JP4595546B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明はヒートポンプ湯装置に関するものである。

従来、この種のヒートポンプ給湯装置は、図３に示すものがある（例えば、特許文献１参照）。

図３は従来のヒートポンプ給湯機のサイクル構成図である。図３において、圧縮機１、給湯用熱交換器２、絞り装置３、蒸発器４からなる冷媒循環回路と、貯湯槽５、循環ポンプ６、前記給湯用熱交換器２、補助加熱器１９を接続した給湯回路からなり、前記圧縮機１より吐出された高温高圧の過熱ガス冷媒は前記給湯用熱交換器２に流入し、ここで前記循環ポンプ６から送られてきた給湯水を加熱する。そして、凝縮液化した冷媒は前記絞り装置３で減圧され、前記蒸発器４に流入し、ここで大気熱を吸熱して蒸発ガス化し、前記圧縮機１にもどる。

一方、前記給湯用熱交換器２で加熱された湯は前記貯湯槽５の上部に流入し、上から次第に貯湯されていく。そして、前記給湯用熱交換器２の入口水温が設定値に達すると水温検知器２０が検知し、前記圧縮機１によるヒートポンプ運転を停止して、前記補助加熱器１９の単独運転に切り換えるものである。
特開昭６０−１６４１５７号公報

しかしながら、上記のような従来の構成では、沸き上げ運転時間の経過とともに貯湯槽５内の湯と水の接する部分で湯水混合層が生じ、その層は次第に拡大していく。これは、高温湯と低温水の熱伝導および対流により発生するものであり、高温湯から低温水へ伝熱されその境界部分で高温湯は温度低下し、逆に低温水は温度上昇する。従って、沸き上げ運転完了近くになると、前記給湯用熱交換器２に流入する水温は高くなるため、前記圧縮機１の吐出圧力が上昇して、前記圧縮機１の耐久性が課題となっていた。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、給湯用熱交換器に流入する水温が高いときでも圧縮機の耐久性を確保したヒートポンプ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装置は、圧縮機、放熱器、主絞り装置、蒸発器を順次接続して形成した冷媒回路と、前記冷媒回路の前記主絞り装置、前記蒸発器の間と前記蒸発器、前記圧縮機の間とを接続するバイパス回路と、貯湯槽、循環手段、放熱器を順次接続した給湯回路と、前記循環手段により前記貯湯槽から前記放熱器に搬送される給湯水の温度を検知する入水温度検知手段と、前記バイパス回路に副絞り装置と、前記副絞り装置の上流側のバイパス回路と前記放熱器、前記主絞り装置の間とで熱交換を行う補助熱交換器と、前記バイパス回路に前記副絞り装置と直列に設けられた開閉弁と、前記入水温度検知手段の検知温度に基づいて、前記開閉弁の開閉動作を制御する制御装置と備えたことを特徴とするもので、入水温度が高い場合、通常のヒートポンプサイクルの場合、放熱器の出口温度も上昇し、放熱器および蒸発器の冷媒ホールド量が減少するため高圧が上昇する傾向にあるが、本発明のように、補助熱交換器で蒸発器に流入する低温の二相冷媒と熱交換して、放熱器を出た冷媒を冷却することにより、冷媒エンタルピーが減少してその密度が増加し、また、蒸発器入口の乾き度も減少して蒸発器の冷媒ホールドが増加するため、入水温度が高い場合でも、高圧は上昇することなくヒートポンプサイクルを安全に運転できる。

本発明によれば、給湯用熱交換器に流入する水温が高いときでも圧縮機の耐久性を確保したヒートポンプ装置を提供できる。

第１の発明は、圧縮機、放熱器、主絞り装置、蒸発器を順次接続して形成した冷媒回路と、前記冷媒回路の前記主絞り装置、前記蒸発器の間と前記蒸発器、前記圧縮機の間とを接続するバイパス回路と、貯湯槽、循環手段、放熱器を順次接続した給湯回路と、前記循環手段により前記貯湯槽から前記放熱器に搬送される給湯水の温度を検知する入水温度検知手段と、前記バイパス回路に副絞り装置と、前記副絞り装置の上流側のバイパス回路と前記放熱器、前記主絞り装置の間とで熱交換を行う補助熱交換器と、前記バイパス回路に前記副絞り装置と直列に設けられた開閉弁と、前記入水温度検知手段の検知温度に基づいて、前記開閉弁の開閉動作を制御する制御装置と備えたことを特徴とするもので、入水温度が高い場合、通常のヒートポンプサイクルの場合、放熱器の出口温度も上昇し、放熱器および蒸発器の冷媒ホールド量が減少するため高圧が上昇する傾向にあるが、本発明のように、補助熱交換器で蒸発器に流入する低温の二相冷媒と熱交換して、放熱器を出た冷媒を冷却することにより、冷媒エンタルピーが減少してその密度が増加し、また、蒸発器入口の乾き度も減少して蒸発器の冷媒ホールドが増加するため、入水温度が高い場合でも、高圧は上昇することなくヒートポンプサイクルを安全に運転できる。

また、前記副絞り装置で流量を適度に制限しながら、開閉弁の開閉を制御することで、補助熱交換器での熱交換量を増減でき、蒸発器入口の冷媒乾き度と圧縮機吸入ガス温度とを制御して、圧縮機の吐出圧力と吐出温度を制御することが可能となり、生成する給湯水温度に適した高効率な運転が可能となる。

また、前記入水温度に応じて、前記補助熱交換器での熱交換量を増減でき、蒸発器入口の冷媒乾き度と圧縮機吸入ガス温度とを制御して、圧縮機の吐出圧力と吐出温度を制御することが可能となり、生成する給湯水温度に適した高効率な運転が可能となる。

また、沸き上げ運転完了近くになって入水温度が高くなった場合にも、圧縮機の吐出圧力や吐出温度を低減しながら、給湯水を容易に高温に加熱することができ、ヒートポンプを安全にかつ高効率で運転できる。また、貯湯槽の下部まで高温湯を貯湯でき、貯湯槽の容量を有効に利用できる。

第２の発明は、圧縮機、放熱器、主絞り装置、蒸発器を順次接続して形成した冷媒回路と、前記冷媒回路の前記主絞り装置、前記蒸発器の間と前記蒸発器、前記圧縮機の間とを接続するバイパス回路と、前記バイパス回路に副絞り装置と、前記副絞り装置の上流側のバイパス回路と前記放熱器、前記主絞り装置の間とで熱交換を行う補助熱交換器と、前記バイパス回路に前記副絞り装置と直列に設けられた開閉弁と、前記放熱器出口の冷媒温度を検知する冷媒温度検知手段と、前記冷媒温度検知手段の検知温度に基づいて、前記開閉弁の開閉動作を制御する制御装置とを備えたことを特徴とするもので、前記放熱器出口冷媒温度に応じて、前記補助熱交換器での熱交換量を増減でき、蒸発器入口の冷媒乾き度と圧縮機吸入ガス温度とを制御して、圧縮機の吐出圧力と吐出温度を制御することが可能となり、生成する給湯水温度に適した高効率な運転が可能となる。

また、沸き上げ運転完了近くになって入水温度が高くなった場合にも、圧縮機の吐出圧力や吐出温度を低減しながら、給湯水を容易に高温に加熱することができ、ヒートポンプを安全にかつ高効率で運転できる。

第３の発明は、圧縮機、放熱器、主絞り装置、蒸発器を順次接続して形成した冷媒回路と、前記冷媒回路の前記主絞り装置、前記蒸発器の間と前記蒸発器、前記圧縮機の間とを接続するバイパス回路と、前記バイパス回路に副絞り装置と、前記副絞り装置の上流側のバイパス回路と前記放熱器、前記主絞り装置の間とで熱交換を行う補助熱交換器と、前記バイパス回路に前記副絞り装置と直列に設けられた開閉弁と、前記圧縮機より吐出される冷媒温度を検知する吐出温度検知手段と、前記吐出温度検知手段の検知温度に基づいて、前記開閉弁の開閉動作を制御する制御装置とを備えたことを特徴とするもので、前記開閉弁の開閉動作を制御することにより、前記補助熱交換器での熱交換量を制御でき、給湯温度に適した吐出温度に制御することが可能となる。

第４の発明は、第１〜３のいずれか１つの発明の冷媒として炭酸ガスを用いたので、給湯水の高温化を高効率で実現すると共に、冷媒が外部に漏れた場合にも、地球温暖化への影響は非常に少なくなる。

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。なお、実施の形態や参考例において、同じ構成、同じ動作をする部分については同一符号を付与し、詳細な説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ装置の構成図を示すものである。

図１において、圧縮機３１、放熱器３２、主絞り装置３３、蒸発器３４を順に環状に接続し、冷媒として炭酸ガスを封入して冷媒循環回路を形成し、蒸発器３４は外気を送風するためのファン３５を備えている。また、貯湯槽３６、循環ポンプ３７、放熱器３２を順に接続した給湯回路を形成しており、圧縮機３１より吐出された高温高圧の過熱ガス冷媒は放熱器３２に流入し、ここで循環ポンプ３７から送られてきた給湯水を加熱するようになっている。

さらに、主絞り装置３３と蒸発器３４の間の配管から分岐して、蒸発器３４と圧縮機３１との間の配管に接続するバイパス回路３８が設けられている。そして、バイパス回路３８の途中には開閉弁３９と副絞り装置４０が直列に設けられ、開閉弁３９と副絞り装置４０の間の配管と、放熱器３２と主絞り装置３３の間の配管とを、補助熱交換器４１を介して間接的に熱交換するようにしている。

さらに、循環ポンプ３７より放熱器３２に流入する給湯水の入水温度を検知する入水温度センサー４２と、その温度を検知し開閉弁３９の開閉を制御する制御装置４３が設けられている。この、制御装置４３は、入水温度センサー４２の温度と、予め設定した温度とを比較して、入水温度が設定温度より高い場合に開閉弁３９を開放するように制御する。また、冷媒としては炭酸ガスが封入されている。

以上のように構成されたヒートポンプ装置とその制御方法について、以下その動作、作用を説明する。

圧縮機３１で高温高圧の超臨界状態に圧縮された冷媒（炭酸ガス）は、放熱器３２で給湯回路を流れる水と熱交換し、自らは中温高圧の冷媒となり、補助熱交換器４１を通過して、主絞り装置３３で減圧された後、蒸発器３４に流入し、ここでファン３５で送風された外気と熱交換して蒸発ガス化する。

通常の場合、循環ポンプ３７で送られた給湯水の入水温度は低く、その場合には開閉弁３９は閉止している。そのため、主絞り装置３３を出た冷媒はすべて蒸発器３４を通って圧縮機３１にもどる通常のヒートポンプサイクルで運転される。一方、循環ポンプ３７で送られた給湯水は放熱器３２で加熱され、生成した湯は貯湯槽３６の上部に流入し、上から次第に貯湯されていく。

一方、沸き上げ運転時間の経過とともに貯湯槽３６内の湯と水の接する部分で湯水混合層が生じ、その層は貯湯槽３６の下部に拡大し、沸き上げ運転完了近くになると、貯湯槽３６下部より循環ポンプ３７を経て、放熱器３２に流入する水温は高くなってくる。

この場合、入水温度センサー４２で検知した入水温度が制御装置４３に予め設定してある温度よりも上昇した場合には、開閉弁３９を開放する方向に動作させる。こうすることにより、主絞り装置３３を出た低温の冷媒の一部は開閉弁３９を通って補助熱交換器４１に流入する。一方、放熱器３２を出た中温高圧の冷媒は、補助熱交換器４１に流入し、ここで、開閉弁３９を出た低温の二相冷媒と熱交換して、その温度が低下してエンタルピーが減少する。

このように入水温度が高い場合、通常のヒートポンプサイクルの場合、放熱器３２の出口温度も上昇し、放熱器３２および蒸発器３４の冷媒ホールド量が減少するため高圧が上昇する傾向にあるが、本発明のように、補助熱交換器４１で蒸発器３４に流入する低温の二相冷媒と熱交換して、放熱器３２を出た冷媒を冷却することにより、冷媒エンタルピーが減少してその密度が増加し、また、蒸発器３４入口の乾き度も減少して蒸発器３４の冷媒ホールドが増加するため、高圧は上昇することなくヒートポンプサイクルを安全に運転できる。したがって、入水温度が高くなっても高圧が上昇することなく連続運転ができるので、貯湯槽３６の下部まで高温湯を貯湯でき、貯湯槽３６の容量を有効に利用できる効果がある。

一方、補助熱交換器４１で吸熱した低圧の冷媒は、副絞り装置４０で流量を適度に制限されながら、蒸発器３４を出た冷媒と合流して圧縮機３１に吸入される。一方、入水温度センサー４２で検知した入水温度が、制御装置４３に予め設定してある温度よりも低下した場合には、開閉弁３９を閉止する方向に動作させる。こうすることにより、主絞り装置３３を出た冷媒は、すべて蒸発器３４を通って圧縮機３１に吸入される通常の高効率なヒートポンプサイクルで運転される。

なお、入水温度が低い通常運転時に、開閉弁３９を開放のまま運転した場合には、圧縮機３１の吸入ガス温度が、最適な状態とはならないため、本発明のように入水温度が高い場合に開閉弁３９を開放することが望ましい。また、開閉弁３９は開度を制御できる膨張弁としても同様な効果があり、この場合には副絞り装置４０は設ける必要はない。

この場合には、入水温度センサー４２で検知した入水温度が制御装置４３に予め設定してある温度よりも上昇した場合には、副絞り装置の開度を大きくする（開く）方向に動作させる。こうすることにより、同じく、低温の二相冷媒が補助熱交換器４１に流入し、同様な作用により、入水温度が高くなっても、安全に、かつ高効率な運転ができる。

なお、ここにおいては、補助熱交換器４１は、管と管をロー付してある構成や、二重管の構成などの形態でもよく、これらは、すべて本発明に含まれる。また、開閉弁３９は、バイパス回路３８上のどこに設けても同様な効果を有し、これらも本発明に含まれる。さらに、入水温度センサー４２に代わって、放熱器３２の出口冷媒温度としても良い。すなわち、入水温度が高い場合には、放熱器出口冷媒温度も高くなり、温度の上昇下降の傾向は同様になるため、これらも本発明に含まれる。

（参考例１）
図２は、本発明の参考例１におけるヒートポンプ給湯装置の構成図を示すものである。図２において、実施の形態１で示した図１と同様の構成で同様の機能を有する部品については同一の番号を付してある。

本参考例においては、主絞り装置３３と蒸発器３４の間の配管から分岐して、蒸発器３４と圧縮機３１との間の配管に接続するバイパス回路５１が設けられている。そして、バイパス回路５１の途中には開度が制御できる副絞り装置である膨張弁５２が設けられ、膨張弁５２の上流側の配管と、放熱器３２と主絞り装置３３の間の配管とを、補助熱交換器５３を介して間接的に熱交換するようにしている。

また、圧縮機３１の吐出ガス温度を検知する吐出温度センサー５４と、その温度を検知し膨張弁５２の開度を制御する制御装置５５が設けられている。この、制御装置５５は、吐出温度センサー５４の温度と、予め設定した吐出温度とを比較して、吐出温度が設定温度より低い場合に膨張弁５２の開度を大きくするように制御する。また、冷媒としては炭酸ガスが封入されている。

以上のように構成されたヒートポンプ給湯装置について、以下その動作、作用を説明する。圧縮機３１で高温高圧の超臨界状態に圧縮された冷媒（炭酸ガス）は、放熱器３２で給湯回路を流れる水と熱交換し、自らは中温高圧の冷媒となり、補助熱交換器５３を通過して、主絞り装置３３で減圧された後、蒸発器３４に流入し、ここでファン３５で送風された外気と熱交換して蒸発ガス化する。

外気温度が比較的低い場合、蒸発器３４での蒸発温度も低いため、圧縮機３１の吸入圧力は低下し、圧縮機３１での圧縮比が大きくとれるので、圧縮機３１の吐出温度は高くなり、高温の給湯が容易に生成できる。

一方、外気温度が高い場合には、蒸発器３４での蒸発温度も高くなるため、圧縮機３１の吸入圧力は上昇し、圧縮機３１での圧縮比が小さくなるので、圧縮機３１の吐出温度は高くできず、高温の給湯が生成できない。そのため、従来は、主絞り装置３３の開度をさらに小さくして、冷媒を流れにくくして、圧縮機３１の吐出圧力を上昇、吸入圧力を低下させて圧縮比を大きくして吐出温度を上昇させていた。

本発明では、吐出温度センサー５４の温度と、予め設定した吐出温度とを比較して、吐出温度が設定温度より低い場合に副絞り装置５２の開度を大きくするように制御する。
そうすることにより、蒸発器３４に流入する前の低温の冷媒の一部は補助熱交換器５３に流入する。

一方、放熱器３２で給湯水と熱交換した後の中温高圧の冷媒は、補助熱交換器５２に流入し、ここで、低温の冷媒の一部と熱交換して、冷媒温度を上昇させ、膨張弁５２を通過して、過熱度が高くなった状態で圧縮機３１に吸入される。こうすることにより、主絞り装置３３の開度を小さくして、圧縮機３１の吐出圧力を上昇、吸入圧力を低下させて圧縮比を大きくすることなく、吐出温度を上昇させることができるので、高効率な運転で高温の給湯水が生成できる。

したがって、外気温が高い場合にも、給湯水を容易に高温に加熱することができ、ヒートポンプを安全にかつ高効率で運転でき、貯湯槽の容量を有効に利用できる効果がある。一方、吐出温度センサー５４の温度と、予め設定した吐出温度とを比較して、吐出温度が設定温度より高い場合には、副絞り装置５２の開度を小さくするように制御する。こうすることにより、主絞り装置３３を出た冷媒は蒸発器３４を通って圧縮機３１に吸入されるため、吸入ガス冷媒が過度に温度上昇することはなくなり、通常の高効率なヒートポンプサイクルで運転される。

また、膨張弁５２は開閉弁と副絞り装置の直列回路にしても同様な効果があり、この場合には、吐出温度センサー５４の温度と、予め設定した吐出温度とを比較して、吐出温度が設定温度より低い場合に開閉弁を開放するように制御する。こうすることにより、主絞り装置３３の開度を小さくして、圧縮機３１の吐出圧力を上昇、吸入圧力を低下させて圧縮比を大きくすることなく、吐出温度を上昇させることができるので、高効率な運転で高温の給湯水が生成できる。

なお、ここにおいては、補助熱交換器５３は、管と管をロー付してある構成や、二重管の構成などの形態でもよく、これらは、すべて本発明に含まれる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ装置とその制御方法は、冷媒回路の圧縮機の吐出圧力を低減しながら、給湯水を容易に高温に加熱することができが可能となるので、高温を得るヒートポンプ給湯機や高温風を得る空調機等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯装置の構成図 本発明の参考例１におけるヒートポンプ給湯装置の構成図 従来のヒートポンプ給湯装置の構成図

３１ 圧縮機
３２ 放熱器
３３ 主絞り装置
３４ 蒸発器
３５ ファン
３６ 貯湯槽
３７ 循環ポンプ（循環手段）
３８、５１ バイパス回路
３９ 開閉弁
４０ 副絞り装置
４１、５３ 補助熱交換器
４２ 入水温度センサー（入水温度検知手段）
４３、５５ 制御装置
５２ 膨張弁（副絞り装置）
５４ 冷媒温度センサー（冷媒温度検知手段）

Claims (4)

1. 圧縮機、放熱器、主絞り装置、蒸発器を順次接続して形成した冷媒回路と、前記冷媒回路の前記主絞り装置、前記蒸発器の間と前記蒸発器、前記圧縮機の間とを接続するバイパス回路と、貯湯槽、循環手段、前記放熱器を順次接続した給湯回路と、前記循環手段により前記貯湯槽から前記放熱器に搬送される給湯水の温度を検知する入水温度検知手段と、前記バイパス回路に副絞り装置と、前記副絞り装置の上流側のバイパス回路と前記放熱器、前記主絞り装置の間とで熱交換を行う補助熱交換器と、前記バイパス回路に前記副絞り装置と直列に設けられた開閉弁と、前記入水温度検知手段の検知温度に基づいて、前記開閉弁の開閉動作を制御する制御装置と備えたことを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 圧縮機、放熱器、主絞り装置、蒸発器を順次接続して形成した冷媒回路と、前記冷媒回路の前記主絞り装置、前記蒸発器の間と前記蒸発器、前記圧縮機の間とを接続するバイパス回路と、前記バイパス回路に副絞り装置と、前記副絞り装置の上流側のバイパス回路と前記放熱器、前記主絞り装置の間とで熱交換を行う補助熱交換器と、前記バイパス回路に前記副絞り装置と直列に設けられた開閉弁と、前記放熱器出口の冷媒温度を検知する冷媒温度検知手段と、前記冷媒温度検知手段の検知温度に基づいて、前記開閉弁の開閉動作を制御する制御装置とを備えたことを特徴とするヒートポンプ装置。
3. 圧縮機、放熱器、主絞り装置、蒸発器を順次接続して形成した冷媒回路と、前記冷媒回路の前記主絞り装置、前記蒸発器の間と前記蒸発器、前記圧縮機の間とを接続するバイパス回路と、前記バイパス回路に副絞り装置と、前記副絞り装置の上流側のバイパス回路と前記放熱器、前記主絞り装置の間とで熱交換を行う補助熱交換器と、前記バイパス回路に前記副絞り装置と直列に設けられた開閉弁と、前記圧縮機より吐出される冷媒温度を検知する吐出温度検知手段と、前記吐出温度検知手段の検知温度に基づいて、前記開閉弁の開閉動作を制御する制御装置とを備えたことを特徴とするヒートポンプ装置。
4. 冷媒として炭酸ガスを用いた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装置。

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