(57)【要約】【課題】簡便な手段にて除霜運転を行う。【解決手段】エジェクタ４０（ノズル４１）の絞り開度を、除霜運転モードを行う前、つまり通常運転モード時に比べて大きくして、蒸発器３０における冷媒の飽和温度が０℃以上となる圧力まで低圧冷媒の圧力を上昇させる。これにより、ノズル４１から噴射される冷媒の温度が高くなっていることに加えて、蒸発器３０内の圧力が０℃以上となる圧力まで上昇してので、気液分離器５０内の冷媒の温度上昇して蒸発器３０に流入する冷媒の温度が０℃以上となり、蒸発器３０の表面に付着した霜、及び気液分離器５０の表面に付着した霜が融解除去される。【選択図】　　　　図１
2004028402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、
冷媒を圧縮する圧縮機（１０）と、
高圧冷媒の熱を放熱する高圧側熱交換器（２０）と、
高圧冷媒を減圧膨脹させる減圧手段（４０）と、
低圧冷媒を蒸発させて吸熱する低圧側熱交換器（３０）とを備え、
前記低圧側熱交換器（３０）の表面に付着した霜を除去する除霜運転時には、前記減圧手段（４０）の絞り開度を、前記除霜運転を行う前に比べて大きくして低圧冷媒の圧力を上昇させることを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。
【請求項２】
低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、
冷媒を圧縮する圧縮機（１０）と、
高圧冷媒の熱を放熱する高圧側熱交換器（２０）と、
高圧冷媒を減圧膨脹させる減圧手段（４０）と、
低圧冷媒を蒸発させて吸熱する低圧側熱交換器（３０）と、
前記圧縮機（１０）の冷媒吸入側に設けられ、流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離するとともに、気相冷媒を前記圧縮機（１０）の吸入側に供給する気液分離器（５０）とを備え、
前記低圧側熱交換器（３０）の表面に付着した霜を除去する除霜運転時には、前記減圧手段（４０）の絞り開度を、前記除霜運転を行う前に比べて大きくして低圧冷媒の圧力を上昇させることを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。
【請求項３】
前記減圧手段として、高圧冷媒を等エントロピ的に減圧膨脹させるノズル（４１）、及び減圧膨脹時に低下したエンタルピを圧力エネルギに変換する昇圧部（４２、４３）を有するエジェクタ（４０）を備え、
前記エジェクタ（４０）を流出した冷媒は前記気液分離器（５０）に流入し、さらに、前記エジェクタ（４０）のポンプ作用により前記気液分離器（５０）から前記低圧側熱交換器（３０）に冷媒が供給されることを特徴とする請求項２に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
【請求項４】
前記除霜運転以外の運転モードにおいては、前記ノズル（４１）の絞り開度は、熱負荷に応じて制御されることを特徴とする請求項３に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
【請求項５】
前記除霜運転時における低圧冷媒の圧力は、冷媒の飽和温度が０℃以上となる圧力であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
【請求項６】
高圧冷媒の圧力は、冷媒の臨界圧力以上であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
【請求項７】
冷媒として二酸化炭素が用いられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機に関するもので、温熱を利用する給湯装置や暖房装置に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
例えば、蒸気圧縮式冷凍機により給湯水を加熱する給湯装置では、低温側熱交換器をなす蒸発器にて外気から吸熱して冷媒を蒸発させ、蒸発した気相冷媒を圧縮機にて圧縮して温度を上昇させることにより外気から吸熱した熱量を給湯水に与えている。
【０００３】
このとき、外気温度が低い冬場等では、十分な量の熱量を外気から吸熱するために冷媒の蒸発温度を氷点下とする場合が多いので、蒸発器の表面に霜が付着してしまう。そして、蒸発器の表面に霜が付着すると、吸熱能力が低下するので、通常、外気温度が低い冬場等では、定期的に圧縮機から吐出した高温冷媒（ホットガス）を減圧することなく蒸発器に導いて、蒸発器の表面に付着した霜を融解除去する除霜運転を行っている。
【０００４】
しかし、この除霜方法では、ホットガスを減圧することなく蒸発器に導くバイパス通路及びバイパス通路の連通状態を制御するバルブ等を必要とするため、蒸気圧縮式冷凍機の部品点数が増大してその構造が複雑になり、組み立て工数の増大及び製造原価上昇を招いてしまう。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規な蒸気圧縮式冷凍機を提供し、第２には、簡便な手段にて除霜運転を行うことを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、冷媒を圧縮する圧縮機（１０）と、高圧冷媒の熱を放熱する高圧側熱交換器（２０）と、高圧冷媒を減圧膨脹させる減圧手段（４０）と、低圧冷媒を蒸発させて吸熱する低圧側熱交換器（３０）とを備え、低圧側熱交換器（３０）の表面に付着した霜を除去する除霜運転時には、減圧手段（４０）の絞り開度を、除霜運転を行う前に比べて大きくして低圧冷媒の圧力を上昇させることを特徴とする。
【０００７】
これにより、減圧手段（４０）の絞り開度を大きくするといった簡便な手段にて除霜運転を行うことができるので、蒸気圧縮式冷凍機の部品点数増大、構造の複雑化、組み立て工数の増大を防止できる。延いては、蒸気圧縮式冷凍機の製造原価低減を図ることができるとももに、従来と異なる新規な蒸気圧縮式冷凍機を得ることができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明では、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、冷媒を圧縮する圧縮機（１０）と、高圧冷媒の熱を放熱する高圧側熱交換器（２０）と、高圧冷媒を減圧膨脹させる減圧手段（４０）と、低圧冷媒を蒸発させて吸熱する低圧側熱交換器（３０）と、圧縮機（１０）の冷媒吸入側に設けられ、流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離するとともに、気相冷媒を圧縮機（１０）の吸入側に供給する気液分離器（５０）とを備え、低圧側熱交換器（３０）の表面に付着した霜を除去する除霜運転時には、減圧手段（４０）の絞り開度を、除霜運転を行う前に比べて大きくして低圧冷媒の圧力を上昇させることを特徴とする。
【０００９】
これにより、請求項１に記載の発明と同様に、蒸気圧縮式冷凍機の部品点数増大、構造の複雑化、組み立て工数の増大を防止でき、蒸気圧縮式冷凍機の製造原価低減を図ることができるとももに、従来と異なる新規な蒸気圧縮式冷凍機を得ることができる。
【００１０】
そして、低圧側熱交換器（３０）の表面に付着した霜は勿論のこと、気液分離器（５０）の表面に付着した霜も融解除去することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、減圧手段として、高圧冷媒を等エントロピ的に減圧膨脹させるノズル（４１）、及び減圧膨脹時に低下したエンタルピを圧力エネルギに変換する昇圧部（４２、４３）を有するエジェクタ（４０）を備え、エジェクタ（４０）を流出した冷媒は気液分離器（５０）に流入し、さらに、エジェクタ（４０）のポンプ作用により気液分離器（５０）から低圧側熱交換器（３０）に冷媒が供給されることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項４に記載の発明では、除霜運転以外の運転モードにおいては、ノズル（４１）の絞り開度は、熱負荷に応じて制御されることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項５に記載の発明では、除霜運転時における低圧冷媒の圧力は、冷媒の飽和温度が０℃以上となる圧力であることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項６に記載の発明では、高圧冷媒の圧力は、冷媒の臨界圧力以上であることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項７に記載の発明では、冷媒として二酸化炭素が用いられていることを特徴とするものである。
【００１６】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍機を給湯器装置に適用したもので、図１は本実施形態に係る給湯器装置の模式図である。
【００１８】
圧縮機１０は冷媒を吸入圧縮するものであり、放熱器２０は圧縮機１０から吐出した冷媒と給湯水とを熱交換して給湯水を加熱することにより冷媒を冷却する高圧側熱交換器である。
【００１９】
ここで、圧縮機１０は電動モータ（図示せず。）により駆動されており、放熱器２０での加熱能力を大きくするときには、圧縮機１０の回転数を増大させて圧縮機１０から吐出する冷媒の流量を増大させ、一方、加熱能力を小さくするときには、圧縮機１０の回転数を低下させて圧縮機１０から吐出する冷媒の流量を減少させる。
【００２０】
なお、本実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いており、圧縮機１０は放熱器２０の冷媒入口での冷媒温度が８０℃〜９０℃以上となるように、冷媒を臨界圧力以上まで加圧している。
【００２１】
因みに、放熱器２０内の圧力は臨界圧力以上であるので、冷媒は、放熱器２０内で冷媒が凝縮することなく、冷媒入口側から冷媒出口側に向かうほど冷媒温度を低下させながらエンタルピを低下させていく。
【００２２】
また、蒸発器３０は室外空気と液相冷媒とを熱交換させて液相冷媒を蒸発させることにより冷媒を蒸発させて室外空気から吸熱する低圧側熱交換器であり、エジェクタ４０は冷媒を減圧膨張させて蒸発器３０にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機１０の吸入圧を上昇させるものである。なお、エジェクタ４０の詳細は、後述する。
【００２３】
また、気液分離器５０はエジェクタ４０から流出した冷媒が流入するとともに、その流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄える気液分離手段であり、気液分離器５０のうち気相冷媒流出口は圧縮機１０の吸引側に接続され、液相流出口は蒸発器３０側の流入側に接続される。
【００２４】
次に、エジェクタ４０の構造について述べる。
【００２５】
エジェクタ４０は、図２に示すように、流入する高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル４１、ノズル４１から噴射する高い速度の冷媒流の巻き込み作用により蒸発器３０にて蒸発した気相冷媒を吸引しながら、ノズル４１から噴射する冷媒流とを混合する混合部４２、及びノズル４１から噴射する冷媒と蒸発器３０から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ４３等からなるものである。
【００２６】
なお、混合部４２においては、ノズル４１から噴射する冷媒流の運動量と、蒸発器３０からエジェクタ４０に吸引される冷媒流の運動量との和が保存されるように混合するので、混合部４２においても冷媒の静圧が上昇する。一方、ディフューザ４３においては、通路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の動圧を静圧に変換するので、エジェクタ４０においては、混合部４２及びディフューザ４３の両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、混合部４２とディフューザ４３とを総称して昇圧部と呼ぶ。
【００２７】
つまり、理想的なエジェクタ４０においては、混合部４２で２種類の冷媒流の運動量の和が保存されるように冷媒圧力が増大し、ディフューザ４３でエネルギーが保存されるように冷媒圧力が増大するようにして、減圧膨脹時に低下したエンタルピを圧力エネルギとして回収することが望ましい。
【００２８】
また、ノズル４１は、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部４１ａ、及び喉部４１ａ以降は内径が徐々に拡大する末広部４１ｂを有するラバールノズル（流体工学（東京大学出版会）参照）であり、ノズル４１の絞り開度は、ニードル弁４４をアクチュエータ４５によりノズル４１内でノズル４１の軸線方向に変位させることによって可変制御される。
【００２９】
なお、本実施形態では、アクチュエータ４５として、ねじ機構を用いたステッピングモータやリニアソレノイド等の電気式のアクチュエータを採用している。
【００３０】
次に、本実施形態に係る給湯装置の特徴的作動及びその効果を述べる。
【００３１】
１．通常運転（吸熱運転）モード（図３参照）
このモードは、外気から吸熱して給湯水を加熱する運転モードである。
【００３２】
具体的には、蒸発器３０内の圧力、つまり蒸発圧力が外気温度以下の所定温度に対応する圧力となり、かつ、高圧側の冷媒圧力を検出する圧力センサ（図示せず。）の検出した圧力が所定圧力となるようにノズル４１の絞り開度を制御している。
【００３３】
これにより、熱負荷（外気温度）によらず、所定温度以上の給湯水を貯湯タンクに供給するこができる。
【００３４】
なお、この運転モードにおける巨視的な冷媒挙動は、以下の通りである。
【００３５】
すなわち、圧縮機１０から吐出した冷媒は、放熱器２０にて給湯水を加熱しながら自身は冷却される。そして、放熱器２０にて冷却された冷媒は、エジェクタ４０のノズル４１にて等エントロピ的に減圧膨張して、音速以上の速度で混合部４２内に流入する。
【００３６】
そして、混合部４２に流入した高速冷媒の巻き込み作用に伴うポンプ作用により、蒸発器３０内で蒸発した冷媒が混合部４２内に吸引されるため、低圧側の冷媒が気液分離器５０→蒸発器３０→エジェクタ４０（昇圧部）→気液分離器５０の順に循環し、外気から吸熱する。
【００３７】
一方、蒸発器３０から吸引された冷媒（吸引流）とノズル４１から吹き出す冷媒（駆動流）とは、混合部４２にて混合しながらディフューザ４３にてその動圧が静圧に変換されて気液分離器５０に戻る。
【００３８】
２．除霜運転モード（図４参照）
このモードは、蒸発器３０の表面に付着した霜を除去する運転モードである。
【００３９】
具体的には、ノズル４１の絞り開度を、除霜運転モードを行う前、つまり通常運転モード時に比べて大きくすることにより、蒸発器３０における冷媒の飽和温度が０℃以上となる圧力まで低圧冷媒の圧力を上昇させる。なお、冷媒流れは通常運転モードと同じである。
【００４０】
このとき、除霜運転モードを開始した直後においては、ホットガスが直接に蒸発器３０内に流入しないので、蒸発器３０に流れ込む冷媒の温度が外気温度以下の低温のままであり、蒸発器３０に付着した霜を融解させることができない。
【００４１】
しかし、ノズル４１の絞り開度が大きくなってノズル４１から噴射される冷媒の温度が通常運転モード時に比べて高くなっていることに加えて、蒸発器３０内の圧力が０℃以上となる圧力まで上昇しているので、次第に、気液分離器５０内の冷媒の温度も上昇して蒸発器３０に流入する冷媒の温度が０℃以上となる。
【００４２】
したがって、蒸発器３０の表面に付着した霜、及び気液分離器５０の表面に付着した霜が融解除去される。
【００４３】
以上に述べたように、本実施形態では、ホットガスを減圧することなく蒸発器３０に導くバイパス通路及びバイパス通路の連通状態を制御するバルブ等を設けることなく、ノズル４１の絞り開度を大きくするといった簡便な手段にて除霜運転を行うことができるので、蒸気圧縮式冷凍機の部品点数増大、構造の複雑化、組み立て工数の増大を防止できる。延いては、蒸気圧縮式冷凍機、つまり給湯装置の製造原価低減を図ることができる。
【００４４】
（第２実施形態）
第１実施形態では、減圧手段４０としてエジェクタを用いたが、本実施形態は、図５に示すように、減圧手段４０として、冷媒を等エンタルピ的に減圧膨脹させる膨脹弁を採用したものである。
【００４５】
なお、図５では、気液分離器５０を圧縮機１０の吸入側に設けたアキュムレータサイクルであるが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、気液分離器５０を放熱器２０の出口側に設けたレシーバサイクルとしてもよいことは言うまでもない。
【００４６】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、冷媒を二酸化炭素として高圧側圧力を臨界圧力以上まで加圧したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば冷媒をフロン（Ｒ１３４ａ）として放熱器２０内の冷媒圧力を冷媒の臨界圧力以下としてもよい。
【００４７】
また、第１実施形態では、ラバールノズルを採用しているが、先細ノズルを採用してもよい。
【００４８】
また、アクチュエータ４５は、上述の実施形態に示されたものに限定されるものではなく、例えば不活性ガスのガス圧を用いた機械的なものやピエゾ素子を用いた非電磁力的な電気式のものであってもよい。
【００４９】
また、上述の実施形態では、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍機を給湯装置に適用したが、本発明の適用はこれに限定されるものではなく、空調装置、冷凍庫、冷蔵庫等にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るエジェクタの模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の作動説明図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の作動説明図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。
【符号の説明】
１０…圧縮機、２０…放熱器（水−冷媒熱交換器）、３０…蒸発器、
４０…エジェクタ、５０…気液分離器。
【図１】
2004028402.tif 000003
【図２】
2004028402.tif 000004
【図３】
2004028402.tif 000005
【図４】
2004028402.tif 000006
【図５】
2004028402.tif 000007