JP5427428B2 - ヒートポンプ式給湯・空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプを用いて給湯及び空調を行うヒートポンプ式給湯・空調装置に係り、特に、ヒートポンプの冷媒回路を冷房サイクルに切り替えてデフロスト運転を行うヒートポンプ式給湯・空調装置のデフロスト制御に関する。

ヒートポンプ式給湯・空調装置は、圧縮機により送出される冷媒が熱交換器を備えた閉回路の冷媒回路を循環して気液の状態変化を繰り返す冷媒系統と、ポンプにより送出された水が冷媒系統に設けられた熱交換器（水−冷媒熱交換器）で冷媒から吸熱して温水となる水系統とを有している。このようなヒートポンプ式給湯・空調装置においては、冷媒系統に設けられている四方弁を操作することにより、冷媒の循環方向を切り替えて暖房運転及び冷房運転のいずれか一方を選択することができる。
そして、上述した冷媒系統を暖房運転の状態にすれば、凝縮器として機能する水−冷媒熱交換器で水系統を流れる水が加熱されて温水となる。この温水は、給湯用として直接使用してもよいし、あるいは、ラジエターによる温水暖房用の熱源としても使用できる。

上述したヒートポンプ式給湯・空調装置の冷媒系統においては、水−冷媒熱交換器で水を加熱して温水とする暖房運転の継続により、蒸発器として機能する熱交換器に着霜して熱交換効率が低下する。このため、従来のヒートポンプ式給湯・空調装置は、必要に応じて冷媒系統を暖房運転から冷房運転に切り替えて冷媒循環方向を逆転させ、着霜した熱交換器を凝縮器として機能させることで除霜するデフロスト運転が行われている。
ヒートポンプのデフロスト運転に関する従来技術としては、たとえば下記の特許文献１に記載された給湯器が知られている。この従来技術には、冷媒の循環方向を逆転させるデフロスト運転時に水−冷媒熱交換器が蒸発器となり、冷媒により水を冷却するマイナス能力を発揮するので、このようなデフロスト運転時に冷媒のホットガスバイパス量を調整してマイナス能力の低減やデフロスト運転時間の短縮等を行うことが開示されている。

特開２００８−２２４０８８号公報

ところで、従来のヒートポンプ式給湯・空調装置においては、冷媒回路の冷媒循環を冷房運転に切り替えてデフロスト運転を行う際、水系統（給湯・暖房回路側）を循環している温水の温度が低いと、水−冷媒熱交換器で冷媒を気化させる熱源に不足を生じることになる。このような熱源不足は、冷媒系統において圧縮機に吸入されるガス冷媒の圧力が低下する低圧低下や、水−冷媒熱交換器内で吸熱される温水を氷結させる原因となるため好ましくない。
他方、上述した熱源不足のみを考慮し、たとえば高温にて蓄熱されている給湯タンク内の熱源（温水）を使用してデフロスト運転を実施すると、給湯タンク内の温水温度を低下させることになる。このような給湯タンク内の温水温度低下は、給湯用温水の温度低下を意味するため好ましくない。

すなわち、冷媒の循環方向を逆転させてデフロスト運転を行うヒートポンプ式給湯・空調装置においては、冷媒と空気とを熱交換させるヒートポンプ式の空調装置と異なり、冷媒と熱交換を行う熱伝達物質に水を使用しているので、冷媒側の温度が極度に低くなる場合には、水−冷媒熱交換器内の水に部分氷結が発生する可能性を有している。このため、冷房運転時と同様の冷媒循環を行って水−冷媒熱交換器に冷媒を流すデフロスト運転においては、水系統側の水温とともに冷媒系統側の圧力飽和温度をある一定温度以上に保つことが必要となる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、デフロスト運転において、必要最小限の熱源を用いて水−冷媒熱交換器の氷結リスクを回避できるようにしたヒートポンプ式給湯・空調装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係るヒートポンプ式給湯・空調装置は、圧縮機により送出される冷媒が熱交換器を備えた閉回路の冷媒回路を循環して気液の状態変化を繰り返すとともに、前記冷媒回路を循環する冷媒の循環方向を切り替えて冷房サイクルまたは暖房サイクルの選択が可能なヒートポンプの冷媒系統と、ポンプにより送出された水が前記冷媒系統に設けられた水熱交換器で冷媒から吸熱して温水とされ、該温水を循環させて温水熱源を使用する温水循環流路に流路切替弁を介して連結された温水タンクを備えている水系統とを有し、前記冷媒系統の冷媒循環方向を前記冷房サイクルに設定してデフロスト運転を行うヒートポンプ式給湯・空調装置において、前記デフロスト運転時に前記水熱交換器に流す水として、前記水系統を流れる温水の水温検出値に応じて、前記温水循環流路を循環している循環温水または前記温水タンク内に貯蔵されている貯蔵温水のいずれか一方が選択され、前記貯蔵温水は、前記水温検出値が所定水温値以下となった場合に選択され、かつ、前記所定水温値は、外気温度が低いほど高くなるように補正されることを特徴とするものである。

このようなヒートポンプ式給湯・空調装置によれば、デフロスト運転時に水熱交換器へ流す水として、水系統を流れる温水の水温検出値に応じて、温水循環流路を循環している循環温水または温水タンク内に貯蔵されている貯蔵温水のいずれか一方が選択される。すなわち、一方の貯蔵温水は、水温検出値が所定水温値以下となった場合に選択され、他方の循環温水は、水温検出値が所定水温値より高い場合に選択されるので、温度の高い温水タンク内の貯蔵温水使用量を最小限に抑えてデフロスト運転を実施することができる。しかも、この場合の水温所定値は、外気温度が低いほど高くなるように補正されるので、温度の高い温水タンク内の貯蔵温水使用量をより一層低減して効率のよいデフロスト運転を実施することができる。

上記の発明において、前記貯蔵温水が前記所定水温値以下の場合に加熱して昇温させる加熱手段を設けておくことにより、必要な温水（熱源）を確実に確保してデフロスト運転を実施できるようになる。

上述した本発明のヒートポンプ式給湯・空調装置によれば、冷房サイクルを実施して行われるデフロスト運転において、水系統側を流れる水温検出値が所定値より高い場合は循環温水を使用し、水系統側を流れる水温検出値が所定値以下となる場合にのみ貯蔵温水を使用するので、温度の高い温水タンク内の貯蔵温水使用量を最小限に抑えてデフロスト運転を実施することができるようになり、必要最小限の熱源（貯蔵温水）を用いて水−冷媒間で熱交換する熱交換器の氷結リスクを回避できるという顕著な効果が得られる。

本発明に係るヒートポンプ式給湯・空調装置の一実施形態を示す系統図であり、循環温水を使用したデフロスト運転の状態が示されている。 図１に示すヒートポンプ式給湯・空調装置において、貯蔵温水を使用したデフロスト運転の状態が示されている。 貯蔵温水を使用する領域の一例として、外気温度と水熱交入口水温との関係により規定した図である。 本発明に係るヒートポンプ式給湯・空調装置の変形例を示す要部の系統図であり、循環温水または貯蔵温水を使用したデフロスト運転の状態が示されている。

以下、本発明に係るヒートポンプ式給湯・空調装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す実施形態の系統図において、ヒートポンプ式給湯・空調装置ＨＰは、冷媒回路を循環する冷媒の循環方向を切り替えて冷房サイクルまたは暖房サイクルの選択が可能なヒートポンプの冷媒系統１０と、ヒートポンプにより水を加熱して得られる温水を給湯や暖房に使用する水系統３０とを備えている。

冷媒系統１０は、圧縮機１１により送出される冷媒が室外熱交換器１２及び室外熱交換器１３を備えた閉回路の冷媒回路１４を循環して気液の状態変化を繰り返すものである。図示の冷媒回路１４は、圧縮機１１の吐出側に四方弁１５を備えており、この四方弁１５を操作することにより冷媒の循環方向を切り替えて逆転させ、時計回りの冷房サイクルまたは反時計回りの暖房サイクルからいずれか一方を選択することができる。なお、冷媒回路１４に設けられている符号１６は冷房用電子膨張弁、１７は暖房用電子膨張弁、１８はレシーバである。

水系統３０は、ポンプ３１により送出された水が冷媒系統１０に設けられた室外熱交換器（以下、「水熱交換器」ともいう）１３で冷媒から吸熱して温水とされ、この温水を循環させて温水熱源を使用する温水循環流路３２を形成している。この温水循環流路３２には、温水の流路切替弁として、三方弁３３、第１電磁切替弁３４及び第２電磁切替弁３５が設けられている。
さらに、上述した温水循環流路３２には、温水を用いた暖房用熱交換器として機能するラジエター３６と、温水循環流路３２から分岐させて温水を導入し、この温水を貯蔵して蓄熱する温水タンク３７とが設けられている。この場合のラジエター３６は、温水と室内の空気とを熱交換させて暖房する熱交換器である。

温水タンク３７は、貯蔵した温水の蓄熱を利用して加熱した給湯用温水を供給するサニタリ水供給回路３８と、必要に応じて通電される電気ヒータ３９とを備えている。
サニタリ水供給回路３８は、給湯ポンプ（不図示）により供給される水が温水タンク３７内の熱交換器３８ａを流れる際に吸熱して温水となり、この温水を給湯などに使用する給湯温水供給系統である。
電気ヒータ３９は、温水タンク３７内に貯蔵されている温水の蓄熱量が所定値以下と低い場合に使用される補助の加熱手段である。すなわち、電気ヒータ３９は、温水タンク３９内の貯蔵温水が所定水温値以下の場合に通電し、貯蔵温水を加熱して所望の温度まで昇温させるための装置である。

このように構成された水系統３０は、上述した三方弁３３、第１電磁切替弁３４及び第２電磁切替弁３５を適宜開閉操作して選択切替することにより、ラジエター３６に温水を供給する暖房運転または温水タンク３７に温水を供給する蓄熱運転のいずれか一方を選択して実施し、あるいは、ラジエター３６及び温水タンク３７の両方に温水を分割供給して温水による暖房運転及び蓄熱運転の両方を実施することができる。

上述した冷媒系統１０においては、暖房サイクルが選択されると、低温低圧のガス冷媒が圧縮機１１で圧縮され、高温高圧のガス冷媒として冷媒回路１４に送出される。このガス冷媒は、図中に実線矢印で示すように、四方弁１５により水熱交換器１３へ導かれて反時計回りに循環する。この場合の水熱交換器１３は、ポンプ３１により送出された水系統３０の水と高温高圧のガス冷媒とを熱交換させる熱交換器であり、冷媒の凝縮により放熱される凝縮熱が水を加熱する凝縮器として機能する。この結果、冷媒系統１０を流れる高温高圧のガス冷媒は凝縮して高温高圧の液冷媒（気液二相を含む）となり、水系統３０を流れる水は冷媒から吸熱して温水となる。
水熱交換器１３で凝縮した冷媒は、全開の冷房用電子膨張弁１６を通ってレシーバ１８へ流入する。このレシーバ１８では、冷媒の気液分離が行われるとともに、循環する冷媒量の調整が行われる。

レシーバ１８の下流側には、高温高圧の液冷媒を減圧する暖房用電子膨張弁１７が配置されている。この暖房用電子膨張弁１７を冷媒が通過することにより、高温高圧の液冷媒は減圧されて低温低圧の液冷媒となる。この液冷媒は、蒸発器として機能する室外熱交換器１２に導かれ、外気と熱交換することにより外気から吸熱して気化する。このとき、低温となる室外熱交換器１２の外周面には空気中の水分等が氷結して着霜するので、適当な運転時間毎に後述するデフロスト運転を実施して着霜を除去することが必要となる。

このようにして、低温低圧の液冷媒が室外熱交換器１２を通過することにより、この液冷媒は気化して低温低圧のガス冷媒となる。この結果、このガス冷媒は、再び四方弁１５を通って圧縮機１１に吸引される。こうして圧縮機１１に吸引された低温低圧のガス冷媒は、圧縮機１１により再度圧縮されて高温高圧のガス冷媒となり、以下同様の経路を循環して気液の状態変化を繰り返す。
なお、図中の符号１２ａは、室外熱交換器１２を通過する外気量（送風量）の調整を行う外気ファンである。

一方、上述した冷媒系統１０において、デフロスト運転を行うために冷房サイクルが選択されると、四方弁１５の操作により冷媒の循環方向が切り替えられる。
すなわち、圧縮機１１から送出された高温高圧のガス冷媒は、図中に破線矢印で示すように、四方弁１５により室外熱交換器１２へ導かれて時計回りに循環する。この場合の室外熱交換器１２は、外気と高温高圧のガス冷媒とが熱交換することにより、冷媒が凝縮して凝縮熱を放熱する凝縮器として機能する。この結果、高温高圧のガス冷媒は凝縮して高温高圧の液冷媒（気液二相を含む）となり、室外熱交換器１２に付着した霜については、放熱（凝縮熱）を受けることによって解かされる。
室外熱交換器１２で凝縮した冷媒は、全開の暖房用電子膨張弁１７を通ってレシーバ１８へ流入する。このレシーバ１８では、冷媒の気液分離が行われるとともに、循環する冷媒量の調整が行われる。

レシーバ１８の下流側には、高温高圧の液冷媒を減圧する冷房用電子膨張弁１６が配置されている。この冷房用電子膨張弁１６を冷媒が通過することにより、高温高圧の液冷媒が減圧されて低温低圧の液冷媒となる。この液冷媒は、蒸発器として機能する水熱交換器１３に導かれるので、水系統３０から供給される温水と熱交換することにより吸熱して気化する。この結果、低温低圧の液冷媒は低温低圧のガス冷媒となり、再び四方弁１５を通って圧縮機１１に吸引される。こうして圧縮機１１に吸引された低温低圧のガス冷媒は、圧縮機１１により圧縮されて高温高圧のガス冷媒となり、以下同様の経路を循環して気液の状態変化を繰り返す。

さて、上述したデフロスト運転時の冷房サイクルでは、蒸発器として機能する水熱交換器１３において、低温低圧の液冷媒を気化させる熱源として、水系統３０の温水が使用されている。すなわち、デフロスト運転時に水熱交換器１３へ流す温水は、水系統３０の温水循環流路３２を流れる温水の水温検出値に応じて、温水循環流路３２を循環している循環温水、または、温水タンク３７内に貯蔵されている貯蔵温水のいずれか一方が選択して使用される。

上述した水温検出値は、水熱交換器１３の入口または出口に温度センサ（不図示）を設置し、温水循環流路３２を流れる温水の温度を水熱交換器１３の入口または出口で測定した値が使用される。そして、デフロスト運転時に水熱交換器１３へ流す温水として温水タンク３７内の貯蔵温水を選択するのは、水温検出値が所定水温値以下の低温となった場合とされる。すなわち、水温検出値が所定値より高い場合に循環温水を使用し、水温検出値が所定値以下の低温時に温水タンク３７内の貯蔵温水を使用するので、温度の高い温水タンク３７内の貯蔵温水については、その使用量を最小限に抑えてデフロスト運転を実施することができる。

図１に示す水系統３０は、三方弁３３、第１電磁切替弁３４及び第２電磁切替弁３５について、循環温水を使用するデフロスト運転時の開閉状態（黒塗りが閉）を示している。この場合、第１電磁切替弁３４が開とされ、かつ、第２電磁切替弁３５が閉とされるとともに、三方弁３３については、水熱交換器１３から第１電磁切替弁３４へ向かう流路が開かれている。この結果、ポンプ３１の運転により、温水循環流路３２を循環する循環温水が水熱交換器１３へ供給され、貯蔵温水はそのまま温水タンク３７内に貯蔵される。水熱交換器１３へ供給された循環温水は、水熱交換機１３で冷媒を加熱して気化させた後、三方弁３３、第１電磁切替弁３４及びラジエター３６を通り、ポンプ３１に再び吸引されて温水循環流路３２を循環する。

図２に示す水系統３０は、三方弁３３、第１電磁切替弁３４及び第２電磁切替弁３５について、貯蔵温水を使用するデフロスト運転時の開閉状態（黒塗りが閉）を示している。この場合、第１電磁切替弁３４が閉とされ、かつ、第２電磁切替弁３５が開とされるとともに、三方弁３３については、水熱交換器１３から第１電磁切替弁３４へ向かう流路が開かれている。この結果、ポンプ３１の運転により、温水タンク３７内の貯蔵温水が第２電磁切替弁３５を通って水熱交換器１３へ供給される。この貯蔵温水は、水熱交換機１３で冷媒を加熱して気化させた後、三方弁３３を通って温水タンク３７に戻される。

このようなデフロスト運転は、四方弁１５を操作することにより冷媒の循環方向を逆転させ、暖房サイクルを冷房サイクルに切り替えて実施されるが、四方弁１５を操作する時点においては、圧縮機１１の回転数を最低に落とすことが望ましい。すなわち、四方弁１５の切替操作を実施する前に、圧縮機１１の回転数を低減する制御を行うことにより、四方弁１５を切替操作した後のデフロスト運転において、急激な低圧低下が生じることを防止できる。

また、デフロスト運転時には、デフロスト運転開始とともに冷房用電子膨張弁１６を全開とし、冷媒回路１４内の冷媒流路を確保する。このとき、水熱交換器１３の入口または出口で検出した水温検出値により、所定水温値を基準にして循環温水または貯蔵温水から水熱交換器１３に流す温水を選択してもよいが、たとえば図３に示すように、検出した外気温度と水温検出値との関係を考慮した選択をしてもよい。
図３に示す例では、外気温度及び水熱交換器１３の入口で検出した水温検出値（水熱交入口水温）が境界線よりも下の領域にある場合、循環温水の温度が低いと判断して温水タンク３７内の貯蔵温水を選択し、他の領域にある場合は循環温水が選択される。

ここで、図３の境界線を規定する値は、水熱交入口水温の下限（２０℃）が運転温度範囲の下限値、水熱交入口水温の上限（３０℃）が外気温度の下限において水熱交換器１３が部分氷結を開始する蒸発飽和温度を回避するのに必要な水温、外気温度の下限（−２０℃）が運転温度範囲の下限値である。そして、境界線の変曲点での外気温度（０℃）は、循環温水／貯蔵温水の選択切替を行う選択境界線（傾斜直線）と水熱交入口温度の下限（２０℃）との交点であり、この選択境界線は、外気温度が高くなるにつれて水熱交入口水温の上限を低下させている。従って、この選択境界線は、上述した所定水温値について、外気温度が低いほど高くなるように補正したものとなる。また、水熱交入口水温及び外気温度が運転温度範囲の下限値を下回る領域は、本来使用範囲外であるため考慮する必要はないが、システムの始動時など過渡的に使用範囲を逸脱するケースを考慮し、境界線より下の領域ではシステムで規定された使用範囲の内外によらず、貯蔵温水を用いたデフロスト運転に切り替える。
なお、図３の貯蔵温水選択領域（境界線より下の領域）は、水熱交入口水温を基準としているが、水熱交出口水温を基準として貯蔵温水選択領域を規定することも可能である。

また、循環温水の温度が低く貯蔵温水を選択した場合、温水タンク３７に内蔵された温度センサ（不図示）による温水の検知温度もしくは切替完了後の水熱交入口水温が低く境界線より下の領域（図３参照）にあれば、貯蔵温水も十分な水温を有していない状態にあると判断できる。
そこで、温水タンク３７の内部に補助的な加熱手段として設けられている電気ヒータ３９に通電し、内部の貯蔵温水を加熱して昇温させる。すなわち、温水タンク３７には、貯蔵温水が所定水温値以下の場合に加熱し、貯蔵温水を所望の温度まで昇温させる電気ヒータ３９が設けられているので、この電気ヒータ３９で加熱した貯蔵温水を使用することにより、冷媒の気化に必要な熱源の温水を確実に得てデフロスト運転を実施することができる。

ところで、上述した実施形態では、温水タンク３７に高温の温水を貯蔵（蓄熱）し、この貯蔵温水を熱源としてサニタリ水供給回路３８を流れる水の加熱を行って給湯しているが、本発明のデフロスト運転は、たとえば図４に示す他の実施形態のように、温水タンク３７Ａ内の水を加熱した温水を給湯に使用する水系統３０Ａにも適用可能である。
図４に示す水系統３０Ａは、温水タンク３７Ａ内に貯蔵される温水が直接サニタリ水供給回路３８Ａを流れて給湯され、暖房サイクルで水熱交換器１３から供給される温水は、熱交換器４０を介して温水タンク３７Ａ内に貯蔵された温水の加熱に使用される。

このように構成された水系統３０Ａでデフロスト運転を行う場合、水熱交換器１３に供給する温水の昇温に貯蔵温水を使用する場合には、三方弁３３を操作して図中に矢印Ｗで示すように温水流路を切り替える。この結果、低温の循環温水は、温水タンク３７Ａ内を通過して流れるようになり、温水タンク３７Ａの内部を通過する際には、熱交換器４０を介して貯蔵温水の加熱を受けて昇温する。なお、温水タンク３７Ａ内の貯蔵温水が十分な加熱能力を有していない場合には、上述した実施形態と同様に、電気ヒータ３９に通電して加熱・昇温させればよい。

このように、上述した本発明によれば、デフロスト運転時に水熱交換器１３に供給する熱源として一律に循環温水を用いるのではなく、水熱交換器１３の入口または出口で検出した水温検出値、あるいは、外気温度によって補正した水温検出値に基づいて、循環温水または貯蔵温水からいずれか一方を選択して使用するので、通常は循環温水を使用することにより、温水タンク内にある高温の貯蔵温水使用量を最小限に抑えてデフロスト運転を実施できるようになる。従って、デフロスト運転時には、必要最小限の熱源（貯蔵温水）を用い、水−冷媒間で熱交換を行う室内熱交換器（水熱交換器）１３に懸念されていた氷結リスクを回避することができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１０ 冷媒系統
１１ 圧縮機
１２ 室外熱交換器
１２ａ 室外機ファン
１３ 室内熱交換器（水熱交換器）
１４ 冷媒回路
１５ 四方弁
１６ 冷房用電子膨張弁
１７ 暖房用電子膨張弁
１８ レシーバ
３０，３０Ａ 水系統
３１ ポンプ
３２ 温水循環流路
３３ 三方弁
３４ 第１電磁切替弁
３５ 第２電磁切替弁
３６ ラジエター
３７，３７Ａ 温水タンク
３８，３８Ａ サニタリ水供給回路
３８ａ，４０ 熱交換器
３９ 電気ヒータ
ＨＰ ヒートポンプ式給湯・空調装置

Claims (2)

1. 圧縮機により送出される冷媒が室外熱交換器及び室内熱交換器を備えた閉回路の冷媒回路を循環して気液の状態変化を繰り返すとともに、前記冷媒回路を循環する冷媒の循環方向を切り替えて冷房サイクルまたは暖房サイクルの選択が可能なヒートポンプの冷媒系統と、
   ポンプにより送出された水が前記室内熱交換器で冷媒から吸熱して温水とされ、該温水を循環させて温水熱源を使用する温水循環流路に流路切替弁を介して連結された温水タンクを備えている水系統とを有し、
   前記冷媒系統の冷媒循環方向を前記冷房サイクルに設定してデフロスト運転を行うヒートポンプ式給湯・空調装置において、
   前記デフロスト運転時に前記室内熱交換器に流す水として、前記水系統を流れる温水の水温検出値に応じて、前記温水循環流路を循環している循環温水または前記温水タンク内に貯蔵されている貯蔵温水のいずれか一方が選択され、
   前記貯蔵温水は、前記水温検出値が所定水温値以下となった場合に選択され、かつ、前記所定水温値は、外気温度が低いほど高くなるように補正されることを特徴とするヒートポンプ式給湯・空調装置。
2. 前記貯蔵温水が前記所定水温値以下の場合に加熱して昇温させる加熱手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯・空調装置。

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