JP2007107756A - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力センサの故障時においても、使用者への迷惑度を最小限に抑えつつ、運転を継続させることが可能なヒートポンプ式給湯装置を実現する。
【解決手段】圧縮機２１と、この圧縮機２１から吐出する冷媒と給湯用流体とを熱交換する水熱交換器２２と、この水熱交換器２２から流出する冷媒の圧力を検出する圧力センサ３１と、この圧力センサ３１により検出された圧力に基づいて、水熱交換器２２に流入する給湯用流体と水熱交換器２２から流出する冷媒との温度差が目標温度差ΔＴｏとなるようにヒートポンプサイクルの高圧制御を行う電子制御装置３０とを備え、電子制御装置３０は、上限を規制した目標温度差ΔＴｏに基づいて膨張弁２３の開度を変化させる高圧制御を行う。これにより、圧力センサの故障時においても運転を継続させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、超臨界ヒートポンプサイクルを給湯用流体の加熱手段として使用するヒートポンプ式給湯装置に関する。

従来、この種の給湯装置として、例えば、特許文献１に示すように、高圧側の冷媒圧力を臨界圧以上まで加圧して使用する超臨界ヒートポンプサイクルを用いて給湯用流体を加熱するヒートポンプ式給湯装置が知られている。

この給湯装置では、低温水と高温冷媒とを熱交換させる放熱器である水熱交換器を備え、その水熱交換器で加熱された高温の給湯用流体を貯湯タンク内に貯留しておき、使用時に貯湯タンク内から高温の給湯用流体を取り出して温度調節した後、使用者に供給する給湯システムである。

このヒートポンプ式給湯装置は、サイクル効率の高い領域でヒートポンプサイクルを運転するため、水熱交換器に流入する低温水と水熱交換器から流出する高圧冷媒との温度差である目標温度差ΔＴｏ（例えば１０℃）を設定し、この目標温度差ΔＴｏに基づいて、ヒートポンプサイクルの高圧制御を行っている。基本的には、膨張弁の開度を変化させることで高圧制御を行っている。

さらに、この高圧制御を行うために、ヒートポンプサイクル内の圧力を検出する圧力検出手段である圧力センサが設けられており、少なくとも高圧側の冷媒圧力を監視してサイクル内が異常圧力とならないように構成している。
特許第３２２７６５１号公報

ところで、上記圧力センサは、内部への水分の浸入や経年劣化などによって、ある程度の頻度で故障することが知られている。この故障が起こる頻度を減少させるには、上記圧力センサのグレードを上げれば良いのであるが、そうするとコストアップを招く問題がある。

また、上記特許文献１では詳しくは記載されていないが、例えば、この種の圧力センサに、断線、短絡などの異常が起こったときは、圧力の検出値が不正確となることで、ヒートポンプサイクルの運転を停止する制御を行っている。つまり、このような故障が起きると、その圧力センサの修理がなされるまでの間は給湯装置が停止状態であって沸き上げ運転が行われず湯切れを起こし給湯用流体を供給できない問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記点を鑑みたものであり、圧力センサの故障時においても、使用者への迷惑度を最小限に抑えつつ、運転を継続させることが可能なヒートポンプ式給湯装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項１０に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、高温側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルにて給湯用流体を加熱するヒートポンプ式給湯装置であって、
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（２１）と、この圧縮機（２１）から吐出する冷媒と給湯用流体とを熱交換するとともに、冷媒流れと給湯用流体流れとが対向するように構成された放熱器（２２）と、この放熱器（２２）から流出する冷媒の圧力を検出する圧力検出手段（３１）と、この圧力検出手段（３１）により検出された圧力に基づいて、放熱器（２２）に流入する給湯用流体と放熱器（２２）から流出する冷媒との温度差が目標温度差（ΔＴｏ）となるようにヒートポンプサイクルの高圧制御を行う制御手段（３０）とを備え、
制御手段（３０）は、圧力検出手段（３１）に異常が生じたときに、上限を規制した目標温度差（ΔＴｏ）となるようにヒートポンプサイクルの高圧制御を行うことを特徴としている。

この発明によれば、この種の圧力検出手段（３１）は、冷媒圧力を監視してサイクル内を異常圧力とならないように構成しているが、異常圧力の検出以外の断線、短絡のときでも停止するようにサイクルの運転を停止させる制御を行っている。

そこで、本発明では、サイクル内が異常圧力とならない運転条件で運転を継続させることで、断線、短絡などで圧力検出手段（３１）が故障したときでも修理がなされるまでの間は給湯装置の運転が継続できる。これにより、修理がなされるまでの間は給湯装置の運転が停止する方式よりも使用者への迷惑度を最小限に抑えることができる。

また、この種の超臨界ヒートポンプサイクルでは、沸き上げ温度を高めに設定できることが特徴であるため、このようなときには、目標温度差（ΔＴｏ）の上限を規制することで給湯能力の下限値を確保することが可能である。つまり、必要な給湯能力を確保できる下限の運転条件で運転を継続させることができる。

請求項２に記載の発明では、ヒートポンプサイクルには、弁開度を電気的に調節可能な膨張弁（２３）が設けられ、制御手段（３０）は、上限を規制した目標温度差（ΔＴｏ）に基づいて膨張弁（２３）の開度を変化させることで高圧制御を行うことを特徴としている。この発明によれば、具体手的には、膨張弁（２３）で容易に所定の目標温度差（ΔＴｏ）で運転を継続させることができる。

請求項３に記載の発明では、高温側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルにて給湯用流体を加熱するヒートポンプ式給湯装置であって、
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（２１）と、この圧縮機（２１）から吐出する冷媒と給湯用流体とを熱交換するとともに、冷媒流れと給湯用流体流れとが対向するように構成された放熱器（２２）と、冷媒を蒸発させて吸熱する蒸発器（２４）と、圧縮機（２１）から吐出する冷媒を減圧膨張させるノズル部（４１）を有し、このノズル部（４１）から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器（２４）にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機（２１）の吸入圧を上昇させるエジェクタ（４０）と、放熱器（２２）から流出する冷媒の圧力を検出する圧力検出手段（３１）と、この圧力検出手段（３１）により検出された圧力に基づいて、放熱器（２２）に流入する給湯用流体と放熱器（２２）から流出する冷媒との温度差が目標温度差（ΔＴｏ）となるようにヒートポンプサイクルの高圧制御を行う制御手段（３０）とを備え、
制御手段（３０）は、圧力検出手段（３１）に異常が生じたときに、上限を規制した目標温度差（ΔＴｏ）となるようにヒートポンプサイクルの高圧制御を行うことを特徴としている。

この発明によれば、上述した請求項１および請求項２では、高圧制御を膨張弁（２３）で行うようにしたが、これに限らず、エジェクタ（４０）を用いる蒸気圧縮式冷凍サイクルであっても、膨張弁（２３）の代わりに、請求項４に記載の圧縮機（２１）の吐出量を制御することで所定の目標温度差（ΔＴｏ）で運転を継続させることができる。

請求項５に記載の発明では、圧縮機（２１）から吐出する冷媒の吐出温度を検出する温度検出手段（３２）が設けられ、制御手段（３０）は、温度検出手段（３２）により検出された吐出温度が所定値以上のときに、検出された吐出温度が圧縮機（２１）の許容上限温度から求められた目標吐出温度（Ｔｄｏ）となるようにヒートポンプサイクルの高圧制御を行うことを特徴としている。

この発明によれば、圧力検出手段（３１）が故障しているときの代わりとして吐出温度を監視することで、異常圧力とならない運転条件の代用が可能である。

請求項６に記載の発明では、高温側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルにて給湯用流体を加熱するヒートポンプ式給湯装置であって、
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（２１）と、圧縮機（２１）から吐出する冷媒と給湯用流体とを熱交換するとともに、冷媒流れと給湯用流体流れとが対向するように構成された放熱器（２２）と、圧縮機（２１）から吐出する冷媒の吐出温度を検出する温度検出手段（３２）と、放熱器（２２）から流出する冷媒の圧力を検出する圧力検出手段（３１）と、この圧力検出手段（３１）により検出された圧力に基づいて、放熱器（２２）に流入する給湯用流体と放熱器（２２）から流出する冷媒との温度差が目標温度差（ΔＴｏ）となるようにヒートポンプサイクルの高圧制御を行う制御手段（３０）とを備え、
制御手段（３０）は、圧力検出手段（３１）に異常が生じたときに、温度検出手段（３２）により検出された吐出温度が圧縮機（２１）の許容上限温度から求められた目標吐出温度（Ｔｄｏ）となるようにヒートポンプサイクルの高圧制御を行うことを特徴としている。

この発明によれば、上記請求項５に述べたように、圧力検出手段（３１）が故障であっても吐出温度を監視することで、異常圧力とならない運転条件で運転を継続することができる。

請求項７に記載の発明では、ヒートポンプサイクルには、弁開度を電気的に調節可能な膨張弁（２３）が設けられ、制御手段（３０）は、温度検出手段（３２）により検出された吐出温度と目標吐出温度（Ｔｄｏ）との温度差に基づいて、膨張弁（２３）の開度を変化させることで高圧制御を行うことを特徴としている。

この発明によれば、具体手的には、膨張弁（２３）で容易に所定の目標温度差（ΔＴｏ）で運転を継続させることができる。

請求項８に記載の発明では、制御手段（３０）は、圧縮機（２１）の駆動電流が所定値以上のときに、圧縮機（２１）を停止させる制御を行うことを特徴としている。この発明によれば、吐出温度の他に圧縮機（２１）の駆動電流を監視することで異常圧力とならない運転条件で運転を継続することができる。

請求項９に記載の発明では、制御手段（３０）は、膨張弁（２３）の開度、もしくは圧縮機（２１）の吐出量を変化させる可変速度を圧力検出手段（３１）に異常が生じたときの方が通常の高圧制御のときよりも遅くしていることを特徴としている。

この発明によれば、サイクル内の圧力の変化速度が遅くなることで異常圧力となる確率が減少するため安全性を高めることができる。ただし、この場合には高圧制御を行うときに目標温度差ΔＴｏへの安定化も遅くなる。

また、サイクル内の圧力がゆっくりと変化されることで圧力検出手段（３１）の代用である吐出温度もしくは圧縮機（２１）の駆動電流の検出が精度良く行えることができる。

請求項１０に記載の発明では、外気温度、放熱器（２２）に流入する給湯用流体の流体入口温度に基づいて膨張弁（２３）の開度、もしくは圧縮機（２１）の吐出量を変化させるための限界制御値を判定する限界値判定手段（４２０）が設けられ、制御手段（３０）は、限界値判定手段（４２０）により判定された限界制御値に基づいて、圧縮機（２１）を停止させる制御を行うことを特徴としている。

この発明によれば、吐出圧力が異常圧力となる運転条件の要因として、特に、外気温度の低下、放熱器（２２）に流入する給湯用流体の入口温度の上昇などに影響されるのが分っている。そこで、これら要因に基づいた限界制御値を求めておいて限界値判定手段（４２０）により圧縮機（２１）を制御しても良い。これにより、異常圧力とならない運転条件で運転を継続することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態によるヒートポンプ式給湯装置を図１ないし図３に基づいて説明する。図１は減圧器として膨張弁２３を用いたヒートポンプ式給湯装置の全体構成を示す模式図であり、図２は本発明を適用させた制御手段である電子制御装置３０の高圧制御の制御処理を示すフローチャートである。また、図３は圧力センサ３１が正常のときと、故障したときとの高圧制御の制御内容の違いを説明する説明図である。

本実施形態のヒートポンプ式給湯装置１０は、図１に示すように、加熱された給湯用流体である給湯用水を貯湯タンク１１内に貯留しておき、使用時にこの貯湯タンク１１内から給湯用水を取り出し、温度調節して供給する給湯システムであり、貯湯タンク１１、給湯用水を循環させる電動ポンプ１２、給湯用水の加熱手段であるヒートポンプサイクルユニット２０および制御手段である電子制御装置３０などから構成している。

貯湯タンク１１は、耐蝕性に優れた金属製（例えばステンレス製）で断熱構造を有し、高温の給湯用水を長時間に渡って保温することができる。なお、貯湯タンク１１内に貯留される給湯用水は、キッチンや風呂等で直接使用しても良いが、給湯用以外に、例えば床暖房用、室内空調用などの熱源として利用することもできる。

電動ポンプ１２は、貯湯タンク１１とヒートポンプサイクルユニット２０内の放熱器である水熱交換器２２（後述する）とを環状に接続する温水配管１３に設けられて、貯湯タンク１１と水熱交換器２２との間で給湯用水を循環させるとともに、内蔵するモータの回転数に応じて循環水量を調節することができる。また、電動ポンプ１２は後述する電子制御装置３０に電気的に接続されており、後述する各温度センサ３２、３３、３４からの温度情報に基づいて制御される。

ヒートポンプサイクルユニット２０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を用いており、図１に示すように、圧縮機２１、上述した水熱交換器２２、減圧器である膨張弁２３、蒸発器である空気熱交換器２４、アキュムレータ２５などを順次冷媒配管によって接続して構成され、冷媒として臨界圧力の低い二酸化炭素（ＣＯ2 ）を使用している。

因みに、この超臨界ヒートポンプサイクルによれば、一般的なヒートポンプサイクルよりも高温（例えば、８５℃〜９０℃程度）の給湯用水を貯湯タンク１１内に貯留することができる。

圧縮機２１は、インバータ回路２６によって駆動されるモータ２１ａを具備し、このモータ２１ａの回転により、吸引したガス冷媒を臨界圧力以上まで圧縮して吐出する。水熱交換器２２は、圧縮機２１より吐出された高圧のガス冷媒と給湯用水とを熱交換するもので、図１に矢印で示すように、冷媒の流れ方向と給湯用水の流れ方向とが対向するように構成されている。

インバータ回路２６は、後述する電子制御装置３０により制御されるとともに、圧縮機２１に出力する駆動電流を検出してその検知信号を電子制御装置３０に出力するようにしている。膨張弁２３は、弁開度を電気的に調節可能な構成を有し、水熱交換器２２で冷却された冷媒を弁開度に応じて減圧する。後述する電子制御装置３０により制御される。

空気熱交換器２４は、送風機２４ａによる送風を受けて、膨張弁２３で減圧された冷媒を大気との熱交換によって蒸発させて吸熱する熱交換器である。送風機２４ａは後述する電子制御装置３０により制御される。アキュムレータ２５は、空気熱交換器２４で蒸発した冷媒を気液分離してサイクル中の余剰冷媒を蓄えるとともに、気相冷媒のみ圧縮機２１に吸引させる。

そして、ヒートポンプサイクルユニット２０には、水熱交換器２２から吐出される冷媒圧力Ｐｈを検出する圧力検出手段である圧力センサ３１、圧縮機２１から吐出される冷媒の吐出温度Tdを検出する第１冷媒温度センサ３２、水熱交換器２２に流入する給湯用水の温度Twを検出する水温センサ３３、水熱交換器２２より流出する冷媒の温度Trを検出する第２冷媒温度センサ３４などが設けられ、各センサ３１〜３４の検出信号が制御手段である電子制御装置３０に入力される。

電子制御装置３０、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵のＲＯＭ（図示せず）には、予め設定された制御プログラムが設けられており、各センサ３１〜３４の検出信号、および図示しない貯湯タンク１１側に設けられた給湯制御装置（図示しない）からの制御信号に基づいて、電動ポンプ１２、インバータ回路２６、膨張弁２３、送風機２４ａなどが制御される。

そして、上述したヒートポンプサイクルユニット２０を効率良く沸き上げ運転ができるように、水熱交換器２２に流入する給湯用水と水熱交換器２２より流出する冷媒との温度差ΔＴを求め、この温度差ΔＴに基づいてヒートポンプサイクル内の高圧側圧力を制御するようにしている。

具体的には、サイクル効率の指標として、温度差ΔＴの目標値である目標温度差ΔＴｏを設定し、この目標温度差ΔＴｏが得られるように、膨張弁２３の弁開度を電気的に制御する高圧制御を行っている。さらに、本実施形態では、水熱交換器２２から吐出される冷媒の吐出圧力Ｐｈを検出する圧力センサ３１が断線、短絡などの異常のときと、圧力センサ３１が正常のときとでは異なる高圧制御を行うようにしている。

言い換えれば、従来では、圧力センサ３１に、断線、短絡などの異常が起こったときには、圧力の検出値が不正確となることで、ヒートポンプサイクルの運転を停止する制御を行っていたが、本実施形態では、この種の故障のときにおいては、正常のときと異なる高圧制御を行って、圧力センサ３１が修理されるまでの間は、サイクル内の運転が継続されるように構成している。

つまり、圧力センサ３１に断線、短絡などの故障が起きたときは、必要な給湯能力を確保できる下限の運転条件における高圧制御を行うようにしている。ここで、圧力センサ３１が正常のときと、圧力センサ３１が故障しているときとの制御内容の違いについて図３に基づいて説明する。

より具体的な相違点は、図３に示すように、沸き上げ温度、沸き上げ能力、膨張弁２３の駆動ステップ数の算出などが主に異なっている。まず、沸き上げ温度を比べると、圧力センサ３１が正常なときは、沸き上げ温度を６５〜９０℃の範囲内で選択できるように設定し、故障のときは、沸き上げ温度を６５℃で固定している。つまり、上限が規制された沸き上げ温度を設定するようにしている。

次に、沸き上げ能力を比べてみると、上述した沸き上げ温度に応じて、圧力センサ３１が正常なときは、沸き上げ能力を４．５〜６．０ｋＷの範囲内で選択できるように設定し、故障のときは、沸き上げ能力を４．５ｋＷで固定するように設定している。

そして、膨張弁２３の駆動ステップ数の算出を比較すると、圧力センサ３１が正常なときは、目標温度差ΔＴｏ、および目標圧力と圧力センサの偏差に基づいて駆動ステップ数の算出するようにし、故障のときは、目標温度差ΔＴｏとその目標温度差ΔＴｏに基づいて駆動ステップ数の算出するようにしている。

次に、上記構成によるヒートポンプ式給湯装置の作動を説明する。まず、貯湯タンク１１内の給湯用水が給湯または暖房の用途で供給されることで貯湯タンク１１内に水道水が供給されて、所定温度以上の貯湯量が減少していく。

貯湯タンク１１に設けられた温度センサ（図示せず）の温度情報に基づいて、貯湯タンク１１内の湯温が所定温度以下と判定されたとき、または、所定温度以下の給湯用水が所定量以上と判定されたときに、圧縮機２１が駆動させて沸き上げ運転を開始する。

これにより、冷媒がサイクル内を循環する。このとき、圧縮機２１から吐出する冷媒は臨界圧力以上まで加圧されているので、水熱交換器２２内では、冷媒は凝縮することなく、冷媒入口から冷媒出口に向かうほど温度が低下するような温度勾配を有して流通する。

一方、水熱交換器２２は、冷媒流れと給湯用水の流れとが対向するように構成されているので、給湯用水は、温水入口から温水出口に向かうほど温度が上昇するような温度勾配を有している。また、膨張弁２３により減圧された冷媒は、空気熱交換器２４にて大気から熱を吸収して蒸発した後、アキュームレータ２５を経由して圧縮機２１に吸入される。

ところで、本実施形態では、ヒートポンプユニット２０にて、例えば、８５℃以上の沸き上げ温度の給湯用水を温水タンク１１内に供給するので、ヒートポンプユニット２０の稼動時においては、水熱交換器２２の冷媒入口での冷媒温度は８５℃（ここでは、必要冷媒温度と称する）以上とする必要があり、本実施形態では、この必要冷媒温度は１００℃程度としている。なお、このときに、電動ポンプ１２は水熱交換器２２側の温水出口の湯温が８５℃となるような循環量に調節されて運転している。

そして、必要冷媒温度を１００℃とするために、圧力機２１から吐出する吐出圧力が、水熱交換器２２の冷媒入口での必要冷媒温度に対応する冷媒圧力Ｐｈとなるように、膨張弁２３の開度、圧縮機２１の回転数、および送風機２４ａの送風量が制御されている。

具体的には、水熱交換器２２に流入する給湯用流体と水熱交換器２２から流出する冷媒との温度差ΔＴが目標温度差ΔＴｏとなるように吐出圧力（高圧制御）を制御している。因みに、温度差ΔＴが目標温度差ΔＴｏよりも大きいときには、膨張弁２３の開度を縮小させて吐出圧力を上昇させることで温度差ΔＴを縮小させる。

また、温度差ΔＴが目標温度差ΔＴｏよりも小さいときには、膨張弁２３の開度を拡大させて吐出圧力を降下させることで温度差ΔＴを拡大させる。ここで、膨張弁２３の開度を縮小させると、冷媒の流路抵抗が増加するので圧縮機２１からの吐出される吐出圧力が上昇する。

ここで、吐出圧力を制御させるためには、膨張弁２３の他に、圧縮機２１の回転数、送風機２４ａの送風量を制御させるようにしても良い。因みに、送風機の送風量を増加させると、大気から冷媒への熱の伝達が促進され、低圧側の冷媒圧力が上昇する。このため、圧縮機２１の単位時間当たりの冷媒吸入量が増加して高圧側の吐出圧力が上昇する。

さらに、圧縮機２１の回転数を上昇することにより、高圧側の吐出圧力が上昇する。従って、これらを組み合わせて温度差ΔＴが目標温度差ΔＴｏとなるように吐出圧力（高圧制御）を制御させても良い。

ところで、上述の高圧制御は、圧力センサ３１が正常のときの制御であって、圧力センサ３１が故障しているときには、図２に示すフローチャートに基づいて高圧制御を行っている。具体的には、図２に示すように、ステップ３００にて、沸き上げ運転が開始されたときに高圧制御の制御処理がスタートする。

そして、ステップ３１０にて、目標沸き上げ温度、沸き上げ能力を受信する。ここで、目標沸き上げ温度、沸き上げ能力は貯湯タンク１１側に設けられた給湯制御装置（図示せず）から制御信号として入力される。なお、目標沸き上げ温度は、上述した図３に示す内容ものであって、６５〜９０℃の沸き上げ温度範囲内のうち、８５℃以上の沸き上げ温度を目標沸き上げ温度として給湯制御装置（図示せず）側で選択されている。

また、沸き上げ能力は、４、５〜６．０ｋＷの沸き上げ能力範囲内のうち、上限の６．０ｋＷの沸き上げ能力が選択されている。そして、ステップ３２０にて、圧力センサ３１が故障しているか否かを判定する。ここでは、例えば、圧力センサ３１の端子電圧を監視することで、その端子電圧が０Ｖ、５Ｖなどにより圧力センサ３１が断線もしくは短絡していることで判定することができる。

ここで、圧力センサ３１が断線もしくは短絡の故障であれば、異常と判定してステップ３３０に移行し、圧力センサ３１が故障してなければ、正常と判定してステップ３４０に移行する。なお、ステップ３２０にて、圧力センサ３１が異常と判定したときには、図示していないが、圧力センサ３１の異常を使用者に報知するように構成することが望ましい。これにより、この時点で圧力センサ３１の修理依頼を発信することが可能となる。

そして、ステップ３３０にて、圧力センサ３１が異常のときは、目標沸き上げ温度、および沸き上げ温度を、いずれも下限値である６５℃、４、５ｋＷを決定する。一方、圧力センサ３１が正常のときは、目標沸き上げ温度、および沸き上げ温度をステップ３１０で受信された８５℃、６．０ｋＷを決定する。

そして、圧力センサ３１が正常のときには、ステップ３５０にて、冷媒圧力を監視する。つまり、圧力センサ３１で検出された冷媒圧力Ｐｈが閾値以上か閾値未満かを監視している。言い換えると、サイクル内の高圧側が異常圧力とならないように監視している。ここで、冷媒圧力Ｐｈが閾値以上であれば、ステップ３６０にて、ヒートポンプユニット２０の運転を停止させる。

そして、圧力センサ３１で検出された冷媒圧力Ｐｈが閾値未満であれば、ステップ３６０に移行する。ところで、圧力センサ３１が故障しステップ３３０で目標沸き上げ温度、および沸き上げ温度を、いずれも下限値である６５℃、４、５ｋＷを決定した後は、ステップ３６０にて、圧縮機２１に出力される駆動電流を監視している。

ここでは、圧力センサ３１が故障していることで、その代用としてインバータ回路２６で検出された駆動電流によりサイクル内が異常圧力とならない閾値で判定させている。ここで、駆動電流が閾値異常であればステップ３６０に移行してヒートポンプユニット２０の運転を停止させる。ここで、閾値未満であれば、ステップ３７０に移行する。

そして、ステップ３７０にて、第１冷媒温度センサ３２にて検出された吐出温度Tdを監視している。ここでは、圧縮機２１の許容上限温度（正常動作温度域の上限温度）を閾値として設定し、この閾値未満と判定されたときにステップ３８０に移行し、閾値以上と判定されたときにステップ３９０に移行する。

そして、ステップ３８０にて、目標温度差ΔＴｏを算出する。ここでは、圧力センサ３１が故障しているときには、ステップ３３０で決定した目標沸き上げ温度（例えば、６５℃）に基づいて目標温度差ΔＴｏを算出する。また、圧力センサ３１が正常のときには、ステップ３４０にて決定した目標沸き上げ温度（例えば、８５℃）に基づいて目標温度差ΔＴｏを算出する。

そして、ステップ４００にて、水温センサ３３で検出された給湯用水の流入温度と第２冷媒温度センサ３４で検出された水熱交換器２２より流出する冷媒の温度Trとの温度差ΔＴが目標温度差ΔＴｏとなるように膨張弁２３の開度を調節する駆動ステップ数を算出する。

なお、このときに、上述したように、圧力センサ３１が正常なときは、目標温度差ΔＴｏ、および目標圧力と圧力センサの偏差に基づいて駆動ステップ数の算出するようにし、圧力センサ３１が故障のときは、目標温度差ΔＴｏとその目標温度差ΔＴｏに基づいて駆動ステップ数の算出するようにしている。そして、ステップ４３０にて、算出された駆動ステップ数を膨張弁２３に出力することで開度が調節される。

これにより、圧力センサ３１が故障のときは、圧力センサ３１が正常なときよりも上限が規制された目標温度差ΔＴｏとなるように高圧制御されることになる。つまり、サイクル内が異常圧力とならない運転条件で運転を継続させることができる。

一方、ステップ３７０にて、吐出温度Tdが閾値以上のときは、ステップ３９０にて、目標吐出温度Ｔｄｏを算出する。この目標吐出温度Ｔｄｏは、圧縮機２１の許容上限温度（正常動作温度域の上限温度）から算出されたものであり、ステップ３７０で設定した閾値よりも上限の温度としている。

そして、ステップ４１０にて、算出された目標吐出温度Ｔｄｏと第１冷媒温度センサ３２により検出された吐出温度Tdとの温度差に基づいて膨張弁２３の開度を調節する駆動ステップ数を算出する。そして、ステップ４３０にて、算出された駆動ステップ数を膨張弁２３に出力することで開度が調節される。これにより、圧力センサ３１が故障であっても吐出温度Tdを監視することで、異常圧力とならない運転条件で運転を継続することができる。

以上の第１実施形態によるヒートポンプ式給湯装置によれば、圧力センサ３１に異常が生じたときに、上限を規制した目標温度差ΔＴｏとなるようにヒートポンプサイクルの高圧制御を行うことにより、この種の圧力センサ３１は、本来は冷媒圧力を監視してサイクル内を異常圧力とならないように構成しているが、異常圧力の検出以外の断線、短絡のときでも停止するようにサイクルの運転を停止させる制御を行っている。

そこで、本発明では、サイクル内が異常圧力とならない運転条件で運転を継続させることで、断線、短絡などで圧力センサ３１が故障したときでも修理がなされるまでの間は給湯装置の運転が継続できる。これにより、修理がなされるまでの間は給湯装置の運転が停止する方式よりも使用者への迷惑度を最小限に抑えることができる。

また、この種の超臨界ヒートポンプサイクルでは、沸き上げ温度を高めに設定できることが特徴であるため、このようなときには、目標温度差ΔＴｏの上限を規制することで給湯能力の下限値を確保することが可能である。従って、必要な給湯能力を確保できる下限の運転条件で運転を継続させることができる。

また、ヒートポンプサイクルには、弁開度を電気的に調節可能な膨張弁２３が設けられ、電子制御装置３０は、上限を規制した目標温度差ΔＴｏに基づいて膨張弁２３の開度を変化させることで高圧制御を行うことにより、具体手的には、膨張弁２３で容易に上限が規制された目標温度差ΔＴｏに基づいた運転条件で運転を継続させることができる。

また、圧縮機２１の駆動電流が所定値以上のときに、圧縮機２１を停止させる制御を行うことにより、圧縮機２１に出力される駆動電流を監視することで異常圧力とならない運転条件で運転を継続することができる。

（第２実施形態）
以上の第１実施形態では、図２に示す高圧制御において、ステップ４００、４１０で算出された駆動ステップ数に基づいて、ステップ４３０にて、膨張弁２３に出力するように構成させたが、これに限らず、具体的には、図４に示すように、ステップ４００、４１０の後に、ステップ４２０として、限界値判定手段である制御値判定手段として、制御値を監視する判定手段を設け、この制御値が限界値以上のときはヒートポンプユニット２０を停止させるように構成しても良い。

図２に示す高圧制御において、吐出圧力が上昇して異常圧力となる要因として、特に外気温度、および水熱交換器２２に流入する給湯用流体の入口温度などに影響されることが分っている。

そこで、本実施形態では、これら外気温度、入口温度に基づいて膨張弁２３の限界開度を予め設定しておいて、ステップ４００、４１０で算出された膨張弁２３の駆動ステップ数が限界値以上であれば、ステップ３６０にてヒートポンプユニット２０を停止させる。これにより、異常圧力とならない運転条件で運転を継続することができる。

（第３実施形態）
以上の実施形態では、ステップ３７０にて、第１冷媒温度センサ３２にて検出された吐出温度Tdを監視させ、ここで、閾値未満と閾値以上とに判定させて目標温度差ΔＴｏもしくは目標吐出温度Ｔｄｏに基づいて膨張弁２３の開度を調節するように構成したが、これに限らず、具体的には、図５に示すように、ステップ３９０にて、目標吐出温度Ｔｄｏを算出し、ステップ４１０にて、算出された目標吐出温度Ｔｄｏと第１冷媒温度センサ３２により検出された吐出温度Tdとの温度差に基づいて膨張弁２３の開度を調節する駆動ステップ数を算出するように構成しても良い。

これによれば、第１冷媒温度センサ３２により検出された吐出温度が圧縮機２１の許容上限温度から求められた目標吐出温度Ｔｄｏとなるようにヒートポンプサイクルの高圧制御を行うことにより、圧力センサ３１が故障であっても吐出温度を監視することで、異常圧力とならない運転条件で運転を継続することができる。

（第４実施形態）
以上の実施形態では、ヒートポンプサイクルに膨張弁２３を用いてヒートポンプユニット２０を構成させたが、これに限らず、具体的には、図６に示すように、膨張弁２３の代わりに、圧縮機２１から吐出する冷媒を減圧膨張させるノズル部４１を有し、このノズル部４１から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器２４にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機２１の吸入圧を上昇させるエジェクタ４０を用いたヒートポンプユニット２０を構成させて本発明を適用させても良い。

ここで、図中に示す符号４０がエジェクタであり、符号４１のノズルの絞り開度は、高圧側冷媒の圧力が所定範囲となるように可変制御される。また、ノズル４１から噴射する駆動流と空気熱交換器２４から吸引された吸引流とは、混合部４２で互いの運動量が保存されるように混合されて昇圧し、その後、冷媒通路断面積を徐々に拡大するディフューザ４３にて動圧が静圧に変換されて更に昇圧される。

そして、このエジェクタサイクルでは、エジェクタ４０のポンプ作用（ＪＩＳ Ｚ ８１２６ 番号２．１．２．３等参照）により、アキュムレータ２５→空気熱交換器２４→エジェクタ４０（混合部４２→ディフューザ４３）→アキュムレータ２５の順に冷媒が循環し、圧縮機２１のポンプ作用により、圧縮機２１→水熱交換器２２→エジェクタ４０→アキュムレータ２５→圧縮機２１の順に冷媒が循環する。

また、符号２７はオイル戻し管、２９は圧縮機２１から吐出した冷媒を水熱交換器２２およびエジェクタ４０を迂回させて空気熱交換器２４およびアキュムレータ２５それぞれに分配供給するバイパス回路、このバイパス回路２９を開閉するバルブ２８が設けられている。

そして、本実施形態では、高圧制御を、図７に示すように、ステップ４００ａにて、水温センサ３３で検出された給湯用水の流入温度と第２冷媒温度センサ３４で検出された水熱交換器２２より流出する冷媒の温度Trとの温度差ΔＴが目標温度差ΔＴｏとなるように圧縮機の吐出量を調節する駆動ステップ数を算出する。

そして、ステップ４３０ａにて、算出された駆動ステップ数を圧縮機２１に出力することで開度が調節される。また、一方のステップ４１０ａにて、算出された目標吐出温度Ｔｄｏと第１冷媒温度センサ３２により検出された吐出温度Tdとの温度差に基づいて圧縮機２１の吐出量を調節する駆動ステップ数を算出する。そして、ステップ４３０ａにて、算出された駆動ステップ数を圧縮機２１に出力することで開度が調節される。

これによれば、膨張弁２３の代わりにエジェクタ４０を用いるヒートポンプユニット２０においても圧縮機２１の吐出量を制御することで高圧制御を行うことが可能である。より具体的には、圧縮機２１の回転数を変化させて圧縮機２１の吐出量を変化させることで高圧制御が行える。

（他の実施形態）
以上の実施形態では、膨張弁２３の開度、もしくは圧縮機２１の吐出量を変化させる可変速度については説明しなかったが、圧力センサ２３が故障しているときには、その可変速度を圧力センサ２３が正常のときよりも遅くするように構成しても良い。

これによれば、サイクル内の圧力の変化速度が遅くなることで異常圧力となる確率が減少するため安全性を高めることができる。ただし、この場合には高圧制御を行うときに目標温度差ΔＴｏへの安定化も遅くなる。

また、サイクル内の圧力がゆっくりと変化されることで、圧力センサ２３の代用である吐出温度もしくは圧縮機２１の駆動電流の検出が精度良く行えることができる。

本発明の第１実施形態における膨張弁２３を用いたヒートポンプ式給湯装置１０の全体構成を示す模式図である。 本発明の第１実施形態における電子制御装置３０の高圧制御の制御処理を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態における圧力センサ３１が正常のときと、故障したときとの高圧制御の制御内容の違いを説明する説明図である。 本発明の第２実施形態における電子制御装置３０の高圧制御の制御処理を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態における電子制御装置３０の高圧制御の制御処理を示すフローチャートである。 本発明の第４実施形態におけるエジェクタ４０を用いたヒートポンプ式給湯装置１０の全体構成を示す模式図である。 本発明の第４実施形態における電子制御装置３０の高圧制御の制御処理を示すフローチャートである。

符号の説明

２１…圧縮機
２２…水熱交換器（放熱器）
２３…膨張弁（減圧器）
２４…空気熱交換器（蒸発器）
３０…電子制御装置（制御手段）
３１…圧力センサ（圧力検出手段）
３２…第１冷媒温度センサ（温度検出手段）
４０…エジェクタ
４１…ノズル
４２０…制御値判定手段（限界値判定手段）
ΔＴｏ…目標温度差
Ｔｄｏ…目標吐出温度

Claims (10)

1. 高温側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルにて給湯用流体を加熱するヒートポンプ式給湯装置であって、
   冷媒を吸入圧縮する圧縮機（２１）と、
   前記圧縮機（２１）から吐出する冷媒と給湯用流体とを熱交換するとともに、冷媒流れと給湯用流体流れとが対向するように構成された放熱器（２２）と、
   前記放熱器（２２）から流出する冷媒の圧力を検出する圧力検出手段（３１）と、
   前記圧力検出手段（３１）により検出された圧力に基づいて、前記放熱器（２２）に流入する給湯用流体と前記放熱器（２２）から流出する冷媒との温度差が目標温度差（ΔＴｏ）となるように前記ヒートポンプサイクルの高圧制御を行う制御手段（３０）とを備え、
   前記制御手段（３０）は、前記圧力検出手段（３１）に異常が生じたときに、上限を規制した前記目標温度差（ΔＴｏ）となるように前記ヒートポンプサイクルの高圧制御を行うことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
2. 前記ヒートポンプサイクルには、弁開度を電気的に調節可能な膨張弁（２３）が設けられ、
   前記制御手段（３０）は、上限を規制した前記目標温度差（ΔＴｏ）に基づいて前記膨張弁（２３）の開度を変化させることで高圧制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯装置。
3. 高温側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルにて給湯用流体を加熱するヒートポンプ式給湯装置であって、
   冷媒を吸入圧縮する圧縮機（２１）と、
   前記圧縮機（２１）から吐出する冷媒と給湯用流体とを熱交換するとともに、冷媒流れと給湯用流体流れとが対向するように構成された放熱器（２２）と、
   冷媒を蒸発させて吸熱する蒸発器（２４）と、
   前記圧縮機（２１）から吐出する冷媒を減圧膨張させるノズル部（４１）を有し、前記ノズル部（４１）から噴射する高い速度の冷媒流により前記蒸発器（２４）にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して前記圧縮機（２１）の吸入圧を上昇させるエジェクタ（４０）と、
   前記放熱器（２２）から流出する冷媒の圧力を検出する圧力検出手段（３１）と、
   前記圧力検出手段（３１）により検出された圧力に基づいて、前記放熱器（２２）に流入する給湯用流体と前記放熱器（２２）から流出する冷媒との温度差が目標温度差（ΔＴｏ）となるように前記ヒートポンプサイクルの高圧制御を行う制御手段（３０）とを備え、
   前記制御手段（３０）は、前記圧力検出手段（３１）に異常が生じたときに、上限を規制した前記目標温度差（ΔＴｏ）となるように前記ヒートポンプサイクルの高圧制御を行うことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
4. 前記制御手段（３０）は、上限を規制した前記目標温度差（ΔＴｏ）に基づいて、前記圧縮機（２１）の吐出量を変化させることで高圧制御を行うことを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ式給湯装置。
5. 前記圧縮機（２１）から吐出する冷媒の吐出温度を検出する温度検出手段（３２）が設けられ、
   前記制御手段（３０）は、前記温度検出手段（３２）により検出された吐出温度が所定値以上のときに、前記検出された吐出温度が前記圧縮機（２１）の許容上限温度から求められた目標吐出温度（Ｔｄｏ）となるように前記ヒートポンプサイクルの高圧制御を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のヒートポンプ式給湯装置。
6. 高温側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルにて給湯用流体を加熱するヒートポンプ式給湯装置であって、
   冷媒を吸入圧縮する圧縮機（２１）と、
   前記圧縮機（２１）から吐出する冷媒と給湯用流体とを熱交換するとともに、冷媒流れと給湯用流体流れとが対向するように構成された放熱器（２２）と、
   前記圧縮機（２１）から吐出する冷媒の吐出温度を検出する温度検出手段（３２）と、
   前記放熱器（２２）から流出する冷媒の圧力を検出する圧力検出手段（３１）と、
   前記圧力検出手段（３１）により検出された圧力に基づいて、前記放熱器（２２）に流入する給湯用流体と前記放熱器（２２）から流出する冷媒との温度差が目標温度差（ΔＴｏ）となるように前記ヒートポンプサイクルの高圧制御を行う制御手段（３０）とを備え、
   前記制御手段（３０）は、前記圧力検出手段（３１）に異常が生じたときに、前記温度検出手段（３２）により検出された吐出温度が前記圧縮機（２１）の許容上限温度から求められた目標吐出温度（Ｔｄｏ）となるように前記ヒートポンプサイクルの高圧制御を行うことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
7. 前記ヒートポンプサイクルには、弁開度を電気的に調節可能な膨張弁（２３）が設けられ、
   前記制御手段（３０）は、前記温度検出手段（３２）により検出された吐出温度と前記目標吐出温度（Ｔｄｏ）との温度差に基づいて、前記膨張弁（２３）の開度を変化させることで高圧制御を行うことを特徴とする請求項６に記載のヒートポンプ式給湯装置。
8. 前記制御手段（３０）は、前記圧縮機（２１）の駆動電流が所定値以上のときに、前記圧縮機（２１）を停止させる制御を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のヒートポンプ式給湯装置。
9. 前記制御手段（３０）は、前記膨張弁（２３）の開度、もしくは前記圧縮機（２１）の吐出量を変化させる可変速度を前記圧力検出手段（３１）に異常が生じたときの方が通常の高圧制御のときよりも遅くしていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載のヒートポンプ式給湯装置。
10. 外気温度、前記放熱器（２２）に流入する給湯用流体の流体入口温度に基づいて前記膨張弁（２３）の開度、もしくは前記圧縮機（２１）の吐出量を変化させるための限界制御値を判定する限界値判定手段（４２０）が設けられ、
    前記制御手段（３０）は、前記限界値判定手段（４２０）により判定された限界制御値に基づいて、前記圧縮機（２１）を停止させる制御を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載のヒートポンプ式給湯装置。

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