(57)【要約】水熱交換器により温水を生成するための冷媒回路において、外気温が高い場合でも、確実に副熱交換器で水温を低下させた後に前記水熱交換器に導入することができる冷媒回路を提供する。【課題】超臨界圧力で運転する冷媒回路において、副熱交換器で確実に水温を低下させる。【解決手段】圧縮機と、水熱交換器と、減圧機構と、空気熱交換器とが順次接続され、かつ高圧側を超臨界圧力で運転すると共に、低圧側に熱回収させた水を前記水熱交換器に導入して加熱する冷媒回路において、低圧側に熱回収させる副熱交換器を、前記空気熱交換器の上流側かつ前記減圧機構の下流側に設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、水熱交換器と、減圧機構と、空気熱交換器とが順次接続され、かつ高圧側を超臨界圧力で運転すると共に、低圧側の副熱交換器により熱回収させた水を前記水熱交換器に導入して加熱する冷媒回路において、
前記副熱交換器を、前記空気熱交換器と前記減圧機構の間に設けてなる冷媒回路。
【請求項２】
請求項１記載の冷媒回路を用いた給湯システムであって、
前記水熱交換器に導入される水が貯湯タンクに蓄えられるようにしてなることを特徴とする給湯システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、臨界温度が低い冷媒に適した冷媒回路、及び給湯システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般の蒸気圧縮式冷凍サイクルによるヒートポンプは、冷媒を、圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器の順に循環させる冷媒回路を有している。冷媒は、蒸発器を通過する過程で蒸発して採熱し、凝縮器を通過する過程で凝縮して放熱する。凝縮器は、給湯用の水や暖房用の熱媒等（流体）のための流通路と共に水熱交換器を構成している。この水熱交換器において、上記冷媒の放熱により水や熱媒を温め、給湯や暖房に供することができる。
【０００３】
近年、ヒートポンプの冷媒として、オゾン層を破壊しない物質を採用することが望まれている。そのような物質の代表的なものにＲ４１０Ａや二酸化炭素が挙げられ、それらを利用した給湯システムが多数提案されている。
【０００４】
これらの冷媒の特徴として、Ｒ４１０Ａは地球温暖化係数が二酸化炭素に比べ大きいという事と、二酸化炭素の臨界温度はＲ４１０Ａの約７２℃に比べ約３１℃と低温であるという事が挙げられる。また、特に二酸化炭素のような遷臨界サイクルで動作する冷媒を使用した給湯システムでは、高温高圧の冷媒が充分に冷却されないと、放熱のエンタルピー差が取れずに放熱過程での放熱量が小さくなり、ＣＯＰ（＝放熱量／圧縮機仕事）が低下する。この傾向は、給水の温度が高くなるほど顕著になる。
【０００５】
そこで、水熱交換器への入水温度を低くすることで放熱器での放熱量を大きくし、運転時の能力及びＣＯＰを高く維持するため、水熱交換器に導入される水の温度を副熱交換器で予め低下させるようにした給湯システムが提案されている。
【特許文献１】特開２００２−９８４２９号公報。
【特許文献２】特開２００４−１３２６５８号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし従来の水熱交換器を有する冷媒回路では、副熱交換器が空気と熱交換を終えた冷媒の流れている空気熱交換器の下流に配置されていたり、ファンにより空気冷却されたりしている。そのため副熱交換器において熱交換される水回路は、空気熱交換器によって加温された冷媒と熱交換したり、外気と直接熱交換したりしているため、副熱交換器における水回路の吸熱が十分行われない場合が考えられる。
特に外気温が高い場合など副熱交換器での吸熱が充分行なわれないため、水熱交換器に流入する水の温度が充分低くならず、ＣＯＰのさらなる向上を望めないという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで請求項１の冷媒回路は、圧縮機と、水熱交換器と、減圧機構と、空気熱交換器とが順次接続され、かつ高圧側を超臨界圧力で運転すると共に、低圧側の副熱交換器により熱回収させた水を前記水熱交換器に導入して加熱する冷媒回路において、
前記副熱交換器を、前記空気熱交換器と前記減圧機構の間に設けてなることを特徴としている。
【０００８】
請求項２の給湯システムは、上記冷媒回路を用いた給湯システムであって、前記水熱交換器に導入される水が貯湯タンクに蓄えられるようにしてなることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の冷媒回路では、低圧側に熱回収させる副熱交換器を、前記空気熱交換器の上流側かつ前記減圧機構の下流側に設けているため、水熱交換器には一定の低い温度の水が送られることになり、水熱交換器で放熱した後膨張弁入口へ流れる冷媒温度は、夏場のぬるい温度の水道水や貯湯タンクに貯まった利用価値の低い30〜40℃の中温水などの影響を受けにくくできるため、冷媒回路を効率良く運転することができる。また、オゾン層破壊係数や地球温暖化係数が代替冷媒よりも極めて小さい二酸化炭素を冷媒に用いることが可能であるので、オゾン層の破壊、環境汚染、地球温暖化等の問題の発生を防止することができる。
【００１０】
上記請求項２の給湯システムでは、水熱交換器に導入される水が貯湯タンクに蓄えられるようにしてあるので、効率の良い給湯システムを構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の給湯システムは圧縮機、高圧の冷媒から水へ放熱を行なう水熱交換器、減圧機構（膨張弁等）、低圧の冷媒が空気から吸熱を行なう空気熱交換器、前記空気熱交換器と前記減圧機構の間に配置され低圧の冷媒が水から吸熱を行なう副熱交換器、からなる冷媒回路と、水熱交換器で熱交換される水を供給する給水管、貯湯タンク、副熱交換器と水熱交換器を連通する流通路内を循環させる循環ポンプ、からなる水流通回路と、その他図示しない冷媒温度、水温、湯温などを検出する検出器とその検出結果により各要素の制御を行なう制御装置からなる。
【００１２】
以下、具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。まず図１．の実施例では、圧縮機３１、高圧の冷媒から水へ放熱を行なう水熱交換器１１、減圧機構（膨張弁等）３３、前記減圧機構で減圧された低圧の冷媒が水から吸熱を行なう副熱交換器１２、低圧の冷媒が空気から吸熱を行なう空気熱交換器３４、からなる冷媒回路１０を有している。
【００１３】
また、貯湯タンク２０に給水管２１によって貯められた水道水を、貯湯タンク２０下部より水循環ポンプ４２で送り出し副熱交換器１２にて冷媒と熱交換したのち、水熱交換器入口流路４０ａから水熱交換器１１へ導入し冷媒により加熱し、水熱交換器出口流路から貯湯タンク２０上部に戻し、必要に応じて給湯口２４から温水を供給する流通路４０を有している。
【００１４】
ここで、副熱交換器１２においては低温低圧の冷媒は水から吸熱する。また、水熱交換器１１においては高温高圧の冷媒により水を加熱する。このとき吸熱量の調整は、水循環量で対応してもよいし、送風ファン３５の回転数で対応しても良いし、圧縮機３１の周波数を変えて冷媒循環量で対応しても良い。なお副熱交換器１２並びに水熱交換器１１は、いずれも冷媒と水を対向流としている。また、貯湯タンク２０の内部は、高温の水と低温の水が破線で表すように、その温度差による層を形成している。
【００１５】
これによれば、副熱交換器１２を減圧機構３３の下流側で空気熱交換器３４の上流側に配置しているため、空気熱交換器３４において冷媒の温度が上昇する前に水と冷媒の熱交換が行なえるようになっている。このため、外気温が高く空気熱交換器３４を通過した冷媒の温度が水の温度と同じか高くなるような場合でも、水熱交換器１１へ導入される水の温度を低く押さえることが可能になり、水熱交換器１１で冷媒によって加熱させることが可能となる。
【００１６】
つぎに図２．の実施例では、圧縮機３１、高圧の冷媒から水へ放熱を行なう水熱交換器１１、減圧機構（膨張弁等）３３、前記減圧機構で減圧された低圧の冷媒が水から吸熱を行なう副熱交換器１２、低圧の冷媒が空気から吸熱を行なう空気熱交換器３４、からなる冷媒回路１０を有している。
【００１７】
また、貯湯タンク２０に給水管２１によって貯められた水道水を貯湯タンク２０下部より水循環ポンプ４２で送り出し、副熱交換器１２にて吸熱したのち水熱交換器１１で加熱し貯湯タンク２０上部に戻し、必要に応じて給湯口２４から温水を供給する流通路４０を有している。
【００１８】
これによれば、副熱交換器１２を貯湯タンク２０内部に設置し、給水管２１により供給される水から直接吸熱するようにしたため、貯湯タンク２０下部には副熱交換器１２により吸熱され冷却された水を蓄えるようにしている。また、その冷却された水を水循環ポンプ４２にて水熱交換器１１に送り、高温高圧の冷媒から受熱し高温の湯にして貯湯タンク２０上部に戻して貯湯するようにしている。
【００１９】
また、副熱交換器１２を貯湯タンク内部に配置することで給湯システムの小型化を実現できると共に、副熱交換器１２で冷却された水を水熱交換器１１に直接送り出すことができるため、水流通路４０を簡略化できる。
【００２０】
図3．に示す実施例では、圧縮機３１、高圧の冷媒から水へ放熱を行なう水熱交換器１１、減圧機構（膨張弁等）３３、前記減圧機構で減圧された低圧の冷媒が水から吸熱を行なう副熱交換器１２、低圧の冷媒が空気から吸熱を行なう空気熱交換器３４、からなる冷媒回路１０を有している。
【００２１】
また、貯湯タンク２０に給水管２１によって貯められた水道水を、貯湯タンク２０の略中央より第二水循環ポンプ４２aで副熱交換器１２に流通させて吸熱したのち貯湯タンク２０の下部に戻し、貯湯タンク２０下部より水循環ポンプ４２で送り出したのち水熱交換器１１で加熱し貯湯タンク２０上部に戻し、必要に応じて給湯口２４から温水を供給する流通路４０を有している。
【００２２】
この実施例によれば、上部の高温水と下部の低温水が混ざることで発生した中温水から熱を回収し空気熱交換器３４の上流側で冷媒の吸熱量を多くすることで、圧縮機３１の吸入温度を高くすることができ、圧縮機３１の仕事を低減できる。
次に、冷媒回路の運転効率について実施例に基づき説明を行う。図１から図３に示す冷媒回路によれば、副熱交換器１２での吸熱量を大きくできるため水媒熱交換器１１に水熱交換器入口流路４０ａから供給される水が低温となり、そのため水熱交換器１１で水と熱交換を行う冷媒の放熱量Qが増大する。
また、水熱交換器１１での放熱量が増えるため、水熱交換器１１を出た冷媒の温度を低くすることができ、膨張弁入口での冷媒温度が下がる。
【００２３】
また、冷凍サイクルにおいて減圧機構３３を通過した後の低圧側では、補助熱交換器１２における冷媒の吸熱の過程で冷媒の温度が上がるため、圧縮機３１の吸込み圧力と吸込み温度が上昇する。そのため、同じ吐出圧力を得るための圧縮機３１の仕事Wは少なくできる。
【００２４】
以上のような冷媒回路を構成し、副熱交換器１２で水から吸熱を行い、水熱交換器１１での放熱量を増大させることで、ＣＯＰ（＝放熱量／圧縮機仕事）を改善することが可能となる。
【００２５】
また、このシステムの特徴として、更に水温は外気温ほど大きな変化をすることが少なく、外気温が氷点下のときも水から吸熱することにより安定した運転が行える。また、システムに四方弁を導入しサイクルを逆にすることで、冷水製造を行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明による実施例１を示すサイクル図である。
【図２】本発明による実施例２を示すサイクル図である。
【図３】本発明による実施例３を示すサイクル図である。
【図４】従来技術を示すサイクル図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０ 冷媒回路（ヒートポンプ）
１１ 水熱交換器
１２ 副熱交換器
２０ 貯湯タンク
２１ 給水管
２４ 給湯口
３１ 圧縮機
３３ 減圧機構（膨張弁）
３４ 空気熱交換器
３５ 送風ファン
４０ 流通路
４０ａ 水熱交換器入口流路
４０ｂ 水熱交換器出口流路
４２ 循環ポンプ
４２ａ 第二水循環ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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