JP2005351588A - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の吐出温度上昇もなく、高効率で高温の給湯水温等を生成することができるヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。
【解決手段】少なくとも圧縮機３１、放熱器３２、主絞り装置３３、蒸発器３４を順次接続して冷媒回路を備え、前記冷媒回路に、前記主絞り装置３３と前記蒸発器３４の間の冷媒と前記蒸発器３４と前記圧縮機３１の間の冷媒とを熱交換する補助熱交換器３７を設けたことを特徴とするもので、蒸発器３４出口の冷媒過熱度を大きくしたまま、圧縮機３１吸入の冷媒過熱度を低くすることができるので、圧縮機３１の吐出温度の過昇を防止しながら、蒸発器３４の能力を最大限に引き出すことができ、ヒートポンプ給湯装置の運転性能を高く維持することができる。
【選択図】図１

Description

本発明はヒートポンプ給湯装置の構成とその運転方法に関するものである。

従来、この種のヒートポンプ給湯装置は、図３に示すものがある。図３は従来のヒートポンプ給湯装置として、ヒートポンプ給湯機を例にしたサイクル構成図である。図３において、圧縮機１、給湯用熱交換器２、絞り装置３、蒸発器４からなる冷媒循環回路と、貯湯槽５、循環ポンプ６、前記給湯用熱交換器２、補助加熱器１９を接続した給湯回路からなり、前記圧縮機１より吐出された高温高圧の過熱ガス冷媒は前記給湯用熱交換器２に流入し、ここで前記循環ポンプ６から送られてきた給湯水を加熱する。

そして、凝縮液化した冷媒は前記絞り装置３で減圧され、前記蒸発器４に流入し、ここで大気熱を吸熱して蒸発ガス化し、前記圧縮機１にもどる。一方、前記給湯用熱交換器２で加熱された湯は前記貯湯槽５の上部に流入し、上から次第に貯湯されていく。そして、前記給湯用熱交換器２の入口水温が設定値に達すると水温検知器２０が検知し、前記圧縮機１によるヒートポンプ運転を停止して、前記補助加熱器１９の単独運転に切り換えるものである（例えば、特許文献１参照）。
特開昭６０−１６４１５７号公報

通常、ヒートポンプの運転においては、蒸発器４で流入した二相冷媒を完全に蒸発させる運転をすることでヒートポンプの運転性能が良くなるため、冷媒の蒸発遅れを考慮すると、蒸発器４出口の冷媒過熱度は、通常、３〜５Ｋ以上になるようにするのが蒸発能力を最大に引き出せ、運転性能が良くなる。

しかしながら、上記のような従来の構成では、蒸発器４出口の冷媒温度が圧縮機１の吸入ガス温度と略等しくなり、蒸発器４出口の冷媒過熱度を３〜５Ｋ以上になるようにすると、圧縮機１の吸入冷媒過熱度も同様な値になる。

ところが、これらのヒートポンプ給湯器のように、高温の湯を生成するような場合には、給湯用熱交換器２の冷媒温度を上げる必要があり、圧縮機１の吐出圧力が高くなって、圧縮機１の吐出温度が高くなり、そのため、圧縮機１の吸入冷媒過熱度を大きくしようとすると、圧縮機１の吐出温度が上昇しすぎて、圧縮機１の信頼性を損なっていた。

一方、圧縮機１の吐出温度を一定値以下にしようとすると、蒸発器４出口の冷媒過熱度を大きくすることができず、場合によっては、蒸発器４出口が二相状態のままとなり、蒸発器４の能力を十分に引き出すことができなかった。

また、蒸発器４出口の冷媒温度を熱源流体（たとえば空気など）温度に近づけることができないため、蒸発器４内の冷媒温度は略一定となり、蒸発器４における冷媒流れと熱源流体（たとえば空気など）の流れを、略対向流にしても、その効果はほとんど得られなかった。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、圧縮機の吐出温度上昇もなく、高効率で高温の給湯水温等を生成することができるヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯装置は、少なくとも圧縮機、放熱器、主絞り装置、蒸発器を順次接続して冷媒回路を備え、前記冷媒回路に、前記主絞り装置と前記蒸発器の間の冷媒と前記蒸発器と前記圧縮機の間の冷媒とを熱交換する補助熱交換器を設けたことを特徴とするもので、蒸発器出口の冷媒過熱度を大きくしたまま、圧縮機吸入の冷媒過熱度を低くすることができるので、圧縮機の吐出温度の過昇を防止しながら、蒸発器の能力を最大限に引き出すことができ、ヒートポンプ給湯装置の運転性能を高く維持することができる。

本発明によれば、圧縮機の吐出温度上昇もなく、高効率で高温の給湯水温等を生成することができるヒートポンプ給湯装置を提供できる。

第１の発明は、少なくとも圧縮機、放熱器、主絞り装置、蒸発器を順次接続して冷媒回路を備え、前記冷媒回路に、前記主絞り装置と前記蒸発器の間の冷媒と前記蒸発器と前記圧縮機の間の冷媒とを熱交換する補助熱交換器を設けたことを特徴とするもので、蒸発器出口の冷媒過熱度を大きくしたまま、圧縮機の吸入冷媒は補助熱交換器において低温の冷媒と熱交換して温度が低減され冷媒過熱度を低くすることができるので、圧縮機の吐出温度の過昇を防止しながら、蒸発器の能力を最大限に引き出すことができ、ヒートポンプ給湯装置の運転性能を高く維持することができる。

第２の発明は、蒸発器を流れる冷媒と前記蒸発器で熱交換する熱源側流体とを、略対向流を成して流れるように構成したことを特徴とするもので、蒸発器出口の冷媒過熱度を大きくした場合に、冷媒の温度上昇に対し、熱源側流体を温度降下させる対向流れが可能となり、蒸発器の蒸発温度を、より熱源温度に近づけることが可能となり、圧縮機の吸入圧力が上昇して圧縮機での圧縮動力が低減し、ヒートポンプ給湯装置の性能が向上することができる。

第３の発明は、放熱器を流れる冷媒と前記放熱器で熱交換する負荷側流体とを、略対向流を成して流れるように構成したことを特徴とするもので、冷媒の温度降下に対し、熱源側流体を温度上昇させる対向流れが可能となり、放熱器の放熱温度を、より熱源温度に近づけることが可能となり、圧縮機の吐出圧力が低下して圧縮機での圧縮動力が低減し、ヒートポンプ給湯装置の性能が向上する。

第４の発明は、蒸発器の出口冷媒過熱度を予め設定された設定値以上に大きくするように、主絞り装置の開度および／または圧縮機の運転周波数を制御することを特徴とするもので、蒸発器出口の冷媒過熱度をヒートポンプ給湯装置の運転性能が向上するような値に確実に制御することが可能となる。

第５の発明は、蒸発器の蒸発温度を検出する蒸発温度センサーと前記蒸発器の出口冷媒温度を検知する蒸発器出口温度センサーとを設け、前記蒸発器出口温度センサーで検知した温度と前記蒸発温度センサーで検知した温度との差温が、予め設定された設定値以上に大きくなるように、主絞り装置の開度および／または圧縮機の運転周波数を制御することを特徴とするもので、蒸発器内の冷媒温度で蒸発温度を検知でき、蒸発器出口の冷媒過熱度を精度良く検知することが可能となり、ヒートポンプ給湯装置の運転性能が向上するように確実に制御することが可能となる。

第６の発明は、圧縮機より吐出される冷媒温度を検知する吐出温度センサーを設け、前
記吐出温度センサーの温度が、予め設定された吐出温度値となるように主絞り装置の開度および／または圧縮機の運転周波数を制御することを特徴とするもので、特に、高圧が上昇するような運転の場合に、圧縮機の吐出温度を安全に制御しながら、蒸発器の能力を最大に引き出すことが可能となり、ヒートポンプ給湯装置の運転性能が向上する。

第７の発明は、放熱器の熱源側として、少なくとも貯湯槽、放熱器を順次接続した給湯回路を備えたことを特徴とするもので、圧縮機の吐出温度が過昇することを防止し、信頼性を損なうことなく、ヒートポンプ給湯装置の運転性能を高く維持したまま、特に、高温の給湯を容易に生成することができる。

第８の発明は、冷媒として炭酸ガスを用いたことを特徴とするもので、給湯水の高温化を高効率で実現すると共に、冷媒が外部に漏れた場合にも、地球温暖化への影響は非常に少なくなる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。なお、各実施例において、同じ構成、同じ動作をする部分については同一符号を付与し、詳細な説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置とその制御方法の構成図を示すものである。

図１において、圧縮機３１、放熱器３２、主絞り装置３３、蒸発器３４を順に環状に接続し、冷媒として炭酸ガスを封入して冷媒循環回路を形成し、蒸発器３４は外気を送風するためのファン３５を備えており、圧縮機３１より吐出された高温高圧の過熱ガス冷媒は放熱器３２に流入し、ここで負荷となる空気を送風するためのファン３６から送られてきた空気を加熱するようになっている。

さらに、主絞り装置３３と蒸発器３４の間の配管と、蒸発器３４と圧縮機３１との間の配管は、補助熱交換器３７を介して間接的に熱交換するようにしている。
また、放熱器３２はフィンチューブ型熱交換器になっており、フィンチューブを構成するチューブ（管）３８は、その冷媒流れ（図の波線矢印方向）が空気の流れ（図の実線矢印方向）に対して略対向流となっている。また、蒸発器３４もフィンチューブ型熱交換器になっており、フィンチューブを構成するチューブ（管）３９は、その冷媒流れ（図の波線矢印方向）が外気の流れ（図の実線矢印方向）に対して略対向流となっている。

さらに、蒸発器３４の蒸発温度を検出する蒸発温度センサー４０と蒸発器３４の出口冷媒温度を検知する蒸発器出口温度センサー４１を設けており、蒸発器出口温度センサー４１で検知した温度と蒸発温度センサー４０で検知した温度との差温（すなわち蒸発器３４の出口冷媒過熱度）が、予め設定された値以上に大きくなるように、主絞り装置３３の開度を制御する制御装置４２を設けている。また、冷媒としては炭酸ガスが封入されている。

以上のように構成されたヒートポンプ給湯装置について、以下その動作、作用を説明する。

圧縮機３１で高温高圧の超臨界状態に圧縮された冷媒（炭酸ガス）は、放熱器３２で、負荷となる空気を送風するためのファン３６から送られてきた空気と熱交換し、自らは中温高圧の冷媒となる。一方、放熱器３２はフィンチューブ型熱交換器になっており、フィンチューブを構成するチューブ（管）３８は、その冷媒流れは蛇行しながら、全体として
は図の波線矢印方向に流れて温度が徐々に低下していく。一方、負荷となる空気の流れはファン３６によって、熱交換して、図の実線矢印方向にその温度が徐々に上昇し、冷媒流れと空気の流れは略対向流となっており、冷媒側からも空気側からも温度効率の高くなる流れとなるため、熱交換効率が向上する。

放熱器を出た冷媒は、主絞り装置３３で減圧された後、補助熱交換器３７に流入する。ここにおいては、冷媒は低温低圧の二相冷媒となっている。さらに、冷媒は蒸発器３４に流入し、ここでファン３５で送風された外気と熱交換して蒸発ガス化する。そして、蒸発器３４を出た冷媒は補助熱交換器に流入し、ここで、主絞り装置３３を出た冷媒と間接的に熱交換した後、圧縮機３１に再度吸入される。

ここにおいて、制御装置４２は、蒸発器３４の出口に設けた蒸発器出口温度センサーで検知した冷媒温度と、蒸発器３４の管の途中に設けた蒸発温度センサー４０で検知した蒸発温度との差温（すなわち蒸発器３４の出口冷媒過熱度）を算出し、予め設定された値（たとえば５Ｋ）以下であれば、主絞り装置３３の開度を閉方向に動作させる。そうすることにより、主絞り装置３３での流れ抵抗が増えて、蒸発器３４への冷媒循環量が減少し、蒸発器３４の出口冷媒過熱度が上昇する。そして、予め設定された値（たとえば５Ｋ）以上になるように、主絞り装置３３の開度を制御する。そうすることにより、蒸発器３４内の管３９の温度は入口からほぼ一定温度で推移し、出口近くで上昇する温度分布を示す。

一方、蒸発器３４も放熱器３２と同じくフィンチューブ型熱交換器になっており、フィンチューブを構成するチューブ（管）３９は、その冷媒流れは蛇行しながら、全体としては図の波線矢印方向に流れている。そして、上記のように制御装置４２で制御するので、蒸発温度は、全体としては図の波線矢印方向に徐々に上昇していく。一方、熱源となる外気の流れはファン３５によって、図の実線矢印方向に流れ、熱交換してその温度が徐々に低下するため、冷媒流れと外気の流れは略対向流となっており、冷媒側からも空気側からも温度効率の高くなる流れとなるため、蒸発器３４の熱交換効率が向上する。

このように、放熱器３２、蒸発器３４のいずれにおいても熱交換効率が向上するので、それぞれの冷媒温度を負荷温度や熱源温度に近づけることができ、圧縮機３１の吐出圧力の低減、吸入圧力の上昇により、圧縮機３１の圧縮動力が低減してヒートポンプ給湯装置を高効率で運転できる。

一方、冷媒過熱度が上昇した蒸発器３４の出口冷媒は、補助熱交換器３７で低温低圧の冷媒と熱交換してその温度が適度に低下するため、圧縮機３１に吸入される冷媒は、通常の過熱度の小さい冷媒温度となるため、圧縮機３１の温度が過度に上昇するようなことはない。これは、特に、放熱器３２の負荷となる空気温度が高い場合等においては、圧縮機３１の吐出圧力も上昇する傾向となるが、このような場合にも圧縮機３１の吐出温度を過度に上昇させることなく高効率なヒートポンプ運転が可能となるものである。

また、本実施の形態では、蒸発器３４の出口に設けた蒸発器出口温度センサーで検知した冷媒温度と、蒸発器３４の管の途中に設けた蒸発温度センサー４０で検知した蒸発温度との差温から蒸発器３４の出口冷媒過熱度を算出したが、蒸発器３４の蒸発圧力を検知して蒸発温度を算出したり、主絞り装置３３出口温度を蒸発温度に代用したりすることも可能であり、これらも本発明に含まれる。

また、本実施の形態では、補助熱交換器３７は、主絞り装置３３と蒸発器３４の間の配管と、蒸発器３４と圧縮機３１の間の配管とを熱交換したが、主絞り装置３３と蒸発器３４の間の配管は、蒸発器３４内の二相冷媒となる管３９の一部でも良く、これらも本発明に含まれるものである。

また、本実施の形態では、負荷側に空気を用いた場合を例に説明したが、給湯回路を設けた給湯水を負荷にした場合等においても同様な効果が得られ、これらも本発明に含まれる。また、本実施の形態では、冷媒として炭酸ガスを用いた場合を説明したが、その他の単一冷媒や混合冷媒を封入した場合も同様な効果が得られ、これらも本発明に含まれる。なお、ここにおいては、補助熱交換器３７は、管と管をロー付してある構成や、二重管の構成などの形態でもよく、これらも、すべて本発明に含まれる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の構成図を示すものである。

図２において、圧縮機５１、放熱器５２、主絞り装置５３、蒸発器５４を順に環状に接続し、冷媒として炭酸ガスを封入して冷媒循環回路を形成し、蒸発器５４は外気を送風するためのファン５５を備えている。

また、貯湯槽５６、循環ポンプ５７、放熱器５２を順に接続した給湯回路を形成しており、圧縮機５１より吐出された高温高圧の過熱ガス冷媒は放熱器５２に流入し、ここで循環ポンプ３７から送られてきた給湯水を加熱するようになっている。

さらに、主絞り装置５３と蒸発器５４の間の配管と、蒸発器５４と圧縮機５１との間の配管は、補助熱交換器５８を介して間接的に熱交換するようにしている。また、放熱器５２は二重管型熱交換器になっており、冷媒管は、その冷媒流れが図の実線矢印方向、水の流れが（図の波線矢印方向となっており、対向流となっている。また、蒸発器５４はフィンチューブ型熱交換器になっており、フィンチューブを構成するチューブ（管）５９は、その冷媒流れ（図の波線矢印方向）が外気の流れ（図の実線矢印方向）に対して略対向流となっている。さらに、圧縮機５１の吐出ガス温度を検出する吐出温度センサー６０を設けており、吐出温度センサー６０で検知した温度が、予め設定された値になるように、主絞り装置５３の開度を制御する制御装置６１を設けている。また、冷媒としては炭酸ガスが封入されている。

以上のように構成されたヒートポンプ給湯装置について、以下その動作、作用を説明する。

圧縮機５１で高温高圧の超臨界状態に圧縮された冷媒（炭酸ガス）は、放熱器５２で給湯回路を流れる水と熱交換する。一方、放熱器５２は二重管型熱交換器になっており、冷媒管は、冷媒が図の実線矢印方向に流れて温度が徐々に低下していく。また、水は熱交換して、図の実線矢印方向にその温度が徐々に上昇し、冷媒流れと空気の流れは対向流となっており、冷媒側からも水側からも温度効率の高くなる流れとなるため、熱交換効率が向上する。

放熱器を出た冷媒は、主絞り装置５３で減圧された後、補助熱交換器５８に流入する。ここにおいては、冷媒は低温低圧の二相冷媒となっている。さらに、冷媒は蒸発器５４に流入し、ここでファン５５で送風された外気と熱交換して蒸発ガス化する。そして、蒸発器５４を出た冷媒は補助熱交換器に流入し、ここで、主絞り装置５３を出た冷媒と間接的に熱交換した後、圧縮機５１に再度吸入される。

ここにおいて、制御装置６１は、吐出温度センサー６０で検出した圧縮機５１の吐出ガス温度が、予め設定された値になるように、主絞り装置５３の開度を制御する。すなわち、吐出ガス温度が設定値より高ければ、主絞り装置５３の開度を開く方向に動作させ、吐
出ガス温度が設定値より低ければ、主絞り装置５３の開度を閉める方向に動作させる。そうすることにより、主絞り装置３３での流れ抵抗が可変されて、蒸発器３４への冷媒循環量が変化し、蒸発器３４の出口冷媒過熱度が変化する
一方、放熱器５２で加熱される給湯水は、一般に高温が必要となり、その場合には比較的高い吐出ガス温度が必要となる。そのため、圧縮機５１の吐出ガス温度が、予め設定された高い値になるように、主絞り装置５３の開度を閉める方向に動作させる。

高温給湯が必要な場合には、圧縮機５１の吐出圧力も上昇するため、このような場合、圧縮機５１の吸入ガス冷媒の過熱度は、あまり大きくできず、したがって、通常は、蒸発器５４の出口冷媒の過熱度も低くしておく必要があるが、本発明では、蒸発器５４の出口冷媒の過熱度を上昇させても、補助熱交換器５８で低温低圧の二相冷媒と熱交換して、その温度が適度に低下するため、圧縮機５１の吸入ガス冷媒は、過熱度の小さい冷媒温度となるため、圧縮機５１の温度が過度に上昇するようなことはない。そして、上記のように制御装置６１で制御するので、蒸発器５４の管５９の温度分布は出口ほど過熱度がとれて高くなり、平均的な蒸発温度は、全体としては図の波線矢印方向に徐々に上昇していく。

一方、熱源となる外気の流れはファン５５によって、図の実線矢印方向に流れ、熱交換してその温度が徐々に低下するため、冷媒流れと外気の流れは略対向流となっており、冷媒側からも空気側からも温度効率の高くなる流れとなるため、蒸発器５４の熱交換効率が向上する。このように、放熱器５２、蒸発器５４のいずれにおいても熱交換効率が向上するので、それぞれの冷媒温度を負荷温度や熱源温度に近づけることができ、圧縮機５１の吐出圧力の低減、吸入圧力の上昇により、圧縮機５１の圧縮動力が低減してヒートポンプ給湯装置を高効率で運転できる。これは、特に、放熱器５２の負荷となる水温度が高い場合においては、圧縮機５１の吐出圧力も上昇する傾向となるが、このような場合にも圧縮機５１の吐出温度を過度に上昇させることなく高効率なヒートポンプ運転が可能となるものである。

本実施の形態では、補助熱交換器３７は、主絞り装置３３と蒸発器３４の間の配管と、蒸発器３４と圧縮機３１の間の配管とを熱交換したが、主絞り装置３３と蒸発器３４の間の配管は、蒸発器３４内の二相冷媒となる管３９の一部でも良く、これらも本発明に含まれるものである。

また、本実施の形態では、負荷側に水を用いた場合を例に説明したが、空気を負荷にした場合等においても同様な効果が得られ、これらも本発明に含まれる。また、本実施の形態では、冷媒として炭酸ガスを用いた場合を説明したが、その他の単一冷媒や混合冷媒を封入した場合も同様な効果が得られ、これらも本発明に含まれる。なお、ここにおいては、補助熱交換器５８は、管と管をロー付してある構成や、二重管の構成などの形態でもよく、これらは、すべて本発明に含まれる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯装置は、圧縮機の吐出温度上昇もなく、高効率で高温の給湯水温等を生成することができるヒートポンプ給湯装置や高温風を得る空調機等の用途に有用である。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯装置の構成図 本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ給湯装置の構成図 従来のヒートポンプ給湯装置の構成図

符号の説明

３１、５１ 圧縮機
３２、５２ 放熱器
３３、５３ 主絞り装置
３４、５４ 蒸発器
３５、３６、５５ ファン
３７、５８ 補助熱交換器
３８、３９、５９ 管
４０ 蒸発温度センサー
４１ 蒸発機出口温度センサー
４２、６１ 制御装置
５６ 貯湯槽
５７ 循環ポンプ
６０ 吐出温度センサー

Claims (8)

1. 少なくとも圧縮機、放熱器、主絞り装置、蒸発器を順次接続して冷媒回路を備え、前記冷媒回路に、前記主絞り装置と前記蒸発器の間の冷媒と前記蒸発器と前記圧縮機の間の冷媒とを熱交換する補助熱交換器を設けたことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
2. 蒸発器を流れる冷媒と前記蒸発器で熱交換する熱源側流体とを、略対向流を成して流れるように構成したことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ給湯装置。
3. 放熱器を流れる冷媒と前記放熱器で熱交換する負荷側流体とを、略対向流を成して流れるように構成したことを特徴とする請求項１または２記載のヒートポンプ給湯装置。
4. 蒸発器の出口冷媒過熱度を予め設定された設定値以上に大きくするように、主絞り装置の開度および／または圧縮機の運転周波数を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
5. 蒸発器の蒸発温度を検出する蒸発温度センサーと前記蒸発器の出口冷媒温度を検知する蒸発器出口温度センサーとを設け、前記蒸発器出口温度センサーで検知した温度と前記蒸発温度センサーで検知した温度との差温が、予め設定された設定値以上に大きくなるように、主絞り装置の開度および／または圧縮機の運転周波数を制御することを特徴とする請求項４記載のヒートポンプ給湯装置。
6. 圧縮機より吐出される冷媒温度を検知する吐出温度センサーを設け、前記吐出温度センサーの温度が、予め設定された吐出温度値となるように主絞り装置の開度および／または圧縮機の運転周波数を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
7. 放熱器の熱源側として、少なくとも貯湯槽、放熱器を順次接続した給湯回路を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
8. 冷媒として炭酸ガスを用いたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。

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