JP3717843B2 - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプ式給湯装置、特に、ヒートポンプ式給湯装置における運転制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヒートポンプ式給湯装置は、一般に、圧縮機、圧縮機の吐出ガスにより給湯水を加熱する高圧側熱交換器、電動膨張弁、室外送風機により送風される外気と熱交換して蒸発器として作用する室外熱交換器を順次接続した冷媒回路を具備している。この冷媒回路の室外熱交換器（蒸発器）は、外気温度が低下するとフロストする。このため、ヒートポンプ式給湯装置は、室外熱交換器（蒸発器）のフロストを除去するためのデフロスト回路を設け、このデフロスト回路を作動させるデフロスト運転を行っていた。
【０００３】
デフロスト回路は、圧縮機吐出側のホットガスを室外熱交換器の入口側へバイパスするホットガスバイパス回路である。また、デフロスト運転は、圧縮機を運転し、ホットガスバイパス回路を開き、室外送風機を停止させて行うのが通常である。また、デフロスト運転制御は、蒸発器温度が所定値に到達したかどうかにより、所定フロスト量が発生したかどうか、及びデフロストが完了したかどうかの判断を行っていた。すなわち、蒸発器温度が除霜開始温度（例えば、−７℃）になった場合はフロスト量が所定量以上であると判断し、蒸発器温度が除霜終了温度（例えば、１２℃）になるとデフロストが完了したと判断していた。
【０００４】
一方、給湯負荷は、外気温度の低下に従い増加する。このため、従来のヒートポンプ式給湯装置における定常給湯運転時の運転制御は、外気温度の低下に対応し、予め定められた基準に従い、圧縮機の能力を増大するように圧縮機の能力制御を行っていた。また、このときの運転条件に見合うように電動膨張弁の開度制御を行っていた。なお、外気温度は、室外熱交換器の近傍、かつ外気吸入側に設けられた外気温度検出器により検出されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにデフロスト運転制御を行い、定常給湯運転時に圧縮機の能力制御及び電動膨張弁の開度制御を行うものにおいて、デフロスト運転の完了直後においては、外気温度が低くても（例えば、５℃以下であっても）室外熱交換器の温度は上述のデフロスト完了時の温度（例えば１２℃）となる。また、デフロスト運転中は室外送風機の運転が行われていないため、デフロスト運転終了時に外気温度検出器が近傍に位置する室外熱交換器により加熱されている。このため、デフロスト運転終了直後に時に外気温度検出器により検出される温度が、実際の外気温度より高めに検出される恐れがあった。また、この誤検出により定常給湯運転への復帰が遅れるという恐れがあった。
【０００６】
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであって、外気温度検出器を室外熱交換器の近傍に設け、この検出器により検出される外気温度に対応して圧縮機の能力制御および電動膨張弁の開度制御を行うものにおいて、デフロスト運転終了直後に外気温度検出器が外気温度を誤検出しないようにし、速やかに定常給湯運転を再開可能とすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するために、本発明のヒートポンプ式給湯装置は、圧縮機、圧縮機からの吐出ガスにより給湯水を加熱する高圧側熱交換器、電動膨張弁、室外送風機により送風される外気と熱交換して蒸発器として作用する室外熱交換器を順次接続した主回路、及びホットガスを室外熱交換器に流通させるデフロスト回路を少なくとも備えた冷媒回路と、室外熱交換器の表面温度を蒸発器温度として検出する蒸発器温度検出器と、室外熱交換器に吸入される外気温度を検出するように室外熱交換器の近傍に取り付けられた外気温度検出器と、蒸発器温度検出器により検出される蒸発器温度が室外熱交換器のデフロスト開始値として予め設定された除霜開始温度に低下するまでは、外気温度検出器により検出される外気温度に対応する所定の基準に従い圧縮機の能力制御及び電動膨張弁の開度制御をする定常給湯運転を行い、蒸発器温度検出器により検出される蒸発器温度が除霜開始温度に低下したときには、前記室外送風機を停止させるとともに、デフロスト回路を開放して圧縮機を運転するデフロスト運転を行い、このデフロスト運転時において、蒸発器温度検出器により検出される蒸発器温度が室外熱交換器のデフロスト完了値として予め設定された除霜終了温度に上昇したときに、デフロスト回路を閉鎖してデフロスト運転を停止するとともに、室外送風機の運転を再開し、さらに、圧縮機の能力及び電動膨張弁の開度を所定値として圧縮機を運転する暫定給湯運転を行い、所定時間経過後に前記定常給湯運転を再開する運転制御装置とを具備したものである。
【０００８】
このように構成すれば、デフロスト運転を終了した後、室外送風機を回転する暫定運転を行っている間に、蒸発器温度検出器はデフロスト運転終了直後の室外熱交換器の温度による影響が除外され、略正確な外気温度を検出できるようになる。この結果、外気温度を誤検出するようなことがなく、暫定運転終了後速やかに定常の貯湯運転を再開することが可能となる。
【０００９】
また、前記圧縮機は、インバ−タ駆動とされ、インバータによる運転周波数を変更することにより圧縮機能力が制御されるものであるとしてもよい。
【００１０】
このように構成すると、給湯運転条件に見合う圧縮機能力の制御を、きめ細かく行うことができ、効率のよい給湯運転を行うことができる。
【００１１】
また、前記運転制御装置は、外気温度検出器による外気温度の検出を、定常給湯運転を一定時間経過する毎に行うものとすることができる。
【００１２】
このように構成すれば、定常給湯運転時において、仮に、外気温度が短時間に上下動するようなことがあっても、このような短時間の上下動変化を検出しないので、圧縮機の能力制御及び電動膨張弁の開度制御を安定的に行うことができる。
【００１３】
また、前記運転制御装置は、一定時間毎に測定される外気温度により前記除霜開始温度を補正することもできる。
【００１４】
外気温度が変わると、室外熱交換器の蒸発温度が変わるため、室外熱交換器のフロスト量は、蒸発器温度が同一であっても外気温度によりフロスト量が異なってくる。そこで、本発明のように構成することにより、フロストの検出をより正確にすることができるようになる。
【００１５】
また、前記運転制御装置は、暫定運転終了後に定常給湯運転を再開するにあたり、外気温度を検出し、前記所定の基準に従って外気温度に対応して圧縮機の能力及び電動膨張弁の開度を設定するとともに、一定時間毎に外気温度を検出するための計時をスタートさせることができる。
【００１６】
このように構成すると、定常給湯運転再開当初から、圧縮機の能力及び電動膨張弁の開度が通常の基準に従って設定されることになる。また、外気温度が一定時間毎に検出するための一定時間間隔が新たにスタートする。したがって、暫定運転終了後、短時間の経過で再び外気温度が検出されるようなこともなく、速やかに安定した定常給湯運転を行うことができる。
【００１７】
また、前記運転制御装置は、暫定運転時において、圧縮機の能力及び電動膨張弁の開度を、デフロスト運転直前の定常給湯運転時における状態とすることもできる。
【００１８】
このように構成すると、デフロスト運転の前後において外気温度に大きな差が見込まれないため、暫定給湯運転が次の定常給湯運転時の圧縮機能力及び電動膨張弁の開度と略同一の条件で行われることになり、定常給湯運転への移行がスムーズに行われることになる。
【００１９】
また、前記運転制御装置は、デフロスト運転時において、圧縮機を、デフロスト運転直前の定常給湯運転時における能力以上で運転するものとしてもよい。
【００２０】
このように構成すると、デフロスト運転時、圧縮機高圧側の熱が一気に蒸発器に送られるので、デフロスト運転の時間を短くすることができ、定常給湯運転に速やかに復帰させることができる。
【００２１】
また、前記運転制御装置は、デフロスト運転時において、蒸発器温度検出器により検出される温度が、一定時間以内に除霜終了温度に達しない場合に強制的にデフロスト運転を終了させる強制手段を有してもよい。
【００２２】
このように構成すれば、何らかの原因で蒸発器温度検出器が作動不良となっても、定常給湯運転への復帰が保証される。
【００２３】
また、前記運転制御装置は、前記強制手段がタイマーにより構成されていてもよい。
【００２４】
このように構成すれば、強制手段を簡易なタイマーにより構成にすることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る給湯装置の回路図である。この図１に示すように、実施の形態１に係る給湯装置は、冷凍装置１、給湯ユニット２及び制御装置３を備えたものである。なお、この実施の形態においては、制御装置３は冷凍装置１内に設置されている。また、冷凍装置１と給湯ユニット２とは連絡用水配管５、６により接続されている。
【００２６】
冷凍装置１は、インバータ駆動式２段圧縮機１１、吐出ガス冷媒で給湯水を加熱する高圧側熱交換器１２、電動膨張弁１３、蒸発器として作用する室外熱交換器１４、アキュムレータ１５を順次接続した閉回路（冷媒回路）を備えている。この冷媒回路の内部には、超臨界冷凍サイクルで運転されるように、自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ2）が充填されている。なお、冷凍空調用の代表的な自然冷媒としては、ハイドロカーボン（ＨＣ：プロパンやイソブタンなど）、アンモニア、空気，そして二酸化炭素等が挙げられる。しかしながら、冷媒特性として、ハイドロカーボンとアンモニアはエネルギー効率が良いという反面可燃性や毒性の問題があり、空気は超低温域以外でエネルギー効率が劣るなどといった問題がある。これに対し二酸化炭素は、可燃性や毒性がなく安全である。
【００２７】
２段圧縮機１１は、超臨界冷凍サイクル用に開発されたもので、密閉ハウジング内に低段側圧縮機構部１１ａ、高段側圧縮機構部１１ｂ、これら圧縮機構部１１ａ及び１１ｂを駆動するためのインバータ駆動式電動機１１ｃを内蔵したものである。また、低段側圧縮機構部１１ａの吐出側と高段側圧縮機構部１１ｂの吸入側とは、圧縮機ハウジングの外部に配設された中間連絡配管１１ｄにより連結され、密閉ハウジング内空間は、中間圧力ガス、つまり低段側圧縮機構部１１ａの吐出ガスにより満たされている。なお、このように密閉ハウジング内を中間圧力とした理由は、各圧縮機の各部に作用する力、及び密閉ハウジングの内外間の圧力差を適切な範囲内に保持し、大きな力が作用することを回避したものであり、これにより高信頼性、低振動、低騒音、高効率な圧縮機とすることができる。また、圧縮機の吐出ガス配管（高段側圧縮機構部１１ｂの吐出配管１８）には、吐出ガス温度検出器３４が設けられている。
【００２８】
高圧側熱交換器１２は、高段側圧縮機構部１１ｂから吐出された高圧冷媒を導入する冷媒用熱交換チューブ１２ａと、給湯ユニット２内に配置されている貯湯タンク２１から送水される給湯水を導入する水用熱交換チューブ１２ｂとからなり、両者が熱交換関係に形成されたものである。したがって、高段側圧縮機構部１１ｂから吐出された高温高圧の冷媒ガスは貯湯タンク２１から送水される給湯水により冷却され、この給湯水は高温高圧冷媒が発生する熱により加熱される。
【００２９】
電動膨張弁１３は、高圧側熱交換器１２で冷却された高圧ガス冷媒を減圧するもので、パルスモータにより駆動される。また、後述する制御装置３により開度制御されている。
【００３０】
室外熱交換器１４は、電動膨張弁１３により減圧された低圧の気液混合冷媒を熱源媒体としての外気と熱交換させ、この冷媒を気化させるものである。なお、室外熱交換器１４には室外送風機１４ａが設けられている。また、この室外熱交換器１４には、蒸発器温度検出器３１が設けられている。蒸発器温度検出器３１は、蒸発器温度の変化によりフロスト量（着霜量）を間接的に検出するためのものであって、蒸発器温度として室外熱交換器１４の表面温度を検出する。また、室外熱交換器１４の外気吸入側の近傍には、外気温度を検出する外気温度検出器３２が設けられている。
【００３１】
給湯ユニット２は、貯湯タンク２１、温水循環ポンプ２２、給湯配管２３、給水配管２４を備えている。
そして、貯湯タンク２１の上部及び下部を前記水用熱交換チューブ１２ｂに対し、連絡用水配管５、６を含む温水循環回路Ｐにより接続されている。また、貯湯タンク２１では重力の差により上部になるほど温水温度が高くなる。このため、貯湯タンク２１下部の温度の低い水を水用熱交換チューブ１２ｂに送水し、水用熱交換チューブ１２ｂで加熱された温度の高い水を貯湯タンク２１の上部に導くように、温水循環回路Ｐが形成されるとともに、この温水循環回路Ｐ中に温水循環ポンプ２２が取り付けられている。なお、貯湯タンク２１内上部の温水温度、すなわち焚き上げ温度は、貯湯タンク２１上部に設けられた温水温度検出器３３により測定されている。
【００３２】
給湯配管２３は、温水蛇口、浴槽などに温水を供給するためのものであり、貯湯タンク２１中の高い温度の温水を供給できるように、貯湯タンク２１の上部に接続されている。なお、この給湯回路には開閉弁２５が取り付けられている。
給水配管２４は、貯湯タンク２１内に常時水道水を供給可能とするものであり、逆止弁２６、減圧弁２７を介し貯湯タンク２１の底部に接続されている。
【００３３】
制御装置３は、操作スイッチ（図示せず）が操作されたときに運転開始指令を発信するほか、次のようにヒートポンプ式給湯装置を運転制御する。すなわち、蒸発器温度検出器３１により検出される蒸発器温度が室外熱交換器１４のデフロスト開始値として予め設定された除霜開始温度に低下するまでは、外気温度検出器３２により検出される外気温度に対応して所定の基準に従い２段圧縮機１１の能力制御及び電動膨張弁１３の開度制御をする定常給湯運転を行い、蒸発器温度検出器３１により検出される蒸発器温度が除霜開始温度に低下したときには、室外熱交換器１４のフロスト量が所定値になったと判断してデフロスト運転を行う。また、このデフロスト運転時において、蒸発器温度検出器３１により検出される蒸発器温度が室外熱交換器１４のデフロスト完了値として予め設定された除霜終了温度に上昇したときに、デフロスト運転を停止して室外送風機１４ａの運転を再開し、さらに、２段圧縮機１１の能力及び電動膨張弁１３の開度を所定値として２段圧縮機１１を運転する暫定給湯運転を行う。そして、暫定給湯運転を所定時間行った後定常給湯運転する。
【００３４】
デフロスト装置を構成する要素として、前記冷媒回路には、第１バイパス回路１６及び第２バイパス回路１７からなるデフロスト回路が設けられている。第１バイパス回路１６は、高段側圧縮機構部１１ｂの吐出配管１８と室外熱交換器入口側の配管（つまり、電動膨張弁１３と室外熱交換器１４とを接続する配管）１９との間に設けられており、途中に第１電磁開閉弁１６ａが設けられている。一方、第２バイパス回路１７は、低段側圧縮機構部１１ａの吐出側を高段側圧縮機構部１１ｂの吸入側へ接続する中間連絡配管１１ｄと室外熱交換器入口側の配管１９との間に設けられており、途中に第２電磁開閉弁１７ａが設けられている。なお、この場合、中間連絡配管１１ｄが圧縮機ハウジングの外部に配設されているため、第２バイパス回路１７の接続を容易に行うことができる。
【００３５】
以上のように構成されたヒートポンプ式給湯装置の動作について説明する。
まず、定常給湯運転時における冷凍サイクルについて、図２のモリエル線図を参照しながら説明する。なお、定常給湯運転時における冷媒の流れは、図１における実線矢印のごとくになる。
【００３６】
２段圧縮機１１を構成する低段側圧縮機構部１１ａは、アキュムレータ１５からの低圧ガス（ｒ１）を吸入して中間圧力まで圧縮する（ｒ２）。中間圧力まで圧縮されたガス冷媒（ｒ２）は、中間連絡配管１１ｄにより２段圧縮機１１のハウジング内に導入され、このハウジング内で若干冷却されて（ｒ３）、高段側圧縮機構部１１ｂに吸入され（ｒ３）、超臨界圧力まで圧縮されて高圧側熱交換器１２に送られる（ｒ４）。この高圧ガス（ｒ４）は、高圧側熱交換器１２で貯湯タンク２１から送水される給湯水と熱交換し、高圧冷媒自身は冷却され（ｒ５）、給湯水は加熱されて貯湯タンク２１上部に戻される。
【００３７】
高圧側熱交換器１２で冷却された高圧ガス冷媒（ｒ５）は、電動膨張弁１３で減圧され気液混合ガス冷媒となって室外熱交換器１４に送られる（ｒ６）。室外熱交換器１４に送られた気液混合ガス冷媒（ｒ６）は、外気と熱交換し、外気から熱を汲み上げて気化され、アキュムレータ１５を経て低段側圧縮機構部１１ａに吸入される。なお、アキュムレータ１５は、冷凍サイクル装置起動時に低圧側回路部分に溜まっていた冷媒が圧縮機に吸入されないようにするものである。
【００３８】
以上の冷凍サイクルにより、外気から汲み上げた熱量と２段圧縮機１１における仕事量相当の熱量とが高圧側熱交換器１２で放熱され、この熱量により貯湯タンク２１から送られてくる給湯水が加熱され、温水となって貯湯タンク２１の上部から貯められる。
【００３９】
次に、デフロスト運転時の冷媒の流れについて説明する。図１における波線矢印は、このデフロスト運転時の冷媒の流れを示す。
上記定常給湯運転を外気温度が低い状態で続けていると、徐々に室外熱交換器１４に霜が付着する。この霜の量が一定量になると、蒸発器温度（室外熱交換器１４の表面温度）が室外熱交換器１４のデフロスト開始値として予め設定された除霜開始温度に低下する。蒸発器温度は蒸発器温度検出器３１により検出される。蒸発器温度検出器３１により検出される温度が除霜開始温度になると、制御装置３からデフロスト指令が発せられる。このデフロスト指令により、２段圧縮機１１の運転、室外送風機１４ａの運転、貯湯タンク２１から高圧側熱交換器１２への給湯水の送水など上記定常給湯運転時の運転態様が継続されている状況下、第１バイパス回路１６中の第１電磁開閉弁１６ａ及び第２バイパス回路１７中の第２電磁開閉弁１７ａが開かれる。
【００４０】
このように第１及び第２電磁開閉弁１６ａ、１７ａが開かれた状態では、電磁開閉弁１６ａ、１７ａの冷媒流通抵抗が小さく設定されているので、定常給湯運転時におけるような高低圧力差が殆どなくなり、高低圧力が略バランスされた状態となる。このため、高段側圧縮機構部１１ｂも低段側圧縮機構部１１ａもブロワとして機能する。したがって、２段圧縮機１１を運転することにより、高圧側回路部分、中間圧力部分におけるガス冷媒、電動機１１ｃ等の構成部材に蓄熱されていた熱が、ブロワとして機能する両圧縮機構部１１ａ、１１ｂから供給されるホットガスを媒介として、室外熱交換器１４に送られ、一気に放出される。
これにより室外熱交換器１４に付着していた霜が一気に融かされ、短時間のうちにデフロストが完了される。
【００４１】
次に、制御装置３による運転制御について、図３〜図６に示すフローチャートに基づき具体的に説明する。
給湯運転スイッチがオンされて給湯運転が始まると、室外送風機１４ａを運転する（ステップＳ１）。また、２段圧縮機１１の運転周波数及び電動膨張弁１３の開度をそれぞれ初期設定値に設定し（ステップＳ２）、２段圧縮機１１を運転する（ステップＳ３）。次いで、外気温度検出器３２により外気温度を検出し、蒸発器温度検出器３１により蒸発器温度を検出し（ステップＳ４）、蒸発器温度が除霜開始温度に低下したか判断する（ステップＳ５）。除霜開始温度に到達していないことを確認して定常給湯運転を行う（ステップＳ６）。この定常給湯運転の詳細については後記する。
【００４２】
定常給湯運転が継続されていると、外気温度が低いときには室外熱交換器１４にフロストが発生し、蒸発器温度が低下する。なお、フロスト量と蒸発器温度とは一定の相関関係を有する。そこで、蒸発器温度が予め実験データに基づき設定された除霜開始温度に低下すると、フロスト量が所定量に到達したと判断され、ステップＳ５でＹＥＳと判断され、デフロスト運転に移行する（ステップＳ７）。そして、デフロスト運転終了後、暫定給湯運転（ステップＳ８）を経てステップＳ４に戻り、定常給湯運転が再開される。なお、デフロスト運転及び暫定給湯運転の詳細については後述する。
なお、前記除霜開始温度は、同一蒸発温度であっても外気温度が異なれば、室外熱交換器１４のフロスト量が若干変化するため、外気温度による補正が行われている。例えば、外気温度が０℃では、−１４℃、外気温度が１０℃では、−７℃のように設定される。
【００４３】
次に、定常給湯運転の詳細について図４に従い説明する。
前述の制御により定常給湯運転が始まると、ステップＳ４で検出された外気温度に基づき、所定の基準に従い２段圧縮機１１の運転周波数が決定される（ステップＳ１１）。この基準は、例えば図７に示されるようなものであって、予め選定された目標焚き上げ温度とステップＳ４で検出された外気温度により２段圧縮機１１の運転周波数を自動的に選定するように定められている。
このように、２段圧縮機１１がインバータ駆動圧縮機とされているので、外気温度の変化や目標焚き上げ温度に対しきめ細かく能力制御することができる。
【００４４】
次いで、２段圧縮機１１の電動機保護の観点から、目標吐出ガス温度が所定の基準に従い設定される（ステップＳ１２）。この基準は、例えば、図８に示されるようなものである。すなわち、ステップＳ４で検出された外気温度と、予め選定された目標焚き上げ温度とにより目標吐出ガス温度が自動的に選定される。
【００４５】
また、ステップＳ４の外気温度の検出を一定時間間隔で行わせるための３０分タイマーをスタートさせる（ステップＳ１３）。さらに、高段側圧縮機構部１１ｂからの吐出ガス温度を吐出ガス温度検出器３４により測定する（ステップＳ１４）。測定された吐出ガス温度は、ステップＳ１２で設定された目標吐出ガス温度と比較され、この温度差に基づき電動膨張弁１３の開度が調整される（ステップＳ１５）。そして、目標吐出ガス温度に到達したか判断される（ステップＳ１６）。吐出ガス温度が目標吐出ガス温度に到達していない場合は、ステップＳ１４、Ｓ１５が反復される。吐出ガス温度が目標吐出ガス温度に到達している場合は、前述の３０分タイマーがタイムアップするまで待機して（ステップＳ１７）、終了する。
したがって、外気温度は３０分毎に検出されることになる。また、ステップＳ５による判断、つまり、定常給湯運転を行うか、デフロスト運転を行うかの判断も、３０分毎に行われる。
【００４６】
また、このステップＳ５における判断基準となる除霜開始温度は、３０分毎に検出される外気温度により補正される値に基づき行われることになる。前述のように、外気温度が変わると、室外熱交換器１４の蒸発温度が変わるため、蒸発器温度が同一であっても外気温度によりフロスト量が異なってくるが、このように外気温度に対し補正された除霜開始温度に基づき判断されることにより、フロストの検出が正確に行われる。
【００４７】
さらに、定常運転時における２段圧縮機１１の運転周波数の見直し設定、電動膨張弁１３の開度設定も３０分毎に行われることになるため、定常給湯運転時において、仮に、外気温度が短時間に上下動するようなことがあっても、このような短時間の上下動変化を検出しないので、２段圧縮機１１の能力制御及び電動膨張弁１３の開度制御を安定的に行うことができる。
【００４８】
次に、デフロスト運転の詳細について図５に従い説明する。
前述の制御によりデフロスト運転が始まると、まず、デフロスト運転を一定時間継続した場合に強制的に打ち切るための１２分タイマーをスタートさせる（ステップＳ２１）。次いで、室外送風機１４ａが停止され（ステップＳ２２）、デフロスト回路の電磁開閉弁１６ａ、１７ａが開放される（ステップＳ２３）。また、２段圧縮機１１はそのまま運転が継続されるが、その運転周波数がデフロスト運転用の周波数に変更される（ステップＳ２４）。２段圧縮機１１から吐出される吐出ガス量は、特に制限されるものではないので、例えばデフロスト運転直前の吐出ガス量としてもよいが、吐出ガス量を多くするほど高圧側の熱をより多く短時間に室外熱交換器１４に送ることができるので、２段圧縮機１１のデフロスト運転用の周波数は大きい方が好ましい。このため、ここでは、２段圧縮機１１のデフロスト運転用周波数を、少なくともデフロスト運転直前の定常給湯運転時における運転周波数より大きい適切な値としている。
【００４９】
このようにして吐出ガスが室外熱交換器１４に送られることにより室外熱交換器のデフロストが進み、蒸発器温度が上昇する。また、蒸発器温度とデフロストの進行度合とは一定の相関関係を有している。そこで、蒸発器温度を測定し（ステップＳ２５）、蒸発器温度が除霜終了温度に到達したか否か判断する（ステップＳ２６）。この除霜終了温度は、蒸発器温度とデフロストの進行度合との関係を示す実験データを取得し、このデータに基づきデフロスト完了を示す蒸発器温度を予め設定したものである。
【００５０】
蒸発器温度が除霜終了温度に到達している場合は、デフロスト完了と判断し、デフロスト回路の電磁開閉弁１６ａ、１７ａを閉鎖してデフロスト運転を終了する（ステップＳ２８）。また、蒸発器温度が除霜終了温度に到達していない場合において、１２分タイマーがタイムアップした場合は、蒸発器温度検出器３１による蒸発温度の検出が異常であると判断し、強制的にデフロスト回路の電磁開閉弁１６ａ、１７ａを閉鎖してデフロスト運転を終了する（ステップＳ２７、２８）。
【００５１】
次に、暫定給湯運転について説明する。この暫定給湯運転は、デフロスト運転終了後、定常給湯運転に切り換えるに先立ち行う給湯運転のことである。
より詳しく説明する。デフロスト運転終了と同時に前述の定常給湯運転に移行した場合は、外気温度が低い場合に室外熱交換器１４の表面温度（蒸発器温度）が高くなり、外気温度検出器３２の検出する外気温度が実際の外気温度より高くなり、誤検出となる恐れがある。そこで、暫定給湯運転は、このような誤検出による制御を回避するためのものであって、デフロスト運転終了後の所定時間、室外送風機１４ａを運転するとともに、２段圧縮機１１の運転周波数及び電動膨張弁１３の開度を一定とする給湯運転を行う。なお、外気温度を誤検出する恐れがなくなる状態を待って、２段圧縮機１１の運転周波数制御（能力制御）及び電動膨張弁１３の開度制御を行う定常給湯運転に移行させる。
【００５２】
前述のデフロスト運転が終了して暫定デフロスト運転に入ると、この暫定給湯運転の時間を定める３分タイマーがスタートする（ステップＳ３１）。次いで、２段圧縮機１１の運転周波数をデフロスト運転開始直前の運転周波数に変更するとともに（ステップＳ３２）電動膨張弁１３の開度をデフロスト運転開始直前の開度に変更し（ステップＳ３３）、室外送風機を運転する（ステップＳ３４）。そして、３分タイマーがタイムアップしたときに定常給湯運転に戻るように制御している（ステップＳ３５）。
【００５３】
このように、３分間の暫定給湯運転の間に、デフロスト運転により加温されていた外気温度検出器３２が正常に復帰し、正確な外気温度の検出が可能となる。また、デフロスト運転時間が短時間で行われることから、上記例では、デフロスト運転開始後最大１５分で定常給湯運転に復帰する。このように短時間で定常給湯運転に復帰するので、デフロスト運転の前後において外気温度の変化は大きくないといえる。したがって、この暫定給湯運転においては、２段圧縮機１１の運転周波数をデフロスト運転開始直前の運転周波数に変更し、かつ、電動膨張弁１３の開度をデフロスト運転開始直前の運転周波数に変更していると、次の定常給湯運転時への移行がスムーズに行われることになる。
【００５４】
また、ステップＳ３５により、暫定給湯運転が終了すると、ステップＳ４に戻り、外気温度及び蒸発器温度が検出され蒸発器温度が除霜開始温度に低下していないことを確認して定常給湯運転に戻る。したがって、この時点で、外気温度に対応した２段圧縮機１１の運転周波数が決定され（ステップＳ１２）、電動膨張弁１３の開度が設定される（ステップＳ１５）、さらに、３０分タイマーが改めてスタートすることになるので、暫定運転終了後速やかに安定した定常給湯運転を行うことができる。
【００５５】
変形例．
上記実施の形態は、次のように変形することができる。
（１） 圧縮機は、前記実施の形態において、超臨界冷凍サイクル用２段圧縮機１１としていたが、通常冷凍サイクル用の単段圧縮機であってもよく、この場合、冷媒は自然冷媒でなく他のフロンガス等としてもよい。
（２） デフロスト回路は、前記実施の形態においては、圧縮機吐出ガスを室外熱交換器１４の入口側にバイパスさせるバイパス回路１６、１７を備えたものであったが、このようなバイパス回路を設けずに、単純な冷凍運転を行う冷媒回路とし、デフロスト運転時に電動膨張弁を全開させるようにして、ホットガスを室外熱交換器１４の入口側に送るようにしてもよい。
【００５６】
（３） 暫定給湯運転時における２段圧縮機１１の運転周波数および電動膨張弁１３の開度は、前記実施の形態においては、デフロスト運転開始直前の定常給湯運転時における状態としたが、これに限定されるものではなく、予め定められた所定の運転周波数及び弁開度としてもよい。
（４） 定常給湯運転における外気温度検出の一定時間間隔を定めるための３０分タイマー、デフロスト運転における強制終了手段としての１２分タイマー及び暫定給湯運転の時間を設定する３分タイマーは、それぞれこの時間に限定されるものではなく、適宜変更することは可能である。
【００５７】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成されているので、次のような効果を奏する。
請求項１記載の発明によれば、デフロスト運転を終了した後、室外送風機を回転する暫定運転を行っている間に、蒸発器温度検出器はデフロスト運転終了直後の室外熱交換器の温度による影響が除外され、略正確な外気温度を検出できるようになる。この結果、外気温度を誤検出するようなことがなく、暫定運転終了後速やかに定常の貯湯運転を再開することが可能となる。
【００５８】
また、請求項２記載の発明によれば、給湯運転条件に見合う圧縮機能力の制御を、きめ細かく行うことができ、効率のよい給湯運転を行うことができる。
また、請求項３記載の発明によれば、定常給湯運転時において、仮に、外気温度が短時間に上下動するようなことがあっても、このような短時間の上下動変化を検出しないので、圧縮機の能力制御及び電動膨張弁の開度制御を安定的に行うことができる。
【００５９】
また、請求項４記載の発明によれば、フロストの検出をより正確にすることができるようになる。
また、請求項５記載の発明によれば、暫定運転終了後、短時間の経過で再び外気温度が検出されるようなこともなく、速やかに安定した定常給湯運転を行うことができる。
【００６０】
また、請求項６記載の発明によれば、デフロスト運転の前後において外気温度に大きな差が見込まれないため、暫定給湯運転が次の定常給湯運転時の圧縮機能力及び電動膨張弁の開度と略同一の条件で行われることになり、定常給湯運転への移行がスムーズに行われることになる。
また、請求項７記載の発明によれば、デフロスト運転時、圧縮機高圧側の熱が一気に蒸発器に送られるので、デフロスト運転の時間を短くすることができ、定常給湯運転に速やかに復帰させることができる。
【００６１】
また、請求項８記載の発明によれば、何らかの原因で蒸発器温度検出器が作動不良となっても、定常給湯運転への復帰が保証される。
また、請求項９記載の発明によれば、強制手段を簡易なタイマーにより構成にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るヒートポンプ式給湯装置の回路図である。
【図２】同ヒートポンプ式給湯装置の定常給湯運転時における冷凍サイクルを説明するモリエル線図である。
【図３】同ヒートポンプ式給湯装置の制御装置による給湯運転の制御フローチャートである。
【図４】同制御フローチャートにおける定常給湯運転の詳細フローチャートである。
【図５】同制御フローチャートにおけるデフロスト運転の詳細フローチャートである。
【図６】同制御フローチャートにおける暫定給湯運転の詳細フローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態に係るヒートポンプ式給湯装置における外気温度及び目標焚き上げ温度に対する圧縮機の運転周波数の設定例を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態に係るヒートポンプ式給湯装置における外気温度及び目標吐出ガス温度に対する目標焚き上げ温度の設定例を示す図である。
【符号の説明】
１ 冷凍装置
２ 給湯ユニット
３ 制御装置
１１ （インバータ駆動式）２段圧縮機
１１ａ 低段側圧縮機構部
１１ｂ 高段側圧縮機構部
１２ 高圧側熱交換器
１３ 電動膨張弁
１４ 室外熱交換器
１４ａ 室外送風機
１５ アキュムレータ
１６ バイパス回路
１６ａ 電磁開閉弁
１７ バイパス回路
１７ａ 電磁開閉弁
１８ 吐出配管
１９ （室外熱交換器の入口側の）配管
３１ 蒸発器温度検出器
３２ 外気温度検出器
３４ 吐出ガス温度検出器
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプ式給湯装置、特に、ヒートポンプ式給湯装置における運転制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヒートポンプ式給湯装置は、一般に、圧縮機、圧縮機の吐出ガスにより給湯水を加熱する高圧側熱交換器、電動膨張弁、室外送風機により送風される外気と熱交換して蒸発器として作用する室外熱交換器を順次接続した冷媒回路を具備している。この冷媒回路の室外熱交換器（蒸発器）は、外気温度が低下するとフロストする。このため、ヒートポンプ式給湯装置は、室外熱交換器（蒸発器）のフロストを除去するためのデフロスト回路を設け、このデフロスト回路を作動させるデフロスト運転を行っていた。
【０００３】
デフロスト回路は、圧縮機吐出側のホットガスを室外熱交換器の入口側へバイパスするホットガスバイパス回路である。また、デフロスト運転は、圧縮機を運転し、ホットガスバイパス回路を開き、室外送風機を停止させて行うのが通常である。また、デフロスト運転制御は、蒸発器温度が所定値に到達したかどうかにより、所定フロスト量が発生したかどうか、及びデフロストが完了したかどうかの判断を行っていた。すなわち、蒸発器温度が除霜開始温度（例えば、−７℃）になった場合はフロスト量が所定量以上であると判断し、蒸発器温度が除霜終了温度（例えば、１２℃）になるとデフロストが完了したと判断していた。
【０００４】
一方、給湯負荷は、外気温度の低下に従い増加する。このため、従来のヒートポンプ式給湯装置における定常給湯運転時の運転制御は、外気温度の低下に対応し、予め定められた基準に従い、圧縮機の能力を増大するように圧縮機の能力制御を行っていた。また、このときの運転条件に見合うように電動膨張弁の開度制御を行っていた。なお、外気温度は、室外熱交換器の近傍、かつ外気吸入側に設けられた外気温度検出器により検出されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにデフロスト運転制御を行い、定常給湯運転時に圧縮機の能力制御及び電動膨張弁の開度制御を行うものにおいて、デフロスト運転の完了直後においては、外気温度が低くても（例えば、５℃以下であっても）室外熱交換器の温度は上述のデフロスト完了時の温度（例えば１２℃）となる。また、デフロスト運転中は室外送風機の運転が行われていないため、デフロスト運転終了時に外気温度検出器が近傍に位置する室外熱交換器により加熱されている。このため、デフロスト運転終了直後に時に外気温度検出器により検出される温度が、実際の外気温度より高めに検出される恐れがあった。また、この誤検出により定常給湯運転への復帰が遅れるという恐れがあった。
【０００６】
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであって、外気温度検出器を室外熱交換器の近傍に設け、この検出器により検出される外気温度に対応して圧縮機の能力制御および電動膨張弁の開度制御を行うものにおいて、デフロスト運転終了直後に外気温度検出器が外気温度を誤検出しないようにし、速やかに定常給湯運転を再開可能とすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するために、本発明のヒートポンプ式給湯装置は、圧縮機、圧縮機からの吐出ガスにより給湯水を加熱する高圧側熱交換器、電動膨張弁、室外送風機により送風される外気と熱交換して蒸発器として作用する室外熱交換器を順次接続した主回路、及びホットガスを室外熱交換器に流通させるデフロスト回路を少なくとも備えた冷媒回路と、室外熱交換器の表面温度を蒸発器温度として検出する蒸発器温度検出器と、室外熱交換器に吸入される外気温度を検出するように室外熱交換器の近傍に取り付けられた外気温度検出器と、蒸発器温度検出器により検出される蒸発器温度が室外熱交換器のデフロスト開始値として予め設定された除霜開始温度に低下するまでは、外気温度検出器により検出される外気温度に対応する所定の基準に従い圧縮機の能力制御及び電動膨張弁の開度制御をする定常給湯運転を行い、蒸発器温度検出器により検出される蒸発器温度が除霜開始温度に低下したときには、前記室外送風機を停止させるとともに、デフロスト回路を開放して圧縮機を運転するデフロスト運転を行い、このデフロスト運転時において、蒸発器温度検出器により検出される蒸発器温度が室外熱交換器のデフロスト完了値として予め設定された除霜終了温度に上昇したときに、デフロスト回路を閉鎖してデフロスト運転を停止するとともに、室外送風機の運転を再開し、さらに、圧縮機の能力及び電動膨張弁の開度を所定値として圧縮機を運転する暫定給湯運転を行い、所定時間経過後に前記定常給湯運転を再開する運転制御装置とを具備したものである。
【０００８】
このように構成すれば、デフロスト運転を終了した後、室外送風機を回転する暫定運転を行っている間に、蒸発器温度検出器はデフロスト運転終了直後の室外熱交換器の温度による影響が除外され、略正確な外気温度を検出できるようになる。この結果、外気温度を誤検出するようなことがなく、暫定運転終了後速やかに定常の貯湯運転を再開することが可能となる。
【０００９】
また、前記圧縮機は、インバ−タ駆動とされ、インバータによる運転周波数を変更することにより圧縮機能力が制御されるものであるとしてもよい。
【００１０】
このように構成すると、給湯運転条件に見合う圧縮機能力の制御を、きめ細かく行うことができ、効率のよい給湯運転を行うことができる。
【００１１】
また、前記運転制御装置は、外気温度検出器による外気温度の検出を、定常給湯運転を一定時間経過する毎に行うものとすることができる。
【００１２】
このように構成すれば、定常給湯運転時において、仮に、外気温度が短時間に上下動するようなことがあっても、このような短時間の上下動変化を検出しないので、圧縮機の能力制御及び電動膨張弁の開度制御を安定的に行うことができる。
【００１３】
また、前記運転制御装置は、一定時間毎に測定される外気温度により前記除霜開始温度を補正することもできる。
【００１４】
外気温度が変わると、室外熱交換器の蒸発温度が変わるため、室外熱交換器のフロスト量は、蒸発器温度が同一であっても外気温度によりフロスト量が異なってくる。そこで、本発明のように構成することにより、フロストの検出をより正確にすることができるようになる。
【００１５】
また、前記運転制御装置は、暫定運転終了後に定常給湯運転を再開するにあたり、外気温度を検出し、前記所定の基準に従って外気温度に対応して圧縮機の能力及び電動膨張弁の開度を設定するとともに、一定時間毎に外気温度を検出するための計時をスタートさせることができる。
【００１６】
このように構成すると、定常給湯運転再開当初から、圧縮機の能力及び電動膨張弁の開度が通常の基準に従って設定されることになる。また、外気温度が一定時間毎に検出するための一定時間間隔が新たにスタートする。したがって、暫定運転終了後、短時間の経過で再び外気温度が検出されるようなこともなく、速やかに安定した定常給湯運転を行うことができる。
【００１７】
また、前記運転制御装置は、暫定運転時において、圧縮機の能力及び電動膨張弁の開度を、デフロスト運転直前の定常給湯運転時における状態とすることもできる。
【００１８】
このように構成すると、デフロスト運転の前後において外気温度に大きな差が見込まれないため、暫定給湯運転が次の定常給湯運転時の圧縮機能力及び電動膨張弁の開度と略同一の条件で行われることになり、定常給湯運転への移行がスムーズに行われることになる。
【００１９】
また、前記運転制御装置は、デフロスト運転時において、圧縮機を、デフロスト運転直前の定常給湯運転時における能力以上で運転するものとしてもよい。
【００２０】
このように構成すると、デフロスト運転時、圧縮機高圧側の熱が一気に蒸発器に送られるので、デフロスト運転の時間を短くすることができ、定常給湯運転に速やかに復帰させることができる。
【００２１】
また、前記運転制御装置は、デフロスト運転時において、蒸発器温度検出器により検出される温度が、一定時間以内に除霜終了温度に達しない場合に強制的にデフロスト運転を終了させる強制手段を有してもよい。
【００２２】
このように構成すれば、何らかの原因で蒸発器温度検出器が作動不良となっても、定常給湯運転への復帰が保証される。
【００２３】
また、前記運転制御装置は、前記強制手段がタイマーにより構成されていてもよい。
【００２４】
このように構成すれば、強制手段を簡易なタイマーにより構成にすることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る給湯装置の回路図である。この図１に示すように、実施の形態１に係る給湯装置は、冷凍装置１、給湯ユニット２及び制御装置３を備えたものである。なお、この実施の形態においては、制御装置３は冷凍装置１内に設置されている。また、冷凍装置１と給湯ユニット２とは連絡用水配管５、６により接続されている。
【００２６】
冷凍装置１は、インバータ駆動式２段圧縮機１１、吐出ガス冷媒で給湯水を加熱する高圧側熱交換器１２、電動膨張弁１３、蒸発器として作用する室外熱交換器１４、アキュムレータ１５を順次接続した閉回路（冷媒回路）を備えている。この冷媒回路の内部には、超臨界冷凍サイクルで運転されるように、自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ2）が充填されている。なお、冷凍空調用の代表的な自然冷媒としては、ハイドロカーボン（ＨＣ：プロパンやイソブタンなど）、アンモニア、空気，そして二酸化炭素等が挙げられる。しかしながら、冷媒特性として、ハイドロカーボンとアンモニアはエネルギー効率が良いという反面可燃性や毒性の問題があり、空気は超低温域以外でエネルギー効率が劣るなどといった問題がある。これに対し二酸化炭素は、可燃性や毒性がなく安全である。
【００２７】
２段圧縮機１１は、超臨界冷凍サイクル用に開発されたもので、密閉ハウジング内に低段側圧縮機構部１１ａ、高段側圧縮機構部１１ｂ、これら圧縮機構部１１ａ及び１１ｂを駆動するためのインバータ駆動式電動機１１ｃを内蔵したものである。また、低段側圧縮機構部１１ａの吐出側と高段側圧縮機構部１１ｂの吸入側とは、圧縮機ハウジングの外部に配設された中間連絡配管１１ｄにより連結され、密閉ハウジング内空間は、中間圧力ガス、つまり低段側圧縮機構部１１ａの吐出ガスにより満たされている。なお、このように密閉ハウジング内を中間圧力とした理由は、各圧縮機の各部に作用する力、及び密閉ハウジングの内外間の圧力差を適切な範囲内に保持し、大きな力が作用することを回避したものであり、これにより高信頼性、低振動、低騒音、高効率な圧縮機とすることができる。また、圧縮機の吐出ガス配管（高段側圧縮機構部１１ｂの吐出配管１８）には、吐出ガス温度検出器３４が設けられている。
【００２８】
高圧側熱交換器１２は、高段側圧縮機構部１１ｂから吐出された高圧冷媒を導入する冷媒用熱交換チューブ１２ａと、給湯ユニット２内に配置されている貯湯タンク２１から送水される給湯水を導入する水用熱交換チューブ１２ｂとからなり、両者が熱交換関係に形成されたものである。したがって、高段側圧縮機構部１１ｂから吐出された高温高圧の冷媒ガスは貯湯タンク２１から送水される給湯水により冷却され、この給湯水は高温高圧冷媒が発生する熱により加熱される。
【００２９】
電動膨張弁１３は、高圧側熱交換器１２で冷却された高圧ガス冷媒を減圧するもので、パルスモータにより駆動される。また、後述する制御装置３により開度制御されている。
【００３０】
室外熱交換器１４は、電動膨張弁１３により減圧された低圧の気液混合冷媒を熱源媒体としての外気と熱交換させ、この冷媒を気化させるものである。なお、室外熱交換器１４には室外送風機１４ａが設けられている。また、この室外熱交換器１４には、蒸発器温度検出器３１が設けられている。蒸発器温度検出器３１は、蒸発器温度の変化によりフロスト量（着霜量）を間接的に検出するためのものであって、蒸発器温度として室外熱交換器１４の表面温度を検出する。また、室外熱交換器１４の外気吸入側の近傍には、外気温度を検出する外気温度検出器３２が設けられている。
【００３１】
給湯ユニット２は、貯湯タンク２１、温水循環ポンプ２２、給湯配管２３、給水配管２４を備えている。
そして、貯湯タンク２１の上部及び下部を前記水用熱交換チューブ１２ｂに対し、連絡用水配管５、６を含む温水循環回路Ｐにより接続されている。また、貯湯タンク２１では重力の差により上部になるほど温水温度が高くなる。このため、貯湯タンク２１下部の温度の低い水を水用熱交換チューブ１２ｂに送水し、水用熱交換チューブ１２ｂで加熱された温度の高い水を貯湯タンク２１の上部に導くように、温水循環回路Ｐが形成されるとともに、この温水循環回路Ｐ中に温水循環ポンプ２２が取り付けられている。なお、貯湯タンク２１内上部の温水温度、すなわち焚き上げ温度は、貯湯タンク２１上部に設けられた温水温度検出器３３により測定されている。
【００３２】
給湯配管２３は、温水蛇口、浴槽などに温水を供給するためのものであり、貯湯タンク２１中の高い温度の温水を供給できるように、貯湯タンク２１の上部に接続されている。なお、この給湯回路には開閉弁２５が取り付けられている。
給水配管２４は、貯湯タンク２１内に常時水道水を供給可能とするものであり、逆止弁２６、減圧弁２７を介し貯湯タンク２１の底部に接続されている。
【００３３】
制御装置３は、操作スイッチ（図示せず）が操作されたときに運転開始指令を発信するほか、次のようにヒートポンプ式給湯装置を運転制御する。すなわち、蒸発器温度検出器３１により検出される蒸発器温度が室外熱交換器１４のデフロスト開始値として予め設定された除霜開始温度に低下するまでは、外気温度検出器３２により検出される外気温度に対応して所定の基準に従い２段圧縮機１１の能力制御及び電動膨張弁１３の開度制御をする定常給湯運転を行い、蒸発器温度検出器３１により検出される蒸発器温度が除霜開始温度に低下したときには、室外熱交換器１４のフロスト量が所定値になったと判断してデフロスト運転を行う。また、このデフロスト運転時において、蒸発器温度検出器３１により検出される蒸発器温度が室外熱交換器１４のデフロスト完了値として予め設定された除霜終了温度に上昇したときに、デフロスト運転を停止して室外送風機１４ａの運転を再開し、さらに、２段圧縮機１１の能力及び電動膨張弁１３の開度を所定値として２段圧縮機１１を運転する暫定給湯運転を行う。そして、暫定給湯運転を所定時間行った後定常給湯運転する。
【００３４】
デフロスト装置を構成する要素として、前記冷媒回路には、第１バイパス回路１６及び第２バイパス回路１７からなるデフロスト回路が設けられている。第１バイパス回路１６は、高段側圧縮機構部１１ｂの吐出配管１８と室外熱交換器入口側の配管（つまり、電動膨張弁１３と室外熱交換器１４とを接続する配管）１９との間に設けられており、途中に第１電磁開閉弁１６ａが設けられている。一方、第２バイパス回路１７は、低段側圧縮機構部１１ａの吐出側を高段側圧縮機構部１１ｂの吸入側へ接続する中間連絡配管１１ｄと室外熱交換器入口側の配管１９との間に設けられており、途中に第２電磁開閉弁１７ａが設けられている。なお、この場合、中間連絡配管１１ｄが圧縮機ハウジングの外部に配設されているため、第２バイパス回路１７の接続を容易に行うことができる。
【００３５】
以上のように構成されたヒートポンプ式給湯装置の動作について説明する。
まず、定常給湯運転時における冷凍サイクルについて、図２のモリエル線図を参照しながら説明する。なお、定常給湯運転時における冷媒の流れは、図１における実線矢印のごとくになる。
【００３６】
２段圧縮機１１を構成する低段側圧縮機構部１１ａは、アキュムレータ１５からの低圧ガス（ｒ１）を吸入して中間圧力まで圧縮する（ｒ２）。中間圧力まで圧縮されたガス冷媒（ｒ２）は、中間連絡配管１１ｄにより２段圧縮機１１のハウジング内に導入され、このハウジング内で若干冷却されて（ｒ３）、高段側圧縮機構部１１ｂに吸入され（ｒ３）、超臨界圧力まで圧縮されて高圧側熱交換器１２に送られる（ｒ４）。この高圧ガス（ｒ４）は、高圧側熱交換器１２で貯湯タンク２１から送水される給湯水と熱交換し、高圧冷媒自身は冷却され（ｒ５）、給湯水は加熱されて貯湯タンク２１上部に戻される。
【００３７】
高圧側熱交換器１２で冷却された高圧ガス冷媒（ｒ５）は、電動膨張弁１３で減圧され気液混合ガス冷媒となって室外熱交換器１４に送られる（ｒ６）。室外熱交換器１４に送られた気液混合ガス冷媒（ｒ６）は、外気と熱交換し、外気から熱を汲み上げて気化され、アキュムレータ１５を経て低段側圧縮機構部１１ａに吸入される。なお、アキュムレータ１５は、冷凍サイクル装置起動時に低圧側回路部分に溜まっていた冷媒が圧縮機に吸入されないようにするものである。
【００３８】
以上の冷凍サイクルにより、外気から汲み上げた熱量と２段圧縮機１１における仕事量相当の熱量とが高圧側熱交換器１２で放熱され、この熱量により貯湯タンク２１から送られてくる給湯水が加熱され、温水となって貯湯タンク２１の上部から貯められる。
【００３９】
次に、デフロスト運転時の冷媒の流れについて説明する。図１における波線矢印は、このデフロスト運転時の冷媒の流れを示す。
上記定常給湯運転を外気温度が低い状態で続けていると、徐々に室外熱交換器１４に霜が付着する。この霜の量が一定量になると、蒸発器温度（室外熱交換器１４の表面温度）が室外熱交換器１４のデフロスト開始値として予め設定された除霜開始温度に低下する。蒸発器温度は蒸発器温度検出器３１により検出される。蒸発器温度検出器３１により検出される温度が除霜開始温度になると、制御装置３からデフロスト指令が発せられる。このデフロスト指令により、２段圧縮機１１の運転、室外送風機１４ａの運転、貯湯タンク２１から高圧側熱交換器１２への給湯水の送水など上記定常給湯運転時の運転態様が継続されている状況下、第１バイパス回路１６中の第１電磁開閉弁１６ａ及び第２バイパス回路１７中の第２電磁開閉弁１７ａが開かれる。
【００４０】
このように第１及び第２電磁開閉弁１６ａ、１７ａが開かれた状態では、電磁開閉弁１６ａ、１７ａの冷媒流通抵抗が小さく設定されているので、定常給湯運転時におけるような高低圧力差が殆どなくなり、高低圧力が略バランスされた状態となる。このため、高段側圧縮機構部１１ｂも低段側圧縮機構部１１ａもブロワとして機能する。したがって、２段圧縮機１１を運転することにより、高圧側回路部分、中間圧力部分におけるガス冷媒、電動機１１ｃ等の構成部材に蓄熱されていた熱が、ブロワとして機能する両圧縮機構部１１ａ、１１ｂから供給されるホットガスを媒介として、室外熱交換器１４に送られ、一気に放出される。
これにより室外熱交換器１４に付着していた霜が一気に融かされ、短時間のうちにデフロストが完了される。
【００４１】
次に、制御装置３による運転制御について、図３〜図６に示すフローチャートに基づき具体的に説明する。
給湯運転スイッチがオンされて給湯運転が始まると、室外送風機１４ａを運転する（ステップＳ１）。また、２段圧縮機１１の運転周波数及び電動膨張弁１３の開度をそれぞれ初期設定値に設定し（ステップＳ２）、２段圧縮機１１を運転する（ステップＳ３）。次いで、外気温度検出器３２により外気温度を検出し、蒸発器温度検出器３１により蒸発器温度を検出し（ステップＳ４）、蒸発器温度が除霜開始温度に低下したか判断する（ステップＳ５）。除霜開始温度に到達していないことを確認して定常給湯運転を行う（ステップＳ６）。この定常給湯運転の詳細については後記する。
【００４２】
定常給湯運転が継続されていると、外気温度が低いときには室外熱交換器１４にフロストが発生し、蒸発器温度が低下する。なお、フロスト量と蒸発器温度とは一定の相関関係を有する。そこで、蒸発器温度が予め実験データに基づき設定された除霜開始温度に低下すると、フロスト量が所定量に到達したと判断され、ステップＳ５でＹＥＳと判断され、デフロスト運転に移行する（ステップＳ７）。そして、デフロスト運転終了後、暫定給湯運転（ステップＳ８）を経てステップＳ４に戻り、定常給湯運転が再開される。なお、デフロスト運転及び暫定給湯運転の詳細については後述する。
なお、前記除霜開始温度は、同一蒸発温度であっても外気温度が異なれば、室外熱交換器１４のフロスト量が若干変化するため、外気温度による補正が行われている。例えば、外気温度が０℃では、−１４℃、外気温度が１０℃では、−７℃のように設定される。
【００４３】
次に、定常給湯運転の詳細について図４に従い説明する。
前述の制御により定常給湯運転が始まると、ステップＳ４で検出された外気温度に基づき、所定の基準に従い２段圧縮機１１の運転周波数が決定される（ステップＳ１１）。この基準は、例えば図７に示されるようなものであって、予め選定された目標焚き上げ温度とステップＳ４で検出された外気温度により２段圧縮機１１の運転周波数を自動的に選定するように定められている。
このように、２段圧縮機１１がインバータ駆動圧縮機とされているので、外気温度の変化や目標焚き上げ温度に対しきめ細かく能力制御することができる。
【００４４】
次いで、２段圧縮機１１の電動機保護の観点から、目標吐出ガス温度が所定の基準に従い設定される（ステップＳ１２）。この基準は、例えば、図８に示されるようなものである。すなわち、ステップＳ４で検出された外気温度と、予め選定された目標焚き上げ温度とにより目標吐出ガス温度が自動的に選定される。
【００４５】
また、ステップＳ４の外気温度の検出を一定時間間隔で行わせるための３０分タイマーをスタートさせる（ステップＳ１３）。さらに、高段側圧縮機構部１１ｂからの吐出ガス温度を吐出ガス温度検出器３４により測定する（ステップＳ１４）。測定された吐出ガス温度は、ステップＳ１２で設定された目標吐出ガス温度と比較され、この温度差に基づき電動膨張弁１３の開度が調整される（ステップＳ１５）。そして、目標吐出ガス温度に到達したか判断される（ステップＳ１６）。吐出ガス温度が目標吐出ガス温度に到達していない場合は、ステップＳ１４、Ｓ１５が反復される。吐出ガス温度が目標吐出ガス温度に到達している場合は、前述の３０分タイマーがタイムアップするまで待機して（ステップＳ１７）、終了する。
したがって、外気温度は３０分毎に検出されることになる。また、ステップＳ５による判断、つまり、定常給湯運転を行うか、デフロスト運転を行うかの判断も、３０分毎に行われる。
【００４６】
また、このステップＳ５における判断基準となる除霜開始温度は、３０分毎に検出される外気温度により補正される値に基づき行われることになる。前述のように、外気温度が変わると、室外熱交換器１４の蒸発温度が変わるため、蒸発器温度が同一であっても外気温度によりフロスト量が異なってくるが、このように外気温度に対し補正された除霜開始温度に基づき判断されることにより、フロストの検出が正確に行われる。
【００４７】
さらに、定常運転時における２段圧縮機１１の運転周波数の見直し設定、電動膨張弁１３の開度設定も３０分毎に行われることになるため、定常給湯運転時において、仮に、外気温度が短時間に上下動するようなことがあっても、このような短時間の上下動変化を検出しないので、２段圧縮機１１の能力制御及び電動膨張弁１３の開度制御を安定的に行うことができる。
【００４８】
次に、デフロスト運転の詳細について図５に従い説明する。
前述の制御によりデフロスト運転が始まると、まず、デフロスト運転を一定時間継続した場合に強制的に打ち切るための１２分タイマーをスタートさせる（ステップＳ２１）。次いで、室外送風機１４ａが停止され（ステップＳ２２）、デフロスト回路の電磁開閉弁１６ａ、１７ａが開放される（ステップＳ２３）。また、２段圧縮機１１はそのまま運転が継続されるが、その運転周波数がデフロスト運転用の周波数に変更される（ステップＳ２４）。２段圧縮機１１から吐出される吐出ガス量は、特に制限されるものではないので、例えばデフロスト運転直前の吐出ガス量としてもよいが、吐出ガス量を多くするほど高圧側の熱をより多く短時間に室外熱交換器１４に送ることができるので、２段圧縮機１１のデフロスト運転用の周波数は大きい方が好ましい。このため、ここでは、２段圧縮機１１のデフロスト運転用周波数を、少なくともデフロスト運転直前の定常給湯運転時における運転周波数より大きい適切な値としている。
【００４９】
このようにして吐出ガスが室外熱交換器１４に送られることにより室外熱交換器のデフロストが進み、蒸発器温度が上昇する。また、蒸発器温度とデフロストの進行度合とは一定の相関関係を有している。そこで、蒸発器温度を測定し（ステップＳ２５）、蒸発器温度が除霜終了温度に到達したか否か判断する（ステップＳ２６）。この除霜終了温度は、蒸発器温度とデフロストの進行度合との関係を示す実験データを取得し、このデータに基づきデフロスト完了を示す蒸発器温度を予め設定したものである。
【００５０】
蒸発器温度が除霜終了温度に到達している場合は、デフロスト完了と判断し、デフロスト回路の電磁開閉弁１６ａ、１７ａを閉鎖してデフロスト運転を終了する（ステップＳ２８）。また、蒸発器温度が除霜終了温度に到達していない場合において、１２分タイマーがタイムアップした場合は、蒸発器温度検出器３１による蒸発温度の検出が異常であると判断し、強制的にデフロスト回路の電磁開閉弁１６ａ、１７ａを閉鎖してデフロスト運転を終了する（ステップＳ２７、２８）。
【００５１】
次に、暫定給湯運転について説明する。この暫定給湯運転は、デフロスト運転終了後、定常給湯運転に切り換えるに先立ち行う給湯運転のことである。
より詳しく説明する。デフロスト運転終了と同時に前述の定常給湯運転に移行した場合は、外気温度が低い場合に室外熱交換器１４の表面温度（蒸発器温度）が高くなり、外気温度検出器３２の検出する外気温度が実際の外気温度より高くなり、誤検出となる恐れがある。そこで、暫定給湯運転は、このような誤検出による制御を回避するためのものであって、デフロスト運転終了後の所定時間、室外送風機１４ａを運転するとともに、２段圧縮機１１の運転周波数及び電動膨張弁１３の開度を一定とする給湯運転を行う。なお、外気温度を誤検出する恐れがなくなる状態を待って、２段圧縮機１１の運転周波数制御（能力制御）及び電動膨張弁１３の開度制御を行う定常給湯運転に移行させる。
【００５２】
前述のデフロスト運転が終了して暫定デフロスト運転に入ると、この暫定給湯運転の時間を定める３分タイマーがスタートする（ステップＳ３１）。次いで、２段圧縮機１１の運転周波数をデフロスト運転開始直前の運転周波数に変更するとともに（ステップＳ３２）電動膨張弁１３の開度をデフロスト運転開始直前の開度に変更し（ステップＳ３３）、室外送風機を運転する（ステップＳ３４）。そして、３分タイマーがタイムアップしたときに定常給湯運転に戻るように制御している（ステップＳ３５）。
【００５３】
このように、３分間の暫定給湯運転の間に、デフロスト運転により加温されていた外気温度検出器３２が正常に復帰し、正確な外気温度の検出が可能となる。また、デフロスト運転時間が短時間で行われることから、上記例では、デフロスト運転開始後最大１５分で定常給湯運転に復帰する。このように短時間で定常給湯運転に復帰するので、デフロスト運転の前後において外気温度の変化は大きくないといえる。したがって、この暫定給湯運転においては、２段圧縮機１１の運転周波数をデフロスト運転開始直前の運転周波数に変更し、かつ、電動膨張弁１３の開度をデフロスト運転開始直前の運転周波数に変更していると、次の定常給湯運転時への移行がスムーズに行われることになる。
【００５４】
また、ステップＳ３５により、暫定給湯運転が終了すると、ステップＳ４に戻り、外気温度及び蒸発器温度が検出され蒸発器温度が除霜開始温度に低下していないことを確認して定常給湯運転に戻る。したがって、この時点で、外気温度に対応した２段圧縮機１１の運転周波数が決定され（ステップＳ１２）、電動膨張弁１３の開度が設定される（ステップＳ１５）、さらに、３０分タイマーが改めてスタートすることになるので、暫定運転終了後速やかに安定した定常給湯運転を行うことができる。
【００５５】
変形例．
上記実施の形態は、次のように変形することができる。
（１） 圧縮機は、前記実施の形態において、超臨界冷凍サイクル用２段圧縮機１１としていたが、通常冷凍サイクル用の単段圧縮機であってもよく、この場合、冷媒は自然冷媒でなく他のフロンガス等としてもよい。
（２） デフロスト回路は、前記実施の形態においては、圧縮機吐出ガスを室外熱交換器１４の入口側にバイパスさせるバイパス回路１６、１７を備えたものであったが、このようなバイパス回路を設けずに、単純な冷凍運転を行う冷媒回路とし、デフロスト運転時に電動膨張弁を全開させるようにして、ホットガスを室外熱交換器１４の入口側に送るようにしてもよい。
【００５６】
（３） 暫定給湯運転時における２段圧縮機１１の運転周波数および電動膨張弁１３の開度は、前記実施の形態においては、デフロスト運転開始直前の定常給湯運転時における状態としたが、これに限定されるものではなく、予め定められた所定の運転周波数及び弁開度としてもよい。
（４） 定常給湯運転における外気温度検出の一定時間間隔を定めるための３０分タイマー、デフロスト運転における強制終了手段としての１２分タイマー及び暫定給湯運転の時間を設定する３分タイマーは、それぞれこの時間に限定されるものではなく、適宜変更することは可能である。
【００５７】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成されているので、次のような効果を奏する。
請求項１記載の発明によれば、デフロスト運転を終了した後、室外送風機を回転する暫定運転を行っている間に、蒸発器温度検出器はデフロスト運転終了直後の室外熱交換器の温度による影響が除外され、略正確な外気温度を検出できるようになる。この結果、外気温度を誤検出するようなことがなく、暫定運転終了後速やかに定常の貯湯運転を再開することが可能となる。
【００５８】
また、請求項２記載の発明によれば、給湯運転条件に見合う圧縮機能力の制御を、きめ細かく行うことができ、効率のよい給湯運転を行うことができる。
また、請求項３記載の発明によれば、定常給湯運転時において、仮に、外気温度が短時間に上下動するようなことがあっても、このような短時間の上下動変化を検出しないので、圧縮機の能力制御及び電動膨張弁の開度制御を安定的に行うことができる。
【００５９】
また、請求項４記載の発明によれば、フロストの検出をより正確にすることができるようになる。
また、請求項５記載の発明によれば、暫定運転終了後、短時間の経過で再び外気温度が検出されるようなこともなく、速やかに安定した定常給湯運転を行うことができる。
【００６０】
また、請求項６記載の発明によれば、デフロスト運転の前後において外気温度に大きな差が見込まれないため、暫定給湯運転が次の定常給湯運転時の圧縮機能力及び電動膨張弁の開度と略同一の条件で行われることになり、定常給湯運転への移行がスムーズに行われることになる。
また、請求項７記載の発明によれば、デフロスト運転時、圧縮機高圧側の熱が一気に蒸発器に送られるので、デフロスト運転の時間を短くすることができ、定常給湯運転に速やかに復帰させることができる。
【００６１】
また、請求項８記載の発明によれば、何らかの原因で蒸発器温度検出器が作動不良となっても、定常給湯運転への復帰が保証される。
また、請求項９記載の発明によれば、強制手段を簡易なタイマーにより構成にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るヒートポンプ式給湯装置の回路図である。
【図２】同ヒートポンプ式給湯装置の定常給湯運転時における冷凍サイクルを説明するモリエル線図である。
【図３】同ヒートポンプ式給湯装置の制御装置による給湯運転の制御フローチャートである。
【図４】同制御フローチャートにおける定常給湯運転の詳細フローチャートである。
【図５】同制御フローチャートにおけるデフロスト運転の詳細フローチャートである。
【図６】同制御フローチャートにおける暫定給湯運転の詳細フローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態に係るヒートポンプ式給湯装置における外気温度及び目標焚き上げ温度に対する圧縮機の運転周波数の設定例を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態に係るヒートポンプ式給湯装置における外気温度及び目標吐出ガス温度に対する目標焚き上げ温度の設定例を示す図である。
【符号の説明】
１ 冷凍装置
２ 給湯ユニット
３ 制御装置
１１ （インバータ駆動式）２段圧縮機
１１ａ 低段側圧縮機構部
１１ｂ 高段側圧縮機構部
１２ 高圧側熱交換器
１３ 電動膨張弁
１４ 室外熱交換器
１４ａ 室外送風機
１５ アキュムレータ
１６ バイパス回路
１６ａ 電磁開閉弁
１７ バイパス回路
１７ａ 電磁開閉弁
１８ 吐出配管
１９ （室外熱交換器の入口側の）配管
３１ 蒸発器温度検出器
３２ 外気温度検出器
３４ 吐出ガス温度検出器
Claims (9)
- 圧縮機、圧縮機からの吐出ガスにより給湯水を加熱する高圧側熱交換器、電動膨張弁、室外送風機により送風される外気と熱交換して蒸発器として作用する室外熱交換器を順次接続した主回路、及びホットガスを室外熱交換器に流通させるデフロスト回路を少なくとも備えた冷媒回路と、
室外熱交換器の表面温度を蒸発器温度として検出する蒸発器温度検出器と、
室外熱交換器に吸入される外気温度を検出するように室外熱交換器の近傍に取り付けられた外気温度検出器と、
蒸発器温度検出器により検出される蒸発器温度が室外熱交換器のデフロスト開始値として予め設定された除霜開始温度に低下するまでは、外気温度検出器により検出される外気温度に対応する所定の基準に従い圧縮機の能力制御及び電動膨張弁の開度制御をする定常給湯運転を行い、蒸発器温度検出器により検出される蒸発器温度が除霜開始温度に低下したときには、前記室外送風機を停止させるとともに、デフロスト回路を開放して圧縮機を運転するデフロスト運転を行い、このデフロスト運転時において、蒸発器温度検出器により検出される蒸発器温度が室外熱交換器のデフロスト完了値として予め設定された除霜終了温度に上昇したときに、デフロスト回路を閉鎖してデフロスト運転を停止するとともに、室外送風機の運転を再開し、さらに、圧縮機の能力及び電動膨張弁の開度を所定値として圧縮機を運転する暫定給湯運転を行い、所定時間経過後に前記定常給湯運転を再開する運転制御装置と
を具備したヒートポンプ式給湯装置。 - 前記圧縮機は、インバ−タ駆動とされ、インバータによる運転周波数を変更することにより圧縮機能力が制御されるものである請求項１記載のヒートポンプ式給湯装置。
- 前記運転制御装置は、外気温度検出器による外気温度の検出を、定常給湯運転を一定時間経過する毎に行う請求項１又は２記載のヒートポンプ式給湯装置。
- 前記運転制御装置は、一定時間毎に測定される外気温度により前記除霜開始温度を補正する請求項３記載のヒートポンプ式給湯装置。
- 前記運転制御装置は、暫定運転終了後に定常給湯運転を再開するにあたり、外気温度を検出し、前記所定の基準に従って外気温度に対応して圧縮機の能力及び電動膨張弁の開度を設定するとともに、一定時間毎に外気温度を検出するための計時をスタートさせる請求項３記載のヒートポンプ式給湯装置。
- 前記運転制御装置は、暫定運転時において、圧縮機の能力及び電動膨張弁の開度を、デフロスト運転直前の定常給湯運転時における状態とする請求項１〜５のいずれか１項記載のヒートポンプ式給湯装置。
- 前記運転制御装置は、デフロスト運転時において、圧縮機を、デフロスト運転直前の定常給湯運転時における能力以上で運転する請求項１〜６のいずれか１項記載のヒートポンプ式給湯装置。
- 前記運転制御装置は、デフロスト運転時において、蒸発器温度検出器により検出される温度が、一定時間以内に除霜終了温度に達しない場合に強制的にデフロスト運転を終了させる強制手段を有する請求項１〜７のいずれか１項記載のヒートポンプ式給湯装置。
- 前記運転制御装置は、前記強制手段がタイマーにより構成されている請求項８記載のヒートポンプ式給湯装置。
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