JP2007322084A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプ給湯機において、冬期の低温時においても給湯運転を中断することなく蒸発器の着霜を除霜する。
【解決手段】ヒートポンプ給湯機１００は、冷媒と水が流通する水冷媒熱交換器２を有するヒートポンプ回路と、水冷媒熱交換器を流通する水を需要元に給湯する手段１４，１５，１７，１９，２３と、水熱交換器で熱交換した水を給湯手段を流通する湯よりも高温の湯として貯湯する貯湯タンク１０とを備える。ヒートポンプ回路は、圧縮機１ａ，１ｂとこの圧縮機で圧縮された冷媒が流通する水冷媒熱交換器と、水冷媒熱交換器で熱交換した冷媒を膨張させる第１，第２膨張弁３ａ，３ｂ；５ａ，５ｂと、第１，第２膨張弁を流通した冷媒を蒸発させる第１，第２蒸発器４ａ，４ｂ；６ａ，６ｂと、これらを収容する本体とを有する。第１蒸発器を外気側に、第２蒸発器をこの第１蒸発器よりも本体内部側に配置する。
【選択図】図１

Description

本発明はヒートポンプ給湯機に係り、特に蒸発器を除霜するのに好適なヒートポンプ給湯機に関する。

従来のヒートポンプ給湯機の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載のヒートポンプ給湯機では、電気温水器と同様に大容量の貯湯タンクを設け、夜間割引の安価な電力を使って夜中にヒートポンプ回路で湯を沸き上げて貯湯タンクに貯蔵し、貯蔵した湯を日中に使用している。具体的には、圧縮機と、給湯用熱交換器と、膨張弁と、熱源用熱交換器とを環状に接続してヒートポンプサイクルを構成し、熱源用熱交換器を除霜するときには、ウォータポンプを停止して液体（例えば水）の循環を止めている。これにより、圧縮機から送り出された高温高圧冷媒が給湯用熱交換器で熱交換されるのを抑制する。それとともに、膨張弁を開放して高温冷媒を減圧せずに熱源用熱交換器に循環させ、熱源用熱交換器に付着した霜を溶かしている。

従来のヒートポンプ給湯機の他の例が、特許文献２に記載されている。この文献に記載のヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプ運転で加熱した温水を直接給湯する瞬間式ヒートポンプ給湯機であり、第１給湯回路と第２給湯回路とを有している。ここで、第１給湯回路は、予め貯湯運転して小形の貯湯タンクに高温の湯を貯え、この貯湯タンクから使用端末に給湯する回路であり、第２給湯回路は、ヒートポンプ運転により水熱交換器で加熱された温水を、使用端末へ直接給湯する回路である。圧縮機の吐出側と蒸発器の入口側間に設けた除霜用電磁弁を開放して、圧縮機で圧縮された高温高圧ガスを蒸発器に循環させて蒸発器を除霜する。そして除霜時には、給湯加熱運転を中断し、高温高圧の冷媒が水熱交換器を経由せずに圧縮機から除霜用電磁弁を介して直接蒸発器に循環している。

特開２００３−９０６５３号公報 特開２００４−１５０６５２号公報

上記特許文献１，２に記載のヒートポンプ給湯機においては、蒸発器に付着した霜を除霜するときに、ヒートポンプによる水加熱運転を中止している。それとともに、膨張弁または除霜用電磁弁を開放して、圧縮機から吐出された高温高圧の冷媒をそのまま蒸発器に相当する熱源用熱交換器に循環させて除霜している。そのため、除霜中は液体（水）の加熱運転の働きがないにも関わらずヒートポンプ運転が継続されており、加熱効率である成績係数（以下ＣＯＰともいう）の低下要因となっていた。ここで、ヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）は有効加熱熱量をヒートポンプの全消費電力で除した値である。上記公報に記載のヒートポンプ給湯機における除霜運転では、ヒートポンプ運転を継続して電力を消費しながら、給湯用の有効熱量はゼロの状態になっていた。

また、特許文献１に記載の貯湯式のヒートポンプ給湯機においては、除霜運転時間分だけ貯湯に要する時間が長くなる。一方、特許文献２に記載の瞬間式のヒートポンプ給湯機においては、給湯運転中に除霜運転に入ると給湯されなくなるので、除霜運転よりも給湯運転を優先させる等の方策が必要となる。しかし、特に冬期の低温時においては、着霜により加熱能力が低下するので除霜運転をせざるを得ない。その場合、給湯が中止され、使い勝手が低下する。

本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、ヒートポンプ給湯機において、冬期の低温時においても給湯運転を中断することなく蒸発器の着霜を除霜することにある。本発明の他の目的は、ヒートポンプ給湯機の成績係数（ＣＯＰ）の向上と長時間安定した給湯運転を両立させることにある。本発明のさらに他の目的は、使い勝手の良いヒートポンプ給湯機を実現することにある。そして本発明は、これら目的の少なくともいずれかを達成することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の特徴は、冷媒と水が流通する水冷媒熱交換器を有するヒートポンプ回路と、水冷媒熱交換器を流通する水を需要元に給湯する手段と、水熱交換器で熱交換した水を給湯手段を流通する湯よりも高温の湯として貯湯する貯湯タンクとを備えたヒートポンプ給湯機において、ヒートポンプ回路は、圧縮機とこの圧縮機で圧縮された冷媒が流通する水冷媒熱交換器と、この水冷媒熱交換器で熱交換した冷媒を膨張させる第１，第２膨張弁と、この第１，第２膨張弁を流通した冷媒を蒸発させる第１，第２蒸発器と、これらを収容する本体とを有し、第１膨張弁，第１蒸発器，第２膨張弁，第２蒸発器を順次配管接続し、第１蒸発器を外気側に、第２蒸発器をこの第１蒸発器よりも本体内部側にそれぞれ配置したことにある。そしてこの特徴において、ヒートポンプ回路を２回路有し、この２回路を並列に接続するのが望ましい。

上記目的を達成する本発明の他の特徴は、ヒートポンプ給湯機が、ヒートポンプ冷媒回路と給湯回路と運転制御手段とを有する。そして、ヒートポンプ冷媒回路は、圧縮機と、水と冷媒とを熱交換させる水冷媒熱交換器と、第１膨張弁と、第１蒸発器と、第２膨張弁と、第２蒸発器とを有し、これらを冷媒配管を介して順次接続されて構成されている。給湯回路は、水冷媒熱交換器と、貯湯タンクと、給湯混合弁と、湯水混合弁と、流量調整弁と、出湯金具とを有し、これらを水配管を介して接続されて構成されている。運転制御手段は、圧縮機と膨張弁と給湯混合弁と湯水混合弁と流量調整弁を制御する。さらに運転制御手段は、ヒートポンプ給湯運転時には第２膨張弁を開放して第１膨張弁で冷媒を絞り調整し、除霜時は第１膨張弁を開放して第１蒸発器を除霜運転するとともに第２膨張弁で冷媒を絞り調整して第２蒸発器がヒートポンプの加熱給湯運転するように制御する。

そしてこの特徴において、第１蒸発器と第２蒸発器を収容する本体を有し、第１蒸発器が外気側、第２蒸発器が内側となるように本体内に並んで配置するのが望ましく、第１蒸発器の外気側面積は第２蒸発器の外気側面積よりも大きい方がよい。また、第１蒸発器内の冷媒配管は１列であり、第２蒸発器の冷媒配管は２列であってもよく、第１蒸発器のフィン間隔が第２蒸発器のフィン間隔よりも大きくてもよい。さらに、運転制御手段は、給湯運転停止時に第１膨張弁と第２膨張弁を開放する運転停止時除霜機能を有するのが望ましく、給湯回路は、水冷媒熱交換器で加熱した温水を直接前記出湯金具から給湯する直接給湯回路を有することが望ましい。

本発明によれば、ヒートポンプ給湯機の除霜運転において、外気側に位置する蒸発器を除霜運転とし、他の蒸発器でヒートポンプ運転するので、除霜運転においても給湯が途切れることがない。また、無駄なヒートポンプ運転を回避できる。その結果、ヒートポンプ給湯機の成績係数（ＣＯＰ）が向上し、長時間安定した給湯運転と両立できる。さらに、給湯が途切れないので、使い勝手の良いヒートポンプ給湯機が得られる。

以下、本発明に係るヒートポンプ給湯機の一実施例を、図面を用いて説明する。本実施例は、直接給湯回路を有する瞬間式ヒートポンプ給湯機の例である。図１に、瞬間式ヒートポンプ給湯機１００を模式図で示す。ヒートポンプ給湯機１００は、ヒートポンプ冷媒回路４０と給湯回路４５と運転制御手段５０とを備えている。

ヒートポンプ冷媒回路４０は、同一回路構成を有する第１ヒートポンプ冷媒回路４０ａおよび第２ヒートポンプ冷媒回路４０ｂを備え、２サイクル方式となっている。第１ヒートポンプ冷媒回路４０ａは、圧縮機１ａ，水冷媒熱交換器２を構成する冷媒側伝熱管２ａ，第１膨張弁３ａ，第１蒸発器４ａ，第２膨張弁５ａ，第２蒸発器６ａを有し、これら各部品は、順次冷媒配管を介して接続されている。この第１ヒートポンプ冷媒回路４０ａには、ＣＯ₂等の冷媒が封入されている。

同様に、第２ヒートポンプ冷媒回路４０ｂでは、圧縮機１ｂの吐出側に冷媒側伝熱管
２ｂが配管接続され、冷媒側伝熱管２ｂの下流側には、第１膨張弁３ｂ，第１蒸発器４ｂ，第２膨張弁５ｂ，第２蒸発器６ｂが冷媒配管で直列接続されている。第２蒸発器６ｂは、圧縮機１ｂの吸い込み側と配管で接続されている。第２ヒートポンプ冷媒回路４０ｂにも、ＣＯ₂等の冷媒が封入されている。

圧縮機１ａ，１ｂは容量制御が可能で、多量の給湯を行う場合には大容量で運転される。圧縮機１ａ，１ｂは、スクロール圧縮機やロータリ圧縮機であり、ＰＷＭ制御，電圧制御（例えばＰＡＭ制御）またはこれらの組合せ制御が可能になっている。これにより、低速（例えば７００回転／分）から高速（例えば７０００回転／分）まで回転数制御される。

冷媒側伝熱管２ａ，２ｂは、水冷媒熱交換器２として一体化されており、この水冷媒熱交換機２はさらに、後述する給水側伝熱管２ｃ，２ｄを一体的に備えている。水冷媒熱交換器２では、冷媒側伝熱管２ａ，２ｂの熱が給水側伝熱管２ｃ，２ｄに伝わって熱交換される。

第１蒸発器４ａ，４ｂおよび第２蒸発器６ａ，６ｂは、フィンチューブ式熱交換器であり、チューブ内部を冷媒が流通し、このチューブの外周に取り付けた多数のフィン間を外気が流通する。第１膨張弁３ａ，３ｂと第２膨張弁５ａ，５ｂは電磁膨張弁であり、水冷媒熱交換器２から流出した中温高圧冷媒を減圧し、蒸発し易い低圧冷媒として第１蒸発器４ａ，４ｂおよび第２蒸発器６ａ，６ｂへ送る。第１膨張弁３ａ，３ｂおよび第２膨張弁５ａ，５ｂの絞り量を変化させれば、第１，第２ヒートポンプ冷媒回路４０ａ，４０ｂ内を流通する冷媒循環量が調節される。また、これら第１，第２膨張弁３ａ，３ｂ；５ａ，５ｂを開放すれば、中温冷媒が第１蒸発器４ａ，４ｂまたは第２蒸発器６ａ，６ｂに多量に送られ、第１蒸発器４ａ，４ｂや第２蒸発器６ａ，６ｂに付着した霜を溶かす。以上が、ヒートポンプ回路である。

ヒートポンプ冷媒回路４０で発生した熱を水冷媒熱交換器２で熱交換して貯湯する貯湯回路は、貯湯タンク１０，タンク循環ポンプ１１，水熱交流量センサ１３，給水側伝熱管２ｃ，２ｄ、給湯混合弁１４および貯湯タンク１０を有し、これら各部品は水配管を介して順次接続されている。貯湯回路に貯えられた湯は、給湯回路４５を介して、需要先であるシャワーや風呂，蛇口等に送られる。給湯回路４５は、貯湯回路，直接給湯回路，タンク給湯回路，風呂湯張り回路，風呂追焚き回路等から構成されている。

直接給湯回路は、給水金具７，減圧弁８，給水水量センサ９，給水逆止弁１２，水熱交流量センサ１３，給水側伝熱管２ｃ，２ｄ，給湯混合弁１４，湯水混合弁１５，流量調整弁１６および台所出湯金具１７を備えており、これら各部品は水配管により順次接続されている。給水金具７は、水道などの給水源に接続される。台所出湯金具１７は、台所蛇口１８などに接続される。タンク給湯回路は、給水金具７，減圧弁８，給水水量センサ９，貯湯タンク１０，給湯混合弁１４，湯水混合弁１５，流量調整弁１６および台所出湯金具１７を備えており、これら各部品は、水配管により順次接続される。

風呂湯張り回路は、給水金具７，減圧弁８，給水水量センサ９，給水逆止弁１２，水熱交流量センサ１３，給水側伝熱管２ｃ，２ｄ，給湯混合弁１４，湯水混合弁１５，流量調整弁１６，風呂注湯弁１９，フロースイッチ２０，風呂循環ポンプ２１，水位センサ２２，風呂入出湯金具２３，風呂循環アダプター２４および浴槽２５を備えており、水配管により順次接続されている。風呂入出湯金具２３は、浴槽２５とともに風呂蛇口２９や図示しないシャワーにも接続されており、浴槽２５や風呂蛇口２９、シャワーに給湯可能になっている。風呂湯張り時には、風呂湯張り回路から直接給湯するとともに、貯湯タンク
１０内の湯量が最小必要量以下にならない範囲において、貯湯タンク１０から浴槽２５へタンク給湯する。

風呂追焚回路は、浴槽２５，風呂循環アダプター２４，風呂入出湯金具２３，水位センサ２２，風呂循環ポンプ２１，フロースイッチ２０，風呂水伝熱管２７ｂ，風呂出湯金具２８，風呂循環アダプター２４および浴槽２５を備え、これら部品を水配管で順次接続している。風呂追焚き時には、風呂追焚回路を用いて浴槽２５の水を循環させるとともに、ヒートポンプ冷媒回路４０およびタンク循環ポンプ１１を運転し、かつ、温水開閉弁２６を開放する。水冷媒熱交換器２で加熱された温水が、風呂用熱交換器２７に設けた温水伝熱管２７ａに導かれ、風呂用熱交換器２７の温水伝熱管２７ａない流れと風呂水伝熱管
２７ｂない流れとの間で熱交換する。これにより、浴槽２５の水が追焚きされる。

運転制御手段５０は、台所リモコン５１および風呂リモコン５２で設定された操作内容にしたがって、ヒートポンプ冷媒回路４０を運転または停止させ、圧縮機１ａ，１ｂを回転数制御する。それとともに、第１膨張弁３ａ，３ｂと第２膨張弁５ａ，５ｂの冷媒絞り量を調整するか開放する。さらに、タンク循環ポンプ１１および風呂循環ポンプ２１を運転または停止させる。また、給湯混合弁１４や湯水混合弁１５，流量調整弁１６，風呂注湯弁１９，温水開閉弁２６を制御して、貯湯運転と直接給湯運転，除霜運転，タンク給湯運転，風呂湯張り運転，風呂追焚運転を切り替え実行する。

運転制御手段５０が圧縮機１ａ，１ｂを回転数制御するときは、運転開始直後であれば加熱立上げ時間を早めるために、所定の高速回転速度で圧縮機１ａ，１ｂを運転する。一方、比較的熱負荷の軽い風呂追焚運転のときには、加熱温度に見合った低速回転速度で圧縮機１ａ，１ｂを運転する。除霜運転以外のヒートポンプ給湯運転時には、運転制御手段５０は第２膨張弁５ａ，５ｂを開放し、第１膨張弁３ａ，３ｂで冷媒量を調整する。除霜運転時には、第１膨張弁３ａ，３ｂを開放し、第２膨張弁５ａ，５ｂで冷媒量を調整する。

貯湯タンク１０の上下方向複数箇所には、この貯湯タンク１０内の貯湯温度と貯湯量を検出するために、タンクサーミスタ１０ｓが取り付けられている。タンクサーミスタ10ｓの出力は、運転制御手段５０に入力される。運転制御手段５０は、風呂蛇口２９や台所蛇口１８等で湯を使用した後にタンクサーミスタ１０ｓの出力を用いて貯湯温度と貯湯量を判定する。

給湯使用量が少なく、貯湯温度と貯湯量がともに予め定めた規定以内であれば、ヒートポンプ冷媒回路４０が有する圧縮機１ａ，１ｂの運転を停止する。給湯使用量が多く、貯湯温度と貯湯量が予め定めた規定未満になったら、貯湯運転を実行する。貯湯運転により、貯湯タンク１０内に規定温度の湯が規定量貯湯されたら、圧縮機１ａ，１ｂの運転を停止する。この運転方法を、毎回貯湯運転と呼ぶ。

ヒートポンプ給湯機１００の給水ラインには、給水金具７および減圧弁８が設けられている。減圧弁８の下流側には、給水量を検出する給水水量センサ９およびこの給水ラインを流通する給水の温度を検出する給水サーミスタ９ｓが設けられている。給水水量センサ９の下流側で給水ラインは分岐し、一方のラインは、貯湯タンク１０やタンク循環ポンプ１１，水冷媒熱交換器２の給水側伝熱管２ｃ，２ｄに接続している。分岐した他方のラインは、湯水混合弁１５に接続されている。水冷媒熱交換器２の近傍であって、給水側伝熱管２ｃ，２ｄの出口側には、出湯温度を検出する熱交出湯サーミスタ２ｓが設けられている。

給水側伝熱管２ｃ，２ｄは、熱交出湯サーミスタ２ｓの上流側で合流し、給湯混合弁
１４に接続されている。給湯混合弁１４の近傍には、給水側伝熱管２ｃ，２ｄを流通した湯と貯湯タンク１０から出湯された湯が混合された湯の温度を検出する給湯混合水サーミスタ１４ｓが設けられている。給湯混合弁１４は湯水混合弁１５と配管接続されており、給水ラインから給水された水と給湯混合弁１４を経た湯とが湯水混合弁１５で混合される。この湯水混合弁１５の近傍には、湯水混合弁１５で温度調整された給湯温度を検出する湯水混合水サーミスタ１５ｓが設けられている。

さらに、圧縮機１ａ，１ｂには吐出圧力を検出する図示しない圧力センサが取り付けられている。また、浴槽２５にはこの浴槽２５内の水位を検出するフロースイッチ２０が設けられている。上記各検出手段やセンサの出力は、図示しないが、運転制御手段５０に入力されている。そして、運転制御手段５０は、これら各検出手段やセンサの出力信号に基づいて、圧縮機１ａ，１ｂ，ポンプ１１，２１，各種弁等を制御する。

なお、風呂用熱交換器２７の温水伝熱管２７ａの上流側であって熱交出湯サーミスタ
２ｓの下流側には、温水開閉弁２６が設けられている。この温水開閉弁２６は、風呂追焚き時以外は、水回路を閉じて水冷媒熱交換器２から風呂用熱交換器２７への熱の漏洩を防止する。給水ラインの貯湯タンク分岐部よりも下流には、給水逆止弁１２が設けられている。この給水逆止弁１２は、水冷媒熱交換機２側から給水側に水が逆流するのを防止する。貯湯タンク１０の上部と接続された給湯ラインは分岐部を有し、一方は上述した給湯混合弁１４に接続されている。他方の分岐配管には、逃がし弁３０が取り付けられている。逃し弁３０は、貯湯タンク１０内の温水圧力が所定圧力以上になったら作動し、水回路に設けた各種部品が過大圧に曝されるのを防止する。

このように構成した本実施例に記載のヒートポンプ給湯機１００が備える主要部品の配置例を、図２および図３を用いて説明する。図２は、ヒートポンプ冷媒回路の配置例を示す平面図であり、図３はその正面図である。図２において、横方向に長い箱状に形成された本体３１の一方側面Ａおよび背面側には、第１蒸発器４ａがＬ字状に配置されている。この第１蒸発器４ａの背面側部分よりも内側には、この第１蒸発器４ａとほぼ平行に、第２蒸発器６ａが配置されている。第２蒸発器６ａよりも内側には、外気を取り込むモータ３３ａ付のファン３２ａが配置されている。ファン３２ａをモータ３３ａが回転駆動すると、外気が本体３１内に吸い込まれ、吸い込まれた外気が第１蒸発器４ａと第２蒸発器
６ａにおいて冷媒と熱交換する。

本体３１の内部であって前面側には、圧縮機１ａと水冷媒熱交換器２が左右に配置されている。本体３１の内部であって一方の側面近くには、第１蒸発器４ａおよび第２蒸発器６ａに配管接続される第２膨張弁が、他方の側面近くには水冷媒熱交換器２と第１蒸発器４ａに配管接続される第１膨張弁３ａが配置されている。第１蒸発器４ａと第２蒸発器
６ａ間，第２蒸発器６ａと圧縮機１ａ間，圧縮機１ａと水冷媒熱交換器２間とは、それぞれ配管接続されている。すなわち、圧縮機１ａ，水冷媒熱交換器２，第１膨張弁３ａ，第１蒸発器４ａ，第２膨張弁５ａ，第２蒸発器６ａ，圧縮機１ａの順に配管接続され、第１ヒートポンプ冷媒回路４０ａを形成する。

ここで、水冷媒熱交換器２は、冷媒側伝熱管２ａ，２ｂと給水側伝熱管２ｃ，２ｄを交互に接触させてコイル状に巻き上げられており、水冷媒熱交換器２のコイル状中空部には、円筒状の貯湯タンク１０が設置されている。なお、ヒートポンプ冷媒回路４０は、同じ構成の第１，第２ヒートポンプ冷媒回路４０ａ，４０ｂを備えているが、説明を容易にするために、第２ヒートポンプ冷媒回路４０ｂについては、図示を省略した。ただし、図３を参照すれば、第１ヒートポンプ冷媒回路４０ａに用いる第１蒸発器４ａ，第２蒸発器
６ａは本体３１の上側に設置されており、第２ヒートポンプ冷媒回路４０ｂに用いる第１蒸発器４ｂ，第２蒸発器６ｂは、本体３１の下側に設置されていることは明らかであろう。

図１に示したように、水冷媒熱交換器２は、第１ヒートポンプ冷媒回路４０ａ用と第２ヒートポンプ冷媒回路用４０ｂとが一体化されており、１個の貯湯タンク１０を共用している。圧縮機１ａ，１ｂ，第１膨張弁３ａ，３ｂおよび第２膨張弁５ａ，５ｂ等は、強度や性能を考慮して設置した。図３に示すように、本体３１の下部には、複数の設置足31ａを設けている。

ヒートポンプ給湯機１００が有する台所蛇口１８を開けて給湯使用する場合の動作を、図４にフローチャートで示す。初めに、使用者が台所蛇口１８を開けると、湯水使用が開始する（ステップ６０）。運転制御手段５０は、圧縮機１ａ，１ｂを始動させて、第１ヒートポンプ冷媒回路３０ａおよび第２ヒートポンプ冷媒回路３０ｂの運転を開始する。それとともに運転制御手段５０は、直接給湯回路を形成する給水金具７や減圧弁８，給水水量センサ９，給水逆止弁１２，水熱交流量センサ１３，給水側伝熱管２ｃ，２ｄ，給湯混合弁１４，湯水混合弁１５，流量調整弁１６，台所出湯金具１７，台所蛇口１８を制御して、直接給湯運転（ステップ６１）を実行する。このとき、ヒートポンプ冷媒回路４０では、圧縮機１ａ，１ｂで圧縮された高温高圧冷媒が水冷媒熱交換器２の冷媒側伝熱管２ａ，２ｂに送り込まれ、給水側伝熱管２ｃ，２ｄから流入する水を加熱して給湯混合弁１４側へ出湯する。

ところで、運転立上がり時には、水冷媒熱交換器２に供給される冷媒が充分に高温高圧となり切らず温度が低い。しかも、水冷媒熱交換器２全体が冷えているので、水を加熱する加熱能力が充分でない。そこで、ステップ６１で示した直接給湯運転と同時に、タンク給湯回路を形成する給水金具７および減圧弁８，給水水量センサ９，貯湯タンク１０，給湯混合弁１４，湯水混合弁１５，流量調整弁１６，台所出湯金具１７，台所蛇口１８を制御して、タンク給湯運転（ステップ６２）も実行する。このようにタンク給湯運転を併用すると、湯水使用開始直後から、適温（約４２℃）の湯を必要流量だけ供給可能になる。

直接給湯運転およびタンク給湯運転を併用し続けているときも、熱交出湯サーミスタ
２ｓおよび給湯混合水サーミスタ１４ｓ，湯水混合水サーミスタ１５ｓ，給水水量センサ９の出力を用いて、給湯温度と流量を判定する（ステップ６３）。判定した給湯温度と流量が予め定めた規定外であれば、温度と流量を調整する（ステップ６４ａ）。判定した給湯温度と流量が規定内であれば、直接給湯温度を判定する（ステップ６４）。この直接給湯温度を判定するときに、温度と流量が規定に達していないときは、温度と流量を調整
（ステップ６４ａ）しながら、直接給湯運転（ステップ６１）とタンク給湯運転（ステップ６２）を並行して実行し続ける。

ヒートポンプ冷媒回路４０を運転し続けると、時間が経過するにつれて冷媒が高温高圧になる。冷媒が高温高圧になると、発生する冷媒からの放熱量が増加し、水への加熱能力が増す。所定時間間隔で実行するステップ６４の直接給湯温度判定において、水冷媒熱交換器２からの出湯だけで給湯温度と流量が規定内に達したら、タンク給湯運転を停止する（ステップ６４ｂ）。そして、ステップ６１で示した直接給湯運転だけを継続する（ステップ６５）。

次に、蛇口１８が閉じられ湯水使用が終了（ステップ６６）したら、タンク給湯運転が停止状態であり、直接給湯運転だけが実行されているのであれば直接給湯運転を停止する。湯水使用直後のように、タンク給湯運転と直接給湯運転が併用されている場合には、タンク給湯運転と直接給湯運転の双方を停止する（ステップ６７）。

この状態で、運転制御手段５０は複数のタンクサーミスタ１０ｓの出力を調べ、貯湯温度と貯湯量を判定する（ステップ６８）。貯湯温度と貯湯量が規定内であれば、運転停止を継続する。貯湯温度と貯湯量が規定に満たなければ、タンク貯湯運転（ステップ６９）を実行する。タンク貯湯運転中も貯湯温度と貯湯量を判定（ステップ７０）し、これらの値が規定内に達したことを確認したらタンク貯湯運転を停止する（ステップ７１）。

以上の運転フローによれば、出湯開始時にヒートポンプ冷媒回路４０から所望の給湯温度（約４２℃）に達する熱が供給されないときでも、貯湯タンク１０に貯えられた湯を所望の給湯温度に達するまでの立上がり時の補助手段として利用できる。なお、貯湯タンク１０は補助手段として用いるに過ぎず、ヒートポンプ冷媒回路４０の能力、特に圧縮機
１ａ，１ｂの出力を大きくすればするほど、立上げ時間を短くできる。その場合、貯湯タンク１０を小さくできる。

本実施例によれば、風呂湯張りと台所給湯を同時に行うような複数箇所での同時使用にも直接給湯のみで対応可能になる。すなわち、本実施例では従来圧縮機の２倍程度の圧縮機を２個使用した２サイクルヒートポンプ方式３０ａ，３０ｂとしたので、圧縮機容量が大容量になったにもかかわらず、実績のある圧縮機による信頼性の高い運転が可能になる。また、ヒートポンプ冷媒回路４０を構成する各部品も実績のある部品を使用でき、ヒートポンプ冷媒回路４０の信頼性が向上する。なお、圧縮機の容量が充分であれば、１サイクルヒートポンプ方式としてもよい。また、運転制御手段５０に、給湯運転を停止した後に規定貯湯量を確保するようタンク貯湯運転を実行する毎回貯湯運転機能を備えているので、貯湯タンク１０は常に所定温度の湯が所定量以上貯まっており、運転立上がり時のタンク給湯運転や連続給湯時にも対応できる。

給湯運転中に着霜した霜を除霜する除霜運転制御を、図５にフローチャートで示す。ここでは、給湯運転の詳細については上記したので省略し、主にヒートポンプ冷媒回路４０の動作について説明する。台所蛇口１８を開けて湯水使用が始まる（ステップ８０）。湯水が使用されると、運転制御手段５０は、ヒートポンプ冷媒回路４０の運転を開始する。それとともに、給湯運転する（ステップ８１）。

運転制御手段５０は、第１膨張弁３ａ，３ｂの開度を絞り、第２膨張弁５ａ，５ｂの開度を開放するように各膨張弁３ａ，３ｂ；５ａ，５ｂを制御する。このとき、ヒートポンプ冷媒回路４０では、圧縮機１ａ，１ｂで冷媒を圧縮して高温高圧ガスとし、水冷媒熱交換器２に配置されている冷媒側伝熱管２ａ，２ｂを通じて給水側伝熱管２ｃ，２ｄを流れる水を加熱する。給水側伝熱管内２ｃ，２ｄの水に放熱して液化された冷媒は、第１膨張弁３ａ，３ｂで絞られて減圧され、蒸発し易い状態で第１蒸発器４ａ，４ｂへ送られる。

第１蒸発器４ａ，４ｂは大きな空間に形成されており、この第１蒸発器４ａ，４ｂに送られた液冷媒は、第１膨張弁３ａ，３ｂでの絞られた状態から一気に膨張および蒸発する。それとともに、外気から蒸発潜熱を奪い、冷媒と外気との間で熱交換する。第２膨張弁５ａ，５ｂが開放されているので、第１蒸発器４ａ，４ｂと第２蒸発器６ａ，６ｂ間は流量抵抗が少ない。そこで、第１蒸発器４ａ，４ｂで蒸発し切れなかった冷媒は、第２蒸発器６ａ，６ｂで蒸発する。すなわち、第１蒸発器４ａ，４ｂと第２蒸発器６ａ，６ｂの対が大容量蒸発器を形成し、一体的に熱交換器として作用する。

第１蒸発器４ａ，４ｂと第２蒸発器６ａ，６ｂで蒸発し気体となった冷媒は、圧縮機
１ａ，１ｂに戻り、再び圧縮され高温高圧ガスとなって加熱源として作用する。なお、この説明は一般的冷媒の場合であり、冷媒に炭酸ガス（ＣＯ₂ ）などを使用した場合には、水冷媒熱交換器２における液化および第１蒸発器４ａ，４ｂにおけるガス化は完全ではなく、液とガスが混合した状態になることもある。

上記したように、冷媒は水冷媒熱交換器２で放熱し、水を加熱給湯する。それとともに、冷媒は第１蒸発器４ａ，４ｂで蒸発して蒸発潜熱を奪う。第１蒸発器４ａ，４ｂは熱を奪われて、第１蒸発器４ａ，４ｂ表面に外気の水分が付着して結露する。外気温度が５℃近辺以下に下がると、第１蒸発器４ａ，４ｂの結露は霜となって堆積する。このままヒートポンプ冷媒回路４０を運転し続けると、第１蒸発器４ａ，４ｂ表面の霜が堆積成長し、第１蒸発器４ａ，４ｂの全表面を覆う。第１蒸発器４ａ，４ｂの全表面が霜で覆われると、霜の断熱効果により冷媒と外気との熱交換が阻害され、圧縮機１ａ，１ｂへの冷媒の液戻りや吸込み圧力上昇などの不具合を生じる。そして、結果としてヒートポンプ冷媒回路４０の加熱能力低下や運転停止に至る恐れがあるので除霜運転をする。

なお、第１蒸発器４ａ，４ｂは第１膨張弁３ａ，３ｂの直後に接続されているので冷媒の膨張や蒸発が活発で、蒸発潜熱による温度低下が大きい。しかも、外気側に設置されているので、外気に含まれる水分の大半が第１蒸発器４ａ，４ｂの表面に付着する。一方、第２蒸発器６ａ，６ｂには霜がそれほど付着せず、除霜は必要とならない。さらに、本実施例では図３に示すように、第１蒸発器４ａ，４ｂの外気側面積を第２蒸発器６ａ，６ｂの外気側面積より大きくしいている。これにより、外気に含まれる水分の大半を第１蒸発器４ａ，４ｂの表面に付着させることが可能になる。

ステップ８１で示した給湯運転が開始されたら、蒸発器サーミスタ４ｓ，４ｔで第１蒸発器４ａ，４ｂの温度を、蒸発器サーミスタ６ｓ，６ｔで第２蒸発器６ａ，６ｂの温度をそれぞれ検出しているので、蒸発器サーミスタ４ｓ，４ｔで第１蒸発器４ａ，４ｂへの着霜状態を判定する（ステップ８２）。着霜量が規定未満であれば、そのまま給湯運転（ステップ８１）を継続する。着霜量が規定以上になれば、第１膨張弁３ａを開放し、第２膨張弁５ｂを絞り調整して、給湯運転を継続（ステップ８３）しながら除霜運転する（ステップ８４）。

すなわち、第１膨張弁３ａ，３ｂを開放したので、水冷媒熱交換器２を通過した中温の冷媒は、流路断面積が減少する絞りを通過しないで第１蒸発器４ａ，４ｂへ流入する。その結果、圧力変化せず蒸発もしない。したがって冷媒は第１蒸発器４ａ，４ｂに至るまでに流路から蒸発潜熱を奪わず、冷媒自身の熱量で第１蒸発器４ａ，４ｂに付着した霜を溶かすことができる。これに対して、第２膨張弁５ａ，５ｂを絞り調整したので、第１蒸発器４ａ，４ｂを通過した冷媒は、第２膨張弁５ａ，５ｂで減圧される。その後、第２蒸発器６ａ，６ｂの大きな空間へ送られた液冷媒は、一気に膨張および蒸発し、第２蒸発器
６ａ，６ｂの冷媒配管およびフィンを介して外気から蒸発潜熱を奪う。これにより、冷媒と外気とが熱交換される。

本実施例では、第２蒸発器６ａ，６ｂへの着霜量を少なくして除霜運転を必要としないようにしている。すなわち、第１蒸発器４ａ，４ｂ内の冷媒配管を１列、第２蒸発器６ａ，６ｂ内の冷媒配管を２列としている。すなわち、冷媒配管１列の第１蒸発器４ａ，４ｂより第２蒸発器６ａ，６ｂの冷媒配管の表面積が大きく、空気との熱交換量が増大する。第１蒸発器４ａ，４ｂのフィン間隔よりも第２蒸発器６ａ，６ｂのフィン間隔を細かくする。さらに、第２蒸発器６ａ，６ｂのフィン表面積を、冷媒配管１列でフィン間隔の広い第１蒸発器４ａ，４ｂのフィン表面積よりも大きくしたので、空気と熱交換するフィン面積の増大により、第２蒸発器６ａ，６ｂの冷媒と外気との熱交換能力が増大する。第２蒸発器６ａ，６ｂの蒸発能力が増大したので、第１蒸発器４ａ，４ｂで不足した蒸発能力を、第２蒸発器６ａ，６ｂがカバーできる。

運転制御手段５０は、蒸発器サーミスタ４ｓ，４ｔの出力を用いて、第１蒸発器４ａ，４ｂで除霜を継続するか否かを判定する（ステップ８５）。除霜を継続するときには、給湯運転（ステップ８３）と除霜運転（ステップ８４）の同時運転を継続する。除霜の終了と判定したら、第１膨張弁３ａ，３ｂを絞り調整し、第２膨張弁５ａ，５ｂを開放する。第１蒸発器４ａ，４ｂの除霜運転が停止される（ステップ８６）。そして、第１蒸発器
４ａ，４ｂと第２蒸発器６ａ，６ｂの双方を蒸発器として作用させ、給湯運転を継続する（ステップ８７）。使用者が台所蛇口１８を閉じて湯水使用が終了すると、図４を用いて説明した給湯運転を停止する。貯湯タンク１０の貯湯量が規定以下の場合にはタンク貯湯運転を実行し、その後タンク貯湯運転を停止してヒートポンプ冷媒回路４０の運転を終了する。

本実施例によれば、瞬間式ヒートポンプ給湯機が直接給湯回路を有しているので、貯湯タンク１０を小容量のものとすることができる。その結果、図２，図３に示すように、ヒートポンプ冷媒回路を２サイクル有しているにも関わらず、ヒートポンプ冷媒回路と給湯回路と貯湯タンクとを、本体内に収納し一体化できる。また、ヒートポンプ加熱運転と同時に除霜運転を実行できるので、貯湯時間を短縮できるとともに、成績係数（ＣＯＰ）を向上させることができる。その結果、瞬間式ヒートポンプにおける使い勝手が向上し、運転費用を節約できる。

本発明に係るヒートポンプ給湯機の一実施例の模式図である。 図１に示したヒートポンプ給湯機の主要部の平面図である。 図１に示したヒートポンプ給湯機の主要部の正面図である。 図１に示したヒートポンプ給湯機の運転制御を示すフローチャートである。 図１に示したヒートポンプ給湯機の他の運転制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１ａ，１ｂ…圧縮機、２…水冷媒熱交換器、３ａ，３ｂ…第１膨張弁、４ａ，４ｂ…第１蒸発器、５ａ，５ｂ…第２膨張弁、６ａ，６ｂ…第２蒸発器、８…減圧弁、９…給水水量センサ、１０…貯湯タンク、１１…タンク循環ポンプ、１４…給湯混合弁、１５…湯水混合弁、１６…流量調整弁、１７…台所出湯金具、１９…風呂注湯弁、２０…フロースイッチ、２１…風呂循環ポンプ、２２…水位センサ、２３…風呂入出湯金具、２４…風呂循環アダプター、２５…浴槽、２６…温水開閉弁、２７…風呂用熱交換器、２９…風呂蛇口、３１…本体、４０…ヒートポンプ冷媒回路、４０ａ…第１ヒートポンプ冷媒回路、４０ｂ…第２ヒートポンプ冷媒回路、４５…給湯回路、５０…運転制御手段、５１…台所リモコン、５２…風呂リモコン、１００…ヒートポンプ給湯機。

Claims (9)

1. 冷媒と水が流通する水冷媒熱交換器を有するヒートポンプ回路と、前記水冷媒熱交換器を流通する水を需要元に給湯する手段と、前記水熱交換器で熱交換した水を給湯手段を流通する湯よりも高温の湯として貯湯する貯湯タンクとを備えたヒートポンプ給湯機において、
   前記ヒートポンプ回路は、圧縮機とこの圧縮機で圧縮された冷媒が流通する前記水冷媒熱交換器と、この水冷媒熱交換器で熱交換した冷媒を膨張させる第１，第２膨張弁と、この第１，第２膨張弁を流通した冷媒を蒸発させる第１，第２蒸発器と、これらを収容する本体とを有し、前記第１膨張弁，第１蒸発器，第２膨張弁，第２蒸発器を順次配管接続し、前記第１蒸発器を外気側に、前記第２蒸発器をこの第１蒸発器よりも前記本体内部側にそれぞれ配置したことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 前記ヒートポンプ回路を２回路有し、この２回路を並列に接続したことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
3. ヒートポンプ冷媒回路と給湯回路と運転制御手段とを有するものであって、前記ヒートポンプ冷媒回路は、圧縮機と、水と冷媒とを熱交換させる水冷媒熱交換器と、第１膨張弁と、第１蒸発器と、第２膨張弁と、第２蒸発器とを有しこれらを冷媒配管を介して順次接続されて構成されており、前記給湯回路は、前記水冷媒熱交換器と、貯湯タンクと、給湯混合弁と、湯水混合弁と、流量調整弁と、出湯金具とを有しこれらを水配管を介して接続されて構成されており、前記運転制御手段は、前記圧縮機と膨張弁と給湯混合弁と湯水混合弁と流量調整弁を制御するものであり、ヒートポンプ給湯運転時には前記第２膨張弁を開放して第１膨張弁で冷媒を絞り調整し、除霜時は前記第１膨張弁を開放して第１蒸発器を除霜運転するとともに第２膨張弁で冷媒を絞り調整して第２蒸発器がヒートポンプの加熱給湯運転するように制御することを特徴とするヒートポンプ給湯機。
4. 前記第１蒸発器と第２蒸発器を収容する本体を有し、前記第１蒸発器が外気側、第２蒸発器が内側となるように本体内に並んで配置したことを特徴とする請求項３記載のヒートポンプ給湯機。
5. 前記第１蒸発器の外気側面積は前記第２蒸発器の外気側面積よりも大きいことを特徴とする請求項３記載のヒートポンプ給湯機。
6. 前記第１蒸発器内の冷媒配管は１列であり、前記第２蒸発器の冷媒配管は２列であることを特徴とする請求項３記載のヒートポンプ給湯機。
7. 前記第１蒸発器のフィン間隔が第２蒸発器のフィン間隔よりも大きいことを特徴とする請求項３記載のヒートポンプ給湯機。
8. 前記運転制御手段は、給湯運転停止時に前記第１膨張弁と第２膨張弁を開放する運転停止時除霜機能を有することを特徴とする請求項３記載のヒートポンプ給湯機。
9. 前記給湯回路は、前記水冷媒熱交換器で加熱した温水を直接前記出湯金具から給湯する直接給湯回路を有することを特徴とする請求項３記載のヒートポンプ給湯機。
   

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