JP4650171B2 - 地熱利用ヒートポンプ式給湯器 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒圧縮式冷凍サイクルを用いて給湯用水の加熱を行うとともに、冷媒への吸熱に地熱を利用した地熱利用ヒートポンプ式給湯器に関するもので、特に圧縮機の遮音構造に関するものである。

図６は、従来のヒートポンプ式給湯器本体ユニット１ａの平面構造図である。その構造を見ると、圧縮機２や冷媒回路部品３・４・６、給湯回路部品７、図示しない電気回路部品などが収められた圧縮機室Ｃと、空気冷媒熱交換器５０とその熱交換器５０に外気を送風するファン＆モータ５１が収められた熱交換器室ＨＥとが、通風部分を仕切るための仕切り板Ｓによって分割されている。また近年、冷媒への吸熱に地中の地熱を利用したヒートポンプ式給湯器がある。そして、これらのヒートポンプ式給湯器の本体ユニットにおいては、各部品毎に発生する音を遮音することで運転時の騒音を低減している。

しかしながら、上記従来のヒートポンプ式給湯器の本体ユニットは、各部品に遮音材などを取り付けるため、ユニットが大型化し、コストが嵩むという問題点がある。本発明は、上記従来の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、地熱利用のヒートポンプ式給湯器に適した本体ユニット内の配置として、本体ユニットの小型化、およびコストを抑えることのできる地熱利用ヒートポンプ式給湯器を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項５に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、冷媒を圧縮する圧縮機（２）、水冷媒熱交換器（３）の冷媒通路（３ａ）、減圧手段（４）、およびブライン冷媒熱交換器（５）の冷媒通路（５ａ）を冷媒配管で環状に接続した冷媒回路（Ｒ）と、
水冷媒熱交換器（３）の湯水通路（３ｂ）、貯湯側から湯を貯湯して行く貯湯タンク（８）、および水循環ポンプ（７）を湯水配管で環状に接続した給湯回路（Ｋ）と、
ブライン冷媒熱交換器（５）のブライン通路（５ｂ）、ブライン循環ポンプ（１０）、および地中の地熱を吸熱するための地中熱交換器（１１）をブライン配管で環状に接続したブライン回路（Ｂ）とを備え、
圧縮機（２）および両循環ポンプ（７、１０）を作動させて冷媒通路（３ａ）を通過する高温の冷媒により湯水通路（３ｂ）を通過する湯水を加熱する地熱利用ヒートポンプ式給湯器であり、
水冷媒熱交換器（３）の湯水通路（３ｂ）およびブライン冷媒熱交換器（５）のブライン通路（５ｂ）は、それぞれ浅底容器形の銅板からなる上下２枚のプレート（２１、２２）を有する薄型矩形の箱体であり、
少なくとも圧縮機（２）、水冷媒熱交換器（３）、およびブライン冷媒熱交換器（５）を同一の筐体（１ａ）内に収めるとともに、水冷媒熱交換器（３）の平面と、それに対向させて配置したブライン冷媒熱交換器（５）の平面とを結んだ間の空間内に圧縮機（２）を配設したことを特徴としている。

これは、地熱利用であることから、冷凍サイクルの放熱側も給熱側も冷媒と水もしくはブライン水との熱交換器となり、空気との熱交換のように通風性の必要ない、言い換えれば表裏で貫通する部分のない熱交換器を複数構成することとなる。これにより、まず送風しながらの熱交換がなくなることで第１の音源である送風（通風）による音がなくなる。

また、表裏で貫通する部分のない熱交換器にて圧縮機（２）を挟むことにより熱交換器が遮音壁となって第２の音源である圧縮機（２）の運転音を遮音して運転時の騒音を低減することができる。また、循環ポンプ（７、１０）を本体ユニット（１ａ）内に内蔵していれば、完全ではないまでも、この循環ポンプ（７、１０）の運転音に対しても同様の遮音効果が得られる。

さらに、ヒートポンプサイクル運転時に冷媒が配管内を通過することによって生じる冷媒通過音に対しても同様の遮音効果が得られる。これらのことより、この請求項１に記載の発明によれば、従来構成していた仕切り板Ｓや各部品の遮音材などをなくすことができ、本体ユニット（１ａ）を小型化できるうえ、コストを抑えることができる。

また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の地熱利用ヒートポンプ式給湯器において、水冷媒熱交換器（３）およびブライン冷媒熱交換器（５）を板状に製作したことを特徴としている。この請求項２に記載の発明によれば、両熱交換器（３、５）を遮音壁として利用することが可能となる。

また、請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の地熱利用ヒートポンプ式給湯器において、水冷媒熱交換器（３）およびブライン冷媒熱交換器（５）は、筐体（１ａ）の前後方向に配置したことを特徴としている。この請求項３に記載の発明によれば、圧縮機（２）の運転音が前後方向に放射されるのを効果的に遮断することができる。

また、請求項４に記載の発明では、請求項１ないし請求項３のうちいずれか１項に記載の地熱利用ヒートポンプ式給湯器において、水冷媒熱交換器（３）およびブライン冷媒熱交換器（５）の外面を断熱部材（２５）で覆ったことを特徴としている。この請求項４に記載の発明によれば、両熱交換器（３、５）を発泡材などの断熱部材（２５）で覆うことにより、この断熱部材（２５）を吸音材として利用することが可能であり、コストと騒音を抑えて性能を向上させることができる。

また、請求項５に記載の発明では、請求項１ないし請求項４のうちいずれか１項に記載の地熱利用ヒートポンプ式給湯器において、水冷媒熱交換器（３）、ブライン冷媒熱交換器（５）のいずれか一方、もしくは両方を複数に分割し、これらで圧縮機（２）を取り囲むように配置したことを特徴としている。

この請求項５に記載の発明によれば、この分割した両熱交換器（３、５）を圧縮機（２）の左右方向にも配置することで、前後方向に配置された両熱交換器（３、５）で反射された圧縮機（２）の運転音が左右方向に放射されるのを効果的に遮断することができる。ちなみに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態（請求項１〜４に対応）を、図１〜図４に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係わる地熱利用ヒートポンプ式給湯器（以下、給湯器と略す）１の構成を示す模式図であり、図２は、図１中の水冷媒熱交換器３の一例を示す正面図である。また図３は、図２の水冷媒熱交換器３の下面図であり、図４は、本発明の第１実施形態における給湯器の本体ユニット１ａの平面構造図である。

給湯器１は、大別して本体ユニット１ａと貯湯タンクユニット１ｂとからなる。本体ユニット１ａには、冷媒を圧縮するコンプレッサ（圧縮機）２、水冷媒熱交換器３の冷媒通路３ａ、減圧手段としての電気式膨張弁４、およびブライン冷媒熱交換器５の冷媒通路５ａを冷媒配管で環状に接続して冷媒回路Ｒとしている。

なお本実施形態では、ブライン冷媒熱交換器５の下流側に、ブライン冷媒熱交換器５で蒸発した冷媒を気液分離してサイクル中の余剰冷媒を蓄えるとともに、ガス冷媒のみコンプレッサ２に吸引させるためのアキュームレータ６を配設している。また、水冷媒熱交換器３の湯水通路３ｂ、水循環ポンプ７、および貯湯タンク８を湯水配管で環状に接続して給湯回路Ｋとしている。

また、本実施形態の特徴の一つとして、ブライン冷媒熱交換器５のブライン通路５ｂ、ブライン循環ポンプ１０、および地中の地熱を吸熱するための地中熱交換器１１をブライン配管で環状に接続してブライン回路Ｂとしている。なお地中熱交換器１１は、地中の１０〜１００ｍ程まで掘られたボアホールＢＨの中にＵパイプを入れたものである。流通させるブラインとしてはエチレングリコールを用いている。また、本実施形態では、ブライン冷媒熱交換器５の下流側に、ブラインの温度による体積変化を吸収する液溜めとしての膨張タンク９を配設している。

そして、コンプレッサ２、電気式膨張弁４、水循環ポンプ７、およびブライン循環ポンプ１０を制御する図示しない制御手段としての制御装置を備えている。その制御装置が、コンプレッサ２、電気式膨張弁４、水循環ポンプ７、ブライン循環ポンプ１０を制御してヒートポンプ運転を行い、水冷媒熱交換器３の冷媒通路３ａを通過する高温の冷媒と、湯水通路３ｂを通過する湯水とを熱交換して湯水を加熱する。

コンプレッサ２は、図示しない電気モータによって駆動される電動コンプレッサであり、吸引したガス冷媒を臨界圧力以上に圧縮して吐出する。なお本実施例では、冷媒として臨界圧力の低い二酸化炭素（ＣＯ_２）冷媒を用いているため、コンプレッサ２は、吐出側の高圧冷媒圧力が冷媒の臨界点を越える圧力となるように運転されている。このため、水冷媒熱交換器３の出口側の冷媒が超臨界状態となるので、熱交換の状態により冷媒がどの相域にも変化する。なお、コンプレッサ２の冷媒吐出量は、電気モータの回転数に応じて可変可能である。

水冷媒熱交換器３は、コンプレッサ２で圧縮された高温高圧のガス冷媒と給湯用水とを熱交換するものであり、冷媒が通過する冷媒通路３ａと、湯水が通過する湯水通路３ｂとが隣接して設けられ、冷媒の流れ方向と湯水の流れ方向とが対向する様に構成されている。

より具体的には図２・３に示すように、銅板を浅底容器形に絞り成形した上下２枚のプレート（上プレート２１、下プレート２２）を、その周縁を接合して薄型矩形の箱体３ｂを形成し、箱体の周縁に入口２３を開口し、その対向辺に出口２４を開口し、入口２３から出口２４に至る湯水通路３ｂを形成している。

箱体３ｂ内には、銅板を波形成形した図示しないコルゲート板が収納され、このコルゲート板は、上下折り返し面（山面、谷面）を平坦状とし、断面を連続する矩形波としたプレーン型に形成され、その外形（縦×横×高さ）が箱体３ｂの内寸に適合している。コルゲート板は箱体３ｂ内に収納され、上下折り返し面をそれぞれ上下プレート２１・２２に接合している。

冷媒通路３ａは、密着並置した２本の銅製細管３ａを、箱体３ｂの外周に螺旋状に巻装して形成され、細管３ａは、箱体３ｂの両平坦面（表側及び裏側）に接合されている。そして、箱体３ｂの外周に巻かれた細管３ａのさらに外周側は、発泡材などの断熱部材２５で覆っている。

この水冷媒熱交換器３は、コルゲート板を収納し、上下プレート２１・２２の周縁に形成したフランジを当接して箱体３ｂを仮組みし、箱体３ｂに細管３ａを巻装し、各接合面にロウ材を設置して所定治具で組み立てる。この組立品を加熱炉内に投入してロウ付けし、一度の工程で一括した接合で製作される。

以上のように構成した水冷媒熱交換器３において、入口２３から箱体３ｂ内に流入した水は通水路を流通し、箱体３ｂに螺旋状に巻装した細管３ａ内を高温・高圧冷媒が流通し、箱体３ｂの両平坦面を介して熱交換が行われてコルゲート板の壁面が伝熱フィンとして機能し、水が加熱されて出口２４から出湯する。なお、上述した水冷媒熱交換器３の具体的な構造は一例であり、本発明はこの構造に限られるものではない。

膨張弁４は、水冷媒熱交換器３の冷媒通路３ａとブライン冷媒熱交換器５の冷媒通路５ａとの間を接続する冷媒回路中に設けられており、水冷媒熱交換器３の冷媒通路３ａを通過して冷却された冷媒が膨張弁４を通過する際に減圧されてブライン冷媒熱交換器５の冷媒通路５ａに送られる。なお、膨張弁４は、制御装置からの出力によって弁開度を可変制御できる電気式膨張弁となっている。

ブライン冷媒熱交換器５は、地中熱交換器１１で地中の地熱を吸熱したブラインと、膨張弁４で減圧された冷媒とを熱交換して冷媒を蒸発させるものであり、冷媒が通過する冷媒通路５ａと、ブラインが通過するブライン通路５ｂとが隣接して設けられ、冷媒の流れ方向とブラインの流れ方向とが対向する様に構成されている。なお、具体的な構造は上述した水冷媒熱交換器３と全く同じ構造である。なおブラインを流通させるブライン循環ポンプ１０も制御装置からの出力によって駆動制御されている。

水循環ポンプ７は、貯湯タンク８内の給湯用水が、底部出口８ａから水冷媒熱交換器３の湯水通路３ｂを経て、上部入口８ｂから貯湯タンク８内へ戻る水流を発生させる。制御装置は、水循環ポンプ７の回転数を図示しないポンプモータへの通電量を制御することによって行い、図示しない沸き上げ温度センサで検出する沸き上げ温度が目標給湯温度となるよう給湯回路Ｋの循環流量の調整を行う。

貯湯タンク８は、耐蝕性に優れた金属（例えばステンレス）で形成され、給湯用の温水を長時間に亘って保温可能な断熱構造を備える。そして、貯湯タンク８内の温水は、台所・風呂・床暖房・室内暖房・浴室乾燥などに用いられる。

次に、本発明の要部について図４を用いて説明する。本体ユニット１ａの内部において、コンプレッサ２・水冷媒熱交換器３・膨張弁４・アキュームレータ６・水循環ポンプ７は、図６で示した従来のヒートポンプ式給湯器の本体ユニット１ａと同様に圧縮機室Ｃであった部分に納めている。そして、空気冷媒熱交換器５０が配置されていた部分には代わりにブライン冷媒熱交換器５を配置し、熱交換器室ＨＥであった部分には膨張タンク９とブライン循環ポンプ１０とを収めるようにしたものである。

なお、水冷媒熱交換器３もブライン冷媒熱交換器５も板状に形成され、その両熱交換器３・５がユニット１ａの前後方向で対向するように配置しているうえ、その両熱交換器３・５の平面同士を結んだ間の空間内にコンプレッサ２を配設している。また、通風部分は無くなるため、従来の空間分割のための仕切り板は無くしている。

次に、本実施形態での特徴と、その効果について述べる。まず、少なくともコンプレッサ２・水冷媒熱交換器３・ブライン冷媒熱交換器５を同一の筐体の本体ユニット１ａ内に収めるとともに、水冷媒熱交換器３の平面と、それに対向させて配置したブライン冷媒熱交換器５の平面とを結んだ間の空間内にコンプレッサ２を配設している。

これは、地熱利用であることから、冷凍サイクルの放熱側も給熱側も冷媒と水もしくはブライン水との熱交換器となり、空気との熱交換のように通風性の必要ない、言い換えれば表裏で貫通する部分のない熱交換器３・５の複数で構成することとなる。これにより、まず送風しながらの熱交換がなくなることで第１の音源である送風（通風）による音がなくなる。

また、表裏で貫通する部分のない熱交換器３・５にてコンプレッサ２を挟むことにより熱交換器３・５が遮音壁となって第２の音源であるコンプレッサ２の運転音を遮音して運転時の騒音を低減することができる。また、循環ポンプ７・１０を本体ユニット１ａ内に内蔵しており、完全ではないまでも、この循環ポンプ７・１０の運転音に対しても同様の遮音効果が得られる。

さらに、ヒートポンプサイクル運転時に冷媒が配管内を通過することによって生じる冷媒通過音に対しても同様の遮音効果が得られる。これらのことより、従来構成していた仕切り板Ｓや各部品の遮音材などをなくすことができ、本体ユニット１ａを小型化できるうえ、コストを抑えることができる。

また水冷媒熱交換器３およびブライン冷媒熱交換器５を板状に製作している。これによれば、両熱交換器３・５を遮音壁として利用することが可能となる。また、水冷媒熱交換器３およびブライン冷媒熱交換器５は、本体ユニットの筐体１ａの前後方向に配置している。これによれば、コンプレッサ２の運転音が前後方向に放射されるのを効果的に遮断することができる。

また、水冷媒熱交換器３およびブライン冷媒熱交換器５の外面を断熱部材２５で覆っている。これによれば、両熱交換器３・５を発泡材などの断熱部材２５で覆うことにより、この断熱部材２５を吸音材として利用することが可能であり、コストと騒音を抑えて性能を向上させることができる。

（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態（請求項５に対応）における地熱利用ヒートポンプ式給湯器１の本体ユニット１ａの平面構造図である。上述した第１実施形態と異なる特徴部分を説明する。本実施形態では、水冷媒熱交換器３、ブライン冷媒熱交換器５のいずれか一方、もしくは両方を複数に分割し、これらでコンプレッサ２を取り囲むように配置している。

これによれば、この分割した両熱交換器３１・３２・５１・５２をコンプレッサ２の左右方向にも配置することで、前後方向に配置された両熱交換器３・５で反射されたコンプレッサ２の運転音が左右方向に放射されるのを効果的に遮断することができる。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、貯湯式の給湯器としているが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、貯湯式ではない給湯器に適用しても良いし、貯湯タンク８の代わりにパネルヒータや床暖房パネルなどを接続したヒートポンプ式暖房（乾燥）装置に適用しても良いし、その他の用途で流体を加熱するヒートポンプ式加熱装置に適用しても良い。

また、上述の実施例では、給湯器本体ユニット１ａ内に水循環ポンプ７を内蔵しているが、このポンプ７はタンクユニット１ｂ側に構成しても良い。また、ブライン循環ポンプ１０と膨張タンク９は本体ユニット１ａ外に設けても良い。また逆に、圧縮機２に吸入される低温冷媒と水冷媒熱交換器３から流出する高温冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を本体ユニット１ａ内に構成しても良い。また、上述の実施形態では減圧手段として電気式膨張弁を用いているが、機械温度式膨張弁、キャピラリーチューブ、エジェクターなど、他の減圧手段を用いても良い。

本発明の実施形態に係わる地熱利用ヒートポンプ式給湯器１の構成を示す模式図である。 図１中の水冷媒熱交換器３の一例を示す正面図である。 図２の水冷媒熱交換器３の下面図である。 本発明の第１実施形態における地熱利用ヒートポンプ式給湯器１の本体ユニット１ａの平面構造図である。 本発明の第２実施形態における地熱利用ヒートポンプ式給湯器１の本体ユニット１ａの平面構造図である。 従来のヒートポンプ式給湯器の本体ユニット１ａの平面構造図である。

符号の説明

１ａ…給湯器本体ユニット（筐体）
２…コンプレッサ（圧縮機）
３…水冷媒熱交換器
３ａ…冷媒通路、銅製細管
３ｂ…湯水通路、箱体
４…電気式膨張弁（減圧手段）
５…ブライン冷媒熱交換器
５ａ…冷媒通路
５ｂ…ブライン通路
７…水循環ポンプ
８…貯湯タンク
１０…ブライン循環ポンプ
１１…地中熱交換器
２５…断熱部材
Ｂ…ブライン回路
Ｋ…給湯回路
Ｒ…冷媒回路

Claims (5)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機（２）、水冷媒熱交換器（３）の冷媒通路（３ａ）、減圧手段（４）、およびブライン冷媒熱交換器（５）の冷媒通路（５ａ）を冷媒配管で環状に接続した冷媒回路（Ｒ）と、
   前記水冷媒熱交換器（３）の湯水通路（３ｂ）、貯湯側から湯を貯湯して行く貯湯タンク（８）、および水循環ポンプ（７）を湯水配管で環状に接続した給湯回路（Ｋ）と、
   前記ブライン冷媒熱交換器（５）のブライン通路（５ｂ）、ブライン循環ポンプ（１０）、および地中の地熱を吸熱するための地中熱交換器（１１）をブライン配管で環状に接続したブライン回路（Ｂ）とを備え、
   前記圧縮機（２）および前記両循環ポンプ（７、１０）を作動させて前記冷媒通路（３ａ）を通過する高温の冷媒により前記湯水通路（３ｂ）を通過する湯水を加熱する地熱利用ヒートポンプ式給湯器であり、
   前記水冷媒熱交換器（３）の湯水通路（３ｂ）および前記ブライン冷媒熱交換器（５）のブライン通路（５ｂ）は、それぞれ浅底容器形の銅板からなる上下２枚のプレート（２１、２２）を有する薄型矩形の箱体であり、
   少なくとも前記圧縮機（２）、前記水冷媒熱交換器（３）、および前記ブライン冷媒熱交換器（５）を同一の筐体（１ａ）内に収めるとともに、前記水冷媒熱交換器（３）の平面と、それに対向させて配置した前記ブライン冷媒熱交換器（５）の平面とを結んだ間の空間内に前記圧縮機（２）を配設したことを特徴とする地熱利用ヒートポンプ式給湯器。
2. 前記水冷媒熱交換器（３）および前記ブライン冷媒熱交換器（５）を板状に製作したことを特徴とする請求項１に記載の地熱利用ヒートポンプ式給湯器。
3. 前記水冷媒熱交換器（３）および前記ブライン冷媒熱交換器（５）は、前記筐体（１ａ）の前後方向に配置したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の地熱利用ヒートポンプ式給湯器。
4. 前記水冷媒熱交換器（３）および前記ブライン冷媒熱交換器（５）の外面を断熱部材（２５）で覆ったことを特徴とする請求項１ないし請求項３のうちいずれか１項に記載の地熱利用ヒートポンプ式給湯器。
5. 前記水冷媒熱交換器（３）、前記ブライン冷媒熱交換器（５）のいずれか一方、もしくは両方を複数に分割し、これらで前記圧縮機（２）を取り囲むように配置したことを特徴とする請求項１ないし請求項４のうちいずれか１項に記載の地熱利用ヒートポンプ式給湯器。

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