JP4583409B2 - ヒートポンプ式融雪装置 - Google Patents

Description

この発明は、冷凍サイクルを用いたヒートポンプにより昇温した温水を循環させるロードヒーティング融雪装置であるヒートポンプ融雪機に関する。

寒冷地において、住宅敷地内除雪作業は多大な費用、時間、労力が費やされる。高齢化が進む中、作業を依頼した場合人的対応に限界がある。現在、融雪用ロードヒーターとして灯油ボイラー式、電気ヒーター式があるが、これらは昨今の原油高騰もありランニングコストが上昇し、また地球温暖化という環境面から高効率の融雪システムが求められている。

従来の融雪処理装置は、道路の地下に設置された下水管の一部が第１配管を介して地上に設けられた送風手段に接続されていると共に、この送風手段が第２配管を介して道路の側帯の下方部に道路の長手方向に配設された中空構造の縁石を送風ダクトとして接続され、この送風ダクトの内部に可撓性有孔細管の輸送配管が挿入されていると共に、縁石間に高通気性目地が設けられ、送風手段は、蒸気発生手段と噴霧装置を備えた自然冷媒熱源ヒートポンプ装置に内蔵されていると共に、この自然冷媒熱源ヒートポンプ装置が地上に設置されている融雪処理装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−３２５６４７号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の融雪処理装置は、融雪に使用する蒸気を得るために自然冷媒熱源ヒートポンプ装置によって８０℃〜９０℃の高温水を生成する必要があるため、ヒートポンプの消費電力量が大きくなるという課題があった。また、従来の融雪処理装置は、融雪部の大面積への省電力での対応が難しいという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、融雪部の大面積への対応と省電力を図ることができるヒートポンプ式融雪装置を提供することを目的とする。

この発明に係るヒートポンプ式融雪装置は、地面の下に設置され内部を２次熱媒体が循環する融雪パイプを有する融雪部と、この融雪部の融雪パイプへ２次熱媒体を循環させるポンプと、２次熱媒体と冷凍サイクルの冷媒とが熱交換を行う融雪用熱交換器と、圧縮機と、室外熱交換器と、膨張機構と、熱源機制御装置とからなる熱源機と、融雪部に送出される２次熱媒体を加熱するヒータと、融雪部から戻る２次熱媒体の温度を検出する２次熱媒体温度センサとを備え、圧縮機と、融雪用熱交換器と、電子膨張弁と、室外熱交換器とを順に接続して冷凍サイクルを構成し、熱源機制御装置は、熱源機の圧縮機を最大回転数で運転しても、２次熱媒体温度センサの検出する２次熱媒体温度が設定値に達しない場合、ヒータを動作させるものである。

この発明に係るヒートポンプ式融雪装置は、熱源機制御装置は、熱源機の圧縮機を最大回転数で運転しても、２次熱媒体温度センサの検出する２次熱媒体温度が設定値に達しない場合、ヒータを動作させるので、融雪部の大面積への対応と省電力を図ることができる。

実施の形態１．
図１乃至図１０は実施の形態１を示す図で、図１はヒートポンプ式融雪装置２０の全体構成図、図２はヒートポンプ式融雪装置２０の冷媒回路と温水回路のブロック図冷媒回路および２次熱媒体回路である温水回路の構成図、図３はヒートポンプ式融雪装置２０の制御系の接続関係を示すブロック図、図４は熱源機リモコン１９の製品の一例を示す正面図、図５は熱源機３０の運転制御フローを示す図、図６は温水回路のヒータ８０の動作を説明するタイムチャート図（（ａ）は戻り水温、（ｂ）は圧縮機運転周波回転数、（ｃ）はヒータ８０のＯＮ／ＯＦＦ）、図７は熱源機３０を１号機、２号機からＮ号機まで同時に運転制御する場合の接続方法を示す図、図８は熱源機３０を架台６０に設置した状態を示す斜視図、図９は架台６０の斜視図、図１０は熱源機３０の斜視図、図１１はサービスパネル９０の拡大図である、図１２はピークカット時間帯の通電遮断設定パターンを説明する図である。

図１において、ヒートポンプ式融雪装置２０は、室外機１５と温水ユニット１６とが一体に組合された熱源機３０を備える。室外機１５と温水ユニット１６の構成は後述する。

また、ヒートポンプ式融雪装置２０は、温水ユニット１６に収納される融雪用熱交換器（図示せず）に接続される融雪パイプ７ａを有する融雪部７を備える。融雪部７には、地中の温度を検知する地中温度センサ１７を設けてもよい。融雪部７は、住宅や店舗に近接接ししたて路面下に設置される。例えば住宅の玄関前や店舗入口前の路面を含む地中へ面の下に敷設される。

また、ヒートポンプ式融雪装置２０は、温水ユニット１６と融雪部７との間に、温水ユニット１６から送出される２次熱媒体である温水（不凍液であり、２次熱媒体としての一例である）を加熱するヒータ８０を備える。ヒータ８０は、室外機１５の能力を補うもので、融雪部７に送出するる温水が設定値された温度に達しない場合に動作させるものである。

また、ヒートポンプ式融雪装置２０は、降雪を検知する降雪センサ１４と、降雪センサ制御装置１３とを備える。降雪センサ１４は、屋根からの落雪や飛ばされてきた雪の影響を受けにくい屋外（例えば住宅の外壁面等）に設置されるが、熱源機３０または後述する架台６０に一体に設けてもよい。

温水ユニット１６は、融雪部７から温水ユニット１６に戻る戻り水（戻り２次熱媒体）の温度を検出する戻り水温センサ８３（２次熱媒体温度センサの一例）を備える。

さらに、ヒートポンプ式融雪装置２０は、住宅や店舗の室内に設置される熱源機リモコン１９を備える。熱源機リモコン１９は熱源機３０を遠隔制御する。熱源機リモコン１９は、ヒートポンプ式融雪装置２０の入／切スイッチ（図示せず）を有する。この入／切スイッチを切にした場合は、ヒートポンプ式融雪装置２０は、停止する。また、入／切スイッチを入にした場合は、熱源機３０は降雪センサ１４の制御信号に基づいて運転を行う。但し、ヒートポンプ式融雪装置２０の据付時に、温水ユニット１６が持つ２次熱媒体である水が循環する温水回路の予熱運転制御の有効／無効を切替える切替手段（予熱運転設定スイッチ９０ｅ（図１１参照））が有効に設定された場合は、降雪センサ１４の制御信号がオフＯＦＦでも、温水ユニット１６は動作する。また、戻り水温（戻り水温センサ８３が検出する温度）が設定値された温度２（設定値２；例えば、０〜８℃）に達しない場合は、室外機１５も動作する。

熱源機リモコン１９は、表示部（図示せず）を有し、表示部はヒートポンプ式融雪装置２０の運転の有無、異常等の表示を行う。

次に、ヒートポンプ式融雪装置２０を運転するための電源について言及する。降雪センサ１４用の電源は、通常の家庭用電源である。熱源機３０用の電源は、専用の融雪用電源を使用することが多い。熱源機リモコン１９の電源も融雪用電源を使用する。融雪用電源は、例えば１６時から２１時の間に、合計２時間のピークカットがある。ピークカットのパターンは１５分単位で任意に選択可能である。

次に、図２により熱源機３０の１次熱媒体である冷媒が循環する冷媒回路と前述した温水回路の構成を説明する。熱源機３０の冷媒回路は、低温低圧のガス冷媒を吸入して圧縮し高温高圧のガス冷媒を吐出する圧縮機１と、冷媒の流れる方向を切り替える四方弁２と、融雪用の架台６０のオプション部品として、雪よけの屋根８２を用意している。屋根８２は、熱源機３０の上面に取り付けられる。屋根８２により熱源機３０への積雪を抑制できるので、前述した温水回路への不凍液または水の補充を行う場合に、温水回路中（例えば温水ユニット）に設けられ２次熱媒体である水（不凍液、またはブラインとも呼ばれ言い、具体的には、例えばプロピレングリコール３０〜６０％水溶液）と１次熱媒体である冷媒とが熱交換を行う融雪用熱交換器４（温水ユニット１６に収納される）と、冷媒を膨張させる膨張機構である電子膨張弁５と、冷媒と外気が熱交換する室外熱交換器６とを順次接続して冷凍サイクルを構成する。圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器６、電子膨張弁５は室外機１５に設置される。融雪用熱交換器４は温水ユニット１６に設置される。冷媒には、ＨＦＣ系のＲ３２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０４Ａといった単一冷媒や混合冷媒、又は二酸化炭素、炭化水素等の自然冷媒を使用する。自然冷媒を用いることにより、地球環境保護により一層寄与することができる。

次に、本実施の形態における冷媒回路の構成を説明する。また、融雪用の温水回路の上部には（架台６０のオプション部品として、雪よけの屋根８２を用意している。屋根８２は、熱源機３０の上面に取り付けられる。屋根８２により熱源機３０への積雪を抑制できるので、前述した温水回路への不凍液または水の補充を行う場合に、温水回路中（例えば温水ユニット）に設けられ２次熱媒体回路）は、融雪用の温水（架台６０のオプション部品として、雪よけの屋根８２を用意している。屋根８２は、熱源機３０の上面に取り付けられる。屋根８２により熱源機３０への積雪を抑制できるので、前述した温水回路への不凍液または水の補充を行う場合に、温水回路中（例えば温水ユニット）に設けられ２次熱媒体）と冷媒とが熱交換を行う融雪用熱交換器４と、融雪部７の融雪パイプ７ａと、温水を循環させるポンプ８とを備える。融雪用熱交換器４と、ポンプ８とが温水ユニット１６に設けられる。

即ち、図２に示すように、圧縮機１の吐出側に一端が接続された四方弁２を介して室外熱交換器６が接続される。この室外熱交換器６に電子膨張弁５を介して融雪用熱交換器４が接続され、この融雪用熱交換器４の他端は四方弁２に接続されて冷媒回路が構成される。ここで、四方弁２は融雪運転で室外熱交換器に着いた霜によって融雪能力が低下するためにある程度定期的に実施する霜取り運転で冷媒の流れを切り替えるために使用される。

一方、融雪用の温水回路は前述の融雪用熱交換器４と、融雪部７の融雪パイプ７ａと、温水を循環させるポンプ８とを備える。融雪部７の融雪パイプ７ａの一端は、融雪用熱交換器４に接続され、他端はポンプ８を介して融雪用熱交換器４に接続され架台６０のオプション部品として、雪よけの屋根８２を用意している。屋根８２は、熱源機３０の上面に取り付けられる。屋根８２により熱源機３０への積雪を抑制できるので、前述した温水回路への不凍液または水の補充を行う場合に、作業性が向上する。温水回路中（例えば温水ユニット）に設けられ、２次熱媒体である温水を循環する構成である。融雪用熱交換器４と、ポンプ８とが温水ユニット１６に設けられる。

図３によりヒートポンプ式融雪装置２０の制御入出力演算動作の概要を説明する。熱源機制御装置５０は、熱源機リモコン１９、及び各センサからの信号が入力される入力部５１と、入力部５１に入力された信号に基づいてヒートポンプ式融雪装置２０の運転に必要な指令を演算する演算部５２と、この指令を冷媒回路及び温水回路に出力する出力部５３とを備える。

熱源機リモコン１９は、融雪部７から温水ユニット１６、詳しくは温水ユニット１６に設けられたポンプに戻る戻り水（戻ってくる２次熱媒体の）温度を設定する設定部である水温設定部１９ａと、ヒートポンプ式融雪装置２０の運転の入／切を切替える入／切切替部１９ｂと、ヒートポンプ式融雪装置２０の異常を表示する異常表示部１９ｃとを備える。

熱源機リモコン１９の製品の一例を図４に示す。水温設定部１９ａは、この例では温水温度を約４目盛相当連続的に変化させることができる。

入／切切替部１９ｂは、例えば熱源機３０の入／切の設定ができるスイッチである。スイッチを切に設定した場合は、ヒートポンプ式融雪装置２０は全ての動作を停止する。スイッチを入に設定した場合は、既に若干触れたが、降雪センサ制御装置１３からオンＯＮ信号が熱源機制御装置５０の入力部５１に送信された場合、熱源機３０は融雪運転を行う。また、降雪センサ制御装置１３からオフＯＦＦ信号が熱源機制御装置５０の入力部５１に送信された場合でも、ヒートポンプ式融雪装置２０の据付時に予熱運転制御が有効に設定されている場合は、少なくとも温水ユニット１６は運転を行う。戻り水温センサ８３の検出値が設定値（設定された温度）より低い場合は、室外機１５も運転を行う。

異常表示部１９ｃは、図４の例では、運転中はランプが点灯する。停止中はランプが消灯する。温水回路を循環する循環液（２次熱媒体である温水）の量が不足するとランプが１回点滅する。この場合は、使用者等が循環液の補充を行う。また、部品の不具合が発生すると２〜７回点滅する。点滅回数で、どの部品に不具合があるか解るようになっている。

熱源機リモコン１９の水温設定部１９ａから温水温度の設定値が熱源機制御装置５０の入力部５１に送信される。また、入／切切替部１９ｂから、ヒートポンプ式融雪装置２０の運転の入／切の信号が熱源機制御装置５０の入力部５１に送信される。

降雪センサ１４は、水分センサ１４ａと降雪センサ用外気温度センサ１４ｂとを備える（図３）。降雪センサ１４は、水分と外気温（０℃以下）を検知した場合に降雪状態とみなし降雪信号を出力する。また、降雪センサ１４は、赤外線を利用するもの等他の方式のものであってもよく、その出力が降雪の検出時に無電圧の接点であるものがよい。

降雪センサ制御装置１３に、降雪センサ１４と地中温度センサ１７との信号が入力される。降雪センサ制御装置１３は、熱源機制御装置５０の入力部５１と有線で接続されている。具体的には、室外機１５内制御部の運転指令入力用端子台と降雪センサ制御装置１３とが有線で接続されている。

降雪センサ制御装置１３からの熱源機制御装置５０の入力部５１への信号は、以下の通りである。
（１）降雪センサ制御装置１３が自動設定の場合
降雪センサ制御装置１３が降雪を検出すると、熱源機制御装置５０の入力部５１へ運転指令を送信する。
降雪センサ制御装置１３が降雪を検出しない場合は、熱源機制御装置５０の入力部５１へ運転指令を送信しない。
（２）降雪センサ制御装置１３が連続設定の場合
使用者が降雪センサ制御装置１３で融雪運転を指令するため、降雪の有無に関係なく降雪センサ制御装置１３は熱源機制御装置５０の入力部５１へ運転指令を送信する。

温水ユニット１６に設けられた戻り水温センサ８３の信号が、熱源機制御装置５０の入力部５１へ送信される。例えば、予熱運転が設定されている場合、降雪センサ制御装置１３からの運転指令がない場合でも、戻り水温センサ８３が検知する温水ユニット１６（ポンプ８）への戻り水温センサ８３が検知する戻り水温が設定値２された温度（設定値２；例えば、０〜８℃）以上になるように熱源機３０を運転する。予熱運転は、ヒートポンプ式融雪装置２０の融雪運転の立上りを早くするために行うものである。

冷媒回路の室外熱交換器６の吸入側に外気温度センサ３１が設けられる。また、電子膨張弁５と室外熱交換器６との間の冷媒配管に冷媒温度センサ３２（霜取りセンサとも呼ぶ）が設けられる（図２）。冷媒温度センサ３２の位置は、電子膨張弁５と室外熱交換器６の中間付近との間であれば何処でもよい。

通常、ヒートポンプ式融雪装置２０は、定期的に室外熱交換器６の霜取りを行う。しかし、外気温度が低い場合は、空気中の水分が少ないため室外熱交換器６に霜が付き難い。そこで、外気温度が低い場合は、室外熱交換器６の霜の付着状態を見て、必要な場合に霜取りを行う。室外熱交換器６の霜の付着状態を、外気温度センサ３１と冷媒温度センサ３２とを用いて間接的に検出する。室外熱交換器６に着霜すると熱交換性能が悪化する。そのため、室外熱交換器６の冷媒温度は低下する。例えば、外気温度センサ３１と冷媒温度センサ３２との温度差を演算し、この温度差が所定値（例えば、１０℃ｄｅｇ）を超えた場合、霜取りが必要と判断する。

熱源機制御装置５０は、熱源機リモコン１９、及び各センサから入力部５１に入力される信号に基づいて、演算部５２においてヒートポンプ式融雪装置２０の運転に必要な演算を行う。演算結果は、出力部５３から熱源機リモコン１９、室外機１５の冷媒回路の各要素（圧縮機１、四方弁２、電子膨張弁５）、温水ユニット１６のポンプ８へ送信される。

図３に示すように、熱源機制御装置５０は、出力部５３から次号熱源機への運転指令９５を出力する機能を持つ。この機能は、熱源機３０を複数台使用する場合に必要となるものである。降雪センサ制御装置１３から受けた自らの運転指令と同じ運転指令を次号熱源機へ出力する。

次に、ヒートポンプ式融雪装置２０の動作について説明する。融雪運転時には、圧縮機１から出た高温高圧の冷媒は融雪用熱交換器４で２次熱媒体である水（不凍液）に放熱して凝縮液化する。その後、電子膨張弁５で低圧低温の二相冷媒となり、室外熱交換器６へ流入、ここで外気から吸熱して冷媒は蒸発ガス化して再び圧縮機１へ戻る。

高圧冷媒を低圧冷媒に膨張させる膨張機構である電子膨張弁５は、圧縮機１出口の配管温度（吐出管温度）または圧縮機１頂部のシェル温度が予め設定されている目標温度となるようにその開度をフィードバック制御する。

融雪用熱交換器４の温水コイルで概２０〜４０℃程度に加熱された温水は、温水ポンプ８によって室外機１５から融雪部７に敷設された融雪パイプ７ａに流入する。融雪部７は住宅の玄関前や駐車スペースおよびこれらと道路との間のアプローチ部分、さらには店舗入口前などの地面（路面を含む）の下に設置されており、融雪パイプ７ａ内を循環する温水からの放熱によって、雪が積もらないよう設置した地表面が０℃より高い温度に維持される。

熱源機制御装置５０による熱源機３０の運転（融雪用熱交換器４での熱交換運転）は、以下の場合に実施される。熱源機リモコン１９の運転スイッチが入で、
（１）降雪を検出した降雪センサ制御装置１３からの運転指令を受けた場合；
（２）使用者が降雪センサ制御装置１３で融雪運転を指令した場合；
（３）使用者が予熱運転を設定している場合。

予熱運転は、降雪センサ制御装置１３からの運転指令がない場合でも温水ユニット１６への戻り水温（戻り２次熱媒体の温度）がある設定温度以上になるように運転する。路盤設置した地面（路面を含む）の表面温度を０℃以上に保つことで、非降雪時の地面や路面の凍結を防ぐと共に、地盤や路盤の蓄熱効果により降雪時の素早い融雪を可能とする。予熱運転時は、省電力の観点から、効率の悪いヒータ８０は使用しない。

熱源機３０の運転制御フローは、図５のようになる。先ず、Ｓ１０において、熱源機３０の立ち上げ処理を行う。立ち上げ処理は、例えば電子膨張弁５、マイコン（熱源機制御装置５０等の）の初期設定等である。Ｓ１１で外部運転指令（降雪センサ制御装置１３からの指令）がＯＮか判断し、ＯＮの場合はＳ１２に進み、戻り水温が設定された温度（設定値１；（例えば、１０〜２５℃））と比較する。戻り水温が設定値１以上であれば、Ｓ３０に進み停止処理を行う。停止処理は、例えば次回の始動時に圧縮機１が始動しやすいように、電子膨張弁５を開けて冷媒回路を均圧化する処理である。Ｓ１２で戻り水温が設定値１未満であれば、Ｓ１３に進み熱源機３０が運転中か判断する。熱源機３０が運転中であれば、戻り水温と設定値１との温度差に応じた圧縮機１の容量制御を行う（Ｓ１５）。Ｓ１５からは、Ｓ１１に戻る。

Ｓ１１で外部運転指令（降雪センサ制御装置１３からの指令）がＯＦＦの場合は、Ｓ１６に進み熱源機３０の予熱運転設定が有効か判断する。予熱運転設定が有効の場合は、Ｓ１７に進み戻り水温と設定された温度（設定値２（；例えば、０〜８℃）とを比較する。戻り水温が設定値２以上であれば、Ｓ３０で停止処理を行う。Ｓ１７で戻り水温が設定値２未満であれば、Ｓ１８に進み熱源機３０が運転中か判断する。熱源機３０が運転中であれば、Ｓ１９に進み戻り水温と設定値２との温度差に応じた圧縮機１の容量制御を行う（Ｓ１９）。Ｓ１９からは、Ｓ１１に戻る。

Ｓ１８で熱源機３０が停止中であれば、熱源機３０を運転する（Ｓ２０）。Ｓ２０からＳ１９に進む。

Ｓ１６で予熱運転が無効の場合は、Ｓ２１に進み室外熱交換器６の霜取り運転を行う。霜取り運転終了後、Ｓ３０に進み停止処理を行う。

温水回路に設けられるヒータ８０の動作を説明する。省電力の観点から、効率の高い熱源機３０を優先して運転する。熱源機３０のみではどうしても戻り水の温度が設定値に達しない場合だけヒータ８０を動作させるのが、基本である。

図６に示すように、時刻ｔ１で、降雪センサ制御装置１３がＯＮ信号を熱源機制御装置５０へ送信すると熱源機３０が運転を開始する。室外機１５の圧縮機１が始動し、その運転周波数回転数を徐々にあげる。そして、最大周波数回転数である、例えば１１５Ｈｚｒｐｓで運転を続ける（図６（ｂ））。

温水ユニット１６に設けられた戻り水温センサ８３が検出する戻り水温は図６（ａ）に示すように徐々に上昇する。時刻ｔ２（所定時間）になっても、戻り水温が設定温度（例えば、２０℃）に達しない場合は、熱源機制御装置５０が熱源機３０のみでは能力が不足していると判断し、ヒータ８０をＯＮする（図６（ｃ））。

時刻ｔ３で戻り水温が設定温度に近づいた場合、ヒータ８０をＯＦＦする（図６（ｃ））。このとき圧縮機１の運転周波数回転数は、最大周波数回転数を所定時間維持する。

戻り水温が設定温度を超えた場合は、圧縮機１の運転周波数回転数を徐々に下げながら、圧縮機１は最終的に停止する（時刻ｔ４）。

その後、戻り水温は徐々に低下し、予め設定された温度まで低下した場合、圧縮機１を再び始動させる（時刻ｔ５）。圧縮機１が停止中でも温水ユニット１６は運転を継続する。

圧縮機１の運転周波数を徐々に上げる。そして、最大周波数である、例えば１１５Ｈｚで運転を続ける（図６（ｂ））。温水ユニット１６に設けられた戻り水温センサ８３が検出する戻り水温は図６（ａ）に示すように一旦は時刻ｔ５後も慣性により低下するが、その後しばらく低下した後徐々に上昇する。そして時刻ｔ６（所定時間）になっても、戻り水温が設定温度（例えば、２０℃）に達しない場合は、熱源機制御装置５０が熱源機３０のみでは能力が不足していると判断し、ヒータ８０をＯＮする（図６（ｃ））。

時刻ｔ７で戻り水温が設定温度に近づいた場合、ヒータ８０をＯＦＦする（図６（ｃ））。このとき圧縮機１の運転周波数回転数は、最大周波数回転数を所定時間維持する。

戻り水温が設定温度を超えた場合は、圧縮機１の運転周波数回転数を徐々に下げながら、圧縮機１は最終的に停止する（時刻ｔ８）。

以後は、上記の動作を繰り返す。

次に、室外機１５の室外熱交換器６に付着する霜取りについて説明する。室外熱交換器６は、融雪運転において蒸発器として作用するので、室外空気中の水分が霜として室外熱交換器６に付着する。この室外熱交換器６に付着した霜を取る霜取り運転を定期的に行うことが避けられない。大気（外気である室外空気）を熱源とするヒートポンプ式融雪装置２０において欠かせない霜取り制御を最適化し、ヒートポンプの能力を最大限発揮すると共にエネルギ効率の高いヒートポンプ式融雪装置２０を得る。

霜取り運転は、冷媒回路の四方弁２を切替えて、圧縮機１から吐出される高温・高圧の冷媒ガスを室外熱交換器６に流し、温水（２次熱媒体）から採熱した熱により室外熱交換器６の霜を溶かす。この霜取り運転中、温水回路のポンプ８を動かす。温水の熱を利用して室外熱交換器６の霜を早く溶かすのが目的である。

室外熱交換器６が着霜状態で熱源機３０が停止すると、次の融雪運転開始時に適正な能力を発揮できないので、熱源機３０は、できるだけ霜がない状態で次の運転を開始するようにしたい。そこで、降雪センサ制御装置１３からの運転ＯＦＦ信号を受信した直後に霜取り運転に入るように、熱源機制御装置５０が冷媒回路等を制御する。降雪センサ制御装置１３からの運転ＯＦＦ信号が送信されるのは、例えば雪が止んだ時であり、このとき融雪用熱交換器４が蒸発器として作用して温水を冷しても影響は少ない。また、本実施の形態では、四方弁２によって冷媒流路を切り替える霜取り方式で説明したが、圧縮機１の吐出冷媒配管と、室外熱交換器６と電子膨張弁５との間の配管を接続し、圧縮機１の吐出冷媒のエネルギで室外熱交換器６を霜取りする方式等、他の霜取り方式を採用しても構わない。

次に、温水回路について説明する。温水回路の融雪パイプ７ａには、架橋ポリエチレン管を使用する。架橋ポリエチレンとは、熱可塑性プラスチックとしての鎖状構造ポリエチレンの分子同士の所々を結合させて、立体の網目構造にした超高分子量のポリエチレンを言う。従って、架橋反応が終了した時点でポリエチレンは、恰も熱硬化性樹脂のような立体網目構造となり、耐熱性、クリープ性能とも向上する。

原料ポリエチレンの有する長所は、以下の通りである。
（１）軽い；
（２）柔軟性がある；
（３）耐食性に優れる；
（４）耐衝撃性に優れる；
（５）低温特性に優れる；
（６）電気特性に優れる（電気腐食を受けない）。

架橋によりさらに以下の性能が向上する。
（７）耐ＥＳＣ（環境応力亀裂）が向上する；
（８）クリープ性能が向上する；
（９）耐薬品性が向上する；
（１０）耐熱老化性が向上する。

架橋ポリエチレンは、このような性能を有するため、架橋ポリエチレン管は以下のような特徴特長がある。
（１）酸・アルカリ・耐薬品性などに優れた耐食性を示し、錆びの心配がない。
（２）水道水に含まれている塩素にも、優れた耐食性を持っている。
（３）耐寒性、耐熱性に優れている。
（４）パイプの内側は、非常に円滑で摩擦抵抗が小さく、スケールが付着しにくい。
（５）電気絶縁性に優れているので、金属管のような電食の心配がない。
（６）化学的に安定しており、水質に影響を及ぼさない安全なパイプである。
（７）水道用はもちろん、給湯用として長期間利用できる。
（８）樹脂材料の課題とされる環境応力亀裂（ＥＳＣ）に対し、優れた性能を有し、長期にわたって劣化が少ない。
（９）長期にわたってパイプ内に圧力をかけたまま放置した場合に起こる塑性変形量（クリープ現象）が小さく、破損しにくい。
（１０）材質自体が軽量・柔軟であり、取り扱いやすい。パイプは長尺であり中間接続が不要になり、施工が極めて簡単である。

但し、架橋ポリエチレン管は、酸素透過性がある。そのため、温水回路内に圧力を加えて密閉化しても、架橋ポリエチレン管を温水中の酸素がが酸素透過性を有するしてしまうため圧力を維持できない。

従って、施工性・耐久性に優れ、安価な架橋ポリエチレン管を融雪パイプ７ａに使用する本実施の形態のでは、温水回路は密閉式ではなく、開放式とする。開放式温水回路とは例えば、２次熱媒体である不凍液が循環する温水回路の一部を構成するし、２次熱媒体である不凍液を貯留するタンクにおいて、そのタンクの一部が大気に開放されているものである。開放式温水回路の場合、密閉式回路で必要となる圧力計、膨張タンク、逃がし弁等の部材を必要としないから、施工性を向上させると共に初期コストを削減させることができるという効果がある。メンテナンス性については、例えば、温水である不凍液の量が何らかの原因で不足する場合、既に述べたように熱源機リモコン１９の異常表示部１９ｃに２次熱媒体である不凍液の量が不足していることが表示されるので、開放式であれば、使用者でも簡単に不凍液を補充できる。補充するのは実際には水である。蒸発して不足するのは水だからである。

一方、２次熱媒体である温水回路中の不凍液の濃度調整や水の補給（水だけの補給を含む）等の手間を省略することに重きを置く場合には、温水回路を密閉式や半密閉式にすると良い。この場合、圧力計、膨張タンク、逃がし弁等の部材が必要となるので初期コストは上がるが、温水回路中の水の蒸発量は開放式よりは少なくなり、メンテナンスの回数は開放式よりも削減できる。

次に、融雪電力について説明する。既に若干触れているが、ヒートポンプ式融雪装置２０の使用者に供給される融雪電力には、例えば夜間（１６−２１時）に計２時間のピークカットが義務づけ強いられる。ピークカットのパターンは１５分単位で任意に選択可能である。

ピークカット時間帯のヒートポンプ式融雪装置２０の運転時間は３０分以上となるように電力会社と契約する（図１２参照）。例えば、
（１）３０分停止−３０分運転のサイクルを４回。
（２）６０分停止−６０分運転のサイクルを２回。

そして、上記（１）３０分停止−３０分運転のサイクルを４回で契約した場合は、３０分運転の最後の約５分を霜取り運転に充てる。これにより、ピークカット前に室外熱交換器６に着霜していても確実に除霜できる。

ピークカット時間帯（１６−２１時）に融雪運転を行う場合は、停電があるためヒートポンプ式融雪装置２０は停電自動復帰機能を備える必要がある。

停電自動復帰機能とは、ヒートポンプ式融雪装置２０の使用者が何もしなくても、停電が復帰したとき自動的にヒートポンプ式融雪装置２０が運転を再開することができる機能をいう。例えば、熱源機制御装置５０が、停電前の降雪センサ制御装置１３からの運転指令を記憶しておき、停電復帰後その運転指令に基づいてヒートポンプ式融雪装置２０が自動的に運転を再開する。

熱源機３０と、降雪センサ制御装置１３及び熱源機リモコン１９とが無線で信号のやり取りを行う場合、また有線の場合でも指令がパルス等で単発的に行われる場合でも、上記停電自動復帰機能を備えれば、停電復帰後、使用者は何もしなくてもヒートポンプ式融雪装置２０の運転を自動的に再開することができる。

本実施の形態の融雪用ヒートポンプ式の熱源機３０は、停電が復帰して停電前と同様に運転を再開した場合、その２０〜２５分後に必ず霜取り運転に入るようプログラムされている。融雪電力のように、ピークカットがある電源が供給されている場合、電力供給遮断のタイミングは熱源機では判断ができないため、熱交換器に多量の霜をつけた状態で電力供給が遮断されることが考えられる。さらに外気温度が０℃以下の場合、熱交換器の霜は外気では融けないため、ピークカット時間中も霜付き状態のまま電源復帰によって運転を再開するケースが考えられる。このような場合、電力供給が開始されても熱交換器の通風が悪いため外気から採熱することができず、温水温度が上昇せず、融雪が不可能となる。さらに、そのまま運転を続けて次回のピークカット時間を迎えると、熱交換器の霜付きを解消することなく、ピークカット時間帯中融雪能力が全く発揮できなくなる恐れがある。そこで、本実施の形態の融雪用ヒートポンプ式の熱源機３０は、停電が復帰して停電前と同様に運転を再開した場合、その２０〜２５分後に必ず霜取り運転に入ることで、ピークカット時間帯中の次回以降の通電時間帯開始時には熱交換器に霜が付いていないので適切な融雪能力を発揮させることができるという効果がある。

融雪面積が広く複数の融雪用ヒートポンプ式の熱源機３０を使用する場合には、複数の熱源機３０を一つの降雪センサ制御装置１３で同時に運転制御したい。ところが、一般に市販されている降雪センサ１４および降雪センサ制御装置１３からの運転出力は極性のない無電圧ａ接点である。そのため、熱源機制御装置５０の入力部５１の運転指令入力端子を渡り配線すると、熱源機３０同士の入力回路が閉ループを構成してしまい、連続運転になってしまうという課題が生じる可能性があった。

そこで、本実施の形態では熱源機制御装置５０の出力部５３に次号機への運転指令出力端子（無電圧ａ接点出力）を新たに設け、この端子と次号機の熱源機制御装置５０の入力部５１の運転指令入力端子とを無極性で接続する構成とした。

図７に熱源機３０を１号機、２号機からＮ号機まで同時に運転制御する場合の接続方法を示す。降雪センサ制御装置１３の出力部１３ａと熱源機（１号機）３０−１内に設けられている熱源機（１号機）制御装置５０−１の入力部５１−１の運転指令入力端子とを二芯の有線で接続する。次に熱源機（１号機）制御装置５０−１の出力部５３−１に設けられている次号機への運転指令出力端子と熱源機（２号機）制御装置５０−２の入力部５１−２の運転指令入力端子とを二芯の有線で接続する。以下、同様に熱源機（Ｎ号機）制御装置５０−Ｎの出力部５３−Ｎに設けられているＮ＋１号機への運転指令出力端子と熱源機（Ｎ＋１号機）制御装置５０−Ｎ＋１の入力部５１−Ｎ＋１の運転指令入力端子とを二芯の有線で接続する。このように構成・接続することにより、無電圧ａ接点出力を有する市販の降雪センサ１４および降雪センサ制御装置１３を１台でＮ台の熱源機３０を制御することができる。

次に、熱源機３０の設置について説明する。図８は熱源機３０を架台６０に設置する状態を示す斜視図、図９は架台６０の斜視図である。図８に示すように、室外機１５と温水ユニット１６とを備える熱源機３０は、架台６０に設置される。

架台６０は、室外機１５底面を設置する部分を、地面から離して設置する。脚部６２の長さを、例えば８００ｍｍにするが好ましいが、実用上は５００ｍｍ以上あればよい。何故このような構成にするかというと、室外機１５の霜取りで発生するドレン水が室外機１５底面から下方に滴下するが、外気が低いためこのドレン水が凍結する。ドレン水が凍結した氷は、室外機１５底面から地面に略円錐状に成長する。

１回の霜取り運転で、発生するドレン水の量は、一例では約１，０００ｇである。ヒートポンプ式融雪装置２０の１シーズンの総運転時間は、例えば約５００５００時間である。霜取り間隔が３０５０分とすると、霜取り回数は約１０００６００回となる。従って、１シーズンの除霜に伴い発生するドレン水の総量は、約４４０６００ｋｇとなる。この約４４０６００ｋｇのドレン即ち水の全てが架台６０の下部で凍結するわけではなく、地中に浸透したり排水又は蒸発するのでその半分約１／３程度（約２２０２００ｋｇ）が凍結し、且つ略円錐状に氷が成長すると仮定する。その場合、底面の直径約１ｍの略円錐状に氷の高さは約５００８００ｍｍとなる。従って、脚部６２の長さは、例えば８００ｍｍにするのが好ましい。但し、ドレン水は実際にはきれいな円錐状に凍るわけではなく横へ広がりもするので、フィールドテスト時の観察等により実用上は５００ｍｍ以上あればよい。

このように架台６０の熱源機３０の底面を設置する部分の高さを、地面から５００ｍｍ以上することで、凍結したドレン水が熱源機３０まで到達することを避けることができる。凍結したドレン水が熱源機３０まで到達してしまうと、熱源機３０からドレン水が落下できずに熱源機３０の底面等に溜まってそこで氷結してしまう。い、すると室外送風機（図示せず）が回転時に氷結したドレン水に接触して破損してしまったり、室外熱交換器６の表面でドレン水が氷結してしまい、室外熱交換器６での熱交換が阻害されたりしてしまう。また氷結したドレン水が室外熱交換器６を構成する冷媒管（通常は銅管）を破損して冷媒が漏れてしまう。が、架台６０の熱源機３０の底面を設置する部分の高さを、地面から５００ｍｍ以上にすることで、このような問題の発生を回避することができる。また凍結したドレン水が熱源機３０の底面に接触して熱源機３０を倒したり、あるいは架台６０までも倒したりしてしまうことも避けることができる。なお、脚部６２の長さを２０００ｍｍ以上にすると、熱源機３０の据付性が悪くなると共に、脚部６２の強度が不十分となる恐れがあるので、脚部６２の長さは、２０００ｍｍ以下とする。

架台６０は、室外機１５の室外熱交換器６で冷媒と熱交換するための空気を吸込みむ側に雪の吹き込みを防止するＬ字状の防雪フード６１（防雪部材の一例）を備える。防雪フード６１により、雪が熱源機３０の室外熱交換器６に侵入して風路を閉塞することに伴って、室外熱交換器６の性能が低下するのを抑制する。

また、架台６０には、脚部６２が例えば４本ある。これらの４本の脚部６２は、略直方体を形成するように配置される。従って、そこの直方体の天面と底面を除く、４面には強度確保の筋交いがあるため、見栄えが悪い。何もない。そこで、正面、二つの側面に化粧パネルを設ける。正面には、化粧パネル（正面）７０ａ、二つの側面には化粧パネル（側面）７０ｂを設ける。架台６０の裏面は、室外機１５の吸込み側である。空気の吸込みに影響しないように架台６０の裏面は、化粧パネルで塞がない方がよい。但し、裏面に化粧パネルを付けたい場合は、化粧パネル（正面）７０ａまたは、化粧パネル（側面）７０ｂのうちの少なくとも一面は取り付けない。このように、架台６０の脚部６２に化粧パネルを取り付ける場合は三面以内として、必ず一面を開けて室外熱交換器６の吸い込み風量を確保する。下方に隙間があるので、裏面にも化粧パネルを付けてもよい。

架台６０のオプション部品として、雪よけの屋根８２を用意している。屋根８２は、熱源機３０の上面に取り付けられる。屋根８２により熱源機３０への積雪を抑制できるので、前述した温水回路への不凍液または水の補充を行う場合に、温水回路中（例えば温水ユニット）に設けられた給水口（図示せず）を開け易いなど、メンテ性や施工性において作業性を向上させられる。

次に熱源機３０のサービスパネル９０について説明する。図１０に示すように、熱源機３０はサービスパネル９０を有する。図１０ではサービスパネル９０のカバーは取り外している。また、図１０では、温水ユニット１６にサービスパネル９０を設けているが、室外機１５に設けてもよい。

図１１に示すように、サービスパネル９０には、施工時に必要なスイッチや端子台等がまとめて配置されている。ポンプ試運転スイッチ９０ａは、温水ユニット１６のポンプ８の試運転を行うスイッチである。電源端子台９０ｂには、融雪電力が供給される電源が接続される。降雪センサ制御装置端子台９０ｃは、降雪センサ制御装置１３が有線で熱源機３０に接続される端子台である。熱源機リモコン接続端子台９０ｄは、熱源機リモコン１９が有線で熱源機３０に接続される端子台である。予熱運転設定スイッチ９０ｅは、温水ユニット１６が持つ温水回路の予熱運転制御の有効／無効を切替える切替手段である。通常、据付時に据付業者が設定を行う。ヒータ接続端子９０ｆは、温水回路のヒータ８０を接続する端子である。次号熱源機運転指令出力端子９０ｇは、次号熱源機への運転指令９５を出力する端子である。このように施工、初期設定に必要な操作部、接続部をひとつのサービスカバーの内側に集中して配置したので、施工、サービス時にカバーを一箇所外すだけで簡単に取り扱うことができる。

また、熱源機３０は、ベース（例えば、室外機１５の底板）が霜取り時に発生するドレン水の凍結を防止するベース凍結防止装置（図示せず）を有する。ベース凍結防止装置は、ヒータ又は冷媒配管（高温の冷媒が通る）で構成される。

なお上記した実施の形態では、熱源機は温水ユニット１６と室外機１５と２つのユニットから構成したが、温水ユニット１６および室外機１５とを別々の構成を分ける必要はなく、両ユニットの構成部品を始めから別々のユニットに分けずに一体的に構成して熱源機３０としてもよい。

このように温水ユニット１６と室外機１５を分けずに、一体的に熱源機３０を構成したヒートポンプ式融雪装置であっても、上記した実施の形態同様に動作する。その際温水ユニット１６の運転／停止をポンプ８の運転／停止と読み替え、室外機１５の運転／停止を圧縮機１や室外送風機（図示せず）の運転／停止と読み替えればよい。

また温水ユニット１６は室外機１５の上に配置されていなくてもよい。例えば温水ユニット１６を室外機１５の右側面に配置してもよく、このように構成すると２次熱媒体である不凍液の注入、補給口が比較的低い位置に配置されるので、熱源機３０が比較的高さのある架台６０に載った状態でのメンテや施工行時の作業性が向上する。

また熱源機３０が架台６０の上に設置されていたが、住宅や店舗の外壁面から水平方向に支持部材を設置して、そこに熱源機３０を設置してもよい。この場合、住宅や店舗の外壁面がある程度防雪の役目を果たすので防雪フード６１が不要となり、熱源機３０の設置の作業性が向上する。この場合でも、熱源機３０の下面は、地表面から５００ｍｍ以上、より好ましくは８００ｍｍ以上離して設置するのがよいのは上記した架台６０の場合と同様である。

実施の形態１を示す図で、ヒートポンプ式融雪装置２０の全体構成図。 実施の形態１を示す図で、ヒートポンプ式融雪装置２０の冷媒回路と温水回路のブロック構成図。 実施の形態１を示す図で、ヒートポンプ式融雪装置２０の制御系の接続関係を示すブロック図。 実施の形態１を示す図で、熱源機リモコン１９の製品の一例を示す正面図。 実施の形態１を示す図で、熱源機３０の運転制御フローを示す図。 実施の形態１を示す図で、温水回路のヒータ８０の動作を説明するタイムチャート図（（ａ）は戻り水温、（ｂ）は圧縮機運転周波数回転数、（ｃ）はヒータ８０のＯＮ／ＯＦＦ）。 実施の形態１を示す図で、熱源機３０を１号機、２号機からＮ号機まで同時に運転制御する場合の接続方法を示す図。 実施の形態１を示す図で、熱源機３０を架台６０に設置した状態を示す斜視図。 実施の形態１を示す図で、架台６０の斜視図。 実施の形態１を示す図で、熱源機３０の斜視図。 実施の形態１を示す図で、サービスパネル９０の拡大図。 実施の形態１を示す図で、ピークカット時間帯の通電遮断設定パターンを説明する図。

符号の説明

１ 圧縮機、２ 四方弁、４ 融雪用熱交換器、５ 電子膨張弁、６ 室外熱交換器、７ 融雪部、７ａ 融雪パイプ、８ ポンプ、１３ 降雪センサ制御装置、１３ａ 出力部、１４ 降雪センサ、１４ａ 水分センサ、１４ｂ 降雪センサ用外気温度センサ、１５ 室外機、１６ 温水ユニット、１７ 地中温度センサ、１９ 熱源機リモコン、１９ａ 水温設定部、１９ｂ 入／切切替部、１９ｃ 異常表示部、２０ ヒートポンプ式融雪装置、３０ 熱源機、３１ 外気温度センサ、３２ 冷媒温度センサ、５０ 熱源機制御装置、５０−１ 熱源機（１号機）制御装置、５０−２ 熱源機（２号機）制御装置、５０−３ 熱源機（３号機）制御装置、５０−Ｎ 熱源機（Ｎ号機）制御装置、５１ 入力部、５１−１ 入力部、５１−２ 入力部、５１−３ 入力部、５１−Ｎ 入力部、５２ 演算部、５２−１ 演算部、５２−２ 演算部、５２−３ 演算部、５２−Ｎ 演算部、５３ 出力部、５３−１ 出力部、５３−２ 出力部、５３−３ 出力部、５３−Ｎ 出力部、６０ 架台、６１ 防雪フード、６２ 脚部、７０ａ 化粧パネル（正面）、７０ｂ 化粧パネル（側面）、８０ ヒータ、８２ 屋根、８３ 戻り水温センサ、９０ サービスパネル、９０ａ ポンプ試運転スイッチ、９０ｂ 電源端子台、９０ｃ 降雪センサ制御装置端子台、９０ｄ 熱源機リモコン接続端子台、９０ｅ 予熱運転設定スイッチ、９０ｆ ヒータ接続端子、９０ｇ 次号熱源機運転指令出力端子、９５ 次号熱源機への運転指令。

Claims (4)

1. 地面の下に設置され内部を２次熱媒体が循環する融雪パイプを有する融雪部と、この融雪部の前記融雪パイプへ前記２次熱媒体を循環させるポンプと、前記２次熱媒体と冷凍サイクルの冷媒とが熱交換を行う融雪用熱交換器と、圧縮機と、室外熱交換器と、膨張機構と、熱源機制御装置とからなる熱源機と、
   前記融雪部に送出される前記２次熱媒体を加熱するヒータと、
   前記融雪部から戻る前記２次熱媒体の温度を検出する２次熱媒体温度センサとを備え、
   前記圧縮機と、前記融雪用熱交換器と、前記膨張機構と、前記室外熱交換器とを順に接続して前記冷凍サイクルを構成し、
   前記熱源機制御装置は、前記熱源機の前記圧縮機を最大回転数で運転しても、前記２次熱媒体温度センサの検出する２次熱媒体温度が設定値に達しない場合、前記ヒータを動作させることを特徴とすることを特徴とするヒートポンプ式融雪装置。
2. 前記熱源機制御装置は、前記熱源機の前記圧縮機を最大回転数で運転し、且つ前記ヒータが動作中に、前記２次熱媒体温度センサの検出する２次熱媒体温度が設定値に近づき前記ヒータをＯＦＦする場合、前記圧縮機の運転回転数は最大回転数を維持したまま前記ヒータをＯＦＦすることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式融雪装置。
3. 地面の下に設置され内部を２次熱媒体が循環する融雪パイプを有する融雪部と、この融雪部の前記融雪パイプへ前記２次熱媒体を循環させるポンプと、前記２次熱媒体と冷凍サイクルの冷媒とが熱交換を行う融雪用熱交換器と、圧縮機と、室外熱交換器と、膨張機構と、熱源機制御装置とからなる複数の熱源機と、
   前記圧縮機と、前記融雪用熱交換器と、前記膨張機構と、前記室外熱交換器とを順に接続して前記冷凍サイクルを構成し、
   前記熱源機制御装置の出力部に次号熱源機への運転指令出力端子を設け、この運転指令出力端子と次号熱源機の熱源機制御装置の入力部の運転指令入力端子とを無極性で接続する構成としたことを特徴とするヒートポンプ式融雪装置。
4. 降雪を検出する降雪センサと、
   前記降雪センサの情報に基づいて前記熱源機に制御信号を送信する降雪センサ制御装置とを備え、
   前記熱源機制御装置は、前記降雪センサ制御装置より受けた制御信号である運転指令信号を次号熱源機に出力することを特徴とする請求項３記載のヒートポンプ式融雪装置。

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