JP2010084973A - 暖房給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプユニットにより貯湯タンク内に貯留された温水を加熱する暖房給湯装置において、高効率な暖房給湯運転を実現する。
【解決手段】温水を貯留する貯湯タンク２と、この貯湯タンク２内の温水を加熱するヒートポンプユニット３と、貯湯タンク２とヒートポンプユニット３間で温水を循環させるヒートポンプ加熱用循環回路４と、暖房器５と、貯湯タンク２と暖房器５間で温水を循環させる暖房用循環回路６と、貯湯タンク２内の温水と熱交換可能に設けられた給湯用熱交換回路７とを備えた暖房給湯装置１において、ヒートポンプユニット３は、二酸化炭素が冷媒として封入され、高圧側が超臨界圧力となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、貯湯タンク内に貯留された温水をヒートポンプユニットにより加熱し、この温水により暖房器の暖房運転と、シャワーや台所等に供給する湯を生成する給湯運転を行う暖房給湯装置に関するものである。

従来、この種の暖房給湯装置は、貯湯タンクと、貯湯タンク内の温水を加熱するヒートポンプユニットと、暖房器と、貯湯タンク内の温水と熱交換可能に設けられた給湯用熱交換回路とを備える。このヒートポンプユニットは、圧縮機、冷媒対水熱交換器、減圧手段としての膨張弁及び蒸発器を有し、これらを順次配管接続することにより冷媒回路が構成されている。冷媒対水熱交換器は、冷媒回路の圧縮機から出た高温高圧の冷媒と、貯湯タンクからの温水とを熱交換させるための熱交換器である。

そして、ヒートポンプユニットの圧縮機が起動されると、圧縮機に冷媒が吸い込まれて圧縮される。これにより、冷媒は高温高圧の冷媒ガスとなって圧縮機から吐出され冷媒対水熱交換器に流入する。そして、冷媒対水熱交換器に流入した冷媒は、貯湯タンクからの温水（或いは、冷たい水）と熱交換して放熱した後、膨張弁にて減圧され、蒸発器に流入する。冷媒はこの蒸発器において周囲の空気から熱を汲み上げて、即ち、周囲の空気から熱を奪って蒸発する。その後、冷媒は蒸発器から出て圧縮機に吸い込まれるサイクルを繰り返す。

一方、冷媒対水熱交換器にて貯湯タンクからの温水は、冷媒と熱交換することで加熱されて高温水となり、その後、貯湯タンクに戻るサイクルを繰り返すものであった（例えば、特許文献１参照）。

他方、当該貯湯タンク内の温水は暖房器に循環されて暖房器の暖房用に使用されると共に、貯湯タンク内に設けられた給湯用熱交換回路を流れる水（水道水等）を加熱して給湯用の温水を生成するために使用されていた。
特開２００３−５６９０５号公報

このような暖房給湯装置において、暖房能力及び給湯能力は、ヒートポンプユニットの冷媒対水熱交換器における貯湯タンクからの温水と冷媒との熱交換能力次第となる。即ち、当該熱交換器において貯湯タンクからの温水と冷媒との熱交換能力を高めることができれば、その分、貯湯タンク内の温水の温度が高くなるので、高効率な暖房給湯運転を実現することができるが、従来の炭化水素系冷媒では係る熱交換器における熱交換能力が低く、貯湯タンク内の温水を高温とすることが困難であった。

本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、ヒートポンプユニットにより貯湯タンク内に貯留された温水を加熱する暖房給湯装置において、高効率な暖房給湯運転を実現することを目的とする。

本発明の暖房給湯装置は、温水を貯留する貯湯タンクと、この貯湯タンク内の温水を加熱するヒートポンプユニットと、貯湯タンクとヒートポンプユニット間で温水を循環させるヒートポンプ加熱用循環回路と、暖房器と、貯湯タンクと暖房器間で温水を循環させる暖房用循環回路と、貯湯タンク内の温水と熱交換可能に設けられた給湯用熱交換回路とを備えたものであって、ヒートポンプユニットは、二酸化炭素が冷媒として封入され、高圧側が超臨界圧力となることを特徴とする。

本発明によれば、ヒートポンプユニットは二酸化炭素が冷媒として封入され、高圧側が超臨界圧力となるので、冷媒と貯湯タンクの温水との熱交換能力が向上し、当該貯湯タンクからの温水をより高温とすることができる。

これにより、暖房能力及び給湯能力が向上し、高効率な暖房給湯運転を実現することができるようになる。

本発明は、ヒートポンプユニットの熱交換能力を改善して、貯湯タンク内の温水をより高温に加熱し、高効率な暖房給湯運転を実現するためになされたものである。このように、高効率な暖房給湯運転を行うという目的を、ヒートポンプユニットに二酸化炭素を冷媒として封入し、高圧側を超臨界圧力とすることにより実現した。以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳述する。

図１は、本発明を適用した一実施例の暖房給湯装置の全体のシステムを示す回路図である。本実施例の暖房給湯装置１は、温水を貯留する貯湯タンク２と、貯湯タンク２内の温水を加熱するヒートポンプユニット３と、貯湯タンク２とヒートポンプユニット３間で温水を循環させるヒートポンプ加熱用循環回路４と、暖房器５と、貯湯タンク２と暖房器５間で温水を循環させる暖房用循環回路６と、貯湯タンク２内の温水と熱交換可能に設けられた給湯用熱交換回路７とを備える。

このヒートポンプユニット３は、コンプレッサ４１、冷媒対水熱交換器４２、分流器４３、補助絞り手段としての第１の膨張弁４４、中間熱交換器５０、主絞り手段としての第２の膨張弁４５、蒸発器４７及びアキュムレータ４８等を備えて、これらを配管接続することによりヒートポンプユニット３の冷媒回路４０が構成されている。

本実施例のコンプレッサ４１は、密閉容器内に駆動手段としての電動要素と、低段側圧縮要素と高段側圧縮要素から成る圧縮機構部とを備えて、１段目の低段側圧縮要素にて圧縮して中間圧とした冷媒を、密閉容器内に吐出し、この密閉容器内の冷媒を２段目の高段側圧縮要素に吸い込んで圧縮する内部中間圧型の多段（２段）圧縮式コンプレッサである。

図１において、５２はコンプレッサ４１の低段側圧縮要素に冷媒を導入するための冷媒導入管であり、この冷媒導入管５２の一端が低段側圧縮要素の冷媒吸込側（入口側）に接続され、ここから低段側圧縮要素に低温低圧の冷媒が導入可能に構成されている。また、冷媒導入管５２の他端はアキュムレータ４８に接続されている。

５４はコンプレッサ４１の高段側圧縮要素の冷媒吐出側（出口側）に接続された冷媒吐出管である。即ち、冷媒吐出管５４の一端がコンプレッサ４１の高段側圧縮要素の冷媒吐出側に接続されて、ここから高段側圧縮要素にて圧縮された冷媒がコンプレッサ４１の外部に吐出可能に構成されている。当該冷媒吐出管５４の他端は後述する冷媒対水熱交換器４２のガスクーラ２７の入口に接続されている。ガスクーラ２７の出口には、分流器４３に至る冷媒配管５６が接続されている。

分流器４３は、冷媒対水熱交換器４２のガスクーラ２７から出た冷媒を２つの流れに分流するための分流手段である。この場合、分流器４３は、ガスクーラ２７から出た冷媒を第１の冷媒流と第２の冷媒流に分流して、第１の冷媒流を第１の膨張弁４４を経て中間熱交換器５０の第１の流路５０Ａに至る補助回路に流し、第２の冷媒流を中間熱交換器５０の第２の流路５０Ｂ、第２の膨張弁４５を経て蒸発器４７に至る主回路に流すものとされている。

尚、上記主回路とは、コンプレッサ４１の前記低段側圧縮要素、密閉容器内、高段側圧縮要素、冷媒対水熱交換器４２のガスクーラ２７、分流器４３、中間熱交換器５０の第２の流路５０Ｂ、第２の膨張弁４５、蒸発器４７及びアキュムレータ４８から成る環状の冷媒回路であり、補助回路とは、分流器４３から第１の膨張弁４４、中間熱交換器５０の第１の流路５０Ａを経てコンプレッサ４１の密閉容器内に至る回路を指す。

前記第１の膨張弁４４は、分流器４３で分流された第１の冷媒流を減圧するための補助回路の絞り手段であると共に、第１の冷媒流を中間熱交換器５０の第１の流路５０Ａに流すか否かを制御する開閉制御弁としても機能する。この膨張弁４４は、後述するコントローラ３３に接続され、動作が当該コントローラ３３により制御されている。

また、前記中間熱交換器５０は、補助回路を流れる第１の膨張弁４４で減圧された後の第１の冷媒流と、主回路を流れる第２の冷媒流とを熱交換させるための熱交換器である。この中間熱交換器５０には、第１の冷媒流が流れる第１の流路５０Ａと、第２の冷媒流が流れる第２の流路５０Ｂとが交熱的に配置されている。

一方、中間熱交換器５０の第１の流路５０Ａの出口は、コンプレッサ４１の高段側圧縮要素の吸込側に至る冷媒配管５８が接続されており、この第１の流路５０Ａから出た第１の冷媒流が配管５８を介して、コンプレッサ４１の中間圧部である密閉容器に吸い込まれるよう構成されている。

係る構成により、分流器４３で分流された第１の冷媒流は、第１の膨張弁４４で減圧された後、中間熱交換器５０の第１の流路５０Ａを通過する過程で、第２の流路５０Ｂを流れる第２の冷媒流と熱交換して蒸発する。この蒸発してガスとなった第１の冷媒流は、第１の流路５０Ａから出てコンプレッサ４１の密閉容器内に吸い込まれ、低段側圧縮要素で圧縮されて、密閉容器内に吐出された冷媒（第２の冷媒流）と合流した後、高段側圧縮要素に吸い込まれることとなる。

他方、中間熱交換器５０の第２の流路５０Ｂの出口は、冷媒配管６０を介して第２の膨張弁４５の入口に接続されている。第２の膨張弁４５は、第２の冷媒流を減圧するための絞り手段であり、前記第１の膨張弁４４と同様にコントローラ３３に接続され、動作が当該コントローラ３３により制御されている。この第２の膨張弁４５の出口に接続された冷媒配管６２は蒸発器４７の入口に接続されている。また、蒸発器４７の出口は冷媒配管６４を介してアキュムレータ４８に接続され、このアキュムレータ４８には前述した冷媒導入管５２の他端が接続されている。

以上の構成により、分流器４３で分流された第２の冷媒流は、中間熱交換器５０の第２の流路５０Ｂを通過する過程で、第１の流路５０Ａを流れる第１の冷媒流と熱交換して放熱する。そして、放熱した第２の冷媒流は、第２の流路５０Ｂから出て第２の膨張弁４５で減圧された後、蒸発器４７に入り、そこで周囲の空気から熱を奪って蒸発する。その後、第２の冷媒流は蒸発器４７から出てアキュムレータ４８を経由して、コンプレッサ４１の低段側圧縮要素に吸い込まれることとなる。

尚、図１において、６５はコンプレッサ４１から吐出される高圧冷媒の圧力を検出するための圧力センサである。また、７０は第２の膨張弁４５の出口に接続された冷媒配管６２の途中部と冷媒配管５８の途中部とを接続する冷媒配管７２に介設された電磁弁である。電磁弁７０は通常の運転時には閉じられており、蒸発器４７の除霜運転時に開放される。即ち、除霜運転時に電磁弁７０が開放されると、コンプレッサ４１の低段側圧縮要素で圧縮された中間圧の冷媒が配管５８、配管７２及び配管６２を介して蒸発器４７に流入する。この冷媒は、当該蒸発器４７で放熱するので、蒸発器４７の着霜を冷媒の熱により溶かすことができる。更にまた、電磁弁７０は、コンプレッサ４１の起動時にも一時的に開放される。これにより、低段側圧縮要素で圧縮された中間圧の冷媒を配管５８、配管７２及び配管６２を介して冷媒回路４０の低圧側である蒸発器４７の入口側に逃がすことができるので、起動時の冷媒回路４０内の不安定な運転状況を解消することがきる。

前述した冷媒対水熱交換器４２は、冷媒回路４０を流れるコンプレッサ４１からの高温高圧冷媒と、後述するヒートポンプ加熱用循環回路４を流れる貯湯タンク２からの低温水とを熱交換させるための熱交換器である。具体的に、本実施例の冷媒対水熱交換器４２は冷媒が流れるガスクーラ２７と温水が流れる水熱交換器とが熱交換関係に一体化されたものであって、ガスクーラ２７を流れる冷媒と水熱交換器２８を流れる温水の流れが対向流となるように構成されている。

この場合、ヒートポンプユニット３には、二酸化炭素が冷媒として封入され、冷媒回路４０の高圧側が超臨界圧力となる。即ち、当該二酸化炭素冷媒が、コンプレッサ４１の高段側圧縮要素にて超臨界圧力まで圧縮され、この超臨界状態とされた二酸化炭素冷媒が冷媒対水熱交換器４２のガスクーラ２７に吐出されることとなる。この超臨界状態の二酸化炭素冷媒は、ガスクーラ２７において凝縮しないため、即ち、放熱しても超臨界状態を維持したままであるため、熱交換能力が著しく高く、水熱交換器２８を流れる温水を高温に加熱することができる。

更に加えて、冷媒対水熱交換器４２のガスクーラ２７における冷媒の流れと、水熱交換器２８における温水の流れとを対向流とすることで、冷媒対水熱交換器４２を通過する過程で冷媒と温水との温度差を略同じとすることができる。即ち、ガスクーラ２７の入口側となる冷媒対水熱交換器４２の一端側で冷媒の温度が最も高く、他端に向かうに従って徐々に温度が低下し、ガスクーラ２７の出口側となる冷媒対水熱交換器４２の他端側で冷媒の温度が最も低くなる。一方、水熱交換器２８の入口側となる冷媒対水熱交換器４２の他端側で最も温水の温度が低く、一端に向かうに従って冷媒により温水は徐々に加熱されて、冷媒対水熱交換器４２の一端側では温水の温度が最も高くなる。

このように、冷媒対水熱交換器４２において冷媒の流れと温水の流れとを対向流とすることで、当該冷媒対水熱交換器４２を通過する過程における冷媒と温水の温度差が略同じとなり、熱交換効率をより一層改善することができるようになる。

一方、前記貯湯タンク２は、温水を貯留する略縦長円筒状を呈したタンクである。当該貯湯タンク２内には予め温水が封入されている。即ち、貯湯タンク２には新たに温水が導入されたり、貯湯タンク２内の温水が外部に排出されることの無い閉鎖系のタンクである。この貯湯タンク２の下部には、ヒートポンプ加熱用循環回路４の取水配管８０、給湯配管８２、給湯配管８４と、暖房用循環回路６の戻り配管２１が接続されている。

上記ヒートポンプ加熱用循環回路４は、貯湯タンク２内の低温水をヒートポンプユニット３の冷媒対水熱交換器４２に流して加熱し、高温水を生成するための回路であり、貯湯タンク２とヒートポンプユニット３間で温水を循環可能に構成されている。本実施例のヒートポンプ加熱用循環回路４は、貯湯タンク２内下部に連通した取水口８と、貯湯タンク２内上部に連通した上部給湯口９と、貯湯タンク２内下部に連通した下部給湯口１３と、循環ポンプ１０と、流路切換弁１４を有する。具体的に、ヒートポンプ加熱用循環回路４の取水配管８０が、貯湯タンク２内下部に接続され、その一端が貯湯タンク２内の下部にて開口するよう構成されている。そして、この開口がヒートポンプ加熱用循環回路４に貯湯タンク２内の下部の温水を取り出すための取水口８とされる。

上記取水配管８０は、上述の如く貯湯タンク２内下部に連通した一端（取水口８）から当該貯湯タンク２を出てヒートポンプユニット３に延出し、他端は冷媒対水熱交換器４２の水熱交換器２８の入口に接続されている。この取水配管８０には循環ポンプ１０が介設されている。循環ポンプ１０は、取水口８から貯湯タンク２内下部（底部）の温水を吸引してヒートポンプユニット３に送り、このヒートポンプユニット３を経た温水を上部給湯口９若しくは下部給湯口１３から貯湯タンク２内に戻すためのヒートポンプ加熱循環用のポンプである。

一方、冷媒対水熱交換器４２の水熱交換器２８の出口にはヒートポンプ加熱用循環回路４の給湯配管８２の一端が接続されている。この給湯配管８２は、当該水熱交換器２８の出口に接続された一端から貯湯タンク２に向かって延出し、途中で二股に分岐する。この分岐した一方の配管は貯湯タンク２の下部に接続され、そこから貯湯タンク２内を上方に起立し、貯湯タンク２内の上部にて開口するよう構成されている。そして、この開口が貯湯タンク２内上部に連通した上部給湯口９とされる。即ち、当該上部給湯口９からヒートポンプ加熱用循環回路４を経た温水が貯湯タンク２内上部に給湯可能に構成されている。

また、分岐した他方の配管８４は貯湯タンク２の下部に接続され、貯湯タンク２内下部にて開口するよう構成されており、この開口が貯湯タンク２内下部に連通した下部給湯口１３とされる。即ち、当該下部給湯口１３からヒートポンプ加熱用循環回路４を経た温水が貯湯タンク２内下部に供給可能に構成されている。

更に、上述の給湯配管８２の分岐部には流路切換弁１４が設けられている。この流路切換弁１４は、ヒートポンプユニット３を経た温水を上部給湯口９に送るか、下部給湯口１３に送るかを切り換えるための流路切換装置である。尚、当該流路切換弁１４の動作及び前記循環ポンプ１０の運転は、コントローラ３３によって制御されている。

他方、前記暖房用循環回路６は貯湯タンク２内の温水をラジエータ等の暖房器５に流すための回路であり、貯湯タンク２と暖房器５間で温水を循環可能に構成されている。本実施例の暖房用循環回路６は、上部出湯配管１６と、中間部出湯配管１８と、戻り配管２１と、混合弁２２と、混合弁２２と暖房器５の入口２３とを連通する暖房用往き配管２４と、暖房用循環ポンプ２５と、戻り配管２１の途中と混合弁２２とを結ぶバイパス配管２６とを有する。

上記上部出湯配管１６は、貯湯タンク２内の最上部（天部）から暖房用循環回路６に貯湯タンク２内上部の高温水を取り出すための配管である。具体的に、上部出湯配管１６の一端が貯湯タンク２内の最上部（天部）にて開口し（以下、この開口を上部出湯口１５と称する）、この上部出湯口１５から貯湯タンク２内の最上部（天部）の高温水が取り出し可能に構成されている。当該上部出湯配管１６の他端は後述する混合弁２２に接続されている。

また、上記中間部出湯配管１８は、貯湯タンク２内の中間部（上下方向の中間部）から暖房用循環回路６に貯湯タンク２内中間部の中温水を取り出すための配管である。具体的に、中間部出湯配管１８の一端が貯湯タンク２内の上下方向の中間部にて開口し（以下、この開口を中間部出湯口１７と称する）、この中間部出湯口１７から貯湯タンク２内の上下方向の中間部の中温水が取り出し可能に構成されている。また、中間部出湯配管１８の他端は前記混合弁２２に接続されている。

更に、上記戻り配管２１は、暖房用循環回路６から貯湯タンク２内に温水を戻すための配管である。この戻り配管２１は、一端が貯湯タンク２内の下部に開口し（以下、この開口を戻り口１９と称する）、他端が暖房器５の出口２０にて開口して、暖房器５を経た温水（戻り温水）が戻り口１９から貯湯タンク２内の下部に戻るよう構成されている。

前述した混合弁２２は、前記上部出湯配管１６から取り出した貯湯タンク２内の最上部の高温水と中間部出湯配管１８から取り出した貯湯タンク２内の中間部の中温水を混合し、更に、暖房器５を経た低温水を混ぜて、所定温度の温水に調整し、この調整された温水を暖房器５に流すための電動可変ミキシングバルブである。

具体的に、本実施例の混合弁２２には上部出湯配管１６、中間部出湯配管１８、戻り配管２１の途中部に接続されたバイパス配管２６及び暖房用往き配管２４とが接続されている。

そして、暖房器５における暖房運転において、コントローラ３３により循環ポンプ２５が運転されると、貯湯タンク２内上部から上部出湯配管１６を介して混合弁２２に高温水が流入する。また、貯湯タンク２内の中間部から中間部出湯配管１８を介して混合弁２２に中温水が流入する。更に、暖房器５を経た温水の一部がバイパス配管２６を介して混合弁２２に流入する。そして、当該混合弁２２にてこれらの温水が混合されて所定温度の温水に調整される。調整された温水は暖房用往き配管２４を経て暖房器５に入り、そこで放熱した後、戻り配管２１を経由して一部の温水が上述の如くバイパス配管２６を介して混合弁２２に戻り、他の温水は戻り口１９から貯湯タンク２内の下部に戻るサイクルを繰り返すこととなる。

一方、貯湯タンク２内には上部仕切部材１１と下部仕切部材１２とが設けられている。上部仕切部材１１は、ヒートポンプ加熱用循環回路４の給湯配管８２の上部給湯口９の上側であって、且つ、暖房用循環回路６の中間部出湯配管１８の中間部出湯口１７の上側の貯湯タンク２内に設けられている。また、下部仕切部材１２は、給湯配管８２の上部給湯口９の下側であって、取水配管８０の取水口８、給湯配管８４の下部給湯口１３及び暖房用循環回路６の戻り配管２１の戻り口１９の上側の貯湯タンク２内に設けられている。即ち、暖房用循環回路６の中間部出湯配管１８の中間部出湯口１７は、上部仕切部材１１より下側で下部仕切部材１２より上側の貯湯タンク２内に位置し、戻り配管２１の戻り口１９は、下部仕切部材１２より下側の貯湯タンク２内に位置するように上部仕切部材１１及び下部仕切部材１２が配設される。この場合、暖房用循環回路６の戻り配管２１の戻り口１９は、下部仕切部材１２より下側の貯湯タンク２内に位置するので、暖房器５からの温水（戻り温水）は、下部仕切部材１２より下側の貯湯タンク２内に戻ることとなる。

これら仕切部材１１、１２は貯湯タンク２内の上下方向における温水の移動を抑制するために設けられたものである。具体的に、貯湯タンク２において、密度の低い高温水は上昇して、当該貯湯タンク２内上部に蓄えられ、密度の高い低温水は貯湯タンク２内下部に降下するため、貯湯タンク２内には上方で最も温度が高く、下部に向かうに従って温度が低くなる温度の層が形成されることとなる。

しかしながら、貯湯タンク２内への温水の出入動作により対流が生じると、当該貯湯タンク２内の上記温度層が乱れて使用可能な高温層が減少するといった問題が生じていた。

そこで、貯湯タンク２内に上部給湯口９の上側に温水の上下方向の移動を抑制する上部仕切部材１１を設けることで、当該上部仕切部材１１の存在により、その上方の高温層と下側の層（中温層）との間で対流が起こり難くなる。これにより、高温層の温度を保つことができるようになる。

更に、上部給湯口９より下側で、且つ、取水口８及び戻り配管２１の戻り口１９より上側に温水の上下方向の移動を抑制する下部仕切部材１２を設けることで、当該下部仕切部材１２の上側であって上部仕切部材１１の下側の中温層と、下部仕切部材１２の下側の低温層との間で対流が起こり難くなる。これにより、中温層の温度を保つことができるようになる。特に、下部仕切部材１２の存在により、低温層ではより低い温度を維持できるようになる。これにより、貯湯運転では、下部仕切部材１２の下側の低温層に位置する取水口８から貯湯タンク２内の低温水を取り出すことができるので、ヒートポンプユニット３はより低い温度の温水（低温水）を加熱することになる。これにより、ヒートポンプユニット３による加熱の効率（ＣＯＰ）が向上する。

更に、図１において、７は給湯用熱交換回路である。この給湯用熱交換回路７は、入口２９から出口３０の間が貯湯タンク２内に引き込まれて、貯湯タンク２内の温水と熱交換可能に設けられている。当該給湯用熱交換回路７の貯湯タンク２内の部分には、下部熱交換コイル３１と上部熱交換コイル３２とが設けられている。下部熱交換コイル３１は、上部仕切部材１１より下側で下部仕切部材１２より上側に位置して、当該上部仕切部材１１と下部仕切部材１２との間に貯留された中温水と熱交換可能に設けられている。また、上部熱交換コイル３２は、上部仕切部材１１より上側に位置して、当該上部仕切部材１１の上側に貯留された高温水と熱交換可能に設けられている。

当該給湯用熱交換回路７は、上記入口２９より上流側が水道水等の給水源に接続されており、給水源から水道水が供給可能に構成されている。更に、出口３０の下流側は配管等を介してシャワーや台所等に接続され、そこから上記下部熱交換コイル３１及び上部熱交換コイル３２にて貯湯タンク２内に貯留された温水により加熱された水道水が給湯可能に構成されている。

尚、本実施例の給湯暖房装置１は、前述したコントローラ３３により運転が制御されている。このコントローラ３３は、給湯暖房装置１の制御を司る制御装置であり、マイクロコンピュータ等からなる。そして、コントローラ３３は、電気信号や温度信号等に応じて、当該給湯暖房装置１における貯湯運転、給湯運転、暖房運転を制御している。具体的に、コントローラ３３が貯湯タンク２内の温水の温度に基づいて、ヒートポンプユニット３（コンプレッサ４１）とヒートポンプ加熱用循環回路４の循環ポンプ１０を運転すると共に、流路切換弁１４を制御して、貯湯タンク２の温水を加熱する貯湯運転を実行する。例えば、貯湯タンク２内の上部熱交換コイル３２及び下部熱交換コイル３１の位置する付近に湯温検出センサＳ１、Ｓ２を備えて、コントローラ３３が当該検出センサＳ１、Ｓ２にて検出される貯湯タンク２内の湯温に基づき、ヒートポンプユニット３（コンプレッサ４１）とヒートポンプ加熱用循環回路４の循環ポンプ１０を運転すると共に、流路切換弁１４を制御して、貯湯タンク２の温水を加熱する貯湯運転を実行する。更に、コントローラ３３は上記検出センサＳ１、Ｓ２にて検出される貯湯タンク２内の湯温に基づき、給湯用熱交換回路７の各機器（例えば、給水源からの水道水の供給を制御する図示しない開閉弁等）を制御して、給湯運転を実行する。

更にまた、暖房器５には当該暖房器５を流れる温水の温度を検出するための温度センサＳ３が設けられており、コントローラ３３は当該温度センサＳ３の検出に基づき、暖房用循環回路６の循環ポンプ２５の運転を制御して、暖房運転を実行している。

更に、暖房給湯装置１にはヒートポンプ加熱用循環回路４の給湯配管８２の途中部に温度センサＳ４が設けられており、コントローラ３３は、前記貯湯運転の停止時に、当該温度センサに検出される温度出力に基づき、ヒートポンプ加熱用循環回路４の凍結防止運転を実行する。尚、各運転動作については以下の動作説明で詳述する。

以上の構成で、次に本実施例の暖房給湯装置１の動作を説明する。
（１）貯湯運転
初めに、貯湯タンク２内に貯留された温水を加熱する貯湯運転について説明する。本実施例において、当該貯湯運転は、貯湯タンク２内に設けられた湯温検出センサＳ１、Ｓ２にて検出される湯温が所定の温度未満となった場合（実施例では、湯温検出センサＳ２が検出する上部仕切部材１１と下部仕切部材１２との間の貯湯タンク２内の温水の温度が＋５５℃未満となった場合）に貯湯運転が開始されるものとする。尚、この貯湯運転において、貯湯タンク２内に戻る高温水の温度が所定の高温、例えば、＋８５℃となるようにコントローラ３３によりヒートポンプユニット３のコンプレッサ４１の回転数及び第１及び第２の膨張弁４４、４５の開度が制御されているものとする。

コントローラ３３は、貯湯タンク２内の湯温検出センサＳ２にて検出される湯温が所定の温度未満（本実施例では＋５５℃未満）となると、ヒートポンプユニット３のコンプレッサ４１の運転を開始する。これにより、コンプレッサ４１に吸い込まれた低温低圧の冷媒ガスは、コンプレッサ４１の低段側圧縮要素にて圧縮され、中間圧の冷媒ガスとなって、密閉容器内に吐出される。そして、密閉容器内に吐出された中間圧の冷媒ガスは、補助回路からの冷媒（第１冷媒流）と合流した後、高段側圧縮要素に吸い込まれて圧縮される。当該高段側圧縮要素における圧縮動作により二酸化炭素冷媒は超臨界圧力まで圧縮され、この超臨界状態で、コンプレッサ４１から吐出され、冷媒吐出管５４を経て冷媒対水熱交換器４２のガスクーラ２７に流入する。

ガスクーラ２７に流入した超臨界状態の冷媒は、冷媒対水熱交換器４２においてガスクーラ２７と交熱的に設けられた水熱交換器２８を流れる水と熱交換して放熱する。このとき、ガスクーラ２７に流入した冷媒は温度が略＋１００℃まで上昇しており、冷媒体水熱交換器４２において水熱交換器２８を流れる温水を高温に加熱することができる。そして、放熱した冷媒は冷媒対水熱交換器４２から流出し、冷媒配管５６を経て分流器４３に入り、そこで第１の冷媒流と第２の冷媒流に分流される。

分流器４３にて分流された第１の冷媒流は、第１の膨張弁４４で減圧された後、中間熱交換器５０の第１の流路５０Ａに流入する。一方、分流器４３にて分流された第２の冷媒流は、中間熱交換器５０の第２の流路５０Ｂに流入する。そして、当該中間熱交換器５０にて第１の流路５０Ａを流れる第１の冷媒流と第２の流路５０Ｂを流れる第２の冷媒流とが熱交換する。即ち、第１の流路５０Ａを流れる第１の冷媒流は、第２の冷媒流により加熱されて蒸発する。その後、中間熱交換器５０の第１の流路５０Ａから出た第１の冷媒流は、冷媒配管５８を経てコンプレッサ４１の密閉容器に吸い込まれ、そこで低段側圧縮要素から吐出された冷媒と合流した後、高段側圧縮要素に吸い込まれて圧縮され、超臨界状態となり、コンプレッサ４１から吐出されるサイクルを繰り返す。

他方、中間熱交換器５０の第２の流路５０Ｂにて第２の冷媒流は、第１の流路５０Ａを流れる第１の冷媒流と熱交換して放熱する。このように、中間熱交換器５０において、第２の流路５０Ｂを流れる第２の冷媒流を第１の流路５０Ａを流れる第１の冷媒流により冷却することができる。

即ち、中間熱交換器５０において、第１の冷媒流と熱交換させることで、第２の冷媒流が第１の冷媒流により冷却されるため、その分、蒸発器４７に流入する第２の冷媒流の比エンタルピーを小さくできる。更に、上述の如く第１の冷媒流をコンプレッサ４１の高段側圧縮要素の吸込側である中間圧部の密閉容器内に戻すことで、その分、コンプレッサ４１の低段側圧縮要素に吸い込む冷媒量を少なくできる。従って、低段側圧縮要素で圧縮する冷媒量を減少させることができる。その結果、コンプレッサ４１の圧縮動力が低下し、成績係数の向上を図ることができるようになる。

その後、第２の冷媒流は中間熱交換器５０の第２の流路５０Ｂから出て、冷媒配管６０を介し、第２の膨張弁４５を通過する。第２の冷媒流は、この第２の膨張弁４５を通過する過程で減圧され、次に、冷媒配管６２を経て蒸発器４７に流入し、蒸発器４７の周囲の空気から吸熱して蒸発する。

そして、蒸発器４７にて蒸発した冷媒は、冷媒配管６４、アキュムレータ４８を介して冷媒導入管５２からコンプレッサ４１の低段側圧縮要素に吸い込まれて圧縮され、密閉容器内に吐出される。この密閉容器内にて低段側圧縮要素から吐出された第２の冷媒流は、前記第１の冷媒流と合流する。その後、合流した冷媒は前述の如く高段側圧縮要素に吸い込まれて超臨界圧力まで圧縮された後、コンプレッサ４１から吐出され、冷媒吐出管５４を経て冷媒対水熱交換器４２のガスクーラ２７に流入するサイクルを繰り返す。

一方、コントローラ３３は上記ヒートポンプユニット３のコンプレッサ４１の始動と同時に、ヒートポンプ加熱用回路４の循環ポンプ１０の運転を開始すると共に、流路切換弁１４により上部給湯口９に温水を送るよう流路を切り換える。即ち、当該貯湯運転において、ヒートポンプユニット３を経た温水が上部給湯口９から貯湯タンク２内に戻るようにコントローラ３３により流路切換弁１４が切り換えられる。これにより、取水口８から下部仕切部材１２の下側の貯湯タンク２内下部の低温水が取り出され、ヒートポンプ加熱用回路４の取水配管８０に流入し、冷媒対水熱交換器４２の水熱交換器２８を通過する。ここで、冷媒対水熱交換器４２において水熱交換器２８を流れる低温水と、ガスクーラ２７を流れる超臨界状態の二酸化炭素冷媒とが熱交換される。即ち、貯湯タンク２内下部から取り出された低温水は、コンプレッサ４１で圧縮され超臨界状態となった二酸化炭素冷媒と熱交換することで、当該冷媒により加熱されて、高温水となる。

このとき、超臨界状態の二酸化炭素冷媒は、ガスクーラ２７において凝縮しないため、即ち、放熱しても超臨界状態を維持したままであるため、熱交換能力が著しく高く、水熱交換器２８を流れる温水を高温に加熱することができる。特に、前述したように本実施例では冷媒対水熱交換器４２において冷媒の流れと温水の流れとが対向流となるようガスクーラ２７及び水熱交換器２８とを配置しているので、熱交換効率がより一層向上し、水熱交換器２８を流れる温水を高温に加熱することができる。

そして、冷媒対水熱交換器４２にて加熱されて、高温となった温水は水熱交換器２８から出て、給湯配管８２、流路切換弁１４を経て上部給湯口９から上部仕切部材１１と下部仕切部材１２との間の貯湯タンク２の中間部に戻るサイクルを繰り返す。

そして、本実施例では湯温検出センサＳ２にて検出される貯湯タンク２内の湯温が所定温度（＋５５℃）に上昇すると、コントローラ３３はヒートポンプユニット３のコンプレッサ４１の運転及びヒートポンプ加熱用回路４の循環ポンプ１０を停止し、貯湯運転を終了する。
（２）暖房運転
次に、暖房器５に貯湯タンク２内の温水を流して放熱させることにより、暖房を行う暖房運転について説明する。本実施例の暖房器５は、ラジエータで構成され、貯湯タンク２内の温水を当該ラジエータに流して、暖房を行う床暖房装置に適用して説明する。この場合、暖房器５には電源スイッチや温度設定スイッチなどを有する図示しない暖房器リモートコントローラ（以下、「暖房器リモコン」と称する）が設けられており、コントローラ３３に接続されているものとする。尚、本発明の暖房器５はラジエータに限定されるものでなく、他の暖房装置に適用しても差し支えない。

先ず、ユーザーにより暖房器５に設けられた暖房器リモコンの電源スイッチが投入されると、コントローラ３３は、暖房器５の暖房運転を開始する。当該暖房運転において、コントローラ３３は、暖房器リモコンの温度設定スイッチにより設定された温度入力に基づき、温度センサＳ３にて検出される温水の温度が所定の設定温度となるように暖房用循環回路６の循環ポンプ２５の運転を制御して、暖房運転を実行するものとする。

即ち、ユーザーにより暖房器リモコンの電源スイッチが投入されると、コントローラ３３は、暖房用循環回路６の循環ポンプ２５の運転を開始する。これにより、貯湯タンク２内上部から上部出湯配管１６を介して混合弁２２に高温水が流入する。また、貯湯タンク２内の中間部から中間部出湯配管１８を介して混合弁２２に中温水が流入する。更に、暖房器５を経た温水の一部がバイパス配管２６を介して混合弁２２に流入する。当該混合弁２２に流入したこれらの温水は、混合されて所定温度の温水に調整された後、暖房用往き配管２４を経て入口２３から暖房器５に入り、そこで放熱することにより暖房能力を発揮する。そして、暖房器５にて放熱して温度低下した温水（低温水）は出口２０より暖房器５から流出し、戻り配管２１に入る。当該戻り配管２１において一部の低温水は、バイパス配管２６を介して混合弁２２に戻り、他の温水は戻り口１９から貯湯タンク２内の下部に戻るサイクルを繰り返すこととなる。

そして、温度センサＳ３にて検出される温水温度が所定の温度ＴＨに上昇すると、コントローラ３３は、循環ポンプ２５の運転を停止し、暖房運転を一時停止する。そして、温度センサＳ３にて検出される温水温度が所定の温度ＴＬに低下すると、コントローラ３３は循環ポンプ２５を運転して、暖房運転を開始する。他方、ユーザーにより暖房器リモコンの電源スイッチが切られると、コントローラ３３は当該暖房運転を終了する。
（３）給湯運転
次に、シャワーや台所等で温水を使用する場合の給湯運転について説明する。ユーザーによりシャワーや台所の蛇口が操作されると、給水源から水道水が給湯用熱交換回路７に流入する。この水道水は、入口２９から貯湯タンク２内に入り、上部仕切部材１１と下部仕切部材１２との間の貯湯タンク２内に配置された下部熱交換コイル３１を流れる過程で、当該下部熱交換コイル３１周囲の中温水と熱交換して加熱される。当該下部熱交換コイル３１にて加熱された水道水は、次に、上部仕切部材１１の上側の貯湯タンク２内に配置された上部熱交換コイル３２を通過する。そこで給湯用熱交換回路７内の水道水は、周囲の高温水と熱交換して更に加熱され、所定の給湯温度の温水とされた後、出口３０から貯湯タンク２を出て図示しない配管等を介してシャワーや台所等に供給される。

この場合、給湯用熱交換回路７の貯湯タンク２内に引き込まれた部分に熱交換コイル３１、３２を設けて、給水源からの冷たい水（水道水）を、下部熱交換コイル３１に流して当該下部熱交換コイル３１が設けられた貯湯タンク２内中間部の中温水と熱交換させた後、貯湯タンク２内の上部に設けられた上部熱交換コイル３２に流して熱交換させることで、上部熱交換コイル３２を流れる水道水は、下部熱交換コイル３１にて加熱され、ある程度温度上昇した温水となる。従って、当該貯湯タンク２上部の高温水が給湯用熱交換回路７の水道水との熱交換により著しく温度低下する不都合を防ぐことができる。
（４）凍結防止運転
他方、このような暖房給湯装置１を、冬季など外気温度が氷点下となる環境下で使用すると、係る貯湯運転の停止時に、ヒートポンプ加熱用回路４内が凍結する恐れがある。そこで、凍結する恐れがある環境下で使用される場合には、コントローラ３３により凍結防止運転が実行されることとなる。この場合、コントローラ３３は、前述した貯湯運転の停止時に、温度センサＳ４にて検出されるヒートポンプ加熱用循環回路４の給湯配管８２の温度が予め設定された凍結危険温度に低下すると、凍結防止運転を開始する。

具体的に、コントローラ３３は、温度センサＳ４にて検出される給湯配管８２の温度が凍結危険温度に低下すると、ヒートポンプユニット３（コンプレッサ４１）を停止した状態で循環ポンプ１０の運転を開始すると共に、流路切換弁１４により下部給湯口１３に温水を送るよう流路を切り換える。即ち、当該凍結防止運転において、ヒートポンプユニット３を経た温水が下部給湯口１３から貯湯タンク２内に戻るようにコントローラ３３により流路切換弁１４が切り換えられる。これにより、取水口８から下部仕切部材１２の下側の貯湯タンク２内下部の低温水が取り出され、ヒートポンプ加熱用回路４の取水配管８０に流入する。そして、この低温水は、水熱交換器２８、給湯配管８２を通過し、流路切換弁１４を経て下部給湯口１３から下部仕切部材１２の下側の貯湯タンク２内に戻るサイクルを繰り返す。

係る運転により、貯湯タンク２内下部の低温水をヒートポンプ加熱用回路４に循環させることで、ヒートポンプ加熱用回路４の凍結を防止することができる。特に、当該凍結防止運転では、ヒートポンプユニット３（コンプレッサ４１）が運転されないので、水熱交換器２８において温水が加熱されないため、貯湯タンク２内に低温水が戻ることとなるが、上述したように下部仕切部材１２の下側の下部給湯口１３から貯湯タンク２内に当該低温水を戻すことで、貯湯タンク２内上部の高温水の温度を下げる不都合を極力防ぐことができる。

尚、本実施例では貯湯タンク２内に貯留された温水をヒートポンプ加熱用回路４に流してヒートポンプユニット３にて加熱するものとしたが、これに加えて貯湯タンク２内にヒータ（電気ヒータ）７５、７６を設けて、ヒートポンプユニット３による加熱のみで不足する場合には当該電気ヒータ７５、７６にて補助的に貯湯タンク２内の温水を加熱するものとしても差し支えない。

本発明を適用した一実施例の暖房給湯装置の全体のシステム回路図である。

符号の説明

１ 暖房給湯装置
２ 貯湯タンク
３ ヒートポンプユニット
４ ヒートポンプ加熱用循環回路
５ 暖房器
６ 暖房用循環回路
７ 給湯用熱交換回路
８ 取水口
９ 給湯口
１０ ヒートポンプ加熱循環用ポンプ
１１ 上部仕切部材
１２ 下部仕切部材
１３ 下部給湯口
１４ 流路切換弁（流路切換装置）
１５ 上部出湯口（上部出湯配管の開口）
１６ 上部出湯配管
１７ 中間部出湯口（中間部出湯配管の開口）
１８ 中間部出湯配管
１９ 戻り口（戻り配管の開口）
２０ 出口（暖房器の出口）
２１ 戻り配管
２２ 混合弁
２３ 入口（暖房器の入口）
２４ 暖房用往き配管
２５ 暖房用循環ポンプ
２６ バイパス配管
２７ ガスクーラ
２８ 水熱交換器
２９ 入口（給湯用熱交換回路の入口）
３０ 出口（給湯用熱交換回路の出口）
３１ 下部熱交換コイル
３２ 上部熱交換コイル
３３ コントローラ
４０ 冷媒回路
４１ コンプレッサ
４２ 冷媒対水熱交換器
４３ 分流器
４４ 第１の膨張弁（補助絞り手段）
４５ 第２の膨張弁（主絞り手段）
４７ 蒸発器
４８ アキュムレータ
５０ 中間熱交換器
５２ 冷媒導入管
５４ 冷媒吐出管
５６、５８、６０、６２、６４ 冷媒配管
６５ 圧力センサ
７０ 電磁弁
７２ 冷媒配管
７５、７６ ヒータ（電気ヒータ）
８０ 取水配管
８２、８４ 給湯配管

Claims (1)

1. 温水を貯留する貯湯タンクと、該貯湯タンク内の温水を加熱するヒートポンプユニットと、前記貯湯タンクとヒートポンプユニット間で温水を循環させるヒートポンプ加熱用循環回路と、暖房器と、前記貯湯タンクと暖房器間で温水を循環させる暖房用循環回路と、前記貯湯タンク内の温水と熱交換可能に設けられた給湯用熱交換回路とを備えた暖房給湯装置において、
   前記ヒートポンプユニットは、二酸化炭素が冷媒として封入され、高圧側が超臨界圧力となることを特徴とする暖房給湯装置。

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