(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒に超臨界で使用する超臨界冷媒を用いた冷媒回路にて、温湯を沸き上げる給湯機であって、下部側に設けた給水口から水道水が供給され、上部側に設けた給湯口から高温の温湯を出湯する貯湯タンク（３）を設け、貯湯タンク（３）の取水口（４）からの貯溜水が循環路（６）の熱交換路（８）を流通し、これによって高温冷媒と循環路（６）の循環水とで熱交換が行われて循環水が加熱されると共に、湯入口（５）から貯湯タンク（３）に返流され、また、この貯湯タンク（３）の湯が床暖パネル（５４）を加熱して貯湯タンク（３）に戻る床暖房を行うべく構成して成り、さらに上記冷媒回路に膨張機（１２）を備え、この膨張機（１２）で発生した動力の回収を可能としたことを特徴とする給湯機。
【請求項２】
上記動力を、上記冷媒回路の圧縮機（１０）に入力することを特徴とする請求項１の給湯機。
【請求項３】
上記膨張機（１２）と圧縮機（１０）とは共通の駆動軸（１９）を有し、この膨張機（１２）で発生した動力を上記駆動軸（１９）を介して圧縮機（１０）に伝達することを特徴とする請求項２の給湯機。
【請求項４】
上記冷媒回路にて沸き上げられた温湯を、浴槽等への給湯に使用することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかの給湯機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、給湯機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の給湯機としては、図６に示すように、熱源側サイクル８１と、給湯側サイクル８２とを備えるものがある。熱源側サイクル８１は冷媒回路を備え、この冷媒回路は、圧縮機８３に、順次、水熱交換器８４と、膨張弁８５と、空気熱交換器８６等が接続されて構成される。また、給湯側サイクル８２は、貯湯タンク８７と循環路８８とを備える。そして、この循環路８８に水循環用ポンプ８９と熱交換路９０とが介設されている。この場合、熱交換路９０は水熱交換器８４にて構成される。
【０００３】
冷媒回路の冷媒としては、近年、環境上の問題等から、超臨界で使用する超臨界冷媒（例えば、炭酸ガス）を用いる場合がある。従って、この炭酸ガスを使用した単純サイクルでは、モリエル線図が図７に示すものとなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記給湯機では、圧縮機８３を駆動させると共に、ポンプ８９を駆動（作動）させると、給湯側サイクル８２においては、貯湯タンク８７の取水口から貯溜水（温湯）が循環路８８に流出し、これが熱交換路９０を流通して、湯入口から貯湯タンク８７の上部に返流される。
【０００５】
また、熱源側サイクル８１においては、図７に示すように、▲１▼の状態の高圧冷媒が圧縮機８３から吐出され、この高圧冷媒が水熱交換器８４に導入される。水熱交換器８４では、熱交換路９０と通過する水と熱交換を行う。これによって、この通過する水は加熱される（沸き上げられる）。そして、この熱交換により、高圧冷媒は水に対して放熱し、そのエンタルピが▲１▼から▲２▼の状態にまで低下する。この▲２▼の状態の高圧冷媒は、膨張弁８５へ送られる。この膨張弁８５では、高圧冷媒が減圧され、その圧力が▲２▼から▲３▼の状態まで低下する。そして、この▲３▼の状態の冷媒は、空気熱交換器８６へ導入される。空気熱交換器８６では、この低圧冷媒が空気と熱交換を行う。この熱交換により、低圧冷媒は吸熱して蒸発して、そのエンタルピが▲３▼の状態から▲４▼の状態にまで増大する。この▲４▼の状態の低圧冷媒が圧縮機８３へ送られる。
【０００６】
このため、超臨界で使用する超臨界冷媒（例えば、炭酸ガス）を用いる場合には、▲３▼と▲４▼とのエンタルピ差は小さく冷凍サイクル効率が悪いことになっていた。従って、大量の湯の沸き上げを必要とする給湯機では、大型化され、製造コスト及びランニングコスト高となっていた。
【０００７】
この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、ＣＯＰが向上し、省エネ、電気料金の低減を図れる給湯機を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで請求項１の給湯機は、冷媒に超臨界で使用する超臨界冷媒を用いた冷媒回路にて、温湯を沸き上げる給湯機であって、下部側に設けた給水口から水道水が供給され、上部側に設けた給湯口から高温の温湯を出湯する貯湯タンク３を設け、貯湯タンク３の取水口４からの貯溜水が循環路６の熱交換路８を流通し、これによって高温冷媒と循環路６の循環水とで熱交換が行われて循環水が加熱されると共に、湯入口５から貯湯タンク３に返流され、また、この貯湯タンク３の湯が床暖パネル５４を加熱して貯湯タンク３に戻る床暖房を行うべく構成して成り、さらに上記冷媒回路に膨張機１２を備え、この膨張機１２で発生した動力の回収を可能としたことを特徴としている。
【０００９】
請求項１の給湯機では、冷媒回路に膨張機１２を備えているので、冷凍サイクルの膨張過程が等エントロピー変化となり、この膨張機１２で発生した動力の回収が可能となると共に、蒸発能力が増大する。これによって、ＣＯＰが向上する。さらに、冷媒に超臨界で使用する超臨界冷媒を用いるので、オゾン層の破壊、環境汚染等の問題がなく、地球環境にやさしい給湯機となる。また、この給湯機では、効率良く沸き上げた湯を、床暖房に使用するので、効率のよい床暖房を行うことができる。
【００１０】
請求項２の給湯機は、上記動力を、上記冷媒回路の圧縮機１０に入力することを特徴としている。
【００１１】
上記請求項２の給湯機では、膨張機１２で発生した動力を、上記冷媒回路の圧縮機に入力することができるので、圧縮機１０を駆動させる外部入力を低減することができる。これによって、膨張機構に膨張弁を使用したものと同一の能力を発揮させる場合には、圧縮機１０の小型化を図ることができる。
【００１２】
請求項３の給湯機は、上記膨張機１２と圧縮機１０とは共通の駆動軸を有し、この膨張機１２で発生した動力を上記駆動軸１９を介して圧縮機１０に伝達することを特徴としている。
【００１３】
上記請求項３の給湯機では、膨張機１２で発生した動力を、膨張機１２と圧縮機１０との共通の駆動軸１９にて圧縮機１０に伝達するので、膨張機１２で発生した動力を圧縮機１０に確実に伝達することができる。
【００１６】
請求項４の給湯機は、上記冷媒回路にて沸き上げられた温湯を、浴槽等への給湯と、床暖房とに使用することを特徴としている。
【００１７】
上記請求項４の給湯機では、効率良く沸き上げた湯を、浴槽等への給湯と、床暖房に使用するので、効率のよい給湯及び床暖房を行うことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の給湯機の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１はこの給湯機の簡略図を示す。この給湯機は、給湯側サイクル１と熱源側サイクル２とを備える。給湯側サイクル１は、貯湯タンク３を備え、この貯湯タンク３に貯湯された温湯が図示省略の浴槽等に供給される。すなわち、貯湯タンク３には、その下部側に給水口（図示省略）が設けられると共に、その上部側に給湯口（図示省略）が設けられている。そして、給水口から貯湯タンク３に水道水が供給され、給湯口から高温の温湯が出湯される。また、貯湯タンク３には、その下部側に取水口４が開設されると共に、その上部側に湯入口５が開設され、取水口４と湯入口５とが循環路６にて連結されている。そして、この循環路６に水循環用ポンプ７と熱交換路８とが介設されている。
【００１９】
そして、加熱側サイクル（ヒートポンプ式加熱源）２は冷媒回路を備え、この冷媒回路は、圧縮機１０と、熱交換路８を構成する水熱交換器１１と、減圧機構としての膨張機１２と、空気熱交換器１３とを順に接続して構成される。すなわち、圧縮機１０の吐出管１４を水熱交換器１１に接続し、水熱交換器１１と膨張機１２とを冷媒通路１５にて接続し、膨張機１２と空気熱交換器１３とを冷媒通路１６にて接続し、空気熱交換器１３と圧縮機１０と冷媒通路１７にて接続している。また、冷媒としては、冷媒に超臨界で使用する超臨界冷媒（例えば、炭酸ガス、その他、エチレン、エタン、酸化窒素等）を用いる。
【００２０】
ところで、上記冷媒回路では、圧縮機１０と膨張機１２とが一体とされた圧縮・膨張ユニット体１８が使用されている。すなわち、圧縮・膨張ユニット体１８は、図２に示すように、冷媒を臨界圧以上に圧縮して送り出す圧縮機１０と、冷媒を膨張させる膨張機１２と、圧縮機１０及び膨張機１２に駆動軸１９を通じて動力を供給する電動機（モータ）２０とがケーシングＡ内に密封状態で収納されたものである。このため、圧縮機１０、電動機２０、及び膨張機１２はこの共通の駆動軸１９により連結されている。
【００２１】
この場合、ケーシングＡの内部が、圧縮機１０及び電動機２０側の第１空間部２１と、膨張機１２側の第２空間部２２とに断熱材２３等にて区画されている。そして、圧縮機１０としては、いわゆる揺動ピストン型ロータリ圧縮機にて構成され、第１・第２シリンダ機構２４、２５を備える。すなわち、第１・第２シリンダ機構２４、２５は、それぞれ、上記駆動軸１９に装着されるクランク軸２６、２７と、このクランク軸２６、２７に外嵌されるピストン２８、２９と、このピストン２８、２９が収納されるシリンダ室３０、３１を有するシリンダ３２、３３とを備える。
【００２２】
第１シリンダ機構２４のシリンダ３２は、シリンダ本体３４と、このシリンダ本体３４の一方の端面に装着される蓋部材３５と、シリンダ本体３４の他方の端面に装着される介在体３６等にて構成される。この蓋部材３５は上記駆動軸１９の一端部を支持している。また、第２シリンダ機構２５のシリンダ３３は、シリンダ本体３８と、上記介在体３６と、シリンダ本体３８のモータ２０側の端面に装着される蓋部材３９等にて構成される。そして、各シリンダ本体３４、３８には吸入ポート４０、４１が連設されている。
【００２３】
次に、膨張機１２は、この場合、揺動ピストン型膨張機にて構成される。すなわち、上記駆動軸１９に装着されるクランク軸４３と、このクランク軸４３に外嵌されるピストン４４と、このピストン４４が収納されるシリンダ室４５を有するシリンダ４６とを備える。シリンダ４６は、シリンダ本体４７と、上記駆動軸１９の他端部を支持する支持体４８と、断熱材２３側の仕切プレート４９等で構成することができる。また、シリンダ本体４７には吐出ポート５０が連設され、さらに、シリンダ室４５には吸入管５１が接続されている。
【００２４】
上記のように構成された圧縮・膨張ユニット体１８の圧縮機１０は、モータ２０によって駆動される。すなわち、駆動軸１９を回転駆動させることによって、この駆動軸１９に連設されたクランク軸２６、２７を回動させて、ピストン２８、２９をシリンダ室３０、３１内で揺動運動をさせる。そのため、この揺動運動に従って吸入ポート４０、４１からシリンダ室３０、３１内に冷媒を吸入し、この冷媒を、このシリンダ室３０、３１でピストン２８、２９が揺動することによって、臨界圧力以上の所定圧力まで圧縮し、この高温高圧となった冷媒を、ケーシングＡに設けられた吐出ポート４２から吐出配管１４へと吐出する。
【００２５】
また、膨張機１２では、駆動軸１９を回転駆動させることによって、この駆動軸１９に連設されたクランク軸４３を回動させて、ピストン４４をシリンダ室４５内で揺動運動をさせる。そのため、この揺動運動に従って吸入管５２からシリンダ室４５内に冷媒を吸入し、この冷媒を、このシリンダ室４５でピストン４４が揺動することによって、冷媒を膨張させ、その膨張した冷媒を吐出ポート５０から冷媒通路１６へ流出させる。
【００２６】
上記のように構成された給湯機によれば、圧縮機１０を駆動させる（モータ２０を通電することによって、駆動軸１９を回転駆動させる）と共に、水循環用ポンプ１３を駆動（作動）させると、圧縮機１０からの高圧高温の冷媒が水熱交換器１１に流入すると共に、貯湯タンク３の取水口４からの貯溜水（低温水）が循環路６の熱交換路８を流通する。これによって、高圧高温の冷媒と循環路６の循環水とで熱交換が行われ、この循環水は加熱され（沸き上げられ）、湯入口５から貯湯タンク３に返流（流入）され、貯湯タンク３に高温の温湯を貯湯することができる。
【００２７】
この際の冷媒回路の冷凍サイクルは図３のようになる。すなわち、▲１▼の状態の高圧冷媒が圧縮機１０から吐出され、この高圧冷媒が水熱交換器１１に導入される。水熱交換器１１では熱交換路１４と通過する水との熱交換を行う。この熱交換により、高圧冷媒は水に対して放熱し、そのエンタルピが▲１▼から▲２▼の状態にまで低下する。この▲２▼の状態の高圧冷媒は、膨張機１２へ送られる。この膨張機１２では、高圧冷媒が減圧され、その圧力が▲２▼から▲３▼´の状態まで低下する。この際、膨張機構として膨張機１２を使用しているので、等エントロピー変化となって、この▲３▼´と▲３▼（▲３▼は、膨張機１２を使用せずに膨張弁を使用した減圧状態である）のエンタルピ差の動力回収が可能となる。そして、この▲３▼´の状態の冷媒は、空気熱交換器１３へ導入される。空気熱交換器１３では、この低圧冷媒が空気と熱交換を行う。この熱交換により、低圧冷媒は吸熱して蒸発してそのエンタルピが▲３▼´の状態から▲４▼の状態にまで増大する。この▲４▼の状態の低圧冷媒が圧縮機１０へ送られる。なお、図３の網掛け部は単純サイクルの場合を示している。
【００２８】
この場合、上記動力回収は、上記駆動軸１９によって圧縮機１０へ伝達され、この圧縮機１０の駆動力に伝達される。すなわち、圧縮機１０としては、図３に示すように、▲４▼から▲１▼までの入力を必要とし、このうち、▲３▼´から▲３▼の差分を、回収して▲４▼から▲４▼´までの入力値として圧縮機１０の入力に使用することができ、圧縮機１０への外部からの入力を低減することができる。このため、ＣＯＰが向上して、省エネ、電気料金の低減を図ることができる。しかも、蒸発能力も増加するので、膨張弁を使用したものよりも小型の圧縮機を使用しても、同一の能力を得ることができ、製造コスト及びランニングコストの低減を図ることができる。
【００２９】
次に、図４は、図１に示した給湯機の簡略図に床暖房ユニット５３を付加したこの発明の実施の形態を示し、この場合、貯湯タンク３に貯湯された湯を、床暖房に使用している。すなわち、この給湯機は、床暖パネル５２を有する床暖房ユニット５３を備える。床暖パネル５２の内部には、循環パイプ５４が配設され、この循環パイプ５４の入口５４ａに往き配管５６が接続され、循環パイプ５４の出口５４ｂに戻り配管５７が接続されている。また、往き配管５６は貯湯タンク３の上部の給湯口５８に接続され、戻り配管５７は貯湯タンク３の下部の返流口５９に接続されている。そして、往き配管５６に循環用ポンプ６０が介設されている。なお、他の構成は、図１に示した空気調和機と同様であるので、同一部分を同一の符号で示してその説明を省略する。
【００３０】
従って、循環用ポンプ６０を駆動することによって、貯湯タンク３の湯が給湯口５８から流出して、往き配管５６を介して循環パイプ５４を流れ、戻り配管５７を介して返流口５９から貯湯タンク３に戻る。この際、この循環パイプ５４を流れる湯によって、床暖パネル５２が暖められ、床暖房を行うことができる。
【００３１】
従って、この図４の給湯機では、給湯側ユニット１及び熱源側ユニット２は図１と同様の構成であるので、給湯機として、ＣＯＰが向上して、省エネ、電気料金の低減を図ることができる。しかも、蒸発能力も増加するので、膨張弁を使用したものよりも小型の圧縮機を使用しても、同一の能力を得ることができ、製造コスト及びランニングコストの低減を図ることができる。そして、このように効率良く沸き上げた湯を床暖房に利用することができ、全体として、高効率のシステムを構成することができる。ところで、現状の電気料金は深夜（例えば、２３時から７時までの時間帯）の電気料金単価が昼間に比べて安価に設定されているので、この貯湯タンク３に湯を貯めるための運転をこの深夜に行えば、節電を図ることができる。
【００３２】
また、図５に示すように、往き配管５６等に浴槽等へ給湯を行う配管６１を接続することによって、床暖房に加え、浴槽等への給湯（以下、単に給湯と呼ぶ場合がある）も可能となる。この場合、往き配管５６において、配管６１の合流部６２よりも下流側に開閉バルブ６３を介設すると共に、配管６１に開閉バルブ６４を介設している。これによって、床暖房のみを行う場合と、給湯のみを行う場合と、床暖房及び給湯を行う場合とに切換ることができる。なお、他の構成は、図１に示した空気調和機と同様であるので、同一部分を同一の符号で示してその説明を省略する。
【００３３】
すなわち、開閉バルブ６３を開状態とすると共に、開閉バルブ６４を閉状態とすれば、床暖房のみを行うことができ、開閉バルブ６３を閉状態とすると共に、開閉バルブ６４を開状態とすれば、給湯のみを行うことができ、開閉バルブ６３、６４を開状態とすれば、床暖房及び給湯を行うことができる。
【００３４】
従って、この図５の給湯機によれば、上記図４の給湯機と同様、給湯機として、ＣＯＰが向上して、省エネ、電気料金の低減を図ることができる。しかも、蒸発能力も増加するので、膨張弁を使用したものよりも小型の圧縮機を使用しても、同一の能力を得ることができ、製造コスト及びランニングコストの低減を図ることができる。しかも、このように効率良く沸き上げた湯を床暖房及び浴槽等への給湯に利用することができ、全体として、きわめて高効率のシステムを構成することができる。そして、この床暖房及び給湯に使用する湯を深夜に沸き上げておけば、電気料金を大幅に節約することができ、ユーザにとっては好適の給湯機となる。なお、図５の給湯機に給湯には、台所や洗面所等への給湯も含まれる。
【００３５】
以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、膨張機１２として、圧縮機１０と駆動軸１９が共通化されていないものであってもよい。すなわち、膨張機１２で発生した動力を、一旦、電気エネルギに変換して取出し、この電気エネルギを圧縮機１０の駆動電力として入力する等の構成であってもよい。また、膨張機１２としては、スクロール式の膨張機であってもよい。ここで、スクロール式の膨張機とは、固定スクロールと、旋回スクロールとを備えたものであり、その流入口から高圧の冷媒が流入すると、冷媒は旋回スクロールに旋回動力を生じさせながら次第に減圧膨張し、その流出口から流出する。このため、このようなスクロール式の膨張機でも発生した動力を、圧縮機１へ伝達して、この圧縮機１の駆動に利用することができるようにすればよい。さらに、膨張機１２としては、その他、歯車型、スクリュ−型等の各種の膨張機も使用することができる。なお、圧縮機１０としても、スクロール式やスクリュ−式等の各種の圧縮機を使用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
請求項１の給湯機によれば、この膨張機で発生した動力の回収が可能となると共に、蒸発能力が増大する。これによって、ＣＯＰが向上して、無駄のない効率のよい運転が可能となる。さらに、冷媒に超臨界で使用する超臨界冷媒を用いるので、オゾン層の破壊、環境汚染等の問題がなく、地球環境にやさしい給湯機となる。また、この給湯機によれば、効率良く沸き上げた湯を、床暖房に使用するので、効率のよい床暖房を行うことができる。すなわち、給湯機として高効率のシステムを構成することができ、ランニングコストの低減を図ることができる。
【００３７】
請求項２の給湯機によれば、圧縮機を駆動させる外部入力を低減することができる。これによって、膨張機構に膨張弁を使用したものと同一の能力を発揮させる場合には、圧縮機の小型化を図ることができ、製造コスト及びランニングコストの低減を達成できる。
【００３８】
請求項３の給湯機によれば、膨張機で発生した動力を確実に圧縮機に伝達することができる。これによって、より効率の良い運転が可能となって、省エネ、電気料金の低減を図ることができる。
【００４０】
請求項４の給湯機によれば、効率良く沸き上げた湯を、浴槽等への給湯と、床暖房に使用するので、効率のよい給湯及び床暖房を行うことができる。給湯機として高効率のシステムを構成することができ、ランニングコストの低減を図ることができる。しかも、ユーザは給湯及び床暖房にて快適に過ごすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の給湯機の実施の形態を示す簡略図である。
【図２】上記給湯機の圧縮機と膨張機の断面図である。
【図３】上記給湯機のモリエル線図である。
【図４】  図１の給湯機に対して床暖房ユニットを付設したこの発明の給湯機の実施の形態を示す簡略図である。
【図５】この発明の給湯機の別の実施の形態を示す簡略図である。
【図６】従来の給湯機の簡略図である。
【図７】従来の給湯機のモリエル線図である。
【符号の説明】
１０  圧縮機
１２  膨張機
１９  駆動軸
【図１】
0003915538.tif 000002
【図２】
0003915538.tif 000003
【図３】
0003915538.tif 000004
【図４】
0003915538.tif 000005
【図５】
0003915538.tif 000006
【図６】
0003915538.tif 000007
【図７】
0003915538.tif 000008