JP4124195B2 - ヒートポンプ式加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、低温側の熱を高温側に移動させて流体を加熱する蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを用いた加熱装置に関するものであり、給湯装置や暖房装置などヒートポンプ式加熱装置で発生する温熱を利用する装置に適用して有効である。

従来、外気温度や加熱熱交換器への被加熱流体の流入温度を利用して、減圧装置の開度を予め予測できることは周知である。そして、これを利用した従来技術として、下記の特許文献１・特許文献２がある。

図８は、特許文献１のヒートポンプ式給湯機の模式図であり、圧縮機１、冷媒対水熱交換器２、減圧装置３、蒸発器４を順次接続した冷媒循環回路と、貯湯槽５、循環ポンプ６、前記冷媒対水熱交換器２を順次接続した給湯回路と、圧縮機１の吐出温度が外気温度を検出する外気温度検出手段１２と、前記圧縮機１の吐出温度を検出する吐出温度検出手段１３と、圧縮機１の吐出温度が外気温度に対して予め設定された目標吐出温度になるように減圧装置３の開度を制御する制御手段１１とを備えている。

また、図９は特許文献２のヒートポンプ式給湯機の模式図であり、圧縮機１、冷媒対水熱交換器２、減圧装置３、蒸発器４を順次接続した冷凍サイクルと、貯湯槽５、循環ポンプ６、前記冷媒対水熱交換器２を順次接続した給湯回路と、給水温度を検出する給水温度検出手段１２と、前記圧縮機１の吐出温度を検出する吐出温度検出手段１３と、給水温度に対して予め設定された目標吐出温度になるように減圧装置３の開度を制御する制御手段１１とを備えている。

これら従来技術の特徴として、外気温度または給水温度を検出して予め減圧装置３の開度を設定し、その開度を目指して減圧装置３を制御する方法である。
特開２０００−３４６４４７号公報 特開２００２−８１７６８号公報

しかしながら、外気温度または給水温度を単独に検出しての開度設定のため、実際の安定時の開度とのずれが大きく、常に圧縮機の吐出温度や吐出圧力を検出しながら、減圧装置を制御する必要があり、起動から効率的な運転状態へ安定させるまでに時間を要するという問題がある。

本発明は、この従来の問題に鑑みて成されたものであり、その目的は、加熱運転を開始する際、短時間で効率的な運転状態へ安定させることのできるヒートポンプ式加熱装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、下記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、低温側の熱を高温側に移動させて流体を加熱する蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを用いた加熱装置であり、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、圧縮機（１０）が吐出する高温高圧の冷媒と被加熱流体とを熱交換させる高圧側熱交換器（２０）と、高圧側熱交換器（２０）から流出した冷媒を等エンタルピ的に減圧膨脹させるとともに、その絞り開度を可変できる可変式膨張弁（３０）と、低温低圧の冷媒と外気とを熱交換させて冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（４０）と、外気温度を検出する外気温度検出手段（４０ｂ）と、被加熱流体の温度を検出する被加熱流体温度検出手段（５１）と、外気温度と被加熱流体温度とに対する可変式膨張弁（３０）の最適開度を記憶している最適開度記憶手段（７１）と、上記各機器の作動を制御する制御手段（７０）とを有し、
制御手段（７０）は、加熱運転を開始する際、低圧側熱交換器（４０）へ外気を供給する送風手段（４０ａ）を駆動させてから所定時間を経過したか否かの判定を行い、所定時間が経過した場合に外気温度検出手段（４０ｂ）にて外気温度を検出する手段、
加熱運転を開始する際、高圧側熱交換器（２０）へ被加熱流体を供給する循環手段（５０）を駆動させてから所定時間を経過したか否かの判定を行い、所定時間が経過した場合に被加熱流体温度検出手段（５１）にて被加熱流体温度を検出する手段、
加熱運転を開始する際、外気温度検出手段（４０ｂ）から検出される所定時間を経過した後の外気温度と、被加熱流体温度検出手段（５１）から検出される所定時間を経過した後の被加熱流体温度とを最適開度記憶手段（７１）に当てはめて最適開度を導出し、可変式膨張弁（３０）の絞り開度を導出された最適開度まで一気に駆動させた後に可変式膨張弁（３０）の絞り開度に関して通常のフィードバック制御を開始する手段、
および加熱運転を開始して可変式膨張弁（３０）の絞り開度を導出された最適開度へ向けて駆動するまでは、可変式膨張弁（３０）を冷媒サイクルが破綻しない絞り開度にて保持する手段を備えることを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明では、低温側の熱を高温側に移動させて流体を加熱する蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを用いた加熱装置であり、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、圧縮機（１０）が吐出する高温高圧の冷媒と被加熱流体とを熱交換させる高圧側熱交換器（２０）と、低温低圧の冷媒と外気とを熱交換させて冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（４０）と、高圧冷媒を減圧膨張させるノズル（８１）を有して高圧側熱交換器（２０）から流出した冷媒を等エンタルピ的に減圧膨脹させるとともに、ノズル（８１）から噴射する高い速度の冷媒流により低圧側熱交換器（４０）にて蒸発した気相冷媒を吸引すると共に、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（１０）の吸入圧を上昇させ、その絞り開度を可変できる可変式エジェクタ（８０）と、外気温度を検出する外気温度検出手段（４０ｂ）と、被加熱流体の温度を検出する被加熱流体温度検出手段（５１）と、外気温度と被加熱流体温度とに対する可変式エジェクタ（８０）の最適開度を記憶している最適開度記憶手段（７１）と、上記各機器の作動を制御する制御手段（７０）とを有し、
制御手段（７０）は、加熱運転を開始する際、低圧側熱交換器（４０）へ外気を供給する送風手段（４０ａ）を駆動させてから所定時間を経過したか否かの判定を行い、所定時間が経過した場合に外気温度検出手段（４０ｂ）にて外気温度を検出する手段、
加熱運転を開始する際、高圧側熱交換器（２０）へ被加熱流体を供給する循環手段（５０）を駆動させてから所定時間を経過したか否かの判定を行い、所定時間が経過した場合に被加熱流体温度検出手段（５１）にて被加熱流体温度を検出する手段、
加熱運転を開始する際、外気温度検出手段（４０ｂ）から検出される所定時間を経過した後の外気温度と、被加熱流体温度検出手段（５１）から検出される所定時間を経過した後の被加熱流体温度とを最適開度記憶手段（７１）に当てはめて最適開度を導出し、可変式エジェクタ（８０）の絞り開度を導出された最適開度まで一気に駆動させた後に前記可変式エジェクタ（８０）の絞り開度に関して通常のフィードバック制御を開始する手段、
および加熱運転を開始して可変式エジェクタ（８０）の絞り開度を導出された最適開度へ向けて駆動するまでは、可変式エジェクタ（８０）を冷媒サイクルが破綻しない絞り開度にて保持する手段を備えることを特徴としている。

可変式膨張弁（３０）や可変式エジェクタ（８０）などの減圧装置にて冷媒流量を制御するヒートポンプ式加熱装置において、これら請求項１または請求項２のいずれかに記載の発明によれば、加熱運転開始時に所定時間を経過した後の外気温度と所定時間を経過した後の被加熱流体温度との両方を検出し、その条件下での最適な減圧装置の絞り開度を決定し、その絞り開度まで減圧装置を一気に駆動させた後に可変式減圧装置（３０、８０）の絞り開度に関して通常の制御を行うことで、短時間で効率的な運転状態に安定させることができる。

また、制御手段（７０）は、加熱運転を開始する際、低圧側熱交換器（４０）へ外気を供給する送風手段（４０ａ）を駆動させてから所定時間を経過したか否かの判定を行い、所定時間が経過した場合に外気温度検出手段（４０ｂ）にて外気温度を検出することを特徴としている。これによれば、吹き溜まりの外気で外気温度を誤検出することを防ぐことができる。

また、制御手段（７０）は、加熱運転を開始する際、高圧側熱交換器（２０）へ被加熱流体を供給する循環手段（５０）を駆動させてから所定時間を経過したか否かの判定を行い、所定時間が経過した場合に被加熱流体温度検出手段（５１）にて被加熱流体温度を検出することを特徴としている。これによれば、配管に残留した被加熱流体で流入温度を誤検知することを防ぐことができる。

また、制御手段（７０）は、加熱運転を開始して可変式減圧手段（３０、８０）の絞り開度を導出された最適開度へ向けて駆動するまでは、可変式減圧手段（３０、８０）を冷媒サイクルが破綻しない絞り開度にて保持していることを特徴としている。これによれば、安全に効率的な運転状態へ移行させることができる。
また、請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２のいずれかに記載のヒートポンプ式加熱装置において、被加熱流体温度検出手段（５１）は、前記高圧側熱交換器（２０）へ流入する被加熱流体の温度を検出する流入温度検出手段であることを特徴としている。

また、請求項４に記載の発明では、請求項１または請求項２のいずれかに記載のヒートポンプ式加熱装置において、被加熱流体は、貯湯タンク（６０）内の給湯用水であるとともに、被加熱流体温度検出手段として貯湯タンク（６０）の外面に設けられた貯留温度検出手段（６１）を利用し、かつ、貯湯タンク（６０）外面の天地方向に所定間隔を開けて複数設けられる貯留温度検出手段（６１）のうち、一番下側の貯留温度検出手段（６１）を利用したことを特徴としている。この請求項３に記載の発明によれば、貯湯タンク（６０）外面の天地方向に所定間隔を開けて複数設けられる貯留温度検出手段（６１）のうち、一番下側の貯留温度検出手段（６１）を利用すれば、ほぼ高圧側熱交換器（２０）へ供給する給水温度が検出できるため、温度検出手段を追加設置する必要がなくなり、コストを抑えることができる。

ちなみに、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。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１ないし図４を用いて詳細に説明する。先ず図１は、本発明の第１実施形態における膨張弁サイクルを用いたヒートポンプ式加熱装置の全体構成模式図である。本実施形態のヒートポンプ式加熱装置は、超臨界ヒートポンプサイクルを用いて給湯用の水や暖房用のブライン（熱交換媒体）などの被加熱流体を加熱する装置である。

尚、超臨界ヒートポンプサイクルとは、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルを言い、例えば二酸化炭素・エチレン・エタン・酸化窒素などを冷媒とするヒートポンプサイクルである。本実施形態のヒートポンプ式加熱装置内は、大きく分けて、主に冷凍サイクル機器で構成されたヒートポンプサイクルの冷媒回路Ｒと、流体関係の流体加熱回路Ｋとで構成されている。

先ず冷媒回路Ｒは、冷媒を圧縮する圧縮機１０と、流体の加熱手段である冷媒流体熱交換器（本発明の高圧側熱交換器に相当）２０と、冷媒を減圧する可変式膨張弁（本発明の可変式減圧手段に相当）３０と、大気から吸熱するための冷媒空気熱交換器（本発明の低圧側熱交換器に相当）４０とを、図１に示すような冷媒配管経路で環状に接続して構成され、冷媒として臨界温度の低い二酸化炭素（以下、ＣＯ_２と略す）冷媒が封入されている。

圧縮機１０は、内蔵する駆動モータと、吸引したガス冷媒を臨界圧力以上の高圧にまで昇圧して吐出する高圧圧縮部とで構成しており、これらが密閉容器内に収納されている。そして、装置全体の制御手段である制御装置（本発明の制御手段に相当）７０により通電制御される。尚、圧縮機１０は冷媒流体熱交換器２０の加熱能力を大きくするときには圧縮機１０の回転数を増大させて、圧縮機１０から吐出する冷媒流量を増大させ、一方、加熱能力を小さくするときには圧縮機１０の回転数を低下させ、圧縮機１０から吐出する冷媒流量を減少させる。

冷媒流体熱交換器２０は、高圧圧縮部で昇圧された高温高圧のガス冷媒と流体とを熱交換して流体を加熱するもので、高圧冷媒通路２０ａに隣接して流体通路２０ｂが設けられ、その高圧冷媒通路２０ａを流れる冷媒の流れ方向と流体通路２０ｂを流れる流体の流れ方向とが対向するように構成されている。

ちなみに、本実施形態では、冷媒としてＣＯ_２を用いているので、冷媒流体熱交換器２０内の冷媒圧力は冷媒の臨界圧力以上となり、且つ、冷媒流体熱交換器２０内で冷媒が凝縮することなく、冷媒入口側から冷媒出口側に向かうほど冷媒温度が低下するような温度分布を有する。

可変式膨脹弁３０は、冷媒流体熱交換器２０から流出した冷媒を等エンタルピ的に減圧膨脹させるとともに、その絞り開度を可変できる可変式減圧手段であり、本実施形態では、制御装置７０により通常は高圧側冷媒の圧力が所定範囲となるように膨脹弁３０の絞り開度が可変制御されている。

冷媒空気熱交換器４０は、屋外空気と冷媒とを熱交換させ、冷媒を蒸発させることにより屋外空気から吸熱する熱交換器である。また、外気ファン４０ａは、冷媒空気熱交換器４０へ外気を供給する送風手段であり、制御装置７０により通電制御される。また、本発明の特徴構成として、冷媒空気熱交換器４０へ供給する外気の温度を検出する外気温度検出手段としての外気温度センサー４０ｂを有しており、その検出値は制御装置７０へ入力されるようになっている。

流体関係の流体加熱回路Ｋは、流体の加熱手段である上記冷媒流体熱交換器２０の流体通路２０ｂと、流体を冷媒流体熱交換器２０へ循環させる循環手段としての循環ポンプ５０とを接続して構成される。循環ポンプ５０は、例えば図示しない床暖房装置から冷流体を冷媒水熱交換器２０の流体通路２０ｂを通して温流体として還流する様に水流を発生させる。

また、この循環ポンプ５０は内蔵するモータの回転数に応じて流水量を調節することができ、制御装置７０により通電制御される。また、本発明の特徴構成として、冷媒流体熱交換器２０へ流入する流体の流入温度を検出する流入温度検出手段としての流入温度センサー５１を有しており、その検出値は制御装置７０へ入力されるようになっている。

そして、制御装置７０は、上述したヒートポンプサイクルの各冷凍機器を制御する制御手段であり、ＣＰＵ・ＲＯＭ・ＲＡＭ・Ｉ／Ｏポートなどの機能を含んで構成され、それ自体は周知の構造を持つマイクロコンピュータを内蔵している。尚、上記した本発明に関係するセンサー４０ｂ・５１以外に、本ヒートポンプサイクルが有する他のセンサーとして、圧縮機１０の吐出温度・吐出圧力を検出する図示しない吐出温度センサー・吐出圧力センサーなどがある。

これらセンサー群からのセンサー信号は、図示しない入力回路（Ａ／Ｄ変換回路）によってＡ／Ｄ変換された後に、制御装置７０に入力されるように構成されているとともに、制御装置７０からは圧縮機１０・可変式膨張弁３０・外気ファン４０ａ・循環ポンプ５０などに制御出力を出すように構成されている。また、本発明の特徴構成として、制御装置７０には外気温度と流入温度とに対する可変式膨張弁３０の最適開度を記憶している最適開度記憶手段としての最適開度マップ７１が接続されている。

次に、本発明の要部である制御装置７０での制御概要を説明する。図２は、図１のヒートポンプ式加熱装置における制御のフローチャートであり、図４は、本発明と従来との経過時間に対する減圧装置のステップ数の変化を表したグラフである。本制御がスタートすると、先ずステップＳ１１では、外気ファン４０ａと循環ポンプ５０を低速で駆動させる。次のステップＳ１２では、所定時間を経過したか否かの判定を行い、その判定結果がＮＯの間は当ステップの判定を繰り返し、所定時間が経過して判定結果がＹＥＳとなったらステップＳ１３へと進む。

次のステップＳ１３では、外気温度センサー４０ｂで検出される外気温度と、流入温度センサー５１で検出される流入温度とを取り込む。そして、次のステップＳ１４では、ステップＳ１３で検出した外気温度と流入温度とに基づき、最適開度マップ７１に当てはめて最適開度を算出する。ちなみに図３は、本発明の最適開度記憶手段７１に記憶されている最適開度マップの一例であり、外気温度と流入温度との交わる部分より減圧装置の最適開度ステップ数が導出される。

次のステップＳ１５では、導出された最適開度ステップ数まで減圧装置を一気に駆動させる。尚、それまで減圧装置の絞り開度は、冷媒サイクルが破綻しない絞り開度（例えば、０℃未満では４８０ステップ、０℃以上では３５０ステップ）にて保持している。そして、次のステップＳ１６では、以降、減圧装置を圧縮機１０からの吐出温度・吐出圧力などに基づいた通常のフィードバック制御にて絞り開度の微調整を行うものである。

この結果、図４に示すように、従来は、センサー値の検出を終えて（図４中のａ点）から直ぐに通常のフィードバック制御に入り、破線で示す様ななだらかな変化で効率的な運転状態に安定するのに対し、本発明ではセンサー値の検出を終えて（図４中のａ点）から最適開度のマップ値（図４中のｂ点）まで減圧装置を一気に駆動させ、そこから通常のフィードバック制御にて絞り開度の微調整を行うため、短時間で効率的な運転状態に安定することが分かる。

次に、本実施形態での特徴と、その効果について述べる。先ず、低温側の熱を高温側に移動させて流体を加熱する蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを用いた加熱装置であり、冷媒を吸入圧縮する圧縮機１０と、圧縮機１０が吐出する高温高圧の冷媒と被加熱流体とを熱交換させる冷媒流体熱交換器２０と、冷媒流体熱交換器２０から流出した冷媒を等エンタルピ的に減圧膨脹させるとともに、その絞り開度を可変できる可変式膨張弁３０と、低温低圧の冷媒と外気とを熱交換させて冷媒を蒸発させる冷媒空気熱交換器４０と、外気温度を検出する外気温度センサー４０ｂと、冷媒流体熱交換器２０へ流入する被加熱流体の温度を検出する流入温度センサー５１と、外気温度と流入温度とに対する可変式膨張弁３０の最適開度を記憶している最適開度マップ７１と、上記各機器の作動を制御する制御装置７０とを有し、
制御装置７０は、加熱運転を開始する際、外気温度センサー４０ｂから検出される外気温度と流入温度センサー５１から検出される流入温度とを最適開度マップ７１に当てはめて最適開度を導出し、可変式膨張弁３０の絞り開度を導出された最適開度まで駆動させた後に通常のフィードバック制御を開始するようにしている。

可変式膨張弁３０などの減圧装置にて冷媒流量を制御するヒートポンプ式加熱装置において、これによれば、加熱運転開始時に外気温度と被加熱流体の流入温度との両方を検出し、その条件下での最適な減圧装置の絞り開度を決定し、その絞り開度まで減圧装置を駆動させた後に通常の制御を行うことで、短時間で効率的な運転状態に安定させることができる。

また、制御装置７０は、加熱運転を開始する際、冷媒空気熱交換器４０へ外気を供給する外気ファン４０ａを所定時間以上駆動させてから外気温度センサー４０ｂにて外気温度を検出するようにしている。これによれば、吹き溜まりの外気で外気温度を誤検出することを防ぐことができる。

また、制御装置７０は、加熱運転を開始する際、冷媒流体熱交換器２０へ被加熱流体を供給する循環ポンプ５０を所定時間以上駆動させてから流入温度センサー５１にて流入温度を検出するようにしている。これによれば、配管に残留した被加熱流体で流入温度を誤検知することを防ぐことができる。

また、制御装置７０は、加熱運転を開始して可変式膨張弁３０の絞り開度を導出された最適開度へ向けて駆動するまでは、可変式膨張弁３０を冷媒サイクルが破綻しない絞り開度にて保持しているようにしている。これによれば、安全に効率的な運転状態へ移行させることができる。

（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態におけるエジェクタサイクルを用いたヒートポンプ式加熱装置の全体構成模式図であり、図６は、図５の実施形態に係るエジェクタ８０の断面模式図である。上述した第１実施形態と異なる特徴は、可変式減圧手段として可変式エジェクタ８０を用いたエジェクタサイクルで構成している点である。以下、上述した第１実施形態と異なる部分のみ説明し、同様の部分は説明を省略する。

可変式エジェクタ８０は、冷媒を減圧膨張させて冷媒空気熱交換器４０にて蒸発した気相冷媒を吸引すると共に、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８０の構造について図６を用いて説明する。

エジェクタ８０は、流入する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減圧膨張させるノズル８１、ノズル８１から噴射する高い速度の冷媒流により冷媒空気熱交換器４０にて蒸発した気相冷媒を吸引しながらノズル８１から噴射する冷媒流と混合する混合部８２、およびノズル８１から噴射する冷媒と冷媒空気熱交換器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８３などからなるものである。

尚、混合部８２においては、ノズル８１から噴射する冷媒流の運動量と、冷媒空気熱交換器４０からエジェクタ８０に吸引される冷媒流の運動量との和が保存されるように混合するので、混合部８２においても冷媒の静圧が上昇する。一方、ディフューザ８３においては、通路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の動圧を静圧に変換するので、エジェクタ８０においては、混合部８２およびディフューザ８３の両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、混合部８２とディフューザ８３とを総称して昇圧部と呼ぶ。

つまり、理想的なエジェクタ８０においては、混合部８２で２種類の冷媒流の、運動量の和が保存されるように冷媒圧力が増大し、ディフューザ８３でエネルギーが保存されるように冷媒圧力が増大することが望ましい。ちなみに、ノズル８１の周りには、ボディ８４により形成された吸引室８５が形成されており、冷媒空気熱交換器４０から吸引された気相冷媒は、吸引室８５を経由して混合部８２に流れる。また、本実施形態のエジェクタ８０には、絞り径（ノズル出口部径）を変更する可変絞り機構８０ａが一体的に設けられており、制御装置７０により通電制御される。

また、気液分離器９０は、エジェクタ８０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液冷媒を蓄えるものであり、気液分離器９０の気相冷媒流出口は圧縮機１０の吸引側に接続され、液相冷媒流出口は冷媒空気熱交換器４０の流入側に接続される。

次に、本実施形態での特徴と、その効果について述べる。低温側の熱を高温側に移動させて流体を加熱する蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを用いた加熱装置であり、冷媒を吸入圧縮する圧縮機１０と、圧縮機１０が吐出する高温高圧の冷媒と被加熱流体とを熱交換させる冷媒流体熱交換器２０と、低温低圧の冷媒と外気とを熱交換させて冷媒を蒸発させる冷媒空気熱交換器４０と、高圧冷媒を減圧膨張させるノズル８１を有して冷媒流体熱交換器２０から流出した冷媒を等エンタルピ的に減圧膨脹させるとともに、ノズル８１から噴射する高い速度の冷媒流により冷媒空気熱交換器４０にて蒸発した気相冷媒を吸引すると共に、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、その絞り開度を可変できる可変式エジェクタ８０と、外気温度を検出する外気温度センサー４０ｂと、冷媒流体熱交換器２０へ流入する被加熱流体の温度を検出する流入温度センサー５１と、外気温度と流入温度とに対する可変式エジェクタ８０の最適開度を記憶している最適開度マップ７１と、上記各機器の作動を制御する制御装置７０とを有し、
制御装置７０は、加熱運転を開始する際、外気温度センサー４０ｂから検出される外気温度と流入温度センサー５１から検出される流入温度とを最適開度マップ７１に当てはめて最適開度を導出し、可変式エジェクタ８０の絞り開度を導出された最適開度まで駆動させた後に通常のフィードバック制御を開始するようにしている。

可変式エジェクタ８０などの減圧装置にて冷媒流量を制御するヒートポンプ式加熱装置において、これによれば、加熱運転開始時に外気温度と被加熱流体の流入温度との両方を検出し、その条件下での最適な減圧装置の絞り開度を決定し、その絞り開度まで減圧装置を駆動させた後に通常の制御を行うことで、短時間で効率的な運転状態に安定させることができる。

（第３実施形態）
図７は、本発明のヒートポンプ式加熱装置を用いた第３実施形態における貯湯式給湯装置の全体構成模式図であり、被加熱流体として給湯用水を高温（本実施形態での最大目標沸き上げ温度は９０℃）に加熱して貯湯タンク６０に貯湯しながら給湯を行う貯湯式給湯装置に適用したものである。

本実施形態の貯湯式給湯装置は大きく分けて、主に第１実施形態にて説明した冷凍サイクル機器が収納されたヒートポンプユニットと、主に貯湯タンク６０が収納されたタンクユニットとより成っている。また、ヒートポンプユニット内は、大きく分けてヒートポンプサイクルの冷媒回路Ｒと、給湯関係の給湯用水加熱回路Ｋとで構成されている。尚、冷媒回路Ｒについては第１実施形態と同様のため、説明を省略する。

給湯関係の給湯用水加熱回路Ｋは、給湯用水の加熱手段である冷媒水熱交換器２０の給湯用水通路２０ｂと、給湯用水を冷媒水熱交換器２０へ循環させる循環手段としての循環ポンプ５０と、給湯用水を貯留する貯湯タンク６０とを環状に接続して構成される。

循環ポンプ５０は、図７に示すように、貯湯タンク６０の下部に設けられた低温水流出部６０ｂから冷水を冷媒水熱交換器２０の給湯用水通路２０ｂを通して貯湯タンク６０の上部に設けられた高温水流入部６０ｃから還流する様に水流を発生させる。また、この循環ポンプ５０は内蔵するモータの回転数に応じて流水量を調節することができ、制御装置７０により通電制御される。

貯湯タンク６０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わたって保温することができる。貯湯タンク６０の上部から積層して貯留された高温水は、出湯時に低温水混合手段である図示しない給湯混合弁で、貯湯タンク６０上部の高温水流出部６０ｄからの高温水と、水道からの冷水とを混合して温度調節した後、主に台所や風呂などに給湯される。尚、図示しない給湯混合弁も制御装置７０により通電制御される。また、給湯した分だけ貯湯タンク６０の下部に設けられた給水部６０ａから水道水などが給水されるようになっている。

また、本発明の特徴構成として、冷媒水熱交換器２０へ流入する給湯用水の流入温度を検出する流入温度検出手段として、貯留温度検出手段としてのタンクサーミスタ６１を利用しており、その検出値は制御装置７０へ入力されるようになっている。

次に、本実施形態での特徴と、その効果について述べる。被加熱流体は、貯湯タンク６０内の給湯用水であるとともに、流入温度検出手段として貯湯タンク６０の外面に設けられたタンクサーミスタ６１を利用している。これによれば、貯湯タンク６０外面の天地方向に所定間隔を開けて複数設けられるタンクサーミスタ６１のうち、一番下側のタンクサーミスタ６１を利用すれば、ほぼ冷媒水熱交換器２０へ供給する給水温度が検出できるため、温度検出手段を追加設置する必要がなくなり、コストを抑えることができる。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、冷媒をＣＯ_２として高圧側圧力を臨界圧力以上としたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、ＣＯ_２以外の冷媒で有っても良いし、高圧側圧力も臨界圧力以下であっても良い。また、上述の実施形態では、貯湯式給湯装置を一実施形態として本発明を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、貯湯式でなくても良いし、ブラインを加熱してその温熱を利用する床暖房装置・浴室乾燥装置・パネルヒータなどに用いても良い。

また、上述の実施形態では、圧縮機１０はモータ駆動であったが、エンジン駆動であっても良い。また、流体や給湯用水を循環させる循環ポンプ５０の位置も限定するものではない。また、冷媒回路Ｒに、高圧側熱交換器２０から流出した高圧冷媒（減圧装置３０・８０にて減圧される前の冷媒）と、圧縮機１０に吸入される低圧冷媒とを熱交換する内部熱交換器を構成していても良い。

本発明の第１実施形態における膨張弁サイクルを用いたヒートポンプ式加熱装置の全体構成模式図である。 図１のヒートポンプ式加熱装置における制御のフローチャートである。 本発明の最適開度記憶手段に記憶されている最適開度マップの一例である。 本発明と従来との経過時間に対する減圧装置のステップ数の変化を表したグラフである。 本発明の第２実施形態におけるエジェクタサイクルを用いたヒートポンプ式加熱装置の全体構成模式図である。 図５の実施形態に係るエジェクタ８０の断面模式図である。 本発明のヒートポンプ式加熱装置を用いた第３実施形態における貯湯式給湯装置の全体構成模式図である。 特許文献１のヒートポンプ式給湯機の模式図である。 特許文献２のヒートポンプ式給湯機の模式図である。

符号の説明

１０…圧縮機
２０…冷媒水熱交換器（高圧側熱交換器）
３０…可変式膨張弁（可変式減圧手段）
４０…冷媒空気熱交換器（低圧側熱交換器）
４０ａ…外気ファン（送風手段）
４０ｂ…外気温度センサー（外気温度検出手段）
５０…循環ポンプ（循環手段）
５１…流入温度センサー（流入温度検出手段）
６０…貯湯タンク
６１…タンクサーミスタ（流入温度検出手段、貯留温度検出手段）
７０…制御装置（制御手段）
７１…最適開度マップ（最適開度記憶手段）
８０…可変式エジェクタ（可変式減圧手段）
８１…ノズル

Claims (4)

1. 低温側の熱を高温側に移動させて流体を加熱する蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを用いた加熱装置であり、
   冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、
   前記圧縮機（１０）が吐出する高温高圧の冷媒と被加熱流体とを熱交換させる高圧側熱交換器（２０）と、
   前記高圧側熱交換器（２０）から流出した冷媒を等エンタルピ的に減圧膨脹させるとともに、その絞り開度を可変できる可変式膨張弁（３０）と、
   低温低圧の冷媒と外気とを熱交換させて冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（４０）と、
   外気温度を検出する外気温度検出手段（４０ｂ）と、
   前記被加熱流体の温度を検出する被加熱流体温度検出手段（５１）と、
   前記外気温度と前記被加熱流体温度とに対する前記可変式膨張弁（３０）の最適開度を記憶している最適開度記憶手段（７１）と、
   上記各機器の作動を制御する制御手段（７０）とを有し、
   前記制御手段（７０）は、加熱運転を開始する際、前記低圧側熱交換器（４０）へ外気を供給する送風手段（４０ａ）を駆動させてから所定時間を経過したか否かの判定を行い、前記所定時間が経過した場合に前記外気温度検出手段（４０ｂ）にて外気温度を検出する手段、
   加熱運転を開始する際、前記高圧側熱交換器（２０）へ被加熱流体を供給する循環手段（５０）を駆動させてから前記所定時間を経過したか否かの判定を行い、前記所定時間が経過した場合に前記被加熱流体温度検出手段（５１）にて前記被加熱流体温度を検出する手段、
   加熱運転を開始する際、前記外気温度検出手段（４０ｂ）から検出される前記所定時間を経過した後の前記外気温度と、前記被加熱流体温度検出手段（５１）から検出される前記所定時間を経過した後の前記被加熱流体温度とを前記最適開度記憶手段（７１）に当てはめて最適開度を導出し、前記可変式膨張弁（３０）の絞り開度を導出された最適開度まで一気に駆動させた後に前記可変式膨張弁（３０）の絞り開度に関して通常のフィードバック制御を開始する手段、
   および加熱運転を開始して前記可変式膨張弁（３０）の絞り開度を導出された前記最適開度へ向けて駆動するまでは、前記可変式膨張弁（３０）を冷媒サイクルが破綻しない絞り開度にて保持する手段を備えることを特徴とするヒートポンプ式加熱装置。
2. 低温側の熱を高温側に移動させて流体を加熱する蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを用いた加熱装置であり、
   冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、
   前記圧縮機（１０）が吐出する高温高圧の冷媒と被加熱流体とを熱交換させる高圧側熱交換器（２０）と、
   低温低圧の冷媒と外気とを熱交換させて冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（４０）と、
   高圧冷媒を減圧膨張させるノズル（８１）を有して前記高圧側熱交換器（２０）から流出した冷媒を等エンタルピ的に減圧膨脹させるとともに、前記ノズル（８１）から噴射する高い速度の冷媒流により前記低圧側熱交換器（４０）にて蒸発した気相冷媒を吸引すると共に、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（１０）の吸入圧を上昇させ、その絞り開度を可変できる可変式エジェクタ（８０）と、
   外気温度を検出する外気温度検出手段（４０ｂ）と、
   前記被加熱流体の温度を検出する被加熱流体温度検出手段（５１）と、
   前記外気温度と前記被加熱流体温度とに対する前記可変式エジェクタ（８０）の最適開度を記憶している最適開度記憶手段（７１）と、
   上記各機器の作動を制御する制御手段（７０）とを有し、
   前記制御手段（７０）は、加熱運転を開始する際、前記低圧側熱交換器（４０）へ外気を供給する送風手段（４０ａ）を駆動させてから所定時間を経過したか否かの判定を行い、前記所定時間が経過した場合に前記外気温度検出手段（４０ｂ）にて外気温度を検出する手段、
   加熱運転を開始する際、前記高圧側熱交換器（２０）へ被加熱流体を供給する循環手段（５０）を駆動させてから前記所定時間を経過したか否かの判定を行い、前記所定時間が経過した場合に前記被加熱流体温度検出手段（５１）にて前記被加熱流体温度を検出する手段、
   加熱運転を開始する際、前記外気温度検出手段（４０ｂ）から検出される前記所定時間を経過した後の前記外気温度と、前記被加熱流体温度検出手段（５１）から検出される前記所定時間を経過した後の前記被加熱流体温度とを前記最適開度記憶手段（７１）に当てはめて最適開度を導出し、前記可変式エジェクタ（８０）の絞り開度を導出された最適開度まで一気に駆動させた後に前記可変式エジェクタ（８０）の絞り開度に関して通常のフィードバック制御を開始する手段、
   および加熱運転を開始して前記可変式エジェクタ（８０）の絞り開度を導出された前記最適開度へ向けて駆動するまでは、前記可変式エジェクタ（８０）を冷媒サイクルが破綻しない絞り開度にて保持する手段を備えることを特徴とするヒートポンプ式加熱装置。
3. 前記被加熱流体温度検出手段（５１）は、前記高圧側熱交換器（２０）へ流入する被加熱流体の温度を検出する流入温度検出手段であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のヒートポンプ式加熱装置。
4. 前記被加熱流体は、貯湯タンク（６０）内の給湯用水であるとともに、前記被加熱流体温度検出手段として前記貯湯タンク（６０）の外面に設けられた貯留温度検出手段（６１）を利用し、かつ、前記貯湯タンク（６０）外面の天地方向に所定間隔を開けて複数設けられる前記貯留温度検出手段（６１）のうち、一番下側の前記貯留温度検出手段（６１）を利用したことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のヒートポンプ式加熱装置。

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