日本冷凍空調学会賞

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技術賞

給湯機用 CO2 冷媒ヒートポンプユニット―新エジェクタサイクル・新型圧縮機・水冷媒熱交換器―
CO2 Heat Pump Water Heater―Ejector Cycle System, Scroll Compressor, Gas Cooler―

1. はじめにわが国における消費エネルギーの 15％は「家庭」用であり，その中でも「給湯用」が31 ％を占め，その「給湯の省エネルギー」が温暖化対策の大きなポイントである．
CO2 冷媒ヒートポンプ給湯機は，2001 年

大矢直弘＊

Naohiro OHYA

髙津昌宏＊

加藤裕康＊

森本正和＊

Masahiro TAKATSU Hiroyasu KATO Masakazu MORIMOTO

吉井桂一＊

Keiichi YOSHIIに発売が開始されて以来，低炭素社会を実現するための国の普及促進活動が行われる中で，そのことで空気熱交換器の性能を向上させ，かつ減圧時の運出荷台数は年々増加している．今後さらに環境意識が高動エネルギーを回収し，コンプレッサへの吸入冷媒を昇まる中，高効率給湯機に対する省エネ技術の期待は大き

圧，圧縮動力を低減できるようになる（図１）．

くなる状況下にある．そこで今回私たちは，飛躍的な省開発品ではこのエジェクタサイクルを進化させ，空気エネ性，環境性を追求した給湯機用 CO2 冷媒ヒートポンプ

熱交換器の性能を最大限に引き出し，大幅な性能向上ユニットを開発した．

を実現可能な CO2 用エジェクタサイクル（EJECS Ⅱ）

2. システム概要
表１は，当社が開発した CO2 冷媒ヒートポンプユニッを開発した．本技術の特徴は，（1）耐着霜能力の向上と，（2）空気熱交換器のオイル循環量の低減である．
（1）耐着霜能力の向上

トの仕様を示す．

3. 技 術 の 特 徴
3.1

新エジェクタサイクル

膨張弁を使用した一般的なヒートポンプサイクルでは，空気熱交換器は，従来の発想では性能向上のためにフィン間隔を小さく，耐着霜性向上のためにフィン間隔を大きくするという相反する課題があった．開発品では，空気熱交換器への霜の付着の仕方をまったく新しい発想で画期的に改善することで性能向上を実現した．

その膨張過程で非可逆的な断熱膨張が行われ，その際に運空気熱交換器は一般的に，風の流れに対し前後 2 列の配動エネルギーから熱エネルギーへの変換が発生する．変換列で構成されているため，外気との温度差の大きい風上側された熱エネルギーは冷媒を加熱し，外気からの吸熱量をに集中して着霜してしまう．新エジェクタサイクルでは可減少させてしまう．そこで，エジェクタを膨張機構に採用

変エジェクタと可変膨張弁を組み合わせ，エジェクタの昇することによって，この膨張過程における熱エネルギーへ圧機能を活かし，風下側の蒸発温度に対して風上側の蒸発の変換を大幅に低減し，低温冷媒の無駄な加熱をなくす

温度を高くすることで，外気との温度差を均等化し着霜を

表１
項型

CO2 冷媒ヒートポンプユニットの仕様

目式

仕 様
CHP-H4510A
CHP-H6010A
690 mm（高さ）× 820［カバー部＋80］mm（幅）外形寸法× 300 mm（奥行）質 量
約 58 kg
約 59 kg
中間期加熱能力＊14.5 kW
6.0 kW
中間期消費電力＊10.885 kW1.230 kW
中間期 COP ＊1
5.1
4.9
運転音＊238 dB
42 dB
冷媒名（封入量）CO2（0.875 kg）
CO2（0.875 kg）＊ 1 作動条件：外気温（DB/WB）16/12 ℃，水温 17 ℃，沸上温度 65 ℃
＊ 2 中間期条件下での測定（JRA4050：2009 に準じ測定）均一化させた（図２）．これにより，着霜による効率の低下を抑制し，性能向上と耐着霜性を両立させる最適なフィン間隔を有する空気熱交換器仕様を可能とした．
（2）空気熱交換器のオイル循環量の低減
冷媒に混合した循環オイル（コンプレッサ駆動流
吸引流

図１

エジェクタの仕組み

潤滑）は，熱交換器の伝熱管表面に付着し，＊㈱デンソー
Denso Corporation
原稿受理 2011 年 2 月 15 日

冷凍 2011 年 6 月号第 86 巻第 1004 号

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図２

図３

蒸発温度の 2 水準化による均一着霜

空気熱交換器内のオイル循環量低減

熱伝達を阻害し，性能を低下させる要因となる．したがって，熱交換器に入るオイル量を減らすことは性能向上の有効な策となる．一般にはコンプレッサ吐出後（もしくはコンプレッサ内部）にオイルセパレータを設け，冷媒とオイルを分離するが，完全に冷媒とオイルを分離することはできない．
従来のエジェクタサイクルは，アキュームレータ→空気熱交換器→エジェクタというように，コンプレッサ吸入部に戻らない閉ループ回路が図４

図５

新型コンプレッサ

水冷媒熱交換器構成させており，この閉ループ回路内にオイルが徐々に滞留し，空気熱交換器を流れる循環オイル量が熱損失を低減した．そのほか，スクロール形状および各増え，オイルセパレータ機能を活かすことができなかっ部クリアランスの最適化による洩れ損失を低減した．

た（図３）．閉ループ回路を無くした新エジェクタサイク

3.3

高効率水冷媒熱交換器

ルは，膨張弁サイクルに対するエジェクタ効果であるエ

当社の独自技術である扁平の矩形筐体内にフィン（仕ネルギー回収による圧縮機の動力低減という機能と，オ切り板）を設置し，蛇行流れをした水流路を形成した水

イルセパレータによる空気熱交換器内のオイル循環量低側コアで，無駄なスペースをつくらずに伝熱長さを増大減という機能を複合両立させ，性能向上を実現している．

できる構成をさらに進化させて，水流路内に伝熱促進と3.2

新型高効率コンプレッサ

通水抵抗の低減が両立できる新発想の超微細オフセット

当社の独自技術である低圧ドーム型のモータ冷却と低フィンを採用し，高性能化を図りながら低圧損化を可能

放熱ロスにより，冬期，寒冷期における性能優位をさらにした（図５）．冷媒側は，小径冷媒チューブを水側コに進化させ，新たに圧縮後の高圧冷媒から潤滑油を分離アへ高密度に螺旋状に巻き付け，水と冷媒の流れを対向する高効率オイルセパレータを搭載した新型スクロール流にすることで，効率よく水と冷媒とを熱交換することコンプレッサを開発した（図４）．このオイルセパレータを可能にした．と新エジェクタサイクルとの組み合わせで，3.1（2）に記載したサイクルオイル循環量の低減によってシステム

4. 省エネルギー性効率の向上を図るとともに，さらに分離した潤滑油はコ

開発品は，①新エジェクタサイクル，②新型圧縮機，ンプレッサ内部の各部へ適量が強制給油され，各摺動部③水冷媒熱交換器という 3 つの新技術導入により，中間の潤滑性を高めている．

期 COP 5.1 と従来機と比較して約 16 ％の高効率化を達

また，可動スクロール背面に作用する，圧縮による高荷重を支持するスラスト軸受については，油膜形成に優れる円形の島を多数個配置した形状を採用することで，低損失化を実現している．

成した．

5. おわりに当社の独自技術を進化させることにより，省エネル

さらに，従来品では吸入冷媒を全量モータ室に吸入しギーな CO2 給湯機を実現することができた．今後もさた後，圧縮部へ導入していたが，モータ冷却に必要な量らなる省エネルギー性を向上させ，家庭用ヒートポンプを除いて，直接，圧縮部へ吸入する構造とすることで加給湯機の普及に貢献していきたい．

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