WO2016189663A1 - ヒートポンプ給湯システム - Google Patents

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WO2016189663A1
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hot water
heat
water supply
bypass
solenoid valve
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PCT/JP2015/065127
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大林 誠善
七種 哲二
裕介 辻
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三菱電機株式会社
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    • F25B2600/2501Bypass valves

Definitions

  • the present invention relates to a heat pump hot water supply system, and more particularly to a heat pump hot water supply system that uses thermal energy such as condensation heat of a refrigerant.
  • the CO 2 in the supercritical state does not condense when heat is given to other fluids (for example, water, air, refrigerant, etc.) by heat exchange, and remains in the supercritical state.
  • CO 2 having such characteristics has little loss due to state transition, and is suitable for heat pump devices that require high temperatures. Therefore, using CO 2 as a refrigerant, to take advantage of the CO 2, the heat pump water heater has been proposed to raise boiling water to a high temperature of 90 [° C.] or higher.
  • Patent Document 1 a hot water supply system using a heat pump water heater that heats water by the heat of condensation of the refrigerant has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
  • the hot water supply system described in Patent Document 1 includes a heat pump water heater and a combustion device using gas or oil as fuel as auxiliary hot water supply means.
  • the present invention has been made against the background of the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain a heat pump hot water supply system that is cheaper and has a smaller installation space than conventional ones.
  • a heat pump hot water supply system includes a compressor, a gas cooler, a first electromagnetic valve, a heat storage heat exchanger, an expansion valve, and an air heat exchanger, which are sequentially connected to a compressor for compressing refrigerant, a heat pump water heater, A hot water tank having a heat medium that exchanges heat with the refrigerant flowing inside the gas cooler, and a heat storage tank that has a heat medium that exchanges heat with the refrigerant flowing inside the heat storage heat exchanger, the heat pump water heater includes A first branching portion located on the outlet side of the gas cooler and on the inlet side of the first solenoid valve branches from the main circuit, and is located on the outlet side of the heat storage heat exchanger and on the inlet side of the expansion valve. A first bypass circuit provided so as to merge with the main circuit at the junction, and a control unit that switches opening and closing of the first electromagnetic valve.
  • the heat pump hot water supply system branches from the main circuit at the first branch portion located on the outlet side of the gas cooler and on the inlet side of the first electromagnetic valve, and on the outlet side of the heat storage heat exchanger and on the expansion valve.
  • a first bypass circuit provided so as to merge with the main circuit at the first merge portion located on the inlet side; and a control unit configured to switch opening and closing of the first electromagnetic valve.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration diagram of a heat pump hot water supply system 200 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a schematic diagram of the heat pump hot water supply system 200 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the heat pump hot water supply system 200 includes a heat pump water heater 100, a hot water tank 20, a hot water supply circuit 21, a water supply means 22, a heat storage tank 30, a heat storage circuit 31, a water supply means 32, Is provided.
  • the heat pump water heater 100 uses a fluid that exceeds the critical point on the high-pressure side of the refrigeration cycle, for example, CO 2 as a refrigerant.
  • the heat pump water heater 100 includes a compressor 1, a gas cooler 2, a heat storage heat exchanger 3, an expansion valve 4, an air heat exchanger 5, a fan 6, a control means 50, and a main circuit 80.
  • the main circuit 80 is a circuit in which the compressor 1, the gas cooler 2, the heat storage heat exchanger 3, the expansion valve 4, and the air heat exchanger 5 are sequentially connected.
  • the compressor 1 is a variable capacity compressor that compresses sucked refrigerant and discharges it as a high-temperature and high-pressure refrigerant.
  • the gas cooler 2 is for exchanging heat between the refrigerant flowing through the main circuit 80 discharged from the compressor 1 and the heat medium flowing through the hot water supply circuit 21, and is provided on the discharge side of the compressor 1.
  • the heat storage heat exchanger 3 is for exchanging heat between the refrigerant flowing through the main circuit 80 and the heat medium flowing through the heat storage circuit 31.
  • the heat medium that flows out of the hot water supply tank 20 and flows through the hot water supply circuit 21 is, for example, hot water.
  • the heat medium that flows out of the heat storage tank 30 and flows through the heat storage circuit 31 is, for example, hot water.
  • the expansion valve 4 expands the refrigerant flowing on the main circuit 80 under reduced pressure, and is provided on the outlet side of the heat storage heat exchanger 3 on the main circuit 80.
  • the air heat exchanger 5 evaporates the refrigerant flowing out of the expansion valve 4 and is provided on the outlet side of the expansion valve 4.
  • the fan 6 is a blowing means for generating an air flow for introducing air into the air heat exchanger 5.
  • the hot water supply tank 20 temporarily stores hot water for hot water supply.
  • the hot water supply circuit 21 is a circuit provided to pass through the inside of the hot water tank 20 and the inside of the gas cooler 2.
  • the water supply means 22 is for sending hot water discharged from the hot water supply tank 20 toward the gas cooler 2 and returning it to the hot water supply tank 20 again.
  • the heat storage tank 30 stores hot water at a temperature lower than the hot water supply temperature (for example, a temperature range of 20 ° C. to 40 ° C.).
  • the heat storage circuit 31 is a circuit provided to pass through the inside of the heat storage tank 30 and the inside of the heat storage heat exchanger 3.
  • the water supply means 32 is for sending warm water discharged from the inside of the heat storage tank 30 toward the heat storage heat exchanger 3 and returning it to the heat storage tank 30 again.
  • the control means 50 controls, for example, opening and closing of the first electromagnetic valve 80V1, the second electromagnetic valve 80V2, the first bypass electromagnetic valve 81V, and the second bypass electromagnetic valve 82V.
  • the control means 50 is configured by, for example, hardware such as a circuit device that realizes this function, or software executed on an arithmetic device such as a microcomputer or a CPU.
  • the first electromagnetic valve 80V1 is an electromagnetic valve provided on the outlet side of the gas cooler 2 and on the inlet side of the heat storage heat exchanger 3.
  • the second electromagnetic valve 80V2 is an electromagnetic valve provided on the outlet side of the expansion valve 4 and on the inlet side of the air heat exchanger 5.
  • the first bypass circuit 81 branches from the main circuit 80 at the first branch portion 81a located on the outlet side of the gas cooler 2 and on the inlet side of the first electromagnetic valve 80V1, and on the outlet side of the heat storage heat exchanger 3 and on the expansion valve 4 is provided so as to merge with the main circuit 80 at the first merging portion 81b located on the inlet side.
  • the first bypass solenoid valve 81 ⁇ / b> V is provided on the first bypass circuit 81.
  • the second bypass circuit 82 branches from the main circuit 80 at the second branch portion 82a located on the discharge side of the compressor 1 and on the inlet side of the gas cooler 2, and is on the outlet side of the gas cooler 2 and more than the first branch portion 81a.
  • the second merging portion 82b located on the gas cooler 2 side is provided so as to merge with the main circuit 80.
  • the second bypass solenoid valve 82V is provided on the second bypass circuit 82.
  • the third bypass circuit 83 branches from the main circuit 80 at the third branch portion 83a located on the outlet side of the expansion valve 4 and on the inlet side of the second electromagnetic valve 80V2, and on the outlet side of the second electromagnetic valve 80V2 and air It is provided so as to merge with the main circuit 80 at the third merge portion 83 b located on the inlet side of the heat exchanger 5.
  • the operation mode of the heat pump water heater 100 will be described.
  • Examples of the operation mode include (1) hot water supply mode, (2) heat storage mode, (3) heat recovery hot water supply mode, and (4) thermal insulation heat storage simultaneous mode.
  • Hot-water supply mode In the hot-water supply mode, when the hot-water supply load is low or when there is almost no hot-water supply load, the temperature of the low-temperature water in the lower part of the hot-water tank 20 is raised and the temperature inside the heat pump water heater 100 is raised In this mode, the hot water is returned to the upper part of the hot water supply tank 20 after the hot water is used.
  • the control means 50 closes the first solenoid valve 80V1, opens the second solenoid valve 80V2, opens the first bypass solenoid valve 81V, and closes the second bypass solenoid valve 82V.
  • the high-temperature and high-pressure refrigerant discharged from the compressor 1 flows into the gas cooler 2.
  • the refrigerant that has flowed into the gas cooler 2 heats and warms the hot water that circulates in the hot water supply circuit 21, then enters a low-temperature refrigerant state, flows through the first bypass circuit 81, and flows into the expansion valve 4.
  • the refrigerant that has flowed into the expansion valve 4 is decompressed and expanded to become a low-temperature and low-pressure two-phase refrigerant state, flows out of the expansion valve 4, and flows into the air heat exchanger 5.
  • the refrigerant flowing into the air heat exchanger 5 exchanges heat with the atmosphere to be in a gas state and flows into the compressor 1.
  • the low water temperature water in the lower part of the hot water supply tank 20 flows into the gas cooler 2 through the hot water supply circuit 21 by operating the water supply means 22.
  • the hot water that has flowed into the gas cooler 2 rises in temperature by exchanging heat with the refrigerant that flows through the gas cooler 2, becomes hot water having a high temperature, and flows into the upper portion of the hot water tank 20 through the hot water supply circuit 21.
  • the heat storage mode is a mode in which the temperature of hot water in the heat storage tank 30 is raised when the amount of hot water in the hot water supply tank 20 is filled with hot water (for example, 100%) equal to or higher than a certain threshold.
  • the control means 50 opens the first solenoid valve 80V1, opens the second solenoid valve 80V2, closes the first bypass solenoid valve 81V, and opens the second bypass solenoid valve 82V.
  • the high-temperature and high-pressure refrigerant discharged from the compressor 1 flows through the second bypass circuit 82 and flows into the heat storage heat exchanger 3.
  • the refrigerant flowing into the heat storage heat exchanger 3 heats and warms the hot water circulating through the heat storage circuit 31, enters a low-temperature refrigerant state, and flows into the expansion valve 4.
  • the refrigerant flowing into the expansion valve 4 is decompressed and expanded to become a low-temperature and low-pressure two-phase refrigerant state, and flows into the air heat exchanger 5.
  • the refrigerant flowing into the air heat exchanger 5 exchanges heat with the atmosphere to be in a gas state and flows into the compressor 1.
  • the hot water stored in the heat storage tank 30 flows into the heat storage heat exchanger 3 through the heat storage circuit 31 by operating the water supply means 32.
  • the hot water flowing into the heat storage heat exchanger 3 is heated and heated by exchanging heat with the refrigerant flowing through the heat storage heat exchanger 3, and flows into the heat storage tank 30 through the heat storage circuit 31.
  • Heat recovery hot water supply mode In the heat recovery hot water supply mode, when the hot water supply load temporarily increases and the hot water supply tank 20 falls below a certain threshold, the hot water in the heat storage tank 30 is used as a heat source, and the heat storage heat exchanger 3 and the hot water inside the heat storage tank 30 are circulated and the hot water inside the hot water supply tank 20 is heated by the heat storage heat exchanger 3.
  • the control means 50 closes the first solenoid valve 80V1, closes the second solenoid valve 80V2, opens the first bypass solenoid valve 81V, and closes the second bypass solenoid valve 82V.
  • the high-temperature and high-pressure refrigerant discharged from the compressor 1 flows into the gas cooler 2.
  • the refrigerant that has flowed into the gas cooler 2 heats and warms the hot water circulating in the hot water supply circuit 21, becomes a low-temperature refrigerant state, flows through the first bypass circuit 81, and flows into the expansion valve 4.
  • the refrigerant flowing into the expansion valve 4 is reduced in pressure to be in a low-temperature and low-pressure two-phase refrigerant state, and flows into the heat storage heat exchanger 3 through the third bypass circuit 83.
  • the refrigerant that has flowed into the heat storage heat exchanger 3 cools and evaporates the hot water circulating through the heat storage circuit 31, enters a gas state, and flows into the air heat exchanger 5.
  • the refrigerant flowing into the air heat exchanger 5 exchanges heat with the atmosphere to be in a gas state and flows into the compressor 1.
  • the low water temperature water in the lower part of the hot water supply tank 20 flows into the gas cooler 2 through the hot water supply circuit 21 by operating the water supply means 22.
  • the hot water that has flowed into the gas cooler 2 rises in temperature by exchanging heat with the refrigerant that flows through the gas cooler 2, becomes hot water having a high temperature, and flows into the upper portion of the hot water tank 20 through the hot water supply circuit 21.
  • the hot water stored in the heat storage tank 30 flows into the heat storage heat exchanger 3 through the heat storage circuit 31 by operating the water supply means 32.
  • the hot water flowing into the heat storage heat exchanger 3 is cooled by exchanging heat with the refrigerant flowing through the heat storage heat exchanger 3 and flows into the heat storage tank 30 through the heat storage circuit 31.
  • Thermal insulation thermal storage simultaneous mode is a case where the hot water supply load is small, but reheating is required due to a temperature drop such as heat dissipation, that is, the incoming water temperature from the hot water tank 20 is higher than a certain threshold (for example, 55 ° C.) In this case, the temperature of the hot water in the hot water tank 20 is raised again, and the temperature of the hot water in the heat storage tank 30 is raised.
  • the control means 50 opens the first solenoid valve 80V1, opens the second solenoid valve 80V2, closes the first bypass solenoid valve 81V, and closes the second bypass solenoid valve 82V.
  • the high-temperature and high-pressure refrigerant discharged from the compressor 1 flows into the gas cooler 2.
  • the refrigerant that has flowed into the gas cooler 2 heats and warms the hot water circulating in the hot water supply circuit 21, enters an intermediate temperature refrigerant state, and flows into the heat storage heat exchanger 3.
  • the refrigerant that has flowed into the heat storage heat exchanger 3 heats and warms the hot water circulating in the heat storage tank 30 to become a low-temperature refrigerant state and flows out of the heat storage heat exchanger 3.
  • the refrigerant that has flowed out of the heat storage heat exchanger 3 flows into the expansion valve 4 and is depressurized to become a low-temperature and low-pressure two-phase refrigerant state and flows into the air heat exchanger 5.
  • the refrigerant that has flowed into the air heat exchanger 5 exchanges heat with the atmosphere in the air heat exchanger 5 to become a gas state, and flows into the compressor 1.
  • the low water temperature water in the lower part of the hot water supply tank 20 flows into the gas cooler 2 through the hot water supply circuit 21 by operating the water supply means 22.
  • the hot water that has flowed into the gas cooler 2 rises in temperature by exchanging heat with the refrigerant that flows through the gas cooler 2, becomes hot water having a high temperature, and flows into the upper portion of the hot water tank 20 through the hot water supply circuit 21.
  • the hot water stored in the heat storage tank 30 flows into the heat storage heat exchanger 3 through the heat storage circuit 31 by operating the water supply means 32.
  • the hot water flowing into the heat storage heat exchanger 3 is heated and heated by exchanging heat with the refrigerant flowing through the heat storage heat exchanger 3, and flows into the heat storage tank 30 through the heat storage circuit 31.
  • FIG. 3 is a diagram showing a specific configuration of the heat storage tank 30 of the heat pump hot water supply system 200 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the heat storage tank 30 stores a capsule 29 that changes phase from a liquid phase to a solid phase at 20 ° C. to 40 ° C.
  • the capsule 29 is a member in which a latent heat storage material such as sodium acetate is enclosed. When configured in this way, it is configured such that warm water flows around the capsule 29.
  • the capsule 29 may be composed of several hundred ⁇ m or less in which a latent heat storage material such as a paraffin resin is enclosed.
  • the heat storage heat exchanger 3 and the heat storage tank in the state of the mixture of the capsule 29 and hot water. It is configured to circulate between 30.
  • the heat pump water heater 100 includes the compressor 1, the gas cooler 2, the first electromagnetic valve 80V1, the heat storage heat exchanger 3, the expansion valve 4, and the air heat exchanger 5 that compress refrigerant.
  • the heat pump water heater 100 having the main circuit 80 sequentially connected, the hot water supply tank 20 having a heat medium that exchanges heat with the refrigerant flowing inside the gas cooler 2, and the refrigerant flowing inside the heat storage heat exchanger 3.
  • a heat storage tank 30 having a heat medium, and the heat pump water heater 100 branches from the main circuit 80 at a first branch portion 81a located on the outlet side of the gas cooler 2 and on the inlet side of the first electromagnetic valve 80V1.
  • a first bypass circuit 81 provided so as to merge with the main circuit 80 in a first merge portion 81b located on the outlet side of the heat exchanger 3 and on the inlet side of the expansion valve 4, and a first electromagnetic valve 80V.
  • control means 50 for switching the opening and closing of, and has a. For this reason, the hot water stored in the hot water tank 20 is heated without using a combustion device that warms the hot water stored in the hot water tank 20 as before, and without increasing the capacity of the hot water tank 20. can do. Therefore, it is possible to obtain a heat pump hot water supply system 200 that is less expensive and has a smaller installation space.
  • control means 50 closes the first solenoid valve 80V1, closes the second solenoid valve 80V2, opens the first bypass solenoid valve 81V, and closes the second bypass solenoid valve 82V.
  • the mode can be executed. By executing the heat recovery hot water supply mode, it is possible to increase the hot water supply capacity particularly in winter when the hot water supply load is large. For example, in the conventional hot water supply mode, heat was transferred from a low atmospheric temperature to hot water, but by adding a heat recovery hot water supply mode, heat transfer from the medium temperature water to the hot water in the heat storage tank 30 is performed. Heat transfer is facilitated, and the evaporating temperature rises, whereby the suction refrigerant density of the compressor 1 rises. As a result, the hot water supply capacity increases without changing the capacity of the compressor 1.
  • control means 50 opens the first solenoid valve 80V1, opens the second solenoid valve 80V2, closes the first bypass solenoid valve 81V, and closes the second bypass solenoid valve 82V.
  • the mode can be executed.
  • the heat storage tank 30 is provided with the heat storage heat exchanger 3 that is conventionally 55 ° C. corresponding to the water inlet temperature at the gas cooler outlet. Therefore, the amount of heat increases, the amount of heat / refrigerant transport power increases, and an efficient operation can be performed.
  • control unit 50 has described the example of opening and closing the first solenoid valve 80V1, the second solenoid valve 80V2, the first bypass solenoid valve 81V, and the second bypass solenoid valve 82V.
  • the opening degree of the solenoid valve can be appropriately determined in stages.
  • FIG. FIG. 4 is a diagram showing a schematic diagram of a heat pump hot water supply system 200 according to Embodiment 2 of the present invention.
  • items that are not particularly described are the same as those in the first embodiment, and the same functions and configurations are described using the same reference numerals.
  • the heat pump hot water supply system 200 includes a hot water supply circuit 121, a water supply means 122, a hot water supply circulation circuit 131, a circulation pump 132, a connection circuit 141, a bypass connection circuit 151, and a combustion device 152.
  • a circulation pump 153 As shown in FIG. 4, the heat pump hot water supply system 200 includes a hot water supply circuit 121, a water supply means 122, a hot water supply circulation circuit 131, a circulation pump 132, a connection circuit 141, a bypass connection circuit 151, and a combustion device 152.
  • a circulation pump 153 is shown in FIG. 4, the heat pump hot water supply system 200.
  • the hot water supply circuit 121 is a circuit provided to connect the gas cooler 2 and the heat storage heat exchanger 3.
  • the water supply means 122 is a circuit that guides the hot water flowing out of the heat storage tank 30 to the hot water supply tank 20 and is provided on the hot water supply circuit 121.
  • the hot water supply circulation circuit 131 is a circuit that circulates hot water flowing out from the load 190.
  • Circulation pump 132 is a pump that operates when the water temperature of heat storage tank 30 drops below a predetermined value, and is provided on hot water supply circulation circuit 131.
  • connection circuit 141 is a circuit that connects the hot water supply tank 20 and the heat storage tank 30.
  • the bypass connection circuit 151 is a circuit that connects the hot water tank 20 and the heat storage tank 30, and is a circuit that guides hot water flowing out of the heat storage tank 30 to the hot water tank 20 without passing through the connection circuit 141.
  • the combustion device 152 is for heating the hot water discharged from the heat storage tank 30 and supplying the heated hot water to the hot water supply tank 20, and is provided on the bypass connection circuit 151.
  • the combustion device 152 functions as a backup means in the case where heating is not sufficient even when hot water is supplied by exchanging heat in the gas cooler 2.
  • the circulation pump 153 supplies heat supplied from the combustion device 152 to the object to be heated, and is provided on the bypass connection circuit 151.
  • the heat pump hot water supply system 200 includes the connection circuit 141 that guides the hot water flowing out from the heat storage tank 30 to the hot water supply tank 20, and the hot water flowing out of the heat storage tank 30 without going through the connection circuit 141.
  • a bypass connection circuit 151 that guides the hot water to the hot water supply tank 20
  • a combustion device 152 that is provided in the bypass connection circuit 151 and heats the hot water that flows out of the heat storage tank 30 and flows through the bypass connection circuit 151.
  • the hot water supply load temporarily increases, the hot water in the heat storage tank 30 flows through the hot water supply tank 20 after being heated by the combustion device 152 through the bypass connection circuit 151. . Therefore, hot water can be supplied to the hot water supply tank 20 even when an excessive load temporarily occurs.

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Abstract

冷媒を圧縮する圧縮機(1)、ガスクーラ(2)、第1電磁弁(80V1)、蓄熱熱交換器(3)、膨張弁(4)、空気熱交換器(5)、を順次接続した主回路(80)を有するヒートポンプ給湯器(100)と、ガスクーラ(2)の内部を流れる冷媒と熱交換する熱媒体を有する給湯タンク(20)と、蓄熱熱交換器(3)の内部を流れる冷媒と熱交換する熱媒体を有する蓄熱槽(30)と、を備え、ヒートポンプ給湯器(100)は、ガスクーラ(2)の出口側で且つ第1電磁弁(80V1)の入口側に位置する第1分岐部(81a)において主回路(80)から分岐し、蓄熱熱交換器(3)の出口側で且つ膨張弁(4)の入口側に位置する第1合流部(81b)において主回路(80)と合流するように設けられる第1バイパス回路(81)と、第1電磁弁(80V1)の開閉を切り替える制御手段(50)と、を有するものである。

Description

ヒートポンプ給湯システム
 本発明は、ヒートポンプ給湯システムに関するものであり、特に冷媒の凝縮熱などの熱エネルギを利用するヒートポンプ給湯システムに関するものである。
 近年、脱フロン化の流れを受けて自然冷媒を用いたヒートポンプ装置の開発が盛んに進められている。中でも、二酸化炭素(CO)を冷媒としたヒートポンプ装置の普及は年々増加傾向にある。COは、オゾン破壊係数が0、地球温暖化係数が1という特性を有しているため、環境への負荷を小さくできる。また、COは、毒性が無く、可燃性も無いという点で安全性に優れており、入手が容易であり、比較的安価である。さらに、圧縮機から吐出された高圧側のCOは、フロン系の冷媒とは異なり、臨界点を超えた超臨界状態となるという特性を有している。すなわち、この超臨界状態のCOは、熱交換によって他の流体(例えば、水や空気、冷媒等)に熱を与えるときに、凝縮せず、超臨界状態のままである。このような特性を有するCOは、状態遷移による損失が少なく、ヒートポンプ装置の中でも高温が要求されるものに適している。そこで、COを冷媒として使用し、COの利点を活用し、水を90[℃]以上の高温にまで沸き上げるようにしたヒートポンプ給湯機が提案されている。
 また、冷媒の凝縮熱により水を加温するヒートポンプ給湯器を使用した給湯システムが提案されている(例えば特許文献1参照)。特許文献1に記載の給湯システムは、ヒートポンプ給湯器と、補助給湯手段としてガスや油を燃料とした燃焼機器と、を備えている。
特許第4139827号公報
 しかしながら、特許文献1に記載の発明において、給湯負荷が一時的に大きくなり、燃焼機器が作動すると、ヒートポンプ給湯器は瞬発能力が小さいため、運転率は極端に小さくなる。このため、1次換算エネルギで効率の低下やCO排出量の増加につながってしまうという課題があった。また、燃焼機器を作動させずに、負荷の小さい夜間等に貯湯タンクに蓄熱しようとすると、貯湯タンクの容量が大きくなって設置スペースが大きくなる、初期投資額が増大するという課題があった。
 本発明は、上述のような課題を背景としてなされたものであり、従来よりも安価で且つ設置スペースの小さいヒートポンプ給湯システムを得ることを目的とする。
 本発明に係るヒートポンプ給湯システムは、冷媒を圧縮する圧縮機、ガスクーラ、第1電磁弁、蓄熱熱交換器、膨張弁、空気熱交換器、を順次接続した主回路を有するヒートポンプ給湯器と、前記ガスクーラの内部を流れる冷媒と熱交換する熱媒体を有する給湯タンクと、前記蓄熱熱交換器の内部を流れる冷媒と熱交換する熱媒体を有する蓄熱槽と、を備え、前記ヒートポンプ給湯器は、前記ガスクーラの出口側で且つ前記第1電磁弁の入口側に位置する第1分岐部において前記主回路から分岐し、前記蓄熱熱交換器の出口側で且つ前記膨張弁の入口側に位置する第1合流部において前記主回路と合流するように設けられる第1バイパス回路と、前記第1電磁弁の開閉を切り替える制御手段と、を有するものである。
 本発明によれば、ヒートポンプ給湯システムは、ガスクーラの出口側で且つ第1電磁弁の入口側に位置する第1分岐部において主回路から分岐し、蓄熱熱交換器の出口側で且つ膨張弁の入口側に位置する第1合流部において主回路と合流するように設けられる第1バイパス回路と、第1電磁弁の開閉を切り替える制御手段と、を有する。このため、給湯タンクに貯留されている温水を加温する燃焼機器を使用せず、貯湯タンクの容量を大きくすることなく、給湯タンクに貯留されている温水を加温することができる。したがって、従来よりも安価で且つ設置スペースの小さいヒートポンプ給湯システムを得ることができる。
本発明の実施の形態1に係るヒートポンプ給湯システム200の構成図を示す図である。 本発明の実施の形態1に係るヒートポンプ給湯システム200の概略図を示す図である。 本発明の実施の形態1に係るヒートポンプ給湯システム200の蓄熱槽30の具体的構成を示す図である。 本発明の実施の形態2に係るヒートポンプ給湯システム200の概略図を示す図である。
 以下、本発明のヒートポンプ給湯器100について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。さらに、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、これらの記載に限定されるものではない。
実施の形態1.
 図1は本発明の実施の形態1に係るヒートポンプ給湯システム200の構成図を示す図である。図2は本発明の実施の形態1に係るヒートポンプ給湯システム200の概略図を示す図である。
 図1に示されるように、ヒートポンプ給湯システム200は、ヒートポンプ給湯器100と、給湯タンク20と、給湯回路21と、送水手段22と、蓄熱槽30と、蓄熱回路31と、送水手段32と、を備える。
 図2に示されるように、ヒートポンプ給湯器100は、冷凍サイクルの高圧側で臨界点を超える流体、例えばCOを冷媒として用いるものである。ヒートポンプ給湯器100は、圧縮機1と、ガスクーラ2と、蓄熱熱交換器3と、膨張弁4と、空気熱交換器5と、ファン6と、制御手段50と、主回路80と、を備える。主回路80は、圧縮機1と、ガスクーラ2と、蓄熱熱交換器3と、膨張弁4と、空気熱交換器5と、を順次接続した回路である。
 圧縮機1は、吸入された冷媒を圧縮して高温及び高圧の冷媒として吐出する、可変容量の圧縮機である。ガスクーラ2は、圧縮機1から吐出された主回路80を流れる冷媒と、給湯回路21を流れる熱媒体と、を熱交換するためのものであり、圧縮機1の吐出側に設けられている。蓄熱熱交換器3は、主回路80を流れる冷媒と、蓄熱回路31を流れる熱媒体と、を熱交換するためのものである。なお、給湯タンク20から流出して給湯回路21を流れる熱媒体は、例えば温水である。また、蓄熱槽30から流出して蓄熱回路31を流れる熱媒体は、例えば温水である。
 膨張弁4は、主回路80上を流れる冷媒を減圧膨張するものであり、主回路80上における蓄熱熱交換器3の出口側に設けられている。空気熱交換器5は、膨張弁4から流出した冷媒を蒸発ガス化するものであり、膨張弁4の出口側に設けられている。ファン6は、空気熱交換器5に空気を導入する空気流れを生成するための送風手段である。
 給湯タンク20は、給湯用の温水を一時的に蓄えるものである。給湯回路21は、給湯タンク20の内部とガスクーラ2の内部とを通るように設けられている回路である。送水手段22は、給湯タンク20の内部から排出される温水をガスクーラ2側に向かって送出して再び給湯タンク20に戻すためのものである。
 蓄熱槽30は、給湯温度よりも低い温度(例えば、20℃~40℃の温度帯)で温水として蓄えるものである。蓄熱回路31は、蓄熱槽30の内部と蓄熱熱交換器3の内部とを通るように設けられている回路である。送水手段32は、蓄熱槽30の内部から排出される温水を蓄熱熱交換器3側に向かって送出して再び蓄熱槽30に戻すためのものである。
 制御手段50は、例えば、第1電磁弁80V1、第2電磁弁80V2、第1バイパス電磁弁81V、及び第2バイパス電磁弁82Vの開閉を制御する。制御手段50は、例えば、この機能を実現する回路デバイスなどのハードウェア、又はマイコン若しくはCPUなどの演算装置上で実行されるソフトウェアで構成される。
 第1電磁弁80V1は、ガスクーラ2の出口側で且つ蓄熱熱交換器3の入口側に設けられている電磁弁である。第2電磁弁80V2は、膨張弁4の出口側で且つ空気熱交換器5の入口側に設けられている電磁弁である。
 第1バイパス回路81は、ガスクーラ2の出口側で且つ第1電磁弁80V1の入口側に位置する第1分岐部81aにおいて主回路80から分岐し、蓄熱熱交換器3の出口側で且つ膨張弁4の入口側に位置する第1合流部81bにおいて主回路80と合流するように設けられている。第1バイパス電磁弁81Vは、第1バイパス回路81上に設けられている。
 第2バイパス回路82は、圧縮機1の吐出側で且つガスクーラ2の入口側に位置する第2分岐部82aにおいて主回路80から分岐してガスクーラ2の出口側で且つ第1分岐部81aよりもガスクーラ2側に位置する第2合流部82bにおいて主回路80と合流するように設けられている。第2バイパス電磁弁82Vは、第2バイパス回路82上に設けられている。
 第3バイパス回路83は、膨張弁4の出口側で且つ第2電磁弁80V2の入口側に位置する第3分岐部83aにおいて主回路80から分岐して第2電磁弁80V2の出口側で且つ空気熱交換器5の入口側に位置する第3合流部83bにおいて主回路80と合流するように設けられている。
 以下に、ヒートポンプ給湯器100の運転モードについて説明する。運転モードとしては、例えば、(1)給湯モード、(2)蓄熱モード、(3)熱回収給湯モード、及び(4)保温蓄熱同時モードが挙げられる。
(1)給湯モード
 給湯モードは、給湯負荷が少ない場合又は給湯負荷がほとんどない場合において、給湯タンク20の下部の低水温の水を昇温させ、ヒートポンプ給湯器100の内部で昇温させて高温の温水とした後、給湯タンク20の上部に返湯するモードである。給湯モードにおいては、制御手段50は、第1電磁弁80V1を閉止し、第2電磁弁80V2を開放し、第1バイパス電磁弁81Vを開放し、第2バイパス電磁弁82Vを閉止する。
 給湯モードを実行した場合において、圧縮機1から吐出された高温高圧の冷媒はガスクーラ2に流入する。ガスクーラ2に流入した冷媒は、給湯回路21を循環する給湯水を加熱昇温した後、低温の冷媒状態となり、第1バイパス回路81を流れて膨張弁4に流入する。膨張弁4に流入した冷媒は、減圧膨張されて低温低圧の二相冷媒状態となって膨張弁4から流出して空気熱交換器5に流入する。空気熱交換器5に流入した冷媒は、大気と熱交換してガス状態となり、圧縮機1に流入する。
 一方、給湯タンク20下部の低水温の水は、送水手段22を作動させることで給湯回路21を通ってガスクーラ2に流入する。ガスクーラ2に流入した温水は、ガスクーラ2を流れる冷媒と熱交換することで昇温して高温度の温水となり、給湯回路21を通って給湯タンク20の上部に流入する。
(2)蓄熱モード
 蓄熱モードは、給湯タンク20の湯量がある閾値以上の湯(例えば100%)で満たされた場合において、蓄熱槽30の内部の温水を昇温させるモードである。蓄熱モードにおいては、制御手段50は、第1電磁弁80V1を開放し、第2電磁弁80V2を開放し、第1バイパス電磁弁81Vを閉止し、第2バイパス電磁弁82Vを開放する。
 蓄熱モードを実行した場合において、圧縮機1から吐出された高温高圧の冷媒は、第2バイパス回路82を流れて蓄熱熱交換器3に流入する。蓄熱熱交換器3に流入した冷媒は、蓄熱回路31を循環する温水を加熱昇温し、低温の冷媒状態となり、膨張弁4に流入する。膨張弁4に流入した冷媒は、減圧膨張されて低温低圧の二相冷媒状態となり、空気熱交換器5に流入する。空気熱交換器5に流入した冷媒は、大気と熱交換してガス状態となり、圧縮機1に流入する。
 一方、蓄熱槽30の内部に溜められた温水は、送水手段32を作動させることで蓄熱回路31を通って蓄熱熱交換器3に流入する。蓄熱熱交換器3に流入した温水は、蓄熱熱交換器3を流れる冷媒と熱交換して加熱昇温され、蓄熱回路31を通って蓄熱槽30に流入する。
(3)熱回収給湯モード
 熱回収給湯モードは、一時的に給湯負荷が増大し、給湯タンク20が湯量がある閾値以下になった場合において、蓄熱槽30の温水を熱源とし、蓄熱熱交換器3と蓄熱槽30の内部の温水を循環させるとともに、蓄熱熱交換器3にて、給湯タンク20の内部の温水を昇温させるモードである。熱回収給湯モードにおいては、制御手段50は、第1電磁弁80V1を閉止し、第2電磁弁80V2を閉止し、第1バイパス電磁弁81Vを開放し、第2バイパス電磁弁82Vを閉止する。
 熱回収給湯モードを実行した場合において、圧縮機1から吐出された高温高圧の冷媒はガスクーラ2に流入する。ガスクーラ2に流入した冷媒は、給湯回路21を循環する温水を加熱昇温し、低温の冷媒状態となり、第1バイパス回路81を流れて膨張弁4に流入する。膨張弁4に流入した冷媒は、減圧され低温低圧の二相冷媒状態となり、第3バイパス回路83を通って蓄熱熱交換器3に流入する。蓄熱熱交換器3に流入した冷媒は、蓄熱回路31を循環する温水を冷却して蒸発しガス状態となり、空気熱交換器5に流入する。空気熱交換器5に流入した冷媒は、大気と熱交換してガス状態となり、圧縮機1に流入する。
 一方、給湯タンク20下部の低水温の水は、送水手段22を作動させることで給湯回路21を通ってガスクーラ2に流入する。ガスクーラ2に流入した温水は、ガスクーラ2を流れる冷媒と熱交換することで昇温して高温度の温水となり、給湯回路21を通って給湯タンク20の上部に流入する。また、蓄熱槽30の内部に溜められた温水は、送水手段32を作動させることで蓄熱回路31を通って蓄熱熱交換器3に流入する。蓄熱熱交換器3に流入した温水は、蓄熱熱交換器3を流れる冷媒と熱交換して冷却され、蓄熱回路31を通って蓄熱槽30に流入する。
(4)保温蓄熱同時モード
 保温蓄熱同時モードは、給湯負荷は小さいが放熱などの温度低下により再昇温が必要な場合、すなわち給湯タンク20からの入水温度がある閾値(例えば55℃)より高い場合において、給湯タンク20の内部の温水を再昇温するとともに、蓄熱槽30内の温水を昇温するモードである。保温蓄熱同時モードにおいては、制御手段50は、第1電磁弁80V1を開放し、第2電磁弁80V2を開放し、第1バイパス電磁弁81Vを閉止し、第2バイパス電磁弁82Vを閉止する。
 保温蓄熱同時モードを実行した場合において、圧縮機1から吐出された高温高圧の冷媒はガスクーラ2に流入する。ガスクーラ2に流入した冷媒は、給湯回路21を循環する温水を加熱昇温し、中温の冷媒状態となって蓄熱熱交換器3に流入する。蓄熱熱交換器3に流入した冷媒は、蓄熱槽30を循環する温水を加熱昇温して低温の冷媒状態となって蓄熱熱交換器3から流出する。蓄熱熱交換器3から流出した冷媒は、膨張弁4に流入して減圧されて低温低圧の二相冷媒状態となって空気熱交換器5に流入する。空気熱交換器5に流入した冷媒は、空気熱交換器5において大気と熱交換してガス状態となり、圧縮機1に流入する。
 一方、給湯タンク20下部の低水温の水は、送水手段22を作動させることで給湯回路21を通ってガスクーラ2に流入する。ガスクーラ2に流入した温水は、ガスクーラ2を流れる冷媒と熱交換することで昇温して高温度の温水となり、給湯回路21を通って給湯タンク20の上部に流入する。また、蓄熱槽30の内部に溜められた温水は、送水手段32を作動させることで蓄熱回路31を通って蓄熱熱交換器3に流入する。蓄熱熱交換器3に流入した温水は、蓄熱熱交換器3を流れる冷媒と熱交換して加熱昇温され、蓄熱回路31を通って蓄熱槽30に流入する。
 図3は本発明の実施の形態1に係るヒートポンプ給湯システム200の蓄熱槽30の具体的構成を示す図である。図3に示されるように、蓄熱槽30内には20℃~40℃で液相から固相に相変化するカプセル29が貯留されている。カプセル29は、例えば、酢酸ナトリウム等の潜熱蓄熱材を封入した部材である。このように構成した場合には、カプセル29の周囲を温水が流れるように構成される。カプセル29は、また例えば、パラフィン樹脂系等の潜熱蓄熱材を封入した数100μ以下のもので構成されていてもよい。この場合には、カプセル29と温水との混合物の状態で蓄熱槽30に貯留し、熱回収給湯モードや蓄熱モード時において、カプセル29と温水との混合物の状態で蓄熱熱交換器3と蓄熱槽30間を循環するように構成される。
 以上のように、本実施の形態1に係るヒートポンプ給湯器100は、冷媒を圧縮する圧縮機1、ガスクーラ2、第1電磁弁80V1、蓄熱熱交換器3、膨張弁4、空気熱交換器5、を順次接続した主回路80を有するヒートポンプ給湯器100と、ガスクーラ2の内部を流れる冷媒と熱交換する熱媒体を有する給湯タンク20と、蓄熱熱交換器3の内部を流れる冷媒と熱交換する熱媒体を有する蓄熱槽30と、を備え、ヒートポンプ給湯器100は、ガスクーラ2の出口側で且つ第1電磁弁80V1の入口側に位置する第1分岐部81aにおいて主回路80から分岐し、蓄熱熱交換器3の出口側で且つ膨張弁4の入口側に位置する第1合流部81bにおいて主回路80と合流するように設けられる第1バイパス回路81と、第1電磁弁80V1の開閉を切り替える制御手段50と、を有するものである。
 このため、従来のように給湯タンク20に貯留されている温水を加温する燃焼機器を使用せず、給湯タンク20の容量を大きくすることなく、給湯タンク20に貯留されている温水を加温することができる。したがって、従来よりも安価で且つ設置スペースの小さいヒートポンプ給湯システム200を得ることができる。
 また、制御手段50は、第1電磁弁80V1を閉止し、第2電磁弁80V2を閉止し、第1バイパス電磁弁81Vを開放し、第2バイパス電磁弁82Vを閉止することで、熱回収給湯モードを実行することができる。熱回収給湯モードを実行することで、特に給湯負荷の大きい冬期において給湯能力を上昇させることができる。例えば、従来の給湯モードでは低い大気温度から給湯水へ熱移動するようになっていたが、熱回収給湯モードを追加することで、蓄熱槽30の中温水から給湯水への熱移動であり、熱移動がしやすくなるとともに、蒸発温度は上昇することで圧縮機1の吸入冷媒密度が上昇する。これにより、圧縮機1の容量を変更することなく給湯能力は上昇する。
 また、制御手段50が、第1電磁弁80V1を開放し、第2電磁弁80V2を開放し、第1バイパス電磁弁81Vを閉止し、第2バイパス電磁弁82Vを閉止することで、保温蓄熱同時モードを実行することができる。保温蓄熱同時モードを実行することで、CO冷媒を使用した場合において、従来はガスクーラ出口で入水温度相当の55℃であったものが、蓄熱熱交換器3を設けたことで蓄熱槽30内の温水温度まで低下するため、熱量が増加し、熱量/冷媒搬送動力は増加し、効率の良い運転を行うことができる。
 なお、以上の説明においては、制御手段50は、第1電磁弁80V1、第2電磁弁80V2、第1バイパス電磁弁81V、及び第2バイパス電磁弁82Vを開閉させる例について説明したが、これらの電磁弁の開度は段階的に適宜決定することができる。
実施の形態2.
 図4は本発明の実施の形態2に係るヒートポンプ給湯システム200の概略図を示す図である。なお、本実施の形態2において、特に記述しない項目については実施の形態1と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
 図4に示されるように、ヒートポンプ給湯システム200は、給湯回路121と、送水手段122と、給湯循環回路131と、循環ポンプ132と、接続回路141と、バイパス接続回路151と、燃焼機器152と、循環ポンプ153と、を備える。
 給湯回路121は、ガスクーラ2と蓄熱熱交換器3とを接続するように設けられている回路である。送水手段122は、蓄熱槽30から流出する温水を給湯タンク20に導く回路であり、給湯回路121上に設けられている。給湯循環回路131は、負荷190から流出する温水を循環させる回路である。循環ポンプ132は、蓄熱槽30の水温が所定値以下に低下した場合において作動するポンプであり、給湯循環回路131上に設けられている。
 接続回路141は、給湯タンク20と蓄熱槽30とを接続する回路である。バイパス接続回路151は、給湯タンク20と蓄熱槽30とを接続する回路であり、接続回路141を経由しないで蓄熱槽30から流出する温水を給湯タンク20に導く回路である。
 燃焼機器152は、蓄熱槽30から排出された温水を加温し、加温した温水を給湯タンク20に供給するためのものであり、バイパス接続回路151上に設けられている。燃焼機器152は、ガスクーラ2において熱交換して給湯を行っても加温が十分でない場合のバックアップ手段として機能する。循環ポンプ153は、燃焼機器152から供給される熱を加熱対象に対して供給するものであり、バイパス接続回路151上に設けられている。
 以上のように、本実施の形態2に係るヒートポンプ給湯システム200は、蓄熱槽30から流出する温水を給湯タンク20に導く接続回路141と、接続回路141を経由しないで蓄熱槽30から流出する温水を給湯タンク20に導くバイパス接続回路151と、バイパス接続回路151に設けられ、蓄熱槽30から流出してバイパス接続回路151を流れる温水を加温する燃焼機器152と、をさらに備えた。このため、給湯負荷が一時的に大きくなった場合において、蓄熱槽30の内部の温水は、バイパス接続回路151を通って燃焼機器152で加温された後に給湯タンク20の内部を流れることとなる。したがって、一時的に過度の負荷が生じた場合においても、給湯タンク20に温水を供給することができる。
 1 圧縮機、2 ガスクーラ、3 蓄熱熱交換器、4 膨張弁、5 空気熱交換器、6 ファン、20 給湯タンク、21 給湯回路、22 送水手段、29 カプセル、30 蓄熱槽、31 蓄熱回路、32 送水手段、50 制御手段、80 主回路、80V1 第1電磁弁、80V2 第2電磁弁、81 第1バイパス回路、81V 第1バイパス電磁弁、81a 第1分岐部、81b 第1合流部、82 第2バイパス回路、82V 第2バイパス電磁弁、82a 第2分岐部、82b 第2合流部、83 第3バイパス回路、83a 第3分岐部、83b 第3合流部、100 ヒートポンプ給湯器、121 給湯回路、122 送水手段、131 給湯循環回路、132 循環ポンプ、141 接続回路、151 バイパス接続回路、152 燃焼機器、153 循環ポンプ、190 負荷、200 ヒートポンプ給湯システム。

Claims (10)

  1.  冷媒を圧縮する圧縮機、ガスクーラ、第1電磁弁、蓄熱熱交換器、膨張弁、空気熱交換器、を順次接続した主回路を有するヒートポンプ給湯器と、
     前記ガスクーラの内部を流れる冷媒と熱交換する熱媒体を有する給湯タンクと、
     前記蓄熱熱交換器の内部を流れる冷媒と熱交換する熱媒体を有する蓄熱槽と、を備え、
     前記ヒートポンプ給湯器は、
     前記ガスクーラの出口側で且つ前記第1電磁弁の入口側に位置する第1分岐部において前記主回路から分岐し、前記蓄熱熱交換器の出口側で且つ前記膨張弁の入口側に位置する第1合流部において前記主回路と合流するように設けられる第1バイパス回路と、
     前記第1電磁弁の開閉を切り替える制御手段と、を有する
     ヒートポンプ給湯システム。
  2.  前記第1バイパス回路上に設けられた第1バイパス電磁弁と、
     前記圧縮機の吐出側で且つ前記ガスクーラの入口側に位置する第2分岐部において前記主回路から分岐し、前記ガスクーラの出口側で且つ前記第1分岐部よりも前記ガスクーラ側に位置する第2合流部において前記主回路と合流するように設けられる第2バイパス回路と、
     前記第2バイパス回路上に設けられた第2バイパス電磁弁と、をさらに備えた
     請求項1に記載のヒートポンプ給湯システム。
  3.  前記膨張弁の出口側で且つ前記空気熱交換器の入口側に設けられる第2電磁弁と、
     前記膨張弁の出口側で且つ前記第2電磁弁の入口側において前記主回路から分岐し、前記第2電磁弁の出口側で且つ前記空気熱交換器の入口側において前記主回路と合流するように設けられる第3バイパス回路と、をさらに備えた
     請求項1又は請求項2に記載のヒートポンプ給湯システム。
  4.  前記制御手段は、
     給湯モードを有し、前記給湯モードにおいて、
     前記第1電磁弁を閉止し、前記第2電磁弁を開放し、前記第1バイパス電磁弁を開放し、前記第2バイパス電磁弁を閉止する
     請求項2に従属する請求項3に記載のヒートポンプ給湯システム。
  5.  前記制御手段は、
     蓄熱モードを有し、前記蓄熱モードにおいて、
     前記第1電磁弁を開放し、前記第2電磁弁を開放し、前記第1バイパス電磁弁を閉止し、前記第2バイパス電磁弁を開放する
     請求項2に従属する請求項3に記載のヒートポンプ給湯システム。
  6.  前記制御手段は、
     熱回収給湯モードを有し、前記熱回収給湯モードにおいて、
     前記第1電磁弁を閉止し、前記第2電磁弁を閉止し、前記第1バイパス電磁弁を開放し、前記第2バイパス電磁弁を閉止する
     請求項2に従属する請求項3に記載のヒートポンプ給湯システム。
  7.  前記制御手段は、
     保温蓄熱同時モードを有し、前記保温蓄熱同時モードにおいて、
     前記第1電磁弁を開放し、前記第2電磁弁を開放し、前記第1バイパス電磁弁を閉止し、前記第2バイパス電磁弁を閉止する
     請求項2に従属する請求項3に記載のヒートポンプ給湯システム。
  8.  前記蓄熱槽の熱媒体は、
     20℃~40℃の温度帯で相変化する蓄熱材である
     請求項1~請求項7の何れか一項に記載のヒートポンプ給湯システム。
  9.  前記蓄熱槽から流出する温水を前記給湯タンクに導く接続回路と、
     前記接続回路を経由しないで前記蓄熱槽から流出する温水を前記給湯タンクに導くバイパス接続回路と、
     前記バイパス接続回路に設けられ、前記蓄熱槽から流出して前記バイパス接続回路を流れる温水を加温する燃焼機器と、をさらに備えた
     請求項1~請求項8の何れか一項に記載のヒートポンプ給湯システム。
  10.  前記冷媒は二酸化炭素を含む
     請求項1~請求項9の何れか一項に記載のヒートポンプ給湯システム。
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