JP5919036B2 - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

Description

ここで開示する技術は、ヒートポンプ式の給湯装置に関する。

特許文献１に、ヒートポンプ式の給湯装置が記載されている。この給湯装置では、ヒートポンプの冷凍サイクルに、ガスインジェクションポートを有する圧縮機が採用されている。この構成によると、圧縮機から吐出された冷媒の吐出ガス域での水の温度上昇を大きくすることができ、その分、凝縮温度を下げて高効率の運転が可能になると説明されている。

特開２００８−２５６２８１号公報

特許文献１の技術では、特殊な圧縮機、即ち、ガスインジェクションポートを有する圧縮機を必要とする。そのため、製造コストや維持コストの上昇が避けられない。特殊な圧縮機を必要とすることなく、給湯装置の運転効率を向上し得る技術が必要とされている。

本技術に係るヒートポンプ式給湯装置は、蒸発器と、圧縮機と、第１熱交換器と、第２熱交換器と、膨張弁と、バイパス経路と、温水経路を備えている。蒸発器は、空気と冷媒との間で熱交換を行う。圧縮機は、蒸発器の出口側に接続されており、蒸発器からの冷媒を圧縮する。第１熱交換器は、圧縮機の出口側に接続されており、圧縮機からの冷媒と温水との間で熱交換を行う。第２熱交換器は、第１熱交換器の出口側に接続されており、第１熱交換器からの冷媒と温水との間で熱交換を行う。膨張弁は、第２熱交換器の出口側に接続され、かつ、その出口側は蒸発器の入口側に接続されている。バイパス経路は、第１熱交換器の出口側と第２熱交換器の入口側とを接続する冷媒経路を、バイパス弁を介して、膨張弁の出口側と蒸発器の入口側とを接続する冷媒経路又は膨張弁の出口側と蒸発器の入口側とを接続する冷媒経路（即ち、冷媒経路の低圧区間）に接続している。温水経路は、第２熱交換器から第１熱交換器の順で、第１熱交換器及び第２熱交換器へ温水を送る。

上記した給湯装置では、圧縮機から吐出された高温高圧の冷媒が、第１熱交換器と第２熱交換器を順に通過しながら、温水との間で熱交換を行う（即ち、放熱しながら温水を加熱する）。上流側に位置する第１熱交換器では、冷媒は未だ気相域にあり、下流側に位置する第２熱交換器において、冷媒の凝縮が始まる。ここで、第１熱交換器を通過した冷媒の一部は、バイパス経路へ流れ込むことによって、第２熱交換器を通ることなく循環する。言い換えると、冷媒が気相域にある第１熱交換器では、冷媒の凝縮が行われる第２熱交換器よりも、多くの冷媒を利用するように構成されている。このような構成によると、第１熱交換器における温水の温度上昇幅を大きくすることができ、その分だけ、第２熱交換器における温水の温度上昇幅を小さくしても、給湯装置出口の温水を所望の出湯温度まで加熱することができる。そのことから、第２熱交換器における冷媒と温水との温度差が大きくなり、また、その結果として冷媒の凝縮温度を低下させることも可能となるので、給湯装置の運転効率を高めることができる。

実施例１の給湯装置の構成を模式的に示す図。 実施例１の給湯装置の冷凍サイクルをモリエル線図上で示す。 冷媒と温水の状態変化をＴＨ線図で示す（出湯温度８０℃）。 冷媒と温水の状態変化をＴＨ線図で示す（出湯温度６０℃）。 実施例２の給湯装置の構成を模式的に示す図。 実施例２の給湯装置の冷凍サイクルをモリエル線図上で示す。

本技術の一実施形態では、給湯装置が、貯湯タンクその他の貯湯手段を有することが好ましい。また、給湯装置は、加熱した温水を給湯だけでなく暖房にも利用する給湯暖房装置であってもよい。給湯装置は、ガス熱源機その他の燃焼式熱源器をさらに備えることが好ましい。この構成によると、外気温が非常に低い場合など、ヒートポンプの能力が著しく低下するときに、燃焼式熱源器を用いて給湯や暖房を行うことができる。

本技術の一実施形態では、冷媒が、フロン系の冷媒（例えばＲ４１０Ａ）であることが好ましい。ただし、冷媒は、フロン系の冷媒に限定されず、二酸化炭素その他の冷媒であってもよい。

本技術の一実施形態では、バイパス経路が、第１熱交換器の出口側と第２熱交換器の入口側とを接続する冷媒経路を、バイパス弁を介して、前記蒸発器の出口側と圧縮機の入口側とを接続する冷媒経路に接続することが好ましい。ただし、他の実施形態では、バイパス経路が、第１熱交換器の出口側と第２熱交換器の入口側とを接続する冷媒経路を、バイパス弁を介して、膨張弁の出口側と蒸発器の入口側とを接続する冷媒経路に接続する方が好ましいこともあり得る。ここで、バイパス弁には、電子膨張弁やその他の電動弁を採用することもできるし、デューティ比制御される電磁弁を採用することもできる。

図面を参照して実施例１の給湯装置１０について説明する。給湯装置１０は、カラン（図示せず）や浴槽といった給湯箇所へ温水を供給する装置である。図１に示すように、給湯装置１０は、温水を貯める貯湯タンク１８と、貯湯タンク１８の温水を循環加熱するヒートポンプ３０と、補助熱源であるガス熱源機１２を備えている。なお、給湯装置１０は、貯湯タンク１８に貯めた温水の熱を暖房にも利用する給湯暖房装置であってもよい。また、給湯装置１０は、貯湯タンク１８を必ずしも有する必要はなく、ヒートポンプ３０で加熱した温水を給湯箇所（あるいは暖房箇所）へ直接的に供給するものであってもよい。

貯湯タンク１８には、給水管１６と出湯管１４が接続されている。給水管１６は、貯湯タンク１８へ上水を供給する管路である。給水管１６は、貯湯タンク１８の底部に接続されている。図示省略するが、給水管１６には、各種のセンサや弁などが設けられている。出湯管１４は、貯湯タンク１８から給湯箇所へ温水を送る管路である。出湯管１４は、貯湯タンク１８の上部に接続されている。図示省略するが、出湯管１４にも、各種のセンサや弁などが設けられている。

ガス熱源機１２は、出湯管１４の経路上に設けられている。ガス熱源機１２は、貯湯タンク１８からの温水の温度が、必要とされる出湯温度を下回るときに、燃料ガスを燃焼することによって当該温水を加熱することができる。それにより、給湯装置１０は、大量又は高温の給湯要求があり、貯湯タンク１８の温水量及び温水温度では不十分である場合に、ガス熱源機１２を稼働させることによって、不足する熱量を補うことができる。あるいは、外気温が極めて低いときなど、ヒートポンプ３０の能力が著しく低下する場合でも、ガス熱源機１２を稼働させることによって、必要とされる給湯を行うことができる。

ヒートポンプ３０は、大気から採熱して温水を加熱するヒートポンプである。ヒートポンプ３０は、加熱往路２２と加熱復路２０を通じて、貯湯タンク１８に接続されている。加熱往路２２は、貯湯タンク１８内の温水を、ヒートポンプ３０に送る管路である。
加熱復路２０は、ヒートポンプ３０で加熱された温水を、貯湯タンク１８へ戻す管路である。加熱往路２２と加熱復路２０は一連に接続されており、貯湯タンク１８とヒートポンプ３０との間で温水を循環させる循環経路を構成している。加熱往路２２には、循環ポンプ６０が設けられている。循環ポンプ６０は、後述するヒートポンプ３０のコントローラ７０によって制御される。図示省略するが、加熱往路２２及び加熱復路２０には、各種のセンサや弁などが設けられている。

ヒートポンプ３０は、蒸発器３２と、圧縮機３４と、第１及び第２熱交換器３６、３７と、膨張弁３８とを備えている。蒸発器３２、圧縮機３４、第１及び第２熱交換器３６、３７並びに膨張弁３８の間は、冷媒経路４２、４４、４６、４８によって順に接続されており、冷媒を循環させる循環経路が構成されている。また、ヒートポンプ３０は、各部の動作を制御するコントローラ７０を備えている。

蒸発器３２は、空気中の熱を冷媒に吸熱させる熱交換器である。蒸発器３２には、室外ファン５４によって送風が行われる。室外ファン５４は、ファンモータ５６によって駆動される。蒸発器３２では、膨張弁３８を通過した霧状の冷媒が、空気中の熱を吸収して蒸発する。一例ではあるが、本実施例では、冷媒としてフロン系のＲ４１０Ａを採用している。ただし、冷媒の種類については特に限定されず、冷媒は例えば二酸化炭素であってもよい。ファンモータ５６は、コントローラ７０へ電気的に接続されており、その動作、即ち、室外ファン５４の動作が、コントローラ７０によって制御される。

圧縮機３４は、蒸発器３２の出口側に接続されており、蒸発器３２からの冷媒を圧縮する。蒸発器３２で気化した冷媒は、断熱的に圧縮されることによって、高温高圧の状態になる。圧縮機３４の構造、方式については、特に限定されない。圧縮機３４はコントローラ７０へ電気的に接続されており、圧縮機３４の動作はコントローラ７０によって制御される。

第１熱交換器３６は、圧縮機３４の出口側に接続されており、第２熱交換器３７は、第１熱交換器３６の出口側に接続されている。第１及び第２熱交換器３６、３７は、冷媒と温水との間で熱交換を行う熱交換器である。第１及び第２熱交換器３６、３７には、加熱往路２２及び加熱復路２０を通じて、貯湯タンク１８の温水が送られる。ここで、温水は、第２熱交換器３７から第１熱交換器３６の順で送られる。詳しくは後述するが、第１熱交換器３６では、気相域にある冷媒と温水との間で熱交換が行われ、第２熱交換器３７では、冷媒が凝縮しながら放熱して温水が加熱される。加熱後の温水は、加熱復路２０を通じて、貯湯タンク１８に戻される。それにより、貯湯タンク１８に温水が貯められる。

膨張弁３８は、第２熱交換器３７の出口側に接続されている。本実施例の膨張弁３８は、一例ではあるが、その開度を電気的に調整可能な電子膨張弁である。膨張弁３８はコントローラ７０へ電気的に接続されており、膨張弁３８の動作はコントローラ７０によって制御される。第２熱交換器３７からの冷媒は、膨張弁３８を通過することによって、急速に膨張する（ミスト状になる）。膨張弁３８の出口側は、蒸発器３２の入口側に接続されており、低圧（一部はミスト状である）となった冷媒が蒸発器３２に送られる。蒸発器３２では、前述のとおり、大気から採熱することによって冷媒が気化される。以上の冷凍サイクルにより、ヒートポンプ３０は、大気の熱を利用して貯湯タンク１８内の温水を加熱することができる。

ヒートポンプ３０はさらに、バイパス経路５０と、バイパス弁５２を備えている。バイパス経路５０は、第１熱交換器３６の出口側を、バイパス弁５２を介して圧縮機３４の入口側に接続している。一例ではあるが、本実施例のバイパス弁５２は電磁弁であり、その開閉状態がコントローラ７０によって制御可能となっている。なお、バイパス弁５２には、電磁弁に代えて、モータによって開度を調整可能な電動弁を採用することもできる。バイパス弁５２の具体的な構成は特に限定されない。このような構成により、第１熱交換器３６を通過した冷媒の一部は、バイパス経路５０へ流れ込むことによって、第２熱交換器３７を通ることなく循環する。そのことから、冷媒が気相域にある第１熱交換器３６では、冷媒の凝縮が行われる第２熱交換器３７よりも、多くの冷媒が利用される。

図２に、上記した冷凍サイクルをモリエル線図上で示す。図２において、Ｐ１−Ｐ２間は蒸発器３２における吸熱を示す。Ｐ２−Ｐ３間はバイパス経路５０からの冷媒の合流によるエンタルピーの増大を示す。Ｐ３−Ｐ５間は圧縮機３４における断熱的な圧縮を示す。Ｐ５−Ｐ６間は第１熱交換器３６における放熱を示す。Ｐ６−Ｐ７間は第２熱交換器３７における放熱を示す。Ｐ７−Ｐ１間は膨張弁３８における断熱的な膨張を示す。そして、Ｐ６−Ｐ４−Ｐ３間はバイパス経路５０からの冷媒の合流を示す。なお、二点鎖線のＨは、バイパス経路５０を有さない場合の冷凍サイクルを例示するものである。

図３に、所望する出湯温度を８０℃として、冷媒と温水の状態変化をＴＨ線図で示す。図２、図３に示すように、圧縮機３４から吐出された冷媒（Ｇ＋ｇ）は、気相域にあり、およそ１１０℃である。この冷媒は、第１熱交換器３６において温水と熱交換をすることにより、およそ６０℃まで低下する。その後、第２熱交換器３７に送られた一部の冷媒（Ｇ）は、凝縮しながら放熱し、その間の温度は一定となる（凝縮温度）。そして、冷媒（Ｇ）の凝縮が完全に終了すると、冷媒（Ｇ）の温度が低下し始める。

一方、温水については、初期温度が１０℃とすると、第２熱交換器３７において５０℃まで加熱される。ここで、仮に第１及び第２熱交換器３６、３７において冷媒量が同じであるとすると、第２熱交換器３７の温水の出口温度が５０℃であれば、第１熱交換器３６の温水の出口温度は６０℃程度にしか到達しない。しかしながら、本実施例では、第１熱交換器３６で利用される冷媒（Ｇ＋ｇ）が、第２熱交換器３７で利用される冷媒（Ｇ）よりも多くなっている。従って、第１熱交換器３６における温水の温度上昇幅が大きく、第１熱交換器３６の温水の出口温度を、所望の出湯温度８０℃に到達させることができる。換言すると、所望する出湯温度（ここでは８０℃）を得る場合に、第２熱交換器３７の温水の出口温度を比較的に低くでき、第２熱交換器３７における冷媒と温水との間に十分な温度差を確保することができる（図中の囲み部分Ｊ）。それにより、給湯装置１０の運転効率を高めることができる。

図４に、所望する出湯温度を６０℃として、冷媒と温水の状態変化をＴＨ線図で示す。所望する出湯温度が低いときほど、第２熱交換器３７における冷媒と温水との間には、大きな温度差が生じることになる。そのことから、所望する出湯温度が低いときは（例えば６０℃）、冷媒の冷凍サイクルの温度を下げても、冷媒と温水との間に十分な温度差を確保することができる（図中の囲み部分Ｊ）。従って、冷媒の冷凍サイクルの温度を低下させることで、冷媒の凝縮温度を低くすることができ、給湯装置１０の運転効率を高めることができる。

以上のように、本実施例の給湯装置１０では、圧縮機３４から吐出された高温高圧の冷媒が、第１熱交換器３６と第２熱交換器３７を順に通過しながら、温水との間で熱交換を行う（即ち、放熱しながら温水を加熱する）。第１熱交換器３６を通過した冷媒の一部は、バイパス経路５０へ流れ込むことによって、第２熱交換器３７を通ることなく循環する。その結果、冷媒が気相域にある第１熱交換器３６では、冷媒の凝縮が行われる第２熱交換器３７よりも、多くの冷媒によって熱交換が行われる。このような構成により、第１熱交換器３６における温水の温度上昇幅が大きくなるので、その分だけ、第２熱交換器３７における温水の温度上昇幅を小さくしても、温水を所望の出湯温度まで加熱することができる。あるいは、所望する出湯温度が比較的に低いときは、冷媒の凝縮温度を低下させることができる。それにより、給湯装置１０の運転効率を高めることができる。

図５を参照して実施例２の給湯装置１１０について説明する。本実施例の給湯装置１１０は、図１に示す実施例１の給湯装置１０と比較して、バイパス経路５０の構成が異なっている。即ち、本実施例のバイパス経路５０は、第１熱交換器３６の出口側を、バイパス弁５２を介して蒸発器３２の入口側に接続している。このような構成であっても、第１熱交換器３６を通過した冷媒の一部は、バイパス経路５０へ流れ込むことによって、第２熱交換器３７を通ることなく循環する。その結果、冷媒が気相域にある第１熱交換器３６では、冷媒の凝縮が行われる第２熱交換器３７よりも、多くの冷媒によって熱交換が行われる。その結果、第１熱交換器３６における温水の温度上昇幅が大きくなるので、その分だけ、第２熱交換器３７における温水の温度上昇幅を小さくしても、温水を所望の出湯温度まで加熱することができる。あるいは、所望する出湯温度が比較的に低いときは、冷媒の凝縮温度を低下させることができる。それにより、給湯装置１０の運転効率を高めることができる。

図６に、実施例２の給湯装置１１０の冷凍サイクルをモリエル線図上で示す。図６において、Ｐ１−Ｐ２間はバイパス経路５０からの冷媒の合流によるエンタルピーの増大を示す。Ｐ２−Ｐ３間は蒸発器３２における吸熱を示す。Ｐ３−Ｐ５間は圧縮機３４における断熱的な圧縮を示す。Ｐ５−Ｐ６間は第１熱交換器３６における放熱を示す。Ｐ６−Ｐ７間は第２熱交換器３７における放熱を示す。Ｐ７−Ｐ１間は膨張弁３８における断熱的な膨張を示す。そして、Ｐ６−Ｐ４−Ｐ３間はバイパス経路５０からの冷媒の合流を示す。なお、二点鎖線のＨは、バイパス経路５０を有さない場合の冷凍サイクルを例示するものである。

以上、実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的な有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載された組合せに限定されるものではない。また本明細書または図面に例示した技術は、複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的な有用性を持つものである。

１０、１１０：給湯装置
１２：ガス熱源機
１４：出湯管
１６：給水管
１８：貯湯タンク
２０：加熱復路
２２：加熱往路
３０：ヒートポンプ
３２：蒸発器
３４：圧縮機
３６：第１熱交換器
３７：第２熱交換器
３８：膨張弁
４２、４４、４６、４８：冷媒経路
５０：バイパス経路
５２：バイパス弁
５４：室外ファン
５６：ファンモータ
６０：循環ポンプ
７０：コントローラ

Claims (3)

1. 空気と冷媒との間で熱交換を行う蒸発器と、
   蒸発器の出口側に接続されており、蒸発器からの冷媒を圧縮する圧縮機と、
   圧縮機の出口側に接続されており、圧縮機からの冷媒と温水との間で熱交換を行う第１熱交換器と、
   第１熱交換器の出口側に接続されており、第１熱交換器からの冷媒と温水との間で熱交換を行う第２熱交換器と、
   第２熱交換器の出口側に接続され、かつ、その出口側は蒸発器の入口側に接続されている膨張弁と、
   第１熱交換器の出口側と第２熱交換器の入口側とを接続する冷媒経路を、バイパス弁を介して、蒸発器の出口側と圧縮機の入口側とを接続する冷媒経路に接続しているバイパス経路と、
   第２熱交換器から第１熱交換器の順で前記温水を送る温水経路と、
   を備えるヒートポンプ式給湯装置。
2. 空気と冷媒との間で熱交換を行う蒸発器と、
   蒸発器の出口側に接続されており、蒸発器からの冷媒を圧縮する圧縮機と、
   圧縮機の出口側に接続されており、圧縮機からの冷媒と温水との間で熱交換を行う第１熱交換器と、
   第１熱交換器の出口側に接続されており、第１熱交換器からの冷媒と温水との間で熱交換を行う第２熱交換器と、
   第２熱交換器の出口側に接続され、かつ、その出口側は蒸発器の入口側に接続されている膨張弁と、
   第１熱交換器の出口側と第２熱交換器の入口側とを接続する冷媒経路を、バイパス弁を介して、膨張弁の出口側と蒸発器の入口側とを接続する冷媒経路に接続しているバイパス経路と、
   第２熱交換器から第１熱交換器の順で前記温水を送る温水経路と、
   を備えるヒートポンプ式給湯装置。
3. 前記第１熱交換器では、気相域にある冷媒と温水との間で熱交換が行われ、前記第２熱交換器では、凝縮を開始した冷媒と温水との間で熱交換が行われることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプ式給湯装置。

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