(57)【要約】【課題】暖房負荷周囲の空間温度の低下を抑制しつつ除霜運転を行う。【解決手段】暖房ユニット２００と、低元側冷凍回路１００及び高元側冷凍回路１１０を備えた二元型ヒートポンプユニット１５０と、制御ユニット３００とを備えたヒートポンプ式暖房装置であって、暖房ユニット２００は、戻り熱媒を低元側熱媒−冷媒熱交換器１０２と高元側熱媒−冷媒熱交換器１１２とに分流可能でかつ該分流比率を調整可能な分流調整器を含み、各熱媒−冷媒熱交換器１０２，１１２を通過した分流熱媒を合流させて暖房負荷２０に供給し、暖房運転を行う構成とし、制御ユニット３００は、暖房運転中に低元側蒸発器１０５の除霜運転開始の所定条件が成立したとき、高元側圧縮機１１１を停止させ、低元側膨張弁１０４を全開にし、分流調整器２０３を戻り熱媒の全量が高元側熱媒−冷媒熱交換器１１２側に流れるように制御する構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
循環ポンプを有し該循環ポンプにより暖房負荷に熱媒を循環供給する暖房ユニットと、
冷媒を、低元側圧縮機、低元側熱媒−冷媒熱交換器、カスケード熱交換器、低元側膨張弁及び低元側蒸発器を順に循環させて前記低元側熱媒−冷媒熱交換器で前記熱媒と熱交換させる低元側冷凍回路と、冷媒を、高元側圧縮機、高元側熱媒−冷媒熱交換器、高元側膨張弁及び前記カスケード熱交換器を順に循環させて前記高元側熱媒−冷媒熱交換器で前記熱媒と熱交換させる高元側冷凍回路と、を備えた二元型ヒートポンプユニットと、
前記暖房ユニット及び前記二元型ヒートポンプユニットを駆動制御する制御ユニットと、
を備えたヒートポンプ式暖房装置であって、
前記暖房ユニットは、前記暖房負荷からの戻り熱媒を前記低元側熱媒−冷媒熱交換器と前記高元側熱媒−冷媒熱交換器とに分流可能でかつ該分流比率を調整可能な分流調整器を含み、前記低元側熱媒−冷媒熱交換器及び前記高元側熱媒−冷媒熱交換器を通過した各分流熱媒を合流させて前記暖房負荷に供給し、暖房運転を行う構成とし、
前記制御ユニットは、前記暖房運転中に前記低元側蒸発器の除霜運転開始の所定条件が成立したとき、前記高元側圧縮機を停止させ、前記低元側膨張弁を全開にし、前記分流調整器を前記戻り熱媒の全量が前記高元側熱媒−冷媒熱交換器側に流れるように制御する、ヒートポンプ式暖房装置。
【請求項２】
前記暖房ユニットは、前記熱媒の加熱用の補助ヒータを更に備え、
前記制御ユニットは、前記暖房運転中に前記低元側蒸発器の除霜運転開始の所定条件が成立したとき、前記高元側圧縮機を停止させ、前記低元側膨張弁を全開にし、前記分流調整器を前記戻り熱媒の全量が前記高元側熱媒−冷媒熱交換器側に流れるように制御すると共に、前記補助ヒータを作動させる、請求項１に記載のヒートポンプ式暖房装置。
【請求項３】
前記制御ユニットは、前記除霜運転中に前記戻り熱媒の温度が前記低元側圧縮機の吐出側の冷媒温度より高いとき、前記戻り熱媒の一部が前記低元側熱媒−冷媒熱交換器側へ流れるように前記分流調整器を制御する、請求項２に記載のヒートポンプ式暖房装置。
【請求項４】
前記補助ヒータは、前記各分流熱媒の合流部と前記暖房負荷との間に配置される、請求項３に記載のヒートポンプ式暖房装置。
【請求項５】
前記除霜運転のとき、前記補助ヒータが前記暖房負荷と前記分流調整器との間に位置するように、前記熱媒の循環経路を切り替え可能な構成とした、請求項４に記載のヒートポンプ式暖房装置。
【請求項６】
前記制御ユニットは、前記除霜運転のとき、前記戻り熱媒の温度又は前記暖房負荷への往き熱媒の温度に基づき、前記循環ポンプの回転数を可変制御する、請求項１に記載のヒートポンプ式暖房装置。
【請求項７】
前記制御ユニットは、前記除霜運転のとき、前記戻り熱媒の温度又は前記暖房負荷への往き熱媒の温度に基づき、前記循環ポンプの回転数及び前記補助ヒータの出力の少なくとも一方を可変制御する、請求項２〜５のいずれか１つに記載のヒートポンプ式暖房装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ式暖房装置に関し、特に、二元型ヒートポンプを利用したヒートポンプ式暖房装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の二元型ヒートポンプを利用したヒートポンプ式暖房装置としては、例えば、特許文献１に開示されたヒートポンプ式暖房装置が知られている。このヒートポンプ式暖房装置では、低元側冷凍回路と高元側冷凍回路とを有した二元型ヒートポンプユニットと、循環ポンプにより暖房負荷に温水（熱媒）を循環供給する暖房ユニットとを動作させ、前記暖房ユニットを循環する温水によって暖房負荷の設置場所周囲の空間を温める暖房運転を行う。このヒートポンプ式暖房装置において、低元側冷凍回路は低元側圧縮機、低元側熱媒−冷媒熱交換器（凝縮部）、カスケード熱交換器（凝縮部）、低元側膨張弁及び低元側蒸発器を冷媒配管で順に接続して構成され、高元側冷凍回路は高元側圧縮機、高元側熱媒−冷媒熱交換器（凝縮部）、高元側膨張弁及び上記カスケード熱交換器を冷媒配管で順に接続して構成されている。
【０００３】
そして、この種の二元型ヒートポンプを利用したヒートポンプ式暖房装置では、低元側冷凍回路において外気から熱を吸収して冷媒を蒸発させる低元側蒸発器に霜が着霜すると、熱交換能力の低下を招くので、この霜を取り除く除霜運転（デフロスト運転）が実行される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−９７９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、上記特許文献１に開示されたヒートポンプ式暖房装置における上記除霜運転の方式としては、例えば、低元側冷凍回路の膨張弁を全開にすることで、低元側圧縮機から吐出された高温高圧の冷媒（ホットガス）を、低元側熱媒−冷媒熱交換器及びカスケード熱交換器（凝縮部）で凝縮させずに、つまり、高温のまま低元側蒸発器へ送り込むことで霜を溶かすホットガス方式の除霜運転を採用することが考えられる。
【０００６】
しかし、この方式の除霜運転中は、低元側圧縮機から吐出された高温高圧のホットガスを高温のまま低元側蒸発器へ送るには、低元側熱媒−冷媒熱交換器及びカスケード熱交換器での熱交換を停止する必要がある。そのため、除霜運転中は、単に、暖房ユニットの循環ポンプ及び高元側圧縮機を停止させて上記熱交換を停止させることが考えられる。しかし、この場合、除霜運転中は、暖房負荷への温水供給が停止され、暖房負荷の設置場所周囲の空間温度が著しく低下するおそれがあり工夫が求められている。
【０００７】
本発明は、このような実情に着目してなされたものであり、暖房負荷の設置場所周囲の空間温度の低下を抑制しつつ、ホットガス方式による除霜運転を行うことが可能なヒートポンプ式暖房装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るヒートポンプ式暖房装置の一側面によると、循環ポンプを有し該循環ポンプにより暖房負荷に熱媒を循環供給する暖房ユニットと、冷媒を、低元側圧縮機、低元側熱媒−冷媒熱交換器、カスケード熱交換器、低元側膨張弁及び低元側蒸発器を順に循環させて前記低元側熱媒−冷媒熱交換器で前記熱媒と熱交換させる低元側冷凍回路と、冷媒を、高元側圧縮機、高元側熱媒−冷媒熱交換器、高元側膨張弁及び前記カスケード熱交換器を順に循環させて前記高元側熱媒−冷媒熱交換器で前記熱媒と熱交換させる高元側冷凍回路と、を備えた二元型ヒートポンプユニットと、前記暖房ユニット及び前記二元型ヒートポンプユニットを駆動制御する制御ユニットと、を備えたヒートポンプ式暖房装置であって、前記暖房ユニット、前記暖房負荷からの戻り熱媒を前記低元側熱媒−冷媒熱交換器と前記高元側熱媒−冷媒熱交換器とに分流可能でかつ該分流比率を調整可能な分流調整器を含み、前記低元側熱媒−冷媒熱交換器及び前記高元側熱媒−冷媒熱交換器を通過した各分流熱媒を合流させて前記暖房負荷に供給し、暖房運転を行う構成とし、前記制御ユニットは、前記暖房運転中に前記低元側蒸発器の除霜運転開始の所定条件が成立したとき、前記高元側圧縮機を停止させ、前記低元側膨張弁を全開にし、前記分流調整器を前記戻り熱媒の全量が前記高元側熱媒−冷媒熱交換器側に流れるように制御する構成とした。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るヒートポンプ式暖房装置は、暖房運転中に除霜運転開始の所定条件が成立したとき、高元側圧縮機を停止させると共に、分流調整器により暖房負荷からの戻り熱媒の全量を高元側熱媒−冷媒熱交換器側に流し、かつ、低元側膨張弁を全開にすることにより、低元側熱媒−冷媒熱交換器及びカスケード熱交換器での熱交換を停止した上で、低元側圧縮機から吐出された高温高圧の冷媒（ホットガス）を低元側蒸発器へ流して、除霜を行うことができる。その上、除霜運転中は、分流調整器により戻り熱媒の低元側熱媒−冷媒熱交換器への分流を止めることができるため、循環ポンプを停止させる必要はなく、除霜運転中に循環ポンプをそのまま運転することができる。したがって、暖房運転により既に昇温されている熱媒を除霜運転中に循環させることができる。その結果、熱媒に残余している熱エネルギーを有効利用して、除霜運転中の暖房負荷の設置場所周囲の空間温度の低下を抑制することができる。
【００１０】
このようにして、暖房負荷の設置場所周囲の空間温度の低下を抑制しつつホットガス方式による除霜運転を行うことが可能なヒートポンプ式暖房装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態によるヒートポンプ式暖房装置の概略構成図である。
【図２】上記実施形態の除霜運転制御を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態によるヒートポンプ式暖房装置における除霜運転制御を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第３実施形態によるヒートポンプ式暖房装置の概略構成図である。
【図５】上記第３実施形態によるヒートポンプ式暖房装置における除霜運転中の暖房負荷（パネル）の温度変化を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態によるヒートポンプ式暖房装置の概略構成を示している。
本実施形態によるヒートポンプ式暖房装置は、二元型ヒートポンプを利用しており、図１に示すように、低温側の冷媒が循環する低元側冷凍回路１００と高温側の冷媒が循環する高元側冷凍回路１１０とを備えた二元型ヒートポンプユニット１５０と、暖房負荷２０に熱媒を循環供給する暖房ユニット２００と、制御ユニット３００とを備えて構成される。
本実施形態において、低元側の冷媒及び高元側の冷媒にはＣＯ２冷媒が使用されている。但し、これに限るものではなく、低元側の冷媒及び／又は高元側の冷媒としてＣＯ２冷媒以外の冷媒が使用されてもよい。また、熱媒には不凍液を混ぜた水が使用されている。そして、暖房負荷２０としては、例えば、パネルヒータや床暖房パネルなどがある。
【００１３】
前記低元側冷凍回路１００は、低元側圧縮機１０１、低元側熱媒−冷媒熱交換器１０２、カスケード熱交換器１０３、低元側膨張弁１０４及び低元側蒸発器１０５を、冷媒循環路でつないで構成される冷凍回路である。低元側冷凍回路１００は、低元側の冷媒を、上記各機器（１０１〜１０５）を順に循環させて低元側熱媒−冷媒熱交換器１０２で暖房ユニット２００の熱媒と熱交換させる。
【００１４】
具体的には、低元側の冷媒は、低元側圧縮機１０１で圧縮されて高温高圧の状態となり、低元側熱媒−冷媒熱交換器１０２において、暖房ユニット２００を循環する熱媒のうち後述する分流調整器２０３によって分流された低元側分流熱媒と熱交換する。その後、冷媒は、冷媒−冷媒熱交換器であるカスケード熱交換器１０３において、高元側冷凍回路１１０を循環する冷媒（高元側の冷媒）と熱交換する。次いで、冷媒は、低元側膨張弁１０４によって膨張されて低温低圧の状態となり、ファンを備えた低元側蒸発器１０５において、外気から熱を吸収して蒸発し、その後、低元側圧縮機１０１へ供給されて再度圧縮される。このように冷媒が循環されて、低元側のヒートポンプサイクルが実行される。
【００１５】
ここで、本実施形態において、低元側冷媒回路１００には、カスケード熱交換器１０３と低元側膨張弁１０４の間を流れる冷媒と、低元側蒸発器１０５と低元側圧縮機１０１との間を流れる冷媒とを熱交換させる内部熱交換器１０６が設けられている。これにより、低元側圧縮機１０１に供給される冷媒の温度を上昇させることができ、低元側圧縮機１０１の圧縮比の増加及びこれに伴うによるＣＯＰ（成績係数）の低下が抑制される。
また、低元側圧縮機１０１の冷媒入口側には、低元側アキュムレータ（気液分離器）１０７が設けられている。これにより、低元側圧縮機１０１に液冷媒が吸入されることを防止する。
【００１６】
前記高元側冷凍回路１１０は、高元側圧縮機１１１、高元側熱媒−冷媒熱交換器１１２、高元側膨張弁１１３、カスケード熱交換器１０３を、冷媒循環路でつないで構成される冷凍回路である。高元側冷凍回路１１０は、高元側の冷媒を、上記各機器（１１１〜１１３、１０３）を順に循環させて高元側熱媒−冷媒熱交換器１１２で暖房ユニット２００の熱媒と熱交換させる。
【００１７】
具体的には、高元側の冷媒は、高元側圧縮機１１１で圧縮されて高温高圧の状態となり、高元側熱媒−冷媒熱交換器１１２において、暖房ユニット２００を循環する熱媒のうち分流調整器２０３によって分流された高元側分流熱媒と熱交換する。次いで、冷媒は、高元側膨張弁１１３によって膨張されて低温低圧の状態となり、カスケード熱交換器１０３において、低元側の冷媒から熱を吸収して蒸発し、高元側圧縮機１１１へ供給されて再度圧縮される。このように冷媒が循環されて、高元側のヒートポンプサイクルが実行される。
なお、本実施形態において、高元側冷媒回路１１０には、低元側冷媒回路１００と同様、高元側圧縮機１１１の冷媒入口側に高元側アキュムレータ（気液分離器）１１４が設けられている。
【００１８】
前記暖房ユニット２００は、本実施形態においては、循環ポンプ２０１と、バックアップヒータ２０２と、分流調整器２０３と、バッファタンク２０４とを含み、これらを熱媒循環路２０５でつないで構成され、循環ポンプ２０１により暖房負荷２０に熱媒を循環供給する。
【００１９】
前記循環ポンプ２０１は、熱媒を、熱媒循環路２０５を介して暖房負荷２０に循環供給するものである。循環ポンプ２０１は、熱媒循環路２０５における暖房負荷２０の熱媒入口側に設けられ、熱媒を暖房負荷２０へ送り出して循環させる。ここで、循環ポンプ２０１によって暖房負荷２０へと送り出される熱媒を「往き熱媒」といい、暖房負荷２０を通過して暖房負荷２０から流出する熱媒を「戻り熱媒」というものとする。
【００２０】
前記熱媒循環路２０５は、具体的には、暖房負荷２０の熱媒排出口に接続された循環路が戻り熱媒の流れ方向における下流側で二つの分流路（低元側流路２０５ａ、高元側流路２０５ｂ）に分岐されている。そして、低元側流路２０５ａは低元側熱媒−冷媒熱交換器１０２を経由する一方、高元側流路２０５ｂは高元側熱媒−冷媒熱交換器１１２を経由し、各流路２０５ａ及び２０５ｂがバッファタンク２０４で合流し、合流後の熱媒循環路２０５は循環ポンプ２０１及びバックアップヒータ２０２を経由して暖房負荷２０の熱媒供給口に接続される。
【００２１】
前記バックアップヒータ２０２は、熱媒の加熱用のヒータである。バックアップヒータ２０２は、後述する除霜運転時には、主に、暖房負荷２０の設置場所周囲の空間の暖房用に熱媒を加熱し、除霜運転時以外の通常の暖房運転時では、２元型ヒートポンプユニット１５０の冷媒と熱媒との熱交換だけでは暖房能力不足である場合等に、バックアップとして作動して、熱媒を加熱する。このバックアップヒータ２０２が、本発明に係る「補助ヒータ」に相当する。
本実施形態において、バックアップヒータ２０２は、各分流熱媒の合流部としてのバッファタンク２０４と暖房負荷２０（熱媒供給口）との間に配置され、循環ポンプ２０１から熱媒循環路２０５を介して供給される往き熱媒を加熱し、加熱後の熱媒を暖房負荷２０へ供給する。
【００２２】
前記分流調整器２０３は、暖房負荷２０からの戻り熱媒を低元側熱媒−冷媒熱交換器１０２と高元側熱媒−冷媒熱交換器１１２とに分流可能でかつこの分流の比率（分流比率）を調整可能に構成されたものである。
具体的には、分流調整器２０３は、例えば分流比率を調整可能な三方弁を低元側流路２０５ａと高元側流路２０５ｂとの分岐点に設けて構成される。分流調整器２０３は、制御ユニット３００からの制御信号に基づき各流路２０５ａ，２０５ｂへの分流比率を高精度に調整可能に構成されている。かかる調整には、戻り熱媒の全量を低元側流路２０５ａ及び高元側流路２０５ｂのいずれか一方のみに流す調整を含む。
この分流調整器２０３により、除霜運転時以外の通常の暖房運転時において、目標とする往き熱媒の温度が得られるように、低元側熱媒−冷媒熱交換器１０２への熱媒分流量と高元側熱媒−冷媒熱交換器１１２への熱媒分流量とが調節される。なお、除霜運転時における分流調整器２０３の動作については後述する。
【００２３】
前記バッファタンク２０４は、低元側熱媒−冷媒熱交換器１０２を通過した低元側分流熱媒と、高元側熱媒−冷媒熱交換器１１２を通過した高元側分流熱媒とを合流させて貯留する所定容量のタンクである。このバッファタンク２０５に貯留される熱媒が、循環ポンプ２０１から往き熱媒として熱媒循環路２０５を通り暖房負荷２０へ供給される。
【００２４】
暖房ユニット２００は、上記のようにバッファタンク２０４を備えることにより、低元側熱媒−冷媒熱交換器１０２及び高元側熱媒−冷媒熱交換器１１２を通過した各分流熱媒を合流させて循環ポンプ２０１により暖房負荷２０に供給し、通常の暖房運転を行うように構成される。
【００２５】
前記制御ユニット３００は、二元型ヒートポンプユニット１５０及び暖房ユニット２００を駆動制御するものである。制御ユニット３００には、各種センサの出力信号が入力されており、制御ユニット３００は、具体的には、前記各種センサの出力信号に基づいて、低元側及び高元側冷凍回路１００，１１０における各圧縮機１０１，１１１の回転数や各膨張弁１０４，１１３の開度、及び、循環ポンプ２０１の回転数や分流調整器（三方弁）２０３の分流比率等をそれぞれ制御する。
【００２６】
なお、本実施形態においては、前記各種センサとして、外気温度を検出する外気温度センサＳａ、低元側蒸発器１０５の温度を検出する低元側蒸発器温度センサＳｂ、低元側圧縮機１０１の吐出側の冷媒温度を検出する低元側吐出温度センサＳｃ、往き熱媒の温度を検出する往き熱媒温度センサＳｄ、戻り熱媒の温度を検出する戻り熱媒温度センサＳｅ、低元側熱媒−冷媒熱交換器１０２を通過した熱媒の温度を検出する低元側分流熱媒温度センサＳｆ、高元側熱媒−冷媒熱交換器１１２を通過した熱媒の温度を検出する高元側分流熱媒温度センサＳｇ、高元側圧縮機１１１の吐出温度を検出する高元側吐出温度センサＳｈなどが設けられている。制御ユニット３００は、通常の暖房運転を実行させる機能を有すると共に、除霜運転（デフロスト運転）を実行させる機能も有する。以下に、制御ユニット３００による通常の暖房運転及び除霜運転の制御についてそれぞれ説明する。
【００２７】
制御ユニット３００は、通常の暖房運転では、例えば、操作パネル等を通して設定される設定温度と、外気温度センサＳａにより測定される現在の外気温度とに基づいて、暖房能力（往き熱媒の温度目標値、各圧縮機１０１，１１１の回転数）を決定する。そして、制御ユニット３００は、例えば、往き熱媒温度センサＳｄにより測定される往き熱媒の測定温度が、決定した温度目標値に近づくように、二元型ヒートポンプユニット１５０及び暖房ユニット２００を駆動制御する。制御ユニット３００は、例えば、往き熱媒の測定温度が温度目標値と一致したと判定した場合、戻り熱媒温度センサＳｅにより測定される戻り熱媒の測定温度が、往き熱媒の温度目標値に対応した戻り熱媒の温度目標値と一致したか否かを判定する。制御ユニット３００は、戻り熱媒の測定温度が戻り温度目標値と一致したと判定した場合、現在の暖房能力で制御を続行する。一方、戻り熱媒の測定温度が温度目標値に一致しない場合、制御ユニット３００は、暖房能力を変更し変更後（再決定後）の暖房能力で上記の制御を実行する。
制御ユニット３００は、通常の暖房運転時において、例えば、循環ポンプ２０１及び低元側圧縮機１０１を作動させ、高元側圧縮機１１１を停止させていたときに、戻り熱媒の測定温度が目標値より低い場合、高元側圧縮機１１１を作動させる。そして、所定時間経過後、戻り熱媒の測定温度が未だ目標値より低い場合、さらに、バックアップヒータ２０２を作動させる。
【００２８】
次に、制御ユニット３００における除霜運転制御について、図２に示すフローチャートに沿って説明する。
【００２９】
制御ユニット３００は、通常の暖房運転中に、ステップＳ０で、低元側蒸発器１０５の除霜運転開始条件が成立したか否かを判定する。除霜運転開始条件が成立したか否かは、例えば、外気温度センサＳａで測定される外気温度から算出される蒸発器温度の所定のしきい値と蒸発器温度センサＳｂで測定される蒸発器温度とを比較することで判定する。すなわち、低元側蒸発器１０５の温度は、霜が付くことによって、現在の外気温度よりも低下していくので、蒸発器温度が前記所定のしきい値以下になったときに、除霜運転開始条件が成立したと判定することができる。この他にも、低元側蒸発器１０５の入口と出口の冷媒温度差から判定することも可能である。
【００３０】
制御ユニット３００は、通常の暖房運転中に、除霜運転開始条件が成立したと判定したとき（ステップＳ０：Ｙｅｓ）、ステップＳ１に進み、高元側圧縮機１１１が作動している場合は高元側圧縮機１１１を停止させ、高元側圧縮機１１１が作動していない場合はそのまま停止させ、低元側膨張弁１０４を全開にし、バックアップヒータ２０２を作動させ、分流調整器２０３を戻り熱媒の全量が高元側熱媒−冷媒熱交換器１１２側に流れるように制御する。このときの分流調整器２０３における分流比率は、高元側が１００％、低元側が０％に設定される。一方、制御ユニット３００は、除霜運転開始条件が成立しない間（ステップＳ０：Ｎｏ）は、通常の暖房運転を継続して実行する。
【００３１】
上記ステップＳ１においては、高元側圧縮機１１１が停止すると共に、戻り熱媒の全量が高元側熱媒−冷媒熱交換器１１２側に流れ、かつ、低元側膨張弁１０４が全開の状態となるため、低元側圧縮機１０１から吐出された高温高圧の冷媒（ホットガス）は、低元側熱媒−冷媒熱交換器１０２及びカスケード熱交換器１０３で凝縮されずに、つまり、高温のまま低元側蒸発器１０５へ流れ、低元側蒸発器１０５の温度を上昇させ、蒸発器の外面等に着霜した霜を溶かす。この除霜運転中、戻り熱媒の全量が高元側熱媒−冷媒熱交換器１１２側に流れるため、低元側熱媒−冷媒熱交換器１０２での熱交換は停止される。制御ユニット３００は、この状態で、循環ポンプ２０１をそのまま作動させると共にバックアップヒータ２０２を作動させて、暖房負荷２０に熱媒を循環供給させて暖房運転を行う。
このように、除霜運転開始条件が成立したとき、暖房ユニット２００と二元型ヒートポンプユニット１５０との間の熱交換を停止して、低元側冷凍回路１００による除霜運転とバックアップヒータ２０２による暖房運転とを同時に実行させ、次のステップＳ２に進む。このバックアップヒータ２０２により加熱される熱媒は除霜運転前の通常の暖房運転により既に適宜温度に昇温されているため、加熱源がバックアップヒータ２０２だけであっても、暖房運転を適宜継続することができる。つまり、暖房ユニット２００は、熱媒に残余している熱エネルギーを有効利用して暖房運転を行うことができる。なお、本実施形態のように低元側蒸発器１０５にファンを備えている場合は、上記ステップＳ１において、低元側蒸発器１０５のファンを停止させる。
【００３２】
次に、ステップＳ２において、制御ユニット３００は、除霜運転終了条件が成立したか否かを判定する。除霜運転終了条件が成立したか否かは、例えば、蒸発器温度センサＳｂで測定される蒸発器温度Ｔｂが終了判定温度（＞除霜運転開始条件のしきい値）を上回るか否かで判定される。制御ユニット３００は、除霜運転終了条件が成立しない間（Ｔｂ≦終了判定温度、ステップＳ２：Ｎｏ）は、除霜運転を継続して行い、除霜運転終了条件が成立した場合（Ｔｂ＞終了判定温度、ステップＳ２：Ｙｅｓ）、ステップＳ３で除霜運転を終了し、通常の暖房運転を再開すると共に、ステップＳ０へ戻って、この通常の暖房運転中に除霜運転開始条件が成立するか否かの判定を継続して行う。制御ユニット３００は、通常の暖房運転を再開すると、高元側圧縮機１１１とバックアップヒータ２０２と分流調整器２０３を設定温度等に応じて駆動制御する。なお、除霜運転終了条件は、蒸発器温度Ｔｂの他にも、蒸発器出口冷媒温度など、冷媒温度で判定することも可能である。
このようにして、制御ユニット３００は、上記通常の暖房運転中に、低元側蒸発器１０５の除霜運転開始の所定条件が成立したとき、高元側圧縮機１１１を停止させ、低元側膨張弁１０４を全開にし、バックアップヒータ２０２を作動させ、分流調整器２０３を戻り熱媒の全量が高元側熱媒−冷媒熱交換器１１２側に流れるように制御する。
【００３３】
かかる本実施形態によるヒートポンプ式暖房装置によれば、暖房運転中に除霜運転開始の所定条件が成立したとき、高元側圧縮機１１１を停止させると共に、分流調整器２０３により暖房負荷２０からの戻り熱媒の全量を高元側熱媒−冷媒熱交換器１１２側に流し、かつ、低元側膨張弁１０４を全開にすることにより、低元側熱媒−冷媒熱交換器１０２及びカスケード熱交換器１０３での熱交換を停止した上で、低元側圧縮機１０１から吐出された高温高圧の冷媒（ホットガス）を低元側蒸発器１０５へ導いて、低元側蒸発器１０５の温度を上昇させ、蒸発器の外面等に着霜した霜を溶かす除霜運転を行うことができる。その上、除霜運転中は、分流調整器２０３により戻り熱媒の低元側熱媒−冷媒熱交換器１０２への分流を止めることができるため、循環ポンプ２０１を停止させる必要はなく、除霜運転中に循環ポンプ２０１をそのまま運転することができる。したがって、通常の暖房運転により既に昇温されている熱媒を除霜運転中に循環させることができる。その結果、熱媒に残余している熱エネルギーを有効利用して、除霜運転中の暖房負荷の設置場所周囲の空間温度の低下を抑制することができる。
これにより、暖房負荷の設置場所周囲の空間温度の低下を抑制しつつホットガス方式による除霜運転を行うことが可能なヒートポンプ式暖房装置を提供することができる。
【００３４】
また、本実施形態において、暖房ユニット２００は、熱媒の加熱用の補助ヒータとしてバックアップヒータ２０２を更に備え、制御ユニット３００は、通常の暖房運転中に低元側蒸発器１０５の除霜運転開始の所定条件が成立したとき、高元側圧縮機１１１を停止させ、低元側膨張弁１０４を全開にし、分流調整器２０３を戻り熱媒の全量が高元側熱媒−冷媒熱交換器１１２側に流れるように制御すると共に、バックアップヒータ２０２を作動させる、構成とした。
これにより、除霜運転中に循環ポンプ２０１を停止させる必要はなく、循環ポンプ２０１をそのまま運転すると共に、暖房ユニット２００に設けたバックアップヒータ２０２を作動させて暖房運転を行うことができる。このようにして、除霜運転中でも暖房運転が可能なヒートポンプ式暖房装置を提供することができる。
【００３５】
次に、本発明の第２実施形態によるヒートポンプ式暖房装置について説明する。
図３は、本実施形態における制御ユニット３００における除霜運転制御のフローチャートである。本実施形態においては、除霜運転中に分流調整器２０３の分流比率を調整可能に構成されている。以下に説明するステップＳ１ａ及びＳ１ｂ以外については、図２で説明した制御と同じであるため、説明を省略する。また、本実施形態におけるヒートポンプ式暖房装置の各機器の構成は、図１に示す第１実施形態と同じであるため、各機器の構成についても説明を省略する。
【００３６】
第２実施形態において、制御ユニット３００は、除霜運転中に、ステップＳ１ａで、低元側吐出温度センサＳｃで測定される低元側圧縮機１０１の吐出側の冷媒温度Ｔｃと、戻り熱媒温度センサＳｅで測定される戻り熱媒の温度Ｔｅとを比較する。制御ユニット３００は、比較の結果、戻り熱媒の温度Ｔｅ≦冷媒温度Ｔｃの温度関係にあるとき（ステップＳ１ａ：Ｎｏ）、ステップＳ２へ進んで除霜運転終了条件が成立するか否かを判定する。一方、戻り熱媒の温度Ｔｅが冷媒温度Ｔｃより高いとき（Ｔｅ＞Ｔｃのとき、ステップＳ１ａ：Ｙｅｓ）、制御ユニット３００は、ステップＳ１ｂへ進んで、戻り熱媒の一部が低元側熱媒−冷媒熱交換器１０２側へ流れるように分流調整器２０３を制御する分流比率調整制御を実行する。例えば、分流調整器２０３は制御ユニット３００からの調整信号に基づき分流比率を調整する。分流比率の調整は、例えば、Ｔｅ＞Ｔｃになったとき、予め定めた調整比率分だけ低元側に分流させると共に、高元側の分流比率を低下させる。例えば、一回の調整における調整比率を５％とした場合、分流比率は高元側１００％、低元側０％の状態から、高元側９５％、低元側５％というように調整される。分流比率の調整制御により、熱媒−冷媒熱交換器１０２において熱媒の一部と冷媒とで熱交換が行われるようにした後、ステップＳ２へ進んで、除霜運転終了条件が成立したか否かを判定する。ここで、例えば、ステップＳ２でＮｏ、ステップＳ１ａでＹｅｓの場合、分流比率を高元側９５％、低元側５％の状態から、高元側９０％、低元側１０％というように、低元側熱媒−冷媒熱交換器１０２へ流れる熱媒の量が増加するように調整する。このように、ステップＳ２で除霜運転終了の条件が成立するまで、上記ステップＳ１ａ及びステップＳ１ｂを繰り返し行う。
【００３７】
第２実施形態では、除霜運転中に、低元側冷凍回路１００内を循環するホットガス（冷媒）の温度Ｔｃが低下して、戻り熱媒の温度Ｔｅより低くなる場合には、熱媒の熱の一部を、ホットガスに吸収させるように制御し、ホットガスの温度低下を抑制する。これにより、除霜運転中のバックアップヒータ２０２による暖房能力に余力がある場合等に、除霜運転の後半等におけるホットガスの温度低下を抑制することができる。
また、このように、除霜運転の後半等におけるホットガスの温度低下を抑制することができるため、除霜運転時間を短くすることができ、早期に、バックアップヒータ２０２による暖房から二元型ヒートポンプユニット１５０による暖房に切り替えることができる。したがって、暖房負荷２０の設置場所周囲の空間温度の低下を小さくできると共に、電力消費量を低減することができる。
【００３８】
また、第１及び第２実施形態において、バックアップヒータ２０２は、各分流熱媒の合流部（２０４）と暖房負荷２０との間に配置され、バックアップヒータ２０２を暖房負荷２０の熱媒供給口の直前に位置させる構成であるため、通常の暖房運転時及び除霜運転時のバックアップヒータ２０２による暖房を効果的に行うことができる。なお、バックアップヒータ２０２は、これに限らず、暖房負荷２０と分流調整器２０３との間、つまり、暖房負荷２０の熱媒排出口側に配置されてもよい。
【００３９】
そして、除霜運転中に戻り熱媒の温度Ｔｅ＞冷媒温度Ｔｃのとき、戻り熱媒の一部が低元側熱媒−冷媒熱交換器１０２側へ流れるように分流調整器２０３を制御する構成において、通常の暖房運転時は、バックアップヒータ２０２が各分流熱媒の合流部（２０４）と暖房負荷２０との間に配置され、除霜運転のときだけ、バックアップヒータ２０２が暖房負荷２０と分流調整器２０３との間、具体的には、戻り熱媒温度センサＳｅと分流調整器２０３との間に位置するように、熱媒の循環経路を切り替え可能な構成としてもよい。これにより、通常の暖房運転時はバックアップヒータ２０２による熱媒加熱のバックアップを効果的に行うことができ、除霜運転時は、暖房負荷２０からの戻り熱媒をバックアップヒータ２０２により加熱した後、分流調整器２０３を介してその一部の熱媒を低元側熱媒−冷媒熱交換器１０２側へ流して、ホットガスの温度低下を更に効果的に抑制することができる。
【００４０】
なお、第１及び第２実施形態において、制御ユニット３００は、除霜運転のとき、戻り熱媒の温度Ｔｅに基づき、循環ポンプ２０１の回転数及びバックアップヒータ２０２の出力の少なくとも一方を可変制御するように構成してもよい。これにより、暖房負荷２０を通過した熱交換後の熱媒の熱エネルギーの余剰又は不足に応じて循環ポンプ２０１やバックアップヒータ２０２を制御することができる。具体的には、制御ユニット３００は、例えば、除霜運転中に、戻り熱媒の温度Ｔｅが所定温度以上になったとき、循環ポンプ２０１の回転数を上げて熱媒の流速を増加させたり、バックアップヒータ２０２への入力電流等を下げて出力熱量を低下させて熱交換量を減少させたりして、除霜運転中の暖房能力を細かく制御することができる。また、除霜運転中の上記循環ポンプ２０１やバックアップヒータ２０２の制御は、戻り熱媒の温度Ｔｅに限らず、往き熱媒温度センサＳｄにより測定される往き熱媒の温度に基づいて行ってもよい。このように、制御ユニット３００は、除霜運転のとき、戻り熱媒の温度Ｔｅ又は暖房負荷２０への往き熱媒の温度に基づき、循環ポンプ２０１の回転数及びバックアップヒータ２０２の出力の少なくとも一方を可変制御する構成とすることで、除霜運転中の暖房能力を適宜制御することができる。
【００４１】
次に、本発明の第３実施形態によるヒートポンプ式暖房装置について説明する。
図４は、本実施形態におけるヒートポンプ式暖房装置の概略構成図である。本実施形態においては、暖房ユニット２００は、図４に示すように、バックアップヒータ２０２を設けていない。本実施形態におけるヒートポンプ式暖房装置の各機器の構成は、バックアップヒータ２０２以外については、図１に示す第１実施形態と同じであるため、各機器の構成については説明を省略する。
本実施形態において、制御ユニット３００は、通常の暖房運転中に低元側蒸発器１０５の除霜運転開始の所定条件が成立したとき、単に、高元側圧縮機１１１を停止させ、低元側膨張弁１０４を全開にし、分流調整器２０３を戻り熱媒の全量が高元側熱媒−冷媒熱交換器１１２側に流れるように制御する。
これにより、暖房運転中に除霜運転開始の所定条件が成立したとき、高元側圧縮機１１１を停止させると共に、分流調整器２０３により暖房負荷２０からの戻り熱媒の全量を高元側熱媒−冷媒熱交換器１１２側に流し、かつ、低元側膨張弁１０４を全開にすることにより、低元側熱媒−冷媒熱交換器１０２及びカスケード熱交換器１０３での熱交換を停止した上で、高温高圧の冷媒を低元側蒸発器１０５へ導いて、低元側蒸発器１０５の除霜運転を行う。
【００４２】
ここで、図５は、上記第３実施形態によるヒートポンプ式暖房装置における除霜運転中の暖房負荷（例えば、パネルヒータや床暖房パネル）の温度変化、詳しくは、パネル表面の平均温度の変化、を示した図である。図５において、縦軸はパネル表面の平均温度であるパネル温度Ｔｐ、横軸は除霜運転開始時刻を始まりとする経過時間ｔを示す。実線は第３実施形態のヒートポンプ式暖房装置における除霜運転開始から除霜運転終了までのパネル温度Ｔｐの変化を示す。つまり、通常の暖房運転中に低元側蒸発器１０５の除霜運転開始の所定条件が成立したとき、制御ユニット３００が、循環ポンプ２０１をそのまま運転させ、高元側圧縮機１１１を停止（ＯＦＦ）させ、低元側膨張弁１０４を全開にし、分流調整器２０３を戻り熱媒の全量が高元側熱媒−冷媒熱交換器１１２側に流れるように制御した後の、パネル温度Ｔｐの変化を示している。一方、破線は、例えば、通常の暖房運転中に低元側蒸発器１０５の除霜運転開始の所定条件が成立したとき、制御ユニット３００が、循環ポンプを停止（ＯＦＦ）させ、高元側圧縮機１１１を停止（ＯＦＦ）させ、低元側膨張弁１０４を全開にする制御をすると共に、分流調整器２０３の分流比については制御そのままの分流比を維持した後の、パネル温度Ｔｐの変化を示している。つまり、破線で温度変化が示された制御方式（以下において「制御方式Ａ」という）においては、除霜開始の所定条件が成立した後、単に、循環ポンプ２０１については停止させ、分流調整器２０３については分流比を適宜比率で維持している。
【００４３】
図５から分かるように、除霜運転開始後、制御方式Ａ（破線）の場合、パネル温度Ｔｐは著しく低下する。一方、本実施形態による制御方式（実線）の場合、パネル温度Ｔｐの低下は制御方式Ａと比較すると抑制されていることが分かる。なお、第１及び第２実施形態によるヒートポンプ式暖房装置を適用した場合は、例えば、除霜運転中のパネル温度Ｔｐを低下させることなく所定温度に維持等することができ、図示を省略するが、第１及び第２実施形態におけるパネル温度Ｔｐは、図５の実線より上方（高温域）で変化等する。
【００４４】
このように、第３実施形態にかかるヒートポンプ式暖房装置においても、除霜運転中は、分流調整器２０３により戻り熱媒の低元側熱媒−冷媒熱交換器１０２への分流を止めることができるため、循環ポンプ２０１を停止させる必要はなく、除霜運転中に循環ポンプ２０１をそのまま運転することができる。したがって、通常の暖房運転により既に昇温されている熱媒を除霜運転中に循環させることができる。その結果、熱媒に残余している熱エネルギーを有効利用して、除霜運転中の暖房負荷の設置場所周囲の空間温度の低下を抑制することができる。
これにより、暖房負荷の設置場所周囲の空間温度の低下を抑制しつつホットガス方式による除霜運転を行うことが可能なヒートポンプ式暖房装置を提供することができる。
【００４５】
また、第３実施形態において、制御ユニット３００は、除霜運転のとき、戻り熱媒の温度Ｔｅに基づき、循環ポンプ２０１の回転数を可変制御してもよい。これにより、暖房負荷２０を通過した熱交換後の熱媒の熱エネルギーの余剰又は不足に応じて循環ポンプ２０１を制御することができる。具体的には、制御ユニット３００は、例えば、除霜運転中に、戻り熱媒の温度Ｔｅが所定温度以下になったとき、循環ポンプ２０１の回転数を下げて熱媒の流速を減少させて、熱交換量を増加させる等して、除霜運転中の暖房負荷の設置場所の空間温度の低下の抑制能力を細かく制御することができる。また、除霜運転中の上記循環ポンプ２０１の制御は、戻り熱媒の温度Ｔｅに限らず、往き熱媒温度センサＳｄにより測定される往き熱媒の温度に基づいて行ってもよい。このように、第３実施形態において、制御ユニット３００は、除霜運転のとき、戻り熱媒の温度Ｔｅ又は暖房負荷２０への往き熱媒の温度に基づき、循環ポンプ２０１の回転数を可変制御する構成とすることで、除霜運転中の上記空間温度の低下の抑制能力を適宜制御することができる。
【００４６】
なお、バックアップヒータ２０２を設けた第１及び第２実施形態において、制御ユニット３００は、通常の暖房運転中に低元側蒸発器１０５の除霜運転開始の所定条件が成立したとき、単に、高元側圧縮機１１１を停止させ、低元側膨張弁１０４を全開にし、分流調整器２０３を戻り熱媒の全量が高元側熱媒−冷媒熱交換器１１２側に流れるように制御するようにしてもよい。
【００４７】
そして、上記各実施形態において、バッファタンク２０４を各分流熱媒の合流部とし、各分流熱媒をバッファタンク２０４において合流させる構成としたが、これに限らず、各分流熱媒をバッファタンク２０４の手前（バッファタンク２０４に到達する前）で合流させ、合流後にバッファタンク２０４に流入するように構成してもよい。この場合、低元側流路２０５ａと高元側流路２０５ｂとの合流点が合流部となる。
【００４８】
また、上記各実施形態において、分流調整器２０３は、三方弁を戻り熱媒の分岐点に設けて構成した場合で説明したが、これに限らず、各流路２０５ａ，２０５ｂの途中に、対応する熱交換器（１０２，１１２）へ流れる熱媒分流量を調節する流量制御弁をそれぞれ配設して構成してもよし、低元側流路２０５ａの途中だけ上記流量制御弁を配設して構成してもよい。
【００４９】
さらに、上記各実施形態において、低元側冷媒回路１００は内部熱交換器１０６を有しているが、これを省略してもよい。また、各冷媒回路１００，１１０はそれぞれアキュムレータ１０７，１１４を有しているが、これも省略してもよい。
【００５０】
以上、好ましい実施形態及びその変形例を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、さらに、種々の変形態様を採り得ることは自明である。
【符号の説明】
【００５１】
２０    暖房負荷
１００  低元側冷凍回路
１０１  低元側圧縮機
１０２  低元側熱媒−冷媒熱交換器
１０３  カスケード熱交換器
１０４  低元側膨張弁
１０５  低元側蒸発器
１１０  高元側冷凍回路
１１１  高元側圧縮機
１１２  高元側熱媒−冷媒熱交換器
１１３  高元側膨張弁
２００  暖房ユニット
２０１  循環ポンプ
２０２  バックアップヒータ（補助ヒータ）
２０３  分流調整器（三方弁）
２０４  バッファタンク（合流部）
３００  制御ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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