JP5838363B2 - 熱媒体循環型ヒートポンプ暖房機 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプを熱源に利用した熱媒体循環型暖房機に関する。

熱媒体循環型暖房機として、ヒートポンプを熱源に利用した温水暖房機が知られている。図１２は、特許文献１に記載された温水循環型ヒートポンプ暖房機の構成図である。ヒートポンプ暖房機５００は、室外機５０１、熱交換器（凝縮器）５０３、放熱器５０５、ポンプ５０４、サーミスタ５０７及びサーミスタ５０８を備えている。放熱器５０５は、温水配管５０６で熱交換器５０３に接続されている。温水配管５０６には、ポンプ５０４が取り付けられている。サーミスタ５０７及び５０８は、それぞれ、外気温度及び温水の温度を検出する。

外気温度が高い場合には放熱器５０５の負荷も小さいため、温水配管５０６を通じて比較的低温の温水が放熱器５０５に供給されるように室外機５０１の圧縮機を制御する。このようにすれば、ヒートポンプサイクルの凝縮温度を下げることができる。凝縮温度が低下すると、凝縮圧力と蒸発圧力との差が縮小し、圧縮機の圧縮仕事が減少する。結果として、ヒートポンプ暖房機５００の入力（消費電力）が減少し、機器効率（ヒートポンプサイクルの成績係数）が向上する。

特開２００１−１２４３４９号公報

他方、放熱器５０５の負荷が増加すると、温水配管５０６を通じて比較的高温の温水が放熱器５０５に供給されるように室外機５０１の圧縮機を制御する。すると、熱交換器５０３に戻る温水の温度（戻り温度）も上昇する。具体的には、図１３に示すように、放熱器５０５に供給される温水の温度（供給温度）の上昇に伴って、戻り温度も上昇する。

戻り温度が上昇すると、熱交換器５０３の出口での冷媒の温度が上昇して冷媒のエンタルピーh_outが増加する。そのため、熱交換器５０３の入口における冷媒のエンタルピーh_inと熱交換器５０３の出口における冷媒のエンタルピーh_outとの差Δh（=h_in - h_out）が減少する。つまり、ヒートポンプサイクルの成績係数が低下する。このように、従来の温水循環型ヒートポンプ暖房機には、暖房出力を上げると効率が低下する問題がある。特に、臨界圧力以上で動作するヒートポンプサイクルでは、戻り温度が臨界温度を超えるとエンタルピー差Δhが急激に減少する問題がある。

本発明は、熱媒体循環型ヒートポンプ暖房機の効率を改善することを目的とする。

すなわち、本発明は、
圧縮機、放熱器、膨張機構及び蒸発器を有するヒートポンプと、
前記ヒートポンプで加熱された熱媒体が循環する熱搬送回路と、
前記熱搬送回路に接続された熱利用機器と、
熱媒体の循環量を変更できるように前記熱搬送回路に設けられた流量調節部と、
必要な暖房出力が前記熱利用機器で発揮されるように前記ヒートポンプを制御するとともに、前記ヒートポンプで加熱されて前記熱搬送回路に送り出された熱媒体の温度である供給温度の上昇に対して、前記熱搬送回路から前記ヒートポンプに戻される熱媒体の温度である戻り温度が追従して上昇することを阻止するように前記流量調節部を制御する制御部と、
を備えた、熱媒体循環型ヒートポンプ暖房機を提供する。

本発明によれば、供給温度の上昇に対して戻り温度が追従して上昇することを阻止するように流量調節部が制御される。このようにすれば、供給温度が上昇しても放熱器の出口における冷媒の温度の上昇を抑制できる。従って、本発明のヒートポンプ暖房機は、暖房出力を上げるべく供給温度を上げたときにも高い成績係数（ＣＯＰ：coefficient of performance）を発揮しうる。

本発明の実施形態における温水循環型ヒートポンプ暖房機の構成図 図１に示すヒートポンプ暖房機の通常運転に係る制御フローチャート 供給温度、戻り温度及び暖房出力の関係を示すグラフ 水の循環量と暖房出力との関係を示すグラフ 変形例１に係る温水循環型ヒートポンプ暖房機の構成図 変形例２に係る温水循環型ヒートポンプ暖房機の構成図 変形例３に係る温水循環型ヒートポンプ暖房機の構成図 凝縮器の内部おける冷媒の温度と水の温度との相関図 変形例４に係る温水循環型ヒートポンプ暖房機の構成図 変形例５に係る温水循環型ヒートポンプ暖房機の構成図 Ｒ４１０Ａを冷媒として用いたヒートポンプ暖房機で本発明に係る制御又は従来の制御を行ったときに得られるモリエル線図 ＣＯ₂を冷媒として用いたヒートポンプ暖房機で本発明に係る制御又は従来の制御を行ったときに得られるモリエル線図 従来の温水循環型ヒートポンプ暖房機の構成図 従来のヒートポンプ暖房機における暖房出力と水の温度との関係を示すグラフ

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態によって本発明が限定されるものではない。

（ヒートポンプ暖房機の構成）
図１に示すように、本実施形態のヒートポンプ暖房機１００は、ヒートポンプ１０１、熱搬送回路１０７、インバータポンプ１０８、放熱器１０９、制御部１１０、第１温度センサ１１１及び第２温度センサ１１２を備えている。熱搬送回路１０７の中の熱媒体がヒートポンプ１０１で加熱され、加熱された熱媒体が熱利用機器としての放熱器１０９に供給される。これにより、放熱器１０９の周囲で暖房効果が発揮される。熱媒体は、放熱器１０９で放熱した後、再びヒートポンプ１０１で加熱される。すなわち、ヒートポンプ暖房機１００は、熱媒体循環型ヒートポンプ暖房機として構成されている。熱媒体は、典型的には水であり、オイル等の他の流体も使用できる。

ヒートポンプ１０１は、圧縮機１０２、放熱器１０３（凝縮器）、膨張機構１０４及び蒸発器１０５を有する。これらの要素は、冷媒回路を形成するように、冷媒配管を用いて上記の順番で互いに接続されている。圧縮機１０２は、典型的には容積型圧縮機である。容積型圧縮機としては、ロータリ圧縮機、スクロール圧縮機、スクリュー圧縮機等が挙げられる。放熱器１０３は、典型的には、水−冷媒熱交換器で構成されている。放熱器１０３において、冷媒回路の冷媒と熱搬送回路１０７の水との間で熱交換が行われ、冷媒の熱が水に与えられる。蒸発器１０５は、典型的には、空気−冷媒熱交換器で構成されている。蒸発器１０５には、冷媒と空気との熱交換を促すためのファン１０６が設けられている。膨張機構１０４は、典型的には膨張弁であり、冷媒から動力を回収できる容積型膨張機で構成されていてもよい。

ヒートポンプ１０１の冷媒回路には、フッ素冷媒、超臨界冷媒等の各種冷媒が充填されている。フッ素冷媒としては、Ｒ２２、Ｒ３２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ１３４ａ、Ｒ１２３４ｙｆ等が挙げられる。超臨界冷媒としては、二酸化炭素が挙げられる。比較的低温（例えば５５℃以下）の温水を放熱器１０９に供給する場合には、Ｒ４１０Ａ及びＲ２２等のフッ素冷媒を好適に使用できる。温水の温度が低い場合、冷媒の凝縮圧力を下げることができる。このことは、圧縮機１０２の圧縮仕事の低減に対して効果的である。

比較的高温（例えば９０℃以下又は７５℃以下）の温水を放熱器１０９に供給する場合には、二酸化炭素を用いたサイクル、Ｒ４０７Ｃを用いたサイクル、Ｒ４１０Ａを用いた低温サイクルとＲ１３４ａを用いた高温サイクルとのカスケードサイクル、Ｒ３２を用いた低温サイクルとＲ１２３４ｙｆを用いた高温サイクルとのカスケードサイクルを採用できる。二酸化炭素を用いたサイクルは、ＧＷＰ（Global Warming Potential）が小さい、高温の温水を生成し易い、システムの廃棄時に冷媒の回収が不要といった種々の利点を有する。

熱搬送回路１０７は、典型的には配管で構成されている。熱搬送回路１０７の中をヒートポンプ１０１の放熱器１０３で加熱された水（温水）が循環する。インバータポンプ１０８は、熱搬送回路１０７に設けられており、水の循環量を変更する流量調節部としての役割を担っている。「循環量」は、単位時間あたりに放熱器１０９を通過する水の流量を表す。放熱器１０９は、室内の暖房を行えるように熱搬送回路１０７に接続されている。放熱器１０９として、室内据え置き型の熱交換器、放熱管を内蔵した床板等が挙げられる。

制御部１１０は、インバータポンプ１０８の回転数を制御して水の循環量を変更する。制御部１１０は、また、必要な暖房出力が放熱器１０９で発揮されるようにヒートポンプ１０１（圧縮機１０２、膨張機構１０４及びファン１０６）を制御する。制御部１１０として、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置等を含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）を使用できる。制御部１１０には、インバータポンプ１０８及びヒートポンプ１０１を制御するためのプログラムが格納されている。また、制御部１１０には、ユーザからの入力を受け付ける操作部１１８が接続されている。操作部１１８は、運転開始スイッチ、運転モードセレクタ、室温セレクタ等を含む。操作部１１８の室温セレクタで入力された設定温度（目標室温）は、制御部１１０に記憶される。現在の室温と設定温度との差に基づいて、必要な暖房出力を決定することができる。必要な暖房出力を決定するときに、外気温を考慮に入れることもある。なお、「暖房出力」とは、放熱器１０９による暖房能力を意味する。

第１温度センサ１１１（供給温度センサ）は、ヒートポンプ１０１で加熱されて熱搬送回路１０７に送り出された水の温度である供給温度を検出し、検出した供給温度に対応する信号を出力する。供給温度は、放熱器１０９で放熱する前の水の温度である。第２温度センサ１１２（戻り温度センサ）は、熱搬送回路１０７からヒートポンプ１０１に戻される水の温度である戻り温度を検出し、検出した戻り温度に対応する信号を出力する。戻り温度は、放熱器１０９で放熱した後の水の温度である。また、放熱器１０９の周囲の温度を検出するための第３温度センサ１１３（周囲温度センサ）が設けられている。「周囲の温度」は、詳細には、室内の温度である。温度センサ１１１、１１２及び１１３は、通常、サーミスタ、熱電対等の素子で構成されている。温度センサ１１１、１１２及び１１３は、出力信号を制御部１１０に伝送するように制御部１１０に接続されている。このことは、後述するいくつかの変形例においても同様である。

（ヒートポンプ暖房機の動作）
図２は、図１に示すヒートポンプ暖房機の通常運転に係る制御フローチャートである。図２に示す各処理は、制御部１１０によって定期的に実行されうる。

なお、操作部１１８で運転開始スイッチがオンされると、図２に示す通常運転の前に次のような初期運転を行ってもよい。まず、運転開始スイッチがオンされた時点の室温、外気温及び設定温度から適切な初期暖房出力を決定する。そして、決定された初期暖房出力が放熱器１０９で発揮されるように、圧縮機１０２の回転数、言い換えれば、ヒートポンプ１０１による熱供給能力を決定する。運転開始時点から一定時間が経過した時点又は室温が設定温度に達した時点で通常運転に移る。

図２に示すように、ステップＳ１１において、第３温度センサ１１３の出力信号を取得し、第３温度センサ１１３の出力信号から室温を特定する。次に、必要な暖房出力が放熱器１０９で発揮されるようにヒートポンプ１０１を制御する。具体的には、ステップＳ１２において、室温が設定温度よりも低いかどうかを判断する。室温が設定温度よりも低い場合には、暖房出力が増加するように圧縮機１０２の回転数を上げる（ステップＳ１３）。室温が設定温度以上の場合には、暖房出力が減少するように圧縮機１０２の回転数を下げる（ステップＳ１４）。

圧縮機１０２の回転数を上げると、ヒートポンプ１０１の冷媒循環量が増加する。これにより、蒸発器１０５での吸熱能力及び放熱器１０３での加熱能力がそれぞれ増加する。放熱器１０３での加熱能力が増加すると、熱搬送回路１０７において、供給温度及び戻り温度が上昇する。圧縮機１０２の回転数を下げると、ヒートポンプ１０１の冷媒循環量が減少する。これにより、蒸発器１０５での吸熱能力及び放熱器１０３での加熱能力がそれぞれ減少する。放熱器１０３での加熱能力が減少すると、熱搬送回路１０７において、供給温度及び戻り温度が低下する。

なお、ユーザが暖房出力を自由に設定できるように、操作部１１８に暖房出力セレクタが設けられていてもよい。この場合にも、ユーザによって設定された暖房出力が発揮されるようにヒートポンプ１０１が制御される。

次に、ステップＳ１５において、第１温度センサ１１１及び第２温度センサ１１２の出力信号を取得する。第１温度センサ１１１の出力信号から供給温度を特定する。ステップＳ１６において、供給温度が所定の最高供給温度未満かどうかを判断する。

ここで「最高供給温度」とは、ヒートポンプ１０１に使用された冷媒の種類、熱搬送回路１０７に使用された熱媒体の種類、ヒートポンプ暖房機１００の仕様等によって決められた温度である。例えば、冷媒が二酸化炭素で熱媒体が水の場合、最高供給温度を９０℃に設定できる。如何なる暖房出力が要求されたとしても、供給温度が９０℃以下に保持されるようにインバータポンプ１０８が制御される。

供給温度が最高供給温度よりも低い場合、先に取得した第２温度センサ１１２の出力信号から戻り温度を特定する。そして、第３温度センサ１１３の検出結果を基準に決定される特定温度に戻り温度が近づくように（好ましくは一致するように）インバータポンプ１０８を制御する。

ヒートポンプ１０１の効率の観点から、戻り温度は低いことが好ましい。しかし、如何なる制御を行ったとしても、戻り温度を室温まで下げることはできない。従って、インバータポンプ１０８の制御によって比較的容易に達成しうる範囲内での理想的な戻り温度を「特定温度」として定めることができる。本実施形態では、室温に所定の温度差ΔＴを加えた温度を「特定温度」として取り扱っている。所定の温度差ΔＴは、例えば１〜５℃の範囲の一定値であってもよいし、室温に一対一で対応するように定められた値であってもよい。

ステップＳ１７において、戻り温度が特定温度（＝室温＋ΔＴ）よりも高いかどうかを判断する。戻り温度が特定温度よりも高い場合には、インバータポンプ１０８の回転数を下げて水の循環量を減らす（ステップＳ１８）。水の循環量を減らすと、単位体積の水が放熱器１０９で失う熱量が増加するので、戻り温度が低下する。水の循環量が減少し、かつ戻り温度が低下すると、ヒートポンプ１０１の放熱器１０３で単位体積の水が冷媒から受け取る熱量が増加する。その結果、供給温度が上がる。

他方、戻り温度が特定温度以下の場合には、インバータポンプ１０８の回転数を上げて水の循環量を増やす（ステップＳ１９）。水の循環量を増やすと、単位体積の水が放熱器１０９で失う熱量が減少するので、戻り温度が上昇する。水の循環量が増加し、かつ戻り温度が上昇すると、ヒートポンプ１０１の放熱器１０３で単位体積の水が冷媒から受け取る熱量が減少する。その結果、供給温度が下がる。

ステップＳ１６〜Ｓ１９に示すように、供給温度が最高供給温度未満のとき、水の循環量が減少するようにインバータポンプ１０８を制御することによって戻り温度の上昇が阻止される。また、水の循環量が増加するようにインバータポンプ１０８を制御することによって戻り温度の低下が阻止される。結果として、戻り温度は概ね特定温度（＝室温＋ΔＴ）に保たれる。戻り温度を特定温度に保持することにより、高いＣＯＰを達成できる。また、水の循環量の変動も比較的小さい。

戻り温度が低いことは、ヒートポンプ１０１の効率にとって好ましいことなので、一見するとステップＳ１９は無駄な処理のように思われる。しかし、戻り温度を下げるためにステップＳ１７及びＳ１８の処理だけを行った場合、水の循環量が不足する可能性がある。水の循環量が不足すると、必要な暖房出力を得るために圧縮機１０２の回転数を大幅に上げて供給温度を過度に上げる必要が生じたり、必要な暖房出力を得ることができなかったりする。これに対し、ステップＳ１９の処理を設けることによって、供給温度が最高供給温度未満のときの水の循環量を概ね一定に保つことができる。つまり、ヒートポンプ１０１を効率的に運転でき、かつ必要な暖房出力も得られるように、ヒートポンプ１０１の圧縮機１０２の回転数と、インバータポンプ１０８の回転数とのバランスを取ることができる。

他方、暖房出力を増加した結果として供給温度が最高供給温度に達した後、以下の制御を行う。すなわち、供給温度が最高供給温度以上のとき、供給温度が最高供給温度に保持されるようにインバータポンプ１０８を制御する。ヒートポンプ１０１の仕様、熱媒体の種類等の制約等により、供給温度の上限値は定められる。熱媒体が例えば水の場合、安全性の観点から、９０℃よりも高い温度に水を加熱すべきではない。冷媒が例えばＲ４１０Ａの場合、サイクルの効率及びＲ４１０Ａの物性の観点から、熱媒体の温度を最高でも約５５℃に抑えるべきである。供給温度を最高供給温度に保持することで、ヒートポンプ暖房機１００の信頼性を確保できるとともに、ヒートポンプ暖房機１００を高い効率で運転できる。

具体的には、ステップＳ１６において、供給温度が所定の最高供給温度未満かどうかを判断する。供給温度が最高供給温度以上の場合、ステップＳ１９において、インバータポンプ１０８の回転数を上げて水の循環量を増やす。水の循環量を増やすと、単位体積の水が放熱器１０９で失う熱量が減少するので、戻り温度が上昇する。水の循環量が増加し、かつ戻り温度が上昇すると、ヒートポンプ１０１の放熱器１０３で単位体積の水が冷媒から受け取る熱量が減少する。その結果、供給温度が下がる。

なお、ステップＳ１２における「設定温度」は、一定の幅を有する温度範囲（例えば設定温度±０．５℃）であってもよい。設定された温度範囲に室温が収まっている場合、その時点の暖房出力が保持されるように圧縮機１０２の回転数を保持しうる。このようにすれば、インバータポンプ１０８の回転数を頻繁に調節せずに済む。同様に、ステップＳ１６における「最高供給温度」及びステップＳ１８における「特定温度」が、それぞれ、一定の幅を有する温度範囲であってもよい。

すなわち、制御部１１０は、放熱器１０９の周囲の温度を基準に決定される特定温度と戻り温度との差が所定の温度差の範囲に収まるようにインバータポンプ１０８（流量調節部）を制御するように構成されていてもよい。このような構成は、実質的に、戻り温度が特定温度に近づくように制御することと等価と考えることができる。「所定の温度差」は、ハンチングを防止するのに十分な値に設定することができ、例えば±２℃である。

図３Ａは、本実施形態の制御を行ったときの供給温度、戻り温度及び暖房出力の関係を示すグラフである。図３Ｂは、同じく本実施形態の制御を行ったときの水の循環量と暖房出力との関係を示すグラフである。これらのグラフは、市販の放熱器の放熱特性に基づいて導き出したものである。

図３Ａ及び図３Ｂに示す例では、最高供給温度が９０℃、特定温度（＝室温＋ΔＴ）が２０℃である。供給温度が最高供給温度未満のとき、つまり、暖房出力が所定値未満（図３Ａ及び図３Ｂに示す例では６ｋＷ未満）の領域では、ヒートポンプ暖房機１００は、次のような動作を行う。すなわち、暖房出力を増やす必要がある場合、供給温度を上げて放熱器１０９への供給熱量を増やすとともに、戻り温度が特定温度に保たれるように（超えないように）インバータポンプ１０８により水の循環量を略一定に保つ。正確には、暖房出力の増加に伴って水の循環量は緩やかに増加する。暖房出力を減らす必要がある場合、供給温度を下げて放熱器１０９への供給熱量を減らすとともに、戻り温度が特定温度に保たれるようにインバータポンプ１０８により水の循環量を略一定に保つ。正確には、暖房出力の減少に伴って水の循環量は緩やかに減少する。戻り温度を特定温度に保持することにより、高いＣＯＰを達成できる。また、水の循環量の変動も比較的小さい。

図１３に示すように、従来の制御によれば、暖房出力の増加に対し、供給温度と戻り温度との差が単調に増加する。これに対し、図３Ａに示すように、本実施形態の制御によれば、供給温度と戻り温度との差が、ある暖房出力（図３Ａでは６ｋＷ）でピーク値を持つ。供給温度及び戻り温度が図３Ａに示すプロファイルを持つように、ヒートポンプ１０１及びインバータポンプ１０８が制御される。

なお、最高供給温度が低い場合、例えば５５℃の場合には、最高供給温度が５５℃に下がる。最高供給温度が５５℃の場合にも、供給温度、戻り温度及び暖房出力は、図３Ａ及び図３Ｂに示すプロファイルに類似したプロファイルを示す。

以上のように、供給温度が最高供給温度未満のとき、供給温度の上昇に対して戻り温度が追従して上昇することを阻止するように第１温度センサ１１１及び第２温度センサ１１２の検出結果に基づいてインバータポンプ１０８を制御する。これにより、ヒートポンプ１０１の放熱器１０３の出口における冷媒の温度の上昇を抑制できる。従って、ヒートポンプ暖房機１００は、暖房出力を上げるべく供給温度を上げたときにも高いＣＯＰを発揮しうる。

同様に、戻り温度が低下すること、詳細には、供給温度の低下に対して戻り温度が追従して低下することを阻止するように第１温度センサ１１１及び第２温度センサ１１２の検出結果に基づいてインバータポンプ１０８を制御する。このようにすれば、供給温度が低下したとしても、戻り温度は特定温度に保持されうる。また、供給温度が最高供給温度未満のときの水の循環量を概ね一定に保つことができる。図３Ｂに示す例によると、供給温度が最高供給温度未満のとき、水の循環量は、０〜１．２リットル／分である。

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、供給温度が最高供給温度以上のとき、つまり、暖房出力が６ｋＷ以上の領域では、ヒートポンプ暖房機１００は、次のような動作を行う。すなわち、暖房出力を増やす必要がある場合、循環量を増やす。これにより、供給温度の上昇を防ぎつつ、放熱器１０９への供給熱量を増やすことができる。暖房出力を減らす必要がある場合、循環量を減らす。これにより、供給温度の低下を防ぎつつ、放熱器１０９への供給熱量を減らすことができる。詳細には、供給温度を最高供給温度に保持しつつ、暖房出力の増加又は減少に伴って水の循環量が増加又は減少するようにインバータポンプ１０８を制御する。

以上のように、本実施形態によれば、暖房出力を増加したときにも供給温度を最高供給温度以下に保持しつつ、戻り温度の上昇を抑制するように制御部１１０でインバータポンプ１０８を制御する。これにより、放熱器１０３の出口における冷媒の温度の上昇を抑制できるので、ヒートポンプサイクルのＣＯＰが向上する。

また、本実施形態のヒートポンプ暖房機１００は、水の循環量を変更するための流量調節部としてインバータポンプ１０８を備えている。制御部１１０は、インバータポンプ１０８の回転数を調節することによって水の循環量を増加又は減少させて放熱器１０９への供給熱量を増加又は減少させる。インバータポンプ１０８に供給する電源の周波数を制御する簡便な構成で容易に水の循環量を変更できる。また、水の循環量が少量で足りる場合、インバータポンプ１０８の消費電力を十分に低減できる。

（変形例１）
図４は、変形例１に係るヒートポンプ暖房機の構成図である。ヒートポンプ暖房機２００は、水の循環量を変更するための流量調節部として、一定速ポンプ１１７及び流量制御弁１１４を備えている。その他の点は、図１〜図３Ｂを参照して説明した実施形態と同じである。

制御部１１０は、流量制御弁１１４の開度を調節することによって熱搬送回路１０７の水の循環量を増加又は減少させて放熱器１０９への供給熱量を増加又は減少させる。具体的には、水の循環量を増やす必要がある場合には、流量制御弁１１４の開度を拡大する。すると、ポンプ１０８の出口側で水圧が低下し、ポンプ１０８の昇圧量も減少する。その結果、ポンプ１０８の体積効率が高まり、吐出量が増加する。他方、水の循環量を減らす必要がある場合には、流量制御弁１１４の開度を縮小する。すると、ポンプ１０８の出口側で水圧が上昇し、ポンプ１０８の昇圧量も増加する。その結果、ポンプ１０８の体積効率が低下して、吐出量が減少する。ポンプ１０８は、常に一定の回転数（電源周波数とほぼ同じ回転数）で動作する。変形例１によれば、簡便な構成及び制御により水の循環量を調節できる。また、安価な一定速ポンプ１１７の使用により、コストの低減を期待できる。

（変形例２）
図５は、変形例２に係るヒートポンプ暖房機の構成図である。ヒートポンプ暖房機３００は、水の循環量を変更するための流量調節部として、一定速ポンプ１１７、バイパス回路１１５及びバイパス弁１１６を備えている。その他の点は、図１〜図３Ｂを参照して説明した実施形態と同じである。

バイパス回路１１５は、一定速ポンプ１１７を迂回するように熱搬送回路１０７に接続されている。バイパス弁１１６は、バイパス回路１１５における水の流量を調節できるようにバイパス回路１１５上に設けられている。制御部１１０は、バイパス弁１１６の開度を調節することによって熱搬送回路１０７の水の循環量を増加又は減少させて放熱器１０９への供給熱量を増加又は減少させる。変形例２によれば、簡便な構成及び制御により水の循環量を調節できる。また、安価な一定速ポンプ１１７の使用により、コストの低減を期待できる。

（変形例３）
図１に示すヒートポンプ暖房機１００は、供給温度を検出する第１温度センサ１１１を備えている。しかし、第１温度センサ１１１を使用する方法以外の方法で供給温度を検出する（詳細には、推定する）ことも可能である。供給温度を検出（又は推定）する方法は特に限定されない。

図６は、変形例３に係るヒートポンプ暖房機の構成図である。ヒートポンプ暖房機４０１は、吸入温度センサ１１９、吐出温度センサ１２０及び蒸発温度センサ１２１を備えている。吸入温度センサ１１９は、圧縮機１０２の吸入冷媒の温度（吸入温度）を検出する。吐出温度センサ１２０は、圧縮機１０２の吐出冷媒の温度（吐出温度）を検出する。蒸発温度センサ１２１は、蒸発器１０５における冷媒の温度（蒸発温度）を検出する。その他の点は、図１〜図３Ｂを参照して説明した実施形態と同じである。

図７に示すように、ヒートポンプ１０１が臨界圧力以下で動作する場合、放熱器１０３（凝縮器）において、冷媒の温度は概ね凝縮温度Ｔｅに保持される。水の温度は、放熱器１０３の入口で最も低く、放熱器１０３の出口で最も高い。ただし、水の温度が冷媒の温度を超えることはない。過熱状態の冷媒の熱量は比較的小さいので、放熱器１０３の出口における水の温度、すなわち、供給温度は凝縮温度Ｔｅに近い値を示す。従って、凝縮温度Ｔｅから供給温度を推定できる。

供給温度と凝縮温度Ｔｅとの温度差は、放熱器１０３の仕様、冷媒の種類、水の循環量等に依存する。典型的には、供給温度は凝縮温度Ｔｅよりも数℃高い。制御部１１０は、凝縮温度Ｔｅと供給温度との対応関係を記述した参照テーブル又は演算式を用いて、凝縮温度Ｔｅから供給温度を特定するように構成されていてもよい。

ヒートポンプ暖房機４０１によれば、吸入温度、吐出温度及び蒸発温度から凝縮温度Ｔｅを推定し、凝縮温度Ｔｅから供給温度を推定できる。具体的には、蒸発温度から圧縮機１０２の吸入冷媒の圧力（吸入圧力）を推定する。吸入温度から圧縮機１０２の吸入冷媒の過熱度を求める。このようにして、圧縮機１０２の吸入冷媒の状態（圧力及び過熱度）を特定する。吸入冷媒の状態、吐出温度及び圧縮機１０２の既知の断熱効率から、圧縮機１０２の吐出冷媒の圧力（吐出圧力）を推定する。吐出圧力から凝縮温度Ｔｅを推定し、供給温度を推定する。なお、圧縮機１０２の吐出圧力を検出する吐出圧力センサ１２２を使用すれば、吐出温度及び蒸発温度を使用せずに凝縮温度Ｔｅを推定することが可能である。

供給温度を推定する方法は、ヒートポンプ１０１の運転方法に応じて適切に選択されるべきである。圧縮機１０２の吸入冷媒が常に過熱状態となるように膨張機構１０４（膨張弁）を制御する場合には、上記の推定方法を採用できる。他方、圧縮機１０２の吐出温度を抑制するために、圧縮機１０２の吸入冷媒が気液２相状態となるように膨張機構１０４を制御する場合には、冷媒の乾き度が不明なので凝縮温度Ｔｅも推定できない。圧縮機１０２の作動室に液冷媒をインジェクションする場合も同様である。このような場合、後述するように、凝縮温度Ｔｅを検出する温度センサを設けることによって供給温度を推定することが可能である。

また、制御部１１０は、圧縮機１０２の吐出冷媒の温度が上限温度を超えたとき、吐出冷媒の温度が上限温度に保持されるようにインバータポンプ１０８を制御するように構成されていてもよい。「上限温度」は、一般に、圧縮機に使用されたモータの巻線の被膜の耐熱性に依存する。吐出冷媒の温度が上限温度を超えると、巻線の絶縁が破壊されてモータがショートする可能性がある。また、吐出冷媒の温度が上がりすぎると、冷凍機油が劣化する可能性がある。

本変形例では、吐出冷媒の温度が上限温度を超えたとき、制御部１１０は、水の循環量が増加するようにインバータポンプ１０８を制御する。これにより、放熱器１０３の内部における高圧蒸気の状態の冷媒を十分に冷却できる。ヒートポンプサイクルの高圧が臨界圧力以下の場合、水の循環量を増やすと放熱器１０３において冷媒の液化が促される。ヒートポンプサイクルの高圧が臨界圧力以上の場合、水の循環量を増やすと冷媒の密度が増加し、冷媒は液相に近い状態になる。すると、放熱器１０３における冷媒の圧力（＝圧縮機１０２の吐出冷媒の圧力）が低下する。圧縮機１０２の吐出冷媒の圧力が低下すると、吐出冷媒の温度も低下する。その結果、吐出冷媒の温度が上限温度に保持される又は上限温度未満となる。このようにすれば、ヒートポンプ暖房機４０１の信頼性が高まる。

本変形例によれば、暖房出力を増加したときにも供給温度を最高供給温度以下に保持しつつ、戻り温度の上昇を抑制できる。これにより、放熱器１０３の出口における冷媒の温度の上昇を抑制できるので、ヒートポンプサイクルのＣＯＰが向上する。

なお、図６に示すように、吐出温度センサ１２０に代えて、吐出圧力センサ１２２を使用してもよい。先に説明したように、吐出圧力から凝縮温度Ｔｅを推定できる。凝縮温度Ｔｅから供給温度を推定できる。また、制御部１１０は、圧縮機１０２の吐出冷媒の圧力が上限圧力を超えたとき、吐出冷媒の圧力が上限圧力に保持されるようにインバータポンプ１０８を制御するように構成されていてもよい。具体的には、圧縮機１０２の吐出冷媒の圧力が上限圧力を超えたとき、制御部１１０は、水の循環量が増加するようにインバータポンプ１０８を制御する。これにより、吐出冷媒の圧力が上限圧力に保持される又は上限圧力未満となるので、吐出冷媒の温度も上限温度に保持される又は上限温度未満となる。結果として、ヒートポンプ暖房機４０１の信頼性が高まる。なお、「上限圧力」は、ヒートポンプ１０１の構成要素の中で最も耐圧の低い要素（例えば、圧縮機１０２、膨張弁１０４）の耐圧を基準に決定される。

（変形例４）
図８に示すように、変形例４に係るヒートポンプ暖房機４０２は、圧縮機１０２の密閉容器の温度を検出する容器温度センサ１２３を備えている。制御部１１０は、圧縮機１０２の密閉容器の温度が上限温度を超えたとき、密閉容器の温度が上限温度に保持されるようにインバータポンプ１０８を制御するように構成されていてもよい。具体的には、圧縮機１０２の密閉容器の温度が上限温度を超えたとき、制御部１１０は、水の循環量が増加するようにインバータポンプ１０８を制御する。これにより、変形例３で説明した理論に基づき、吐出冷媒の温度が上限温度に保持される又は上限温度未満となり、密閉容器の温度も上限温度に保持される又は上限温度未満となる。結果として、ヒートポンプ暖房機４０２の信頼性が高まる。

本明細書において、容器温度センサ１２３以外の温度センサは、冷媒管の外周面又は配管の外周面に設けることができる。これに対し、容器温度センサ１２３は、圧縮機１０２の密閉容器の外周面に設けることができる。具体的には、容器温度センサ１２３は、密閉容器の上部に設けられていてもよい。密閉容器の熱容量は、圧縮機１０２の吐出配管の熱容量よりも大きい。応答性に目をつむれば、密閉容器の温度は、圧縮機１０２の吐出冷媒の温度に概ね等しい。

（変形例５）
図９に示すように、変形例５に係るヒートポンプ暖房機４０３は、放熱器１０３（凝縮器）における冷媒の凝縮温度Ｔｅを検出する凝縮温度センサ１２５を備えている。変形例３で説明したように、凝縮温度Ｔｅから供給温度を推定できる。

本発明に係る制御を行ったときに得られるサイクルを計算機シミュレーションによって求めた。比較例として、特開２００１−１２４３４９号公報に記載された制御を行ったときに得られるサイクルを求めた。計算に使用した条件は以下の通りである。

（実施例１及び比較例１に共通の条件）
冷媒：Ｒ４１０Ａ
最低外気温度：−１２℃
暖房開始温度：１８℃
最大暖房出力：１２ｋＷ
最大暖房出力時の供給温度：５５℃
最大暖房出力時の戻り温度：４５℃
計算時の外気温度：−５℃
計算時の暖房出力：９．２ｋＷ

（実施例１に固有の条件）
供給温度：５５．０℃
戻り温度：３４．０℃

（比較例１に固有の条件）
供給温度：４８．３℃
戻り温度：４０．７℃

（実施例２及び比較例２に共通の条件）
冷媒：ＣＯ₂
最低外気温度：−１２℃
暖房開始温度：１８℃
最大暖房出力：１２ｋＷ
最大暖房出力時の供給温度：９０℃
最大暖房出力時の戻り温度：７０℃
計算時の外気温度：−５℃
計算時の暖房出力：９．２ｋＷ

（実施例２に固有の条件）
供給温度：９０．０℃
戻り温度：４８．０℃

（比較例２に固有の条件）
供給温度：７６．７℃
戻り温度：６１．３℃

Ｒ４１０Ａを使用した場合の計算結果を図１０に、ＣＯ₂を使用した場合の計算結果を図１１にそれぞれ示す。図１０及び図１１に示すように、本発明に係る制御、すなわち、供給温度の上昇に対して戻り温度が追従して上昇することを阻止する制御を行うと、放熱器の入口におけるエンタルピーと放熱器の出口におけるエンタルピーとの差が拡大する。具体的に、実施例１で示されるサイクルのＣＯＰは３．４５であった。実施例２で示されるサイクルのＣＯＰは、１．８９であった。これに対し、比較例１で示されるサイクルのＣＯＰは３．１９であった。比較例２で示されるサイクルのＣＯＰは、１．３７であった。

本発明のヒートポンプ暖房機は、温水循環式の放熱器式暖房機、温水循環式のファンコイル式暖房機等に有用である。

Claims (11)

1. 圧縮機、放熱器、膨張機構及び蒸発器を有するヒートポンプと、
   前記ヒートポンプで加熱された熱媒体が循環する熱搬送回路と、
   前記熱搬送回路に接続された熱利用機器と、
   熱媒体の循環量を変更できるように前記熱搬送回路に設けられた流量調節部と、
   必要な暖房出力が前記熱利用機器で発揮されるように前記ヒートポンプを制御するとともに、前記ヒートポンプで加熱されて前記熱搬送回路に送り出された熱媒体の温度である供給温度の上昇に対して、前記熱搬送回路から前記ヒートポンプに戻される熱媒体の温度である戻り温度が追従して上昇することを阻止するように前記流量調節部を制御する制御部と、
   を備えた、熱媒体循環型ヒートポンプ暖房機。
2. 前記制御部は、前記熱利用機器の周囲の温度を基準に決定される特定温度と前記戻り温度との差が所定の温度差の範囲に収まるように前記流量調節部を制御する、請求項１に記載の熱媒体循環型ヒートポンプ暖房機。
3. 前記供給温度が所定の最高供給温度未満のとき、前記制御部は、前記循環量が減少するように前記流量調節部を制御することによって前記戻り温度の上昇を阻止する、請求項１又は２に記載の熱媒体循環型ヒートポンプ暖房機。
4. 前記供給温度が所定の最高供給温度未満のとき、前記制御部は、前記循環量が増加するように前記流量調節部を制御することによって前記戻り温度の低下を阻止する、請求項１又は２に記載の熱媒体循環型ヒートポンプ暖房機。
5. 前記供給温度が所定の最高供給温度以上のとき、前記制御部は、前記循環量が増加するように前記流量調節部を制御する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱媒体循環型ヒートポンプ暖房機。
6. 前記圧縮機の吐出冷媒の温度が上限温度を超えたとき、前記制御部は、前記循環量が増加するように前記流量調節部を制御する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱媒体循環型ヒートポンプ暖房機。
7. 前記圧縮機の吐出冷媒の圧力が上限圧力を超えたとき、前記制御部は、前記循環量が増加するように前記流量調節部を制御する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱媒体循環型ヒートポンプ暖房機。
8. 前記圧縮機の密閉容器の温度が上限温度を超えたとき、前記制御部は、前記循環量が増加するように前記流量調節部を制御する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱媒体循環型ヒートポンプ暖房機。
9. 前記流量調節部が、インバータポンプで構成されており、
   前記制御部は、前記インバータポンプの回転数を調節することによって前記循環量を増加又は減少させて前記熱利用機器への供給熱量を増加又は減少させる、請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱媒体循環型ヒートポンプ暖房機。
10. 前記流量調節部が、一定速ポンプ及び流量制御弁で構成されており、
    前記制御部は、前記流量制御弁の開度を調節することによって前記循環量を増加又は減少させて前記熱利用機器への供給熱量を増加又は減少させる、請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱媒体循環型ヒートポンプ暖房機。
11. 前記流量調節部が、一定速ポンプ、前記一定速ポンプを迂回するように前記熱搬送回路に接続されたバイパス回路、及び前記バイパス回路上に設けられたバイパス弁で構成されており、
    前記制御部は、前記バイパス弁の開度を調節することによって前記循環量を増加又は減少させて前記熱利用機器への供給熱量を増加又は減少させる、請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱媒体循環型ヒートポンプ暖房機。

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