JP2011163617A

JP2011163617A - 給湯装置および給湯システム

Info

Publication number: JP2011163617A
Application number: JP2010025400A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Nagasaki; 芳樹長崎
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 2010-02-08
Filing date: 2010-02-08
Publication date: 2011-08-25

Abstract

【課題】利便性を低下させることなく低コスト化を図りつつ、衛生面において安全な湯を供給することが可能な給湯装置および給湯システムを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明にかかる給湯装置の構成は、ヒートポンプを用いて室内の空調を行う空調機と併設される給湯装置１３０であって、空調機１００の室外機１１０と室内機１２０とを循環する一次冷媒の循環経路１０２上に設けられ、一次冷媒と二次冷媒との熱交換を行う第１熱交換器１３２と、二次冷媒を貯留する蓄熱槽１３６と、蓄熱槽に貯留された二次冷媒と水との熱交換を行い湯を生成する第２熱交換器１４２と、生成された湯を給湯設備に供給する給湯手段１４６と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、水を加熱して生成した湯を供給する給湯装置および給湯システムに関する。

近年、エネルギの有効利用（省エネルギ）、および温室効果ガスであるＣＯ_２排出量削減の観点から、ヒートポンプ式給湯装置の普及が進んでいる。ヒートポンプ式給湯装置は、液体の熱媒体が、膨張により気化するときに周囲の熱を吸収し、凝縮により液化するときに熱を発する性質を利用している。これにより、燃焼式給湯装置に比べて、一次エネルギ消費量を約４０％、ＣＯ_２排出量を約５８％程度削減することができ、ランニングコストも大幅に抑えることが可能である。

上記のように様々な優れた利点を有するヒートポンプ式給湯装置であるが、燃焼式給湯装置と比較すると機器が複雑であるため導入時の初期費用が高額となる。例えば注文住宅のように施主と居住者が同一である場合には、たとえ導入時の初期費用が高額であっても使用時のランニングコストを削減できるというメリットを有するため導入され易い。しかし、例えば賃貸住宅のように施主と居住者が異なる場合には、施主は初期費用を負担してもランニングコストを削減することによる利益を享受できない。故に、賃貸住宅等にはヒートポンプ式給湯装置が導入されにくく、導入を促進するためにはヒートポンプ式給湯装置を低コスト化する必要がある。

またヒートポンプ式給湯装置は、必要とする外気風量が燃焼式給湯装置より多い。このため、設置にあたりヒートポンプの周囲に外気導入のための空間が必要となる。しかし、賃貸住宅では床面積を重視するため、新たにヒートポンプを設置する際における制約が多く、このこともヒートポンプ式給湯装置の導入が促進されない原因の１つであった。

低コスト化のための手段としては、ヒートポンプ式給湯装置を構成するヒートポンプユニットおよび貯湯タンクユニットのうち、コストの大部分を占めるヒートポンプユニットの低価格化を図ることが最も効果的であると考えられる。そこで、ヒートポンプユニットとして、住宅等にほぼ確実に設けられている空気調和機のヒートポンプ（室外機）を用いる空調・給湯システムが開示されている（例えば特許文献１）。これによれば、空気調和機のヒートポンプを用いて電気温水器の水を高効率に加熱できるため、電気温水器用のヒートポンプユニットを設ける必要がなく、そのコストを削減することが可能となる。また特許文献１では、すでに設置されている空気調和機のヒートポンプ（室外機）を利用するため、上述したような設置上の制約を回避することができる。

特開２００１−２３５２５２号公報

ところで、近年普及している家庭用のヒートポンプ式給湯装置は、生成した湯の供給先が主に台所や浴室であるため、出湯温度は４５℃〜６０℃程度で十分である。それにも拘らず、現状においてヒートポンプ式給湯装置が給湯する湯水の温度、すなわち出湯温度の下限は６５℃付近に設定されている。これは、貯湯タンクユニットに貯湯される湯中での細菌類、特にレジオネラ菌の繁殖防止を目的としている。

レジオネラ菌（レジオネラ属菌）は、自然界の土壌と淡水に生息するグラム陰性の桿菌であり、一般に２０度から５０度で繁殖し、３６度前後で最もよく繁殖する。このため、台所や洗面台等、湯が直接人間の口に入る（経口される）可能性がある給湯設備にも湯を供給するヒートポンプ式給湯装置においては、衛生上の観点から湯を６０℃以上で貯湯することが望ましい。

しかしながら、市場に流通している一般家庭用の空調機のヒートポンプは冷媒としてフロンを用いているため、運転可能な冷媒圧力の上限値相当の凝縮温度が６５℃に設定されることが一般的であり、湯すなわち循環水を６５℃以上に加熱することは困難である。故に、特許文献１に記載の空調・給湯システムでは、湯の衛生面に配慮しようとすると、市場に流通している空調機のヒートポンプを用いることはできず、空調機において運転可能な冷媒圧力をより高くする必要がある。しかし、運転可能な冷媒圧力をより高くすると、冷媒部品コストの増大、重量の増加など好ましくない影響が発生する。このため市場に流通している、冷媒としてフロンを用いている空調機のヒートポンプをそのまま利用可能な技術の開発が求められている。

また特許文献１に記載の空調・給湯システムでは、室外機と室内機とを連結する第１の冷媒サイクル、または室外機と給湯熱交換器とを連結する第２の冷媒サイクルのいずれか一方の冷媒サイクルを選択して冷媒を循環させる。したがって、第１の冷媒サイクルおよび第２の冷媒サイクル（給湯熱交換器）の両方に同時に冷媒を循環させられないため、室内機および給湯熱交換器を両方同時に運転することはできない。すなわち、空気調和機を運転している間は給湯熱交換器を運転することができず、利便性において課題を有していた。そして、かかる課題を解決するために、特許文献１に記載の空調・給湯システムでは電気ヒータを設けているが、これでは低コスト化に反することとなり、またランニングコストの削減という観点においても優れているとは言い難い。

また仮に、特許文献１に記載の空調・給湯システムにおいて第１の冷媒サイクルおよび第２の冷媒サイクルの両方に冷媒を循環させることができたとしても、空調機の冷房運転時には、膨張弁において膨張冷却された低温の冷媒が給湯熱交換器を循環する。このため、給湯熱交換器において水を加熱できない（湯を生成することができない）。したがって、特許文献１に記載の空調・給湯システムでは、空調機を冷房運転させながらの貯湯は実質的に不可能である。

本発明は、このような課題に鑑み、利便性を低下させることなく低コスト化を図りつつ、衛生面において安全な湯を供給することが可能な給湯装置および給湯システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明にかかる給湯装置の代表的な構成は、ヒートポンプを用いて室内の空調を行う空調機と併設される給湯装置であって、空調機の室外機と室内機とを循環する一次冷媒の循環経路上に設けられ、一次冷媒と二次冷媒との熱交換を行う第１熱交換器と、二次冷媒を貯留する蓄熱槽と、蓄熱槽に貯留された二次冷媒と水との熱交換を行い湯を生成する第２熱交換器と、生成された湯を給湯設備に供給する給湯手段と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、従来は蓄熱槽（貯湯タンクユニット）と一対に設けられていたヒートポンプユニットとして空調機の室外機のヒートポンプを利用することができる。したがって、ヒートポンプユニットにかかるコスト、ひいては給湯装置全体のコストを大幅に削減すること、すなわち低コスト化を図ることが可能となる。そして、空調機の室外機と室内機とにおける一次冷媒の循環経路上に第１熱交換器が設けられていることにより、空調機運転時に一次冷媒は確実に第１熱交換器を通過する。したがって、空調機運転時においても、一次冷媒を用いて二次冷媒を加熱することができ、ひいては二次冷媒により水を加熱し湯を生成することができる。したがって、利便性の低下を招くことがない。

また上記構成では、第１熱交換器において一次冷媒と熱交換を行うことにより二次冷媒が加熱され、加熱された二次冷媒が第２熱交換器において水と熱交換を行い湯が生成される。ここで、二次冷媒が水であると、かかる水（二次冷媒）は第１熱交換器における熱交換において湯となる。すなわち、この場合の二次冷媒は従来のように空調機のヒートポンプにおける熱交換により生成された湯であると言うことができる。したがって、その温度は、ヒートポンプ式給湯装置の出湯温度の下限である６５℃付近に達しないため、衛生上、貯湯した湯水の直接利用は難しい。しかし、上記構成では、二次冷媒が水であったとしても、加熱後の二次冷媒（湯）を用いて第２熱交換器において別途水を加熱して生成した湯を給湯設備に供給する。このため、衛生面において安全な湯を供給することが可能となる。

当該給湯装置は、第１熱交換器の室内機側に、冷房動作時に一次冷媒を膨張させる膨張弁を備えていてもよい。一般に、家庭用の空調機においては、室外機に膨張弁が備えられており、室内機には備えられていない。この場合において、暖房時には第１熱交換器に熱い一次冷媒が通過するが、冷房運転時には膨脹後の一次冷媒が通過することになる。しかし上記構成によれば、常に第１熱交換器の下流側で一次冷媒を膨脹させることができるため、家庭用の空調機においても冷暖房運転の両方において水を加熱することが可能となる。なお、給湯装置内の膨張弁によって膨脹させるときには、室外機内の膨張弁は開放させて一次冷媒を膨脹させないように制御する。

上記の蓄熱槽は、外形がほぼ直方体の開放式蓄熱槽であるとよい。従来では、蓄熱槽に貯留された湯を給湯設備に供給する（直接利用する）場合、水道圧によって湯を供給するために蓄熱槽を密閉式にしており、それ故に耐圧性を高めるべく蓄熱槽に高価なステンレス容器を用いざるを得なかった。ステンレス容器は、形状の自由度が低く、外形寸法が大きくなる。したがって、設置上の制約が多く床面積を重視する賃貸住宅では、蓄熱槽の形状もヒートポンプ式給湯装置が導入されない原因の１つとなっていた。

しかし、当該給湯装置では、蓄熱槽に貯留された二次冷媒（湯）は直接利用されない。このため、蓄熱槽には水道圧がかからないので密閉式にする必要がない。また当該給湯装置では、上述したように二次冷媒が水であっても、一次冷媒との熱交換により湯となった二次冷媒は直接利用されず、第２熱交換器において湯を生成するための熱媒体として利用される。

上記の理由から、当該給湯装置では蓄熱槽を開放式にすることができ、かかる蓄熱槽を従来のようなステンレス鋼等ではなく樹脂系材料により形成することが可能となる。したがって、蓄熱槽に要するコストの削減が図れる。またステンレス容器を用いる必要がなくなることで形状制約が少なくなるため、蓄熱槽の外形をほぼ直方体とすることができる。これにより、蓄熱槽の上部空間にヒートポンプを設置するなど、設置上の自由度が大幅に増し、より少ない面積において給湯装置を設置することができる。その結果、賃貸住宅への当該給湯装置の導入をより促進することが可能となる。

上記の循環経路は、第１熱交換器の室外機側および室内機側の両側において分岐して第１熱交換器の両端に接続されており、第１熱交換器の一方側には室外機および室内機の両方から流入する向きの逆止弁が設けられており、第１熱交換器の他方側には室外機および室内機の両方へと流出する向きの逆止弁が設けられているとよい。

通常、空調機では、暖房運転時と冷房運転時の一次冷媒の循環方向は逆方向となる。したがって、第１熱交換器において、例えば空調機の暖房運転時における一次冷媒の循環方向と、二次冷媒の循環方向とが対向する方向（対向流）であるとすると、空調機の冷房運転時における一次冷媒の循環方向と二次冷媒の循環方向とは並行する方向、すなわち並行流となる。熱交換効率は、並行流よりも対向流のほうが高いため、上記の例では、暖房時の熱交換効率は高いが、冷房時の熱交換効率が低くなるという事態が生じてしまう。

そこで、上記構成では、循環経路を分岐して第１熱交換器の両側に逆止弁を設ける。これにより、空調機の暖房運転時および冷房運転時のいずれにおいても、一次冷媒の循環方向と二次冷媒の循環方向とを対向流にすることができる。したがって、一次冷媒と二次冷媒とが、暖房運転時および冷房運転時の両方において最も効率的な熱交換を行うことが可能となる。

当該給湯装置内において循環経路から分岐し、室内機を介さずに一次冷媒を室外機に戻す分岐経路と、分岐経路に設けられ一次冷媒と二次冷媒との熱交換を行う第３熱交換器と、を更に備えるとよい。

上記構成によれば、室内機を介さずに、室外機と第３熱交換器との間で直接一次冷媒を循環させることが可能となる。これにより、空調機の室内機を運転しない場合においても第３熱交換器に一次冷媒を循環させて二次冷媒を加熱することができ、かかる二次冷媒を用いて湯を生成することが可能となる。また室内機を運転する場合においても、室内機を介さない、すなわち室内機における熱交換を行わない一次冷媒を第３熱交換器に循環させることにより、熱を放出していない、より高温の一次冷媒と二次冷媒とを熱交換させることができ、より効率的に二次冷媒、ひいては水を加熱することが可能となる。

上記の蓄熱槽の内部もしくは外部のいずれか一方または両方に設けられ、二次冷媒を加熱する補助熱源を更に備えるとよい。

かかる構成によれば、蓄熱槽に貯留されるまたは貯留された二次冷媒を補助的に加熱することができる。したがって、例えば高温の湯が大量に必要な場合等に、二次冷媒を補助熱源によって加熱して高温にし、第２熱交換器における熱交換においてより多くの熱を水に与えることが可能となる。

上記の第２熱交換器の上流側もしくは下流側のいずれか一方または両方に設けられ、前記湯を加熱する補助熱源を更に備えるとよい。

かかる構成により、第２熱交換器に供給する水、または第２熱交換器における熱交換により生成された湯を更に加熱することができる。したがって、より高温の湯を供給することが可能となり、利便性の更なる向上が図れる。

上記課題を解決するために、本発明にかかる給湯システムの代表的な構成は、室外機と室内機の間で構成されるヒートポンプを用いて室内の空調を行う空調機と、請求項１に記載の給湯装置とを備える給湯システムであって、ヒートポンプは、膨張弁と、室外熱交換器と、室内熱交換器と、圧縮機と、これらに一次冷媒を循環させる循環経路とを有し、さらに、循環経路から分岐し、室外熱交換器を迂回して膨張弁と圧縮機とを接続するバイパス経路とを備えることを特徴とする。

上記構成によれば、室外熱交換器を介さずに、圧縮機と第１熱交換器との間で直接一次冷媒を循環させることが可能となる。これにより、空調機の冷房運転時における室外熱交換器での一次冷媒からの熱の放出を回避される。したがって、その放出されなかった熱を二次冷媒の加熱に用いることが可能となり、かかる二次冷媒を用いてより効率的に湯を生成することができる。なお、上述した給湯装置の技術的思想に基づく構成要素やその説明は、当該給湯システムにも適用可能である。

本発明によれば、利便性を低下させることなく低コスト化を図りつつ、衛生面において安全な湯を供給することが可能な給湯装置および給湯システムを提供することができる。

第１実施形態にかかる給湯装置の構成を示す図である。一次冷媒の循環サイクルを示すＰＨ線図である。第１実施形態にかかる給湯システムの他の構成を示す図である。第２実施形態にかかる給湯装置の構成を示す図である。運転モードごとの給湯装置の制御状態を示す図である。第３実施形態にかかる給湯装置の構成を示す図である。第４実施形態にかかる給湯装置の構成を示す図である。第５実施形態にかかる給湯装置の構成を示す図である。第６実施形態にかかる給湯装置の構成を示す図である。第７実施形態にかかる給湯装置の構成を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明にかかる給湯装置および給湯システムの好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる給湯装置１３０の構成を示す図である。図１（ａ）は、空調機が暖房運転時をする場合を、図１（ｂ）は空調機が冷房運転をする場合を例示している。なお、図中、一次冷媒が通過する配管を実線で、二次冷媒が通過する配管を破線で、それ以外の配管を一点鎖線で示し、各々の線の矢印は通過方向を示す。

図１（ａ）および（ｂ）に示すように、第１実施形態にかかる給湯装置１３０は、ヒートポンプを用いて室内の空調を行う空調機１００と併設される。本実施形態では、給湯装置１３０と空調機１００とをあわせた構成を給湯システムと称する。かかる空調機１００は、主に室外機１１０と室内機１２０とから構成される。室外機１１０と室内機１２０とは循環経路１０２によって接続されており、循環経路１０２には一次冷媒が循環している。なお、本実施形態においては一次冷媒としてフロンを使用しているが、これに限定するものではなく、他の種類の冷媒を用いてもよい。

また上記の空調機１００の空調対象となる室内とは、居室等の一般用途に限定されず、冷蔵庫、冷凍庫、恒温室等の特殊用途であってもよい。ただし、冷蔵庫等では空調機１００は暖房運転を行わないことがある。なお、室内機１２０を高圧冷媒で除霜する場合は、空調機１００の暖房運転は室内機除霜運転に相当する。

室外機１１０には、膨張弁１１２、室外熱交換器１１４、圧縮機１１６および四方弁１１８が設けられている。膨張弁１１２は、一次冷媒を減圧状態とし膨張冷却する。室外熱交換器１１４は、一次冷媒と外気との熱交換を行う。かかる室外熱交換器１１４は送風機１１４ａを備えており、送風機１１４ａにより外気を室外熱交換器１１４に強制的に送出することで、熱交換効率を向上させることができる。圧縮機１１６はいわゆるポンプであり、電力を利用して一次冷媒を加圧し高圧状態とする。四方弁１１８は、循環経路１０２における一次冷媒の循環方向を逆転させる。

なお、本実施形態においては圧縮機１１６を電動機（不図示）により駆動することを想定するが、これに限定するものではなく、タービンやエンジンなど他の種類の駆動方式でもよい。また燃料は都市ガス、ＬＰＧのような気体燃料や、ガソリン、軽油、重油などの液体燃料を用いても良い。

室内機１２０には室内熱交換器１２２が設けられている。室内熱交換器１２２は、一次冷媒と室内（不図示）の空気（以下、内気と称する）との熱交換を行う。かかる室内熱交換器１２２も送風機１２２ａを備えており、これにより、熱交換効率を向上させることができる。

空調機１００では、上述した室外機１１０の膨張弁１１２、室外熱交換器１１４および圧縮機１１６と、室内機１２０の室内熱交換器１２２と、これらに一次冷媒を循環させる循環経路１０２によりヒートポンプが構成される。これにより、一次冷媒を加熱する熱交換サイクルを構築することができる。

空調機の暖房運転時には、図１（ａ）に示すように、一次冷媒は室外熱交換器１１４において外気との熱交換を行う。これにより、一次冷媒は外気（大気中）の熱を吸熱して蒸発する。室外熱交換器１１４における熱交換後の一次冷媒は、四方弁１１８を通過して圧縮機１１６に流入し、圧縮機１１６により加圧されて高圧状態となる。

そして、一次冷媒は再度四方弁１１８を通過して室内熱交換器１２２に流入し、内気との熱交換を行う。これにより、一次冷媒の熱は内気に放熱して凝縮し、室内の暖房が実施される。室内熱交換器１２２における熱交換後の一次冷媒は、給湯装置１３０を通過した後に膨張弁１１２に流入し、膨張弁１１２において膨張冷却される。これにより、一次冷媒が再度外気の熱を吸収することが可能となり、再利用可能となる。

空調機の冷房運転時には、図１（ｂ）に示すように、一次冷媒は、後述する膨脹弁１３５において膨張冷却された後、給湯装置１３０を通過して室内熱交換器１２２に流入し、室内熱交換器１２２において内気との熱交換を行う。これにより、一次冷媒は内気の熱を吸熱して蒸発し、室内の冷房が実施される。室内熱交換器１２２における熱交換後の一次冷媒は、四方弁１１８を通過して圧縮機１１６に流入し、圧縮機１１６により加圧されて高圧状態となる。

そして、一次冷媒は再度四方弁１１８を通過して室外熱交換器１１４に流入する。空調機１００の本来の動作としては、室外熱交換器１１４において外気との熱交換を行い、一次冷媒は外気に放熱して凝縮する。ただし本実施形態では、室外熱交換器１１４では放熱させず、後述する第１熱交換器１３２において二次冷媒に放熱する。

ここで、冷房運転中には、一次冷媒は室外熱交換器１１４の後に第１熱交換器１３２に至る。第１熱交換器１３２においてなるべく多くの熱を二次冷媒に放熱するためには、室外熱交換器１１４でなるべく外気に放熱しないことが望ましい。そのため、冷房運転中に給湯装置１３０において二次冷媒を加熱しようとするとき、室外熱交換器１１４に外気を送る送風機１１４ａを停止する制御を行う。ただし、給湯装置１３０の動作を停止する場合や、給湯装置１３０がさらなる加熱を必要としない場合などには、従来通り冷房運転中にも送風機１１４ａを動作させる。また二次冷媒の加熱に必要な熱量が少ない場合は、送風機１１４aを小風量で運転して放熱を行い、空調機１００全体のヒートバランスをとってもよい。

本実施形態では空調機１００の室外機１１０および室内機１２０は一般的なものであって、原則として装置構成に変更がなく、そのまま利用することができる。ただし上記したように冷房運転時には室外機１１０の送風機１１４ａを停止することが好ましいため、制御プログラムに若干の修正を加えることが好ましい。また、給湯装置１３０が動作していることを示す信号を受け取るために回路基板に経路（端子や配線）を設けることが好ましいが、室内機１２０から室外機１１０に接続される信号線を給湯装置１３０によって中継し、その信号に給湯装置１３０独自の制御信号を乗せることによって、専用の端子や配線を省略することができる。

給湯装置１３０では、二次冷媒が循環しており、上述した空調機１００に循環する一次冷媒を用いてかかる二次冷媒を加熱し、加熱された二次冷媒を用いて水を加熱し、湯を生成する。そして、生成した湯を給湯設備（不図示）に供給する。なお、二次冷媒の温度は流量を制御することによって調節してもよい。

第１熱交換器１３２は、空調機１００の室外機１１０と室内機１２０とを循環する一次冷媒の循環経路１０２上に設けられ、一次冷媒と二次冷媒との熱交換を行う。これにより、二次冷媒が一次冷媒の熱を吸熱し、かかる熱を用いて水を加熱することが可能となる。なお、本実施形態においては、二次冷媒として水を用いることを想定するが、これに限定するものではなく、不凍液や油、フロンなど他の種類の冷媒を用いてもよい。

本実施形態では、循環経路１０２は、第１熱交換器１３２の室外機１１０側において、分岐経路１０２ａおよび１０２ｂに分岐している。同様に第１熱交換器１３２の室内機１２０側において、分岐経路１０２ｃおよび１０２ｄに分岐している。そして、分岐経路１０２ａおよび１０２ｃが合流した合流経路１０２ｅが第１熱交換器１３２の一方側（一端）に、分岐経路１０２ｂおよび１０２ｄが合流した合流経路１０２ｆが第１熱交換器１３２の他方側（他端）に接続されている。

また第１熱交換器１３２の一方側の分岐経路、すなわち分岐経路１０２ａには室外機１１０から一次冷媒が流入する向きの逆止弁１３４ａが、分岐経路１０２ｃには室内機１２０から一次冷媒が流入する向きの逆止弁１３４ｃが設けられている。同様に、第１熱交換器１３２の他方側の分岐経路、すなわち分岐経路１０２ｂには一次冷媒が室外機１１０へと流出する向きの逆止弁１３４ｂが、分岐経路１０２ｄには一次冷媒が室内機１２０へと流出する向きの逆止弁１３４ｄが設けられている。

上記構成によれば、空調機１００の暖房運転時および冷房運転時のいずれにおいても、第１熱交換器１３２における一次冷媒の循環方向と二次冷媒の循環方向とを対向流にすることができる。

詳細には、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、給湯装置１３０における二次冷媒の循環方向は、空調機１００の運転モードに拘わらず常に同じ方向である。これに対し、上記説明したように一次冷媒は、空調機１００の暖房運転時は循環経路１０２を図示時計回りに循環し、空調機１００の冷房運転時は循環経路１０２を図示反時計回りに循環する。したがって、逆止弁を設けず単純に循環経路１０２上に第１熱交換器１３２を設けた場合、第１熱交換器１３２において、空調機１００の暖房運転時または冷房運転時のいずれか一方の運転モード時に一次冷媒と二次冷媒とが対向流となり、他方の運転モード時には一次冷媒と二次冷媒とが並行流となる。このため、一次冷媒と二次冷媒とが並行流となる場合において第１熱交換器１３２での熱交換効率が低下してしまう。

そこで、本実施形態では、循環経路１０２を第１熱交換器１３２の両側において分岐し、分岐経路上１０２ａ〜１０２ｄに逆止弁１３４ａ〜１３４ｄを設ける。これにより、空調機１００の暖房運転時には、図１（ａ）に示す太実線のように、一次冷媒は、室内熱交換器１２２から循環経路１０２を流れ、分岐経路１０２ｃおよび合流経路１０２ｅを流れて第１熱交換器１３２に流入する。そして、第１熱交換器１３２を通過した後は合流経路１０２ｆおよび分岐経路１０２ｂを流れ、循環経路１０２に戻って膨張弁１１２に流入する。

一方、空調機１００の冷房運転時には、図１（ｂ）に示す太実線のように、一次冷媒は、室外熱交換器１１４から循環経路１０２を流れて膨張弁１１２を通過し、分岐経路１０２ａおよび合流経路１０２ｅを流れて第１熱交換器１３２に流入する。そして、第１熱交換器１３２を通過した後は合流経路１０２ｆおよび分岐経路１０２ｄを流れ、循環経路１０２に戻って室内熱交換器１２２に流入する。したがって、空調機１００の暖房運転時および冷房運転時の両方において一次冷媒と二次冷媒とを対向流とすることができ、常に最も効率的な熱交換を行うことが可能となる。

また本実施形態では、第１熱交換器１３２の室内機１２０側に膨張弁１３５を備える。これにより、常に第１熱交換器１３２の下流側で一次冷媒を膨脹させることが可能となる。詳細には、一般に、家庭用の空調機においては、膨張弁１１２は、本実施形態のように室外機１１０に設けられており、室内機１２０には設けられていない。このような構成であると、暖房運転時には、室内熱交換器１２２において熱交換を行った後の高温の一次冷媒が第１熱交換器１３２に通過するが（図１（ａ）参照）、冷房運転時には膨張弁１１２において膨張冷却された後の低温の一次冷媒が通過することになる（図１（ｂ）参照）。したがって、冷房運転時の第１熱交換器１３２において二次冷媒が一次冷媒からむしろ熱を奪われてしまうことになり、給湯器としての機能を果たせないばかりか、本来の空調の機能をも損ねてしまうおそれがある。

そこで、本実施形態では給湯装置１３０内に膨張弁１３５を設け、冷房運転時には、膨張弁１１２ではなく膨張弁１３５において一次冷媒を膨張させる。これにより、冷房運転時においても、膨張冷却されていない状態の一次冷媒が第１熱交換器１３２に流入するため、二次冷媒はより多くの熱を一次冷媒から吸熱することが可能となる。したがって、家庭用の空調機であっても、第１熱交換器１３２は冷暖房運転の両方において水を加熱することができる。そして、第１熱交換器１３２において熱交換を行った後の一次冷媒を膨張弁１３５において膨張させることにより、かかる一次冷媒を冷却し、室内の冷房を好適に実施することができる。

なお、給湯装置１３０内の膨張弁１３５によって一次冷媒を膨脹させるとき、すなわち空調機１００の冷房運転時には、室外機１１０内の膨張弁１１２は開放するように制御する。反対に、室外機１１０内の膨張弁１１２によって一次冷媒を膨張させるとき、すなわち空調機１００の暖房運転時には、給湯装置１３０内の膨張弁１３５は開放するよう制御する。

また上述した冷房運転時と同じ方向に一次冷媒を循環させることにより、室外機１１０の除霜運転が可能となる。詳細には、空調機１００の室外機１１０は屋外に配置されるため、外気の気温や湿度の影響を受けやすく、暖房運転時に室外熱交換器１１４に着霜が生じることがある。着霜が進行すると、圧縮機１１６の吸い込み圧力が運転限界以下となり、室外機１１０の運転停止ひいては空調機１００の動作不良が発生するおそれがある。

そこで、本実施形態では、暖房運転時に１０２に室外熱交換器１１４に着霜が生じたら、暖房運転を一時中断し、冷房運転時と同じ方向に一次冷媒を循環させる。すると、室内熱交換器１２２において熱交換を行っていた一次冷媒は、圧縮機１１６に流入し、圧縮機１１６において圧縮されることで高圧状態となり、温度が上昇する。そして、温度が上昇した一次冷媒が四方弁１１８を通過して室外熱交換器１１４に流れることにより、室外熱交換器１１４において放熱し除霜が実施される。

除霜後の一次冷媒は膨張弁１１２に流れる。ここで、一般の空調機の動作としては、室内の温度低下を防止するために室内機のファンを動作させずに一次冷媒を循環させて、ポンプ仕事のみによって除霜を行っている。しかし本実施形態の構成では、蓄熱槽１３６の熱を除霜に利用することができる。詳しくは、除霜運転時は、冷房運転時とは異なり膨張弁１１２を開放しない。これにより、一次冷媒は膨張弁１１２において膨張冷却される。そして、膨張冷却された一次冷媒は、第１熱交換器１３２において蓄熱槽１３６から供給される二次冷媒と熱交換を行う。このとき、一次冷媒が膨張弁１１２において膨張冷却されているので、二次冷媒の熱を吸熱することができる。したがって、本実施形態にかかる空調器１００では、一次冷媒は、二次冷媒との熱交換により、除霜に利用するための熱を従来の空調器よりも多く得ることができるため、圧縮機１１６の仕事量を低減させ、消費電力量の削減を図ることが可能となる。なお、除霜運転時は送風機１２２ａを停止する。これは、室内熱交換器１２２における一次冷媒の内気からの吸熱を回避するためである。

図２は、一次冷媒の循環サイクルを示すＰＨ線図である。図２（ａ）は空調機１００の暖房運転時の状態を、図２（ｂ）は空調機１００の冷房運転時の状態を示している。なお、図中実線は、第１熱交換器１３２を備えない従来の空調機における一次冷媒のサイクルを、破線は、本実施形態にかかる空調機１００における一次冷媒のサイクルを示しており、重複部分については実線にて図示している。

図２（ａ）および（ｂ）において、「Ａ→Ｂ」および「Ａ´→Ｂ´」は圧縮過程（等エントロピー変化）、「Ｂ→Ｃ」および「Ｂ´→Ｃ´」は放熱過程（等圧変化）、「Ｃ→Ｄ」および「Ｃ´→Ｄ´」は膨張過程（等エンタルピー変化）、「Ｄ→Ａ」および「Ｄ´→Ａ´」は吸熱過程（等圧変化）である。

図２（ａ）に示すように、従来の空調機の暖房運転時には、一次冷媒は圧縮機において圧縮され（Ａ´→Ｂ´）、室内熱交換器において放熱し（Ｂ´→Ｃ´）、膨張弁において膨張され（Ｃ´→Ｄ´）、室外熱交換器において吸熱する（Ｄ´→Ａ´）。これに対し、本実施形態の空調機１００の暖房運転時には、一次冷媒は、室内熱交換器１２２において放熱した後に、第１熱交換器１３２における二次冷媒との熱交換により更に放熱する（Ｃ´→Ｃ）。すなわち、二次冷媒は大幅に過冷却される。そして、膨張弁１１２において膨張され（Ｃ→Ｄ）、室外熱交換器１１４において外気から吸熱する（Ｄ→Ａ）。このとき、一次冷媒は、過冷却されている分、つまりＤからＤ´までの熱をより多く吸熱することができる。暖房の成績係数（ＣＯＰ）はエンタルピｈを用いて（ｈ_Ｂ−ｈ_Ｃ）／（ｈ_Ｂ−ｈ_Ａ）で表せる。図２（ａ）に示すようにポンプ仕事の増分に対して過冷却によるエンタルピの増分の方が大きいため、圧縮機動力をほぼ増大させることなく、二次冷媒を加熱することができる。

なお、上述した暖房運転時において、第１熱交換器１３２入口における一次冷媒の温度が低い場合は、二次冷媒温度がさほど高くならないことが想定される。このように二次冷媒温度が低い場合は、蓄熱槽１３６内の温度成層を崩さないために二次冷媒を中温領域に戻してもよい（図１０参照）。

一方、図２（ｂ）に示すように、従来の空調機の冷房運転時には、一次冷媒は圧縮機において圧縮され（Ａ´→Ｂ´）、室外熱交換器において放熱し（Ｂ´→Ｃ´）、膨張弁において膨張され（Ｃ´→Ｄ´）、室内熱交換器において吸熱する（Ｄ´→Ａ´）。これに対し、本実施形態の空調機１００の冷房運転時には、一次冷媒は、室外熱交換器１１４において放熱した後に、第１熱交換器１３２において二次冷媒と熱交換して更に放熱する（Ｂ→Ｃ）。そして、膨張弁１３５において膨張され（Ｃ→Ｄ）、１２２において内気から吸熱する（Ｄ→Ａ）。この場合においても、一次冷媒は、過冷却されているために内気の熱をより多く（ＤからＤ´までの熱）することができる。冷房の成績係数（ＣＯＰ）はエンタルピｈを用いて（ｈ_Ａ−ｈ_Ｄ）／（ｈ_Ｂ−ｈ_Ａ）で表せる。この場合においても図２（ｂ）に示すように、ポンプ仕事の増分に対して過冷却による増分の方が大きいため、冷房時のＣＯＰを向上させることが可能となる。

なお、冷房時において、圧縮機１１６の吸込圧力（Ａ）が、従来の空調機の吸込圧力（Ａ´）よりも若干ながら低下しているため圧縮機１１６の動力増大が懸念される。しかし、圧縮機１１６の吐出圧力（Ｂ）を従来の空調機の吐出圧力（Ｂ´）よりも大幅に低下させることができるため、全体としては圧縮機１１６の動力はむしろ低減し、その効果として消費電力の削減が可能である。

上述したように本実施形態の空調機１００の冷房運転時では、従来外気に捨てていた廃熱によって二次冷媒を加熱するので、実質的には貯湯に関する消費電力は無いものと考えることができる。また廃熱は二次冷媒の加熱に利用されるため、冷房運転時にヒートポンプ周囲の外気温度が上昇しない。したがって、周囲外気温度上昇に起因する圧縮機１１６の吐出冷媒圧力上限異常停止を回避でき、且つヒートアイランド現象の緩和効果も奏する。

なお、空調機１００の冷房運転時において、一次冷媒の冷却に要する能力に対して給湯設備での必要給湯量が少ない場合、蓄熱槽１３６が満蓄（二次冷媒が蓄えた熱量が上限値になること）となることが起こり得る。すると、一次冷媒は第１熱交換器１３２において二次冷媒に放熱できないため、一次冷媒が有する熱（冷房廃熱）を室外熱交換器１１４にて外気に捨てる必要がある。ところが、外気温度が高くなる時間帯（例えば正午から午後２時など）には、外気に放熱しづらいため、一次冷媒の圧力が上がってしまって圧縮機１１６の吐出冷媒圧力が上限に達し、空調機１００が異常停止してしまうおそれがある。このような異常停止を回避するために、外気温度が高くなる時間帯にはできるだけ一次冷媒の冷房廃熱を二次冷媒に放熱できるように、あらかじめ蓄熱槽１３６における二次冷媒の貯留量を低めに制御してもよい。

蓄熱槽１３６は二次冷媒を貯留する。本実施形態における蓄熱槽１３６は、外形がほぼ直方体の開放式蓄熱槽である。蓄熱槽１３６の外形をほぼ直方体とすることにより、四角形状であることが多い賃貸住宅の敷地の有効活用を図り、賃貸住宅への当該給湯装置の導入を促進することができる。

また本実施形態では、後に詳述するように、二次冷媒を、第２熱交換器１４２において湯を生成するための熱媒体として利用する。このため、二次冷媒が水であっても直接利用しないので、従来のように６５℃以上での貯湯が不要となる。また二次冷媒は水道圧を利用せずに第２熱交換器１４２に供給される。したがって、蓄熱槽１３６を密閉式ではなく開放式にすることができるため、従来のように耐圧のためにステンレス鋼等で形成する必要がなく、樹脂系材料で形成することが可能となり、蓄熱槽１３６に要するコストの削減が図れる。

蓄熱槽１３６には、二次冷媒を第１熱交換器１３２や第２熱交換器１４２に循環させるための２つの循環経路が接続されている。二次冷媒を第１熱交換器１３２に循環させるための循環経路は、第１行き経路１３８ａおよび第１戻り経路１３８ｂからなる。第１行き経路１３８ａは、蓄熱槽１３６の下方から第１熱交換器１３２に接続されており、第１戻り経路１３８ｂは、第１熱交換器１３２から蓄熱槽１３６の上方に接続されている。二次冷媒を第２熱交換器１４２に循環させるための循環経路は、第２行き経路１３８ｃおよび第２戻り経路１３８ｄからなる。第２行き経路１３８ｃは、蓄熱槽１３６の上方から第２熱交換器１４２に接続されており、第２戻り経路１３８ｄは、第２熱交換器１４２から蓄熱槽１３６の下方に接続されている。

また第１行き経路１３８ａにはポンプ１４０ａが、第２行き経路１３８ｃにはポンプ１４０ｂが設けられている。これにより、蓄熱槽１３６が開放式であっても、ポンプの動力を利用して第１熱交換器１３２や第２熱交換器と蓄熱槽１３６とに二次冷媒を好適に循環させることが可能となる。

第２熱交換器１４２は、給水経路１４４を通じて水が、第２行き経路１３８ｃを通じて二次冷媒が供給され、二次冷媒と水との熱交換を行う。これにより、二次冷媒の熱を水が吸熱し、湯が生成される。給湯手段１４６は、いわゆる給湯経路であり、生成された湯を給湯設備に供給する。このように二次冷媒を用いて水を加熱する、すなわち二次冷媒を直接利用ではなく間接利用することにより、衛生面において安全な湯を供給することが可能となる。

給湯装置１３０における二次冷媒の循環では、まず蓄熱槽１３６の下方に貯留する低温の二次冷媒が、ポンプ１４０ａの動力により第１行き経路１３８ａを通過して第１熱交換器１３２に流入する。そして、第１熱交換器１３２における熱交換により二次冷媒は一次冷媒の熱を吸熱する。吸熱により高温となった二次冷媒は第１戻り経路１３８ｂを通過して蓄熱槽１３６の上方に貯留される。

蓄熱槽１３６の上方に貯留された高温の二次冷媒は、ポンプ１４０ｂの動力により第２行き経路１３８ｃを通過して第２熱交換器１４２に流入する。これと並行して、第２熱交換器１４２には給水経路１４４から水が供給される。そして、第２熱交換器１４２における熱交換により二次冷媒の熱は水に吸熱される。吸熱により高温となった水すなわち湯は、給湯手段１４６を通じて給湯設備に供給される。

上記説明したように、第１実施形態にかかる給湯装置１３０によれば、空調機１００の室外機１１０および室内機１２０から構成されるヒートポンプを、従来は蓄熱槽（貯湯タンクユニット）と一対に設けられていたヒートポンプユニットとして利用することができる。したがって、給湯専用のヒートポンプユニットが不要となり、給湯装置全体のコストを大幅に削減し、低コスト化を図れる。また空調機１００における一次冷媒の循環経路１０２上に第１熱交換器１３２が設けられているので、空調機１００の運転時に一次冷媒は常に第１熱交換器１３２を通過する。このため、空調機１００の運転時においても、一次冷媒を用いて二次冷媒を加熱し、加熱された二次冷媒により水を加熱し湯を生成することができ、利便性の向上を図ることが可能となる。

なお、上記第１実施形態においては、冷房運転時に室外熱交換器１１４における放熱を低減させるために送風機１１４ａを停止すると説明したが、熱容量の大きな室外熱交換器１１４に一次冷媒を通過させれば、やはりある程度の放熱は避けられない。そこで室外機１１０の構成に変更を加えて空調機１００と給湯装置１３０をあわせた給湯システムとし、さらなる効率の向上を図ることができる。

図３は、第１実施形態にかかる給湯システムの他の構成を示す図であって、空調機が冷房運転をする場合を例示している。図３に示すように、室外機１１０には、室外熱交換器１１４を迂回して膨張弁１１２と圧縮機１１６とを接続するバイパス経路８１２と、その流量を調整する制御弁８１４を更に備える。そして一次冷媒を、冷房運転時にはバイパス経路８１２を通過させ、暖房運転時には室外熱交換器１１４を通過させる。

このような構成とすることにより、単に送風機１１４ａを停止させる場合よりも、さらに室外熱交換器１１４における一次冷媒からの熱の放出を回避することができる。したがって、第１熱交換器１３２における二次冷媒との熱交換に、より温度が高い状態の一次冷媒を用いることできるため、二次冷媒の加熱効率ひいては湯の生成効率の向上を図れる。

なお、上述したように本実施形態の蓄熱槽１３６は開放式であるので、蓄熱槽１３６に貯留される二次冷媒が水であると水分蒸発が生じる。このため一定期間毎に蓄熱槽１３６への水（二次冷媒）の補給が必要となる。そこで、空調機１００では、冷房運転時は室内機１２０において、暖房運転時は室外機１１０においてドレン水が発生するので、このドレン水を蓄熱槽１３６への補給水として使用してもよい。なお、補給水の供給は、蓄熱槽１３６の水位が一定値以下のときに実施することとしてもよい。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態にかかる給湯装置２３０の構成を示す図であり、特に第２実施形態にかかる給湯装置の暖房運転時を例示している。なお、第１実施形態の構成要素と実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付して説明を省略する。また図４中の実線、破線および一点鎖線については、図１と同様の経路を意味している。

図４に示すように、第２実施形態にかかる給湯装置２３０は、主に、当該給湯装置２３０内において循環経路１０２から分岐して室内機１２０を介さずに一次冷媒を室外機１１０に戻す分岐経路２３２と、第３熱交換器２３４とを備える点において、第１実施形態の給湯装置１３０と異なる。

本実施形態にかかる分岐経路２３２は、循環経路１０２において、圧縮機１１６と室内熱交換器１２２との間、および膨張弁１１２と第１熱交換器１３２との間で分岐する。これにより、空調機１００の通常運転時のように室内機１２０の室内熱交換器１２２に一次冷媒を循環させるだけではなく、室内熱交換器１２２および第１熱交換器１３２を通過させることなく一次冷媒を室外機１１０に戻すことができる。

また本実施形態においては、蓄熱槽１３６と第３熱交換器２３４とに二次冷媒を循環させるための第３行き経路２３８ａおよび第３戻り経路２３８ｂが設けられる。第３行き経路２３８ａは、蓄熱槽１３６の下方から第３熱交換器２３４に接続されており、第３戻り経路２３８ｂは、第３熱交換器２３４から蓄熱槽１３６の上方に接続されている。なお、これに限定するものではなく、蓄熱槽１３６と第３熱交換器２３４との間に第３行き経路２３８ａおよび第３戻り経路２３８ｂを設けずに、第１行き経路１３８ａおよび第１戻り経路１３８ｂを分岐させ、第３熱交換器２３４に接続する構成としてもよい。

上記の第３行き経路２３８ａにはポンプ２４０が設けられており、かかるポンプ２４０の動力を利用して第３熱交換器２３４と蓄熱槽１３６とに二次冷媒を好適に循環させることが可能となる。なお、ポンプ２４０は第３戻り経路２３８ｂに設けられていてもよい。

第３熱交換器２３４は、分岐経路２３２に設けられ、空調機１００を循環する一次冷媒と蓄熱槽１３６からの二次冷媒との熱交換を行う。これにより、第１熱交換器１３２において熱交換を行っていない一次冷媒、すなわち、より高温の一次冷媒と二次冷媒とを熱交換させることが可能となる。

分岐経路２３２上、且つ第３熱交換器２３４の下流側には流量調整弁２３６が設けられている。これにより、第３熱交換器２３４に流入する一次冷媒の量を調整することができる。なお、本実施形態においては流量調整弁２３６を第３熱交換器２３４の下流側に設けたが、これに限定するものではなく、第３熱交換器２３４の上流側に設けてもよい。

第２実施形態にかかる給湯装置において暖房運転時には、図４に太実線で示すように、圧縮機１１６により加圧された高圧状態の一次冷媒は、循環経路１０２を流れて室内熱交換器１２２に流入すると共に、これと並行して分岐経路２３２を流れて第３熱交換器２３４にも流入する。そして、第１熱交換器１３２における熱交換後の一次冷媒と、第３熱交換器２３４における熱交換後の一次冷媒は、合流した後に膨張弁１１２において膨張冷却される。なお、本実施形態においても、空調機の暖房運転時は、膨張弁１１２のみを使用し、膨張弁１３５は開状態としておく。

上記説明したように第２実施形態にかかる空調機１００によれば、室内機１２０を介さない、すなわち室内機１２０の室内熱交換器１２２における熱交換を行わない一次冷媒を第３熱交換器２３４に循環させることにより、熱を放出していない、より高温の一次冷媒と二次冷媒とを熱交換させることができ、更に効率的に二次冷媒ひいては水を加熱することが可能となる。また室外機１１０と第３熱交換器２３４との間で直接一次冷媒を循環させることにより、室内機１２０を運転しない場合においても第３熱交換器２３４において二次冷媒を加熱し、湯を生成することができる。

なお、第２実施形態にかかる給湯装置２３０では、空調機１００の冷房運転時には、流量調整弁２３６を閉状態として分岐経路２３２に一次冷媒を流さずに、すなわち第３熱交換器２３４を使用せずに、第１実施形態の空調機１００および給湯装置１３０と同様に一次冷媒を循環させる。膨張弁においても、第１実施形態と同様に、膨張弁１３５を使用し、膨張弁１１２を開状態としておく。

図５は、運転モードごとの給湯装置の制御状態を示す図である。図５に示すように、上述した給湯装置１３０および２３０では、膨張弁１１２等の開閉状態や、送風機１１２ａおよび１２２ａの動作状態、循環経路１０２における冷媒の循環方向を適宜制御することにより、様々な運転モードを実施することが可能となる。これにより、多様なニーズを満たすことができ、利便性の向上が図れる。

なお、空調機１００の暖房運転時において、暖房負荷が小さいため圧縮機１１６の運転周波数が低くなり効率が低い運転状態となった場合には、暖房運転と並行して二次冷媒の加熱を行い、圧縮機１１６の運転周波数が所定範囲内となるように制御してもよい。これにより、圧縮機１１６の運転周波数を上昇させ、低効率運転を回避することができる。

（第３実施形態）
図６は、第３実施形態にかかる給湯装置３３０の構成を示す図であり、特に第３実施形態にかかる給湯装置の暖房運転時を例示している。なお、第１実施形態および第２実施形態の構成要素と実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付して説明を省略する。また図６中の実線、破線および一点鎖線については、図１と同様の経路を意味している。

図６に示すように、第３実施形態にかかる給湯装置３３０は、主に、当該給湯装置２３０内において循環経路１０２から分岐して室内機１２０を介さずに一次冷媒を室外機１１０に戻す分岐経路３３２と、第３熱交換器２３４とを備える点において、第１実施形態の給湯装置１３０と異なる。また分岐経路３３２が設けられる位置において第２実施形態の２３０と異なる。

本実施形態においては、分岐経路３３２は、循環経路１０２において、圧縮機１１６と室内熱交換器１２２との間、および室内熱交換器１２２と第１熱交換器１３２との間で分岐する。これにより、第２実施形態の給湯装置のように、室内機１２０の室内熱交換器１２２における熱交換を行わない一次冷媒を第３熱交換器２３４に循環させるだけでなく第３熱交換器２３４における熱交換後の一次冷媒に残っている熱を、更に第１熱交換器１３２において回収することが可能となる。したがって、エネルギーロスが更に削減され、二次冷媒の加熱効率、ひいては水の加熱効率をより向上させることができる。

（第４実施形態）
図７は、第４実施形態にかかる給湯装置の構成を示す図であり、特に第４実施形態にかかる給湯装置の暖房運転時を示している。図７（ａ）は補助熱源を蓄熱槽の外部に備える給湯装置４３０を、図７（ｂ）は補助熱源を蓄熱槽の内部に備える給湯装置４５０を例示している。なお、第１実施形態の構成要素と実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付して説明を省略する。また図７中の実線、破線および一点鎖線については、図１と同様の経路を意味している。

図７（ａ）および（ｂ）に示すように、第４実施形態にかかる給湯装置４３０および４５０は、主に補助熱源を備える点において、第１実施形態の給湯装置１３０と異なる。

本実施形態では、補助熱源として、二次冷媒を補助的に加熱する熱交換器すなわち補助熱交換器４３２を設け、外部熱源４０２の廃熱を吸熱した熱媒体をかかる補助熱交換器４３２に循環させている。これにより、外部熱源４０２の排熱を、蓄熱槽１３６に貯留されるまたは貯留された二次冷媒の補助的な加熱に用い、有効利用することが可能となる。外部熱源４０２としては、例えばガスヒートポンプ、燃料電池（ＦＣとも称される）、ガスエンジンなどを好適に利用することができる（コジェネレーション廃熱）。またこれらの熱源だけでなく、例えば太陽熱温水パネルを外部熱源４０２として熱媒体を加熱し、かかる熱媒体を補助熱交換器４３２に循環させてもよいし、入浴後の浴槽（図１０の風呂７０２参照）の湯を補助熱交換器４３２に循環させてもよい。また外部熱源４０２を設けず、電気ヒータ等を補助熱源として、すなわち熱交換器ではない補助熱源により二次冷媒を直接加熱してもよい。

図７（ａ）の給湯装置４３０は、蓄熱槽１３６の外部に補助熱交換器４３２を備えている。そして、給湯装置４３０では、蓄熱槽１３６の下方から補助熱交換器４３２に接続される第４行き経路４３４ａと、補助熱交換器４３２から蓄熱槽１３６の上方に接続される第４戻り経路４３４ｂとが設けられていて、蓄熱槽１３６と補助熱交換器４３２とに二次冷媒を循環させている。また第４行き経路４３４ａには、二次冷媒を補助熱交換器４３２に送り出すための動力としてポンプ４３６が設けられている。なお、ポンプ４３６は第４戻り経路４３４ｂに設けられていてもよい。

また図７（ａ）に示す給湯装置４３０は２つの分岐経路を備えている。分岐経路４３８ａは、蓄熱槽１３６の高さ方向の略中央から第４行き経路４３４ａに接続されている。これにより、蓄熱槽１３６の下方の二次冷媒だけでなく、蓄熱槽１３６の中央付近の二次冷媒を補助熱交換器４３２に送出することができる。換言すれば、低温の二次冷媒だけでなく、中温の二次冷媒を補助熱交換器４３２に送出することができる。したがって、高温の湯を多く必要とする場合等に、二次冷媒の温度をより速く高め、ひいては高温の湯をより速く生成することができる。

分岐経路４３８ｂは、第４戻り経路４３４ｂから蓄熱槽１３６の下方に接続されている。これにより、補助熱交換器４３２によって加熱された二次冷媒の温度を参照し、温度が低い場合には分岐経路４３８ｂを通じて蓄熱槽１３６の下方に、温度が高い場合には第４戻り経路４３４ｂを通じて蓄熱槽１３６の上方に二次冷媒を戻すことができる。したがって、補助加熱後の二次冷媒の温度が低い場合においても、蓄熱槽１３６上方に貯留された二次冷媒の温度成層を乱したり、温度低下を招いたりすることがない。

図７（ｂ）の給湯装置４５０は、蓄熱槽１３６の内部に補助熱交換器４３２（熱交換器）を備えている。そして、給湯装置４５０では、補助熱交換器４３２と外部熱源４０２との間に設けられた循環経路４５２ａおよび４５２ｂにより、外部熱源４０２からの熱媒体を補助熱交換器４３２に循環させている。これにより、給湯装置４３０よりも更に簡易な構成としつつも、外部熱源４０２の廃熱を有効利用することが可能となる。

上記説明したように、第４実施形態にかかる給湯装置４３０および４５０によれば、二次冷媒を補助的に加熱することができ、二次冷媒の温度をより効率的に高めることが可能となる。したがって、第２熱交換器における熱交換においてより多くの熱を水に与えることができる。なお、本実施形態では例示していないが、蓄熱槽１３６の外部および内部の両方に補助熱交換器４３２を設ける構成としてもよい。

また上述した給湯装置４５０と外部熱源４０２とを一体に構成してもよい。本実施形態においては例示していないが、外部熱源４０２を例えば太陽熱温水器とする場合、太陽熱温水器は蓄熱槽を有するのが一般的である。したがって、給湯装置４５０と外部熱源４０２とを一体とすることによって、蓄熱槽を共用することができ、さらなるコストの削減を図ることができる。

（第５実施形態）
図８は、第５実施形態にかかる給湯装置の構成を示す図であり、特に第５実施形態にかかる給湯装置の暖房運転時を示している。図８（ａ）は補助熱源を第２熱交換器の下流側に備える給湯装置５３０を、図８（ｂ）は補助熱源を第２熱交換器の上流側に備える給湯装置５５０を例示している。なお、第１実施形態の構成要素と実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付して説明を省略する。また図８中の実線、破線および一点鎖線については、図１と同様の経路を意味している。

図８（ａ）および（ｂ）に示すように、第５実施形態にかかる給湯装置５３０および５５０は、主に補助熱源５３２を備える点において、第１実施形態の給湯装置１３０と異なる。

本実施形態では、補助熱源５３２は燃焼式給湯装置であり、水または湯を直接加熱する。なお、これに限定するものではなく、補助熱源５３２として電気ヒータ等を用いてもよいし、第４実施形態の補助熱源（補助熱交換器４３２）のように、補助熱源５３２を熱交換器とし且つ給湯装置に外部熱源を設け、外部熱源の廃熱を吸熱した熱媒体をかかる補助熱源５３２に循環させてもよい。

図８（ａ）の給湯装置５３０は、第２熱交換器１４２の下流側、すなわち給水経路１４４に補助熱源５３２を備えている。これにより、第２熱交換器１４２において二次冷媒との熱交換を行う前の水を予め加熱しておくことが可能となり、例えば太陽熱温水器などの低温の熱源を補助熱源５３２として有効利用することができる。

図８（ｂ）の給湯装置５５０は、第２熱交換器１４２の上流側、すなわち給湯手段１４６に補助熱源５３２を備えている。これにより、第２熱交換器１４２において二次冷媒と熱交換を行った後の湯を更に加熱することが可能となる。

なお、補助熱源５３２の最小加熱能力が大きい場合、第２熱交換器１４２から補助熱源５３２に供給する湯の温度が高いと最終的な供給温度が目標温度より高温となる可能性がある。このような場合、補助熱源５３２に供給する水温を予め低めに調整して、最終的な供給温度が目標温度またはその近傍になるように制御するとよい。このような制御を行う際には、補助熱源５３２と第２熱交換器１４２とが通信できる手段を給湯装置５５０に設けることが好ましい。

更に、図８（ｂ）に示す給湯装置５５０は、給湯手段１４６において、補助熱源５３２を迂回するバイパス経路５３４を備えている。これにより、第２熱交換器１４２における熱交換のみで湯の温度を目標温度に到達させることが可能な場合に、補助熱源５３２を迂回することができる。したがって、湯が補助熱源５３２を通過する際の放熱を回避することができ、熱損失を低減することが可能となる。

上記説明したように、第５実施形態にかかる給湯装置５３０および５５０によれば、第２熱交換器１４２に供給する水、または第２熱交換器１４２における熱交換により生成された湯を補助的に加熱することができる。したがって、より高温の湯を容易に供給することや、第２熱交換器１４２における熱交換により得ることができる熱が少ない場合であっても湯を確実に目標温度に到達させることができ、利便性の更なる向上が図れる。

なお、本実施形態の給湯装置５３０は空調実施時（空調機１００の運転時）のみに貯湯（給湯装置５３０の運転）を行ってもよい。これにより、給湯装置５３０の第１熱交換器１３２は一次冷媒の廃熱回収に徹することとなり、残湯発生による効率低下を防止することができる。

また一日の時間を、夜間など低負荷時となる第１の時間帯と、その他の時間帯である第２の時間帯とのように複数の時間帯に分割し、時間帯に応じて給湯システムの動作を制御してもよい。例えば、低負荷時となる第１の時間帯では空調機１００のヒートポンプを利用して二次冷媒の加熱（二次冷媒が水である場合には貯湯）を行い、その他の第２の時間帯では、蓄熱槽１３６の熱量または貯留量が所定値以下になった場合にヒートポンプを利用した二次冷媒の加熱（貯湯）を行い、給湯手段１４６から供給する湯の温度が目標温度に到達しない場合のみ補助熱源５３２を用いて更に加熱を行うというように給湯装置５３０を動作させてもよい。また第２の時間帯の中に、電力ピークカットが求められる時間帯として第３の時間帯を設定し、第３の時間帯にはヒートポンプによる二次冷媒の加熱（貯湯）を休止し、補助熱源５３２のみを用いてもよい。

なお、補助給湯器５３２は、必ずしも給湯装置５３０の内部に設置される必要はなく、外部に設置されてもよい。例えば、給湯装置５３０を既設の給湯器（不図示）に接続する場合がこれに該当する。

（第６実施形態）
図９は、第６実施形態にかかる給湯装置６３０の構成を示す図であり、特に第６実施形態にかかる給湯装置の暖房運転時を示している。なお、第１実施形態の構成要素と実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付して説明を省略する。また図９中の実線、破線および一点鎖線については、図１と同様の経路を意味している。

図９に示すように、第６実施形態にかかる給湯装置６３０は、主に蓄熱槽の二次冷媒を直接利用可能な温熱利用設備６０２を備える点において、第１実施形態の給湯装置１３０と異なる。温熱利用設備６０２の例としては、融雪装置や床暖房装置、全館暖房用ヒータ等を挙げることができる。換言すれば、二次冷媒を経口用途ではなく、熱媒体として利用する機器であれば、温熱利用設備６０２に該当する。

給湯装置６３０は、二次冷媒を直接利用する経路、すなわち蓄熱槽１３６と温熱利用設備６０２とに二次冷媒を循環させるための経路として、直接行き経路６３２および直接戻り経路６３６を備える。また直接行き経路６３２には二次冷媒を循環させるための動力としてポンプ６３４が設けられている。なお、ポンプ６３４は、直接戻り経路６３６に設けられていてもよい。

直接行き経路６３２は、蓄熱槽１３６から温熱利用設備６０２の上流側に接続されている。かかる直接行き経路６３２は、ポンプ６３４より上流側において複数の経路に分岐して蓄熱槽１３６に接続されている。詳細には、蓄熱槽１３６の上方には分岐経路６３２ａが接続され、蓄熱槽１３６の高さ方向の略中央には分岐経路６３２ｂが接続され、蓄熱槽１３６の下方には分岐経路６３２ｃが接続されている。これらの分岐経路６３２ａ〜６３２ｃは合流して直接行き経路６３２となる。各分岐経路６３２ａ〜６３２ｃには、不図示の流量調整弁が設けられている。

上記構成によれば、分岐経路６３２ａにより蓄熱槽１３６の上方に貯留されている高温の二次冷媒を、分岐経路６３２ｂにより蓄熱槽１３６の中央に貯留されている中温の二次冷媒を、分岐経路６３２ｄにより蓄熱槽１３６の下方に貯留されている低温の二次冷媒を混合することができる。これにより、温熱利用設備６０２に供給する二次冷媒の温度を目標温度に到達するように調整することができる。

直接戻り経路６３６は、温熱利用設備６０２の下流側から蓄熱槽１３６に接続されている。かかる直接戻り経路６３６は、複数の経路に分岐して蓄熱槽１３６に接続されている。詳細には、分岐経路６３６ａは、直接戻り経路６３６から分岐して蓄熱槽１３６の下方に接続されている。分岐経路６３６ｂは、直接戻り経路６３６から分岐して蓄熱槽１３６の高さ方向の略中央に接続されている。

上記構成によれば、温熱利用設備６０２において使用されることにより低温となった二次冷媒を分岐経路６３６ａを介して蓄熱槽１３６の下方に戻すことができる。例えば温熱利用設備６０２が融雪装置であった場合には、戻りの二次冷媒は常に低温になると考えられることから、分岐経路６３６ａを介して蓄熱槽１３６の下方に戻す。温熱利用設備６０２が床暖房装置であった場合には、運転開始時には低温で戻ってくるが、時間が経つにつれて中温程度まで昇温すると考えられるので、始めの頃は蓄熱槽１３６の下方に戻し、二次冷媒の温度に応じて分岐経路６３６ｂを介して蓄熱槽１３６の中央に戻す。このように、二次冷媒の温度に応じて戻す位置を変えることにより、蓄熱槽１３６の温度成層の乱れを防止し、以後の一次冷媒との熱交換効率の低下を防止することができる。

上記説明したように、第６実施形態にかかる給湯装置６３０によれば、二次冷媒を間接利用のみならず直接利用することが可能となる。したがって、二次冷媒をより多くの用途に用いることができ、利便性の向上が図れる。

なお、上述したように温熱利用設備６０２として床暖房装置や融雪装置を想定した場合、これらの設備は熱容量が大きいため装置起動時に非常に大きな熱負荷がかかり、一度装置全体が暖まると比較的小負荷が長い時間継続する。しかしながら、従来のヒートポンプ式温熱利用設備は、蓄熱槽（貯湯槽）を有さない、または蓄熱槽を有していたとしても容量が小さかったため、起動時の大負荷に対処するべくヒートポンプ容量を大きくし、小負荷時は圧縮機１１６において効率の悪い低周波数運転を長時間継続していた。これに対し、本実施形態では、給湯のために設けられた蓄熱槽１３６の二次冷媒を直接使用するので、大容量ヒートポンプを使用することなく起動時の大負荷に対処でき、また小負荷時の圧縮機低周波数を回避して運転効率の向上を図ることができる。

（第７実施形態）
図１０は、第７実施形態にかかる給湯装置７３０の構成を示す図であり、特に第７実施形態にかかる給湯装置の暖房運転時を示している。なお、第１実施形態の構成要素と実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付して説明を省略する。また図１０中の実線、破線および一点鎖線については、図１と同様の経路を意味している。

図１０に示すように、第７実施形態にかかる給湯装置７３０は、主に風呂７０２の湯を追いだきする熱交換器および経路を備える点において、第１実施形態の給湯装置１３０と異なる。詳細には、給湯装置７３０は第４熱交換器７３２を備え、第４熱交換器７３２には風呂行き経路７３４ａおよび風呂戻り経路７３４ｂが接続されている。風呂行き経路７３４ａは、第４熱交換器７３２の下流側から風呂７０２の上流側に接続されており、風呂戻り経路７３４ｂは、風呂７０２の下流側から第４熱交換器７３２の上流側に接続されている。そして、風呂戻り経路７３４ｂには動力としてのポンプ７３６が設けられている。これらにより、風呂７０２の湯を第４熱交換器７３２に循環させることができる。

また第４熱交換器７３２と蓄熱槽１３６との間には、第５行き経路７３８および第５戻り経路７４０が設けられている。第５行き経路７３８は、蓄熱槽１３６の上方から第４熱交換器７３２の上流側に接続される。第５戻り経路７４０は、第４熱交換器７３２の下流側から分岐経路７４０ａおよび７４０ｂに分岐し、分岐経路７４０ａとして蓄熱槽１３６の高さ方向の略中央に、分岐経路７４０ｂとして蓄熱槽１３６の下方に接続されている。そして、第５行き経路７３８には動力としてのポンプ７４２が設けられている。これらにより、二次冷媒を第４熱交換器７３２に循環させることができる。

給湯装置７３０を用いて風呂の追いだきを行う場合、まず風呂７０２の湯は風呂戻り経路７３４ｂを通じて第４熱交換器７３２に流入し、これと並行して、第４熱交換器７３２には第５行き経路７３８を通じて蓄熱槽１３６の上方の高温の二次冷媒が流入する。そして、第４熱交換器７３２における熱交換により湯は二次冷媒により加熱される。加熱された湯は、風呂行き経路７３４ａを通じて風呂７０２に供給される。

一方、７３２における熱交換後の二次冷媒は、第５戻り経路７４０を通じて蓄熱槽１３６に戻る。このとき、二次冷媒が低温であった場合には、二次冷媒を分岐経路７４０ｂを通じて蓄熱槽１３６の下方に戻し、二次冷媒が中温であった場合には、二次冷媒を分岐経路７４０ａを通じて蓄熱槽１３６の中央に戻す。二次冷媒を蓄熱槽１３６のいずれの位置に戻すかは、第４熱交換器７３２の出口における二次冷媒の温度（出口温度）を参照して決定するとよい。

上記説明したように、第７実施形態にかかる給湯装置７３０によれば、蓄熱槽１３６の二次冷媒を用いて風呂７０２の湯の追いだきを行うことが可能となる。したがって、更なる利便性の向上を図ることができる。

なお、第７実施形態の給湯装置では、二次冷媒が蓄熱槽と第１熱交換器とを循環する経路、すなわち第１行き経路１３８ａおよび１３８ｂにおいても複数の分岐配管を設けている。詳細には、第１行き経路１３８ａからは分岐経路７５０が分岐しており、分岐配管７５０は蓄熱槽１３６の高さ方向の略中央に接続されている。これにより、例えば、蓄熱槽１３６に貯留されている二次冷媒において中温の領域が増大してしまった場合等に、分岐経路７５０を通じて中温の二次冷媒を１３２に送り、第１熱交換器１３２における熱交換により高温とすることができる。

また第１戻り経路１３８ｂからは、蓄熱槽の高さ方向の略中央に接続される分岐経路７５２と、蓄熱槽の下方に接続される分岐経路７５４とが分岐している。これにより、第１熱交換器１３２において熱交換後の二次冷媒を、通常時は第１戻り経路１３８ｂを通じて蓄熱槽１３６の上方に戻したり、二次冷媒の温度が中温の場合には７５２を通じて蓄熱槽１３６の中央に戻したり、二次冷媒の温度が低温の場合には分岐経路７５４を通じて蓄熱槽の下方に戻したりすることができる。したがって、二次冷媒の温度に応じてより適切な循環経路を構築することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施例について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、水を加熱して生成した湯を供給する給湯装置および給湯システムとして利用することができる。

１００…空調機、１０２…循環経路、１０２ａ・１０２ｂ・１０２ｃ・１０２ｄ…分岐経路、１０２ｅ・１０２ｆ…合流経路、１１０…室外機、１１２…膨張弁、１１４…室外熱交換器、１１４ａ…送風機、１１６…圧縮機、１１８…四方弁、１２０…室内機、１２２…室内熱交換器、１２２ａ…送風機、１３０…給湯装置、１３２…第１熱交換器、１３４ａ・１３４ｂ・１３４ｃ・１３４ｄ…逆止弁、１３５…膨張弁、１３６…蓄熱槽、１３８ａ…第１行き経路、１３８ｂ…第１戻り経路、１３８ｃ…第２行き経路、１３８ｄ…第２戻り経路、１４０ａ・１４０ｂ…ポンプ、１４２…第２熱交換器、１４４…給水経路、１４６…給湯手段、２３０…給湯装置、２３２…分岐経路、２３４…第３熱交換器、２３６…流量調整弁、２３８ａ…第３行き経路、２３８ｂ…第３戻り経路、２４０…ポンプ、３３０…給湯装置、３３２…分岐経路、４０２…外部熱源、４３０…給湯装置、４３２…補助熱交換器、４３４ａ…第４行き経路、４３４ｂ…第４戻り経路、４３６…ポンプ、４３８ａ・４３８ｂ…分岐経路、４５０…給湯装置、４５２ａ・４５２ｂ…循環経路、５３０…給湯装置、５３２…補助熱源、５３４…バイパス経路、５５０…給湯装置、６０２…温熱利用設備、６３０…給湯装置、６３２…直接行き経路、６３２ａ・６３２ｂ・６３２ｃ…分岐経路、６３４…ポンプ、６３６…直接戻り経路、６３６ａ・６３６ｂ…分岐経路、７０２…風呂、７３０…給湯装置、７３２…第４熱交換器、７３４ａ…風呂行き経路、７３４ｂ…風呂戻り経路、７３６…ポンプ、７３８…第５行き経路、７４０…第５戻り経路、７４０ａ・７４０ｂ…分岐経路、７４２…ポンプ、７５０・７５２・７５４…分岐経路、８１２ …バイパス経路、８１４…制御弁

Claims

ヒートポンプを用いて室内の空調を行う空調機と併設される給湯装置であって、
前記空調機の室外機と室内機とを循環する一次冷媒の循環経路上に設けられ、該一次冷媒と二次冷媒との熱交換を行う第１熱交換器と、
前記二次冷媒を貯留する蓄熱槽と、
前記蓄熱槽に貯留された二次冷媒と水との熱交換を行い湯を生成する第２熱交換器と、
前記生成された湯を給湯設備に供給する給湯手段と、
を備えることを特徴とする給湯装置。
前記第１熱交換器の前記室内機側に、冷房動作時に前記一次冷媒を膨張させる膨張弁を備えたことを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。
前記蓄熱槽は、外形がほぼ直方体の開放式蓄熱槽であることを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。
前記循環経路は、前記第１熱交換器の前記室外機側および前記室内機側の両側において分岐して該第１熱交換器の両端に接続されており、
前記第１熱交換器の一方側には前記室外機および前記室内機の両方から流入する向きの逆止弁が設けられており、
前記第１熱交換器の他方側には前記室外機および前記室内機の両方へと流出する向きの逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。
当該給湯装置内において前記循環経路から分岐し、前記室内機を介さずに前記一次冷媒を前記室外機に戻す分岐経路と、
前記分岐経路に設けられ前記一次冷媒と前記二次冷媒との熱交換を行う第３熱交換器と、
を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。
前記蓄熱槽の内部もしくは外部のいずれか一方または両方に設けられ、前記二次冷媒を加熱する補助熱源を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。
前記第２熱交換器の上流側もしくは下流側のいずれか一方または両方に設けられ、前記湯を加熱する補助熱源を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。
室外機と室内機の間で構成されるヒートポンプを用いて室内の空調を行う空調機と、請求項１に記載の給湯装置とを備える給湯システムであって、
前記ヒートポンプは、
膨張弁と、室外熱交換器と、室内熱交換器と、圧縮機と、これらに一次冷媒を循環させる循環経路とを有し、
さらに、該循環経路から分岐し、前記室外熱交換器を迂回して前記膨張弁と前記圧縮機とを接続するバイパス経路とを備えることを特徴とする給湯システム。