JP4561093B2 - 給湯用ヒートポンプサイクル - Google Patents

Description

本発明は、低温側の熱を高温側に移動させるヒートポンプサイクルを給湯用水の加熱に利用した給湯用ヒートポンプサイクルに関するものであり、特に室外熱交換器に発生（着霜）した霜を取り除くための除霜運転に関するものである。

低温側の熱を高温側に移動させるヒートポンプサイクルとして、膨張弁などの減圧手段により等エンタルピ的に冷媒を減圧する膨張弁サイクルと、エジェクタにて冷媒を減圧膨張させて蒸発器にて蒸発した気相冷媒を吸引すると共に、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒圧縮機の吸入圧を上昇させるエジェクタサイクルとがある。

このヒートポンプサイクルを給湯用水の加熱に利用した給湯用ヒートポンプサイクルなどにおいては、冬場などの外気温度が低い環境下で沸き上げを行うと、外気と熱交換する室外熱交換器（冷媒蒸発器）に着霜が発生するため、発生（着霜）した霜を取り除くための除霜運転が必要となる。

膨張弁サイクルの従来の除霜方法としては、特許文献１にも記載されているようなホットガスバイパス除霜方式があり、加熱運転モードのまま冷媒圧縮機で発生した高温冷媒の一部を室外熱交換器に供給して、除霜を行なう方法が知られている。また、エジェクタサイクルの除霜方法としては、本出願人が先に出願した特許文献１に記載されているようなホットガスバイパス除霜方式があり、これも加熱運転モードのまま冷媒圧縮機で発生した高温冷媒の一部を室外熱交換器に供給して除霜を行う方法として提案されている。
特公平７−９９２９７号公報 特開２００３−８３６２２号公報

しかしながら、上記した従来の除霜方法はいずれも、除霜のための専用バイパス回路を構成しなければならず、配管経路が複雑となってコストもかかるという問題点がある。本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、専用バイパス回路を構成することなく簡素なサイクル構成にて除霜の行うことのできる給湯用ヒートポンプサイクルを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項１０に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、冷凍サイクル内の冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離器（４）と、気液分離器（４）より気相冷媒を吸入し加圧して吐出する冷媒圧縮機（１）と、冷媒圧縮機（１）で加圧された高温冷媒で給湯用水を加熱する水冷媒熱交換器（２）と、水冷媒熱交換器（２）に給湯用水を供給する給湯用水供給手段（６）と、気液分離器（４）より供給される液相冷媒と外気とで熱交換する空気冷媒熱交換器（５）と、気液分離器（４）から空気冷媒熱交換器（５）の冷媒入口側に至る冷媒流路（Ｒ３）に設けられて所定の圧力損失を発生させる絞り手段と、冷媒圧縮機（１）で加圧され水冷媒熱交換器（２）を経由して流入する高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル（３ａ）、ノズル（３ａ）から噴射する高い速度の冷媒流により低圧側に接続される空気冷媒熱交換器（５）で蒸発した気相冷媒を吸引し、その吸引した冷媒とノズル（３ａ）から噴射する冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させて気液分離器（４）に流入させる昇圧部（３ｃ、３ｄ）および、絞り開度を制御することにより高圧冷媒の圧力を制御する可変絞り手段（３ｅ）を有するエジェクタ（３）と、この冷凍サイクルの作動を制御する制御手段（８）とを備え、
制御手段（８）は、空気冷媒熱交換器（５）に発生した霜を取り除くための除霜運転として、可変絞り手段（３ｅ）を予め除霜運転のために設定された所定開度まで開くと共に、給湯用水供給手段（６）を停止させ、かつ、制御手段（８）は、除霜運転時に冷媒圧縮機（１）で加圧される冷媒の温度が、除霜運転を開始する直前の給湯用水の検出された沸き上げ温度以下となるように調整することを特徴としている。

この発明によれば、エジェクタサイクルにおいて空気冷媒熱交換器（５）の除霜を行う場合、可変絞り手段（３ｅ）を予め除霜運転のために設定された所定開度まで開くことにより、高圧側から流れてくる高温冷媒がエジェクタ（３）を通過して気液分離器（４）内に流入し、内部の液冷媒を加熱したのち空気冷媒熱交換器（５）へ流れることから、専用バイパス回路を構成することなく簡素なサイクル構成にて除霜の行うことができる。このとき合わせて、水冷媒熱交換器（２）に給湯用水を供給する給湯用水供給手段（６）を停止させることにより、不要な水冷媒熱交換器（２）での熱交換を抑えることができ、除霜能力が向上して除霜時間を短縮することができる。また、直前の検出された沸き上げ温度以下となるまで高圧圧力を低下させることで、更に不要な水冷媒熱交換器（２）での熱交換を抑えることができるうえ、圧縮機動力を低減できて無駄のない除霜運転とすることができる。

また、請求項２に記載の発明では、制御手段（８）は、除霜運転時に冷媒圧縮機（１）で加圧される冷媒の温度が除霜運転を開始する直前の給湯用水の検出された沸き上げ温度以下となるように調整するために、除霜運転を開始する直前の給湯用水の検出された沸き上げ温度よりも、水冷媒熱交換器（２）より流出する検出された冷媒温度が高くならないように、冷媒圧縮機（１）の回転数を調整することを特徴としている。

この発明によれば、直前の検出された沸き上げ温度以下となるまで冷媒圧縮機（１）の回転数を調整して、検出された冷媒温度を適度な値にすることで、不要な水冷媒熱交換器（２）内での熱交換を抑えることができるうえ、圧縮機動力を低減できて無駄のない効率的な除霜運転とすることができる。
ちなみに、気液分離器（４）と冷媒圧縮機（１）との間の冷媒と、高圧側の水冷媒熱交換器（２）の出口とエジェクタ（３）との間の冷媒とを熱交換する内部熱交換器が設置されたサイクルでは、高圧側の部品全体の温度がバランスするまで除霜能力が出にくい特性があるが、その温度を直前の沸き上げ温度以下とすることによって、安定までの時間が短縮でき、結果として除霜時間が短縮できる。

また、請求項３に記載の発明では、給湯用ヒートポンプサイクルの低圧側に冷媒加熱手段（１４）を設けると共に、制御手段（８）は、除霜運転時に冷媒加熱手段（１４）にて冷媒の加熱を行うことを特徴としている。この請求項３に記載の発明によれば、このような専用バイパス回路を用いない除霜システムでは、水冷媒熱交換器（２）の熱容量によって初期的には高温冷媒が温度低下してしまい除霜能力が十分確保されない場合がある。そこで、この高圧側からの冷媒の熱エネルギーに加え、低圧側に加熱ヒータなどの冷媒加熱手段（１４）を設けて冷媒を直接加熱することにより、除霜能力を格段に向上させて除霜時間を更に短縮することができる。

また、請求項４に記載の発明では、冷媒加熱手段（１４）を、エジェクタ（３）から気液分離器（４）を経て空気冷媒熱交換器（５）に至る冷媒経路のいずれかの部品に取り付けたことを特徴としている。この請求項４に記載の発明によれば、気液分離器（４）から空気冷媒熱交換器（５）・エジェクタ（３）を巡回する冷媒経路のいずれかの部品に冷媒加熱手段（１４）を取り付けても同様の効果を発揮することができる。

また、請求項５に記載の発明では、冷媒加熱手段（１４）を、気液分離器（４）に設けたことを特徴としている。この請求項５に記載の発明によれば、冷媒加熱手段（１４）を設置することが容易であるうえ、空気冷媒熱交換器（５）へ供給する液冷媒を効率良く加熱することができる。

また、請求項６に記載の発明では、気相冷媒を吸入し加圧して吐出する冷媒圧縮機（１）と、冷媒圧縮機（１）で加圧された高温冷媒で給湯用水を加熱する水冷媒熱交換器（２）と、水冷媒熱交換器（２）に給湯用水を供給する給湯用水供給手段（６）と、絞り開度を制御することにより水冷媒熱交換器（２）を流通した冷媒を減圧膨張させる可変の減圧膨張手段（１３）と、減圧膨張手段（１３）より供給される冷媒を外気と熱交換したのち冷媒圧縮機（１）へ流出させる空気冷媒熱交換器（５）と、この冷凍サイクルの作動を制御する制御手段（８）とを備え、
制御手段（８）は、空気冷媒熱交換器（５）に発生した霜を取り除くための除霜運転として、減圧膨張手段（１３）を予め除霜運転のために設定された所定開度まで開くと共に、給湯用水供給手段（６）を停止させ、かつ制御手段（８）は、除霜運転時に冷媒圧縮機（１）で加圧される冷媒の温度が除霜運転を開始する直前の給湯用水の検出された沸き上げ温度以下となるように調整することを特徴としている。

この発明によれば、通常の膨張弁サイクルにおいて空気冷媒熱交換器（５）の除霜を行う場合、減圧膨張手段（１３）を予め除霜運転のために設定された所定開度まで開くことにより、高圧側から流れてくる高温冷媒が空気冷媒熱交換器（５）へ流れることから、専用バイパス回路を構成することなく簡素なサイクル構成にて除霜の行うことができる。このとき合わせて、水冷媒熱交換器（２）に給湯用水を供給する給湯用水供給手段（６）を停止させることにより、不要な水冷媒熱交換器（２）での熱交換を抑えることができ、除霜能力が向上して除霜時間を短縮することができる。また、直前の検出された沸き上げ温度以下となるまで高圧圧力を低下させることで、不要な水冷媒熱交換器（２）での熱交換を抑えることができるうえ、圧縮機動力を低減できて無駄のない除霜運転とすることができる。

また、請求項７に記載の発明では、制御手段（８）は、除霜運転時に冷媒圧縮機（１）で加圧される冷媒の温度が除霜運転を開始する直前の給湯用水の検出された沸き上げ温度以下となるように調整するために、除霜運転を開始する直前の給湯用水の検出された沸き上げ温度よりも、水冷媒熱交換器（２）より流出する検出された冷媒温度が高くならないように、冷媒圧縮機（１）の回転数を調整することを特徴としている。

この発明によれば、直前の検出された沸き上げ温度以下となるまで冷媒圧縮機（１）の回転数を調整して、検出された冷媒温度を適度な値にすることで、不要な水冷媒熱交換器（２）内での熱交換を抑えることができるうえ、圧縮機動力を低減できて無駄のない効率的な除霜運転とすることができる。
ちなみに、気液分離器（４）と冷媒圧縮機（１）との間の冷媒と、高圧側の水冷媒熱交換器（２）の出口と減圧膨張手段（１３）との間の冷媒とを熱交換する内部熱交換器が設置されたサイクルでは、高圧側の部品全体の温度がバランスするまで除霜能力が出にくい特性があるが、その温度を直前の沸き上げ温度以下とすることによって、安定までの時間が短縮でき、結果として除霜時間が短縮できる。

また、請求項８に記載の発明では、給湯用ヒートポンプサイクルの低圧側に冷媒加熱手段（１４）を設けると共に、制御手段（８）は、除霜運転時に冷媒加熱手段（１４）にて冷媒の加熱を行うことを特徴としている。この請求項８に記載の発明によれば、このような専用バイパス回路を用いない除霜システムでは、水冷媒熱交換器（２）の熱容量によって初期的には高温冷媒が温度低下してしまい除霜能力が十分確保されない場合がある。そこで、この高圧側からの冷媒の熱エネルギーに加え、低圧側に加熱ヒータなどの冷媒加熱手段（１４）を設けて冷媒を直接加熱することにより、除霜能力を格段に向上させて除霜時間を更に短縮することができる。

また、請求項９に記載の発明では、冷媒加熱手段（１４）を、減圧膨張手段（１３）から空気冷媒熱交換器（５）に至る冷媒経路のいずれかの部品に取り付けたことを特徴としている。この請求項９に記載の発明によれば、減圧膨張手段（１３）から空気冷媒熱交換器（５）に至る冷媒経路のいずれかの部品に冷媒加熱手段（１４）を取り付けても同様の効果を発揮することができる。

また、請求項１０に記載の発明では、冷媒加熱手段（１４）を、減圧膨張手段（１３）と空気冷媒熱交換器（５）とを接続する冷媒配管（Ｒ３）に設けたことを特徴としている。この請求項１０に記載の発明によれば、冷媒加熱手段（１４）を設置することが容易であるうえ、空気冷媒熱交換器（５）へ供給する液冷媒を効率良く加熱することができる。尚、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。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。本実施形態は、本発明に係るエジェクタを用いたヒートポンプサイクルを貯湯式給湯装置に適用したものであり、図１は、本発明の第１実施形態における貯湯式給湯装置の模式図である。

本実施形態での貯湯式給湯装置は、超臨界ヒートポンプサイクルを用いて給湯用水を高温（本実施形態では約９０℃）に加熱して利用するものである。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。

貯湯式給湯装置は大きく分けて、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１００と、主に後述する貯湯タンク（貯湯槽）７が収納されたタンクユニットと、それらの間を連結する循環配管とからなる。また、ヒートポンプユニット１００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、給湯関係の給湯用水加熱回路Ｋとで構成されている。

まず、ヒートポンプサイクルの冷媒回路Ｒは、冷媒を圧縮する冷媒圧縮機１、給湯用水の加熱手段である給湯用熱交換器（水冷媒熱交換器）２、後述するエジェクタ３、冷媒を気液分離する気液分離器４を環状に接続した第１冷媒回路Ｒ１と、先の気液分離器４、所定の圧力損失を発生させる絞り手段、外気から吸熱するための室外熱交換器（空気冷媒熱交換器）５、先のエジェクタ３を環状に接続した第２冷媒回路（請求項でいう冷媒流路）Ｒ２とで構成され、冷媒として臨界温度の低い二酸化炭素（以下、ＣＯ_２と記す）が封入されている。

冷媒圧縮機１は、内蔵する駆動モータと、吸引したガス冷媒を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。尚、レシプロ・ロータリー・スクロール等の方式は問わない。また、エンジン駆動式であっても良い。

給湯用熱交換器２は、冷媒圧縮機１の高圧圧縮部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２ａに隣接して給湯用水通路２ｂが設けられ、その高圧冷媒通路２ａを流れる冷媒の流れ方向と給湯用水通路２ｂ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。

図２は、本発明の実施形態に係るエジェクタ３の断面模式図である。本実施形態での特徴構成であるエジェクタ３の構造について、図２の断面模式図にて説明する。エジェクタ３は、冷媒圧縮機１で加圧され給湯用熱交換器２を経由して流入する高圧冷媒の圧力エネルギー（圧力ヘッド）を速度エネルギー（速度ヘッド）に変換して冷媒を減圧膨張させるノズル３ａと、そのノズル３ａから噴射する高い速度の冷媒流により低圧側に接続した室外熱交換器５で蒸発した気相冷媒を吸引する吸引部３ｂと、その吸引した冷媒とノズル３ａから噴射する冷媒とを混合させる混合部３ｃと、速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ３ｄとを有するエジェクタである。

ノズル３ａの冷媒上流側には、絞り開度を制御することにより高圧冷媒の圧力を制御する可変絞り機構（可変絞り手段）３ｅを設けている。この可変絞り機構３ｅは、後述する制御装置（制御手段）８により通電制御される。これにより、除霜運転時に絞りを所定開度まで開くことができるようになる。

尚、エジェクタ３から噴出する冷媒は、必ずしもディフィーザ３ｄのみで昇圧されるものではなく、混合部３ｃにおいても、低圧側で蒸発した気相冷媒を吸引する際に冷媒圧力を上昇させるので、混台部３ｃとディフィーザ３ｄとを総称して昇圧部と呼ぶ。また、本実施形態では、混合部３ｃの断面積はディフューザ３ｄまで一定であるが、混合部３ｃの断面積をディフューザ３ｄに向かうほど大きくなるようにテーパ状としても良い。

これにより、エジェクタ３の動力回収効果により膨張弁を用いた場合と比べて２０％ほど熱交換効率（ＣＯＰ）を向上させることができる。また、冷媒回路Ｒを流通する冷媒は、ＣＯ２冷媒であり、ＣＯ２冷媒のように冷媒圧縮機１からの吐出圧力が高い方が、エジェクタ３の効果を得易い。そしてエジェクタ３から流出した冷媒は気液分離器４に流入される。

気液分離器４に流入した気液二相冷媒は、ガス冷媒と液冷媒とに分離され、ガス冷媒は先の冷媒圧縮機１に吸引される。また液冷媒は、図示しないキャピラリーチューブなどの所定の圧力損失を発生させる絞り手段を経て室外熱交換器５に供給され、図示しない送風ファンによる送風を受け、外気から吸熱して蒸発する。そして、室外熱交換器５から流出する冷媒は、先のエジェクタ３の吸引部３ｂから吸引されて循環する。

次に、給湯関係の給湯用水加熱回路Ｋは、給湯用水の加熱手段である給湯用熱交換器２の給湯用水通路２ｂと、給湯用水を循環させる給水ポンプ６と、給湯用水を貯留する貯湯タンク７とを環状に接続して構成される。給水ポンプ６は、図１に示すように、貯湯タンク７の下部に設けられた冷水流出部７ａから冷水を給湯用熱交換器２の給湯用水通路２ｂに供給し、貯湯タンク７の上部に設けられた温水流入部７ｂから還流する様に水流を発生させる。この給水ポンプ６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。

貯湯タンク７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７に貯留された高温の給湯用水は、貯湯タンク７の上部に設けられた温水流出部７ｃから出湯され、出湯時に図示しない温調弁で水道からの冷水と混合して温度調節した後、主に台所や風呂などに給湯される。また、貯湯タンク７内の下部に設けられた冷水流入部７ｄからは水道からの冷水が給湯用水として補給（給水）されるようになっている。

尚、本貯湯式給湯器には少なくとも、室外熱交換器５と熱交換する外気の温度を検出するサーミスタ等の外気温度センサ９と、室外熱交換器５から流出する冷媒の温度を検出するサーミスタ等の低圧冷媒温度センサ１０と、給湯用熱交換器２より流出する給湯用水の温度を検出するサーミスタ等の沸き上げ温度センサ１１と、給湯用熱交換器２より流出する冷媒の温度を検出するサーミスタ等の高圧冷媒温度センサ１２とを備えており、各温度センサ９〜１２の検出信号は後述する制御装置８に入力される。尚、高圧側の冷媒温度は、高圧側の圧力を検出する図示しない圧力センサーの検出値から算出しても良い。

また、本実施形態の特徴構成として気液分離器４に、貯留された液冷媒を加熱するための冷媒加熱ヒータ（冷媒加熱手段）１４を設けており、この冷媒加熱ヒータ１４は、後述する制御装置８により通電制御される。そして８は、本貯湯式給湯装置の作動を制御する制御装置であり、図示しない操作パネル・各部の温度センサ・その他の機器からの信号が入力され、冷媒圧縮機１・可変絞り機構３ｅ・給水ポンプ６・冷媒加熱ヒータ１４などに制御信号を出力する。

次に、本実施形態での作動の概要を説明する。まず、冷媒圧縮機１で冷媒を吸引し圧縮して吐出する。吐出された高温高圧の冷媒は、給湯用熱交換器２の高圧冷媒通路２ａに流入し、隣接して設けられた給湯用水通路２ｂを流通する給湯用水と熱交換することにより、冷媒は冷却され給湯用水は加熱される。加熱された給湯用水（高温水）は、貯湯タンク７に貯められて給湯用途に使用される。

一方、給湯用熱交換器２で冷却された高圧の冷媒は、可変絞り機構３ｅを経てエジェクタ３のノズル３ａから気液二相冷媒で噴射されたのち気液分離器４に流入して液冷媒とガス冷媒とに分離され、液冷媒は貯留され、ガス冷媒のみ先の冷媒圧縮機１に再び吸引される。また液冷媒は、図示しないキャピラリーチューブなどの所定の圧力損失を発生させる絞り手段を経て室外熱交換器５に供給され、図示しない送風ファンによる送風を受け、外気から吸熱して蒸発する。そして、室外熱交換器５から流出する冷媒は、先のエジェクタ３の吸引部３ｂから吸引されて循環する。

次に、上述した本実施形態での除霜運転の概要を説明する。図３は、本発明の第１実施形態における除霜運転のフローチャートである。まず、ステップＳ１では、本貯湯式給湯器が運転中であるか否かを判定し、運転中である場合にステップＳ２へと進む。ステップＳ２では、先の外気温度センサ９で検出される外気温度が１０℃以下であるか否かを判定し、外気温度が１０℃以下の場合にステップ３へと進む。ステップＳ３では、外気温度センサ９の検出された外気温度と、先の低圧冷媒温度センサ１０で検出される室外熱交換器５（エバポレータ）出口の冷媒温度との差が１０℃以上であるか否かを判定し、その温度差が１０℃以上である場合には着霜したと判断し、以下の除霜作動を行う。

まず、ステップＳ４でエジェクタ３の可変絞り機構３ｅをほぼ全開となるよう所定開度まで開き、ついでステップＳ５で給湯用水を循環する給水ポンプ６を停止させ給湯用熱交換器２での熱交換を抑える。更にステップＳ６で、先の沸き上げ温度センサ１１で検出される除霜運転を開始する直前の給湯用水の沸き上げ温度に対し、先の高圧冷媒温度センサ１２で検出される給湯用熱交換器２より流出する冷媒温度が無駄に高くならないよう冷媒圧縮機（コンプレッサ）１の回転数を調整する。

その後、高温のままの冷媒がエジェクタ３で減圧され気液分離器４へと流れる。この高温冷媒は、エジェクタ３にて室外熱交換器５からの冷媒と混合する。気液分離機４からは液冷媒のみが室外熱交換器５へと循環し、再度エジェクタ３へと吸引される。気液分離器４内のガス冷媒は冷媒圧縮機１へ吸引され、再び圧縮され給湯用熱交換器２へと送られる。また、この除霜が開始された直後からステップＳ７では冷媒加熱ヒータ１４に通電して室外熱交換器５へ送られる液冷媒の加熱を行うものである。

そしてステップＳ８では、先の低圧冷媒温度センサ１０で検出される室外熱交換器５（エバポレータ）出口の冷媒温度が１０℃以上であるか否かを判定し、冷媒温度が１０℃以上となった場合には室外熱交換器５の霜が完全に取れたと判断してステップＳ９へ進み、可変絞り機構３ｅの開度・給水ポンプ６の運転・冷媒圧縮機１の回転数などを通常の運転状態に戻し、冷媒加熱ヒータ１４への通電は停止するものである。

次に、本実施形態での特徴を説明する。まず、制御装置８は、室外熱交換器５に発生した霜を取り除くための除霜運転として、可変絞り手段３ｅを所定開度まで開くと共に、給水ポンプ６を停止させている。

これによれば、エジェクタサイクルにおいて室外熱交換器５の除霜を行う場合、可変絞り手段３ｅを所定開度まで開くことにより、高圧側から流れてくる高温冷媒がエジェクタ３を通過して気液分離器４内に流入し、内部の液冷媒を加熱したのち室外熱交換器５へ流れることから、専用バイパス回路を構成することなく簡素なサイクル構成にて除霜の行うことができる。このとき合わせて、給湯用熱交換器２に給湯用水を供給する給水ポンプ６を停止させることにより、不要な給湯用熱交換器２での熱交換を抑えることができ、除霜能力が向上して除霜時間を短縮することができる。

また、制御装置８は、除霜運転時に冷媒圧縮機１で加圧される冷媒の温度が除霜運転を開始する直前の給湯用水の沸き上げ温度以下となるように調整している。これによれば、直前の沸き上げ温度以下となるまで高圧圧力を低下させることで、更に不要な給湯用熱交換器２での熱交換を抑えることができるうえ、圧縮機動力を低減できて無駄のない除霜運転とすることができる。

また、気液分離器４と冷媒圧縮機１との間の冷媒と、高圧側の給湯用熱交換器２の出口とエジェクタ３との間の冷媒とを熱交換する内部熱交換器が設置されたサイクルでは、高圧側の部品全体の温度がバランスするまで除霜能力が出にくい特性があるが、その温度を直前の沸き上げ温度以下とすることによって、安定までの時間が短縮でき、結果として除霜時間が短縮できる。

また、給湯用ヒートポンプサイクルの低圧側に冷媒加熱ヒータ１４を設けると共に、制御装置８は、除霜運転時に冷媒加熱ヒータ１４にて冷媒の加熱を行っている。これによれば、このような専用バイパス回路を用いない除霜システムでは、給湯用熱交換器２の熱容量によって初期的には高温冷媒が温度低下してしまい除霜能力が十分確保されない場合がある。そこで、この高圧側からの冷媒の熱エネルギーに加え、低圧側に冷媒加熱ヒータ１４などの冷媒加熱手段を設けて冷媒を直接加熱することにより、除霜能力を格段に向上させて除霜時間を更に短縮することができる。

また、冷媒加熱ヒータ１４を、エジェクタ３から気液分離器４を経て室外熱交換器５に至る冷媒経路のいずれかの部品に取り付けている。これによれば、気液分離器４から室外熱交換器５・エジェクタ３を巡回する冷媒経路のいずれかの部品に冷媒加熱ヒータ１４を取り付けても同様の効果を発揮することができる。また、冷媒加熱ヒータ１４を、気液分離器４に設けている。これによれば、冷媒加熱ヒータ１４を設置することが容易であるうえ、室外熱交換器５へ供給する液冷媒を効率良く加熱することができる。

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態における貯湯式給湯装置の模式図である。上述した第１実施形態とは、エジェクタ３に換わる減圧膨張手段として、電動膨張弁（可変減圧膨張手段）１３を用いたヒートポンプサイクルとしている点が異なる。尚、この電動膨張弁１３は制御装置８にて通電制御される。また、本実施形態の特徴構成として電動膨張弁１３と室外熱交換器５とを接続する冷媒配管Ｒ３に、流通する冷媒を加熱するための冷媒加熱ヒータ１４を設けており、この冷媒加熱ヒータ１４は、制御装置８により通電制御されるようになっている。

次に、本実施形態での作動の概要を説明する。まず、冷媒圧縮機１で冷媒を吸引し圧縮して吐出する。吐出された高温高圧の冷媒は、給湯用熱交換器２の高圧冷媒通路２ａに流入し、隣接して設けられた給湯用水通路２ｂを流通する給湯用水と熱交換することにより、冷媒は冷却され給湯用水は加熱される。加熱された給湯用水（高温水）は、貯湯タンク７に貯められて給湯用途に使用される。

一方、給湯用熱交換器２で冷却された高圧の冷媒は、電動膨張弁１３で減圧膨張されて室外熱交換器５に供給され、図示しない送風ファンによる送風を受け、外気から吸熱して蒸発する。そして、室外熱交換器５から流出する冷媒は気液分離器４に流入して液冷媒とガス冷媒とに分離され、液冷媒は貯留され、ガス冷媒のみ先の冷媒圧縮機１に再び吸引される。

次に、上述した本実施形態での除霜運転の概要を説明する。図５は、本発明の第２実施形態における除霜運転のフローチャートである。まず、ステップＳ１１では、本貯湯式給湯器が運転中であるか否かを判定し、運転中である場合にステップＳ２へと進む。ステップＳ１２では、先の外気温度センサ９で検出される外気温度が１０℃以下であるか否かを判定し、外気温度が１０℃以下の場合にステップ１３へと進む。ステップＳ１３では、外気温度センサ９の検出された外気温度と、先の低圧冷媒温度センサ１０で検出される室外熱交換器５（エバポレータ）出口の冷媒温度との差が１０℃以上であるか否かを判定し、その温度差が１０℃以上である場合には着霜したと判断し、以下の除霜作動を行う。

まず、ステップＳ１４で電動膨張弁１３をほぼ全開となるよう所定開度まで開き、ついでステップＳ１５で給湯用水を循環する給水ポンプ６を停止させ給湯用熱交換器２での熱交換を抑える。更にステップＳ１６で、先の沸き上げ温度センサ１１で検出される除霜運転を開始する直前の給湯用水の沸き上げ温度に対し、先の高圧冷媒温度センサ１２で検出される給湯用熱交換器２より流出する冷媒温度が無駄に高くならないよう冷媒圧縮機（コンプレッサ）１の回転数を調整する。

その後、高温のままの冷媒が電動膨張弁１３で減圧されて室外熱交換器５へと供給され、除霜が行われる。室外熱交換器５を流通した冷媒は気液分離器４へ流入して気液分離され、ガス冷媒は冷媒圧縮機１へ吸引され、再び圧縮され給湯用熱交換器２へと送られると共に、液冷媒は貯留される。また、この除霜が開始された直後からステップＳ１７では冷媒加熱ヒータ１４に通電して室外熱交換器５へ送られる液冷媒の加熱を行うものである。

そしてステップＳ１８では、先の低圧冷媒温度センサ１０で検出される室外熱交換器５（エバポレータ）出口の冷媒温度が１０℃以上であるか否かを判定し、冷媒温度が１０℃以上となった場合には室外熱交換器５の霜が完全に取れたと判断してステップＳ９へ進み、電動膨張弁１３の開度・給水ポンプ６の運転・冷媒圧縮機１の回転数などを通常の運転状態に戻し、冷媒加熱ヒータ１４への通電は停止するものである。

次に、本実施形態での特徴を説明する。まず、制御装置８は、室外熱交換器５に発生した霜を取り除くための除霜運転として、電動膨張弁１３を所定開度まで開くと共に、給水ポンプ６を停止させている。

これによれば、通常の膨張弁サイクルにおいて室外熱交換器５の除霜を行う場合、電動膨張弁１３を所定開度まで開くことにより、高圧側から流れてくる高温冷媒が室外熱交換器５へ流れることから、専用バイパス回路を構成することなく簡素なサイクル構成にて除霜の行うことができる。このとき合わせて、給湯用熱交換器２に給湯用水を供給する給水ポンプ６を停止させることにより、不要な給湯用熱交換器２での熱交換を抑えることができ、除霜能力が向上して除霜時間を短縮することができる。

また、制御装置８は、除霜運転時に冷媒圧縮機１で加圧される冷媒の温度が除霜運転を開始する直前の給湯用水の沸き上げ温度以下となるように調整している。これによれば、直前の沸き上げ温度以下となるまで高圧圧力を低下させることで、更に不要な給湯用熱交換器２での熱交換を抑えることができるうえ、圧縮機動力を低減できて無駄のない除霜運転とすることができる。

また、気液分離器４と冷媒圧縮機１との間の冷媒と、高圧側の給湯用熱交換器２の出口と電動膨張弁１３との間の冷媒とを熱交換する内部熱交換器が設置されたサイクルでは、高圧側の部品全体の温度がバランスするまで除霜能力が出にくい特性があるが、その温度を直前の沸き上げ温度以下とすることによって、安定までの時間が短縮でき、結果として除霜時間が短縮できる。

また、給湯用ヒートポンプサイクルの低圧側に冷媒加熱ヒータ１４を設けると共に、制御装置８は、除霜運転時に冷媒加熱ヒータ１４にて冷媒の加熱を行っている。これによれば、このような専用バイパス回路を用いない除霜システムでは、給湯用熱交換器２の熱容量によって初期的には高温冷媒が温度低下してしまい除霜能力が十分確保されない場合がある。そこで、この高圧側からの冷媒の熱エネルギーに加え、低圧側に冷媒加熱ヒータ１４などの冷媒加熱手段を設けて冷媒を直接加熱することにより、除霜能力を格段に向上させて除霜時間を更に短縮することができる。

また、冷媒加熱ヒータ１４を、電動膨張弁１３から室外熱交換器５に至る冷媒経路のいずれかの部品に取り付けている。これによれば、電動膨張弁１３から室外熱交換器５に至る冷媒経路のいずれかの部品に冷媒加熱ヒータ１４を取り付けても同様の効果を発揮することができる。また、冷媒加熱ヒータ１４を、電動膨張弁１３と室外熱交換器５とを接続する冷媒配管Ｒ２に設けている。これによれば、冷媒加熱ヒータ１４を設置することが容易であるうえ、室外熱交換器５へ供給する液冷媒を効率良く加熱することができる。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、本発明に係るヒートポンプサイクルを貯湯式給湯装置に適用したが、本発明は貯湯式に限定されるものではない。また、上述の実施形態では、二酸化炭素を冷媒としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、フロンなどその他の冷媒であってもよい。また、冷媒加熱ヒータ１４は、除霜運転中常に通電を必要とするものではなく、ヒートポンプサイクル各所の温度センサーによる信号を受け、冷媒及び熱交換器の温度が上昇してきたことを受けて自動的に停止しても良い。

本発明の第１実施形態における貯湯式給湯装置の模式図である。 本発明の実施形態に係るエジェクタ３の断面模式図である。 本発明の第１実施形態における除霜運転のフローチャートである。 本発明の第２実施形態における貯湯式給湯装置の模式図である。 本発明の第２実施形態における除霜運転のフローチャートである。

符号の説明

１…冷媒圧縮機
２…給湯用熱交換器（水冷媒熱交換器）
３…エジェクタ
３ａ…ノズル
３ｃ…混合部（昇圧部）
３ｄ…ディフューザ（昇圧部）
３ｅ…可変絞り機構（可変絞り手段）
４…気液分離器
５…室外熱交換器（空気冷媒熱交換器）
６…給水ポンプ（給湯用水供給手段）
８…制御装置（制御手段）
１３…電動膨張弁（可変減圧膨張手段）
１４…冷媒加熱ヒータ（冷媒加熱手段）
Ｒ２…冷媒流路
Ｒ３…冷媒配管

Claims (10)

1. 冷凍サイクル内の冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離器（４）と、
   前記気液分離器（４）より気相冷媒を吸入し加圧して吐出する冷媒圧縮機（１）と、
   前記冷媒圧縮機（１）で加圧された高温冷媒で給湯用水を加熱する水冷媒熱交換器（２）と、
   前記水冷媒熱交換器（２）に給湯用水を供給する給湯用水供給手段（６）と、
   前記気液分離器（４）より供給される液相冷媒と外気とで熱交換する空気冷媒熱交換器（５）と、
   前記気液分離器（４）から前記空気冷媒熱交換器（５）の冷媒入口側に至る冷媒流路（Ｒ３）に設けられて所定の圧力損失を発生させる絞り手段と、
   前記冷媒圧縮機（１）で加圧され前記水冷媒熱交換器（２）を経由して流入する高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル（３ａ）、前記ノズル（３ａ）から噴射する高い速度の冷媒流により低圧側に接続される前記空気冷媒熱交換器（５）で蒸発した気相冷媒を吸引し、その吸引した冷媒と前記ノズル（３ａ）から噴射する冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させて前記気液分離器（４）に流入させる昇圧部（３ｃ、３ｄ）および、絞り開度を制御することにより高圧冷媒の圧力を制御する可変絞り手段（３ｅ）を有するエジェクタ（３）と、
   この冷凍サイクルの作動を制御する制御手段（８）とを備え、
   前記制御手段（８）は、前記空気冷媒熱交換器（５）に発生した霜を取り除くための除霜運転として、前記可変絞り手段（３ｅ）を予め前記除霜運転のために設定された所定開度まで開くと共に、前記給湯用水供給手段（６）を停止させ、
   かつ、前記制御手段（８）は、前記除霜運転時に前記冷媒圧縮機（１）で加圧される冷媒の温度が、前記除霜運転を開始する直前の給湯用水の検出された沸き上げ温度以下となるように調整することを特徴とする給湯用ヒートポンプサイクル。
2. 前記制御手段（８）は、前記除霜運転時に前記冷媒圧縮機（１）で加圧される前記冷媒の温度が前記除霜運転を開始する直前の前記給湯用水の検出された前記沸き上げ温度以下となるように調整するために、前記除霜運転を開始する直前の前記給湯用水の検出された前記沸き上げ温度よりも、前記水冷媒熱交換器（２）より流出する検出された冷媒温度が高くならないように、前記冷媒圧縮機（１）の回転数を調整することを特徴とする請求項１に記載の給湯用ヒートポンプサイクル。
3. 前記給湯用ヒートポンプサイクルの低圧側に冷媒加熱手段（１４）を設けると共に、前記制御手段（８）は、前記除霜運転時に前記冷媒加熱手段（１４）にて冷媒の加熱を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の給湯用ヒートポンプサイクル。
4. 前記冷媒加熱手段（１４）を、前記エジェクタ（３）から前記気液分離器（４）を経て前記空気冷媒熱交換器（５）に至る冷媒経路のいずれかの部品に取り付けたことを特徴とする請求項３に記載の給湯用ヒートポンプサイクル。
5. 前記冷媒加熱手段（１４）を、前記気液分離器（４）に設けたことを特徴とする請求項３に記載の給湯用ヒートポンプサイクル。
6. 気相冷媒を吸入し加圧して吐出する冷媒圧縮機（１）と、
   前記冷媒圧縮機（１）で加圧された高温冷媒で給湯用水を加熱する水冷媒熱交換器（２）と、
   前記水冷媒熱交換器（２）に給湯用水を供給する給湯用水供給手段（６）と、
   絞り開度を制御することにより前記水冷媒熱交換器（２）を流通した冷媒を減圧膨張させる可変の減圧膨張手段（１３）と、
   前記減圧膨張手段（１３）より供給される冷媒を外気と熱交換したのち前記冷媒圧縮機（１）へ流出させる空気冷媒熱交換器（５）と、
   この冷凍サイクルの作動を制御する制御手段（８）とを備え、
   前記制御手段（８）は、前記空気冷媒熱交換器（５）に発生した霜を取り除くための除霜運転として、前記減圧膨張手段（１３）を予め前記除霜運転のために設定された所定開度まで開くと共に、前記給湯用水供給手段（６）を停止させ、
   かつ、前記制御手段（８）は、前記除霜運転時に前記冷媒圧縮機（１）で加圧される冷媒の温度が前記除霜運転を開始する直前の給湯用水の検出された沸き上げ温度以下となるように調整することを特徴とする給湯用ヒートポンプサイクル。
7. 前記制御手段（８）は、前記除霜運転時に前記冷媒圧縮機（１）で加圧される前記冷媒の温度が前記除霜運転を開始する直前の前記給湯用水の検出された前記沸き上げ温度以下となるように調整するために、前記除霜運転を開始する直前の前記給湯用水の検出された前記沸き上げ温度よりも、前記水冷媒熱交換器（２）より流出する検出された冷媒温度が高くならないように、前記冷媒圧縮機（１）の回転数を調整することを特徴とする請求項６に記載の給湯用ヒートポンプサイクル。
8. 前記給湯用ヒートポンプサイクルの低圧側に冷媒加熱手段（１４）を設けると共に、前記制御手段（８）は、前記除霜運転時に前記冷媒加熱手段（１４）にて冷媒の加熱を行うことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の給湯用ヒートポンプサイクル。
9. 前記冷媒加熱手段（１４）を、前記減圧膨張手段（１３）から前記空気冷媒熱交換器（５）に至る冷媒経路のいずれかの部品に取り付けたことを特徴とする請求項８に記載の給湯用ヒートポンプサイクル。
10. 前記冷媒加熱手段（１４）を、前記減圧膨張手段（１３）と前記空気冷媒熱交換器（５）とを接続する冷媒配管（Ｒ３）に設けたことを特徴とする請求項８に記載の給湯用ヒートポンプサイクル。

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