JP5575190B2 - 給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、貯湯タンクと給湯室外機を備えた給湯機に係り、より詳しくは、冷媒回路の空気熱交換器と圧縮機との間に中温水冷媒熱交換器を設け、この中温水冷媒熱交換器と貯湯タンクとを水配管で接続した給湯機に関する。

従来の給湯機は、貯湯タンク、給湯室外機などを備えており、その沸き上げ運転においては、貯湯タンクの下部の水を下部取出経路から取り出して、給湯室外機の沸上用熱交換器に流して所定の高温の湯に沸き上げ、沸き上げた湯を貯湯タンクの上部に戻して、貯湯タンク内の上部側から高温の湯を順次貯湯し、貯湯タンク全体に高温の湯を貯湯するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−３０３７０３号公報（第６頁、図１）

従来の給湯機は、沸上げ運転完了前には貯湯タンクから給湯室外機に流入される水の温度が上昇し、沸上げ効率が著しく低下する。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、沸上げ完了前の給湯室外機へ流入する水の温度の上昇を抑制し、沸上げ効率低下を抑制して総合的に効率の高い給湯室外機を備えた給湯機を得ることを目的とする。

本発明に係る給湯機は、圧縮機、温水冷媒熱交換器、膨張弁、空気熱交換器を順次接続してなる冷媒回路を有する給湯室外機と、貯湯タンクとを有し、貯湯タンクに沸き上げ用の循環路を設けて給湯室外機の温水冷媒熱交換器に接続し、温水冷媒熱交換器と貯湯タンクとの間で熱交換する給湯機であって、冷媒回路の空気熱交換器と圧縮機との間に中温水冷媒熱交換器を設け、中温水冷媒熱交換器に、貯湯タンクに設けた中温水循環用の循環路を接続し、空気熱交換器と中温水冷媒熱交換器との間に設けられ、中温水循環用の循環路を流れる水と、冷媒回路を流れる冷媒とのうちの一方の流れを切り換えて、当該水と当該冷媒とを熱交換させるか否かを切り換える切換手段を設け、切換手段と圧縮機とを接続する低圧冷媒分岐管を設けると共に、温水冷媒熱交換器と膨張弁の間の高圧冷媒配管と低圧冷媒分岐管が接続された内部熱交換器とを設け、内部熱交換器により、冷媒回路の温水冷媒熱交換器からの冷媒と空気熱交換器からの冷媒とを熱交換するものである。

本発明の給湯機によれば、貯湯タンク内の中温水は中温水冷媒熱交換器で冷媒に熱を与えて冷却され、温度が低下して貯湯タンク内に戻される。一方、中温水の熱は冷媒に回収されるので熱ロスは少なく、沸上げ完了前の室外機へ流入される水の温度の上昇が抑えられるので効率低下を抑制することができ、総合的に効率が上がり、減量化、省エネルギー化も達成することができる。

本発明の実施の形態１に係る給湯機を構成する給湯室外機と貯湯タンクとの水配管接続を示す模式図である。 本発明の実施の形態２に係る給湯機を構成する給湯室外機と貯湯タンクとの水配管接続を示す模式図である。 本発明の実施の形態３に係る給湯機を構成する給湯室外機と貯湯タンクとの水配管接続を示す模式図である。 本発明の実施の形態４に係る給湯機を構成する給湯室外機と貯湯タンクとの水配管接続を示す模式図である。 本発明の実施の形態５に係る給湯機を構成する給湯室外機と貯湯タンクとの水配管接続を示す模式図である。 本発明の実施の形態６に係る給湯機を構成する給湯室外機と貯湯タンクとの水配管接続を示す模式図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る給湯機を構成する給湯室外機と貯湯タンクとの水配管接続を示す模式図である。
図において、給湯室外機の給湯室外機本体１は、圧縮機２、凝縮器として機能する温水冷媒熱交換器３、膨張弁４、蒸発器として機能する空気熱交換器５を順次接続した冷媒回路Ａを備えている。そして、冷媒回路Ａを構成する冷媒配管は高圧冷媒配管８と低圧冷媒配管９とからなり、それぞれが温水冷媒熱交換器３、空気熱交換器５を介して圧縮機２と膨張弁４とに接続され、低圧冷媒配管９の空気熱交換器５と圧縮機２との間には中温水冷媒熱交換器７が配設されている。

貯湯タンク１０は下部から上部に循環する沸き上げ用の循環路Ｂを有し、冷媒回路Ａの温水冷媒熱交換器３において水と冷媒とで熱交換される。沸き上げ用の循環路Ｂを構成する水配管は、貯湯タンク１０の下部に接続する低温水配管１１と上部に接続する高温水配管１２とからなり、低温水配管１１は冷媒回路Ａの温水冷媒熱交換器３の水配管入口３ａに接続され、高温水配管１２は温水冷媒熱交換器３の水配管出口３ｂに接続されており、低温水配管１１には水を流す第１のポンプ１５が接続されている。
温水冷媒熱交換器３は、給湯室外機において断熱壁で区画された収納容器に周囲を断熱材で覆われて収納されており、例えば、水配管の周囲に複数の冷媒配管が密着し、高温の冷媒と水とが熱交換して水を加熱する。

貯湯タンク１０の中間部には中温水循環用の循環路Ｃが設けられており、低圧冷媒配管９に設けられた中温水冷媒熱交換器７において水と冷媒とで熱交換され、沸き上げ完了前の給湯室外機へ流入する水の温度の上昇を抑制する。中温水循環用の循環路Ｃを構成する温水配管は、貯湯タンク１０の中間部に接続する中温水配管１３と冷却中温水配管１４とからなり、貯湯タンク１０の中間部において、冷却中温水配管１４は中温水配管１３の下方に接続される。貯湯タンク１０内の温度分布を考慮し、総合での効率が高くなるように中温水配管１３と冷却中温水配管１４の接続位置が決められる。中温水配管１３は中温水冷媒熱交換器７の水配管入口７ａと接続され、冷却中温水配管１４は中温水冷媒熱交換器７の水配管出口７ｂに接続されており、中温水配管１３には水を流す第２のポンプ１６が接続されている。
中温水冷媒熱交換器７は、給湯室外機において温水冷媒熱交換器３と同様に断熱壁で区画された収納容器内部に収納されており、温水冷媒熱交換器３の近傍に配置することで、配管の分岐、取り回しが容易になる。

次に動作について説明する。
貯湯タンク１０内が低温満水状態になると、給湯室外機本体１の沸上げ運転が開始される。第１のポンプ１５が駆動されると、貯湯タンク１０内の低温水は低温水配管１１を通り、温水冷媒熱交換器３に流入する。
圧縮機２が駆動されると、圧縮機２からの高温の高圧冷媒は高圧冷媒配管８を通って温水冷媒熱交換器３に流入し、高圧冷媒の熱は温水冷媒熱交換器３で水に与えられ、低温水は熱交換されて高温水となる。高温水は高温水配管１２を通り、貯湯タンク１０内に戻される。

一方、温水冷媒熱交換器３で水に熱を与えた高圧冷媒は、高圧冷媒配管８を通って膨張弁４に流入し、その開度によって所定の圧力に減圧され、温度も低下する。膨張弁４からの低温の低圧冷媒は低圧冷媒配管９を通って空気熱交換器５に流入し、ここで空気から熱を与えられ、中温水冷媒熱交換器７に流入する。通常運転の場合は、第２のポンプ１６は駆動しないのでそのまま通過し、低圧冷媒配管９を通って圧縮機２に流入して、冷凍サイクルが形成される。
こうして、貯湯タンク１０内で徐々に高温水が上部から下部に拡大していき、上部と下部の間では中温水が生成される。

貯湯タンク１０内が全て高温水になると沸上げ完了となるが、貯湯タンク１０から低温水配管１１を通って給湯室外機本体１に流入する低温水は、その前に、徐々に温度が上昇していく。給湯室外機本体１は、一般に、温水冷媒熱交換器３に流入する水の温度が高い条件では運転効率が低下するので、沸上げ完了前には運転効率が顕著に悪化する。
このような場合、第２のポンプ１６を駆動すると、貯湯タンク１０内の中温水は、中温水配管１３を通り中温水冷媒熱交換器７に流入する。
中温水冷媒熱交換器７は中温水の熱を低圧冷媒配管９を流れる低圧冷媒に与え、中温水は冷却されて温度が低下し、冷却中温水配管１４を通って、貯湯タンク１０内に戻される。このとき、低圧冷媒配管９内の低圧冷媒は熱を与えられて温度が上昇し、圧縮機２に流入する。

給湯室外機本体１は、上記の通り、一般に温水冷媒熱交換器３に流入する水の温度が高い条件では運転効率が低下するので、沸上げ完了前には運転効率が顕著に悪化するが、中温水は中温水冷媒熱交換器７で冷却されて貯湯タンク１０内に戻されるので、温水冷媒熱交換器３に流入する水の温度の上昇が抑えられ、一方、中温水の熱は冷媒に回収され、熱ロスは少ないので、沸上げ完了前の効率低下を抑制することができ、総合的に効率が上がる。

また、温水冷媒熱交換器３で例えば９０℃程度の高温水を生成する場合には、圧縮機２からの高温の高圧冷媒の温度をそれよりも上昇させる必要があり、通常は膨張弁４を絞って低圧、高圧の圧縮比を大きくし、圧縮機２の負荷を上げる必要がある。しかしながら、圧縮機２に流入する低圧冷媒は中温水冷媒熱交換器７により温度が上昇しており、その分、圧縮機２からの高温の高圧冷媒の温度も上昇しているので、それ程、低圧、高圧の圧縮比を大きくして圧縮機２の負荷を上げる必要がなくなり、さらに効率が上がる。

特に、貯湯タンク１０を小型化（例えば、２５０Ｌ以下）した場合、図示しない追い焚き回路により、貯湯タンク１０内の高温水を追い炊きに使用すると、貯湯タンク１０内に中温水が大幅に増加する。その状態から、再沸き上げを行うと、従来は運転効率が低下した状態で運転しなければならなかったが、本発明では、上記の通り、中温水冷媒熱交換器７で中温水を冷却してから沸き上げを行うので、効率の良い運転を行うことができる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２に係る給湯機を構成する給湯室外機と貯湯タンクとの水配管接続を示す模式図である。なお、実施の形態１と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する（以下の実施の形態においても同様である）。
本実施の形態２では、冷媒回路Ａの高圧冷媒配管８と低圧冷媒配管９が接続された内部熱交換器６をさらに設け、低圧冷媒と高圧冷媒との間で熱交換するようにしたものである。
温水冷媒熱交換器３と膨張弁４の間の高圧冷媒配管８と、空気熱交換器５と中温水冷媒熱交換器７の間の低圧冷媒配管９とが接続された内部熱交換器６が設けられている。内部熱交換器６は中温水冷媒熱交換器７からの高圧冷媒の熱を空気熱交換器５からの低圧冷媒に与えるので、高圧冷媒は内部熱交換器６で温度が低下して膨張弁４に流入し、低圧冷媒は内部熱交換器６で温度が上昇して中温水冷媒熱交換器７に流入する。
内部熱交換器６は例えば二重管熱交換器を使用してもよいし、その他の構造の熱交換器であってもよい。二重管熱交換器であれば外管側を低圧側冷媒、内管側を高圧冷媒として対向流となるよう構成する。

温水冷媒熱交換器３で例えば９０℃程度の高温水を生成する場合には、圧縮機２からの高温の高圧冷媒の温度をそれよりも上昇させる必要があり、通常は膨張弁４を絞って低圧、高圧の圧縮比を大きくし、圧縮機２の負荷を上げる必要がある。しかしながら、本実施の形態２によれば、圧縮機２に流入する低圧冷媒は内部熱交換器６により温度が上昇しており、その分、圧縮機２からの高温の高圧冷媒の温度も上昇しているので、それ程、低圧、高圧の圧縮比を大きくして圧縮機２の負荷を上げる必要がなく、さらに効率が上がる。中温水が生成される前で中温水冷媒熱交換器７で低圧冷媒の温度を上昇させることができないときでも、内部熱交換器６で温度を上昇させることができる。

実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３に係る給湯機を構成する給湯室外機と貯湯タンクとの水配管接続を示す模式図である。
実施の形態２では内部熱交換器６と中温水冷媒熱交換器７とを直列に接続したが、本実施の形態３では分岐管（分岐路）１００を設け、低圧冷媒が必要に応じて中温水冷媒熱交換器７を流れるようにしたものである。
低圧冷媒配管９の内部熱交換器６と中温水冷媒熱交換器７との間にはバルブ（切換手段）２１が設けられ、このバルブ２１により低圧冷媒配管９を分岐して圧縮機２に接続する分岐管１００を設けたものである。
その他の構成は実施の形態２で示した場合と同様なので、説明を省略する。

貯湯タンク１０内に中温水があまり発生しておらず、中温水冷媒熱交換器７が不要なときは、低圧冷媒が中温水冷媒熱交換器７を流れないようにバルブ２１を切り替えて低圧冷媒配管９を分岐管１００に接続し、また、追い炊き後の再沸き上げ運転時で、中温水が大量に発生している場合は、低圧冷媒が中温水冷媒熱交換器７を流れるようにバルブ２１を切り替える。
このように構成することで、より運転効率の良い給湯機を得ることができる。

実施の形態４．
図４は、本発明の実施の形態４に係る給湯機を構成する給湯室外機と貯湯タンクとの水配管接続を示す模式図である。
実施の形態２では内部熱交換器６と中温水冷媒熱交換器７とを直列に接続した場合を示したが、本実施の形態４では、これらを並列に接続し、流路を切り換えていずれか一方に冷媒を流すようにしたものである。
空気熱交換器５の下流側にバルブ（切換手段）２２を設け、バルブ２２と内部熱交換器６を介して圧縮機２に接続された分岐管（分岐路）１０１を設け、高圧冷媒配管８は温水冷媒熱交換器３と膨張弁４との間で内部熱交換器６に接続されている。
その他の構成は実施の形態１で示した場合と同様なので、説明を省略する。

バルブ２２により、内部熱交換器６と中温水冷媒熱交換器７のどちらか一方に冷媒を流すように流路を切り替えることで、必要に応じて内部熱交換器６と中温水冷媒熱交換器７とを使い分けることができるとともに、実施の形態３（図３）の場合と比べて冷媒流路長の増加を抑制することでき、冷媒圧損増加を抑制できる。例えば、通常沸き上げ時は内部熱交換器６のみに冷媒が流れるように流路を選択し、沸き上げ完了近く、もしくは、追い焚き後の再沸き上げ時には、中温水冷媒熱交換器７を用いて中温水を冷却しながら沸き上げを行うことでより運転効率の良い給湯機を得ることができる。

実施の形態５．
図５は、本発明の実施の形態５に係る給湯機を構成する給湯室外機と貯湯タンクとの水配管接続を示す模式図である。
本実施の形態５は、中温水配管１３の第２のポンプ１６と中温水冷媒熱交換器７との間にバルブ（切換手段）２３を設け、バルブ２３に空気熱交換器５を介して中温水冷媒熱交換器７に接続された分岐管（分岐路）１０２を設け、給湯室外機本体１の中温水冷媒熱交換器７に流入する中温水を除霜に用いることができるようにしたもので、中温水が空気熱交換器５内を通る場合と通らない場合で切換えるようにしてある。
その他の構成は実施の形態１で示した場合と同様なので、説明を省略する。

上記の通常運転時には、中温水は空気熱交換器５を通らず、中温水配管１３、バルブ２３を通って、中温水冷媒熱交換器７に流入し、冷媒に熱を与えて冷却され、冷却中温水配管１４を通って貯湯タンク１０の下部に戻される。この点については、上記実施の形態１と同様の動作を行う。
一方、除霜運転時には、中温水が空気熱交換器５内を通るようバルブ２３を切換える。こうすると、中温水は、中温水配管１３を通り分岐管１０２に流れて空気熱交換器５に流入し、空気熱交換器５は中温水の熱により除霜される。その後、中温水は分岐管１０２から中温水配管１３を通って中温水冷媒熱交換器７に流入し、冷却中温水配管１４を通って貯湯タンク１０の下部に戻される。
除霜運転時は、圧縮機２の停止あるいは軽負荷運転が可能となり、さらに除霜運転時間の短縮が可能となるので、除霜運転による効率低下を抑制することができ、総合的により効率が上がる。

上記の空気熱交換器５はフィンチューブ型熱交換器で構成され、空気熱交換器５の外周付近には、中温水配管１３の分岐管１０２が空気熱交換器５のフィンに密着するよう配置してもよいし、空気熱交換器５の低圧冷媒配管９を一部抜いて、その代わりに中温水配管１３の分岐管１０２を通すようにしてもよい。また、フィンに中温水配管１３の分岐管１０２を通る中温水の熱が伝わるようにすれば、その他の構成であってもよい。

実施の形態６．
図６は、本発明の実施の形態６に係る給湯機を構成する給湯室外機と貯湯タンクとの水配管接続を示す模式図である。
実施の形態１〜５では、中温水配管１３及び冷却中温水配管１４は貯湯タンク１０の中間部に接続されているが、本実施の形態６では、冷却中温水配管１４は温水冷媒熱交換器３の入口側に接続され、必要に応じて冷却中温水と低温水とを温水冷媒熱交換器３に流入させるようにしたものである。

低温水配管１１に設けられた第１のポンプ１５の上流側にバルブ（切換手段）２４を配設し、このバルブ２４に中温水冷媒熱交換器７を通った冷却中温水配管１４の下流側端部を接続したものである。
その他の構成は実施の形態１で示した場合と同様なので、説明を省略する。

貯湯タンク１０に中温水が生成されていないときは、低温水のみを温水冷媒熱交換器３に流入させる。中温水が生成されたときは、バルブ２４を切換えて、冷却中温水と低温水とを温水冷媒熱交換器３に流入させる。

こうすると、給湯室外機本体１に接続される本体接続水配管が低温水配管１１、高温水配管１２、及び中温水配管１３の３本になり（実施の形態１〜５では冷却中温水配管１４も含めて４本）、低温水配管１１の第１のポンプ１５を併用することができるため、中温水配管１３に第２のポンプ１６を設ける必要がなくなり、コストを低減することができる。低温水と冷却中温水の流量比をバルブ２４により調節可能とし、低温水、中温水等の状態量から効率が上がるようなバルブ２４の調節制御を行うと、総合的にさらに効率を上げることができる。

１ 給湯室外機本体、２ 圧縮機、３ 温水冷媒熱交換器、３ａ 水配管入口、３ｂ 水配管出口、４ 膨張弁、５ 空気熱交換器、６ 内部熱交換器、７ 中温水冷媒熱交換器、７ａ 水配管入口、７ｂ 水配管出口、８ 高圧冷媒配管、９ 低圧冷媒配管、１０ 貯湯タンク、１１ 低温水配管、１２ 高温水配管、１３ 中温水配管、１４ 冷却中温水配管、１５ 第１のポンプ、１６ 第２のポンプ、２１〜２４ バルブ（切換手段）、１００〜１０２ 分岐管（分岐路）、Ａ 冷媒回路、Ｂ 沸き上げ用の循環路、Ｃ 中温水循環用の循環路。

Claims (2)

1. 圧縮機、温水冷媒熱交換器、膨張弁、空気熱交換器を順次接続してなる冷媒回路を有する給湯室外機と、貯湯タンクとを有し、前記貯湯タンクに沸き上げ用の循環路を設けて前記給湯室外機の温水冷媒熱交換器に接続し、前記温水冷媒熱交換器と前記貯湯タンクとの間で熱交換する給湯機であって、
   前記冷媒回路の空気熱交換器と圧縮機との間に中温水冷媒熱交換器を設け、
   前記中温水冷媒熱交換器に、前記貯湯タンクに設けた中温水循環用の循環路を接続し、
   前記空気熱交換器と前記中温水冷媒熱交換器との間に設けられ、前記中温水循環用の循環路を流れる水と、前記冷媒回路を流れる冷媒とのうちの一方の流れを切り換えて、当該水と当該冷媒とを熱交換させるか否かを切り換える切換手段を設け、
   前記切換手段と前記圧縮機とを接続する低圧冷媒分岐管を設けると共に、前記温水冷媒熱交換器と前記膨張弁の間の高圧冷媒配管と前記低圧冷媒分岐管が接続された内部熱交換器とを設け、
   前記内部熱交換器により、前記冷媒回路の前記温水冷媒熱交換器からの冷媒と前記空気熱交換器からの冷媒とを熱交換する
   ことを特徴とする給湯機。
2. 圧縮機、温水冷媒熱交換器、膨張弁、空気熱交換器を順次接続してなる冷媒回路を有する給湯室外機と、貯湯タンクとを有し、前記貯湯タンクに沸き上げ用の循環路を設けて前記給湯室外機の温水冷媒熱交換器に接続し、前記温水冷媒熱交換器と前記貯湯タンクとの間で熱交換する給湯機であって、
   前記冷媒回路の空気熱交換器と圧縮機との間に中温水冷媒熱交換器を設け、
   前記中温水冷媒熱交換器に、前記貯湯タンクに設けた中温水循環用の循環路を接続し、
   前記中温水循環用の循環路の中温水冷媒熱交換器の上流側に設けられ、前記中温水循環用の循環路を流れる水と、前記冷媒回路を流れる冷媒とのうちの一方の流れを切り換えて、当該水と当該冷媒とを熱交換させるか否かを切り換える切換手段を設け、
   前記切換手段から分岐し、前記空気熱交換器を介して前記中温水冷媒熱交換器の上流側に接続される分岐管を設け、
   前記分岐管を、前記空気熱交換器内に通すか、または、前記空気熱交換器の冷媒配管に密着させ、
   除霜運転時に前記分岐管に冷媒を流すように前記切換手段を切り換える
   ことを特徴とする給湯機。

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