(57)【要約】【課題】冷凍サイクル回路を複雑化することなく、システムの信頼性を低下させることなく、且つコスト増加を抑えつつ、除霜運転を効率良く実行することのできるヒートポンプ式給湯機を提供すること。【解決手段】本発明のヒートポンプ式給湯機５０は、圧縮機３と水冷媒熱交換器４と膨張弁５と蒸発器６とがこの順に冷媒流路で接続された冷凍サイクル回路１００と、貯湯タンク９と送水ポンプ８と三方弁４０と戻り流路１０ｂと上部流路１０ｃと下部流路１０ｅとを有する給湯水回路２００と、制御手段（１１，１３）とを備え、三方弁４０は、戻り流路１０ｂを上部流路１０ｃまたは下部流路１０ｅに連通させる状態のほかに戻り流路１０ｂを遮断する状態に切り替え可能であり、制御手段（１１，１３）は、蒸発器６の除霜運転時に、戻り流路１０ｂを遮断する状態に三方弁４０を切り替えるとともに送水ポンプ８を微速で駆動する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒によって水を加熱するための水冷媒熱交換器と、膨張弁と、蒸発器とがこの順に冷媒流路で接続された冷凍サイクル回路と、
貯湯タンクと、前記貯湯タンクの下部から取り出された水を前記水冷媒熱交換器に送る流路の途中に設けられた送水ポンプと、三方弁と、前記水冷媒熱交換器の水の出口と前記三方弁とを接続する戻り流路と、前記三方弁と前記貯湯タンクの上部とを接続する上部流路と、前記三方弁と前記貯湯タンクの下部とを接続する下部流路とを有する給湯水回路と、
前記冷凍サイクル回路および前記給湯水回路を制御する制御手段とを備え、
前記三方弁は、前記戻り流路を前記上部流路に連通させる状態と、前記戻り流路を前記下部流路に連通させる状態と、前記戻り流路を遮断する状態とに切り替え可能であり、
前記制御手段は、前記蒸発器の除霜を行うための除霜運転時に、前記戻り流路を遮断する状態に前記三方弁を切り替えるとともに前記送水ポンプを微速で駆動することを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
【請求項２】
前記三方弁は、前記戻り流路、前記上部流路、および前記下部流路をそれぞれ遮断する状態に切り替え可能であり、
前記制御手段は、前記除霜運転時に、前記戻り流路、前記上部流路、および前記下部流路をそれぞれ遮断する状態に前記三方弁を切り替えることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯機。
【請求項３】
前記制御手段は、前記除霜運転を終了して沸き上げ運転を再開する場合に、前記戻り流路を前記上部流路に連通させる状態に前記三方弁を切り替えた後、前記送水ポンプの回転数を上昇させ、その後、前記圧縮機の回転数を調整する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式給湯機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ式給湯機に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷凍サイクル回路の蒸発器において大気の熱を冷媒に吸収し、更に圧縮機で圧縮して高温とした冷媒を水冷媒熱交換器に導き、この水冷媒熱交換器において給湯水回路の水を加熱するヒートポンプ式給湯機が広く用いられている。冷凍サイクル回路の蒸発器に霜が付着すると、蒸発器での熱交換が阻害され、ヒートポンプの効率が低下する。このため、蒸発器に霜が付着している場合には、この霜を除去するための除霜運転が行われる。
【０００３】
下記特許文献１には、除霜運転を行う方法として、冷凍サイクル回路の膨張弁を大開度にするとともに、給湯水回路の送水ポンプを停止する方法（以下、「第１従来技術」と呼ぶ）が開示されており、また、水冷媒熱交換器をバイパスするホットガスバイパス路とこのホットガスバイパス路を開閉する電磁弁とを設け、除霜運転時にこの電磁弁を開くことにより、圧縮機から吐出された冷媒（ホットガス）をホットガスバイパス路を通して蒸発器の入口に供給する方法（以下、「第２従来技術」と呼ぶ）も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１０８２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記第１従来技術には、次のような問題がある。給湯水回路の送水ポンプが停止していても、水の温度差による比重差の影響や、設置環境の影響（例えば、ヒートポンプユニットの設置場所と、貯湯タンクユニットの設置場所とに高低差がある場合など）によって、水冷媒熱交換器内の水が移動する場合がある。水冷媒熱交換器内の水が移動すると、冷媒（ホットガス）の熱が水冷媒熱交換器内の水に奪われるため、除霜に必要な熱エネルギーが蒸発器に供給されなくなり、除霜運転時間が延びたり、除霜運転終了時間内に除霜が完了しなかったりするおそれがある。
【０００６】
また、上記第２従来技術の場合には、冷凍サイクル回路にホットガスバイパス路および電磁弁を追加する必要があるので、構造が複雑化し、高価な構成となってしまう。また、冷凍サイクル回路が複雑化することで、信頼性が低下してしまうという問題もある。更に、除霜運転の際に、ホットガスバイパス路の電磁弁が開いて、冷媒の流れが変わることから、冷媒の音や電磁弁の音が発生するという問題がある。
【０００７】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、冷凍サイクル回路を複雑化することなく、システムの信頼性を低下させることなく、且つコスト増加を抑えつつ、除霜運転を効率良く実行することのできるヒートポンプ式給湯機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るヒートポンプ式給湯機は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された冷媒によって水を加熱するための水冷媒熱交換器と、膨張弁と、蒸発器とがこの順に冷媒流路で接続された冷凍サイクル回路と、貯湯タンクと、貯湯タンクの下部から取り出された水を水冷媒熱交換器に送る流路の途中に設けられた送水ポンプと、三方弁と、水冷媒熱交換器の水の出口と三方弁とを接続する戻り流路と、三方弁と貯湯タンクの上部とを接続する上部流路と、三方弁と貯湯タンクの下部とを接続する下部流路とを有する給湯水回路と、冷凍サイクル回路および給湯水回路を制御する制御手段とを備え、三方弁は、戻り流路を上部流路に連通させる状態と、戻り流路を下部流路に連通させる状態と、戻り流路を遮断する状態とに切り替え可能であり、制御手段は、蒸発器の除霜を行うための除霜運転時に、戻り流路を遮断する状態に三方弁を切り替えるとともに送水ポンプを微速で駆動するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、冷凍サイクル回路の冷媒の循環経路を変えずに除霜運転を行うことができるので、冷凍サイクル回路の複雑化が回避でき、コスト低減が図れるとともに、システムの信頼性の低下を防止することができる。また、除霜運転の際に、圧縮機から吐出された冷媒（ホットガス）が水冷媒熱交換器で放熱することを極力防止することができ、冷媒を高温に確実に維持したまま蒸発器へ送ることができるので、除霜を効率良く迅速に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ式給湯機の全体構成を示す図である。
【図２】図１に示すヒートポンプ式給湯機が備える三方弁の断面図（戻り流路を上部流路に連通させる状態）である。
【図３】図１に示すヒートポンプ式給湯機が備える三方弁の断面図（戻り流路を下部流路に連通させる状態）である。
【図４】図１に示すヒートポンプ式給湯機が備える三方弁の断面図（戻り流路を遮断する状態）である。
【図５】図１に示すヒートポンプ式給湯機が備える三方弁の断面図（戻り流路を遮断する状態）である。
【図６】図１に示すヒートポンプ式給湯機が備える三方弁の断面図（戻り流路を遮断する状態）である。
【図７】図１に示すヒートポンプ式給湯機が備える三方弁の断面図（戻り流路を遮断する状態）である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
【００１２】
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式給湯機５０の全体構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態のヒートポンプ式給湯機５０は、ヒートポンプユニット１と貯湯タンクユニット２とを備えている。ヒートポンプユニット１内には、圧縮機３、水冷媒熱交換器４、膨張弁５および蒸発器６を順次環状に接続し、冷媒が循環する冷凍サイクル回路１００と、蒸発器６に外気を送風するファン７とが搭載されている。
【００１３】
貯湯タンクユニット２内には、負荷側媒体である水を水冷媒熱交換器４に送る送水ポンプ８と、水冷媒熱交換器４で加熱されることによって生成した高温水を貯留する貯湯タンク９と、三方弁４０とが搭載されている。貯湯タンク９の下部と、送水ポンプ８の吸入口とは、往き流路１０ｄで接続されている。送水ポンプ８の吐出口と、水冷媒熱交換器４の水の入口とは、往き流路１０ａで接続されている。水冷媒熱交換器４の水の出口と、三方弁４０とは、戻り流路１０ｂで接続されている。三方弁４０には、上部流路１０ｃの一端と、下部流路１０ｅの一端とが更に接続されている。上部流路１０ｃの他端は、貯湯タンク９の上部に接続されている。下部流路１０ｅの他端は、貯湯タンク９の下部に接続されている。本実施形態では、上述した要素により、給湯水回路２００が構成されている。なお、送水ポンプ８は、必ずしも貯湯タンクユニット２に設置する必要はなく、ヒートポンプユニット１側に設置されていてもよい。
【００１４】
貯湯タンク９の下部には、貯湯タンク９内へ水を供給する給水管３０が更に接続されている。給水管３０の途中には、給水圧力を所定の圧力以下に減圧する減圧弁３１が設置されている。貯湯タンク９の上部には、混合給湯管３２が更に接続されている。この混合給湯管３２と、給水管３０から分岐して延びた混合給水管３３と、給湯先（例えば浴槽、シャワー、台所の蛇口など）に湯を供給する給湯管３５とは、給湯混合弁３４に接続されている。給湯混合弁３４は、混合給湯管３２からの高温水と、混合給水管３３からの低温水とを混合することによって温度を調節した湯を給湯管３５へ供給する。
【００１５】
本実施形態のヒートポンプ式給湯機５０は、制御手段として、制御装置１１およびシステム制御装置１３を備えている。ヒートポンプユニット１に設けられた制御装置１１は、温度センサ（図示せず）などによる計測情報や、使用者からリモコン装置（図示せず）を介して指示される運転指令情報の内容などに基づいて、圧縮機３の運転方法（吐出する冷媒の圧力、温度など）、膨張弁５の開度、ファン７の運転方法、送水ポンプ８の運転方法などを制御する機能を有している。また、貯湯タンクユニット２に設けられたシステム制御装置１３は、ヒートポンプユニット１および貯湯タンクユニット２の全体をシステムとして制御する機能を有している。
【００１６】
なお、図１は、ヒートポンプ式給湯機５０の基本構成のみを示したものであり、他の目的の構成を任意に付加することが可能である。また、ヒートポンプ式給湯機５０の冷媒としては、高温出湯ができる冷媒、例えば、二酸化炭素、Ｒ４１０Ａ、プロパンなどの冷媒が適しているが、特にこれらに限定されるものではない。
【００１７】
図２乃至図７は、図１に示すヒートポンプ式給湯機５０が備える三方弁４０の断面図である。これらの図に示すように、三方弁４０の内部には、水が流通可能な略「Ｌ」字状の孔が形成された弁体１５が回転可能に設置されている。三方弁４０は、この弁体１５が回転することにより、図２乃至図７の状態に切り替え可能になっている。図２は、戻り流路１０ｂを上部流路１０ｃに連通させる状態を示している。後述する沸き上げ運転時には、三方弁４０は図２に示す状態とされる。この状態では、下部流路１０ｅ内の水は、戻り流路１０ｂおよび上部流路１０ｃ内の水と混じることなく存在する。
【００１８】
図３は、戻り流路１０ｂを下部流路１０ｅに連通させる状態を示している。この状態では、上部流路１０ｃ内の水は、戻り流路１０ｂおよび下部流路１０ｅ内の水と混じることなく存在する。ヒートポンプ式給湯機５０では、水冷媒熱交換器４から出る水の温度が安定しない状態のときに、三方弁４０を図３に示す状態に切り替えることにより、水冷媒熱交換器４から出た水を貯湯タンク９の下部に戻すことができる。これにより、高温でない水が貯湯タンク９の上部に流入することを防止することができる。
【００１９】
図４は、戻り流路１０ｂが遮断される状態を示している。本実施形態の三方弁４０では、この状態のとき、上部流路１０ｃおよび下部流路１０ｅも同時に遮断される。このため、この状態では、戻り流路１０ｂ、上部流路１０ｃ、下部流路１０ｅ内の水は、互いに混じることなく存在することが可能になる。また、弁体１５を図４に示す位置で停止した場合だけでなく、図５乃至図７の何れかの位置で停止した場合にも、図４の状態と同様に、戻り流路１０ｂ、上部流路１０ｃおよび下部流路１０ｅがそれぞれ遮断される。以下の説明では、図４乃至図７に示す三方弁４０の状態を「遮断状態」と称する。
【００２０】
（沸き上げ運転）
次に、このヒートポンプ式給湯機５０での運転動作について説明する。まず、沸き上げ運転について説明する。沸き上げ運転とは、冷凍サイクル回路１００と給湯水回路２００とを動作させ、貯湯タンク９の下部から送水ポンプ８で低温水を流出させて水冷媒熱交換器４に送水し、水冷媒熱交換器４で冷媒と熱交換することにより沸き上げて高温水とし、この高温水を貯湯タンク９の上部に戻す運転動作である。
【００２１】
ヒートポンプユニット１の冷凍サイクル回路１００において、圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒は、水冷媒熱交換器４で給湯水回路２００側へ放熱（水を加熱）しながら温度低下する。このとき、高圧側冷媒圧力が臨界圧以上であれば、冷媒は超臨界状態のまま気液相転移しないで温度低下して放熱する。また、高圧側冷媒圧力が臨界圧以下であれば、冷媒は液化しながら放熱する。つまり、冷媒から放熱された熱を負荷側媒体（ここでは、給湯水回路２００を流れる水）に与えることで給湯加熱（沸き上げ）を行う。給湯加熱をして水冷媒熱交換器４から流出した高圧低温の冷媒は、膨張弁５を通過する。
【００２２】
膨張弁５を通過した冷媒は、ここで低圧気液二相の状態に減圧される。膨張弁５を通過した冷媒は、蒸発器６に流入し、そこで外気空気から吸熱し、蒸発ガス化される。蒸発器６を出た低圧冷媒は、圧縮機３に吸入されて循環し、冷凍サイクルを形成する。
【００２３】
また、給湯水回路２００側では、貯湯タンク９内の水が、送水ポンプ８により貯湯タンク９の下部から導かれ、往き流路１０ｄ、１０ａを通過して水冷媒熱交換器４内に搬送される。そして、ここで冷媒と熱交換して加熱（沸き上げ）され、戻り流路１０ｂ、三方弁４０、上部流路１０ｃを通過して貯湯タンク９の上部から貯湯タンク９内に流入する。このような沸き上げ運転を行うことにより、貯湯タンク９の内部には、貯湯タンク９の上部から下部へ向かって順次高温水が貯められていく。
【００２４】
（除霜運転）
次に、このヒートポンプ式給湯機５０での除霜運転について説明する。除霜運転とは、蒸発器６に付着した霜を、圧縮機３から吐出された高温の冷媒（ホットガス）の熱で溶かすための運転動作である。沸き上げ運転を行う場合、蒸発器６に霜が付着していると、蒸発器６での熱交換が阻害され、加熱能力が低下する。このため、蒸発器６に霜が付着している場合には、沸き上げ運転を一時中断して除霜運転を行い、蒸発器６の霜を除去する。
【００２５】
ヒートポンプ式給湯機５０における除霜運転時の冷媒の循環経路は、沸き上げ運転時と同じである。すなわち、圧縮機３から吐出された冷媒は、水冷媒熱交換器４および膨張弁５を経由して、蒸発器６に到達する。この除霜運転を効率良く行うためには、圧縮機３から吐出された冷媒（ホットガス）が持つ熱エネルギーを、なるべく給湯水回路２００内の水に与えずに、冷媒を高温に維持したまま蒸発器６へ送ることが重要となる。給湯水回路２００内の水が循環し、水冷媒熱交換器４内を水が流れていると、水冷媒熱交換器４の内部で熱交換が起き、冷媒（ホットガス）の熱エネルギーが水に奪われてしまう。そこで、従来は、除霜運転時に送水ポンプ８を停止させ、給湯水回路２００内の水の循環を停止することとしている。
【００２６】
しかしながら、送水ポンプ８が停止状態であっても、水の温度差による比重差の影響や、設置環境の影響（例えば、ヒートポンプユニット１の設置場所と、貯湯タンクユニット２の設置場所とに高低差がある場合など）によって、給湯水回路２００内の水が移動する場合がある。給湯水回路２００内の水が移動すると、水冷媒熱交換器４の内部で、冷媒（ホットガス）から水への熱の授受が発生し、冷媒（ホットガス）の熱エネルギーが水に奪われてしまう。その結果、蒸発器６に供給される熱エネルギーが減少し、除霜運転時間が延びたり、除霜運転終了時間内に除霜が完了しない問題が発生する。
【００２７】
そこで、本実施形態では、除霜運転時に、三方弁４０を遮断状態（図４乃至図７に示す状態の何れか）に切り替えると共に、送水ポンプ８を微速（例えば最低回転数）で駆動することとした。三方弁４０を遮断状態とすることにより、戻り流路１０ｂが遮断されるので、水冷媒熱交換器４内の水が戻り流路１０ｂへ流出することが確実に阻止される。また、送水ポンプ８を微速駆動することにより、水冷媒熱交換器４内の水が往き流路１０ａ側（送水ポンプ８側）に逆流することが確実に阻止される。したがって、水冷媒熱交換器４内の水は、戻り流路１０ｂ側にも往き流路１０ａ側にも流れることがなく、完全に停止する。このため、水冷媒熱交換器４の内部で冷媒（ホットガス）から水への熱の移動が生ずることが確実に防止され、冷媒を高温に確実に維持したまま蒸発器６へ送ることが可能となる。よって、効率良く迅速に除霜することができる。
【００２８】
また、本実施形態では、除霜運転時に三方弁４０を遮断状態とすることにより、戻り流路１０ｂだけでなく、上部流路１０ｃおよび下部流路１０ｅも同時に遮断される。このため、給湯水回路２００内の水の移動をより確実に阻止することができ、水冷媒熱交換器４の内部で熱交換が生ずることをより確実に防止することができる。
【００２９】
更に、本実施形態のヒートポンプ式給湯機５０では、除霜運転のために新たな構成（バイパス通路、電磁弁など）を冷凍サイクル回路１００に追加する必要がないので、コスト低減が図れる。また、冷凍サイクル回路１００が複雑化することがないので、高い信頼性が得られる。また、沸き上げ運転から除霜運転に切り替わった際に、冷媒の循環経路が変わることがないので、冷媒の音や電磁弁の作動音などの発生を抑制することができる。
【００３０】
なお、ヒートポンプ式給湯機５０では、除霜運転が終了して沸き上げ運転を再開する場合、水冷媒熱交換器４の内部に残っている熱エネルギー（顕熱）を沸き上げに有効に利用するために、次のような順序で制御することが望ましい。
（１）三方弁４０を、戻り流路１０ｂを上部流路１０ｃに連通させる状態に切り替える。
（２）送水ポンプ８の回転数を上昇させる。このとき、水冷媒熱交換器４から出る高温水の温度を温度センサ（図示せず）で検出し、水冷媒熱交換器４から出る高温水の温度が所定の沸き上げ温度となるように、送水ポンプ８の回転数を制御する。
（３）ファン７を動作させ、圧縮機３の回転数を調整する。
【００３１】
上記の順序で制御を行って沸き上げ運転を再開することにより、水冷媒熱交換器４に残っている除霜運転での熱を確実に回収し、貯湯タンク９に蓄熱することができる。これにより、エネルギー効率が向上するとともに、加熱に必要な圧縮機３や膨張弁５の調整にかかる時間を短縮することが可能となり、送水ポンプ８の回転数を早く増速させることも可能となる。このため、沸き上げ運転を早期に再開することが可能となる。
【符号の説明】
【００３２】
１          ヒートポンプユニット
２          貯湯タンクユニット
３          圧縮機
４          水冷媒熱交換器
５          膨張弁
６          蒸発器
７          ファン
８          送水ポンプ
９          貯湯タンク
１０ａ      往き流路
１０ｂ      戻り流路
１０ｃ      上部流路
１０ｅ      下部流路
１１        制御装置
１３        システム制御装置
１５        弁体
４０        三方弁
５０        ヒートポンプ式給湯機
１００      冷凍サイクル回路
２００      給湯水回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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