WO2011092802A1

WO2011092802A1 - ヒートポンプ装置及び冷媒バイパス方法

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Publication number: WO2011092802A1
Application number: PCT/JP2010/050949
Authority: WO
Inventors: 慶郎青柳
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2010-01-26
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2011-08-04
Also published as: EP2530410A4; US20120291460A1; JPWO2011092802A1; US9709308B2; JP5570531B2; EP2530410B1; EP2530410A1

Abstract

　室外機１００は、除霜運転時に、圧縮機３から吐出された冷媒の一部を、接続部１９に向けてバイパスするバイパス回路１２０を備えている。室外機１００の制御装置１４は、除霜運転時における水熱交換器２の水入口の水温度ＴＷ（ｃ，ｉｎ）と水出口の水温度ＴＷ（ａ，ｏｕｔ）とに基づいて、バイパス回路１２０の電磁弁１０を開く制御を実行する。また、制御装置１４は、除霜運転時において電磁弁１０が開状態の場合に、水熱交換器２の冷媒入口の冷媒温度ＴＲ（ｄ，ｉｎ）と冷媒出口の冷媒温度ＴＲ（ｂ，ｏｕｔ）とに基づいて、バイパス回路１２０の第３膨張弁８の弁の開度を制御する。

Description

ヒートポンプ装置及び冷媒バイパス方法

　この発明は、水回路を流れる水を加熱する通常運転と、この通常運転のリバースサイクルとなる除霜運転とを、循環する冷媒を用いて行うヒートポンプ装置に関する。

　下記に示す特許文献１には、室内側空気熱交換器、室外側空気熱交換器、及びバイパス回路を備えた空気調和装置が、開示されている。また、特許文献２では、水と冷媒との熱交換を行う水熱交換器、室外機側空気熱交換器、及びバイパス回路を備えたヒートポンプ式給湯用室外機が開示されている。特許文献１の空気調和装置では、除霜時にバイパス回路を使用することにより、高温高圧の冷媒を室外機側空気熱交換器手前にバイパスさせて室内機側に冷媒を流さない状態で除霜をし、除霜効率の向上を図る。特許文献２のヒートポンプ式給湯用室外機では、バイパス回路と膨張弁とを使用して除霜時の冷媒を水熱交換器に流入させずに冷媒をバイパスさせて水熱交換器の凍結防止を図り、またバイパス回路で水熱交換器に流す冷媒量を低減させて水熱交換器の凍結防止を図る。しかし、特許文献１、２では、除霜時にバイパス回路を使用して室内機側の水熱交換器にバイパスさせた冷媒を流して除霜をし、水熱交換器の凍結防止を図ること、また水熱交換器での熱交換実施による除霜時の高効率運転に関する記載はない。

特開１９８８－２８６６７６号公報特開２００９－４１８６０号公報

　従来のヒートポンプ式給湯用室外機では、水と冷媒との間で熱交換する水熱交換器が使用されている。低外気温（室外機周囲温度が氷点下）では、室外機側空気熱交換器が着霜するため除霜運転がおこなわれる。その際、冷媒の持つ熱は除霜に使用され（低外気温度での過度な熱交換による放熱）、除霜のために熱を奪われた冷媒は、水熱交換器に流入する前に温度がマイナスになる。このマイナス温度の冷媒が水熱交換器に流入することによって、水熱交換器が凍結してしまうという課題があった。このとき、水と冷媒とを熱交換する水熱交換器に流入する水は、ヒートポンプ式給湯用室外機では制御しておらず、現地においてタンクの沸き上げを制御しているシステムコントローラが、水熱交換器に流入する水の制御を行っている。このため除霜運転時でも水が循環されてしまう。水熱交換器における水入口側の温度が１０℃以下になると水出口側の温度は０℃以下になるため、水熱交換器が凍結してしまう（除霜運転時はリバースサイクルになるため冷房運転になる）。

　この課題解決策として、
（１）特許文献２では、室外機側空気熱交換器出口側と水熱交換器出口側とにバイパス回路と電磁弁とを配置して、水熱交換器に冷媒を流入させないようにして、水熱交換器の凍結防止を行っている。
（２）また、前記のバイパス回路と水熱交換器とを並列にして冷媒を流し、水熱交換器に流入される冷媒量を低減して、凍結防止を行っている。このように、特許文献２の水熱交換器の凍結防止は、「バイパス回路を使用して水熱交換器に冷媒を流入させないことによる凍結防止」（前記（１））、あるいは「バイパス回路と水熱交換器とを並列にして、水熱交換器に流入する冷媒を低減させることによる凍結防止」（前記（２））である。

　このため、空気調和装置の室内機側に位置する水熱交換器（例えばプレート熱交換器）側での熱交換がなされていない（前記（１））、あるいは水熱交換器において十分な熱交換がされないため、低効率運転となり、また前記（１）では室外機側のみの熱交換になるため、液冷媒を圧縮機に返すことになってしまい、圧縮機保護が不完全になるという課題がある。

　この発明は、除霜運転時における水熱交換器凍結防止をしつつ、室内機側に位置する水熱交換器を使用して高効率の除霜運転を行うヒートポンプ装置の提供を目的とする。

　また、この発明は、除霜運転において高効率運転を行うと共に、液冷媒を圧縮機に返さないようにして圧縮機を保護するヒートポンプ装置の提供を目的とする。

　この発明のヒートポンプ装置は、
　水回路を流れる水を加熱する通常運転と、前記通常運転のリバースサイクルとなる除霜運転とを、循環する冷媒を用いて行うヒートポンプ装置において、
　圧縮機の吸入口と吐出口とのそれぞれと配管で接続されると共に冷媒の循環方向を切り替えることで前記通常運転と前記除霜運転とを切り替える四方弁と、
　前記通常運転時に前記水に放熱する放熱器として機能すると共に前記除霜運転時に前記水から吸熱する吸熱器として機能する水熱交換器と、
　前記循環する冷媒を減圧する第１減圧装置と、
　前記通常運転時に前記吸熱器として機能すると共に前記除霜運転時に前記放熱器として機能する空気熱交換器とが、これらの順に配管で接続され、冷媒が循環する主冷媒回路と、
　前記圧縮機の吐出側と、前記第１減圧装置と空気熱交換器との間の箇所である接続部とを接続するバイパス回路であって、前記除霜運転時に前記圧縮機から吐出された冷媒の一部を、前記主冷媒回路からバイパス冷媒として前記接続部に向けてバイパスするバイパス回路と
を備えたことを特徴とする。

　この発明により、除霜運転時における水熱交換器凍結防止をしつつ、室内機側に位置する水熱交換器を使用して高効率の除霜運転を行うヒートポンプ装置を提供できる。

　また、この発明により除霜運転において液冷媒を圧縮機に返さないようにして圧縮機を保護するヒートポンプ装置を提供できる。

実施の形態１の、室外機１００の冷媒回路図。実態の形態１の、室外機１００の除霜運転時の冷媒循方向を示す図。実態の形態１の、判定対象と検出温度との関係を示す図。実態の形態１の、通常除霜運転動作を示すフローチャート。実態の形態１の、バイパス除霜運転を示すフローチャート。

　実施の形態１．
　図１は、実施の形態１のヒートポンプ式給湯用室外機１００（以下、室外機１００という）の冷媒回路図である。室外機１００（ヒートポンプ装置）は、水回路１５を流れる水を水熱交換器２によって加熱する暖房給湯運転（以下、通常運転という）と、通常運転に対してリバースサイクルとなる除霜運転とを、循環する冷媒を用いて行う。図１において、破線の矢印は通常運転の冷媒循環方向を示し、実線の矢印は除霜運転の冷媒循環方向を示す。また、矢印４１は水回路１５を循環する水の流れる方向を示す。水ポンプ１７によって水が循環する。なお水回路１５には貯湯タンク１６が配置されている。

　室外機１００は、圧縮機３、四方弁４、水熱交換器２、第１膨張弁６（第１減圧装置）、中圧レシーバ５、第２膨張弁７（第２減圧装置）、空気熱交換器１が配管で接続された主冷媒回路１１０と、電磁弁１０、第３膨張弁８（バイパス冷媒減圧装置）が配管で接続されたバイパス回路１２０とを備える。
　ここに、
（１）圧縮機３は、インバータにより回転数が制御され、容量制御されるタイプである。
（２）四方弁４は、圧縮機３の吸入口と吐出口とのそれぞれと配管で接続され、冷媒の循環方向を切り替えることで、通常運転と除霜運転とを切り替える。
（３）水熱交換器２は、水と冷媒の熱交換を行う。水熱交換器２は、例えばプレート熱交換器である。水熱交換器２は、通常運転時には放熱器（凝縮器）として水回路１５の水を加熱すると共に、除霜運転時には水回路１５の水から吸熱する吸熱器（蒸発器）として機能する。
（４）第１膨張弁６は、冷媒の流量を調整し減圧する。
（５）中圧レシーバ５の内部には、圧縮機３の吸入配管３１が貫通している。圧縮機３の吸入配管３１の貫通部３２の冷媒と中圧レシーバ５内の冷媒とは熱交換可能な構成であり、中圧レシーバ５は、内部熱交換器９としての機能を備える。
（６）第２膨張弁７は、冷媒の流量を調整し減圧する。なお、第１膨張弁６、第２膨張弁７、第３膨張弁８は、開度が可変制御される電子膨張弁である。
（７）空気熱交換器１は、空気と冷媒の熱交換を行う。空気熱交換器１は、通常運転時には吸熱器（蒸発器）として機能すると共に除霜運転時には放熱器（凝縮器）として機能する。空気熱交換器１は、ファンなどで送風される外気と熱交換する。
（８）室外機１００の冷媒としては、ＨＦＣ（Ｈｙｄｒｏ　Ｆｌｕｏｒｏ　Ｃａｒｂｏｎ）系の混合冷媒であるＲ４１０ＡあるいはＲ４０７Ｃが用いられる。

（バイパス回路１２０）
　バイパス回路１２０は、圧縮機３の吐出側と、第１膨張弁６と中圧レシーバ５との間の箇所である接続部１９とを接続するバイパス回路である。バイパス回路１２０は、除霜運転時に圧縮機３から吐出された冷媒の一部を、主冷媒回路１１０からバイパス冷媒として接続部１９に向けてバイパスする。バイパス冷媒２２は中圧レシーバ５から流出した冷媒２１と合流し、第１膨張弁６を介して水熱交換器２に流入する。
　電磁弁１０は、制御装置１４に制御されて開閉することで、主冷媒回路１１０からバイパスするバイパス冷媒のバイパスをオン、オフする。第３膨張弁８は、制御装置１４に制御されることで、主冷媒回路１１０からバイパスされたバイパス冷媒の流量を調整し減圧する。

（温度センサ）
　主冷媒回路１１０には、以下の温度センサが配置されている。以下において、冷媒の入口、出口は通常運転時の冷媒循環方向を基準にしている。
　第１温度センサ１１ａが水熱交換器２の水出口側、
　第２温度センサ１１ｂが水熱交換器２の冷媒入口側、
　第３温度センサ１１ｃが水熱交換器２の水入口側、
　第４温度センサ１１ｄが水熱交換器２の冷媒出口側、
　第６温度センサ１１ｆが空気熱交換器１の冷媒入口側、
に配置されている。
　これらの温度センサは、それぞれ設置場所の冷媒温度あるいは水温度を計測する。
　また、第５温度センサ１１ｅは、室外機１００の周囲の外気温度を計測する。

（圧力センサ１２）
　圧縮機３の吐出側と四方弁４とを接続する配管には、吐出冷媒の圧力を検出する圧力センサ１２が設置されている。ここで、圧力センサ１２と、水熱交換器２もしくは空気熱交換器１までの配管は短いため、圧力損失は小さく、圧力センサ１２で検出される圧力は、水熱交換器２内もしくは空気熱交換器１内の冷媒の凝縮圧力と同等とみてよい。圧力センサ１２によって検出される凝縮圧力から、制御装置１４によって、冷媒の凝縮温度が演算される。

（制御装置１４）
　室外機１００内には、制御装置１４が設置されている。制御装置１４は、各温度センサ１１ａ～１１ｆ及び圧力センサ１２の計測情報や、室外機１００の使用者から指示される運転内容に基づいて、圧縮機３の運転方法、四方弁４の流路切換、空気熱交換器１のファン送風量、第１膨張弁６、第２膨張弁７、第３膨張弁８、電磁弁１０の開度などを制御する。

（動作の説明）
　次に、室外機１００の運転動作を説明する。まず、図１を参照して、室外機１００による通常運転時の動作を説明する。前述のように、圧縮機３や電子膨張弁など、制御される機器は、制御装置１４によって制御される。
　なお、以下では各温度センサで検出される温度や、温度の検出時間等に具体的な値を用いて説明するが、これらの値はあくまでも一例であり、これらの値に限定されない。以下の動作説明では、図２に除霜運転時における冷媒の循環方向を具体的に示した。また、図３には、制御装置１４が制御を実行する際の判定対象と検出温度との対応を示した。図４、図５は室外機１００の動作フローチャートである。以下、図２～図５を参照して制御装置１４の動作を説明する。室外機１００は、除霜運転時に冷媒をバイパスすることが特徴である。

（１．通常運転の動作）
　通常運転時には、四方弁４の流路は、図１に示す点線方向に設定される。つまり四方弁４の設定により、通常運転時には、冷媒は、圧縮機３、四方弁４、水熱交換器２、第１膨張弁６、中圧レシーバ５、第２膨張弁７、空気熱交換器１、四方弁４、中圧レシーバ５、圧縮機３の順に循環する。
（１）圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁４を経て水熱交換器２に流入する。そして、水熱交換器２に流入したガス冷媒は、凝縮器として機能する水熱交換器２で放熱しながら凝縮液化し、高圧低温の液冷媒となる。水熱交換器２を通過する冷媒から放熱された熱によって、水熱交換器２を通過する負荷側の水（水回路１５を流れる水）が、加熱される。
（２）水熱交換器２を出た高圧低温の液冷媒は、第１膨張弁６によって若干減圧された後、気液二相状態となり、中圧レシーバ５に流入する。
（３）中圧レシーバ５に流入した冷媒は、中圧レシーバ５内において圧縮機３の吸入配管３１を流れる低温の冷媒に熱を与え、冷却されて液となって中圧レシーバ５から流出する。
（４）中圧レシーバ５から流出した液冷媒は、第２膨張弁７で低圧まで減圧されて二相冷媒となり、その後、蒸発器として機能する空気熱交換器１に流入し、空気熱交換器１において空気から吸熱し、蒸発して、ガス化する。
（５）ガス化した冷媒は、空気熱交換器１から四方弁４に向かい、四方弁４を経て、中圧レシーバ５で高圧の冷媒と熱交換してさらに加熱され、圧縮機３に吸入される。

（２．除霜運転の動作）
　図２は、室外機１００の除霜運転における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。図２の回路構成は図１と同じであるが、図１に対して、除霜運転において冷媒の流れる方向を示す実線の矢印を詳しく記載した。次に、図２を参照して、室外機１００の除霜運転の動作を説明する。

　制御装置１４は、空気熱交換器１の第６温度センサ１１ｆの検出温度ＴＬ（ｆ，ｉｎ）が、除霜運転開始の判定式である下記式（１）を１８０秒以上満たした場合、空気熱交換器１に霜が付着していると判断し、通常運転から除霜運転動作に移行する。
　ＴＬ（ｆ，ｉｎ，）≦－１０℃・・・（１）
　式（１）における検出温度ＴＬ（ｆ，ｉｎ）は通常運転における温度である。よって、式（１）の検出温度ＴＬ（ｆ，ｉｎ）は、空気熱交換器１への冷媒の入口温度である。
（１）圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁４を経て着霜した空気熱交換器１を除霜し、空気熱交換器１から液冷媒として流出し、第２膨張弁７を経て気液２相となり、中圧レシーバ５を経て液冷媒となり、第１膨張弁６を経て気液２相となり、水熱交換器２（蒸発器）に流入する。
（２）水熱交換器２に流入した冷媒は、水熱交換器２において水熱交換器２を通過する水回路１５の湯から熱をもらい蒸発し、四方弁４、中圧レシーバ５を通り、再び圧縮機３に戻る。この冷媒の循環により、空気熱交換器１が除霜される。この除霜運転の動作は、リバースサイクル（冷房運転）による除霜になる。

　除霜運転時はリバースサイクルになるため、水熱交換器２にとっては冷房運転になる。この場合、空気熱交換器１の周囲大気の低下により水熱交換器２に流入する冷媒温度が低下した場合（マイナス温度になった場合）、あるいは水熱交換器２の水入口温度が１０℃以下の場合には、水熱交換器２の水出口温度が０℃以下になる可能性があり、水熱交換器２が凍結するおそれがある。しかし、水熱交換器２の凍結の恐れがあっても、貯湯タンク１６の沸き上げの制御をしているシステムコントローラ（図示していない）は、水熱交換器２の凍結の恐れの有無によらず、水ポンプ１７を稼働させて水回路１５の水を循環させている。そこで、室外機１００が凍結防止の制御をおこなう。

（バイパス回路１２０によるバイパス）
　水熱交換器２の凍結の恐れに対して、制御装置１４は、除霜運転の際、バイパス回路１２０内の電磁弁１０と第３膨張弁８とを開き、圧縮機３から吐出された高温高圧の冷媒の一部を、バイパス回路１２０を介して、中圧レシーバ５と、第１膨張弁６の上流部との間の接続部１９にバイパスする。室外機１００では、中圧レシーバ５から流出した主冷媒回路１１０を流れる冷媒２１と、バイパス回路１２０にバイパスした冷媒２２とが混合する。混合された冷媒は、第１膨張弁６を経て水熱交換器２に流入する。この混合によって、水熱交換器２を流れる冷媒の温度低下が抑制可能になり、水熱交換器２の凍結を防止できる。

　このとき、水熱交換器２に流れ込む冷媒温度は水熱交換器２を凍結させない温度（例えば２０℃以上）に維持できるよう、制御装置１４が、温度センサ１１ｃ（水入口側）、１１ｄ（冷媒入口側）等による検出温度に基づき電磁弁１０、第３膨張弁８等の制御を実行する。これについては、後述する。

　このバイパス回路１２０を用いた除霜運転は、水熱交換器２での熱交換（湯から冷媒への熱の移動）がなされることによって、高効率運転が可能である。さらに、水熱交換器２での熱交換の実施により冷媒状態をガス化できるので、圧縮機３の保護が可能である。

（３．バイパス回路１２０を用いた除霜運転の動作概要）
　次に、室外機１００によるバイパス回路１２０を用いた除霜運転の制御動作を、図２を参照して説明する。

（温度記号について）
　以下では温度センサによって検出される熱交換器への「冷媒あるいは水」の「流入あるいは流出」の温度を、
　ＴＷ（ａ，ｏｕｔ）
などと表す。
　ここに、
　「ａ」は検出元の温度センサを示し、
　「ｏｕｔ」は熱交換器からの流出を示し、
　「ｉｎ」であれば熱交換器への流入を示す。
　また、「ＴＷ」（水熱交換器２）は水温を示し、「ＴＲ」（水熱交換器２）び「ＴＬ」（空気熱交換器１）は冷媒温度を示す。

　除霜運転時における各温度センサの検出温度は次の様である。
（１）第１温度センサ１１ａは、水熱交換器２の水出口側に設けられ、水出口温度ＴＷ（ａ，ｏｕｔ）を検出する。
（２）第２温度センサ１１ｂは、水熱交換器２の冷媒出口側に設けられ、冷媒出口温度ＴＲ（ｂ，ｏｕｔ）を検出する。
（３）第３温度センサ１１ｃは、水熱交換器２の水入口側に設けられ、水入口温度ＴＷ（ｃ，ｉｎ）を検出する。
（４）第４温度センサ１１ｄは、水熱交換器２の冷媒入口側に設けられ、冷媒入口温度ＴＲ（ｄ，ｉｎ）を検出する。
　水熱交換器２に関する温度ＴＷ（ａ，ｏｕｔ）、温度ＴＷ（ｃ，ｉｎ）、温度ＴＲ（ｂ，ｏｕｔ）、温度ＴＲ（ｄ，ｉｎ）が低下すると、水熱交換器２が凍結するおそれがある。
　そこで制御装置１４は、下記の式（２）かつ式（３）が同時に３０秒継続する状態を検出した際に限り、バイパス回路１２０の第３膨張弁８、電磁弁１０を開き、冷媒の一部Ｇｒｂ（例えば全体の循環量Ｇｒの３０％）をバイパスさせる。式（２）、式（３）はバイパス開始の判定式（凍結判定条件ともいう）である。
　温度ＴＷ（ａ，ｏｕｔ）≦３℃・・・（２）
　温度ＴＷ（ｃ，ｉｎ）≦１０℃・・・（３）

　バイパス冷媒Ｇｒｂ（冷媒２２）に関しては、バイパス量は、第３膨張弁８の開度Ｐにより決定される。中圧レシーバ５と第１膨張弁６の上流部との間の接続部１９にバイパス冷媒Ｇｒｂを流入させるため、第３膨張弁８がバイパス冷媒Ｇｒｂを減圧する。すなわち、第３膨張弁８によって、バイパス冷媒Ｇｒｂは高圧から中圧になる。主冷媒回路１１０を流れてきた冷媒Ｇｒａ（冷媒２１）は、バイパスされて減圧されたバイパス冷媒Ｇｒｂ（冷媒２２）と混合される。混合された冷媒は第１膨張弁６を経て水熱交換器２に流入する。混合された冷媒の水熱交換器２における冷媒入口温度ＴＲ（ｄ，ｉｎ）及び冷媒出口温度ＴＲ（ｂ，ｏｕｔ）が、
　ＴＲ（ｄ，ｉｎ）≧２０℃、かつ、ＴＲ（ｂ，ｏｕｔ）≧０℃
を満足するように、制御装置１４が第３膨張弁８を制御する。この第３膨張弁８は図５の説明で後述する。水熱交換器２にて熱交換実施後、冷媒はガス化され中圧レシーバ５で中圧の冷媒と熱交換し、さらに加熱され、圧縮機３に吸入される。

（４．除霜運転の具体的な動作）
　次に、図４を参照して、室外機１００での除霜時の具体的な運転制御動作を説明する。図４は、除霜運転時における制御装置１４による制御動作を示すフローチャートである。

　空気熱交換器１の第６温度センサ１１ｆが、上記式（１）（ＴＬ（ｆ，ｉｎ）≦－１０℃）を満たす温度ＴＬ（ｆ，ｉｎ）を１８０秒間検知した際、制御装置１４は、除霜運転（リバースサイクル運転）を開始する（Ｓ１）。

（凍結判定条件）
　除霜運転を開始してから、制御装置１４は、第１温度センサ１１ａ、第３温度センサ１１ｃによって、凍結判定条件（式（２）かつ式（３））が検出された場合、バイパス回路１２０の電磁弁１０、第３膨張弁８を開く（Ｓ３，Ｓ５）。以下、バイパス回路１２０を使用する除霜運転をバイパス除霜運転という。すなわち、凍結判定条件は、バイパス除霜運転開始の条件である。凍結判定条件が検出されなければ、制御装置１４は、通常の除霜運転を続けながら凍結判定条件の検出を続ける。

　なお、凍結判定条件は、温度ＴＷ（ａ，ｏｕｔ）と温度ＴＷ（ｃ，ｉｎ）との両方を用いる場合を説明したが、これは一例である。凍結判定条件は、温度ＴＷ（ａ，ｏｕｔ）と温度ＴＷ（ｃ，ｉｎ）とのうち少なくともいずれかを用いればよい。両方を用いることが望ましいのは、もちろんである。

（バイパス回路１２０）
　従来の除霜運転では、空気熱交換器１（凝縮器）の液冷媒の出口温度ＴＬ（ｏｕｔ）に関して、
　出口温度ＴＬ（ｏｕｔ）≧２０℃
を満たす出口温度ＴＬ（ｏｕｔ）が検出された場合には除霜運転は終了され、四方弁４の切り替えにより、再び、通常運転が開始される。
　すなわち従来では、水熱交換器２における凍結のおそれの有無によらず、「出口温度ＴＬ（ｏｕｔ）≧２０℃」が満たされるまで除霜運転が行われた。このため、「出口温度ＴＬ（ｏｕｔ）≧２０℃」が検出される前に水熱交換器２が凍結するおそれがあった。しかし、室外機１００では、制御装置１４は、図４のフローの右側（Ｓ４）のように「出口温度ＴＬ（ｆ，ｏｕｔ）が２０℃以上かどうかを監視しながら、図４のフローの左側のように凍結判定条件の検出（Ｓ３）も行う。室外機１００では空気熱交換器１（凝縮器）の液冷媒の出口温度ＴＬ（ｏｕｔ）は温度センサ１１ｆによって検出されるので、「ＴＬ（ｆ，ｏｕｔ）」と記載した。制御装置１４は、「出口温度ＴＬ（ｆ，ｏｕｔ）≧２０℃」が検出される前に凍結判定条件が検出された場合，電磁弁１０、第３膨張弁８を開き高温高圧の冷媒をバイパスさせるバイパス除霜運転を実施する。したがって、除霜運転時における水熱交換器２の凍結を防止できる。

（５．バイパス除霜運転の動作）
　図５は、除霜運転時におけるバイパス除霜運転時の制御動作を示すフローチャートである。図５は図４のＳ５、Ｓ６の具体的な内容をＳ５ａ～Ｓ５ｇとして示している。
　図５を参照して、室外機１００によるバイパス回路１２０（電磁弁１０、第３膨張弁８）の制御動作を説明する。

　制御装置１４は、バイパス回路１２０を作動させるため、電磁弁１０、第３膨張弁８を開け、圧縮機３から吐出された高温高圧の冷媒をバイパス回路１２０にバイパスさせる（Ｓ５ａ，Ｓ５ｂ、Ｓ５ｃ）。このとき、第３膨張弁８は所定の開度に制御される。制御装置１４は、
　ＴＲ（ｂ，ｏｕｔ）≧０℃、かつ、ＴＲ（ｄ，ｉｎ）≧２０℃
の成立を目標として、圧縮機３の運転周波数を制御しつつバイパス回路１２０に冷媒をバイパスさせる（Ｓ５ｄ）。制御装置１４は、下記の式（４）または式（５）を検出した場合は、第３膨張弁８の開度を変更（開度を増加）することによって冷媒のバイパス量を増加させ、下記の式（４）、式（５）を満たすように第３膨張弁８をの開度Ｐを制御する（Ｓ５ｅ）。従って、図３に示すように「式（４）または式（５）」の条件は、第３膨張弁８の制御開始の条件である。
　ＴＲ（ｂ，ｏｕｔ）＜０℃・・（４）、または、ＴＲ（ｄ，ｉｎ）＜２０℃・・・（５）
　「ＴＲ（ｂ，ｏｕｔ）≧０℃、かつ、ＴＲ（ｄ，ｉｎ）≧２０℃」が満たされた場合、制御装置１４の制御はＳ５ｆに進む。

　なお、第３膨張弁８の開度制御は、温度ＴＲ（ｂ，ｏｕｔ）と温度ＴＲ（ｄ，ｉｎ）との両方を用いる場合を説明したが、これは一例である。第３膨張弁８の開度制御は、温度ＴＲ（ｂ，ｏｕｔ）と温度ＴＲ（ｄ，ｉｎ）との少なくともいずれかを用いればよい。両方を用いることが望ましいのは、もちろんである。

　制御装置１４は、空気熱交換器１において、「ＴＬ（ｆ，ｏｕｔ）≧２０℃」を目標とする（５ｆ）。
　ＴＬ（ｆ，ｏｕｔ）＜２０℃・・・（６）
の場合、制御装置１４は、
　ＴＬ（ｆ，ｏｕｔ）≧２０℃
となるように圧縮機周波数を増加させる（Ｓ５ｇ）。
　従って、図３に示すように「式（６）」は、圧縮機３の運転周波数制御の条件である。
　Ｓ５ｆにおいて、ＴＬ（ｆ，ｏｕｔ）≧２０℃を検出した場合、制御装置１４の処理はＳ７に進む。

　なお、制御装置１４は、Ｓ５ｇにおいて、すなわち、除霜運転における空気熱交換器１の冷媒出口側の冷媒温度である温度ＴＬ（ｆ，ｏｕｔ）に基づいて、圧縮機３の運転周波数制御を判断する。しかしこれに限ることはなく、制御装置１４は、除霜運転における空気熱交換器１の冷媒入口側温度（ＴＬ（ｉｎ））に基づいて、圧縮機３の運転周波数制御を実行してもよい。

　Ｓ７において、制御装置１４は、バイパス除霜運転の最終確認として、
　ＴＬ（ｆ，ｏｕｔ）≧２０℃・・・（７）
がｔ_１秒、継続するかどうかを判定する。図３に示すように「式（７）」は、バイパス除霜運転終了の判定条件である。終了すると判定すると、制御装置１４は、電磁弁１０、第３膨張弁８を閉じてバイパス回路１２０をＯＦＦにし（Ｓ８）、バイパス除霜運転を終える（Ｓ９）。そして、制御装置１４は、除霜運転を終了し（Ｓ１０）、四方弁４を切り替え（Ｓ１１）、再び、通常運転を開始する（Ｓ１２）。

（除霜のバックアップ：Ｓ５ｆ、Ｓ５ｇ）
　以上のように、除霜運転時において、ＴＷ（ａ，ｏｕｔ）、ＴＷ（ｃ，ｉｎ）、ＴＲ（ｂ，ｏｕｔ）、ＴＲ（ｄ，ｉｎ）が低下し、水熱交換器２が凍結するおそれがある場合には、圧縮機３から吐出された高温高圧の冷媒の一部Ｇｒｂがバイパス回路１２０にてバイパスされ、水熱交換器２の凍結が防止される。一方、このバイパスのため、空気熱交換器１に付着した霜を溶かすための冷媒量（熱量）が低下し、空気熱交換器１における熱交換量が低下する。そこで、Ｓ５ｆ、Ｓ５ｇで説明したように、制御装置１４は圧縮機３の運転周波数を増加（Ｓ５ｇ）させて冷媒循環量を増加させ、除霜のバックアップを行う。

　制御装置１４は、水熱交換器２の凍結判定条件（式（２）、式（３））を検出すると、バイパス除霜運転に移行後（Ｓ３）、終了時（Ｓ９）まで上記の制御を継続する。

　以上のように、実態の形態１の室外機１００では、除霜運転時において、水熱交換器２に流入する湯の温度が低下した場合にはバイパス除霜運転が開始される（図４のＳ３）。バイパス除霜運転では、圧縮機３から吐出されてバイパスされたバイパス冷媒と、主冷媒回路１１０から流れてきた冷媒とが混合され、水熱交換器２に流入するので、水熱交換器２を流れる冷媒温度の低下が抑制される。よって、水熱交換器２の凍結が防止できる。また、低外気温により水熱交換器２に流入する冷媒温度が低下した場合には、バイパス除霜運転において、第３膨張弁８の開度が増やされる（図５のＳ５ｅ）ので、バイパス冷媒量を増加できる。さらには、水熱交換器２との熱交換実施により、除霜運転における高効率化を図ることができる。さらに、水熱交換器２との熱交換実施により圧縮機３に吸入される冷媒の過熱度が確保されるので、圧縮機の保護を向上できる。

　１　空気熱交換器、２　水熱交換器、３　圧縮機、４　四方弁、５　中圧レシーバ、６　第１膨張弁、７　第２膨張弁、８　第３膨張弁、１０　電磁弁、１１ａ　第１温度センサ、１１ｂ　第２温度センサ、１１ｃ　第３温度センサ、１１ｄ　第４温度センサ、１１ｅ　第５温度センサ、１１ｆ　第６温度センサ、１２　圧力センサ、１４　制御装置、１５　水回路、１６　貯湯タンク、１７　水ポンプ、１９　接続部、１００　室外機、１１０　主冷媒回路、１２０　バイパス回路。

Claims

　水回路を流れる水を加熱する通常運転と、前記通常運転のリバースサイクルとなる除霜運転とを、循環する冷媒を用いて行うヒートポンプ装置において、
　圧縮機の吸入口と吐出口とのそれぞれと配管で接続されると共に冷媒の循環方向を切り替えることで前記通常運転と前記除霜運転とを切り替える四方弁と、
　前記通常運転時に前記水に放熱する放熱器として機能すると共に前記除霜運転時に前記水から吸熱する吸熱器として機能する水熱交換器と、
　前記循環する冷媒を減圧する第１減圧装置と、
　前記通常運転時に前記吸熱器として機能すると共に前記除霜運転時に前記放熱器として機能する空気熱交換器とが、これらの順に配管で接続され、冷媒が循環する主冷媒回路と、
　前記圧縮機の吐出側と、前記第１減圧装置と空気熱交換器との間の箇所である接続部とを接続するバイパス回路であって、前記除霜運転時に前記圧縮機から吐出された冷媒の一部を、前記主冷媒回路からバイパス冷媒として前記接続部に向けてバイパスするバイパス回路と
を備えたことを特徴とするヒートポンプ装置。
　前記バイパス回路は、
　制御されて開閉することで前記バイパス冷媒のバイパスをオン、オフする電磁弁と、前記電磁弁を通過したバイパス冷媒を減圧するバイパス冷媒減圧装置とが、前記圧縮機の吐出側から前記接続部に向かう途中に配置されたことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
　前記主冷媒回路は、
　前記第１減圧装置と、空気熱交換器との間の前記配管の途中にレシーバが配置されると共に、前記レシーバと空気熱交換器との間の前記配管の途中に前記循環する冷媒を減圧する第２減圧装置が配置されたことを特徴とする請求項２記載のヒートポンプ装置。
　前記レシーバは、
　前記四方弁から前記圧縮機の吸入口に向かう前記配管の一部が内部を貫通すると共に、前記除霜運転時において、貫通する前記配管の一部を流れる冷媒と前記第２減圧装置から流れ込む冷媒とが熱交換することを特徴とする請求項３記載のヒートポンプ装置。
　前記ヒートポンプ装置は、さらに、
　前記除霜運転時における前記水熱交換器の水入口の水温度ＴＷ（ｉｎ）と水出口の水温度ＴＷ（ｏｕｔ）との少なくともいずれかに基づいて、前記電磁弁を開く制御を実行する制御装置を備えたことを特徴とする請求項２～４のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
　前記バイパス冷媒減圧装置は、
　制御されることによりバイパス冷媒の減圧の度合を調整可能であり、
　前記制御装置は、
　前記除霜運転時において前記電磁弁が開状態の場合に、前記水熱交換器の冷媒入口の冷媒温度ＴＲ（ｉｎ）と冷媒出口の冷媒温度ＴＲ（ｏｕｔ）との少なくともいずれかに基づいて、前記バイパス冷媒減圧装置の冷媒の減圧の度合を制御することを特徴とする請求項５記載のヒートポンプ装置。
　前記制御装置は、
　前記除霜運転時において前記電磁弁が開状態の場合に、前記空気熱交換器の冷媒入口の冷媒温度ＴＬ（ｉｎ）と冷媒出口の冷媒温度ＴＬ（ｏｕｔ）との少なくともいずれかに基づいて、前記圧縮機の運転周波数を制御することを特徴とする請求項５または６のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
　前記制御装置は、
　前記除霜運転時において前記電磁弁が開状態の場合に、前記空気熱交換器の冷媒入口の冷媒温度ＴＬ（ｉｎ）と冷媒出口の冷媒温度ＴＬ（ｏｕｔ）との少なくともいずれかに基づいて、前記電磁弁を閉じる制御を実行することを特徴とする請求項５～７のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
　水回路を流れる水を加熱する通常運転と、前記通常運転のリバースサイクルとなる除霜運転とを、循環する冷媒を用いて行うヒートポンプ装置が、前記除霜運転時に実行する冷媒バイパス方法において、
　圧縮機の吸入口と吐出口とのそれぞれと配管で接続されると共に冷媒の循環方向を切り替えることで前記通常運転と前記除霜運転とを切り替える四方弁と、
　前記通常運転時に前記水に放熱する放熱器として機能すると共に前記除霜運転時に前記水から吸熱する吸熱器として機能する水熱交換器と、
　前記循環する冷媒を減圧する第１減圧装置と、
　前記通常運転時に前記吸熱器として機能すると共に前記除霜運転時に前記放熱器として機能する空気熱交換器とが、
　これらの順に配管で接続され、冷媒が循環する主冷媒回路の、
　前記圧縮機の吐出側から、前記第１減圧装置と空気熱交換器との間の箇所である接続部に向けて、前記圧縮機から吐出された冷媒の一部を、バイパス冷媒としてバイパスすることを特徴とする冷媒バイパス方法。