JP2010144938A - ヒートポンプ給湯装置およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】全体重量の増加を抑え、且つ潜熱蓄熱材の経年劣化による性能低下を抑制することが可能な除霜運転システムを搭載したヒートポンプ給湯装置を得る。
【解決手段】ヒートポンプ給湯装置１００の冷媒回路１００ｃは、圧縮機１と、四方弁２と、水熱交換器３と、蓄熱水槽８内に収納された蓄熱伝熱管７と、膨張弁４と、空気熱交換器５とを具備し、これらが順次連結されて冷凍サイクルを形成している。ヒートポンプ給湯装置１００の水回路１００ｗは、水熱交換器３に水を供給する水入口配管１１と、貯湯タンク１３と、水熱交換器３と貯湯タンク１３とを連通する水出口配管１２とを具備し、水入口配管１１から分岐した蓄熱水槽給水管１４を経由して（蓄熱水槽給水開閉弁１５を開いて）蓄熱水槽８に水が供給されると共に、蓄熱水槽排水管２２を経由して（蓄熱水槽排水開閉弁２３を開いて）蓄熱水槽８内の水を排出することができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯装置およびその運転方法、特に、除霜運転システムを搭載したヒートポンプ給湯装置、およびその運転方法に関する。

従来、冷媒を圧縮する圧縮機、圧縮された冷媒を凝縮する室内熱交換器、冷媒を膨張させる減圧装置、膨張した冷媒を蒸発させる室外熱交換器を、順次環状に冷媒配管によって連結した冷凍サイクル装置において、室外の温度が低い場合に室外熱交換器に霜が付着するため、これ（以下「着霜」と称す）を取り除く（以下「除霜」と称す）ための工夫がされてきた。

たとえば、暖房運転を継続しながら減圧装置における冷媒の絞りを緩和して、比較的温度の高い冷媒を室外熱交換器に供給して除霜する方式や、暖房運転を一旦中断し、冷媒の流れを逆転させて圧縮機において圧縮された冷媒を直接室外熱交換器に供給して除霜する方式が知られている。
そして、前者の場合、除霜において温度が低下した冷媒が液状になって圧縮機に戻ること（以下「液バック」と称す）を防止するため、室内熱交換器と減圧装置の間に蓄熱手段を設け、暖房運転時に蓄熱した温熱を、除霜運転中に圧縮機に戻る直前の冷媒に受け渡す発明が開示されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開昭６３−１４８０６３号公報（第１１頁、第１図） 特開平１−１２７８７１号公報（第３−４頁、第１図）

しかしながら、特許文献１に開示された発明では塩化カルシウム６水塩を潜熱蓄熱材とし、特許文献２に開示された発明では水や各種パラフィン、塩化カルシウム系混合塩などを潜熱利用蓄熱材として、それぞれ予め熱交換器（容器）内に封入されているため、冷凍サイクル装置の重量が増加していた。このため、搬送が簡素でなくなったり、据付性が悪化したりするという問題や、潜熱蓄熱材（潜熱利用蓄熱材）の経年劣化による性能の低下（たとえば、液バックの発生）といった問題があった。

この発明は、上記問題に鑑み、全体重量の増加を抑え、且つ潜熱蓄熱材の経年劣化による性能低下を抑制することが可能な除霜運転システムを搭載したヒートポンプ給湯装置およびその運転方法を得るものである。

本発明に係るヒートポンプ給湯装置は、冷媒と水との間で熱交換する冷媒対水熱交換器を介して熱的に連結された冷媒回路と水回路とを有するものであって、
前記冷媒回路が、圧縮機と、四方弁と、前記冷媒対水熱交換器と、蓄熱用熱交換器と、膨張手段と、冷媒対空気熱交換器とを備え、前記圧縮機、前記四方弁、前記冷媒対水熱交換器、前記蓄熱用熱交換器、前記膨張手段、前記冷媒対空気熱交換器および前記四方弁を順次接続してなる給湯加熱回路を形成すると共に、前記四方弁の切換によって、前記圧縮機、前記四方弁、前記冷媒対空気熱交換器、前記膨張手段、前記蓄熱用熱交換器、前記冷媒対水熱交換器および前記四方弁を順次接続してなる除霜運転回路を形成し、
前記水回路が、前記冷媒対水熱交換器と、これを通過した水が供給される貯湯タンクと、を具備し、
前記蓄熱用熱交換器が、水を供給可能および排出可能な蓄熱水槽に収納されてなることを特徴とする。

本発明では、蓄熱用熱交換器と、これを収納する蓄熱水槽とを有しているから、給湯加熱運転時に蓄熱水槽に水を蓄え、その水を除霜運転時の熱源とする（具体的には、膨張手段を通過した冷媒を加熱して液バックを防止する）ことによって、除霜運転時間を短縮し効率を高めることができる。また、熱源となる水は給湯加熱時に供給されるため、ヒートポンプ給湯装置自体（製品の出荷時や据付時）の製品重量の増加を抑制することができ、また、蓄熱材として作用する水は任意に入れ替え可能であるため、経年劣化による性能低下を抑制することが可能となる。

［実施の形態１］
図１〜図４は本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯装置を説明するものであって、図１は冷媒回路および水回路構成を示す構成図、図３はＣＯＰの経時変化を示す能力曲線図、図２および図４は水および冷媒の流れを示す構成図である。なお、各図において同じ部分にはこれと同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図１において、ヒートポンプ給湯装置１００は、冷媒回路１００ｃと、水回路１００ｗと、を有している。

（冷媒回路）
冷媒回路１００ｃは、冷媒を圧縮する圧縮機１と、冷媒の流れを変更する四方弁２と、冷媒と水との間で熱交換する冷媒対水熱交換器（以下「水熱交換器」と称す）３と、蓄熱用熱交換器（以下「蓄熱伝熱管」と称す）７と、冷媒を膨張する膨張弁４と、冷媒と空気との間で熱交換する冷媒対空気熱交換器（以下「空気熱交換器」と称す）５と、を有し、これらが順次連結されて冷媒が循環する冷凍サイクルを形成している。
また、四方弁２における冷媒の流れ方向の切換によって、圧縮機１、四方弁２、空気熱交換器５、膨張弁４、蓄熱伝熱管７、水熱交換器３、四方弁２、圧縮機１、を順次通過して循環する冷凍サイクルを形成することができる。
なお、蓄熱伝熱管７は蓄熱水槽８の内部に収納され、空気熱交換器５に空気を送るための冷媒対空気熱交換器用ファン（以下「空気ファン」と称す）６が設置されている。

（水回路）
水回路１００ｗは、図示しない水源（たとえば、公共の水道管等）と水熱交換器３とを連通する水入口配管１１と、貯湯タンク１３と、水熱交換器３と貯湯タンク１３とを連通する水出口配管１２と、を有している。
水入口配管１１には水源水循環装置（以下「給水ポンプ」と称す）１０が設置され、水入口配管１１は給水ポンプ１０と水熱交換器３との間において分岐し、蓄熱水槽８に連通する蓄熱水槽給水管１４が接続されている。

（蓄熱水槽）
蓄熱水槽８は蓄熱伝熱管７を収納するものであって、水を受け入れるための蓄熱水槽給水管１４と、水を排出するための蓄熱水槽排水管２２とが接続され、前者には蓄熱水槽給水開閉弁１５が、後者には蓄熱水槽排水開閉弁２３がそれぞれ設置されている。
また、蓄熱水槽８には、水位検出手段２１が設けられているから、水位検出手段２１の検知信号に基づいて、水位が一定となるように蓄熱水槽給水開閉弁１５あるいは蓄熱水槽排水開閉弁２３の開閉制御を行ってもよい。なお、蓄熱水槽給水開閉弁１５および蓄熱水槽排水開閉弁２３の開閉操作によって、蓄熱水槽８から水を残すことなく排水して、全量を交換することができる。
なお、蓄熱水槽給水管１４は水入口配管１１から分岐したものを示しているが、本発明はこれに限定するものではなく、水入口配管１１とは相違する配管に連通してもよい。

（給湯加熱運転）
図２に基づいて、給湯加熱運転時のヒートポンプ給湯装置１００における動作を説明する。
冷媒回路１００ｃにおいて、圧縮機１から吐出された冷媒は、四方弁２を通って水熱交換器３に入り、水へ放熱（水を加熱）した後、高温の液冷媒となって蓄熱伝熱管７を経由して膨張弁４に送られる。膨張弁４で減圧されて低温の二相状態となった冷媒は空気熱交換器５で空気から吸熱（空気を冷却）して温度が上昇した後、四方弁２を経て圧縮機１に戻る（冷媒の流れを実線で、流れ方向を矢印で示している）。

水回路１００ｗにおいて、水（以下「水源水」と称す）は、給水ポンプ１０によって送られ、水入口配管１１を通って水熱交換器３に流入する。そして、冷媒から温熱を受け取って加熱され、加熱水（温水すなわち湯に同じ）として水出口配管１２を通って貯湯タンク１３へ送られる。
また、水熱交換器３に供給される水源水の一部が蓄熱水槽８に蓄えられ、蓄熱伝熱管７を通過する冷媒から温熱を受け取って加熱される（以下、蓄熱水槽８において加熱された水源水を「蓄熱水」と称すし、その流れを破線で、流れ方向を矢印で示している）。

（着霜）
給湯加熱運転時においては、空気熱交換器５の冷媒温度が、吸込空気（空気ファン６に送風された大気に同じ）の露点温度以下である場合は（たとえば、０℃以下）、空気中に含まれる水分が空気熱交換器５へ付着し霜へと成長する着霜現象が発生する。
着霜現象が進むと、通風抵抗の増加及び熱抵抗の増加により、空気熱交換器５における熱交換量が減少し、図３に示すようにＣＯＰや能力が低下するため、除霜運転が必要となってくる。

（除霜運転）
図４において、除霜運転は、給湯加熱運転を一旦中断して、四方弁２を冷房サイクル（水熱交換器３において冷熱を水に受け渡す）に切り替えて、空気熱交換器５に、圧縮機１において圧縮された高温高圧のガス冷媒を直接流すことで実行している。
すなわち、圧縮機１を出た冷媒は、四方弁２を通って高温高圧のガス冷媒のまま、空気熱交換器５に入り、空気熱交換器５で放熱（空気熱交換器５自体を加熱）して着霜を融かし（除霜し）、冷媒自体は冷却されて液冷媒となって膨張弁４に流入する。膨張弁４を通過した冷媒は蓄熱伝熱管７に流入し、これを通過する間に、蓄熱水槽８に貯蔵された蓄熱水から温熱を吸収する。そして、水熱交換器３を通過し、四方弁２を経由して圧縮機１に戻る。

このとき、蓄熱伝熱管７を通った冷媒はガス化されているから、水熱交換器３において水回路１００ｗの水との熱交換はほとんど行わない。このため、水熱交換器３に流入した水源水を冷却することがほとんどなく、貯湯タンク１３に冷水が供給されるようなことが抑制され、効率を向上させることが可能となる。

また、蓄熱水槽排水開閉弁２３を開くことによって、蓄熱水槽８内の蓄熱水を入れ替えることが可能となり、常に新しい水源水を使用することができ、経年劣化による性能低下を抑制することができる。
なお、蓄熱水槽８に取り付けた水位検出手段２１により、常に水位を検出し、一定の水位を保つように蓄熱水槽給水開閉弁１５の開閉制御を行ってもよい。
また、製品出荷時には水源水を予め封入する必要が無いので、出荷時の製品重量の増加を抑制することが可能となり、輸送性や据付性の悪化を抑制することができる。

なお、前記冷媒は限定するものではなく、たとえば、二酸化炭素、炭化水素、ヘリウムのような自然冷媒、ＨＦＣ４１０Ａ、ＨＦＣ４０７Ｃなどの代替冷媒など塩素を含まない冷媒、もしくは既存の製品に使用されているＲ２２、Ｒ１３４ａなどのフロン系冷媒等の何れであってもよい。
また、圧縮機１は限定するものではなく、たとえば、レシプロ、ロータリー、スクロール、スクリューなどの各種タイプのいずれのものを用いてもよく、回転数可変可能のものでも、回転数固定のもの、あるいは、複数の圧縮室を具備する多段式であってもよい。

［実施の形態２］
図５は本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ給湯装置の運転方法を説明するものであって、これを実行する冷媒回路および水回路構成を示す構成図である。なお、実施の形態１と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図５において、ヒートポンプ給湯装置２００は、冷媒回路２００ｃと、水回路１００ｗと、を有している。
冷媒回路２００ｃには、膨張弁４と蓄熱伝熱管７の間に第一の冷媒温度検出手段（以下「第１センサ」と称す）４１と、蓄熱伝熱管７と水熱交換器３の間に第二の冷媒温度検出手段（以下「第２センサ」と称す）４２と、が設置されている。第１センサ４１および第２センサ４２を除く構成は、ヒートポンプ給湯装置１００に同じである。

ヒートポンプ給湯装置２００では、第１センサ４１の検出した第１冷媒温度（Ｔ１）よりも、第２センサ４２の検出した第２冷媒温度（Ｔ２）の方が高くなる（Ｔ１＜Ｔ２）ように、膨張弁４の開度を調整するようにすることができる。このとき、蓄熱伝熱管７を通過する冷媒は、蓄熱水から温熱を受け取るから、第２冷媒温度（Ｔ２）は蓄熱水の温度（Ｔｈ）より低い温度になっている（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔｈ）。すなわち、給湯加熱運転時に加熱された蓄熱水の温度（Ｔｈ）よりも、除霜運転時の膨張弁４の出口における冷媒温度である第１冷媒温度（Ｔ１）が低くなるようにする。
そうすることにより、除霜運転時において、水熱交換器３に流入する冷媒は、温熱を受け取って過熱されたガス冷媒になるから、水熱交換器３において水が冷却されることがなくなる。したがって、貯湯タンク１３への冷水供給が抑制され、効率を向上させることが可能となり、省エネとなる。
また、水熱交換器３から流出する冷媒はガス冷媒であるから、圧縮機１への液バックも抑制され、除霜運転中の圧縮機１の入力が削減され省エネとなる。

なお、蓄熱伝熱管７と水熱交換器３との間に設置されて第２センサ４２に替えて、水熱交換器３と圧縮機１との間に第四の冷媒温度検出手段を設置して、第四の冷媒温度検出手段が検出した冷媒温度（Ｔ４）が、第１冷媒温度（Ｔ１）より高く（Ｔ１＜Ｔ４）なるようにしてもよい。このとき、圧縮機１に戻る冷媒はガス（モリエル線図において飽和蒸気線の右側に位置する状態）になっている。
一方、前記冷媒温度（Ｔ４）が第１冷媒温度（Ｔ１）より高くない場合（Ｔ１＝Ｔ４）、圧縮機１に戻る冷媒は、モリエル線図において飽和液線と飽和蒸気線とに挟まれた位置にあり、二相状態を呈している。

［実施の形態３］
図６〜図８は本発明の実施の形態３に係るヒートポンプ給湯装置を説明するものであって、図６は冷媒回路および水回路構成を示す構成図、図７および図８は水および冷媒の流れを示す構成図である。なお、実施の形態１と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図６において、ヒートポンプ給湯装置３００は、冷媒回路３００ｃと、水回路３００ｗと、を有している。

（冷媒回路）
冷媒回路３００ｃは、冷媒回路１００ｃから蓄熱伝熱管７および蓄熱水槽８を撤去したものに同じである。

（水回路）
水回路３００ｗは、水入口配管１１と、水熱交換器３と、水出口配管１２とを有している。
水入口配管１１には上流側から下流側に向かって順番に、水循環装置（以下「給水ポンプ」と称す）１０と、バイパス三方弁１９と、貯水槽３０とが設置されている。
また、水出口配管１２には貯水槽三方弁１７が設置されている。そして、貯水槽三方弁１７の一方の流出口には貯水槽３０に連通する貯水槽流入管３４が接続され、貯水槽流入管３４には貯水槽水循環装置（以下「貯水ポンプ」と称す）３６が設置されている。
さらに、バイパス三方弁１９の一方の流出口には、水出口配管１２の貯水槽三方弁１７と貯湯タンク１３との間に連通するバイパス管１８が接続されている。

（貯水槽）
貯水槽３０は水入口配管１１の途中に設けられ、水が通過すると共に、所定量の水を貯溜することができるものである。また、貯水槽排水開閉弁３３が設置された貯水槽排水管３２が接続されている。
したがって、貯水槽流入管３４を経由して加熱水を流入させたり、貯水槽排水管２２を経由して水源水（または加熱水）を残すことなく排出することができる。よって、製品出荷時には水源水を予め封入する必要が無いので、製品の重量増加を抑制することが可能となり、輸送性や据付性の悪化を抑制することができる。

（給湯加熱運転）
図７に基づいて、給湯加熱運転時のヒートポンプ給湯装置１００における動作を説明する。
冷媒回路１００ｃにおいて、圧縮機１から吐出された冷媒は、四方弁２を通って水熱交換器３に入り、水へ放熱（水を加熱）した後、高温の液冷媒となって膨張弁４に送られる。膨張弁４で減圧され低温の二相状態となった冷媒は空気熱交換器５で空気から吸熱（空気を冷却）したあと、四方弁２を経て圧縮機１に戻る（冷媒の流れを実線で、流れ方向を矢印で示している）。

一方、水回路３００ｗにおいて、水源から供給された水源水は、給水ポンプ１０によって送られ、水入口配管１１を通って貯水槽３０を経由して水熱交換器３に流入する。そして、水熱交換器３を通過する間に冷媒から温熱を受け取って加熱され、加熱水として水出口配管１２を通って貯湯タンク１３へ送られる。このとき、貯水槽三方弁１７の一方の流出口は閉じ、貯水ポンプ１６は停止し、貯水槽排水開閉弁２３は閉じている（水の流れを破線で、流れ方向を矢印で示している）。

（除霜運転）
図８において、除霜運転は、給湯加熱運転を一旦中止して、四方弁２を冷房サイクル（水熱交換器３において冷熱を水に受け渡す）に切り替えることにより、空気熱交換器５に、圧縮機１において圧縮された高温高圧のガス冷媒を直接流すことで実行している。
すなわち、冷媒回路３００ｃでは、圧縮機１を出た冷媒は、四方弁２を通って高温高圧のガス冷媒のまま、空気熱交換器５に入り、空気熱交換器５で放熱（空気熱交換器５自体を加熱）して着霜を融かし（除霜し）、冷媒自体は冷却されて液冷媒となり膨張弁４に流入する。膨張弁４を通過した冷媒は水熱交換器３に流入し、水回路３００ｗの水から温熱を受け取った後、四方弁２を経由して圧縮機１に戻る。

一方、水回路３００ｗでは、給水ポンプ１０が停止し、貯水槽三方弁１７は貯水槽流入管３４側に開き、貯水ポンプ３６が稼働しているから、水熱交換器３から流出した水（冷媒に温熱を受け渡すことによって冷却されている（以下「冷却水」と称す））。そして、冷却水は貯水槽３０に流入し、貯水槽３０に貯溜していた水源水は水熱交換器３に供給されることになる。
すなわち、水回路３００ｗでは、水熱交換器３と貯水槽３０との間を循環する回路が形成されるだけで、貯湯タンク１３に冷却水が流入することがない。
したがって、循環する冷却水の温度は除々に低下するものの、かかる温度の下がった冷却水が貯湯タンク１３に流入しないから、貯湯タンク１３に貯溜している加熱水の温度が低下することがない。
そして、かかる循環によって冷却された冷却水は、給湯加熱運転に戻った当初に、同様に循環させて加熱した後、かかる循環を中止して前記加熱給湯運転に移行すれば、貯湯タンク１３に加熱水を供給することができる。あるいは、除霜運転が終了した時点で、冷却水を貯水槽３０から排出して、改めて水源水を貯溜するようにしてもよい。

なお、除霜運転と並行して、貯湯タンク１３から加熱水の払い出しがある場合には、給水ポンプ１５を運転して、バイパス三方弁１９がバイパス管１８側に開くようにする。
そうすると、水源水が貯湯タンク１３に直接供給されるから、貯湯タンク１３の貯溜していた加熱水の温度は低下するものの、払い出し量を確保することができる。

また、ヒートポンプ給湯装置３００は、貯水槽３０内の水（水源水、加熱水あるいは冷却水）を入れ替えることが可能となり、常に新しい水源水を使用することができ、経年劣化による性能低下を抑制することができる。また、製品出荷時には水源水を予め封入する必要が無いので、出荷時の製品重量の増加を抑制することが可能となり、輸送性や据付性の悪化を抑制することができる。
なお、ヒートポンプ給湯装置１００に準じて、貯水槽３０に水位検出手段を設置して、一定の水位を保つようにしてもよい。

［実施の形態４］
図９は本発明の実施の形態４に係るヒートポンプ給湯装置の運転方法を説明するものであって、これを実行する冷媒回路および水回路構成を示す構成図である。なお、実施の形態３と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図９において、ヒートポンプ給湯装置４００は、冷媒回路４００ｃと、水回路３００ｗとを有する。
冷媒回路４００ｃは、膨張弁４と水熱交換器３の間に第三の冷媒温度検出手段（以下「第３センサ」と称す）４３と、水熱交換器３と四方弁２との間に第四の冷媒温度検出手段（以下「第４センサ」と称す）４４とを設けている。第３センサ４３および第４センサ４４を除く構成は、ヒートポンプ給湯装置３００に同じである。

ヒートポンプ給湯装置４００では、第３センサ４３の検出した第３冷媒温度（Ｔ３）よりも、第４センサ４４の検出した第４冷媒温度（Ｔ４）の方が高くなる（Ｔ３＜Ｔ４）ように、膨張弁４の開度を調整するようにすることができる。
このとき、水熱交換器３を通過する冷媒は、水回路３００ｗの水から温熱を受け取るから、第４冷媒温度（Ｔ４）は水の温度（Ｔｗ）より低い温度になっている（Ｔ３＜Ｔ４＜Ｔｗ）。

すなわち、前記循環する水の温度（Ｔｗ）よりも、除霜運転時の膨張弁４の出口における第３冷媒温度（Ｔ３）が低くなるようにする。そうすることにより、除霜運転時において、水熱交換器３の出口における冷媒は加熱状態（モリエル線図において、飽和蒸気線の右側に位置する状態）になるから、圧縮機１には常に加熱されたガス冷媒が戻ることになり、液バックが抑制され、除霜中の運転ＣＯＰが向上し、除霜中の圧縮機１の入力が削減されて効率が向上し、省エネとなる。

［実施の形態５］
図１０〜図１２は本発明の実施の形態５に係るヒートポンプ給湯装置を説明するものであって、図１０は冷媒回路および水回路構成を示す構成図、図１１および図１２は水および冷媒の流れを示す構成図である。なお、実施の形態３と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図１０において、ヒートポンプ給湯装置５００は、冷媒回路３００ｃと、水回路５００ｗと、を有している。

（水回路）
水回路５００ｗは、水入口配管１１と、貯湯タンク１３と、水出口配管１２と、貯水槽３０とを有している。
水入口配管１１には水熱交換器３に向かって順番に、水循環装置（以下「給水ポンプ」と称す）１０と、貯水槽第１三方弁５１と、貯水槽第２三方弁５２とが設置されている。また、水出口配管１２には貯湯タンク１３に向かって順番に、貯水槽第３三方弁５３と、貯水槽第４三方弁５４とが設置されている。
このとき、給水ポンプ１０、貯水槽第１三方弁５１、貯水槽第２三方弁５２、水熱交換器３、貯水槽第３三方弁５３、貯水槽第４三方弁５４、を順次経由して貯湯タンク１３に至る経路（以下「給湯経路」と称す）が形成される。

（貯水槽）
また、前記給湯経路を形成しない側の貯水槽第１三方弁５１の他方の出口、貯水槽第２三方弁５２の他方の出口、貯水槽第３三方弁５３の他方の出口、貯水槽第４三方弁５４の他方の出口には、それぞれ、貯水槽３０に連通する貯水槽第１流入管６１、貯水槽第２流出管６２、貯水槽第３流入管６３、貯水槽第４流出管６４が接続されている。また、貯水槽３０には、貯溜された水を全量排出可能な貯水槽排水開閉弁３３が設置された貯水槽排水管３２が接続されている。

（給湯加熱運転）
次に、ヒートポンプ給湯装置５００における動作を説明する。
図１１において、冷媒回路３００ｃでは、給湯加熱運転時、圧縮機１から吐出された冷媒は、四方弁２を通って水熱交換器３に入り、水へ放熱した（温度を下げた）あと高温の液冷媒となって膨張弁４に送られる。膨張弁４で減圧され低温の二相状態となった冷媒は空気熱交換器５で空気から吸熱した（温度を高めた）あと、四方弁２を経て圧縮機１に戻る（冷媒の流れを実線で、流れ方向を矢印で示している）。

一方、水回路５００ｗでは、水源から供給された水（以下「水源水」と称す）は、水入口配管１１、貯水槽第１流入管６１、貯水槽３０、貯水槽第２流出管６２を通過して水熱交換器３に流入する。このとき、貯水槽３０には、所定量の水源水（加熱も冷却もされていない）が貯溜されている。そして、水熱交換器３に流入した水源水は、これを通過する間に、冷媒から温熱を受け取って加熱されて加熱水となり、水出口配管１２を経由して貯湯タンク１３に直接送られて給湯される（水源水および加熱水の流れを実線で、流れ方向を矢印で示している）。
このとき、貯水槽第１三方弁５１は貯水槽第１流入管６１側に連通し、貯水槽第２三方弁５２は貯水槽第２流出管６２側に連通し、水源水が貯水槽３０を通過している。一方、貯水槽第３三方弁５３および貯水槽第４三方弁５４は、貯水槽第３流入管６３側および貯水槽第４流入管６４側が閉じている。

（除霜運転時）
図１２において、除霜運転時には、給湯加熱運転を一旦中止して、四方弁２を冷房サイクル（水熱交換器３において冷熱を水に受け渡す）に切り替えている。
すなわち、冷媒回路３００ｃでは、圧縮機１を出た冷媒は、四方弁２を通って高温のガス冷媒のまま、空気熱交換器５に入り、空気熱交換器５で放熱（空気熱交換器５自体を加熱）して着霜を融かし（除霜し）、液冷媒となり膨張弁４に至る。膨張弁４を通過した冷媒は水熱交換器３に流入し、これを通過する間に水回路５００ｗの水から吸熱した（温熱を受け取って加熱された）後、四方弁２を経由して圧縮機１に戻る。

一方、水回路５００ｗでは、水源水は、水入口配管１１を通過して水熱交換器３に入り、これを通過する間に冷媒回路３００ｃの冷媒に温熱を与えて冷却される（以下、冷却された水源水を「冷却水」と称す）。その後、水出口配管１２に流入した冷却水は、貯水槽第３三方弁５３が貯水槽第３流入管６３側に連通しているから、これを経由して貯水槽３０に流入する。
このとき、貯水槽３０には水源水が予め貯められ、貯水槽第４三方弁５４が貯水槽第４流出管６４に連通しているから、冷却水の貯水槽３０への流入に伴って、貯水槽３０に予め貯められた水源水は貯水槽第４流出管６４を経由して水出口配管１２に流出し、貯湯タンク１３に送られる。
すなわち、貯湯タンク１３には冷却水が供給されないため、貯湯タンク１３に貯溜した加熱水の温度を低下させることが抑制される。

なお、以上は、水源水を貯湯タンク１３に供給する場合は示しているが、除霜運転と並行して貯湯タンク１３から加熱水の払い出しがない場合には、水源水を貯湯タンク１３に供給しないで、冷却水を貯水槽３０と水熱交換器３との間で循環させてもよい。
すなわち、貯水槽第１三方弁５１が貯水槽第１流入管６１側を閉じ、貯水槽第４三方弁５４が貯水槽第４流出管６４側を閉じ、一方、貯水槽第２三方弁５２が貯水槽第２流出管６２側を開き、貯水槽第３三方弁５３が貯水槽第３流入管６３側を開く。
そして、かかる循環によって冷却された冷却水は、給湯加熱運転に戻った当初に、同様に循環させて加熱した後、かかる循環を中止して前記加熱循環の動作に移行すれば、貯湯タンク１３に加熱水を供給することができる。あるいは、除霜運転が終了した時点で、冷却水を貯水槽３０から排出して、改めて水源水を貯溜するようにしてもよい。

［実施の形態６］
図１３は本発明の実施の形態６に係るヒートポンプ給湯装置の運転方法を説明するものであって、これを実行する冷媒回路および水回路構成を示す構成図である。なお、実施の形態５と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図１２おいて、ヒートポンプ給湯装置６００は、冷媒回路６００ｃと水回路５００ｗとを有する。
冷媒回路６００ｃには、膨張弁４と水熱交換器３の間に第三の冷媒温度検出手段（以下「第３センサ」と称す）４３と、水熱交換器３と四方弁２との間に第四の冷媒温度検出手段（以下「第４センサ」と称す）４４とが設けられている。第３センサ４３および第４センサ４４を除く構成は、ヒートポンプ給湯装置５００に同じである。

ヒートポンプ給湯装置６００では、第３センサ４３の検出した第３冷媒温度（Ｔ３）よりも、第４センサ４４の検出した第４冷媒温度（Ｔ４）の方が高くなる（Ｔ３＜Ｔ４）ように、膨張弁４の開度を調整するようにすることができるから、実施の形態４において説明したヒートポンプ給湯装置４００が有する作用効果が得られる。

本発明によれば、軽量で性能低下が抑制されるから、家庭用および業務用の各種ヒートポンプ給湯装置およびその運転方法として、広く利用することができる。

本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯装置を説明する構成図。 図１における水および冷媒の流れを示す構成図。 図１に示す構成におけるＣＯＰの経時変化を示す能力曲線図。 図１における水および冷媒の流れを示す構成図。 本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ給湯装置の運転方法を説明する構成図。 本発明の実施の形態３に係るヒートポンプ給湯装置を説明する構成図。 図６における水および冷媒の流れを示す構成図。 図６における水および冷媒の流れを示す構成図。 本発明の実施の形態４に係るヒートポンプ給湯装置の運転方法を説明する構成図。 本発明の実施の形態５に係るヒートポンプ給湯装置を説明する構成図。 図１０における水および冷媒の流れを示す構成図。 図１０における水および冷媒の流れを示す構成図。 本発明の実施の形態６に係るヒートポンプ給湯装置の運転方法を説明する構成図。

符号の説明

１：圧縮機、２：四方弁、３：水熱交換器、４：膨張弁、５：空気熱交換器、６：空気ファン、７：蓄熱伝熱管、８：蓄熱水槽、１０：給水ポンプ、１１：水入口配管、１２：水出口配管、１３：貯湯タンク、１４：蓄熱水槽給水管、１５：蓄熱水槽給水開閉弁、１７：貯水槽三方弁、１８：バイパス管、１９：バイパス三方弁、２１：水位検出手段、２２：蓄熱水槽排水管、２３：蓄熱水槽排水開閉弁、３０：貯水槽、３２：貯水槽排水管、３３：貯水槽排水開閉弁、３４：貯水槽流入管、３６：貯水ポンプ、４１：第１センサ、４２：第２センサ、４３：第３センサ、４４：第４センサ、５１：貯水槽第１三方弁、５２：貯水槽第２三方弁、５３：貯水槽第３三方弁、５４：貯水槽第４三方弁、６１：貯水槽第１流入管、６２：貯水槽第２流出管、６３：貯水槽第３流入管、６４：貯水槽第４流出管、１００：ヒートポンプ給湯装置（実施の形態１）、１００ｃ：冷媒回路、１００ｗ：水回路、２００：ヒートポンプ給湯装置（実施の形態２）、２００ｃ：冷媒回路、３００：ヒートポンプ給湯装置（実施の形態３）、３００ｃ：冷媒回路、３００ｗ：水回路、４００：ヒートポンプ給湯装置（実施の形態４）、４００ｃ：冷媒回路、５００：ヒートポンプ給湯装置（実施の形態５）、５００ｗ：水回路、６００：ヒートポンプ給湯装置（実施の形態６）、６００ｃ：冷媒回路。

Claims (15)

1. 冷媒と水との間で熱交換する冷媒対水熱交換器を介して熱的に連結された冷媒回路と水回路とを有するヒートポンプ給湯装置であって、
   前記冷媒回路が、圧縮機と、四方弁と、前記冷媒対水熱交換器と、蓄熱用熱交換器と、膨張手段と、冷媒対空気熱交換器とを備え、前記圧縮機、前記四方弁、前記冷媒対水熱交換器、前記蓄熱用熱交換器、前記膨張手段、前記冷媒対空気熱交換器および前記四方弁を順次接続してなる給湯加熱回路を形成すると共に、前記四方弁の切換によって、前記圧縮機、前記四方弁、前記冷媒対空気熱交換器、前記膨張手段、前記蓄熱用熱交換器、前記冷媒対水熱交換器および前記四方弁を順次接続してなる除霜運転回路を形成し、
   前記水回路が、前記冷媒対水熱交換器と、これを通過した水が供給される貯湯タンクと、を具備し、
   前記蓄熱用熱交換器が、水を供給可能および排出可能な蓄熱水槽に収納されてなることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
2. 前記水回路が、前記冷媒対水熱交換器に連通した水入口配管と、該水入口配管に設置された水循環装置と、前記冷媒対水熱交換器と前記貯湯タンクとを連通する水出口配管と、を具備し、
   前記蓄熱水槽に前記水入口配管に連通する蓄熱水槽給水配管が接続され、該蓄熱水槽給水配管に設置された蓄熱水槽給水開閉弁を開くことによって、前記水入口配管から前記蓄熱水槽に水が供給され、
   前記蓄熱水槽に、蓄熱水槽排水開閉弁が設置された蓄熱水槽排水管が接続され、前記蓄熱水槽排水開閉弁を開くことによって、前記蓄熱排出配管を経由して前記蓄熱水槽に貯められた水が排出可能であることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
3. 前記蓄熱水槽に水位検出手段が備えられていることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯装置。
4. 前記給湯加熱回路が形成された時、前記水位検出手段の検出値が一定となるように前記水入口開閉弁および前記蓄熱水槽給水開閉弁を制御して、前記水入口配管を流れる水の一部を前記蓄熱水槽内に貯めることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ給湯装置。
5. 前記給湯加熱回路が形成された時、前記蓄熱水槽内に貯められた水に、前記蓄熱用熱交換器を流れる冷媒から温熱が受け渡され、
   前記除霜運転回路が形成された時、前記冷媒対空気熱交換器の除霜を行った後、前記膨張手段を通過した冷媒が、前記蓄熱水槽内に貯められた水から温熱が受け渡されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のヒートポンプ給湯装置。
6. 冷媒と水との間で熱交換する冷媒対水熱交換器を介して熱的に連結された冷媒回路と水回路とを有するヒートポンプ給湯装置であって、
   前記冷媒回路が、圧縮機と、四方弁と、前記冷媒対水熱交換器と、膨張手段と、冷媒対空気熱交換器とを備え、前記圧縮機、前記四方弁、前記冷媒対水熱交換器、前記膨張手段、前記冷媒対空気熱交換器および前記四方弁を順次接続してなる給湯加熱回路を形成すると共に、前記四方弁の切換によって、前記圧縮機、前記四方弁、前記冷媒対空気熱交換器、前記膨張手段、前記冷媒対水熱交換器および前記四方弁を順次接続してなる除霜運転回路を形成し、
   前記水回路が、前記冷媒対水熱交換器に連通した水入口配管と、前記水入口配管に上流側から下流側に向かって順次設置された水循環装置、バイパス三方弁、貯水槽および貯湯タンクと、貯湯タンクと、該貯湯タンクと前記冷媒対水熱交換器とを連通する水出口配管と、該水出口配管に設置された貯水槽三方弁と、該貯水槽三方弁の一方の出入口と前記貯水槽とを連通する貯水槽配管と、該貯水槽配管に設置された貯水槽水循環装置と、前記バイパス三方弁の一方の出入口と前記水出口配管の前記貯水槽三方弁と前記貯湯タンクとの間を連通するバイパス配管と、を具備することを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
7. 前記給湯加熱回路が形成された時、前記冷媒回路では、前記蓄熱水槽内に貯められた水に、前記蓄熱用熱交換器を流れる冷媒から温熱が受け渡され、
   前記水回路では、前記水入口配管を経由した水が貯水槽に流入して加熱された後、前記貯湯タンクに直接流入し、
   前記除霜運転回路が形成された時、前記冷媒回路では、前記冷媒対空気熱交換器の除霜を行った後、前記膨張手段を通過した冷媒が、前記冷媒対水熱交換器内に貯められた水から温熱を受け取って前記圧縮機に戻り、
   前記水回路では、前記水入口配管から貯水槽への水の流入が停止され、冷媒に温熱を受け渡した水は、前記貯水槽三方弁の一方の出入口から前記貯水槽配管を経由して前記貯水槽に流入した後、前記水入口配管を経由して前記冷媒対水熱交換器内に戻ることを特徴とする請求項６に記載のヒートポンプ給湯装置。
8. 前記貯水槽に、貯水槽排水開閉弁が設置された貯水槽排水管が接続され、該貯水槽排出配管を経由して前記貯水槽に貯められた水が排出可能であることを特徴とする請求項６または７に記載のヒートポンプ給湯装置。
9. 冷媒と水との間で熱交換する冷媒対水熱交換器を介して熱的に連結された冷媒回路と水回路とを有するヒートポンプ給湯装置であって、
   前記冷媒回路が、圧縮機と、四方弁と、前記冷媒対水熱交換器と、膨張手段と、冷媒対空気熱交換器とを備え、前記圧縮機、前記四方弁、前記冷媒対水熱交換器、前記膨張手段、前記冷媒対空気熱交換器および前記四方弁を順次接続してなる給湯加熱回路を形成すると共に、前記四方弁の切換によって、前記圧縮機、前記四方弁、前記冷媒対空気熱交換器、前記膨張手段、前記冷媒対水熱交換器および前記四方弁を順次接続してなる除霜運転回路を形成し、
   前記水回路が、前記冷媒対水熱交換器に連通した水入口配管と、該水入口配管に上流側から下流側に向かって順次設置された水循環装置、貯水槽第１三方弁および貯水槽第２三方弁と、貯湯タンクと、該貯湯タンクと前記冷媒対水熱交換器とを連通する水出口配管と、該水出口配管に上流側から下流側に向かって順次設置された貯水槽第３三方弁および貯水槽第４三方弁と、前記貯水槽第１三方弁の一方の出入口、前記貯水槽第２三方弁の一方の出入口、前記貯水槽第３三方弁の一方の出入口および前記貯水槽第４三方弁の一方の出入口が連通した貯水槽と、を具備することを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
10. 前記給湯加熱回路が形成された時、前記冷媒回路では、前記蓄熱水槽内に貯められた水に、前記蓄熱用熱交換器を流れる冷媒から温熱が受け渡され、
    前記水回路では、前記水入口配管を経由した水が、前記貯水槽第１三方弁の一方の出入口を経由して前記貯水槽に流入し、前記貯水槽第２三方弁の一方の出入口から前記水入口配管に戻り、前記貯水槽に流入して加熱され、前記水出口配管を経由して前記貯湯タンクに直接流入し、
    前記除霜運転回路が形成された時、前記冷媒回路では、前記冷媒対空気熱交換器の除霜を行った後、前記膨張手段を通過した冷媒が、前記冷媒対水熱交換器内に貯められた水から温熱を受け取って前記圧縮機に戻り、
    前記水回路では、前記水入口配管から水が前記冷媒対水熱交換器内に直接流入し、冷媒に温熱を受け渡した水は、前記水出口配管に流入した後、前記貯水槽第３三方弁の一方の出入口を経由して前記貯水槽に流入して、前記貯水槽に貯溜していた水を前記貯水槽第４三方弁の一方の出入口を経由して前記水出口配管に押し出して前記貯湯タンクに流入させることを特徴とする請求項９に記載のヒートポンプ給湯装置。
11. 前記給湯加熱回路が形成された時、前記冷媒回路では、前記蓄熱水槽内に貯められた水に、前記蓄熱用熱交換器を流れる冷媒から温熱が受け渡され、
    前記水回路では、前記水入口配管を経由した水が、前記貯水槽第１三方弁の一方の出入口を経由して前記貯水槽に流入し、前記貯水槽第２三方弁の一方の出入口から前記水入口配管に戻り、前記貯水槽に流入して加熱され、前記水出口配管を経由して前記貯湯タンクに直接流入し、
    前記除霜運転回路が形成された時、前記冷媒回路では、前記冷媒対空気熱交換器の除霜を行った後、前記膨張手段を通過した冷媒が、前記冷媒対水熱交換器内に貯められた水から温熱を受け取って前記圧縮機に戻り、
    前記水回路では、前記水入口配管から貯水槽への水の流入が停止され、冷媒に温熱を受け渡した水は、前記貯水槽第３三方弁の一方の出入口を経由して前記貯水槽に流入した後、前記貯水槽第２三方弁の一方の出入口を経由して前記水入口配管に流入し、前記冷媒対水熱交換器内に戻ることを特徴とする請求項９に記載のヒートポンプ給湯装置。
12. 前記貯水槽に、貯水槽排水開閉弁が設置された貯水槽排水管が接続され、該貯水槽排出配管を経由して前記貯水槽に貯められた水が排出可能であることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載のヒートポンプ給湯装置。
13. 冷媒と水との間で熱交換する冷媒対水熱交換器を介して熱的に連結された冷媒回路と水回路とを有するヒートポンプ給湯装置における運転方法であって、
    前記冷媒回路が、圧縮機と、四方弁と、前記冷媒対水熱交換器と、蓄熱用熱交換器と、膨張手段と、冷媒対空気熱交換器とを備え、前記圧縮機、前記四方弁、前記冷媒対水熱交換器、前記蓄熱用熱交換器、前記膨張手段、前記冷媒対空気熱交換器および前記四方弁を順次接続してなる給湯加熱回路を形成すると共に、前記四方弁の切換によって、前記圧縮機、前記四方弁、前記冷媒対空気熱交換器、前記膨張手段、前記蓄熱用熱交換器、前記冷媒対水熱交換器および前記四方弁を順次接続してなる除霜運転回路を形成し、
    前記水回路が、前記冷媒対水熱交換器と、これを通過した水が供給される貯湯タンクと、を具備し、
    前記蓄熱用熱交換器が、水を供給可能および排出可能な蓄熱水槽に収納され、
    前記除霜運転回路が形成された時、前記膨張手段から流出した冷媒の温度より前記冷媒対水熱交換器から流出した冷媒の温度の方が高くなるように、前記膨張手段を制御することを特徴とするヒートポンプ給湯装置の運転方法。
14. 冷媒と水との間で熱交換する冷媒対水熱交換器を介して熱的に連結された冷媒回路と水回路とを有するヒートポンプ給湯装置における運転方法であって、
    前記冷媒回路が、圧縮機と、四方弁と、前記冷媒対水熱交換器と、膨張手段と、冷媒対空気熱交換器とを備え、前記圧縮機、前記四方弁、前記冷媒対水熱交換器、前記膨張手段、前記冷媒対空気熱交換器および前記四方弁を順次接続してなる給湯加熱回路を形成すると共に、前記四方弁の切換によって、前記圧縮機、前記四方弁、前記冷媒対空気熱交換器、前記膨張手段、前記冷媒対水熱交換器および前記四方弁を順次接続してなる除霜運転回路を形成し、
    前記水回路が、前記冷媒対水熱交換器に連通した水入口配管と、前記水入口配管に上流側から下流側に向かって順次設置された水循環装置、バイパス三方弁、貯水槽および貯湯タンクと、貯湯タンクと、該貯湯タンクと前記冷媒対水熱交換器とを連通する水出口配管と、該水出口配管に設置された貯水槽三方弁と、該貯水槽三方弁の一方の出入口と前記貯水槽とを連通する貯水槽配管と、該貯水槽配管に設置された貯水槽水循環装置と、前記バイパス三方弁の一方の出入口と前記水出口配管の前記貯水槽三方弁と前記貯湯タンクとの間を連通するバイパス配管と、を具備し、
    前記除霜運転回路が形成された時、前記冷媒対水熱交換器と前記貯水槽との間を水が循環するようにすると共に、前記膨張手段から流出した冷媒の温度より前記冷媒対水熱交換器から流出した冷媒の温度の方が高くなるように、前記膨張手段を制御することを特徴とするヒートポンプ給湯装置の運転方法。
15. 冷媒と水との間で熱交換する冷媒対水熱交換器を介して熱的に連結された冷媒回路と水回路とを有するヒートポンプ給湯装置における運転方法であって、
    前記冷媒回路が、圧縮機と、四方弁と、前記冷媒対水熱交換器と、膨張手段と、冷媒対空気熱交換器とを備え、前記圧縮機、前記四方弁、前記冷媒対水熱交換器、前記膨張手段、前記冷媒対空気熱交換器および前記四方弁を順次接続してなる給湯加熱回路を形成すると共に、前記四方弁の切換によって、前記圧縮機、前記四方弁、前記冷媒対空気熱交換器、前記膨張手段、前記冷媒対水熱交換器および前記四方弁を順次接続してなる除霜運転回路を形成し、
    前記水回路が、前記冷媒対水熱交換器に連通した水入口配管と、該水入口配管に上流側から下流側に向かって順次設置された水循環装置、貯水槽第１三方弁および貯水槽第２三方弁と、貯湯タンクと、該貯湯タンクと前記冷媒対水熱交換器とを連通する水出口配管と、該水出口配管に上流側から下流側に向かって順次設置された貯水槽第３三方弁および貯水槽第４三方弁と、前記貯水槽第１三方弁の一方の出入口、前記貯水槽第２三方弁の一方の出入口、前記貯水槽第３三方弁の一方の出入口および前記貯水槽第４三方弁の一方の出入口が連通した貯水槽と、を具備し、
    前記除霜運転回路が形成された時、前記冷媒対水熱交換器に水を直接供給し、前記冷媒対水熱交換器から流出した水を前記貯水槽に流入させ、前記貯水槽に貯溜されていた水を前記貯湯タンクに供給すると共に、前記膨張手段から流出した冷媒の温度より前記冷媒対水熱交換器から流出した冷媒の温度の方が高くなるように、前記膨張手段を制御することを特徴とするヒートポンプ給湯装置の運転方法。

Images