JP2002106988A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

ヒートポンプ給湯機

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 外気温度等が変動しても圧縮機11から吐出
される冷媒の温度が所望の温度になるようにする。 【解決手段】 圧縮機11を前段圧縮要素11aと後段
圧縮要素11bとにより構成し、この間に第1放熱器1
2aを設けて冷媒を循環させる。また、給水された水と
冷媒と熱交換させる第3放熱器12c及びこの第3放熱
器12cで冷媒と熱交換した水を分流させて第1放熱器
12aに循環させる分流量制御弁17を設ける。そし
て、後段圧縮要素11bから吐出される冷媒の吐出温度
が所定の温度範囲になるように、分流量制御弁17の開
弁度を蒸発器15における蒸発温度及び前段圧縮要素1
1aに吸気される冷媒の過熱度に応じて制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、二酸化炭素冷媒を
動作冷媒として用いたヒートポンプ給湯機に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、給湯機としてはガスや電気ヒータ
を熱源とするものが大勢的であるが、近年におけるエネ
ルギ−利用の効率化の要望やガスや電気ヒータによる火
災等の防止の観点からヒートポンプ給湯機が提案されて
いる。
【0003】このようなヒートポンプ給湯機は図3に示
すように、冷媒を圧縮する圧縮機111、該圧縮機11
1からの冷媒と給湯用の水とを熱交換させる凝縮器11
2、冷媒を膨張させる膨張弁113、冷媒と機外空気と
を熱交換させる蒸発器114、該蒸発器114からの冷
媒の気液分離を行ってガス冷媒が圧縮機111に戻るよ
うにするアキュムレータ115等を有している。以下、
この凝縮器112を放熱器112という。
【0004】そして、冷媒は圧縮機111で圧縮されて
高温高圧になって放熱器112に供給される。放熱器1
12には給湯用の水が循環しているので、冷媒の熱はこ
の水を加熱するために用いられる。
【0005】水を加熱した冷媒は膨張弁113で絞ら
れ、蒸発器114で機外空気と熱交換して圧縮機111
に戻る。
【0006】このとき冷媒は機外空気から熱を汲上げて
蒸発するので、電気ヒータ等による給湯機に比べエネル
ギー効率が高くなっている。
【0007】このような冷媒回路には従来R−22等の
冷媒が用いられてきたが、かかる冷媒には塩素が含まれ
オゾン層を破壊する原因となることが判明し規制対象と
なり、これに代わる冷媒が望まれている。
【0008】そこで、自然冷媒であるため環境破壊等の
恐れが無い二酸化炭素冷媒の利用が検討されている。
【0009】しかし、二酸化炭素冷媒は従来用いられて
いたR−22等の冷媒に比べ動作圧力及び温度が高くな
るため、従来構成の圧縮機111等をそのまま用いると
サイクル効率が低下すると共に、圧縮器の容器内圧力が
高くなりすぎて耐圧特性が不足したり、圧縮機に用いら
れている潤滑油の劣化やモータの巻線の絶縁劣化が起る
問題が生じる。
【0010】かかる問題に対処すべく、図4に示すよう
な2つの圧縮要素を備える圧縮機111を用いたヒート
ポンプ給湯機が提案されている。
【0011】図4において、圧縮機111は、前段圧縮
要素111a及び後段圧縮要素111bから構成され、
その間に中間熱交換器116が設けられている。
【0012】このように圧縮機111を2段構成にする
ことにより、各圧縮要素における吸気側と吐出側との差
圧が小さくでき、圧縮効率が向上し、また中間熱交換器
116により前段圧縮要素111aからの冷媒の熱を機
外空気や他の冷却材に熱放出することにより、圧縮機1
11の容器内に吐出される冷媒の温度が下げることがで
きて潤滑油等の劣化を防止することが可能になる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成の場合には、中間熱交換器116で外気等に冷
媒の熱が放熱されるので、その分だけ熱の無駄が発生す
る問題がある。
【0014】また、中間熱交換器116で一律な放熱を
行う場合、給湯機では少なくとも給湯温度より高い温度
(例えば、〜10℃)の冷媒が後段圧縮要素111bか
ら吐出される必要があるので、圧縮比が低く吸込み過熱
度も小さい夏季に中間熱交換器116で放出される熱が
多過ぎると吐出温度が低下してしまい、所望温度の湯を
給湯できない場合が生じる問題がある。
【0015】この場合、無理に圧縮比を上げて圧縮機か
らの吐出温度を高くしようとするとサイクル効率が低下
してしまう。
【0016】一方、冬季には逆に圧縮比が高く吸込み過
熱度も大きいので、上述したように中間冷却を行わない
と後段圧縮要素111bからの吐出温度が高すぎて、熱
力学的な損失が増大するばかりではなく潤滑油の劣化等
の問題が生じる。
【0017】そこで、本発明は、蒸発器における冷媒の
蒸発温度や前段圧縮要素に吸気される冷媒の過熱度等を
考慮して中間熱交換器での放熱量を調整可能にすると共
に、当該中間熱交換器での廃熱を回収できるようにして
サイクル効率を向上させたヒートポンプ給湯機を提供す
ることを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項1にかかる発明は、冷媒を圧縮する前段圧縮
要素及び後段圧縮要素を備えた圧縮機と、給湯用の水が
給水されて冷媒と熱交換させる第3放熱器と、該第3放
熱器からの水を流量の大きい主流とその残りの副流とに
所定流量比で分流させる分流量制御弁と、主流をなす水
と後段圧縮要素からの冷媒とを熱交換させ、当該熱交換
した冷媒が第3放熱器に流入するように接続された第2
放熱器と、副流をなす水と前段圧縮要素からの冷媒とを
熱交換させ、当該水が第2放熱器からの水と合流して給
湯され、熱交換した冷媒は後段圧縮要素に流入するよう
に接続された第1放熱器と、第3放熱器からの冷媒を膨
張させる膨張弁と、該膨張弁で膨張した冷媒を機外空気
と熱交換させる蒸発器とを有して、圧縮機に供給される
冷媒の状態に応じて第1放熱器での放熱量を調整可能に
して後段圧縮機から吐出される冷媒の温度が常に所望の
温度範囲になるようにすると共に当該第1放熱器での廃
熱を回収できるようにして、サイクル効率の向上維持を
図るようにしたことを特徴とする。
【0019】請求項2にかかる発明は、第3放熱器から
膨張弁に供給される冷媒と、蒸発器から前段圧縮要素に
戻る冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を設けて、蒸発
器で外気から汲上げる熱量を増大させると共に、圧縮機
に戻る冷媒を加熱することにより熱回収が行えるように
したことを特徴とする。
【0020】請求項3にかかる発明は、分流制御弁の開
弁度を蒸発器における冷媒の蒸発温度や前段圧縮要素に
吸気される冷媒の過熱度等に応じて制御するようにし
て、後段圧縮要素から吐出される冷媒の温度が常に最適
な温度になるようにしたことを特徴とする。
【0021】請求項4にかかる発明は、冷媒として二酸
化炭素冷媒を用いて、自然環境に優しい装置にすると共
に、高温給湯が可能にしたことを特徴とする。
【0022】
【発明の実施の形態】本発明の第1の実施の形態を図を
参照して説明する。図1は、本発明にかかるヒートポン
プ給湯機の冷媒回路図である。
【0023】なお、本発明にかかるヒートポンプ給湯機
では、冷媒として自然冷媒である二酸化炭素冷媒を用い
る場合について説明する。
【0024】ヒートポンプ給湯機は、冷媒を圧縮する圧
縮機11、冷媒と水と熱交換させる放熱器12、冷媒を
膨張させる膨張弁14、冷媒と外気等とを熱交換させる
蒸発器15、冷媒の気液分離を行うアキュムレータ1
6、放熱器12から膨張弁14に向う冷媒により圧縮機
11に戻る冷媒を加熱する内部熱交換器13等を有して
いる。
【0025】圧縮機11は前段圧縮要素11a及び後段
圧縮要素11bから構成され、また放熱器12は第1放
熱器12a、第2放熱器12b及び第3放熱器12cに
より構成されて、各放熱器12には冷媒と給湯用の水が
循環してこれらの間で熱交換するようになっている。
【0026】即ち、冷媒は前段圧縮要素11a、第1放
熱器12a、後段圧縮要素11b、第2放熱器12b、
第3放熱器12cを順次流動し、給湯用の水は第3放熱
器12cに供給され、そこから第2放熱器12bと第1
放熱器12aとに所定の流量比で分流し、第2放熱器1
2bと第1放熱器12aとで加熱された後は合流して給
湯用に取出されるようになっている。
【0027】このように第3放熱器12cからの水を第
1放熱器12aと第2放熱器12bとに所定の流量比で
分流させるために、第3放熱器12cと第1放熱器12
aとを接続する水配管には分流量制御弁17が設けられ
ている。
【0028】この分流量制御弁17の開弁度は、第1放
熱器12aに流入する水量(副流と記載する)は第2放
熱器12bに流入する水量(主流と記載する)より少な
くし、サイクル効率を勘案すると副流は全水量の半分以
下に設定することが好ましい。
【0029】なお、これまでの説明から解るように、冷
媒と水とは各放熱器12で対向流をなすように構成され
ている。このように対向流で循環させることにより、放
熱器12での循環方向に沿った冷媒の温度勾配と給湯用
の水の温度勾配とが逆の温度勾配になって効率的に熱交
換ができるようになっている。
【0030】このような構成のヒートポンプ給湯機は、
図2に示すような温度(T)−エンタルピー(h)線図
に従い動作する。
【0031】前段圧縮要素11aで圧縮された冷媒(a
→b)は、第1放熱器12aに供給されて、当該第1放
熱器12aで給湯用の水に放熱し(b→c)、水は冷媒
からの熱により加熱されて温度上昇する(A→B)。
【0032】第1放熱器12aに循環する水の量は、分
流量制御弁17の開弁度を設定することにより調整さ
れ、当該分流量制御弁17の開弁度は、蒸発器15にお
ける冷媒の蒸発温度や前段圧縮要素11aに吸気される
冷媒の過熱度等に応じて設定される。
【0033】従って、外気温等の運転条件に依存するこ
となく常に最適な吐出温度で運転することが可能になっ
てサイクル効率が向上する。
【0034】また、前段圧縮要素11aからの冷媒は第
1放熱器12aで放熱するが、その熱は給湯用の水の加
熱に用いられるので(熱回収される)、従来のように外
気等への廃熱と言った無駄が省けて、この意味からもサ
イクル効率の向上が図られている。
【0035】後段圧縮要素11bから吐出される冷媒の
温度は、例えば夏季のように過熱度が小さい場合等には
開弁度を絞り、当該第1放熱器12aに供給される水量
を少なくして前段圧縮要素11aからの冷媒が失う熱量
を押えることにより所望値に調整する。また、過熱度が
大きくなった場合等には、上記手順と逆の手順が行われ
る。
【0036】このようにして、第1放熱器12aからの
冷媒は後段圧縮要素11bで更に圧縮されて(c→
d)、第2放熱器12bに供給され、当該第2放熱器1
2bで分流された給湯用の水を加熱し(D→E)、第3
放熱器12cへと循環する。そして、第3放熱器12c
で水を加熱し(C→D)て内部熱交換器に循環する。
【0037】この内部熱交換器には、アキュムレータか
ら圧縮機11に戻る冷媒が流動しているので、第3放熱
器12cからの冷媒は当該圧縮機11に戻る冷媒を加熱
して温度が下がる(e)。
【0038】そして、膨張弁14で膨張し(e→f→
g)、蒸発器で機外空気と熱交換して蒸発(h→i)し
た後、アキュムレータで気液分離が行われてガス冷媒が
前段圧縮要素11aに戻る。
【0039】内部熱交換器で第3放熱器12cからの冷
媒が熱を失うことにより、蒸発器15で効率的に熱の汲
上を行うことが可能になると共に、蒸発器から圧縮機1
1に戻る冷媒が加熱される(熱回収される)ので圧縮機
11に戻る冷媒の温度が上昇して(j→a)、サイクル
効率を高めることができるようになっている。
【0040】
【発明の効果】以上説明したように請求項1にかかる発
明によれば、冷媒を圧縮する前段圧縮要素及び後段圧縮
要素を備えた圧縮機と、給湯用の水が給水されて冷媒と
熱交換させる第3放熱器と、該第3放熱器からの水を流
量の大きい主流とその残りの副流とに所定流量比で分流
させる分流量制御弁と、主流をなす水と後段圧縮要素か
らの冷媒とを熱交換させ、当該熱交換した冷媒が第3放
熱器に流入するように接続された第2放熱器と、副流を
なす水と前段圧縮要素からの冷媒とを熱交換させ、当該
水が第2放熱器からの水と合流して給湯され、熱交換し
た冷媒は後段圧縮要素に流入するように接続された第1
放熱器と、第3放熱器からの冷媒を膨張させる膨張弁
と、該膨張弁で膨張した冷媒を機外空気と熱交換させる
蒸発器とを設けて圧縮機に供給される冷媒の状態に応じ
て第1放熱器での放熱量を調整可能にしたので、後段圧
縮機から吐出される冷媒の温度が常に所望の温度範囲に
なるようにできると共に当該第1放熱器での廃熱を回収
できるようになり、サイクル効率の向上維持が図れる。
【0041】請求項2にかかる発明によれば、第3放熱
器から膨張弁に供給される冷媒と、蒸発器から前段圧縮
要素に戻る冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を設け
て、蒸発器で外気から汲上げる熱量を増大させると共
に、圧縮機に戻る冷媒を加熱することにより熱回収が行
えるようになり、サイクル効率の向上が図れる。
【0042】請求項3にかかる発明によれば、分流制御
弁の開弁度を蒸発器における冷媒の蒸発温度や前段圧縮
要素に吸気される冷媒の過熱度等に応じて制御するよう
にしたので、後段圧縮要素から吐出される冷媒の温度が
常に最適な温度になる。
【0043】請求項4にかかる発明によれば、冷媒とし
て二酸化炭素冷媒を用いたので自然環境に優しい装置に
すると共に、高温給湯が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の説明に適用されるヒート
ポンプ給湯機の概略構成図である。
【図2】図1のヒートポンプ給湯機の温度−エンタルピ
ー線図である。
【図3】従来の技術の説明に適用される1つの圧縮要素
を持つ圧縮機を備えたヒートポンプ給湯機の概略構成図
である。
【図4】従来の技術の説明に適用される2つの圧縮要素
を持つ圧縮機を備えたヒートポンプ給湯機の概略構成図
である。
【符号の説明】
11 圧縮機 11a 前段圧縮要素 11b 後段圧縮要素 12 放熱器 12a 第1放熱器 12b 第2放熱器 12c 第3放熱器 13 内部熱交換器 14 膨張弁 15 蒸発器 16 アキュムレータ 17 分流量制御弁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F24H 1/00 611 F25B 1/00 B F25B 1/00 395Z 395 6/04 Z 6/04 F24D 17/00 T (72)発明者 石原 寿和 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 江原 俊行 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 井崎 博和 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 Fターム(参考) 3L060 AA03 CC04 DD02 EE33 3L073 AA07 AA13 AA14 AB07 AC10 AD00 AE06

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 冷媒を圧縮する前段圧縮要素及び該前段
    圧縮要素からの冷媒を更に圧縮する後段圧縮要素を備え
    た圧縮機と、 給湯用の水が給水されて冷媒と熱交換させる第3放熱器
    と、 該第3放熱器からの水を流量の大きい主流とその残りの
    副流とに所定流量比で分流させる分流量制御弁と、 前記主流をなす水と後段圧縮要素からの冷媒とを熱交換
    させ、当該熱交換した冷媒が前記第3放熱器に流入する
    ように接続された第2放熱器と、 前記副流をなす水と前段圧縮要素からの冷媒とを熱交換
    させ、当該水が前記第2放熱器からの水と合流して給湯
    され、熱交換した冷媒は後段圧縮要素に流入するように
    接続された第1放熱器と、 前記第3放熱器からの冷媒を膨張させる膨張弁と、 該膨張弁で膨張した冷媒を機外空気と熱交換させる蒸発
    器とを有することを特徴とするヒートポンプ給湯機。
  2. 【請求項2】 前記第3放熱器から膨張弁に供給される
    冷媒と、蒸発器から前段圧縮要素に戻る冷媒とを熱交換
    させる内部熱交換器を有することを特徴とする請求項1
    記載のヒートポンプ給湯機。
  3. 【請求項3】 前記分流制御弁の開弁度が、前記蒸発器
    における蒸発温度及び前記前段圧縮要素に吸気される冷
    媒の過熱度に応じて制御するようにしたことを特徴とす
    る請求項1又は2記載のヒートポンプ給湯機。
  4. 【請求項4】 前記冷媒が二酸化炭素冷媒であることを
    特徴とする請求項1乃至3いずれか1記載のヒートポン
    プ給湯機。
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