JP2009002614A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプサイクルの効率の悪化を抑制することが可能なヒートポンプ装置を提供すること。
【解決手段】制御装置は、給湯用熱交換器における沸き上げ温度に基づいて（ステップ１４０）、ヒートポンプサイクル内の冷媒の循環状態を第１冷媒循環モード（ステップ１５０）と第２冷媒循環モード（ステップ１６０）とで選択的に切り替える。沸き上げ温度が高い場合には、ヒートポンプサイクルの高圧側冷媒圧力を二酸化炭素冷媒の臨界圧より高くし、沸き上げ温度が低い場合には、ヒートポンプサイクルの高圧側冷媒圧力を二酸化炭素冷媒の臨界圧以下とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、高圧側の二酸化炭素冷媒圧力を冷媒の臨界圧を超える圧力とすることが可能なヒートポンプ装置に関する。

従来技術として、下記特許文献１に開示されたヒートポンプサイクルを備える空気調和装置がある。このヒートポンプサイクルは、暖房運転時には、圧縮機、室内熱交換器、膨張機、室外熱交換器を順次接続して構成している。圧縮機と膨張機とは接続されて連動するようになっており、膨張機を通過する冷媒の質量流量（すなわち、放熱用熱交換器である室内熱交換器から流出する冷媒の質量流量）が圧縮機を通過する冷媒の質量流量と等しくなるように冷媒を循環している。

そして、高外気温時には高圧側の冷媒圧力を臨界圧以上とし、低外気温時には高圧側の冷媒圧力を臨界圧未満として冷媒を循環し暖房運転を行うようになっている。これにより、低外気温時に圧縮機の吸入冷媒の密度低下に伴って膨張機への流入冷媒の密度を低くせざるを得ない状態であっても、室内熱交換器の入口と出口とのエンタルピ差を確保して、充分な暖房能力が得られるようにしている。
特開２００６−２２０３５６号公報

上記従来技術のヒートポンプサイクルに対し、高圧側から低圧側への冷媒の減圧手段として圧縮機と連動する膨張機を採用しない場合には、放熱用熱交換器から流出する冷媒の質量流量を、圧縮機を通過する冷媒の質量流量と等しくする必要がないため、吸熱用熱交換器の外部温度にかかわらず、高圧側の冷媒を超臨界域で使用することができる。

しかしながら、放熱用熱交換器での被加熱流体の加熱温度をあまり高くする必要がない場合、例えば放熱用熱交換器が給湯用の水冷媒熱交換器であり、湯を床暖房等に用いるため沸き上げ温度が低い場合には、高圧側の冷媒を超臨界域で使用すると、圧縮機の吐出冷媒温度が必要以上に高くなる。そのため、ヒートポンプサイクルの効率が悪化するという問題がある。

本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、ヒートポンプサイクルの効率の悪化を抑制することが可能なヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
冷媒を圧縮吐出する圧縮機（１０）、圧縮機（１０）が吐出した冷媒から放熱して被加熱流体を加熱する放熱用熱交換器（２０）、放熱用熱交換器（２０）で放熱した冷媒を減圧する減圧手段（３０）、および減圧手段（３０）が減圧した冷媒を蒸発して吸熱する吸熱用熱交換器（４０）を冷媒回路（２）で接続し、二酸化炭素を冷媒としたヒートポンプサイクル（１００）と、
ヒートポンプサイクル（１００）内の冷媒の循環状態を制御する制御手段（２００）とを備え、
制御手段（２００）は、放熱用熱交換器（２０）における被加熱流体の目標加熱温度もしくは目標加熱温度の関連情報に基づいて、冷媒の循環状態を、圧縮機（１０）が吐出し減圧手段（３０）が減圧する前の冷媒の圧力を冷媒の臨界圧より高くする第１冷媒循環モード（１５０）と、圧縮機（１０）が吐出し減圧手段（３０）が減圧する前の冷媒の圧力を冷媒の臨界圧以下とする第２冷媒循環モード（１６０）とを選択的に切り替えることを特徴としている。

これによると、放熱用熱交換器（２０）における被加熱流体の目標加熱温度もしくは目標加熱温度の関連情報に基づいて、放熱用熱交換器（２０）での被加熱流体の加熱温度を比較的高くする必要がある場合には、圧縮機（１０）が吐出し減圧手段（３０）が減圧する前の冷媒の圧力、すなわちヒートポンプサイクル（１００）の高圧側の冷媒圧力を二酸化炭素冷媒の臨界圧より高くし、放熱用熱交換器（２０）での被加熱流体の加熱温度を比較的高くする必要がない場合には、ヒートポンプサイクル（１００）の高圧側の冷媒圧力を二酸化炭素冷媒の臨界圧以下とすることができる。

したがって、被加熱流体の加熱温度を比較的低くする場合には、ヒートポンプサイクル（１００）の高圧側と低圧側との圧力差を小さくできる。このようにして、ヒートポンプサイクル（１００）の効率の悪化を抑制することが可能となる。

また、請求項２に記載の発明では、放熱用熱交換器（２０）における被加熱流体の目標加熱温度の関連情報は、被加熱流体の放熱用熱交換器（２０）の出口温度であることを特徴としている。

これによると、制御手段（２００）は、第１冷媒循環モード（１５０）と第２冷媒循環モード（１６０）との切り替えの判断条件情報を簡便に得ることができる。

また、請求項３に記載の発明では、放熱用熱交換器（２０）における被加熱流体の目標加熱温度の関連情報は、被加熱流体の放熱用熱交換器（２０）の入口温度と出口温度との温度差であることを特徴としている。

これによると、制御手段（２００）は、第１冷媒循環モード（１５０）と第２冷媒循環モード（１６０）との切り替えの判断条件情報を精度よく得ることができる。

また、請求項４に記載の発明では、制御手段（２００）は、ヒートポンプサイクル（１００）内の冷媒の循環を開始し所定時間経過した後に、放熱用熱交換器（２０）における被加熱流体の目標加熱温度もしくは目標加熱温度の関連情報に基づいて、第１冷媒循環モード（１５０）と第２冷媒循環モード（１６０）とを選択的に切り替えることを特徴としている。

これによると、ヒートポンプ（１００）内の冷媒の循環を開始し放熱用熱交換器（２０）における被加熱流体の加熱状態が安定した後に、第１冷媒循環モード（１５０）と第２冷媒循環モード（１６０）とのモード切り替えのための判断条件情報を、より精度よく得ることができる。

また、請求項５に記載の発明では、
圧縮機（１０）が吐出し減圧手段（３０）が減圧する前の冷媒の圧力を検出する圧力検出手段（９０）を備え、
制御手段（２００）は、冷媒の循環状態を第２冷媒循環モード（１６０）とした場合には、圧力検出手段（９０）が検出する圧力が、被加熱流体の放熱用熱交換器（２０）の入口温度における冷媒の飽和圧力以上となるように冷媒を循環することを特徴としている。

これによると、冷媒の循環状態を第２冷媒循環モード（１６０）とした場合には、放熱用熱交換器（２０）の出口において冷媒を過冷却状態とすることができる。したがって、放熱用熱交換器（２０）での被加熱流体の加熱に冷媒の凝縮域の潜熱を利用して、被加熱流体を安定して加熱することができる。

また、請求項６に記載の発明では、
圧縮機（１０）が吐出し減圧手段（３０）が減圧する前の冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段を備え、
制御手段（２００）は、冷媒の循環状態を第２冷媒循環モード（１６０）とした場合には、冷媒温度検出手段が検出する温度に基づいて、圧縮機（１０）が吐出し減圧手段（３０）が減圧する前の冷媒の圧力が、被加熱流体の放熱用熱交換器（２０）の入口温度における冷媒の飽和圧力以上となるように冷媒を循環することを特徴としている。

これによっても、冷媒の循環状態を第２冷媒循環モード（１６０）とした場合には、放熱用熱交換器（２０）の出口において冷媒を過冷却状態とすることができ、放熱用熱交換器（２０）での被加熱流体の加熱に冷媒の凝縮域の潜熱を利用して、被加熱流体を安定して加熱することが可能である。

また、請求項７に記載の発明では、被加熱流体は液体であり、放熱用熱交換器（２０）において被加熱流体の受熱した熱量が、給湯用熱量と暖房用熱量とに選択的に切り替えて用いられることを特徴としている。

一般的に、給湯には暖房より多量の時間当たり熱量を必要とする。したがって、放熱用熱交換器（２０）において被加熱流体の受熱した熱量を給湯用熱量と暖房用熱量とに選択的に切り替えて用いる場合には、給湯時には放熱用熱交換器（２０）において液体である被加熱流体を比較的高温に沸き上げる必要があり、暖房時には放熱用熱交換器（２０）において液体である被加熱流体を比較的低温に沸き上げればよい。

このように、放熱用熱交換器（２０）における被加熱流体の沸き上げ温度差が大きいヒートポンプ装置（１）では、放熱用熱交換器（２０）での被加熱流体の加熱温度を比較的高くする必要がある場合にはヒートポンプサイクル（１００）の高圧側の冷媒圧力を二酸化炭素冷媒の臨界圧より高くし、放熱用熱交換器（２０）での被加熱流体の加熱温度を比較的高くする必要がない場合にはヒートポンプサイクル（１００）の高圧側の冷媒圧力を二酸化炭素冷媒の臨界圧以下として、ヒートポンプサイクル（１００）の効率の悪化を抑制することができる効果は極めて大きい。

なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。

図１は、本発明を適用した一実施形態におけるヒートポンプ装置１の概略構成を示す模式図である。

図１に示すように、ヒートポンプ装置１は、ヒートポンプサイクル１００と、このヒートポンプサイクル１００内の冷媒の循環状態を制御する制御手段としての制御装置（ヒートポンプ装置制御装置（ヒートポンプＥＣＵ））２００とを備えている。

ヒートポンプサイクル１００は、圧縮機１０、給湯用熱交換器（本発明における放熱用熱交換器に相当）２０、膨張弁（減圧手段に相当）３０、室外熱交換器（吸熱用熱交換器に相当）４０、図示しないアキュムレータ、およびこれらを環状に接続する冷媒配管（冷媒回路に相当）２で構成されている。冷媒配管２内を循環する冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）を使用している。

圧縮機１０は、内蔵する電動モータ（図示せず）によって回転駆動されて、気相冷媒を圧縮して高温冷媒として吐出する電動コンプレッサである。圧縮機１０は、制御装置２００により駆動回転数が制御されるようになっている。

給湯用熱交換器２０は、圧縮機１０の吐出口より吐出された高温高圧の冷媒によって被加熱流体である水を湯に昇温させる水−冷媒熱交換器であり、冷媒が流通する冷媒通路部２１と水が流通する水通路部２２とを有し、冷媒通路部２１を流れる冷媒の流れ方向と水通路部２２を流れる水の流れ方向とが対向するように構成されている。

給湯用熱交換器２０の冷媒通路部２１は冷媒流路管により構成され、冷媒通路部２１が水通路部２２の表面に熱交換可能に密着するように配置された熱交換構造となっている。

水通路部２２は、給水を流通する給水通路（流水路）８０の一部を構成しており、ポンプ（図示せず）の作動により給水通路８０内を流れる水を、給湯用熱交換器２０内で高温高圧冷媒との熱交換によって給湯用の高温の湯とするようになっている。

膨張弁３０は、給湯用熱交換器２０から流出する冷媒を弁開度に応じて減圧する減圧手段であり、具体的には弁開度を小さくするほど大きく減圧を行なうようになっている。膨張弁３０は、制御装置２００によって弁開度が電気的に制御されるようになっている。

室外熱交換器（蒸発器）４０は、屋外に配置され、外気と膨張弁３０により減圧された後の液相冷媒とを熱交換させて液相冷媒を蒸発させることにより、図示しないファンによって送風される外気から吸熱するための熱源用熱交換器である。

また、図示は省略しているが、アキュムレータは、室外熱交換器４０より流出する冷媒を気液分離して、気相冷媒のみを圧縮機１０に吸入させるとともに、サイクル中の余剰冷媒を液冷媒として蓄える気液分離器である。

冷媒配管２の給湯用熱交換器２０より下流側かつ膨張弁３０より上流側には、圧力検出手段である圧力センサ９０が配設されている。圧力センサ９０は、圧縮機１０に吐出され膨張弁３０により減圧される前の冷媒の圧力、すなわち、冷媒配管２のうち高圧側配管３内の冷媒圧力を検出する所謂高圧センサである。

また、高圧側配管３の圧縮機１０と給湯用熱交換器２０との間には、圧縮機１０から圧縮吐出された冷媒の温度を検出する、冷媒温度検出手段としての圧縮機出口温度サーミスタ９１が配設されている。

また、室外熱交換器４０の空気流れ上流側には、外気温度を検出する、外気温度検出手段としての外気温度サーミスタ９２が配設されている。

さらに、給水通路８０の給湯用熱交換器２０より上流側部には、給湯用熱交換器２０の水通路部２２に流入する水の温度（入口温度）を検出する、給水温度検出手段としての給水温度サーミスタ９３が配設されている。

一方、給水通路８０の給湯用熱交換器２０より下流側部には、給湯用熱交換器２０の水通路部２２から流出する水の温度（出口温度）を検出する、沸き上げ温度検出手段としての沸き上げ温度サーミスタ９４が配設されている。

本実施形態のヒートポンプ装置１は、給湯用熱交換器２０で沸き上げた湯を、給湯や床暖房等に用いるヒートポンプ式給湯・暖房装置（給湯暖房システム）の一部をなすものであり、制御装置２００は、ヒートポンプ式給湯・暖房装置の給湯・暖房熱量制御を行うための上位制御装置３００とともに、システム制御手段を構成している。また、上位制御装置３００には、給湯や暖房の条件を設定するための操作手段としての操作盤４００が接続している。

ヒートポンプ装置１の制御装置２００は、前述した圧力センサ９０からの圧力情報、各サーミスタ９１〜９４からの温度情報、上位制御装置３００からの制御情報等を入力し、後述する手順にしたがって、可変式の膨張弁３０の開度や圧縮機１０の周波数（回転数）を制御するようになっている。

次に、上記構成に基づきヒートポンプ装置１の作動について説明する。図２は、制御装置２００の概略制御動作を示すフローチャートである。

制御装置２００は、上位制御装置３００からの制御信号に基づいて給湯用熱交換器２０での湯の沸き上げが必要となった場合には、圧縮機１０の駆動してヒートポンプサイクル１００内の冷媒循環を開始し、ヒートポンプ装置１を起動する（ステップ１１０）。

ヒートポンプサイクル１００内の冷媒循環を開始して、沸き上げ能力が安定状態となるために必要な所定時間を経過したら（ステップ１２０）、沸き上げ温度サーミスタ９４からの信号を入力して、給湯用熱交換器２０による湯の沸き上げ温度を取得する（ステップ１３０）。そして、取得した沸き上げ温度が所定温度以上（本例では５０℃以上）であるか否かを判断する（ステップ１４０）。

ステップ１４０において沸き上げ温度が５０℃以上であると判断した場合には、ステップ１５０へ進み、沸き上げ温度が５０℃未満であると判断した場合には、ステップ１６０へ進む。

ステップ１５０では、ヒートポンプサイクル１００内の冷媒の循環状態を、圧縮機１０が吐出し膨張弁３０が減圧する前の冷媒の圧力、すなわち高圧側冷媒圧力を冷媒の臨界圧より高くする第１冷媒循環モードとし、圧力センサ９０が検出する冷媒圧力が省エネルギの観点からサイクル効率がもっとも良い圧力となるように制御する。

具体的には、制御装置２００には、外気温度と沸き上げ温度とに対応した、効率的に好ましい高圧側冷媒圧力が予め求められ設定されている。制御装置２００は、外気温度サーミスタ９２および沸き上げ温度サーミスタ９４からの温度情報に基づいて、圧力センサ９０からの圧力信号が適正値となるように、ヒートポンプサイクル１００内の冷媒の循環状態を調節する。

一方、ステップ１６０では、ヒートポンプサイクル１００内の冷媒の循環状態を、圧縮機１０が吐出し膨張弁３０が減圧する前の冷媒の圧力、すなわち高圧側冷媒圧力を冷媒の臨界圧以下とする第２冷媒循環モードとし、圧縮機出口温度サーミスタ９１により検出された温度が、沸き上げ温度サーミスタ９４検出温度＋所定温度（例えば＋１０℃）となるように制御する。

これに加え、圧力センサ９０が検出する冷媒圧力が、給水温度サーミスタ９３が検出する給水温度における冷媒飽和圧力以上となるように、ヒートポンプサイクル１００内の冷媒の循環状態を制御する。

ステップ１５０およびステップ１６０でのヒートポンプサイクル１００内の冷媒の循環状態の制御（高圧側冷媒状態の制御）は、圧縮機１０の回転数、膨張弁３０の開度調節の少なくともいずれかにより実施される。

ステップ１５０およびステップ１６０のいずれかを実行したら、ステップ１３０へリターンする。

本実施形態のヒートポンプ式給湯・暖房装置は、給湯運転モードと、床暖房運転モードとを行なうことができるようになっている。

給湯運転時の給湯用熱交換器２０での沸き上げ温度は、例えば約６０℃〜９０℃であり、冷媒通路部２１に高温冷媒が必要となるため、上述の制御動作によれば、給湯運転時にはステップ１５０が実行される。

ステップ１５０が実行されているときには、図３に、ヒートポンプサイクル１００内の冷媒の状態をモリエル線図（圧力−エンタルピ線図）上に示すように、高圧側の冷媒圧力は冷媒の臨界圧より高くなり、圧縮機１０から吐出され給湯用熱交換器２０に流入する前の給湯用熱交換器２０冷媒入口Ａ１点における冷媒温度は、例えば約１００℃となる。

一方、床暖房運転時の給湯用熱交換器２０での沸き上げ温度は、例えば約３０℃〜４０℃であり、ヒートポンプサイクル１００の高圧側が臨界圧以上では温度が高くなり過ぎるため、上述の制御動作によって、床暖房運転時にはステップ１６０が実行される。

ステップ１６０が実行されているときには、図４に、ヒートポンプサイクル１００内の冷媒の状態をモリエル線図上に示すように、高圧側の冷媒圧力は冷媒の臨界圧以下となり、圧縮機１０から吐出され給湯用熱交換器２０に流入する前の給湯用熱交換器２０冷媒入口Ａ２点における冷媒温度は、例えば約５０℃となる。

これにより、沸き上げ温度が低い場合であっても、安定した沸き上げ能力が得られる。さらに、高圧側と低圧側との圧力差を小さくできるため、ヒートポンプサイクル効率が良好となる。

また、ステップ１６０を実行するときには、図４に示すように、給湯用熱交換器２０冷媒出口Ａ３点において、冷媒は過冷却を持った液相冷媒となる。図４に示すＡ４点からＡ５点の間では冷媒は気液二層状態であり、同一圧力、同一温度であるにも係わらず、エンタルピが変化する。したがって、給湯用熱交換器２０冷媒出口における冷媒が気液二層状態であると、沸き上げ能力が不安定となる。

本実施形態では、給湯用熱交換器２０の冷媒出口では、冷媒が過冷却を取れるようにしているので、沸き上げ能力を安定させることができる。給湯用熱交換器２０の冷媒出口は給水温度以上であることから、冷媒に過冷却を持たせるために、高圧側の冷媒圧力が給水温度での冷媒飽和圧力以上となるように制御している。

上述の構成および作動によれば、制御装置２００は、給湯用熱交換器２０における水の沸き上げ温度に基づいて、ヒートポンプサイクル１００内の冷媒の循環状態を、第１冷媒循環モードと、第２冷媒循環モードとで選択的に切り替えている。

これにより、給湯用熱交換器２０での水の沸き上げ温度を比較的高くする必要がある給湯運転モードの場合には、ヒートポンプサイクル１００の高圧側の冷媒圧力を二酸化炭素冷媒の臨界圧より高くし、給湯用熱交換器２０での水の沸き上げ温度を高くする必要がない床暖房運転モードの場合には、ヒートポンプサイクル１００の高圧側の冷媒圧力を二酸化炭素冷媒の臨界圧以下とすることができる。

したがって、水の沸き上げ温度を比較的低くする場合には、ヒートポンプサイクル１００の高圧側と低圧側との冷媒圧力差を小さくでき、ヒートポンプサイクル１００の効率の悪化を抑制することができる。

また、制御装置２００は、沸き上げ温度サーミスタ９４が検出する沸き上げ温度に基づいて、ヒートポンプサイクル１００内の冷媒の循環状態を、第１冷媒循環モードと、第２冷媒循環モードとで選択的に切り替えているので、切り替えの判断をシンプルにすることができる。

また、制御装置２００は、ヒートポンプサイクル１００内の冷媒循環を開始して沸き上げ能力が安定状態となるために必要な所定時間を経過した後に、沸き上げ温度サーミスタ９４から沸き上げ温度を取得して、第１冷媒循環モードと第２冷媒循環モードとを選択的に切り替えている。したがって、精度のよい沸き上げ温度情報に基づいて、第１冷媒循環モードと第２冷媒循環モードとを選択的に切り替えることができる。

また、制御装置２００は、冷媒の循環状態を第２冷媒循環モードとした場合には、圧力センサ９０が検出する高圧側圧力が、給水温度サーミスタ９３が検出する給水温度における冷媒の飽和圧力以上となるように冷媒を循環している。

これによると、冷媒の循環状態を第２冷媒循環モードとした場合には、給湯用熱交換器２０の出口において冷媒を過冷却状態とすることができる。したがって、給湯用熱交換器２０での湯の沸き上げに冷媒の凝縮域の潜熱を確実に利用して、安定した沸き上げを行なうことができる。

また、本実施形態のヒートポンプ装置１は、ヒートポンプ式の給湯・暖房装置に組み込まれており、給湯用熱交換器２０で沸き上げられた湯の熱量は給湯と暖房とに用いられ、給湯時と暖房時とでは給湯用熱交換器２０における湯の沸き上げ温度の差が大きい。

したがって、高温の湯を沸き上げる必要がある給湯時にはヒートポンプサイクル１００の高圧側の冷媒圧力を二酸化炭素冷媒の臨界圧より高くし、比較的低温の湯を沸き上げればよい暖房時にはヒートポンプサイクル１００の高圧側の冷媒圧力を二酸化炭素冷媒の臨界圧以下として、ヒートポンプサイクル１００の効率の悪化を抑制することができる効果は極めて大きい。

（他の実施形態）
上記各一施形態では、制御装置２００は、給湯用熱交換器２０における水の沸き上げ温度に基づいて、ヒートポンプサイクル１００内の冷媒の循環状態を、第１冷媒循環モードと、第２冷媒循環モードとで選択的に切り替えていたが、第１冷媒循環モードと第２冷媒循環モードとの切り替えの判断は沸き上げ温度に限定されるものではない。給湯用熱交換器２０における目標沸き上げ温度もしくは目標沸き上げ温度に関連する特性や情報に基づいて切り替えの判断をするものであればよい。

沸き上げ温度（目標沸き上げ温度）は操作盤４００にて変更されるものであるので、沸き上げ温度サーミスタ９４の検出温度ではなく、沸き上げ温度の設定値（目標沸き上げ温度）にて制御切り替えの判断を行なってもよい。

また、上記一実施形態における沸き上げ温度サーミスタ９４が検出する沸き上げ温度も目標沸き上げ温度に関連する特性値であると言える。

沸き上げ温度サーミスタ９４の検出値を用いる方法が最も簡便であるが、給水温度サーミスタ９３および沸き上げ温度サーミスタ９４の両方をサーミスタにより温度検知し、沸き上げ温度と給水温度の温度差より、第１冷媒循環モードと第２冷媒循環モードとの切り替えの判断をするものであってもよい。これによれば、切り替えの判断精度を向上することができる。

また、目標温度や検出温度によらず、給湯運転モード、床暖房運転モード等のモード情報に基づいて、第１冷媒循環モードと第２冷媒循環モードとの切り替えの判断を行うものであってもよい。

また、上記一実施形態では、ヒートポンプサイクル１００内の冷媒循環を開始して沸き上げ能力が安定状態となるために必要な所定時間を経過した後に、沸き上げ温度サーミスタ９４から沸き上げ温度を取得して、第１冷媒循環モードと第２冷媒循環モードとを選択的に切り替えていたが、安定状態となる前から第１冷媒循環モードと第２冷媒循環モードとを切り替えるものであってもよい。

また、上記一実施形態では、冷媒の循環状態を第２冷媒循環モードとした場合には、圧力センサ９０が検出する高圧側冷媒圧力が、給水温度サーミスタ９３が検出する給水温度における冷媒の飽和圧力以上となるように冷媒を循環していたが、給湯用熱交換器２０から流出する冷媒が過冷却をもった液冷媒として流出するものであればよい。

冷媒の循環状態を第２冷媒循環モードとした場合に、給湯用熱交換器２０の出口において冷媒を過冷却状態とすることができれば、給湯用熱交換器２０での湯の沸き上げに冷媒の凝縮域の潜熱を確実に利用して、安定した沸き上げを行なうことができる。

高圧側冷媒圧力の検出値によらず、例えば高圧側のいずれかにおける冷媒温度に基づいて、高圧側冷媒圧力が給水温度サーミスタ９３が検出する給水温度における冷媒の飽和圧力以上となるように冷媒を循環させるものであってもよい。

例えば、圧縮機１０の冷媒出口温度、給湯用熱交換器２０の冷媒出口温度、給湯用熱交換器２０の中間部における冷媒温度の少なくともいずれかに基づいて、高圧側冷媒圧力が、給水温度サーミスタ９３が検出する給水温度における冷媒の飽和圧力以上となるように冷媒を循環させるものであってもよい。

給湯用熱交換器２０中間部の冷媒温度から高圧側冷媒圧力を算出したり、圧縮機１０の冷媒出口温度、給湯用熱交換器２０の冷媒出口温度から高圧側冷媒圧力を推定算出したりして、算出した圧力が給水温度における冷媒の飽和圧力以上となるように冷媒を循環させるものであってもよい。また、高圧側の冷媒温度から高圧側冷媒圧力を算出することなく、検出した冷媒温度の値を直接用いて、給湯用熱交換器２０から流出する冷媒が過冷却状態の液冷媒となるように冷媒の循環制御を行うものであってもよい。

また、上記一実施形態では、減圧手段として膨張弁３０を用いたヒートポンプサイクル１００を備えるヒートポンプ装置１について説明したが、例えば、図５に示すようなエジェクタを用いたヒートポンプサイクルを備えるヒートポンプ装置にも、本発明を適用して有効である。

図５に示すエジェクタ３１は給湯用熱交換器２０から流出する冷媒を減圧膨張させて室外熱交換器４０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１０の吸入圧を上昇させるものである。

ここで、エジェクタ３１は、給湯用熱交換器２０から流出した高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を略等エントロピ的に減圧膨張させるノズル部と、ノズル部から噴射する高い速度の冷媒流により室外熱交換器４０にて蒸発した気相冷媒を吸引しながら、ノズル部から噴射する冷媒流と混合する混合部、およびノズル部から噴射する冷媒と室外熱交換器４０から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ等の昇圧部からなるものである。ここで、エジェクタ３１のノズル部は、本発明で言うところの減圧手段に相当する。

また、アキュムレータ５０は、エジェクタ３１から流出した冷媒が流入するとともに、その流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄える気液分離器であり、分離された気相冷媒は圧縮機１０側に吸引され、分離された液相冷媒は室外熱交換器４０側に吸引されるようになっている。

また、上記一実施形態では、本発明を適用したヒートポンプ装置１を備える給湯・暖房装置について説明したが、給湯・暖房装置に限定されるものではない。例えば、放熱用熱交換器を空気−冷媒熱交換器として、空気暖房用のヒートポンプ式暖房装置に本発明を適用するものであってもよい。この場合には、被加熱流体は空気であり、空気−冷媒熱交換器にて熱交換された空気出口温度に基づいて、上記一実施形態と同様に、ヒートポンプサイクル１００内の冷媒の循環状態を、第１冷媒循環モードと第２冷媒循環モードとで切り替えればよい。

本発明を適用した一実施形態におけるヒートポンプ装置１の概略構成を示す模式図である。 制御装置２００の概略制御動作を示すフローチャートである。 第１冷媒循環モードにおけるヒートポンプサイクル１００内の冷媒の状態をモリエル線図上に示した図である。 第２冷媒循環モードにおけるヒートポンプサイクル１００内の冷媒の状態をモリエル線図上に示した図である。 他の実施形態におけるヒートポンプ装置の概略構成を示す模式図である。

符号の説明

１ ヒートポンプ装置
２ 冷媒配管（冷媒回路）
１０ 圧縮機
２０ 給湯用熱交換器（放熱用熱交換器）
３０ 膨張弁（減圧手段）
４０ 室外熱交換器（吸熱用熱交換器）
９０ 圧力センサ（圧力検出手段）
１００ ヒートポンプサイクル
１５０ 第１冷媒循環モードステップ
１６０ 第２冷媒循環モードステップ
２００ 制御装置（制御手段）

Claims (7)

1. 冷媒を圧縮吐出する圧縮機（１０）、前記圧縮機（１０）が吐出した冷媒から放熱して被加熱流体を加熱する放熱用熱交換器（２０）、前記放熱用熱交換器（２０）で放熱した冷媒を減圧する減圧手段（３０）、および前記減圧手段（３０）が減圧した冷媒を蒸発して吸熱する吸熱用熱交換器（４０）を冷媒回路（２）で接続し、二酸化炭素を前記冷媒としたヒートポンプサイクル（１００）と、
   前記ヒートポンプサイクル（１００）内の前記冷媒の循環状態を制御する制御手段（２００）とを備え、
   前記制御手段（２００）は、前記放熱用熱交換器（２０）における前記被加熱流体の目標加熱温度もしくは前記目標加熱温度の関連情報に基づいて、前記圧縮機（１０）が吐出し前記減圧手段（３０）が減圧する前の前記冷媒の圧力を前記冷媒の臨界圧より高くする第１冷媒循環モード（１５０）と、前記圧縮機（１０）が吐出し前記減圧手段（３０）が減圧する前の前記冷媒の圧力を前記冷媒の臨界圧以下とする第２冷媒循環モード（１６０）とを選択的に切り替えることを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 前記目標加熱温度の関連情報は、前記被加熱流体の前記放熱用熱交換器（２０）の出口温度であることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
3. 前記目標加熱温度の関連情報は、前記被加熱流体の前記放熱用熱交換器（２０）の入口温度と出口温度との温度差であることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
4. 前記制御手段（２００）は、前記ヒートポンプサイクル（１００）内の前記冷媒の循環を開始し所定時間経過した後に、前記目標加熱温度もしくは前記目標加熱温度の関連情報に基づいて、前記第１冷媒循環モード（１５０）と前記第２冷媒循環モード（１６０）とを選択的に切り替えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
5. 前記圧縮機（１０）が吐出し前記減圧手段（３０）が減圧する前の前記冷媒の圧力を検出する圧力検出手段（９０）を備え、
   前記制御手段（２００）は、前記第２冷媒循環モード（１６０）とした場合には、前記圧力検出手段（９０）が検出する圧力が、前記被加熱流体の前記放熱用熱交換器（２０）の入口温度における前記冷媒の飽和圧力以上となるように前記冷媒を循環することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
6. 前記圧縮機（１０）が吐出し前記減圧手段（３０）が減圧する前の前記冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段を備え、
   前記制御手段（２００）は、前記第２冷媒循環モード（１６０）とした場合には、前記冷媒温度検出手段が検出する温度に基づいて、前記圧縮機（１０）が吐出し前記減圧手段（３０）が減圧する前の前記冷媒の圧力が、前記被加熱流体の前記放熱用熱交換器（２０）の入口温度における前記冷媒の飽和圧力以上となるように前記冷媒を循環することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
7. 前記被加熱流体は液体であり、
   前記放熱用熱交換器（２０）において前記被加熱流体の受熱した熱量が、給湯用熱量と暖房用熱量とに選択的に切り替えて用いられることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のヒートポンプ装置。

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