JP5448897B2 - 給湯器 - Google Patents
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Description
ヒートポンプ式の給湯器の効率を向上させるためには、水熱交換器での熱交換効率を向上させること、冷凍サイクル、特に、冷媒を圧縮する圧縮機の効率を向上させることが重要である。
特許文献1に示されるものは、循環している冷媒の一部を分岐し、それを全て圧縮機にインジェクションし、圧縮機から吐出される冷媒量を増加させ、水の加熱量を増加するものである。
また、圧縮機の効率を向上させるために、2段(あるいは多段)の圧縮機構を持つ圧縮機を用いることが知られている。
2段圧縮機におけるインジェクションは、たとえば、水熱交換器からの冷媒の一部を分岐させ、減圧し、2重管熱交換器の一方を通る本流の冷媒によって加温して低段側圧縮機構と高段側圧縮機構との間である中間圧力部分に行われる。
2段圧縮機には、低段側圧縮機構と高段側圧縮機構とで最適な圧縮比(それぞれの押しのけ量の比)が存在する。インジェクションを用いる場合、この圧縮比はインジェクション後の中間圧力で効率が高くなるように設計されている。
たとえば、上述の2重管熱交換器を用いてインジェクションを行う場合、水熱交換器の入口側における水温が低い状態になると、冷媒回路の出口側における冷媒温度が低下するので、2重管熱交換器に導入される冷媒の温度が低下する。このため、2重管熱交換器で加温されるインジェクション用の冷媒の温度も低下するので、その圧力が2段圧縮機における中間圧力部分の圧力よりも小さくなる。このため、インジェクションが出来なくなるので、圧縮機は純粋な2段圧縮状態となる。
これにより、2段圧縮機における低段側と高段側の圧縮比が変化し、せっかく設定した最適な圧縮比が崩れてしまい、2段圧縮機の効率が落ち、性能低下を来たすこととなる。
すなわち、本発明の一態様は、低段と高段との間にインジェクションポートを有する2段圧縮機、第一放熱器、第二放熱器、本管流量調整弁および蒸発器が冷媒配管によって順次冷媒が流れるように接続されている冷凍サイクルと、水が第二放熱器から第一放熱器を通って流れ、前記第一放熱器および前記第二放熱器を流れる前記冷媒との間で熱交換される水配管を有する水サイクルと、前記冷媒配管における前記第一放熱器および前記第二放熱器間の分岐点と前記本管流量調整弁および前記蒸発器間の合流点を接続する分岐配管と、該分岐配管から前記インジェクションポートに冷媒を供給するインジェクション配管とを有するインジェクション回路と、前記分岐配管へ選択的に前記冷媒を流す第一の弁部材と、前記第二放熱器と前記本管流量調整弁との間から分岐され、前記分岐配管における前記インジェクション配管の上流側へ向かってのみ前記冷媒を供給できる第一の一方向配管と、該第一の一方向配管へ選択的に前記冷媒を流す第二の弁部材と、が備えられている給湯器である。
このとき、インジェクション回路によって冷媒の一部は、第一放熱器および第二放熱器間の分岐点から分岐され、本管流量調整弁および蒸発器間の合流点で合流するとともにインジェクションポートに冷媒が供給される。
したがって、インジェクションを行うことができるので、圧縮機中間圧をある程度調整することができ、入水温度が低い条件での2段圧縮機の効率低下を回避することができる。第二放熱器に導入される水の温度が低下しても、著しい圧縮機性能の低下を抑制でき、広範囲の条件に亘って効率の良い運転を行うことができる。
なお、第一放熱器および第二放熱器のサイズは、第一放熱器の冷媒出口温度を何度となるように設定するかで決定されるのが好ましい。
一方、分岐配管を通って合流する冷媒は冷却されるので、第二放熱管を通る冷媒との温度差を小さくすることができる。
また、分岐配管に分岐流量調整弁が設置されているので、本管流量調整弁および分岐流量調整弁の開度を調節することによって分岐配管に流れる冷媒量を調節することができる。
たとえば、第二放熱器に導入される水の温度が低い状態である場合には、第一の弁部材を分岐配管に冷媒が流されるように動作させ、分岐配管に比較的高温の冷媒を供給する。これにより、インジェクションされる冷媒の温度低下が抑制されるので、その圧力が2段圧縮機における中間圧力部分の圧力よりも小さくなることを防止できる。このようにインジェクションを行うことができるので、圧縮機中間圧をある程度調整することができ、入水温度が低い条件での2段圧縮機の効率低下を回避することができる。
このとき、第一の一方向配管は、インジェクション配管の上流側へ向かってのみ冷媒を供給できるものであるので、分岐配管に供給された冷媒が流れ込むことはない。
このように、第二放熱器に導入される水の温度が低下してもあるいは上昇しても、著しい圧縮機性能の低下あるいは冷凍サイクルの性能低下を抑制でき、広範囲の条件に亘って効率の良い運転を行うことができる。
また、第一の弁部材は、分岐配管における第一の一方向配管の上流側に設置された分岐配管の開閉を行う電磁弁等の開閉弁であってもよい。第二の弁部材は、第一の一方向配管に設置された第一の一方向配管の開閉を行う電磁弁等の開閉弁であってもよい。
第一放熱器を通る冷媒は、第二放熱器で昇温された水と熱交換するので、第二放熱器に導入される水の温度が低い状態であっても第一放熱器の出口部の冷媒温度は比較的高くなる。これにより、インジェクションされる冷媒の温度低下が抑制されるので、その圧力が2段圧縮機における中間圧力部分の圧力よりも小さくなることを防止できる。
したがって、インジェクションを行うことができるので、圧縮機中間圧をある程度調整することができ、入水温度が低い条件での2段圧縮機の効率低下を回避することができる。第二放熱器に導入される水の温度が低下しても、著しい圧縮機性能の低下を抑制でき、広範囲の条件に亘って効率の良い運転を行うことができる。
たとえば、第二放熱器に導入される水の温度が低い状態である場合には、第三の弁部材を分岐配管に冷媒が流されるように動作させ、分岐配管に比較的高温の冷媒を供給する。これにより、インジェクションされる冷媒の温度低下が抑制されるので、その圧力が2段圧縮機における中間圧力部分の圧力よりも小さくなることを防止できる。このようにインジェクションを行うことができるので、圧縮機中間圧をある程度調整することができ、入水温度が低い条件での2段圧縮機の効率低下を回避することができる。
このとき、第二の一方向配管は、インジェクション配管の上流側へ向かってのみ冷媒を供給できるものであるので、分岐配管に供給された冷媒が流れ込むことはない。
このように、第二放熱器に導入される水の温度が低下してもあるいは上昇しても、著しい圧縮機性能の低下あるいは冷凍サイクルの性能低下を抑制でき、広範囲の条件に亘って効率の良い運転を行うことができる。
また、第三の弁部材は、分岐配管における第二の一方向配管の上流側に設置された分岐配管の開閉を行う電磁弁等の開閉弁であってもよい。第四の弁部材は、第二の一方向配管に設置された第一の一方向配管の開閉を行う電磁弁等の開閉弁であってもよい。
[第一実施形態]
以下、本発明の第一実施形態にかかるヒートポンプ式の給湯器1について、図1を参照して説明する。
図1は、第一実施形態にかかる給湯器1の回路構成を示すブロック図である。
冷凍サイクル3には、冷媒を圧縮して高温・高圧の冷媒とする2段圧縮機7と、2段圧縮機7からの高温・高圧の冷媒を冷却する第一ガスクーラ(第一放熱器)9および第二ガスクーラ(第二放熱器)11と、第二ガスクーラ11からの冷却された冷媒を絞って減圧する第一流量調整弁(本管流量調整弁)13と、減圧された冷媒を冷却しガス化する空気熱交換器(蒸発器)15と、気液分離を行いガス状の冷媒を2段圧縮機7へ供給するアキュムレータ17と、これら2段圧縮機、第一ガスクーラ9、第二ガスクーラ11、第一流量調整弁13、空気熱交換器15およびアキュムレータ17をこの順に接続する冷媒配管19と、が備えられている。冷媒としては二酸化炭素(CO2)を用いている。
2段圧縮機7の中間圧力部分には、循環している冷媒の一部がインジェクションされるインジェクションポートPが備えられている。インジェクションは、中間圧力部分の温度を低下させるとともに冷媒量を増加させ、2段圧縮機7から吐出される冷媒量を増加させるものである。
蒸発器15を通る冷媒は、図示省略の蒸発器用ファンにより送風される空気と熱交換され、空気から吸熱して蒸発ガス化されるようになっている。
第二流量調整弁31は、分岐配管23を通る冷媒を絞って減圧する機能を有する。また、第一流量調整弁13および第二流量調整弁31の開度を調整することによって第二ガスクーラ11を通る冷媒量と分岐配管23を通る冷媒量の比率を調整できる。
給水ポンプ35の作動によって蓄熱タンク33の水は第二ガスクーラ11および第一ガスクーラ9の順に通り、第一ガスクーラ9および第二ガスクーラ11において第一ガスクーラ9および第二ガスクーラ11の順に流れる冷媒と常に対向流となるようにされている。
冷凍サイクル3では、2段圧縮機7で圧縮されて高温・高圧とされた超臨界状態の冷媒は、冷媒配管19を通って第一ガスクーラ9および第二ガスクーラ11を流れる。一方、水サイクル5では、給水ポンプ35の作動によって蓄熱タンク33内の水が水配管37を通って第二ガスクーラ11および第一ガスクーラ9の順に流れる。この間に水配管37を流れる水は、冷媒配管19を流れる高温・高圧の冷媒と熱交換されて加温され、蓄熱タンク33に戻される。蓄熱タンク33内に貯留された加温された水(温湯)は、別途必要とされる場所に送られ、利用に供される。なお、第一ガスクーラ9を出た水を蓄熱タンク33に戻さずに直接必要とされる場所に供給するようにしてもよい。
そして、分岐配管23を通る冷媒の一部は、分岐配管23の2重管熱交換器17の上流側から分岐したインジェクション配管29に導入される。インジェクション配管29に分岐された冷媒は、インジェクション膨張弁27によって膨張され、2重管熱交換器25の他方管内部を通る際、一方管内部を通る冷媒によって加温され、インジェクションポートPに供給される。
また、分岐配管23に第二流量調整弁31が設置されているので、第一流量調整弁13および第二流量調整弁31の開度を調節することによって分岐配管23に流れる冷媒量を調節することができる。
なお、第一ガスクーラ9および第二ガスクーラ11のサイズは、冷媒の第一ガスクーラ9の出口温度を何度となるように設定するかで決定されるのが好ましい。
したがって、インジェクションが確実に行なわれることができるので、2段圧縮機7の中間圧をある程度調整することができ、入水温度が低い条件での2段圧縮機7の効率低下を回避することができる。第二ガスクーラ11に導入される水の温度が低下しても、著しい2段圧縮機7の性能低下を抑制でき、広範囲の条件に亘って効率の良い運転を行うことができる。
次に、本発明の第二実施形態にかかる給湯器1について、図2を用いて説明する。本実施形態にかかる給湯器1は、インジェクション回路21の構成が第一実施形態のものと異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態のものと同じ部分については重複した説明を省略する。
なお、第一実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。
本実施形態では、分岐点Aに分岐三方弁(第一の弁部材、第一の三方弁)39が設置されている。分岐三方弁39は、冷媒配管19と接続される2ポートと、分岐配管23と接続される1ポートを有している。分岐三方弁39は、ポートの切り替えによって冷媒配管19のみを連通させることならびに冷媒配管19および分岐配管23ともに連通させることを選択できるように構成されている。言い換えると、分岐三方弁39は、分岐配管23へ選択的に冷媒を流すように構成されている。
還流配管43の他方の端は、分岐配管23におけるインジェクション配管29の分岐点の上流側に連通している。還流配管43には、逆止弁45が設置され、冷媒が本管三方弁41から分岐配管23へ向かってのみ流れるようにされている。
本管三方弁41は、ポートの切り替えによって冷媒配管19のみを連通させることならびに冷媒配管19および還流配管43ともに連通させることを選択できるように構成されている。言い換えると、本管三方弁41は、還流配管43へ選択的に冷媒を流すように構成されている。
分岐三方弁39を切り替えることによって第一ガスクーラ9を出た冷媒は、分岐配管23へ流すようにも流さないようにもすることができる。また、本管三方弁41を切り替えることによって第二ガスクーラ11を出た冷媒の一部を還流配管43を通って分岐配管23におけるインジェクション配管29の上流側に供給することも供給しないこともできる。
このようにすると、インジェクションされる冷媒の温度低下が抑制されるので、その圧力が2段圧縮機7における中間圧力部分の圧力よりも小さくなることを防止できる。このようにインジェクションを行うことができるので、2段圧縮機7の中間圧をある程度調整することができ、入水温度が低い条件での2段圧縮機7の効率低下を回避することができる。
このとき、逆止弁45によって分岐配管23に供給された冷媒が還流配管43に流れ込むことはない。
第二ガスクーラ11を出た冷媒の一部が本管三方弁41から還流配管43を通って分岐配管23におけるインジェクション配管29の上流側に供給される。
分岐配管23を通る冷媒の一部は、分岐配管23の2重管熱交換器17の上流側から分岐したインジェクション配管29に導入される。インジェクション配管29に分岐された冷媒は、インジェクション膨張弁27によって膨張され、2重管熱交換器25の他方管内部を通る際、一方管内部を通る冷媒によって加温され、インジェクションポートPに供給される。
このように、第二ガスクーラ11に導入される水の温度が低下してもあるいは上昇しても、著しい2段圧縮機7の性能低下あるいは冷凍サイクル3の性能低下を抑制でき、広範囲の条件に亘って効率の良い運転を行うことができる。
たとえば、第一の弁部材としては分岐配管23における還流配管43の上流側に設置され、分岐配管23の開閉を行う電磁弁等の開閉弁であってもよい。第二の弁部材としては、還流配管43に設置された還流配管43の開閉を行う電磁弁等の開閉弁であってもよい。
次に、本発明の第三実施形態にかかる給湯器1について、図3を用いて説明する。本実施形態にかかる給湯器1は、インジェクション回路21の構成が第一実施形態のものと異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態のものと同じ部分については重複した説明を省略する。
なお、第一実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。
本実施形態のインジェクション回路21には、冷媒配管19における第一ガスクーラ9および第二ガスクーラ11間に位置する分岐点Aから分岐される分岐配管47と、分岐配管47に設置された分岐膨張弁49と、分岐配管47が接続され気液分離を行うレシーバ51と、レシーバ51で分離された液状の冷媒を合流点Bに供給する液配管53と、レシーバ51で分離されたガス状の冷媒をインジェクションポートPに供給するインジェクション配管53とが備えられている。
また、合流点Bと空気熱交換器15との間に本管膨張弁57が設置されている。
冷凍サイクル3および水サイクル5の基本的な動作は、上述の第一実施形態と同様であるので、ここでは重複した説明を省略し、インジェクション回路21の動作を主体に説明する。
本実施形態では、本管流量調整弁13は、流量調整の機能を主として果たし、液配管53を合流した冷媒は本管膨張弁57によって減圧され、断熱膨張される。
レシーバ51で分離されたガス状の冷媒はインジェクションポートPへ導入される。一方、レシーバ51で分離された液状の冷媒は合流点Bに供給される。このように、2段圧縮機7のインジェクションポートPには、レシーバ51で分離されたガス状の冷媒が供給されるので、インジェクションポートPに確実にガス状の冷媒を供給することができる。
したがって、インジェクションを確実に行うことができるので、2段圧縮機7中間圧をある程度調整することができ、入水温度が低い条件での2段圧縮機7の効率低下を回避することができる。第二ガスクーラ11に導入される水の温度が低下しても、著しい2段圧縮機7の性能低下を抑制でき、広範囲の条件に亘って効率の良い運転を行うことができる。
次に、本発明の第四実施形態にかかる給湯器1について、図4を用いて説明する。本実施形態にかかる給湯器1は、インジェクション回路21の構成が第三実施形態のものと異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態および第三実施形態のものと同じ部分については重複した説明を省略する。
なお、第一実施形態および第三実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。
本実施形態では、分岐点Aに分岐三方弁(第三の弁部材、第三の三方弁)57が設置されている。分岐三方弁57は、冷媒配管19と接続される2ポートと、分岐配管47と接続される1ポートを有している。分岐三方弁57は、ポートの切り替えによって冷媒配管19のみを連通させることならびに冷媒配管19および分岐配管47ともに連通させることを選択できるように構成されている。言い換えると、分岐三方弁57は、分岐配管47へ選択的に冷媒を流すように構成されている。
還流配管61の他方の端は、分岐配管47における分岐膨張弁49の上流側に連通している。還流配管61には、逆止弁63が設置され、冷媒が本管三方弁59から分岐配管47へ向かってのみ流れるようにされている。
本管三方弁59は、ポートの切り替えによって冷媒配管19のみを連通させることならびに冷媒配管19および還流配管61ともに連通させることを選択できるように構成されている。言い換えると、本管三方弁59は、還流配管61へ選択的に冷媒を流すように構成されている。
分岐三方弁57を切り替えることによって第一ガスクーラ9を出た冷媒は、分岐配管47へ流すようにも流さないようにもすることができる。また、本管三方弁59を切り替えることによって第二ガスクーラ11を出た冷媒の一部を還流配管61を通って分岐配管47における分岐膨張弁49の上流側に供給することも供給しないこともできる。
このようにすると、インジェクションされる冷媒の温度低下が抑制されるので、その圧力が2段圧縮機7における中間圧力部分の圧力よりも小さくなることを防止できる。このようにインジェクションを行うことができるので、2段圧縮機7の中間圧をある程度調整することができ、入水温度が低い条件での2段圧縮機7の効率低下を回避することができる。
このとき、逆止弁63によって分岐配管47に供給された冷媒が還流配管61に流れ込むことはない。
第二ガスクーラ11を出た冷媒の一部が本管三方弁59から還流配管61を通って分岐配管47における分岐膨張弁49の上流側に供給される。
分岐配管47に導入された冷媒は分岐膨張弁49によって減圧され、圧力と温度とによって飽和液と飽和ガスとが生成される。この飽和液および飽和ガスがレシーバ51に導入されて分離される。
レシーバ51で分離されたガス状の冷媒はインジェクションポートPへ導入される。一方、レシーバ51で分離された液状の冷媒は合流点Bに供給される。このように、2段圧縮機7のインジェクションポートPには、レシーバ51で分離されたガス状の冷媒が供給されるので、インジェクションポートPに確実にガス状の冷媒を供給することができる。
このように、第二ガスクーラ11に導入される水の温度が低下してもあるいは上昇しても、著しい2段圧縮機7の性能低下あるいは冷凍サイクル3の性能低下を抑制でき、広範囲の条件に亘って効率の良い運転を行うことができる。
たとえば、第三の弁部材としては分岐配管47における還流配管61の上流側に設置され、分岐配管47の開閉を行う電磁弁等の開閉弁であってもよい。第四の弁部材としては、還流配管61に設置され、還流配管61の開閉を行う電磁弁等の開閉弁であってもよい。
たとえば、各実施形態では冷媒として二酸化炭素を用いているが、これに限定されず、HFC冷媒等の代替フロン等公知の冷媒を用いることができる。
3 冷凍サイクル
5 水サイクル
7 2段圧縮機
9 第一ガスクーラ
11 第二ガスクーラ
13 第一流量調整弁
15 空気熱交換器
19 冷媒配管
21 インジェクション回路
23 分岐配管
25 2重管熱交換器
27 インジェクション膨張弁
29 インジェクション配管
31 第二流量調整弁
37 水配管
39 分岐三方弁
41 本管三方弁
43 還流配管
47 分岐配管
49 分岐膨張弁
51 レシーバ
57 分岐三方弁
59 本管三方弁
61 還流配管
A 分岐点
B 合流点
P インジェクションポート
Claims (4)
- 低段と高段との間にインジェクションポートを有する2段圧縮機、第一放熱器、第二放熱器、本管流量調整弁および蒸発器が冷媒配管によって順次冷媒が流れるように接続されている冷凍サイクルと、
水が第二放熱器から第一放熱器を通って流れ、前記第一放熱器および前記第二放熱器を流れる前記冷媒との間で熱交換される水配管を有する水サイクルと、
前記冷媒配管における前記第一放熱器および前記第二放熱器間の分岐点と前記本管流量調整弁および前記蒸発器間の合流点を接続する分岐配管と、該分岐配管から前記インジェクションポートに冷媒を供給するインジェクション配管とを有するインジェクション回路と、
前記分岐配管へ選択的に前記冷媒を流す第一の弁部材と、
前記第二放熱器と前記本管流量調整弁との間から分岐され、前記分岐配管における前記インジェクション配管の上流側へ向かってのみ前記冷媒を供給できる第一の一方向配管と、
該第一の一方向配管へ選択的に前記冷媒を流す第二の弁部材と、
が備えられていることを特徴とする給湯器。 - 前記分岐配管は、2重管熱交換器の一方管内部および分岐流量調整弁を通って前記分岐点と前記合流点とを接続し、
前記インジェクション配管は、前記分岐配管の前記2重管熱交換器の上流側から分岐し、インジェクション膨張弁および前記2重管熱交換器の他方管内部を通って前記インジェクションポートに接続されていることを特徴とする請求項1に記載された給湯器。 - 前記インジェクション回路には、前記分岐配管に分岐膨張弁と、気液を分離するレシーバと、が備えられ、該レシーバで分離された液状の冷媒が前記合流点に導入され、該レシーバで分離されたガス状の冷媒が前記インジェクションポートへ導入されるようにされていることを特徴とする請求項1に記載された給湯器。
- 前記第一の弁部材は、前記分岐点に設置された三方弁であり、
前記第二の弁部材は、前記冷媒配管における前記第二放熱器と前記本管流量調整弁との間に設置された三方弁であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載された給湯器。
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