(57)【要約】【課題】除霜運転を速やかに行えるヒートポンプ装置を提供することを目的とする。【解決手段】第１減圧装置１３と第２減圧装置１４とを備えた通常回路に加え、除霜運転時に開閉弁１５を開いて圧縮機１１の吐出冷媒を第１減圧装置１３と第２減圧装置１４との間にバイパスさせる除霜回路を備えたことにより、開閉弁１５の開閉による通常運転と除霜運転との速やかな切り替えができるため、除霜運転時間を短縮した高効率な通常運転が可能となるヒートポンプ装置を提供することができる。【選択図】  図１
2004340534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機とガスクーラと第１減圧装置と第２減圧装置と熱交換器とを環状に接続してこの順に冷媒が循環する通常回路と、開閉弁の一端を前記圧縮機と前記ガスクーラとの間の冷媒配管に、他端を前記第１減圧装置と前記第２減圧装置との間の冷媒配管に接続して、前記圧縮機、前記開閉弁、前記第２減圧装置、前記熱交換器の順に冷媒が循環する除霜回路と、除霜運転時に前記開閉弁を開いて前記熱交換器の除霜を行う除霜制御装置とを備えたヒートポンプ装置。
【請求項２】
第１減圧装置と第２減圧装置のうち、少なくとも一方は流量可変である請求項１記載のヒートポンプ装置。
【請求項３】
第１減圧装置と第２減圧装置のうち、少なくとも一方はキャピラリーチューブである請求項１記載のヒートポンプ装置。
【請求項４】
キャピラリーチューブの内径が、１．３ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である請求項３記載のヒートポンプ装置。
【請求項５】
通常回路は、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルであり、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒によりガスクーラの水または空気を加熱する請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項６】
使用する冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、除霜運転可能なヒートポンプ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のヒートポンプ装置としては、図３に示すヒートポンプ式給湯装置に備えられたものがある（特許文献１参照）。このヒートポンプ式給湯装置は、圧縮機１、ガスクーラとしての給湯熱交換器２、電動膨張弁３、室外熱交換器４、アキュムレータ５が順次閉回路となるように接続されている。また、６は貯湯タンク、７は貯湯タンク６内の水を給湯熱交換器２に搬送するポンプである。
【０００３】
以上のように構成されたヒートポンプ式給湯装置について、以下その動作を説明する。
【０００４】
給湯運転（以下、通常運転と称する）時、圧縮機１から吐出した高温高圧のガス冷媒は、給湯熱交換器２において、ポンプ７により運ばれた貯湯タンク６内の水と熱交換して冷却され、電動膨張弁３で低温低圧の気液二相冷媒となり、室外熱交換器４において室外空気から吸熱して蒸発し、アキュムレータ５を経由して圧縮機１に戻る。一方、貯湯タンク６内の水は、ポンプ７により給湯熱交換器２に搬送され、給湯熱交換器２において、圧縮機１から吐出した高温高圧のガス冷媒と熱交換して高温（６５度〜９０度程度）の湯となり、貯湯タンク６に戻される。但し、冬季低外気温時に通常運転を継続していると室外熱交換器４に霜が付着し、給湯能力及び効率が低下するため、除霜運転が必要となる。
【０００５】
除霜運転時は、電動膨張弁３の弁開度が通常運転時よりも大きく開かれる。このため、圧縮機１から吐出した高温高圧のガス冷媒は通常運転時ほどに減圧されることなく、比較的高温の状態で、室外熱交換器４に流入して室外熱交換器４に付着した霜を溶かし、アキュムレータ５を経由して圧縮機１に戻る。そして除霜運転終了後に通常運転を再開する。
【０００６】
以上説明したようにこの発明では、除霜運転のための特別な冷媒配管や弁などの部品を追加せずに、通常運転と除霜運転とを行うことができる。
【０００７】
【特許文献１】
特許第３２９７６５７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では、除霜運転開始時に電動膨張弁３の開度を開くという動作を行うが、通常の弁開度操作速度は１秒あたり４〜１０パルス程度であるためこの動作に数十秒を要することがある。従って、通常運転と除霜運転との切り替え時間のロスを生じてしまう。一般的に、貯湯タンク６を有するヒートポンプ式給湯装置では安価な深夜電力を使用して通常（給湯）運転を行い、除霜運転が必要な冬季（外気温度が５度以下程度）では、貯湯タンク６内の水を全て沸き上げるのに約８時間を要する。除霜運転が１時間に１回発生すると仮定すれば、前記通常運転と除霜運転の切り替え時間のロスは無視できなくなり、通常運転の効率が低下するという課題を有していた。
【０００９】
本発明は従来の課題を解決するもので、通常運転と除霜運転との切り替えを速やかに行うことにより除霜運転時間を短縮し、高効率な通常運転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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ装置は、第１減圧装置と第２減圧装置とを備えた通常回路に加え、除霜運転時に開閉弁を開いて圧縮機の吐出冷媒を前記第１減圧装置と前記第２減圧装置との間にバイパスさせる除霜回路を備えたことにより、前記開閉弁の開閉による通常運転と除霜運転との速やかな切り替えができるため、除霜運転時間を短縮した高効率な通常運転が可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、圧縮機とガスクーラと第１減圧装置と第２減圧装置と熱交換器とを環状に接続してこの順に冷媒が循環する通常回路と、開閉弁の一端を前記圧縮機と前記ガスクーラとの間の冷媒配管に、他端を前記第１減圧装置と前記第２減圧装置との間の冷媒配管に接続して、前記圧縮機、前記開閉弁、前記第２減圧装置、前記熱交換器の順に冷媒が循環する除霜回路と、除霜運転時に前記開閉弁を開いて前記熱交換器の除霜を行う除霜制御装置とを備えたことにより、前記開閉弁の開閉による通常運転と除霜運転との速やかな切り替えができるため、除霜運転時間を短縮した高効率な通常運転が可能となる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、特に、請求項１に記載の第１減圧装置と第２減圧装置のうち、少なくとも一方は流量可変としたものであり、外気温度や室外熱交換器の着霜量など条件に応じた除霜運転時の冷媒流量制御が行え、除霜運転時間の短縮が可能となる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、特に、請求項１に記載の第１減圧装置と第２減圧装置のうち、少なくとも一方は比較的安価なキャピラリーチューブとしたものであり、低コストで除霜運転時間を短縮した高効率な通常運転ができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、特に、請求項３に記載のキャピラリーチューブの内径を１．３ｍｍ以上２．０ｍｍ以下としたことにより、冷媒配管内のスラッジ等によるキャピラリーチューブの閉塞を防止しながら除霜運転に適切な冷媒圧力の減圧を行うことができ、システムの信頼性が向上する。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、特に、請求項１〜４記載の発明において、冷媒循環回路を、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとし、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒によりガスクーラの水または空気を加熱することにより、前記ガスクーラ内の冷媒は臨界圧力以上に加圧されているので、前記ガスクーラの水または空気により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。従って、前記ガスクーラの全域で冷媒と水または空気との間の温度差を形成しやすくなり、高温の湯または空気が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、特に、請求項１〜５記載の発明において、使用する冷媒を二酸化炭素としたものであり、比較的安価でかつ安定な二酸化炭素を冷媒に使用することにより、製品コストを抑えるとともに、信頼性を向上させることができる。また、二酸化炭素はオゾン破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数も代替冷媒ＨＦＣ−４０７Ｃの約１７００分の１と非常に小さいため、地球環境に優しい製品を提供できる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明によるヒートポンプ装置の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００１８】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例におけるヒートポンプ装置の構成図である。図１において、圧縮機１１、ガスクーラ１２、第１減圧装置１３、第２減圧装置１４、室外熱交換器１５が順次閉回路となるように接続され、通常回路を構成している。ここでは、ガスクーラ１２は給湯を目的として冷媒対水熱交換器としており、以下、給湯熱交換器１２と称する。また、開閉弁１６の一端を圧縮機１１と給湯熱交換器１２との間の冷媒配管に、他端を第１減圧装置１３と第２減圧装置１４との間の冷媒配管に接続して、圧縮機１１、開閉弁１６、第２減圧装置１４、室外熱交換器１５の順に冷媒が循環する除霜回路を構成している。
【００１９】
本実施例では、第１減圧装置１３としてキャピラリーチューブ（以下、キャピラリーチューブ１３と称する）を使用している。キャピラリーチューブ１３は冷媒流量を任意に制御することはできないが、安価なため低コスト化できるメリットがある。また、キャピラリーチューブ１３の内径が小さいと異物などがキャピラリーチューブ１３内に詰まって冷媒回路が閉塞し、逆に内径が大きいと所定の減圧効果を得られないという問題が生じるため、キャピラリーチューブ１３の内径は、１．３ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とするのが良い。また、第２減圧装置１４として電動膨張弁（以下、電動膨張弁１４と称する）を使用している。流量可変の電動膨張弁１４の使用により、外気温度や室外熱交換器１５の着霜量など条件に応じた冷媒流量制御が行え、通常運転、及び除霜運転の高効率化が可能となる。１９は除霜制御装置であり、開閉弁１６の開閉により通常（給湯）運転と除霜運転の切り替えを行う。１７は室外ファン、１８は室外熱交換器１５の出口冷媒温度を検出する温度センサー、２０はヒートポンプユニットである。また、２１は貯湯タンク、２２は給湯運転時に貯湯タンク２１内の水を給湯熱交換器１２に搬送するポンプである。
【００２０】
以上のように構成されたヒートポンプ装置について、以下その動作を説明する。まず、通常運転時は、冷媒は図１中の実線矢印の方向に流れる。圧縮機１１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、給湯熱交換器１２において、ポンプ２２により搬送された貯湯タンク２１内の水と熱交換（水を加熱）して冷却され、その後、キャピラリーチューブ１３で減圧され、更に電動膨張弁１４で減圧されて低温低圧の気液二相冷媒となり、室外熱交換器１４において室外空気から吸熱して蒸発し、圧縮機１１に戻る。一方、貯湯タンク２１内の水は、ポンプ２２により給湯熱交換器１２に運ばれ、給湯熱交換器１２において、圧縮機１１から吐出した高温高圧のガス冷媒と熱交換して高温（６５度〜９０度程度）の湯となり、貯湯タンク２１に戻される。
【００２１】
キャピラリーチューブ１３で減圧することにより、開閉弁１６（通常運転時は閉状態）の出入口に所定の差圧が生じる。この差圧を確保することにより、開閉弁１６の開閉動作を安定させることができる。更に、キャピラリーチューブ１３と電動膨張弁１４とで２度に分けて減圧することにより、１度に減圧する場合に比べて冷媒の圧力変化が緩やかとなり、冷媒が減圧される時に発生する流動音を低減することができる。
【００２２】
次に、除霜運転について説明する。通常運転を継続していると、室外熱交換器１５に着霜して給湯能力の低下を招くため、除霜運転が必要になる。そこで、温度センサー１８で検出した室外熱交換器１５出口の冷媒温度が所定値以下になった場合、除霜制御装置１９により開閉弁１６が開かれて、通常回路から除霜回路に冷媒流路が切り替えられる。除霜運転時は、冷媒は図１中の破線矢印の方向に流れる。圧縮機１１から吐出された高温のガス冷媒は、開閉弁１６、電動膨張弁１４を介して室外熱交換器１５に流入し、ここで室外熱交換器１５の表面に付着した霜と熱交換して除霜を行い、圧縮機１１に戻る。そして、温度センサー１８の検出温度が所定値以上になった場合、除霜制御装置１９により開閉弁１６が閉じられて、除霜回路から通常回路に冷媒流路が切り替えられる。
【００２３】
以上のように、本実施例においては、開閉弁１６の開閉による通常運転と除霜運転との速やかな切り替えができるため、除霜運転時間を短縮した高効率な通常運転が可能となる。また、キャピラリーチューブ１３により、通常運転時の開閉弁１６出入口に所定の差圧が生じ、開閉弁１６の開閉動作を安定させることができる。更に、キャピラリーチューブ１３と電動膨張弁１４とで２度に分けて減圧することにより、１度に減圧する場合に比べて冷媒の圧力変化が緩やかとなり、冷媒が減圧される時に発生する流動音を低減することができる。
【００２４】
（実施例２）
図２は、本発明の第２の実施例におけるヒートポンプ装置の構成図である。なお、実施例１のヒートポンプ装置と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。
【００２５】
図２において、実施例１の構成と異なるところは、第１減圧装置１３をキャピラリーチューブの代わりに電動膨張弁としたことである。以下、第１減圧装置を第１電動膨張弁２３、第２減圧装置を第２電動膨張弁２４と称する。除霜運転時に第１電動膨張弁２３の弁開度を全閉とすることにより、圧縮機１１から吐出された高温冷媒の熱量はガスクーラ（給湯熱交換器）１２に流れて放熱することなく全て開閉弁１６、第２電動膨張弁２４を介して室外熱交換器１５の除霜に使われる。従って、除霜運転時間の短縮が可能となる。
【００２６】
また、実施例１、２において、冷媒としては、フロンガス、アンモニア、ハイドロカーボン（プロパン、ブタン等）、二酸化炭素等が使用可能である。
【００２７】
なお、冷媒循環回路を、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとすれば、臨界圧力以上に昇圧された冷媒により給湯熱交換器１２の水を加熱することにより、給湯熱交換器１２内の冷媒は臨界圧力以上に加圧されているので、給湯熱交換器１２の水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。従って、給湯熱交換器１２の全域で冷媒と水との間の温度差を形成しやすくなり、高温の湯（約９０度）が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。
【００２８】
特に、二酸化炭素冷媒は、比較的安価でかつ安定であるため製品コストを抑えるとともに信頼性を向上させることができる。また、二酸化炭素はオゾン破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数も代替冷媒ＨＦＣ−４０７Ｃの約１７００分の１と非常に小さいため、地球環境に優しい製品を提供できる。
【００２９】
また、実施例ではガスクーラ１２として給湯を目的とした冷媒対水熱交換器を使用しているが、ガスクーラ１２として冷媒対空気熱交換器を使用すれば、ヒートポンプエアコン（暖房機）に応用することも可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、通常運転と除霜運転との速やかな切り替えができるため、除霜運転時間を短縮した高効率な通常運転が可能となる。また、第１減圧装置により、通常運転時の開閉弁出入口に所定の差圧が生じ、開閉弁の開閉動作を安定させることができる。更に、第１減圧装置と第２減圧装置１４とで２度に分けて減圧することにり、１度に減圧する場合に比べて冷媒の圧力変化が緩やかとなり、冷媒が減圧される時に発生する流動音を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１におけるヒートポンプ装置の構成図
【図２】本発明の実施例２におけるヒートポンプ装置の構成図
【図３】従来のヒートポンプ装置の構成図
【符号の説明】
１１  圧縮機
１２  ガスクーラ
１３  第１減圧装置
１４  第２減圧装置
１５  室外熱交換器
１６  開閉弁
１７  室外ファン
１８  温度センサー
１９  除霜制御装置
２０  ヒートポンプユニット
２１  貯湯タンク
２２  ポンプ
２３  第１電動膨張弁
２４  第２電動膨張弁
【図１】
2004340534.tif 000003
【図２】
2004340534.tif 000004
【図３】
2004340534.tif 000005