JP5510145B2

JP5510145B2 - ヒートポンプ装置

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Publication number: JP5510145B2
Application number: JP2010162261A
Authority: JP
Inventors: 敦板垣; 隆杉山; 宗太嶋田; 利行藤; 慎太郎真田
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2030-07-16
Also published as: JP2011080741A

Description

本発明は、ヒートポンプ装置の除霜に関する。

従来から、ヒートポンプ装置の除霜運転においては、冷媒の流れを四路切換弁にて暖房運転時（熱源側熱交換器が蒸発器として作用する給湯運転時）とは逆方向に切換え、圧縮機の吐出冷媒を熱源側熱交換器に流すことにより、熱源側熱交換器の除霜を行うリバース除霜方式が知られている。

このリバース除霜方式を用いたヒートポンプ装置には、ヒートポンプ式の給湯装置があり、図７に示すように、給湯運転時、圧縮機１から吐出する高温高圧の冷媒が、四路切換弁１４を経て給湯用熱交換器２に供給され、この給湯用熱交換器２の冷媒と水との熱交換によって、水を加熱する。次に、冷媒は膨張弁３で減圧されて、熱源側熱交換器４に供給されて外気から熱を吸熱して蒸発した後、圧縮機１に戻る。

この給湯運転時には、熱源側熱交換器４が蒸発器として作用するため、外気温度が低く、熱源側熱交換器４に着霜が生じると、四路切換弁１４にて給湯運転時とは冷媒の流れを逆方向に切換え、除霜運転に移行する。

除霜運転時、圧縮機１から吐出する高温高圧の冷媒は、四路切換弁１４を経て熱源側熱交換器４に供給され、この熱源側熱交換器４を流れる冷媒の熱により、熱源側熱交換器４の着霜が融霜除去される。次に、冷媒は膨張弁３を通って給湯用熱交換器２に供給されて蒸発し、温水から熱を吸熱した後、圧縮機１に戻る（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、特許文献１のリバース除霜方式では、除霜運転時、冷媒は膨張弁３で制御することなく、給湯用熱交換器２に供給されているため、給湯用熱交換器２の熱交換対象が空気よりも高い温度の温水の場合、蒸発器として働く給湯用熱交換器２での冷媒の蒸発圧力が大きくなりすぎてしまうおそれがある。この結果、圧縮機１に負担がかかり、ヒートポンプ装置の信頼性の低下につながるという欠点があった。

特開２００１−１０８２５６号公報（第４頁−第６頁、第４図）

本発明は上記問題点に鑑み、除霜運転時、蒸発器として作用する熱交換器の熱源が高温の温水の場合、この熱交換器の蒸発圧力を抑制し、ヒートポンプ装置の信頼性を維持することができるヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、圧縮機、四方弁、冷媒−水熱交換器、膨張弁および室外熱交換器からなるヒートポンプサイクルを有するヒートポンプ装置であって、前記室外熱交換器への着霜を除去する除霜運転時に、前記圧縮機を停止した後に前記四方弁を切換えて暖房運転時と冷媒の流れ方向を逆方向とし、かつ、前記圧縮機の停止前に検出した前記冷媒−水熱交換器に流れる温水の温度に相関のある検知情報に基づいて前記膨張弁の開度を調整することを特徴とする構成となっている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のヒートポンプ装置であって、前記検知情報は前記冷媒−水熱交換器の凝縮温度であり、前記膨張弁の開度は、前記凝縮温度が所定温度以上の場合の第１開度を、前記所定温度未満の場合の第２開度より小さくすることを特徴とする構成となっている。

請求項３記載の発明は、請求項１記載のヒートポンプ装置であって、前記検知情報は前記圧縮機の吐出圧力であり、前記膨張弁の開度は、前記吐出圧力が所定圧力以上の場合の第１開度を、前記所定圧力未満の場合の第２開度より小さくすることを特徴とする構成となっている。

請求項４記載の発明は、請求項２または請求項３記載のヒートポンプ装置であって、前記第１開度の場合には、前記室外熱交換器の出口温度が所定の第１温度以上に到達したときに除霜運転を終了し、前記第２開度の場合には、前記室外熱交換器の出口温度が前記第１温度より高い所定の第２温度以上に到達したときに除霜運転を終了することを特徴とする構成となっている。

請求項１乃至請求項３記載の発明によれば、除霜運転時、蒸発器として作用する熱交換器での熱交換対象が高温の温水であっても、膨張弁を制御することで熱交換器の蒸発圧力を調整できるため、圧縮機に負担がかからず、ヒートポンプ装置の信頼性を維持することができる。

請求項４記載の本発明によれば、第１開度の場合の除霜運転の終了判断のための室外熱交換器の出口温度を第２開度の場合のそれよりも低くすることで、無駄な除霜運転が無くなり、室外熱交換器の凝縮圧力を抑制できるため、圧縮機に負担がかからず、ヒートポンプ装置の信頼性を維持することができる。

本発明によるヒートポンプ装置を示す回路構成図である。本発明によるヒートポンプ装置の暖房運転と除霜運転の制御の第１実施例を示すフローチャートである。本発明によるヒートポンプ装置の除霜運転モードと除霜運転条件の一例を示す図である。本発明によるヒートポンプ装置の暖房運転と除霜運転の制御の第１実施例の一部を変更したフローチャートである。本発明によるヒートポンプ装置の暖房運転と除霜運転の制御の第２実施例を示すフローチャートである。本発明によるヒートポンプ装置の暖房運転と除霜運転の制御の第２実施例の一部を変更したフローチャートである。従来のヒートポンプ装置を示す回路構成図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。本発明によるヒートポンプ装置は、暖房運転時、冷媒回路の作用で水を加熱することで温水を生成し、この温水を給湯、床暖房、ラジエータなどに利用する装置である。

ヒートポンプ装置は、図１に示すように、圧縮機１００、四方弁２００、冷媒−水熱交換器３００、膨張弁４００および外気を熱交換対象とする室外熱交換器５００（背景技術の熱源側熱交換器４に相当）を冷媒管で順次接続する冷媒回路と、循環ポンプ６００、冷媒−水熱交換器３００（背景技術の給湯用熱交換器２に相当）および暖房端末７００を配水管で順次接続する温水回路とを備えるヒートポンプサイクルＡを有している。本実施形態では、暖房端末７００として床暖房パネルを形成し、この床暖房パネルに温水が循環されるようになっている。

冷媒回路には、圧縮機１００の吐出圧力を検知する圧縮機吐出圧力センサＳｐが四方弁２００と冷媒−水熱交換器３００の間に配置されている。また、暖房運転時の冷媒−水熱交換器３００の凝縮温度を検知する冷媒−水熱交換器温度センサＳｔ１が冷媒−水熱交換器３００に配置され、暖房運転時における冷媒流れ方向での室外熱交換器入口の冷媒温度（以下、室外熱交換器５００の入口温度と称す）を検知する室外熱交換器温度センサＳｔ２が室外熱交換器５００の膨張弁４００側の入口付近に配置されている。なお、この室外熱交換器温度センサＳｔ２は、除霜運転時における冷媒流れ方向での室外熱交換器出口の冷媒温度（以下、室外熱交換器５００の出口温度と称す）を検知するセンサでもある。更に、熱交換対象となる外気を室外機内に導入するための室外ファン８００が室外熱交換器５００の付近に配置されている。

そして、ヒートポンプ装置は、マイクロコンピュータからなる暖房運転と除霜運転を制御するコントローラ９００を有している。コントローラ９００は、圧縮機吐出圧力センサＳｐ、冷媒−水熱交換器温度センサＳｔ１、室外熱交換器温度センサＳｔ２の検知信号に基づいて演算処理を行い、その結果により、圧縮機１００、四方弁２００、膨張弁４００および室外ファン８００に制御信号を出力するようになっている。

以上説明してきたヒートポンプ装置の動作を説明する。まず、図１を用いて暖房運転と除霜運転の基本動作を説明する。暖房運転を開始する場合には、コントローラ９００は四方弁２００に制御信号を出力し、冷媒の流れ方向が実線矢印の方向となるように四方弁２００をＯＮにし、その後、圧縮機１００の運転を開始することにより、室外熱交換器５００を蒸発器、冷媒−水熱交換器３００を凝縮器として機能させる。

圧縮機１００から吐出される高温高圧の冷媒が四方弁２００を経て冷媒−水熱交換器３００に供給され、冷媒−水熱交換器３００による冷媒と水との熱交換によって、水を加熱する。このとき、高温高圧の冷媒は冷媒−水熱交換器３００で凝縮される。また、温水回路内を実線矢印のように流れる水は、冷媒の熱により加熱されて温水となる。

冷媒はその後、膨張弁４００で減圧されて液相状態あるいは二相状態となり、室外熱交換器５００に供給されて外気から熱を吸熱して蒸発し、四方弁２００を経て圧縮機１００に戻る。なお、暖房運転時には、コントローラ９００は冷媒−水熱交換器３００での冷媒から温水への放熱および室外熱交換器５００での冷媒の外気からの吸熱が最適な効率となるように冷媒の流量を調整するため、膨張弁４００の開度を制御する。また、コントローラ９００は室外ファン８００をＯＮにし、室外熱交換器５００に外気を導入して、室外熱交換器５００による冷媒と外気との熱交換を促進する。

この暖房運転の継続中に、室外熱交換器温度センサＳｔ２が所定温度以下の室外熱交換器５００の入口温度を検知したとき、室外熱交換器５００に着霜が生じたと判断し、四方弁２００によって暖房運転時と冷媒の流れ方向を逆方向に切換えるリバース除霜方式の除霜運転に移行する。

暖房運転から除霜運転に移行する場合には、コントローラ９００は、室外熱交換器温度センサＳｔ２による室外熱交換器５００の入口温度の検知信号に基づいて除霜運転への移行を決定し、圧縮機１００の運転を停止して、冷媒の流れ方向が点線矢印の方向となるように四方弁２００をＯＦＦにし、その後、圧縮機１００の運転を開始することにより、冷媒−水熱交換器３００を蒸発器、室外熱交換器５００を凝縮器として機能させる。

圧縮機１００の運転を開始し、除霜運転が開始されると、圧縮機１００から吐出される高温高圧の冷媒が四方弁２００を経て室外熱交換器５００に供給され、室外熱交換器５００に流れる冷媒の熱により、室外熱交換器５００の着霜が融霜除去される。このとき、高温高圧の冷媒は室外熱交換器５００で凝縮される。

冷媒はその後、膨張弁４００を経て冷媒−水熱交換器３００に供給されて温水から熱を吸熱して蒸発し、四方弁２００を経て圧縮機１００に戻る。本発明では、暖房運転から除霜運転に移行する場合に、圧縮機１００の運転を停止して四方弁２００をＯＦＦにした後、除霜運転に入る直前の暖房運転時の温水温度に相関のある冷媒の凝縮温度または凝縮圧力に基づいて膨張弁４００の開度を調整することにより、除霜運転時の冷媒−水熱交換器３００での冷媒の蒸発圧力が大きくなりすぎないようにしている。

本発明では、暖房運転時、室外熱交換器５００の入口温度が、予め定めた温度以下になったことを検知すると、圧縮機１００の運転を停止して四方弁２００をＯＦＦにし、その後、膨張弁４００の開度を調整して圧縮機１００の運転を開始することにより、除霜運転を開始する。除霜運転を所定時間継続した後、室外熱交換器５００の出口温度が、予め定めた温度から所定温度以上の温度上昇があったことを検知すると、圧縮機１００の運転を停止して四方弁２００をＯＮにすることにより、除霜運転を終了する。

上述の除霜運転を開始するため、本発明のヒートポンプ装置は、図３に示すように、除霜運転に入る直前の温水温度が高い場合の高温出湯モードと、除霜運転に入る直前の温水温度が低い場合の低温出湯モードの２種類の除霜運転モードを有し、ヒートポンプ装置は、高温出湯モードまたは低温出湯モードを選択して除霜運転を行う。高温出湯モードまたは低温出湯モードでの除霜運転は、冷媒−水熱交換器凝縮温度、膨張弁パルス数、圧縮機回転数、冷媒−水熱交換器蒸発圧力の各除霜運転条件の数値に則って制御される運転である。なお、除霜運転条件の数値のうち、膨張弁パルス数が高温出湯モードと低温出湯モードで異なる数値になっている。

次に、図２乃至図４を用いて本発明の特徴となる除霜運転動作を説明する。図２および図４において、Ｓはステップを、数字はステップ番号をそれぞれ表す。なお、本発明の第１実施例として、除霜運転モードの選択に、冷媒−水熱交換器温度センサＳｔ１の検知結果を用いるヒートポンプ装置と、圧縮機吐出圧力センサＳｐの検知結果を用いるヒートポンプ装置の二つの実施例について説明する。また、この二つの実施例で説明するヒートポンプ装置の暖房能力については、圧縮機吐出圧力センサＳｐの検知結果を用いるヒートポンプ装置の方がより大きな暖房能力を持つ装置であるとして説明する。

まず、冷媒−水熱交換器温度センサＳｔ１の検知結果を用いるヒートポンプ装置について説明する。図２に示すように、コントローラ９００は圧縮機１００と四方弁２００とがＯＮであるかどうかにより、暖房運転中であるかどうかを判断する（Ｓ１）。暖房運転中であれば（Ｓ１−ＹＥＳ）、Ｓ２に移行し、暖房運転中でなければ（Ｓ１−ＮＯ）、ルーチンを終了する。Ｓ２では、室外熱交換器５００の入口温度Ｔｏを検知し、入口温度Ｔｏが−１０℃以下であれば（Ｓ２−ＹＥＳ）、除霜運転への移行を決定してＳ３に移行し、入口温度Ｔｏが−１０℃以下でなければ（Ｓ２−ＮＯ）、暖房運転の継続を決定して、ルーチンを終了する。

本実施形態では、室外熱交換器５００の入口温度Ｔｏの検知は、室外熱交換器温度センサＳｔ２により検知され、コントローラ９００は、室外熱交換器温度センサＳｔ２の検知信号に基づいて、除霜運転への移行の要否を判断する。Ｓ３では、冷媒−水熱交換器３００の凝縮温度Ｔｗを冷媒−水熱交換器温度センサＳｔ１で検知し、凝縮温度Ｔｗが３７℃以上であれば（Ｓ３−ＹＥＳ）、Ｓ４に移行し、凝縮温度Ｔｗが３７℃未満であれば（Ｓ３−ＮＯ）、Ｓ７に移行する。

本実施形態では、温水温度に相関のある冷媒−水熱交換器３００の凝縮温度Ｔｗを検知することで温水温度を間接的に検知する。Ｓ４では、コントローラ９００は、高温出湯モードによる運転制御を開始し、室外ファン８００をＯＦＦにするとともに、圧縮機１００を停止する。コントローラ９００は圧縮機１００の停止から所定時間経過後、四方弁２００をＯＦＦとし（Ｓ５）、膨張弁４００を絞る（Ｓ６）。Ｓ６では、コントローラ９００から膨張弁４００に対し、膨張弁パルス数を例えば１５０パルスとする制御信号を出力し、膨張弁４００の開度を絞る。

一方、Ｓ７ではＳ４と同様に、コントローラ９００は、低温出湯モードによる運転制御を開始し、室外ファン８００をＯＦＦにするとともに、圧縮機１００を停止する。コントローラ９００は圧縮機１００の停止から所定時間経過後、四方弁２００をＯＦＦとし（Ｓ８）、膨張弁４００を全開にする（Ｓ９）。Ｓ９では、コントローラ９００から膨張弁４００に対し、膨張弁パルス数を例えば４８０パルスとする制御信号を出力し、膨張弁４００の開度を全開にする。

なお、膨張弁４００の開度は、弁を開閉するステッピングモータに上述の制御信号を出力することにより調整され、膨張弁４００は、ステッピングモータに４８０パルスの制御信号を出力すると全開に、０パルスの制御信号を出力すると全閉になるように制御される弁であり、０パルスから４８０パルスまでの間で膨張弁パルス数が大きくなると、これに対応するように膨張弁４００の開度も大きくなるように制御されるものである。

更に、上述のように、凝縮温度Ｔｗが３７℃未満のとき、膨張弁４００の開度を全開（４８０パルス）にすることにより、室外熱交換器５００に可能な限り高温の冷媒を供給して、冷媒−水熱交換器３００の蒸発圧力が上限値を超えることなく、除霜能力を発揮するようにしている。一方、上述のように、凝縮温度Ｔｗが３７℃以上のとき、膨張弁４００の開度を絞る（１５０パルス）ことにより、冷媒−水熱交換器３００の蒸発圧力が上限値を超えないようにしている。

Ｓ６およびＳ９において膨張弁４００の開度を調整した後、コントローラ９００は圧縮機１００を回転させ、除霜運転を開始する（Ｓ１０）。Ｓ１０では、コントローラ９００から圧縮機１００に対し、圧縮機回転数を例えば７０ｒｐｓとする制御信号を出力する。その後、Ｓ１１では、コントローラ９００は、室外熱交換器温度センサＳｔ２で取得する室外熱交換器５００の出口温度Ｔｏが１５℃より高いか否かを判断する。コントローラ９００は、室外熱交換器５００の出口温度Ｔｏが１５℃より高ければ（Ｓ１１−ＹＥＳ）、圧縮機１００を停止し（Ｓ１２）、室外熱交換器５００の出口温度Ｔｏが１５℃以下であれば（Ｓ１１−ＮＯ）、Ｓ１１のステップを繰返し実行する。コントローラ９００は、Ｓ１２において圧縮機１００を停止してから所定時間経過後、四方弁２００をＯＮとし、除霜運転を終了する（Ｓ１３）。次に、膨張弁４００を除霜運転に入る直前の暖房運転時の開度に調整する（Ｓ１４）。Ｓ１４において膨張弁４００の開度を調整した後、コントローラ９００は室外ファン８００をＯＮとし（Ｓ１５）、除霜運転から暖房運転に戻される。

次に、圧縮機吐出圧力センサＳｐの検知結果を用いるヒートポンプ装置について説明する。図４に示すように、上述の冷媒−水熱交換器温度センサＳｔ１の検知結果を用いるヒートポンプ装置と相違するＳ３’、Ｓ６’、Ｓ９’の各ステップのみを説明し、共通するステップの説明は省略する。冷媒−水熱交換器温度センサＳｔ１の検知結果を用いるヒートポンプ装置との相違点は、図３に示すように、暖房能力の大きいヒートポンプ装置であるため、除霜運転条件のうち、冷媒−水熱交換器凝縮温度と膨張弁パルス数の数値を変更している点である。なお、各除霜運転条件の数値については、本実施例において説明した数値に限らず、圧縮機１００、冷媒−水熱交換器３００、膨張弁４００などの仕様により、適宜設定されるものである。

以下、Ｓ３’、Ｓ６’、Ｓ９’の各ステップを説明する。図４のフローチャートにおいて、Ｓ３’では、圧縮機吐出圧力センサＳｐを利用して冷媒−水熱交換器３００の凝縮圧力（圧縮機１００の吐出圧力より若干小さくなる）を検知し、実験的に予め定めた凝縮圧力と凝縮温度の変換テーブルにしたがって、検知した凝縮圧力を凝縮温度に変換する。この変換した冷媒−水熱交換器３００の凝縮温度Ｔｗが５０℃以上であれば（Ｓ３’−ＹＥＳ）、Ｓ４に移行し、凝縮温度Ｔｗが５０℃未満であれば（Ｓ３’−ＮＯ）、Ｓ７に移行する。

上述の変換テーブルはコントローラ９００内の図示しない記憶手段に記憶され、コントローラ９００は変換テーブルにしたがって、凝縮圧力を凝縮温度に変換する。以上のように、Ｓ３’では、凝縮温度に相関のある冷媒−水熱交換器３００の凝縮圧力を検知し、この凝縮圧力を凝縮温度に変換することで温水温度を間接的に取得することが特徴になっている。

Ｓ６’では、コントローラ９００から膨張弁４００に対し、膨張弁パルス数を例えば２００パルスとする制御信号を出力し、膨張弁４００の開度を絞る。Ｓ９’では、コントローラ９００から膨張弁４００に対し、膨張弁パルス数を例えば４００パルスとする制御信号を出力し、膨張弁４００の開度を全開にせずに若干絞る。ここで、膨張弁４００を若干絞るのは、暖房能力が大きいと、冷媒の流量が大きくなるので、冷媒の流れる冷媒音を抑制するためである。

なお、以上説明してきたヒートポンプ装置の除霜運転動作では、Ｓ３やＳ３’での凝縮温度Ｔｗの検知に替えて、温水温度センサを利用して、直接、温水温度を検知するようにしてもよい。

また、以上説明してきたヒートポンプ装置の除霜運転動作では、室外熱交換器５００の入口温度Ｔｏが−１０℃以下であれば、除霜運転への移行を決定し、入口温度Ｔｏが−１０℃以下でなければ、暖房運転の継続を決定するようにしたが、除霜運転への移行条件としては、これに限るものではなく、例えば、以下のような３つの移行条件のうち、いずれか１つを選択して適用してもよい。

（１）室外熱交換器５００の入口温度Ｔｏが暖房運転時に、−２５℃以下になった場合、除霜運転への移行を決定し、それ以外の場合、暖房運転の継続を決定する。

（２）室外熱交換器５００の入口温度Ｔｏが暖房運転時に圧縮機１００の運転開始１０分後の温度よりも、所定時間経過後、５℃以上の温度下降があった場合、除霜運転への移行を決定し、それ以外の場合、暖房運転の継続を決定する。

（３）室外熱交換器５００の入口温度Ｔｏが暖房運転時に、例えば５分毎に検知される温度において５分前に検知された温度よりも、２℃以上の温度下降があった場合、除霜運転への移行を決定し、それ以外の場合、暖房運転の継続を決定する。

以上説明してきた本実施形態では、除霜運転時に、冷媒−水熱交換器３００に流れる温水の温度に相関のある検知情報に基づき、冷媒が膨張弁４００で制御されるため、除霜運転時に、膨張弁４００で減圧された冷媒が、蒸発器として作用する冷媒−水熱交換器３００に供給されることになり、この結果、温水温度が高温であっても、冷媒−水熱交換器３００の蒸発圧力が大きくなりすぎるおそれがない。例えば、図３に示すように、冷媒−水熱交換器３００の蒸発圧力を、圧縮機１００の使用範囲を超えない上限値１．６ＭＰａ以内に抑制することができ、また、圧縮機１００の使用範囲を超えないため、圧縮機１００の吸込圧力も大きくなりすぎることなく、低圧縮比での運転を防ぐことができる。また、本実施形態では、除霜運転時に蒸発器として作用する熱交換器の熱交換対象が空気よりも高温の温水であるため、従来の空気調和機の除霜運転では不要な制御であった膨張弁４００の開度を調整するという特徴がある。

更に、以上説明してきた本実施形態では、除霜運転に移行する場合、圧縮機１００の停止から所定時間経過後、四方弁２００をＯＦＦとするようにし、また、除霜運転を終了する場合、圧縮機１００の停止から所定時間経過後、四方弁２００をＯＮとするようにしている。この結果、四方弁２００の切換え時には、四方弁２００の高圧側と低圧側の差圧を小さくできるため、スライド弁の動きがスムーズとなり、弁切換音を小さくすることができる。

以上説明してきた本発明によるヒートポンプ装置によれば、圧縮機１００、四方弁２００、冷媒−水熱交換器３００、膨張弁４００および室外熱交換器５００からなるヒートポンプサイクルＡを有するヒートポンプ装置であって、室外熱交換器５００への着霜を除去する除霜運転時に、四方弁２００を切換えて暖房運転時と冷媒の流れ方向を逆方向とし、かつ、冷媒−水熱交換器３００に流れる温水の温度に相関のある検知情報に基づいて膨張弁４００の開度を調整することを特徴としている。

検知情報は冷媒−水熱交換器３００の凝縮温度であり、膨張弁４００の開度は、この凝縮温度が所定温度以上の場合の第１開度（例えば膨張弁パルス数が１５０パルス）を、前記所定温度未満の場合の第２開度（例えば膨張弁パルス数が４８０パルス）より小さくすることを特徴としている。また、検知情報は圧縮機１００の吐出圧力であり、膨張弁４００の開度は、この吐出圧力が所定圧力以上の場合の第１開度（例えば膨張弁パルス数が２００パルス）を、前記所定圧力未満の場合の第２開度（例えば膨張弁パルス数が４００パルス）より小さくすることを特徴としている。

これにより、除霜運転時、蒸発器として作用する冷媒−水熱交換器３００の熱交換対象である温水の温度が高温であっても、膨張弁４００の開度を制御することで冷媒−水熱交換器３００の蒸発圧力を調整できるため、圧縮機１００に負担がかからず、ヒートポンプ装置の信頼性を維持することができる。

次に、図５および図６を用いて本発明の特徴となる除霜運転動作の第２実施例を説明する。図５および図６において、Ｓはステップを、数字はステップ番号をそれぞれ表す。なお、本発明の第２実施例として、除霜運転モードの選択に、冷媒−水熱交換器温度センサＳｔ１の検知結果を用いるヒートポンプ装置と、圧縮機吐出圧力センサＳｐの検知結果を用いるヒートポンプ装置の二つの実施例について説明する。また、この二つの実施例で説明するヒートポンプ装置の暖房能力については、圧縮機吐出圧力センサＳｐの検知結果を用いるヒートポンプ装置の方がより大きな暖房能力を持つ装置であるとして説明する。

また、本実施例では、ヒートポンプ装置の構成、基本動作および除霜運転条件や、ヒートポンプ装置の除霜運転時、膨張弁４００の開度を調整したことによる効果については、図１乃至図４を用いて説明した第１実施例と同じであるため、説明を省略する。図１乃至図４を用いて説明した第１実施例と相違する点は、調整された膨張弁４００の開度に応じて除霜運転の終了判断条件の数値を変更したことである。

まず、冷媒−水熱交換器温度センサＳｔ１の検知結果を用いるヒートポンプ装置について説明する。図５に示すように、コントローラ９００は圧縮機１００と四方弁２００とがＯＮであるかどうかにより、暖房運転中であるかどうかを判断する（Ｓ２０）。暖房運転中であれば（Ｓ２０−ＹＥＳ）、Ｓ２１に移行し、暖房運転中でなければ（Ｓ２０−ＮＯ）、ルーチンを終了する。Ｓ２１では、室外熱交換器５００の入口温度Ｔｏを検知し、入口温度Ｔｏが−１０℃以下であれば（Ｓ２１−ＹＥＳ）、除霜運転への移行を決定してＳ２２に移行し、入口温度Ｔｏが−１０℃以下でなければ（Ｓ２１−ＮＯ）、暖房運転の継続を決定して、ルーチンを終了する。

Ｓ２１における室外熱交換器５００の入口温度Ｔｏの検知は、室外熱交換器温度センサＳｔ２により検知され、コントローラ９００は、室外熱交換器温度センサＳｔ２の検知信号に基づいて、除霜運転への移行の要否を判断する。Ｓ２２では、冷媒−水熱交換器３００の凝縮温度Ｔｗを冷媒−水熱交換器温度センサＳｔ１で検知し、凝縮温度Ｔｗが３７℃以上であれば（Ｓ２２−ＹＥＳ）、Ｓ２３に移行し、凝縮温度Ｔｗが３７℃未満であれば（Ｓ２２−ＮＯ）、Ｓ２８に移行する。

Ｓ２２において、温水温度に相関のある冷媒−水熱交換器３００の凝縮温度Ｔｗを検知することで温水温度を間接的に検知する。Ｓ２３では、コントローラ９００は、高温出湯モードによる運転制御を開始し、室外ファン８００をＯＦＦにするとともに、圧縮機１００を停止する。コントローラ９００は圧縮機１００の停止から所定時間経過後、四方弁２００をＯＦＦとし（Ｓ２４）、膨張弁４００を絞る（Ｓ２５）。Ｓ２５では、コントローラ９００から膨張弁４００に対し、膨張弁パルス数を例えば１５０パルスとする制御信号を出力し、膨張弁４００の開度を絞る。

Ｓ２５において膨張弁４００の開度を絞った後、コントローラ９００は圧縮機１００を回転させ、除霜運転を開始する（Ｓ２６）。Ｓ２６では、コントローラ９００から圧縮機１００に対し、圧縮機回転数を例えば７０ｒｐｓとする制御信号を出力する。その後、Ｓ２７では、コントローラ９００は、室外熱交換器温度センサＳｔ２で取得する室外熱交換器５００の出口温度Ｔｏが１０℃より高いか否かを判断する。室外熱交換器５００の出口温度Ｔｏが１０℃より高ければ（Ｓ２７−ＹＥＳ）、Ｓ３３に移行し、室外熱交換器５００の出口温度Ｔｏが１０℃以下であれば（Ｓ２７−ＮＯ）、Ｓ２７のステップを繰返し実行する。

一方、Ｓ２８ではＳ２３と同様に、コントローラ９００は、低温出湯モードによる運転制御を開始し、室外ファン８００をＯＦＦにするとともに、圧縮機１００を停止する。コントローラ９００は圧縮機１００の停止から所定時間経過後、四方弁２００をＯＦＦとし（Ｓ２９）、膨張弁４００を全開にする（Ｓ３０）。Ｓ３０では、コントローラ９００から膨張弁４００に対し、膨張弁パルス数を例えば４８０パルスとする制御信号を出力し、膨張弁４００の開度を全開にする。

Ｓ３０において膨張弁４００の開度を全開にした後、コントローラ９００は圧縮機１００を回転させ、除霜運転を開始する（Ｓ３１）。Ｓ３１では、コントローラ９００から圧縮機１００に対し、圧縮機回転数を例えば７０ｒｐｓとする制御信号を出力する。その後、Ｓ３２では、コントローラ９００は、室外熱交換器温度センサＳｔ２で取得する室外熱交換器５００の出口温度Ｔｏが１５℃より高いか否かを判断する。室外熱交換器５００の出口温度Ｔｏが１５℃より高ければ（Ｓ３２−ＹＥＳ）、Ｓ３３に移行し、室外熱交換器５００の出口温度Ｔｏが１５℃以下であれば（Ｓ３２−ＮＯ）、Ｓ３２のステップを繰返し実行する。

Ｓ２７およびＳ３２において室外熱交換器５００の出口温度Ｔｏが１０℃あるいは１５℃より高いと判断した後、コントローラ９００は圧縮機１００を停止し（Ｓ３３）、所定時間経過後、四方弁２００をＯＮとし、除霜運転を終了する（Ｓ３４）。次に、膨張弁４００を除霜運転に入る直前の暖房運転時の開度に調整する（Ｓ３５）。Ｓ３５において膨張弁４００の開度を調整した後、コントローラ９００は室外ファン８００をＯＮとし（Ｓ３６）、除霜運転から暖房運転に戻される。

次に、圧縮機吐出圧力センサＳｐの検知結果を用いるヒートポンプ装置について説明する。図６に示すように、上述の冷媒−水熱交換器温度センサＳｔ１の検知結果を用いるヒートポンプ装置と相違するＳ２２’、Ｓ２５’、Ｓ３０’の各ステップのみを説明し、共通するステップの説明は省略する。冷媒−水熱交換器温度センサＳｔ１の検知結果を用いるヒートポンプ装置との相違点は、図３に示すように、暖房能力の大きいヒートポンプ装置であるため、除霜運転条件のうち、冷媒−水熱交換器凝縮温度と膨張弁パルス数の数値を変更している点である。

以下、Ｓ２２’、Ｓ２５’、Ｓ３０’の各ステップを説明する。図６のフローチャートにおいて、Ｓ２２’では、圧縮機吐出圧力センサＳｐを利用して冷媒−水熱交換器３００の凝縮圧力（圧縮機１００の吐出圧力より若干小さくなる）を検知し、実験的に予め定めた凝縮圧力と凝縮温度の変換テーブルにしたがって、検知した凝縮圧力を凝縮温度に変換する。この変換した冷媒−水熱交換器３００の凝縮温度Ｔｗが５０℃以上であれば（Ｓ２２’−ＹＥＳ）、Ｓ２３に移行し、凝縮温度Ｔｗが５０℃未満であれば（Ｓ２２’−ＮＯ）、Ｓ２８に移行する。

上述の変換テーブルはコントローラ９００内の図示しない記憶手段に記憶され、コントローラ９００は変換テーブルにしたがって、凝縮圧力を凝縮温度に変換する。以上のように、Ｓ２２’では、凝縮温度に相関のある冷媒−水熱交換器３００の凝縮圧力を検知し、この凝縮圧力を凝縮温度に変換することで温水温度を間接的に取得することが特徴になっている。

Ｓ２５’では、コントローラ９００から膨張弁４００に対し、膨張弁パルス数を例えば２００パルスとする制御信号を出力し、膨張弁４００の開度を絞る。Ｓ３０’では、コントローラ９００から膨張弁４００に対し、膨張弁パルス数を例えば４００パルスとする制御信号を出力し、膨張弁４００の開度を全開にせずに若干絞る。ここで、膨張弁４００を若干絞るのは、暖房能力が大きいと、冷媒の流量が大きくなるので、冷媒の流れる冷媒音を抑制するためである。

以上説明してきた本実施形態では、除霜運転時に膨張弁４００の開度を絞った場合と全開（または若干絞る）の場合とで、圧縮機１００を停止して除霜運転を終了するための判断条件の数値を変更した。室外熱交換器５００の出口温度Ｔｏの判断条件の数値を、膨張弁４００の開度を絞った場合には、例えば１０℃、膨張弁４００の開度が全開（または若干絞る）の場合には、例えば１５℃にそれぞれ設定したことにより、除霜運転中に室外熱交換器５００の凝縮圧力が大きくなりすぎるおそれがなく、圧縮機１００の負担を軽減することができる。

具体的に述べると、除霜運転時に膨張弁４００の開度を絞った場合には、室外熱交換器出口における冷媒の過冷却度が全開の場合に比べて大きくなるため、室外熱交換器５００の出口温度Ｔｏが同じ値であれば、除霜運転の終了判断時の室外熱交換器５００の凝縮温度は、全開の場合に比べて高くなる。この結果、凝縮温度の高い方が時間的に早く着霜除去されることとなり、膨張弁４００の開度を絞った場合には、室外熱交換器５００の着霜除去から時間が経過した時点で除霜運転の終了が判断されるおそれがある。

このため、室外熱交換器５００の着霜が除去され、室外熱交換器５００に流れる冷媒の熱交換対象である霜が除去された状態で除霜運転を継続すると、霜の融け始めから大きくなる室外熱交換器５００の凝縮圧力は時間の経過とともに大きくなり、圧縮機１００に負担がかかってしまう。

本実施形態では、このような問題点を解決するため、膨張弁４００の開度が全開の場合には、除霜運転の終了判断時の室外熱交換器５００の凝縮温度が高くなりすぎることがないので、室外熱交換器５００の出口温度Ｔｏを、室外熱交換器５００に付着した霜が無くなる温度として十分余裕のある温度、例えば１５℃に設定している。

一方、膨張弁４００の開度を絞った場合には、除霜運転の終了判断時の室外熱交換器５００の凝縮温度が高くなってしまうため、室外熱交換器５００の出口温度Ｔｏを、室外熱交換器５００に付着した霜が無くなる温度であり、かつ、除霜運転の終了判断時の室外熱交換器５００の凝縮温度が低くなる温度、例えば１０℃に設定している。

したがって、本実施形態によるヒートポンプ装置では、第１開度（例えば膨張弁パルス数が１５０パルス）の場合には、室外熱交換器５００の出口温度が所定の第１温度（例えば１０℃）以上に到達したときに除霜運転を終了し、第２開度（例えば膨張弁パルス数が４８０パルス）の場合には、室外熱交換器５００の出口温度が第１温度（例えば１０℃）より高い所定の第２温度（例えば１５℃）以上に到達したときに除霜運転を終了することを特徴としている。

これにより、除霜運転時に膨張弁４００の開度を絞った場合の除霜運転の終了を判断する条件である室外熱交換器５００の出口温度を、膨張弁４００の開度を全開とした場合のそれよりも低く設定したことで、除霜運転の終了判断を時間的に早めて、室外熱交換器５００の着霜が除去された状態での無駄な除霜運転がなくなるため、除霜運転中の室外熱交換器５００の凝縮圧力の上昇を抑え、圧縮機１００に負担がかからず、ヒートポンプ装置の信頼性を維持することができる。

１００圧縮機
２００四方弁
３００冷媒−水熱交換器
４００膨張弁
５００室外熱交換器
６００循環ポンプ
７００暖房装置
８００室外ファン
９００コントローラ
Ａヒートポンプサイクル
Ｓｐ圧縮機吐出圧力センサ
Ｓｔ１冷媒−水熱交換器温度センサ
Ｓｔ２室外熱交換器温度センサ

Claims

圧縮機、四方弁、冷媒−水熱交換器、膨張弁および室外熱交換器からなるヒートポンプサイクルを有するヒートポンプ装置であって、前記室外熱交換器への着霜を除去する除霜運転時に、前記圧縮機を停止した後に前記四方弁を切換えて暖房運転時と冷媒の流れ方向を逆方向とし、かつ、前記圧縮機の停止前に検出した前記冷媒−水熱交換器に流れる温水の温度に相関のある検知情報に基づいて前記膨張弁の開度を調整することを特徴とするヒートポンプ装置。
前記検知情報は前記冷媒−水熱交換器の凝縮温度であり、前記膨張弁の開度は、前記凝縮温度が所定温度以上の場合の第１開度を、前記所定温度未満の場合の第２開度より小さくすることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
前記検知情報は前記圧縮機の吐出圧力であり、前記膨張弁の開度は、前記吐出圧力が所定圧力以上の場合の第１開度を、前記所定圧力未満の場合の第２開度より小さくすることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
前記第１開度の場合には、前記室外熱交換器の出口温度が所定の第１温度以上に到達したときに除霜運転を終了し、前記第２開度の場合には、前記室外熱交換器の出口温度が前記第１温度より高い所定の第２温度以上に到達したときに除霜運転を終了することを特徴とする請求項２または請求項３記載のヒートポンプ装置。