(57)【要約】【課題】高効率のヒートポンプ式給湯機を提供する。【解決手段】圧縮機３１、給湯用熱交換器３２、内部熱交換器３６、第１の絞り装置３３、蒸発器３４からなる主冷媒回路３７と、給湯用熱交換器３２の出口から分岐し、第２の絞り装置３５、内部熱交換器３６を介し、圧縮機３１の吸入配管３１ａに接続されたバイパス回路３８により冷凍サイクルを構成し、貯湯槽４１、循環ポンプ４２、給湯用熱交換器３２を順次接続してなる給湯回路５７を設け、第２の絞り装置３５の開度を、内部熱交換器３６の出口冷媒温度がある設定温度になるように制御するもので、給湯用熱交換器３２の出口冷媒を入水温度以下まで冷却し、蒸発器３４の入口冷媒の比エンタルピを低下させ、蒸発器３４の入口と出口の冷媒のエンタルピ差Δｈｅｖａを大きくし、冷媒循環量Ｇを低減して蒸発器３４の冷媒の圧力損失ΔＰｅｖａを低減させて、エネルギー効率が向上する。【選択図】図１
2008082601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも圧縮機、給湯用熱交換器、内部熱交換器、絞り開度可変の第１の絞り装置、蒸発器を順次接続して形成した主冷媒回路と、前記給湯用熱交換器出口から分岐し、絞り開度可変の第２の絞り装置、前記内部熱交換器を介して、前記圧縮機の吸入配管に接続されたバイパス回路により冷凍サイクルを構成し、貯湯槽、循環ポンプ、前記給湯用熱交換器を順次接続して形成した給湯回路を設け、前記給湯用熱交換器に流入する給湯水の温度を検知する入水温度センサーと、前記圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度センサーと、前記内部熱交換器の出口冷媒温度を検出する出口冷媒温度センサーと、前記第１の絞り装置と前記第２の絞り装置の開度を制御する制御装置を設けたことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
【請求項２】
出口冷媒温度センサーで検知した冷媒温度が設定温度になるように第２の絞り装置の開度を制御し、吐出温度センサーで検知した吐出冷媒温度が設定値となるように第１の絞り装置の開度を制御することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項３】
蒸発器の冷媒温度を検出する蒸発温度センサーを設け、出口冷媒温度センサーで検知した冷媒温度が、前記蒸発温度センサーで検知した蒸発冷媒温度と同じ温度または蒸発冷媒温度に設定温度を加えた温度になるように第２の絞り装置の開度を制御し、吐出温度センサーで検知した吐出冷媒温度が設定値となるように第１の絞り装置の開度を制御することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項４】
冷媒として炭酸ガスを用いたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貯湯式のヒートポンプ給湯装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のヒートポンプ給湯装置として、図４に示すようなものがあった（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図４は、上記特許文献１に記載された従来のヒートポンプ給湯機の構成図である。
【０００４】
図４において、圧縮機１、給湯用熱交換器２、絞り装置３、蒸発器４からなる冷媒循環回路１０と、貯湯槽５、循環ポンプ６、前記給湯用熱交換器２、補助加熱器１９を接続した給湯回路１５からなり、前記圧縮機１より吐出された高温高圧の過熱ガス冷媒は、前記給湯用熱交換器２に流入し、ここで前記循環ポンプ６から送られてきた給湯水を加熱する。
【０００５】
そして、凝縮液化した冷媒は、前記絞り装置３で減圧され、前記蒸発器４に流入し、ここで大気熱を吸熱して蒸発ガス化し、前記圧縮機１にもどる。一方、前記給湯用熱交換器２で加熱された湯は、前記貯湯槽５の上部に流入し、上から次第に貯湯されていく。そして、前記給湯用熱交換器２の入口水温が設定値に達すると水温検知器２０が検知し、前記圧縮機１によるヒートポンプ運転を停止して、前記補助加熱器１９の単独運転に切り換えるものである。
【特許文献１】特開昭６０−１６５１５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のような従来のヒートポンプ給湯機の構成では、沸き上げ運転時間の経過とともに貯湯槽５内の湯と水の接する部分で湯水混合層が生じ、その層は次第に拡大していく。これは、高温湯と低温水の熱伝導および対流により発生するものであり、高温湯から低温水へ伝熱されその境界部分で高温湯は温度低下し、逆に低温水は温度上昇する。
【０００７】
従って、沸き上げ運転完了近くになると、前記給湯用熱交換器２に流入する水温は高くなるため、前記圧縮機１の吐出圧力および吐出温度が上昇して、前記圧縮機１のモータの巻線温度の上昇など前記圧縮機１の耐久性が課題となる。そのため、前記給湯用熱交換器２に流入する水温が低い状態で運転を停止していたため、前記貯湯槽５の下部が低温の水の状態で運転を停止することになり、前記貯湯槽５の湯容量を有効に利用できず、そのため、貯湯熱量は減少していた。
【０００８】
また、貯湯熱量を増加するため、ヒートポンプ運転を停止した後、補助加熱器１９の単独運転で貯湯熱量を増加する場合には、電気ヒータで加熱するため、消費電力が大きくなり、効率が悪くなっていた。
【０００９】
また、上記のような従来の構成では、外気温度が水温より高い場合にも、外気の熱量を有効に利用する手段がなく、外気温温度が高く、水温が低い場合にも消費電力が比較的高くなっていた。
【００１０】
本発明は前記従来の課題を解決するものであり、圧縮機の吐出圧力上昇を抑え、異常温
度上昇もなく、低消費電力量で貯湯槽の下部まで高温湯を貯湯し、貯湯槽の容量を有効に利用することが出来る、高効率のヒートポンプ給湯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】
【００１１】
前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯装置は、少なくとも圧縮機、給湯用熱交換器、内部熱交換器、絞り開度可変の第１の絞り装置、蒸発器を順次接続して形成した主冷媒回路と、前記給湯用熱交換器出口から分岐し、絞り開度可変の第２の絞り装置、前記内部熱交換器を介して、前記圧縮機の吸入配管に接続されたバイパス回路により冷凍サイクルを構成し、貯湯槽、循環ポンプ、前記給湯用熱交換器を順次接続して形成した給湯回路を設け、前記給湯用熱交換器に流入する給湯水の温度を検知する入水温度センサーと、前記圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度センサーと、前記内部熱交換器の出口冷媒温度を検出する出口冷媒温度センサーと、前記第１の絞り装置と前記第２の絞り装置の開度を制御する制御装置を設けたもので、例えば、第２の絞り装置の開度を出口冷媒温度センサーの出力値がある設定温度（例えば１０℃）になるように制御することにより、給湯用熱交換器の出口冷媒を内部熱交換器により、入水温度より低い温度まで冷却し、蒸発器入口冷媒の比エンタルピを低下させ、蒸発器の入口と出口の冷媒のエンタルピ差Δｈｅｖａを大きくし、冷媒循環量Ｇを低減して蒸発器の冷媒の圧力損失ΔＰｅｖａを低減させることができ、エネルギー効率の高い運転ができ、さらに沸き上げ運転完了近くになって入水温度が高くなった場合に、冷凍サイクルの圧縮機の吐出圧力を低減させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のヒートポンプ給湯装置は、蒸発器の圧力損失を低減しエネルギー効率の高い運転を行い、圧縮機の吐出圧力を低減しながら、給湯水を容易に高温に加熱することができ、ヒートポンプを安全にかつ高効率で運転できる。また、貯湯槽の下部まで高温湯を貯湯でき、貯湯槽の容量を有効に利用できる効果がある。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
第１の発明は、少なくとも圧縮機、給湯用熱交換器、内部熱交換器、絞り開度可変の第１の絞り装置、蒸発器を順次接続して形成した主冷媒回路と、前記給湯用熱交換器出口から分岐し、絞り開度可変の第２の絞り装置、前記内部熱交換器を介して、前記圧縮機の吸入配管に接続されたバイパス回路により冷凍サイクルを構成し、貯湯槽、循環ポンプ、前記給湯用熱交換器を順次接続して形成した給湯回路を設け、前記給湯用熱交換器に流入する給湯水の温度を検知する入水温度センサーと、前記圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度センサーと、前記内部熱交換器の出口冷媒温度を検出する出口冷媒温度センサーと、前記第１の絞り装置と前記第２の絞り装置の開度を制御する制御装置を設けたもので、例えば、第２の絞り装置の開度を出口冷媒温度センサーの出力値がある設定温度（例えば１０℃）になるように制御することにより、給湯用熱交換器の出口冷媒を内部熱交換器により、入水温度より低い温度まで冷却し、蒸発器入口冷媒の比エンタルピを低下させ、蒸発器の入口と出口の冷媒のエンタルピ差Δｈｅｖａを大きくし、冷媒循環量Ｇを低減して蒸発器の冷媒の圧力損失ΔＰｅｖａを低減させることができ、エネルギー効率の高い運転ができ、さらに沸き上げ運転完了近くになって入水温度が高くなった場合に、冷凍サイクルの圧縮機の吐出圧力を低減させることができる。
【００１４】
第２の発明は、特に、第１の発明の出口冷媒温度センサーで検知した冷媒温度が設定温度になるように第２の絞り装置の開度を制御し、吐出温度センサーで検知した吐出冷媒温度が設定値となるように第１の絞り装置の開度を制御するもので、蒸発器の冷媒の圧力損失ΔＰｅｖａを低減させながら、圧縮機の吐出温度を最適に制御しエネルギー効率の高い運転を行うことができる。
【００１５】
第３の発明は、特に、第１の発明の蒸発器の冷媒温度を検出する蒸発温度センサーを設け、出口冷媒温度センサーで検知した冷媒温度が、前記蒸発温度センサーで検知した蒸発冷媒温度と同じ温度または蒸発冷媒温度に設定温度を加えた温度になるように第２の絞り装置の開度を制御し、吐出温度センサーで検知した吐出冷媒温度が設定値となるように第１の絞り装置の開度を制御するもので、蒸発器の入口と出口の冷媒のエンタルピ差Δｈｅｖａをさらに大きくし、蒸発器の冷媒の圧力損失ΔＰｅｖａを低減させながら、圧縮機の吐出温度を最適に制御し、さらにエネルギー効率の高い運転を行うことができる。
【００１６】
第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか一つの発明の冷媒として炭酸ガスを用いたもので、給湯水の高温化を高効率で実現すると共に、冷媒が外部に漏れた場合にも、地球温暖化への影響は非常に少なくなる。
【００１７】
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。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１８】
（実施の形態１）
以下に、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置について、図１〜３を用いて説明する。図１は、本実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の構成図を示すものである。
【００１９】
図１において、本実施の形態におけるヒートポンプ給湯機は、圧縮機３１、給湯用熱交換器３２、内部熱交換器３６、第１の絞り装置３３、蒸発器３４を順に環状に接続し主冷媒回路３７を形成し、給湯用熱交換器３２の出口から分岐し、第２の絞り装置３５、内部熱交換器３６を介して、圧縮機３１の吸入配管３１ａに接続されるバイパス回路３８を設け、内部熱交換器３６では、主冷媒回路３７の給湯用熱交換器３２の高圧冷媒をバイパス回路３８の低圧低温の冷媒で冷却するように冷凍サイクルを形成し、冷媒として炭酸ガスを封入して、蒸発器３４は外気を送風するためのファン３９を備えている。
【００２０】
また、貯湯槽４１、循環ポンプ４２、給湯用熱交換器３２を順に接続した給湯回路５７を形成しており、圧縮機３１より吐出された高温高圧の過熱ガス冷媒は給湯用熱交換器３２に流入し、ここで循環ポンプ４２から送られてきた給湯水を加熱するようになっている。
【００２１】
また、給湯用熱交換器３２に流入する入水温度を検知する入水温度センサー５１と、給湯用熱交換器３２から流出する出湯温度を検知する出湯温度センサー５２と、外気温度を検知する外気温度センサー５３と、内部熱交換器３６の出口冷媒温度を検出する出口冷媒温度センサー５４と、前記蒸発器３４の冷媒温度を検出する蒸発温度センサー５６と、圧縮機３１の吐出冷媒温度を検出する吐出温度センサー５８を設けてあり、各々の温度が、あらかじめ設定した値（温度）と比較して、第１の絞り装置３３と第２の絞り装置３５の開度を制御する制御装置５５を設置している。
【００２２】
図２は、本実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の模式図、図３は、同ヒートポンプ給湯装置のモリエル線図である。
【００２３】
以上のように構成されたヒートポンプ給湯装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００２４】
圧縮機３１で、高温高圧の超臨界状態に圧縮された冷媒（炭酸ガス）は、給湯用熱交換器３２で給湯回路を流れる水と熱交換し、自らは中温高圧の冷媒となり、第１の絞り装置３３で減圧され低圧低温の冷媒となり蒸発器３４に流入し、ここでファン３９で送風され
た外気と熱交換して蒸発ガス化し、圧縮機３１にもどる。一方、循環ポンプ４２で送られた給湯水は給湯用熱交換器３２で加熱され、生成した湯は貯湯槽４１の上部に流入し、上から次第に貯湯されていく。
【００２５】
また、給湯用熱交換器３２の出口で分岐された冷媒（図２、図３の２ａ）は、第２の絞り装置３５で絞られ低圧低温の冷媒（図２、図３の６ａ）になり、内部熱交換器３６で給湯用熱交換器３２の出口の中温高圧の冷媒を冷却（図２、図３の３ａ）し、蒸発して圧縮機３１吸入配管３１ａと合流して（図２、図３の５ａ）、圧縮機３１に吸入される。
【００２６】
この時、第２の絞り装置３５の開度を、内部熱交換器３６の出口冷媒温度センサー５４の出力値がある設定温度（例えば１０℃）になるように動作させる。この様に制御することにより、給湯用熱交換器３２の出口冷媒を内部熱交換器３６により、入水温度より低い温度まで冷却し、蒸発器３４の入口冷媒の比エンタルピを低下させることができる（図２、図３の３ａ）。その結果、蒸発器３４の入口と出口の冷媒のエンタルピ差Δｈｅｖａを大きくとることができる。蒸発器３４の吸熱量Ｑは、蒸発器３４の入口の比エンタルピｈｅｖａ-ｉｎと蒸発器の３４出口の比エンタルピｈｅｖａ-ｏｕｔの差であるΔｈｅｖａと、冷媒循環量Ｇの積で表され、また、圧縮機３１の動力は、圧縮機３１の吸入冷媒の比エンタルピｈｃｏｍＰ-ｓｕｃと圧縮機３１吐出冷媒の比エンタルピｈｃｏｍＰ-ｄｉｓの差であるΔｈｃｏｍＰと冷媒循環量Ｇの積で表わされ、エネルギー効率ＣＯＰは、吸熱量Ｑを圧縮機動力Ｗで除した値である。
吸熱量          Ｑ＝Δｈｅｖａ×Ｇ＝（ｈｅｖａ-ｏｕｔ−ｈｅｖａ-ｉｎ）×Ｇ
圧縮機動力      Ｗ=ΔｈｃｏｍＰ×Ｇ＝（ｈｃｏｍＰ-ｄｉｓ−ｈｃｏｍＰ-ｓｕｃ）×Ｇ
エネルギー効率  ＣＯＰ＝Ｑ/Ｗ
つまり、蒸発器３４で、同じ吸熱量Ｑを得ようとする場合、蒸発器３４の入口と出口の冷媒のエンタルピ差Δｈｅｖａを大きくすると、冷媒循環量Ｇを少なくすることができる。蒸発器３４の冷媒の圧力損失ΔＰｅｖａは、冷媒循環量Ｇに比例するため、同じ吸熱量Ｑを得る時に、冷媒循環量Ｇを低減できれば、蒸発器３４の冷媒の圧力損失ΔＰｅｖａを低減でき、その結果、圧縮機３１の吸入圧力Ｐｓｕｃを高くできる。圧縮機３１の吸入圧力Ｐｓｕｃを高くできれば、吸入圧力Ｐｓｕｃと吐出圧力Ｐｄｉｓの比である圧縮比Ｐｄｉｓ/Ｐｓｕｃを低下させ、圧縮機３１の動力Ｗを低減でき、その結果、エネルギー効率ＣＯＰを向上させることができる。
【００２７】
さらに、沸き上げ運転時間の経過とともに、貯湯槽４１内の湯と水の接する部分で湯水混合層が生じ、その層は、貯湯槽４１の下部に拡大し、沸き上げ運転完了近くになると、貯湯槽４１下部より、循環ポンプ４２を経て給湯用熱交換器３２に流入する水の温度が高くなってくる。
【００２８】
しかし、第２の絞り装置３５の開度を内部熱交換器３６の出口冷媒温度センサー５４の出力値がある設定温度（例えば１０℃）になるように制御することにより、給湯用熱交換器３２の出口から分岐された冷媒がバイパス回路３８に流れ、第２の絞り装置３５で減圧され低圧低温の冷媒となり、内部熱交換器３６で給湯用熱交換器３２の出口冷媒を冷却し、蒸発して圧縮機３１の吸入配管３１ａと合流して圧縮機３１に吸入され、給湯用熱交換器３２の出口冷媒は、内部熱交換器３６により入水温度より低い温度まで冷却することで、内部熱交換器３６および蒸発器３４に高い密度の冷媒を保持できる。
【００２９】
また、第１の絞り装置３３は、圧縮機３１の吐出温度を設定値になるように制御する。その結果、冷凍サイクルの圧縮機３１の吐出圧力を低減させ、ヒートポンプ給湯装置を安全にかつ高効率で運転することができる。また、貯湯槽４１の下部まで高温の湯を貯湯できるようになるので、貯湯槽４１の容量を有効に利用できる効果がある。
【００３０】
また、出湯温度が高い場合、冷凍サイクルの圧縮機３１の吐出温度を高くする必要があるが、そのためには圧縮機３１の吐出圧力も高くする必要がある。したがって、入水温度が上昇すると、出湯温度が高いほど圧縮機３１の吐出圧力は高くなる。出湯温度が高い場合、圧縮機３１の吐出温度、吐出圧力はより高くなり、入水温度の上昇に対しては、さらに高圧が上昇し、運転効率は低下する。
【００３１】
従って、入水温度センサー５１で検知した入水温度と、出湯温度センサー５２で検知した出湯温度が、制御装置５５にあらかじめ設定してある温度よりも上昇すると、給湯用熱交換器３２の出口から分岐された冷媒は、第２の絞り装置３５で減圧され低圧低温の冷媒となり、内部熱交換器３６で給湯用熱交換器３２の出口冷媒を冷却し、蒸発して圧縮機３１の吸入配管３１ａと合流して、圧縮機３１に吸入され、第２の絞り装置３５の開度を、内部熱交換器３６の出口冷媒温度センサー５４の出力値が、入水温度センサー５１で検知した入水温度と、出湯温度センサー５２で検知した出湯温度により設定された値になるように制御することにより、給湯用熱交換器３２の出口冷媒を、内部熱交換器３６により設定値まで冷却することで、内部熱交および蒸発器３４に高い密度の冷媒を保持できる。
【００３２】
また、第１の絞り装置３３は、圧縮機３１の吐出温度を設定値になるように制御する。その結果、冷凍サイクルの圧縮機３１の吐出圧力を低減させ、ヒートポンプ給湯装置を安全にかつ高効率で運転することができる。また、貯湯槽４１の下部まで高温の湯を貯湯でき、貯湯槽４１の容量を有効に利用できる効果がある。
【００３３】
また、外気温度が高いと、蒸発圧力が上昇する。蒸発圧力が高いほど、圧縮機３１の吸入冷媒の比容積が小さくなり、冷媒循環量が増加し給湯能力が増加する。そのため、外気温が高いほど圧縮機３１の吐出圧力は高くなる。
【００３４】
このように出湯温度や外気温が高く、入水温度が高くなるほど、圧縮機３１の吐出圧力は高くなる傾向がある。
【００３５】
この時、第２の絞り装置３５の開度を、内部熱交換器３６の出口冷媒温度センサー５４の出力値が、入水温度センサー５１で検知した入水温度と、出湯温度センサー５２で検知した出湯温度と外気温センサー５３で検知した外気温から選択された設定温度になるように動作させる。この様に制御することにより、給湯用熱交換器３２の出口冷媒を内部熱交換器３６により蒸発温度まで冷却することで、内部熱交および蒸発器３４に高い密度の冷媒を保持できる。また、第１の絞り装置３３は、圧縮機３１吐出温度を設定値になるように制御する。その結果、冷凍サイクルの圧縮機３１の吐出圧力を低減させ、ヒートポンプ給湯装置を安全にかつ高効率で運転することができる。また、貯湯槽４１の下部まで高温の湯を貯湯でき、貯湯槽４１の容量を有効に利用できる効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯装置は、冷凍サイクルの圧縮機の吐出圧力や吐出温度を低減しながら、給湯水を容易に高温に加熱することができるので、高温を得るヒートポンプ給湯機や高温風を得る空調機等の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態１におけるのヒートポンプ給湯装置の構成図
【図２】同ヒートポンプ給湯装置の模式図
【図３】同ヒートポンプ給湯装置のモリエル線図
【図４】従来のヒートポンプ給湯装置の構成図
【符号の説明】
【００３８】
３１    圧縮機
３１ａ  吸入配管
３２    給湯用熱交換器
３３    第１の絞り装置
３４    蒸発器
３５    第２の絞り装置
３６    内部熱交換器
３７    主冷媒回路
３８    バイパス回路
３９    ファン
４１    貯湯槽
４２    循環ポンプ
５１    入水温度センサー
５２    出湯温度センサー
５３    外気温度センサー
５４    出口冷媒温度センサー
５５    制御装置
５７    給湯回路
【図１】
2008082601.tif 000003
【図２】
2008082601.tif 000004
【図３】
2008082601.tif 000005
【図４】
2008082601.tif 000006