JP2020079649A - ヒートポンプ装置の制御方法及びヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプ装置において、熱交換媒体の圧縮機吐出圧の制御精度を高めることで、高ＣＯＰと高加熱能力とを可能にする。【解決手段】ヒートポンプ装置１０の制御方法は、ＣＯ２を熱交換媒体とし、圧縮機１６、ガスクーラ１８、膨張弁２０及び蒸発器２２を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器を備えるヒートポンプ装置１０の制御方法であって、熱交換媒体の圧縮機吐出圧が目標吐出圧となるように膨張弁２０の開度を制御する膨張弁開度制御ステップを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、ヒートポンプ装置の制御方法及びヒートポンプ装置に関する。

ヒートポンプサイクルを構成するヒートポンプ装置は、圧縮機吐出側で熱交換媒体が高温高圧状態となることで、被加熱水を高温まで加熱でき、高温水を得ることができる。特に、ＣＯ_２などの熱交換媒体は圧縮機吐出側で超臨界状態となるため、９０℃程度の熱水を得ることができる。
他方、圧縮機吐出側で熱交換媒体の圧力が高くなりすぎると、ヒートポンプ装置の熱効率（成績係数ＣＯＰ）が低下するため、圧縮機吐出側の熱交換媒体の圧力を適度に制御する必要がある。

特許文献１には、ヒートポンプ装置において、圧縮機吐出側流路の熱交換媒体の循環量を調整することで、熱交換媒体の圧縮機吐出力を制御する運転方法が開示されている。

特開２０１０−２８１５５２号公報

特許文献１に開示された熱交換媒体の圧縮機吐出圧の制御方法は、熱交換媒体の循環量と圧縮機吐出力との相関がリニアなものではないため、制御の精度に限界がある。
また、熱交換媒体の圧縮機吐出圧は、蒸発器における熱源媒体の温度やガスクーラにおける被加熱水の温度等の外的条件によって変動するため、これらの外的条件を考慮して吐出圧を制御する必要がある。

少なくとも一実施形態は、上記課題に鑑み、ヒートポンプ装置において、熱交換媒体の圧縮機吐出圧の制御精度を高めることで、高ＣＯＰと高加熱能力とを可能にすることを目的とする。

（１）少なくとも一実施形態に係るヒートポンプ装置の制御方法は、
ＣＯ_２を熱交換媒体とし、圧縮機、ガスクーラ、膨張弁及び蒸発器を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器を備えるヒートポンプ装置の制御方法であって、
前記熱交換媒体の圧縮機吐出力が目標吐出圧となるように前記膨張弁の開度を制御する膨張弁開度制御ステップを備える。目標吐出圧として、高ＣＯＰと高加熱能力とを得られる吐出圧を予め設定しておく。
上記（１）の方法によれば、熱交換媒体の圧縮機吐出圧（以下、単位に「吐出圧」とも言う。）が目標吐出圧となるように、膨張弁の開度を制御することで、圧縮機吐出圧を精度良く目標吐出圧にすることができる。これによって、高ＣＯＰと高加熱能力とを有する運転が可能になる。

従来、熱交換媒体の圧縮機吸込圧又は吸込温度を監視しながら、膨張弁の開度を制御して過熱度を制御することが行われている。この過熱度制御によって間接的に吐出圧も制御される。
上記実施形態は、かかる制御とは異なり、膨張弁の開度制御によって吐出圧を直接制御することで、高ＣＯＰと高加熱能力とを可能にするものである。

（２）一実施形態では、前記（１）の方法において、
前記蒸発器における被冷却媒体の入口温度及び前記ガスクーラにおける被加熱媒体の入口温度に基づいて、前記目標吐出圧を設定する吐出圧設定ステップを備え、
前記膨張弁開度制御ステップにおいて、前記圧縮機吐出圧が前記目標吐出圧となるように前記膨張弁の開度を制御する。
圧縮機吐出圧は、蒸発器における被冷却媒体の入口温度及びガスクーラにおける被加熱媒体の入口温度等の外的条件によって変動する。
上記（２）の方法によれば、これらの外的条件を考慮して目標吐出圧を設定するので、これらの外的条件が変動しても、高ＣＯＰと高加熱能力を維持できる。

（３）一実施形態では、前記（２）の方法において、
前記吐出圧設定ステップにおいて、
前記被冷却媒体の入口温度、前記被加熱媒体の入口温度及び前記目標吐出圧の間で予め設定された相関に基づいて、前記目標吐出圧を設定する。
上記（３）の方法によれば、上記外的条件と高ＣＯＰと高加熱能力とが可能な吐出圧との間の相関を予め求めておき、この相関に基づいて目標吐出圧を設定するので、上記外的条件が変動しても、高い確率で高ＣＯＰと高加熱能力を得ることができる。

（４）一実施形態では、前記（２）又は（３）の方法において、
前記被冷却媒体の入口温度が高温度域のときに前記入口温度が低温度域のときより前記圧縮機の回転数を減少させる回転数制御ステップを備える。
上記（４）の方法によれば、被冷却媒体の入口温度が高温度域のときに前記入口温度が低温度域のときより前記圧縮機の回転数を減少させることで、吐出圧を目標吐出圧に精度良く制御でき、これによって、高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。

（５）一実施形態では、前記（１）〜（４）の何れかの方法において、
前記ヒートポンプ装置の運転モードは、
第１運転モードと、
前記第１運転モードより加熱能力が高い第２運転モードと、
を含む複数の運転モードを有する。
上記（５）の方法によれば、上記複数の運転モードを有することで、高ＣＯＰを得ながら、例えば、出湯量、出湯温度、省エネ等の目標性能のうちどれかを主目的とする運転に切り替えることができる。

（６）一実施形態では、前記（３）〜（５）の何れかの方法において、
前記相関は、
前記被冷却媒体の入口温度の上昇に対応して前記目標吐出圧を単調増加させるものである。
上記（６）の方法によれば、被冷却媒体の入口温度の上昇に対応して目標吐出圧を単調増加させることで、被冷却媒体の入口温度と熱交換媒体との温度差のばらつきをなくし、被冷却媒体の入口温度の温度域にかかわらず、熱交換効率が高い温度差に保持できる。これによって、被冷却媒体の入口温度の温度域にかかわらず、高ＣＯＰと高加熱能力とを維持できる。

（７）一実施形態では、前記（３）〜（５）の何れかの方法において、
前記相関は、
前記被冷却媒体の低温域における前記目標吐出圧の増加率を、前記被冷却媒体の高温域における前記目標吐出圧の増加率より大きくしたものである。
例えば夏期において被冷却媒体の入口温度が高い場合、必要温熱負荷が小さくなる。そのため、高温域では加熱能力の増大よりもＣＯＰの向上を優先するのが妥当である。
上記（７）の方法によれば、高温域における目標吐出圧の増加率を低温域より小さくすることで、高温域において加熱能力を不足させることなくＣＯＰの低下を抑制できる。

（８）一実施形態では、前記（３）〜（７）の何れかの方法において、
前記相関は、
前記被加熱媒体の入口温度が高いほど前記目標吐出圧を高くするものである。
上記（８）の方法によれば、被加熱媒体の入口温度が高いほど目標吐出圧を高くすることで、被加熱媒体の入口温度が変わっても被加熱媒体と熱交換媒体との温度差を熱交換効率が高い温度差に保持できる。これによって、被加熱媒体の入口温度の温度域にかかわらず高ＣＯＰと高加熱能力とを維持できる。

（９）一実施形態では、前記（２）〜（８）の何れかの方法において、
前記被冷却媒体は外気又は熱源水である。
上記（９）の方法によれば、被冷却媒体が外気又は熱源水である場合に、高ＣＯＰと高加熱能力を得ることができる。

（１０）一実施形態では、前記（２）〜（９）の何れかの方法において、
前記被加熱媒体は被加熱水又は外気である。
上記（１０）の方法によれば、被加熱媒体が被加熱水又外気である場合に、高ＣＯＰと高加熱能力を得ることができる。

（１１）少なくとも一実施形態に係るヒートポンプ装置は、
ＣＯ_２を熱交換媒体とし、圧縮機、ガスクーラ、膨張弁及び蒸発器を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器を備えるヒートポンプ装置であって、
前記蒸発器における被冷却媒体の入口温度を計測する第１温度センサと、
前記ガスクーラにおける被加熱媒体の入口温度を計測する第２温度センサと、
前記被冷却媒体の入口温度及び前記被加熱媒体の入口温度に基づいて、前記圧縮機の目標吐出圧となるように前記膨張弁の開度を制御する制御部と、
を備える。

上記（１１）の構成によれば、上記第１温度センサ及び上記第２温度センサによって被冷却媒体及び被加熱媒体の入口温度を計測し、これらの計測値に基づいて、吐出圧が目標吐出圧となるように膨張弁の開度を制御することで、吐出圧を精度良く目標吐出圧とすることができ、これによって、高ＣＯＰと高加熱能力を得ることができる。目標吐出圧として、高ＣＯＰと高加熱能力とを得られる吐出圧を予め設定しておく。

（１２）一実施形態では、前記（１１）の構成において、
前記ヒートポンプ装置は、箱形ケーシングの内部に前記超臨界ヒートポンプサイクル構成機器が収納されたヒートポンプユニットである。
上記（１２）の構成によれば、ヒートポンプ装置をヒートポンプユニットとすることで、ヒートポンプ装置をコンパクト化でき、これによって、ヒートポンプ装置の設置が容易になり、ヒートポンプ装置の用途を拡大できる。

少なくとも一実施形態によれば、ＣＯ_２を熱交換媒体とするヒートポンプ装置において、熱交換媒体の圧縮機吐出圧の制御精度を高めることで、高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。

一実施形態に係るヒートポンプ装置の系統図である。 一実施形態に係るヒートポンプ装置の系統図である。 一実施形態に係るヒートポンプユニットの斜視図である。 一実施形態に係るヒートポンプ装置の制御方法の工程図である。 一実施形態に係る運転モードごとの目標吐出圧を示す図表である。 一実施形態に係る目標吐出圧の設定値を示す線図である。 一実施形態に係る目標吐出圧の設定値を示す線図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１及び図２は幾つかの実施形態に係るヒートポンプ装置を示す。図１及び図２において、ヒートポンプ装置１０（１０Ａ、１０Ｂ）は、ＣＯ_２を熱交換媒体とし、熱交換媒体としてＣＯ_２が循環するＣＯ_２循環路１４に、圧縮機１６、ガスクーラ１８（１８ａ、１８ｂ）、膨張弁２０及び蒸発器２２（２２ａ、２２ｂ）を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器１２を備える。
蒸発器２２において、熱交換媒体は被冷却媒体の保有熱を採取して気化し、ガスクーラ１８において、熱交換媒体は被加熱媒体と熱交換して冷却され、被加熱媒体は加熱される。熱交換媒体がＣＯ_２のとき、ＣＯ_２は圧縮機１６の吐出側で超臨界状態となるため、ガスクーラ１８で加熱された被加熱媒体として、例えば９０℃程度の高温水が得られる。

また、蒸発器２２における被冷却媒体の入口温度を計測する第１温度センサ２４と、ガスクーラ１８における被加熱媒体の入口温度を計測する第２温度センサ２６と、を備える。制御部２８は、被冷却媒体の入口温度Ｔ_１及び被加熱媒体の入口温度Ｔ_２に基づいて、圧縮機１６の吐出圧が目標吐出圧となるように膨張弁２０の開度を制御する。目標吐出圧として、高ＣＯＰと高加熱能力とを得られる吐出圧を予め選定しておく。

膨張弁２０は開度制御可能な膨張弁を用い、例えば、開度制御可能な電子式膨張弁を用いる。一般的には、膨張弁２０の開度を絞ると、吐出圧は高くなり、膨張弁２０の開度を広げると、吐出圧は低くなる。

上記構成によれば、入口温度Ｔ_１及びＴ_２に基づいて、吐出圧が目標吐出圧となるように膨張弁２０の開度を制御することで、精度良く目標吐出圧とすることができる。吐出圧を目標吐出圧に制御することで、ヒートポンプ装置１０は、高ＣＯＰと高加熱能力を得ることができる。

一実施形態では、ガスクーラ１８の下流側で循環路１４から分岐し、膨張弁２０の下流側で循環路１４に合流するバイパス路３０を備える。バイパス路３０には熱交換媒体を一時貯留可能なＣＯ_２タンク３２が設けられ、ＣＯ_２タンク３２の入口側及び出口側に開閉弁３４及び３６が設けられる。
被冷却媒体の蒸発器入口温度及びガスクーラ入口温度等の外的条件によって、ＣＯ_２循環路１４を循環する熱交換媒体の必要流量は異なる。そこで、開閉弁３４及び開閉弁３６の開閉動作を制御することで、ＣＯ_２タンク３２へのＣＯ_２の出入りを調整し、ＣＯ_２タンク３２に貯留される熱交換媒体の貯留量を調整する。これによって、ＣＯ_２循環路１４を循環する熱交換媒体の流量を調整する。

また、一実施形態では、ガスクーラ１８から出た熱交換媒体で蒸発器２２から出た熱交換媒体を加熱する熱交換器３８が設けられる。熱交換器３８を設けることで、ヒートポンプ装置１０のＣＯＰを向上できる。

一実施形態では、図１に示すように、蒸発器２２（２２ａ）は、外気を被冷却媒体とし、熱交換媒体は外気と熱交換して外気から熱を採取して気化する空気熱源熱交換器である。
一実施形態では、この空気熱源熱交換器は、入口ヘッダ４０と、出口ヘッダ４２と、これらヘッダ間に架設される複数の伝熱管４４を含む。複数の伝熱管４４は、夫々外気が流通可能な間隔を有して並列に配置され、複数の伝熱管４４の間を流れる空気流ａ１を形成するためのファン４６を有し、第１温度センサ２４は空気熱源熱交換器の入口側の空気流ａ１に面して設けられる。
複数の伝熱管４４の間に空気流ａ１が形成されることで、外気と熱交換媒体との熱交換効率を向上できる。

一実施形態では、図１に示すように、ガスクーラ１８（１８ａ）は、被加熱水ｗ１を被加熱媒体とし、熱交換媒体は被加熱水ｗ１を加熱する。
一実施形態では、ガスクーラ１８（１８ａ）に被加熱水路４８が導設され、ポンプ５０によって被加熱水路４８に被加熱水ｗ１が循環する。第２温度センサ２６はガスクーラ１８（１８ａ）に対して入口側の被加熱水路４８に設けられる。被加熱水ｗ１は熱交換媒体によって加熱され、温水となって需要先に供給される。

図１に示す実施形態では、制御部２８は、空気熱源熱交換器における空気流ａ１の入口温度Ｔ_１及びガスクーラ１８における被加熱水ｗ１の入口温度Ｔ_２に基づいて、圧縮機１６の吐出圧が目標吐出圧となるように膨張弁２０の開度を制御する。
これによって、ヒートポンプ装置１０（１０Ａ）は、高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。

一実施形態では、蒸発器２２（２２ｂ）は、図２に示すように、熱源水ｗ２を被冷却媒体とし、熱交換媒体は熱源水ｗ２と熱交換して熱源水ｗ２から熱を採取して気化する水熱源熱交換器である。熱源水循環路５２が該水熱源熱交換器に導設され、第１温度センサ２４は該水熱源熱交換器の入口側の熱源水循環路５２に設けられる。
一実施形態では、該水熱源熱交換器は熱交換効率の良いプレート型熱交換器が用いられる。

一実施形態では、図２に示すように、ガスクーラ１８（１８ｂ）に、空気ダクト５４が設けられ、ファン５６によって空気ダクト５４の内部に外気が導入されて空気流ａ２が形成される。空気流ａ２はガスクーラ１８で熱交換媒体と熱交換し、熱交換媒体によって加熱され、例えば乾燥装置などの需要先に供給される。

図２に示す実施形態では、制御部２８は、水熱源熱交換媒体における熱源水ｗ２の入口温度Ｔ_１及びガスクーラ１８における空気流ａ２の入口温度Ｔ_２に基づいて、圧縮機１６の吐出圧が目標吐出圧となるように膨張弁２０の開度を制御する。
これによって、ヒートポンプ装置１０（１０Ｂ）は、高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。

他の実施形態として、蒸発器２２が、ＣＯ_２循環路１４に対して空気熱源熱交換器と水熱源蒸発器とが並列に設けられ、熱交換媒体が空気熱源熱交換器又は水熱源蒸発器に切替え可能に供給される実施形態がある。この実施形態においても、高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。

一実施形態では、図３に示すように、ヒートポンプ装置１０は、箱形ケーシング５８の内部に超臨界ヒートポンプサイクル構成機器１２が収納されたヒートポンプユニットである。
この実施形態によれば、ヒートポンプ装置１０をヒートポンプユニットとすることで、ヒートポンプ装置１０をコンパクト化でき、これによって、ヒートポンプ装置１０の設置が容易になり、ヒートポンプ装置１０の用途を拡大できる。

図３に示す実施形態は、蒸発器２２（２２ａ）として一対の空気熱源熱交換器を備えるヒートポンプユニット１０（１０Ｃ）の実施形態である。空気流ａ１は、ファン４６の稼働によって箱形ケーシング５８の正面５８ａ及び背面５８ｂの上部領域に形成された空気取込口６０から箱形ケーシング５８の内部に入り、パネル状に形成された蒸発器（空気熱源熱交換器）２２（２２ａ）を構成する複数の伝熱管４４の間を通り抜け、箱形ケーシング５８の上面５８ｃに形成された空気流出口６２から流出する。一実施形態では、ファン４６は空気流出口６２に設けられる。
上部領域に一対の空気熱源熱交換器及びファン４６を含む熱交換ユニット６４が配置され、下部に、圧縮機１６、ガスクーラ１８（１８ａ）及び膨張弁２０等を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器１２が配置される。

一実施形態に係るヒートポンプ装置１０の制御方法は、図４に示すように、熱交換媒体の圧縮機吐出力が目標吐出圧となるように膨張弁２０の開度を制御する（膨張弁開度制御ステップＳ１２）。
このように、熱交換媒体の圧縮機吐出圧が目標吐出圧となるように、膨張弁２０の開度を制御することで、圧縮機吐出圧を精度良く目標吐出圧にすることができる。また、目標吐出圧に制御することで、ヒートポンプ装置１０は、高ＣＯＰと高加熱能力を有する運転が可能になる。

一実施形態では、膨張弁開度制御ステップＳ１２の前段で、蒸発器２２における被冷却媒体（例えば、空気流ａ１、熱源水ｗ１等）の入口温度Ｔ_１及びガスクーラ１８における被加熱媒体（例えば、熱源水ｗ２、空気流ａ２等）の入口温度Ｔ_２に基づいて、目標吐出圧を設定し、設定された目標吐出圧となるように膨張弁２０の開度を制御する（吐出圧設定ステップＳ１０）。
吐出圧は、蒸発器２２における被冷却媒体の入口温度Ｔ_１及びガスクーラ１８における被加熱媒体の入口温度Ｔ_２等の外的条件によって変動する。
この実施形態では、これらの外的条件を考慮して目標吐出圧を設定するので、これらの外的条件が変動しても、ヒートポンプ装置１０は高ＣＯＰと高加熱能力を得ることができる。

一実施形態では、吐出圧設定ステップＳ１０において、被冷却媒体の入口温度、被加熱媒体の入口温度及び圧縮機吐出側の熱交換媒体の目標吐出圧の間で予め設定された相関に基づいて、目標吐出圧を設定する。
この実施形態では、上記外的条件と圧縮機吐出圧との間の相関を予め求めておき、この相関に基づいて目標吐出圧を設定するので、上記外的条件が変動しても、高い確率で高ＣＯＰと高加熱能力を得ることができる。

一実施形態では、下記のように、高ＣＯＰと高加熱能力とが可能な目標吐出圧Ｐsetを被冷却媒体の入口温度Ｔ_１及び被加熱媒体の入口温度Ｔ_２の関数として予め求めておく。
Ｐset ＝Ｆ（Ｔ_１、Ｔ_２） （１）
上記関数で求めた目標吐出圧Ｐsetとなるように、膨張弁２０の開度を制御することで、入口温度Ｔ_１及びＴ_２が変動しても、ヒートポンプ装置１０は高ＣＯＰと高加熱能力とを得ることができる。

一実施形態では、図４に示すように、被冷却媒体の入口温度が高温度域のときに入口温度が低温度域のときより圧縮機１６の回転数を減少させる（回転数制御ステップＳ１４）。
この実施形態によれば、被冷却媒体の入口温度が高温度域のときに入口温度が低温度域のときより圧縮機１６の回転数を減少させることで、吐出圧を目標吐出圧に精度良く制御でき、これによって、高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。
一実施形態では、圧縮機は、例えば、往復動式圧縮機が用いられ、往復動式圧縮機の回転数を制御する。

一実施形態では、図７に示すように、ある入口温度Ｔ_０を境にして、被冷却媒体の入口温度が温度Ｔ_０より低い温度域では、温度Ｔ_０より入口温度が高い温度域より圧縮機１６の回転数を増加させる。
これによって、入口温度Ｔ_１及びＴ_２が変動しても、ヒートポンプ装置１０は高ＣＯＰと高加熱能力とを得ることができる。

一実施形態では、ヒートポンプ装置１０の運転モードは、第１運転モードと、第１運転モードより加熱能力が高い第２運転モードと、を含む複数の運転モードを有する。
この実施形態では、ヒートポンプ装置１０が複数の運転モードに切替え可能であるため、高ＣＯＰを得ながら、例えば、出湯量、出湯温度、省エネ等の目標性能のうちどれかを主眼とする運転に切り替えることができる。

一実施形態では、図５に示すように、ヒートポンプ装置１０は、省エネを目的とした省エネモード、加熱能力を高めたパワーモード、及び省エネモードとパワーモードとの中間モードである標準モードの３種類の運転モードに切替え可能になっている。これらの運転モードごとに、入口温度Ｔ_１及びＴ_２から異なる相関で目標吐出圧Ｐsetを設定する。
これによって、高ＣＯＰを得ながら、各運転モードの目的に応じた運転が可能になる。

一実施形態では、図５に示すように、運転モードごと及び被冷却媒体の入口温度に応じて、領域（Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・Ｊ）ごとに異なる相関で異なる目標吐出圧Ｐsetを設定する。
このように、被冷却媒体の入口温度ごとにきめ細かく目標吐出圧を設定することで、被冷却媒体の入口温度が変動しても高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。
一実施形態では、上記（１）式で、領域Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・Ｊごとに入口温度Ｔ_１及びＴ_２の係数を異ならせてＰsetを算出する。

一実施形態では、図４に示すように、運転モードの変更が必要になったとき、吐出圧設定ステップＳ１０に戻り、新たに目標吐出圧を設定する（ステップＳ１６）。

一実施形態では、図４に示すように、外的条件が変わったとき、吐出圧設定ステップＳ１０に戻り、新たに目標吐出圧を設定する（ステップＳ１８）。

一実施形態では、吐出圧設定ステップＳ１０において、図６に示すように、目標吐出圧Ｐsetを、被冷却媒体の入口温度Ｔ_１の上昇に対応して目標吐出圧を単調増加させる。
この実施形態によれば、被冷却媒体の入口温度の上昇に対応して目標吐出圧を単調増加させることで、被冷却媒体と熱交換媒体との温度差のばらつきをなくし、被冷却媒体の入口温度にかかわらず、熱交換効率が高い温度差に保持できる。これによって、被冷却媒体の入口温度にかかわらず、高ＣＯＰと高加熱能力とを維持できる。

一実施形態では、吐出圧設定ステップＳ１０において、図７に示すように、目標吐出圧Ｐsetを、被冷却媒体の低温域における目標吐出圧の増加率を、被冷却媒体の高温域における目標吐出圧の増加率より大きくしている。
即ち、図７に示すように、被冷却媒体のある入口温度Ｔ_０を境にして、被冷却媒体の入口温度が温度Ｔ_０より低い温度域より、温度Ｔ_０より入口温度が高い温度域における目標吐出圧の増加率を大きくする。

例えば夏期において被冷却媒体の入口温度が高い場合、必要温熱負荷が小さくなる。そのため、高温域では加熱能力の増大よりもＣＯＰの向上を優先するのが妥当である。
この実施形態によれば、高温域における目標吐出圧の増加率を低温域より小さくすることで、高温域において加熱能力を不足させることなくＣＯＰの低下を抑制できる。

一実施形態では、温度Ｔ０より入口温度が低い低温域及び温度Ｔ０より入口温度が高い高温域では、目標吐出圧を夫々単調増加させる。
これによって、低温域及び高温域の各々において、被冷却媒体と熱交換媒体との温度差のばらつきをなくし、被冷却媒体の入口温度にかかわらず、熱交換効率が高い温度差に保持できる。これによって、夫々の温度域において被冷却媒体の入口温度にかかわらず、高ＣＯＰと高加熱能力とを維持できる。

一実施形態では、図６及び図７に示すように、被加熱媒体の入口温度が高いほど目標吐出圧を高くする。図６及び図７において、目標吐出圧設定値の例Ｘ、Ｙ及びＺにおける被加熱媒体の入口温度Ｔ_２は、Ｘ＜Ｙ＜Ｚの関係にある。
このように、被加熱媒体の入口温度が高いほど目標吐出圧を高くすることで、被加熱媒体の入口温度が変わっても被加熱媒体と熱交換媒体との温度差を熱交換効率が高い温度差に保持できる。これによって、被加熱媒体の入口温度の温度域にかかわらず高ＣＯＰと高加熱能力とを維持できる。

少なくとも一実施形態によれば、ＣＯ_２を熱交換媒体とするヒートポンプ装置において、熱交換媒体の圧縮機吐出圧の制御精度を高めることで、高ＣＯＰと高加熱能力とを実現できる。

１０（１０Ａ、１０Ｂ） ヒートポンプ装置
１０（１０Ｃ） ヒートポンプユニット
１２ 超臨界ヒートポンプサイクル構成機器
１４ ＣＯ_２循環路
１６ 圧縮機
１８（１８ａ、１８ｂ） ガスクーラ
２０ 膨張弁
２２（２２ａ、２２ｂ） 蒸発器
２４ 第１温度センサ
２６ 第２温度センサ
２８ 制御部
３０ バイパス路
３２ ＣＯ_２タンク
３４、３６ 開閉弁
３８ 熱交換器
４０ 入口ヘッダ
４２ 出口ヘッダ
４４ 伝熱管
４６、５６ ファン
４８ 被加熱水路
５０ ポンプ
５２ 熱源水循環路
５４ 空気ダクト
５８ 箱形ケーシング
５８ａ 正面
５８ｂ 背面
５８ｃ 上面
６０ 空気取込口
６２ 空気流出口
６４ 熱交換ユニット
Ｔ_０、Ｔ_１、Ｔ_２ 入口温度
ａ１、ａ２ 空気流
ｗ１ 被加熱水
ｗ２ 熱源水

Claims (12)

1. ＣＯ_２を熱交換媒体とし、圧縮機、ガスクーラ、膨張弁及び蒸発器を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器を備えるヒートポンプ装置の制御方法であって、
   前記熱交換媒体の圧縮機吐出圧が目標吐出圧となるように前記膨張弁の開度を制御する膨張弁開度制御ステップを備えることを特徴とするヒートポンプ装置の制御方法。
2. 前記蒸発器における被冷却媒体の入口温度及び前記ガスクーラにおける被加熱媒体の入口温度に基づいて、前記目標吐出圧を設定する吐出圧設定ステップを備え、
   前記膨張弁開度制御ステップにおいて、前記圧縮機吐出圧が前記目標吐出圧となるように前記膨張弁の開度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装置の制御方法。
3. 前記吐出圧設定ステップにおいて、
   前記被冷却媒体の入口温度、前記被加熱媒体の入口温度及び前記目標吐出圧の間で予め設定された相関に基づいて、前記目標吐出圧を設定することを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
4. 前記被冷却媒体の入口温度が高温度域のときに前記入口温度が低温度域のときより前記圧縮機の回転数を減少させる回転数制御ステップを備えることを特徴とする請求項２又は３に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
5. 前記ヒートポンプ装置の運転モードは、
   第１運転モードと、
   前記第１運転モードより加熱能力が高い第２運転モードと、
   を含む複数の運転モードを有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
6. 前記相関は、
   前記被冷却媒体の入口温度の上昇に対応して前記目標吐出圧を単調増加させるものであることを特徴とする請求項３乃至５の何れか一項に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
7. 前記相関は、
   前記被冷却媒体の低温域における前記目標吐出圧の増加率を、前記被冷却媒体の高温域における前記目標吐出圧の増加率より大きくしたものであることを特徴とする請求項３乃至５の何れか一項に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
8. 前記相関は、
   前記被加熱媒体の入口温度が高いほど前記目標吐出圧を高くするものであることを特徴とする請求項３乃至７の何れか一項に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
9. 前記被冷却媒体は外気又は熱源水であることを特徴とする請求項２乃至８の何れか一項に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
10. 前記被加熱媒体は被加熱水又は外気であることを特徴とする請求項２乃至９の何れか一項に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
11. ＣＯ_２を熱交換媒体とし、圧縮機、ガスクーラ、膨張弁及び蒸発器を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器を備えるヒートポンプ装置であって、
    前記蒸発器における被冷却媒体の入口温度を計測する第１温度センサと、
    前記ガスクーラにおける被加熱媒体の入口温度を計測する第２温度センサと、
    前記被冷却媒体の入口温度及び前記被加熱媒体の入口温度に基づいて、前記熱交換媒体の圧縮機吐出圧が目標吐出圧となるように前記膨張弁の開度を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とするヒートポンプ装置。
12. 前記ヒートポンプ装置は、箱形ケーシングの内部に前記超臨界ヒートポンプサイクル構成機器が収納されたヒートポンプユニットであることを特徴とする請求項１１に記載のヒートポンプ装置。

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