JP2002098430A - ヒートポンプサイクル - Google Patents
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- F25B2700/21—Temperatures
- F25B2700/2116—Temperatures of a condenser
Abstract
(57)【要約】
【課題】 ヒートポンプから取り出すことができる熱量
（エンタルピ）が減少してヒートポンプの成績係数（Ｃ
ＯＰ）が悪化してしまうことを防止する。 【解決手段】 第１高圧側熱交換器２、及び第１高圧側
熱交換器２から流出した高圧冷媒が第１高圧側熱交換器
２にて熱交換する第１流体より温度の低い第２流体との
間で熱交換を行う第２高圧側熱交換器３を設ける。これ
により、取り出すことができる熱量は、第１高圧側熱交
換器２にて取り出すことができる熱量と第２高圧側熱交
換器３にて取り出すことができる熱量との和となるの
で、ヒートポンプから取り出すことができる熱量（エン
タルピ）が減少してヒートポンプの成績係数ＣＯＰが悪
化してしまうことを防止できる。
（エンタルピ）が減少してヒートポンプの成績係数（Ｃ
ＯＰ）が悪化してしまうことを防止する。 【解決手段】 第１高圧側熱交換器２、及び第１高圧側
熱交換器２から流出した高圧冷媒が第１高圧側熱交換器
２にて熱交換する第１流体より温度の低い第２流体との
間で熱交換を行う第２高圧側熱交換器３を設ける。これ
により、取り出すことができる熱量は、第１高圧側熱交
換器２にて取り出すことができる熱量と第２高圧側熱交
換器３にて取り出すことができる熱量との和となるの
で、ヒートポンプから取り出すことができる熱量（エン
タルピ）が減少してヒートポンプの成績係数ＣＯＰが悪
化してしまうことを防止できる。
Description
【発明の属する技術分野】本発明は、低温側の熱を高温
側に移動させるヒートポンプサイクルにおいて、圧縮機
の吐出圧（高圧側冷媒圧力）が冷媒の臨界圧力を越える
超臨界ヒートポンプに関するもので、冷媒として二酸化
炭素を用いるものに適用して有効である。
側に移動させるヒートポンプサイクルにおいて、圧縮機
の吐出圧（高圧側冷媒圧力）が冷媒の臨界圧力を越える
超臨界ヒートポンプに関するもので、冷媒として二酸化
炭素を用いるものに適用して有効である。
【従来の技術】圧縮機の吐出圧が冷媒の臨界圧力を越え
る蒸気圧縮式サイクルとして、例えば特開平９−２６４
６２２号公報に記載の発明では、放熱器（高圧側熱交換
器）の出口側冷媒温度に基づいて高圧側冷媒圧力（吐出
圧）を制御している。
る蒸気圧縮式サイクルとして、例えば特開平９−２６４
６２２号公報に記載の発明では、放熱器（高圧側熱交換
器）の出口側冷媒温度に基づいて高圧側冷媒圧力（吐出
圧）を制御している。
【発明が解決しようとする課題】ところで、発明者等
は、上記公報に記載の蒸気圧縮式サイクルを用いて暖房
用給湯水を高圧側熱交換器にて加熱するヒートポンプサ
イクル（以下、ヒートポンプと略す。）を試作検討した
ところ、以下に述べる問題が発生した。すなわち、この
ヒートポンプでは、暖房用給湯水は高圧側熱交換器と暖
房用熱交換器との間を繰り返し循環するので、高圧側熱
交換器に流入する暖房用給湯水の温度が次第に上昇して
いく。このため、冷媒と暖房用給湯水との温度差が次第
に小さくなっていくので、ヒートポンプから取り出すこ
とができる熱量（エンタルピ）が次第に減少していき、
ヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）が悪化していく。な
お、この問題に対して、冷媒温度（高圧側圧力）を上昇
させて冷媒と暖房用給湯水との温度差が小さくなること
を防止するといった手段が考えられるが、暖房用給湯水
の温度は、暖房を行うに十分な温度まで上昇させればよ
く、冷媒と暖房用給湯水との温度差を確保するために冷
媒温度（高圧側圧力）を上昇させることは、必要以上に
冷媒圧力を上昇させることなるので、圧縮機の消費動力
が不必要に上昇してしまう。本発明は、上記点に鑑み、
ヒートポンプから取り出すことができる熱量（エンタル
ピ）が減少してヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）が悪
化してしまうことを防止することを目的とする。
は、上記公報に記載の蒸気圧縮式サイクルを用いて暖房
用給湯水を高圧側熱交換器にて加熱するヒートポンプサ
イクル（以下、ヒートポンプと略す。）を試作検討した
ところ、以下に述べる問題が発生した。すなわち、この
ヒートポンプでは、暖房用給湯水は高圧側熱交換器と暖
房用熱交換器との間を繰り返し循環するので、高圧側熱
交換器に流入する暖房用給湯水の温度が次第に上昇して
いく。このため、冷媒と暖房用給湯水との温度差が次第
に小さくなっていくので、ヒートポンプから取り出すこ
とができる熱量（エンタルピ）が次第に減少していき、
ヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）が悪化していく。な
お、この問題に対して、冷媒温度（高圧側圧力）を上昇
させて冷媒と暖房用給湯水との温度差が小さくなること
を防止するといった手段が考えられるが、暖房用給湯水
の温度は、暖房を行うに十分な温度まで上昇させればよ
く、冷媒と暖房用給湯水との温度差を確保するために冷
媒温度（高圧側圧力）を上昇させることは、必要以上に
冷媒圧力を上昇させることなるので、圧縮機の消費動力
が不必要に上昇してしまう。本発明は、上記点に鑑み、
ヒートポンプから取り出すことができる熱量（エンタル
ピ）が減少してヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）が悪
化してしまうことを防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、請求項１に記載の発明では、圧縮機
（１）の吐出圧が冷媒の臨界圧力を越えるヒートポンプ
サイクルであって、圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒
と第１流体との間で熱交換を行う第１高圧側熱交換器
（２）と、第１高圧側熱交換器（２）から流出した高圧
冷媒と第１流体より温度の低い第２流体との間で熱交換
を行う第２高圧側熱交換器（３）と、第２高圧側熱交換
器（３）から流出した高圧冷媒を減圧するとともに、吐
出圧を制御する減圧手段（４、４ａ）と、減圧手段
（４、４ａ）にて減圧された低圧冷媒を蒸発させる低圧
側熱交換器（５）とを有するヒートポンプサイクル。こ
れにより、本発明に係るヒートポンプにて取り出すこと
ができる熱量は、第１高圧側熱交換器（２）にて取り出
すことができる熱量と第２高圧側熱交換器３にて取り出
すことができる熱量との和となるので、ヒートポンプか
ら取り出すことができる熱量（エンタルピ）が減少して
ヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）が悪化してしまうこ
とを防止できる。請求項２に記載の発明では、減圧手段
（４、４ａ）は、吐出圧が所定圧力以下となるように、
第１高圧側熱交換器（２）と第２高圧側熱交換器（３）
との間の冷媒温度に基づいて吐出圧を制御することを特
徴とする。これにより、吐出圧が過度に上昇してしまう
ことを防止できるので、圧縮機（１）に損傷が発生する
ことを未然に防止できる。また、第１高圧側熱交換器
（２）と第２高圧側熱交換器（３）との間の冷媒温度に
基づいて吐出圧を制御しているので、第２高圧側熱交換
器（３）の出口側の冷媒温度に基づいて吐出圧を制御す
る場合に比べて、吐出圧を高く制御することができる。
したがって、高い温度の第１流体を得ることができる。
なお、所定圧力は、請求項３に記載の発明のごとく、低
圧側熱交換器（５）における蒸発圧力の上昇に応じて高
くなるように選定してもよい。また、請求項４に記載の
発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載のヒ
ートポンプを用いた、水素と酸素との化学反応により発
電する燃料電池を加熱する燃料電池の加熱装置であっ
て、第１高圧側熱交換器（２）にて燃料電池内を循環す
る流体を加熱することを特徴とする。これにより、ヒー
トポンプの成績係数（ＣＯＰ）が悪化してしまうことを
防止しつつ、燃料電池（２０）を加熱することができ
る。請求項５に記載の発明では、請求項１ないし３のい
ずれか１つに記載のヒートポンプ、及び水素と酸素との
化学反応により発電する燃料電池を有する車両用暖房装
置であって、第１高圧側熱交換器（２）にて燃料電池内
を循環する流体を加熱し、第２高圧側熱交換器（３）に
て車室内に吹き出す空気を加熱することを特徴とする。
これにより、ヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）が悪化
してしまうことを防止しつつ、燃料電池（２０）を加熱
しながら、車室内の暖房を行うことができる。請求項６
に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに
記載のヒートポンプを用いた暖房装置であって、熱源
（２０）から供給される熱の温度が所定温度未満のとき
には、第１高圧側熱交換器（２）及び第２高圧側熱交換
器（３）にて室内に吹き出す空気を加熱し、熱源（２
０）から供給される熱の温度が所定温度以上のときに
は、少なくとも熱源（２０）から供給される熱にて室内
に吹き出す空気を加熱することを特徴とする。これによ
り、ヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）が悪化してしま
うことを防止しつつ、早期に室内暖房を行うことができ
る。因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実
施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例であ
る。
成するために、請求項１に記載の発明では、圧縮機
（１）の吐出圧が冷媒の臨界圧力を越えるヒートポンプ
サイクルであって、圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒
と第１流体との間で熱交換を行う第１高圧側熱交換器
（２）と、第１高圧側熱交換器（２）から流出した高圧
冷媒と第１流体より温度の低い第２流体との間で熱交換
を行う第２高圧側熱交換器（３）と、第２高圧側熱交換
器（３）から流出した高圧冷媒を減圧するとともに、吐
出圧を制御する減圧手段（４、４ａ）と、減圧手段
（４、４ａ）にて減圧された低圧冷媒を蒸発させる低圧
側熱交換器（５）とを有するヒートポンプサイクル。こ
れにより、本発明に係るヒートポンプにて取り出すこと
ができる熱量は、第１高圧側熱交換器（２）にて取り出
すことができる熱量と第２高圧側熱交換器３にて取り出
すことができる熱量との和となるので、ヒートポンプか
ら取り出すことができる熱量（エンタルピ）が減少して
ヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）が悪化してしまうこ
とを防止できる。請求項２に記載の発明では、減圧手段
（４、４ａ）は、吐出圧が所定圧力以下となるように、
第１高圧側熱交換器（２）と第２高圧側熱交換器（３）
との間の冷媒温度に基づいて吐出圧を制御することを特
徴とする。これにより、吐出圧が過度に上昇してしまう
ことを防止できるので、圧縮機（１）に損傷が発生する
ことを未然に防止できる。また、第１高圧側熱交換器
（２）と第２高圧側熱交換器（３）との間の冷媒温度に
基づいて吐出圧を制御しているので、第２高圧側熱交換
器（３）の出口側の冷媒温度に基づいて吐出圧を制御す
る場合に比べて、吐出圧を高く制御することができる。
したがって、高い温度の第１流体を得ることができる。
なお、所定圧力は、請求項３に記載の発明のごとく、低
圧側熱交換器（５）における蒸発圧力の上昇に応じて高
くなるように選定してもよい。また、請求項４に記載の
発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載のヒ
ートポンプを用いた、水素と酸素との化学反応により発
電する燃料電池を加熱する燃料電池の加熱装置であっ
て、第１高圧側熱交換器（２）にて燃料電池内を循環す
る流体を加熱することを特徴とする。これにより、ヒー
トポンプの成績係数（ＣＯＰ）が悪化してしまうことを
防止しつつ、燃料電池（２０）を加熱することができ
る。請求項５に記載の発明では、請求項１ないし３のい
ずれか１つに記載のヒートポンプ、及び水素と酸素との
化学反応により発電する燃料電池を有する車両用暖房装
置であって、第１高圧側熱交換器（２）にて燃料電池内
を循環する流体を加熱し、第２高圧側熱交換器（３）に
て車室内に吹き出す空気を加熱することを特徴とする。
これにより、ヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）が悪化
してしまうことを防止しつつ、燃料電池（２０）を加熱
しながら、車室内の暖房を行うことができる。請求項６
に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに
記載のヒートポンプを用いた暖房装置であって、熱源
（２０）から供給される熱の温度が所定温度未満のとき
には、第１高圧側熱交換器（２）及び第２高圧側熱交換
器（３）にて室内に吹き出す空気を加熱し、熱源（２
０）から供給される熱の温度が所定温度以上のときに
は、少なくとも熱源（２０）から供給される熱にて室内
に吹き出す空気を加熱することを特徴とする。これによ
り、ヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）が悪化してしま
うことを防止しつつ、早期に室内暖房を行うことができ
る。因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実
施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例であ
る。
【発明の実施の形態】（第１実施形態）本実施形態は、
本発明に係るヒートポンプを家庭用暖房装置に適用した
もので、図１は本実施形態に係る家庭用暖房装置の模式
図である。図１中、１は冷媒（本実施形態では、二酸化
炭素）を吸入し、冷媒を冷媒の臨界圧力以上まで圧縮す
る圧縮機であり、２は圧縮機１から吐出した高圧冷媒と
床暖房用給湯水（以下、給湯水と略す。）とを熱交換す
る第１高圧側熱交換器（主熱交換器）である。３は第１
高圧側熱交換器２から流出した高圧冷媒と浴室（図示せ
ず。）内に吹き出す空気とを熱交換させる第２高圧側熱
交換器（副熱交換器）であり、４は第２高圧側熱交換器
３から流出した高圧冷媒を減圧するとともに、高圧側の
冷媒圧力（圧縮機１の吐出圧）を制御する電子式の圧力
制御弁（減圧手段）である。５は圧力制御弁４にて減圧
された低圧冷媒を蒸発させて外気（戸外空気）から熱を
吸収する低圧側熱交換器（蒸発器）であり、６はヒート
ポンプ中の余剰冷媒を蓄えるとともに、低圧側熱交換器
５から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して
気相冷媒を圧縮機１の吸入側に流出するアキュムレータ
（気液分離手段）である。７は第１高圧側熱交換器２と
第２高圧側熱交換器３との間の冷媒温度（以下、この温
度を高圧冷媒温度Ｔｏｕｔと呼ぶ。）を検出する冷媒温
度センサ（冷媒温度検出手段）であり、８は第１高圧側
熱交換器２と第２高圧側熱交換器３との間の冷媒圧力
（以下、この圧力を高圧冷媒圧力Ｐｈと呼ぶ。）を検出
する冷媒圧力センサ（冷媒圧力検出手段）である。そし
て、両センサ７、８の検出信号は、電子制御装置（ＥＣ
Ｕ）９に入力されており、ＥＣＵ９は、両センサ７、８
の検出信号に基づいて予め設定されたプログラムに従っ
て圧力制御弁４の開度を調節する。なお、１０は第１高
圧側熱交換器２にて加熱された給湯水にて戸内の床を加
熱する暖房用ヒータであり、１１は第１高圧側熱交換器
２と暖房用ヒータとの間に給湯水を繰り返して循環させ
るポンプである。また、１２は第２高圧側熱交換器３に
て加熱された空気を浴室に送風する浴室暖房（乾燥）用
送風機でり、１３は第２高圧側熱交換器３にて加熱され
た空気の通路を構成するダクトであり、１４は低圧側熱
交換器５に外気を送風する外気用送風機である。次に、
本実施形態に係るヒートポンプの作動（圧力制御弁４の
制御）を図２に示すフローチャートに基づいて述べる。
ヒートポンプの始動スイッチ（図示せず。）が投入（Ｏ
Ｎ）されると、先ず、高圧側冷媒温度Ｔｏｕｔを読み込
む（Ｓ１００）。次に、図示しない制御マップから高圧
側冷媒温度Ｔｏｕｔに対応する目標高圧側冷媒圧力Ｐｏ
を算出し（Ｓ１１０）、この算出した目標高圧側冷媒圧
力Ｐｏが許容上限圧力Ｐｍａｘより大きいか否かを判定
する（Ｓ１２０）。そして、目標高圧側冷媒圧力Ｐｏが
許容上限圧力Ｐｍａｘより大きいときには、高圧冷媒圧
力Ｐｈが許容上限圧力Ｐｍａｘとなるように圧力制御弁
４の開度を調節し（Ｓ１３０）、一方、目標高圧側冷媒
圧力Ｐｏが許容上限圧力Ｐｍａｘ以下のときには、高圧
冷媒圧力Ｐｈが目標高圧側冷媒圧力Ｐｏとなるように圧
力制御弁４の開度を調節する（Ｓ１４０）。なお、目標
高圧側冷媒圧力Ｐｏとは、高圧冷媒温度Ｔｏｕｔに対し
てヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）が最大となるよう
な高圧側冷媒圧力を言う。最適制御線ηｍａｘは、高圧
側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力より高い超臨界域にあると
きは約６００ｋｇ／ｍ3 の等密度線に沿っており、高圧
側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以下にあるときは約５℃の
過冷却度となるように設定されている。また、許容上限
圧力Ｐｍａｘは、圧縮機１の耐熱（許容）温度及び許容
圧力によって適宜選定されるもので、本実施形態では、
１２ＭＰａである。次に、本実施形態の特徴を述べる。
ところで、本実施形態では、第１高圧側熱交換器２で
は、第１高圧側熱交換器２と暖房用ヒータ１０とからな
る閉じた温水回路を循環する給湯水と冷媒との間で熱交
換が行われるのに対して、ダクト１３によって形成され
る空気通路は、温水回路のように完全に閉じた回路では
なく、むしろ開いた回路であるので、第２高圧側熱交換
器３では、開いた回路を流通する空気と冷媒との間で熱
交換が行われることとなる。このため、第１高圧側熱交
換器２に流入する給湯水の温度は次第に上昇していくの
に対して、第２高圧側熱交換器３に流入する空気（以
下、この空気を吸入空気と呼ぶ。）は、給湯水の温度上
昇に比べると、十分に小さい。したがって、ヒートポン
プを始動した直後においては、給湯水と冷媒との温度
差、及び吸入空気と冷媒との温度差は共に比較的大きい
が、ヒートポンプの運転開始とともに給湯水の温度が次
第に上昇して給湯水と冷媒との温度差は縮小していくの
に対して、吸入空気の温度上昇は給湯水の温度上昇に比
べると十分に小さいため、吸入空気と冷媒との温度差の
縮小量は、給湯水と冷媒との温度差の縮小量に比べて十
分に小さい。このため、給湯水と冷媒との温度差が縮小
し、第１高圧側熱交換器２にて取り出すことができる熱
量（エンタルピ）の減少量が顕著になってる場合におい
ては、第１高圧側熱交換器２に流入する給湯水の温度は
第２高圧側熱交換器３に流入する空気の温度より高くな
っている。したがって、本実施形態では、第１高圧側熱
交換器２にて取り出すことができる熱量（エンタルピ）
の減少量が顕著になってる場合においても、第２高圧側
熱交換器３において冷媒から熱（エンタルピ）を取り出
すことができるので、図３に示すように、本実施形態に
係るヒートポンプでは、第１高圧側熱交換器２にて取り
出すことができる熱量δ１と第２高圧側熱交換器３にて
取り出すことができる熱量δ２との和となる。以上に述
べたように、本実施形態に係るヒートポンプでは、ヒー
トポンプから取り出すことができる熱量（エンタルピ）
が減少してヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）が悪化し
てしまうことを防止できる。ところで、圧力制御弁４
は、高圧側冷媒温度Ｔｏｕｔと高圧側冷媒圧力Ｐｈとが
最適制御線ηｍａｘで示される関係となるようにその開
度を制御するので、高圧側冷媒温度Ｔｏｕｔが上昇して
いくと、目標高圧側冷媒圧力Ｐｏ（＝高圧側冷媒圧力Ｐ
ｈ）が上昇していく。このとき、本実施形態では、給湯
水の温度を特に制御していないので、ヒートポンプを稼
働し続けると、給湯水の温度及び高圧側冷媒圧力Ｐｈが
過度に上昇してしまい、圧縮機１に損傷が発生するおそ
れがある。そこで、本実施形態では、高圧側圧力Ｐｈ
（吐出圧）が許容上限圧力Ｐｍａｘ以下となるように、
高圧側冷媒温度Ｔｏｕｔに基づいて高圧側冷媒圧力Ｐｈ
を制御しているので、圧縮機１が損傷してしまうことを
未然に防止することができる。ところで、圧力制御弁４
は、前述のごとく、高圧側冷媒温度Ｔｏｕｔと高圧側冷
媒圧力Ｐｈとが最適制御線ηｍａｘで示される関係とな
るようにその開度を制御するので、仮に、高圧側冷媒温
度Ｔｏｕｔを第２高圧側熱交換器３の出口側で検出する
と、検出する高圧側冷媒温度Ｔｏｕｔが低くなるので、
図４に示すように、目標高圧側冷媒圧力Ｐｏ（＝高圧側
冷媒圧力Ｐｈ）も低くなってしまい、給湯水の温度を暖
房を行うに十分な温度まで上昇させることができなくな
るおそれがある。これに対して、本実施形態では、第１
高圧側熱交換器２と第２高圧側熱交換器３との間で高圧
冷媒温度Ｔｏｕｔを検出しているので、目標高圧側冷媒
圧力Ｐｏ（＝高圧側冷媒圧力Ｐｈ）も低くなってしまう
ことを防止することができ、給湯水の温度を暖房を行う
に十分な温度まで確実に上昇させることができる。因み
に、図５は本実施形態に係るヒートポンプから取り出す
ことができる熱量の向上率（エンタルピ差向上率）と高
圧側冷媒温度Ｔｏｕｔとの関係を示すグラフであり、本
実施形態によれば、冷媒の種類に関係なく、ヒートポン
プから取り出すことができる熱量（エンタルピ）が減少
してヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）が悪化してしま
うことを防止できることが判る。なお、浴室を暖房する
（乾燥させる）空気の温度を高めたいときは、ダクト１
３内に電気ヒータ等の加熱手段を配設してもよい。ま
た、ポンプ１１を停止させて浴室の暖房（乾燥）のみを
行ってもよい。 （第２実施形態）第１実施形態では、許容上限圧力Ｐｍ
ａｘは固定値であったが、本実施形態は、許容上限圧力
Ｐｍａｘを外気温度（低圧側熱交換器５内の圧力（蒸発
圧力）又は低圧側熱交換器５内の冷媒温度（蒸発温
度））に基づいて変化させるものである。すなわち、圧
縮機１から吐出する冷媒の温度（以下、吐出冷媒温度と
呼ぶ。）は、吐出圧（高圧側冷媒圧力）及び圧縮機１の
吸入冷媒温度（＝蒸発温度）又は吸入冷媒圧力（＝蒸発
圧力）によって決定するので、吐出圧が一定（同じ）で
あっても、吸入冷媒温度（吸入冷媒圧力）が低くなる
と、吐出冷媒温度が上昇する。このため、高圧側冷媒圧
力Ｐｈが許容上限圧力Ｐｍａｘ以下であっても、吐出冷
媒温度が圧縮機１の耐熱（許容）温度を超えてしまう場
合がある。また逆に、高圧側冷媒圧力Ｐｈが許容上限圧
力Ｐｍａｘ以下であっても、吐出冷媒温度が低く、暖房
を行うに十分な温度まで給湯水を加熱することができな
い場合がある。そこで、本実施形態では、低圧側熱交換
器５における蒸発圧力（外気温度）の上昇に応じて、許
容上限圧力Ｐｍａｘが高くなるように許容上限圧力Ｐｍ
ａｘ変化させることにより、給湯水を十分に加熱しつ
つ、吐出冷媒温度が圧縮機１の耐熱（許容）温度以下と
なるように圧力制御弁４を制御している。以下、図６に
示すフローチャートに基づいて本実施形態の制御フロー
について述べる。ヒートポンプの始動スイッチが投入
（ＯＮ）されると、先ず、高圧側冷媒温度Ｔｏｕｔを読
み込み（Ｓ２００）、図示しない制御マップから高圧側
冷媒温度Ｔｏｕｔに対応する目標高圧側冷媒圧力Ｐｏを
算出する（Ｓ２１０）。次に、外気温度を検出する外気
温度センサ（図示せず。）の検出温度Ｔを読み込み（Ｓ
２２０）、この検出した外気温度Ｔに基づいて許容上限
圧力Ｐｍａｘを算出する（Ｓ２３０）。そして、目標高
圧側冷媒圧力ＰｏがＳ２３０にて算出した許容上限圧力
Ｐｍａｘより大きいか否かを判定し（Ｓ２４０）、目標
高圧側冷媒圧力Ｐｏが許容上限圧力Ｐｍａｘより大きい
ときには、高圧冷媒圧力Ｐｈが許容上限圧力Ｐｍａｘと
なるように圧力制御弁４の開度を調節し（Ｓ２５０）、
一方、目標高圧側冷媒圧力Ｐｏが許容上限圧力Ｐｍａｘ
以下のときには、高圧冷媒圧力Ｐｈが目標高圧側冷媒圧
力Ｐｏとなるように圧力制御弁４の開度を調節する（Ｓ
２６０）。 （第３実施形態）本実施形態は、本発明に係るヒートポ
ンプを車両用暖房装置と燃料電池（ＦＣスタック）の加
熱に用いたもので、図７は本実施形態に係るヒートポン
プの模式図である。以下、第１、２実施形態との相違点
を中心に本実施形態を説明する。図７中、２０は水素と
酸素との化学反応させることにより電力を発生させる燃
料電池（ＦＣスタック）であり、２１、２２は冷却水
（温水）を循環させる第１、２ポンプである。２３はＦ
Ｃスタック２０から流出する冷却水を冷却するラジエー
タであり、２４はＦＣスタック２０から流出した冷却水
をラジエータ２３を迂回させてＦＣスタック２０に戻す
バイパス回路である。そして、サーモスタット等の冷却
水温度に応じて流量を調節する流量調整弁２５によりラ
ジエータ２３に流通させる冷却水量とバイパス回路２４
に流通させる冷却水量とを調節してＦＣスタック２０の
温度を適正温度（約７５℃〜８５℃）に制御している。
因みに、車両等の移動体の駆動源として考えられている
高分子電解質型ＦＣスタックにおいては、０℃以下の温
度条件では、電極近傍に存在している水分が凍結し、反
応ガスの拡散を阻害したり、電解質膜の電気伝導率が低
下すると言う問題がある。したがって、ＦＣスタックの
温度が０℃以下のときには、ＦＣスタックを作動可能温
度（０℃以上の温度で電池が発電可能な温度）以上まで
に加熱する必要がある。また逆に、ＦＣスタックは水素
と酸素との化学反応時に発熱するので、ＦＣスタックの
温度が過度に低下しない適度まで冷却する必要がある。
また、３０はＦＣスタック２０にて加熱された冷却水
（温水）を熱源として車室内に吹き出す空気を加熱する
温水ヒータ（室内熱交換器）であり、３１は温水ヒータ
３０を通過して車室内に吹き出す風量を調節する温風調
整ドア（温風調整手段）である。３２は車室内に吹き出
す空気の通路を構成するとともに、温水ヒータ３０及び
第２高圧側熱交換器３を収納する空調ケーシングであ
り、３３は車室内に空気を送風する遠心式の送風機であ
る。なお、本実施形態では、第１高圧側熱交換器２は、
温水ヒータ３０より冷却水流れ下流側に配設されてＦＣ
スタック２０に流入する冷却水を加熱し、第２高圧側熱
交換器３は温水ヒータ３０より空気流れ上流側に配設さ
れて車室内に吹き出す空気を加熱している。次に、本実
施形態の作動を述べる。 １．ＦＣスタック２０の暖機運転 ＦＣスタック２０の温度が低いときにＦＣスタック２０
を始動させるには、前述のごとく、ＦＣスタック２０を
加熱昇温させる（暖機運転する）必要がある。そこで、
ＦＣスタック２０を暖機運転するには、車室内に吹き出
す空気が温水ヒータ３０を通過しないように温風調整ド
ア３１にて温水ヒータ３０のコア面（空気が通過する部
位）を閉じるとともに、流量調整弁２５によりラジエー
タ２３側の冷却水通路を閉じ、かつ、バイパス回路２４
側に冷却水が流通するようにし、さらに、第１、２ポン
プ２１、２２、圧縮機１及び外気用送風機１４を稼働さ
せる。これにより、第１高圧側熱交換器２にて加熱され
た冷却水によりＦＣスタック２０が加熱昇温される。こ
のとき、温風調整ドア３１にて温水ヒータ３０のコア面
（空気が通過する部位）を閉じ、かつ、流量調整弁２５
によりラジエータ２３側の冷却水通路を閉じているの
で、ヒートポンプからＦＣスタック２０に与えられた熱
がＦＣスタック２０外に放熱してしまうことを最小限に
止めることができる。また、圧縮機１を起動した直後
は、冷却水の温度が低いことと相まって高圧側冷媒温度
Ｔｏｕｔが低いので、目標高圧側冷媒圧力Ｐｏは比較的
低い圧力に設定される（図４参照）。ところで、最適制
御線ηｍａｘの傾き（圧力／比エンタルピ）は、図８に
示すように、等エントロピ線（圧縮機１における状態変
化を示す線）の傾き（圧力／比エンタルピ）に比べて小
さいので、目標高圧側冷媒圧力Ｐｏが低い方が第１高圧
側熱交換器２にて大きな熱量（エンタルピ）を取り出す
ことができる。したがって、圧縮機１を起動した直後
（高圧側冷媒温度Ｔｏｕｔが低いとき）は、高圧側冷媒
温度Ｔｏｕｔが高くなったときに比べて、ヒートポンプ
からＦＣスタック２０に対して多くの熱量を与えること
ができる。因みに、圧縮機１を起動した直後は、高圧側
冷媒温度Ｔｏｕｔが低いので、車室内に吹き出す空気を
十分に加熱することができないので、送風機３３は停止
させる。なお、本実施形態において、ＦＣスタック２０
をヒートポンプにて加熱昇温さるには、少なくとも第１
ポンプ２１を稼働させれば良いが、本実施形態では、２
つのポンプ２１、２２を稼働させてＦＣスタック２０内
を循環する冷却水量を増大させてＦＣスタック２０全体
を均一（ムラ無く）加熱昇温するようにしている。 ２．ＦＣスタック２０の暖機運転終了後 ＦＣスタック２０の暖機運転が終了した後は、ＦＣスタ
ック２０から流出する冷却水の温度も高い（約８０℃以
上）ので、流量調整弁２５を作動させて冷却水温度が約
７５℃〜８５℃となるようにラジエータ２３に流通させ
る冷却水量とバイパス回路２４に流通させる冷却水量と
を調節する。このとき、温風調整ドア３１を作動させて
温水ヒータ３０のコア面（空気が通過する部位）を開い
て、ＦＣスタック２０の廃熱も利用して車室内に吹き出
す空気を加熱してもよい。また、高圧側冷媒温度Ｔｏｕ
ｔが暖房を行うに十分な温度（約３０℃〜３５℃）まで
上昇したときには、送風機３３を稼働させて車室内に吹
き出す空気を加熱する。ところで、暖機運転終了後にお
いては、第１高圧側熱交換器２にてＦＣスタック２０に
流入する冷却水を加熱する必要はないが、暖機運転終了
後においては、冷却水の温度が上昇しているため、実質
的に第１高圧側熱交換器２において熱交換が行われな
い。そこで、本実施形態では、暖機運転終了後において
も圧縮機１を稼働させて第２高圧側熱交換器３による空
気加熱を行っている。なお、冷却水の温度の上昇ととも
に目標高圧側冷媒圧力Ｐｏが高くなり、第１高圧側熱交
換器２にて取り出すことができる熱量（エンタルピ）が
減少していくが、第１、２実施形態と同様に、第２高圧
側熱交換器３からも熱量（エンタルピ）を取り出してい
るので、ヒートポンプから取り出すことができる熱量
（エンタルピ）が減少してヒートポンプの成績係数（Ｃ
ＯＰ）が悪化してしまうことを防止できる。 （第４実施形態）第３実施形態では暖房運転専用の空調
装置であったが、本実施形態は、冷房運転と暖房運転と
を切り替えることができる空調装置としたものである。
なお、冷暖房可能なヒートポンプでは、周知のごとく、
熱交換器の機能が冷房運転時と暖房運転時とで切り替わ
るので、本実施形態から第６実施形態においては、第１
高圧側熱交換器２を高圧側熱交換器２と呼び、第２高圧
側熱交換器３を室内熱交換器３と呼び、低圧側熱交換器
５を室外熱交換器と呼ぶ。具体的には、図９、１０に示
すように、暖房運転時においては第３実施形態と同様
に、冷媒が圧縮機１→高圧側熱交換器２→室内熱交換器
３→圧力制御弁４→室外熱交換器５→アキュムレータ６
→圧縮機１の順で循環させ、冷房運転時においては、冷
媒が圧縮機１→室外熱交換器５→圧力制御弁４→室内熱
交換器３→アキュムレータ６→圧縮機１の順で循環させ
ることができるように、バルブ４１〜４５及び冷媒配管
を設けたものである。因みに、バルブ４１〜４４は２方
式の電磁開閉バルブであり、バルブ４５は流路を切り替
えることができる４方弁式の電磁バルブである。なお、
冷房運転時においては、温風調整ドア３１にて温水ヒー
タ３０のコア面（空気が通過する部位）を閉じて室内熱
交換器３にて冷却された空気がＦＣスタック２０の廃熱
により加熱されることを防止する。また、除湿運転をす
るときは、冷媒を冷房運転と同様に、圧縮機１→室外熱
交換器５→圧力制御弁４→室内熱交換器３→アキュムレ
ータ６→圧縮機１の順で循環させるとともに、温風調整
ドア３１を作動させて温水ヒータ３０のコア面（空気が
通過する部位）を開いて室内熱交換器３にて冷却された
空気を加熱昇温させる。 （第５実施形態）第４実施形態では、室内熱交換器３は
冷房時においては蒸発器（低圧側熱交換器）として機能
し、暖房時には放熱器（高圧側熱交換器）として機能す
るので、冷房運転又は除湿運転から暖房運転に切り替わ
った直後においては、冷房運転時又は除湿運転時に室内
熱交換交換機３の表面に付着していた凝縮水が加熱され
て蒸発してしまう。このため、蒸発した水蒸気が暖房用
の加熱空気と共に車室内に吹き出してしまうので、車両
窓ガラスが曇ってしまうという問題が発生する可能性が
ある。そこで、本実施形態では、図１１、１２に示すよ
うに、室内熱交換器３を放熱器（高圧側熱交換器）専用
の熱交換器として機能させるとともに、空調ケーシング
３２内に室内熱交換器３に加えて、蒸発器（低圧側熱交
換器）専用の第２の室内熱交換器３４を設けたものであ
る。なお、本実施形態では、暖房運転時専用の圧力制御
弁４ａと冷房運転（除湿運転）時専用の圧力制御弁４ｂ
とを設けて、暖房運転と冷房（除湿）運転とで異なる圧
力制御弁４ａ、４ｂでヒートポンプを制御している。ま
た、４６〜４８は冷媒流路（配管）を開閉するバルブで
あり、４９は冷媒が高圧側熱交換器３から圧力制御弁４
ａ側にのみ流通することを許容する逆止弁である。そし
て、暖房運転時においては、冷媒を圧縮機１→高圧側熱
交換器２→室内熱交換器３→逆止弁４９→圧力制御弁４
ａ→室外熱交換器５→アキュムレータ６→圧縮機１の順
で循環させ、冷房運転時においては、冷媒を圧縮機１→
室外熱交換器５→圧力制御弁４ｂ→第２の室内熱交換器
３４→アキュムレータ６→圧縮機１の順で循環させる。
なお、冷房運転時においては、温風調整ドア３１にて温
水ヒータ３０のコア面（空気が通過する部位）を閉じて
室内熱交換器３にて冷却された空気がＦＣスタック２０
の廃熱により加熱されることを防止する。また、除湿運
転をするときは、冷媒を冷房運転と同様に、冷媒を圧縮
機１→室外熱交換器５→圧力制御弁４ｂ→第２の室内熱
交換器３４→アキュムレータ６→圧縮機１の順で循環さ
せるとともに、温風調整ドア３１を作動させて温水ヒー
タ３０のコア面（空気が通過する部位）を開いて第２の
室内熱交換器３４にて冷却された空気を加熱昇温させ
る。これにより、冷房運転時又は除湿運転時に室内熱交
換交換機３の表面に付着していた凝縮水が加熱されて蒸
発してしまうことを防止できるので、車両窓ガラスの曇
りを未然に防止できる。なお、第２の室内熱交換器３４
は、図１１、１２に示すように、室内熱交換器３に対し
て空気流れ上流側及び下流側のいずれであってもよい
が、第２の室内熱交換器３４は蒸発器として機能するの
で、図１１に示すように、室内熱交換器３に対して空気
流れ上流側に配設した方がよい。 （第６実施形態）本実施形態は、ヒートポンプのみで冷
房運転及び暖房運転を行うことができるようにしたもの
で、具体的には、図１３に示すように、温水ヒータ３０
を廃止して室内熱交換器３にて車室内に吹き出す空気を
加熱し、第２の室内熱交換器３４にて車室内に吹き出す
空気を冷却するとともに、温風調整ドア３１により室内
熱交換器３を通過する風量を調節する。そして、暖房運
転時においては、冷媒を圧縮機１→高圧側熱交換器２→
室内熱交換器３→逆止弁４９→圧力制御弁４ａ→室外熱
交換器５→アキュムレータ６→圧縮機１の順で循環さ
せ、冷房運転時においては、冷媒を圧縮機１→室外熱交
換器５→圧力制御弁４ｂ→第２の室内熱交換器３４→ア
キュムレータ６→圧縮機１の順で循環させる。また、除
湿運転時おいては、冷媒を圧縮機１→高圧側熱交換器２
→室内熱交換器３→逆止弁４９→圧力制御弁４ａ→室外
熱交換器５→圧力制御弁４ｂ→第２の室内熱交換器３４
→アキュムレータ６→圧縮機１の順で循環させるととも
に、圧力制御弁４ａを全開として圧力制御弁４ａで冷媒
が減圧しないようにする。なお、冷房運転時に除湿運転
時と同様に冷媒を循環させて、温風調整ドア３１により
室内熱交換器３を通過する風量を調節することにより、
車室内に吹き出す空気の温度を調節してもよい。 （第７実施形態）本実施形態は、図１４に示すように、
比較的小さな熱容量を有する複数個（本実施形態では、
４個）のＦＣスタック２０１〜２０４からＦＣスタック
２０を構成するとともに、これらＦＣスタック２０１〜
２０４のうち、ＦＣスタック２０を構成する個数より少
ない個数（本実施形態では、１個）のＦＣスタック２０
１に対して優先的に温水（第１高圧側熱交換器２にて加
熱された冷却水）を供給し、その後、その優先的に温水
が供給されたＦＣスタック２０１（以下、第１ＦＣスタ
ック２０１と呼ぶ。）の暖機運転が終了して第１ＦＣス
タック２０１にて発電可能となったときに、その他のＦ
Ｃスタック２０２〜２０４に温水を供給するものであ
る。なお、７１は第１ＦＣスタック２０１のみに温水
（第１高圧側熱交換器２にて加熱された冷却水）を供給
する場合と、第１〜４ＦＣスタック２０１〜２０４の全
てに温水を供給する場合とを切り替えるバルブである。
また、６０１は第１ＦＣスタック２０１に流入する温水
の温度を検出する水温センサ（温水温度検出手段）であ
り、６０２〜６０５は各ＦＣスタック２０１〜２０４の
温度を検出する第１〜４ＦＣ温度センサ（燃料電池温度
検出手段）である。そして、各センサ６０１〜６０５の
検出温度は、バルブ７１の作動を制御する電子制御装置
（ＥＣＵ）７０に入力されている。以下、図１５、１６
に示すフローチャートに基づいて本実施形態の特徴的作
動を述べる。ＦＣスタック２０の始動スイッチ（図示せ
ず。）が投入されると、先ず、第１〜４ＦＣ温度センサ
６０２〜６０５の検出温度（第１〜４ＦＣ温度）Ｔｆｃ
１〜Ｔｆｃ４を読み込む（Ｓ３００）。そして、第１〜
４ＦＣ温度Ｔｆｃ１〜Ｔｆｃ４が０℃より高いか否かを
判定し（Ｓ３１０）、第１〜４ＦＣ温度Ｔｆｃ１〜Ｔｆ
ｃ４が０℃より高いときには、バルブ７１を開いて第１
〜４ＦＣスタック２０１〜２０４の全てに温水を供給す
ることができる状態として（Ｓ３２０）、第３実施形態
と同様に、流量調整弁２５によりラジエータ２３に流通
させる冷却水量とバイパス回路２４に流通させる冷却水
量とを調節してＦＣスタック２０の温度を適正温度に制
御（通常制御）する。一方、第１〜４ＦＣ温度Ｔｆｃ１
〜Ｔｆｃ４が０℃以下であるときには、バルブ７１を閉
じて第１ＦＣスタック２０１のみに温水を供給する状態
として、第１ポンプ２１及び圧縮機１（ヒートポンプ）
を稼働させる（Ｓ３３０〜Ｓ３５０）。次に、第１ＦＣ
温度Ｔｆｃ１が発電可能な温度（０℃）以上となったと
きに、第１ＦＣスタック２０１に空気（酸素）と水素と
を供給して第１ＦＣスタック２０１で発電を開始し（Ｓ
３６０〜Ｓ３８０）、かつ、第１ＦＣ温度Ｔｆｃ１が適
正温度の上限温度より高い所定温度（本実施形態では、
１００℃）を超えるまでバルブ７１を閉じて第１ＦＣス
タック２０１のみに温水を供給する（Ｓ３９０、Ｓ４０
０）。そして、第１ＦＣ温度Ｔｆｃ１が所定温度（本実
施形態では、１００℃）を超えたときには、バルブ７１
を開いて第１〜４ＦＣスタック２０１〜２０４の全てに
温水を供給することができる状態として温水を第１〜４
ＦＣスタック２０１〜２０４全てに供給する（Ｓ４１
０）。このとき、第２〜４ＦＣ温度Ｔｆｃ２〜Ｔｆｃ４
が０℃より高いか否かを判定し（Ｓ４１０）、第２〜４
ＦＣ温度Ｔｆｃ２〜Ｔｆｃ４が０℃より高くなったとき
には、第３実施形態と同様に、流量調整弁２５によりラ
ジエータ２３に流通させる冷却水量とバイパス回路２４
に流通させる冷却水量とを調節してＦＣスタック２０の
温度を適正温度に制御する（Ｓ４２０、Ｓ４３０）。一
方、第２〜４ＦＣ温度Ｔｆｃ２〜Ｔｆｃ４が０℃以下の
ときには、第１ＦＣスタック２０１が発電不可能な温度
まで低下してしまうおそれがあるので、第１ＦＣスタッ
ク２０１に流入する温水の温度（水温センサ６０１の検
出温度）Ｔｗ１が適正温度の下限温度より低い所定温度
（本実施形態では、５０℃）より低いか否かを判定する
（Ｓ４４０、Ｓ４５０）。そして、温度Ｔｗ１が所定温
度以上であるときは、バルブ７１を開いて第１〜４ＦＣ
スタック２０１〜２０４全てに温水を供給し、一方、温
度Ｔｗ１が所定温度より低いときには、バルブ７１を閉
じて第１ＦＣスタック２０１のみに温水を供給する。次
に本実施形態の特徴を述べる。ＦＣスタック２０を構成
する個数より少ない個数（本実施形態では、１個）のＦ
Ｃスタック２０１に対して優先的に温水（第１高圧側熱
交換器２にて加熱された冷却水）を供給するので、大き
な熱容量を有する１個のＦＣスタック２０を加熱昇温す
る場合に比べて、短い時間で発電を開始することができ
る。なお、短い時間で発電を開始することができるのは
第１ＦＣスタック２０１のみであるので、ＦＣスタック
２０全体で見ると発電量は小さいものの、発電可能とな
った第１ＦＣスタック２０１では廃熱が発生するので、
この第１ＦＣスタック２０１で発生する廃熱をその他の
ＦＣスタック２０２〜２０４に供給することができる。
したがって、ＦＣスタック２０全体で見ても、単体のＦ
Ｃスタック２０を加熱昇温させる場合に比べて、短い時
間でＦＣスタック２０を発電可能な温度まで加熱昇温さ
せることができる。また、ＦＣスタック２０の暖機運転
が終了する前（発電可能となる前）においては、圧縮機
１はバッテリ（図示せず。）から電力を得て稼働する
が、バッテリのみで圧縮機１を稼働させると、バッテリ
が早期に上がって（放電して）しまう可能性がある。こ
れに対して、本実施形態では、短い時間でＦＣスタック
２０を発電可能な温度まで加熱昇温させることができる
ので、バッテリのみで圧縮機１を稼働させる時間を短縮
することができ、バッテリが早期に上がって（放電し
て）しまうことを防止できる。なお、図１４では第３実
施形態に係るヒートポンプを例に本実施形態を説明した
が、本実施形態はこれに限定されるものではなく、第４
〜６実施形態に係るヒートポンプ（ＦＣスタックの加熱
装置）に対しても適用することができる。 （第８実施形態）本実施形態は、第４実施形態（図１
０）の変形例であり、図１７は本実施形態に係るヒート
ポンプの模式図である。そして、本実施形態では、第４
実施形態（図１０）に対して、ＦＣスタック２０から流
出した冷却水を温水ヒータ３０を迂回させてＦＣスタッ
ク２０に戻すバイパス回路１１１、このバイパス回路１
１１に流れる流量と温水ヒータ３０に流れる流量を調節
する流量調節弁１１０、ヒートポンプ内を循環する高圧
側冷媒と低圧冷媒とを熱交換する内部熱交換器１０１、
及び室外器５の冷媒流出側に冷媒温度センサ１２０を設
けている。次に、本実施形態の特徴的作動及びその効果
を述べる。 １．冷房運転時 冷房運転時には、圧縮機１→第１高圧側熱交換器２→バ
ルブ（四方弁）４５→室外熱交換器器５→内部熱交換器
１０１→圧力制御弁４→室内熱交換器３→アキュムレー
タ６→圧縮機１の順で冷媒を循環させる。一方、温風調
整ドア３１にて温水ヒータ３０のコア面（空気が通過す
る部位）を閉じて室内熱交換器３にて冷却された空気が
ＦＣスタック２０の廃熱により加熱されることを防止し
た状態で、冷却水をＦＣスタック２０→流量調節弁１１
０→第１高圧側熱交換器２→温水ヒータ３０→第１ポン
プ２１→ＦＣスタック２０の順に循環させる。 ２．暖房運転時 ＦＣスタック２０から流出する冷却水の温度が所定温度
（暖房を行うに十分な温度）未満であるときには、圧縮
機１→第１高圧側熱交換器２→バルブ（四方弁）４５→
室内熱交換器３→内部熱交換器１０１→圧力制御弁４→
室外熱交換器器５→アキュムレータ６→圧縮機１の順で
冷媒を循環させつつ、流量調節弁１１０→第１高圧側熱
交換器２→温水ヒータ３０→第１ポンプ２１→バイパス
回路１１１→流量調節弁１１０の順で冷却水を循環させ
る。これにより、ヒートポンプで生成された熱の一部
は、第１高圧側熱交換器２にて冷却水に与えられて温水
ヒータ３０から車室内に吹き出す空気中に放出され、そ
の他の熱の一部は室内熱交換器３にて車室内に吹き出す
空気中に放出される。このとき、温水ヒータ３０は、室
内熱交換器３にて加熱された後の空気と熱交換すること
なるが、第１高圧側熱交換器２の冷媒温度は、室内熱交
換器３の冷媒温度より高いので、温水ヒータ３０にて室
内熱交換器３にて加熱された後の空気を更に加熱するこ
とができる。したがって、本実施形態に係るヒートポン
プでは、ヒートポンプから取り出すことができる熱量
（エンタルピ）が減少してヒートポンプの成績係数（Ｃ
ＯＰ）が悪化してしまうことを防止しつつ、車室内に吹
き出す空気の温度を早期に上昇させることができる。ま
た、ＦＣスタック２０の熱が温水ヒータ３０（空調装
置）側に奪われしまうことを防止できるので、ＦＣスタ
ック２０の暖機運転を早期に完了させることができる。
そして、ＦＣスタック２０から流出する冷却水の温度
が、温水ヒータ３０から流出する冷却水温度以上となっ
たときには、圧縮機１（ヒートポンプ）を停止するとと
もに、流量調節弁１１０を作動させてＦＣスタック２０
から温水ヒータ３０に冷却水（温水）を供給する。な
お、本実施形態では、ＦＣスタック２０から流出する冷
却水の温度が、温水ヒータ３０から流出する冷却水温度
以上となったときには、ＦＣスタック２０の廃熱のみで
暖房を行ったが、本実施形態はこれに限定されるもので
はなく、ＦＣスタック２０の廃熱とヒートポンプの両者
で暖房を行ってよい。 （その他の実施形態）第１、２実施形態では、本発明を
床暖房に適用し、第３〜７実施形態では、燃料電池車両
に本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるもの
ではなく、その他のものにも適用することができる。ま
た、第７実施形態では、ＦＣスタック２０の加熱にのみ
適用することができるものではなく、床暖房等の比較的
大きな熱容量を有するものの加熱昇温に適用することが
できる。また、第３〜８実施形態では、（廃）熱源とし
て、ＦＣスタック２０を使用したが、本発明はこれに限
定されるものではなく、内燃機関等のその他の発熱体を
熱源としてもよい。
本発明に係るヒートポンプを家庭用暖房装置に適用した
もので、図１は本実施形態に係る家庭用暖房装置の模式
図である。図１中、１は冷媒（本実施形態では、二酸化
炭素）を吸入し、冷媒を冷媒の臨界圧力以上まで圧縮す
る圧縮機であり、２は圧縮機１から吐出した高圧冷媒と
床暖房用給湯水（以下、給湯水と略す。）とを熱交換す
る第１高圧側熱交換器（主熱交換器）である。３は第１
高圧側熱交換器２から流出した高圧冷媒と浴室（図示せ
ず。）内に吹き出す空気とを熱交換させる第２高圧側熱
交換器（副熱交換器）であり、４は第２高圧側熱交換器
３から流出した高圧冷媒を減圧するとともに、高圧側の
冷媒圧力（圧縮機１の吐出圧）を制御する電子式の圧力
制御弁（減圧手段）である。５は圧力制御弁４にて減圧
された低圧冷媒を蒸発させて外気（戸外空気）から熱を
吸収する低圧側熱交換器（蒸発器）であり、６はヒート
ポンプ中の余剰冷媒を蓄えるとともに、低圧側熱交換器
５から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して
気相冷媒を圧縮機１の吸入側に流出するアキュムレータ
（気液分離手段）である。７は第１高圧側熱交換器２と
第２高圧側熱交換器３との間の冷媒温度（以下、この温
度を高圧冷媒温度Ｔｏｕｔと呼ぶ。）を検出する冷媒温
度センサ（冷媒温度検出手段）であり、８は第１高圧側
熱交換器２と第２高圧側熱交換器３との間の冷媒圧力
（以下、この圧力を高圧冷媒圧力Ｐｈと呼ぶ。）を検出
する冷媒圧力センサ（冷媒圧力検出手段）である。そし
て、両センサ７、８の検出信号は、電子制御装置（ＥＣ
Ｕ）９に入力されており、ＥＣＵ９は、両センサ７、８
の検出信号に基づいて予め設定されたプログラムに従っ
て圧力制御弁４の開度を調節する。なお、１０は第１高
圧側熱交換器２にて加熱された給湯水にて戸内の床を加
熱する暖房用ヒータであり、１１は第１高圧側熱交換器
２と暖房用ヒータとの間に給湯水を繰り返して循環させ
るポンプである。また、１２は第２高圧側熱交換器３に
て加熱された空気を浴室に送風する浴室暖房（乾燥）用
送風機でり、１３は第２高圧側熱交換器３にて加熱され
た空気の通路を構成するダクトであり、１４は低圧側熱
交換器５に外気を送風する外気用送風機である。次に、
本実施形態に係るヒートポンプの作動（圧力制御弁４の
制御）を図２に示すフローチャートに基づいて述べる。
ヒートポンプの始動スイッチ（図示せず。）が投入（Ｏ
Ｎ）されると、先ず、高圧側冷媒温度Ｔｏｕｔを読み込
む（Ｓ１００）。次に、図示しない制御マップから高圧
側冷媒温度Ｔｏｕｔに対応する目標高圧側冷媒圧力Ｐｏ
を算出し（Ｓ１１０）、この算出した目標高圧側冷媒圧
力Ｐｏが許容上限圧力Ｐｍａｘより大きいか否かを判定
する（Ｓ１２０）。そして、目標高圧側冷媒圧力Ｐｏが
許容上限圧力Ｐｍａｘより大きいときには、高圧冷媒圧
力Ｐｈが許容上限圧力Ｐｍａｘとなるように圧力制御弁
４の開度を調節し（Ｓ１３０）、一方、目標高圧側冷媒
圧力Ｐｏが許容上限圧力Ｐｍａｘ以下のときには、高圧
冷媒圧力Ｐｈが目標高圧側冷媒圧力Ｐｏとなるように圧
力制御弁４の開度を調節する（Ｓ１４０）。なお、目標
高圧側冷媒圧力Ｐｏとは、高圧冷媒温度Ｔｏｕｔに対し
てヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）が最大となるよう
な高圧側冷媒圧力を言う。最適制御線ηｍａｘは、高圧
側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力より高い超臨界域にあると
きは約６００ｋｇ／ｍ3 の等密度線に沿っており、高圧
側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以下にあるときは約５℃の
過冷却度となるように設定されている。また、許容上限
圧力Ｐｍａｘは、圧縮機１の耐熱（許容）温度及び許容
圧力によって適宜選定されるもので、本実施形態では、
１２ＭＰａである。次に、本実施形態の特徴を述べる。
ところで、本実施形態では、第１高圧側熱交換器２で
は、第１高圧側熱交換器２と暖房用ヒータ１０とからな
る閉じた温水回路を循環する給湯水と冷媒との間で熱交
換が行われるのに対して、ダクト１３によって形成され
る空気通路は、温水回路のように完全に閉じた回路では
なく、むしろ開いた回路であるので、第２高圧側熱交換
器３では、開いた回路を流通する空気と冷媒との間で熱
交換が行われることとなる。このため、第１高圧側熱交
換器２に流入する給湯水の温度は次第に上昇していくの
に対して、第２高圧側熱交換器３に流入する空気（以
下、この空気を吸入空気と呼ぶ。）は、給湯水の温度上
昇に比べると、十分に小さい。したがって、ヒートポン
プを始動した直後においては、給湯水と冷媒との温度
差、及び吸入空気と冷媒との温度差は共に比較的大きい
が、ヒートポンプの運転開始とともに給湯水の温度が次
第に上昇して給湯水と冷媒との温度差は縮小していくの
に対して、吸入空気の温度上昇は給湯水の温度上昇に比
べると十分に小さいため、吸入空気と冷媒との温度差の
縮小量は、給湯水と冷媒との温度差の縮小量に比べて十
分に小さい。このため、給湯水と冷媒との温度差が縮小
し、第１高圧側熱交換器２にて取り出すことができる熱
量（エンタルピ）の減少量が顕著になってる場合におい
ては、第１高圧側熱交換器２に流入する給湯水の温度は
第２高圧側熱交換器３に流入する空気の温度より高くな
っている。したがって、本実施形態では、第１高圧側熱
交換器２にて取り出すことができる熱量（エンタルピ）
の減少量が顕著になってる場合においても、第２高圧側
熱交換器３において冷媒から熱（エンタルピ）を取り出
すことができるので、図３に示すように、本実施形態に
係るヒートポンプでは、第１高圧側熱交換器２にて取り
出すことができる熱量δ１と第２高圧側熱交換器３にて
取り出すことができる熱量δ２との和となる。以上に述
べたように、本実施形態に係るヒートポンプでは、ヒー
トポンプから取り出すことができる熱量（エンタルピ）
が減少してヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）が悪化し
てしまうことを防止できる。ところで、圧力制御弁４
は、高圧側冷媒温度Ｔｏｕｔと高圧側冷媒圧力Ｐｈとが
最適制御線ηｍａｘで示される関係となるようにその開
度を制御するので、高圧側冷媒温度Ｔｏｕｔが上昇して
いくと、目標高圧側冷媒圧力Ｐｏ（＝高圧側冷媒圧力Ｐ
ｈ）が上昇していく。このとき、本実施形態では、給湯
水の温度を特に制御していないので、ヒートポンプを稼
働し続けると、給湯水の温度及び高圧側冷媒圧力Ｐｈが
過度に上昇してしまい、圧縮機１に損傷が発生するおそ
れがある。そこで、本実施形態では、高圧側圧力Ｐｈ
（吐出圧）が許容上限圧力Ｐｍａｘ以下となるように、
高圧側冷媒温度Ｔｏｕｔに基づいて高圧側冷媒圧力Ｐｈ
を制御しているので、圧縮機１が損傷してしまうことを
未然に防止することができる。ところで、圧力制御弁４
は、前述のごとく、高圧側冷媒温度Ｔｏｕｔと高圧側冷
媒圧力Ｐｈとが最適制御線ηｍａｘで示される関係とな
るようにその開度を制御するので、仮に、高圧側冷媒温
度Ｔｏｕｔを第２高圧側熱交換器３の出口側で検出する
と、検出する高圧側冷媒温度Ｔｏｕｔが低くなるので、
図４に示すように、目標高圧側冷媒圧力Ｐｏ（＝高圧側
冷媒圧力Ｐｈ）も低くなってしまい、給湯水の温度を暖
房を行うに十分な温度まで上昇させることができなくな
るおそれがある。これに対して、本実施形態では、第１
高圧側熱交換器２と第２高圧側熱交換器３との間で高圧
冷媒温度Ｔｏｕｔを検出しているので、目標高圧側冷媒
圧力Ｐｏ（＝高圧側冷媒圧力Ｐｈ）も低くなってしまう
ことを防止することができ、給湯水の温度を暖房を行う
に十分な温度まで確実に上昇させることができる。因み
に、図５は本実施形態に係るヒートポンプから取り出す
ことができる熱量の向上率（エンタルピ差向上率）と高
圧側冷媒温度Ｔｏｕｔとの関係を示すグラフであり、本
実施形態によれば、冷媒の種類に関係なく、ヒートポン
プから取り出すことができる熱量（エンタルピ）が減少
してヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）が悪化してしま
うことを防止できることが判る。なお、浴室を暖房する
（乾燥させる）空気の温度を高めたいときは、ダクト１
３内に電気ヒータ等の加熱手段を配設してもよい。ま
た、ポンプ１１を停止させて浴室の暖房（乾燥）のみを
行ってもよい。 （第２実施形態）第１実施形態では、許容上限圧力Ｐｍ
ａｘは固定値であったが、本実施形態は、許容上限圧力
Ｐｍａｘを外気温度（低圧側熱交換器５内の圧力（蒸発
圧力）又は低圧側熱交換器５内の冷媒温度（蒸発温
度））に基づいて変化させるものである。すなわち、圧
縮機１から吐出する冷媒の温度（以下、吐出冷媒温度と
呼ぶ。）は、吐出圧（高圧側冷媒圧力）及び圧縮機１の
吸入冷媒温度（＝蒸発温度）又は吸入冷媒圧力（＝蒸発
圧力）によって決定するので、吐出圧が一定（同じ）で
あっても、吸入冷媒温度（吸入冷媒圧力）が低くなる
と、吐出冷媒温度が上昇する。このため、高圧側冷媒圧
力Ｐｈが許容上限圧力Ｐｍａｘ以下であっても、吐出冷
媒温度が圧縮機１の耐熱（許容）温度を超えてしまう場
合がある。また逆に、高圧側冷媒圧力Ｐｈが許容上限圧
力Ｐｍａｘ以下であっても、吐出冷媒温度が低く、暖房
を行うに十分な温度まで給湯水を加熱することができな
い場合がある。そこで、本実施形態では、低圧側熱交換
器５における蒸発圧力（外気温度）の上昇に応じて、許
容上限圧力Ｐｍａｘが高くなるように許容上限圧力Ｐｍ
ａｘ変化させることにより、給湯水を十分に加熱しつ
つ、吐出冷媒温度が圧縮機１の耐熱（許容）温度以下と
なるように圧力制御弁４を制御している。以下、図６に
示すフローチャートに基づいて本実施形態の制御フロー
について述べる。ヒートポンプの始動スイッチが投入
（ＯＮ）されると、先ず、高圧側冷媒温度Ｔｏｕｔを読
み込み（Ｓ２００）、図示しない制御マップから高圧側
冷媒温度Ｔｏｕｔに対応する目標高圧側冷媒圧力Ｐｏを
算出する（Ｓ２１０）。次に、外気温度を検出する外気
温度センサ（図示せず。）の検出温度Ｔを読み込み（Ｓ
２２０）、この検出した外気温度Ｔに基づいて許容上限
圧力Ｐｍａｘを算出する（Ｓ２３０）。そして、目標高
圧側冷媒圧力ＰｏがＳ２３０にて算出した許容上限圧力
Ｐｍａｘより大きいか否かを判定し（Ｓ２４０）、目標
高圧側冷媒圧力Ｐｏが許容上限圧力Ｐｍａｘより大きい
ときには、高圧冷媒圧力Ｐｈが許容上限圧力Ｐｍａｘと
なるように圧力制御弁４の開度を調節し（Ｓ２５０）、
一方、目標高圧側冷媒圧力Ｐｏが許容上限圧力Ｐｍａｘ
以下のときには、高圧冷媒圧力Ｐｈが目標高圧側冷媒圧
力Ｐｏとなるように圧力制御弁４の開度を調節する（Ｓ
２６０）。 （第３実施形態）本実施形態は、本発明に係るヒートポ
ンプを車両用暖房装置と燃料電池（ＦＣスタック）の加
熱に用いたもので、図７は本実施形態に係るヒートポン
プの模式図である。以下、第１、２実施形態との相違点
を中心に本実施形態を説明する。図７中、２０は水素と
酸素との化学反応させることにより電力を発生させる燃
料電池（ＦＣスタック）であり、２１、２２は冷却水
（温水）を循環させる第１、２ポンプである。２３はＦ
Ｃスタック２０から流出する冷却水を冷却するラジエー
タであり、２４はＦＣスタック２０から流出した冷却水
をラジエータ２３を迂回させてＦＣスタック２０に戻す
バイパス回路である。そして、サーモスタット等の冷却
水温度に応じて流量を調節する流量調整弁２５によりラ
ジエータ２３に流通させる冷却水量とバイパス回路２４
に流通させる冷却水量とを調節してＦＣスタック２０の
温度を適正温度（約７５℃〜８５℃）に制御している。
因みに、車両等の移動体の駆動源として考えられている
高分子電解質型ＦＣスタックにおいては、０℃以下の温
度条件では、電極近傍に存在している水分が凍結し、反
応ガスの拡散を阻害したり、電解質膜の電気伝導率が低
下すると言う問題がある。したがって、ＦＣスタックの
温度が０℃以下のときには、ＦＣスタックを作動可能温
度（０℃以上の温度で電池が発電可能な温度）以上まで
に加熱する必要がある。また逆に、ＦＣスタックは水素
と酸素との化学反応時に発熱するので、ＦＣスタックの
温度が過度に低下しない適度まで冷却する必要がある。
また、３０はＦＣスタック２０にて加熱された冷却水
（温水）を熱源として車室内に吹き出す空気を加熱する
温水ヒータ（室内熱交換器）であり、３１は温水ヒータ
３０を通過して車室内に吹き出す風量を調節する温風調
整ドア（温風調整手段）である。３２は車室内に吹き出
す空気の通路を構成するとともに、温水ヒータ３０及び
第２高圧側熱交換器３を収納する空調ケーシングであ
り、３３は車室内に空気を送風する遠心式の送風機であ
る。なお、本実施形態では、第１高圧側熱交換器２は、
温水ヒータ３０より冷却水流れ下流側に配設されてＦＣ
スタック２０に流入する冷却水を加熱し、第２高圧側熱
交換器３は温水ヒータ３０より空気流れ上流側に配設さ
れて車室内に吹き出す空気を加熱している。次に、本実
施形態の作動を述べる。 １．ＦＣスタック２０の暖機運転 ＦＣスタック２０の温度が低いときにＦＣスタック２０
を始動させるには、前述のごとく、ＦＣスタック２０を
加熱昇温させる（暖機運転する）必要がある。そこで、
ＦＣスタック２０を暖機運転するには、車室内に吹き出
す空気が温水ヒータ３０を通過しないように温風調整ド
ア３１にて温水ヒータ３０のコア面（空気が通過する部
位）を閉じるとともに、流量調整弁２５によりラジエー
タ２３側の冷却水通路を閉じ、かつ、バイパス回路２４
側に冷却水が流通するようにし、さらに、第１、２ポン
プ２１、２２、圧縮機１及び外気用送風機１４を稼働さ
せる。これにより、第１高圧側熱交換器２にて加熱され
た冷却水によりＦＣスタック２０が加熱昇温される。こ
のとき、温風調整ドア３１にて温水ヒータ３０のコア面
（空気が通過する部位）を閉じ、かつ、流量調整弁２５
によりラジエータ２３側の冷却水通路を閉じているの
で、ヒートポンプからＦＣスタック２０に与えられた熱
がＦＣスタック２０外に放熱してしまうことを最小限に
止めることができる。また、圧縮機１を起動した直後
は、冷却水の温度が低いことと相まって高圧側冷媒温度
Ｔｏｕｔが低いので、目標高圧側冷媒圧力Ｐｏは比較的
低い圧力に設定される（図４参照）。ところで、最適制
御線ηｍａｘの傾き（圧力／比エンタルピ）は、図８に
示すように、等エントロピ線（圧縮機１における状態変
化を示す線）の傾き（圧力／比エンタルピ）に比べて小
さいので、目標高圧側冷媒圧力Ｐｏが低い方が第１高圧
側熱交換器２にて大きな熱量（エンタルピ）を取り出す
ことができる。したがって、圧縮機１を起動した直後
（高圧側冷媒温度Ｔｏｕｔが低いとき）は、高圧側冷媒
温度Ｔｏｕｔが高くなったときに比べて、ヒートポンプ
からＦＣスタック２０に対して多くの熱量を与えること
ができる。因みに、圧縮機１を起動した直後は、高圧側
冷媒温度Ｔｏｕｔが低いので、車室内に吹き出す空気を
十分に加熱することができないので、送風機３３は停止
させる。なお、本実施形態において、ＦＣスタック２０
をヒートポンプにて加熱昇温さるには、少なくとも第１
ポンプ２１を稼働させれば良いが、本実施形態では、２
つのポンプ２１、２２を稼働させてＦＣスタック２０内
を循環する冷却水量を増大させてＦＣスタック２０全体
を均一（ムラ無く）加熱昇温するようにしている。 ２．ＦＣスタック２０の暖機運転終了後 ＦＣスタック２０の暖機運転が終了した後は、ＦＣスタ
ック２０から流出する冷却水の温度も高い（約８０℃以
上）ので、流量調整弁２５を作動させて冷却水温度が約
７５℃〜８５℃となるようにラジエータ２３に流通させ
る冷却水量とバイパス回路２４に流通させる冷却水量と
を調節する。このとき、温風調整ドア３１を作動させて
温水ヒータ３０のコア面（空気が通過する部位）を開い
て、ＦＣスタック２０の廃熱も利用して車室内に吹き出
す空気を加熱してもよい。また、高圧側冷媒温度Ｔｏｕ
ｔが暖房を行うに十分な温度（約３０℃〜３５℃）まで
上昇したときには、送風機３３を稼働させて車室内に吹
き出す空気を加熱する。ところで、暖機運転終了後にお
いては、第１高圧側熱交換器２にてＦＣスタック２０に
流入する冷却水を加熱する必要はないが、暖機運転終了
後においては、冷却水の温度が上昇しているため、実質
的に第１高圧側熱交換器２において熱交換が行われな
い。そこで、本実施形態では、暖機運転終了後において
も圧縮機１を稼働させて第２高圧側熱交換器３による空
気加熱を行っている。なお、冷却水の温度の上昇ととも
に目標高圧側冷媒圧力Ｐｏが高くなり、第１高圧側熱交
換器２にて取り出すことができる熱量（エンタルピ）が
減少していくが、第１、２実施形態と同様に、第２高圧
側熱交換器３からも熱量（エンタルピ）を取り出してい
るので、ヒートポンプから取り出すことができる熱量
（エンタルピ）が減少してヒートポンプの成績係数（Ｃ
ＯＰ）が悪化してしまうことを防止できる。 （第４実施形態）第３実施形態では暖房運転専用の空調
装置であったが、本実施形態は、冷房運転と暖房運転と
を切り替えることができる空調装置としたものである。
なお、冷暖房可能なヒートポンプでは、周知のごとく、
熱交換器の機能が冷房運転時と暖房運転時とで切り替わ
るので、本実施形態から第６実施形態においては、第１
高圧側熱交換器２を高圧側熱交換器２と呼び、第２高圧
側熱交換器３を室内熱交換器３と呼び、低圧側熱交換器
５を室外熱交換器と呼ぶ。具体的には、図９、１０に示
すように、暖房運転時においては第３実施形態と同様
に、冷媒が圧縮機１→高圧側熱交換器２→室内熱交換器
３→圧力制御弁４→室外熱交換器５→アキュムレータ６
→圧縮機１の順で循環させ、冷房運転時においては、冷
媒が圧縮機１→室外熱交換器５→圧力制御弁４→室内熱
交換器３→アキュムレータ６→圧縮機１の順で循環させ
ることができるように、バルブ４１〜４５及び冷媒配管
を設けたものである。因みに、バルブ４１〜４４は２方
式の電磁開閉バルブであり、バルブ４５は流路を切り替
えることができる４方弁式の電磁バルブである。なお、
冷房運転時においては、温風調整ドア３１にて温水ヒー
タ３０のコア面（空気が通過する部位）を閉じて室内熱
交換器３にて冷却された空気がＦＣスタック２０の廃熱
により加熱されることを防止する。また、除湿運転をす
るときは、冷媒を冷房運転と同様に、圧縮機１→室外熱
交換器５→圧力制御弁４→室内熱交換器３→アキュムレ
ータ６→圧縮機１の順で循環させるとともに、温風調整
ドア３１を作動させて温水ヒータ３０のコア面（空気が
通過する部位）を開いて室内熱交換器３にて冷却された
空気を加熱昇温させる。 （第５実施形態）第４実施形態では、室内熱交換器３は
冷房時においては蒸発器（低圧側熱交換器）として機能
し、暖房時には放熱器（高圧側熱交換器）として機能す
るので、冷房運転又は除湿運転から暖房運転に切り替わ
った直後においては、冷房運転時又は除湿運転時に室内
熱交換交換機３の表面に付着していた凝縮水が加熱され
て蒸発してしまう。このため、蒸発した水蒸気が暖房用
の加熱空気と共に車室内に吹き出してしまうので、車両
窓ガラスが曇ってしまうという問題が発生する可能性が
ある。そこで、本実施形態では、図１１、１２に示すよ
うに、室内熱交換器３を放熱器（高圧側熱交換器）専用
の熱交換器として機能させるとともに、空調ケーシング
３２内に室内熱交換器３に加えて、蒸発器（低圧側熱交
換器）専用の第２の室内熱交換器３４を設けたものであ
る。なお、本実施形態では、暖房運転時専用の圧力制御
弁４ａと冷房運転（除湿運転）時専用の圧力制御弁４ｂ
とを設けて、暖房運転と冷房（除湿）運転とで異なる圧
力制御弁４ａ、４ｂでヒートポンプを制御している。ま
た、４６〜４８は冷媒流路（配管）を開閉するバルブで
あり、４９は冷媒が高圧側熱交換器３から圧力制御弁４
ａ側にのみ流通することを許容する逆止弁である。そし
て、暖房運転時においては、冷媒を圧縮機１→高圧側熱
交換器２→室内熱交換器３→逆止弁４９→圧力制御弁４
ａ→室外熱交換器５→アキュムレータ６→圧縮機１の順
で循環させ、冷房運転時においては、冷媒を圧縮機１→
室外熱交換器５→圧力制御弁４ｂ→第２の室内熱交換器
３４→アキュムレータ６→圧縮機１の順で循環させる。
なお、冷房運転時においては、温風調整ドア３１にて温
水ヒータ３０のコア面（空気が通過する部位）を閉じて
室内熱交換器３にて冷却された空気がＦＣスタック２０
の廃熱により加熱されることを防止する。また、除湿運
転をするときは、冷媒を冷房運転と同様に、冷媒を圧縮
機１→室外熱交換器５→圧力制御弁４ｂ→第２の室内熱
交換器３４→アキュムレータ６→圧縮機１の順で循環さ
せるとともに、温風調整ドア３１を作動させて温水ヒー
タ３０のコア面（空気が通過する部位）を開いて第２の
室内熱交換器３４にて冷却された空気を加熱昇温させ
る。これにより、冷房運転時又は除湿運転時に室内熱交
換交換機３の表面に付着していた凝縮水が加熱されて蒸
発してしまうことを防止できるので、車両窓ガラスの曇
りを未然に防止できる。なお、第２の室内熱交換器３４
は、図１１、１２に示すように、室内熱交換器３に対し
て空気流れ上流側及び下流側のいずれであってもよい
が、第２の室内熱交換器３４は蒸発器として機能するの
で、図１１に示すように、室内熱交換器３に対して空気
流れ上流側に配設した方がよい。 （第６実施形態）本実施形態は、ヒートポンプのみで冷
房運転及び暖房運転を行うことができるようにしたもの
で、具体的には、図１３に示すように、温水ヒータ３０
を廃止して室内熱交換器３にて車室内に吹き出す空気を
加熱し、第２の室内熱交換器３４にて車室内に吹き出す
空気を冷却するとともに、温風調整ドア３１により室内
熱交換器３を通過する風量を調節する。そして、暖房運
転時においては、冷媒を圧縮機１→高圧側熱交換器２→
室内熱交換器３→逆止弁４９→圧力制御弁４ａ→室外熱
交換器５→アキュムレータ６→圧縮機１の順で循環さ
せ、冷房運転時においては、冷媒を圧縮機１→室外熱交
換器５→圧力制御弁４ｂ→第２の室内熱交換器３４→ア
キュムレータ６→圧縮機１の順で循環させる。また、除
湿運転時おいては、冷媒を圧縮機１→高圧側熱交換器２
→室内熱交換器３→逆止弁４９→圧力制御弁４ａ→室外
熱交換器５→圧力制御弁４ｂ→第２の室内熱交換器３４
→アキュムレータ６→圧縮機１の順で循環させるととも
に、圧力制御弁４ａを全開として圧力制御弁４ａで冷媒
が減圧しないようにする。なお、冷房運転時に除湿運転
時と同様に冷媒を循環させて、温風調整ドア３１により
室内熱交換器３を通過する風量を調節することにより、
車室内に吹き出す空気の温度を調節してもよい。 （第７実施形態）本実施形態は、図１４に示すように、
比較的小さな熱容量を有する複数個（本実施形態では、
４個）のＦＣスタック２０１〜２０４からＦＣスタック
２０を構成するとともに、これらＦＣスタック２０１〜
２０４のうち、ＦＣスタック２０を構成する個数より少
ない個数（本実施形態では、１個）のＦＣスタック２０
１に対して優先的に温水（第１高圧側熱交換器２にて加
熱された冷却水）を供給し、その後、その優先的に温水
が供給されたＦＣスタック２０１（以下、第１ＦＣスタ
ック２０１と呼ぶ。）の暖機運転が終了して第１ＦＣス
タック２０１にて発電可能となったときに、その他のＦ
Ｃスタック２０２〜２０４に温水を供給するものであ
る。なお、７１は第１ＦＣスタック２０１のみに温水
（第１高圧側熱交換器２にて加熱された冷却水）を供給
する場合と、第１〜４ＦＣスタック２０１〜２０４の全
てに温水を供給する場合とを切り替えるバルブである。
また、６０１は第１ＦＣスタック２０１に流入する温水
の温度を検出する水温センサ（温水温度検出手段）であ
り、６０２〜６０５は各ＦＣスタック２０１〜２０４の
温度を検出する第１〜４ＦＣ温度センサ（燃料電池温度
検出手段）である。そして、各センサ６０１〜６０５の
検出温度は、バルブ７１の作動を制御する電子制御装置
（ＥＣＵ）７０に入力されている。以下、図１５、１６
に示すフローチャートに基づいて本実施形態の特徴的作
動を述べる。ＦＣスタック２０の始動スイッチ（図示せ
ず。）が投入されると、先ず、第１〜４ＦＣ温度センサ
６０２〜６０５の検出温度（第１〜４ＦＣ温度）Ｔｆｃ
１〜Ｔｆｃ４を読み込む（Ｓ３００）。そして、第１〜
４ＦＣ温度Ｔｆｃ１〜Ｔｆｃ４が０℃より高いか否かを
判定し（Ｓ３１０）、第１〜４ＦＣ温度Ｔｆｃ１〜Ｔｆ
ｃ４が０℃より高いときには、バルブ７１を開いて第１
〜４ＦＣスタック２０１〜２０４の全てに温水を供給す
ることができる状態として（Ｓ３２０）、第３実施形態
と同様に、流量調整弁２５によりラジエータ２３に流通
させる冷却水量とバイパス回路２４に流通させる冷却水
量とを調節してＦＣスタック２０の温度を適正温度に制
御（通常制御）する。一方、第１〜４ＦＣ温度Ｔｆｃ１
〜Ｔｆｃ４が０℃以下であるときには、バルブ７１を閉
じて第１ＦＣスタック２０１のみに温水を供給する状態
として、第１ポンプ２１及び圧縮機１（ヒートポンプ）
を稼働させる（Ｓ３３０〜Ｓ３５０）。次に、第１ＦＣ
温度Ｔｆｃ１が発電可能な温度（０℃）以上となったと
きに、第１ＦＣスタック２０１に空気（酸素）と水素と
を供給して第１ＦＣスタック２０１で発電を開始し（Ｓ
３６０〜Ｓ３８０）、かつ、第１ＦＣ温度Ｔｆｃ１が適
正温度の上限温度より高い所定温度（本実施形態では、
１００℃）を超えるまでバルブ７１を閉じて第１ＦＣス
タック２０１のみに温水を供給する（Ｓ３９０、Ｓ４０
０）。そして、第１ＦＣ温度Ｔｆｃ１が所定温度（本実
施形態では、１００℃）を超えたときには、バルブ７１
を開いて第１〜４ＦＣスタック２０１〜２０４の全てに
温水を供給することができる状態として温水を第１〜４
ＦＣスタック２０１〜２０４全てに供給する（Ｓ４１
０）。このとき、第２〜４ＦＣ温度Ｔｆｃ２〜Ｔｆｃ４
が０℃より高いか否かを判定し（Ｓ４１０）、第２〜４
ＦＣ温度Ｔｆｃ２〜Ｔｆｃ４が０℃より高くなったとき
には、第３実施形態と同様に、流量調整弁２５によりラ
ジエータ２３に流通させる冷却水量とバイパス回路２４
に流通させる冷却水量とを調節してＦＣスタック２０の
温度を適正温度に制御する（Ｓ４２０、Ｓ４３０）。一
方、第２〜４ＦＣ温度Ｔｆｃ２〜Ｔｆｃ４が０℃以下の
ときには、第１ＦＣスタック２０１が発電不可能な温度
まで低下してしまうおそれがあるので、第１ＦＣスタッ
ク２０１に流入する温水の温度（水温センサ６０１の検
出温度）Ｔｗ１が適正温度の下限温度より低い所定温度
（本実施形態では、５０℃）より低いか否かを判定する
（Ｓ４４０、Ｓ４５０）。そして、温度Ｔｗ１が所定温
度以上であるときは、バルブ７１を開いて第１〜４ＦＣ
スタック２０１〜２０４全てに温水を供給し、一方、温
度Ｔｗ１が所定温度より低いときには、バルブ７１を閉
じて第１ＦＣスタック２０１のみに温水を供給する。次
に本実施形態の特徴を述べる。ＦＣスタック２０を構成
する個数より少ない個数（本実施形態では、１個）のＦ
Ｃスタック２０１に対して優先的に温水（第１高圧側熱
交換器２にて加熱された冷却水）を供給するので、大き
な熱容量を有する１個のＦＣスタック２０を加熱昇温す
る場合に比べて、短い時間で発電を開始することができ
る。なお、短い時間で発電を開始することができるのは
第１ＦＣスタック２０１のみであるので、ＦＣスタック
２０全体で見ると発電量は小さいものの、発電可能とな
った第１ＦＣスタック２０１では廃熱が発生するので、
この第１ＦＣスタック２０１で発生する廃熱をその他の
ＦＣスタック２０２〜２０４に供給することができる。
したがって、ＦＣスタック２０全体で見ても、単体のＦ
Ｃスタック２０を加熱昇温させる場合に比べて、短い時
間でＦＣスタック２０を発電可能な温度まで加熱昇温さ
せることができる。また、ＦＣスタック２０の暖機運転
が終了する前（発電可能となる前）においては、圧縮機
１はバッテリ（図示せず。）から電力を得て稼働する
が、バッテリのみで圧縮機１を稼働させると、バッテリ
が早期に上がって（放電して）しまう可能性がある。こ
れに対して、本実施形態では、短い時間でＦＣスタック
２０を発電可能な温度まで加熱昇温させることができる
ので、バッテリのみで圧縮機１を稼働させる時間を短縮
することができ、バッテリが早期に上がって（放電し
て）しまうことを防止できる。なお、図１４では第３実
施形態に係るヒートポンプを例に本実施形態を説明した
が、本実施形態はこれに限定されるものではなく、第４
〜６実施形態に係るヒートポンプ（ＦＣスタックの加熱
装置）に対しても適用することができる。 （第８実施形態）本実施形態は、第４実施形態（図１
０）の変形例であり、図１７は本実施形態に係るヒート
ポンプの模式図である。そして、本実施形態では、第４
実施形態（図１０）に対して、ＦＣスタック２０から流
出した冷却水を温水ヒータ３０を迂回させてＦＣスタッ
ク２０に戻すバイパス回路１１１、このバイパス回路１
１１に流れる流量と温水ヒータ３０に流れる流量を調節
する流量調節弁１１０、ヒートポンプ内を循環する高圧
側冷媒と低圧冷媒とを熱交換する内部熱交換器１０１、
及び室外器５の冷媒流出側に冷媒温度センサ１２０を設
けている。次に、本実施形態の特徴的作動及びその効果
を述べる。 １．冷房運転時 冷房運転時には、圧縮機１→第１高圧側熱交換器２→バ
ルブ（四方弁）４５→室外熱交換器器５→内部熱交換器
１０１→圧力制御弁４→室内熱交換器３→アキュムレー
タ６→圧縮機１の順で冷媒を循環させる。一方、温風調
整ドア３１にて温水ヒータ３０のコア面（空気が通過す
る部位）を閉じて室内熱交換器３にて冷却された空気が
ＦＣスタック２０の廃熱により加熱されることを防止し
た状態で、冷却水をＦＣスタック２０→流量調節弁１１
０→第１高圧側熱交換器２→温水ヒータ３０→第１ポン
プ２１→ＦＣスタック２０の順に循環させる。 ２．暖房運転時 ＦＣスタック２０から流出する冷却水の温度が所定温度
（暖房を行うに十分な温度）未満であるときには、圧縮
機１→第１高圧側熱交換器２→バルブ（四方弁）４５→
室内熱交換器３→内部熱交換器１０１→圧力制御弁４→
室外熱交換器器５→アキュムレータ６→圧縮機１の順で
冷媒を循環させつつ、流量調節弁１１０→第１高圧側熱
交換器２→温水ヒータ３０→第１ポンプ２１→バイパス
回路１１１→流量調節弁１１０の順で冷却水を循環させ
る。これにより、ヒートポンプで生成された熱の一部
は、第１高圧側熱交換器２にて冷却水に与えられて温水
ヒータ３０から車室内に吹き出す空気中に放出され、そ
の他の熱の一部は室内熱交換器３にて車室内に吹き出す
空気中に放出される。このとき、温水ヒータ３０は、室
内熱交換器３にて加熱された後の空気と熱交換すること
なるが、第１高圧側熱交換器２の冷媒温度は、室内熱交
換器３の冷媒温度より高いので、温水ヒータ３０にて室
内熱交換器３にて加熱された後の空気を更に加熱するこ
とができる。したがって、本実施形態に係るヒートポン
プでは、ヒートポンプから取り出すことができる熱量
（エンタルピ）が減少してヒートポンプの成績係数（Ｃ
ＯＰ）が悪化してしまうことを防止しつつ、車室内に吹
き出す空気の温度を早期に上昇させることができる。ま
た、ＦＣスタック２０の熱が温水ヒータ３０（空調装
置）側に奪われしまうことを防止できるので、ＦＣスタ
ック２０の暖機運転を早期に完了させることができる。
そして、ＦＣスタック２０から流出する冷却水の温度
が、温水ヒータ３０から流出する冷却水温度以上となっ
たときには、圧縮機１（ヒートポンプ）を停止するとと
もに、流量調節弁１１０を作動させてＦＣスタック２０
から温水ヒータ３０に冷却水（温水）を供給する。な
お、本実施形態では、ＦＣスタック２０から流出する冷
却水の温度が、温水ヒータ３０から流出する冷却水温度
以上となったときには、ＦＣスタック２０の廃熱のみで
暖房を行ったが、本実施形態はこれに限定されるもので
はなく、ＦＣスタック２０の廃熱とヒートポンプの両者
で暖房を行ってよい。 （その他の実施形態）第１、２実施形態では、本発明を
床暖房に適用し、第３〜７実施形態では、燃料電池車両
に本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるもの
ではなく、その他のものにも適用することができる。ま
た、第７実施形態では、ＦＣスタック２０の加熱にのみ
適用することができるものではなく、床暖房等の比較的
大きな熱容量を有するものの加熱昇温に適用することが
できる。また、第３〜８実施形態では、（廃）熱源とし
て、ＦＣスタック２０を使用したが、本発明はこれに限
定されるものではなく、内燃機関等のその他の発熱体を
熱源としてもよい。
【図１】本発明の第１実施形態に係るヒートポンプの模
式図である。
式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るヒートポンプの制
御を示すフローチャートである。
御を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第１実施形態に係るヒートポンプのｐ
（圧力）−ｈ（比エンタルピ）線図である。
（圧力）−ｈ（比エンタルピ）線図である。
【図４】第２高圧側熱交換器の出口側における冷媒温度
に基づいて吐出圧を制御した場合のｐ−ｈ線図である。
に基づいて吐出圧を制御した場合のｐ−ｈ線図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係るヒートポンプのエ
ンタルピ差向上率を示すグラフである。
ンタルピ差向上率を示すグラフである。
【図６】本発明の第２実施形態に係るヒートポンプの制
御を示すフローチャートである。
御を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第３実施形態に係るヒートポンプの模
式図である。
式図である。
【図８】二酸化炭素の特性図である。
【図９】本発明の第４実施形態に係るヒートポンプの模
式図である。
式図である。
【図１０】本発明の第４実施形態の変形例に係るヒート
ポンプの模式図である。
ポンプの模式図である。
【図１１】本発明の第５実施形態に係るヒートポンプの
模式図である。
模式図である。
【図１２】本発明の第５実施形態の変形例に係るヒート
ポンプの模式図である。
ポンプの模式図である。
【図１３】本発明の第６実施形態に係るヒートポンプの
模式図である。
模式図である。
【図１４】本発明の第７実施形態に係るヒートポンプの
模式図である。
模式図である。
【図１５】本発明の第７実施形態に係るヒートポンプの
制御を示すフローチャートである。
制御を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の第７実施形態に係るヒートポンプの
制御を示すフローチャートである。
制御を示すフローチャートである。
【図１７】本発明の第８実施形態の変形例に係るヒート
ポンプの模式図である。
ポンプの模式図である。
１…圧縮機、２…第１高圧側熱交換器、３…第２高圧側
熱交換器、４…圧力制御弁、５…低圧側熱交換器、６…
アキュムレータ、７…冷媒温度センサ、８…冷媒圧力セ
ンサ、９…電子制御装置、１０…暖房用ヒータ、１１…
ポンプ、１２…暖房（乾燥）用送風機、１３…ダクト。
熱交換器、４…圧力制御弁、５…低圧側熱交換器、６…
アキュムレータ、７…冷媒温度センサ、８…冷媒圧力セ
ンサ、９…電子制御装置、１０…暖房用ヒータ、１１…
ポンプ、１２…暖房（乾燥）用送風機、１３…ダクト。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｎ Ｔ 8/10 8/10 (72)発明者 堀田 忠資 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 山口 素弘 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 山中 康司 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 伊藤 誠司 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 戸松 義貴 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 CC01 DD06 KK46 KK48 MM16
Claims (6)
- 【請求項１】 圧縮機（１）の吐出圧が冷媒の臨界圧力
を越えるヒートポンプサイクルであって、 前記圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒と第１流体との
間で熱交換を行う第１高圧側熱交換器（２）と、 前記第１高圧側熱交換器（２）から流出した高圧冷媒と
前記第１流体より温度の低い第２流体との間で熱交換を
行う第２高圧側熱交換器（３）と、 前記第２高圧側熱交換器（３）から流出した高圧冷媒を
減圧するとともに、前記吐出圧を制御する減圧手段
（４、４ａ）と、 前記減圧手段（４、４ａ）にて減圧された低圧冷媒を蒸
発させる低圧側熱交換器（５）とを有するヒートポンプ
サイクル。 - 【請求項２】 前記減圧手段（４、４ａ）は、前記吐出
圧が所定圧力以下となるように、前記第１高圧側熱交換
器（２）と前記第２高圧側熱交換器（３）との間の冷媒
温度に基づいて前記吐出圧を制御することを特徴とする
請求項１に記載のヒートポンプサイクル。 - 【請求項３】 前記所定圧力は、前記低圧側熱交換器
（５）における蒸発圧力の上昇に応じて高くなるように
選定されることを特徴とする請求項２に記載のヒートポ
ンプ。 - 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれか１つに記載
のヒートポンプを用いた、水素と酸素との化学反応によ
り発電する燃料電池を加熱する燃料電池の加熱装置であ
って、 前記第１高圧側熱交換器（２）にて前記燃料電池内を循
環する流体を加熱することを特徴とする燃料電池の加熱
装置。 - 【請求項５】 請求項１ないし３のいずれか１つに記載
のヒートポンプ、及び水素と酸素との化学反応により発
電する燃料電池を有する車両用暖房装置であって、 前記第１高圧側熱交換器（２）にて前記燃料電池内を循
環する流体を加熱し、 前記第２高圧側熱交換器（３）にて車室内に吹き出す空
気を加熱することを特徴とする車両用暖房装置。 - 【請求項６】 請求項１ないし３のいずれか１つに記載
のヒートポンプを用いた暖房装置であって、 熱源（２０）から供給される熱の温度が所定温度未満の
ときには、前記第１高圧側熱交換器（２）及び前記第２
高圧側熱交換器（３）にて室内に吹き出す空気を加熱
し、 前記熱源（２０）から供給される熱の温度が所定温度以
上のときには、少なくとも前記熱源（２０）から供給さ
れる熱にて室内に吹き出す空気を加熱することを特徴と
する暖房装置。
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| JP2000-220910 | 2000-07-21 | ||
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