(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯湯槽、循環ポンプ及び加熱用熱交換器を温水配管で環状に接続してなる貯湯回路と、
前記貯湯槽内の湯を利用部へ供給する給湯回路と、
２段圧縮式の能力が調整可能な圧縮機、前記加熱用熱交換器、冷却器、第１電動膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で環状に接続してなる冷媒回路と、
前記加熱用熱交換器と前記冷却器との間の冷媒回路から分岐され、その途中に電磁開閉弁、第２電動膨張弁及び前記冷却器を有し、前記加熱用熱交換器から吐出した冷媒の一部を前記圧縮機の低圧側と高圧側との中間に冷媒を戻す中間インジェクション回路とを備えたヒートポンプ式給湯機であって、
外気温度を検出する外気温度検出センサと、
貯湯運転の際に前記外気温度検出センサが所定温度以下又は所定温度を下回ったことを検出したときに前記圧縮機の運転周波数を落として一定の周波数にすると共に前記第１電動膨張弁の開度を十分に開いた一定な状態とするように制御しその後前記第２電動膨張弁に冷媒が流れないようにした後に前記電磁開閉弁を開くように制御する制御装置とを設けたことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
【請求項２】
貯湯槽、循環ポンプ及び加熱用熱交換器を温水配管で環状に接続してなる貯湯回路と、
前記貯湯槽内の湯を利用部へ供給する給湯回路と、
２段圧縮式の能力が調整可能な圧縮機、前記加熱用熱交換器、冷却器、第１電動膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で環状に接続してなる冷媒回路と、
前記加熱用熱交換器と前記冷却器との間の冷媒回路から分岐され、その途中に電磁開閉弁、第２電動膨張弁及び前記冷却器を有し、前記加熱用熱交換器から吐出した冷媒の一部を前記圧縮機の低圧側と高圧側との中間に冷媒を戻す中間インジェクション回路とを備えたヒートポンプ式給湯機であって、
外気温度を検出する外気温度検出センサと、
貯湯運転の際に前記外気温度検出センサが所定温度以上又は所定温度を上回ったことを検出したときに前記圧縮機の運転周波数を落として一定の周波数にすると共に前記第１電動膨張弁の開度を十分に開いた一定な状態とするように制御しその後前記第２電動膨張弁に冷媒が流れないようにした後に前記電磁開閉弁を閉じるように制御する制御装置とを設けたことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貯湯槽、循環ポンプ及び加熱用熱交換器を温水配管で環状に接続してなる貯湯回路と、前記貯湯槽内の湯を利用部へ供給する給湯回路と、２段圧縮式の圧縮機、前記加熱用熱交換器、冷却器、第１電動膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で環状に接続してなる冷媒回路とを備えたヒートポンプ式給湯機に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のヒートポンプ式給湯機は、特許文献１などに開示されている。この種のヒートポンプ式給湯機においては、加熱能力を高めるために、前記加熱用熱交換器と前記冷却器との間の冷媒回路から分岐され、その途中に電磁開閉弁、第２電動膨張弁及び前記冷却器を有し、前記加熱用熱交換器から吐出した冷媒の一部を前記圧縮機の低圧側と高圧側との中間に冷媒を戻す中間インジェクション回路を更に設けることが考えられる。
【特許文献１】特開２００３−１３９３９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、前記中間インジェクション回路に冷媒を流すか又は流さないかの切り替えは、前記電磁開閉弁の開閉により行なうが、その際大きな圧力及び温度変化が生じる。
【０００４】
そこで本発明は、中間インジェクション回路に冷媒を流すか又は流さないかの切り替えの際の大きな圧力及び温度変化を抑え、信頼性や耐久性等の向上が図れるヒートポンプ式給湯機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このため第１の発明は、貯湯槽、循環ポンプ及び加熱用熱交換器を温水配管で環状に接続してなる貯湯回路と、
前記貯湯槽内の湯を利用部へ供給する給湯回路と、
２段圧縮式の能力が調整可能な圧縮機、前記加熱用熱交換器、冷却器、第１電動膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で環状に接続してなる冷媒回路と、
前記加熱用熱交換器と前記冷却器との間の冷媒回路から分岐され、その途中に電磁開閉弁、第２電動膨張弁及び前記冷却器を有し、前記加熱用熱交換器から吐出した冷媒の一部を前記圧縮機の低圧側と高圧側との中間に冷媒を戻す中間インジェクション回路とを備えたヒートポンプ式給湯機であって、
外気温度を検出する外気温度検出センサと、
貯湯運転の際に前記外気温度検出センサが所定温度以下又は所定温度を下回ったことを検出したときに前記圧縮機の運転周波数を落として一定の周波数にすると共に前記第１電動膨張弁の開度を十分に開いた一定な状態とするように制御しその後前記第２電動膨張弁に冷媒が流れないようにした後に前記電磁開閉弁を開くように制御する制御装置とを設けたことを特徴とする。
【０００６】
第２の発明は、貯湯槽、循環ポンプ及び加熱用熱交換器を温水配管で環状に接続してなる貯湯回路と、
前記貯湯槽内の湯を利用部へ供給する給湯回路と、
２段圧縮式の能力が調整可能な圧縮機、前記加熱用熱交換器、冷却器、第１電動膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で環状に接続してなる冷媒回路と、
前記加熱用熱交換器と前記冷却器との間の冷媒回路から分岐され、その途中に電磁開閉弁、第２電動膨張弁及び前記冷却器を有し、前記加熱用熱交換器から吐出した冷媒の一部を前記圧縮機の低圧側と高圧側との中間に冷媒を戻す中間インジェクション回路とを備えたヒートポンプ式給湯機であって、
外気温度を検出する外気温度検出センサと、
貯湯運転の際に前記外気温度検出センサが所定温度以上又は所定温度を上回ったことを検出したときに前記圧縮機の運転周波数を落として一定の周波数にすると共に前記第１電動膨張弁の開度を十分に開いた一定な状態とするように制御しその後前記第２電動膨張弁に冷媒が流れないようにした後に前記電磁開閉弁を閉じるように制御する制御装置とを設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように本発明は、加熱能力を高めるために、圧縮機の高圧側と低圧側との中間に冷媒を戻す中間インジェクション回路に冷媒を流すか又は流さないかの切り替えの際の大きな圧力及び温度変化を抑え、信頼性や耐久性等の向上が図れるヒートポンプ式給湯機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の実施の形態を図面を参照して、以下説明する。図１は本発明が適用されるヒートポンプ式給湯機の回路説明図で、このヒートポンプ式給湯機は後述するが、貯湯槽、循環ポンプ及び加熱用熱交換器を温水配管で環状に接続してなる貯湯回路１Ｋと、前記貯湯槽内の湯を利用部へ供給する給湯回路２Ｋと、２段圧縮式の能力が調整可能な圧縮機、前記加熱用熱交換器、冷却器、第１電動膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で環状に接続してなる冷媒回路Ｒと、前記加熱用熱交換器と前記冷却器との間の冷媒回路から分岐され、その途中に電磁開閉弁、第２電動膨張弁及び前記冷却器を有し、前記加熱用熱交換器から吐出した冷媒の一部を前記圧縮機の低圧側と高圧側との中間に冷媒を戻す中間インジェクション回路Ｍとを主要構成としている。
【００１１】
前記冷媒回路Ｒは高圧側が超臨界圧力となる冷媒を用いる遷臨界冷媒サイクル装置を構成し、以下詳述するが、２段圧縮式の能力が調整可能な圧縮機１、前記加熱用熱交換器３、冷却器４、第１電動膨張弁６及び蒸発器７を冷媒配管ＲＨで環状に接続される。１は二酸化炭素を冷媒として吸入圧縮し高温高圧にする能力調整が可能な内部中間圧型２段圧縮式ロータリコンプレッサ（以下、「圧縮機」という。）で、第１及び第２の回転圧縮要素１Ａ、１Ｂを備えている。２は前記圧縮機１の冷媒出口側に接続されて圧縮機１から吐出される冷媒の圧力脈動を減衰・軽減して騒音を低減するマフラ、３は冷媒流路３Ａと水流路３Ｂとを備えて冷媒と水とを熱交換させる加熱用の冷媒対水熱交換器、４は一次流路４Ａ及び二次流路４Ｂとを備えた冷却器、５は高圧側冷媒と低圧側冷媒とを熱交換させるもので一次流路５Ａ及び二次流路５Ｂとを備えた内部熱交換器、６は内部熱交換器５の一次流路５Ａの出口側に接続され冷媒を減圧する減圧手段としての第１電動膨張弁、７は前記第１電動膨張弁６で減圧された冷媒を蒸発させ外気と熱交換する蒸発器、８は内部熱交換器５の二次流路５Ｂの出口側と圧縮機1の吸入側との間に接続された気液分離器であるアキュムレータである。なお、前記蒸発器７で蒸発されなかった冷媒を内部熱交換器５の二次流路５Ｂに流すことにより、一次流路５Ａに流れる冷媒と熱交換させてよりガス化させている。
【００１２】
前記中間インジェクション回路Ｍは、電磁開閉弁１０と、第２電動膨張弁１１、冷却器４の二次流路４Ｂとを備え、前記加熱用の冷媒対水熱交換器３と内部熱交換器５との間に配設されて前記電磁開閉弁１０が開くと前記圧縮機１の高圧側と低圧側との中間に冷媒を戻す回路である。そして、二酸化炭素を冷媒として用いる際には、冷媒がガス化した状態、即ち超臨界域で用いることとなる。この超臨界域では、二酸化炭素は高圧となり、蒸気密度も高いため、内部高圧の圧縮機では密閉容器に負荷がかかるという問題があるが、内部中間圧とした内部中間圧型２段圧縮式ロータリコンプレッサである圧縮機１を用いることとした。
【００１３】
１２は前記蒸発器７に発生付着した霜が一定以上となったことを検出センサ（図示せず）が検出すると開く除霜用電磁弁で、冷却器４の二次流路４Ｂと前記圧縮機１の高圧側と低圧側との中間との間から分岐して前記蒸発器７に戻る分岐路１３の中間位置に配設される。
【００１４】
前記貯湯回路１Ｋは、お湯を貯湯する貯湯槽２０、循環ポンプ２８、加熱用熱交換器３及び流量調整手段としての流量調整弁２９を温水配管で環状に接続して構成される。
【００１５】
前記給湯回路２Ｋは前記貯湯槽２０内の湯を利用部へ供給する回路であり、前記貯湯槽２０に水道水を供給する逆止弁付き水道減圧弁２１、前記貯湯槽２０からお湯を取出す出湯管２２、水道減圧弁２１の出口側から出湯管２２に接続された混合弁２３に至るバイパス管２４、前記出湯管２２から分岐して浴槽３０ヘ至るお湯張り管２５、該お湯張り管２５に接続された電磁弁２６、混合弁２３より上流側の出湯管２２に接続される圧力逃がし弁２７を備えている。
【００１６】
次に図２の制御ブロック図に基づいて説明する。マイコン４０は、本ヒートポンプ式給湯機における前記冷媒回路Ｒを備えた室外機としてのヒートポンプユニットの動作を含めた給湯に係る全動作を統括制御するＣＰＵ（セントラル・プロセッシング・ユニット）４１、各種データを記憶する記憶装置としてのＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）４２、冷凍サイクル動作に係るプログラムを含めた給湯動作に係るプログラムを格納するＲＯＭ（リ−ド・オンリー・メモリ）４３から構成されている。そして、ＣＰＵ４１は前記ＲＡＭ４２に記憶されたデータに基づき、前記ＲＯＭ４３に格納されたプログラムに従い、本ヒートポンプ式給湯機の冷凍サイクル動作を含めた給湯に係る動作を統括制御する。
【００１７】
そして、前記貯湯槽２０の容量が例えば３７０リットルであり、湯温検出センサＴＳ１、ＴＳ２、ＴＳ３、ＴＳ４、ＴＳ５、ＴＳ６及びＴＳ７が貯湯槽２０の下部から上部まで上下間隔を存して設けられ、本給湯機がその沸き上げ前の温度が５５℃までのため、前記各センサの検出湯温が５５℃以上の場合には貯湯槽２０内の上端からその位置までは貯湯されており残湯ありと判断する。このとき、検出センサＴＳ１の配置箇所は残湯量が３５０リットル、ＴＳ２が同じく３００リットル、ＴＳ３が２５０リットル、ＴＳ４が２００リットル、ＴＳ５が１５０リットル、ＴＳ６が１００リットル、ＴＳ７が５０リットルの位置である。
【００１８】
そして、沸き増しを開始する最低貯湯量（例えば、１５０リットル）より少なくなり、検出センサＴＳ５の検出温度が貯湯状態と判断する温度である５５℃より低下すると、マイコン４０は貯湯量が検出センサＴＳ５の位置より少なくなったと判断し、ヒートポンプ給湯機に沸き増し運転を開始させ、常時最低貯湯量を維持するように制御する。
【００１９】
ここで、本ヒートポンプ式給湯機は給湯に加え、床暖房運転や浴室暖房等の暖房も可能であるが、説明の便宜上、この暖房運転は省略するものとする。先ず、外気温度検出センサ４５による外気温度が所定温度、例えばマイナス５℃を下回らない温度（マイナス５℃以上）にあるものとして、以下貯湯運転について、説明する。
【００２０】
先ず、前記貯湯槽２０に貯湯を行う場合、循環ポンプ２８が運転し、貯湯槽２０→循環ポンプ２８→冷媒対水熱交換器３の水流路３Ｂ→流量調整弁２９→貯湯槽２０の順に貯湯用の温水が流れ、貯湯槽２０に貯湯される。
【００２１】
冷媒回路Ｒでは、圧縮機１が運転すると共に、外気温度検出センサ４５による外気温度がマイナス５℃を下回らない温度であるため、電磁開閉弁１０は閉じている。従って、圧縮機１→マフラ２→冷媒対水熱交換器３の冷媒流路３Ａ→冷却器４の一次流路４Ａ→内部熱交換器５の一次流路５Ａ→第１電動膨張弁６→蒸発器７→内部熱交換器５の二次流路５Ｂ→アキュムレータ８→圧縮機１の順に冷媒が流れる。
【００２２】
このとき、このような通常サイクル運転中では、圧縮機１が１００Ｈｚ程度の運転周波数で運転し、第１電動膨張弁６は完全閉成状態から完全開成状態までを０ステップから５００ステップとしたときの１００ステップの状態で絞る状態となるように、ＣＰＵ４１がこの第１電動膨張弁６を制御し、また第２電動膨張弁１１は完全閉成状態から完全開成状態までを０から５００ステップとしたときの５０ステップの状態で絞る状態となるように制御する。
【００２３】
なお、貯湯槽２０に貯湯された高温水はバイパス管２４を介する水道水と混合弁２３にて適度な温度に調整され、出湯管２２を介して台所やシャワーへの給湯や浴槽３０へのお湯張り等に利用される。そして、給湯が行われると、給水管途中に配設された水道減圧弁２１を介して貯湯槽２０に給水が行われる。
【００２４】
そして、上述したような貯湯運転中に、外気温度検出センサ４５による外気温度がマイナス５℃を下回ったことを検出すると、加熱能力が低下することとなるので加熱能力を高めるべく、ＣＰＵ４１はその検出情報を受けて、圧縮機１を運転周波数が１００Ｈｚ程度から５５Ｈｚに落として運転するように制御し、第１電動膨張弁６の開度を１００ステップから４５０ステップの状態（開度を十分に開いた状態、即ち冷媒を絞らない状態）となるように、また第２電動膨張弁１１の開度を５０ステップからほとんど流れない２０ステップ（なお、３０ステップ程度で流れ始める。）の状態となるように制御し、その後閉じていた電磁開閉弁１０を開くように制御する。
【００２５】
そして、この電磁開閉弁１０が開いてから、所定時間後（例えば、数秒後）に前記第２電動膨張弁１１の開度を２０ステップ（ほとんど流れない）から５０ステップの状態となるように、ＣＰＵ４１は第２電動膨張弁１１を制御するので、３０ステップ程度を超え始めると中間インジェクション回路Ｍにも冷媒が流れ始めて、前記圧縮機の高圧側と低圧側との中間にも戻される。即ち、圧縮機１→マフラ２→冷媒対水熱交換器３の冷媒流路３Ａ→冷却器４の一次流路４Ａ→内部熱交換器５の一次流路５Ａ→第１電動膨張弁６→蒸発器７→内部熱交換器５の二次流路５Ｂ→アキュムレータ８→圧縮機１の順に冷媒が流れるのに加え、冷媒対水熱交換器３の冷媒流路３Ａを介する冷媒は電磁開閉弁１０、第２電動膨張弁１１、冷却器４の二次流路４Ｂ、前記圧縮機の高圧側と低圧側との中間にも戻される。
【００２６】
これにより、第２電動膨張弁１１を事実上閉じた状態として冷媒を流さない状態として、電磁開閉弁１０を開く際の冷媒による大きな圧力及び温度変化がほとんど生じないから、本ヒートポンプ式給湯機の信頼性や耐久性等の向上が図れることとなる。
【００２７】
その後、ＣＰＵ４１は圧縮機１が５５Ｈｚから１００Ｈｚ程度の運転周波数で運転するように、第１電動膨張弁６を４５０ステップから８０ステップの状態で絞る状態となるように制御し、また第２電動膨張弁１１を例えば同じく８０ステップの状態で絞る状態となるように制御して、中間インジェクション回路Ｍにも冷媒が流れるような運転（以下、「スプリットサイクル運転」という。）となるように制御する。
【００２８】
また、上述したような貯湯運転中に、以上のようなスプリットサイクル運転がなされている状態において、外気温度検出センサ４５による外気温度がマイナス５℃以上になったことを検出すると、ＣＰＵ４１はスプリットサイクル運転から通常サイクル運転となるように制御する。即ち、ＣＰＵ４１は外気温度がマイナス５℃以上になったことの検出情報を受けて、圧縮機１を運転周波数が１００Ｈｚ程度から５５Ｈｚに落として運転するように制御し、第１電動膨張弁６の開度を８０ステップから４５０ステップの状態（開いた状態、即ち冷媒を絞らない状態）となるように、また第２電動膨張弁１１の開度を８０ステップからほとんど流れない２０ステップ（なお、３０ステップ程度で流れ始める。）の状態となるように制御し、その後電磁開閉弁１０を閉じるように制御する。従って、このように電磁開閉弁１０が閉じられるので、中間インジェクション回路Ｍには冷媒が流れなくなる。
【００２９】
これにより、第２電動膨張弁１１を事実上閉じた状態として冷媒を流さない状態として、電磁開閉弁１０を閉じる際の冷媒による大きな圧力及び温度変化がほとんど生じないから、本ヒートポンプ式給湯機の信頼性や耐久性等の向上が図れることとなる。
【００３０】
その後、ＣＰＵ４１は圧縮機１が５５Ｈｚから１００Ｈｚ程度の運転周波数で運転するように、第１電動膨張弁６を４５０ステップから１００ステップの状態で絞る状態となるように制御し、また第２電動膨張弁１１を２０ステップから５０ステップの状態（待機状態）となるように制御するが、電磁開閉弁１０は閉じているので、中間インジェクション回路Ｍには冷媒は流れず、圧縮機１→マフラ２→冷媒対水熱交換器３の冷媒流路３Ａ→冷却器４の一次流路４Ａ→内部熱交換器５の一次流路５Ａ→第１電動膨張弁６→蒸発器７→内部熱交換器５の二次流路５Ｂ→アキュムレータ８→圧縮機１の順に冷媒が流れる通常サイクル運転がなされる。
【００３１】
なお、本実施形態においては、外気温度検出センサ４５による外気温度が所定温度、例えばマイナス５℃を下回る温度にある場合にはスプリットサイクル運転として、マイナス５℃以上の場合には通常サイクル運転としたが、これに限らず、例えばマイナス５℃以下にある場合にはスプリットサイクル運転として、マイナス５℃を超える場合には通常サイクル運転としてもよい。
【００３２】
以上本発明の実施態様について説明したが、上述の説明に基づいて当業者にとって種々の代替例、修正又は変形が可能であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で前述の種々の代替例、修正又は変形を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】ヒートポンプ式給湯機の回路説明図である。
【図２】制御ブロック図である。
【符号の説明】
【００３４】
１          圧縮機
３          冷媒対水熱交換器（加熱用熱交換器）
４          冷却器
５          内部熱交換器
６          第１電動膨張弁
７          蒸発器
１０        電磁開閉弁
１１        第２電動膨張弁
２０        貯湯槽
２８        循環ポンプ
４０        マイコン
４２        ＲＡＭ
４３        ＲＯＭ
４５        外気温度検出センサ
Ｒ          冷媒回路
１Ｋ        貯湯回路
２Ｋ        給湯回路
Ｍ          中間インジェクション回路
【図１】
0004657087.tif 000002
【図２】
0004657087.tif 000003