JP6102793B2

JP6102793B2 - ヒートポンプ式暖房給湯装置

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Publication number: JP6102793B2
Application number: JP2014034915A
Authority: JP
Inventors: 博安孫子; 将典野口; 伸幸土畠
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2034-02-26
Also published as: JP2015161417A

Description

本発明は、冷媒と水との間で熱交換を行うヒートポンプ式暖房給湯装置に関する。

従来、冷媒と水との熱交換を行うことで生成した湯水を利用して暖房や給湯を行うヒートポンプ式暖房給湯装置が知られている。このようなヒートポンプ式暖房給湯装置のうち、圧縮機と、冷媒と水との熱交換を行う水冷媒熱交換器と、膨張弁と、熱源側熱交換器とを順次冷媒配管で接続してなる複数のヒートポンプ回路と、上記各水冷媒熱交換器で加熱された温水を、循環ポンプにより床暖房パネルや浴室暖房装置等の暖房負荷や貯湯タンク等の給湯負荷に循環させる給湯回路とを有するものがある（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載のヒートポンプ式暖房給湯装置では、複数のヒートポンプ回路のうち少なくとも一つのヒートポンプ回路から給湯負荷に温水を供給するとともに、これ以外のヒートポンプ回路から暖房負荷に温水を供給している。そして、このヒートポンプ式暖房給湯装置では、給湯負荷と暖房負荷とを同時に運転することが可能となっている。

特開２００５−３３７６２６

例えば、給湯負荷として、所定の温度まで加熱された温水を貯留する貯湯タンクが設けられる場合がある。貯湯タンクでは、昼間より安価な深夜電力を使用して、貯湯タンク内の水を所定の目標温度まで加熱する沸き上げ運転が行われることがある。沸き上げ運転では、その目標温度が高い（例えば、５５℃や６０℃）ことから、貯湯タンク外に設置され貯湯タンクに供給する温水を冷媒で加熱する水冷媒熱交換器や、貯湯タンク内に設置され貯湯タンク内の水と冷媒とを直接熱交換させる熱交換部における凝縮圧力が高くなる。

凝縮圧力が高くなると、熱源側熱交換器に冷媒が偏りやすくなる。この状態で、貯湯タンク内の水が目標温度まで上昇し、沸き上げ運転が完了して給湯負荷側のヒートポンプ回路が停止すれば、熱源側熱交換器に多量の液冷媒が寝込む虞があった。そして、熱源側熱交換器に多量の液冷媒が寝込んだ状態で、給湯負荷側のヒートポンプ回路が再起動すれば、圧縮機に液冷媒が吸い込まれる所謂液バックが発生し、圧縮機が破損する虞があった。

本発明は以上述べた問題点を解決し、圧縮機への液バックを防止できるヒートポンプ式暖房給湯装置を提供することを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するものであって、本発明のヒートポンプ式暖房給湯装置は、複数のヒートポンプ回路と、暖房温水回路と、給湯冷媒回路とを有するものであって、複数のヒートポンプ回路はそれぞれ、圧縮機と水冷媒熱交換器と流量調整手段と熱源側熱交換器とが冷媒配管で順次接続して構成され、複数のヒートポンプ回路のうち少なくとも１つのヒートポンプ回路が給湯用ヒートポンプ回路とされるとともに、給湯用ヒートポンプ回路を構成するもの以外のヒートポンプ回路が暖房用ヒートポンプ回路とされる。また、暖房温水回路は、暖房負荷と、補助水冷媒熱交換器と、複数の水冷媒熱交換器と、循環ポンプとが給湯配管で順次接続して構成され、給湯冷媒回路は、給湯負荷が給湯用ヒートポンプ回路に給湯負荷に流入する冷媒が流れる往き冷媒配管および給湯負荷から流出する冷媒が流れる戻り冷媒配管で接続されて構成される。また、給湯用ヒートポンプ回路では、熱源側熱交換器から流出した冷媒が補助水冷媒熱交換器を流れて圧縮機に吸入されるよう、補助水冷媒熱交換器が熱源側熱交換器と圧縮機とに冷媒配管で接続される。そして、給湯用ヒートポンプ回路を運転して給湯負荷による給湯運転を行った後給湯用ヒートポンプ回路を停止し、その後給湯用ヒートポンプ回路を再起動するとき、暖房用ヒートポンプ回路を先に起動して暖房温水回路を循環する水を所定温度まで上昇させた後に、給湯用ヒートポンプ回路を起動し、補助水冷媒熱交換器において暖房温水回路を循環する水と給湯用ヒートポンプ回路の熱源側熱交換器から流出する冷媒とを熱交換させるものである。

本発明のヒートポンプ式暖房給湯装置は、給湯用ヒートポンプ回路のみ運転している状況で、この給湯用ヒートポンプ回路を停止した後再起動する場合に、暖房温水回路を循環する温水と、給湯用ヒートポンプ回路における熱源側熱交換器から流出する冷媒とを補助水冷媒熱交換器で熱交換させる。これにより、熱源側熱交換器に寝込んでいる液冷媒を、圧縮機に吸入される前に暖房温水回路を流れる温水と熱交換させて蒸発させるので、圧縮機への液バックを防止できる。

本発明の実施形態におけるヒートポンプ式暖房給湯装置の構成図であり、室内ユニットのみ運転しているときの、冷媒および温水の流れを表している。本発明の実施形態におけるヒートポンプ式暖房給湯装置の構成図であり、室内ユニットの運転と貯湯タンクの沸き上げ運転とを同時に行っているときの、冷媒および温水の流れを表している。本発明の実施形態におけるヒートポンプ式暖房給湯装置の構成図であり、貯湯タンクの沸き上げ運転のみ行っているときの、冷媒および温水の流れを表している。沸き上げ運転停止後に暖房運転のみ行うときであって、第１ヒートポンプ回路のみ起動している状態での冷媒および温水の流れを表す図である。沸き上げ運転停止後に暖房運転のみ行うときであって、第２ヒートポンプ回路も起動して補助熱交換器における温水と冷媒との熱交換を行っている場合の、冷媒および温水の流れを表す図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。実施形態としては、本発明における暖房負荷である室内ユニットおよび給湯負荷である貯湯タンクとを有し、水冷媒熱交換器で冷媒と熱交換を行った湯水を室内ユニットに循環させて暖房を行い、また、貯湯タンク内部に設置した熱交換部に冷媒を循環させて貯湯タンク内部に貯留された水を加熱するヒートポンプ式暖房給湯装置を例に挙げて説明する。尚、本発明は以下の実施形態に限定されることはなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。

図１は、本発明によるヒートポンプ式暖房給湯装置の構成を示している。このヒートポンプ式暖房給湯装置１００は、暖房用ヒートポンプ回路である第１ヒートポンプ回路１０ａと、給湯用ヒートポンプ回路である第２ヒートポンプ回路１０ｂと、暖房温水回路３０と、給湯冷媒回路４０とを有している。第１ヒートポンプ回路１０ａと第２ヒートポンプ回路１０ｂとは、それぞれが独立して運転できる。尚、第２ヒートポンプ回路１０ｂが、本発明における給湯用ヒートポンプ回路である。

第１ヒートポンプ回路１０ａは、圧縮機１ａと、水冷媒熱交換器２ａと、流量調整手段である膨張弁３ａと、熱源側熱交換器４ａと、アキュムレータ５ａとが、順次冷媒配管１１ａで接続されて構成される。圧縮機１ａは、インバータにより回転数が制御される図示しないモータによって駆動されることで、運転能力を可変できる能力可変型圧縮機である。水冷媒熱交換器２ａは、冷媒配管１１ａに接続される冷媒側流路２ａａと、後述する暖房温水回路３０の温水配管３１に接続される水側流路２ａｂとを有し、冷媒側流路２ａａを流れる冷媒と水側流路２ａｂを流れる水とを熱交換させる。膨張弁３ａは電子膨張弁であり、その開度が調整されることで、熱源側熱交換器４ａに流入する冷媒量を調整する。熱源側熱交換器４ａは、冷媒と、熱源側熱交換器４ａの近傍に配置される室外ファン６ａの回転により熱源側熱交換器４ａに流入する空気とを熱交換させる。アキュムレータ５ａは、熱源側熱交換器４ａから流入した冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離し、ガス冷媒のみを圧縮機１ａに吸入させる。

また、第１ヒートポンプ回路１０ａは、吐出温度センサ５１ａと、冷媒温度センサ５２ａと、熱交温度センサ５３ａと、外気温度センサ５４ａとを有している。吐出温度センサ５１ａは、圧縮機１ａの冷媒吐出側付近の冷媒配管１１ａに設けられ、圧縮機１ａから吐出された冷媒の温度を検出する。冷媒温度センサ５２ａは、水冷媒熱交換器２ａと膨張弁３ａとの間の冷媒配管１１ａに設けられ、水冷媒熱交換器２ａから流出する冷媒の温度を検出する。熱交温度センサ５３ａは、膨張弁３ａと熱源側熱交換器４ａとの間の冷媒配管１１ａに設けられ、熱源側熱交換器５ａに流入する冷媒の温度を検出する。外気温度センサ５４ａは、熱源側熱交換器５ａ近傍に配置され、屋外の温度である外気温度を検出する。

第２ヒートポンプ回路１０ｂは、圧縮機１ｂと、第１三方弁７と、水冷媒熱交換器２ｂと、第２三方弁８と、流量調整手段である膨張弁３ｂと、熱源側熱交換器４ｂと、第３三方弁９と、補助水冷媒熱交換器２３と、アキュムレータ５ｂとが、順次冷媒配管１１ｂで接続されて構成される。圧縮機１ｂは、インバータにより回転数が制御される図示しないモータによって駆動されることで、運転能力を可変できる能力可変型圧縮機である。水冷媒熱交換器２ｂは、冷媒配管１１ｂに接続される冷媒側流路２ｂａと、後述する暖房温水回路３０の温水配管３１に接続される水側流路２ｂｂとを有し、冷媒側流路２ｂａを流れる冷媒と水側流路２ｂｂを流れる水とを熱交換させる。膨張弁３ｂは電子膨張弁であり、その開度が調整されることで、熱源側熱交換器４ｂに流入する冷媒量を調整する。熱源側熱交換器４ｂは、冷媒と、熱源側熱交換器４ｂの近傍に配置される室外ファン６ｂの回転により熱源側熱交換器４ｂに流入する空気とを熱交換させる。補助水冷媒熱交換器２３は、冷媒配管１１ｂに接続される冷媒側流路２３ａと、後述する暖房温水回路３０の温水配管３１に接続される水側流路２３ｂとを有し、冷媒側流路２３ａを流れる冷媒と水側流路２３ｂを流れる水とを熱交換させる。アキュムレータ５ｂは、熱源側熱交換器４ｂから流入した冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離し、ガス冷媒のみを圧縮機１ｂに吸入させる。

第１三方弁７は、ポートａ、ポートｂ、ポートｃの３つのポートを有している。ポートａは、圧縮機１ｂの冷媒吐出側と冷媒配管１１ｂで接続されている。ポートｂは、水冷媒熱交換器２ｂの冷媒側流路２ｂａの一端と冷媒配管１１ｂで接続されている。ポートｃには後述する往き冷媒配管４１の一端が接続されている。図１において、第１三方弁７は、ポートｃが閉じられて（図１では、閉じられているポートｃを黒塗りとしている）、ポートａとポートｂとが連通した状態となっている。

第２三方弁８は、ポートｄ、ポートｅ、ポートｆの３つのポートを有している。ポートｄは、水冷媒熱交換器２ｂの冷媒側流路２ｂａの他端と冷媒配管１１ｂで接続されている。ポートｅは、膨張弁３ｂと冷媒配管１１ｂで接続されている。ポートｆには後述する戻り冷媒配管４２の一端が接続されている。図１において、第２三方弁８は、ポートｆが閉じられて（図１では、閉じられているポートｆを黒塗りとしている）、ポートｄとポートｅとが連通した状態となっている。

第３三方弁９は、ポートｋ、ポートｍ、ポートｎの３つのポートを有している。ポートｋは、熱源側熱交換器４ｂの冷媒流出側と冷媒配管１１ｂで接続されている。ポートｍは、補助水冷媒熱交換器２３の冷媒側流路２３ａの一端と冷媒配管１１ｂで接続されている。ポートｎには補助水冷媒熱交換器２３をバイパスする第１バイパス管１１ｃの一端が接続されており、第１バイパス管１１ｃの他端は、補助水冷媒熱交換器２３の冷媒側流路２３ａの他端とアキュムレータ５ｂの冷媒流入側とを接続する冷媒配管１１ｂに接続されている。図１において、第３三方弁９は、ポートｍが閉じられて（図１では、閉じられているポートｍを黒塗りとしている）、ポートｋとポートｎとが連通した状態となっている。

また、第２ヒートポンプ回路１０ｂは、吐出温度センサ５１ｂと、冷媒温度センサ５２ｂと、熱交温度センサ５３ｂと、外気温度センサ５４ｂと、補助水冷媒熱交温度センサ５７とを有している。吐出温度センサ５１ｂは、圧縮機１ｂの冷媒吐出口付近の冷媒配管１１ｂに設けられ、圧縮機１ｂから吐出された冷媒の温度を検出する。冷媒温度センサ５２ｂは、水冷媒熱交換器２ｂと膨張弁３ｂとの間の冷媒配管１１ｂに設けられ、水冷媒熱交換器２ｂから流出する冷媒の温度を検出する。熱交温度センサ５３ｂは、膨張弁３ｂと熱源側熱交換器４ｂとの間の冷媒配管１１ｂに設けられ、熱源側熱交換器５ｂに流入する冷媒の温度を検出する。外気温度センサ５４ｂは、熱源側熱交換器５ｂ近傍に配置され、屋外の温度である外気温度を検出する。補助水熱交温度センサ５７は、補助水冷媒熱交換器２３とアキュムレータ５ｂとの間の冷媒配管１１ｂに設けられ、補助水冷媒熱交換器２３から流出する冷媒の温度を検出する。

暖房温水回路３０は、暖房負荷である室内ユニット２１と、補助水冷媒熱交換器２３と、水冷媒熱交換器２ａと、第４三方弁２８と、水冷媒熱交換器２ｂと、循環ポンプ２２とが、順次給湯配管３１で接続されて構成される。室内ユニット２１は、床暖房パネルやラジエタで構成され、室内ユニット２１を流れる温水が、室内ユニット２１が設置された部屋の空気を加熱することで部屋の暖房が行われる。補助水冷媒熱交換器２３は、給湯配管３１に接続される水側流路２３ｂと、前述した第２ヒートポンプ回路１１ｂの冷媒配管１１ｂに接続される冷媒側流路２３ａとを有し、冷媒側流路２３ａを流れる冷媒と水側流路２３ｂを流れる水とを熱交換させる。水冷媒熱交換器２ａおよび２ｂは、循環ポンプ２２と補助水冷媒熱交換器２３との間に配置され、水冷媒熱交換器２ａの水側流路２ａｂおよび水冷媒熱交換器２ｂの水側流路２ｂｂが、それぞれ給湯配管３１に接続される。循環ポンプ２２は、能力可変型のポンプであり、循環ポンプ２２が駆動することにより暖房温水回路３０内を温水が循環する。

第４三方弁２８は、ポートｇ、ポートｈ、ポートｊの３つのポートを有している。ポートｇは、水冷媒熱交換器２ａの水側流路２ａｂと給湯配管３１で接続されている。ポートｈは、水冷媒熱交換器２ｂの水側流路２ｂｂと給湯配管３１で接続されている。ポートｊは、水冷媒熱交換器２ｂをバイパスする第２バイパス管３２の一端が接続されており、第２バイパス管３２の他端は、水冷媒熱交換器２ｂと循環ポンプ２２との間の給湯配管３１に接続されている。図１において、第４三方弁２８は、ポートｊが閉じられて（図１では、閉じられているポートｊを黒塗りとしている）、ポートｇとポートｈとが連通した状態となっている。

また、暖房温水回路３０は、第１往き温度センサ５５と、第２往き温度センサ５６とを有している。第１往き温度センサ５５は、第４三方弁２８側の水冷媒熱交換器２ａ近傍の給湯配管３１に設けられ、水冷媒熱交換器２ａから流出する水温である第１往き温度を検出する。第２往き温度センサ５６は、循環ポンプ２２側の水冷媒熱交換器２ｂ近傍の給湯配管３１に設けられ、水冷媒熱交換器２ｂから流出する水温である第２往き温度を検出する。

給湯冷媒回路４０は、第１三方弁７と、給湯負荷である貯湯タンク２４と、第２三方弁８とが往き冷媒配管４１と戻り冷媒配管４２とで接続されて構成される。貯湯タンク２４は、熱交換部２５と、入水口２６と、給湯口２７と、貯湯センサ５８とを有する。熱交換部２５は冷媒配管がスパイラル形状に形成されており、貯湯タンク２４内部の下方に配置されている。熱交換部２５の下端は往き冷媒配管４１の他端と接続され、熱交換部２５の上端は戻り冷媒配管４２の他端と接続されている。入水口２６は、貯湯タンク２４の下部に設けられている。入水口２６には図示しない水道管が直結されており、水道管から入水口２６を介して貯湯タンク２４内に水が供給される。給湯口２７は、貯湯タンク２４の上部に設けられている。給湯口２７には図示しない浴槽や洗面台蛇口等と接続する温水配管が接続されており、給湯口２７から浴槽や洗面台蛇口等に貯湯タンク２４に貯留されている温水が供給される。貯湯センサ５８は、貯湯タンク２４に貯留されている温水の温度を検出する。また、前述したように、往き冷媒配管４１の一端は、第１三方弁７のポートｃに接続され、戻り冷媒配管４２の一端は、第２三方弁８のポートｆに接続されている。

次に、本実施形態におけるヒートポンプ式暖房給湯装置１００の運転動作について説明する。まず、図１を用いて、室内ユニット２１による暖房運転のみを行っている場合の、第１ヒートポンプ回路１０ａ、第２ヒートポンプ回路１０ｂ、および、暖房温水回路３０での各構成装置の動作やこれに伴う冷媒や温水の流れについて説明する。次に、図２を用いて、室内ユニット２１による暖房運転と貯湯タンク２４に貯留されている水の温度を所定温度まで沸き上げる沸き上げ運転とを同時に行っている場合の、第１ヒートポンプ回路１０ａ、第２ヒートポンプ回路１０ｂ、暖房温水回路３０、および、給湯冷媒回路４０での各構成装置の動作やこれに伴う冷媒や温水の流れについて説明する。次に、図３を用いて、貯湯タンク２４での沸き上げ運転のみ行っている場合の、第２ヒートポンプ回路１０ｂ、および、給湯冷媒回路４０での各構成装置の動作やこれに伴う冷媒や温水の流れについて説明する。最後に、図４および図５を用いて、上述した沸き上げ運転のみを行っている状態から、沸き上げ運転停止後に暖房運転のみを行う状態でヒートポンプ式暖房給湯装置１００が起動するときの、第１ヒートポンプ回路１０ａ、第２ヒートポンプ回路１０ｂ、および、暖房温水回路３０での各構成装置の動作やこれに伴う冷媒や温水の流れについて説明する。尚、図１乃至図５において、矢印は各回路での冷媒や温水の流れる方向を表している。また、各三方弁において開いているポートを白抜きとし、閉じているポートを黒塗りとしている。

まず、図１を用いて、室内ユニット２１による暖房運転のみを行っている場合について説明する。図１に示すように、ヒートポンプ式暖房給湯装置１００で暖房運転のみを行っているとき、第２ヒートポンプ回路１０ｂの第１三方弁７は、ポートｃが閉じられてポートａとポートｂとが連通する状態とされている。また、第２ヒートポンプ回路１０ｂの第２三方弁８は、ポートｆが閉じられてポートｄとポートｅとが連通する状態とされている。また、第２ヒートポンプ回路１０ｂの第３三方弁９は、ポートｍが閉じられてポートｋとポートｎとが連通する状態とされている。また、暖房温水回路３０の第４三方弁２８は、ポートｊが閉じられてポートｇとポートｈとが連通する状態とされている。そして、第１ヒートポンプ回路１０ａおよび第２ヒートポンプ回路１０ｂの圧縮機１ａ、１ｂと、暖房温水回路３０の循環ポンプ２２とが駆動されている。

尚、以下の説明では、室内ユニット２１で使用者が設定する暖房運転の設定温度Ｔｉを２４℃、この設定温度Ｔｉを実現するために、室内ユニット２１に流入する温水温度の目標値となる目標温水温度Ｔｔを４０℃とした場合を例に挙げて説明する。

第１ヒートポンプ回路１０ａおよび第２ヒートポンプ回路１０ｂにおいて、圧縮機１ａ、１ｂで圧縮されて吐出された冷媒は、水冷媒熱交換器２ａ、２ｂの冷媒側流路２ａａ、２ｂａに流入する。水冷媒熱交換器２ａ、２ｂの冷媒側流路２ａａ、２ｂａに流入した冷媒は、水冷媒熱交換器２ａ、２ｂの水側流路２ａｂ、２ｂｂを流れる水と熱交換を行って凝縮し、水冷媒熱交換器２ａ、２ｂから流出する。

水冷媒熱交換器２ａ、２ｂから流出した冷媒は、膨張弁３ａ、３ｂを通過する際に減圧されて熱源側熱交換器４ａ、４ｂに流入する。熱源側熱交換器４ａ、４ｂに流入した冷媒は、室外ファン６ａ、６ｂの回転により熱源側熱交換器４ａ、４ｂに流入する空気と熱交換を行って蒸発し、熱源側熱交換器４ａ、４ｂから流出する。第１ヒートポンプ回路１０ａにおいては、熱源側熱交換器４ａから流出した冷媒は、アキュムレータ５ａを介して圧縮機１ａに吸入されて再び圧縮される。第２ヒートポンプ回路１０ｂにおいては、熱源側熱交換器４ｂから流出した冷媒は、第３三方弁９のポートｋに流入し、ポートｎから第１バイパス管１１ｃに流出し、アキュムレータ５ｂを介して圧縮機１ｂに吸入されて再び圧縮される。

一方、暖房温水回路３０において、循環ポンプ２２の駆動により水冷媒熱交換器２ａの水側流路２ａｂに流入した水は、水冷媒熱交換器２ａの冷媒側流路２ａａを流れる冷媒と熱交換を行って加熱され、目標温水温度Ｔｔより低い第１所定温度Ｔ１（例えば、３０℃）の温水となって水冷媒熱交換器２ａから流出する。水冷媒熱交換器２ａから流出した温水は、第４三方弁２８を介して水冷媒熱交換器２ｂの水側流路２ｂｂに流入する。

水冷媒熱交換器２ｂの水側流路２ｂｂに流入した水は、水冷媒熱交換器２ｂの冷媒側流路２ｂａを流れる冷媒と熱交換を行ってさらに加熱され、第２所定温度Ｔ２（＝目標温水温度Ｔｔ：４０℃）の温水となって水冷媒熱交換器２ｂから流出する。水冷媒熱交換器２ｂから流出した温水は、循環ポンプ２２を介して室内ユニット２１に流入し、室内ユニット２１に流入した温水が放熱することで、室内ユニット２１が設置された部屋の暖房がなされる。そして、室内ユニット２１から流出した温水は、補助水冷媒熱交換器２３を介して水冷媒熱交換器２ａおよび２ｂに流入して再び加熱される。

ここで、第１ヒートポンプ回路１０ａにおいては、水冷媒熱交換器２ａから流出する水の温度が上述した第１所定温度Ｔ１となるよう、つまり、第１往き温度センサ５５で検出した温水温度が第１所定温度Ｔ１となるように、圧縮機１ａの回転数、膨張弁３ａの開度、および、室外ファン６ａの回転数が、それぞれ制御される。また、第２ヒートポンプ回路１０ｂにおいては、水冷媒熱交換器２ｂから流出する水の温度が上述した第２所定温度Ｔ２となるよう、つまり、第２往き温度センサ５６で検出した温水温度が第２所定温度Ｔ２となるように、圧縮機１ｂの回転数、膨張弁３ｂの開度、および、室外ファン６ｂの回転数が、それぞれ制御される。

以上説明したように、ヒートポンプ式暖房給湯装置１００で暖房運転のみを行っているとき、第１ヒートポンプ回路１０ａと第２ヒートポンプ回路１０ｂとを運転し、室内ユニット２１に流入する温水温度を目標温水温度Ｔｔまで上昇させる。

次に、図２を用いて、室内ユニット２１による暖房運転と貯湯タンク２４における沸き上げ運転とを同時に行っている場合について説明する。図２に示すように、室内ユニット２１による暖房運転と貯湯タンク２４における沸き上げ運転とを同時に行っているとき、第２ヒートポンプ回路１０ｂの第１三方弁７は、ポートｂが閉じられてポートａとポートｃとが連通する状態とされている。また、第２ヒートポンプ回路１０ｂの第２三方弁８は、ポートｄが閉じられてポートｅとポートｆとが連通する状態とされている。また、第２ヒートポンプ回路１０ｂの第３三方弁９は、ポートｍが閉じられてポートｋとポートｎとが連通する状態とされている。また、暖房温水回路３０の第４三方弁２８は、ポートｈが閉じられてポートｇとポートｊとが連通する状態とされている。そして、第１ヒートポンプ回路１０ａおよび第２ヒートポンプ回路１０ｂの圧縮機１ａ、１ｂと、暖房温水回路３０の循環ポンプ２２とが駆動されている。

尚、以下の説明では、室内ユニット２１で使用者が設定する暖房運転の設定温度Ｔｉを２４℃、この設定温度Ｔｉを実現するために、室内ユニット２１に流入する温水温度の目標値となる目標温水温度Ｔｔを４０℃、貯湯タンク２４に貯留されている水を沸き上げる際の目標温度である沸き上げ温度Ｔｂを６０℃とした場合を例に挙げて説明する。

第１ヒートポンプ回路１０ａにおける冷媒の流れについては、前述した暖房運転を行う場合と同じであるため、説明を省略する。第２ヒートポンプ回路１０ｂにおいて、圧縮機１ｂで圧縮されて吐出された冷媒は、冷媒配管１１ｂから第１三方弁７を介して往き冷媒配管４１を流れ、貯湯タンク２４の熱交換部２５に流入する。熱交換部２５に流入した冷媒は、貯湯タンク２４に貯留されている水と熱交換を行い、熱交換部２５から流出する。熱交換部２５から流出した冷媒は、戻り冷媒配管４２を流れ第２三方弁８を介して冷媒配管１１ｂに流入する。

冷媒配管１１ｂに流入した冷媒は、膨張弁３ｂを通過する際に減圧されて熱源側熱交換器４ｂに流入する。熱源側熱交換器４ｂに流入した冷媒は、室外ファン６ｂの回転により熱源側熱交換器４ｂに流入する空気と熱交換を行って蒸発し、熱源側熱交換器４ｂから流出する。そして、熱源側熱交換器４ｂから流出した冷媒は、第３三方弁９のポートｋに流入し、ポートｎから第１バイパス管１１ｃに流出し、アキュムレータ５ｂを介して圧縮機１ｂに吸入されて再び圧縮される。

一方、暖房温水回路３０において、循環ポンプ２２の駆動により水冷媒熱交換器２ａの水側流路２ａｂに流入した水は、水冷媒熱交換器２ａの冷媒側流路２ａａを流れる冷媒と熱交換を行って加熱され、第２所定温度Ｔ２（＝目標温水温度Ｔｔ：４０℃）の温水となって水冷媒熱交換器２ａから流出する。水冷媒熱交換器２ａから流出した温水は、温水配管３１から第４三方弁２８を介して第２バイパス管３２に流入し、第２バイパス管３２から再び温水配管３１に流入する、つまり、水冷媒熱交換器２ｂをバイパスするように流れる。

第２バイパス管３２から温水配管３１に流入に流入した温水は室内ユニット２１に流入し、室内ユニット２１に流入した温水が放熱することで、室内ユニット２１が設置された部屋の暖房がなされる。そして、室内ユニット２１から流出した温水は、補助水冷媒熱交換器２３を介して水冷媒熱交換器２ａに流入して再び加熱される。

ここで、第１ヒートポンプ回路１０ａにおいては、水冷媒熱交換器２ａから流出する水の温度が上述した第２所定温度Ｔ２となるよう、つまり、第１往き温度センサ５５で検出した温水温度が第２所定温度Ｔ２となるように、圧縮機１ａの回転数、膨張弁３ａの開度、および、室外ファン６ａの回転数が、それぞれ制御される。また、第２ヒートポンプ回路１０ｂにおいては、貯湯タンク２４に貯留されている温水の温度、つまり、貯湯センサ５８で検出する温水の温度が上述した沸き上げ温度Ｔｂとなるように、圧縮機１ｂの回転数、膨張弁３ｂの開度、および、室外ファン６ｂの回転数が、それぞれ制御される。

以上説明したように、ヒートポンプ式暖房給湯装置１００では、室内ユニット２１による暖房運転を第１ヒートポンプ回路１０ａを運転することで実行し、これと同時に、貯湯タンク２４における沸き上げ運転を第２ヒートポンプ回路１０ｂを運転することで実行できる。

尚、貯湯タンク２４に貯留されている温水の温度が沸き上げ温度Ｔｂとなれば沸き上げ運転を終了し、ヒートポンプ式暖房給湯装置１００は、図１に示す状態、つまり、第１ヒートポンプ回路１０ａと第２ヒートポンプ回路１０ｂとを運転して室内ユニット２１による暖房運転を行う状態に切り換わる。

次に、図３を用いて、貯湯タンク２４における沸き上げ運転のみ行っている場合について説明する。昼間や夜間に洗面台の蛇口やシャワーへの温水の供給によって貯湯タンク２４に貯留されている温水が減少すれば、入水口２６から貯湯タンク２４内に水道水が供給される。貯湯タンク２４内に水道水が供給されると、貯湯タンク２４内に貯留されている温水温度が低下するので、この温水温度を沸き上げ温度Ｔｂまで上昇させる沸き上げ運転が行われる。通常、沸き上げ運転は、昼間に比べて電気料金の安価な夜間に行われ、例えば、タイマー運転にて深夜０時〜５時の間で行われる。

図３に示すように、貯湯タンク２４における沸き上げ運転のみ行っているとき、第２ヒートポンプ回路１０ｂの第１三方弁７は、ポートｂが閉じられてポートａとポートｃとが連通する状態とされている。また、第２ヒートポンプ回路１０ｂの第２三方弁８は、ポートｄが閉じられてポートｅとポートｆとが連通する状態とされている。また、第２ヒートポンプ回路１０ｂの第３三方弁９は、ポートｍが閉じられてポートｋとポートｎとが連通する状態とされている。そして、第２ヒートポンプ回路１０ｂの圧縮機１ｂが駆動されている。

尚、以下の説明では、貯湯タンク２４に貯留されている水を沸き上げる際の目標温度である沸き上げ温度Ｔｂを６０℃とした場合を例に挙げて説明する。

沸き上げ運転のみ行っている場合は、図２を用いて説明した暖房運転と沸き上げ運転とを同時に行っている場合において、第１ヒートポンプ回路１０ａおよび暖房温水回路３０を停止した状態となる。すなわち、第２ヒートポンプ回路１０ｂにおいて、圧縮機１ｂで圧縮されて吐出された冷媒は、冷媒配管１１ｂから第１三方弁７を介して往き冷媒配管４１を流れ、貯湯タンク２４の熱交換部２５に流入する。熱交換部２５に流入した冷媒は、貯湯タンク２４に貯留されている水と熱交換を行い、熱交換部２５から流出する。熱交換部２５から流出した冷媒は、戻り冷媒配管４２を流れ第２三方弁８を介して冷媒配管１１ｂに流入する。

ここで、第２ヒートポンプ回路１０ｂにおいては、貯湯タンク２４に貯留されている温水の温度、つまり、貯湯センサ５８で検出する温水の温度が上述した沸き上げ温度Ｔｂとなるように、圧縮機１ｂの回転数、膨張弁３ｂの開度、および、室外ファン６ｂの回転数が、それぞれ制御される。

以上説明したように、ヒートポンプ式暖房給湯装置１００では、第２ヒートポンプ回路１０ｂを運転することで、貯湯タンク２４における沸き上げ運転のみを単独で実行できる。

尚、貯湯タンク２４に貯留されている温水の温度が沸き上げ温度Ｔｂとなる、つまり、沸き上げ運転が完了すれば、第２ヒートポンプ回路１０ｂの圧縮機１ｂは停止し、ヒートポンプ式暖房給湯装置１００が停止する。

次に、図４および図５を用いて、上述した沸き上げ運転が完了してヒートポンプ式暖房給湯装置１００が停止した後、図１を用いて説明した暖房運転のみ行う状態でヒートポンプ式暖房給湯装置１００が起動する場合について説明する。尚、以下の説明では、タイマー運転で開始された沸き上げ運転が午前５時に完了し、その後午前７時に暖房運転が行われる場合を例に挙げて説明する。

図３を用いて説明した、第２ヒートポンプ回路１０ｂのみ運転して沸き上げ運転のみを行っている場合は、沸き上げ運度Ｔｂが高い（本実施形態では、沸き上げ温度Ｔｂは６０℃）ことから、貯湯タンク２４の熱交換部２５における凝縮圧力が高くなる。熱交換部２５における凝縮圧力が高くなると、第２ヒートポンプ回路１０ｂの熱源側熱交換器４ｂに冷媒が偏りやすくなる。

この状態で、午前５時に貯湯タンク２４内の水が沸き上げ運度Ｔｂまで上昇して沸き上げ運転が完了して第２ヒートポンプ回路１０ｂが停止し、第２ヒートポンプ回路１０ｂが停止してから２時間が経過した午前７時までの間に、熱源側熱交換器４ｂに多量の液冷媒が寝込む。そして、熱源側熱交換器４ｂに多量の液冷媒が寝込んだ状態で、午前７時にヒートポンプ式暖房給湯装置１００で暖房運転を開始するために第２ヒートポンプ回路１０ｂを起動すれば、圧縮機１ｂに熱源側熱交換器４ｂに滞留している液冷媒が吸い込まれる所謂液バックが発生し、圧縮機１ｂが破損する虞がある。

そこで、本発明のヒートポンプ式暖房給湯装置１００は、沸き上げ運転後の暖房運転開始のときに、以下のように動作する。まずは、図４に示すように、第２ヒートポンプ回路１ｂは起動せず、第１ヒートポンプ回路１０ａおよび暖房温水回路３０が起動する。このとき、暖房温水回路３０の第４三方弁２８は、ポートｈが閉じられてポートｇとポートｊとが連通する状態とされている。そして、第１ヒートポンプ回路１０ａの圧縮機１ｂおよび暖房温水回路３０の循環ポンプ２２が起動される。

尚、以下の説明では、図１を用いて暖房運転のみを行う場合について説明したときと同様に、室内ユニット２１で使用者が設定する暖房運転の設定温度Ｔｉを２４℃、この設定温度Ｔｉを実現するために、室内ユニット２１に流入する温水温度の目標値となる目標温水温度Ｔｔを４０℃として説明する。

図４に示すヒートポンプ式暖房給湯回路１００では、第１ヒートポンプ回路１０ａおよび暖房温水回路３０が運転しているときの各構成装置の動作や冷媒及び温水の流れは、図２を用いて説明した暖房運転と沸き上げ運転とを同時に行う場合と同じであるため、詳細な説明は省略する。また、第１ヒートポンプ回路１０ａにおいては、水冷媒熱交換器２ａから流出する水の温度が上述した第２所定温度Ｔ２となるよう、つまり、第１往き温度センサ５５で検出した温水温度が第２所定温度Ｔ２となるように、圧縮機１ａの回転数、膨張弁３ａの開度、および、室外ファン６ａの回転数が、それぞれ制御される。

図４に示す状態でヒートポンプ式暖房給湯回路１００を運転しているときに、水冷媒熱交換器２ａから流出する水の温度が第２所定温度Ｔ２となれば、図５に示すように、第１ヒートポンプ回路１０ａおよび暖房温水回路３０に加えて、第２ヒートポンプ回路１０ｂが起動される。このとき、第２ヒートポンプ回路１０ｂの第１三方弁７は、ポートｃが閉じられてポートａとポートｂとが連通する状態とされている。また、第２ヒートポンプ回路１０ｂの第２三方弁８は、ポートｆが閉じられてポートｄとポートｅとが連通する状態とされている。また、第２ヒートポンプ回路１０ｂの第３三方弁９は、ポートｎが閉じられてポートｋとポートｍとが連通する状態とされている。また、暖房温水回路３０の第４三方弁２８は、ポートｊが閉じられてポートｇとポートｈとが連通する状態とされている。そして、第２ヒートポンプ回路１０ｂの圧縮機１ｂが駆動される。

第２ヒートポンプ回路１０ｂが起動した後のヒートポンプ式暖房給湯回路１００の動作について、第１ヒートポンプ回路１０ａおよび暖房給湯回路３０の動作は、図１を用いて説明した暖房運転のみを行う場合の動作と同じであるため、詳細な説明を省略する。第２ヒートポンプ回路１０ｂにおいて、圧縮機１ｂで圧縮されて吐出された冷媒は、水冷媒熱交換器２ｂの冷媒側流路２ｂａに流入する。水冷媒熱交換器２ｂの冷媒側流路２ｂａに流入した冷媒は、水冷媒熱交換器２ｂの水側流路２ｂｂを流れる水と熱交換を行って凝縮し、水冷媒熱交換器２ｂから流出する。

水冷媒熱交換器２ｂから流出した冷媒は、膨張弁３ｂを通過する際に減圧されて熱源側熱交換器４ｂに流入する。熱源側熱交換器４ｂに流入した冷媒は、室外ファン６ｂの回転により熱源側熱交換器４ｂに流入する空気と熱交換を行って熱源側熱交換器４ｂから流出する。前述したように、熱源側熱交換器４ｂには、沸き上げ運転終了時（午前５時）から暖房運転開始時（午前７時）までの間に寝込んだ液冷媒が滞留しているので、熱源側熱交換器４ｂで冷媒は蒸発し切らず、冷媒は熱源側熱交換器４ｂから気液二相状態で流出する。

熱源側熱交換器４ｂから流出した冷媒は、第３三方弁９を介して補助水冷媒熱交換器２３の冷媒側流路２３ａに流入する。補助水冷媒熱交換器２３の冷媒側流路２３ａに流入した冷媒は、補助水冷媒熱交換器２３の水側流路２３ｂを流れる温水と熱交換を行って蒸発し、補助水冷媒熱交換器２３から流出する。補助水冷媒熱交換器２３から流出した冷媒は、冷媒配管１１ｂを流れてアキュムレータ５ｂを介して圧縮機１ｂに吸入されて再び圧縮される。

以上説明したように、本実施形態のヒートポンプ式暖房給湯装置１００では、図３に示す状態で沸き上げ運転が完了して第２ヒートポンプ回路１０ｂを停止した後、暖房運転を行うために第２ヒートポンプ回路１ｂを起動する場合は、図４に示す第１ヒートポンプ回路１０ａと暖房温水回路３０とを先に起動して暖房温水回路３０を循環する水の温度を上昇させた後、図５に示すように第３三方弁９のポートｋとポートｍとが連通するようにして第２ヒートポンプ回路１０ｂを起動する。これにより、補助水冷媒熱交換器２３において熱源側熱交換器４ｂから流出した冷媒と暖房温水回路３０を循環する温水との間で熱交換が行われるので、沸き上げ運転終了後に熱源側熱交換器４ｂに寝込んでいて熱源側熱交換器４ｂで蒸発し切らない冷媒が、補助水冷媒熱交換器２３において蒸発して圧縮機１ｂに吸入されるので、圧縮機１ｂへの液バックを防止できる。

尚、次に説明する条件（寝込み解消条件）が成立すれば、ヒートポンプ式暖房給湯装置１００は、図５に示す状態から図１に示す状態、つまり、第３三方弁９においてポートｋとポートｍとが連通して補助水冷媒熱交換器２３に冷媒が流れる状態から、ポートｋとポートｎとが連通して第１バイパス管１１ｃにより補助水冷媒熱交換器２３がバイパスされる状態に切り換えられる。

寝込み解消条件は、例えば、圧縮機１ｂの冷媒吸入側における冷媒の過熱度である吸入過熱度が５℃以上である状態が５分間継続した場合、である。つまり、寝込み解消条件とは、熱源側熱交換器４ｂに寝込んでいる液冷媒が全て熱源側熱交換器４ｂから流出し、補助水冷媒熱交換器２３において蒸発し、補助水冷媒熱交換器２３には熱源側熱交換器４ｂで蒸発し切った冷媒が供給されていることを示す条件である。尚、圧縮機１ｂの吸入過熱度は、補助水熱交温度センサ５７で検出する補助水冷媒熱交換器２３から流出する冷媒の温度から、熱交温度センサ５３ｂで検出する熱源側交換器４ｂに流入する冷媒の温度を引くことで求めることができる。また、上記吸入過熱度やその継続時間は、外気温度や室内ユニット２１から流出する温水の温度に応じて異ならせてもよい。

以上説明した通り、本発明のヒートポンプ式暖房給湯装置は、給湯用ヒートポンプ回路のみ運転している状況で、この給湯用ヒートポンプ回路を停止した後再起動する場合に、暖房温水回路を循環する温水と、給湯用ヒートポンプ回路における熱源側熱交換器から流出する冷媒とを補助水冷媒熱交換器で熱交換させる。これにより、熱源側熱交換器に寝込んでいる液冷媒を、圧縮機に吸入される前に暖房温水回路を流れる温水と熱交換させて蒸発させるので、圧縮機への液バックを防止できる。

尚、以上説明した実施形態では、ヒートポンプ回路を２つ備えたヒートポンプ式暖房給湯装置を例に挙げて説明したが、本発明のヒートポンプ式暖房給湯装置はヒートポンプ回路を３つ以上備えてもよい。そして、ヒートポンプ回路を３つ以上備える場合、例えば、暖房負荷の熱負荷が給湯負荷の熱負荷より大きい場合は給湯用ヒートポンプ回路を１つとする、また、暖房負荷の熱負荷が給湯負荷の熱負荷より小さい場合は給湯用ヒートポンプ回路を２つとする、というように、暖房負荷と給湯負荷との熱負荷のバランスに応じて、適宜給湯用ヒートポンプ回路を増減すればよい。

１ａ、１ｂ圧縮機
２ａ、２ｂ水冷媒熱交換器
２ａａ、２ｂａ冷媒側流路
２ａｂ、２ｂｂ水側流路
７第１三方弁
８第２三方弁
９第３三方弁
１０ａ第１ヒートポンプ回路
１０ｂ第２ヒートポンプ回路
１１ａ、１１ｂ冷媒配管
１１ｃ第１バイパス管
２１室内ユニット
２２循環ポンプ
２３補助水冷媒熱交換器
２３ａ冷媒側流路
２３ｂ水側流路
２４貯湯タンク
２８第４三方弁
３０暖房温水回路
３１給湯配管
４０給湯冷媒回路
４１往き冷媒配管
４２戻り冷媒配管
５５第１往き温度センサ
５６第２往き温度センサ
５７補助水熱交温度センサ
１００ヒートポンプ式暖房給湯装置
Ｔ１第１所定温度
Ｔ２第２所定温度
Ｔｂ沸き上げ温度
Ｔｉ設定温度
Ｔｔ目標温水温度

Claims

複数のヒートポンプ回路と、暖房温水回路と、給湯冷媒回路とを有するヒートポンプ式暖房給湯装置であって、
複数の前記ヒートポンプ回路はそれぞれ、圧縮機と、水冷媒熱交換器と、流量調整手段と、熱源側熱交換器とが冷媒配管で順次接続して構成され、複数の前記ヒートポンプ回路のうち少なくとも１つの前記ヒートポンプ回路が給湯用ヒートポンプ回路とされるとともに、同給湯用ヒートポンプ回路を構成するもの以外の前記ヒートポンプ回路が暖房用ヒートポンプ回路とされ、
前記暖房温水回路は、暖房負荷と、補助水冷媒熱交換器と、複数の前記水冷媒熱交換器と、循環ポンプと、が給湯配管で順次接続して構成され、
前記給湯冷媒回路は、給湯負荷が前記給湯用ヒートポンプ回路に前記給湯負荷に流入する冷媒が流れる往き冷媒配管および前記給湯負荷から流出する冷媒が流れる戻り冷媒配管で接続されて構成され、
前記給湯用ヒートポンプ回路では、前記熱源側熱交換器から流出した冷媒が前記補助水冷媒熱交換器を流れて前記圧縮機に吸入されるよう、前記補助水冷媒熱交換器が前記熱源側熱交換器と前記圧縮機とに冷媒配管で接続され、
前記給湯用ヒートポンプ回路を運転して前記給湯負荷による給湯運転を行った後前記給湯用ヒートポンプ回路を停止し、その後前記給湯用ヒートポンプ回路を再起動するとき、
前記暖房用ヒートポンプ回路を先に起動して前記暖房温水回路を循環する水を所定温度まで上昇させた後に、前記給湯用ヒートポンプ回路を起動し、前記補助水冷媒熱交換器において前記暖房温水回路を循環する水と前記給湯用ヒートポンプ回路の前記熱源側熱交換器から流出する冷媒とを熱交換させる、
ことを特徴とするヒートポンプ式暖房給湯装置。
前記給湯用ヒートポンプ回路は流路切替手段とを有し、同流路切替手段は、少なくとも第１接続ポート、第２接続ポート、および、第３接続ポートの３つの接続ポートを有し、
前記流路切替手段の前記第１接続ポートは前記熱源側交換器の冷媒流出側と冷媒配管で接続され、前記第２接続ポートは前記補助水冷媒熱交換器の冷媒流入側と冷媒配管で接続され、前記第３接続ポートには前記補助水冷媒熱交換器をバイパスするバイパス管の一端が接続され、
前記バイパス管の他端は、前記補助水冷媒熱交換器の冷媒流出側と前記圧縮機の冷媒吸入側とを接続する冷媒配管に接続され、
前記補助水冷媒熱交換器において前記暖房温水回路を循環する水と前記給湯用ヒートポンプ回路の前記熱源側熱交換器から流出する冷媒とを熱交換させるときは、前記バイパス管に冷媒が流れないように前記流路切替手段が切り替えられる、
ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式暖房給湯装置。