JP2013185808A - ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】除霜運転によるエネルギー消費を抑制し、ヒートポンプの熱効率を向上させる。
【解決手段】バイパス経路５０は、圧縮機３４から凝縮器３６を経て膨張弁３８に至る冷媒経路の区間４４、４６と、膨張弁３８から蒸発器３２を経て圧縮機３４に至る冷媒経路の区間４８を、圧縮機３４及び膨張弁３８を介することなく互いに接続している。バイパス弁５２は、バイパス経路５０を開通／閉鎖する開閉弁である。コントローラは、圧縮機３４を停止した上で、バイパス弁５２を開弁することによって、除霜運転を行う。
【選択図】図１

Description

ここで開示する技術は、ヒートポンプに関し、特に、ヒートポンプの蒸発器に付着した霜の除去（いわゆる除霜）に関する。

特許文献１に、ヒートポンプの除霜に関する技術が記載されている。この技術では、ヒートポンプの除霜を行う際に、クイック除霜運転とリバース除霜運転を、選択的に実行するように構成されている。ここで、クイック除霜運転とは、冷凍サイクルで運転するヒートポンプにおいて、圧縮機の出口側と蒸発器の入口側との間を、バイパス経路で接続するものである。一方、リバース除霜運転とは、冷凍サイクルにおける凝縮器と蒸発器の役割りを逆転させて、圧縮機を運転するものである。いずれの運転においても、圧縮機から吐出される高温高圧の冷媒を、蒸発器へ流入させることによって、蒸発器に付着した霜を融解させている。

特開２００２−１０７０１４号公報

特許文献１の技術では、いずれの方式の除霜運転を行う場合でも、圧縮機を運転させている。このような構成であると、圧縮機によるエネルギーが除霜運転に消費されてしまい、本来の目的とする運転に対し、ヒートポンプの熱効率を低下させてしまう。

上記の問題を鑑み、本明細書では、除霜運転によるエネルギー消費を抑制し、本来の目的とする運転に対し、ヒートポンプの熱効率を向上させる技術を提供する。

本技術に係るヒートポンプは、蒸発器と圧縮機と凝縮器と膨張弁とを備えている。蒸発器は、空気中の熱で冷媒液を蒸発し気化させる。圧縮機は、蒸発器の出口側に接続されており、蒸発器からの冷媒ガスを圧縮する。それにより、冷媒ガスは高温高圧となる。凝縮器は、圧縮機の出口側に接続されており、冷媒ガスを冷却して凝縮させ液化させる。冷媒からの放熱は、例えば給湯や暖房に利用される。膨張弁は、凝縮器の出口側に接続され、かつ、その出口側が蒸発器の入口側に接続されている。膨張弁を通過した冷媒液は、急速に膨張することによって低温低圧の冷媒液となり、蒸発器に送られる。

上記したヒートポンプでは、冷凍サイクル運転の結果、蒸発器に霜が付着することがある。蒸発器への着霜は、ヒートポンプの熱効率を有意に低下させる。そのことから、本技術に係るヒートポンプでは、バイパス経路とバイパス弁とコントローラがさらに付加されている。バイパス経路は、圧縮機から凝縮器を経て膨張弁に至る冷媒経路の区間と、膨張弁から蒸発器に至る冷媒経路の区間を、圧縮機及び膨張弁を介することなく、互いに接続する。バイパス弁は、バイパス経路を開通／閉鎖する開閉弁である。コントローラは、バイパス弁を開弁することによって、除霜運転を行うことができる。即ち、高圧側の区間に存在する高温の冷媒を、低圧側の区間へ直接的に送り込むことによって、蒸発器に付着した霜を融解させる。

上記した除霜運転において、コントローラは、バイパス弁を開弁する前に、圧縮機の運転を停止させるように構成されている。圧縮機や凝縮器からの冷媒は高圧である。そのため、圧縮機の運転をしなくとも、バイパス弁を開弁するだけで、高温の冷媒を蒸発器へ瞬時に送り込むことができる。除霜運転中に圧縮機を運転しないことから、本来の目的とする運転に対し、除霜運転に起因するエネルギーの損失を抑制することができ、ヒートポンプの熱効率を向上させることができる。

本技術の一実施形態では、ヒートポンプが、蒸発器に送風するファンを備える。この場合、コントローラは、バイパス弁を開弁する期間の少なくとも一部で、ファンを運転することが好ましい。この構成によると、蒸発器に付着する融解した霜（即ち水滴）を、送風することによって除去して、除霜運転後の再度の着霜を抑制することができる。

上記した実施形態では、コントローラが、バイパス弁を開弁する期間の初期でファンを一旦停止させ、その後にファンを運転することが好ましい。バイパス弁を開弁する期間の初期でファンを停止させておくと、蒸発器に送り込んだ冷媒の熱を、空気中へ無駄に拡散させることがない。従って、蒸発器に付着した霜を、より多く融解させることができる。その後、ファンによる送風を開始することで、蒸発器から融解した霜（即ち水滴）を除去することができる。

本技術の一実施形態では、コントローラが、バイパス弁を開弁する期間の少なくとも一部で、膨張弁も開弁することが好ましい。バイパス弁だけでなく、膨張弁も開弁することによって、高温の冷媒を蒸発器へより急速に送り込むことができる。

上記した実施形態では、コントローラが、バイパス弁を開弁する期間の初期で膨張弁を閉弁し、その後に膨張弁を開弁することが好ましい。バイパス経路によって送り込んだ高圧の冷媒が、蒸発器へ送り込まれることを促進させることを防ぐことができる。

本技術に係るヒートポンプにおいて、バイパス経路は、圧縮機の出口側を、凝縮器及び膨張弁をバイパスして、蒸発器の入口側に接続するものであることが好ましい。この構成によると、より高温高圧の冷媒を蒸発器へより直接的に送り込むことができる。

実施例１の給湯装置の構成を模式的に示す図。 除霜運転における各部の動作を示すタイムチャート。 実施例２の給湯装置の構成を模式的に示す図。

本技術に係るヒートポンプは、圧縮機運転を必要とする除霜方式に対し、除霜能力が低くなるため、着霜状態によっては除霜運転の頻度がますものの、貯湯式の給湯装置（給湯暖房装置を含む）に好適に採用することができる。この場合、給湯装置は、ガス熱源機その他の燃焼式熱源器をさらに備えることが好ましい。この構成によると、外気温が非常に低い場合あるいは除霜運転を行っている場合など、ヒートポンプの能力が著しく低下するときに、燃焼式熱源器を用いて給湯や暖房を行うことができる。

本発明の一実施形態では、バイパス弁は、圧縮機から凝縮器に至る冷媒経路の区間を、膨張弁から蒸発器に至る冷媒経路の区間に接続するものであってもよい。あるいは、バイパス弁は、凝縮器から膨張弁に至る冷媒経路の区間を、膨張弁から蒸発器に至る冷媒経路の区間に接続するものであってもよい。

本技術の一実施形態では、ヒートポンプが、冷媒の循環方向を切り替えるための四方弁を備えることができる。この構成によると、蒸発器の着霜量が多い場合など、バイパス弁による除霜運転では十分な除霜が行えないときに、リバース除霜運転を行うことが可能となる。

本技術の一実施形態では、ヒートポンプが、蒸発器への着霜を検出する手段を備えている。なお、着霜を検出する手段について、その具体的な構成は特に限定されない。

図面を参照して実施例１の給湯装置１０について説明する。給湯装置１０は、カラン（図示せず）や浴槽といった給湯箇所へ温水を供給する装置である。図１に示すように、給湯装置１０は、温水を貯める貯湯タンク１８と、貯湯タンク１８の温水を循環加熱するヒートポンプ３０と、補助熱源であるガス熱源機１２を備えている。なお、給湯装置１０は、貯湯タンク１８に貯めた温水の熱を暖房にも利用する給湯暖房装置であってもよい。また、給湯装置１０は、貯湯タンク１８を必ずしも有する必要はなく、ヒートポンプ３０で加熱した温水を給湯箇所（あるいは暖房箇所）へ直接的に供給するものであってもよい。

貯湯タンク１８には、給水管１６と出湯管１４が接続されている。給水管１６は、貯湯タンク１８へ上水を供給する管路である。給水管１６は、貯湯タンク１８の底部に接続されている。図示省略するが、給水管１６には、各種のセンサや弁などが設けられている。出湯管１４は、貯湯タンク１８から給湯箇所へ温水を送る管路である。出湯管１４は、貯湯タンク１８の上部に接続されている。図示省略するが、出湯管１４にも、各種のセンサや弁などが設けられている。

ガス熱源機１２は、出湯管１４の経路上に設けられている。ガス熱源機１２は、貯湯タンク１８からの温水の温度が、必要とされる温度を下回るときに、燃料ガスを燃焼することによって当該温水を加熱することができる。それにより、給湯装置１０は、大量又は高温の給湯要求があり、貯湯タンク１８の温水量及び温水温度では不十分である場合に、ガス熱源機１２を稼働させることによって、不足する熱量を補うことができる。あるいは、外気温が極めて低いときなど、ヒートポンプ３０の能力が著しく低下する場合でも、ガス熱源機１２を稼働させることによって、必要とされる給湯を行うことができる。

ヒートポンプ３０は、大気から採熱して温水を加熱するヒートポンプである。ヒートポンプ３０は、加熱往路２２と加熱復路２０を通じて、貯湯タンク１８に接続されている。加熱往路２２は、貯湯タンク１８内の温水を、ヒートポンプ３０に送る管路である。
加熱復路２０は、ヒートポンプ３０で加熱された温水を、貯湯タンク１８へ戻す管路である。加熱往路２２と加熱復路２０は一連に接続されており、貯湯タンク１８とヒートポンプ３０との間で温水を循環させる循環経路を構成している。加熱往路２２には、循環ポンプ６０が設けられている。循環ポンプ６０は、後述するヒートポンプ３０のコントローラ７０によって制御される。図示省略するが、加熱往路２２及び加熱復路２０には、各種のセンサや弁などが設けられている。

ヒートポンプ３０は、蒸発器３２と、圧縮機３４と、凝縮器３６と、膨張弁３８とを備えている。蒸発器３２と圧縮機３４と凝縮器３６と膨張弁３８の間は、冷媒経路４２、４４、４６、４８によって順に接続されており、冷媒を循環させる循環経路が構成されている。また、ヒートポンプ３０は、各部の動作を制御するコントローラ７０を備えている。

蒸発器３２は、空気中の熱を冷媒に吸熱させる熱交換器である。蒸発器３２には、室外ファン５４によって送風が行われる。室外ファン５４は、ファンモータ５６によって駆動される。蒸発器３２では、膨張弁３８を通過した霧状の冷媒が、空気中の熱を吸収して蒸発する。一例ではあるが、本実施例では、冷媒として二酸化炭素を採用している。ただし、冷媒の種類については特に限定されない。ファンモータ５６は、コントローラ７０へ電気的に接続されており、その動作、即ち、室外ファン５４の動作が、コントローラ７０によって制御される。

圧縮機３４は、蒸発器３２の出口側に接続されており、蒸発器３２からの冷媒を圧縮する。蒸発器３２で気化した冷媒は、圧縮されることによって、高温高圧の状態になる。圧縮機３４の構造、方式については、特に限定されない。圧縮機３４はコントローラ７０へ電気的に接続されており、圧縮機３４の動作はコントローラ７０によって制御される。

凝縮器３６は、圧縮機３４の出口側に接続されている。凝縮器３６は、冷媒と温水との間で熱交換を行う熱交換器である。凝縮器３６には、加熱往路２２を通じて、貯湯タンク１８の温水が送られる。凝縮器３６では、圧縮機３４からの冷媒が凝縮しながら放熱し、その放熱によって貯湯タンク１８からの温水が加熱される。加熱後の温水は、加熱復路２０を通じて、貯湯タンク１８に戻される。それにより、貯湯タンク１８に温水が貯められる。

膨張弁３８は、凝縮器３６の出口側に接続されている。本実施例の膨張弁３８は、一例ではあるが、その開度を電気的に調整可能な電子膨張弁である。膨張弁３８はコントローラ７０へ電気的に接続されており、膨張弁３８の動作はコントローラ７０によって制御される。凝縮器３６からの冷媒は、膨張弁３８を通過することによって、急速に膨張する（ミスト状になる）。膨張弁３８の出口側は、蒸発器３２の入口側に接続されており、低温低圧（一部はミスト状である）となった冷媒が蒸発器３２に送られる。蒸発器３２では、前述のとおり、大気から採熱することによって冷媒が気化される。以上の冷凍サイクルにより、ヒートポンプ３０は、大気の熱を利用して貯湯タンク１８内の温水を加熱することができる。

ヒートポンプ３０では、上記した冷凍サイクルの結果、蒸発器３２に霜が付着することがある。蒸発器３２への着霜は、ヒートポンプ３０の熱効率を有意に低下させる。そのことから、本実施例のヒートポンプ３０では、バイパス経路５０とバイパス弁５２が付加されている。また、コントローラ７０には、蒸発器３２に付着した霜を除去するための除霜運転を実行するプログラムやデータが記憶されている。

バイパス経路５０は、圧縮機３４の出口側を、凝縮器３６及び膨張弁３８をバイパスして、蒸発器３２の入口側に接続する冷媒の経路である。バイパス経路５０の上流端は、圧縮機３４と凝縮器３６を接続する冷媒経路の区間４４に接続されており、バイパス経路５０の下流端は、膨張弁３８と蒸発器３２を接続する冷媒経路の区間４８に接続されている。バイパス弁５２は、バイパス経路５０上に設けられており、バイパス経路５０を開通／閉鎖するための開閉弁である。バイパス弁５２は、その開閉を電気的に制御可能な電子制御弁である。バイパス弁５２は、コントローラ７０へ電気的に接続されており、バイパス弁５２の動作はコントローラ７０によって制御される。

コントローラ７０は、バイパス弁５２を開閉することによって、除霜運転を実行する。圧縮機３４から凝縮器３６を経て膨張弁３８に至る冷媒経路の区間４４、４６は、高圧の区間であって高温の冷媒が存在している。従って、バイパス弁５２が開弁されることで、高温高圧の冷媒が蒸発器３２へ直接的に送り込まれる。それにより、蒸発器３２の温度を上昇させて、蒸発器３２に付着した霜を融解させる。ここで、蒸発器３２に着霜が生じているのか否かを検出する。

図２に示すように、コントローラ７０は、除霜運転を実行する際に、バイパス弁５２（図２のＥ）のみでなく、圧縮機３４（同図のＡ）、循環ポンプ６０（同図のＢ）、室外ファン５４（同図のＣ）、膨張弁３８（同図のＤ）の動作もそれぞれ制御する。それにより、蒸発器３２に付着した霜が効果的に除去される。

図２のＡに示すように、コントローラ７０は、バイパス弁５２の開弁に先立って、圧縮機３４を停止させる。除霜運転中は、膨張弁３８をバイパスするように、冷媒の循環経路が構成される。バイパス弁５２を開弁している間は、圧縮機３４を停止させておくことが好ましい。それにより、無用な電力消費を抑制して、除霜運転に起因する熱効率の低下を防ぐことができる。コントローラ７０は、バイパス弁５２を閉弁して除霜運転を終了した後に、圧縮機３４を再稼働させる。

図２のＢに示すように、コントローラ７０は、バイパス弁５２の開弁と同時又は僅かに前後して、循環ポンプ６０の運転を停止する。除霜運転中は、冷凍サイクルが実現されないので、循環ポンプ６０を運転しても、貯湯タンク１８の温水を加熱することができない。あるいは、貯湯タンク１８の温水を、逆に放熱させてしまうことにもなる。そのことから、除霜運転中は、循環ポンプ６０の運転を停止することが好ましい。

図２のＣに示すように、コントローラ７０は、バイパス弁５２の開弁と同時又は僅かに前後して、室外ファン５４を一旦停止させる。その後、コントローラ７０は、バイパス弁５２を閉弁する前に、室外ファン５４を運転する。バイパス弁５２を開弁する期間の初期で室外ファン５４を停止させておくと、蒸発器３２に送り込んだ冷媒の熱を、空気中へ無駄に拡散させることがない。従って、蒸発器３２に付着した霜を、より多く融解させることができる。その後、室外ファン５４による送風を行うことで、融解した霜（即ち水滴）を蒸発器３２から除去することができる。この場合、室外ファン５４が強風で送風をするほど、蒸発器３２の水滴を乾燥させることができる。

図２のＤに示すように、コントローラ７０は、バイパス弁５２の開弁と同時又は僅かに前後して、膨張弁３８を一旦閉弁する。その後、コントローラ７０は、膨張弁３８を全開となるまで開弁する。膨張弁３８も併せて開弁することにより、高温の冷媒を蒸発器３２へより急速に送り込むことができる。その後、コントローラ７０は、バイパス弁５２の閉弁と同時あるいは僅かに前後して、膨張弁３８を閉弁する。その後、コントローラ７０は、通常の冷凍サイクルの制御に沿って、膨張弁３８の開度を制御する。

以上のように、本実施例のヒートポンプ３０は、除霜運転を実施する際に、圧縮機３４や循環ポンプ６０を停止させる。そのことから、圧縮機３４や循環ポンプ６０において電力が無用に消費されることがない。除霜運転に起因するエネルギー損失を抑制することで、ヒートポンプ３０の熱効率が向上されている。さらに、ヒートポンプ３０は、除霜運転を実施する際に、室外ファン５４や膨張弁３８についても併せて制御する。それにより、蒸発器３２から除霜を効果的に行うことができる。

図３を参照して実施例２の給湯装置１０について説明する。本実施例の給湯装置１０は、図１に示す実施例１の給湯装置１０と比較して、バイパス経路５０の構成が異なっている。即ち、本実施例のバイパス経路５０は、凝縮器３６の出口側を、膨張弁３８をバイパスして、蒸発器３２の入口側に接続している。このような構成であっても、バイパス弁５２を開弁することによって、凝縮器３６からの比較的に高温高圧の冷媒を、蒸発器３２へ直接的に送り込むことができる。このように、バイパス経路５０は、比較的に高温高圧の冷媒を、蒸発器３２に送り込めるものであればよい。従って、バイパス経路５０は、圧縮機３４から凝縮器３６を経て膨張弁３８に至る冷媒経路の高圧側の区間４４、４６と、膨張弁３８から蒸発器３２を経て圧縮機３４に至る冷媒経路の低圧側の区間４８を、圧縮機３４及び膨張弁３８を介することなく、互いに接続するものであればよい。

以上、実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的な有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載された組合せに限定されるものではない。また本明細書または図面に例示した技術は、複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的な有用性を持つものである。

１０：給湯装置
１２：ガス熱源機
１４：出湯管
１６：給水管
１８：貯湯タンク
２０：加熱復路
２２：加熱往路
３０：ヒートポンプ
３２：蒸発器
３４：圧縮機
３６：凝縮器
３８：膨張弁
４２、４４、４６、４８：冷媒経路
５０：バイパス経路
５２：バイパス弁
５４：室外ファン
５６：ファンモータ
６０：循環ポンプ
７０：コントローラ

Claims (6)

1. 空気中の熱を冷媒に吸熱させる蒸発器と、
   蒸発器の出口側に接続され、蒸発器からの冷媒を圧縮する圧縮機と、
   圧縮機の出口側に接続され、圧縮機からの冷媒を放熱させる凝縮器と、
   凝縮器の出口側に接続され、かつ、その出口側に蒸発器が接続される膨張弁と、
   圧縮機から凝縮器を経て膨張弁に至る冷媒経路の区間と、膨張弁から蒸発器に至る冷媒経路の区間を、圧縮機及び膨張弁を介することなく互いに接続するバイパス経路と、
   バイパス経路を開通／閉鎖するバイパス弁と、
   バイパス弁を開弁することによって除霜運転を行うコントローラを備え、
   コントローラは、バイパス弁を開弁する前に、圧縮機の運転を停止させることを特徴とするヒートポンプ。
2. 蒸発器に送風するファンを備え、
   コントローラは、バイパス弁を開弁する期間の少なくとも一部で、ファンを運転することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ。
3. コントローラは、バイパス弁を開弁する期間の初期でファンを停止させ、その後にファンを運転することを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ。
4. コントローラは、バイパス弁を開弁する期間の少なくとも一部で、膨張弁も開弁することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
5. コントローラは、バイパス弁を開弁する期間の初期で膨張弁を閉弁し、その後に膨張弁を開弁することを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ。
6. 前記バイパス経路は、圧縮機の出口側を、凝縮器及び膨張弁をバイパスして、蒸発器の入口側に接続することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のヒートポンプ。

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