JP5448897B2

JP5448897B2 - 給湯器

Info

Publication number: JP5448897B2
Application number: JP2010027734A
Authority: JP
Inventors: 峰正大村; 茂吉田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2030-02-10
Also published as: JP2011163672A

Description

本発明は、ヒートポンプ式の給湯器に関するものである。

ヒートポンプ式の給湯器は、水熱交換器において冷凍サイクルを循環する冷媒と水サイクルを流れる水とが熱交換を行い、水を加熱するものであり、ガス燃焼式や電気加熱式の給湯器に比較して省エネルギである点て注目されている。
ヒートポンプ式の給湯器の効率を向上させるためには、水熱交換器での熱交換効率を向上させること、冷凍サイクル、特に、冷媒を圧縮する圧縮機の効率を向上させることが重要である。

水熱交換器での熱交換効率を向上させるものは、たとえば、特許文献１に示されるもの等種々のものが提案されている。
特許文献１に示されるものは、循環している冷媒の一部を分岐し、それを全て圧縮機にインジェクションし、圧縮機から吐出される冷媒量を増加させ、水の加熱量を増加するものである。
また、圧縮機の効率を向上させるために、２段（あるいは多段）の圧縮機構を持つ圧縮機を用いることが知られている。

２段圧縮機を用い、かつ、インジェクションを併用して圧縮機の高効率化、高能力化をはかることによって給湯器の効率を向上させることが期待できる。
２段圧縮機におけるインジェクションは、たとえば、水熱交換器からの冷媒の一部を分岐させ、減圧し、２重管熱交換器の一方を通る本流の冷媒によって加温して低段側圧縮機構と高段側圧縮機構との間である中間圧力部分に行われる。
２段圧縮機には、低段側圧縮機構と高段側圧縮機構とで最適な圧縮比（それぞれの押しのけ量の比）が存在する。インジェクションを用いる場合、この圧縮比はインジェクション後の中間圧力で効率が高くなるように設計されている。

特開２００８−２５６２８１号公報

ところで、水熱交換器では、圧縮機から吐出されたガス冷媒と水サイクルの水とが一般に対向流とされているので、水熱交換器から出る冷媒の温度は、水熱交換器に導入される水の温度に近づくことになる。水熱交換器に導入される水の温度は、季節、運転状況等によって大きく変動する。
たとえば、上述の２重管熱交換器を用いてインジェクションを行う場合、水熱交換器の入口側における水温が低い状態になると、冷媒回路の出口側における冷媒温度が低下するので、２重管熱交換器に導入される冷媒の温度が低下する。このため、２重管熱交換器で加温されるインジェクション用の冷媒の温度も低下するので、その圧力が２段圧縮機における中間圧力部分の圧力よりも小さくなる。このため、インジェクションが出来なくなるので、圧縮機は純粋な２段圧縮状態となる。
これにより、２段圧縮機における低段側と高段側の圧縮比が変化し、せっかく設定した最適な圧縮比が崩れてしまい、２段圧縮機の効率が落ち、性能低下を来たすこととなる。

本発明は、このような事情に鑑み、水熱交換器に導入される水の温度が低下しても、著しい圧縮機性能の低下を抑制でき、広範囲の条件に亘って効率の良い運転が行える給湯器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の一態様は、低段と高段との間にインジェクションポートを有する２段圧縮機、第一放熱器、第二放熱器、本管流量調整弁および蒸発器が冷媒配管によって順次冷媒が流れるように接続されている冷凍サイクルと、水が第二放熱器から第一放熱器を通って流れ、前記第一放熱器および前記第二放熱器を流れる前記冷媒との間で熱交換される水配管を有する水サイクルと、前記冷媒配管における前記第一放熱器および前記第二放熱器間の分岐点と前記本管流量調整弁および前記蒸発器間の合流点を接続する分岐配管と、該分岐配管から前記インジェクションポートに冷媒を供給するインジェクション配管とを有するインジェクション回路と、前記分岐配管へ選択的に前記冷媒を流す第一の弁部材と、前記第二放熱器と前記本管流量調整弁との間から分岐され、前記分岐配管における前記インジェクション配管の上流側へ向かってのみ前記冷媒を供給できる第一の一方向配管と、該第一の一方向配管へ選択的に前記冷媒を流す第二の弁部材と、が備えられている給湯器である。

本態様にかかる給湯器では、２段圧縮機からの高温・高圧の冷媒が第一放熱器（水熱交換器）から第二放熱器（水熱交換器）に流れる。水サイクルを流れる水は、第二放熱器から第一放熱器を通って流れる間に、この高温・高圧の冷媒と熱交換されて加温される。一方、水サイクルを流れる水によって冷却された冷媒は本管流量調整弁で絞られ低圧とされ、蒸発器に導入される。冷媒は蒸発器で低温・低圧とされ、２段圧縮機に導入され高温・高圧とされる。
このとき、インジェクション回路によって冷媒の一部は、第一放熱器および第二放熱器間の分岐点から分岐され、本管流量調整弁および蒸発器間の合流点で合流するとともにインジェクションポートに冷媒が供給される。

第一放熱器を通る冷媒は、第二放熱器で昇温された水と熱交換するので、第二放熱器に導入される水の温度が低い状態であっても第一放熱器の出口部の冷媒温度は比較的高くなる。これにより、インジェクションされる冷媒の温度低下が抑制されるので、その圧力が２段圧縮機における中間圧力部分の圧力よりも小さくなることを防止できる。
したがって、インジェクションを行うことができるので、圧縮機中間圧をある程度調整することができ、入水温度が低い条件での２段圧縮機の効率低下を回避することができる。第二放熱器に導入される水の温度が低下しても、著しい圧縮機性能の低下を抑制でき、広範囲の条件に亘って効率の良い運転を行うことができる。
なお、第一放熱器および第二放熱器のサイズは、第一放熱器の冷媒出口温度を何度となるように設定するかで決定されるのが好ましい。

前記態様では、前記分岐配管は、２重管熱交換器の一方管内部および分岐流量調整弁を通って前記分岐点と前記合流点とを接続し、前記インジェクション配管は、前記分岐配管の前記２重管熱交換器の上流側から分岐し、インジェクション膨張弁および前記２重管熱交換器の他方管内部を通って前記インジェクションポートに接続されている構成としてもよい。

第一放熱器からの冷媒は、一部が分岐点で分岐され、分岐配管を通って２重管熱交換器の一方管内部および分岐流量調整弁を通り、合流点へと流れる。このとき、分岐配管を通る冷媒の一部は、分岐配管の２重管熱交換器の上流側から分岐したインジェクション配管に導入される。インジェクション配管に分岐された冷媒は、インジェクション膨張弁によって膨張され、２重管熱交換器の他方管内部を通る際、一方管内部を通る冷媒によって加温され、インジェクションポートに供給される。
一方、分岐配管を通って合流する冷媒は冷却されるので、第二放熱管を通る冷媒との温度差を小さくすることができる。
また、分岐配管に分岐流量調整弁が設置されているので、本管流量調整弁および分岐流量調整弁の開度を調節することによって分岐配管に流れる冷媒量を調節することができる。

本発明の一態様は、前記分岐配管へ選択的に前記冷媒を流す第一の弁部材と、前記第二放熱器と前記本管流量調整弁との間から分岐され、分岐配管における前記インジェクション配管の上流側へ向かってのみ前記冷媒を供給できる第一の一方向配管と、該第一の一方向配管へ選択的に前記冷媒を流す第二の弁部材と、が備えられている。

このようにすると、第一の弁部材を切り替えることによって第一放熱器を出た冷媒は、分岐配管へ流すようにも流さないようにもすることができる。また、第二の弁部材を切り替えることによって第二放熱器を出た冷媒の一部を分岐配管におけるインジェクション配管の上流側に供給することも供給しないこともできる。
たとえば、第二放熱器に導入される水の温度が低い状態である場合には、第一の弁部材を分岐配管に冷媒が流されるように動作させ、分岐配管に比較的高温の冷媒を供給する。これにより、インジェクションされる冷媒の温度低下が抑制されるので、その圧力が２段圧縮機における中間圧力部分の圧力よりも小さくなることを防止できる。このようにインジェクションを行うことができるので、圧縮機中間圧をある程度調整することができ、入水温度が低い条件での２段圧縮機の効率低下を回避することができる。
このとき、第一の一方向配管は、インジェクション配管の上流側へ向かってのみ冷媒を供給できるものであるので、分岐配管に供給された冷媒が流れ込むことはない。

また、第二放熱器に導入される水の温度が通常あるいは高い状態である場合には、第一の弁部材を分岐配管に冷媒が流れないように動作させるとともに第二の弁部材を第一の一方向配管に分岐されるように動作させる。第二放熱器を出た冷媒の一部が第一の一方向配管を通って分岐配管におけるインジェクション配管の上流側に供給される。第一放熱器を出た冷媒がインジェクション配管に供給されるのに比較して比較的低温の第二放熱器を出た冷媒がインジェクション配管に供給されるので、冷凍サイクルの性能（ＣＯＰ）の悪化を抑制することができる。
このように、第二放熱器に導入される水の温度が低下してもあるいは上昇しても、著しい圧縮機性能の低下あるいは冷凍サイクルの性能低下を抑制でき、広範囲の条件に亘って効率の良い運転を行うことができる。

なお、この場合、前記第一の弁部材は、前記分岐点に設置された三方弁であり、前記第二の弁部材は、冷媒配管における前記第二放熱器と前記本管流量調整弁との間に設置された三方弁であるようにしてもよい。
また、第一の弁部材は、分岐配管における第一の一方向配管の上流側に設置された分岐配管の開閉を行う電磁弁等の開閉弁であってもよい。第二の弁部材は、第一の一方向配管に設置された第一の一方向配管の開閉を行う電磁弁等の開閉弁であってもよい。

前記態様では、前記インジェクション回路には、前記分岐点からの分岐配管に分岐膨張弁と、気液を分離するレシーバと、が備えられ、該レシーバで分離された液状の冷媒が前記合流点に導入され、該レシーバで分離されたガス状の冷媒が前記インジェクションポートへ導入される構成としてもよい。

このようにすると、第一放熱器を出た冷媒の一部は分岐配管に導入される。分岐配管に導入された冷媒は分岐膨張弁によって減圧され、圧力と温度とによって飽和液と飽和ガスとが生成される。この飽和液および飽和ガスがレシーバに導入されて分離され、ガス状の冷媒がインジェクションポートへ導入され、液状の冷媒は合流点に供給されるので、２段圧縮機のインジェクションポートに確実にガス状の冷媒を供給することができる。
第一放熱器を通る冷媒は、第二放熱器で昇温された水と熱交換するので、第二放熱器に導入される水の温度が低い状態であっても第一放熱器の出口部の冷媒温度は比較的高くなる。これにより、インジェクションされる冷媒の温度低下が抑制されるので、その圧力が２段圧縮機における中間圧力部分の圧力よりも小さくなることを防止できる。
したがって、インジェクションを行うことができるので、圧縮機中間圧をある程度調整することができ、入水温度が低い条件での２段圧縮機の効率低下を回避することができる。第二放熱器に導入される水の温度が低下しても、著しい圧縮機性能の低下を抑制でき、広範囲の条件に亘って効率の良い運転を行うことができる。

前記構成では、前記分岐配管へ選択的に前記冷媒を流す第三の弁部材と、前記第二放熱器と前記本管流量調整弁との間から分岐され、分岐配管における前記インジェクション配管の上流側へ向かってのみ前記冷媒を供給できる第二の一方向配管と、該第二の一方向配管へ選択的に前記冷媒を流す第四の弁部材と、が備えられていていてもよい。

このようにすると、第三の弁部材を切り替えることによって第一放熱器を出た冷媒は、分岐配管へ流すようにも流さないようにもすることができる。また、第四の弁部材を切り替えることによって第二放熱器を出た冷媒の一部を分岐配管におけるインジェクション配管の上流側に供給することも供給しないこともできる。
たとえば、第二放熱器に導入される水の温度が低い状態である場合には、第三の弁部材を分岐配管に冷媒が流されるように動作させ、分岐配管に比較的高温の冷媒を供給する。これにより、インジェクションされる冷媒の温度低下が抑制されるので、その圧力が２段圧縮機における中間圧力部分の圧力よりも小さくなることを防止できる。このようにインジェクションを行うことができるので、圧縮機中間圧をある程度調整することができ、入水温度が低い条件での２段圧縮機の効率低下を回避することができる。
このとき、第二の一方向配管は、インジェクション配管の上流側へ向かってのみ冷媒を供給できるものであるので、分岐配管に供給された冷媒が流れ込むことはない。

また、第二放熱器に導入される水の温度が通常あるいは高い状態である場合には、第三の弁部材を分岐配管に冷媒が流れないように動作させるとともに第四の弁部材を第二の一方向配管に分岐されるように動作させる。第二放熱器を出た冷媒の一部が第二の一方向配管を通って分岐配管におけるインジェクション配管の上流側に供給される。第一放熱器を出た冷媒がインジェクション配管に供給されるのに比較して比較的低温の第二放熱器を出た冷媒がインジェクション配管に供給されるので、冷凍サイクルの性能（ＣＯＰ）の悪化を抑制することができる。
このように、第二放熱器に導入される水の温度が低下してもあるいは上昇しても、著しい圧縮機性能の低下あるいは冷凍サイクルの性能低下を抑制でき、広範囲の条件に亘って効率の良い運転を行うことができる。

なお、この場合、前記第三の弁部材は、前記分岐点に設置された第三の三方弁であり、前記第四の弁部材は、冷媒配管における前記第二放熱器と前記本管流量調整弁との間に設置された第四の三方弁であるようにしてもよい。
また、第三の弁部材は、分岐配管における第二の一方向配管の上流側に設置された分岐配管の開閉を行う電磁弁等の開閉弁であってもよい。第四の弁部材は、第二の一方向配管に設置された第一の一方向配管の開閉を行う電磁弁等の開閉弁であってもよい。

本発明によると、第一放熱器を出た冷媒の一部は、第一放熱器および第二放熱器間の分岐点から分岐され、本管流量調整弁および蒸発器間の合流点で合流するとともにインジェクションポートに冷媒が供給されるので、第二放熱器に導入される水の温度が低下しても、著しい圧縮機性能の低下を抑制でき、広範囲の条件に亘って効率の良い運転を行うことができる。

本発明の第一実施形態にかかる給湯器の回路構成を示すブロック図である。本発明の第二実施形態にかかる給湯器の回路構成を示すブロック図である。本発明の第三実施形態にかかる給湯器の回路構成を示すブロック図である。本発明の第四実施形態にかかる給湯器の回路構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態にかかるヒートポンプ式の給湯器１について、図１を参照して説明する。
図１は、第一実施形態にかかる給湯器１の回路構成を示すブロック図である。

給湯器１には、加熱源となる冷凍サイクル３と、温湯を生成する水サイクル５とが備えられている。
冷凍サイクル３には、冷媒を圧縮して高温・高圧の冷媒とする２段圧縮機７と、２段圧縮機７からの高温・高圧の冷媒を冷却する第一ガスクーラ（第一放熱器）９および第二ガスクーラ（第二放熱器）１１と、第二ガスクーラ１１からの冷却された冷媒を絞って減圧する第一流量調整弁（本管流量調整弁）１３と、減圧された冷媒を冷却しガス化する空気熱交換器（蒸発器）１５と、気液分離を行いガス状の冷媒を２段圧縮機７へ供給するアキュムレータ１７と、これら２段圧縮機、第一ガスクーラ９、第二ガスクーラ１１、第一流量調整弁１３、空気熱交換器１５およびアキュムレータ１７をこの順に接続する冷媒配管１９と、が備えられている。冷媒としては二酸化炭素（ＣＯ_２）を用いている。

２段圧縮機７は、図示しない低段側圧縮機構および高段側圧縮機構を備えており、低段側圧縮機構で圧縮された中間圧力の冷媒をさらに高段側圧縮機構で圧縮して高圧として吐出するものである。低段側圧縮機構および高段側圧縮機構には、ローリングピストンタイプあるいはスイングタイプのロータリ式圧縮機構およびスクロール圧縮機構等公知の構造のものが用いられる。
２段圧縮機７の中間圧力部分には、循環している冷媒の一部がインジェクションされるインジェクションポートＰが備えられている。インジェクションは、中間圧力部分の温度を低下させるとともに冷媒量を増加させ、２段圧縮機７から吐出される冷媒量を増加させるものである。

冷凍サイクル３には、インジェクション回路２１が備えられている。インジェクション回路２１には、冷媒配管１９における第一ガスクーラ９および第二ガスクーラ１１間に位置する分岐点Ａから分岐され、２重管熱交換器２５の一方管内部を通って冷媒配管１９における第一流量調整弁１３および空気熱交換器１５間に位置する合流点Ｂに合流する分岐配管２３と、分岐配管２３における２重管熱交換器２５の上流側から分岐し、インジェクション膨張弁２７および２重管熱交換器２５の他方管内部を通って２段圧縮機７のインジェクションポートＰに接続されるインジェクション配管２９とが備えられている。分岐配管２３には、２重管熱交換器２５の下流側に第二流量調整弁（分岐流量調整弁）３１が備えられている。

第一ガスクーラ９および第二ガスクーラ１１は、冷媒と後述する水サイクル５を循環する水との間で熱交換し、冷媒から水に放熱することによって水を加温し、冷媒を冷却するものである。
蒸発器１５を通る冷媒は、図示省略の蒸発器用ファンにより送風される空気と熱交換され、空気から吸熱して蒸発ガス化されるようになっている。
第二流量調整弁３１は、分岐配管２３を通る冷媒を絞って減圧する機能を有する。また、第一流量調整弁１３および第二流量調整弁３１の開度を調整することによって第二ガスクーラ１１を通る冷媒量と分岐配管２３を通る冷媒量の比率を調整できる。

水サイクル５には、水を貯留する蓄熱タンク３３と、水を供給する給水ポンプ３５と、第二ガスクーラ１１、第一ガスクーラ９と、および蓄熱タンク３３、給水ポンプ３５、第二ガスクーラ１１および第一ガスクーラ９を通って蓄熱タンク３３に戻るような循環流路を形成する水配管３７とが備えられている。
給水ポンプ３５の作動によって蓄熱タンク３３の水は第二ガスクーラ１１および第一ガスクーラ９の順に通り、第一ガスクーラ９および第二ガスクーラ１１において第一ガスクーラ９および第二ガスクーラ１１の順に流れる冷媒と常に対向流となるようにされている。

以上のように構成された本実施形態にかかる給湯器１の動作について説明する。
冷凍サイクル３では、２段圧縮機７で圧縮されて高温・高圧とされた超臨界状態の冷媒は、冷媒配管１９を通って第一ガスクーラ９および第二ガスクーラ１１を流れる。一方、水サイクル５では、給水ポンプ３５の作動によって蓄熱タンク３３内の水が水配管３７を通って第二ガスクーラ１１および第一ガスクーラ９の順に流れる。この間に水配管３７を流れる水は、冷媒配管１９を流れる高温・高圧の冷媒と熱交換されて加温され、蓄熱タンク３３に戻される。蓄熱タンク３３内に貯留された加温された水（温湯）は、別途必要とされる場所に送られ、利用に供される。なお、第一ガスクーラ９を出た水を蓄熱タンク３３に戻さずに直接必要とされる場所に供給するようにしてもよい。

一方、第一ガスクーラ９および第二ガスクーラ１１で水配管３７を通る水によって冷却された冷却された高圧の冷媒は第一流量調整弁１３で減圧され、低温低圧の気液二相状態の冷媒とされ、空気熱交換器１５で外部空気と熱交換して蒸発・気化される。空気熱交換器１５で気化した冷媒はアキュムレータ１７で気体と液体と分離される。アキュムレータ１７で気液分離された気化冷媒は再び２段圧縮機７に導入されて圧縮される。

このとき、第一ガスクーラ９を出た冷媒は、一部が分岐点Ａで分岐され、分岐配管２３を通って２重管熱交換器２５の一方管内部および第二流量調整弁３１を通り、合流点Ｂへと流れる。
そして、分岐配管２３を通る冷媒の一部は、分岐配管２３の２重管熱交換器１７の上流側から分岐したインジェクション配管２９に導入される。インジェクション配管２９に分岐された冷媒は、インジェクション膨張弁２７によって膨張され、２重管熱交換器２５の他方管内部を通る際、一方管内部を通る冷媒によって加温され、インジェクションポートＰに供給される。

一方、分岐配管２３を通って合流する冷媒は２重管熱交換器２５においてインジェクション膨張弁２７で膨張されたインジェクションされる冷媒によって冷却される。したがって、合流点Ｂで合流する第二ガスクーラ１１を通る冷媒との温度差を小さくすることができる。
また、分岐配管２３に第二流量調整弁３１が設置されているので、第一流量調整弁１３および第二流量調整弁３１の開度を調節することによって分岐配管２３に流れる冷媒量を調節することができる。
なお、第一ガスクーラ９および第二ガスクーラ１１のサイズは、冷媒の第一ガスクーラ９の出口温度を何度となるように設定するかで決定されるのが好ましい。

第一ガスクーラ９を通る冷媒は、第二ガスクーラ１１で昇温された水と熱交換するので、第二ガスクーラ１１に導入される水の温度が低い状態であっても第一ガスクーラ９の出口部の冷媒温度は比較的高くなる。これにより、インジェクションされる冷媒の温度低下が抑制されるので、その圧力が２段圧縮機７における中間圧力部分の圧力よりも小さくなることを防止できる。
したがって、インジェクションが確実に行なわれることができるので、２段圧縮機７の中間圧をある程度調整することができ、入水温度が低い条件での２段圧縮機７の効率低下を回避することができる。第二ガスクーラ１１に導入される水の温度が低下しても、著しい２段圧縮機７の性能低下を抑制でき、広範囲の条件に亘って効率の良い運転を行うことができる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態にかかる給湯器１について、図２を用いて説明する。本実施形態にかかる給湯器１は、インジェクション回路２１の構成が第一実施形態のものと異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態のものと同じ部分については重複した説明を省略する。
なお、第一実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。

図２は、本実施形態にかかる給湯器１の回路構成を示すブロック図である。
本実施形態では、分岐点Ａに分岐三方弁（第一の弁部材、第一の三方弁）３９が設置されている。分岐三方弁３９は、冷媒配管１９と接続される２ポートと、分岐配管２３と接続される１ポートを有している。分岐三方弁３９は、ポートの切り替えによって冷媒配管１９のみを連通させることならびに冷媒配管１９および分岐配管２３ともに連通させることを選択できるように構成されている。言い換えると、分岐三方弁３９は、分岐配管２３へ選択的に冷媒を流すように構成されている。

第二ガスクーラと第一流量調整弁との間に本管三方弁（第二の弁部材、第二の三方弁）４１が設置されている。本管三方弁４１は、冷媒配管１９と接続される２ポートと、還流配管（第一の一方向配管）４３と接続される１ポートを有している。
還流配管４３の他方の端は、分岐配管２３におけるインジェクション配管２９の分岐点の上流側に連通している。還流配管４３には、逆止弁４５が設置され、冷媒が本管三方弁４１から分岐配管２３へ向かってのみ流れるようにされている。
本管三方弁４１は、ポートの切り替えによって冷媒配管１９のみを連通させることならびに冷媒配管１９および還流配管４３ともに連通させることを選択できるように構成されている。言い換えると、本管三方弁４１は、還流配管４３へ選択的に冷媒を流すように構成されている。

以上のように構成された本実施形態にかかる給湯器１の動作について説明する。
分岐三方弁３９を切り替えることによって第一ガスクーラ９を出た冷媒は、分岐配管２３へ流すようにも流さないようにもすることができる。また、本管三方弁４１を切り替えることによって第二ガスクーラ１１を出た冷媒の一部を還流配管４３を通って分岐配管２３におけるインジェクション配管２９の上流側に供給することも供給しないこともできる。

たとえば、第二ガスクーラ１１に導入される水の温度が低い状態である場合には、分岐三方弁３９のポートを分岐配管２３に冷媒が流されるように切り替え、分岐配管２３に比較的高温の冷媒を供給する。この状態における給湯器１の動作は、第一実施形態の給湯器１と同様であるので、ここでは重複した説明を省略する。
このようにすると、インジェクションされる冷媒の温度低下が抑制されるので、その圧力が２段圧縮機７における中間圧力部分の圧力よりも小さくなることを防止できる。このようにインジェクションを行うことができるので、２段圧縮機７の中間圧をある程度調整することができ、入水温度が低い条件での２段圧縮機７の効率低下を回避することができる。
このとき、逆止弁４５によって分岐配管２３に供給された冷媒が還流配管４３に流れ込むことはない。

また、第二ガスクーラ１１に導入される水の温度が通常あるいは高い状態である場合には、分岐三方弁３９のポートを分岐配管２３に冷媒が流れないように切り替えるとともに本管三方弁４１のポートを還流配管４３に冷媒が流れるように切り替える。
第二ガスクーラ１１を出た冷媒の一部が本管三方弁４１から還流配管４３を通って分岐配管２３におけるインジェクション配管２９の上流側に供給される。
分岐配管２３を通る冷媒の一部は、分岐配管２３の２重管熱交換器１７の上流側から分岐したインジェクション配管２９に導入される。インジェクション配管２９に分岐された冷媒は、インジェクション膨張弁２７によって膨張され、２重管熱交換器２５の他方管内部を通る際、一方管内部を通る冷媒によって加温され、インジェクションポートＰに供給される。

このように、第一ガスクーラ９を出た冷媒がインジェクション配管２９に供給されるのに比較して比較的低温の第二ガスクーラ１１を出た冷媒がインジェクション配管２９に供給されるので、冷凍サイクルの性能（ＣＯＰ）の悪化を抑制することができる。
このように、第二ガスクーラ１１に導入される水の温度が低下してもあるいは上昇しても、著しい２段圧縮機７の性能低下あるいは冷凍サイクル３の性能低下を抑制でき、広範囲の条件に亘って効率の良い運転を行うことができる。

本実施形態では、第一の弁部材および第二の弁部材として上述の構成をした分岐三方弁３９および本管三方弁４１を用いているが、これに限定されない。
たとえば、第一の弁部材としては分岐配管２３における還流配管４３の上流側に設置され、分岐配管２３の開閉を行う電磁弁等の開閉弁であってもよい。第二の弁部材としては、還流配管４３に設置された還流配管４３の開閉を行う電磁弁等の開閉弁であってもよい。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態にかかる給湯器１について、図３を用いて説明する。本実施形態にかかる給湯器１は、インジェクション回路２１の構成が第一実施形態のものと異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態のものと同じ部分については重複した説明を省略する。
なお、第一実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。

図３は、本実施形態にかかる給湯器１の回路構成を示すブロック図である。
本実施形態のインジェクション回路２１には、冷媒配管１９における第一ガスクーラ９および第二ガスクーラ１１間に位置する分岐点Ａから分岐される分岐配管４７と、分岐配管４７に設置された分岐膨張弁４９と、分岐配管４７が接続され気液分離を行うレシーバ５１と、レシーバ５１で分離された液状の冷媒を合流点Ｂに供給する液配管５３と、レシーバ５１で分離されたガス状の冷媒をインジェクションポートＰに供給するインジェクション配管５３とが備えられている。
また、合流点Ｂと空気熱交換器１５との間に本管膨張弁５７が設置されている。

以上のように構成された本実施形態にかかる給湯器１の動作について説明する。
冷凍サイクル３および水サイクル５の基本的な動作は、上述の第一実施形態と同様であるので、ここでは重複した説明を省略し、インジェクション回路２１の動作を主体に説明する。
本実施形態では、本管流量調整弁１３は、流量調整の機能を主として果たし、液配管５３を合流した冷媒は本管膨張弁５７によって減圧され、断熱膨張される。

第一ガスクーラ９を出た冷媒の一部は分岐配管４７に導入される。分岐配管４７に導入された冷媒は分岐膨張弁４９によって減圧され、圧力と温度とによって飽和液と飽和ガスとが生成される。この飽和液および飽和ガスがレシーバ５１に導入されて分離される。
レシーバ５１で分離されたガス状の冷媒はインジェクションポートＰへ導入される。一方、レシーバ５１で分離された液状の冷媒は合流点Ｂに供給される。このように、２段圧縮機７のインジェクションポートＰには、レシーバ５１で分離されたガス状の冷媒が供給されるので、インジェクションポートＰに確実にガス状の冷媒を供給することができる。

第一ガスクーラ９を通る冷媒は、第二ガスクーラ１１で昇温された水と熱交換するので、第二ガスクーラ１１に導入される水の温度が低い状態であっても第一ガスクーラ９の出口部の冷媒温度は比較的高くなる。これにより、インジェクションされる冷媒の温度低下が抑制されるので、その圧力が２段圧縮機７における中間圧力部分の圧力よりも小さくなることを防止できる。
したがって、インジェクションを確実に行うことができるので、２段圧縮機７中間圧をある程度調整することができ、入水温度が低い条件での２段圧縮機７の効率低下を回避することができる。第二ガスクーラ１１に導入される水の温度が低下しても、著しい２段圧縮機７の性能低下を抑制でき、広範囲の条件に亘って効率の良い運転を行うことができる。

［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態にかかる給湯器１について、図４を用いて説明する。本実施形態にかかる給湯器１は、インジェクション回路２１の構成が第三実施形態のものと異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態および第三実施形態のものと同じ部分については重複した説明を省略する。
なお、第一実施形態および第三実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。

図４は、本実施形態にかかる給湯器１の回路構成を示すブロック図である。
本実施形態では、分岐点Ａに分岐三方弁（第三の弁部材、第三の三方弁）５７が設置されている。分岐三方弁５７は、冷媒配管１９と接続される２ポートと、分岐配管４７と接続される１ポートを有している。分岐三方弁５７は、ポートの切り替えによって冷媒配管１９のみを連通させることならびに冷媒配管１９および分岐配管４７ともに連通させることを選択できるように構成されている。言い換えると、分岐三方弁５７は、分岐配管４７へ選択的に冷媒を流すように構成されている。

第二ガスクーラ１１と第一流量調整弁１３との間に本管三方弁（第四の弁部材、第四の三方弁）５９が設置されている。本管三方弁５９は、冷媒配管１９と接続される２ポートと、還流配管（第二の一方向配管）６１と接続される１ポートを有している。
還流配管６１の他方の端は、分岐配管４７における分岐膨張弁４９の上流側に連通している。還流配管６１には、逆止弁６３が設置され、冷媒が本管三方弁５９から分岐配管４７へ向かってのみ流れるようにされている。
本管三方弁５９は、ポートの切り替えによって冷媒配管１９のみを連通させることならびに冷媒配管１９および還流配管６１ともに連通させることを選択できるように構成されている。言い換えると、本管三方弁５９は、還流配管６１へ選択的に冷媒を流すように構成されている。

以上のように構成された本実施形態にかかる給湯器１の動作について説明する。
分岐三方弁５７を切り替えることによって第一ガスクーラ９を出た冷媒は、分岐配管４７へ流すようにも流さないようにもすることができる。また、本管三方弁５９を切り替えることによって第二ガスクーラ１１を出た冷媒の一部を還流配管６１を通って分岐配管４７における分岐膨張弁４９の上流側に供給することも供給しないこともできる。

たとえば、第二ガスクーラ１１に導入される水の温度が低い状態である場合には、分岐三方弁５７のポートを分岐配管４７に冷媒が流されるように切り替え、分岐配管４７に比較的高温の冷媒を供給する。この状態における給湯器１の動作は、第一実施形態および第三実施形態の給湯器１と同様であるので、ここでは重複した説明を省略する。
このようにすると、インジェクションされる冷媒の温度低下が抑制されるので、その圧力が２段圧縮機７における中間圧力部分の圧力よりも小さくなることを防止できる。このようにインジェクションを行うことができるので、２段圧縮機７の中間圧をある程度調整することができ、入水温度が低い条件での２段圧縮機７の効率低下を回避することができる。
このとき、逆止弁６３によって分岐配管４７に供給された冷媒が還流配管６１に流れ込むことはない。

また、第二ガスクーラ１１に導入される水の温度が通常あるいは高い状態である場合には、分岐三方弁４７のポートを分岐配管４７に冷媒が流れないように切り替えるとともに本管三方弁５９のポートを還流配管６１に冷媒が流れるように切り替える。
第二ガスクーラ１１を出た冷媒の一部が本管三方弁５９から還流配管６１を通って分岐配管４７における分岐膨張弁４９の上流側に供給される。
分岐配管４７に導入された冷媒は分岐膨張弁４９によって減圧され、圧力と温度とによって飽和液と飽和ガスとが生成される。この飽和液および飽和ガスがレシーバ５１に導入されて分離される。
レシーバ５１で分離されたガス状の冷媒はインジェクションポートＰへ導入される。一方、レシーバ５１で分離された液状の冷媒は合流点Ｂに供給される。このように、２段圧縮機７のインジェクションポートＰには、レシーバ５１で分離されたガス状の冷媒が供給されるので、インジェクションポートＰに確実にガス状の冷媒を供給することができる。

このように、第一ガスクーラ９を出た冷媒がインジェクション配管５５に供給されるのに比較して比較的低温の第二ガスクーラ１１を出た冷媒がインジェクション配管５５に供給されるので、冷凍サイクルの性能（ＣＯＰ）の悪化を抑制することができる。
このように、第二ガスクーラ１１に導入される水の温度が低下してもあるいは上昇しても、著しい２段圧縮機７の性能低下あるいは冷凍サイクル３の性能低下を抑制でき、広範囲の条件に亘って効率の良い運転を行うことができる。

本実施形態では、第三の弁部材および第四の弁部材として上述の構成をした分岐三方弁５７および本管三方弁５９を用いているが、これに限定されない。
たとえば、第三の弁部材としては分岐配管４７における還流配管６１の上流側に設置され、分岐配管４７の開閉を行う電磁弁等の開閉弁であってもよい。第四の弁部材としては、還流配管６１に設置され、還流配管６１の開閉を行う電磁弁等の開閉弁であってもよい。

なお、本発明は以上説明した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形を行ってもよい。
たとえば、各実施形態では冷媒として二酸化炭素を用いているが、これに限定されず、ＨＦＣ冷媒等の代替フロン等公知の冷媒を用いることができる。

１給湯器
３冷凍サイクル
５水サイクル
７２段圧縮機
９第一ガスクーラ
１１第二ガスクーラ
１３第一流量調整弁
１５空気熱交換器
１９冷媒配管
２１インジェクション回路
２３分岐配管
２５２重管熱交換器
２７インジェクション膨張弁
２９インジェクション配管
３１第二流量調整弁
３７水配管
３９分岐三方弁
４１本管三方弁
４３還流配管
４７分岐配管
４９分岐膨張弁
５１レシーバ
５７分岐三方弁
５９本管三方弁
６１還流配管
Ａ分岐点
Ｂ合流点
Ｐインジェクションポート

Claims

低段と高段との間にインジェクションポートを有する２段圧縮機、第一放熱器、第二放熱器、本管流量調整弁および蒸発器が冷媒配管によって順次冷媒が流れるように接続されている冷凍サイクルと、
水が第二放熱器から第一放熱器を通って流れ、前記第一放熱器および前記第二放熱器を流れる前記冷媒との間で熱交換される水配管を有する水サイクルと、
前記冷媒配管における前記第一放熱器および前記第二放熱器間の分岐点と前記本管流量調整弁および前記蒸発器間の合流点を接続する分岐配管と、該分岐配管から前記インジェクションポートに冷媒を供給するインジェクション配管とを有するインジェクション回路と、
前記分岐配管へ選択的に前記冷媒を流す第一の弁部材と、
前記第二放熱器と前記本管流量調整弁との間から分岐され、前記分岐配管における前記インジェクション配管の上流側へ向かってのみ前記冷媒を供給できる第一の一方向配管と、
該第一の一方向配管へ選択的に前記冷媒を流す第二の弁部材と、
が備えられていることを特徴とする給湯器。
前記分岐配管は、２重管熱交換器の一方管内部および分岐流量調整弁を通って前記分岐点と前記合流点とを接続し、
前記インジェクション配管は、前記分岐配管の前記２重管熱交換器の上流側から分岐し、インジェクション膨張弁および前記２重管熱交換器の他方管内部を通って前記インジェクションポートに接続されていることを特徴とする請求項１に記載された給湯器。
前記インジェクション回路には、前記分岐配管に分岐膨張弁と、気液を分離するレシーバと、が備えられ、該レシーバで分離された液状の冷媒が前記合流点に導入され、該レシーバで分離されたガス状の冷媒が前記インジェクションポートへ導入されるようにされていることを特徴とする請求項１に記載された給湯器。
前記第一の弁部材は、前記分岐点に設置された三方弁であり、
前記第二の弁部材は、前記冷媒配管における前記第二放熱器と前記本管流量調整弁との間に設置された三方弁であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載された給湯器。