(57)【要約】【課題】１台のＣＯ２給湯器で水熱源と空気熱源とにシームレスに切替え運転が可能なＣＯ２給湯器を実現する。【解決手段】ＣＯ２循環路１４と、ＣＯ２循環路１４に設けられた圧縮機１６、ガスクーラ１８及び膨張弁２０と、膨張弁２０をバイパスするバイパス路３０と、バイパス路３０に設けられた超臨界タンク３２及び流量調整弁３４、３５とを備えている。ＣＯ２循環路１４は膨張弁２０の下流位置と圧縮機１６との間で並列に２系統に分岐したＣＯ２分岐路１４ｂ及び１４ｃを有している。ＣＯ２分岐路１４ｂに空気熱源熱交換器２２ａ及び２２ｂが設けられ、ＣＯ２分岐路１４ｃに水熱源熱交換器２４が設けられている。ＣＯ２分岐路１４ｂ又は１４ｃに選択的にＣＯ２流路を切り替える電磁弁４８、５０と、空気熱源熱交換器２２ａ及び２２ｂに空気流を形成する送風機４６とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換媒体としてＣＯ２が循環するＣＯ２循環路と、
前記ＣＯ２循環路に設けられた圧縮機、ガスクーラ及び膨張弁と、
前記ＣＯ２循環路に接続され前記膨張弁をバイパスするバイパス路と、
前記バイパス路に設けられ、ＣＯ２を少なくともホットガス状態で貯留するＣＯ２貯留タンク及び第１の流量調整弁とを備え、
前記ＣＯ２循環路は、前記膨張弁の下流に位置する前記バイパス路の接続部と前記圧縮機との間で並列に２系統に分岐したＣＯ２分岐路を有し、
前記ＣＯ２分岐路の一方に設けられた空気熱源熱交換器と、
前記ＣＯ２分岐路の他方に設けられた水熱源熱交換器と、
前記ＣＯ２分岐路の一方又は他方に選択的にＣＯ２流路を切り替える流路切替機構と、
前記空気熱源熱交換器に導入される空気流を形成する空気流形成手段とを備えていることを特徴とするＣＯ２給湯器。
【請求項２】
前記空気熱源熱交換器及び前記水熱源熱交換器の出口の前記ＣＯ２分岐路に、夫々開閉可能な遮断弁をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のＣＯ２給湯器。
【請求項３】
前記圧縮機入口の前記ＣＯ２循環路に設けられた第１の圧力センサ及び第１の温度センサと、
前記第１の圧力センサ及び前記第１の温度センサの検出値からＣＯ２の過熱度を演算する過熱度演算手段と、
前記過熱度演算手段で演算された過熱度に基づいて前記第１の流量調整弁の開度を制御し、前記圧縮機に吸入されるＣＯ２の過熱度を制御する第１の制御装置とをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のＣＯ２給湯器。
【請求項４】
前記水熱源熱交換器に接続された熱源水循環路と、
前記熱源水供給路に設けられ熱源水を前記水熱源熱交換器に供給する熱源水ポンプと、
前記水熱源熱交換器入口の前記ＣＯ２分岐路に設けられた第２の圧力センサと、
前記第２の圧力センサの検出値に対応したＣＯ２の飽和温度が零度以下となったとき、前記熱源水ポンプを稼働させる第２の制御装置とを備えていることを特徴とする請求項１に記載のＣＯ２給湯器。
【請求項５】
前記ガスクーラに接続された冷却水循環路と、
前記冷却水循環路及び２次冷却水循環路が接続され、前記冷却水循環路を循環する冷却水と前記２次冷却水循環路を循環する２次冷却水とを熱交換する熱交換器と、
前記２次冷却水循環路に設けられた第２の流量調整弁と、
前記熱交換器出口の前記冷却水循環路に設けられた第２の温度センサと、
前記熱交換器出口の前記２次冷却水循環路に設けられた第３の温度センサと、
前記第２の温度センサ及び前記第３の温度センサの検出値に基づいて、前記ＣＯ２給湯器が設定ＣＯＰとなるように前記第２の流量調整弁の開度を制御する第３の制御装置とをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のＣＯ２給湯器。
【請求項６】
各構成機器間に冷風を形成させる予備送風機をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のＣＯ２給湯器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＯ２を熱交換媒体としてヒートポンプサイクルを構成するＣＯ２給湯器に関し、詳しくは、運転モードを空気熱源モード又は水熱源モードに切替え可能なＣＯ２給湯器に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球環境に対する負荷が少ない自然媒体として、ＣＯ２は無毒で不燃性な上、圧縮機で高圧に圧縮すると、超臨界と呼ばれる状態（臨界点以上の温度及び圧力下にあり、液体と気体の区別がつかない状態）となり、高温の熱を水などに伝達しすい性質がある。そのため、ＣＯ２を熱交換媒体として用いた給湯器は、９０℃前後の高温湯を沸かすことができる。
【０００３】
本出願人は、工場の温廃水などを熱源とし、熱交換媒体としてＣＯ２を用い、ヒートポンプサイクルを構成したＣＯ２給湯器を開発してきた（特許文献１）。この水熱源ＣＯ２給湯器で温水を作り、かつ二次的に出来る冷水を用いて工場設備の冷房や冷水負荷等に使用することができる。
また、本出願人は、空気を熱源としたＣＯ２給湯器を開発している（特許文献２及び３）。この空気熱源ＣＯ２給湯器は、温廃水を利用できない場合に高ＣＯＰで高温湯を作ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２８１５５１号公報
【特許文献２】特開２０１１−２２０７号公報
【特許文献３】特開２０１２−１７７５２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
日本国内において冷房必要期間は数か月しかなく、水熱源ＣＯ２給湯器の需要は限られている。そこで、水熱源ＣＯ２給湯器と空気熱源ＣＯ２給湯器とを併設することで、稼動率を増加させることが考えられるが、空気熱源ＣＯ２給湯器を付設することで、電力使用量が増加するという問題がある。
この問題を解決するために、１台で水熱源と空気熱源とに切替え運転が可能なＣＯ２給湯器を実現することが望まれる。
【０００６】
しかし、水熱源ＣＯ２給湯器と空気熱源ＣＯ２給湯器とはＣＯ２使用量が異なり、かつＣＯ２はホットガス状態で使用されるため、両者間で使用されるＣＯ２の容量は大きく異なってくる。そのため、水熱源と空気熱源とに切替え運転可能なＣＯ２給湯器の実現は困難であった。
【０００７】
本発明は、前記問題点に鑑みなされたものであり、１台のＣＯ２給湯器で水熱源と空気熱源とにシームレスに切替え運転が可能なＣＯ２給湯器を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のＣＯ２給湯器は、熱交換媒体としてＣＯ２が循環するＣＯ２循環路と、ＣＯ２循環路に設けられた圧縮機、ガスクーラ及び膨張弁と、ＣＯ２循環路に接続され該膨張弁をバイパスするバイパス路と、該バイパス路に設けられ、ＣＯ２を少なくともホットガス状態、好ましくは超臨界状態で貯留するＣＯ２貯留タンク及び第１の流量調整弁とを備えている。
前記ＣＯ２循環路は、膨張弁の下流に位置するバイパス路の接続部と圧縮機との間で並列に２系統に分岐したＣＯ２分岐路を有している。
【０００９】
さらに、前記ＣＯ２分岐路の一方に空気熱源熱交換器が設けられ、該ＣＯ２分岐路の他方に水熱源熱交換器が設けられると共に、ＣＯ２分岐路の一方又は他方に選択的にＣＯ２流路を切り替える流路切替機構と、空気熱源熱交換器に導入される空気流を形成する空気流形成手段とを備えている。
【００１０】
前記構成において、前記流路切替機構によってＣＯ２が流入するＣＯ２分岐路を切り替え、ＣＯ２を空気熱源熱交換器又は水熱源熱交換器に供給することで、ＣＯ２給湯器の運転モードを水熱源モード又は空気熱源モードに切り替えることができる。
熱交換媒体に対する空気と水の熱交換効率の違いなどから、空気熱源熱交換器の容量は水熱源熱交換器の容量より大きくなるように設定され、そのため、空気熱源モードでは水熱源モードより、ＣＯ２循環量が大きくなるように設定されている。運転モードの切替え時、このＣＯ２循環量の違いはＣＯ２貯留タンクに貯留されるＣＯ２の貯留量を調整することで対応できる。
これによって、ＣＯ２給湯器の運転を停止することなく、シームレスに運転モードを切り替えることができる。
【００１１】
本発明のＣＯ２給湯器によれば、冷房が必要な期間は水熱源モードで運転することで、工場の温廃水などの熱源水を用いて温水を作り、かつ二次的に出来る冷水を用いて工場設備の冷房などに使用できる。また、冷房を必要としない冬期や夜間は空気熱源モードに切り替え、専ら温水を作るように運転することができる。
また、水熱源モードで運転する場合、冷水チラーユニットの代替機として使用できるため、冷水チラーユニットの稼働時間を大幅に低減できるか、あるいは冷水チラーユニットが不要となる。
【００１２】
また、一般的に夜間は電力負荷が減少するため、貯湯をするため空気熱源モードで運転したとしても、電力使用量が一定量を超えるおそれはない。
これによって、ＣＯ２給湯器の稼働率を向上できると共に、冷温熱負荷や電力事情を加味して、柔軟に運転モードを切り替えることができるので、既設の設備への導入が容易である。
【００１３】
本発明の一実施態様は、空気熱源熱交換器及び水熱源熱交換器の出口で、ＣＯ２分岐路に夫々開閉可能な遮断弁をさらに備えている。
一方の運転モードで運転中、他方のＣＯ２分岐路に設けられた熱交換器に残留したＣＯ２がＣＯ２循環路に引き込まれるおそれがある。
これに対し、前記遮断弁を設けたことでこの問題を解消できる。さらに、空気熱源モードから水熱源モードに切り替えるとき、空気熱源熱交換器にＣＯ２を残留させることで、運転モードの切替えをさらにスムーズに行うことができる。
【００１４】
本発明の一実施態様は、圧縮機入口のＣＯ２循環路に設けられた第１の圧力センサ及び第１の温度センサと、第１の圧力センサ及び第１の温度センサの検出値からＣＯ２の過熱度を演算する過熱度演算手段と、該過熱度演算手段で演算された過熱度に基づいて前記第１の流量調整弁の開度を制御し、圧縮機に吸入されるＣＯ２の過熱度を制御する第１の制御装置とをさらに備えている。
【００１５】
空気熱源モードから水熱源モードに切り替えた時、ＣＯ２循環量が過剰であるために、ＣＯ２の圧縮機吐出圧力が上昇しやすい。これを防ぐため、膨張弁の開度を切替え時設定開度まで大きくするが、そうすることで、圧縮機にＣＯ２が液状で吸入されやすくなる。
これに対し、前記構成により、圧縮機に吸入されるＣＯ２の過熱度を適正に制御することで、ＣＯ２の液バックを防止できる。また、この制御によって、過剰となったＣＯ２はＣＯ２貯留タンクに収容する。
【００１６】
本発明の一実施態様は、前記水熱源熱交換器に接続された熱源水循環路と、該熱源水供給路に設けられ熱源水を水熱源熱交換器に供給する熱源水ポンプと、水熱源熱交換器入口のＣＯ２分岐路に設けられた第２の圧力センサと、該第２の圧力センサの検出値に対応したＣＯ２の飽和温度が零度以下となったとき、熱源水ポンプを稼働させる第２の制御装置とを備えている。
前記構成により、ＣＯ２の圧力に対応した飽和温度が零度以下となったとき、熱源水ポンプを稼働させることで、水熱源熱交換器で熱源水が凍結するのを防止できる。
【００１７】
本発明の一実施態様は、前記ガスクーラに接続された冷却水循環路と、該冷却水循環路及び２次冷却水循環路が接続され、冷却水循環路を循環する冷却水と２次冷却水循環路を循環する２次冷却水とを熱交換する熱交換器と、２次冷却水循環路に設けられた第２の流量調整弁と、前記熱交換器出口の冷却水循環路に設けられた第２の温度センサと、前記熱交換器出口の２次冷却水循環路に設けられた第３の温度センサと、第２の温度センサ及び第３の温度センサの検出値に基づいて、ＣＯ２給湯器のＣＯＰが設定となるように第２の流量調整弁の開度を制御する第３の制御装置とをさらに備えている。
前記構成により、ＣＯ２給湯器のＣＯＰを高い設定値に保持することができる。
【００１８】
本発明の一実施態様は、各構成機器間に冷風を形成させる予備送風機をさらに備えている。ＣＯ２給湯器の運転モードが空気熱源モードでないとき、空気熱源熱交換器に導入される空気流を形成する空気流形成手段の稼働は停止されるため、ＣＯ２給湯器の内部は、各構成機器から発生する熱で徐々に昇温する。そのため、空気熱源モード時に前記予備送風機を稼働させることで、ＣＯ２給湯器の内部温度を低下させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、１台のＣＯ２給湯器で水熱源モード及び空気熱源モードの運転がシームレスに切替え可能になり、かつＣＯ２給湯器の稼働率を向上できると共に、電力使用量の増加を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態に係るＣＯ２給湯器の全体構成図である。
【図２】前記ＣＯ２給湯器の制御系を示すブロック線図である。
【図３】前記ＣＯ２給湯器の運転モード切替え時の操作を示すフロー図である。
【図４】前記ＣＯ２給湯器の水熱源熱交換器の均圧運転操作を示すフロー図である。
【図５】前記ＣＯ２給湯器の冷却水循環路の操作を示すフロー図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係るブロック線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００２２】
（実施形態１）
本発明の第１実施形態に係るＣＯ２給湯器を図１〜図５に基づいて説明する。図１において、本実施形態に係るＣＯ２給湯器１０のハウジング１２の内部に、ＣＯ２循環路１４が設けられ、ＣＯ２循環路１４にヒートポンプサイクルを構成する圧縮機１６、ガスクーラ１８、膨張弁２０、空気熱源熱交換器２２ａ、２２ｂ及び水熱源熱交換器２４等が設けられている。圧縮機１６は駆動モータ１６ａ及び駆動モータ１６ａの回転数を可変とするインバータ１６ｂを有している。
圧縮機１６からＣＯ２循環路１４に吐出された超臨界状態のＣＯ２はガスクーラ１８に送られる。ガスクーラ１８には冷却水循環路７０が接続されており、ガスクーラ１８でＣＯ２は冷却水循環路７０を循環する冷却水によって冷却される。
【００２３】
ガスクーラ１８を出たＣＯ２は、内部熱交換器２８で空気熱源熱交換器２２ａ、２２ｂ又は水熱源熱交換器２４から出たＣＯ２と熱交換して冷却された後、膨張弁２０を経て減圧される。膨張弁２０の出口側に位置する分岐部１４ａで、ＣＯ２循環路１４はＣＯ２分岐路１４ｂ及び１４ｃの２系統に分岐している。ＣＯ２分岐路１４ｂには空気熱源熱交換器２２ａ及び２２ｂが設けられ、ＣＯ２分岐路１４ｃには水熱源熱交換器２４が設けられている。
【００２４】
ＣＯ２分岐路１４ｂ及び１４ｃは、空気熱源熱交換器２２ａ、２２ｂ及び水熱源熱交換器２４の出口側に位置した合流部１４ｄで合流している。合流部１４ｄで合流したＣＯ２は内部熱交換器２８でガスクーラ１８から出たＣＯ２で加熱された後、圧縮機１６の吸入口（不図示）に吸入される。内部熱交換器２８によってＣＯ２給湯器１０のＣＯＰを向上できる。
【００２５】
ガスクーラ１８と内部熱交換器２８との間のＣＯ２循環路１４、及び膨張弁２０と分岐部１４ａとの間のＣＯ２循環路１４にバイパス路３０が接続されている。バイパス路３０には、余剰のＣＯ２を収容する超臨界タンク３２が設けられ、超臨界タンク３２の入口及び出口のバイパス路３０に流量調整弁３４及び３５が設けられている。超臨界タンク３２はヒータ３６を備え、超臨界タンク３２の内部はＣＯ２の臨界点以上の温度及び圧力に保持され、超臨界タンク３２に貯留されたＣＯ２を超臨界状態に保持している。
【００２６】
空気熱源熱交換器２２ａ及び２２ｂは同一の構成を有している。空気熱源熱交換器２２ａ又は２２ｂは、多数の銅管４０が互いに間隔を置いて並列に配設され、銅管４０の両端はヘッダ４２に接続されている。銅管４０の表面には、銅管４０の配置方向と直交する方向に多数の板状の放熱フィン４４が平行に設けられている。空気熱源熱交換器２２ａ及び２２ｂのヘッダ４２はＣＯ２分岐路１４ｂに並列に接続されている。
かかる構成により、ＣＯ２はＣＯ２分岐路１４ｂからヘッダ４２を介して銅管４０に流入する。銅管４０の周囲には隙間が形成され、ハウジング１２に設けられた送風機４６によって空気流が形成される。銅管４０内を流れるＣＯ２は空気流の保有熱を吸入する。送風機４６は駆動モータ４６ａの回転数を可変とするインバータ４６ｂを有している。
【００２７】
空気熱源熱交換器２２ａ及び２２ｂの入口のＣＯ２分岐路１４ｂに電磁弁４８が設けられ、水熱源熱交換器２４の入口のＣＯ２分岐路１４ｃには電磁弁５０が設けられている。また、空気熱源熱交換器２２ａ及び２２ｂの出口のＣＯ２分岐路１４ｂには電動ボール弁５２が設けられ、水熱源熱交換器２４の出口のＣＯ２分岐路１４ｃには電動ボール弁５４が設けられている。電動ボール弁５２又は５４は、閉状態のときＣＯ２分岐路１４ｂ又は１４ｃを完全に遮蔽することができる。
【００２８】
圧縮機１６の入口でＣＯ２循環路１４に圧力センサ５６及び温度センサ５８が設けられている。
【００２９】
水熱源熱交換器２４には熱源水循環路６０が接続され、熱源水循環路６０の他端は熱源水タンク６２に接続されている。熱源水タンク６２には、工場温廃水などの熱源水が貯留されている。熱源水タンク６２に貯留された熱源水は熱源水循環路６０に設けられた熱源水ポンプ６４で水熱源熱交換器２４に送られ、水熱源熱交換器２４でＣＯ２と熱交換し、冷却される。冷却された熱源水は熱源水タンク６２に戻され、冷熱源として他の冷水負荷に利用される。また、水熱源熱交換器２４の入口でＣＯ２分岐路１４ｃに圧力センサ６６が設けられている。
【００３０】
ガスクーラ１８には冷却水循環路７０が接続され、冷却水循環路７０の他端は熱交換器７２に接続されている。熱交換器７２には２次冷却水循環路７４が接続されている。冷却水循環路７０には電動バルブなどで構成された流量調整弁７６が設けられ、２次冷却水循環路７４にも同様の流量調整弁７８が設けられている。また、熱交換器出口の冷却水循環路７０に、例えば、測温抵抗体などで構成された温度センサ８０が設けられ、該熱交換器出口の２次冷却水循環路７４にも同様の温度センサ８２が設けられている。
【００３１】
冷却水循環路７０を循環する冷却水はガスクーラ１８でＣＯ２によって加熱される。ガスクーラ１８で加熱された冷却水は熱交換器７２で２次冷却水を加熱する。熱交換器７２で加熱された２次冷却水は、熱源水として他の用途に利用される。
【００３２】
ハウジング１２は、予備の換気ファン８４及びＣＯ２給湯器１０の運転を制御する制御装置８８（図２参照）を内蔵した制御盤８６が設けられている。換気ファン８４によってハウジング１２の内部が換気可能になっている。水熱源モード運転時に送風機４６は稼動しない。そのため、ハウジング１２の内部は各構成機器が配設する熱で昇温する。そこで水熱源モード運転時に換気ファン８４を稼働させ、ハウジング１２内を換気し、昇温を防止する。
【００３３】
次に、図２に基づいてＣＯ２給湯器１０の制御系を説明する。図２において、圧力センサ５６、６６及び温度センサ５８、８０、８２の検出値が制御装置８８に入力される。これらの検出値に基づいて、制御装置８８は、インバータ１６ｂ、４６ｂ、熱源水ポンプ６４の稼働を制御すると共に、膨張弁２０、電磁弁４８、５０、流量調整弁３４、３５、７６、７８及び電動ボール弁５２、５４の開度を制御する。
【００３４】
かかる構成において、空気熱源モードで運転するとき、制御装置８８によって電磁弁４８及び電動ボール弁５２は開放され、電磁弁５０及び電動ボール弁５４は閉鎖されると共に、送風機４６が稼動され、空気熱源熱交換器２２ａ及び２２ｂの銅管４０の表面を通る空気流が形成される。
膨張弁２０を経て減圧されたＣＯ２は、空気熱源熱交換器２２ａ及び２２ｂで蒸発潜熱分空気流ａから吸熱する。
【００３５】
図３は、制御装置８８によって、ＣＯ２給湯器１０の運転モードを空気熱源モード又は水熱源モードに切り替えるときの操作手順を示している。
空気熱源モードに切り替えるときは、Ｓ１２からＳ２０までの操作を行う。ＣＯ２と空気流ａとの熱交換量を確保するため、空気熱源熱交換器２２ａ及び２２ｂの銅管４０の容積は大きく形成され、水熱源モードと比べて、ＣＯ２循環路１４のＣＯ２循環量は増加する。そのため、流量調整弁３５を開け、超臨界タンク３２に貯留されたＣＯ２をＣＯ２循環路１４に戻して、ＣＯ２循環量を空気熱源モードに最適な循環量とする（Ｓ１６）。
【００３６】
水熱源モードに切り替えるときは、Ｓ２２からＳ３４までの操作を行う。空気熱源モードから水熱源モードに切り替えると、ＣＯ２循環量が過剰となるため、ＣＯ２の圧縮機吐出圧力が上昇しやすい。そのため、膨張弁２０の開度を設定開度まで増加させ、圧縮機吐出圧力の上昇を抑制する（Ｓ２６）。
しかし、これによってＣＯ２の液体状態で圧縮機１６に吸入され易くなるので、流量調整弁３４を開け、過剰なＣＯ２を超臨界タンク３２に収容させる必要がある。
【００３７】
そのため、制御装置８８の過熱度演算部９０で、圧力センサ５６の検出値から該検出値に対応したＣＯ２の飽和温度を求め、求めた飽和温度と温度センサ５８との差から圧縮機１６に吸入されるＣＯ２の過熱度を演算する（Ｓ２７）。演算された過熱度に基づいて、液バックしない適正な過熱度とするために超臨界タンク３２に収容するＣＯ２量を求め、流量調整弁３４を開けて過剰なＣＯ２を超臨界タンク３２に収容させる（Ｓ２８）。
【００３８】
図４は、停止中の水熱源熱交換器２４のＣＯ２の圧力上昇を防止するための均圧操作手順を示している。図４において、空気熱源モードで運転中などの場合、水熱源熱交換器２４が停止している時に（Ｓ３６）、水熱源熱交換器２４のＣＯ２圧力が上昇した場合（Ｓ３８）、電動ボール弁５４を開けてＣＯ２圧力を低下させる（Ｓ４０）。そして、遅延タイマを作動させ（Ｓ４２）、電動ボール弁５４を開けた後設定時間だけ経過した後、電動ボール弁５４を閉じる（Ｓ４４）。
水熱源熱交換器２４が停止中に、水熱源熱交換器２４のＣＯ２圧力を圧力センサ６６で検出し、該検出値に対応したＣＯ２の飽和温度が０℃以下となったら、制御装置８８で熱源水ポンプ６４を稼働させ、水熱源熱交換器２４の熱源水が凍結するのを防止する。
【００３９】
空気熱源熱交換器２２ａ及び２２ｂで空気流ａから吸熱し保有熱量を増加させたＣＯ２は、ガスクーラ１８で冷却水循環路７０を循環する冷却水によって冷却される。温度センサ８０及び８２の検出値は制御装置８８に入力され、制御装置８８は、冷却水循環路７０を循環する冷却水及び２次冷却水循環路７４を循環する２次冷却水が所望の温度となるように、流量調整弁７６及び７８の開度を制御する。
【００４０】
図５は、制御装置８８による流量調整弁７６及び７８の操作手順を示している。図５において、予め流量調整弁７６は高いＣＯＰを得られる設定された開度に保持されている。まず、冷却水循環路７０を循環する冷却水の設定温度を基準にして、ＣＯ２給湯器１０のＣＯＰを高くできる流量調整弁７８の開度をＰＩＤ演算により求める（１次開度演算：Ｓ３６）。
次に、２次冷却水循環路７４を循環する２次冷却水の設定温度を基準にして、ＣＯ２給湯器１０のＣＯＰを高くできる流量調整弁７８の開度をＰＩＤ演算により求める（２次開度演算：Ｓ３８）。その後、１次開度と２次開度とを比較し（Ｓ４０）、開度が大きいほうを選択する（Ｓ４２及びＳ４４）。
【００４１】
かかる操作によって、ＣＯ２給湯器１０のＣＯＰを高く保持しながら、２次冷却水の流量を増加できる。
【００４２】
本実施形態によれば、制御装置８８によって、ＣＯ２給湯器１０の運転を停止することなく、空気熱源モード又は水熱源モードにシームレスに切り替えることができる。そのため、冷房が必要な期間は水熱源モードで運転し、作った冷水を用いて工場設備の冷房などに使用し、冷房を必要としない冬期や夜間は空気熱源モードに切り替え、温水を作ることで、ＣＯ２給湯器１０の稼動率を向上できる。
また、１台のＣＯ２給湯器１０で両運転モードに切替えできるため、電力使用量の増加を招かない。さらに、冷温熱負荷や電力事情を加味して、柔軟に運転モードを切り替えることができるので、既設の設備に導入しやすい。
なお、空気熱源モードと水熱源モードとで異なる必要ＣＯ２循環量の差は、超臨界タンク３２にＣＯ２を出し入れことで対応できる。
【００４３】
また、空気熱源熱交換器２２ａ、２２ｂ及び水熱源熱交換器２４の出口に、ＣＯ２流路を遮断可能な電動ボール弁５２及び５４を設けたことで、停止中の熱交換器に存在するＣＯ２がＣＯ２循環路１４に引き込まれるおそれがなくなる。例えば、水熱源モードで運転中に空気熱源熱交換器２２ａ及び２２ｂに残留したＣＯ２は外気温によっては凝縮する。これに対し、電動ボール弁５２で空気熱源熱交換器２２ａ及び２２ｂの出口を遮断することで、凝縮したＣＯ２がＣＯ２循環路１４に引き込まれるのを防止できる。
また、電動ボール弁５２の設置により、水熱源モードで運転中、ＣＯ２を容量が大きい空気熱源熱交換器２２ａ及び２２ｂにＣＯ２を収容することで、過剰なＣＯ２を迅速にＣＯ２循環路１４から排除できるため、空気熱源モードから水熱源モードへの切替えを迅速に行うことができる。
【００４４】
また、圧縮機１６の入口に圧力センサ５６及び温度センサ５８を設け、これらセンサの検出値から過熱度演算部９０でＣＯ２の過熱度を演算し、該過熱度が適正な値となるように超臨界タンク３２へのＣＯ２の出し入れを行うことで、液状のＣＯ２が圧縮機１６に流入するのを防止できる。
また、圧力センサ６６の検出値に対応する飽和温度が０℃以下になったとき、熱源水ポンプ６４を稼働させることで、水熱源熱交換器２４の熱源水の凍結を防止できる。
【００４５】
また、冷却水循環路７０を循環する冷却水及び２次冷却水循環路７４を流れる２次冷却水の温度に基づいて、ＣＯ２給湯器１０のＣＯＰが高くなる流量調整弁７８の開度をＰＩＤ演算によって演算し、開度が大きいほうを選択することで、ＣＯ２給湯器１０のＣＯＰを高く保持しながら２次冷却水の流量を増加できる。
さらに、送風機４６が停止している水熱源モードにおいても、予備の換気ファン８４を稼働させることで、各構成機器の発熱によるハウジング１２内の昇温を防止できる。
【００４６】
（実施形態２）
次に、本発明の第２実施形態を図６に基づいて説明する。図６において、本発明に係るＣＯ２給湯器１０と冷水タンク１００とは、２次冷却水循環路７４を介して接続されている。ＣＯ２給湯器１０で作られた２次冷却水は冷水タンク１００に貯留される。冷水タンク１００に貯留された２次冷却水は、空調や生産設備の冷水負荷に使用される。
冷水負荷に使用されて昇温した２次冷却水の一部は３次冷却水循環路１０２を介して冷水チラー１０４に送られる。冷水チラー１０４に送られた２次冷却水は冷水チラー１０４で冷却され、冷水タンク１００に戻される。
【００４７】
ＣＯ２給湯器１０の水熱源熱交換器２４で昇温した９０℃前後の熱源水は、給湯タンク１０６に送られる。給湯タンク１０６に貯留された温水は洗浄用温水槽１０８に送られ、その後、工場内設備などに洗浄用温水として供給される。
なお、さらに、図示のように、蒸気ボイラ１１０が付設されていれば、蒸気ボイラ１１０で作られた余剰蒸気で洗浄用温水槽１０８に貯留された洗浄用温水を保温する。
【００４８】
本実施形態によれば、水熱源モードでの運転時、冷水チラー１０４の代替機として使用できるため、冷水チラー１０４の稼働時間を大幅に低減でき、あるいは冷水チラー１０４が不要になる。また、作り出した温水を工場内設備の洗浄用温水として利用できる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明によれば、１台のＣＯ２給湯器で水熱源と空気熱源とにシームレスに切替え運転が可能なＣＯ２給湯器を実現できる。
【符号の説明】
【００５０】
１０                                  ＣＯ２給湯器
１２                                  ハウジング
１４                                  ＣＯ２循環路
１４ｂ、１４ｃ                      ＣＯ２分岐路
１６                                  圧縮機
１６ａ                              駆動モータ
１６ｂ                              インバータ
１８                                  ガスクーラ
２０                                  膨張弁
２２ａ、２２ｂ                        空気熱源熱交換器
２４                                  水熱源熱交換器
２８                                  内部熱交換器
３０                                  バイパス路
３２                                  超臨界タンク（ＣＯ２貯留タンク）
３４、３５                            流量調整弁（第１の流量調整弁）
３６                                  ヒータ
４０                                  銅管
４２                                  ヘッダ
４４                                  放熱フィン
４６                                  送風機（空気流形成手段）
４６ａ                              駆動モータ
４６ｂ                              インバータ
４８、５０                            電磁弁（流路切替機構）
５２、５４                            電動ボール弁（遮断弁）
５６                                  圧力センサ（第１の圧力センサ）
５８                                  温度センサ（第１の温度センサ）
６０                                  熱源水循環路
６２                                  熱源水タンク
６４                                  熱源水ポンプ
６６                                  圧力センサ（第２の圧力センサ）
７０                                  冷却水循環路
７２                                  熱交換器
７４                                  ２次冷却水循環路
７６                                  流量調整弁
７８                                  流量調整弁（第２の流量調整弁）
８０                                  温度センサ（第２の温度センサ）
８２                                  温度センサ（第３の温度センサ）
８４                                  換気ファン（予備送風機）
８６                                  制御盤
８８                                  制御装置
９０                                過熱度演算部
１００                                冷水タンク
１０２                                ３次冷却水循環路
１０４                                冷水チラー
１０６                                給湯タンク
１０８                                洗浄用温水槽
１１０                                蒸気ボイラ
ａ                                    空気流
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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