(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機，凝縮器，冷媒膨張弁，蒸発器を冷媒配管により順次接続し、圧縮機吐出側に四方弁，圧縮機吸入側にアキュムレータを配し、蒸発器にファンを付設してなる通常の配管回路を備えたヒートポンプの前記凝縮器に上下各配管を介して貯湯槽を連結し、貯湯槽内の水を凝縮器へ循環させて昇温させ、給湯用とする給湯用ヒートポンプにおいて、前記凝縮器より冷媒膨張弁に至る配管途中より分岐して蒸発器に至る冷媒制御回路を切換弁により選択切換可能に設け、該制御回路に冷媒を吸収、貯溜する冷媒バッファと、その出口側に第２冷媒膨張弁を夫々配設して、冷媒バッファと、その出口側に第２の冷媒膨張弁を夫々配設して、冷媒バッファを経由するとき、バッファに冷媒を吸収し、凝縮器に存在する冷媒ガスを少なくして高温の出湯を可能ならしめることを特徴とする給湯用ヒートポンプ。
【請求項２】
冷媒制御回路における第２の冷媒膨張弁の口径を通常の配管回路の冷媒膨張弁の口径に比し大ならしめた請求項１記載の給湯用ヒートポンプ。
【請求項３】
圧縮機，凝縮器，冷媒膨張弁，蒸発器を冷媒配管により順次接続し、圧縮機吐出側に四方弁，圧縮機吸入側にアキュムレータを配し、蒸発器にファンを付設してなる通常の配管回路を備えたヒートポンプの前記凝縮器に上下各配管を介して貯湯槽を連結し、貯湯槽内の水を凝縮器へ循環させて昇温させ、給湯用とする給湯用ヒートポンプにおいて、前記凝縮器より冷媒膨張弁に至る配管途中より分岐して前記冷媒膨張弁入口側に至る冷媒回路を切換弁により選択切換可能に設け、該制御回路に回路に流される冷媒を吸収貯溜する冷媒バッファと、出湯温度をみながら開閉により冷媒をバッファより増減させえる冷媒電磁弁を夫々、配設せしめるとともに、前記冷媒膨張弁の流量の制御範囲を大ならしめてなることを特徴とする給湯用ヒートポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は給湯用ヒートポンプに係り、詳しくは、本発明は経済的な夜間電力により貯湯槽に温水を貯め日中の給湯を可能ならしめる給湯システムで使用される貫流方式のヒートポンプ給湯機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
貫流方式の給湯用ヒートポンプは、ヒートポンプと貯湯槽とを、貯湯槽下部よりヒートポンプの凝縮器へ至る下部配管及び凝縮器から貯湯槽へ至る上部配管により連結し、下部配管に介設したポンプにより、貯湯槽内の水を前記凝縮器へ繰り返し循環させて、貯湯槽内の水を徐々に昇温させるヒートポンプであり、特開平２−１９５１３０号公報，特開平３−１５８５６４号公報等により公知であるが、一般に循環方式のヒートポンプに比し、下部配管に略１／１０程度の細径管が使用され、しかも，その細径管に制水弁が介設されていて、ヒートポンプに供給する水の流量をごく少量に制御し、これによって一度の循環で、冷媒の飽和温度、場合によっては飽和温度以上の湯を取り出すことを可能としている。
そして、この場合は時間当たり大量の湯を供給することはできないが、いわば瞬間湯沸器と同様に時間を待たず適切な温度の湯を得ることができる。
【０００３】
ところで、上記給湯用ヒートポンプは通常、経済的な夜間電力等によって運転し、夜間に貯湯して日中の給湯負荷に対応するか、日中に給湯負荷が大きく、湯切れを起こすような場合は水温などを検知し、追い掛け運転を行っている。そして、夜間も日中も同じ温度で運転されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、貯湯温度は高ければ高い程好ましく、貯湯温度を高温とすることにより、日中の使用に際して水道水で薄めて適温として使用することができるので、貯湯温度が高温である程、小さな容積の貯湯槽で済むが、従来のヒートポンプでは循環運転方式のもので５５℃，貫流運転方式のものでも６０℃程度であり、貯湯温度をより以上高くしようとすれば２段圧縮方式や２元冷媒方式など複雑なヒートポンプを使用する必要があった。
【０００５】
本発明は上述の如き実状に対処し、安価な冷媒サイクルにより高密度な貯湯を可能として、小容積の貯湯槽の使用で済ませると共に、日中の湯切れ対策に適応させることを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
即ち、上記目的に適合する本発明は、基本的に給湯用ヒートポンプとして圧縮機，凝縮器，冷媒膨張弁，蒸発器を冷媒配管により順次接続し、圧縮機吐出側に四方弁，圧縮機吸入側にアキュムレータを配し、蒸発器にファンを付設してなる通常の配管回路を備えたヒートポンプの前記凝縮器に上下各配管を介して貯湯槽を連結し、貯湯槽内の水を凝縮器へ循環させて昇温させ、給湯用とする給湯用ヒートポンプにおいて、前記凝縮器より冷媒膨張弁に至る配管途中より分岐して蒸発器に至る冷媒制御回路を切換弁により選択切換可能に設けると共に、該制御回路に冷媒バッファと、その出口側に第２の冷媒膨張弁を夫々、配設して冷媒バッファを経由するとき、バッファに冷媒を吸収し、凝縮器に存在する冷媒ガスを少なくして高温の出湯を可能ならしめるよう構成せしめている。
【０００７】
請求項２記載の発明は上記本発明の実効的な構成であり、冷媒制御回路における第２の冷媒膨張弁の口径を基本の配管回路における冷媒膨張弁のそれに比し、より大ならしめるものである。
【０００８】
更に請求項３記載の八名は前記請求項１記載の発明の構成における分岐冷媒制御回路を、凝縮器より冷媒膨張弁に至る配管途中より分岐して該制御回路に、該回路に流される冷媒を吸収貯溜する冷媒バッファと、その出口側に出湯温度を見ながら開閉により冷媒をバッファより増減させ得る冷媒膨張弁を設けて前記冷媒膨張弁入口側に至る回路として第２の冷媒膨張弁を省くと共に、通常の配管回路における冷媒膨張弁を小流量から大流量まで制御範囲の大きいものとしたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
上記本発明によれば、冷媒液の流れを変え、冷媒制御回路の冷媒バッファを経由させるかどうかによって比較的低温の出湯と、高温の出湯を得ることができる。
ここで、出湯温度を上記の如く調節する原理としては、冷媒の循環する配管系に存在する冷媒の量、特に関連が深いのは凝縮器に存在する冷媒の量であるとの知見に基づく。凝縮器に存在する冷媒の量が多いと、凝縮器の出口において飽和温度以下の過冷却液状態となる。逆に存在する冷媒の量が少ないと飽和ガス状態のまま冷媒ガスは凝縮器を出てくる。その飽和ガスの程度は液化の程度、即ち乾き度によって表わされたり、エンタルピによって表わされる。
そこで、三方弁の選択によって冷媒の流れる経路を変え、冷凍サイクルの構成を変化させる。
【００１０】
即ち、冷媒が冷媒バッファを経由すると、バッファに冷媒が吸収され、凝縮器に存在する冷媒の量が減り、結果として冷凍サイクルの形状が変化し、高温出湯となる。反対に冷媒バッファを経由しない経路を三方弁により選択すると、バッファに存在していた液冷媒は低圧側の空気熱交換器（蒸発器）へ流れ込み、凝縮器に冷媒が回収されると共に、出湯温度は低下する。しかし成績係数は大きくなる。
【００１１】
なお、以上はバッファの中の冷媒が一杯になった場合、即ち出湯温度最大の場合を考えたものであるが、出湯温度をみながら冷媒制御回路の冷媒電磁弁を適当に開閉し、冷媒をバッファより抜けば任意の出湯温度を得ることができる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面にもとづいて説明する。
【００１３】
図１は本発明に係る給湯用ヒートポンプの基本的な配管系統の例であり、図において、ヒートポンプは、圧縮機１、四方弁２、凝縮器（空気熱交換器）５、冷媒膨張弁６ａ、蒸発器３を順次冷媒配管により接続して構成されており、圧縮機１の吸入側には、、アキュムレータ８が配され、また、蒸発器３には、プロペラ４が付設されている。
そして、圧縮機１、四方弁２、凝縮器５、キャピラリチューブ１８、逆止弁１４′、蒸発器３を通って１つのヒートポンプ回路が、また凝縮器５出口でキャピラリチューブ１８との間で分岐して逆止弁１４、ストレーナ９を通り、切換弁（冷媒電磁弁）７の入口Ｃに至って、ここで切換弁７により切換選択される２つの方向Ａ，Ｂのうちの１つの方向Ａに入り冷媒膨張弁６ａを経て蒸発器３に至る配管でヒートポンプの他の回路が形成されている。
なお、図では切換弁７は三方弁となっているが、二方弁であっても可能である。
【００１４】
しかして、上記回路の凝縮器５において図示なき貯湯槽に連結する水配管Ｔが下部より低温水、例えば常温の水を導入し、上部より高温水として貯湯槽に送給し、循環させて順次昇温するように配設されており、低温の水導入側の配管に主電磁弁１５が、また、該配管にバイパス状に設けられた補助配管側に制水弁１６が夫々介設されている。
【００１５】
補助配管は通常、主配管に比し略１０分の１程度の太さであり、必らずしも必要ではなく、これを設置しない場合には主電磁弁１５の代わりに制水弁を設けるようにすればよい。
【００１６】
なお、図中、１０は前記ストレーナ９を経た冷媒アキュムレータ８に流入する配管に介設した電磁弁であり、図においてキャピラリチューブが併設されている。
また、１１は圧縮機吸入圧力取出口１３に至る間の圧力を検知する低圧センサ、１２は圧縮機吐出圧力取出口１３′に至る間の圧力を検知する高圧センサ、２０は冷媒液の取出口である。
【００１７】
かくして、以上のように構成されたヒートポンプ回路において、本発明は特に前記凝縮器５より冷媒膨張弁６ａに至る回路に介設された選択切換可能な切換弁７によって上記冷媒膨張弁６ａに至る回路に対しバイパス状をなして別方向Ｂに冷媒制御回路が設けられていて、これに冷媒バッファ１７と、第２の冷媒膨張弁６ｂが順次介設されている。
ここで、冷媒バッファ１７は、この回路に流される冷媒を吸収貯溜し、緩衝をはかるものである。
また、冷媒膨張弁６ｂは冷媒ガス分が流れるため抵抗を弱めるべく通常冷媒膨張弁６ａに比し口径の大なるものが用いられる。
【００１８】
次に冷媒制御回路を含む上記本発明のヒートポンプに関し、その作動を説明すると、まず、低温（略６６℃）の出湯については、圧縮機１より高温高圧の冷媒が吐出され四方弁２を経由して、凝縮器５に至る。凝縮器５では冷媒の凝縮熱を制水弁１６を経由して供給された水に伝え加熱する。
一方、凝縮された冷媒液はストレーナ９を経由して切換弁７の入口Ｃに至る。ここで選択により切換弁のＡ方向に冷媒が進み、膨張弁６で膨張し、空気熱交換器（蒸発器）３に至ると、ここでは低温低圧の冷媒液が気化され四方弁２、アキュムレータ８を経由して圧縮機１へ吸い込まれる。
これは、従来におけると同様の経路であり、比較的低温の出湯である。
【００１９】
一方、比較的高温（８１℃）の出湯については圧縮機１より高温高圧の冷媒が吐出され四方弁２を経由して、凝縮器５に至る。凝縮器では冷媒の凝縮熱を制水弁１６を経由して供給された水に伝え加熱することは同様である。
そして、凝縮された冷媒液はストレーナ９を経由して切換弁７の入口Ｃに至り、切換弁７のＢ方向に冷媒液が進み、冷媒バッファ１７を経由して第２の冷媒膨張弁６ｂで膨張すると蒸発器（空気熱交換器）３では低温低圧の冷媒が気化されガスとなって四方弁２、アキュムレータ８を経由して圧縮機へ吸い込まれる。
このとき、冷媒経路が冷媒バッファ１７を経由するとき、バッファ１７に冷媒が吸収され、凝縮器５に存在する冷媒の重量が減少し、換言すれば、高温ガス状態の冷媒が多く存在することになって、結果として冷凍サイクルの形状が変化し、冷媒バッファ１７を経由しない通常の冷凍サイクルが図３に示す如くであったのが、図４に示すように冷媒ガスの高温化部分に移行し、高温ガスとの熱交換が多くなってその分、高温の出湯が得られる。
即ち、図３，図４を対比し、ａ／ｂ＞ａ′／ｂ′となって割合的に高温化部分の利用度が多くなる。従って高温の出湯が得られるのである。なお、５４．３℃はその範囲における温度が５４．３℃であることを示している。
【００２０】
逆に切換弁７により冷媒バッファ１７を経由しないＡ方向を選択すると、バッファ１７に存在していた液冷媒は低圧側の蒸発器３へ流れ込み、凝縮器５に冷媒が回収され、その分、図３の如く出湯温度が低下するが、反対に成績係数としては大きくなる。
【００２１】
以上のように冷媒バッファを具備した回路を選択切換可能に設けたことにより図３及び図４に示した冷凍サイクルの形状により出湯の温度を高くしたり、低くしたりすることができる。
【００２２】
即ち、出湯温度は、冷媒循環する経路に存在する冷媒、特に関連するのは凝縮器に存在する冷媒の量である。凝縮器に存在する冷媒の量が多いと凝縮器の出口において飽和温度以下の過冷却状態となる。少ないと飽和ガス状態のまま冷媒ガスは凝縮器を出てくる。その飽和ガスの程度はその液化の程度（乾き度）により表わされたり、もしくはエンタルピによって表される。
従って、切換弁の切換選択によって、冷媒の流れる経路が変わり、冷凍サイクルの構成（形状）を変化させることができる。
【００２３】
また、冷媒バッファ１７の容積を適当に調節することによって吐出ガス温度以下の出湯温度の調節をはかることができる。
なお、本発明に用いる凝縮器５は完全対向流であることが肝要で好ましく、制水弁１６は高圧圧力が一定してなるように弁開度が調節されて水流量を制御する圧力式制水弁が好ましい。
また、本発明では出湯温度を見ながら冷媒制御回路の冷媒電磁弁１９を適当に開閉し，冷媒をバッファより抜けば任意の出湯温度を得ることができることは云うまでもない。
図２はかかる場合の配管回路系統例であり、前記図１における回路を一部変更して第２の冷媒膨張弁６ｂを省略し、バイパス状の冷媒制御回路に冷媒バッファ１７と、その出口側に冷媒電磁弁１９を設けて、出湯温度を得る。
この場合には、冷媒膨張弁６ａは図１における両冷媒膨張弁６ａ，６ｂを兼ねたものであり、膨張弁６ａを小流量から大流量まで制御範囲の大きいものとすることが効果的である。
【００２４】
次に本発明ヒートポンプ作動の試験例を掲げる。
図１の配管系統を用い、下記表１に示す条件でヒートポンプを作動した。その結果は表１に併記した通りである。この試験において、冷媒はフロンＲ２２を用い、電源は単相１００ＶＨｚであった。
また表中の消費電力は水ポンプ動力は含まず、ヒートポンプ単独のものである。圧力式制水弁の設定圧力は２１Ｋｇ／ｃｍ２  Ｇであった。
なお、表中、括弧内の数字は実測によるものではなく、一部計算による予測値である。
また、圧縮機，凝縮器の入口，出口のエンタルピの（１）（２）（３）（４）は夫々図３、図４における（１）（２）（３）（４）に対応するものである。
以下、表記する。
（以下余白）
【００２５】
【表１】
0003615301.tif 000002
（以下余白）
【００２６】
上記表に示すように、本発明によれば従来のヒートポンプでは低温経路の運転のみしか行われなかったのが簡単に高温経路での運転も可能となり、しかも出湯温度を高めて高密度な貯湯を可能ならしめ従来に比し頗る有利となった。
【００２７】
【発明の効果】
本発明ヒートポンプは以上のように切換弁により冷媒液の流れる方向を変え、冷媒バッファを経由させるか、させないかによって出湯温度の調節を図り得るようにしたものであり、冷媒液の経路を２経路設け、その１つの経路に冷媒バッファを設けるだけで簡単な構成で出湯温度を高くしたり、低くして成績係数を上げたりすることができ、極めて経済性に富み、実用性大なる給湯用ヒートポンプである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るヒートポンプの１例に係る配管系統を示す図である。
【図２】本発明に係るヒートポンプの他の実施例を示す配管系統図である。
【図３】従来のヒートポンプの冷凍サイクル図である。
【図４】本発明ヒートポンプの冷凍サイクル図である。
【符号の説明】
１  圧縮機
２  四方弁
３  蒸発器
４  ファン
５  凝縮器
６ａ，６ｂ  冷媒膨張弁
７  切換弁
８  アキュムレータ
１７  冷媒バッファ
Ｔ  水配管
【図１】
0003615301.tif 000003
【図２】
0003615301.tif 000004
【図３】
0003615301.tif 000005
【図４】
0003615301.tif 000006