(57)【要約】【課題】除霜運転時における圧縮機の負担増を低減する。【解決手段】除霜運転モード時に、高圧冷媒の圧力が所定圧力以下となるようにノズル４１の絞り開度、及びポンプ２１の回転数を制御する。これにより、除霜運転モード時における圧縮機１０の負担増を低減することができる。【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、
圧縮された高圧冷媒の熱を放冷する放熱器（２０）と、
低圧冷媒を蒸発させて吸熱する蒸発器（３０）と、
前記高圧冷媒を前記蒸発器（３０）に導くバイパス回路（６０）と、
前記高圧冷媒を前記蒸発器（３０）に供給して前記蒸発器（３０）に付着した霜を除去する除霜運転時に、前記高圧冷媒の圧力が所定圧力以下となるように前記高圧冷媒の圧力を制御する高圧制御手段（７０）とを有す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、
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、
前記圧縮機（１０）から吐出した高圧冷媒の熱を放冷する放熱器（２０）と、
前記放熱器（２０）から流出した冷媒を減圧する減圧機（４０）と、
低圧冷媒を蒸発させて吸熱する蒸発器（３０）と、
前記高圧冷媒を前記蒸発器（３０）に導くバイパス回路（６０）と、
前記高圧冷媒を前記蒸発器（３０）に供給して前記蒸発器（３０）に付着した霜を除去する除霜運転時に、前記高圧冷媒の圧力が所定圧力以下となるように前記減圧機（４０）の絞り開度を制御する高圧制御手段（７０）とを有することを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。
【請求項３】
圧縮機（１０）から吐出した高圧冷媒の熱を放熱する放熱器（２０）と、
低圧冷媒を蒸発させる蒸発器（３０）と、
高圧冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル（４１）を有し、前記ノズル（４１）から噴射する高い速度の冷媒流により前記蒸発器（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前記圧縮機（１０）の吸入圧を上昇させるエジェクタ（４０）と、
前記エジェクタ（４０）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離し、気相冷媒用出口が前記圧縮機（１０）の吸引側に接続され、液相冷媒用出口が前記蒸発器（３０）に接続された気液分離器（５０）と、
前記高圧冷媒を前記蒸発器（３０）に導くバイパス回路（６０）と、
前記高圧冷媒を前記蒸発器（３０）に供給して前記蒸発器（３０）に付着した霜を除去する除霜運転時に、前記高圧冷媒の圧力が所定圧力以下となるように前記ノズル（４１）の絞り開度を制御する高圧制御手段（７０）とを有することを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。
【請求項４】
前記除霜運転時に前記放熱器（２０）での放熱量を調節して前記放熱器（２０）に流れ込む前記高圧冷媒の温度及び圧力のうち少なくとも一方が所定値以下となるように制御する第２の高圧制御手段（７０）を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
【請求項５】
前記圧縮機（１０）の吐出圧を冷媒の臨界圧力以上とする運転モードを有す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】
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５のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
【請求項７】
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の放熱器（２０）にて給湯水を加熱することを特徴とする給湯機。
【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、給湯機に用いて有効である。
【０００２】
【従来の技術】
給湯機や暖房装置等の主に温熱を利用する一般的な蒸気圧縮式冷凍機では、低圧側熱交換器である蒸発器にて外気から吸熱するため、蒸発器内の温度を外気温度より低下させる必要がある。このため、外気温度が氷点下又は氷点に近い場合には、蒸発器内の温度が氷点下となるため、蒸発器の外表面に霜が付着してしまう。
【０００３】
そして、霜が成長すると、蒸発器の吸熱能力が低下するので、出願人は、圧縮機から吐出した高温の冷媒（ホットガス）を蒸発器に供給することにより、蒸発器を内側から加熱して外表面に付着した霜を除去する蒸気圧縮式冷凍機を検討した（特願２００２−２７７３６４号）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記出願では、ホットガスを蒸発器に供給することにより蒸発器を加熱するものであるが、除霜の進行と共に蒸発器内の温度が上昇していくので、これに呼応して圧縮機の吸入圧が上昇してしまい、圧縮機への負担が増大してしまう。
【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、除霜運転時における圧縮機の負担増を低減することを目的とする。
【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、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、圧縮された高圧冷媒の熱を放冷する放熱器（２０）と、低圧冷媒を蒸発させて吸熱する蒸発器（３０）と、高圧冷媒を蒸発器（３０）に導くバイパス回路（６０）と、高圧冷媒を蒸発器（３０）に供給して蒸発器（３０）に付着した霜を除去する除霜運転時に、高圧冷媒の圧力が所定圧力以下となるように高圧冷媒の圧力を制御する高圧制御手段（７０）とを有することを特徴とする。
【０００７】
これにより、除霜運転時における圧縮機１０の負担増を低減することができる。
【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、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、圧縮機（１０）から吐出した高圧冷媒の熱を放冷する放熱器（２０）と、放熱器（２０）から流出した冷媒を減圧する減圧器（４０）と、低圧冷媒を蒸発させて吸熱する蒸発器（３０）と、高圧冷媒を蒸発器（３０）に導くバイパス回路（６０）と、高圧冷媒を蒸発器（３０）に供給して蒸発器（３０）に付着した霜を除去する除霜運転時に、高圧冷媒の圧力が所定圧力以下となるように減圧機（４０）の絞り開度を制御する高圧制御手段（７０）とを有することを特徴とする。
【０００９】
これにより、除霜運転時における圧縮機１０の負担増を低減することができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、圧縮機（１０）から吐出した高圧冷媒の熱を放熱する放熱器（２０）と、低圧冷媒を蒸発させる蒸発器（４０）と、高圧冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル（７１）を有し、ノズル（７１）から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器（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エジェクタ（４０）と、エジェクタ（４０）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離し、気相冷媒用出口が圧縮機（１０）の吸引側に接続され、液相冷媒用出口が蒸発器（３０）に接続された気液分離器（５０）と、高圧冷媒を蒸発器（３０）に導くバイパス回路（６０）と、高圧冷媒を蒸発器（３０）に供給して蒸発器（３０）に付着した霜を除去する除霜運転時に、高圧冷媒の圧力が所定圧力以下となるようにノズル（４１）の絞り開度を制御する高圧制御手段（７０）とを有することを特徴とする。
【００１１】
これにより、除霜運転時における圧縮機１０の負担増を低減することができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明では、除霜運転時に放熱器（２０）での放熱量を調節して放熱器（２０）に流れ込む高圧冷媒の温度及び圧力のうち少なくとも一方が所定値以下となるように制御する第２の高圧制御手段（７０）を有することを特徴とする。
【００１３】
これにより、放熱器（２０）側で温度及び圧力が過度に上昇してしまうことを防止できる。
【００１４】
請求項５に記載の発明では、圧縮機（１０）の吐出圧を冷媒の臨界圧力以上とする運転モードを有することを特徴とするものである。
【００１５】
請求項６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】
請求項７に記載の発明では、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の放熱器（２０）にて給湯水を加熱することを特徴とするものである。
【００１７】
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。
【００１８】
【発明の実施の形態】
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の模式図である。
【００１９】
圧縮機１０は冷媒を吸入圧縮するもので、本実施形態では電動モータと圧縮機構とが一体化された電動圧縮機を採用している。
【００２０】
水冷媒熱交換器２０は、給湯水と圧縮機１０から吐出する高温・高圧冷媒とを熱交換して給湯水を加熱する放熱器であり、本実施形態では、冷媒として二酸化炭素とするとともに、圧縮機１０の吐出圧を冷媒の臨界圧力以上として所望の温度を得ているので、水冷媒熱交換器２０内で冷媒は、凝縮（相変化）することなく温度を低下させながらエンタルピを低下させていく。
【００２１】
なお、水冷媒熱交換器２０にて加熱された給湯水は、給湯水を保温貯蔵する貯湯タンク８０の上方側に供給され、水冷媒熱交換器２０に供給される温度の低い給湯水は、貯湯タンク８０の下方側から供給される。なお、バルブ８１は水道水を所定圧力まで減圧して貯湯タンク８０に供給するものである。
【００２２】
蒸発器３０は低圧冷媒を蒸発させる低温側熱交換器であり、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り、詳細は後述する。
【００２３】
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の気相冷媒流出口は圧縮機１０の吸引側に接続され、液相冷媒流出口は蒸発器３０側の流入側に接続される。
【００２４】
なお、オイル戻し回路５１は、密度差により分離された冷凍機油を圧縮機１０の吸入側に戻すための通路であり、絞り５２は気液分離器５０から流出した液相冷媒を減圧する減圧手段である。
【００２５】
因みに、冷凍機油とは、圧縮機１０内の摺動部を潤滑するための潤滑油では、蒸気圧縮式冷凍機では、通常、冷媒中に冷凍機油を混合することにより圧縮機１０に供給している。
【００２６】
また、バイパス回路６０は、圧縮機１０から吐出した冷媒を水冷媒熱交換器２０及びエジェクタ４０を迂回させて蒸発器３０及び気液分離器５０それぞれに分配供給する冷媒通路であり、バイパス回路６０に流れ込む冷媒量は、電子制御装置７０により開閉作動が制御されたバイパス弁６１により制御される。
【００２７】
次に、エジェクタ４０について述べる。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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ことが望ましい。
【００３２】
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以降において、実質的な冷媒通路断面積Ｓが徐々に拡大するように設定されたノズルディフューザ部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、つまり実質的な最小冷媒通路断面積の調整は、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行う。
【００３３】
そして、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するとともに、温度センサ７１により高圧側の冷媒温度を検出し、圧力センサ７２が検出した高圧側の冷媒圧力が温度センサの検出温度から決定される目標圧力となるようにノズル４１の絞り開度を制御している。
【００３４】
ここで、目標圧力とは、高圧側の冷媒温度に対してエジェクタサイクルの成績係数が最も高くなるような高圧側冷媒圧力であり、本実施形態では、熱負荷が大きいときには、図３に示すように、ノズル４１に流入する高圧冷媒の圧力を冷媒の臨界圧力以上まで上昇させるようにノズル４１の絞り開度を制御し、熱負荷が小さいときには、高圧冷媒の圧力を臨界圧力以下とした状態でノズル４１に流入する冷媒が所定の過冷却度を有するようにノズル４１の絞り開度を制御する。
【００３５】
因みに、図３の●で示される符号は、図１に示す●で示される符号位置における冷媒の状態を示すものである。
【００３６】
次に、本実施形態に係る給湯器（蒸気圧縮式冷凍機）の作動を述べる。
【００３７】
１．沸き上げ運転モード
このモードは、蒸発器３０にて外気から吸熱して水冷媒熱交換器２０にて給湯水を加熱するものであり、バイパス弁６１を閉じた状態で圧縮機１０から吐出した冷媒を放熱器２０側に循環させながら、ポンプ２１にて給湯水を循環させる。
【００３８】
これにより、放熱器２０にて給湯水に熱を与え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。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（ＪＩＳ  Ｚ  ８１２６  番号２．１．２．３等参照）により、蒸発器３０内で外気から吸熱して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→絞り６０→蒸発器３０→エジェクタ４０（昇圧部）→気液分離器５０の順に循環する。
【００３９】
また、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。
【００４０】
なお、ポンプ２１の循環させる給湯水量は水冷媒熱交換器２０から流出する給湯水の温度が所定沸き上げ温度となるように制御され、ファン３１の送風量は外気温度及び圧縮機１０の回転数等に基づいて蒸発器３０での熱交換効率が高くなるように制御され、圧縮機１０の回転数は外気温度に基づいて決定される所定回転数となるように制御される。
【００４１】
２．除霜運転モード
本モードは、蒸発器３０から流出する冷媒の温度が摂氏０度以下の第１所定温度（例えば、０℃）Ｔ１の場合であって、外気温度と蒸発器３０から流出する冷媒の温度との差が所定値以上となったときに、蒸発器３０に発生した霜が発生したものとして行うものである。
【００４２】
すなわち、水冷媒熱交換器２０への給湯水の供給を停止し、かつ、蒸発器３０への外気送風を停止した状態でバイパス弁６１を全開とするとともに、ノズル４１を全閉とした状態で圧縮機１０を稼動させる。なお、圧縮機１０の回転数は、沸き上げ運転モード時と異なる所定の一定回転数に保持される。
【００４３】
これにより、圧縮機１０から吐出した高温の冷媒（ホットガス）が冷却されることなく蒸発器３０及び気液分離器５０それぞれに分配供給されるので、蒸発器３０は勿論のこと、気液分離器５０にも高温の冷媒が供給される。
【００４４】
ところで、ホットガスが蒸発器３０に供給され続け除霜が進行すると、蒸発器３０内の温度が上昇して圧縮機１０の吸入圧が上昇し、これに呼応して圧縮機１０の吐出圧、つまり高圧冷媒の圧力が上昇するので、ノズル４１を開いて高圧冷媒の一部を水冷媒熱交換器２０側に逃がして高圧冷媒の圧力が所定圧力以下となるように、ノズル４１の絞り開度を調節する。
【００４５】
このとき、水冷媒熱交換器２０にホットガスが流れ込むため、ポンプ２１を稼動させて水冷媒熱交換器２０での放熱量を調節して、ノズル４１の絞り開度調整と連動させながら水冷媒熱交換器２０に流れ込む高圧冷媒の圧力が所定値以下となるように制御して、水冷媒熱交換器２０内で給湯水が沸騰してしまうことを防止する。
【００４６】
具体的には、高圧冷媒の圧力が上昇したときには、水冷媒熱交換器２０に供給する給湯水量を増大させる。
【００４７】
そして、蒸発器３０から流出する冷媒の温度若しくは圧力が所定値以上となったとき、又は除霜運転モードに移行した時から所定時間が経過したときには、蒸発器３０の除霜が完了したものとみなして、沸き上げ運転モードに復帰する。
【００４８】
ところで、仮に、蒸発器３０と気液分離器５０とが圧縮機１０から吐出されたホットガス流れに対して直列に繋がれている場合には、蒸気圧縮式冷凍機において、蒸発器３０及び気液分離器５０は低圧側に属して略等温・等圧であり、かつ、蒸発器３０を加熱して温度が低下した冷媒により気液分離器５０を加熱せざるを得ない。
【００４９】
このため、蒸発器３０から流出して気液分離器５０に流入した多くの冷媒が凝縮して液化してしまため、気液分離器５０から圧縮機に供給される気相冷媒量が圧縮機１０から吐出されるホットガス量に比べて少なくなってしまう。
【００５０】
また、蒸発器３０では除霜完了部分を通ってホットガスが流れるため、放熱ロスが発生してしまう。したがって、除霜運転に多くの時間を要すると言う問題が発生する。
【００５１】
しかし、本実施形態では、前述のごとく、圧縮機１０から吐出した高温の冷媒が冷却されることなく蒸発器３０及び気液分離器５０それぞれに分配供給されるので、蒸発器３０は勿論のこと、気液分離器５０にも高温の冷媒が供給される。
【００５２】
このため、気液分離器５０に流入した多くの冷媒が凝縮液化してしまうことを抑制できるので、気液分離器５０から圧縮機１０に供給される気相冷媒量が圧縮機から吐出されるホットガス量に比べて少なくなってしまうことを防止できる。延いては、蒸発器３０に多くのホットガスを供給することができるので、除霜運転時間を短縮することができる。
【００５３】
なお、バイパス弁６１にて全く減圧しないで高圧冷媒（ホットガス）を蒸発器３０に供給すると、蒸発器３０が耐圧限界を超えてしまうおそれがあるとともに、圧縮機１０の吸入側と吐出側の圧力が等しくなってしまうので、本実施形態では、バイパス弁６１を全開としたときに、バイパス弁６１にて所定の圧力損失が発生するように設定されている。
【００５４】
具体的には、蒸発器３０の耐圧圧力以下であって、蒸発器３０を加熱することができる、つまり外気温度より高い温度となる圧力相当まで減圧する。
【００５５】
因みに、図４は除霜運転モード時における制御フローを示すもので、除霜運転モードに移行すると、先ず、ファン３１を停止するとともに、圧縮機１０の回転数を前記した所定の回転数とする（Ｓ１、Ｓ２）。
【００５６】
次に、ノズル４１の絞り開度を所定値以上まで拡大して、一度、ノズル４１に多量の冷媒を流してノズル４１に付着した異物を流した後、ノズル４１を全閉とするとともに、ポンプ２１を停止した状態でバイパス弁６１を開く（Ｓ３、Ｓ４）。そして、前述のごとく、高圧冷媒の圧力が所定値以下となるように制御するノズル４１の絞り開度及びポンプ２１を調節する（Ｓ５〜Ｓ８）。
【００５７】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００５８】
除霜運転モード時に、高圧冷媒の圧力が所定圧力以下となるように高圧冷媒の圧力を制御するので、除霜運転モード時における圧縮機１０の負担増を低減することができる。
【００５９】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、給湯器を例に本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、冷凍庫等の冷熱を利用する蒸気圧縮式冷凍機にも適用することができる。
【００６０】
また、上述の実施形態では、バイパス回路６０を二方弁にて開閉したが、二方弁に代えてバイパス回路の接続部に三方弁を設けてもよい。
【００６１】
また、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としたが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００６２】
また、上述の実施形態では、エジェクタ４０を用いた蒸気圧縮式冷凍機であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば膨脹弁等の冷媒を等エンタルピ的に減圧する減圧器を用いた蒸気圧縮式冷凍機にも適用することができる。
【００６３】
また、上述の実施形態では、ノズル４１の絞り開度を調節して高圧冷媒の圧力を調節したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばバイパス弁６１を可変絞りとして、このバイパス弁６１の絞り開度を調節して高圧冷媒の圧力が所定圧力以下といなるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係るエジェクタの説明図である。
【図３】ｐ−ｈ線図である。
【図４】本発明の実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…圧縮機、２０…水冷媒熱交換器、３０…蒸発器３０、
４０…エジェクタ、５０…気液分離器、
６０…バイパス回路、６１…バイパス弁、
７０…電子制御装置、７１…温度センサ、７２…圧力センサ。
【図１】
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【図２】
2004340475.tif 000004
【図３】
2004340475.tif 000005
【図４】
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