張弁６、循環ポンプ１７、送風ファン１０等を制御する制御装置、２５は、使用者がヒートポ
ンプ熱交換装置の運転を行い、各種設定を行うためのリモコンである。

図４に示す冷媒回路８及び熱媒回路１６の構成要素をレイアウトしたものが図１〜図２である。図１は、内観・外観斜視図、図２は、内観平面図、正面図、側面図の３面図を示す。図２の内観図は、正面図の断面Ａ−Ａで記した部分を示している。

図１、図２より、ヒートポンプ熱交換装置の最下部には底板２６があり、底板２６の中央より前板３４側から見て右方側に、仕切板２７が設けられている。仕切板２７にて、送風ファン１０を有する送風回路室２８と、圧縮機４および膨張弁６等の冷媒回路８を有する機械室に２９とが区画されている。前板３４側からみて底板２６の右方に圧縮機４が底板２６に固定されている。圧縮機４には、圧縮機４を駆動させる電源を入力する電源接続部４ｃが設けられている。

前板３４側からみて圧縮機４の右後方に、水冷媒熱交換器５が配されている。水冷媒熱交換器５は、凹凸を設けた複数枚のステンレス板を積層して、ブレージングで一体化した形状である。積層された複数のプレート間を、冷媒と熱媒体が流通することで、熱交換を行うものである。

そして、水冷媒熱交換器５には、冷媒配管が接続される冷媒入口５ａおよび冷媒出口５ｂ、熱媒体配管が接続される熱媒入口５ｃ、熱媒出口５ｄが設けられている。冷媒入口５ａ、冷媒出口５ｂ、熱媒入口５ｃは、水冷媒熱交換器５のうち、積層されたステンレス板の一方の面（第１の表面）５ｅに設けられている。水冷媒熱交換器５は、第１の表面が外装体１の内方側、すなわち、機械室２９の内方側を向くように、機械室２９の内部に配置されている。一方、熱媒出口５ｄは、積層されたステンレス板の他方の面（第２の表面）５ｆに設けられている。すなわち、第１の表面５ｅと第２の表面５ｆとは、水冷媒熱交換器５のうち互いに反対側の面を構成する。水冷媒熱交換器５は、第２の表面５ｆが、前板３４とは反対側の背面側を向くように機械室２９の内部の背面側に近接して配置されている。

以上のように、冷媒入口５ａと冷媒出口５ｂは、プレート式の水冷媒熱交換器５の同一面（第１の表面）５ｅに設けられ、熱媒入口５ｃと熱媒出口５ｄは、相対する異なる面（第２の表面）５ｆに設けられている。それにより、熱媒入口５ｃは、機械室２９の内方側を向いて配置され、熱媒出口５ｄは、熱媒入口５ｃと比較して、機械室２９の外方側を向いて配置されている。

熱媒出口５ｄには、ヒートポンプ熱交換装置の外装体１の後方に突出した熱媒往きポート１９が接続されている。また、プレート式の水冷媒熱交換器５の下方には、循環ポンプ１７が配置されており、循環ポンプ１７は、底板２６に支持固定されている。

循環ポンプ１７は、熱媒配管３であるポンプ入口配管３０を介して、ヒートポンプ熱交換装置の外装体１の後方に突出した熱媒戻りポート２０と接続されている。

熱媒往きポート１９および熱媒戻りポート２０には、熱媒体が流れる配管が接続される。これにより、水冷媒熱交換器５と外部放熱器２とが接続されて閉回路が形成される。この閉回路を熱媒体が循環することにより、外部放熱器２による室内の冷房、暖房が実行される。

循環ポンプ１７の下流には、ポンプ出口配管３１が接続される。ポンプ出口配管３１は、水冷媒熱交換器５の熱媒入口５ｃと接続される。ポンプ出口配管３１には、フロースイッチ１８が配置されている。

この際に、熱媒入口５ｃの高さ方向は、熱媒出口５ｄおよび圧縮機４の電源接続部４ｃよりも下方になるように構成してある。

特に、高温の熱媒体を生成する際には、熱媒体の浮力も利用して熱媒体を循環させるのが効率的である。そのため、高温の熱媒体生成時の熱媒体の流れを鑑み、熱媒入口５ｃを下方に、熱媒出口５ｄを上方に配置することが好ましい。

そこで、熱媒入口５ｃを、熱媒出口５ｄよりも下方、すなわち、水冷媒熱交換器５の下方に設ける。その結果、熱媒入口５ｃを、圧縮機４の電源接続部４ｃよりも下方に設けることができる。

冷媒回路８に含まれる部品においては、圧縮機４の頂部に吐出配管１３が配置され、その吐出配管１３の上方に四方弁９が配置される。四方弁９の一の流入口と水冷媒熱交換器５の冷媒入口５ａとが接続される。

７は蒸発器である空気熱交換器であり、Ｌ字状に折り曲げられた形をしており、底板２６に載置されている。

１０は、空気熱交換器７の内方に配された送風ファンであり、空気熱交換器７に空気を通過させ、空気と冷媒との間の熱交量を増大させる。

３２は、送風ファン１０を駆動する送風モータ、３３は、送風モータ３２を支持するモータ支持台であり、モータ支持台３３は、底板２６に固定されている。

送風ファン１０、送風モータ３２、モータ支持台３３、四方弁９および膨張弁６に接続される冷媒配管と空気熱交換器７との接続部以外の空気熱交換器７が、送風回路室２８に設けられている。機械室には、圧縮機４、水冷媒熱交換器５、冷媒回路８を構成する冷媒配管が設けられている。

膨張弁６は、冷媒入口５ａよりも下方に配された冷媒出口５ｂと冷媒配管を介して接続されている、膨張弁６よりも下流がわには、冷媒配管を介して空気熱交換器７が接続されている。

冷媒回路８を構成する冷媒配管は、機械室２９において、圧縮機４の上方及び側方に設けられている。

制御装置２４は、機械室２９の上方で、熱媒回路１６よりも上方に配されている。この制御装置２４には、高電圧の電気が流れる電源線が接続される。

以上のような各種部品、アクチュエータが、ヒートポンプ熱交換装置の外装体１に収納されている。

また、外装体１は、前板３４、側板３５、天板３６、底板２６から構成される。冷媒回路８および熱媒回路１６は、外装体１が形成する空間内に配置されている。熱媒往きポート１９および熱媒戻りポート２０は外装体１の外方に突出して設けられている。熱媒往きポート１９および熱媒戻りポート２０には熱媒体が流れる配管が接続される。熱媒体は、この配管を介して、外部放熱器２へと流れる。

以下、図面に基づいて、上記ヒートポンプ熱交換装置の動作を説明する。まず、高温の
熱媒体を生成する際の動作に関して説明を行う。

使用者がリモコン２５で運転指示を行うと、制御装置２４から信号が送られ、機器が運転を開始する。

まず、圧縮機４が動き出し、圧縮機４が運転すると、高圧まで圧縮されて吐出された冷媒は、吐出配管１３を通り、四方弁９に送られる。高温の熱媒体の生成時には、四方弁９は、実線で記した方向に切替えられている。そのため、圧縮機４から吐出された冷媒は、四方弁９を通り、水冷媒熱交換器５に送られる。

水冷媒熱交換器５に流入した冷媒は、循環ポンプ１７により圧送された熱媒体と熱交換する。これにより、高温の熱媒体が生成される。

水冷媒熱交換器５において、高温の冷媒は、上方の冷媒入口５ａより流入する。この際の冷媒は、流通時の圧力損失の小さい気相状態である。気相状態の冷媒は、熱媒体と熱交換して凝縮し、圧力損失の比較的高い二相状態となり、さらに圧力損失の小さい液相状態となり、水冷媒熱交換器５の下方に配されている冷媒出口５ｂより流出する。

水冷媒熱交換器５から流出した冷媒は、減圧器である膨張弁６にて減圧膨張され、空気熱交換器７に送られ、送風ファン１０にて送られた空気と熱交換して、空気熱交換器７を通過する間に、蒸発してガス化する。

ガス化した冷媒は、四方弁９を通過し、再度、圧縮機４のアキュームレータ４ｂを通り、圧縮機駆動部４ａに吸入されて圧縮され、水冷媒熱交換器５へと流入する。冷媒がこの動作を繰り返すことにより、水冷媒熱交換器５を流れる熱媒体は徐々に加熱され、高温の熱媒体となる。

熱媒回路１６を流れる熱媒体は、循環ポンプ１７により、水冷媒熱交換器５に圧送される。水冷媒熱交換器５において加熱された熱媒体は、熱媒配管３を介して熱媒往きポート１９へと流れ、熱媒往きポート１９と接続された配管を流れ、外部放熱器２に流入する。外部放熱器２にて熱媒体が放熱し、外部放熱器２が設置された居室などを暖房する。

外部放熱器２で放熱し、低温となった熱媒体は、膨張タンク２３を介して、熱媒戻りポート２０へと流れる。熱媒戻りポート２０を通過した熱媒体は、再度、循環ポンプ１７に吸引され、循環ポンプ１７によって水冷媒熱交換器５に圧送される。熱媒体は、水冷媒熱交換器５にて冷媒と熱交換して加熱され、再び外部放熱器２へと導かれる動作を繰り返す。このように、熱媒体が熱媒回路１６を循環することで、外部放熱器２による暖房が行われる。

このとき、熱媒体と冷媒とは、水冷媒熱交換器５において対向流となっている。

熱媒回路１６に配置されたフロースイッチ１８は、熱媒回路１６内に熱媒体が流通しているか否かを検知し、流通していない場合は、制御装置２４に異常信号を送る。制御装置２４は、異常信号を受信するとヒートポンプ熱交換装置の動作を停止させる。

高温または低温の熱媒体を生成する運転における熱交換性能は、プレート式の水冷媒熱交換器５における冷媒と熱媒体との熱交換の状態に大きく依存する。

プレート式の水冷媒熱交換器５における冷媒および熱媒体の流れを、図４、図５に示す。図４は、冷媒の流れを実線で、熱媒体の流れを破線で記載している。

冷媒入口５ａから水冷媒熱交換器５に流入した冷媒は、水冷媒熱交換器５の内部を第２の表面５ｆ側へ向かって流れ、また、積層されたプレート間に形成された流路を上方から下方へ向かって流れる。プレート間のそれぞれの流路を流れた冷媒は、水冷媒熱交換器５の下方で合流し、第１の表面５ｅに形成された冷媒出口５ｂに向かって流れ、冷媒出口５ｂより流出する。

一方、熱媒入口５ｃから水冷媒熱交換器５に流入した熱媒体は、水冷媒熱交換器５の内部を第２の表面５ｆ側に向かって流れ、また、積層されたプレート間に形成された流路を下方から上方へ向かって流れる。プレート間のそれぞれの流路を流れた熱媒体は、水冷媒熱交換器５の上方で合流し、第２の表面５ｆに形成された熱媒出口５ｄに向かって流れ、熱媒出口５ｄより流出する。

冷媒と熱媒体とは、主にプレート間に形成された流路を上下方向に対向して流れる間に熱交換を行う。これにより、低温の熱媒体が加熱されて、高温の熱媒体となる。

図５は、水冷媒熱交換器５において、プレート間に形成された流路に垂直な方向の断面での断面図である。図５（ａ）が冷媒の流れ、図５（ｂ）が熱媒体の流れを図示している。

図４および図５（ｂ）に示すように、水冷媒熱交換器５の内部に形成される熱媒体の流路の長さは、いずれのプレート間の流路を流れても、略同一である。これは、第１の表面５ｅに熱媒入口５ｃを設け、第１の表面５ｅと反対側の第２の表面５ｆに熱媒出口５ｄを設けているためである。その結果、熱媒体の流量は積層されたプレート間の複数の流路において均一となる。すなわち、熱媒体の流量分布は、図５（ｂ）で示すように、熱媒入口５ｃ側に形成されたプレート間の流路から、熱媒出口５ｄ側に形成されたプレート間の流路にわたって、略同一となる。

これに対し、図６に示すように、例えば、一方の面に熱媒入口５ｃおよび熱媒出口５ｄの双方を設けた場合、熱媒入口５ｃおよび熱媒出口５ｄが形成された面に近い側ほど熱媒体が流れる流路の長さは短くなる。よって、プレート間のそれぞれの流路ごとで圧力損失が異なることとなる。その結果、図６（ｂ）に示すように、熱媒入口５ｃ側では熱媒体の流量が多く、熱媒入口５ｃと反対側では熱媒体の流量が少なくなり、流量分布が不均一となる。

一方、冷媒が流れる流路については、冷媒入口５ａと冷媒出口５ｂとを同一の面上に設けているが、その流量分布は、熱媒体と比較して不均一とはならない。この理由について説明する。

冷媒は、高温の熱媒体を生成する場合、冷媒入口５ａから流入し、気相状態、二相状態、液相状態と順に相変化する。例えば、冷媒としてＲ４０７Ｃを用いた場合、気相状態の冷媒に生じる単位長さ当りの圧力損失は０．０８ｋＰａ／ｍ、二相状態の冷媒に生じる単位長さ辺りの圧力損失は４．０ｋＰａ／ｍ、同様に、液相状態の冷媒においては１．６ｋＰａ／ｍである。また、水冷媒熱交換器５の内部の体積のうち、それぞれの相状態の冷媒が占める体積比は、気相状態：二相状態：液相状態＝１：７：２程度となる。

図７（ａ）は、水冷媒熱交換器５の内部における、気相、二相、液相、それぞれの状態の冷媒の分布を示し、図７（ｂ）は、水冷媒熱交換器５の上下方向において、冷媒と熱媒体温との温度変化を示している。冷媒の温度は、気相状態から二相状態に変化するときには低下し、二相状態ではほぼ同一の温度となる。二相状態から液相状態に変化する時には
冷媒の温度は低下する。

図７（ａ）に示すように、積層されたプレート間を上下方向に流通する冷媒の多くは二相状態である。そして、その間の圧力損失は、冷媒がいずれのプレート間の流路を流れても一定である。それに対し、冷媒入口５ａから流入した気相状態の冷媒は、冷媒入口５ａと反対側に向かって流れるに従って圧力損失が増大し、流量が減ずる傾向となる。しかしながら、気相状態の冷媒に生じる圧力損失は、前述のように、二相状態の冷媒と比較して著しく小さい。よって、水冷媒熱交換器５において奥行き方向（水平方向）に流れる冷媒に生じる圧力損失の影響は少ない。

また、液相状態の冷媒についても、水冷媒熱交換器５の下方で合流して冷媒出口５ｂから流出するまでに圧力損失が生じる。しかしながら、液相状態の冷媒に生じる圧力損失は、二相状態の冷媒に生じる圧力損失と比較して小さく、その影響は少ない。

そのため、水冷媒熱交換器５の内部における冷媒の流量分布は、図６（ａ）に示すように、冷媒入口５ａと冷媒出口５ｂとが同一の面（第１の表面）５ｅに形成されていても、熱媒体の流量分布と比較して均一になる。よって、図５に示すように、熱媒体の流量分布と冷媒の流量分布とは略均一なものとなる。これにより、水冷媒熱交換器５の全域わたって熱交換が行われ、熱交換効率が向上する。

このことは、同一性能のプレート式熱交換器であれば、プレートの積層枚数を減らして水冷媒熱交換器５を小型軽量化することができることを意味する。また、プレートの積層枚数を減ずることなく、熱交換量と熱交換効率とを向上させることができる。

なお、プレート式の水冷媒熱交換器５のプレートの積層枚数を増すと、流路断面積が増大することとなるので、冷媒と熱媒体とに生じる圧力損失が減ずる傾向がある。よって、加熱能力を増大させるためにプレートの積層枚数を増やすと、それとともに圧力損失が低減する。その結果、例えば、外部放熱器２を流れる熱媒体に生じる圧力損失が大きい場合でも、ヒートポンプ熱交換装置を適用することができる。また、暖房端末であれば設置面積を増すことが可能となり、使用性が大幅に向上する。

熱媒回路１６には、導電性を有する水あるいは不凍液などの熱媒体が流通している。よって、何らかの原因で熱媒体が熱媒回路１６から漏出した場合でも、電源線などの高電圧が生じている箇所に熱媒体が触れることを防止する必要がある。ヒートポンプ熱交換装置の内部において、高電圧が生じている箇所は、主に、圧縮機４の電源接続部４ｃ、制御装置２４である。

図１、図２に示すように、制御装置２４は、外装体１の内部で、機械室２９の上方に配されている。すなわち、熱媒回路１６よりも上方に配置されていることから、熱媒体が接触する可能性は極めて低い。

一方、圧縮機４は底板２６に配置されていることから、電源接続部４ｃも外装体１の下方に位置することになる。電源接続部４ｃには、数１００Ｖの高電圧が印可されている。ここで、機械室２９の内方側に向いて形成される熱媒入口５ｃの高さは、圧縮機４の電源接続部４ｃよりも下方になるように構成している。これにより、機械室２９の内部で熱媒体が漏出した場合でも、熱媒入口５ｃに至る熱媒回路１６が、電源接続部４ｃよりも下方に位置しているので、電源接続部４ｃに熱媒体が接触することを防止し、安全性を向上させることができる。

特に、熱媒配管の接続箇所は、熱媒回路１６の中でも比較的漏水が生じやすい。よって
、機械室２９の内方側に向いて形成される熱媒入口５ｃの高さを電源接続部４ｃよりも下方とすることで、安全性を向上させることができる。

また、熱媒出口５ｄを熱媒入口５ｃよりも高い位置に配置し、かつ、外装体１の外方へ向いて形成していることで、水冷媒熱交換器５の熱交換効率を向上させつつ安全性を向上させることができる。

特に、高温の熱媒体を生成する際には、その浮力も利用して水あるいは不凍液などの熱媒体を循環させるのが効率的である。そのため、熱媒入口５ｃを下方に、熱媒出口５ｄを上方にしておくことが好ましい。

また、水冷媒熱交換器５の下方に循環ポンプ１７を配置し、循環ポンプ１７と熱媒入口５ｃとを接続していることで、水冷媒熱交換器５と循環ポンプ１７を上下方向に近接して配置することができる。よって、水冷媒熱交換器５と循環ポンプ１７の収納面積が小さくなる。これにより、ヒートポンプ装置全体を小型化して、設置の際の施工時間の短縮、設置の際に必要となる面積の縮小化を図ることができるので、施工性に優れたヒートポンプ熱交換装置とすることができる。

また、循環ポンプ１７と熱媒入口５ｃとを接続する配管（ポンプ出口配管３１）を短くして、熱媒回路１６の長さを短くすることができ、熱媒回路１６を流れる熱媒体に生じる圧力損失を低減することができる。よって、循環ポンプ１７の動力の低減が可能となり、消費電力を減らすことができる。また、配管が短くなることで放熱ロスが減少する。その結果、省エネルギー性に優れたヒートポンプ熱交換装置とすることができる。

さらに、熱媒回路１６を流れる熱媒体に生じる圧力損失が低減すると、様々な外部放熱器２に対して、ヒートポンプ熱交換装置を適用することができるので、その汎用性が高めることができる。

また、循環ポンプ１７は、底板２６によって支持固定されている。底板２６には、圧縮機４が固定されている。よって、底板２６の剛性が高まる。そのため、循環ポンプ１７の振動の伝播を防ぐことが可能となり、騒音を低減することができる。

また、循環ポンプ１７が底板２６に配置されているので、循環ポンプ１７の水抜きを容易に行うことができる。また、水抜き作業を行う際に、循環ポンプ１７が水冷媒熱交換器５および電源接続部４ｃよりも下方に配置されているので、電源線に水が接触することを防ぎ、漏電を防止できる。

また、循環ポンプ１７の流路が詰まった際などには、循環ポンプ１７を交換する必要がある。ここで、循環ポンプ１７は水冷媒熱交換器５の下方にあり、底板２６にて支持固定されているので、側板３５を外すことで、循環ポンプ１７を容易に露出させ、着脱することが可能となる。そのため、メンテナンス性の高いヒートポンプ熱交換装置とすることができる。

また、施工時には、熱媒体が流れる配管が、熱媒往きポート１９と熱媒戻りポート２０とに接続される。水冷媒熱交換器５の熱媒出口５ｄと熱媒往きポート１９とは熱媒配管３によって接続され、熱媒戻りポート２０と熱媒入口５ｃとは、循環ポンプ１７を介して熱媒配管３によって接続される。そのため、施工時における、熱媒往きポート１９と熱媒戻りポート２０との接続作業において水冷媒熱交換器５には直接的に力が加わらない。よって、水冷媒熱交換器５が変形する恐れがなく、水冷媒熱交換器５の変形による熱媒体の漏出を防ぎ、施工性が向上したヒートポンプ熱交換装置とすることができる。

なお、本実施の形態のヒートポンプ熱交換装置は、高温の熱媒体だけでなく、低温の熱媒体を生成することも可能である。図８は、低温の熱媒体を生成する場合の、冷媒の流れ方向を示している。このとき、制御装置２４は、四方弁９を駆動して流路を切替えることで、圧縮機４から吐出される冷媒を空気熱交換器７へと流す。空気熱交換器７に流入した冷媒は、空気と熱交換して凝縮し、さらに膨張弁６にて、減圧膨張され、低温の液冷媒となって水冷媒熱交換器５に流入する。水冷媒熱交換器５に流入した冷媒は、循環ポンプ１７によって圧送された熱媒体と熱交換する。これにより、低温の熱媒体が生成される。生成された低温の熱媒体が外部放熱器２を流通することで冷房が行われる。

このとき、水冷媒熱交換器５を流れる冷媒は、液相状態から二相状態、気相状態と相変化する。また、熱媒体と冷媒とはその流れが並行な状態で流通する。この場合においても、水冷媒熱交換器５における熱媒体および冷媒の流量分布は、略均一となり、熱交換効率に優れたヒートポンプ熱交換装置とすることができる。

なお、電源接続部４ｃが圧縮機４の上方に設けられている場合を記載したが、図９に示すように、電源接続部４ｃを圧縮機４の側方に設けても良い。この場合でも、熱媒入口５ｃが電源接続部４ｃよりも情報に設けられていれば、安全性を向上させることができる。

さらに、電源接続部４ｃが、水冷媒熱交換器５とは反対側の圧縮機４の面に設けられている、すなわち、圧縮機４のうち、仕切板２７側に設けられていると、熱媒体が電源接続部４ｃに接触することをより確実に防止することができる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ熱交換装置は、高温および低温の熱媒体を生成する熱交換効率に優れているので、家庭用、業務用の給湯措置、温水暖房装置に適用できる。

１ 外装体
２ 外部放熱器
３ 熱媒配管
４ 圧縮機
４ｃ 電源接続部
５ 水冷媒熱交換器
５ａ 冷媒入口
５ｂ 冷媒出口
５ｃ 熱媒入口
５ｄ 熱媒出口
５ｅ 第１の表面
５ｆ 第２の表面
６ 膨張弁
７ 空気熱交換器
８ 冷媒回路
９ 四方弁
１０ 送風ファン
１１ 圧力センサ
１２ 圧縮機出口温センサ
１３ 吐出配管
１４ 空気熱交出口温センサ
１５ 空気熱交出口配管
１６ 熱媒回路
１７ 循環ポンプ
１８ フロースイッチ
１９ 熱媒往きポート
２０ 熱媒戻りポート
２１ 水冷媒熱交換器入口温センサ
２２ 水冷媒熱交換器出口温センサ
２３ 膨張タンク
２４ 制御装置
２５ リモコン
２６ 底板
２７ 仕切板
２８ 送風回路室
２９ 機械室
３０ ポンプ入口配管
３１ ポンプ出口配管
３２ 送風モータ
３３ モータ支持台
３４ 前板
３５ 側板
３６ 天板

Claims (4)

1. 圧縮機、水冷媒熱交換器、減圧器、蒸発器が冷媒配管で環状に接続される冷媒回路と、
   熱媒体が流入する熱媒戻りポート、前記水冷媒熱交換器、熱媒体が流出する熱媒往きポートが熱媒配管で接続される熱媒回路と、を備え、
   前記水冷媒熱交換器をプレート式熱交換器とし、
   前記冷媒回路を循環する冷媒は、前記水冷媒熱交換器の一の表面に形成された冷媒入口から前記水冷媒熱交換器へと流入し、前記冷媒入口が形成された表面と同一の表面に形成された冷媒出口から流出し、
   前記熱媒回路を流れる熱媒体は、前記水冷媒熱交換器の一の表面に形成された熱媒入口から前記水冷媒熱交換器へと流入し、前記一の表面とは反対側の表面に形成された熱媒出口から流出することを特徴とするヒートポンプ熱交換装置。
2. 前記冷媒回路と前記熱媒回路とが内部に配設される外装体を備え、
   前記冷媒入口、前記冷媒出口、前記熱媒入口は、前記水冷媒熱交換器を構成する第１の表面に設けられ、
   前記熱媒出口は、前記第１の表面と反対側の第２の表面に設けられ、
   前記第１の表面が前記外装体の内方側に向いて配置され、
   前記熱媒入口は、前記熱媒出口よりも下方側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ熱交換装置。
3. 前記熱媒戻りポートと前記熱媒往きポートとは、前記外装体の外方に突出していることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ熱交換装置。
4. 前記水冷媒熱交換器の下方に配設され、前記熱媒回路に前記熱媒体を流す循環ポンプを備え、
   前記戻りポートと前記循環ポンプとが熱媒配管で接続され、
   前記循環ポンプと前記熱媒入口とが熱媒配管で接続されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ熱交換装置。