(57)【要約】【課題】放熱器を流出する流量に変化があっても温水を生成するために必要な動力を低減できるヒートポンプ式給湯装置を実現する。【解決手段】高温側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルにて給湯水を加熱するヒートポンプ式給湯装置であって、水熱交換器２２０から流出する給湯水の実際の沸き上げ温度と外気温度とから求められた目標高圧圧力値ＰＨＯを目標値として設定し、その目標値となるように膨張弁２３０の開度を制御する。これにより、温水を生成するために必要な動力を低減できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルにて給湯用流体を加熱するヒートポンプ式給湯装置であって、
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（２１０）と、
前記圧縮機（２１０）から吐出する冷媒と給湯用流体とを熱交換するとともに、冷媒流れと給湯用流体流れとが対向するように構成された放熱器（２２０）と、
前記放熱器（２２０）から流出する冷媒を減圧する減圧器（２３０）と、
前記減圧器（２３０）から流出する冷媒を蒸発させて冷媒に熱を吸収させるとともに、前記圧縮機（２１０）の吸入側に向けて冷媒を流出する蒸発器（２４０）とを備え、
前記放熱器（２２０）から流出する給湯用流体の沸き上げ温度と、外気温度、前記蒸発器（２４０）に流出入する冷媒温度もしくは前記放熱器（２２０）に流入する給湯用流体温度のいずれか一つとから求められた目標高圧圧力値（ＰＨＯ）もしくは目標吐出温度（ＴｄＯ）のいずれか一方を目標値として設定し、その目標値となるように前記減圧器（２３０）の開度を制御することを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
【請求項２】
高温側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルにて給湯用流体を加熱するヒートポンプ式給湯装置であって、
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（２１０）と、
前記圧縮機（２１０）から吐出する冷媒と給湯用流体とを熱交換するとともに、冷媒流れと給湯用流体流れとが対向するように構成された放熱器（２２０）と、
冷媒を蒸発させて冷媒に熱を吸収させる蒸発器（２４０）と、
前記圧縮機（２１）から吐出する冷媒を減圧膨張させるノズル部を有し、前記ノズル部から噴射する高い速度の冷媒流により前記蒸発器（２４０）にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して前記圧縮機（２１０）の吸入圧を上昇させるエジェクタ（２３５）とを備え、
前記放熱器（２２０）から流出する給湯用流体の沸き上げ温度と、外気温度、前記蒸発器（２４０）に流出入する冷媒温度もしくは前記放熱器（２２０）に流入する給湯用流体温度のいずれか一つとから求められた目標高圧圧力値（ＰＨＯ）もしくは目標吐出温度（ＴｄＯ）のいずれか一方を目標値として設定し、その目標値となるように前記エジェクタ（２３５）の開度を制御することを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
【請求項３】
前記減圧器（２３０）もしくは前記エジェクタ（２３５）は、その開度を電気的に調節可能なものであって、前記減圧器（２３０）もしくは前記エジェクタ（２３５）の開度を変化させることにより、高圧側の冷媒圧力、もしくは前記圧縮機（２１０）からの吐出温度のいずれか一方を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項４】
高温側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルにて給湯用流体を加熱するヒートポンプ式給湯装置であって、
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（２１０）と、
前記圧縮機（２１０）から吐出する冷媒と給湯用流体とを熱交換するとともに、冷媒流れと給湯用流体流れとが対向するように構成された放熱器（２２０）と、
前記放熱器（２２０）から流出する冷媒を減圧する減圧器（２３０）と、
前記減圧器（２３０）から流出する冷媒を蒸発させて冷媒に熱を吸収させるとともに、前記圧縮機（２１０）の吸入側に向けて冷媒を流出する蒸発器（２４０）とを備え、
前記放熱器（２２０）から流出する給湯用流体の沸き上げ温度と、外気温度、前記蒸発器（２４０）に流出入する冷媒温度もしくは前記放熱器（２２０）に流入する給湯用流体温度のいずれか一つとから求められた目標高圧圧力値（ＰＨＯ）もしくは目標吐出温度（ＴｄＯ）のいずれか一方を目標値として設定し、その目標値となるように前記圧縮機（２１０）の回転数を制御することを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
【請求項５】
高温側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルにて給湯用流体を加熱するヒートポンプ式給湯装置であって、
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（２１０）と、
前記圧縮機（２１０）から吐出する冷媒と給湯用流体とを熱交換するとともに、冷媒流れと給湯用流体流れとが対向するように構成された放熱器（２２０）と、
冷媒を蒸発させて冷媒に熱を吸収させるとともに、前記圧縮機（２１０）の吸入側に向けて冷媒を流出する蒸発器（２４０）と、
前記圧縮機（２１）から吐出する冷媒を減圧膨張させるノズル部を有し、前記ノズル部から噴射する高い速度の冷媒流により前記蒸発器（２４０）にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して前記圧縮機（２１０）の吸入圧を上昇させるエジェクタ（２３５）とを備え、
前記放熱器（２２０）から流出する給湯用流体の沸き上げ温度と、外気温度、前記蒸発器（２４０）に流出入する冷媒温度もしくは前記放熱器（２２０）に流入する給湯用流体温度のいずれか一つとから求められた目標高圧圧力値（ＰＨＯ）もしくは目標吐出温度（ＴｄＯ）のいずれか一方を目標値として設定し、その目標値となるように前記圧縮機（２１０）の回転数を制御することを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
【請求項６】
高圧側の冷媒圧力を検出する冷媒圧力検出手段（２７１）もしくは前記圧縮機（２１０）から吐出する冷媒の吐出温度を検出する吐出温度検出手段（２７６）が設けられ、
前記目標値は、第１所定時間間隔毎に求められており、
前記冷媒圧力検出手段（２７１）もしくは前記吐出温度検出手段（２７６）により検出された高圧側の冷媒圧力もしくは吐出温度の一方が、前記目標値となるように、前記減圧器（２３０）の開度、前記エジェクタ（２３５）の開度もしくは前記圧縮機（２１０）の回転数を第２所定時間間隔毎に変化させることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のヒートポンプ式給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超臨界ヒートポンプサイクルを給湯用流体の加熱手段として使用するヒートポンプ式給湯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の給湯装置として、例えば、特許文献１に示すように、高圧側の冷媒圧力を臨界圧以上まで加圧して使用する超臨界ヒートポンプサイクルを用いて給湯用流体を加熱するヒートポンプ式給湯装置が知られている。
【０００３】
この給湯装置では、給湯用流体と冷媒とを熱交換させる放熱器である水熱交換器を備え、その水熱交換器で加熱された高温の給湯用流体を貯湯タンク内に貯留しておき、使用時に貯湯タンク内から高温の給湯用流体を取り出して温度調節した後、使用者に供給する給湯システムである。
【０００４】
このヒートポンプ式給湯装置は、サイクル効率の高い領域でヒートポンプサイクルを運転するため、水熱交換器に流入する給湯用流体と水熱交換器から流出する冷媒との温度差ΔＴが、所定温度差ΔＴＯとなるように高圧側の冷媒圧力を制御している。より具体的には、所定温度差ΔＴＯとなるように電気式膨張弁の開度を変化させることにより高圧側の冷媒圧力を制御している。
【特許文献１】特許第３２２７６５１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、上記特許文献１では、水熱交換器から流出する給湯用流体を貯湯タンク内に貯える給湯システムであるため、貯湯タンク側からの目標沸き上げ温度をヒートポンプ式給湯装置でその信号を受信し、その目標沸き上げ温度に基づいて水熱交換器から流出する給湯用流体の沸き上げ温度が常に一定となるよう水熱交換器を流出する給湯用流体の流量と冷凍サイクルとのバランスを保ちながら高圧側の冷媒圧力を制御している。
【０００６】
言い換えれば、給湯用流体の供給先である貯湯タンクとその給湯用流体を加熱するヒートポンプユニットとが一対となって組み合わされた制御を行うように構成されており、水熱交換器を流出する給湯用流体の流量が比較的変化の少ない状態で、流量と冷凍サイクルとのバランスを保っている。
【０００７】
ところが、給湯用流体の供給先が、例えば、床暖房、浴室乾燥などの熱源用に用いられると、水熱交換器を流出する給湯用流体の流量が任意に変更される場合がある。このような場合には、流量の変化により冷凍サイクルのバランスが変化する際に、水熱交換器から流出する冷媒温度の応答性遅れによってヒートポンプサイクルの最適ＣＯＰの確保が困難な問題がある。しかも、応答性遅れによる冷凍サイクル内にハンチング現象を発生する問題がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記点を鑑みたものであり、放熱器を流出する流量に変化があっても温水を生成するために必要な動力を低減したヒートポンプ式給湯装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項６に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、高温側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルにて給湯用流体を加熱するヒートポンプ式給湯装置であって、
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（２１０）と、この圧縮機（２１０）から吐出する冷媒と給湯用流体とを熱交換するとともに、冷媒流れと給湯用流体流れとが対向するように構成された放熱器（２２０）と、この放熱器（２２０）から流出する冷媒を減圧する減圧器（２３０）と、この減圧器（２３０）から流出する冷媒を蒸発させて冷媒に熱を吸収させるとともに、圧縮機（２１０）の吸入側に向けて冷媒を流出する蒸発器（２４０）とを備え、
放熱器（２２０）から流出する給湯用流体の沸き上げ温度と、外気温度、蒸発器（２４０）に流出入する冷媒温度もしくは放熱器（２２０）に流入する給湯用流体温度のいずれか一つとから求められた目標高圧圧力値（ＰＨＯ）もしくは目標吐出温度（ＴｄＯ）のいずれか一方を目標値として設定し、その目標値となるように減圧器（２３０）の開度を制御することを特徴としている。
【００１０】
この発明によれば、放熱器（２２０）に流入する給湯用流体の温度は安定しているため、沸き上げ温度は放熱器（２２０）を流出する流量に基づいて決定される。従って、その沸き上げ温度に応じた目標高圧圧力値（ＰＨＯ）を目標値として設定し、その目標値となるように減圧器（２３０）の開度を制御することで最適なＣＯＰとなるヒートポンプサイクルで運転することができる。これにより、高効率の運転の継続が可能なことで、温水を生成するための動力を低減することができる。
【００１１】
なお、放熱器（２２０）で加熱された給湯用流体を貯える貯湯タンクとを組み合わせたときに、従来の制御では、貯湯タンク側からの目標沸き上げ温度の指令を受けてヒートポンプ式給湯装置側で流量と冷凍サイクルとのバランスにより高圧側の冷媒圧力を制御していたが、その沸き上げ温度を目標沸き上げ温度となるように別途貯湯タンク側で放熱器（２２０）を流出する流量を制御するように構成すれば良い。
【００１２】
また、沸き上げ温度に基づいて求められる目標高圧圧力値（ＰＨＯ）の他に、圧縮機（２１０）から流出する目標吐出温度（ＴｄＯ）であっても良い。
【００１３】
請求項２に記載の発明では、高温側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルにて給湯用流体を加熱するヒートポンプ式給湯装置であって、
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（２１０）と、この圧縮機（２１０）から吐出する冷媒と給湯用流体とを熱交換するとともに、冷媒流れと給湯用流体流れとが対向するように構成された放熱器（２２０）と、冷媒を蒸発させて冷媒に熱を吸収させる蒸発器（２４０）と、圧縮機（２１）から吐出する冷媒を減圧膨張させるノズル部を有し、このノズル部から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器（２４０）にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機（２１０）の吸入圧を上昇させるエジェクタ（２３５）とを備え、
放熱器（２２０）から流出する給湯用流体の沸き上げ温度と、外気温度、蒸発器（２４０）に流出入する冷媒温度もしくは放熱器（２２０）に流入する給湯用流体温度のいずれか一つとから求められた目標高圧圧力値（ＰＨＯ）もしくは目標吐出温度（ＴｄＯ）のいずれか一方を目標値として設定し、その目標値となるようにエジェクタ（２３５）の開度を制御することを特徴としている。
【００１４】
この発明によれば、上記請求項１においては、本発明を膨張弁などによる減圧器（２３０）を用いる冷凍サイクルに適用させたが、これに限らず、エジェクタ（２３５）を用いる蒸気圧縮式冷凍サイクルに本発明を適用させても良い。
【００１５】
請求項３に記載の発明では、減圧器（２３０）もしくはエジェクタ（２３５）は、その開度を電気的に調節可能なものであって、減圧器（２３０）もしくはエジェクタ（２３５）の開度を変化させることにより、高圧側の冷媒圧力、もしくは圧縮機（２１０）からの吐出温度のいずれか一方を制御することを特徴としている。
【００１６】
この発明によれば、具体的には、減圧器（２３０）を用いる冷凍サイクルには、電気式膨張弁を用いれば、容易に上記目標値となるように制御できる。また、エジェクタ（２３５）を用いる冷凍サイクルには、電気式可変エジェクタを用いれば、容易に目標値となるように制御できる。
【００１７】
請求項４に記載の発明では、高温側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルにて給湯用流体を加熱するヒートポンプ式給湯装置であって、
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（２１０）と、この圧縮機（２１０）から吐出する冷媒と給湯用流体とを熱交換するとともに、冷媒流れと給湯用流体流れとが対向するように構成された放熱器（２２０）と、この放熱器（２２０）から流出する冷媒を減圧する減圧器（２３０）と、この減圧器（２３０）から流出する冷媒を蒸発させて冷媒に熱を吸収させるとともに、圧縮機（２１０）の吸入側に向けて冷媒を流出する蒸発器（２４０）とを備え、
放熱器（２２０）から流出する給湯用流体の沸き上げ温度と、外気温度、蒸発器（２４０）に流出入する冷媒温度もしくは放熱器（２２０）に流入する給湯用流体温度のいずれか一つとから求められた目標高圧圧力値（ＰＨＯ）もしくは目標吐出温度（ＴｄＯ）のいずれか一方を目標値として設定し、その目標値となるように圧縮機（２１０）の回転数を制御することを特徴としている。
【００１８】
この発明によれば、上記請求項１ないし請求項３では、目標値となるように減圧器（２３０）もしくはエジェクタ（２３５）の開度を制御するように構成したが、これに限らず、例えば、吐出冷媒流量を可変可能な圧縮機（２１０）の回転数を制御するように構成しても良い。
【００１９】
請求項５に記載の発明では、高温側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルにて給湯用流体を加熱するヒートポンプ式給湯装置であって、
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（２１０）と、この圧縮機（２１０）から吐出する冷媒と給湯用流体とを熱交換するとともに、冷媒流れと給湯用流体流れとが対向するように構成された放熱器（２２０）と、冷媒を蒸発させて冷媒に熱を吸収させるとともに、圧縮機（２１０）の吸入側に向けて冷媒を流出する蒸発器（２４０）と、圧縮機（２１）から吐出する冷媒を減圧膨張させるノズル部を有し、このノズル部から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器（２４０）にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機（２１０）の吸入圧を上昇させるエジェクタ（２３５）とを備え、
放熱器（２２０）から流出する給湯用流体の沸き上げ温度と、外気温度、蒸発器（２４０）に流出入する冷媒温度もしくは放熱器（２２０）に流入する給湯用流体温度のいずれか一つとから求められた目標高圧圧力値（ＰＨＯ）もしくは目標吐出温度（ＴｄＯ）のいずれか一方を目標値として設定し、その目標値となるように圧縮機（２１０）の回転数を制御することを特徴としている。
【００２０】
この発明によれば、エジェクタ（２３５）を用いる蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいても、吐出冷媒流量を可変可能な圧縮機（２１０）の回転数を制御するように構成しても良い。
【００２１】
請求項６に記載の発明では、高圧側の冷媒圧力を検出する冷媒圧力検出手段（２７１）もしくは圧縮機（２１０）から吐出する冷媒の吐出温度を検出する吐出温度検出手段（２７６）が設けられ、
目標値は、第１所定時間間隔毎に求められており、冷媒圧力検出手段（２７１）もしくは吐出温度検出手段（２７６）により検出された高圧側の冷媒圧力もしくは吐出温度の一方が、目標値となるように、減圧器（２３０）の開度、エジェクタ（２３５）の開度もしくは圧縮機（２１０）の回転数を第２所定時間間隔毎に変化させることを特徴としている。
【００２２】
この発明によれば、放熱器（２２０）を流出する給湯用流体の流量の変化で可変する沸き上げ温度に応じて目標値となるように制御されることで、ヒートポンプ式給湯装置の起動直後からサイクルの安定まで最適なＣＯＰのヒートポンプサイクルで運転を継続させることができる。これにより、温水を生成するために必要な動力を低減することができる。
【００２３】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態によるヒートポンプ式給湯装置を図１ないし図３に基づいて説明する。本実施形態では、本発明に係わるヒートポンプ式給湯装置であるヒートポンプユニット２００をタンクユニット３００に組み合わせたときの給湯システムに適用したものであって、図１は給湯システムの全体構成を示す模式図であり、図２は熱源制御装置２７０の制御処理を示すフローチャートである。
【００２５】
また、図３は実際の沸き上げ温度をパラメータとしたときの目標高圧圧力値と外気温度との関係を示す特性図である。ところで、図１中、ヒートポンプユニット２００は、減圧器として電気式膨張弁２３０を用いており、給湯用流体として給湯水を加熱し高温（本実施形態では、約８５℃）の温水を生成する超臨界ヒートポンプサイクルである。
【００２６】
なお、超臨界ヒートポンプサイクルとは、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルを言い、例えば、二酸化炭素、エチレン、エタン、酸化窒素などを冷媒とするヒートポンプサイクルである。
【００２７】
本実施形態のヒートポンプユニット２００は、放熱器である水熱交換器２２０から流出する給湯用流体の実際の沸き上げ温度に基づいて、最適なＣＯＰ（成績係数）が得られる運転条件でヒートポンプサイクルの運転を行うように構成している。
【００２８】
ヒートポンプユニット２００は、図１に示すように、２１０は冷媒（本実施形態では二酸化炭素）を吸入圧縮する圧縮機であり、この圧縮機２１０は、冷媒を吸入圧縮する圧縮機構（図示せず）および圧縮機構を駆動する電動モータ（図示せず）が一体となった電動圧縮機である。
【００２９】
２２０は圧縮機２１０から吐出する冷媒と給湯水とを熱交換する放熱器である水熱交換器であり、この水熱交換器２２０は、冷媒流れと給湯水流れとが対向するように構成された対向流型の熱交換器である。
【００３０】
２３０は水熱交換器２２０から流出する冷媒を減圧する減圧器である電気式膨張弁であり、２４０は、電気式膨張弁２３０（以下、膨張弁２３０と称する）から流出する冷媒を蒸発させて大気中の熱を冷媒に吸収させるとともに、後述するアキュムレータ２５０（圧縮機２１０の吸入側）に向けて冷媒を流出する蒸発器である。
【００３１】
２５０は、蒸発器２４０から流出する冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を圧縮機２１０の吸入側に流出するとともに、ヒートポンプサイクル中の余剰冷媒を蓄えるアキュムレータである。
【００３２】
２６０は蒸発器２４０に空気（外気）を送風するとともにその送風量を調節することができる送風機であり、この送風機２６０、圧縮機２１０および膨張弁２３０は、後述する各センサから検出される圧力情報、温度情報に基づいて熱源制御装置２７０により制御されている。
【００３３】
そして、２７１は水熱交換器２２０から流出する冷媒の温度を検出する冷媒温度センサ（冷媒温度検出手段）であり、２７２は水熱交換器２２０に流入する給湯水の温度を検出する第１温水温度センサ（第１温水温度検出手段）である。
【００３４】
２７３は水熱交換器２２０から流出する冷媒の圧力（高圧側の冷媒圧力）を検出する冷媒圧力センサ（冷媒圧力検出手段）であり、２７４は水熱交換器２２０から流出する給湯水の温度を検出する第２温水温度センサ（第２温水温度検出手段）である。２７５は蒸発器２４０に送風される空気（外気）の外気温度を検出する外気温センサである。そして、各センサ２７１〜２７５の検出信号は、熱源制御装置２７０に入力されている。
【００３５】
ここで、高圧側の冷媒圧力とは、圧縮機２１０の吐出側から膨張弁２３０の流入側に至る冷媒通路に存在する冷媒の圧力を言い、その圧力は、圧縮機２１０の吐出圧（水熱交換器２２０の内圧）に略等しい。一方、低圧側の冷媒圧力とは、膨張弁２３０の流出側から圧縮機２１０の吸入側に至る冷媒通路に存在する冷媒の圧力を言い、その圧力は、圧縮機２１０の吸入圧（蒸発器２４０の内圧）に略等しい。
【００３６】
なお、第２温水温度センサ２７４で検出された給湯水の温度を本発明では実際の沸き上げ温度と称している。熱源制御装置２７０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵のＲＯＭ（図示せず）には、予め設定された制御プログラムが設けられており、各センサ２７１〜２７５からの温度情報、圧力情報および後述する給湯制御装置３７０からの操作情報に基づいて圧縮機２１０、膨張弁２３０、送風機２６０などのアクチュエータ類を制御している。
【００３７】
次に、タンクユニット３００は、貯湯タンク３１０、循環水回路３２０、および給湯側制御装置３７０から構成されている。貯湯タンク３１０は、耐食性に優れた金属製（例えば、ステンレス製）からなり、縦長形状に形成され、外周部に図示しない断熱材が配置されており高温の給湯水を長時間に渡って保温することができるようになっている。
【００３８】
また、その底面には導入口３１０ａが設けられ、この導入口３１０ａには貯湯タンク３１０内に水道水を導入する給水配管３１１が接続されている。なお、この給水配管３１１の上流には図示しない減圧逆止弁および開閉弁を介して上水に接続されて、所定圧の水道水を導入するようになっている。
【００３９】
一方、貯湯タンク３１０の最上部には導出口３１０ｂが設けられ、この導出口３１０ｂには貯湯タンク３１０内の給湯水を導出するための給湯配管３１２が接続されている。また、給湯配管３１２の経路途中には、図示しない逃がし弁を配設した排出配管が接続されており、貯湯タンク３１０内の圧力が所定圧以上に上昇した場合には、貯湯タンク３１０内の湯を外部に排出して、貯湯タンク３１０等にダメージを与えないようになっている。
【００４０】
さらに、給湯配管３１２の末端には給湯水栓３１３が設けられている。なお、給湯配管３１２の経路途中には、図示しない湯水混合手段が接続されており、貯湯タンク３１０内の高温の湯と水道水とを混合させて所定温度の給湯水が得られるようにしている。
【００４１】
なお、図示しない湯水混合手段は、給湯水栓３１３に出湯する給湯水の湯温を調節する温度調節弁であり、他方が水道水に接続されており、給湯配管３１２に流れる給湯水と水道水との開口面積比を調節することにより、設定温度の給湯水を給湯水栓３１３に出湯させる。さらに、湯水混合手段は、後述する給湯制御装置３７０に電気的に接続されており、貯湯サーミスタ３７２、および図示しない各サーミスタの検出信号に基づいて制御される。
【００４２】
また、貯湯タンク３１０の下部には、貯湯タンク３１０内の水を吸入するための吸入口３１０ｃが設けられ、貯湯タンク３１０の上部には、貯湯タンク３１０内に沸き上げた湯を吐出する吐出口３１０ｄが設けられている。
【００４３】
電動ポンプ３３０は、貯湯タンク３１０とヒートポンプユニット２００内の水熱交換器２２０とを環状に接続する循環水回路３２０に設けられて、貯湯タンク３１０と水熱交換器２２０との間で給湯水を循環させるとともに、内蔵するモータの回転数に応じて循環流量を調節することができる。
【００４４】
また、電動ポンプ３３０は後述する給湯制御装置３７０に電気的に接続されており、循環水回路３２０に設けられた第３温水温度センサ３７１からの温度情報に基づいて制御される。この第３温水温度センサ３７１で検出される温度は、ヒートポンプユニット２００で検出される実際の沸き上げ温度と略同等である。
【００４５】
因みに、給湯制御装置３７０は、第３温水温度センサ３７１の検出温度に基づいて電動ポンプ３３０の回転数制御を行っている。つまり、水熱交換器２２０を流出する給湯水の流量を電動ポンプ３３０の回転数を制御することで目標沸き上げ温度になるように制御している。
【００４６】
さらに、貯湯タンク３１０の外壁面には、貯湯量、もしくは貯湯温度を検出するための水温センサである複数（本例では５つ）の貯湯サーミスタ３７２が縦方向（貯湯タンク３１０の高さ方向）にほぼ等間隔に配置され、貯湯タンク３１０内に満たされた給湯水の各水位レベルでの温度情報を後述する給湯制御装置３７０に出力するようになっている。
【００４７】
従って、給湯制御装置３７０は複数の貯湯サーミスタ２７２からの温度情報に基づいて、貯湯タンク３１０内上方の沸き上げられた給湯水と貯湯タンク３１０内下方の沸き上げられる前の低温の給湯水との境界位置を検出できるとともに、各水位レベルでの給湯水の湯温を検出できる。なお、複数の貯湯サーミスタ２７２のうち、最上部に設けられた貯湯サーミスタ２７２は高温の給湯水を出湯する出湯温度を検出する機能を有している。
【００４８】
給湯制御装置３７０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵のＲＯＭ（図示せず）には、予め設定された制御プログラムが設けられており、各種サーミスタからの温度情報および図示しない操作盤に設けられた操作スイッチからの操作信号等に基づいて、電動ポンプ３３０、図示しない湯水混合手段などを制御している。
【００４９】
また、給湯制御装置３７０は、熱源制御装置２７０とは信号線で電気的に接続されており、ヒートポンプユニット２００への運転指令を出力するとともに、電動ポンプ３３０の作動状態を出力するように構成されている。つまり、熱源制御装置２７０は、給湯制御装置３７０からの運転指令を受けて圧縮機２１０、膨張弁２３０、送風機２６０などのアクチュエータ類を制御してヒートポンプユニット２００を稼動させるように構成している。
【００５０】
次に、本実施形態による給湯システムの作動について説明する。まず、貯湯タンク３１０に貯えられた高温の給湯水を給湯する場合は、タンクユニット３００側に設けられた給湯制御装置３７０により制御される。つまり、給湯配管３１２の末端に設けられた給湯水栓３１３が開かれると、これに連動して水道水が給水配管３１１より貯湯タンク３１０内に給水される。
【００５１】
これにより、貯湯タンク３１０内に貯えられた高温の給湯水が水道水に押し出され、その押し出された給湯水が給湯水栓３１３より給湯される。このときに、給湯水栓３１３から給湯される給湯水は、給水配管３１１からの水道水と給湯配管３１２から押し出される給湯水との湯水混合を行う図示しない湯水混合手段により設定温度に調節されている。
【００５２】
これにより、貯湯タンク３１０内には、湯水混合手段で温度調節するために使用された給湯水分の水道水が貯湯タンク３１０の下方から給水される。つまり、給湯水栓３１３を開いて給湯を行うと、水道水が貯湯タンク３１０の下方から順次給水されて水道水と給湯水との境界位置が上方に移動することになる。
【００５３】
そして、貯湯サーミスタ２７２の検出信号により、貯湯タンク３１０内の貯湯温度が所定温度以下となったものと判定された場合、または所定温度以下の給湯水が所定量以上となったものと判定された場合には、貯湯タンク内の給湯水を沸き上げるための沸き上げ運転が必要となる。
【００５４】
具体的には、給湯制御装置３７０により電動ポンプ３３０を稼動させるとともに、ヒートポンプユニット２００を稼動させる。ここで、電動ポンプ３３０は、第３温水温度センサ３７１からの温度情報に基づいて目標沸き上げ温度となるように回転数を変化させている。
【００５５】
具体的には、第３温水温度センサ３７１からの温度が目標沸き上げ温度よりも低いときには流量を低下するように回転数を変化させ、逆に第３温水温度センサ３７１からの温度が目標沸き上げ温度よりも高いときには流量を上昇するように回転数を変化させる。
【００５６】
ところで、給湯制御装置３７０から運転指令を受けた本実施形態の熱源制御装置２７０は、図２に示すフローチャートに基づいてヒートポンプユニット２００を作動させており、図２に示すように、まず、ステップ１１０にて、給湯制御装置３７０からの運転指令があるかないかを判定することによりヒートポンプユニット２００の運転が開始される（ステップ１２０）。ここで、運転指令がなければ待機している。
【００５７】
そして、ステップ１２０にて、圧縮機２１０が稼働すると、冷媒がヒートポンプサイクル内を循環する。なお、このとき、圧縮機２１０から吐出する冷媒は臨界圧力以上まで加圧されているので、水熱交換器２２０内では、冷媒は凝縮することなく、冷媒入口から冷媒出口に向かうほど温度が低下するような温度勾配を有して流通する。
【００５８】
一方、水熱交換器２２０は、冷媒流れと給湯水（温水）流れとが対向するように構成されているので、給湯水は、温水入口から温水出口に向かうほど温度が上昇するような温度勾配を有して流通する。また、膨張弁２３０にて減圧された冷媒は、蒸発器２４０にて大気から熱を吸収して蒸発した後、アキュムレータ２５０を経由して圧縮機２１０に吸入される。
【００５９】
ところで、本実施形態では、第２温水温度センサ２７４で検出された実際の沸き上げ温度に基づいて膨張弁２３０の開度を制御しているのでこれについて説明する。ステップ１３０にて、各センサ２７１〜２７５からの温度情報、圧力情報を読み込むとともに記憶する。そして、ステップ１４０にて、温度情報のうち、実際の沸き上げ温度と外気温センサ２７５より検出された外気温度とから目標高圧圧力値ＰＨＯを求めるとともに記憶する。
【００６０】
なお、この目標高圧圧力値ＰＨＯは、ヒートポンプサイクルにおける最良のＣＯＰ（成績係数）の得られる高圧圧力値であって、外気温度と実際の沸き上げ温度との関係から算出できる。
【００６１】
具体的には、図３に示すように、実際の沸き上げ温度をパラメータとした目標高圧圧力値ＰＨＯと外気温度との関係を示す特性図より求めることができる。つまり、図３に示す特性図が予めＲＯＭ（図示せず）内に設定されておって、実際の沸き上げ温度と外気温度とを検出して求めるようにしている。
【００６２】
なお、ここでは、実際の沸き上げ温度と外気温度とから目標高圧圧力値ＰＨＯを求めるようにしたが、これに限らず、外気温度の代わりに、蒸発器２４０を流出入する冷媒の出入り口温度、もしくは水熱交換器２２０に流入する給湯水の流入温度を用いて目標高圧圧力値ＰＨＯを求めるように構成しても良い。
【００６３】
以上のようにスタップ１４０にて、目標高圧圧力値ＰＨＯが求められた後に、ステップ１５０にて、第２所定時間（例えば、約１０秒）を計測するＴ１タイマのカウントを開始する。そして、ステップ１６０にて、タイマＴ１が第２所定時間を経過したか否かを判定する。
【００６４】
ここで、第２所定時間（例えば、約１０秒）未満であれば、ステップ１３０のデータの読み込むとともに記憶し、およびステップ１４０の目標高圧圧力値ＰＨＯの算出、および記憶を、例えば所定の周期（例えば、約１秒）に基づいて繰り返す。これにより、給湯制御装置３７０により水熱交換器２２０を流出する流量が変化されることで実際の沸き上げ温度が変化しているため最新の温度情報を検出することができる。
【００６５】
ここで、所定の周期（例えば、約１秒）を請求項では第１所定時間と称する。そして、タイマＴ１が第２所定時間を超えておればステップ１７０にて膨張弁２３０の開度を制御する。ここでは、冷媒圧力センサ２７３により検出された高圧側の冷媒圧力が、目標高圧圧力値ＰＨＯとなるように膨張弁２３０の開度を制御している。
【００６６】
そして、ステップ１８０にて、タイマＴ１を初期値にリセットし、再度ステップ１３０に戻る構成としている。これによれば、冷媒圧力センサ２７３で検出された高圧側の冷媒圧力、および実際の沸き上げ温度、外気温度から求めた目標高圧圧力値ＰＨＯは、第１所定時間毎である所定の周期（例えば、約１秒）毎に変化している。
【００６７】
ところが、これに基づいて、第２所定時間毎に膨張弁２３０の開度が制御されているため、冷凍サイクル内が安定する前の過度時であっても、常に最適なＣＯＰが得られるように膨張弁２３０の開度が制御されることで起動直後から安定的に至るまで総合的な動力の低減が図れるサイクル運転を行うことができる。
【００６８】
以上の第１実施形態によるヒートポンプ式給湯装置によれば、水熱交換器２２０から流出する給湯水の実際の沸き上げ温度と外気温度とから求めた目標高圧圧力値ＰＨＯを目標値として設定し、その目標値となるように膨張弁２３０の開度を制御している。
【００６９】
これによれば、水熱交換器２２０に流入する給湯水の温度は安定しているため上記実際の沸き上げ温度は、水熱交換器２２０を流出する流量に基づいて決定される。従って、その実際の沸き上げ温度に応じた目標高圧圧力値ＰＨＯを目標値として設定し、その目標値となるように膨張弁２３０の開度を制御することで最適なＣＯＰとなるヒートポンプサイクルで運転することができる。これにより、高効率の運転の継続が可能なことで、温水を生成するための動力を低減することができる。
【００７０】
なお、ヒートポンプユニット２００を水熱交換器２２０で加熱された給湯水を貯える貯湯タンク３１０とを組み合わせたときに、従来の制御では、貯湯タンク３１０側からの目標沸き上げ温度の指令を受けてヒートポンプユニット２００側で流量と冷凍サイクルとのバランスにより高圧側の冷媒圧力を制御していたが、その実際の沸き上げ温度を目標沸き上げ温度となるように別途貯湯タンク３１０側で水熱交換器２２０を流出する流量を制御するように構成すれば良い。
【００７１】
これにより、タンクユニット３００側の給湯出力が異なる装置であっても、ヒートポンプユニット２００のみを実際の沸き上げ温度に基づいて制御することができる。ここで、タンクユニット３００側の給湯出力が異なる装置とは、水熱交換器２２０で加熱された給湯水を床暖房用、浴室暖房用に利用するユニットであって、この場合には、目標沸き上げ温度が用途に応じて任意に変更される。従って、これらと組み合わせるときにおいても、これらの運転指令があればヒートポンプユニット２００を最良のＣＯＰで運転させることができる。
【００７２】
また、目標高圧圧力値ＰＨＯ、冷媒圧力センサ２７３で検出される高圧側の冷媒圧力は、ともに第１所定時間間隔（所定の周期）毎に求められ、第２所定時間間隔毎に目標値となるように、膨張弁２３０の開度を変化させることにより、水熱交換器２２０を流出する給湯水の流量の変化で可変する実際の沸き上げ温度に応じて目標値となるように制御されることで、ヒートポンプ式給湯装置の起動直後からサイクルの安定まで最適なＣＯＰのヒートポンプサイクルで運転を継続させることができる。これにより、温水を生成するために必要な動力を低減することができる。
【００７３】
なお、外気温度の代用として、蒸発器２４０を流出入する冷媒の出入り口温度、もしくは水熱交換器２２０に流入する給湯水の流入温度を用いて目標高圧圧力値ＰＨＯを求めるように構成しても良い。
【００７４】
（第２実施形態）
以上の第１実施形態では、実際の沸き上げ温度と外気温度とから求められた目標高圧圧力値ＰＨＯを目標値として設定し、その目標値となるように膨張弁２３０の開度を制御するように構成したが、これに限らず、実際の沸き上げ温度と外気温度とから求められた目標吐出温度ＴｄＯを目標値として設定し、その目標値となるように膨張弁２３０の開度を制御するように構成しても良い。
【００７５】
ただし、このときには、図４に示すように、圧縮機２１０の吐出側に冷媒の吐出温度を検出する吐出温度検出手段である吐出温度センサ２７６を設ける。そして、実際の沸き上げ温度と外気温度とから求められた目標吐出温度ＴｄＯを目標値として設定し、その吐出温度センサ２７６により検出された吐出温度が、目標吐出温度ＴｄＯとなるように膨張弁２３０の開度を制御している。
【００７６】
（第３実施形態）
以上の実施形態では、ヒートポンプサイクルに膨張弁２３０を用いてヒートポンプユニット２００を構成させたが、これに限らず、具体的には、図５に示すように、膨張弁２３０の代わりに、圧縮機２１０から吐出する冷媒を減圧膨張させるノズル部（図示せず）を有し、このノズル部から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器２４０にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機２１０の吸入圧を上昇させるエジェクタ２３５用いたヒートポンプユニット２００を構成させて本発明を適用させても良い。
【００７７】
具体的には、図中に示す符号２３５が可変式エジェクタであり、図示しないノズル部の上流側には、電気的に可変可能な絞り機構２３５ａが設けられており、ノズル部に流入される高圧側の冷媒圧力が可変される。また、ノズル部（図示せず）から噴射する駆動流と蒸発器２４０から吸引された吸引流とは、混合部で互いの運動量が保存されるように混合されて昇圧し、その後、冷媒通路断面積を徐々に拡大するディフューザにて動圧が静圧に変換されて更に昇圧される。
【００７８】
そして、このエジェクタサイクルでは、可変式エジェクタ２３５のポンプ作用（ＪＩＳ  Ｚ  ８１２６  番号２．１．２．３等参照）により、アキュムレータ２５０→蒸発器２４０→可変式エジェクタ２３５→アキュムレータ２５０の順に冷媒が循環し、圧縮機２１０のポンプ作用により、圧縮機２１０→水熱交換器２２０→可変式エジェクタ２３５→アキュムレータ２５０→圧縮機２１０の順に冷媒が循環する。
【００７９】
そして、以上の実施形態と同じように、実際の沸き上げ温度と外気温度とから求められた目標高圧圧力値ＰＨＯもしくは目標吐出温度ＴｄＯのいずれかを目標値として設定し、その目標値となるように可変式エジェクタ２３５の開度を制御するように構成している。
【００８０】
これによれば、膨張弁２３の代わりに可変式エジェクタ２３５を用いるヒートポンプユニット２００においても最適なＣＯＰとなるヒートポンプサイクルによる運転ができる。
【００８１】
（第４実施形態）
以上の実施形態では、実際の沸き上げ温度と外気温度とから求められた目標高圧圧力値ＰＨＯもしくは目標吐出温度ＴｄＯのいずれかを目標値として設定し、その目標値となるように膨張弁２３０もしくは可変式エジェクタ２３５のいずれかの開度を制御するように構成したが、これに限らず、目標値となるように圧縮機２１０の回転数を制御するように構成しても良い。
【００８２】
（第５実施形態）
以上の実施形態では、本発明に係わるヒートポンプユニット（ヒートポンプ式給湯装置）２００をタンクユニット３００に貯える給湯水を加熱する給湯システムに本発明を適用させたが、これに限らず、ヒートポンプユニット２００を瞬間式給湯機能となるように構成させて、タンクユニット３００と組み合わせる給湯システムに本発明を適用させても良い。
【００８３】
具体的には、図６に示すように、貯湯タンク３１０内の低温の給湯水を水熱交換器２２０に通水加熱させて貯湯タンク３１０内に高温の給湯水を貯めるとともに、水道水を水熱交換器２２０に通水加熱させ、その加熱された給湯水を給湯水栓３１３に流出するように構成している。
【００８４】
より具体的には、循環水回路３２０のうち、水熱交換器２２０の流入側と電動ポンプ３３０との間に第１切換弁３２１を設けるとともに、水熱交換器２２０の流出側と貯湯タンク３１０の吐出口３１０ｄとの間に第２切換弁３２２を設けている。
【００８５】
そして、第１切換弁３２１の一方を給水配管３１１に連通するように接続し、第２切換弁３２２の一方を、貯湯タンク３１０を迂回する給湯配管３１２ａに接続している。なお、この給湯配管３１２ａの下流端は貯湯タンク３１０の導出口３１０ｂに接続される給湯配管３１２に接続されている。ここで、図中に示す符号３１４は逆止弁であって貯湯タンク３１０内の給湯水が給湯配管３１２ａ側に逆流するのを防止している。
【００８６】
そして、第１切換弁３２１は、貯湯タンク３１０内の水を吸入口３１０ｃから水熱交換器２２０の流入側に通水する流れ方向（図中に示す矢印ａ）か、または給水配管３１１からの水道水を水熱交換器２２０の流入側に通水する流れ方向（図中に示す矢印ｂ）のいずれか一方に切り換えるための三方弁である。
【００８７】
また、第２切換弁３２２は、水熱交換器２２０を流出する給湯水を給湯配管３１２ａに流出する流れ方向（図中に示す矢印ｂ）か、または水熱交換器２２０を流出する給湯水を貯湯タンク３１０内の吐出口３１０ｄに流出する流れ方向（図中に示す矢印ａ）のいずれか一方に切り換えるための三方弁である。
【００８８】
ところで、第１切換弁３２１および第２切換弁３２２が、図中に示す矢印ａの流れ方向に切り換えられたときは、貯湯タンク３１０内の給湯水を沸き上げるための運転モードである。従って、このときの作動については上述した実施形態と同じであるため、その説明は省略する。
【００８９】
ここでは、第１切換弁３２１および第２切換弁３２２が、図中に示す矢印ｂの流れ方向に切り換えられたときのヒートポンプユニット２００の作動について説明する。この場合は、貯湯タンク３１０内に貯えられた給湯水の残湯量が所定値以下となったときに、第１切換弁３２１および第２切換弁３２２が図中に示す矢印ｂの流れ方向に切り換えられる運転モードである。
【００９０】
この運転モードの時には、給水配管３１１から水熱交換器２２０の流入側に水道水が通水され、その水道水を水熱交換器２２０で加熱する運転モードとなる。つまり、水熱交換器２２０を流出する流量は給湯水栓３１３の弁開度によって決まってくる。言い換えれば、任意の流量に変化することになる。
【００９１】
従って、水熱交換器２２０を流出する実際の沸き上げ温度は、流量によって変動することになるがこの実際の沸き上げ温度に基づいて目標高圧圧力値ＰＨＯを求め、その目標高圧圧力値ＰＨＯを目標値として設定して第２所定時間毎にその目標高圧圧力値ＰＨＯとなるように膨張弁２３０の開度を制御することで対応することができる。
【００９２】
これによれば、実際の沸き上げ温度に基づいた最適なＣＯＰとなる目標高圧圧力値ＰＨＯとなるヒートポンプサイクルの運転を行うことができる。
【００９３】
（他の実施形態）
以上の実施形態では、第１所定時間（周期約１秒）毎に検出された実際の沸き上げ温度に基づいて、目標高圧圧力値ＰＨＯを求めてその目標値を設定していたが、この実際の沸き上げ温度が第２所定時間（Ｔ１タイマで約１０秒）内に変化がないときには目標高圧圧力値ＰＨＯを固定しても良い。
【００９４】
また、貯湯タンク３１０内の給湯水を電力料金の安い時間帯に沸き上げ運転を行う給湯システムにおいては、水熱交換器２２０を流出する実際の沸き上げ温度が目標沸き上げ温度となるため、この目標沸き上げ温度を設定温度としてタンクユニット３００から操作指令を受信し、この設定温度に基づいて目標高圧圧力値ＰＨＯを求めてその目標値を設定しても良い。
【００９５】
これによれば、目標となる目標高圧圧力値ＰＨＯが固定されることで、ヒートポンプサイクルの運転を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の第１実施形態における給湯システムの全体構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態における熱源制御装置２７０の制御処理を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第１実施形態における実際の沸き上げ温度をパラメータとしたときの目標高圧圧力値と外気温度との関係を示す特性図である。
【図４】本発明の第２実施形態における給湯システムの全体構成を示す模式図である。
【図５】本発明の第３実施形態における給湯システムの全体構成を示す模式図である。
【図６】本発明の第５実施形態における給湯システムの全体構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００９７】
２１０…圧縮機
２２０…水熱交換器（放熱器）
２３０…膨張弁（減圧器）
２３５…可変式エジェクタ（エジェクタ）
２４０…蒸発器
２７３…冷媒圧力センサ（冷媒圧力検出手段）
２７６…吐出温度センサ（吐出温度検出手段）
ＰＨＯ…目標高圧圧力値（目標値）
ＴｄＯ…目標吐出温度（目標値）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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