(57)【要約】【課題】除霜運転を含めても必要冷媒量を少なくし、また、空気熱交換器への冷媒溜まり込みや液バックを回避できる冷凍サイクル装置を得る。【解決手段】空気熱交換器６を空気熱交換器分割部６ａ、６ｂ及び６ｃに３分割し、それらの流入側をそれぞれ液開閉弁５ａ、５ｂ及び５ｃを介して電動膨張弁４の吐出側の冷媒配管に接続し、圧縮機１の吐出側の冷媒配管と電動膨張弁４の吐出側の冷媒配管とを、ホットガス弁９を介して接続した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、水−冷媒熱交換器、減圧手段及び空気熱交換器を冷媒配管で順次接続して閉回路を構成する冷媒回路と、
前記圧縮機と前記水−冷媒熱交換器との間と、前記減圧手段と前記空気熱交換器との間とを、第１の開閉手段を介して接続して形成されるホットガスバイパス路と、
を備え、
前記空気熱交換器は、その内部の冷媒流路が２系統以上に分割され、
少なくとも１系統以上の前記分割された冷媒流路は、それぞれの冷媒流路上に独立に第２の開閉手段を有する
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
２系統以上に分割された前記分割された冷媒流路は、それぞれの冷媒経路上に独立に前記第２の開閉手段を有する
ことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記空気熱交換器は、一体で形成されている
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記空気熱交換器における前記２系統以上の冷媒流路は、上下方向に分割されている
ことを特徴とする請求項１〜請求項３記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記空気熱交換器における前記分割された冷媒流路の１つの内容積は、前記水−冷媒熱交換器の冷媒流路内容積と略同一又はそれよりも小さい
ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記冷媒回路の封入冷媒量は、前記水−冷媒熱交換器の冷媒側流路が液冷媒で満たされる量と略同一又はそれよりも小さい
ことを特徴とする請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記空気熱交換器における除霜を実施する除霜運転モードを有し、
前記除霜運転モードにおいては、
前記第１の開閉手段を開放して、前記圧縮機から吐出されるホットガスを前記空気熱交換器に流通させ、
前記第２の開閉手段を順次開放し、前記分割された冷媒流路ごとに除霜を実施する
ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
請求項１〜請求項７いずれかに記載の冷凍サイクル装置を備えた
ことを特徴とする給湯機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置及びこれを搭載した給湯機に関するものであり、特に、凝縮器として水−冷媒熱交換器を用いて水加熱を実施する給湯用の冷凍サイクル装置の除霜運転に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水加熱を目的とする冷凍サイクル装置は、凝縮器にプレート積層型熱交換器や二重管式熱交換器等が使用されることが多い。これらの水−冷媒熱交換器は、蒸発器として通常用いられるプレートフィンチューブ空気熱交換器等に比べて小型であり、その内部の冷媒流路が占める内容積も小さいので、凝縮器及び蒸発器を含めた冷媒回路の全容積に対して液冷媒が占める割合が少なくなる。すなわち、加熱運転だけを考えれば封入冷媒量は少なくてよい。
【０００３】
一方で、一般的に冷凍サイクル装置は、外気が低温である場合には蒸発器となる空気熱交換器に着霜するため、圧縮機から吐出された高温のガス冷媒を空気熱交換器に送ることができるような除霜回路を備えている。この除霜運転中においては、空気熱交換器内で高温のガス冷媒が凝縮して溜まり込むために、低圧側に冷媒が不足してしまう可能性があり、この状態を回避するために比較的多量の冷媒が冷媒回路に封入されている。そのため、圧縮機の吸入側に液冷媒が直接戻ってくるような異常動作、いわゆる液バックが発生しやすいという問題が生じる。
【０００４】
上記のような問題を回避するために、除霜回路を用いた除霜運転の開始から所定時間経過した後に凝縮器側の膨張弁を閉止して液バックを回避するヒートポンプ式給湯機が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、除霜運転時に圧縮機から吐出された高温のガス冷媒を直接蒸発器入口に送る回路と、凝縮器を経由して送る回路とを選択的に切り替えることで液バックと低圧異常低下の双方を回避するような冷凍装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２２２４４７号公報（第６頁、図３）
【特許文献２】特許第３３４３９１６号公報（第５頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に係るヒートポンプ式給湯機においては、膨張弁の開度制御のタイミングは除霜開始からの経過時間に基づくものであり、液バック状態であるのか冷媒不足状態であるのかを検出しておらず、対策としては信頼性が低いという問題がある。
また、特許文献１に係るヒートポンプ式給湯機及び特許文献２に係る冷凍装置のいずれにおいても、除霜運転中に空気熱交換器に冷媒が溜まりこむことを想定しなければならず、依然として加熱運転に必要な量以上の封入冷媒量が必要である。
【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、除霜運転を含めても必要冷媒量を少なくし、液バックを回避し、そして、除霜時間が長くなることのない冷凍サイクル装置及びこれを搭載した給湯機を提供することである。
【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、水−冷媒熱交換器、減圧手段及び空気熱交換器を冷媒配管で順次接続して閉回路を構成する冷媒回路と、前記圧縮機と前記水−冷媒熱交換器との間と、前記減圧手段と前記空気熱交換器との間とを、第１の開閉手段を介して接続して形成されるホットガスバイパス路と、を備え、前記空気熱交換器は、その内部の冷媒流路が２系統以上に分割され、少なくとも１系統以上の前記分割された冷媒流路は、それぞれの冷媒流路上に独立に第２の開閉手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の冷凍サイクル装置によれば、水−冷媒熱交換器が凝縮器として機能するのに十分な冷媒が封入されていれば、冷媒不足状態になることがなく、かつ、液バックを回避でき、また、除霜している空気熱交換器に液冷媒が溜まり込んだ場合でも、圧縮機に流入される冷媒が不足して除霜時間が長くなることもない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
（冷凍サイクル装置の全体構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る冷凍サイクル装置の回路構成図であり、図２は、同冷凍サイクル装置の立体構成図である。
図１及び図２において、冷媒を圧縮する圧縮機１、その圧縮機１により圧縮されたガス冷媒から放熱させる水−冷媒熱交換器２、その水−冷媒熱交換器２を通過した冷媒を膨張させる電動膨張弁４、その電動膨張弁４によって膨張された冷媒を蒸発させる空気熱交換器６及びその空気熱交換器６を通過した冷媒を一時蓄積するアキュムレータ８が順に冷媒配管によって接続され冷媒が循環する冷媒回路を形成している。この冷媒回路に、冷媒として、例えばＨＦＣ冷媒であるＲ４１０Ａが封入されている。なお、ＨＦＣ冷媒であるＲ４１０Ａに限らず、二酸化炭素冷媒又はＨＦＯ１２３４ｙｆ等その他の冷媒が封入されるものとしてもよい。水−冷媒熱交換器２は、水配管３を有し、この水配管３は冷媒回路と分離している。空気熱交換器６は、空気熱交換器分割部６ａ、６ｂ及び６ｃに３分割されており、それらの流入側はそれぞれ液開閉弁５ａ、５ｂ及び５ｃを介して電動膨張弁４の吐出側の冷媒配管に接続され、空気熱交換器分割部６ａ、６ｂ及び６ｃそれぞれの冷媒の流通の有無の選択が可能となっている。図２で示されるように、この空気熱交換器分割部６ａ、６ｂ及び６ｃは、上下方向に３分割され、かつ、一体型として形成されている。この３分割された空気熱交換器分割部６ａ、６ｂ及び６ｃのガス冷媒側の冷媒回路上にはそれぞれ温度センサ１１ａ、１１ｂ及び１１ｃが取り付けられている。また、空気熱交換器６には、その熱交換を促進又は調整する送風機７が設置され、その送風機７の近傍には、外気温度を検出する外気温度センサ１４が取り付けられている。圧縮機１の吐出側の冷媒配管と、電動膨張弁４の吐出側の冷媒配管は、ホットガス弁９を介して接続されている。また、電動膨張弁４及びホットガス弁９の吐出側、かつ、液開閉弁５ａ、５ｂ及び５ｃの流入側の冷媒回路上には、電動膨張弁４を通過し低圧となった冷媒の温度等を検出する低圧冷媒温度センサ１３が取り付けられている。
【００１２】
水−冷媒熱交換器２は、プレート積層型の熱交換器であり、その冷媒流路内容積は加熱能力１ｋＷあたりで約１２０ｃｃ〜１５０ｃｃである。一方、空気熱交換器６は、伝熱管径が８ｍｍのプレートフィンチューブ型であり、処理熱量１ｋＷあたりで３００ｃｃ〜５００ｃｃ程度であるので、その内部の冷媒流路内容積は水−冷媒熱交換器２の冷媒流路内容積より２倍以上大きい。従って、空気熱交換器６において３分割された空気熱交換器分割部６ａ、６ｂ及び６ｃのそれぞれの冷媒流路内容積は、水−冷媒熱交換器２の冷媒流路内容積と略同一又はそれよりも小さくなっている。
【００１３】
（冷凍サイクル装置の基本動作）
次に、上記のように構成された冷凍サイクル装置の水加熱運転時の基本的な動作について説明する。
圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、水−冷媒熱交換器２へ流入し、水配管３に流通する水に放熱して熱交換が実施され凝縮する。このとき、除霜運転用のホットガス弁９は、閉止している。その凝縮した液冷媒は、電動膨張弁４によって減圧され、低圧の二相冷媒となり、開放された液開閉弁５ａ、５ｂ及び５ｃを経由して、空気熱交換器分割部６ａ、６ｂ及び６ｃに流入する。ここで、上記の低圧二相冷媒は、送風機７によって送られる外気から熱を吸収して蒸発し、ガス冷媒となる。このガス冷媒は、アキュムレータ８において一時蓄積され、再び圧縮機１に吸入される。以後、この動作を繰り返す。
【００１４】
（冷凍サイクル装置の除霜運転）
図３は、同冷凍サイクル装置の除霜運転の動作を表すフローチャートである。
本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置は、外気が低温で蒸発温度が氷点下となる条件で前述の水加熱運転を継続すると、空気熱交換器６の表面で霜が発生し、外気からの採熱を阻害し始める。このとき、例えば、外気温度センサ１４によって検知された温度と低圧冷媒温度センサ１３によって検知された温度との偏差が所定値よりも大きくなることで着霜による電熱不良と判断し除霜運転を開始する（ステップＳ１）。なお、除霜運転の開始条件として、上記のものに限られるものではなく、例えば、低圧冷媒温度センサ１３による検知温度が氷点下となる状態が所定時間（例えば、６０分間）経過したことで着霜していると判断してもよい。除霜運転が開始されると、まず、送風機７を停止し、ホットガス弁９を開放し、そして、電動膨張弁４を閉止又は僅かに開放する程度として水−冷媒熱交換器２において熱交換が実施されないようにする（ステップＳ２）。続いて、液開閉弁５ａを開放したまま、液開閉弁５ｂ及び５ｃを閉止する（ステップＳ３）。これによって、圧縮機１から吐出された高温のガス冷媒、すなわちホットガスはホットガス弁９及び液開閉弁５ａを経由して空気熱交換器分割部６ａのみに流通する。このとき、空気熱交換器分割部６ａは、圧縮機１から吐出されたホットガスによって高温となり霜を融解させ、その内部冷媒流路において除霜開始直後は凝縮して液冷媒が溜まり込む。その後、空気熱交換器分割部６ａの内部冷媒流路の冷媒状態は、霜の融解とともに徐々にその圧力を高めながら高乾き度の状態に移行していく。そして、温度センサ１１ａの検知温度Ｔ１が、霜が融解しきったと判断できる設定温度（例えば、７℃）に達したことで空気熱交換器分割部６ａにおける除霜動作を終了する（ステップＳ４）。
【００１５】
次に、液開閉弁５ｂを開放して空気熱交換器分割部６ｂにおける除霜動作を開始する（ステップＳ５）。このとき、既に除霜を完了した空気熱交換器分割部６ａの流入側の冷媒回路上に設置された液開閉弁５ａは開放したままにする。着霜状態である空気熱交換器分割部６ｂにおいては、圧縮機１から吐出されたホットガスが流入して霜が融解し、その内部冷媒流路において除霜開始直後は凝縮して液冷媒が溜まり込むが、既に高温である空気熱交換器分割部６ａにおいては、ガス冷媒のまま流通するため、圧縮機１の吸入側にはガス冷媒が供給され、圧力及び温度を高い状態に維持できる。これによって、圧縮機１から吐出される冷媒の圧力及び温度も高い状態に維持されるため、空気熱交換器分割部６ｂにおける除霜動作に寄与することができる。その後、空気熱交換器分割部６ｂの内部冷媒流路の冷媒状態は、霜の融解とともに徐々にその圧力を高めながら高乾き度の状態に移行していく。そして、温度センサ１１ｂの検知温度Ｔ２が、霜が融解しきったと判断できる設定温度（例えば、７℃）に達したことで空気熱交換器分割部６ｂにおける除霜動作を終了する（ステップＳ６）。
【００１６】
次に、液開閉弁５ｃを開放して空気熱交換器分割部６ｃにおける除霜動作を開始する（ステップＳ７）。このとき、既に除霜を完了した空気熱交換器分割部６ａ及び６ｂの流入側の冷媒回路上に設置された液開閉弁５ａ及び５ｂは開放したままにする。このときの動作は、前述のステップＳ５と同様である。そして、温度センサ１１ｃの検知温度Ｔ３が、霜が融解しきったと判断できる設定温度（例えば、７℃）に達したことで空気熱交換器分割部６ｃにおける除霜動作を終了し、全ての除霜動作が終了と判定し、除霜運転を終了する（ステップＳ８）。除霜運転終了後、送風機７を稼働させ、電動膨張弁４を開放し、そして、ホットガス弁９を閉止することによって、再び水−冷媒熱交換器２を凝縮器、そして、空気熱交換器６を外気から採熱する蒸発器として水加熱運転を実施する（ステップＳ９）。
【００１７】
ここで、本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の封入冷媒量について説明する。本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の封入冷媒量は、水加熱運転で必要な冷媒量に等しい。すなわち、水−冷媒熱交換器２が凝縮器として機能し、空気熱交換器６が蒸発器として機能している状態での必要冷媒量が封入冷媒量である。一方、除霜運転中は、水−冷媒熱交換器２には液冷媒は存在せず、また、ホットガスが流通していない空気熱交換器分割部にも液冷媒が存在しない。従って、除霜運転中に最も冷媒が必要な運転状態は、一時的に除霜している空気熱交換器分割部に溜まり込むタイミングであり、そのときの空気熱交換器分割部がほぼ液冷媒で満たされている状態である。このとき、空気熱交換器分割部６ａ、６ｂ及び６ｃそれぞれの冷媒流路内容積は、水−冷媒熱交換器２の冷媒流路内容積と略同一又はそれよりも小さくなっているので、水−冷媒熱交換器２が凝縮器として機能するのに十分な冷媒が封入されていれば、除霜運転中に空気熱交換器分割部６ａ、６ｂ及び６ｃのうちの一つが液冷媒で満たされたとしても、冷媒不足状態になることがない。従って、水加熱運転中と除霜運転中とで必要となる封入冷媒量に差異がなくなるので、アキュムレータ８がかなり小さくてよく、又は、不要とすることもできる。
【００１８】
（実施の形態１の効果）
以上の構成及び動作のように、空気熱交換器分割部６ａ、６ｂ及び６ｃそれぞれの冷媒流路内容積は、水−冷媒熱交換器２の冷媒流路内容積と略同一又はそれよりも小さくなっているので、水−冷媒熱交換器２が凝縮器として機能するのに十分な冷媒が封入されていれば、除霜運転中に空気熱交換器分割部６ａ、６ｂ及び６ｃのうちの一つが液冷媒で満たされたとしても、冷媒不足状態になることがなく、また、除霜している空気熱交換器６に液冷媒が溜まり込んだ場合でも、圧縮機１に流入される冷媒が不足して除霜時間が長くなってしまうこともない。
また、水加熱運転時に必要な冷媒量だけを封入していればよく、除霜運転のために多くの冷媒を封入する必要がないので、液バックを回避することができ、かつ、余剰冷媒を貯留するために設置するアキュムレータ８等の液溜容器も小さくてよく、又は、不要とすることもできるのでコストダウンが図れる。
また、空気熱交換器分割部６ａ、６ｂ及び６ｃに３分割された空気熱交換器６を一体型として形成されていることによって、フィン間の熱伝導によって除霜していない空気熱交換器分割部にも熱が伝わって霜が融解するので都合がよい。
さらに、空気熱交換器６は、上下方向に３分割されており、除霜運転の順序としては上から実施していることにより、上方における霜の融解水がまだ除霜していない空気熱交換器分割部に滴下するので、除霜用に投入した熱を逃がすことなく有効に使用することができる。
【００１９】
なお、外気温度が０℃よりも高い状況である場合には、液開閉弁を閉止している空気熱交換器分割部においても霜が融解するので、この場合においては、圧縮機１を停止し送風機７を低速で稼働させて０℃以上の外気による空気熱交換器６の除霜、いわゆるオフサイクル除霜を実施してもよい。
また、図３で示される除霜運転において、空気熱交換器分割部６ａ、６ｂそして６ｃの順番で除霜動作が実施されているが、この順序に限られるものではなく、異なる順序で除霜動作が実施されるものとしてもよい。このとき、空気熱交換器分割部６ａ、６ｂ及び６ｃそれぞれの流入側の冷媒回路上には液開閉弁５ａ、５ｂ及び５ｃが設けられているが、図３で示されるように、空気熱交換器分割部６ａから除霜運転が実施される場合、水加熱運転及び除霜運転双方において液開閉弁５ａは常時開放しているので、液開閉弁５ａは設置しない構成としてもよい。
さらに、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置における空気熱交換器６は、空気熱交換器分割部６ａ、６ｂ及び６ｃに３分割されているが、これに限られるものではなく、２分割あるいは４分割以上としてもよい。
【００２０】
実施の形態２．
（給湯機の全体構成）
図４は、本発明の実施の形態２に係る給湯機の回路構成図である。
図４において、冷凍サイクル部３１に、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置が備えられている。その冷凍サイクル装置における水−冷媒熱交換器２に導通している水配管３は、冷凍サイクル装置内の冷媒回路とは分離しており、水−冷媒熱交換器２、その水−冷媒熱交換器２によって加熱された水を貯めるタンク１８及びそのタンク１８から流出した水を送り出すポンプ１７を順に接続して水循環回路を形成している。この水循環回路によって蓄熱回路部３２が構成されている。
【００２１】
（給湯機の動作）
上記の水循環回路を流通する水は、ポンプ１７によって水−冷媒熱交換器２に送られ、その水−冷媒熱交換器２において冷媒回路からの放熱によって温められる。温められた水は、タンク１８に流入し貯水される。このタンク１８に貯められた水は、再びポンプ１７に送られる。
【００２２】
（実施の形態２の効果）
以上の構成よって、上記の実施の形態１と同様の効果を有した給湯機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の回路構成図である。
【図２】同冷凍サイクル装置の立体構成図である。
【図３】同冷凍サイクル装置の除霜運転の動作を表すフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態２に係る給湯機の回路構成図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  圧縮機、２  水−冷媒熱交換器、３  水配管、４  電動膨張弁、５ａ〜５ｃ  液開閉弁、６  空気熱交換器、６ａ〜６ｃ  空気熱交換器分割部、７  送風機、８  アキュムレータ、９  ホットガス弁、１１ａ〜１１ｃ  温度センサ、１３  低圧冷媒温度センサ、１４  外気温度センサ、１７  ポンプ、１８  タンク、３１  冷凍サイクル部、３２  蓄熱回路部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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