(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、
この圧縮機で加圧された冷媒と利用水とを熱交換する水熱交換器と、
この水熱交換器より下流の冷媒通路に設けられ、開度を調節可能な膨張弁と、
前記圧縮機を起動する前に、前記膨張弁を予め一定の初期開度まで動作させた後、前記圧縮機を起動して給湯運転を開始する制御装置とを備え、
この制御装置は、外気温度と給水温度の少なくとも一方の温度から求められる給湯運転安定時の目標開度と前記初期開度との間に中間開度を設定し、前記圧縮機を起動した後、前記初期開度から前記中間開度まで第１の動作速度で前記膨張弁の開度を制御し、前記中間開度に到達した後、前記目標開度まで前記第１の動作速度より小さい第２の動作速度で前記膨張弁の開度を制御することを特徴とするヒートポンプ式温水器。
【請求項２】
吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、
この圧縮機で加圧された冷媒と利用水とを熱交換する水熱交換器と、
この水熱交換器より下流の冷媒通路に設けられ、開度を調節可能な膨張弁と、
前記圧縮機を起動する前に、前記膨張弁を予め一定の初期開度まで動作させた後、前記圧縮機を起動して給湯運転を開始する制御装置とを備え、
この制御装置は、前日の給湯運転安定時の膨張弁開度を基に今回の給湯運転安定時の膨張弁目標開度を予測し、その目標開度と前記初期開度との間に中間開度を設定し、前記圧縮機を起動した後、前記初期開度から前記中間開度まで第１の動作速度で前記膨張弁の開度を制御し、前記中間開度に到達した後、前記目標開度まで前記第１の動作速度より小さい第２の動作速度で前記膨張弁の開度を制御することを特徴とするヒートポンプ式温水器。
【請求項３】
請求項２に記載したヒートポンプ式温水器において、
前記制御装置は、給湯運転安定時の膨張弁開度を記憶する記憶回路を有し、この記憶回路は、運転毎に前記給湯運転安定時の膨張弁開度を更新することを特徴とするヒートポンプ式温水器。
【請求項４】
請求項１〜３に記載した何れかのヒートポンプ式温水器において、
外気温度が高くなる程、前記膨張弁の目標開度が大きく設定されることを特徴とするヒートポンプ式温水器。
【請求項５】
請求項１〜３に記載した何れかのヒートポンプ式温水器において、
給水温度が高くなる程、前記膨張弁の目標開度が大きく設定されることを特徴とするヒートポンプ式温水器。
【請求項６】
請求項１〜５に記載した何れかのヒートポンプ式温水器において、
前記水熱交換器に流入する利用水と前記水熱交換器から流出する冷媒との温度差が目標温度差ΔＴとなるように、前記膨張弁の開度を調節してサイクル内の高圧を制御していることを特徴とするヒートポンプ式温水器。
【請求項７】
請求項１〜６に記載した何れかのヒートポンプ式温水器において、
ヒートポンプサイクルに使用する冷媒がＣＯ２であることを特徴とするヒートポンプ式温水器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超臨界ヒートポンプサイクルを被加熱流体の加熱手段として使用するヒートポンプ式温水器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人による先願技術として、特願２０００−３１１１４２に記載したヒートポンプ式温水器がある。この温水器は、ヒートポンプサイクルに可変式膨張弁（弁開度を調節可能な膨張弁）を具備し、この膨張弁の開度によりサイクル内の高圧圧力を制御している。具体的には、利用水と冷媒とを熱交換させる水熱交換器の入口側給水温度と出口側冷媒温度との温度差が予め設定された目標温度差ΔＴとなる様に、膨張弁の開度を調節して高圧制御を行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、先願の膨張弁制御では、温水器が置かれる環境条件（外気温度、給水温度）に係わらず、膨張弁の初期開度が一律一定（３００Step）に設定されており、給湯運転が開始されてから、徐々に目標温度差ΔＴまで安定する様に動作している。このため、膨張弁の目標開度に到達するまでの動作時間が外的条件によって異なり、例えば夏季（目標開度２５０Step）より冬期（目標開度１００Step）の方が、目標開度に到達するまでの膨張弁の動作時間が長くなってしまう。
【０００４】
この結果、給湯運転の立ち上がりで目標能力到達時間、及び目標出湯温度到達時間の遅れが生じ、温水器の沸き上げ時間が遅れるという問題があった。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、膨張弁の動作が安定するまでの時間（目標開度に到達するまでの時間）を短縮することにより、温水器の沸き上げ時間の遅れを低減することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の手段）
制御装置は、圧縮機を起動する前に、予め膨張弁を一定の初期開度まで動作させ、圧縮機を起動した後、初期開度から中間開度まで第１の動作速度で膨張弁の開度を制御し、中間開度に到達した後、目標開度まで第１の動作速度より小さい第２の動作速度で膨張弁の開度を制御する。中間開度は、外気温度と給水温度の少なくとも一方の温度から求められる給湯運転安定時の目標開度と初期開度との間に設定される。
【０００８】
この発明によれば、初期開度から中間開度まで第２の動作速度より速い第１の動作速度で膨張弁の開度を制御できるので、従来の膨張弁制御（初期開度から目標開度に安定するまで膨張弁の開度を徐々に制御している）と比較して、膨張弁が目標開度に安定するまでの動作時間を短縮できる。その結果、温水器の沸き上げ時間を短縮できる。また、給湯運転時間（圧縮機等の稼働時間）の短縮による消費電力の低減、及びシステム機能品の耐久性向上を図ることができる。
【００１１】
（請求項２の手段）
制御装置は、圧縮機を起動する前に、予め膨張弁を一定の初期開度まで動作させ、前日の給湯運転安定時の膨張弁開度を基に今回の給湯運転安定時の膨張弁目標開度を予測し、その目標開度と初期開度との間に中間開度を設定し、圧縮機を起動した後、初期開度から中間開度まで第１の動作速度で膨張弁の開度を制御し、中間開度に到達した後、目標開度まで第１の動作速度より小さい第２の動作速度で膨張弁の開度を制御する。
【００１２】
この発明によれば、初期開度から中間開度まで第２の動作速度より速い第１の動作速度で膨張弁の開度を制御できるので、従来の膨張弁制御（初期開度から目標開度に安定するまで膨張弁の開度を徐々に制御している）と比較して、膨張弁が目標開度に安定するまでの動作時間を短縮できる。その結果、温水器の沸き上げ時間を短縮できる。また、給湯運転時間（圧縮機等の稼働時間）の短縮による消費電力の低減、及びシステム機能品の耐久性向上を図ることができる。
【００１３】
（請求項３の手段）
請求項２に記載したヒートポンプ式温水器において、
制御装置は、給湯運転安定時の膨張弁開度を記憶する記憶回路を有し、この記憶回路は、運転毎に給湯運転安定時の膨張弁開度を更新する。これにより、今回の給湯運転安定時の膨張弁開度を基に次回の給湯運転安定時の膨張弁開度を目標開度として予測することができる。
【００１４】
（請求項４の手段）
請求項１〜３に記載した何れかのヒートポンプ式温水器において、
外気温度が高くなる程、膨張弁の目標開度が大きく設定される。
【００１５】
（請求項５の手段）
請求項１〜３に記載した何れかのヒートポンプ式温水器において、
給水温度が高くなる程、膨張弁の目標開度が大きく設定される。
【００１６】
（請求項６の手段）
請求項１〜５に記載した何れかのヒートポンプ式温水器において、
水熱交換器に流入する利用水と水熱交換器から流出する冷媒との温度差が目標温度差ΔＴとなるように、膨張弁の開度を調節してサイクル内の高圧を制御している。例えば、膨張弁の開度を小さくすると、冷媒の流路抵抗が大きくなるので、圧縮機から吐出される高圧側の冷媒圧力が上昇する。逆に、膨張弁の開度を大きくすると、冷媒の流路抵抗が小さくなるので、圧縮機から吐出される高圧側の冷媒圧力が低下する。即ち、目標温度差ΔＴが得られる様に、膨張弁の開度を調節してサイクル内の高圧を制御している。
【００１７】
（請求項７の手段）
請求項１〜６に記載した何れかのヒートポンプ式温水器において、
ヒートポンプサイクルの冷媒としてＣＯ２を使用した場合、ＣＯ２の臨界圧力が低いため、高圧側の冷媒圧力を臨界圧以上まで加圧できる。これにより、高い給湯温度（例えば９０℃）を達成することが可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明のヒートポンプ式温水器を図面に基づいて説明する。
図１はヒートポンプ式温水器１のシステム構成図である。
ヒートポンプ式温水器１は、図１に示す様に、加熱された利用水をタンク２内に貯留しておき、使用時にタンク２内から取り出した利用水を温度調節して使用者に供給する給湯システムに用いられるもので、利用水の加熱手段であるヒートポンプサイクル（後述する）と、給湯システム全体の作動を制御する制御装置３を具備している。
【００１９】
タンク２は、耐蝕性に優れた金属製（例えばステンレス製）で断熱構造を有し、高温の利用水を長時間に渡って保温することができる。なお、タンク２内に貯留される利用水は、キッチンや風呂等で直接使用しても良いが、給湯用以外に、例えば床暖房用、室内空調用等の熱源として利用することもできる。
このタンク２は、水側配管４を介して下述する水熱交換器５の給水通路に接続されている。水側配管４は、一端がタンク２の下部に設けられる出口ポート２ａに接続され、他端がタンク２の上部に設けられる入口ポート２ｂに接続されている。
【００２０】
また、水側配管４には、タンク２と水熱交換器５との間で利用水を循環させる電動ポンプ６が設けられている。この電動ポンプ６は、内蔵するモータの回転数に応じて循環水量を調節することができる。
ヒートポンプサイクルは、臨界圧力の低い二酸化炭素（ＣＯ2 ）を冷媒として使用することにより、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上まで加圧される。
このヒートポンプサイクルは、図１に示すように、圧縮機７、水熱交換器５、膨張弁８、空気熱交換器９、アキュムレータ１０等によって構成される。
【００２１】
圧縮機７は、インバータ回路１１によって駆動されるモータを内蔵し、このモータの回転により、吸引したガス冷媒を臨界圧力以上まで圧縮して吐出する。
水熱交換器５は、圧縮機７より吐出された高圧のガス冷媒と利用水とを熱交換するもので、図１に矢印で示すように、冷媒の流れ方向と利用水の流れ方向とが対向している。
【００２２】
膨張弁８は、弁開度を調節可能な構成を有し、水熱交換器５で冷却された冷媒を弁開度に応じて減圧する。この膨張弁８の制御方法について後述する。
空気熱交換器９は、ファン１２による送風を受けて、膨張弁８で減圧された冷媒を外気との熱交換によって蒸発させる。
アキュムレータ１０は、空気熱交換器９で蒸発した冷媒を気液分離してサイクル中の余剰冷媒を蓄えるとともに、気相冷媒のみ圧縮機７に吸引させる。
【００２３】
この給湯システムには、図１に示す様に、水熱交換器５に流入する利用水の温度Twを検出する水温センサ１３、水熱交換器５より流出する冷媒の温度Trを検出する冷媒温度センサ１４、及び外気温度Tam を検出する外気温センサ１５等が具備され、各センサ１３〜１５で検出された情報（センサ信号）が制御装置３に出力される。
【００２４】
制御装置３は、ヒートポンプサイクルを効率良く運転できるように、水熱交換器５に流入する利用水と水熱交換器５より流出する冷媒との温度差を求め、この温度差に基づいてサイクル内の高圧側圧力を制御している。具体的には、最高のサイクル効率付近で運転できる最適温度差（目標温度差ΔＴと呼ぶ）を求め、この目標温度差ΔＴ（例えば１０℃）が得られるように、膨張弁８の開度を電気的に制御している（図２参照）。
【００２５】
次に、給湯運転を制御する制御装置３の処理手順を図３に示すフローチャートに基づいて説明する。
Step10…起動スイッチがＯＮされて制御装置３が起動する。
Step20…膨張弁８のイニシャル処理（後述する）を実行する。
Step30…システムを起動する。ここでは、圧縮機７、ファン１２、電動ポンプ６等を起動させる。
Step40…給湯運転を開始する。
【００２６】
この給湯運転の動作を簡単に説明する。
ヒートポンプサイクルでは、圧縮機７で高温・高圧に圧縮された冷媒が水熱交換器５に供給され、水熱交換器５で放熱して温度低下した後、膨張弁８で減圧される。減圧された冷媒は、空気熱交換器９へ送られ、空気熱交換器９で外気から吸熱して蒸発し、アキュムレータ１０で気液分離された後、ガス冷媒のみが圧縮機７に吸引される。
一方、タンク２内の利用水は、電動ポンプ６によって出口ポート２ａから水側配管４を通って水熱交換器５へ送られ、水熱交換器５で高温冷媒との熱交換により加熱された後、水側配管４を通って入口ポート２ｂから再びタンク２内に流入して貯留される。
【００２７】
（第１実施例）
次に、膨張弁８のイニシャル処理（Step20）について説明する。
Step21…外気温度と給水温度を読み込む。この場合、制御装置３に内蔵される記憶回路から前回運転時の外気温度と給水温度を読み出して使用しても良い。
Step22…膨張弁８の初期開度を演算する。この初期開度は、ΔＴ≒１０℃で給湯運転が安定する時の膨張弁８の目標開度であり、外気温度と給水温度に応じて、例えば、図４に示すマップから、あるいは制御装置３が有する演算回路にて演算される。
Step23…膨張弁８を初期開度まで動作させる。
【００２８】
本実施例では、システムを起動する前に膨張弁８のイニシャル処理を行うことにより、給湯運転を開始する時点で、既に膨張弁８が目標開度（初期開度）に設定されている。これにより、季節毎に膨張弁８の目標開度が異なる場合でも、その時の外気温度及び給水温度に応じた目標開度に設定することができる。この結果、従来の膨張弁制御（膨張弁８が一律一定の初期開度から動作する）と比較すると、圧縮機７を起動してから膨張弁８の動作が安定する（ΔＴ≒１０℃で給湯運転が安定する）までの時間を大幅に短縮でき、温水器１の沸き上げ時間を短縮できる。
【００２９】
また、目標給湯能力が得られるまでの給湯運転時間（圧縮機７等の稼働時間）を短縮できるので、消費電力の低減、及びシステム機能品の耐久性向上を図ることができる。
なお、本実施例では、外気温度と給水温度に応じて膨張弁８の目標開度を求めているが、外気温度と給水温度の何方か一方の温度だけをパラメータとして膨張弁８の目標開度を求めても良い。
【００３０】
（第２実施例）
本実施例は、膨張弁８のイニシャル処理に係わる第２実施例であり、膨張弁８が目標開度に安定するまでの動作速度を二段階に制御する一例である。
制御装置３は、膨張弁８の初期開度、中間開度、及び目標開度を設定し、初期開度から中間開度までを第１の動作速度で制御し、中間開度から目標開度までを第２の動作速度で制御する。なお、中間開度は、初期開度（給湯運転が安定する膨張弁８の目標開度とは異なる）と目標開度との間に設定される。また、目標開度は、第１実施例と同様に、外気温度及び給水温度に応じてマップ（図４参照）から、あるいは演算回路にて演算される。
【００３１】
以下に、本実施例の作動を具体的に説明する。
システムを起動する前に、予め膨張弁８を一定の初期開度まで動作させる。
次に、システムを起動して給湯運転を開始する。
この給湯運転では、図５に示す様に、初期開度から中間開度まで第１の動作速度（図中Ａの特性）で膨張弁８の開度を制御し、中間開度に到達した後、目標開度まで第２の動作速度（但し、第１の動作速度＞第２の動作速度：図中Ｂの特性）で膨張弁８の開度を制御する。
【００３２】
本実施例によれば、初期開度から中間開度まで第２の動作速度より速い第１の動作速度で膨張弁８の開度を制御できるので、従来の制御弁制御（初期開度から目標開度に安定するまで膨張弁８の開度を徐々に制御している）と比較して、膨張弁８が目標開度に安定するまでの動作時間を短縮できる。その結果、目標給湯能力が得られるまでの給湯運転時間（圧縮機７等の稼働時間）を短縮できるので、消費電力の低減、及びシステム機能品の耐久性向上を図ることができる。
【００３３】
（第３実施例）
本実施例は、膨張弁８のイニシャル処理に係わる第３実施例である。
第１実施例では、外気温度と給水温度に応じて膨張弁８の初期開度（目標開度）を求めているが、本実施例は、前日の給湯運転安定時の膨張弁開度を基に今回の給湯運転安定時の制御弁目標開度を予測し、その目標開度を膨張弁８の初期開度として設定する一例である。
【００３４】
以下に、膨張弁８のイニシャル処理に係わる制御装置３の処理手順を図６に示すフローチャートに基づいて説明する。
Step210 …起動スイッチがＯＮされた後、記憶回路から前日の給湯運転安定時の膨張弁開度を取り出す。
Step220 …外気温度及び給水温度を検出する。この外気温度及び給水温度は、前日に検出された値でも良い。
【００３５】
Step230 …外気温度または給水温度に応じて、記憶回路から取り出した前日の給湯運転安定時の膨張弁開度を基に、今回の膨張弁開度を演算する。この膨張弁開度は、ΔＴ≒１０℃で給湯運転が安定する時の膨張弁８の目標開度であり、外気温度または給水温度に応じて、例えば、図７に示すマップから演算される。
Step240 …膨張弁８を目標開度（初期開度）まで動作させる。
なお、記憶回路に記憶されている前回の給湯運転安定時の膨張弁開度は、今回の給湯運転安定時の膨張弁開度によって更新される。
【００３６】
本実施例においても、第１実施例と同様に、給湯運転を開始する時点で、既に膨張弁８が目標開度（初期開度）に設定されているので、従来の制御弁制御と比較して、圧縮機７を起動してから膨張弁８の動作が安定する（ΔＴ≒１０℃で給湯運転が安定する）までの時間を大幅に短縮でき、温水器１の沸き上げ時間を短縮できる。また、目標給湯能力が得られるまでの給湯運転時間（圧縮機７等の稼働時間）を短縮できるので、消費電力の低減、及びシステム機能品の耐久性向上を図ることもできる。
【００３７】
（第４実施例）
本実施例は、膨張弁８のイニシャル処理に係わる第４実施例であり、上述した第２実施例と同様に、膨張弁８が目標開度に安定するまでの動作速度を二段階に制御する一例である。
第２実施例と異なる点は、膨張弁８の目標開度を前日の給湯運転安定時の膨張弁開度を基に予測することである。即ち、第３実施例と同様に、記憶回路から前日の給湯運転安定時の膨張弁開度を取り出し、外気温度または給水温度に応じて今回の膨張弁開度（目標開度）を演算する。この場合、図７に示したマップから求めることができる。
【００３８】
その後、第２実施例と同様に、予め膨張弁８を一定の初期開度まで動作させてからシステムを起動して給湯運転を開始する。この給湯運転では、初期開度から中間開度まで第１の動作速度（図５参照）で膨張弁８の開度を制御し、中間開度に到達した後、上記の様に前日の給湯運転安定時の膨張弁開度を基に予測した目標開度まで第２の動作速度（第１の動作速度＞第２の動作速度：図５参照）で膨張弁８の開度を制御する。
【００３９】
本実施例においても、第２実施例と同様に、初期開度から中間開度まで第２の動作速度より速い第１の動作速度で膨張弁８の開度を制御できるので、従来の制御弁制御と比較して、膨張弁８が目標開度に安定するまでの動作時間を短縮できる。その結果、目標給湯能力が得られるまでの給湯運転時間（圧縮機７等の稼働時間）を短縮できるので、消費電力の低減、及びシステム機能品の耐久性向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ヒートポンプ式温水器のシステム構成図である。
【図２】制御弁制御の一例を示す説明図である。
【図３】制御装置の処理手順を示すフローチャートである（第１実施例）。
【図４】膨張弁の初期開度を求めるマップである。
【図５】膨張弁の制御方法を示す動作マップである（第２、４実施例）。
【図６】制御装置の処理手順を示すフローチャートである（第３実施例）。
【図７】膨張弁の目標開度を求めるマップである（第３、４実施例）。
【符号の説明】
１  ヒートポンプ式温水器
３  制御装置
５  水熱交換器
７  圧縮機
８  膨張弁
【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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【図７】
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