(57)【要約】【課題】  安定した冷凍サイクル制御が可能なヒートポンプ装置を提供すること。【解決手段】  ヒートポンプ装置において、圧縮機、放熱器、膨張弁および蒸発器を冷媒配管で接続した冷媒回路と、蒸発器に空気を通風する送風機と、蒸発器の液冷媒温度が冷媒の臨界温度未満になるように蒸発器の通風量を制御する制御手段とを備える構成とすることにより、二酸化炭素の冷媒を用いても蒸発器中の冷媒は臨界温度未満に維持され、サイクル制御が可能になる。【選択図】    図１ 
2005156030.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、放熱器、膨張弁および蒸発器を冷媒配管で接続した冷媒回路と、前記蒸発器に空気を通風する送風機と、前記蒸発器の液冷媒温度が冷媒の臨界温度未満になるように前記蒸発器の通風量を制御する制御手段とを備えてなるヒートポンプ装置。
【請求項２】
前記冷媒は二酸化炭素であ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。
【請求項３】
前記制御手段は、前記蒸発器に通風する空気の温度が設定値を超えたとき、その超えた程度に応じて前記通風量を低減制御することを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記蒸発器に通風する空気の温度が設定値を超えたとき、前記通風量を設定風量に低減することを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ装置。
【請求項５】
前記蒸発器の液冷媒温度を検知する第１の温度検知手段と、前記蒸発器の出口と前記圧縮機の入口との間のガス冷媒温度を検知する第２の温度検知手段と、前記第１の温度検知手段と前記第２の温度検知手段の検出値から演算される過熱度が所定の値になるように前記膨張弁の開度を制御する過熱度制御手段とを備えてなる請求項１または２に記載のヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給湯機や空調装置などに適用されるヒートポンプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
給湯機や空調用の熱源として、ヒートポンプが広く利用されている。例えば、ヒートポンプ式給湯機は、圧縮機、凝縮器（または、放熱器）、膨張弁および蒸発器を順次配管接続した冷媒回路に冷媒を循環させ、凝縮器（または、放熱器）において高温冷媒と給湯用の水を熱交換して、加熱された温湯を出湯するようになっている。一方、凝縮器（または、放熱器）で熱交換により凝縮（または、放熱）された冷媒は、膨張弁を介して蒸発器に導かれ、外気との熱交換により気化された後、圧縮機に戻される。
【０００３】
このようなヒートポンプ式給湯機において、二酸化炭素を冷媒とする試みが検討されている。これによれば、高温超臨界冷媒による水の加熱効率が向上し、高温給湯が可能になる。例えば、二酸化炭素を循環冷媒とする関連技術として、蒸発器の液冷媒温度と、蒸発器出口から圧縮機入口までのガス冷媒温度（以下、蒸発器出口のガス冷媒温度という。）との温度差（過熱度）に基づいて圧縮機の回転数を制御してサイクル効率を最適化及び安定化するヒートポンプ式給湯機が提案されている（特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１３９２５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、二酸化炭素は臨界温度が比較的低い（約３１℃）ため、例えば、外気温が高くなると、蒸発器において二酸化炭素が臨界温度を超える場合がある。二酸化炭素が臨界温度以上（超臨界）になると、液と蒸気が共存する湿り飽和領域がなくなり、潜熱による熱交換から顕熱による熱交換になる。そのため、蒸発器中の冷媒温度と蒸発器出口のガス冷媒温度との温度差は、湿り飽和温度からの過熱度ではなく、顕熱による温度変化となる。この顕熱による温度差は、熱負荷などの運転条件により大きく変化するため、サイクル制御が困難となる。
【０００６】
本発明は、安定した冷媒サイクル制御が可能なヒートポンプ装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のヒートポンプ装置は、圧縮機、放熱器、膨張弁および蒸発器を冷媒配管で接続した冷媒回路と、蒸発器に空気を通風する送風機と、蒸発器の液冷媒温度が冷媒の臨界温度未満になるように蒸発器の通風量を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
蒸発器での熱交換量を一定とすると、通風量を低減させた分、通風する空気の入口温度と出口温度との温度差は大きくなる。この時、空気と冷媒との温度効率の関係から、空気の入口温度と冷媒の蒸発温度との温度差も大きくなり、結果として、通風量を低減すると、冷媒の蒸発温度が低下する。
【０００９】
この場合において、冷媒として二酸化炭素を用いることができる。また、上記の制御手段は、蒸発器に通風する空気の温度が設定値を超えたとき、その超えた程度に応じて通風量を低減制御するか、または、通風量を設定風量に低減するようにしてもよい。
【００１０】
また、蒸発器の液冷媒温度を検知する第１の温度検知手段と、蒸発器の出口と圧縮機の入口との間のガス冷媒温度を検知する第２の温度検知手段と、第１の温度検知手段と第２の温度検知手段の検出値から演算される過熱度が所定の値になるように膨張弁の開度を制御する過熱度制御手段とを備えるようにする。
【００１１】
すなわち、蒸発器における冷媒が臨界温度未満の場合、湿り飽和温度が存在するため、過熱度を膨張弁で調整でき、これによりサイクル制御を安定化できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、二酸化炭素などを冷媒とするヒートポンプ装置において、安定した冷凍サイクル制御が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係るヒートポンプ式給湯機の主要部を示す回路図である。図に示すように、本発明のヒートポンプ式給湯機は、圧縮機１、放熱器３、膨張手段としての膨張弁５、蒸発器７を順次配管接続させた閉回路の冷凍サイクルで構成される。放熱器３は、冷媒が通流する冷媒伝熱管９と給湯用の水が流れる水管路１１とを備え、冷媒の放熱により矢印の方向に供給された給湯用の水が熱交換して加熱されるようになっている。蒸発器７には、送風機１３から例えば室外空気が送風され、冷媒が蒸発器７を通過する過程で空気と熱交換して蒸発されるようになっている。本実施形態の冷凍サイクルでは、冷媒として二酸化炭素を用い、外気温が−１５℃〜４３℃の範囲で運転されている。
【００１４】
蒸発器冷媒温度センサ１５（以下、温度センサ１５という）は、蒸発器７の冷媒伝熱管（図示せず）表面に接触して設けられ、近似的に冷媒の蒸発温度Ｔｅを検知する一方、蒸発器冷媒出口温度センサ１７（以下、温度センサ１７という）は、蒸発器７の出口側の冷媒出口配管表面に接触して設けられ、近似的に蒸発器冷媒出口温度Ｔｅｏを検知している。蒸発器空気入口温度センサ１９（以下、温度センサ１９という）は、蒸発器７を挟んで送風機１３と対向する空気入口側に設けられ、外気温を検知している。放熱器水出口温度センサ２１（以下、温度センサ２１という）は、放熱器３における水管路１１の出口部に設けられ、放熱器３で加熱された給湯用の温湯の温度を検知している。なお、蒸発器冷媒温度センサ１５は、蒸発器７の冷媒入口側の配管表面に接触して設けるようにしてもよい。この場合、蒸発器７の冷媒入口側配管と冷媒伝熱管との間の圧力損失分の蒸発温度の補正が必要となる。
【００１５】
膨張弁開度制御器２３は、温度センサ１７で検出される蒸発器冷媒出口温度Ｔｅｏと温度センサ１５で検出される蒸発温度Ｔｅとの差、つまり過熱度（Ｔｅｏ−Ｔｅ）を演算により算出し、その大きさが所定の目標値（例えば、３℃）となるように、膨張弁５の開度を制御している。なお、膨張弁５に代えて膨張機を設け、膨張弁５と同様に過熱度制御をするようにしてもよい。
【００１６】
圧縮機回転数制御器２５は、出湯温度設定盤２７を介して使用者により設定される目標出湯温度と温度センサ２１により検出される実際の出湯温度との差に基づいて、圧縮機１の回転数を制御している。送風機回転数制御器２７は、温度センサ１９で検出される外気温と圧縮機回転数制御器２５で設定される圧縮機回転数に基づいて、送風機１３のファン回転数（以下、送風機回転数という）を制御している。
【００１７】
図２は、外気温、圧縮機回転数および送風機回転数の関係を示す図である。図に示すように、外気温が二酸化炭素の臨界温度３１℃未満では、外気温と圧縮機回転数により４区分され、そのうち、外気温が低温側（８℃未満）かつ圧縮機回転数が高速側では、送風機回転数を高速に設定し、外気温が低温側（８℃未満）かつ圧縮機回転数が低速側、及び、外気温が高温側（８℃以上）かつ圧縮機回転数が高速側では、送風機回転数を中速に設定し、外気温が高温側（８℃以上）かつ圧縮機回転数が低速側では、送風機回転数を低速に設定している。すなわち、外気温が低下するほど、圧縮機回転数が増加するほど、蒸発器７内の冷媒蒸発温度が低下するため、送風機回転数を増加させて通風量を増加させ、この冷媒蒸発温度の低下を抑制している。
【００１８】
また、外気温が二酸化炭素の臨界温度以上の３１℃〜４３℃では、送風機回転数は、温度センサ１５により検出される蒸発温度Ｔｅが一定値（例えば２５℃）となるように調整制御されている。
【００１９】
以上のように構成、制御されるヒートポンプ式給湯機において、図３を用いて本実施形態の作用を説明する。図３は、外気温が変化した場合における送風機回転数および蒸発器７中の冷媒の蒸発温度との関係を示す。なお、ここでは、同一外気温において蒸発温度が高くなる圧縮機最低回転数時のものを示している。図に示すように、外気温が−１５℃以上８℃未満では、送風機回転数は中速に設定され、外気温の上昇とともに蒸発温度が上昇する。また、外気温が８℃以上３１℃未満では、送風機回転数が低速に設定され、外気温８℃では送風機回転数の減少により一旦蒸発温度が低下するが、外気温３１℃未満までは外気温の上昇とともに蒸発温度も上昇する。
【００２０】
一方、外気温が３１℃以上４３℃以下では、温度センサ１５によって検知される蒸発温度を臨界温度未満の目標値２５℃に維持するように、送風機回転数を調整制御する。すなわち、外気温が上昇したとき送風機回転数を下げて通風量を低減させれば、蒸発温度が低下するため、送風機回転数を制御することにより蒸発温度を制御できる。
【００２１】
したがって、外気温が−１５℃〜４３℃の運転範囲、特に、外気温が二酸化炭素の臨界温度３１℃以上になった場合でも、蒸発器７において冷媒蒸発温度（湿り飽和温度）が存在し、その結果、温度センサ１５で検出されるこの蒸発温度Ｔｅと温度センサ１７によって検出される蒸発器冷媒出口温度Ｔｅｏとの差である過熱度の大きさが所定の目標値となるように膨張弁５の開度が制御できるため、冷凍サイクルが制御不能とならず、安定した冷凍サイクルの運転を行うことができる。
【００２２】
次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。本実施形態では、ヒートポンプ式給湯機の構成は図１と同様であるが、送風機回転数制御器２７において、温度センサ１９で検出される外気温と圧縮機回転数制御器２５で設定される圧縮機回転数に基づく送風機回転数の制御が第１の実施形態と相違する。
【００２３】
図４に、本実施形態における外気温、圧縮機回転数および送風機回転数の関係を示す。なお、第１の実施形態と同一部分については説明を省略する。外気温の運転範囲は、第１の実施形態１と同様の−１５℃〜４３℃である。
【００２４】
図４において、外気温、圧縮機回転数および送風機回転数の関係は、外気温が二酸化炭素の臨界温度３１℃未満においては、図２と同じである。外気温が二酸化炭素の臨界温度以上となる３１℃〜４３℃では、送風機回転数は、超低速に設定され、その値は、外気温の上限４３℃、かつ、圧縮機１の最低回転数時において、蒸発温度が例えば２５℃となるように予め設定されている。
【００２５】
以上のように構成、制御されるヒートポンプ式給湯機において、外気温が変化した場合における送風機回転数および蒸発器７における冷媒の蒸発温度との関係を図５に示す。ここでは、同一外気温において、蒸発温度が高くなる圧縮機最低回転数時のものを示している。外気温が−１５℃以上３１℃未満における外気温と送風機回転数および蒸発温度との関係は図３と同様である。外気温３１℃以上４３℃以下では、外気温によらず、送風機回転数は超低速の一定値に設定され、外気温の上昇とともに蒸発温度も上昇するが、運転範囲の最高外気温４３℃においても蒸発温度は２５℃となり、二酸化炭素の臨界温度３１℃より低い値に維持されている。
【００２６】
したがって、本実施形態では、第１の実施形態と同様に、外気温が二酸化炭素の臨界温度３１℃以上になった場合においても、蒸発器７において冷媒蒸発温度（湿り飽和温度）が存在し、温度センサ１５で検出されるこの蒸発温度Ｔｅと温度センサ１７で検出される蒸発器冷媒出口温度Ｔｅｏとの差である過熱度の大きさが所定の目標値となるように膨張弁５の開度を制御できるため、冷凍サイクルが制御不能とならず、安定した運転を行うことができる。また、本実施形態では、外気温の区分ごとに送風機１３の回転数が固定されているから、第１の実施形態と比べて送風機回転数の制御が簡略化され、製造コストなどが低減できる。
【００２７】
以上述べたように、上記実施形態によれば、蒸発器７に通風する外気温および圧縮機回転数に基づいて通風量を制御しているから、外気温が臨界温度を超えても、蒸発器７における液冷媒温度を臨界温度未満に維持できる。また、上記実施形態では、ヒートポンプ式給湯機について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、冷凍空調装置などにも同様に適用できる。なお、ヒートポンプ冷媒回路に用いる冷媒としては、二酸化炭素に限定されるものではない。
【００２８】
また、上記実施形態では、冷媒飽和温度と冷媒過熱温度との検出値から蒸発器７の過熱度制御を行う場合について説明したが、検知した冷媒飽和温度と冷媒過熱温度から蒸発器７出口と圧縮機１入口との間のモリエル線上の冷媒状態（位置）を推測し、上記実施形態で述べた過熱度制御以外の冷凍サイクル制御のための情報として用いるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係るヒートポンプ式給湯機の主要部を示す回路図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係り、外気温、圧縮機回転数および送風機回転数の関係を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係り、圧縮機最低回転数において外気温が変化した時の送風機回転数及び冷媒蒸発温度との関係を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係り、外気温、圧縮機回転数および送風機回転数の関係を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係り、圧縮機最低回転数において外気温が変化した時の送風機回転数及び冷媒蒸発温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  圧縮機
３  放熱器
５  膨張弁
７  蒸発器
１３  送風機
１５  蒸発器冷媒温度センサ
１７  蒸発器冷媒出口温度センサ
１９  蒸発器空気入口温度センサ
２１  放熱器水出口温度センサ
２３  膨張弁開度制御器
２５  圧縮機回転数制御器
２７  送風機回転数制御器
【図１】
2005156030.tif 000003
【図２】
2005156030.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005156030.tif 000006
【図５】
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