(57)【要約】  【課題】ヒータ等の外部熱源により保温されている大容量の温水タンクを廃止し、ヒートポンプの温熱で管内の小容量の水を昇温させて所定温度の湯を供給する省エネルギーなカップ式自動販売機を提供すること。  【解決手段】水熱交換器２１を冷媒の流れる管と給湯用の水が流れる管とで構成することにより、水側配管２５内の水を冷媒側配管２４内の高温の冷媒と熱交換させて所定温度まで昇温させるので、保温を必要とする温水タンクが不要となり、カップ式自動販売機の省エネルギー化が図れるものである。【選択図】図１
2008040657.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒と給湯用の水とを熱交換させて湯を作る水熱交換器と、冷媒と外気とを熱交換させるガスクーラと、冷媒と製氷用の水とを熱交換させて氷を作る製氷用熱交換器と、冷媒と冷水用の水とを熱交換させて冷水を作る冷水用熱交換器とからなるヒートポンプシステムを有し、前記水熱交換器の水流路から給湯末端へ通水するように接続する給湯水回路を備え、前記水熱交換器は冷媒の流れる管と給湯用の水が流れる管とで構成されていることを特徴とするカップ式自動販売機。
【請求項２】
冷媒として、二酸化炭素を主成分とする自然冷媒を用いたことを特徴とする請求項１に記載のカップ式自動販売機。
【請求項３】
水熱交換器の水側出口配管と、前記水熱交換器の水側入口配管とを連結する接続配管を設けて循環回路を構成し、前記循環回路に給湯用水を循環させるポンプを配設し、給湯用水の昇温後の温度が所定温度未満のとき、前記給湯用水を再び前記水熱交換器に供給して、前記給湯用水を所定温度まで昇温させることを特徴とする請求項１または２に記載のカップ式自動販売機。
【請求項４】
ホット飲料販売待機中に、循環回路内の給湯用水の温度が所定温度に到達するか、または、所定時間経過すると、水熱交換器の水流路内の水を排出する切換弁を大気開放側へと切換えて、配管内の給湯用水を排出することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のカップ式自動販売機。
【請求項５】
運転率を増加させるために、冷熱を蓄冷する手段を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のカップ式自動販売機。
【請求項６】
蓄冷時は、まず、製氷側膨張弁を開、冷水側膨張弁を閉とし、冷媒を製氷機側へと供給して氷の生成を行い、氷センサにより製氷タンクが満杯になると、製氷側膨張弁を閉、冷水側膨張弁を開にして、ウォータバスにアイスバンクセンサを利用したアイスバンクを生成するように切換える制御手段を備えたことを特徴とする請求項５に記載のカップ式自動販売機。
【請求項７】
過去の販売データに基づく学習機能を備え、販売頻度が低下する時間帯において、圧縮機を停止させ、この間、アイスバンクの冷熱により冷水を低温に保ちながら販売を継続し、アイスバンクセンサの信号が残量小を送信すると、圧縮機を運転させて冷水を保冷することを特徴とする請求項５または６に記載のカップ式自動販売機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＯ２ヒートポンプシステムを有し、販売時に飲料水を初期水温より昇温させて所定温度の湯を供給するカップ式自動販売機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のカップ式自動販売機は、保温を必要とする温水タンクを有し、吐出温度が高い場合に、高温の吐出冷媒を温水タンクに導き、温水タンクの水に高熱を吸収させて、排熱を有効利用するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、従来のカップ式自動販売機の冷凍サイクル図を示すものである。
【０００４】
図５において、圧縮機１と、凝縮器２と、膨張機構３と、蒸発器４とを順次環状に接続して冷凍サイクル５を構成している。冷凍サイクル５には圧縮機の吐出冷媒温度を冷却するプリクーラ６が設けられており、プリクーラ６の冷媒循環経路に調節弁としての第１の電磁弁７ａが直列に介装され、プリクーラ６と第１の電磁弁７ａの直列回路に熱交換器８と第２の電磁弁７ｂが並列接続されている。熱交換器８は温水タンク９に浸けられている。第１の電磁弁７ａと、第２の電磁弁７ｂは温水タンク９の水温を検出する温度センサ１０の検出温度に基づいて制御部１１により制御される。
【０００５】
以上のように構成された自動販売機について、以下その動作を説明する。
【０００６】
まず、温度センサ１０の検出温度Ｔｓが低い温度Ｔ１未満の場合には、制御部１１は第１の電磁弁７ａを閉状態とし、第２の電磁弁７ｂを開状態にして圧縮機１から吐出された高温高圧ガスは熱交換器８を経由して予冷されて圧縮機１に戻る。高温高圧ガスが熱交換器８を経由することによって温水タンク９の水が温められる。次に、温度センサ１０の検出温度Ｔｓが高い温度Ｔ２以上の場合には、制御部１１は第１の電磁弁７ａを開状態とし、第２の電磁弁７ｂを閉状態にして、圧縮機１から吐出された高温高圧ガスはプリクーラ６を経由して予冷されて圧縮機１に戻る。そして、圧縮機１に戻った高温高圧ガスは、冷凍サイクル５を構成している凝縮器２へと導かれて放熱し、膨張機構３で減圧された後、蒸発器へと流入してウォータバスの水を冷却し、圧縮機１へと還流する。
【０００７】
また、圧縮機１のＯＮ／ＯＦＦは、ウォータバスの水温を所定値に保つように決定されている。そして、圧縮機１がＯＮのときに、温度センサ１０により圧縮機１からの高温高圧ガスをプリクーラ６に供給するのか温水タンク９内の熱交換器８に供給するのかを切換えている。そのため、温水タンク９の湯の生成を常時実行できる環境にはなく、断続的な制御で湯温を所定値まで昇温させる必要性が生じ、バッファとしての温水タンク９が必要となっている。
【特許文献１】特開平６−１１９５４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来の構成では、バッファとしての温水タンクが必要となるため、大容量の湯水を適温に保たなければならず、省エネルギーとはならないといった課題を有していた。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、温水タンクを廃止し、ヒートポンプの温熱で管内の小容量の水を昇温させて所定温度の湯を供給する省エネルギーなカップ式自動販売機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記従来の課題を解決するために、本発明の自動販売機は、冷媒と給湯用の水とを熱交換させて湯を作る水熱交換器を有し、前記水熱交換器は冷媒の流れる管と給湯用の水が流れる管とで構成されている。
【００１１】
これによって、水熱交換器の水側を容積の小さな管とし、圧縮機の運転率を増加させて立上り性能を向上させることで、ヒートポンプの温熱で初期の低い水温より昇温させて所定の湯を供給することができ、従来の保温を必要としていた温水タンクが不要となり、省エネが図れる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のカップ式自動販売機は、水熱交換器の水側を容積の小さな管とするとともに、運転率を増加させて立上り性能を向上させているので、ヒートポンプの温熱で所定温度の湯を供給することができ、温水タンクが不要となり省エネが図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
請求項１に記載の発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒と給湯用の水とを熱交換させて湯を作る水熱交換器と、冷媒と外気とを熱交換させるガスクーラと、冷媒と製氷用の水とを熱交換させて氷を作る製氷用熱交換器と、冷媒と冷水用の水とを熱交換させて冷水を作る冷水用熱交換器とからなるヒートポンプシステムを有し、前記水熱交換器の水流路から給湯末端へ通水するように接続する給湯水回路を備え、前記水熱交換器は冷媒の流れる管と給湯用の水が流れる管とで構成されていることにより、ヒートポンプの温熱で水熱交換器の水側管内の給湯用水を所定温度まで昇温させて販売に供することができ、保温を必要とする温水タンクが不要となり、省エネが図れる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、冷媒として、二酸化炭素を主成分とする自然冷媒を用いることにより、ヒートポンプの温熱として９５℃前後の高温の湯水が得られ、別に加温ヒータ等の加熱手段を必要とせず、販売に供することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、水熱交換器の水側出口配管と、前記水熱交換器の水側入口配管とを連結する接続配管を設けて循環回路を構成し、前記循環回路に給湯用水を循環させるポンプを配設し、給湯用水の昇温後の温度が所定温度未満のとき、前記給湯用水を再び前記水熱交換器に供給して、前記給湯用水を所定温度まで昇温させることにより、立上り性能が低下して給湯用水の温度が低くなった場合でも、再度、水熱交換器で加熱されるため、所定温度の湯を販売に供することができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、ホット飲料販売待機中に、循環回路内の給湯用水の温度が所定温度に到達するか、または、所定時間経過すると、水熱交換器の水流路内の水を排出する切換弁を大気開放側へと切換えて、配管内の給湯用水を排出することにより、給湯用水の鮮度を維持し、配管内で劣化した給湯用水が販売に供されるのを未然に防止することができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、運転率を増加させるために、冷熱を蓄冷する手段を備えることにより、圧縮機の温度を所定温度以上に保ちながら、ヒートポンプで得られる冷熱を蓄冷するので、エネルギーを無駄に消費することを回避できる。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、蓄冷時は、まず、製氷側膨張弁を開、冷水側膨張弁を閉とし、冷媒を製氷機側へと供給して氷の生成を行い、氷センサにより製氷タンクが満杯になると、製氷側膨張弁を閉、冷水側膨張弁を開にして、ウォータバスにアイスバンクセンサを利用したアイスバンクを生成するように切換える制御手段を備えることにより、製氷タンクが満杯になっても、ウォータバスのアイスバンクを生成することで、蓄冷を継続するため、運転率の高い状態が長時間に渡る場合でも蓄冷を行うことができる。
【００１９】
請求項７に記載の発明は、過去の販売データに基づく学習機能を備え、販売頻度が低下する時間帯において、圧縮機を停止させ、この間、アイスバンクの冷熱により冷水を低温に保ちながら販売を継続し、アイスバンクセンサの信号が残量小を送信すると、圧縮機を運転させて冷水を保冷することにより、アイスバンクを利用した省エネ運転を実現しながら、外気温の上昇等でアイスバンクがなくなった場合でも、圧縮機を運転させることで販売を継続することができる。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、従来例または先に説明した実施の形態と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるカップ式自動販売機の冷凍サイクル図である。
【００２２】
図１において、水熱交換器２１、製氷用熱交換器２２、冷水用熱交換器２３は、圧縮機１から吐出される冷媒が流れる冷媒側配管２４と、水道水が流れる水側配管２５とを、熱交換させるよう構成されている。製氷用熱交換器２２、および、冷水用熱交換器２３には、それぞれ、冷媒を膨張させる絞り量が調整可能な膨張弁２６、２７が接続されている。水熱交換器２１の出口には、冷媒と外気とを熱交換させるガスクーラ２８が配設されている。
【００２３】
給湯経路２９は、水道水を供給する管３０と、管３０に設けられた電磁弁３１と、電磁弁３１と水熱交換器２１の水側配管２５の入口とを接続する管３２と、水熱交換器２１内の冷媒側配管２４と熱交換する水側配管２５と、水熱交換器２１の水側配管２５の出口と給湯口３３に設けられた給湯弁３４とを接続する管３５とから構成されている。管３２には、給湯経路２９内の水を排水するための排水弁３６を備えた排水管３７が接続されている。水熱交換器２１の冷媒側配管２４の入口部に温度センサ３８が配設されている。
【００２４】
また水側配管２５は給湯経路２９よりも細管で形成されており、容積の小さな管で形成されている。管３５は水側配管２５と同径の細管で構成され給湯弁３４に接続されてもよい。
【００２５】
以上のように構成されたカップ式自動販売機について、以下その動作、作用を説明する。
【００２６】
まず、ホット飲料販売時において、圧縮機１から吐出された高温の冷媒は、水熱交換器２１の冷媒側配管２４に導かれ、水側配管２５内の水を所定値まで加熱した後、ガスクーラ２８に導かれ、ここで放熱される。そして、膨張弁２６、または、膨張弁２７によって減圧されて製氷用熱交換器２２、または、冷水用熱交換器２３に流入して、氷、または、冷水を生成した後、圧縮機１へと戻る。
【００２７】
また、水熱交換器２１の冷媒側配管２４の入口部に設けられた温度センサ３８の値が所定値よりも低いとき、水道水を供給する管３０に設けられた電磁弁３１を閉として、水熱交換器２１の水側配管２５に水を供給しないようにする。
【００２８】
そして、温度センサ３８の値が所定値以上になると、電磁弁３１を開にして、管３２を経由して水側配管２５に水を供給し、冷媒側配管２４内の高温の冷媒と熱交換させ、所定温度の湯を生成する。水熱交換器２１で生成された湯は、管３５を通過して給湯弁３４に至り、給湯弁３４を開にすることで、給湯口３３よりミキシングボール内、あるいは、カップ内へと供給される。
【００２９】
給湯口３３からの湯の供給が終了すると、電磁弁３１を閉にして、水道水からの水の供給を停止させ、排水管３７の排水弁３６を開にして、給湯経路２９内に残っている水を外部へ排水する。このとき、給湯経路２９内に水を残したままにしておくと、水が腐敗したり、カビや雑菌の繁殖等が問題となるため、全部排出した方が望ましいが、水の節約を考慮して、湯の供給終了後、所定時間経過するまで水を保持することとしてもよい。
【００３０】
そして、排水する水の量を節約する別の方法として、給湯経路２９を構成している管の内径を小さくして、排水される水の量を低減してもよい。
【００３１】
さらに、電磁弁３１と水熱交換器２１の水側配管２５の入口とを接続する管３２の長さを可能な限り短くすることでも、排水される水の量を低減できる。また、管３５の長さを短くしても、同様の効果が得られる。
【００３２】
また、給湯経路２９内に残った水を外部に排水する際に、給湯弁３４を開にすると、排水をスムースに行うことができるが、管３５内の水の一部は、給湯口３３から滴下する。この滴下した水は、ミキシングボール内、あるいは、カップ内へとは供給されず、他の廃液と同様に外部に排出される。具体的には給湯弁３４を三方弁として構成し、給湯時には管３５側とミキシングボール側、あるいは、カップ側を連通させ、排水時には管３５側と排水口側（図示せず）を連通させるように構成する。また、給湯弁３４をリリーフ機能付の弁とし、排水時にリリーフ機能を働かせて、管３５側と大気開放側を連通させるようにしてもよい。
【００３３】
また、給湯時の給湯経路２９内のエア抜き方法として、前記給湯用三方弁、または、前記リリーフ機能付給湯弁を利用することができる。具体的には、給湯経路２９内の空気を給湯用三方弁の排出口側、または、リリーフ機能付給湯弁の大気開放側へと排出しながら、給湯弁までの管内を湯水で満たすことが可能となる。
【００３４】
また、温度センサ３８の位置は、水熱交換器２１の冷媒側配管２４の入口部に限定されるものではなく、圧縮機１の吐出側と水熱交換器２１の冷媒側とを接続する配管の任意の位置に設けることが可能である。
【００３５】
以上のように、本実施の形態においては、水熱交換器２１を冷媒の流れる管と給湯用の水が流れる管とで構成することにより、細管の水側配管２５内の水を冷媒側配管２４内の高温の冷媒と熱交換させて所定温度まで昇温させるので、保温を必要とする温水タンクが不要となり、省エネが図れる。
【００３６】
また、本実施の形態では、冷媒として二酸化炭素を主成分とする自然冷媒を用いたことにより、ヒートポンプの温熱で９５℃前後の高温の湯が得られ、加温ヒータ等の加熱手段を必要とせず、ホット飲料の販売を行うことができる。
【００３７】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２におけるカップ式自動販売機の冷凍サイクル図である。
【００３８】
図２において、接続配管３９は管３２と管３５を連結しており、管３２、水側配管２５、管３５、接続配管３９とで、水側の循環回路４０を構成している。接続配管３９の両端の連結部にはそれぞれ電磁弁４２、４３が設けられている。接続配管３９の途中には給湯用水を循環させるポンプ４４が配設されている。管３５には温度センサ４１が設けられている。
【００３９】
以上のように構成されたカップ式自動販売機について、以下その動作、作用を説明する。
【００４０】
温度センサ４１により検出される昇温後の温度が所定値未満のとき、給湯弁３４を閉にし、電磁弁３１、４２、４３、排水弁３６を開にする。そうすると、水道水からの水圧により水熱交換器で加熱された湯が循環回路４０内へと導かれる。このとき、循環回路４０の下部側の電磁弁４３を三方弁として構成し、接続配管３９と排水口側（図示せず）を連通させて、接続配管３９内の空気を排出させ、接続配管３９内の空気を排出し終わった時点で、接続配管３９と管３２を連通させるよう切換えるようにするとよい。
【００４１】
その後、電磁弁３１を閉弁して水道水からの水の供給を停止して、ポンプ４４を運転し、湯を循環させながら水熱交換器２１で加熱する。湯が所定温度に到達すると、給湯弁３４を開にして湯を給湯口３３よりミキシングボール内、あるいは、カップ内へと供給する。ホット飲料販売後、循環回路４０内に残ったお湯は、所定時間経過すると、排水弁３６を開にして外部へ排出される。
【００４２】
以上のように、本実施の形態においては、循環回路４０とポンプ４４を備えることにより、給湯用水の昇温後の温度が所定温度未満のとき、給湯用水を再び水熱交換器２１に供給して、給湯用水を所定温度まで昇温させているので、立上り性能が低下して給湯用水の温度が低くなった場合でも、再度、水熱交換器２１で加熱されるため、所定温度の湯を販売に供することができる。
【００４３】
また、本実施の形態では、循環回路４０の途中にヒータ（図示せず）を配設したことにより、制約条件により圧縮機１を運転できない場合でも、給湯用水をヒータ（図示せず）で加熱して所定温度まで昇温させることができ、販売機会の喪失を未然に防ぐことができる。このとき、給湯用水は循環回路４０内部を循環させられるため、ヒータ（図示せず）の容量が小さくても所定温度に昇温させることが可能であり、イニシャルコストの増加を抑制できる。
【００４４】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３におけるカップ式自動販売機の冷凍サイクル図である。図４は、同実施の形態におけるカップ式自動販売機のアイスバンクセンサの模式図である。
【００４５】
図３、図４において、製氷機４５で製氷された氷を貯留する製氷タンク４６に、氷の量を検出する氷センサ４７が設けられている。冷水用熱交換器２３の一部を構成している蒸発コイル４８が、ウォータバス４９内の水中に配設されている。蒸発コイル４８の周囲にはアイスバンク５０が形成され、このアイスバンク５０の着氷量を検出するアイスバンクセンサ５１がウォータバス４９内に配設されている。アイスバンクセンサ５１は、主要構成要素としてセンサ電極５２を備えている。
【００４６】
以上のように構成されたカップ式自動販売機について、以下その動作、作用を説明する。
【００４７】
ホット飲料販売時の立上り性能を向上させるため、圧縮機１の運転率を増加させて、圧縮機１の温度を所定温度以上に保持する。また、このとき発生する冷熱を蓄冷する。蓄冷時は、まず、製氷側膨張弁２６を開、冷水側膨張弁２７を閉とし、冷媒を製氷機４５側へと供給して氷の生成を行い、氷センサ４７により製氷タンク４６の満杯を検出すると、製氷側膨張弁２６を閉、冷水側膨張弁２７を開にして、ウォータバス４９内の水中に配設されている蒸発コイル４８に冷媒を供給し、蒸発コイル４８の周囲にアイスバンク５０を生成させる。また、氷と水の電気抵抗の違いをセンサ電極５２で検知してアイスバンク５０の着氷量を検出するアイスバンクセンサ５１を設け、アイスバンク５０の着氷量が上限に達すると、圧縮機１を停止させ、アイスバンク５０の生成を終了させる。
【００４８】
また、過去の販売データに基づく学習機能を備えたカップ式自動販売機において、まず、ホット販売頻度が高いときは、圧縮機１を連続運転させて蓄冷する。具体的には、（１）氷センサ４７が「Ｈｉ」を検出するまで製氷運転を行う。（２）氷センサ４７が「Ｈｉ」を検出した後にホット販売が続くと、アイスバンク５０の生成に切換える。（３）アイスバンクセンサ５１が「Ｈｉ」を検出するまでアイスバンク５０を生成する。（４）アイスバンクセンサ５１が「Ｈｉ」を検出した後にホット販売が続くと、空気と熱交換する蒸発器（図示せず）を補助で備えておき、空気中に冷熱を放出する。または、ヒータ（図示せず）で加温する装置を配設しておき、ヒータで加温する。
【００４９】
次に、ホット販売頻度が少ないとき、ホット販売時以外は圧縮機を停止させて蓄冷を利用する。具体的には、（５）アイスバンクセンサ５１が「Ｌｏ」を検出するまで、アイスバンク５０を利用した保冷を継続させる。このとき圧縮機１は停止しているが、ホット販売時には圧縮機１が運転される。（６）アイスバンクセンサ５１が「Ｌｏ」を検出すると、通常の温度センサ（図示せず）による圧縮機のＯＮ／ＯＦＦによる保冷を行う。（７）アイスバンクセンサ５１が「Ｌｏ」を検出した後にホット販売が続くと、再度、アイスバンク５０を生成し、蓄冷運転を行う。
【００５０】
以上のように、本実施の形態においては、製氷タンク４６と、氷センサ４７、ウォータバス４９内の水中に設けた蒸発コイル４８とを備えることにより、氷センサ４７が製氷タンク４６の満杯を検出すると、蒸発コイル４８の周囲にアイスバンク５０を生成するよう切換えて蓄冷を継続するので、圧縮機１の運転率の高い状態が長時間に渡る場合でも蓄冷を行うことができ、エネルギーを無駄に消費することを回避できる。
【００５１】
また、本実施の形態では、過去の販売データに基づく学習機能を備え、ホット販売頻度が低下する時間帯において、圧縮機１を停止させ、アイスバンク５０を利用した省エネ運転を実現するとともに、アイスバンク５０がなくなった場合でも、圧縮機を運転させて販売を継続することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上のように、本発明にかかるカップ式自動販売機は、温水タンクを廃止するとともにヒートポンプの温熱で飲料水を昇温させるので、給湯器等の加温時の省エネルギー化が要求される用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態１におけるカップ式自動販売機の冷凍サイクル図
【図２】本発明の実施の形態２におけるカップ式自動販売機の冷凍サイクル図
【図３】本発明の実施の形態３におけるカップ式自動販売機の冷凍サイクル図
【図４】本発明の実施の形態３におけるカップ式自動販売機のアイスバンクセンサの模式図
【図５】従来のカップ式自動販売機の冷凍サイクル図
【符号の説明】
【００５４】
２１  水熱交換器
２２  製氷用熱交換器
２３  冷水用熱交換器
２４  冷媒側配管
２５  水側配管
２６  膨張弁
２７  膨張弁
２８  ガスクーラ
２９  給湯経路
３０  管
３１  電磁弁
３２  管
３３  給湯口
３４  給湯弁
３５  管
３６  排水弁
３７  排水管
３８  温度センサ
３９  接続配管
４０  循環回路
４１  温度センサ
４２  電磁弁
４３  電磁弁
４４  ポンプ
４５  製氷機
４６  製氷タンク
４７  氷センサ
４８  蒸発コイル
４９  ウォータバス
５０  アイスバンク
５１  アイスバンクセンサ
５２  センサ電極
【図１】
2008040657.tif 000003
【図２】
2008040657.tif 000004
【図３】
2008040657.tif 000005
【図４】
2008040657.tif 000006
【図５】
2008040657.tif 000007