JP2013068403A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機からの放熱を水の加熱に高い効率で利用することができ、運転効率を向上させることが可能なヒートポンプ給湯機を提供すること。
【解決手段】本発明のヒートポンプ給湯機は、冷媒を圧縮する圧縮機１と、冷媒と水との熱交換を行う水冷媒熱交換器２と、冷媒を膨張させる膨張弁３と、冷媒と空気との熱交換を行う空気熱交換器４とを有する冷媒回路（冷凍サイクル１０１）と、圧縮機１の外側に設けられ、圧縮機１の熱を水に受熱させる水熱交換器７と、水冷媒熱交換器２および水熱交換器７を経由する水の流路を有する水回路（給湯水回路２０１）と、水熱交換器７を覆う真空断熱材１４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯機に関する。

空気の熱を利用して湯を沸かすことのできるヒートポンプ給湯機が広く用いられている。ヒートポンプ給湯機のヒートポンプユニットには、圧縮機、水冷媒熱交換器、膨張弁および空気熱交換器を順次環状に接続し、冷媒が循環する冷媒回路と、空気熱交換器に外気を送風するファンとが搭載されている。ヒートポンプ給湯機で湯を沸かす沸き上げ運転時には、冷媒回路を構成する要素の中で、圧縮機表面の温度が最大温度となり、外気温度よりも高温となる。従来のヒートポンプ給湯機では、運転効率を向上させるために、圧縮機の外周にグラスウールなどの断熱材を巻き、圧縮機表面からの放熱量を低減させている。

また、下記特許文献１では、圧縮機シェルの表面に水熱交換器（圧縮機シェル熱交換器）を設置し、圧縮機からの放熱を水の加熱に利用する方法が提案されている。

特開２００８−２５６３６０号公報

特許文献１に記載されたヒートポンプ給湯機では、圧縮機からの放熱を圧縮機シェル熱交換器により回収して水を加熱する。しかし、圧縮機シェル熱交換器内を通過する水の温度は、圧縮機表面温度より低いが、外気温度よりは高温となる。このため、圧縮機表面から回収した熱が再び圧縮機シェル熱交換器の表面から放出されてしまう。このようなことから、圧縮機からの放熱を効率良く水の加熱に利用できない問題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、圧縮機からの放熱を水の加熱に高い効率で利用することができ、運転効率を向上させることが可能なヒートポンプ給湯機を提供することを目的とする。

本発明に係るヒートポンプ給湯機は、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒と水との熱交換を行う水冷媒熱交換器と、冷媒を膨張させる膨張弁と、冷媒と空気との熱交換を行う空気熱交換器とを有する冷媒回路と、圧縮機の外側に設けられ、圧縮機の熱を水に受熱させる水熱交換器と、水冷媒熱交換器および水熱交換器を経由する水の流路を有する水回路と、水熱交換器を覆う真空断熱材とを備えたものである。

本発明によれば、圧縮機からの放熱を水熱交換器で回収して水の加熱に利用するとともに、断熱性能の高い真空断熱材により水熱交換器を覆うことで、圧縮機から回収した熱が水熱交換器から再放熱されることを確実に抑制することができる。このため、圧縮機からの放熱を効率良く水の加熱に利用でき、ヒートポンプ給湯機の運転効率を高めることができる。また、真空断熱材が接触する水熱交換器の温度は圧縮機表面の温度より低いので、真空断熱材の熱溶着部が劣化して剥離等を生ずることを確実に抑制することができる。このため、真空断熱材の断熱性能の低下を防止することができる。また、真空断熱材に特殊な耐熱性材料を使用する必要がなく、真空断熱材のコスト増加を回避することができる。

本発明の実施の形態１のヒートポンプ給湯機を示す構成図である。 本発明の実施の形態１における圧縮機、水熱交換器および真空断熱材の配置を示す断面図である。 本発明の実施の形態２のヒートポンプ給湯機を示す構成図である。 本発明の実施の形態３のヒートポンプ給湯機を示す構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１のヒートポンプ給湯機を示す構成図である。図１に示すように、本実施形態のヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプユニット１００と、タンクユニット２００と、浴槽ユニット３００とを備えている。ヒートポンプユニット１００内には、圧縮機１、水冷媒熱交換器２、膨張弁３および空気熱交換器４を順次環状に接続し、冷媒が循環する冷凍サイクル（冷媒回路）１０１と、空気熱交換器４に外気を送風するファン５とが搭載されている。また、圧縮機１の外側（外周部）には、圧縮機１の表面から放出される熱を回収するための水熱交換器（ウォータージャケット）７が設置されている。

タンクユニット２００内には、負荷側媒体である水を水冷媒熱交換器２に送水する水循環ポンプとしての沸き上げ用ポンプ６ａと、貯湯タンク８とが搭載されている。貯湯タンク８内には、市水等の水源から供給される低温水が下層側に貯留され、上層側にはヒートポンプユニット１００で加熱されて生成された高温水が貯留される。なお、沸き上げ用ポンプ６ａは、必ずしもタンクユニット２００に設置する必要はなく、ヒートポンプユニット１００側に搭載してもよい。

水冷媒熱交換器２と水熱交換器７とを接続する接続配管９ａと、と、貯湯タンク８の下部に設けられた取水口８ａと沸き上げ用ポンプ６ａとを接続する接続配管９ｃと、沸き上げ用ポンプ６ａと水冷媒熱交換器２とを接続する接続配管９ｄとにより、給湯水回路（水回路）２０１が構成されている。

また、貯湯タンク８の上部に設けられた出湯口８ｃから、浴槽１０内の浴槽水を追焚き（加熱または保温）するための追焚き熱交換器１２を経由して、追焚き用ポンプ６ｂまでの間を接続する接続配管９ｅと、追焚き用ポンプ６ｂと貯湯タンク８の下部に設けられた戻し口８ｄとを接続する接続配管９ｆとにより、追焚き加熱回路２０２が構成されている。

また、浴槽１０と浴槽循環ポンプ１１とを接続する接続配管９ｇと、浴槽循環ポンプ１１と追焚き熱交換器１２とを接続する接続配管９ｈと、追焚き熱交換器１２と浴槽１０とを接続する接続配管９ｉとにより、追焚き負荷側回路３０１が構成されている。

本実施形態のヒートポンプ給湯機は、貯湯タンク８に貯留された湯（高温水）を取り出し、水源から供給される低温水と混合して混合湯を生成し、例えば風呂や流し台などに給湯する機構を更に備えているが、図１では省略している。

圧縮機１を駆動する圧縮機駆動装置は、インバータ制御のＤＣブラシレスモータを使用して、回転数を可変としたものとすることが好ましい。これにより、圧縮機１から吐出する冷媒の圧力や温度を変化させ、圧縮機１の能力を可変とすることができる。また、複数台の圧縮機１を組み合せて、この組み合せを切換えて全体の能力を可変としても良い。また、圧縮機１の吸入側に冷媒音を低減させるサクションマフラーのような容器や、圧縮機１の吐出側に流出した潤滑油を回収する装置など、他の目的の構造を付加しても良い。このヒートポンプ式給湯機の冷媒としては、高温出湯ができる冷媒、例えば、二酸化炭素、Ｒ４１０Ａ、プロパン、プロピレンなどの冷媒が適しているが、特にこれらに限定されるものではない。

ヒートポンプユニット１００内には、給湯水回路２０１において、入水温度センサ１３ａが水冷媒熱交換器２の水入口側に設けられ、出湯温度センサ１３ｂが水熱交換器７の出口側に設けられており、それぞれの設置場所の水温を計測する。また、ヒートポンプユニット１００の外郭またはその近傍に設けた外気温度センサ１３ｃは、ヒートポンプユニット１００の周囲の外気温度を計測する。冷凍サイクル１０１において、吐出温度センサ１３ｄが圧縮機１の出口側に、吸入温度センサ１３ｅが圧縮機１の入口側に設けられており、蒸発温度センサ１３ｆが空気熱交換器４の入口から中間部に設けられており、それぞれ配置場所の冷媒温度を計測する。また、タンクユニット２００内の貯湯タンク８表面には貯湯温度センサ１３ｇ〜１３ｊが設けられており、貯湯タンク８内の水温を計測する。

浴槽１０には浴槽水温センサ１３ｋが設けられ、浴槽水温を計測する。追焚き負荷側回路３０１において、追焚き熱交換器入水温度センサ１３ｌが追焚き熱交換器１２の入口側に設けられ、追焚き熱交換器出湯温度センサ１３ｍが追焚き熱交換器１２の出口側に設けられ、浴槽循環ポンプ１１にて循環する水温をそれぞれの設置場所で計測する。

ヒートポンプユニット１００内には、制御装置（制御手段）１５が設けられている。この制御装置１５は、各温度センサ１３ａ〜１３ｍなどによる計測情報や、ヒートポンプ式給湯機の使用者からリモコン装置（図示せず）などにより指示される運転指令情報の内容に基づいて、圧縮機１の運転方法、膨張弁３の開度、沸き上げ用ポンプ６ａ、追焚き用ポンプ６ｂの運転方法、浴槽循環ポンプ１１の運転方法、後述の沸き上げ運転などを制御する。

次に、このヒートポンプ式給湯機における運転動作について説明する。まず、沸き上げ運転について説明する。沸き上げ運転とは、冷凍サイクル１０１と給湯水回路２０１とを動作させ、貯湯タンク８下部の取水口８ａから沸き上げ用ポンプ６ａで低温水を流出させて水冷媒熱交換器２および水熱交換器７に送水し、水冷媒熱交換器２で冷媒との熱交換により水を加熱し、水熱交換器７で圧縮機１の放熱により水を加熱して高温水を生成し、その高温水を貯湯タンク８上部の貯湯口８ｂから貯湯タンク８内に戻す動作である。

ヒートポンプユニット１００の冷凍サイクル１０１において、圧縮機１のシェル１ａ内を満たす高温高圧のガス冷媒は、水熱交換器７を通過する給湯水回路２０１側の水に放熱（水を加熱）して、水冷媒熱交換器２に流入する。水冷媒熱交換器２に流入した冷媒は、水へ放熱しながら温度低下する。このとき高圧側冷媒圧力が臨界圧以上であれば、冷媒は超臨界状態のまま気液相転移しないで温度低下して放熱する。また、高圧側冷媒圧力が臨界圧以下であれば、冷媒は液化しながら放熱する。つまり、冷媒から放熱された熱を負荷側媒体（ここでは、給湯水回路２０１を流れる水）に与えることで給湯加熱（沸き上げ）を行う。給湯加熱をして水冷媒熱交換器２から流出した高圧低温の冷媒は、膨張弁３を通過する。

膨張弁３を通過した冷媒は、ここで低圧気液二相の状態に減圧される。膨張弁３を通過した冷媒は空気熱交換器４に流入し、そこで外気の空気から吸熱し、蒸発ガス化される。空気熱交換器４を出た低圧冷媒は圧縮機１に吸入されて循環し、冷凍サイクル１０１を形成する。

また、給湯水回路２０１側では、貯湯タンク８内の低温水が、沸き上げ用ポンプ６ａにより貯湯タンク８下部の取水口８ａから導かれ、接続配管９ｃ，９ｄを通過して水冷媒熱交換器２内に搬送される。この水は、水冷媒熱交換器２内で冷媒と熱交換して加熱（沸き上げ）され、接続配管９ａを通過して更に水熱交換器７内に流入して加熱される。このようにして加熱された高温水は、接続配管９ｂを通過して、貯湯タンク８上部の貯湯口８ｂから貯湯タンク８内に流入する。これにより、貯湯タンク８内は、上部が高温水で下部が低温水の状態となる。

次に、このヒートポンプ式給湯機での沸き上げ運転制御動作について説明する。まず、回転数等で制御される圧縮機１の運転容量および沸き上げ用ポンプ６ａの回転数は、制御装置１５で算出される加熱能力に基づいて調整される。つまり、加熱能力および出湯温度センサ１３ｂで計測される水熱交換器７の出口における水の温度（出湯温度）が、予め定められた目標値となるように調整制御される。その目標出湯温度は、使用者からリモコン装置にて指示される運転指令情報から設定されるか、あるいはリモコン装置内もしくは制御装置１５に設けられたマイコンにて過去の給湯使用量から算出される蓄熱エネルギー（貯湯量）を確保できるように設定される。また、目標出湯温度は、予め範囲が決められており、例えば６５℃から９０℃の範囲に設定されている。

そして、目標出湯温度範囲の最大値で所定の加熱能力を確保できれば、目標出湯温度の範囲内で所定の加熱能力を確保できる。したがって、水冷媒熱交換器２と水熱交換器７とを合わせた加熱能力である圧縮機１の回転数は、例えば外気温度と給水温度とに基づき調整することで、どのような目標出湯温度においても所定の加熱能力を確保することができる。言いかえれば、圧縮機１の出力は、どのような外部条件に対しても給湯機として要求されるお湯の温度を何時でも確保できる加熱能力を準備しており、この結果、常に所望の温度のお湯が給湯装置として得ることができる。また、圧縮機１の回転数は、耐久性の観点から上限回転数および下限回転数が設けられている。

膨張弁３の開度は、吐出温度センサ１３ｄで計測される冷媒の吐出温度が所定値（目標吐出温度）になるように制御される。目標吐出温度は、目標出湯温度を確保できる温度とするため、目標出湯温度より高い温度、すなわち目標出湯温度＋α［℃］に設定されている。値αは、例えば外気温度や目標出湯温度の関数とする。このように目標出湯温度に応じた目標吐出温度とすることで、要求された出湯温度を確保することができる。また、圧縮機１の耐久性や冷凍機油劣化などの観点から、通常、吐出温度には上限温度が設けられている。

沸き上げ用ポンプ６ａの回転数は、出湯温度が目標出湯温度となるように制御される。本実施形態では、膨張弁３の開度制御により冷媒の吐出温度が目標出湯温度＋α［℃］に制御される（すなわち、冷凍サイクル１０１側の加熱能力が一定に維持される）ため、確実に出湯温度を確保することができる。

図２は、本発明の実施の形態１における圧縮機１、水熱交換器７および真空断熱材１４の配置を示す断面図である。なお、図２において、圧縮機１の詳細な内部構造等は省略して示している。図２に示すように、圧縮機１は、シェル１ａを有しており、シェル１ａ内には、圧縮機構部１ｂと、圧縮機駆動装置（図示せず）とが設けられている。圧縮機構部１ｂには吸入配管１ｃが接続され、シェル１ａの上部には吐出配管１ｄが接続されている。圧縮機１のシェル１ａの外周には、水熱交換器７が設置されている。水熱交換器７の外周には、真空断熱材１４が配置されている。

図２に示す水熱交換器７は、シェル１ａの外周に管状部材を螺旋状に巻きつけた構成を有している。ただし、水熱交換器７は、このような構成に限定されるものではなく、例えば、シェル１ａの外周を円筒で覆い、シェル１ａと円筒とで二重管式熱交換器を模した形状とする構成など、シェル１ａの表面と水とが熱交換可能な形状であれば良い。

以下、水熱交換器７と真空断熱材１４の設置による放熱量低減効果について説明する。吸入配管１ｃから圧縮機構部１ｂの圧縮室に流入した低温低圧の冷媒は、圧縮室で圧縮され、圧縮機１のシェル１ａ内に高温高圧の状態で流出する。シェル１ａ内に満たされた高温高圧の冷媒は、シェル１ａ外に接する水熱交換器７の内部を通過する水と熱交換して放熱し、温度が低下して、吐出配管１ｄより流出する。

水熱交換器７を通過する水は、圧縮機１のシェル１ａ内に吐出された高温高圧の冷媒と熱交換して昇温する。目標出湯温度が９０℃であるとすると、制御装置１５は、水熱交換器７出口の水温（出湯温度）が９０℃になるように、沸き上げ用ポンプ６ａの回転数を制御する。そのため、水熱交換器７の表面温度も出湯温度とほぼ同等の９０℃となる。このとき、圧縮機１のシェル１ａ内に流出する冷媒の温度は、１２０℃程度となる。

上記の場合において、圧縮機１、水熱交換器７の周囲の外気温度が例えば７℃であるとすると、圧縮機１の周囲に設置された水熱交換器７と外気との温度差は約８０℃となる。仮に水熱交換器７がなかったとした場合には、圧縮機１のシェル１ａと外気との温度差は約１１０℃となる。外気への放熱量は外気との温度差に比例して大きくなる。本実施形態では、水熱交換器７を配置したことにより、外気温度との温度差を小さくし、冷凍サイクル１０１から外気への放熱を低減でき、エネルギーのロスを抑制することができる。また、圧縮機１のシェル１ａからの放熱を水熱交換器７により回収して水の加熱に利用できるため、ヒートポンプ給湯機の運転効率を高めることができる。

上述のように、水熱交換器７を設置することで、ヒートポンプ給湯機の運転効率を高めることが可能となる。しかしながら、上記の場合において、水熱交換器７の表面温度と外気温度との温度差は約８０℃であるため、この温度差を低減することで更にヒートポンプ給湯機の運転効率を向上することが可能となる。そこで、本実施形態では、水熱交換器７の表面からの放熱量を低減するために、図２に示すように、水熱交換器７の外周に真空断熱材１４を配置する。

ここで、真空断熱材とは、一般に、繊維材等からなる芯材をガスバリア性フィルム（プラスチックフィルム、プラスチック金属ラミネートフィルム等）からなる外装材の中に封入し、外装材周囲を熱溶着し、内部を真空状態とした構成になっており、グラスウールなどに対して断熱性能を高めた断熱材である。真空断熱材は、その外装材周囲の熱溶着部が剥離すると、内部の真空度を維持できなくなり、断熱性能が低下する。このため、圧縮機１を断熱するために真空断熱材を用いる場合に、真空断熱材がシェル１ａの表面に接触していると、シェル１ａの高温により熱溶着部の劣化が進行して剥離が生じ、断熱性能が低下し易い。また、真空断熱材の外装材に特殊な耐熱性材料を使用することが必要となり、真空断熱材のコストが上昇する。

これに対し、本実施形態では、真空断熱材１４は、圧縮機１のシェル１ａ表面に接触しておらず、水熱交換器７の外周表面に接触している。前述したように、水熱交換器７の表面温度は、シェル１ａ表面温度より低い。このため、真空断熱材１４が水熱交換器７と接触していても、外装材の熱溶着部の劣化は抑制されるので、熱溶着部の剥離を防止することができ、真空断熱材１４の断熱性能を長期間に渡って確実に維持することができる。また、真空断熱材１４の外装材に特殊な耐熱性材料を使用する必要がなく、真空断熱材１４のコスト増加を回避することができる。

本実施形態によれば、水熱交換器７の周囲に断熱性能の高い真空断熱材１４を配置したことにより、真空断熱材１４の表面温度と外気温度との温度差を例えば２０〜２５℃程度の小さい値に低減できるため、冷凍サイクル１０１から外気への放熱を大幅に低減でき、エネルギーのロスを更に抑制することができる。すなわち、圧縮機１のシェル１ａ表面からの放熱量の大部分を水熱交換器７にて回収して水の加熱に利用できるとともに、水熱交換器７の表面から外気への放熱を真空断熱材１４によって十分に低減できるので、ヒートポンプ給湯機の運転効率を十分に向上することができる。

また、本実施形態では、給湯水回路２０１の水は、まず水冷媒熱交換器２で加熱され、その後、水熱交換器７で更に加熱される。これにより、次のような利点がある。前述したように、冷凍サイクル１０１の構成要素の中では、圧縮機１のシェル１ａ表面の温度が最大温度となり、水冷媒熱交換器２を流れる冷媒の温度より高くなる。このため、先に水冷媒熱交換器２で水を加熱し、その後に水熱交換器７で水を更に加熱することにより、熱交換効率を高くすることが可能となる。

実施の形態２．
次に、図３を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。

図３は、本発明の実施の形態２のヒートポンプ給湯機を示す構成図である。図３に示す本実施形態のヒートポンプ給湯機は、圧縮機１のシェル１ａ外周に水熱交換器７が設置され、水熱交換器７の外周に真空断熱材１４が配置されていることは前述した実施の形態１と同様であるが、給湯水回路２０１の構成が実施の形態１と異なる。本実施形態における給湯水回路２０１では、接続配管９ａは水熱交換器７と水冷媒熱交換器２とを接続しており、接続配管９ｂは水冷媒熱交換器２と貯湯タンク８上部の貯湯口８ｂとを接続しており、接続配管９ｄは沸き上げ用ポンプ６ａと水熱交換器７とを接続している。また、出湯温度センサ１３ｂは水冷媒熱交換器２の出口側に設置されている。

本実施形態では、沸き上げ運転時、貯湯タンク８内の低温水が、沸き上げ用ポンプ６ａにより貯湯タンク８下部の取水口８ａから導かれ、接続配管９ｃ，９ｄを通過して水熱交換器７内に搬送され、圧縮機１の熱により加熱される。この加熱された水は、接続配管９ａを通過して更に水冷媒熱交換器２内に流入し、冷媒と熱交換して加熱される。このようにして加熱された高温水は、接続配管９ｂを通過して、貯湯タンク８上部の貯湯口８ｂから貯湯タンク８内に流入する。すなわち、本実施形態の給湯水回路２０１の構成では、水はまず水熱交換器７で加熱され、その後、水冷媒熱交換器２で更に加熱される。

実施の形態１と同様に、水熱交換器７を通過する水は、圧縮機１のシェル１ａ内に吐出された高温高圧の冷媒と熱交換して昇温する。このとき、水熱交換器７に流入する水の温度は、貯湯タンク８内に貯められた低温水の温度と同程度となる。水熱交換器７に流入した水は、圧縮機１のシェル１ａ内に流出する高温高圧の冷媒と熱交換して、温度が上昇する。温度が上昇した水は、水熱交換器７から水冷媒熱交換器２に流入し、圧縮機１を流出した冷媒に、目標出湯温度まで加熱されて、貯湯タンク８の貯湯口８ｂから貯湯される。

水熱交換器７に流入する水温が例えば９℃であるとし、圧縮機１のシェル１ａ内の１２０℃の冷媒で、水を９℃から２０℃まで加熱したとする。このとき、外気温７℃に対して、水熱交換器７との温度差は約１０℃となる。水熱交換器７がない場合、圧縮機１のシェル１ａ温度１２０℃と外気７℃との温度差は約１１０℃である。水熱交換器７を設置したことにより、実施の形態１と同様に、冷凍サイクル１０１の高温部と外気温度との温度差を減少させて、放熱量を低減することができる。また、放熱量を水の加熱に利用できるため、ヒートポンプ給湯機の運転効率を高めることができる。特に、本実施形態では、水熱交換器７と外気との温度差が実施の形態１よりも更に小さくなるので、冷凍サイクル１０１から外気への放熱ロスを更に低減することができる。

また、水熱交換器７の外周には、真空断熱材１４を設置しているため、真空断熱材１４の表面温度と外気温度はほぼ同等となる。このため、冷凍サイクル１０１から外気への放熱ロスを特に小さくすることができ、ヒートポンプ給湯機の運転効率を更に向上することができる。また、真空断熱材１４が接する水熱交換器７の表面温度は、実施の形態１に比べて更に低温となるため、真空断熱材１４の熱溶着部の劣化をより確実に抑制することができる。このため、真空断熱材１４の熱溶着部の剥離をより確実に防止することができ、断熱性能の低下をより確実に回避することができる。

実施の形態３．
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態３について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。

図４は、本発明の実施の形態３のヒートポンプ給湯機を示す構成図である。図４に示すように、本実施形態のヒートポンプ給湯機では、流路切替手段としての第１の切替弁１６がヒートポンプユニット１００内に搭載され、流路切替手段としての第２の切替弁１７がタンクユニット２００内に搭載されている。接続配管９ｃは、貯湯タンク８の下部に設けられた取水口８ａと、第１の切替弁１６とを接続している。接続配管９ｃの途中に沸き上げ用ポンプ６ａ（水循環ポンプ）が配置されている。接続配管９ｄは、第１の切替弁１６と、水冷媒熱交換器２とを接続している。接続配管９ｊは、第１の切替弁１６と、接続配管９ａの途中とを接続している。第１の切替弁１６は、接続配管９ｃと接続配管９ｄとを連通させる状態と、接続配管９ｃと接続配管９ｊとを連通させる状態とに切り替え可能になっている。

接続配管９ｂは、水熱交換器７と、第２の切替弁１７とを接続している。接続配管９ｍは、第２の切替弁１７と、貯湯タンク８の貯湯口８ｂとを接続している。貯湯タンク８には、貯湯口８ｂと取水口８ａとの間の高さに位置する箇所に、戻し口８ｅが設けられている。接続配管９ｋは、第２の切替弁１７と、貯湯タンク８の戻し口８ｅとを接続している。第２の切替弁１７は、接続配管９ｂと接続配管９ｍとを連通させる状態と、接続配管９ｂと接続配管９ｋとを連通させる状態とに切り替え可能になっている。

本実施形態では、貯湯タンク８の取水口８ａと、沸き上げ用ポンプ６ａと、第１の切替弁１６と、水冷媒熱交換器２と、水熱交換器７と、第２の切替弁１７と、貯湯タンク８の貯湯口８ｂとを接続配管９ａ〜９ｄ，９ｍにより接続することにより、給湯水回路（水回路）２０１が構成される。このとき、第１の切替弁１６は、接続配管９ｃと接続配管９ｄとを連通させる状態に切り替えられ、第２の切替弁１７は、接続配管９ｂと接続配管９ｍとを連通させるように切り替えられている。

また、本実施形態では、貯湯タンク８の取水口８ａと、沸き上げ用ポンプ６ａと、第１の切替弁１６と、水熱交換器７と、第２の切替弁１７と、貯湯タンク８の戻し口８ｅとを接続配管９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｊ，９ｋにより接続することにより、水熱交換器７を冷却する冷却回路２０３が構成される。このとき、第１の切替弁１６は、接続配管９ｃと接続配管９ｊとを連通させる状態に切り替えられ、第２の切替弁１７は、接続配管９ｂと接続配管９ｋとを連通させるように切り替えられている。また、水熱交換器７の表面には、水熱交換器７の表面温度を検出する温度センサ１３ｎ（水熱交換器温度検出手段）が設置されている。

本実施形態では、例えば除霜運転時や、沸き上げ運転の終了直後など、圧縮機１が高温状態で沸き上げ用ポンプ６ａが停止される場合に、冷却回路２０３に水を循環させることにより、水熱交換器７を冷却することができる。

以下では、除霜運転（デフロスト運転）の場合について説明する。除霜運転とは、空気熱交換器４に付着した霜を溶かして取り除くために行う運転である。外気温度が低いときに沸き上げ運転を実施すると、空気熱交換器４に霜が付着する。空気熱交換器４に霜が付着すると、ヒートポンプユニット１００の加熱能力が低下するため、目標出湯温度が確保できなくなる場合がある。そのため、空気熱交換器４から霜を取り除く必要がある。

除霜運転では、ヒートポンプユニット１００の圧縮機１が運転され、圧縮機１から吐出された高温高圧のガス状態である冷媒は、膨張弁３を通過して、空気熱交換器４に流入する。空気熱交換器４に流入した冷媒は、空気熱交換器４表面に付着する霜を溶かしながら温度が低下する。空気熱交換器４を通過し、温度が低下した冷媒は、圧縮機１に吸入されて、再循環する。除霜運転では、冷媒が水冷媒熱交換器２を通過するときの温度低下を抑制するため、沸き上げ用ポンプ６ａを停止させ、水冷媒熱交換器２内に水が循環しないようにする。

上述した除霜運転の開始条件としては、例えば、外気温度センサ１３ｃで検出される温度が２℃以下であり、圧縮機１の起動から２時間が経過しており、且つ蒸発温度センサ１３ｆで検出される温度が−５℃以下を２０秒間継続した場合に、除霜運転を開始する。除霜運転の終了条件としては、例えば、除霜運転開始から１５分が経過した場合、あるいは、蒸発温度センサ１３ｆで検出される温度が５℃以上を２０秒間継続した場合に、除霜運転を終了する。

除霜運転では、圧縮機１は例えば１００℃程度の高温状態となり、沸き上げ用ポンプ６ａが停止して水熱交換器７内の水が循環していないため、水熱交換器７の表面温度も圧縮機１と同等の温度まで上昇する。そのため、水熱交換器７の外周に設置した真空断熱材１４の内面が高温状態となる。前述したように、真空断熱材１４は、高温状態にさらされると、熱溶着部の劣化が進行し、断熱性能が低下する。そこで、本実施形態では、除霜運転の際、高温による真空断熱材１４の断熱性能の低下を防止するために、冷却回路２０３に水を循環させる、水熱交換器７の冷却運転を実施する。

水熱交換器７の冷却運転では、第１の切替弁１６は接続配管９ｃと接続配管９ｊとを連通させる状態に切り替え、第２の切替弁１７は接続配管９ｂと接続配管９ｋとを連通させるように切り替えることにより冷却回路２０３を形成し、沸き上げ用ポンプ６ａを運転する。これにより、貯湯タンク８の取水口８ａから冷水が流出し、この冷水が、接続配管９ｃ、第１の切替弁１６、接続配管９ｊ、接続配管９ａを通って水熱交換器７に流入する。その結果、水熱交換器７内に滞留して温度上昇した水が冷水に置換されるので、水熱交換器７の表面温度を低下させることができ、真空断熱材１４の内面が高温状態となることを防止し、真空断熱材１４の断熱性能の低下を確実に防止することができる。

水熱交換器７内に滞留して温度上昇した水は、水熱交換器７の冷却運転を行うことにより、接続配管９ｂ、第２の切替弁１７、接続配管９ｋを通って、戻し口８ｅから貯湯タンク８内に流入する。戻し口８ｅは、貯湯口８ｂと取水口８ａとの間の高さに位置しているので、戻し口８ｅから流入した、温度上昇した水は、貯湯タンク８の下部の低温の水に混入することはない。このため、貯湯タンク８の下部の水温の上昇を防止することができるので、沸き上げ運転時に、例えば３０〜４０℃程度の中温水が水冷媒熱交換器２に流入することはない。このように、本実施形態では、ヒートポンプユニット１００の運転効率を下げることなく、水熱交換器７の冷却運転を実施することができる。なお、戻し口８ｅの位置は、貯湯タンク８の高さ方向の中間より上側の位置であることが好ましい。これにより、戻し口８ｅから流入した、温度上昇した水が、貯湯タンク８の下部の低温の水に混入することをより確実に防止し、貯湯タンク８の下部の水温の上昇をより確実に防止することができる。

上述した水熱交換器７の冷却運転の開始条件および終了条件としては、例えば、温度センサ１３ｎにより検出される水熱交換器７の表面温度が第１の所定温度以上になった場合には沸き上げ用ポンプ６ａを運転して冷却回路２０３の水の循環を開始し、温度センサ１３ｎにより検出される水熱交換器７の表面温度が上記第１の所定温度より低い第２の所定温度以下に低下した場合には沸き上げ用ポンプ６ａを停止して冷却回路２０３の水の循環を停止すればよい。または、除霜運転の開始後、所定の時間間隔で間欠的に冷却運転を行うようにしてもよい。これらの方法によれば、水熱交換器７の表面温度が高温になる前に冷却運転を確実に実行することができ、真空断熱材１４の内面温度が高温状態となることを確実に防止することができる。

以上では、除霜運転の実行時に水熱交換器７の冷却運転を行う場合について説明したが、沸き上げ運転の終了後にも水熱交換器７の冷却運転を行うことが好ましい。沸き上げ運転の終了直後、圧縮機１は例えば１００℃程度の高温状態であるので、沸き上げ用ポンプ６ａが停止して水熱交換器７内の水が滞留すると、水熱交換器７の表面温度も圧縮機１と同等の温度まで上昇する。そのため、水熱交換器７の外周に設置した真空断熱材１４の内面が高温状態となる。このことを防止するため、沸き上げ運転の終了後、第１の切替弁１６および第２の切替弁１７を切り替えて冷却回路２０３を形成し、沸き上げ用ポンプ６ａを運転して、水熱交換器７の冷却運転を行うことが好ましい。これにより、沸き上げ運転の終了後に真空断熱材１４の内面温度が高温状態となることを確実に防止し、真空断熱材１４の断熱性能の低下を確実に防止することができる。この場合の水熱交換器７の冷却運転の開始条件および終了条件は、例えば、上記と同様に、温度センサ１３ｎにより検出される水熱交換器７の表面温度に基づいて判断することが好ましい。

１ 圧縮機
１ａ シェル
１ｂ 圧縮機構部
１ｃ 吸入配管
１ｄ 吐出配管
２ 水冷媒熱交換器
３ 膨張弁
４ 空気熱交換器
５ ファン
６ａ 沸き上げ用ポンプ
６ｂ 追焚き用ポンプ
７ 水熱交換器
８ 貯湯タンク
８ａ 取水口
８ｂ 貯湯口
８ｃ 出湯口
８ｄ，８ｅ 戻し口
９ａ〜９ｋ，９ｍ 接続配管
１０ 浴槽
１１ 浴槽循環ポンプ
１２ 追焚き熱交換器
１３ａ 入水温度センサ
１３ｂ 出湯温度センサ
１３ｃ 外気温度センサ
１３ｄ 吐出温度センサ
１３ｅ 吸入温度センサ
１３ｆ 蒸発温度センサ
１３ｇ〜１３ｊ 貯湯温度センサ
１３ｋ 浴槽水温センサ
１３ｌ 熱交換器入水温度センサ
１３ｍ 追焚き熱交換器出湯温度センサ
１３ｎ 温度センサ
１４ 真空断熱材
１５ 制御装置
１６ 第１の切替弁
１７ 第２の切替弁
１００ ヒートポンプユニット
１０１ 冷凍サイクル
２００ タンクユニット
２０１ 給湯水回路
２０２ 追焚き加熱回路
２０３ 冷却回路
３００ 浴槽ユニット
３０１ 追焚き負荷側回路

Claims (11)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒と水との熱交換を行う水冷媒熱交換器と、冷媒を膨張させる膨張弁と、冷媒と空気との熱交換を行う空気熱交換器とを有する冷媒回路と、
   前記圧縮機の外側に設けられ、前記圧縮機の熱を水に受熱させる水熱交換器と、
   前記水冷媒熱交換器および前記水熱交換器を経由する水の流路を有する水回路と、
   前記水熱交換器を覆う真空断熱材と、
   を備えるヒートポンプ給湯機。
2. 前記水回路は、水が前記水冷媒熱交換器を通過した後に前記水熱交換器を通過するように構成されている請求項１記載のヒートポンプ給湯機。
3. 前記水回路は、水が前記水熱交換器を通過した後に前記水冷媒熱交換器を通過するように構成されている請求項１記載のヒートポンプ給湯機。
4. 前記水冷媒熱交換器および前記水熱交換器により加熱された水の温度を検出する出湯温度検出手段と、
   前記水回路に設けられた水循環ポンプと、
   前記出湯温度検出手段により検出される温度が目標温度となるように前記水循環ポンプの作動を制御する制御手段と、
   を備える請求項１乃至３の何れか１項記載のヒートポンプ給湯機。
5. 前記水冷媒熱交換器を経由せずに前記水熱交換器を経由する経路で水を循環させる冷却回路を備え、該冷却回路に水を循環させることにより前記水熱交換器を冷却可能である請求項１乃至４の何れか１項記載のヒートポンプ給湯機。
6. 貯湯タンクを備え、
   前記冷却回路は、前記貯湯タンクに設けられた取水口から取り出した水を、前記水熱交換器を経由させて、前記貯湯タンクに設けられた戻し口から前記貯湯タンク内に戻す回路である請求項５記載のヒートポンプ給湯機。
7. 前記水熱交換器の温度を検出する水熱交換器温度検出手段を備え、
   前記水熱交換器温度検出手段により検出された温度が第１の所定温度以上になった場合には前記冷却回路の水の循環を開始し、前記水熱交換器温度検出手段により検出された温度が前記第１の所定温度より低い第２の所定温度以下に低下した場合には前記冷却回路の水の循環を停止する請求項５または６記載のヒートポンプ給湯機。
8. 前記水回路に水を流通させて前記水冷媒熱交換器および前記水熱交換器により水を加熱する沸き上げ運転の終了後に、前記冷却回路に水を循環させて前記水熱交換器を冷却する請求項５乃至７の何れか１項記載のヒートポンプ給湯機。
9. 前記空気熱交換器に付着した霜を除去する除霜運転の実行時に、前記冷却回路に水を循環させて前記水熱交換器を冷却する請求項５乃至７の何れか１項記載のヒートポンプ給湯機。
10. 前記空気熱交換器に付着した霜を除去する除霜運転の開始後、所定の時間間隔で間欠的に前記冷却回路に水を循環させる請求項５または６記載のヒートポンプ給湯機。
11. 前記冷媒が二酸化炭素である請求項１乃至１０の何れか１項記載のヒートポンプ給湯機。

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