JP4715852B2

JP4715852B2 - ヒートポンプ式給湯装置

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Publication number: JP4715852B2
Application number: JP2008029842A
Authority: JP
Inventors: 進川村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-02-11
Filing date: 2008-02-11
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2024-11-08
Also published as: JP2008170148A

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。

図６は、従来の技術に係るヒートポンプ式加熱装置の模式図であり、給湯装置や暖房装置など主に温熱を利用する一般的な装置の熱源機として利用されている。このヒートポンプ式加熱装置の一般的な冷媒回路は、冷媒を圧縮する圧縮機１０、圧縮機１０からの冷媒と被加熱流体とを熱交換させて冷媒を凝縮させる凝縮器２０、冷媒を膨張させる膨張弁８０、冷媒と機外空気とを熱交換させて冷媒を蒸発させる蒸発器３０などを備えている。

このような構成で、冷媒は圧縮機１０で圧縮され高温高圧になって凝縮器２０に供給される。凝縮器２０には被加熱流体が循環しているので、冷媒の熱はこの被加熱流体を加熱するために用いられる。被加熱流体を加熱して熱を失った冷媒は凝縮して膨張弁８０で絞られ、蒸発器３０で機外空気と熱交換し蒸発して圧縮機１０に戻るようになる。このとき、冷媒は機外空気から熱を汲み上げるため、ガスや電気ヒータなどによる加熱装置に比べてエネルギー効率が高くなっている。

このような冷媒回路では、冷媒は凝縮器２０で殆ど凝縮し、また蒸発器３０で殆ど蒸発し、且つ、その際の過冷却度および過熱度は小さいので、例えば蒸発器３０の蒸発温度や凝縮機２０の凝縮温度を配管にサーミスタを取付けて管壁面温度を検出することにより概略的なサイクル過程を知ることができる。そして、所定のサイクル効率を達成するために蒸発器３０の蒸発温度などを検出して、圧縮機１０の運転周波数などを制御している。また、この種のヒートポンプ給湯機における従来技術として、特許文献１に示す技術がある。

これは、図６のようなヒートポンプサイクルにおいて、蒸発器３０の温度を検出する蒸発器温度検出器３３と、圧縮機１０の吸気側温度を検出する吸気側温度検出器１２と、圧縮機１０の吐出側温度を検出する吐出側温度検出器１３と、蒸発器温度検出器３３、吸気側温度検出器１２および吐出側温度検出器１３からの測定値に基づきサイクル効率が最適になるように圧縮機１０の運転周波数を演算して圧縮機１０を制御する演算制御部７０と設けて、簡単、且つ、安価な構成でサイクル効率の最適化が図れるように圧縮機１０を運転制御するものである。尚、図６中の符号は、後述する実施形態と対応するものである。
特開２００２−１３９２５７号公報

ヒートポンプ式加熱装置の基本機能は、加熱能力の確保であり、そのためには圧縮機と減圧手段とによって適正に圧力調整するとともに、必要な冷媒流量となるように制御することが重要である。特に、圧縮機の回転数を外気温度に応じても制御している場合で、高い加熱温度を目標とした運転を行う場合などは、圧縮機からの吐出圧力や吐出温度が所定値を超えないようにして装置を破損から保護する制御が必要となる。また、凝縮器に被加熱流体を循環させる循環ポンプにおいて、能力を超えて運転しないような保護制御を入れる場合もある。

しかしながら、高外気温時などに、これらの保護的な制御が入ることによって加熱能力が不足する場合があ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、保護的な制御を生かしつつ所定の加熱能力を確保することのできるヒートポンプ式給湯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給湯用水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ヒートポンプ式給湯装置であり、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給湯用水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減圧手段（４０、８０）と、低温低圧の冷媒と空気とを熱交換させて冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（３０）と、圧縮機（１０）からの吐出温度（Ｔｈ）を検出する吐出温度検出手段（１３）と、圧縮機（１０）からの吐出圧力（Ｐｈ）を検出する吐出圧力検出手段（１４）と、高圧側熱交換器（２０）から流出する熱交換後温度（Ｔｏ）を検出する熱交換後温度検出手段（１５）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、吐出温度検出手段（１３）にて検出される吐出温度（Ｔｈ）が所定温度（Ｔｓ）よりも高くなるか、もしくは吐出圧力検出手段（１４）にて検出される吐出圧力（Ｐｈ）が所定圧力（Ｐｓ）よりも高くなった場合、可変式減圧手段（４０、８０）での絞り開度を開くとともに、吐出温度検出手段（１３）にて検出される吐出温度（Ｔｈ）と吐出圧力検出手段（１４）にて検出される吐出圧力（Ｐｈ）と熱交換後温度検出手段（１５）にて検出される熱交換後温度（Ｔｏ）とから算出されるエンタルピー差（Δｉ）に対する、制御手段（７０）で吐出温度（Ｔｈ）、吐出圧力（Ｐｈ）、高圧側熱交換器（２０）の冷媒出口の熱交換後温度（Ｔｏ）、高圧側熱交換器（２０）の給水入口の入口水温（Ｔｉ）、沸き上げ温度および外気温度のうち少なくともいずれか一つに基づいて算出される目標エンタルピー差（Δｉｔ）の比率に応じて、制御手段（７０）で算出する圧縮機（１０）の目標回転数（Ｎ）を補正回転数（Ｎ´）に増速補正して運転す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給湯用水を熱する蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを用いたヒートポンプ式給湯装置であり、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給湯用水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減圧手段（４０、８０）と、低温低圧の冷媒と空気とを熱交換させて冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（３０）と、圧縮機（１０）への吸入圧力（Ｐｌ）を検出する吸入圧力検出手段（１１）と、圧縮機（１０）への吸入温度（Ｔｌ）を検出する吸入温度検出手段（１２）と、圧縮機（１０）からの吐出温度（Ｔｈ）を検出する吐出温度検出手段（１３）と、圧縮機（１０）からの吐出圧力（Ｐｈ）を検出する吐出圧力検出手段（１４）と、高圧側熱交換器（２０）から流出する熱交換後温度（Ｔｏ）を検出する熱交換後温度検出手段（１５）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、吐出温度検出手段（１３）にて検出される吐出温度（Ｔｈ）が所定温度（Ｔｓ）よりも高くなるか、もしくは吐出圧力検出手段（１４）にて検出される吐出圧力（Ｐｈ）が所定圧力（Ｐｓ）よりも高くなった場合、可変式減圧手段（４０、８０）での絞り開度を開くとともに、吸入圧力検出手段（１１）にて検出される吸入圧力（Ｐｌ）と吸入温度検出手段（１２）にて検出される吸入温度（Ｔｌ）とから導出される冷媒密度（Ｄ）と、吐出温度検出手段（１３）にて検出される吐出温度（Ｔｈ）と吐出圧力検出手段（１４）にて検出される吐出圧力（Ｐｈ）と熱交換後温度検出手段（１５）にて検出される熱交換後温度（Ｔｏ）とから算出されるエンタルピー差（Δｉ）とを用いて算出される加熱能力（Ｑ）に対する、制御手段（７０）で吐出温度（Ｔｈ）、吐出圧力（Ｐｈ）、高圧側熱交換器（２０）の冷媒出口の熱交換後温度（Ｔｏ）、高圧側熱交換器（２０）の給水入口の入口水温（Ｔｉ）、沸き上げ温度および外気温度のうち少なくともいずれか一つに基づいて算出される目標加熱能力（Ｑｔ）の比率に応じて、制御手段（７０）で算出する圧縮機（１０）の目標回転数（Ｎ）を補正回転数（Ｎ´）に増速補正して運転することを特徴としている。

これら請求項１または２に記載の発明によれば、いずれも圧縮機（１０）からの吐出圧力（Ｐｈ）や吐出温度（Ｔｈ）が所定圧力（Ｐｓ）や所定温度（Ｔｓ）を超えないように可変式減圧手段（４０、８０）での絞り開度を開いて装置を破損から保護する保護的な制御を行いつつ、絞り開度を開いたことによって所定の加熱能力より不足する分だけ圧縮機（１０）の目標回転数（Ｎ）を補正回転数（Ｎ´）に増速補正して冷媒流量を増加させることにより、所定の加熱能力を確保することができる。

これにより、所定の時間内で所定の沸き上げ温度に沸き上げることができる。このように、本発明は特に、各種保護制御が働いて吐出圧力（Ｐｈ）や吐出温度（Ｔｈ）を維持できない場合に有効である。また、特に、請求項２に記載の発明では、目標加熱能力（Ｑｔ）に対して、より適正な補正回転数（Ｎ´）を算出することができる。

また、請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載のヒートポンプ式給湯装置において、高圧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を用い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、超臨界ヒートポンプサイクルでは、温度差（Δｔ）制御や高圧（Ｐｈ）制御によって効率的な運転が可能なため、適正な補正回転数（Ｎ´）に合わせることでより運転効率を上げることが可能となる。

また、請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれかに記載のヒートポンプ式給湯装置において、可変式減圧手段（４０）は、高圧冷媒を減圧膨張させるノズル（４１）を有し、ノズル（４１）から噴射する高い速度の冷媒流により低圧側熱交換器（３０）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エジェクタ（４０）と、ノズルの出口部径を変更する可変絞り機構（４０ａ）と、を備えて構成されることを特徴としている。

この請求項４に記載の発明によれば、減圧手段にエジェクタを用いたエジェクタサイクルでは冷媒流量を増加させることで圧縮機（１０）の吸入圧力（Ｐｌ）が上昇し、冷媒密度（Ｄ）がより大きくなり、補正回転数（Ｎ´）への増速が少なくて済むため、より効果的である。

また、請求項５に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれかに記載のヒートポンプ式給湯装置において、可変式減圧手段（８０）は、膨張弁（８０）であ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、減圧手段に膨張弁を用いた膨張弁サイクルにおいても同様の効果を得ることができる。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、本発明の実施形態に係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。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１に貯湯しながら給湯を行うヒートポンプ式給湯装置に適用したものである。

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。ヒートポンプ式給湯装置は大きく分けて、主に後述する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１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と、給湯関係の給湯用水加熱回路とで構成されている。先ず冷媒回路は、冷媒を圧縮する圧縮機１０と、給湯用水の加熱手段である冷媒水熱交換器（本発明の高圧側熱交換器に相当）２０と、冷媒を減圧するエジェクタ（本発明の可変式減圧手段に相当）４０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）３０とを図１に示すような冷媒配管経路で接続して構成され、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。

尚、冷媒回路に接続されている６０は、冷媒水熱交換器２０から流出した高圧冷媒（エジェクタ４０にて減圧される前の冷媒）と、後述する気液分離器５０から流出して圧縮機１０に吸入される低圧冷媒とを熱交換する内部熱交換器である。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は冷媒水熱交換器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。

冷媒水熱交換器２０は、高圧圧縮部で昇圧された高温高圧のガス冷媒と給湯用水とを熱交換して給湯用水を加熱するもので、高圧冷媒通路に隣接して給湯水通路が設けられ、その高圧冷媒通路を流れる冷媒の流れ方向と給湯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。

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、冷媒水熱交換器２０内の冷媒圧力は冷媒の臨界圧力以上となり、且つ、冷媒水熱交換器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。

冷媒空気熱交換器３０は、屋外空気と液相冷媒とを熱交換させ、液相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３０ａは、冷媒空気熱交換器３０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。エジェクタ４０は冷媒を減圧膨張させて冷媒空気熱交換器３０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。尚、エジェクタ４０の詳細は、後述する。

気液分離器５０は、エジェクタ４０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５０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３０の流入側に接続される。

ここで、エジェクタ４０の構造について図２を用いて説明する。エジェクタ４０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４１、ノズル４１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３０にて蒸発した気相冷媒を吸引しながらノズル４１から噴射する冷媒流と混合する混合部４２、およびノズル４１から噴射する冷媒と冷媒空気熱交換器３０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４３などからなるものである。

尚、混合部４２においては、ノズル４１から噴射する冷媒流の運動量と、冷媒空気熱交換器３０からエジェクタ４０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４２においても冷媒の静圧が上昇する。一方、ディフューザ４３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４０においては、混合部４２およびディフューザ４３の両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、混合部４２とディフューザ４３とを総称して昇圧部と呼ぶ。

つまり、理想的なエジェクタ４０においては、混合部４２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４３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４１の周りには、ボディ４４により形成された吸引室４５が形成されており、冷媒空気熱交換器３０から吸引された気相冷媒は、吸引室４５を経由して混合部４２に流れる。また、本実施形態のエジェクタ４０には、絞り径（ノズル出口部径）を変更する可変絞り機構４０ａ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。

給湯関係の給湯用水加熱回路は、給湯用水の加熱手段である上記冷媒水熱交換器２０の給湯水通路と、給湯用水を循環させるウォーターポンプ２と、給湯用水を貯留する貯湯タンク１とを環状に接続して構成される。ウォーターポンプ２は、図１に示すように、貯湯タンク１内の下部に設けられた低温水流出部から冷水を冷媒水熱交換器２０の給湯水通路を通して貯湯タンク１の上部に設けられた高温水流入部から還流する様に水流を発生させる。また、このウォーターポンプ２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１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１に貯留された給湯用水は、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１上部の高温水流出部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、給湯混合弁も制御装置７０により通電制御される。

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、本発明に関係するセンサー群として、圧縮機１０の吸入圧力Ｐｌ・吸入温度Ｔｌを検出する吸入圧力センサー（本発明の吸入圧力検出手段に相当）１１・吸入温度センサー（本発明の吸入温度検出手段に相当）１２、圧縮機１０の吐出温度Ｔｈ・吐出圧力Ｐｈを検出する吐出温度センサー（本発明の吐出温度検出手段に相当）１３、吐出圧力センサー（本発明の吐出圧力検出手段に相当）１４、冷媒水熱交換器２０の冷媒出口の熱交換後温度Ｔｏを検出する出口冷媒温センサー（本発明の温度差検出手段、熱交換後温度検出手段に相当）１５、冷媒水熱交換器２０の給水入口の入口水温Ｔｉを検出する入口水温センサー（本発明の温度差検出手段に相当）１６などがある。

また、本ヒートポンプサイクルの他のセンサー群として、冷媒空気熱交換器３０の入口圧力・出口圧力・入口冷媒温度を検出する蒸発器入口圧力センサー３１・蒸発器出口圧力センサー３２・蒸発器入口温度センサー３３、外気温度を検出する外気温度センサー３４、エジェクタ４０の出口圧力・出口温度を検出するエジェクタ出口圧力センサー４６・エジェクタ出口温度センサー４７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からはウォーターポンプ２・圧縮機１０・外気ファン３０ａ・可変絞り機構４０ａなどに制御出力を出すように構成されている。

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３は、本発明の第１実施形態におけるヒートポンプ式加熱装置の制御のフローチャートである。本制御がスタートすると先ず、ステップＳ１１にて、吐出温度センサー１３で検出される吐出温度Ｔｈが所定温度Ｔｓ以上であるか否かの判定を行う。そして、ステップＳ１１での判定結果がＮＯで、吐出温度Ｔｈは所定温度Ｔｓ以下であると判定されるときにはステップＳ１２へと進み、通常運転を行いつつステップＳ１１の判定を繰り返すものである。

しかし、ステップＳ１１での判定結果がＹＥＳとなって、吐出温度Ｔｈが所定温度Ｔｓ以上であると判定されるときにはステップＳ１３へと進み、エジェクタ４０の可変絞り機構４０ａを開く方向に可変するとともに、ステップＳ１４では、制御装置７０で通常に算出する圧縮機１０の目標回転数Ｎを補正回転数Ｎ´に増速補正して運転するものであり、その補正のパターンとしては、以下の４つがある。尚、○Ｎｏ．は、請求項との対応を示すものである。

（１）：Ｎ´＝Ｎ×（Ｐｔ／Ｐｈ）として、吐出圧力センサー１４にて検出される吐出圧力Ｐｈに対する制御装置７０で算出する目標吐出圧力Ｐｔの比率に応じて制御装置７０で算出する圧縮機１０の目標回転数Ｎを補正回転数Ｎ´に増速補正する。

（３）：Ｎ´＝Ｎ×（Δｔｔ／Δｔ）として、出口冷媒温センサー１５と入口水温センサー１６とによって検出される温度差Δｔに対する制御装置７０で算出する目標温度差Δｔｔの比率に応じて制御装置７０で算出する圧縮機１０の目標回転数Ｎを補正回転数Ｎ´に増速補正する。

（４）：Ｎ´＝Ｎ×（Δｉｔ／Δｉ）として、吐出温度センサー１３にて検出される吐出温度Ｔｈと吐出圧力センサー１４にて検出される吐出圧力Ｐｈと出口冷媒温センサー１５にて検出される熱交換後温度Ｔｏとから算出されるエンタルピー差Δｉに対する制御装置７０で算出する目標エンタルピー差Δｉｔの比率に応じて制御装置７０で算出する圧縮機１０の目標回転数Ｎを補正回転数Ｎ´に増速補正する。

（５）：Ｎ´＝Ｎ×（Ｑｔ／Ｑ）、尚、Ｑ＝Ｄ× Δｉ×係数として、吸入圧力センサー１１にて検出される吸入圧力Ｐｌと吸入温度センサー１２にて検出される吸入温度Ｔｌとから導出される冷媒密度Ｄと、吐出温度センサー１３にて検出される吐出温度Ｔｈと吐出圧力センサー１４にて検出される吐出圧力Ｐｈと出口冷媒温センサー１５にて検出される熱交換後温度Ｔｏとから算出されるエンタルピー差Δｉとを用いて算出される加熱能力Ｑに対する制御装置７０で算出する目標加熱能力Ｑｔの比率に応じて制御装置７０で算出する圧縮機１０の目標回転数Ｎを補正回転数Ｎ´に増速補正する。尚、冷媒密度Ｄは、予めインプットされている冷媒物性計算表に基づき、検出した吸入圧力Ｐｌと吸入温度Ｔｌとから導出されることとなる。

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、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給湯用水とを熱交換させる冷媒水熱交換器２０と、冷媒水熱交換器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エジェクタ４０と、低温低圧の冷媒と空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３０と、圧縮機１０からの吐出温度Ｔｈを検出する吐出温度センサー１３と、圧縮機１０からの吐出圧力Ｐｈを検出する吐出圧力センサー１４と、上記各機器の作動を制御する制御装置７０とを有している。

そして、制御装置７０は、吐出温度センサー１３にて検出される吐出温度Ｔｈが所定温度Ｔｓよりも高くなった場合、エジェクタ４０での絞り開度を開くとともに、吐出圧力センサー１４にて検出される吐出圧力Ｐｈに対する制御装置７０で算出する目標吐出圧力Ｐｔの比率に応じて制御装置７０で算出する圧縮機１０の目標回転数Ｎを補正回転数Ｎ´に増速補正して運転するようにしている。

もしくは、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給湯用水とを熱交換させる冷媒水熱交換器２０と、冷媒水熱交換器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エジェクタ４０と、低温低圧の冷媒と空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３０と、圧縮機１０からの吐出温度Ｔｈを検出する吐出温度センサー１３と、冷媒水熱交換器２０へ流入する給湯用水の温度と冷媒水熱交換器２０から流出する冷媒の温度との温度差Δｔを検出する出口冷媒温センサー１５・入口水温センサー１６と、上記各機器の作動を制御する制御装置７０とを有している。

そして、制御装置７０は、吐出温度センサー１３にて検出される吐出温度Ｔｈが所定温度Ｔｓよりも高くなった場合、エジェクタ４０での絞り開度を開くとともに、出口冷媒温センサー１５・入口水温センサー１６にて検出される温度差Δｔに対する制御装置７０で算出する目標温度差Δｔｔの比率に応じて制御装置７０で算出する圧縮機１０の目標回転数Ｎを補正回転数Ｎ´に増速補正して運転するようにしている。

もしくは、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給湯用水とを熱交換させる冷媒水熱交換器２０と、冷媒水熱交換器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エジェクタ４０と、低温低圧の冷媒と空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３０と、圧縮機１０からの吐出温度Ｔｈを検出する吐出温度センサー１３と、圧縮機１０からの吐出圧力Ｐｈを検出する吐出圧力センサー１４と、冷媒水熱交換器２０から流出する熱交換後温度Ｔｏを検出する出口冷媒温センサー１５と、上記各機器の作動を制御する制御装置７０とを有している。

そして、制御装置７０は、吐出温度センサー１３にて検出される吐出温度Ｔｈが所定温度Ｔｓよりも高くなった場合、エジェクタ４０での絞り開度を開くとともに、吐出温度センサー１３にて検出される吐出温度Ｔｈと吐出圧力センサー１４にて検出される吐出圧力Ｐｈと出口冷媒温センサー１５にて検出される熱交換後温度Ｔｏとから算出されるエンタルピー差Δｉに対する制御装置７０で算出する目標エンタルピー差Δｉｔの比率に応じて制御装置７０で算出する圧縮機１０の目標回転数Ｎを補正回転数Ｎ´に増速補正して運転するようにしている。

もしくは、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給湯用水とを熱交換させる冷媒水熱交換器２０と、冷媒水熱交換器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エジェクタ４０と、低温低圧の冷媒と空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３０と、圧縮機１０への吸入圧力Ｐｌを検出する吸入圧力センサー１１と、圧縮機１０への吸入温度Ｔｌを検出する吸入温度センサー１２と、圧縮機１０からの吐出温度Ｔｈを検出する吐出温度センサー１３と、圧縮機１０からの吐出圧力Ｐｈを検出する吐出圧力センサー１４と、冷媒水熱交換器２０から流出する熱交換後温度Ｔｏを検出する出口冷媒温センサー１５と、上記各機器の作動を制御する制御装置７０とを有している。

そして、制御装置７０は、吐出温度センサー１３にて検出される吐出温度Ｔｈが所定温度Ｔｓよりも高くなった場合、エジェクタ４０での絞り開度を開くとともに、吸入圧力センサー１１にて検出される吸入圧力Ｐｌと吸入温度センサー１２にて検出される吸入温度Ｔｌとから導出される冷媒密度Ｄと、吐出温度センサー１３にて検出される吐出温度Ｔｈと吐出圧力センサー１４にて検出される吐出圧力Ｐｈと出口冷媒温センサー１５にて検出される熱交換後温度Ｔｏとから算出されるエンタルピー差Δｉとを用いて算出される加熱能力Ｑに対する制御装置７０で算出する目標加熱能力Ｑｔの比率に応じて制御装置７０で算出する圧縮機１０の目標回転数Ｎを補正回転数Ｎ´に増速補正して運転するようにしている。

これらによれば、いずれも圧縮機１０からの吐出温度Ｔｈが所定温度Ｔｓを超えないようにエジェクタ４０での絞り開度を開いて装置を破損から保護する保護的な制御を行いつつ、絞り開度を開いたことによって所定の加熱能力より不足する分だけ圧縮機１０の目標回転数Ｎを補正回転数Ｎ´に増速補正して冷媒流量を増加させることにより、所定の加熱能力を確保することができる。

これにより、本実施形態のように本加熱装置を給湯装置に用いた場合であれば、所定の時間内で所定の沸き上げ温度に沸き上げることができる。このように、本発明は特に、各種保護制御が働いて吐出圧力Ｐｈ・吐出温度Ｔｈ・温度差Δｔ・エンタルピー差Δｉを維持できない場合に有効である。また、特に、補正パターン（５）では、目標加熱能力Ｑｔに対して、より適正な補正回転数Ｎ´を算出することができる。

また、高圧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を用いている。これによれば、超臨界ヒートポンプサイクルでは、温度差（Δｔ）制御や高圧（Ｐｈ）制御によって効率的な運転が可能なため、適正な補正回転数Ｎ´に合わせることでより運転効率を上げることが可能となる。

また、可変式減圧手段４０は、高圧冷媒を減圧膨張させるノズル４１を有し、ノズル４１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３０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エジェクタ４０である。これによれば、減圧手段にエジェクタを用いたエジェクタサイクルでは冷媒流量を増加させることで圧縮機１０の吸入圧力Ｐｌが上昇し、冷媒密度Ｄがより大きくなり、補正回転数Ｎ´への増速が少なくて済むため、より効果的である。

（参考例）
図４は、本発明の参考例におけるヒートポンプ式加熱装置の制御のフローチャートである。上述した第１実施形態でのフローチャートと異なる特徴は、通常運転もしくは保護制御とそれによる補正を行うか否かを、吐出温度Ｔｈではなく吐出圧力Ｐｈで行う点である。

本制御がスタートすると先ず、ステップＳ２１にて、吐出圧力センサー１４で検出される吐出圧力Ｐｈが所定圧力Ｐｓ以上であるか否かの判定を行う。そして、ステップＳ２１での判定結果がＮＯで、吐出圧力Ｐｈは所定圧力Ｐｓ以下であると判定されるときにはステップＳ２２へと進み、通常運転を行いつつステップＳ２１の判定を繰り返すものである。

しかし、ステップＳ２１での判定結果がＹＥＳとなって、吐出圧力Ｐｈが所定圧力Ｐｓ以上であると判定されるときにはステップＳ２３へと進み、エジェクタ４０の可変絞り機構４０ａを開く方向に可変するとともに、ステップＳ２４では、制御装置７０で通常に算出する圧縮機１０の目標回転数Ｎを補正回転数Ｎ´に増速補正して運転するものであり、その補正のパターンとしては、以下の４つがある。尚、○Ｎｏ．は、請求項との対応を示すものである。

（２）：Ｎ´＝Ｎ×（Ｔt／Ｔh）として、吐出温度センサー１３にて検出される吐出温度Ｔｈに対する制御装置７０で算出する目標吐出温度Ｔｔの比率に応じて制御装置７０で算出する圧縮機１０の目標回転数Ｎを補正回転数Ｎ´に増速補正する。

そして、制御装置７０は、吐出圧力センサー１４にて検出される吐出圧力Ｐｈが所定圧力Ｐｓよりも高くなった場合、エジェクタ４０での絞り開度を開くとともに、吐出温度センサー１３にて検出される吐出温度Ｔｈに対する制御装置７０で算出する目標吐出温度Ｔｔの比率に応じて制御装置７０で算出する圧縮機１０の目標回転数Ｎを補正回転数Ｎ´に増速補正して運転するようにしている。

もしくは、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給湯用水とを熱交換させる冷媒水熱交換器２０と、冷媒水熱交換器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エジェクタ４０と、低温低圧の冷媒と空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３０と、圧縮機１０からの吐出圧力Ｐｈを検出する吐出圧力センサー１４と、冷媒水熱交換器２０へ流入する給湯用水の温度と冷媒水熱交換器２０から流出する冷媒の温度との温度差Δｔを検出する出口冷媒温センサー１５・入口水温センサー１６と、上記各機器の作動を制御する制御装置７０とを有している。

そして、制御装置７０は、吐出圧力センサー１４にて検出される吐出圧力Ｐｈが所定圧力Ｐｓよりも高くなった場合、エジェクタ４０での絞り開度を開くとともに、出口冷媒温センサー１５・入口水温センサー１６にて検出される温度差Δｔに対する制御装置７０で算出する目標温度差Δｔｔの比率に応じて制御装置７０で算出する圧縮機１０の目標回転数Ｎを補正回転数Ｎ´に増速補正して運転するようにしている。

そして、制御装置７０は、吐出圧力センサー１４にて検出される吐出圧力Ｐｈが所定圧力Ｐｓよりも高くなった場合、エジェクタ４０での絞り開度を開くとともに、吐出温度センサー１３にて検出される吐出温度Ｔｈと吐出圧力センサー１４にて検出される吐出圧力Ｐｈと出口冷媒温センサー１５にて検出される熱交換後温度Ｔｏとから算出されるエンタルピー差Δｉに対する制御装置７０で算出する目標エンタルピー差Δｉｔの比率に応じて制御装置７０で算出する圧縮機１０の目標回転数Ｎを補正回転数Ｎ´に増速補正して運転するようにしている。

そして、制御装置７０は、吐出圧力センサー１４にて検出される吐出圧力Ｐｈが所定圧力Ｐｓよりも高くなった場合、エジェクタ４０での絞り開度を開くとともに、吸入圧力センサー１１にて検出される吸入圧力Ｐｌと吸入温度センサー１２にて検出される吸入温度Ｔｌとから導出される冷媒密度Ｄと、吐出温度センサー１３にて検出される吐出温度Ｔｈと吐出圧力センサー１４にて検出される吐出圧力Ｐｈと出口冷媒温センサー１５にて検出される熱交換後温度Ｔｏとから算出されるエンタルピー差Δｉとを用いて算出される加熱能力Ｑに対する制御装置７０で算出する目標加熱能力Ｑｔの比率に応じて制御装置７０で算出する圧縮機１０の目標回転数Ｎを補正回転数Ｎ´に増速補正して運転するようにしている。

これらによれば、いずれも圧縮機１０からの吐出圧力Ｐｈが所定圧力Ｐｓを超えないようにエジェクタ４０での絞り開度を開いて装置を破損から保護する保護的な制御を行いつつ、絞り開度を開いたことによって所定の加熱能力より不足する分だけ圧縮機１０の目標回転数Ｎを補正回転数Ｎ´に増速補正して冷媒流量を増加させることにより、所定の加熱能力を確保することができる。

これにより、本実施形態のように本加熱装置を給湯装置に用いた場合であれば、所定の時間内で所定の沸き上げ温度に沸き上げることができる。このように、本発明は特に、各種保護制御が働いて吐出圧力Ｐｈ・吐出温度Ｔｈ・温度差Δｔ・エンタルピー差Δｉを維持できない場合に有効である。

（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態に係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。上述した実施形態と異なる特徴は、可変式減圧手段８０は、膨張弁８０である。可変式の膨脹弁８０は、冷媒水熱交換器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８０の絞り開度が可変制御されている。これによれば、減圧手段に膨張弁８０を用いた膨張弁サイクルにおいても同様の効果を得ることができる。

（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、貯湯式の給湯装置を例に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、各検出手段は、圧力と温度との個別機能で設けているが、圧力と温度との複合機能の検出手段で構成しても良い。また、上述の実施形態では、通常運転もしくは保護制御とそれによる補正を行うか否かを、吐出温度Ｔｈか吐出圧力Ｐｈかのいずれかだけで行っているが、もちろんこの両方で行うものであっても良い。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、給湯用水を循環させるウォーターポンプ２の位置も限定するものではない。また、内部熱交換器６０が無いサイクルであっても良い。

本発明の実施形態に係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。本発明の実施形態に係るエジェクタ４０の断面模式図である。本発明の第１実施形態におけるヒートポンプ式加熱装置の制御のフローチャートである。本発明の参考例におけるヒートポンプ式加熱装置の制御のフローチャートである。本発明の第２実施形態に係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。従来の技術に係るヒートポンプ式加熱装置の模式図である。

符号の説明

１０…圧縮機
１１…吸入圧力センサー（吸入圧力検出手段）
１２…吸入温度センサー（吸入温度検出手段）
１３…吐出温度センサー（吐出温度検出手段）
１４…吐出圧力センサー（吐出圧力検出手段）
１５…出口冷媒温センサー（温度差検出手段、熱交換後温度検出手段）
１６…入口水温センサー（温度差検出手段）
２０…冷媒水熱交換器（高圧側熱交換器）
３０…冷媒空気熱交換器（低圧側熱交換器）
４０…エジェクタ（可変式減圧手段）
４１…ノズル
７０…制御装置（制御手段）
８０…膨張弁（可変式減圧手段）
Ｄ…冷媒密度
Ｎ…目標回転数
Ｎ´…補正回転数
Ｐｈ…吐出圧力
Ｐｌ…吸入圧力
Ｐｓ…所定圧力
Ｐｔ…目標吐出圧力
Ｑ…加熱能力
Ｑｔ…目標加熱能力
Ｔｈ…吐出温度
Ｔｌ…吸入温度
Ｔｏ…熱交換後温度
Ｔｓ…所定温度
Ｔｔ…目標吐出温度
Δｉ…エンタルピー差
Δｉｔ…目標エンタルピー差
Δｔ…温度差
Δｔｔ…目標温度差

Claims

低温側の熱を高温側に移動させて給湯用水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ヒートポンプ式給湯装置であり、
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前記給湯用水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減圧手段（４０、８０）と、
低温低圧の冷媒と空気とを熱交換させて冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（３０）と、
前記圧縮機（１０）からの吐出温度（Ｔｈ）を検出する吐出温度検出手段（１３）と、
前記圧縮機（１０）からの吐出圧力（Ｐｈ）を検出する吐出圧力検出手段（１４）と、
前記高圧側熱交換器（２０）から流出する熱交換後温度（Ｔｏ）を検出する熱交換後温度検出手段（１５）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、前記吐出温度検出手段（１３）にて検出される前記吐出温度（Ｔｈ）が所定温度（Ｔｓ）よりも高くなるか、もしくは前記吐出圧力検出手段（１４）にて検出される前記吐出圧力（Ｐｈ）が所定圧力（Ｐｓ）よりも高くなった場合、
前記可変式減圧手段（４０、８０）での絞り開度を開くとともに、
前記吐出温度検出手段（１３）にて検出される前記吐出温度（Ｔｈ）と前記吐出圧力検出手段（１４）にて検出される前記吐出圧力（Ｐｈ）と前記熱交換後温度検出手段（１５）にて検出される前記熱交換後温度（Ｔｏ）とから算出されるエンタルピー差（Δｉ）に対する、前記制御手段（７０）で前記吐出温度（Ｔｈ）、前記吐出圧力（Ｐｈ）、前記高圧側熱交換器（２０）の冷媒出口の熱交換後温度（Ｔｏ）、前記高圧側熱交換器（２０）の給水入口の入口水温（Ｔｉ）、沸き上げ温度および外気温度のうち少なくともいずれか一つに基づいて算出される目標エンタルピー差（Δｉｔ）の比率に応じて、前記制御手段（７０）で算出する前記圧縮機（１０）の目標回転数（Ｎ）を補正回転数（Ｎ´）に増速補正して運転することを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
低温側の熱を高温側に移動させて給湯用水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ヒートポンプ式給湯装置であり、
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前記給湯用水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減圧手段（４０、８０）と、
低温低圧の冷媒と空気とを熱交換させて冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（３０）と、
前記圧縮機（１０）への吸入圧力（Ｐｌ）を検出する吸入圧力検出手段（１１）と、
前記圧縮機（１０）への吸入温度（Ｔｌ）を検出する吸入温度検出手段（１２）と、
前記圧縮機（１０）からの吐出温度（Ｔｈ）を検出する吐出温度検出手段（１３）と、
前記圧縮機（１０）からの吐出圧力（Ｐｈ）を検出する吐出圧力検出手段（１４）と、
前記高圧側熱交換器（２０）から流出する熱交換後温度（Ｔｏ）を検出する熱交換後温度検出手段（１５）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、前記吐出温度検出手段（１３）にて検出される前記吐出温度（Ｔｈ）が所定温度（Ｔｓ）よりも高くなるか、もしくは前記吐出圧力検出手段（１４）にて検出される前記吐出圧力（Ｐｈ）が所定圧力（Ｐｓ）よりも高くなった場合、
前記可変式減圧手段（４０、８０）での絞り開度を開くとともに、
前記吸入圧力検出手段（１１）にて検出される前記吸入圧力（Ｐｌ）と前記吸入温度検出手段（１２）にて検出される前記吸入温度（Ｔｌ）とから導出される冷媒密度（Ｄ）と、前記吐出温度検出手段（１３）にて検出される前記吐出温度（Ｔｈ）と前記吐出圧力検出手段（１４）にて検出される前記吐出圧力（Ｐｈ）と前記熱交換後温度検出手段（１５）にて検出される前記熱交換後温度（Ｔｏ）とから算出されるエンタルピー差（Δｉ）とを用いて算出される加熱能力（Ｑ）に対する、前記制御手段（７０）で前記吐出温度（Ｔｈ）、前記吐出圧力（Ｐｈ）、前記高圧側熱交換器（２０）の冷媒出口の熱交換後温度（Ｔｏ）、前記高圧側熱交換器（２０）の給水入口の入口水温（Ｔｉ）、沸き上げ温度および外気温度のうち少なくともいずれか一つに基づいて算出される目標加熱能力（Ｑｔ）の比率に応じて、前記制御手段（７０）で算出する前記圧縮機（１０）の目標回転数（Ｎ）を補正回転数（Ｎ´）に増速補正して運転することを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
高圧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を用いたことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ式給湯装置。
前記可変式減圧手段（４０）は、高圧冷媒を減圧膨張させるノズル（４１）を有し、前記ノズル（４１）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（３０）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るエジェクタ（４０）と、前記ノズルの出口部径を変更する可変絞り機構（４０ａ）と、を備えて構成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のヒートポンプ式給湯装置。
前記可変式減圧手段（８０）は、膨張弁（８０）であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のヒートポンプ式給湯装置。