JP2005188924A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成によって、給水温度が上昇した場合の循環する最適冷媒量の変動を抑制することができると共に、蒸発器の除霜を効率よく行うことができるヒートポンプ装置を提供する。
【解決手段】 圧縮機１、ガスクーラ３、減圧装置５および蒸発器７を有する冷凍サイクルを備え、このガスクーラで水を加熱可能に構成したヒートポンプ装置において、冷凍サイクルには高圧側が超臨界域で作動するＣＯ２等の冷媒が充填使用されており、ガスクーラ出口と減圧装置との間には放熱器２１が設けられており、この放熱器出口の冷媒温度が、ガスクーラへの給水温度に関わらず略一定温度に維持される構成を備えたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明はヒートポンプ装置に係り、特に、蒸発器の除霜効率を高めることができ、ガスクーラで加熱した水を給湯可能に構成されたヒートポンプ式給湯装置では、給水温度が変動した場合の循環する冷媒量の変動を抑制することができるヒートポンプ装置に関する。

一般に、圧縮機、ガスクーラ、減圧装置および蒸発器を有する冷凍サイクルを備え、このガスクーラで加熱した水を給湯可能に構成したヒートポンプ式給湯装置が知られている。

この種のものにおいて、冷凍サイクルの冷媒に、例えばＣＯ２冷媒を使用した場合、冷凍サイクルの高圧側が超臨界となる遷臨界サイクル（Transcritical Cycle）になるため、水の昇温幅が大きい加熱プロセスでは高い成績係数（ＣＯＰ）を期待できる。

このヒートポンプ式給湯装置では、ガスクーラへの給水温度が例えば５℃程度と低い場合、圧縮機で吐出されたＣＯ２冷媒が、ガスクーラで５℃程度の低温水と熱交換して液と同程度の密度（以下、液状態）となるまで低温に冷却された後、膨張して蒸発器に至り、蒸発器で完全にガス化し、圧縮機に循環する。

一方、ガスクーラへの給水温度が例えば５０℃程度と高くなった場合、ＣＯ２冷媒は、このガスクーラで５０℃程度の高温水と熱交換するため、それほど冷却されることなく、高温ガス状態のままガスクーラ出口に至り、膨張して蒸発器、さらには圧縮機に循環する。
特開２００１−０８２８０３号公報 特開平０８−３２７１９２号公報

このように、給水温度が変動し、ガスクーラ出口温度が変動すると、冷媒の密度が変動するという問題がある。

そして、冷媒密度が大きく変動した場合、冷凍サイクルの容積は一定のため、給水温度が高い場合と低い場合とで、循環する最適冷媒量に差が生じる。この最適冷媒量に差が生じた場合、最適冷媒量が多く必要な運転時に合わせて冷媒充填が行われると、最適冷媒量が少なくてよい運転時に余剰冷媒が生じ、これを一時的に貯留するレシーバタンク等が必要になると共に、最適冷媒量を得るための制御が複雑化する等の種々の問題が発生する。

また、この種のものでは、冷凍サイクルを構成する機器類がヒートポンプユニットとして屋外に設置される場合が多く、例えば冬期等において、蒸発器の除霜運転が必要になる場合が多い。

この場合の除霜運転では、圧縮機から吐出された冷媒を、ガスクーラおよび減圧装置をバイパスして蒸発器に直接的に供給し、この蒸発器を冷媒熱により加熱して除霜するホットガス除霜が一般的である。

しかし、外気温度が極端に低下し、例えばきわめて軽量な多量の粉雪が舞う状況下で、ホットガス除霜運転が行われた場合、蒸発器への粉雪付着量が多すぎて、それらを十分に解凍できない場合がある。

また、ヒートポンプユニットの底板（ドレンパン）と蒸発器の下部との隙間はきわめて狭いのが一般的であり、この隙間に残ったドレンが氷結し、それを殻として下から氷が成長する場合があり、真冬日が連続する地域等ではこの氷を効率よく除去することが困難になっている。

電気ヒータ等を敷設して除霜を行うことが考えられるが、これでは電気容量が増大し、ランニングコストが増大する。

そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、簡単な構成によって、給水温度が上昇した場合の循環する最適冷媒量の変動を抑制することができると共に、蒸発器の除霜を効率よく行うことができるヒートポンプ装置を提供することにある。

本発明は、圧縮機、ガスクーラ、減圧装置および蒸発器を有する冷凍サイクルを備え、このガスクーラで水を加熱可能に構成したヒートポンプ装置において、冷凍サイクルには高圧側が超臨界域で作動する冷媒が充填使用され、ガスクーラ出口と減圧装置との間には放熱器が設けられたことを特徴とするものである。

本発明は、上記放熱器出口の冷媒温度がガスクーラへの給水温度に関わらず略一定温度に維持される構成を備えたことを特徴とする。

本発明は、放熱器が蒸発器の下部に配置されていることを特徴とする。

本発明は、放熱器がガスクーラから減圧装置に連なる冷媒配管の一部で構成されていることを特徴とする。

本発明は、蒸発器がフィン・チューブ式の熱交換器であり、冷媒配管の一部が蒸発器のフィンの下部を貫通して配置されていることを特徴とする。

本発明は、上記冷媒がＣＯ２冷媒であることを特徴とする。

これらの発明では、放熱器出口の冷媒温度がガスクーラへの給水温度に関わらず略一定温度に維持されるため、放熱器出口における冷媒密度が、給水温度に関わらず略一定となる。

冷媒密度が略一定で、冷凍サイクルの容積は一定のため、循環する冷媒量が一定となり、最適冷媒量の変動が抑制される。

また、放熱器を蒸発器の下部に配置した場合、簡単な構成で、蒸発器の除霜を効率よく行うことができる。

蒸発器の除霜を効率よく行うことができると共に蒸発器におけるドレンの氷結を防止することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面に基づいて説明する。

第１図において、符号１は圧縮機を示し、この圧縮機１には、実線で示す冷媒配管を介して、ガスクーラ３、減圧装置（膨張弁）５、フィン・チューブ式の空気熱源式の熱交換器からなる蒸発器７、およびアキュムレータ８が順に接続されて、冷凍サイクルが構成されている。

この冷凍サイクルにはＣＯ２冷媒が充填使用される。このＣＯ２冷媒はオゾン破壊係数が０で、地球温暖化係数が１であるため、環境への負荷が小さく、毒性、可燃性がなく安全で安価である。

上記ガスクーラ３は、ＣＯ２冷媒が流れる実線で示した冷媒コイル９と、水が流れる破線で示した水コイル１１とからなり、この水コイル１１は水配管を介して図示を省略した貯湯タンクに接続されている。水配管には図示を省略した循環ポンプが接続され、この循環ポンプが駆動されて貯湯タンクの水がガスクーラ３を循環し、ここで加熱されて貯湯タンクに貯湯される。

このヒートポンプ式給湯装置は、ヒートポンプユニットとして屋外に設置されており、蒸発器７に付着した霜を除去するための除霜運転が必要になる。この場合の除霜運転は、圧縮機１から吐出された冷媒を、バイパス管１３を通じて蒸発器７に直接的に供給し、これを加熱することにより行われる。バイパス管１３は、ガスクーラ３および膨張弁５をバイパスする。除霜運転では、バイパス管１３に設けられた通常時閉の除霜用電磁弁１５が開かれる。

本実施形態では、ガスクーラ３から膨張弁５に連なる冷媒配管の一部（放熱器）２１を蒸発器７の下部に配置して構成される。

この蒸発器７は、フィン・チューブ式の空気熱源式の熱交換器であって、多数のフィン２３、２３、２３…の孔に蛇行状のチューブ２５を貫通させたものであり、最下部の略Ｕ字状のチューブ２５ａを、上記冷媒配管の一部２１に対応させて、この略Ｕ字状のチューブ２５ａと、それよりも下流のチューブ２５との間に膨張弁５が接続されている。

第２図は、蒸発器７の斜視図である。

この蒸発器７では、チューブ２５が風上から風下に向けて二列に配置されており、上記略Ｕ字状のチューブ（冷媒配管の一部）２５ａが、上記フィン２３の下部を貫通して配置されている。

このチューブ２５ａには、ガスクーラ３で冷却された高圧冷媒が流入するが、この冷媒は入口管Ａを通じて流入し、三回蛇行のチューブ２５ａを経た後、出口管Ｂから流出し、膨張弁５に向かう。そして、膨張弁５で膨張した後、チューブ２５ａの真上に位置する風上の入口管Ｃを通じて蒸発器７に流入し、１回蛇行して風上側のチューブ２５ｂに至り、そこから風上側のチューブ２５を複数回に亘り蛇行して流れ、風上側の最上位のチューブ２５ｃから風下側のチューブ２５ｄに移行し、この風下側のチューブ２５を上から下に向けて流れ、最下位の出口管Ｄから圧縮機１に向けて流出する。

第３図は、Ｔ−ｈ線図を示している。

このヒートポンプ式給湯装置では、例えば、冬期運転で、水コイル１１に供給される給水温度が５℃程度と低い場合、第３図のＴ−ｈ線図に示すように、ＣＯ２冷媒は、圧縮機１で吐出（点Ａ）され、ガスクーラ３で５℃程度の水との熱交換により冷却された後、放熱器２１に流入し、ここで空気との熱交換によりさらに冷却され、ほぼ液に近い密度（液状態）で放熱器２１の出口（点Ｂ）を経た後、膨張弁５で膨張し、蒸発器７の入口（点Ｃ）に至り、この蒸発器７で完全にガス化して、圧縮機１の吸込（点Ｄ）に循環する。

この場合、給水温度が５℃程度と低いため、冷媒状態としては、ガスクーラ３の出口で点Ｂの近くに達し、ほぼ液状態となり、放熱器２１ではそれほど冷却効果が発揮されないと考えられる。

一方、水コイル１１に供給される給水温度が、例えば５０℃程度と高くなった場合、圧縮機１で吐出（点Ａ）されたＣＯ２冷媒は、ガスクーラ７で、５０℃程度の高温水と熱交換して冷却される。この場合、冷媒状態としては、ガスクーラ３の出口がほぼ点Ｅに相当し、ここでは液状態には至らず、ほぼガス状態であると考えられる。このガスクーラ３の出口（点Ｅ）を経た冷媒は、放熱器２１に至り、ここで空気との熱交換により冷却されて、ほぼ液状態に達し、液状態で放熱器２１の出口（点Ｂ）に至り、この出口（点Ｂ）を経た後、膨張弁５で膨張し、蒸発器７の入口（点Ｃ）に至り、この蒸発器７で完全にガス化して、圧縮機１の吸込（点Ｄ）に循環する。

上記サイクルでは、高圧側が超臨界となる遷臨界サイクル（Transcritical Cycle）になるため、高いＣＯＰが得られる。

本実施形態では、ガスクーラ出口と減圧装置５との間に放熱器２１を設けたため、水コイル１１に供給される給水温度が低い場合も高い場合も、放熱器２１出口（点Ｂ）の冷媒温度が略一定に保持される。

すなわち、ガスクーラ７への給水温度に関わらず、放熱器２１出口（点Ｂ）での冷媒温度が略一定温度に維持される。ただし、実際には放熱器の温度が変動するため、点Ｂの温度も若干変動する。

これによれば、給水温度が低い場合も高い場合も、冷凍サイクルを循環する冷媒の密度がほぼ一定化し、しかも、冷凍サイクルの容積（放熱器２１、蒸発器７等の容積）は一定のため、給水温度の高低で、最適冷媒量に差が生じることがなく、最適冷媒量の変動が抑制される。

よって、高圧側の圧力上昇を抑制することができ、圧縮比増大に伴う効率低下を抑制することができ、従来のように、余剰冷媒が発生することがないため、これを一時的に貯留するレシーバタンク等が不要になり、最適冷媒量を得るための制御が複雑化することもない。

放熱器２１は、蒸発器７の一部として製造でき、蒸発器７の送風機を兼用できるため、イニシャルコストが抑えられ、別の冷却源を設けるわけではないため、省エネルギ化が図られる。

また、本実施形態では、給湯運転中に、ガスクーラ３で冷却された高圧冷媒が、常時蒸発器７の下部に流入する。

ガスクーラ３の出口での冷媒温度は、ガスクーラ３に供給される水の温度よりも高いことを前提とした場合、ここに供給される水の温度は、水道管の凍結防止設備等を勘案すると、０℃以上に維持されることから、ガスクーラ３の出口での冷媒温度も０℃以上に維持される。

従って、給湯運転中は、蒸発器７の下部の温度が０℃以上に維持されて、蒸発器７の下部でのドレン凍結が防止される。

給湯運転中の蒸発器７での蒸発温度と外気温度との差に応じて、給湯運転から除霜運転に切り替えられるが、除霜運転時のホットガスは、蒸発器７のチューブ２５ｂに流入し、そこから風上側のチューブ２５を複数回に亘り蛇行して流れ、風上側の最上位のチューブ２５ｃから風下側のチューブ２５ｄに移行し、この風下側のチューブ２５を上から下に向けて流れ、最下位の出口側の管Ｄから圧縮機１に向けて流出する。これによって、蒸発器７が加熱され、これに付着した霜が溶かされ、ドレンが下方に排水される。

この実施形態では、排水されたドレンが蒸発器７の下部に溜まったとしても、給湯運転中は、ガスクーラ３を通った高圧冷媒が、略Ｕ字状のチューブ２５ａにも流入するため、蒸発器７の下部の温度が０℃以上に維持されることになり、蒸発器７下部のドレンが凍結することがなく、結氷防止効果が得られる。

第４図は、別の実施形態を示す。

この実施形態では、蒸発器７と放熱器２１とがフィン別体に形成され、この放熱器２１が蒸発器７の下部に配置されている。これによっても、上記実施形態とほぼ同様の効果を得ることができる。このように放熱器２１と蒸発器７とが分離される構成であれば、放熱器２１を設ける位置は、蒸発器７の下部に限定されるものではない。蒸発器７の横並びでも上部でも設置スペースに応じた位置に適宜設置が可能である。蒸発器７の下部に設置しない場合、結氷防止効果が得られないことは説明するまでもない。

以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものでないことは明らかである。

本発明に係るヒートポンプ装置は、簡単な構成によって、給水温度が上昇した場合の最適冷媒量の変動を抑制する場合に適用され、蒸発器の除霜を効率よく行う場合に適用され、ヒートポンプ式給湯装置に適用され、これに限らず、例えば暖房装置等にも適用される。

本発明によるヒートポンプ装置の一実施形態を示す回路図である。 蒸発器の斜視図である。 Ｔ−ｈ線図である。 別の実施形態を示す蒸発器の斜視図である。

符号の説明

１ 圧縮機
３ ガスクーラ
５ 減圧装置
７ 蒸発器
２１ 放熱器

Claims (3)

1. 圧縮機と、ガスクーラと、減圧装置と、蒸発器と、この蒸発器の下方に配置され且つ一方の面から空気が流入し他方の面から空気が排出される放熱器と、を備え、前記圧縮機から吐出された冷媒を前記ガスクーラで冷却し、この冷却された冷媒が前記放熱器、前記減圧装置、前記蒸発器の順に流通された後、前記圧縮機に吸入されるように構成された冷凍サイクルを備えたヒートポンプ装置において、
   前記放熱器は冷媒の入口と出口を夫々備えると共に、前記空気が流入する面に対して前記冷媒入口の方が前記冷媒出口よりも近接して配置されていることを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 前記蒸発器と前記放熱器とは一体に構成されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
3. 前記冷媒がＣＯ₂冷媒であることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載のヒートポンプ装置。
   
   
   
   

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