(57)【要約】【課題】除霜運転時間の短縮を図る。【解決手段】圧縮機１から吐出された高圧冷媒を蒸発器４に導くバイパス通路６と、圧縮機１から吐出された高圧冷媒をバイパス通路６を介して蒸発器４に導く除霜運転時に、蒸発器４から流出した高圧冷媒を減圧して圧縮機１の吸入側に供給する第２膨脹弁５とを備える。これにより、圧縮機１から吐出されたホットガスは、減圧されることなく、高い温度を維持したまま蒸発器４に導入されるため短い時間にて除霜運転を終了させることができる。したがって、蒸発器４にて冷媒を蒸発させるといった蒸気圧縮式冷凍機、本来の運転を行う時間を長くすることができるので、蒸気圧縮式冷凍機を効率よく運転することができる。【選択図】        図１
2004218855.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、
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１）と、
前記圧縮機（１）から吐出された高圧冷媒を放冷する高圧側熱交換器（２）と、
減圧された低圧冷媒を蒸発させて吸熱する低圧側熱交換器（４）と、
前記圧縮機（１）から吐出された高圧冷媒を前記低圧側熱交換器（４）に導くバイパス通路（６）と、
前記圧縮機（１）から吐出された高圧冷媒を前記バイパス通路（６）を介して前記低圧側熱交換器（４）に導く除霜運転時に、前記低圧側熱交換器（４）から流出した高圧冷媒を減圧して前記圧縮機（１）の吸入側に供給する減圧手段（５）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】
前記減圧手段（５）は、前記除霜運転時に高圧冷媒を減圧する絞り部（５ａ）、及び前記除霜運転以外の運転時に前記絞り部（５ａ）を迂回させて冷媒を下流側に流すバイパス部（５ｂ）を有して構成されてい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】
前記除霜運転以外の運転時に、前記低圧側熱交換器（４）から流出した冷媒を前記減圧手段（５）を迂回させて冷媒を下流側に流す冷媒通路を備えてい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】
前記除霜運転以外の運転時に、前記低圧側熱交換器（４）に流入する冷媒を減圧する第２の減圧手段（３）が設けられ、
前記第２の減圧手段（３）より冷媒流れ下流側であって、前記低圧側熱交換器（４）より冷媒流れ上流側には、前記除霜運転以外の運転時に、冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して主に液相冷媒を前記低圧側熱交換器（４）に供給する気液分離器（１０）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
【請求項５】
前記除霜運転時には前記低圧側熱交換器（４）内を流れる冷媒は、前記除霜運転以外の運転時と冷媒流れが逆転し、
さらに、前記減圧手段（５）は、前記気液分離器（１０）と前記圧縮機（１）とを繋ぐ冷媒回路（５ｄ）に設けられていることを特徴とする請求項４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】
前記高圧側熱交換器（２）内の冷媒圧力が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。
【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、給湯器や暖房装置等の高圧側熱交換器で発生する温熱を利用するものに適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
従来の蒸気圧縮式冷凍機では、低圧側熱交換器である蒸発器の表面に発生した霜を除去する除霜運転時には、圧縮機から吐出した高温・高圧の冷媒（ホットガス）を蒸発器に導入してしていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特公平７−９９２９７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献１に記載の発明では、絞りにて減圧されたホットガスを蒸発器に導入して除霜運転を行っているので、蒸発器に導入される時には、既にホットガスの温度が大きく低下してしている。
【０００５】
このため、除霜運転時間が長くなってしまうので、蒸発器にて冷媒を蒸発させるといった蒸気圧縮式冷凍機、本来の運転を行う時間が短くなってしまい、効率よく蒸気圧縮式冷凍機を運転することができなくなるおそれがある。
【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、除霜運転時間の短縮を図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（１）と、圧縮機（１）から吐出された高圧冷媒を放冷する高圧側熱交換器（２）と、減圧された低圧冷媒を蒸発させて吸熱する低圧側熱交換器（４）と、圧縮機（１）から吐出された高圧冷媒を低圧側熱交換器（４）に導くバイパス通路（６）と、圧縮機（１）から吐出された高圧冷媒をバイパス通路（６）を介して低圧側熱交換器（４）に導く除霜運転時に、低圧側熱交換器（４）から流出した高圧冷媒を減圧して圧縮機（１）の吸入側に供給する減圧手段（５）とを備えることを特徴とする。
【０００８】
これにより、圧縮機（１）から吐出されたホットガスは、減圧されることなく、高い温度を維持したまま低圧側熱交換器（４）に導入されるため、特許文献１に比べて短い時間にて除霜運転を終了させることができる。
【０００９】
したがって、低圧側熱交換器（４）にて冷媒を蒸発させるといった蒸気圧縮式冷凍機、本来の運転を行う時間を長くすることができるので、蒸気圧縮式冷凍機を効率よく運転することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、減圧手段（５）は、除霜運転時に高圧冷媒を減圧する絞り部（５ａ）、及び除霜運転以外の運転時に絞り部（５ａ）を迂回させて冷媒を下流側に流すバイパス部（５ｂ）を有して構成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、除霜運転以外の運転時に、低圧側熱交換器（４）から流出した冷媒を減圧手段（５）を迂回させて冷媒を下流側に流す冷媒通路を備えてい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時に、低圧側熱交換器（４）に流入する冷媒を減圧する第２の減圧手段（３）が設けられ、第２の減圧手段（３）より冷媒流れ下流側であって、低圧側熱交換器（４）より冷媒流れ上流側には、除霜運転以外の運転時に、冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して主に液相冷媒を低圧側熱交換器（４）に供給する気液分離器（１０）が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
これにより、気液二相状態の冷媒が低圧側熱交換器（４）に供給される場合に比べて低圧側熱交換器（４）における冷媒の蒸発量を増大させることができる。
【００１４】
したがって、低圧側熱交換器（４）における吸熱量を増大させることができるので、蒸気圧縮式冷凍機の運転効率を向上させることができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明では、除霜運転時には低圧側熱交換器（４）内を流れる冷媒は、除霜運転以外の運転時と冷媒流れが逆転し、さらに、減圧手段（５）は、気液分離器（１０）と圧縮機（１）とを繋ぐ冷媒回路（５ｄ）に設けられていることを特徴とする。
【００１６】
これにより、仮に減圧手段（５）が固定絞り等のように全閉とすることができないものであっても、冷媒回路（５ｄ）を流れる冷媒を吸熱作用に影響のない気相冷媒とすることができるので、蒸気圧縮式冷凍機の吸熱能力が大きく低下してしまうことを防止でき得る。
【００１７】
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。
【００１８】
請求項７に記載の発明では、高圧側熱交換器（２）内の冷媒圧力が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】
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。
【００２０】
【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水を加熱生成する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（給湯器）の模式図である。
【００２１】
圧縮機１は冷媒を吸入圧縮するもので、水冷媒熱交換器２での加熱能力は、圧縮機１の吐出冷媒流量、つまり圧縮機１の回転数は電動モータにより制御されている。なお、水冷媒熱交換器２は、圧縮機１から吐出された高温・高圧冷媒（ホットガス）と給湯水とを熱交換してホットガス放冷する高圧側熱交換器である。
【００２２】
因みに、本実施形態では、冷媒を二酸化炭素とするとともに、水冷媒熱交換器２に流入するホットガスの圧力、つまり圧縮機１の吐出圧を冷媒の臨界圧力以上まで高めて所定の給湯水温度を確保している。
【００２３】
第１膨脹弁３は水冷媒熱交換器２から流出した高圧冷媒を気液二相域まで減圧膨脹させる減圧器であり、本実施形態では第１膨脹弁３として、圧縮機１の吐出圧が前記所定の給湯水温度相当の所定圧力となるように、その絞り開度が制御される電気式の可変絞りが用いられている。
【００２４】
蒸発器４は第１膨脹弁３にて減圧された低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器であり、本実施形態に係る蒸発器４は、室外に配置されて室外空気から吸熱して冷媒を蒸発させる。なお、ファン４ａ蒸発器４に吸熱用空気を送風する送風機である。
【００２５】
第２膨脹弁５は、蒸発器４から流出した冷媒を減圧して圧縮機１の吸入側に供給する場合と蒸発器４から流出した冷媒を減圧することなく圧縮機１の吸入側に供給する場合と切り替える減圧手段である。
【００２６】
なお、本実施形態に係る第２膨脹弁５は、その絞り開度が全開状態から所定の絞り開度まで可変制御される電気式の可変絞りであり、構造的には、第１膨脹弁３と同じものである。
【００２７】
バイパス通路６は、圧縮機１から流出したホットガスを水冷媒熱交換器２を迂回させて蒸発器４に導く冷媒通路であり、バイパス弁７はバイパス通路６を開閉するバルブである。
【００２８】
また、貯湯タンク８は水冷媒熱交換器２にて加熱生成された給湯水を保温貯蔵するタンクであり、ポンプ９は貯湯タンク８の下方側から給湯水を吸引して水冷媒熱交換器２に給湯水を送るものであり、水冷媒熱交換器２にて熱交換を終えた給湯水は、貯湯タンク８の上方側に供給される。
【００２９】
なお、ポンプ９の回転数、つまりポンプ９の吐出流量は、水冷媒熱交換器２から流出した給湯水の温度が所定温度となるように制御される。
【００３０】
次に、本実施形態に係る給湯器の作動及びその効果を述べる。
【００３１】
１．通常運転
この運転モードは室外空気から吸熱して給湯水を加熱するモードであり、具体的には、バイパス弁７を全閉とし、かつ、第２膨脹弁５を全開とした状態で圧縮機１を稼動させるものである。
【００３２】
これにより、圧縮機１から吐出されたホットガスは、水冷媒熱交換器２にて給湯水を加熱して第１膨脹弁３にて等エンタルピ的に減圧されて気液二層状態で低圧冷媒となって蒸発器４に流入する。
【００３３】
そして、蒸発器４に流入した冷圧冷媒のうち液相冷媒は、室外空気から吸熱して蒸発し、低圧の気相冷媒と共に圧縮機１に吸引される。
【００３４】
２．除霜運転
この運転モードは、圧縮機１から吐出したホットガスを蒸発器４に導入して蒸発器４を内側から加熱することにより、蒸発器４の表面に発生した霜を融解除去するものである。
【００３５】
具体的には、ポンプ９を停止してバイパス弁７を全開とし、かつ、第１膨脹弁３を全閉とした状態で圧縮機１を稼動させるものである。
【００３６】
これにより、圧縮機１から吐出されたホットガスは、減圧されることなく、高い温度を維持したまま蒸発器４に導入されるため、特許文献１に比べて短い時間にて除霜運転を終了させることができる。
【００３７】
したがって、蒸発器４にて冷媒を蒸発させるといった蒸気圧縮式冷凍機、本来の運転を行う時間を長くすることができるので、蒸気圧縮式冷凍機を効率よく運転することができる。
【００３８】
なお、本実施形態では、蒸発器４に減圧されていないホットガスが導入されるので、蒸発器４の耐圧強度は、圧縮機１の吐出圧以上とする必要があることは言うまでもない。
【００３９】
また、蒸発器４から流出した高圧冷媒は、第２膨脹弁５にて減圧された後、圧縮機１の吸引側に供給される。
【００４０】
また、第２膨脹弁５の絞り開度は、第１膨脹弁３と同様に、圧縮機１から吐出した高圧冷媒の圧力が所定圧力となるように制御される。
【００４１】
これにより、圧縮機１の圧縮比が過度に大きくなって圧縮機１の消費動力が増大してしまうことを防止できるので、蒸気圧縮式冷凍機を効率よく運転することができる。
【００４２】
因みに、第２膨脹弁５の制御目標圧力は、第１膨脹弁３の制御目標圧力と同じとする必要は無いが、本実施形態では、両制御目標圧力を同一圧力としている。
【００４３】
また、両膨脹弁３、５を同一の物を使用しているので、蒸気圧縮式冷凍機の構成部品の種類が増大することを防止できるので、在庫投資額を減少させることができ、給湯器の製造原価を低減することができる。
【００４４】
また、本実施形態では、バイパス弁７を開閉することにより除霜運転と通常運転とを切り替えるので、四方弁にて冷媒流路を切り替える給湯器（蒸気圧縮式冷凍機）に比べて製造原価を低減することができる。
【００４５】
（第２実施形態）
第１実施形態では、第２膨脹弁５を第１膨脹弁３と同様な可変絞りにて構成したが、本実施形態は、図２に示すように、減圧手段を、除霜運転時に高圧冷媒を減圧する絞り部５ａ、通常運転時に絞り部５ａを迂回させて冷媒を下流側に流すバイパス部５ｂ、及びバイパス部５ｂを開閉する開閉弁５ｃ等にて構成したものである。
【００４６】
なお、絞り部５ａは、オリフィスやキャピラリーチューブ等の固定絞りであり、開閉弁５ｃはバイパス弁７と同じ物である。
【００４７】
以上に述べた構成により、通常運転時は開閉弁５ｃを開き、除霜運転時には開閉弁５ｃを閉じることにより第１実施形態と同様な作用効果を得ることができる。
【００４８】
そして、本実施形態では、可変絞りに代えて固定絞りを採用しているとともに、制御が簡便な開閉弁５ｃを採用しているので、給湯器（蒸気圧縮式冷凍機）の製造原価を低減することができる。
【００４９】
（第３実施形態）
上述の実施形態では、通常運転時における蒸発器４内の冷媒流れと除霜運転時における蒸発器４内の冷媒流れとが同じであったが、本実施形態では、除霜運転時における蒸発器４内の冷媒流れが通常運転時における蒸発器４内の冷媒流れに対して逆転するものである。
【００５０】
具体的には、図３に示すように、バイパス通路６の蒸発器４側を蒸発器４のうち通常運転時に冷媒出口側となる部位に接続するとともに、蒸発器４のうち通常運転時に冷媒入口側となる部位と圧縮機１の吸入側とを繋ぐ冷媒通路５ｄに第２膨脹弁５を設けたものである。
【００５１】
また、蒸発器４のうち通常運転時に冷媒出口側となる部位と圧縮機１の吸入側とを繋ぐ冷媒通路、つまり通常運転時に第２膨脹弁５を迂回させて冷媒を下流側に流す冷媒通路には、開閉弁７ａが設けられている。なお、開閉弁７ａはバイパス弁７と同じ物である。
【００５２】
次に、本実施形態に係る給湯器の作動を述べる。
【００５３】
１．通常運転
バイパス弁７及び第２膨脹弁５を全閉とし、かつ、開閉弁７ａを全開とした状態で圧縮機１を稼動させる。
【００５４】
これにより、圧縮機１から吐出されたホットガスは、水冷媒熱交換器２にて給湯水を加熱して第１膨脹弁３にて等エンタルピ的に減圧されて気液二層状態で低圧冷媒となって蒸発器４に流入する。
【００５５】
そして、蒸発器４に流入した冷圧冷媒のうち液相冷媒は、室外空気から吸熱して蒸発し、低圧の気相冷媒と共に圧縮機１に吸引される。
【００５６】
２．除霜運転
ポンプ９を停止してバイパス弁７を全開とし、かつ、第１膨脹弁３及び開閉弁７ａを全閉とした状態で圧縮機１を稼動させる。なお、第２膨脹弁５の制御は、第１実施形態と同じである。
【００５７】
これにより、圧縮機１から吐出されたホットガスは、減圧されることなく、高い温度を維持したまま蒸発器４に導入されるため、特許文献１に比べて短い時間にて除霜運転を終了させることができる。
【００５８】
したがって、蒸発器４にて冷媒を蒸発させるといった蒸気圧縮式冷凍機、本来の運転を行う時間を長くすることができるので、蒸気圧縮式冷凍機を効率よく運転することができる。
【００５９】
（第４実施形態）
本実施形態は、図４に示すように、第１膨脹弁３より冷媒流れ下流側であって、蒸発器４より冷媒流れ上流側に、通常運転時に冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して主に液相冷媒を蒸発器４に供給する気液分離器１０を設けたものである。
【００６０】
なお、本実施形態では、冷媒通路５ｄを気液分離器１０の気相冷媒流出部と圧縮機１の吸入側とを繋いでいる。
【００６１】
次に、本実施形態の作動及びその効果を述べる。
【００６２】
１．通常運転
バイパス弁７及び第２膨脹弁５を全閉とし、かつ、開閉弁７ａを全開とした状態で圧縮機１を稼動させる。
【００６３】
これにより、圧縮機１から吐出されたホットガスは、水冷媒熱交換器２にて給湯水を加熱して第１膨脹弁３にて等エンタルピ的に減圧されて気液二層状態で低圧冷媒となって気液分離器１０に流入する。
【００６４】
そして、気液分離器１０からは、気相冷媒を殆ど含まない低圧の液相冷媒が蒸発器４に流入して蒸発するので、気液二相状態の冷媒が蒸発器４に供給される上述の実施形態に比べて蒸発器４における冷媒の蒸発量を増大させることができる。したがって、蒸発器４における吸熱量を増大させることができるので、蒸気圧縮式冷凍機の運転効率を向上させることができる。
【００６５】
なお、このとき、第２膨脹弁５を僅かに開いて、気液分離器１０内で増大する気相冷媒を圧縮機１の吸入側に戻すようにしてもよい。
【００６６】
２．除霜運転
ポンプ９を停止してバイパス弁７を全開とし、かつ、第１膨脹弁３及び開閉弁７ａを全閉とした状態で圧縮機１を稼動させる。なお、第２膨脹弁５の制御は、第１実施形態と同じである。
【００６７】
これにより、圧縮機１から吐出されたホットガスは、減圧されることなく、高い温度を維持したまま蒸発器４に導入されるため、特許文献１に比べて短い時間にて除霜運転を終了させることができる。
【００６８】
なお、図４は第３実施形態に対して本実施形態を実施したものであるが、第１〜３実施形態においても、第１膨脹弁３より冷媒流れ下流側であって、蒸発器４より冷媒流れ上流側に、通常運転時に冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して主に液相冷媒を蒸発器４に供給する気液分離器１０を設けてもよいことは言うまでもない。
【００６９】
（第５実施形態）
本実施形態は、第４実施形態（図４）において、第２膨脹弁５を固定絞りとしたものである。
【００７０】
なお、第２膨脹弁５を固定絞りとした場合には、通常運転時に冷媒通路５ｄを経由して蒸発器４を通過しない冷媒が発生するが、第４実施形態で述べたように、冷媒通路５ｄは気液分離器１０の気相冷媒出口に接続されているので、蒸気圧縮式冷凍機の吸熱能力は殆ど低下しない。
【００７１】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、高圧側熱交換器で発生する温熱を利用する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、冷凍庫や冷凍車等の低圧側熱交換器で発生する冷熱を利用するものであってもよい。
【００７２】
また、上述の実施形態では、冷媒を二酸化炭素とするとともに、圧縮機１の吐出圧を冷媒の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。
【００７３】
また、第１膨脹弁３及び第２膨脹弁５は、上述の実施形態に示された物に限定されるものではなく、例えば機械式の減圧器を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。
【図２】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。
【図３】本発明の第３実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。
【図４】本発明の第４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】
１…圧縮機、２…水冷媒熱交換器、３…第１膨脹弁、４…蒸発器、
５…第２膨脹弁、６…バイパス通路、７…バイパス弁、
８…貯湯タンク、９…ポンプ。
【図１】
2004218855.tif 000003
【図２】
2004218855.tif 000004
【図３】
2004218855.tif 000005
【図４】
2004218855.tif 000006