(57)【要約】【課題】  消費電力の増大や装置の複雑化を招かずに、蒸発器の除霜を行うことが可能なヒートポンプ式給湯装置およびその除霜方法を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明にかかるヒートポンプ式給湯装置の構成は、外気との熱交換により冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発した冷媒を圧縮する圧縮機と、蒸発器より下方に設けられ、圧縮された冷媒との熱交換により湯水を生成する放熱器と、水と熱交換後の冷媒を減圧する膨張手段と、湯水を貯湯する蓄熱槽と、蒸発器と圧縮機と放熱器と膨張手段とを接続し、通常運転時に冷媒が循環する回路である第１冷媒循環回路と、蒸発器と、圧縮機を迂回する第１バイパスと、放熱器と、膨張手段を迂回する第２バイパスとを接続し、除霜運転時に冷媒が循環する回路である第２冷媒循環回路と、第１冷媒循環回路と第２冷媒循環回路とを切り替える切替手段とを備えることを特徴とする。【選択図】  図１
2010085004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外気と冷媒との熱交換により該冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発した冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記蒸発器より下方に設けられ、前記圧縮された冷媒と水との熱交換により湯水を生成する放熱器と、
前記水との熱交換後の冷媒を減圧する膨張手段と、
前記湯水を貯湯する蓄熱槽と、
前記蒸発器と、前記圧縮機と、前記放熱器と、前記膨張手段とを接続し、前記湯水を生成する通常運転時に前記冷媒が循環する回路である第１冷媒循環回路と、
前記蒸発器と、前記圧縮機を迂回する第１バイパスと、前記放熱器と、前記膨張手段を迂回する第２バイパスとを接続し、該蒸発器の除霜を行う除霜運転時に前記冷媒が循環する回路である第２冷媒循環回路と、
前記第１冷媒循環回路と、前記第２冷媒循環回路とを切り替える切替手段とを備えることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
【請求項２】
前記冷媒は二酸化炭素であって、
前記圧縮機による圧縮過程と、前記放熱器による放熱過程との間に前記冷媒が超臨界状態となる超臨界サイクルを行うことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項３】
当該ヒートポンプ式給湯装置は、前記蒸発器の除霜が必要か否かを判断する除霜判断部を更に備え、
前記除霜判断部が前記蒸発器の除霜が必要であると判断したら、前記冷媒の第１冷媒循環回路への循環を停止し、該冷媒を前記第２冷媒循環回路に循環させ、
前記除霜判断部が前記蒸発器の除霜が完了したと判断したら、前記冷媒の第２冷媒循環回路への循環を停止することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項４】
前記蓄熱槽は、該蓄熱槽の略中間に取水口を備え、
前記除霜運転時の前記蒸発器の除霜の熱源として、前記蓄熱槽に貯湯されている中温の湯水を前記取水口から取水して用いることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項５】
前記除霜判断部は、前記外気の温度もしくは湿度、前記圧縮機に流入する前記冷媒の温度もしくは圧力、前記通常運転の継続時間の中から選択される１または複数を用いて、前記蒸発器の除霜が必要であると判断することを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項６】
前記除霜判断部は、前記放熱器から流出する前記冷媒の温度もしくは圧力、前記第２冷媒循環回路を循環する前記冷媒の温度、該第２冷媒循環回路内の圧力もしくは該圧力の変化、前記外気の乾球温度もしくは湿球温度、前記除霜運転の継続時間の中から選択される１または複数を用いて、前記蒸発器の除霜が完了したと判断することを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項７】
前記除霜判断部が前記蒸発器の除霜が完了したと判断したら、前記冷媒の第２冷媒循環回路への循環を停止する前に、該蒸発器への送風を再開し、該蒸発器の結露を除去する結露除去を行うことを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項８】
前記第１バイパスの前記蒸発器または前記放熱器への接続位置は、該蒸発器内部または該放熱器内部の冷媒の配管よりも上方であることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項９】
前記第２バイパスの前記蒸発器または前記放熱器への接続位置は、該蒸発器内部または該放熱器内部の冷媒の配管よりも下方であることを請求項１に記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項１０】
当該ヒートポンプ式給湯装置は、前記蓄熱槽に貯湯される湯水を前記放熱器に送出するポンプを更に備え、
前記ポンプは、前記通常運転時および前記除霜運転時のいずれにおいても、前記放熱器内において前記湯水と前記冷媒とが対向流となるように該湯水を送出することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項１１】
当該ヒートポンプ式給湯装置は、前記放熱器に流入する水の温度、もしくは該放熱器から流出する水の温度のいずれか一方または両方を検知するセンサを更に備え、
前記センサが検知した、前記放熱器に流入する水の温度、もしくは該放熱器から流出する水の温度のいずれか一方が所定値以下となった場合、前記蓄熱槽から該放熱器に送出する水の増量、該蓄熱槽からの高温の湯水の取水、前記第２冷媒循環回路を循環する冷媒の減量の中から選択される１または複数を行うことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項１２】
蒸発器と、圧縮機と、放熱器と、膨張手段と、蓄熱槽とを備えるヒートポンプ式給湯装置の除霜方法であって、
前記蒸発器と、前記圧縮機と、前記放熱器と、前記膨張手段への冷媒の循環を停止し、
前記蒸発器と前記放熱器へ前記冷媒を循環させることで、前記蓄熱槽に貯湯される湯水と前記冷媒との熱交換を行い、該湯水から得た熱を用いて前記蒸発器の除霜を行うことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置の除霜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプを用いて生成した湯水を供給するヒートポンプ式給湯装置およびヒートポンプ式給湯装置の除霜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギーの有効活用、および温室効果ガスである二酸化炭素の排出量削減の観点から、ヒートポンプ式給湯装置の普及が進んでいる。ヒートポンプ式給湯装置を導入することにより、従来の燃焼式給湯装置と比較し、約３０％の省エネルギー、および約５０％の二酸化炭素排出量の削減が可能である。
【０００３】
ヒートポンプ式給湯装置は主に、湯水を生成するヒートポンプユニットと、湯水を貯水する貯湯ユニットから構成される。ヒートポンプユニット内には冷媒が循環しており、かかる冷媒が大気中の熱を吸熱する。そして、ヒートポンプユニット内の圧縮機において、熱を吸収した冷媒を電力を利用して圧縮する。これにより、冷媒は高圧状態となり、高熱を発生する。
【０００４】
そして、ヒートポンプユニットの熱交換器において、貯湯ユニットから供給される水を、冷媒の熱を用いて昇温させることで湯水としている。生成された湯水は、貯湯ユニットに貯湯され、使用者が必要とするときに貯湯ユニットから給湯設備に供給される。
【０００５】
上記のヒートポンプユニットの冷媒には、昨今自然冷媒が盛んに導入されている。自然冷媒とは、天然物であって環境に対し無害な冷媒であり、かかる自然冷媒としては二酸化炭素が最も多用されている。これにより、環境負荷を更に低減することが可能となる。
【０００６】
しかし、二酸化炭素は臨界点が約３１℃と低いため、冷媒として用いる場合には気体と液体の境界がなくなる超臨界域を用いることになる。例えば特許文献１には、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ２）、エチレン、エタン、酸化窒素等を超臨界で使用するヒートポンプ式給湯装置が開示されている。
【０００７】
ところで、上述した如くヒートポンプ式給湯装置は外気から熱（エネルギー）を取得し、かかる熱を用いて湯水を生成する熱交換サイクルを利用している。したがって、ヒートポンプ式給湯装置のヒートポンプユニットは屋外に設置されることが多い。このため、外気の気温や湿度の影響を受け、ヒートポンプユニットにおいて外気と冷媒との熱交換を行っている蒸発器への着霜が生じていた。蒸発器への着霜が進行すると、圧縮機吸い込み圧力が運転限界以下となるため、ヒートポンプユニットの運転が停止し、ヒートポンプ式給湯装置の動作不良が発生してしまう。
【０００８】
したがって、着霜によるヒートポンプユニットの運転停止を防止する技術として、例えば特許文献２には、外部熱源からの熱供給により空気熱交換器（蒸発器）の除霜を行う加熱手段を設けたヒートポンプ給湯装置が開示されている。また例えば特許文献３には、除霜運転を行う前にヒートポンプサイクルに保有する熱量を増加させる除霜準備運転を行い、その後に圧縮機から吐出された冷媒を減圧せずに空気熱交換器（蒸発器）に流す除霜運転を行うヒートポンプ給湯装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−２６３８０１号公報
【特許文献２】特開２００８−０５７９１０号公報
【特許文献３】特開２００７−３３３３４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記の特許文献２に記載の技術であると、外部熱源として電熱ヒータ等を用いると、外部熱源の加熱に電力を利用するため消費電力が増大してしまう。また外部熱源として空気熱交換器に温水パイプを配設する場合、蒸発器の内部に冷媒の配管とは別に湯水の配管を設置しなくてはならず、ヒートポンプ給湯装置における配管が複雑化し、蒸発器が大型化してしまう。
【００１０】
特許文献３に記載の技術であると、除霜準備運転において冷媒の温度や圧力を上昇させるために電力を利用しなければならず、消費電力が増大してしまう。また、ヒートポンプサイクルに保有する熱量を増加させたとしても、冷媒は水熱交換器を通過するため、水に熱を奪われてしまい非効率的である。
【００１１】
上記の技術以外にも、ヒートポンプユニット内に、冷媒が循環する回路とは別にバイパス回路を設け、圧縮機において高温となった冷媒をかかるバイパス回路を利用して空気熱交換機（蒸発器）に直接吐出する技術が公知となっている。これにより、高温の冷媒の熱を利用して蒸発器の除霜を行うことができる。
【００１２】
しかし、上述した技術では、蒸発器の除霜に用いられる熱は、圧縮機における冷媒の圧縮により発生した熱である。したがって、除霜に用いる熱を得るためには電力を利用して圧縮機を作動させなければならず、消費電力が増大してしまう。またバイパス回路に膨張手段が設けられていないため、冷媒は膨張冷却されることがない。したがって、蒸発器において冷媒が外気から吸熱する熱量が通常運転時よりも減少するため、圧縮機による圧縮において得ることができる熱量も減少し、圧縮機のＣＯＰ（Coefficient Of Performance：成績係数）が著しく低下してしまう。更に、除霜能力が低いため除霜時間が増大し、更なる消費電力の増大を招いてしまう。
【００１３】
本発明は、このような課題に鑑み、消費電力の増大および装置の複雑化を招くことなく、蒸発器の除霜を効率的に行うことが可能なヒートポンプ式給湯装置およびヒートポンプ式給湯装置の除霜方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明にかかるヒートポンプ式給湯装置の代表的な構成は、外気と冷媒との熱交換により冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発した冷媒を圧縮する圧縮機と、蒸発器より下方に設けられ、圧縮された冷媒と水との熱交換により湯水を生成する放熱器と、水との熱交換後の冷媒を減圧する膨張手段と、湯水を貯湯する蓄熱槽と、蒸発器と、圧縮機と、放熱器と、膨張手段とを接続し、湯水を生成する通常運転時に冷媒が循環する回路である第１冷媒循環回路と、蒸発器と、圧縮機を迂回する第１バイパスと、放熱器と、膨張手段を迂回する第２バイパスとを接続し、蒸発器の除霜を行う除霜運転時に冷媒が循環する回路である第２冷媒循環回路と、第１冷媒循環回路と、第２冷媒循環回路とを切り替える切替手段とを備えることを特徴とする。
【００１５】
上記構成では放熱器が蒸発器より下方に設けられていることから、圧縮機を停止し、膨脹手段を閉状態とし、切り替え手段を用いて、冷媒が循環する回路を第１冷媒循環回路から第２冷媒循環回路に切り替えると、蒸発器において冷媒の熱が除霜に用いられ、これにより冷却された冷媒は、液体状態となり、第２バイパスを通過して落下し、放熱器に到達する。そして、液体状態の冷媒は、放熱器において湯水との熱交換により熱を得て、気体状態となる。気体状態は液体状態よりも密度が低いため、気体状態となった冷媒は、第１バイパスを通過して上昇し、蒸発器に到達する。したがって、第２冷媒循環回路では冷媒は自然循環を行うこととなるため、冷媒を循環させるための電力は不要である。これにより、消費電力を削減しつつ、効率的に除霜することが可能となる。
【００１６】
また、蒸発器の除霜のために当該ヒートポンプ式給湯装置に設けられる部材は第２冷媒循環回路および切替手段のみであることから、ヒートポンプ式給湯装置の消費電力の増大および装置の複雑化を招くことがない。
【００１７】
なお、上記の第１バイパスの配管の直径は、第２バイパスの配管の直径よりも太いことが好ましい。これにより、放熱器において湯水との熱交換により熱を得ることで気体状態となり、体積膨張した冷媒が第１バイパスを通過する際に発生する圧力損失を低減することができる。したがって、除霜運転時における第２冷媒回路での冷媒の循環効率を向上し、蒸発器の除霜を効率的に行うことが可能となる。
【００１８】
上記の冷媒は二酸化炭素であって、圧縮機による圧縮過程と、放熱器による放熱過程との間に冷媒が超臨界状態となる超臨界サイクルを行うとよい。
【００１９】
自然冷媒である二酸化炭素は、天然物であって環境に対し無害である。したがって、上記構成によれば、環境に負担をかけないヒートポンプとすることができる。また、二酸化炭素は臨界点が約３１℃と低いため、冷媒として用いる場合には、気体と液体の境界がなくなる超臨界域を用いることができる。これにより動作温度範囲内で相変化（気液変化）を行わないために、自由で幅の広い温度範囲と大きな熱搬送を設定することができる。
【００２０】
当該ヒートポンプ式給湯装置は、蒸発器の除霜が必要か否かを判断する除霜判断部を更に備え、除霜判断部が蒸発器の除霜が必要であると判断したら、冷媒の第１冷媒循環回路への循環を停止し、冷媒を第２冷媒循環回路に循環させ、除霜判断部が蒸発器の除霜が完了したと判断したら、冷媒の第２冷媒循環回路への循環を停止するとよい。
【００２１】
上記構成の如く除霜判断部が蒸発器の除霜が必要か否かを判断することで、蒸発器の除霜を効率的に行うことが可能となる。これにより、着霜の進行による蒸発器の凍結を防ぎ、当該ヒートポンプ式給湯装置の動作不良を回避することができる。
【００２２】
上記の蓄熱槽は、蓄熱槽の略中間に取水口を備え、除霜運転時の蒸発器の除霜の熱源として、蓄熱槽に貯湯されている中温の湯水を取水口から取水して用いるとよい。
【００２３】
かかる構成では、蒸発器の除霜のための熱源として、蓄熱槽に貯湯されている高温の湯水ではなく中温の湯水を用いることとなる。したがって、高温の湯水は蓄熱槽に貯湯されたままとなるため、除霜運転後に通常運転を再開した場合における蓄熱時間、すなわち湯水の生成時間が短縮される。これにより、除霜のための熱源として蓄熱槽の湯水を用いたとしても、除霜運転後の通常運転において速やかに湯水を生成することが可能となる。
【００２４】
上記の除霜判断部は、外気の温度もしくは湿度、圧縮機に流入する冷媒の温度もしくは圧力、通常運転の継続時間の中から選択される１または複数を用いて、蒸発器の除霜が必要であると判断するとよい。
【００２５】
これにより、除霜判断部は蒸発器の除霜が必要であることを的確に判断することができる。したがって、蒸発器の除霜が必要な場合に確実に除霜を行い、蒸発器の凍結を回避することで、圧縮機の吸込圧力の低下によるヒートポンプユニットの運転停止を防止することが可能となる。
【００２６】
上記の除霜判断部は、放熱器から流出する冷媒の温度もしくは圧力、第２冷媒循環回路を循環する冷媒の温度、第２冷媒循環回路内の圧力もしくは圧力の変化、外気の乾球温度もしくは湿球温度、除霜運転の継続時間の中から選択される１または複数を用いて、蒸発器の除霜が完了したと判断するとよい。
【００２７】
これにより、除霜判断部は蒸発器の除霜が完了したことを的確に判断することができる。したがって、蒸発器の除霜が不要な場合における無駄な除霜運転を回避し、当該ヒートポンプ式給湯装置の運転効率の低下を防ぐことが可能となる。
【００２８】
上記の除霜判断部が蒸発器の除霜が完了したと判断したら、冷媒の第２冷媒循環回路への循環を停止する前に、蒸発器への送風を再開し、蒸発器の結露を除去する結露除去を行うとよい。
【００２９】
例えば除霜を行った後、除霜により霜が融けることで生じた水滴が蒸発器に付着している、すなわち結露が生じているとその水が凍結してしまい、除霜したにも拘わらず早期に蒸発器が再凍結する可能性がある。これにより、ヒートポンプユニットの運転が停止し、ヒートポンプ式給湯装置の動作不良が発生するおそれが生じる。
【００３０】
したがって上記構成では、蒸発器の除霜が完了した後に、蒸発器への送風を再開し、蒸発器の結露を除去する結露除去を行うことで、蒸発器に付着している霜から生じた水を飛散させる。これにより、除霜後の蒸発器の早期の再凍結を防止し、ヒートポンプ式給湯装置の動作不良を回避することが可能となる。
【００３１】
なお、通常の蒸発器には空気との熱交換を促進するためのファンが備えられている。したがって、上記の結露除去時に蒸発器のファンを回転させることで蒸発器内部へ送風し、蒸発器に付着した水滴を効率的に飛散させることができる。
【００３２】
上記の第１バイパスの蒸発器または放熱器への接続位置は、蒸発器内部または放熱器内部の冷媒の配管よりも上方であるとよい。
【００３３】
第１バイパスの蒸発器への接続位置を蒸発器内部の冷媒の配管よりも上方とすることにより、蒸発器において冷却され液体状態となった冷媒の第１バイパスへの流入を防止することができる。これにより、液体状態の冷媒は第２バイパスを通過して落下し、放熱器に到達するため、第２冷媒循環回路における冷媒の循環方向を規定することが可能となる。
【００３４】
また第１バイパスの放熱器への接続位置を放熱器内部の冷媒の配管よりも上方とすることにより、放熱器において湯水との熱交換を行い気体状態となった冷媒は、第１バイパスを通過して上昇し、蒸発器に到達する。したがって、第２冷媒循環回路における冷媒の循環方向を規定することが可能となる。
【００３５】
上記の第２バイパスの蒸発器または放熱器への接続位置は、蒸発器内部または放熱器内部の冷媒の配管よりも下方であるとよい。
【００３６】
第２バイパスの蒸発器への接続位置を蒸発器内部の冷媒の配管よりも下方とすることにより、蒸発器において冷却され液体状態となった冷媒は、第２バイパスを通過して落下し、放熱器に到達する。したがって、第２冷媒循環回路における冷媒の循環方向を規定することが可能となる。
【００３７】
第２バイパスの放熱器への接続位置を放熱器内部の冷媒の配管よりも下方とすることにより、放熱器において湯水との熱交換を行い気体状態となった冷媒の第２バイパスへの流入を防止することができる。これにより、気体状態の冷媒は第１バイパスを通過して上昇し、蒸発器に到達するため、第２冷媒循環回路における冷媒の循環方向を規定することが可能となる。
【００３８】
上記のように第２冷媒循環回路における冷媒の循環方向を規定することにより、蒸発器の除霜により冷却された液体状態の冷媒が、蒸発器から第１バイパスおよび第２バイパスの両方に流出し、第２冷媒循環回路において冷媒の循環が生じず除霜効率が低下してしまうことを回避できる。したがって、第２冷媒循環回路における循環方向を規定することで、第２冷媒循環回路において冷媒を確実に循環させることができ、除霜効率を向上することが可能となる。
【００３９】
なお第２冷媒循環回路において、蒸発器の除霜により冷却された冷媒が、第２バイパスを通過して落下し、放熱器に到達することから、規定される冷媒の循環方向は、通常運転時の循環方向すなわち第１冷媒循環回路における循環方向とは逆方向となる。
【００４０】
詳述すれば、通常運転（水を加熱する運転）において、放熱器内では水を上方に向かって循環させ、冷媒をこれと対向する下方に向かって循環させている。一方、除霜運転をする場合には蓄熱槽の湯水の熱を利用することから、湯水を蓄熱槽の上方から取り出し（熱勾配によりタンク上方に熱い湯水が滞留しているため）、放熱器内では湯水を下方に向かって循環させ、これに伴って冷媒は上方に向かって循環させることが好ましい。すなわち、通常運転と除霜運転とでは冷媒の循環方向が逆になることが好ましい。そこで、第１バイパスおよび第２バイパスの蒸発器および放熱器への接続位置を上記構成の如く設定することにより、重力を利用した自然循環であっても冷媒が逆方向に循環するように構成することができ、効率よく熱交換して除霜を行うことが可能となる。
【００４１】
当該ヒートポンプ式給湯装置は、蓄熱槽に貯湯される湯水を放熱器に送出するポンプを更に備え、ポンプは、通常運転時および除霜運転時のいずれにおいても、放熱器内において湯水と冷媒とが対向流となるように湯水を送出するとよい。
【００４２】
上記構成によれば、通常運転時（湯水生成時）および除霜運転時のいずれにおいても、放熱器内における湯水の循環方向と冷媒の循環方向とは逆方向、すなわち対向流となる。また上述した如く除霜運転時の第２冷媒循環回路における冷媒の循環方向は、通常運転時の第１冷媒循環回路における冷媒の循環方向とは逆方向である。したがって、除霜運転時の放熱器内における湯水の循環方向も、通常運転時の循環方向とは逆方向となる。
【００４３】
蓄熱槽に貯湯されている湯水には温度分布があり、蓄熱槽の上方ほど高温の湯水が貯湯されている。したがって、放熱器内における湯水の循環方向が通常運転時の循環方向と逆方向となることで、蓄熱槽の上方の高温の湯水が放熱器に供給されることとなる。これにより、放熱器において冷媒と高温の湯水との熱交換が行われるため熱交換効率が向上し、冷媒は除霜に用いる熱を大量に得ることができ、除霜効率を向上し、除霜に要する時間を削減することが可能となる。
【００４４】
当該ヒートポンプ式給湯装置は、放熱器に流入する水の温度、もしくは放熱器から流出する水の温度のいずれか一方または両方を検知するセンサを更に備え、センサが検知した、放熱器に流入する水の温度、もしくは放熱器から流出する水の温度のいずれか一方が所定値以下となった場合、蓄熱槽から放熱器に送出する水の増量、蓄熱槽からの高温の湯水の取水、第２冷媒循環回路を循環する冷媒の減量の中から選択される１または複数を行うとよい。
【００４５】
例えば外気の温度が低い場合等には、除霜運転中に蒸発器の除霜に用いられた冷媒が放熱器に流入する温度が０℃以下となることがある。このような場合、放熱器において冷媒との熱交換を行う水が、放熱器内の配管において凍結するおそれがある。これにより、蓄熱槽と放熱器での水（湯水）の循環が停止し、冷媒は除霜に用いる熱を得ることができなくなり、除霜効率が低下してしまう。
【００４６】
したがって、上記構成では、センサが検知する、放熱器に流入する水の温度、もしくは放熱器から流出する水の温度のいずれか一方が所定値以下となった場合に、蓄熱槽から放熱器に送出する水の増量、蓄熱槽からの高温の湯水の取水、第２冷媒循環回路を循環する冷媒の減量の中から選択される１または複数の制御を行う。これにより、放熱器内の配管における水の凍結を防止することができるため、蓄熱槽と放熱器での水の循環が停止することがなく、除霜効率の低下を回避することが可能となる。
【００４７】
上記課題を解決するために、本発明にかかるヒートポンプ式給湯装置の除霜方法の構成は、蒸発器と、圧縮機と、放熱器と、膨張手段と、蓄熱槽とを備えるヒートポンプ式給湯装置の除霜方法であって、蒸発器と、圧縮機と、放熱器と、膨張手段への冷媒の循環を停止し、蒸発器と放熱器へ冷媒を循環させることで、蓄熱槽に貯湯される湯水と冷媒との熱交換を行い、湯水から得た熱を用いて蒸発器の除霜を行うことを特徴とする。
【００４８】
上述したヒートポンプ式給湯装置の技術的思想に基づく構成要素やその説明は、当該ヒートポンプ式給湯装置の除霜方法にも適用可能である。
【発明の効果】
【００４９】
本発明によれば、消費電力の増大および装置の複雑化を招くことなく、蒸発器の除霜を効率的に行うことが可能なヒートポンプ式給湯装置およびヒートポンプ式給湯装置の除霜方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００５１】
本実施形態では、まずヒートポンプ式給湯装置について説明した後に、かかるヒートポンプ式給湯装置の除霜方法について説明する。
【００５２】
［ヒートポンプ式給湯装置］
図１は、本実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置（以下、給湯装置と称する。）を説明する図である。なお、図１において、黒色の太い実線は冷媒が循環する配管を表しており、白抜きの線は水または湯水が流通する配管を示しており、一点鎖線は接続関係を示している。図１に示すように、給湯装置１００は、ヒートポンプユニット１１０と、貯湯ユニット１７０から構成される。
【００５３】
ヒートポンプユニット１１０は、内部に自然冷媒である二酸化炭素（以下、「冷媒」と称する）が循環しており、冷媒の熱を用いて水を加熱することにより後述する蓄熱槽に貯湯する湯水を生成する。かかるヒートポンプユニット１１０は熱交換サイクルを利用しているため、省エネルギーおよび二酸化炭素排出量の削減が可能である。したがって、給湯装置１００を従来の給湯装置よりも環境負荷が低減された給湯装置とすることができる。
【００５４】
本実施形態において冷媒は自然冷媒である二酸化炭素を用いるため、ヒートポンプユニット１１０は、圧縮機による圧縮過程と、放熱器による放熱過程の間に冷媒が超臨界状態となる超臨界サイクルを行う。超臨界サイクルは高圧で動作し、動作温度範囲内で相変化（気液変化）を行わないために、自由で幅の広い温度範囲と大きな熱搬送を設定することができる。また、二酸化炭素は自然冷媒であるため、環境に対して無害である。したがって、環境への負荷を低減することが可能となる。
【００５５】
かかるヒートポンプユニット１１０は、蒸発器１１２と、圧縮機１１４と、放熱器１１６と、膨張手段１１８と、ポンプ１２０と、第１冷媒循環回路１３０と、第２冷媒循環回路１４０と、切替手段１５０と、除霜判断部１６０と、制御部１６２と、センサ１６４とを含んで構成される。
【００５６】
蒸発器１１２は、当該給湯装置１００が湯水を生成するための通常運転時は、ヒートポンプユニット１１０内を循環する冷媒と外気との熱交換を行う。かかる蒸発器１１２は空気熱交換器とも呼ばれる。これにより、冷媒は、外気（大気中）の熱を吸熱して蒸発し、水を加熱するための熱を得ることができる。
【００５７】
蒸発器１１２に着霜が生じた場合、当該給湯装置１００は蒸発器１１２の除霜を行うための除霜運転を行う。かかる除霜運転時には、冷媒は後述する蓄熱槽１７２に貯湯される湯水から得た熱を用いて蒸発器１１２に付着した霜を融解する。このように湯水から得た熱を用いることで、除霜のための電力の消費を削減しつつ確実に除霜を行い、着霜の進行によるヒートポンプユニット１１０の運転停止を未然に防ぎ、当該給湯装置１００の動作不良の発生を回避することが可能となる。
【００５８】
圧縮機１１４は、通常運転時は外気の熱を吸熱して蒸発した冷媒を電力を利用して圧縮する。これにより、冷媒は高圧状態となり高熱を発生し、かかる熱を用いて後述する放熱器１１６において水を加熱することが可能となる。なお、除霜運転時には当該圧縮機１１４は停止する。
【００５９】
放熱器１１６は、通常運転時は、後述する蓄熱槽１７２から供給された水を加熱し湯水を生成する。かかる放熱器１１６は水熱交換器とも呼ばれる。放熱器１１６は、圧縮機１１４により圧縮されて高温となった冷媒と、蓄熱槽１７２から供給される水との熱交換を行う。これにより、冷媒の熱を用いて水を加熱し湯水を生成することができる。
【００６０】
また放熱器１１６は、当該給湯装置１００が除霜運転を行う場合、蓄熱槽１７２から供給された湯水と冷媒との熱交換を行う。これにより、冷媒は除霜に用いる熱を得ることができる。
【００６１】
本実施形態では、放熱器１１６は蒸発器１１２より下方に設けられている。これにより、第２冷媒循環回路１４０において冷媒は自然循環を行うことが可能となる。詳細には、当該給湯装置１００が除霜運転を開始すると、蒸発器１１２の除霜により熱を奪われることで冷却された冷媒は液体状態となる。液体状態は気体状態よりも密度が高いため、液体状態の冷媒は第２冷媒循環回路１４０を通過して落下し、放熱器１１６に到達する。そして、液体状態の冷媒は放熱器１１６において湯水との熱交換により熱を得て、気体状態となる。気体状態は液体状態よりも密度が低いため、気体状態の冷媒は、第２冷媒循環回路１４０を通過して上昇し、蒸発器１１２に到達する。このように、冷媒を自然循環させることで、循環に要する電力を削減することが可能となり、且つ効率的に除霜することが可能となる。
【００６２】
膨張手段１１８は、通常運転時に放熱器１１６において水と熱交換を行った後の冷媒を減圧状態とし膨張冷却する。これにより、かかる冷媒が再度外気の熱を吸収することが可能となり、冷媒を再利用することができる。なお本実施形態では膨張手段１１８として膨張弁を用いるが、これに限定されるものではなく、水と熱交換を行った後の冷媒を膨張冷却できるものであればよい。なお、除霜運転時には当該膨張手段１１８は用いず、閉状態とする。
【００６３】
ポンプ１２０は、蓄熱槽１７２からの水または湯水を放熱器１１６へと送出し循環させる。かかるポンプ１２０は、通常運転時および除霜運転時のいずれにおいても、放熱器１１６内において湯水と冷媒とが対向流となるように湯水を送出する。
【００６４】
当該給湯装置１００が湯水を生成する通常運転を行う場合、ポンプ１２０は、後述する蓄熱槽１７２を経由して給水弁１９０から供給された水を、放熱器１１６内において冷媒と対向流となるように放熱器１１６へと送出し循環させる。
【００６５】
当該給湯装置１００が除霜運転を行う場合、ポンプ１２０は、後述する蓄熱槽１７２に貯湯される湯水を、放熱器１１６内において冷媒と対向流となるように（放熱器１１６内において湯水と冷媒とが熱交換を行う際に湯水の循環方向と冷媒の循環方向とが逆方向になるように）放熱器１１６へと送出し循環させる。
【００６６】
上述したように、通常運転時の放熱器１１６内における湯水の循環方向と冷媒の循環方向とは逆方向である。また、後に詳述するように、除霜運転時の第２冷媒循環回路１４０における冷媒の循環方向は、通常運転時の第１冷媒循環回路１３０における冷媒の循環方向とは逆方向となる。したがって、除霜運転時にはポンプ１２０は通常運転時とは逆方向となるよう湯水を送出することとなる。これにより、蓄熱槽１７２の温度分布が存在する湯水のうち、蓄熱槽１７２の上方の高温の湯水が放熱器１１６に供給されるため、放熱器１１６において冷媒と高温の湯水との熱交換を行うことで熱交換の効率を向上し、冷媒が大量の熱を得ることができ、除霜効率を向上することが可能となる。
【００６７】
なお本実施形態においては、ポンプ１２０により、蓄熱槽１７２と放熱器１１６とを循環する水の循環方向を通常運転時と除霜運転時とにおいて逆方向としているが、これに限定されるものではない。例えば、ポンプ１２０と蓄熱槽１７２とを接続する水の配管に逆洗弁や四方弁を設けることにより、ポンプ１２０に依ることなく、通常運転時の水の循環方向と、除霜運転時の水の循環方向を逆方向とすることが可能となる。
【００６８】
第１冷媒循環回路１３０は、湯水の生成時すなわち通常運転時に冷媒が循環する回路である。かかる第１冷媒循環回路１３０は、蒸発器１１２と、圧縮機１１４と、放熱器１１６と、膨張手段１１８とを接続する。なお、第１冷媒循環回路１３０において冷媒は、蒸発器１１２、圧縮機１１４、放熱器１１６、膨張手段１１８をこの順に循環している。
【００６９】
第１冷媒循環回路１３０の蒸発器１１２への接続位置は、蒸発器１１２内部の冷媒の配管よりも下方とすることが好ましい。これにより、冷媒に含まれている圧縮機１１４の潤滑油の蒸発器１１２付近への滞留を防止することが可能となる。
【００７０】
なお、第１冷媒循環回路１３０では、冷媒は、蒸発器１１２において外気の熱を得て蒸発するため、蒸発器１１２から放熱器１１６までは気体状態の冷媒が流通している。次に、冷媒は放熱器１１６において水との熱交換を行い、気体から液体に状態変化するため、放熱器１１６から膨張手段１１８までは液体状態の冷媒が流通している。そして、冷媒は膨張手段１１８において減圧され、膨張冷却される。しかし、膨張冷却において液体状態の冷媒がすべて気化することはないため、膨張手段１１８から蒸発器１１２までは、液体状態の冷媒と気体状態の冷媒が混在した二相流が流通している。
【００７１】
第２冷媒循環回路１４０は、蒸発器１１２の除霜時すなわち除霜運転時に冷媒が循環する回路である。かかる第２冷媒循環回路１４０は、蒸発器１１２と、第１バイパス１４２と、放熱器１１６と、第２バイパス１４４とを接続する。なお、第２冷媒循環回路１４０において冷媒は、蒸発器１１２、第２バイパス１４４、放熱器１１６、第１バイパス１４２をこの順に循環している。
【００７２】
第１バイパス１４２は、圧縮機１１４を迂回するための配管である。これにより、冷媒は、抵抗となる圧縮機１１４を迂回することができるため、第２冷媒循環回路１４０において自然循環を行うことが可能となる。
【００７３】
第１バイパス１４２の配管の直径は、後述する第２バイパス１４４の配管の直径よりも太いことが好ましい。これにより、放熱器１１６において湯水との熱交換により気体状態となり体積膨張した冷媒が第１バイパス１４２を通過する際に発生する圧力損失を低減することができる。したがって、除霜運転時における第２冷媒循環回路１４０での冷媒の循環効率を向上し、蒸発器の除霜を効率的に行うことが可能となる。
【００７４】
なお、第１バイパス１４２の蒸発器１１２または放熱器１１６への接続位置は、蒸発器１１２内部または放熱器１１６内部の冷媒の配管よりも上方であるとよい。第１バイパス１４２の蒸発器１１２への接続位置を蒸発器１１２内部の冷媒の配管よりも上方とすることにより、蒸発器１１２において液体状態となった冷媒は、第２バイパス１４４を通過して落下し、放熱器１１６に到達する。また第１バイパス１４２の放熱器１１６への接続位置を放熱器１１６内部の冷媒の配管よりも上方とすることにより、放熱器１１６において気体状態となった冷媒は、第１バイパス１４２を通過して上昇し、蒸発器１１２に到達する。したがって、いずれにおいても、第２冷媒循環回路１４０における冷媒の循環方向を規定することが可能となり、第２冷媒循環回路１４０において冷媒を確実に循環させ、除霜効率を向上することができる。
【００７５】
第２バイパス１４４は、膨張手段１１８を迂回するための配管である。これにより、冷媒は、抵抗となる膨張手段１１８を迂回することができるため、第２冷媒循環回路１４０において自然循環を行うことが可能となる。
【００７６】
なお、第２バイパス１４４の蒸発器１１２または放熱器１１６への接続位置は、蒸発器１１２内部または放熱器１１６内部の冷媒の配管よりも下方であるとよい。第２バイパス１４４の蒸発器１１２への接続位置を蒸発器１１２内部の冷媒の配管よりも下方とすることにより、蒸発器１１２において液体状態となった冷媒は、第２バイパス１４４を通過して落下し、放熱器１１６に到達する。また、第２バイパス１４４の放熱器１１６への接続位置を放熱器１１６内部の冷媒の配管よりも下方とすることにより、放熱器１１６において気体状態となった冷媒は、第１バイパス１４２を通過して上昇し、蒸発器１１２に到達する。したがって、いずれにおいても、第２冷媒循環回路１４０における冷媒の循環方向を規定することが可能となり、第２冷媒循環回路１４０において冷媒を確実に循環させ、除霜効率を向上することができる。
【００７７】
上述したように、第２冷媒循環回路１４０において、蒸発器１１２の除霜により冷却された冷媒が、第２バイパス１４４を通過して落下し、放熱器１１６に到達することから、上記規定される冷媒の循環方向は、通常運転時の循環方向すなわち第１冷媒循環回路１３０における循環方向とは逆方向となる。
【００７８】
図２は、給湯装置１００の通常運転時および除霜運転時における冷媒および水（湯水）の流れを説明する図である。図２（ａ）は通常運転時の冷媒および水（湯水）の流れを示しており、図２（ｂ）は除霜運転時の冷媒および水（湯水）の流れを示している。なお、図２において、上記の運転時に冷媒が循環する配管を黒色の太い実線で示し、冷媒が循環しない配管を黒色の太い破線で示し、水または湯水が流通する配管を白抜きの線で示す。また、冷媒の循環する方向を白抜き矢印で、水または湯水の循環する方向を黒色矢印で示す。図２中、除霜判断部１６０、制御部１６２およびセンサ１６４については記載を省略する。
【００７９】
図２（ａ）に示すように、通常運転時は、冷媒は、黒色の太い実線で示される回路、すなわち第１冷媒循環回路１３０を白抜き矢印の方向に循環し、蒸発器１１２、圧縮機１１４、放熱器１１６、膨張手段１１８をこの順に通過する。これにより、冷媒は、蒸発器１１２において外気との熱交換を行い蒸発し、圧縮機１１４において圧縮され高温となり、放熱器１１６において蓄熱槽１７２の下方の低温の水との熱交換を行い、水を湯水とし、膨張手段１１８において膨張冷却され再利用可能となる、というサイクルを行うことができる。
【００８０】
また図２（ａ）に示すように、通常運転時において、水は黒色矢印の方向にヒートポンプユニット１１０内および貯湯ユニット１７０内を循環する。これにより、後述する給水弁１９０を経由して蓄熱槽１７２に供給された水は、ポンプ１２０によって蓄熱槽１７２から放熱器１１６に送出され、放熱器１１６において冷媒との熱交換を行うことで冷媒の熱により加熱され湯水となる。
【００８１】
なお図２（ａ）から、通常運転時の放熱器１１６において冷媒の循環方向と水の循環方向が逆方向（対向流）であることがわかる。これにより、蓄熱槽１７２の下方の低温の水を放熱器１１６に送出し、放熱器１１６において水と冷媒との熱交換により水を高温の湯水とし、かかる湯水を蓄熱槽１７２に供給することができる。そして、給湯設備への給湯時には蓄熱槽１７２の上方の高温の湯水と給水弁１９０から供給される水とを混合することで、湯水の温度を使用者が所望する温度に調節することが可能となる。
【００８２】
図２（ｂ）に示すように、除霜運転時は、冷媒は、黒色の太い実線で示される回路、すなわち第２冷媒循環回路１４０を白抜き矢印の方向に循環し、切替手段１５０を経由して、蒸発器１１２、第２バイパス１４４、放熱器１１６、第１バイパス１４２をこの順に通過する。これにより、冷媒は、蒸発器１１２において除霜により熱を奪われて液体となり、第２バイパス１４４を通過して落下し、放熱器１１６に到達する。そして、放熱器１１６において湯水との熱交換により熱を得て気体状態となり、第１バイパス１４２を通過して上昇し、蒸発器１１２に到達し、再度蒸発器１１２の除霜に用いられる、というサイクルを行うことができる。
【００８３】
また図２（ｂ）に示すように、除霜運転時において、水は黒色矢印の方向にヒートポンプユニット１１０内および貯湯ユニット１７０内を循環する。これにより、蓄熱槽１７２の上方の高温の湯水を放熱器１１６に送出し、放熱器１１６において湯水と冷媒との熱交換により冷媒を気体状態とし、除霜に用いる熱を冷媒に蓄熱させることができる。そして、冷媒との熱交換により低温となった湯水（または水）は、ポンプ１２０によって再度蓄熱槽１７２に送出される。
【００８４】
なお図２（ｂ）から、除霜運転時の放熱器１１６においても冷媒の循環方向と水の循環方向が逆方向であることがわかる。これにより、放熱器１１６において蓄熱槽１７２の上方の高温の湯水と冷媒との熱交換を行うことができ、水と冷媒との熱伝導の効率を向上することができる。したがって、冷媒は除霜に用いる熱を大量に且つ効率的に得ることができるため、除霜効率を向上することが可能である。
【００８５】
切替手段１５０は、冷媒が循環する回路を、第１冷媒循環回路１３０または第２冷媒循環回路１４０に切り替える。これにより、通常運転および除霜運転を可変とすることができる。切替手段１５０は、切替手段１５０ａが第１バイパス１４２に、切替手段１５０ｂが第２バイパス１４４に設けられている。なお、本実施形態では、切替手段１５０として電磁弁を用いるが、これに限定されるものではなく、第１冷媒循環回路１３０と第２冷媒循環回路１４０とを切り替え可能なものであればよい。
【００８６】
除霜判断部１６０は、後述するセンサ１６４の検知結果に基づき、当該給湯装置１００の蒸発器１１２の除霜が必要か否かを判断する。これにより、蒸発器１１２の除霜を的確且つ効率的に行うことが可能となり、着霜の進行による蒸発器１１２の凍結を防ぎ、当該給湯装置１００の動作不良を回避することが可能となる。
【００８７】
かかる除霜判断部１６０は、外気の温度もしくは湿度、圧縮機１１４に流入する冷媒の温度もしくは圧力、通常運転の継続時間の中から選択される１または複数を用いて、蒸発器１１２の除霜が必要であると判断する。したがって、上記の要素（選択肢）は、除霜運転開始条件であると言える。
【００８８】
また除霜判断部１６０は、放熱器１１６から流出する冷媒の温度もしくは圧力、第２冷媒循環回路１４０を循環する冷媒の温度、第２冷媒循環回路１４０内の圧力もしくは圧力の変化、外気の乾球温度もしくは湿球温度、除霜運転の継続時間の中から選択される１または複数を用いて、蒸発器１１２の除霜が完了したと判断する。したがって、上記の要素（選択肢）は、除霜運転終了条件であると言える。
【００８９】
上述した如く、除霜運転開始条件および除霜運転終了条件を定めることで、除霜判断部１６０は蒸発器１１２の除霜が必要か否かを的確に判断することができ、蒸発器１１２の除霜が必要な場合には確実に除霜を行い、蒸発器１１２の凍結を防止し、また蒸発器１１２の除霜が不要な場合には無駄な除霜運転を回避し、当該給湯装置１００の運転効率の低下を防ぐことが可能となる。
【００９０】
なお、上記の除霜運転開始条件および除霜運転終了条件のそれぞれの要素について規定値を設定することで、除霜判断部１６０はセンサ１６４の測定結果が規定値を満たしているか否かを判断し、蒸発器１１２の除霜が必要か否かを判断することが可能となる。
【００９１】
除霜判断部１６０が蒸発器１１２の除霜が必要であると判断したら、後述する制御部１６２は切替手段１５０を用いて、冷媒の第１冷媒循環回路１３０への循環を停止し、冷媒を第２冷媒循環回路１４０に循環させる。そして、除霜判断部１６０が蒸発器１１２の除霜が完了したと判断したら、制御部１６２は同じく切替手段１５０を用いて、冷媒の第２冷媒循環回路１４０への循環を停止する。これにより、着霜の進行による蒸発器１１２の凍結を防ぎ、当該給湯装置１００の動作不良を回避することが可能となる。
【００９２】
更に、除霜判断部１６０が蒸発器１１２の除霜が完了したと判断した後、冷媒の第２冷媒循環回路１４０への循環を停止する前に、蒸発器１１２への送風を再開し、蒸発器１１２の結露を除去する結露除去を行うこともできる。このように蒸発器の除霜が完了した後に結露除去を行うことで、除霜運転後に蒸発器１１２に付着している、霜が融けて生じた水を飛散させる（結露を除去する）。これにより、除霜後の水の付着による蒸発器１１２の早期の再凍結を防止し、当該給湯装置１００の動作不良をより確実に回避することが可能となる。
【００９３】
また結露除去時に蒸発器１１２のファン（図示せず）を回転させることで、蒸発器１１２内部へ送風し、蒸発器に付着した水滴を効率的に飛散させることができる。なお、ファンは除霜運転時には停止していることが好ましい。これにより、冷媒が湯水から得た熱が外気に放熱されることを防ぎ、除霜効率の低下を防止できるからである。
【００９４】
制御部１６２は、当該給湯装置１００の運転を制御する。またかかる制御部１６２は、除霜判断部１６０の除霜が必要か否かの判断を受けて切替手段１５０を切り替えることで、冷媒の循環回路を切り替える、すなわち通常運転と除霜運転を切り替える。
【００９５】
上記の制御部１６２による、冷媒の第１冷媒循環回路１３０と第２冷媒循環回路１４０との循環の切替における制御を例示すると、冷媒の循環回路を第１冷媒循環回路１３０から第２冷媒循環回路１４０に切り替える場合（通常運転から除霜運転に切り替える場合）、制御部１６２は、まず圧縮機１１４の運転を停止し、蒸発器１１２のファンの回転を止め、蒸発器１１２への外気の送風を停止する。次に、膨張手段１１８である膨張弁を全閉状態とし、切替手段１５０である電磁弁を開状態とする。以上の制御により、冷媒の循環回路が第１冷媒循環回路１３０から第２冷媒循環回路１４０に切り替わる。
【００９６】
また、冷媒の循環回路を第２冷媒循環回路１４０から第１冷媒循環回路１３０に切り替える場合（除霜運転から通常運転に切り替える場合）、制御部１６２は、まず圧縮機１１４の運転を再開し、蒸発器１１２のファンを回転させ、蒸発器１１２への外気の送風を再開する。次に、膨張手段１１８である膨張弁を開状態とし、切替手段１５０である電磁弁を閉状態とする。以上の制御により、冷媒の循環回路が第２冷媒循環回路１４０から第１冷媒循環回路１３０に切り替わる。
【００９７】
センサ１６４は、除霜判断部１６０が蒸発器１１２の除霜が必要か否かを判断するための要素の値を検知する。かかる要素とは、除霜運転開始条件の要素および除霜運転終了条件の要素である。これにより、センサ１６４が検知した要素の値を基に、除霜判断部１６０が蒸発器１１２の除霜が必要か否かを判断することが可能となる。なお、センサ１６４による要素の値の検知は、所定間隔で間欠的に行うことが好ましい。
【００９８】
また本実施形態においては、センサ１６４は、放熱器１１６に流入する水の温度、もしくは放熱器１１６から流出する水の温度のいずれか一方または両方の検知も行う。これにより、センサ１６４が検知した、放熱器１１６に流入する水の温度、もしくは放熱器１１６から流出する水の温度のいずれか一方が所定値以下となった場合、制御部１６２により、蓄熱槽１７２から放熱器１１６に送出する水の増量、蓄熱槽１７２からの高温の湯水の取水、第２冷媒循環回路１４０を循環する冷媒の減量の中から選択される１または複数の制御を行うことが可能となる。
【００９９】
したがって、例えば外気の温度が低い場合等、除霜運転中に蒸発器１１２の除霜に用いられた冷媒が放熱器に流入する温度が０℃以下となる可能性がある場合において、センサが検知した、放熱器１１６に流入する水の温度、もしくは放熱器１１６から流出する水の温度のいずれか一方が所定値以下となったら、上記の制御を行い、放熱器１１６内の配管における水の凍結を未然に防ぐことができる。これにより、蓄熱槽１７２と放熱器１１６での水の循環が停止することがなく、除霜効率の低下を回避することが可能となる。
【０１００】
また上記のように、センサ１６４が放熱器１１６に流入する水の温度を検知することにより、除霜判断部１６０が、蒸発器１１２の除霜を継続可能か否かを判断することも可能となる。例えば、除霜運転時間が長くなり、蓄熱槽１７２に貯湯される湯水の大部分が使用された場合、蓄熱槽１７２に貯湯される湯水は、低温の湯水または水となる。このような場合、冷媒が放熱器１１６においてかかる低温の湯水（または水）と熱交換をしたとしても、得ることができる熱量は少なく、除霜効率が低下してしまう。
【０１０１】
したがって、センサ１６４が検知した、放熱器１１６に流入する水の温度に基づき、除霜判断部１６０が蒸発器１１２の除霜を継続可能か否かを判断することで、除霜運転の無意味な継続を回避することができる。例えば、センサ１６４が検知した、放熱器１１６に流入する水の温度が所定の温度よりも低温であった場合、除霜判断部１６０は、蒸発器１１２の除霜が継続不可であると判断し、制御部１６２は、冷媒の循環回路を第２冷媒循環回路１４０から第１冷媒循環回路１３０へと切り替える。これにより、通常運転を再開し、蓄熱槽１７２に貯湯されている低温の湯水（または水）を高温の湯水とし、除霜に用いるための熱を再度湯水に蓄えることが可能となる。
【０１０２】
貯湯ユニット１７０は、ヒートポンプユニット１１０により生成された湯水を貯湯し、使用者が必要とするときに、風呂、台所、洗面所等の給湯設備に貯湯された湯水を供給する。かかる貯湯ユニット１７０は、蓄熱槽１７２と、給水弁１９０と、混合弁１９２とを含んで構成される。
【０１０３】
蓄熱槽１７２は、通常運転時にヒートポンプユニット１１０により生成された湯水を貯湯する。蓄熱槽１７２に貯湯される湯水には温度分布があり、蓄熱槽１７２の上方になるにつれ、高温の湯水が貯湯されている。かかる湯水は蒸発器１１２の除霜を行うための熱源として用いられるため、蓄熱槽１７２は除霜運転時にヒートポンプユニット１１０に供給する湯水を貯湯する、と換言することもできる。
【０１０４】
蓄熱槽１７２は、その略中間に取水口１７４を備える。これにより、除霜運転時の蒸発器１１２の除霜の熱源として、蓄熱槽１７２に貯湯されている中温の湯水を取水口１７４から取水して用いることが可能となる。したがって、高温の湯水は蓄熱槽１７２に貯湯されたままとなるため、除霜運転後の通常運転において、水への蓄熱時間、すなわち湯水の生成時間が短縮され、速やかに湯水を生成することが可能となる。
【０１０５】
給水弁１９０は、蓄熱槽１７２に水を供給する。
【０１０６】
混合弁１９２は、蓄熱槽１７２からの湯水と給水弁１９０からの水を混合することで湯水の温度を使用者が所望する温度に調節し、かかる湯水を給湯設備に供給する。
【０１０７】
以上説明したように、本実施形態にかかる給湯装置１００によれば、除霜運転時に、冷媒の循環する回路を通常運転時の第１冷媒循環回路１３０から第２冷媒循環回路１４０に切り替えることで、冷媒は除霜に用いる熱を蓄熱槽１７２に貯湯される湯水から得ることができる。また第２冷媒循環回路１４０において冷媒は自然循環を行うことができる。これらにより、電力を用いることなく蒸発器１１２の除霜を行うことができ、当該給湯装置１００の消費電力を削減することができる。
【０１０８】
［ヒートポンプ式給湯装置の除霜方法］
図３は、給湯装置１００の除霜方法の流れを示すフローチャートである。なお、以下の説明では、理解を容易にするために、センサ１６４が検知する要素は、除霜運転開始条件として外気の温度、除霜運転終了条件として第２冷媒循環回路１４０を循環する冷媒の温度を例示して説明する。
【０１０９】
図３に示すように、給湯装置１００は、冷媒を第１冷媒循環回路１３０に循環させ、湯水を生成する通常運転を行う（Ｓ４００）。通常運転の開始から所定間隔の時間が経過したら、センサ１６４は除霜運転開始条件である外気の温度の検知を行い、センサ１６４の検知結果に基づき、除霜判断部１６０は、除霜開始条件が成立したか、すなわち給湯装置１００の蒸発器１１２の除霜が必要であるかを判断する（Ｓ４０２）。除霜判断部１６０が蒸発器１１２の除霜が必要でないと判断した場合（Ｓ４０２のＮｏ）、給湯装置１００は通常運転を継続する。
【０１１０】
除霜判断部１６０が蒸発器１１２の除霜が必要であると判断した場合（Ｓ４０２のＹｅｓ）、制御部１６２は、切替手段１５０を用いて冷媒の循環回路を第１冷媒循環回路１３０から第２冷媒循環回路１４０へと切り替え、蓄熱槽に貯湯される湯水と冷媒との熱交換を行い、湯水から得た熱を用いて蒸発器１１２の除霜を行う除霜運転を開始する（Ｓ４０４）。
【０１１１】
センサ１６４は、放熱器１１６に流入する水の温度を間欠的に検知し、除霜判断部１６０は、その温度が所定の温度以下であるか、すなわち蒸発器１１２の除霜（除霜運転）を継続可能か否かを判断する（Ｓ４０６）。センサ１６４が検知した水の温度が所定の温度以下であった場合、すなわち除霜運転が継続不可であった場合（Ｓ４０６のＮｏ）、制御部１６２は、切替手段１５０を用いて冷媒の循環回路を第２冷媒循環回路１４０から第１冷媒循環回路１３０へと切り替え、除霜運転を停止し、通常運転を再開する。センサ１６４が検知した水の温度が所定の温度を超えていた場合、すなわち除霜運転が継続可能であった場合（Ｓ４０６のＹｅｓ）、除霜運転を継続する。
【０１１２】
除霜運転の継続後、除霜運転の開始から所定間隔の時間が経過したら、センサ１６４は除霜運転終了条件である第２冷媒循環回路１４０を循環する冷媒の温度の検知を行い、センサ１６４の検知結果に基づき、除霜判断部１６０は、除霜終了条件が成立したか、すなわち給湯装置１００の蒸発器１１２の除霜が完了したかを判断する（Ｓ４０８）。除霜判断部１６０が蒸発器１１２の除霜が完了していないと判断した場合（Ｓ４０８のＮｏ）、給湯装置１００は除霜運転を継続する。
【０１１３】
除霜判断部１６０が蒸発器１１２の除霜が完了したと判断した場合（Ｓ４０８のＹｅｓ）、制御部１６２は、冷媒の第２冷媒循環回路１４０への循環を停止する前に、蒸発器１１２への送風を行い、蒸発器１１２の結露を除去する（Ｓ４１０）。結露の除去が終了したら、制御部１６２は、切替手段１５０を用いて冷媒の循環回路を第２冷媒循環回路１４０から第１冷媒循環回路１３０へと切り替え、除霜運転を終了する（Ｓ４１２）。
【０１１４】
以上説明したように、除霜判断部１６０が、センサ１６４が検知した結果に基づいて蒸発器１１２の除霜が必要か否かを判断することで、蒸発器１１２の除霜の必要性を的確に認識し、効率的に除霜を行うことができる。これにより、着霜の進行による蒸発器１１２の凍結を防ぎ、当該給湯装置１００の動作不良を回避することが可能となる。
【０１１５】
また、除霜運転に結露除去を加えることで、蒸発器１１２に付着している霜から生じた水を飛散させることができる。これにより、除霜後の水の付着による蒸発器１１２の早期の凍結を防止することができる。
【０１１６】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１１７】
例えば、上記実施形態において除霜運転時には冷媒を自然循環させるよう説明したが、さらに冷媒を積極的に循環させるためのポンプ（冷媒輸送手段）を設けてもよい。自然循環と比較するとポンプによって電力が消費されることとなるが、除霜のための熱源はあくまでも蓄熱槽の湯水であり、ポンプは液体状態の冷媒を輸送するのみの仕事しかしないために、大きなエネルギー消費はなく、またポンプも小型のもので足りる。一方、冷媒の循環速度が上がることから搬送する熱量が増大し、除霜時間の短縮を図ることができる利益がある。そのため、短時間での除霜の要請がある場合には、第２冷媒循環回路にポンプを設けることは有益である。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明は、ヒートポンプを用いて生成した湯水を供給するヒートポンプ式給湯装置およびヒートポンプ式給湯装置の除霜方法として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】本実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置を説明する図である。
【図２】給湯装置の通常運転時および除霜運転時における冷媒および水（湯水）の流れを説明する図である。
【図３】給湯装置の除霜方法の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１２０】
１００  …給湯装置
１１０  …ヒートポンプユニット
１１２  …蒸発器
１１４  …圧縮機
１１６  …放熱器
１１８  …膨張手段
１２０  …ポンプ
１３０  …第１冷媒循環回路
１４０  …第２冷媒循環回路
１４２  …第１バイパス
１４４  …第２バイパス
１５０  …切替手段
１６０  …除霜判断部
１６２  …制御部
１６４  …センサ
１７０  …貯湯ユニット
１７２  …蓄熱槽
１７４  …取水口
１９０  …給水弁
１９２  …混合弁
【図１】
2010085004.tif 000003
【図２】
2010085004.tif 000004
【図３】
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