(57)【要約】【課題】ヒートポンプ給湯装置に関するものであり、給湯加熱運転中のシステム成績係数を向上して、少ない消費電力により温水を供給できる給湯システムを提供することを目的とする。【解決手段】液ガス熱交換器の冷媒間熱交換部の伝熱面積を最適化することにより、冷媒循環量とガスクーラの動作圧力が適切になるように冷媒間熱交換量させ、ヒートポンプ給湯装置のシステム成績係数を最大化し、高効率の給湯システムを提供することができる。【選択図】図１
2008224064.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも圧縮機と、ガスクーラと、減圧機構と、蒸発器と、高圧側冷媒を与熱流体として低圧側冷媒を受熱流体とする冷媒間熱交換を行う液ガス熱交換器を備え、前記液ガス熱交換器は冷媒間熱交換部の伝熱面積が２２０ｃｍ２以上３００ｃｍ２以下であることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
【請求項２】
前記液ガス熱交換器は、冷媒間熱交換部の長さが０．８ｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項３】
前記液ガス熱交換器は、二重管構造により形成され、外管の内部に複数本の内管を配することを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項４】
前記液ガス熱交換器は、前記内管を高圧側冷媒配管とし、前記外管を低圧側冷媒配管とすることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項５】
前記液ガス熱交換器は、前記内管が２本の銅管φ約４ｍｍ、前記外管が１本の銅管φ約１３ｍｍで構成され、冷媒間熱交換部の長さが０．４ｍ以上０．８ｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項６】
前記液ガス熱交換器は、高圧側冷媒配管と低圧側冷媒配管が接するように配することを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項７】
前記液ガス熱交換器は、前記高圧側冷媒配管と前記低圧側冷媒配管の少なくともどちらか一方が複数本で構成されることを特徴とする請求項６に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項８】
前記液ガス熱交換器は、複数本である冷媒配管を他方の冷媒配管に巻きつけることを特徴とする請求項７に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項９】
前記液ガス熱交換器は、前記ガスクーラから前記減圧機構に供給される高圧側冷媒と、前記蒸発器から前記圧縮機に供給される低圧側冷媒の熱交換に用いられることを特徴とする請求項５または８に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項１０】
冷媒として、高圧側において超臨界状態となり得る冷媒を用いることを特徴とする請求項９に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項１１】
冷媒として、二酸化炭素を用いることを特徴とする請求項１０に記載のヒートポンプ給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスクーラにおける冷媒から放出される熱を利用して温水を供給するヒートポンプ給湯装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のヒートポンプ給湯装置は、図８に示すような構造を有していた。
【０００３】
なお、以下では、高圧側において超臨界となり得る物質を冷媒として用いるヒートポンプ給湯装置として、現在、最も一般的な二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプ給湯装置について述べる。
【０００４】
図８に示すように、従来のヒートポンプ給湯装置では、ヒートポンプユニット４１に、圧縮機３１、ガスクーラ３２、減圧機構である膨張弁３３、蒸発器３４をこの順で環状に接続して構成する冷媒回路３５を設けている。
【０００５】
また、貯湯ユニット４２に、貯湯タンク３７、積層ポンプ３８、三方弁３９、給湯混合弁４０を設け、貯湯タンク３７の底部から積層ポンプ３８、ガスクーラ３２、三方弁３９を経て貯湯タンク３７の塔頂へ戻す沸き上げ回路を構成し、給湯混合弁４０は供給水配管と貯湯タンク３７からの給湯配管の混合部に設けられている。
【０００６】
なお、ヒートポンプユニット４１の冷媒回路３５は、ガスクーラ３２から膨張弁３３へ供給される高圧側冷媒と蒸発器３４から圧縮機３１へ供給される低圧側冷媒の間で冷媒間熱交換を行う液ガス熱交換器３６を備えている。
【０００７】
また、液ガス熱交換器３６は図９に示すように構成される。
【０００８】
図に示すように、液ガス熱交換器３６は、径の大きい低圧側冷媒配管４４と低圧側冷媒配管４４の内側に形成された低圧側冷媒配管４４よりも径の小さい高圧側冷媒配管４３を配する二重管構造であり、高圧側冷媒配管４３の両端には分岐管４５が形成されている。
【０００９】
そして、低圧側冷媒配管４４と高圧側冷媒配管４３により、高圧側冷媒流路４６と低圧側冷媒流路４７が形成されている。
【００１０】
以上のように構成されたヒートポンプ給湯装置について、以下にその動作を説明する。
【００１１】
圧縮機３１から吐出された高圧の冷媒はガスクーラ３２へ供給され、ガスクーラ３２においてその凝縮熱を利用して水と熱交換を行い、温度の低下した冷媒は液ガス熱交換器３６の高圧側冷媒流路４６へ供給される。液ガス熱交換器３６においては低圧側冷媒流路４７を流れる冷媒と熱交換を行い、放熱した後に膨張弁３３に供給される。膨張弁３３にて減圧された後、蒸発器３４に供給されて吸熱し、液ガス熱交換器３６の低圧側冷媒流路４７を経て、圧縮機３１へ吸入される。
【００１２】
一方、ガスクーラ３２において加熱される水は、積層ポンプ３８の作用で貯湯タンク３７の底部より供給され、ガスクーラ３２において加熱された後に、温水となって三方弁３９を経て貯湯タンク３７の上部に戻される。
【００１３】
ところで、液ガス熱交換器３６は高圧側冷媒と低圧側冷媒の間で熱交換を行うことにより、高圧側冷媒圧力を抑制するという働きを持つが、同時に、ガスクーラ３２入口の冷媒温度を上昇させ、冷凍サイクル内の冷媒循環量を減少させるという働きも有する。
【００１４】
ここで、ガスクーラ３２入口における冷媒温度の上昇は、加熱能力の増加という影響を与えるが、冷媒循環量の減少は、加熱能力の減少という影響を与え、各々、相反する影響を与える。したがって、この双方の寄与度により加熱能力の増減が決定し、システム成績係数の増減が決定する。
【００１５】
そのため、液ガス熱交換器３６における冷媒間熱交換量を最適化することによって、システム成績係数を最大にする液ガス熱交換器３６を発明することは非常に重要であった（例えば、特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特開２００６−３００４８７号公報
【特許文献２】特開２００５−３５１５３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、特許文献１には放熱ロスが少なく、熱交換効率が高い液ガス熱交換器として、その概要は記載されているものの、冷媒間熱交換量に着目してシステム成績係数を最大にする仕様についての言及はない。そのため、ガスクーラ入口冷媒温度が不十分であったり、冷媒循環量が過小になったりして、システム成績係数が低くなるという問題点を有していた。 
【００１７】
また、特許文献２に記載のような液ガス熱交換器における冷媒間熱交換量を調節することができる冷凍サイクル装置（図なし）も提案されているが、この冷凍サイクル装置においては、冷媒を減圧させる膨張弁を２つ搭載しており、冷凍サイクル装置の大型化および制御仕様の複雑化は不可避である。近年のヒートポンプ給湯装置はコンパクトタイプが主流であることを考慮すると、冷凍サイクル装置の拡大に伴う筐体の大型化は大きな課題であった。
【００１８】
本発明は上記課題を解決するものであり、システム成績係数の向上という効果を有し、かつ小型の筐体に格納することができる小型液ガス熱交換器サイクルを搭載したヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するために、本発明は、ヒートポンプ給湯装置に搭載される液ガス熱交換器をその冷媒間熱交換部の面積が２２０ｃｍ２以上３００ｃｍ２以下である液ガス熱交換器とした。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、液ガス熱交換器の冷媒間熱交換部の面積を２２０ｃｍ２以上３００ｃｍ２以下という構成にしたことにより、適量の冷媒間熱交換量を得て、システム成績係数の向上という効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施の形態においては、少なくとも圧縮機と、ガスクーラと、減圧機構と、蒸発器と、高圧側冷媒を与熱流体として低圧側冷媒を受熱流体とする冷媒間熱交換を行う液ガス熱交換器を備えるヒートポンプ給湯装置において、液ガス熱交換器は冷媒間熱交換部の伝熱面積が２２０ｃｍ２以上３００ｃｍ２以下であることを特徴とする。
【００２２】
この構成により、適切な冷媒間熱交換量を得ることができるように作用し、システム成績係数を向上させるという効果を奏する。
【００２３】
また、本発明は液ガス熱交換器の冷媒間熱交換部の長さを０．８ｍ以下としたものであり、この構成により、本発明は液ガス熱交換器を小型化して、格納するヒートポンプユニットの筐体をコンパクト化することができる。
【００２４】
また、本発明は、液ガス熱交換器を二重管構造により構成し、外管の内部に複数本の内管を配する構造とするものである。この構成により、本発明は液ガス熱交換器をさらに小型化して、格納するヒートポンプユニットの筐体をさらにコンパクト化することができる。
【００２５】
また、本発明は二重管構造により構成される液ガス熱交換器を内管を高圧側冷媒配管とし、外管を低圧側冷媒配管とするものである。この構成により、本発明は外管の肉厚を小さくすることができ、液ガス熱交換器に用いられる材料量を低減することができる。
【００２６】
また、本発明は二重管構造により構成される液ガス熱交換器において、内管をφ約４ｍｍ銅管２本、外管をφ約１３ｍｍ銅管１本とし、冷媒間熱交換部の長さを０．４ｍ以上０．８ｍ以下としたものである。この構成により、本発明は分岐管数を最小に抑えて、製造工数を削減することができる。
【００２７】
さらに、本発明は、液ガス熱交換器において、高圧側冷媒配管と低圧側冷媒配管が接するように配する構造としたものである。この構成により、本発明は液ガス熱交換器をさらに小型化して、格納するヒートポンプユニットの筐体をさらにコンパクト化することができる。
【００２８】
また、本発明は、高圧側冷媒配管と低圧側冷媒配管を接するように配する液ガス熱交換器において、高圧側冷媒配管と低圧側冷媒配管の少なくともどちらか一方が複数本で構成するものである。この構成により、本発明は液ガス熱交換器の冷媒配管の圧力損失を低減することができる。
【００２９】
また、本発明は、高圧側冷媒配管と低圧側冷媒配管の少なくともどちらか一方が複数本で構成される液ガス熱交換器において、複数本である冷媒配管を他方の冷媒配管に巻きつける構造としたものである。この構成により、本発明は液ガス熱交換器をさらに小型化して、格納するヒートポンプユニットの筐体をさらにコンパクト化することができる。
【００３０】
また、本発明は、液ガス熱交換器において、ガスクーラから減圧機構に供給される高圧側冷媒と、蒸発器から圧縮機に供給される低圧側冷媒の熱交換に用いられる構造としたものである。この構成により、本発明はガスクーラと蒸発器をともに効果的に動作させることができる。
【００３１】
また、本発明は、冷媒として、高圧側で超臨界状態となり得る冷媒を用いるものである。この構成により、本発明は高圧側冷媒温度を高くすることができ、高温の温水を効率よく得ることができる。
【００３２】
また、本発明は、高圧側において超臨界状態となり得る冷媒として二酸化炭素を用いたものである。この構成により、本発明は用いる冷媒が不燃性冷媒であるため、発火や爆発の危険性を取り除くことができる。
【実施例】
【００３３】
以下、本発明の実施例におけるヒートポンプ給湯装置について図面を参照しながら述べる。
（実施例１）
まず、本発明の実施例１におけるヒートポンプ給湯装置に搭載の液ガス熱交換器の構成について述べる。
【００３４】
図１は液ガス熱交換器の軸鉛直方向の断面図である。
【００３５】
図１に示すように、複数ある高圧側冷媒配管１は、低圧側冷媒配管２内に配置されている。ここで高圧側冷媒配管１はφ４ｍｍとし、低圧側冷媒配管２はφ１２．７ｍｍとする。
【００３６】
高圧側冷媒配管１の内部空間は高圧側冷媒流路３であり、高圧側冷媒配管１と低圧側冷媒配管２の間隙は低圧側冷媒流路４である。
【００３７】
また、図２は液ガス熱交換器の正面図である。
【００３８】
図２に示すように、高圧側冷媒配管１および低圧側冷媒配管２は、分岐管５、６で分岐される。ここで、二重管部分は全長０．７ｍである。
【００３９】
次に、上記のように構成された液ガス熱交換器が冷凍サイクルに与える動作および作用について述べる。
【００４０】
高圧側冷媒流路３を循環する高圧側冷媒と低圧側冷媒流路４を循環する低圧側冷媒は、液ガス熱交換器において対向流をなして高圧側冷媒配管１を介して冷媒間熱交換を行う。ここで、冷媒間熱交換は高圧側冷媒を与熱流体、低圧側冷媒を受熱流体とする熱交換である。
【００４１】
乾球温度１６℃、湿球温度１２℃の中間環境温度において、ガスクーラで１７℃の水を６５℃の湯に沸き上げる定格条件において、本実施例における液ガス熱交換器は従来の液ガス熱交換器よりも伝熱面積が増加しているため、冷媒間熱交換量も増加する。
【００４２】
このように、当然のことながら、図３に示すように、液ガス熱交換器の伝熱面積が増加するにつれて、冷媒間熱交換量は増加する。なお、本実施例における液ガス熱交換器の伝熱面積は１５０ｃｍ２である。
【００４３】
次に、液ガス熱交換器を搭載しない冷凍サイクルと本実施例における冷凍サイクルの動作点を描いたモリエル線図を図４に示す。ただし、圧縮機周波数は同一のものとする。
【００４４】
図４において２つの冷凍サイクルを比較すると、液ガス熱交換器を搭載する本実施例における冷凍サイクルにおいては、冷媒の圧縮機吸入過熱度が大きくなり、同冷媒密度が小さくなるため、冷凍サイクルの冷媒循環量は減少するものの、圧縮機吐出冷媒温度が上昇し、ガスクーラにおける冷媒の比エンタルピ差を拡大した状態にてガスクーラを動作させることがわかる。
【００４５】
このとき、ガスクーラ入口における冷媒の比エンタルピは増加し、冷媒温度が高くなるため、ガスクーラの動作圧力を図４に示すように低下させることができる。
【００４６】
本実施例によれば、上記の構成により、液ガス熱交換器は冷媒間熱交換部の伝熱面積を１５０ｃｍ２とすることによって、液ガス熱交換器において所定の熱量を冷媒間で授受して、圧縮機吐出冷媒温度によるシステム成績係数向上効果を大きく得ながら、冷媒循環量低下によるシステム成績係数下降効果を最小限に抑制して、システム成績係数向上効果を最大限に得ることができるという効果を奏する。 
【００４７】
ここで、冷媒間熱交換量とシステム成績係数の関係を図５に示す。
【００４８】
図５より、冷媒間熱交換量が所定量以下のときは、熱交換量の増加に伴いシステム成績係数は向上するが、熱交換量が所定量以上のときは、システム成績係数は低下するという傾向がわかる。
【００４９】
この傾向は、冷媒間熱交換量が小さいときは圧縮機吐出冷媒温度が上昇することによる影響が大きいが、所定量を超えて冷媒間熱交換量が過大になると、冷媒循環量の低下が著しくなり、システム成績係数が低下することに起因する。
【００５０】
図６に液ガス熱交換器の伝熱面積とシステム成績係数の関係を示す。
【００５１】
図に示すように、伝熱面積が２２０ｃｍ２以上３００ｃｍ２以下のときに、液ガス熱交換器において、適切な熱量を冷媒間で交換して、システム成績係数を最大にすることができる。 
【００５２】
なお、ここでは試験条件の一例として乾球温度１６℃、湿球温度１２℃の中間環境温度においてガスクーラで１７℃の水を６５℃の湯に沸き上げる定格条件を示したが、本実施例は、いかなる外気温度においてもシステム成績係数向上という同様の効果を奏する。
【００５３】
また、ここでは、冷凍サイクル装置のコンデンサがガスクーラであるＣO２ヒートポンプ給湯装置の場合について示したが、コンデンサは空気調和器の凝縮器であっても、同様の効果を得ることができる。
（実施例２）
以下では、本発明の実施例２におけるヒートポンプ給湯装置に搭載の液ガス熱交換器の構成について述べる。
【００５４】
図７は液ガス熱交換器の冷媒間熱交換部の模式図である。
【００５５】
図に示すように、２本の高圧側冷媒配管７は低圧側冷媒配管８に接するように巻きつける構成であり、高圧側冷媒配管７の両端には分岐管９が配されている。
【００５６】
本実施例によれば、上記の構造により、定格条件におけるシステム成績係数向上と超低環境温度・高入水温時の大加熱能力確保の両立に加えて、冷媒配管径が小さいために配管肉厚を小さくすることができるという効果を奏する
なお、動作および作用は（実施例１）に同じであるので、ここでは省略した。
【００５７】
また、ここでは、２本の高圧側冷媒配管７を低圧側冷媒配管８に巻きつけて 接する液ガス熱交換器を示したが、複数本の低圧側冷媒配管８を高圧側冷媒配管７に巻きつけて接する液ガス熱交換器や高圧側冷媒配管と低圧側冷媒配管がともに複数本で互いに巻きついて接する液ガス熱交換器であっても同様に製造することができ、同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明のヒートポンプ給湯装置は、既存の液ガス熱交換器とほぼ同等の大きさで、システム成績係数を向上させる効果を有し、ヒートポンプ給湯装置一般の高効率化・省エネルギー化に対して有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施例１におけるヒートポンプ給湯機の液ガス熱交換器の軸鉛直方向断面図
【図２】同ヒートポンプ給湯機の液ガス熱交換器の正面図
【図３】同ヒートポンプ給湯機の液ガス熱交換器の冷媒間熱交換部の伝熱面積と熱交換量の関係を示す特性図
【図４】同ヒートポンプ給湯機における乾球温度１６℃、湿球温度１２℃の中間環境温度において、ガスクーラで１７℃の水を６５℃の湯に沸き上げる定格条件での冷凍サイクルの動作線を描いたモリエル線図
【図５】同ヒートポンプ給湯機における定格条件における液ガス熱交換器における冷媒間熱交換量とシステム成績係数の関係を示す特性図
【図６】同ヒートポンプ給湯機における定格条件における液ガス熱交換器の冷媒間熱交換部の伝熱面積とシステム成績係数の関係を示す特性図
【図７】本発明の実施例２におけるヒートポンプ給湯機の液ガス熱交換器の冷媒間熱交換部の模式図
【図８】従来の冷凍サイクル装置を示す模式図
【図９】従来の液ガス熱交換器を示す模式図
【符号の説明】
【００６０】
１    高圧側冷媒配管
２    低圧側冷媒配管
３    高圧側冷媒流路
４    低圧側冷媒流路
５    分岐管
６    分岐管
７    高圧側冷媒配管
８    低圧側冷媒配管
９    分岐管
３１    圧縮機
３２    ガスクーラ
３３    膨張弁
３４    蒸発器
３５    冷媒回路
３６    液ガス熱交換器
３７    貯湯タンク
３８    積層ポンプ
３９    三方弁
４０    給湯混合弁
４１    ヒートポンプユニット
４２    貯湯ユニット
４３    高圧側冷媒配管
４４    低圧側冷媒配管
４５    分岐管
４６    高圧側冷媒流路
４７    低圧側冷媒流路
【図１】
2008224064.tif 000003
【図２】
2008224064.tif 000004
【図３】
2008224064.tif 000005
【図４】
2008224064.tif 000006
【図５】
2008224064.tif 000007
【図６】
2008224064.tif 000008
【図７】
2008224064.tif 000009
【図８】
2008224064.tif 000010
【図９】
2008224064.tif 000011