JP2007093100A - ヒートポンプ給湯機の制御方法及びヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプ給湯機に用いる冷凍サイクル内の冷媒量分布の制御をアキュムレータ等の冷媒を貯留する容積を有した容器を用いずに実現し、また、ヒートポンプ給湯機内の冷媒回路や要素部品の耐圧を上げずに高外気、高温沸上げ運転を実現するヒートポンプ給湯機の制御方法を提供する。
【解決手段】圧縮機、放熱器、第１の膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で接続する冷凍サイクルと、放熱器から第１の膨張弁に至る間で冷媒配管を分岐させ、第１の膨張弁から蒸発器に至る間で冷媒配管に再接続させた分岐流路と、分岐流路を流れる高圧冷媒と圧縮機に吸入される低圧冷媒とを熱交換する高低圧熱交換器とを備え、吐出圧力が所定の圧力よりも大きい場合、第１の膨張弁の開度を小さくするように調整することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯機の制御方法及びヒートポンプ給湯機に関するものであり、特に二酸化炭素（ＣＯ₂ ）を冷媒として使用するヒートポンプ給湯機の制御方法及びヒートポンプ給湯機に関するものである。

従来、「冷媒を超臨界圧力まで圧縮する圧縮機、前記圧縮機から吐出した冷媒と被加熱流体とを熱交換する放熱器、冷媒を臨界圧力以下に減圧する膨張弁および蒸発器を順次接続して冷媒が循環する基本冷媒回路と、前記放熱器に流入する前記被加熱流体を冷却する冷却器とを備え、前記冷却器の熱交換量を調整することを特徴とするヒートポンプシステム」が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

このヒートポンプシステムは、冷媒を超臨界圧力まで圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出する冷媒と被加熱流体とを熱交換する放熱器と、冷媒を臨界圧以下に減圧する膨張弁と、蒸発器を接続して冷媒循環路を形成する冷媒回路と、前記放熱器に流入する被加熱流体を冷却する冷却器とを備え、前記冷却器で被加熱流体の冷却量を調整して放熱器からの冷媒の出口温度を所定温度以下に制御して、余剰冷媒を処理するようになっている。

特開２００４−００３８２５号公報（第４−６頁、第１図）

しかしながら、上記のヒートポンプシステムの場合には、アキュムレータ等の容器が不要であるが、伝熱の悪い被加熱流体と熱交換する熱交換器が複数必要となり、機器が大きくなるという問題があった。また、沸上げ温度が高い場合に、高圧側圧力が高くなり、外気温度が高くなるとさらに高圧側圧力が高くなるため、冷媒回路や要素部品の耐圧をあげる必要があり、コストアップに繋がるという問題もあった。さらに、冷媒回路や要素部品の耐圧をあげなくて済むようにするには、能力を低下させて運転しなければならず、能力不足になるという問題もあった。

本発明は、以上のような問題を解決するためになされたもので、ヒートポンプ給湯機に用いる冷凍サイクル内の冷媒量分布の制御をアキュムレータ等の冷媒を貯留する容積を有した容器を用いずに実現するヒートポンプ給湯機の制御方法を提供するものである。また、ヒートポンプ給湯機内の冷媒回路や要素部品の耐圧を上げずに高外気、高温沸上げ運転を実現するヒートポンプ給湯機の制御方法を提供するものである。

本発明に係るヒートポンプ給湯機の制御方法は、冷媒を超臨界圧力まで圧縮する圧縮機、前記圧縮機から吐出した冷媒と負荷側媒体とを熱交換する放熱器、冷媒を減圧する第１の膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で順次接続して冷媒が循環する冷凍サイクルと、前記放熱器から前記第１の膨張弁に至る間で前記冷媒配管を分岐させ、前記第１の膨張弁から前記蒸発器に至る間で前記冷媒配管に再接続させた分岐流路と、前記分岐流路を流れる高圧冷媒と前記圧縮機に吸入される低圧冷媒とを熱交換する高低圧熱交換器とを備えたヒートポンプ給湯機の制御方法であって、前記圧縮機から吐出された冷媒の吐出圧力を計測し、前記吐出圧力が所定の圧力よりも大きい場合、前記第１の膨張弁の開度を小さくするように調整することを特徴とする。

また、本発明に係るヒートポンプ給湯機の制御方法は、冷媒を超臨界圧力まで圧縮する圧縮機、前記圧縮機から吐出した冷媒と負荷側媒体とを熱交換する放熱器、冷媒を減圧する第１の膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で順次接続して冷媒が循環する冷凍サイクルと、前記放熱器から前記第１の膨張弁に至る間で前記冷媒配管を分岐させ、前記第１の膨張弁から前記蒸発器に至る間で前記冷媒配管に再接続させた分岐流路と、前記分岐流路を流れる高圧冷媒と前記圧縮機に吸入される低圧冷媒とを熱交換する高低圧熱交換器とを備えたヒートポンプ給湯機の制御方法であって、前記圧縮機から吐出された冷媒の吐出圧力を計測し、前記吐出圧力が所定の圧力よりも大きい場合、前記圧縮機の駆動周波数を大きくするように調整することを特徴とする。

さらに、本発明に係るヒートポンプ給湯機の制御方法は、冷媒を超臨界圧力まで圧縮する圧縮機、前記圧縮機から吐出した冷媒と負荷側媒体とを熱交換する放熱器、冷媒を減圧する第１の膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で順次接続して冷媒が循環する冷凍サイクルと、前記放熱器から前記第１の膨張弁に至る間で前記冷媒配管を分岐させ、前記第１の膨張弁から前記蒸発器に至る間で前記冷媒配管に再接続させた分岐流路と、前記分岐流路を流れる高圧冷媒と前記圧縮機に吸入される低圧冷媒とを熱交換する高低圧熱交換器とを備えたヒートポンプ給湯機の制御方法であって、前記圧縮機から吐出された冷媒の吐出圧力を計測し、外気温度が所定の温度より高く、負荷側媒体の沸き上げ温度が所定の温度より高い場合には、外気温度が同一であり負荷側媒体の沸き上げ温度が所定の温度より低い場合に比べて、前記圧縮機の周波数を大きくするように調整することを特徴とする。

本発明に係るヒートポンプ給湯機は、冷媒を超臨界圧力まで圧縮する圧縮機、前記圧縮機から吐出した冷媒と負荷側媒体とを熱交換する放熱器、冷媒を減圧する第１の膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で順次接続して冷媒が循環する冷凍サイクルと、前記放熱器から前記第１の膨張弁に至る間で前記冷媒配管を分岐させ、前記第１の膨張弁から前記蒸発器に至る間で前記冷媒配管に再接続させた分岐流路と、前記分岐流路を流れる高圧冷媒と前記圧縮機に吸入される低圧冷媒とを熱交換する高低圧熱交換器と、前記圧縮機から吐出された冷媒の圧力を計測検知する圧力検知手段と、前記圧力検知手段で計測検知された冷媒の圧力が所定の圧力よりも大きい場合、前記第１の膨張弁の開度を小さくするように調整する計測制御手段とを備えたことを特徴とする。

また、本発明に係るヒートポンプ給湯機は、冷媒を超臨界圧力まで圧縮する圧縮機、前記圧縮機から吐出した冷媒と負荷側媒体とを熱交換する放熱器、冷媒を減圧する第１の膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で順次接続して冷媒が循環する冷凍サイクルと、前記放熱器から前記第１の膨張弁に至る間で前記冷媒配管を分岐させ、前記第１の膨張弁から前記蒸発器に至る間で前記冷媒配管に再接続させた分岐流路と、前記分岐流路を流れる高圧冷媒と前記圧縮機に吸入される低圧冷媒とを熱交換する高低圧熱交換器と、前記圧縮機から吐出された冷媒の圧力を計測検知する圧力検知手段と、前記圧力検知手段で計測検知された冷媒の圧力が所定の圧力よりも大きい場合、前記圧縮機の駆動周波数を大きくするように調整する計測制御手段とを備えたことを特徴とする。

さらに、本発明に係るヒートポンプ給湯機は、冷媒を超臨界圧力まで圧縮する圧縮機、前記圧縮機から吐出した冷媒と負荷側媒体とを熱交換する放熱器、冷媒を減圧する第１の膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で順次接続して冷媒が循環する冷凍サイクルと、前記放熱器から前記第１の膨張弁に至る間で前記冷媒配管を分岐させ、前記第１の膨張弁から前記蒸発器に至る間で前記冷媒配管に再接続させた分岐流路と、前記分岐流路を流れる高圧冷媒と前記圧縮機に吸入される低圧冷媒とを熱交換する高低圧熱交換器と、前記圧縮機から吐出された冷媒の圧力を計測検知する圧力検知手段と、外気温度が所定の温度より高く、負荷側媒体の沸き上げ温度が所定の温度より高い場合には、外気温度が同一であり負荷側媒体の沸き上げ温度が所定の温度より低い場合に比べて、前記圧縮機の駆動周波数を大きくするように調整する計測制御手段とを備えたことを特徴とする。

本発明に係るヒートポンプ給湯機の制御方法は、冷媒を超臨界圧力まで圧縮する圧縮機、前記圧縮機から吐出した冷媒と負荷側媒体とを熱交換する放熱器、冷媒を減圧する第１の膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で順次接続して冷媒が循環する冷凍サイクルと、前記蒸発器から前記圧縮機に至る間に設けられた高低圧熱交換器と、前記冷凍サイクルを循環する冷媒を前記高低圧熱交換器に導くために、前記放熱器から前記第１の膨張弁に至る間で前記冷媒配管を分岐させ、前記高低圧熱交換器から前記蒸発器に至る間で前記冷媒配管に再接続する分岐流路と、前記圧縮機から吐出された冷媒の圧力を計測検知する圧力検知手段と、前記圧縮機及び前記膨張弁を制御する計測制御手段とを備え、前記計測制御手段は、前記圧力検知手段で計測検知された冷媒の圧力が所定の圧力よりも大きい場合、前記第１の膨張弁の開度を小さくするように調整するので、冷凍サイクルの冷媒回路内に存在する冷媒量分布を制御しながら、ヒートポンプ給湯機の運転状態をＣＯＰ最大となる高圧に制御することができる。また、高効率のヒートポンプ給湯機の運転を実現できるとともに、冷媒量分布を制御するための容器を必要とせず、低コストのヒートポンプ給湯機を提供することが可能となる。さらに、ヒートポンプ給湯機の耐圧を上げずに低コストで高外気、高温沸上げ運転を実現でき、所定能力を得るヒートポンプ給湯機を得られるという効果がある。

また、本発明に係るヒートポンプ給湯機の制御方法は、冷媒を超臨界圧力まで圧縮する圧縮機、前記圧縮機から吐出した冷媒と負荷側媒体とを熱交換する放熱器、冷媒を減圧する第１の膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で順次接続して冷媒が循環する冷凍サイクルと、前記蒸発器から前記圧縮機に至る間に設けられた高低圧熱交換器と、前記冷凍サイクルを循環する冷媒を前記高低圧熱交換器に導くために、前記放熱器から前記第１の膨張弁に至る間で前記冷媒配管を分岐させ、前記高低圧熱交換器から前記蒸発器に至る間で前記冷媒配管に再接続する分岐流路と、前記圧縮機から吐出された冷媒の圧力を計測検知する圧力検知手段と、前記圧縮機及び前記膨張弁を制御する計測制御手段とを備え、前記計測制御手段は、前記圧力検知手段で計測検知された冷媒の圧力が所定の圧力よりも大きい場合、前記圧縮機の周波数を大きくするように調整するので、上記と同様な効果が得られる。

さらに、本発明に係るヒートポンプ給湯機の制御方法は、冷媒を超臨界圧力まで圧縮する圧縮機、前記圧縮機から吐出した冷媒と負荷側媒体とを熱交換する放熱器、冷媒を減圧する第１の膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で順次接続して冷媒が循環する冷凍サイクルと、前記蒸発器から前記圧縮機に至る間に設けられた高低圧熱交換器と、前記冷凍サイクルを循環する冷媒を前記高低圧熱交換器に導くために、前記放熱器から前記第１の膨張弁に至る間で前記冷媒配管を分岐させ、前記高低圧熱交換器から前記蒸発器に至る間で前記冷媒配管に再接続する分岐流路と、前記圧縮機から吐出された冷媒の圧力を計測検知する圧力検知手段と、前記圧縮機及び前記膨張弁を制御する計測制御手段とを備え、前記計測制御手段は、外気温度が所定の温度より高く、負荷側媒体の沸き上げ温度が所定の温度より高い場合には、外気温度が同一であり、負荷側媒体の沸き上げ温度が所定の温度より低い場合に比べて、前記圧縮機の周波数を大きくするように調整するので、上記と同様の効果が得られる。

本発明に係るヒートポンプ給湯機は、冷媒を超臨界圧力まで圧縮する圧縮機、前記圧縮機から吐出した冷媒と負荷側媒体とを熱交換する放熱器、冷媒を減圧する第１の膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で順次接続して冷媒が循環する冷凍サイクルと、前記放熱器から前記第１の膨張弁に至る間で前記冷媒配管を分岐させ、前記蒸発器に至る間で前記冷媒配管に再接続させた分岐流路と、前記分岐流路を流れる高圧冷媒と前記圧縮機に吸入される低圧冷媒とを熱交換する高低圧熱交換器と、前記圧縮機から吐出された冷媒の圧力を計測検知する圧力検知手段と、前記圧力検知手段で計測検知された冷媒の圧力が所定の圧力よりも大きい場合、前記第１の膨張弁の開度を小さくするように調整する計測制御手段とを備えたので、冷凍サイクルの冷媒回路内に存在する冷媒量分布を制御しながら、ヒートポンプ給湯機の運転状態をＣＯＰ最大となる高圧に制御することができる。また、高効率のヒートポンプ給湯機の運転を実現できるとともに、冷媒量分布を制御するための容器を必要とせず、低コストのヒートポンプ給湯機を提供することが可能となる。さらに、ヒートポンプ給湯機の耐圧を上げずに低コストで高外気、高温沸上げ運転を実現でき、所定能力を得るヒートポンプ給湯機を得られるという効果がある。

また、本発明に係るヒートポンプ給湯機は、冷媒を超臨界圧力まで圧縮する圧縮機、前記圧縮機から吐出した冷媒と負荷側媒体とを熱交換する放熱器、冷媒を減圧する第１の膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で順次接続して冷媒が循環する冷凍サイクルと、前記放熱器から前記第１の膨張弁に至る間で前記冷媒配管を分岐させ、前記蒸発器に至る間で前記冷媒配管に再接続させた分岐流路と、前記分岐流路を流れる高圧冷媒と前記圧縮機に吸入される低圧冷媒とを熱交換する高低圧熱交換器と、前記圧縮機から吐出された冷媒の圧力を計測検知する圧力検知手段と、前記圧力検知手段で計測検知された冷媒の圧力が所定の圧力よりも大きい場合、前記圧縮機の周波数を大きくするように調整する計測制御手段とを備えたので、上記と同様の効果が得られる。

さらに、本発明に係るヒートポンプ給湯機は、冷媒を超臨界圧力まで圧縮する圧縮機、前記圧縮機から吐出した冷媒と負荷側媒体とを熱交換する放熱器、冷媒を減圧する第１の膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で順次接続して冷媒が循環する冷凍サイクルと、前記放熱器から前記第１の膨張弁に至る間で前記冷媒配管を分岐させ、前記蒸発器に至る間で前記冷媒配管に再接続させた分岐流路と、前記分岐流路を流れる高圧冷媒と前記圧縮機に吸入される低圧冷媒とを熱交換する高低圧熱交換器と、前記圧縮機から吐出された冷媒の圧力を計測検知する圧力検知手段と、外気温度が所定の温度より高く、負荷側媒体の沸き上げ温度が所定の温度より高い場合には、外気温度が同一であり、負荷側媒体の沸き上げ温度が所定の温度より低い場合に比べて、前記圧縮機の周波数を大きくするように調整する計測制御手段とを備えたので、上記と同様の効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るヒートポンプ給湯機１００の冷媒回路構成を示す概略構成図である。このヒートポンプ給湯機１は、大きく分けてヒートポンプユニット１と、タンクユニット２とで構成されている。このヒートポンプユニット１には、圧縮機３と、放熱器４と、第１の膨張弁５と、蒸発器６とを冷媒配管１５で順次環状に接続した冷凍サイクル２０が搭載されている。

冷凍サイクル２０は、一般にヒートポンプサイクルと称されおり、冷媒を循環させて水を湯に加熱する機能を有している。圧縮機３は、冷媒を圧縮して高温高圧の冷媒とするものである。放熱器４は、一般に熱交換器と称されており、圧縮機３から吐出された高温高圧の冷媒と給湯用の水との熱交換を行い、水を加熱するものである。第１の膨張弁５は、加熱を行った後の冷媒を減圧し低温低圧の冷媒にするものである。蒸発器６は、一般に室外熱交換器と称されており、冷媒に空気から吸熱させるものである。

冷媒配管１５は、冷凍サイクル２０内において冷媒を循環させるものである。この冷媒配管１５は、放熱器４から第１の膨張弁５に至る間で分岐し、第１の膨張弁５から蒸発器６に至る間に接続するようになっている。この分岐させた方の冷媒配管１５を、分岐流路８と称する。なお、冷媒には、冷凍サイクル２０における高圧側が臨界圧力（約７３ｋｇ／ｃｍ² ）以上で超臨界状態となり、かつ容易に入手できる二酸化炭素（ＣＯ₂ ）を使用している。

また、ヒートポンプユニット１には、ファン７と、高低圧熱交換器９と、第２の膨張弁１０と、ポンプ１１とが搭載されている。ファン７は、蒸発器６に外気を送風する機能を果たす。高低圧熱交換器９は、蒸発器６から圧縮機３に至る間に配置されており、冷媒配管１５及び分岐流路８に接続している。図１では、高低圧熱交換器９が二重管熱交換器である場合を例に示している。この高低圧熱交換器９は、外管側を高圧側流路、内管側を低圧側流路としている場合を図示しているが、外管側を低圧側流路、内管側を高圧側流路としてもよい。なお、内管側と外管側とを流れる冷媒の流れ方向は、対向流であることが望ましく、ここでは対向流であるものとする。

第２の膨張弁１０は、高低圧熱交換器９から冷媒配管１５に至るまでの間の分岐流路８に配置されている。この第２の膨張弁１０は、高低圧熱交換器９で低圧冷媒と熱交換して冷却された冷媒を減圧し低温低圧の冷媒にするものである。ポンプ１１は、給湯水回路３０を構成しており、負荷側媒体である水をタンク１２から放熱器４に送水し、放熱器４で加熱された温水をタンク１２に送水する機能を果たす。

タンクユニット２には、ポンプ１１からの送水により放熱器４を介して加熱された温水を貯留するためのタンク１２が搭載されている。なお、タンクユニット２内のタンク１２と、ヒートポンプユニット１内の放熱器４とを水配管１６で接続して給湯水回路３０を構成している。水配管１６は、給湯水回路３０内において負荷側媒体である水及び温水を循環させるものである。すなわち、給湯水回路３０は、タンク１２内の負荷側媒体である水を放熱器４で加熱させ、その温水をポンプ１１によってタンク１２に貯留させるようになっているのである。

ヒートポンプユニット１内には、給水温度センサ１３ａが放熱器４の水入口側に、出湯温度センサ１３ｂが放熱器４の水出口側にそれぞれ設けられている。この給水温度センサ１３ａ及び出湯温度センサ１３ｂは、それぞれの設置場所において水配管１６内を流れている水温度を計測する機能を果たす。また、ヒートポンプユニット１内には、外気の温度を計測するための外気温度センサ１３ｃが設けられている。この外気温度センサ１３ｃは、ヒートポンプユニット１内であればどこに設けられていてもよい。たとえば、外気温度センサ１３ｃを外気と接触するような場所に設けるとよい。

さらに、ヒートポンプユニット１内には、吐出温度センサ１３ｄが圧縮機３の冷媒出口側に、吸入温度センサ１３ｅが圧縮機の冷媒入口側に、蒸発温度センサ１３ｆが蒸発器６の入口から中間部までの間に、膨張弁入口温度センサ１３ｇが第２の膨張弁１０の入口にそれぞれ設けられている。この吐出温度センサ１３ｄ、吸入温度センサ１３ｅ、蒸発温度センサ１３ｆ及び膨張弁入口温度センサ１３ｇは、それぞれの設置場所において冷媒配管１５及び分岐流路８内を流れている冷媒の温度を計測する機能を果たす。

なお、ヒートポンプユニット１内には、計測制御装置１４が設けられている。この計測制御装置１４は、給水温度センサ１３ａや出湯温度センサ１３ｂ、外気温度センサ１３ｃ、吐出温度センサ１３ｄ、吸入温度センサ１３ｅ、蒸発温度センサ１３ｆが計測した温度情報や、ヒートポンプ給湯機１００の使用者から図示省略の操作部を介して指示される運転指令情報等に基づいて、圧縮機３の運転方法や第１の膨張弁５の開度、第２の膨張弁１０の開度、ポンプ１１の運転方法等を制御する機能を有している。

また、ヒートポンプユニット１内には、圧力センサ２５が設けられている。この圧力センサ２５は、放熱器４と第１の膨張弁５との間に設けられており、冷凍サイクル２０の高圧側となる設置場所において冷媒の圧力を計測する機能を果たす。ここでは、圧力センサ２５が放熱器４と第１の膨張弁５との間に設けられている場合を図示しているが、放熱器４より上流側の圧縮機３と放熱器４との間に設けるようにしてもよい。

次に、このヒートポンプ給湯機１００の運転動作について説明する。ヒートポンプユニット１の冷凍サイクル２０において、圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒は、放熱器４で給湯水回路３０側へ放熱（水を加熱）しながら温度低下する。このとき、高圧側冷媒圧力が臨界圧以上であれば、この冷媒は超臨界状態のまま気液相転移しないで温度低下して放熱する。また、高圧側冷媒圧力が臨界圧以下であれば、この冷媒は液化しながら放熱する。

つまり、冷媒から放熱された熱を負荷側媒体（給湯水回路３０を流れる水等）に与えることで給湯加熱を行うのである。給湯加熱して放熱器４から流出した高圧低温の冷媒は、第１の膨張弁５を通過するものと分岐流路８に流入するものとに分岐される。第１の膨張弁５を通過する冷媒は、ここで低圧気液二相の状態に減圧される。一方、分岐流路８に流入する冷媒は、高低圧熱交換器９の高圧側流路（外側管）を通過し、蒸発器６から流出した高低圧熱交換器９の低圧側流路（内側管）を通過する低圧冷媒との熱交換に利用される。

この分岐流路８に流入する冷媒は、高低圧熱交換器９において低圧側流路を通過する低圧冷媒に熱を与えて冷却され、その後、第２の膨張弁１０を通過して低圧気液二相の状態に減圧される。第１の膨張弁５を通過した冷媒及び第２の膨張弁１０を通過した冷媒は、蒸発器６の入口前で合流して蒸発器６に流入する。そして、冷媒は、そこで外気空気から吸熱し、蒸発ガス化される。蒸発器６を出た低圧冷媒は、高低圧熱交換器９を通過することで高圧側流路を通過する高圧冷媒と熱交換して加熱ガス化される。それから、圧縮機３に吸入されるようになっている。こうして、冷媒が循環することによって冷凍サイクル２０を形成している。

一方、給湯水回路３０側では、放熱器４で放熱された熱が水等の負荷側媒体に与えられる。この負荷側媒体は、放熱器４の流入側に設けられたポンプ１１によりタンク１２の下部から導かれて放熱器４に送水されるようになっている。そして、ここで加熱された負荷側媒体は、ポンプ１１によりタンク１２の上部へ送水されるようになっている。こうして、負荷側媒体がタンク１２上部から流入し、タンク１２内に貯留され蓄熱されるようになっているのである。

次に、このヒートポンプ給湯機１００での運転制御動作について説明する。
図２は、放熱器４の出口における冷媒の温度が同一となるように高圧を変化させたときの冷凍サイクル２０の圧力とエンタルピとの関係を示す説明図（Ｐ−Ｈ線図）である。冷媒としてＣＯ₂ 等のように高圧側が超臨界状態で運転される冷凍サイクル２０では、よく知られているように運転効率が最大となる高圧が存在する。

図２では、縦軸が圧力（Ｐ）を、横軸がエンタルピ（Ｈ）をそれぞれ表している。ここでは、冷凍サイクル２０の高圧がＰ１、Ｐ２、Ｐ３の順に上昇するにつれて放熱器４でのエンタルピの差ΔＨｇが拡大し、その分加熱能力が増加することを表している。また、冷凍サイクル２０の高圧がＰ１、Ｐ２、Ｐ３の順に上昇するにつれて圧縮機３の入力に相当する圧縮機３でのエンタルピの差ΔＨｃも増大することを表している。

図３は、冷凍サイクル２０の高圧による変化とＣＯＰ（運転効率）、ΔＨｇ及びΔＨｃとの関係を示す説明図である。すなわち、図２で説示したΔＨｇ、ΔＨｃにおける冷凍サイクル２０の高圧による変化の傾向を示したものである。図３では、横軸が冷凍サイクル２０における高圧側の圧力を、縦軸が比率をそれぞれ表している。線Ｂが放熱器４でのエンタルピ差ΔＨｇを、線Ｂが圧縮機３でのエンタルピ差ΔＨｃを、線ＡがＣＯＰをそれぞれ表している。

図３において、高圧上昇に伴う能力に相当するΔＨｇの増加率が入力に相当するΔＨｃの増加率よりも上回る領域（Ｐ１からＰ２の範囲）では、ΔＨｇ／ΔＨｃで表される冷凍サイクル２０のＣＯＰが上昇することがわかる。反対に、高圧上昇に伴う能力に相当するΔＨｇの増加率が入力に相当するΔＨｃの増加率よりも下回る領域（Ｐ２からＰ３の範囲）では、ＣＯＰが低下することがわかる。すなわち、ＣＯＰが最大となる高圧が存在するのである。それは、図３に示すＰ２の点が該当する。

冷媒としてＣＯ₂ を用いたこのヒートポンプ給湯機１００での冷凍サイクル２０における高圧は、放熱器４内に存在する冷媒量によって決定される。冷媒状態が超臨界であるとき、冷媒の密度は圧力の上昇に応じて増加するので、図２に示す高圧状態Ｐ３で運転されるときの放熱器４内の冷媒量は、高圧状態Ｐ１で運転されるときの放熱器４内の冷媒量よりも多くなる。

すなわち、放熱器４内に存在する冷媒量が多くなるように運転を調整すれば、高圧は上昇することになり、逆に放熱器４内に存在する冷媒量が少なくなるように運転を調整すれば、高圧は低下することになるのである。そこで、放熱器４内に存在する冷媒量を制御するように運転することで、高圧をＣＯＰ最大となる圧力となるように設定することができる。そうすることにより、ヒートポンプ給湯機１００の有する能力を大きく発揮することができるのである。

次に、このヒートポンプ給湯機１００の運転制御動作について説明する。まず、回転数等で制御される圧縮機３の運転容量及びポンプ１１の回転数は、外気温度センサ１３ｃで計測検知される周囲の外気温度や給水温度センサ１３ａで計測検知される給水温度の情報等に基づいて調整される。つまり、それらの情報に基づいて、加熱能力及び温度センサ１３ｂで計測検知される放熱器４の出口における水の温度が予め定められた目標値となるように調整制御されるのである。たとえば、目標加熱能力４．５ｋＷ、目標水出口温度６５℃となるように、圧縮機３及びポンプ１１の回転数が制御される。また、蒸発器６の熱交換量は、伝熱媒体である空気を搬送するファン７の回転数を予め定められた状態で運転して制御される。

この状態で運転したときの冷凍サイクル２０の高圧Ｐｈを圧力センサ１５で計測する。そして、ヒートポンプ給湯機１００の利用者により設定された加熱能力や、給水温度センサ１３ａで計測検知される給水温度や外気温度センサ１３ｃで計測検知される外気温度や圧縮機３の運転容量等から、予め定められた演算式でＣＯＰ最大となる最適高圧を算出し、この最適高圧となる目標圧力を検出された高圧Ｐｈとを比較する。このようにして、現在の高圧が最適高圧より低ければ、放熱器４内の冷媒量が多くなるように調整すればよい。反対に、現在の高圧が最適高圧より高ければ、放熱器４内の冷媒量が少なくなるように調整すればよい。

この放熱器４内の冷媒量の制御は、第１の膨張弁５及び第２の膨張弁１０の開度を調整することにより実施する。ここで、第１の膨張弁５の開度を変化させた場合の動作について説明する。第１の膨張弁５の開度を大きくすると、分岐流路８を流れる冷媒量が少なくなり、高低圧熱交換器９の熱交換量は少なくなる。一方、第１の膨張弁５の開度を小さくすると、分岐流路８を流れる冷媒量が多くなり、高低圧熱交換器９の熱交換量は多くなる。

図４は、高低圧熱交換器９における熱交換量が変動したときの冷凍サイクル２０の圧力とエンタルピとの関係を示す説明図（Ｐ−Ｈ線図）である。図４では、縦軸が圧力（Ｐ）を、横軸がエンタルピ（Ｈ）をそれぞれ表している。また、実線が高低圧熱交換器９における熱交換量小の場合を、破線が高低圧熱交換器９における熱交換量大の場合をそれぞれ表している。さらに、点Ｃは、高低圧熱交換器９を流出した冷媒が第２の膨張弁１０で減圧された状態を示しており、点Ｄは、放熱器４の出口における冷媒が第１の膨張弁５で減圧された状態を示している。

なお、点Ｅは、点Ｃと点Ｄとが合流した蒸発器６の入口における冷媒の状態を示しており、分岐回路８を流れる冷媒流量と第１の膨張弁５を通過する冷媒流量との比率で決定する。図４に示すように、高低圧熱交換器９における熱交換量が多くなると、第２の膨張弁１０の入口における冷媒の温度は低下し、冷却量が増加する。すなわち、蒸発器６の入口における冷媒状態は、エンタルピが低く、乾き度が小さくなる。この場合の冷凍サイクル２０は、図中の破線で示す経路をたどる。

一方、高低圧熱交換器９における熱交換量が少なくなると、第２の膨張弁１０の入口における冷媒の温度は上昇し、冷却量が低下する。すなわち、蒸発器６の入口における冷媒状態は、エンタルピが高く、乾き度が大きくなる。この場合の冷媒サイクルは、図中の実線で示す経路をたどる。つまり、第１の膨張弁５の開度を大きくすると、高低圧熱交換器９の熱交換量が少なくなるために、吸入過熱度が小さくなり、第１の膨張弁５の開度を小さくすると、高低圧熱交換器９の熱交換量が多くなるために、吸入過熱度が大きくなるのである。

蒸発器６の入口における冷媒状態が、より低乾き度であると、少なくとも蒸発器６の入口近傍は、液冷媒の占める容積が多くなる。その結果、蒸発器６全体で見ると、ここに存在する冷媒量は多くなる。したがって、高低圧熱交換器９での熱交換量が多く、そこでの冷却量が増加すると、膨張弁入口温度センサ１３ｇで検出される冷媒温度は低下し、蒸発器６の入口における冷媒状態はより乾き度が低く、液冷媒の多い二相状態となって蒸発器６に存在する冷媒量が増加する。

一方、高低圧熱交換器９での熱交換量が少なく、そこでの冷却量が減少すると、膨張弁入口温度センサ１３ｇで検出される冷媒温度は上昇し、蒸発器６入口の冷媒状態は乾き度が高い状態のままとなり、ガス冷媒の多い二相状態となり、蒸発器６に存在する冷媒量が減少する。このように、第１の膨張弁５での流量制御により、高低圧熱交換器９での熱交換量を変化させることにより、蒸発器６に存在する冷媒量を変化させることができるのである。

すなわち、第１の膨張弁５の開度を大きくすると、高低圧熱交換器９の熱交換量が少なくなるために蒸発器６に存在する冷媒量が減少し、第１の膨張弁５の開度を小さくすると、高低圧熱交換器９の熱交換量が多くなるために蒸発器６に存在する冷媒量が増加するのである。また、給水温度センサ１３ａや出湯温度センサ１３ｂ、外気温度センサ１３ｃ、吐出温度センサ１３ｄ、吸入温度センサ１３ｅ、蒸発温度センサ１３ｆ、膨張弁入口温度センサ１３ｇ等の計測情報やヒートポンプ給湯機１００の利用者から指示される運転指令情報の内容に基づいて、あらかじめ高圧圧力との対応が既知の場合には、計測制御装置１４にマップや関数を組み込んでおけば、冷凍サイクル２０の高圧側圧力を検出する圧力センサ２５を設けなくて済む。

そうすれば、圧力センサ２５が不要となるので、コストのかからない、より効率の高いヒートポンプ給湯機１００の運転を実現できる。その際には、たとえば、第１の膨張弁５と第２の膨張弁１０とを組み合わせ、吐出温度と吸入過熱度とを制御する等、新たな制御を加えてもよい。なお、そのために必要な冷凍サイクル２０の冷媒状態を測定するようなセンサ等を設けるようにしてもよい。

次に、このヒートポンプ給湯機１００の運転制御動作について説明する。
図５は、第１の膨張弁５及び第２の膨張弁１０の開度を調整して、吐出温度及び吸入過熱度を制御する動作の流れを示すフローチャートである。まず、吐出温度センサ１３ｄで圧縮機３の出口における冷媒の温度が計測検知される（ステップＳ１０１）。そして、計測制御装置１４は、吐出温度センサ１３ｄで計測検知された冷媒の吐出温度が予め定められた目標値となるように第２の膨張弁１０を制御する（ステップＳ１０２）。つまり、吐出温度が目標値に達している場合（ステップＳ１０２；Ｎ）は、第２の膨張弁１０の開度が増加される（ステップＳ１０３）。反対に、吐出温度が目標値に満たない場合（ステップＳ１０２；Ｙ）は、第２の膨張弁１０の開度が減少される（ステップＳ１０４）。

次に、圧力センサ２５で冷媒の高圧圧力が計測検知される（ステップＳ１０５）。そして、計測制御装置１４は、圧力センサ２５で計測検知された冷媒の高圧圧力が予め設定された値であるかどうか判定する（ステップＳ１０６）。つまり、冷媒の高圧圧力が設定値に達している場合（ステップＳ１０６；Ｎ）は、第１の膨張弁５の開度を減少させる（ステップＳ１０７）。この第１の膨張弁５の開度を減少させることにより、高低圧熱交換器９の熱交換量を増加させるのである。

そして、計測制御装置１４は、第１の膨張弁５の開度が０（全閉状態）であるかどうかを判定する（ステップＳ１０８）。第１の膨張弁５の開度が０でない場合（ステップＳ１０８；Ｎ）、制御動作の最初に戻り吐出温度の検出が行われる。一方、第１の膨張弁５の開度が０である場合（ステップＳ１０８；Ｙ）、圧縮機３の周波数を更に増加させる（ステップＳ１０９）。つまり、圧縮機３の周波数を増加させることにより、高低圧熱交換器９での熱交換量を増加させるのである。その後、制御動作の最初に戻り吐出温度の検出が行われる。

反対に、冷媒の高圧圧力が設定値に満たない場合（ステップＳ１０６；Ｙ）は、吸入温度センサ１３ｅで圧縮機３に吸入される冷媒の吸入温度が計測検知される（ステップＳ１１０）。また、蒸発温度センサ１３ｆで蒸発器４内の冷媒の蒸発温度が計測検知される（ステップＳ１１１）。これら計測検知された吸入温度と蒸発温度とに基づいて、計測制御装置１４は、吸入過熱度を算出する（ステップＳ１１２）。計測制御装置１４は、算出した吸入過熱度が予め定められている目標値であるかどうか判定する（ステップＳ１１３）。

つまり、吸入過熱度が目標値に達している場合（ステップＳ１１３；Ｎ）は、第１の膨張弁５の開度が増加される（ステップＳ１１４）。この第１の膨張弁５の開度を増加させることにより、高低圧熱交換器９での熱交換量を減少させるのである。その後、制御動作の最初に戻り吐出温度の検出が行われる。一方、吸入過熱度が目標値に満たない場合（ステップＳ１１３；Ｙ）は、第１の膨張弁５の開度が減少される（ステップＳ１１０）。この第１の膨張弁５の開度を減少させることにより、高低圧熱交換器９での熱交換量を増加させるのである。その後、制御動作の最初に戻り吐出温度の検出が行われる。

図６は、圧縮機３の周波数を増加させた場合の冷媒の状態を示す説明図（Ｐ−Ｈ線図）である。図６では、縦軸が圧力（Ｐ）を、横軸がエンタルピ（Ｈ）をそれぞれ表している。図において、実線は、沸上げ温度を高く、第１の膨張弁５を開度０（全閉状態）、圧縮機３を低周波数に設定してある状態を示しており、破線は、沸上げ温度を高く、第１の膨張弁５の開度を全閉、圧縮機３を高周波数に設定してある状態を示している。また、Ｔａ１及びＴｂ１が放熱器４の出口における冷媒温度（放熱器出口冷媒温度）を、Ｔａ２及びＴｂ２が圧縮機３に吸入される冷媒の温度（圧縮機吸入温度）をそれぞれ示している。

一般的に、沸上げ温度を高くすると、冷媒の高圧圧力が高くなる。そこで、第１の膨張弁５が開度０（全閉状態）で上限圧力を超えている場合、圧縮機３の周波数を増加させると放熱器出口冷媒温度が上昇することになる。なお、高低圧熱交換器９は、高圧流路と低圧流路とが対向流で構成されており、高低圧熱交換器９の高圧側入口温度は放熱器出口冷媒温度に等しく、低圧側出口温度は圧縮機吸入温度に等しい。そのために、放熱器出口冷媒温度がＴａ１からＴｂ１に上昇すると、圧縮機吸入温度もＴａ２からＴｂ２に上昇してしまう。したがって、第２の膨張弁１０のみで吐出温度を制御しようとすると、圧縮機３の周波数を増加した場合は、冷媒の高圧圧力が低下することになる。

以上のことから、第２の膨張弁１０の開度を調整するだけでなく、第１の膨張弁５の開度も併せて調整することにより、冷凍サイクル２０の吐出温度を予め定められた目標値に近づけることができるのである。すなわち、このヒートポンプ給湯機１００は、冷媒の高圧圧力が目標値より大きい場合に、第１の膨張弁５の開度を小さくすることで冷凍サイクル２０内に存在する冷媒量の分布を調整し、運転状態をＣＯＰ最大となる高圧に制御するのである。なお、高圧センサが設置されていなければ、予め外気温度が所定値より高く、沸上げ温度が所定値より高い場合には、同一外気温度の沸上げ温度が所定値より小さい場合と比較して圧縮機３の周波数を大きくするようなマップを作成しておいてもよい。

本発明の実施の形態に係るヒートポンプ給湯機の冷媒回路構成を示す概略構成図である。 放熱器出口冷媒温度が同一となるように高圧を変化させたときの冷凍サイクルの圧力とエンタルピとの関係を示すＰ−Ｈ線図である。 冷凍サイクルの高圧による変化とＣＯＰ、ΔＨｇ及びΔＨｃとの関係を示す説明図である。 高低圧熱交換器における熱交換量が変動したときの冷凍サイクルの圧力とエンタルピとの関係を示すＰ−Ｈ線図である。 第１の膨張弁及び第２の膨張弁の開度を調整して、吐出温度及び吸入過熱度を制御する動作の流れを示すフローチャートである。 圧縮機の周波数を増加させた場合の冷媒の状態を示すＰ−Ｈ線図である。

符号の説明

１ ヒートポンプユニット、２ タンクユニット、３ 圧縮機、４ 放熱器、５ 第１の膨張弁、６ 蒸発器、７ ファン、８ 分岐流路、９ 高低圧熱交換器、１０ 第２の膨張弁、１１ ポンプ、１２ タンク、１３ａ 給水温度センサ、１３ｂ 出湯温度センサ、１３ｃ 外気温度センサ、１３ｄ 吐出温度センサ、１３ｅ 吸入温度センサ、１３ｆ 蒸発温度センサ、１３ｇ 膨張弁入口温度センサ、１４ 計測制御装置、１５ 冷媒配管、１６ 水配管、２０ 冷凍サイクル、２５ 圧力センサ、３０ 給湯水回路、１００ ヒートポンプ給湯機。

Claims (8)

1. 冷媒を超臨界圧力まで圧縮する圧縮機、前記圧縮機から吐出した冷媒と負荷側媒体とを熱交換する放熱器、冷媒を減圧する第１の膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で順次接続して冷媒が循環する冷凍サイクルと、
   前記放熱器から前記第１の膨張弁に至る間で前記冷媒配管を分岐させ、前記第１の膨張弁から前記蒸発器に至る間で前記冷媒配管に再接続させた分岐流路と、
   前記分岐流路を流れる高圧冷媒と前記圧縮機に吸入される低圧冷媒とを熱交換する高低圧熱交換器とを備えたヒートポンプ給湯機の制御方法であって、
   前記圧縮機から吐出された冷媒の吐出圧力を計測し、
   前記吐出圧力が所定の圧力よりも大きい場合、前記第１の膨張弁の開度を小さくするように調整する
   ことを特徴とするヒートポンプ給湯機の制御方法。
2. 冷媒を超臨界圧力まで圧縮する圧縮機、前記圧縮機から吐出した冷媒と負荷側媒体とを熱交換する放熱器、冷媒を減圧する第１の膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で順次接続して冷媒が循環する冷凍サイクルと、
   前記放熱器から前記第１の膨張弁に至る間で前記冷媒配管を分岐させ、前記第１の膨張弁から前記蒸発器に至る間で前記冷媒配管に再接続させた分岐流路と、
   前記分岐流路を流れる高圧冷媒と前記圧縮機に吸入される低圧冷媒とを熱交換する高低圧熱交換器とを備えたヒートポンプ給湯機の制御方法であって、
   前記圧縮機から吐出された冷媒の吐出圧力を計測し、
   前記吐出圧力が所定の圧力よりも大きい場合、前記圧縮機の駆動周波数を大きくするように調整する
   ことを特徴とするヒートポンプ給湯機の制御方法。
3. 冷媒を超臨界圧力まで圧縮する圧縮機、前記圧縮機から吐出した冷媒と負荷側媒体とを熱交換する放熱器、冷媒を減圧する第１の膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で順次接続して冷媒が循環する冷凍サイクルと、
   前記放熱器から前記第１の膨張弁に至る間で前記冷媒配管を分岐させ、前記第１の膨張弁から前記蒸発器に至る間で前記冷媒配管に再接続させた分岐流路と、
   前記分岐流路を流れる高圧冷媒と前記圧縮機に吸入される低圧冷媒とを熱交換する高低圧熱交換器とを備えたヒートポンプ給湯機の制御方法であって、
   前記圧縮機から吐出された冷媒の吐出圧力を計測し、
   外気温度が所定の温度より高く、負荷側媒体の沸き上げ温度が所定の温度より高い場合には、外気温度が同一であり負荷側媒体の沸き上げ温度が所定の温度より低い場合に比べて、前記圧縮機の駆動周波数を大きくするように調整する
   ことを特徴とするヒートポンプ給湯機の制御方法。
4. 前記高低圧熱交換器から前記蒸発器に至る間の前記分岐流路に設けられ、冷媒を減圧する第２の膨張弁を設け、
   前記第１の膨張弁及び前記圧縮機と併せて前記第２の膨張弁も調整する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のヒートポンプ給湯機の制御方法。
5. 前記高低圧熱交換器は、
   高圧冷媒が流れる前記分岐流路と前記圧縮機に吸入される低圧冷媒が流れる冷媒配管とを対向流にした
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のヒートポンプ給湯機の制御方法。
6. 冷媒を超臨界圧力まで圧縮する圧縮機、前記圧縮機から吐出した冷媒と負荷側媒体とを熱交換する放熱器、冷媒を減圧する第１の膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で順次接続して冷媒が循環する冷凍サイクルと、
   前記放熱器から前記第１の膨張弁に至る間で前記冷媒配管を分岐させ、前記第１の膨張弁から前記蒸発器に至る間で前記冷媒配管に再接続させた分岐流路と、
   前記分岐流路を流れる高圧冷媒と前記圧縮機に吸入される低圧冷媒とを熱交換する高低圧熱交換器と、
   前記圧縮機から吐出された冷媒の圧力を計測検知する圧力検知手段と、
   前記圧力検知手段で計測検知された冷媒の圧力が所定の圧力よりも大きい場合、前記第１の膨張弁の開度を小さくするように調整する計測制御手段とを備えた
   ことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
7. 冷媒を超臨界圧力まで圧縮する圧縮機、前記圧縮機から吐出した冷媒と負荷側媒体とを熱交換する放熱器、冷媒を減圧する第１の膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で順次接続して冷媒が循環する冷凍サイクルと、
   前記放熱器から前記第１の膨張弁に至る間で前記冷媒配管を分岐させ、前記第１の膨張弁から前記蒸発器に至る間で前記冷媒配管に再接続させた分岐流路と、
   前記分岐流路を流れる高圧冷媒と前記圧縮機に吸入される低圧冷媒とを熱交換する高低圧熱交換器と、
   前記圧縮機から吐出された冷媒の圧力を計測検知する圧力検知手段と、
   前記圧力検知手段で計測検知された冷媒の圧力が所定の圧力よりも大きい場合、前記圧縮機の駆動周波数を大きくするように調整する計測制御手段とを備えた
   ことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
8. 冷媒を超臨界圧力まで圧縮する圧縮機、前記圧縮機から吐出した冷媒と負荷側媒体とを熱交換する放熱器、冷媒を減圧する第１の膨張弁及び蒸発器を冷媒配管で順次接続して冷媒が循環する冷凍サイクルと、
   前記放熱器から前記第１の膨張弁に至る間で前記冷媒配管を分岐させ、前記第１の膨張弁から前記蒸発器に至る間で前記冷媒配管に再接続させた分岐流路と、
   前記分岐流路を流れる高圧冷媒と前記圧縮機に吸入される低圧冷媒とを熱交換する高低圧熱交換器と、
   前記圧縮機から吐出された冷媒の圧力を計測検知する圧力検知手段と、
   外気温度が所定の温度より高く、負荷側媒体の沸き上げ温度が所定の温度より高い場合には、外気温度が同一であり、負荷側媒体の沸き上げ温度が所定の温度より低い場合に比べて、前記圧縮機の駆動周波数を大きくするように調整する計測制御手段とを備えた
   ことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
   

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