JP4940632B2

JP4940632B2 - ヒートポンプ給湯装置

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Publication number: JP4940632B2
Application number: JP2005323524A
Authority: JP
Inventors: 繁治平良; 滋彦松岡
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2005-11-08
Filing date: 2005-11-08
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2025-11-08
Also published as: JP2007132541A

Description

本発明は、膨張機を備えたヒートポンプ給湯装置に関する。

過去に「圧縮機と膨張機とが同一の回転シャフトを介して回転駆動される流体搬送装置を搭載し、膨張機から生じる回転動力を圧縮機に伝達するヒートポンプ式給湯装置」の発明が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２４０３４１号公報特開２００４−１５０７４８号公報

しかし、このようなヒートポンプ式給湯装置では、流体搬送装置において圧縮機と膨張機との流量比（容積比）が一意に決定されているため、流体搬送装置周辺の外気温度などが変化すれば、膨張機へ流入する冷媒の量に過不足が生じて、最適なＣＯＰ（Coefficient of performance：成績係数）を維持することが困難となる。

本発明の課題は、膨張機から生じる回転動力を十分に利用しながら最適なＣＯＰを維持することができるヒートポンプ式給湯装置を提供することにある。

第１発明に係るヒートポンプ給湯装置は、冷媒回路および給湯回路を備える。冷媒回路は、圧縮機構、放熱器、膨張機、および蒸発器を順次接続して成り、内部を冷媒が循環している。なお、ここにいう「放熱器」は、凝縮器やガスクーラである。給湯回路は、放熱器に流れる冷媒と熱交換させるための液流体が、液流体ポンプによって、内部を循環している。圧縮機構は、外部電源から供給される電気エネルギーによって駆動している。液流体ポンプは、前記膨張機で回収した回転動力が直接的に伝達されることにより駆動し、放熱器に向けて液流体を送る。なお、ここで、液流体ポンプの駆動には、膨張機から生じる回転動力に加えて他の動力（例えば、電動機から生じる動力など）が利用されてもよい。

このヒートポンプ給湯装置では、同一冷媒回路内の圧縮機ではなく、液流体ポンプが、膨張機から生じる回転動力を利用して液流体を放熱器に送り出す。つまり、このヒートポンプ給湯装置では、膨張機の回転速度は、必ずしも圧縮機の回転速度と同じである必要はない。このため、このヒートポンプ給湯装置では、周辺の外気温度などが変化したとしても、膨張機の回転速度を適切に変化させることにより、最適なＣＯＰを維持することができる。また、このヒートポンプ給湯装置では、膨張機から生じる回転動力が直接的に液流体ポンプの駆動に利用されるため、膨張機から生じる回転動力を十分に利用することができる。したがって、このヒートポンプ給湯装置では、膨張機から生じる回転動力を十分に利用しながら最適なＣＯＰを維持することができる。

第２発明に係るヒートポンプ給湯装置は、第１発明に係るヒートポンプ給湯装置であって、冷媒回路を流れる冷媒は、冷凍サイクルの高圧側において超臨界状態で作動する二酸化炭素である。

第３発明に係るヒートポンプ給湯装置は、第１発明または第２発明に係るヒートポンプ給湯装置であって、液流体ポンプを駆動させるための電動機と、膨張機と同一の回転シャフトを有する電動機とをさらに備える。

このヒートポンプ給湯装置では、膨張機と同一の回転シャフトを有する電動機により液流体ポンプが駆動される。このため、このヒートポンプ給湯装置では、膨張機から生じる回転動力を回転シャフトを介して直接、液流体ポンプに伝達することができる。

第４発明に係るヒートポンプ給湯装置は、第１発明または第２発明に係るヒートポンプ給湯装置であって、クラッチ機構をさらに備える。クラッチ機構は、膨張機から生じる回転動力を液流体ポンプへ伝達する第３状態と、膨張機から生じる回転動力を液流体ポンプへ伝達しない第４状態とを切換可能である。なお、このクラッチ機構は、膨張機と液流体ポンプ（あるいは液流体ポンプ用の電動機）との間に設けられる。

このヒートポンプ給湯装置では、クラッチ機構が、第３状態と第４状態とを切換可能である。このため、このヒートポンプ給湯装置では、クラッチ機構を直結、差動、切断させることにより膨張機から液流体ポンプへ伝達される回転動力を適宜調節することができる。

第５発明に係るヒートポンプ給湯装置は、第１発明または第２発明に係るヒートポンプ給湯装置であって、ギア機構とをさらに備える。ギア機構は、膨張機から生じる回転動力の液流体ポンプへの伝達を媒介する。

このヒートポンプ給湯装置では、ギア機構が、膨張機から生じる回転動力の液流体ポンプへの伝達を媒介する。このため、このヒートポンプ給湯装置では、ギア比を調節することにより液流体ポンプへの動力伝達の度合いを調節することができる。

第６発明に係るヒートポンプ給湯装置は、第１発明または第２発明に係るヒートポンプ給湯装置であって、トランスミッション機構をさらに備える。トランスミッション機構は、膨張機から生じる回転動力の液流体ポンプへの伝達を媒介する。

このヒートポンプ給湯装置では、トランスミッション機構が、膨張機から生じる回転動力の液流体ポンプへの伝達を媒介する。このため、このヒートポンプ給湯装置では、適切なギア比を適宜選択することにより液流体ポンプへの動力伝達の度合いを調節することができる。

第１発明に係るヒートポンプ給湯装置では、周辺の外気温度などが変化したとしても、膨張機の回転速度を適切に変化させることにより、最適なＣＯＰを維持することができる。また、このヒートポンプ給湯装置では、膨張機から生じる回転動力が直接的に液流体ポンプの駆動に利用されるため、膨張機から生じる回転動力を十分に利用することができる。したがって、このヒートポンプ給湯装置では、膨張機から生じる回転動力を十分に利用しながら最適なＣＯＰを維持することができる。

第３発明に係るヒートポンプ給湯装置では、膨張機から生じる回転動力を回転シャフトを介して直接、液流体ポンプに伝達することができる。

第４発明に係るヒートポンプ給湯装置では、クラッチ機構を直結、差動、切断させることにより膨張機から液流体ポンプへ伝達される回転動力を適宜調節することができる。

第５発明に係るヒートポンプ給湯装置では、ギア比を調節することにより液流体ポンプへの動力伝達の度合いを調節することができる。

第６発明に係るヒートポンプ給湯装置では、適切なギア比を適宜選択することにより液流体ポンプへの動力伝達の度合いを調節することができる。

＜第１実施形態＞
ここでは、図１を用いて本発明の第１実施形態に係るヒートポンプ給湯装置１について説明する。

〔ヒートポンプ給湯装置の構成〕
本発明の第１実施形態に係るヒートポンプ給湯装置１は、図１に示されるように、主に、ヒートポンプユニット１０、貯湯タンクユニット３０、およびこれらのユニット１０，３０を接続する連絡用水配管５１，５２から構成されている。なお、ヒートポンプユニット１０は屋外に設置され、貯湯タンクユニット３０は屋内に設置される。

以下、ヒートポンプユニット１０および貯湯タンクユニット３０についてそれぞれ詳述する。

（１）ヒートポンプユニット
ヒートポンプユニット１０は、図１に示されるように、主に、冷媒回路１１、水ポンプ２７、発電機６１、蓄電器６２、コンバータ６３、ポンプ制御部６４、および電動機６５を備えている。

冷媒回路１１は、図１に示されるように、主冷媒回路１２、バイパス配管１３、およびインジェクション配管１４から構成されている。なお、第１実施形態に係る冷媒回路１１には冷媒としてＣＯ₂（二酸化炭素）が封入されており、この冷媒回路１１では高圧側でＣＯ₂が超臨界圧力となるようにコントロールされる。

主冷媒回路１２は、図１に示されるように、主に、圧縮機１５、水熱交換器１７、二重管熱交換器２８、膨張機１６、空気熱交換器２０、およびそれらの機器１５，１６，１７，２０，２８を配管接続する接続用冷媒配管２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄ，２４Ｅ，２４Ｆから構成されている。

圧縮機１５は、インバータ制御可能なスクロール式圧縮機であって、吐出側が第１接続用冷媒配管２４Ａを介して水熱交換器１７の入口側に接続され、吸入側が第６接続用冷媒配管２４Ｆを介して二重管熱交換器２８のガス管の出口側に接続されている。

水熱交換器１７は、主に、水ジャケット（図示せず）と、水ジャケット内に配置される複数回折り返された伝熱管（図示せず）とを備えている。そして、水ジャケットは、入口側が第１水配管２５に接続され、出口側が第２水配管２６に接続されている。また、伝熱管は、入口側が第１接続用冷媒配管２４Ａを介して圧縮機１５の吸入側に接続され、出口側が第２接続用冷媒配管２４Ｂを介して二重管熱交換器２８の液管の入口側に接続されている。そして、この水熱交換器１７では、第１水配管２５から水ジャケットに流入する水または温水が、圧縮機から第１接続用冷媒配管２４Ａを通って伝熱管に流入する高温の超臨界冷媒と熱交換して高温の温水（湯）となると同時に伝熱管に流れる超臨界冷媒が冷却される。そして、超臨界冷媒との熱交換を終えた高温の温水（湯）は、その後、第２水配管２６に流入する。

二重管熱交換器２８は、主に、ガス管と液管とを備えている。そして、ガス管は、入口側が第５接続用冷媒配管２４Ｅを介して空気熱交換器２０の出口側に接続され、出口側が第６接続用冷媒回路２４Ｆを介して圧縮機１５の吸入側に接続される。また、液管は、入口側が第２接続用冷媒配管２４Ｂを介して水熱交換器１７の伝熱管の出口側に接続され、出口側が第３接続用冷媒配管２４Ｃを介して膨張機１６の流入側に接続される。そして、この二重管熱交換器２８では、ガス管に流れるガス冷媒と、液管に流れる超臨界冷媒とが熱交換されることになる。なお、このとき、液管側からガス管側に向かって温熱が移動し、ガス管側から液管側に向かって冷熱が移動することになる。

膨張機１６は、インバータ制御可能なスクロール式膨張機であって、流入側が第３接続用冷媒配管２４Ｃを介して二重管熱交換器２８の液管の出口側に接続され、流出側が第４接続用冷媒配管２４Ｄを介して空気熱交換器２０の入口側に接続されている。また、この膨張機１６は図１に示されるように発電機６１と同一の回転シャフト７１を有しており、発電機６１は、膨張機１６から生じる動力により回転駆動され発電を行う。また、この膨張機１６は、圧縮機１５とともに集中制御装置（図示せず）に通信接続されており、圧縮機１５の回転速度に依存してその回転速度が調節される。

空気熱交換器２０は、クロスフィン・アンド・チューブ式の熱交換器であって、入口側が第４接続用冷媒配管２４Ｄを介して膨張機１６の流出側に接続され、出口側が第５接続用冷媒配管２４Ｅを介して二重管熱交換器２８のガス管の入口側に接続されている。そして、この空気熱交換器２０では、膨張機１６により減圧された超臨界冷媒がファン２１により送風される空気と熱交換してガス冷媒となると同時にその空気が冷却される。なお、ファン２１は、図１に示されるように、主に、羽根車２２とファンモータ２３とから構成されており、羽根車２２がファンモータ２３により回転駆動されることにより送風機能を発揮する。

バイパス配管１３は、冷媒流量調節のために設けられる配管であって、図１に示されるように、第３接続用冷媒配管２４Ｃから分岐して第４接続用冷媒配管２４Ｄに合流する配管であり、二重管熱交換器２８の液管の出口側と空気熱交換器２０の入口側とを結んでいる。そして、このバイパス配管１３には、バイパス配管１３を通る超臨界冷媒の流量を調節する第１冷媒量調節弁（電子膨張弁）１８が設けられている。

インジェクション配管１４は、冷媒流量調節のために設けられる配管であって、図１に示されるように、第３接続用冷媒配管２４Ｃのうちバイパス配管１３の分岐点と膨張機１６の流入口との間の部分から分岐して膨張機１６の膨張過程の途中に合流する配管である。そして、このインジェクション配管１４には、インジェクション配管１４を通る超臨界冷媒の流量を調節する第２冷媒量調節弁１９が設けられている。

なお、圧縮機１５の電動機は、図示しない制御装置に通信接続されており、その回転速度が制御されるようになっている。

水ポンプ２７は、第１水配管２５に設けられており、電動機６５により回転シャフト８１を介して駆動され、後述する貯湯タンク３１に貯蔵されている水あるいは温水をヒートポンプユニット１０の水熱交換器１７の水ジャケットに供給する。

発電機６１は、膨張機１６から生じる回転動力により回転し発電を行う。そして、この発電機６１は、第１電灯線７２により蓄電器６２と接続されており、発生させた電気を蓄電器６２に蓄える。

コンバータ６３は、図１に示されるように、第２電灯線７３を介して蓄電器６２に接続されており、蓄電器６２から供給される交流電流を直流電流に変換する役目を担う。

ポンプ制御部６４は、主に、インバータ回路（図示せず）、制御回路（図示せず）、およびスイッチ回路（図示せず）を有する。インバータ回路は、第３電灯線７４を介してコンバータ６３に接続されており、直流電流を交流電流に変換する。制御回路は、インバータ回路に接続されており、インバータ回路の制御を行う。スイッチ回路は、インバータ回路および第４電灯線７５を介して電動機６５に接続されており、電動機６５へ給電する状態と、電動機６５への給電を停止し蓄電する状態とに切換可能になっている。

電動機６５は、その回転中心が回転シャフト８１を介して水ポンプの回転中心に連結されている。また、この電動機６５は、図示しない電力供給線に接続され、外部電源からも給電される。なお、本実施の形態では、外部電源からの電気供給は、蓄電器６２からの電気供給が停止された場合にのみ行われる。

（２）貯湯タンクユニット
貯湯タンクユニット３０は、図１に示されるように、主に、貯湯タンク３１および複数の水配管３３，３４，３５，３６から構成されている。

貯湯タンク３１は、貯湯タンク３１内に貯蔵される水または温水をヒートポンプユニット１０の水熱交換器１７の水ジャケットに供給するための第３水配管３４に接続されていると共に、ヒートポンプユニット１０の水熱交換器１７の水ジャケットから流出される高温の温水あるいは湯を貯湯タンク３１に戻すための第４水配管３３と接続されている。なお、ここで、第３水配管３４は貯湯タンク３１の下部から延びており、第４水配管３３は貯湯タンク３１の上部から延びている。また、第３水配管３４は第１連絡用水配管５１を介して第１水配管２５に接続され、第４水配管３３は第２連絡用水配管５２を介して第２水配管２６に接続されている。また、この貯湯タンク３１は、外部からの水を貯湯タンク３１に供給するための給水配管３５に接続されると共に、住戸に高温の温水または湯を供給するための給湯配管３６に接続されている。なお、ここで、給水配管３５は貯湯タンク３１の下部から延びており、給湯配管３６は貯湯タンク３１の上部から延びている。また、この貯湯タンク３１には内部に図示しない温度センサが挿入されており、温度センサの信号値が所定の閾値（設定湯温）を下回ると、ヒートポンプユニット１０および水ポンプ２７が運転されるようになっている。

〔ヒートポンプ給湯装置の運転〕
通常、第１冷媒量調節弁１８および第２冷媒量調節弁１９は共に閉状態とされる。

そして、この状態で、圧縮機１５が運転を開始し出すと、ガス冷媒が、圧縮機１５に吸入されて圧縮された後、超臨界状態となり、第１接続用冷媒配管２４Ａを通って水熱交換器１７の伝熱管に送られ、水熱交換器１７の水ジャケットを流れる水または温水と熱交換して冷却される。つまり、このとき、水熱交換器１７の伝熱管を流れる水または温水は、加熱されて高温の温水（湯）となる。なお、この高温の温水（湯）は、水ポンプ２７により貯湯タンク３１に送られる。そして、貯湯タンク３１に送られた高温の温水（湯）が設定湯温に達しない場合は、更にその温水（湯）が水ポンプ２７により水熱交換器１７に送られることになる。逆に、貯湯タンク３１に送られた高温の温水（湯）が設定湯温に達した場合は、圧縮機１５および水ポンプ２７が停止させられることになる。

そして、冷却された超臨界冷媒が、第２接続用冷媒配管２４Ｂを通って二重管熱交換器２８の液管へ送られる。そして、このとき、液管を流れる超臨界冷媒は、ガス管を流れるガス冷媒と熱交換を行い、加熱された後、第３接続用冷媒配管２４Ｃを追って膨張機１６へ送られる。

膨張機１６に送られた超臨界冷媒は、減圧された後に第４接続用冷媒配管２４Ｄを通って空気熱交換器２０に送られ、ファン２１から送風される空気と熱交換することにより蒸発されてガス冷媒となる。

そして、空気熱交換器２０から流出したガス冷媒が、第５接続用冷媒配管２４Ｅを通って二重管熱交換器２８のガス管へ送られる。そして、このとき、ガス管を流れるガス冷媒は、液管を流れる超臨界冷媒と熱交換を行い、冷却された後、第６接続用冷媒配管２４Ｆを通って、再び、圧縮機１５に吸入される。

なお、夏期など、外気温度が高くなる時期では、第１冷媒量調節弁１８が開状態とされ、第２冷媒量調節弁１９が閉状態とされる。なお、第１冷媒量調節弁１８の開度は、外気温度や水熱交換器１７に流入する水や温水の温度の変化などに基づいて決定される。

このとき、水熱交換器１７において冷却された超臨界冷媒は、第２接続用冷媒配管２４Ｂ、二重管熱交換器２８の液管、および第３接続用冷媒配管２４Ｃを通って膨張機１６に送られるとともに、その一部がバイパス配管１３を通って第１冷媒量調節弁１８に送られる。そして、膨張機１６および第１冷媒量調節弁１８に送られた超臨界冷媒は、それぞれ減圧された後に合流して空気熱交換器２０に送られる。

また、冬期など、外気温度が低くなる時期では、第１冷媒量調節弁１８が閉状態とされ、第２冷媒量調節弁１９が開状態とされる。なお、第２冷媒量調節弁１９の開度は、外気温度や水熱交換器１７に流入する水や温水の温度の変化などに基づいて決定される。

そして、水熱交換器１７において冷却された超臨界冷媒は、第２接続用冷媒配管２４Ｂを通って膨張機１６に送られるとともに、その一部がインジェクション配管１４を通って膨張機１６の膨張過程の途中に送られ、ともに減圧された後に空気熱交換器２０に送られる。

〔ヒートポンプ給湯装置の特徴〕
（１）
本実施の形態に係るヒートポンプ給湯装置１では、膨張機１６の回転速度は、圧縮機１５の回転速度と必ずしも同じではなく、圧縮機１５の回転速度に対して適切になるように制御される。このため、このヒートポンプ給湯装置１では、周辺の外気温度などが変化したとしても、最適なＣＯＰを維持することができる。

（２）
本実施の形態に係るヒートポンプ給湯装置１では、膨張機１６から生じる回転動力が利用されて電気エネルギーが生成、蓄電され、電動機６５に供給される。このため、このヒートポンプ給湯装置１では、外部電源から供給される電気の費用を節約することができるとともに、膨張機１６の回転速度が低下し、発電機６１が発電を十分に行えない状況であっても電動機６５を駆動させることができる。

（３）
本実施の形態に係るヒートポンプ給湯装置１では、スイッチ回路が、電動機６５へ給電する状態と、電動機６５への給電を停止し蓄電する状態とに切換可能である。このため、このヒートポンプ給湯装置では、蓄電と給電とを適宜選択することができる。

〔変形例〕
（Ａ）
先の実施の形態に係るヒートポンプ給湯装置１では、スクロール式の圧縮機１５が採用されていたが、これに代えて、ロータリー式やスイング式などの他の形式の圧縮機が採用されてもかまわない。

（Ｂ）
先の実施の形態に係るヒートポンプ給湯装置１では、スクロール式の膨張機１６が採用されていたが、これに代えて、ロータリー式やスイング式などの他の形式の膨張機が採用されてもかまわない。

（Ｃ）
先の実施の形態に係るヒートポンプ給湯装置１では、主冷媒回路１２に、インジェクション配管１４および第２冷媒量調節弁１９が取り付けられていたが、これに代えて、圧縮機１５の吸入側に膨張弁を設けてもかまわない。

（Ｄ）
先の実施の形態に係るヒートポンプ給湯装置１では、バイパス配管１３およびインジェクション配管１４が主冷媒回路１２に取り付けられていたが、これらの配管１３，１４は取り外されてもかまわない。

（Ｅ）
先の実施の形態に係るヒートポンプ給湯装置１では、冷媒回路１１に冷媒としてＣＯ₂（二酸化炭素）が封入されていたが、この冷媒を、フロン系や、アンモニア、炭化水素などの冷媒としてもかまわない。ただし、かかる場合、水熱交換器１７はガスクーラとして機能するのではなく凝縮器として機能することになる。

（Ｆ）
先の実施の形態に係るヒートポンプ給湯装置１では、発電機６１および蓄電器６２が水ポンプ２７を駆動させるための電動機６５に電気接続されたが、これに代えて、発電機６１および蓄電器６２をファンモータ２３に電気接続するようにしてもよい。

＜第２実施形態＞
ここでは、図２を用いて本発明の第２実施形態に係るヒートポンプ給湯装置２について説明する。

〔ヒートポンプ給湯装置の構成〕
本発明の第２実施形態に係るヒートポンプ給湯装置１は、図２に示されるように、主に、ヒートポンプユニット１０ａ、貯湯タンクユニット３０、およびこれらのユニット１０ａ，３０を接続する連絡用水配管５１，５２から構成されている。なお、ここで、貯湯タンクユニット３０および連絡用水配管５１，５２は、第１実施形態の貯湯タンクユニット３０および連絡用水配管５１，５２と同一のものであるので、同じ符号を付して説明を省略する。また、ヒートポンプユニット１０ａは屋外に設置される。

以下、ヒートポンプユニット１０ａについて詳述する。

（ヒートポンプユニット）
ヒートポンプユニット１０ａは、図２に示されるように、主に、冷媒回路１１、水ポンプ２７、および電動機６５を備えている。なお、ここで、冷媒回路１１は、第１実施形態の冷媒回路１１と同一のものであるので、同じ符号を付して説明を省略する。そして、以下では、第１実施形態に係るヒートポンプ給湯装置１とは異なる「膨張機１６と水ポンプ２７との接続構成」について詳述する。

この実施の形態において、膨張機１６および水ポンプ２７は、それらの回転中心が共に電動機６５から延びる回転シャフト８１に連結されている。そして、この電動機６５に外部電源から供給される電気エネルギーが供給されると、膨張機１６および水ポンプ２７が同時に同一の回転速度で回転駆動される。そして、このとき、膨張機１６では動力回収が行われ、回収された膨張機１６の回転動力が水ポンプ２７に伝達される。なお、この電動機６５には、図示しないインバータ装置が接続されており、その回転速度が自在に変化させられる。

〔ヒートポンプ給湯装置の特徴〕
本実施の形態に係るヒートポンプ給湯装置２では、膨張機１６および水ポンプ２７の回転中心が共に電動機６５から延びる回転シャフト８１に連結されている。このため、このヒートポンプ給湯装置２では、膨張機１６から生じる回転動力を回転シャフト８１を介して直接、水ポンプ２７に伝達することができる。

〔変形例〕
先の実施の形態に係るヒートポンプ給湯装置２では、膨張機１６および水ポンプ２７の回転中心が共に電動機６５から延びる回転シャフト８１に連結されていたが、これに代えて、膨張機１６および羽根車２２の回転中心が共にファンモータ２３から延びる回転シャフトに連結されてもよい。このようにすれば、膨張機１６から回収される回転動力を利用して羽根車２２を回すことができる。

＜第３実施形態＞
ここでは、図３を用いて本発明の第３実施形態に係るヒートポンプ給湯装置３について説明する。

〔ヒートポンプ給湯装置の構成〕
本発明の第３実施形態に係るヒートポンプ給湯装置３は、図３に示されるように、主に、ヒートポンプユニット１０ｂ、貯湯タンクユニット３０、およびこれらのユニット１０ｂ，３０を接続する連絡用水配管５１，５２から構成されている。なお、ここで、貯湯タンクユニット３０および連絡用水配管５１，５２は、第１実施形態の貯湯タンクユニット３０および連絡用水配管５１，５２と同一のものであるので、同じ符号を付して説明を省略する。また、ヒートポンプユニット１０ｂは屋外に設置される。

以下、ヒートポンプユニット１０ｂについて詳述する。

（ヒートポンプユニット）
ヒートポンプユニット１０ｂは、図３に示されるように、主に、冷媒回路１１、水ポンプ２７、電動機６５、およびクラッチ機構８２を備えている。なお、ここで、冷媒回路１１は、第１実施形態の冷媒回路１１と同一のものであるので、同じ符号を付して説明を省略する。そして、以下では、第１実施形態に係るヒートポンプ給湯装置１とは異なる「膨張機１６と水ポンプ２７との接続構成」について詳述する。

この実施の形態において、膨張機１６および水ポンプ２７は、図３に示されるように、回転シャフト８３、クラッチ機構８２、回転シャフト８１、および電動機６５を介して連結されている。

回転シャフト８３は、膨張機１６の回転中心とクラッチ機構８２に設けられる２枚のクラッチ板（図示せず）（後述）の一方の回転中心とを連結している。また、回転シャフト８１は、電動機６５から延びており、クラッチ板の他方の回転中心と水ポンプ２７の回転中心とを連結している。

クラッチ機構８２では、上記２枚のクラッチ板がクラッチ制御部８５によって連結させられたり乖離させられたりすることにより、膨張機１６から回収される動力が水ポンプ２７に伝達されたり、その動力伝達が切断されたりする。また、クラッチ板の連結の度合いを調整すること（半クラッチ）によって、上記動力伝達の程度を変化させること（差動）も可能である。なお、この電動機６５には、インバータ装置８４が接続されており、その回転速度が自在に変化させられる。

〔ヒートポンプ給湯装置の特徴〕
本実施の形態に係るヒートポンプ給湯装置３では、膨張機１６および水ポンプ２７が回転シャフト８１，８３およびクラッチ機構８２を介して連結されている。このため、このヒートポンプ給湯装置１では、クラッチ機構８２を直結、差動、切断させることにより膨張機１６から水ポンプ２７へ伝達される回転動力を適宜調節することができる。

〔変形例〕
（Ａ）
先の実施の形態に係るヒートポンプ給湯装置３では、膨張機１６および水ポンプ２７が回転シャフト８１，８３およびクラッチ機構８２を介して連結されていたが、これに代えて、膨張機１６および羽根車２２が回転シャフト８１，８３およびクラッチ機構８２を介して連結されてもよい。

（Ｂ）
先の実施の形態に係るヒートポンプ給湯装置３では、膨張機１６および水ポンプ２７が回転シャフト８１，８３およびクラッチ機構８２を介して連結されたヒートポンプユニット１０ｂが採用されていたが、図４に示されるように、クラッチ機構８２と電動機６５との間にギア機構８６が挿入されるヒートポンプユニット１０ｃを採用してもよい。このようなヒートポンプ給湯装置３ａでは、クラッチ機構８２のクラッチ板から延びる回転シャフト８７および電動機６５から延びる回転シャフト８１の先端にギアが設けられることになる。このようにすれば、ギア比を調節することにより膨張機１６から水ポンプ２７への動力伝達の度合いを調節することができる。

（Ｃ）
先の実施の形態に係るヒートポンプ給湯装置３では、膨張機１６および水ポンプ２７が回転シャフト８１，８３およびクラッチ機構８２を介して連結されたヒートポンプユニット１０ｂが採用されていたが、図５に示されるように、クラッチ機構８２と電動機６５との間にトランスミッション機構８８が挿入されるヒートポンプユニット１０ｄを採用してもよい。このようなヒートポンプ給湯装置３ｂでは、クラッチ機構８２のクラッチ板から延びる回転シャフト８７および電動機６５から延びる回転シャフト８１がトランスミッション機構８８に連結されることになる。このようにすれば、トランスミッション機構８８において適切なギアを選択することにより膨張機１６から水ポンプ２７への動力伝達の度合いを調節することができる。なお、ここでは、クラッチ機構８２とトランスミッション機構８８とは同一の制御装置８９により集中制御されることになる。

（Ｄ）
先の実施の形態に係るヒートポンプ給湯装置３では、膨張機１６および水ポンプ２７が回転シャフト８１，８３およびクラッチ機構８２を介して連結されていたが、これに代えて、回転シャフト８１，８３およびギア機構を介して膨張機１６と水ポンプ２７とを連結してもよい。

（Ｅ）
先の実施の形態に係るヒートポンプ給湯装置３では、膨張機１６および水ポンプ２７が回転シャフト８１，８３およびクラッチ機構８２を介して連結されていたが、これに代えて、回転シャフト８１，８３およびトランスミッション機構を介して膨張機１６と水ポンプ２７とを連結してもよい。

本発明に係るヒートポンプ給湯装置は、膨張機から生じる回転動力を十分に利用しながら最適なＣＯＰを維持することができるという特徴を有し、省エネルギーが求められるヒートポンプ給湯装置として有用である。

本発明の第１実施形態に係るヒートポンプ給湯装置の回路図である。本発明の第２実施形態に係るヒートポンプ給湯装置の回路図である。本発明の第３実施形態に係るヒートポンプ給湯装置の回路図である。本発明の第３実施形態の変形例（Ｂ）に係るヒートポンプ給湯装置の回路図である。本発明の第３実施形態の変形例（Ｃ）に係るヒートポンプ給湯装置の回路図である。

２ヒートポンプ給湯装置
１１冷媒回路
１５圧縮機（圧縮機構）
１６膨張機
１７水熱交換器（放熱器）
２０空気熱交換器（蒸発器）
２７水ポンプ（液流体ポンプ）
６１発電機
６２蓄電器
６５電動機
７１，８１回転シャフト
８２クラッチ機構
８６ギア機構
８８トランスミッション機構

Claims

圧縮機構（１５）、放熱器（１７）、膨張機（１６）、および蒸発器（２０）を順次接続して成り、内部を冷媒が循環している冷媒回路（１１）と、
前記放熱器に流れる前記冷媒と熱交換させるための液流体が、液流体ポンプ（２７）によって、内部を循環している給湯回路と、
を備え、
前記圧縮機構（１５）は、外部電源から供給される電気エネルギーによって駆動し、
前記液流体ポンプ（２７）は、前記膨張機で回収した回転動力が直接的に伝達されることにより駆動し、前記放熱器に向けて前記液流体を送る、
ヒートポンプ給湯装置（２）。
前記冷媒回路（１１）を流れる冷媒は、冷凍サイクルの高圧側において超臨界状態で作動する二酸化炭素である、
請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
前記液流体ポンプを駆動させるための電動機（６５）をさらに備え、
前記電動機は、前記膨張機と同一の回転シャフト（８１）を有する、
請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯装置。
前記膨張機から生じる回転動力を前記液流体ポンプへ伝達する第３状態と、前記膨張機から生じる回転動力を前記液流体ポンプへ伝達しない第４状態とを切換可能であるクラッチ機構（８２）をさらに備える、
請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯装置。
前記膨張機から生じる回転動力の前記液流体ポンプへの伝達を媒介するギア機構（８６）をさらに備える、
請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯装置。
前記膨張機から生じる回転動力の前記液流体ポンプへの伝達を媒介するトランスミッション機構（８８）をさらに備える、
請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯装置。