WO2021117141A1 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

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WO2021117141A1
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refrigerant
pipe
compressor
pressure
low
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French (fr)
Inventor
徹 小出
周二 茂木
Original Assignee
三菱電機株式会社
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle

Definitions

  • the present invention relates to a heat pump device.
  • a compressor, a radiator for cooling a high-temperature and high-pressure refrigerant compressed by the compressor, a decompression means for depressurizing the refrigerant cooled by the radiator, and a refrigerant decompressed by the decompression means are evaporated.
  • a heat exchanger for exchanging heat between the refrigerant from the device to the decompression means and the low-pressure refrigerant in the gas-liquid separator is disclosed inside the gas-liquid separator.
  • the housing of the heat pump device, etc. may be excited by the compressor, causing noise and vibration.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a heat pump device that is advantageous in reducing sound and vibration.
  • the heat pump device of the present invention includes a compressor that compresses a refrigerant, a heating heat exchanger that exchanges heat between a heat medium and a high-pressure refrigerant compressed by the compressor, and a high-pressure refrigerant downstream of the heating heat exchanger.
  • a refrigerant circuit including a decompression device for depressurizing the refrigerant, an evaporator for evaporating the low-pressure refrigerant decompressed by the decompression device, and a refrigerant pipe for connecting the compressor, the heat exchanger, the decompression device, and the evaporator is provided.
  • the refrigerant pipe has a winding pipe arranged so as to wrap around the outer periphery of the compressor, and the compressor is configured to support the weight of the winding pipe.
  • FIG. FIG. 5 is a side view of a compressor and its accessories included in the heat pump device according to the first embodiment. It is a figure which shows the example of the temperature distribution in a hot water storage tank before the start of a heat storage operation, during the heat storage operation, and before the completion of the heat storage operation. It is a pressure-enthalpy diagram for explaining the role of the internal heat exchanger. It is a pressure-enthalpy diagram for explaining the role of the internal heat exchanger. It is a figure which shows the heat pump hot water supply apparatus provided with the heat pump apparatus according to Embodiment 2. It is a side view of the compressor provided with the heat pump device according to Embodiment 2 and its accessories. FIG. 5 is a side view of a compressor and its accessories included in the heat pump device according to the third embodiment.
  • water means, in principle, liquid water, and may include low-temperature water to high-temperature hot water.
  • FIG. 1 is a diagram showing a heat pump hot water supply device including the heat pump device 100 according to the first embodiment.
  • the heat pump hot water supply device shown in FIG. 1 includes a heat pump device 100 and a tank unit 200 having a hot water storage tank 14.
  • a separate type heat pump hot water supply device in which the housing 101 of the heat pump device 100 and the housing 201 of the tank unit 200 are separated will be described as an example.
  • the heat pump device 100 is installed outdoors.
  • the tank unit 200 is installed outdoors or indoors.
  • the heat pump hot water supply device according to the present disclosure may be one in which the heat pump device 100 and the hot water storage tank 14 are arranged inside one housing, instead of the separate type as shown in the illustrated example.
  • the refrigerant circuit of the refrigerating cycle included in the heat pump device 100 is also shown.
  • the heat pump device 100 has a function of heating a heat medium.
  • liquid water is used as a heat medium.
  • the heat medium in the present disclosure may be a liquid other than water, and may be, for example, any of calcium chloride aqueous solution, ethylene glycol aqueous solution, propylene glycol aqueous solution, and alcohol.
  • the heat pump device 100 in this embodiment is used as a hot water supply device.
  • the heat pump device in the present disclosure is not limited to the one for a hot water supply device, and may be used, for example, for the purpose of heating a liquid heat medium supplied to a heating device for warming a room.
  • the heat pump device 100 of the present embodiment is a heat exchanger 2 that exchanges heat between a compressor 1 that compresses and discharges a refrigerant, and a high-pressure refrigerant compressed by the compressor 1 and water as a heat medium.
  • An expansion valve 3 for reducing the pressure of the high-pressure refrigerant downstream of the heating heat exchanger 2, an evaporator 4 for evaporating the low-pressure refrigerant decompressed by the expansion valve 3, and a refrigerant amount adjuster 6 are provided inside the housing 101.
  • the heat pump device 100 according to the present disclosure may not include the refrigerant amount controller 6.
  • the substance used as the refrigerant is not particularly limited, but for example, carbon dioxide, HFC, HC, HFO and the like can be used.
  • the heating heat exchanger 2 heats water by the heat of the high-pressure refrigerant.
  • the expansion valve 3 in the present embodiment is an electronically controlled expansion valve whose opening degree can be changed.
  • the expansion valve 3 is an example of a pressure reducing device that reduces the pressure of the high pressure refrigerant into the low pressure refrigerant.
  • the pressure reducing device in the present disclosure is not limited to the expansion valve 3.
  • a capillary tube may be used as a decompression device.
  • the evaporator 4 in the present embodiment evaporates at least a part of the low-pressure refrigerant by exchanging heat between the low-pressure refrigerant flowing in from the expansion valve 3 and the air in the atmosphere.
  • the evaporator 4 may evaporate the low-pressure refrigerant by the heat of a substance other than air.
  • the low-pressure refrigerant that has passed through the evaporator 4 flows into the refrigerant amount controller 6.
  • the refrigerant amount adjuster 6 adjusts the amount of the refrigerant in the refrigerant circuit by storing the excess liquid refrigerant.
  • the low-pressure refrigerant gas that has passed through the refrigerant amount controller 6 is sucked into the compressor 1.
  • An annular refrigerant circuit is formed by connecting the compressor 1, the heating heat exchanger 2, the expansion valve 3, the evaporator 4, and the refrigerant amount regulator 6 by a refrigerant pipe.
  • the refrigerant pipe in the present embodiment includes a refrigerant pipe 19, a refrigerant pipe 20, a refrigerant pipe 22, a refrigerant pipe 23, and a wound pipe 25.
  • the winding pipe 25 is arranged so as to wrap around the outer circumference of the compressor 1.
  • the refrigerant pipe 19 has one end connected to the discharge port 1a of the compressor 1 and the other end connected to the refrigerant inlet of the heat heat exchanger 2.
  • the refrigerant pipe 20 has one end connected to the refrigerant outlet of the heat heat exchanger 2 and the other end connected to the refrigerant inlet of the expansion valve 3.
  • the refrigerant pipe 22 has one end connected to the refrigerant outlet of the expansion valve 3 and the other end connected to the refrigerant inlet of the evaporator 4.
  • the refrigerant pipe 23 has one end connected to the refrigerant outlet of the evaporator 4 and the other end connected to the refrigerant inlet of the winding pipe 25.
  • the refrigerant outlet of the winding pipe 25 is connected to the refrigerant inlet of the refrigerant amount controller 6.
  • the refrigerant outlet of the refrigerant amount controller 6 is connected to the suction port 1b of the compressor 1.
  • the heat pump device 100 of the present embodiment further includes a fan motor 7 and a fan 8.
  • the heat pump device 100 includes a partition wall (not shown) that separates the internal space of the housing 101 into a machine room and an air passage room.
  • a compressor 1, an expansion valve 3, and a refrigerant amount adjuster 6 are arranged in the machine room.
  • An evaporator 4, a fan motor 7, and a fan 8 are arranged in the air passage chamber.
  • the heat heat exchanger 2 is arranged in the lower part of the air passage chamber in a state of being covered with a heat insulating material and a casing. When the fan motor 7 rotates the fan 8, an air flow is generated so that air in the atmosphere passes through the evaporator 4.
  • the heat pump device 100 is connected to the tank unit 200 via a water circulation pipe 15 and electrical wiring (not shown).
  • the tank unit 200 includes a hot water storage tank 14 and a circulation pump 11 for circulating water inside the housing 201.
  • the hot water storage tank 14 is covered with a heat insulating material (not shown).
  • a circulation pump 11 is connected in the middle of the water circulation pipe 15 between the lower part of the hot water storage tank 14 and the water inlet of the heat heat exchanger 2.
  • a water supply pipe (not shown) is further connected to the lower part of the hot water storage tank 14.
  • a temperature stratification is formed in which the upper side is high temperature and the lower side is low temperature due to the difference in water density depending on the temperature.
  • a hot water supply pipe (not shown) for supplying hot water to a hot water supply destination such as a faucet, a shower, or a bathtub is connected to the upper part of the hot water storage tank 14.
  • a mixing valve (not shown) for adjusting the hot water supply temperature may be further provided in the tank unit 200.
  • the temperature of the water flowing into the heating heat exchanger 2 is hereinafter referred to as the "incoming water temperature”.
  • the temperature of the hot water flowing out from the heating heat exchanger 2 is hereinafter referred to as the “hot water temperature”.
  • the heat pump device 100 of the present embodiment includes a water inlet temperature detecting device 9 for detecting the water inlet temperature, a hot water outlet temperature detecting device 10 for detecting the hot water outlet temperature, a control device 13, and an outside air temperature detecting device 16 for detecting the outside air temperature. Further, the refrigerant temperature detecting device 17 and the refrigerant temperature detecting device 18 are further provided.
  • the refrigerant temperature detecting device 17 detects the temperature of the refrigerant discharged from the compressor 1, that is, the temperature of the refrigerant at the inlet of the heating heat exchanger 2.
  • the refrigerant temperature detecting device 18 detects the temperature of the refrigerant at the outlet of the evaporator 4.
  • the control device 13 includes a compressor 1, an expansion valve 3, a fan motor 7, a water inlet temperature detection device 9, a hot water temperature detection device 10, an outside air temperature detection device 16, a refrigerant temperature detection device 17, and a refrigerant temperature detection device 18, respectively. It is electrically connected.
  • the control device 13 determines the rotation speed of the compressor 1 according to the signals received from the incoming water temperature detecting device 9, the hot water temperature detecting device 10, the outside air temperature detecting device 16, the refrigerant temperature detecting device 17, and the refrigerant temperature detecting device 18.
  • the opening degree of the expansion valve 3 and the rotation speed of the fan motor 7 are controlled.
  • the tank unit 200 further includes a control device 12.
  • the control device 12 is electrically connected to the circulation pump 11 and controls the rotation speed of the circulation pump 11.
  • Each of the control device 12 and the control device 13 may include, for example, at least one memory and at least one processor.
  • the control device 12 is bidirectionally communicatively connected to the control device 13.
  • the operation of the heat pump hot water supply device is controlled by the control device 12 and the control device 13 cooperating by communication.
  • a single control device may be configured to control the operation of the heat pump hot water supply device.
  • the heat storage operation performed by the heat pump hot water supply device of the present embodiment will be described below.
  • the heat storage operation is an operation of storing heat in the hot water storage tank 14 by accumulating the hot water heated by the heat pump device 100 in the hot water storage tank 14.
  • the control device 12 and the control device 13 cooperate to control the heat storage operation.
  • the compressor 1, the expansion valve 3, the fan motor 7, and the circulation pump 11 are driven.
  • the high-temperature high-pressure refrigerant compressed by the compressor 1 flows into the heating heat exchanger 2 through the refrigerant pipe 19.
  • the water flowing out from the lower part of the hot water storage tank 14 flows into the heating heat exchanger 2 through the water circulation pipe 15.
  • the control device 13 controls the rotation speed of the compressor 1 according to the outside air temperature detected by the outside air temperature detecting device 16 and the entering water temperature detected by the entering water temperature detecting device 9.
  • the control device 13 has a target value of the outside air temperature detected by the outside air temperature detecting device 16, the incoming water temperature detected by the incoming water temperature detecting device 9, the discharged refrigerant temperature detected by the refrigerant temperature detecting device 17, and the hot water outlet temperature.
  • the opening degree of the expansion valve 3 is controlled according to the above.
  • the control device 12 controls the rotation speed of the circulation pump 11 so that the hot water temperature detected by the hot water temperature detecting device 10 becomes equal to the target value.
  • FIG. 2 is a side view of the compressor 1 and its accessories included in the heat pump device 100 according to the first embodiment.
  • the winding pipe 25 through which the refrigerant passes is arranged so as to wrap around the outer circumference of the compressor 1.
  • the compressor 1 is configured to support the weight of the winding pipe 25.
  • the housing 101 is excited by the vibration of the compressor 1, so that the heat pump device 100 may generate sound and vibration.
  • the maximum heating capacity is required, such as when the outside air temperature is low, the rotation speed of the compressor 1 reaches the maximum rotation speed, so that the heat pump device 100 is likely to generate sound and vibration.
  • the weight of the winding pipe 25 acts on the compressor 1, so that the vibration of the compressor 1 is reduced.
  • the housing 101 is less likely to be excited, and the sound and vibration generated by the heat pump device 100 can be reduced.
  • the weight of the winding pipe 25 acts uniformly on the compressor 1 in the circumferential direction. Therefore, since the weight imbalance can be prevented, the vibration of the compressor 1 can be reliably reduced. Therefore, the sound and vibration generated by the heat pump device 100 can be reliably reduced.
  • the compressor 1 in the present embodiment has a cylindrical outer shape having a central axis parallel to the vertical line.
  • the winding pipe 25 is in contact with the outer peripheral surface of the compressor 1.
  • the winding pipe 25 orbits the outer circumference of the compressor 1 a plurality of times in a helical shape.
  • the winding pipe 25 may be fixed to the outer peripheral surface of the compressor 1 by, for example, welding or brazing. Alternatively, the winding pipe 25 may be fixed to the compressor 1 using a bracket (not shown).
  • the winding pipe 25 in the present embodiment is composed of a low-pressure pipe 26 through which a low-pressure refrigerant passes downstream of the evaporator 4 and upstream of the compressor 1.
  • the low-pressure refrigerant from the evaporator 4 flows into the low-pressure pipe 26 through the refrigerant pipe 23.
  • the low-pressure refrigerant that has passed through the low-pressure pipe 26 flows into the refrigerant amount controller 6.
  • the low-pressure refrigerant that has passed through the refrigerant amount controller 6 is sucked into the compressor 1 from the suction port 1b.
  • the refrigerant amount adjuster 6 is fixed to the compressor 1 by the bracket 27.
  • the compressor 1 supports the weight of the refrigerant amount controller 6 via the bracket 27.
  • the weight of the refrigerant amount controller 6 acts on the compressor 1, which is more advantageous in reducing the vibration of the compressor 1.
  • Compressor 1 gets hot during operation. Since the winding pipe 25 is in contact with the outer peripheral surface of the compressor 1, the refrigerant passing through the winding pipe 25 absorbs the heat of the compressor 1. This makes it possible to recover a part of the heat dissipated from the compressor 1 to the refrigerant. In the present embodiment, the low-pressure refrigerant passing through the low-pressure pipe 26 absorbs the heat of the compressor 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the temperature distribution in the hot water storage tank 14 before the start of the heat storage operation, during the heat storage operation, and before the completion of the heat storage operation.
  • it is as follows. Before the start of the heat storage operation, water at 5 ° C. fills the inside of the hot water storage tank 14. During the heat storage operation, water at 5 ° C. flows into the heat pump device 100, so that a low water entry temperature is maintained. Hot water at 90 ° C. heated by the heat pump device 100 flows into the upper part of the hot water storage tank 14. As a result, a high temperature water layer at 90 ° C. is formed on the upper side of the hot water storage tank 14.
  • a medium-warm water layer is formed between the high-temperature water layer and the low-temperature water layer at 5 ° C. below the hot water storage tank 14.
  • the water in the medium hot water layer starts to flow into the heat pump device 100, so that the water entry temperature rises.
  • the water entry temperature rises to, for example, 56 ° C. before the completion of the heat storage operation.
  • the density of the refrigerant in the heating heat exchanger 2 decreases, and as a result, the pressure of the high-pressure refrigerant may become too high.
  • recovering the heat of the compressor 1 to the low-pressure refrigerant passing through the low-pressure pipe 26 plays the role of an internal heat exchanger, so that the pressure of the high-pressure refrigerant becomes too high. This can be reliably prevented.
  • the internal heat exchanger exchanges heat between the high-pressure refrigerant flowing from the outlet of the heat heat exchanger 2 to the inlet of the expansion valve 3 and the low-pressure refrigerant flowing from the outlet of the evaporator 4 to the compressor 1.
  • the internal heat exchanger has two roles. As shown in FIG. 4, the first role of the internal heat exchanger is to increase the density of the refrigerant in the evaporator 4 when the temperature of water entering the heating heat exchanger 2 rises. The pressure of the high-pressure refrigerant is suppressed by accumulating the refrigerant inside and reducing the density of the high-pressure refrigerant accordingly.
  • the second role of the internal heat exchanger is to add superheat at the outlet of the evaporator 4, that is, to raise the temperature of the refrigerant sucked into the compressor 1 above the saturation temperature, as shown in FIG. Is. This role improves the performance of the heat pump device 100.
  • FIG. 6 is a diagram showing a heat pump hot water supply device including the heat pump device 100 according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a side view of the compressor 1 and its accessories included in the heat pump device 100 according to the second embodiment.
  • the heat pump device 100 of the present embodiment includes an internal heat exchanger 5.
  • the internal heat exchanger 5 is composed of a winding pipe 25.
  • the winding pipe 25 in the present embodiment passes the low-pressure pipe 26 through which the low-pressure refrigerant downstream of the evaporator 4 and upstream of the compressor 1 passes, and the high-pressure refrigerant downstream of the heat exchanger 2 and upstream of the expansion valve 3. It has a high pressure tube 28.
  • the wound pipe 25 has a double pipe structure in which the high pressure pipe 28 is arranged inside the low pressure pipe 26.
  • the low-pressure refrigerant flows through a passage formed between the inner surface of the low-pressure pipe 26 and the outer surface of the high-pressure pipe 28.
  • the winding pipe 25 is configured to exchange heat between the low-pressure refrigerant passing through the low-pressure pipe 26 and the high-pressure refrigerant passing through the high-pressure pipe 28. Therefore, the winding pipe 25 serves as an internal heat exchanger 5, as shown in FIGS. 4 and 5.
  • the wound pipe 25 in the present embodiment has the high pressure pipe 28 in addition to the low pressure pipe 26, it is heavier than the wound pipe 25 in the first embodiment. Therefore, in the present embodiment, the weight of the winding pipe 25 acts on the compressor 1, so that the vibration of the compressor 1 is more reliably reduced. As a result, the sound and vibration generated by the heat pump device 100 can be more reliably reduced.
  • the low pressure pipe 26 is in contact with the outer peripheral surface of the compressor 1.
  • the low pressure pipe 26 may be fixed to the outer peripheral surface of the compressor 1 by, for example, welding or brazing. Alternatively, the low pressure pipe 26 may be fixed to the compressor 1 using a bracket (not shown). Since the low-pressure pipe 26 is in contact with the outer peripheral surface of the compressor 1, the low-pressure refrigerant passing through the low-pressure pipe 26 absorbs the heat of the compressor 1. This makes it possible to recover a part of the heat dissipated from the compressor 1 to the low-pressure refrigerant.
  • the refrigerant pipe 20 in the present embodiment has one end connected to the refrigerant outlet of the heating heat exchanger 2 and the other end connected to the refrigerant inlet of the high pressure pipe 28.
  • the refrigerant pipe 21 has one end connected to the refrigerant outlet of the high pressure pipe 28 and the other end connected to the refrigerant inlet of the expansion valve 3.
  • the refrigerant pipe 23 has one end connected to the refrigerant outlet of the evaporator 4 and the other end connected to the refrigerant inlet of the low pressure pipe 26.
  • the refrigerant pipe 24 has one end connected to the refrigerant outlet of the low pressure pipe 26 and the other end connected to the refrigerant inlet of the refrigerant amount controller 6.
  • FIG. 8 is a side view of the compressor 1 and its accessories included in the heat pump device 100 according to the third embodiment.
  • the refrigerant circuit diagram of the heat pump device 100 of the present embodiment is the same as that of FIG.
  • the heat pump device 100 of the present embodiment includes an internal heat exchanger 5.
  • the internal heat exchanger 5 is composed of a winding pipe 25.
  • the winding pipe 25 in the present embodiment passes the low-pressure pipe 26 through which the low-pressure refrigerant downstream of the evaporator 4 and upstream of the compressor 1 passes, and the high-pressure refrigerant downstream of the heat exchanger 2 and upstream of the expansion valve 3. It has a high pressure tube 28.
  • the low pressure pipe 26 is in contact with the outer peripheral surface of the compressor 1.
  • the low pressure pipe 26 may be fixed to the outer peripheral surface of the compressor 1 by, for example, welding or brazing. Alternatively, the low pressure pipe 26 may be fixed to the compressor 1 using a bracket (not shown). Since the low-pressure pipe 26 is in contact with the outer peripheral surface of the compressor 1, the low-pressure refrigerant passing through the low-pressure pipe 26 absorbs the heat of the compressor 1. This makes it possible to recover a part of the heat dissipated from the compressor 1 to the low-pressure refrigerant.
  • the outer surface of the high pressure pipe 28 is joined to the outer surface of the low pressure pipe 26. With this structure, heat is exchanged between the low-pressure refrigerant passing through the low-pressure pipe 26 and the high-pressure refrigerant passing through the high-pressure pipe 28. Therefore, the winding pipe 25 serves as an internal heat exchanger 5, as shown in FIGS. 4 and 5.
  • the outer surface of the high pressure pipe 28 may be fixed to the outer surface of the low pressure pipe 26 by, for example, welding or brazing.
  • the low-pressure pipe 26 and the high-pressure pipe 28 orbit the outer circumference of the compressor 1 in a helical manner a plurality of times in parallel.
  • the high pressure pipe 28 is wound around the outside of the low pressure pipe 26.
  • the wound pipe 25 in the present embodiment has the high pressure pipe 28 in addition to the low pressure pipe 26, it is heavier than the wound pipe 25 in the first embodiment. Therefore, in the present embodiment, the weight of the winding pipe 25 acts on the compressor 1, so that the vibration of the compressor 1 is more reliably reduced. As a result, the sound and vibration generated by the heat pump device 100 can be more reliably reduced.
  • 1 Compressor 1a Discharge port, 1b Suction port, 2 Heating heat exchanger, 3 Expansion valve, 4 Evaporator, 5 Internal heat exchanger, 6 Refrigerant amount controller, 7 Fan motor, 8 Fan, 9 Water inlet temperature detector , 10 Hot water temperature detector, 11 Circulation pump, 12 Control device, 13 Control device, 14 Hot water storage tank, 15 Water circulation pipe, 16 Outside air temperature detector, 17 Refrigerant temperature detector, 18 Refrigerant temperature detector, 19 Refrigerant pipe, 20 Refrigerant pipe, 21 refrigerant pipe, 22 refrigerant pipe, 23 refrigerant pipe, 24 refrigerant pipe, 25 winding pipe, 26 low pressure pipe, 27 bracket, 28 high pressure pipe, 100 heat pump device, 101 housing, 200 tank unit, 201 housing

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Abstract

ヒートポンプ装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、熱媒体と、圧縮機により圧縮された高圧冷媒との間で熱を交換する加熱熱交換器と、加熱熱交換器の下流の高圧冷媒を減圧する減圧装置と、減圧装置により減圧された低圧冷媒を蒸発させる蒸発器と、圧縮機と加熱熱交換器と減圧装置と蒸発器とを接続する冷媒配管とを有する冷媒回路を備える。冷媒配管は、圧縮機の外周に巻き付くように配置された巻回配管を有する。圧縮機が巻回配管の重量を支えるように構成されている。

Description

ヒートポンプ装置
 本発明は、ヒートポンプ装置に関する。
 下記特許文献1には、圧縮機と、圧縮機により圧縮された高温高圧の冷媒を冷却する放熱器と、放熱器で冷却した冷媒を減圧する減圧手段と、減圧手段で減圧した冷媒を蒸発させて周囲の流体と熱交換する蒸発器と、蒸発器で蒸発した冷媒を気液分離するとともに低圧冷媒を圧縮機の吸入側に流出させる気液分離器とを備える蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、放熱器から減圧手段に至る冷媒と気液分離器内の低圧冷媒との間で熱を交換する熱交換器を、気液分離器内部において構成したものが開示されている。
日本特開2007-192429号公報
 圧縮機の作動時に、ヒートポンプ装置の筐体等が圧縮機により励振され、音及び振動を生ずる場合がある。
 本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、音及び振動を低減する上で有利になるヒートポンプ装置を提供することを目的とする。
 本発明のヒートポンプ装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、熱媒体と、圧縮機により圧縮された高圧冷媒との間で熱を交換する加熱熱交換器と、加熱熱交換器の下流の高圧冷媒を減圧する減圧装置と、減圧装置により減圧された低圧冷媒を蒸発させる蒸発器と、圧縮機と加熱熱交換器と減圧装置と蒸発器とを接続する冷媒配管と、を有する冷媒回路を備えたヒートポンプ装置であって、冷媒配管は、圧縮機の外周に巻き付くように配置された巻回配管を有し、圧縮機が巻回配管の重量を支えるように構成されているものである。
 本発明によれば、音及び振動を低減する上で有利になるヒートポンプ装置を提供することが可能となる。
実施の形態1によるヒートポンプ装置を備えたヒートポンプ給湯装置を示す図である。 実施の形態1によるヒートポンプ装置が備える圧縮機及びその付属物の側面図である。 蓄熱運転の開始前と、蓄熱運転の最中と、蓄熱運転の完了前とにおける貯湯タンク内の温度分布の例を示す図である。 内部熱交換器の役割を説明するための圧力-エンタルピ線図である。 内部熱交換器の役割を説明するための圧力-エンタルピ線図である。 実施の形態2によるヒートポンプ装置を備えたヒートポンプ給湯装置を示す図である。 実施の形態2によるヒートポンプ装置が備える圧縮機及びその付属物の側面図である。 実施の形態3によるヒートポンプ装置が備える圧縮機及びその付属物の側面図である。
 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によるヒートポンプ装置100を備えたヒートポンプ給湯装置を示す図である。図1に示すヒートポンプ給湯装置は、ヒートポンプ装置100と、貯湯タンク14を有するタンクユニット200とを備える。本実施の形態では、ヒートポンプ装置100の筐体101と、タンクユニット200の筐体201とが別体となったセパレート形のヒートポンプ給湯装置を例に説明する。ヒートポンプ装置100は、室外に設置される。タンクユニット200は、室外または室内に設置される。本開示によるヒートポンプ給湯装置は、図示の例のようなセパレート形のものに代えて、ヒートポンプ装置100と貯湯タンク14とが一つの筐体の内部に配置されたものでもよい。図1では、ヒートポンプ装置100が備える冷凍サイクルの冷媒回路も図示されている。
 ヒートポンプ装置100は、熱媒体を加熱する機能を有する。本実施の形態では液体の水が熱媒体として用いられる。ただし、本開示における熱媒体は、水以外の液体でもよく、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、アルコールのいずれかでもよい。本実施の形態におけるヒートポンプ装置100は給湯装置に用いられる。ただし、本開示におけるヒートポンプ装置は、給湯装置用のものに限らず、例えば、部屋を暖める暖房装置に供給される液状熱媒体を加熱する目的で用いられてもよい。
 本実施の形態のヒートポンプ装置100は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機1と、圧縮機1により圧縮された高圧冷媒と熱媒体である水との間で熱を交換する加熱熱交換器2と、加熱熱交換器2の下流の高圧冷媒を減圧する膨張弁3と、膨張弁3により減圧された低圧冷媒を蒸発させる蒸発器4と、冷媒量調節器6とを、筐体101の内部に備える。ただし、本開示によるヒートポンプ装置100は、冷媒量調節器6を備えないものでもよい。冷媒として使用される物質は、特に限定されないが、例えば二酸化炭素、HFC、HC、HFO等を使用可能である。
 加熱熱交換器2は、高圧冷媒の熱により水を加熱する。本実施の形態における膨張弁3は、その開度が変更可能な電子制御式の膨張弁である。膨張弁3は、高圧冷媒を減圧して低圧冷媒にする減圧装置の例である。本開示における減圧装置は、膨張弁3に限定されるものではない。例えばキャピラリーチューブが減圧装置として用いられてもよい。本実施の形態における蒸発器4は、膨張弁3から流入した低圧冷媒と大気中の空気との間で熱を交換することで、当該低圧冷媒の少なくとも一部を蒸発させる。ただし、本開示による蒸発器4は、空気以外の物質の熱によって低圧冷媒を蒸発させるものでもよい。蒸発器4を通過した低圧冷媒は、冷媒量調節器6に流入する。冷媒量調節器6は、余剰の液冷媒を貯留することにより冷媒回路内の冷媒の量を調整する。冷媒量調節器6を通過した低圧冷媒ガスが圧縮機1に吸入される。
 圧縮機1と加熱熱交換器2と膨張弁3と蒸発器4と冷媒量調節器6とが冷媒配管により接続されることで環状の冷媒回路が形成されている。本実施の形態における冷媒配管は、冷媒管19と冷媒管20と冷媒管22と冷媒管23と巻回配管25とを有する。巻回配管25は、圧縮機1の外周に巻き付くように配置されている。
 冷媒管19は、圧縮機1の吐出口1aに接続された一端と、加熱熱交換器2の冷媒入口に接続された他端とを有する。冷媒管20は、加熱熱交換器2の冷媒出口に接続された一端と、膨張弁3の冷媒入口に接続された他端とを有する。冷媒管22は、膨張弁3の冷媒出口に接続された一端と、蒸発器4の冷媒入口に接続された他端とを有する。冷媒管23は、蒸発器4の冷媒出口に接続された一端と、巻回配管25の冷媒入口に接続された他端とを有する。巻回配管25の冷媒出口は、冷媒量調節器6の冷媒入口に接続されている。冷媒量調節器6の冷媒出口は、圧縮機1の吸入口1bに接続されている。
 本実施の形態のヒートポンプ装置100は、ファンモータ7及びファン8をさらに備える。ヒートポンプ装置100は、筐体101の内部空間を機械室と風路室とに隔てる隔壁(図示省略)を備えている。機械室に、圧縮機1、膨張弁3、及び冷媒量調節器6が配置される。風路室に、蒸発器4、ファンモータ7、及びファン8が配置される。加熱熱交換器2は、断熱材及びケーシングに覆われた状態で風路室に下部に配置される。ファンモータ7がファン8を回転させると、大気中の空気が蒸発器4を通過するように流れる空気流が生成される。
 ヒートポンプ装置100は、水循環配管15と、電気配線(図示省略)とを介してタンクユニット200に接続されている。タンクユニット200は、貯湯タンク14と、水を循環させる循環ポンプ11とを、筐体201の内部に備える。貯湯タンク14は、断熱材(図示省略)により覆われている。水循環配管15は、貯湯タンク14の下部を加熱熱交換器2の水入口につなぐとともに、加熱熱交換器2の水出口を貯湯タンク14の上部につなぐ。貯湯タンク14の下部と加熱熱交換器2の水入口との間の水循環配管15の途中に循環ポンプ11が接続されている。貯湯タンク14の下部には、給水管(図示省略)がさらに接続されている。上水道等の外部の水源から供給される水が給水管を通って、貯湯タンク14内に流入し、貯留される。貯湯タンク14内では、温度による水の密度の差によって、上側が高温で下側が低温になる温度成層が形成される。例えば蛇口、シャワー、浴槽等の給湯先へ給湯するための給湯配管(図示省略)が貯湯タンク14の上部に接続されている。給湯温度を調整するための混合弁(図示省略)がタンクユニット200内にさらに設けられていてもよい。貯湯タンク14から給湯配管へ湯が流出すると、それと同量の水が給水配管から貯湯タンク14の下部に流入する。これにより、貯湯タンク14内は満水状態に維持される。
 加熱熱交換器2に流入する水の温度を以下「入水温度」と称する。加熱熱交換器2から流出する湯の温度を以下「出湯温度」と称する。本実施の形態のヒートポンプ装置100は、入水温度を検出する入水温度検出装置9と、出湯温度を検出する出湯温度検出装置10と、制御装置13と、外気温度を検出する外気温度検出装置16と、冷媒温度検出装置17と、冷媒温度検出装置18とをさらに備える。冷媒温度検出装置17は、圧縮機1から吐出される冷媒の温度、すなわち加熱熱交換器2の入口の冷媒の温度を検出する。冷媒温度検出装置18は、蒸発器4の出口の冷媒の温度を検出する。制御装置13は、圧縮機1、膨張弁3、ファンモータ7、入水温度検出装置9、出湯温度検出装置10、外気温度検出装置16、冷媒温度検出装置17、及び冷媒温度検出装置18のそれぞれと電気的に接続されている。制御装置13は、入水温度検出装置9、出湯温度検出装置10、外気温度検出装置16、冷媒温度検出装置17、及び冷媒温度検出装置18から受信した信号に応じて、圧縮機1の回転速度、膨張弁3の開度、及びファンモータ7の回転速度のそれぞれを制御する。
 タンクユニット200は、制御装置12をさらに備える。制御装置12は、循環ポンプ11と電気的に接続されており、循環ポンプ11の回転速度を制御する。制御装置12及び制御装置13のそれぞれは、例えば、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いてもよい。制御装置12は、制御装置13と双方向に通信可能に接続されている。本実施の形態では、制御装置12と制御装置13とが通信により連携することでヒートポンプ給湯装置の動作を制御する。このような例に限らず、単一の制御装置がヒートポンプ給湯装置の動作を制御するように構成されていてもよい。
 本実施の形態のヒートポンプ給湯装置が行う蓄熱運転について以下に説明する。蓄熱運転は、ヒートポンプ装置100により加熱された湯を貯湯タンク14内に蓄積することによって貯湯タンク14に熱を蓄える運転である。制御装置12と制御装置13とが連携して蓄熱運転を制御する。蓄熱運転のときには、例として、以下のようになる。圧縮機1、膨張弁3、ファンモータ7、及び循環ポンプ11が駆動される。圧縮機1により圧縮された高温の高圧冷媒が冷媒管19を通って加熱熱交換器2に流入する。貯湯タンク14の下部から流出した水が水循環配管15を通って加熱熱交換器2に流入する。加熱熱交換器2にて、水が高圧冷媒により加熱されて高温の湯になる。加熱熱交換器2から流出した湯が水循環配管15を通って貯湯タンク14の上部に流入する。制御装置13は、外気温度検出装置16により検出される外気温度と、入水温度検出装置9により検出される入水温度とに応じて、圧縮機1の回転速度を制御する。制御装置13は、外気温度検出装置16により検出される外気温度と、入水温度検出装置9により検出される入水温度と、冷媒温度検出装置17により検出される吐出冷媒温度と、出湯温度の目標値とに応じて、膨張弁3の開度を制御する。制御装置12は、出湯温度検出装置10により検出される出湯温度が目標値に等しくなるように循環ポンプ11の回転速度を制御する。
 図2は、実施の形態1によるヒートポンプ装置100が備える圧縮機1及びその付属物の側面図である。図2に示すように、冷媒が通る巻回配管25は、圧縮機1の外周に巻き付くように配置されている。圧縮機1は、巻回配管25の重量を支えるように構成されている。圧縮機1が回転すると、圧縮機1の振動により筐体101が励振されることで、ヒートポンプ装置100が音及び振動を発する可能性がある。例えば、外気温度が低い条件のときのように、最大の加熱能力が必要なときには、圧縮機1の回転速度が最高回転速度に達するので、ヒートポンプ装置100が音及び振動を発生させやすくなる。これに対し、本実施の形態であれば、巻回配管25の重量が圧縮機1に作用することにより、圧縮機1の振動が低減される。その結果、筐体101が励振されにくくなり、ヒートポンプ装置100が発する音及び振動を低減できる。特に、巻回配管25が圧縮機1の外周に巻き付いているので、巻回配管25の重量が周方向において均一に圧縮機1に作用する。このため、重量のアンバランスを防止できるので、圧縮機1の振動を確実に低減できる。このため、ヒートポンプ装置100が発する音及び振動を確実に低減できる。
 本実施の形態における圧縮機1は、鉛直線に平行な中心軸を有する円筒状の外形を有する。巻回配管25は、圧縮機1の外周面に接している。図示の例では、巻回配管25は、圧縮機1の外周を、ヘリカル状に、複数回、周回している。巻回配管25が圧縮機1の外周面に対して例えば溶接またはロウ接により固定されていてもよい。あるいは、図示しないブラケットを用いて巻回配管25が圧縮機1に固定されていてもよい。
 本実施の形態における巻回配管25は、蒸発器4の下流かつ圧縮機1の上流の低圧冷媒が通る低圧管26によって構成されている。蒸発器4からの低圧冷媒が冷媒管23を通って低圧管26に流入する。低圧管26を通過した低圧冷媒が冷媒量調節器6に流入する。冷媒量調節器6を通過した低圧冷媒が吸入口1bから圧縮機1に吸入される。
 図2に示す例では、冷媒量調節器6がブラケット27により圧縮機1に固定されている。圧縮機1は、ブラケット27を介して冷媒量調節器6の重量を支える。本実施の形態であれば、冷媒量調節器6の重量が圧縮機1に作用することにより、圧縮機1の振動を低減する上でより有利になる。
 圧縮機1は、運転中、高温になる。巻回配管25が圧縮機1の外周面に接しているので、巻回配管25を通る冷媒が圧縮機1の熱を吸収する。これにより、圧縮機1から散逸する熱の一部を冷媒に回収することが可能となる。本実施の形態では、低圧管26を通る低圧冷媒が圧縮機1の熱を吸収する。
 図3は、蓄熱運転の開始前と、蓄熱運転の最中と、蓄熱運転の完了前とにおける貯湯タンク14内の温度分布の例を示す図である。図3の例では以下のようになっている。蓄熱運転の開始前は、5℃の水が貯湯タンク14内を満たしている。蓄熱運転の最中には、5℃の水がヒートポンプ装置100に流入するので、低い入水温度が維持される。ヒートポンプ装置100により加熱された90℃の湯が貯湯タンク14の上部に流入する。その結果、貯湯タンク14の上側に90℃の高温水層が形成される。この高温水層と、貯湯タンク14の下側の5℃の低温水層との間に、中温水層が形成される。5℃の低温水層の水がすべてヒートポンプ装置100に送られて加熱されると、中温水層の水がヒートポンプ装置100に流入し始めることにより、入水温度が上昇する。その結果、蓄熱運転の完了前には、入水温度が例えば56℃まで上昇する。
 蓄熱運転の完了前に入水温度が上昇すると、加熱熱交換器2内の冷媒の密度が低下する結果、高圧冷媒の圧力が高くなりすぎる可能性がある。これに対し、本実施の形態であれば、低圧管26を通る低圧冷媒に圧縮機1の熱を回収することが、内部熱交換器の役割を果たすことで、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。内部熱交換器は、加熱熱交換器2の出口から膨張弁3の入口へ流れる高圧冷媒と、蒸発器4の出口から圧縮機1へ流れる低圧冷媒との間で熱を交換するものである。
 図4及び図5は、内部熱交換器の役割を説明するための圧力-エンタルピ線図である。内部熱交換器の役割は二つある。内部熱交換器の一つ目の役割は、図4に示すように、加熱熱交換器2への入水温度が上昇した際に、蒸発器4内の冷媒の密度を増大させることにより蒸発器4内に冷媒を溜め、それに伴って高圧冷媒の密度を低下させることにより高圧冷媒の圧力を抑制することである。内部熱交換器の二つ目の役割は、図5に示すように、蒸発器4の出口におけるスーパーヒートを付けること、すなわち圧縮機1に吸入される冷媒の温度を飽和温度よりも高くすることである。この役割により、ヒートポンプ装置100の性能が改善される。
 本実施の形態であれば、ヒートポンプ装置100の機械室において内部熱交換器の設置スペースが不要になるので、機械室のスペースに余裕ができるという利点がある。
実施の形態2.
 次に、図6及び図7を参照して、実施の形態2について説明するが、前述した実施の形態1との相違点を中心に説明し、前述した要素と共通または対応する要素には、同一の符号を付して、共通する説明を簡略化または省略する。図6は、実施の形態2によるヒートポンプ装置100を備えたヒートポンプ給湯装置を示す図である。図7は、実施の形態2によるヒートポンプ装置100が備える圧縮機1及びその付属物の側面図である。
 図6及び図7に示すように、本実施の形態のヒートポンプ装置100は、内部熱交換器5を備える。図7に示すように、内部熱交換器5は、巻回配管25により構成されている。本実施の形態における巻回配管25は、蒸発器4の下流かつ圧縮機1の上流の低圧冷媒が通る低圧管26と、加熱熱交換器2の下流かつ膨張弁3の上流の高圧冷媒が通る高圧管28とを有する。この巻回配管25は、低圧管26の内部に高圧管28が配置された二重管構造を有する。低圧管26の内面と、高圧管28の外面との間に形成される通路を低圧冷媒が流れる。低圧管26内を通る低圧冷媒と、高圧管28内を通る高圧冷媒との間で熱を交換するように巻回配管25が構成されている。それゆえ、巻回配管25が、図4及び図5のように、内部熱交換器5としての役割を果たす。
 本実施の形態における巻回配管25は、低圧管26に加えて高圧管28を有するので、実施の形態1の巻回配管25よりも重量が大きい。それゆえ、本実施の形態であれば、巻回配管25の重量が圧縮機1に作用することにより、圧縮機1の振動がより確実に低減される。その結果、ヒートポンプ装置100が発する音及び振動をより確実に低減できる。
 低圧管26は、圧縮機1の外周面に接している。低圧管26が圧縮機1の外周面に対して例えば溶接またはロウ接により固定されていてもよい。あるいは、図示しないブラケットを用いて低圧管26が圧縮機1に固定されていてもよい。低圧管26が圧縮機1の外周面に接しているので、低圧管26を通る低圧冷媒が圧縮機1の熱を吸収する。これにより、圧縮機1から散逸する熱の一部を低圧冷媒に回収することが可能となる。
 本実施の形態における冷媒管20は、加熱熱交換器2の冷媒出口に接続された一端と、高圧管28の冷媒入口に接続された他端とを有する。冷媒管21は、高圧管28の冷媒出口に接続された一端と、膨張弁3の冷媒入口に接続された他端とを有する。冷媒管23は、蒸発器4の冷媒出口に接続された一端と、低圧管26の冷媒入口に接続された他端とを有する。冷媒管24は、低圧管26の冷媒出口に接続された一端と、冷媒量調節器6の冷媒入口に接続された他端とを有する。
実施の形態3.
 次に、図8を参照して、実施の形態3について説明するが、前述した実施の形態との相違点を中心に説明し、前述した要素と共通または対応する要素には、同一の符号を付して、共通する説明を簡略化または省略する。図8は、実施の形態3によるヒートポンプ装置100が備える圧縮機1及びその付属物の側面図である。本実施の形態のヒートポンプ装置100の冷媒回路図は、図6と同様である。
 本実施の形態のヒートポンプ装置100は、内部熱交換器5を備える。内部熱交換器5は、巻回配管25により構成されている。本実施の形態における巻回配管25は、蒸発器4の下流かつ圧縮機1の上流の低圧冷媒が通る低圧管26と、加熱熱交換器2の下流かつ膨張弁3の上流の高圧冷媒が通る高圧管28とを有する。
 低圧管26は、圧縮機1の外周面に接している。低圧管26が圧縮機1の外周面に対して例えば溶接またはロウ接により固定されていてもよい。あるいは、図示しないブラケットを用いて低圧管26が圧縮機1に固定されていてもよい。低圧管26が圧縮機1の外周面に接しているので、低圧管26を通る低圧冷媒が圧縮機1の熱を吸収する。これにより、圧縮機1から散逸する熱の一部を低圧冷媒に回収することが可能となる。
 高圧管28の外面が低圧管26の外面に接合されている。この構造により、低圧管26内を通る低圧冷媒と、高圧管28内を通る高圧冷媒との間で熱が交換される。それゆえ、巻回配管25が、図4及び図5のように、内部熱交換器5としての役割を果たす。高圧管28の外面が低圧管26の外面に対して例えば溶接またはロウ接により固定されていてもよい。図示の例では、低圧管26と高圧管28とが、並行して、圧縮機1の外周を、ヘリカル状に、複数回、周回している。高圧管28は低圧管26の外側に巻き付いている。
 本実施の形態における巻回配管25は、低圧管26に加えて高圧管28を有するので、実施の形態1の巻回配管25よりも重量が大きい。それゆえ、本実施の形態であれば、巻回配管25の重量が圧縮機1に作用することにより、圧縮機1の振動がより確実に低減される。その結果、ヒートポンプ装置100が発する音及び振動をより確実に低減できる。
1 圧縮機、 1a 吐出口、 1b 吸入口、 2 加熱熱交換器、 3 膨張弁、 4 蒸発器、 5 内部熱交換器、 6 冷媒量調節器、 7 ファンモータ、 8 ファン、 9 入水温度検出装置、 10 出湯温度検出装置、 11 循環ポンプ、 12 制御装置、 13 制御装置、 14 貯湯タンク、 15 水循環配管、 16 外気温度検出装置、 17 冷媒温度検出装置、 18 冷媒温度検出装置、 19 冷媒管、 20 冷媒管、 21 冷媒管、 22 冷媒管、 23 冷媒管、 24 冷媒管、 25 巻回配管、 26 低圧管、 27 ブラケット、 28 高圧管、 100 ヒートポンプ装置、 101 筐体、 200 タンクユニット、 201 筐体

Claims (7)

  1.  冷媒を圧縮する圧縮機と、
     熱媒体と、前記圧縮機により圧縮された高圧冷媒との間で熱を交換する加熱熱交換器と、
     前記加熱熱交換器の下流の前記高圧冷媒を減圧する減圧装置と、
     前記減圧装置により減圧された低圧冷媒を蒸発させる蒸発器と、
     前記圧縮機と前記加熱熱交換器と前記減圧装置と前記蒸発器とを接続する冷媒配管と、
     を有する冷媒回路を備えたヒートポンプ装置であって、
     前記冷媒配管は、前記圧縮機の外周に巻き付くように配置された巻回配管を有し、
     前記圧縮機が前記巻回配管の重量を支えるように構成されているヒートポンプ装置。
  2.  前記巻回配管は、前記蒸発器の下流かつ前記圧縮機の上流の前記低圧冷媒が通る低圧管を有する請求項1に記載のヒートポンプ装置。
  3.  前記巻回配管は、前記蒸発器の下流かつ前記圧縮機の上流の前記低圧冷媒が通る低圧管と、前記加熱熱交換器の下流かつ前記減圧装置の上流の前記高圧冷媒が通る高圧管とを有し、前記低圧管内を通る前記低圧冷媒と、前記高圧管内を通る前記高圧冷媒との間で熱を交換するように構成されている請求項1に記載のヒートポンプ装置。
  4.  前記巻回配管は、前記低圧管の内部に前記高圧管が配置された二重管構造を有する請求項3に記載のヒートポンプ装置。
  5.  前記高圧管の外面が前記低圧管の外面に接合されている請求項3に記載のヒートポンプ装置。
  6.  前記低圧管の下流かつ前記圧縮機の上流に設けられた冷媒量調節器をさらに備える請求項2から請求項5のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
  7.  前記巻回配管を通る冷媒が前記圧縮機の熱を吸収する請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
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