WO2018155428A1 - ヒートポンプ装置の制御方法及びヒートポンプ装置 - Google Patents

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WO2018155428A1
WO2018155428A1 PCT/JP2018/005965 JP2018005965W WO2018155428A1 WO 2018155428 A1 WO2018155428 A1 WO 2018155428A1 JP 2018005965 W JP2018005965 W JP 2018005965W WO 2018155428 A1 WO2018155428 A1 WO 2018155428A1
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WO
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medium
temperature
heat pump
inlet temperature
discharge pressure
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Application number
PCT/JP2018/005965
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English (en)
French (fr)
Inventor
小野　裕司
Original Assignee
株式会社前川製作所
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H4/00—Fluid heaters characterised by the use of heat pumps
    • F24H4/02—Water heaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/02—Heat pumps of the compression type

Definitions

  • the present disclosure relates to a heat pump device control method and a heat pump device.
  • the heat pump apparatus constituting the heat pump cycle can heat the water to be heated to a high temperature and obtain high temperature water by the heat exchange medium being in a high temperature and high pressure state on the compressor discharge side.
  • a heat exchange medium such as CO 2 is in a supercritical state on the compressor discharge side
  • hot water of about 90 ° C. can be obtained.
  • the pressure of the heat exchange medium becomes too high on the compressor discharge side, the heat efficiency (coefficient of performance COP) of the heat pump device decreases, so the pressure of the heat exchange medium on the compressor discharge side needs to be controlled appropriately. .
  • Patent Document 1 discloses an operation method for controlling the compressor discharge force of the heat exchange medium by adjusting the circulation amount of the heat exchange medium in the compressor discharge side flow path in the heat pump device.
  • the control method for the compressor discharge pressure of the heat exchange medium disclosed in Patent Document 1 has a limit in control accuracy because the correlation between the circulation amount of the heat exchange medium and the compressor discharge force is not linear.
  • the compressor discharge pressure of the heat exchange medium varies depending on external conditions such as the temperature of the heat source medium in the evaporator and the temperature of the medium to be heated (cooling water, etc.) in the gas cooler, these external conditions are taken into consideration. It is necessary to control the discharge pressure.
  • At least one embodiment aims to enable high COP and high heating capacity in a heat pump device by increasing the control accuracy of the compressor discharge pressure or compressor discharge temperature of the heat exchange medium.
  • the control method of the heat pump device is as follows: A control method for a heat pump apparatus using CO 2 as a heat exchange medium and including a supercritical heat pump cycle component including a compressor, a gas cooler, an expansion valve, and an evaporator, An expansion valve opening control step of controlling the opening of the expansion valve so that the compressor discharge pressure of the heat exchange medium becomes a target discharge pressure.
  • a discharge pressure capable of obtaining a high COP and a high heating capacity is set in advance.
  • the opening degree of the expansion valve is controlled so that the compressor discharge pressure of the heat exchange medium (hereinafter also referred to as “discharge pressure” as a unit) becomes the target discharge pressure.
  • discharge pressure as a unit
  • the compressor discharge pressure can be accurately set to the target discharge pressure. This allows operation with high COP and high heating capacity.
  • the degree of superheat has been controlled by controlling the opening of an expansion valve while monitoring the suction pressure or suction temperature of a heat exchange medium on the suction side of a compressor.
  • the discharge pressure and discharge temperature also fluctuate indirectly by this superheat degree control.
  • the above embodiment can directly control the discharge pressure by controlling the opening degree of the expansion valve, so that the compressor discharge pressure can be accurately set to the target discharge pressure. Heating capability. Further, since the compressor discharge pressure is controlled to the target discharge pressure, overcompression of the compressor can be suppressed.
  • the opening degree of the expansion valve is controlled so that the compressor discharge pressure becomes the target discharge pressure.
  • the compressor discharge pressure varies depending on external conditions such as the inlet temperature of the medium to be cooled in the evaporator and the inlet temperature of the medium to be heated in the gas cooler. According to the method (2), since the target discharge pressure is set in consideration of these external conditions, high COP and high heating capacity can be maintained even if these external conditions fluctuate.
  • the target discharge pressure is set based on a preset correlation among the inlet temperature of the medium to be cooled, the inlet temperature of the medium to be heated, and the target discharge pressure.
  • the correlation between the external conditions and the discharge pressure capable of high COP and high heating capacity is obtained in advance, and the target discharge pressure is set based on this correlation. Even if the above external conditions fluctuate, high COP and high heating capacity can be obtained with high probability.
  • the correlation is The target discharge pressure is monotonously increased in response to an increase in the inlet temperature of the medium to be cooled.
  • the target discharge pressure is monotonously increased in response to an increase in the inlet temperature of the medium to be cooled, thereby eliminating variations in the temperature difference between the inlet temperature of the medium to be cooled and the heat exchange medium. Regardless of the temperature range of the inlet temperature of the medium to be cooled, the heat exchange efficiency can be maintained at a high temperature difference. As a result, high COP and high heating capacity can be maintained regardless of the temperature range of the inlet temperature of the medium to be cooled.
  • the correlation is The increase rate of the target discharge pressure in the low temperature region of the medium to be cooled is larger than the increase rate of the target discharge pressure in the high temperature region of the medium to be cooled. For example, when the inlet temperature of the medium to be cooled is high in summer, the required thermal load is reduced. For this reason, it is appropriate to prioritize the improvement of COP over the increase in heating capacity at high temperatures. According to the above method (5), by reducing the increase rate of the target discharge pressure in the high temperature range to be lower than that in the low temperature range, it is possible to suppress the decrease in COP without causing insufficient heating capacity in the high temperature range.
  • the correlation is The higher the inlet temperature of the heated medium, the higher the target discharge pressure.
  • the target discharge pressure is increased as the inlet temperature of the heated medium is increased, so that the temperature difference between the heated medium and the heat exchange medium can be increased even if the inlet temperature of the heated medium changes. Heat exchange efficiency can be maintained at a high temperature difference. As a result, high COP and high heating capacity can be maintained regardless of the temperature range of the inlet temperature of the medium to be heated.
  • a rotation speed control step of reducing the rotation speed of the compressor when the inlet temperature of the medium to be cooled is in a high temperature range than when the inlet temperature is in a low temperature range In one embodiment, in any of the methods (2) to (6), And a rotation speed control step of reducing the rotation speed of the compressor when the inlet temperature of the medium to be cooled is in a high temperature range than when the inlet temperature is in a low temperature range.
  • the method of (7) when the inlet temperature of the medium to be cooled is in the high temperature range, the number of rotations of the compressor is reduced compared to when the inlet temperature is in the low temperature range, thereby preventing overcompression.
  • the discharge pressure can be accurately controlled to the target discharge pressure, which enables a high COP and a high heating capacity.
  • the cooling medium is outside air or heat source water. According to the above method (8), high COP and high heating capacity can be obtained by using outside air or heat source water as the medium to be cooled.
  • the heated medium is heated water or outside air.
  • high COP and high heating capacity can be obtained by using heated water or outside air as the heated medium.
  • the operation mode of the heat pump device is: A first operation mode; A second operation mode having a heating capacity higher than that of the first operation mode; A plurality of operation modes including According to the method of (10) above, by having the plurality of operation modes, while obtaining a high COP, for example, a target performance such as the amount of tapping water, tapping temperature, energy saving, etc. is the main purpose operation. Can be switched.
  • the control method of the heat pump device is as follows: A control method for a heat pump apparatus using CO 2 as a heat exchange medium and including a supercritical heat pump cycle component including a compressor, a gas cooler, an expansion valve, and an evaporator, An expansion valve opening control step for controlling the opening of the expansion valve so that the compressor discharge temperature of the heat exchange medium becomes a target discharge temperature.
  • a target discharge temperature a discharge temperature at which high COP and high heating capacity can be obtained is set in advance.
  • the opening degree of the expansion valve is controlled so that the compressor discharge temperature of the heat exchange medium (hereinafter also referred to as “discharge temperature” in the unit) becomes the target discharge temperature.
  • discharge temperature the compressor discharge temperature of the heat exchange medium
  • the compressor discharge temperature can be accurately controlled to the target discharge temperature. This allows operation with high COP and high heating capacity.
  • the opening of the expansion valve is controlled so that the compressor discharge temperature becomes the target discharge temperature.
  • the compressor discharge temperature varies depending on external conditions such as the inlet temperature of the medium to be cooled in the evaporator and the inlet temperature of the medium to be heated in the gas cooler.
  • the target discharge temperature is set based on a preset correlation among the inlet temperature of the medium to be cooled, the inlet temperature of the medium to be heated, and the target discharge temperature.
  • the correlation between the external condition and the discharge temperature at which high COP and high heating capability are possible is obtained in advance, and the target discharge temperature is set based on this correlation. Even if the above external conditions fluctuate, high COP and high heating capacity can be obtained with high probability.
  • the correlation is The target discharge temperature is monotonously increased in response to an increase in the inlet temperature of the medium to be cooled.
  • the target discharge temperature is monotonously increased in response to an increase in the inlet temperature of the medium to be cooled, thereby eliminating variations in the temperature difference between the inlet temperature of the medium to be cooled and the heat exchange medium. Regardless of the temperature range of the inlet temperature of the medium to be cooled, the heat exchange efficiency can be maintained at a high temperature difference. As a result, high COP and high heating capacity can be maintained regardless of the temperature range of the inlet temperature of the medium to be cooled.
  • the correlation is The increase rate of the target discharge temperature in the low temperature region of the medium to be cooled is larger than the increase rate of the target discharge temperature in the high temperature region of the medium to be cooled. For example, when the inlet temperature of the medium to be cooled is high in summer, the required thermal load is reduced. For this reason, it is appropriate to prioritize the improvement of COP over the increase in heating capacity at high temperatures. According to the above method (15), by decreasing the increase rate of the target discharge temperature in the high temperature range from that in the low temperature range, it is possible to suppress the decrease in COP without causing the heating capacity to be insufficient in the high temperature range.
  • the correlation is The higher the inlet temperature of the heated medium, the higher the target discharge temperature.
  • the target discharge temperature is increased as the inlet temperature of the heated medium is increased, so that the temperature difference between the heated medium and the heat exchange medium can be increased even if the inlet temperature of the heated medium changes. Heat exchange efficiency can be maintained at a high temperature difference. As a result, high COP and high heating capacity can be maintained regardless of the temperature range of the inlet temperature of the medium to be heated.
  • a rotation speed control step of reducing the rotation speed of the compressor when the inlet temperature of the medium to be cooled is in a high temperature range than when the inlet temperature is in a low temperature range is set to the target discharge temperature by reducing the rotation speed of the compressor than in the low temperature range.
  • the temperature can be controlled with high accuracy, which enables a high COP and a high heating capacity.
  • the medium to be cooled is heat source water
  • the medium to be heated is outside air.
  • the medium to be heated is the outside air whose specific heat is smaller than that of water
  • the temperature variation of the heated outside air tends to be large and the temperature control becomes difficult. Since the compressor discharge temperature is controlled to the target discharge temperature by the degree control, the temperature variation of the heated medium can be suppressed.
  • the operation mode of the heat pump device is: A first operation mode; A second operation mode having a heating capacity higher than that of the first operation mode; A plurality of operation modes including According to the above method (19), by having the above-mentioned plurality of operation modes, while obtaining a high COP, for example, any one of the target performances such as the amount of tapping water, tapping temperature, energy saving, etc. is the main purpose. Can be switched.
  • a heat pump device includes: The CO 2 and the heat exchange medium, a compressor, a heat pump apparatus comprising a gas cooler, a supercritical heat pump cycle configuration device including an expansion valve and an evaporator, A first temperature sensor for measuring an inlet temperature of a medium to be cooled in the evaporator; A second temperature sensor for measuring an inlet temperature of a heated medium in the gas cooler; A control unit for controlling the opening of the expansion valve so as to be a target discharge pressure of the compressor based on the inlet temperature of the medium to be cooled and the inlet temperature of the medium to be heated; Is provided.
  • the inlet temperature of the medium to be cooled and the medium to be heated is measured by the first temperature sensor and the second temperature sensor, and the discharge pressure is set to the target discharge pressure based on these measured values.
  • the discharge pressure can be accurately set to the target discharge pressure, and thereby, a high COP and a high heating capacity can be obtained.
  • the compressor discharge pressure is controlled to the target discharge pressure, overcompression of the compressor can be suppressed.
  • the discharge pressure which can obtain high COP and high heating capability is preset.
  • a heat pump device includes: The CO 2 and the heat exchange medium, a compressor, a heat pump apparatus comprising a gas cooler, a supercritical heat pump cycle configuration device including an expansion valve and an evaporator, A first temperature sensor for measuring an inlet temperature of a medium to be cooled in the evaporator; A second temperature sensor for measuring an inlet temperature of a heated medium in the gas cooler; Based on the inlet temperature of the medium to be cooled and the inlet temperature of the medium to be heated, a control unit that controls the opening of the expansion valve so as to be the target discharge temperature of the compressor; Is provided.
  • the inlet temperature of the medium to be cooled and the medium to be heated is measured by the first temperature sensor and the second temperature sensor, and based on these measured values, the discharge temperature is the target discharge temperature.
  • the discharge temperature can be accurately set to the target discharge temperature, and thereby, a high COP and a high heating capacity can be obtained.
  • both the control-side parameter and the controlled-side parameter are temperatures, a calculation process for converting the discharge pressure to the discharge temperature is unnecessary, and control is facilitated.
  • the discharge temperature which can obtain high COP and high heating capability is preset.
  • the heat pump device is a heat pump unit in which the supercritical heat pump cycle constituent device is housed inside a box-shaped casing. According to the configuration of the above (22), the heat pump device can be made compact by using the heat pump device as a heat pump unit, whereby the installation of the heat pump device is facilitated and the application of the heat pump device can be expanded.
  • the compressor discharge pressure or the compressor discharge temperature of the heat exchange medium can be accurately controlled to a target value by controlling the opening of the expansion valve, thereby High COP and high heating capacity are possible.
  • an expression indicating that things such as “identical”, “equal”, and “homogeneous” are in an equal state not only represents an exactly equal state, but also has a tolerance or a difference that can provide the same function. It also represents the existing state.
  • expressions representing shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes represent not only geometrically strict shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes, but also irregularities and chamfers as long as the same effects can be obtained. A shape including a part or the like is also expressed.
  • the expressions “comprising”, “comprising”, “comprising”, “including”, or “having” one constituent element are not exclusive expressions for excluding the existence of other constituent elements.
  • the heat pump device 10 (10A, 10B) is a CO 2 as a heat exchange medium
  • the CO 2 circulation path 14 CO 2 is circulated as a heat exchange medium
  • a supercritical heat pump cycle component 12 including an expansion valve 20 and an evaporator 22 (22a, 22b).
  • the heat exchange medium collects and evaporates the heat held by the medium to be cooled
  • the gas cooler 18, the heat exchange medium is cooled by exchanging heat with the medium to be heated, and the medium to be heated is heated.
  • the heat exchange medium is CO 2
  • CO 2 is in a supercritical state on the discharge side of the compressor 16, and thus high-temperature water of about 90 ° C., for example, is obtained as the heated medium heated by the gas cooler 18.
  • the first temperature sensor 24 that measures the inlet temperature of the medium to be cooled in the evaporator 22 and the second temperature sensor 26 that measures the inlet temperature of the medium to be heated in the gas cooler 18 are provided.
  • Control unit 28 based on the inlet temperature T 2 of the inlet temperature T 1 and the heated medium of the cooling medium, the discharge pressure of the compressor 16 to control the opening degree of the expansion valve 20 so that the target discharge pressure.
  • a target discharge pressure a discharge pressure capable of obtaining a high COP and a high heating capacity is selected in advance.
  • the expansion valve 20 uses an expansion valve whose opening degree can be controlled, for example, an electronic expansion valve whose opening degree can be controlled. Generally, when the opening degree of the expansion valve 20 is reduced, the discharge pressure becomes higher, and when the opening degree of the expansion valve 20 is increased, the discharge pressure becomes lower.
  • a pressure sensor 15 that detects the discharge pressure of the compressor 16 is provided at the outlet of the compressor 16.
  • a bypass path 30 is provided that branches from the circulation path 14 on the downstream side of the gas cooler 18 and joins the circulation path 14 on the downstream side of the expansion valve 20.
  • a CO 2 tank 32 capable of temporarily storing a heat exchange medium is provided in the bypass passage 30, and opening / closing valves 34 and 36 are provided on the inlet side and the outlet side of the CO 2 tank 32.
  • the required flow rate of the heat exchange medium circulating in the CO 2 circulation path 14 varies depending on external conditions such as the evaporator inlet temperature and the gas cooler inlet temperature of the medium to be cooled.
  • a heat exchanger 38 that heats the heat exchange medium exiting from the evaporator 22 with the heat exchange medium exiting from the gas cooler 18 is provided.
  • the heat exchanger 38 By providing the heat exchanger 38, the COP of the heat pump apparatus 10 can be improved.
  • the evaporator 22 (22a) shown in FIG. 1 is an air heat source heat exchanger that uses outside air as a medium to be cooled, and the heat exchange medium collects heat from the outside air by heat exchange with the outside air and vaporizes it.
  • the air heat source heat exchanger includes an inlet header 40, an outlet header 42, and a plurality of heat transfer tubes 44 installed between the headers.
  • the plurality of heat transfer tubes 44 are arranged in parallel with intervals through which outside air can circulate, and have a fan 46 for forming an air flow a1 flowing between the plurality of heat transfer tubes 44.
  • the first temperature sensor 24 is provided facing the air flow a1 on the inlet side of the air heat source heat exchanger.
  • the gas cooler 18 (18a) shown in FIG. 1 uses the heated water w1 as a heated medium, and the heat exchange medium heats the heated water w1.
  • the heated water channel 48 is led to the gas cooler 18 (18 a), and the heated water w ⁇ b> 1 is circulated through the heated water channel 48 by the pump 50.
  • the second temperature sensor 26 is provided in the heated water channel 48 on the inlet side with respect to the gas cooler 18 (18a). The water to be heated w1 is heated by the heat exchange medium, becomes hot water, and is supplied to the customer.
  • the control unit 28 based on the inlet temperature T 2 of the heated water w1 at the inlet temperature T 1 and the gas cooler 18 of the air flow a1 in the air heat source heat exchanger, the discharge pressure of the compressor 16
  • the opening degree of the expansion valve 20 is controlled so that becomes the target discharge pressure.
  • the heat pump device 10 (10A) can have a high COP and a high heating capacity.
  • the evaporator 22 (22b) shown in FIG. 2 uses the heat source water w2 as a medium to be cooled, and the heat exchange medium is water that exchanges heat with the heat source water w2 and collects and heats the heat from the heat source water w2. It is a heat source heat exchanger.
  • the heat source water circulation path 52 is led to the water heat source heat exchanger, and the first temperature sensor 24 is provided in the heat source water circulation path 52 on the inlet side of the water heat source heat exchanger.
  • the water heat source heat exchanger is a plate heat exchanger with good heat exchange efficiency.
  • an air duct 54 is provided in the gas cooler 18 (18 b), and outside air is introduced into the air duct 54 by the fan 56 to form an air flow a ⁇ b> 2.
  • the air flow a2 exchanges heat with the heat exchange medium by the gas cooler 18, is heated by the heat exchange medium, and is supplied to a demand destination such as a drying apparatus.
  • the control unit 28 based on the inlet temperature T 2 of the air flow a2 at the inlet temperature T 1 and the gas cooler 18 of the heat source water w2 in water heat source heat exchanger medium, the discharge pressure of the compressor 16
  • the opening degree of the expansion valve 20 is controlled so as to reach the target discharge pressure.
  • the heat pump device 10 (10B) can have a high COP and a high heating capacity.
  • the evaporator 22 is provided with an air heat source heat exchanger and a water heat source evaporator in parallel to the CO 2 circulation path 14.
  • the heat exchange medium is switchably supplied to an air heat source heat exchanger or a water heat source evaporator.
  • a high COP and a high heating capability can be achieved by setting the discharge pressure of the compressor 16 to the target discharge pressure.
  • the heat pump device 10 (10 ⁇ / b> C) is a heat pump unit in which a supercritical heat pump cycle component 12 is housed inside a box-shaped casing 58.
  • the heat pump device can be made compact by making it a heat pump unit, whereby the installation of the heat pump device becomes easy and the application of the heat pump device can be expanded.
  • the heat pump device 10 (10C) includes a pair of air heat source heat exchangers as the evaporator 22 (22a).
  • the air flow a1 enters the inside of the box-shaped casing 58 from the air intake port 60 formed in the upper regions of the front surface 58a and the back surface 58b of the box-shaped casing 58 by the operation of the fan 46, and is an evaporator formed in a panel shape.
  • (Air heat source heat exchanger) 22 (22a) passes through a plurality of heat transfer tubes 44 and flows out from an air outlet 62 formed on the upper surface 58c of the box-shaped casing 58.
  • the fan 46 is provided at the air outlet 62.
  • a heat exchange unit 64 including a pair of air heat source heat exchangers and a fan 46 is disposed in the upper region, and a compressor 16, a gas cooler 18 (18 a) that uses outside air as a heating medium, an expansion valve 20, and the like are disposed in the lower region.
  • a critical heat pump cycle component 12 is arranged.
  • the control method of the heat pump apparatus 10 controls the opening degree of the expansion valve 20 so that the compressor discharge force of the heat exchange medium becomes the target discharge pressure (expansion valve opening degree).
  • Control step S12 controls the opening degree of the expansion valve 20 so that the compressor discharge pressure of the heat exchange medium becomes the target discharge pressure.
  • the compressor discharge pressure can be accurately set to the target discharge pressure.
  • the heat pump apparatus 10 can be operated with a high COP and a high heating capacity. Further, since the compressor discharge pressure is controlled to the target discharge pressure, overcompression of the compressor 16 can be suppressed.
  • the cooled medium in the evaporator 22 e.g., air flow a1, heat source water w1, etc.
  • the heated medium at the inlet temperature T 1 and the gas cooler 18 e.g., heat source water w2, based on the inlet temperature T 2 of the air flow a2, etc.
  • the target discharge pressure varies depending on external conditions such as the inlet temperature T 1 of the medium to be cooled in the evaporator 22 and the inlet temperature T 2 of the medium to be heated in the gas cooler 18.
  • the discharge pressure can be accurately controlled to the target discharge pressure even if these external conditions fluctuate. 10 can obtain a high COP and a high heating capacity.
  • the discharge pressure setting step S10 based on a preset correlation among the inlet temperature of the medium to be cooled, the inlet temperature of the medium to be heated, and the target discharge pressure of the heat exchange medium on the compressor discharge side, Set the target discharge pressure.
  • a correlation between the external condition and the compressor discharge pressure is obtained in advance, and the target discharge pressure is set based on this correlation. Therefore, even if the external condition fluctuates, the probability is high. High COP and high heating capacity can be obtained.
  • a high COP and high heating capacity and capable target discharge pressure Pset as a function of the inlet temperature T 2 of the inlet temperature T 1 and the heated medium of the cooling medium.
  • Pset F 1 (T 1 , T 2 ) (1)
  • the rotational speed of the compressor 16 is decreased compared to when the inlet temperature is in the low temperature range (rotational speed control step S14).
  • the number of revolutions of the compressor 16 is reduced more than when the inlet temperature is in the low temperature range, so that the discharge pressure is accurately set to the target discharge pressure.
  • a reciprocating compressor is used as the compressor, and the rotational speed of the reciprocating compressor is controlled.
  • the compressed than the temperature range the inlet temperature is higher than the temperature T 0 Increase the speed of the machine 16.
  • the operation mode of the heat pump device 10 has a plurality of operation modes including a first operation mode and a second operation mode having a heating capacity higher than that of the first operation mode.
  • the heat pump apparatus 10 can be switched to a plurality of operation modes, for example, the operation is switched to the operation mainly focusing on one of target performances such as the amount of tapping water, tapping temperature, and energy saving while obtaining a high COP. be able to.
  • the heat pump device 10 has three types of energy saving modes for energy saving, a power mode with an increased heating capacity, and a standard mode that is an intermediate mode between the energy saving mode and the power mode. It is possible to switch to the operation mode. For each of these operation modes, it sets the target discharge pressure Pset at different correlation from the inlet temperature T 1 and T 2. As a result, it is possible to operate according to the purpose of each operation mode while obtaining a high COP.
  • different target discharge pressures Pset with different correlations for each region (A, B, C,... J) depending on the operation mode and the inlet temperature of the medium to be cooled.
  • Set In this way, by setting the target discharge pressure finely for each inlet temperature of the medium to be cooled, even if the inlet temperature of the medium to be cooled fluctuates, high COP and high heating capacity can be achieved.
  • Pset is calculated by changing the coefficients of the inlet temperatures T 1 and T 2 for each of the regions A, B, C,.
  • the process when the operation mode needs to be changed, the process returns to the discharge pressure setting step S10, and a new target discharge pressure is set (step S16).
  • the process when the external condition changes, the process returns to the discharge pressure setting step S10, and a new target discharge pressure is set (step S18).
  • the discharge pressure setting step S10 as shown in FIG. 6, the target discharge pressure Pset, thereby monotonously increases in response to increase of the inlet temperature T 1 of the cooled medium.
  • the target discharge pressure is monotonously increased in response to an increase in the inlet temperature of the medium to be cooled, thereby eliminating variations in the temperature difference between the medium to be cooled and the heat exchange medium, and the inlet of the medium to be cooled. Regardless of temperature, heat exchange efficiency can be kept at a high temperature difference. As a result, high COP and high heating capability can be maintained regardless of the inlet temperature of the medium to be cooled.
  • the target discharge pressure Pset in the discharge pressure setting step S10, as shown in FIG. 7, the target discharge pressure Pset, the increase rate of the target discharge pressure in the low temperature region of the medium to be cooled, the target discharge pressure in the high temperature region of the medium to be cooled.
  • the rate of increase is larger. That is, as shown in FIG. 7, and the boundary of the inlet temperature T 0 with a cooled medium, the temperature range the inlet temperature is lower than the temperature T 0 of the cooling medium, the inlet temperature is a temperature range higher than the temperature T 0 Increase the target discharge pressure increase rate.
  • the inlet temperature of the medium to be cooled is high in summer, the required thermal load is reduced. For this reason, it is appropriate to prioritize the improvement of COP over the increase in heating capacity at high temperatures.
  • this embodiment by reducing the increase rate of the target discharge pressure in the high temperature region to be lower than that in the low temperature region, it is possible to suppress the decrease in COP without causing insufficient heating capacity in the high temperature region.
  • the inlet temperature is higher high temperature region than the low temperature range and the temperature T 0 the inlet temperature is lower than the temperature T 0, is respectively monotonically increases the target discharge pressure.
  • the target discharge pressure is increased as the inlet temperature of the heated medium is higher.
  • the inlet temperature T 2 of the heated medium in the target discharge pressure setting values X 1 , Y 1, and Z 1 is in a relationship of X 1 ⁇ Y 1 ⁇ Z 1 .
  • FIG. 8 shows a heat pump apparatus 10 (10D) according to an embodiment.
  • the heat pump device 10 (10D) has a CO 2 as a heat exchange medium, the CO 2 circulation path 14 CO 2 is circulated as a heat exchange medium, the compressor 16, gas cooler 18 (18b), the expansion valve 20 and A supercritical heat pump cycle component 12 including an evaporator 22 (22b) is provided.
  • the heat exchange medium collects and evaporates the retained heat of the medium to be cooled, and in the gas cooler 18 (18b), the heat exchange medium is cooled by exchanging heat with the medium to be heated. Is heated.
  • the heat exchange medium is CO 2
  • CO 2 is in a supercritical state on the discharge side of the compressor 16, so high-temperature water of, for example, about 90 ° C. is obtained as the heated medium heated by the gas cooler 18 (18 b). .
  • the 1st temperature sensor 24 which measures the inlet_port
  • Control unit 28 based on the inlet temperature T 2 of the inlet temperature T 1 and the heated medium of the cooling medium, the discharge temperature of the compressor 16 to control the opening degree of the expansion valve 20 so that the target discharge temperature.
  • a discharge temperature capable of obtaining a high COP and a high heating capacity is selected in advance.
  • a temperature sensor 17 that detects the discharge temperature of the compressor 16 is provided at the outlet of the compressor 16.
  • the discharge temperature by controlling the opening degree of the expansion valve 20 so that the target discharge temperature, can be accurately target discharge temperature. Further, by controlling the discharge temperature to the target discharge temperature, the heat pump apparatus 10 (10C) can obtain a high COP and a high heating capacity. Further, since both the control-side parameter and the controlled-side parameter are temperatures, a calculation process for converting the discharge pressure to the discharge temperature is unnecessary, and control is facilitated.
  • a bypass path 30 is provided that branches from the circulation path 14 on the downstream side of the gas cooler 18 and joins the circulation path 14 on the downstream side of the expansion valve 20.
  • a CO 2 tank 32 capable of temporarily storing a heat exchange medium is provided in the bypass passage 30, and opening / closing valves 34 and 36 are provided on the inlet side and the outlet side of the CO 2 tank 32.
  • the required flow rate of the heat exchange medium circulating in the CO 2 circulation path 14 varies depending on external conditions such as the evaporator inlet temperature and the gas cooler inlet temperature of the medium to be cooled.
  • the evaporator 22 (22b) shown in FIG. 8 uses the heat source water w2 as a medium to be cooled, and the heat exchange medium is water that exchanges heat with the heat source water w2 and collects and heats the heat from the heat source water w2. It is a heat source heat exchanger.
  • the heat source water circulation path 52 is led to the water heat source heat exchanger, and the first temperature sensor 24 is provided in the heat source water circulation path 52 on the inlet side of the water heat source heat exchanger.
  • the water heat source heat exchanger is a plate heat exchanger with good heat exchange efficiency.
  • an air duct 54 is provided in the gas cooler 18 (18b), and outside air is introduced into the air duct 54 by the fan 56 to form an air flow a2.
  • the air flow a2 exchanges heat with the heat exchange medium by the gas cooler 18, is heated by the heat exchange medium, and is supplied to a demand destination such as a drying apparatus.
  • the control unit 28 based on the inlet temperature T 2 of the air flow a2 at the inlet temperature T 1 and the gas cooler 18 of the heat source water w2 in water heat source heat exchanger medium, the discharge pressure of the compressor 16
  • the opening degree of the expansion valve 20 is controlled so as to reach the target discharge pressure.
  • the heat pump device 10 (10D) can have a high COP and a high heating capacity.
  • the opening degree of the expansion valve 20 and the discharge temperature can be more linearly associated with each other, and more accurately controlled to the target discharge temperature. Heating capacity is possible.
  • the control method of the heat pump apparatus 10 controls the opening degree of the expansion valve 20 so that the compressor discharge temperature of the heat exchange medium becomes the target discharge temperature (expansion valve opening degree).
  • Control step S22 controls the opening degree of the expansion valve 20 so that the compressor discharge temperature of the heat exchange medium becomes the target discharge temperature.
  • the compressor discharge temperature can be accurately set to the target discharge temperature.
  • the heat pump apparatus 10 can be operated with a high COP and a high heating capacity. Further, since both the control-side parameter and the controlled-side parameter are temperatures, a calculation process for converting the discharge pressure to the discharge temperature is unnecessary, and control is facilitated.
  • the cooled medium in the evaporator 22 e.g., air flow a1, heat source water w1, etc.
  • the heated medium at the inlet temperature T 1 and the gas cooler 18 e.g., heat source water w2, based on the inlet temperature T 2 of the air flow a2, etc.
  • sets a target discharge temperature controls the opening degree of the expansion valve 20 so that the set target discharge temperature (discharge temperature setting step S20 ).
  • Discharge temperature will vary according to external conditions of the inlet temperature T 2, etc. of the heated medium at the inlet temperature T 1 and the gas cooler 18 of the cooling medium in the evaporator 22.
  • the heat pump device 10 can obtain a high COP and a high heating capacity even if these external conditions fluctuate.
  • the discharge temperature setting step S20 based on a preset correlation among the inlet temperature of the medium to be cooled, the inlet temperature of the medium to be heated, and the target discharge temperature of the heat exchange medium on the compressor discharge side, Set the target discharge temperature.
  • a correlation between the external condition and the compressor discharge temperature is obtained in advance, and the target discharge temperature is set based on this correlation. Therefore, even if the external condition fluctuates, the probability is high. High COP and high heating capacity can be obtained.
  • the heat pump device 10 has a high COP and a high heating capacity even if the inlet temperatures T 1 and T 2 fluctuate. Can be obtained. Further, since both the control-side parameter and the controlled-side parameter are temperatures, a calculation process for converting the discharge pressure to the discharge temperature is unnecessary, and control is facilitated.
  • the rotational speed of the compressor 16 is decreased as compared with when the inlet temperature is in the low temperature range (rotational speed control step S24).
  • the number of revolutions of the compressor 16 is reduced more than when the inlet temperature is in the low temperature region, so that the discharge temperature is accurately set to the target discharge temperature.
  • a reciprocating compressor is used as the compressor, and the rotational speed of the reciprocating compressor is controlled.
  • the heat pump apparatus 10 can obtain a high COP and a high heating capacity.
  • the operation mode of the heat pump device 10 has a plurality of operation modes including a first operation mode and a second operation mode having a heating capacity higher than that of the first operation mode.
  • the heat pump apparatus 10 can be switched to a plurality of operation modes, for example, the operation is switched to the operation mainly focusing on one of target performances such as the amount of tapping water, tapping temperature, and energy saving while obtaining a high COP. be able to.
  • the heat pump device 10 has three types of energy saving modes for energy saving, a power mode with an increased heating capacity, and a standard mode that is an intermediate mode between the energy saving mode and the power mode. It is possible to switch to the operation mode. For each of these operation modes, it sets the target discharge temperature Tset with different correlation from the inlet temperature T 1 and T 2. As a result, it is possible to operate according to the purpose of each operation mode while obtaining a high COP.
  • different target discharge temperatures Tset with different correlations for each region (A, B, C,... J) depending on the operation mode and the inlet temperature of the medium to be cooled.
  • Set In this way, by setting the target discharge temperature finely for each inlet temperature of the medium to be cooled, even if the inlet temperature of the medium to be cooled fluctuates, high COP and high heating capacity can be achieved.
  • the process when the operation mode needs to be changed, the process returns to the discharge temperature setting step S20, and a new target discharge temperature is set (step S26).
  • the process when the external condition changes, the process returns to the discharge temperature setting step S20, and a new target discharge temperature is set (step S28).
  • the discharge temperature setting step S20 as shown in FIG. 10, a target discharge temperature Tset, is monotonously increased in correspondence with the increase of the inlet temperature T 1 of the cooled medium.
  • the target discharge temperature is monotonously increased in response to an increase in the inlet temperature of the medium to be cooled, thereby eliminating variations in the temperature difference between the medium to be cooled and the heat exchange medium, and the inlet of the medium to be cooled. Regardless of temperature, heat exchange efficiency can be kept at a high temperature difference. As a result, high COP and high heating capability can be maintained regardless of the inlet temperature of the medium to be cooled.
  • the target discharge temperature Tset the increase rate of the target discharge temperature in the low temperature region of the medium to be cooled, the target discharge temperature in the high temperature region of the medium to be cooled.
  • the rate of increase is larger. That is, as shown in FIG. 11, and the boundary of the inlet temperature T 0 with a cooled medium, the temperature range the inlet temperature is lower than the temperature T 0 of the cooling medium, the inlet temperature is a temperature range higher than the temperature T 0 Increase the target discharge temperature increase rate.
  • the inlet temperature of the medium to be cooled is high in summer, the required thermal load is reduced. For this reason, it is appropriate to prioritize the improvement of COP over the increase in heating capacity at high temperatures.
  • this embodiment by decreasing the increase rate of the target discharge temperature in the high temperature range from that in the low temperature range, it is possible to suppress the decrease in COP without causing insufficient heating capacity in the high temperature range.
  • the inlet temperature is higher high temperature region than the low temperature range and the temperature T 0 the inlet temperature is lower than the temperature T 0, is respectively monotonically increases the target discharge temperature.
  • the target discharge temperature is increased as the inlet temperature of the heated medium is higher. 10 and 11, the inlet temperature T 2 of the heated medium in Example X 2, Y 2 and Z 2 of the target discharge temperature set value, the relationship of X 2 ⁇ Y 2 ⁇ Z 2 .
  • the target discharge temperature is increased as the inlet temperature of the heated medium increases.
  • the temperature difference between the heated medium and the heat exchange medium can be increased even if the inlet temperature of the heated medium changes. Can hold on to the difference.
  • high COP and high heating capacity can be maintained regardless of the temperature range of the inlet temperature of the medium to be heated.
  • the compressor discharge pressure or compressor discharge temperature of the heat exchange medium can be accurately controlled to a target value by controlling the opening of the expansion valve.
  • a high COP and a high heating capacity can be realized.

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Abstract

一実施形態に係るヒートポンプ装置の制御方法は、ＣＯ２を熱交換媒体とし、圧縮機、ガスクーラ、膨張弁及び蒸発器を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器を備えるヒートポンプ装置の制御方法であって、前記熱交換媒体の圧縮機吐出圧が目標吐出圧となるように前記膨張弁の開度を制御する膨張弁開度制御ステップを備える。

Description

ヒートポンプ装置の制御方法及びヒートポンプ装置
　本開示は、ヒートポンプ装置の制御方法及びヒートポンプ装置に関する。
　ヒートポンプサイクルを構成するヒートポンプ装置は、圧縮機吐出側で熱交換媒体が高温高圧状態となることで、被加熱水を高温まで加熱でき、高温水を得ることができる。特に、ＣＯ２などの熱交換媒体は圧縮機吐出側で超臨界状態となるため、９０℃程度の熱水を得ることができる。
　他方、圧縮機吐出側で熱交換媒体の圧力が高くなりすぎると、ヒートポンプ装置の熱効率（成績係数ＣＯＰ）が低下するため、圧縮機吐出側の熱交換媒体の圧力を適度に制御する必要がある。
　特許文献１には、ヒートポンプ装置において、圧縮機吐出側流路の熱交換媒体の循環量を調整することで、熱交換媒体の圧縮機吐出力を制御する運転方法が開示されている。
特開２０１０－２８１５５２号公報
　特許文献１に開示された熱交換媒体の圧縮機吐出圧の制御方法は、熱交換媒体の循環量と圧縮機吐出力との相関がリニアなものではないため、制御の精度に限界がある。
　また、熱交換媒体の圧縮機吐出圧は、蒸発器における熱源媒体の温度やガスクーラにおける被加熱媒体（冷却水など）の温度等の外的条件によって変動するため、これらの外的条件を考慮して吐出圧を制御する必要がある。
　少なくとも一実施形態は、上記課題に鑑み、ヒートポンプ装置において、熱交換媒体の圧縮機吐出圧又は圧縮機吐出温度の制御精度を高めることで、高ＣＯＰと高加熱能力とを可能にすることを目的とする。
　（１）一実施形態に係るヒートポンプ装置の制御方法は、
　ＣＯ２を熱交換媒体とし、圧縮機、ガスクーラ、膨張弁及び蒸発器を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器を備えるヒートポンプ装置の制御方法であって、
　前記熱交換媒体の圧縮機吐出圧が目標吐出圧となるように前記膨張弁の開度を制御する膨張弁開度制御ステップを備える。目標吐出圧として、高ＣＯＰと高加熱能力とを得られる吐出圧を予め設定しておく。
　上記（１）の方法によれば、熱交換媒体の圧縮機吐出圧（以下、単位に「吐出圧」とも言う。）が目標吐出圧となるように、膨張弁の開度を制御することで、圧縮機吐出圧を精度良く目標吐出圧にすることができる。これによって、高ＣＯＰと高加熱能力とを有する運転が可能になる。
　従来、圧縮機の吸込側における熱交換媒体の吸込圧又は吸込温度を監視しながら、膨張弁の開度を制御して過熱度を制御することが行われている。この過熱度制御によって間接的に吐出圧及び吐出温度も変動する。
　上記実施形態は、かかる制御とは異なり、膨張弁の開度制御によって吐出圧を直接制御することで、圧縮機吐出圧を精度良く目標吐出圧にすることができ、これによって、高ＣＯＰと高加熱能力とを可能にするものである。また、圧縮機吐出圧を目標吐出圧に制御するため、圧縮機の過圧縮を抑制できる。
（２）一実施形態では、前記（１）の方法において、
　前記蒸発器における被冷却媒体の入口温度及び前記ガスクーラにおける被加熱媒体の入口温度に基づいて、前記目標吐出圧を設定する吐出圧設定ステップを備え、
　前記膨張弁開度制御ステップにおいて、前記圧縮機吐出圧が前記目標吐出圧となるように前記膨張弁の開度を制御する。
　圧縮機吐出圧は、蒸発器における被冷却媒体の入口温度及びガスクーラにおける被加熱媒体の入口温度等の外的条件によって変動する。
　上記（２）の方法によれば、これらの外的条件を考慮して目標吐出圧を設定するので、これらの外的条件が変動しても、高ＣＯＰと高加熱能力を維持できる。
（３）一実施形態では、前記（２）の方法において、
　前記吐出圧設定ステップにおいて、
　前記被冷却媒体の入口温度、前記被加熱媒体の入口温度及び前記目標吐出圧の間で予め設定された相関に基づいて、前記目標吐出圧を設定する。
　上記（３）の方法によれば、上記外的条件と高ＣＯＰと高加熱能力とが可能な吐出圧との間の相関を予め求めておき、この相関に基づいて目標吐出圧を設定するので、上記外的条件が変動しても、高い確率で高ＣＯＰと高加熱能力を得ることができる。
　（４）一実施形態では、前記（３）の方法において、
　前記相関は、
　前記被冷却媒体の入口温度の上昇に対応して前記目標吐出圧を単調増加させるものである。
　上記（４）の方法によれば、被冷却媒体の入口温度の上昇に対応して目標吐出圧を単調増加させることで、被冷却媒体の入口温度と熱交換媒体との温度差のばらつきをなくし、被冷却媒体の入口温度の温度域にかかわらず、熱交換効率が高い温度差に保持できる。これによって、被冷却媒体の入口温度の温度域にかかわらず、高ＣＯＰと高加熱能力とを維持できる。
　（５）一実施形態では、前記（３）の方法において、
　前記相関は、
　前記被冷却媒体の低温域における前記目標吐出圧の増加率を、前記被冷却媒体の高温域における前記目標吐出圧の増加率より大きくしたものである。
　例えば夏期において被冷却媒体の入口温度が高い場合、必要温熱負荷が小さくなる。そのため、高温域では加熱能力の増大よりもＣＯＰの向上を優先するのが妥当である。
　上記（５）の方法によれば、高温域における目標吐出圧の増加率を低温域より小さくすることで、高温域において加熱能力を不足させることなくＣＯＰの低下を抑制できる。
　（６）一実施形態では、前記（３）～（５）の何れかの方法において、
　前記相関は、
　前記被加熱媒体の入口温度が高いほど前記目標吐出圧を高くするものである。
　上記（６）の方法によれば、被加熱媒体の入口温度が高いほど目標吐出圧を高くすることで、被加熱媒体の入口温度が変わっても被加熱媒体と熱交換媒体との温度差を熱交換効率が高い温度差に保持できる。これによって、被加熱媒体の入口温度の温度域にかかわらず高ＣＯＰと高加熱能力とを維持できる。
　（７）一実施形態では、前記（２）～（６）の何れかの方法において、
　前記被冷却媒体の入口温度が高温度域のときに前記入口温度が低温度域のときより前記圧縮機の回転数を減少させる回転数制御ステップを備える。
　上記（７）の方法によれば、被冷却媒体の入口温度が高温度域のときに前記入口温度が低温度域のときより前記圧縮機の回転数を減少させることで、過圧縮を防ぎながら吐出圧を目標吐出圧に精度良く制御でき、これによって、高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。
　（８）一実施形態では、前記（２）～（７）の何れかの方法において、
　前記被冷却媒体は外気又は熱源水である。
　上記（８）の方法によれば、被冷却媒体として外気又は熱源水を用いることで、高ＣＯＰと高加熱能力を得ることができる。
　（９）一実施形態では、前記（２）～（８）の何れかの方法において、
　前記被加熱媒体は被加熱水又は外気である。
　上記（９）の方法によれば、被加熱媒体として被加熱水又外気を用いることで、高ＣＯＰと高加熱能力を得ることができる。
　（１０）一実施形態では、前記（１）～（９）の何れかの方法において、
　前記ヒートポンプ装置の運転モードは、
　第１運転モードと、
　前記第１運転モードより加熱能力が高い第２運転モードと、
　を含む複数の運転モードを有する。
　上記（１０）の方法によれば、上記複数の運転モードを有することで、高ＣＯＰを得ながら、例えば、出湯量、出湯温度、省エネ等の目標性能のうちどれかを主目的とする運転に切り替えることができる。
　（１１）一実施形態に係るヒートポンプ装置の制御方法は、
　ＣＯ２を熱交換媒体とし、圧縮機、ガスクーラ、膨張弁及び蒸発器を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器を備えるヒートポンプ装置の制御方法であって、
　前記熱交換媒体の圧縮機吐出温度が目標吐出温度となるように前記膨張弁の開度を制御する膨張弁開度制御ステップを備える。目標吐出温度として、高ＣＯＰと高加熱能力とを得られる吐出温度を予め設定しておく。
　上記（１１）の方法によれば、熱交換媒体の圧縮機吐出温度（以下、単位に「吐出温度」とも言う。）が目標吐出温度となるように、膨張弁の開度を制御することで、圧縮機吐出温度を精度良く目標吐出温度に制御することができる。これによって、高ＣＯＰと高加熱能力とを有する運転が可能になる。
　（１２）一実施形態では、前記（１１）の方法において、
　前記蒸発器における被冷却媒体の入口温度及び前記ガスクーラにおける被加熱媒体の入口温度に基づいて、前記目標吐出温度を設定する吐出温度設定ステップを備え、
　前記膨張弁開度制御ステップにおいて、前記圧縮機吐出温度が前記目標吐出温度となるように前記膨張弁の開度を制御する。
　圧縮機吐出温度は、蒸発器における被冷却媒体の入口温度及びガスクーラにおける被加熱媒体の入口温度等の外的条件によって変動する。
　上記（１２）の方法によれば、これらの外的条件を考慮して目標吐出温度を設定するので、これらの外的条件が変動しても、圧縮機吐出温度を精度良く目標吐出温度に制御でき、これによって、高ＣＯＰと高加熱能力を維持できる。また、制御側パラメータ及び被制御側パラメータが共に温度であるので、吐出圧を吐出温度に換算する計算過程が不要になり、制御が容易になる。
　（１３）一実施形態では、前記（１２）の方法において、
　前記吐出温度設定ステップにおいて、
　前記被冷却媒体の入口温度、前記被加熱媒体の入口温度及び前記目標吐出温度の間で予め設定された相関に基づいて、前記目標吐出温度を設定する。
　上記（１３）の方法によれば、上記外的条件と高ＣＯＰと高加熱能力とが可能な吐出温度との間の相関を予め求めておき、この相関に基づいて目標吐出温度を設定するので、上記外的条件が変動しても、高い確率で高ＣＯＰと高加熱能力を得ることができる。
　（１４）一実施形態では、前記（１３）の方法において、
　前記相関は、
　前記被冷却媒体の入口温度の上昇に対応して前記目標吐出温度を単調増加させるものである。
　上記（１４）の方法によれば、被冷却媒体の入口温度の上昇に対応して目標吐出温度を単調増加させることで、被冷却媒体の入口温度と熱交換媒体との温度差のばらつきをなくし、被冷却媒体の入口温度の温度域にかかわらず、熱交換効率が高い温度差に保持できる。これによって、被冷却媒体の入口温度の温度域にかかわらず、高ＣＯＰと高加熱能力とを維持できる。
　（１５）一実施形態では、前記（１３）の方法において、
　前記相関は、
　前記被冷却媒体の低温域における前記目標吐出温度の増加率を、前記被冷却媒体の高温域における前記目標吐出温度の増加率より大きくしたものである。
　例えば夏期において被冷却媒体の入口温度が高い場合、必要温熱負荷が小さくなる。そのため、高温域では加熱能力の増大よりもＣＯＰの向上を優先するのが妥当である。
　上記（１５）の方法によれば、高温域における目標吐出温度の増加率を低温域より小さくすることで、高温域において加熱能力を不足させることなくＣＯＰの低下を抑制できる。
　（１６）一実施形態では、前記（１３）～（１５）の何れかの方法において、
　前記相関は、
　前記被加熱媒体の入口温度が高いほど前記目標吐出温度を高くするものである。
　上記（１６）の方法によれば、被加熱媒体の入口温度が高いほど目標吐出温度を高くすることで、被加熱媒体の入口温度が変わっても被加熱媒体と熱交換媒体との温度差を熱交換効率が高い温度差に保持できる。これによって、被加熱媒体の入口温度の温度域にかかわらず高ＣＯＰと高加熱能力とを維持できる。
　（１７）一実施形態では、前記（１２）～（１６）の何れかの方法において、
　前記被冷却媒体の入口温度が高温度域のときに前記入口温度が低温度域のときより前記圧縮機の回転数を減少させる回転数制御ステップを備える。
　上記（１７）の方法によれば、被冷却媒体の入口温度が高温度域のときに前記入口温度が低温度域のときより前記圧縮機の回転数を減少させることで、吐出温度を目標吐出温度に精度良く制御でき、これによって、高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。
　（１８）一実施形態では、前記（１２）～（１７）の何れかの方法において、
　前記被冷却媒体は熱源水であり、前記被加熱媒体は外気である。
　上記（１８）の方法によれば、被加熱媒体が水と比べて比熱が小さい外気であるため、加熱された外気の温度のバラツキが大きくなりやすく、温度制御が難しくなるが、膨張弁の開度制御により圧縮機吐出温度を目標吐出温度とする制御を行うため、被加熱媒体の温度バラツキを抑制できる。
　（１９）一実施形態では、前記（１１）～（１８）の何れかの方法において、
　前記ヒートポンプ装置の運転モードは、
　第１運転モードと、
　前記第１運転モードより加熱能力が高い第２運転モードと、
　を含む複数の運転モードを有する。
　上記（１９）の方法によれば、上記複数の運転モードを有することで、高ＣＯＰを得ながら、例えば、出湯量、出湯温度、省エネ等の目標性能のうちどれかを主目的とする運転に切り替えることができる。
　（２０）一実施形態に係るヒートポンプ装置は、
　ＣＯ２を熱交換媒体とし、圧縮機、ガスクーラ、膨張弁及び蒸発器を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器を備えるヒートポンプ装置であって、
　前記蒸発器における被冷却媒体の入口温度を計測する第１温度センサと、
　前記ガスクーラにおける被加熱媒体の入口温度を計測する第２温度センサと、
　前記被冷却媒体の入口温度及び前記被加熱媒体の入口温度に基づいて、前記圧縮機の目標吐出圧となるように前記膨張弁の開度を制御する制御部と、
　を備える。
　上記（２０）の構成によれば、上記第１温度センサ及び上記第２温度センサによって被冷却媒体及び被加熱媒体の入口温度を計測し、これらの計測値に基づいて、吐出圧が目標吐出圧となるように膨張弁の開度を制御することで、吐出圧を精度良く目標吐出圧とすることができ、これによって、高ＣＯＰと高加熱能力を得ることができる。また、圧縮機吐出圧を目標吐出圧に制御するため、圧縮機の過圧縮を抑制できる。なお、目標吐出圧として、高ＣＯＰと高加熱能力とを得られる吐出圧を予め設定しておく。
　（２１）一実施形態に係るヒートポンプ装置は、
　ＣＯ２を熱交換媒体とし、圧縮機、ガスクーラ、膨張弁及び蒸発器を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器を備えるヒートポンプ装置であって、
　前記蒸発器における被冷却媒体の入口温度を計測する第１温度センサと、
　前記ガスクーラにおける被加熱媒体の入口温度を計測する第２温度センサと、
　前記被冷却媒体の入口温度及び前記被加熱媒体の入口温度に基づいて、前記圧縮機の目標吐出温度となるように前記膨張弁の開度を制御する制御部と、
　を備える。
　上記（２１）の構成によれば、上記第１温度センサ及び上記第２温度センサによって被冷却媒体及び被加熱媒体の入口温度を計測し、これらの計測値に基づいて、吐出温度が目標吐出温度となるように膨張弁の開度を制御することで、吐出温度を精度良く目標吐出温度とすることができ、これによって、高ＣＯＰと高加熱能力を得ることができる。また、制御側パラメータ及び被制御側パラメータが共に温度であるので、吐出圧を吐出温度に換算する計算過程が不要になり、制御が容易になる。なお、目標吐出温度として、高ＣＯＰと高加熱能力とを得られる吐出温度を予め設定しておく。
　（２２）一実施形態では、前記（２０）又は（２１）の構成において、
　前記ヒートポンプ装置は、箱形ケーシングの内部に前記超臨界ヒートポンプサイクル構成機器が収納されたヒートポンプユニットである。
　上記（２２）の構成によれば、ヒートポンプ装置をヒートポンプユニットとすることで、ヒートポンプ装置をコンパクト化でき、これによって、ヒートポンプ装置の設置が容易になり、ヒートポンプ装置の用途を拡大できる。
　一実施形態によれば、ＣＯ２を熱交換媒体とするヒートポンプ装置において、膨張弁の開度制御により熱交換媒体の圧縮機吐出圧又は圧縮機吐出温度を精度良く目標値に制御でき、これによって、高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。
一実施形態に係るヒートポンプ装置の系統図である。 一実施形態に係るヒートポンプ装置の系統図である。 一実施形態に係るヒートポンプユニットの斜視図である。 一実施形態に係るヒートポンプ装置の制御方法の工程図である。 一実施形態に係る運転モードごとの目標吐出圧を示す図表である。 一実施形態に係る目標吐出圧の設定値を示す線図である。 一実施形態に係る目標吐出圧の設定値を示す線図である。 一実施形態に係るヒートポンプ装置の系統図である。 一実施形態に係るヒートポンプ装置の制御方法の工程図である。 一実施形態に係る目標吐出圧の設定値を示す線図である。 一実施形態に係る目標吐出圧の設定値を示す線図である。
　以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
　例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
　例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
　例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
　一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
　図１及び図２は幾つかの実施形態に係るヒートポンプ装置を示す。図１及び図２において、ヒートポンプ装置１０（１０Ａ、１０Ｂ）は、ＣＯ２を熱交換媒体とし、熱交換媒体としてＣＯ２が循環するＣＯ２循環路１４に、圧縮機１６、ガスクーラ１８（１８ａ、１８ｂ）、膨張弁２０及び蒸発器２２（２２ａ、２２ｂ）を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器１２を備える。
　蒸発器２２において、熱交換媒体は被冷却媒体の保有熱を採取して気化し、ガスクーラ１８において、熱交換媒体は被加熱媒体と熱交換して冷却され、被加熱媒体は加熱される。熱交換媒体がＣＯ２のとき、ＣＯ２は圧縮機１６の吐出側で超臨界状態となるため、ガスクーラ１８で加熱された被加熱媒体として、例えば９０℃程度の高温水が得られる。
　また、蒸発器２２における被冷却媒体の入口温度を計測する第１温度センサ２４と、ガスクーラ１８における被加熱媒体の入口温度を計測する第２温度センサ２６と、を備える。制御部２８は、被冷却媒体の入口温度Ｔ１及び被加熱媒体の入口温度Ｔ２に基づいて、圧縮機１６の吐出圧が目標吐出圧となるように膨張弁２０の開度を制御する。目標吐出圧として、高ＣＯＰと高加熱能力とを得られる吐出圧を予め選定しておく。
　膨張弁２０は開度制御可能な膨張弁を用い、例えば、開度制御可能な電子式膨張弁を用いる。一般的には、膨張弁２０の開度を絞ると、吐出圧は高くなり、膨張弁２０の開度を広げると、吐出圧は低くなる。
　一実施形態では、圧縮機１６の出口に圧縮機１６の吐出圧を検出する圧力センサ１５を備える。
　上記構成によれば、入口温度Ｔ１及びＴ２に基づいて、吐出圧が目標吐出圧となるように膨張弁２０の開度を制御することで、精度良く目標吐出圧とすることができる。吐出圧を目標吐出圧に制御することで、ヒートポンプ装置１０は、高ＣＯＰと高加熱能力を得ることができる。また、圧縮機１６の吐出圧を目標吐出圧に制御するため、圧縮機１６の過圧縮を抑制できる。
　一実施形態では、ガスクーラ１８の下流側で循環路１４から分岐し、膨張弁２０の下流側で循環路１４に合流するバイパス路３０を備える。バイパス路３０には熱交換媒体を一時貯留可能なＣＯ２タンク３２が設けられ、ＣＯ２タンク３２の入口側及び出口側に開閉弁３４及び３６が設けられる。
　被冷却媒体の蒸発器入口温度及びガスクーラ入口温度等の外的条件によって、ＣＯ２循環路１４を循環する熱交換媒体の必要流量は異なる。そこで、開閉弁３４及び開閉弁３６の開閉動作を制御することで、ＣＯ２タンク３２へのＣＯ２の出入りを調整し、ＣＯ２タンク３２に貯留される熱交換媒体の貯留量を調整する。これによって、ＣＯ２循環路１４を循環する熱交換媒体の流量を調整する。
　また、一実施形態では、ガスクーラ１８から出た熱交換媒体で蒸発器２２から出た熱交換媒体を加熱する熱交換器３８が設けられる。熱交換器３８を設けることで、ヒートポンプ装置１０のＣＯＰを向上できる。
　一実施形態では、図１に示す蒸発器２２（２２ａ）は、外気を被冷却媒体とし、熱交換媒体は外気と熱交換して外気から熱を採取して気化する空気熱源熱交換器である。
　一実施形態では、この空気熱源熱交換器は、入口ヘッダ４０と、出口ヘッダ４２と、これらヘッダ間に架設される複数の伝熱管４４を含む。複数の伝熱管４４は、夫々外気が流通可能な間隔を有して並列に配置され、複数の伝熱管４４の間を流れる空気流ａ１を形成するためのファン４６を有し、第１温度センサ２４は空気熱源熱交換器の入口側の空気流ａ１に面して設けられる。
　複数の伝熱管４４の間に空気流ａ１が形成されることで、外気と熱交換媒体との熱交換効率を向上できる。
　一実施形態では、図１に示すガスクーラ１８（１８ａ）は、被加熱水ｗ１を被加熱媒体とし、熱交換媒体は被加熱水ｗ１を加熱する。
　一実施形態では、ガスクーラ１８（１８ａ）に被加熱水路４８が導設され、ポンプ５０によって被加熱水路４８に被加熱水ｗ１が循環する。第２温度センサ２６はガスクーラ１８（１８ａ）に対して入口側の被加熱水路４８に設けられる。被加熱水ｗ１は熱交換媒体によって加熱され、温水となって需要先に供給される。
　図１に示す実施形態では、制御部２８は、空気熱源熱交換器における空気流ａ１の入口温度Ｔ１及びガスクーラ１８における被加熱水ｗ１の入口温度Ｔ２に基づいて、圧縮機１６の吐出圧が目標吐出圧となるように膨張弁２０の開度を制御する。圧縮機１６の吐出圧を目標吐出圧とすることで、ヒートポンプ装置１０（１０Ａ）は、高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。
　一実施形態では、図２に示す蒸発器２２（２２ｂ）は、熱源水ｗ２を被冷却媒体とし、熱交換媒体は熱源水ｗ２と熱交換して熱源水ｗ２から熱を採取して気化する水熱源熱交換器である。熱源水循環路５２が該水熱源熱交換器に導設され、第１温度センサ２４は該水熱源熱交換器の入口側の熱源水循環路５２に設けられる。
　一実施形態では、該水熱源熱交換器は熱交換効率の良いプレート型熱交換器が用いられる。
　一実施形態では、図２に示すように、ガスクーラ１８（１８ｂ）に、空気ダクト５４が設けられ、ファン５６によって空気ダクト５４の内部に外気が導入されて空気流ａ２が形成される。空気流ａ２はガスクーラ１８で熱交換媒体と熱交換し、熱交換媒体によって加熱され、例えば乾燥装置などの需要先に供給される。
　図２に示す実施形態では、制御部２８は、水熱源熱交換媒体における熱源水ｗ２の入口温度Ｔ１及びガスクーラ１８における空気流ａ２の入口温度Ｔ２に基づいて、圧縮機１６の吐出圧が目標吐出圧となるように膨張弁２０の開度を制御する。圧縮機１６の吐出圧を目標吐出圧とすることで、ヒートポンプ装置１０（１０Ｂ）は、高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。
　他の実施形態として、蒸発器２２が、ＣＯ２循環路１４に対して空気熱源熱交換器と水熱源蒸発器とが並列に設けられる。熱交換媒体は空気熱源熱交換器又は水熱源蒸発器に切替え可能に供給される。この実施形態においても、圧縮機１６の吐出圧が目標吐出圧とすることで、高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。
　一実施形態では、図３に示すように、ヒートポンプ装置１０（１０Ｃ）は、箱形ケーシング５８の内部に超臨界ヒートポンプサイクル構成機器１２が収納されたヒートポンプユニットである。
　この実施形態によれば、ヒートポンプ装置をヒートポンプユニットとすることでコンパクト化でき、これによって、ヒートポンプ装置の設置が容易になり、ヒートポンプ装置の用途を拡大できる。
　一実施形態では、ヒートポンプ装置１０（１０Ｃ）は、蒸発器２２（２２ａ）として一対の空気熱源熱交換器を備える。空気流ａ１は、ファン４６の稼働によって箱形ケーシング５８の正面５８ａ及び背面５８ｂの上部領域に形成された空気取込口６０から箱形ケーシング５８の内部に入り、パネル状に形成された蒸発器（空気熱源熱交換器）２２（２２ａ）を構成する複数の伝熱管４４の間を通り抜け、箱形ケーシング５８の上面５８ｃに形成された空気流出口６２から流出する。一実施形態では、ファン４６は空気流出口６２に設けられる。
　上部領域に一対の空気熱源熱交換器及びファン４６を含む熱交換ユニット６４が配置され、下部に、圧縮機１６、外気を被加熱媒体とするガスクーラ１８（１８ａ）及び膨張弁２０等を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器１２が配置される。
　一実施形態に係るヒートポンプ装置１０の制御方法は、図４に示すように、熱交換媒体の圧縮機吐出力が目標吐出圧となるように膨張弁２０の開度を制御する（膨張弁開度制御ステップＳ１２）。
　このように、熱交換媒体の圧縮機吐出圧が目標吐出圧となるように、膨張弁２０の開度を制御することで、圧縮機吐出圧を精度良く目標吐出圧にすることができる。また、目標吐出圧に制御することで、ヒートポンプ装置１０は、高ＣＯＰと高加熱能力を有する運転が可能になる。また、圧縮機吐出圧を目標吐出圧に制御するため、圧縮機１６の過圧縮を抑制できる。
　一実施形態では、膨張弁開度制御ステップＳ１２の前段で、蒸発器２２における被冷却媒体（例えば、空気流ａ１、熱源水ｗ１等）の入口温度Ｔ１及びガスクーラ１８における被加熱媒体（例えば、熱源水ｗ２、空気流ａ２等）の入口温度Ｔ２に基づいて、目標吐出圧を設定し、設定された目標吐出圧となるように膨張弁２０の開度を制御する（吐出圧設定ステップＳ１０）。
　吐出圧は、蒸発器２２における被冷却媒体の入口温度Ｔ１及びガスクーラ１８における被加熱媒体の入口温度Ｔ２等の外的条件によって変動する。
　この実施形態では、これらの外的条件を考慮して目標吐出圧を設定するので、これらの外的条件が変動しても、吐出圧を精度良く目標吐出圧に制御でき、これによって、ヒートポンプ装置１０は高ＣＯＰと高加熱能力を得ることができる。
　一実施形態では、吐出圧設定ステップＳ１０において、被冷却媒体の入口温度、被加熱媒体の入口温度及び圧縮機吐出側の熱交換媒体の目標吐出圧の間で予め設定された相関に基づいて、目標吐出圧を設定する。
　この実施形態では、上記外的条件と圧縮機吐出圧との間の相関を予め求めておき、この相関に基づいて目標吐出圧を設定するので、上記外的条件が変動しても、高い確率で高ＣＯＰと高加熱能力を得ることができる。
　一実施形態では、下記のように、高ＣＯＰと高加熱能力とが可能な目標吐出圧Ｐsetを被冷却媒体の入口温度Ｔ１及び被加熱媒体の入口温度Ｔ２の関数として予め求めておく。
　　　　　　　Ｐset　＝Ｆ１（Ｔ１、Ｔ２）　　　　　　（１）
　上記関数で求めた目標吐出圧Ｐsetとなるように、膨張弁２０の開度を制御することで、入口温度Ｔ１及びＴ２が変動しても、ヒートポンプ装置１０は高ＣＯＰと高加熱能力とを得ることができる。
　一実施形態では、図４に示すように、被冷却媒体の入口温度が高温度域のときに入口温度が低温度域のときより圧縮機１６の回転数を減少させる（回転数制御ステップＳ１４）。
　この実施形態によれば、被冷却媒体の入口温度が高温度域のときに入口温度が低温度域のときより圧縮機１６の回転数を減少させることで、吐出圧を目標吐出圧に精度良く制御でき、これによって、高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。
　一実施形態では、圧縮機は、例えば、往復動式圧縮機が用いられ、往復動式圧縮機の回転数を制御する。
　一実施形態では、図７に示すように、ある入口温度Ｔ０を境にして、被冷却媒体の入口温度が温度Ｔ０より低い温度域では、温度Ｔ０より入口温度が高い温度域より圧縮機１６の回転数を増加させる。
　これによって、入口温度Ｔ１及びＴ２が変動しても、ヒートポンプ装置１０は高ＣＯＰと高加熱能力とを得ることができる。
　一実施形態では、ヒートポンプ装置１０の運転モードは、第１運転モードと、第１運転モードより加熱能力が高い第２運転モードと、を含む複数の運転モードを有する。
　この実施形態では、ヒートポンプ装置１０が複数の運転モードに切替え可能であるため、高ＣＯＰを得ながら、例えば、出湯量、出湯温度、省エネ等の目標性能のうちどれかを主眼とする運転に切り替えることができる。
　一実施形態では、図５に示すように、ヒートポンプ装置１０は、省エネを目的とした省エネモード、加熱能力を高めたパワーモード、及び省エネモードとパワーモードとの中間モードである標準モードの３種類の運転モードに切替え可能になっている。これらの運転モードごとに、入口温度Ｔ１及びＴ２から異なる相関で目標吐出圧Ｐsetを設定する。
　これによって、高ＣＯＰを得ながら、各運転モードの目的に応じた運転が可能になる。
　一実施形態では、図５に示すように、運転モードごと及び被冷却媒体の入口温度に応じて、領域（Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・Ｊ）ごとに異なる相関で異なる目標吐出圧Ｐsetを設定する。
　このように、被冷却媒体の入口温度ごとにきめ細かく目標吐出圧を設定することで、被冷却媒体の入口温度が変動しても高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。
　一実施形態では、上記（１）式で、領域Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・Ｊごとに入口温度Ｔ１及びＴ２の係数を異ならせてＰsetを算出する。
　一実施形態では、図４に示すように、運転モードの変更が必要になったとき、吐出圧設定ステップＳ１０に戻り、新たに目標吐出圧を設定する（ステップＳ１６）。
　一実施形態では、図４に示すように、外的条件が変わったとき、吐出圧設定ステップＳ１０に戻り、新たに目標吐出圧を設定する（ステップＳ１８）。
　一実施形態では、吐出圧設定ステップＳ１０において、図６に示すように、目標吐出圧Ｐsetを、被冷却媒体の入口温度Ｔ１の上昇に対応して単調増加させる。
　この実施形態によれば、被冷却媒体の入口温度の上昇に対応して目標吐出圧を単調増加させることで、被冷却媒体と熱交換媒体との温度差のばらつきをなくし、被冷却媒体の入口温度にかかわらず、熱交換効率が高い温度差に保持できる。これによって、被冷却媒体の入口温度にかかわらず、高ＣＯＰと高加熱能力とを維持できる。
　一実施形態では、吐出圧設定ステップＳ１０において、図７に示すように、目標吐出圧Ｐsetを、被冷却媒体の低温域における目標吐出圧の増加率を、被冷却媒体の高温域における目標吐出圧の増加率より大きくしている。
　即ち、図７に示すように、被冷却媒体のある入口温度Ｔ０を境にして、被冷却媒体の入口温度が温度Ｔ０より低い温度域より、温度Ｔ０より入口温度が高い温度域における目標吐出圧の増加率を大きくする。
　例えば夏期において被冷却媒体の入口温度が高い場合、必要温熱負荷が小さくなる。そのため、高温域では加熱能力の増大よりもＣＯＰの向上を優先するのが妥当である。
　この実施形態によれば、高温域における目標吐出圧の増加率を低温域より小さくすることで、高温域において加熱能力を不足させることなくＣＯＰの低下を抑制できる。
　一実施形態では、温度Ｔ０より入口温度が低い低温域及び温度Ｔ０より入口温度が高い高温域では、目標吐出圧を夫々単調増加させる。
　これによって、低温域及び高温域の各々において、被冷却媒体と熱交換媒体との温度差のばらつきをなくし、被冷却媒体の入口温度にかかわらず、熱交換効率が高い温度差に保持できる。これによって、夫々の温度域において被冷却媒体の入口温度にかかわらず、高ＣＯＰと高加熱能力とを維持できる。
　一実施形態では、図６及び図７に示すように、被加熱媒体の入口温度が高いほど目標吐出圧を高くする。図６及び図７において、目標吐出圧設定値の例Ｘ１、Ｙ１及びＺ１における被加熱媒体の入口温度Ｔ２は、Ｘ１＜Ｙ１＜Ｚ１の関係にある。
　このように、被加熱媒体の入口温度が高いほど目標吐出圧を高くすることで、被加熱媒体の入口温度が変わっても被加熱媒体と熱交換媒体との温度差を熱交換効率が高い温度差に保持できる。これによって、被加熱媒体の入口温度の温度域にかかわらず高ＣＯＰと高加熱能力とを維持できる。
　図８は一実施形態に係るヒートポンプ装置１０（１０Ｄ）を示す。図８において、ヒートポンプ装置１０（１０Ｄ）は、ＣＯ２を熱交換媒体とし、熱交換媒体としてＣＯ２が循環するＣＯ２循環路１４に、圧縮機１６、ガスクーラ１８（１８ｂ）、膨張弁２０及び蒸発器２２（２２ｂ）を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器１２を備える。
　蒸発器２２（２２ｂ）において、熱交換媒体は被冷却媒体の保有熱を採取して気化し、ガスクーラ１８（１８ｂ）において、熱交換媒体は被加熱媒体と熱交換して冷却され、被加熱媒体は加熱される。熱交換媒体がＣＯ２のとき、ＣＯ２は圧縮機１６の吐出側で超臨界状態となるため、ガスクーラ１８（１８ｂ）で加熱された被加熱媒体として、例えば９０℃程度の高温水が得られる。
　また、蒸発器２２（２２ｂ）における被冷却媒体の入口温度を計測する第１温度センサ２４と、ガスクーラ１８（１８ｂ）における被加熱媒体の入口温度を計測する第２温度センサ２６と、を備える。制御部２８は、被冷却媒体の入口温度Ｔ１及び被加熱媒体の入口温度Ｔ２に基づいて、圧縮機１６の吐出温度が目標吐出温度となるように膨張弁２０の開度を制御する。目標吐出温度として、高ＣＯＰと高加熱能力とを得られる吐出温度を予め選定しておく。
　一実施形態では、圧縮機１６の出口に圧縮機１６の吐出温度を検出する温度センサ１７を備える。
　上記構成によれば、入口温度Ｔ１及びＴ２に基づいて、吐出温度が目標吐出温度となるように膨張弁２０の開度を制御することで、精度良く目標吐出温度とすることができる。また、吐出温度を目標吐出温度に制御することで、ヒートポンプ装置１０（１０Ｃ）は、高ＣＯＰと高加熱能力を得ることができる。また、制御側パラメータ及び被制御側パラメータが共に温度であるので、吐出圧を吐出温度に換算する計算過程が不要になり、制御が容易になる。
　一実施形態では、ガスクーラ１８の下流側で循環路１４から分岐し、膨張弁２０の下流側で循環路１４に合流するバイパス路３０を備える。バイパス路３０には熱交換媒体を一時貯留可能なＣＯ２タンク３２が設けられ、ＣＯ２タンク３２の入口側及び出口側に開閉弁３４及び３６が設けられる。
　被冷却媒体の蒸発器入口温度及びガスクーラ入口温度等の外的条件によって、ＣＯ２循環路１４を循環する熱交換媒体の必要流量は異なる。そこで、開閉弁３４及び開閉弁３６の開閉動作を制御することで、ＣＯ２タンク３２へのＣＯ２の出入りを調整し、ＣＯ２タンク３２に貯留される熱交換媒体の貯留量を調整する。これによって、ＣＯ２循環路１４を循環する熱交換媒体の流量を調整する。
　一実施形態では、図８に示す蒸発器２２（２２ｂ）は、熱源水ｗ２を被冷却媒体とし、熱交換媒体は熱源水ｗ２と熱交換して熱源水ｗ２から熱を採取して気化する水熱源熱交換器である。熱源水循環路５２が該水熱源熱交換器に導設され、第１温度センサ２４は該水熱源熱交換器の入口側の熱源水循環路５２に設けられる。
　一実施形態では、該水熱源熱交換器は熱交換効率の良いプレート型熱交換器が用いられる。
　一実施形態では、図８に示すように、ガスクーラ１８（１８ｂ）に、空気ダクト５４が設けられ、ファン５６によって空気ダクト５４の内部に外気が導入されて空気流ａ２が形成される。空気流ａ２はガスクーラ１８で熱交換媒体と熱交換し、熱交換媒体によって加熱され、例えば乾燥装置などの需要先に供給される。
　図８に示す実施形態では、制御部２８は、水熱源熱交換媒体における熱源水ｗ２の入口温度Ｔ１及びガスクーラ１８における空気流ａ２の入口温度Ｔ２に基づいて、圧縮機１６の吐出圧が目標吐出圧となるように膨張弁２０の開度を制御する。圧縮機１６の吐出圧を目標吐出圧とすることで、ヒートポンプ装置１０（１０Ｄ）は、高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。
　また、熱交換器３８を備えないため、膨張弁２０の開度と吐出温度とをさらにリニアに一義的に対応させることができ、さらに正確に目標吐出温度に制御できるので、さらなる高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。
　一実施形態に係るヒートポンプ装置１０の制御方法は、図９に示すように、熱交換媒体の圧縮機吐出温度が目標吐出温度となるように膨張弁２０の開度を制御する（膨張弁開度制御ステップＳ２２）。
　このように、熱交換媒体の圧縮機吐出温度が目標吐出温度となるように、膨張弁２０の開度を制御することで、圧縮機吐出温度を精度良く目標吐出温度にすることができる。また、目標吐出温度に制御することで、ヒートポンプ装置１０は、高ＣＯＰと高加熱能力を有する運転が可能になる。また、制御側パラメータ及び被制御側パラメータが共に温度であるので、吐出圧を吐出温度に換算する計算過程が不要になり、制御が容易になる。
　一実施形態では、膨張弁開度制御ステップＳ１２の前段で、蒸発器２２における被冷却媒体（例えば、空気流ａ１、熱源水ｗ１等）の入口温度Ｔ１及びガスクーラ１８における被加熱媒体（例えば、熱源水ｗ２、空気流ａ２等）の入口温度Ｔ２に基づいて、目標吐出温度を設定し、設定された目標吐出温度となるように膨張弁２０の開度を制御する（吐出温度設定ステップＳ２０）。
　吐出温度は、蒸発器２２における被冷却媒体の入口温度Ｔ１及びガスクーラ１８における被加熱媒体の入口温度Ｔ２等の外的条件によって変動する。
　この実施形態では、これらの外的条件を考慮して目標吐出温度を設定するので、これらの外的条件が変動しても、ヒートポンプ装置１０は高ＣＯＰと高加熱能力を得ることができる。
　一実施形態では、吐出温度設定ステップＳ２０において、被冷却媒体の入口温度、被加熱媒体の入口温度及び圧縮機吐出側の熱交換媒体の目標吐出温度の間で予め設定された相関に基づいて、目標吐出温度を設定する。
　この実施形態では、上記外的条件と圧縮機吐出温度との間の相関を予め求めておき、この相関に基づいて目標吐出温度を設定するので、上記外的条件が変動しても、高い確率で高ＣＯＰと高加熱能力を得ることができる。
　一実施形態では、下記のように、高ＣＯＰと高加熱能力とが可能な目標吐出温度Ｔsetを被冷却媒体の入口温度Ｔ１及び被加熱媒体の入口温度Ｔ２の関数として予め求めておく。
　　　　　　　Ｔset　＝Ｆ２（Ｔ１、Ｔ２）　　　　　　（２）
　上記関数で求めた目標吐出温度Ｔsetとなるように、膨張弁２０の開度を制御することで、入口温度Ｔ１及びＴ２が変動しても、ヒートポンプ装置１０は高ＣＯＰと高加熱能力とを得ることができる。また、制御側パラメータ及び被制御側パラメータが共に温度であるので、吐出圧を吐出温度に換算する計算過程が不要になり、制御が容易になる。
　一実施形態では、図９に示すように、被冷却媒体の入口温度が高温度域のときに入口温度が低温度域のときより圧縮機１６の回転数を減少させる（回転数制御ステップＳ２４）。
　この実施形態によれば、被冷却媒体の入口温度が高温度域のときに入口温度が低温度域のときより圧縮機１６の回転数を減少させることで、吐出温度を目標吐出温度に精度良く制御でき、これによって、高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。
　一実施形態では、圧縮機は、例えば、往復動式圧縮機が用いられ、往復動式圧縮機の回転数を制御する。
　一実施形態では、図１１に示すように、ある入口温度Ｔ０を境にして、被冷却媒体の入口温度が温度Ｔ０より低い温度域では、温度Ｔ０より入口温度が高い温度域より圧縮機１６の回転数を増加させる。
　これによって、入口温度Ｔ１及びＴ２が変動しても、ヒートポンプ装置１０は高ＣＯＰと高加熱能力とを得ることができる。
　一実施形態では、ヒートポンプ装置１０の運転モードは、第１運転モードと、第１運転モードより加熱能力が高い第２運転モードと、を含む複数の運転モードを有する。
　この実施形態では、ヒートポンプ装置１０が複数の運転モードに切替え可能であるため、高ＣＯＰを得ながら、例えば、出湯量、出湯温度、省エネ等の目標性能のうちどれかを主眼とする運転に切り替えることができる。
　一実施形態では、図５に示すように、ヒートポンプ装置１０は、省エネを目的とした省エネモード、加熱能力を高めたパワーモード、及び省エネモードとパワーモードとの中間モードである標準モードの３種類の運転モードに切替え可能になっている。これらの運転モードごとに、入口温度Ｔ１及びＴ２から異なる相関で目標吐出温度Ｔsetを設定する。
　これによって、高ＣＯＰを得ながら、各運転モードの目的に応じた運転が可能になる。
　一実施形態では、図５に示すように、運転モードごと及び被冷却媒体の入口温度に応じて、領域（Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・Ｊ）ごとに異なる相関で異なる目標吐出温度Ｔsetを設定する。
　このように、被冷却媒体の入口温度ごとにきめ細かく目標吐出温度を設定することで、被冷却媒体の入口温度が変動しても高ＣＯＰと高加熱能力とが可能になる。
　一実施形態では、上記（２）式で、領域Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・Ｊごとに入口温度Ｔ１及びＴ２の係数を異ならせて目標吐出温度Ｔsetを算出する。
　一実施形態では、図９に示すように、運転モードの変更が必要になったとき、吐出温度設定ステップＳ２０に戻り、新たに目標吐出温度を設定する（ステップＳ２６）。
　一実施形態では、図９に示すように、外的条件が変わったとき、吐出温度設定ステップＳ２０に戻り、新たに目標吐出温度を設定する（ステップＳ２８）。
　一実施形態では、吐出温度設定ステップＳ２０において、図１０に示すように、目標吐出温度Ｔsetを、被冷却媒体の入口温度Ｔ１の上昇に対応して単調増加させる。
　この実施形態によれば、被冷却媒体の入口温度の上昇に対応して目標吐出温度を単調増加させることで、被冷却媒体と熱交換媒体との温度差のばらつきをなくし、被冷却媒体の入口温度にかかわらず、熱交換効率が高い温度差に保持できる。これによって、被冷却媒体の入口温度にかかわらず、高ＣＯＰと高加熱能力とを維持できる。
　一実施形態では、吐出温度設定ステップＳ２０において、図１１に示すように、目標吐出温度Ｔsetを、被冷却媒体の低温域における目標吐出温度の増加率を、被冷却媒体の高温域における目標吐出温度の増加率より大きくしている。
　即ち、図１１に示すように、被冷却媒体のある入口温度Ｔ０を境にして、被冷却媒体の入口温度が温度Ｔ０より低い温度域より、温度Ｔ０より入口温度が高い温度域における目標吐出温度の増加率を大きくする。
　例えば夏期において被冷却媒体の入口温度が高い場合、必要温熱負荷が小さくなる。そのため、高温域では加熱能力の増大よりもＣＯＰの向上を優先するのが妥当である。
　この実施形態によれば、高温域における目標吐出温度の増加率を低温域より小さくすることで、高温域において加熱能力を不足させることなくＣＯＰの低下を抑制できる。
　一実施形態では、温度Ｔ０より入口温度が低い低温域及び温度Ｔ０より入口温度が高い高温域では、目標吐出温度を夫々単調増加させる。
　これによって、低温域及び高温域の各々において、被冷却媒体と熱交換媒体との温度差のばらつきをなくし、被冷却媒体の入口温度にかかわらず、熱交換効率が高い温度差に保持できる。これによって、夫々の温度域において被冷却媒体の入口温度にかかわらず、高ＣＯＰと高加熱能力とを維持できる。
　一実施形態では、図１０及び図１１に示すように、被加熱媒体の入口温度が高いほど目標吐出温度を高くする。図１０及び図１１において、目標吐出温度設定値の例Ｘ２、Ｙ２及びＺ２における被加熱媒体の入口温度Ｔ２は、Ｘ２＜Ｙ２＜Ｚ２の関係にある。
　このように、被加熱媒体の入口温度が高いほど目標吐出温度を高くすることで、被加熱媒体の入口温度が変わっても被加熱媒体と熱交換媒体との温度差を熱交換効率が高い温度差に保持できる。これによって、被加熱媒体の入口温度の温度域にかかわらず高ＣＯＰと高加熱能力とを維持できる。
　少なくとも一実施形態によれば、ＣＯ２を熱交換媒体とするヒートポンプ装置において、膨張弁の開度制御によって熱交換媒体の圧縮機吐出圧又は圧縮機吐出温度を精度良く目標値に制御でき、これによって、高ＣＯＰと高加熱能力とを実現できる。
　１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ）　　ヒートポンプ装置
　１２　　超臨界ヒートポンプサイクル構成機器
　１４　　ＣＯ２循環路
　１５　　圧力センサ
　１６　　圧縮機
　１７　　温度センサ
　１８（１８ａ、１８ｂ）　　ガスクーラ
　２０　　膨張弁
　２２（２２ａ、２２ｂ）　　蒸発器
　２４　　第１温度センサ
　２６　　第２温度センサ
　２８　　制御部
　３０　　バイパス路
　３２　　ＣＯ２タンク
　３４、３６　　開閉弁
　３８　　熱交換器
　４０　　入口ヘッダ
　４２　　出口ヘッダ
　４４　　伝熱管
　４６、５６　　ファン
　４８　　被加熱水路
　５０　　ポンプ
　５２　　熱源水循環路
　５４　　空気ダクト
　５８　　箱形ケーシング
　　５８ａ　　正面
　　５８ｂ　　背面
　　５８ｃ　　上面
　６０　　空気取込口
　６２　　空気流出口
　６４　　熱交換ユニット
　Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２　　入口温度
　ａ１、ａ２　　空気流
　ｗ１　　被加熱水
　ｗ２　　熱源水

Claims (22)

  1. 　ＣＯ２を熱交換媒体とし、圧縮機、ガスクーラ、膨張弁及び蒸発器を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器を備えるヒートポンプ装置の制御方法であって、
    　前記熱交換媒体の圧縮機吐出圧が目標吐出圧となるように前記膨張弁の開度を制御する膨張弁開度制御ステップを備えることを特徴とするヒートポンプ装置の制御方法。
  2. 　前記蒸発器における被冷却媒体の入口温度及び前記ガスクーラにおける被加熱媒体の入口温度に基づいて、前記目標吐出圧を設定する吐出圧設定ステップを備え、
    　前記膨張弁開度制御ステップにおいて、前記圧縮機吐出圧が前記目標吐出圧となるように前記膨張弁の開度を制御することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
  3. 　前記吐出圧設定ステップにおいて、
    　前記被冷却媒体の入口温度、前記被加熱媒体の入口温度及び前記目標吐出圧の間で予め設定された相関に基づいて、前記目標吐出圧を設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装置の制御方法。
  4. 　前記相関は、
    　前記被冷却媒体の入口温度の上昇に対応して前記目標吐出圧を単調増加させるものであることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
  5. 　前記相関は、
    　前記被冷却媒体の低温域における前記目標吐出圧の増加率を、前記被冷却媒体の高温域における前記目標吐出圧の増加率より大きくしたものであることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
  6. 　前記相関は、
    　前記被加熱媒体の入口温度が高いほど前記目標吐出圧を高くするものであることを特徴とする請求項３乃至５の何れか一項に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
  7. 　前記被冷却媒体の入口温度が高温度域のときに前記入口温度が低温度域のときより前記圧縮機の回転数を減少させる回転数制御ステップを備えることを特徴とする請求項２乃至６の何れか一項に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
  8. 　前記被冷却媒体は外気又は熱源水であることを特徴とする請求項２乃至７の何れか一項に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
  9. 　前記被加熱媒体は被加熱水又は外気であることを特徴とする請求項２乃至８の何れか一項に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
  10. 　前記ヒートポンプ装置の運転モードは、
    　第１運転モードと、
    　前記第１運転モードより加熱能力が高い第２運転モードと、
    　を含む複数の運転モードを有することを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
  11. 　ＣＯ２を熱交換媒体とし、圧縮機、ガスクーラ、膨張弁及び蒸発器を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器を備えるヒートポンプ装置の制御方法であって、
    　前記熱交換媒体の圧縮機吐出温度が目標吐出温度となるように前記膨張弁の開度を制御する膨張弁開度制御ステップを備えることを特徴とするヒートポンプ装置の制御方法。
  12. 　前記蒸発器における被冷却媒体の入口温度及び前記ガスクーラにおける被加熱媒体の入口温度に基づいて、前記目標吐出温度を設定する吐出温度設定ステップを備え、
    　前記膨張弁開度制御ステップにおいて、前記圧縮機吐出温度が前記目標吐出温度となるように前記膨張弁の開度を制御することを特徴とする請求項１１に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
  13. 　前記吐出温度設定ステップにおいて、
    　前記被冷却媒体の入口温度、前記被加熱媒体の入口温度及び前記目標吐出温度の間で予め設定された相関に基づいて、前記目標吐出温度を設定することを特徴とする請求項１２に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
  14. 　前記相関は、
    　前記被冷却媒体の入口温度の上昇に対応して前記目標吐出温度を単調増加させるものであることを特徴とする請求項１３に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
  15. 　前記相関は、
    　前記被冷却媒体の低温域における前記目標吐出温度の増加率を、前記被冷却媒体の高温域における前記目標吐出温度の増加率より大きくしたものであることを特徴とする請求項１３に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
  16. 　前記相関は、
    　前記被加熱媒体の入口温度が高いほど前記目標吐出圧を高くするものであることを特徴とする請求項１３乃至１５の何れか一項に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
  17. 　前記被冷却媒体の入口温度が高温度域のときに前記入口温度が低温度域のときより前記圧縮機の回転数を減少させる回転数制御ステップを備えることを特徴とする請求項１２乃至１６の何れか一項に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
  18. 　前記被冷却媒体は熱源水であり、前記被加熱媒体は外気であることを特徴とする請求項１２乃至１７の何れか一項に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
  19. 　前記ヒートポンプ装置の運転モードは、
    　第１運転モードと、
    　前記第１運転モードより加熱能力が高い第２運転モードと、
    　を含む複数の運転モードを有することを特徴とする請求項１１乃至１８の何れか一項に記載のヒートポンプ装置の制御方法。
  20. 　ＣＯ２を熱交換媒体とし、圧縮機、ガスクーラ、膨張弁及び蒸発器を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器を備えるヒートポンプ装置であって、
    　前記蒸発器における被冷却媒体の入口温度を計測する第１温度センサと、
    　前記ガスクーラにおける被加熱媒体の入口温度を計測する第２温度センサと、
    　前記被冷却媒体の入口温度及び前記被加熱媒体の入口温度に基づいて、前記熱交換媒体の圧縮機吐出圧が目標吐出圧となるように前記膨張弁の開度を制御する制御部と、
    　を備えることを特徴とするヒートポンプ装置。
  21. 　ＣＯ２を熱交換媒体とし、圧縮機、ガスクーラ、膨張弁及び蒸発器を含む超臨界ヒートポンプサイクル構成機器を備えるヒートポンプ装置であって、
    　前記蒸発器における被冷却媒体の入口温度を計測する第１温度センサと、
    　前記ガスクーラにおける被加熱媒体の入口温度を計測する第２温度センサと、
    　前記被冷却媒体の入口温度及び前記被加熱媒体の入口温度に基づいて、前記熱交換媒体の圧縮機吐出温度が目標吐出温度となるように前記膨張弁の開度を制御する制御部と、
    　を備えることを特徴とするヒートポンプ装置。
  22. 　前記ヒートポンプ装置は、箱形ケーシングの内部に前記超臨界ヒートポンプサイクル構成機器が収納されたヒートポンプユニットであることを特徴とする請求項２０又は２１に記載のヒートポンプ装置。
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