(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータ駆動式単段圧縮機、このインバータ駆動式単段圧縮機からの吐出ガスを給湯用水で冷却する高圧側熱交換器、電動膨張弁、外気と熱交換する蒸発器を順次接続した冷凍サイクル装置と、前記高圧側熱交換器で加熱した給湯用水を貯留可能とした貯湯タンクと、低外気温度領域において、外気温度の低下に対応して高圧側圧力を低下させるように前記電動膨張弁の開度を制御するとともに、低圧側圧力の低下による圧縮機能力の減少分を補填して略一定とするように回転数を増大させ、圧縮機能力をほぼ一定とするように前記インバータ式単段圧縮機の回転数を制御する制御装置とを備えたヒートポンプ式給湯装置。
【請求項２】
低段側圧縮機及び高段側圧縮を有するインバータ駆動式２段圧縮機、このインバータ駆動式２段圧縮機からの吐出ガスを給湯用水で冷却する高圧側熱交換器、電動膨張弁、外気と熱交換する蒸発器を順次接続した冷凍サイクル装置と、前記高圧側熱交換器で加熱した給湯用水を貯留可能とした貯湯タンクと、低外気温度領域において、外気温度の低下に対応して高圧側圧力を低下させるように前記電動膨張弁の開度を制御するとともに、低圧側圧力の低下による圧縮機能力の減少分を補填して略一定とするように回転数を増大させ、圧縮機能力をほぼ一定とするように前記インバータ駆動式２段圧縮機の回転数を制御する制御装置とを備えたヒートポンプ式給湯装置。
【請求項３】
前記低外気温度領域は０℃以下である請求項１又は２記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項４】
前記２段圧縮機は、前記低段側圧縮機の吐出ガスを導入した密閉ケーシング内に、前記低段側圧縮機、高段側圧縮機及び駆動用電動機を内蔵したものである請求項２記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項５】
前記冷凍サイクル装置は、冷媒として二酸化炭素を充填して超臨界冷凍サイクルで運転されるように形成した請求項１〜４のいずれか１項記載のヒートポンプ式給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機吐出ガスにより給湯水を加熱するヒートポンプ式給湯装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヒートポンプ式給湯装置は、圧縮機、圧縮機の吐出ガスを冷却する高圧側熱交換器、電動膨張弁などの膨張弁、外気と熱交換する蒸発器等を順次接続した冷凍サイクル装置により、蒸発器において外気から熱を汲み上げ、この汲み上げた熱を高圧側熱交換器において給湯用水に放出して、給湯用水を加熱するようにしたものである。
【０００３】
また、一般的に給湯需要については、外気温度が低くなるほど高温の給湯が多量に要求され、外気温度が高くなるほど低温の給湯でもよく需要量も低下するという傾向がある。これに対し、従来一般のヒートポンプ式給湯装置は、冷凍サイクルの特性に起因して外気温度が低くくなれば高圧側熱交換器で得られる給湯用水の温度が低くなる。また、給湯用水加熱能力も低下するという特性をもっていた。したがって、給湯需要の特性とヒートポンプ式給湯装置の能力特性とは互いに相反するという問題があった。
【０００４】
そこで、このような問題を解消するために、低外気温度領域において十分に高温の温水を得られるようにするために、二酸化炭素を冷媒として用いた超臨界冷凍サイクルを形成し、また、低外気温度領域において圧縮機能力を大きくし、高外気温度領域において圧縮機能力を小さくできるようにするために、インバータ駆動式圧縮機を用い、外気温度の低下に対応してこのインバータ駆動圧縮機の回転数を増大させて加熱能力を増大させるとともに、高圧側圧力を上昇させるように電動膨張弁の開度を小さくしていた。したがって、低外気温度領域においては外気温度の低下に対応して高圧側圧力を上昇させるとともに、低圧側圧力を低下させていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このため、低外気温度領域においては、特に０℃以下の低外気温度領域においては高低圧力差が大きくなり、圧縮機の耐久性を損ねるという問題が発生していた。具体的には、吐出弁の破損、ロータリ圧縮機の場合におけるシリンダー内の高圧室と低圧室とを仕切るベーンバルブの折損などの恐れがあった。
【０００６】
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、低外気温度領域において高低圧力差が大きくなり過ぎることを防止したヒートポンプ式給湯装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するために、第１の発明は、インバータ駆動式単段圧縮機、このインバータ駆動式単段圧縮機からの吐出ガスを給湯用水で冷却する高圧側熱交換器、電動膨張弁、外気と熱交換する蒸発器を順次接続した冷凍サイクル装置と、前記高圧側熱交換器で加熱した給湯用水を貯留可能とした貯湯タンクと、低外気温度領域において、外気温度の低下に対応して高圧側圧力を低下させるように前記電動膨張弁の開度を制御するとともに、低圧側圧力の低下による圧縮機能力の減少分を補填して略一定とするように回転数を増大させ、圧縮機能力をほぼ一定とするように前記インバータ式単段圧縮機の回転数を制御する制御装置とを備えたものである。
【０００８】
このように構成すれば、圧縮機の高低圧力差が小さくなり、吐出弁やベーンバルブの破損の恐れがなくなり、圧縮機の耐久性を向上させることができる。また、圧縮機ハウジングに必要とされる強度を小さくすることができ、コスト軽減を図ることもできる。
【０００９】
また、第２の発明は、低段側圧縮機及び高段側圧縮を有するインバータ駆動式２段圧縮機、このインバータ駆動式２段圧縮機からの吐出ガスを給湯用水で冷却する高圧側熱交換器、電動膨張弁、外気と熱交換する蒸発器を順次接続した冷凍サイクル装置と、前記高圧側熱交換器で加熱した給湯用水を貯留可能とした貯湯タンクと、低外気温度領域において、外気温度の低下に対応して高圧側圧力を低下させるように前記電動膨張弁の開度を制御するとともに、低圧側圧力の低下による圧縮機能力の減少分を補填して略一定とするように回転数を増大させ、圧縮機能力をほぼ一定とするように前記インバータ駆動式２段圧縮機の回転数を制御する制御装置とを備えたものである。
【００１０】
このように構成すれば、各段圧縮機の高低圧力差が顕著に小さくなり、吐出弁やベーンバルブの破損の恐れが確実になくなり、圧縮機の耐久性を向上させることができる。また、圧縮機ハウジングに必要とされる強度をより一層小さくすることができ、コスト軽減を図ることもできる。
【００１１】
また、第３の発明は、前記第１又は第２の発明において、前記低外気温度領域を０℃以下としたものである。
【００１２】
このように構成すると、従来特に高低圧力差が問題となっていた外気温度領域において有効な制御を行うことができる。
【００１３】
また、第４の発明は、前記第２発明において、前記２段圧縮機は、前記低段側圧縮機の吐出ガスを導入した密閉ケーシング内に、前記低段側圧縮機、高段側圧縮機及び駆動用電動機を内蔵したものである。
【００１４】
このように構成すれば、圧縮機ハウジング内に中間圧力が作用することになり、圧縮機のシリンダー内外及び圧縮機ハウジングの内外の圧力差が半減され、各部に作用する力が小さくなる。したがって、より一層圧縮機の耐久性が向上し、ハウジングの強度もより一層小さなものとすることができる。
【００１５】
また、第５の発明は、前記第１〜第４の発明に関し、前記冷凍サイクル装置は、冷媒として二酸化炭素を充填して超臨界冷凍サイクルで運転されるように形成したものである。
【００１６】
このように構成すれば、低温外気温度領域において冷凍サイクルの吐出ガス温度が高くなっているので、前記のような制御を行っても、使用者が必要とする程度の高温の給湯水を得ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態に係る給湯装置の回路図であり、図２は本発明の実施の形態に係る給湯装置の低外気温度領域における圧力制御線図であり、図３は本発明の実施の形態に係る給湯装置の低外気温度領域における電動膨張弁の制御線図であり、図４は本発明の実施の形態に係る給湯装置の低外気温度領域における圧縮機回転数の制御線図であり、図５は本発明の実施の形態に係る給湯装置の低外気温度領域における圧縮機能力の制御線図である。なお、図１において、実線矢印は冷媒の流れを示し、破線矢印は温度の流れを示す。
【００１８】
図１に示すように、実施の形態１に係る給湯装置は、超臨界冷凍サイクル装置１、給湯ユニット２及び制御装置３とを備えたものである。なお、この実施の形態においては、制御装置３は超臨界冷凍サイクル装置１内に設置されている。また、超臨界冷凍サイクル装置１と給湯ユニット２とは連絡水用配管５、６により接続されている。
【００１９】
超臨界冷凍サイクル装置１は、２段圧縮機１１、高圧側熱交換器１２、電動膨張弁１３、蒸発器１４、アキュムレータ１５を順次接続した閉回路（冷媒回路）を備えている。この閉回路の内部には、超臨界冷凍サイクルで運転されるような代替冷媒として二酸化炭素（ＣＯ2）が充填されている。冷凍・空調用の代表的な自然冷媒としては、ハイドロカーボン（ＨＣ：プロパンやイソブタンなど）、アンモニア、空気そしてＣＯ2等が挙げられる。しかしながら、冷媒特性として、ハイドロカーボンとアンモニアはエネルギー効率が良いという反面可燃性や毒性の問題があり、空気は超低温域以外でエネルギー効率が劣るなどといった問題がある。これに対し二酸化炭素は、可燃性や毒性がなく安全である。
【００２０】
２段圧縮機は、超臨界冷凍サイクル装置用に開発されたもので、密閉ケーシング内に低段側圧縮機１１ａ、高段側圧縮機１１ｂ、これら圧縮機１１ａ及び１１ｂを駆動する共用の電動機１１ｃを内蔵したものであり、低段側圧縮機１１ａの吐出側と高段側圧縮機１１ｂの吸入側とを配管１１ｄにより連結している。また、密閉ケーシング内空間は、中間圧力ガス、つまり低段側圧縮機の吐出ガスにより満たされている。なお、このように密閉ケーシング内を中間圧力とした理由は、各圧縮機の各部に作用する力、及び密閉ケーシングの内外間の圧力差を適切な範囲内に保持し、大きな力が作用することを回避したものであり、これにより高信頼性、低振動、低騒音、高効率な圧縮機とすることができる。
【００２１】
また、この２段圧縮機１１の電動機はインバータ駆動式とされており、後述する制御装置３により運転周波数が制御され、回転数が制御されている。なお、高段側圧縮機１１ｂの吐出配管には、高段側圧縮機１１ｂから吐出される吐出ガス温度を検出するための吐出ガス温度検出器３１が設けられている。
【００２２】
高圧側熱交換器１２は、高段側圧縮機１１ｂから吐出された高圧冷媒を導入する冷媒用熱交換チューブ１２ａと、給湯ユニット２内に配置されている貯湯タンク２１から送水される給湯水を導入する水用熱交換チューブ１２ｂとからなり、両者が熱交換関係に形成されたものである。したがって、高段側圧縮機１１ｂから吐出された高温高圧の冷媒ガスは貯湯タンク２１から送水される給湯水により冷却され、この給湯水は高温高圧冷媒が発生する熱により加熱される。
【００２３】
電動膨張弁１３は、高圧側熱交換器１２で冷却された高圧ガス冷媒を減圧するもので、パルスモータにより駆動される。また、後述する制御装置３により開度制御されている。
【００２４】
蒸発器１４は、電動膨張弁１３により減圧された低圧の気液混合冷媒を熱源媒体としての外気と熱交換させ、この冷媒を気化させるものである。なお、この蒸発器１４には外気温度を検出するための外気温度検出器３２が付設されている。
【００２５】
給湯ユニット２は、貯湯タンク２１、温水循環ポンプ２２、給湯配管２３、給水配管２４を備えて構成されている。
そして、貯湯タンク２１の上部及び下部を前記水用熱交換チューブ１２ｂに対し、連絡水用配管５、６を含む温水循環回路Ｐにより接続されている。また、貯湯タンク２１では重力の差により上部になるほど温水温度が高くなる。このため、貯湯タンク２１下部の温度の低い水を水用熱交換チューブ１２ｂに送水し、水用熱交換チューブ１２ｂで加熱された温度の高い水を貯湯タンク２１の上部に導くように、温水循環回路Ｐが形成されるとともに、この温水循環回路Ｐ中に温水循環ポンプ２２が取り付けられている。なお、貯湯タンク２１内上部の温水温度、すなわち焚き上げ温度は、貯湯タンク２１上部に設けられた焚き上げ温度検出器３３により測定されている。
【００２６】
給湯配管２３は、温水蛇口、浴槽などに温水を供給するためのものであり、貯湯タンク２１中の高い温度の温水を供給できるように、貯湯タンク２１の上部に接続されている。なお、この給湯回路には開閉弁２５が取り付けられている。
給水配管２４は、貯湯タンク２１内に常時水道水を供給可能とするものであり、逆止弁２６、減圧弁２７を介し貯湯タンク２１の底部に接続されている。
【００２７】
制御装置３は、０℃〜−１０℃の低外気温度領域において外気温度の低下に対応して高圧側圧力を低下させるように電動膨張弁１３の開度を制御するとともに、圧縮機能力をほぼ一定とするようにインバータ駆動式２段圧縮機１１の回転数を制御するものである。
なお、外気温度−１０℃以下では、運転される機会も少なくなることから運転許容範囲外としている。また、０℃以上においては、外気温度の上昇に伴い低圧側圧力が上昇するので、これに伴い高圧側圧力が上昇し過ぎないよう外気温度の上昇に伴い電動膨張弁１３の開度を大きくするとともに、２段圧縮機１１の回転数を低下させている。
【００２８】
具体的には、外気温度の低下に対応して高圧側圧力、低段側吐出圧力に相当する中間圧力及び低圧側圧力は、図２における破線の如く低下するように制御される。なお、図２における実線は従来のヒートポンプ式給湯装置におけるものを示している。なお、従来のものでは、図２における実線のように、電動膨張弁１３の開度及び２段圧縮機１１の回転数を制御することにより、高圧側圧力を外気温度の低下に対応して上昇させるように制御していた。
【００２９】
また、このような圧力を得るために、電動膨張弁１３の開度は、図３の破線で示すように、同図の実線で示された従来のものより緩やかに絞り制御されている。また、インバータ駆動式２段圧縮機１１の回転数は、図４の破線で示すように、同図の実線で示された従来のものより緩やかに増大するように制御されている。一般的に、外気温度が低下すると吸入圧力が低下して圧縮機能力が低下するが、この実施の形態の場合には、図４の破線で示すように、低圧側圧力の低下による圧縮機能力の減少分を補填して略一定とするように回転数の増大が行われる。これに対し、従来のものでは、図５の実線で示すように外気温度の低下に対応して圧縮機能力を増大するように制御するものであって、図４の実線の如く外気温度の低下に対応して本実施の形態の場合よりも大きく圧縮機の回転数を増加させていた。
【００３０】
以上の如く制御される結果、高圧側圧力と中間圧力との差は、従来の場合には図２のΔＰ１ａで示されるように外気温度が低下するにつれ増大していたが、本実施の形態の場合には図２のΔＰ１ｂで示されるように外気温度の低下に対して殆ど変化しない。なお、中間圧力と低圧側圧力との差は、従来の場合のΔＰ２ａもこの実施の形態の場合のΔＰ２ｂとも、外気温度の変化に対し殆ど変化していない。これは、中間圧力及び低圧側圧力が従来及びこの実施の形態何れの場合も外気温度の低下により低下しているためである。
【００３１】
このように、従来では、外気温度の低下に対し、高圧側圧力と中間圧力との差及び高圧側圧力と低圧側圧力との差が外気温度の低下に対応して大きくなっていたため、圧縮機の各部に作用する力が大きくなり、圧縮機の耐久性が低下し、圧縮機の圧縮効率が低下する原因になっていた。
これに対し、本実施の形態によれば、これら圧力差が外気温の低下に対し殆ど変化しないので、圧縮機の耐久性が向上し、また、圧縮機の圧縮効率の低下も回避することができる。
【００３２】
また、本発明の思想は、上記のような超臨界冷凍サイクル装置応用給湯装置に限らず、通常の冷凍サイクル装置応用給湯装置に適用できることはいうまでもない。ただし、超臨界冷凍サイクル装置応用給湯装置では、通常の冷凍サイクル装置応用給湯装置の場合に比し、高圧側圧力が極めて大きくなり、高圧側圧力と低圧側圧力との差及び高圧側圧力と中間圧力との差が大きくなるため、この圧力差に起因する圧縮機耐久性の問題が発生しやすい。したがって、本発明は従来の通常の冷凍サイクル装置応用給湯装置に適用した場合よりも、本実施の形態のような超臨界冷凍サイクル装置応用給湯装置に適用した場合の方が、より顕著な効果を奏することができる。
【００３３】
また、本実施の形態においては、圧縮機は２段圧縮機とされているが、この圧縮機を単段圧縮機とした場合にも本発明を適用できることはいうまでもない。ただし、単段圧縮機とするよりも２段圧縮機とした方が各段の高低圧力差が小さくなるため、より一層圧縮機の耐久性向上及び圧縮効率の向上を図ることができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されているので、次のような効果を奏する。
本発明の第１の発明によれば、圧縮機を単段圧縮機とし、低外気温度領域において、外気温度の低下に対応して高圧側圧力を低下させるように電動膨張弁の開度を制御する制御装置を備えているので、圧縮機の高低圧力差が小さくなり、吐出弁やベーンバルブの破損の恐れがなくなり、圧縮機の耐久性を向上させることができる。また、圧縮機ハウジングに必要とされる強度を小さくすることができ、コスト軽減を図ることもできる。
【００３５】
また、本発明の第２の発明によれば、圧縮機を低段側圧縮機及び高段側圧縮を有するインバータ駆動式２段圧縮機とし、低外気温度領域において、外気温度の低下に対応して高圧側圧力を低下させるように前記電動膨張弁の開度を制御するので、圧縮機として単段圧縮機を用いた上記第１及び第３の発明の場合に比し、各段圧縮機の高低圧力差が顕著に小さくなり、吐出弁やベーンバルブの破損の恐れが確実になくなり、圧縮機の耐久性を向上させることができる。また、圧縮機ハウジングに必要とされる強度をより一層小さくすることができ、コスト軽減を図ることもできる。
【００３６】
また、本発明の第１及び第２の発明によれば、低圧側圧力の低下による圧縮機能力の減少分を補填して略一定とするように回転数を増大させ、外気温度の低下に対応して圧縮機能力をほぼ一定とするように前記インバータ駆動式２段圧縮機の回転数を制御するものであるので、外気温度の低下の場合に、給湯水加熱能力の低下を抑制しながら、圧縮機の高低圧力差の増大を防止し、圧縮機の耐久性を向上させることができ、さらに、圧縮機ハウジングに必要とされる強度を小さくすることができ、惹いては、コスト軽減を図ることもできる。
【００３７】
また、本発明の第３の発明によれば、第１又は第２の発明において、前記低外気温度領域を０℃以下としたものであるので、従来特に高低圧力差が問題となっていた外気温度領域において有効な制御を行うことができる。
【００３８】
また、本発明の第４の発明によれば、前記第２の発明において、前記２段圧縮機は、前記低段側圧縮機の吐出ガスを導入した密閉ケーシング内に、前記低段側圧縮機、高段側圧縮機及び駆動用電動機を内蔵したものであるので、圧縮機ハウジング内に中間圧力が作用することになり、圧縮機のシリンダー内外及び圧縮機ハウジングの内外の圧力差が半減され、各部に作用する力が小さくなる。したがって、より一層圧縮機の耐久性が向上し、ハウジングの強度もより一層小さなものとすることができる。
【００３９】
また、本発明の第５の発明によれば、前記第１〜第４のいずれかの発明において、前記冷凍サイクル装置は、冷媒として二酸化炭素を充填して超臨界冷凍サイクルで運転されるように形成したものであるので、低温外気温度領域において前記のような制御を行っても高温の給湯水を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態に係る給湯装置の回路図である。
【図２】  本発明の実施の形態に係る給湯装置の低外気温度領域における圧力制御線図である。
【図３】  本発明の実施の形態に係る給湯装置の低外気温度領域における電動膨張弁の制御線図である。
【図４】  本発明の実施の形態に係る給湯装置の低外気温度領域における圧縮機回転数の制御線図である。
【図５】  本発明の実施の形態に係る給湯装置の低外気温度領域における圧縮機能力の制御線図である。
【符号の説明】
１     超臨界冷凍サイクル装置
２     給湯ユニット
３     制御装置
１１   （インバータ駆動式）２段圧縮機
１１ａ 低段側圧縮機
１１ｂ 高段側圧縮機
１１ｃ 電動機
１２   高圧側熱交換器
１２ａ 冷媒用熱交換チューブ
１２ｂ 水用熱交換チューブ
１３   電動膨張弁
１４   蒸発器
２１   貯湯タンク
ΔＰ１ｂ      高圧側圧力と中間圧力との差
ΔＰ２ｂ      中間圧力と低圧側圧力との差
【図１】
0004693308.tif 000002
【図２】
0004693308.tif 000003
【図３】
0004693308.tif 000004
【図４】
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【図５】
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