WO2015133107A1

WO2015133107A1 - ヒートポンプ温水生成装置

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Publication number: WO2015133107A1
Application number: PCT/JP2015/001043
Authority: WO
Inventors: 和人中谷; 繁男青山
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-03-04
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2015-09-11
Anticipated expiration: 2016-09-04
Also published as: EP3115701A4; EP3115701A1; EP3115701B1; JP2015166655A; JP6405521B2

Abstract

　圧縮機４、冷媒と熱媒体とが熱交換する放熱器５、減圧手段６、および蒸発器７が冷媒配管で環状に接続された冷媒回路８と、熱媒体が流れる熱媒体経路１９ａと、を備え、熱媒体経路１９ａには、放熱器５を有する主経路１９ｂと、熱媒体と熱交換する蓄熱手段９を有する副経路１９ｃとが、並列に設けられているので、圧縮機４の停止中であっても、蓄熱手段９に蓄えられた熱量によって、熱媒体を加熱することができ、快適性に優れたヒートポンプ温水生成装置を提供することができる。

Description

ヒートポンプ温水生成装置

　本発明は、ヒートポンプにより温水を生成することが可能な温水生成装置に関するものである。

　従来、ヒートポンプに蓄熱手段を設け、蓄熱手段に蓄熱された熱量を用いるヒートポンプ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

　このヒートポンプ装置は、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、膨張機構、および室外熱交換器を順に冷媒配管で環状に接続して冷媒回路を構成している。また、このヒートポンプ装置は、第１の開閉弁を有する第１のバイパス路と、第２の開閉弁および蓄熱手段を有する第２のバイパス路を備えている。第１のバイパス路は、一端を圧縮機の吐出側に接続し、他端を膨張機構と室外熱交換器との間に接続している。第１のバイパス路は、室内熱交換器と膨張機構との間の冷媒回路から分岐して、圧縮機の吸入側に接続されている。

　このヒートポンプ装置は、暖房運転時に、室外熱交換器の除霜が必要である場合に、第１の開閉弁と第２の開閉弁とを開状態にして、第１のバイパス路および第２のバイパス路に冷媒を流通させる。これにより、暖房運転を継続しながら除霜を行っている。

特許第３５２３７７２号公報

　しかしながら、前記従来の構成では、蓄熱手段は、専ら、暖房運転中の除霜のために用いられている。したがって、蓄熱手段に蓄熱された熱量を用いて暖房運転を行うこと、例えば、圧縮機の停止中には暖房運転を行うことができず、使用者の快適性が損なわれるという課題を有していた。

　本発明は前記従来の課題を解決するためのもので、例えば、圧縮機が停止していても、熱媒体を生成して暖房に使用することが可能な、快適性に優れたヒートポンプ温水生成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温水生成装置は、圧縮機、冷媒と熱媒体とが熱交換する放熱器、減圧手段、および蒸発器が冷媒配管で環状に接続された冷媒回路と、前記熱媒体が流れる熱媒体経路と、を備え、前記熱媒体経路には、前記放熱器を有する主経路と、前記熱媒体と熱交換する蓄熱手段を有する副経路とが、並列に設けられていることを特徴とするヒートポンプ温水生成装置ものである。

　これにより、例えば、圧縮機の停止中であっても、蓄熱手段に蓄えられた熱量によって、熱媒体を加熱することができる。

　本発明によれば、快適性に優れたヒートポンプ温水生成装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態によるヒートポンプ温水生成装置の概略構成図同ヒートポンプ温水生成装置の暖房運転の動作を示す図同ヒートポンプ温水生成装置の蓄熱運転の動作を示す図同ヒートポンプ温水生成装置の蓄熱暖房運転の動作を示す図同ヒートポンプ温水生成装置において圧縮機の間欠運転による暖房運転を行った場合の使用電力量と室温との変化を示す図同ヒートポンプ温水生成装置において蓄熱暖房運転を行った場合の使用電力量と室温との変化を示す図同ヒートポンプ温水生成装置の併用運転の動作を示す図同ヒートポンプ温水生成装置の除霜運転の動作を示す図

　第１の発明は、圧縮機、冷媒と熱媒体とが熱交換する放熱器、減圧手段、および蒸発器が冷媒配管で環状に接続された冷媒回路と、前記熱媒体が流れる熱媒体経路と、を備え、前記熱媒体経路には、前記放熱器を有する主経路と、前記熱媒体と熱交換する蓄熱手段を有する副経路とが、並列に設けられていることを特徴とするものである。

　これにより、放熱器によって熱媒体を加熱して、高温の熱媒体を生成する方法と、蓄熱手段によって熱媒体を加熱して熱媒体を生成する方法とを実行することができる。したがって、圧縮機が停止していても、高温の熱媒体を生成して、居室の暖房や給湯に用いることができるので、使用者の快適性を高く維持することができる。

　なお、主経路と副経路との分岐部には、主経路と副経路とに流れる熱媒体の流量を変更する流量制御手段が設けられていることが好ましい。

　第２の発明は、前記圧縮機の吐出側の冷媒回路から分岐して、前記蓄熱手段を介して前記冷媒回路に接続される蓄熱経路を備えたことを特徴とするものである。

　これにより、圧縮機で圧縮され、高温高圧となった冷媒を用いて蓄熱手段への蓄熱を行うことができる。したがって、蓄熱に要する消費電力を抑制することができるので、省エネルギー性能に優れたヒートポンプ温水生成装置を提案することができる。

　なお、冷媒回路または蓄熱経路の少なくともどちらか一方に、蓄熱手段に流れる冷媒の流量を調整する流量調整手段（電磁弁）が設けられていることが好ましい。流量調整弁は、蓄熱経路に冷媒が流れるか否かを切り替える切替弁であってもよい。

　第３の発明は、複数の運転モードを実行する制御手段を備え、前記複数の運転モードには、前記放熱器によって前記熱媒体を加熱する第１の運転モードと、前記蓄熱手段によって前記熱媒体を加熱する第２の運転モードと、を含むことを特徴とするものである。

　これにより、放熱器によって熱媒体を加熱する第１の運転モード（暖房運転モード）と、蓄熱手段によって熱媒体を加熱する第２の運転モードとを実行することができるので、例えば、圧縮機を運転させない状態、すなわち、冷媒回路を冷媒が循環しない状態で高温の熱媒体を生成して、暖房運転を行うことができる。

　第４の発明は、前記複数の運転モードには、前記放熱器および前記蓄熱手段の両方で前記熱媒体を加熱する第３の運転モードを含むことを特徴とするものである。

　これにより、放熱器と蓄熱手段の両方で熱媒体を加熱できるので、ヒートポンプの能力を抑えて運転できる。したがって、ヒートポンプの効率を向上させることができるので、省エネルギー性に優れたヒートポンプ温水生成装置を提供することができる。

　第５の発明は、前記複数の運転モードには、前記圧縮機で圧縮された冷媒により前記蓄熱手段への蓄熱を行う第４の運転モードを含むことを特徴とするものである。

　これにより、ヒートポンプを運転させて、蓄熱手段への蓄熱を高い効率で行うことができる。

　第６の発明は、前記蓄熱手段には、潜熱蓄熱材を設けたことを特徴とするものである。

　一般的に、蓄熱手段としては、顕熱蓄熱、潜熱蓄熱、化学蓄熱の３つの方法がある。この中で、顕熱蓄熱とは物質の比熱を利用したものであり、蓄熱される部材の比熱が大きいことが重要である。そのため、蓄熱手段としては大型になりな、また、熱交換の効率もあまり高くない。化学蓄熱は化学反応の際の吸熱および発熱を利用したものであり、化学反応を生じさせる必要があるため、その制御が難しい。これに対し、潜熱蓄熱は、物質の相の変化または転移に伴う転移熱（潜熱）を利用したものである。潜熱蓄熱は、顕熱蓄熱に比べて蓄熱密度を高くすることができる。また、相が転移する温度（一定温度）で熱交換を行うことが可能であるため、その制御が簡便である。また、潜熱蓄熱は、物質の相が転移を繰り返すことにより熱交換を行うものであるため、化学蓄熱に比べて、蓄熱材や蓄熱手段の耐久性の面でも優れている。

　よって、蓄熱手段に潜熱蓄熱材を採用することで、冷凍回路による蓄熱手段への蓄熱を高効率で行うことができると共に、蓄熱手段から熱媒体への放熱が高い効率で行うことができる。

　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、本発明はこの実施に限定されるものではない。

　図１は、本実施の形態における蓄熱手段を備えたヒートポンプ温水生成装置１の概略構成図を示すものである。

　また、図２は、ヒートポンプ温水生成装置１の冷媒回路８を流れる冷媒によって高温の熱媒体を生成し、生成された高温の熱媒体を外部放熱器２に供給して居室の暖房を行う暖房運転の動作を示す図である。図３は、ヒートポンプ温水生成装置１の冷媒回路８を流れる冷媒によって、蓄熱手段９への蓄熱を行う蓄熱運転の動作を示す図である。図４は、蓄熱手段９に蓄熱された熱量によって高温の熱媒体を生成し、生成された高温の熱媒体を外部放熱器２に供給して居室の暖房を行う蓄熱暖房運転の動作を示す図である。図７は、ヒートポンプ温水生成装置１の冷媒回路８を流れる冷媒および蓄熱手段９に蓄えられた熱量の両方によって高温の熱媒体を生成し、生成された高温の熱媒体を外部放熱器２に供給して居室の暖房を行う併用運転の動作を示す図である。図８は、ヒートポンプ温水生成装置１の除霜運転の動作を示す図である。

　まず、図１を用いて、蓄熱手段９を備えたヒートポンプ温水生成装置１の各部品の配置および構成について説明する。

　ヒートポンプ温水生成装置１は、冷媒回路８と熱媒体回路１９とを有している。

　冷媒回路８は、圧縮機４、放熱器５、減圧手段６、および蒸発器７を順に冷媒配管で環状に接続して構成される。圧縮機４は冷媒を圧縮して吐出する。冷媒回路８には、圧縮機４によって冷媒が循環する。

　放熱器５は、冷媒回路８を流れる冷媒と熱媒体回路１９を流れる熱媒体とで熱交換する。放熱器５には、プレート式熱交換器を用いることが好ましい。プレート式熱交換器は、複数のステンレス製プレートを積層して構成され、積層されたプレートの間を熱媒体と冷媒とが流れる。すなわち、放熱器５は、水あるいは不凍液などの熱媒体と冷媒とを熱交換させ、冷媒によって熱媒体を加熱する。減圧手段６には、キャピラリチューブや電磁膨張弁を用いることができる。蒸発器７は、空気－冷媒熱交換器であり、空気（外気）と冷媒とが熱交換する。

　熱媒体回路１９は、外部放熱器２、放熱器５、蓄熱手段９、および搬送ポンプ２０を、熱媒配管３と熱媒体経路１９ａとで環状に接続して構成される。熱媒体回路１９には、搬送ポンプ２０によって、水あるいは不凍液などの熱媒体が循環する。熱媒体経路１９ａには、流量制御部２５を有する。流量制御部２５の出口では、熱媒体経路１９ａは、主経路１９ｂと副経路１９ｃとに分岐している。主経路１９ｂと副経路１９ｃとの下流は合流部１９ｄで合流する。放熱器５は主経路１９ｂに設け、蓄熱手段９は副経路１９ｃに設けている。副経路１９ｃには、吸熱熱交換器１９ｅを有する。吸熱熱交換器１９ｅは蓄熱手段９内に設けられている。

　熱媒配管３は、熱媒体を熱媒体経路１９ａから外部放熱器２に導く往き熱媒配管３ａと、熱媒体を外部放熱器２から熱媒体経路１９ａに導く戻り熱媒配管３ｂとで構成される。

　外部放熱器２は、例えばパネル状の床暖房装置、パネルヒーター、送風ファンを備えたファンコンベクターである。外部放熱器２は、ヒートポンプ温水生成装置１で生成された高温の熱媒体を利用する熱利用端末である。なお、ヒートポンプ温水生成装置１には、外部放熱器２以外に、例えば、熱媒体を貯留するタンクを接続してもよい。

　ヒートポンプ温水生成装置１で加熱された熱媒体は、往き熱媒配管３ａを通り、外部放熱器２へと送られ、外部放熱器２の設置された居室の空調（暖房あるいは冷房）を行う。すなわち、ヒートポンプ温水生成装置１は、温水（熱媒体）循環式暖房システムの熱源である。なお、ヒートポンプ温水生成装置１は、設置スペースの関係から、室外に配置されることが好ましい。

　次に、図１で示すヒートポンプ温水生成装置１を、温水循環式暖房システムの熱源として用いた場合について説明する。

　冷媒は、エアコンにも利用されている、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ等の、オゾン破壊係数が０のＨＦＣ冷媒や、オゾン破壊係数０に加え、温暖化係数も低い二酸化炭素冷媒を用いることができる。

　蓄熱手段９の容器９ａに潜熱蓄熱材を充填している。蓄熱経路１０は、圧縮機４の吐出管４ａと放熱器５との間の冷媒回路８から分岐して、放熱器５の手前で冷媒回路８に接続されている。蓄熱経路１０の一部は、蓄熱手段９内に配置されている。蓄熱手段９内では、蓄熱経路１０は、放熱性を高めるために複数の放熱フィン１２ａが設けられて蓄熱熱交換器１２を構成する。また、蓄熱経路１０には、蓄熱手段９よりも下流に電磁弁１１が設けられている。蓄熱経路１０の配管径は、圧縮機４と放熱器５とを接続する冷媒回路８の配管径よりも大きくしている。

電磁弁１１を開放すると、圧縮機４から吐出管４ａに流入した高温の冷媒は、蓄熱手段９を流通して、放熱器５に流入する。電磁弁１１を閉止すると、圧縮機４から吐出管４ａに流入した高温の冷媒は、蓄熱手段９を流通することなく放熱器５に流入する。

　送風ファン１３は蒸発器７に空気を搬送し、蒸発器７の熱交換能力の促進を行っている。圧力検知器１４は、圧縮機４の吐出管４ａに設けている、または吐出管４ａから放熱器５までの間の冷媒配管に設けている。圧力検知器１４が異常な高圧を検知すると、制御装置３０は圧縮機４の運転を停止する。圧縮機出口温センサ１５は、圧縮機４の吐出管４ａに設けている、または吐出管４ａから放熱器５までの間の冷媒配管に設けている。放熱器冷媒出口温センサ１６は、放熱器５の冷媒出口５ａから減圧手段６までの間の冷媒配管に設けている。蒸発器出口温センサ１７は、蒸発器７の冷媒出口５ａから圧縮機４までの間の冷媒配管に設けている。外気温センサ１８は、蒸発器７の近傍に設けている。

　圧縮機出口温センサ１５、放熱器冷媒出口温センサ１６、蒸発器出口温センサ１７、および外気温センサ１８で検知された温度や、後述するセンサの温度で、圧縮機４の吐出温度が最適となるように、圧縮機４の周波数が制御される。

　搬送ポンプ２０は、熱媒体回路１９内の熱媒体を強制的に循環する。搬送ポンプ２０は、放熱器５の上流に配置されている。シスターンタンク２１は、搬送ポンプ２０の上流に配置されている。このシスターンタンク２１は、開放式タンクまたは密閉式タンクであり、温度の上昇により膨張した熱媒体回路１９の熱媒体の膨張分を吸収する。ヒートポンプ温水生成装置１には、外部放熱器２と熱媒体を流通させるために、往き接続口２２と戻り接続口２３とを備えている。往き接続口２２には、熱媒体経路１９ａの下流側端部が接続され、戻り接続口２３には、熱媒体経路１９ａの上流側端部が接続されている。往き接続口２２には往き熱媒配管３ａを接続し、戻り接続口２３には戻り熱媒配管３ｂを接続する。図１では、往き接続口２２および戻り接続口２３を複数個設けたヒートポンプ温水生成装置１を示しているが、往き接続口２２および戻り接続口２３はそれぞれ１個の場合もある。

熱動弁２４は、往き接続口２２の上流側の熱媒体経路１９ａに設けている。熱動弁２４は、外部放熱器２によって居室を暖房するか否かに応じて、開放または閉止が行われる。これにより、外部放熱器２への、熱媒体の流通と停止とを切り替え、また、熱媒体の流量を変更する。

流量制御部２５は、搬送ポンプ２０と放熱器５との間の熱媒体回路１９に設けている。流量制御部２５は、熱媒体経路１９ａを流れる熱媒体を、主経路１９ｂまたは副経路１９ｃのいずれかに流す。また、流量制御部２５は、主経路１９ｂまたは副経路１９ｃを流れる熱媒体の流量を変更する。すなわち、流量制御部２５は、搬送ポンプ２０が設けられた熱媒体経路１９ａをコモン流路とし、二方（主経路１９ｂ、副経路１９ｃ）のいずれかに流路を切り替えることができる三方弁、または二方のいずれかに流れる熱媒体の流量も変更できる混合弁である。コモン流路とは、搬送ポンプ２０が設けられた熱媒体経路１９ａから、流量制御部２５へと流入する流路である。搬送ポンプ２０で送られた熱媒体は、流量制御部２５によって、放熱器５へ搬送される量と、蓄熱手段９へ搬送される量とを任意の比率で調整できる。

　流量制御部２５で分岐された熱媒体は、放熱器５または蓄熱手段９を通過して、合流部１９ｄで合流する。その後、熱媒体は、熱動弁２４に送られて、往き接続口２２から外部放熱器２に送られる。

　吸熱熱交換器１９ｅでは、副経路１９ｃを流れる熱媒体に冷媒から熱を与える。蓄熱手段９では、内部に蓄えた熱を、副経路１９ｃを流れる熱媒体に与えることで、熱媒体を加熱する。

　入口温センサ２６は、搬送ポンプ２０下流の熱媒体経路１９ａに設けられ、放熱器５または蓄熱手段９に流入する熱媒体の温度を測定する。入口温センサ２６は、搬送ポンプ２０から流量制御部２５までの間に設けられていることが好ましい。放熱器出口温センサ２７は、放熱器５の出口側の熱媒体の温度を測定する。蓄熱手段出口温センサ２８は、蓄熱手段９の出口側の熱媒体温度を測定する。合流部温度センサ２９は熱媒体回路１９の合流部１９ｄよりも下流側を流れる熱媒体の温度を測定する。

　制御装置３０は、ヒートポンプ温水生成装置１を構成する圧縮機４や搬送ポンプ２０などの各種機能部品を、各温度センサ２６～２９からの信号に基づいて制御する。リモコン３１は、使用者がヒートポンプ温水生成装置１の運転を指示し、外部放熱器２によって空調が行われる居室の温度設定を行う。なお、リモコン３１は、居室の温度を直接的に設定するように構成されていてもよく、また、外部放熱器２に搬送される熱媒体の温度を設定するように構成されていてもよい。すなわち、リモコン３１は、外部放熱器２によって空調が行われる居室の温度を、直接的または間接的に変更させる機能を有していればよい。

　なお、ヒートポンプ温水生成装置１には、冷媒回路８、熱媒体経路１９ａの一部、放熱器５、蓄熱手段９、流量制御部２５が少なくとも設けられていればよい。すなわち、熱媒体経路１９ａを流れる熱媒体を、放熱器５および／または蓄熱手段９によって加熱することができるように構成されていればよい。

　以下、図２から図８を用いて、上記蓄熱手段９を備えたヒートポンプ温水生成装置１の動作を説明する。まず、図２を用いて、ヒートポンプの運転により、熱媒体を加熱して、高温の熱媒体を生成する運転モード（第１の運転モード）について説明する。
　本実施の形態では、放熱器５によって生成された高温の熱媒体を、外部放熱器２へと流通させることで、暖房運転を行うことができる。なお、熱媒体回路１９にタンクが接続されている場合には、第１の運転モードにより、貯湯運転を行うことができる。

ヒートポンプ温水生成装置１の運転により、高温の熱媒体を生成する第１の運転モードでは、電磁弁１１は閉止し、さらに流量制御部２５は、搬送ポンプ２０から放熱器５へと流通する熱媒体の流量が、１００％あるいはほとんど（９０～１００％が望ましい）流通するように流量を設定する。圧縮機４を運転すると、高圧まで圧縮されて吐出された冷媒は、吐出管４ａを通る。この際に、電磁弁１１を閉止していることで、圧縮機４から吐出された冷媒は、放熱器５へと流入し、搬送ポンプ２０から放熱器５に送られてきた熱媒体と熱交換して放熱する。これにより、加熱された熱媒体は低温の熱媒体から高温の熱媒体となる。

　熱媒体と熱交換して、放熱器５から流出する冷媒は、減圧手段６にて減圧膨張され、蒸発器７に送られ、送風ファン１３にて送られた空気と熱交換して、蒸発器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、圧縮される過程を繰り返す。よって、放熱器５を通過する低温の熱媒体は徐々に加熱され、高温の熱媒体となる。

　熱媒体回路１９内の熱媒体は、搬送ポンプ２０を駆動することで、熱媒体回路１９を循環する。流量制御部２５により、熱媒体回路１９を循環する９０％以上の熱媒体は、放熱器５に送られ、熱交換して吸熱する。これにより、加熱された熱媒体は低温の熱媒体から高温の熱媒体となる。放熱器５において、冷媒回路８を流れる冷媒によって加熱された熱媒体は、熱動弁２４に送られる。

　熱動弁２４は、リモコン３１によって開閉される。熱動弁２４を開放することで外部放熱器２に熱媒体が流れる。熱媒体は、開放された熱動弁２４の往き接続口２２を介して、ヒートポンプ温水生成装置１の外部に取り付けられた熱媒配管３（往き熱媒配管３ａ）を通り、外部放熱器２へと導かれる。外部放熱器２では熱媒体の放熱が行われ、外部放熱器２が設置された居室を暖房する。

　外部放熱器２で放熱し、低温となった熱媒体は、熱媒配管３（戻り熱媒配管３ｂ）を通り、戻り接続口２３へと流れる。そして熱媒体は、戻り接続口２３を通過して、シスターンタンク２１の下面からシスターンタンク２１へ送られる。その後、熱媒体は、シスターンタンク２１の下面から、搬送ポンプ２０へと強制的に吸引され、搬送ポンプ２０にて強制的に放熱器５に送られる。放熱器５に送られた熱媒体は、放熱器５で再度加熱され、再び外部放熱器２へと導かれる。第１の運転モードでは上述の動作を繰り返す。つまり、熱媒体回路１９を循環することで、外部放熱器２で放熱される熱媒体によって、居室の暖房が行われる。

　次に、図３を用いて、蓄熱運転モード（第４の運転モード）について説明する。
　蓄熱運転モードとは、蓄熱手段９の容器９ａ内に充填された潜熱蓄熱材に熱を蓄えるための運転であり、冷媒回路８に冷媒を循環させることにより行う。蓄熱運転モードでは、電磁弁１１を開放し、熱媒体回路１９の搬送ポンプ２０は停止状態、あるいは、ほとんど熱媒体が流れない状態にする。圧縮機４を運転すると、高圧まで圧縮されて吐出された冷媒は、蓄熱経路１０に流れる。蓄熱経路１０は、吐出管４ａより配管径が大きいため、蓄熱経路１０には、蓄熱経路１０を経由せずに放熱器５へと流通する冷媒よりも多くの冷媒が流れる。

　ほとんどの高温高圧の冷媒は、蓄熱経路１０を流通し、蓄熱手段９へ送られ、蓄熱手段９を加熱する。このとき、蓄熱経路１０に設けられた蓄熱熱交換器１２に複数の放熱フィン１２ａが設けられているために、熱交換効率が向上する。したがって、冷媒回路８を流れる冷媒と蓄熱手段９内の潜熱蓄熱材との熱交換が効率的に行われる。蓄熱手段９で放熱した冷媒は、蓄熱経路１０から冷媒回路８に流入し、その後、放熱器５へと流入する。

　この際、搬送ポンプ２０を停止状態、あるいは、ほとんど熱媒体が流れない状態することで、放熱器５では、冷媒回路８の冷媒と、熱媒体回路１９の熱媒体の熱交換は、放熱器５での放熱分を除いてほとんど行われない。その後、放熱器５から流出した冷媒は、減圧手段６にて減圧膨張され、蒸発器７に送られ、送風ファン１３にて送られた空気と熱交換して、蒸発器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、圧縮される過程を繰り返し、蓄熱手段９の潜熱蓄熱材は徐々に加熱され、高温となり、相変化により液体の状態で保温される。

　ところで、この蓄熱運転の際には、上述した暖房運転を実行することができない。よって、外部放熱器２による放熱が行われないか、非常に少ない放熱しかできない。そこで、この蓄熱運転モードは、低料金の深夜電力を用い、使用者が寝ている深夜に行うことで、使用者の使用電気代を減らし、暖房運転を行うことができる。また、冷媒の種類によっては、蓄熱運転によっても蓄熱手段９の温度を５０度程度までしか昇温できない。その際には、蓄熱手段９の容器９ａに、加熱ヒータ３２を設けることも可能である。蓄熱手段９を加熱ヒータ３２で加熱することで蓄熱量を増すことができる。加熱ヒータ３２を用いる際にも、前述したように、深夜に加熱することで、深夜電力を用いて蓄熱運転を行い、使用電気料金を低減できる。

　次に、図４を用いて、蓄熱暖房運転モード（第２の運転モード）について説明する。
　蓄熱暖房運転モードの場合は、ヒートポンプの運転を行わないで、すなわち圧縮機４を駆動しないで、暖房運転を行う方法であり、前述した蓄熱運転で加熱された蓄熱手段９を用いる。そのため、圧縮機４は停止し、搬送ポンプ２０を駆動する。流量制御部２５は、搬送ポンプ２０から蓄熱手段９へと流通する熱媒体の流量が、１００％あるいはほとんど（９０～１００％が望ましい）流通するように流量を設定する。熱媒体回路１９において、搬送ポンプ２０を駆動することで、熱媒体は熱媒体回路１９を循環する。流量制御部２５により、熱媒体回路１９を循環する９０％以上の熱媒体は、蓄熱手段９に送られ、潜熱蓄熱材から吸熱して、低温の熱媒体から、やや高い温度の熱媒体となる。このとき、蓄熱手段９内に設けられた吸熱熱交換器１９ｅには、潜熱蓄熱材と熱媒体との熱交換量を増大させる伝熱促進部としてのフィンが設けられている。したがって、熱媒体は、蓄熱手段９から効率よく吸熱することができる。

　蓄熱手段９にて加熱された熱媒体は、合流部１９ｄを通り、熱動弁２４に送られる。

　熱動弁２４は、リモコン３１によって開閉される。熱動弁２４を開放することで外部放熱器２に熱媒体が流れる。熱媒体は、開放された熱動弁２４の往き接続口２２を介して、ヒートポンプ温水生成装置１の外部に取り付けられた熱媒配管３（往き熱媒配管３ａ）を通り、外部放熱器２へと導かれる。外部放熱器２では放熱が行われ、外部放熱器２が設置された居室を暖房する。

　外部放熱器２で放熱し、低温となった熱媒体は、熱媒配管３（戻り熱媒配管３ｂ）を通り、戻り接続口２３へと流れる。そして熱媒体は、戻り接続口２３を通過して、シスターンタンク２１の下面からシスターンタンク２１へ送られる。その後、熱媒体は、シスターンタンク２１の下面から搬送ポンプ２０へと強制的に吸引され、搬送ポンプ２０にて強制的に流量制御部２５に送られる。流量制御部２５に送られた熱媒体の大部分もしくは全ては、蓄熱手段９が設けられた副経路１９ｃに送られ、蓄熱手段９で加熱され、再び外部放熱器２へと導かれる。第２の運転モードでは上述の動作を繰り返す。つまり、熱媒体が、熱媒体回路１９を循環することで、外部放熱器２で放熱される熱媒体によって、居室の暖房が行われる。

　ここで、前述した暖房運転モードと比べると、蓄熱手段９を介して熱媒体の加熱を行っていることから、蓄熱暖房運転モードによって生成される熱媒体の温度は暖房運転モードよりも低い。そこで、蓄熱暖房運転モードを下記のような条件で使用することが考えられる。

　近年、電力使用量を削減する目的で、地域において電力使用量がピークになる時間帯には、電力使用量を強制的に削減する手段を取ろうという動きがある。これはいわゆるデマンド制御と呼ばれるもので、使用者が時々刻々使用する電力量を監視しておき、使用電力量（デマンドと呼ばれる）が、契約電力値を超えないように、負荷設備を制御しようというものである、また、事前にピークとなる時間帯を予測して、電力使用量を削減する取り組み（ピークカット）も行われている。

ヒートポンプ温水生成装置１において、電力使用量の大部分は、圧縮機４の運転に要する電力量である。

　図５、図６には、電力使用量がピークとなる時間帯（ピーク時間帯）に電力使用量を削減する運転を行った場合の、使用電力量と、使用者の居室の室温状況とを示している。図５は、冷媒回路８の圧縮機４のＯＮ－ＯＦＦを繰り返す間欠運転により、電力量を抑えるものである。この間欠運転を実行すると、使用電力量の削減が可能な一方、室温は約２度低下しており、使用者には不快感を与える場合がある。なお、使用電力量は、通常の暖房運転時の１／２程度に減少している。

　これに対し、図６には、蓄熱暖房運転モードを、ピークカットのために行った場合を示している。蓄熱暖房運転モードは、圧縮機４を動作させず、搬送ポンプ２０を駆動させるだけで実行可能である。したがって、使用電力量は間欠運転と比較してさらに低く、また、使用電力量も安定し、平均の使用電力量は、通常の暖房運転に比較して１／５以下程度に抑えられている。

　蓄熱暖房運転モードにおける室温は、蓄熱暖房運転モードの際は、前述したように、蓄熱手段９から熱媒体に吸熱して温度の上昇した熱媒体で暖房運転するので、暖房能力が低くなり、暖房運転モードと比較して若干の温度低下がある。図４に示すように、蓄熱暖房運転モードにより、室温は０．５度程度低下しているが、使用者に大きな不快感を与えるほどではない。むしろ、電力使用量、ピーク電力使用量が大幅に下がっており、その効果に対して、若干の室温の低下は許容できるものである。例えば、電力量をある時間帯（例えば、夕方６時から８時などの時間帯）にピークカットを行うことで、１日における単位時間当たりの使用電力量を平滑化して、使用電力量、また、電気料金を低減することができる。また、ある時間帯における電気料金が、そのときの総使用電力量にしたがって変動する場合に、室温の低下を抑えつつ、使用電力量を抑制できることで、使用者にとっては、電気料金の低減、電力供給事業者にとっては、ピークの電力量、平均の電力量を減下することができる。

　次に、図７を用いて、ヒートポンプと蓄熱手段９との両方で熱媒体を加熱する併用運転モード（第３の運転モード）について説明する。
　第３の運転モードでは、電磁弁１１を閉止する。流量制御部２５は後述する温度センサによって調整を行う。圧縮機４を運転すると、高圧まで圧縮されて吐出された冷媒は、吐出管４ａを通る。この際に、電磁弁１１を閉止していることで、圧縮機４から吐出された冷媒は放熱器５へと流入し、搬送ポンプ２０から放熱器５に送られてきた熱媒体と熱交換して放熱する。これにより、熱媒体は低温の熱媒体から高温の熱媒体となる。

　熱媒体と熱交換して、放熱器５から流出する冷媒は、減圧手段６にて減圧膨張され、蒸発器７に送られ、送風ファン１３にて送られた空気と熱交換して、蒸発器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、圧縮される過程を繰り返す。よって、放熱器５を通過する熱媒体は徐々に加熱され、高温の熱媒体となる。この際に、熱媒体回路１９においては、流量制御部２５の弁開度は任意の位置とし、放熱器５へも、蓄熱手段９へもある量の熱媒体を流通させる。

　一般的に圧縮機４の回転数を増加することによって、吐出温度を上げた場合には、ＣＯＰが低下する傾向にある。そこで、併用運転モードでは、圧縮機４を最もＣＯＰに優れた回転数で運転することが好ましい。ただし、その場合は、吐出温度が低くなり、放熱器５により生成される熱媒体の温度も低い。そこで、制御装置３０は、流量制御部２５の弁開度を、入口温センサ２６、放熱器熱媒体出口温センサ２７、蓄熱手段出口温センサ２８、合流部温度センサ２９にて測定された各部温度に基づき制御して、合流部温度センサ２９で検出される熱媒体の温度を使用者の所望する温度にする。その結果、蓄熱手段９を通過する熱媒体回路１９にて、熱媒体は、蓄熱手段９より吸熱し、昇温する。

　放熱器５を流通した熱媒体と、蓄熱手段９を流通した熱媒体は、合流部１９ｄにて合流して、熱動弁２４に送られる。

　外部放熱器２で放熱し、低温となった熱媒体は、熱媒配管３（戻り熱媒配管３ｂ）を通り、戻り接続口２３へと流れる。そして熱媒体は、戻り接続口２３を通過して、シスターンタンク２１の下面からシスターンタンク２１へ送られる。その後、熱媒体は、シスターンタンク２１の下面から搬送ポンプ２０へと強制的に吸引され、搬送ポンプ２０にて強制的に放熱器５および、蓄熱手段９に送られる。熱媒体は、放熱器５および、蓄熱手段９で加熱されて、再び外部放熱器２へと導かれる。第３の運転モードでは上述の動作を繰り返す。つまり、熱媒体が熱媒体回路１９を循環することで、外部放熱器２で放熱される熱媒体によって、居室の暖房が行われる。

この際には、圧縮機４は前述したうように、吐出温度は低くても、ＣＯＰの高い高効率の運転を行っており、そこに蓄熱手段９でアシストすることで、使用電力量を削減しつつ、使用者に所望の快適性を実現できる運転をすることができる。

　なお、蓄熱手段９の蓄熱量が減少すると、併用運転モードを行っても、熱媒体を十分に昇温させることができない。したがって、事前に蓄熱手段９への蓄熱を行っておくことが必要である。

　次に、図８を用いて、除霜運転モード（第５の運転モード）について説明する。
　外気温の低い時に、蒸発器７に着霜すると、蒸発器７を流通する空気量が減少し、蒸発器７の能力が落ちるので、熱媒体の温度が所定温度までの上昇できない。そこで、除霜を行うことが必要である。従来は、搬送ポンプ２０を停止して、減圧手段６を全開にし、圧縮機４からの高温高圧の冷媒を、蒸発器７に流通させることで、除霜を行う。このとき、搬送ポンプ２０が駆動していると、放熱器５で熱交換が行われ、除霜に必要な熱量が減少してしまうため、制御装置３０は搬送ポンプ２０を停止させる。よって、熱媒体は熱媒体回路１９を循環しないので、外部放熱器２に高温の熱媒体は流通せず、居室の温度は低下し、使用者の快適性が低下する。それに対して、前述した蓄熱暖房運転モードと除霜運転モードを併用することで、快適性を維持しつつ、除霜を行うことが可能となる。

　まず、熱媒体回路１９に関しては、蓄熱暖房運転モードと同じく、搬送ポンプ２０を駆動する。これにより、熱媒体が熱媒体回路１９を循環する。流量制御部２５は、搬送ポンプ２０から流量制御部２５に流入する熱媒体の流量のうち、１００％あるいはほとんど（９０～１００％が望ましい）が、蓄熱手段９が設けられた副経路１９ｃに流通するように設定する。

　蓄熱手段９に送られた熱媒体は、潜熱蓄熱材熱より吸熱して、低温の熱媒体から、やや高い温度の熱媒体となる。ここで、蓄熱手段９内に設けられた吸熱熱交換器１９ｅには、伝熱促進部としてのフィンが設けられているために、吸熱効率が向上する。

　外部放熱器２で放熱し、低温となった熱媒体は、熱媒配管３（戻り熱媒配管３ｂ）を通り、戻り接続口２３へと流れる。そして熱媒体は、戻り接続口２３を通過して、シスターンタンク２１の下面からシスターンタンク２１へ送られる。その後、熱媒体は、シスターンタンク２１の下面から、搬送ポンプ２０へと強制的に吸引され、搬送ポンプ２０にて強制的に流量制御部２５を通過する。流量制御部２５にて、熱媒体の大部分は蓄熱手段９に送られ、低温となった熱媒体は、放熱器５で加熱されて、再び外部放熱器２へと導かれる。第５の運転モードでは上述の動作を繰り返す。つまり、熱媒体が熱媒体回路１９を循環することで、外部放熱器２で放熱される熱媒体で、居室の暖房が行われる。

　この際に冷媒回路８に関しては、電磁弁１１は閉止しておき、圧縮機４から高温高圧の冷媒が、放熱器５に搬送されるようにする。熱媒体回路１９から、放熱器５へは熱媒体が流通していないため、放熱器５における冷媒の温度低下を抑制することができる。さらに、減圧手段６を全開とし、圧縮機４からの高温高圧の冷媒を、蒸発器７に流通させて、蓄熱暖房運転モードを行いながら、除霜を行うことができる。このとき、外部放熱器２のある居室の温度は、図６で示したように、若干は低下するが、快適性を大きく阻害するほどではない。

　これにより、除霜運転モードの際には、除霜を行いつつ、熱媒体を熱媒体回路１９に流通させて、暖房運転モードを行うことが可能となる。ただし、この際においても、蓄熱手段９の蓄熱量が減少すると、除霜を十分に行うことはできなくなるので、事前に蓄熱手段９に蓄熱しておくことが必要である。

　また、蓄熱手段９は潜熱蓄熱材で構成されている。一般的に、蓄熱手段としは、顕熱蓄熱、潜熱蓄熱、化学蓄熱と大きく分けると３つの方法がある。この中で、顕熱蓄熱とは物質の比熱を利用したものであり、比熱が大きいことが重要であり、そのため蓄熱手段としては大型になり、また熱交換効率も他の２つの蓄熱方法と比較して良くない。化学蓄熱は化学反応の際の吸熱および発熱を利用したものであり、化学反応を生じさせる必要があるため、装置が複雑化するとともに装置の耐久性に対する要求が多くなることで蓄熱装置のコストが増大する。これに対し、潜熱蓄熱は物質の相の変化または転移に伴う転移熱（潜熱）を利用したものである。潜熱蓄熱は、顕熱蓄熱に比べて、蓄熱密度が高く、相が転移する温度（一定温度）で熱供給が可能である。また、化学蓄熱に比べて、基本的には安定・安全・安価な物質の相の転移を繰り返すだけなので容易であり、耐久性の面でも優れている。

　以上のように、本発明の蓄熱手段を備えたヒートポンプ温水生成装置１によれば、第１の運転モードにおいては、熱媒体回路１９の搬送ポンプ２０を駆動して、冷媒回路８においては、高温の冷媒が流通する放熱器５にて、高温の冷媒と熱媒体を熱交換して、熱媒体を昇温させて、往き接続口２２より外部放熱器２へと搬送して暖房運転を行うことができる。また、蓄熱暖房運転モードにおいては、搬送ポンプ２０を駆動して、蓄熱手段９にて熱媒体を昇温させて、往き接続口２２より外部放熱器２へと搬送して暖房運転を行うことができる。また、流量制御部２５（混合弁）によって、蓄熱手段９を通る熱媒体と、放熱器５を流通する熱媒体との流量を調整し、双方を混合することで、所望の温度の温水を生成する併用運転を行うことができる。したがって、使用者の快適性を向上させつつ、高い省エネルギー性を満足できる。

　また、蓄熱暖房運転モードにより、圧縮機４を運転させないで冷媒回路８を冷媒が循環しない状態で暖房運転が可能であり、省エネルギー性と低騒音化を図ることができる。

　加えて、空気冷媒熱交換器７に着霜した際にも、除霜の必要があるが、この際に流量制御部２５で、放熱器５を流通する熱媒体の量を減らす、あるいは０にして、圧縮機４から吐出される高温高圧の冷媒を、放熱器５で熱交換させることなく、高温のまま蒸発器７に流入させることができる。これにより、除霜を行いつつ、高温の熱媒体を外部放熱器２に送って暖房運転を行うことができ、快適性を向上させることができる。

　さらに、蓄熱手段９への蓄熱を行う際は、圧縮機４から高温・高圧の冷媒が蓄熱手段９へ最初に流通し蓄熱運転を行うことができることで、蓄熱手段９への蓄熱が高効率で行うことができる。よって蓄熱に要する電気入力を低くすることができ、省エネルギー性を向上させることができる。

　以上のように、本発明にかかるヒートポンプ温水生成装置は、快適性と省エネルギー性に優れているので、温水循環式の暖房システムやヒートポンプ給湯機等に用いることができる。

　１　ヒートポンプ温水生成装置
　２　外部放熱器
　３　熱媒配管
　３ａ　往き熱媒配管
　３ｂ　戻り熱媒配管
　４　圧縮機
　４ａ　吐出管
　５　放熱器
　６　減圧手段（膨張弁）
　７　蒸発器（空気冷媒熱交換器）
　８　冷媒回路
　９　蓄熱手段
　９ａ　容器
　１０　蓄熱経路
　１１　電磁弁
　１２　蓄熱熱交換器
　１２ａ　放熱フィン
　１３　送風ファン
　１４　圧力検知器
　１５　圧縮機出口温センサ
　１６　放熱器冷媒出口温センサ
　１７　蒸発器出口温センサ
　１８　外気温センサ
　１９　熱媒体回路
　１９ａ　熱媒体経路
　１９ｂ　主経路
　１９ｃ　副経路
　１９ｄ　合流部
　１９ｅ　吸熱熱交換器
　２０　搬送ポンプ
　２１　シスターンタンク
　２２　往き接続口
　２３　戻り接続口
　２４　熱動弁
　２５　流量制御部
　２６　入口温センサ
　２７　放熱器熱媒体出口温センサ
　２８　蓄熱手段出口温センサ
　２９　合流部温度センサ
　３０　制御装置
　３１　リモコン

Claims

　圧縮機、冷媒と熱媒体とが熱交換する放熱器、減圧手段、および蒸発器が冷媒配管で環状に接続された冷媒回路と、
前記熱媒体が流れる熱媒体経路と、を備え、
前記熱媒体経路には、前記放熱器を有する主経路と、前記熱媒体と熱交換する蓄熱手段を有する副経路とが、並列に設けられていることを特徴とするヒートポンプ温水生成装置。
　前記圧縮機の吐出側の冷媒回路から分岐して、前記蓄熱手段を介して前記冷媒回路に接続される蓄熱経路を備えたことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ温水生成装置。
　複数の運転モードを実行する制御手段を備え、
前記複数の運転モードには、
前記放熱器によって前記熱媒体を加熱する第１の運転モードと、
前記蓄熱手段によって前記熱媒体を加熱する第２の運転モードと、
を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ温水生成装置。
　前記複数の運転モードには、前記放熱器および前記蓄熱手段の両方で前記熱媒体を加熱する第３の運転モードを含むことを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ温水生成装置。
　前記複数の運転モードには、前記圧縮機で圧縮された冷媒により前記蓄熱手段への蓄熱を行う第４の運転モードを含むことを特徴とする請求項３または４に記載のヒートポンプ温水生成装置。
　前記蓄熱手段には、潜熱蓄熱材を設けたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のヒートポンプ温水生成装置。