JP3904013B2 - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

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Description

本発明はヒートポンプ式給湯装置に関するものである。
この種の従来のヒートポンプ式給湯装置技術としては、給湯熱交換器から減圧装置に供給される冷媒と、蒸発器から圧縮機に供給される冷媒との熱交換を行う冷媒熱交換器を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特許第３３１６４４４号公報
しかしながら、上記従来の方式では、蒸発器から圧縮機に供給される冷媒との熱交換を行う冷媒管を設けることにより、冷媒管の管内圧力損失の増加に伴う成績係数の低下という課題を有していた。
本発明は上記課題を解決するもので、ヒートポンプ式給湯装置の入水温度や外気温度が高くなる際の冷媒圧力上昇及び成績係数の低下を抑制するヒートポンプ式給湯装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のヒートポンプ式給湯装置は、圧縮機、水と冷媒とを熱交換させる給湯用放熱器、第一の減圧装置、冷媒と外気とを熱交換させる中間熱交換器、第二の減圧装置、冷媒と外気とを熱交換させる蒸発器を順次接続して構成したヒートポンプサイクルと、前記給湯用熱交換器の入水温度を検出する入水温度検出手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記第一及び第二の減圧装置の動作を制御する制御手段とを備え、前記入水温度検出手段および／または前記外気温度検出手段が検出する検出値に基づいて、前記減圧装置の弁開度を調整する構成とし、前記入水温度検出手段および／または前記外気温度検出手段によって決定されたパターンに基づいて、前記第一及び第二の減圧装置のいずれか一方を全開に制御するもので、入水温度や外気温度が低い場合は、減圧を第一の減圧装置とし、第二の減圧装置の弁開度を全開にすることで、中間熱交換器は蒸発器として作用するため、成績係数の向上が可能となり、入水温度や外気温度が高い場合には、減圧を第二の減圧装置とし、第一の減圧装置の弁開度を全開にすることで、中間熱交換器は放熱器として作用するため、高圧側冷媒圧力の低減と成績係数の向上が可能となる。
これにより、給湯熱交換器の入水温度や外気温度が高くなる際の冷媒圧力上昇及び成績係数の低下抑制と、前記入水温度が低い際の成績係数向上の両立が可能なヒートポンプ式給湯装置を提供できる。
本発明によれば、ヒートポンプ式給湯装置の入水温度や外気温度が高くなる際の冷媒圧力上昇及び成績係数の低下を抑制するヒートポンプ式給湯装置を提供できる。
第１の発明は、圧縮機、水と冷媒とを熱交換させる給湯用放熱器、第一の減圧装置、冷媒と外気とを熱交換させる中間熱交換器、第二の減圧装置、冷媒と外気とを熱交換させる蒸発器を順次接続して構成したヒートポンプサイクルと、前記給湯用熱交換器の入水温度を検出する入水温度検出手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記第一及び第二の減圧装置の動作を制御する制御手段とを備え、前記入水温度検出手段および／または前記外気温度検出手段が検出する検出値に基づいて、前記減圧装置の弁開度を調整する構成とし、前記入水温度検出手段および／または前記外気温度検出手段によって決定されたパターンに基づいて、前記第一及び第二の減圧装置のいずれか一方を全開に制御するもので、入水温度や外気温度が低い場合は、減圧を第一の減圧装置とし、第二の減圧装置の弁開度を全開にすることで、中間熱交換器は蒸発器として作用するため、成績係数の向上が可能となり、入水温度や外気温度が高い場合には、減圧を第二の減圧装置とし、第一の減圧装置の弁開度を全開にすることで、中間熱交換器は放熱器として作用するため、高圧側冷媒圧力の低減と成績係数の向上が可能となる。
これにより、給湯熱交換器の入水温度または外気温度が高くなる際の冷媒圧力上昇及び成績係数の低下抑制と、前記入水温度が低い際の成績係数向上の両立が可能なヒートポン
プ式給湯装置を提供できる。
第２の発明は、第１の発明のヒートポンプ式給湯装置において、前記ヒートポンプ式給湯装置に使用される冷媒は、二酸化炭素であるもので、この場合、サイクル内の圧力が冷媒の臨界圧力以上まで加圧され、設計圧力が非常に高い（約１４ＭＰａ）動作をする。したがって、入水温度が高い場合、急激な高圧上昇を防止することで高圧部品の設計圧力の増加を防ぎ、圧力容器（熱交換器）や機能部品（膨張弁）のシステムコストを抑制することができる。
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、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１及び図２は、第１の実施の形態におけるヒートポンプ式給湯装置と運転制御を示したものである。図１は、圧縮機１、水と冷媒とを熱交換させる給湯用放熱器２、第一の減圧装置３、冷媒と外気とを熱交換させる中間熱交換器１０、第二の減圧装置１１、冷媒と外気とを熱交換させる蒸発器４を冷媒配管５により環状に接続して構成され、前記減圧装置の弁開度を調整できるヒートポンプサイクルと、給湯用の液体を蓄える貯湯槽６と、前記貯湯槽内の液体が前記給湯装置を介し循環できる液体配管８と、前記液体配管に貯湯槽内の液体を流通させるポンプ７と、前記給湯用熱交換器の入水温度を検出する入水温度検出手段３１と、外気温度を検出する外気温度検出手段３２と、前記入水温度検出手段または前記外気温度検出手段により前記第一及び第二の減圧装置を制御する制御手段であるマイクロコンピュータ３０を備えている。
次に、本実施の形態の作用を説明する。図２は、図１の構成により前記ヒートポンプ給湯装置が運転され前記中間熱交換器１０の作用が決定される制御動作説明図である。これによれば、本実施の形態のヒートポンプ式給湯装置は、減圧を第一の減圧装置３とし、第二の減圧装置１１の弁開度を全開にすることで、中間熱交換器１０は蒸発器として作用する（本動作を制御パターンＡとした）。中間熱交換器１０が蒸発器として作用することで吸熱能力増加による成績係数の向上が可能となる。
また、減圧を第二の減圧装置１１とし、第一の減圧装置３の弁開度を全開にすることで、中間熱交換器１０は放熱器として作用する（本動作を制御パターンＢとした）。これにより、放熱器２のみの運転に対して、高圧側冷媒圧力の低減が可能となる。この制御パターンＡまたはＢの動作は、前記入水温度検出手段３１と前記外気温度検出手段との検出値の組み合わせにより決定されることを特徴とし、入水温度や外気温度が高い過負荷状態での高圧側冷媒圧力の低減は、設計圧力増加による圧力容器や冷媒系機能部品のシステムコストの増加を防止できる。
なお、本実施の形態においては、上記制御パターンＡまたはＢの動作は、前記入水温度検出手段３１と前記外気温度検出手段との検出値の組み合わせにより決定されているが、どちらか片方であっても、ほぼ同様の効果は得られる。
（実施の形態２）
第２の実施の形態において、上記第１の実施の形態におけるヒートポンプ式給湯装置の冷媒として二酸化炭素を使用した場合について説明する。
次に、本実施の形態の作用について説明する。図３は、前記中間熱交換器が蒸発器として作用した場合のモリエル線図を示し、図４は、前記中間熱交換器が放熱器として作用した第２の実施の形態におけるモリエル線図（ｐ−ｈ線図）を示したものである。図３より
、前記中間熱交換器が蒸発器として作用したまま入水温度が、１７℃から５０℃に上昇した場合、超臨界サイクルを形成する二酸化炭素の等温線に基づき、非常に高い圧力での運転が強いられ、低入水温度に比べて成績係数の低い運転となる。
一方、図４より、中間熱交換器が放熱器として作用する第２の実施の形態の場合、前記中間熱交換器１０は、外気（１６℃）と冷媒が熱交換する為、超臨界サイクルを形成する二酸化炭素の等温線に基づき放熱器出口は外気温度付近まで低下する。放熱器出口温度が低いほど冷媒密度が高いため、冷媒吐出圧力が低減する。冷媒吐出圧力の低減は、圧縮機所要動力減少により成績係数を向上させ、更に設計圧力増加を防ぐ為、圧力容器及び冷媒系機能部品のシステムコストアップを防止できる。
本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯装置の本体構成図 同ヒートポンプ式給湯装置の運転動作説明図 本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ式給湯装置の運転動作時の説明図（モリエル線図） 同ヒートポンプ式給湯装置の他の運転動作時の説明図（モリエル線図）
符号の説明
１ 圧縮機
２ 給湯熱交換器
３ 第一の減圧装置（電気式膨張弁）
４ 蒸発器
１０ 中間熱交換器
１１ 第二の減圧装置（電気式膨張弁）
３０ マイクロコンピュータ（制御手段）
３１ 入水温度検出手段
３２ 外気温度検出手段

Claims (2)

  1. 圧縮機、水と冷媒とを熱交換させる給湯用放熱器、第一の減圧装置、冷媒と外気とを熱交換させる中間熱交換器、第二の減圧装置、冷媒と外気とを熱交換させる蒸発器を順次接続して構成したヒートポンプサイクルと、前記給湯用熱交換器の入水温度を検出する入水温度検出手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記第一及び第二の減圧装置の動作を制御する制御手段とを備え、前記入水温度検出手段および／または前記外気温度検出手段が検出する検出値に基づいて、前記減圧装置の弁開度を調整する構成とし、前記入水温度検出手段および／または前記外気温度検出手段によって決定されたパターンに基づいて、前記第一及び第二の減圧装置のいずれか一方を全開に制御することを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
  2. 冷媒は、二酸化炭素であ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装置。
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