| 【発明の名称】 |
冷媒加熱式給湯装置および暖冷房装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】藤田 龍夫
【氏名】鈴木 基啓
【氏名】寺島 徹生
【氏名】鈴木 次郎
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| 【要約】 |
【課題】従来の給湯暖房装置では暖房時に室外温度が低下すると冷媒の蒸発が不十分となり、暖房能力が不足していた。
【解決手段】ＣＯ2冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機の下流に設けた凝縮器と、凝縮器の下流に設けた減圧部と、減圧部の下流に設けた蒸発器で形成した冷凍サイクルと、蒸発器内のＣＯ2冷媒、または蒸発器と圧縮機の間のＣＯ2冷媒を加熱する熱源機と、凝縮器内のＣＯ2冷媒と温水を熱交換する温水熱交換器を備え、ＣＯ2冷媒を冷凍サイクルで循環させて温水熱交換器から温水出力、暖房出力を得る冷媒加熱式給湯暖冷房装置。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ＣＯ2冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機の下流に設けた凝縮器と、前記凝縮器の下流に設けた減圧部と、前記減圧部の下流に設けた蒸発器で形成した冷凍サイクルと、前記蒸発器内のＣＯ2冷媒を加熱するか、または前記蒸発器と前記圧縮機の間でＣＯ2冷媒を加熱する熱源機と、前記凝縮器内のＣＯ2冷媒と温水を熱交換する温水熱交換器を備え、ＣＯ2冷媒を前記冷凍サイクルで循環させて前記温水熱交換器から温水出力を得ることを特徴とする冷媒加熱式給湯装置。
【請求項２】 ＣＯ2冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機の下流に設けた凝縮器と、前記凝縮器の下流に設けた減圧部と、前記減圧部の下流に設けた蒸発器で形成した冷凍サイクルと、前記凝縮器内のＣＯ2冷媒と温水との熱交換を行う温水熱交換器と、被加熱流体を加熱する熱源機とを備え、前記被加熱流体により、前記蒸発器内または前記蒸発器と前記圧縮機の間におけるＣＯ2冷媒を加熱し、前記温水熱交換器から温水出力を得ることを特徴とする冷媒加熱式給湯装置。
【請求項３】 凝縮器内のＣＯ2冷媒と温水を対向流で熱交換させることを特徴とする請求項１または２記載の冷媒加熱式給湯装置。
【請求項４】 ＣＯ2冷媒、及び／または被加熱流体を加熱する熱源機として、触媒燃焼器を適用したことを特徴とする請求項１または２記載の冷媒加熱式給湯装置。
【請求項５】 被加熱流体を加熱する熱源として、燃料電池からの排熱を適用したことを特徴とする請求項２記載の冷媒加熱式給湯装置。
【請求項６】 被加熱流体を加熱する熱源として、太陽熱を適用したことを特徴とする請求項２記載の冷媒加熱式給湯装置。
【請求項７】 温水熱交換器から得た温水出力を、送風手段により暖房出力に変換したことを特徴とする請求項１または２記載の冷媒加熱式暖房装置。
【請求項８】 温水熱交換器から得た温水出力を室内の床暖房に活用したことを特徴とする請求項１または２記載の冷媒加熱式暖房装置。
【請求項９】 ＣＯ2冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機の下流に設けた凝縮器と、前記凝縮器の下流に設けた減圧部と、前記減圧部の下流に設けた蒸発器で形成した冷凍サイクルと、前記蒸発器内のＣＯ2冷媒を加熱するか、または前記蒸発器と前記圧縮機の間でＣＯ2冷媒を加熱する熱源機を備え、冷房時にはＣＯ2冷媒を冷凍サイクルで循環させて室内に冷風を吹き出し、暖房時にはＣＯ2冷媒の流れを切り換え、ＣＯ2冷媒を冷凍サイクルで循環させて前記蒸発器のＣＯ2冷媒を加熱して室内に温風を吹き出すことを特徴とする冷媒加熱式暖冷房装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、給湯、及び暖冷房装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】暖冷房装置として、図５（暖房モード）に示すように、暖房時には冷媒を圧縮する圧縮機１、圧縮機１の下流に設けた凝縮器２、凝縮器２の下流に設けた減圧部３、減圧部３の下流に設けた蒸発器４で冷凍サイクルを形成し、壁掛型室内機５に設置した凝縮器２に室内機用ファン６を作動させて温風を発生させ、室内を暖房していた。この時、室外機７は蒸発器４に室外機用ファン８を作動させて冷風を発生させることになる。一方、冷房時には四方弁９により、冷媒循環方向を切り換え、壁掛型室内機５に設置した凝縮器２を蒸発器に変換し、室内機用ファン６を作動させて冷風を発生させ、室内を冷房していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来例の暖冷房装置には以下に説明する課題がある。暖房時に室外温度が低下すると、蒸発器４において十分に熱を得られなくなるため、冷媒の蒸発が不十分となり、成績係数が著しく低下し、室内における暖房能力も不足する。そのため、特に寒冷地においては、暖房能力不足が大きな課題となっており、成績係数低下に伴うランニングコストの上昇も課題とされていた。また、従来のフロン冷媒では凝縮温度が約６０℃であったため、給湯を目的とすると、給湯温度の上限は約５５℃と不十分であり、効率も低いという課題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決するため、第１の手段として、ＣＯ2冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機の下流に設けた凝縮器と、凝縮器の下流に設けた減圧部と、減圧部の下流に設けた蒸発器で形成した冷凍サイクルと、蒸発器内のＣＯ2冷媒を加熱するか、または蒸発器と圧縮機の間でＣＯ2冷媒を加熱する熱源機と、凝縮器内のＣＯ2冷媒と温水を熱交換する温水熱交換器を備え、ＣＯ2冷媒を冷凍サイクルで循環させて温水熱交換器から温水出力を得る冷媒加熱式給湯装置とする。
【０００５】第２の手段として、ＣＯ2冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機の下流に設けた凝縮器と、凝縮器の下流に設けた減圧部と、減圧部の下流に設けた蒸発器で形成した冷凍サイクルと、被加熱流体を加熱する熱源機と、凝縮器内のＣＯ2冷媒と温水を熱交換する温水熱交換器を備え、ＣＯ2冷媒を冷凍サイクルで循環させて被加熱流体で蒸発器内のＣＯ2冷媒、または蒸発器と圧縮機の間のＣＯ2冷媒を加熱して温水熱交換器から温水出力を得るＣＯ2冷媒加熱式給湯装置とする。
【０００６】第３の手段として、温水熱交換器から得た温水出力を送風手段により、暖房出力に変換した冷媒加熱式暖房装置とする。
【０００７】第４の手段として、ＣＯ2冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機の下流に設けた凝縮器と、凝縮器の下流に設けた減圧部と、減圧部の下流に設けた蒸発器で形成した冷凍サイクルと、蒸発器内のＣＯ2冷媒、または蒸発器と圧縮機の間のＣＯ2冷媒を加熱する熱源機を備え、冷房時にはＣＯ2冷媒を冷凍サイクルで循環させて室内に冷風を吹き出し、暖房時にはＣＯ2冷媒の流れを切り換え、ＣＯ2冷媒を冷凍サイクルで循環させて蒸発器のＣＯ2冷媒を加熱して室内に温風を吹き出す冷媒加熱式暖冷房装置とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】（実施例１）図１（給湯モード）に実施例１の構成図を示す。実施例１の冷媒加熱式給湯装置はＣＯ2冷媒を圧縮する圧縮機１、圧縮機１の下流に設けた凝縮器２、凝縮器２の下流に設けた減圧部３、減圧部３の下流に設けた蒸発器４で形成した冷凍サイクルと、蒸発器４内のＣＯ2冷媒を加熱する熱源機１０と、凝縮器２内のＣＯ2冷媒と温水を熱交換する温水熱交換器１１を備えている。図１では熱源機１０を蒸発器４内のＣＯ2冷媒を加熱する位置に設けているが、蒸発器４と圧縮機１の間のＣＯ2冷媒を加熱する位置に熱源機１０を設けても良い。室外機７には室外機用ファン８、四方弁９を設けている。温水熱交換器１１の上流側（給水側）には弁１２を設けており、下流側（温水側）にはポンプ１３を設けている。冷凍サイクルにはＣＯ2冷媒を循環させている。
【０００９】次に、作動についての説明を行なう。給湯時には圧縮機１、四方弁９、凝縮器２、減圧部３、蒸発器４、四方弁９の順にＣＯ2冷媒を循環させて冷凍サイクルを形成するとともに、外気温度が低下しても、室外に設置した蒸発器４における冷媒の蒸発が不十分とならないように、熱源機１０で蒸発器４内のＣＯ2冷媒を加熱する。蒸発器４と圧縮機１の間のＣＯ2冷媒を加熱する位置に熱源機１０を設けると、まず、外気から蒸発器４内のＣＯ2冷媒に伝熱された後、圧縮機１に至るまでに熱源機１０からＣＯ2冷媒に熱を与えれば良いため、熱源機１０の必要熱量を抑制し、ランニングコスト低減が可能となる。一方、給水された水は弁１２を通り、温水熱交換器１１で温水となり、ポンプ１３を通過して室内に送り込まれ、給湯用として利用される。熱源機１０で蒸発器４内のＣＯ2冷媒を加熱しているため、厳寒時でも凝縮器２内のＣＯ2冷媒から温水熱交換器１１へ十分な熱量を伝熱でき、優れた給湯能力を確保することが可能となる。従来のフロン冷媒では凝縮温度が約６０℃であったため、給湯を目的とすると、給湯温度の上限は約５５℃と不十分であり、効率も低いという課題があったが、ＣＯ2冷媒では凝縮器２内の温度が約９０℃となり、約８５℃の給湯も可能となり、高効率化も実現できる。
【００１０】フロン冷媒はオゾン層破壊や地球温暖化のために使用が制限されており、自然冷媒が注目されているが、アンモニアは毒性があり、炭化水素は可燃性ガスである等の難点がある。自然冷媒の中でＣＯ2冷媒はこれらの難点がなく、安全で熱的にも安定であるため、熱源機１０で加熱し易いという利点があり、仮に配管に亀裂が発生し、ＣＯ2冷媒が燃焼場に漏れたとしても安全性を確保することができる。そのため、蒸発器４内のＣＯ2冷媒、または蒸発器４と圧縮機１の間のＣＯ2冷媒を熱源機１０で加熱することが非常に有効な手段となる。ＣＯ2冷媒はフロン冷媒に比較して成績係数（ＣＯＰ）が約１５％高く、省エネ効果も優れている。
【００１１】従来のフロン冷媒では凝縮器２の入口から出口に向かいながら、気体から気液二相を経由して液体に変化するが、ＣＯ2冷媒では超臨界状態のまま、凝縮器２の入口から出口に向かうため、温水熱交換器１１への伝熱を均一化することができ、凝縮器２内のＣＯ2冷媒と温水を対向流で熱交換させることにより、温水熱交換器１１の小型、高効率化が可能となる。
【００１２】熱源機１０には燃焼部を設けているが、特に限定する必要はなく、火炎を形成しない触媒燃焼部を設けることにより、安全性を高め、高効率化を図ることもできる。
【００１３】（実施例２）図２に実施例２の給湯モードの構成図を示す。実施例１と構成要素はほぼ同じであるが、実施例２では熱源機１０で被加熱流体（温水等）を加熱し、この被加熱流体で蒸発器４内のＣＯ2冷媒を加熱するため、温水熱交換器１１と弁１２の間に三方弁ａ１４を設け、温水熱交換器１１とポンプ１３の間に三方弁ｂ１５を設けており、三方弁ａ１４と熱源機１０の間に弁ａ１６を設け、三方弁ｂ１５と蒸発器４の間にポンプａ１７を設けている。図２では被加熱流体で蒸発器４内のＣＯ2冷媒を加熱しているが、蒸発器４と圧縮機１の間でＣＯ2冷媒を加熱しても良い。
【００１４】作動については、ＣＯ2冷媒を循環させる冷凍サイクルは実施例１と同様であるが、被加熱流体側は給水後、弁１２を通過させ、三方弁ａ１４で温水熱交換器１１側と熱源機１０側に分岐させる。温水熱交換器１１側へ流れた水は実施例１と同様に温水熱交換器１１で温水となり、ポンプ１３を通過して室内に送り込まれ、給湯用として利用される。一方、熱源機１０側へ流れた水は弁ａ１６を通過した後、熱源機１０で温水となり、下流側に設けられた蒸発器４内のＣＯ2冷媒を加熱し、ポンプａ１７を通り、三方弁ｂ１５で温水熱交換器１１を通過した温水と合流し、ポンプ１３を通過して室内に送り込まれ、給湯用として利用される。被加熱流体で蒸発器４と圧縮機１の間のＣＯ2冷媒を加熱すると、まず、外気から蒸発器４内のＣＯ2冷媒に伝熱された後、圧縮機１に至るまでに被加熱流体からＣＯ2冷媒に熱を与えれば良いため、熱源機１０の必要熱量を抑制し、ランニングコスト低減が可能となる。弁１２、ポンプ１３の他に弁ａ１６、ポンプａ１７を設けているため、温水熱交換器１１側と熱源機１０側に分岐させても、流量を精度良く調整でき、給湯温度等の最適制御も可能となる。
【００１５】蒸発器４内のＣＯ2冷媒を熱源機１０で直接加熱するのではなく、熱源機１０で加熱した温水等の被加熱流体により、間接加熱するため、局所過熱を抑制して温度分布を均一化し、伝熱性能を向上させ、信頼性を高めることができる。
【００１６】被加熱流体を加熱する熱源として、燃料電池からの排熱を適用することにより、燃料電池の総合効率を向上できるとともに、ＣＯ2冷媒により、給湯温度を高め、貯湯式も含めた発電、給湯システムとして多機能化を図ることが可能となる。
【００１７】被加熱流体を加熱する熱源として、太陽熱を適用することにより、自然エネルギーを利用した環境負荷低減型システムを実現することができる。
【００１８】（実施例３）図３（暖房モード）に実施例３の構成図を示す。実施例１と室外側の構成要素は同じであるが、室内側について、実施例３では温水熱交換器１１から得た温水出力を送風手段により、暖房出力に変換したり、別方式の暖房に活用するために、熱交部１８、熱交送風ファン１９、床暖房２０を設置し、熱交部１８（床暖房２０）と弁１２の間に三方弁ｃ２１を設け、床暖房２０（熱交部１８）とポンプ１３の間に三方弁ｄ２２を設けている。
【００１９】作動については、ＣＯ2冷媒を循環させる冷凍サイクルは実施例１と同様であるが、温水側はポンプ１３を通過した後、室内側に入り、三方弁ｄ２２で熱交部１８側と床暖房２０側に分岐させる。熱交部１８側へ流れた温水は熱交送風ファン１９により、温風として室内の暖房に適用される。一方、床暖房２０側へ流れた温水は暖房出力として利用された後、三方弁ｃ２１で温度低下後の熱交部１８温水と合流し、室外側に移り、弁１２、温水熱交換器１１、ポンプ１３に戻り、経路内を循環する。温風を足元から吹き出すことができるため、十分に満足できる暖房を実現できるとともに、床暖房２０による快適な暖房も可能となる。
【００２０】（実施例４）図４（暖房モード）に実施例４の構成図を示す。実施例１と比較すると、被加熱流体（温水）側の経路がなく、ＣＯ2冷媒を循環させる冷凍サイクルのみで構成されている。室内側は従来例と同様に壁掛型室内機５を設置し、内部には凝縮器２、室内機用ファン６を設けている。
【００２１】作動については、暖房時には圧縮機１、四方弁９、凝縮器２、減圧部３、蒸発器４、四方弁９の順にＣＯ2冷媒を循環させて冷凍サイクルを形成するとともに、外気温度が低下しても、室外に設置した蒸発器４における冷媒の蒸発が不十分とならないように、熱源機１０で蒸発器４内のＣＯ2冷媒を加熱する。そのため、壁掛型室内機５に設置した凝縮器２に室内機用ファン６を作動させることにより、厳寒時でも十分な暖房能力を確保した温風を発生させ、室内を快適に暖房することができる。これにより、従来のような成績係数低下に伴うランニングコストの増加を改善することができる。一方、冷房時には四方弁９により、冷媒の流れ方向を切り換えて、壁掛型室内機５に設置した凝縮器２を蒸発器に変換し、室外機７に設置した蒸発器４を凝縮器に変換し、室内機用ファン６を作動させることにより、冷風を発生させ、室内を冷房する。
【００２２】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明の冷媒加熱式給湯暖冷房装置によれば、次のような効果を得ることができる。熱源機で蒸発器内のＣＯ2冷媒を加熱しているため、厳寒時でも凝縮器内のＣＯ2冷媒から温水熱交換器へ十分な熱量を伝熱でき、優れた給湯能力を確保することが可能となる。蒸発器と圧縮機の間のＣＯ2冷媒を加熱する位置に熱源機を設けると、まず、外気から蒸発器内のＣＯ2冷媒に伝熱された後、圧縮機に至るまでに熱源機からＣＯ2冷媒に熱を与えれば良いため、熱源機の必要熱量を抑制し、ランニングコスト低減が可能となる。また、従来のフロン冷媒では凝縮温度が約６０℃であったため、給湯を目的とすると、給湯温度の上限は約５５℃と不十分であり、効率も低いという課題があったが、ＣＯ2冷媒では凝縮器内の温度が約９０℃となり、約８５℃の給湯も可能となり、高効率化も実現できる。
【００２３】蒸発器内のＣＯ2冷媒を熱源機で加熱した温水等の被加熱流体により、間接加熱することにより、局所過熱を抑制して温度分布を均一化し、伝熱性能を向上させ、信頼性を高めることができる。また、温水熱交換器から得た温水出力を送風手段により、暖房出力（温風）に変換し、温風を足元から吹き出すことことにより、十分に満足できる暖房を実現できるとともに、温水出力を床暖房に適用することにより、足元の暖房感を一層、高めることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５８２１
【氏名又は名称】松下電器産業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年１２月４日（２０００．１２．４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９７４４５
【弁理士】
【氏名又は名称】岩橋 文雄 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２００２−１６８５３７（Ｐ２００２−１６８５３７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年６月１４日（２００２．６．１４） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−３６８０４４（Ｐ２０００−３６８０４４） |
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