(57)【要約】【課題】貯湯タンク内に貯留した中温水と冷媒を放熱器において熱交換すると、冷凍サイクル装置のＣＯＰが低下してしまうという課題があった。【解決手段】上述した課題に対して、新たな熱交換器を設けることなく、タンク内の温度に応じて放熱器の中間部に中温水を戻すことで、中温水の有効活用と冷凍サイクル装置のＣＯＰ向上の両立を図る。本発明のヒートポンプ装置は、貯湯タンクの中間部と加熱部分の中間部に接続された中温水バイパス回路と、中温水バイパス回路内に設けられた中温水調節弁と、貯湯タンク中間部にタンク内の湯の温度を検出する湯温測定器と、を備えている。【選択図】図１
2010216715.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、放熱器、膨張装置および蒸発器をこの順番に環状に接続し、放熱器によって水を加熱するヒートポンプユニットと、
前記ヒートポンプユニットで加熱された湯を貯めるタンクと、
前記タンクの上部から高温水を抜き、暖房器としての放熱機構を介して、前記タンクの下部に中温水を戻す放熱回路と、
前記タンクの下部と上部に接続され、前記放熱器にて回路内の水を加熱させる加熱部分を有する加熱回路と、
前記タンクの中間部と前記加熱部分の中間部に接続された中温水バイパス回路と、
前記中温水バイパス回路内に設けられた中温水調節弁と、
前記タンク中間部にタンク内の湯の温度を検出する湯温測定器と、
を備え、
前記中温水バイパス回路を通って前記放熱器で熱交換する管伝熱面積は、前記低温水回路を通って前記中温水バイパス回路までの前記放熱器で熱交換する管伝熱面積よりも大きい、ヒートポンプ装置。
【請求項２】
前記タンクの中間部と前記加熱回路における加熱部分の中間部を第１の流量制御弁を介して接続する中温水バイパス回路と、
前記タンク内の底部と前記放熱器の水入口部を第２の流量制御弁を介して接続する低温水回路と、
をさらに備えた、請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【請求項３】
前記膨張装置は膨張機である、請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、暖房システムとして、ヒートポンプが用いられた装置が使用されている。
【０００３】
主な実施形態として、圧縮機、暖房用熱交換器、膨張装置、大気熱を吸熱する大気熱交換器を有するヒートポンプサイクルと、給湯または暖房用熱交換器で加熱された温水を貯湯する貯湯槽と、水を貯湯槽の下部から引き抜き、給湯または暖房用熱交換器で加熱された後、貯湯槽の上部へ戻す給湯回路と、端末へ出湯する出湯管と、貯湯槽上部の温水を循環させてラジエータ等で放熱させる放熱回路を含む、ヒートポンプ装置がある。
【０００４】
ところで、暖房システムを長時間運転すると、暖房運転に対して十分な熱量供給が行えない使い勝手の悪い中温水が大量に貯湯される。ヒートポンプ装置の場合、給湯または暖房用熱交換器で中温水と冷媒とを熱交換させると、ＣＯＰ（成績係数）が低下し、結果としてランニングコストが高くなる。そのため、ユーザーの期待に沿ったヒートポンプ装置を実現できない、という課題を有していた。
【０００５】
そこで、従来、特許文献１に開示されているような、貯湯タンクを有するヒートポンプシステムが提案されている。このヒートポンプ装置は、図８に示すように、冷媒加熱手段として、大気の熱を利用する熱交換器と中温水の熱を利用する熱交換器とを備えている。これらの熱交換器を切り替える運転を行なうことで、効率良く湯を沸かし、ランニングコストの改善を図ることができる。
【特許文献１】特開２００７−２４０１５１号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図８のヒートポンプ装置では、中温水の熱を利用する場合のみにしか活用しない熱交換器と切り替え用の電動膨張弁とを新たに設ける必要がある。そのため、装置が大型化し、かつ、高コストになるという課題があった。
【０００７】
本発明は、上述した課題に対して、新たな熱交換器を設けることなく、貯湯タンク内の温度に応じて放熱器の中間部に中温水を戻すことで、中温水の有効活用とヒートポンプ装置のＣＯＰ向上の両立を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明に係るヒートポンプ装置は、圧縮機、放熱器、膨張装置および蒸発器をこの順番に環状に接続し、放熱器によって水を加熱するヒートポンプユニットと、前記ヒートポンプユニットで加熱された湯を貯めるタンクと、前記タンクの上部から高温水を抜き、暖房器としての放熱機構を介して、前記タンクの下部に中温水を戻す放熱回路と、前記タンクの下部と上部に接続され、前記放熱器にて回路内の水を加熱させる加熱部分を有する加熱回路と、前記タンクの中間部と前記加熱部分の中間部に接続された中温水バイパス回路と、前記中温水バイパス回路内に設けられた中温水調節弁と、前記タンク中間部にタンク内の湯の温度を検出する湯温測定器と、を備え、前記中温水バイパス回路を通って前記放熱器で熱交換する管伝熱面積は、前記低温水回路を通って前記中温水バイパス回路までの前記放熱器で熱交換する管伝熱面積よりも大きい、ものである。
【０００９】
本構成によって、中温水を放熱器の中間部から流入させることができるので、放熱器出口の冷媒温度を上昇させることなく、冷媒の熱伝達率が高い領域でより多く熱交換させることができる。その結果、中温水の有効活用とヒートポンプ装置のＣＯＰ向上の両立を図ることができる。
【００１０】
また、本発明に係るヒートポンプ装置は、前記タンク内の中間部と前記放熱器の中間部を第１の流量制御弁を介して接続する中温水バイパス回路と、前記タンク内の底部と前記放熱器の水入口部を第２の流量制御弁を介して接続する低温水回路を備えたことを特徴とする。
【００１１】
本構成によって、低温水と中温水の流量をより最適に制御することができるので、放熱器の能力を確保できるとともに、さらなるＣＯＰの向上を図ることができる。
【００１２】
また、本発明のヒートポンプ装置は、膨張装置が膨張機であることを特徴とする。
【００１３】
本構成によって、膨張機により回収した動力を圧縮機に伝えることができるので、ヒートポンプ装置のさらなるＣＯＰの向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のヒートポンプ装置によれば、新たな熱交換器を設けることなく、中温水を放熱器の中間部から流入させることによって、放熱器出口の冷媒温度を上昇させることなく、冷媒の熱伝達率が高い領域でより多く熱交換させることができる。そのため、中温水の有効活用とヒートポンプ装置のＣＯＰの向上の両立を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の冷凍サイクル装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
本発明のヒートポンプ装置の構成について、図１を用いて説明する。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態のヒートポンプ装置は、冷媒回路１１３と第１の水回路１１４と第２の水回路１１５とを含む。
【００１８】
冷媒回路１１３は、冷媒を昇圧する圧縮機１０１と、圧縮機１０１で昇圧された冷媒と水が熱交換して温水を生成する水熱交換器１０２と、冷媒を減圧膨張させる膨張装置１０３と、膨張装置１０３で減圧された冷媒を加熱する蒸発器１０４とを順次配管で接続して、構成されている。冷媒回路１１３には、二酸化炭素が冷媒（作動流体）として充填されている。
【００１９】
第１の水回路１１４は、貯湯タンク１０６を備えている。貯湯タンク１０６の底壁には取水口１１２が設けられ、この取水口１１２から貯溜水が流出する。取水口１１２から流出した水は、放熱器として機能している水熱交換器１０２に導かれ、加熱される。水熱交換器１０２で加熱された水は、給湯口１１７から貯湯タンク１０６の上部に戻される。このような動作を継続して行うことによって、貯湯タンク１０６に湯が貯められる。貯湯タンク１０６の側壁には、温度検出手段としてのタンク温度検出手段１０７が設けられている。
【００２０】
第２の水回路１１５は、暖房装置として利用されるラジエータ１０９を有する。ラジエータ１０９は、貯湯タンク１０６からの湯（温水）を循環および放熱させることで、室内の暖房装置として機能する。
【００２１】
ここで、高温または中温（例えば、３５°以上）の温水が貯湯タンク１０６の下部まで貯まっている状態を想定する。このような場合、貯湯タンク１０６内の高温または中温の湯が取水口１１２から流出し、水熱交換器１０２に向かって、第１の水回路１１４を流れることになる。そのため、貯湯タンク１０６の下部が低温水で満たされている場合と比較して、水熱交換器１０２の入水温度が高くなる。
【００２２】
水熱交換器１０２への入水温度が高くなると、図３に示すように、水熱交換器１０２出口の冷媒エンタルピは、Ｂ点からＢ‘点に移動する。その結果、凝縮過程（放熱器における過程）でのエンタルピ差が小さくなり、給湯能力及びＣＯＰが低下する。この傾向は、冷媒として二酸化炭素を用いたときのように超臨界サイクルとなる場合において、特に顕著となる。したがって、水熱交換器１０２への入水温度をできるだけ上昇させないことが、冷凍サイクル装置の効率低下を抑制するために重要となる。
【００２３】
図４は、放熱器内を流れる冷媒の温度と冷媒側熱伝達率との関係を示す図である。
【００２４】
図４に示すように、一般的に、ある冷媒温度で冷媒熱伝達率がピークとなるようなポイントが存在し、ピーク点よりも温度の低い領域の熱伝達率が、ピーク点よりも高い温度の領域の冷媒熱伝達率より、大きくなる傾向がある。すなわち、熱交換器全体としては、温度の低い領域よりも、温度の高い領域を活用した方がより効果的であるといえる。
【００２５】
図５は、本実施の形態の熱交換器のパスのパターンの一例を示す図である。
【００２６】
上述の通り、温度が高い領域での冷媒と水との接触伝熱面積を大きくすることによって、冷媒熱伝達率が高い領域での熱交換量をより大きくすることができる。そのため、全体としての冷凍サイクル装置の効率を高くすることができ、消費電力の低下を図ることができる。
【００２７】
接触伝熱面積を大きくする手段としては、図５のようにパス本数を増加させることだけでなく、各管の径を大きくする、あるいは、管の断面を円形状ではなく扁平形状にすることなども含まれる。
【００２８】
本実施の形態１の動作について、図６のフローチャートを用いて説明する。
【００２９】
ヒートポンプ装置の暖房運転が開始されると、ステップ２０１でタンク温度検出手段１０７によって水温Ｔ１が検出され、水温Ｔ１と設定温度Ｔｍ１とを比較する。
【００３０】
ステップ２０１でＴ１≧Ｔｍ１の場合、タンク底部から放熱器に流入する水温度がかなり高くなる可能性がある。この場合、ステップ２０２に移り、開閉弁１１０が「ＯＰＥＮ」となるように制御し、その後、ステップ２０１に戻る。この制御によって、タンク中央部の比較的温度が高い水（すなわち中温水）は、中温水バイパス回路１０８を通って、放熱器の中央部へ流入する。水熱交換器１０２への入水温度が上昇することを抑制できるため、給湯能力及びＣＯＰの低下を抑制することができる。
【００３１】
ステップ２０１でＴ１＜Ｔｍ１の場合、タンク底部から放熱器に流入する水温度が低いことを示している。この場合、冷凍サイクル装置の性能が大きく低下する懸念がないため、ステップ２０２に移り、開閉弁１１０が「ＣＬＯＳＥ」となるように制御し、その後、ステップ２０１に戻る。
【００３２】
以上のように、冷媒熱伝達率が高い領域での熱交換量をより大きくすることによって、冷凍サイクル装置全体の効率を高くすることができる。その結果、消費電力の低下、すなわち省エネルギー化を図ることができる。
【００３３】
（実施の形態２）
本実施の形態２について説明する。
【００３４】
実施の形態１との相違は、前記開閉弁１１０の代わりに第１の流量制御弁１１８を設け、低温水回路の途中に第２の流量制御弁１１９を設けたことである。
【００３５】
本実施の形態２の動作について図７のフローチャートを用いて説明する。
【００３６】
ヒートポンプ装置の暖房運転が開始されると、ステップ３０１でタンク温度検出手段１０７によって水温Ｔ１が検出され、設定温度Ｔｍ１と比較される。ここでＴ１≧Ｔｍ１の場合は、タンク底部から放熱器に流入する水温度がかなり高くなる危険性があることを示しており、ステップ３０２に移り、第１の流量制御弁１１８及び第２の流量制御弁１１９を最適な流量となるように開度を制御して、ステップ２０１に戻る。それぞれの流量制御弁の開度は、水温Ｔ１に対応したテーブルによって決定される。表１に、水温Ｔ１に対するそれぞれの流量制御弁の開度の一例を示す。すなわち、水温Ｔ１が高い場合は中温水バイパス回路を流れる水量が大きくなるように第１の流量制御弁の開度を大きくして、放熱器全体の効率が高くなるように制御する。
【００３７】
ステップ３０１でＴ１＜Ｔｍ１の場合、タンク底部から放熱器に流入する水温度が低いことを示しており、冷凍サイクル装置の性能が大きく低下する懸念がないため、ステップ３０３に移り、第２の流量制御弁１１９の開度が全開となるように制御し、ステップ３０４に移る。ステップ３０４では、第１の流量制御弁１１８の開度が全閉となるように制御し、ステップ３０１に戻る。
【００３８】
このように、冷媒熱伝達率が高い領域での熱交換量がより大きくなるように、第１の流量制御弁及び第２の流量制御弁の開度を最適に制御することによって、冷凍サイクル装置全体の効率をさらに確実に高くすることができるので、消費電力の低下すなわち省エネルギー化を図ることができる。
【００３９】
【表１】
2010216715.tif 000003
【００４０】
水温Ｔ１に対する第１の流量制御弁及び第２の流量制御弁の開度の関係
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明にかかるヒートポンプ装置は、暖房給湯器用や浴室乾燥用など、様々な用途の冷凍サイクル装置として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ装置を示す構成図
【図２】本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ装置を示す構成図
【図３】本発明の実施の形態における冷凍サイクルを示すモリエル線図
【図４】放熱器管内の冷媒温度と冷媒熱伝達率との関係図
【図５】水熱交換器のパスのパターン図
【図６】本発明の実施の形態１における制御フローチャート
【図７】本発明の実施の形態２における制御フローチャート
【図８】従来技術の冷凍サイクル装置を示す構成図
【符号の説明】
【００４３】
１０１    圧縮機
１０２    水熱交換器
１０３    膨張装置
１０４    蒸発器
１０５    水ポンプ
１０６    貯湯タンク
１０７    タンク温度検出手段
１０８    中温水バイパス回路
１０９    ラジエータ
１１０    開閉弁
１１１    低温水回路
１１２    取水口
１１３    冷媒回路
１１４    第１の水回路
１１５    第２の水回路
１１６    タンク中央部温度検出手段
１１７    給湯口
１１８    第１の流量制御弁
１１９    第２の流量制御弁
【図１】
2010216715.tif 000004
【図２】
2010216715.tif 000005
【図３】
2010216715.tif 000006
【図４】
2010216715.tif 000007
【図５】
2010216715.tif 000008
【図６】
2010216715.tif 000009
【図７】
2010216715.tif 000010
【図８】
2010216715.tif 000011