JP2007303807A - 給湯装置の運転方法、給湯装置および流体加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大型化を伴わずに安価で、且つ、冬期、夏期等の外気温度が変化する場合、起動時の場合等において安定した加熱能力を発揮して給湯および乾燥を行なうことができる給湯装置の運転方法、給湯装置、および流体加熱装置を提供すること。
【解決手段】高サイド側冷媒経路Ｔ１内が超臨界状態に維持されて運転される冷凍サイクルを形成し、ガスクーラ４に被昇温の水、その他流体等を通流させて昇温させる給湯装置の運転方法、給湯装置、流体加熱装置において、ガスクーラ４と圧縮機２との間から膨張手段６の出口側までを接続する冷媒バイパス経路Ｔ４を設け、該冷媒バイパス経路Ｔ４に超臨界冷媒タンク３０を介装し、該超臨界冷媒タンク３０の入口側の第１電磁弁３２と出口側の第２電磁弁３４とを開閉操作して、圧縮機２の吐出側から第２電磁弁３４までの冷媒バイパス経路Ｔ４内の冷媒を超臨界状態に維持することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、外気温度の変化等にかかわらず安定した給湯および流体の加熱を行なうことができるヒートポンプシステム式の給湯装置の運転方法、給湯装置および流体加熱装置に係わるものであり、特に前記ヒートポンプシステムに炭酸ガス（ＣＯ_２）冷媒を用いた発明に関するものである。

近年、地球環境にやさしい冷媒として炭酸ガス（ＣＯ_２）冷媒の使用が促進されており、この炭酸ガス（ＣＯ_２）冷媒を用いて高圧側を超臨界圧力によって循環させるヒートポンプシステム式の給湯装置について検討が行なわれており、種々の提案がされている。
例えば、炭酸ガス冷媒使用の超臨界蒸気圧縮サイクルにおいて、高圧側を流れる循環冷媒量を調節することによって、冷却能力を制御するものが知られている（特許文献１）。
また、高圧側のガスクーラ放熱を水加熱として用いて給湯する給湯装置において、年間を通じて効率よく安定した給湯を可能にするために、季節変動による外気温度の変化に応じて生じる低圧側冷媒の圧力変動に伴う高圧側冷媒量の変動差を吸収するバッファを、高圧側のガスクーラ出口部と冷媒膨張弁に至る間において主回路より枝分かれして設けられるものが知られている（特許文献２）。
さらに、同様に、季節変動による外気温度の変化に応じて生じる低圧側冷媒の圧力変動に伴う高圧側冷媒量の変動差を吸収するバッファを、冷媒膨張弁の上流側および下流側に接続して、冷媒膨張弁の上流側の高圧冷媒液と冷媒膨張弁の下流側の低圧冷媒液をバッファに回収して、圧縮機の吐出圧力をバッファ内部にかけ、またはバッファ内部の冷媒液をヒータで蒸発させて、冷媒液を冷媒膨張弁の上流側および下流側に向けて放出するものが知られている（特許文献３）。

特公平７−１８６０２号公報 特許第３６０２１１６号公報（段落００１８、段落００１９） 特許第３４４３７０２号公報（段落００３６〜段落００４０）

しかし、特許文献１に記載の発明は、冷媒レシーバの液体残量を変更して蒸気圧縮サイクルの高圧サイドの圧力を変動させて冷凍能力を調整する発明であり、冷凍能力の調整については論じられているが、高圧側の冷却装置（ガスクーラ）における放熱を利用して水加熱、空気加熱等に着目して、外気温度の変化等に対して安定した加熱能力を発揮することについて記載されていない。
特に、図５に示すように特許文献１に示されている冷凍サイクルでは、冷却装置（ガスクーラ）２１１の下流側に熱交換器２１２が設けられその下流側から、絞り手段２１３をバイパスするように冷媒レシーバ２２５が設けられて、絞り手段２１３の出口側に接続される構成が示されている。しかし、レシーバ２２５内は特許文献１の特許請求の範囲に記載されているように液体残量が存在するため、レシーバ２２５から放出される冷媒は、液状態か湿り度の大きい飽和気液混相状態で放出されるため、放出後に蒸発器２１４を通過して、圧縮機２１０の流入側の過熱度に影響を与えやすく、過熱度の不安定な状態が長く続き適正過熱度が得にくい問題がある。圧縮機２１０の流入側での安定的な過熱度を得るために絞り手段２１３に応答の速い制御を適用するとか、熱交換器２１２を設けて加熱して改善する必要があり、装置が大型複雑化する問題を有する。

また、図６に示すような特許文献２の記載技術によれば、冷凍サイクルの高圧側のガスクーラの下流側に設けられた熱交換器２１４の出口部の主回路Ｔ１１より枝分かれして枝回路Ｔ１５が設けられ、該枝回路Ｔ１５にバッファ２０９が設けられる構成である。このため、圧縮機出口圧力の急激な圧力上昇に対して時間的遅れが生じ、さらにバッファ２０９内部に回収された冷媒はバッファ２０９内部と主回路Ｔ１１との圧力が同一の場合には主回路Ｔ１１にバッファ２０９内部の冷媒が放出され難くなり、バッファ機能が十分発揮できない問題がある。

図７に示すような特許文献３の記載技術によれば、第２のバッファ電磁弁３１１を開くことにより合流部Ａより分岐部Ｃを通じてバッファ３１０に低圧冷媒液を回収し、さらに、高圧側のＢ点より分岐部Ｃを通じてバッファ３１０に高圧冷媒液を回収する。また、第１のバッファ電磁弁３０９を開けば圧縮機３０１の吐出圧力をバッファ３１０内部にかけることになり、内部の冷媒液を合流部Ａや冷媒膨張弁３０４下流のＢ点に向けて放出するものが示されている。
また、冷媒は液状態でバッファ３１０内部に回収され、放出に圧縮機３０１の吐出圧力を利用している。また、他の例としてバッファ３１０をヒータ加熱して内圧を上昇させて放出させるものも示されている。

しかし、バッファ３１０は、ガスクーラ出口部から蒸発器までの合流部ＡまたはＢを通じて回収する構成であるため圧縮機出口での急激な圧力上昇に対応できない。
さらに、バッファ３１０内部へ回収される冷媒は液状態であることが示されており、放出される冷媒も液状態か湿り度の大きい飽和気液混相状態であるため、放出後下流側にある圧縮機３０１入口の過熱度に影響を与え、過熱度の不安定状態が長く続きやすく、圧縮機３０１の吐出ガス温度、圧力の変動も大きく、安定した給湯が得にくい問題がある。また、このような液状態で放出する場合には圧縮機３０１の前段に、気液の分離を行なうアキュムレータ３０７や熱交換器３０３を設けて加熱する必要があり、装置が大型複雑化する問題もある。
さらに、自動膨張弁によって圧縮機入口の過熱度を適正値に自動制御できることが示されているが、自動膨張弁による膨張制御は温度変化に対して応答するものであり、急激な状態変化に対して遅れが生じる。さらにキャピラリーチューブ等の制御性の無い固定絞り手段を使用するものに比べてコスト高となる問題も有している。

そこで、本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、装置の大型複雑化を伴わずに安価で、且つ、季節の変動による外気温度の変化や冬期のデフロストに対応するとともに、装置の起動時の圧縮機出口での急激な圧力上昇に対しても安定した加熱能力を発揮する給湯装置の運転方法、給湯装置、または流体加熱装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に係る給湯装置の運転方法によれば、
冷媒経路上に圧縮機、ガスクーラ、膨張手段、蒸発器を直列に接続し、圧縮機吐出側より膨張手段入口側までの高サイド側冷媒経路内の圧力を超臨界状態に維持して運転される冷凍サイクルを形成し、前記ガスクーラに被昇温水を通水させて前記超臨界状態にある冷媒との熱交換により昇温させる給湯装置の運転方法において、
前記ガスクーラの上流側であって前記圧縮機の吐出側から前記膨張手段の出口側までを接続する冷媒バイパス経路を設けるとともに、該冷媒バイパス経路に加熱ヒータにより冷媒の温度を臨界温度以上に保持された超臨界冷媒タンクを介装し、該超臨界冷媒タンクの入口側に第１の弁手段と出口側に第２の弁手段を設け、
圧縮機吐出側の圧力と蒸発器出口側から圧縮機吸入側までの圧力、温度とを検知して、前記ガスクーラに被昇温水を通水させるガスクーラ通水運転モード時に、前記圧縮機の吐出側から第２の弁手段入口側までの前記冷媒バイパス経路内の冷媒を超臨界状態に維持するように前記第１及び第２の弁手段を開閉操作することを特徴とする。

かかる発明によれば、第１の弁手段を開くと圧縮機によって加圧された超臨界状態の冷媒が超臨界冷媒タンクに回収され、その後、第２の弁手段を開くことによって、膨張手段の下流側に超臨界状態の冷媒が放出される。その結果、冷凍サイクル内の冷媒量を最適な状態に調整保持することができるようになる。

特に、本発明においては、第１の弁手段によって超臨界冷媒タンクに回収された冷媒が、ヒータ加熱によって高圧高温の超臨界状態に保持され、第２の弁手段までこの状態が保持されているため、第２の弁手段から膨張手段の出口側へ放出する際に圧力差によって確実に冷媒を放出することができる。
さらに、該タンク冷媒が超臨界状態であるため、液体状態または湿り度の大きい飽和気液混相状態で放出するものに比べて圧縮機の入口側での過熱度に与える影響が少なくまた長く続かないことから、圧縮機吐出側の温度及び圧力の変動を速く適正値に安定保持することができ、ガスクーラによる加熱能力が安定する。
また、該タンク冷媒が超臨界状態（少なくともホットガス状態）のため、気液分離のためのアキュムレータや加熱のための熱交換器等を設ける必要がなく、装置が複雑にならず小型軽量化できる。
さらには、該タンク冷媒が超臨界状態（少なくともホットガス状態）のため、膨張手段の出口側に放出された冷媒はその後蒸発器、圧縮機そしてガスクーラへと高サイド側冷媒経路への移動が早く行なわれるため応答性が良く、ヒートポンプシステムの不安定な状態が長く続くことが無い。
なお、超臨界状態とは、臨界圧力以上で臨界温度以上もしくは少なくとも温度が臨界温度以上の状態をいう。

請求項２の発明は、請求項１の給湯装置の運転方法において、前記ガスクーラ通水運転モード時に、前記膨張手段の入口側圧力と出口側圧力との圧力差が、定圧となるように、前記第１及び第２の弁手段を開閉操作して前記冷媒バイパス経路の超臨界冷媒タンクへの冷媒の回収若しくは超臨界冷媒タンクより冷媒の放出を行うことを特徴とする。

かかる請求項２の発明によれば、前記ガスクーラ通水運転モード時に、膨張手段の入口側圧力と出口側圧力との圧力差が、定圧となるように圧縮機の吐出冷媒を前記超臨界冷媒タンクに回収若しくは回収した超臨界状態の冷媒を前記膨張手段の出口側へ放出するように前記第１及び第２の弁手段を開閉操作するので、膨張手段の前後差圧が一定となるため、例えば膨張手段をキャピラリーチューブのような制御性の無い固定絞り手段によって構成した場合には、その本数を制御することで膨張手段の絞り量の制御が可能になり、可変絞り弁機構のような装置を設けずに絞り量の制御を安価に達成することができ、給湯装置全体を低コストで製造することができる。

請求項３の発明は、請求項２の給湯装置の運転方法において、前記蒸発器が外気を取り入れて冷媒を蒸発させる外気取り込み型蒸発器であって、前記外気温度に基づいて若しくは季節単位により、圧縮機の目標吐出圧力範囲を選択し、該目標吐出圧力範囲になるように前記冷媒バイパス経路の超臨界冷媒タンクへの冷媒の回収若しくは超臨界冷媒タンクより冷媒の放出を行うことを特徴とする。

かかる請求項３の発明によれば、冬期の外気温度の低いときには、蒸発温度が低下して冷凍サイクルの膨張手段の出口側より圧縮機入口側までの低サイド側冷媒経路内の圧力が低下する。そのため、冷凍サイクル中の冷媒量が一定であると高サイド側冷媒経路内のガス密度が高くなり高サイド側冷媒経路の圧力が高くなるが、このとき、第１の弁手段を開操作して、圧縮機によって加圧され超臨界状態の冷媒を超臨界冷媒タンクに回収することによって、高サイド側冷媒経路内の圧力の過上昇が防止されて冬期時の目標吐出圧力範囲に制御される。

また、夏期の外気温度の高いときには、蒸発温度が上昇して冷凍サイクルの低サイド側冷媒経路内の圧力が上昇する。そのため、冷凍サイクル中の冷媒量が一定であると高サイド側冷媒経路内のガス密度が低くなり高サイド側冷媒経路内の圧力が低くなるが、このとき、第２の弁手段を開操作して、超臨界冷媒タンク内に回収されている超臨界状態の冷媒を膨張手段の出口側に放出させて、高サイド側冷媒経路内の圧力の低下を防止して夏期時の目標吐出圧力範囲に制御される。

このように、冬期時には高サイド側冷媒経路の圧力の過上昇を防止し、夏期時には高サイド側冷媒経路内の圧力の低下を防止して、１年を通じて外気温度が変化しても外気温度に基づいて若しくは季節単位により設定された圧縮機の目標吐出圧力範囲に入るように、第１の弁手段および第２の弁手段を開閉操作するため、低サイド側冷媒経路内と高サイド側冷媒経路内との圧力差を、四季を通じて一定の範囲内に収めることができ、膨張手段の前後差圧を一定の範囲に収めることができる。
その結果、請求項２で説明したように、例えば膨張手段をキャピラリーチューブのような固定絞り手段によって構成した場合には、その本数を制御することで四季を通じて一定範囲の絞り量の制御が可能になり、可変絞り弁機構のような装置を設けずに絞り量の制御を安価に達成することができ、給湯装置全体を低コストで製造することができる。

請求項４の発明は、請求項１の給湯装置の運転方法において、前記ガスクーラ通水運転の起動時に、前記第１の弁手段を開き前記第２の弁手段を閉じて前記超臨界冷媒タンクへ冷媒の回収を行なうことで高サイド側冷媒経路内の圧力を目標圧力値以下に制御し、その後前記ガスクーラ通水運転モードへ移行することを特徴とする。

前記ガスクーラ通水運転の通水温度は、（１）１５℃前後の上水が供給される場合、（２）徐々に加温され貯湯槽水温が上昇し６０℃前後の高温水が供給される場合、（３）追焚きのため起動時から６０℃前後の高温水が供給される場合の三つの場合がある。
（１）の場合はガスクーラの圧力が超臨界圧力以下からの圧縮機起動であり、（２）の場合は圧縮機起動後通水温の上昇にしたがってガスクーラ圧力が上昇していくものでありいずれも圧縮機出口圧力の変化は急激なものではない。
（３）の場合は圧縮機起動前にガスクーラの圧力が超臨界圧力以上の高圧力下であり、そのような高圧力からの起動においては圧縮機出口の圧力は急激に上昇する。

圧縮機出口部には許容圧力以下に戻すことができる安全装置として、安全弁と高圧遮断装置が取り付けられており、（３）の場合において通水温度や外気温度によっては高圧遮断装置が作動する。

かかる請求項４の発明によれば、起動時において圧縮機出口部の圧力が上がりすぎても前記第１の弁手段を開き前記超臨界冷媒タンクへ圧縮機出口部冷媒を短絡に逃がすことにより給湯装置の非常停止用の高圧遮断装置を不必要に作動させることが防止され、ガスクーラ通水運転モードへの移行をスムーズに行なわせることができ、給湯装置を安定して使用することができる。

ここで請求項１記載の超臨界冷媒タンクが加熱ヒータにより冷媒の温度を臨界温度以上に保持されており液状態または湿り度の大きい飽和気液混相状態ではないことが急激に圧力上昇した圧縮機出口部冷媒を短絡に前記超臨界冷媒タンクへ逃がすことにおいても大きな役割となっている。

すなわち、超臨界タンクの容積をＶＴ、加熱されていない場合に存在する液の容積をＶＬとすると、圧縮機出口部冷媒を短絡に前記超臨界冷媒タンクへ逃がす時の前記超臨界冷媒タンクの容積は、次のとおりである。
（１）前記超臨界冷媒タンクが加熱ヒータにより冷媒の温度を臨界温度以上に保持されている場合 Ｖ１＝ＶＴ
（２）前記超臨界冷媒タンクが加熱されず液状態または湿り度の大きい飽和気液混相（蒸気）状態にある場合 Ｖ２＝ＶＴ−ＶＬ
そのとき Ｖ１＞Ｖ２ であり、圧縮機出口部の急激な圧力上昇を回避しやすくしている。

請求項５の発明は、請求項１の給湯装置の運転方法において、前記蒸発器の除霜を行なうデフロスト運転モード時に、ガスクーラおよび蒸発器の奪熱負荷を停止した状態にして前記圧縮機を駆動させるとともに、膨張手段の経路に加えて前記第１の弁手段および第２の弁手段を開いて前記冷媒バイパス経路を開放して超臨界冷媒タンク内の超臨界ガスを蒸発器側に放出することを特徴とする。

かかる請求項５の発明によれば、デフロスト運転モードのときに膨張手段の経路に加えて第１の弁手段および第２の弁手段を開いて前記冷媒バイパス経路を開放して超臨界冷媒タンク内の超臨界状態の冷媒を膨張手段の出口側と蒸発器の入口側との間に放出し、しかも、ガスクーラおよび蒸発器の奪熱負荷を停止した状態にして前記圧縮機を駆動させて、冷媒を冷凍サイクルの経路内を循環させるため、超臨界冷媒タンクから放出された冷媒状態と圧縮機の駆動で供給される冷媒状態は超臨界状態であり、給湯装置の変動を小さく抑えることができ、放出された高温高圧の超臨界状態の冷媒が直近の蒸発器に直ぐにいきわたり除霜（デフロスト）が行われ、短時間で除霜することができる。

請求項６の発明は、請求項１の給湯装置の運転方法において、前記膨張手段が前記冷媒経路に並列配置された複数の定圧絞り手段により構成され、前記ガスクーラ通水運転モード時に、該複数の定圧絞り手段を選択的に開放して得られる絞り範囲が前記圧縮機の入口側の目標過熱度範囲を外れた場合に、前記第１及び第２の弁手段を開閉操作して前記圧縮機の入口側の過熱度を目標過熱度範囲に維持することを特徴とする。

かかる請求項６の発明によれば、複数の定圧絞り手段を選択的に開放するため、絞り量は全ての定圧絞り手段を選択した場合と、１本の定圧絞り手段を選択した場合の範囲となり、またその間をステップ的に変化することになる。
このため、例えば、全ての定圧絞り手段を開放しても、圧縮機入口側の過熱度が目標過熱度範囲を超えて上がりすぎて下がらない場合には、第２の弁手段を開制御して圧縮機の入口側の過熱度を下げて目標過熱度範囲に維持する。逆に、１本の定圧絞り手段を選択しても、圧縮機入口側の過熱度が目標過熱度範囲を超えて下がりすぎて上がらない場合には、第１の弁手段を開制御して圧縮機の入口側の過熱度を上げて目標過熱度範囲に維持する。
このように、第１及び第２の弁手段を開閉制御して前記圧縮機入口側の過熱度を目標過熱度範囲に維持することができるため、圧縮機出口側の圧力と温度を変動なく維持でき、ガスクーラへの流入温度を安定させることができる。
また、例えば、定圧絞り手段にキャピラリーチューブを用いる場合には、可変絞り弁機構を用いて構成するよりも安価に給湯装置を構成することが可能になる。

請求項７の発明は、請求項１の給湯装置の運転方法において、停止時に、前記圧縮機の作動を停止するとともに前記膨張手段を閉じ、同時に前記第１の弁手段および第２の弁手段をともに開操作し、その後ガスクーラへの通水を遮断するとともに前記蒸発器への送風を停止することによって、前記圧縮機吐出側の冷媒を前記冷媒バイパス経路を介して蒸発器側に通流させて高サイド側冷媒経路と低サイド側冷媒経路の両者間を均圧化することを特徴とする。

かかる請求項７の発明によれば、給湯装置の停止時に、圧縮機を停止し、絞り手段を閉じてガスクーラを経由する高サイド側冷媒経路の蒸発器への通流を遮断し、前記第１の弁手段および第２の弁手段をともに開くことで、前記圧縮機吐出側冷媒を前記冷媒バイパス経路を介して蒸発器側に通流させて高サイド側冷媒経路と低サイド側冷媒経路の両者間を均圧化するため、停止後の起動時に圧縮機の前後の圧力差が無い状態になっているため、圧縮機の起動が容易に行なわれる。

請求項８の発明は、請求項１の給湯装置の運転方法において、前記圧縮機が油潤滑式圧縮機の場合に、前記超臨界冷媒タンクの出口をタンク下端側に設定し、第２の弁手段及び蒸発器を介してタンク下部に貯留した油を前記圧縮機の入口側に戻しながら運転することを特徴とする。

かかる請求項８の発明によれば、圧縮機が油潤滑式圧縮機の場合に、超臨界冷媒タンクの出口をタンク下端側に設置することによって、タンクの下部に溜まった圧縮機の潤滑油を第２の弁手段から冷凍サイクルに排出し、蒸発器を介して圧縮機入口側に戻すことができる。

請求項９の発明によれば、請求項１から８のいずれか１の請求項に係る発明において、前記冷凍サイクルの冷媒として炭酸ガス（ＣＯ_２）を使用することを特徴とする。

請求項１から請求項９は給湯装置の運転方法についての発明であるのに対して、請求項１０に係る発明は、給湯装置についての発明であり、
冷媒経路上に圧縮機、ガスクーラ、膨張手段、蒸発器を直列に接続し、圧縮機吐出側より膨張手段入口側までの高サイド側冷媒経路内の圧力を超臨界状態に維持して運転される冷凍サイクルを形成し、前記ガスクーラに被昇温水を通水させて前記超臨界状態にある冷媒との熱交換により昇温させる給湯装置において、
前記ガスクーラの上流側であって前記圧縮機の吐出側から前記膨張手段の出口側までを接続する冷媒バイパス経路を設けるとともに、該冷媒バイパス経路に加熱ヒータにより冷媒の温度を臨界温度以上に保持された超臨界冷媒タンクを介装し、該超臨界冷媒タンクの入口側に第１の弁手段と出口側に第２の弁手段を設け、
圧縮機吐出側の圧力と蒸発器出口側から圧縮機吸入側までの圧力、温度とを検知して、前記ガスクーラに被昇温水を通水させるガスクーラ通水運転モード時に、前記圧縮機の吐出側から第２の弁手段入口側までの前記冷媒バイパス経路内の冷媒を超臨界状態に維持するように前記第１及び第２の弁手段を開閉操作する制御装置を備えたことを特徴とする。

請求項１０の発明によれば、請求項１の給湯装置の運転方法において説明した作用と同様の作用を有し、すなわち、冬期、夏期等の季節の変動による外気温度の変化時、装置の起動時等において圧縮機吐出側の温度及び圧力を適正値に安定保持できガスクーラによる安定した加熱能力を得ることができ、さらに、装置の小型軽量化を達成できる給湯装置を得ることができる。

請求項１２の発明は、流体加熱装置についての発明であり、
冷媒経路上に圧縮機、ガスクーラ、膨張手段、蒸発器を直列に接続し、圧縮機吐出側より膨張手段入口側までの高サイド側冷媒経路内の圧力を超臨界状態に維持して運転される冷凍サイクルを形成し、前記ガスクーラに被加熱用流体を通流させて前記超臨界状態にある冷媒との熱交換により昇温させる流体加熱装置において、
前記ガスクーラの上流側であって前記圧縮機の吐出側から前記膨張手段の出口側までを接続する冷媒バイパス経路を設けるとともに、該冷媒バイパス経路に加熱ヒータにより冷媒の温度を臨界温度以上に保持された超臨界冷媒タンクを介装し、該超臨界冷媒タンクの入口側に第１の弁手段と出口側に第２の弁手段を設け、
前記ガスクーラに被加熱用流体を通流させるガスクーラ通流運転モード時に、圧縮機吐出側の圧力と蒸発器出口側から圧縮機吸入側までの圧力、温度とを検知して、前記圧縮機の吐出側から第２の弁手段入口側までの前記冷媒バイパス経路内の冷媒を超臨界状態に維持するように前記第１及び第２の弁手段を開閉操作する制御装置を備えたことを特徴とする。

請求項１２の発明は流体加熱装置に係る発明であるが、この請求項１２に係る発明は、請求項１の給湯装置の運転方法および請求項１０の給湯装置の発明と同一の技術的特徴を有するものであるため、発明の単一性を満たすものである。そして、請求項１２においても請求項１０と同様の作用効果を有し、冬期、夏期等の季節の変動による外気温度の変化時、装置の起動時等において圧縮機吐出側の温度及び圧力を適正値に安定保持できガスクーラによる安定した加熱能力を得ることができ、さらに、装置の小型軽量化を達成できる流体加熱装置を得ることができる。

請求項１３の発明は、請求項１２の流体加熱装置の発明において、前記被加熱用流体がブライン若しくは気体であることを特徴とし、ブラインを加熱して融雪などの用途に利用でき、また気体を加熱して気体乾燥機として利用することができる。
また、請求項１１、１４の発明は、前記給湯装置、または前記流体加熱装置の冷凍サイクルの冷媒として炭酸ガス（ＣＯ_２）を使用することを特徴とする。

本発明によれば、装置の大型複雑化を伴わずに安価で、且つ、季節の変動による外気温度の変化や冬期のデフロストに対応するとともに装置の起動時の圧縮機出口での急激な圧力上昇に対しても安定した加熱能力を発揮する給湯装置の運転方法、給湯装置、または流体加熱装置を提供することができる。

次に、本発明の実施の形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、この実施例に記載される構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
参照する図面において、図１は本発明の第１の実施形態に係る給湯装置のシステム概要図である。図２は外気温度変化に対する電磁弁（弁手段）の制御を示すフローチャート図である。図３は一連の運転パターンを示す説明図である。図４は本発明の第２の実施形態に係る流体加熱装置のシステム概要図である。

図１に示す給湯装置１のシステム概要図を参照して第１の実施形態を説明する。
圧縮機２、ガスクーラ４、膨張手段６、蒸発器８が直列に配設され、圧縮機２の吐出側より膨張手段６の入口側までの高サイド側冷媒経路Ｔ１と、膨張手段６の出口側より圧縮機２の入口側までの低サイド側冷媒経路Ｔ２とによって接続されて基本的な冷凍サイクルを形成している。そして、冷凍サイクルの冷媒として炭酸ガス（ＣＯ_２）が用いられて、高サイド側冷媒経路Ｔ１内においては、冷媒が超臨界状態に維持されて運転されている。

膨張手段６は、冷媒経路に並列配置された４本の定圧絞り手段としてのキャピラリーチューブ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄによって構成され、それぞれのキャピラリーチューブ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの入口側には電磁弁１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄが設けられている。
なお、キャピラリーチューブとは、細い管のことであり、冷媒がこの細管（チューブ）を流れるときの流れ抵抗（圧力降下または前後差圧）を利用して絞り膨張を行なうものであり、チューブの内径、長さ等によって絞り量が決まる。

蒸発器８は、送風ファン１２で外気を取り入れて冷媒を蒸発させる外気取り込み型蒸発器である。また、ガスクーラ４には、冷凍サイクル中の超臨界状態の冷媒と熱交換して加熱される水を通水するための給水経路Ｔ３が接続され、この給水経路Ｔ３には、水入口１４と水出口１６と給水ポンプ１８が設けられている。なお、給水ポンプ１８は給水経路Ｔ３内でなく給湯装置１の外部に設けられていてもよい。

水入口１４と水出口１６は、給湯装置１の外部に設けられた貯湯槽２０に接続される。貯湯槽２０内の湯を追焚きする追焚き用給水管２２と、追焚き用給水管２２とは別に貯湯用の水を供給する貯湯用給水管２４とのそれぞれは、切り換えバルブ２６を介して水入口１４に接続される。また、ガスクーラ４で加熱された水を貯湯槽２０に戻して溜める貯湯用の配管２８が、水出口１６に接続される。

ガスクーラ４の上流側であって圧縮機２の吐出側と、膨張手段６の出口側とを接続して、ガスクーラ４と膨張手段６とをバイパスするように冷媒バイパス経路Ｔ４が設けられている。この冷媒バイパス経路Ｔ４には超臨界冷媒タンク３０が介設され、超臨界冷媒タンク３０の入口側には第１電磁弁３２（第１の弁手段）が、超臨界冷媒タンク３０の出口側には第２電磁弁３４（第２の弁手段）がそれぞれ設けられている。

第１電磁弁３２が開くと圧縮機２から高圧高温の超臨界冷媒がタンク３０に回収され、第２電磁弁３４が開くとタンク３０に回収された冷媒が膨張手段６の出口側と蒸発器８との間に放出されるようになっている。

また、この超臨界冷媒タンク３０の上端部に入口が接続され下端部に出口が接続されている。このため圧縮機２が油潤滑式の圧縮機であり冷媒中に潤滑油が混入しても、潤滑油は超臨界冷媒タンク３０下部に蓄積され、タンク３０の下端側に設置した出口から第２電磁弁３４を介して膨張手段６の出口側と蒸発器８との間に放出されて、蒸発器８から圧縮機２に戻すことができる。

超臨界冷媒タンク３０は外気温の影響を受けて冷却されないように断熱材３６で覆われ、さらに加熱ヒータ３８によって臨界温度以上の３２℃以上に常時加熱されており、タンク３０内の冷媒が常時超臨界状態（少なくともホットガス状態）に保持されるように制御されている。

このため、第１電磁３２によって超臨界冷媒タンク３０に回収された冷媒が、加熱ヒータ３８の加熱によって高圧高温の超臨界状態に保持され、第２電磁弁３４までこの状態が保持されているため、第２電磁弁３４から膨張手段６の出口側へ放出する際に圧力差によって確実に冷媒を放出することができる。
さらに、該タンク冷媒が超臨界状態であるため、液体状態または湿り度の大きい飽和気液混相状態で放出するものに比べて圧縮機２の入口側での過熱度に与える影響が少くまた長く続かないことから、圧縮機吐出側の温度及び圧力の変動が少なく適正値に安定保持することができ、ガスクーラ４による加熱能力が安定する。
また、該タンク冷媒が超臨界状態（少なくともホットガス状態）のため、気液分離のためのアキュムレータや加熱のための熱交換器等を設ける必要がなく、装置が複雑にならず小型軽量化できる。
さらには、該タンク冷媒が超臨界状態（少なくともホットガス状態）のため、膨張手段の出口側に放出された冷媒はその後蒸発器８、圧縮機２そしてガスクーラ４へと高サイド側冷媒経路Ｔ１への移動が早く行なわれるため応答性が良く、ヒートポンプシステムの不安定な状態が長く続くことは無い。

給湯装置１は、以上のように構成されており、次に冷媒バイパス経路Ｔ４に設けられた第１電磁弁３２と、第２電磁弁３４と、キャピラリーチューブ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの入口側の電磁弁１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄとを制御する制御装置５０について説明する。制御装置５０は、第１電磁弁３２と第２電磁弁３４との開閉操作を制御するバイパス制御手段５２と、キャピラリーチューブ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの選択開放を制御する絞り制御手段５４とからなる。

バイパス制御手段５２は、圧縮機２の吐出側の圧力Ｐｄと、蒸発器８の出口側から圧縮機２の吸入側までの温度Ｔｃと圧力Ｐｃを検知して、これら検知信号から圧縮機２の吐出側から第２電磁弁の入口側までの冷媒バイパス経路Ｔ４内の冷媒を超臨界状態に維持するとともに、給湯装置１の運転モードに応じて圧縮機２の吐出冷媒を超臨界冷媒タンク３０に回収し、または回収した冷媒を膨張手段６の出口側へ放出するように制御する。

バイパス制御手段５２は、四季を通じて外気温度が変化しても膨張手段６を構成するキャピラリーチューブ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの入口側圧力と出口側圧力との圧力差が、定圧となるように制御し、または圧縮機２の吐出側圧力が起動時において異常上昇しないように適正圧力に制御する。
さらに、バイパス制御手段５２は、後で説明する絞り制御手段５４とともに圧縮機２の入口側の過熱度制御が目標過熱度範囲に入るように制御している。

冬期の外気温度の低いときには、蒸発温度が低下して冷凍サイクルの膨張手段６の出口側より圧縮機２の入口側までの低サイド側冷媒経路Ｔ２内の圧力が低下する。そのため、冷凍サイクル中の冷媒量が一定であると高サイド側冷媒経路Ｔ１内のガス密度が高くなり高サイド側冷媒経路Ｔ１内の圧力が高くなるが、このとき、バイパス制御手段５２が第１電磁弁３２を開操作して、圧縮機２によって加圧され超臨界状態の冷媒を超臨界冷媒タンク３０に回収することによって、高サイド側冷媒経路Ｔ１内の圧力の過上昇が防止されて冬期時の目標吐出圧力に制御される。

また、夏期の外気温度の高いときには、蒸発温度が上昇して冷凍サイクルの低サイド側冷媒経路Ｔ２内の圧力が上昇する。そのため、冷凍サイクル中の冷媒量が一定であると高サイド側冷媒経路Ｔ１内のガス密度が低くなり高サイド側冷媒経路Ｔ１内の圧力が低くなるが、このとき、バイパス制御手段５２が第２電磁弁３４を開操作して、超臨界冷媒タンク３０内に回収されている超臨界状態の冷媒を膨張手段６の出口側に放出させて、高サイド側冷媒経路Ｔ１内の圧力の低下を防止して夏期時の目標吐出圧力に制御される。

図２のフローチャートを参照して外気温度の変化に対するバイパス制御手段５２の作動を説明する。
まず第１電磁弁３２および第２電磁弁３４を閉操作させる（Ｓ１）。次に外気温度センサ３３または手動の切り換えスイッチ（図示せず）によって、冬期、夏期、中間期のいずれかの季節モードを設定する（Ｓ３）。

冬期モードの場合には、圧縮機２の吐出側の圧力Ｐｄが冬期モード時の目標吐出圧力Ｌ以上か否かを判断し（Ｓ５）、目標吐出圧力Ｌ以上であれば、第１電磁弁３２を開き（Ｓ７）、所定時間（１秒）経過させ（Ｓ９）、その後圧力Ｐｄが目標吐出圧力Ｌ−Δｌ以下に低下したかを判断し（Ｓ１１）、吐出圧力ＰｄがＬ−Δｌ以下になるまで第１電磁弁３２の開操作を繰り返す。このΔｌは、一定の許容値を示す。そして、吐出圧力ＰｄがＬ−Δｌ以下になると第１電磁弁３２を閉じる（Ｓ１３）。

また、圧縮機２の吐出側の圧力Ｐｄが冬期モード時の目標吐出圧力Ｌ以下か否かを判断し（Ｓ１５）、目標圧力Ｌ以下であれば、第２電磁弁３４を開き（Ｓ１７）、所定時間（１秒）経過させ（Ｓ１９）、その後圧力Ｐｄが目標吐出圧力Ｌ＋Δｌ以上に上がったかを判断し（Ｓ２１）、吐出圧力ＰｄがＬ＋Δｌ以上になるまで第２電磁弁３４の開操作を繰り返す。そして、吐出圧力ＰｄがＬ＋Δｌ以上になると第２電磁弁３４を閉じる（Ｓ２３）。
以上のように、圧縮機２の吐出側の圧力Ｐｄを、第１電磁弁３２、第２電磁弁３４を制御して冬期の目標吐出圧力Ｌ±Δｌの範囲内に保持することができる。

同様に、中間期の場合において、圧縮機２の吐出側の圧力Ｐｄを中間期の目標吐出圧力Ｍ±Δｍの範囲内に保持でき、夏期の場合においても、圧縮機２の吐出側の圧力Ｐｄを夏期の目標吐出圧力Ｈ±Δｈの範囲内に保持することができる。

その結果、低サイド側冷媒経路Ｔ２の圧力は季節（外気温度）によって変動するが、季節ごとに高サイド側冷媒経路Ｔ１内の圧力を目標吐出圧力値Ｌ±Δｌ、Ｍ±Δｍ、Ｈ±Δｈの範囲内に保持することでき、目標吐出圧力値Ｌ、Ｍ、Ｈの設定値によって、低サイド側冷媒経路Ｔ２内の圧力と高サイド側冷媒経路Ｔ１内の圧力との差圧を、１年通じて一定の範囲内に設定することができる。

そして、以上のようにキャピラリーチューブ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの入口側圧力と出口側圧力との圧力差が季節によって大きく変動しないように定圧に保持されるため、キャピラリーチューブ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの本数の選択によって圧縮機２の入口側の吸入過熱度を安定制御できる。
なお、以上説明したように夏期時に最も多くの冷媒が冷凍サイクル内を流れ、冬期時に最も少ない量になるため、超臨界冷媒タンク３０の容量は、この夏期時の最大冷媒状態を冬期時に回収できる容量に設定される必要があることは勿論である。

次に、絞り制御手段５４について説明する。
絞り制御手段５４は、蒸発器８の出口側から圧縮機２の吸入側までの温度Ｔｃと圧力Ｐｃを検知して、圧力Ｐｃに対する飽和温度を求め、この飽和温度と検知温度Ｔｃとの差から、圧縮機２の吸入側の過熱度を求める。そしてこの過熱度が目標過熱度範囲に入るように、４本のキャピラリーチューブ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの入口側の電磁弁１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを制御して開放するキャピラリーチューブ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを選択する。

絞り制御手段５４が、このようにキャピラリーチューブ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの選択によって過熱度の制御を行なっても、絞り制御手段５４による制御が４本のキャピラリーチューブ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを選択的に開放するため、冷媒流量は４本を選択した場合と、１本を選択した場合との間をステップ的に変化することになる。

従って、例えば、４本全て開放しても、圧縮機２の入口側の過熱度が目標過熱度範囲を超えて上がりすぎて下がらない場合がある。この場合には、バイパス制御手段５２によって第２電磁弁３４を開操作して圧縮機２の入口側の過熱度を下げて目標過熱度範囲に維持する。逆に、１本しか開放していないにもかかわらず、圧縮機２の入口側の過熱度が目標過熱度範囲を超えて下がりすぎて上がらない場合がある。この場合には、バイパス制御手段５２によって第１電磁弁３２を開操作して、圧縮機２の吐出冷媒の一部を超臨界冷媒タンク３０に回収することによって、圧縮機２の入口側の過熱度を上昇させて目標過熱度範囲に維持する。

このように、バイパス制御手段５２により第１電磁弁３２及び第２電磁弁３４を開閉操作して圧縮機２の入口側の過熱度を目標過熱度範囲に維持することができるため、圧縮機吐出側の圧力と温度を変動なく維持でき、ガスクーラ４への流入温度を安定化させることができる。

なお、本実施の形態のようにキャピラリーチューブ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを選択することで、冷媒流量を制御して過熱度を制御するため、可変絞り弁機構のような装置を設けずに絞り量の制御を安価に達成することができ、給湯装置全体を低コストで製造することができる。

次に、給湯装置１の運転モードについて説明する。
給湯装置１には、図３に示すような運転モード設定されており、モード切替えスイッチ１００によって、運転パターンが起動時１０２から、給湯運転モード（ガスクーラ通水運転モード）１０４、デフロスト運転モード１０６、停止時１０８へと切り替え可能になっており、給湯運転モード１０４には給水を加熱して貯湯槽２０に溜める貯湯モード１１０と、貯湯槽２０からの給水を再加熱して再び貯湯槽２０に溜める追焚きモード１１２とが切り替えられるようになっている。

（起動時）
起動時１０２には、給水ポンプ１８が作動してガスクーラ４に加熱される水が供給され、蒸発器８が作動して送風ファン１２が回転して、最後に圧縮機２が駆動されて、冷媒が冷凍サイクル内を循環し始め、ガスクーラ４および蒸発器８にそれぞれ熱負荷が作用する。また同時にキャピラリーチューブ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの電磁弁１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄが作動して選択されたキャピラリーチューブ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄが開き、さらに、第１電磁弁３２および第２電磁弁３４がともに閉じられる。

起動時１０２には、後で説明する停止時１０８にバイパス制御手段５２によって第１電磁弁３２および第２電磁弁３４がともに開操作されて冷媒バイパス経路Ｔ４を介して蒸発器側に通流させて高サイド側冷媒経路Ｔ１と低サイド側冷媒経路Ｔ２の両者間を均圧化されているため、停止後の起動時に圧縮機２の前後の圧力差が無い状態であり圧縮機２の起動が容易に行なわれる。

また、起動時１０２に、低サイド側冷媒経路Ｔ２から高サイド側冷媒経路Ｔ１への急激な冷媒の移動によって、高サイド側冷媒経路Ｔ１内の圧力が上がりすぎて、異常圧力を検知して給湯装置を非常停止するための高圧遮断装置５６を不必要に作動させないようにするために、バイパス制御手段５２は、圧縮機２の吐出側の圧力Ｐｄに基づいて第１電磁弁３２を開いて短絡に超臨界冷媒タンク３０へ冷媒の回収を行なうことで高サイド側冷媒経路Ｔ１内の圧力を目標圧力（非常停止用の高圧遮断装置５６の作動圧力以下に設定された）以下に制御し、その後の給湯運転モード（ガスクーラ通水運転モード）１０４へとスムーズに移行できるようになっている。

ガスクーラ４の通水運転の通水温度は、（１）１５℃前後の上水が供給される場合、（２）徐々に加温され貯湯槽水温が上昇し６０℃前後の高温水が供給される場合、（３）追焚きのため起動時から６０℃前後の高温水が供給される場合の三つの場合がある。
（１）の場合はガスクーラ４の圧力が超臨界圧力以下からの圧縮機２の起動であり、（２）の場合は圧縮機起動後通水温の上昇にしたがってガスクーラ圧力が上昇していくものでありいずれも圧縮機出口圧力の変化は急激なものではない。
（３）の場合は圧縮機２の起動前にガスクーラ４の圧力が超臨界圧力以上の高圧力下であり、そのような高圧力からの起動においては圧縮機２の出口の圧力は急激に上昇する。

圧縮機２の出口部には許容圧力以下にもどすことができる安全装置として、安全弁（図示せず）と前記高圧遮断装置５６が取り付けられており、（３）の場合において通水温度や外気温度によっては高圧遮断装置５６が作動するようになっている。

起動時において圧縮機２の出口部の圧力が上がりすぎても第１電磁弁３２を開き超超臨界冷媒タンク３０へ圧縮機２の出口部冷媒を短絡に逃がすことにより給湯装置１の非常停止用の高圧遮断装置５６を不必要に作動させることが防止され、ガスクーラ通水運転モードへの移行をスムーズに行なわせることができ、給湯装置１を安定して使用することができる。

超臨界冷媒タンク３０が加熱ヒータ３８により冷媒の温度を臨界温度以上に保持されており液状態または湿り度の大きい飽和気液混相状態ではないことが急激に圧力上昇した圧縮機２の出口部冷媒を短絡に超臨界冷媒タンク３０へ逃がすことにおいても大きな役割となっている。

すなわち、超臨界冷媒タンク３０の容積をＶＴ、加熱されていない場合に存在する液の容積をＶＬとすると、圧縮機２の出口部冷媒を短絡に超臨界冷媒タンク３０へ逃がす時の超臨界冷媒タンク３０の容積は、次のとおりである。
（１）超臨界冷媒タンク３０が加熱ヒータ３８により冷媒の温度を臨界温度以上に保持されている場合 Ｖ１＝ＶＴ
（２）超臨界冷媒タンク３０が加熱されず液状態または湿り度の大きい飽和気液混相状態にある場合 Ｖ２＝ＶＴ−ＶＬ
そのとき、Ｖ１＞Ｖ２ であり、圧縮機出口部の急激な圧力上昇を回避しやすくしている。

（給湯運転モード）
給湯運転モード（ガスクーラ通水運転モード）１０４内の貯湯モード１１０が選択されると、図１に示すように貯湯用給水管２４が水入口１４に接続されるように切り換えバルブ２６が作動する。そして、貯湯用給水管２４からの水が給水ポンプ１８によってガスクーラ４に供給されて冷凍サイクルの冷媒と熱交換して加熱され、水出口１６から配管２８を通って貯湯槽２０に溜まるように配管が接続される。

通常は、蒸発器８による冷媒蒸発温度は外気温度より１０℃〜１５℃低く、外気温度によって蒸発温度（低サイド側冷媒経路Ｔ２内の圧力）が略決まるので、圧縮機２に吸い込まれ循環される冷媒の密度が決まり冷媒循環量が決まる。
また、圧縮機２への吸入過熱度が適正であると、すなわち適度な過熱ガス状態の冷媒が圧縮機２に流入すると、その出力側では、変動の少ない安定した圧力Ｐｄおよび温度Ｔｄが決まる。そして、この吐出側の圧力Ｐｄと温度Ｔｄが決まると、ガスクーラ４での加熱能力がほぼ決まる。

このため、安定した給湯用の加熱能力を得るためには、圧縮機２の吸入側ガスの過熱度を適正な範囲に制御する必要がある。しかし、季節により外気温度が変動し低サイド側冷媒経路Ｔ２内の圧力が変動するため、安定したガスクーラ４による加熱能力を得るためには、季節を通じて適正な冷媒量を冷凍サイクル内に充填させて圧縮機２の吸入側ガスの過熱度を適正値に制御する必要がある。
このために既に説明したように、バイパス制御手段５２および絞り制御手段５４によって、季節を通じて適正な冷媒量を冷凍サイクル内に充填させて圧縮機２の吸入側ガスの過熱度を適正値に制御している。

例えば、圧縮機２の吸入側ガスの過熱度７℃〜１２℃の範囲に制御し、さらに、高サイド側冷媒経路Ｔ１内の圧力Ｐｄを、夏期には１１．５〜１２．５ＭＰａ、中間期には、１０．５〜１１．５ＭＰａ、冬期には、Ｌ＝９．５〜１０．５ＭＰａの範囲に制御することで、圧縮機２の吐出側の温度Ｔｄを１１５℃〜１２５℃の冷媒温度を達成することができる。
そして、ガスクーラ４に略１２０℃の冷媒を常に供給することが可能となるため、ガスクーラ４における冷媒と供給水との熱交換によって、水は加熱されて略９０℃の湯とすることができる。なお、ガスクーラ４に供給する給水量を給水ポンプ１８で調整することによって、加熱後の湯温度を制御することができる。

給湯運転モード（ガスクーラ通水運転モード）１０４内の追焚きモード１１２が選択されると、図１に示すように追焚き用給水管２２が水入口１４に接続されるように切り換えバルブ２６が作動する。そして、追焚き用給水管２２からの水が給水ポンプ１８によってガスクーラ４に供給されて冷凍サイクルの冷媒と熱交換して加熱され、水出口１６から配管２８を通って貯湯槽２０に溜まるように接続される。
運転方法については、前記の貯湯モード１１０の説明と同様である。ただし、ガスクーラ４への給水温度が、既に貯湯槽２０に溜まっている水であるため６５℃程度と高く、給水ポンプ１８の流量を制御して所望とする湯温度が得られるようにする必要がある。

（デフロスト運転モード）
デフロスト（除霜）運転モード１０６が選択されると、ガスクーラ４への給水を遮断し、さらに蒸発器８の送風ファン１２を停止して奪熱負荷を停止状態にして、圧縮機２を駆動させるとともに、膨張手段６の経路に加えて第１電磁弁３２および第２電磁弁３４を共に開いて冷媒バイパス経路Ｔ４を開放して超臨界冷媒タンク３０内の超臨界ガスを蒸発器８側に放出する。

このため、第１電磁弁３２および第２電磁弁３４を開いて前記冷媒バイパス経路Ｔ４を開放して超臨界冷媒タンク３０内の超臨界状態の冷媒を膨張手段６の出口側と蒸発器８の入口側との間に放出し、しかも、ガスクーラ４および蒸発器８の奪熱負荷を停止した状態にして前記圧縮機２を駆動させて、冷媒を冷凍サイクルの経路内を循環させるため、超臨界冷媒タンク３０から放出された冷媒状態と圧縮機２の駆動で供給される冷媒状態は超臨界状態であり、給湯装置１の変動を小さく抑えることができ、放出された高温高圧の超臨界状態の冷媒が直近の蒸発器８に直ぐにいきわたり除霜（デフロスト）が行われ、短時間で除霜することができる。

（停止時）
停止時１０８には、圧縮機２の作動を停止するとともに膨張手段６を閉じ、同時に前記第１電磁弁３２および第２電磁弁３４をともに開操作し、その後ガスクーラ４への通水を遮断するとともに蒸発器８の送風ファン１２を停止することによって、圧縮機２の吐出側の冷媒を冷媒バイパス経路Ｔ４を介して蒸発器８側に通流させて高サイド側冷媒経路Ｔ１と低サイド側冷媒経路Ｔ２の両者間を均圧化する。このため、停止後の起動時に圧縮機２の前後の圧力差が無い状態になっているため、圧縮機２の起動が容易に行なわれる。

次に、給湯装置１に代えて、流体加熱させる流体加熱装置１２０に適用した第２の実施形態について図４を参照して説明する。
図４に示すように、給湯装置１の給水の部分のみを、流体の供給に変えたものである。ガスクーラ４には、冷凍サイクル中の超臨界状態の冷媒と熱交換をして加熱される流体を通通するための給気経路Ｔ５が接続されている。この給気経路Ｔ５には流体入口１２２と流体出口１２４と流体供給ポンプ１２６（気体の場合には給気ブロワ１２６'）が設けられている。なお、流体供給ポンプ１２６は給気経路Ｔ５内でなく流体加熱装置１２０の外部に設けられていてもよい。

また、流体加熱装置１２０の運転モードについては、給湯装置１の給湯運転モード（ガスクーラ通水運転モード）１０４の内に設定されている貯湯モード１０４、追焚きモード１１２のような運転モードの区別はなく、加熱運転モードだけがある。
その他の構成部品については、第１の実施形態と同一符号を付して説明は省略する。

被加熱流体としてブラインを通流すれば、融雪などの用途に利用でき、また気体を通流することで気体乾燥機として利用することができる。
また、かかる第２の実施形態についても、給湯装置１に係る第１の実施形態と同様の作用効果を有し、冬期、夏期等の外気温度が変化する場合、起動時の場合等においても圧縮機吐出側の温度及び圧力を適正値に安定保持できガスクーラによる安定した加熱能力を得ることができ、さらに、装置が複雑にならず小型軽量化を達成できる流体加熱装置を得ることができる。

本発明によれば、装置の大型複雑化を伴わずに安価で、且つ、季節の変動による外気温度の変化や冬期のデフロストに対応するとともに装置の起動時の圧縮機出口での急激な圧力上昇に対しても安定した加熱能力を発揮することができるので、給湯装置の運転方法、給湯装置、または流体加熱装置への適用に際して有益である。

本発明の第１の実施形態に係る給湯装置のシステム概要図である。 外気温変化に対する電磁弁の制御を示すフローチャート図である。 給湯装置の一連の運転パターンを示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る流体加熱装置のシステム概要図である。 従来技術を示す概略構成図である。 従来技術を示す概略構成図である。 従来技術を示す概略構成図である。

符号の説明

１ 給湯装置
２ 圧縮機
４ ガスクーラ
６ 冷媒膨張弁（膨張手段）
８ 蒸発器
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ キャピラリーチューブ
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ 電磁弁
３０ 超臨界冷媒タンク
３２ 第１電磁弁
３４ 第２電磁弁
３８ 加熱ヒータ
５０ 制御装置
５２ バイパス制御手段
５４ 絞り制御手段
１２０ 流体加熱装置

Claims (14)

1. 冷媒経路上に圧縮機、ガスクーラ、膨張手段、蒸発器を直列に接続し、圧縮機吐出側より膨張手段入口側までの高サイド側冷媒経路内の圧力を超臨界状態に維持して運転される冷凍サイクルを形成し、前記ガスクーラに被昇温水を通水させて前記超臨界状態にある冷媒との熱交換により昇温させる給湯装置の運転方法において、
   前記ガスクーラの上流側であって前記圧縮機の吐出側から前記膨張手段の出口側までを接続する冷媒バイパス経路を設けるとともに、該冷媒バイパス経路に加熱ヒータにより冷媒の温度を臨界温度以上に保持された超臨界冷媒タンクを介装し、該超臨界冷媒タンクの入口側に第１の弁手段と出口側に第２の弁手段を設け、
   圧縮機吐出側の圧力と蒸発器出口側から圧縮機吸入側までの圧力、温度とを検知して、前記ガスクーラに被昇温水を通水させるガスクーラ通水運転モード時に、前記圧縮機の吐出側から第２の弁手段入口側までの前記冷媒バイパス経路内の冷媒を超臨界状態に維持するように前記第１及び第２の弁手段を開閉操作することを特徴とする給湯装置の運転方法。
2. 前記ガスクーラ通水運転モード時に、前記膨張手段の入口側圧力と出口側圧力との圧力差が、定圧となるように、前記第１及び第２の弁手段を開閉操作して前記冷媒バイパス経路の超臨界冷媒タンクへの冷媒の回収若しくは超臨界冷媒タンクより冷媒の放出を行うことを特徴とする請求項１記載の給湯装置の運転方法。
3. 前記蒸発器が外気を取り入れて冷媒を蒸発させる外気取り込み型蒸発器であって、前記外気温度に基づいて若しくは季節単位により、圧縮機の目標吐出圧力範囲を選択し、該目標吐出圧力範囲になるように前記冷媒バイパス経路の超臨界冷媒タンクへの冷媒の回収若しくは超臨界冷媒タンクより冷媒の放出を行うことを特徴とする請求項１または２記載の給湯装置の運転方法。
4. 前記ガスクーラ通水運転の起動時に、前記第１の弁手段を開き前記第２の弁手段を閉じて前記超臨界冷媒タンクへ冷媒の回収を行なうことで高サイド側冷媒経路内の圧力を目標圧力値以下に制御し、その後前記ガスクーラ通水運転モードへ移行することを特徴とする請求項１記載の給湯装置の運転方法。
5. 前記蒸発器の除霜を行なうデフロスト運転モード時に、ガスクーラおよび蒸発器の奪熱負荷を停止した状態にして前記圧縮機を駆動させるとともに、膨張手段の経路に加えて前記第１の弁手段および第２の弁手段を開いて前記冷媒バイパス経路を開放して超臨界冷媒タンク内の超臨界ガスを蒸発器側に放出することを特徴とする請求項１記載の給湯装置の運転方法。
6. 前記膨張手段が前記冷媒経路に並列配置された複数の定圧絞り手段により構成され、前記ガスクーラ通水運転モード時に、該複数の定圧絞り手段を選択的に開放して得られる絞り範囲が前記圧縮機の入口側の目標過熱度範囲を外れた場合に、前記第１及び第２の弁手段を開閉操作して前記圧縮機の入口側の過熱度を目標過熱度範囲に維持することを特徴とする請求項１記載の給湯装置の運転方法。
7. 停止時に、前記圧縮機の作動を停止するとともに前記膨張手段を閉じ、同時に前記第１の弁手段および第２の弁手段をともに開操作し、その後ガスクーラへの通水を遮断するとともに前記蒸発器への送風を停止することによって、前記圧縮機吐出側の冷媒を前記冷媒バイパス経路を介して蒸発器側に通流させて高サイド側冷媒経路と低サイド側冷媒経路の両者間を均圧化することを特徴とする請求項１記載の給湯装置の運転方法。
8. 前記圧縮機が油潤滑式圧縮機の場合に、前記超臨界冷媒タンクの出口をタンク下端側に設定し、第２の弁手段及び蒸発器を介してタンク下部に貯留した油を前記圧縮機の入口側に戻しながら運転することを特徴とする請求項１記載の給湯装置の運転方法。
9. 前記冷凍サイクルの冷媒として炭酸ガス（ＣＯ_２）を使用することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の給湯装置の運転方法。
10. 冷媒経路上に圧縮機、ガスクーラ、膨張手段、蒸発器を直列に接続し、圧縮機吐出側より膨張手段入口側までの高サイド側冷媒経路内の圧力を超臨界状態に維持して運転される冷凍サイクルを形成し、前記ガスクーラに被昇温水を通水させて前記超臨界状態にある冷媒との熱交換により昇温させる給湯装置において、
    前記ガスクーラの上流側であって前記圧縮機の吐出側から前記膨張手段の出口側までを接続する冷媒バイパス経路を設けるとともに、該冷媒バイパス経路に加熱ヒータにより冷媒の温度を臨界温度以上に保持された超臨界冷媒タンクを介装し、該超臨界冷媒タンクの入口側に第１の弁手段と出口側に第２の弁手段を設け、
    圧縮機吐出側の圧力と蒸発器出口側から圧縮機吸入側までの圧力、温度とを検知して、前記ガスクーラに被昇温水を通水させるガスクーラ通水運転モード時に、前記圧縮機の吐出側から第２の弁手段入口側までの前記冷媒バイパス経路内の冷媒を超臨界状態に維持するように前記第１及び第２の弁手段を開閉操作する制御装置を備えたことを特徴とする給湯装置。
11. 前記冷凍サイクルの冷媒として炭酸ガス（ＣＯ_２）を使用することを特徴とする請求項１０記載の給湯装置。
12. 冷媒経路上に圧縮機、ガスクーラ、膨張手段、蒸発器を直列に接続し、圧縮機吐出側より膨張手段入口側までの高サイド側冷媒経路内の圧力を超臨界状態に維持して運転される冷凍サイクルを形成し、前記ガスクーラに被加熱用流体を通流させて前記超臨界状態にある冷媒との熱交換により昇温させる流体加熱装置において、
    前記ガスクーラの上流側であって前記圧縮機の吐出側から前記膨張手段の出口側までを接続する冷媒バイパス経路を設けるとともに、該冷媒バイパス経路に加熱ヒータにより冷媒の温度を超臨界温度以上に保持された超臨界冷媒タンクを介装し、該超臨界冷媒タンクの入口側に第１の弁手段と出口側に第２の弁手段を設け、
    前記ガスクーラに被加熱用流体を通流させるガスクーラ通流運転モード時に、圧縮機吐出側の圧力と蒸発器出口側から圧縮機吸入側までの圧力、温度とを検知して、前記圧縮機の吐出側から第２の弁手段入口側までの前記冷媒バイパス経路内の冷媒を超臨界状態に維持するように前記第１及び第２の弁手段を開閉操作する制御装置を備えたことを特徴とする流体加熱装置。
13. 前記被加熱用流体がブライン若しくは気体であることを特徴とする請求項１２記載の流体加熱装置。
14. 前記冷凍サイクルの冷媒として炭酸ガス（ＣＯ_２）を使用することを特徴とする請求項１２または１３記載の流体加熱装置。

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