JP2007093097A - ヒートポンプ給湯機及びヒートポンプ給湯機の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高低圧交換器を含むヒートポンプ給湯機において、膨張手段で吐出温度及び吸入過熱度を制御し、設置される場所に応じた最適な能力を得ることのできるヒートポンプ給湯機を提供する。
【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、分岐流路の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、高低圧熱交換器から蒸発器に至る間の分岐流路に設けられた第２の膨張弁と、吸入温度検知手段と、蒸発温度検知手段と、吐出温度検知手段と、吸入温度検知手段及び蒸発温度検知手段からの温度情報に基づいて冷媒の吸入過熱度を算出し、該吸入過熱度と温度情報とによって第１の膨張弁及び第２の膨張弁の開度を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯機及びヒートポンプ給湯機の制御方法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及びヒートポンプ給湯機の制御方法に関するものである。

従来、「回路を構成するように直列に接続された、コンプレッサと、ガスクーラと、内部熱交換器と、絞り弁と、蒸発器および低圧冷媒レシーバとからなり、高サイドにおいて超臨界圧力で操作される蒸気圧縮回路において、さらに、回路の少なくとも一つの操作状態を検出する検出手段と、予定の高圧の設定値に従って、検出される操作条件の関数として絞り弁の開度を制御することによって超臨界高サイドの圧力を調節するために、前記検出手段と絞り弁とに接続された制御手段とからなることを特徴とする蒸気圧縮回路」が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

この蒸気圧縮回路は、高低圧熱交換器に相当する内部熱交換器を有するため、圧縮機に吸入する冷媒を過熱ガス化することができ、圧縮機の信頼性を向上することができるようになっている。また、冷凍サイクルに相当する超臨界蒸気圧縮回路において、検出される実際の回路の操作条件と対応する最適の高サイド圧力の予定数値との適用に基づいて絞り弁を調整するようになっている。

また、「圧縮機と放熱器と減圧手段と吸熱器とを含む冷媒循環回路と、貯湯槽と前記放熱器と流量調整手段とを有する給湯水回路と、前記圧縮機の冷媒の吐出温度を前記減圧手段を制御することにより調整する吐出温度制御手段とを備え、前記吐出温度制御手段は、前記圧縮機の運転周波数と吐出温度と外気温度と設定給湯温度と給湯水回路の放熱器の入口温度のうち少なくとも１つの値に応じて制御するヒートポンプ給湯装置」が開示されている（たとえば、特許文献２参照）。

このヒートポンプ給湯装置は、吐出温度を減圧手段（膨張手段）で制御しているため、圧縮機の過剰な温度上昇を避けることができ、圧縮機の信頼性を向上することができるようになっている。すなわち、減圧手段を、圧縮機の運転周波数と吐出温度と外気温度と設定給湯温度と放熱器の入水温度のうち少なくとも１つの値に応じて制御して、圧縮機の冷媒の吐出温度を所定温度にするようになっている。

特許第２９３１６６８号公報（第２−３頁、第３図） 特開２００４−３４０５３５号公報（第４−６頁、第１図）

しかしながら、上記の技術を組み合わせ、高低圧熱交換器を用いて、吐出温度を膨張手段（膨張弁）で制御する冷媒回路を評価した結果、吐出温度を目標値に制御する場合、同一の吐出温度に対して安定状態が複数存在することが明らかになった。すなわち、吐出温度が同一となる膨張弁の開度が複数存在するのである。そして、それらの膨張弁の開度全部が所定の能力を発揮するものではなかった。したがって、高低圧熱交換器を含む冷媒回路において、膨張弁で吐出温度制御した場合、必ずしも所定の能力を得られないという問題があった。

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、高低圧交換器を含むヒートポンプ給湯機において、膨張手段で吐出温度及び吸入過熱度を制御し、設置される場所に応じた最適な能力を得ることのできるヒートポンプ給湯機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の膨張弁と、前記圧縮機に吸入される冷媒の温度を計測検知する吸入温度検知手段と、前記蒸発器での冷媒の温度を計測検知する蒸発温度検知手段と、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を計測検知する吐出温度検知手段と、前記吸入温度検知手段及び前記蒸発温度検知手段からの温度情報に基づいて冷媒の吸入過熱度を算出し、該吸入過熱度と前記吐出温度検知手段から温度情報とによって前記第１の膨張弁及び前記第２の膨張弁の開度を調整する計測制御手段とを有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、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、前記圧縮機に吸入される冷媒の吸入温度を計測し、前記蒸発器での冷媒の蒸発温度を計測し、前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度を計測し、前記吸入温度及び前記蒸発温度に基づいて冷媒の吸入過熱度を算出し、該吸入過熱度と前記吐出温度とによって前記第１の膨張弁及び前記第２の膨張弁の開度を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の膨張弁と、前記圧縮機に吸入される冷媒の温度を計測検知する吸入温度検知手段と、前記蒸発器での冷媒の温度を計測検知する蒸発温度検知手段と、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を計測検知する吐出温度検知手段と、前記吸入温度検知手段及び前記蒸発温度検知手段からの温度情報に基づいて冷媒の吸入過熱度を算出し、該吸入過熱度と前記吐出温度検知手段から温度情報とによって前記第１の膨張弁及び前記第２の膨張弁の開度を調整する計測制御手段とを有するので、設置場所の環境負荷に応じて最適な能力を発揮することができる。

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、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、前記圧縮機に吸入される冷媒の吸入温度を計測し、前記蒸発器での冷媒の蒸発温度を計測し、前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度を計測し、前記吸入温度及び前記蒸発温度に基づいて冷媒の吸入過熱度を算出し、該吸入過熱度と前記吐出温度とによって前記第１の膨張弁及び前記第２の膨張弁の開度を調整するので、設置場所の環境負荷に応じて最適な能力を発揮することができる。

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及び蒸発温度センサ１３ｆは、それぞれの設置場所において冷媒配管１５内を流れている冷媒の温度（吐出温度、吸入温度、蒸発温度）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。

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。

図２は、第２の膨張弁１０の開度を変化させた場合の各部位における冷媒の状態変化を示す説明図である。図２（ａ）は、第２の膨張弁１０と吸入過熱度との関係を示している。図２（ｂ）は、第２の膨張弁１０と吐出温度との関係を示している。図２（ｃ）は、第２の膨張弁１０と放熱器出口温度及び吸入温度との関係を示している。図２（ｄ）は、第２の膨張弁１０と高圧側圧力との関係を示している。図２（ｅ）は、第２の膨張弁１０と加熱能力との関係を示している。なお、図２に示しているＡ、Ｂ及びＸは、それぞれ第２の膨張弁１０の開度（以後、開度Ａ、開度Ｂ及び開度Ｘと称する）を示している。

図２（ａ）は、横軸が第２の膨張弁開度を、縦軸が吸入過熱度（ｄｅｇ）をそれぞれ表している。この吸入過熱度は、吸入温度センサ１３ｅからの温度情報と蒸発温度検センサ１３ｆからの温度情報との差から求められるようになっている。図２（ａ）で示すように、吸入過熱度は、第２の膨張弁１０の開度が大きくなるにつれて上昇することがわかる。すなわち、第２の膨張弁１０を開度Ａとしているときに比べて、開度Ｘ及び開度Ｂとしたときの方が、圧縮機３に吸入される冷媒の吸入過熱度が上昇するのである。

図２（ｂ）は、横軸が第２の膨張弁開度を、縦軸が吐出温度（℃）をそれぞれ表している。この吐出温度とは、圧縮機３から吐出された際に吐出温度センサ１３ｄで検知される冷媒の温度のことである。図２（ｂ）には、吐出温度の目標値が設定してある。なお、図２（ｂ）からは、第２の膨張弁１０の開度の大きさに応じて目標値以上の吐出温度にならないことがわかる。すなわち、第２の膨張弁１０を開度Ａとしたときは、目標値と同じ程度の吐出温度となるが、第２の膨張弁１０を開度Ｘとしたときは、目標値よりも低い吐出温度となってしまい、また、第２の膨張弁１０を開度Ｂとしたときは、目標値と同じ程度以上の吐出温度となるのである。

図２（ｃ）は、横軸が第２の膨張弁開度を、縦軸が放熱器出口温度及び吸入温度（℃）をそれぞれ表している。この放熱器出口温度とは、放熱器４の出口における冷媒の温度のことであり、この吸入温度とは、圧縮機３に吸入される際に吸入温度センサ１３ｅで検知される冷媒の温度のことである。図２（ｃ）で示すように、いずれの温度についても、第２の膨張弁１０の開度が大きくなるにつれて上昇することがわかる。すなわち、第２の膨張弁１０を開度Ａとしているときに比べて、開度Ｘ及び開度Ｂとしたときの方が、放熱器出口温度及び吸入温度が上昇するのである。

図２（ｄ）は、横軸が第２の膨張弁開度を、縦軸が高圧側圧力（ＭＰａ）をそれぞれ表している。この高圧側圧力とは、圧縮機３で圧縮された冷媒の高圧側の圧力のことである。図２（ｄ）で示すように、高圧側圧力は、第２の膨張弁１０の開度が大きくなるにつれて低くなることがわかる。すなわち、第２の膨張弁１０を開度Ａとしているときに比べて、開度Ｘ及び開度Ｂとしたときの方が、冷媒の高圧側圧力が低くなるのである。

図２（ｅ）は、横軸が第２の膨張弁開度を、縦軸が加熱能力（ｋＷ）をそれぞれ表している。この加熱能力とは、圧縮機３で圧縮された冷媒が負荷側媒体（水）を加熱する能力のことである。図２（ｅ）で示すように、加熱能力は、第２の膨張弁１０の開度が所定の開度となるまではほぼ変わりないが、その所定の開度よりも大きくなるにつれて低下することがわかる。すなわち、第２の膨張弁１０が開度Ａから開度Ｘまでは加熱能力はあまり変化がないが、開度Ｘ以上とすると加熱能力が急激に低下するのである。

まず、第２の膨張弁１０の開度を変化させた場合における冷媒の状態変化について説明する。第２の膨張弁１０を開度Ｘより大きくすると、放熱器出口温度が急に上昇する（図２（ｃ））。前述したとおり、高低圧熱交換器９は、高圧冷媒（外管側）と低圧冷媒（内管側）とが対向流となっている。つまり、放熱器４から流出した冷媒が高低圧熱交換器９の外管に流入するので、放熱器出口温度と高低圧熱交換器９の高圧側入口温度とは等しく、また、蒸発器６から流出した冷媒が高低圧熱交換器９の内管に流入するので、圧縮機３に吸入する冷媒の温度と高低圧熱交換器９の低圧側出口温度とは等しいものである。

したがって、放熱器出口温度の上昇に伴って、吸入温度が上昇し（図２（ｃ））、圧縮機３の吸入過熱度も上昇する（図２（ａ））。そして、吸入温度の上昇に伴って、圧縮機３の吐出温度が上昇する（図２（ｂ））。第２の膨張弁１０の開度を大きくすると、圧縮機３の吐出温度は一旦低下したのちに上昇する動作となる。つまり、第２の膨張弁１０を開度Ａとしたときは、目標値と同じ程度の吐出温度となるが、第２の膨張弁１０を開度Ａから開度Ｘまでとしたときは、目標値よりも低い吐出温度となり、第２の膨張弁１０を開度Ｂとしたときは、目標値以上の吐出温度となるのである。

また、第２の膨張弁１０を開度Ａと開度Ｂとしたときでは、圧縮機３の吐出温度はいずれも目標値とほぼ等しくなるが、加熱能力は開度Ａとしたときに比べて開度Ｂとしたときの方が低下している（図２（ｅ））。したがって、第２の膨張弁１０を制御することによって冷媒の吐出温度を調節するだけでは、所定の加熱能力を確保するというのが難しいことがわかる。すなわち、冷媒の吐出温度の調節に加えて、吸入過熱度の制御も必要なのである。

次に、第１の膨張弁５の開度を変化させた場合における冷媒の状態変化について説明する。第１の膨張弁５の開度を大きくすると、分岐流路８に流れ込む冷媒量が少なくなり、高低圧熱交換器９での熱交換量も併せて少なくなる。一方、第１の膨張弁５の開度を小さくすると、分岐流路８をに流れ込む冷媒量が多くなり、高低圧熱交換器９での熱交換量も併せて多くなる。

図３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である。図３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示している。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３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。

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。

図４は、第１の膨張弁５及び第２の膨張弁１０の開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、吸入温度センサ１３ｅで圧縮機３の入口における冷媒の温度が計測検知される（ステップＳ１０５）。それから、蒸発温度センサ１３ｆで蒸発器６における冷媒の温度が計測検知される（ステップＳ１０６）。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Ｓ１０７）。計測制御装置１４は、算出した吸入過熱度が予め定められた目標値であるかどうか判定する（ステップＳ１０８）。

つまり、吸入過熱度が目標値に達している場合（ステップＳ１０８；Ｎ）は、第１の膨張弁５の開度が増加される（ステップＳ１０９）。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Ｓ１０８；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。

以上のように、第１の膨張弁５及び第２の膨張弁１０の開度を制御することにより、冷凍サイクル２０の吐出温度と吸入過熱度と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、設置される環境の負荷条件に応じて、第１の膨張弁５及び第２の膨張弁１０を調整制御することが可能となっているので、設置場所に関わらずに冷凍サイクル２０の所定の能力を発揮、維持することができるのである。

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。 第２の膨張弁の開度を変化させた場合の各部位における冷媒の状態変化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説明図である。 第１の膨張弁５及び第２の膨張弁１０の開度を制御する動作の流れを示すフローチャートである。

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、１４ 計測制御装置、１５ 冷媒配管、１６ 水配管、２０ 冷凍サイクル、３０ 給湯水回路、１００ ヒートポンプ給湯機。

Claims (5)

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、
   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の膨張弁と、
   前記圧縮機に吸入される冷媒の温度を計測検知する吸入温度検知手段と、
   前記蒸発器での冷媒の温度を計測検知する蒸発温度検知手段と、
   前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を計測検知する吐出温度検知手段と、
   前記吸入温度検知手段及び前記蒸発温度検知手段からの温度情報に基づいて冷媒の吸入過熱度を算出し、該吸入過熱度と前記吐出温度検知手段から温度情報とによって前記第１の膨張弁及び前記第２の膨張弁の開度を調整する計測制御手段とを有する
   ことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 前記計測制御手段は、
   前記吸入温度検知手段からの温度情報と前記蒸発温度検知手段からの温度情報との差を吸入過熱度とする
   ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
3. 前記高低圧熱交換器は、
   前記高低圧熱交換器内における低圧側冷媒が流れる冷媒配管と高圧側冷媒が流れる分岐流路とが対向流となっている
   ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
4. 前記冷凍サイクルに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１〜３のいずれかに記載のヒートポンプ給湯機。
5. 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、
   前記圧縮機に吸入される冷媒の吸入温度を計測し、
   前記蒸発器での冷媒の蒸発温度を計測し、
   前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度を計測し、
   前記吸入温度及び前記蒸発温度に基づいて冷媒の吸入過熱度を算出し、該吸入過熱度と前記吐出温度とによって前記第１の膨張弁及び前記第２の膨張弁の開度を調整する
   ことを特徴とするヒートポンプ給湯機の制御方法。

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