(57)【要約】【課題】  過冷却弁の開度を適切に制御し、高段圧縮機に液滴が混入することを防止すると共に、高段圧縮機の過度の温度上昇を防止することが可能な二段圧縮式給湯装置を提供する。【解決手段】  蒸発器１０２と、低圧の冷媒を中間圧に圧縮する低段圧縮機１０４と、中間圧の冷媒を高圧に圧縮する高段圧縮機１０６と、放熱器１２０と、過冷却器１０８と、分流器１１０と、高圧の冷媒を低圧に膨張させる主膨張弁１１２と、高圧の冷媒を中間圧に膨張させる過冷却弁１１４と、主膨張弁に到る主回路１３２と、エコノマイザ回路１３４と、膨張弁制御部１１６とを備え、膨張弁制御部１１６は、高段圧縮機１０６の入口または過冷却器１０８の冷却流路１０８ｂの出口の過熱度が正となるように過冷却弁１１４の開度を制御する。【選択図】  図１
2010091135.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸発器と、低圧の冷媒を中間圧に圧縮する低段圧縮機と、中間圧の冷媒を高圧に圧縮する高段圧縮機と、放熱器と、過冷却器と、分流器と、高圧の冷媒を低圧に膨張させる主膨張弁と、高圧の冷媒を中間圧に膨張させる過冷却弁と、
前記過冷却器の被冷却流路を通って前記分流器から前記主膨張弁に到る主回路と、
前記分流器から前記過冷却弁と前記過冷却器の冷却流路とを通って前記低段圧縮機と高段圧縮機との間に合流するエコノマイザ回路と、
前記過冷却弁の開度を制御する膨張弁制御部とを備え、
前記膨張弁制御部は、前記高段圧縮機の入口または前記過冷却器の冷却流路の出口の過熱度が正となるように前記過冷却弁の開度を制御することを特徴とする二段圧縮式給湯装置。
【請求項２】
蒸発器と、低圧の冷媒を中間圧に圧縮する低段圧縮機と、中間圧の冷媒を高圧に圧縮する高段圧縮機と、放熱器と、過冷却器と、分流器と、高圧の冷媒を低圧に膨張させる主膨張弁と、高圧の冷媒を中間圧に膨張させる過冷却弁と、
前記過冷却器の被冷却流路を通って前記分流器から前記主膨張弁に到る主回路と、
前記分流器から前記過冷却弁と前記過冷却器の冷却流路とを通って前記低段圧縮機と高段圧縮機との間に合流するエコノマイザ回路と、
前記過冷却弁の開度を制御する膨張弁制御部とを備え、
前記膨張弁制御部は、前記高段圧縮機の入口または前記過冷却器の冷却流路の出口の温度が前記中間圧の冷媒の飽和温度より所定温度以上高くなるように前記過冷却弁の開度を制御することを特徴とする二段圧縮式給湯装置。
【請求項３】
蒸発器と、低圧の冷媒を中間圧に圧縮する低段圧縮機と、中間圧の冷媒を高圧に圧縮する高段圧縮機と、放熱器と、過冷却器と、分流器と、高圧の冷媒を低圧に膨張させる主膨張弁と、高圧の冷媒を中間圧に膨張させる過冷却弁と、
前記過冷却器の被冷却流路を通って前記分流器から前記主膨張弁に到る主回路と、
前記分流器から前記過冷却弁と前記過冷却器の冷却流路とを通って前記低段圧縮機と高段圧縮機との間に合流するエコノマイザ回路と、
前記過冷却弁の開度を制御する膨張弁制御部とを備え、
前記膨張弁制御部は、前記過冷却器の被冷却流路の出口の温度が前記中間圧の冷媒の飽和温度から所定温度以内となるように前記過冷却弁の開度を制御することを特徴とする二段圧縮式給湯装置。
【請求項４】
前記中間圧の冷媒の飽和温度は、前記過冷却弁の出口の温度を検知して得ることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の二段圧縮式給湯装置。
【請求項５】
前記冷媒は二酸化炭素であって、前記放熱器において前記冷媒は超臨界の状態で放熱を行うことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の二段圧縮式給湯装置。
【請求項６】
前記低段圧縮機と前記高段圧縮機の間の冷媒回路上であって該冷媒回路と前記エコノマイザ回路との合流位置より上流側に配置された第２放熱器と、
前記放熱器より下流側に配置された第３放熱器とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の二段圧縮式給湯装置。
【請求項７】
前記過冷却器と主膨張弁との間の冷媒回路上に配置された第４放熱器を備えたことを特徴とする請求項６に記載の二段圧縮式給湯装置。
【請求項８】
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の二段圧縮式給湯装置において、
前記過冷却弁を閉じた状態で、定常状態より水の流量を多くして前記低段圧縮機および高段圧縮機を起動し、
一定時間が経過して冷媒状態が安定し、かつ前記放熱器の冷媒の出口温度が該放熱器の水の入口温度と所定範囲内になるまで待機し、
前記高段圧縮機の出口圧力が定常状態の高圧となるまで前記過冷却弁を徐々に開きつつ、前記放熱器の出口温度が定常状態の温度になるまで水の流量を減少させることを特徴とする二段圧縮式給湯装置の起動制御方法。
【請求項９】
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の二段圧縮式給湯装置において、
前記過冷却弁を閉じた状態で、前記低段圧縮機および高段圧縮機を定常状態より少ない回転数で起動し、
一定時間が経過して冷媒状態が安定し、かつ前記放熱器の出口温度が該放熱器の水の入口温度と所定範囲内になるまで待機し、
前記高段圧縮機の出口圧力が定常状態の高圧となるまで前記過冷却弁を徐々に開きつつ、前記放熱器の出口温度が定常状態の温度になるまで前記低段圧縮機および高段圧縮機の回転数を増加させることを特徴とする二段圧縮式給湯装置の起動制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二段圧縮式のヒートポンプを用いて給湯を行う二段圧縮式給湯装置およびその起動制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギーの有効活用、および温室効果ガスである二酸化炭素の排出量削減の観点から、ヒートポンプ式給湯装置の普及が進んでいる。ヒートポンプ式給湯装置を導入することにより、従来の燃焼式給湯装置と比較し、約３０％の省エネルギー、および約５０％の二酸化炭素排出量の削減が可能である。
【０００３】
ヒートポンプは燃料式と異なり高熱を生じると効率が著しく低下することから、いかにして冷媒サイクルの効率を高めるかが古くからの課題となっている。そのなかで、複数の圧縮機を直列に備え、中間圧力の冷媒を圧縮途中の冷媒に戻す多段サイクルが広く利用されている。多段圧縮は、比較的低圧の冷媒で希望の温度域まで圧縮するために有利である。多段膨張は、圧縮した熱を回収して効率を高めるために有効である。
【０００４】
多段サイクルは、例えば特許文献１に記載されている。図１２は従来の二段圧縮１段膨張サイクルを説明する図である。図１２（ａ）に示すサイクルは放熱器８０３の下流側で冷媒を分流して、第２の冷媒流を過冷却器８０５（中間熱交換器と称している）と主膨張弁８０６とを介して蒸発器８０７へと流し、第１の冷媒流を過冷却弁８０４（補助膨張弁と称している）で膨張させて過冷却器８０５に流して熱交換した後に、低段側の圧縮機８０１と高段側の圧縮機８０２との間に合流させている。特許文献１によれば、第１の冷媒流によって第２の冷媒流を冷却することによって蒸発器入口の比エンタルピを小さくでき、冷凍効果を大きくできるとしている。また低段の圧縮機で圧縮する冷媒（第２の冷媒流）の量が減少することから圧縮動力が低下して成績係数が向上するとしている。
【０００５】
図１２（ａ）に示す二段圧縮サイクルにおいて、過冷却弁８０４を調整して中間圧を制御し、過冷却弁で減圧された後の中間圧の冷媒の量を最適な流量とする必要がある。そして特許文献１では、例えば過冷却器の第１の冷媒流の出口温度と第２の冷媒流の入口温度が５Ｋ以内としたり、第２の冷媒流の出口温度と第１の冷媒流の入口温度を５Ｋ以内とすることにより、第１または第２の冷媒流の温度を適切に制御できるとしている。
【０００６】
図１２（ｂ）は二段圧縮１段膨張サイクルと似ているが、膨張側がエコノマイザ回路である。エコノマイザ回路では過冷却器８０５の下流側で分流し、過冷却弁８０４で膨張冷却した後に過冷却器で熱交換を行う。膨張する前に過冷却器８０５で冷やされることから、さらなる効率の改善を図ることができる。
【０００７】
ところで、上記のヒートポンプの冷媒には、昨今自然冷媒が盛んに導入されている。自然冷媒とは、天然物であって環境に対し無害な冷媒であり、かかる自然冷媒としては二酸化炭素が最も多用されている。これにより、環境負荷を更に低減することが可能となる。しかし、二酸化炭素は臨界点が約３１℃と低いため、冷媒として用いる場合には気体と液体の境界がなくなる超臨界域を用いることになる。例えば特許文献２には、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ２）、エチレン、エタン、酸化窒素等を超臨界で使用するヒートポンプ式給湯装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００６−２４２５５７号公報
【特許文献２】特開２００１−２６３８０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記の特許文献１に記載の技術であると、過冷却器８０５の一方の出口温度と他方の入口温度との温度差を所定範囲内とするように制御していることから、双方の温度が共に下がってしまい、高段側の圧縮機８０２に湿り冷媒が混入する可能性がある。圧縮機に液滴が混入すると、性能が低下したり、場合によっては圧縮機が損傷してしまうおそれもある。
【０００９】
一方、過冷却器８０５から高段側の圧縮機８０２に流れる冷媒の温度が共に上がってしまう場合もあり、高段側の圧縮機８０２における過熱度が大きくなりすぎる場合もある。圧縮機の温度が過度に上昇すると、圧縮機が焼き付きを生じてしまうおそれがある。
【００１０】
また、中間圧冷媒による過冷却を用いる場合には、高圧冷媒は過冷却器における放熱量が大きく、放熱器における水に対する放熱量は少ない。そのため定常状態においては、高段の冷媒循環量に比して水流量が少ない。少ない水流量で圧縮機起動すると、冷媒状態の変化に過冷却弁の応答が追いつかず、高圧冷媒は水に対しての放熱量が大きく、高圧が高くなりすぎる傾向がある。そして高圧が高くなるに伴い中間圧（低段側圧縮機と高段側圧縮機の間の圧力）が高くなり、中間圧が臨界圧に近づく可能性が大きくなる。
【００１１】
中間圧が臨界圧に近づくと、飽和蒸気線と飽和液線の間の湿り域が狭くなって吸熱できるエンタルピが減少するため、中間圧冷媒の冷却能力が中間圧の変化に対して敏感に変化する。そして過冷却能力を調整するためには冷媒流量の変動量を大きくする必要があるため、過冷却弁開度を急激に調整する必要がある。
【００１２】
しかし過冷却弁開度を急激に調整すると、主膨脹弁入口の冷媒温度（冷媒流量）も急変する。特に冷媒流量が急激に増大した場合には、蒸発器内部での冷媒蒸発量が不足して液相が残存する。すると、圧縮機吸込口への液滴流入を起因とする圧縮機損傷の可能性がある。このように、中間圧冷媒による過冷却を用いる場合は、圧縮機起動時に冷媒制御が不安定になり、圧縮機が損傷してしまう可能性があった。
【００１３】
また主膨張弁入口の冷媒流量が急変すると、主膨張弁の開度も変更する必要がある。すると冷媒の低圧も変動し、それに伴って中間圧も変動する。これにより過冷却器の出口温度が変化し、この変動を吸収するために過冷却弁の開度を調整する必要があるが、上記のように過冷却弁の開度は急激に（大幅に）調整する必要がある。すると、主膨張弁入口の冷媒温度が急変する。このように依存関係が循環し、冷媒圧力の揺動が収まらず、定常状態に移行しにくいという問題がある。
【００１４】
本発明は、このような課題に鑑み、過冷却弁の開度を適切に制御し、高段圧縮機に液滴が混入することを防止すると共に、高段圧縮機の過度の温度上昇を防止することが可能な二段圧縮式給湯装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明にかかる二段圧縮式給湯装置の代表的な構成は、蒸発器と、低圧の冷媒を中間圧に圧縮する低段圧縮機と、中間圧の冷媒を高圧に圧縮する高段圧縮機と、放熱器と、過冷却器と、分流器と、高圧の冷媒を低圧に膨張させる主膨張弁と、高圧の冷媒を中間圧に膨張させる過冷却弁と、過冷却器の被冷却流路を通って分流器から主膨張弁に到る主回路と、分流器から過冷却弁と過冷却器の冷却流路とを通って低段圧縮機と高段圧縮機との間に合流するエコノマイザ回路と、過冷却弁の開度を制御する膨張弁制御部とを備え、膨張弁制御部は、高段圧縮機の入口または過冷却器の冷却流路の出口の過熱度が正となるように過冷却弁の開度を制御することを特徴とする。
【００１６】
本発明にかかる二段圧縮式給湯装置の他の代表的な構成は、蒸発器と、低圧の冷媒を中間圧に圧縮する低段圧縮機と、中間圧の冷媒を高圧に圧縮する高段圧縮機と、放熱器と、過冷却器と、分流器と、高圧の冷媒を低圧に膨張させる主膨張弁と、高圧の冷媒を中間圧に膨張させる過冷却弁と、過冷却器の被冷却流路を通って分流器から主膨張弁に到る主回路と、分流器から過冷却弁と過冷却器の冷却流路とを通って低段圧縮機と高段圧縮機との間に合流するエコノマイザ回路と、過冷却弁の開度を制御する膨張弁制御部とを備え、膨張弁制御部は、高段圧縮機の入口または過冷却器の冷却流路の出口の温度が中間圧の冷媒の飽和温度より所定温度以上高くなるように過冷却弁の開度を制御することを特徴とする。
【００１７】
本発明にかかる二段圧縮式給湯装置の他の代表的な構成は、蒸発器と、低圧の冷媒を中間圧に圧縮する低段圧縮機と、中間圧の冷媒を高圧に圧縮する高段圧縮機と、放熱器と、過冷却器と、分流器と、高圧の冷媒を低圧に膨張させる主膨張弁と、高圧の冷媒を中間圧に膨張させる過冷却弁と、過冷却器の被冷却流路を通って分流器から主膨張弁に到る主回路と、分流器から過冷却弁と過冷却器の冷却流路とを通って低段圧縮機と高段圧縮機との間に合流するエコノマイザ回路と、過冷却弁の開度を制御する膨張弁制御部とを備え、膨張弁制御部は、過冷却器の被冷却流路の出口の温度が中間圧の冷媒の飽和温度から所定温度以内となるように過冷却弁の開度を制御することを特徴とする。
【００１８】
上記いずれの構成によっても、高段圧縮機に湿り冷媒が入り込むことを確実に防止し、高段圧縮機の性能の低下および高段圧縮機の損傷を防止することができる。
【００１９】
中間圧の冷媒の飽和温度は、過冷却弁の出口の温度を検知して得てもよい。これにより冷媒の飽和温度を予め記憶させておく必要がなく、装置に現実に流れる冷媒の中間圧の飽和温度を取得することができる。
【００２０】
冷媒は二酸化炭素であって、放熱器において冷媒は超臨界の状態で放熱を行ってもよい。自然冷媒である二酸化炭素は、天然物であって環境に対し無害である。したがって、上記構成によれば、環境に負担をかけないヒートポンプとすることができる。また、二酸化炭素は臨界点が約３１℃と低いため、冷媒として用いる場合には、気体と液体の境界がなくなる超臨界域を用いることができる。これにより動作温度範囲内で相変化（気液変化）を行わないために、自由で幅の広い温度範囲と大きな熱搬送を設定することができる。
【００２１】
低段圧縮機と高段圧縮機の間の冷媒回路上であって該冷媒回路とエコノマイザ回路との合流位置より上流側に配置された第２放熱器と、放熱器より下流側に配置された第３放熱器とを備えてもよい。これによりエンタルピの変化に対する水の温度変化を冷媒の温度変化に沿わせることができ、冷媒の圧力を低減させることができるため、圧縮機の動力を削減してＣＯＰを減少させることができる。
【００２２】
上記の第２放熱器および第３放熱器に加えて、さらに過冷却器と主膨張弁との間の冷媒回路上に配置された第４放熱器を備えてもよい。これにより、圧縮機の仕事が同じであるにもかかわらずより多くの熱量を空気から取得できるようになり、さらにヒートポンプサイクルのＣＯＰを向上させることができる。
【００２３】
本発明にかかる二段圧縮式給湯装置の起動制御方法の代表的な構成は、上記構成の二段圧縮式給湯装置において、過冷却弁を閉じた状態で、定常状態より水の流量を多くして低段圧縮機および高段圧縮機を起動し、一定時間が経過して冷媒状態が安定し、かつ放熱器の冷媒の出口温度が該放熱器の水の入口温度と所定範囲内になるまで待機し、高段圧縮機の出口圧力が定常状態の高圧となるまで過冷却弁を徐々に開きつつ、放熱器の出口温度が定常状態の温度になるまで水の流量を減少させることを特徴とする。
【００２４】
すなわち、圧縮機起動時には、放熱器の水の入口温度と所定範囲内になるまで過冷却弁を開かない。換言すれば、中間圧が一定値未満（臨界圧より所定量以上低い圧力）になるまで過冷却弁を開かない。そして冷媒状態が過冷却器による冷却が有効な状態となってから、過冷却弁を徐々に開いて高圧を上昇させつつ、水の流量を徐々に減少させて放熱器出口温度を上昇させることにより、定常状態へと移行させる。上記の起動制御方法によれば、圧縮機起動時に過冷却弁の入口温度を低くすることができ、冷媒状態と水量を早期に定常状態にもっていくことができる。
【００２５】
なお、高段圧縮機の出口圧力が定常状態の圧力よりも一定値以上高い場合には、過冷却弁開度の増加または水流量の減少を禁止して、高圧の上昇を防止しても良い。また、中間圧が定常状態の圧力よりも一定値以上高い場合（臨界圧に所定量以上近い場合）にも同様に、過冷却弁開度の増加または水流量の減少を禁止して、中間圧の上昇を防止しても良い。
【００２６】
本発明にかかる二段圧縮式給湯装置の起動制御方法の他の代表的な構成は、二段圧縮式給湯装置において、過冷却弁を閉じた状態で、低段圧縮機および高段圧縮機を定常状態より少ない回転数で起動し、一定時間が経過して冷媒状態が安定し、かつ放熱器の出口温度が該放熱器の水の入口温度と所定範囲内になるまで待機し、高段圧縮機の出口圧力が定常状態の高圧となるまで過冷却弁を徐々に開きつつ、放熱器の出口温度が定常状態の温度になるまで低段圧縮機および高段圧縮機の回転数を増加させることを特徴とする。
【００２７】
上記の起動制御方法によっても、圧縮機起動時に過冷却弁の入口温度を低くすることができ、冷媒状態と水量を早期に定常状態にもっていくことができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、過冷却弁の開度を適切に制御し、高段圧縮機に液滴が混入することを防止すると共に、圧縮機起動時の冷媒制御が不安定となることを防止可能な二段圧縮式給湯装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００３０】
本実施形態では、まず二段圧縮式給湯装置の構成について説明した後に、膨張弁制御部の動作および起動制御方法について説明する。
【００３１】
［二段圧縮式給湯装置の構成］
図１は本実施形態にかかる二段圧縮式給湯装置を説明する図である。図に示す二段圧縮式給湯装置（以下単に「給湯装置１００」という。）は、蒸発器１０２と、低圧の冷媒を中間圧に圧縮する低段圧縮機１０４と、中間圧の冷媒を高圧に圧縮する高段圧縮機１０６と、放熱器１２０と、過冷却器１０８と、分流器１１０と、高圧の冷媒を低圧に膨張させる主膨張弁１１２と、高圧の冷媒を中間圧に膨張させる過冷却弁１１４とを備えている。過冷却器１０８の被冷却流路１０８ａを通って分流器１１０から主膨張弁１１２に到る回路を主回路１３２と称し、分流器１１０から過冷却弁１１４と過冷却器１０８の冷却流路１０８ｂとを通って低段圧縮機１０４と高段圧縮機１０６との間に合流する回路をエコノマイザ回路１３４と称する。また給湯装置１００は過冷却弁１１４の開度を制御する膨張弁制御部１１６を備えている。また給湯装置１００には、全体の各部の動作を制御する制御部１０１が備えられている。
【００３２】
放熱器１２０においては水と熱交換し、加熱した湯水を貯湯タンク１１８に蓄積する。そして必要に応じて貯湯タンク１１８から高温の湯を取り出して使用する。また貯湯タンク１１８内には温度勾配が生じ、下端には温度の低い水が偏るために、下端に排出口を設け、放熱器１２０に循環させてもよい。
【００３３】
低段圧縮機１０４と高段圧縮機１０６とは冷媒に対して直列に接続されており、冷媒を２段階に圧縮する。本実施形態では、例として３ＭＰａの低圧の冷媒を低段圧縮機１０４によって５ＭＰａの中間圧に加圧し、高段圧縮機１０６によって８ＭＰａの高圧にさらに圧縮する。
【００３４】
分流器１１０は格別の流量調整を行っておらず、過冷却弁１１４の開度によってエコノマイザ回路１３４に流れる冷媒の量が調整される。また過冷却弁１１４の開度によって中間圧も変化し、過冷却器１０８における冷却の程度も制御される。
【００３５】
図２は二段圧縮エコノマイザサイクルを説明する図であって、図２（ａ）はＰＨ線図、図２（ｂ）はＴＨ線図である。放熱器１２０で水により冷却されると（ａ−ｂ）、さらに過冷却器１０８によって過冷却される（ｂ−ｃ）。そして分流されて、エコノマイザ回路１３４に流れる冷媒は過冷却弁１１４において圧力と温度が低下し（ｃ−ｊ）、過冷却器１０８において温められた後に（ｊ−ｋ）、低段圧縮機１０４と高段圧縮機１０６の間に合流する（ｋ−ｇ）。主回路１３２に流れる冷媒は主膨張弁１１２によって膨張し（ｃ−ｄ）、蒸発器１０２において空気と熱交換して温められた後に（ｄ−ｅ）、低段圧縮機１０４にて圧縮され（ｅ−ｆ）、中間圧冷媒と合流し（ｆ−ｇ）、高段圧縮機１０６にて圧縮される（ｇ−ａ）。
【００３６】
上記のようなエコノマイザ回路１３４を設けない場合には、給水温度が上昇すると圧縮機吐出圧力を高くする必要があるため、消費電力が増大し、ＣＯＰ（動作係数）が悪くなるという問題がある。しかし過冷却によって高圧冷媒を冷却することにより高い吐出圧力は不要となり、消費電力を削減することができる。また冷媒の一部が低圧まで膨張せず、中間圧から圧縮されるためその分の圧縮動力を削減することができ、消費電力を削減することができる。
【００３７】
このように、給水温度が高くても、ＣＯＰを低下させることなく加熱を行うことができる。したがって貯湯タンク１１８から中温の水（１５〜４０℃程度）の水を再加熱する場合であってもＣＯＰが低下することがなく、貯湯式の給湯装置に好適に適用することができる。また太陽熱温水器などから温水を供給しても、ＣＯＰを低下させることなく消費電力の低減を図ることができるため、自然エネルギーを利用して環境にやさしい給湯装置を提供することができる。さらには、太陽熱や風呂の残り湯によって貯湯タンク１１８の内の湯水を加熱したり、風呂の残り湯によって中間圧冷媒を加熱してもよい。
【００３８】
なおエコノマイザ回路１３４は必ずしも常に動作させる必要はなく、放熱器１２０の出口温度が中間圧の冷媒の飽和温度よりある程度以上高くなったときに過冷却弁１１４を開けばよい。
【００３９】
［過冷却弁の開度制御］
ここで上述したように、過冷却弁１１４の開度によって中間圧冷媒の流量が制御され、これによって中間圧も変動し、冷媒状態も変化する。なお、中間圧が過冷却弁１１４の開度によって変動する範囲は、低段圧縮機１０４のみによる圧力から、低段圧縮機１０４と高段圧縮機１０６による圧力までの間である。したがって安定した定常状態で運転するためには過冷却弁１１４の開度を制御する必要がある。特に留意すべきは、高段圧縮機１０６に液滴（湿り冷媒）が混入することである（高段圧縮機１０６の入口（ｇ）が湿り域にあるとき）。圧縮機に液滴が混入すると、性能が低下したり、場合によっては圧縮機が損傷したりしてしまうおそれがあるためである。なお過冷却器１０８の冷却流路１０８ｂの出口（ｋ）において湿り冷媒であってもよく、高段圧縮機１０６の入口（ｇ）において乾いていればよい。
【００４０】
過冷却弁１１４の開度は、膨張弁制御部１１６によって制御される。膨張弁制御部１１６には、過冷却弁１１４の出口（ｊ）の温度を測定するセンサＳ１、高段圧縮機１０６の入口（ｇ）の温度を測定するセンサＳ２、過冷却器１０８の冷却流路１０８ｂの出口（ｋ）の出口の温度を測定するセンサＳ３、過冷却器１０８の被冷却流路１０８ａの出口（ｃ）の温度を測定するセンサＳ４が接続されている。本実施形態では、高段圧縮機１０６に液滴を混入させないために、次のいずれかの制御を行う。
【００４１】
（制御１）
膨張弁制御部１１６は、高段圧縮機１０６の入口（ｇ）または過冷却器１０８の冷却流路１０８ｂの出口（ｋ）の過熱度が正となるように、過冷却弁１１４の開度を制御する。過熱度が正であるということは冷媒が乾いている（気相にある）ということであるから、（ｇ）または（ｋ）において過熱度が正であれば高段圧縮機１０６には液滴は混入しない。なお図２（ｂ）のＴＨ線図からわかるように、高段圧縮機１０６の入口（ｇ）の温度は、過冷却器１０８の冷却流路１０８ｂの出口（ｋ）の温度より常に高い。
【００４２】
具体的には、センサＳ２またはセンサＳ３を用いて、冷媒の温度を測定する。そして冷媒の種類と、エコノマイザ回路１３４の圧力と、（ｇ）または（ｋ）の冷媒の温度から、それらの温度の過熱度を知ることができる。そして、膨張弁制御部１１６を開けば冷媒の中間圧および温度が下がり、膨張弁制御部１１６を絞れば中間圧および温度が上がる。過熱度が正であるという条件においては膨張弁制御部１１６をより絞ればよいのであるが、実際は過熱度が所定の温度（例えば１０Ｋ程度）となるように膨張弁制御部１１６の開度を制御することが好ましい。
【００４３】
（制御２）
膨張弁制御部１１６は、高段圧縮機１０６の入口（ｇ）または過冷却器１０８の冷却流路１０８ｂの出口（ｋ）の温度が中間圧の冷媒の飽和温度より所定温度以上高くなるように過冷却弁１１４の開度を制御する。中間圧の冷媒の飽和温度は、中間圧が決定すれば求めることができる。また、中間圧の冷媒の飽和温度は、過冷却弁１１４の出口（ｊ）の温度を検知して得てもよい。過冷却弁１１４において膨張させた冷媒は図２（ｂ）に示すように湿り域にあり、（ｊ）の温度は常に飽和温度になる。そして（ｇ）の温度または（ｋ）の温度が飽和温度よりも高ければ、すなわち加熱域（気相）にあるということであるから、乾いていることを確認することができる。
【００４４】
具体的には、膨張弁制御部１１６はセンサＳ１〜Ｓ３の温度を検知し、センサＳ２またはＳ３の温度がセンサＳ１の温度よりも高いか否かを判定し、低ければ過冷却弁１１４を絞り、高ければ過冷却弁１１４を開くように制御する。このとき、（ｇ）または（ｋ）の温度が中間圧の冷媒の飽和温度より所定温度以上高くなるように制御すればよいのであるが、実際はその温度差が所定の温度（例えば１０Ｋ程度）となるように膨張弁制御部１１６の開度を制御することが好ましい。
【００４５】
（制御３）
膨張弁制御部１１６は、過冷却器１０８の被冷却流路１０８ａの出口（ｃ）の温度が中間圧の冷媒の飽和温度から所定温度以内となるように過冷却弁１１４の開度を制御する。上述したように、中間圧の冷媒の飽和温度は過冷却弁１１４の出口（ｊ）の温度に等しい。図２（ｂ）のＴＨ線図からわかるように、（ｃ）と（ｊ）の温度差が大きいと、低段圧縮による等エントロピ線が短くなることから（ｆ）の温度が下がり、乾き飽和蒸気線が裾広がりであることもあわせて、（ｇ）が湿り域に入ってしまう可能性がある。
【００４６】
具体的には、膨張弁制御部１１６はセンサＳ１、Ｓ４の温度を検知し、その温度差が所定温度以内となるように過冷却弁１１４の開度を制御する。温度差を少なくするという観点では過冷却弁１１４を絞ればよいのであるが、実際はその温度差が所定の温度（例えば１５Ｋ程度）となるように膨張弁制御部１１６の開度を制御することが好ましい。
【００４７】
上記制御１〜制御３のいずれの構成によっても、高段圧縮機１０６に液滴（湿り空気）が入り込むことを確実に防止し、高段圧縮機１０６の性能の低下および高段圧縮機の損傷を防止することができる。また、極めて簡略な温度検知によって過冷却弁１１４の開度を制御することができ、容易に制御することができる。
【００４８】
［ヒートポンプの起動制御方法］
次に、上記構成の給湯装置１００の起動制御について説明する。起動制御は、制御部１０１が行う（図１参照）。
【００４９】
ヒートポンプの起動時には、定常状態と同条件で冷媒および水を循環させても、エコノマイザ回路による過冷却が機能しない。まず、エコノマイザ回路１３４を備えたヒートポンプにおいては、過冷却器による放熱が大きいために、定常状態においては冷媒の流量に対して水流量が少ない（高圧冷媒の放熱量＝水の吸熱量＋過冷却器中間圧冷媒の吸熱量）。したがって定常状態の水流量で圧縮機を起動させると放熱器１２０の出口の冷媒温度が高くなり、高段側の圧力が上昇してしまう。
【００５０】
図３は起動時のサイクルを説明する図であって、図３（ａ）は水の流量が小の場合のサイクルを示す図である。図３（ａ）に破線で示すのは定常状態のサイクルであり、起動時のサイクルは実線で示すように高温高圧になってしまう。すると過冷却器１０８における冷却能力（中間圧冷媒が湿り域を通過するエンタルピ）が小さくなる。このため中間圧に変動が発生した際、冷却能力の変動割合が大きく、過冷却弁の開度制御が安定せず、定常状態となりにくい。特に中間圧が臨界圧付近の場合は、圧力変動に対する冷却能力の変動が大きくなり、定常状態となりにくい。
【００５１】
ここで、冷媒充填量調整器を設け、起動時に冷媒充填量を削減することによって、高圧の上昇を防止して、起動時からエコノマイザ回路を機能させることも考えられる。図３（ｂ）は冷媒充填量調整器を設けた場合のサイクルを示す図である。しかし冷媒充填量調整器を設けることによって機器のコストが上昇し、また装置が大型化して設置面積が増大し、さらに制御が複雑化するために、冷媒充填量調整器を設けることは得策ではない。また図３（ｂ）に示すように、エコノマイザ回路が機能しているとしても、冷媒充填量が少ないために過冷却による冷却能力は小さくなり、やはり定常状態となりにくい。
【００５２】
そこでエコノマイザ回路１３４が機能する定常状態に円滑に移行するためには、中間圧が臨界圧付近とならなければ良い。そのためには、放熱器の冷媒の出口温度が低くなればよく、すなわち放熱器の冷媒の出口温度が該放熱器の水の入口温度と所定範囲内となればよい。そこで、高段側の冷媒循環量に対する水流量の比率を、定常状態より多くすることが考えられる。そこで、起動時に定常状態よりも水の流量を多くする第１の起動制御方法と、起動時に定常状態よりも圧縮機の回転数を少なくする第２の起動制御方法が考えられる。
【００５３】
図４は第１の起動制御方法を説明するタイミングチャートである。起動開始時（時間ｔ１）において、過冷却弁１１４を閉じた状態で、定常状態より水の流量を多くして低段圧縮機１０４および高段圧縮機１０６を起動する。一定時間が経過して、冷媒状態（冷媒の温度と圧力）が安定し、かつ放熱器の冷媒の出口温度が該放熱器の水の入口温度と所定範囲内になるまで（中間圧が低くなるまで）待機する（時間ｔ２）。次に高段圧縮機１０６の出口圧力が定常状態の高圧となるまで過冷却弁１１４を徐々に開きつつ、放熱器の出口温度が定常状態の温度になるまで水流量を減少させる（時間ｔ３）。
【００５４】
図５は第２の起動制御方法を説明するタイミングチャートである。起動開始時（時間ｔ１）において、過冷却弁１１４を閉じた状態で、低段圧縮機１０４および高段圧縮機１０６を定常状態より少ない回転数で起動する。一定時間が経過して、冷媒状態が安定し、かつ放熱器の冷媒の出口温度が該放熱器の水の入口温度と所定範囲内になるまで（中間圧が低くなるまで）待機する（時間ｔ２）。次に高段圧縮機１０６の出口圧力が定常状態の高圧となるまで過冷却弁１１４を徐々に開きつつ、放熱器１２０の出口温度が定常状態の温度になるまで低段圧縮機および高段圧縮機の回転数を増加させる（時間ｔ３）。
【００５５】
以上説明した如く、上記いずれの起動制御方法によっても、起動開始時において、定常状態よりも冷媒の流量に対する水の流量の比率を大きくすることができる。したがって過冷却弁１１４の入口温度を低くすることができ、冷媒状態と水量を早期に定常状態にもっていくことができる。
【００５６】
なお、上記起動制御方法によれば、圧縮機起動時の水量は相対的に大きいので、放熱器出口水温は要求温度（定常状態の出口水温）より低い。このような場合、貯湯タンク１１８の上下方向において、内部温度に応じた箇所より貯湯タンク１１８に流入させても良い（図１参照）。これにより、貯湯タンク１１８内の温度成層を乱さないという効果が得られる。貯湯タンク１１８内には高温の湯が貯められているが、上方が熱く、下方が冷たい温度勾配を有している。そのため温度の低い水を貯湯タンク１１８に流入させる場合には、上下方向における中間または下方に設けられた注入口から流入させることにより、上方に滞留した高温の湯を損なうことがない。これにより、使用者がすぐに所望の温度の湯水を使用することができる。
【００５７】
［他の実施形態］
図６は二段圧縮式給湯装置の他の構成を説明する図、図７は図６のサイクルのＰＨ線図およびＴＨ線図である。図６に示す給湯装置１００ａは、図１に示した給湯装置１００に加えて、低段圧縮機１０４と高段圧縮機１０６の間に第２放熱器１２２を備え、放熱器１２０の下流側に第３放熱器１２４を備えている。そして給水は、第３放熱器１２４を通過してから分流し、放熱器１２０および第２放熱器１２２を通過させている。
【００５８】
第２放熱器１２２については、このように中間圧冷媒で放熱（冷媒を冷却）することにより、図７（ａ）のＰＨ線図で示すように高段圧縮機１０６の入口（ｇ）のエンタルピを下げることができる。これにより高段圧縮機１０６の圧力を低減し、圧縮機入力（入力仕事）を削減することができるため、ＣＯＰを向上させることができる。
【００５９】
第３放熱器１２４については、ＴＨ線図において放熱器１２０や第２放熱器１２２よりも等圧線の傾きが小さい領域にある。そこで第３放熱器１２４では全ての水を流し、等圧線の傾きが大きい領域にある放熱器１２０および第２放熱器１２２では水を分流して少なく流す。これにより図７（ｂ）のＴＨ線図で示すように可能な限り高い出口温度を目指すことができ（水が少ないために冷媒温度に近づけることができる）。
【００６０】
また、複数の放熱器によって水と熱交換することにより、放熱過程における湯水の水温変化の直線を分割することができる（図２（ｂ）では直線が１本）。ここで水温変化の直線は、エンタルピＨの次元が（ＫＪ／Ｋｇ）であることから、流量が多いほどに傾きが小さくなり（直線が０°に近づく）、流量が少ないほどに傾きが大きくなる（直線が９０°に近づく）。したがって、第３放熱器１２４では水を全量流し、放熱器１２０と第２放熱器１２２では分流して流すことにより、水温変化直線を大きく屈曲させられることがわかる。
【００６１】
一方、ＣＯ２冷媒の定圧曲線はＳ字を逆にしたように蛇行する経路をたどる。例えば図７（ｂ）に示すように、０〜３０℃程度の低温では傾きが大きく、３０℃〜５０℃程度の中温では傾きが小さく、それ以上の高温では傾きが大きい（数値は一例である）。したがって上記のように水温直線を屈曲させることにより、これを冷媒の定圧曲線に沿わせることができる。これにより、定圧曲線が水温直線を下回りにくくなり、圧縮機の圧力を低減させることが可能となる。
【００６２】
なお、水の分流は例えば同量ずつとすることができる。ただし高段圧縮機１０６の入口（ｇ）が乾き域にあるようにする必要があるため、第２放熱器１２２の出口（ｉ）が過度に湿り域に入ってしまわないように（冷えすぎないようにするために）、第２放熱器１２２に流す水量を制御（制限）してもよい。
【００６３】
図８は二段圧縮式給湯装置の他の構成を説明する図、図９は図８のサイクルのＰＨ線図およびＴＨ線図である。図８に示す給湯装置１００ｂは、図６に示した給湯装置１００ａに加えて、主回路１３２の主膨張弁１１２より上流側、かつ分流器１１０より下流側に第４放熱器１２６を備えている。そして給水は、第４放熱器１２６および第３放熱器１２４を通過してから、分流して放熱器１２０および第２放熱器１２２を通過させている。
【００６４】
第４放熱器１２６を用いた冷却は、図９（ａ）に示すＰＨ線図のように、従来の２段膨張に似たサイクルを描き、主回路１３２とエコノマイザ回路１３４とで膨張する際のエンタルピに差が生じる。すなわち、低段圧縮機１０４および高段圧縮機１０６の仕事が同じであるにもかかわらず、過冷却器１０８の被冷却流路１０８ａの出口（ｃ）の温度よりもさらに冷媒のエンタルピを下げることができ、蒸発時には蒸発器１０２においてより多くの熱量を空気から取得できるようになる。このため、さらにヒートポンプサイクルのＣＯＰを向上させることができる。
【００６５】
第４放熱器１２６が効果を発揮するのは、水（給水）の温度が過冷却器１０８の被冷却流路１０８ａの出口（ｃ）の温度よりも低い場合である。またこのとき、図９（ｂ）のＴＨ線図に示すように、低温の給水を予熱することによって水温直線を冷媒の定圧曲線に沿わせることができ、圧縮機の圧力を低減させて、ＣＯＰを向上させることができる。
【００６６】
なお、水（給水）の温度が過冷却器１０８の被冷却流路１０８ａの出口（ｃ）の温度よりも高い場合は、第４放熱器１２６に通水しないようにしても良い。水（給水）による冷媒の再加熱を防止するためである。具体的には、さらに第４放熱器１２６をバイパスする回路と、給水の温度を測定するセンサ（不図示）を設け、センサＳ４の測定した冷媒温度と比較して、給水の温度の方が高い場合には第４放熱器１２６に通水せずにバイパス回路から給水するように構成してもよい。
【００６７】
図１０は二段圧縮式給湯装置の他の構成を説明する図である。図１０（ａ）に示す給湯装置１００ｃは、図６に示した給湯装置１００ａに加えて、蒸発器１０２の位置にエゼクタ１２８と気液分離器１３０とを備え、分離した液体の冷媒を蒸発器１０２に導き、分離した気体の冷媒を低段圧縮機１０４に導いている。なお貯湯タンク１１８については記載を省略している。
【００６８】
図１０（ｂ）に示すＴＨ線図を参照すれば、蒸発器１０２の出口（ｑ）よりも低段圧縮機１０４の入口（ｅ）の方の圧力が高くなることがわかる。これにより、低圧圧縮機の仕事を減らすことができ、さらにＣＯＰを向上させることができる。
【００６９】
図１１は二段圧縮式給湯装置の他の構成を説明する図である。図１１（ａ）に示す給湯装置１００ｄは、図１に示した給湯装置１００に対し、低段圧縮機１０４および高段圧縮機１０６を一体型のガスインジェクションポート付き圧縮機１３６としている。ガスインジェクションとは、ガス状冷媒を圧縮機の中間圧部にバイパスして効率を上げるものであり、内部的には二段圧縮と同様である。したがってエコノマイザ回路と好適に組み合わせて高いＣＯＰを得ることができる。なにより、圧縮機が一つの装置ですむため、装置のコスト低減と小型化を図ることができる。
【００７０】
また図１１（ｂ）に示すように、破線にて示す二段圧縮（図２（ａ）と同様）に対して、外見的には少ない仕事（エンタルピ）によって高い圧力を得ることができるため、ＣＯＰを向上させることができる。
【００７１】
このとき、圧縮機１３６のインジェクションポートに液滴（湿り冷媒）を導入すると、圧縮機１３６の効率が落ちたり故障を招いたりするおそれがある。そこで上記のように過冷却弁１１４の開度を制御することにより、過冷却器１０８の冷却流路１０８ｂの出口（ｋ）の冷媒が確実に乾き域となるようにすることができる。
【００７２】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、二段圧縮式のヒートポンプを用いて給湯を行う二段圧縮式給湯装置およびその起動方法として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】実施形態にかかる二段圧縮式給湯装置を説明する図である。
【図２】二段圧縮エコノマイザサイクルを説明する図である。
【図３】起動時のサイクルを説明する図である。
【図４】第１の起動制御方法を説明するタイミングチャートである。
【図５】第２の起動制御方法を説明するタイミングチャートである。
【図６】二段圧縮式給湯装置の他の構成を説明する図である。
【図７】図６のサイクルのＰＨ線図およびＴＨ線図である。
【図８】二段圧縮式給湯装置の他の構成を説明する図である。
【図９】図８のサイクルのＰＨ線図およびＴＨ線図である。
【図１０】二段圧縮式給湯装置の他の構成を説明する図である。
【図１１】二段圧縮式給湯装置の他の構成を説明する図である。
【図１２】従来の二段圧縮１段膨張サイクルを説明する図である。
【符号の説明】
【００７５】
１００  …給湯装置
１０１  …制御部
１０２  …蒸発器
１０４  …低段圧縮機
１０６  …高段圧縮機
１０８  …過冷却器
１０８ａ  …被冷却流路
１０８ｂ  …冷却流路
１１０  …分流器
１１２  …主膨張弁
１１４  …過冷却弁
１１６  …膨張弁制御部
１１８  …貯湯タンク
１２０  …放熱器
１２２  …第２放熱器
１２４  …第３放熱器
１２６  …第４放熱器
１２８  …エゼクタ
１３０  …気液分離器
１３２  …主回路
１３４  …エコノマイザ回路
１３６  …圧縮機
【図１】
2010091135.tif 000003
【図２】
2010091135.tif 000004
【図３】
2010091135.tif 000005
【図４】
2010091135.tif 000006
【図５】
2010091135.tif 000007
【図６】
2010091135.tif 000008
【図７】
2010091135.tif 000009
【図８】
2010091135.tif 000010
【図９】
2010091135.tif 000011
【図１０】
2010091135.tif 000012
【図１１】
2010091135.tif 000013
【図１２】
2010091135.tif 000014