JP5085388B2 - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクルを用いて水を加熱し湯に変えて給湯する、ヒートポンプ式給湯装置に関する。

たとえば、［特許文献１］には、ヒートポンプユニットおよびポンプユニットを備えたヒートポンプ式給湯暖房装置が開示されている。前記ヒートポンプユニットは、圧縮機と、暖房用の第１水冷媒熱交換器および貯湯用の第２水冷媒熱交換器の並列回路と、空気熱交換器を順次環状に接続してなる冷媒回路を備えている。

上記ポンプユニットは、膨張タンクと第１水冷媒熱交換器と温水暖房装置との間で第１循環ポンプの運転で温水を循環させる第１温水循環路と、第２水冷媒熱交換器と貯湯タンクとの間で第２循環ポンプの運転で温水を循環させる第２温水循環路を有する。

上記［特許文献１］における主たる特徴は、ヒートポンプユニットの第１水冷媒熱交換器または第２水冷媒熱交換器の冷媒配管および温水管を、螺旋状に巻回して筒状に形成し、この螺旋状に巻回し筒状に形成した冷媒配管および温水管の内側空間に、圧縮機を配置することである。

このような構成であれば、水冷媒熱交換器を中空筒状に形成したうえで、別途、圧縮機を配置する場合と比較して、ヒートポンプユニット全体の容積効率の向上を得られる、と記載されている。

特開２００５−３４５００６号公報

しかしながら、その反面、［特許文献１］の技術によると、第１水冷媒熱交換器と、第２水冷媒熱交換器および圧縮機とを縦方向、すなわち上下に重ねて配置するようになっている。そのため、装置全体の高さ寸法が高くならざるを得ず、より小型化を図る必要がある。

上記［特許文献１］に限らず、従来のヒートポンプ式給湯機に用いられる圧縮機は、運転にともなって放熱するとともに、騒音が機外へ漏れ出ることは避けられない。そこで従来構造のものは、圧縮機に断熱材と防音材を巻き、断熱と防音効果を得るようにしている。また、断熱が必要な水冷媒熱交換器と高圧高温配管には、それぞれ別個に断熱が施されている。

したがって、多くの断熱材を用いなければならず部品費が嵩み、断熱施工手間がかかって工数に影響している。また、給湯機でありながら、圧縮機が必然的に放散する熱を水の加熱に役立つことができず、放熱ロスとなっている。

さらに、一般的には、装置本体内の一側部に縦長状の圧縮機を縦置きに配置し、平面視で略Ｌ字状に形成される空気熱交換器を装置本体の側部に沿って配置し、残りのスペースに横置きにした水冷媒熱交換器と送風機を配置している。水冷媒熱交換器の上部に送風機を載置する場合と、送風機の上方部位に水冷媒熱交換器を支持する場合がある。

いずれにしても、水冷媒熱交換器と送風機は上下の位置関係にあり、装置本体の高さ方向のスペースがとられてしまう。そのため、送風機ファンの直径を大きくとることができず、送風量の増大が抑制され、空気熱交換器の熱交換効率に影響がある。

本発明は上記事情にもとづきなされたものであり、その目的とするところは、装置本体の小型化を推進して配置スペースの削減が得られるうえに、圧縮機の運転にともなう騒音の外部漏れを抑制して静粛運転を可能とするとともに、給湯の熱効率向上を得られるヒートポンプ式給湯装置を提供しようとするものである。

上記目的を満足するため本発明は、圧縮機、水冷媒熱交換器、膨張装置、空気熱交換器を、順次、冷媒管を介して連通する冷凍サイクル回路と、ポンプおよび水冷媒熱交換器を水配管を介して連通する水サイクル回路とを収容配置し、冷凍サイクル回路における水冷媒熱交換器で生成される凝縮熱をもって水サイクル回路における水冷媒熱交換器に導かれる水を加熱して湯に変えるヒートポンプ式給湯装置において、水冷媒熱交換器をトラック巻きにした状態で密封構造の防音箱内に内蔵し、圧縮機を防音箱内に内蔵されるトラック巻きにした水冷媒熱交換器の内側に横置き状態で配置する。

本発明によれば、装置本体の小型化を推進できて配置スペースの削減が得られるうえに、圧縮機の運転にともなう騒音の外部漏れを防止して静粛運転を可能とし、給湯の熱効率向上を得られるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を、図面にもとづいて説明する。
ヒートポンプ式給湯機は、以下に述べるようなサイクル回路を備えている。
図１は、ヒートポンプ式給湯装置の配管系統図である。
図中１は圧縮機であって、この圧縮機１の吐出部に接続される冷媒管Ｐには、水冷媒熱交換器２と、内部熱交換器３と、膨張装置である膨張弁４と、空気熱交換器５と、前記内部熱交換器３と、前記圧縮機１の吸込み部に設けられるサクションカップ６が、順次、連通していて、これらで冷凍サイクル回路Ｒが構成される。

上記水冷媒熱交換器２は、冷媒管Ｐに導かれる冷媒と、後述する水配管Ｈに導かれる水とが、互いに熱交換できるようになっている。上記内部熱交換器３は、水冷媒熱交換器２と膨張弁４とを連通する冷媒管Ｐに導かれる冷媒と、空気熱交換器５とサクションカップ６とを連通する冷媒管Ｐに導かれる冷媒とが、互いに熱交換できるようになっている。

なお、内部熱交換器３について説明すると、圧縮機１の吐出部から水冷媒熱交換器２と、内部熱交換器３を介して膨張弁４までは、高温の高圧冷媒が導かれるところから、「高圧側冷媒管Ｐａ」と呼ばれる。

膨張弁４から空気熱交換器５と、内部熱交換器３を介して圧縮機１のサクションカップ６までは、低温の低圧冷媒が導かれるところから、「低圧側冷媒管Ｐｂ」と呼ばれる。したがって内部熱交換器３においては、高圧側冷媒管Ｐａに導かれる高圧冷媒と、低圧側冷媒管Ｐｂに導かれる低圧冷媒とが、互いに熱交換することになる。

上記冷凍サイクル回路Ｒに対し、水冷媒熱交換器２を構成する水配管Ｈにポンプ８が接続されて、水サイクル回路Ｍが構成される。前記ポンプ８に接続される水配管Ｈには配管接続口ａが設けられていて、この配管接続口ａから図示しない貯湯タンクまで水配管が延設される。

また、前記水冷媒熱交換器２に接続される水配管Ｈにも配管接続口ｂが設けられていて、この配管接続口ｂから前記貯湯タンクまで水配管が延設される。さらに、貯湯タンクには給水源と連通する給水管が接続されるとともに、厨房、浴室、洗面所等に設けられる給湯栓と連通する給湯管が接続される。

上記ヒートポンプ式給湯装置は、冷凍サイクル回路Ｒおよび水サイクル回路Ｍを備えているが、その一方で、以下に述べるようなユニット構成となっている。
すなわちヒートポンプ式給湯装置は、コンプ水熱交ユニットＹａと、空気熱交ユニットＹｂおよび、ポンプユニットＹｃとから構成される。

前記コンプ水熱交ユニットＹａは、サクションカップ６を付設した圧縮機１と、水冷媒熱交換器２と、内部熱交換器３および膨張弁４が一体に配置されて構成される。
前記空気熱交ユニットＹｂは、空気熱交換器５と、ファンモータＦＭおよびプロペラファンＦからなる送風機９が一体に配置されてなる。ポンプユニットＹｃは、ポンプ８を収容するとともに配管接続口ａ，ｂを備えている。

水熱交ユニットＹａの側端部に２個の接続バルブ１０ａ，１０ｂが設けられていて、一方の接続バルブ１０ａには膨張弁４から延設される冷媒管Ｐが接続される。この冷媒管Ｐは、接続バルブ１０ａを介して空気熱交ユニットＹｂの空気熱交換器５一端部に連通する。他方の接続バルブ１０ｂには、内部熱交換器３から延設される冷媒管Ｐが接続され、この冷媒管Ｐは空気熱交換器５他端部に連通する。

上記水熱交ユニットＹａに２個の接続バルブ１０ａ，１０ｂを備えているので、たとえばメンテナンス等、必要に応じて、水熱交ユニットＹａと空気熱交ユニットＹｂを、互いに接続バルブ１０ａ，１０ｂを介して分離自在である。

つぎに、ヒートポンプ式給湯装置の具体的な構造について説明する。
図２はヒートポンプ式給湯装置の模式的な縦断正面図、図３はヒートポンプ式給湯装置の側面図、図４は図２のＡ−Ａ線に沿う横断平面図、図５は図２のＢ−Ｂ線に沿う横断平面図である。

ヒートポンプ式給湯装置は、筐体である装置本体１１内に、上述したコンプ水熱交ユニットＹａと、空気熱交ユニットＹｂおよび、ポンプユニットＹｃが収容されてなる。
上記コンプ水熱交ユニットＹａおよびポンプユニットＹｃは、装置本体１１内の下部に互いに並んだ状態で収容される。これらコンプ水熱交ユニットＹａとポンプユニットＹｃの上部に、空気熱交ユニットＹｂが載設されている。

はじめにコンプ水熱交ユニットＹａから説明すると、装置本体１１内の底部に、装置本体１１の幅方向では一側部にわずかなスペースを残し、奥行き方向では全体を使って密封構造の防音箱１２が配置される。この防音箱１２は、所定の高さ寸法に形成されるとともに、平面視では矩形状をなす箱体である。

防音箱１２外面の全周面に断熱材１３が取着されていて、内部を断熱構造としている。防音箱１２の内部には、上記水冷媒熱交換器２と内部熱交換器３とが収容されるとともに、サクションカップ６を付設した圧縮機１および、膨張弁４が収容される。
防音箱１２が所定高さ寸法をもち、平面視で矩形状に形成されるところから、特に図５に示すように、水冷媒熱交換器２は防音箱１２の周壁に沿う状態でトラック状に巻回されてなる。

水冷媒熱交換器２は、ここでは内側パイプと外側パイプとの二重管からなっている。内側パイプと外側パイプのいずれか一方、たとえば外側パイプは上記冷凍サイクル回路Ｒを構成する冷媒管Ｐであり、他方の内側パイプは水サイクル回路Ｍを構成する水配管Ｈである。

上記水冷媒熱交換器２は、冷媒管Ｐと水配管Ｈが互いに内側と外側に密接した状態でトラック状に巻回されることで、冷媒管Ｐと水配管Ｈとが互いに熱交換できるようになっている。

さらに、水冷媒熱交換器２上に、同じトラック状に巻回された内部熱交換器３が載設される。この内部熱交換器３も内側パイプと外側パイプとが互いに密接する二重管であり、上述したように一方のパイプは高圧側冷媒管Ｐａであり、他方のパイプは低圧側冷媒管Ｐｂである。

上記内部熱交換器３もまた、高圧側冷媒管Ｐａと低圧側冷媒管Ｐｂが互いに内側と外側に密接した状態でトラック状に巻回されることで、高圧側冷媒管Ｐａと低圧側冷媒管Ｐｂとが互いに熱交換できるようになっている。

サクションカップ６を付設した圧縮機１および膨張弁４は、トラック状に巻回された上記水冷媒熱交換器２および内部熱交換器３の内側に配置されている。前記圧縮機１は、通常用いられているタイプと同様の縦型のものであり、この圧縮機１を横に寝かせて横置き状にしてある。

ここでの圧縮機１の高さ寸法は、圧縮機１を構成する密閉容器の直径寸法そのものであり、水冷媒熱交換器２と内部熱交換器３とを上下に積み重ねた高さ寸法の範囲内に充分、余裕をもって入る。しかも水冷媒熱交換器２と内部熱交換器３をトラック状に巻回しているから、これらの内側に縦長状の圧縮機１を横置きに配置するのに何らの問題もない。

そして、圧縮機１に付設されるサクションカップ６と、上記膨張弁４自体は、圧縮機１と比較すると充分に小型であるので、圧縮機１を配置した残りのスペースに、充分、余裕をもって配置できる。

上記ポンプユニットＹｃは、上述したように装置本体１１底部のほとんど大部分のスペースを使って配置されるコンプ水熱交ユニットＹａの残りのわずかなスペースに収容される。装置本体１１の側部から背部に亘って接続口固定板１５が設けられ、この接続口固定板１５に上記ポンプ８および水配管接続口ａ，ｂが取付けられる。

コンプ水熱交ユニットＹａとポンプユニットＹｃの上部に載設される空気熱交ユニットＹｂは、空気熱交換器５と送風機９とが互いに対向し一体化した状態で配置される。前記空気熱交換器５は、装置本体１１の背面壁と左右両側壁に沿って設けられていて、平面視で略Ｕ字状に形成される。

上記送風機９は、装置本体１１の前面壁に沿って取付けられるプロペラファンＦと、このプロペラファンＦを回転軸に取付けたファンモータＦＭとからなり、略Ｕ字状に形成される空気熱交換器５に囲まれる状態で配置される。

特に図示していないが、送風機９が対向する装置本体１１の前面壁には、ベルマウスが嵌め込まれた吹出し口が設けられる。空気熱交換器５が対向する装置本体１１の背面壁と左右両側壁には、開口からなる吸込み案内口が設けられる。図３には、装置本体１１の一方の側壁に設けられる吸込み案内口１６を示している。

空気熱交ユニットＹｂにおいて、空気熱交換器５と送風機９の配置に邪魔されないスペースに、制御器１７とリアクタ１８とが取付けられている。前記制御器１７には、圧縮機１やポンプ８および送風機９のファンモータＦＭ等の電動機器を制御する電気部品と回路基板等が収容される。

前記リアクタ１８も電気部品の一部を構成しているが、作用にともなって高熱を発する。制御器１７内部に取付けると他の電気部品に熱的な悪影響を及ぼすので、リアクタ１８を制御器１７外部に取出し、かつ送風機９の作用にともなって形成される送風路に配置している。

このようにして構成されるヒートポンプ式給湯装置において、制御器１７は深夜電力料金の適用開始時間に合せたタイマーを備え、冷凍サイクル回路Ｒを構成する圧縮機１に駆動開始の制御信号を送るとともに、送風機９および水サイクル回路Ｍを構成するポンプ８に駆動開始の制御信号を送る。

冷凍サイクル運転が開始され、圧縮機１で吸込んだ冷媒を圧縮する作用がなされる。圧縮され高温高圧化した冷媒ガスは図１に実線矢印に示すように導かれる。すなわち、圧縮機１から水冷媒熱交換器２に導かれて、ポンプ８の駆動により貯湯タンクから図中破線矢印に示すように導かれた水と熱交換する。

水冷媒熱交換器２において冷媒ガスは凝縮して、液冷媒に変る。このとき凝縮熱を放出し、水配管Ｈに導かれる水を加熱する。水は温度上昇して湯になり、貯湯タンクに導かれる。ポンプ８は継続して駆動され、貯湯タンク内の水を水冷媒熱交換器２に導き加熱作用が継続する。貯湯タンク内の水は徐々に温度上昇し、設定された温度の湯に変っていく。

一方、水冷媒熱交換器２で熱交換し凝縮熱を放出したあとの液冷媒は内部熱交換器３に導かれ、さらに膨張弁４で断熱膨張して低圧化する。そして、空気熱交換器５に導かれて送風機９の送風を受け熱交換して蒸発する。

蒸発冷媒は再び内部熱交換器３に導かれ、低圧側冷媒管Ｐｂを流通する低温の低圧冷媒と、高圧側冷媒管Ｐａを流通する高温の高圧冷媒とが熱交換する。したがって、蒸発冷媒は内部熱交換器３において充分な過熱度をとることができ、圧縮機１に液冷媒が戻るようなことがなく、圧縮機１の故障の原因を除去する。

以上の運転を継続すると、貯湯タンク内の湯が所定温度に到達する。これを感知した信号を制御器１７が受けると、制御器１７は圧縮機１に停止信号を送って、冷凍サイクル運転を終了する。さらに、送風機９の運転を停止するとともに、ポンプ８の運転を停止する信号を送り、給湯操作の開始を待つ。

厨房設備等に備えられる給湯栓を開放すれば、貯湯タンクから湯が供給される。貯湯タンクには、給湯量と同じ量の水が補充給水される。水は貯湯タンクの底部に導かれ、貯留されている湯を押し上げる。給湯は貯湯タンクの上端部からなされるので、給湯温度が低下することはない。

給湯量が極端に多く、補充される水が所定水位に到達すると、制御器１７はこれを感知して再び圧縮機１に駆動信号を送り冷凍サイクル運転を開始する。同時に、ポンプ８にも駆動信号を送って貯湯タンク内の温水を水冷媒熱交換器２に循環させる。冷媒が水冷媒熱交換器２で凝縮熱を放出し、温水を所定温度まで加熱する。

上述したように、冷凍サイクル回路Ｒの水冷媒熱交換器２で生成される凝縮熱で、水サイクル回路Ｍの水冷媒熱交換器２に導かれる水を加熱して湯に変えるヒートポンプ式給湯装置である。水冷媒熱交換器２をトラック巻きにした状態で密封構造の防音箱１２内に内蔵し、水冷媒熱交換器２の内側に圧縮機１を横置き状態で配置した。

したがって、縦長状の圧縮機１を備えながら、装置本体１１内のスペースを有効に使えて、装置本体１１のコンパクト化を図れる。圧縮機１は運転にともなって騒音を発するが、これを防音箱１２内に内蔵したので装置本体１１外部への騒音の漏れをほとんど完全に防止して静粛運転をなす。

上記圧縮機１は運転にともなって放熱するが、この熱は水冷媒熱交換器２の加熱に役立つ。すなわち、水サイクル回路Ｍに導かれる温水を加熱するのに、水冷媒熱交換器２における冷媒の凝縮熱に、圧縮機１の放熱量が加算されて、貯湯タンク内の温水を所定温度に上げるまでの時間の短縮化を図れる。

なお、トラック巻きにした水冷媒熱交換器２と、この水冷媒熱交換器２の内側に横置き状態で配置する圧縮機１とを内蔵する防音箱１２は、その外周面を断熱材１３で覆われている。したがって、水冷媒熱交換器２と圧縮機１を一体にして全体を断熱したことになる。

従来、熱交換器と、圧縮機と、高温の高圧側冷媒管を個別に断熱していたが、本実施の形態のようにこれらをコンパクトに一体化し、全体をまとめて断熱することにより、断熱性能の向上を得られる。
装置本体１１内の下部に、圧縮機１と、水冷媒熱交換器２およびポンプ８を配置し、これら圧縮機１、水冷媒熱交換器２、ポンプ８の上部に、空気熱交換器５と、この空気熱交換器５に送風する送風機９を配置した。

従来構造のヒートポンプ式給湯装置では、送風機の側部に圧縮機を配置し、これら送風機と圧縮機の上部もしくは下部に水冷媒熱交換器を配置していた。そのため、送風機の大きさが規制され、送風機を構成するプロペラファンの直径が大きなものを採用することができなかった。

これに対して本実施の形態のヒートポンプ式給湯装置に用いられる送風機９は、圧縮機１と水冷媒熱交換器２を収容する防音箱１２上に載置しているので、左右幅寸法と高さ寸法が空気熱交換器５の大きさのみによって規制されることになる。

換言すれば、プロペラファンＦＭの直径が、対向する空気熱交換器５の縦横寸法を越えない範囲内であればよい。従来のプロペラファンの直径がφ４２０ｍｍであるのに対し、本実施の形態ではプロペラファンの直径をφ４９０ｍｍまで拡大できた。空気熱交換器５に対する送風量の増大を得られ、空気熱交換器５の熱交換効率の向上を得られる。

従来構造の空気熱交換器は、装置本体の奥行き寸法と幅寸法をそれ以上拡大させないために、平面視でＬ字状に形成されている。これに対して本実施の形態では、装置本体１１の奥行き寸法は変えず、幅寸法を縮小したうえで、空気熱交換器５を平面視で略Ｕ字状に形成している。

さらに、従来構造では送風機と圧縮機とを横に並べて配置しているので、装置本体の幅寸法が７８０ｍｍ必要であった。これに対して本実施の形態では、装置本体１１の幅寸法を６６０ｍｍまで縮小できた。

装置本体１１のコンパクト化と、空気熱交換器５の熱交換面積を保持したうえで、送風機９による空気熱交換器５の風の分布がよくなる。空気熱交換器５に対する風量アップと、風量分布の改善により、熱交換性能の向上を得られ、結果としてヒートポンプ式給湯装置の効率改善を図れる。

圧縮機１と、水冷媒熱交換器２と、膨張弁４および内部熱交換器３を一体化して配置するコンプ水熱交ユニットＹａと、空気熱交換器および送風機９を一体化して配置する空気熱交ユニットＹｂとを備え、これらコンプ水熱交ユニットＹａと空気熱交ユニットＹｂを、互いに接続バルブ１０ａ，１０ｂを介して分離自在とした。

接続バルブ１０ａ，１０ｂを備えたことにより、圧縮機１や水冷媒熱交換器２が故障した場合に、空気熱交ユニットＹｂをコンプ水熱交ユニットＹａから切り離して修理することが可能となる。したがって、修理作業やサービス作業がし易くなり作業性の向上を図れる。

また、特に寒冷地においてヒートポンプ式給湯装置の凍結が心配な場合、空気熱交ユニットＹｂのみ室外に分離して配置し、コンプ水熱交ユニットＹａは室内に配置する。このようにして、コンプ水熱交ユニットＹａを構成する水冷媒熱交換器２に備えた水配管Ｈの凍結を防止し、信頼性を確保できる。

なお、本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。そして、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合せにより種々の発明を形成できる。

本発明における一実施の形態に係る、ヒートポンプ式給湯装置の配管系統図。 同実施の形態に係る、ヒートポンプ式給湯装置の模式的な縦断正面図。 同実施の形態に係る、ヒートポンプ式給湯装置の側面図。 同実施の形態に係る、図２のＡ−Ａ線に沿う横断平面図。 同実施の形態に係る、図２のＢ−Ｂ線に沿う横断平面図。

符号の説明

１…圧縮機、２…水冷媒熱交換器、３…内部熱交換器、４…膨張弁（膨張装置）、５…空気熱交換器、Ｐ…冷媒管、Ｒ…冷凍サイクル回路、８…ポンプ、Ｈ…水配管、Ｍ…水サイクル回路、１２…防音箱、１３…断熱材、９…送風機、Ｙａ…コンプ水熱交ユニット、Ｙｂ…空気熱交ユニット、１０ａ，１０ｂ…接続バルブ。

Claims (4)

1. 圧縮機、水冷媒熱交換器、膨張装置、空気熱交換器を、順次、冷媒管を介して連通する冷凍サイクル回路と、ポンプおよび上記水冷媒熱交換器を水配管を介して連通する水サイクル回路とを備え、
   上記冷凍サイクル回路における水冷媒熱交換器で生成される凝縮熱をもって、上記水サイクル回路における水冷媒熱交換器に導かれる水を加熱して湯に変えるヒートポンプ式給湯装置において、
   上記水冷媒熱交換器は、トラック巻きにした状態で密封構造の防音箱内に内蔵され、
   上記圧縮機は、前記防音箱内に内蔵されるトラック巻きにした水冷媒熱交換器の内側に、横置き状態で配置される
   ことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
2. 上記トラック巻きにした水冷媒熱交換器および、この水冷媒熱交換器の内側に横置き状態で配置される圧縮機を内蔵する上記防音箱は、その外周面を断熱材で覆われる
   ことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯装置。
3. 上記装置本体内の下部に、上記圧縮機と、水冷媒熱交換器およびポンプが配置され、これら圧縮機、水冷媒熱交換器、ポンプの上部に、上記空気熱交換器と、この空気熱交換器に送風する送風機が配置される
   ことを特徴とする請求項１および請求項２のいずれかに記載のヒートポンプ式給湯装置。
4. 上記圧縮機と、水冷媒熱交換器と、膨張装置を一体化して配置するコンプ水熱交ユニットと、
   上記空気熱交換器と、この空気熱交換器に送風する送風機を一体化して配置する空気熱交ユニットとを備え、
   これらコンプ水熱交ユニットと空気熱交ユニットは、互いに接続バルブを介して分離自在とした
   ことを特徴とする請求項３記載のヒートポンプ式給湯装置。

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