JP5488678B1 - 水加熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、デフロストに必要な時間を短縮することができ、かつ、霜の融け残りの発生を抑えることができる水加熱システムを提供することである。
【解決手段】水加熱システム１０は、第１冷媒回路２０と、第２冷媒回路３０と、水回路４０と、制御部５０とを備える。第１冷媒回路は、第１熱交換器２２と第２熱交換器３２とを有し、第１冷媒が循環する回路である。第１熱交換器は、熱源と第１冷媒とを熱交換させる。第２熱交換器は、第１冷媒と第２冷媒とを熱交換させる。第２冷媒回路は、第２熱交換器と第３熱交換器４２とを有し、第２冷媒が循環する回路である。第３熱交換器は、第２冷媒と水とを熱交換させる。水回路は、第３熱交換器を有し、水が通過する回路である。制御部は、デフロスト運転を開始する前に、水回路における第３熱交換器への水の供給と、第２冷媒回路における第２熱交換器への第２冷媒の供給とを止める。
【選択図】図２

Description

本発明は、水加熱システムに関する。

従来、特許文献１（特開２００１−１０８２５６号公報）に開示されるように、ヒートポンプを利用して水を加熱し、生成された湯を貯湯タンクに貯める給湯システムが知られている。この給湯システムは、冷媒が循環する冷媒回路と、水が流れる水回路とを備えている。冷媒回路は、圧縮機と、水−冷媒熱交換器と、膨張弁と、冷媒−空気熱交換器とが接続された回路である。冷媒回路は、ヒートポンプを構成する。水回路は、給水ポンプと、水−冷媒熱交換器と、貯湯タンクとが接続された回路である。冷媒回路および水回路は、水−冷媒熱交換器を共有する。冷媒回路を循環する冷媒は、冷媒−空気熱交換器において、外気と熱交換して加熱される。水回路を流れる水は、水−冷媒熱交換器において、冷媒回路を循環する冷媒と熱交換して加熱される。

また、他の給湯システムとして、特許文献２（特開２００４−１３２６４７号公報）に開示されるように、２つの冷媒回路と水回路とからなる、二元冷媒回路を備える給湯システムが知られている。この給湯システムは、低段側冷媒回路と、給湯用冷媒回路と、水回路とを備えている。低段側冷媒回路は、ヒートポンプを構成し、冷媒−空気熱交換器と、冷媒−冷媒熱交換器とを有する冷媒回路である。給湯用冷媒回路は、ヒートポンプを構成し、冷媒−冷媒熱交換器と、水−冷媒熱交換器とを有する冷媒回路である。低段側冷媒回路および給湯用冷媒回路は、冷媒−冷媒熱交換器を介してカスケード接続されている。低段側冷媒回路を循環する冷媒は、冷媒−空気熱交換器において、外気と熱交換して加熱される。給湯用冷媒回路を循環する冷媒は、冷媒−冷媒熱交換器において、低段側冷媒回路を循環する冷媒と熱交換して加熱される。水回路を流れる水は、水−冷媒熱交換器において、給湯用冷媒回路を循環する冷媒と熱交換して加熱される。この給湯システムは、特許文献１に開示される一元冷媒回路を備える給湯システムよりも高い運転効率を達成することができる。

ヒートポンプを利用する給湯システムでは、外気の温度が低い時期等に、冷媒−空気熱交換器に霜が付着することがある。そのため、給湯システムの運転効率の低下を抑えるために、冷媒−空気熱交換器に付着した霜を除去するデフロスト運転が行われる。一元冷媒回路を備える給湯システムの場合、冷媒回路における冷媒の循環方向を通常運転時とは逆にすることで、水−冷媒熱交換器に残っている熱を利用して冷媒−空気熱交換器をデフロストする。

しかし、二元冷媒回路を備える給湯システムでは、低段側冷媒回路の冷媒−冷媒熱交換器に残っている熱量が十分でないために、デフロストに必要な時間が長くなり、また、冷媒−空気熱交換器に霜が融け残るおそれがある。

本発明の目的は、デフロストに必要な時間を短縮することができ、かつ、霜の融け残りの発生を抑えることができる水加熱システムを提供することである。

本発明の第１観点に係る水加熱システムは、第１冷媒回路と、第２冷媒回路と、水回路と、制御部とを備える。第１冷媒回路は、第１熱交換器と第２熱交換器とを有し、第１冷媒が循環する回路である。第１熱交換器は、熱源と第１冷媒とを熱交換させる。第２熱交換器は、第１冷媒と第２冷媒とを熱交換させる。第２冷媒回路は、第２熱交換器と第３熱交換器とを有し、第２冷媒が循環する回路である。第２冷媒回路は、第１冷媒回路と第２熱交換器を共有する。第３熱交換器は、第２冷媒と水とを熱交換させる。水回路は、第３熱交換器を有し、水が通過する回路である。水回路は、第２冷媒回路と第３熱交換器を共有する。制御部は、第１熱交換器のデフロスト運転を行うために、第１冷媒回路、第２冷媒回路および水回路を制御する。制御部は、デフロスト運転を開始する前に、水回路における第３熱交換器への水の供給と、第２冷媒回路における第２熱交換器への第２冷媒の供給とを止め、第１冷媒回路において通常運転時と同じ方向に第１冷媒を循環させる。制御部は、第１冷媒回路において第１冷媒が循環する方向を逆にして、第１冷媒を第２熱交換器から第１熱交換器に供給することで、デフロスト運転を開始する。

第１観点に係る水加熱システムは、第１冷媒回路および第２冷媒回路が第２熱交換器を介してカスケード接続される二元冷媒回路を備える。この水加熱システムは、例えば、給湯設備として利用される。第１冷媒回路は、低段側の冷媒回路であり、第２冷媒回路は、高段側の冷媒回路である。第１冷媒回路を循環する第１冷媒は、第１熱交換器において熱源と熱交換して加熱され、第２熱交換器において第２冷媒回路を循環する第２冷媒と熱交換して冷却される。第１熱交換器において熱交換される熱源は、例えば、外気である。第２冷媒回路を循環する第２冷媒は、第２熱交換器において第１冷媒回路を循環する第１冷媒と熱交換して加熱され、第３熱交換器において水回路を流れる水と熱交換して冷却される。水回路を流れる水は、第３熱交換器において第２冷媒回路を循環する第２冷媒と熱交換して加熱される。この水加熱システムでは、熱源である外気の温度が低い時期等において、第１熱交換器に霜が付着することがある。この場合、この水加熱システムは、第１熱交換器に付着した霜を除去するデフロスト運転を行う。具体的には、第１冷媒回路における第１冷媒の循環方向を通常運転時とは逆にする逆サイクル運転を行うことで、第２熱交換器に残っている熱を利用して第１熱交換器をデフロストする。

この水加熱システムは、第１冷媒回路の逆サイクル運転によって第１熱交換器のデフロスト運転を行う前に、水回路における水の流れ、および、第２冷媒回路における第２冷媒の循環を止めて、第２熱交換器および第３熱交換器における熱交換を抑制する。次に、この水加熱システムは、第１冷媒回路において、通常運転時と同じ方向に第１冷媒を循環させる正サイクル運転を行い、第２熱交換器の温度を上昇させる。その後、この水加熱システムは、第１冷媒回路の逆サイクル運転を開始して、第２熱交換器に残っている熱を利用して第１熱交換器をデフロストする。すなわち、この水加熱システムでは、第１冷媒回路の逆サイクル運転による第１熱交換器のデフロストを行う前に、予め、第１冷媒回路の正サイクル運転を行って第２熱交換器に熱を蓄積させる。第１冷媒回路は、二元冷媒回路の低段側の冷媒回路であるので、逆サイクル運転の開始時に第２熱交換器に残っている熱量が、第１熱交換器のデフロストに十分でない可能性がある。そのため、第１冷媒回路の逆サイクル運転を行う前に、水回路における水の流れ、および、第２冷媒回路における第２冷媒の循環を止めて、さらに、第１冷媒回路の正サイクル運転を行うことで、この水加熱システムは、第１熱交換器のデフロストに十分な熱を第２熱交換器に蓄積させる。従って、この水加熱システムは、デフロストに必要な時間を短縮することができ、かつ、霜の融け残りの発生を抑えることができる。

本発明の第２観点に係る水加熱システムは、第１観点に係る水加熱システムであって、第１冷媒回路は、第１冷媒を圧縮する第１圧縮機を有し、第２冷媒回路は、第２冷媒を圧縮する第２圧縮機を有する。制御部は、デフロスト運転を開始する前に、第１圧縮機の運転周波数を第１運転時間だけ増加させ、かつ、第２圧縮機の運転を停止させる。

第２観点に係る水加熱システムでは、第１冷媒回路の逆サイクル運転による第１熱交換器のデフロスト運転を行う前に、第１圧縮機の運転周波数を通常運転時より増加させた状態で、第１冷媒回路の正サイクル運転を第１運転時間だけ行う。第１圧縮機の運転周波数を増加させることで、第２熱交換器に熱が効果的に蓄積される。従って、この水加熱システムは、デフロストに必要な時間を効果的に短縮することができる。

本発明の第３観点に係る水加熱システムは、第１観点または第２観点に係る水加熱システムであって、制御部は、第２熱交換器に供給される第１冷媒の温度が第１温度に達したときに、デフロスト運転を開始する。

第３観点に係る水加熱システムでは、第１熱交換器のデフロスト運転の開始前に第１冷媒回路の正サイクル運転を行っている間に、制御部は、例えば、第２熱交換器を通過する第１冷媒の温度を監視する。そして、第２熱交換器を通過する第１冷媒の温度が第１温度に達したときに、制御部は、第１熱交換器のデフロストに十分な熱が第２熱交換器に蓄積されたと判断して、第１熱交換器のデフロスト運転を開始する。従って、第１温度を予め設定することで、この水加熱システムは、デフロストに必要な時間を効果的に短縮することができる。

本発明の第４観点に係る水加熱システムは、第１乃至第３観点のいずれか１つに係る水加熱システムであって、制御部は、さらに、第２冷媒回路において第２冷媒が循環する方向を逆にして、第２冷媒を第３熱交換器から第２熱交換器に供給することで、デフロスト運転を開始する。

第４観点に係る水加熱システムでは、第１冷媒回路および第２冷媒回路の両方の逆サイクル運転を行うことで、第１熱交換器のデフロスト運転を行う。第２冷媒回路の逆サイクル運転によって、第３熱交換器に残っている熱が第２熱交換器に移動するので、第２熱交換器により多くの熱が蓄積される。この水加熱システムは、第１熱交換器のデフロスト運転の開始時において水回路に湯が残っている場合、水回路の湯の熱を、第２冷媒回路を介して、第１熱交換器のデフロストに利用することができる。従って、第２冷媒回路の逆サイクル運転を行うことで、この水加熱システムは、デフロストに必要な時間を効果的に短縮することができる。

第１観点に係る水加熱システムは、デフロストに必要な時間を短縮することができ、かつ、霜の融け残りの発生を抑えることができる。

第２観点乃至第４観点に係る水加熱システムは、デフロストに必要な時間を効果的に短縮することができる。

実施形態に係る水加熱システムの通常運転時における回路構成図である。 実施形態に係る水加熱システムのデフロスト運転開始前における回路構成図である。 実施形態に係る水加熱システムのデフロスト運転時における回路構成図である。 変形例Ｂに係る水加熱システムのデフロスト運転時における回路構成図である。

本発明の実施形態に係る水加熱システムについて、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る水加熱システムは、例えば、給湯設備として利用される。

（１）水加熱システムの構成
図１は、本実施形態に係る水加熱システム１０の通常運転時における回路構成図である。図２は、本実施形態に係る水加熱システム１０のデフロスト運転開始前における回路構成図である。図３は、本実施形態に係る水加熱システム１０のデフロスト運転時における回路構成図である。水加熱システム１０は、主として、第１冷媒回路２０と、第２冷媒回路３０と、水回路４０と、制御部５０とから構成される。水加熱システム１０は、第１冷媒回路２０と第２冷媒回路３０とがカスケード接続された二元冷媒回路を備える。第１冷媒回路２０は、低段側の冷媒回路である。第２冷媒回路３０は、高段側の冷媒回路である。第１冷媒回路２０および第２冷媒回路３０は、それぞれ、ヒートポンプを構成する。次に、第１冷媒回路２０、第２冷媒回路３０、水回路４０および制御部５０について、それぞれ説明する。

（１−１）第１冷媒回路
第１冷媒回路２０は、主として、第１熱交換器２２と、第１圧縮機２４と、第１膨張弁２６と、第１四方切替弁２８と、第２熱交換器３２とが接続された冷媒回路である。第１冷媒回路２０では、第１冷媒が循環する。第１冷媒は、Ｒ４１０Ａである。第１冷媒回路２０は、第１冷媒の循環方向に応じて、第１正サイクル運転または第１逆サイクル運転を行う。図１には、第１正サイクル運転時における第１冷媒の循環方向が矢印で示されている。図３には、第１逆サイクル運転時における第１冷媒の循環方向が矢印で示されている。第１正サイクル運転は、水加熱システム１０の通常運転時に行われ、第１逆サイクル運転は、水加熱システム１０のデフロスト運転時に行われる。水加熱システム１０の通常運転は、水回路４０を流れる水を加熱する運転である。水加熱システム１０のデフロスト運転は、第１熱交換器２２に付着した霜を除去する運転である。

第１熱交換器２２は、冷媒−空気熱交換器である。第１熱交換器２２では、第１冷媒回路２０を循環する第１冷媒と、熱源との間の熱交換が行われる。熱源は、例えば、外気および地熱であるが、本実施形態では、熱源は、外気である。第１熱交換器２２は、例えば、プレートフィンコイル熱交換器である。第１熱交換器２２の近傍には、ファン２２ａが設置されている。ファン２２ａは、第１熱交換器２２に外気を送風して、第１熱交換器２２において第１冷媒と熱交換された外気を排出する。

第１圧縮機２４は、第１冷媒回路２０を流れる低圧の第１冷媒を吸入して圧縮し、高温高圧の第１冷媒を吐出する圧縮機である。第１圧縮機２４は、例えば、ロータリ圧縮機である。

第１膨張弁２６は、第１冷媒回路２０を循環する第１冷媒の流量および圧力を調節するための電動弁である。

第１四方切替弁２８は、第１正サイクル運転と第１逆サイクル運転とを切り替えて、第１冷媒回路２０における第１冷媒の循環方向を逆転させるための切替弁である。第１四方切替弁２８は、第１ポート２８ａと、第２ポート２８ｂと、第３ポート２８ｃと、第４ポート２８ｄとを有する。第１四方切替弁２８は、第１連通状態または第２連通状態にある。第１連通状態では、図１に示されるように、第１ポート２８ａと第２ポート２８ｂとが連通し、かつ、第３ポート２８ｃと第４ポート２８ｄとが連通している。第２連通状態では、図１に示されるように、第１ポート２８ａと第３ポート２８ｃとが連通し、かつ、第２ポート２８ｂと第４ポート２８ｄとが連通している。第１冷媒回路２０が第１正サイクル運転を行うとき、第１四方切替弁２８は、第１連通状態にある。第１冷媒回路２０が第１逆サイクル運転を行うとき、第１四方切替弁２８は、第２連通状態にある。

第２熱交換器３２は、冷媒−冷媒熱交換器である。第２熱交換器３２では、第１冷媒回路２０を循環する第１冷媒と、第２冷媒回路３０を循環する第２冷媒との間の熱交換が行われる。第１冷媒回路２０および第２冷媒回路３０は、第２熱交換器３２を共有する。第２熱交換器３２は、第１冷媒回路２０を循環する第１冷媒が通過する第１熱交換部３２ａと、第２冷媒回路３０を循環する第２冷媒が通過する第２熱交換部３２ｂとを有する。第２熱交換器３２は、例えば、断熱部材で覆われているプレート式熱交換器である。

第１圧縮機２４の吐出側は、第１四方切替弁２８の第１ポート２８ａに接続されている。第１四方切替弁２８の第２ポート２８ｂは、第２熱交換器３２の第１熱交換部３２ａに接続されている。第２熱交換器３２の第１熱交換部３２ａは、第１膨張弁２６に接続されている。第１膨張弁２６は、第１熱交換器２２に接続されている。第１熱交換器２２は、第１四方切替弁２８の第３ポート２８ｃに接続されている。第１四方切替弁２８の第４ポート２８ｄは、第１圧縮機２４の吸入側に接続されている。

第１正サイクル運転を行う第１冷媒回路２０の動作について説明する。第１正サイクル運転は、水加熱システム１０の通常運転時に行われる。第１冷媒は、低圧のガス冷媒として第１圧縮機２４に吸入されて圧縮される。圧縮された第１冷媒は、高温高圧のガス冷媒として第１圧縮機２４から吐出され、第１四方切替弁２８の第１ポート２８ａおよび第２ポート２８ｂを通過して、第２熱交換器３２に送られる。第２熱交換器３２では、第１冷媒が第１熱交換部３２ａを通過し、第２冷媒が第２熱交換部３２ｂを通過する。第２熱交換器３２では、高温の第１冷媒から低温の第２冷媒へ熱が移動することで、第１冷媒と第２冷媒との間で熱交換が行われる。これにより、第２熱交換器３２において、高温高圧のガス冷媒である第１冷媒は、凝縮して高圧の液冷媒となる。そして、第１冷媒は、第１膨張弁２６を通過することで減圧され、低圧の気液二相状態の冷媒となる。低圧の気液二相状態の第１冷媒は、第１熱交換器２２において外気との熱交換により蒸発して、低圧のガス冷媒となる。そして、第１冷媒は、第１四方切替弁２８の第３ポート２８ｃおよび第４ポート２８ｄを通過して、第１圧縮機２４に送られる。第１正サイクル運転を行う第１冷媒回路２０は、以上の工程を繰り返すことで、外気の熱を、第１冷媒を介して、第２冷媒回路３０を循環する第２冷媒に供給する。

なお、第１冷媒回路２０は、水加熱システム１０のデフロスト運転時において、第１逆サイクル運転を行う。第１逆サイクル運転を行う第１冷媒回路２０の動作については後述する。

（１−２）第２冷媒回路
第２冷媒回路３０は、主として、第２熱交換器３２と、第２圧縮機３４と、第２膨張弁３６と、第２四方切替弁３８と、第３熱交換器４２とが接続された冷媒回路である。第２冷媒回路３０では、第２冷媒が循環する。第２冷媒は、Ｒ１３４ａである。第２冷媒回路３０は、第２冷媒の循環方向に応じて、第２正サイクル運転または第２逆サイクル運転を行う。図１には、第２正サイクル運転時における第２冷媒の循環方向が矢印で示されている。後述する図４には、第２逆サイクル運転時における第２冷媒の循環方向が矢印で示されている。第２正サイクル運転は、水加熱システム１０の通常運転時に行われ、第２逆サイクル運転は、水加熱システム１０のデフロスト運転時に行われる。

第２熱交換器３２は、冷媒−冷媒熱交換器である。上述したように、第２熱交換器３２では、第１冷媒回路２０を循環する第１冷媒と、第２冷媒回路３０を循環する第２冷媒との間の熱交換が行われる。

第２圧縮機３４は、第２冷媒回路３０を流れる低圧の第２冷媒を吸入して圧縮し、高温高圧の第２冷媒を吐出する圧縮機である。第２圧縮機３４は、例えば、ロータリ圧縮機である。

第２膨張弁３６は、第２冷媒回路３０を循環する第２冷媒の流量および圧力を調節するための電動弁である。

第２四方切替弁３８は、第２正サイクル運転と第２逆サイクル運転とを切り替えて、第２冷媒回路３０における第２冷媒の循環方向を逆転させるための切替弁である。第２四方切替弁３８は、第５ポート３８ａと、第６ポート３８ｂと、第７ポート３８ｃと、第８ポート３８ｄとを有する。第２四方切替弁３８は、第３連通状態または第４連通状態にある。第３連通状態では、図１に示されるように、第５ポート３８ａと第６ポート３８ｂとが連通し、かつ、第７ポート３８ｃと第８ポート３８ｄとが連通している。第４連通状態では、図１に示されるように、第５ポート３８ａと第７ポート３８ｃとが連通し、かつ、第６ポート３８ｂと第８ポート３８ｄとが連通している。第２冷媒回路３０が第２正サイクル運転を行うとき、第２四方切替弁３８は、第３連通状態にある。第２冷媒回路３０が第２逆サイクル運転を行うとき、第２四方切替弁３８は、第４連通状態にある。

第３熱交換器４２は、水−冷媒熱交換器である。第３熱交換器４２では、第２冷媒回路３０を循環する第２冷媒と、水回路４０を流れる水との間の熱交換が行われる。第２冷媒回路３０および水回路４０は、第３熱交換器４２を共有する。第３熱交換器４２は、第２冷媒回路３０を循環する第２冷媒が通過する第３熱交換部４２ａと、水回路４０を流れる水が通過する第４熱交換部４２ｂとを有する。第３熱交換器４２は、例えば、第４熱交換部４２ｂである水管の外周に、第３熱交換部４２ａである冷媒管が螺旋状に巻きつけられ、かつ、水管の内部に溝が形成されている構成を有するトルネード式の熱交換器である。

第２圧縮機３４の吐出側は、第２四方切替弁３８の第５ポート３８ａに接続されている。第２四方切替弁３８の第６ポート３８ｂは、第３熱交換器４２の第３熱交換部４２ａに接続されている。第３熱交換器４２の第３熱交換部４２ａは、第２膨張弁３６に接続されている。第２膨張弁３６は、第２熱交換器３２の第２熱交換部３２ｂに接続されている。第２熱交換器３２の第２熱交換部３２ｂは、第２四方切替弁３８の第７ポート３８ｃに接続されている。第２四方切替弁３８の第８ポート３８ｄは、第２圧縮機３４の吸入側に接続されている。

第２正サイクル運転を行う第２冷媒回路３０の動作について説明する。第２正サイクル運転は、水加熱システム１０の通常運転時に行われる。第２冷媒は、低圧のガス冷媒として第２圧縮機３４に吸入されて圧縮される。圧縮された第２冷媒は、高温高圧のガス冷媒として第２圧縮機３４から吐出され、第２四方切替弁３８の第５ポート３８ａおよび第６ポート３８ｂを通過して、第３熱交換器４２に送られる。第３熱交換器４２では、第２冷媒が第３熱交換部４２ａを通過し、水が第４熱交換部４２ｂを通過する。第３熱交換器４２では、高温の第２冷媒から低温の水へ熱が移動することで、第２冷媒と水との間で熱交換が行われる。これにより、第３熱交換器４２において、高温高圧のガス冷媒である第２冷媒は、凝縮して高圧の液冷媒となる。そして、第２冷媒は、第２膨張弁３６を通過することで減圧され、低圧の気液二相状態の冷媒となる。低圧の気液二相状態の第２冷媒は、第２熱交換器３２において第１冷媒との熱交換により蒸発して、低圧のガス冷媒となる。そして、第２冷媒は、第３四方切替弁３８の第７ポート３８ｃおよび第８ポート３８ｄを通過して、第２圧縮機３４に送られる。第２正サイクル運転を行う第２冷媒回路３０は、以上の工程を繰り返すことで、第１冷媒回路２０を循環する第１冷媒の熱を、第２冷媒を介して、水回路４０を流れる水に供給する。

なお、第２冷媒回路３０は、水加熱システム１０のデフロスト運転時において、第２逆サイクル運転を行う場合がある。第２逆サイクル運転を行う第２冷媒回路３０の動作については後述する。

（１−３）水回路
水回路４０は、主として、第３熱交換器４２と、給水ポンプ４４と、給水ライン４６と、出湯ライン４８とが接続された回路である。水回路４０では、水が流れる。図１には、水の流れ方向が矢印で示されている。水回路４０を流れる水は、給水ライン４６から取り入れられ、給水ポンプ４４を通過し、第３熱交換器４２で加熱され、出湯ライン４８に送られる。給水ポンプ４４および給水ライン４６は、水加熱システム１０のケーシングの外部の配管である。

給水ポンプ４４は、給水ライン４６から水を取り入れて、第３熱交換器４２へ送るためのポンプである。給水ライン４６は、例えば、水加熱システム１０の外部に設置される受水槽に接続されている。なお、給水ライン４６と給水ポンプ４４とを接続する配管には、給水ライン４６から供給される水の圧力を低減するための減圧弁が取り付けられてもよい。第３熱交換器４２は、水−冷媒熱交換器である。上述したように、第３熱交換器４２では、第２冷媒回路３０を循環する第２冷媒と、水回路４０を流れる水との間の熱交換が行われる。出湯ライン４８は、例えば、水加熱システム１０の外部に設置される貯湯タンクに接続されている。

水回路４０の動作について説明する。給水ポンプ４４によって給水ライン４６から取り入れられた水は、第３熱交換器４２に送られる。第３熱交換器４２では、高温の第２冷媒から低温の水へ熱が移動することで、第２冷媒と水との間で熱交換が行われる。これにより、第３熱交換器４２において、水が加熱される。第３熱交換器４２で加熱された水は、湯として、出湯ライン４８に送られる。

（１−４）制御部
制御部５０は、水加熱システム１０の各構成要素を制御するためのコンピュータである。制御部５０は、第１圧縮機２４、第１膨張弁２６、第１四方切替弁２８、第２圧縮機３４、第２膨張弁３６、第２四方切替弁３８および給水ポンプ４４に接続されている。制御部５０は、例えば、第１圧縮機２４および第２圧縮機３４の運転周波数、第１膨張弁２６および第２膨張弁３６の開度、および、給水ポンプ４４の回転数を制御する。制御部５０は、例えば、水加熱システム１０内部の電装品ユニット（図示せず）に設置されている。

制御部５０は、第１四方切替弁２８を制御して、第１連通状態と第２連通状態とを切り替えることができる。制御部５０は、第２四方切替弁３８を制御して、第３連通状態と第４連通状態とを切り替えることができる。すなわち、水加熱システム１０の運転中において、制御部５０は、第１四方切替弁２８を制御して、第１正サイクル運転と第１逆サイクル運転とを切り替えることができ、かつ、第２四方切替弁３８を制御して、第２正サイクル運転と第２逆サイクル運転とを切り替えることができる。

（２）水加熱システムの動作
水加熱システム１０の動作について説明する。水加熱システム１０は、通常運転またはデフロスト運転を行う。図１は、通常運転時における水加熱システム１０の回路構成図である。水加熱システム１０の通常運転時において、第１冷媒回路２０は第１正サイクル運転を行い、第２冷媒回路３０は第２正サイクル運転を行う。この場合、図１に示されるように、第１冷媒回路２０の第１四方切替弁２８は、第１連通状態にあり、かつ、第２冷媒回路３０の第２四方切替弁３８は、第３連通状態にある。また、水回路４０では、給水ポンプ４４によって給水ライン４６から取り入れられた水が、第３熱交換器４２において加熱されて、出湯ライン４８に湯が供給される。

水加熱システム１０の通常運転時において、第１冷媒回路２０の第１熱交換器２２では、第１冷媒回路２０を循環する第１冷媒へ、外気から熱が移動する熱交換が行われる。すなわち、ファン２２ａによって送風される外気は、第１熱交換器２２において熱が奪われる。そのため、寒冷地および冬季等、外気の温度が低い条件下において、第１熱交換器２２に霜が付着することがある。第１熱交換器２２に霜が付着すると、第１熱交換器２２に霜が付着していない状態と比べて、第１熱交換器２２における熱交換の効率が低下して、水加熱システム１０の運転効率が低下してしまう。そのため、水加熱システム１０は、外気の温度が低い条件下において、運転効率の低下を抑制するために、第１熱交換器２２に付着した霜を除去するデフロスト運転を定期的に行う必要がある。水加熱システム１０のデフロスト運転は、第１熱交換器２２に付着した霜を熱で融かすことによって行われる。次に、水加熱システム１０のデフロスト運転時における動作について説明する。

水加熱システム１０のデフロスト運転は、デフロスト準備工程と、逆サイクルデフロスト工程とからなる。デフロスト準備工程は、第１熱交換器２２をデフロストする前に行われる工程である。逆サイクルデフロスト工程は、第１冷媒回路２０の第１逆サイクル運転を行って第１熱交換器２２をデフロストする工程である。図２は、デフロスト準備工程における水加熱システム１０の回路構成図である。図３は、逆サイクルデフロスト工程における水加熱システム１０の回路構成図である。

デフロスト準備工程では、最初に、制御部５０は、第２冷媒回路３０の第２圧縮機３４の運転を停止させ、同時に、水回路４０の給水ポンプ４４の運転を停止させる。すなわち、制御部５０は、第２冷媒回路３０における第２冷媒の循環を止め、同時に、水回路４０における水の流れを止める。これにより、第２熱交換器３２における第１冷媒と第２冷媒との熱交換、および、第３熱交換器４２における第２冷媒と水との熱交換が抑制される。

デフロスト準備工程では、次に、制御部５０は、所定の時間だけ、第１冷媒回路２０の第１正サイクル運転を行う。このとき、制御部５０は、第１冷媒回路２０の第１圧縮機２４の運転周波数を、水加熱システム１０の通常運転時における第１圧縮機２４の運転周波数よりも高くする制御を行う。例えば、デフロスト準備工程において、制御部５０は、第１圧縮機２４の運転周波数を通常運転時における運転周波数よりも１０％高くした状態で、５分間、第１冷媒回路２０の第１正サイクル運転を行う。また、制御部５０は、第１圧縮機２４の運転周波数を通常運転時における運転周波数から徐々に高くすることで、第１冷媒回路２０の第１正サイクル運転を行ってもよい。第１冷媒回路２０の第１正サイクル運転によって、第１圧縮機２４から吐出される高温の第１冷媒が、第２熱交換器３２に供給される。上述したように、第２熱交換器３２における熱交換が抑制され、かつ、第１圧縮機２４の運転周波数の上昇により第２熱交換器３２に供給される第１冷媒の流量も上昇するので、第２熱交換器３２には、第１圧縮機２４から吐出される高温の第１冷媒の熱が蓄積される。その結果、第２熱交換器３２の温度が上昇する。

デフロスト準備工程の完了後、逆サイクルデフロスト工程が行われる。逆サイクルデフロスト工程では、制御部５０は、第１四方切替弁２８を第１連通状態から第２連通状態へ切り替えて、第１冷媒回路２０の第１逆サイクル運転を開始する。第１逆サイクル運転における第１冷媒の循環方向は、第１正サイクル運転における第１冷媒の循環方向と反対である。具体的には、第１逆サイクル運転において、第１冷媒は、第１圧縮機２４、第１四方切替弁２８（第１ポート２８ａおよび第３ポート２８ｃ）、第１熱交換器２２、第１膨張弁２６、第２熱交換器３２、第１四方切替弁２８（第２ポート２８ｂおよび第４ポート２８ｄ）、第１圧縮機２４を、順番に通過して循環する。逆サイクルデフロスト工程では、第１圧縮機２４から吐出される高温の第１冷媒の熱、および、デフロスト準備工程において第２熱交換器３２に蓄積された熱が、第１熱交換器２２に供給される。これにより、第１熱交換器２２に付着している霜が融けて、第１熱交換器２２がデフロストされる。

（３）特徴
水加熱システム１０は、第１冷媒回路２０および第２冷媒回路３０が第２熱交換器３２を介してカスケード接続される二元冷媒回路を備える。第１冷媒回路２０は、低段側の冷媒回路であり、第２冷媒回路３０は、高段側の冷媒回路である。第１冷媒回路２０を循環する第１冷媒は、第１熱交換器２２において熱源である外気と熱交換して加熱され、第２熱交換器３２において第２冷媒回路３０を循環する第２冷媒と熱交換して冷却される。第２冷媒回路３０を循環する第２冷媒は、第２熱交換器３２において第１冷媒回路２０を循環する第１冷媒と熱交換して加熱され、第３熱交換器４２において水回路４０を流れる水と熱交換して冷却される。水回路４０を流れる水は、第３熱交換器４２において第２冷媒回路３０を循環する第２冷媒と熱交換して加熱される。このように、水加熱システム１０は、２つのヒートポンプを利用して、水を加熱するシステムである。

二元冷媒回路を備える水加熱システム１０は、１つの冷媒回路と１つの水回路からなる一元冷媒回路を備える水加熱システムと比べて、外気と熱交換される冷媒である第１冷媒の最高温度が低い。これにより、水加熱システム１０の通常運転を停止した後、すぐに、第１冷媒回路２０の第１逆サイクル運転を行って第１熱交換器２２のデフロストを開始する場合において、第２熱交換器３２を通過する第１冷媒によって、第２熱交換器３２に蓄積されている熱が、第１熱交換器２２をデフロストするために十分でないことがある。従って、水加熱システム１０の通常運転を停止した後、すぐに、第１冷媒回路２０の第１逆サイクル運転を開始しても、第１熱交換器２２のデフロストに長い時間がかかり、また、第１熱交換器２２に付着した霜が融け残るおそれがある。

本実施形態に係る水加熱システム１０は、第１熱交換器２２のデフロストが行われる逆サイクルデフロスト工程を開始する前に、デフロスト準備工程を行うことで、第１熱交換器２２のデフロストに利用される熱を、第２熱交換器３２に蓄積させる。デフロスト準備工程では、第２熱交換器３２に熱が効率的に蓄積されるように、第２圧縮機３４および給水ポンプ４４の運転を停止させて第２熱交換器３２および第３熱交換器４２の熱交換を抑制した状態で、第１冷媒回路２０の第１正サイクル運転を所定の時間行う。これにより、第１圧縮機２４で圧縮された高温の第１冷媒が、熱交換が抑制された第２熱交換器３２に送られるので、第２熱交換器３２が加熱されて第２熱交換器３２に熱が蓄積される。また、デフロスト準備工程では、第１圧縮機２４の運転周波数を通常運転時の運転周波数よりも高くして、第１冷媒回路２０の第１正サイクル運転が行われる。これにより、第１圧縮機２４から第２熱交換器３２に送られる第１冷媒の流量を増加させることができるので、第２熱交換器３２に熱が効率的に蓄積される。

従って、水加熱システム１０では、逆サイクルデフロスト工程における第１熱交換器２２のデフロストに十分な熱が、デフロスト準備工程において、第２熱交換器３２に効率的に蓄積される。デフロスト準備工程の完了後、水加熱システム１０は、逆サイクルデフロスト工程を開始する。逆サイクルデフロスト工程では、水加熱システム１０は、第１冷媒回路２０の第１逆サイクル運転を行って、第２熱交換器３２に蓄積されている熱を、第１冷媒を介して、第１熱交換器２２に供給する。これにより、水加熱システム１０は、第１熱交換器２２を加熱して、第１熱交換器２２をデフロストする。

このように、水加熱システム１０は、第１冷媒回路２０の第１逆サイクル運転による第１熱交換器２２のデフロストを開始する前に、予め、第１冷媒回路２０の第１正サイクル運転を行って第２熱交換器３２に熱を蓄積させる。第１冷媒回路２０は二元冷媒回路の低段側の冷媒回路であるので、第１冷媒回路２０を循環する第１冷媒の最高温度は、一元冷媒回路を備える水加熱システムの冷媒回路を循環する冷媒の最高温度よりも低い。そのため、水加熱システム１０の通常運転時には、第２熱交換器３２に蓄積されている熱量が、第１熱交換器２２のデフロストに十分でない可能性がある。そのため、水加熱システム１０は、第１冷媒回路２０の第１逆サイクル運転を開始する前に、水回路４０における水の流れ、および、第２冷媒回路３０における第２冷媒の循環を止め、さらに、第１冷媒回路２０の第１正サイクル運転を所定の時間行うことで、第１熱交換器２２のデフロストに十分な熱を第２熱交換器３２に効率的に蓄積させる。従って、水加熱システム１０は、第１熱交換器２２のデフロストに必要な時間を短縮することができ、かつ、霜の融け残りの発生を抑えることができる。

また、水加熱システム１０は、第１冷媒回路２０の第１逆サイクル運転を開始する前に、第１圧縮機２４の運転周波数を通常運転時の運転周波数より高くした状態で、第１冷媒回路２０の第１正サイクル運転を行う。第１圧縮機２４の運転周波数を通常より高くすることで、第１圧縮機２４から吐出される第１冷媒の流量を増加させることができる。これにより、第１熱交換器２２のデフロストを開始する前に、第２熱交換器３２に供給される高温の第１冷媒の流量を増加させることができるので、第２熱交換器３２に熱が効果的に蓄積される。従って、水加熱システム１０は、デフロストに必要な時間を効果的に短縮することができる。

（４）変形例
本発明の実施形態の具体的構成は、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で変更可能である。以下、本発明の実施形態に適用可能な変形例について説明する。

（４−１）変形例Ａ
本実施形態に係る水加熱システム１０は、最初に、デフロスト準備工程において、第１圧縮機２４の運転周波数を通常運転時より増加させた状態で、第１冷媒回路２０の第１正サイクル運転を所定の時間行う。次に、水加熱システム１０は、逆サイクルデフロスト工程において、第１冷媒回路２０の第１逆サイクル運転を開始して、第１熱交換器２２をデフロストする。しかし、水加熱システム１０は、デフロスト準備工程において、第１冷媒回路２０の第１正サイクル運転を所定の時間行う代わりに、第２熱交換器３２の第１熱交換部３２ａを通過する第１冷媒の温度が所定の温度に達するまで第１正サイクル運転を行ってもよい。すなわち、水加熱システム１０は、第２熱交換器３２を通過する第１冷媒の温度が所定の温度に達したときに、デフロスト準備工程を終了して、逆サイクルデフロスト工程を開始してもよい。

本変形例では、第２熱交換器３２は、第１熱交換部３２ａを通過する第１冷媒の温度を測定するための温度センサ（図示せず）が取り付けられている。温度センサは、例えば、第１熱交換部３２ａである、第１冷媒が流れる配管の外周面に取り付けられている。温度センサは、制御部５０に接続される。制御部５０は、温度センサが測定した第１冷媒の温度を受け取る。制御部５０は、例えば、第１熱交換部３２ａを通過する第１冷媒の温度が４６℃に達した場合にデフロスト準備工程を終了して、逆サイクルデフロスト工程を開始する。

本変形例に係る水加熱システム１０では、制御部５０は、第２熱交換器３２を通過する第１冷媒の温度を監視し、第２熱交換器３２を通過する第１冷媒の温度が所定の温度に達したときに、第１熱交換器２２のデフロストに必要な熱が第２熱交換器３２に蓄積されたと判断して、デフロスト準備工程を終了する。第１熱交換器２２のデフロストに必要な最低限の熱量を算出することができる場合、算出された熱量に基づいて、デフロスト準備工程の終了条件である第１冷媒の温度を予め設定することで、制御部５０は、デフロスト準備工程に必要な時間を抑えることができる。従って、本変形例に係る水加熱システム１０は、第２熱交換器３２に熱を蓄積させるためのデフロスト準備工程にかかる時間を短縮することができ、デフロストに必要な時間を効果的に短縮することができる。

（４−２）変形例Ｂ
本実施形態に係る水加熱システム１０では、制御部５０は、逆サイクルデフロスト工程において、第１冷媒回路２０の第１逆サイクル運転を行う。しかし、制御部５０は、逆サイクルデフロスト工程において、第２冷媒回路３０の第２逆サイクル運転をさらに行ってもよい。図４は、本変形例に係る水加熱システム１０のデフロスト運転時における回路構成図である。

本変形例では、制御部５０は、逆サイクルデフロスト工程の開始時に、第２四方切替弁３８を第３連通状態から第４連通状態へ切り替えて、第２冷媒回路２０の第２逆サイクル運転を開始する。第２逆サイクル運転における第２冷媒の循環方向は、第２正サイクル運転における第２冷媒の循環方向と反対である。具体的には、第２逆サイクル運転において、第２冷媒は、第２圧縮機３４、第２四方切替弁３８（第５ポート３８ａおよび第７ポート３８ｃ）、第２熱交換器３２、第２膨張弁３６、第３熱交換器４２、第２四方切替弁３８（第６ポート３８ｂおよび第８ポート３８ｄ）、第２圧縮機３４を、順番に通過して循環する。

本変形例では、逆サイクルデフロスト工程において第２冷媒回路３０の第２逆サイクル運転を行うことで、第３熱交換器４２に蓄積されている熱が、第２冷媒を介して、第２熱交換器３２に供給される。これにより、第２熱交換器３２に熱が蓄積される。そして、本実施形態と同様に、第１冷媒回路３０の第１逆サイクル運転によって、第２熱交換器３２に蓄積されている熱が、第１冷媒を介して、第１熱交換器２２に供給される。すなわち、逆サイクルデフロスト工程において第２冷媒回路３０の第２逆サイクル運転を行うことで、第１熱交換器２２に供給される熱量が増加するので、デフロストに必要な時間が短縮される。

本変形例では、水加熱システム１０は、逆サイクルデフロスト工程の開始時において水回路４０に湯が残っている場合に、水回路４０の湯の熱を、第２冷媒を介して第２熱交換器３２に供給することで、水回路４０の湯の熱を、第１熱交換器２２のデフロストに利用することができる。従って、逆サイクルデフロスト工程において、第１冷媒回路２０の第１逆サイクル運転と共に、第２冷媒回路３０の第２逆サイクル運転を行うことで、水加熱システム１０は、デフロストに必要な時間を効果的に短縮することができる。

なお、本変形例では、逆サイクルデフロスト工程において第２冷媒回路３０の第２逆サイクル運転を行う場合に、第２圧縮機３４の運転周波数を、水加熱システム１０の通常運転時における運転周波数よりも、低い値に設定することが好ましい。

本発明に係る水加熱システムは、デフロストに必要な時間を短縮することができ、かつ、霜の融け残りの発生を抑えることができる。

１０ 水加熱システム
２０ 第１冷媒回路
２２ 第１熱交換器
２４ 第１圧縮機
３０ 第２冷媒回路
３２ 第２熱交換器
３４ 第２圧縮機
４０ 水回路
４２ 第３熱交換器
５０ 制御部

特開２００１−１０８２５６号公報 特開２００４−１３２６４７号公報

Claims (4)

1. 熱源と第１冷媒とを熱交換させる第１熱交換器（２２）と、前記第１冷媒と第２冷媒とを熱交換させる第２熱交換器（３２）とを有し、前記第１冷媒が循環する第１冷媒回路（２０）と、
   前記第１冷媒回路と共有する前記第２熱交換器と、前記第２冷媒と水とを熱交換させる第３熱交換器（４２）とを有し、前記第２冷媒が循環する第２冷媒回路（３０）と、
   前記第２冷媒回路と共有する前記第３熱交換器を有し、水が通過する水回路（４０）と、
   前記第１熱交換器のデフロスト運転を行うために、前記第１冷媒回路、前記第２冷媒回路および前記水回路を制御する制御部（５０）と、
   を備え、
   前記制御部は、前記デフロスト運転を開始する前に、前記水回路における前記第３熱交換器への水の供給と、前記第２冷媒回路における前記第２熱交換器への前記第２冷媒の供給とを止め、前記第１冷媒回路において通常運転時と同じ方向に前記第１冷媒を循環させ、
   前記制御部は、前記第１冷媒回路において前記第１冷媒が循環する方向を逆にして、前記第１冷媒を前記第２熱交換器から前記第１熱交換器に供給することで、前記デフロスト運転を開始する、
   水加熱システム（１０）。
2. 前記第１冷媒回路は、前記第１冷媒を圧縮する第１圧縮機（２４）を有し、
   前記第２冷媒回路は、前記第２冷媒を圧縮する第２圧縮機（３４）を有し、
   前記制御部は、前記デフロスト運転を開始する前に、前記第１圧縮機の運転周波数を第１運転時間だけ増加させ、かつ、前記第２圧縮機の運転を停止させる、
   請求項１に記載の水加熱システム。
3. 前記制御部は、前記第２熱交換器に供給される前記第１冷媒の温度が第１温度に達したときに、前記デフロスト運転を開始する、
   請求項１または２に記載の水加熱システム。
4. 前記制御部は、さらに、前記第２冷媒回路において前記第２冷媒が循環する方向を逆にして、前記第２冷媒を前記第３熱交換器から前記第２熱交換器に供給することで、前記デフロスト運転を開始する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の水加熱システム。

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