JP6565538B2 - ヒートポンプ熱源機 - Google Patents

Description

本発明はヒートポンプ熱源機に関し、特に、凝縮熱交換器に冷媒によって給湯用水と暖房用水とを加熱可能な三流体熱交換器を採用したものに関する。

上記のヒートポンプ熱源機は、圧縮機と凝縮熱交換器と膨張弁と蒸発熱交換器とを冷媒配管で接続したヒートポンプ回路を有し、ヒートポンプ熱源機の凝縮熱交換器において冷媒と湯水の間で熱交換して湯水を加熱するようにしたものが多く採用されている。

従来から、ヒートポンプ熱源機に貯湯給湯装置を接続したヒートポンプ式貯湯給湯装置においては、ヒートポンプ熱源機の凝縮熱交換器で湯水を加熱し、その湯水を貯湯タンクに貯湯し、貯湯タンクの湯水を給湯に用いると共に暖房装置の暖房回路に供給する。

一方、ヒートポンプ熱源機に貯湯給湯装置を接続し、ヒートポンプ熱源機の凝縮熱交換器を三流体熱交換器で構成し、この三流体熱交換器に、冷媒熱交換部と給湯熱交換部と暖房用熱交換部を組み込み、冷媒により給湯熱交換部で給湯用の湯水を加熱すると共に暖房用熱交換部で暖房用の湯水を加熱するように構成したヒートポンプ給湯暖房装置も公知である。

特許文献１には、上記のように、ヒートポンプ熱源機の凝縮熱交換器を三流体熱交換器で構成したヒートポンプ給湯暖房装置が開示されている。
前記三流体熱交換器においては、冷媒配管の内部の中心部に暖房用配管を組み込んだ二重管に構成し、その冷媒配管の外側に給湯用配管を外接状に配置し、暖房用配管に暖房用水を流し、冷媒配管と暖房用配管の間に冷媒を流し、給湯用配管に給湯用湯水を流すように構成している。

特許文献２には、上記同様に、ヒートポンプ熱源機の凝縮熱交換器を三流体熱交換器で構成したヒートポンプ式給湯暖房装置が開示されている。この三流体熱交換器においては、給湯用湯水が流れる給湯用配管の外周面に冷媒が流れる冷媒配管を螺旋状に巻き付け、この冷媒配管の上端部と下端部に暖房用水が流れる暖房用配管を外接状に接触するように配設している。

特開２０１４−６２６６０号公報 特開２０１５−１０２２９０号公報

特許文献１の三流体熱交換器においては、冷媒配管と給湯用配管とが外接状に接触しているため、両者の伝熱面積が小さく、熱交換効率を高めることが難しく、三流体熱交換器が大型化し、製作費が高価になるという問題がある。

特許文献２の三流体熱交換器においては、給湯用配管の周囲に螺旋状に巻き回した冷媒配管の上端部と下端部に暖房用配管を外接状に接触させているため、冷媒配管と暖房用配管の伝熱面積が小さく、熱交換効率を高めることが難しく、三流体熱交換器が大型化し、製作費が高価になるという問題がある。

本発明の目的は、冷媒によって給湯用水と暖房用水の両方を加熱可能な三流体熱交換器であって、熱交換効率が高く、簡単かつ小型の構造で安価に製作可能な三流体熱交換器を凝縮熱交換器として採用したヒートポンプ熱源機を提供することである。

請求項１のヒートポンプ熱源機は、圧縮機と凝縮熱交換器と膨張弁と蒸発熱交換器とを冷媒配管で接続して構成され、前記凝縮熱交換器は冷媒によって給湯用水と暖房用水とを加熱可能な三流体熱交換器であるヒートポンプ熱源機であって、前記凝縮熱交換器は、給湯用水が流れる給湯配管と、暖房用水が流れる暖房配管が並行状に配置されていると共に、前記給湯配管と前記暖房配管の周囲に冷媒配管がコイル状に巻き回されていることを特徴としている。

請求項２のヒートポンプ熱源機は、請求項１の発明において、前記給湯配管における給湯用水の流れと、前記暖房配管における暖房用水の流れは同一方向に流れ、冷媒配管における冷媒の流れ方向は、給湯用水及び暖房用水の流れと逆方向に流れることを特徴としている。

請求項３のヒートポンプ熱源機は、請求項１又は請求項２の発明において、前記給湯配管の配管径よりも前記暖房配管の配管径の方が大きいことを特徴としている。

請求項４のヒートポンプ熱源機は、請求項１〜３の何れが１項の発明において、前記給湯配管と前記暖房配管は波形管で構成されており、前記冷媒配管はこの波形管の谷部に接触するように巻き回されていることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、ヒートポンプ熱源機の凝縮熱交換器は、給湯用水が流れる給湯配管と、暖房用水が流れる暖房配管を並行状に配置し、給湯配管と暖房配管の周囲に冷媒配管をコイル状に巻き回した構造であるため、給湯配管と冷媒配管との接触面積及び暖房配管と冷媒配管との接触面積が大きくなるため、凝縮熱交換器の熱交換効率を高めることができる。給湯配管と暖房配管の周囲に冷媒配管をコイル状に巻き回した構造であるため、構造が簡単かつ小型で、安価に製作可能な凝縮熱交換器となる。

請求項２の発明によれば、前記給湯配管における給湯用水と、前記暖房配管における暖房用水は同一方向に流れ、冷媒配管における冷媒の流れ方向が、給湯用水及び暖房用水の流れと逆方向であるため、ヒートポンプ熱源機の凝縮熱交換器の熱交換効率を高めることができる。

請求項３の発明によれば、給湯配管の配管径よりも暖房配管の配管径の方が大きいため、給湯配管内を流れる給湯用水の流量よりも、暖房用配管内を流れる暖房用水の流量を多くすることができ、暖房用の熱量を多くすることができる。給湯配管を流れる湯水は凝縮熱交換器の入出間で温度を上昇させる必要があり、流量が少なくなるので径の細い配管を採用している。

請求項４の発明によれば、給湯配管と暖房配管は波形管で構成されているので、給湯配管と暖房配管を並行状に配置しやすくなり、冷媒配管をこの波形管の谷部に接触させて巻き回すことができるため、伝熱面積を大きくして熱交換効率を高めることができる。

本発明の実施例に係るヒートポンプ熱源機等の概略構成図である。 図１の凝縮熱交換器の給湯配管と暖房配管を並行状に配置した状態の外観図である。 図１の凝縮熱交換器の給湯配管と暖房配管の周囲に冷媒配管を巻き回した外観図である。 実施例２に係る凝縮熱交換器の給湯配管と暖房配管の周囲に冷媒配管を巻き回した状態の断面図である。 実施例３に係る凝縮熱交換器の給湯配管と暖房配管の周囲に冷媒配管を巻き回した状態の断面図である。

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、ヒートポンプ給湯暖房装置１の全体構成について説明する。
図１に示すように、ヒートポンプ給湯暖房装置１は、ヒートポンプ熱源機２、貯湯給湯装置４と、この貯湯給湯装置４とヒートポンプ熱源機２との間に湯水を循環させる給湯循環回路５、この給湯循環回路５の循環ポンプ５ｃと、暖房装置６と、この暖房装置６とヒートポンプ熱源機２との間に暖房用水を循環させる暖房循環回路７と、この暖房循環回路７に設けた循環ポンプ７ｃと、貯湯給湯装置４へ入水する入水配管８と、貯湯給湯装置４から出湯する出湯配管９と、入水配管８から分岐した分岐配管１０と、出湯配管９と分岐配管１０との接続部に設けられた混合弁１１等から構成されている。

貯湯給湯装置４は、ヒートポンプ熱源機２で加熱された高温の湯水（例えば、６５〜９０℃）を貯留するための貯湯タンク１２を備えており、貯湯タンク１２の下端部に入水配管８と給湯循環回路５の低温側の給湯配管５ａが接続され、貯湯タンク１２の上端部には、ヒートポンプ熱源機２で加熱された高温の湯水を戻すための高温側の給湯配管５ｂと出湯配管９とが接続されている。

給湯循環回路５は、貯湯タンク１２、給湯配管５ａ，５ｂ、循環ポンプ５ｃ、凝縮熱交換器１４の熱交換通路部１４ａを接続して構成され、給湯循環回路５内には給湯用水が流れる。暖房循環回路７は、循環ポンプ７ｃ、暖房用水が循環する往復の暖房配管７ａ，７ｂ、凝縮熱交換器１４の熱交換通路部１４ｃを接続して構成され、暖房循環回路７内には水や不凍液からなる暖房用水が流れる。尚、貯湯給湯装置４の諸機器や循環ポンプ７ｃ、ヒートポンプ熱源機２の圧縮機１３、膨張弁１５、送風モータ１８等を制御する制御ユニット１ａと、操作用リモコン１ｂも設けられている。

次に、本発明に係るヒートポンプ熱源機２について説明する。
図１に示すように、ヒートポンプ熱源機２は、圧縮機１３と、凝縮熱交換器１４と、膨張弁１５と、蒸発熱交換器１６とを冷媒配管１７で接続して構成されたヒートポンプ回路を備え、凝縮熱交換器１４は、冷媒によって給湯用水と暖房用水とを加熱可能な三流体熱交換器で構成されている。

圧縮機１３は、気相状態の冷媒を断熱圧縮して温度上昇させる密閉型圧縮機である。凝縮熱交換器１４は、給湯配管５ａ，５ｂ間に設置された熱交換通路部１４ａと、冷媒配管１７の一部をなす熱交換通路部１４ｂと、低温側の暖房配管７ａと高温側の暖房配管７ｂ間に設置された熱交換通路部１４ｃとを有する。

この凝縮熱交換器１４において、給湯運転における給湯用水を加熱する際は、熱交換通路部１４ｂを流れる冷媒と給湯配管５ａから熱交換通路部１４ａに供給された給湯用水との間で熱交換され、高温高圧の冷媒との熱交換によって給湯用水が加熱されて、冷媒は冷却されて液化状態となる。同様に、暖房運転における暖房用水を加熱する際も、熱交換通路部１４ｂを流れる冷媒と暖房配管７ａから熱交換通路部１４ｃに供給された暖房用水との間で熱交換される。

膨張弁１５は、液化状態の冷媒を断熱膨張させ温度低下させる。この膨張弁１５は、絞り量が可変な制御弁で構成されるが、絞り量が可変な膨張弁１５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１６に送風するため、送風モータ１８で駆動される蒸発熱交換器用の送風ファン１９が設けられ、蒸発熱交換器１６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１６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状態となる。

次に、三流体熱交換器からなる凝縮熱交換器１４の構造について説明する。
図２，図３に示すように、凝縮熱交換器１４は、給湯用水が流れる熱交換通路部１４ａと、暖房用水が流れる熱交換通路部１４ｃが並行状に配置されていると共に、熱交換通路部１４ａと熱交換通路部１４ｃの周囲に冷媒配管１７の一部である熱交換通路部１４ｂがコイル状に巻き回されている。

図２に示すように、給湯用水が流れる熱交換通路部１４ａと、暖房用水が流れる熱交換通路部１４ｃは、夫々銅製の螺旋状の波形管２０，２１で構成されている。
ここで、熱交換通路部１４ａと熱交換通路部１４ｃとを並行状に配置すると、熱交換通路部１４ａの波形管２０の複数の谷部２０ａに、熱交換通路部１４ｃの波形管２１の複数の山部２１ｂが夫々接触した状態となる。同様に、熱交換通路部１４ｃの波形管２１の複数の谷部２１ａに、熱交換通路部１４ａの波形管２０の複数の山部２０ｂが夫々接触した状態となる。

図３に示すように、上記の状態で並行状に配置された熱交換通路部１４ａと熱交換通路部１４ｃの周囲に、冷媒配管１７の熱交換通路部１４ｂがこの波形管２０，２１の谷部２０ａ，２１ａに接触するようにコイル状に巻き回されている。尚、冷媒配管１７も銅製の小径管であり、冷媒配管１７の熱交換通路部１４ｂは、伝熱性能を高めるため、熱交換通路部１４ａと熱交換通路部１４ｃの表面にロウ付けにて接合される。

熱交換通路部１４ａの直径は例えば約８〜９ｍｍ、熱交換通路部１４ｃの直径は例えば約１２〜１３ｍｍ、冷媒配管１７の直径は例えば約５〜６ｍｍであり、給湯用水が流れる熱交換通路部１４ａの配管径より、暖房用水が流れる熱交換通路部１４ｃの配管径の方が大きく、熱交換通路部１４ａにおける給湯用水の流れと、熱交換通路部１４ｃにおける暖房用水の流れは同一方向に流れ、冷媒配管１７における冷媒の流れ方向は、給湯用水及び暖房用水の流れと逆方向に流れる。

次に、本発明のヒートポンプ熱源機２の作用及び効果について説明する。
ヒートポンプ熱源機２の凝縮熱交換器１４は、給湯用水が流れる熱交換通路部１４ａ（給湯配管）と、暖房用水が流れる熱交換通路部１４ｃ（暖房配管）を並行状に配置し、熱交換通路部１４ａと熱交換通路部１４ｃの周囲に冷媒配管１７の一部である熱交換通路部１４ｂをコイル状に巻き回した構造としたため、熱交換通路部１４ａと冷媒配管１７（１４ｂ）との接触面積及び熱交換通路部１４ｃと冷媒配管１７（１４ｂ）との接触面積が大きくなり、ヒートポンプ熱源機２の凝縮熱交換器１４の熱交換効率を高めることができる。熱交換通路部１４ａと熱交換通路部１４ｃの周囲に冷媒配管１７（１４ｂ）をコイル状に巻き回した構造であるため、構造が簡単かつ小型で安価に製作可能な凝縮熱交換器１４となる。

また、熱交換通路部１４ｂにおける冷媒の流れ方向が、給湯用水及び暖房用水の流れと逆方向のため、ヒートポンプ熱源機２の凝縮熱交換器１４の熱交換効率を高めることができる。
高温側の給湯用水及び暖房用水を高温側の冷媒で加熱し、低温側の給湯用水及び暖房用水を低温側の冷媒で加熱するため、冷媒と被加熱流体間の温度差を確保して熱交換効率を高めることができる。

また、熱交換通路部１４ａ（給湯配管）の配管径よりも熱交換通路部１４ｃ（暖房配管）の配管径の方が大きいため、熱交換通路部１４ａ内を流れる給湯用水よりも、熱交換通路部１４ｃ内を流れる暖房用水の流量を多くすることができ、暖房用の熱量を多くすることができる。熱交換通路部１４ａを流れる湯水は凝縮熱交換器１４の入出間で温度を上昇させる必要があり、流量が少なくなるので径の細い配管を採用している。

一方、熱交換通路部１４ｃを流れる暖房用水は、一旦高温となって暖房循環回路７内を循環し始めると急激に低温になることはなく、凝縮熱交換器１４の入出間での温度差が小さいため、流速を高める必要はなく、また、循環ポンプ７ｃの負荷軽減の面からも径の大きな配管を適用することが望ましい。

さらに、熱交換通路部１４ａ（給湯配管）と熱交換通路部１４ｃ（暖房配管）は螺旋状の波形管２０，２１で構成されているので、熱交換通路部１４ａと熱交換通路部１４ｃを並行状に配置しやすくなり、冷媒配管１７をこの波形管２０，２１の谷部２０ａ，２１ａに接触させて巻き回す構成とすることができ、簡単な構造で安価に製作可能になる。
前記実施例の変更形態として、冷媒配管１７を２本又は３本並べて１組とした銅製の小径管で構成し、その複数本１組の冷媒配管１７を熱交換通路部１４ａと熱交換通路部１４ｃの周囲に巻き回してもよい。

次に、実施例２の凝縮熱交換器２４について説明する。
図４に示すように、上記実施例の波形管２０，２１の代わりに、直管３０，３１を適用して凝縮熱交換器２４を構成することも可能である。凝縮熱交換器２４は、給湯用水が流れる熱交換通路部２４ａ（給湯配管）と、暖房用水が流れる熱交換通路部２４ｃ（暖房配管）が並行状に配置されており、熱交換通路部２４ａと熱交換通路部２４ｃの周囲に冷媒配管１７の一部である熱交換通路部２４ｂがコイル状に巻き回されている。熱交換通路部２４ｂは、熱交換通路部２４ａと熱交換通路部２４ｃにロウ付けされている。

熱交換通路部２４ａの直径は例えば約８〜９ｍｍ、熱交換通路部２４ｃの直径は例えば約１２〜１３ｍｍ、冷媒配管１７の直径は例えば約５〜６ｍｍであり、給湯配管である熱交換通路部２４ａの配管径よりも暖房配管である熱交換通路部２４ｃの配管径の方が大きいので、暖房用水の流量を給湯用水の流量よりも多くすることができる。
この凝縮熱交換器２４においても、前記実施例１の凝縮熱交換器１４と同様の作用及び効果を得ることができる。

尚、上記実施例の変更形態として、冷媒配管１７を２本又は３本並べて１組とした銅製の小径管で構成し、その複数本１組の冷媒配管１７を熱交換通路部２４ａと熱交換通路部２４ｃの周囲に巻き回してもよい。

次に、実施例３の凝縮熱交換器３４について説明する。
図５に示すように、上記実施例の波形管２０，２１の代わりに、直管４０，４１を適用して凝縮熱交換器３４を構成することも可能である。凝縮熱交換器３４は、給湯用水が流れる熱交換通路部３４ａ（給湯配管）と、暖房用水が流れる熱交換通路部３４ｃ（暖房配管）が並行状に配置されており、熱交換通路部３４ａと熱交換通路部３４ｃの周囲に冷媒配管１７の一部である熱交換通路部３４ｂがコイル状に巻き回されている。尚、熱交換通路部３４ｂは、熱交換通路部３４ａと熱交換通路部３４ｃの周囲にロウ付けされる。

直管４１の頂部には、直管４０の下端部を係合可能に凹入させた凹入部４１ａが形成され、この凹入部４１ａに直管４０の下端部を係合させている。そして、直管４０と直管４１の周囲に冷媒配管１７の一部である熱交換通路部３４ｂが巻き回されている。この凝縮熱交換器３４では、熱交換通路部３４ｂと、熱交換通路部３４ａと熱交換通路部３４ｃ間の伝熱面積が大きくなるため、熱交換性能が向上する。
この凝縮熱交換器３４においても、前記実施例１の凝縮熱交換器１４と同様の作用及び効果を得ることができる。

尚、上記実施例の変更形態として、冷媒配管１７を２本又は３本並べて１組とした銅製の小径管で構成し、その複数本１組の冷媒配管１７を熱交換通路部２４ａと熱交換通路部２４ｃの周囲に巻き回してもよい。

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１において、前記波形管２０，２１の山部と谷部が螺旋状に形成されていたが、山部と谷部を環状に形成した波形管も採用可能である。
［２］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。

２ ヒートポンプ熱源機
５ａ，５ｂ 給湯配管
７ａ，７ｂ 暖房配管
１７ 冷媒配管
１３ 圧縮機
１４ 凝縮熱交換器
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ 熱交換通路部
１５ 膨張弁
１６ 蒸発熱交換器

Claims (4)

1. 圧縮機と凝縮熱交換器と膨張弁と蒸発熱交換器とを冷媒配管で接続して構成され、前記凝縮熱交換器は冷媒によって給湯用水と暖房用水とを加熱可能な三流体熱交換器であるヒートポンプ熱源機であって、
   前記凝縮熱交換器は、給湯用水が流れる給湯配管と、暖房用水が流れる暖房配管が並行状に配置されていると共に、前記給湯配管と前記暖房配管の周囲に冷媒配管がコイル状に巻き回されていることを特徴とするヒートポンプ熱源機。
2. 前記給湯配管における給湯用水の流れと、前記暖房配管における暖房用水の流れは同一方向に流れ、冷媒配管における冷媒の流れ方向は、給湯用水及び暖房用水の流れと逆方向に流れることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ熱源機。
3. 前記給湯配管の配管径よりも前記暖房配管の配管径の方が大きいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヒートポンプ熱源機。
4. 前記給湯配管と前記暖房配管は波形管で構成されており、前記冷媒配管はこの波形管の谷部に接触するように巻き回されていることを特徴とする請求項１〜３の何れが１項に記載のヒートポンプ熱源機。