JP5082536B2 - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ方式のヒートポンプ給湯装置に関するものである。

従来、一般的な給湯機としては、ガスや石油を燃料として用い、その燃焼熱で水道水を加熱するようにしたものがある。これらは、速湯性に優れているという利点がある半面、ガス、石油といった燃料が必要でその供給が不可欠であること、燃焼後の排気ガスが大気に放出され大気汚染を招くこと、燃焼させるので不安全性を常に内在していること、燃焼時の音が大きいことなどの課題があった。特に近年増えている、エネルギー源を全て電気で行うというオール電化の住宅やマンションでは、燃料を供給する方法がないため、使用できないケースも増えてきている。

そこで、貯湯タンクを備えた貯湯式のヒートポンプ給湯装置が開発されている。これは、燃焼による給湯装置の問題を解決し、オール電化の住宅、マンションでも新たなインフラ整備を必要としないで手軽に設置することができると共に、ヒートポンプ式であるため、入力に対する能力は３倍以上確保することが可能となり、熱効率が良く、運転に際しては安価な深夜電力を用いて、貯湯タンクに高温の湯を貯めることが可能となり、ランニングコストも安価になるなどの特長を持ち、徐々に普及してきている。

このようなヒートポンプ給湯装置として、図４に示されるようなものがあった（例えば、特許文献１参照）。

図４は、上記特許文献１に記載された従来のヒートポンプ給湯装置の回路構成図である。

図４において、従来のヒートポンプ給湯装置は、給湯サイクル７１と、冷媒サイクル７２を備え、それぞれ別の本体ユニットである。給湯サイクル７１を含む貯湯ユニットと、冷媒サイクル７２を含むヒートポンプユニットの二箱に入れられている。この給湯サイクル７１は、底壁に設けられた給水口７３と、上壁に設けられた給湯口７４を有する貯湯タンク７５と、水熱交換路７６と、水循環用ポンプ７７とを備え、水熱交換路７６と水循環用ポンプ７７が、貯湯タンク７５の取水口７８と湯入口７９とを連結する循環路８０に介設されている。

また、冷媒サイクル７２は、圧縮機８１と、水熱交換路７６を構成する水−冷媒熱交換器８２と、減圧機構８３と、冷媒蒸発器である空気−冷媒熱交換器８４とを順に冷媒通路８５で接続して構成されている。更に、給湯サイクル７１と冷媒サイクル７２は、室外側に配設されている連絡配管８６、８７にて連結される。そして、給水口７３から給水し、水循環用ポンプ７７にて循環路７８に流出させた低温水を水−冷媒熱交換器８２（即ち、水熱交換路７６）で沸き上げ、給湯口７４から出湯する構成となっている（例えば、特許文献１参照）。

そして、この従来のヒートポンプ給湯装置は、夜間の安価な電力を利用してエネルギー効率の良い冷媒サイクル（ヒートポンプ回路）７２を運転し、貯湯タンク７５内の水を水循環用ポンプ７７で循環させながら、水−冷媒熱交換器８２で所定の湯温になるまで温め、所定の湯温に達したことを検知して、冷媒サイクル７２の運転を停止するようにしている。

通常給湯口７４で湯を使用する際には、貯湯タンク７５内の湯温より低温の水道水と混合して、使用者の所望する適切な温度にして、温水を供給することになるので、貯湯タンク７５に貯湯する湯の温度はできるだけ高くする方が良く、それにより温度を下げるために加える水道水の量を多くして、貯湯タンク７５から取り出す湯の量を少なくするようにして、湯切れなどの不具合が生じにくいようにしている。

ただし、この冷媒サイクル７２において、初冬などの外気温度が低く、比較的多湿の環境下で運転を行うと、外気と熱交換する冷媒蒸発器である空気−冷媒熱交換器８４に着霜が発生するため、着霜した霜を取り除くための除霜運転が必要となる。その除霜方法としては、いわゆるホットガスバイパス方式と呼ばれているもの（例えば、特許文献２参照）と共に、冷媒サイクルに冷媒加熱手段を設け、除霜運転時に、冷媒加熱手段で冷媒の加熱を行うことにより、除霜を行うものも提案されている（例えば、特許文献３参照）。

図５は、上記特許文献３に記載された従来のヒートポンプ給湯装置の回路構成図である。尚、図４に示されたヒートポンプ給湯装置と同一部分については、同一符号を付してその説明を省略する。

図５において、冷媒サイクル７２の低圧側に冷媒加熱ヒ−タ−８８を設けるとともに、制御装置８９は、除霜運転時に冷媒加熱ヒ−タ−８８にて冷媒の加熱を行っている。水−冷媒熱交換器８２の熱容量によって初期的には高温冷媒が温度低下してしまい除霜能力が十分確保されない場合があるが、そこでこの高温側からの冷媒の熱エネルギーに加え、低圧側に冷媒加熱ヒ−タ−８８などの冷媒加熱手段を設けて、冷媒を直接加熱することにより、除霜能力を格段に向上させて除霜時間を短縮しようというものである。
特開２００３−２２２３９２号公報 特公平７−９９２９７号公報 特開２００５−１８０８６９号公報

しかしながら、上記特許文献１、特許文献２に記載された従来のヒートポンプ給湯装置の構成では、冷媒サイクル７２の空気−冷媒熱交換器８４に着霜した場合には、除霜するまでに多くの時間を要することとなり、貯湯タンク７５の残湯量が少ない時に、除霜運転に入った場合は、貯湯タンク７５から給湯できないために、給湯運転を停止せざるを得ないという課題を有している。

また、特許文献３に記載された従来のヒートポンプ給湯装置の構成でも同様に、除霜運転に入ると、減圧機構８３を構成する電動膨張弁（図示せず）をほぼ全開し、さらに水循環用ポンプ７７を停止させ、水熱交換器８２での熱交換を抑える。それから圧縮機８１の回転数を調整する。

それにより、高温のままの冷媒が減圧装置８３で減圧されて、空気−冷媒熱交換器８４へ送られ、除霜が行われる。その際に、冷媒加熱ヒーター８８で冷媒を加熱して、除霜能力を高めているものである。ところが、水−冷媒熱交換器８２での熱交換を抑えるために、水循環ポンプ７７を停止させているために、貯湯タンク７５の残湯量が減じた際に、除霜運転に入った場合は、貯湯タンク７５から給湯できないために、給湯運転を停止せざるを得ないという課題を有していた。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、冷媒サイクルが簡易なバイパス回路で構成でき、除霜を短時間で行うことができるとともに、貯湯タンクの残湯量がかなり減じている場合にも、給湯運転を継続しながら、除霜運転を実施できるヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機、放熱器、減圧手段および空気−冷媒熱交換器を順次接続して閉回路を構成し、冷媒を循環させるヒートポンプ式の冷媒サイクルと、前記放熱器と熱交換を行う水−冷媒熱交換器と、前記水−冷媒熱交換器で加熱された温水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンクと連結され、前記貯湯タンクの熱を蓄熱すると共に、前記冷媒サイクルとも連結された蓄熱式冷媒加熱装置と、前記蓄熱式冷媒加熱装置を介して前記減圧手段と前記放熱器の間と、前記圧縮機と前記空気−冷媒熱交換器の間とを連結した第１バイパス回路と、前記圧縮機と前記放熱器の間と、前記減圧手段と前記空気−冷媒熱交換器の間とを連結する第２バイパス回路とを備え、前記第１バイパス回路には第１二方弁を、前記第２バイパス回路に第２二方弁をそれぞれ設け、前記空気−冷媒熱交換器の除霜を行う際に、前記第２二方弁を開放して、前記空気−冷媒熱交換器に冷媒を通過させる第２バイパス回路運転を行った後に、前記第１二方弁を開放して、前記蓄熱式冷媒加熱装置で加熱された冷媒を前記圧縮機の吸入側に流す第１バイパス回路運転を行うもので、前記空気−冷媒熱交換器の除霜を行う際には、前記第２バイパス回路の第２二方弁を開放して前記空気−冷媒熱交換器に冷媒を通過させる第２バイパス回路運転を行なうと共に、前記第１バイパス回路の第１二方弁を開放して、前記蓄熱式冷媒加熱装置で加熱された冷媒を前記圧縮機の吸入側に流す第１バイパス回路運転を行うことが可能となり、給湯運転を行ないながら除霜運転を実施することができる。そのため、貯湯タンクの残湯量がかなり減じている場合にも、給湯運転を継続しながら、除霜運転を実施できることにより、貯湯タンクの容量を小さくすることが可能となり、本体の小型化を図ることが可能となるとともに、合理化を図ることができる。また、第１、第２二方弁を開放すると、圧縮機の吸入側の圧力が急上昇して、冷媒循環量が増し、圧縮機のオイルが多く吐出してしまうときに、第１二方弁を開放する運転を任意の時間遅らせて、動作させることで、圧縮機の吸入側の低圧上昇を抑え、オイル吐出を最小限に抑え、圧縮機の信頼性を高め、耐久性に優れたヒートポンプ給湯装置とすることができる。

また、本発明のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機、放熱器、減圧手段および空気−冷媒熱交換器を順次接続して閉回路を構成し、冷媒を循環させるヒートポンプ式の冷媒サイクルと、前記放熱器と熱交換を行う水−冷媒熱交換器と、前記水−冷媒熱交換器で加熱された温水を貯湯する貯湯タンクと、水−冷媒熱交換器と直結され、前記水−冷媒熱交換器の熱を蓄熱すると共に、前記冷媒サイクルとも連結された蓄熱式冷媒加熱装置と、前記蓄熱式冷媒加熱装置を介して前記減圧手段と前記放熱器の間と、前記圧縮機と前記空気−冷媒
熱交換器の間とを連結した第１バイパス回路と、前記圧縮機と前記放熱器の間と、前記減圧手段と前記空気−冷媒熱交換器の間とを連結する第２バイパス回路とを備え、前記第１バイパス回路には第１二方弁を、前記第２バイパス回路に第２二方弁をそれぞれ設け、前記空気−冷媒熱交換器の除霜を行う際に、前記第２二方弁を開放して、前記空気−冷媒熱交換器に冷媒を通過させる第２バイパス回路運転を行った後に、前記第１二方弁を開放して、前記蓄熱式冷媒加熱装置で加熱された冷媒を前記圧縮機の吸入側に流す第１バイパス回路運転を行うもので、空気−冷媒熱交換器の除霜を行う際に、第２二方弁を開放して空気−冷媒熱交換器に冷媒を通過させる第２バイパス回路運転を行なうと共に、第１二方弁を開放して、蓄熱式冷媒加熱装置で加熱された冷媒を圧縮機の吸入側に流す第１バイパス回路運転を行うことが可能となり、給湯運転を行ないながら除霜運転を実施することができる。そのため、貯湯タンクの残湯量がかなり減じている場合にも、給湯運転を継続しながら、除霜運転を実施できることにより、貯湯タンクの容量を小さくすることが可能となり、本体の小型化を図ることが可能となるとともに、合理化を図ることができる。また、蓄熱式冷媒加熱装置が、水−冷媒熱交換器と直結され、水−冷媒熱交換器の熱量を貯めるようにしたことにより、蓄熱の際、貯湯タンクが不要となるので、貯湯タンクの配置に左右されることなく、本体を構成することができる。すなわち、冷媒サイクルと給湯サイクルが別個の本体となっているようなヒートポンプ給湯装置であっても、問題なく構成することが可能となり、汎用性が広がったヒートポンプ給湯装置を提供することができる。また、第１、第２二方弁を開放すると、圧縮機の吸入側の圧力が急上昇して、冷媒循環量が増し、圧縮機のオイルが多く吐出してしまうときに、第１二方弁を開放する運転を任意の時間遅らせて、動作させることで、圧縮機の吸入側の低圧上昇を抑え、オイル吐出を最小限に抑え、圧縮機の信頼性を高め、耐久性に優れたヒートポンプ給湯装置とすることができる。

本発明のヒートポンプ給湯装置は、冷媒サイクルが簡易なバイパス回路で構成でき、除霜を短時間で行うことができるとともに、貯湯タンクの残湯量がかなり減じている場合にも、給湯運転を継続しながら、除霜運転を実施することができ、使用者に対して、使用継続性に優れたヒートポンプ給湯装置を提供できると共に、湯切れの心配がなくなるので貯湯タンクの容量を小さくすることが可能となり、コンパクトな本体構成とすることができる。

第１の発明は、圧縮機、放熱器、減圧手段および空気−冷媒熱交換器を順次接続して閉回路を構成し、冷媒を循環させるヒートポンプ式の冷媒サイクルと、前記放熱器と熱交換を行う水−冷媒熱交換器と、前記水−冷媒熱交換器で加熱された温水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンクと連結され、前記貯湯タンクの熱を蓄熱すると共に、前記冷媒サイクルとも連結された蓄熱式冷媒加熱装置と、前記蓄熱式冷媒加熱装置を介して前記減圧手段と前記放熱器の間と、前記圧縮機と前記空気−冷媒熱交換器の間とを連結した第１バイパス回路と、前記圧縮機と前記放熱器の間と、前記減圧手段と前記空気−冷媒熱交換器の間とを連結する第２バイパス回路とを備え、前記第１バイパス回路には第１二方弁を、前記第２バイパス回路に第２二方弁をそれぞれ設け、前記空気−冷媒熱交換器の除霜を行う際に、前記第２二方弁を開放して、前記空気−冷媒熱交換器に冷媒を通過させる第２バイパス回路運転を行った後に、前記第１二方弁を開放して、前記蓄熱式冷媒加熱装置で加熱された冷媒を前記圧縮機の吸入側に流す第１バイパス回路運転を行うもので、前記空気−冷媒熱交換器の除霜を行う際には、前記第２バイパス回路の第２二方弁を開放して前記空気−冷媒熱交換器に冷媒を通過させる第２バイパス回路運転を行なうと共に、前記第１バイパス回路の第１二方弁を開放して、前記蓄熱式冷媒加熱装置で加熱された冷媒を前記圧縮機の吸入側に流す第１バイパス回路運転を行うことが可能となり、給湯運転を行ないながら除霜運転を実施することができる。そのため、貯湯タンクの残湯量がかなり減じてい
る場合にも、給湯運転を継続しながら、除霜運転を実施できることにより、貯湯タンクの容量を小さくすることが可能となり、本体の小型化を図ることが可能となるとともに、合理化を図ることができる。また、第１、第２二方弁を開放すると、圧縮機の吸入側の圧力が急上昇して、冷媒循環量が増し、圧縮機のオイルが多く吐出してしまうときに、第１二方弁を開放する運転を任意の時間遅らせて、動作させることで、圧縮機の吸入側の低圧上昇を抑え、オイル吐出を最小限に抑え、圧縮機の信頼性を高め、耐久性に優れたヒートポンプ給湯装置とすることができる。

第２の発明は、圧縮機、放熱器、減圧手段および空気−冷媒熱交換器を順次接続して閉回路を構成し、冷媒を循環させるヒートポンプ式の冷媒サイクルと、前記放熱器と熱交換を行う水−冷媒熱交換器と、前記水−冷媒熱交換器で加熱された温水を貯湯する貯湯タンクと、水−冷媒熱交換器と直結され、前記水−冷媒熱交換器の熱を蓄熱すると共に、前記冷媒サイクルとも連結された蓄熱式冷媒加熱装置と、前記蓄熱式冷媒加熱装置を介して前記減圧手段と前記放熱器の間と、前記圧縮機と前記空気−冷媒熱交換器の間とを連結した第１バイパス回路と、前記圧縮機と前記放熱器の間と、前記減圧手段と前記空気−冷媒熱交換器の間とを連結する第２バイパス回路とを備え、前記第１バイパス回路には第１二方弁を、前記第２バイパス回路に第２二方弁をそれぞれ設け、前記空気−冷媒熱交換器の除霜を行う際に、前記第２二方弁を開放して、前記空気−冷媒熱交換器に冷媒を通過させる第２バイパス回路運転を行った後に、前記第１二方弁を開放して、前記蓄熱式冷媒加熱装置で加熱された冷媒を前記圧縮機の吸入側に流す第１バイパス回路運転を行うもので、空気−冷媒熱交換器の除霜を行う際に、第２二方弁を開放して空気−冷媒熱交換器に冷媒を通過させる第２バイパス回路運転を行なうと共に、第１二方弁を開放して、蓄熱式冷媒加熱装置で加熱された冷媒を圧縮機の吸入側に流す第１バイパス回路運転を行うことが可能となり、給湯運転を行ないながら除霜運転を実施することができる。そのため、貯湯タンクの残湯量がかなり減じている場合にも、給湯運転を継続しながら、除霜運転を実施できることにより、貯湯タンクの容量を小さくすることが可能となり、本体の小型化を図ることが可能となるとともに、合理化を図ることができる。また、蓄熱式冷媒加熱装置が、水−冷媒熱交換器と直結され、水−冷媒熱交換器の熱量を貯めるようにしたことにより、蓄熱の際、貯湯タンクが不要となるので、貯湯タンクの配置に左右されることなく、本体を構成することができる。すなわち、冷媒サイクルと給湯サイクルが別個の本体となっているようなヒートポンプ給湯装置であっても、問題なく構成することが可能となり、汎用性が広がったヒートポンプ給湯装置を提供することができる。

また、第１、第２二方弁を開放すると、圧縮機の吸入側の圧力が急上昇して、冷媒循環量が増し、圧縮機のオイルが多く吐出してしまうときに、第１二方弁を開放する運転を任意の時間遅らせて、動作させることで、圧縮機の吸入側の低圧上昇を抑え、オイル吐出を最小限に抑え、圧縮機の信頼性を高め、耐久性に優れたヒートポンプ給湯装置とすることができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の水−冷媒熱交換器で加熱された温水は、貯湯タンクに貯湯されると共に、前記貯湯タンクを介さずに給湯端末へ直接通水できるようにも構成したもので、水−冷媒熱交換器で暖められた水道水は、貯湯タンクに給湯することができるとともに、一方で貯湯タンクを介さずに蛇口やシャワー等の給湯端末へ直接通水されるので、速湯性に優れ、使い勝手が良く、湯切れの心配もないヒートポンプ給湯装置を提供することができる。また、運転立ち上がり当初は、貯湯タンクから給湯し、圧縮機が最適運転周波数になった後には、ダイレクトに給湯するという瞬間湯沸かし型のヒートポンプ給湯装置とすることも可能となり、使用性に優れたヒートポンプ給湯装置とすることができる。そして、その際に、給湯運転しながら除霜運転ができることにより、たとえ貯湯タンクの残湯量が減じたときでも、連続で給湯運転が可能となり、使用性を大幅に向上させることができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか一つの発明の冷媒サイクルと、水−冷媒熱交換器と接続された貯湯タンクと、水道水を供給する入水管と、加熱された温水を給湯端末へ通水するように接続した給湯管を備えた給湯サイクルと、蓄熱式冷媒加熱装置を、一体の筐体に収納したもので、貯湯タンクユニットを小型化することにより、本体ユニットの小型化を図ることができる。また、蓄熱式冷媒加熱装置と貯湯タンクを近接することができ、熱損失を減じたままで、効率よく蓄熱式冷媒加熱装置に蓄熱させることが可能となり、省エネ性の向上を図ることができる。さらに、施工に際しても、冷媒サイクルと給湯サイクルを連結する配管が不要となり、そのための施工作業も不要となり、施工時間の大幅な短縮を図ることができる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか一つの発明の冷媒として炭酸ガスを用いたもので、高温給湯の際の熱効率を高めるとともに、冷媒が外部に漏れても、地球温暖化に及ぼす影響を、一般的エアコンに用いられているＲ−４１０Ａの冷媒に比して大幅に低減することができ、環境に優しく、リサイクル性にも優れたヒートポンプ給湯装置とすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の回路構成図、図２は、同ヒートポンプ給湯装置のタイムチャート図である。

図１において、本実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置は、ヒートポンプ給湯装置本体ユニット１（以下「本体ユニット１」という）内に、冷媒サイクル２を収納して構成され、その本体ユニット１と配管で接続された給湯サイクル３を収納した貯湯タンク本体ユニット５０が一体の筐体である本体ユニット１内に配されている。

冷媒サイクル２は、本体ユニット１内部に配設された圧縮機４と、放熱器５と、例えば電動膨張弁から成る減圧手段６と、冷媒蒸発器である空気−冷媒熱交換器７とが、冷媒配管８で環状に接続されて構成されている。また、空気−冷媒熱交換器７に風を当て、蒸発能力を高めるための送風ファン９が設けられている。

一方、給湯サイクル３は、放熱器５と熱交換を行って水道水などを温水に変える水−冷媒熱交換器１０（例えば、放熱器５と一体形状となっている二重管構造の熱交換器）と、水−冷媒熱交換器１０にて得た温水を貯める貯湯タンク１１と、貯湯タンク１１や水−冷媒熱交換器１０に水道水を入水する入水管１２と、貯湯タンク１１や水−冷媒熱交換器１０から、温水を蛇口１３ａやシャワー１３ｂ等の給湯端末に給湯する給湯管１４と、貯湯タンク１１内の低温の水を送水する給湯循環水ポンプ１５から構成されている。タンク入水管１６は、入水管１２から水道水を貯湯タンク１１に送る配管である。水道水供給管１７は、入水管１２から放熱器５（水−冷媒熱交換器１０）に水道水を直接供給する配管である。

熱交給水管１８は、貯湯タンク１１から水−冷媒熱交換器１０に、給湯循環水ポンプ１５の運転により、貯湯タンク１１内の下方に貯まった低温水を送る配管であり、貯湯管１９は、水−冷媒熱交換器１０で加熱された水道水を、貯湯タンク１１や、元混合弁２０に送る配管であり、貯湯管１９から、貯湯タンク１１へ送るためのタンク貯湯管１９ａの途中には貯湯三方弁２１が設けられている。

２２は、貯湯管１９から、元混合弁２０に送るための元混合弁側配管である。また、タンク給湯管２３は、貯湯タンク１１から高温水（通常は６０℃〜９０℃）を元混合弁２０へ給湯する配管であり、元混合弁２０は、元混合弁側配管２２とタンク給湯管２３とから来る温水や水を混合させる弁である。また、給湯混合弁２４は、元混合弁２０を通過した温水と、入水管１２から供給される水道水とを混合し、適切な給湯温度を得、蛇口１３ａやシャワー１３ｂに供給する弁である。そして、給湯混合弁２４にて最適温度となった温水が、給湯管１４を介して、蛇口１３ａやシャワー１３ｂに給湯されるのである。

２５は、風呂注湯混合弁であり、同じく元混合弁２０を通過した温水と、入水管１２から供給される水道水とを混合し、適切な給湯温度を得、風呂２６に注湯する弁である。風呂注湯混合弁２５にて最適温度となった温水が、風呂注湯管２７を介し、逆流防止弁２７ａを通過して、風呂２６に注湯され、風呂に湯をはることになる。

２８は、風呂熱交換器であり、風呂注湯混合弁２５から風呂２６へとお湯が向かう際に通過することになる。風呂熱交換器２８は、風呂２６内のお湯を追炊きする際に用いる熱交換器であり、風呂２６から、浴槽出湯管２９ａを介して、風呂循環水ポンプ３０で風呂からお湯を引き込み、そのお湯と、貯湯タンク１１から追炊きポンプ３１で引き込んだ貯湯タンク１１内の高温水とを熱交換して、浴槽入湯管２９ｂで風呂へ戻すことにより、風呂２６の温度を一定に保つ保温運転や、風呂２６の湯量を足さなくても湯温を上昇させる追炊き運転を行う。つまり、風呂熱交換器２８は、水−水熱交換器となっているわけである。

また、３２は入水流量計であり、入水流量を測定する計器であり、給湯流量計３３は給湯流量を測定する計器である。排出弁３４は、寒冷地等にて、ヒートポンプ給湯装置を長期間使用しない場合に、凍結防止等で貯湯タンク１１内の水を抜くために用いる弁であり、３４ａは貯湯タンク１１の圧力逃がし弁、３４ｂは貯湯タンク１１の缶体保護弁である。

３５は、貯湯タンク１１と連結された蓄熱式冷媒加熱装置であり、貯湯タンク１１の熱量を保温材で蓄熱するように蓄熱配管３６ａ、３６ｂで貯湯タンク１１と連結されている。また、この蓄熱式冷媒加熱装置３５は、冷媒配管と密着されており、圧縮機４と空気−冷媒熱交換器７の間の配管３７ａと、放熱器５と減圧手段６の間の配管３７ｂを連結する第１バイパス回路３８が、蓄熱式冷媒加熱装置３５と密着するようになっている。そして、この第１バイパス回路３８の放熱器５と減圧手段６に近いほうに、第１二方弁３９が設けられている。

また、圧縮機４と放熱器５との間の配管４０ａと、減圧手段６と空気−冷媒熱交換器７との間の配管４０ｂを連結する第２バイパス回路４１も設けられており、この第２バイパス回路４１の中途には、減圧手段６と空気−冷媒熱交換器７に近いほうに、第２二方弁４２が設けられている。

４３は、冷媒サイクル２の制御装置、４４は、給湯サイクル３の制御装置であり、この二つの制御装置４３、４４は連動しつつ、ヒートポンプ給湯装置として動作する。

以下、図面に基づいて、上記ヒートポンプ給湯装置の動作を説明する。

通常の運転を開始する際には、第１バイパス回路３８の第１二方弁３９と、第２バイパス回路４１の第２二方弁４２は閉じている。圧縮機４が起動し、高圧まで圧縮されて吐出された冷媒は、放熱器５（水−冷媒熱交換器１０）に送られ、水道水供給管１７を通ってきた水道水と熱交換して放熱する。

これにより、貯湯管１９、元混合弁２０に流れる水道水は高温に加熱される。放熱器５（水−冷媒熱交換器１０）から流出する冷媒は、減圧手段６にて減圧膨張され、空気−冷媒熱交換器７に送られ、送風ファン９にて送られた空気と熱交換して、空気−冷媒熱交換器７を通過する間に、蒸発してガス化する。このガス化した冷媒は、再度圧縮機４に吸入され、再度圧縮される過程を繰り返し、徐々に加熱された水道水は、元混合弁側配管２２、元混合弁２０を通り、蛇口１３ａ、シャワー１３ｂに給湯したり、風呂２６に注湯される。

その際に、冷媒サイクル２は立ち上がりが遅く、速湯性に劣っているため、貯湯タンク１１によってその立ち上がりの悪さを補っている。すなわち、冷媒サイクル２が立上り、所定の給湯温度となるまでの間は、高温に保たれた貯湯タンク１１からタンク給湯管２３を通過してきた温水と、まだ立ち上がっていない水−冷媒熱交換器１０を通過してきた水（徐々に温度が上がり高温となる水）とを、元混合弁２０で混合し、さらに給湯混合弁２４、風呂注湯混合弁２５で入水管１２を通ってきた水道水と混合して、所定の温度の給湯あるいは注湯を行う。

次に冷媒サイクル２が立ち上がってくると、元混合弁２０の開度を調整し、貯湯タンク１１からの高温の温水と、水−冷媒熱交換器１０からの温水を適温に混合し、給湯混合弁２４や、風呂注湯混合弁２５に送り、給湯混合弁２４や風呂注湯混合弁２５で入水管１２を通ってきた水道水と混合して給湯する。

最終的には、元混合弁２０の開度を調整して、タンク給湯管２３側を閉じて、貯湯タンク１１からタンク給湯管２３を通過してきた温水は用いず、入水管１２を通ってきた水道水を冷媒サイクル２の水−冷媒熱交換器１０で加熱して得た温水を、元混合弁２０を介して、給湯混合弁２４、風呂注湯混合弁２５へ送り、入水管１２を通ってきた水道水と、混合し、所定の温度の温水を得て、蛇口１３ａ、シャワー１３ｂへの給湯や、風呂２６への注湯を行う。

即ち、冷媒サイクル２の制御装置４３、給湯サイクル３の制御装置４４によって、冷媒サイクル２の立ち上がり状態を把握し、元混合弁２０や給湯混合弁２４、風呂注湯混合弁２５の開度を調整し、所定温度の温水を給湯端末に供給する制御が行われる。

また、使用者が、蛇口１３ａ、シャワー１３ｂを閉じるか、あるいは風呂２６に適量のお湯が溜まって給湯する必要がなくなると、給湯循環水ポンプ１５を駆動させ、貯湯三方弁２１を開き、次回の給湯運転のために、貯湯タンク１１に高温の温水を貯湯する貯湯運転が行われる。

このように、冷媒サイクル２の立ち上がり状態に応じて、貯湯タンク１１に貯めた温水を用いて給湯端末（蛇口１３ａ、シャワー１３ｂ、風呂２６）へ給湯、注湯したり、貯湯タンク１１を介さずに水−冷媒熱交換器１０で加熱して得た温水を給湯端末へ直接給湯したりすることができる構成としている。

これにより本実施の形態では、リアルタイム給湯を可能とし、使用者が給湯したいときに給湯ができる速湯性能を確保することができ、使い勝手の良いヒートポンプ給湯装置を提供することができる。換言すれば、この速湯性能の確保によって、貯湯タンク１１の容量を貯湯式のヒートポンプ給湯装置のそれよりも小さいものとすることができ、それはひいては、本体ユニット１のコンパクト化につながり、設置性の大幅な向上、コストダウン、使用性の向上を実現できることにもなる。

また、貯湯タンク１１の残湯量が減じた場合にも、貯湯タンク１１を介さないで、水−冷媒熱交換器１０で加熱した温水をそのまま、給湯端末へ直接給湯することとなる。ところが、その時に、空気−冷媒熱交換器７が着霜している場合には、熱交換されないために、温水が供給されないこととなる。そこで、その際には、図２に示したような、タイムチャート図に則って、第１二方弁３９、第２二方弁４２の運転が行われる。

貯湯タンク１１の残湯量が減じている状態で、給湯が行われており、その際に、空気−冷媒熱交換器７につながった配管７ａに配された、温度センサー７ｃ、７ｄと、制御装置４３による除霜開始判断手段で、除霜開始という判断がなされると、ステップ１にて、第２バイパス回路４１にある、第２二方弁４２に通電され、第２二方弁４２が開かれる。それに合わせて、電動膨張弁から成る減圧手段６が閉塞状態または、ほぼ閉塞状態まで閉じられ、さらに圧縮機４の回転数が徐々に下げられる。

次にステップ２で、圧縮機４の回転数が所定の回転数まで下がると、第１バイパス回路３８の第１二方弁３９が開かれ、それと共に、さらに送風ファン９が停止される。

ステップ３で、冷媒加熱運転に移行し、それと同時に除霜運転も行う。冷媒加熱運転は、第１バイパス回路３８を冷媒が流れ、第１バイパス回路３８と密着している蓄熱式冷媒加熱装置３５を通ることにより、蓄熱式冷媒加熱装置３５で冷媒が加熱されて行われる。冷媒が、配管７ａを介し、圧縮機４に送られ、圧縮機４は、冷媒搬送運転を行う。

それにより、蓄熱式冷媒加熱装置３５で加熱された冷媒は、放熱器５に送られ、第１二方弁３９を介して、蓄熱式冷媒加熱装置３５に送られ再び、加熱される。放熱器５では、入水管１２を通ってきた水道水を、冷媒サイクル２の水−冷媒熱交換器１０で加熱して得た温水を、元混合弁２０を介して、給湯混合弁２４、風呂注湯混合弁２５へ送り、入水管１２を通ってきた水道水と、混合し、所定の温度を得て、蛇口１３ａ、シャワー１３ｂへの給湯や、風呂２６への注湯を行う。

ただし、蓄熱式冷媒加熱装置３５は、貯湯タンク１１の熱量を蓄熱したものであり、その熱量で冷媒を加熱し、それを放熱器５で熱交換するために、注湯される温度は若干低下する傾向があるが、停止してしまうよりは十分に使用性に優れた使い方ができることとなる。

また、除霜運転時には、圧縮機４から送られた高温の冷媒は、配管４０ａを介し、第２バイパス回路４１を通り、第２二方弁４２を通過して、配管４０ｂを通り、空気−冷媒熱交換器７に送られ、空気−冷媒熱交換器７の除霜が行われる。配管４０ｂの、第２バイパス回路４１と空気−冷媒熱交換器７の間には、絞り配管４０ｅがあり、電動膨張弁から成る減圧手段６の作動性を安定化させている。

ステップ４で、除霜終了と共に、第１二方弁３９は閉じられ、圧縮機４は、所定の回転数まで徐々に戻され、電動膨張弁から成る減圧手段６は所定の開度まで徐々に開かれ、送風ファン７も所定の回転数で回転する。

ステップ５で、第２二方弁４２が閉じられ、除霜する前の状態に戻り、通常のヒートポンプ運転となり、貯湯が行われることとなる。

このように、貯湯タンク１１の残湯量がかなり減じている場合にも、給湯運転を継続しながら、除霜運転を実施できることにより、使用性の大幅な向上を図ることができる。
また、貯湯タンク１１を使用する機会が減るため、貯湯タンク１１をコンパクトにすることができ、ひいては筐体をコンパクトにすることも可能となり、設置性の大幅な向上を図
ったヒートポンプ給湯装置とすることができる。

また、図２のタイムチャート図で示したように、空気−冷媒熱交換器７の除霜を行う際には、圧縮機４の回転数を可変しつつ、第２バイパス回路４１の第２二方弁４２を開放して空気−冷媒熱交換器７に冷媒を通過させる第２バイパス回路運転を行い、その後、任意の時間後に、第１バイパス回路３８の第１二方弁３９を開放して、蓄熱式冷媒加熱装置３５で加熱された冷媒を圧縮機４の吸入側に流す第１バイパス回路運転を行う運転をすることにより、第２バイパス回路４１と第１のバイパス回路３８の第２、１二方弁４２、３９を同時に開放すると、圧縮機４の吸入側の圧力が急上昇して、冷媒循環量が増し、圧縮機４のオイルが多く吐出してしまうが、第１バイパス回路３８の第１二方弁３９を開放にする運転を任意の時間遅らせて、行なうことで、圧縮機４の吸入側の低圧上昇を抑え、オイル吐出が最小限に抑えられ、圧縮機４の信頼性が向上し、耐久性に優れたヒートポンプ給湯装置とすることができる。

以上のように、貯湯タンク１１の残湯量が減じている状態で、給湯が行われており、その際に、空気−冷媒熱交換器７に着霜しているような状態での動作を説明したが、残湯量が減じておらず、給湯に余裕のある場合には、貯湯タンク１１の湯と、入水管１２を通ってきた水道水を混同して、所定の温度にして、給湯端末１３ａ、１３ｂから給湯を行うので、冷媒サイクル２は、送風ファン９を停止させ、減圧手段６を閉じ、第２二方弁４２を開けて、第１二方弁３９を閉じたままで、冷媒を蓄熱式冷媒加熱装置３５に流さないで、除霜を行うこととなる。

また、本実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置では、ヒートポンプ式の冷媒サイクル２と、水−冷媒熱交換器１０と接続され、水−冷媒熱交換器１０で加熱された温水を貯湯する貯湯タンク１１と、水道水を供給する入水管１２と、加熱された温水を給湯端末であるは蛇口１３ａ、シャワー１３ｂへ通水するように接続した給湯管１４を備えた給湯サイクル３と、冷媒サイクル２と給湯サイクル３といずれにも、連結された蓄熱式冷媒加熱装置３５を一体の本体ユニット１に収納しているために、給湯サイクル３を構成する貯湯タンク１１と、冷媒サイクル２と密着している蓄熱式冷媒加熱装置３５を、連結することが容易であり、上記の運転をコストをかけないで容易にできることになる。

さらに、このヒートポンプ給湯装置では、冷媒として炭酸ガスを用いているので、万一冷媒が外部に漏れたとしても、地球温暖化に及ぼす影響を、一般的エアコンに用いられているＲ−４１０Ａの冷媒に比して大幅に低減することができ、環境に優しいヒートポンプ給湯装置とすることができる。

以上のように、本実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置は、圧縮機４、放熱器５、減圧手段６および空気−冷媒熱交換器７を順次接続して閉回路を構成し、冷媒を循環させるヒートポンプ式の冷媒サイクル２と、放熱器５と熱交換を行う水−冷媒熱交換器１０と、水−冷媒熱交換器１０と接続され、水−冷媒熱交換器１０で加熱された温水を貯湯する貯湯タンク１１と、水道水を供給する入水管１２と、加熱された温水を蛇口１３ａ、シャワー１３ｂへ通水するように接続した給湯管１４を備えた給湯サイクル３と、貯湯タンク１１と連結し、さらに冷媒サイクル２とも連結した貯湯タンク１１の熱を蓄熱しておく、蓄熱式冷媒加熱装置３５を備え、これらを一体の本体ユニット１に収納し、減圧手段６と放熱器６の間と、圧縮機４と空気−冷媒熱交換器７の間を連結し、蓄熱式冷媒加熱装置３５と連結した第１バイパス回路３８と、圧縮機４と放熱器５の間と、減圧手段６と空気−冷媒熱交換器７の間を連結する第２バイパス回路４１を設け、第１バイパス回路３８には第１二方弁３９と、蓄熱式冷媒加熱装置３５を直列に設け、第２バイパス回路４１には、第２二方弁４２を設け、空気−冷媒熱交換器７の除霜を行う際には、第２バイパス回路４１の第２二方弁４２を開放して、空気−冷媒熱交換器７に冷媒を通過させる第２バイパス
回路運転を行い、その後に、第１バイパス回路３８の第１二方弁３９を開放して、蓄熱式冷媒加熱装置３５で加熱された冷媒を圧縮機４の吸入側に流す第１バイパス回路運転を行うことにより、給湯運転をしつつ、除霜運転ができるので、使用性に優れ、さらに貯湯タンク１１の小型化を図ることも可能となり、コンパクト性にも優れたヒートポンプ給湯装置を提供することができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の回路構成図である。

本実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置と、上記第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置とは、蓄熱式冷媒加熱装置４５、蓄熱配管４６ａ、４６ｂのみ異なるもので、他の構成は、上記第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置と同一なので、同一部分については、同一符号を付してその説明を省略する（図３で、符号を○で囲んだ部分）。

本実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の蓄熱式冷媒加熱装置４５は、蓄熱配管４６ａ、４６ｂを介して放熱器５と連結されており、放熱器５で加熱された熱量を蓄熱するようになっている。動作としては、上記第１の実施の形態と同じであり、図２に示したステップ１〜５の動作を行うこととなる。

つまり、貯湯タンク１１の残湯量が減じている状態で、給湯が行われており、その際に、空気−冷媒熱交換器７が着霜している場合には、ステップ１にて、第２バイパス回路４１にある第２二方弁４２に通電され、第２二方弁４２が開かれ、それとともに、電動膨張弁から成る減圧手段６が閉塞状態または、ほぼ閉塞状態まで閉じられ、さらに圧縮機４の回転数が徐々に下げられる。

次にステップ２で、圧縮機４の回転数が所定の回転数まで下がると、第１バイパス回路３８の第１二方弁３９が開かれ、それと共に、さらに送風ファン９が停止される。

ステップ３で、冷媒加熱運転に移行し、それと同時に除霜運転も行う。冷媒加熱運転は、第１バイパス回路３８を冷媒が流れ、第１バイパス回路３８と密着している蓄熱式冷媒加熱装置４５を通ることにより、蓄熱式冷媒加熱装置４５で冷媒が加熱されて行われる。冷媒が、配管７ａを介し、圧縮機４に送られ、圧縮機４は冷媒搬送運転を行う。それにより、蓄熱式冷媒加熱装置４５で加熱された冷媒は、放熱器５に送られ、第１二方弁３９を介して、蓄熱式冷媒加熱装置４５に送られ再び、加熱される。

放熱器５では、入水管１２を通ってきた水道水を冷媒サイクル２の水−冷媒熱交換器１０で加熱して得た温水を、元混合弁２０を介して、給湯混合弁２４、風呂注湯混合弁２５へ送り、入水管１２を通ってきた水道水と、混合し、所定の温度を得て、蛇口１３ａ、シャワー１３ｂへの給湯や、風呂２６への注湯を行う。

ただし、蓄熱式冷媒加熱装置４５は、放熱器６の熱量を蓄熱したものであり、その熱量で冷媒を加熱し、それを放熱器５で熱交換するために、注湯される温度は若干低下する傾向があるが、停止してしまうよりは十分に使用性に優れた使い方ができることとなる。

ステップ４で、除霜終了と共に、第１二方弁３９は閉じられ、圧縮機４は、所定の回転数まで徐々に戻され、電動膨張弁からなる減圧手段６は、所定の開度まで徐々に開かれ、送風ファン７も所定の回転数で回転する。

ステップ５で、第２二方弁４２が閉じられ、除霜する前の状態に戻り、通常のヒートポンプ運転となり、貯湯が行われることとなる。

このように、貯湯タンク１１の残湯量がかなり減じている場合にも、給湯運転を継続しながら、除霜運転を実施できることにより、使用性の大幅な向上を図ることができる。また、貯湯タンク１１を使用する機会が減るので、貯湯タンク１１をコンパクトにすることができ、ひいては、本体ユニット１をコンパクトにすることも可能となり、設置性の大幅な向上を図ったヒートポンプ給湯装置を提供することができる。

また、蓄熱式冷媒加熱装置４５を、放熱器６と連結させているために、実施の形態１では、ヒートポンプ式冷媒サイクル２と、給湯サイクル３を一体の本体ユニット１に収納している形態であったが、冷媒サイクル２と、給湯サイクル３を分離した形態であっても、同様の効果を実現できることとなる。

以上のように、本発明に係るヒートポンプ給湯装置は、ヒートポンプサイクルで温水を生成して給湯するヒートポンプ給湯装置に適用され、例えば、家庭用の瞬間湯沸し器や、業務用の給湯装置などに適している。

本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の回路構成図 同ヒートポンプ給湯装置のタイムチャート 本発明の第２の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の回路構成図 従来のヒートポンプ給湯装置の回路構成図 従来の他のヒートポンプ給湯装置の回路構成図

１ ヒートポンプ給湯装置本体ユニット（本体ユニット、筐体）
２ 冷媒サイクル
３ 給湯サイクル
４ 圧縮機
５ 放熱器
６ 減圧手段（電動膨張弁）
７ 空気−冷媒熱交換器
９ 送風ファン
１０ 水−冷媒熱交換器
１１ 貯湯タンク
１２ 入水管
１３ａ 蛇口（給湯端末）
１３ｂ シャワー（給湯端末）
３５、４５ 蓄熱式冷媒加熱装置
３８ 第１バイパス回路
３９ 第１二方弁
４１ 第２バイパス回路
４２ 第２二方弁

Claims (5)

1. 圧縮機、放熱器、減圧手段および空気−冷媒熱交換器を順次接続して閉回路を構成し、冷媒を循環させるヒートポンプ式の冷媒サイクルと、前記放熱器と熱交換を行う水−冷媒熱交換器と、前記水−冷媒熱交換器で加熱された温水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンクと連結され、前記貯湯タンクの熱を蓄熱すると共に、前記冷媒サイクルとも連結された蓄熱式冷媒加熱装置と、前記蓄熱式冷媒加熱装置を介して前記減圧手段と前記放熱器の間と、前記圧縮機と前記空気−冷媒熱交換器の間とを連結した第１バイパス回路と、前記圧縮機と前記放熱器の間と、前記減圧手段と前記空気−冷媒熱交換器の間とを連結する第２バイパス回路とを備え、前記第１バイパス回路には第１二方弁を、前記第２バイパス回路に第２二方弁をそれぞれ設け、前記空気−冷媒熱交換器の除霜を行う際に、前記第２二方弁を開放して、前記空気−冷媒熱交換器に冷媒を通過させる第２バイパス回路運転を行った後に、前記第１二方弁を開放して、前記蓄熱式冷媒加熱装置で加熱された冷媒を前記圧縮機の吸入側に流す第１バイパス回路運転を行うことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
2. 圧縮機、放熱器、減圧手段および空気−冷媒熱交換器を順次接続して閉回路を構成し、冷媒を循環させるヒートポンプ式の冷媒サイクルと、前記放熱器と熱交換を行う水−冷媒熱交換器と、前記水−冷媒熱交換器で加熱された温水を貯湯する貯湯タンクと、水−冷媒熱交換器と直結され、前記水−冷媒熱交換器の熱を蓄熱すると共に、前記冷媒サイクルとも連結された蓄熱式冷媒加熱装置と、前記蓄熱式冷媒加熱装置を介して前記減圧手段と前記放熱器の間と、前記圧縮機と前記空気−冷媒熱交換器の間とを連結した第１バイパス回路と、前記圧縮機と前記放熱器の間と、前記減圧手段と前記空気−冷媒熱交換器の間とを連結する第２バイパス回路とを備え、前記第１バイパス回路には第１二方弁を、前記第２バイパス回路に第２二方弁をそれぞれ設け、前記空気−冷媒熱交換器の除霜を行う際に、前記第２二方弁を開放して、前記空気−冷媒熱交換器に冷媒を通過させる第２バイパス回路運転を行った後に、前記第１二方弁を開放して、前記蓄熱式冷媒加熱装置で加熱された冷媒を前記圧縮機の吸入側に流す第１バイパス回路運転を行うことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
3. 水−冷媒熱交換器で加熱された温水は、貯湯タンクに貯湯されると共に、前記貯湯タンク
   を介さずに給湯端末へ直接通水できるようにも構成したことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯装置。
4. 冷媒サイクルと、水−冷媒熱交換器と接続された貯湯タンクと、水道水を供給する入水管と、加熱された温水を給湯端末へ通水するように接続した給湯管を備えた給湯サイクルと、蓄熱式冷媒加熱装置を、一体の筐体に収納したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
5. 冷媒として炭酸ガスを用いたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。

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