(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機（２）、冷媒水熱交換器（６）の高圧冷媒通路（６ａ）、減圧手段（８）、及び冷媒空気熱交換器（９）を環状に接続してなる冷媒回路（Ｒ）と、
前記冷媒水熱交換器（６）の湯水通路（６ｂ）、給湯用循環ポンプ（７）、及び貯湯タンク（１１）を環状に接続してなる湯水回路（Ｗ）と、
ブライン加熱用熱交換器（４）、ブライン用循環ポンプ（５）を接続してなるブライン回路（Ｂ）とを備え、
前記圧縮機（１）及び前記給湯用循環ポンプ（７）を作動して、前記高圧冷媒通路（６ａ）を流通する高温高圧の冷媒と前記湯水通路（６ｂ）を流通する給湯水とを熱交換して前記給湯水を加熱すると共に、前記ブライン用循環ポンプ（５）を作動して、前記ブライン加熱用熱交換器（４）を流通するブラインを加熱する超臨界ヒートポンプサイクルの多機能給湯装置において、
前記圧縮機（２）を中間圧圧縮部（２ａ）と高圧圧縮部（２ｂ）とで構成し、その間に冷媒分配弁（３）を設けると共に、前記減圧手段（８）を中間圧減圧手段（８ａ）と高圧減圧手段（８ｂ）とで構成し、前記冷媒回路（Ｒ）は、前記中間圧圧縮部（２ａ）で中間圧まで圧縮した冷媒を前記冷媒分配弁（３）で２方向へ分配し、一方は前記ブライン加熱用熱交換器（４）を流通して前記ブラインを中間温に加熱した後、前記中間圧減圧手段（８ａ）で減圧されて前記冷媒空気熱交換器（９）へ戻る中間圧冷媒回路（Ｒ１）とし、もう一方は更に前記高圧圧縮部（２ｂ）で高圧まで圧縮し、前記冷媒水熱交換器（６）を流通して前記給湯水を高温に加熱した後、前記高圧減圧手段（８ｂ）で前記中間圧まで減圧して前記中間圧冷媒回路（Ｒ１）の前記ブライン加熱用熱交換器（４）と前記中間圧減圧手段（８ａ）との間に合流する高圧冷媒回路（Ｒ２）とし、
前記冷媒水熱交換器（６）に中間圧冷媒通路（６ｃ）を設けて前記湯水通路（６ｂ）の入口側に熱交換可能に接合し、前記中間圧冷媒通路（６ｃ）に前記ブライン加熱用熱交換器（４）を流通して前記ブラインを加熱した後の冷媒を流通させることにより、中間圧冷媒と前記湯水通路（６ｂ）に流入する前記給湯水とを熱交換させて前記給湯水を加熱することを特徴とする多機能給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超臨界ヒートポンプサイクルを用い、給湯用水を高温に加熱すると共に、熱交換媒体となる流体（ブライン）を中間温度に加熱して、その流体を住居内の暖房等に利用する多機能給湯装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ヒートポンプを用いた給湯装置に、付加機能としてブラインを加熱する機能を加えた多機能給湯装置があり、例えば、そのブラインの熱を床暖房等に利用している。図３は、そのような従来の多機能給湯装置１の一実施例での構成を示す模式図である。ヒートポンプユニット１ａで９０℃程度に加熱された湯は、タンクユニット１ｂ内の貯湯タンク１１に貯留され、使用時に水道からの冷水と混合して温度調節した後、主に台所や風呂等に供給される。
【０００３】
また、タンクユニット１ｂ内にはブライン加熱用熱交換器４があり、給湯用循環ポンプ１３及びブライン用循環ポンプ５を作動して、給湯通路４ｃを流通する高温の湯とブライン通路４ｂを流通するブラインとを熱交換させてブラインを加熱し、図示しない床暖房パネル等に供給される。
【０００４】
因みに、床暖房用等に湯水回路とは別にブライン回路を設けているのは、冬季の深夜等に床暖房パネル内の配管が凍結割れを起こすことを防止するためであり、ブラインには不凍液等が用いられる。
【０００５】
そして、このような床暖房は、人体が直接床材に触れても快適な暖房感が得られるよう、流体を熱く感じない６０℃程度の温度で供給し、冷たく感じない４０℃程度の温度で戻ってくるよう、温度と流量をコントロールしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ブライン加熱用熱交換器４でブラインを上記の温度程度に加熱した湯は、給湯通路４ｃから貯湯タンク１１へ４５〜５０℃位の温度で戻ってくるため、貯湯タンク１１の下部には水道水温度より高い温度の湯が蓄えられてゆくこととなる。
【０００７】
この状態でヒートポンプユニット１ａを運転して給湯水を９０℃まで焚き上げようとすると、冷媒水熱交換器６の湯水通路６ｂ側での給水温度が高いため、高圧冷媒通路６ａ側での出口冷媒温度も高くなってしまい、冷凍サイクルでの加熱能力は減少し、圧縮の動力に対する加熱効率が低下してしまう問題がある。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題に鑑みて成されたものであり、その目的は、高温の給湯水加熱と中間温度のブライン加熱とを効率良く行える多機能給湯装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では以下の技術的手段を採用する。
【００１０】
請求項１記載の発明では、圧縮機（２）を中間圧圧縮部（２ａ）と高圧圧縮部（２ｂ）とで構成し、その間に冷媒分配弁（３）を設けると共に、減圧手段（８）を中間圧減圧手段（８ａ）と高圧減圧手段（８ｂ）とで構成し、冷媒回路（Ｒ）は、中間圧圧縮部（２ａ）で中間圧まで圧縮した冷媒を冷媒分配弁（３）で２方向へ分配し、一方はブライン加熱用熱交換器（４）を流通してブラインを中間温に加熱した後、中間圧減圧手段（８ａ）で減圧されて冷媒空気熱交換器（９）へ戻る中間圧冷媒回路（Ｒ１）とし、もう一方は更に高圧圧縮部（２ｂ）で高圧まで圧縮し、冷媒水熱交換器（６）を流通して給湯水を高温に加熱した後、高圧減圧手段（８ｂ）で中間圧まで減圧して中間圧冷媒回路（Ｒ１）のブライン加熱用熱交換器（４）と中間圧減圧手段（８ａ）との間に合流する高圧冷媒回路（Ｒ２）とし、
冷媒水熱交換器（６）に中間圧冷媒通路（６ｃ）を設けて湯水通路（６ｂ）の入口側に熱交換可能に接合し、中間圧冷媒通路（６ｃ）にブライン加熱用熱交換器（４）を流通してブラインを加熱した後の冷媒を流通させることにより、中間圧冷媒と湯水通路（６ｂ）に流入する給湯水とを熱交換させて給湯水を加熱することを特徴とする。
【００１１】
これは、超臨界ヒートポンプサイクルを用いることにより、給湯に適した高温（例えば９０℃程度）までの加熱と、その給湯よりも低い中間温（例えば６０℃程度）までの加熱とが可能となる。
【００１２】
そして、給湯よりも低い中間温度帯で使用する機器（例えば床暖房）に対して中間温度のブラインを供給する上では、ブラインを必要温度まで加熱するのに必要な冷媒温度まで中間圧圧縮部（２ａ）で昇圧、昇温を行い、給湯に対しては、その中間圧力から給湯水を必要温度まで加熱するのに必要な冷媒温度まで高圧圧縮部（２ｂ）で昇圧、昇温を行うことにより、高温の給湯水加熱と中間温度のブライン加熱とを効率良く行うことができる。
【００１３】
更に、これらブライン加熱と給湯加熱との稼動状況による負荷変動に対しては、冷媒分配弁（３）で冷媒分配量を可変することと、両圧縮部（２ａ、２ｂ）での能力を可変することで対応することにより、常に冷凍サイクルを効率良く稼動させることができる。
【００１４】
更に、請求項１記載の発明では、冷媒水熱交換器（６）に中間圧冷媒通路（６ｃ）を設けて湯水通路（６ｂ）の入口側に熱交換可能に接合し、中間圧冷媒通路（６ｃ）にブライン加熱用熱交換器（４）を流通してブラインを加熱した後の冷媒を流通させることにより、中間圧冷媒と湯水通路（６ｂ）に流入する給湯水とを熱交換させて給湯水を加熱することを特徴とする。
【００１５】
これは、冷媒水熱交換器（６）を流通して給湯水を加熱した後の冷媒温度は、水道水温度よりも数℃高い程度である。これに対して、ブライン加熱用熱交換器（４）を流通してブラインを加熱した後の冷媒温度は、例えば床暖房の場合は５０℃程度（床暖房パネルからの戻り水温４０℃に対してプラス１０℃程度）であり、冷媒水熱交換器（６）を出た低温冷媒と合流させて冷媒空気熱交換器（９）で吸熱させるには温度が高い。
【００１６】
違う見方をすれば、まだ加熱能力が残っていることに発明者らは着目し、冷媒水熱交換器（６）にこの中間圧冷媒を流通させる中間圧冷媒通路（６ｃ）を設けて湯水通路（６ｂ）の入口側に熱交換可能に接合することにより、湯水通路（６ｂ）に流入する給湯水を加熱するようにしたものである。
【００１７】
これにより、ブラインを加熱した後の中間圧冷媒の熱によっても給湯水の加熱が行われると共に、冷媒水熱交換器（６）の両冷媒通路（６ａ、６ｃ）からは充分に熱交換して低温となった冷媒が流出し、後流の冷媒空気熱交換器（９）で充分に吸熱できることから冷凍サイクルを効率良く稼動させることができる。
【００１８】
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。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の多機能給湯装置を図面に基づいて説明する。
【００２０】
（実施の前提となる形態）
図１は、本発明の実施の前提となる形態における多機能給湯装置の構成を示す模式図である。本形態での多機能給湯装置１は、超臨界ヒートポンプサイクルを用いて給湯用水を高温（本形態では約９０℃）に加熱すると共に、熱交換媒体となる不凍液等のブラインを中間温度（本形態では約６０℃）に加熱して、そのブラインを住居内の床暖房等に利用するものである。
【００２１】
尚、超臨界ヒートポンプサイクル（以下、ヒートポンプと略す）とは、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルを言い、例えば二酸化炭素、エチレン、エタン、酸化窒素等を冷媒とするヒートポンプサイクルである。
【００２２】
給湯装置１は大きく分けて、主に後述する冷凍サイクル機器が収納されたヒートポンプユニット１ａと、主に貯湯タンク１１が収納されたタンクユニット１ｂとよりなる。また、ヒートポンプユニット１ａ内は、大きく分けてヒートポンプサイクルの冷媒回路Ｒと、給湯関係の湯水回路Ｗと、図示しない床暖房パネル等に接続するブライン回路Ｂとで構成されている。尚、本給湯装置１の作動を制御する図示しない制御回路については説明を省略する。
【００２３】
まず、ヒートポンプサイクルの冷媒回路Ｒは、冷媒を圧縮する圧縮機２と、給湯用水の加熱手段である冷媒水熱交換器６と、減圧手段である減圧弁８と、大気から吸熱するための冷媒空気熱交換器９と、冷媒量を調整するアキュームレータ１０とを環状に接続して構成され、冷媒として臨界温度の低い二酸化炭素（ＣＯ2）が封入されている。
【００２４】
圧縮機２は、内蔵するモータによって駆動され、吸引したガス冷媒を中間圧まで昇圧して吐出する中間圧圧縮部２ａと、その中間圧まで昇圧した冷媒を再度取り込んで、臨界圧力以上の高圧にまで昇圧して吐出する高圧圧縮部２ｂとで構成しており、これらが密閉容器内に収納されている。また、中間圧圧縮部２ａと高圧圧縮部２ｂとの冷媒吐出量は、それぞれ可変できるようになっている。尚、この両圧縮部２ａ、２ｂは２台の圧縮機で構成しても良いことは言うまでもない。
【００２５】
冷媒水熱交換器６は、両圧縮部２ａ＋２ｂで昇圧された高温高圧のガス冷媒と給湯用水とを熱交換して給湯用水を加熱するもので、高圧冷媒通路６ａに隣接して湯水通路６ｂが設けられ、その高圧冷媒通路６ａを流れる冷媒の流れ方向と湯水通路６ｂを流れる給湯用水の流れ方向とが対向するように構成されている。
【００２６】
減圧弁８は、冷媒水熱交換器６及び後述するブライン加熱用熱交換器４と冷媒空気熱交換器９との間に設けられ、本構成では冷媒水熱交換器６で冷却された冷媒を高圧から中間圧まで減圧する高圧減圧弁８ｂと、その中間圧に減圧された冷媒とブライン加熱用熱交換器４で冷却された冷媒とを合わせて中間圧から減圧して冷媒空気熱交換器９に供給する中間圧減圧弁８ａとの２つで構成している。また、この減圧弁８ａ、８ｂは、弁開度を電気的に調整可能な構成を有し、図示しない制御装置により通電制御される。
【００２７】
冷媒空気熱交換器９は、図示しない送風ファンによる送風を受けて、減圧弁８ａ、８ｂで減圧された冷媒を大気との熱交換によって蒸発させる。アキュームレータ１０は、冷媒空気熱交換器９で蒸発した冷媒を気液分離してサイクル中の余剰冷媒を蓄えて冷媒量を調整すると共に、ガス冷媒のみ中間圧圧縮部２ａに吸引させる。
【００２８】
また、冷媒回路Ｒは、圧縮機２の両圧縮部２ａ、２ｂの間に冷媒分配弁３を設け、中間圧圧縮部２ａで中間圧まで圧縮した冷媒を２方向へ分配するようにしている。一方の中間圧冷媒回路Ｒ１は、ブライン加熱用熱交換器４を流通してブラインを中間温に加熱した後、中間圧減圧弁８ａで減圧されて冷媒空気熱交換器９へ戻る。
【００２９】
また、もう一方の高圧冷媒回路Ｒ２は、更に高圧圧縮部２ｂで高圧まで圧縮し、冷媒水熱交換器６を流通して給湯水を高温に加熱した後、高圧減圧弁８ｂで中間圧まで減圧され、中間圧冷媒回路Ｒ１のブライン加熱用熱交換器４と中間圧減圧弁８ａとの間に合流するようになっている。
【００３０】
次に、給湯関係の湯水回路Ｗは、給湯用水の加熱手段である上記冷媒水熱交換器６の湯水通路６ｂと、給湯用水を循環させる給湯用循環ポンプ７と、給湯用水を貯留する貯湯タンク１１とを環状に接続して構成される。
【００３１】
給湯用循環ポンプ７は、図１に矢印で示すように、貯湯タンク１１内の下部に設けられた給水出口から冷水を冷媒水熱交換器６の湯水通路６ｂを通して貯湯タンク１１の上部に設けられた給湯入口から還流する様に水流を発生させる。この給湯用循環ポンプ７は、内蔵するモータ（図示しない）の回転数に応じて流水量を調節することができる。
【００３２】
貯湯タンク１１は、耐蝕性に優れた金属製（例えばステンレス製）で断熱構造を有し、高温の給湯用水を長時間に渡って保温することができる。貯湯タンク１１に貯留された給湯用水は、出湯時に温調弁１２で水道からの冷水と混合して温度調節した後、主に台所や風呂等で使用される。
【００３３】
次に、図示しない床暖房パネルに接続するブライン回路Ｂは、ブライン加熱用熱交換器４と、ブライン用循環ポンプ５とを接続してなる。
【００３４】
ブライン加熱用熱交換器４は、中間圧圧縮部２ａで昇圧された中間温中間圧のガス冷媒とブラインとを熱交換してブラインを加熱するもので、中間圧冷媒通路４ａに隣接してブライン通路４ｂが設けられ、その中間圧冷媒通路４ａを流れる冷媒の流れ方向とブライン通路４ｂを流れるブラインの流れ方向とが対向するように構成されている。
【００３５】
ブライン用循環ポンプ５は、上記のブライン加熱用熱交換器４と図示しない床暖房パネルとの間でブラインを循環させるものである。このブライン用循環ポンプ５は、内蔵するモータ（図示しない）の回転数に応じてブラインの流量を調節することができる。
【００３６】
そして、圧縮機２、給湯用循環ポンプ７及びブライン用循環ポンプ５作動して、冷媒水熱交換器６では高圧冷媒通路６ａを流通する高温高圧の冷媒と湯水通路６ｂを流通する給湯水とを熱交換して給湯水を高温に加熱すると共に、ブライン加熱用熱交換器４では中間圧冷媒通路４ａを流通する中間温中間圧の冷媒とブライン通路４ｂを流通するブラインとを熱交換してブラインを中間温に加熱するものである。
【００３７】
このように、超臨界ヒートポンプサイクルを用いることにより、給湯に適した高温（例えば９０℃程度）までの加熱と、その給湯よりも低い中間温（例えば６０℃程度）までの加熱とが可能となる。
【００３８】
そして、給湯よりも低い中間温度帯で使用する機器（例えば床暖房）に対して中間温度のブラインを供給する上では、ブラインを必要温度まで加熱するのに必要な冷媒温度まで中間圧圧縮部２ａで昇圧、昇温を行い、給湯に対しては、その中間圧力から給湯水を必要温度まで加熱するのに必要な冷媒温度まで高圧圧縮部２ｂで昇圧、昇温を行うことにより、高温の給湯水加熱と中間温度のブライン加熱とを効率良く行うことができる。
【００３９】
更に、これらブライン加熱と給湯加熱との稼動状況による負荷変動に対しては、冷媒分配弁３で冷媒分配量を可変することと、両圧縮部２ａ、２ｂでの能力を可変することで対応することにより、常に冷凍サイクルの稼動を効率良く行うことができる。
【００４０】
（本発明の実施形態）
図２は、本発明の実施形態における多機能給湯装置の構成を示す模式図である。実施の前提となる形態と異なるのは、冷媒水熱交換器６に中間圧冷媒通路６ｃを設けて湯水通路６ｂの入口側に熱交換可能に接合している点である。そして、その中間圧冷媒通路６ｃにブライン加熱用熱交換器４を流通してブラインを加熱した後の冷媒を流通させることにより、中間圧冷媒と湯水通路６ｂに流入する給湯水とを熱交換させて給湯水を加熱している。
【００４１】
これにより、ブラインを加熱した後の中間圧冷媒の熱によっても給湯水の加熱が行われると共に、冷媒水熱交換器６の両冷媒通路６ａ、６ｃからは充分に熱交換して低温となった冷媒が流出し、後流の冷媒空気熱交換器９で充分に吸熱できることから冷凍サイクルを効率良く稼動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の前提となる形態における多機能給湯装置の構成を示す模式図である。
【図２】  本発明の実施形態における多機能給湯装置の構成を示す模式図である。
【図３】  従来の多機能給湯装置の一実施例での構成を示す模式図である。
【図１】
0004062930.tif 000002
【図２】
0004062930.tif 000003
【図３】
0004062930.tif 000004