(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１圧縮機，第１凝縮器，第１膨張弁および第１蒸発器を含む第１冷凍回路と、第２圧縮機，第２凝縮器，第２膨張弁および第２蒸発器を含む第２冷凍回路と、上記第１凝縮器および／または上記第２凝縮器により加熱されて所定温度の給湯水を生成する給湯水生成回路とを備え、外気温度に応じて上記第１冷凍回路および／または上記第２冷凍回路が運転されるヒートポンプ式給湯装置において、
上記給湯水生成回路の主配管に対して並列に接続された第１被加熱部および第２被加熱部と、上記第１凝縮器，上記第２蒸発器および上記第１被加熱部が熱交換可能に配置されている第１熱交換部と、上記第２被加熱部が上記第２凝縮器と熱交換可能に配置されている第２熱交換部と、上記第１被加熱部の水流路を開閉する第１弁手段および上記第２被加熱部の水流路を開閉する第２弁手段と、上記第２蒸発器の冷媒流入側と冷媒流出側に設けられた第３弁手段および第４弁手段と、上記各圧縮機および上記各弁手段を制御する制御手段とを備え、
上記第１熱交換部は、上記第１被加熱部として水が流される第１内管と、上記第１凝縮器として上記第１圧縮機から吐出される冷媒ガスが流される第２内管と、内部に上記第１，第２の各内管を含み上記第２蒸発器として上記第２膨張弁からの冷媒を上記第２内管内の冷媒と熱交換する外管とを有する多重管熱交換器からなり、
上記制御手段は、外気温度が所定温度未満の低外気温度時には、上記第２弁手段，上記第３弁手段および上記第４弁手段を開、上記第１弁手段を閉とし、上記第１，第２の各冷凍回路を運転して上記第２熱交換部により温水を生成し、外気温度が所定温度以上の高外気温度時には、上記第１弁手段を開、上記第２弁手段，上記第３弁手段および上記第４弁手段を閉として、上記第１冷凍回路のみを運転して上記第１熱交換部により温水を生成することを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
【請求項２】
上記制御手段は、上記高外気温度時、上記第３弁手段を閉、上記第４弁手段を開として上記第２圧縮機を運転して上記外管内をほぼ真空状態とすることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項３】
上記制御手段は、上記外管内をほぼ真空状態とするにあたって、上記第２圧縮機を所定時間運転したのち、上記第４弁手段を閉とすることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項４】
上記外管の内圧を検知する圧力センサーを有し、上記制御手段は、上記外管内をほぼ真空状態とするにあたって、上記圧力センサーの検知信号に基づいて、上記第４弁手段を閉とすることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項５】
上記３重管熱交換器において、内径寸法が上記第１内管＜上記第２内管＜上記外管であり、上記第１内管，上記第２内管および上記外管がそれぞれほぼ同軸的に配管されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項６】
上記３重管熱交換器において、内径寸法が上記第２内管＜上記第１内管＜上記外管であり、上記第１内管の周りに上記外管がほぼ同軸的に配管され、上記第１内管内にその管壁に沿って複数本の上記第２内管が配管されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項７】
上記３重管熱交換器において、上記外管の内部に上記第２内管を同心状に配置し、上記第２内管の内周面に上記第２内管を外接円とする多角形状の上記第１内管を配置することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なる２つの冷凍回路を熱交換器にて熱的に接続してなる２元サイクル式のヒートポンプ式給湯装置に関し、さらに詳しく言えば、高外気温時の単段サイクル運転時における熱交換効率の向上をはかる技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
低外気温時にも安定した給湯水を生成するため、特許文献１には、低温側の冷凍回路と高温側冷凍回路とを備えた２元サイクル式のヒートポンプが提案されている。これによれば、低温側および高温側各元のそれぞれの圧縮機の圧縮比を小さくし、単段圧縮機をもつ１元システムに比べ、高い効率で運転することができる。
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載された発明では、単段サイクル運転ができず、高外気温時にも２元サイクルでの運転が余儀なくされるため、高外気温時に熱交換効率が低下してしまう、という問題がある。
【０００４】
そこで、特許文献２には、低外気温時には２元サイクル運転を行い、高外気温時には単段サイクルで運転することで、熱交換効率の低下を防ぐようにしたヒートポンプ式給湯装置が開示されている。
【０００５】
しかしながら、特許文献２に記載された発明では、２元サイクルから単段サイクルに切り替えて運転を行う場合、高温側冷凍回路の蒸発能力を維持するために補助蒸発器を必要としており、その分、コスト高になる、という問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平４−２５４１５６号公報
【特許文献２】特開平９−１１９７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の課題は、異なる２つの冷凍回路を熱交換器にて熱的に接続してなる２元サイクル式のヒートポンプ式給湯装置において、補助蒸発器等の部品を追加することなく、特に高外気温時の単段サイクル運転時における熱交換効率を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するため、本発明は、第１圧縮機，第１凝縮器，第１膨張弁および第１蒸発器を含む第１冷凍回路と、第２圧縮機，第２凝縮器，第２膨張弁および第２蒸発器を含む第２冷凍回路と、上記第１凝縮器および／または上記第２凝縮器により加熱されて所定温度の給湯水を生成する給湯水生成回路とを備え、外気温度に応じて上記第１冷凍回路および／または上記第２冷凍回路が運転されるヒートポンプ式給湯装置において、上記給湯水生成回路の主配管に対して並列に接続された第１被加熱部および第２被加熱部と、上記第１凝縮器，上記第２蒸発器および上記第１被加熱部が熱交換可能に配置されている第１熱交換部と、上記第２被加熱部が上記第２凝縮器と熱交換可能に配置されている第２熱交換部と、上記第１被加熱部の水流路を開閉する第１弁手段および上記第２被加熱部の水流路を開閉する第２弁手段と、上記第２蒸発器の冷媒流入側と冷媒流出側に設けられた第３弁手段および第４弁手段と、上記各圧縮機および上記各弁手段を制御する制御手段とを備え、上記第１熱交換部は、上記第１被加熱部として水が流される第１内管と、上記第１凝縮器として上記第１圧縮機から吐出される冷媒ガスが流される第２内管と、内部に上記第１，第２の各内管を含み上記第２蒸発器として上記第２膨張弁からの冷媒を上記第２内管内の冷媒と熱交換する外管とを有する多重管熱交換器からなり、上記制御手段は、外気温度が所定温度未満の低外気温度時には、上記第２弁手段，上記第３弁手段および上記第４弁手段を開、上記第１弁手段を閉とし、上記第１，第２の各冷凍回路を運転して上記第２熱交換部により温水を生成し、外気温度が所定温度以上の高外気温度時には、上記第１弁手段を開、上記第２弁手段，上記第３弁手段および上記第４弁手段を閉として、上記第１冷凍回路のみを運転して上記第１熱交換部により温水を生成することを特徴としている。
【０００９】
本発明の好ましい態様によれば、上記制御手段は、上記高外気温度時、上記第３弁手段を閉、上記第４弁手段を開として上記第２圧縮機を運転して上記外管内をほぼ真空状態とする。
【００１０】
本発明において、上記制御手段は、上記外管内をほぼ真空状態とするにあたって、上記第２圧縮機を所定時間運転したのち、上記第４弁手段を閉とする制御態様と、上記外管の内圧を検知する圧力センサーの検知信号に基づいて、上記第４弁手段を閉とする制御態様とを備え、そのいずれかを実行する。
【００１１】
また、上記３重管熱交換器には、内径寸法が上記第１内管＜上記第２内管＜上記外管であり、上記第１内管，上記第２内管および上記外管がそれぞれほぼ同軸的に配管されている構成態様と、内径寸法が上記第２内管＜上記第１内管＜上記外管であり、上記第１内管の周りに上記外管がほぼ同軸的に配管され、上記第１内管内にその管壁に沿う、または管内の任意の位置に複数本の上記第２内管が配管されている構成態様とが含まれる。さらには、上記３重管熱交換器において、上記外管の内部に上記第２内管を同心状に配置し、上記第２内管の内周面に上記第２内管を外接円とする多角形状の上記第１内管を配置する構成態様も含まれる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、特に外気温度が所定温度以上の高外気温度時には、第１弁手段を開、第２弁手段，第３弁手段および第４弁手段を閉として、第１冷凍回路のみを運転して第１熱交換部により温水を生成するようにしたことにより、第１冷凍回路に流れる冷媒と給湯水生成回路を流れる水との熱交換を効率よく行うことができる。また、外管内をほぼ真空状態とすることにより、第１熱交換部内に断熱層が形成されるため、熱交換効率がより一層高められる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置の構成図。
【図２】（ａ）〜（ｄ）第１熱交換部の要部断面図および変形例。
【図３】低外気温時の運転状態を説明するための説明図。
【図４】高外気温時の運転状態を説明するための説明図。
【図５】真空引きステップの説明をするための説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこの限りではない。このヒートポンプ式給湯装置１は、高外気温時と低外気温時に併せて選択的に駆動される２つの冷凍回路１００，２００と、主配管に接続される貯湯槽などの給湯機器に温水を供給する給湯水生成回路３００とを備えた２元サイクル式のヒートポンプ式給湯装置である。
【００１５】
一方の冷凍回路１００（以下、第１冷凍回路１００とする）は、所定の第１冷媒が循環する第１冷媒配管１１０を有し、第１冷媒配管１１０には、第１冷媒を圧縮する第１圧縮機１２０と、第１圧縮機１２０で生成された高温高圧冷媒と水もしくは後述する第２冷凍回路２００の第２冷媒との間で熱交換する第１熱交換部１３０（第１凝縮器）と、第１冷媒を凝縮圧から蒸発圧まで膨張させる第１膨張弁１４０と、蒸発圧まで膨張された第１冷媒と空気との間で熱交換を行う空気−冷媒熱交換器１５０（第１蒸発器）とが設けられている。
【００１６】
他方の冷凍回路２００（以下、第２冷凍回路２００とする）は、所定の第２冷媒が循環する第２冷媒配管２１０を有し、第２冷媒配管２１０には、第２冷媒を圧縮する第２圧縮機２２０と、第２圧縮機２２０で生成された高温高圧冷媒と水との間で熱交換を行う第２熱交換部２３０（第２凝縮器）と、第２冷媒を凝縮圧から蒸発圧まで膨張する第２膨張弁２４０と、上記第１冷凍回路１００と共用される第１熱交換部１３０（第２蒸発器）とが設けられている。
【００１７】
第２冷凍回路２００にはさらに、第１熱交換部１３０の入力側に第１冷媒開閉弁２５０（第３弁手段）が、出口側に第２冷媒開閉弁２６０（第４弁手段）がそれぞれ設けられており、第１熱交換部１３０内への第２冷媒の流入が制限されるようになっている。第１冷媒開閉弁２５０および第２冷媒開閉弁２６０は、例えばソレノイド式の開閉弁からなり、図示しない制御手段によって開閉が制御されている。
【００１８】
この実施形態において、第１および第２冷媒は、例えばＨＦＣ−１３４ａやＨＦＣ−４１０Ａなどのハイドロフルオロカーボン、または、ＨＦＯ−１２３４ｙｆやＨＦＯ−１２３４ｚｅ（Ｅ）などのハイドロフルオロオレフィン、または、ＨＦＥ−２４５ｍｃなどのほか、仕様に応じて任意に選択される。また、第１および第２圧縮機１２０，２２０は、ロータリ型やスクロール型など、出力や仕様に応じて任意に選択される。
【００１９】
第１熱交換部１３０は、第２冷媒が搬送される外管１３１を有し、外管１３１の内部には、水の流路となる第１内管１３３と、第１冷媒の流路となる第２内管１３２とが設けられている。
【００２０】
この例において、第１熱交換部１３０は、図２（ａ）に示すように、外管１３１，第２内管１３２および第１内管１３３が、それぞれ同心円上に並んで配置された３重管からなり、外管１３１と第２内管１３２、および、第２内管１３２と第１内管１３３とが互いに熱交換可能に配置されている。
【００２１】
外管１３１および第１，第２内管１３３，１３２の材質は仕様に応じて任意であってよいが、耐圧強度や熱伝導率などを考慮して銅合金やアルミ合金が好ましい。とりわけ、外管１３１は、後述する真空引きした際に、変形しないように耐圧性を備えていることが好ましい。
【００２２】
また、外管１３１および第１，第２内管１３３，１３２の相互の熱交換効率を高めるため、配管の内外に表面積を増やすためのフィンなどを設けてもよい。また、外管１３１の外周に断熱部材を巻き付けるなどして、外管１３１の熱が外気にリークしないようにして、より熱交換効率を高めるようにしてもよい。
【００２３】
この例において、第１熱交換部１３０は、同心の３重管が用いられているが、これ以外の態様として、図２（ｂ）に示すように、外管１３１の内部に第１内管１３３を同心状に配置し、第１内管１３３の内壁に沿って小径な第２内管１３２を円周方向に沿って多数配置するようにしてもよい。
【００２４】
これによれば、第２内管１３２を小径多数化することにより、第２内管１３２の表面積を増やすことができ、より熱交換効率を高めることができる。
【００２５】
さらに別の態様としては、図２（ｃ）に示すように、外管１３１の内部に第２内管１３２を同心状に配置し、第２内管１３２の内周面に第２内管１３２に内接する四角形状の第１内管１３３を配置してもよい。これによれば、第１内管１３３が第２内管の内周面に当接することで、表面積が増えるばかりでなく、配管の強度も高くなる。また、図２（ｄ）に示すように、第１内管１３３と第２内管３２とが側面で接触した状態で１つの管形状を形成した状態で外管１３１内に配置されていてもよい。
【００２６】
再び図１を参照して、空気−冷媒熱交換器１５０は、フィンチューブ型からなり、強制冷却用のファン１５１が設けられている。空気−冷媒熱交換器１５０の具体的な構成や配置については、本発明において任意的事項である。
【００２７】
第２熱交換部２３０は、第２冷媒配管２１０の高圧冷媒（高温冷媒）と、後述する第２給湯水配管３２０との間で熱交換を行う熱交換ユニットであって、その具体的な形状や構成、配置は、本発明において任意的事項である。
【００２８】
給湯水生成回路３００は、第１熱交換部１３０と熱交換を行う第１給湯水配管３１０と、第２熱交換部２３０との間で熱交換を行う第２給湯水配管３２０とを有し、それらが主配管３０１に並列に設けられている。第１給湯水配管３１０および第２給湯水配管３２０には、主配管からの水の流れを選択的に切り替るため、第１弁手段と第２弁手段とが設けられている。
【００２９】
第１弁手段として、第１給湯水配管３１０の第１熱交換部１３０の入口側には第１給湯水開閉弁３３０が、出口側には第２給湯水開閉弁３４０がそれぞれ設けられている。第１給湯水開閉弁３３０および第２給湯水開閉弁３４０は、例えばソレノイド式の開閉弁からなり、図示しない制御手段により開閉が制御されている。
【００３０】
第２弁手段として、第２給湯水配管３２０には、第２熱交換部の入口側に第３給湯水開閉弁３５０が、出口側に第４給湯水開閉弁３６０が設けられている。第３給湯水開閉弁３５０および第４給湯水開閉弁３６０も同様に、例えばソレノイド式の開閉弁からなり、図示しない制御手段により開閉が制御されている。
【００３１】
この例において、第１および第２給湯水配管３１０，３２０には、入口側と出口側とに２つの給湯水開閉弁３３０，３４０（３５０，３６０）が設けられているが、給湯水生成回路３００において、給湯水開閉弁は、少なくとも入口側に設けられていれば、水の流入を選択することができる。
【００３２】
次に、本発明のヒートポンプ式給湯装置１の運転手順の一例について説明する。まず、図３を参照して、低外気温時における運転手順について説明する。低外気温時において、図示しない制御部は、第１冷凍回路１００と第２冷凍回路２００とを同時に運転する二元サイクルで温水を生成する。温水を生成するに当たり、制御部は、まず、第１給湯水開閉弁３３０および第２給湯水開閉弁３４０に閉栓指令を出し、これを受け、第１給湯水開閉弁３３０および第２給湯水開閉弁３４０が閉じられる。
【００３３】
同時に、制御部は、第３給湯水開閉弁３５０および第４給湯水開閉弁３６０に開栓指令を出し、第３給湯水開閉弁３５０および第４給湯水開閉弁３６０を開ける。これにより、給湯水は、第２給湯水配管３２０から第２熱交換部２３０に送り込まれる。
【００３４】
給湯水を循環させる準備が整ったのち、制御部は、第１冷凍回路１００を運転する。第１冷凍回路１００において、冷媒は、第１圧縮機１２０にて所定の圧力まで圧縮された後、第１熱交換部１３０で第２冷凍回路２００の低圧冷媒と熱交換することで凝縮され、第１膨張弁１４０に送られる。冷媒は、第１膨張弁１４０で蒸発圧力まで膨張されたのち、空気−冷媒熱交換器１５０に送られ、大気と熱交換される。
【００３５】
同時に制御部は、第２冷凍回路２００を運転する。第２冷凍回路２００において、冷媒は、まず、第２膨張器２４０で蒸発圧力まで膨張されたのち、第１熱交換部１３０の外管１３１内に送り込まれ、そこで隣接する第２内管１３２を流れる第１冷凍回路１００の高圧冷媒との間で熱交換が行われる。
【００３６】
これにより、第２内管１３２を流れる高温の高圧冷媒によって、外管１３１内の低温な低圧冷媒が加熱される。第１熱交換部１３０によって加熱された低圧冷媒は、次に、第２圧縮機２２０にて所定の圧力まで圧縮される。
【００３７】
第２圧縮機２２０にて、高温の高圧冷媒が生成され、第２熱交換部２３０に送り込まれる。これにより、給湯水との間で熱交換が行われることで凝縮され、第２膨張弁２４０に送り込まれる。これにより、低外気温時においても、常に安定した温度の温水を得ることができる。
【００３８】
次に、外気温が比較的に高温の場合について、図４，５を参照して説明する。高外気温時において、第２冷凍回路２００は基本的に停止状態とされ、第１冷凍回路１００のみを用いたサイクルで温水が生成される。
【００３９】
まず、制御部は、第１給湯水開閉弁３３０および第２給湯水開閉弁３４０に開栓指令を出し、第１給湯水開閉弁３３０および第２給湯水開閉弁３４０を開く。同時に、第３給湯水開閉弁３５０および第４給湯水開閉弁３６０に閉栓指令を出し、第３給湯水開閉弁３５０および第４給湯水開閉弁３６０を閉じる。これにより、給湯水は、第１給湯水配管３１０を流れて第１熱交換部１３０に送り込まれる。
【００４０】
２元サイクルから単段サイクルに切り替えるに当たり、制御部は、まず最初に第１熱交換部１３０の外管１３１内に充填された冷媒を外管１３１内を真空にする真空引きステップを実行することによって第２圧縮機２２０、第２熱交換部２３０を含む、第１冷媒開閉弁２５０と第２冷媒開閉弁２６０との間の配管に回収する。
【００４１】
真空引きステップが実行されると、図５に示すように、まず制御部は、第１冷媒開閉弁２５０に閉栓指令を出し、第１冷媒開閉弁２５０を閉じる。
【００４２】
この状態で、制御部は、第２圧縮機２２０を駆動する。これにより、第１冷媒開閉弁２５０から先の冷媒は、第２圧縮機２２０によって第２圧縮機２２０の吐出側に排出される。これにより、外管１３１内がほぼ真空状態まで減圧される。
【００４３】
しかるのち、制御部は、第２冷媒開閉弁２６０に閉栓指令を出し、第２冷媒開閉弁２６０を閉じるとともに、第２圧縮機２２０を停止する。これによれば、第１熱交換部１３０を含む、第１冷媒開閉弁２５０と第２冷媒開閉弁２６０との間の配管がほぼ真空状態となり、外管１３１が断熱層として形成される。
【００４４】
なお、第２冷媒開閉弁２６０の閉栓指令のタイミングとしては、第１熱交換部１３０の出口側付近に圧力センサを設置して、ほぼ真空状態まで減圧されたのを制御部で検知して、第２冷媒開閉弁２６０を閉じることが好ましい。
【００４５】
また別の方法として、第１冷媒開閉弁２５０を閉じて、第２圧縮機２２０の駆動開始から一定時間を経過した後に第２冷媒開閉弁２６０を閉じるようにしてもよい。
【００４６】
真空引きステップを終えた後、制御部は、第１冷凍回路１００を運転する。第１冷凍回路１００において、冷媒は、第１圧縮機１２０にて所定の圧力まで圧縮された後、第１熱交換部１３０で給湯水と熱交換することで凝縮され、第１膨張弁１４０に送られる。冷媒は、第１膨張弁１４０で蒸発圧力まで膨張されたのち、空気−冷媒熱交換器１５０に送られ、大気と熱交換される。
【００４７】
このとき、第１熱交換部１３０は、大気に触れる最外層の外管１３１内部が、ほぼ真空状態になっていることにより断熱層として機能するため、外気への熱リークが抑えられ第２内管１３２を流れる高圧冷媒と、第１内管１３３内を流れる給湯水との間の熱交換が効率的に行われる。
【００４８】
本発明のヒートポンプ式給湯装置１によって生成される温水は、風呂などの給湯用としてだけではなく、暖房用など各種熱源媒体として用いることが可能であり、その用途は特に限定されない。
【符号の説明】
【００４９】
１  ヒートポンプ式給湯装置
１００  第１冷凍回路
１１０  第１冷媒配管
１２０  第１圧縮機
１３０  第１熱交換部
１３１  外管
１３２  第２内管
１３３  第１内管
１４０  第１膨張弁
１５０  空気−冷媒熱交換器
２００  第２冷凍回路
２１０  第２冷媒配管
２２０  第２圧縮機
２３０  第２熱交換部
２４０  第２膨張弁
２５０  第１冷媒開閉弁
２６０  第２冷媒開閉弁
３００  給湯水生成回路
３１０  第１給湯水配管
３２０  第２給湯水配管
３３０  第１給湯水開閉弁
３４０  第２給湯水開閉弁
３５０  第３給湯水開閉弁
３６０  第４給湯水開閉弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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