JP5685886B2

JP5685886B2 - 給湯装置

Info

Publication number: JP5685886B2
Application number: JP2010237267A
Authority: JP
Inventors: 潤一寺木
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2010-10-22
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2030-10-22
Also published as: JP2012088022A

Description

本発明は、給湯装置に関し、特に、効率向上対策に係るものである。

従来、冷媒回路に接続された凝縮器と水流路に接続された加熱器との間に、電流の供給によって凝縮器側が吸熱部となり加熱器側が放熱部となるペルチェ素子を伝熱可能に配置した給湯装置が提案されている（下記特許文献１を参照）。該給湯装置では、ペルチェ素子が、冷媒回路の凝縮器を流通する高圧冷媒から吸熱して水流路の加熱器を流通する水に移送することによって、水流路の水を加熱している。

特開２００１−２２７８４０号公報

しかしながら、上記給湯装置では、ペルチェ素子を用いることによって、冷媒の物性によらずに広い温度範囲で給湯装置の使用が可能となるものの、加熱能力の向上を図ることができる訳ではなかった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、給湯装置の加熱能力及び加熱効率の向上を図ることにある。

第１の発明は、圧縮機（11）と水冷式熱交換器からなる放熱器（12）と膨張機構（13）と蒸発器（14）とを有する冷媒回路（2）と、上記放熱器（12）を流れる冷媒と熱交換するように水が流通する水流路（3）とを備えた給湯装置であって、上記冷媒回路（2）の上記放熱器（12）で放熱した高圧冷媒から吸熱する吸熱側の第１伝熱部（21a）と、上記水流路（3）の水を加熱する発熱側の第２伝熱部（21b）とを有し、上記第１伝熱部（21a）から上記第２伝熱部（21b）へ熱を移動させるペルチェ素子（21）を備え、上記ペルチェ素子（21）は、上記第２伝熱部（21b）から放出される熱によって、上記水流路（3）の上記放熱器（12）の上流側の水が加熱されるように設けられている。

第１の発明では、放熱器（12）において冷媒回路（2）の冷媒と水流路（3）の水とが熱交換することにより、水流路（3）の水が加熱される。また、ペルチェ素子（21）の吸熱側の第１伝熱部（21a）が放熱器（12）で放熱後の高圧冷媒から吸熱し、発熱側の第２伝熱部（21b）から水流路（3）の水に放熱することにより、水流路（3）の水が加熱される。つまり、放熱器（12）及びペルチェ素子（21）のそれぞれにおいて、冷媒回路（2）側から水流路（3）側へ熱が移動することによって、水流路（3）の水が加熱される。また、冷媒回路（2）では、放熱器（12）で放熱後の高圧冷媒がペルチェ素子（21）の第１伝熱部（21a）に吸熱されてエンタルピが低下することにより、蒸発器（14）における吸熱量が増大する。

また、第１の発明では、水流路（3）の水は、ペルチェ素子（21）の第２伝熱部（21b）から放出される熱によって加熱された後、放熱器（12）に流入して冷媒回路（2）の圧縮機（11）から吐出された高温の冷媒によってさらに加熱される。

第２の発明は、第１の発明において、上記冷媒回路（2）には、上記冷媒として二酸化炭素が充填されている。

第２の発明では、冷媒として二酸化炭素を用いることにより、冷媒が圧縮機（11）において臨界圧力を超えるまで圧縮され、冷媒回路（2）において蒸気圧縮式の超臨界サイクルが行われる。ここで、二酸化炭素を冷媒とする場合、例えばＨＦＣ系の冷媒と比較して、冷媒配管を流れる際の圧力損失が小さくなる。そのため、冷媒として二酸化炭素を用いることによって、放熱器（12）や蒸発器（14）における圧力損失が低減され、放熱器（12）や蒸発器（14）において効率よく熱交換が行われる。

第１の発明によれば、放熱器（12）及びペルチェ素子（21）のそれぞれにおいて、冷媒回路（2）側から水流路（3）側へ熱を移動させることができる。つまり、ペルチェ素子（21）によって放熱器（12）を補助するのではなく、放熱器（12）に加えてペルチェ素子（21）によっても別途、冷媒回路（2）側から水流路（3）側へ熱を移動させることができる。また、冷媒回路（2）では、放熱器（12）で放熱後の高圧冷媒をペルチェ素子（21）でさらに冷却することにより、蒸発器（14）において冷媒により多くの熱量を吸収させることができる。つまり、冷媒回路（2）の冷媒は、蒸発器（14）において、放熱器（12）及びペルチェ素子（21）において水流路（3）に放熱するための熱量を十分に確保することができる。以上より、ペルチェ素子（21）を上述のように設けることにより、冷媒回路（2）の高圧冷媒から水流路（3）の水への放熱量を増大させることができ、給湯装置（1）の加熱能力及び加熱効率を増大させることができる。

また、第１の発明によれば、水流路（3）の水を、放熱器（12）において冷媒回路（2）の高圧冷媒によって加熱する前に、ペルチェ素子（21）の第２伝熱部（21b）から放出される熱によって予備的に加熱することができる。よって、水流路（3）の水を効率よく加熱することができ、給湯装置（1）の加熱能力及び加熱効率のさらなる向上を図ることができる。

また、ペルチェ素子（21）の第２伝熱部（21b）が熱交換する水流路（3）の水は、放熱器（12）において放熱後の高圧冷媒によって加熱される前であるため水温が比較的低い。そのため、第２の発明によれば、ペルチェ素子（21）の第１伝熱部（21a）と第２伝熱部（21b）との温度差を小さくすることができ、ペルチェ素子（21）の効率を向上させることができる。このことからも、給湯装置（1）の加熱能力及び加熱効率のさらなる向上を図ることができる。

また、第２の発明によれば、冷媒回路（2）において冷媒として二酸化炭素を用いることにより、冷媒が放熱器（12）や蒸発器（14）を通過する際の圧力損失を低減して、放熱器（12）や蒸発器（14）における熱交換効率を向上させることができる。従って、給湯装置（1）における加熱能力及び加熱効率の向上をより図ることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る給湯装置の配管系統図である。

以下、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。

《実施形態》
−全体構成−
図１に示すように、本実施形態では、本発明の実施形態に係る給湯装置（1）について説明する。

上記給湯装置（1）は、冷媒を循環させて蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路（2）と、水が流通する水流路（3）とを備えている。

上記冷媒回路（2）は、圧縮機（11）、放熱器（12）、膨張機構（13）及び蒸発器（14）を有している。また、冷媒回路（2）には、二酸化炭素（ＣＯ_２）が冷媒として充填されている。なお、冷媒回路（2）に充填される冷媒は二酸化炭素以外のものであっても勿論よいが、二酸化炭素は、例えばＨＦＣ系の冷媒と比較して、冷媒配管を流れる際の圧力損失が小さくなる特性を有している。そのため、冷媒として二酸化炭素を用いることにより、放熱器（12）や蒸発器（14）を流通する際の圧力損失を低減して、熱交換を効率よく行わせることができる。

上記圧縮機（11）は、冷媒配管によって、吐出側が放熱器（12）の後述する第１流路（12a）に接続される一方、吸入側が蒸発器（14）に接続されている。なお、本実施形態では、圧縮機（11）の吸入側と蒸発器（14）との間にアキュムレータ（15）が設けられている。該アキュムレータ（15）は、圧縮機（11）に吸入される冷媒中に含まれる液冷媒を除去し、ガス冷媒のみを圧縮機（11）に吸入させる。圧縮機（11）に吸入された冷媒（二酸化炭素（ＣＯ_２））は、圧縮機（11）において臨界圧力以上の圧力に圧縮される。

上記放熱器（12）は、水冷式の熱交換器によって構成されている。具体的には、放熱器（12）は、冷媒回路（2）の冷媒が流通する第１流路（12a）と、水流路（3）の水が流通する第２流路（12b）とを有し、第１流路（12a）の冷媒と第２流路（12b）の水との間で熱交換が行われるように構成されている。第１流路（12a）は、上述のように上流側端が冷媒配管によって上記圧縮機（11）の吐出側に接続される一方、下流側端が冷媒配管によって膨張機構（13）に接続されている。本実施形態では、放熱器（12）は、第１流路（12a）の冷媒と第２流路（12b）の水が対向して流れるように構成されている。

上記膨張機構（13）は、放熱器（12）と蒸発器（14）との間に設けられ、開度が調節可能に構成された電動弁によって構成されている。該電動弁は、冷媒回路（2）の蒸発圧力が所定の圧力になるように開度調節される。膨張機構（13）は、流入端が冷媒配管によって放熱器（12）に接続される一方、流出端が冷媒配管によって蒸発器（14）に接続されている。

上記蒸発器（14）は、空冷式の熱交換器によって構成されている。蒸発器（14）には、図示を省略するファンによって空気が供給され、蒸発器（14）では、供給された空気と冷媒回路（2）の冷媒との間において熱交換が行われる。上述のように、蒸発器（14）は、流入側端が冷媒配管によって膨張機構（13）の流出側端に接続され、流出側端が冷媒配管によって圧縮機（11）の吸入側に接続されている。

上記冷媒回路（2）の放熱器（12）と膨張機構（13）との間には、ペルチェ熱交換器（20）が接続されている。ペルチェ熱交換器（20）は、ペルチェ素子（21）と冷却用部材（22）と加熱用部材（23）とを有している。

上記ペルチェ素子（21）は、２種類の金属部材の接続部に直流電流を供給すると、一方の金属部材から他方の金属部材へ熱が移動する所謂ペルチェ効果を利用した素子であり、一方の金属部材側の第１伝熱部（21a）と、他方の金属部材側の第２伝熱部（21b）とを有している。なお、図示を省略しているが、ペルチェ素子（21）の第１伝熱部（21a）と第２伝熱部（21b）との接続部には、直流電流を供給する電源が接続されている。また、本実施形態では、第１伝熱部（21a）が吸熱側となり、第２伝熱部（21b）が発熱側となるように電源から直流電流が供給される。

上記冷却用部材（22）は、例えば、アルミニウム等の熱伝導率の高い金属からなる本体部（22a）と、同様に熱伝導率の高い金属からなり、上記本体部（22a）に埋設された冷媒管（22b）とを備えている。冷媒管（22b）は、放熱器（12）と膨張機構（13）との間に接続されている。また、冷却用部材（22）は、冷媒管（22b）内を流れる冷媒とペルチェ素子（21）の第１伝熱部（21a）との熱交換が可能になるように、本体部（22a）が第１伝熱部（21a）に接触するように設けられている。なお、冷却用部材（22）は、本体部（22a）と冷媒管（22b）が一体に形成されたものであってもよい。

上記加熱用部材（23）は、上記水流路（3）の上記放熱器（12）の第２流路（12b）よりも上流側に設けられている。加熱用部材（23）は、例えば、アルミニウム等の熱伝導率の高い金属からなる本体部（23a）と、同様に熱伝導率の高い金属からなり、上記本体部（23a）に埋設された水管（23b）とを備えている。また、加熱用部材（23）は、水管（23b）内を流れる水とペルチェ素子（21）の第２伝熱部（21b）との熱交換が可能になるように、本体部（23a）がペルチェ素子（21）の第２伝熱部（21b）に接触するように設けられている。なお、加熱用部材（23）は、本体部（23a）と水管（23b）が一体に形成されたものであってもよい。

上記水流路（3）には、図示を省略しているが、水流路（3）に水を供給する給水源と、水流路（3）を流通後の水が貯留される貯留タンクとが接続されている。上記放熱器（12）の第２流路（12b）及び上記加熱用部材（23）の水管（23b）は、上記水流路（3）において給水源と貯留タンクとの間に接続されている。

−運転動作−
図１に示すように、圧縮機（11）を駆動すると、冷媒回路（2）において冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルが行われる。また、圧縮機（11）の駆動と共に、ペルチェ素子（21）に直流電流を供給する。一方、水流路（3）では、例えば、ポンプ等を用いて水を流動させる。

冷媒回路（2）では、圧縮機（11）から吐出された高圧冷媒は、放熱器（12）の第１流路（12a）に流入する。第１流路（12a）に流入した高圧冷媒は、放熱器（12）において、第２流路（12b）を流れる水流路（3）の水と熱交換を行う。具体的には、第１流路（12a）に流入した高圧冷媒が、第２流路（12b）を流れる水流路（3）の水に放熱する。

第１流路（12a）から流出した高圧冷媒は、ペルチェ熱交換器（20）の冷却用部材（22）の冷媒管（22b）に流入する。

ここで、上記ペルチェ素子（21）には直流電流が供給され、第１伝熱部（21a）が吸熱側となり、第２伝熱部（21b）が発熱側となっている。これにより、ペルチェ熱交換器（20）の冷媒管（22b）に流入した高圧冷媒は、第１伝熱部（21a）によって吸熱されて冷却される。そして、第１伝熱部（21a）によって冷却された高圧冷媒は、冷媒管（22b）から流出して膨張機構（13）に流入する。上記膨張機構（13）に流入した高圧冷媒は、該膨張機構（13）において減圧されて低圧冷媒となり、冷媒配管を介して蒸発器（14）に流入する。

蒸発器（14）に流入した低圧冷媒は、該蒸発器（14）を通過する空気と熱交換を行い、該空気から吸熱して蒸発する。蒸発器（14）において蒸発した低圧ガス冷媒は、蒸発器（14）から流出してアキュムレータ（15）を通過した後、再び圧縮機（11）に吸入される。圧縮機（11）に吸入された低圧ガス冷媒は、臨界圧力以上の高圧圧力状態になるまで圧縮されて高圧冷媒となって圧縮機（11）から吐出される。

一方、水流路（3）では、供給源から流出した水が、まず、ペルチェ熱交換器（20）の加熱用部材（23）の水管（23b）に流入する。該加熱用部材（23）の水管（23b）に流入した水は、第２伝熱部（21b）から放出された熱を吸収することによって加熱される。そして、第２伝熱部（21b）によって加熱された水は、水管（23b）から流出して放熱器（12）の第２流路（12b）に流入する。

放熱器（12）の第２流路（12b）に流入した水は、放熱器（12）において第１流路（12a）を流れる高圧冷媒から放出された熱によってさらに加熱されて温水となる。そして、該温水は、水流路（3）を流れて貯留タンクに供給される。

−実施形態の効果−
以上のように、上記実施形態では、放熱器（12）において冷媒回路（2）の冷媒と水流路（3）の水とが熱交換することにより、水流路（3）の水が加熱される。また、ペルチェ素子（21）の吸熱側の第１伝熱部（21a）が放熱器（12）で放熱後の高圧冷媒から吸熱し、発熱側の第２伝熱部（21b）から水流路（3）の水に放熱することにより、水流路（3）の水が加熱される。つまり、ペルチェ熱交換器（20）を設けたことにより、放熱器（12）だけでなくペルチェ素子（21）によっても、冷媒回路（2）側から水流路（3）側へ熱を移動させることができる。また、冷媒回路（2）では、放熱器（12）で放熱後の高圧冷媒をペルチェ素子（21）でさらに冷却することにより、蒸発器（14）において冷媒により多くの熱量を吸収させることができる。つまり、冷媒回路（2）の冷媒は、蒸発器（14）において、放熱器（12）及びペルチェ素子（21）において水流路（3）に放熱するための熱量を十分に確保することができる。従って、ペルチェ素子（21）を上述のように設けることによって冷媒回路（2）の高圧冷媒から水流路（3）の水への放熱量を増大させることができ、給湯装置（1）の加熱能力及び加熱効率を増大させることができる。

また、上記実施形態では、水流路（3）の水が、ペルチェ熱交換器（20）、放熱器（12）の順に通過するように構成されている。これにより、水流路（3）の水は、まず、ペルチェ熱交換器（20）においてペルチェ素子（21）の第２伝熱部（21b）から放出される熱によって加熱された後、放熱器（12）に流入して冷媒回路（2）の圧縮機（11）から吐出された高温の冷媒によってさらに加熱される。つまり、水流路（3）の水を、放熱器（12）において冷媒回路（2）の高圧冷媒によって加熱する前に、ペルチェ熱交換器（20）においてペルチェ素子（21）の第２伝熱部（21b）から放出される熱によって予備的に加熱することができる。よって、水流路（3）の水を効率よく加熱することができ、給湯装置（1）の加熱能力及び加熱効率のさらなる向上を図ることができる。

また、ペルチェ素子（21）の第２伝熱部（21b）が熱交換する水流路（3）の水は、放熱器（12）において放熱後の高圧冷媒によって加熱される前であるため水温が比較的低い。そのため、上記構成によれば、ペルチェ素子（21）の第１伝熱部（21a）と第２伝熱部（21b）との温度差を小さくすることができ、ペルチェ素子（21）の効率を向上させることができる。このことからも、給湯装置（1）の加熱能力及び加熱効率のさらなる向上を図ることができる。

また、上記実施形態によれば、冷媒回路（2）において冷媒として二酸化炭素を用いることにより、冷媒が放熱器（12）や蒸発器（14）を通過する際の圧力損失を低減して、放熱器（12）や蒸発器（14）における熱交換効率を向上させることができる。従って、給湯装置（1）の加熱能力及び加熱効率の向上をより図ることができる。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、給湯装置について有用である。

１給湯装置
２冷媒回路
３水流路
１１圧縮機
１２放熱器
１３膨張機構
１４蒸発器
２０ペルチェ熱交換器
２１ペルチェ素子
２１ａ第１伝熱部
２１ｂ第２伝熱部

Claims

圧縮機（11）と水冷式熱交換器からなる放熱器（12）と膨張機構（13）と蒸発器（14）とを有する冷媒回路（2）と、上記放熱器（12）を流れる冷媒と熱交換するように水が流通する水流路（3）とを備えた給湯装置であって、
上記冷媒回路（2）の上記放熱器（12）で放熱した高圧冷媒から吸熱する吸熱側の第１伝熱部（21a）と、上記水流路（3）の水を加熱する発熱側の第２伝熱部（21b）とを有し、上記第１伝熱部（21a）から上記第２伝熱部（21b）へ熱を移動させるペルチェ素子（21）を備え、
上記ペルチェ素子（21）は、上記第２伝熱部（21b）から放出される熱によって、上記水流路（3）の上記放熱器（12）の上流側の水が加熱されるように設けられている
ことを特徴とする給湯装置。
請求項１において、
上記冷媒回路（2）には、上記冷媒として二酸化炭素が充填されている
ことを特徴とする給湯装置。