JP3986484B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、給湯機や暖房機、若しくは、給湯暖房機の熱源として用いられるヒートポンプ装置に関するものである。

従来よりヒートポンプを用いた給湯機は、圧縮機、放熱器、減圧装置及び蒸発器を順次環状に配管接続した冷媒回路を用い、蒸発器において蒸発する冷媒の吸熱作用により外気から熱を汲み上げ、放熱器で放熱させて温水を生成するものであった（例えば、特許文献１参照）。
特開昭５７−１６７３９号

図４に従来の一般的ヒートポンプ式給湯機１００の実際の回路構成図を示す。この図において１０１は熱源機ユニットであり、屋外に設置される。また、１０２はタンクユニットであり、これは通常屋外（集合住宅の場合には建物内の通路も含む）に設置される。熱源機ユニット１０１は圧縮機１０３、ガスクーラ（放熱器）１０４、凍結防止コイル１０６、膨張弁（減圧装置）１０７、蒸発器１０８及びアキュムレータ１０９などから構成されており、これらを順次環状に配管接続して冷媒回路１１１が構成されている。尚、１１２は蒸発器１０８に外気を通風するための送風機である。

上記圧縮機１０３が運転されると、高温高圧のガス冷媒がガスクーラ１０４に吐出され、冷媒はそこで放熱する。ガスクーラ１０４を出た冷媒は凍結防止コイル１０６を経て膨張弁１０７に至り、そこで減圧された後、蒸発器１０８に入って蒸発する。このときの吸熱作用により冷媒は外気から熱を汲み上げる。蒸発器１０８を出た冷媒はアキュムレータ１０９で気液分離された後、ガス冷媒のみが圧縮機１０３に吸い込まれる循環を繰り返す。これにより、蒸発器１０８において外気から汲み上げた熱をガスクーラ１０４に搬送するヒートポンプ作用を発揮するものである。

前記ガスクーラ１０４には水回路１０５が交熱的に設けられており、この水回路１０５の両端には、後述する屋外配管１２２、１２３を接続するための接続口１０５Ａ、１０５Ｂが形成されている。

一方、タンクユニット１０２は温水を貯留するための貯湯タンクＴから構成され、これにポンプ１１４〜１１６や混合弁１１７、電磁弁１１８や浴槽保温用熱交換器１１９などを配管接続して構成されている。この場合、タンクユニット１０２には市水配管１２１から市水が供給され、この市水配管１２１は分岐し、貯湯タンクＴの下部とポンプ１１４の吸込側、及び、混合弁１１７の一方の入口に接続されている。

前記屋外配管１２２は上記ポンプ１１４の吐出側に位置する接続口１１４Ａと熱源機ユニット１０１の接続口１０５Ａとの間に接続されて両者を連通する。また、屋外配管１２３は熱源機ユニット１０１の接続口１０５Ｂと貯湯タンクＴの上部に接続された温水配管１２４の一端の接続口１２４Ａ間に接続されて両者を連通する。この温水配管１２４には分岐して混合弁１１７の他方の入口とポンプ１１５の吸込側に接続されている。ポンプ１１５の吐出側は前記浴槽保温用熱交換器１１９の入口に接続され、浴槽保温用熱交換器１１９の出口は貯湯タンクＴの中間部に接続されている。

タンクユニット１０２に供給された市水はポンプ１１４によって屋外配管１２２に吐出され、この屋外配管１２２を経て水回路１０５に流入する。市水はこの水回路１０５を流れる過程で前述した如きガスクーラ１０４の放熱により加熱されて所定温度の温水となる。そして、この水回路１０５で生成された温水は屋外配管１２３を経てタンクユニット１０２に戻り、温水配管１２４を経て貯湯タンクＴに流入し、貯溜される。

この貯湯タンクＴ内に貯溜されている温水はポンプ１１５により汲み出され、浴槽保温用熱交換器１１９に循環される。この浴槽保温用熱交換器１１９には給湯配管１２６が交熱的に設けられており、この給湯配管１２６に浴槽Ｂとポンプ１１６が接続されている。前記混合弁１１７の出口にはシャワーヘッドＳＨと給水栓Ｎが接続されると共に、それらと混合弁１１７の間には電磁弁１１８を介して前記給湯配管１２６が分岐接続されている。

そして、シャワーヘッドＳＨや給水栓Ｎを開くと貯湯タンクＴ内に貯溜された温水が温水配管１２４、混合弁１１７を介して吐出される。また、これらには混合弁１１７にて市水も混合され、温度調節可能とされている。浴槽Ｂに給湯する場合には電磁弁１１８が開放され、混合弁１１７を経た温水が給湯配管１２６に導入されて浴槽Ｂに供給される。この浴槽Ｂ内の温水はポンプ１１６にて浴槽保温用熱交換器１１９に循環され、そこで、貯湯タンクＴ内から汲み出されて循環される高温の温水と熱交換される。これにより、浴槽Ｂ内の水の温度を維持する構成であった。

このように、従来のヒートポンプ式給湯機１００は屋外にあるタンクユニット１０２と熱源機ユニット１０１間を屋外配管１２２、１２３を介して市水と温水が流れる構造であったため、特に屋外配管１２３において温水が外気に放熱してしまい、熱効率の悪いものであった。

本発明は係る従来の技術的課題を解決するものである。

本発明のヒートポンプ装置は、圧縮機、放熱器及び蒸発器などを環状に配管接続して成る冷媒回路と、放熱器により加熱された温水を貯溜する貯湯タンクとを備えものであって、少なくとも圧縮機及び放熱器を備えた圧縮機ユニットと、この圧縮機ユニットと配管接続され、少なくとも蒸発器を備えた蒸発器ユニットとが構成されており、圧縮機ユニットと貯湯タンクとでタンクユニットが構成されていると共に、圧縮機の吸込側の配管は、貯湯タンクの下部に交熱的に巻回された巻回部を有するものである。

請求項２の発明のヒートポンプ装置は、上記において放熱器を出た配管と蒸発器を出た配管とを熱交換させることを特徴とする。

請求項３の発明のヒートポンプ装置は、上記において冷媒回路に封入する冷媒として二酸化炭素を使用したことを特徴とする。

請求項４の発明のヒートポンプ装置は、上記各発明において放熱器を貯湯タンクに対して低い位置に配置したことを特徴とする。

本発明によれば、圧縮機、放熱器及び蒸発器などを環状に配管接続して成る冷媒回路と、放熱器により加熱された温水を貯溜する貯湯タンクとを備えたヒートポンプ装置において、少なくとも圧縮機及び放熱器を備えた圧縮機ユニットと、この圧縮機ユニットと配管接続され、少なくとも蒸発器を備えた蒸発器ユニットとが構成されているので、例えば圧縮機ユニットを貯湯タンク近傍の屋内に設置し、蒸発器ユニットを屋外に設置することができるようになる。

これにより、屋内と屋外との間を流れる媒体は冷媒回路の放熱器を出た冷媒及び蒸発器から出た冷媒となるので、従来の如く冷媒回路を屋外に設置し、屋内の貯湯タンクとの間を水と温水とが流れる場合に比して熱損失を著しく低減させ、暖房・給湯性能と効率の改善を図ることが可能となる。

即ち、圧縮機ユニットが屋内で蒸発器ユニットが屋外であれば接続配管の熱損失を無くすることが可能となる。また、蒸発器ユニットに屋外と屋内の空気を熱交換させるようにすれば、熱交換した屋内の空気によって屋内を冷房し、また、屋内と屋外の換気を行わせることも可能となる。更に、蒸発器ユニットが圧縮機ユニットから独立していることで、太陽熱源や地中熱源用の熱交換器を蒸発器ユニットの前段若しくは並列で組み込むことで、複数種類の熱源利用が可能なシステムへの展開等も可能となるものである。

また、本発明によれば、圧縮機ユニットと貯湯タンクとでタンクユニットを構成しているので、屋内における設置スペースの削減と据え付け作業性の改善を図ることが可能となる。

更に、本発明では圧縮機の吸込側の配管が、貯湯タンクの下部に交熱的に巻回された巻回部を有しているので、特に圧縮機の起動時などに貯湯タンク周辺の余熱で圧縮機に吸い込まれる冷媒を蒸発させ、圧縮機への液戻りの発生をより効果的に解消することができるようになる。

請求項２の発明によれば、上記発明に加えて放熱器を出た配管と蒸発器を出た配管とを熱交換させるようにしたので、特に請求項３の如く二酸化炭素を冷媒として使用する場合に、蒸発器に入る冷媒の温度を低下させ、逆に圧縮機に吸い込まれる冷媒の蒸発を促進させて運転効率と圧縮機液戻りの防止効果の改善を図ることができるようになる。

請求項４の発明によれば、上記各発明に加えて放熱器を貯湯タンクに対して低い位置に配置したので、例えば除霜運転中に放熱器が過度に冷却されても、水の密度差による貯湯タンクからの温水の逆流が起こらなくなる。これにより、貯湯タンク内に貯溜した温水を放熱器で冷却してしまうと云う熱損失が発生しなくなる。また、放熱器に温水が逆流した場合、放熱器の出口温度が高温を維持することになり、除霜復帰時の立ち上がり運転において、循環水流量の過度な絞り込みによる圧力上昇でヒートポンプ装置が停止すると云う誤動作が発生するが、上記の如き配置関係とすることで係る誤動作も未然に防止することが可能となる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。

図１は本発明の一実施例のヒートポンプ装置１の主要部の配管構成を示している。尚、実施例のヒートポンプ装置１は例えば集合住宅における給湯に用いられるものであり、この図においては示さないが、図４における貯湯タンクＴ以降の給湯回路の構成、即ち、シャワーヘッドＳＨ、給水栓Ｎ、浴槽Ｂ、混合弁１１７、ポンプ１１５、１１６、電磁弁１１８、給湯配管１２６、浴槽保温用熱交換器１１９、市水配管１２１、温水配管１２４などの配管構成は、以下に説明する貯湯タンクＴにおける場合も同様である。

この図において、２は圧縮機、３は放熱器としてのガスクーラ、４は減圧装置としての膨張弁、６は蒸発器であり、これらは順次環状の冷媒配管にて接続されて冷媒回路Ｒを構成している。尚、図１において、Ｔは前述同様の貯湯タンクであり、１１４は前述したものと同様の機能を奏するポンプである。また、８は送風機である。この場合、貯湯タンクＴ、ポンプ１１４、圧縮機２及びガスクーラ３は一体にユニット化されてタンクユニット７を構成しており、蒸発器６、膨張弁４及び送風機８は一体にユニット化されて蒸発器ユニット９を構成している。即ち、冷媒回路Ｒを構成する圧縮機２とガスクーラ３とは蒸発器ユニット９とは別体とされ、且つ、圧縮機２とガスクーラ３とから成るこの場合の圧縮機ユニット２Ａはタンクユニット７内に吸収されて一体化されている。

そして、タンクユニット７は屋内（集合住宅における屋内通路も含む）に設置されると共に、蒸発器ユニット９は屋外に、若しくは、外気を内部に循環できるように屋外に面して設置されている。尚、実施例では集合住宅のパイプシャフト内に屋外に面して設置され、送風機９の運転により吸い込まれた外気が蒸発器６内を通過して外部に排出される構造とされている。また、各ユニット７、９を設置した後、タンクユニット７側の圧縮機２の吸込側と蒸発器ユニット９の蒸発器６の出口との間は低圧側の冷媒配管１１にて連通接続されると共に、タンクユニット７側のガスクーラ３の出口と蒸発器ユニット９側の膨張弁４の入口との間は高圧側の冷媒配管１２にて連通接続される。

この場合、両冷媒配管１１、１２は内部に多数の細通路が構成された多穴管であり、少なくとも一面が平面とされ、その平面同士を密着させた状態で相互に溶接などにより交熱的に固定されている。そして、両冷媒配管１１、１２は相互に密着固定された状態で、全体が断熱材１３にて覆われている。これにより、両冷媒配管１１、１２はそれら以外の外部との熱の授受を阻止され、両冷媒配管１１、１２が相互に極めて効率的に熱交換できるように構成されている。

尚、上記に限らず、例えば高圧側の冷媒配管１２を断面円形の配管とし、低圧側の冷媒配管１１を窪み管としてこの冷媒配管１１の凹所内に冷媒配管１２を配設して両者をカシメ、接合面を溶着させる構造であってもよい。また、通常の断面円形の配管同士を線接触っせてもよく、単に断面円形の配管同士を一体にして断熱する構造であってもよい。

前記圧縮機２は密閉容器内に第１及び第２の回転圧縮要素と電動要素を収納して成る多段圧縮式内部中間圧型のロータリコンプレッサであり、冷媒としては所定量の二酸化炭素（ＣＯ₂）が封入されている。

一方、市水配管１２１が吸込側に接続されたポンプ１１４の吐出側は水回路１６に接続され、この水回路１６はガスクーラ３と交熱的に配設された後、温水配管１２４に接続される。そして、この温水配管１２４が貯湯タンクＴの上部に接続されている。この貯湯タンクＴの上部には前述同様の温水配管１２４が接続され、以降の給湯回路（図４）に接続されている。また、市水配管１２１はこの場合も分岐して貯湯タンクＴの下部に接続されている。

上記ポンプ１１４の運転によって市水配管１２１から吸引された水は水回路１６に送られ、ガスクーラ３を通過する過程で後述する如く加熱されて温水となり、貯湯タンクＴに送られて貯溜されるが、この場合、ガスクーラ３の位置は、空の状態からポンプ１１４が例えば９０分運転されたときに貯溜される貯湯タンクＴ内の温水の水面よりも低くなる位置とする。このようにガスクーラ３を低い位置に設置することで、圧縮機２の停止中（蒸発器６の除霜時など）にガスクーラ３が冷えた場合に、自然対流によって貯湯タンクＴから温水配管１２４を経てガスクーラ３に温水が逆流しなくなる。

実施例の場合、実際には、
ガスクーラ３の上面の位置−貯湯タンクＴの最下点＜１．５ｍｍ×貯湯タンクの容量（Ｌ）
となる高さ関係に配置する。この場合、例えば３７０（Ｌ）の貯湯タンクＴでは、当該貯湯タンクＴの底面から５５．５ｍｍの高さの位置にガスクーラ３の上面を抑えることになる。係る配置とすることで、除霜運転中にガスクーラ３が過度に冷却されても、水の密度差による逆流が起こらなくなる。これにより、貯湯タンクＴ内に貯溜した温水をガスクーラ３で冷却してしまうと云う熱損失が発生しなくなる。また、ガスクーラ３に温水が逆流した場合、ガスクーラ３の出口温度が高温を維持することになる。その場合は、除霜復帰時の立ち上がり運転において、循環水流量の過度な絞り込みによる圧力上昇でヒートポンプ装置１が停止すると云う誤動作が発生するが、上記の如き配置関係とすることで係る誤動作も未然に防止することが可能となる。

以上の構成で、圧縮機２の前記電動要素に通電されて運転されると、前記第１の回転圧縮要素に冷媒配管１１から冷媒が吸い込まれて圧縮され（一段目の圧縮）、中間圧となって前記密閉容器内に吐出される。この密閉容器内の中間圧の冷媒は前記第２の回転圧縮要素に吸い込まれ、二段目の圧縮が行われて高温高圧となり、ガスクーラ３に吐出される。尚、この時点でＣＯ₂冷媒は十分な超臨界圧力となっている。

ガスクーラ３に流入した冷媒はそこで放熱した後、冷媒配管１２を経て膨張弁４に至るが、ガスクーラ３を通過する過程でＣＯ₂冷媒は超臨界状態のままであり、液化しない。膨張弁４で冷媒は減圧され、その過程で液化して蒸発器６に流入する。蒸発器６に流入した冷媒はそこで蒸発し、そこを通過する外気から潜熱を奪う。この吸熱作用によって外気から冷媒に熱が汲み上げられることになる。

蒸発器６で蒸発した冷媒は冷媒配管１１に流入し、そこを通過する過程で高圧側の冷媒配管１２により加熱されるので、未蒸発の液冷媒はそこで蒸発し、ガス化する。これにより、レシーバータンクを設けない所謂満液式の蒸発器であっても、圧縮機２に液冷媒が吸い込まれる不都合を解消できることになる。一方、冷媒配管１２を流れる高圧側の冷媒は冷媒配管１１内を流れる低圧側の冷媒によって過冷却されることになるので、冷媒回路Ｒの運転効率が改善される。

一方、前述した如くポンプ１１４にて水回路１６に吐出された水はそこを通過する過程でガスクーラ３により加熱され、高温の温水となって温水配管１２４を介し、貯湯タンクＴに流入していく。貯湯タンクＴ内に貯溜された温水は前述（図４）した如くシャワーヘッドＳＨや給水栓Ｎ、浴槽Ｂへの給湯に用いられることになる。

この場合、屋内のタンクユニット７と屋外側の蒸発器ユニット９との間を流れる媒体は冷媒回路Ｒのガスクーラ３を出た冷媒配管１２を流れる高圧側冷媒と蒸発器６から出た低圧側冷媒のみとなるので、従来（図４）の如く冷媒回路を屋外に設置し、屋内の貯湯タンクとの間を水と温水とが流れる場合のように、温水から外気への放熱が無くなる。また、冷媒配管１２を流れる冷媒も、ガスクーラ３にて放熱し、温水の生成に使用された後の冷媒であるので、熱損失が著しく低減され、給湯性能と効率の改善が図られることになる。

即ち、圧縮機ユニット２Ａが屋内で蒸発器ユニット９が屋外であれば接続配管の熱損失を無くすることが可能となる。また、蒸発器ユニット９に屋外と屋内の空気（図１に破線矢印で示す）を熱交換させるようにすれば、蒸発器６と熱交換した屋内の空気によって屋内を冷房し、また、屋内と屋外の換気を行わせることも可能となる。更に、蒸発器ユニット９が圧縮機ユニット２Ａから独立していることで、太陽熱源や地中熱源用の熱交換器ユニットを蒸発器ユニット９の前段若しくは並列で組み込むことで、複数種類の熱源利用が可能なシステムへの展開等も可能となる。更に、圧縮機ユニット２Ａと貯湯タンクＴとでタンクユニット７を構成しているので屋内における設置スペースの削減と据え付け作業性の改善を図ることが可能となる。

即ち、圧縮機ユニットが屋内で蒸発器ユニットが屋外であれば接続配管の熱損失を無くすることが可能となる。また、蒸発器ユニットに屋外と屋内の空気を熱交換させるようにすれば、熱交換した屋内の空気によって屋内を冷房し、また、屋内と屋外の換気を行わせることも可能となる。更に、蒸発器ユニットが圧縮機ユニットから独立していることで、太陽熱源や地中熱源用の熱交換器を蒸発器ユニットの前段若しくは並列で組み込むことで、複数種類の熱源利用が可能なシステムへの展開等も可能となるものである。

次に、図２は本発明の第２の実施例を示している。尚、この図において図１と同一符号は同一若しくは同様の機能を奏するものとする。この場合、蒸発器ユニット９の蒸発器６を出た低圧側の冷媒配管１１は、タンクユニット７に入った後、圧縮機２の吸込側に至る以前の箇所において、貯湯タンクＴの下部に交熱的に巻回された巻回部１１Ａを有している。

このように、冷媒配管１１の巻回部１１Ａを貯湯タンクＴと交熱的に配設する構成とすることにより、特に圧縮機２の起動時などに貯湯タンクＴ周辺の余熱で圧縮機２に吸い込まれる冷媒を蒸発させ、圧縮機２と蒸発器６の間にレシーバータンクを用いなくとも、圧縮機２への液戻りの発生をより効果的に解消することができるようになる。

次に、図３は本発明の第３の実施例を示している。尚、この図においても図１と同一符号は同一若しくは同様の機能を奏するものとする。特に、この場合は圧縮機２とガスクーラ３がタンクユニット７とは別体とされた圧縮機ユニット２Ａとされ、これも屋内のタンクユニット７近傍に設置されている。そして、この圧縮機ユニット２Ａは前述同様に蒸発器ユニット９と冷媒配管１１、１２により接続され、前述同様にタンクユニット７と水回路１６や温水配管１２４によって接続される。また、この場合のガスクーラ３の貯湯タンクＴに対する高さも図１の場合と同様である。尚、１２Ａは膨張弁４の手前に設けられた凍結防止パイプである。

このように、圧縮機ユニット２Ａと貯湯タンクＴのあるタンクユニット７とを別体に構成したので、屋内における圧縮機ユニット２Ａとタンクユニット７（貯湯タンクＴ）の設置場所の自由度が増し、汎用性に富んだものとなる。

即ち、圧縮機ユニット２Ａと貯湯タンクＴのあるタンクユニット７とを別体に構成することにより、既設の配管や既設のボイラシステムを利用することができるようになる。例えば、ガス熱源の温水暖房システムの熱源機に相当するガスボイラのみを圧縮機ユニット２Ａと蒸発器ユニット９に置き換えることができるようになる。また、特に実施例の如く二酸化炭素冷媒を用いたヒートポンプ装置１の場合、係る構成としたことにより、例えば暖房の温水戻り部に更に換気熱交換器などの補助熱交換器を設置することにより、暖房ＣＯＰを各段に上昇させることが可能となる。

但し、この場合の圧縮機ユニット２Ａは図示しない接続具によって蒸発器ユニット９と着脱可能に接続し、一体化できるように構成されている。これにより、設置場所の事情により圧縮機ユニット２Ａを屋内に設置できない場合でも、蒸発器ユニット９と一体化して屋外に設置できるようになり、各ユニットの配置を任意に変更可能となる。

尚、上記各実施例では本発明のヒートポンプ装置１を給湯機として使用したが、貯湯タンクＴ内の温水によって室内を暖房する暖房機に使用しても有効である。また、実施例ではＣＯ２を冷媒として使用したが、請求項１乃至請求項５の発明では通常のＨＦＣ冷媒などを使用してもよい。更に、蒸発器ユニット９における吸熱対象には、外気に加えて、太陽熱や地熱を加味してもよい。

また、上記実施例では圧縮機として多段圧縮式内部中間圧型のロータリコンプレッサを採りあげたが、それに限らず、単段の内部高圧式や内部低圧式の圧縮機でも有効である。

本発明のヒートポンプ装置の主要部の配管構成図である（実施例１）。 本発明のヒートポンプ装置の主要部の配管構成図である（実施例２）。 本発明のヒートポンプ装置の主要部の配管構成図である（実施例３）。 従来のヒートポンプ給湯機の配管構成図である。

符号の説明

１ ヒートポンプ装置
２ 圧縮機
２Ａ 圧縮機ユニット
３ ガスクーラ（放熱器）
４ 膨張弁（減圧装置）
６ 蒸発器
７ タンクユニット
８ 送風機
９ 蒸発器ユニット
１１、１２ 冷媒配管
１６ 水回路
１１４ ポンプ
１２１ 市水配管
１２４ 温水配管
Ｒ 冷媒回路
Ｔ 貯湯タンク

Claims (4)

1. 圧縮機、放熱器及び蒸発器などを環状に配管接続して成る冷媒回路と、前記放熱器により加熱された温水を貯溜する貯湯タンクとを備えたヒートポンプ装置において、
   少なくとも前記圧縮機及び放熱器を備えた圧縮機ユニットと、該圧縮機ユニットと配管接続され、少なくとも前記蒸発器を備えた蒸発器ユニットとが構成されており、前記圧縮機ユニットと前記貯湯タンクとでタンクユニットが構成されていると共に、
   前記圧縮機の吸込側の配管は、前記貯湯タンクの下部に交熱的に巻回された巻回部を有することを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 前記放熱器を出た配管と前記蒸発器を出た配管とを熱交換させることを特徴とする請求項１のヒートポンプ装置。
3. 前記冷媒回路に封入する冷媒として二酸化炭素を使用したことを特徴とする請求項２のヒートポンプ装置。
4. 前記放熱器を前記貯湯タンクに対して低い位置に配置したことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３のヒートポンプ装置。

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