JP4337880B2

JP4337880B2 - ヒートポンプ式給湯器

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Publication number: JP4337880B2
Application number: JP2006529048A
Authority: JP
Inventors: 丈二黒木; 久介榊原; 輝彦平; 進川村; 正人村山
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-07-12
Filing date: 2005-07-12
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2025-07-12
Also published as: JPWO2006006578A1; EP1777471A1; WO2006006578A1

Description

本発明は、給湯用水の加熱手段としてヒートポンプサイクルを用いたヒートポンプ式給湯器に関するものであり、特に沸き上げ運転時の減圧手段の制御方法に関するものである。

従来技術として、本出願人は先に特開２０００−２１３８０６号公報に示す技術を開示している。これは、ヒートポンプ式給湯器において成績係数（以下、ＣＯＰと略す）を向上させるために給湯用水を加熱するガスクーラー（放熱器）から流出する冷媒温度とガスクーラーに流入する給湯用水の水温との温度差ΔＴが、所定温度差ΔＴｏとなるように高圧側の冷媒圧力を減圧手段にて制御するものである。

しかしながら、運転中のエバポレータ（蒸発器）のフロストや、貯湯タンクからのユーザー出湯によるヒートポンプ循環水量の変化など、外的要因からヒートポンプサイクルに変化が起こった場合、温度検出用サーミスタの応答遅れから減圧手段の制御遅れが発生し、サイクルの安定性が損なわれてエラー停止の可能性が高くなってしまうという問題がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、外的要因に対してサイクルの安定性の高いヒートポンプ式給湯器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、請求項１ないし請求項４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、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルにて給湯用水を加熱する給湯器であって、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１）と、圧縮機（１）から吐出する冷媒と給湯用水とを熱交換すると共に、冷媒流れと給湯用水流れとが対向するように構成された放熱器（２）と、放熱器（２）から流出する冷媒を減圧する減圧手段（３、３０）と、減圧手段（３、３０）から流出する冷媒を蒸発させて冷媒に熱を吸収させると共に、圧縮機（１）の吸入側に向けて冷媒を流出する蒸発器（４）とを有し、高圧側の冷媒圧力が所定圧力未満のときには、放熱器（２）から流出する冷媒と放熱器（２）に流入する給湯用水との実温度差（ΔＴ）が、所定の目標温度差（ΔＴｔ）となるように高圧側の冷媒圧力を制御するヒートポンプ式給湯器において、
少なくともヒートポンプサイクル起動時に、高圧側の目標圧力（Ｐｔ）を設定し、目標圧力（Ｐｔ）となるように高圧側の冷媒圧力を制御すると共に、目標温度差（ΔＴｔ）と実温度差（ΔＴ）との温度差（ΔＴ１）を算出し、温度差（ΔＴ１）が所定値以下となるよう目標圧力（Ｐｔ）を補正することを特徴としている。

この請求項１に記載の発明によれば、応答性のよい圧力センサーなどから検出される高圧圧力値によって直接減圧手段（３、３０）を制御することにより、外的要因によるヒートポンプサイクルの変動に対してサイクルの安定性を向上させることができる。

また、圧力センサーについては、検出値のばらつきが大きく、目標とするＣＯＰを達成させることが困難であるため、ばらつきの少ない温度センサーなどから検出する実温度差（ΔＴ）から目標圧力（Ｐｔ）を補正することで、目標とするＣＯＰを達成させることが可能となる。また、圧力センサーもしくは温度センサーのいずれかが異常時の場合においても減圧弁制御が可能となるため、ユーザーサイドに対するシステムの信頼性を向上させることができる。

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る蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルにて給湯用水を加熱する給湯器であって、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１）と、圧縮機（１）から吐出する冷媒と給湯用水とを熱交換すると共に、冷媒流れと給湯用水流れとが対向するように構成された放熱器（２）と、放熱器（２）から流出する冷媒を減圧する減圧手段（３、３０）と、減圧手段（３、３０）から流出する冷媒を蒸発させて冷媒に熱を吸収させると共に、圧縮機（１）の吸入側に向けて冷媒を流出する蒸発器（４）とを有し、高圧側の冷媒圧力が所定圧力未満のときには、放熱器（２）から流出する冷媒と放熱器（２）に流入する給湯用水との実温度差（ΔＴ）が、所定の目標温度差（ΔＴｔ）となるように高圧側の冷媒圧力を制御するヒートポンプ式給湯器において、
少なくともヒートポンプサイクル起動時に、高圧側の目標圧力（Ｐｔ）を設定し、目標圧力（Ｐｔ）となるように高圧側の冷媒圧力を制御すると共に、圧縮機（１）から吐出する冷媒の目標吐出温度（Ｔｔ）を設定し、目標吐出温度（Ｔｔ）と実吐出温度（Ｔ）との温度差（ΔＴ２）を算出し、温度差（ΔＴ２）が所定値以下となるよう目標圧力（Ｐｔ）を補正することを特徴としている。

この請求項２に記載の発明によれば、応答性のよい圧力センサーなどから検出される高圧圧力値によって直接減圧手段（３、３０）を制御することにより、外的要因によるヒートポンプサイクルの変動に対してサイクルの安定性を向上させることができる。

また、圧力センサーについては、検出値のばらつきが大きく、目標とするＣＯＰを達成させることが困難であるため、ばらつきの少ない温度センサーなどから検出する実吐出温度（Ｔ）から目標圧力（Ｐｔ）を補正することで、目標とするＣＯＰを達成させることが可能となる。また、圧力センサーもしくは温度センサーのいずれかが異常時の場合においても減圧弁制御が可能となるため、ユーザーサイドに対するシステムの信頼性を向上させることができる。

また、請求項３に記載の発明では、目標圧力（Ｐｔ）を設定して、その目標圧力（Ｐｔ）となるように高圧側の冷媒圧力を制御すると共に、目標温度差（ΔＴｔ）と実温度差（ΔＴ）との温度差（ΔＴ１）を算出して、その温度差（ΔＴ１）が所定値以下となるよう目標圧力（Ｐｔ）を補正する制御を、外気温度、蒸発器（４）の入口冷媒温度、蒸発器（４）の出口冷媒温度のうち少なくともいずれか１つが所定値より低い場合に行うことを特徴としている。

運転環境が低外気温度（例えば、外気温度０℃以下）の場合において、最適ＣＯＰを成す最適高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御を行おうとすると、機能部品やヒートポンプサイクルなどの熱容量の関係からサーミスタなどの温度センサーでは温度検出遅れとなり、減圧手段（３、３０）をリアルタイムで制御することが困難となり、ヒートポンプサイクルの変動に対する安定性の確保が必要となる。

この請求項３に記載の発明によれば、外気温度、蒸発器（４）の入口冷媒温度、蒸発器（４）の出口冷媒温度のうち少なくともいずれか１つが所定値より低い（例えば、０℃以下）低温時においては、圧力センサーを用いた高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御を行うことでサイクルの安定性を向上させることができる。また、外気温度、蒸発器（４）の入口冷媒温度、蒸発器（４）の出口冷媒温度のうち少なくともいずれか１つが所定値より高い（例えば、０℃を超える）高温時においては、目標とするＣＯＰに応じた高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御により沸き上げ運転を行うものである。

これにより、低外気温度時は圧力センサー値を用いてサイクルの安定性を重視し、システムが異常停止しない安定した加熱能力の確保が可能となり、高外気温度時は温度センサー値を用いた高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御により、目標とするＣＯＰを得ることが可能な運転が可能となる。

また、請求項４に記載の発明では、目標圧力（Ｐｔ）を設定して、その目標圧力（Ｐｔ）となるように高圧側の冷媒圧力を制御すると共に、圧縮機（１）から吐出する冷媒の目標吐出温度（Ｔｔ）を設定し、目標吐出温度（Ｔｔ）と実吐出温度（Ｔ）との温度差（ΔＴ２）を算出して、その温度差（ΔＴ２）が所定値以下となるよう目標圧力（Ｐｔ）を補正する制御を、外気温度、蒸発器（４）の入口冷媒温度、蒸発器（４）の出口冷媒温度のうち少なくともいずれか１つが所定値より低い場合に行うことを特徴としている。

運転環境が低外気温度（例えば、外気温度０℃以下）の場合において、機能部品やヒートポンプサイクルなどの熱容量の関係からサーミスタなどの温度センサーでは温度検出遅れとなり、減圧手段（３、３０）をリアルタイムで制御することが困難となる可能性があり、ヒートポンプサイクルの変動に対する安定性の確保が必要となる。

この請求項４に記載の発明によれば、外気温度、蒸発器（４）の入口冷媒温度、蒸発器（４）の出口冷媒温度のうち少なくともいずれか１つが所定値より低い（例えば、０℃以下）低温時においては、圧力センサーを用いた高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御を行うことでサイクルの安定性を向上させることができる。また、外気温度、蒸発器（４）の入口冷媒温度、蒸発器（４）の出口冷媒温度のうち少なくともいずれか１つが所定値より高い（例えば、０℃を超える）高温時においては、目標とするＣＯＰに応じた高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御により沸き上げ運転を行うものである。

また、請求項５に記載の発明では、放熱器（２）の冷媒流れ下流側と減圧手段（３、３０）との間、もしくは放熱器（２）の冷媒流れ上流側に設けられ、冷媒の高圧側圧力を検出する圧力センサー（１０）を有することを特徴としている。この請求項５に記載の発明によれば、高圧圧力を検出する手段として応答性の良い圧力センサー（１０）を用いることにより、外的要因によるヒートポンプサイクルの変動に対してサイクルの安定性を向上させることができる。

また、請求項６に記載の発明では、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１）と、圧縮機（１）から吐出する冷媒と給湯用水とを熱交換すると共に、冷媒流れと給湯用水流れとが対向するように構成された放熱器（２）と、放熱器（２）から流出する冷媒を減圧する減圧手段（３、３０）と、減圧手段（３、３０）から流出する冷媒を蒸発させると共に、圧縮機（１）の吸入側に向けて冷媒を流出する蒸発器（４）とを有し、高圧側の冷媒圧力が所定圧力未満のときには、放熱器（２）から流出する冷媒と放熱器（２）に流入する給湯用水との実温度差（ΔＴ）が所定の目標温度差（ΔＴｔ）となるように高圧側の冷媒圧力を制御するヒートポンプ式給湯器において、
圧縮機（１）から吐出される冷媒の吐出温度を検出する吐出温度センサー（８）を有し、少なくともヒートポンプサイクル起動時に、圧縮機（１）から吐出する冷媒の目標吐出温度（Ｔｔ）を設定し、目標吐出温度（Ｔｔ）と実吐出温度（Ｔ）との温度差（ΔＴ２）を算出し、温度差（ΔＴ２）が所定値以下となるよう目標吐出温度（Ｔｔ）を補正することを特徴としている。

この請求項６に記載の発明によれば、圧力センサー（１０）に比べて検出値のばらつきが少ない温度センサー（８）を用いて高圧側の冷媒の状態を検出することができ、より確実に、目標とするＣＯＰを達成させることが可能となる。

また、請求項７に記載の発明では、目標吐出温度（Ｔｔ）と実吐出温度（Ｔ）との温度差（ΔＴ２）が所定値以下となるよう目標吐出温度（Ｔｔ）を補正する制御を、外気温度、蒸発器（４）の入口冷媒温度、蒸発器（４）の出口冷媒温度のうち、少なくともいずれか１つが所定値より低い場合に行うことを特徴としている。

この請求項７に記載の発明によれば、低外気温度時は圧力センサー値を用いてサイクルの安定性を重視し、システムが異常停止しない安定した加熱能力の確保が可能となり、高外気温度時は温度センサー値を用いた高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御により、目標とするＣＯＰを得ることが可能な運転が可能となる。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。

本発明の第１実施形態におけるヒートポンプ式給湯器の構成を示す模式図である。図１の実施形態における制御装置１６の制御例を示すフローチャート図である。図２のフローチャート中における高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御の制御特性例を示すグラフである。図２のフローチャート中における高圧補正の補正特性例を示すグラフである。本発明の第２実施形態における制御装置１６の制御例を示すフローチャート図である。図５のフローチャート中において目標吐出温度Ｔｔを算出するマップの例である。図５のフローチャート中における高圧補正の補正特性例を示すグラフである。本発明の第３実施形態における制御装置１６の制御例を示すフローチャート図である。図８のフローチャート中における温度差Ｆ／Ｂ減圧弁制御の制御特性例を示すグラフである。本発明の第４実施形態における制御装置１６の制御例を示すフローチャート図である。図１０のフローチャート中における吐出温度差Ｆ／Ｂ減圧弁制御の制御特性例を示すグラフである。本発明の他の実施形態でのヒートポンプ式給湯器の構成を示す模式図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態におけるヒートポンプ式給湯器の構成を示す模式図である。本実施形態でのヒートポンプ式給湯器は、給湯用水を貯留する貯湯タンク６、この貯湯タンク６に接続される流水配管Ｃ・Ｈ、この流水配管Ｃ・Ｈに給湯用水を流通させるウォータポンプ７、給湯用水の加熱手段である後述する超臨界ヒートポンプサイクルのヒートポンプユニットＨＵ、およびヒートポンプ式給湯器の作動を制御する制御装置１６などより構成される。

貯湯タンク６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。貯湯タンク６に貯留される給湯用水は、使用時に冷水と混合して温度調節した後、主にキッチンや風呂などで使用されるが、給湯用以外にも、例えば床暖房用や室内空調用などの熱源として利用することもできる。

流水配管Ｃ・Ｈは、貯湯タンク６と後述の水熱交換器（放熱器）２とを接続する冷水配管Ｃと温水配管Ｈとで構成される。冷水配管Ｃは、一端が貯湯タンク６の下部に設けられた冷水出口６aに接続され、他端が水熱交換器２に設けられた図示しない水通路の入口に接続されている。また、温水配管Ｈは、一端が水熱交換器２に設けられた図示しない水通路の出口に接続され、他端が貯湯タンク６の上部に設けられた温水入口６ｂに接続されている。

ウォータポンプ７は、図１に矢印で示すように、貯湯タンク６内の給湯用水が冷水出口６aから冷水配管Ｃ→水通路→温水配管Ｈを流れて温水入口６ｂから貯湯タンク６へ還流する様に水流を発生させる。このウォータポンプ７は、内蔵する図示しない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１６により通電制御される。

超臨界ヒートポンプサイクルは、図１に示すように、圧縮機１、水熱交換器２、減圧手段としての可変式膨張弁３、空気熱交換器（蒸発器）４、アキュームレータ５、これらの機器を繋ぐ冷媒配管（高圧配管Ｈｉと低圧配管Ｌｏ）などによって構成され、冷媒として臨界温度の低い二酸化炭素（以下、ＣＯ２と略す）冷媒が封入されている。

圧縮機１は、内蔵する図示しないモータによって駆動され、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。圧縮機１の冷媒吐出量は、モータの回転数に応じて可変する。

水熱交換器２は、圧縮機１で加圧された高温高圧のガス冷媒と、貯湯タンク６から供給される給湯用水とが熱交換するもので、前述した水通路に隣接して図示しない冷媒通路が設けられ、その冷媒通路を流れる冷媒の流れ方向と水通路を流れる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。

可変式膨張弁３は、水熱交換器２と空気熱交換器４との間に設けられ、水熱交換器２で冷却された冷媒を減圧して空気熱交換器４に供給する。この可変式膨張弁３は、弁開度を電気的に調整可能な構成を有し、制御装置１６により通電制御される。

空気熱交換器４は、外気ファン４ａによる送風を受けて、可変式膨張弁３で減圧された冷媒を外気との熱交換によって蒸発させる。また、アキュームレータ５は、空気熱交換器４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共に、ガス冷媒のみ圧縮機１に吸引させる。

次に、上記したヒートポンプ式給湯器の各部に配置されたセンサー類ついて説明する。８は、圧縮機１から吐出される冷媒の吐出温度を検出する吐出温度センサーであり、９は、水熱交換器２から流出する冷媒温度を検出する出口冷媒温度センサーである。また、１０は圧力センサーであり、水熱交換器２の入口側、もしくは出口側に設定され、高圧配管Ｈｉ側の高圧圧力を検出する。

１１は空気熱交換器４入口の冷媒温度センサーであり、１２は空気熱交換器４出口の冷媒温度センサーである。また、１３は、雰囲気空気温度を検出する外気温度センサーである。また、１４は水熱交換器２に流入する入口水温を検出する水温センサーであり、１５は加熱された給湯用水の湯温を検出する沸上温度センサーである。これらのセンサー群で検出された信号は全て制御装置１６に入力されると共に、後述するフローチャートなどに従って圧縮機１・可変式膨張弁３・外気ファン４ａ・ウォータポンプ７などが通電制御される。

次に、通常の沸き上げ運転について説明する。冷媒は、圧縮機１により加圧されて高温高圧となり、水熱交換器２で給湯用水に放熱して冷却され、可変式膨張弁３に供給され、可変式膨張弁３の開度に応じて減圧される。減圧された低温低圧の冷媒は、空気熱交換器４（外気ファン４ａ：稼動）で外気より吸熱して蒸発し、アキュームレータ５で気液分離された後、ガス冷媒のみ圧縮機１に吸引されるサイクルを繰り返す。

給湯用水は、ウォータポンプ７で加圧され、水熱交換器２で冷媒から吸熱して温水となり、貯湯タンク６へ送られて貯められる。沸き上げ温度については、沸き上げ温度センサー１５にて湯温を検出し、ウォータポンプ７にて循環流量を調整して温度コントロールを行う。そして、貯湯タンク６内が全て温水となって、冷水配管Ｃ側からの給水温度が高くなったことを水温センサー１４で検出したら、冷媒および給湯用水の循環を停止させる。

次に、本発明に係わる上記沸き上げ運転時のヒートポンプ式給湯器１の作動について説明する。図２は図１の実施形態における制御装置１６の制御例を示すフローチャート図である。また、図３は図２のフローチャート中における高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御の制御特性例を示すグラフであり、図４図２のフローチャート中における高圧補正の補正特性例を示すグラフである。

本発明のヒートポンプ式給湯器１は、概略、ヒートポンプ起動時にまず暫定的に目標高圧Ｐｔを設定し、圧力センサー１０で高圧圧力を検出しながら可変式膨張弁３にて目標高圧Ｐｔとなるよう制御を行い、更に水熱交換器２の入口水温と出口冷媒温度との実温度差ΔＴを検出し、設定していた目標高圧Ｐｔを目標とするＣＯＰ（本実施の形態では、ＣＯＰが最も高くなる最適値）に補正してゆくシステムとなっている。

制御装置１６からの運転指令により、ヒートポンプシステムでの沸き上げ運転を開始すると、まず図２のステップＳ１では、外気温度・水熱交換器２の入口水温・目標沸き上げ温度などより決定されるサイクル安定時の高圧圧力を推定し、暫定的に目標高圧Ｐｔを設定する。

次のステップＳ２では、圧縮機１・外気ファン４ａ・ウォータポンプ７などの各サイクル機能品を稼働させ、目標高圧Ｐｔに到達するよう圧力センサー１０にて実圧力を検出しながら可変式膨張弁３の開度を制御（高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御）する。図３に、可変式膨張弁３の制御特性例を示す。目標高圧に対して実高圧が低ければ膨張弁を絞り、目標高圧に対して実高圧が高ければ膨張弁を開く特性となっている。そして、実高圧が目標高圧に接近するほど膨張弁開度を小さくしてヒートポンプサイクルの安定性を向上させている。

次のステップＳ３では、目標高圧に到達したか否かを判定しており、その判定結果がＮＯで目標高圧に到達していない場合にはステップＳ２の高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御を続行する。また、目標高圧に到達してステップＳ３の判定結果がＹＥＳとなった場合はステップＳ４に進み、水熱交換器２の入口水温と出口冷媒温度との実温度差ΔＴを検出する。そして、ステップＳ５では最適ＣＯＰを達成するための目標温度差ΔＴｔと実温度差ΔＴとの温度差ΔＴ１とを算出する。尚、目標温度差ΔＴｔは所定値（例えば１０℃）であっても良いし、もしくはマップに従って算出されるものであっても良い。

次のステップＳ６では、ステップＳ５で算出した温度差ΔＴ１の絶対値が所定値（本例では３℃）以下であるか否かを判定する。その判定結果がＮＯで、温度差ΔＴ１の絶対値が所定値以上である場合にはステップＳ７に進んで目標高圧Ｐｔを補正して再度ステップＳ２の高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御から繰り返すものである。図４に高圧補正の補正特性例を示す。ステップＳ５で算出した温度差ΔＴ１が正の場合（実温度差ΔＴが目標温度差ΔＴｔに足りない場合）は目標高圧Ｐｔをプラス補正し、負の場合（実温度差ΔＴが目標温度差ΔＴｔを上回る場合）は目標高圧Ｐｔをマイナス補正する特性となっている。

また、温度差ΔＴ１の絶対値が所定値以下となってステップＳ６の判定結果がＹＥＳとなった場合はステップＳ８に進んで目標高圧の補正は行わず、以降は最適高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御に移行するものである。ステップＳ９では運転停止指令が入力されたか否かの判定を行い、その判定結果がＮＯで運転停止指令が入力されていない場合にはステップＳ８の最適高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御を続行し、運転停止指令が入力されてステップＳ９の判定結果がＹＥＳとなった場合は以上の沸き上げ運転を終了するものである。

次に、本実施形態での特徴と、その効果について述べる。少なくともヒートポンプサイクル起動時に、高圧側の目標圧力Ｐｔを設定し、目標圧力Ｐｔとなるように高圧側の冷媒圧力を制御すると共に、目標温度差ΔＴｔと実温度差ΔＴとの温度差ΔＴ１を算出し、温度差ΔＴ１が所定値以下となるよう目標圧力Ｐｔを補正するようにしている。

これによれば、応答性のよい圧力センサーなどから検出される高圧圧力値によって直接可変式膨張弁３を制御することにより、外的要因によるヒートポンプサイクルの変動に対してサイクルの安定性を向上させることができる。

また、圧力センサーについては、検出値のばらつきが大きく、目標とするＣＯＰを達成させることが困難であるため、ばらつきの少ない温度センサーなどから検出する実温度差ΔＴから目標圧力Ｐｔを補正することで、目標とするＣＯＰを達成させることが可能となる。また、圧力センサーもしくは温度センサーのいずれかが異常時の場合においても減圧弁制御が可能となるため、ユーザーサイドに対するシステムの信頼性を向上させることができる。

（第２実施形態）
図５は本発明の第２実施形態における制御装置１６の制御例を示すフローチャート図である。また、図６は図５のフローチャート中において目標吐出温度Ｔｔを算出するマップの例であり、図７は図５のフローチャート中における高圧補正の補正特性例を示すグラフである。ヒートポンプ式給湯器の構成は上述した第１実施形態と同じであり、第１実施形態と同様に高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御を行いつつ温度差によって目標圧力Ｐｔを補正するものであるが、圧縮機１から吐出される冷媒の吐出温度を用いて温度差を算出する点が異なる。

制御装置１６からの運転指令により、ヒートポンプシステムでの沸き上げ運転を開始すると、まず図５のステップＳ１１では、外気温度・水熱交換器２の入口水温・目標沸き上げ温度などより決定されるサイクル安定時の高圧圧力を推定し、暫定的に目標高圧Ｐｔを設定する。

次のステップＳ１２では、圧縮機１・外気ファン４ａ・ウォータポンプ７などの各サイクル機能品を稼働させ、目標高圧Ｐｔに到達するよう圧力センサー１０にて実圧力を検出しながら可変式膨張弁３の開度を制御（高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御）する。図３に、可変式膨張弁３の制御特性例を示す。目標高圧に対して実高圧が低ければ膨張弁を絞り、目標高圧に対して実高圧が高ければ膨張弁を開く特性となっている。そして、実高圧が目標高圧に接近するほど膨張弁開度を小さくしてヒートポンプサイクルの安定性を向上させている。

次のステップＳ１３では、目標高圧に到達したか否かを判定しており、その判定結果がＮＯで目標高圧に到達していない場合にはステップＳ１２の高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御を続行する。また、目標高圧に到達してステップＳ１３の判定結果がＹＥＳとなった場合はステップＳ１４に進み、図６のマップ（または計算式）に従い、外気温度と目標沸上温度から目標吐出温度Ｔｔを算出する。そして、ステップＳ１５では最適ＣＯＰを達成するための目標吐出温度Ｔｔと実吐出温度Ｔとの温度差ΔＴ２とを算出する。

次のステップＳ１６では、ステップＳ１５で算出した温度差ΔＴ２の絶対値が所定値（本例では３℃）以下であるか否かを判定する。その判定結果がＮＯで、温度差ΔＴ２の絶対値が所定値以上である場合にはステップＳ１７に進んで目標高圧Ｐｔを補正して再度ステップＳ１２の高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御から繰り返すものである。図７に高圧補正の補正特性例を示す。ステップＳ１５で算出した温度差ΔＴ２が正の場合（実吐出温度Ｔが目標吐出温度Ｔｔに足りない場合）は目標高圧Ｐｔをプラス補正し、負の場合（実吐出温度Ｔが目標吐出温度Ｔｔを上回る場合）は目標高圧Ｐｔをマイナス補正する特性となっている。

また、温度差ΔＴ２の絶対値が所定値以下となってステップＳ１６の判定結果がＹＥＳとなった場合はステップＳ１８に進んで目標高圧の補正は行わず、以降は最適高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御に移行するものである。ステップＳ１９では運転停止指令が入力されたか否かの判定を行い、その判定結果がＮＯで運転停止指令が入力されていない場合にはステップＳ１８の最適高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御を続行し、運転停止指令が入力されてステップＳ１９の判定結果がＹＥＳとなった場合は以上の沸き上げ運転を終了するものである。

次に、本実施形態での特徴と、その効果について述べる。少なくともヒートポンプサイクル起動時に、高圧側の目標圧力Ｐｔを設定し、目標圧力Ｐｔとなるように高圧側の冷媒圧力を制御すると共に、圧縮機１から吐出する冷媒の目標吐出温度Ｔｔを設定し、目標吐出温度Ｔｔと実吐出温度Ｔとの温度差ΔＴ２を算出し、温度差ΔＴ２が所定値以下となるよう目標圧力Ｐｔを補正するようにしている。

また、圧力センサーについては、検出値のばらつきが大きく、目標とするＣＯＰを達成させることが困難であるため、ばらつきの少ない温度センサーなどから検出する実吐出温度Ｔから目標圧力Ｐｔを補正することで、目標とするＣＯＰを達成させることが可能となる。また、圧力センサーもしくは温度センサーのいずれかが異常時の場合においても減圧弁制御が可能となるため、ユーザーサイドに対するシステムの信頼性を向上させることができる。

（第３実施形態）
図８は本発明の第３実施形態における制御装置１６の制御例を示すフローチャート図であり、本発明は、外気温度センサー１３にて検出される外気温度に応じて、高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御と温度差Ｆ／Ｂ減圧弁制御とを切り替えるシステムとなっている。ステップＳ２１で外気温度が所定値（本実施例では０℃）以上であるか否かを判定している。その判定結果がＹＥＳで外気温度が０℃以上である場合にはステップ２２へ進み、最適ＣＯＰを達成するための目標温度差ΔＴｔを設定する。

そしてステップＳ２３では、水熱交換器２の入口水温と出口冷媒温度との実温度差ΔＴを検出し、目標温度差ΔＴｔとなるように可変式膨張弁３を制御する温度差Ｆ／Ｂ減圧弁制御を行うものである。図９は図８のフローチャート中における温度差Ｆ／Ｂ減圧弁制御の制御特性例を示すグラフであり、温度差ΔＴ１が正の場合（実温度差ΔＴが目標温度差ΔＴｔに足りない場合）は膨張弁を絞り、負の場合（実温度差ΔＴが目標温度差ΔＴｔを上回る場合）は膨張弁を開く特性となっている。尚、目標温度差ΔＴｔは所定値（例えば１０℃）であっても良いし、もしくはマップに従って算出されるものであっても良い。

また、ステップＳ２１での判定結果がＮＯで外気温度が０℃よりも低い場合には、ステップ２４へ進んで、まず暫定的に目標高圧Ｐｔを設定し、以降ステップＳ２５にて圧力センサー１０で高圧圧力を検出しながら可変式膨張弁３にて目標高圧Ｐｔとなるよう制御を行い、更に水熱交換器２の入口水温と出口冷媒温度との実温度差ΔＴを検出し、設定していた目標高圧ＰｔをＣＯＰの最も高くなる最適値に補正してゆく高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御を行うものである。

次に、本実施形態での特徴と、その効果について述べる。目標圧力Ｐｔを設定して、その目標圧力Ｐｔとなるように高圧側の冷媒圧力を制御すると共に、目標温度差ΔＴｔと実温度差ΔＴとの温度差ΔＴ１を算出して、その温度差ΔＴ１が所定値以下となるよう目標圧力Ｐｔを補正する制御を、外気温度、蒸発器４の入口冷媒温度、空気熱交換器４の出口冷媒温度のうち少なくともいずれか１つが所定値より低い場合に行うようにしている。

運転環境が低外気温度（例えば、外気温度０℃以下）の場合において、最適ＣＯＰを成す最適高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御を行おうとすると、機能部品やヒートポンプサイクルなどの熱容量の関係からサーミスタなどの温度センサーでは温度検出遅れとなり、可変式膨張弁３をリアルタイムで制御することが困難となり、ヒートポンプサイクルの変動に対する安定性の確保が必要となる。

しかしこれによれば、外気温度、空気熱交換器４の入口冷媒温度、空気熱交換器４の出口冷媒温度のうち少なくともいずれか１つが所定値より低い（例えば、０℃以下）低温時においては、圧力センサーを用いた高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御を行うことでサイクルの安定性を向上させることができる。また、外気温度、空気熱交換器４の入口冷媒温度、空気熱交換器４の出口冷媒温度のうち少なくともいずれか１つが所定値より高い（例えば、０℃を超える）高温時においては、目標とするＣＯＰに応じた高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御により沸き上げ運転を行うものである。

（第４実施形態）
図１０は本発明の第４実施形態における制御装置１６の制御例を示すフローチャート図であり、本発明は、外気温度センサー１３にて検出される外気温度に応じて、高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御と吐出温度差Ｆ／Ｂ減圧弁制御とを切り替えるシステムとなっている。ステップＳ３１で外気温度が所定値（本実施例では０℃）以上であるか否かを判定している。その判定結果がＹＥＳで外気温度が０℃以上である場合にはステップ３２へ進み、最適ＣＯＰを達成するための目標吐出温度Ｔｔを設定する。

そしてステップＳ３３では、圧縮機１の実吐出温度Ｔを検出し、目標吐出温度Ｔｔとなるように可変式膨張弁３を制御する吐出温度差Ｆ／Ｂ減圧弁制御を行うものである。図１１は図１０のフローチャート中における吐出温度差Ｆ／Ｂ減圧弁制御の制御特性例を示すグラフであり、温度差ΔＴ２が正の場合（実吐出温度Ｔが目標吐出温度Ｔｔより低い場合）は膨張弁を絞り、負の場合（実吐出温度Ｔが目標吐出温度Ｔｔより高い場合）は膨張弁を開く特性となっている。

また、ステップＳ３１での判定結果がＮＯで外気温度が０℃よりも低い場合には、ステップ３４へ進んで、まず暫定的に目標高圧Ｐｔを設定し、以降ステップＳ３５にて圧力センサー１０で高圧圧力を検出しながら可変式膨張弁３にて目標高圧Ｐｔとなるよう制御を行い、更に水熱交換器２の入口水温と出口冷媒温度との実温度差ΔＴを検出し、設定していた目標高圧ＰｔをＣＯＰの最も高くなる最適値に補正してゆく高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御を行うものである。

次に、本実施形態での特徴と、その効果について述べる。目標圧力Ｐｔを設定して、その目標圧力Ｐｔとなるように高圧側の冷媒圧力を制御すると共に、圧縮機１から吐出する冷媒の目標吐出温度Ｔｔを設定し、目標吐出温度Ｔｔと実吐出温度Ｔとの温度差ΔＴ２を算出して、その温度差ΔＴ２が所定値以下となるよう目標圧力Ｐｔを補正する制御を、外気温度、空気熱交換器４の入口冷媒温度、空気熱交換器４の出口冷媒温度のうち少なくともいずれか１つが所定値より低い場合に行うようにしている。

運転環境が低外気温度（例えば、外気温度０℃以下）の場合において、機能部品やヒートポンプサイクルなどの熱容量の関係からサーミスタなどの温度センサーでは温度検出遅れとなり、可変式膨張弁３をリアルタイムで制御することが困難となる可能性があり、ヒートポンプサイクルの変動に対する安定性の確保が必要となる。

上述した実施形態によれば、低外気温度時は圧力センサー値を用いてサイクルの安定性を重視し、システムが異常停止しない安定した加熱能力の確保が可能となり、高外気温度時は温度センサー値を用いた高圧Ｆ／Ｂ減圧弁制御により、目標とするＣＯＰを得ることが可能な運転が可能となる。

（その他の実施形態）
図１２は、本発明の他の実施形態でのヒートポンプ式給湯器の構成を示す模式図である。上述の実施形態では、減圧手段を可変式膨張弁３としたが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、図１２に示すように、減圧手段としてエジェクタ３０を用いたヒートポンプサイクルであっても良く、同様の効果を発揮する。

また、上述した実施形態では、ヒートポンプサイクル起動時に、高圧側の目標圧力Ｐｔを設定する実施形態について述べたが、高圧側の目標圧力Ｐｔのかわりに圧縮機１から吐出する冷媒の目標吐出温度Ｔｔを設定し、目標吐出温度Ｔｔと実吐出温度Ｔとの温度差ΔＴ２が所定値以下となるように、目標温度差Ｔｔを補正する制御を行っても、同様の効果を得ることができる。

Claims

低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルにて給湯用水を加熱する給湯器であって、
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１）と、
前記圧縮機（１）から吐出する冷媒と給湯用水とを熱交換すると共に、冷媒流れと給湯用水流れとが対向するように構成された放熱器（２）と、
前記放熱器（２）から流出する冷媒を減圧する減圧手段（３、３０）と、
前記減圧手段（３、３０）から流出する冷媒を蒸発させて冷媒に熱を吸収させると共に、前記圧縮機（１）の吸入側に向けて冷媒を流出する蒸発器（４）とを有し、
高圧側の冷媒圧力が所定圧力未満のときには、前記放熱器（２）から流出する冷媒と前記放熱器（２）に流入する給湯用水との実温度差（ΔＴ）が、所定の目標温度差（ΔＴｔ）となるように高圧側の冷媒圧力を制御するヒートポンプ式給湯器において、
少なくともヒートポンプサイクル起動時に、高圧側の目標圧力（Ｐｔ）を設定し、前記目標圧力（Ｐｔ）となるように高圧側の冷媒圧力を制御すると共に、前記目標温度差（ΔＴｔ）と前記実温度差（ΔＴ）との温度差（ΔＴ１）を算出し、前記温度差（ΔＴ１）が所定値以下となるよう前記目標圧力（Ｐｔ）を補正することを特徴とするヒートポンプ式給湯器。
低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルにて給湯用水を加熱する給湯器であって、
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１）と、
前記圧縮機（１）から吐出する冷媒と給湯用水とを熱交換すると共に、冷媒流れと給湯用水流れとが対向するように構成された放熱器（２）と、
前記放熱器（２）から流出する冷媒を減圧する減圧手段（３、３０）と、
前記減圧手段（３、３０）から流出する冷媒を蒸発させて冷媒に熱を吸収させると共に、前記圧縮機（１）の吸入側に向けて冷媒を流出する蒸発器（４）とを有し、
高圧側の冷媒圧力が所定圧力未満のときには、前記放熱器（２）から流出する冷媒と前記放熱器（２）に流入する給湯用水との実温度差（ΔＴ）が、所定の目標温度差（ΔＴｔ）となるように高圧側の冷媒圧力を制御するヒートポンプ式給湯器において、
少なくともヒートポンプサイクル起動時に、高圧側の目標圧力（Ｐｔ）を設定し、前記目標圧力（Ｐｔ）となるように高圧側の冷媒圧力を制御すると共に、前記圧縮機（１）から吐出する冷媒の目標吐出温度（Ｔｔ）を設定し、前記目標吐出温度（Ｔｔ）と実吐出温度（Ｔ）との温度差（ΔＴ２）を算出し、前記温度差（ΔＴ２）が所定値以下となるよう前記目標圧力（Ｐｔ）を補正することを特徴とするヒートポンプ式給湯器。
前記目標圧力（Ｐｔ）を設定して、その目標圧力（Ｐｔ）となるように高圧側の冷媒圧力を制御すると共に、前記目標温度差（ΔＴｔ）と前記実温度差（ΔＴ）との前記温度差（ΔＴ１）を算出して、その温度差（ΔＴ１）が所定値以下となるよう前記目標圧力（Ｐｔ）を補正する制御を、外気温度、蒸発器（４）の入口冷媒温度、蒸発器（４）の出口冷媒温度のうち少なくともいずれか１つが所定値より低い場合に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器。
前記目標圧力（Ｐｔ）を設定して、その目標圧力（Ｐｔ）となるように高圧側の冷媒圧力を制御すると共に、前記圧縮機（１）から吐出する冷媒の前記目標吐出温度（Ｔｔ）を設定し、前記目標吐出温度（Ｔｔ）と前記実吐出温度（Ｔ）との温度差（ΔＴ２）を算出して、その温度差（ΔＴ２）が所定値以下となるよう前記目標圧力（Ｐｔ）を補正する制御を、外気温度、蒸発器（４）の入口冷媒温度、蒸発器（４）の出口冷媒温度のうち少なくともいずれか１つが所定値より低い場合に行うことを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式給湯器。
前記放熱器（２）の冷媒流れ下流側と前記減圧手段（３、３０）との間、もしくは前記放熱器（２）の冷媒流れ上流側に設けられ、冷媒の高圧側圧力を検出する圧力センサー（１０）を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のうちいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯器。
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１）と、
前記圧縮機（１）から吐出する冷媒と給湯用水とを熱交換すると共に、冷媒流れと給湯用水流れとが対向するように構成された放熱器（２）と、
前記放熱器（２）から流出する冷媒を減圧する減圧手段（３、３０）と、
前記減圧手段（３、３０）から流出する冷媒を蒸発させると共に、前記圧縮機（１）の吸入側に向けて冷媒を流出する蒸発器（４）とを有し、
高圧側の冷媒圧力が所定圧力未満のときには、前記放熱器（２）から流出する冷媒と前記放熱器（２）に流入する給湯用水との実温度差（ΔＴ）が所定の目標温度差（ΔＴｔ）となるように高圧側の冷媒圧力を制御するヒートポンプ式給湯器において、
前記圧縮機（１）から吐出される冷媒の吐出温度を検出する吐出温度センサー（８）を有し、
少なくともヒートポンプサイクル起動時に、前記圧縮機（１）から吐出する冷媒の目標吐出温度（Ｔｔ）を設定し、前記目標吐出温度（Ｔｔ）と実吐出温度（Ｔ）との温度差（ΔＴ２）を算出し、前記温度差（ΔＴ２）が所定値以下となるよう前記目標吐出温度（Ｔｔ）を補正することを特徴とするヒートポンプ式給湯器。
前記目標吐出温度（Ｔｔ）と前記実吐出温度（Ｔ）との前記温度差（ΔＴ２）が所定値以下となるよう前記目標吐出温度（Ｔｔ）を補正する制御を、外気温度、前記蒸発器（４）の入口冷媒温度、前記蒸発器（４）の出口冷媒温度のうち、少なくともいずれか１つが所定値より低い場合に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器。