JP5843642B2 - ヒートポンプ式液体加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ式液体加熱装置に関するものであり、特に、ヒートポンプ式液体加熱装置の冷凍サイクル制御に関するものである。

ヒートポンプ式液体加熱装置としてのヒートポンプ式給湯機において冷凍サイクル制御をおこなう際、圧縮機からの冷媒の目標吐出圧力と、実際に冷凍サイクルから検出された圧縮機からの吐出圧力（実吐出圧力）との偏差を読み取り、実吐出圧力を目標吐出圧力に一致させるように減圧装置（減圧弁）を制御する方法が知られている（たとえば、後記特許文献１参照）。

このような制御方法では、圧縮機の吐出圧力に基づく制御がおこなわれており、圧縮機からの冷媒の吐出温度に基づく制御はおこなわれていない。このため、圧縮機からの冷媒の吐出温度が、圧縮機をはじめとする冷凍サイクルの構成部品の耐久に対して影響を及ぼす温度（以下、「最大許容温度」という）に到達する可能性がある。これを回避するため、従来では、圧縮機の吐出温度が最大許容温度に到達する前に、たとえば、圧縮機の回転数（回転速度）を低下させる、あるいは減圧装置を開くなどの緊急措置的な制御をおこなっている。

圧縮機の吐出温度が最大許容温度に到達する場合とは、たとえば、蒸発器に霜が付くことによって蒸発器性能が低下し、圧縮機の吸い込み圧力と吐出圧力との差が増加したときや、外気温度が低い（たとえば２℃）際に被加熱液体を高温（たとえば９０℃）で送出する条件のときなどに生じる可能性がある。より詳細には、このような条件では、冷凍サイクルのＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を向上させるために、圧縮機の目標吐出圧力が吐出温度の設計上限点近傍で設定される。この結果、製品ごとの出力ばらつきや環境条件の変化によって、圧縮機からの冷媒の吐出温度が最大許容温度に到達してしまう場合がある。

特許第４４６５９８６号公報

しかしながら、前記した従来技術のように、圧縮機の回転数（回転速度）を低下させる、あるいは減圧装置を開くなどの緊急措置的な制御をおこなうと、冷凍サイクルの出力が低下して、本来必要とする被加熱液体の送出温度を一時的に低下させてしまうという問題点がある。また、ヒートポンプ式給湯機においては、その冷凍サイクルにおいてＣＯＰが最も高く、かつ、被加熱液体の供給温度が一定の状態となるように制御をおこなっているが、前記のような緊急措置的な制御をおこなうと、冷凍サイクルの制御が一時的に崩れるので、非効率かつ被加熱液体の送出温度が安定しない状態が一定の時間続き、安定した状態に戻るまでに時間を要するという問題点がある。

本発明は、圧縮機の吐出温度が最大許容温度に到達する可能性がある場合であっても、安定して運転をおこなうことができるヒートポンプ式液体加熱装置を提供することを目的とする。

前記した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるヒートポンプ式液体加熱装置は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出される冷媒と被加熱液体との熱交換をおこなう熱交換器と、前記熱交換器から流出する前記冷媒を減圧する減圧弁と、前記減圧弁から流出する前記冷媒と空気との熱交換をおこなう蒸発器と、を備えるヒートポンプ式液体加熱装置であって、前記熱交換器から流出する被加熱液体の温度が目標値となるように前記圧縮機の回転速度を制御し、前記圧縮機の目標吐出圧力を設定し、当該目標吐出圧力に基づいて前記減圧弁の開閉制御をおこなう制御手段と、前記圧縮機から吐出される前記冷媒の温度、または前記圧縮機の温度を検出する温度検出手段と、を備え、前記制御手段は、前記温度検出手段によって検出された検出温度が所定の基準温度以上となった場合、前記目標吐出圧力を所定量低下させることを特徴とする。

本発明にかかるヒートポンプ式液体加熱装置によれば、圧縮機の吐出温度が最大許容温度に到達する可能性がある場合であっても、安定して運転をおこなうことができる。

本発明の一実施形態にかかるヒートポンプ式給湯機の構成説明図である。 制御部による圧縮機吐出圧力の制御処理の手順を示すフローチャートである。 ヒートポンプ式給湯機において目標吐出圧力を低下させるタイミングを示すタイムチャートである。

次に、本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態においては、被加熱液体として水を用いたヒートポンプ式液体加熱装置であるヒートポンプ式給湯機を例として説明する。本実施形態にかかるヒートポンプ式給湯機は、制御部（制御手段）が圧縮機の高圧側への冷媒吐出圧力（圧縮機吐出圧力）をその目標値（目標吐出圧力）となるように制御した際、圧縮機の高圧側への冷媒吐出温度（圧縮機吐出温度）が、圧縮機をはじめとする冷凍サイクルの構成部品の耐久を損なう温度（最大許容温度）に近づいた場合、圧縮機を保護するべく、減圧弁を開放、または圧縮機の回転数を低下させる前に、目標吐出圧力を低下させるように制御するように構成されている。以下では、本実施形態にかかるヒートポンプ式給湯機の全体構成、制御部の基本動作を説明した後に、本発明に関わる制御部の動作についてさらに具体的に説明する。

図１は、本発明の一実施形態にかかるヒートポンプ式給湯機の構成説明図である。図１に示すように、ヒートポンプ式給湯機Ｓは、ヒートポンプ部１とタンク部２とを備えている。ヒートポンプ部１とタンク部２とは別体としてもよいし、１つの筐体内に一体的に配置されてもよい。

ヒートポンプ部１は、圧縮機３、液冷媒熱交換器４、減圧弁５、蒸発器６、制御部５０によって主に構成されている。圧縮機３、液冷媒熱交換器４、減圧弁５、および蒸発器６は、この順番で冷媒が循環するように配管で環状に連結されている。本実施形態においては、冷媒として、自然環境にやさしい冷媒である二酸化炭素を使用している。そして、ヒートポンプ部１では、圧縮機３による冷媒（二酸化炭素）の吐出圧力が、当該冷媒の臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮式の冷凍サイクルを用いており、冷媒を高温高圧にできるため例えば９０℃のような高温の湯を得ることができる。

圧縮機３は、環状の回路から戻ってきた冷媒を圧縮するとともに、圧縮した高温のガス冷媒（以下、ホットガスということがある）を再び環状の回路に送り出している。より詳細には、圧縮機３は、蒸発器６から吐出された冷媒を吸入・圧縮して、液冷媒熱交換器４に向かって吐出している。

圧縮機３は、容量制御が可能であり、高温貯湯（たとえば９０℃）をおこなう場合には、通常よりも速い回転速度（たとえば３０００〜４０００回転／分）で運転する。また、通常の貯湯温度（たとえば６５℃）で運転する場合は、比較的遅い回転速度（たとえば１０００〜２０００回転／分）で運転する。また、圧縮機３は、ＰＷＭ制御、電圧制御（たとえばＰＡＭ制御）およびこれらの組み合わせ制御により、低速（たとえば１０００回転／分）から高速（たとえば６０００回転／分）まで回転速度の制御がおこなえるようになっている。

圧縮機３と、次に説明する液冷媒熱交換器４とを接続する配管には、圧縮機３側に、圧縮機３から吐出される冷媒の温度（圧縮機吐出温度）を検出する温度センサ９が設けられるとともに、圧縮機３から吐出される冷媒の圧力（圧縮機吐出圧力）を検出する圧力センサ８が設けられている。なお、温度センサ９に代えて、または温度センサ９とともに、圧縮機３の構成部品の温度を検出する温度センサを設けてもよい。圧縮機３の構成部品とは、たとえば圧縮機３内のコイルである。

液冷媒熱交換器４（熱交換器）は、凝縮器として機能するものであり、圧縮機３から吐出されたホットガスを流通させる冷媒伝熱管２ａと、被加熱液体である水を流通させる液伝熱管２ｂとを備えている。これらの冷媒伝熱管２ａおよび液伝熱管２ｂは、冷媒と被加熱液体とが相互に熱交換するよう密着して設けられている。また、各伝熱管の流れは対向するように構成されている。液冷媒熱交換器４では、圧縮機３から吐出される冷媒と被加熱液体との熱交換をおこなう。

減圧弁５は、液冷媒熱交換器４と蒸発器６との間に配置される配管の途中に設けられており、ここでは電動膨張弁が使用されている。この減圧弁５は、液冷媒熱交換器４から流出する中温高圧冷媒を減圧し、蒸発しやすい低圧冷媒として蒸発器６に送り出している。そして、減圧弁５は、絞り開度（開閉度合い）が調節可能となっており、制御部５０がこの絞り開度を変えてヒートポンプ部１での冷媒循環量を調節する。そして、制御部５０は、後記するように、減圧弁５の絞り開度を変えることで、圧縮機３の吐出圧力（圧縮機吐出圧力）を調節することとなる。なお、制御部５０は、蒸発器６に着霜した場合に、蒸発器６に付いた霜を融かすために減圧弁５を開放（絞り開度を全開）してデフロスト運転をおこなう。

蒸発器６は、送風機７の回転によって外気を取り入れて、蒸発器６内を流通する冷媒と外気（送風）との間で熱交換をおこなわせることによって、外気から熱を汲み上げるものである。すなわち、蒸発器６は、減圧弁５から流出する冷媒と空気との熱交換をおこなう。蒸発器６を通過した冷媒は、再び圧縮機３に戻される。送風機７は、所定の回転数（回転速度）指令値で回転するように制御されている。

温度センサ１０は、蒸発器６の下流側で冷媒の温度を検出する。制御部５０は、この温度センサ１０の検出する温度に基づいて蒸発器６でのデフロストをおこなうか否かを判定し、デフロストをおこなう場合には減圧弁５を全開にする。符号１４は、外気温度を検出する温度センサである。本実施形態では、温度センサ１４は送風機７の近傍に設けられている。

符号３６は、送出配管であり、送出配管３６の一端は、液冷媒熱交換器４の液伝熱管２ｂの出口に接続されている。この送出配管３６は、冷媒で加熱された被加熱液体を液冷媒熱交換器４からタンク部２へと送り出すようになっている。より詳細には、送出配管３６は、後記するタンク部２のタンク１６側に向かって延出しており、タンク１６の上部に接続されている。送出配管３６の液冷媒熱交換器４寄りには、液冷媒熱交換器４から出る被加熱液体の温度（本実施形態においては出水温度）を検出する温度センサ１２が設けられている。

符号３５は、供給配管であり、供給配管３５は、前記冷媒で加熱される被加熱液体を液冷媒熱交換器４に供給するものである。供給配管３５の一端は、液冷媒熱交換器４の液伝熱管２ｂの入口に接続されている。この供給配管３５は、後記するタンク１６側に向かって延出しており、タンク１６の底部に接続されている。供給配管３５の液冷媒熱交換器４側には、液冷媒熱交換器４に入る被加熱液体の温度（本実施形態においては入水温度）を検出する温度センサ１１が設けられている。なお、制御部５０は、後記するように、この温度センサ１１の検出値を参照要素の一つとして、圧縮機吐出圧力の目標値を決定している。

また、供給配管３５には、ポンプ１３が、液冷媒熱交換器４の上流側に配置されている。ポンプ１３は、後記するタンク１６から液伝熱管２ｂの入口側に被加熱液体を送り込むように駆動する。ポンプ１３は、循環水の流量（質量流量）、流速、および圧力が自由に選択できるように構成されている。

タンク部２は、被加熱液体（本実施形態においては水）を貯蔵するタンク１６を備えている。タンク１６は、ヒートポンプ部１側から延出する送出配管３６および供給配管３５の一端と接続されている。また、タンク１６は、給湯配管３８ｂおよび給水配管３８ａの一端とも接続されている。給湯配管３８ｂの他端には、図示しない給湯口が設けられる。また、給水配管３８ａの他端には、図示しない給水口が設けられる。

給水配管３８ａには、タンク１６の上流側の給水配管３８ａから分岐して、給湯配管３８ｂにその先端が合流する分岐配管３８ｃが接続されている。この分岐配管３８ｃは、湯水混合弁１７を介して給湯配管３８ｂに接続されている。湯水混合弁１７は、その開口度合いに応じて、給水配管３８ａおよび分岐配管３８ｃを介して給湯配管３８ｂに流れ込む水の量を調節することで、給湯配管３８ｂの他端に設けられる給湯口（図示省略）から出る湯の温度を調節する。

本実施形態においては、被加熱液体を一旦タンク１６に取り入れた後、供給配管３５を介してヒートポンプ部１に供給する構成としたが、これに限らず、たとえば給水口（給水管）から直接ヒートポンプ部１に被加熱液体を供給するようにしてもよい。また、本実施形態においては、ヒートポンプ部１で加熱された被加熱液体を一旦タンク１６に取り入れた後、給湯配管３８ｂを介して給湯口から供給するようにしたが、これに限らず、たとえば、ヒートポンプ部１で加熱された被加熱液体を直接給湯口から供給するようにしてもよい。さらには、タンク１６内の湯を給湯するのではなく、タンク１６内の湯の熱を利用して水道水を加熱する熱交換器を備えた水道直圧給湯であってもよい。

制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路等を含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、本実施形態にかかるヒートポンプ式給湯機Ｓを総合的に制御する。たとえば、制御部５０は、前記したように、温度センサ１０の検出する温度（蒸発器６の出口冷媒温度）に基づいて蒸発器６のデフロストをおこなう。また、制御部５０は、温度センサ９，１１，１２，１４で検出した温度、および圧力センサ８の検出した圧力などに基づいて、後記する手順により圧縮機３の目標吐出圧力、および圧縮機３の目標吐出温度を算出するとともに、これらの検出値（実測値）および目標値に基づいて、圧縮機３の回転速度および減圧弁５の開度を制御する。

次に、ヒートポンプ式給湯機Ｓの動作について説明する。ヒートポンプ式給湯機Ｓにおいて、深夜電力で沸き上げ運転をおこなうときには、タンク１６内の湯はほぼ使い切られており、この場合、タンク１６内は冷水（常温水）で満たされている。あるいは、タンク１６内の頂部に湯が残存する場合もある。

通常タンク１６内は常時満水であり、この状態で、ヒートポンプ式給湯機Ｓは貯湯運転工程を実施する。ヒートポンプ式給湯機Ｓは、起動した圧縮機３が吐出するホットガスを液冷媒熱交換器４の冷媒伝熱管２ａに送り込む。冷媒伝熱管２ａに送り込まれたホットガスは、液伝熱管２ｂ内の水に熱を放出することで凝縮する。そして、液伝熱管２ｂ内の水はホットガスで加熱される。次に、液冷媒熱交換器４の冷媒伝熱管２ａから送り出された冷媒は、減圧弁５（膨張弁）で減圧された後に、蒸発器６に流れ込む。蒸発器６に流れ込んだ冷媒は、送風機７から送り込まれた風によって蒸発する際に、液冷媒熱交換器４を介して外気から熱を汲み上げる。その後、冷媒は、圧縮機３に戻って再び圧縮される。

一方で、タンク１６に満たされた水は、ポンプ１３が起動することで、供給配管３５を介してタンク１６の底部から液冷媒熱交換器４の液伝熱管２ｂ内に送り込まれる。液伝熱管２ｂ内に送り込まれた水は、前記したように、冷媒との熱交換で加熱されて湯となって、送出配管３６に流れ込む。送出配管３６に流れ込んだ湯は、タンク１６の頂部に戻って貯蔵される。タンク１６の頂部に戻された湯は密度が小さいので、タンク１６底部の冷水と混ざることはなく、頂部から順々に溜まっていく。このようにタンク１６と液冷媒熱交換器４との間で水が循環する間に、ヒートポンプ式給湯機Ｓは、タンク１６内に所定の温度で所定の湯量を確保する。

ヒートポンプ式給湯機Ｓの制御部５０は、圧縮機３、ポンプ１３、および減圧弁５を次のよう制御する。制御部５０は、圧縮機３の回転速度を、温度センサ１２で検出される液冷媒熱交換器４の出水温度に基づいて制御する。具体的には、制御部５０は、温度センサ１２で検出される温度が、あらかじめ設定された出水温度の目標値となるように、圧縮機３の回転速度を制御する。つまり、目標値に対して温度センサ１２の検出値が低い場合には圧縮機３の回転速度を速め、これとは逆に検出値が高い場合には圧縮機３の回転速度を遅くする。

また、制御部５０は、加熱能力を制御するために、ポンプ１３が液冷媒熱交換器４の液伝熱管２ｂに送り込む水の量を、あらかじめ求めた圧縮機３の目標回転速度に基づいて制御する。具体的には、圧縮機３の目標回転速度に対して実回転速度が遅い場合には、液伝熱管２ｂに送り込まれる水の量が増えるようにポンプ１３を制御し、これとは逆に圧縮機３の実回転速度が速い場合には、液伝熱管２ｂに送り込まれる水の量が減るようにポンプ１３を制御する。これにより、加熱能力を目標値（例えば４．５ｋＷ）に調整することができる。

なお、前記した圧縮機３の目標回転速度は、前記した液冷媒熱交換器４の出水温度の目標値のほか、ヒートポンプ部１の目標加熱能力（出力）、温度センサ１４の検出値（外気温度）、および温度センサ１１の検出値（入水温度）に基づいて設定することもできる。圧縮機３の目標回転速度は、具体的には、たとえば、前記したように、高温貯湯（たとえば、９０℃）をおこなう場合には、３０００〜４０００回転／分の範囲で設定され、通常の貯湯温度（たとえば、６５℃）で運転する場合は、１０００〜２０００回転／分の範囲で設定されるが、これに限定されるものではない。

また、制御部５０は、圧縮機吐出圧力が制御部５０によってあらかじめ算出された目標値となるように、減圧弁５を開閉制御する。具体的には、圧力センサ８の検出圧力が目標吐出圧力よりも高いときには減圧弁を開き、低いときには減圧弁を閉じる。この目標吐出圧力は、制御部５０が、前記した液冷媒熱交換器４の出水温度の目標値のほか、ヒートポンプ部１の目標加熱能力（出力）、温度センサ１４の検出値（外気温度）、および温度センサ１１の検出値（入水温度）に基づいて算出し、設定することもできる。目標吐出圧力は、ヒートポンプ部１のＣＯＰが最大となるように設定するが、この限りではない。

次に、本発明に関わる制御部５０の動作を説明する。制御部５０は、図２に示す手順によって目標吐出圧力を制御する。特に、制御部５０は、図２のステップＳ３，Ｓ４に示すように、圧縮機吐出温度が基準温度に到達すると、目標吐出圧力を変更（低減）し、圧縮機吐出温度が最大許容温度に達しないようにする。ここで、基準温度とは、液冷媒熱交換器４における熱交換後の被加熱液体の目標温度より高い温度であり、たとえば、圧縮機３の製品寿命を保つための最大許容温度（たとえば１３０℃）に対して３〜１５℃ほど余裕をもたせた値（たとえば１２０℃）であるが、この限りではない。

図２は、制御部による圧縮機吐出圧力の制御処理の手順を示すフローチャートである。図２のフローチャートにおいて、まず、ヒートポンプ部１が起動すると、制御部５０は、通常の方法で目標吐出圧力を算出する（ステップＳ１）。ステップＳ１で算出した目標吐出圧力を、以下「通常時目標吐出圧力」という。制御部５０は、圧力センサ８の検出圧力が、通常時目標吐出圧力となるように減圧弁５を開閉制御する（通常時目標吐出圧力に基づく制御）（ステップＳ２）。すなわち、ステップＳ１およびＳ２は、通常時の吐出圧力制御処理である。次に、制御部５０は、温度センサ９の出力値（圧縮機吐出温度）が基準温度以上であるか否かを判断する（ステップＳ３）。圧縮機吐出温度が基準温度よりも低い場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、制御部５０はステップＳ２に戻り、通常時目標吐出圧力に基づく制御を継続する。

一方、温度センサ９の検出値（圧縮機吐出温度）が基準温度以上である場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、制御部５０は新しい目標吐出圧力（新目標吐出圧力）を算出して、新目標吐出圧力に基づく制御を開始するとともに、その時点における送風機７の指令回転数（回転速度）、および温度センサ１１の検出値（入水温度）を記憶する（ステップＳ４）。新目標吐出圧力は、たとえば、ステップＳ１で算出した通常時目標吐出圧力から所定値ａを差し引いた値とする。すなわち、新目標吐出圧力は、通常目標吐出圧力よりも低くなる。この所定値ａは、たとえば、あらかじめ定めた一定値とすることができる。また、所定値ａは、ヒートポンプ部１の目標加熱能力（熱交換後の湯の目標温度）、温度センサ１４の検出値（外気温度）、および温度センサ１１の検出値（入水温度）のうち、少なくとも１つに基づいて制御部５０が算出し、設定した値としてもよい。

また、ステップＳ４で記憶した送風機７の指令回転数、および温度センサ１１の検出値（入水温度）は、新目標吐出圧力に基づく制御を開始した時点における送風機７の指令回転数、および温度センサ１１の検出値、すなわち、目標吐出圧力の低下を開始させた時点の指令回転数、および温度センサ１１の検出値（入水温度）である。

次に、制御部５０は、現在の温度センサ１１の検出値（入水温度）と、ステップＳ４で記憶した温度センサ１１の検出値とを比較して、所定温度以上の変化があるか否かを判断する（ステップＳ５）。すなわち、ステップＳ５では、温度センサ１１の検出値（入水温度）が、新目標吐出圧力に基づく制御を開始させた時点から所定温度以上変化したか否かを判断する。このとき、検出値の変化量（所定温度）は、たとえば、ステップＳ４で記憶した値から±５℃以上、のようにあらかじめ設定された値を用いてもよい。また、温度センサ１１の検出値の変化量は、「＋７℃以上または−５℃以上」のように上昇側と下降側とで検出値の変化量を異ならせてもよい。検出値に所定温度以上の変化があった場合（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、制御部５０はステップＳ１１に移行して、目標吐出圧力の低下分を元に戻して通常時目標吐出圧力とし（ステップＳ１１）、ステップＳ２に戻り、通常目標吐出圧力に基づいて減圧弁５を開閉制御する。

一方、ステップＳ５で、温度センサ１１の検出値に所定温度以上の変化がない場合（ステップＳ５：Ｎｏ）、制御部５０は、送風機７の指令回転数がステップＳ４で記憶した値から変化したか否か（ステップＳ６）、ヒートポンプ部１の運転停止が指示されたか否か（ステップＳ７）、およびヒートポンプ部１でデフロスト運転をおこなうか否かを判断する（ステップＳ８）。送風機７の指令回転数がステップＳ４で記憶した値から変化した場合（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、またはヒートポンプ部１の運転停止が指示された場合（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、またはヒートポンプ部１でデフロスト運転をおこなう場合は（ステップＳ８：Ｙｅｓ）、制御部５０はステップＳ１１に移行して、目標吐出圧力の低下分を元に戻して通常時目標吐出圧力とし（ステップＳ１１）、ステップＳ２に戻り、通常目標吐出圧力に基づいて減圧弁５を開閉制御する。

ここで、ステップＳ５〜Ｓ８は、ヒートポンプ部１の冷凍サイクルの運転条件に変化があったか否かを判断するものである。冷凍サイクルの運転条件に変化が生じると、目標吐出圧力を低下させなくても圧縮機吐出温度が低下する可能性がある一方で、現在おこなっている目標吐出圧力の低下が冷凍サイクルのＣОＰを極端に低下させる可能性がある。このため、制御部５０は、ヒートポンプ部１の冷凍サイクルの運転条件に変化があった場合には目標吐出圧力の低下を解除し、通常時目標吐出圧力（本来の目標吐出圧力）を基に減圧弁５を開閉制御する。

一方、送風機７の指令回転数がステップＳ４で記憶した値から変化がなく（ステップＳ６：Ｎｏ）、ヒートポンプ部１の運転停止が指示されておらず（ステップＳ７：Ｎｏ）、ヒートポンプ部１がデフロスト運転をおこなわない場合（ステップＳ８：Ｎｏ）、制御部５０は、新目標吐出圧力に基づく制御を継続するとともに、温度センサ９の出力値（圧縮機吐出温度）が基準温度以上であるか否かを判断する（ステップＳ９）。この基準温度とは、ステップＳ３における判断に用いる温度と同一である。

温度センサ９の検出値（圧縮機吐出温度）が基準温度以上である場合（ステップＳ９：Ｙｅｓ）、制御部５０は、新目標吐出圧力の算出（ステップＳ４）から所定時間、たとえば１８０秒経過したか否かを判断する（ステップＳ１０）。制御部５０は、新目標吐出圧力の算出から所定時間経過するまでは（ステップＳ１０：Ｎｏ）、ステップＳ５に戻り、以降の処理を継続する。

そして、新目標吐出圧力の算出から所定時間経過すると（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）、制御部５０はステップＳ４に戻り、さらに新しい目標吐出圧力を算出する。すなわち、制御部５０は、新目標吐出圧力の算出から所定時間経過しても圧縮機吐出温度が基準温度以上である場合には、目標吐出圧力の低下量が不足していたものとして、目標吐出圧力をさらに低くする。

なお、ステップＳ１０における所定時間、すなわち目標吐出圧力の低下量の増加周期は、たとえば、あらかじめ定めた一定値（たとえば１８０秒）とすることができる。また、ステップＳ１０における所定時間は、たとえば、ヒートポンプ部１の目標加熱能力（熱交換後の湯の目標温度）、温度センサ１４の検出値（外気温度）、および温度センサ１１の検出値（入水温度）のうち、少なくとも１つに基づいて制御部５０が算出し、設定した値としてもよい。

一方、ステップＳ９において、温度センサ９の検出値（圧縮機吐出温度）が基準温度未満である場合（ステップＳ９：Ｎｏ）、制御部５０はステップＳ５に戻り、以降の処理を継続する。これは、目標吐出圧力を低下させることによって圧縮機吐出温度は基準温度を下回ったものの、すぐに目標吐出圧力を通常時目標吐出圧力に戻すと、圧縮機吐出温度が再度基準温度を上回る可能性があるためである。この場合、制御部５０は、ステップＳ５〜８の条件が１つでも成立する、すなわち冷凍サイクルの運転条件に変化があった場合にステップＳ１１に移行して、目標吐出圧力の低下分を元に戻して、通常時目標吐出圧力に基づく制御に戻る。

以上のように、本実施形態にかかるヒートポンプ式給湯機Ｓにおいては、図２に示すような動作を繰り返すことによって、ヒートポンプ部１の出湯温度の急激な低下や、サイクル動作が不安定になるのを防止する。また、冷凍サイクルの運転条件に変化が起こり、目標吐出圧力の低下が冷凍サイクルのＣОＰの低下につながることが予測されるときは、目標吐出圧力の低下を解除し、元来の目標吐出圧力を基に減圧弁５を制御する。

なお、本実施形態にかかるヒートポンプ式給湯機Ｓにおいて、前記した動作をおこなっても圧縮機吐出温度の上昇を抑制することができないときには、従来技術と同様に、強制的に減圧弁５を開く、または圧縮機３の回転数（回転速度）を低下させるなどの動作をおこなう。

図３は、ヒートポンプ式給湯機Ｓにおいて目標吐出圧力を低下させるタイミングを示すタイムチャートである。図３には、圧縮機３の目標吐出圧力、温度センサ９の検出値（圧縮機吐出温度）、温度センサ１１の検出値（入水温度）がそれぞれ示されている。図３中、横軸は紙面左側から右側に向かってヒートポンプ式給湯機Ｓの始動からの経過時間ｔを表し、左縦軸は目標吐出圧力、右縦軸は圧縮機吐出温度および入水温度を表している。

また、時刻ｔ１は、圧縮機吐出温度が上昇し、あらかじめ定められた所定の基準温度に到達した時刻を示している（図２のＳ３：Ｙｅｓ）。ｔ２は、圧縮機吐出温度が基準温度を下回った時刻を示している（図２のＳ９：Ｎｏ）。ｔ３は、入水温度が記憶値（時刻ｔ２における検出値）と比較してΔＴｗ上昇した時刻を示している（図２のＳ５：Ｙｅｓ）。言い換えると、ΔＴｗは、最も新しい目標吐出圧力の算出をおこなった時刻ｔ２における温度センサ１１の検出値と、時刻ｔ３における温度センサ１１の検出値との温度差を表している。

より詳細に図３のタイミングチャートを説明すると、時刻０において制御部５０が目標吐出圧力Ｐａ（通常時目標吐出圧力）を算出し（図２のＳ１）、圧力センサ８の検出圧力が目標吐出圧力となるように減圧弁５の開閉制御を開始する（図２のＳ２）。これにより、圧力センサ８の検出値（圧縮機吐出圧力）と温度センサ９の検出値（圧縮機吐出温度）が時間経過とともに上昇する（時刻０〜ｔ１）。次に、時刻ｔ１では、温度センサ１４の検出値（外気温度）の低下、または蒸発器６の霜付きなどによって、温度センサ９の検出値（圧縮機吐出温度）があらかじめ定められた基準温度に到達する。

温度センサ９の検出値（圧縮機吐出温度）が、あらかじめ定められた基準温度に到達すると（図２のＳ３：Ｙｅｓ）、制御部５０は、目標吐出圧力から一定値を差し引き、あらたな目標吐出圧力Ｐｂ（Ｐｂ＜Ｐａ）を算出し、これに基づいて減圧弁５を開閉制御する。所定時間以上（たとえば１８０秒以上）新しい目標吐出圧力Ｐｂによる運転をおこなっても温度センサ９の検出値（圧縮機吐出温度）が基準温度より高い場合（図２のＳ９，Ｓ１０：Ｙｅｓ）、制御部５０は、目標吐出圧力Ｐｂからさらに一定値を差し引いたさらに新しい目標吐出圧力Ｐｃを算出し、これに基づいて減圧弁５を開閉制御する（図２のＳ４）。この動作は、圧縮機吐出温度が基準温度より低くなるまで（図２のＳ９：Ｎｏ）継続しておこなわれる（時刻ｔ１〜ｔ２）。なお、一定値とは冷凍サイクルに大きな影響を与えないようにあらかじめ設定された値であり、具体的には０．０３〜０．１ＭＰａ程度の値である。また、制御部５０は、新しい目標吐出圧力を算出する都度、その時点における温度センサ１１の値（入水温度）を記憶する（図２のＳ４）。

そして、温度センサ９の検出値（圧縮機吐出温度）が、あらかじめ定められた基準温度よりも低い値になると（時刻ｔ２、図２のＳ９：Ｎｏ）、制御部５０は、新しい目標吐出圧力の算出を中止して、最後に算出した最も新しい目標吐出圧力Ｐｄを用いて減圧弁５の開閉を制御する。その後、タンク部２が湯で満たされることによって、ヒートポンプ部１に供給される水の温度（入水温度）が上昇していく。

制御部５０は、最も新しい目標吐出圧力の算出時における温度センサ１１の検出値（記憶値）と、現在の温度センサ１１の検出値とを常時比較している。すなわち、時刻ｔ２以降においては、時刻ｔ２における温度センサ１１の検出値（記憶値）と、その時点における温度センサ１１の検出値とを比較する（図２のＳ５）。現在の温度センサ１１の検出値が記憶値に対してΔＴｗ上昇すると（時刻ｔ３、図２のＳ５：Ｙｅｓ）、制御部５０は目標吐出圧力の低下を解除して（図２のＳ１１）、当初の通常時目標吐出圧力Ｐａを用いて減圧弁５を開閉制御する（図２のＳ２）。ΔＴｗは、あらかじめ設定された値であり、目標吐出圧力の低下により冷凍サイクルのＣОＰが低下することが予想される入水温度の変化量である。本実施形態では、ΔＴｗをたとえば５℃とする。

なお、時刻ｔ３の直前に目標吐出圧力が上昇しているのは、図２に示す処理とは別に、目標吐出圧力は入水温度と正の相関をもつように設定されるためであり、入水温度の上昇に伴って目標吐出圧力が増加するように制御されるためである。

以上説明したように、本実施形態にかかるヒートポンプ式給湯機Ｓによれば、圧縮機の吐出温度が最大許容温度に到達する可能性がある場合に、圧縮機３の回転数（回転速度）を低下させたり、減圧弁５を急激に開いたりする緊急措置的な制御をおこなうのではなく、圧縮機３の目標吐出圧力を所定量低下させる。これにより、冷凍サイクルに急激な状態変化を与えることなく、安定して運転をおこなうことができる。

また、本実施形態にかかるヒートポンプ式給湯機Ｓによれば、目標吐出圧力の低下量を所定の周期ごとに増加させるとともに、圧縮機吐出温度が基準温度以上である間は目標吐出圧力の低下量の増加を継続するので、目標吐出圧力の低下率が不足していた場合でも、目標吐出圧力をさらに低くして、圧縮機吐出温度が最大許容温度に到達するのを防止することができる。

また、本実施形態にかかるヒートポンプ式給湯機Ｓによれば、自機内の冷凍サイクルの運転条件に変化があった場合には、目標吐出圧力の低下を解除する。これは、冷凍サイクルの運転条件に変化が生じると、目標吐出圧力を低下させなくても圧縮機吐出温度が低下する可能性がある一方で、現在おこなっている目標吐出圧力の低下が冷凍サイクルのＣОＰを極端に低下させる可能性があるためである。ヒートポンプ式給湯機Ｓでは、冷凍サイクルの運転条件に変化があった場合には目標吐出圧力の低下を解除するので、冷凍サイクルのＣОＰが極端に低下するのを防止することができる。

なお、本実施形態では、圧縮機３からの冷媒の吐出温度（温度センサ９の検出値）を用いて目標吐出圧力の制御をおこなったが、温度センサ９に代えて、または温度センサ９とともに、圧縮機３の構成部品の温度を検出する温度センサを設けた場合には、圧縮機３の構成部品の温度（圧縮機温度）を用いて目標吐出圧力の制御をおこなってもよい。この場合は、前記した説明の「圧縮機吐出温度」を「圧縮機温度」と読み替えればよい。

また、本発明の「被加熱液体」として、給水源から給水配管を介して供給される水道水を例示して説明したが、本発明はこの例に限定されない。本発明の「被加熱液体」としては、例えば、井戸水を採用してもよい。また、水以外にも、潜熱蓄熱材入りの液体、ブライン、不凍液などを、本発明の「被加熱液体」として採用してもよい。

１ ヒートポンプ部
２ タンク部
３ 圧縮機
４ 液冷媒熱交換器（熱交換器）
５ 減圧弁
６ 蒸発器
７ 送風機
８ 圧力センサ
９ 温度センサ（温度検出手段）
１０，１１，１２，１４ 温度センサ
５０ 制御部（制御手段）
Ｓ ヒートポンプ式給湯機（ヒートポンプ式液体加熱装置）

Claims (11)

1. 吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出される冷媒と被加熱液体との熱交換をおこなう熱交換器と、前記熱交換器から流出する前記冷媒を減圧する減圧弁と、前記減圧弁から流出する前記冷媒と空気との熱交換をおこなう蒸発器と、を備えるヒートポンプ式液体加熱装置であって、
   前記熱交換器から流出する被加熱液体の温度が目標値となるように前記圧縮機の回転速度を制御し、
   前記圧縮機の目標吐出圧力を設定し、当該目標吐出圧力に基づいて前記減圧弁の開閉制御をおこなう制御手段と、
   前記圧縮機から吐出される前記冷媒の温度、または前記圧縮機の温度を検出する温度検出手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記温度検出手段によって検出された検出温度が所定の基準温度以上となった場合、前記目標吐出圧力を所定量低下させることを特徴とするヒートポンプ式液体加熱装置。
2. 前記制御手段は、前記目標吐出圧力の低下量を所定の周期ごとに増加させるとともに、前記検出温度が前記基準温度以上である間は前記低下量の増加を継続することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式液体加熱装置。
3. 前記制御手段は、前記目標吐出圧力の前記低下量または前記低下量の増加周期の少なくともいずれかを、前記ヒートポンプ式液体加熱装置周辺の外気温度、前記熱交換器に流入する前記被加熱液体の温度、前記熱交換器における熱交換後の前記被加熱液体の目標温度、のうち少なくとも１つに基づいて決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式液体加熱装置。
4. 前記制御手段は、前記目標吐出圧力の前記低下量または前記低下量の増加周期の少なくともいずれかを、あらかじめ定められた一定値とすることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式液体加熱装置。
5. 前記制御手段は、前記圧縮機と、前記熱交換器と、前記減圧弁と、前記蒸発器と、によって構成される冷凍サイクルの運転条件に変化があった場合には、前記目標吐出圧力の低下を解除することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のヒートポンプ式液体加熱装置。
6. 前記制御手段は、前記熱交換器に流入する前記被加熱液体の温度情報を取得し、前記被加熱液体の温度が前記目標吐出圧力の低下を開始させた時点から所定温度以上変化した場合、前記目標吐出圧力の低下を解除することを特徴とする請求項５に記載のヒートポンプ式液体加熱装置。
7. 前記制御手段は、前記蒸発器に付いた霜を融かすために前記減圧弁を開放するデフロスト運転をおこなった場合、前記目標吐出圧力の低下を解除することを特徴とする請求項５または６に記載のヒートポンプ式液体加熱装置。
8. 前記制御手段は、前記ヒートポンプ液体加熱装置の運転停止が指示された場合、前記圧縮機の目標吐出圧力の低下を解除することを特徴とする請求項５〜７のいずれか１つに記載のヒートポンプ式液体加熱装置。
9. 前記蒸発器には送風機が設けられており、
   前記制御部は、前記送風機の回転数指令値情報を取得し、前記回転数指令値が前記目標吐出圧力の低下を開始させた時点から変化した場合、前記目標吐出圧力の低下を解除することを特徴とする請求項５〜８のいずれか１つに記載のヒートポンプ式液体加熱装置。
10. 前記熱交換機における前記熱交換後の前記被加熱液体には目標温度が設定されており、
    前記基準温度は、前記目標温度より高い温度であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載のヒートポンプ式液体加熱装置。
11. 前記冷媒として二酸化炭素を用い、前記圧縮機による前記冷媒の吐出圧力が前記冷媒の臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮式の冷凍サイクルを用いたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載のヒートポンプ式液体加熱装置。

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