JP6747608B2

JP6747608B2 - ヒートポンプ給湯機

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Publication number: JP6747608B2
Application number: JP2019558818A
Authority: JP
Inventors: 周二茂木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2020-08-26
Anticipated expiration: 2037-12-15
Also published as: JPWO2019116525A1; WO2019116525A1

Description

この発明は、ヒートポンプ給湯機に関するものである。

ヒートポンプ給湯機は、貯湯タンクの水と室外機を流れる冷媒との間で熱交換させて給湯するものである。室外機では、圧縮機に液冷媒が流入した場合に故障するため、圧縮機に流入する冷媒を気相状態に保つ必要がある。従来のヒートポンプ給湯機では、室外機の内部に、圧縮機から減圧装置へ流入する高圧冷媒と減圧装置から圧縮機へ流入する低圧冷媒との間で熱交換する内部熱交換器を備えていた（例えば、特許文献１）。内部熱交換器では高温の高圧冷媒から低温の低圧冷媒へ熱が移動して低圧冷媒が温められることで低圧冷媒が気液２相状態になることが抑制され、圧縮機に液冷媒が流入することを抑制できる。

特開２００８−２６１５５７号公報

しかしながら、従来のヒートポンプ給湯機では高圧冷媒から低圧冷媒へ熱を与えるものの、高圧冷媒から低圧冷媒へ与えられる熱量が少なく、低圧冷媒が気液２相状態になることを抑制できないという問題があった。

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、低圧冷媒が気液２相状態になること抑制することを目的とする。

本発明のヒートポンプ給湯機は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒を減圧する減圧装置と、前記冷媒がそれぞれ流れる第１高圧熱交換流路および低圧熱交換流路、並びに水が流れる第１水流路が形成された第１熱交換部とを備え、前記圧縮機、前記第１高圧熱交換流路、前記減圧装置、前記低圧熱交換流路の順に前記冷媒が循環する冷媒回路が形成され、前記第１熱交換部は、前記第１高圧熱交換流路を流れる冷媒と前記低圧熱交換流路を流れる冷媒がそれぞれ前記第１水流路を流れる水と熱交換し、冷媒が流れる第２高圧熱交換流路および水が流れる第２水流路が形成され、第２高圧熱交換流路を流れる冷媒が第２水流路を流れる水と熱交換する第２熱交換部を備え、第１水流路、第２水流路の順に水が流れる水回路が形成されたものである。

本発明に係る空気調和機によれば、高圧冷媒、低圧冷媒および水との間で熱交換させるため、高圧冷媒および水から低圧冷媒へ熱が与えられて低圧冷媒が気液２相状態になることを抑制できる。

実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の概略構成を示す概略構成図実施の形態１における室外機の外観を示す斜視図実施の形態１における室外機の内部構造を示す概略構成図実施の形態１における水冷媒熱交換器の一部を拡大した構成図実施の形態１における水冷媒熱交換器の一部を拡大した構成図

実施の形態１．
以下、本発明のヒートポンプ給湯室外機について説明する。図１は本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機１００の概略構成を示す概略構成図である。ヒートポンプ給湯機１００は、貯湯装置１０および室外機３０を備える。貯湯装置１０および室外機３０には水回路２０が設けられ、貯湯装置１０と室外機３０とは水回路２０の一部を形成するバイパス流路２３ａ、２３ｂを介して接続される。

まず、貯湯装置１０の構成を説明する。
貯湯装置１０は、貯湯タンク１１、水ポンプ１２、混合弁１３、水回路２０を形成する水流路２１、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２５および温度センサ１４を備える。貯湯タンク１１の上方には給湯口１１ａ、１１ｄが設けられ、下方には流入口１１ｂ及び流出口１１ｃが設けられる。貯湯タンク１１の上方とは、貯湯タンク１１のうち加熱された水が流入する側である。また、貯湯タンク１１の下方とは、貯湯タンク１１のうち低温の市水が流入する側である。

水ポンプ１２は流出口１１ｃと接続する。また混合弁１３は給湯口１１ａと接続する。

水流路としては、給水流路２１、給湯機水流路２２ａ、２２ｂ、２２ｃおよび給湯流路２５を備える。水流路は銅等の金属配管で構成され、内部に水が封入される。
給水流路２１は、一方が外部に連結し、他方が２つの流路に分岐する。分岐した給水流路２１のうち１つは流入口１１ｂと接続し、他の１つは混合弁１３と接続する。給湯機水流路２２ａは、流出口１１ｃとバイパス流路２３ａを接続する。給湯機水流路２２ａには水ポンプ１２が設けられる。給湯機水流路２２ｂは、一方がバイパス流路２３ｂと接続し、他方が給湯口１１ａと接続する。給湯機水流路２２ｃは、一方が給湯口１１ｄと接続し、他方が混合弁１３と接続する。給湯流路２５は、一方が混合弁１３と接続し、他方が外部に連結する。

温度センサ１４は、貯湯タンク１１の外側面に設けられる。なお、温度センサ１４は貯湯タンク１１に１つ設けても良いし、貯湯タンク１１の上方と下方に複数設けても良い。複数の温度センサ１４を設けることにより、貯湯タンク１１の温度分布を検出することができる。

次に、室外機３０の構成を説明する。
室外機３０は、圧縮機３１、水熱交換器３２、膨張弁３３、空気熱交換器３４、送風機３５、制御装置３６、冷媒回路４０を形成する冷媒流路および水回路２０の一部を構成する室外機水流路２４を備える。このうち、圧縮機３１、水熱交換器３２、膨張弁３３及び空気熱交換器３４が順番に冷媒流路で連結されることにより冷媒回路４０が構成される。膨張弁３３としては、例えば開度を調節可能な電磁膨張弁などが用いられる。送風機３５は、プロペラファンで構成され、空気熱交換器３４に対向して配置される。

制御装置３６は、例えば基板等のハードウェア又は集積回路で構成されて室外機３０の内部に設けられる。制御装置３６は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）、又はマイクロコンピュータといった離散システムを備える。

冷媒流路としては、高圧冷媒流路４１および４４、並びに低圧冷媒流路４５、４６および４８を備える。冷媒流路は銅等の金属配管で構成され、内部に冷媒が封入される。
高圧冷媒流路４１は圧縮機３１の流出側と水熱交換器３２を接続する。高圧冷媒流路４４は水熱交換器３２と膨張弁３３の流入側を接続する。低圧冷媒流路４５は膨張弁３３の流出側と空気熱交換器３４の流入側を接続する。低圧冷媒流路４６は空気熱交換器３４の流出側と水熱交換器３２を接続する。低圧冷媒流路４８は水熱交換器３２と圧縮機３１の流入側を接続する。

室外機３０は、水回路２０の一部として室外機水流路２４を備える。室外機水流路２４の流入側はバイパス流路２３ａと接続し、室外機水流路２４の流出側はバイパス流路２３ｂと接続する。以上のように、貯湯装置１０の水流路と室外機水流路２４をバイパス流路２３ａおよび２３ｂで接続することで、水回路２０が構成される。

次に、図２に基づいて室外機３０の外観を説明する。図２は室外機３０の前面の外観を示す斜視図である。室外機３０の筐体は、板金で形成されたトップパネル５０、フロントパネル５１、バックパネル５２、側面パネル５３、ベース部５４およびサービスパネル５５により箱形に形成される。トップパネル５０は筐体の上面部、フロントパネル５１は前面部、バックパネル５２は後面部、側面パネル５３はフロントパネル５１及びバックパネル５２を接続する側面部、ベース部５４は底面部を構成する。サービスパネル５５は側面パネル５３に着脱可能に取り付けられる。以上のような筐体の内部には、冷媒回路４０および送風機３５が収納される。

次に、図３に基づいて室外機３０の内部構成を説明する。図３は室外機３０の内部構造を示す概略構成図である。
室外機３０の内部にはベース部５４から垂直に仕切り板６０が設けられる。仕切り板６０により内部には機械室６１と送風機室６２が形成される。機械室６１には圧縮機３１、図示しない膨張弁３３および制御装置３６が設けられる。圧縮機３１および膨張弁３３は機械室６１のベース部５４側に設けられる。一方、制御装置３６は機械室６１のトップパネル５０側に設けられる。冷媒回路４０を構成する機械部品と制御装置３６を異なる位置に設けることにより、振動による制御装置３６の故障や、制御装置３６の水濡れを抑制することができる。制御装置３６は外部電源等と接続する外部配線が接続されており、これらの外部配線はサービスパネル５５により覆われる。

送風機室６２には、送風機３５、空気熱交換器３４および水熱交換器３２が設けられる。空気熱交換器３４はバックパネル５２と対向する面および側面パネル５３と対向する面を有するＬ字状であり、ベース部５４に対して垂直に設けられる。また、送風機３５は空気熱交換器３４とフロントパネル５１との間に設けられる。送風機室６２のベース部５４側には断熱材に囲まれた直方体の水熱交換器収納部６３が設けられる。この水熱交換器収納部６３の内部には水熱交換器３２が収納される。

次に、図１に基づいて貯湯運転における貯湯装置１０の動作を説明する。貯湯運転とは、貯湯タンク１１内の水を冷媒と熱交換させて水の温度を上昇させる運転である。
ヒートポンプ給湯機１００を駆動させると、給水流路２１を通って低温の市水が外部から流入口１１ｂを通り貯湯タンク１１へ流入する。貯湯タンク１１は、外部から流入する水または水熱交換器３２で加熱された水を貯湯する。また、ヒートポンプ給湯機１００を駆動させると、制御装置３６は水ポンプ１２を駆動する。貯湯タンク１１内の水は流出口１１ｃから給湯機水流路２２ａを通って水ポンプ１２に流入する。水ポンプ１２は、水回路２０を流れる水を循環させる。水ポンプ１２から流出した水はバイパス流路２３ａを介して室外機水流路２４へ流れる。そして水は、水熱交換器３２の後述する低温水流路２４ｂおよび高温水流路２４ａから構成される室外機水流路２４を通り冷媒回路４０を流れる冷媒と熱交換することにより温められる。温められた水はその後、バイパス流路２３ｂおよび給湯機水流路２２ｂを通り、貯湯タンク１１に流入して貯湯される。

以上のように水回路２０では、貯湯タンク１１、給湯機水流路２２ａ、バイパス流路２３ａ、室外機水流路２４、バイパス流路２３ｂ、給湯機水流路２２ｂの順に水が流れる。貯湯運転では、温度センサ１４が検出した水の温度が制御装置３６に予め設定された温度となるまで、水回路２０内の水および冷媒回路４０内の冷媒を循環させる。貯湯運転をすることで貯湯タンク１１に貯湯される水の温度が上昇する。

次に、図１に基づいて貯湯運転における室外機３０の動作を説明する。ヒートポンプ給湯機１００を駆動させると制御装置３６は、圧縮機３１、膨張弁３３、送風機３５を駆動する。制御装置３６は、使用者からの操作、外部からの操作指令または貯湯装置１０の温度センサ１４の検出結果等に基づいて圧縮機３１の回転数、膨張弁３３の開度、水ポンプ１２の回転数および送風機３５の回転数等を制御する。なお、圧縮機３１の回転数、膨張弁３３の開度、水ポンプ１２の回転数および送風機３５の回転数は設定された水の温度、外気温度、運転時間等の使用条件に応じて変更される。

圧縮機３１は気体状態の低圧冷媒を圧縮して高温の高圧冷媒とし、高圧冷媒を流出することで冷媒回路４０内の冷媒を循環する。制御装置３６は水の温度や沸き上げ時間に応じて圧縮機３１の回転数を決定し、ヒートポンプ給湯機１００の沸き上げ能力を変更する。圧縮機３１から流出した高圧冷媒は高圧冷媒流路４１を経て水熱交換器３２へ流入する。高圧冷媒は水熱交換器３２内部の高温部３２ａおよび低温部３２ｂで水と熱交換した後、高圧冷媒流路４４を経て膨張弁３３へ流入する。膨張弁３３は、高圧冷媒を減圧して低圧冷媒とする。減圧された冷媒は、低圧冷媒流路４５を通り、空気熱交換器３４で空気と熱交換する。このとき制御装置３６は送風機３５を所定の回転数で回転させるため、低圧冷媒と空気との熱交換効率を高めることができる。その後、低圧冷媒は低圧冷媒流路４６を経て再び水熱交換器３２へ流入し、低温部３２ｂで水および高圧冷媒と熱交換する。そして低圧冷媒流路４８を経て圧縮機３１へ流入する。

次に、図１に基づいて給湯運転における貯湯装置１０の動作を説明する。給湯運転とは、貯湯タンク１１内の水を外部へ供給する運転である。給湯運転の指示を受けると、貯湯タンク１１に貯湯された水は給湯口１１ｄから給湯機水流路２２ｃを介して混合弁１３へ流入する。また、制御装置３６は、給水流路２１から混合弁１３へ市水を流入させる。混合弁１３は、給湯機水流路２２ｃを流れる高温水と給水流路２１を流れる低温水を任意の比率で混合し、給湯流路２５へ流れる水の流量を調整する。このため制御装置３６は、設定された給湯温度および貯湯タンク１１から流出する水の温度に基づいて混合弁１３の開度を制御する。混合弁１３の開度を制御することによって、貯湯タンク１１からの水量および市水の水量が決定され、給湯する水の温度が調節される。貯湯タンク１１からの水量が多く市水の水量が少ない程、つまり、給湯機水流路２２ｃ側の開度が大きく給水流路２１側の開度が小さい程、供給される水の温度が高くなる。混合弁１３から流出した水は給湯流路２５を経て外部へ供給される。
なお、給湯運転では室外機３０は停止する。

次に、水熱交換器３２の詳細な構成を説明する。水熱交換器３２は、圧縮機３１に接続される高温部３２ａ（第２熱交換部）と、膨張弁３３に接続される低温部３２ｂ（第１熱交換部）を備える。

まず、高温部３２ａの構成を説明する。図４は水熱交換器３２の高温部３２ａを示す構成図である。高温部３２ａは、高温水流路２４ａ（第２水流路）および高圧冷媒が流れる高温熱交換流路４２（第２高圧熱交換流路）を備える。高温水流路２４ａは、室外機水流路２４のうちバイパス流路２３ｂに接続する流路である。高温熱交換流路４２は高圧冷媒流路４１とジョイント４９ａで接続される。１本の高圧冷媒流路４１はジョイント４９ａを介して４本の高温熱交換流路４２に分岐する。４本の高温熱交換流路４２は直線状の高温水流路２４ａの外周面に熱的に接続されるよう、ろう付けされる。高温熱交換流路４２と高温水流路２４ａとは冷媒と水との間で熱交換されれば良く、ろう付け以外で高温熱交換流路４２と高温水流路２４ａを熱的に接続しても良い。また、高温水流路２４ａの外周面には螺旋状に図示しない凹部が形成される。高温熱交換流路４２は、圧縮機３１の流出側から膨張弁３３の流入側へ向かう方向に高温水流路２４ａの凹部に沿って螺旋状に巻きつけられる。このとき、高温熱交換流路４２は互いに接触することなく隙間を開けて巻きつけられる。螺旋状に巻きつけられた４本の高温熱交換流路４２は、ジョイント４９ｂを介して１本の低温熱交換流路４３に結合する。４本の高温熱交換流路４２が高温水流路２４ａに接続する部分が高温部３２ａである。

次に、低温部３２ｂの構成を説明する。図５は水熱交換器３２の低温部３２ｂを示す構成図である。低温部３２ｂは、低温水流路２４ｂ（第１水流路）、高圧冷媒が流れる低温熱交換流路４３（第１高圧熱交換流路）および低圧冷媒が流れる低圧熱交換流路４７を備える。低温水流路２４ｂは、室外機水流路２４のうちバイパス流路２３ａに接続する流路である。ジョイント４９ｂで変換された１本の低温熱交換流路４３は、低温水流路２４ｂに螺旋状に巻きつけられる。また、１本の低圧冷媒流路４６がジョイント４９ｃを介して３本の低圧熱交換流路４７に分岐して、３本の低圧熱交換流路４７は低温水流路２４ｂに螺旋状に巻きつけられる。低温熱交換流路４３および低圧熱交換流路４７は高温部３２ａと同様に、圧縮機３１の流出側から膨張弁３３の流入側へ向かう方向に低温水流路２４ｂの凹部に沿って螺旋状に巻きつけられる。このとき、低温熱交換流路４３と複数の低圧熱交換流路４７は互いに接触することなく隙間を開けて巻きつけられる。つまり、低温熱交換流路４３および低圧熱交換流路４７は並列して、それぞれ低温水流路２４ｂに設けられる。

螺旋状に巻きつけられた３本の低圧熱交換流路４７は、ジョイント４９ｄを介して１本の低圧冷媒流路４８に結合する。低温熱交換流路４３は低温水流路２４ｂから離れて高圧冷媒流路４４に接続される。１本の低温熱交換流路４３および３本の低圧熱交換流路４７が低温水流路２４ｂに接続する部分が低温部３２ｂである。

水熱交換器３２の高温部３２ａに設けられた高温熱交換流路４２の本数と、低温部３２ｂに設けられた低温熱交換流路４３および低圧熱交換流路４７の本数の和は、それぞれ４本で同一である。また、高温水流路２４ａおよび低温水流路２４ｂの径方向の断面形状は同一である。

次に、図４および図５に基づいて水熱交換器３２における冷媒の流れと水熱交換器３２の詳細な動作を説明する。高圧冷媒の流れ方向を黒色の矢印、低圧冷媒の流れ方向を白抜きの矢印、水の流れ方向を細線の矢印で示す。
高圧冷媒は、高圧冷媒流路４１を通るとジョイント４９ａで分岐して、４本の高温熱交換流路４２へ流入する。ここで、ジョイント４９ａで４本の高温熱交換流路４２に分岐することにより、高圧冷媒は水熱交換器３２の高温部３２ａへ流入する。高温部３２ａへ流入した高圧冷媒は、高温熱交換流路４２に沿って高温水流路２４ａの外周を螺旋状に流れる。このとき高圧冷媒は高温水流路２４ａを流れる水と熱交換する。

その後、高圧冷媒はジョイント４９ｂで合流して１本の低温熱交換流路４３へ流入する。ここで、ジョイント４９ｂで１本の低温熱交換流路４３に結合することにより、高圧冷媒は高温部３２ａから低温部３２ｂへ流入する。低温部３２ｂへ流入した高圧冷媒は、低温熱交換流路４３に沿って低温水流路２４ｂの外周を螺旋状に流れる。このとき高圧冷媒は高温水流路２４ａを流れる水および低圧熱交換流路４７を流れる低圧冷媒と熱交換する。

以上のように高温部３２ａおよび低温部３２ｂを通り水熱交換器３２から流出した高圧冷媒は、高圧冷媒流路４４を通り膨張弁３３へ流入する。

膨張弁３３は流入した高圧冷媒を減圧して気液２相状態の低温の低圧冷媒とし、低圧冷媒を流出する。膨張弁３３から流出した低温冷媒は低圧冷媒流路４５を介して空気熱交換器３４へ流入する。さらに、低圧冷媒は空気熱交換器３４を通ると低圧冷媒流路４６へ流入する。

低圧冷媒は、低圧冷媒流路４６を通るとジョイント４９ｃで３本の低圧熱交換流路４７に分岐する。分岐した低圧冷媒は低圧冷媒流路４６から低温部３２ｂへ流入する。低圧冷媒は、低圧熱交換流路４７に沿って室外機水流路２３の外周を螺旋状に流れるとジョイント４９ｄで合流する。合流した低圧冷媒は低温部３２ｂから１本の低圧冷媒流路４８へ流出する。さらに、低圧冷媒流路４８を流れる低圧冷媒は圧縮機３１へ流入して、再び冷媒回路４０を循環する。

以上のように冷媒回路４０では、圧縮機３１、高温熱交換流路４２、低温熱交換流路４３、膨張弁３３、空気熱交換器３４、低圧熱交換流路４７の順に冷媒が循環する。

以上のようなヒートポンプ給湯機１００の貯湯運転における作用を説明する。
まず、低圧冷媒の温度が水温よりも低い場合に水回路２０を流れる水の作用を説明する。貯湯タンク１１から流出した低温の水は、水熱交換器３２の低温部３２ｂに流入すると、低温熱交換流路４３を流れる高圧冷媒および低圧熱交換流路４７を流れる低圧冷媒と熱交換する。高圧冷媒よりも温度が低いため、水は高圧冷媒から熱が与えられて温度が上昇する。

低温部３２ｂで温度が上昇した水は、水熱交換器３２の高温部３２ａに流入して高温熱交換流路４２を流れる高圧冷媒と熱交換する。高温部３２ａは低温部３２ｂよりも圧縮機３１の流出側に設けられるため、高温部３２ａを流れる高圧冷媒は低温部３２ｂを流れる高圧冷媒よりも温度が高い。このため、高温部３２ａでは低温部３２ｂよりも多くの熱が水に与えられて、水温が上昇する。高温部３２ａでは低温部３２ｂよりも水温の上昇率が大きく、高温部３２ａで湯水が生成される。
以上のように、水熱交換器３２において水は低温部３２ｂから高温部３２ａへ流れるとともに温度が高くなる。一方、高圧冷媒は、高温部３２ａから低温部３２ｂへ流れるとともに温度が低くなる。つまり、水熱交換器３２で水と高圧冷媒とは循環する方向が逆である。また、水熱交換器３２における水の温度分布は高圧冷媒の温度分布に対応しており、圧縮機３１に近い水熱交換器３２の上流部分を流れる程、水および高圧冷媒の温度が高い。

次に、冷媒回路４０を流れる冷媒の作用を説明する。冷媒は圧縮機３１で圧縮され高温の高圧冷媒となる。高圧冷媒は水熱交換器３２の高温部３２ａへ流入すると、高温水流路２４ａを流れる水と熱交換する。高圧冷媒は水よりも温度が高いため、水へ熱を与えて温度が低下する。高圧冷媒は高温部３２ａから低温部３２ｂへ流れるに従い水へ熱を与えるため、エンタルピーおよび温度が低下する。

高圧冷媒は、水熱交換器３２の低温部３２ｂに流入して低温水流路２４ｂを流れる水および低圧熱交換流路４７を流れる低圧冷媒と熱交換する。高圧冷媒は水および低圧冷媒よりも温度が高いため、水および低圧冷媒へ熱を与えて温度が低下する。ここで、低温熱交換流路４３と低圧熱交換流路４７は直接接続されていないため、高圧冷媒からの熱は水または配管を介して低圧冷媒へ与えられる。このように、高圧冷媒は低温部３２ｂから膨張弁３３へ流れるに従い水および低圧冷媒へ熱を与えるため、エンタルピーおよび温度が低下する。

膨張弁３３へ流入した高圧冷媒は減圧されて温度が低下することで、気液２相状態で乾き度が高い低温の低圧冷媒となる。低圧冷媒は空気熱交換器３４へ流入すると、空気と熱交換する。低圧冷媒は空気よりも温度が低いため、空気から熱が与えられて温度が上昇する。また、低圧冷媒は熱が与えられることによりエンタルピーおよび冷媒の乾き度が上昇する。

低圧冷媒は、低温部３２ｂに流入して低温水流路２４ｂを流れる水および低温熱交換流路４３を流れる高圧冷媒と熱交換する。低圧冷媒は高圧冷媒および水よりも温度が低いため、高圧冷媒および水から熱が与えられて温度が上昇する。特に、貯湯運転を継続して貯湯タンク１１内の水温が高くなる程、水から低圧冷媒へ与えられる熱量が増加する。低圧冷媒は、高圧冷媒および水から熱が与えられると、エンタルピーおよび温度が上昇して気液２相状態から気体状態へ変化する。

次に、低圧冷媒の温度が水温よりも高い場合に水回路２０を流れる水の作用を説明する。これは例えば、低温の市水が流入した場合等である。低温部３２ｂを流れる水は高圧冷媒および低圧冷媒よりも温度が低いため、両者から熱が与えられて温度が上昇する。低温部３２ｂで温度が上昇した水は、高温部３２ａに流入して高温熱交換流路４２を流れる高圧冷媒から熱が与えられて温度が上昇する。
また、冷媒回路４０を流れる冷媒の作用を説明する。低圧冷媒は低温部３２ｂに流入すると高圧冷媒よりも温度が低いため、高圧冷媒から熱が与えられて温度が上昇する。低温部３２ｂは水熱交換器３２内部に設けられるため、高温部３２ａから低温部３２ｂへ高圧冷媒が流入するまでに外部へ放熱される熱量は少ない。このため、低温部３２ｂでは従来の内部熱交換器よりも多くの熱量が高圧冷媒から低圧冷媒へ与えられる。そして低圧冷媒は、エンタルピーおよび温度が上昇する。一方、低圧冷媒は水よりも温度が高いため、水へ熱を与える。低圧冷媒は、水へ与える熱量よりも高圧冷媒から与えられる熱量が多いため、低圧冷媒の温度が上昇して気液２相状態から気体状態へ変化する。

以上のように、低圧冷媒は、低温部３２ｂの空気熱交換器３４側から圧縮機３１側へ流れるとともに温度が高くなる。一方、高圧冷媒は、高温部３２ａから低温部３２ｂへ流れるとともに温度が低くなる。つまり、低圧冷媒と高圧冷媒とは循環する方向が逆方向である。また、水熱交換器３２における高圧冷媒の温度分布は低圧冷媒の温度分布に対応しており、圧縮機３１に近い水熱交換器３２の上流部分を流れる程、高圧冷媒および低圧冷媒の温度が高い。また、水は低温部３２ｂから高温部３２ａへ流れるとともに温度が高くなる。つまり、低圧冷媒と水とは循環する方向が同じである。また、水熱交換器３２における水の温度分布は低圧冷媒の温度分布に対応しており、圧縮機３１に近い水熱交換器３２の上流部分を流れる程、水および低圧冷媒の温度が高い。

以上のような実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機１００によれば、高圧冷媒、低圧冷媒および水との間で熱交換する水熱交換器３２の低温部３２ｂを備えるため、低圧冷媒は高圧冷媒または水から熱が与えられて、気液２相状態になることが抑制される。

また、低温部３２ｂでは、高圧冷媒、低圧冷媒および水は圧縮機３１に近い低温部３２ｂの上流部分を流れる程、水および低圧冷媒の温度が高い。低圧冷媒は温度が高くなる程、温度が高い高圧冷媒および水から熱が与えられる。このため、低圧冷媒は低温部３２ｂを流れる間に与えられる熱量が減少せず、熱交換効率の低下が抑制される。

また、低圧冷媒は低温部３２ｂで熱量が与えられるため、圧縮機３１へ流入する冷媒の温度が上昇する。圧縮機３１は、流入する冷媒の温度が高い程、高圧冷媒へ圧縮する圧縮率が低いため回転数を抑制することができる。このため、圧縮機３１の駆動に必要な電力の消費や、圧縮機３１が故障することを抑制できる。

また、低温部３２ｂで高圧冷媒または低圧冷媒から水へ熱が与えられるため、水は高温部３２ａだけでなく低温部３２ｂでも温度を上昇させることができる。これにより、低温部３２ｂを備えない場合に比べて、冷媒から水へ多くの熱量を与えることができる。

また、低圧冷媒は気液２相状態になることが抑制されるため、圧縮機３１へ液体状態の低圧冷媒が流入することが抑制される。これにより、圧縮機３１が故障して異常に冷媒を昇圧することが抑制できる。したがって、圧縮機３１の故障による騒音や振動を抑制できる。また、ヒートポンプ給湯機１００が故障することを抑制できるため、ヒートポンプ給湯機１００の部品を交換するための材料費用および組立費用の発生を抑制できる。

また、低温部３２ｂは、水熱交換器３２の内部に設けられるため、低温部３２ｂを備えない構成に対して低圧熱交換流路４７を追加すればよく、冷媒回路４０の全長長さや構造を大幅に変更しなくても良い。従来のヒートポンプ給湯機では、室外機３０の内部に高圧冷媒と低圧冷媒との間で熱交換する内部熱交換器を備える。内部熱交換器は、水熱交換器３２から膨張弁３３までの冷媒流路および、空気熱交換器３４から圧縮機３１までの冷媒流路を延長して接合することで水熱交換器３２とは別体で設けられる。このため、冷媒回路４０の全長を長くするための冷媒流路が必要になり材料費用が高くなる。また、内部熱交換器を水熱交換器３２と別体で設けるため室外機３０の筐体を大きくする必要がある。また内部熱交換器には、低圧冷媒流路内に高圧冷媒流路を設けるものがあるが、組立が複雑なため組立費用が高くなる。これに対して本発明のヒートポンプ給湯機１００は、水熱交換器３２の内部に低温部３２ｂを設けるため、従来に比べて低温熱交換流路４３の長さを延長すること、および、室外機３０の筐体を大きくすることを抑制できる。このため、材料費用または組立費用の増加を抑制できる。

また、低温部３２ｂにおいて低圧熱交換流路４７は３本であるのに対して低温熱交換流路４３は１本であり、低圧熱交換流路４７の本数が多い。配管Ｎ本で構成される流路の断面積は、配管１本当たりの断面積ＳとするとＮ×Ｓである。つまり、低温熱交換流路４３および低圧熱交換流路４７を構成する配管の断面積Ｓが同じである場合、低圧熱交換流路４７の断面積は低温熱交換流路４３の断面積より大きい。低圧冷媒は高圧冷媒に対して密度が小さく同じ断面積を流れる場合に圧力損失が増加するが、低圧熱交換流路４７の断面積を大きくすることで圧力損失の増加を抑制して、冷媒の循環効率が低下することを抑制できる。また、圧力損失の増加を抑制することで圧縮機３１の回転数が増加することを抑制できる。

また、水熱交換器３２で低温熱交換流路４３および低圧熱交換流路４７は室外機水流路２４に螺旋状に巻きつけられるため、水回路２０に設置される冷媒回路４０が長くなり水と冷媒との間で熱交換する熱量を増加することができる。これにより、ヒートポンプ給湯機１００の沸き上げ効率を向上できる。

また、高温部３２ａには複数の高温熱交換流路４２が高温水流路２４ａに設けられるため、１本の高温熱交換流路４２を設ける場合よりも水回路２０に接触する冷媒回路４０の表面積が大きくなる。表面積が大きくなることで単位時間当たりの熱交換量が増加するため、高圧冷媒と水は短い時間で同じ熱量を熱交換することができる。または、表面積が大きくなることで流路の単位長さ当たりの熱交換量が増加するため、高圧冷媒と水は短い長さで同じ熱量を熱交換できる。これにより、ヒートポンプ給湯機１００の沸き上げ効率を向上できる。

また、低温部３２ｂには複数の低圧熱交換流路４７が低温水流路２４ｂに設けられるため、１本の低圧熱交換流路４７を接続する場合よりも水回路２０に接触する冷媒回路４０の表面積が大きくなる。低圧冷媒と水は単位時間または単位長さ当たりの熱交換量が増加するため、短い時間または長さで同じ熱量を熱交換できる。これにより、ヒートポンプ給湯機１００の沸き上げ効率を向上できる。

また、高温部３２ａの高温熱交換流路４２の本数と、低温部３２ｂの低温熱交換流路４３および低圧熱交換流路４７を合せた本数は同じであるため、室外機水流路２４の外周面の形状を変更することなく水熱交換器３２を組み立てることができる。これにより、高温部３２ａと低温部３２ｂとを同じ生産ラインで製造することができるため、組立費用の増加を抑制することができる。

また、高温水流路２４ａおよび低温水流路２４ｂの径方向の断面形状を同一に形成するため、高温部３２ａと低温部３２ｂを容易に接続することができる。このため、断面形状が異なる場合に比べて、接続のための材料が不要になり材料費費用および組立費用の増加を抑制することができる。

なお、高温部３２ａの高温熱交換流路４２は互いに接触することなく隙間を開けて巻きつけられるものとしたが、高温熱交換流路４２同士を直接熱的に接続しても良い。これにより、高温熱交換流路４２の間から放熱されることが抑制されるため、高圧冷媒から水へ与えられる熱量を増加させることができる。

また、低温部３２ｂでは低温熱交換流路４３と低圧熱交換流路４７を互いに接触することなく隙間を開けて巻きつけられるものとしたが、低温熱交換流路４３と低圧熱交換流路４７を直接熱的に接続しても良い。これにより、高圧冷媒と低圧冷媒との間で水を介さずに熱交換することができる。高圧冷媒から低圧冷媒へ与えられる熱量が増加するため、低圧冷媒が気液２相状態になることを抑制できる。

また、低温熱交換流路４３および低圧熱交換流路４７は螺旋状に巻きつけるものとしたが、低温熱交換流路４３を流れる冷媒と低圧熱交換流路４７を流れる冷媒がそれぞれ室外機水流路２４を流れる水と熱交換できれば良く直線や波状でもよい。また、高温水流路２４ａおよび低温水流路２４ｂは直線状としたがこれに限らず曲線でも良い。

また、高温部３２ａは４本の低温熱交換流路４３を備える構成としたが、これに限らず、少なくとも１本の低温熱交換流路４３を備えれば良い。

また、低温部３２ｂは１本の低温熱交換流路４３および３本の低圧熱交換流路４７を備える構成としたが、低圧熱交換流路４７の断面積が低温熱交換流路４３の断面積より大きければよく、少なくとも１本の低温熱交換流路４３と低圧熱交換流路４７を備えれば良い。

本発明に係るヒートポンプ給湯機は、家庭用、業務用等のヒートポンプ給湯機として広く利用することができる。

１０貯湯装置、１１貯湯タンク、１１ａ、１１ｄ給湯口、１１ｂ流入口、１１ｃ流出口、１２水ポンプ、１３混合弁、１４温度センサ、２０水回路、２１給水流路、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ給湯機水流路、２３ａ、２３ｂバイパス流路、２４室外機水流路、２４ａ高温水流路、２４ｂ低温水流路、２５給湯流路、３０室外機、３１圧縮機、３２水熱交換器、３２ａ高温部、３２ｂ低温部、３３膨張弁、３４空気熱交換器、３５送風機、３６制御装置、４０冷媒回路、４１、４４高圧冷媒流路、４２高温熱交換流路、４３低温熱交換流路、４５、４６、４８低圧冷媒流路、４７低圧熱交換流路、５０トップパネル、５１フロントパネル、５２バックパネル、５３側面パネル、５４ベース部、５５サービスパネル、６０仕切り板、６１機械室、６２送風機室、６３水熱交換器収納部、１００ヒートポンプ給湯機

Claims

冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記冷媒を減圧する減圧装置と、
前記冷媒がそれぞれ流れる第１高圧熱交換流路および低圧熱交換流路、並びに水が流れる第１水流路が形成された第１熱交換部とを備え、
前記圧縮機、前記第１高圧熱交換流路、前記減圧装置、前記低圧熱交換流路の順に前記冷媒が循環する冷媒回路が形成され、
前記第１熱交換部は、前記第１高圧熱交換流路を流れる冷媒と前記低圧熱交換流路を流れる冷媒がそれぞれ前記第１水流路を流れる水と熱交換し、
冷媒が流れる第２高圧熱交換流路および水が流れる第２水流路が形成され、前記第２高圧熱交換流路を流れる冷媒が前記第２水流路を流れる水と熱交換する第２熱交換部を備え、
前記第１水流路、前記第２水流路の順に水が流れる水回路が形成されたことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
前記第１熱交換部は、前記第１高圧熱交換流路を流れる冷媒が前記低圧熱交換流路を流れる冷媒と熱交換することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
前記減圧装置で減圧された冷媒が空気と熱交換する空気熱交換器を備え、
前記冷媒回路は、前記圧縮機、前記第１高圧熱交換流路、前記減圧装置、前記空気熱交換器、前記低圧熱交換流路の順に冷媒が循環することを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯機。
前記低圧熱交換流路の断面積は、前記第１高圧熱交換流路の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
前記第１熱交換部は、複数の前記低圧熱交換流路を備えることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
前記第１熱交換部は、複数の前記第１高圧熱交換流路を備えることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
前記低圧熱交換流路の本数は、前記第１高圧熱交換流路の本数よりも少ないことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
前記第１高圧熱交換流路および前記低圧熱交換流路は、前記第１水流路の外周面に沿って螺旋状に設けられることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
前記冷媒回路は、前記圧縮機、前記第２高圧熱交換流路、前記第１高圧熱交換流路、前記減圧装置、前記低圧熱交換流路の順に冷媒が循環することを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
前記第２熱交換部は、複数の前記第２高圧熱交換流路を備えることを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
前記低圧熱交換流路および前記第１高圧熱交換流路の本数の和は前記第２高圧熱交換流路の本数と同一であることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
前記第１水流路を流れる水を貯湯する貯湯タンクを備える請求項１から１１の何れか１項に記載のヒートポンプ給湯機。