JPWO2006025354A1 - ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

本発明は、圧縮機と、放熱器と、開度が可変である第１絞り装置と、膨張機と、開度が可変である第２絞り装置と、蒸発器と、これらを上記の順に冷媒が循環するように接続する管体と、第１絞り装置の開度および第２絞り装置の開度を制御する制御装置と、を有するヒートポンプを提供する。このヒートポンプによれば、膨張機に流入する冷媒の圧力（中間圧力）と冷凍サイクルの高圧側の圧力とを独立して制御することが可能となり、冷媒のレシーバの小型化、場合によっては省略、も可能となる。

Description

本発明は、給湯機、空調機などとして有用であるヒートポンプに関し、より詳しくは、膨張機によりエネルギーを回収する機構を備えたヒートポンプに関する。

膨張弁に代えて膨張機を用いたヒートポンプでは、冷媒が膨張するエネルギーを電力または動力として回収できる。膨張機としては、冷媒を導入して膨張させるための容量可変の空間を有する容積式膨張機が用いられることが多い。膨張機によるエネルギーの回収は、冷媒として二酸化炭素を用い、高圧側が超臨界状態に達する遷臨界サイクルにおいて、特にその意義が大きい。

膨張機は、その構造上、所定の方向に沿って冷媒が通過しないとエネルギーを回収できない。しかし、空調機として用いるヒートポンプでは、室内に設置した熱交換器を、暖房運転時には放熱器として、冷房運転時には蒸発器として、使用する必要があるため、基本的に、冷房運転時と暖房運転時とにおいて冷媒を反対に流す必要がある。

特開２００１−６６００６号公報は、冷房運転時および暖房運転時の双方において膨張機によるエネルギー回収が可能なヒートポンプを開示している。このヒートポンプは、四方弁の切り換えにより、冷房、暖房のいずれの運転時においても、冷媒が膨張機を同一方向に流れるように設計されている。また、このヒートポンプでは、膨張機で回収したエネルギーをそのまま圧縮機の運転に費やすために、膨張機と圧縮機とが同一の回転軸に接続、即ち直結されている。

膨張機と圧縮機とが直結されたヒートポンプでは、膨張機と圧縮機とが同じ回転速度で作動するため、膨張機と圧縮機との押しのけ容積比を運転条件に応じて変化させることができない。このため、このタイプのヒートポンプは、エネルギーの回収効率には優れているが、運転条件に応じた円滑な運転が困難であった。特開２００３−１２１０１８号公報は、この困難を緩和するヒートポンプを開示している。

図２０に示すように、特開２００３−１２１０１８号公報は、特開２００１−６６００６号公報と同様、管体１１０に２つの四方弁１３１，１３４を配置し、四方弁１３１，１３４の切り換えにより、冷房、暖房のいずれの運転時においても、冷媒が膨張機１０４および圧縮機１０１を同一方向に流れるように設計されたヒートポンプを開示している。このヒートポンプを用いた空調機では、暖房時には、四方弁１３１，１３４内において実線で示された経路が選択され、室内熱交換器１３２が放熱器として機能し、室外熱交換器１３６が蒸発器として機能する。この空調機では、冷房時には、四方弁１３１，１３４内において破線で示された経路が選択され、室内熱交換器１３２が蒸発器として機能し、室外熱交換器１３６が放熱器として機能する。このヒートポンプでは、膨張機１０４および圧縮機１０１が直結して１つの回転軸を共有し、この回転軸がモータ１３０により駆動される。

特開２００３−１２１０１８号公報に開示されたヒートポンプでは、膨張機１０４と並列に配置されたバイパス回路１２０に膨張弁（バイパス弁）１３９が配置され、さらに膨張機１０４と直列にも膨張弁１０５が配置されている。そして、運転条件に応じて、膨張弁１０５または膨張弁１３９の開度が制御される。

上述のように、膨張機と圧縮機とが直結されたヒートポンプは、エネルギーの回収という点では優れているが、膨張機と圧縮機との押しのけ容積比を運転条件に応じて変化させることができない。例えば、冷房運転時の標準的な条件を基準として膨張機が設計されていると、暖房運転時には膨張機の押しのけ容積が要求値に対して大きすぎることになる。このため、特開２００３−１２１０１８号公報に開示されたヒートポンプでは、暖房運転時には、バイバス弁１３９が全閉され、膨張弁１０５の開度が適宜制御される。膨張弁１０５の開度を絞れば、膨張機１０４に流入する冷媒の比容積が増大する。冷房運転時には、膨張機１０４の押しのけ容積が要求値よりも小さくなることがある。この場合には、膨張弁１０５が全開され、バイバス弁１３９の開度が適宜制御される。こうして、特開２００３−１２１０１８号公報が開示するヒートポンプは、運転条件に応じた円滑なサイクル動作を可能としている。

図２１は、図２０に示したヒートポンプにおける冷凍サイクルを示すモリエル線図である。圧縮機１０１から吐出された高圧Ｐ_Ｈの状態ａにある冷媒は、放熱器１０４として機能する室内熱交換器１３２または室外熱交換器１３６において放熱して状態ｂに至る。冷媒は、膨張機１０４内で等エントロピ膨張して中間圧Ｐ_Ｍの状態ｃに至り、さらに膨張弁１０５で等エンタルピ膨張して低圧Ｐ_Ｌの低圧ｄに至る。冷媒は、蒸発器として機能する室外熱交換器１３６または室内熱交換器１３２において吸熱して状態ｅに至った後、圧縮機１０１に流入する。このヒートポンプでは、膨張機１０４により、状態ｂと状態ｄとのエンタルピ差Ｗ_２に相当するエネルギーが回収される。このため、このヒートポンプには、基本的に、状態ａと状態ｅとのエンタルピ差Ｗ_１からエンタルピ差Ｗ_２を差し引いた値（Ｗ_１−Ｗ_２）に相当する動力を投入すれば足りる。

特開２００３−１２１０１８号公報は、図２２に示すように、膨張弁１０５を膨張機１０４の上流側に配置したヒートポンプも開示している。このヒートポンプは、膨張弁１０５および冷媒のレシーバ１００の位置を除いては、図２０に示したヒートポンプと同様の構成を有する。図２３に、図２２に示したヒートポンプにおける冷凍サイクルを示すモリエル線図を示す。この冷凍サイクルは、膨張機１０４における等エントロピ膨張（図２３において状態ｃから状態ｄへの膨張）に先だって、膨張弁１０５における等エンタルピ膨張（図２２において状態ｂから状態ｃへの膨張）が実施される点を除いては、図２１に示した冷凍サイクルと同じである。

特開２００３−１２１０１８号公報が開示するヒートポンプでは、膨張機１０４の上流側または下流側に配置した膨張弁１０５の開度を調整することにより、膨張機１０４に流入する冷媒の比容積、換言すれば膨張機１０４に流入する冷媒の圧力、が制御される。

しかし、膨張機１０４に流入する冷媒の圧力Ｐ_Ｍを制御するために膨張弁１０５の開度を制御すると、冷凍サイクルが全体として高圧側または低圧側にシフトすることになり、結果として冷凍サイクルの高圧側の圧力Ｐ_Ｈが変化する。冷凍サイクルにおいて、圧力Ｐ_Ｍを制御できたとしても、この制御が高圧側の圧力Ｐ_Ｈの意図しない変化を伴うものであれば、ヒートポンプの効率を高く維持することが難しい。

このように、特開２００３−１２１０１８号公報が開示するヒートポンプの制御機構には、膨張機１０４に流入する冷媒の圧力Ｐ_Ｍと、冷凍サイクルの高圧側の冷媒の圧力Ｐ_Ｈとを独立して制御できないという問題があった。この理由の一つは、膨張弁１０５，１３９の一方が全開または全閉された状態で、他方のみが制御されていることにあるが、ヒートポンプにおいて、圧力Ｐ_Ｍおよび圧力Ｐ_Ｈをともに制御することが容易となるように２つの膨張弁が配置されていないことも上記問題の解決を困難としている。

ところで、図２０および図２２に示されているように、冷房運転時および暖房運転時のように必要とされる冷媒の量がかなり異なる条件で運転されるヒートポンプには、ヒートポンプを循環する冷媒の量を調節するために、レシーバ１００が設置されることが多い。レシーバ１００は、冷媒を一時的に貯留することにより、膨張機１０４への冷媒の流入過多を防止する。

しかし、装置の信頼性をレシーバにより担保すると、ヒートポンプが大型化し、充填すべき冷媒の量が多くなるという問題があった。ヒートポンプの大型化は、設置場所を制限し、ユーザーの要望にも添わない。充填すべき冷媒量の削減は、環境負荷軽減の観点から社会的にも要請されている。

以上述べた２つの問題、即ち、膨張機に流入する冷媒の圧力Ｐ_Ｍと冷凍サイクルの高圧側の冷媒の圧力Ｐ_Ｈとを独立して制御できないという第１の問題、および装置の信頼性をレシーバにより担保せざるを得ないという第２の問題は、図２０および図２２に示したような膨張機と圧縮機とを直結したヒートポンプにおいて顕在化するが、膨張機と圧縮機とを直結していないヒートポンプにおいても存在する。

例えば、膨張機を発電機に接続すれば、冷媒が膨張するエネルギーを電力として回収できるヒートポンプを構成することが可能であり、この場合は膨張機と圧縮機とを直結する必要はない。しかし、このタイプのヒートポンプにおいても、運転条件に応じた円滑なサイクル動作を可能とするためには、膨張機に流入する冷媒の圧力Ｐ_Ｍと、冷凍サイクルの高圧側の冷媒の圧力Ｐ_Ｈとをともに所望の値に制御することが望ましい。また、このタイプのヒートポンプにおいても、膨張機への冷媒の流入過多を防止するために、通常はレシーバが設置されている。

以上の事情に鑑み、本発明は、膨張機を備え、膨張機に流入する冷媒の圧力と、冷凍サイクルの高圧側の冷媒の圧力とを独立して制御できるヒートポンプを提供することを目的とする。また、本発明の別の目的は、膨張機の上流側または下流側に設置される冷媒のレシーバを従来よりも小型化できる、さらにその好適な実施態様においてはレシーバを設ける必要がない、ヒートポンプの提供にある。

本発明は、圧縮機と、放熱器と、開度が可変である第１絞り装置と、膨張機と、開度が可変である第２絞り装置と、蒸発器と、前記圧縮機、前記放熱器、前記第１絞り装置、前記膨張機、前記第２絞り装置および前記蒸発器をこの順に冷媒が循環するように接続する管体と、前記第１絞り装置の開度および前記第２絞り装置の開度を制御する制御装置と、を有するヒートポンプを提供する。

本発明のヒートポンプでは、膨張機の上流側および下流側に開度が可変である第１絞り装置および第２絞り装置を配置し、これら絞り装置の開度を制御装置で制御することした。これにより、膨張機に流入する冷媒の圧力（中間圧力）Ｐ_Ｍ（以下では、Ｐ_Ｉの符号を用いる）と、冷凍サイクルの高圧側の圧力Ｐ_Ｈとを独立して制御することが可能となり、その結果、運転条件に応じた冷凍サイクルの最適化を通じ、ヒートポンプの効率を高く維持することができる。

また、本発明のヒートポンプでは、第２絞り装置および第２絞り装置の開度を制御することとしたため、運転条件が要求する冷凍サイクルを維持しながら、膨張機内に保持される冷媒の量を従来よりも幅広い範囲内で調整できる。膨張機内に保持される冷媒の量を幅広い範囲内で調整できれば、ヒートポンプを循環する冷媒の量を調整するためのレシーバの容量が小さくてもよいし、場合によっては、レシーバを設けなくても、必要とされる冷媒の量が大きく異なる条件下で運転可能なヒートポンプを提供できる。

本発明のヒートポンプの構成の一例を示す図である。 図１のヒートポンプの冷凍サイクルを示すモリエル線図である。 制御装置による膨張弁の開度の制御の一例を示すフローチャートである。 蒸発器雰囲気温度Ｔ_Ｅと冷媒最適充填量Ｍ_Ｔとの関係の一例を示す図である。 中間圧力Ｐ_Ｉと膨張機内冷媒ホールド量Ｍ_Ｈとの関係の一例を示す図である。 冷媒最適充填量Ｍ_Ｔと目標中間圧力Ｐ_ＩＴとの関係の一例を示す図である。 図３に示した制御による冷凍サイクルの変化の一例を示すためのモリエル線図である。 図３に示した制御による冷凍サイクルの変化の別の一例を示すためのモリエル線図である。 制御装置による膨張弁の開度の制御の別の一例を示すフローチャートである。 冷媒としての二酸化炭素を等エントロピ膨張させた場合の圧力と比エンタルピとの関係を例示する図である。 本発明のヒートポンプの構成の別の一例を示す図である。 本発明のヒートポンプの構成のまた別の一例を示す図である。 本発明のヒートポンプの構成のさらに別の一例を示す図である。 本発明のヒートポンプの構成のまたさらに別の一例を示す図である。 制御装置による膨張弁の開度の制御のまた別の一例を示すフローチャートである。 図１５に示した制御におけるステップ９２〜ステップ９４による冷凍サイクルにおける変化の一例を示すためのモリエル線図である。 制御装置による膨張弁の開度の制御のさらに別の一例を示すフローチャートである。 冷媒として二酸化炭素を用いた場合の、蒸発器における冷媒および被加熱媒体（空気）の温度変化の一例を示す図である。 冷媒としてフロンを用いた場合の、蒸発器における冷媒および被加熱媒体（空気）の温度変化の一例を示す図である。 従来のヒートポンプの構成の一例を示す図である。 図２０のヒートポンプの冷凍サイクルを示すモリエル線図である。 従来のヒートポンプの構成の別の一例を示す図である。 図２２のヒートポンプの冷凍サイクルを示すモリエル線図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同じ部材やステップには同じ符号を付し、説明の重複を避ける場合がある。

図１に、本発明のヒートポンプの一形態の構成図を示す。このヒートポンプ１１は、圧縮機１と、放熱器２と、膨張機４と、蒸発器６とをヒートポンプの基本的な機能を発揮するための主要な構成要素として備え、これら主要な構成要素を冷媒が循環するように接続する管体１０をさらに備えている。膨張機４の押しのけ容積は圧縮機１の押しのけ容積の５〜２０％が好適である。圧縮機１、放熱器２、膨張機４、蒸発器６は、管体１０により接続されて冷媒回路を形成している。冷媒は、冷媒回路内を図１に矢印で示した方向に沿って循環し、蒸発器６で吸収した熱を放熱器２で放出する。

ヒートポンプ１１には、放熱器２と膨張機４との間に第１絞り装置である第１膨張弁３が配置され、膨張機４と蒸発器６との間に第２絞り装置である第２膨張弁５が配置されている。また、ヒートポンプ１１には、膨張機４と膨張弁３との間における冷媒の圧力（膨張機４に流入する冷媒の圧力Ｐ_Ｉ）を測定するための圧力センサ７、および蒸発器６の雰囲気温度を測定するための温度センサ８が配置されている。

膨張弁３，５の開度はコントローラ（制御装置）９により制御される。コントローラ９には、膨張弁３，５とともに、圧力センサ７および温度センサ８が接続されている。コントローラ９は、圧力センサ７で測定された冷媒の圧力Ｐ_Ｉおよび温度センサ８で測定された冷媒の温度に基づいて、膨張弁３，５の開度を調整する。

なお、図１には図示を省略したが、ヒートポンプ１１は、膨張機４に接続された発電機と、発電機で得た電気エネルギーを圧縮機に供給する電気回路とをさらに備えており、これら発電機および電気回路により、冷媒が膨張するエネルギーを膨張機４で回収して圧縮機１に投入することとしている。発電機および電気回路からなるエネルギー回収機構は既に知られている構成を用いるとよく、公知の構成によれば、発電機は、例えば膨張機４と回転軸を共有するように配置される。

図２を参照して、ヒートポンプ１１を循環する冷媒の状態変化について説明する。圧縮機１から吐出され、高圧Ｐ_Ｈの状態Ａにある冷媒は、放熱器２内で放熱して状態Ｂに至る。状態Ｂにある冷媒は、第１膨張弁３、膨張機４および第２膨張弁５をこの順に経由しながら膨張して低圧Ｐ_Ｌの状態Ｅに至る。

この膨張過程において、まず、冷媒は、第１膨張弁３において等エンタルピ膨張して圧力（中間圧力）Ｐ_Ｉの状態Ｃに至る。圧力Ｐ_Ｉで膨張機４に導入された冷媒は、膨張機４内で自らの温度を低下させながら等エントロピ膨張して圧力Ｐ_Ｏの状態Ｄに至り、膨張機４から吐出される。圧力Ｐ_Ｏの冷媒は、第２膨張弁５において等エンタルピ膨張して圧力Ｐ_Ｌの状態Ｅに至る。

膨張過程の後、冷媒は、蒸発器６内で吸熱して状態Ｇに至り、圧縮機１に導入されて圧縮され、再び、高圧Ｐ_Ｈの状態Ａとなって吐出される。

図２１を参照して上記で説明したように、図２においても、膨張機４により回収可能な電力は、点Ｃ（点Ｆ）と点Ｄとのエンタルピ差Ｗ_２により示すことができる。圧縮機１に入力すべき動力の最小値は、点Ａと点Ｇとのエンタルピ差Ｗ_１からエンタルピ差Ｗ_２を差し引いた値（Ｗ_１−Ｗ_２）となる。

図２には、高圧側の圧力Ｐ_Ｈが冷媒である二酸化炭素の臨界圧力Ｐ_Ｃを超える冷凍サイクルが例示されている。上述のように、膨張機４による動力回収は、冷媒として二酸化炭素を用い、冷凍サイクルの高圧側の圧力Ｐ_Ｈ、即ち圧縮機１から吐出された冷媒の圧力が二酸化炭素の臨界圧力Ｐ_Ｃを超えるように冷媒を循環させる場合に大きな効果がある。ただし、本発明は、代替フロンに代表される他の冷媒を用いるヒートポンプにも適用が可能である。

図３に、コントローラ９による第１膨張弁３および第２膨張弁５の制御方法を例示する。この制御例では、冷凍サイクルの高圧側の圧力Ｐ_Ｈを望ましい所定値に維持しながら、膨張機に流入する冷媒の圧力Ｐ_Ｉを運転条件により定まる望ましい所定値に制御する。

まず、コントローラ９がヒートポンプを循環する冷媒の最適量（冷媒最適充填量Ｍ_Ｔ）を算出する（ステップ２１：Ｓ２１）。

運転条件により、ヒートポンプを循環する冷媒の最適量は相違し、実際の冷媒の循環量と最適量との相違が大きくなるにつれてヒートポンプの効率は低下する。冷媒の最適量は、例えば、蒸発器６に設置した温度センサ８により測定された温度に基づき、予め定めた関係式に基づいて算出できる。図４は、蒸発器周りの空気温度（蒸発器雰囲気温度Ｔ_Ｅ）と冷媒最適循環量Ｍ_Ｔとの関係の一例を示す。図４に例示したとおり、通常、蒸発器雰囲気温度Ｔ_Ｅの上昇に伴い、冷媒最適循環量Ｍ_Ｔは増加する。冷媒最適循環量Ｍ_Ｔは、蒸発器雰囲気温度Ｔ_Ｅに基づいて定める必要はなく、放熱器２内の雰囲気温度に代表される他の指標に基づいて算出してもよい。

次いで、コントローラ９が、ステップ２１において定められた冷媒最適充填量Ｍ_Ｔに基づいて、膨張機４に流入する冷媒の圧力（中間圧力）Ｐ_Ｉについての目標値（目標中間圧力）Ｐ_ＩＴを算出する（ステップ２２：Ｓ２２）。

膨張機４に流入する冷媒の圧力（中間圧力）Ｐ_Ｉに応じ膨張機４に保持される冷媒の量（膨張機内冷媒ホールド量Ｍ_Ｈ）は変化する。図５に、中間圧力Ｐ_Ｉと膨張機内冷媒ホールド量Ｍ_Ｈとの関係を例示する。図５に例示したとおり、中間圧力Ｐ_Ｉの上昇に伴い、膨張機内冷媒ホールド量Ｍ_Ｈは増加する。膨張機内冷媒ホールド量Ｍ_Ｈが変化すれば、ヒートポンプに充填される見かけ上の冷媒量が変化する。従って、冷媒の中間圧力Ｐ_Ｉにより上記ホールド量Ｍ_Ｈを調整すれば、冷媒最適充填量Ｍ_Ｔを制御することができる。

図６に冷媒最適循環量Ｍ_Ｔと、その最適量Ｍ_Ｔを達成するために制御のターゲットとするべき目標中間圧力Ｐ_ＩＴとの関係を例示する。図６を参照すると、２ＭＰａ程度の範囲内で中間圧力Ｐ_Ｉを適切に調整すれば、見かけ上の冷媒充填量Ｍを約１００ｇの範囲で制御できることがわかる。これは、実用的なヒートポンプからレシーバを省略するのに十分な量である。

なお、図４〜図６は、冷媒として二酸化炭素を用いた場合についてのデータである。

図２０および図２２に示したように、従来のヒートポンプにおいても、中間圧力Ｐ_Ｍ（Ｐ_Ｉ）を制御すること自体は可能であった。しかし、現実には、冷凍サイクルの高圧側の冷媒の圧力Ｐ_Ｈを運転条件が要求する所定範囲内に保つために、中間圧力Ｐ_Ｉを幅広く制御することができなかった。これに対し、ヒートポンプ１１では、開度が可変である２つの膨張弁３，５の開度を制御することにより、中間圧力Ｐ_Ｉを幅広く制御し、膨張機４の潜在的な冷媒量調整機能を引き出すこととした。ヒートポンプ１１を用いると、例えば高圧側の圧力Ｐ_Ｈを所定値に維持しながら２ＭＰａ以上の範囲内で中間圧力Ｐ_Ｉを適切に制御することが可能である。

引き続き、コントローラ９が、中間圧力の実際の値Ｐ_Ｉと目標中間圧力Ｐ_ＩＴとを対比する（ステップ２３：Ｓ２３）。その結果、実際の値Ｐ_Ｉと目標中間圧力Ｐ_ＩＴとが一致すれば（Ｐ_Ｉ＝Ｐ_ＩＴ）、ステップ２１に戻り、一致しなければ次のステップへと進む。

図１に例示したヒートポンプでは、圧力センサ７により、中間圧力の実際の値Ｐ_Ｉを直接測定できる。ただし、中間圧力の実際の値Ｐ_Ｉは、算出値であってもよく、具体的には、ヒートポンプのその他の部位において測定した冷媒の圧力および／または温度に基づいて所定の関係式から算出した値であってもよい。

次のステップでは、中間圧力の実際の値Ｐ_Ｉと目標中間圧力Ｐ_ＩＴとの大小関係を判断する（ステップ２４：Ｓ２４）。

そして、実際の値Ｐ_Ｉが目標中間圧力Ｐ_ＩＴよりも大きければ、第１膨張弁３の開度を小さくして第２膨張弁５の開度を大きくする制御ａを行う（ステップ２５：Ｓ２５）。逆に、実際の値Ｐ_Ｉが目標中間圧力Ｐ_ＩＴよりも小さければ、第１膨張弁３の開度を大きくして第２膨張弁５の開度を小さくする制御ｂを行う（ステップ２６：Ｓ２６）。ステップ２５またはステップ２６を実施した後は、ステップ２１に戻る。

上記の制御例では、コントローラ９が、２つの膨張弁３，５の開度を、一方を開けば他方を閉じることとしている。この制御によれば、冷凍サイクルにおける高圧側の冷媒の圧力Ｐ_Ｈを所定値に維持することが容易となる。上記のように、コントローラ９は、第１膨張弁３の開度を小さくし、第２膨張弁５の開度を大きくする制御ａと、第１膨張弁３の開度を大きくし、第２膨張弁５の開度を小さくする制御ｂとを実施することが好ましい。制御ａおよび制御ｂは、圧縮機から吐出される冷媒の圧力、即ち冷凍サイクルにおける高圧側の圧力Ｐ_Ｈが一定となるように実施することが好ましいが、これに限らず、ヒートサイクルの運転に支障を来さない範囲内で高圧側の圧力Ｐ_Ｈの変化を許容してもよい。

上記の制御例では、コントローラ９が、目標中間圧力Ｐ_ＩＴと実際の中間圧力Ｐ_Ｉとに基づき、２つの膨張弁３，５の開度をともに変更している。このように、コントローラ９は、所定の特性についての目標値に実際の値が近づくように、２つの膨張弁３，５の開度がともに変化するように制御を行うことが好ましい。

図７は、図２に示した冷凍サイクルを図３に示した制御例に基づき、制御した結果として達成された冷凍サイクルを例示するモリエル線図である。図２の冷凍サイクルでは、中間圧力Ｐ_Ｉが目標中間圧力Ｐ_ＩＴよりも高い状態にあった（Ｐ_Ｉ＞Ｐ_ＩＴ）。図７では、上記制御ａが実施された結果、モリエル線図における点Ｃが下降して点Ｃ_Ｔに至り、中間圧力Ｐ_Ｉと目標中間圧力Ｐ_ＩＴとが一致している。制御ａでは、第２膨張弁５の開度を大きくしたため、点Ｄも下降している。図７では、モリエル線図における冷凍サイクルの全体的なシフトが防止されながら、即ち点Ｃおよび点Ｄを除く各点の移動が防止されながら、中間圧力Ｐ_Ｉが理想的な値Ｐ_ＩＴに導かれている。

図８は、制御ｂの結果として達成された冷凍サイクルを示すモリエル線図である。図８に至る制御においても、冷凍サイクルの全体としてのシフトが防止され、高圧側の冷媒の圧力Ｐ_Ｈは維持されている。

以上の制御例では、制御のターゲットの設定（目標値の設定）を、膨張機に流入する冷媒の圧力Ｐ_Ｉについて実施した。しかし、目標値は、膨張機に流入する冷媒の圧力Ｐ_Ｉに所定の関係式に基づいた関係づけが可能な冷媒の圧力または温度、換言すれば圧力Ｐ_Ｉが関数となる所定の冷媒圧力または冷媒温度に基づいて設定してもよい。これを考慮すると、上記に例示したような制御は、以下のステップＡおよびＢをこの順に実施する制御方法として記述できる。

ステップＡ：膨張機に流入する冷媒の圧力についての最適値Ｐ_ＩＴ、またはこの圧力に関連づけられる所定の圧力もしくは温度についての最適値Ｒ_ＩＴを算出する。

ステップＢ：膨張機に流入する冷媒の圧力についての実際の値Ｐ_Ｉと最適値Ｐ_ＩＴとから、または最適値Ｒ_ＩＴに対応する圧力もしくは温度についての実際の値Ｒ_Ｉと最適値Ｒ_ＩＴとから、実際の値Ｐ_Ｉと最適値Ｐ_ＩＴとの大小関係を定め、最適値Ｐ_ＩＴよりも実際の値Ｐ_Ｉが大きい場合には上記制御ａを実施し、最適値Ｐ_ＩＴよりも実際の値Ｐ_Ｉが小さい場合には上記制御ｂを実施する。

この制御は、ステップＢを実施した後にステップＡに戻るループ制御とするとよい。ステップＢにおいて、実際の値Ｐ_Ｉと最適値Ｐ_ＩＴとが一致する場合には、制御ａ，ｂのいずれも行う必要はないが、いずれかを行った後にステップＡに戻ってもよい。

ステップＡにおける最適値Ｐ_ＩＴ、Ｒ_ＩＴの算出は、その具体的方法が特に制限されるわけではなく、例えば蒸発器内における冷媒の温度に基づいて実施するとよい。

図９に、図３の制御例からステップ２３を省略した制御例を示す。この制御例においてステップ２１，２２，２４，２５（２６）を繰り返し行うことによっても、図２，図７および図８を参照して説明したような冷凍サイクルの最適化は可能である。

冷凍サイクルにおける、第１膨張弁３による減圧幅（Ｐ_Ｈ−Ｐ_Ｉ）と、第２膨張弁５による減圧幅（Ｐ_Ｏ−Ｐ_Ｌ）との比は、冷媒の種類その他の条件に応じ、適切に調整することが望ましい。図１０は、二酸化炭素が等エントロピ変化する場合の圧力と比エンタルピとの関係を例示する図である。図１０に示すように、圧力変化に対する比エンタルピの増加率は、高圧側よりも低圧側において相対的に大きい。これは、動力回収の観点からは、膨張機４に流入する冷媒の圧力Ｐ_Ｉは低いほうが有利であることを意味している。

具体的には、冷媒が二酸化炭素である場合には、冷凍サイクルの高圧側圧力Ｐ_Ｈと低圧側圧力Ｐ_Ｌとの差分（圧力差）を１００としたときに、第１膨張弁３における減圧幅（圧力差Ｐ_１：Ｐ_Ｈ−Ｐ_Ｉ）が１０〜５０となり、第２膨張弁５における減圧量（圧力差Ｐ_２：Ｐ_Ｏ−Ｐ_Ｌ）が５〜２０となるように、コントローラ９が第１膨張弁３の開度および第２膨張弁５の開度を制御することが好ましい。

特に制限されるわけではないが、膨張機における減圧幅（圧力差Ｐ_３：Ｐ_Ｉ−Ｐ_Ｏ）は３０〜８５とするとよい（ただし、Ｐ_１＋Ｐ_２＋Ｐ_３＝１００）。圧力差Ｐ_３が小さすぎると、回収できるエネルギー量が小さくなる。他方、圧力差Ｐ_３が大きすぎると、例えば発電機を用いてエネルギーを回収するヒートポンプでは、膨張機からの回収動力を電力に変換する発電機の発電効率が低下し、圧縮機の所要動力が却って増加することがある。

ヒートポンプ１１は、膨張機４内に保持する冷媒の量を幅広い範囲において調整できるため、放熱器２と膨張機４との間および膨張機４と蒸発器６との間に冷媒のレシーバを有しなくても、装置の信頼性を確保できる。レシーバを設置するとしても、レシーバの大きさは従来よりも小さくてよい。この部材の省略または小型化は、ヒートポンプの小型化と、ヒートポンプに充填すべき冷媒量の削減とを可能にする。

本発明は、膨張機と圧縮機とが直結したヒートポンプにも適用できる。図１１に、このタイプのヒートポンプを例示する。

図１１に示したヒートポンプ１２では、膨張機４と圧縮機１とが回転軸３０を共有し、直結している。回転軸３０には、図示を省略する外部電源に接続されたモータ４０が接続されている。圧縮機１は、モータ４０により供給される動力とともに、膨張機４により回収された動力により駆動される。このタイプのヒートポンプでは、膨張機４で回収した動力が回転軸３０を介して圧縮機１に投入されるため、発電機を用いてエネルギーの変換を行うヒートポンプよりも、エネルギーの回収効率に優れる。しかし、このタイプのヒートポンプでは、膨張機４の回転数と圧縮機１の回転数とを個別に設定できないため、膨張機４と圧縮機１との押しのけ容積比を運転条件に応じて適切に変化させることができない。このため、このタイプのヒートポンプでは、膨張機４と圧縮機１とが直結していないヒートポンプよりも、条件に応じた円滑な運転のために、冷媒量の制御を適切に行う必要性が高い。

図１１に示したヒートポンプ１２では、暖房時には、冷媒は、第１四方弁３１および第２四方弁３４の内部を実線で示されている経路を流れる。この場合、冷媒は、圧縮機１、第１四方弁３１、放熱器として機能する第１熱交換器（室内熱交換器）３２、第２四方弁３４、第１膨張弁３、圧力センサ７、膨張機４、第２膨張弁５、第２四方弁３４、蒸発器として機能する第２熱交換器（室外熱交換器）３６、第１膨張弁３１、圧縮機１の順に循環する。冷房時には、２つの四方弁３１，３４の経路が切り換えられ、冷媒は破線で示された経路を流れる。この場合、冷媒は、圧縮機１、第１四方弁３１、放熱器として機能する室外熱交換器３６、第２四方弁３４、第１膨張弁３、圧力センサ７、膨張機４、第２膨張弁５、第２四方弁３４、蒸発器として機能する室内熱交換器３２、第１膨張弁３１、圧縮機１の順に循環する。

このように、管体１０に接続された第１四方弁３１および第２四方弁３４をさらに有するヒートポンプ１２では、第１四方弁３１および第２四方弁３４の切り換えにより、冷媒が、第１冷媒回路または第２冷媒回路を循環する。第１冷媒回路は、圧縮機１、放熱器として機能する第１熱交換器（室内熱交換器）３２、第１膨張弁３、膨張機４、第２膨張弁５および蒸発器として機能する第２熱交換器（室外熱交換器）３６を冷媒がこの順に循環する経路である。第２冷媒回路は、圧縮機１、放熱器として機能する第２熱交換器（室外熱交換器）３６、第１膨張弁３、膨張機４、第２膨張弁５および蒸発器として機能する第１熱交換器（室内熱交換器）３２をこの順に冷媒が循環する経路である。

ヒートポンプ１２における冷凍サイクルは、図２と同様となる。ヒートポンプ１２における第１膨張弁３および第２膨張弁５の開度も、例えば図３を参照して上記で説明したとおりに制御すればよい。ヒートポンプ１２には、図３に示した制御例をそのまま実施するために、２つの熱交換器３２，３６のそれぞれに温度センサ８２，８６を設置し、蒸発器として機能する熱交換器３２（３６）の雰囲気温度を測定することとしている。

図１２に示したヒートポンプ１３は、２つの膨張弁の位置を除いて、図１１に示したヒートポンプ１２と同様の構成を有する。ヒートポンプ１２では、第１膨張弁３が第２四方弁３４と膨張機４との間に、第２膨張弁５が膨張機４と第２四方弁３４との間にそれぞれ配置されている。これに対し、ヒートポンプ１３では、第１膨張弁３３が第１熱交換器３２と第２四方弁３４との間に、第２膨張弁３５が第２四方弁３４と第２熱交換器３６との間にそれぞれ配置されている。

図１２に示したヒートポンプ１３は、管体１０に接続された第１四方弁３１および第２四方弁３４をさらに有し、第１四方弁３１および第２四方弁３４の切り換えにより、冷媒が、第１冷媒回路または第２冷媒回路を循環する。第１冷媒回路は、圧縮機１、放熱器として機能する第１熱交換器（室内熱交換器）３２、第１膨張弁３３、膨張機４、第２膨張弁３５、および蒸発器として機能する第２熱交換器（室外熱交換器）３６を冷媒がこの順に循環する経路である。第２冷媒回路は、圧縮機１、放熱器として機能する第２熱交換器（室外熱交換器）３２、第２膨張弁３５、膨張機４、第１膨張弁３３、および蒸発器として機能する第１熱交換器（室内熱交換器）をこの順に循環する経路である。

ヒートポンプ１３における冷凍サイクルも、図２と同様となる。しかし、ヒートポンプ１３では、図１１のヒートポンプ１２と異なり、第１冷媒回路が選択された場合には、冷媒の膨張過程が、第１膨張弁３３、膨張機４、第２膨張弁３５の順に行われるが、第２冷媒回路が選択された場合には、冷媒の膨張過程が、第２膨張弁３５、膨張機４、第１膨張弁３３の順に行われる。このため、ヒートポンプ１３では、コントローラ９が、冷媒が第１冷媒回路を循環する場合と第２冷媒回路を循環する場合とにおいて、第１膨張弁３に適用する開度の制御と第２膨張弁５に適用する開度の制御とを入れ替えて制御を実施する。

上述したように、第１膨張弁３（３３）および第２膨張弁５（３５）の開度の制御は、冷凍サイクルにおける高圧側の圧力Ｐ_Ｈを所望の値に維持しながら膨張機に流入する冷媒の圧力（中間圧力）Ｐ_Ｉを所望の値に制御することを可能とする。第１膨張弁３（３３）および第２膨張弁５（３５）の開度を適切に調整すれば、圧力Ｐ_Ｈを所望の値へと変化させながら中間圧力Ｐ_Ｉを所望の値に制御することも可能である。例えば、第１膨張弁３（３３）の開度および第２膨張弁５（３５）の開度をともに大きくすれば、冷凍サイクルにおける高圧側の圧力Ｐ_Ｈが低くなるように冷凍サイクルがシフトし、逆にともに小さくすれば高圧側の圧力Ｐ_Ｈが大きくなるように冷凍サイクルがシフトする。

中間圧力Ｐ_Ｉおよび高圧側の圧力Ｐ_Ｈを個別に制御するには、通常、第１膨張弁３（３３）の開度および第２膨張弁５（３５）の開度を個別に調整すれば足りる。しかし、この制御をさらに容易に行うために、あるいは他の制御を同時に行うために、第１膨張弁３（３３）、膨張機４および第２膨張弁５（３５）を経由する膨張経路と並列に別の膨張経路を設けてもよい。このタイプのヒートポンプを図１３に例示する。

図１３に示したヒートポンプ１４は、冷媒のバイパス管２０と、バイパス管２０に配置された第３膨張弁３９とを有する以外は、図１１に示したヒートポンプ１２と同様の構成を有する。第３膨張弁３９は、第１、第２膨張弁３，５と同様、その開度が可変であり、開度の調整のためにコントローラ９に接続されている。

即ち、ヒートポンプ１４では、管体１０が、第１膨張弁３、膨張機４および第２膨張弁５を経由する経路と並列に、放熱器３２（３６）と蒸発器３６（３２）とを接続するバイパス経路２０を形成し、このバイパス経路２０に開度が可変である第３膨張弁３９が配置され、コントローラ９が、さらに第３膨張弁３９の開度を制御する。

コントローラ９による第３膨張弁３９の開度の制御は、第１，第２熱交換器３２，３６に配置した温度センサ８２，８６により測定された温度、必要であればさらに圧力センサ７により測定された圧力に基づいて調整してもよく、これらセンサ７，８２，８６とは別に設置した圧力センサおよび／または温度センサに基づいて調整してもよい。以下では、図１４に示したように、圧縮機１の近傍に配置した温度センサ８１による測定値を参照しながら第３膨張弁３９の開度を調整する例について説明する。

図１４に示したヒートポンプ１５は、圧縮機１から吐出した冷媒の温度を測定するための温度センサ８１が設置されている以外は、図１３に示したヒートポンプ１４と同様の構成を有する。温度センサ８１は、他の温度センサ８２，８６と同様、コントローラ９に接続されている。

図１５に、図１４に示したヒートポンプ１５における、コントローラ９による第１膨張弁３，第２膨張弁５および第３膨張弁３９の制御方法を例示する。この制御例では、膨張機に流入する冷媒の圧力（中間圧力）Ｐ_Ｉが運転条件により定まる望ましい所定値に制御されてから（ステップ６１〜６６）、第３膨張弁３９の開度が制御される。

図１５に示した制御例において、ステップ６１（Ｓ６１），ステップ６２（Ｓ６２），ステップ６４（Ｓ６４），ステップ６５（Ｓ６５）およびステップ６６（Ｓ６６）は、図３におけるステップ２１，ステップ２２，ステップ２４，ステップ２５およびステップ２６と同様に行えばよい。ただし、この制御例では、図３に示した制御例とは異なり、ステップ６５またはステップ６６を終了しても、ステップ６１には戻らず、追加のステップ群（ステップ９２〜９４）へと移行する。

追加のステップ群では、まず、コントローラ９が、圧縮機１から吐出された冷媒の温度についての目標値（目標温度）Ｒ_ＨＴ、例えば１００℃と、温度センサ８１による実際の測定値Ｒ_Ｈとを対比する（ステップ９２：Ｓ９２）。給湯機としての用途において、「１００℃」またはこれよりもやや低い温度は、圧縮機から吐出される冷媒に要求される典型的な温度である。

そして、測定温度Ｒ_Ｈが目標温度Ｒ_ＨＴよりも大きければ第３膨張弁３９の開度を大きくする（ステップ９３：Ｓ９３）。他方、測定温度Ｒ_Ｈが目標温度Ｒ_ＨＴ以下であれば第３膨張弁３９の開度を小さくする（ステップ９４：Ｓ９４）。ステップ９３またはステップ９４を実施した後は、ステップ６１に戻る。

図１６に、ステップ９３または９４における開度調整により当初の冷凍サイクルＣからシフトした冷凍サイクルＣ_１，Ｃ_２を示す。第３膨張弁３９の開度を大きくすると（ステップ９３）、膨張機４内で膨張する冷媒の比率が相対的に減少する。このため、サイクルＣは、冷媒の比容積が増加して全体のバランスが再び保たれるようにサイクルＣ_１へとシフトする。この場合、圧縮機１から吐出される冷媒の温度は低下する。

他方、第３膨張弁３９の開度を小さくすると（ステップ９４）、サイクルＣはサイクルＣ_２に移行する。この場合、圧縮機１から吐出される冷媒の温度は上昇する。

以上のように、コントローラ９は、上述したステップＡ，Ｂをこの順に実施し、さらに下記ステップＲを実施してもよい。

ステップＲ：圧縮機１から吐出される冷媒の温度についての目標値Ｒ_ＨＴよりも当該冷媒の温度についての実際の値Ｒ_Ｈが大きい場合には、第３膨張弁３９の開度を大きくする制御ｃを実施し、最適Ｒ_ＨＴよりも実際の値Ｒ_Ｈが小さい場合には、第３膨張弁３９の開度を小さくする制御ｄを実施する。

この制御は、ステップＲを実施した後にステップＡに戻るループ制御とするとよいが、これに限らず、例えばステップＲのみを所定回数繰り返す制御としてもよい。ステップＲにおいて、実際の値Ｒ_Ｈと目標値Ｒ_ＨＴとが一致する場合には、制御ｃ，ｄのいずれも行う必要はないが、いずれかを行ってもよい。

図１５では、圧縮機から吐出される冷媒の望ましい温度についての所定値または入力値を目標値Ｒ_ＨＴとした。しかし、制御のターゲットとすべき値Ｒ_ＨＴは運転条件から定めてもよい。

最適値Ｒ_ＨＴを定めるステップ９１（Ｓ９１）を含む制御例を図１７に示す。ステップ９１における最適値Ｒ_ＨＴの算出は、例えば空調機としての用途では、外気温度、圧縮機運転周波数等に基づいて行うとよい。

図１７に示した制御例では、圧縮機１から吐出された冷媒の温度について最適値Ｒ_ＨＴを算出し（ステップ９１）、この温度についての実際の値Ｒ_Ｈと最適値Ｒ_ＨＴとを対比して、実際の値Ｒ_Ｈと最適値Ｒ_ＨＴとの大小関係が把握される（ステップ９２）。そして、この大小関係に基づいて、上記と同様に、第３膨張弁３９の開度が調整される（ステップ９３，９４）。

図１６から明らかなとおり、図１５および図１７を参照して説明した第３膨張弁３９の開度の制御は、冷凍サイクルの高圧側の圧力Ｐ_Ｈの制御としても把握できる。このように把握する場合、上述の制御例における圧縮機から吐出される冷媒の温度は、冷凍サイクルの高圧側の圧力Ｐ_Ｈと関係づけられる特性Ｒ_Ｈでなる。この把握に基づくと、図１７に例示した制御例は、以下のステップＣ、Ｄとして記述できる。

ステップＣ：圧縮機から吐出される冷媒の圧力についての最適値Ｐ_ＨＴ、またはこの圧力に関連づけられる所定の圧力もしくは温度についての最適値Ｒ_ＨＴを算出する。

ステップＤ：圧縮機から吐出される冷媒の圧力についての実際の値Ｐ_Ｈとその最適値Ｐ_ＨＴとから、または最適値Ｒ_ＨＴに対応する圧力もしくは温度についての実際の値Ｒ_Ｈとその最適値Ｒ_ＨＴとから、実際の値Ｐ_Ｈと最適値Ｐ_ＨＴとの大小関係を定め、最適値Ｐ_ＨＴよりも実際の値Ｒ_Ｈが大きい場合には、第３膨張弁の開度を大きくする制御ｃを実施し、最適値Ｐ_ＨＴよりも実際の値Ｒ_Ｈが小さい場合には、第３膨張弁の開度を小さくする制御ｄを実施する。

図１７に示した例では、実際の値Ｐ_Ｈと最適値Ｐ_ＨＴとの大小関係を定めるために、実際の値Ｒ_Ｈと最適値Ｒ_ＨＴとの大小関係が把握されている（ステップ９２）。上述の制御は、ステップＤを実施した後にステップＡに戻るループ制御とするとよいが、これに限らず、例えばステップＣに戻る制御としてもよいし、別の制御へと移行してもよい。ステップＤにおいて、実際の値Ｐ_Ｈと目標値Ｐ_ＨＴとが一致する場合には、制御ｃ，ｄのいずれも行う必要はないが、いずれかを行ってもよい。

図１８および図１９に、冷媒として二酸化炭素を用いて冷凍サイクルの高圧側の圧力を二酸化炭素の臨界圧力を超えるように設定した場合（図１８）と、冷媒としてフロンを用いた場合（図１９）とにおける、蒸発器内の冷媒と空気（被加熱媒体）との温度変化を示す。いずれの場合も冷媒は、温度Ｔ_０で蒸発器に流入し、空気との熱交換により空気を温度Ｃ（またはＤ）にまで加熱する。二酸化炭素を冷媒とした場合の温度Ｔ_０と温度Ｃとの差Δｔは、フロンを冷媒とした場合の温度Ｔ_０と温度Ｄとの差ΔＴよりも大きくなる。これは、フロンと異なり、二酸化炭素が蒸発器内で相変化しないためである。二酸化炭素は、被加熱媒体を高い温度に加熱するための冷媒として適している。

本発明は、空調機、給湯機、食器乾燥機、生ゴミ乾燥処理機等として有用なヒートポンプの改良を実現するものとして高い利用価値を有する。

本発明は、給湯機、空調機などとして有用であるヒートポンプに関し、より詳しくは、膨張機によりエネルギーを回収する機構を備えたヒートポンプに関する。

膨張弁に代えて膨張機を用いたヒートポンプでは、冷媒が膨張するエネルギーを電力または動力として回収できる。膨張機としては、冷媒を導入して膨張させるための容量可変の空間を有する容積式膨張機が用いられることが多い。膨張機によるエネルギーの回収は、冷媒として二酸化炭素を用い、高圧側が超臨界状態に達する遷臨界サイクルにおいて、特にその意義が大きい。

膨張機は、その構造上、所定の方向に沿って冷媒が通過しないとエネルギーを回収できない。しかし、空調機として用いるヒートポンプでは、室内に設置した熱交換器を、暖房運転時には放熱器として、冷房運転時には蒸発器として、使用する必要があるため、基本的に、冷房運転時と暖房運転時とにおいて冷媒を反対に流す必要がある。

特開２００１−６６００６号公報は、冷房運転時および暖房運転時の双方において膨張機によるエネルギー回収が可能なヒートポンプを開示している。このヒートポンプは、四方弁の切り換えにより、冷房、暖房のいずれの運転時においても、冷媒が膨張機を同一方向に流れるように設計されている。また、このヒートポンプでは、膨張機で回収したエネルギーをそのまま圧縮機の運転に費やすために、膨張機と圧縮機とが同一の回転軸に接続、即ち直結されている。

膨張機と圧縮機とが直結されたヒートポンプでは、膨張機と圧縮機とが同じ回転速度で作動するため、膨張機と圧縮機との押しのけ容積比を運転条件に応じて変化させることができない。このため、このタイプのヒートポンプは、エネルギーの回収効率には優れているが、運転条件に応じた円滑な運転が困難であった。特開２００３−１２１０１８号公報は、この困難を緩和するヒートポンプを開示している。

図２０に示すように、特開２００３−１２１０１８号公報は、特開２００１−６６００６号公報と同様、管体１１０に２つの四方弁１３１，１３４を配置し、四方弁１３１，１３４の切り換えにより、冷房、暖房のいずれの運転時においても、冷媒が膨張機１０４および圧縮機１０１を同一方向に流れるように設計されたヒートポンプを開示している。このヒートポンプを用いた空調機では、暖房時には、四方弁１３１，１３４内において実線で示された経路が選択され、室内熱交換器１３２が放熱器として機能し、室外熱交換器１３６が蒸発器として機能する。この空調機では、冷房時には、四方弁１３１，１３４内において破線で示された経路が選択され、室内熱交換器１３２が蒸発器として機能し、室外熱交換器１３６が放熱器として機能する。このヒートポンプでは、膨張機１０４および圧縮機１０１が直結して１つの回転軸を共有し、この回転軸がモータ１３０により駆動される。

特開２００３−１２１０１８号公報に開示されたヒートポンプでは、膨張機１０４と並列に配置されたバイパス回路１２０に膨張弁（バイパス弁）１３９が配置され、さらに膨張機１０４と直列にも膨張弁１０５が配置されている。そして、運転条件に応じて、膨張弁１０５または膨張弁１３９の開度が制御される。

上述のように、膨張機と圧縮機とが直結されたヒートポンプは、エネルギーの回収という点では優れているが、膨張機と圧縮機との押しのけ容積比を運転条件に応じて変化させることができない。例えば、冷房運転時の標準的な条件を基準として膨張機が設計されていると、暖房運転時には膨張機の押しのけ容積が要求値に対して大きすぎることになる。このため、特開２００３−１２１０１８号公報に開示されたヒートポンプでは、暖房運転時には、バイバス弁１３９が全閉され、膨張弁１０５の開度が適宜制御される。膨張弁１０５の開度を絞れば、膨張機１０４に流入する冷媒の比容積が増大する。冷房運転時には、膨張機１０４の押しのけ容積が要求値よりも小さくなることがある。この場合には、膨張弁１０５が全開され、バイバス弁１３９の開度が適宜制御される。こうして、特開２００３−１２１０１８号公報が開示するヒートポンプは、運転条件に応じた円滑なサイクル動作を可能としている。

図２１は、図２０に示したヒートポンプにおける冷凍サイクルを示すモリエル線図である。圧縮機１０１から吐出された高圧Ｐ_Hの状態ａにある冷媒は、放熱器１０４として機能する室内熱交換器１３２または室外熱交換器１３６において放熱して状態ｂに至る。冷媒は、膨張機１０４内で等エントロピ膨張して中間圧Ｐ_Mの状態ｃに至り、さらに膨張弁１０５で等エンタルピ膨張して低圧Ｐ_Lの低圧ｄに至る。冷媒は、蒸発器として機能する室外熱交換器１３６または室内熱交換器１３２において吸熱して状態ｅに至った後、圧縮機１０１に流入する。このヒートポンプでは、膨張機１０４により、状態ｂと状態ｄとのエンタルピ差Ｗ₂に相当するエネルギーが回収される。このため、このヒートポンプには、基本的に、状態ａと状態ｅとのエンタルピ差Ｗ₁からエンタルピ差Ｗ₂を差し引いた値（Ｗ₁−Ｗ₂）に相当する動力を投入すれば足りる。

特開２００３−１２１０１８号公報は、図２２に示すように、膨張弁１０５を膨張機１０４の上流側に配置したヒートポンプも開示している。このヒートポンプは、膨張弁１０５および冷媒のレシーバ１００の位置を除いては、図２０に示したヒートポンプと同様の構成を有する。図２３に、図２２に示したヒートポンプにおける冷凍サイクルを示すモリエル線図を示す。この冷凍サイクルは、膨張機１０４における等エントロピ膨張（図２３において状態ｃから状態ｄへの膨張）に先だって、膨張弁１０５における等エンタルピ膨張（図２２において状態ｂから状態ｃへの膨張）が実施される点を除いては、図２１に示した冷凍サイクルと同じである。

特開２００３−１２１０１８号公報が開示するヒートポンプでは、膨張機１０４の上流側または下流側に配置した膨張弁１０５の開度を調整することにより、膨張機１０４に流入する冷媒の比容積、換言すれば膨張機１０４に流入する冷媒の圧力、が制御される。

しかし、膨張機１０４に流入する冷媒の圧力Ｐ_Mを制御するために膨張弁１０５の開度を制御すると、冷凍サイクルが全体として高圧側または低圧側にシフトすることになり、結果として冷凍サイクルの高圧側の圧力Ｐ_Hが変化する。冷凍サイクルにおいて、圧力Ｐ_Mを制御できたとしても、この制御が高圧側の圧力Ｐ_Hの意図しない変化を伴うものであれば、ヒートポンプの効率を高く維持することが難しい。

このように、特開２００３−１２１０１８号公報が開示するヒートポンプの制御機構には、膨張機１０４に流入する冷媒の圧力Ｐ_Mと、冷凍サイクルの高圧側の冷媒の圧力Ｐ_Hとを独立して制御できないという問題があった。この理由の一つは、膨張弁１０５，１３９の一方が全開または全閉された状態で、他方のみが制御されていることにあるが、ヒートポンプにおいて、圧力Ｐ_Mおよび圧力Ｐ_Hをともに制御することが容易となるように２つの膨張弁が配置されていないことも上記問題の解決を困難としている。

ところで、図２０および図２２に示されているように、冷房運転時および暖房運転時のように必要とされる冷媒の量がかなり異なる条件で運転されるヒートポンプには、ヒートポンプを循環する冷媒の量を調節するために、レシーバ１００が設置されることが多い。レシーバ１００は、冷媒を一時的に貯留することにより、膨張機１０４への冷媒の流入過多を防止する。

しかし、装置の信頼性をレシーバにより担保すると、ヒートポンプが大型化し、充填すべき冷媒の量が多くなるという問題があった。ヒートポンプの大型化は、設置場所を制限し、ユーザーの要望にも添わない。充填すべき冷媒量の削減は、環境負荷軽減の観点から社会的にも要請されている。

以上述べた２つの問題、即ち、膨張機に流入する冷媒の圧力Ｐ_Mと冷凍サイクルの高圧側の冷媒の圧力Ｐ_Hとを独立して制御できないという第１の問題、および装置の信頼性をレシーバにより担保せざるを得ないという第２の問題は、図２０および図２２に示したような膨張機と圧縮機とを直結したヒートポンプにおいて顕在化するが、膨張機と圧縮機とを直結していないヒートポンプにおいても存在する。

例えば、膨張機を発電機に接続すれば、冷媒が膨張するエネルギーを電力として回収できるヒートポンプを構成することが可能であり、この場合は膨張機と圧縮機とを直結する必要はない。しかし、このタイプのヒートポンプにおいても、運転条件に応じた円滑なサイクル動作を可能とするためには、膨張機に流入する冷媒の圧力Ｐ_Mと、冷凍サイクルの高圧側の冷媒の圧力Ｐ_Hとをともに所望の値に制御することが望ましい。また、このタイプのヒートポンプにおいても、膨張機への冷媒の流入過多を防止するために、通常はレシーバが設置されている。

以上の事情に鑑み、本発明は、膨張機を備え、膨張機に流入する冷媒の圧力と、冷凍サイクルの高圧側の冷媒の圧力とを独立して制御できるヒートポンプを提供することを目的とする。また、本発明の別の目的は、膨張機の上流側または下流側に設置される冷媒のレシーバを従来よりも小型化できる、さらにその好適な実施態様においてはレシーバを設ける必要がない、ヒートポンプの提供にある。

本発明は、圧縮機と、放熱器と、開度が可変である第１絞り装置と、膨張機と、開度が可変である第２絞り装置と、蒸発器と、前記圧縮機、前記放熱器、前記第１絞り装置、前記膨張機、前記第２絞り装置および前記蒸発器をこの順に冷媒が循環するように接続する管体と、前記第１絞り装置の開度および前記第２絞り装置の開度を制御する制御装置と、を有するヒートポンプを提供する。

本発明のヒートポンプでは、膨張機の上流側および下流側に開度が可変である第１絞り装置および第２絞り装置を配置し、これら絞り装置の開度を制御装置で制御することした。これにより、膨張機に流入する冷媒の圧力（中間圧力）Ｐ_M（以下では、Ｐ_Iの符号を用いる）と、冷凍サイクルの高圧側の圧力Ｐ_Hとを独立して制御することが可能となり、その結果、運転条件に応じた冷凍サイクルの最適化を通じ、ヒートポンプの効率を高く維持することができる。

また、本発明のヒートポンプでは、第１絞り装置および第２絞り装置の開度を制御することとしたため、運転条件が要求する冷凍サイクルを維持しながら、膨張機内に保持される冷媒の量を従来よりも幅広い範囲内で調整できる。膨張機内に保持される冷媒の量を幅広い範囲内で調整できれば、ヒートポンプを循環する冷媒の量を調整するためのレシーバの容量が小さくてもよいし、場合によっては、レシーバを設けなくても、必要とされる冷媒の量が大きく異なる条件下で運転可能なヒートポンプを提供できる。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同じ部材やステップには同じ符号を付し、説明の重複を避ける場合がある。

図１に、本発明のヒートポンプの一形態の構成図を示す。このヒートポンプ１１は、圧縮機１と、放熱器２と、膨張機４と、蒸発器６とをヒートポンプの基本的な機能を発揮するための主要な構成要素として備え、これら主要な構成要素を冷媒が循環するように接続する管体１０をさらに備えている。膨張機４の押しのけ容積は圧縮機１の押しのけ容積の５〜２０％が好適である。圧縮機１、放熱器２、膨張機４、蒸発器６は、管体１０により接続されて冷媒回路を形成している。冷媒は、冷媒回路内を図１に矢印で示した方向に沿って循環し、蒸発器６で吸収した熱を放熱器２で放出する。

ヒートポンプ１１には、放熱器２と膨張機４との間に第１絞り装置である第１膨張弁３が配置され、膨張機４と蒸発器６との間に第２絞り装置である第２膨張弁５が配置されている。また、ヒートポンプ１１には、膨張機４と膨張弁３との間における冷媒の圧力（膨張機４に流入する冷媒の圧力Ｐ_I）を測定するための圧力センサ７、および蒸発器６の雰囲気温度を測定するための温度センサ８が配置されている。

膨張弁３，５の開度はコントローラ（制御装置）９により制御される。コントローラ９には、膨張弁３，５とともに、圧力センサ７および温度センサ８が接続されている。コントローラ９は、圧力センサ７で測定された冷媒の圧力Ｐ_Iおよび温度センサ８で測定された冷媒の温度に基づいて、膨張弁３，５の開度を調整する。

なお、図１には図示を省略したが、ヒートポンプ１１は、膨張機４に接続された発電機と、発電機で得た電気エネルギーを圧縮機に供給する電気回路とをさらに備えており、これら発電機および電気回路により、冷媒が膨張するエネルギーを膨張機４で回収して圧縮機１に投入することとしている。発電機および電気回路からなるエネルギー回収機構は既に知られている構成を用いるとよく、公知の構成によれば、発電機は、例えば膨張機４と回転軸を共有するように配置される。

図２を参照して、ヒートポンプ１１を循環する冷媒の状態変化について説明する。圧縮機１から吐出され、高圧Ｐ_Hの状態Ａにある冷媒は、放熱器２内で放熱して状態Ｂに至る。状態Ｂにある冷媒は、第１膨張弁３、膨張機４および第２膨張弁５をこの順に経由しながら膨張して低圧Ｐ_Lの状態Ｅに至る。

この膨張過程において、まず、冷媒は、第１膨張弁３において等エンタルピ膨張して圧力（中間圧力）Ｐ_Iの状態Ｃに至る。圧力Ｐ_Iで膨張機４に導入された冷媒は、膨張機４内で自らの温度を低下させながら等エントロピ膨張して圧力Ｐ_Oの状態Ｄに至り、膨張機４から吐出される。圧力Ｐ_Oの冷媒は、第２膨張弁５において等エンタルピ膨張して圧力Ｐ_Lの状態Ｅに至る。

膨張過程の後、冷媒は、蒸発器６内で吸熱して状態Ｇに至り、圧縮機１に導入されて圧縮され、再び、高圧Ｐ_Hの状態Ａとなって吐出される。

図２１を参照して上記で説明したように、図２においても、膨張機４により回収可能な電力は、点Ｃ（点Ｆ）と点Ｄとのエンタルピ差Ｗ₂により示すことができる。圧縮機１に入力すべき動力の最小値は、点Ａと点Ｇとのエンタルピ差Ｗ₁からエンタルピ差Ｗ₂を差し引いた値（Ｗ₁−Ｗ₂）となる。

図２には、高圧側の圧力Ｐ_Hが冷媒である二酸化炭素の臨界圧力Ｐ_Cを超える冷凍サイクルが例示されている。上述のように、膨張機４による動力回収は、冷媒として二酸化炭素を用い、冷凍サイクルの高圧側の圧力Ｐ_H、即ち圧縮機１から吐出された冷媒の圧力が二酸化炭素の臨界圧力Ｐ_Cを超えるように冷媒を循環させる場合に大きな効果がある。ただし、本発明は、代替フロンに代表される他の冷媒を用いるヒートポンプにも適用が可能である。

図３に、コントローラ９による第１膨張弁３および第２膨張弁５の制御方法を例示する。この制御例では、冷凍サイクルの高圧側の圧力Ｐ_Hを望ましい所定値に維持しながら、膨張機に流入する冷媒の圧力Ｐ_Iを運転条件により定まる望ましい所定値に制御する。

まず、コントローラ９がヒートポンプを循環する冷媒の最適量（冷媒最適充填量Ｍ_T）を算出する（ステップ２１：Ｓ２１）。

運転条件により、ヒートポンプを循環する冷媒の最適量は相違し、実際の冷媒の循環量と最適量との相違が大きくなるにつれてヒートポンプの効率は低下する。冷媒の最適量は、例えば、蒸発器６に設置した温度センサ８により測定された温度に基づき、予め定めた関係式に基づいて算出できる。図４は、蒸発器周りの空気温度（蒸発器雰囲気温度Ｔ_E）と冷媒最適循環量Ｍ_Tとの関係の一例を示す。図４に例示したとおり、通常、蒸発器雰囲気温度Ｔ_Eの上昇に伴い、冷媒最適循環量Ｍ_Tは増加する。冷媒最適循環量Ｍ_Tは、蒸発器雰囲気温度Ｔ_Eに基づいて定める必要はなく、放熱器２内の雰囲気温度に代表される他の指標に基づいて算出してもよい。

次いで、コントローラ９が、ステップ２１において定められた冷媒最適充填量Ｍ_Tに基づいて、膨張機４に流入する冷媒の圧力（中間圧力）Ｐ_Iについての目標値（目標中間圧力）Ｐ_ITを算出する（ステップ２２：Ｓ２２）。

膨張機４に流入する冷媒の圧力（中間圧力）Ｐ_Iに応じ、膨張機４に保持される冷媒の量（膨張機内冷媒ホールド量Ｍ_H）は変化する。図５に、中間圧力Ｐ_Iと膨張機内冷媒ホールド量Ｍ_Hとの関係を例示する。図５に例示したとおり、中間圧力Ｐ_Iの上昇に伴い、膨張機内冷媒ホールド量Ｍ_Hは増加する。膨張機内冷媒ホールド量Ｍ_Hが変化すれば、ヒートポンプに充填される見かけ上の冷媒量が変化する。従って、冷媒の中間圧力Ｐ_Iにより上記ホールド量Ｍ_Hを調整すれば、冷媒最適充填量Ｍ_Tを制御することができる。

図６に冷媒最適循環量Ｍ_Tと、その最適量Ｍ_Tを達成するために制御のターゲットとするべき目標中間圧力Ｐ_ITとの関係を例示する。図６を参照すると、２ＭＰａ程度の範囲内で中間圧力Ｐ_Iを適切に調整すれば、見かけ上の冷媒充填量Ｍを約１００ｇの範囲で制御できることがわかる。これは、実用的なヒートポンプからレシーバを省略するのに十分な量である。

なお、図４〜図６は、冷媒として二酸化炭素を用いた場合についてのデータである。

図２０および図２２に示したように、従来のヒートポンプにおいても、中間圧力Ｐ_M（Ｐ_I）を制御すること自体は可能であった。しかし、現実には、冷凍サイクルの高圧側の冷媒の圧力Ｐ_Hを運転条件が要求する所定範囲内に保つために、中間圧力Ｐ_Iを幅広く制御することができなかった。これに対し、ヒートポンプ１１では、開度が可変である２つの膨張弁３，５の開度を制御することにより、中間圧力Ｐ_Iを幅広く制御し、膨張機４の潜在的な冷媒量調整機能を引き出すこととした。ヒートポンプ１１を用いると、例えば高圧側の圧力Ｐ_Hを所定値に維持しながら２ＭＰａ以上の範囲内で中間圧力Ｐ_Iを適切に制御することが可能である。

引き続き、コントローラ９が、中間圧力の実際の値Ｐ_Iと目標中間圧力Ｐ_ITとを対比する（ステップ２３：Ｓ２３）。その結果、実際の値Ｐ_Iと目標中間圧力Ｐ_ITとが一致すれば（Ｐ_I＝Ｐ_IT）、ステップ２１に戻り、一致しなければ次のステップへと進む。

図１に例示したヒートポンプでは、圧力センサ７により、中間圧力の実際の値Ｐ_Iを直接測定できる。ただし、中間圧力の実際の値Ｐ_Iは、算出値であってもよく、具体的には、ヒートポンプのその他の部位において測定した冷媒の圧力および／または温度に基づいて所定の関係式から算出した値であってもよい。

次のステップでは、中間圧力の実際の値Ｐ_Iと目標中間圧力Ｐ_ITとの大小関係を判断する（ステップ２４：Ｓ２４）。

そして、実際の値Ｐ_Iが目標中間圧力Ｐ_ITよりも大きければ、第１膨張弁３の開度を小さくして第２膨張弁５の開度を大きくする制御ａを行う（ステップ２５：Ｓ２５）。逆に、実際の値Ｐ_Iが目標中間圧力Ｐ_ITよりも小さければ、第１膨張弁３の開度を大きくして第２膨張弁５の開度を小さくする制御ｂを行う（ステップ２６：Ｓ２６）。ステップ２５またはステップ２６を実施した後は、ステップ２１に戻る。

上記の制御例では、コントローラ９が、２つの膨張弁３，５の開度を、一方を開けば他方を閉じることとしている。この制御によれば、冷凍サイクルにおける高圧側の冷媒の圧力Ｐ_Hを所定値に維持することが容易となる。上記のように、コントローラ９は、第１膨張弁３の開度を小さくし、第２膨張弁５の開度を大きくする制御ａと、第１膨張弁３の開度を大きくし、第２膨張弁５の開度を小さくする制御ｂとを実施することが好ましい。制御ａおよび制御ｂは、圧縮機から吐出される冷媒の圧力、即ち冷凍サイクルにおける高圧側の圧力Ｐ_Hが一定となるように実施することが好ましいが、これに限らず、ヒートサイクルの運転に支障を来さない範囲内で高圧側の圧力Ｐ_Hの変化を許容してもよい。

上記の制御例では、コントローラ９が、目標中間圧力Ｐ_ITと実際の中間圧力Ｐ_Iとに基づき、２つの膨張弁３，５の開度をともに変更している。このように、コントローラ９は、所定の特性についての目標値に実際の値が近づくように、２つの膨張弁３，５の開度がともに変化するように制御を行うことが好ましい。

図７は、図２に示した冷凍サイクルを図３に示した制御例に基づき、制御した結果として達成された冷凍サイクルを例示するモリエル線図である。図２の冷凍サイクルでは、中間圧力Ｐ_Iが目標中間圧力Ｐ_ITよりも高い状態にあった（Ｐ_I＞Ｐ_IT）。図７では、上記制御ａが実施された結果、モリエル線図における点Ｃが下降して点Ｃ_Tに至り、中間圧力Ｐ_Iと目標中間圧力Ｐ_ITとが一致している。制御ａでは、第２膨張弁５の開度を大きくしたため、点Ｄも下降している。図７では、モリエル線図における冷凍サイクルの全体的なシフトが防止されながら、即ち点Ｃおよび点Ｄを除く各点の移動が防止されながら、中間圧力Ｐ_Iが理想的な値Ｐ_ITに導かれている。

図８は、制御ｂの結果として達成された冷凍サイクルを示すモリエル線図である。図８に至る制御においても、冷凍サイクルの全体としてのシフトが防止され、高圧側の冷媒の圧力Ｐ_Hは維持されている。

以上の制御例では、制御のターゲットの設定（目標値の設定）を、膨張機に流入する冷媒の圧力Ｐ_Iについて実施した。しかし、目標値は、膨張機に流入する冷媒の圧力Ｐ_Iに所定の関係式に基づいた関係づけが可能な冷媒の圧力または温度、換言すれば圧力Ｐ_Iが関数となる所定の冷媒圧力または冷媒温度に基づいて設定してもよい。これを考慮すると、上記に例示したような制御は、以下のステップＡおよびＢをこの順に実施する制御方法として記述できる。

ステップＡ：膨張機に流入する冷媒の圧力についての最適値Ｐ_IT、またはこの圧力に関連づけられる所定の圧力もしくは温度についての最適値Ｒ_ITを算出する。

ステップＢ：膨張機に流入する冷媒の圧力についての実際の値Ｐ_Iと最適値Ｐ_ITとから、または最適値Ｒ_ITに対応する圧力もしくは温度についての実際の値Ｒ_Iと最適値Ｒ_ITとから、実際の値Ｐ_Iと最適値Ｐ_ITとの大小関係を定め、最適値Ｐ_ITよりも実際の値Ｐ_Iが大きい場合には上記制御ａを実施し、最適値Ｐ_ITよりも実際の値Ｐ_Iが小さい場合には上記制御ｂを実施する。

この制御は、ステップＢを実施した後にステップＡに戻るループ制御とするとよい。ステップＢにおいて、実際の値Ｐ_Iと最適値Ｐ_ITとが一致する場合には、制御ａ，ｂのいずれも行う必要はないが、いずれかを行った後にステップＡに戻ってもよい。

ステップＡにおける最適値Ｐ_IT、Ｒ_ITの算出は、その具体的方法が特に制限されるわけではなく、例えば蒸発器内における冷媒の温度に基づいて実施するとよい。

図９に、図３の制御例からステップ２３を省略した制御例を示す。この制御例においてステップ２１，２２，２４，２５（２６）を繰り返し行うことによっても、図２，図７および図８を参照して説明したような冷凍サイクルの最適化は可能である。

冷凍サイクルにおける、第１膨張弁３による減圧幅（Ｐ_H−Ｐ_I）と、第２膨張弁５による減圧幅（Ｐ_O−Ｐ_L）との比は、冷媒の種類その他の条件に応じ、適切に調整することが望ましい。図１０は、二酸化炭素が等エントロピ変化する場合の圧力と比エンタルピとの関係を例示する図である。図１０に示すように、圧力変化に対する比エンタルピの増加率は、高圧側よりも低圧側において相対的に大きい。これは、動力回収の観点からは、膨張機４に流入する冷媒の圧力Ｐ_Iは低いほうが有利であることを意味している。

具体的には、冷媒が二酸化炭素である場合には、冷凍サイクルの高圧側圧力Ｐ_Hと低圧側圧力Ｐ_Lとの差分（圧力差）を１００としたときに、第１膨張弁３における減圧幅（圧力差Ｐ₁：Ｐ_H−Ｐ_I）が１０〜５０となり、第２膨張弁５における減圧量（圧力差Ｐ₂：Ｐ_O−Ｐ_L）が５〜２０となるように、コントローラ９が第１膨張弁３の開度および第２膨張弁５の開度を制御することが好ましい。

特に制限されるわけではないが、膨張機における減圧幅（圧力差Ｐ₃：Ｐ_I−Ｐ_O）は３０〜８５とするとよい（ただし、Ｐ₁＋Ｐ₂＋Ｐ₃＝１００）。圧力差Ｐ₃が小さすぎると、回収できるエネルギー量が小さくなる。他方、圧力差Ｐ₃が大きすぎると、例えば発電機を用いてエネルギーを回収するヒートポンプでは、膨張機からの回収動力を電力に変換する発電機の発電効率が低下し、圧縮機の所要動力が却って増加することがある。

ヒートポンプ１１は、膨張機４内に保持する冷媒の量を幅広い範囲において調整できるため、放熱器２と膨張機４との間および膨張機４と蒸発器６との間に冷媒のレシーバを有しなくても、装置の信頼性を確保できる。レシーバを設置するとしても、レシーバの大きさは従来よりも小さくてよい。この部材の省略または小型化は、ヒートポンプの小型化と、ヒートポンプに充填すべき冷媒量の削減とを可能にする。

本発明は、膨張機と圧縮機とが直結したヒートポンプにも適用できる。図１１に、このタイプのヒートポンプを例示する。

図１１に示したヒートポンプ１２では、膨張機４と圧縮機１とが回転軸３０を共有し、直結している。回転軸３０には、図示を省略する外部電源に接続されたモータ４０が接続されている。圧縮機１は、モータ４０により供給される動力とともに、膨張機４により回収された動力により駆動される。このタイプのヒートポンプでは、膨張機４で回収した動力が回転軸３０を介して圧縮機１に投入されるため、発電機を用いてエネルギーの変換を行うヒートポンプよりも、エネルギーの回収効率に優れる。しかし、このタイプのヒートポンプでは、膨張機４の回転数と圧縮機１の回転数とを個別に設定できないため、膨張機４と圧縮機１との押しのけ容積比を運転条件に応じて適切に変化させることができない。このため、このタイプのヒートポンプでは、膨張機４と圧縮機１とが直結していないヒートポンプよりも、条件に応じた円滑な運転のために、冷媒量の制御を適切に行う必要性が高い。

図１１に示したヒートポンプ１２では、暖房時には、冷媒は、第１四方弁３１および第２四方弁３４の内部を実線で示されている経路を流れる。この場合、冷媒は、圧縮機１、第１四方弁３１、放熱器として機能する第１熱交換器（室内熱交換器）３２、第２四方弁３４、第１膨張弁３、圧力センサ７、膨張機４、第２膨張弁５、第２四方弁３４、蒸発器として機能する第２熱交換器（室外熱交換器）３６、第１膨張弁３１、圧縮機１の順に循環する。冷房時には、２つの四方弁３１，３４の経路が切り換えられ、冷媒は破線で示された経路を流れる。この場合、冷媒は、圧縮機１、第１四方弁３１、放熱器として機能する室外熱交換器３６、第２四方弁３４、第１膨張弁３、圧力センサ７、膨張機４、第２膨張弁５、第２四方弁３４、蒸発器として機能する室内熱交換器３２、第１膨張弁３１、圧縮機１の順に循環する。

このように、管体１０に接続された第１四方弁３１および第２四方弁３４をさらに有するヒートポンプ１２では、第１四方弁３１および第２四方弁３４の切り換えにより、冷媒が、第１冷媒回路または第２冷媒回路を循環する。第１冷媒回路は、圧縮機１、放熱器として機能する第１熱交換器（室内熱交換器）３２、第１膨張弁３、膨張機４、第２膨張弁５および蒸発器として機能する第２熱交換器（室外熱交換器）３６を冷媒がこの順に循環する経路である。第２冷媒回路は、圧縮機１、放熱器として機能する第２熱交換器（室外熱交換器）３６、第１膨張弁３、膨張機４、第２膨張弁５および蒸発器として機能する第１熱交換器（室内熱交換器）３２をこの順に冷媒が循環する経路である。

ヒートポンプ１２における冷凍サイクルは、図２と同様となる。ヒートポンプ１２における第１膨張弁３および第２膨張弁５の開度も、例えば図３を参照して上記で説明したとおりに制御すればよい。ヒートポンプ１２には、図３に示した制御例をそのまま実施するために、２つの熱交換器３２，３６のそれぞれに温度センサ８２，８６を設置し、蒸発器として機能する熱交換器３２（３６）の雰囲気温度を測定することとしている。

図１２に示したヒートポンプ１３は、２つの膨張弁の位置を除いて、図１１に示したヒートポンプ１２と同様の構成を有する。ヒートポンプ１２では、第１膨張弁３が第２四方弁３４と膨張機４との間に、第２膨張弁５が膨張機４と第２四方弁３４との間にそれぞれ配置されている。これに対し、ヒートポンプ１３では、第１膨張弁３３が第１熱交換器３２と第２四方弁３４との間に、第２膨張弁３５が第２四方弁３４と第２熱交換器３６との間にそれぞれ配置されている。

図１２に示したヒートポンプ１３は、管体１０に接続された第１四方弁３１および第２四方弁３４をさらに有し、第１四方弁３１および第２四方弁３４の切り換えにより、冷媒が、第１冷媒回路または第２冷媒回路を循環する。第１冷媒回路は、圧縮機１、放熱器として機能する第１熱交換器（室内熱交換器）３２、第１膨張弁３３、膨張機４、第２膨張弁３５、および蒸発器として機能する第２熱交換器（室外熱交換器）３６を冷媒がこの順に循環する経路である。第２冷媒回路は、圧縮機１、放熱器として機能する第２熱交換器（室外熱交換器）３２、第２膨張弁３５、膨張機４、第１膨張弁３３、および蒸発器として機能する第１熱交換器（室内熱交換器）をこの順に循環する経路である。

ヒートポンプ１３における冷凍サイクルも、図２と同様となる。しかし、ヒートポンプ１３では、図１１のヒートポンプ１２と異なり、第１冷媒回路が選択された場合には、冷媒の膨張過程が、第１膨張弁３３、膨張機４、第２膨張弁３５の順に行われるが、第２冷媒回路が選択された場合には、冷媒の膨張過程が、第２膨張弁３５、膨張機４、第１膨張弁３３の順に行われる。このため、ヒートポンプ１３では、コントローラ９が、冷媒が第１冷媒回路を循環する場合と第２冷媒回路を循環する場合とにおいて、第１膨張弁３に適用する開度の制御と第２膨張弁５に適用する開度の制御とを入れ替えて制御を実施する。

上述したように、第１膨張弁３（３３）および第２膨張弁５（３５）の開度の制御は、冷凍サイクルにおける高圧側の圧力Ｐ_Hを所望の値に維持しながら膨張機に流入する冷媒の圧力（中間圧力）Ｐ_Iを所望の値に制御することを可能とする。第１膨張弁３（３３）および第２膨張弁５（３５）の開度を適切に調整すれば、圧力Ｐ_Hを所望の値へと変化させながら中間圧力Ｐ_Iを所望の値に制御することも可能である。例えば、第１膨張弁３（３３）の開度および第２膨張弁５（３５）の開度をともに大きくすれば、冷凍サイクルにおける高圧側の圧力Ｐ_Hが低くなるように冷凍サイクルがシフトし、逆にともに小さくすれば高圧側の圧力Ｐ_Hが大きくなるように冷凍サイクルがシフトする。

中間圧力Ｐ_Iおよび高圧側の圧力Ｐ_Hを個別に制御するには、通常、第１膨張弁３（３３）の開度および第２膨張弁５（３５）の開度を個別に調整すれば足りる。しかし、この制御をさらに容易に行うために、あるいは他の制御を同時に行うために、第１膨張弁３（３３）、膨張機４および第２膨張弁５（３５）を経由する膨張経路と並列に別の膨張経路を設けてもよい。このタイプのヒートポンプを図１３に例示する。

図１３に示したヒートポンプ１４は、冷媒のバイパス管２０と、バイパス管２０に配置された第３膨張弁３９とを有する以外は、図１１に示したヒートポンプ１２と同様の構成を有する。第３膨張弁３９は、第１、第２膨張弁３，５と同様、その開度が可変であり、開度の調整のためにコントローラ９に接続されている。

即ち、ヒートポンプ１４では、管体１０が、第１膨張弁３、膨張機４および第２膨張弁５を経由する経路と並列に、放熱器３２（３６）と蒸発器３６（３２）とを接続するバイパス経路２０を形成し、このバイパス経路２０に開度が可変である第３膨張弁３９が配置され、コントローラ９が、さらに第３膨張弁３９の開度を制御する。

コントローラ９による第３膨張弁３９の開度の制御は、第１，第２熱交換器３２，３６に配置した温度センサ８２，８６により測定された温度、必要であればさらに圧力センサ７により測定された圧力に基づいて調整してもよく、これらセンサ７，８２，８６とは別に設置した圧力センサおよび／または温度センサに基づいて調整してもよい。以下では、図１４に示したように、圧縮機１の近傍に配置した温度センサ８１による測定値を参照しながら第３膨張弁３９の開度を調整する例について説明する。

図１４に示したヒートポンプ１５は、圧縮機１から吐出した冷媒の温度を測定するための温度センサ８１が設置されている以外は、図１３に示したヒートポンプ１４と同様の構成を有する。温度センサ８１は、他の温度センサ８２，８６と同様、コントローラ９に接続されている。

図１５に、図１４に示したヒートポンプ１５における、コントローラ９による第１膨張弁３，第２膨張弁５および第３膨張弁３９の制御方法を例示する。この制御例では、膨張機に流入する冷媒の圧力（中間圧力）Ｐ_Iが運転条件により定まる望ましい所定値に制御されてから（ステップ６１〜６６）、第３膨張弁３９の開度が制御される。

図１５に示した制御例において、ステップ６１（Ｓ６１），ステップ６２（Ｓ６２），ステップ６４（Ｓ６４），ステップ６５（Ｓ６５）およびステップ６６（Ｓ６６）は、図３におけるステップ２１，ステップ２２，ステップ２４，ステップ２５およびステップ２６と同様に行えばよい。ただし、この制御例では、図３に示した制御例とは異なり、ステップ６５またはステップ６６を終了しても、ステップ６１には戻らず、追加のステップ群（ステップ９２〜９４）へと移行する。

追加のステップ群では、まず、コントローラ９が、圧縮機１から吐出された冷媒の温度についての目標値（目標温度）Ｒ_HT、例えば１００℃と、温度センサ８１による実際の測定値Ｒ_Hとを対比する（ステップ９２：Ｓ９２）。給湯機としての用途において、「１００℃」またはこれよりもやや低い温度は、圧縮機から吐出される冷媒に要求される典型的な温度である。

そして、測定温度Ｒ_Hが目標温度Ｒ_HTよりも大きければ第３膨張弁３９の開度を大きくする（ステップ９３：Ｓ９３）。他方、測定温度Ｒ_Hが目標温度Ｒ_HT以下であれば第３膨張弁３９の開度を小さくする（ステップ９４：Ｓ９４）。ステップ９３またはステップ９４を実施した後は、ステップ６１に戻る。

図１６に、ステップ９３または９４における開度調整により当初の冷凍サイクルＣからシフトした冷凍サイクルＣ₁，Ｃ₂を示す。第３膨張弁３９の開度を大きくすると（ステップ９３）、膨張機４内で膨張する冷媒の比率が相対的に減少する。このため、サイクルＣは、冷媒の比容積が増加して全体のバランスが再び保たれるようにサイクルＣ₁へとシフトする。この場合、圧縮機１から吐出される冷媒の温度は低下する。

他方、第３膨張弁３９の開度を小さくすると（ステップ９４）、サイクルＣはサイクルＣ₂に移行する。この場合、圧縮機１から吐出される冷媒の温度は上昇する。

以上のように、コントローラ９は、上述したステップＡ，Ｂをこの順に実施し、さらに下記ステップＲを実施してもよい。

ステップＲ：圧縮機１から吐出される冷媒の温度についての目標値Ｒ_HTよりも当該冷媒の温度についての実際の値Ｒ_Hが大きい場合には、第３膨張弁３９の開度を大きくする制御ｃを実施し、最適値Ｒ_HTよりも実際の値Ｒ_Hが小さい場合には、第３膨張弁３９の開度を小さくする制御ｄを実施する。

この制御は、ステップＲを実施した後にステップＡに戻るループ制御とするとよいが、これに限らず、例えばステップＲのみを所定回数繰り返す制御としてもよい。ステップＲにおいて、実際の値Ｒ_Hと目標値Ｒ_HTとが一致する場合には、制御ｃ，ｄのいずれも行う必要はないが、いずれかを行ってもよい。

図１５では、圧縮機から吐出される冷媒の望ましい温度についての所定値または入力値を目標値Ｒ_HTとした。しかし、制御のターゲットとすべき値Ｒ_HTは運転条件から定めてもよい。

最適値Ｒ_HTを定めるステップ９１（Ｓ９１）を含む制御例を図１７に示す。ステップ９１における最適値Ｒ_HTの算出は、例えば空調機としての用途では、外気温度、圧縮機運転周波数等に基づいて行うとよい。

図１７に示した制御例では、圧縮機１から吐出された冷媒の温度について最適値Ｒ_HTを算出し（ステップ９１）、この温度についての実際の値Ｒ_Hと最適値Ｒ_HTとを対比して、実際の値Ｒ_Hと最適値Ｒ_HTとの大小関係が把握される（ステップ９２）。そして、この大小関係に基づいて、上記と同様に、第３膨張弁３９の開度が調整される（ステップ９３，９４）。

図１６から明らかなとおり、図１５および図１７を参照して説明した第３膨張弁３９の開度の制御は、冷凍サイクルの高圧側の圧力Ｐ_Hの制御としても把握できる。このように把握する場合、上述の制御例における圧縮機から吐出される冷媒の温度は、冷凍サイクルの高圧側の圧力Ｐ_Hと関係づけられる特性Ｒ_Hでなる。この把握に基づくと、図１７に例示した制御例は、以下のステップＣ、Ｄとして記述できる。

ステップＣ：圧縮機から吐出される冷媒の圧力についての最適値Ｐ_HT、またはこの圧力に関連づけられる所定の圧力もしくは温度についての最適値Ｒ_HTを算出する。

ステップＤ：圧縮機から吐出される冷媒の圧力についての実際の値Ｐ_Hとその最適値Ｐ_HTとから、または最適値Ｒ_HTに対応する圧力もしくは温度についての実際の値Ｒ_Hとその最適値Ｒ_HTとから、実際の値Ｐ_Hと最適値Ｐ_HTとの大小関係を定め、最適値Ｐ_HTよりも実際の値Ｒ_Hが大きい場合には、第３膨張弁の開度を大きくする制御ｃを実施し、最適値Ｐ_HTよりも実際の値Ｒ_Hが小さい場合には、第３膨張弁の開度を小さくする制御ｄを実施する。

図１７に示した例では、実際の値Ｐ_Hと最適値Ｐ_HTとの大小関係を定めるために、実際の値Ｒ_Hと最適値Ｒ_HTとの大小関係が把握されている（ステップ９２）。上述の制御は、ステップＤを実施した後にステップＡに戻るループ制御とするとよいが、これに限らず、例えばステップＣに戻る制御としてもよいし、別の制御へと移行してもよい。ステップＤにおいて、実際の値Ｐ_Hと目標値Ｐ_HTとが一致する場合には、制御ｃ，ｄのいずれも行う必要はないが、いずれかを行ってもよい。

図１８および図１９に、冷媒として二酸化炭素を用いて冷凍サイクルの高圧側の圧力を二酸化炭素の臨界圧力を超えるように設定した場合（図１８）と、冷媒としてフロンを用いた場合（図１９）とにおける、蒸発器内の冷媒と空気（被加熱媒体）との温度変化を示す。いずれの場合も冷媒は、温度Ｔ₀で蒸発器に流入し、空気との熱交換により空気を温度Ｃ（またはＤ）にまで加熱する。二酸化炭素を冷媒とした場合の温度Ｔ₀と温度Ｃとの差Δｔは、フロンを冷媒とした場合の温度Ｔ₀と温度Ｄとの差ΔＴよりも大きくなる。これは、フロンと異なり、二酸化炭素が蒸発器内で相変化しないためである。二酸化炭素は、被加熱媒体を高い温度に加熱するための冷媒として適している。

本発明は、空調機、給湯機、食器乾燥機、生ゴミ乾燥処理機等として有用なヒートポンプの改良を実現するものとして高い利用価値を有する。

本発明のヒートポンプの構成の一例を示す図である。 図１のヒートポンプの冷凍サイクルを示すモリエル線図である。 制御装置による膨張弁の開度の制御の一例を示すフローチャートである。 蒸発器雰囲気温度Ｔ_Eと冷媒最適充填量Ｍ_Tとの関係の一例を示す図である。 中間圧力Ｐ_Iと膨張機内冷媒ホールド量Ｍ_Hとの関係の一例を示す図である。 冷媒最適充填量Ｍ_Tと目標中間圧力Ｐ_ITとの関係の一例を示す図である。 図３に示した制御による冷凍サイクルの変化の一例を示すためのモリエル線図である。 図３に示した制御による冷凍サイクルの変化の別の一例を示すためのモリエル線図である。 制御装置による膨張弁の開度の制御の別の一例を示すフローチャートである。 冷媒としての二酸化炭素を等エントロピ膨張させた場合の圧力と比エンタルピとの関係を例示する図である。 本発明のヒートポンプの構成の別の一例を示す図である。 本発明のヒートポンプの構成のまた別の一例を示す図である。 本発明のヒートポンプの構成のさらに別の一例を示す図である。 本発明のヒートポンプの構成のまたさらに別の一例を示す図である。 制御装置による膨張弁の開度の制御のまた別の一例を示すフローチャートである。 図１５に示した制御におけるステップ９２〜ステップ９４による冷凍サイクルにおける変化の一例を示すためのモリエル線図である。 制御装置による膨張弁の開度の制御のさらに別の一例を示すフローチャートである。 冷媒として二酸化炭素を用いた場合の、蒸発器における冷媒および被加熱媒体（空気）の温度変化の一例を示す図である。 冷媒としてフロンを用いた場合の、蒸発器における冷媒および被加熱媒体（空気）の温度変化の一例を示す図である。 従来のヒートポンプの構成の一例を示す図である。 図２０のヒートポンプの冷凍サイクルを示すモリエル線図である。 従来のヒートポンプの構成の別の一例を示す図である。 図２２のヒートポンプの冷凍サイクルを示すモリエル線図である。

本発明は、圧縮機と、放熱器と、開度が可変である第１絞り装置と、膨張機と、開度が可変である第２絞り装置と、蒸発器と、前記圧縮機、前記放熱器、前記第１絞り装置、前記膨張機、前記第２絞り装置および前記蒸発器をこの順に冷媒が循環するように接続する管体と、前記第１絞り装置の開度および前記第２絞り装置の開度を制御する制御装置と、を有し、前記制御装置が、前記第１絞り装置の開度を小さくし、前記第２絞り装置の開度を大きくする制御ａと、前記第１絞り装置の開度を大きくし、前記第２絞り装置の開度を小さくする制御ｂとを実施するヒートポンプであって、前記制御装置が、前記膨張機に流入する冷媒の圧力についての最適値Ｐ _IT 、または前記圧力に関連づけられる所定の圧力もしくは温度についての最適値Ｒ _IT 、を算出するステップＡと、前記膨張機に流入する冷媒の圧力についての実際の値Ｐ _I と前記最適値Ｐ _IT とから、または前記最適値Ｒ _IT に対応する圧力もしくは温度についての実際の値Ｒ _I と前記最適値Ｒ _IT とから、前記実際の値Ｐ _I と前記最適値Ｐ _IT との大小関係を定め、前記最適値Ｐ _IT よりも前記実際の値Ｐ _I が大きい場合には前記制御ａを実施し、前記最適値Ｐ _IT よりも前記実際の値Ｐ _I が小さい場合には前記制御ｂを実施するステップＢと、をこの順に実施するヒートポンプを提供する。

Claims (16)

1. 圧縮機と、放熱器と、開度が可変である第１絞り装置と、膨張機と、開度が可変である第２絞り装置と、蒸発器と、前記圧縮機、前記放熱器、前記第１絞り装置、前記膨張機、前記第２絞り装置および前記蒸発器をこの順に冷媒が循環するように接続する管体と、前記第１絞り装置の開度および前記第２絞り装置の開度を制御する制御装置と、を有するヒートポンプ。
2. 前記制御装置が、前記第１絞り装置の開度を小さくし、前記第２絞り装置の開度を大きくする制御ａと、前記第１絞り装置の開度を大きくし、前記第２絞り装置の開度を小さくする制御ｂとを実施する請求項１に記載のヒートポンプ。
3. 前記制御ａおよび前記制御ｂが、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力が一定となるように実施される請求項２に記載のヒートポンプ。
4. 前記制御装置が、
   前記膨張機に流入する冷媒の圧力についての最適値Ｐ_ＩＴ、または前記圧力に関連づけられる所定の圧力もしくは温度についての最適値Ｒ_ＩＴ、を算出するステップＡと、
   前記膨張機に流入する冷媒の圧力についての実際の値Ｐ_Ｉと前記最適値Ｐ_ＩＴとから、または前記最適値Ｒ_ＩＴに対応する圧力もしくは温度についての実際の値Ｒ_Ｉと前記最適値Ｒ_ＩＴとから、前記実際の値Ｐ_Ｉと前記最適値Ｐ_ＩＴとの大小関係を定め、前記最適値Ｐ_ＩＴよりも前記実際の値Ｐ_Ｉが大きい場合には前記制御ａを実施し、前記最適値Ｐ_ＩＴよりも前記実際の値Ｐ_Ｉが小さい場合には前記制御ｂを実施するステップＢと、
   をこの順に実施する請求項２に記載のヒートポンプ。
5. 前記制御装置が、前記ステップＡにおいて、前記蒸発器内における冷媒の温度に基づいて、前記最適値Ｐ_ＩＴまたは前記最適値Ｒ_ＩＴを算出する請求項４に記載のヒートポンプ。
6. 前記放熱器と前記膨張機との間および前記膨張機と前記蒸発器との間に、前記冷媒のレシーバを有しない請求項１に記載のヒートポンプ。
7. 前記冷媒が二酸化炭素であり、前記放熱器の出口と前記蒸発器の入口とにおける前記冷媒の圧力差を１００として、前記第１絞り装置における圧力差Ｐ_１が１０〜５０となり、前記第２絞り装置における圧力差Ｐ_２が５〜２０となるように、前記制御装置が前記第１絞り装置の開度および前記第２絞り装置の開度を制御する請求項１に記載のヒートポンプ。
8. 前記膨張機における圧力差Ｐ_３が３０〜８５である請求項７に記載のヒートポンプ。
9. 前記圧縮機と前記膨張機とが回転軸を共有する請求項１に記載のヒートポンプ。
10. 前記管体に接続された第１四方弁および第２四方弁をさらに有し、
    前記第１四方弁および前記第２四方弁の切り換えにより、前記冷媒が第１冷媒回路または第２冷媒回路を循環し、
    前記第１冷媒回路が、前記圧縮機、前記放熱器として機能する第１熱交換器、前記第１絞り装置、前記膨張機、前記第２絞り装置、および前記蒸発器として機能する第２熱交換器を前記冷媒がこの順に循環する経路であり、
    前記第２冷媒回路が、前記圧縮機、前記放熱器として機能する前記第２熱交換器、前記第１絞り装置、前記膨張機、前記第２絞り装置、および前記蒸発器として機能する前記第１熱交換器を前記冷媒がこの順に循環する経路である、
    請求項１に記載のヒートポンプ。
11. 前記管体に接続された第１四方弁および第２四方弁をさらに有し、
    前記第１四方弁および前記第２四方弁の切り換えにより、前記冷媒が第１冷媒回路または第２冷媒回路を循環し、
    前記第１冷媒回路が、前記圧縮機、前記放熱器として機能する第１熱交換器、前記第１絞り装置、前記膨張機、前記第２絞り装置、および前記蒸発器として機能する第２熱交換器を前記冷媒がこの順に循環する経路であり、
    前記第２冷媒回路が、前記圧縮機、前記放熱器として機能する前記第２熱交換器、前記第２絞り装置、前記膨張機、前記第１絞り装置、および前記蒸発器として機能する前記第１熱交換器を前記冷媒がこの順に循環する経路であり、
    前記制御装置が、前記冷媒が前記第１冷媒回路を循環する場合と前記第２冷媒回路を循環する場合とにおいて、前記第１絞り装置に適用する開度の制御と前記第２絞り装置に適用する開度の制御とを入れ替えて、制御を実施する、
    請求項１に記載のヒートポンプ。
12. 前記管体が、前記第１絞り装置、前記膨張機および前記第２絞り装置を経由する経路と並列に、前記放熱器と前記蒸発器とを接続するバイパス経路を形成し、
    前記バイパス経路に開度が可変である第３絞り装置が配置され、
    前記制御装置が、さらに前記第３絞り装置の開度を制御する、請求項１に記載のヒートポンプ。
13. 前記制御装置が、
    前記膨張機に流入する冷媒の圧力についての最適値Ｐ_ＩＴ、または前記圧力に関連づけられる所定の圧力もしくは温度についての最適値Ｒ_ＩＴを算出するステップＡと、
    前記膨張機に流入する冷媒の圧力についての実際の値Ｐ_Ｉと前記最適値Ｐ_ＩＴとから、または前記最適値Ｒ_ＩＴに対応する圧力もしくは温度についての実際の値Ｒ_Ｉと前記最適値Ｒ_ＩＴとから、前記実際の値Ｐ_Ｉと前記最適値Ｐ_ＩＴとの大小関係を定め、前記最適値Ｐ_ＩＴよりも前記実際の値Ｐ_Ｉが大きい場合には、前記第１絞り装置の開度を小さくし、前記第２絞り装置の絞り装置の開度を大きくする制御ａを実施し、前記最適値Ｐ_ＩＴよりも前記実際の値Ｐ_Ｉが小さい場合には、前記第１絞り装置の開度を大きくし、前記第２絞り装置の開度を小さくする制御ｂを実施するステップＢと、
    をこの順に実施し、さらに
    前記圧縮機から吐出される冷媒の温度についての目標値Ｒ_ＨＴよりも当該冷媒の温度についての実際の値Ｒ_Ｈが大きい場合には、前記第３絞り装置の開度を大きくする制御ｃを実施し、前記目標値Ｒ_ＨＴよりも前記実際の値Ｒ_Ｈが小さい場合には、前記第３絞り装置の開度を小さくする制御ｄを実施するステップＲを実施する、
    請求項１２に記載のヒートポンプ。
14. 前記制御装置が、
    前記膨張機に流入する冷媒の圧力についての最適値Ｐ_ＩＴ、または前記圧力に関連づけられる所定の圧力もしくは温度についての最適値Ｒ_ＩＴを算出するステップＡと、
    前記膨張機に流入する冷媒の圧力についての実際の値Ｐ_Ｉと前記最適値Ｐ_ＩＴとから、または前記最適値Ｒ_ＩＴに対応する圧力もしくは温度についての実際の値Ｒ_Ｉと前記最適値Ｒ_ＩＴとから、前記実際の値Ｐ_Ｉと前記最適値Ｐ_ＩＴとの大小関係を定め、前記最適値Ｐ_ＩＴよりも前記実際の値Ｐ_Ｉが大きい場合には、前記第１絞り装置の開度を小さくし、前記第２絞り装置の絞り装置の開度を大きくする制御ａを実施し、前記最適値Ｐ_ＩＴよりも前記実際の値Ｐ_Ｉが小さい場合には、前記第１絞り装置の開度を大きくし、前記第２絞り装置の開度を小さくする制御ｂを実施するステップＢと、
    をこの順に実施し、かつ
    前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力についての最適値Ｐ_ＨＴ、または当該圧力に関連づけられる所定の圧力もしくは温度についての最適値Ｒ_ＨＴを算出するステップＣと、
    前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力についての実際の値Ｐ_Ｈと前記最適値Ｐ_ＨＴとから、または前記最適値Ｒ_ＨＴに対応する圧力もしくは温度についての実際の値Ｒ_Ｈと前記最適値Ｒ_ＨＴとから、前記実際の値Ｐ_Ｈと前記最適値Ｐ_ＨＴとの大小関係を定め、前記最適値Ｐ_ＨＴよりも前記実際の値Ｐ_Ｈが大きい場合には、前記第３絞り装置の開度を大きくする制御ｃを実施し、前記最適値Ｐ_ＨＴよりも前記実際の値Ｐ_Ｈが小さい場合には、前記第３絞り装置の開度を小さくする制御ｄを実施するステップＤと、
    をこの順に実施する、請求項１２に記載のヒートポンプ。
15. 前記膨張機の押しのけ容積を前記圧縮機の押しのけ容積の５〜２０％とした請求項１に記載のヒートポンプ。
16. 前記冷媒が二酸化炭素であり、
    前記圧縮機から吐出された冷媒の圧力が二酸化炭素の臨界圧力を超える圧力となるように、前記冷媒を循環させる請求項１に記載のヒートポンプ。

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