(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サイクル内の冷媒を気液分離する気液分離器（１６）と、
この気液分離器（１６）より吸入した気相冷媒を臨界圧力以上に加圧して吐出する圧縮機（１１）と、
この圧縮機（１１）で加圧された冷媒と負荷流体とを対向流として熱交換させる高圧側熱交換器（１３）とを有するヒートポンプにおいて、
前記高圧側熱交換器（１３）から流出する冷媒、および、前記気液分離器（１６）の液相冷媒を蒸発させる蒸発器（１８）から流出する冷媒を吸入し、前記圧縮機（１１）の中間圧力まで減圧した後、前記気液分離器（１６）に流入させるエジェクタ（１５）と、
前記圧縮機（１１）の高圧側となるように前記高圧側熱交換器（１３）の下流側に設けられ、冷媒流量を可変する第１の可変絞り弁（１４）と、
前記圧縮機（１１）への吸入圧力を調整するように前記圧縮機（１１）の低圧側に設けられ、冷媒流量を可変する第２の可変絞り弁（１７）と、
前記第１、第２の可変絞り弁（１４、１７）の開度を制御する制御手段（２２）とを設け、
前記制御手段（２２）は、前記負荷流体との熱交換能力を確保するように前記圧縮機（１１）の高圧側の圧力を変化させるために前記第１の可変絞り弁（１４）の開度を制御し、前記吸入圧力を調整することで前記圧縮機（１１）の高圧側の圧力を制御するように前記第２の可変絞り弁（１７）の開度を制御するようにしたことを特徴とするヒートポンプ。
【請求項２】
前記制御手段（２２）は、前記高圧側熱交換器（１３）に流入する負荷流体と前記高圧側熱交換器（１３）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、
前記第１の可変絞り弁（１４）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。
【請求項３】
前記制御手段（２２）は、前記圧縮機（１１）の吐出圧力、あるいは吐出圧力に相関する物理量に応じて、前記第２の可変絞り弁（１７）の開度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。
【請求項４】
前記第２の可変絞り弁（１７）は、前記蒸発器（１８）から前記エジェクタ（１５）に流入する冷媒流量を調整することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のヒートポンプ。
【請求項５】
前記第２の可変絞り弁（１７）は、前記気液分離器（１６）の下流側に設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のヒートポンプ。
【請求項６】
前記制御手段（２２）は、前記熱交換能力を確保するために冷媒温度がＴｒｉになるように前記第１の可変絞り弁（１４）の開度を制御することで前記圧縮機（１１）からの吐出圧力がＰ１より高いＰ２になると、前記第２の可変絞り弁（１７）の開度を小さくし、
また、前記熱交換能力を確保するために冷媒温度がＴｒｉになるように前記第１の可変絞り弁（１４）の開度を制御することで前記圧縮機（１１）からの吐出圧力がＰ１より低いＰ３になると、前記第２の可変絞り弁（１７）の開度を大きくすることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のヒートポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、給湯器の給湯用水を加熱する加熱手段として用いて好適な、超臨界ヒートポンプサイクルで作動するヒートポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば、給湯器の給湯用水を加熱するのに、高圧側の冷媒圧力を臨界圧力以上に加圧する超臨界ヒートポンプサイクルを用いたヒートポンプが知られている。
【０００３】
図６に示すように、ヒートポンプ１０は、圧縮機１１、水熱交換器１３、膨張弁２３、蒸発器１８、気液分離器１６を順次冷媒配管で接続したもので、水熱交換器１３の負荷流体として給湯用水を流入させ、高温高圧の冷媒と熱交換させることで給湯用水を加熱する。この水熱交換器１３で加熱された給湯用水はタンク２内に貯留され、使用時に温度調節した後、使用者に供給するようにしている。
【０００４】
そして、このヒートポンプ１０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に、水熱交換器１３に流入する給湯用水と水熱交換器１３から流出する冷媒との温度差によってサイクルの高圧制御が行なわれている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本発明者らは、このヒートポンプ１０のサイクル効率を更に向上させるために、エジェクタを用いて圧縮機１１への吸入圧力を上昇させ、圧縮機１１の圧縮仕事を低減させることを考案したが、この場合、圧縮機１１の吐出側の冷媒温度が低下するために、水熱交換器１３での熱交換能力が低下してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、ヒートポンプサイクルにおける圧縮機の圧縮仕事を低減し、且つ、水熱交換器の熱交換能力を確保できるヒートポンプを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００８】
請求項１に記載の発明では、気液分離器（１６）より吸入した気相冷媒を圧縮機（１１）で臨界圧力以上に加圧して、高圧側熱交換器（１３）により冷媒と負荷流体とを対向流として熱交換させるヒートポンプにおいて、高圧側熱交換器（１３）から流出する冷媒、および、気液分離器（１６）の液相冷媒を蒸発させる蒸発器（１８）から流出する冷媒を吸入し、圧縮機（１１）の中間圧力まで減圧した後、気液分離器（１６）に流入させるエジェクタ（１５）と、圧縮機（１１）の高圧側となるように高圧側熱交換器（１３）の下流側に設けられ、冷媒流量を可変する第１の可変絞り弁（１４）と、圧縮機（１１）への吸入圧力を調整するように前記圧縮機（１１）の低圧側に設けられ、冷媒流量を可変する第２の可変絞り弁（１７）とを設け、この第１、第２の可変絞り弁（１４、１７）の開度を制御する制御手段（２２）により、負荷流体との熱交換能力を確保するように圧縮機（１１）の高圧側の圧力を変化させるために第１の可変絞り弁（１４）の開度を制御し、吸入圧力を調整することで圧縮機（１１）の高圧側の圧力を制御するように第２の可変絞り弁（１７）の開度を制御するようにしたことを特徴としている。
【０００９】
これにより、圧縮機（１１）の吸入圧力がエジェクタ（１５）により上昇するので、圧縮仕事を低減できる。加えて、第1の可変絞り弁（１４）で圧縮機（１１）の吐出圧力を可変し、吐出冷媒の温度を制御できるので、負荷流体との熱交換能力を常に確保できる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、制御手段（２２）により、高圧側熱交換器（１３）に流入する負荷流体と高圧側熱交換器（１３）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、第１の可変絞り弁（１４）の開度を制御することを特徴としている。
【００１１】
これにより、目標温度差ΔＴが常に一定になるように制御するので、効率よく負荷流体を一定温度に昇温できる。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、制御手段（２２）により、圧縮機（１１）の吐出圧力、あるいは吐出圧力に相関する物理量に応じて、第２の可変絞り弁（１７）の開度を制御することを特徴としている。
【００１３】
これにより、例えば、外気温度の変化に対して第２可変絞り弁で吸入圧力を可変させ吐出圧力を制御するので、吸入圧力が高い場合には、吸入圧力を下げることにより吐出圧力を下げて、ヒートポンプサイクル内の耐圧上の許容圧力を超えない様に保護できる。また、吸入圧力が低い場合には、吸入圧力を上げて圧縮仕事を低減できる。
【００１４】
請求項４に記載の発明では、第２の可変絞り弁（１７）は、蒸発器（１８）からエジェクタ（１５）に流入する冷媒流量を調整することを特徴としている。また、請求項５に記載の発明では、第２の可変絞り弁（１７）は、気液分離器（１６）の下流側に設けられていることを特徴としている。また、請求項６に記載の発明では、制御手段（２２）は、熱交換能力を確保するために冷媒温度がＴｒｉになるように第１の可変絞り弁（１４）の開度を制御することで圧縮機（１１）からの吐出圧力がＰ１より高いＰ２になると、第２の可変絞り弁（１７）の開度を小さくし、また、熱交換能力を確保するために冷媒温度がＴｒｉになるように第１の可変絞り弁（１４）の開度を制御することで圧縮機（１１）からの吐出圧力がＰ１より低いＰ３になると、第２の可変絞り弁（１７）の開度を大きくすることを特徴としている。尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１に示す。第１実施形態は、本発明のヒートポンプ１０を熱源とする、ヒートポンプ式給湯器１に適用したものである。
【００１６】
ヒートポンプ式給湯器１は、加熱された給湯用水をタンク２内に貯留しておき、使用時にタンク２内から給湯用水を取出し、温度調節して使用者に供給するシステムである。
【００１７】
タンク２は、耐食性に優れた金属製（例えばステンレス製）で断熱構造を有し、高温の給湯用水を長時間に渡って保温することができる。尚、タンク２内に貯留される給湯用水は、キッチンや風呂等で直接使用してもよいが、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。
【００１８】
電動ポンプ３は、タンク２とヒートポンプ１０の高圧側熱交換器（以下、水熱交換器と呼ぶ）１３とを環状に接続する温水配管４に設けられて、タンク２と水熱交換器１３との間で給湯用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水量を調節する。
【００１９】
ヒートポンプ１０は、給湯用水に対する熱源として冷媒温度（本実施形態では１３０℃）を充分に確保するために高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となるようにしており、圧縮機１１、水熱交換器１３、エジェクタ１５、気液分離器１６、蒸発器１８等によって構成され、冷媒として臨界圧力の低い二酸化炭素（ＣＯ2）を使用している。
【００２０】
圧縮機１１は、内蔵する電動モータ（図示せず）によって駆動され、後述する気液分離器１６から吸入した気相冷媒を臨界圧力以上に圧縮して吐出する。
【００２１】
オイル分離器１２は、圧縮機１１と水熱交換器１３との間に設けられ、圧縮機１１から吐出された冷媒とオイルとを分離し、余剰オイルを蓄えるとともに順次オイルを圧縮機１１に戻し、分離された冷媒のみを水熱交換器１３に流入させる。
【００２２】
水熱交換器１３は、圧縮機１１より吐出された高圧の気相冷媒と負荷流体としての給湯用水とを熱交換するもので、冷媒の流れ方向と給湯用水の流れ方向とが対向するように構成されている。
【００２３】
そして、水熱交換器１３の冷媒流入側、流出側には、それぞれ圧縮機１１から吐出される冷媒の吐出圧力を検出する圧力センサ１９、水熱交換器１３に流入する給湯用水の温度を検出する水用温度センサ２０、水熱交換器１３より流出する冷媒の温度を検出する冷媒用温度センサ２１が設けられ、各センサ１９〜２１の検出信号が電子制御装置（以下、ＥＣＵと呼ぶ）２２に入力される。
【００２４】
ＥＣＵ２２は、ヒートポンプ１０を効率よく運転できるように、後述する第１、第２の可変絞り弁１４、１７の開度を制御する。
【００２５】
第１可変絞り弁１４は、圧縮機１１の高圧側となるように、水熱交換器１３の下流側に設けられ、ＥＣＵ２２の制御信号に基づいて弁の開度が可変制御され、圧縮機１１の吐出圧力を調整する。
【００２６】
更に、第１可変絞り弁１４の下流側には、ノズル１５ａ、吸引部１５ｂ、混合部１５ｃ、ディフューザ１５ｄとから成るエジェクタ１５が設けられている。エジェクタ１５は、水熱交換器１３で熱交換された冷媒を圧縮機１１の中間圧力まで減圧させるものである。まず、水熱交換器１３から流出する冷媒が滑らかに収縮するノズル１５ａにより絞り損失を伴わずに減圧加速される。次に、ノズル１５ａで加速された冷媒流れの吸引効果により、後述する蒸発器１８から流出する冷媒が、吸引部１５ｂから吸引され、混合部１５ｃで混合し圧力を上昇させ、滑らかに拡大するディフューザ１５ｄにより減速され、中間圧力まで上昇する。
【００２７】
気液分離器１６は、エジェクタ１５から流出する冷媒を気液分離してサイクル内の余剰冷媒を蓄えるとともに、気相冷媒を圧縮機１１に吸入させ、また、液相冷媒を蒸発器１８に流出させる。
【００２８】
第２可変絞り弁１７は、圧縮機１１の低圧側になるように、気液分離器１６の下流側に設けられ、ＥＣＵ２２の制御信号に基づいて弁の開度が可変制御され、気液分離器１６からの液相冷媒を減圧させるとともに、蒸発器１８、エジェクタ１５への冷媒流量を調整し、ひいては、圧縮機１１への吸入圧力を調整する。
【００２９】
蒸発器１８は、図示しないファンの送風を受けて、冷媒を空気との熱交換により蒸発させる。
【００３０】
次に、本実施形態の作動を図２に示すモリエル線図に基づいて説明する。尚、このモリエル線図は、ヒートポンプ１０の動作点を描いたもので、図１のヒートポンプ１０上のａ〜ｋの状態が、図２に示すモリエル線図上のａ〜ｋに対応するものである。
【００３１】
圧縮機１１によって冷媒は、断熱的に圧縮され、等エントロピ線に沿って状態変化する。冷媒が給湯用水に対する充分な熱源となるように、冷媒の臨界点Ｋを超えるように圧縮し、高温となるようにしている。ここでは、エジェクタ１５により圧縮機１１への吸入圧力は従来の状態点ｊから状態点ｇに上昇されており、吐出圧力を従来と同一のＰ０とすると、吐出冷媒の温度は等温線図上でＴ１から温度の低いＴ２になるため、給湯用水との熱交換能力を確保するために、冷媒温度がＴ１となるように吐出圧力をＰ１に設定している。
【００３２】
オイル分離器１２でオイルと分離され、高温、高圧に圧縮された冷媒（状態点ａ）は、水熱交換器１３に流入し、給湯用水と熱交換し、給湯用水を昇温させ、冷媒自身は冷却される。（状態点ｂ）
この冷却された冷媒は、第１可変絞り弁１４を経て、エジェクタ１５のノズル１５ａで絞りロスを伴わないように等エントロピ線に沿って減圧、加速される。（状態点ｃ）加速された冷媒の流速によって蒸発器１８からの冷媒がエジェクタ１５の吸引部１５ｂから吸引され、（状態点ｄ）、水熱交換器１３、蒸発器１８の両者からの冷媒が混合部１５ｃで混合し、冷媒圧力はＰｍｉｘに上昇し（状態点ｅ）、更に、ディフューザ１５ｄで冷媒は減速され圧力Ｐｄ（中間圧力）まで上昇する。（状態点ｆ）
エジェクタ１５から流出した冷媒は、気液分離器１６に流入し、気液分離された気相冷媒は圧縮機１１に吸入される。（状態点ｇ）また、液相冷媒（状態点ｈ）は第２可変絞り弁１７を経て減圧され（状態点ｉ）、蒸発器１８に流入し外部空気との熱交換により蒸発され（状態点ｊ）、上記エジェクタ１５の吸引部１５ｂに吸引される。（状態点ｋ）
次に、本ヒートポンプ１０における高圧側圧力の制御について図３〜図５を用いて説明する。
【００３３】
給湯用水を所定の温度に昇温させるために熱交換能力を確保し、常に給湯用水を一定の温度に保つために効率的な熱交換を行なうには、水熱交換器１３に流入する給湯用水温度Ｔｗと、水熱交換器１３から流出する冷媒温度Ｔｒとの温度差ΔＴｘを所定の値に常に保つことが必要であり、水用温度センサ２０、冷媒用温度センサ２１によって検出される温度信号から、ＥＣＵ２２が第１可変絞り弁１４の弁開度を可変させることで、圧縮機１１の高圧側の圧力を制御している。因みに、温度差ΔＴｘが大きいと給湯用水の昇温が不足であり、温度差ΔＴｘが小さいと給湯用水の昇温が過度であり熱エネルギーを余分に使用していることになる。
【００３４】
熱交換能力、またその効率が最適となる給湯用水温度Ｔｗと冷媒温度Ｔｒとの温度差を目標温度差ΔＴとする。（本実施形態では８〜１０℃としている）今、ヒートポンプ１０内の諸条件の変動で、温度差ΔＴｘが目標温度差ΔＴよりも大きいとすると、ＥＣＵ２２は、第１可変絞り弁１４の弁開度を小さくなるように可変させ、高圧側の圧力を上げるように制御する。
【００３５】
図３は冷媒と給湯用水のエンタルピに対する温度の関係を等圧線図上で示したものである。実線が制御前、破線が制御後を示しており、給湯用水温度Ｔｗと冷媒温度Ｔｒ１との温度差ΔＴｘが目標温度差ΔＴに対して大きい状態にある時に、高圧側の圧力を上昇させることで、冷媒、給湯用水とも温度特性が破線に示すように上にずれ、この時、給湯用水温度Ｔｗが同一線上において冷媒の温度はＴｒ２に低下し、目標温度差ΔＴとなるようにしている。
【００３６】
逆に、温度差ΔＴｘが目標温度差ΔＴよりも小さいとすると、ＥＣＵ２２は、第１可変絞り弁１４の弁開度を大きくなるように可変させ、高圧側の圧力を下げるように制御する。
【００３７】
図４に示すように、給湯用水温度Ｔｗと冷媒温度Ｔｒ３との温度差ΔＴｘが目標温度差ΔＴに対して小さい状態にある時に、高圧側の圧力を低下させることで、冷媒、給湯用水とも温度特性が破線に示すように下にずれ、この時、給湯用水温度Ｔｗが同一線上において冷媒の温度はＴｒ２に上昇し、目標温度差ΔＴとなるようにしている。
【００３８】
更に、年間を通して夏場、冬場では当然外気温度に大きく差が生じ、圧縮機１１に吸入される冷媒の温度も変化する。吸入冷媒の温度が変化すれば、それに伴い吸入圧力も変化し、ひいては吐出圧力が変化する。例えば、夏場では冷媒温度が高くなり吐出圧力も高くなるが、この時ヒートポンプ１０の流路内の耐圧上の許容圧力を超えるような虞も考えられ、また、冬場では冷媒温度が低くなり吸入圧力も低くなるが、その分、圧縮機１１の圧縮仕事が増加する。
【００３９】
これを防止するために、ＥＣＵ２２は、圧力センサ１９で検出される冷媒の吐出圧力に基づいて、第２可変絞り弁１７の開度を可変して高圧側の圧力を制御するようにしている。第２可変絞り弁１７の開度を小さくすると蒸発器１８からエジェクタ１５に流入する冷媒流量が減少し圧縮機１１への吸入圧力が低下する。また、第２可変絞り弁１７の開度を大きくすると蒸発器１８からエジェクタ１５に流入する冷媒流量が増加し圧縮機１１への吸入圧力が上昇する。
【００４０】
図５に示すように、中間季節における吸入圧力ｎ点に対して、夏場はｍ点から圧縮されることになり、熱交換能力を確保するために冷媒温度がＴｒｉになるように圧縮すると、当然中間季節における吐出圧力Ｐ１よりも高いＰ２となる。この吐出圧力を下げるために、第２可変絞り弁１７の開度を小さくして吸入圧力をｎ点に下げてヒートポンプ１０を作動させるようにしている。
【００４１】
また、逆に、中間季節における吸入圧力ｎ点に対して、冬場はｏ点から圧縮されることになり、熱交換能力を確保するために冷媒温度がＴｒｉになるように圧縮すると、圧縮仕事は、等エントロピ線に沿って成されるため、吸入圧力が低い点ほど等エントロピ線図の勾配が小さくなるために、圧縮仕事Ｌ１に対して圧縮仕事Ｌ３に増加してしまう。この圧縮仕事Ｌ３を低減するために、第２可変絞り弁１７の開度を大きくして吸入圧力をｎ点に上げてヒートポンプ１０を作動させるようにしている。
【００４２】
以上、本発明のヒートポンプ１０の構成および作動より、以下の効果を得ることができる。
【００４３】
エジェクタ１５を設けて水熱交換器１３と蒸発器１８からの流出冷媒を混合して、圧縮機１１への吸入圧力を中間圧力になるように高めているので、図２に示すように圧縮仕事をＬ０からＬ１に低減できる。加えて、第1可変絞り弁１４で圧縮機１１の吐出圧力を可変し、吐出冷媒の温度を制御できるので、給湯用水との熱交換能力を常に確保できる。
【００４４】
また、目標温度差ΔＴが常に一定になるように第１可変絞り弁１４で高圧側圧力を制御するので、効率よく給湯用水を一定温度に昇温できる。
【００４５】
更に、外気温度の変化に対して第２可変絞り弁１７で吸入圧力を可変させ吐出圧力を制御するので、吸入圧力が高い場合には、吸入圧力を下げることにより吐出圧力を下げて、ヒートポンプサイクル内の耐圧上の許容圧力を超えない様に保護できる。また、吸入圧力が低い場合には吸入圧力を上げて、図５に示すように圧縮仕事をＬ３からＬ１に低減できる。
【００４６】
（その他の実施形態）
圧縮機１１への吸入圧力を制御するために、上記第１実施形態では冷媒の吐出圧力を検出する圧力センサ１９を用いたが、この吐出圧力に相関する物理量を用いて制御するようにしてもよい。例えば、水熱交換器１３の冷媒流出温度Ｔｒと外気温Ｔａを検出して吐出圧力に換算するようにしてもよい。
【００４７】
また、ヒートポンプ１０を給湯用水の熱源とする給湯器として説明したが、これに限らず、例えば、水熱交換器１３の負荷流体を空気に代えて、温風とする空調装置に用いてもよい。
【００４８】
更に、ヒートポンプ１０の冷媒は、ＣＯ2に限定されるものではなく、他のエチレン、エタン、酸化窒素等を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるヒートポンプの構成を示す模式図である。
【図２】ヒートポンプの作動を示すモリエル線図である。
【図３】温度差ΔＴｘを小さくする場合のＴ−ｈ線図（温度ーエンタルピ線図）上での説明図である。
【図４】温度差ΔＴｘを大きくする場合のＴ−ｈ線図（温度ーエンタルピ線図）上での説明図である。
【図５】外気温の差による吸入圧力を制御する場合のＰ−ｈ線図（圧力ーエンタルピ線図）上での説明図である。
【図６】従来技術のヒートポンプの構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１０  ヒートポンプ
１１  圧縮機
１３  水熱交換器（高圧側熱交換器）
１４  第１可変絞り弁
１５  エジェクタ
１６  気液分離器
１７  第２可変絞り弁
１８  蒸発器
２２  ＥＣＵ（制御手段）
【図１】
0003835141.tif 000002
【図２】
0003835141.tif 000003
【図３】
0003835141.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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