JP2015172453A - 温水生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発器の着霜時における放熱器の水側流路の凍結を防止しながら省エネルギー性に優れた温水生成装置を提供すること。【解決手段】圧縮機２１、流路切替手段２６、冷媒と液体とが熱交換する第１熱交換器２２、減圧装置２３、冷媒と空気とが熱交換する第２熱交換器２４が配管で環状に接続された冷媒回路２と、液体が流れる液体経路４ａと、第１熱交換器２２と減圧装置２３との間の冷媒回路２に設けられて冷媒と液体とが熱交換する第３熱交換器２５と、第２熱交換器２４と第３熱交換器２５の間から分岐して、圧縮機２１の圧縮室に接続したバイパス路３と、を備え、液体経路４ａは、液体が、第３熱交換器２５、第１熱交換器２２の順に流通するように構成されるので、除霜時に第１熱交換器２２に流入する冷媒の乾き度が上昇して、液体経路４ａを流れる液体の凍結を防止でき、また、圧縮機２１への液戻りが抑制され、機器の省エネルギー性が向上する。【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクルを利用した温水生成装置において、特に、蒸発器の除霜運転に適した装置構成および制御方法に関する。

従来、温水生成装置は、圧縮機と冷媒−液体熱交換器（放熱器）と膨張弁と冷媒−空気熱交換器（蒸発器）とを配管接続し、循環する冷媒の熱を放熱器で利用側熱媒体である液体に放熱して暖房や給湯に利用している。

ここで、利用側熱媒体を加熱するための熱源の大半は、蒸発器において空気から吸熱する。吸熱時は、蒸発器の配管内を低温冷媒が通過して外部空気と熱交換を行うため、空気中の水分が蒸発器表面で凝結して着霜する。蒸発器に着霜すると伝熱効率の低下により吸熱量が減少し、機器の運転効率が低下するので、一般的に除霜運転が行われる。（例えば、特許文献１参照）。

図７は、特許文献１に記載された従来の温水生成装置を示すものである。

図７に示すように、温水生成装置１００は、冷媒を循環させる冷媒回路１１０と、水を流通させる水回路１２０を備えている。

冷媒回路１１０は、圧縮機１１１、冷媒と水との間で熱交換する放熱器１１２、蓄熱用伝熱管１１３と膨張弁１１４、冷媒と空気との間で熱交換する蒸発器１１５が配管により環状に接続され、冷媒回路１１０には、加熱運転と除霜運転を切り換えるための四方弁１１６が設けられている。

水回路１２０は、図示しない水源（たとえば、公共の水道管等）と放熱器１１２とを連通する水入口配管１２１と、貯湯タンク１４０と、放熱器１１２と貯湯タンク１４０とを連通する水出口配管１２２と、を有している。

水入口配管１２１には給水ポンプ１２３が設置され、水入口配管１２１は給水ポンプ１２３と放熱器１１２との間において分岐し、蓄熱水槽１３０に連通する蓄熱水槽給水管１３１が接続されている。

蓄熱水槽１３０は蓄熱用伝熱管１１３を収納するものであって、水を受け入れるための蓄熱水槽給水管１３１と、水を排出するための蓄熱水槽排水管１３２とが接続され、前者には蓄熱水槽給水開閉弁１３３が、後者には蓄熱水槽排水開閉弁１３４がそれぞれ設置されている。

蓄熱水槽１３０の貯水時は、蓄熱水槽給水開閉弁１３３を開閉して蓄熱水槽に水源の水を貯める。また、蓄熱水槽１３０に貯めた水を排水する場合は蓄熱水槽排水開閉弁１３４を開放する。

給湯加熱運転時は、圧縮機１１１から吐出された冷媒が、四方弁１１６を通って水熱交換器１１２に入り、水へ放熱（水を加熱）した後、高温の液冷媒となって蓄熱用伝熱管１１３に流入する。蓄熱用伝熱管１１３に流入した冷媒は、蓄熱水槽１３０の水が冷媒温度付近まで上昇するまでの間、放熱して低温の液冷媒となり、膨張弁１１４で減圧された後、蒸発器１１５で空気から吸熱（空気を冷却）し、四方弁１１６を経て圧縮機１１１に戻
る。

一方、水回路１２０においては、水は、給水ポンプ１２３によって水入口配管１２１を通って放熱器１１２に流入する。そして、冷媒から温熱を受け取って加熱され、温水として水出口配管１２２を通って貯湯タンク１４０へ送られる。

除霜運転時は、四方弁１１６を切り替えて、圧縮機１１１において圧縮された高温のガス冷媒を蒸発器１１５に直接流す逆サイクル除霜を実行している。

すなわち、圧縮機１１１を出た高温の冷媒は、四方弁１１６を通って蒸発器１１５に入り、蒸発器１１５で放熱して霜を融かした（除霜した）後、低圧の冷媒となって膨張弁１１４に流入する。膨張弁１１４を通過した冷媒は蓄熱伝熱管１１３に流入し、蓄熱水槽１３０内の温水から吸熱する。そして、放熱器１１２を通過し、四方弁１１６を経由して圧縮機１１１に戻るようになっている。

特許第５２６４９７３号公報

しかしながら、前記従来の温水生成装置において、外気温度が低い条件で逆サイクル除霜を行うと、低温（マイナス温度域）となった液冷媒が蓄熱用伝熱管に流入する。蓄熱水槽内に貯められた水（貯留水）は蓄熱用伝熱管を流れる冷媒に吸熱され温度が低下するが、蓄熱水槽内では貯留水の対流が生じず、または、対流が生じていたとしても自然対流による微小な流れであるので、貯留水は蓄熱伝熱管の周囲から順に凍結しやすく、蓄熱槽や伝熱管の信頼性が低下する。

また、貯留水の凍結が生じた場合は、伝熱性能が著しく低下して、その下流側の放熱器に低乾き度の二相冷媒が流入する。したがって、放熱器の内部で冷媒と水とが熱交換した場合には、冷媒が水から吸熱することで水の温度が低下して、放熱器内部で水が凍結する場合があるとともに、圧縮機に液冷媒が戻る場合もあり、機器の信頼性が低下するという課題を有していた。

また、蓄熱用伝熱管は、給湯加熱運転時においては、蓄熱槽内の貯留水温度が冷媒温度付近まで上昇した後は熱交換器として機能しないため、給湯加熱運転時の性能向上には寄与しない。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、蒸発器の着霜時における放熱器の水側流路の凍結を防止しながら省エネルギー性に優れた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温水生成装置は、冷媒を圧縮する圧縮機、前記冷媒の流れ方向を切り替える流路切替手段、前記冷媒と液体との間で熱交換を行うプレート式の第１熱交換器、前記冷媒を減圧する減圧装置、前記冷媒と空気との間で熱交換を行う第２熱交換器が順に冷媒配管で環状に接続された冷媒回路と、前記液体が流れる液体経路と、を備え、前記第１熱交換器と前記減圧装置との間の前記冷媒回路には、前記冷媒と前記液体との間で熱交換を行う第３熱交換器が設けられ、前記第２熱交換器と前記第３熱交換器の間の前記冷媒回路から分岐して、前記流路切替手段と前記圧縮機の吸入配管と
の間の前記冷媒回路、または、前記圧縮機の圧縮室に接続したバイパス路を有し、前記液体経路は、前記液体が、前記第３熱交換器、前記第１熱交換器の順に流通するように構成されていることを特徴とするものである。

これによって、逆サイクル除霜運転時に第２熱交換器（蒸発器）で放熱し低温となった冷媒は、バイパス路側と第３熱交換器（補助熱交換器）側に分流され、補助熱交換器に流入する低温冷媒の流量が減少する。補助熱交換器に流入した冷媒は、液体から吸熱することで蒸発して冷媒の乾き度が大きくなる。一方、液体は放熱により温度低下するが、流入する液体は利用側の負荷（たとえば床暖房パネル）から戻る比較的高温のものであり、液体経路中を循環しているので補助熱交換器内部の局所的な液体の温度低下による凍結が抑制される。

そして、補助熱交換器から流出した高乾き度または過熱状態の冷媒は、プレート式の第１熱交換器（放熱器）に流入し、補助熱交換器から流出した液体と熱交換される。流入した冷媒の状態が高乾き度状態の場合は、液成分が蒸発したあと過熱冷媒となり、液体の温度付近まで温度上昇する。また、過熱状態で流入した場合は顕熱変化のみとなり液体の温度付近まで温度上昇する。

つまり、バイパス路により放熱器に流入する冷媒の流量が減少するとともに、放熱器内では大半が熱通過率の低い顕熱熱交換域であり、また、顕熱変化による温度上昇で冷媒平均温度が十分高くなることで熱流束が小さくなり、放熱器内を流通する液体の温度低下が抑制されるので凍結を防止できる。そして、放熱器から流出した過熱冷媒はバイパス路から流出する液または二相状態の冷媒と合流し、飽和ガス付近までエンタルピーが低下した状態で圧縮機に吸入される。

また、加熱運転時においては、放熱器で凝縮した冷媒が補助熱交換器に流入して、さらに液体と熱交換されるので、凝縮能力が向上して圧縮機の吐出圧力が低下する。

本発明によれば、蒸発器の着霜時における放熱器の水側流路の凍結を防止しながら省エネルギー性に優れた温水生成装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１における温水生成装置の概略構成図 同温水生成装置の補助熱交換器（第３熱交換器）の概略構成図 同温水生成装置のプレート式熱交換器（第１熱交換器）の水側流路における水の流線と死水域とを示す概略図 同温水生成装置の除霜運転時のモリエル線図 同温水生成装置の二重管熱交換器（第３熱交換器）の温水側流路における水の流線の概略図 同温水生成装置の除霜運転制御のフローチャート 従来の温水生成装置の概略構成図

第１の発明は、冷媒を圧縮する圧縮機、前記冷媒の流れ方向を切り替える流路切替手段、前記冷媒と液体との間で熱交換を行うプレート式の第１熱交換器、前記冷媒を減圧する減圧装置、前記冷媒と空気との間で熱交換を行う第２熱交換器が順に冷媒配管で環状に接続された冷媒回路と、前記液体が流れる液体経路と、を備え、前記第１熱交換器と前記減圧装置との間の前記冷媒回路には、前記冷媒と前記液体との間で熱交換を行う第３熱交換器が設けられ、前記第２熱交換器と前記第３熱交換器の間の前記冷媒回路から分岐して、
前記流路切替手段と前記圧縮機の吸入配管との間の前記冷媒回路、または、前記圧縮機の圧縮室に接続したバイパス路を有し、前記液体経路は、前記液体が、前記第３熱交換器、前記第１熱交換器の順に流通するように構成されていることを特徴とする温水生成装置である。

これにより、逆サイクル除霜運転時に第２熱交換器（蒸発器）で放熱し低温となった冷媒は、バイパス路側と第３熱交換器（補助熱交換器）側に分流され、補助熱交換器に流入する低温冷媒の流量が減少する。補助熱交換器は、たとえば二重管熱交換器のように、温水側流路の流速分布が小さく局所的な死水域が生じにくい熱交換器であり、補助熱交換器に流入した冷媒は、液体（温水）から吸熱することで蒸発し、冷媒の乾き度が大きくなる。一方、温水は放熱により温度低下するが、流入する温水は利用側の負荷（たとえば床暖房パネル）から戻る比較的高温の温水であるとともに、常に液体回路（温水配管）中を循環しているので補助熱交換器内部の局所的な水温の低下による凍結が抑制される。

そして、補助熱交換器から流出した高乾き度または過熱状態の冷媒はプレート式の第１熱交換器（放熱器）に流入し、補助熱交換器から流出した温水と熱交換される。流入した冷媒状態が高乾き度の場合は、液成分が蒸発した後、過熱冷媒となり、温水温度付近まで温度上昇する。また、過熱状態で流入した場合は顕熱変化のみとなり温水温度付近まで温度上昇する。

つまり、バイパス路により放熱器に流入する冷媒の流量が減少するとともに、放熱器内では大半が熱通過率の低い顕熱熱交換域であり、また、顕熱変化による温度上昇で冷媒平均温度が十分高くなることで熱流束が小さくなり、放熱器内を流通する温水の温度低下が抑制される。

そして、放熱器から流出した過熱冷媒はバイパス路から流出する液または二相状態の冷媒と合流し、飽和ガス付近までエンタルピーが低下した状態で圧縮機に吸入される。

また、加熱運転時においては、放熱器で凝縮した冷媒が補助熱交換器に流入して、さらに温水と熱交換されるので、凝縮能力が向上して圧縮機の吐出圧力が低下する。

したがって、放熱器に小型で熱交換効率の高いプレート式の熱交換器を使用しても、逆サイクル除霜運転時において、熱交換器内部の水が凍結することを防止できるとともに、圧縮機への液戻りが抑制されて、機器の省エネ性とコンパクト性および信頼性が向上する。

また、補助熱交換器により加熱運転時の圧縮機吐出圧力が低下するので、加熱運転時においても機器の省エネ性が向上する。

第２の発明は、第１の発明において、前記第１熱交換器と前記第３熱交換器の間の前記冷媒回路を流れる前記冷媒の過熱度を検出する過熱度検出手段と、少なくとも、前記圧縮機から吐出された前記冷媒を、前記流路切替手段を介して前記第２熱交換器に流入させる除霜運転を実行する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記除霜運転を実行中に、前記過熱度検出手段で検出された前記冷媒の過熱度が、所定の過熱度となるように前記減圧装置の開度を調整することを特徴とするものである。

これにより、逆サイクル除霜運転時において、補助熱交換器を流出する冷媒の過熱度を確保するようにバイパス側と補助熱交側の冷媒循環量を調整するので、放熱器に流入する冷媒は常にガスとなり、冷媒の顕熱変化による熱通過率の低下と冷媒の温度上昇とがあいまって、放熱器における熱流束が大幅に低下し、局所的な水温の低下がさらに抑制される
。

したがって、上記第１の発明の効果に加え、逆サイクル除霜運転時における放熱器内および補助熱交換器内の水の凍結が、より確実に防止できる。

第３の発明は、第２の発明において、前記バイパス路を流れる前記冷媒の流量を調整する流量調整手段を備え、前記制御装置は、前記除霜運転を実行中に、前記過熱度検出手段で検出された前記冷媒の過熱度が所定の過熱度となるように、前記流量調整手段を制御することを特徴とするものである。

これにより、逆サイクル除霜時において、補助熱交換器から流出する冷媒の過熱度が所定値未満（たとえば０Ｋ）の場合は、流量調整手段の開度が大きくなるため、バイパス路の流路抵抗が減少し、補助熱交換器に流入する冷媒流量が減少するので、放熱器に流入する冷媒の乾き度（過熱度）は上昇する。反対に過熱度が大きい場合は、流量調整手段の開度が小さくなるため、バイパス路の流路抵抗が増加して補助熱交換器に流入する冷媒流量が増加するので、バイパス量が過多となって圧縮機に大量の液冷媒が戻ることが抑制される。

したがって、上記第１〜３の発明の効果に加え、バイパス流量を幅広く調整することができるので、より正確に放熱器に流入する冷媒状態が調整されて、温水の凍結防止はもちろんのこと、圧縮機の液圧縮も防止することができる。

第４の発明は、特に第１から第３のいずれかの発明において、前記液体経路における前記第１熱交換器または前記第３熱交換器に流入する液体の温度を検出する温度センサを備え、前記制御装置は、前記除霜運転の実行中に、前記温度センサで検出された前記液体の温度が所定の温度未満である場合に、前記第１熱交換器または前記第３熱交換器を流通する前記冷媒の循環量が減少するように前記減圧装置の開度を調整することを特徴とするものである。

これにより、逆サイクル除霜時において、補助熱交換器から流出する水温が、凍結の可能性がある所定温度未満である場合には、減圧装置の開度が小さくなることで減圧量が大きくなり、バイパス側冷媒循環量が増加するとともに、補助熱交換器側の冷媒循環量が低減される。したがって、温水との熱交換量が減少し、水温の低下が抑制される。

したがって、上記第１または第２の発明の効果に加え、外気温度が低い条件や温水温度が低い条件などの幅広い条件における逆サイクル除霜時も、放熱器内および補助熱交換器内の温水が凍結することを確実に防止できる。

第５の発明は、第４の発明において、前記制御装置は、前記除霜運転の実行中に、前記温度センサで検出された前記液体の温度が所定の温度未満である場合に、前記第１熱交換器または前記第３熱交換器を流通する前記冷媒の循環量が減少するように、前記流量調整手段を制御することを特徴とするものである。

これにより、逆サイクル除霜時において、補助熱交換器から流出する水温が、凍結の可能性がある所定温度未満である場合には、流量調整手段の開度が大きくなることでバイパス路の流路抵抗が小さくなり、補助熱交換器側の冷媒循環量が低減されるとともに、除霜時における冷凍サイクルの減圧量が減少して放熱器を流れる冷媒温度が上昇するので、放熱器における温水との熱交換量が減少し、さらに水温の低下が抑制される。

したがって、上記第１〜４の発明の効果に加え、温水回路の保有水量が少ないシステム
においても、放熱器内および補助熱交換器内の温水が凍結することを確実に防止できる。

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、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における温水生成装置の概略構成図を示すものである。図１において、温水生成装置１Ａは、冷媒を循環させる冷媒回路２と、バイパス路３と、温水経路４ａと、制御装置５と、を備えている。冷媒としては、例えば、Ｒ４０７Ｃ等の非共沸混合冷媒、Ｒ４１０Ａ等の擬似共沸混合冷媒、または単一冷媒等を用いることができる。温水経路４ａは、温水生成装置１Ａの外部に配置された利用側放熱器４２と配管で接続されることにより温水回路４を形成する。なお、温水生成装置１Ａと利用側放熱器４２とを合わせて、循環式温水暖房システムが構築される。

冷媒回路２は、圧縮機２１、放熱器（プレート式の第１熱交換器）２２、膨張弁（減圧装置）２３および蒸発器（第２熱交換器）２４が配管により環状に接続されて構成されている。本実施の形態では、放熱器２２と膨張弁２３の間に補助熱交換器（第３熱交換器）２５が設けられている。補助熱交換器２５は図２のような二重管式の熱交換器であり、内側の流路に冷媒回路２内を循環する冷媒が流通し、外側の流路に温水回路４を流れる温水が流通する構成となっている。また、冷媒回路２には、温水を生成する加熱運転と除霜運転を切り換えるための四方弁（流路切替手段）２６が設けられている。さらに、蒸発器２４と圧縮機２１の間に、気液分離を行うアキュムレータ２７が設けられている。

本実施の形態では、室外ファン２８により蒸発器２４に室外の空気を送風し、蒸発器２４を流通する冷媒に吸熱させるとともに、放熱器２２および補助熱交換器２５が、冷媒と水との間で熱交換を行わせて水を加熱する熱交換器となって温水を生成し、生成した温水を暖房や給湯に利用する構成となっている。

具体的には、放熱器２２と、補助熱交換器２５と、ポンプ４１とが備えられた温水回路４に、例えば貯湯タンクやファンコンベクター等の利用側放熱器４２が配管により環状に接続され、放熱器２２および補助熱交換器２５で加熱された温水がポンプ４１により温水回路４を循環し、利用側放熱器４２で放熱されて蓄熱や暖房が行われる。

また、本実施の形態では、バイパス路３は、膨張弁２３と蒸発器２４の間で冷媒回路２から分岐し、蒸発器２４と圧縮機２１の間における、四方弁２６とアキュムレータ２７の間の冷媒回路２につながっている。また、バイパス路３には、流量弁（流量調整手段）３１が設けられている。

図１では、通常の加熱運転時の冷媒の流れ方向を実線矢印で示している。以下、加熱運転における冷媒の状態変化を説明する。

圧縮機２１から吐出された高圧冷媒は、四方弁２６を介して放熱器２２に流入し、放熱器２２を通過する水に放熱する。放熱器２２から流出した高圧冷媒は、補助熱交換器２５に流入し、さらに補助熱交換器２５を通過する水に放熱する。補助熱交換器２５から流出した高圧冷媒は、膨張弁２３によって減圧されて膨張した後に、蒸発器２４に流入する。蒸発器２４に流入した低圧冷媒は、ここで空気から吸熱する。蒸発器２４から流出した低圧冷媒は、再度、圧縮機２１に吸入される。

しかし、このように温水生成運転をおこなうと空気中の水分等が蒸発器２４で氷結して着霜し、蒸発器２４の伝熱性能低下による加熱能力低下や成績係数の低下が生じる。この
ような場合、外気温度や運転時間または蒸発器の温度などから着霜度合いを判断し、霜を冷媒の熱で融解して除去する除霜運転を実施する必要がある。

除霜方式のうち、除霜時間が短く、効率の良い方式の代表的なものとしては、四方弁２６を切り替えて冷媒の循環方向を図１中の破線矢印に示す方向に逆転させ、圧縮機２１から吐出された高温高圧のガス冷媒を蒸発器２４に導入し、その凝縮熱で霜を融解する逆サイクル除霜がある。

しかし、一般的な冷凍サイクルの逆サイクル除霜中においては、放熱器２２に流入する冷媒温度はマイナス温度域になることが殆どであり、放熱器２２に流入する温水の温度が低下した場合には、放熱器２２内で水が凍結する可能性がある。特に放熱器２２がプレート式の熱交換器である場合は、図３中の斜線部で示すような水側流路における流速が遅い死水域部分が凍結しやすいことが知られている。また、溶接箇所が多く、複雑な流路形状であるプレート式熱交換器の水側流路内部で凍結が生じた場合は、水の体積膨張でプレートが圧迫され、最悪の場合破損することがある。

このように、放熱器に小型で高性能なプレート式の熱交換器を使用する場合は、温水の凍結を防止するために、逆サイクル除霜と比較して除霜時間が長く、運転効率の低い順サイクル（暖房サイクル）による除霜運転の実施や、水温条件などの運転可能な範囲を限定するなどの対応が必要となり、省エネ性や利便性が低下するという特有のデメリットがある。

そこで、本実施の形態では、詳しくは後述するが、制御装置５は、温水生成装置１Ａが除霜モードの開始判断後に、まずは四方弁２６を逆サイクル除霜モード側に切り替えて運転し、補助熱交換器２５を流出する冷媒が所定の過熱度となるように膨張弁２３の開度と流量弁３１の開度を調整するとともに、補助熱交換器２５を流出する温水の温度が凍結の可能性がある温度未満となった場合に、流量弁３１の開度を増加させながら除霜運転を実行する。

これにより、図１中の破線矢印に示すように、圧縮機２１から吐出された高圧冷媒は四方弁２６を介して蒸発器２４に流入し、堆積した霜に放熱して霜を融解する。そして、蒸発器２４から流出した液冷媒は、バイパス路３に分流され、流量弁３１で僅かに減圧した後、図４中ａ点のような冷媒状態でアキュムレータ２７の上流側に流出する。一方、主流側の冷媒は、膨張弁２３を通り補助熱交換器２５に流入し、補助熱交換器２５を流通する低温の液冷媒は、温水回路４を循環する比較的高温の温水から吸熱して、冷媒のエンタルピーが図４中ａ点からｂ点のように増加する。ここで、補助熱交換器２５を流通する冷媒流量は、補助熱交換器２５から流出する冷媒状態が飽和ガス状態もしくは加熱状態となるように膨張弁２３と流量弁３１の開度により調整される。

そして、補助熱交換器２５を流出したガス冷媒は放熱器２２に流入し、さらに温水から吸熱することでエンタルピーが図４中ｂ点からｃ点のように増加し、温水温度付近の過熱冷媒となって放熱器２２から流出する。放熱器２２から流出した過熱冷媒はアキュムレータ２７の上流側でバイパス路３から流出した二相冷媒と合流し、図４中ｂ点のような飽和ガス状態に近い冷媒状態となって再び圧縮機２１に戻る。

したがって、バイパス路３により放熱器２２に流入する冷媒の流量が減少するとともに、放熱器２２内を流通する冷媒は顕熱変化となるので、冷媒の平均温度は高く熱通過率は小さくなり、放熱器内部の水の凍結が抑制される。

また、温水回路４において補助熱交換器２５を流出する温水の温度が低下した場合は、
予め実験結果などから得られた凍結する可能性のある温度まで低下する前に、流量弁３１の開度が増加してバイパス路３の流路抵抗が減少し、補助熱交換器２５に流入する冷媒流量が低減されるとともに、除霜時における冷凍サイクルの減圧量が減少して放熱器２２を流れる冷媒温度が上昇するので、放熱器における温水との熱交換量が減少し、水の凍結が抑制される。

さらに、補助熱交換器２５は二重管式の熱交換器であるので、図５のように温水側流路の流速分布の偏りが小さく、すなわち、プレート式の第１熱交換器と比較して、液体の平均流速が速くなるので、局所的な死水域が生じにくく、凍結が抑制される。

以下、運転制御の動作について説明する。冷媒回路２には、通常の加熱運転時において蒸発器２４に流入する冷媒の温度（蒸発温度）Ｔｅｉを検出する蒸発温度センサ６１と、除霜運転時において補助熱交換器２５から流出する冷媒の過熱度（出口過熱度）ＳＨを検出する過熱度検出装置７１が設けられている。過熱度検出装置７１は、具体的には冷媒の圧力と温度を検出し、検出した温度と検出した圧力の飽和温度との差分から過熱度を算出するものである。ここで、冷媒の飽和温度は冷媒物性の式から算出する。また、温水生成装置１Ａには室外の空気温度（外気温度）Ｔａｏを検出する外気温度センサ６２が設けられている。さらに、温水回路４には補助熱交換器２５から流出する温水の温度（出水温度）Ｔｗｏを検出する温度センサ６３が設けられている。

本実施の形態では、制御装置５は、各種のセンサ６１、６２、６３、７１で検出される検出値などに基づいて、圧縮機２１と室外ファン２８およびポンプ４１の回転数、四方弁２６の切り換え、ならびに膨張弁２３と流量弁３１の開度を動作させる。

次に、除霜運転時における制御装置５の制御を図６に示すフローチャートを参照して詳細に説明する。

まず、制御装置５は、通常の加熱運転時に蒸発温度センサ６１で検出した蒸発器入口温度Ｔｅｉと、外気温度センサ６２で検出した外気温度と、前回の除霜運転終了からの加熱運転時間に基づいて除霜条件が成立するか否かを監視しており、除霜条件が成立（ステップＳ１）すると、除霜運転に移行する。

除霜運転において制御装置５は、四方弁２６を逆サイクル除霜側に切り替えるとともに、室外ファン２８を停止させて、圧縮機２１を所定の回転数で運転する。（ステップＳ２）。その後、過熱度検出装置７１で出口過熱度ＳＨを検出するとともに温度センサ６３で出水温度Ｔｗｏを検出する（ステップＳ３）。

ついで制御装置５は、除霜運転中において、温度センサ６３で検出した出水温度Ｔｗｏと、予め設定された温水の凍結判定温度Ｔｗｆとを比較し、温水が凍結するか否かを判断（ステップＳ４）する。出水温度Ｔｗｏが凍結判定温度Ｔｗｆ以上の場合（ステップＳ４でＹＥＳ）は温水が凍結しない状態であると判断し、出口過熱度ＳＨが所定の過熱度になるように膨張弁２３および流量弁３１の開度を調整する（ステップＳ５）。

一方、出水温度Ｔｗｏが凍結判定温度Ｔｗｆ未満の場合（ステップＳ４でＮＯ）は温水が凍結する可能性があると判断し、流量弁３１の開度を所定量増加する（ステップＳ６）。

ここで、温水の凍結判定温度Ｔｗｆは予め実験的に導出し、凍結しない温度を設定すればよい。さらに、例えば、Ｔｗｆ＝ｆ（Ｔａｏ）のように外気温度の関数として設定しておけば、放熱器２２に流入する冷媒温度の影響を考慮することができ、より凍結防止の精
度が向上する。

その後、制御装置５は蒸発温度センサ６１で蒸発温度Ｔｅｉを検出し（ステップＳ７）、蒸発温度Ｔｅｉと、外気温度に基づいて予め設定された除霜終了温度Ｔｄｅとを比較し、除霜終了条件が成立するか否かを判断する（ステップＳ８）。蒸発温度Ｔｅｉが除霜終了温度Ｔｄｅ未満の場合（ステップＳ８でＮＯ）は霜が残っていると判断し、ステップＳ３に戻り、除霜運転を継続する。一方、蒸発温度Ｔｅｉが除霜終了温度Ｔｄｅ以上の場合（ステップＳ８でＹＥＳ）は霜が完全に融解したと判断し、除霜運転を終了する。そして、再び通常の加熱運転を開始する。

以上のように、本実施の形態においては、冷媒回路２において、圧縮機２１、放熱器２２、補助熱交換器２５、膨張弁２３、蒸発器２４、四方弁２６と、過熱度検出装置７１と、バイパス路３において、流量弁３１と、温水回路４において、補助熱交換器２５から流出する温水の温度を検出する温度センサ６３と、さらに、制御装置５と、を備えた構成であり、制御装置５は、除霜運転の開始判断後に、逆サイクル除霜を実施し、補助熱交換器２５から流出する冷媒の過熱度を所定の過熱度となるように膨張弁２３および流量弁３１の開度を調整するとともに、補助熱交換器２５から流出する水温が凍結の可能性がある温度未満である場合には、流量弁３１の開度を増加させて主流側の冷媒循環量を低減させる。

これによって、除霜運転中における放熱器２２と補助熱交換器２５を流通する温水の凍結を抑制するとともに、圧縮機への液戻りが抑制されて、機器の信頼性が向上する。

なお、本実施の形態では、過熱度検出装置７１は、冷媒の圧力と温度を検出して過熱度ＳＨを算出しているが、過熱度は補助熱交換器２５の冷媒側出口温度と冷媒側入口温度との差温を算出してもよい。

また、温度センサ６３により出水温度Ｔｗｏを検出して温水の凍結判断をしているが、凍結判断は、例えば、補助熱交換器２５の入り口側温水温度でもよいし、補助熱交換器２５本体や放熱器２２本体の温度を検出してもよい。また、補助熱交換器２５に流入する温水の温度と出水温度Ｔｗｏの温度差で判断してもよい。この場合は補助熱交換器２５や温水回路４における補助熱交換器２５の入口部に温度センサを追加し、その温度差と判断基準となる閾値とを比較判断すればよい。また、閾値は、予め実験的に導出した値を設定すればよい。

また、本実施の形態では補助熱交換器２５の内側流路を冷媒、外側流路を温水としたが、流路は逆に構成してもよい。また、補助熱交換器２５は、必ずしも二重管熱交換器である必要はなく、たとえば三重管構造でもよいし、冷媒管と温水管を溶接などで接触させた構造でもよい。

さらに、本実施の形態では流量弁３１によりバイパス流量を調整しているが、バイパス路３中に二方弁を設け、開閉によりバイパス流量を調整してもよい。

さらに、本発明の減圧手段は、必ずしも膨張弁である必要はなく、キャピラリーチューブでもよいし、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機であってもよい。この場合、例えば、膨張機と連結された発電機によって負荷を変化させることにより、膨張機の回転数を制御すればよい。

本発明は、冷凍サイクル装置によって温水を生成し、その温水を暖房や給湯に利用する
温水生成装置に特に有用である。

１Ａ 温水生成装置
２ 冷媒回路
３ バイパス路
４ 温水回路（液体回路）
４ａ 温水経路（液体経路）
５ 制御装置
２１ 圧縮機
２２ 放熱器（第１熱交換器）
２３ 膨張弁（減圧装置）
２４ 蒸発器（第２熱交換器）
２５ 補助熱交換器（第３熱交換器）
２６ 四方弁（流路切替手段）
３１ 流量弁（流量調整手段）
６３ 温度センサ
７１ 過熱度検出装置（過熱度検出手段）

Claims (5)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機、前記冷媒の流れ方向を切り替える流路切替手段、前記冷媒と液体との間で熱交換を行うプレート式の第１熱交換器、前記冷媒を減圧する減圧装置、前記冷媒と空気との間で熱交換を行う第２熱交換器が順に冷媒配管で環状に接続された冷媒回路と、
   前記液体が流れる液体経路と、を備え、
   前記第１熱交換器と前記減圧装置との間の前記冷媒回路には、前記冷媒と前記液体との間で熱交換を行う第３熱交換器が設けられ、
   前記第２熱交換器と前記第３熱交換器の間の前記冷媒回路から分岐して、前記流路切替手段と前記圧縮機の吸入配管との間の前記冷媒回路、または、前記圧縮機の圧縮室に接続したバイパス路を有し、
   前記液体経路は、前記液体が、前記第３熱交換器、前記第１熱交換器の順に流通するように構成されていることを特徴とする、温水生成装置。
2. 前記第１熱交換器と前記第３熱交換器の間の前記冷媒回路を流れる前記冷媒の過熱度を検出する過熱度検出手段と、
   少なくとも、前記圧縮機から吐出された前記冷媒を、前記流路切替手段を介して前記第２熱交換器に流入させる除霜運転を実行する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記除霜運転を実行中に、前記過熱度検出手段で検出された前記冷媒の過熱度が所定の過熱度となるように、前記減圧装置を制御することを特徴とする、請求項１に記載の温水生成装置。
3. 前記バイパス路を流れる前記冷媒の流量を調整する流量調整手段を備え、
   前記制御装置は、前記除霜運転を実行中に、前記過熱度検出手段で検出された前記冷媒の過熱度が所定の過熱度となるように、前記流量調整手段を制御することを特徴とする、請求項２に記載の温水生成装置。
4. 前記液体経路における前記第１熱交換器または前記第３熱交換器に流入する液体の温度を検出する温度センサを備え、
   前記制御装置は、前記除霜運転の実行中に、前記温度センサで検出された前記液体の温度が所定の温度未満である場合に、前記第１熱交換器または前記第３熱交換器を流通する前記冷媒の循環量が減少するように、前記減圧装置の開度を調整することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の温水生成装置。
5. 前記制御装置は、前記除霜運転の実行中に、前記温度センサで検出された前記液体の温度が所定の温度未満である場合に、前記第１熱交換器または前記第３熱交換器を流通する前記冷媒の循環量が減少するように、前記流量調整手段を制御することを特徴とする、請求項４に記載の温水生成装置。