JP6233499B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、対象流体を加熱するヒートポンプ装置に関する。

下記特許文献１には、次のような給湯サイクル装置が開示されている。給湯サイクル装置は、圧縮機、ガスクーラ、膨張弁、蒸発器等を備える。圧縮機は、密閉容器内に圧縮要素及び電動要素を有する。圧縮機は、低圧の冷媒を圧縮要素に直接導く吸入管と、圧縮要素で圧縮した高圧の冷媒を密閉容器内に放出することなく密閉容器外に吐出する吐出管と、吐出管より吐出され熱交換した後の冷媒を密閉容器内に再度導入する冷媒再導入管と、この冷媒再導入管より密閉容器内に導入され電動要素を通過した後の冷媒を密閉容器外に吐出する冷媒再吐出管とを備える。ガスクーラは、内部において、給湯用の水が流通する水配管と、圧縮冷媒が流通する冷媒配管とが熱交換することで、冷媒配管の冷媒により水配管の水の温度を上昇させるものである。冷媒配管のうち、吐出管に接続する高温側冷媒配管がガスクーラの水配管の出口側と熱交換し、冷媒再吐出管に接続する低温側冷媒配管がガスクーラの水配管の入口側と熱交換する。

下記特許文献２には、次のようなヒートポンプ給湯機が開示されている。ヒートポンプ給湯機は、圧縮機、水冷媒熱交換器、膨張弁、蒸発器が環状に接続されたヒートポンプサイクルを有する。ヒートポンプ給湯機は、貯湯運転モードと湯張り運転モードとを有する。湯張り運転モードにおいては、ヒートポンプサイクルを動作させ、貯湯タンクから供給される水と、ヒートポンプサイクルの水冷媒熱交換器から流出する水とを、湯張り混合弁によって混合させ、混合させた水を浴槽に供給し、出湯温度を貯湯運転モードよりも低温とする。

日本特開２００６−１３２４２７号公報 日本特開２０１１−２１８２８号公報

特許文献１の装置で、特許文献２のような湯張り運転モードを実施すると、圧縮機の吐出圧力が臨界点以下になり、高温側冷媒配管で冷媒が気液二相状態まで凝縮し、密閉容器に気液二相冷媒が流入する可能性がある。吐出管は密閉容器の上部に付いている。気液二相冷媒が密閉容器に流入すると、密閉容器内で気液分離され、ガス冷媒のみが吐出管から流出する。その結果、密閉容器内に液冷媒が蓄積されてしまい、冷凍サイクル全体が冷媒不足になる。また、密閉容器内に溜まった液冷媒が、圧縮要素あるいは電動要素の熱で加熱されると、冷凍機油と混合している冷媒が蒸発することで、冷凍機油が発泡し、冷凍機油が冷媒とともに吐出管から流出する。その結果、密閉容器内の冷凍機油が不足するおそれがある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、低加熱運転のときに密閉容器の内部に液冷媒が溜まることを抑制できるヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

本発明のヒートポンプ装置は、密閉容器と、密閉容器の内部に設けられた圧縮要素と、密閉容器の外部から吸入される低圧冷媒を密閉容器の内部空間へ放出せずに圧縮要素へ導く第一吸入通路と、圧縮要素により圧縮された高圧冷媒を密閉容器の内部空間へ放出せずに密閉容器の外部へ吐出する第一吐出通路と、第一吐出通路から吐出された後に熱交換をした高圧冷媒を圧縮せずに密閉容器の内部空間へ放出する第二吸入通路と、密閉容器の内部空間の高圧冷媒を圧縮せずに密閉容器の外部へ吐出する第二吐出通路とを有する圧縮機と、第一吐出通路から吐出された高圧冷媒の熱で対象流体を加熱する第一熱交換器と、第二吐出通路から吐出された高圧冷媒の熱で対象流体を加熱する第二熱交換器と、第二熱交換器を通過した高圧冷媒を膨張させて低圧冷媒にする膨張部と、膨張部を通過した低圧冷媒を蒸発させる蒸発器と、高加熱運転と、第一熱交換器及び第二熱交換器の合計の加熱量が高加熱運転に比べて小さい低加熱運転とを行う制御手段と、を備え、制御手段は、低加熱運転のとき、第二吸入通路の冷媒の状態が過熱ガス状態になるように、膨張部の開度、圧縮機の容量、及び対象流体の流量のうちの少なくとも一つを制御し、高加熱運転のときには圧縮要素から吐出される冷媒の圧力が臨界圧力を超える圧力になるとともに第一熱交換器から出る対象流体の温度が冷媒の臨界温度を超える温度になり、低加熱運転のときには圧縮要素から吐出される冷媒の圧力が臨界圧力以下の圧力になるとともに第一熱交換器から出る対象流体の温度が臨界温度より低い温度になり、制御手段は、低加熱運転のとき、圧縮要素から吐出される冷媒の温度と、第二吸入通路の冷媒の温度と、第一熱交換器から出る対象流体の温度とに基づいて、第二吸入通路の冷媒の過熱度を推定し、その推定結果に基づいて、膨張部の開度、圧縮機の容量、及び対象流体の流量のうちの少なくとも一つを制御するものである。
また、本発明のヒートポンプ装置は、密閉容器と、密閉容器の内部に設けられた圧縮要素と、密閉容器の外部から吸入される低圧冷媒を密閉容器の内部空間へ放出せずに圧縮要素へ導く第一吸入通路と、圧縮要素により圧縮された高圧冷媒を密閉容器の内部空間へ放出せずに密閉容器の外部へ吐出する第一吐出通路と、第一吐出通路から吐出された後に熱交換をした高圧冷媒を圧縮せずに密閉容器の内部空間へ放出する第二吸入通路と、密閉容器の内部空間の高圧冷媒を圧縮せずに密閉容器の外部へ吐出する第二吐出通路とを有する圧縮機と、第一吐出通路から吐出された高圧冷媒の熱で対象流体を加熱する第一熱交換器と、第二吐出通路から吐出された高圧冷媒の熱で対象流体を加熱する第二熱交換器と、第二熱交換器を通過した高圧冷媒を膨張させて低圧冷媒にする膨張部と、膨張部を通過した低圧冷媒を蒸発させる蒸発器と、高加熱運転と、第一熱交換器及び第二熱交換器の合計の加熱量が高加熱運転に比べて小さい低加熱運転とを行う制御手段と、を備え、制御手段は、低加熱運転のとき、第二吸入通路の冷媒の状態が過熱ガス状態になるように、膨張部の開度、圧縮機の容量、及び対象流体の流量のうちの少なくとも一つを制御し、高加熱運転のときには圧縮要素から吐出される冷媒の圧力が臨界圧力を超える圧力になるとともに第一熱交換器から出る対象流体の温度が冷媒の臨界温度を超える温度になり、低加熱運転のときには圧縮要素から吐出される冷媒の圧力が臨界圧力以下の圧力になるとともに第一熱交換器から出る対象流体の温度が臨界温度より低い温度になり、制御手段は、低加熱運転のとき、圧縮要素に吸入される冷媒の温度と、圧縮要素から吐出される冷媒の温度と、蒸発器の蒸発飽和温度とに基づいて、第二吸入通路の冷媒の過熱度を推定し、その推定結果に基づいて、膨張部の開度、圧縮機の容量、及び対象流体の流量のうちの少なくとも一つを制御するものである。

本発明のヒートポンプ装置によれば、低加熱運転のときに密閉容器の内部に液冷媒が溜まることを抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態１のヒートポンプ装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態１のヒートポンプ装置が備えるヒートポンプユニットを示す構成図である。 本発明の実施の形態１のヒートポンプ装置の高加熱運転の圧力−エンタルピ線図である。 本発明の実施の形態１のヒートポンプ装置の高加熱運転での第一熱交換器及び第二熱交換器での冷媒及び水の温度変化の一例を表す図である。 本発明の実施の形態１のヒートポンプ装置の高加熱運転での制御装置の制御動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１のヒートポンプ装置の低加熱運転の圧力−エンタルピ線図である。 本発明の実施の形態１の低加熱運転での第一熱交換器及び第二熱交換器での冷媒及び水の温度変化の一例を表す図である。 本発明の実施の形態１のヒートポンプ装置の低加熱運転での制御装置の制御動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２のヒートポンプ装置の低加熱運転での制御装置の制御動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態３のヒートポンプ装置の低加熱運転での制御装置の制御動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態４のヒートポンプ装置が備えるヒートポンプユニットを示す構成図である。 本発明の実施の形態４のヒートポンプ装置の低加熱運転での制御装置の制御動作を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。また、本発明は、以降に示す各実施の形態のあらゆる組み合わせを含むものとする。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１のヒートポンプ装置を示す構成図である。図１に示すように、本実施の形態１のヒートポンプ装置１は、水を加熱するヒートポンプユニット２と、貯湯タンク１０と、制御装置５０とを有する。貯湯タンク１０は、上側が高温で下側が低温になる温度成層を形成して水を貯留する。貯湯タンク１０の下部と、ヒートポンプユニット２の入口１２とは、入口配管１１を介して接続されている。入口配管１１の途中には、ポンプ１３が設置されている。貯湯タンク１０の上部には、上部配管１４の一端が接続されている。上部配管１４の他端側は、二つに分岐して、給湯混合弁１５の第一入口と風呂混合弁１６の第一入口とにそれぞれ接続されている。ヒートポンプユニット２の出口１７は、出口配管１８を介して、上部配管１４の途中の位置に接続されている。ヒートポンプユニット２の詳細については後述する。本実施の形態１では、加熱する対象流体が水である場合について説明するが、本発明における対象流体は、例えばブライン、不凍液など、水以外の流体でも良い。

貯湯タンク１０の下部には、水道等の水源からの水を供給する給水配管１９が接続されている。給水配管１９の途中には、水源圧力を所定圧力に減圧する減圧弁２０が設置されている。給水配管１９から水が流入することで、貯湯タンク１０内は常に満水状態に維持される。貯湯タンク１０と減圧弁２０との間の給水配管１９から給水配管２１が分岐している。給水配管２１の下流側は、二つに分岐して、給湯混合弁１５の第二入口と風呂混合弁１６の第二入口とにそれぞれ接続されている。給湯混合弁１５の出口は、給湯配管２２を介して、給湯栓２３に接続されている。給湯配管２２には、給湯流量検知手段２４と、給湯温度センサ２５とが設置されている。風呂混合弁１６の出口は、風呂配管２６を介して、浴槽２７に接続されている。風呂配管２６には、開閉弁２８と、風呂温度センサ２９とが設置されている。ヒートポンプユニット２の出口１７の近傍の出口配管１８には、ヒートポンプユニット２から出る水の温度であるヒートポンプ出口温度を検知するヒートポンプ出口温度センサ３０が設置されている。ヒートポンプ出口温度センサ３０は、ヒートポンプユニット２の内部の配管（後述する水流路４８）に設けても良い。なお、以下の説明では、ヒートポンプユニット２に入る水の温度を「ヒートポンプ入口温度」と称する。

制御装置５０は、例えばマイクロコンピュータ等により構成される制御手段である。制御装置５０は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、不揮発性メモリ等を含む記憶部、記憶部に記憶されたプログラムに基いて演算処理を実行する演算処理装置（ＣＰＵ）、演算処理装置に対して外部の信号を入出力する入出力ポート、時刻を計時するタイマー等を備える。制御装置５０は、ヒートポンプ装置１が備える各種のアクチュエータ及びセンサとそれぞれ電気的に接続される。また、制御装置５０は、操作部６０と相互に通信可能に接続される。使用者は、操作部６０を操作することで、給湯温度、浴槽湯量、浴槽温度等を設定したり、浴槽湯張り時刻をタイマー予約したりすることができる。制御装置５０は、各センサで検知される情報及び操作部６０からの指示情報などに基づき、各アクチュエータの動作を記憶部に記憶されたプログラムに従って制御することにより、ヒートポンプ装置１の運転を制御する。

次に、貯湯運転について説明する。貯湯運転は、貯湯タンク１０内の貯湯量及び蓄熱量を増加させる運転である。貯湯運転時には、制御装置５０は、ヒートポンプユニット２及びポンプ１３を稼動する。貯湯運転では、貯湯タンク１０の下部からポンプ１３により導出された低温水が、入口配管１１を通ってヒートポンプユニット２に送られ、ヒートポンプユニット２で加熱され、高温水になる。この高温水が、出口配管１８及び上部配管１４を通り、貯湯タンク１０の上部に流入する。このような貯湯運転により、貯湯タンク１０内に上側から高温水が溜まっていく。

貯湯運転では、制御装置５０は、ヒートポンプ出口温度センサ３０で検知されるヒートポンプ出口温度が例えば６５℃〜９０℃程度になるように制御する。ヒートポンプユニット２を流れる水の流量が高くなるようにポンプ１３を制御することでヒートポンプ出口温度が低下する。ヒートポンプユニット２を流れる水の流量が低くなるようにポンプ１３を制御することでヒートポンプ出口温度が上昇する。また、貯湯運転では、制御装置５０は、ヒートポンプユニット２が高加熱運転を行うように制御する。ヒートポンプユニット２の高加熱運転とは、ヒートポンプユニット２の加熱能力を所定の定格能力にする運転である。

次に、給湯運転について説明する。給湯運転は、給湯栓２３に給湯する運転である。使用者が給湯栓２３を開くと、給水配管１９からの水が水源圧力により貯湯タンク１０内の下部に流入することで、貯湯タンク１０内の上部の高温水が上部配管１４へ流出する。給湯混合弁１５において、給水配管２１から供給される低温水と、貯湯タンク１０から上部配管１４を通って供給される高温水とが混合される。この混合水が給湯配管２２を通って給湯栓２３から外部に放出される。このとき、混合水の通過が給湯流量検知手段２４で検知されると、制御装置５０は、給湯温度センサ２５で検知される給湯温度が、使用者によって予め操作部６０で設定された給湯温度設定値になるように、給湯混合弁１５の混合比率を制御する。

次に、湯張り運転について説明する。湯張り運転は、浴槽２７に湯を溜める運転である。使用者が操作部６０で湯張り運転の起動操作を実施した場合、または、タイマー予約された時刻になった場合に、湯張り運転が開始される。湯張り運転時には、制御装置５０は、ヒートポンプユニット２及びポンプ１３を稼動し、開閉弁２８を開状態にする。給水配管１９からの水が水源圧力により貯湯タンク１０の下部に流入することで、貯湯タンク１０の上部の高温水が上部配管１４へ流出する。また、貯湯タンク１０の下部からポンプ１３により導出された低温水が、入口配管１１を通ってヒートポンプユニット２に送られ、ヒートポンプユニット２で加熱される。ヒートポンプユニット２で加熱された水は、出口配管１８を通り、上部配管１４に流入する。貯湯タンク１０から供給される高温水とヒートポンプユニット２で加熱された水とが上部配管１４で合流し、風呂混合弁１６に供給される。風呂混合弁１６において、給水配管２１から供給される低温水と、上部配管１４を通って供給される湯とが混合される。この混合水は風呂配管２６を通り、開閉弁２８を通過し、浴槽２７内へ放出される。このとき、制御装置５０は、風呂温度センサ２９で検知される給湯温度が、使用者によって予め操作部６０で設定された浴槽温度設定値になるように、風呂混合弁１６の混合比率を制御する。

このように、本実施の形態１の湯張り運転では、貯湯タンク１０に貯えた高温水だけでなく、ヒートポンプユニット２で加熱した水を補助的に用いることで、浴槽２７に湯を供給する。湯張り運転では、制御装置５０は、ヒートポンプ出口温度センサ３０で検知されるヒートポンプ出口温度が浴槽温度設定値よりも低くなるように制御する。また、湯張り運転では、制御装置５０は、ヒートポンプユニット２が低加熱運転を行うように制御する。ヒートポンプユニット２の低加熱運転とは、ヒートポンプユニット２の加熱能力を高加熱運転に比べて低くする運転である。

ここで、湯張り能力について説明する。湯張り能力とは、所定の浴槽容量、給水温度及び湯張り流量の条件下で、目標浴槽温度で浴槽を満たす場合に必要とされる単位時間当たりの熱エネルギーである。例えば、浴槽容量１８０Ｌ、給水温度９℃及び目標浴槽温度４５℃とし、湯張り流量を１０Ｌ／ｍｉｎ〜２０Ｌ／ｍｉｎとすると、標準的な湯張り能力は２５ｋＷ〜５０ｋＷとなる。一方、ヒートポンプユニット２の定格加熱能力は、例えば４．５ｋＷ〜９ｋＷ程度である。ヒートポンプユニット２の加熱能力のみでは、標準的な湯張り能力を満足させることができない。標準的な湯張り能力を満足するには、貯湯タンク１０に貯えた高温水を用いる必要がある。

ヒートポンプユニット２は、加熱能力を低くして運転するほど、ＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）が高くなる特性を有する。また、ヒートポンプユニット２は、ヒートポンプ出口温度が低くなるほどＣＯＰが高くなる特性を有する。このため、低加熱運転のＣＯＰは、高加熱運転のＣＯＰより高くなる。低加熱運転のＣＯＰをＣ１とし、高加熱運転のＣＯＰをＣ２とし、湯張り運転の実質的なＣＯＰである湯張りＣＯＰをＣ３とし、湯張り能力に対するヒートポンプユニット２の低加熱運転の加熱能力の比率をＲｈｐとすると、湯張りＣＯＰは次式で表される。
Ｃ３＝Ｃ１×Ｒｈｐ＋Ｃ２×（１−Ｒｈｐ） ・・・（１）

上述したように、貯湯運転では高加熱運転を行う。すなわち、貯湯タンク１０内の高温水は、高加熱運転で生成されたものである。したがって、湯張り運転で、ヒートポンプユニット２を稼動せず、貯湯タンク１０に貯えた高温水だけを用いて浴槽２７に湯を供給した場合には、湯張りＣＯＰは高加熱運転のＣＯＰに等しくなる。つまり、上記（１）式でＲｈｐ＝０とすると、Ｃ３＝Ｃ２となる。これに対し、本実施の形態１の湯張り運転によれば、低加熱運転を行い、ヒートポンプユニット２で加熱した水を補助的に用いることで、湯張りＣＯＰを高加熱運転のＣＯＰより高くすることができる。つまり、上記（１）式でＲｈｐ＞０であるので、Ｃ３＞Ｃ２となる。このように、本実施の形態１では、低加熱運転を伴う湯張り運転を行うことで、前述の湯張り能力を確保しつつ、湯張りＣＯＰを向上することができる。また、湯張り運転時にヒートポンプユニット２を稼動することで、湯張りに必要な熱エネルギーの一部をまかなうことができる。このため、貯湯タンク１０に確保すべき蓄熱量を削減できる。よって、貯湯タンク１０からの放熱ロスを低減でき、全体としてのエネルギー効率をさらに向上できる。また、貯湯タンク１０に確保すべき蓄熱量を削減できるため、貯湯タンク１０の容量を減らすことができ、貯湯タンク１０の小型化が図れる。

図２は、本発明の実施の形態１のヒートポンプ装置１が備えるヒートポンプユニット２を示す構成図である。図２に示すように、ヒートポンプユニット２は、圧縮機３と、第一熱交換器４と、第二熱交換器５と、膨張弁６と、蒸発器７とを冷媒配管により接続した冷媒回路を備える。第一熱交換器４及び第二熱交換器５は、冷媒の熱で水を加熱する熱交換器である。蒸発器７は、空気と冷媒との熱交換を行う空気冷媒熱交換器で構成されている。ヒートポンプユニット２は、蒸発器７に送風する送風機８と、高圧冷媒と低圧冷媒との熱交換を行う高低圧熱交換器９とを更に備える。本実施の形態１では、冷媒として二酸化炭素を使用する。なお、本発明における蒸発器７は、空気と冷媒とを熱交換するものに限らず、例えば、地下水、太陽熱温水などと冷媒とを熱交換するものでも良い。

圧縮機３は、密閉容器３１と、密閉容器３１の内部に設けられた圧縮要素３２及び電動要素３３と、第一吸入通路３４と、第一吐出通路３５と、第二吸入通路３６と、第二吐出通路３７とを有する。電動要素３３の下側に圧縮要素３２が配置されている。密閉容器３１の内部には、圧縮要素３２と電動要素３３との間の内部空間３８と、電動要素３３の上側の内部空間３９とが設けられている。第一吸入通路３４は、圧縮機３に吸入される低圧冷媒を密閉容器３１の内部空間３８，３９へ放出せず、この低圧冷媒を直接圧縮要素３２へ導く。圧縮要素３２は、低圧冷媒を圧縮し、高圧冷媒にする。圧縮要素３２は、電動要素３３により駆動される。電動要素３３は、固定子３３ａ及び回転子３３ｂを有する電動機である。圧縮要素３２は、圧縮した高圧冷媒を第一吐出通路３５へ吐出する。第一吐出通路３５は、この高圧冷媒を密閉容器３１の内部空間３８，３９へ放出せず、この高圧冷媒を密閉容器３１の外部へ直接吐出する。第一吐出通路３５から吐出された高圧冷媒は、冷媒流路４０を通って、第一熱交換器４に流入する。第一熱交換器４にて水で冷却された高圧冷媒は、冷媒流路４１及び第二吸入通路３６を通り、圧縮機３に再吸入される。

第二吸入通路３６の出口は、電動要素３３と圧縮要素３２との間の内部空間３８に位置する。第二吸入通路３６は、圧縮機３に再吸入される高圧冷媒を圧縮せず、この高圧冷媒を電動要素３３と圧縮要素３２との間の内部空間３８へ放出する。第二吐出通路３７の入口は、電動要素３３の上側の内部空間３９に位置する。第二吸入通路３６の出口から電動要素３３と圧縮要素３２との間の内部空間３８へ放出された高圧冷媒は、電動要素３３の回転子３３ｂと固定子３３ａとの隙間等を通って、電動要素３３の上側の内部空間３９に至る。このとき、高温になっている電動要素３３が高圧冷媒により冷却され、高圧冷媒は電動要素３３の熱で加熱される。第二吐出通路３７は、電動要素３３の上側の内部空間３９の高圧冷媒を圧縮せず、この高圧冷媒を密閉容器３１の外部へ吐出する。

第二吐出通路３７から吐出された高圧冷媒は、冷媒流路４２を通って、第二熱交換器５に流入する。第二熱交換器５にて水で冷却された高圧冷媒は、冷媒流路４３を通って、膨張弁６に至る。膨張弁６は、高圧冷媒を膨張させて低圧冷媒にする膨張部である。膨張弁６で膨張した低圧冷媒は、冷媒流路４４を通って、蒸発器７に流入する。蒸発器７では、低圧冷媒は、送風機８によって導かれた外気と熱交換することで加熱され、蒸発する。蒸発器７を通過した低圧冷媒は、冷媒流路４５を通って圧縮機３の第一吸入通路３４に至り、圧縮機３に吸入される。高低圧熱交換器９は、冷媒流路４３の途中の高圧冷媒と、冷媒流路４５の途中の低圧冷媒とを熱交換させる。

以下の説明では、圧縮要素３２から吐出される冷媒の圧力を「圧縮要素吐出圧力」と称し、圧縮要素３２に吸入される冷媒の圧力を「圧縮要素吸入圧力」と称し、圧縮要素３２から吐出される冷媒の温度を「圧縮要素吐出温度」と称し、圧縮要素３２に吸入される冷媒の温度を「圧縮要素吸入温度」と称する。第一吐出通路３５から吐出される高圧冷媒の圧力は圧縮要素吐出圧力に等しい。第一吐出通路３５から吐出された高圧冷媒は、第一熱交換器４を経由して第二吸入通路３６に至るまでの圧力損失により、圧力が低下する。このため、密閉容器３１の内部空間３８の高圧冷媒の圧力は、第一吐出通路３５から吐出される高圧冷媒の圧力すなわち圧縮要素吐出圧力に比べて、やや低くなる。

ヒートポンプユニット２は、入口１２から流入した水を第二熱交換器５に導く水流路４６と、第二熱交換器５を通過した水を第一熱交換器４に導く水流路４７と、第一熱交換器４を通過した水を出口１７に導く水流路４８とを更に備える。加熱運転時には、入口１２から流入した水が水流路４６を通って第二熱交換器５に流入し、第二熱交換器５内で冷媒の熱により加熱される。第二熱交換器５内で加熱された水は、第一熱交換器４に流入し、第一熱交換器４内で冷媒の熱により更に加熱される。第一熱交換器４内で更に加熱された水は、水流路４８を通って出口１７に至り、出口配管１８へ流れる。

第一吐出通路３５または冷媒流路４０には、圧縮要素吐出温度を検知する吐出温度センサ５１が設けられている。第二吸入通路３６または冷媒流路４１には、第二吸入通路３６の冷媒温度を検知する冷媒温度センサ５２が設けられている。

次に、貯湯運転時の高加熱運転についてさらに説明する。前述したように、高加熱運転では、制御装置５０は、第一熱交換器４から出る水の温度すなわちヒートポンプ出口温度を例えば６５℃〜９０℃程度に制御する。図３は、高加熱運転の圧力−エンタルピ線図である。図３中のＡからＨは、図２中のＡからＨに対応する。図３に示すように、冷媒は、圧縮要素３２で、臨界圧力を超える圧力まで圧縮される（Ａ→Ｂ）。この超臨界状態の高圧冷媒は、第一熱交換器４で冷却される（Ｂ→Ｃ）。第二吸入通路３６から密閉容器３１の内部空間３８へ吸入される高圧冷媒の状態は図３中のＣである。この高圧冷媒は、内部空間３９へ至る間に電動要素３３の熱で加熱される（Ｃ→Ｄ）。第二吐出通路３７から吐出される高圧冷媒の状態は図３中のＤである。この高圧冷媒は、第二熱交換器５で冷却される（Ｄ→Ｅ）。その後、高圧冷媒は、高低圧熱交換器９でさらに冷却される（Ｅ→Ｆ）。高低圧熱交換器９を通過した高圧冷媒は、膨張弁６で減圧され、低圧冷媒になる（Ｆ→Ｇ）。この低圧冷媒は、蒸発器７で蒸発する（Ｇ→Ｈ）。蒸発器７で蒸発した低圧冷媒は、高低圧熱交換器９で加熱される（Ｈ→Ａ）。このような高加熱運転のヒートポンプ出口温度である６５℃〜９０℃は、冷媒である二酸化炭素の臨界温度に比較して十分に高い。高加熱運転では、圧縮要素吐出圧力、並びに、第一熱交換器４、密閉容器３１及び第二熱交換器５の内部の冷媒の圧力は、臨界圧力を超える圧力になる。

図４は、高加熱運転での第一熱交換器４及び第二熱交換器５での冷媒及び水の温度変化の一例を表す図である。図４中のＢからＥは、図２及び図３中のＢからＥに対応する。図４の横軸は、第一熱交換器４及び第二熱交換器５の内部での位置を流路長の比で表す。すなわち、図４の横軸は、第一熱交換器４及び第二熱交換器５の水流路の全長を１とした場合の第二熱交換器５の水入口からの水流路長の比、あるいは第一熱交換器４及び第二熱交換器５の冷媒流路の全長を１とした場合の第二熱交換器５の冷媒出口からの冷媒流路長の比を表す。図４に示す例では、第二熱交換器５へ入る水の温度すなわちヒートポンプ入口温度は約９℃であり、第一熱交換器４から出る水の温度すなわちヒートポンプ出口温度は約６５℃である。第一熱交換器４へ入る冷媒の温度すなわち圧縮要素吐出温度は約８５℃である。

図５は、高加熱運転での制御装置５０の制御動作を示すフローチャートである。高加熱運転では、制御装置５０は、各アクチュエータを以下のように制御する。制御装置５０は、ヒートポンプユニット２の加熱能力が定格能力になるように、圧縮機３を制御する（ステップＳ１）。ここで、加熱能力とは、第一熱交換器４及び第二熱交換器５の合計の、時間当たりの水加熱量である。制御装置５０は、圧縮機３の容量を制御することで加熱能力を制御できる。制御装置５０は、圧縮機３の駆動速度、駆動周波数等を制御することで圧縮機３の容量を制御できる。また、制御装置５０は、ヒートポンプ出口温度センサ３０で検知されるヒートポンプ出口温度が、６５℃〜９０℃の範囲にある、所定の加熱温度設定値になるように、ポンプ１３による水流量を制御する。また、制御装置５０は、必要な蒸発能力に応じて送風機８の送風量を制御する。蒸発能力とは、蒸発器７での空気から冷媒が吸収する熱量である。

高加熱運転のとき、制御装置５０は、圧縮要素吐出温度が目標値に一致するように、冷媒流量を膨張弁６で制御する。膨張弁６の開度を小さくして冷媒流量を低くするほど、圧縮要素吐出温度が高くなる。圧縮要素吐出温度は、図２及び図６中のＢに設けた吐出温度センサ５１で検知できる。制御装置５０には、ヒートポンプ出口温度、外気温度、加熱能力などのパラメータと、圧縮要素吐出温度の目標値との関係を定めたテーブルが記憶されている。圧縮要素吐出温度の目標値は、ヒートポンプ出口温度、外気温度、加熱能力などのパラメータに応じて、最大のＣＯＰが得られるように定められている。制御装置５０は、ヒートポンプ出口温度、外気温度、加熱能力などのパラメータと、上記テーブルとに基づいて、圧縮要素吐出温度の目標値を決定する。そして、制御装置５０は、圧縮要素吐出温度が目標値に一致しているか否かを判断する（ステップＳ２）。制御装置５０は、ステップＳ２で圧縮要素吐出温度が目標値に一致している場合には、ステップＳ１に戻る。ステップＳ２で圧縮要素吐出温度が目標値に一致していない場合には、制御装置５０は、圧縮要素吐出温度が目標値に一致するように、冷媒流量を膨張弁６で制御する（ステップＳ３）。以上のように制御することで、高加熱運転のときのＣＯＰを十分に高くすることができる。

以下の説明では、蒸発器７から出る冷媒の過熱度を「蒸発器出口過熱度」と称する。圧縮要素吐出温度と、蒸発器出口過熱度とは、相関がある。このため、高加熱運転のとき、制御装置５０は、上記ステップＳ２及びＳ３に代えて、蒸発器出口過熱度が目標値に一致するように、冷媒流量を膨張弁６で制御しても良い。膨張弁６の開度を小さくして冷媒流量を低くするほど、蒸発器７の出口の過熱度が大きくなる。蒸発器出口過熱度は、例えば、図２及び図６中のＧ及びＨにそれぞれ温度センサを設け、その二つの温度センサの温度差として検知できる。この場合、制御装置５０には、ヒートポンプ出口温度、外気温度、加熱能力などのパラメータと、蒸発器出口過熱度の目標値との関係を定めたテーブルが記憶されている。蒸発器出口過熱度の目標値は、ヒートポンプ出口温度、外気温度、加熱能力などのパラメータに応じて、最大のＣＯＰが得られるように定められている。制御装置５０は、ヒートポンプ出口温度、外気温度、加熱能力などのパラメータと、上記テーブルとに基づいて、蒸発器出口過熱度の目標値を決定する。そして、制御装置５０は、上記ステップＳ２に代えて、蒸発器出口過熱度が目標値に一致しているか否かを判断する。制御装置５０は、蒸発器出口過熱度が目標値に一致している場合には、ステップＳ１に戻る。蒸発器出口過熱度が目標値に一致していない場合には、制御装置５０は、上記ステップＳ３に代えて、蒸発器出口過熱度が目標値に一致するように、冷媒流量を膨張弁６で制御する。以上のように制御することで、高加熱運転のときのＣＯＰを十分に高くすることができる。

次に、湯張り運転時の低加熱運転についてさらに説明する。低加熱運転では、制御装置５０は、ヒートポンプ出口温度を例えば２０℃〜３０℃程度に制御する。図６は、低加熱運転の圧力−エンタルピ線図である。図６中のＡからＨは、図２中のＡからＨに対応する。図６に示すように、冷媒は、圧縮要素３２で、臨界圧力以下の圧力まで圧縮される（Ａ→Ｂ）。圧縮要素３２で圧縮された後の高圧冷媒（図６中のＢ）は、過熱ガス状態である。この過熱ガス状態の高圧冷媒は、第一熱交換器４で冷却される（Ｂ→Ｃ）。第一熱交換器４で冷却された後の高圧冷媒（図６中のＣ）も、過熱ガス状態である。この高圧冷媒は、内部空間３９へ至る間に電動要素３３の熱で加熱される（Ｃ→Ｄ）。第二吐出通路３７から吐出される高圧冷媒の状態は図６中のＤである。この高圧冷媒は、第二熱交換器５で冷却されることで凝縮し、液化する（Ｄ→Ｅ）。その後、高圧冷媒は、高低圧熱交換器９でさらに冷却される（Ｅ→Ｆ）。高低圧熱交換器９を通過した高圧冷媒は、膨張弁６で減圧され、低圧冷媒になる（Ｆ→Ｇ）。この低圧冷媒は、蒸発器７で蒸発する（Ｇ→Ｈ）。蒸発器７で蒸発した低圧冷媒は、高低圧熱交換器９で加熱される（Ｈ→Ａ）。このような低加熱運転のヒートポンプ出口温度である２０℃〜３０℃は、冷媒である二酸化炭素の臨界温度より低い。低加熱運転では、圧縮要素吐出圧力、並びに、第一熱交換器４、密閉容器３１及び第二熱交換器５の内部の冷媒の圧力は、臨界圧力以下の圧力になる。

図７は、低加熱運転での第一熱交換器４及び第二熱交換器５での冷媒及び水の温度変化の一例を表す図である。図７中のＢからＥは、図２及び図６中のＢからＥに対応する。図７の横軸の意味は、図４の横軸と同じである。図７に示す例では、第二熱交換器５へ入る水の温度すなわちヒートポンプ入口温度は約９℃であり、ヒートポンプ出口温度は約２５℃である。第一熱交換器４へ入る冷媒の温度すなわち圧縮要素吐出温度は約４５℃である。第二熱交換器５での冷媒の凝縮飽和温度は約２２℃である。以下の説明では、第二熱交換器５での冷媒の凝縮飽和温度を単に「凝縮飽和温度」と称する。また、蒸発器７での冷媒の蒸発飽和温度を単に「蒸発飽和温度」と称する。

図８は、低加熱運転での制御装置５０の制御動作を示すフローチャートである。低加熱運転では、制御装置５０は、各アクチュエータを以下のように制御する。制御装置５０は、ヒートポンプユニット２の加熱能力が、高加熱運転での加熱能力より低い能力、すなわち定格能力より低い能力になるように、圧縮機３を制御する（ステップＳ１１）。このステップＳ１１で、制御装置５０は、高加熱運転に比べて、圧縮機３の容量を低くするように制御する。例えば、高加熱運転に比べて、圧縮機３の駆動速度、駆動周波数等を低くする。低加熱運転の冷媒流量は、高加熱運転の冷媒流量に比べて、低くなる。また、制御装置５０は、ヒートポンプ出口温度センサ３０で検知されるヒートポンプ出口温度が、２０℃〜３０℃の範囲にある、所定の加熱温度設定値になるように、ポンプ１３による水流量を制御する。低加熱運転の水流量は、高加熱運転の水流量に比べて、高くなる。また、制御装置５０は、必要な蒸発能力に応じて送風機８の送風量を制御する。

低加熱運転では、制御装置５０は、密閉容器３１の内部空間３８に流入する冷媒の状態、すなわち第二吸入通路３６の冷媒の状態が、過熱ガス状態になるように、冷媒流量を膨張弁６で制御する。このとき、膨張弁６の開度を小さくすると、冷媒流量が低くなり、かつ、第二吸入通路３６の冷媒の過熱度が大きくなる。過熱度とは、過熱ガス（すなわち過熱蒸気）の温度と、飽和蒸気の温度との差である。過熱度がゼロより大きければ、冷媒の状態が過熱ガス状態になる。

本実施の形態１では、低加熱運転のとき、制御装置５０は、後述の方法で、第二吸入通路３６の冷媒の過熱度ＳＨｓｉを推定する（ステップＳ１２）。制御装置５０は、その推定した過熱度ＳＨｓｉと参照値αとを比較する（ステップＳ１３）。参照値αはゼロ以上の所定値である。ステップＳ１３で過熱度ＳＨｓｉが参照値αに比べて大きい場合には、過熱度ＳＨｓｉが十分大きく、第二吸入通路３６の冷媒の状態を過熱ガス状態に確実に維持できると判断できる。この場合は、ステップＳ１１に戻る。これに対し、ステップＳ１３で過熱度ＳＨｓｉが参照値α以下である場合には、過熱度ＳＨｓｉが十分でないと判断できる。この場合には、制御装置５０は、膨張弁６の開度を小さくすることで、過熱度ＳＨｓｉを上昇させる（ステップＳ１４）。これにより、第二吸入通路３６の冷媒の状態を過熱ガス状態に確実に維持できる。

次に、低加熱運転時に第二吸入通路３６の冷媒の過熱度ＳＨｓｉを推定する方法について説明する。第二吸入通路３６の冷媒の過熱度ＳＨｓｉは、凝縮飽和温度Ｔｃと、第二吸入通路３６の冷媒温度Ｔｓ２とから、次式により算出できる。
ＳＨｓｉ＝Ｔｓ２−Ｔｃ ・・・（２）

ヒートポンプ出口温度から凝縮飽和温度を推定する方法について、図７を参照して説明する。図７に示すように、冷媒が過熱ガスである領域及び冷媒が過冷却液である領域に比べて、冷媒が気液二相になる領域では、冷媒の熱伝達率が高く、冷媒から水への伝熱が促進される。このため、水温が上昇する領域の大部分は、気液二相領域である。低加熱運転は、高加熱運転に比べて、ヒートポンプ入口温度からヒートポンプ出口温度までの水温度変化が小さい。また、低加熱運転は、高加熱運転に比べて、水流量が高く、水の熱伝達率が高い。その結果、低加熱運転は、高加熱運転に比べて、ピンチポイントにおける冷媒と水との温度差が小さくなる。ピンチポイントとは、冷媒温度と水温度とが最も近くなるポイントである。過熱ガス領域では、流路方向に対する冷媒の温度変化の傾きは、図７中のＢ（第一熱交換器４の冷媒入口）に近いほど大きく、ピンチポイントに近いほど小さい。よって、流路方向に対する水の温度変化の傾きも、ピンチポイント付近では小さい。したがって、ピンチポイントでの水温Ｔｗｐと、第一熱交換器４の水入口の水温Ｔｗｇｃ１ｉとは、ほぼ等しいとみなせる。すなわち、次式が成り立つ。
Ｔｗｐ≒Ｔｗｇｃ１ｉ ・・・（３）

第一熱交換器４での熱交換量Ｑｇｃ１は、冷媒の出入口の温度差で算出できる。すなわち、次式が成り立つ。
Ｑｇｃ１＝Ｇｒ×Ｃｐｒ×（Ｔｄ１−Ｔｓ２） ・・・（４）
ただし、Ｇｒは冷媒流量、Ｃｐｒは冷媒の定圧比熱、Ｔｄ１は圧縮要素吐出温度である。冷媒流量Ｇｒは、圧縮機３の容量及び外気温度などから推定できる。圧縮要素吐出温度Ｔｄ１は、吐出温度センサ５１で検知できる。

また、第一熱交換器４での熱交換量Ｑｇｃ１は、冷媒と水の温度差から算出することもできる。すなわち、次式が成り立つ。
Ｑｇｃ１＝Ａｇｃ１×Ｋｇｃ１×ΔＴｇｃ１ ・・・（５）
ただし、Ａｇｃ１は第一熱交換器４の伝熱面積、Ｋｇｃ１は第一熱交換器４の熱通過率、ΔＴｇｃ１は第一熱交換器４での冷媒と水の温度差である。Ａｇｃ１は固定値である。Ｋｇｃ１は、ほぼ一定値とみなせる。ΔＴｇｃ１は、算術平均温度差とすると、次式で算出できる。
ΔＴｇｃ１＝（Ｔｄ１＋Ｔｓ２）／２−（Ｔｗｏ＋Ｔｗｇｃ１ｉ）／２ ・・・（６）
ただし、Ｔｗｏはヒートポンプ出口温度である。算術平均温度差は上記（６）式で簡易に算出できる。また、ΔＴｇｃ１として、対数平均温度差を用いても良い。その場合には、より正確にΔＴｇｃ１を算出できる。

上記（４）式、（５）式及び（６）式を連立することで、圧縮要素吐出温度Ｔｄ１、第二吸入通路３６の冷媒温度Ｔｓ２、及びヒートポンプ出口温度Ｔｗｏに基づいて、第一熱交換器４の水入口の水温Ｔｗｇｃ１ｉを推定できる。そのようにして推定したＴｗｇｃ１ｉがピンチポイントでの水温Ｔｗｐに等しいとみなすことで、ピンチポイントでの水温Ｔｗｐを求めることができる。凝縮飽和温度Ｔｃは、次式で算出できる。
Ｔｃ＝Ｔｗｐ＋ΔＴｐ ・・・（７）
ただし、ΔＴｐはピンチポイントでの冷媒と水の温度差である。ピンチポイントでの冷媒と水の温度差ΔＴｐは、約１℃〜３℃程度である。上記（７）式で算出した凝縮飽和温度Ｔｃを上記（２）式に代入することで第二吸入通路３６の冷媒の過熱度ＳＨｓｉを求めることができる。図８のステップＳ１２では、以上のようにして、圧縮要素吐出温度Ｔｄ１、第二吸入通路３６の冷媒温度Ｔｓ２、及びヒートポンプ出口温度Ｔｗｏに基づいて、第二吸入通路３６の冷媒の過熱度ＳＨｓｉを推定できる。

また、第一熱交換器４の水入口の水温Ｔｗｇｃ１ｉを推定する方法は、上記方法に代えて、次のようにしても良い。第一熱交換器４での熱交換量Ｑｇｃ１は、水の出入口の温度差で算出できる。すなわち、次式が成り立つ。
Ｑｇｃ１＝Ｇｗ×Ｃｐｗ×（Ｔｗｏ−Ｔｗｇｃ１ｉ） ・・・（８）
ただし、Ｇｗは水流量、Ｃｐｗは水の比熱である。水流量Ｇｗは、ポンプ１３の駆動速度から推定できる。あるいは流量センサで水流量Ｇｗを検知しても良い。上記（４）式及び（５）式のいずれか一方と、上記（８）とを連立することで、圧縮要素吐出温度Ｔｄ１、第二吸入通路３６の冷媒温度Ｔｓ２、及びヒートポンプ出口温度Ｔｗｏに基づいて、第一熱交換器４の水入口の水温Ｔｗｇｃ１ｉを推定できる。そのようにして推定したＴｗｇｃ１ｉがピンチポイントでの水温Ｔｗｐに等しいとみなし、上記（７）式及び（２）式を用いることで、第二吸入通路３６の冷媒の過熱度ＳＨｓｉを推定できる。

本実施の形態１では、第二吸入通路３６の冷媒温度Ｔｓ２は、冷媒温度センサ５２で検知できる。ただし、冷媒温度センサ５２に代えて、密閉容器３１の外表面などに設けた温度センサによって第二吸入通路３６の冷媒温度Ｔｓ２を検知しても良い。

また、冷媒温度センサ５２を設けずに、圧縮要素吐出温度Ｔｄ１及びヒートポンプ出口温度Ｔｗｏに基づいて、以下のようにして、第二吸入通路３６の冷媒温度Ｔｓ２を推定してもよい。第一熱交換器４での熱交換量Ｑｇｃ１は、圧縮要素吐出温度Ｔｄ１とヒートポンプ出口温度Ｔｗｏとの温度差に比例するとみなせる。このため、その比例係数をＦとすると、次式が成り立つ。
Ｑｇｃ１＝Ｆ×（Ｔｄ１−Ｔｗｏ） ・・・（９）
上記（４）式及び（９）式を連立することで、圧縮要素吐出温度Ｔｄ１及びヒートポンプ出口温度Ｔｗｏに基づいて、第二吸入通路３６の冷媒温度Ｔｓ２を推定できる。また、上記（８）式及び（９）式を連立することで、圧縮要素吐出温度Ｔｄ１及びヒートポンプ出口温度Ｔｗｏに基づいて、第一熱交換器４の水入口の水温Ｔｗｇｃ１ｉを推定できる。そのようにして推定したＴｗｇｃ１ｉがピンチポイントでの水温Ｔｗｐに等しいとみなし、上記（７）式及び（２）式を用いることで、第二吸入通路３６の冷媒の過熱度ＳＨｓｉを推定できる。

上述した理論では、第一熱交換器４での熱交換量Ｑｇｃ１を算出する際に、第二吸入通路３６の冷媒が過熱ガス状態であることを前提にしている。このため、第二吸入通路３６の冷媒が気液二相状態になったと仮定すると、第一熱交換器４での熱交換量Ｑｇｃ１を実際より小さく推定することになる。第一熱交換器４での熱交換量Ｑｇｃ１を実際より小さく推定することは、第一熱交換器４での冷媒と水の温度差ΔＴｇｃ１を実際より小さく推定することにつながる。第一熱交換器４での冷媒と水の温度差ΔＴｇｃ１を実際より小さく推定することは、第一熱交換器４の水入口の水温Ｔｗｇｃ１ｉを実際より高く推定することにつながる。第一熱交換器４の水入口の水温Ｔｗｇｃ１ｉを実際より高く推定することは、凝縮飽和温度Ｔｃを実際より高く推定することにつながる。第二吸入通路３６の冷媒の過熱度ＳＨｓｉは、上記（２）式で算出される。このため、凝縮飽和温度Ｔｃを実際より高く推定することは、第二吸入通路３６の冷媒の過熱度ＳＨｓｉを実際より小さく推定することにつながる。したがって、上述した理論によって推定した第二吸入通路３６の冷媒の過熱度ＳＨｓｉがゼロより大きくなるように制御すれば、第二吸入通路３６の冷媒の状態を確実に過熱ガス状態に制御できる。

図８のステップＳ１２では、上述した方法に代えて、以下のようにして、蒸発飽和温度Ｔｅ、圧縮要素吸入温度Ｔｓ１及び圧縮要素吐出温度Ｔｄ１に基づいて、第二吸入通路３６の冷媒の過熱度ＳＨｓｉを推定しても良い。圧縮要素３２での圧縮工程をポリトロープ変化とし、ポリトロープ指数をｎとすると、次式が成り立つ。なお、ポリトロープ指数ｎは、冷媒の物性値及び圧縮機効率から定まる一定値とみなせる。
Ｔｄ１＝Ｔｓ１×（Ｐｄ１／Ｐｓ１）^{（ｎ−１）／ｎ} ・・・（１０）
ただし、Ｐｄ１は圧縮要素吐出圧力である。圧縮要素吸入温度Ｔｓ１は、図２及び図６中のＡに温度センサを設けることで検知できる。圧縮要素吐出温度Ｔｄ１は、図２及び図６中のＢに設けた吐出温度センサ５１で検知できる。

蒸発飽和温度Ｔｅは、図２及び図６中のＧに温度センサを設けることで検知できる。その蒸発飽和温度Ｔｅに基づき、飽和温度と飽和圧力との関係から、蒸発飽和圧力Ｐｅを算出できる。蒸発器７での圧力損失を無視すれば、圧縮要素吸入圧力Ｐｓ１は蒸発飽和圧力Ｐｅに等しいとみなせる。また、蒸発飽和圧力Ｐｅから圧力損失の一定値を引くことで圧縮要素吸入圧力Ｐｓ１を算出しても良い。そのようにして求めた圧縮要素吸入圧力Ｐｓ１を上記（１０）式に代入することで、蒸発飽和温度Ｔｅ、圧縮要素吸入温度Ｔｓ１及び圧縮要素吐出温度Ｔｄ１に基づいて、圧縮要素吐出圧力Ｐｄ１を算出できる。その圧縮要素吐出圧力Ｐｄ１に基づき、飽和温度と飽和圧力との関係から、凝縮飽和温度Ｔｃを算出できる。このようにして算出した凝縮飽和温度Ｔｃを上記（２）式に代入することで、第二吸入通路３６の冷媒の過熱度ＳＨｓｉを推定できる。

本実施の形態１のヒートポンプ装置１によれば、以下のような効果が得られる。
（１）貯湯運転時すなわち高加熱運転時には、圧縮要素吐出圧力Ｐｄ１が超臨界圧になり、第一熱交換器４及び第二熱交換器５の冷媒は凝縮しない。このため、ＣＯＰが最大になるように膨張弁６で冷媒流量を制御できる。
（２）湯張り運転時すなわち低加熱運転時には、第二吸入通路３６の冷媒の状態が過熱ガス状態になるように制御することで、密閉容器３１の内部空間３８に気液二相冷媒が流入することを確実に防止できる。これにより、信頼性を高めつつ、冷媒流量を適正に制御できる。その結果、効率の良い運転ができる。
（３）ヒートポンプ出口温度センサ３０、吐出温度センサ５１及び冷媒温度センサ５２等の温度センサの検知温度に基づいて、第二吸入通路３６の冷媒の過熱度ＳＨｓｉを推定できる。このため、高価な圧力センサを用いずに、低加熱運転時の第二吸入通路３６の冷媒の状態が過熱ガス状態になるように制御できる。
（４）低加熱運転時にも密閉容器３１への気液二相冷媒の流入を確実に防止できるので、密閉容器３１に液冷媒が蓄積されない。密閉容器３１に蓄積された液冷媒が圧縮要素３２あるいは電動要素３３により加熱されると、冷凍機油と混合している液冷媒が気化することで冷凍機油が発泡する。冷凍機油が発泡すると、冷凍機油がガス冷媒に混合し、冷凍機油がガス冷媒に伴って第二吐出通路３７から流出する。その結果、密閉容器３１内の冷凍機油が不足し、圧縮機３の摺動部の潤滑不良が生じる。また、第二熱交換器５に冷凍機油が滞留し、冷媒の伝熱が阻害されて、性能が低下する。これに対し、本実施の形態１によれば、密閉容器３１に液冷媒が蓄積されないので、これらの弊害を確実に防止できる。

本発明は、上述した構成に限定されるものではなく、例えば以下のようにしても良い。圧縮要素吐出圧力Ｐｄ１を検知する圧力センサを設け、その圧力センサの値に基づいて、第二吸入通路３６の冷媒の過熱度を制御しても良い。第一熱交換器４と第二熱交換器５とを接続する水流路４７に温度センサを設け、第一熱交換器４の水入口の水温Ｔｗｇｃ１ｉをその温度センサで検知しても良い。第二熱交換器５の冷媒流路の中間点に温度センサを設け、その温度センサで凝縮飽和温度Ｔｃを直接検知してもよい。

本発明の効果は、本実施の形態１のように高加熱運転時の圧縮要素吐出圧力が臨界圧力を超える圧力になる冷媒（例えば二酸化炭素）を用いる場合に、特に顕著に発揮される。しかしながら、本発明は、高加熱運転時の圧縮要素吐出圧力が臨界圧力以下の圧力になる冷媒を用いる場合にも適用できる。そのような冷媒としては、例えば、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２、Ｒ２２，Ｒ４０７Ｃ、プロパン、プロピレン、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ、ＨＦＯ−１２３４ｚｅ、またはこれらの混合冷媒が挙げられる。

高加熱運転時の圧縮要素吐出圧力が臨界圧力以下の圧力になる冷媒を用いる場合の一般的な設計手法は、定格能力で運転する高加熱運転時の条件に合わせて、第二吸入通路３６の冷媒が過熱ガスになるように、第一熱交換器４と第二熱交換器５の大きさ（熱交換量）の比を設計するという手法である。しかしながら、このように設計した場合でも、低加熱運転時には、ヒートポンプ出口温度が低く、圧縮要素吐出圧力が低下し、第一熱交換器４及び第二熱交換器５でのエンタルピ差が減少するため、第二吸入通路３６の冷媒が気液二相状態になり易い。これに対し、本発明を適用することで、上記と同様の効果が得られる。よって、高加熱運転時の圧縮要素吐出圧力が臨界圧力以下の圧力になる冷媒を用いる場合であっても本願発明を適用する意義がある。

実施の形態２．
次に、図９を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。図９は、本発明の実施の形態２のヒートポンプ装置１の低加熱運転での制御装置５０の制御動作を示すフローチャートである。図９のステップＳ１１からステップＳ１３は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。本実施の形態２では、ステップＳ１３で第二吸入通路３６の冷媒の過熱度ＳＨｓｉが参照値α以下である場合には、制御装置５０は、圧縮機３の容量が大きくなるように圧縮機３を制御すること（例えば圧縮機３の駆動速度を速くすること）で、第二吸入通路３６の冷媒の過熱度ＳＨｓｉを上昇させる（ステップＳ１５）。これにより、本実施の形態２では、第二吸入通路３６の冷媒の状態をより確実に過熱ガス状態に維持することができる。本実施の形態２は、上述した事項以外は実施の形態１と同様であるので、これ以上の説明を省略する。

実施の形態３．
次に、図１０を参照して、本発明の実施の形態３について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。図１０は、本発明の実施の形態３のヒートポンプ装置１の低加熱運転での制御装置５０の制御動作を示すフローチャートである。図１０のステップＳ１１からステップＳ１３は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。本実施の形態３では、ステップＳ１３で第二吸入通路３６の冷媒の過熱度ＳＨｓｉが参照値α以下である場合には、制御装置５０は、水流量が低くなるようにポンプ１３を制御することで、第二吸入通路３６の冷媒の過熱度ＳＨｓｉを上昇させる（ステップＳ１６）。水流量を低くすると、圧縮要素吐出圧力が上昇するが、圧力−エンタルピ線図の飽和蒸気線が左上に傾いているため、圧力が上昇するほど飽和ガスのエンタルピが小さくなる。その結果、過熱度ＳＨｓｉが大きくなる。本実施の形態３によれば、第二吸入通路３６の冷媒の状態をより確実に過熱ガス状態に維持することができる。本実施の形態３は、上述した事項以外は実施の形態１と同様であるので、これ以上の説明を省略する。

実施の形態４．
次に、図１１及び図１２を参照して、本発明の実施の形態４について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。図１１は、本発明の実施の形態４のヒートポンプ装置１が備えるヒートポンプユニット２を示す構成図である。図１１に示すように、本実施の形態４のヒートポンプユニット２は、実施の形態１と同様の構成に加え、第一吐出通路３５から第一熱交換器４を経由せずに第二吸入通路３６へ冷媒を流すバイパス流路５５と、このバイパス流路５５に設けられたバイパス弁５６とをさらに備える。バイパス流路５５は、第一熱交換器４の冷媒流路をバイパスする流路である。バイパス弁５６は、バイパス流路５５を通る冷媒の量を可変にする流路制御要素である。バイパス弁５６を閉じた状態では、第一吐出通路３５から吐出された過熱ガス状態の冷媒がすべて第一熱交換器４を通る状態になる。すなわち、実施の形態１と同様の状態になる。これに対し、バイパス弁５６を開いた状態では、第一吐出通路３５から吐出された過熱ガス状態の冷媒は、第一熱交換器４の冷媒流路と、バイパス流路５５とに分かれて流れる。そして、第一熱交換器４の冷媒流路を通過した冷媒と、バイパス流路５５を通過した冷媒とが合流し、第二吸入通路３６へ流れる。

図１２は、本発明の実施の形態４のヒートポンプ装置１の低加熱運転での制御装置５０の制御動作を示すフローチャートである。図１２のステップＳ１１からステップＳ１３は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。本実施の形態４では、ステップＳ１３で第二吸入通路３６の冷媒の過熱度ＳＨｓｉが参照値α以下である場合には、制御装置５０は、バイパス弁５６の開度が大きくなるようにバイパス弁５６を制御することで、第二吸入通路３６の冷媒の過熱度ＳＨｓｉを上昇させる（ステップＳ１７）。すなわち、ステップＳ１７では、バイパス弁５６が閉じている場合にはバイパス弁５６を所定の開度に開き、バイパス弁５６がすでに開いている場合にはバイパス弁５６の開度を大きくする。バイパス弁５６の開度を大きくすると、バイパス流路５５を通過する冷媒の割合が上昇する。バイパス流路５５を通過した過熱ガス状態の冷媒は、熱交換していないので、第一熱交換器４の冷媒流路を通過した冷媒より高温である。したがって、バイパス弁５６の開度を大きくし、バイパス流路５５を通過する冷媒の割合を上昇させることで、第二吸入通路３６の冷媒の過熱度ＳＨｓｉが上昇する。このような構成により、本実施の形態４では、第二吸入通路３６の冷媒の状態をより確実に過熱ガス状態に維持することができる。本実施の形態４は、上述した事項以外は実施の形態１と同様であるので、これ以上の説明を省略する。

１ ヒートポンプ装置、３ 圧縮機、４ 第一熱交換器、５ 第二熱交換器、６ 膨張弁、７ 蒸発器、８ 送風機、９ 給水温度、９ 高低圧熱交換器、１０ 貯湯タンク、１１ 入口配管、１２ 入口、１３ ポンプ、１４ 上部配管、１５ 給湯混合弁、１６ 風呂混合弁、１７ 出口、１８ 出口配管、１９ 給水配管、２０ 減圧弁、２１ 給水配管、２２ 給湯配管、２３ 給湯栓、２４ 給湯流量検知手段、２５ 給湯温度センサ、２６ 風呂配管、２７ 浴槽、２８ 開閉弁、２９ 風呂温度センサ、３０ ヒートポンプ出口温度センサ、３１ 密閉容器、３２ 圧縮要素、３３ 電動要素、３３ａ 固定子、３３ｂ 回転子、３４ 第一吸入通路、３５ 第一吐出通路、３６ 第二吸入通路、３７ 第二吐出通路、３８，３９ 内部空間、４０，４１，４２，４３，４４，４５ 冷媒流路、４６，４７，４８ 水流路、５０ 制御装置、５１ 吐出温度センサ、５２ 冷媒温度センサ、５５ バイパス流路、５６ バイパス弁、６０ 操作部

Claims (4)

1. 密閉容器と、前記密閉容器の内部に設けられた圧縮要素と、前記密閉容器の外部から吸入される低圧冷媒を前記密閉容器の内部空間へ放出せずに前記圧縮要素へ導く第一吸入通路と、前記圧縮要素により圧縮された高圧冷媒を前記密閉容器の内部空間へ放出せずに前記密閉容器の外部へ吐出する第一吐出通路と、前記第一吐出通路から吐出された後に熱交換をした高圧冷媒を圧縮せずに前記密閉容器の内部空間へ放出する第二吸入通路と、前記密閉容器の内部空間の高圧冷媒を圧縮せずに前記密閉容器の外部へ吐出する第二吐出通路とを有する圧縮機と、
   前記第一吐出通路から吐出された高圧冷媒の熱で対象流体を加熱する第一熱交換器と、
   前記第二吐出通路から吐出された高圧冷媒の熱で前記対象流体を加熱する第二熱交換器と、
   前記第二熱交換器を通過した高圧冷媒を膨張させて低圧冷媒にする膨張部と、
   前記膨張部を通過した低圧冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   高加熱運転と、前記第一熱交換器及び前記第二熱交換器の合計の加熱量が前記高加熱運転に比べて小さい低加熱運転とを行う制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記低加熱運転のとき、前記第二吸入通路の冷媒の状態が過熱ガス状態になるように、前記膨張部の開度、前記圧縮機の容量、及び前記対象流体の流量のうちの少なくとも一つを制御し、
   前記高加熱運転のときには前記圧縮要素から吐出される冷媒の圧力が臨界圧力を超える圧力になるとともに前記第一熱交換器から出る前記対象流体の温度が冷媒の臨界温度を超える温度になり、前記低加熱運転のときには前記圧縮要素から吐出される冷媒の圧力が前記臨界圧力以下の圧力になるとともに前記第一熱交換器から出る前記対象流体の温度が前記臨界温度より低い温度になり、
   前記制御手段は、前記低加熱運転のとき、前記圧縮要素から吐出される冷媒の温度と、前記第二吸入通路の冷媒の温度と、前記第一熱交換器から出る前記対象流体の温度とに基づいて、前記第二吸入通路の冷媒の過熱度を推定し、その推定結果に基づいて、前記膨張部の開度、前記圧縮機の容量、及び前記対象流体の流量のうちの少なくとも一つを制御するヒートポンプ装置。
2. 密閉容器と、前記密閉容器の内部に設けられた圧縮要素と、前記密閉容器の外部から吸入される低圧冷媒を前記密閉容器の内部空間へ放出せずに前記圧縮要素へ導く第一吸入通路と、前記圧縮要素により圧縮された高圧冷媒を前記密閉容器の内部空間へ放出せずに前記密閉容器の外部へ吐出する第一吐出通路と、前記第一吐出通路から吐出された後に熱交換をした高圧冷媒を圧縮せずに前記密閉容器の内部空間へ放出する第二吸入通路と、前記密閉容器の内部空間の高圧冷媒を圧縮せずに前記密閉容器の外部へ吐出する第二吐出通路とを有する圧縮機と、
   前記第一吐出通路から吐出された高圧冷媒の熱で対象流体を加熱する第一熱交換器と、
   前記第二吐出通路から吐出された高圧冷媒の熱で前記対象流体を加熱する第二熱交換器と、
   前記第二熱交換器を通過した高圧冷媒を膨張させて低圧冷媒にする膨張部と、
   前記膨張部を通過した低圧冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   高加熱運転と、前記第一熱交換器及び前記第二熱交換器の合計の加熱量が前記高加熱運転に比べて小さい低加熱運転とを行う制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記低加熱運転のとき、前記第二吸入通路の冷媒の状態が過熱ガス状態になるように、前記膨張部の開度、前記圧縮機の容量、及び前記対象流体の流量のうちの少なくとも一つを制御し、
   前記高加熱運転のときには前記圧縮要素から吐出される冷媒の圧力が臨界圧力を超える圧力になるとともに前記第一熱交換器から出る前記対象流体の温度が冷媒の臨界温度を超える温度になり、前記低加熱運転のときには前記圧縮要素から吐出される冷媒の圧力が前記臨界圧力以下の圧力になるとともに前記第一熱交換器から出る前記対象流体の温度が前記臨界温度より低い温度になり、
   前記制御手段は、前記低加熱運転のとき、前記圧縮要素に吸入される冷媒の温度と、前記圧縮要素から吐出される冷媒の温度と、前記蒸発器の蒸発飽和温度とに基づいて、前記第二吸入通路の冷媒の過熱度を推定し、その推定結果に基づいて、前記膨張部の開度、前記圧縮機の容量、及び前記対象流体の流量のうちの少なくとも一つを制御するヒートポンプ装置。
3. 前記制御手段は、前記高加熱運転のとき、前記圧縮要素から吐出される冷媒の温度または前記蒸発器から出る冷媒の過熱度が目標値になるように、前記膨張部により冷媒流量を制御する請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ装置。
4. 貯湯タンクを備え、
   前記制御手段は、前記第一熱交換器及び前記第二熱交換器で加熱された水を前記貯湯タンクに流入させる貯湯運転のときは前記高加熱運転を行い、前記第一熱交換器及び前記第二熱交換器で加熱された水を浴槽へ供給する湯張り運転のときは前記低加熱運転を行う請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。

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