JP3858015B2 - 冷媒回路及びヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Description

この発明は、ヒートポンプ給湯機に関し、特に空調機能と給湯機能を省エネルギで行うヒートポンプ給湯機に関する。

例えば、従来のヒートポンプ給湯機としては、給湯ユニットの熱交換器と室外熱交換器とを並列に配置し、冷房運転を行う場合は冷媒を給湯ユニットの熱交換器と室外熱交換器の双方で冷却、凝縮し、室内ユニットを冷房してきた。

具体的には、図６に示すように、特許文献１のヒートポンプ給湯機１０は、室外ユニット１２、室内ユニット１４ａ、１４ｂ及び貯湯タンクユニット５０を備えている。上記室外ユニット１２は、圧縮機１６と、圧縮機１６の吐出側に接続された四路弁５２と、四路弁５２に一端が接続された室外熱交換器２２と、室外熱交換器２２の他端に一端が接続された第一の膨張弁２４とを有している。

そして、室内ユニット１４ａ、１４ｂそれぞれは、第二の膨張弁３６ａ、３６ｂ、室内熱交換器３８ａ、３８ｂを有し、第二の膨張弁３６ａ、３６ｂは第一の膨張弁２４と接続され、室内熱交換器３８ａ、３８ｂは四路弁５２と接続されている。

また、圧縮機１６と四路弁５２との間に第一の電磁弁５４を有しており、貯湯タンクユニット５０は、室外熱交換器２２と並列になるように、圧縮機１６と第一の電磁弁５４との間の冷媒配管から分岐して、第一の膨張弁２４と第二の膨張弁３６ａ、３６ｂとの間の冷媒配管に合流する経路に配設されている。そして、貯湯タンクユニット５０の冷媒出口側には、第三の膨張弁５６が設けられている。

図６の構成において、冷房運転のみを行う場合は、四路弁５２を実線の位置に合わせ、第一の膨張弁２４を全開にし、第二の膨張弁３６を所定開度に絞る一方、第三の膨張弁５６を全閉にすると共に、第一の電磁弁５４を開く。そして、圧縮機１６から吐出された冷媒は、室外熱交換器２２、第一の膨張弁２４、第二の膨張弁３６ａ、３６ｂ、室内熱交換器３８ａ、３８ｂ及びアキュムレータ４４の順に循環する。

また、暖房運転のみを行う場合は、四路弁５２を破線の位置に切替えた後、第一の膨張弁２４を全開にし、第二の膨張弁３６ａ、３６ｂを所定開度に絞る一方、第三の膨張弁５６を全閉にすると共に、第一の電磁弁５４を開く。そして、圧縮機１６から吐出された冷媒は、室内熱交換器３８ａ、３８ｂ、第二の膨張弁３６ａ、３６ｂ、第一の膨張弁２４、室外熱交換器２２及びアキュムレータ４４の順に循環する。

更に、給湯運転が必要な場合には、四路弁５２を破線の位置に合わせると共に、第一の膨張弁２４を全開に、第二の膨張弁３６ａ、３６ｂを全閉に、第三の膨張弁５６を所定開度にする。そして、第一の電磁弁５４を閉じ、圧縮機１６から吐出された冷媒が、貯湯タンクユニット５０内の給湯熱交換器５８、第三の膨張弁５６、第一の膨張弁２４、室外熱交換器２２およびアキュムレータ４４の順に循環して、給湯熱交換器５８で凝縮し、室外熱交換器２２で蒸発することにより、給湯運転が可能となる。
特開平１０−２８８４２０号公報

しかしながら、上述した従来のヒートポンプ給湯機では、冷房と給湯、或いは、暖房と給湯の両方が必要な場合、給湯熱交換器と室外熱交換器とが並列であったため、冷媒を二方向に分割しなければならず、効率の低下を招いていた。また、冷房運転の場合には、常に室外熱交換器を運転させることが必要であった。

そこで本発明の主たる目的は、冷媒と水を常に熱交換させる構成とすることにより冷房効率を向上させ、かつ、その排熱を給湯に利用する省エネ給湯機を提供することである。また、この構成を用いることで、外気温が高い場合、エアコン用としては他の冷媒よりも性能が劣るＣＯ₂冷媒のエアコン性能を向上させることが可能となる。

本発明の請求項１に記載の冷媒回路は、圧縮機と、第１の熱交換器と、膨張弁と、第２の熱交換器と、が環状に接続された冷媒回路において、前記第１の熱交換器と直列に第３の熱交換器を設けたことを特徴とする。

請求項１によれば、冷媒回路において第１の熱交換器と第３の熱交換器とを直列に接続しているので、冷媒回路全体の熱交換量が増大し、この冷媒回路を用いた装置の熱交換効率が向上する、或いは、熱交換器１つ当たりの熱交換による負荷が軽減され、省エネを図ることができる。

また、請求項２に記載の冷媒回路は、請求項１に記載の冷媒回路において、前記第３の熱交換器は、水と熱交換する水熱交換器であることを特徴とする。

請求項２によれば、第３の熱交換器が水と熱交換を行うことにより、空気などの流体よりも水の方が熱交換効率が良いので、第３の熱交換器の熱交換効率が向上し、この冷媒回路を用いた装置の熱交換効率の更なる向上が図れるほか、更なる省エネを図ることが可能となる。

本発明の請求項３に記載のヒートポンプ給湯機は、圧縮機と、第１の熱交換器と、膨張弁と、第２の熱交換器と、が環状に接続され冷媒回路を構成すると共に、水と熱交換を行う第３の熱交換器と、当該第３の熱交換器に接続される給湯手段と、を備えるヒートポンプ給湯機において、前記第１の熱交換器と前記第３の熱交換器とを直列に接続したことを特徴とする。

請求項３によれば、第１の熱交換器と水と熱交換を行う第３の熱交換器とを直列に接続しているので、給湯手段には常に高温のお湯を用意しておくことができるほか、ヒートポンプの熱交換効率が向上し、省エネを図ることができる。

また、請求項４に記載のヒートポンプ給湯機は、圧縮機と、室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器と、が環状に接続され冷媒回路を構成すると共に、前記室外熱交換器に接続される給湯手段を備えるヒートポンプ給湯機において、前記室外熱交換器は、前記給湯手段から供給される水と熱交換することにより、空気調和機能及び給湯機能を有する。

請求項４によれば、水と熱交換する室外熱交換器と室内熱交換器とを環状に接続することにより、空気調和機能と給湯機能の両方を兼ね備えたヒートポンプ給湯機を低コストで実現することができ、省エネを図ることができる。

そして、請求項５に記載のヒートポンプ給湯機は、圧縮機と、水熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器と、が環状に接続され冷媒回路を構成すると共に、前記水熱交換器に接続される給湯手段を備えるヒートポンプ給湯機において、前記水熱交換器と前記膨張弁との間に接続され、室外熱交換器を含む第１の経路と、前記室外熱交換器をバイパスする第２の経路と、前記第１の経路と前記第２の経路とを選択する切替手段と、を備えることを特徴とする。

請求項５によれば、室内を急冷するときなど大きな熱交換量が必要な場合には第１の経路を、また、水熱交換器での熱交換で充分な熱交換量を得られる場合には第２の経路を選択することにより、必要な熱交換量に見合った運転を行うことができる。

更に、請求項６に記載のヒートポンプ給湯機は、請求項５に記載のヒートポンプ給湯機において、前記水熱交換器の冷媒出口温度を検出する温度検出手段と、当該温度検出手段からの出力に基づき、前記切替手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

請求項６によれば、第１の経路と第２の経路のいずれかを選択する際に、水熱交換器の冷媒出口温度を検出する温度検出手段の出力に基いて、切替手段を制御するので、室外熱交換器を運転する必要性の有無、あるいは、バイパスすることによる省エネ効果を正確に判断することが可能となる。

以上より明らかなように、本発明の請求項１に記載の冷媒回路は、圧縮機と、第１の熱交換器と、膨張弁と、第２の熱交換器と、が環状に接続された冷媒回路において、第１の熱交換器と第３の熱交換器とを直列に接続しているので、冷媒回路全体の熱交換量が増大し、この冷媒回路を用いた装置の熱交換効率が向上する、或いは、熱交換器１つ当たりの熱交換による負荷が軽減され、省エネを図ることができる。

また、請求項２に記載の冷媒回路は、請求項１に記載の冷媒回路において、前記第３の熱交換器は、水と熱交換する水熱交換器であるので、空気などの流体よりも水の方が熱交換効率が良く、第３の熱交換器の熱交換効率が向上し、この冷媒回路を用いた装置の熱交換効率の更なる向上が図れるほか、更なる省エネを図ることが可能となる。

そして、本発明の請求項３に記載のヒートポンプ給湯機は、圧縮機と、第１の熱交換器と、膨張弁と、第２の熱交換器と、が環状に接続され冷媒回路を構成すると共に、水と熱交換を行う第３の熱交換器と、当該第３の熱交換器に接続される給湯手段と、を備えるヒートポンプ給湯機において、前記第１の熱交換器と前記第３の熱交換器とを直列に接続しているので、給湯手段には常に高温のお湯を用意しておくことができるほか、ヒートポンプの熱交換効率が向上し、省エネを図ることができる。

また、請求項４に記載のヒートポンプ給湯機は、圧縮機と、室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器と、が環状に接続され冷媒回路を構成すると共に、前記室外熱交換器に接続される給湯手段を備えるヒートポンプ給湯機において、前記室外熱交換器は、前記給湯手段から供給される水と熱交換することにより、空気調和機能及び給湯機能を有するので、空気調和機能と給湯機能の両方を兼ね備えたヒートポンプ給湯機を低コストで実現することができ、省エネを図ることができる。

そして、請求項５に記載のヒートポンプ給湯機は、圧縮機と、水熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器と、が環状に接続され冷媒回路を構成すると共に、前記水熱交換器に接続される給湯手段を備えるヒートポンプ給湯機において、前記水熱交換器と前記膨張弁との間に接続され、室外熱交換器を含む第１の経路と、前記室外熱交換器をバイパスする第２の経路と、前記第１の経路と前記第２の経路とを選択する切替手段と、を備えているので、室内を急冷するときなど大きな熱交換量が必要な場合には第１の経路を、また、水熱交換器での熱交換で充分な熱交換量を得られる場合には第２の経路を選択することにより、必要な熱交換量に見合った運転を行うことができる。

更に、請求項６に記載のヒートポンプ給湯機は、請求項５に記載のヒートポンプ給湯機において、前記水熱交換器の冷媒出口温度を検出する温度検出手段と、当該温度検出手段からの出力に基づき、前記切替手段を制御する制御手段と、を備えているので、第１の経路と第２の経路のいずれかを選択する際に、水熱交換器の冷媒出口温度を検出する温度検出手段の出力に基いて、切替手段を制御することができ、室外熱交換器を運転する必要性の有無、あるいは、バイパスすることによる省エネ効果を正確に判断し、効率的で省エネな運転が可能となる。

以下、本発明の一実施例を、図面に基づいて説明する。

図１は、ＣＯ₂冷媒を使用したヒートポンプ給湯機１０の回路図であり、このヒートポンプ給湯機１０は熱源側ユニット１２、利用側ユニット１４を備えている。熱源側ユニット１２は、圧縮機１６、この圧縮機１６の吐出側にガスクーラ１８、第一の電磁弁２０、室外熱交換器２２、第一の膨張弁２４、そして、利用側ユニット１４へと実線で示す冷媒配管を介して順に接続されている。

また、ガスクーラ１８と第一の電磁弁２０との間には、冷媒配管が四方向に分岐する四方分岐路２６があり、この四方分岐路２６からの一冷媒配管は、第三の電磁弁２８を介して、第一の膨張弁２４から利用側ユニット１４へ繋がる冷媒配管と、熱源側ユニット１２内にて接続されている。

熱源側ユニット１２内には貯湯槽３０が備えられており、貯湯槽３０内の水は、ガスクーラ１８にて、冷媒と水とが熱交換ができるように水配管３２が配設されている。このガスクーラ１８を貫通する水配管３２には、水の循環を行うためのポンプ３４が取り付けられている。

一方、利用側ユニット１４は、例えば、２つの室内ユニット１４ａ、１４ｂを有しており、２つの室内ユニット１４ａ、１４ｂのそれぞれは、第一の膨張弁２４及び第三の電磁弁２８に繋がる第二の膨張弁３６ａ、３６ｂ、この第二の膨張弁３６ａ、３６ｂから冷媒配管を介して接続されている室内熱交換器３８ａ、３８ｂ、第四の電磁弁４０ａ、４０ｂ、及び、第四の電磁弁４０ａ、４０ｂと並列に配設された第五の電磁弁４２ａ、４２ｂを備えている。

第四の電磁弁４０ａ、４０ｂからの冷媒配管は、利用側ユニット１４と熱源側ユニット１２を繋ぎ、アキュムレータ４４を介して圧縮機１６の吸入側と接続されている。また、第五の電磁弁４２ａ、４２ｂからの冷媒配管は、四方分岐路２６の最後の一端と接続されている。即ち、四方分岐路２６からは、ガスクーラ１８、第一の電磁弁２０、第三の電磁弁２８、第五の電磁弁４２ａ、４２ｂと接続される冷媒配管が配設されている。

そして、第四の電磁弁４０ａ、４０ｂとアキュムレータ４４とを繋ぐ冷媒配管の熱源側ユニット１２側に分岐路があり、第二の電磁弁４６を介して室外熱交換器２２と接続され、全体の冷媒回路を形成している。

本実施例において、室内ユニットは２台としたが、室内ユニットの数は限定されない。また、室内ユニットの数に伴い、室内熱交換器３８、第二の膨張弁３６、第四、第五の電磁弁４０、４２の数は変化し、また、各室内ユニットは熱源側ユニットに対し、並列に接続されるものとする。

冷房運転を行う場合、図２に示すように、第一、第二の膨張弁２４、３６ａ、３６ｂを開き、そして第一、第四の電磁弁２０、４０ａ、４０ｂを開き、第二、第三、第五の電磁弁４６、２８、４２ａ、４２ｂを閉じる。圧縮機１６から吐出した冷媒は、ガスクーラ１８にて一度冷却され、四方分岐路２６に至る。ここで第三、第五の電磁弁２８、４２ａ、４２ｂは閉じているので、冷媒は第一の電磁弁２０を流れ、室外熱交換器２２にて更に冷却され、凝縮する。凝縮した冷媒は、上述したように第三の電磁弁２８が閉じているので、第一の膨張弁２４から、第二の膨張弁３６ａ、３６ｂへ流れ、室内熱交換器３８ａ、３８ｂで蒸発する。室内熱交換器３８ａ、３８ｂにて冷媒が蒸発することにより、利用側ユニット１４ａ、１４ｂは冷房運転となる。

また、室内ユニット１４ａのみを冷房運転し、室内ユニット１４ｂを運転しない場合は、室内ユニット１４ｂ側の第二の膨張弁３６ｂを閉じればよい。逆に、室内ユニット１４ｂのみを冷房運転し、室内ユニット１４ａを運転しない場合も同様に、室内ユニット１４ａ側の第二の膨張弁３６ａを閉じることで、要求された室内ユニットのみ冷房運転することが可能になる。

蒸発した冷媒は、第五の電磁弁４２ａ、４２ｂが閉じているので、第四の電磁弁４０ａ、４０ｂを通り、熱源側ユニット１２に戻る。最後に、第二の電磁弁４６が閉じているので、アキュムレータ４４へ流れ、冷媒回路を循環する。

冷房中は給湯機能を必要としていない場合でも、ポンプ３４をＯＮにし、ガスクーラ１８内にて冷媒と水の熱交換を行う。ガスクーラ１８にて熱交換を行うことにより、ガスクーラ１８の冷媒出口に取り付けられた温度センサ４８が、外気温度よりも低い値を示した場合は、図２の状態から図３に示すように、第一の膨張弁２４、第一の電磁弁２０を閉じ、第二、第三の電磁弁４６、２８を開くように切替える。

上記のように弁の開閉を切替えることにより、ガスクーラ１８にて冷却された冷媒は、室外熱交換ユニット２２を通らずに、四方分岐路２６、第三の電磁弁２８を介して、利用側ユニット１４に至り、利用側ユニット１４にて冷房運転を行うことが可能となる。利用側ユニット１４内での冷媒の流路及び挙動は、図２の場合と同様であるが、熱源側ユニット１２に戻った冷媒の余剰分は、第二の電磁弁４６が開いているので、室外熱交換器２２に流入し、バッファの役割を果たす。

暖房運転の場合は、図４に示すように、第一、第二の膨張弁２４、３６ａ、３６ｂを開き、第一、第三、第四の電磁弁２０、２８、４０ａ、４０ｂを閉じ、第二、第五の電磁弁４６、４２ａ、４２ｂを開く。この場合、圧縮機１６から吐出した冷媒は、ガスクーラ１８を通過し、冷房運転とは逆に、第一、第三の電磁弁２０、２８が閉じているので、冷媒は第五の電磁弁４２ａ、４２ｂへ流れ、室内熱交換器３８ａ、３８ｂにて凝縮する。冷媒が室内熱交換器３８ａ、３８ｂにて凝縮することにより、利用側ユニット１４は暖房運転となる。一方の室内ユニットのみ暖房運転したい場合は、運転しない室内ユニット側の第五の電磁弁４２を閉じる。

室内熱交換器３８ａ、３８ｂにて凝縮された冷媒は、第三の電磁弁２８が閉じているので、第二、第一の膨張弁３６ａ、３６ｂ、２４を介して室外熱交換器２２に至り、蒸発する。蒸発した冷媒は、第一、第四の電磁弁２０、４０ａ、４０ｂが閉じているので、第二の電磁弁４６を通って、アキュムレータ４４を介して圧縮機１６へ戻る。

暖房運転中は、暖房運転の場合は、ガスクーラにて冷媒の冷却を行うと、暖房効率を低下させる虞がある。従って、ポンプの運転は、給湯機能の要求に合わせて、流量を０〜１００％の範囲で制御する。即ち、給湯機能を必要としていない場合にはポンプ３４を停止させる。

給湯機能のみ必要とする場合には、図５に示すように、第一の膨張弁２４を開き、第二の膨張弁３６ａ、３６ｂを閉じ、第一、第五の電磁弁２０、４２ａ、４２ｂを閉じ、第二、第三、第四の電磁弁４６、２８、４０ａ、４０ｂを開く。このため、冷媒は熱源側ユニット１２内を循環し、利用側ユニット１４は流通しないことになる。

圧縮機１６を吐出した冷媒は、ガスクーラ１８にて水と熱交換を行い、凝縮する。凝縮した冷媒は四方分岐路２６に至り、第一、第五の電磁弁２０、４２ａ、４２ｂが閉まっているので、第三の電磁弁２８を流れる。その後、凝縮した冷媒は、第一、第二の膨張弁を繋ぐ冷媒配管に達するが、第二の膨張弁３６ａ、３６ｂは閉じているので、第一の膨張弁２４へ流れ、室外熱交換２２にて蒸発する。蒸発した冷媒は、第二の電磁弁４６を介し、アキュムレータ４４へ循環するが、余剰な冷媒は第四の電磁弁４０ａ、４０ｂが開いているので、室内熱交換器３６に流入し、室内熱交換器３６はバッファの役割を果たす。

本発明の一実施例におけるヒートポンプ給湯機の回路図である。 上記ヒートポンプ給湯機において冷房運転の際に温度センサが外気温度よりも高い値を示した場合の冷媒の流れを示す回路図である。 上記ヒートポンプ給湯機において冷房運転の際に温度センサが外気温度よりも低い値を示した場合の冷媒の流れを示す回路図である。 上記ヒートポンプ給湯機において暖房運転の冷媒の流れを示す回路図である。 上記ヒートポンプ給湯機において給湯運転のみの場合の冷媒の流れを示す回路図である。 従来のヒートポンプ給湯機の回路図である。

符号の説明

１０…ヒートポンプ給湯機
１２…熱源側ユニット
１４…利用側ユニット
１６…圧縮機
１８…ガスクーラ
２０…第一の電磁弁
２２…室外熱交換器
２４…第一の膨張弁
２６…四方分岐路
２８…第三の電磁弁
３０…貯湯槽
３２…水配管
３４…ポンプ
３６…第二の膨張弁
３８…室外熱交換器
４０…第四の電磁弁
４２…第五の電磁弁
４４…アキュムレータ
４６…第二の電磁弁
４８…温度センサ

Claims (3)

1. 圧縮機と、第１の熱交換器と、膨張弁と、第２の熱交換器と、水と熱交換を行う第３の熱交換器と、当該第３の熱交換器に接続される給湯手段と、第３の熱交換器の下流側に接続された四方分岐路と、を備えるヒートポンプ給湯機において、
   前記圧縮機から吐出した冷媒が、前記第３の熱交換器、前記四方分岐路、前記第１の熱交換器、前記膨張弁、前記第２の熱交換器の順に流れ、前記圧縮機に流入するように循環する、第１の冷媒循環モードと、
   前記圧縮機から吐出した冷媒が、前記第３の熱交換器、前記四方分岐路、前記第２の熱交換器、前記膨張弁、前記第１の熱交換器の順に流れ、前記圧縮機に流入するように循環する、第２の冷媒循環モードと、
   前記圧縮機から吐出した冷媒が、前記第３の熱交換器、前記四方分岐路、前記膨張弁、前記第１の熱交換器の順に流れ、前記圧縮機に流入するように循環する、第３の冷媒循環モードと、
   を切り替えるように前記四方分岐路を制御することを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 圧縮機と、第１の熱交換器と、第１の膨張弁と、第２の熱交換器と、第２の膨張弁と、水と熱交換を行う第３の熱交換器と、当該第３の熱交換器に接続される給湯手段と、第３の熱交換器の下流側に接続された四方分岐路と、を備えるヒートポンプ給湯機において、
   前記圧縮機から吐出した冷媒が、前記第３の熱交換器、前記四方分岐路、前記第１の熱交換器、前記第１の膨張弁、第２の膨張弁、前記第２の熱交換器の順に流れ、前記圧縮機に流入するように循環する、第１の冷媒循環モードと、
   前記圧縮機から吐出した冷媒が、前記第３の熱交換器、前記四方分岐路、前記第２の熱交換器、前記第２の膨張弁、前記第１の膨張弁、前記第１の熱交換器の順に流れ、前記圧縮機に流入するように循環する、第２の冷媒循環モードと、
   前記圧縮機から吐出した冷媒が、前記第３の熱交換器、前記四方分岐路、前記第１の膨張弁、前記第１の熱交換器の順に流れ、前記圧縮機に流入するように循環する、第３の冷媒循環モードと、
   前記圧縮機から吐出した冷媒が、前記第３の熱交換器、前記四方分岐路、前記第２の膨張弁、前記第２の熱交換器の順に流れ、前記圧縮機に流入するように循環する、第４の冷媒循環モードと、
   を切り替えるように前記四方分岐路を制御することを特徴とするヒートポンプ給湯機。
3. 請求項２に記載のヒートポンプ給湯機において、
   前記第３の熱交換器の冷媒出口温度を検出する温度検出手段を備え、
   当該温度検出手段からの出力に基づき、前記第１の冷媒循環モードと前記第４の冷媒循環モードとを切り替えることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
   

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