JP2012032120A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で、且つ、確実な除霜を実施可能とするヒートポンプ装置を提供する。
【解決手段】ヒートポンプ装置において、熱交換器１１４における除霜の必要有無を判定する判定手段Ｓ１００、Ｓ１０１と、熱交換器１１４表面の着霜状態を検知するための温度を検出する着霜検知温度センサ１３３とを備え、制御手段１４０は、判定手段Ｓ１００、Ｓ１０１による判定結果から除霜が必要と判定すると、除霜手段１２０を作動させて除霜運転を開始すると共に、着霜検知温度センサ１３３によって得られる温度に基づく着霜状態に応じた除霜運転を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプにて発生される温熱を湯の沸き上げに用いるヒートポンプ式給湯装置に適用して好適なヒートポンプ装置に関するものである。

従来のヒートポンプ装置として、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。即ち、特許文献１のヒートポンプ装置においては、室外機の内部に熱交換器が配設されており、この熱交換器には、熱交換器の温度を検出する温度センサが設けられている。また、熱交換器の下側にはドレンパンが設けられており、更にドレンパンの下側には排水口と、この排水口を開閉する排水用電磁弁が設けられている。また、ドレンパン内には、ドレン水（除霜運転により融解された霜）の水位を検出する水位センサが設けられている。そして、温度センサと水位センサからの検出信号に基づいて、排水用電磁弁の開閉と除霜運転の作動を制御する制御装置が設けられている。

特許文献１のヒートポンプ装置においては、制御装置は、温度センサにより検出される熱交換器の温度が０℃を下回った時間を積算し、積算時間が所定の時間を越えると、着霜ありと判断し、排水用電磁弁を閉じ、除霜運転を開始する。除霜運転が開始されると熱交換器に付着した霜がドレン水となってドレンパンに落下し、水位が上昇していく。水位センサはある一定時間毎にその水位を制御装置に送信し、制御装置は、その水位を記憶し、水位の時間変化率を算出する。そして、除霜が進むにつれて付着する霜の量が減少し、融解される霜の量も減少し、ドレン水量は減少していき、水位の時間変化が予め設定した値以下となった時点で除霜完了と判断し、排水用電磁弁を開き、除霜運転を終了するようにしている。

特開平６−１４７６０８号公報

しかしながら、特許文献１では上記で説明したように、着霜状態を把握するための構成として、ドレンパン、排水口、排水用電磁弁、および水位センサを必要としている。また、着霜判定にあたって、温度センサから検出される温度が０℃を下回る時間を積算して、積算値と所定の時間とを比較することが必要となっている。また、除霜完了の判定にあたって、ドレンパンにおける排水口の排水用電磁弁を閉じて除霜運転を開始した後に、ドレンパンに溜まるドレン水の水位を一定時間ごとに検出して、水位の時間変化率を算出し、時間変化率が予め設定した値以下となったかを把握することが必要となっている。総じて特許文献１では、除霜を実施するにあたってドレンパン等の多くの構成と、複雑な演算による制御とを必要としている。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、簡素な構成で、且つ、確実な除霜を実施可能とするヒートポンプ装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、圧縮機（１１１）から吐出され、更に冷却、減圧された冷媒と外部空気との間で熱交換して、外部空気から吸熱する熱交換器（１１４）を有するヒートポンプサイクル（１１０）と、
圧縮機（１１１）から吐出される冷媒を熱交換器（１１４）に供給することで、熱交換器（１１４）の除霜を行う除霜手段（１２０）と、
ヒートポンプサイクル（１１０）および除霜手段（１２０）の作動を制御する制御装置（１４０）とを備えるヒートポンプ装置において、
熱交換器（１１４）における除霜の必要有無を判定する判定手段（Ｓ１００、Ｓ１０１）と、
熱交換器（１１４）表面の着霜状態を検知するための検知温度を検出する着霜検知温度センサ（１３３）とを備え、
制御手段（１４０）は、
判定手段（Ｓ１００、Ｓ１０１）による判定結果から除霜が必要と判定すると、除霜手段（１２０）を作動させて除霜運転を開始すると共に、
検知温度に基づく着霜状態に応じた除霜運転を行うことを特徴としている。

この発明によれば、判定手段（Ｓ１００、Ｓ１０１）によって除霜の必要有無を判定することができ、除霜が必要であると判定すると、除霜手段（１２０）を作動させて適切に除霜運転を開始することができる。そして、着霜検知温度センサ（１３３）によって得られる温度に基づいて着霜状態を検出することができ、検出された着霜状態に応じた除霜運転を行うことができる。

よって、従来技術のように、ドレンパン、排水口、排水用電磁弁、および水位センサ等の複雑な構成を不要として、また、温度センサから検出される温度が０℃を下回る時間を積算する、および水位の時間変化率を算出する等の複雑な演算を不要として、判定手段（Ｓ１００、Ｓ１０１）と、着霜検知温度センサ（１３３）とを設けるだけの構成で、且つ、判定手段（Ｓ１００、Ｓ１０１）による除霜の必要有無判定、および着霜検知温度センサ（１３３）による着霜状態の検出を可能としているので、確実な除霜を実施することができる。

請求項２に記載の発明では、外部空気の温度を検出する外気温度センサ（１３１）と、
熱交換器（１１４）における冷媒の温度を検出する冷媒温度センサ（１３２）とを備え、
判定手段（Ｓ１００）は、外気温度センサ（１３１）によって得られる外部空気温度と、冷媒温度センサ（１３２）によって得られる冷媒温度とに基づいて、除霜の必要有無を判定することを特徴としている。

この発明によれば、複雑な演算を不要として、外気温度センサ（１３１）と冷媒温度センサ（１３２）との、２つの温度センサ（１３１、１３２）を設けるだけの構成で除霜の必要有無判定を可能とすることができる
請求項３に記載の発明では、着霜検知温度センサ（１３３）は、熱交換器（１１４）の下部で、熱交換器（１１４）の表面から隙間を有して配設されたことを特徴としている。

この発明によれば、熱交換器（１１４）において、通常、霜が付きやすい下部に着霜検知温度センサ（１３３）を配置することで、確実な着霜状態を検知することができ、且つ、着霜検知温度センサ（１３３）を熱交換器（１１４）の表面から隙間を設けて配置することで、わずかな着霜によって、着霜検知温度センサ（１３３）の検知温度に基づく除霜制御が頻繁に繰り返されることを防止できる。

請求項４に記載の発明では、制御手段（１４０）は、検知温度の時間変化率が大きいほど、着霜状態が進んでいると判定し、
着霜状態が予め定めた所定の着霜状態よりも進んでいるときに、所定の着霜状態よりも進んでいない場合に比べて冷媒温度が高くなるまで除霜手段（１２０）を作動させる、あるいは所定の着霜状態よりも進んでいない場合に比べて除霜手段（１２０）を長い時間作動させることを特徴としている。

この発明によれば、請求項３に記載の発明のように着霜検知温度センサ（１３３）が熱交換器（１１４）の表面から隙間を有して配設されたものにおいては、着霜の進行に伴って霜の厚さが厚くなっていき、霜が着霜検知温度センサ（１３３）に接触すると、着霜検知温度センサ（１３３）で検知される検知温度は、急激に低下することになる。よって、検知される温度の時間変化率が大きいほど、着霜状態はより進行していると把握することができる。そして、着霜状態が予め定めた所定の着霜状態より進んでいるときに、所定の着霜状態よりも進んでいない場合に比べて冷媒温度が高くなるまで除霜手段（１２０）を作動させる、あるいは除霜手段（１２０）を長い時間作動させるようにするので、着霜状態に応じた除霜を確実に実施することができる。

請求項５に記載の発明では、制御手段（１４０）は、検知温度が低いほど、着霜状態が進んでいると判定し、
着霜状態が予め定めた所定の着霜状態よりも進んでいるときに、所定の着霜状態よりも進んでいない場合に比べて冷媒温度が高くなるまで除霜手段（１２０）を作動させる、あるいは所定の着霜状態よりも進んでいない場合に比べて除霜手段（１２０）を長い時間作動させることを特徴としている。

この発明によれば、着霜検知温度センサ（１３３）によって検知される温度が低いほど、着霜状態はより進行していると把握することができる。そして、着霜状態が予め定めた所定の着霜状態より進んでいるときに、所定の着霜状態よりも進んでいない場合に比べて冷媒温度が高くなるまで除霜手段（１２０）を作動させる、あるいは除霜手段（１２０）を長い時間作動させるようにするので、着霜状態に応じた除霜を確実に実施することができる。

請求項６に記載の発明では、制御手段（１４０）は、除霜運転を終了させた直後に、外部空気温度と、検知温度とを比較して、外部空気温度と検知温度との差が、予め定めた第１温度差よりも大きいときに、外気温度センサ（１３１）あるいは着霜検知温度センサ（１３３）のいずれかが異常であると判定すると共に、使用者に対する警告を行うことを特徴としている。

この発明によれば、除霜運転を終了させた直後は、熱交換器（１１４）の霜が除去されて着霜検知温度センサ（１３３）においては、霜の影響を受けない状態で温度を検知することになる。即ち、除霜運転終了直後では、着霜検知温度センサ（１３３）によって検出される温度は外部空気温度と等しくなる。よって、外気温度センサ（１３１）によって検出される本来の外部空気温度と、除霜運転終了直後の着霜検知温度センサ（１３３）によって検出される検知温度との間に予め定めた第１温度差よりも大きい温度差があると、いずれかの温度センサ（１３１、１３３）が異常、つまり故障していると判定できる。よって、この異常判定をもとに使用者に警告を行うことで、使用者は点検、修理等の処置を迅速に行うことができる。

請求項７に記載の発明では、冷媒が圧縮機（１１１）から吐出され、更に冷却される際に、放出される熱によって給湯水が加熱され、加熱された給湯水が貯湯タンク（１５０）に貯められるようになっており、
貯湯タンク（１５０）周囲のタンク周囲外気温度を検出するタンク外気温度センサ（１３４）を備えており、
制御手段（１４０）は、外部空気温度と、タンク周囲外気温度とを比較して、外部空気温度とタンク周囲外気温度との差が、予め定めた第２温度差よりも大きいときに、外気温度センサ（１３１）あるいはタンク外気温度センサ（１３４）のいずれかが異常であると判定すると共に、使用者に対する警告を行うことを特徴としている。

この発明によれば、貯湯タンク（１５０）およびタンク外気温度センサ（１３４）を備える場合に、タンク外気温度センサ（１３４）によって検出されるタンク周囲外気温度は、外気温度センサ（１３１）によって検出される外部空気温度と基本的には等しくなる。よって、タンク外気温度センサ（１３４）によって検出されるタンク周囲外気温度と、外気温度センサ（１３１）によって検出される外部空気温度との間に予め定めた第２温度差よりも大きい温度差があると、いずれかの温度センサ（１３１、１３４）が異常、つまり故障していると判定できる。よって、この異常判定をもとに使用者に警告を行うことで、使用者は点検、修理等の処置を迅速に行うことができる。

請求項８に記載の発明では、判定手段（Ｓ１０１）は、ヒートポンプサイクル（１１０）の作動に伴い、所定時間が経過する毎に除霜の必要ありと判定することを特徴としている。

この発明によれば、請求項２に記載のような、外気温度センサ（１３１）、および冷媒温度センサ（１３２）を不要として、除霜の必要有無判定を可能とすることができ、更に簡素な構成とすることができる。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態におけるヒートポンプ装置の全体構成を示す模式図である。 第１実施形態における除霜検知温度センサの設定位置を示す斜視図である。 第１実施形態における除霜検知温度センサの設定位置を示す側面図である。 第１実施形態における除霜運転時の処理を示すフローチャートである。 第２実施形態における着霜状態を把握するための検知温度の時間変化率を示すグラフである。 第３実施形態における除霜運転時の処理を示すフローチャートである。 第４実施形態における温度センサの異常検出実行時の処理を示すフローチャートである。 第５実施形態におけるヒートポンプ装置とタンクシステムとを示す模式図である。 第６実施形態における除霜運転時の処理を示すフローチャートである。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１実施形態）
第１実施形態おけるヒートポンプ装置１００について図１〜図４を用いて説明する。図１はヒートポンプ装置１００の全体構成を示す模式図、図２は除霜検知温度センサ１３３の設定位置を示す斜視図、図３は除霜検知温度センサ１３３の設定位置を示す側面図、図４は除霜運転時の処理を示すフローチャートである。

ヒートポンプ装置１００は、図１に示すように、ヒートポンプサイクル１１０、ホットガスサイクル１２０、各種温度センサ１３１〜１３３、および制御装置１４０を備えている。また、本実施形態では、ヒートポンプサイクル１１０の循環回路１５５には水冷媒熱交換器１１２で加熱された給湯水を貯める貯湯タンク１５０が設けられたものとしている。

ヒートポンプサイクル１１０は、後述する貯湯タンク１５０内の給湯水を加熱して湯とする加熱手段であり、冷媒として例えば臨界温度の低い二酸化炭素（ＣＯ２）が使用されている。超臨界ヒートポンプによれば、一般的なヒートポンプサイクルよりも高温（例えば、８５℃〜９０℃程度）の湯を貯湯タンク１５０内に貯えることができる。

ヒートポンプサイクル１１０は、電動式の圧縮機１１１、水冷媒熱交換器１１２、電気式の膨張弁１１３、および空気熱交換器１１４が順次冷媒配管によって接続されて構成されている。ヒートポンプサイクル１１０は、空気熱交換器１１４にて外部空気から吸熱して、その熱を水冷媒熱交換器１１２にて循環回路１５５を流通する給湯水へ放出することで給湯水を加熱して湯とする。

圧縮機１１１は、空気熱交換器１１４から流出される冷媒を吸入して、高温高圧に圧縮して吐出する流体機械である。圧縮機１１１は、図示しないモータによって駆動される電動式の圧縮機１１１であり、後述する制御装置１４０によってその作動が制御されるようになっている。

水冷媒熱交換器１１２は、冷媒側熱交換器と水側熱交換器とが互いに対向する面で密着されて形成された二層構造となっている。冷媒側熱交換器はヒートポンプサイクル１１０の冷媒配管に配設され、また、水側熱交換器は循環回路１５５に配設されている。よって冷媒側熱交換器には圧縮機１１１から吐出される高温高圧の冷媒が流通し、水側熱交換器には循環回路１５５内の給湯水が流通するようになっている。そして、冷媒と給湯水との間で熱交換が行われ、冷媒によって給湯水が加熱される（沸き上げ温度６５℃〜９０℃程度）ようになっている。逆に冷媒は給湯水によって冷却される。

循環回路１５５には、水冷媒熱交換器１１２と貯湯タンク１５０との間で、給湯水を循環させる給水ポンプ１５６が設けられている。給水ポンプ１５６は電動式のポンプであり、制御装置１４０によって、回転数が制御されて、循環回路１５５を流通する給湯水の流量が調整されるようになっている。

膨張弁１１３は、水冷媒熱交換器１１２から流出される冷媒を等エンタルピ的に減圧して、低温低圧の冷媒とする減圧手段である。具体的には弁開度が小さくなる側に調整されると、より大きな減圧が得られるようになっている。換言すると、弁開度が小さくなる側に調整されることで高圧側の冷媒圧力（圧縮機１１１の吐出側と膨張弁１１３の流入側との間の圧力）が上昇されるようになっている。膨張弁１１３は、制御装置１４０によって弁開度が電気的に調整されるようになっている。

空気熱交換器１１４は、膨張弁１１３によって減圧された冷媒と外部空気との間で熱交換して、外部空気の熱を冷媒に移動させる（吸熱する）吸熱用の熱交換器である。空気熱交換器１１４には、送風機１１４ａが設けられており、空気熱交換器１１４の熱交換部に、外部空気が効果的に供給されるようになっている。送風機１１４ａの作動は制御装置１４０によって制御されるようになっている。

ホットガスサイクル１２０は、ヒートポンプサイクル１１０の作動中に、空気熱交換器１１４の表面に発生する霜を除去する除霜手段であり、圧縮機１１１、バイパス流路１２１、切換え弁１２２、絞り弁１２３、および空気熱交換器１１４によって形成されている。ホットガスサイクル１２０が作動されるときは、空気熱交換器１１４は、圧縮機１１１から吐出される高温の冷媒の熱を放出する放熱用熱交換器となる（詳細の作動は後述する）。

バイパス流路１２１は、圧縮機１１１から水冷媒熱交換器１１２および膨張弁１１３をバイパスして空気熱交換器１１４に繋がる流路である。具体的には、バイパス流路１２１は、圧縮機１１１の吐出側で、圧縮機１１１と水冷媒熱交換器１１２との間と、空気熱交換器１１４の流入側で、膨張弁１１３と空気熱交換器１１４との間とを繋ぐ流路として形成されている。

切換え弁１２２は、圧縮機１１１の吐出側で、冷媒流路からバイパス流路１２１が分岐される分岐点に設けられた流路切換え機構であり、内部の弁体位置が調整されることによって、圧縮機１１１から吐出される冷媒が、水冷媒熱交換器１１２側へ流れる場合と、バイパス流路１２１側へ流れる場合とに切換えられるようになっている。切換え弁１２２の弁体位置は制御装置１４０によって制御されるようになっている。

絞り弁１２３は、バイパス流路１２１の途中に設けられて、このバイパス流路１２１を流通する冷媒を減圧する減圧手段である。絞り弁１２３は、例えば絞り開度が所定の値に設定された固定絞りが使用される。

各種温度センサは、外気温度センサ１３１、冷媒温度センサ１３２、着霜検知温度センサ１３３である。外気温度センサ１３１は、上記ヒートポンプサイクル１１０における空気熱交換器１１４に供給される外部空気（以下、外気と呼ぶ）の温度を検出する外気温度検出手段である。外気温度センサ１３１によって検出された外気温度信号は、制御装置１４０に出力されるようになっている。

冷媒温度センサ１３２は、空気熱交換器１１４を流通する冷媒の温度を直接的あるいは間接的に検出する冷媒温度検出手段である。ここでは、冷媒温度センサ１３２は、空気熱交換器１１４の例えばヘッダタンク部、熱交換部等の表面に配設されており、内部の冷媒の温度を間接的に検出するようになっている。冷媒温度センサ１３２によって検出された冷媒温度信号は、制御装置１４０に出力されるようになっている。

着霜検知温度センサ１３３は、空気熱交換器１１４表面の着霜状態を検知するための温度を検出する着霜状態にかかる温度検知手段である。着霜検知温度センサ１３３は、図２、図３に示すように、空気熱交換器１１４の下側部で、且つ、空気熱交換器１１４の表面から所定の隙間が形成されるような位置に装着されている。

ここで、空気熱交換器１１４の下側部というのは、一般的に霜の発生しやすい領域であり、例えば空気熱交換器１１４の下端から上側に５０ｍｍ程度の範囲を選定するのが良い。また、所定の隙間というのは、着霜の初期段階では霜の厚さはまだ薄い状態であり、霜が直接的に着霜検知温度センサ１３３には接触せず、着霜の進行（成長）により霜の厚さが、ある程度の厚さとなったときに、霜が直接的に着霜検知温度センサ１３３に接触するような隙間であって、例えば５ｍｍ程度の寸法に設定するのが良い。

着霜検知温度センサ１３３は、着霜の初期段階では、霜が直接的に着霜検知温度センサ１３３には接触せず、ほぼ外気温度に等しい温度を検出して、この検出温度信号を制御装置１４０に出力する。また、着霜が進行して、霜が直接的に着霜検知温度センサ１３３に接触すると霜の温度を検出して、この検出温度信号を制御装置１４０に出力する。

制御装置１４０は、ヒートポンプサイクル１１０、およびホットガスサイクル１２０の作動を制御する制御手段である。具体的には、ヒートポンプ１１０については、圧縮機１１１の作動、膨張弁１１３の弁開度、送風機１１４ａ、および給水ポンプ１５６の作動を制御する。また、ホットガスサイクル１２０については、各温度センサ１３１〜１３３から得られる温度信号に基づいて、切換え弁１２２の弁体位置を制御する。制御装置１４０による制御内容の詳細については後述する。

上記ヒートポンプサイクル１１０、ホットガスサイクル１２０、各種温度センサ１３１〜１３３、および制御装置１４０は、図２に示すように、筐体１００ａ内に収容されて、ヒートポンプ装置１００を形成している。

貯湯タンク１５０は、給湯用の湯を貯める耐圧容器であって、耐食性に優れた例えばステンレス等の金属から成り、外周部に図示しない断熱材が配置されて、ヒートポンプサイクル１１０（水冷媒熱交換器１１２）によって生成された高温の湯を長時間に渡って保温することができるようになっている。

貯湯タンク１５０は縦長形状を成しており、貯湯タンク１５０の底面には、導入口１５１が設けられ、この導入口１５１から貯湯タンク１５０内に給湯水（水道水）が供給されるようになっている。また、貯湯タンク１５０の最上部には導出口１５２が設けられ、この導出口１５２から台所、洗面所等の給湯水栓（カラン、シャワー等）へ湯を供給できるようになっている。

また、貯湯タンク１５０の下部には、貯湯タンク１５０内の最下部の給湯水を水冷媒熱交換器１１２側に吐出するための吐出口１５３が設けられ、また、貯湯タンク１０の上部には、水冷媒熱交換器１１２側から吐出された湯が貯湯タンク１５０の内部に流入するための吸入口１５４が設けられている。吐出口１５３と吸入口１５４は循環回路１５５によって接続されている。

次に上記構成に基づくヒートポンプ装置１００の作動について説明する。

１．沸き上げ運転
制御装置１４０は、ユーザによってリモコンから入力設定される設定条件（例えば沸き上げ温度、沸き上げ量、沸き上げ時刻等）、外気温度、貯湯タンク１５０内に残っている湯量、および使用者が当日使用する予測湯量等に基づいて、主に電力料金が安価となる深夜の時間帯（例えば２３時から翌朝７時）に、沸き上げ運転を実行する。

具体的には、制御装置１４０は、切換え弁１２２の弁体位置を調整して、圧縮機１１１から吐出される冷媒が水冷媒熱交換器１１２側へ流れるように流路を切換える。そして、給水ポンプ１５６を作動させて循環回路１５５内に給湯水を流通させると共に、ヒートポンプサイクル１１０（圧縮機１１１、膨張弁１１３、送風機１１４ａ）も作動させて、水冷媒熱交換器１１２において、高温高圧の冷媒によって循環回路１５５内を流通する給湯水を加熱する。この時、制御装置１４０は、実際の沸き上げ温度が予め設定した最高沸き上げ温度を超えないように、給水ポンプ１５６の作動回転数、即ち給湯水の流量調整を行う。

尚、沸き上げ運転においては、制御装置１４０は、ヒートポンプサイクル１１０の作動効率を高めるために、例えば水冷媒熱交換器１１２における冷媒の出口側と給湯水の入口側との温度差が所定値（例えば４〜５℃）となるように、圧縮機１１１の作動回転数、膨張弁１１３の弁開度等を調節してヒートポンプサイクル１１０を運転する。または、制御装置１４０は、ヒートポンプサイクル１１０の作動効率を高めるために、ヒートポンプサイクル１１０の高圧側圧力値、あるいは圧縮機１１１からの吐出冷媒温度値等に基づいて、圧縮機１１１の作動回転数、膨張弁１１３の弁開度等を調節してヒートポンプサイクル１１０を運転する。

２．除霜運転
上記沸き上げ運転時において、ヒートポンプサイクル１１０を作動させると、空気熱交換器１１４には低温の冷媒が流通することから、外気温度条件および冷媒温度条件によっては、外気と冷媒との熱交換時に外気中の水分が凍結して、空気熱交換器１１４の表面に霜となって付着する場合がある（着霜現象）。特にこの霜が空気熱交換器１１４の熱交換部に付着すると、外気が熱交換部を通過しにくくなり、熱交換性能が大きく低下してしまう。

そこで、制御装置１４０は、図４に示すフローチャートに基づいて、霜を取り除くための除霜運転を実行する。まず、判定手段としてのステップＳ１００で、制御装置１４０は、ヒートポンプサイクル１１０の運転（沸き上げ運転）中に、除霜運転が必要であるか否かを判定する。ここでは、除霜運転が必要であるか否かの判定は、外気温度センサ１３１から得られる外気温度と、冷媒温度センサ１３２から得られる冷媒温度との温度差ΔＴを用いて行う。温度差ΔＴが、予め定めた判定値よりも大きい時に着霜があり、除霜が必要であると判定する。つまり、外気温度に対して冷媒温度が低いほど温度差ΔＴは、大きくなり、温度差ΔＴが判定値よりも大きくなると、着霜が発生し得る条件にあり、除霜が必要となることを意味する。尚、外気温度は、季節によって大きく変動するので、判定用の判定値は、季節ごと異なる値を用いるようにしている。例えば夏場では外気温度が冬場より高く、温度差ΔＴは大きくなるため、夏場の判定値は、冬場の判定値よりも大きな値となる。

ステップＳ１００で、除霜運転を実施する必要があると判定すると、制御装置１４０は、ステップＳ１１０で、除霜運転を開始する。除霜運転を開始するために、制御装置１４０は、ホットガスサイクル１２０を作動させる。つまり、制御装置１４０は、切換え弁１２２の弁体位置を調整して、圧縮機１１１から吐出される冷媒がバイパス流路１２１側へ流れるように流路を切換える。ホットガスサイクル１２０が作動されると、冷媒はヒートポンプサイクル１１０を循環しないことになるので、ヒートポンプサイクル１１０は停止状態となる。尚、制御装置１４０は、ステップＳ１００で、除霜運転を実施する必要が無いと判定すると、ヒートポンプサイクル１１０の作動を継続して、沸き上げ運転を継続する。

併せて、制御装置１４０は、ステップＳ１２０で、着霜検知温度センサ１３３から得られる検知温度に基づいて、空気熱交換器１１４における着霜状態を把握する。制御装置１４０は、検知温度が低いほど着霜状態が進んでいると判定する。即ち、着霜状態について、まだ着霜が発生し始めた段階であると、霜の暑さは薄く、着霜検知温度センサ１３３への霜の直接的な接触が少なく、検知温度の低下は小さい。よって、制御装置１４０は、検知温度が予め定めた所定検知温度より高いと、初期段階の着霜状態であると判定する。また、着霜が進行していくと、霜の厚さが厚く成長していき、着霜検知温度センサ１３３への霜の直接的な接触が多くなり、検知温度の低下が大きくなる。よって、制御装置１４０は、検知温度が予め定めた所定検知温度以下であると、霜が厚く成長して、進行した着霜状態であると判定する。

そして、ステップＳ１２０で、検知温度が所定検知温度以下でない、つまり初期段階の着霜状態であると判定すると、制御装置１４０は、ステップＳ１３０で、通常の除霜運転を行う。即ち、ステップＳ１１０で切換え弁１２２によって、冷媒がバイパス流路１２１側へ流通するようにすると、圧縮機１１１から吐出される高温高圧の冷媒は、バイパス流路１２１を流通し、絞り弁１２３によって減圧された後に、空気熱交換器１１４に流入する。このように空気熱交換器１１４に流入される冷媒の温度は、水冷媒熱交換器１１２によって冷却されないため、通常のヒートポンプサイクル１１０の作動によって空気熱交換器１１４に流入される冷媒の温度よりも高くなる（いわゆるホットガスとなる）。この温度の高い冷媒（ホットガス）が空気熱交換器１１４を流通すると、空気熱交換器１１４は、放熱用の熱交換器として作動し、冷媒の熱を外部に放出する。よって、この放熱によって、空気熱交換器１１４の表面に発生した霜が除去されることになる。

ステップＳ１３０では、通常の除霜運転としているが、これは、空気熱交換器１１４における温度、即ち、冷媒温度検知センサ１３２によって得られる冷媒温度が、予め定めた所定温度まで上昇した時に、除霜が完了したと見なして、除霜運転を停止させるものである。除霜運転の停止は、切換え弁１２２の弁体位置を調整して、圧縮機１１１から吐出される冷媒が水冷媒熱交換器１１２側に流れるようにすることで行われる。

一方、ステップＳ１２０で、検知温度が所定検知温度以下、つまり進行した着霜状態であると判定すると、制御装置１４０は、ステップＳ１４０で、十分な除霜運転を行う。十分な除霜運転は、空気熱交換器１１４における温度、即ち、冷媒温度検知センサ１３２によって得られる冷媒温度が、予め定めた所定温度に更に所定値αを加えた温度に上昇するまで除霜を続行して、除霜運転を停止させるものである。つまり、進行した着霜状態では、ステップＳ１３０の通常の除霜運転における空気熱交換器１１４の温度よりも所定値α分だけ温度上昇するまで、除霜運転を継続させて、確実な除霜を行うようにしている。除霜運転の停止は、上記と同様に、切換え弁１２２の弁体位置を調整して、圧縮機１１１から吐出される冷媒が水冷媒熱交換器１１２側に流れるようにすることで行われる。

以上のように、本実施形態では、外気温度センサ１３１によって得られる外気温度と、冷媒温度センサ１３２によって得られる冷媒温度とに基づいて除霜の必要有無を判定することができ、除霜が必要であると判定すると、ホットガスサイクル１２０を作動させて適切に除霜運転を開始することができる。そして、着霜検知温度センサ１３３によって得られる検知温度に基づいて着霜状態を検出することができ、検出された着霜状態に応じた除霜運転を行うことができる。

よって、従来技術のように、ドレンパン、排水口、排水用電磁弁、および水位センサ等の複雑な構成を不要として、また、温度センサから検出される温度が０℃を下回る時間を積算する、および水位の時間変化率を算出する等の複雑な演算を不要として、３つの温度センサ１３１、１３２、１３３を設けるだけの構成で、且つ、これら温度センサ１３１、１３２、１３３から得られる温度を用いて除霜の必要有無判定、および着霜状態の検出を可能としているので、確実な除霜を実施することができる。

また、空気熱交換器１１４において、通常、霜が付きやすい下側部に着霜検知温度センサ１３３を配置することで、確実な着霜状態を検知することができ、且つ、着霜検知温度センサ１３３を空気熱交換器１１４の表面から隙間を設けて配置することで、わずかな着霜によって、着霜検知温度センサ１３３の検知温度に基づく除霜制御が頻繁に繰り返されることを防止できる。

また、着霜検知温度センサ１３３によって得られる検知温度が低いほど、着霜状態は進行していると把握することができる。そして、この進行した着霜状態であるときに、初期段階の着霜状態の場合に比べて冷媒温度が高くなるようにホットガスサイクル１２０を作動させるようにしているので、着霜状態に応じた除霜を確実に実施することができる。

尚、上記ステップＳ１３０における通常の除霜運転と、ステップＳ１４０における十分な除霜運転の違いとして、冷媒温度を所定温度まで上昇させるか、所定温度＋所定値αまで上昇させるか、の違いとしたが、これに限らず、除霜運転を実施する時間が異なるようにしても良い。例えば、通常の除霜運転として所定時間行うとしたら、十分な除霜運転では、所定時間＋所定値β、行うようにする。

（第２実施形態）
第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、着霜状態の判定方法を変更したものである。上記第１実施形態では、着霜検知温度センサ１３３によって得られる検知温度が所定検知温度以下であると、進行した着霜状態であると判定したが、本実施形態では、図５に示すように、検知温度の時間変化率（以下、検知温度変化率と呼ぶ）によって判定するようにしている。

即ち、着霜検知温度センサ１３３は、空気熱交換器１１４と隙間を持って装着されており、霜が直接的に接触するまでは、着霜検知温度センサ１３３は、ほぼ外気温度を検出するので、このときの検知温度変化率は、非常に小さい。そして、着霜の進行により霜が着霜検知温度センサ１３３に直接的に接触すると、着霜検知温度センサ１３３は、霜の温度を検知し、急激に低下する。よって、このときの検知温度変化率を予め把握しておき、所定の温度変化率を定め、この所定の温度変化率よりも大きな検知温度変化率を示したときに進行した着霜状態であると判定することができる。

つまり、検知温度の時間変化率が大きいほど、着霜状態は進行していると把握することができ、上記第１実施形態と同様に、初期段階の着霜状態の場合より冷媒温度が高くなるようにホットガスサイクル１２０を作動させる、あるいは除霜時間を長くすることで、着霜状態に応じた除霜を確実に実施することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態は、上記第１実施形態の除霜運転制御フローチャート（図４）に対して、ステップＳ１５０〜ステップＳ１７０を追加して、除霜の確実性を更に向上させたものである（図６）。

即ち、図６に示す除霜運転制御フローチャートにおいて、制御装置１４０は、ステップＳ１００で除霜制御の必要が無いと判定した後、ステップＳ１５０で、ステップＳ１２０と同様に着霜検知温度センサ１３３から得られる検知温度に基づいて、空気熱交換器１１４における着霜状態を把握する。

これは、ステップＳ１００で外気温度と冷媒温度との温度差ΔＴから着霜が無いと判定しても、万一のために再度検知温度から着霜状態を判定して、検知温度が所定検知温度以下の場合に、ステップＳ１１０と同様に、ステップＳ１６０で除霜運転を開始し、ステップＳ１７０で、十分な除霜を行うものである。ステップＳ１７０における十分な除霜の要領は、上記第１実施形態におけるステップＳ１４０の処理と同一である。

これにより、万一、外気温度と冷媒温度とから得られる温度差ΔＴにおいて、想定外のエラーがあり、実際には除霜が必要な状態であるにもかかわらず、ステップＳ１００で除霜の必要が無いと判定しても、ステップＳ１５０で着霜状態を確認し、着霜状態に応じて除霜を行うので（ステップＳ１６０、ステップＳ１７０）、除霜処理の確実性を向上させることができる。

（第４実施形態）
第４実施形態は、外気温度センサ１３１と着霜検知温度センサ１３３とのいずれかにおいて故障があった場合に、その異常をユーザに警告するという付加機能を持たせたものである。

制御装置１４０は、両温度センサ１３１、１３３のいずれかの異常検出を、図７に示す制御フローチャートに基づいて実行する。即ち、ステップＳ２００において、制御装置１４０は、上記第１〜第３実施形態で説明した除霜運転が終了したか否かを判定し、終了したと判定すると、その直後に、ステップＳ２１０で、外気温度センサ１３１によって得られる外気温度と、着霜検知温度センサ１３３によって得られる検知温度とを比較する。

そして、ステップ２１０で外気温度と検知温度との間に予め定めたＴ２以上の温度差があるか否かを判定し、肯定判定すると、制御手段１４０は、ステップＳ２２０で、両温度センサ１３１、１３３のいずれかに異常があると判定し、ユーザに警告する。警告は、例えば、制御装置１４０から台所等に設置されるユーザリモコンに、アラーム、警告表示等の形で警告する。尚、Ｔ２以上の温度差は、本発明における第１温度差に対応する。また、Ｔ２以上の温度差とするのは、両温度センサ１３１、１３３の検出精度のバラツキを考慮したものである。

本実施形態によれば、除霜運転を終了させた直後は、空気熱交換器１１４の霜が除去されて着霜検知温度センサ１３３においては、霜の影響を受けない状態で温度を検知することになる。即ち、除霜運転終了直後では、着霜検知温度センサ１３３によって検出される温度は外気温度と等しくなる。よって、外気温度センサ１３１によって検出される本来の外気温度と、除霜運転終了直後の着霜検知温度センサ１３３によって検出される温度との間にＴ２以上の温度差があると、いずれかの温度センサ（１３１、１３３）が異常、つまり故障していると判定できる。よって、この異常判定をもとにユーザに警告を行うことで、ユーザは点検、修理等の処置を迅速に行うことができる。

（第５実施形態）
第５実施形態を図８に示す。第５実施形態は、貯湯タンク１５０側に貯湯タンク１５０周囲の外気温度を検出するタンク外気温度センサ１３４を備えるものにおいて、ヒートポンプサイクル１１０の外気温度センサ１３１とタンク外気温度センサ１３４とのいずれかにおいて故障があった場合に、その異常をユーザに警告するという付加機能を持たせたものである。

貯湯タンク１５０は、台所、洗面所等の給湯水栓（カラン、シャワー等）へ湯を供給するための配管や、湯と給湯水とを混合して供給する湯の温度を調整する混合弁等を備えてタンクシステムを形成している。そして、タンク外気温度センサ１３４は、貯湯タンク１５０周囲の外気温度を検出して、上記配管における凍結防止に備えるために設定されている。タンク外気温度センサ１３４によって検出されたタンク周囲外気温度（以下、タンク外気温度）は、ヒートポンプ装置１００の制御装置１４０に出力されるようになっている。

本実施形態では、制御装置１４０は、外気温度センサ１３１によって得られる外気温度と、タンク外気温度センサ１３４によって得られるタンク外気温度とを比較することで、両温度センサ１３１、１３４のいずれかの異常検出を行うようにしている。つまり、制御装置１４０は、外気温度とタンク外気温度とを比較して、両温度間に予め定めた所定の温度差があるか否かを判定し、肯定判定すると、両温度センサ１３１、１３４のいずれかに異常があると判定し、ユーザに警告する。警告は、例えば、制御装置１４０から台所等に設置されるユーザリモコンに、アラーム、警告表示等の形で警告する。尚、所定の温度差は、本発明における第２温度差に対応する。また、所定の温度差とするのは、両温度センサ１３１、１３４の検出精度のバラツキを考慮したものである。

本実施形態によれば、貯湯タンク１５０およびタンク外気温度センサ１３４を備える場合に、タンク外気温度センサ１３４によって検出されるタンク外気温度は、外気温度センサ１３１によって検出される外気温度と基本的には等しくなる。よって、タンク外気温度センサ１３４によって検出されるタンク外気温度と、外気温度センサ１３１によって検出される外気温度との間に予め定めた所定温度差よりも大きい温度差があると、いずれかの温度センサ（１３１、１３４）が異常、つまり故障していると判定できる。よって、この異常判定をもとにユーザに警告を行うことで、使用者は点検、修理等の処置を迅速に行うことができる。

尚、上記の外気温度とタンク外気温度とを比較するものに対して、除霜運転直後の着霜検知温度センサ１３３によって得られる検知温度と、タンク外気温度とを比較して、いずれかの温度センサ（１３３、１３４）の故障を検出するようにしても良い。

（第６実施形態）
第６実施形態を図９に示す。第６実施形態は、上記第１実施形態に対して除霜運転が必要であるか否かを判定する判定手段を変更したものであり、図４で説明した除霜運転制御フローチャートに対して、ステップＳ１００をステップＳ１０１に変更している。

本実施形態では、第１実施形態で説明した外気温度センサ１３１、および冷媒温度センサ１３２を不要としている。制御装置１４０は、ホットガスサイクル１２０を作動させると、その時点から計時を開始する。そして、ステップＳ１０１で、予め定めた所定時間が経過する毎に、除霜運転が必要であると判定するようにしている。

つまり、空気熱交換器１１４の表面に発生する霜は、ヒートポンプサイクル１１０が作動された後の時間経過と共に成長する。よって、予め、どのくらいの時間経過によって、どのくらいの着霜に至るかを把握し、除霜運転が必要となる経過時間を所定時間として設定することで、除霜が必要であるか否かを判定することが可能となる。

本実施形態では、第１実施形態のような、外気温度センサ１３１、および冷媒温度センサ１３２を不要として、除霜の必要有無判定を可能とすることができ、更に簡素な構成とすることができる。

（その他の実施形態）
上記各実施形態では、着霜検知温度センサ１３３は、空気熱交換器１１４の下側部に配置されるものとして説明したが、空気熱交換器１１４の熱交換部の全体に渡って着霜が発生するような場合であれば、着霜検知温度センサ１３３は、空気熱交換器１１４の下側部に限定されることなく、任意の位置に配置するようにしても良い。

また、第１〜第５実施形態において、除霜運転時は、外気温度の検出が不可となるが、外気温度センサ１３１を着霜検知温度センサ１３３と兼用するようにしても良い。この場合は、着霜が発生していない段階では、着霜検知温度センサ１３３を外気温度センサとして使用でき、冷媒温度センサ１３２と共に、除霜運転の必要有無の判定が可能であり、また、除霜運転が必要と判定した後は、着霜検知温度センサ１３３を本来の着霜検知温度センサ１３３として使用して、着霜状態の検出が可能である。

１００ ヒートポンプ装置
１１０ ヒートポンプサイクル
１１１ 圧縮機
１１４ 空気熱交換器（熱交換器）
１２０ ホットガスサイクル（除霜手段）
１３１ 外気温度センサ
１３２ 冷媒温度センサ
１３３ 着霜検知温度センサ
１３４ タンク外気温度センサ
１４０ 制御装置（制御手段）
１５０ 貯湯タンク

Claims (8)

1. 圧縮機（１１１）から吐出され、更に冷却、減圧された冷媒と外部空気との間で熱交換して、前記外部空気から吸熱する熱交換器（１１４）を有するヒートポンプサイクル（１１０）と、
   前記圧縮機（１１１）から吐出される前記冷媒を前記熱交換器（１１４）に供給することで、前記熱交換器（１１４）の除霜を行う除霜手段（１２０）と、
   前記ヒートポンプサイクル（１１０）および前記除霜手段（１２０）の作動を制御する制御装置（１４０）とを備えるヒートポンプ装置において、
   前記熱交換器（１１４）における除霜の必要有無を判定する判定手段（Ｓ１００、Ｓ１０１）と、
   前記熱交換器（１１４）表面の着霜状態を検知するための検知温度を検出する着霜検知温度センサ（１３３）とを備え、
   前記制御手段（１４０）は、
   前記判定手段（Ｓ１００、Ｓ１０１）による判定結果から前記除霜が必要と判定すると、前記除霜手段（１２０）を作動させて除霜運転を開始すると共に、
   前記検知温度に基づく前記着霜状態に応じた除霜運転を行うことを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 前記外部空気の温度を検出する外気温度センサ（１３１）と、
   前記熱交換器（１１４）における前記冷媒の温度を検出する冷媒温度センサ（１３２）とを備え、
   前記判定手段（Ｓ１００）は、前記外気温度センサ（１３１）によって得られる前記外部空気温度と、前記冷媒温度センサ（１３２）によって得られる前記冷媒温度とに基づいて、除霜の必要有無を判定することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
3. 前記着霜検知温度センサ（１３３）は、前記熱交換器（１１４）の下部で、前記熱交換器（１１４）の表面から隙間を有して配設された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装置。
4. 前記制御手段（１４０）は、前記検知温度の時間変化率が大きいほど、着霜状態が進んでいると判定し、
   前記着霜状態が予め定めた所定の着霜状態よりも進んでいるときに、前記所定の着霜状態よりも進んでいない場合に比べて前記冷媒温度が高くなるまで前記除霜手段（１２０）を作動させる、あるいは前記所定の着霜状態よりも進んでいない場合に比べて前記除霜手段（１２０）を長い時間作動させることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のヒートポンプ装置。
5. 前記制御手段（１４０）は、前記検知温度が低いほど、着霜状態が進んでいると判定し、
   前記着霜状態が予め定めた所定の着霜状態よりも進んでいるときに、前記所定の着霜状態よりも進んでいない場合に比べて前記冷媒温度が高くなるまで前記除霜手段（１２０）を作動させる、あるいは前記所定の着霜状態よりも進んでいない場合に比べて前記除霜手段（１２０）を長い時間作動させることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のヒートポンプ装置。
6. 前記制御手段（１４０）は、除霜運転を終了させた直後に、前記外部空気温度と、前記検知温度とを比較して、前記外部空気温度と前記検知温度との差が、予め定めた第１温度差よりも大きいときに、前記外気温度センサ（１３１）あるいは前記着霜検知温度センサ（１３３）のいずれかが異常であると判定すると共に、使用者に対する警告を行うことを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ装置。
7. 前記冷媒が前記圧縮機（１１１）から吐出され、更に冷却される際に、放出される熱によって給湯水が加熱され、加熱された給湯水が貯湯タンク（１５０）に貯められるようになっており、
   前記貯湯タンク（１５０）周囲のタンク周囲外気温度を検出するタンク外気温度センサ（１３４）を備えており、
   前記制御手段（１４０）は、前記外部空気温度と、前記タンク周囲外気温度とを比較して、前記外部空気温度と前記タンク周囲外気温度との差が、予め定めた第２温度差よりも大きいときに、前記外気温度センサ（１３１）あるいは前記タンク外気温度センサ（１３４）のいずれかが異常であると判定すると共に、使用者に対する警告を行うことを特徴とする請求項２または請求項６に記載のヒートポンプ装置。
8. 前記判定手段（Ｓ１０１）は、前記ヒートポンプサイクル（１１０）の作動に伴い、所定時間が経過する毎に除霜の必要ありと判定することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。

Images