(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する前段圧縮要素及び該前段圧縮要素からの冷媒を更に圧縮する後段圧縮要素を備えた圧縮機と、
給湯用の水が給水されて冷媒と熱交換させる第３放熱器と、
該第３放熱器からの水を流量の大きい主流とその残りの副流とに所定流量比で分流させる分流量制御弁と、
前記主流をなす水と後段圧縮要素からの冷媒とを熱交換させ、当該熱交換した冷媒が前記第３放熱器に流入するように接続された第２放熱器と、
前記副流をなす水と前段圧縮要素からの冷媒とを熱交換させ、当該水が前記第２放熱器からの水と合流して給湯され、熱交換した冷媒は後段圧縮要素に流入するように接続された第１放熱器と、
前記第３放熱器からの冷媒を膨張させる膨張弁と、
該膨張弁で膨張した冷媒を機外空気と熱交換させる蒸発器とを有することを特徴とするヒートポンプ給湯機。
【請求項２】
前記第３放熱器から膨張弁に供給される冷媒と、蒸発器から前段圧縮要素に戻る冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を有することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ給湯機。
【請求項３】
前記分流制御弁の開弁度が、前記蒸発器における蒸発温度及び前記前段圧縮要素に吸気される冷媒の過熱度に応じて制御するようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載のヒートポンプ給湯機。
【請求項４】
前記冷媒が二酸化炭素冷媒であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１記載のヒートポンプ給湯機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二酸化炭素冷媒を動作冷媒として用いたヒートポンプ給湯機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、給湯機としてはガスや電気ヒータを熱源とするものが大勢的であるが、近年におけるエネルギ−利用の効率化の要望やガスや電気ヒータによる火災等の防止の観点からヒートポンプ給湯機が提案されている。
【０００３】
このようなヒートポンプ給湯機は図３に示すように、冷媒を圧縮する圧縮機１１１、該圧縮機１１１からの冷媒と給湯用の水とを熱交換させる凝縮器１１２、冷媒を膨張させる膨張弁１１３、冷媒と機外空気とを熱交換させる蒸発器１１４、該蒸発器１１４からの冷媒の気液分離を行ってガス冷媒が圧縮機１１１に戻るようにするアキュムレータ１１５等を有している。以下、この凝縮器１１２を放熱器１１２という。
【０００４】
そして、冷媒は圧縮機１１１で圧縮されて高温高圧になって放熱器１１２に供給される。放熱器１１２には給湯用の水が循環しているので、冷媒の熱はこの水を加熱するために用いられる。
【０００５】
水を加熱した冷媒は膨張弁１１３で絞られ、蒸発器１１４で機外空気と熱交換して圧縮機１１１に戻る。
【０００６】
このとき冷媒は機外空気から熱を汲上げて蒸発するので、電気ヒータ等による給湯機に比べエネルギー効率が高くなっている。
【０００７】
このような冷媒回路には従来Ｒ−２２等の冷媒が用いられてきたが、かかる冷媒には塩素が含まれオゾン層を破壊する原因となることが判明し規制対象となり、これに代わる冷媒が望まれている。
【０００８】
そこで、自然冷媒であるため環境破壊等の恐れが無い二酸化炭素冷媒の利用が検討されている。
【０００９】
しかし、二酸化炭素冷媒は従来用いられていたＲ−２２等の冷媒に比べ動作圧力及び温度が高くなるため、従来構成の圧縮機１１１等をそのまま用いるとサイクル効率が低下すると共に、圧縮器の容器内圧力が高くなりすぎて耐圧特性が不足したり、圧縮機に用いられている潤滑油の劣化やモータの巻線の絶縁劣化が起る問題が生じる。
【００１０】
かかる問題に対処すべく、図４に示すような２つの圧縮要素を備える圧縮機１１１を用いたヒートポンプ給湯機が提案されている。
【００１１】
図４において、圧縮機１１１は、前段圧縮要素１１１ａ及び後段圧縮要素１１１ｂから構成され、その間に中間熱交換器１１６が設けられている。
【００１２】
このように圧縮機１１１を２段構成にすることにより、各圧縮要素における吸気側と吐出側との差圧が小さくでき、圧縮効率が向上し、また中間熱交換器１１６により前段圧縮要素１１１ａからの冷媒の熱を機外空気や他の冷却材に熱放出することにより、圧縮機１１１の容器内に吐出される冷媒の温度が下げることができて潤滑油等の劣化を防止することが可能になる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成の場合には、中間熱交換器１１６で外気等に冷媒の熱が放熱されるので、その分だけ熱の無駄が発生する問題がある。
【００１４】
また、中間熱交換器１１６で一律な放熱を行う場合、給湯機では少なくとも給湯温度より高い温度（例えば、〜１０℃）の冷媒が後段圧縮要素１１１ｂから吐出される必要があるので、圧縮比が低く吸込み過熱度も小さい夏季に中間熱交換器１１６で放出される熱が多過ぎると吐出温度が低下してしまい、所望温度の湯を給湯できない場合が生じる問題がある。
【００１５】
この場合、無理に圧縮比を上げて圧縮機からの吐出温度を高くしようとするとサイクル効率が低下してしまう。
【００１６】
一方、冬季には逆に圧縮比が高く吸込み過熱度も大きいので、上述したように中間冷却を行わないと後段圧縮要素１１１ｂからの吐出温度が高すぎて、熱力学的な損失が増大するばかりではなく潤滑油の劣化等の問題が生じる。
【００１７】
そこで、本発明は、蒸発器における冷媒の蒸発温度や前段圧縮要素に吸気される冷媒の過熱度等を考慮して中間熱交換器での放熱量を調整可能にすると共に、当該中間熱交換器での廃熱を回収できるようにしてサイクル効率を向上させたヒートポンプ給湯機を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１にかかる発明は、冷媒を圧縮する前段圧縮要素及び後段圧縮要素を備えた圧縮機と、給湯用の水が給水されて冷媒と熱交換させる第３放熱器と、該第３放熱器からの水を流量の大きい主流とその残りの副流とに所定流量比で分流させる分流量制御弁と、主流をなす水と後段圧縮要素からの冷媒とを熱交換させ、当該熱交換した冷媒が第３放熱器に流入するように接続された第２放熱器と、副流をなす水と前段圧縮要素からの冷媒とを熱交換させ、当該水が第２放熱器からの水と合流して給湯され、熱交換した冷媒は後段圧縮要素に流入するように接続された第１放熱器と、第３放熱器からの冷媒を膨張させる膨張弁と、該膨張弁で膨張した冷媒を機外空気と熱交換させる蒸発器とを有して、圧縮機に供給される冷媒の状態に応じて第１放熱器での放熱量を調整可能にして後段圧縮機から吐出される冷媒の温度が常に所望の温度範囲になるようにすると共に当該第１放熱器での廃熱を回収できるようにして、サイクル効率の向上維持を図るようにしたことを特徴とする。
【００１９】
請求項２にかかる発明は、第３放熱器から膨張弁に供給される冷媒と、蒸発器から前段圧縮要素に戻る冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を設けて、蒸発器で外気から汲上げる熱量を増大させると共に、圧縮機に戻る冷媒を加熱することにより熱回収が行えるようにしたことを特徴とする。
【００２０】
請求項３にかかる発明は、分流制御弁の開弁度を蒸発器における冷媒の蒸発温度や前段圧縮要素に吸気される冷媒の過熱度等に応じて制御するようにして、後段圧縮要素から吐出される冷媒の温度が常に最適な温度になるようにしたことを特徴とする。
【００２１】
請求項４にかかる発明は、冷媒として二酸化炭素冷媒を用いて、自然環境に優しい装置にすると共に、高温給湯が可能にしたことを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態を図を参照して説明する。図１は、本発明にかかるヒートポンプ給湯機の冷媒回路図である。
【００２３】
なお、本発明にかかるヒートポンプ給湯機では、冷媒として自然冷媒である二酸化炭素冷媒を用いる場合について説明する。
【００２４】
ヒートポンプ給湯機は、冷媒を圧縮する圧縮機１１、冷媒と水と熱交換させる放熱器１２、冷媒を膨張させる膨張弁１４、冷媒と外気等とを熱交換させる蒸発器１５、冷媒の気液分離を行うアキュムレータ１６、放熱器１２から膨張弁１４に向う冷媒により圧縮機１１に戻る冷媒を加熱する内部熱交換器１３等を有している。
【００２５】
圧縮機１１は前段圧縮要素１１ａ及び後段圧縮要素１１ｂから構成され、また放熱器１２は第１放熱器１２ａ、第２放熱器１２ｂ及び第３放熱器１２ｃにより構成されて、各放熱器１２には冷媒と給湯用の水が循環してこれらの間で熱交換するようになっている。
【００２６】
即ち、冷媒は前段圧縮要素１１ａ、第１放熱器１２ａ、後段圧縮要素１１ｂ、第２放熱器１２ｂ、第３放熱器１２ｃを順次流動し、給湯用の水は第３放熱器１２ｃに供給され、そこから第２放熱器１２ｂと第１放熱器１２ａとに所定の流量比で分流し、第２放熱器１２ｂと第１放熱器１２ａとで加熱された後は合流して給湯用に取出されるようになっている。
【００２７】
このように第３放熱器１２ｃからの水を第１放熱器１２ａと第２放熱器１２ｂとに所定の流量比で分流させるために、第３放熱器１２ｃと第１放熱器１２ａとを接続する水配管には分流量制御弁１７が設けられている。
【００２８】
この分流量制御弁１７の開弁度は、第１放熱器１２ａに流入する水量（副流と記載する）は第２放熱器１２ｂに流入する水量（主流と記載する）より少なくし、サイクル効率を勘案すると副流は全水量の半分以下に設定することが好ましい。
【００２９】
なお、これまでの説明から解るように、冷媒と水とは各放熱器１２で対向流をなすように構成されている。このように対向流で循環させることにより、放熱器１２での循環方向に沿った冷媒の温度勾配と給湯用の水の温度勾配とが逆の温度勾配になって効率的に熱交換ができるようになっている。
【００３０】
このような構成のヒートポンプ給湯機は、図２に示すような温度（Ｔ）−エンタルピー（ｈ）線図に従い動作する。
【００３１】
前段圧縮要素１１ａで圧縮された冷媒（ａ→ｂ）は、第１放熱器１２ａに供給されて、当該第１放熱器１２ａで給湯用の水に放熱し（ｂ→ｃ）、水は冷媒からの熱により加熱されて温度上昇する（Ａ→Ｂ）。
【００３２】
第１放熱器１２ａに循環する水の量は、分流量制御弁１７の開弁度を設定することにより調整され、当該分流量制御弁１７の開弁度は、蒸発器１５における冷媒の蒸発温度や前段圧縮要素１１ａに吸気される冷媒の過熱度等に応じて設定される。
【００３３】
従って、外気温等の運転条件に依存することなく常に最適な吐出温度で運転することが可能になってサイクル効率が向上する。
【００３４】
また、前段圧縮要素１１ａからの冷媒は第１放熱器１２ａで放熱するが、その熱は給湯用の水の加熱に用いられるので（熱回収される）、従来のように外気等への廃熱と言った無駄が省けて、この意味からもサイクル効率の向上が図られている。
【００３５】
後段圧縮要素１１ｂから吐出される冷媒の温度は、例えば夏季のように過熱度が小さい場合等には開弁度を絞り、当該第１放熱器１２ａに供給される水量を少なくして前段圧縮要素１１ａからの冷媒が失う熱量を押えることにより所望値に調整する。また、過熱度が大きくなった場合等には、上記手順と逆の手順が行われる。
【００３６】
このようにして、第１放熱器１２ａからの冷媒は後段圧縮要素１１ｂで更に圧縮されて（ｃ→ｄ）、第２放熱器１２ｂに供給され、当該第２放熱器１２ｂで分流された給湯用の水を加熱し（Ｄ→Ｅ）、第３放熱器１２ｃへと循環する。そして、第３放熱器１２ｃで水を加熱し（Ｃ→Ｄ）て内部熱交換器に循環する。
【００３７】
この内部熱交換器には、アキュムレータから圧縮機１１に戻る冷媒が流動しているので、第３放熱器１２ｃからの冷媒は当該圧縮機１１に戻る冷媒を加熱して温度が下がる（ｅ）。
【００３８】
そして、膨張弁１４で膨張し（ｅ→ｆ→ｇ）、蒸発器で機外空気と熱交換して蒸発（ｈ→ｉ）した後、アキュムレータで気液分離が行われてガス冷媒が前段圧縮要素１１ａに戻る。
【００３９】
内部熱交換器で第３放熱器１２ｃからの冷媒が熱を失うことにより、蒸発器１５で効率的に熱の汲上を行うことが可能になると共に、蒸発器から圧縮機１１に戻る冷媒が加熱される（熱回収される）ので圧縮機１１に戻る冷媒の温度が上昇して（ｊ→ａ）、サイクル効率を高めることができるようになっている。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１にかかる発明によれば、冷媒を圧縮する前段圧縮要素及び後段圧縮要素を備えた圧縮機と、給湯用の水が給水されて冷媒と熱交換させる第３放熱器と、該第３放熱器からの水を流量の大きい主流とその残りの副流とに所定流量比で分流させる分流量制御弁と、主流をなす水と後段圧縮要素からの冷媒とを熱交換させ、当該熱交換した冷媒が第３放熱器に流入するように接続された第２放熱器と、副流をなす水と前段圧縮要素からの冷媒とを熱交換させ、当該水が第２放熱器からの水と合流して給湯され、熱交換した冷媒は後段圧縮要素に流入するように接続された第１放熱器と、第３放熱器からの冷媒を膨張させる膨張弁と、該膨張弁で膨張した冷媒を機外空気と熱交換させる蒸発器とを設けて圧縮機に供給される冷媒の状態に応じて第１放熱器での放熱量を調整可能にしたので、後段圧縮機から吐出される冷媒の温度が常に所望の温度範囲になるようにできると共に当該第１放熱器での廃熱を回収できるようになり、サイクル効率の向上維持が図れる。
【００４１】
請求項２にかかる発明によれば、第３放熱器から膨張弁に供給される冷媒と、蒸発器から前段圧縮要素に戻る冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を設けて、蒸発器で外気から汲上げる熱量を増大させると共に、圧縮機に戻る冷媒を加熱することにより熱回収が行えるようになり、サイクル効率の向上が図れる。
【００４２】
請求項３にかかる発明によれば、分流制御弁の開弁度を蒸発器における冷媒の蒸発温度や前段圧縮要素に吸気される冷媒の過熱度等に応じて制御するようにしたので、後段圧縮要素から吐出される冷媒の温度が常に最適な温度になる。
【００４３】
請求項４にかかる発明によれば、冷媒として二酸化炭素冷媒を用いたので自然環境に優しい装置にすると共に、高温給湯が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の説明に適用されるヒートポンプ給湯機の概略構成図である。
【図２】図１のヒートポンプ給湯機の温度−エンタルピー線図である。
【図３】従来の技術の説明に適用される１つの圧縮要素を持つ圧縮機を備えたヒートポンプ給湯機の概略構成図である。
【図４】従来の技術の説明に適用される２つの圧縮要素を持つ圧縮機を備えたヒートポンプ給湯機の概略構成図である。
【符号の説明】
１１  圧縮機
１１ａ  前段圧縮要素
１１ｂ  後段圧縮要素
１２  放熱器
１２ａ  第１放熱器
１２ｂ  第２放熱器
１２ｃ  第３放熱器
１３  内部熱交換器
１４  膨張弁
１５  蒸発器
１６  アキュムレータ
１７  分流量制御弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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