JP6440006B2 - ヒートポンプ式熱源機 - Google Patents

Description

本発明はヒートポンプ式熱源機に関し、特に凝縮熱交換器と膨張弁とをバイパスするバイパス通路に設置された除霜弁を使用して除霜運転を行うものに関する。

従来から、冷媒を利用した熱交換式のヒートポンプ給湯装置が一般に広く普及している。この種のヒートポンプ給湯装置は、冷媒により湯水を加熱するヒートポンプ式熱源機、加熱された湯水を貯留する貯湯タンク、ヒートポンプ式熱源機と貯湯タンクとの間に湯水を循環する加熱循環回路等を備え、貯湯タンク内の湯水を加熱循環回路に循環させてヒートポンプ式熱源機で加熱して、加熱された湯水を貯湯タンク内に戻して貯留し、貯湯タンクから蛇口や風呂等の所望の給湯先に給湯するものである。

上記のヒートポンプ式熱源機は、圧縮機、凝縮熱交換器、膨張弁、蒸発熱交換器を冷媒配管を介して接続することでヒートポンプ回路を構成し、冷媒配管に封入された冷媒を利用して貯湯運転が行われる。この貯湯運転では、圧縮機と蒸発熱交換器用の送風ファンとが夫々駆動され、凝縮熱交換器によってヒートポンプ回路を流れる冷媒と加熱循環回路を流れる湯水との間で熱交換が行われて湯水が加熱される。

ところで、上記のヒートポンプ式熱源機において、蒸発熱交換器で冷媒が外気から吸熱する構造上、寒冷地や冬場等では、蒸発熱交換器の表面に大気中の水蒸気が付着して凍結することで霜が発生する場合がある。蒸発熱交換器に霜が付着すると、蒸発熱交換器における吸熱効率が著しく低下してしまい、結果的にヒートポンプ式熱源機の運転効率が低下してしまうという問題がある。

このため、ヒートポンプ式熱源機には、一般的に、貯湯運転を停止して蒸発熱交換器に付着した霜を取り除く為の除霜運転の機能が設けられている。このような除霜運転の機能としては、以下に説明するような種々の技術が実用化されている。

例えば、圧縮機に四方弁を設け、除霜運転時には、この四方弁を介して冷媒を通常運転時とは逆方向に流し、圧縮機で高温高圧にされた冷媒（ホットガス）を蒸発熱交換器に直接流し込み、蒸発熱交換器に付着した霜を融解することで除霜を行う。

また、特許文献１に記載されているヒートポンプ給湯機では、凝縮熱交換器をバイパスするバイパス通路を設け、このバイパス通路に除霜弁を設置し、除霜運転時には、除霜弁を開放し、圧縮機で加熱された冷媒を、バイパス通路を介して蒸発熱交換器に直接流して蒸発熱交換器の霜を取り除く。

特開２００６−２２０３５７号公報

ところで、通常の貯湯運転時、特許文献１のヒートポンプ給湯機の構造では、バイパス通路は除霜弁によって常時閉止されているので、バイパス通路に冷媒配管から流入した冷媒が滞留してしまう。特に、除霜弁よりも上流側のバイパス通路には、圧縮機と凝縮熱交換器との間の冷媒配管から高温高圧の気体状の冷媒が流入する。

しかし、バイパス通路の長さや除霜弁の設置個所は、ヒートポンプ式熱源機の機器類の配置に応じて決定されるので、冷媒配管からバイパス通路が分岐する分岐部から除霜弁が離れて設置されると、除霜弁よりも上流側のバイパス通路に流入した冷媒は、外気温度等の影響により温度が徐々に低下して液化してしまう。バイパス通路に滞留した液状の冷媒は、ヒートポンプサイクルの運転に寄与しない上、気体状の冷媒と比較して液化した冷媒が滞留すると、冷媒の充填量を多くする必要があるので、結果的にヒートポンプ式熱源機の運転効率が低下するという問題がある。

本発明の目的は、除霜弁が設置されたバイパス通路に液化した冷媒が滞留するのを防止可能なヒートポンプ式熱源機を提供すること、冷媒の充填量を極力節減可能なヒートポンプ式熱源機を提供すること、等である。

請求項１のヒートポンプ式熱源機は、圧縮機と凝縮熱交換器と膨張手段と蒸発熱交換器とを冷媒配管で接続して構成されたヒートポンプ回路を備えたヒートポンプ式熱源機であって、前記ヒートポンプ回路は、少なくとも前記凝縮熱交換器をバイパスするバイパス通路と、このバイパス通路に設置された除霜弁とを有し、前記蒸発熱交換器の着霜を検知した場合には、前記除霜弁を開放して除霜運転を行うヒートポンプ式熱源機において、前記バイパス通路は、前記除霜弁よりも上流側の上流側バイパス通路部を有し、前記除霜弁は、前記圧縮機と前記凝縮熱交換器との間の前記冷媒配管から前記バイパス通路が分岐する分岐部に近接した位置に設置され、前記上流側バイパス通路部の長さは、貯湯運転時に前記上流側バイパス通路部に滞留する冷媒が冷媒通路を流れる冷媒と略同じ温度を保持可能な長さに設定されていることを特徴としている。

請求項２のヒートポンプ式熱源機は、請求項１の発明において、前記バイパス通路は、前記分岐部と前記除霜弁の入口側とを接続する上流側バイパス通路部を有し、前記上流側バイパス通路部は、前記除霜弁に一体的に装備されている接続管で構成されたことを特徴としている。

請求項３のヒートポンプ式熱源機は、請求項２の発明において、前記分岐部はＴ字形の接続継手部材で構成され、前記接続管が前記接続継手部材に直接接続されたことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、除霜弁は、圧縮機と凝縮熱交換器との間の冷媒配管からバイパス通路が分岐する分岐部に近接した位置に設置され、前記上流側バイパス通路部の長さは、貯湯運転時に前記上流側バイパス通路部に滞留する冷媒が冷媒通路を流れる冷媒と略同じ温度を保持可能な長さに設定されているので、分岐部と除霜弁との間の上流側バイパス通路部の長さを短く構成することができる。

このように、除霜弁を、除霜弁よりも上流側の上流側バイパス通路部に滞留した冷媒の液化を防止できるように分岐部に近接した位置に配置することで、前記上流側バイパス通路部に滞留する冷媒量を少量にすることができる。冷媒配管を流れる高温高圧の冷媒の温度を利用して、冷媒配管からバイパス通路に流入した冷媒の液化を防止することができるので、冷媒配管への冷媒の充填量を極力節減して、ヒートポンプ式熱源機の運転効率の低下を防止することができる。

請求項２の発明によれば、バイパス通路は、分岐部と除霜弁の入口側とを接続する上流側バイパス通路部を有し、上流側バイパス通路部は、除霜弁に一体的に装備されている接続管で構成されたので、上流側バイパス通路部をコンパクトに構成することができる。除霜弁と上流側バイパス通路とを一体品としてヒートポンプ式熱源機に組み付けることができるので、作業性が向上する。

請求項３の発明によれば、分岐部はＴ字形の接続継手部材で構成され、接続管が接続継手部材に直接接続されたので、冷媒配管と除霜弁とを接続する配管部材が不要になり、部品点数が低減し、ロウ付け箇所が低減することで作業工数が減り、上流側バイパス通路部の冷媒配管へ取り付ける際の作業が簡単になる。

本発明の実施例に係るヒートポンプ給湯装置の概略構成図である。 冷媒配管とバイパス通路と除霜弁の概略構成図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

先ず、ヒートポンプ給湯装置１の全体構成について説明する。
図１に示すように、ヒートポンプ給湯装置１は、湯水を貯留する貯湯タンク５を備えた貯湯給湯装置２、貯湯タンク５の湯水の加熱を行うヒートポンプ式熱源機３、ヒートポンプ給湯装置１を制御する制御ユニット４、貯湯給湯装置２とヒートポンプ式熱源機３との間に湯水を循環させる循環用配管８ａ，８ｂ等から構成されている。

図１に示すように、貯湯給湯装置２は、縦長筒状の外周面を有する貯湯タンク５、各種の配管６，７，８ａ，８ｂ、湯水循環ポンプ１１、開閉弁１２、混合弁１３、主制御ユニット１６、外装ケース１７等を備えている。貯湯タンク５は、ヒートポンプ式熱源機３で加熱された高温の湯水（例えば、６５〜９０℃）を貯留するものである。

貯湯タンク５の下端部には、給水配管６と循環用配管８ａとが接続されている。給水配管６には、貯湯タンク５へ低温の上水を供給する為の開閉弁１２が設けられている。貯湯タンク５の上端部には、循環用配管８ｂと出湯配管７とが接続され、循環用配管８ｂから戻された高温の湯水を貯湯タンク５内に貯留し、給湯時には貯湯タンク５内の高温の湯水を出湯配管７に供給することができる。

貯湯タンク５には、複数の温度センサ５ａ〜５ｄが高さ方向所定間隔おきの位置に配置され、温度センサ５ａ〜５ｄの温度検出信号が主制御ユニット１６に供給される。外装ケース１７は、薄鋼板製の箱状に形成され、貯湯タンク５、各種の配管類６，７、循環用配管８ａ，８ｂの一部、湯水循環ポンプ１１、開閉弁１２、混合弁１３、各種の温度センサ１５ａ〜１５ｄ、主制御ユニット１６等を収容している。

次に、本発明に係るヒートポンプ式熱源機３について説明する。
図１に示すように、ヒートポンプ式熱源機３は、冷媒により湯水を加熱するヒートポンプ回路２０、主制御ユニット１６に接続され且つヒートポンプ回路２０を制御する補助制御ユニット４３、これらを収納する外装ケース４５等を備えている。

ヒートポンプ回路２０は、圧縮機２１、湯水加熱用の凝縮熱交換器２２、高圧の冷媒を急膨張させて温度と圧力を下げる膨張弁２３、外気熱吸収用の蒸発熱交換器２４を有し、これら機器２１〜２４が冷媒配管２５を介して接続されて構成され、冷媒配管２５に収容された冷媒を利用して貯湯運転を行う。ヒートポンプ回路２０は、さらに、送風モータ２７ａで駆動される蒸発熱交換器用の送風ファン２７と、除霜運転の為のバイパス通路３１及び除霜弁３２を有している。

圧縮機２１は、気相状態の冷媒を断熱圧縮して温度上昇させる公知の密閉型圧縮機である。

凝縮熱交換器２２は、循環用配管８ａ，８ｂ間に設置された熱交換器通路部２２ａと、冷媒配管２５の一部となる内部通路２２ｂとを有する二重管で構成されている。この凝縮熱交換器２２において、内部通路２２ｂを流れる冷媒と循環用配管８ａから熱交換器通路部２２ａに供給される湯水との間で熱交換され、湯水は加熱され冷媒は冷却され液化する。

膨張弁２３（膨張手段に相当する）は、液相状態の冷媒を断熱膨張させ温度低下させる。この膨張弁２３は、絞り量が可変な制御弁からなる。尚、絞り量が可変な膨張弁２３の代わりに絞り量が一定の膨張弁を採用しても良い。

蒸発熱交換器２４は、冷媒配管２５に含まれる蒸発器通路部２４ａを有し、この蒸発器通路部２４ａは伝熱管と複数のフィンとを有している。この蒸発熱交換器２４において、蒸発器通路部２４ａを流れる冷媒と外気との間で熱交換され、冷媒は外気から吸熱して気化する。

冷媒配管２５は、圧縮機２１の吐出側と凝縮熱交換器２２の入口側とを接続する冷媒通路２５ａ，凝縮熱交換器２２の出口側と膨張弁２３の入口側とを接続する冷媒通路２５ｂ，膨張弁２３の出口側と蒸発熱交換器２４の入口側とを接続する冷媒通路２５ｃ，蒸発熱交換器２４の出口側と圧縮機２１の導入側とを接続する冷媒通路２５ｄを備えている。

冷媒配管２５には、圧縮機２１の吐出側に設けられ且つ圧縮機２１から吐出する冷媒温度を検知する圧縮機吐出側温度センサ２９ａ、膨張弁２３の入口側に設けられ且つ膨張弁２３に流入する冷媒温度を検知する膨張弁入口側温度センサ２９ｂ、膨張弁２３の出口側に設けられ且つ膨張弁２３から流出する冷媒温度を検知する膨張弁出口側温度センサ２９ｃ、蒸発熱交換器２４の出口側に設けられ且つ蒸発熱交換器２４から流出する冷媒温度を検知する蒸発熱交換器出口側温度センサ２９ｄ等が設けられている。

冷媒配管２５には、凝縮熱交換器２２と膨張弁２３とをバイパスするように、冷媒通路２５ａと冷媒通路２５ｃとに接続されたバイパス通路３１が設けられている。

バイパス通路３１には、凝縮熱交換器２２と膨張弁２３とに並列接続されるように且つ除霜運転時に補助制御ユニット４３によって開閉制御される除霜弁３２が設けられている。蒸発熱交換器２４の着霜を検知した場合には、除霜弁３２を開放して除霜運転を行う。尚、本願発明に関連するバイパス通路３１及び除霜弁３２の具体的な構造については後述する。

ヒートポンプ式熱源機３の貯湯運転時において、圧縮機２１により高圧に圧縮された加熱状態の冷媒は、凝縮熱交換器２２に送られ、湯水循環ポンプ１１の駆動により貯湯タンク５の下端部から循環用配管８ａを経て熱交換器通路部２２ａに流入した水と熱交換してその水を暖め、温度低下して液化した冷媒は膨張弁２３に送られ、加熱された湯水が循環用配管８ｂを通って貯湯給湯装置２の貯湯タンク５に貯留され、ヒートポンプ式熱源機３を経由する加熱動作を繰り返すことで貯湯タンク５に高温の湯水が貯留される。

ヒートポンプ給湯装置１は、主制御ユニット１６と補助制御ユニット４３からなる制御ユニット４によって制御される。各種の温度センサ等の検出信号が制御ユニット４に送信され、この制御ユニット４により、貯湯給湯装置２とヒートポンプ式熱源機３の動作、各種のポンプの作動・停止、各種の弁の開閉状態の切り換え及び開度調整等を制御し、各種運転（貯湯運転、給湯運転、除霜運転等）を実行する。

主制御ユニット１６は、ユーザーが操作可能な操作リモコン４６との間でデータ通信可能であり、操作リモコン４６のスイッチ操作により目標給湯温度が設定されると、その目標給湯温度データが操作リモコン４６から主制御ユニット１６に送信される。補助制御ユニット４３は、主制御ユニット１６との間でデータ通信可能であり、主制御ユニット１６からの指令に従ってヒートポンプ式熱源機３の各種機器（圧縮機２１、膨張弁２３、送風モータ２７ａ、除霜弁３２等）の駆動制御を行う。

ここで、本願発明に関連するバイパス通路３１及び除霜弁３２の具体的な構造について説明する。
図１，図２に示すように、バイパス通路３１は、冷媒通路２５ａから分岐して冷媒通路２５ｃに接続することで、凝縮熱交換器２２と膨張弁２３とをバイパスする除霜回路を構成するものであり、冷媒通路２５ａと除霜弁３２の入口側３５ａとを接続する上流側バイパス通路部３１ａと、除霜弁３２の出口側３５ｂと冷媒通路２５ｃとを接続する下流側バイパス通路部３１ｂとを有している。

図２に示すように、除霜弁３２は、高温高圧の気体状の冷媒が流れる冷媒通路２５ａに近い位置に設置されている。即ち、除霜弁３２は、圧縮機２１と凝縮熱交換器２２との間の冷媒通路２５ａからバイパス通路３１が分岐する分岐部３０に近接した位置に設置されている。除霜弁３２は、プランジャ３３ａ（可動鉄心）、プラグナット３３ｂ（固定鉄心）、コイル３３ｃ、ヨーク３３ｄ等からなるソレノイド部３３と、弁体３４ａ、弁座３４ｂ、流路孔３４ｃ等からなる弁部３４とを備えた公知の電磁開閉弁で構成されている。

さらに、除霜弁３２は、真鍮製のブロック状の弁ケース部材３５を備え、この弁ケース部材３５に弁部３４が設けられている。この弁ケース部材３５に、除霜弁３２の軸心と直行する方向に延びる上流側直管３６（接続管に相当する）と、除霜弁３２の軸心と並行する方向に延びる下流側直管３７とが一体的に装備されている。即ち、上流側直管３６の下流端が、弁ケース部材３５の側面部に開口する入口側３５ａにロウ付けで接続され、下流側直管３７の上流端が、弁ケース部材３５の底部に開口する出口側３５ｂにロウ付けで接続されている。

バイパス通路３１において、上流側バイパス通路部３１ａは、上流側直管３６で構成されている。冷媒通路２５ａの分岐部３０はＴ字形の接続継手部材３８（所謂チーズ）で構成され、上流側直管３６の上流端が接続継手部材３８にロウ付けによって直接接続されている。下流側バイパス通路部３１ｂの上流側端部は、下流側直管３７で構成されている。下流側直管３７の下流端は、下流側バイパス通路部３１ｂを構成する大部分の配管部材３９に接続継手部材３９ａを介して接続されている。

尚、上流側直管３６は、貯湯運転時に、この上流側直管３６に滞留する冷媒が冷媒通路２５ａを流れる冷媒温度と略同じ温度を保持可能な長さ（例えば、３０〜４０ｍｍ程度）に設定されるのが望ましい。

尚、除霜弁３２は、全開状態でもバイパス通路３１の断面積より小さい断面積の流路孔３４ｃを有する。つまり、除霜弁３２は、全開状態でも絞り機能を奏するので、除霜弁３２の入口側３５ａと出口側３５ｂの冷媒には温度差や圧力差が存在する。このため、除霜運転時には、通常の貯湯運転時における圧縮機２１の吐出冷媒温度より低いが、高温の冷媒を蒸発熱交換器２４に送ることができる。

次に、本発明のヒートポンプ式熱源機３の作用及び効果について説明する。
ヒートポンプ式熱源機３の貯湯運転中、蒸発熱交換器出口側温度センサ２９ｄで検出した蒸発熱交換器２４から流出する冷媒の温度が設定温度以下（例えば０℃〜−７℃）になると、蒸発熱交換器２４に付着した霜を除去する為に除霜運転を開始する。

除霜運転では、制御ユニット４は、送風ファン２７を停止し、除霜弁３２を開弁状態に切り換えると共に膨張弁２３を全閉状態に切り換える。すると、圧縮機２１から吐出される高温高圧の冷媒は、凝縮熱交換器２２には流れずバイパス通路３１を通って蒸発熱交換器２４に流れ、蒸発熱交換器２４に付着した霜を融解することで除霜が行われる。

ところで、ヒートポンプ式熱源機３の貯湯運転中、除霜弁３２は閉弁状態を維持するので、バイパス通路３１の上流側バイパス通路部３１ａと下流側バイパス通路部３１ｂには、冷媒が滞留してしまう。下流側バイパス通路部３１ｂは、外気温度と蒸発温度の関係から冷媒の温度低下は起き難くいので、膨張弁２３から蒸発熱交換器２４へ流れる冷媒と同じ気体状の冷媒が滞留する。

上流側バイパス通路部３１ａには、圧縮機２１から凝縮熱交換器２２へ流れる高温高圧の気体状の冷媒が流入するが、除霜弁３２が冷媒通路２５ａの近くに設置された構造上、上流側バイパス通路部３１ａが短くなって、冷媒通路２５ａを流れる冷媒の熱が上流側バイパス通路部３１ａに滞留した冷媒に効率良く伝熱されるので、冷媒温度の低下を抑制し、冷媒の液化が防止される。

従って、除霜弁３２を冷媒配管２５の近くに適切に配置することで、除霜弁３２よりも上流側のバイパス通路３１に滞留する冷媒量を少量にすることができる。冷媒通路２５ａを流れる高温高圧の冷媒の温度を利用して、冷媒配管２５からバイパス通路３１に流入した冷媒の液化を防止することができるので、冷媒配管２５への冷媒の充填量を極力節減して、ヒートポンプ式熱源機３の運転効率の低下を防止することができる。

また、上流側バイパス通路部３１ａは、除霜弁３２に一体的に装備されている上流側直管３６で構成され、この上流側直管３６が接続継手部材３８に直接接続されたので、冷媒配管２５と除霜弁３２とを接続する配管部材が不要になり、部品点数が低減し、ロウ付け箇所が低減することで作業工数が減り、上流側バイパス通路部３１ａの冷媒配管２５へ取り付ける際の作業が簡単になる。

次に、前記実施例を部分的に変更した形態について説明する。
［１］前記実施例において、バイパス通路３１は、凝縮熱交換器２２と膨張弁２３とをバイパスするように設けられているが、除霜運転時に膨張弁２３を全開状態に設定可能であれば、凝縮熱交換器２２のみをバイパスするように設けられても良い。

［２］前記実施例において、接続管として上流側直管３６が適用されているが、特にこの形状に限定する必要はなく、接続管としてＬ字形状に構成された配管を適用しても良く、接続管の形状は適宜変更可能である。

［３］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

３ ヒートポンプ式熱源機
２０ ヒートポンプ回路
２１ 圧縮機
２２ 凝縮熱交換器
２３ 膨張弁
２４ 蒸発熱交換器
２５ 冷媒配管
３０ 分岐部
３１ バイパス通路
３１ａ 上流側バイパス通路部
３２ 除霜弁
３６ 上流側直管
３８ 接続継手部材

Claims (3)

1. 圧縮機と凝縮熱交換器と膨張手段と蒸発熱交換器とを冷媒配管で接続して構成されたヒートポンプ回路を備えたヒートポンプ式熱源機であって、前記ヒートポンプ回路は、少なくとも前記凝縮熱交換器をバイパスするバイパス通路と、このバイパス通路に設置された除霜弁とを有し、前記蒸発熱交換器の着霜を検知した場合には、前記除霜弁を開放して除霜運転を行うヒートポンプ式熱源機において、
   前記バイパス通路は、前記除霜弁よりも上流側の上流側バイパス通路部を有し、
   前記除霜弁は、前記圧縮機と前記凝縮熱交換器との間の前記冷媒配管から前記バイパス通路が分岐する分岐部に近接した位置に設置され、
   前記上流側バイパス通路部の長さは、貯湯運転時に前記上流側バイパス通路部に滞留する冷媒が冷媒通路を流れる冷媒と略同じ温度を保持可能な長さに設定されていることを特徴とするヒートポンプ式熱源機。
2. 前記上流側バイパス通路部は、前記除霜弁に一体的に装備されている接続管で構成されたことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式熱源機。
3. 前記分岐部はＴ字形の接続継手部材で構成され、前記接続管が前記接続継手部材に直接接続されたことを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式熱源機。