JP2008256281A - ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧縮機から吐出する冷媒の吐出ガス域での水の温度上昇を大きくでき、その分凝縮温度を下げて高効率の運転を可能とする。
【解決手段】 インジェクションポート１ａを有した圧縮機１に、冷媒管２を介して順次、第１の水熱交換器３、第２の水熱交換器４、膨張弁５、及び空気熱交換器７を接続して構成される冷凍サイクルと、第１及び第２の水熱交換器３，４に送水して給湯する給湯管１０と、第１の水熱交換器３の冷媒流出側と圧縮機１のインジェクションポート１ａとを接続するインジェクション回路８とを具備し、第１の水熱交換器３ではガス冷媒を冷却させ、第２の水熱交換器４ではガス冷媒を凝縮させ、インジェクション回路８は、第１の水熱交換器３から流出される冷媒ガスの一部を圧縮機１にインジェクションする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水の加熱構造を改良したヒートポンプ式給湯機に関する。

この種のヒートポンプ式給湯機としては、例えば、図５に示すようなものが知られている。

このヒートポンプ式給湯機は、冷凍サイクルを備え、この冷凍サイクルを流れる冷媒は、空気熱交換器１０１で蒸発して外気から熱を取り入れる。そして、この熱を水熱交換器１０２で凝縮することにより放出して水熱交換器１０２を流れる水を加熱し給湯するようになっている。

水熱交換器１０２において冷媒と水は対向流で流され、熱交換により冷媒は１２０℃から２０℃に低下し、水は１０℃〜９０℃に加熱される（例えば、特許文献１参照。）。

図６はこの冷凍サイクルの動きをモリエル線図上に表したものである。

圧縮機１０４で圧縮された冷媒は高温高圧のガスとなって吐出され、水熱交換器１０２に流入する。水熱交換器１０２でガス冷媒は、水と熱交換してまず温度が下がり、その後、凝縮域に入り完全に液化されて過冷却の状態で水熱交換器１０２から流出される。この後、液冷媒は膨張弁１０５で減圧されてから空気熱交換器１０１に流入されて蒸発しガス冷媒となって圧縮機１０４に吸い込まれる。

図７は水熱交換器１０２内における冷媒と水の状態変化をＴＨ線図上に表したもので、主に水熱交換器１０２内での温度変化を示す。

横軸はエンタルピであり、水は冷媒から熱を得て左から右ヘエンタルピを増加しそれに連れ温度もほぼ直線的に上昇(比熱がほぼ一定のため)している。一方、冷媒は右から熱を水に放出し、エンタルピが減少してそれに連れ温度が下がっている。

ところで、水熱交換器１０２内で冷媒が凝縮域に入ると、エンタルピは低下するが温度は一定となり図では横線になる。そして、冷媒が完全に液化すると、その後はエンタルピの低下と共に温度も下がる。
特開２００７−７１４２６号公報

しかしながら、従来においては、図７からも分かるように水と冷媒の温度差が最少となるところがあり、ここがネックとなり熱交換器をいくら大きくしても凝縮温度が下げられない。熱交換器を大きくすると凝縮温度が下がるが、水の線とぶつかったところが最低の凝縮温度になり、それ以上凝縮温度を下げられない。即ち、貯湯運転の効率をそれ以上上げられないという問題点がある。

本発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、冷媒の凝縮温度を下げて運転効率を向上できるようにしたヒートポンプ式給湯機を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１記載のものは、インジェクションポートを有した圧縮機に、冷媒管を介して順次、第１の水熱交換器、第２の水熱交換器、膨張弁、及び空気熱交換器を接続して構成される冷凍サイクルと、前記第１及び第２の水熱交換器に送水して給湯する給湯管と、前記第１の水熱交換器の冷媒流出側と前記圧縮機の前記インジェクションポートとを接続するインジェクション回路とを具備し、前記第１の水熱交換器ではガス冷媒を冷却させ、前記第２の水熱交換器ではガス冷媒を凝縮させ、前記インジェクション回路は、前記第１の水熱交換器から流出される冷媒ガスの一部を前記圧縮機にインジェクションすることを特徴とする。

本発明によれば、圧縮機から吐出する冷媒の吐出ガス域での水の温度上昇を大きくでき、その分、凝縮温度を下げて高効率の運転を可能とする。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施の形態であるヒートポンプ式給湯機を示すものである。

このヒートポンプ式給湯機は、冷媒としてＲ４１０Ａを用いる冷凍サイクルを備えている。この冷凍サイクルは、圧縮機１に冷媒管２を介して順次、第１の水熱交換器３、第２の水熱交換器４、膨張弁５、空気熱交換器７、及び冷媒熱交換器９を接続することにより構成されている。

圧縮機１はインジェクションポート１ａを有し、インジェクション可能に構成されている。第１の水熱交換器３は冷媒のガス域の冷却を担当し、第２の水熱交換器４は、凝縮域と液域の冷却を担当するようになっている。

第１の水熱交換器３の冷媒出ロ側と圧縮機１のインジェクションポート１ａとは、インジェクション回路８を介して接続されている。第２の水熱交換器４と膨張弁５とを接続する冷媒管２の中途部は冷媒熱交換器９に接続されている。

一方、第１の水熱交換器３と第２の水熱交換器４とには、給湯管１０が冷媒管２と平行に挿通されている。給湯管１０の一端部側にはポンプ１１が接続され、他端部側は図示しない貯湯タンクに接続されている。

上記した構成において、圧縮機１から吐出された吐出冷媒ガスは第１の水熱交換器３に流入して水と熱交換し、温度が低下した状態で凝縮温度近くになり第１の水熱交換器３から流出する。第１の水熱交換器３から流出するガス冷媒の一部は、インジェクション回路８を介して圧縮機１にインジェクションポート１ａから注入される。ここで、圧縮機１に注入される冷媒のインジェクション量をg、圧縮機１の冷媒吸入量をＧとすると、圧縮機１から吐出される吐出冷媒量はＧ＋ｇとなり、通常の吐出冷媒量より多くなる。従って、第１の水熱交換器３を流れる冷媒の循環量は従来機器よりｇだけ多くなる。第２の水熱交換器４に入る冷媒は、従来機器と同じ冷媒循環量となり、第２の水熱交換器４での作用は従来機器と同じである。

第２の水熱交換器４から流出した液冷媒は、冷媒熱交換器９に流入し、この冷媒熱交換器９で空気熱交換器７から出たガス冷媒と熱交換する。これにより、液冷媒は２０℃から５℃に温度低下するが、圧縮機１に吸い込まれるガス冷媒は２０℃に上昇される。

このように圧縮機１に吸い込まれるガス冷媒の温度を上昇させるのは、圧縮機１から吐出されるガス冷媒の温度を１２０℃に保つためである。即ち、上記したように圧縮機１にインジェクション回路８を介して６０℃のガス冷媒が圧縮の最終段階で注入されると、吸込み温度が従来機器と同じ５℃であれば吐出温度が１２０℃まで上がらず低下する。この低下を補うため、上記したように圧縮機１のガス冷媒吸込温度を従来よりも１５℃上昇させている。

一方、冷媒熱交換器９で熱交換されて温度が２０℃から５℃に低下された液冷媒は膨張弁５を介して空気熱交換器７に流入されて蒸発したのち、冷媒熱交換器９を介して圧縮機１に吸い込まれる。以後、順次同様に冷媒が流されて給湯運転が継続される。

図２は、上記した冷凍サイクルのモリエル線図上の動きを表したものである。

圧縮機１のガス冷媒吸込温度を上昇させることにより、インジェクション前の圧縮機１内のガス冷媒温度を高めることができ、第１の水熱交換器３からのガス冷媒のインジェクションによる冷却があっても圧縮機１の吐出温度を１２０℃に保っことができる。

図３は、出湯温度を１００℃にした場合における第１及び第２の水熱交換器３，４での冷媒と水の温度変化（ＴＨ線図上の冷媒と水の状態変化）を示すものである。

圧縮機１からの吐出ガスの冷媒循環量が従来機器よりｇだけ増えているため、第１の水熱交換器３での水の温度上昇が従来機器より大きくなり、従来機器より高温に加熱できる。

図４は、従来機器と同じ出湯温度を９０℃にした場合における第１及び第２の水熱交換器３，４での冷媒と水の温度変化（ＴＨ線図上の冷媒と水の状態変化）を示すものである。

出湯温度を９０℃まで下げた場合には、第２の水熱交換器４の出ロ水温が下がり、これにつれ凝縮温度も下がって(熱交換量は同じため水と冷媒の温度差は従来機器と同じになる)高効率運転が可能となる。

なお、上記した第１の実施の形態では、冷凍サイクルの構成要素として冷媒熱交換器９を備えたが、これに限られることなく、膨張弁５の開度を小さくして空気熱交換器７の出口側のスーパーヒートを大きくとって圧縮機１の吸込み温度を高くしても、効果の程度は少なくなるが高効率化は可能である。

また、冷媒としてはＲ４１０Ａを用いたが、高圧で凝縮しないＣＯ２を用いても同様の効果が得られる。

なお、この発明は、上述した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上述した実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、上述した実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせても良い。

本発明の一実施の形態であるヒートポンプ式給湯機の構成を示す図。 図１のヒートポンプ式給湯機の冷凍サイクルのモリエル線図上の動きを示す図。 図１のヒートポンプ式給湯機の出湯温度１００℃の場合におけるＴＨ線図上の冷媒と水の状態変化を示す図。 図１のヒートポンプ式給湯機の出湯温度９０℃の場合におけるＴＨ線図上の冷媒と水の状態変化を示す図。 従来のヒートポンプ式給湯機の構成を示す図。 従来のヒートポンプ式給湯機の冷凍サイクルのモリエル線図上の動きを示す図。 従来のヒートポンプ式給湯機のＴＨ線図上の冷媒と水の状態変化を示す図。

符号の説明

１…圧縮機、１ａ…インジェクションポート、２…冷媒管、３…第１の水冷媒熱交換器、４…第２の水冷媒熱交換器、５…膨張弁、７…空気熱交換器、８…インジェクション回路、９…冷媒熱交換器、１０…送水管。

Claims (2)

1. インジェクションポートを有した圧縮機に、冷媒管を介して順次、第１の水熱交換器、第２の水熱交換器、膨張弁、及び空気熱交換器を接続して構成される冷凍サイクルと、
   前記第１及び第２の水熱交換器に送水して給湯する給湯管と、
   前記第１の水熱交換器の冷媒流出側と前記圧縮機の前記インジェクションポートとを接続するインジェクション回路とを具備し、
   前記第１の水熱交換器ではガス冷媒を冷却させ、前記第２の水熱交換器ではガス冷媒を凝縮させ、前記インジェクション回路は、前記第１の水熱交換器から流出されるガス冷媒の一部を前記圧縮機にインジェクションすることを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
2. 前記圧縮機の吸込み側と前記空気熱交換器との間に前記第２の水熱交換器から流出される液冷媒と前記空気熱交換器から流出されるガス冷媒とを熱交換させる熱交換器を設けたことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯機。

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