(57)【要約】【課題】給湯装置用蒸気圧縮式冷凍機の消費エネルギを低減する。【解決手段】風呂７０の残り湯を熱源とする加熱器６０にて加熱された空気を蒸発器４０に供給する。これにより、蒸発器４０から見ると、あたかも外気温度が上昇したかのごとく、低圧側の冷媒圧力が破線の状態から実線の状態に上昇する。このため、圧縮機１０の圧縮比が小さくなるとともに、等エントロピ線の傾きが大きくなって圧縮機１０での消費動力、つまり圧縮機１０の吸入側におけるエンタルピと吐出側におけるエンタルピとの差が小さくなる。したがって、本実施形態では、従来は捨てられていた風呂７０の温水が有する廃熱を有効利用して圧縮機１０の消費動力を低減して、蒸気圧縮式冷凍機１の効率（成績係数）を向上させることができる。【選択図】　　　　図１
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【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、
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、
高圧冷媒の熱を放熱させる高圧側熱交換器（２０）と、
高圧冷媒を減圧する減圧手段（３０）と、
空気と低圧冷媒を熱交換させて前記低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（４０）と、
風呂に蓄えられた温熱により前記低圧冷媒を加熱する加熱器（６０）とを備えることを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。
【請求項２】
前記加熱器（６０）は、前記減圧手段（３０）の冷媒出口から前記圧縮機（１０）の冷媒吸入口に至る冷媒経路のいずれかの部位にて前記低圧冷媒を加熱することを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
【請求項３】
前記低圧側熱交換器（４０）の冷媒出口側には、前記低圧側熱交換器（４０）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して液相冷媒を余剰冷媒として蓄えるとともに、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）が設けられており、
さらに、前記加熱器（６０）は、前記気液分離器（５０）の外壁側から前記低圧冷媒を加熱することを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
【請求項４】
前記低圧側熱交換器（４０）の冷媒出口側には、前記低圧側熱交換器（４０）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して液相冷媒を余剰冷媒として蓄えるとともに、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）が設けられており、
さらに、前記加熱器（６０）は、前記気液分離器（５０）内に配置されて前記低圧冷媒を加熱することを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
【請求項５】
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、
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、
高圧冷媒の熱を放熱させる高圧側熱交換器（２０）と、
高圧冷媒を減圧する減圧手段（３０）と、
空気と低圧冷媒を熱交換させて低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（４０）と、
風呂に蓄えられた温熱により前記圧縮機（１０）に吸入される冷媒を加熱する加熱器（６０）とを備えることを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。
【請求項６】
前記低圧側熱交換器（４０）の冷媒出口側には、前記低圧側熱交換器（４０）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して液相冷媒を余剰冷媒として蓄えるとともに、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）が設けられており、
前記加熱器（６０）は、前記気液分離器（５０）の冷媒出口側に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
【請求項７】
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、
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、
高圧冷媒の熱を放熱させる高圧側熱交換器（２０）と、
高圧冷媒を減圧する減圧手段（３０）と、
空気と低圧冷媒を熱交換させて低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（４０）と、
前記低圧側熱交換器（４０）の空気流れ上流側に配置され、風呂に蓄えられた温熱により前記低圧側熱交換器（４０）に流れ込む空気を加熱する加熱器（６０）とを備えることを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。
【請求項８】
前記加熱器（６０）内には、前記風呂に蓄えられた温水が循環することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
【請求項９】
前記高圧冷媒の圧力は、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８のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
【請求項１０】
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９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であって、暖房装置や給湯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】
蒸気圧縮式冷凍機（ヒートポンプサイクル）を利用した暖房装置や蒸気圧縮式冷凍機は、周知のごとく、低圧冷媒を蒸発させて低温側から吸熱し、この吸熱した熱量と圧縮機の圧縮仕事に相当する熱量とを高圧側熱交換器にて放熱することにより室内に吹き出す空気や給湯水を加熱するものである。
【０００３】
したがって、蒸気圧縮式冷凍機を利用した暖房装置や蒸気圧縮式冷凍機では、低圧側熱交換器での吸熱量が多いほど、圧縮機の消費動力を小さくすることができ、暖房装置や蒸気圧縮式冷凍機の効率を向上させることができる。
【０００４】
しかし、低圧側熱交換器で吸熱するには、低圧冷媒の圧力を低温側の温度（低温側熱交換器の雰囲気温度）相当の圧力より低くする必要があるので、冬場等の外気温度が低いときには、これに応じて、低圧側冷媒の圧力も下げる必要がある。
【０００５】
一方、高圧側冷媒の圧力は、必要とする冷媒温度に相当する圧力に維持する必要があるので、冬場等の外気温度が低いときには、圧縮機の圧縮比（吐出圧／吸入圧）が大きくなり、圧縮機の消費動力が増大して蒸気圧縮式冷凍機の消費エネルギが増大してしまう。
【０００６】
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、蒸気圧縮式冷凍機の消費エネルギを低減することを目的とする。
【０００７】
【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、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、高圧冷媒の熱を放熱させる高圧側熱交換器（２０）と、高圧冷媒を減圧する減圧手段（３０）と、空気と低圧冷媒を熱交換させて低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（４０）と、風呂に蓄えられた温熱により低圧冷媒を加熱する加熱器（６０）とを備えることを特徴とする。
【０００８】
これにより、従来は捨てられていた風呂の温水が有する廃熱を有効利用して圧縮機（１０）の消費動力を低減して、蒸気圧縮式冷凍機の効率（成績係数）を向上させることができるとともに、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。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、加熱器（６０）は、減圧手段（３０）の冷媒出口から圧縮機（１０）の冷媒吸入口に至る冷媒経路のいずれかの部位にて低圧冷媒を加熱することを特徴とするものである。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、低圧側熱交換器（４０）の冷媒出口側には、低圧側熱交換器（４０）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して液相冷媒を余剰冷媒として蓄えるとともに、気相冷媒を圧縮機（１０）の吸入側に供給する気液分離器（５０）が設けられており、さらに、加熱器（６０）は、気液分離器（５０）の外壁側から低圧冷媒を加熱することを特徴とするものである。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、低圧側熱交換器（４０）の冷媒出口側には、低圧側熱交換器（４０）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して液相冷媒を余剰冷媒として蓄えるとともに、気相冷媒を圧縮機（１０）の吸入側に供給する気液分離器（５０）が設けられており、さらに、加熱器（６０）は、気液分離器（５０）内に配置されて低圧冷媒を加熱することを特徴とするものである。
【００１２】
請求項５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、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、高圧冷媒の熱を放熱させる高圧側熱交換器（２０）と、高圧冷媒を減圧する減圧手段（３０）と、空気と低圧冷媒を熱交換させて低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（４０）と、風呂に蓄えられた温熱により圧縮機（１０）に吸入される冷媒を加熱する加熱器（６０）とを備えることを特徴とする。
【００１３】
これにより、従来は捨てられていた風呂の温水が有する廃熱を有効利用して圧縮機（１０）の消費動力を低減して、蒸気圧縮式冷凍機の効率（成績係数）を向上させることができるとともに、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。
【００１４】
請求項６に記載の発明では、低圧側熱交換器（４０）の冷媒出口側には、低圧側熱交換器（４０）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して液相冷媒を余剰冷媒として蓄えるとともに、気相冷媒を圧縮機（１０）の吸入側に供給する気液分離器（５０）が設けられており、加熱器（６０）は、気液分離器（５０）の冷媒出口側に設けられてい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、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、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、高圧冷媒の熱を放熱させる高圧側熱交換器（２０）と、高圧冷媒を減圧する減圧手段（３０）と、空気と低圧冷媒を熱交換させて低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（４０）と、低圧側熱交換器（４０）の空気流れ上流側に配置され、風呂に蓄えられた温熱により低圧側熱交換器（４０）に流れ込む空気を加熱する加熱器（６０）とを備えることを特徴とする。
【００１６】
これにより、従来は捨てられていた風呂の温水が有する廃熱を有効利用して圧縮機（１０）の消費動力を低減して、蒸気圧縮式冷凍機の効率（成績係数）を向上させることができるとともに、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。
【００１７】
請求項８に記載の発明では、加熱器（６０）内には、風呂に蓄えられた温水が循環することを特徴とするものである。
【００１８】
請求項９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。
【００１９】
請求項１０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。
【００２０】
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。
【００２１】
【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用の水を加熱する給湯装置に適用したものであって、図１は本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機１の模式図である。
【００２２】
圧縮機１０は電動モータ１１から動力を得て冷媒を吸入圧縮するものであり、電動モータ１１の駆動電流はインバータ回路等からなる電気回路１２にて制御されている。
【００２３】
なお、本実施形態では、冷媒として二酸化炭素を採用しているとともに、高圧側の冷媒圧力、つまり圧縮機１０の吐出圧を冷媒の臨界圧力以上まで上昇させて、必要とする冷媒温度に相当する圧力まで加圧している。
【００２４】
水冷媒熱交換器２０は、高温・高圧冷媒と給湯水とを熱交換して高圧冷媒の熱を給湯水に与える高圧側熱交換器であり、膨脹弁３０は水冷媒熱交換器２０から流出した高圧冷媒を減圧する減圧手段である。
【００２５】
なお、本実施形態では、膨脹弁３０として、高圧側冷媒の温度をパラメータとして蒸気圧縮式冷凍機１の成績係数が略最大となるように高圧冷媒を等エンタルピ的に減圧するものを採用している。
【００２６】
蒸発器４０は低圧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、ファン４１は蒸発器４０に室外空気を供給する送風手段であり、アキュムレータ５０は、蒸発器４０の冷媒出口側に配置されて蒸発器４０から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して余剰冷媒を液相冷媒として蓄えるとともに、気相冷媒を圧縮機１０の吸入側に供給する気液分離器である。
【００２７】
なお、本実施形態では、気相冷媒と共にアキュムレータ５０にて分離された冷凍機油を圧縮機１０に供給するとともに、吸入冷媒にて電動モータ１１を冷却している。
【００２８】
加熱器６０は蒸発器４０の空気流れ上流側に配設されて蒸発器４０に流れ込む室外空気を加熱するもので、この加熱器６０は、内部に風呂（浴槽）７０に蓄えられた温水（残り湯）が循環するこにより、風呂７０に蓄えられた温熱を蒸発器４０に流れ込む室外空気に与える。
【００２９】
なお、加熱器６０及び蒸発器４０の形式は、特に問わないが、できるだけ通風抵抗が小さいものが望ましい。
【００３０】
因みに、本実施形態では、圧縮機１０、水冷媒熱交換器２０、膨脹弁３０、蒸発器４０、アキュムレータ５０及び加熱器６０は、１つのケーシング内に収納されて室外ユニット（図２の破線で囲まれたもの）を構成している。
【００３１】
次に、本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機１の作用効果を述べる。
【００３２】
図２は本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機１の作動を示すｐ−ｈ線図であり、加熱器６０にて加熱された空気を蒸発器４０に導くと、蒸発器４０から見ると、あたかも外気温度が上昇したかのごとく、低圧側の冷媒圧力が破線の状態から実線の状態に上昇する。
【００３３】
このため、圧縮機１０の圧縮比が小さくなるとともに、等エントロピ線の傾きが大きくなって圧縮機１０での消費動力、つまり圧縮機１０の吸入側におけるエンタルピと吐出側におけるエンタルピとの差が小さくなる。
【００３４】
したがって、本実施形態では、従来は捨てられていた風呂７０の温水が有する廃熱を有効利用して圧縮機１０の消費動力を低減して、蒸気圧縮式冷凍機１の効率（成績係数）を向上させることができる。
【００３５】
なお、水冷媒熱交換器２０にて冷媒から水に与えられる熱量は、蒸発器４０にて吸熱された熱量、つまり室外空気からの吸熱量と残り湯からの吸熱量との和に圧縮機１０での圧縮仕事量を加えた量である。
【００３６】
ところで、発明者等の試算によると、残り湯から回収できる熱量は、水冷媒熱交換器２０に加熱された高温の水が保温貯蔵される貯湯タンクが蓄えることができる熱量の約１０％〜２０％であるため、加熱器６０の構造は、図２に示すように、風呂７０に接続された残り湯用の温水配管７１を蒸発器４０の空気流れ上流側で数回蛇行させた程度のものとしても十分な能力を得ることができることを確認している。
【００３７】
また、加熱器６０に残り湯を循環させて貯湯タンクに高温の水を蓄えるヒートポンプ運転は、電力料金が割安となる深夜に行うことが望ましい。
【００３８】
（第２実施形態）
上述の実施形態では、蒸発器４０に供給される室外空気を残り湯を熱源として加熱器６０にて加熱したが、本実施形態は、膨脹弁３０の冷媒出口から圧縮機１０の冷媒吸入口に至る冷媒経路のいずれかの部位にて低圧冷媒を加熱器６０で加熱するものである。
【００３９】
具体的には、図３に示すように、加熱器６０をアキュムレータ５０の冷媒出口側に設けることにより圧縮機１０に吸入される冷媒を加熱して、吸入冷媒の過熱度を大きくするものである。
【００４０】
これにより、圧縮機１０に吸入される冷媒の過熱度が上昇するので、吐出圧を破線の状態から実線の状態まで低下させても必要とする冷媒温度を確保することができる。
【００４１】
したがって、圧縮機１０の圧縮比が小さくなるとともに、圧縮機１０での消費動力、つまり圧縮機１０の吸入側におけるエンタルピと吐出側におけるエンタルピとの差が小さくなるので、従来は捨てられていた風呂７０の温水が有する廃熱を有効利用して圧縮機１０の消費動力を低減して、蒸気圧縮式冷凍機１の効率（成績係数）を向上させることができる。
【００４２】
（第３実施形態）
本実施形態も第２実施形態と同様に膨脹弁３０の冷媒出口から圧縮機１０の冷媒吸入口に至る冷媒経路のいずれかの部位にて低圧冷媒を加熱するものであるが、本実施形態は、図４に示すように、アキュムレータ５０の外壁側から低圧冷媒を加熱するように加熱器６０を構成したものである。
【００４３】
これにより、低圧冷媒の圧力が飽和基線に沿って破線の状態から実線の状態に上昇するので、圧縮機１０の圧縮比が小さくなるとともに、圧縮機１０での消費動力、つまり圧縮機１０の吸入側におけるエンタルピと吐出側におけるエンタルピとの差が小さくなり、従来は捨てられていた風呂７０の温水が有する廃熱を有効利用して圧縮機１０の消費動力を低減して、蒸気圧縮式冷凍機１の効率（成績係数）を向上させることができる。
【００４４】
なお、アキュムレータ５０内に液相冷媒が無いときには、第２実施形態と同様に、低圧圧力は殆ど変化せずに、冷媒過熱度が上昇して圧縮機１０の消費動力を低減する。
【００４５】
ところで、本実施形態では、アキュムレータ５０の外周側に温水配管７１を複数開巻き付けるようにして加熱器６０を構成したが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば複数本の温水通路が形成された多穴チューブをアキュムレータ５０に巻き付けてもよい。
【００４６】
また、加熱器６０をアキュムレータ５０内に配置して低圧冷媒を加熱しても本実施形態と同様な効果を得ることができることは言いまでもない。
【００４７】
（第４実施形態）
本実施形態も第２実施形態と同様に膨脹弁３０の冷媒出口から圧縮機１０の冷媒吸入口に至る冷媒経路のいずれかの部位にて低圧冷媒を加熱するものであるが、本実施形態は、図５に示すように、アキュムレータ５０の冷媒入口側に加熱器６０を配置したものである。
【００４８】
これにより、低圧冷媒の圧力が飽和基線に沿って破線の状態から実線の状態に上昇するので、圧縮機１０の圧縮比が小さくなるとともに、圧縮機１０での消費動力、つまり圧縮機１０の吸入側におけるエンタルピと吐出側におけるエンタルピとの差が小さくなり、従来は捨てられていた風呂７０の温水が有する廃熱を有効利用して圧縮機１０の消費動力を低減して、蒸気圧縮式冷凍機１の効率（成績係数）を向上させることができる。
【００４９】
（第５実施形態）
本実施形態も第２実施形態と同様に膨脹弁３０の冷媒出口から圧縮機１０の冷媒吸入口に至る冷媒経路のいずれかの部位にて低圧冷媒を加熱するものであるが、本実施形態は、図６に示すように、蒸発器４０の冷媒入口側に加熱器６０を配置したものである。
【００５０】
これにより、低圧冷媒の圧力が飽和基線に沿って破線の状態から実線の状態に上昇するので、圧縮機１０の圧縮比が小さくなるとともに、圧縮機１０での消費動力、つまり圧縮機１０の吸入側におけるエンタルピと吐出側におけるエンタルピとの差が小さくなり、従来は捨てられていた風呂７０の温水が有する廃熱を有効利用して圧縮機１０の消費動力を低減して、蒸気圧縮式冷凍機１の効率（成績係数）を向上させることができる。
【００５１】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、給湯装置に本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば室内に吹き出す空気を加熱する暖房装置に適用しもよい。
【００５２】
また、上述の実施形態では、冷媒として二酸化炭素を採用しているとともに、高圧側の冷媒圧力を冷媒の臨界圧力以上まで上昇させたが、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）として高圧側の冷媒圧力を冷媒の臨界圧力以上とする、又は冷媒をフロン（Ｒ１３４ａ）として高圧側の冷媒圧力を冷媒の臨界圧力未満とする等としてもよい。
【００５３】
また、上述の実施形態では、減圧手段として等エンタルピ的に冷媒を減圧する膨脹弁を採用したが、本発明は、これに限定されるものではなく、等エントロピ的に冷媒を減圧するノズルや膨脹機を採用し、減圧時に回収した膨脹エネルギにて圧縮機１０の消費動力を低減してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る給湯装置の模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る給湯装置の説明図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る給湯装置の模式図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る給湯装置の模式図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係る給湯装置の模式図である。
【図６】本発明の第５実施形態に係る給湯装置の模式図である。
【符号の説明】
１０…圧縮機、２０…水冷媒熱交換器、３０…膨脹弁、４０…蒸発器、
５０…アキュムレータ、６０…加熱器、７０…風呂（浴槽）。
【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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