(57)【要約】  【課題】外気温度低下時において室外に設置される圧縮機内での冷媒の寝込み現象に伴い、圧縮機の摺動不良が発生し信頼性が低下する課題が存在した。【解決手段】圧縮機１の起動前に、貯湯タンク９に貯められている温水を送液ポンプ１２によって圧縮機１まで送水する。これによって、圧縮機１下部と、お湯の間で熱交換させる。これによって、冷媒の寝込み現象の影響を受けない省エネ性に優れ、信頼性の高いヒートポンプ式給湯機とした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、放熱器、膨張機構、蒸発器が、内部を冷媒が流れる配管にて接続されている冷凍サイクルと、湯を貯めておくための貯湯タンク、前記貯湯タンク内の水あるいは湯を前記放熱器を経由して再び前記貯湯タンクまで循環させるための第一の送液ポンプ及び内部を水あるいは湯が流れる配管から構成される給湯システムと、前記貯湯タンクに貯められた湯を、前記圧縮機下部において熱交換を行いながら再び前記貯湯タンクまで循環させる第二の送液ポンプ及び内部を湯が流れる給湯配管から構成されることを特徴とするヒートポンプ式給湯機。 
【請求項２】
前記放熱器が前記貯湯タンクの内部に設置されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯機。 
【請求項３】
前記圧縮機に温度センサが取り付けられ、前記温度センサからの信号を読み取り、第二の送液ポンプの動作を制御する制御部を備えたことを特徴とする請求項１及び２に記載のヒートポンプ式給湯機。 
【請求項４】
前記圧縮機下部で熱交換を行なうために、前記貯湯タンクから湯を循環させる給湯配管において、前記貯湯タンクと前記給湯配管が接合している湯を採り出すための開口部位が、圧縮機下部を経由して前記貯湯タンクに湯を戻すために設けられた開口部位よりも上部に位置していることを特徴とする請求項１から３に記載のヒートポンプ式給湯機。 
【請求項５】
前記圧縮機下部で熱交換を行なうために、前記貯湯タンクから湯を循環させる給湯配管が、圧縮機底部に密着して設置され、前記給湯配管の流入部と流出部が同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項１から４に記載のヒートポンプ式給湯機。 
【請求項６】
前記圧縮機下部で熱交換を行なうために、前記貯湯タンクから湯を循環させる給湯配管が、前記圧縮機の外周に密着して配置されていることを特徴とする請求項１から４に記載のヒートポンプ給湯機。 
【請求項７】
前記給湯配管の断面が楕円形状または扁平形状であることを特徴とする請求項１から６に記載のヒートポンプ式給湯機。 
【請求項８】
前記圧縮機底部に温度センサを設置し、前記冷凍サイクル起動前に圧縮機下部の温度が所定の温度以下になっている際に貯湯タンク内の湯の一部を前記第二の送液ポンプを用いて給湯配管内に通水させ、圧縮機の下部温度が所定の温度以上になった後に前記圧縮機を起動させることを特徴とする請求項１から５に記載のヒートポンプ式給湯機の起動方法。 
【請求項９】
前記所定の温度が０℃以上であることを特徴とする請求項８に記載のヒートポンプ式給湯機の起動方法。 
【請求項１０】
前記冷凍サイクルに用いられる冷媒が二酸化酸素であることを特徴とする請求項１から９に記載のヒートポンプ式給湯機及びその起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低外気温環境下で作動するヒートポンプ装置を用いた給湯機器及び該ヒートポンプ式給湯機の起動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機、放熱器、膨張機構、蒸発器が配管によって接続され、配管内部を冷媒が循環する冷凍サイクル装置は空気調和機器や給湯機に適用されている。前記冷凍サイクルにおいては、冷媒の圧縮・膨張によって冷媒の内部エネルギー変化が起こり、放熱器の部分で熱エネルギーの外部環境への放出が行われ、蒸発器の部分で外部環境から熱エネルギーを獲得している。冷媒の種類によっては内部エネルギー変化によって気体から液体又は液体から気体へと相変化が起こるものと、相変化が起こることなく超臨界状態にて熱エネルギーの授受が行われるものが存在している。冷凍サイクル装置の中で、放熱器より空気に熱エネルギーを供給する機能が空気調和機器における暖房機能であり、水もしくは液体に放熱器からの熱エネルギーを供給する装置が温水暖房器や給湯機器となる。図６に従来のヒートポンプ式給湯機を示す。圧縮機１において高温高圧状態となった冷媒は、放熱器２において貯湯タンク６下部から送液ポンプ５によって送られてきた水と熱交換を行い、送られてきた水は熱エネルギーを受け取ることで、湯となって再び貯湯タンク６の上部よりタンク内に戻される。また、放熱器２において熱エネルギーを放出した冷媒は低温高圧冷媒となり、さらに冷凍サイクル内を移動する。膨張機構３によって断熱膨張が起こることで低温低圧冷媒となる。さらに冷媒は、蒸発器４において周囲から熱エネルギーを吸収し、再び圧縮機１内へと循環することとなる。貯湯タンク６には外部より水配管が接続され、停止弁７によってタンク内の湯量の調節がなされている。このような冷凍サイクル装置を持つ給湯機器においては、通常外部環境と熱エネルギーの授受を行うため、圧縮機を含めた冷凍サイクル部が屋外に設置されている。そのため、圧縮機が停止した後は、屋外の温度低下と共に圧縮機を含めた冷凍サイクル部も冷え、圧縮機が冷えた事によって冷凍サイクル及び圧縮機内の冷媒が凝縮され、液化した冷媒が圧縮機内にも溜まり始めることとなる。  
【０００３】
また、該冷凍サイクルは熱容量が大きな圧縮機と熱容量の小さな凝縮器、蒸発器といった熱交換器から構成されており、日射の影響による部分的な温度上昇や外気温が再度上昇した際には、温度上昇が他の部位に比べて追随しにくい圧縮機内に冷凍サイクル全体より冷媒が流れ込み、圧縮機内の液冷媒の生成が加速されることとなる。この圧縮機内に溜まった液冷媒は、低温時においては圧縮機内に充填されている冷凍機油と相分離し、さらに冷凍機油よりも比重が大きくなることで圧縮機下部において液冷媒層が下層に、冷凍機油層が上層に形成されてしまう。この状態において圧縮機を起動させた場合には、下層の液冷媒が吸引されて摺動部に供給され、液冷媒による潤滑によって潤滑不良が生じることとなる。
【０００４】
これら圧縮機における液冷媒による寝こみの課題に対し、従来は圧縮機停止時に圧縮機の周囲に設置されたクランクケースヒーターに通電し、圧縮機を温める提案（例えば、特許文献１参照）や、圧縮機の周囲を蓄熱材で囲み稼動時に圧縮機より出る熱を蓄熱材に溜め込み、圧縮機の停止時においても蓄熱効果によって圧縮機の温度低下を防ぐといった提案がなされている。(例えば、特許文献２参照)
さらには、カーエアコン用の圧縮機に対する寝込み防止として圧縮機の周囲に温水回路を形成し、前記温水回路と自動車のエンジンの冷却水放熱回路を接続することで、エンジンを冷却した後の温まった冷却水を圧縮機の加熱に利用し、圧縮機内の寝込み現象を防ぐ提案がなされている。またこの際には、圧縮機から再度エンジンの過熱を抑制するために
設けられた冷却部であるウォータージャケットに戻る冷却水水温が一定温度以上になった時点において圧縮機内での液冷媒が全て気化したものと判断することによって、圧縮機を起動させるタイミングを調節し、寝込み現象を防ぐ方法としている。(例えば、特許文献３参照)
【特許文献１】特開昭58-138297号公報
【特許文献２】特開昭63-169457号公報
【特許文献３】特開平4-327763号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら上記従来の構成では、新たに加熱用のヒーターを設置することで冷凍サイクルを含むヒートポン式給湯機の使用時における電気エネルギーを余分に用い、機器のエネルギー消費効率(COP)が低下するといった課題が存在した。また、蓄熱材を圧縮機の周囲に設ける場合においては、蓄熱材のコストが新たに発生することや蓄熱材自身の特性が経時的に劣化して安定した効果が得られにくいといった課題が存在した。さらにカーエアコンでの寝込み防止においては、エンジンが稼動し始め、エンジンの熱を奪って温められた冷却水が圧縮機中の液冷媒が気化するのに十分な温度となるまでは寝こみ現象に対する効果が現れないため、前記条件が整うまでは圧縮機を稼動することができず、時間がかかるといった課題が存在した。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するものであり、新たなエネルギー源を用いることなく圧縮機の寝込み現象を回避することで、寒冷地等、外気温が低い場合においても圧縮機の起動時における信頼性を高めた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】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明は以下の技術的手段から構成される。
第１の本発明は、圧縮機、放熱器、膨張機構、蒸発器が、内部を冷媒が流れる配管にて接続されている冷凍サイクルと、湯を貯めておくための貯湯タンク、前記貯湯タンク内の水あるいは湯を前記放熱器を経由して再び前記貯湯タンクまで循環させるための第一の送液ポンプ及び内部を水あるいは湯が流れる配管から構成される給湯システムと、前記貯湯タンクに貯められた湯を、前記圧縮機下部において熱交換を行いながら再び前記貯湯タンクまで循環させる第二の送液ポンプ及び内部を湯が流れる給湯配管から構成されるヒートポンプ式給湯機である。
【０００８】
また、第２の本発明は、圧縮機、放熱器、膨張機構、蒸発器が、内部を冷媒が流れる配管にて接続されている冷凍サイクルと、湯を貯めておくための貯湯タンク、前記貯湯タンクに貯められた湯を流し、前記圧縮機下部において熱交換を行いながら再び前記貯湯タンクまで循環させる第二の送液ポンプ及び内部を湯が流れる給湯配管から構成されるヒートポンプ式給湯機において、前記放熱器が前記貯湯タンクの内部に設置されているヒートポンプ式給湯機である。
【０００９】
また、第３の本発明は、第１及び第２の本発明のヒートポンプ式給湯機において、前記圧縮機に温度センサが取り付けられ、前記温度センサからの信号を読み取り、第二の送液ポンプの動作を制御する制御部を備えたヒートポンプ式給湯機である。
【００１０】
また、第４の本発明は、前記圧縮機下部において熱交換を行い、前記貯湯タンクから湯を循環させる給湯配管が、圧縮機底部に密着して設置され、給湯配管の流入部と流出部が同一平面上に配置されているヒートポンプ式給湯機である。
【００１１】
また、第５の本発明は、前記圧縮機下部において熱交換を行い、前記貯湯タンクから湯
を循環させる給湯配管が、圧縮機の外周に密着して設置され配置されているヒートポンプ式給湯機である。
【００１２】
また、第６の本発明は、前記給湯配管の断面が楕円形状または扁平形状であるヒートポンプ式給湯機である。
【００１３】
また、第７の本発明は、前記圧縮機底部に温度センサを設置し、前記冷凍サイクル起動前に圧縮機底部の温度が所定の温度以下になっている際に貯湯タンク内の湯の一部を前記第二の送液ポンプを用いて給湯配管に通水させ、圧縮機の底部温度が所定の温度以上になった後に前記圧縮機を起動させるヒートポンプ式給湯機の起動方法である。
【発明の効果】
【００１４】
第１の本発明によれば、圧縮機、放熱器、膨張機構、蒸発器が、内部を冷媒が流れる配管にて接続されている冷凍サイクルと、前記放熱器部において作成した湯を貯めておくための貯湯タンク、前記貯湯タンク内の水又は湯を、前記放熱器を経由して再び前記貯湯タンクまで循環させるための第一の送液ポンプ及び内部を水又は湯が流れる配管から構成される給湯システムと、前記貯湯タンクに貯められた湯を流し、前記圧縮機下部において熱交換を行いながら再び前記貯湯タンクまで循環させる第二の送液ポンプ及び内部を湯が流れる給湯配管から構成され、前記圧縮機の起動前に貯湯タンク内の湯の一部を前記給湯配管内に通水させるヒートポンプ式給湯機とすることで、圧縮機の底部が温められ、同時に圧縮機内底部に溜まっている液冷媒及び冷凍機油も温められることになる。これによって、温められた液冷媒は気化して一部は圧縮機外のシステムへ分散し、また液冷媒密度が小さくなることで相対的に大きくなった冷凍機油密度との関係より、冷凍機油層が液冷媒層よりも下位に存在することとなる。また、液冷媒と冷凍機油が温められることにより、冷媒と冷凍機油とが溶け合わずに分離した非相溶の状態を作り出すことを促し、密度の大小と合わせた効果として圧縮機内の底部において分離した２層(下層に冷凍機油層、上層に液冷媒層)が得られ、下層の冷凍機油層を摺動面へとくみ上げることで圧縮機起動時に液冷媒または冷媒組成が高い潤滑油を摺動部へ供給することが無くなり、摺動不良による機器の信頼性低下を抑えることができる。さらには、圧縮機底部を温める熱媒体が給湯システムにおいて既に作成された湯であることから、新たに熱媒体を温めるエネルギーは不要であり、エネルギー効率の低下も引き起こすことの無いヒートポンプ式給湯機とすることができる。
【００１５】
第２の本発明によれば、圧縮機、放熱器、膨張機構、蒸発器が、内部を冷媒が流れる配管にて接続されている冷凍サイクルと、前記放熱器部において作成した湯を貯めておくための貯湯タンク、前記貯湯タンクに貯められた湯を貯湯タンクから前記圧縮機下部を経由して再び前記貯湯タンクまで循環させる第二の送液ポンプ及び内部を湯が流れる給湯配管から構成されるヒートポンプ式給湯機において、前記放熱器が前記貯湯タンクの内部に設置されているヒートポンプ式給湯機とすることで、圧縮機の起動前に圧縮機の底部が温められ、同時に圧縮機内底部に溜まっている液冷媒及び冷凍機油も温められることになる。これによって、温められた液冷媒は気化して一部は圧縮機外のシステムへ分散し、また液冷媒密度が小さくなることで相対的に大きくなった冷凍機油密度との関係より、冷凍機油層が液冷媒層よりも下位に存在することとなる。また、液冷媒と冷凍機油が温められることにより、冷媒と冷凍機油とが溶け合わずに分離した非相溶の状態を作り出すことを促し、密度の大小と合わせた効果として圧縮機内の底部において分離した２層(下層に冷凍機油層、上層に液冷媒層)が得られ、下層の冷凍機油層を摺動面へとくみ上げることで圧縮機起動時に液冷媒または冷媒組成が高い潤滑油を摺動部へ供給することが無くなり、摺動不良による機器の信頼性低下を抑えることができる。
【００１６】
また本発明においては、貯湯タンク内に放熱器を設置したことにより、タンク内で直接
高温高圧状態の冷媒から熱エネルギーを貯湯タンク内の水に供給することから、給湯システムが簡素となってコストの削減にも繋がる他、放熱器が貯湯タンクの外にあった場合に放熱器において作成された温水を貯湯タンクまで送る際の配管部でのヒートリークによるロスが無くなり、効率よくお湯を作成することができる。
【００１７】
第３の本発明によれば、前記圧縮機に温度センサが取り付けられ、前記温度センサからの信号を読み取り、第二の送液ポンプの動作を制御する制御部を備えたヒートポンプ式給湯機とすることにより、圧縮機底部の温度を測定し、寝込み現象が発生していると推測される温度以下の場合には、第二の送液ポンプを稼動させて前記貯湯タンクより湯を給湯配管に流しながら圧縮機下部との間で熱交換を行い、圧縮機底部の温度を上昇させることによって寝込み現象を消失させ、信頼性の高いヒートポンプ式給湯機とすることができる。
【００１８】
また、制御部において圧縮機底部の温度上昇速度を把握しながら、第二の送液ポンプの流量速度を調整することによって起動可能な時間の短縮あるいは常に一定の時間後の圧縮機の起動を行なうことができる。
【００１９】
第４の本発明によれば、前記圧縮機下部において熱交換を行い、内部に湯が流れる給湯配管が、圧縮機底部に密着して設置され、配管の流入部と流出部が同一平面上に配置されているヒートポンプ式給湯機とすることにより、貯湯タンクから送水されてくる湯を圧縮機底部に集中して送ることができ、接触時間を長くしながら圧縮機底部から温めていくことが可能となる。これにより、圧縮機内底部に溜まっている液冷媒と冷凍機油が集中して温められ液冷媒の減少と、液冷媒層と冷凍機油層からなる２層分離の促進、密度差に基づく冷凍機油層の下層化が達成され、寝込み現象を解消することができる。
【００２０】
第５の本発明によれば、前記圧縮機下部において熱交換を行い、前記貯湯タンクから湯を循環させる給湯配管が、圧縮機の外周に密着して設置され配置されているヒートポンプ式給湯機とすることにより、貯湯タンクから送水されてくる湯によって熱リーク量を低減しながら圧縮機を温めることが可能となる。これにより、圧縮機内底部に溜まっている液冷媒と冷凍機油が集中して温められ気化による液冷媒の減少と、液冷媒層と冷凍機油層からなる２層分離の促進、密度差に基づく冷凍機油層の下層化が達成され、寝込み現象を解消することができる。また、本発明では密着させながら圧縮機の外周に沿って給湯配管を巻きつけていくことにより、圧縮機との接触面積を増やしつつ、簡易な工法にて設置することができる。
【００２１】
第６の本発明によれば、前記圧縮機下部において熱交換を行い、再び前記貯湯タンクまで循環させる給湯配管の断面形状を楕円形状または扁平形状とすることで給湯配管と圧縮機が接触する面積が大きくなり、単位時間あたりの伝熱量が増えることによって、より早く圧縮機の温度を上げることが可能となり、圧縮機を起動するまでの時間を短くすることができる。
【００２２】
第７の本発明によれば、前記圧縮機底部に温度センサを設置し、前記冷凍サイクル起動前に圧縮機底部の温度が所定の温度以下になっている際に貯湯タンク内の湯の一部を前記給湯配管内に通水させ、圧縮機の底部温度を所定の温度まで加温した後に圧縮機を起動させるといったヒートポンプ式給湯機の起動方法とすることで、圧縮機内での冷媒と冷凍機油の状態を温度の視点より把握しながら寝込み現象を解消することができ、低外気温時の起動時において摺動不良が無く、信頼性の高いヒートポンプ式給湯機の起動方法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】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態におけるヒートポンプ式給湯機の主要なシステム構成図である。図中１は圧縮機、２は放熱器、３は膨張機構、４は蒸発器、５は送液ポンプ、６は貯湯タンク、７は停止弁である。また、８は冷媒の流れ、９は水又は湯の流れ、１０は加熱部、１１は給湯配管、１２は第二の送液ポンプ、１３は温水の流れ、１４は温度センサ、１５は制御部を表している。圧縮機１で高温高圧状態となった冷媒は、放熱器３において貯湯タンク６下部から送液ポンプ５によって送水される比較的低温の湯又は水と熱交換を行い、より高温の湯となって貯湯タンク６の上部に戻される。この際には、貯湯タンク６から湯を取り出すための給湯配管１１の開口部位が圧縮機底部を経由して再び貯湯タンク６に戻ってくる際の給湯配管１１の開口部に対して、下方に位置していることが好ましい。一方、放熱器３で熱エネルギーを低温の湯又は水に与えた低温高圧の冷媒は、さらに膨張機構４を経由することにより低温低圧の冷媒となり、外環境より熱エネルギーを吸収して再び圧縮機１へと戻ることとなる。貯湯タンク６内においては温度差によって上部に温度の高い湯が存在し、底部にいくほど温度の低い湯(水)が存在している。室外に設置されているため圧縮機停止時において外気温が低下した際には、気温に応じて低温となる圧縮機１底部に、貯湯タンク６から第二の送液ポンプ１２によって内部を高温の湯が流れる給湯配管１１から構成される加熱部１０が設置されており、室外機１を起動する際には、該加熱部１０の効果によって冷媒の寝込み現象による機器への悪影響を防ぎ、短時間に圧縮機を加熱して起動に影響がでないようにしている。ここで、温度センサ１４及び制御部１５を備えたシステム構成においては、圧縮機下部の温度を温度センサ１４によって検知し、得られた信号を基に制御部１５より第二の送液ポンプのＯＮ/ＯＦＦを制御することによって貯湯タンク６より湯を給湯配管１１に流しながら圧縮機下部にて熱交換を行い、圧縮機底部の温度を冷媒寝込みの無い状態まで上昇させる。また本発明のヒートポンプ式給湯機の冷凍サイクルに用いる冷媒としては、フロン系冷媒や自然冷媒であるCO2等、特に寝込み現象における課題については共通するものであり、限定されるものでは無いが、湯を作る際の効率が高く、環境負荷の少ない自然冷媒であるCO2が好ましい。
【００２５】
（第２の実施形態）
図２は本発明の第２の実施形態におけるヒートポンプ式給湯機のシステム構成図である。図中、同一の番号は図１で示したものと同じ構成要素を表している。
ここでは、貯湯タンク６内に放熱部１６を設置し、貯湯タンク６内で直接高温高圧の冷媒と外部より供給された水又は既に溜められている湯との間で熱交換を行う簡便な方式となっている。圧縮機内における冷媒の寝こみ防止に対する効果は実施の形態１と同じものである。
【００２６】
（第３の実施形態）
図３は本発明の第３の実施形態における下方から見た圧縮機底部に設置された給湯配管の図である。図中、１１は給湯配管で矢印にて湯の流れを示している。さらに、１４は温度センサを表し、１７は圧縮機底面部を表している。ここで圧縮機底部に給湯配管及び温度センサを設置するにおいては、圧縮機の重量で破損することが無いように圧縮機本体を台の上に設置する等地面との間に隙間ができるような形式が好ましい。また、給湯配管の太さや形状は特に限定するものではないが、配管の断面形状を楕円形とすることによって圧縮機との接触面積を大きくすることができ、伝熱量が増えることで圧縮機の温度上昇が早くなるため好ましいものとなる。また、温度センサ１４の取り付け位置としては圧縮機の胴部に密着するように貼り付けても、圧縮機本体の一部として組み込んでも構わず、特に限定されるものではないが、給湯配管からの熱の影響が少なく簡便に取り付けることが可能な圧縮機底部中心付近に設置されていることが好ましい。
【００２７】
また、温度センサ１４は外気温度が−３０℃程度にまで低下した際にも電気的な信号が得られるものであれば、特に方式が限定されるものではないが、センサ部がエポキシ樹脂によってコーティングされているタイプのサーミスタやチップ型のサーミスタが小型でかつ高い信頼性があり好ましい。本実施の動作形態においては、圧縮機下部に設置された温度センサ１４からの電気信号を前記制御部１５によって管理し、抵抗値の値によって前記第二の送液ポンプ１２のON/OFF制御を行い、圧縮機本体の温度制御を行うものである。さらに、本発明の制御部における制御パラメータとしては上述した温度に相関した抵抗値だけではなく、圧縮機の温度上昇速度に関連させながら、送液ポンプの送液量の制御も行うことが好ましい。また、温度センサの設定温度は冷凍機油と冷媒との層分離特性や両者の密度の関係から決められるものであり、組合せによって最適値を決定すべきものではあるが、冷媒がCO2の場合には層分離が発生する各種冷凍機油の適用範囲が広いことから、０℃以上であることが好ましい。
【００２８】
（第４の実施形態）
図４は本発明の第４の実施形態における側面から見た圧縮機下部に設置された給湯配管の図である。図中１８は圧縮機側面に形成された溝を示し圧縮機の側面に対して凹凸どちらの形状でも特に問題は無い。また、図中１１は給湯配管、１９は湯の流れ、２０は吐出管、２１は第一スクロール、２２は第二スクロール、２３は駆動軸、２４はモータを示している。２０から２４は圧縮機の基本構成要素であり、特に限定されるものでは無い。
【００２９】
貯湯タンク６から第二の送液ポンプ１２によって送られてきた湯は図に示されるように圧縮機１の底部より上部に流れていくように設置されることが好ましい。また、溝１８の幅は給湯配管１１が溝１８の壁面に接するように設計されることが好ましく、圧縮機に対する溝１８の勾配は特に限定されるものではないが、給湯配管１１内の湯が接触する時間が長い方が好ましいため、圧縮機の回転軸方向に対してできる限り垂直方向であることが好ましい。また給湯配管１１は、圧縮機底部から圧縮機内での冷凍機油液面までの高さまでらせん状に設置されていることが好ましい。また、本実施例は圧縮機に密着させながら圧縮機の外周に沿って巻きつけるための一手段として圧縮機の側面に溝を形成した構造としているが、これに限定されることは無く、例えば圧縮機と接触する温水配管が貯湯タンクから湯が送られてくる給湯配管より分岐した形状として圧縮機底部に密着して設置され、再度分岐された給湯配管をまとめて前記貯湯タンクまで湯が戻るような構成であっても構わない。
（実施例）
以下本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３０】
（実施例1）図１に示されるような構成からなるヒートポンプ式給湯機を、外気温度-２０℃の環境下で静地したと仮定する。冷凍サイクルの配管内にはＣＯ２が冷媒として充填されており、圧縮機が外気温と同じ-２０℃となった場合には、圧縮機内において、気液平衡関係の条件から-２０℃におけるＣＯ２の飽和圧力である１．９６ＭＰａを維持した状態で液化した冷媒が溜まっていくこととなる。ここで圧縮機内にはあらかじめＰＡＧ(ホ゜リアルキレンク゛リコール)を主成分とする冷凍機油(以下ＰＡＧ油)が充填されているとすると、圧縮機の内部で冷凍機油と液冷媒の共存状態が発現されることとなる。
【００３１】
ＰＡＧ油の比重は１５℃条件下で約０．９９〜１．００程度であり、温度が低下しても大きく変わることは無い。また、-２０℃におけるＣＯ２液冷媒の比重は１．０３であり、両者の比重を比較すると液冷媒の方がＰＡＧ油より大きくなっている。またこの時、冷媒とＰＡＧ油との関係を相溶性の視点から観ると、ＰＡＧ油の冷媒に対する重量比が５ｗｔ．％から４０ｗｔ．％程度の範囲においては相分離状態にあって、ＰＡＧ油が冷媒に対して５０ｗｔ．％以上の比率で存在していない限り、互いに混ざり合うことはない。すな
わち、液化したＣＯ２冷媒が圧縮機内に溜まり、ＰＡＧ油に対して多く存在する条件下にあっては、比重の関係とあわせて相分離された２層(下層に液冷媒層、上層にＰＡＧ油層)が形成されることとなる。
【００３２】
このような状態にて圧縮機を稼動させた場合にはＰＡＧ油ではなく、下層に存在する液冷媒を摺動面へと供給されることになるため、圧縮機の不良原因となってしまう。ここで、貯湯タンク内に貯められた９０℃の温水を送液ポンプによって圧縮機下部へと送水する。圧縮機は主に鉄で構成されているため、その比熱を０．４４ｋＪ／ｋｇとすると、圧縮機の総重量を１５ｋｇと仮定した際には全体を１℃上昇させるために約６．６３ｋＪの熱量を与えれば良い事となる。
【００３３】
すなわち、冷媒の寝込み現象による圧縮機への悪影響を防ぐためには、-２０℃の状態から、液冷媒の比重がＰＡＧ油の比重より小さくなり、かつ冷媒の溶け込みによるＰＡＧ油の粘度低下を抑えるために液冷媒とＰＡＧ油が相分離している０℃まで圧縮機の温度を上昇させる必要があり、６．６３ｋＪの２０倍である１３３ｋＪ以上を圧縮機に与えれば良い事となる。圧縮機の下部温度が０℃まで上昇した場合には、液冷媒密度が０．９２７となり、ＰＡＧ油の密度よりも小さくなり、かつ液冷媒量が減少し、圧縮機内のＰＡＧ油の比率が増えることで潤滑不良に対する課題は解消されることとなる。ここで、圧縮機に送水する湯の量を毎分１０Ｌとすると、貯湯量を２００Ｌとした場合に熱エネルギーの供給による湯の温度低下は０．２℃程度と全く影響のない範囲で上記効果が得られ、かつ短時間で圧縮機における寝込み現象を解消することができる。また本実施例においては、温度センサを用いて圧縮機底部の温度を検知し、制御部によってその値を把握しながら第二の送液ポンプを用いて貯湯タンクより湯を給湯配管中に流し、圧縮機底部の温度が上記冷媒の寝込み現象を解消する温度まで到達した時点において第二の送液ポンプを停止することにより、圧縮機の起動を行うことができる。
【００３４】
（実施例２）図２に示されるような構成からなるヒートポンプ式給湯機を、外気温度-１５℃の環境下で静地したと仮定する。冷凍サイクルの配管内にはＣＯ２が冷媒として充填されており、圧縮機が外気温と同じ-１５℃となった場合には、圧縮機内において、気液平衡関係の条件から-１５℃におけるＣＯ２の飽和圧力である２．２９ＭＰａを維持した状態で液化した冷媒が溜まっていくこととなる。図１に示された構成からなるヒートポンプ式給湯機と異なり、本実施例での構成においては冷凍サイクルの放熱器が貯湯タンク内に存在するため、放熱器の部分が常に温かい条件にあり、圧縮機が停止した条件にあっては圧縮機を始めとする冷凍サイクルの他の部位と顕著な温度差がつくことで、冷えた部位への冷媒の積極的な移動が発生することになる。ここで圧縮機内にはあらかじめＰＯＥ(ホ゜リオールエステル)を主成分とする冷凍機油(以下ＰＯＥ油)が充填されているとすると、圧縮機の内部で冷凍機油と液冷媒の共存状態が発現されることとなる。
【００３５】
ＰＯＥ油の比重は１５℃条件下で約０．９７〜０．９８程度であり、温度が低下しても大きく変わることは無い。また、-１５℃におけるＣＯ２液冷媒の比重は１．０１であり、両者の比重を比較すると液冷媒の方が大きいことがわかる。またこの時、冷媒とＰＯＥ油との関係を相溶性の視点から観ると、ＰＡＧ油とは傾向が異なり、ＰＯＥ油の場合には全ての範囲において相溶状態にあり、冷媒の蒸気圧と相関してＰＯＥ油中に冷媒が溶け込んでいる。すなわち、液化したＣＯ２冷媒が圧縮機内に溜まり-１５℃といった条件下にあっては、冷媒とＰＯＥ油が相溶した状態になっているものと考えられる。
【００３６】
このような状態にて圧縮機を稼動させた場合には冷媒が溶け込み、粘度が低下したＰＯＥ油が摺動面へと供給されることとなり、圧縮機の不良原因となってしまう。ここで、貯湯タンク内に貯められた９０℃の温水を送液ポンプによって圧縮機下部へと送水する。圧縮機は主に鉄で構成されているため、その比熱を０．４４ｋＪ／ｋｇとすると圧縮機の総
重量を１５ｋｇと仮定した際には全体を１℃上昇させるために約６．６３ｋＪの熱量を与えれば良い事となる。  
【００３７】
すなわち、冷媒の寝込み現象による圧縮機への悪影響を防ぐためには、-１５℃の状態から、液冷媒の比重がＰＯＥ油の比重より小さくなり、かつ冷媒の溶け込みによるＰＯＥ油の粘度低下を抑えるために液冷媒とＰＯＥ油が相分離している０℃まで圧縮機の温度を上昇させる必要があり、６．６３ｋＪの１５倍である１００ｋＪ以上を圧縮機に与えれば良い事となる。圧縮機の下部温度が０℃まで上昇した場合には、液冷媒密度が０．９２７となり、ＰＯＥ油の密度よりも小さくなり、かつ液冷媒量が減少し、圧縮機内のＰＯＥ油の比率が増えることで潤滑不良に対する課題は解消されることとなる。ここで、圧縮機に送水する湯の量を毎分１０Ｌとすると、貯湯量を２００Ｌとした場合に熱エネルギーの供給による湯の温度低下は０．１５℃程度と全く影響のない範囲で上記効果が得られ、かつ短時間で圧縮機における寝込み現象を解消することができる。
【００３８】
本実施例においても、実施例１と同様に温度センサを用いて圧縮機底部の温度を検知し、制御部によってその値を把握しながら第二の送液ポンプを用いて貯湯タンクより湯を給湯配管中に流し、圧縮機底部の温度が上記冷媒の寝込み現象を解消する温度まで到達した時点において第二の送液ポンプを停止することにより、圧縮機の起動を行うことができる。
【００３９】
（実施例３）次に図３に示されるような給湯配管を圧縮機底部に設置したヒートポンプ式給湯機における実施例について述べる。また、ヒートポンプ式給湯器の構成は実施例２と同様にしている。同図に示されるように、圧縮機底部の温度をセンシングするために、-20℃から検知可能なサーミスタ素子を温度センサとして、熱伝導性に優れた金属テープによって素子先端部を圧縮機底部に密着させながら固定する。圧縮機の起動前に、制御装置からセンサ部に通電され、サーミスタ素子の抵抗値を検出しながら所定の抵抗値以下となっていない場合には貯湯タンクより第二の送液ポンプによって温水が供給されるようにプログラミングがなされている。一例ではあるが、ＣＯ２冷媒にＰＡＧ油を適用した系においてセンサの抵抗値を０℃の値と設定すると、圧縮機底部の温度が０℃と検知されない限り、制御装置から第二の送液ポンプに指示を出し、貯湯タンクより湯が供給される。底部の温度が０℃となった時点において、制御装置によって第二の送液ポンプを停止するようにし、続いて圧縮機が起動するように指示がなされ、冷凍サイクルが動き出すことになる。０℃においては、冷媒とＰＡＧ油における比重の差及び相分離の状態からＰＡＧ油が圧縮機底部に溜まった状態となっているため、問題なく圧縮機を起動させることができ、冷媒の寝込み現象を防止することができる。使用する冷凍機油や冷媒の種類によって冷凍機油と液冷媒が２層分離する温度が異なるために、センサ抵抗値を適切に設定することにより、種々の冷媒-冷凍機油系に対応することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明によるヒートポンプ式給湯機は、貯湯タンクに貯められている高温の湯を室外に置かれた圧縮機の温度を検知しながら、送水することによって圧縮機内部での冷媒の寝込み現象を解消することで冷凍システム起動時における摺動不良等の不具合を抑止することが可能となり、低外気温の条件下においても信頼性に優れたヒートポンプ式給湯機及びその起動方法とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるヒートポンプ式給湯機の主要なシステム構成図
【図２】本発明の第２の実施形態におけるヒートポンプ式給湯機の主要なシステム構成図
【図３】本発明の第３の実施形態における圧縮機底面図
【図４】本発明の第４の実施形態における圧縮機側面図
【図５】従来のヒートポンプ式給湯機の主要なシステム構成図
【符号の説明】
【００４２】
１  圧縮機
２  放熱器
３  膨張機構
４  蒸発器
５  第一の送液ポンプ
６  貯湯タンク
７  停止弁
８  冷媒の流れ
９  水(湯)の流れ
１０  加熱部
１１  給湯配管
１２  第二の送液ポンプ
１３  温水の流れ
１４  温度センサ
１５  制御部
１６  放熱部
１７  圧縮機底面部
１８  溝
１９  湯の流れ
２０  吐出管
２１  第一スクロール
２２  第二スクロール
２３  駆動軸
２４  モータ
【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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