JP4902625B2 - ヒートポンプ給湯機及び冷凍機器 - Google Patents

Description

本発明は、空気熱交換器の吹出側に水熱交換器等の障害物が設置されたヒートポンプ給湯機及び冷凍機器に関するものである。

冷媒回路を備えた冷凍機器は、冷媒回路を構成する要素の一つである空気熱交換器を備えている。この空気熱交換器は、略Ｌ字状に折り曲げられ、複数列のパスから構成されており、ベースに設置されている。空気熱交換器の吹出側には、空気熱交換器に送風するための送風ファンが設置される。

このような構成の冷凍機器の中で、家庭用ヒートポンプ給湯機は、設置面積や設置高さを縮小することを目的として、略直方体形状のカバーで覆われた水熱交換器を前記空気熱交換器の吹出側で、送風ファンの下側に設置しているものがある。

他の冷凍機器でも同様の構成にしたものがあり、例えば空気熱交換器の吹出側に、圧縮機を設置しているものがある（例えば、特許文献１参照）。

このように空気熱交換器の吹出側に、空気熱交換器を通過する空気に対して障害物となるものを設置した冷凍機器では、空気の風速分布が送風ファンを中心として上下で対称とならず、風速分布は偏りを持っている。

そのため、空気熱交換器に流入する冷媒を複数パスに分割して流通させている場合には、空気熱交換器での熱交換効率を向上させることを目的として、パスそれぞれの伝熱管の本数を風速分布に適した本数としている。

特開平９−１４５１８７号公報

空気熱交換器を通過する空気に風速分布がある場合には、上記の特許文献１記載の空気調和装置では、熱交換効率を向上させるために、流入風速が平均より低いパスの伝熱管の本数を流入風速が平均より高いパスの伝熱管の本数より多くしているが、各パスの伝熱管の本数を決めるには、その空気調和装置の構造ごとに風速分布を調べる必要がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、空気熱交換器の吹出側に空気熱交換器を通過する空気に対して障害物となるものを設置とした場合に、風速分布を詳細に調べることなく、決めることが可能な空気熱交換器のパスパターンを設定して、熱交換効率を向上させることを可能にしたヒートポンプ給湯機及び冷凍機器を提供することを目的とする。

本発明に係るヒートポンプ給湯機は、空気熱交換器と、前記空気熱交換器の吹出側に設置された送風ファンと、前記空気熱交換器の吹出側で、且つ前記送風ファンの下側に設置された水熱交換器とを備え、前記空気熱交換器は、複数列の伝熱管で構成され、高さ方向に沿って上段部、中心部及び下段部の領域に区画され、前記上段部及び前記下段部を単一パスとし、単一パスの後に前記中心部で等分割された複数パスを備え、前記空気熱交換器は、前記下段部、前記上段部及び前記中心部の順で冷媒が流れるようにパスパターンが形成されている。

本発明に係るヒートポンプ給湯機は、複数列の伝熱管で、かつ複数パスで構成された空気熱交換器の吹出側に、空気熱交換器を通過する空気に対して障害物となる水熱交換器を設置した場合に、空気熱交換器のパスパターンを上記のように設定したことにより、空気熱交換器の熱交換効率を向上させることができる。そして、熱交換効率の向上により省エネ効果も期待できる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機の構成図であり、同図（ａ）は正面構成図、同図（ｂ）は（ａ）のａ−ａ断面図である。
ヒートポンプ給湯機は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機１と、略直方体形状のカバーで覆われ、圧縮機１から吐出した冷媒と給湯回路を循環する負荷媒体である水とを熱交換する水熱交換器２と、水熱交換器２の下流側の冷媒を減圧する膨張弁３と、減圧された冷媒を蒸発する空気熱交換器４とを備えており、これらが環状に接続されて冷凍サイクルを構成している。空気熱交換器４はベースに設置されており、その吹出側には、空気熱交換器４に送風するための送風ファン５が設置され、水熱交換器２は、空気熱交換器４の吹出側で、且つ送風ファン５の下側に設置されている。

図２は、空気熱交換器４を通過する空気の風速分布である。
送風ファン５の径が最大となる上段部で風速は最大となり、中心はほぼ一定の速度となり、カバーで覆われた水熱交換器２背面の下段部で最小となる。水熱交換器２が空気熱交換器４の吹出側に設置されているため、風速分布は送風ファン５を中心とした上下で対称な風速分布とはなっていない。

ここで、上段部とは送風ファン５の中心部から例えばファンの最大径の約８０％の高さに位置する伝熱管以上の部分であり、下段部とは水熱交換器２の上端に位置する伝熱管以下の部分であり、中心部とは上段部と下段部の間の部分である。このように、本発明における中心部とは、換言すれば、風速がほぼ一定の速度となる、或いは一定となることが推認される領域をいうものとする。

図３は、空気熱交換器４を流通する冷媒のパスパターンである。
空気熱交換器４は、複数列の伝熱管４１から構成されており、風速分布がほぼ一定の中心部で、中心部入口で複数パス（図示の例では２パス）に等分割されており、それぞれのパスを通って熱交換された冷媒が冷媒出口から流出される。

本実施の形態１ではこのように風速分布がほぼ一定な中心部が複数パスに等分割されており、このため、容易にパスパターンを決めることができる。これにより、各パスを通過する冷媒と空気との熱交換量は同等となり、各パス出口の温度も同等とすることができる。よって、風速分布を考慮しない場合に比べて、空気熱交換器４での熱交換効率を向上させることができる。そして、熱交換効率の向上により省エネ効果も期待できる。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る空気熱交換器４を流通する冷媒のパスパターンである。本実施の形態２においては、複数列の伝熱管４１で構成される空気熱交換器４の下段部と上段部を単一パスとし、風速分布がほぼ一定の中心部で複数パスに等分割されている。

次に、本実施の形態２の作用を説明する。
冷媒は空気熱交換器４を風速の小さい下段部、風速の大きい上段部の順に単一パスで通過し、空気と熱交換して中心部に流入する。冷媒は風速がほぼ一定の中心部では、それまでの単一パスが複数パスに等分割されて流入し、空気と熱交換して各パスから流出する。
本実施の形態２では、パスパターンは、風速が一定の部分以外（上段部、下段部）を単一パスとし、上記のように定義した風速がほぼ一定の中心部だけを複数パスに等分割しているため、容易にパスを決めることができる。このパスパターンにより、各パスを通過する冷媒と空気との熱交換量は同等となり、中心部の各パス出口の冷媒温度は同等となる。よって、空気熱交換器４での熱交換効率を向上することができる。

上記の説明では、冷媒は空気熱交換器４の下段部、上段部の順で通過するとしたが、上段部、下段部の順に通過しても良い。

なお、空気熱交換器４への入口を下段部とした場合には、空気熱交換器４に付着した霜を取り除く除霜運転を短縮する効果が得られる。以下、その理由を説明する。
空気熱交換器４にはドレン水が重力によって上段部から下段部に向かって落下するため、下段部のほうに多く着霜しやすい。除霜運転は高温の冷媒を空気熱交換器４に流通させて霜を溶かすため、除霜運転の際には空気熱交換器４の下段より高温の冷媒を流通させるほうが霜を溶かしやすい。よって、空気熱交換器４への入口を最下段に設けたほうが、除霜運転の時間を短縮することができ、ヒートポンプ給湯機のＣＯＰを向上させることができる。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係る空気熱交換器４を流通する冷媒のパスパターンである。
本実施の形態３においては、上記の実施の形態２と同様に、複数列の伝熱管４１で構成される空気熱交換器４の下段部と上段部を単一パスとし、風速分布がほぼ一定の中心部で複数パスに等分割している。本実施の形態３では、さらに、下段部と上段部の単一パスでは、冷媒が空気の流れに対して並行して流れるように、空気熱交換器４の吸込側から流入して吹出側から流出するようにしてある。また、中心部では、冷媒が風の流れに対向して流れるように、空気熱交換器４の吹出側から流入して、吸込側から流出するようにしてある。

次に、本実施の形態３の作用を説明する。
空気熱交換器４の下段部と上段部を流入するときの冷媒は二相状態にあり、空気と熱交換しながら空気熱交換器４内を流通し、中心部に流入する。冷媒が空気熱交換器４内を流通するとき、伝熱管との摩擦損失により冷媒の圧力が低下するため、温度も低下する。一方で、空気は冷媒と熱交換することで、空気熱交換器４を通過後の温度は低下する。そこで、下段部と上段部の単一パスでは、冷媒を空気に対して並行して流通させることで、空気と冷媒との温度差を小さくすることが可能となり、空気と対向して流通させる場合に比べて効率よく熱交換することができ、ヒートポンプ給湯機の性能を向上させることができる。

単一パスを通過した冷媒は、中心部で複数パスに等分割されて空気熱交換器４に流入する。中心部に流入する冷媒も二相状態にあるが、空気と熱交換することで気相状態に相変化する。冷媒が気相状態にある場合には、空気との熱交換により温度が上昇するため、空気に対して対向して流通させることで、温度差を小さくすることが可能であり、空気と並行して流通させる場合に比べて効率良く熱交換することができ、ヒートポンプ給湯機の性能を向上させることができる。

図６は、空気熱交換器を通過する風速分布と空気熱交換器のパス構成を変更したときのヒートポンプ給湯機のＣＯＰである。
ＣＯＰが最も高くなる組合せは、風速分布がなく、空気熱交換器の伝熱管全体を等分割したパスパターンとなる。本実施の形態３のように、空気熱交換器の吹出側前面に障害物が設置され、空気熱交換器４に流入する風速分布に偏りがある場合に、伝熱管全体を等分割するパスパターンとするとＣＯＰは低下する。しかし、風速分布が一定の部分だけを等分割した、風速分布に適したパスパターンにすることで熱交換効率は向上し、ヒートポンプ給湯機の性能を向上させることができる。

なお、以上の実施の形態１〜３はヒートポンプ給湯機について記述したが、本発明はこれに限るものではない。空気熱交換器４の吹出側に障害物を設置した冷凍機器に対しても適用することができる（実施の形態４参照）。

実施の形態４．
図７は、空気熱交換器の吹出側に障害物として圧縮機１が設置された冷凍機器（空調機）の室外機の構造図である。この場合においても、空気熱交換器４の伝熱管のパスパターンは、上記の実施の形態１〜３(図３〜図５)と同様なものが採用される。そして、この冷凍機器においても、上記の実施の形態１〜３と同様な効果が得られる。

本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機の構造図である。 本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機の風速分布図である。 本発明の実施の形態１に係る空気熱交換器のパスパターンである。 本発明の実施の形態２に係る空気熱交換器のパスパターンである。 本発明の実施の形態３に係る空気熱交換器のパスパターンである。 風速分布の有無とパスパターンの組合せによるヒートポンプ給湯機のＣＯＰ比較図である。 本発明の実施の形態４に係る冷凍機器の室外機の構造図である。

符号の説明

１ 圧縮機、２ 水熱交換器、３ 膨張弁、４ 空気熱交換器、５ 送風ファン。

Claims (4)

1. 空気熱交換器と、
   前記空気熱交換器の吹出側に設置された送風ファンと、
   前記空気熱交換器の吹出側で、且つ前記送風ファンの下側に設置された水熱交換器と
   を備え、
   前記空気熱交換器は、複数列の伝熱管で構成され、高さ方向に沿って上段部、中心部及び下段部の領域に区画され、
   前記上段部及び前記下段部を単一パスとし、単一パスの後に前記中心部で等分割された複数パスを備え、
   前記空気熱交換器は、前記下段部、前記上段部及び前記中心部の順で冷媒が流れるようにパスパターンが形成されていることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 前記単一パスは、前記空気熱交換器の吸込側から流入して吹出側から流出し、
   前記等分割の複数パスは、前記空気熱交換器の吹出側から流入して吸込側から流出することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ給湯機。
3. 空気熱交換器と、
   前記空気熱交換器の吹出側に設置された送風ファンと、
   前記空気熱交換器の吹出側で、且つ前記送風ファンの下側に設置された水熱交換器と
   を備え、
   前記空気熱交換器は、複数列の伝熱管で構成され、高さ方向に沿って上段部、中心部及び下段部の領域に区画され、
   前記上段部及び前記下段部を単一パスとし、単一パスの後に前記中心部で等分割された複数パスを備え、
   前記単一パスは、前記空気熱交換器の吸込側から流入して吹出側から流出し、
   前記等分割の複数パスは、前記空気熱交換器の吹出側から流入して吸込側から流出することを特徴とするヒートポンプ給湯機。
4. 空気熱交換器と、
   前記空気熱交換器の吹出側に設置された送風ファンと、
   前記空気熱交換器の吹出側で、且つ前記送風ファンの下側に設置された圧縮機と
   を備え、
   前記空気熱交換器は、請求項１〜３の何れかに記載の空気熱交換器から構成されることを特徴とする冷凍機器。

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