JP4997024B2 - Heat pump water heater - Google Patents
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Description
本発明は、ヒートポンプ給湯装置に係り、特に、二酸化炭素冷媒を用いる場合に好適なヒートポンプ給湯装置に関する。 The present invention relates to a heat pump hot water supply apparatus, and more particularly to a heat pump hot water supply apparatus suitable for use of a carbon dioxide refrigerant.
従来、ヒートポンプ給湯機の冷凍サイクルは、図４に示すように、圧縮機１と、圧縮機１により圧縮された冷媒と水との熱交換を行う水冷媒熱交換器２と、水冷媒熱交換器２により熱交換された冷媒を減圧する電動膨張弁３と、電動膨張弁３により減圧された冷媒と空気との熱交換を行う蒸発器４とを備え、これらを冷媒配管で順次接続することにより、ヒートポンプ冷媒回路を構成している。
Conventionally, a refrigeration cycle of a heat pump water heater includes a
給水源から供給された水は、給水管５を通じて水冷媒熱交換器２に導かれて加熱され、ここで加熱された温水は、給湯管６を通じて使用端末より直接出湯される。また水冷媒熱交換器２で高温に加熱された湯水は、貯湯タンク７に蓄えられる。貯湯タンク７の底部は給水管５と連通され、頂部は給湯管６と連通されている。貯湯タンク７の底部から抜き出された水は、循環ポンプ８により水冷媒熱交換器２に導かれて加熱された後、貯湯タンク８の頂部からタンク内に戻されるようになっている。貯湯タンク８に蓄えられた湯水は、混合弁９、給湯管６を経由して所定の温度に調整された後、使用端末より出湯される。
The water supplied from the water supply source is led to the water
一方、冷凍サイクルの冷媒として、フロン系冷媒は、オゾン層を破壊し、かつ温室効果ガスとなることが知られている。そのため、例えば、オゾン層の破壊係数がゼロであり、かつ地球温暖化係数もフロン系冷媒と比べて格段に小さい、二酸化炭素冷媒（Ｒ７４４）を使用する試みが検討されている。この二酸化炭素冷媒によれば、例えば、高温冷媒において空気や水の加熱効率の向上を図ることができる。 On the other hand, it is known that a chlorofluorocarbon refrigerant destroys an ozone layer and becomes a greenhouse gas as a refrigerant in a refrigeration cycle. For this reason, for example, attempts have been made to use a carbon dioxide refrigerant (R744) that has an ozone layer depletion coefficient of zero and a global warming coefficient that is much smaller than that of a fluorocarbon refrigerant. According to this carbon dioxide refrigerant, for example, the heating efficiency of air or water can be improved in a high-temperature refrigerant.
しかし、この二酸化炭素冷媒は、超臨界で使用されるため、吸熱過程におけるエンタルピ差が小さく、フロン系冷媒と比較して冷凍サイクルの効率が悪いことが知られている。 However, since this carbon dioxide refrigerant is used in a supercritical state, it is known that the enthalpy difference in the endothermic process is small, and the efficiency of the refrigeration cycle is inferior to that of the fluorocarbon refrigerant.
このため、冷媒を膨張させる膨張機を冷凍サイクルに配置し、膨張過程を等エントロピー変化とし、蒸発能力を増大するとともに、膨張過程において冷媒が膨張する際の運動エネルギーを圧縮過程の動力として回収することにより、二酸化炭素冷媒による冷凍サイクルのＣＯＰ向上を図ったヒートポンプ給湯機が提案されている（特許文献１参照。）。これによれば、膨張機を圧縮機と一体化させ、膨張機で発生した動力を圧縮機に伝達することにより、圧縮機を駆動させる外部入力を低減することができる。 For this reason, an expander that expands the refrigerant is arranged in the refrigeration cycle, the expansion process is changed to be isentropic, the evaporation capacity is increased, and the kinetic energy when the refrigerant expands in the expansion process is recovered as the power of the compression process Thus, a heat pump water heater that improves the COP of the refrigeration cycle using carbon dioxide refrigerant has been proposed (see Patent Document 1). According to this, the external input for driving the compressor can be reduced by integrating the expander with the compressor and transmitting the power generated by the expander to the compressor.
しかしながら、特許文献１のヒートポンプ給湯機においては、膨張機と圧縮機の容積はいずれも構造上一定のため、冷凍サイクルの運転状態、つまりサイクル内の冷媒循環量の変化に伴い、膨張機による動力回収を十分に行うことができない場合がある。
However, in the heat pump water heater of
特に、給水を水冷媒熱交換器により加熱して直接給湯する機能を備えたヒートポンプ給湯機においては、低温（例えば３５℃程度）の給湯運転から、貯湯タンクを高温（例えば９０℃）で沸き上げるタンク貯湯運転まで行うため、いずれの運転においても、最適な運転状態を維持できる膨張機は存在せず、ある一部の運転においては、動力回収によりサイクル状態の適正化を図れるが、ほかの運転状態においては、膨張機がむしろ効率を低下させる要因となっていた。 In particular, in a heat pump water heater having a function of directly supplying hot water by heating water with a water-refrigerant heat exchanger, the hot water storage tank is boiled at a high temperature (eg, 90 ° C.) from a low-temperature (eg, about 35 ° C.) hot water supply operation. There is no expander that can maintain the optimal operating state in any operation because tank hot water storage operation is performed, and in some operations, the cycle state can be optimized by recovering power, but other operations are not possible. In the situation, the expander was rather a factor of reducing efficiency.
本発明は、冷媒の膨張過程における運動エネルギーを回収する膨張機を備えたヒートポンプ給湯装置において、冷凍サイクルの運転状態の変化に伴う運転効率の低下を抑制することを課題とする。 This invention makes it a subject to suppress the fall of the operating efficiency accompanying the change of the driving | running state of a refrigerating cycle in the heat pump hot-water supply apparatus provided with the expander which collects the kinetic energy in the expansion process of a refrigerant | coolant.
本発明は、圧縮機、給水された水と冷媒との熱交換を行う水冷媒熱交換器、膨張弁、空気と冷媒との熱交換を行う蒸発器を順次冷媒配管で接続して閉回路を形成するヒートポンプ冷媒回路と、給水源から供給された水を給水管を介して水冷媒熱交換器に導いて加熱し、この加熱された温水を給湯管を介して使用端末へ直接給湯する給湯回路と、水冷媒熱交換器により加熱して貯湯タンクに蓄えられた温水を使用端末へ給湯するタンク給湯回路とを備えてなるヒートポンプ給湯装置において、ヒートポンプ冷媒回路は、膨張弁と並列に配置される膨張機と、冷媒の流路を膨張弁又は膨張機のいずれかに切り替える第１の切替手段と、蒸発器と圧縮機との間に配置され、膨張機に流入する冷媒が膨張する際に生じる駆動力を回収して冷媒を圧縮する副圧縮機と、冷媒の流路を副圧縮機又はこの副圧縮機をバイパスさせるバイパス管路のいずれかに切り替える第２の切替手段と、第１の切替手段と第２の切替手段の切替動作を制御する制御手段とを備え、制御手段は、給湯回路で加熱された温水を直接給湯するときに、第１と第２の切替手段を膨張弁とバイパス管路にそれぞれ切り替え、水冷媒熱交換器で加熱された温水を貯湯タンクに供給するときに、第１と第２の切替手段を膨張機と副圧縮機にそれぞれ切り替えることを特徴としている。 The present invention includes a compressor, a water / refrigerant heat exchanger that exchanges heat between supplied water and refrigerant, an expansion valve, and an evaporator that exchanges heat between air and refrigerant through a refrigerant pipe in order to form a closed circuit. Heat pump refrigerant circuit to be formed, and a hot water supply circuit that heats water supplied from a water supply source through a water supply pipe to a water refrigerant heat exchanger and heats the heated hot water directly to a use terminal through a hot water supply pipe And a tank hot water supply circuit that supplies hot water stored in a hot water storage tank to a use terminal by heating with a water refrigerant heat exchanger, the heat pump refrigerant circuit is arranged in parallel with the expansion valve It is arranged between the expander, the first switching means for switching the refrigerant flow path to either the expansion valve or the expander, and the evaporator and the compressor, and occurs when the refrigerant flowing into the expander expands. Recover driving force and compress refrigerant A sub-compressor, a second switching unit that switches the refrigerant flow path to either the sub-compressor or a bypass pipe that bypasses the sub-compressor, and a switching operation of the first switching unit and the second switching unit. Control means for controlling the water, and when the hot water heated by the hot water supply circuit is directly supplied, the control means switches the first and second switching means to the expansion valve and the bypass pipe, respectively, and performs water / refrigerant heat exchange. When the hot water heated by the container is supplied to the hot water storage tank, the first and second switching means are switched to the expander and the sub compressor, respectively .
このように第１の切替手段と第２の切替手段を備え、これらの切替動作を制御手段により制御する構成とすることにより、サイクルの運転状態に応じて、膨張機と膨張弁を適宜切り替えて使用することができる。すなわち、膨張動力の回収により運転効率の向上が可能な運転状態においては、膨張機と副圧縮機を冷媒流路とするサイクル運転を行い、膨張機を使用すると効率が低下する運転状態においては、膨張弁とバイパス管路を冷媒流路とするサイクル運転を行うことにより、最適なサイクル状態を維持することができ、運転全体におけるシステムＣＯＰを向上させることができる。 As described above, the first switching means and the second switching means are provided, and the switching operation is controlled by the control means, so that the expander and the expansion valve are appropriately switched according to the operation state of the cycle. Can be used. That is, in the operating state where the operation efficiency can be improved by collecting the expansion power, the cycle operation is performed using the expander and the sub-compressor as the refrigerant flow path, and in the operating state where the efficiency decreases when the expander is used, By performing the cycle operation using the expansion valve and the bypass pipe as the refrigerant flow path, the optimum cycle state can be maintained, and the system COP in the entire operation can be improved.
この場合において、ヒートポンプ冷媒回路は、冷媒とブラインとの熱交換を行うブライン冷媒熱交換器を備え、ブライン冷媒熱交換器と暖房負荷との間でブラインを循環させる暖房回路を備えるようにしてもよい。このように給湯機能に加えて、例えば、床暖房、パネルヒータなどの暖房機能を備えたヒートポンプ給湯機においても、第１と第２の切替手段の切替動作を制御することにより、最適なサイクル状態を維持することができ、運転全体におけるシステムＣＯＰを向上させることができる。 In this case, the heat pump refrigerant circuit includes a brine refrigerant heat exchanger that performs heat exchange between the refrigerant and the brine, and includes a heating circuit that circulates the brine between the brine refrigerant heat exchanger and the heating load. Good. Thus, in addition to the hot water supply function, for example, even in a heat pump water heater having a heating function such as floor heating, panel heater, etc., by controlling the switching operation of the first and second switching means, the optimum cycle state Can be maintained, and the system COP in the entire operation can be improved.
このような構成を有するヒートポンプ給湯装置において、ヒートポンプ冷媒回路の冷媒としては、二酸化炭素冷媒を用いることが好ましい。これによれば、システムＣＯＰを最も効率よく向上させることができる。 In the heat pump water heater having such a configuration, carbon dioxide refrigerant is preferably used as the refrigerant of the heat pump refrigerant circuit. According to this, the system COP can be improved most efficiently.
本発明によれば、冷媒の膨張過程における運動エネルギーを回収する膨張機を備えたヒートポンプ給湯装置において、冷凍サイクルの運転状態の変化に伴う運転効率の低下を抑制することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the heat pump hot water supply apparatus provided with the expander which collects the kinetic energy in the expansion process of a refrigerant | coolant, the fall of the operating efficiency accompanying the change of the driving | running state of a refrigerating cycle can be suppressed.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図１は、本発明を適用してなるヒートポンプ給湯装置の系統構成図である。図２は、本発明を適用してなるヒートポンプ給湯装置に用いる膨張／副圧縮機の断面を示す構成図である。 FIG. 1 is a system configuration diagram of a heat pump water heater to which the present invention is applied. FIG. 2 is a configuration diagram showing a cross section of an expansion / subcompressor used in a heat pump water heater to which the present invention is applied.
本実施の形態のヒートポンプ給湯装置は、ヒートポンプ冷媒回路、給湯経路、タンク貯湯回路、運転制御手段を備えて構成される。ヒートポンプ冷媒回路、給湯経路、タンク貯湯回路の各構成部品は同一箱体内に一体的に収納されている。なお、給湯経路の使用端末は、例えば、ヒートポンプ給湯装置と別個に準備し、使用する現地において、給水金具などに接続して使用される。 The heat pump hot water supply apparatus of the present embodiment includes a heat pump refrigerant circuit, a hot water supply path, a tank hot water storage circuit, and operation control means. Each component of the heat pump refrigerant circuit, the hot water supply path, and the tank hot water storage circuit is integrally stored in the same box. In addition, the use terminal of the hot water supply path is prepared separately from, for example, a heat pump hot water supply apparatus, and is used by being connected to a water supply fitting or the like at a site where the hot water supply path is used.
ヒートポンプ冷媒回路は、給湯の加熱源としての働きをするもので、圧縮機１、水冷媒熱交換器２、電動膨張弁３、蒸発器４のそれぞれを冷媒配管で順次接続した閉サイクルで構成され、この中に二酸化炭素冷媒（以下、冷媒と略す。）が封入されている。
The heat pump refrigerant circuit serves as a heating source for hot water supply, and includes a closed cycle in which the
水冷媒熱交換器２は、冷媒伝熱管２ａと水伝熱管２ｂとを備え、冷媒伝熱管２ａと水伝熱管２ｂとの間で熱交換するようになっている。蒸発器４は、空気と冷媒を熱交換するもので、蒸発器４の近傍には、蒸発器４に空気を送風するファン１７が設けられている。
The water-
電動膨張弁３には、膨張機１２が並列に接続されており、切替弁１０の開閉により、電動膨張弁３と膨張機１２のいずれか一方に冷媒流路が切り替えられるようになっている。また蒸発器４と圧縮機１との間の冷媒流路には、副圧縮機１３が設けられている。この副圧縮機１３には、バイパス管１４が並列に接続されており、切替弁１５、１６の開閉により、副圧縮機１３とバイパス管１４のいずれか一方に冷媒流路が切り替えられるようになっている。
An
給湯経路は、給水管５、水伝熱管２ｂ、給湯管６を接続して構成される。給水源から供給された水は、給水管５を通じて水伝熱管２ｂに導かれて加熱され、ここで加熱された温水は、給湯管６を通じて使用端末より出湯されるようになっている。また水伝熱管２ｂにより加熱された高温の湯水は、貯湯タンク７に蓄えられるようになっている。この貯湯タンク７は、底部が給水管５に連通され、頂部が給湯管６に連通されている。
The hot water supply path is configured by connecting the
タンク貯湯回路は、貯湯タンク７内の温水を追焚きするときに使用され、貯湯タンク７の底部、循環ポンプ８、水伝熱管２ｂ、混合弁９、貯湯タンク７の頂部のそれぞれを温水配管で順次接続して構成される。すなわち、貯湯タンク７の底部から循環ポンプ８で抜き出された水は、水伝熱管２ｂに導かれて加熱され、ここで加熱された湯水は混合弁９を経由して貯湯タンク７の頂部から供給されるようになっている。なお、貯湯タンク７に蓄えられた湯水は、底部から給水が注入されることにより、水圧上昇に伴い頂部から出湯した湯水は、混合弁９、給湯管６を経由して所定温度に調整された後、使用端末から出湯される。
The tank hot water storage circuit is used when tracking hot water in the hot
運転制御手段は、例えば、制御装置１１と外部の給湯用リモコンにより構成される。給湯用リモコンの操作設定により、ヒートポンプ冷媒回路の運転、停止並びに圧縮機１の回転速度制御を行うとともに、切替弁１０，１５，１６、その他の弁の開閉を制御することにより、給湯経路による直接給湯運転、タンク貯湯回路によるタンク貯湯運転、貯湯タンクに蓄えられた湯水を出湯するタンク給湯運転等を円滑に行うものである。
The operation control means includes, for example, a
次に、膨張／副圧縮機２１の構成について説明する。
Next, the configuration of the expansion /
本実施の形態の膨張／副圧縮機２１は、同一の密閉容器３１内にスクロール型の膨張機１２とローリングピストン型の副圧縮機１３を収納し、この膨張機１２と副圧縮機１３は、それぞれの駆動軸（主軸）を同軸に結合することで、膨張機１にて冷媒が膨張する際に発生する動力を回収して副圧縮機１３を駆動させ、圧縮仕事を行うようになっている。
The expansion /
膨張機１２は、それぞれ円板状の鏡板に渦巻状のラップを直立させて形成される固定スクロール３２と旋回スクロール３３とを互いに対向する姿勢で配置し、固定スクロール３２と旋回スクロール３３を噛み合わせることで、これらの間に複数の作動室を形成する。固定スクロール３２は密閉容器３１に固定されたフレーム３４に固定されている。
The
固定スクロール３２の中央部に開口する吸入口には流入パイプ３５が穿設される一方、固定スクロール３２の外周部に開口する吐出口には流出パイプ３６が穿設されている。旋回スクロール３３には、ラップと反対側の面の中央に軸受３７が形成されている。この軸受３７には中心軸Ｌ１を中心として回転可能なクランクシャフト３８の一端に連結された膨張機偏心軸３８ａが摺動自在に嵌め込まれ、旋回スクロール３３は膨張機偏心軸３８ａに支持されている。これにより、旋回スクロール３３は、固定スクロール３２に対し、中心軸Ｌ１を中心として所定の偏心量にて公転運転し、作動室を外周側に移動させるとともに作動室の容積を拡大させる。
An
副圧縮機１３は、円筒内周面を有するシリンダ４１と、シリンダ４１の両端面を閉塞する端板４２及びフレーム３４と、シリンダ４１内で偏心回転運動を行う円筒状のローラ４３と、このローラ４３の外周面にばね（図示せず）で押し付けられながら接する板状のベーン（図示せず）とから構成される。またローラ４３にはクランクシャフト３８の他端に連結された圧縮機偏心軸３８ｂが回転自在に嵌め込まれている。シリンダ４１には冷媒の吸込口と吐出口が形成されており、吸込口には吸込パイプ４４が穿設される一方、吐出口には吐出弁４５及び吐出パイプ４６が接続されている。
The sub-compressor 13 includes a
このように、膨張機１２の旋回スクロール３３と副圧縮機１３のローラ４３は、膨張機偏心軸３８ａ，圧縮機偏心軸３８ｂ及びクランクシャフト３８により所定の回転角度で連結されている。
As described above, the orbiting
次に、上記のように構成される膨張／副圧縮機２１の動作について説明する。
Next, the operation of the expansion /
先ず、膨張機１２の流入パイプ３５を通じて最内周に形成される作動室に高圧の冷媒が流入すると、冷媒の減圧膨張により旋回スクロール３３が中心軸Ｌ１を中心として公転運動する。この旋回スクロール３３の公転運動により作動室が容積を拡大しながら外周側に移動し、流出パイプ３６から冷媒が減圧された状態で流出する。また旋回スクロール３３が公転運動すると、膨張機偏心軸３８ａを一端とするクランクシャフト３８が回転する。
First, when a high-pressure refrigerant flows into the working chamber formed in the innermost circumference through the
一方、クランクシャフト３８の他端側に配置される副圧縮機１３においては、膨張機１２によるクランクシャフト３８の回転に伴い、副圧縮機偏心軸３８ｂを介してローラ４３がシリンダ４１内で偏心回転する。ローラ４３の偏心回転に伴い、ベーンは、ばねによりローラ４３の外周面に押し付けられながら、溝内を往復運動する。
On the other hand, in the
シリンダ４１内でベーンにより区画された二つの作動室は、ローラ４３の偏心回転に伴い容積が変化する。吸込パイプ４４を通じて低圧の冷媒が一方の作動室内に吸い込まれると、その作動室は容積の減少に伴い、所定の圧力まで圧縮される。圧縮された冷媒は、吐出弁４５を通じて吐出パイプ４６より外部へ吐き出される。
The volumes of the two working chambers partitioned by the vanes in the
本実施の形態の膨張／副圧縮機２１では、膨張機１２をスクロール型とし、副圧縮機１３をロータリー型とする構成となっているが、この例に限定されるものではなく、膨張機１２で発生した動力を副圧縮機１３に伝達し、副圧縮機１３を駆動させる効果が得られるものであれば、膨張機１２、副圧縮機１３とも、スクロール型、ロータリー型の別を問わない。また圧縮機１と副圧縮機１３間にモータを備え、膨張機１２の起動、制動のトルクを補助するようにしてもよい。
In the expansion /
次に、膨張／副圧縮機２１を用いたヒートポンプ給湯装置のサイクル系統について、その動作を説明する。
Next, the operation of the cycle system of the heat pump water heater using the expansion /
本実施の形態のヒートポンプ給湯装置は、電動膨張弁３による通常のサイクルと膨張機１２による膨張動力回収サイクルとの切り替えが可能になっている。この切り替えは、例えば、制御装置１１による切替弁の開閉と電動膨張弁の弁開度を制御することにより行われる。
The heat pump hot water supply apparatus of the present embodiment can be switched between a normal cycle by the
通常のサイクルにおいては、切替弁１０，１５が閉、切替弁１６が開となるように設定される。この場合、圧縮機１を通過した高温高圧の冷媒は冷媒伝熱管２ａに流入し、水と熱交換を行う。水伝熱管２ｂを流れて加熱された水は湯水となり貯湯タンク７に蓄えられるか、ユーザーが設定した給湯温度として家庭内で使用される。水と熱交換し低温となった冷媒は電動膨張弁３により減圧され、低温低圧の冷媒となる。続いて、冷媒は、蒸発器４に入り、ファン１７により空気と熱交換されて蒸発した後、バイパス管１４を通って圧縮機１に戻される。なお、本サイクルにおいては、膨張機１２、副圧縮機１３は作動していない。
In a normal cycle, the switching
一方、膨張機１２による膨張動力回収サイクルにおいては、切替弁１６が閉、切替弁１０，１５が開となるように設定される。この場合、圧縮機１を通過した高温高圧の冷媒は冷媒伝熱管２ａに流入し、水と熱交換して低温となった後、切替弁１０を通り、膨張機１２に導かれて減圧される。この際、電動膨張弁３は全閉状態としておくことにより、膨張機１２に冷媒を流すことができるが、別途閉止用の切替弁を設置してもよい。
On the other hand, in the expansion power recovery cycle by the
膨張機１２に流入して減圧された冷媒は、蒸発器４において空気の熱を吸熱した後、切替弁１５を通り、膨張機１２と直接連結された副圧縮機１３に入る。そして、膨張動力の回収エネルギーにより、副圧縮機１３において予圧縮された冷媒は、圧縮機１に戻される。このように、膨張動力を回収し、そのエネルギーにより副圧縮機１３において予圧縮を行うことにより、圧縮機１による仕事量を低減することができ、電気入力が減少しサイクルの効率を向上させることができる。
The refrigerant flowing into the
上記の切替弁の開閉によるサイクルの切替えは、ヒートポンプ冷媒回路の運転を制御する制御装置１１にあらかじめ設定されており、サイクルの運転状況の変化に応じて、制御装置１１から切替弁１０，１５，１６に弁開閉の信号を出力し、通常サイクルによる運転と膨張動力回収サイクルによる運転とのいずれかに自動的に切り替えられるようになっている。これにより、常に高い効率の運転を行うことができる。
The switching of the cycle by opening and closing the switching valve is set in advance in the
例えば、サイクルに組み込まれた膨張機１２がタンク貯湯運転時に高効率となるように設計されていた場合、貯湯タンク７への湯水の貯湯運転時は、切替弁１０を開、電動膨張弁３を全閉、切替弁１５を開、切替弁１６を閉とすることにより、膨張機１２による動力回収サイクルの運転を行う。
For example, when the
膨張機１２は、容積形であり、動力回収の効率を維持できる範囲が限定されているため、例えば、高温型に設計された膨張機を用いる場合、給湯時における出湯温度（例えば４２℃）についても、高い運転効率を維持することは困難である。このため、給湯要求があり４２℃の温水をサイクルで直接製造し、給湯経路により出湯する場合は、切替弁１０，１５を閉、切替弁１６を開として、電動膨張弁３による通常のサイクル運転を行う。これによれば、通常のサイクル運転時は、従来の効率を維持できる一方、貯湯タンク７へ湯水（例えば９０℃）を貯湯するときは、膨張機１２による動力回収運転を行うことにより、運転効率を向上させることができるため、システム全体としての高い運転効率を得ることができる。
Since the
次に、本発明を適用してなるヒートポンプ給湯装置の他の実施の形態について説明する。図３は、図１のヒートポンプ給湯装置に暖房機能を付加した多機能システムを示す系統構成図である。以下、図１で説明した構成と同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。 Next, another embodiment of a heat pump hot water supply apparatus to which the present invention is applied will be described. FIG. 3 is a system configuration diagram showing a multifunctional system in which a heating function is added to the heat pump water heater of FIG. Hereinafter, the same components as those described in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
このヒートポンプ給湯装置は、ヒートポンプ冷媒回路、給湯経路、タンク貯湯回路、運転制御手段に加えて、暖房回路が設けられている。 This heat pump hot water supply apparatus is provided with a heating circuit in addition to the heat pump refrigerant circuit, the hot water supply path, the tank hot water storage circuit, and the operation control means.
ヒートポンプ冷媒回路には、水冷媒熱交換器２とブライン冷媒熱交換器５１が並列に配置されている。このブライン冷媒熱交換器５１は、冷媒伝熱管５１ａとブライン伝熱管５１ｂとを備え、冷媒伝熱管５１ａとブライン伝熱管５１ｂとの間で熱交換するようになっている。
In the heat pump refrigerant circuit, the water
暖房回路は、ブライン伝熱管５１ｂ、床暖房やパネルヒータなどの暖房負荷（図示せず）、ブラインタンク５６、循環ポンプ５５をそれぞれ配管で順次接続した閉サイクルで構成され、この中にブラインが封入されている。
The heating circuit is composed of a closed cycle in which a brine heat transfer pipe 51b, a heating load (not shown) such as floor heating and a panel heater, a
ここで、ブライン冷媒熱交換器５１と水冷媒熱交換器２は、切替弁５２、５３が開閉することにより、いずれかに冷媒流路が切り替えられる。すなわち、ブライン冷媒熱交換器５１を用いることにより暖房運転を行うことができ、水冷媒熱交換器２を用いることにより給湯運転を行うようになっている。またブライン冷媒熱交換器５１は、水冷媒熱交換器２と同様、通常サイクルによる運転と膨張機による運転のいずれかに切り替えられるようになっている。
Here, the refrigerant flow path of the brine
次に、このヒートポンプ給湯装置のサイクル系統について、給湯運転と暖房運転の動作を説明する。 Next, the hot water supply operation and the heating operation will be described for the cycle system of the heat pump water heater.
給湯運転に係る通常サイクルにおいては、切替弁１０，１５，５３は閉、切替弁１６，５２は開となるように設定される。この場合、圧縮機１を通過した高温高圧の冷媒は切替弁５２を通り、冷媒伝熱管２ａに流入し、水と熱交換を行う。水伝熱管２ｂを流れて加熱された水は湯水となり貯湯タンク７に蓄えられるか、ユーザーが設定した給湯温度として家庭内で使用される。一方、水と熱交換し低温となった冷媒は、電動膨張弁３により減圧された後、蒸発器４において空気の熱を吸熱し、圧縮機１に戻される。
In the normal cycle related to the hot water supply operation, the switching
次に、給湯運転に係る膨張機１２の膨張動力回収サイクルにおいては、切替弁１６，５３は閉、切替弁１０，１５，５２は開となるように設定されている。この場合、圧縮機１を通過した高温高圧の冷媒は、切替弁５２を通り、冷媒伝熱管２ａに流入し、水と熱交換を行う。水と熱交換して低温となった冷媒は切替弁１０を通り、膨張機１２に入り、膨張に係わる運動エネルギーを回収しながら、減圧される。この際、電動膨張弁３は全閉状態となっている。膨張機１２に流入して減圧された冷媒は、蒸発器４において空気の熱を吸熱し、切替弁１５を通り、膨張機１２と直接連結された副圧縮機１３に入る。そして、膨張動力の回収エネルギーにより、副圧縮機１３において予圧縮された冷媒は、圧縮機１に戻される。このように、膨張動力を回収し、副圧縮機１３において冷媒の予圧縮を行うことにより、圧縮機１の仕事量を低減することができ、電気入力が低減しサイクルの効率を向上させることができる。
Next, in the expansion power recovery cycle of the
次に、暖房運転に係る通常サイクルにおいては、切替弁１０，１５，５２は閉、切替弁１６，５３は開となるように設定される。この場合、圧縮機１を通過した高温高圧の冷媒は切替弁５３を通り、冷媒伝熱管５１ａに流入し、ブラインと熱交換を行う。そして、ブラインと熱交換し低温となった冷媒は、電動膨張弁５４により減圧された後、蒸発器４において空気の熱を吸熱し、切替弁１６を介して圧縮機１に戻される。一方、ブライン伝熱管５１ｂにおいて冷媒と熱交換されたブラインは、高温となり、このブライン伝熱管５１ｂと床暖房パネル、パネルヒータなどの暖房負荷との間をブライン循環ポンプ５５によりブラインタンク５６を介して循環する。
Next, in the normal cycle related to the heating operation, the switching
ここで、暖房運転においても、切替弁１０，１５，１６を備えることにより、運転状態において通常サイクルと膨張機１２による膨張動力回収サイクルとを切り替えることが可能となる。すなわち、切替弁１６，５２は閉、切替弁１０，１５，５３は開となるように設定する。これにより、圧縮機１で圧縮された冷媒は、冷媒伝熱管５１ａにおいて、ブラインと熱交換し低温となった後、膨張機１２において減圧されるとともに、膨張時のエネルギーを回収する。そして、膨張機１２において減圧された冷媒は蒸発器４で空気と熱交換して吸熱し、次いで、切替弁１５を介して副圧縮機１３に入り、膨張動力の回収によるエネルギーにより予圧縮されて圧縮機１に戻される。
Here, also in the heating operation, by providing the switching
このように、副圧縮機１３において予圧縮を行うことにより、圧縮機１の入力を低減することができ、効率を向上させることができる。図２に示す回路においては、所定の切替弁を備え、膨張／副圧縮機２１を備えたサイクル構成とすることにより、運転状態に応じて、給湯運転、暖房運転とも電動膨張弁３，５４による通常サイクルと膨張機１２による膨張動力回収サイクルを切替えることが可能となる。
Thus, by performing precompression in the
例えば、高温の給湯運転やタンク貯湯運転などを行う場合、膨張機１２を用いた膨張動力回収サイクルとし、給湯温度が比較的低温（例えば４２℃）の給湯運転においては、電動膨張弁による通常サイクルとすることにより、高温出湯に適応させて設計された膨張機１２の効率を最大限に活用するとともに、膨張機１２の効率が悪いサイクル状態においては、通常サイクルとし効率を維持することができる。また暖房運転時において、例えば、床暖房などの立ち上がり時の過渡期には、電動膨張弁を用いた通常サイクルとし、安定時には膨張機を用いた膨張動力回収サイクルとするなどの切り替えを適宜行うことにより、システムを最適に運用することができ、システムの効率向上、省エネルギーを図ることができる。
For example, when a hot water supply operation or a tank hot water storage operation is performed, an expansion power recovery cycle using the
なお、図１，図３の実施の形態において、切替弁は２方弁としているが、３方弁等を用いることもできる。また暖房機能を備えた多機能の給湯装置においては、切替弁の配置により、給湯運転、暖房運転のどちらかを、通常サイクル、膨張動力回収サイクルに切替可能とするサイクル構成も可能である。 1 and 3, the switching valve is a two-way valve, but a three-way valve or the like can also be used. Moreover, in the multifunctional hot water supply apparatus provided with the heating function, the cycle structure which can switch either hot water supply operation or heating operation to a normal cycle and an expansion power recovery cycle by arrangement | positioning of a switching valve is also possible.
以上述べたように、本発明によれば、膨張機と電動膨張弁を並列に備えたサイクル構成とすることにより、膨張機による膨張動力回収によりＣＯＰが向上する運転においては、膨張機及び副圧縮機を用いた膨張動力回収サイクルとし、膨張機の運転設計点から外れたサイクル運転時は、従来の電動膨張弁サイクルとすることにより、運転範囲の限られた膨張機においても、システム全体の効率を向上させることができ、省エネルギー、環境にやさしいヒートポンプ給湯機、ヒートポンプ多機能システムとすることができる。 As described above, according to the present invention, in the operation in which the COP is improved by recovering the expansion power by the expander by adopting the cycle configuration including the expander and the electric expansion valve in parallel, the expander and the sub compression The expansion power recovery cycle using a compressor, and when the cycle operation deviates from the operation design point of the expander, the efficiency of the entire system can be achieved even in an expander with a limited operating range by using a conventional electric expansion valve cycle. The heat pump water heater and the heat pump multi-function system can be made energy saving and environmentally friendly.
１ 圧縮機
２ 水冷媒熱交換器
３ 電動膨張弁
４ 蒸発器
５ 給水管
６ 給湯管
７ 貯湯タンク
８ 循環ポンプ
１０，１５，１６，５２，５３ 切替弁
１１ 制御装置
DESCRIPTION OF
Claims (3)
給水源から供給された水を給水管を介して前記水冷媒熱交換器に導いて加熱し、この加熱された温水を給湯管を介して使用端末へ直接給湯する給湯回路と、
前記水冷媒熱交換器により加熱して貯湯タンクに蓄えられた温水を使用端末へ給湯するタンク給湯回路とを備えてなるヒートポンプ給湯装置において、
前記ヒートポンプ冷媒回路は、前記膨張弁と並列に配置される膨張機と、前記冷媒の流路を前記膨張弁又は前記膨張機のいずれかに切り替える第１の切替手段と、前記蒸発器と前記圧縮機との間に配置され、前記膨張機に流入する冷媒が膨張する際に生じる駆動力を回収して冷媒を圧縮する副圧縮機と、前記冷媒の流路を前記副圧縮機又はこの副圧縮機をバイパスさせるバイパス管路のいずれかに切り替える第２の切替手段と、前記第１の切替手段と前記第２の切替手段の切替動作を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記給湯回路で加熱された温水を直接給湯するときに、前記第１と第２の切替手段を前記膨張弁と前記バイパス管路にそれぞれ切り替え、前記水冷媒熱交換器で加熱された温水を前記貯湯タンクに供給するときに、前記第１と第２の切替手段を前記膨張機と前記副圧縮機にそれぞれ切り替えることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。 Heat pump refrigerant that forms a closed circuit by sequentially connecting a compressor, a water refrigerant heat exchanger that exchanges heat between supplied water and refrigerant, an expansion valve, and an evaporator that exchanges heat between air and refrigerant through refrigerant piping Circuit,
A hot water supply circuit that heats water supplied from a water supply source through the water supply pipe to the water refrigerant heat exchanger and heats the heated hot water directly to the terminal of use through the hot water supply pipe;
In a heat pump hot water supply apparatus comprising a tank hot water supply circuit for supplying hot water to a use terminal heated by the water refrigerant heat exchanger and stored in a hot water storage tank,
The heat pump refrigerant circuit includes an expander arranged in parallel with the expansion valve, first switching means for switching a flow path of the refrigerant to either the expansion valve or the expander, the evaporator, and the compression A sub-compressor that is disposed between the compressor and collects the driving force generated when the refrigerant flowing into the expander expands to compress the refrigerant, and the refrigerant flow path is connected to the sub-compressor or the sub-compressor. A second switching means for switching to one of the bypass pipelines for bypassing the machine, and a control means for controlling the switching operation of the first switching means and the second switching means ,
When the hot water heated by the hot water supply circuit is directly supplied, the control means switches the first and second switching means to the expansion valve and the bypass pipe, respectively, and heats them with the water refrigerant heat exchanger. When the heated water is supplied to the hot water storage tank, the first and second switching means are switched to the expander and the sub compressor, respectively .
前記ブライン冷媒熱交換器と暖房負荷との間でブラインを循環させる暖房回路を備えてなる請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。 The heat pump refrigerant circuit includes a brine refrigerant heat exchanger that performs heat exchange between the refrigerant and the brine,
The heat pump hot-water supply apparatus of Claim 1 provided with the heating circuit which circulates a brine between the said brine refrigerant | coolant heat exchanger and heating load.
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