JP5516332B2 - ヒートポンプ式温水暖房機 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ運転による温水加熱運転時において、除霜運転する前に水−冷媒熱交換器に蓄熱して、除霜運転を行うことで、四方弁を搭載せずに除霜運転ができるヒートポンプ式温水暖房機に関するものである。

従来、この種のヒートポンプ式温水暖房機の除霜方式は、一般的に四方弁を切り換え、冷凍サイクルの冷媒を逆方向に流す除霜方式を採用している。

即ち、除霜運転は冷房時と同じ冷媒の流動方向とし、室外熱交換器に高温高圧の冷媒を流して、熱交換器に付着した霜を融解するものである。

この除霜方式では、除霜時は水−冷媒熱交換器が蒸発器となるため、除霜運転中に水の温度が低い場合や水の流量がごみ等の問題で低下していた場合には、さらに水の温度が低下して水−冷媒熱交換器の中の水が凍結をするという基本的課題があった。

この基本的課題への対策として、一般的には、除霜運転中に温水温度が低下しないようにヒーターで加熱する方法が考えられたり、また水を不凍液に替えて対応する方法が提案、実施されてきた。また給湯機器において、除霜運転の方法として、四方弁を切り替えずに加熱運転回路のままで除霜運転する方法が、提案、実施されている。

図８は従来の給湯装置の冷凍サイクルと水回路の構成図である。

同図に示すように、圧縮機１１１、給湯用熱交換器１１２、膨張弁１１３Ａ、及び蒸発器１１４を配管で接続したヒートポンプ回路と貯湯槽１２０、流体循環ポンプ１２３を配管で接続した流体回路を有したヒートポンプ給湯装置であって、除霜開始を判断する除霜開始判断手段と、除霜開始判断の前または後で前記流体循環ポンプ１２３の流量を低下させ、流体循環ポンプ１２３の最小流量発生の領域に近い領域で運転する発明が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１４７６０９号公報

しかしながら、この冷凍サイクルの方式では、除霜運転に利用する圧縮機の熱量が小さく、除霜が時間内に除霜が終了しない場合がある。

また、寒冷地域で使用される温水暖房機の場合においては、ヒートポンプ回路における加熱冷媒を、水―冷媒熱交換器に通過させると、除霜に必要な熱量を水−冷媒熱交換器に奪われてしまい、除霜不良で霜が融けきれず残ってしまう場合がある。

また、一般的に四方弁切り替え方式の除霜運転においては、ヒーターで水回路の温度を上昇させる方式も除霜運転中の運転効率が悪く、ヒーターを追加することで製品コストが高くなってしまうという多くの課題がある。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、低コストで高効率な除霜運転が実現できるヒートポンプ式温水暖房機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のヒートポンプ式温水暖房機は、圧縮機、水−冷媒熱交換器、減圧器、空気熱交換器を順次接続したヒートポンプサイクルと、前記水−冷媒熱交換器、温水循環手段を有する温水回路と、制御装置とを備え、通常運転から除霜運転への移行時、前記ヒートポンプサイクルの運転は継続させ、かつ、前記減圧器の開度は閉方向に動作させるとともに、前記温水循環手段の運転動作は停止させることで、前記水−冷媒熱交換器の温度を上昇させた後に、前記減圧器を開方向に動作させることを特徴とするものである。

本発明によれば、低コストで高効率な除霜運転が実現できるヒートポンプ式温水暖房機を提供できる。

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機の構成図 同ヒートポンプ式温水暖房機の冷媒および温水の流れを示す図 同ヒートポンプ式温水暖房機の制御装置のブロック図 同ヒートポンプ式温水暖房機の運転動作タイムチャート 本発明の実施の形態２のヒートポンプ式温水暖房機の冷媒および温水の流れを示す図 同ヒートポンプ式温水暖房機の運転動作タイムチャート 本発明の実施の形態３におけるヒートポンプ式温水暖房機の構成図 従来例のヒートポンプ式給湯機の構成図

第１の発明は、圧縮機、水−冷媒熱交換器、減圧器、空気熱交換器を順次接続したヒートポンプサイクルと、前記水−冷媒熱交換器、温水循環手段を有する温水回路と、制御装置とを備え、通常運転から除霜運転への移行時、前記ヒートポンプサイクルの運転は継続させ、かつ、前記減圧器の開度は閉方向に動作させるとともに、前記温水循環手段の運転動作は停止させることで、前記水−冷媒熱交換器の温度を上昇させた後に、前記減圧器を開方向に動作させることを特徴とするヒートポンプ式温水暖房機である。

これにより、四方弁を製品に搭載せずに、ヒートポンプで蓄熱した熱を利用して除霜運転ができるため、除霜運転中の効率が高い運転ができる。また、この構成は、除霜力を上げるために蓄熱量を利用するため、圧縮機の入力熱のみで除霜する運転に比べて早い時間で除霜運転を終了することができる。

また、四方弁を搭載していないので、通常温水暖房するときの運転で四方弁内部での吐出冷媒と吸入冷媒との熱損失がなくなり、運転効率が上昇する。また、構造も簡素になり、材料コストも安価となる。

また、四方弁切り替え除霜による冷媒音の発生やパネルに冷水が循環してパネル温度が低下する問題もなく、除霜運転中を使用者が除霜運転に入ったことに気がつかず、不快に感じることはない。

第２の発明は、前記圧縮機の運転周波数を小さくした後に、前記温水循環手段の運転動作を停止させることを特徴とするものである。

これにより、温水循環手段であるポンプが停止しているときに通常の圧縮機の運転周波数では、圧力が急上昇してしまい、圧縮機の許容圧力を超えてしまうことから、ポンプを停止する前に、許容圧力の一番高い運転周波数に設定することで、圧縮機の冷媒循環量を低下させて、圧縮機の高圧急上昇による圧力負荷を低減させ、かつ、より高い除霜するための熱を早く蓄熱できるようになる。

また、急激な圧力変動や、高周波数運転による圧縮機のオイル吐出が軽減されて、オイル確保させた信頼性の高い運転ができる。

第３の発明は、前記水−冷媒熱交換器の冷媒凝縮温度を検知する凝縮温度検知手段を設け、前記凝縮温度検知手段で検出された温度が設定された凝縮温度に到達した後に、前記減圧器を開方向に動作させることを特徴とするものである。

これにより、除霜運転する前の蓄熱量を圧縮機の信頼性を確保しながら一定量水−冷媒熱交換器に蓄熱できる。ちなみに凝縮温度最大約５５℃とする。この蓄熱量を一定に確保できることから、除霜運転時の除霜力も一定に確保できることになる。

第４の発明は、前記減圧器の開度を開方向に動作させ、略全開のときには、前記温水循環手段および前記空気熱交換器に送風する送風機を停止することを特徴とするものである。

これにより、蓄熱された熱と圧縮機の入力熱を外気に放熱することなく、確実に空気熱交換器の除霜用に活用することができる。

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り本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明にかかるヒートポンプ式温水暖房機の構成図である。同図において、室外ユニット２０には、圧縮機１、水−冷媒熱交換器２、減圧器３、空気熱交換器４からなるヒートポンプ回路と、空気熱交換器４へ送風する送風機５と、温水戻り配管１１、給水タンク１２、温水循環手段であるポンプ１３、温水往き配管１４、熱動弁ａ１５ａ、熱動弁ｂ１５ｂ、熱動弁ｃ１５ｃ、熱動弁ｄ１５ｄからなる熱動弁温水回路とが配設されている。ここでの減圧器３は、電磁膨張弁でもよい。

端末パネル（床暖パネル）１６、１７は、前記温水戻り配管１１、温水往き配管１４に接続されており、使用者が端末パネル（床暖パネル）１６、１７の温度設定等を行うリモコン１８が設置されている。

また、給水タンク１２とポンプ１３の位置が、温水往き配管１４と水−冷媒熱交換器２の間にあるが、限定するものではないので、温水戻り配管１１と水−冷媒熱交換器２の間にあってもよい。

図２は、本発明の実施の形態１のヒートポンプ式温水暖房機において、冷媒の流れと温水の流れを示した図である。冷媒の流れは、矢印で示し、温水の流れは、ブロック矢印としている。

除霜運転する前に、除霜運転開始の判断を受けるとポンプ１３を停止して水回路の流れを停止する。ポンプ１３の停止状態にしてヒートポンプ側の圧縮機１運転は停止せずに加
熱運転を継続して水−冷媒熱交換器２にヒートポンプで得られた熱を蓄熱する。

図３は、本発明の実施の形態１のヒートポンプ式温水暖房機の制御装置のブロック図である。図３に示すように、室外ユニット２０側で除霜開始判断が除霜開始判断手段５７でなされ、除霜開始前の蓄熱運転と判断された時に、圧縮機運転手段５１、減圧器開度可変手段５２、送風機運転手段５３、水回路制御用の除霜開始受信手段６０に除霜開始判断を伝達し、ポンプ運転手段６５、熱動弁１５ａ開閉手段６１、熱動弁１５ｂ開閉手段６２、熱動弁１５ｃ開閉手段６３、熱動弁１５ｄ開閉手段６４にて制御され、蓄熱運転後、除霜運転に移行する。

また、水−冷媒熱交換器２の温度を検知する凝縮温度検知手段５４、空気熱交換器温度検知手段５５を配置している。このブロック図は、除霜開始信号と受信信号を分けたが、マイコンを分けることは限定していないので、マイコン１個で対応しても良い。

図４は、本発明の実施の形態１のヒートポンプ式温水暖房機が動作したときの挙動を示すタイムチャートである。

除霜移行の判断をすると、ステップ１のヒートポンプによる温水加熱運転からステップ２の蓄熱運転に移行する。このときに圧縮機１の運転周波数を所定の周波数にダウンさせて、同時に減圧器３の開度も圧縮機１の周波数に応じた開度（閉方向）になるように絞り方向の制御を行う。

また、このとき除霜移行判断から一定時間後にポンプ１３の運転を停止する。このステップ２の区間で水−冷媒熱交換器２に、ヒートポンプで得られた熱を蓄熱する。

次に、ステップ２からステップ３に移行するときに、水−冷媒熱交換器２の凝縮温度がある設定された温度に達すると蓄熱できたと判断して、次のステップ３に移行する。

次に、ステップ３では、減圧器３の開度が全開放または全開放に近い開度に制御され、送風機５は停止して除霜開始される。また、ステップ３の開始後、一定時間後に圧縮機１の周波数をアップさせて、除霜力を上昇させる。またポンプは、停止のままとする。

次に、ステップ４では、除霜運転を継続させ、空気熱交換器４の温度がある設定された温度（約４℃）以上になると除霜終了の判断より、さらに空気熱交換器４の温度を上昇させるために、減圧器３の絞り開度を少し閉方向（約４００パルス）に制御する。

次に除霜終了判断後に、ステップ４から５に移行する。このとき、圧縮機１周波数は、通常温水加熱の起動する運転周波数に移行する。また減圧器３も起動時の開度制御に移行して、送風機５も運転して温水加熱運転にもどる。このときポンプ１３は、起動時に低回転で運転して一定時間後に通常の回転数に移行する。ステップ５以降で通常のヒートポンプ温水加熱運転に復帰する。

実施の形態１では圧縮機１の運転周波数を変化させているが、一定速の圧縮機１でも蓄熱加熱を行い、その後除霜運転を行うことができる。

ここで、除霜の開始判断は、空気熱交換器４の温度および温度変化、外気温度、圧縮機１の運転時間等で一般的に検知し制御されることとする。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２のヒートポンプ式温水暖房機の構成図で、冷媒の流れお
よび温水の流れを示している。

同図において、室外ユニット２０には、室外ユニット２０には、圧縮機１、水−冷媒熱交換器２、減圧器３、空気熱交換器４からなるヒートポンプ回路と、空気熱交換器４へ送風する送風機５と、温水戻り配管１１、給水タンク１２、温水循環手段であるポンプ１３、温水往き配管１４、熱動弁ａ１５ａ、熱動弁ｂ１５ｂ、熱動弁ｃ１５ｃ、熱動弁ｄ１５ｄからなる熱動弁温水回路とが配設されている。

端末パネル（床暖パネル）１６、１７は、前記温水戻り配管１１、温水往き配管１４に接続されており、使用者が端末パネル（床暖パネル）１６、１７の温度設定等を行うリモコン１８が設置されている。

この配置図で、給水タンク１２は、温水戻り配管１１と水−冷媒熱交換器２の間にあるとポンプ１３の運転を長くすることがないので、より効率的となる。

図６は、本発明の実施の形態２のヒートポンプ式温水暖房機が動作したときの挙動を示すタイムチャートであり、除霜運転の前の蓄熱運転および除霜運転開始のステップ１からステップ３までは、実施の形態１と同等なので省略する。

ステップ４の除霜運転中に、水−冷媒熱交換器２の凝縮温度が低下した場合に、給水タンク１２の水を、水−冷媒熱交換器２の中の水と入れ替える時間のみ、ポンプ１３を運転して、水−冷媒熱交換器２の温度を上昇させて、除霜力のアップを行う。

（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３のヒートポンプ式温水暖房機の構成図で、ヒートポンプ側の構成として、室外ユニット２０に圧縮機１、減圧器３、空気熱交換器４を設け、室内ユニット２１に温水戻り配管１１、水−冷媒熱交換器２、給水タンク１２、ポンプ１３、温水往き配管１４を設けた構成としている。この室外ユニット２０と室内ユニット２１は、冷媒接続配管２２で接続される。

このように、室外ユニット２０と室内ユニット２１が分離したタイプも室外ユニット２０の一体型と同等の効果が期待できるものであり、本発明の中に包含されるものである。

以上のように本発明のヒートポンプ式温水暖房機は、低コストで高効率な除霜運転が実現できることから、業務用大型機器への展開にも適用できる。

１ 圧縮機
２ 水−冷媒熱交換器
３ 減圧器
４ 空気熱交換器
５ 送風機
１１ 温水戻り配管
１２ 給水タンク
１３ ポンプ（温水循環手段）
１４ 温水往き配管
１５ａ 熱動弁ａ
１５ｂ 熱動弁ｂ
１５ｃ 熱動弁ｃ
１５ｄ 熱動弁ｄ
１６ パネルａ
１７ パネルｂ
１８ 操作リモコン
２０ 室外ユニット

Claims (4)

1. 圧縮機、水−冷媒熱交換器、減圧器、空気熱交換器を順次接続したヒートポンプサイクルと、前記水−冷媒熱交換器、温水循環手段を有する温水回路と、制御装置とを備え、通常運転から除霜運転への移行時、前記ヒートポンプサイクルの運転は継続させ、かつ、前記減圧器の開度は閉方向に動作させるとともに、前記温水循環手段の運転動作は停止させることで、前記水−冷媒熱交換器の温度を上昇させた後に、前記減圧器を開方向に動作させることを特徴とするヒートポンプ式温水暖房機。
2. 前記圧縮機の運転周波数を小さくした後に、前記温水循環手段の運転動作を停止させ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機。
3. 前記水−冷媒熱交換器の冷媒凝縮温度を検知する凝縮温度検知手段を設け、前記凝縮温度検知手段で検出された温度が設定された凝縮温度に到達した後に、前記減圧器を開方向に動作させる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機。
4. 前記減圧器の開度を開方向に動作させ、略全開のときには、前記温水循環手段および前記空気熱交換器に送風する送風機を停止することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ式温水暖房機。