JP5387235B2 - ヒートポンプ式温水暖房装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ式温水暖房装置に関連し、特に、室外熱交換器（蒸発器）の除霜制御に関する。

従来では、石油やガスなどの燃焼系の燃料を熱源とした暖房機器の利用が大半を占めていたが、近年ではヒートポンプ技術を利用した暖房市場が急激に拡大している。また、従来の空気調和機においてもヒートポンプ技術を利用して、冷房と暖房の双方を利用することができるものもある（例えば、特許文献１参照）。

図５は、従来の冷暖可能な空気調和機の構成図である。図５に示すように、従来の空気調和機は、圧縮機１０１、四方弁１０２、室内熱交換器１０３、減圧装置１０４、室外熱交換器１０５を順次冷媒配管で環状に接続して構成される冷凍サイクルを有している。そして、室内熱交換器１０３および室外熱交換器１０５のそれぞれには空気と冷媒との熱交換を促進させるための室内ファン１０６、室外ファン１０７を備えている。

そして、暖房運転時には四方弁１０２を図５（ａ）に示すように切り替え、圧縮機１０１からの高温冷媒を室内熱交換器１０３へ送り、室内ファン１０６を運転させて室内を暖房している。

ところが、このような空気調和機において暖房運転を継続すると室外熱交換器に着霜してしまうことがある。そのため、図５（ｂ）のように四方弁を切り替えることによって、圧縮機から吐出する高温冷媒を直接室外熱交換器へ送り、冷媒の熱で除霜を行っている。このとき、室内ファン１０６の運転を停止することによって、室内が冷えないようにしている。

また最近では、従来の空気調和機だけでは暖房時に足元が暖まりにくい等の課題があり、それを解消するためにヒートポンプ技術を利用した温水暖房装置が開発されている。ヒ
ートポンプ式温水暖房装置とは、従来の空気調和機が空気と冷媒とを熱交換して室内を暖房していたのに対し、水と冷媒とで熱交換をして温水を室内に循環させることによって暖房を行うものである。

図６は、ヒートポンプ式温水暖房装置の構成である。図６に示すようにヒートポンプ式温水暖房装置では、図５に示す室内熱交換器１０３に変えて、水と冷媒とが熱交換を行う水冷媒熱交換器２０３となる。そして、水冷媒熱交換器２０３で生成した温水を床暖房パネル等の暖房端末２０４へ送るための温水ポンプ２０５を備えている。

このように構成されたヒートポンプ式温水暖房装置では、温水ポンプ２０５を駆動することによって、暖房端末２０４内の温水を循環させて室内の暖房を行う。

特開２００６−３３６９２３号公報

しかしながら、暖房運転を継続していると室外熱交換器（蒸発器）１０５に着霜してしまうので、空気調和機と同じように四方弁を切り替えて室外熱交換器１０５の除霜運転を行うと、水冷媒熱交換器２０３を通る水の熱を低温の冷媒に奪われてしまい、暖房端末２０４へは低温の湯水を送ってしまうことになってしまう。

また、空気調和機が除霜運転中に室内ファン１０６の運転を停止するのと同じように、暖房端末２０４へ低温水を送らないために温水ポンプ２０５の運転を停止してしまうと、水冷媒熱交換器２０３内に残った水が凍結してしまうという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、除霜運転時に水冷媒熱交換器の凍結を防止することができるヒートポンプ式温水暖房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、本発明のヒートポンプ式温水暖房装置は、冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒流路を切り替える四方弁、高温冷媒と水とが熱交換を行う水冷媒熱交換器、冷媒を減圧する減圧装置、冷媒と空気とが熱交換を行う蒸発器を順次環状に接続してなる冷凍サイクルと、前記減圧装置と前記蒸発器との間から前記圧縮機の吸入側へバイパスするバイパス回路と、前記バイパス回路を開閉する電磁弁と、前記水冷媒熱交換器で生成した高温水を暖房端末へ送る温水ポンプと、前記水冷媒熱交換器から出湯する湯水の温度を検出する出湯温度検出手段と、前記水冷媒熱交換器へ入水する湯水の温度を検出する入水温度検出手段とを備え、前記蒸発器の除霜運転は、前記減圧装置を開き、前記電磁弁を閉じて前記圧縮機からの高温冷媒を前記蒸発器へ送る四方弁除霜運転と、前記減圧装置を閉じ、前記電磁弁を開いて前記圧縮機からの高温冷媒を、前記バイパス回路を介して前記蒸発器へ送るバイパス除霜運転とから構成され、前記出湯温度検出手段で検出される出湯温度と前記入水温度検出手段で検出される入水温度との温度差が、第１の所定温度以上であれば、前記四方弁除霜運転を行い、前記温度差が第１の所定温度より小さければ、前記バイパス除霜運転を行うことにより、除霜運転時には、水冷媒熱交換器へは冷媒を流さず、バイパス回路を通って圧縮機の吸入側へ戻されるので、暖房端末へ送る温水の温度低下を防ぐことができる。また、状況に応じて使い分けることにより、より迅速に除霜運転を完了させることができる。

本発明は、水冷媒熱交換器の凍結を防止しつつ除霜運転をすることができるヒートポンプ式温水暖房装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式温水暖房装置の構成図 同実施の形態１における除霜運転のフローチャート 同実施の形態１におけるヒートポンプ式温水暖房装置の構成図 同実施の形態１におけるヒートポンプ式温水暖房装置の構成図 （ａ）従来の空気調和機の構成図（ｂ）従来の空気調和機の構成図 従来のヒートポンプ式温水暖房装置の構成図

第１の発明のヒートポンプ式温水暖房装置は、冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒流路を切り替える四方弁、高温冷媒と水とが熱交換を行う水冷媒熱交換器、冷媒を減圧する減圧装置、冷媒と空気とが熱交換を行う蒸発器を順次環状に接続してなる冷凍サイクルと、前記減圧装置と前記蒸発器との間から前記圧縮機の吸入側へバイパスするバイパス回路と、前記バイパス回路を開閉する電磁弁と、前記水冷媒熱交換器で生成した高温水を暖房端末へ送る温水ポンプと、前記水冷媒熱交換器から出湯する湯水の温度を検出する出湯温度検出手段と、前記水冷媒熱交換器へ入水する湯水の温度を検出する入水温度検出手段とを備え、前記蒸発器の除霜運転は、前記減圧装置を開き、前記電磁弁を閉じて前記圧縮機からの高温冷媒を前記蒸発器へ送る四方弁除霜運転と、前記減圧装置を閉じ、前記電磁弁を開いて前記圧縮機からの高温冷媒を、前記バイパス回路を介して前記蒸発器へ送るバイパス除霜運転とから構成され、前記出湯温度検出手段で検出される出湯温度と前記入水温度検出手段で検出される入水温度との温度差が、第１の所定温度以上であれば、前記四方弁除霜運転を行い、前記温度差が第１の所定温度より小さければ、前記バイパス除霜運転を行うことにより、除霜運転時には、水冷媒熱交換器へは冷媒を流さず、バイパス回路を通って圧縮機の吸入側へ戻されるので、暖房端末へ送る温水の温度低下を防ぐことができる。

また、状況に応じて使い分けることにより、より迅速に除霜運転を完了させることができる。

また、除霜運転時間を短縮して高効率な運転ができるとともに、暖房端末へ送る湯水の温度低下を防止して快適性を維持することができる。

第２の発明のヒートポンプ式温水暖房装置は、特に第１の発明において、蒸発器の除霜運転において、水冷媒熱交換器から出湯する湯水の温度を検出する出湯温度検出手段を備え、出湯温度検出手段で検出される出湯温度が第２の所定温度以上であれば、温水ポンプを停止することにより、水冷媒熱交換器での凍結を防止しつつも、暖房運転時の快適性を維持することができる。

第３の発明のヒートポンプ式温水暖房装置は、特に第１または第２の発明において、圧縮機、四方弁、減圧装置、蒸発器を収納するヒートポンプユニットと、水冷媒熱交換器を収納する熱交換ユニットとを別ユニットにて構成し、熱交換ユニットを屋内に配したことにより、屋内と屋外との接続は冷媒配管で行うため、外気温度が低い寒冷地等においても配管が凍結する恐れを少なくすることができる。

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、本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式温水暖房装置の構成図である。まず、図１を用いてヒートポンプ式温水暖房装置の構成を説明する。本実施の形態のヒートポンプ式温水暖房装置は、冷媒を圧縮して高温冷媒を吐出する圧縮機１と、冷媒流路を切り替える四方弁３０と、水と高温冷媒とを熱交換して高温水を生成する水冷媒熱交換器２と、冷媒を減圧する減圧装置３と、空気と冷媒とで熱交換を行う室外熱交換器４とを順次冷媒配管５で環状に接続してなる冷凍サイクル６を有している。さらに、室外熱交換器４の温度を検出する温度センサ４ａ、室外熱交換器４へ送風するための送風ファン７を有している。なお、冷媒にはＲ４１０Ａを用いているが、その他、フルオロカーボン系の冷媒を用いることができる。また、圧縮機１は密閉型であり、高圧側にモータを配し、モータには希土類磁石を用いている。また、アキュームレータを用いない構成とすることで、小型化・軽量化が可能となる。

また、居室内を暖房する暖房端末８（例えば、床暖房パネルや輻射パネル等）を備えており、暖房端末８の内部を水冷媒熱交換器２で生成した高温水を流して居室内を暖房するものである。そのため、暖房端末８と水冷媒熱交換器２とを水が循環する構成となっており、水を循環させるための温水ポンプ９を備えている。また、水冷媒熱交換器２の温水入口側には入水温度を検出する入水温度検出手段である温度センサ２ａと、水冷媒熱交換器２の温水出口側には出湯温度を検出する出湯温度検出手段である温度センサ２ｂとを備えている。

さらに、本実施の形態では、減圧装置３と室外熱交換器４との間から圧縮機１の吸入側へ冷媒をバイパスするバイパス回路１２を設けており、バイパス回路１２には電磁弁１３が設けられている。通常の暖房運転時には電磁弁１３は全閉しており、バイパス回路１２には冷媒が流れないようにしている。

そして、ヒートポンプ式温水暖房装置の通常時の暖房運転では、温水ポンプ９を駆動して暖房端末８内に温水を循環させるとともに、温度センサ２ｂが検出する温水の温度が、リモコン装置等（図示せず）で設定した設定温度よりも所定温度高いことを検出するまで冷凍サイクルを運転し、温度センサ２ｂが検出する温度が設定温度よりも所定温度高い温度を検出すると、冷凍サイクルの運転を停止する。

一方、冷凍サイクルの運転は、圧縮機１から吐出する冷媒の温度を検出し、吐出される冷媒の温度が所定の温度となるように、減圧装置３の開度が制御される。但し、冷凍サイクルの運転を停止させた以降も、暖房端末８内を循環する温水の温度を検出しなければならないため、温水ポンプ９は駆動させたままの状態にする。なお、温水ポンプ９はＡＣポンプとＤＣポンプのいずれであってもかまわない。

また、本実施の形態のヒートポンプ式温水暖房装置は、冷凍サイクルを構成する機能部品のうち水冷媒熱交換器２以外の部品をヒートポンプユニット１０ａの筐体内に収納し、水冷媒熱交換器２および温水ポンプ９を熱交換ユニット１０ｂの筐体内に収納する構成であってもよい。この場合、ヒートポンプユニット１０ａを屋外に配し、熱交換ユニット１０ｂを屋内に配することで、屋内と屋外とは冷媒配管によって接続されることになる。そのため冬季など外気温度が低い時であっても、屋内と屋外とは冷媒配管で接続されているため、水配管で接続されているときに比べて凍結の恐れが低いという利点がある。

そして、ヒートポンプユニット１０ａを屋外に配し、熱交換ユニット１０ｂを屋内に配する構成のヒートポンプ式温水暖房装置では、施工時においてヒートポンプユニット１０ａと熱交換ユニット１０ｂとの接続を解除するときには、ヒートポンプユニット１０ａ内に冷媒を回収しなければならない。そのため本実施の形態のように熱交換ユニット１０ｂを屋内に設けた構成においては、必ず四方弁３０が必要になってくる。また、ヒートポン
プユニット１０ａ、熱交換ユニット１０ｂのいずれにも制御装置１１ａ、１１ｂを有しており、各ユニット内に設けられた機器に運転指示を行う。

以上のように構成されたヒートポンプ式温水暖房装置において、以下、除霜運転について説明する。

まず、温度センサ４ａで検出する温度Ｔｇが、所定温度Ｔａよりも低いことを検出すると、制御装置１１ａは室外熱交換器４に着霜していると判断し、除霜運転を開始する。

図２は、除霜運転時のフローチャートである。以下、本実施の形態の除霜運転について、図２を用いて説明する。除霜運転が開始されると、まずステップ１にて、温度センサ２ｂで検出される出湯温度Ｔｏと、温度センサ２ａで検出される入水温度Ｔｉとの温度差ΔＴが、第１の所定温度Ｔｂより大きいかどうかを判断する。そして、温度差ΔＴと第１の所定温度Ｔｂとを比較した結果、温度差ΔＴ≧第１の所定温度Ｔｂの関係が成立した場合にはステップ２へと進み、成立しない場合にはステップ３へと進む。

次に、ステップ２では四方弁除霜運転を行う。図３に四方弁除霜運転時の冷媒流路を太線で示す。四方弁除霜運転では、四方弁３０を動作させて高温冷媒を室外熱交換器４へ直接送る。このとき電磁弁１３は全閉となっているのでバイパス回路には冷媒が流れない。四方弁除霜運転では、高温冷媒を室外熱交換器４へ送ることが出来る一方で、水冷媒熱交換器２が熱源となり、暖房端末８へ低温水を送ってしまう。そのため、温度差ΔＴが大きく、快適性が維持できる間は除霜時間を短縮するために四方弁除霜運転を行う。

また、ステップ３ではバイパス除霜運転を行う。図４にバイパス除霜運転時の冷媒流路を太線で示す。バイパス除霜運転では、四方弁３０を動作させて冷媒を室外熱交換器４へ直接送る。このとき減圧装置３は全閉とし、電磁弁１３を全開とする。その結果、圧縮機１から出た冷媒は室外熱交換器４へ送られ、バイパス回路１２を通って圧縮機１の吸入側へ送られる。このとき冷媒は圧縮機１のモータの熱によって若干温められ、その熱によって室外熱交換器４の除霜を行う。バイパス除霜運転では、四方弁除霜運転ほど高温の冷媒を室外熱交換器４へ送ることができないが、水冷媒熱交換器２へ冷媒を流すことが無いので、暖房端末８へ低温水を送ることがなく、快適性を維持することができる。

そして、ステップ２およびステップ３での除霜運転を開始すると、ステップ４へと進む。ステップ４では温度センサ２ｂで検出される出湯温度Ｔｏが、第２の所定温度Ｔｃよりも大きいかどうかを判断する。そして出湯温度Ｔｏと第２の所定温度Ｔｃとを比較した結果、出湯温度Ｔｏ≧第２の所定温度Ｔｃの関係が成立した場合にはステップ５へ進み、成立しない場合にはステップ６へ進む。

ステップ５では、出湯温度Ｔｏが有る程度高いため、温水ポンプ９の運転を停止させて暖房端末８へ低温水を送ることを防止している。しかしながら、温水ポンプ９の運転を停止させてしまうと、暖房端末８を循環する温水の温度を検出できなくなってしまうため、温水ポンプ９の運転を停止させても、所定時間（例えば、５分）毎に温水ポンプ９を動作させて随時出湯温度Ｔｏを検出するようにしている。

また、ステップ６では、出湯温度Ｔｏが低いため水冷媒熱交換器２内に残っている水が凍結してしまう恐れがあると判断し、常時、温水ポンプ９の運転を行っている。なお、温水ポンプ９にＤＣポンプを用いた時には、循環させる流量を可変することができるので、水冷媒熱交換器２内で湯水が凍結せず、かつ、暖房端末８への影響が出ない程度にまで流量を下げて運転させることで、暖房端末８での影響を最小限にとどめることができる。

そして、ステップ５およびステップ６の次にステップ７へ進む。ステップ７では温度センサ４ａで検出する温度Ｔｇが、除霜運転を開始するＴａよりも大きいかどうかを判断する。そして室外熱交換器温度Ｔｇ≧Ｔａの関係が成立した場合には、除霜運転を終了し、四方弁３０を切り替えて暖房運転へと戻る。

以上のように、本実施の形態のヒートポンプ式温水暖房装置は、暖房端末８の快適性を維持し、かつ、除霜時間をできるだけ短くすることができる。

また、本実施の形態ではバイパス回路１２に電磁弁１３を設けて除霜運転を行ったが、電磁弁１３に代えて減圧装置を用いて、さらにバイパス回路１２にヒーター等の熱源を配することによって、バイパス除霜運転時にはヒーター等の熱源から吸熱し、室外熱交換器４で放熱する構成にしても良い。このように構成することで、さらに除霜時間を短縮することができる。

以上のように、本発明のヒートポンプ式温水暖房装置は、貯湯タンクが無い温水暖房装置を用いて説明したが、貯湯タンクがある温水暖房装置であっても本発明を適用することができる。

１ 圧縮機
２ 水冷媒熱交換器
２ａ 温度センサ
２ｂ 温度センサ
３ 減圧装置
４ 室外熱交換器
４ａ 温度センサ
７ 送風ファン
８ 暖房端末
９ 温水ポンプ
１０ａ ヒートポンプユニット
１０ｂ 熱交換プユニット
１２ バイパス回路
１３ 電磁弁
３０ 四方弁

Claims (3)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒流路を切り替える四方弁、高温冷媒と水とが熱交換を行う水冷媒熱交換器、冷媒を減圧する減圧装置、冷媒と空気とが熱交換を行う蒸発器を順次環状に接続してなる冷凍サイクルと、前記減圧装置と前記蒸発器との間から前記圧縮機の吸入側へバイパスするバイパス回路と、前記バイパス回路を開閉する電磁弁と、前記水冷媒熱交換器で生成した高温水を暖房端末へ送る温水ポンプと、前記水冷媒熱交換器から出湯する湯水の温度を検出する出湯温度検出手段と、前記水冷媒熱交換器へ入水する湯水の温度を検出する入水温度検出手段とを備え、前記蒸発器の除霜運転は、前記減圧装置を開き、前記電磁弁を閉じて前記圧縮機からの高温冷媒を前記蒸発器へ送る四方弁除霜運転と、前
   記減圧装置を閉じ、前記電磁弁を開いて前記圧縮機からの高温冷媒を、前記バイパス回路を介して前記蒸発器へ送るバイパス除霜運転とから構成され、前記出湯温度検出手段で検出される出湯温度と前記入水温度検出手段で検出される入水温度との温度差が、第１の所定温度以上であれば、前記四方弁除霜運転を行い、前記温度差が第１の所定温度より小さければ、前記バイパス除霜運転を行うことを特徴とするヒートポンプ式温水暖房装置。
2. 前記蒸発器の除霜運転において、前記水冷媒熱交換器から出湯する湯水の温度を検出する出湯温度検出手段を備え、前記出湯温度検出手段で検出される出湯温度が第２の所定温度以上であれば、前記温水ポンプを停止することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式温水暖房装置。
3. 前記圧縮機、前記四方弁、前記減圧装置、前記蒸発器を収納するヒートポンプユニットと、前記水冷媒熱交換器を収納する熱交換ユニットとを別ユニットにて構成し、前記熱交換ユニットを屋内に配したことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ式温水暖房装置。

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