JP7327630B2 - ヒートポンプ装置及び貯湯式給湯機 - Google Patents

Description

本開示は、ヒートポンプ装置及び貯湯式給湯機に関する。

貯湯タンクを有するタンクユニットと、水を加熱するヒートポンプユニットとを備えた貯湯式給湯機が広く用いられている。下記特許文献１には、温水加熱機能付き冷暖房用エアコンにおいて、圧縮機、膨張弁、室外熱交換器、及び送風ファンを有する室外機の室外ケーシングの外面に設けたユニットボックス内に、熱媒水を収容する給水タンクを配置したものが開示されている。

日本特開２００３－２８７２４２号公報

貯湯タンクからヒートポンプユニットへ送水するための循環ポンプがタンクユニット内に設けられている貯湯式給湯機では、循環ポンプからタンクユニットまでの距離が長いので、送水効率が低いという課題がある。その一方で、ヒートポンプユニット内に循環ポンプを設けると、ヒートポンプユニットが大型化するという課題がある。

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、筐体を大型化することなく循環ポンプを設けることのできるヒートポンプ装置と、そのヒートポンプ装置を備えた貯湯式給湯機とを提供することを目的とする。

本開示のヒートポンプ装置は、外壁を有する筐体と、冷媒を圧縮する圧縮機と、
液体と、冷媒との間で熱を交換する液体－冷媒熱交換器と、液体を液体－冷媒熱交換器へ供給する循環ポンプと、を備え、圧縮機及び液体－冷媒熱交換器は、筐体内に配置され、循環ポンプは、筐体の外壁の一側面の外に配置されているヒートポンプ装置において、外壁の一側面の外に配置された液体入口バルブと、外壁の一側面の外に配置された液体出口バルブと、循環ポンプ、液体入口バルブ、及び液体出口バルブを覆う、取り外し可能なカバーと、をさらに備え、外壁の一側面の外において液体入口バルブ及び液体出口バルブの上方に循環ポンプが配置されているものである。
本開示の貯湯式給湯機は、上記ヒートポンプ装置と、貯湯タンクとを備えるものである。

本開示によれば、筐体を大型化することなく循環ポンプを設けることのできるヒートポンプ装置と、そのヒートポンプ装置を備えた貯湯式給湯機とを提供することが可能となる。

実施の形態１による貯湯式給湯機の構成を示す回路図である。 実施の形態１による貯湯式給湯機が備えるヒートポンプユニットの分解斜視図である。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。各図において共通または対応する要素には、同一の符号を付して、説明を簡略化または省略する。以下の説明において、「水」との記載は、原則として、液体の水を意味し、低温の水から高温の湯までが含まれうるものとする。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１による貯湯式給湯機１の構成を示す回路図である。図２は、実施の形態１による貯湯式給湯機１が備えるヒートポンプユニット１００の分解斜視図である。図１に示すように、本実施の形態の貯湯式給湯機１は、ヒートポンプユニット１００と、貯湯タンク２００とを備える。ヒートポンプユニット１００は、実施の形態１によるヒートポンプ装置に相当する。貯湯タンク２００は、ヒートポンプユニット１００とは別体のタンクユニット筐体（図示省略）の内部に配置される。貯湯タンク２００は、タンクユニット筐体の内部において断熱材に覆われる。ヒートポンプユニット１００は、建物の外に配置される。貯湯タンク２００は、建物の外に配置されてもよいし、建物の中に配置されてもよい。貯湯タンク２００は、ヒートポンプユニット１００により加熱された湯を貯留可能である。貯湯タンク２００内では、温度の違いによる水の比重の違いにより、上側が高温で下側が低温となる温度成層を形成可能である。

ヒートポンプユニット１００は、液体入口バルブ３１及び液体出口バルブ３２を備える。液体入口バルブ３１に外部配管５１の一端が接続されている。外部配管５１の他端は、貯湯タンク２００の下部に連通する。液体出口バルブ３２に外部配管５２の一端が接続されている。外部配管５２の他端は、貯湯タンク２００の上部に連通する。外部配管５１及び外部配管５２は、ヒートポンプユニット１００の外部に配設される。液体入口バルブ３１及び液体出口バルブ３２は、外部配管５１及び外部配管５２と着脱可能な構造を有する。ヒートポンプユニット１００は、貯湯タンク２００から離れた場所に設置される場合がある。そのような場合には、外部配管５１及び外部配管５２の総延長が長くなる。

貯湯タンク２００の下部に給水管（図示省略）が接続されている。貯湯タンク２００の上部に給湯管（図示省略）が接続されている。給湯管の下流は、例えば、浴槽、シャワー、蛇口のような給湯先につながっている。給湯するときには、貯湯タンク２００内の湯が給湯管を通って給湯先へ供給されるとともに、例えば上水道のような水源から供給される水が給水管を通って貯湯タンク２００の下部に流入する。これにより、貯湯タンク２００内は、満水状態に維持される。

ヒートポンプユニット１００は、冷媒回路１０１と、筐体１０２と、ファンモータ５と、プロペラファン６と、循環ポンプ８と、ハウジング９とをさらに備える。冷媒回路１０１、ファンモータ５、及びプロペラファン６は、筐体１０２内に配置されている。循環ポンプ８、液体入口バルブ３１、及び液体出口バルブ３２は、筐体１０２の外に配置されている。

冷媒回路１０１は、圧縮機１２と、液体－冷媒熱交換器２と、膨張弁３と、蒸発器４と、内部熱交換器７と、これらを接続する冷媒配管１５とを備える。圧縮機１２は、冷媒を圧縮する。冷媒は、例えば、二酸化炭素、アンモニア、プロパン、イソブタン、ＨＦＣその他のフロン、ＨＦＯ－１１２３、ＨＦＯ－１２３４ｙｆのいずれかでもよい。圧縮機１２は、断熱材あるいは防音材により覆われていてもよい。

ハウジング９内に液体－冷媒熱交換器２が収納されている。液体－冷媒熱交換器２を覆う断熱材（図示省略）がハウジング９内に設けられていてもよい。液体－冷媒熱交換器２は、熱媒体である液体が流れる液体通路２ａと、冷媒が流れる冷媒通路２ｂとを有する。液体－冷媒熱交換器２は、液体通路２ａを流れる液体と、冷媒通路２ｂを流れる冷媒との間で熱を交換する。液体－冷媒熱交換器２にて、液体と、圧縮機１２により圧縮された高温の高圧冷媒との間で熱を交換することにより、液体を加熱することができる。循環ポンプ８は、液体を液体－冷媒熱交換器２へ供給する。本実施の形態では、熱媒体である液体として水を用いる場合を例に説明する。この例に限らず、本開示におけるヒートポンプ装置は、例えば塩化カルシウム水溶液、エチレングリコール水溶液、プロピレングリコール水溶液、アルコールのような水以外の液体を熱媒体として用いてもよい。

膨張弁３は、液体－冷媒熱交換器２の冷媒通路２ｂよりも下流の高圧冷媒を膨張させて減圧する。膨張弁３は、減圧装置の例である。膨張弁３に代えて、例えばキャピラリーチューブを減圧装置として用いてもよい。

蒸発器４は、外気と、膨張弁３よりも下流の低圧冷媒との間で熱を交換することにより低圧冷媒を蒸発させる。ファンモータ５は、プロペラファン６を駆動する。プロペラファン６が回転すると、外気が蒸発器４を通って流れる。

内部熱交換器７は、液体－冷媒熱交換器２の冷媒通路２ｂよりも下流であって膨張弁３よりも上流の高圧冷媒と、蒸発器４よりも下流であって圧縮機１２よりも上流の低圧冷媒との間で熱を交換する。液体－冷媒熱交換器２の下流の高圧冷媒は、内部熱交換器７を通過した後、膨張弁３へ流れる。蒸発器４の下流の低圧冷媒は、内部熱交換器７を通過した後、圧縮機１２に吸入される。

ヒートポンプユニット１００は、通路３３、通路３４、及び通路３５をさらに備える。通路３３は、液体入口バルブ３１を循環ポンプ８の吸入口につなぐ。通路３４は、循環ポンプ８の吐出口を液体－冷媒熱交換器２の液体通路２ａの入口につなぐ。通路３５は、液体－冷媒熱交換器２の液体通路２ａの出口を液体出口バルブ３２につなぐ。

本実施の形態では、貯湯タンク２００、外部配管５１、液体入口バルブ３１、通路３３、循環ポンプ８、通路３４、液体通路２ａ、通路３５、液体出口バルブ３２、及び外部配管５２により、水回路２０１が形成される。

ヒートポンプユニット１００は、入口温度センサ２１、出口温度センサ２２、吐出冷媒温度センサ２３、蒸発温度センサ２４、及び外気温度センサ２５を備える。入口温度センサ２１は、通路３４に取り付けられている。以下の説明では、液体通路２ａの入口における液体の温度を「入口温度」と称する。入口温度は、入口温度センサ２１により検出される。出口温度センサ２２は、通路３５に取り付けられている。以下の説明では、液体通路２ａの出口における液体の温度を「出口温度」と称する。出口温度は、出口温度センサ２２により検出される。吐出冷媒温度センサ２３は、圧縮機１２と液体－冷媒熱交換器２との間の冷媒配管１５に取り付けられている。以下の説明では、圧縮機１２から吐出される冷媒の温度を「吐出冷媒温度」と称する。吐出冷媒温度センサ２３は、吐出冷媒温度を検出する。蒸発温度センサ２４は、蒸発器４の配管温度を検出する。外気温度センサ２５は、外気温度を検出する。外気温度センサ２５は、ヒートポンプユニット１００の外部に露出する部分、または外気に触れる部分に配置されている。

本実施の形態のヒートポンプユニット１００は、冷媒回路制御部２６及び水回路制御部２７をさらに備える。冷媒回路制御部２６は、入口温度センサ２１、出口温度センサ２２、吐出冷媒温度センサ２３、蒸発温度センサ２４、及び外気温度センサ２５のそれぞれから信号を受信し、これらの信号に基づいて、圧縮機１２の回転速度制御、膨張弁３の開度制御、及びファンモータ５の回転速度制御を行う。水回路制御部２７は、循環ポンプ８の回転速度制御を行う。冷媒回路制御部２６と水回路制御部２７は、少なくとも一つのメモリと、少なくとも一つのプロセッサとを備えてもよい。冷媒回路制御部２６と水回路制御部２７とが相互に通信可能でもよい。

以下、実施の形態１による貯湯式給湯機１が実施する蓄熱運転について説明する。蓄熱運転では、冷媒回路制御部２６及び水回路制御部２７が冷媒回路１０１及び水回路２０１を動作させることにより、貯湯タンク２００内に湯が蓄積される。

蓄熱運転において、以下の動作が行われる。圧縮機１２から吐出された高温高圧のガス冷媒は、液体－冷媒熱交換器２内で水回路２０１の水に熱を与えることにより温度低下する。このとき、高圧冷媒の圧力が臨界圧以上であれば、冷媒は超臨界状態のまま気液相転移しないで温度低下して熱を放出する。また、高圧冷媒の圧力が臨界圧以下であれば、冷媒は液化しながら熱を放出する。このように、高圧冷媒の熱を水に与えることにより、高温水すなわち湯が生成される。液体－冷媒熱交換器２の下流の、温度低下した高圧冷媒は、内部熱交換器７を通って、膨張弁３へ流れる。

膨張弁３を通過するときに減圧された冷媒は、低圧で気液二相の状態になる。この低圧冷媒は、蒸発器４を通過する間に外気の熱を吸収することにより、蒸発してガス化する。蒸発器４を出た低圧冷媒は、内部熱交換器７を通って、圧縮機１２に吸入され、再循環する。このようにして、冷凍サイクルが形成される。

水回路２０１においては以下のようになる。循環ポンプ８が運転されることにより、貯湯タンク２００内の下部の低温水が、外部配管５１、液体入口バルブ３１、通路３３、循環ポンプ８、及び通路３４を通って、液体－冷媒熱交換器２に流入する。液体－冷媒熱交換器２内で冷媒により加熱された高温水は、通路３５、液体出口バルブ３２、及び外部配管５２を通って、貯湯タンク２００の上部に流入する。このような蓄熱運転を行うことにより、貯湯タンク２００の内部では、上部から下部へ向かって、順次、高温水が貯められていく。

蓄熱運転のとき、冷媒回路制御部２６は、外気温度センサ２５及び入口温度センサ２１により検出される温度に基づいて、圧縮機１２の回転速度を制御するとともに、外気温度センサ２５及び吐出冷媒温度センサ２３により検出される温度に基づいて膨張弁３の開度を制御してもよい。また、水回路制御部２７は、出口温度センサ２２により検出された出口温度が目標温度に等しくなるように循環ポンプ８の回転速度を制御してもよい。

本実施の形態であれば、ヒートポンプユニット１００に循環ポンプ８を設けたことで、循環ポンプ８から液体－冷媒熱交換器２までの流路長が短いので、その流路抵抗が小さい。それゆえ、循環ポンプ８から液体－冷媒熱交換器２への送水効率が高いという利点がある。

本実施の形態であれば、内部熱交換器７を備えたことで、以下の効果が得られる。冷媒回路１０１において、圧縮機１２へ戻る冷媒のスーパーヒートを確保すること、すなわち圧縮機１２に吸入される冷媒の温度を飽和温度よりも確実に高くすることができる。その結果、ヒートポンプユニット１００の運転効率が向上するとともに、圧縮機１２における冷媒オーバーフローを確実に防止できる。また、蒸発器４に入る冷媒の密度が高くなるため、冷媒回路１０１内の余剰冷媒を蒸発器４内に貯留することができる。その結果、高圧冷媒の圧力が高くなりすぎることを確実に防止できる。なお、本開示のヒートポンプ装置は、内部熱交換器７を備えないものでもよい。

以下では、説明の便宜上、ヒートポンプユニット１００について、上、下、左、右、前、後の各方向を、図２中の矢印のように定義する。図２に示すように、本実施の形態のヒートポンプユニット１００における筐体１０２は、ベース１３と、第一パネル４０と、第二パネル４１と、トップパネル４２とを備える。筐体１０２は、直方体状の外形を有する。ベース１３は、筐体１０２の底部を形成する。液体－冷媒熱交換器２を収納したハウジング９と、圧縮機１２とがベース１３の上に設置されている。第一パネル４０は、筐体１０２の前面及び右側面を形成する。第二パネル４１は、筐体１０２の左側面と、筐体１０２の後面の一部とを形成する。第二パネル４１は、筐体１０２の外壁に相当する。トップパネル４２は、筐体１０２の上面を形成する。

筐体１０２の内部に隔壁１０が設置されている。隔壁１０は、ベース１３の上面から上に向かって突出する。筐体１０２の内部空間は、隔壁１０により、左側の機械室１０３と、右側の送風機室１０４とに隔てられている。機械室１０３に、圧縮機１２と、膨張弁３と、内部熱交換器７とが配置される。蒸発器４は、送風機室１０４の後面と、送風機室１０４の右側面とを覆うように配置される。送風機室１０４に、ファンモータ５と、プロペラファン６と、ハウジング９とが配置される。ファンモータ５及びプロペラファン６は、ハウジング９の上方に位置する。トップパネル４２の下に電気品箱２０が配置される。冷媒回路制御部２６及び水回路制御部２７を構成する制御基板その他の電気部品が電気品箱２０内に収納される。

アイスガード４４及びグリル４５が第一パネル４０に取り付けられている。筐体１０２の前面に当たる部分の第一パネル４０に開口４６が形成されている。グリル４５が開口４６を覆う。プロペラファン６が回転すると、ヒートポンプユニット１００の後方及び右方から外気が蒸発器４を通過して送風機室１０４に流入する。この外気は、第一パネル４０の開口４６及びグリル４５を通って、ヒートポンプユニット１００の前方へ排出される。

板状のバルブベッド４７がベース１３に取り付けられている。バルブベッド４７は、ベース１３の左端から上に向かって突出する。バルブベッド４７は、液体入口バルブ３１及び液体出口バルブ３２を支持する。液体入口バルブ３１及び液体出口バルブ３２は、バルブベッド４７の外壁から外側へ突出する。バルブベッド４７に対応した形状の切欠き４８が第二パネル４１に形成されている。第二パネル４１がベース１３に取り付けられると、バルブベッド４７が切欠き４８を塞ぐ。液体入口バルブ３１及び液体出口バルブ３２は、第二パネル４１の外に配置される。

循環ポンプ８は、第二パネル４１の外に配置される。循環ポンプ８は、第二パネル４１の外面に隣接する。循環ポンプ８が第二パネル４１に固定されてもよい。第二パネル４１が循環ポンプ８の重量を支持してもよい。あるいは、図示しないブラケットによって循環ポンプ８をベース１３に連結することにより、ベース１３が循環ポンプ８の重量を支持してもよい。循環ポンプ８、液体入口バルブ３１、及び液体出口バルブ３２は、筐体１０２の左側面に配置される。

筐体１０２の左側面にサービスカバー４３が取り付けられる。サービスカバー４３は、循環ポンプ８、液体入口バルブ３１、及び液体出口バルブ３２を覆う。サービスカバー４３は、循環ポンプ８、液体入口バルブ３１、及び液体出口バルブ３２を、風雨から保護する。保守あるいは点検の際には、サービスカバー４３を筐体１０２から取り外すことができる。

本実施の形態であれば、循環ポンプ８を筐体１０２内に配置する必要がないので、筐体１０２の大型化を防止できる。それゆえ、ヒートポンプユニット１００の占有面積の増加を確実に防止できる。

本実施の形態であれば、循環ポンプ８を筐体１０２内に配置する必要がないので、筐体１０２内での機器レイアウトの自由度を向上できる。例えば、機械室１０３のスペースに余裕ができるので、内部熱交換器７の熱交換有効長を十分に確保できる。それゆえ、内部熱交換器７の熱交換効率を十分に高くできる。その結果、ヒートポンプユニット１００の運転効率をさらに向上でき、圧縮機１２における冷媒オーバーフローをより確実に防止でき、高圧冷媒の圧力が高くなりすぎることをより確実に防止できる。

本実施の形態であれば、筐体１０２を分解することなく、サービスカバー４３を取り外すだけで、循環ポンプ８の保守あるいは点検をすることができる。それゆえ、保守及び点検の作業性を向上できる。なお、図示の例では循環ポンプ８、液体入口バルブ３１、及び液体出口バルブ３２が一つのサービスカバー４３で覆われているが、変形例として、液体入口バルブ３１及び液体出口バルブ３２を覆うカバーとは別のカバーで循環ポンプ８を覆ってもよい。

本実施の形態であれば、筐体１０２の左側面に、循環ポンプ８と液体入口バルブ３１と液体出口バルブ３２とを一緒に配置したことで、ヒートポンプユニット１００の占有面積を小さくする上で、より有利になる。

本実施の形態では、液体入口バルブ３１及び液体出口バルブ３２の上方に循環ポンプ８が配置されている。これにより、ヒートポンプユニット１００の占有面積を小さくする上で、さらに有利になる。

なお、本開示のヒートポンプ装置は、給湯用のものに限定されない。本開示のヒートポンプ装置は、例えば、暖房を行うために循環する液体を加熱する装置にも適用できる。

１ 貯湯式給湯機、 ２ 液体－冷媒熱交換器、 ２ａ 液体通路、 ２ｂ 冷媒通路、 ３ 膨張弁、 ４ 蒸発器、 ５ ファンモータ、 ６ プロペラファン、 ７ 内部熱交換器、 ８ 循環ポンプ、 ９ ハウジング、 １０ 隔壁、 １２ 圧縮機、 １３ ベース、 １５ 冷媒配管、 ２０ 電気品箱、 ２１ 入口温度センサ、 ２２ 出口温度センサ、 ２３ 吐出冷媒温度センサ、 ２４ 蒸発温度センサ、 ２５ 外気温度センサ、 ２６ 冷媒回路制御部、 ２７ 水回路制御部、 ３１ 液体入口バルブ、 ３２ 液体出口バルブ、 ３３ 通路、 ３４ 通路、 ３５ 通路、 ４０ 第一パネル、 ４１ 第二パネル、 ４２ トップパネル、 ４３ サービスカバー、 ４４ アイスガード、 ４５ グリル、 ４６ 開口、 ４７ バルブベッド、 ５１ 外部配管、 ５２ 外部配管、 １００ ヒートポンプユニット、 １０１ 冷媒回路、 １０２ 筐体、 １０３ 機械室、 １０４ 送風機室、 ２００ 貯湯タンク、 ２０１ 水回路

Claims (3)

1. 外壁を有する筐体と、
   冷媒を圧縮する圧縮機と、
   液体と、前記冷媒との間で熱を交換する液体－冷媒熱交換器と、
   前記液体を前記液体－冷媒熱交換器へ供給する循環ポンプと、
   を備え、
   前記圧縮機及び前記液体－冷媒熱交換器は、前記筐体内に配置され、
   前記循環ポンプは、前記筐体の前記外壁の一側面の外に配置されているヒートポンプ装置において、
   前記外壁の前記一側面の外に配置された液体入口バルブと、
   前記外壁の前記一側面の外に配置された液体出口バルブと、
   前記循環ポンプ、前記液体入口バルブ、及び前記液体出口バルブを覆う、取り外し可能なカバーと、
   をさらに備え、
   前記外壁の前記一側面の外において前記液体入口バルブ及び前記液体出口バルブの上方に前記循環ポンプが配置されているヒートポンプ装置。
2. 前記冷媒を減圧する減圧装置と、
   前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   前記液体－冷媒熱交換器よりも下流であって前記減圧装置よりも上流の高圧冷媒と、前記蒸発器よりも下流であって前記圧縮機よりも上流の低圧冷媒との間で熱を交換する内部熱交換器と、
   をさらに備え、
   前記筐体は、機械室を有し、
   前記機械室に前記圧縮機及び前記内部熱交換器が配置されている請求項１に記載のヒートポンプ装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ装置と、
   貯湯タンクと、
   を備える貯湯式給湯機。

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