(57)【要約】【課題】冷凍サイクル内における通常運転時の冷媒分布とデフロスト運転時の冷媒分布との変化幅を低減することで、平均能力及び平均ＣＯＰを向上させ、省エネルギー化を図るようにした冷凍サイクル装置を提供する。【解決手段】冷凍サイクル装置１００は、第１膨張弁３及び第２膨張弁５を閉止し、バイパス膨張弁８の開度を圧縮機１に吸入される冷媒の過熱度（ＳＨ）又は圧縮機１を吐出した冷媒の過熱度（ＳＨ）に応じて制御することでデフロスト運転を実行する制御装置２０と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、負荷側熱交換器、第１膨張弁、レシーバー、第２膨張弁、及び、熱源側熱交換器が順次接続された冷媒回路を有し、
前記第１膨張弁と前記第２膨張弁とを接続している中圧管を流れる冷媒と前記圧縮機の吸入配管を流れる冷媒とを熱交換させる冷媒−冷媒熱交換器と、
前記圧縮機の吐出配管と、前記第２膨張弁と前記熱源側熱交換器とを接続している低圧管とを、接続するバイパス配管と、
前記バイパス配管に設けられたバイパス膨張弁と、
前記第１膨張弁及び前記第２膨張弁を閉止し、前記バイパス膨張弁の開度を前記圧縮機に吸入される冷媒の過熱度又は前記圧縮機を吐出した冷媒の過熱度に応じて制御することでデフロスト運転を実行する制御装置と、を備えた
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記熱源側熱交換器が第１熱源側熱交換器と第２熱源側熱交換器とに分割され、
前記第１熱源側熱交換器と前記第２熱源側熱交換器との間に絞り手段を設け、
前記バイパス配管により、前記吐出配管と、前記第１熱源側熱交換器と前記第２熱源側熱交換器とを接続している配管と、が接続されている
ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記第２熱源側熱交換器が前記第１熱源側熱交換器の鉛直方向上側に配置されている
ことを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
圧縮機、負荷側熱交換器、第１膨張弁、レシーバー、第２膨張弁、及び、熱源側熱交換器が順次接続された冷媒回路を有し、
前記第１膨張弁と前記第２膨張弁とを接続している中圧管を流れる冷媒と前記圧縮機の吸入配管を流れる冷媒とを熱交換させる冷媒−冷媒熱交換器と、
前記圧縮機の吐出配管と、前記第２膨張弁と前記熱源側熱交換器とを接続している低圧管とを、接続するバイパス配管と、
前記バイパス配管に設けられたバイパス膨張弁と、を備えた冷凍サイクル装置の制御方法であって、
前記第１膨張弁及び前記第２膨張弁を閉止し、前記バイパス膨張弁の開度を前記圧縮機に吸入される冷媒の過熱度又は前記圧縮機を吐出した冷媒の過熱度に応じて制御することでデフロスト運転を実行する
ことを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項５】
前記冷凍サイクル装置は、前記熱源側熱交換器が第１熱源側熱交換器と第２熱源側熱交換器とに分割され、
前記第１熱源側熱交換器と前記第２熱源側熱交換器との間に絞り手段を設け、
前記バイパス配管により、前記吐出配管と、前記第１熱源側熱交換器と前記第２熱源側熱交換器とを接続している配管と、が接続されており、
前記絞り手段を閉止することによって、前記圧縮機からの吐出冷媒を前記第２熱源側熱交換器に流入させるようにデフロスト運転を実行する
ことを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項６】
高圧側圧力が所定値よりも大きくなった場合に、前記第１膨張弁を一時的に開くことにより高圧側回路の冷媒量を調整する
ことを特徴とする請求項４又は５に記載の冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項７】
低圧側圧力が所定値よりも小さくなった場合に、前記第２膨張弁を一時的に開くことにより低圧側回路の冷媒量を調整する
ことを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置の制御方法。
【請求項８】
前記冷凍サイクル装置は、前記圧縮機の吐出側に冷媒流路を切り替える流路切替装置を設け、
外気温度又は前記室外熱交換器の着霜量に応じて前記流路切替装置を制御することでデフロスト運転パターンを変更する
ことを特徴とする請求項４〜７のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給湯運転を実行するヒートポンプ式給湯装置や空調運転（たとえば、暖房運転や冷房運転）を実行するヒートポンプ式空気調和装置等の冷凍サイクル装置及び冷凍サイクル装置の制御方法に関し、特に室外熱交換器の着霜状態を解消するデフロスト運転による性能低下を抑制するようにした冷凍サイクル装置及び冷凍サイクル装置の制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常、冷凍サイクル装置において、外気温度が低い状態で給湯運転や暖房運転を行なっていると、蒸発器として機能している室外熱交換器に霜が付着する着霜現象が起きる。このような着霜現象が起きると、室外熱交換器における通風抵抗の増加及び熱抵抗の増加を招くことになり、熱交換効率が低下し、冷凍サイクル装置の性能が低下してしまう。そこで、冷凍サイクル装置では、一般的に、室外熱交換器に付着した霜を取り除くデフロスト運転を実行するようになっている。
【０００３】
デフロスト運転の方法としては、圧縮機から吐出された冷媒を、凝縮器（室内熱交換器）をバイパスさせ、蒸発器（室外熱交換器）に直接流入させるホットガスバイパス運転が知られている（たとえば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載されている冷媒回路には、圧縮機、水熱交換器、レシーバー、膨張弁、及び、室外熱交換器が備えられている。この冷媒回路に、レシーバーの上流に水熱交換器から流出した冷媒と室外熱交換器から流出した冷媒とで熱交換を行う冷媒―冷媒熱交換器と、圧縮機で吐出された冷媒を直接室外熱交換器に流入させるバイパス配管と、膨張弁（デフロスト弁）と、が設けられている。そして、デフロスト運転は、レシーバー出口の膨張弁を閉止して、バイパス配管の膨張弁を開けることにより行なわれるようになっている。
【０００４】
また、四方弁を切り替え、凝縮器（室内熱交換器）と蒸発器（室外熱交換器）とを入れ替え、圧縮機から吐出した冷媒を室外熱交換器に流入させるリバース運転が知られている（たとえば、特許文献２参照）。この特許文献２に記載されている冷媒回路には、圧縮機、四方弁、水熱交換器、第１の膨張弁、レシーバー、第２の膨張弁、及び、室外熱交換器が備えられている。そして、デフロスト運転は、圧縮機から吐出された冷媒が、直接室外熱交換器に流入するように四方弁を切り替え、また、第１の膨張弁、及び、第２の膨張弁を全開することにより行なわれるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−６５６１６号公報（第４頁、第１図）
【特許文献２】特開２００８−８２６５３号公報（第１０頁、第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
通常運転（給湯運転や暖房運転）とデフロスト運転を含めた平均能力及び平均ＣＯＰを向上させるためには、通常運転時の冷媒分布とデフロスト運転時の冷媒分布をできるだけ変化させずに、通常運転への復帰後に素早く暖房能力を回復させることが要求される。しかしながら、特許文献１に記載されているような冷凍サイクル装置では、低圧側の冷媒と熱交換する要素機器（冷媒―冷媒熱交換器）が高圧側にあるため、高圧側の要素機器にある冷媒が冷やされ、高圧側圧力が低下してしまう。つまり、通常運転時の冷媒分布とデフロスト運転時の冷媒分布とが大きく変化してしまい、通常運転への復帰後に素早く暖房能力を回復させることができないことになる。
【０００７】
また、特許文献２に記載されているような冷凍サイクル装置では、デフロスト運転時に冷媒の流れを逆にするため、通常運転時の冷媒分布とデフロスト運転時の冷媒分布とが大きく変化してしまい、通常運転への復帰後に素早く暖房能力を回復させることができないことになる。このように、従来の技術では、冷凍サイクル内における通常運転時の冷媒分布とデフロスト運転時の冷媒分布とが大きく変化し、冷凍サイクル内の冷媒分布の変化によるエネルギーロスが発生してしまう。
【０００８】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、冷凍サイクル内における通常運転時の冷媒分布とデフロスト運転時の冷媒分布との変化幅を低減することで、平均能力及び平均ＣＯＰを向上させ、省エネルギー化を図るようにした冷凍サイクル装置及び冷凍サイクル装置の制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、負荷側熱交換器、第１膨張弁、レシーバー、第２膨張弁、及び、熱源側熱交換器が順次接続された冷媒回路を有し、前記第１膨張弁と前記第２膨張弁とを接続している中圧管を流れる冷媒と前記圧縮機の吸入配管を流れる冷媒とを熱交換させる冷媒−冷媒熱交換器と、前記圧縮機の吐出配管と、前記第２膨張弁と前記熱源側熱交換器とを接続している低圧管とを、接続するバイパス配管と、前記バイパス配管に設けられたバイパス膨張弁と、前記第１膨張弁及び前記第２膨張弁を閉止し、前記バイパス膨張弁の開度を前記圧縮機に吸入される冷媒の過熱度又は前記圧縮機を吐出した冷媒の過熱度に応じて制御することでデフロスト運転を実行する制御装置と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る冷凍サイクル装置の制御方法は、圧縮機、負荷側熱交換器、第１膨張弁、レシーバー、第２膨張弁、及び、熱源側熱交換器が順次接続された冷媒回路を有し、前記第１膨張弁と前記第２膨張弁とを接続している中圧管を流れる冷媒と前記圧縮機の吸入配管を流れる冷媒とを熱交換させる冷媒−冷媒熱交換器と、前記圧縮機の吐出配管と、前記第２膨張弁と前記熱源側熱交換器とを接続している低圧管とを、接続するバイパス配管と、前記バイパス配管に設けられたバイパス膨張弁と、前記圧縮機の周波数、前記第１膨張弁の開度、前記第２膨張弁の開度、及び、前記バイパス膨張弁の開度を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記第１膨張弁及び前記第２膨張弁を閉止し、前記バイパス膨張弁の開度を前記圧縮機に吸入される冷媒の過熱度又は前記圧縮機を吐出した冷媒の過熱度に応じて制御することでデフロスト運転を実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、デフロスト運転中、レシーバー内に閉じ込められた冷媒が、圧縮機に吸入される冷媒と熱交換するため、冷熱をレシーバーに溜めることができる。また、凝縮器として機能する負荷側熱交換器に滞留した冷媒の状態は変化しないため、運転の切り替えによる冷媒の移動を最小限に抑えることができ、性能の低下を小さくできる。
【００１２】
本発明に係る冷凍サイクル装置の制御方法によれば、デフロスト運転中、レシーバー内に閉じ込められた冷媒が、圧縮機に吸入される冷媒と熱交換するため、冷熱をレシーバーに溜めることができる。また、凝縮器として機能する負荷側熱交換器に滞留した冷媒の状態は変化しないため、運転の切り替えによる冷媒の移動を最小限に抑えることができ、性能の低下を小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態１に係るヒートポンプ式給湯装置のヒートポンプ部分を示す冷媒回路図である。
【図２】給湯運転時における各アクチュエータの制御パターンを示す表である。
【図３】第１のデフロスト運転時における各アクチュエータの制御パターンを示す表である。
【図４】Ｒ４１０Ａ冷媒の状態を示すＰ−ｈ線図である。
【図５】レシーバーの熱容量と冷媒密度との関係を示すグラフである。
【図６】第２のデフロスト運転時における各アクチュエータの制御パターンを示す表である。
【図７】給湯運転とデフロスト運転との切り替えの際の処理の流れを示すフローチャートである。
【図８】実施の形態２に係るヒートポンプ式給湯装置のヒートポンプ部分を示す冷媒回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ式給湯装置１００のヒートポンプ部分を示す冷媒回路図である。図１に基づいて、冷凍サイクル装置の１つであるヒートポンプ式給湯装置１００の冷媒回路構成及び動作について説明する。なお、ヒートポンプ式給湯装置１００の通常運転（給湯運転）時における冷媒の流れを実線矢印Ａで、ホットガス方式でのデフロスト運転時の冷媒の流れを破線矢印Ｂで、リバース方式でのデフロスト運転時の冷媒の流れを破線矢印Ｃで、それぞれ表している。また、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
【００１５】
ヒートポンプ式給湯装置１００は、図１に示すように、冷媒回路Ａと、水回路Ｂと、を有している。冷媒回路Ａ及び水回路Ｂは、水熱交換器２で互いの冷媒や水が混ざることなく熱交換を行なうようになっている。冷媒回路Ａは、通常運転時において、圧縮機１と、四方弁９と、水熱交換器２の冷媒側と、第１膨張弁３と、レシーバー４と、第２膨張弁５と、室外熱交換器６と、冷媒−冷媒熱交換器７と、が冷媒配管（吐出配管１０、中圧管１１、低圧管１２及び吸入配管１３）で直列に接続されているとともに、圧縮機１と四方弁９との間と、第２膨張弁５と室外熱交換器６と、の間を接続したバイパス配管１４にバイパス膨張弁８を設けることで構成されている。水回路Ｂは、ポンプ２ａと、水熱交換器２の水側と、図示省略の貯湯タンクと、が水配管１６で直列に接続されて構成されている。
【００１６】
ヒートポンプ式給湯装置１００には、室外ファン６ａが室外熱交換器６の近傍に設けられている。また、ヒートポンプ式給湯装置１００には、制御装置２０がたとえば図示省略の室外機等に設けられている。さらに、ヒートポンプ式給湯装置１００には、吸入圧力検出器２１が吸入配管１３に、吐出圧力検出器２２が吐出配管１０に、第１温度検出器２３が吸入配管１３に、第２温度検出器２４が吐出配管１０に、第３温度検出器２５が水熱交換器２の通常運転時における液側配管に、第４温度検出器２６が室外熱交換器６の通常運転時における入口側に、第５温度検出器２７が室外熱交換器６の通常運転時における出口側に、第６温度検出器２８が室外熱交換器６の空気側に、それぞれ設けられている。
【００１７】
圧縮機１は、吸入配管１３を流れる冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態とし、吐出配管１０に吐出するものであり、たとえば容量制御可能なインバーター圧縮機等で構成するとよい。四方弁９は、運転モード切り替えを行なう流路切替装置として機能し、給湯運転時における冷媒の流れと、冷水運転時又はリバース方式のデフロスト運転時における冷媒の流れと、を切り替えるものである。つまり、四方弁９が実線矢印Ａのように切り替えられた場合には、給湯運転が行なわれ、破線矢印Ｃのように切り替えられた場合には、冷水運転又はリバース方式のデフロスト運転が行なわれる。
【００１８】
水熱交換器２は、負荷側熱交換器であり、蒸発器や放熱器（凝縮器）として機能し、水回路Ｂを循環する水と、冷媒回路Ａを循環する冷媒との、間で熱交換を行なうものである。この水熱交換器２によって、冷媒回路Ａと水回路Ｂとは、水熱交換器２で接続されている。第１膨張弁３は、高圧状態の冷媒を減圧して中圧状態にするものであり、たとえば開度が可変に制御可能な電子式膨張弁等で構成するとよい。レシーバー４は、中圧管１１を流れる冷媒のうち冷媒液を貯留するものである。第２膨張弁５は、中圧状態の冷媒を減圧して低圧状態にするものであり、たとえば開度が可変に制御可能な電子式膨張弁等で構成するとよい。
【００１９】
室外熱交換器６は、熱源側熱交換器であり、蒸発器や放熱器（凝縮器）として機能し、室外ファン６ａから供給される空気と冷媒との間で熱交換を行ない、冷媒を蒸発ガス化又は凝縮液化するものである。冷媒−冷媒熱交換器７は、レシーバー４内に設けられ、レシーバー４内に貯留されている冷媒液と圧縮機１に吸入される冷媒との間で熱交換させるものである。圧縮機１からの吐出冷媒が導通する吐出配管１０が圧縮機１の吐出側に、第１膨張弁３で減圧された冷媒が導通する中圧管１１が第１膨張弁３と第２膨張弁５との間に、第２膨張弁５で減圧された冷媒が導通する低圧管１２が第２膨張弁５と室外熱交換器６との間に、圧縮機１に吸入される冷媒が導通する吸入配管１３が圧縮機１の吸入側に、それぞれ設けられている。
【００２０】
バイパス配管１４は、圧縮機１と四方弁９との間と、第２膨張弁５と室外熱交換器６と、の間を接続し、ホットガス方式でのデフロスト運転時において圧縮機１からの吐出冷媒を室外熱交換器６に導くものである。バイパス膨張弁８は、高圧状態の冷媒を減圧して膨張させるものであり、たとえば開度が可変に制御可能な電子式膨張弁等で構成するとよい。また、ポンプ２ａは、水駆動手段として機能し、水配管１６を導通している水を吸入し、その水を加圧し、水回路Ｂ内を循環させるものであり、たとえばインバーターにより回転数が制御されるタイプのもので構成するとよい。さらに、室外ファン６ａは、室外熱交換器６に空気を供給するものである。
【００２１】
吸入圧力検出器２１は、低圧冷媒の測定装置として圧縮機１に吸入される冷媒の吸入圧力を検出するものである。吐出圧力検出器２２は、高圧冷媒の測定装置として圧縮機１から吐出される冷媒の吐出圧力を検出するものである。第１温度検出器２３は、冷媒温度の測定装置として圧縮機１に吸入される冷媒の温度を検出するものである。第２温度検出器２４は、冷媒温度の測定装置として圧縮機１から吐出される冷媒の温度を検出するものである。第３温度検出器２５は、冷媒温度の測定装置として水熱交換器２の通常運転時における液側配管を導通する冷媒の温度を検出するものである。
【００２２】
第４温度検出器２６は、冷媒温度の測定装置として室外熱交換器６の通常運転時における入口側の冷媒の温度を検出するものである。第５温度検出器２７は、冷媒温度の測定装置として室外熱交換器６の通常運転時における出口側の冷媒の温度を検出するものである。第６温度検出器２８は、空気温度の測定装置として、空気側の代表温度、たとえば吸い込み温度を検出するものである。これらの検出器で検出された測定情報は、検出信号として制御装置２０に送られるようになっている。
【００２３】
制御装置２０は、たとえばマイクロコンピューター等で構成されており、上述した各検出器からの検出信号（冷媒圧力検出値、冷媒温度検出値、及び、空気温度検出値）に基づいて圧縮機１の駆動、室外ファン６ａのファンモーターの駆動、四方弁９の切り替え、第１膨張弁３の開度、第２膨張弁５の開度、バイパス膨張弁８の開度、及び、ポンプ２ａの駆動周波数等を制御する機能を有している。また、制御装置２０は、各検出器からの検出信号から各制御値を決定する関数等が格納されたメモリ２０ａを備えている。このメモリ２０ａは、たとえばハードディスク装置（ＨＤＤ）や不揮発メモリ等で構成するとよい。
【００２４】
なお、図１では、冷媒−冷媒熱交換器７がレシーバー４内に設けられている場合を例に示しているが、これに限定するものではなく、たとえばレシーバー４と同じ圧力の冷媒が導通している中圧管１１と熱交換するような位置に設けてもよい。また、冷凍サイクル装置がヒートポンプ式給湯装置１００であるとして説明しているが、これに限定するものではなく、冷凍サイクル装置が空気調和装置であってもよい。空気調和装置を冷凍サイクル装置の一例とする場合には、水熱交換器２が室内熱交換器となり、ポンプ２ａが室内ファンとなる。そして、通常運転が暖房運転となり、冷水運転が冷房運転となる。
【００２５】
ここから、このヒートポンプ式給湯装置１００の冷媒回路における各種運転時の冷媒の流れを、制御装置２０が実行する各構成部品（アクチュエーター）の制御についてとともに説明する。最初に、通常運転である給湯運転について説明する。ヒートポンプ式給湯装置１００が給湯運転を実行する場合、制御装置２０は、四方弁９の接続配管が実線矢印Ａのように接続されるように冷媒流路を切り替える。このような冷媒流路にしてから給湯運転が開始される。ヒートポンプ式給湯装置１００が給湯運転を開始すると、まず圧縮機１が駆動される。
【００２６】
圧縮機１に吸入された冷媒は、圧縮機１で高温・高圧のガス状態となって吐出され、吐出配管１０を流れて、四方弁９を介し水熱交換器２に流入する。この水熱交換器２では、流入した冷媒が水を加熱しながら冷却され、中温・高圧の液冷媒となる。この冷媒は、水熱交換器２から流出し、第１膨張弁３で中圧に減圧される。そして、この中温・中圧の液冷媒は、中圧管１１を流れ、冷媒−冷媒熱交換器７で圧縮機１に吸入される冷媒と熱交換し、更に冷却されることになる。
【００２７】
冷媒−冷媒熱交換器７で冷却された中圧の液冷媒は、レシーバー４を介し、第２膨張弁５で再び減圧され、低温・低圧の冷媒となる。この低温・低圧の冷媒は、低圧管１２を流れて室外熱交換器６に流入する。室外熱交換器６に流入した冷媒は、室外ファン６ａから供給される室外空気を冷却しながら加熱され、低温・低圧のガス冷媒となる。このガス冷媒は、室外熱交換器６から流出し、四方弁９を介して冷媒−冷媒熱交換器７に流入する。冷媒−冷媒熱交換器７に流入した冷媒は、前述した中圧管１１を流れる中圧の冷媒と熱交換し加熱され、吸入配管１３を流れて圧縮機１に再度吸入される。
【００２８】
図２は、給湯運転時における各アクチュエータの制御パターンを示す表である。図２に基づいて、制御装置２０が実行する給湯運転時における各アクチュエータの制御について説明する。この表には、制御装置２０によって実行される圧縮機１の周波数［Ｈｚ］、第１膨張弁３の開度、第２膨張弁５の開度、バイパス膨張弁８の開度、及び、室外ファン６ａの回転速度の制御パターンを図示している。
【００２９】
表に示すように、給湯運転時において制御装置２０は、圧縮機１を水側（水回路Ｂ）の負荷に応じて周波数制御し、第１膨張弁３を水熱交換器２の出口における冷媒の過冷却度（ＳＣ）に応じてＳＣ制御し、第２膨張弁５を圧縮機１に吸入される冷媒の過熱度（ＳＨ）又は圧縮機１を吐出した冷媒の過熱度（ＳＨ）に応じてＳＨ制御し、バイパス膨張弁８を閉止するように制御し、室外ファン６ａを室外熱交換器６における冷媒の蒸発温度、すなわち冷媒の吸入圧力に応じて制御している。
【００３０】
なお、水熱交換器２の出口における冷媒の過冷却度ＳＣは、吐出圧力検出器２２で検出される冷媒の圧力値から求められる冷媒の高圧側の飽和温度と、第３温度検出器２５で検出される冷媒温度と、の差で算出される。また、圧縮機１に吸入される冷媒の過熱度ＳＨは、第１温度検出器２３で検出される冷媒温度と、吸入圧力検出器２１で検出される圧力値から求められる冷媒の低圧側の飽和温度と、の差から算出される。さらに、圧縮機１から吐出される冷媒の過熱度ＳＨは、第２温度検出器２４で検出される冷媒温度と、吐出圧力検出器２２で検出される圧力値から求められる高圧側の飽和温度と、の差から算出される。
【００３１】
次に、室外熱交換器６に着霜して冷媒の蒸発温度が低下して暖房性能が低くなってきたときのデフロスト運転について説明する。デフロスト運転には２パターンあるため、それぞれの運転パターンに分けて説明する。第１のデフロスト運転は、着霜量が少ない場合や外気温度が所定温度より高い場合、つまり除霜に必要なエネルギーが少ない場合に実行するパターンである（破線矢印Ｂ）。この場合、制御装置２０は、第１膨張弁３及び第２膨張弁５を閉止し、バイパス膨張弁８の開度を制御して、主に圧縮機入力によりデフロスト運転を行なうようになっている。ヒートポンプ式給湯装置１００が第１のデフロスト運転を開始すると、まず圧縮機１が駆動される。
【００３２】
圧縮機１に吸入された冷媒は、圧縮機１で高温・高圧のガス状態となって吐出され、吐出配管１０及びバイパス配管１４を流れて、バイパス膨張弁８で減圧され、中温・低圧のガス冷媒となる。この中温・低圧のガス冷媒は、低圧管１２を流れて、室外熱交換器６に流入し、室外熱交換器６の表面に付着した霜を溶かしながら冷却される。この冷媒は、室外熱交換器６から流出し、四方弁９を介して冷媒−冷媒熱交換器７に流入する。冷媒−冷媒熱交換器７に流入した冷媒は、中圧管１１を流れる中圧の冷媒と熱交換し加熱され、吸入配管１３を流れて圧縮機１に再度吸入される。圧縮機１へ吸入される冷媒は、冷媒−冷媒熱交換器７により加熱されるようになっているため、圧縮機１への液バックを防ぐことができる。
【００３３】
図３は、第１のデフロスト運転時における各アクチュエータの制御パターンを示す表である。図３に基づいて、制御装置２０が実行する第１のデフロスト運転時における各アクチュエータの制御について説明する。この表には、制御装置２０によって実行される圧縮機１の周波数［Ｈｚ］、第１膨張弁３の開度、第２膨張弁５の開度、バイパス膨張弁８の開度、及び、室外ファン６ａの回転速度の制御パターンを図示している。
【００３４】
表に示すように、第１のデフロスト運転時において制御装置２０は、圧縮機１の周波数を一定速（たとえば、全速）に制御し、第１膨張弁３及び第２膨張弁５を閉止するように制御し、バイパス膨張弁８を圧縮機１に吸入される冷媒の過熱度（ＳＨ）又は圧縮機１を吐出した冷媒の過熱度（ＳＨ）に応じてＳＨ制御し、室外ファン６ａを停止するように制御している。なお、圧縮機１に吸入される冷媒の過熱度ＳＨは、吸入圧力検出器２１及び第１温度検出器２３の検出値から、圧縮機１から吐出される冷媒の過熱度ＳＨは、吐出圧力検出器２２及び第２温度検出器２４の検出値から算出される。
【００３５】
ただし、水熱交換器２等の高圧側の要素機器に冷媒が溜まりすぎて吐出圧力が上昇し、高圧側圧力が所定の圧力値より上昇した場合には、一時的に、第１膨張弁３を開いて中間圧のレシーバー４に冷媒を移動させて高圧側の圧力、すなわち吐出圧力を下げるように制御するとよい。このように第１膨張弁３で高圧側回路の冷媒量を調整することで、水熱交換器２に流入する冷媒により水熱交換器２内の冷媒密度が変化し、吐出圧力が変化した場合にも、適正な圧力に制御でき、安定したデフロスト運転を実現できる。
【００３６】
また、室外熱交換器６で霜と熱交換することにより冷媒が液化してガスの密度が小さくなり、吸入圧力が低下する場合には、一時的に、第２膨張弁５を開いて中間圧のレシーバー４の冷媒を移動させて低圧側の圧力、すなわち吸入圧力を上げるように制御するとよい。このように第１膨張弁３で低圧側回路の冷媒量を調整することで、室外熱交換器６で冷媒が凝縮することで吸入圧力が低下した場合に、レシーバー４から冷媒の供給を行ない、吸入圧力を維持し、圧縮機入力を確保することができ、安定したデフロスト運転を実現できる。  
【００３７】
第１のデフロスト運転中、基本的にレシーバー４の入口の第１膨張弁３、及び、出口の第２膨張弁５が閉止されている。この状態では、中圧管１１を流れる冷媒は、冷媒−冷媒熱交換器７により圧縮機１に吸入される低温・低圧の冷媒と熱交換するため、中間圧ライン（中圧管１１）、特にレシーバー４内に冷熱が溜まることになっている。そこで、第１のデフロスト運転中、中間圧ラインのレシーバー４内に溜められる冷熱の量について検討する。
【００３８】
図４は、Ｒ４１０Ａ冷媒の状態を示すＰ−ｈ線図である。図４に基づいて、ヒートポンプ式給湯装置１００の運転に応じたＲ４１０Ａ冷媒の状態について説明する。この図４では、縦軸が圧力［ＭＰａ］を、横軸がエンタルピ［ｋＪ／ｋｇ］を、それぞれ表している。また、図４には、等密度線（線（ア）〜線（ウ））、及び、等温線（線（カ）〜線（コ））を併せて図示している。線（ア）が１０００ｋｇ／ｍ3 の等密度線を、線（イ）が６００ｋｇ／ｍ3 の等密度線を、線（ウ）が３００ｋｇ／ｍ3 の等密度線を、それぞれ示している。線（カ）が４５℃の等温線を、線（キ）が３０℃の等温線を、線（ク）が１５℃の等温線を、線（コ）が０℃の等温線を、それぞれ示している。
【００３９】
第１のデフロスト運転中においては、第１膨張弁３及び第２膨張弁５は閉止しているため、中圧管１１を流れる冷媒の密度は変化しない。そのため、中圧管１１を流れる冷媒は、冷媒−冷媒熱交換器７により圧縮機１に吸入される冷媒と熱交換し、冷却されると図中の（１）→（２）のように線（ウ）の等密度線上で変化することになる。この間にレシーバー４内に溜められる熱量、つまりレシーバー４の熱容量Ｑは、以下の式で表される。
Ｑ＝ρＶΔｈ
【００４０】
ここで、ρはレシーバー４内の密度［ｋｇ／ｍ3 ］を、Ｖはレシーバー４の容積［ｍ3 ］を、Δｈはエンタルピ変化量［ｋＪ／ｋｇ］を、それぞれ示している。たとえば、容積が２．３Ｌのレシーバー４を用い、通常運転ではレシーバー４内の温度が２５℃で、冷媒密度ρが８００［ｋｇ／ｍ3 ］であった場合、第１のデフロスト運転によりレシーバー４内の温度が０℃まで下がると、Ｑ＝７５．６［ｋＪ］となる。
【００４１】
図５は、レシーバー４の熱容量と冷媒密度との関係を示すグラフである。図５に基づいて、レシーバー４内の温度が２５℃から０℃にまで下がった場合のレシーバー４内における冷媒密度に対するレシーバー４の熱容量Ｑについて説明する。この図５では、縦軸がレシーバー４の熱容量［ｋｊ］を、横軸が冷媒密度［ｋｇ／ｍ3 ］を、それぞれ表している。
【００４２】
第１のデフロスト運転において２．５ｋｇの霜を融解しようとした場合、必要な熱量は、約８５０ｋＪである。このヒートポンプ式給湯装置１００の冷媒回路Ａの封入冷媒量を、ヒートポンプ式給湯装置が実行する運転のうちで最も多く冷媒を必要とする冷房運転に必要な冷媒量に合わせていれば、給湯運転では冷媒量が過剰となり、レシーバー４内に液として溜まることになる。レシーバー４中がほぼ液の状態となっていれば、この熱容量により、除霜に必要なエネルギー量の約１０％を一時的に溜めることができる。
【００４３】
第１のデフロスト運転は、圧縮機入力のエネルギーにより行なわれるが、ヒートポンプ式給湯装置１００では、レシーバー４内に閉じ込められた冷媒が、圧縮機１に吸入される冷媒と熱交換して冷却されるため、冷熱をレシーバー４内に溜めることができる。つまり、第１のデフロスト運転に必要な圧縮機入力を減らすことができ、デフロストにかかる時間を短縮させられる。デフロストにかかる時間を短縮させることで、通常運転の時間を相対的に長くでき、平均能力および平均ＣＯＰを向上させることができる。第１のデフロスト運転中にレシーバー４内に溜められた冷熱は、通常運転復帰後に室外熱交換器６に移動し、室外の空気と熱交換することにより処理される。
【００４４】
第２のデフロスト運転は、着霜量が多い場合や外気温度が低い場合、つまり除霜に必要なエネルギーが多い場合に実行するパターンである（破線矢印Ｃ）。この場合、制御装置２０は、四方弁９の接続配管が破線矢印Ｃのように接続されるように冷媒流路を切り替え、除霜のために圧縮機入力と同時に、配管の熱容量、水熱交換器２における水の熱容量を利用することによりデフロスト運転を行なうようになっている。このとき、制御装置２０は、冷媒回路Ａ内の冷媒流量を増加させるために第１膨張弁３及び第２膨張弁５を全開にしておく。ヒートポンプ式給湯装置１００が第２のデフロスト運転を開始すると、まず圧縮機１が駆動される。
【００４５】
圧縮機１に吸入された冷媒は、圧縮機１で高温・高圧のガス状態となって吐出され、吐出配管１０を流れて、四方弁９を介して室外熱交換器６に流入する。室外熱交換器６に流入した冷媒は、室外熱交換器６の表面に付着した霜を溶かしながら冷却され、中温・高圧の液冷媒となる。この中温・高圧の冷媒は、室外熱交換器６から流出し、第２膨張弁５及び第１膨張弁３で減圧され、低圧・低温の液冷媒となる。この低圧・低温の液冷媒は、水熱交換器２に流入し、水を冷却しながら加熱され、低温・低圧のガス冷媒となる。このガス冷媒は、四方弁９を介し、吸入配管１３を流れて圧縮機１へ再度吸入される。
【００４６】
図６は、第２のデフロスト運転時における各アクチュエータの制御パターンを示す表である。図６に基づいて、制御装置２０が実行する第２のデフロスト運転時における各アクチュエータの制御について説明する。この表には、制御装置２０によって実行される圧縮機１の周波数［Ｈｚ］、第１膨張弁３の開度、第２膨張弁５の開度、バイパス膨張弁８の開度、及び、室外ファン６ａの回転速度の制御パターンを図示している。表に示すように、第２のデフロスト運転時において制御装置２０は、圧縮機１の周波数を一定速（たとえば、全速）に制御し、第１膨張弁３及び第２膨張弁５を全開するように制御し、バイパス膨張弁８を閉止し、室外ファン６ａを停止するように制御している。
【００４７】
続いて、給湯運転とデフロスト運転との切り替えについて説明する。図７は、給湯運転とデフロスト運転との切り替えの際の処理の流れを示すフローチャートである。図７に示すフローチャートを参照しつつ、給湯運転とデフロスト運転との切り替えの際の処理の流れについて説明する。なお、図７には、第１のデフロスト運転をホットガスバイパス方式デフロスト運転と称して、第２のデフロスト運転をリバース方式デフロスト運転と称して、図示している。
【００４８】
ヒートポンプ式給湯装置１００が給湯運転を開始する（ステップＳ１０１）。そうすると、制御装置２０は、デフロスト運転を実行するかどうかを判断する（ステップＳ１０２）。デフロスト運転を実行するかどうかの判断は、室外熱交換器６の蒸発温度、つまり第４温度検出器２６が検出した温度により行なう。通常、室外熱交換器６内を流れる冷媒の蒸発温度は、外気との熱交換を行うために第６温度検出器２８の温度よりも５℃程度低い。しかしながら、室外熱交換器６の表面に着霜して伝熱性能が下がると、外気温度と蒸発温度との差を大きくして熱交換量を維持しようとする。そこで、制御装置２０は、たとえば蒸発温度が外気温度から１０℃以上低い場合にデフロスト運転を実行すると判断する（ステップＳ１０２；Ｙｅｓ）。
【００４９】
続いて、除霜負荷の状況により、制御装置２０は、ホットガスバイパス方式デフロスト運転（ステップＳ１０３）、あるいは、リバース方式のデフロスト運転（ステップＳ１０５）を実行する。除霜負荷の判断としては、着霜センサ（図示省略）による着霜量の監視や、第６温度検出器２８による外気温度に閾値を設け、デフロスト運転のパターンを変更すればよい。次に、制御装置２０は、デフロスト運転が終了したかどうかを判断する（ステップＳ１０４、ステップＳ１０６）。
【００５０】
ホットガスバイパス方式のデフロスト運転を行っている場合（ステップＳ１０３）、制御装置２０は、たとえば室外熱交換器６の圧縮機１側の配管に設けられた第５温度検出器２７の温度が０℃を超えればデフロスト完了と判断して（ステップＳ１０４；Ｙｅｓ）、通常運転を再開する（ステップＳ１０７）。一方、リバース方式のデフロスト運転を行っている場合（ステップＳ１０５）、制御装置２０は、たとえば室外熱交換器６のレシーバー４側の配管に設けられた第４温度検出器２６の温度が０℃を超えればデフロスト完了と判断して（ステップＳ１０６；Ｙｅｓ）、通常運転を再開する。
【００５１】
以上のように、ヒートポンプ式給湯装置１００では、給湯運転（通常運転）とデフロスト運転とを繰り返し、給湯が行なわれる。給湯運転とホットガスバイパス方式のデフロスト運転とを繰り返す場合、デフロスト運転でレシーバー４に溜められた（閉じ込められた）冷熱は、給湯運転復帰後にレシーバー４から室外熱交換器６に移動し、処理される。このデフロスト運転では、第１膨張弁３及び第２膨張弁５が閉止しているため、凝縮器（水熱交換器２）、レシーバー４、及び、室外熱交換器６それぞれの冷媒分布が給湯運転から変化しない。
【００５２】
したがって、ヒートポンプ式給湯装置１００、及び、このヒートポンプ式給湯装置１００が実行する制御方法では、第１のデフロスト運転方法により冷凍サイクル内における通常運転時の冷媒分布とデフロスト運転時の冷媒分布との変化幅を低減することができる。このとき、デフロスト中に発生した冷熱はレシーバー４に溜められている。この冷熱は冷媒回路から独立しており、水熱交換器２の能力の立ち上がりに影響を及ぼさない。これらのことから、通常運転への復帰後の水熱交換器２の能力の立ち上がりが早くなり、性能低下を抑制することができる。よって、平均能力及び平均ＣＯＰを大幅に向上させることが可能になるとともに、省エネルギー化に大きく寄与することになる。
【００５３】
また、第２のデフロスト運転方法により、圧縮機入力と同時に、配管の熱容量、水熱交換器２における水の熱容量を利用してデフロスト運転を行なうようになっている。第２のデフロスト運転方法は第１のデフロスト運転方法よりも水などの熱容量分だけ除霜能力が大きく、デフロストに要する時間が短くなる。着霜量が多い場合や外気温度が低く、除霜に必要なエネルギーが多い場合には、通常運転への復帰時間が短くなる効果が、冷媒分布の変化幅を低減する効果よりも大きくなる。以上のように、圧縮機１の吐出側に四方弁９を設け、外気温度又は室外熱交換器６の着霜量に応じて四方弁９を制御することでデフロスト運転パターンを変更することにより、平均能力、平均ＣＯＰを向上させることができる。
【００５４】
実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ式給湯装置１００ａのヒートポンプ部分を示す冷媒回路図である。図８に基づいて、冷凍サイクル装置の１つであるヒートポンプ式給湯装置１００ａの冷媒回路構成及び動作について説明する。なお、ヒートポンプ式給湯装置１００ａの通常運転（給湯運転）時における冷媒の流れを実線矢印Ａで、ホットガス方式でのデフロスト運転時の冷媒の流れを破線矢印Ｂで、リバース方式でのデフロスト運転時の冷媒の流れを破線矢印Ｃで、それぞれ表している。なお、この実施の形態２では、実施の形態１と同一部分には同一符号を付し、実施の形態１との相違点を中心に説明するものとする。
【００５５】
実施の形態２に係るヒートポンプ式給湯装置１００ａは、熱源側熱交換器である室外熱交換器が第１室外熱交換器６１と第２室外熱交換器６２に分割されて構成されている点で、実施の形態１に係るヒートポンプ式給湯装置１００と相違している。第２室外熱交換器６２は、第１室外熱交換器６１の鉛直方向上側に設置されている。第１室外熱交換器６１と第２室外熱交換器６２とは配管１５で接続されている。この配管１５には、絞り手段としての電磁弁３１が設けられている。また、配管１５と接続しているヘッダと第２室外熱交換器６２とを接続している伝熱管には、絞り手段としてのキャピラリー３０が設けられている。なお、その他の構成については、ヒートポンプ式給湯装置１００と同様に構成されている。
【００５６】
実施の形態２に係るヒートポンプ式給湯装置１００において給湯運転を行なう場合、制御装置２０は、電磁弁３１を開くように制御する。そうすると、冷媒は、実線矢印Ａのように流れる。つまり、第２膨張弁５を通過した冷媒は、低圧管１２を流れて第１熱源側熱交換器である第１室外熱交換器６１に流入し、それから配管１５を流れて電磁弁３１を通過し、キャピラリー３０を介して第２熱源側熱交換器である第２室外熱交換器６２の順に流れることになる。
【００５７】
電磁弁３１及びキャピラリー３０による圧力損失により、第１室外熱交換器６１における蒸発温度は、第２室外熱交換器６２の蒸発温度よりも高い。これにより、室外熱交換器の下側に設置されている第１室外熱交換器６１における外気との熱交換量は少なくなる。デフロスト運転時には第１室外熱交換器６１の鉛直方向上側にある第２室外熱交換器６２の霜が溶解し、第１室外熱交換器６１に水が滴下するが、第１室外熱交換器６１の通常運転時の熱交換量が少ないため、第１室外熱交換器６１表面に水が残っていても再凝固を緩和することができる。なお、電磁弁３１及びキャピラリー３０による圧力損失は、第１室外熱交換器６１の蒸発温度が外気温度よりも高くなって放熱することを防ぐため、定格冷媒流量において圧力損失が蒸発温度換算で１０℃以下となるように流動抵抗を設計するとよい。
【００５８】
このヒートポンプ式給湯装置１００ａの冷媒回路Ａにおいて、ホットガスバイパス方式のデフロスト運転（第１のデフロスト運転）を行なう場合、第２室外熱交換器６２にホットガスを流入される必要があるため、バイパス配管１４は、吐出配管１０と配管１５とを接続するようになっている。また、ホットガスバイパス方式のデフロスト運転中は、電磁弁３１を閉じるように制御すれば、第２室外熱交換器６２に直接ホットガスが流入することになり、第２室外熱交換器６２に効率的にホットガスを流入させられる。
【００５９】
以上のように、ヒートポンプ式給湯装置１００ａでは、ホットガス方式のデフロスト運転を実行する。したがって、給湯運転とホットガスバイパス方式のデフロスト運転とを繰り返す場合、デフロスト運転でレシーバー４に溜められた冷熱は、給湯運転復帰後にレシーバー４から室外熱交換器に移動し、処理される。このデフロスト運転では、第１膨張弁３及び第２膨張弁５が閉止しているため、凝縮器（水熱交換器２）、レシーバー４、及び、室外熱交換器それぞれの冷媒分布が給湯運転から変化しない。
【００６０】
したがって、ヒートポンプ式給湯装置１００ａ、及び、このヒートポンプ式給湯装置１００ａが実行する制御方法では、第１のデフロスト運転方法により冷凍サイクル内における通常運転時の冷媒分布とデフロスト運転時の冷媒分布との変化幅を低減することができる。また、デフロスト中に発生した冷熱はレシーバー４に溜められている。この冷熱は冷媒回路から独立しており、水熱交換器２の能力の立ち上がりに影響を及ぼさない。これらのことから、通常運転への復帰後の水熱交換器２の能力の立ち上がりが早くなり、性能低下を抑制することができる。よって、平均能力及び平均ＣＯＰを大幅に向上させることが可能になるとともに、省エネルギー化に大きく寄与することになる。
【００６１】
また、第２のデフロスト運転方法により、圧縮機入力と同時に、配管の熱容量、水熱交換器２における水の熱容量を利用してデフロスト運転を行なうようになっている。第２のデフロスト運転方法は第１のデフロスト運転方法よりも水などの熱容量分だけ除霜能力が大きく、デフロストに要する時間が短くなる。着霜量が多い場合や外気温度が低く、除霜に必要なエネルギーが多い場合には、通常運転への復帰時間が短くなる効果が、冷媒分布の変化幅を低減する効果よりも大きくなる。以上のように、圧縮機１の吐出側に四方弁９を設け、外気温度又は室外熱交換器６の着霜量に応じて四方弁９を制御することでデフロスト運転パターンを変更することにより、平均能力、平均ＣＯＰを向上させることができる。
【００６２】
実施の形態１及び実施の形態２では、冷媒回路Ａ内を循環する冷媒にＲ４１０Ａを使用した場合を例に説明したが、冷媒の種類を特に限定するものではなく、たとえば二酸化炭素や炭化水素、ヘリウム等のような自然冷媒、ＨＦＣ４０７Ｃ等の代替冷媒のような塩素を含まない冷媒、もしくは既存の製品に使用されているＲ２２やＲ１３４ａ等のフロン系冷媒のいずれでもよい。また、圧縮機１は、レシプロ、ロータリー、スクロール、あるいは、スクリュー等の各種タイプのいずれのものを用いてもよく、回転数可変可能のものでもよく、回転数固定のものでもよい。
【符号の説明】
【００６３】
１  圧縮機、２  水熱交換器、２ａ  ポンプ、３  第１膨張弁、４  レシーバー、５  第２膨張弁、６  室外熱交換器、６ａ  室外ファン、７  冷媒−冷媒熱交換器、８  バイパス膨張弁、９  四方弁、１０  吐出配管、１１  中圧管、１２  低圧管、１３  吸入配管、１４  バイパス配管、１５  配管、１６  水配管、２０  制御装置、２０ａ  メモリ、２１  吸入圧力検出器、２２  吐出圧力検出器、２３  第１温度検出器、２４  第２温度検出器、２５  第３温度検出器、２６  第４温度検出器、２７  第５温度検出器、２８  第６温度検出器、３０  キャピラリー、３１  電磁弁、６１  第１室外熱交換器、６２  第２室外熱交換器、１００  ヒートポンプ式給湯装置、１００ａ  ヒートポンプ式給湯装置、Ａ  冷媒回路、Ｂ  水回路。
【図１】
2010164257.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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