エジェクタ式ヒートポンプサイクル
【課題】冷媒を低流量に絞っても安定的に運転する。
【解決手段】両弁部Ｂ１、Ｂ２のうち、一方は低流量域で操作量に対する流量が部分的に急増する特性を有する弁部であり、他方は低流量域で操作量に対する流量がなだらかな特性を有する弁部であり、ヒートポンプＥＣＵ２０Ａは、冷媒を低流量で制御する場合、一方である膨張弁９の弁部Ｂ２は許容しうる最小開度（本実施形態では５０ステップ）で固定して、他方であるエジェクタ３の弁部Ｂ１を駆動して流量制御を行うようになっている。
これによれば、低流量域で操作量に対する流量がなだらかな特性を有する弁部で流量制御を行うことより、冷媒を低流量に絞っても安定的に運転することができる。
【解決手段】両弁部Ｂ１、Ｂ２のうち、一方は低流量域で操作量に対する流量が部分的に急増する特性を有する弁部であり、他方は低流量域で操作量に対する流量がなだらかな特性を有する弁部であり、ヒートポンプＥＣＵ２０Ａは、冷媒を低流量で制御する場合、一方である膨張弁９の弁部Ｂ２は許容しうる最小開度（本実施形態では５０ステップ）で固定して、他方であるエジェクタ３の弁部Ｂ１を駆動して流量制御を行うようになっている。
これによれば、低流量域で操作量に対する流量がなだらかな特性を有する弁部で流量制御を行うことより、冷媒を低流量に絞っても安定的に運転することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒減圧手段の役割であるとともに、高速で噴出する作動流体の巻き込み作用によって流体輸送を行う運動量輸送式ポンプであるエジェクタを用いてヒートポンプ運転を行うエジェクタ式ヒートポンプサイクルに関するものであり、特に、冷媒回路中に複数の電動弁が並列に構成されるエジェクタ式ヒートポンプサイクルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来技術として、エジェクタ下流側蒸発器と、エジェクタ吸引側蒸発器とを組み合わせて、共通の冷却対象空間を冷却するエジェクタ式サイクルがある。下記特許文献１には、この２つの蒸発器による冷却性能の向上を図るため、エジェクタの下流側に接続される第１蒸発器と、エジェクタの冷媒吸引口に接続される第２蒸発器とを備え、第１蒸発器の冷媒蒸発温度に比較して第２蒸発器の冷媒蒸発温度が低くなるようになっており、第１、第２蒸発器により共通の冷却対象空間を冷却するとともに、被冷却空気の流れ方向の上流側に第１蒸発器を配置し、被冷却空気の流れ方向Ａの下流側に第２蒸発器を配置するものが示されている。
【特許文献１】特開２００５−３０８３８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記従来のエジェクタ式サイクルをヒートポンプサイクルに適用して、低外気温時などで冷媒を低流量にして運転するためには、エジェクタの弁部と絞り機構の弁部との二つの弁部の開度をそれぞれ小さく絞る必要がある。図４は、図３に示す電動式可変エジェクタ３の弁部Ｂ１の拡大詳細図を示し、（ａ）はシート部テーパー有りのニードル弁３３ａの場合、（ｂ）はシート部テーパー無しのニードル弁３３ｂの場合である。
【０００４】
また、図６は、図５に示す電動式膨張弁９の弁部Ｂ２の拡大詳細図を示し、（ａ）はシート部テーパー有りの弁棒９３ａの場合、（ｂ）はシート部テーパー無しの弁棒９３ｂの場合である。従来、このような電動式可変エジェクタや電動式膨張弁の弁部では、全閉としたときに弁体が孔側と食い付かないよう、弁体のシート部テーパ角度が弁体のシート部制御シート部テーパ角度よりも大きくなるように設定している（図４（ａ）、図６（ａ）参照）。
【０００５】
そして、図７はエジェクタの流量特性を表すグラフであり、図８は膨張弁の流量特性を表すグラフである。図７、図８中にシート部の流量特性として破線丸で囲った部分において、実線はシート部テーパー有りの場合であり、破線はシート部テーパー無しの場合である。これらのグラフから分かるように、シート部テーパーを設けると開弁し始めだけ比較的立った流量特性となる。
【０００６】
そして、低外気温時などで冷媒を低流量に絞って運転しようとすると、この流量特性の立った領域で制御することとなり、１パルス当たりの流量変化が大きいことより、低流量に絞るとヒートポンプサイクルの運転が安定しないという問題点がある。本発明は、この問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、サイクル中に複数の電動弁が並列に構成されるエジェクタ式ヒートポンプサイクルにおいて、冷媒を低流量に絞っても安定的に運転することのできるエジェクタ式ヒートポンプサイクルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。すなわち、請求項１に記載の発明では、冷媒を圧縮する圧縮機（１）と、
圧縮機（１）から吐出される冷媒の放熱を行う高圧側熱交換器（２）と、
高圧側熱交換器（２）下流側の冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるとともに冷媒を吸引し、弁部（Ｂ１）の開度を可変する電気式の可変エジェクタ（３）と、
圧縮機（１）と高圧側熱交換器（２）と可変エジェクタ（３）とを含む主冷媒循環路（Ｒ１）から分岐して設けられ、循環冷媒の一部を可変エジェクタ（３）に導いて吸引させる冷媒分岐通路（Ｒ２）と、
冷媒分岐通路（Ｒ２）に配置されて冷媒を減圧膨張させるとともに、弁部（Ｂ２）の開度を可変する電気式膨張弁（９）と、
電気式膨張弁（９）で減圧された冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（４ｂ）と、
これら冷凍サイクル機器の作動を制御する制御手段（２０Ａ）とを備えたエジェクタ式ヒートポンプサイクルにおいて、
両弁部（Ｂ１、Ｂ２）のうち、一方は低流量域で操作量に対する流量が部分的に急増する特性を有する弁部であり、
他方は低流量域で操作量に対する流量がなだらかな特性を有する弁部であり、
制御手段（２０Ａ）は、冷媒を低流量で制御する場合、一方の弁部は許容しうる最小開度で固定して、他方の弁部を駆動して流量制御を行うようになっていることを特徴としている。
【０００８】
この請求項１に記載の発明によれば、低流量域で操作量に対する流量がなだらかな特性を有する弁部で流量制御を行うことより、冷媒を低流量に絞っても安定的に運転することができる。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のエジェクタ式ヒートポンプサイクルにおいて、一方の弁部は、弁体（３３、９３）のシート部テーパ角度がその弁体（３３、９３）の制御部テーパ角度よりも大きく、他方の弁部は、弁体（３３、９３）のシート部テーパ角度がその弁体（３３、９３）の制御部テーパ角度と同じであることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載のエジェクタ式ヒートポンプサイクルにおいて、他方の弁部を可変エジェクタ（３）の弁部（Ｂ１）としていることを特徴としている。これら請求項２または請求項３に記載の発明によれば、弁体（３ｈ、９ｃ）に設ける食い付き防止用のテーパ−を廃止して微少流量時の制御性を向上しつつコストを抑えることができる。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明では、請求項１ないし請求項３のうちいずれか１項に記載のエジェクタ式ヒートポンプサイクルにおいて、サイクルは、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界サイクルであることを特徴としている。この請求項４に記載の発明によれば、高圧の超臨界サイクルにも適用することが可能である。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明では、請求項４に記載のエジェクタ式ヒートポンプサイクルにおいて、サイクルに使用する冷媒は、二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒であることを特徴としている。この請求項６に記載の発明によれば、具体的に使用する冷媒として、二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒が実施容易である。
【００１３】
また、請求項６に記載の発明では、請求項１ないし請求項５のうちいずれか１項に記載のエジェクタ式ヒートポンプサイクルを、ヒートポンプ装置に適用したことを特徴としている。この請求項６に記載の発明によれば、冷媒を低流量に絞っても安定的に運転することのできるヒートポンプ装置とすることができる。
【００１４】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態について添付した図１ないし図９を用いて詳細に説明する。まず図１は、本発明の実施形態に係わるヒートポンプ式給湯装置（以下、給湯装置と略す）の全体構成を示す模式図であり、図２は、図１中のヒートポンプユニット部１０Ａ内の機器構成を示す模式図である。また図３は、図２中の電動式可変エジェクタ３の断面構造図であり、図５は、図２中の電動式膨張弁９の断面構造図である。本実施形態は、本発明のエジェクタ式ヒートポンプサイクルを給湯装置に適用したものである。
【００１６】
本給湯装置は、図１に示すように、給湯用水を加熱するヒートポンプユニット部１０Ａと、加熱された高温の湯を貯めると共に給湯部（シャワー、カラン、風呂など）に出湯するタンクユニット部１０Ｂとを有している。また、ヒートポンプユニット部１０Ａは、ヒートポンプサイクルと、このヒートポンプサイクルの作動を制御する制御手段としてのヒートポンプＥＣＵ２０Ａとを有している。
【００１７】
ヒートポンプサイクルは、図２に示すように、圧縮機１、高圧側熱交換器としての冷媒水熱交換器２、電気式の可変エジェクタ（以下、エジェクタと略す）３が順次環状に冷媒配管で接続されて主冷媒循環路Ｒ１を形成している。また、本実施形態では、エジェクタ３の吐出側には第１蒸発器４ａが接続され、この第１蒸発器４ａの出口側は気液分離器５を介して圧縮機１の吸入側に接続されている。
【００１８】
一方、エジェクタ３の上流側（冷媒水熱交換器２の出口側とエジェクタ３の入口側との間の部位）から冷媒分岐通路Ｒ２が分岐され、この冷媒分岐通路Ｒ２の下流側はエジェクタ３の冷媒吸引口３ｂに接続されている。図２中のａａは、冷媒分岐通路Ｒ２の分岐点を示す。この冷媒分岐通路Ｒ２には電気式膨張弁（以下、膨張弁と略す）９が配置され、この膨張弁９よりも冷媒流れ下流側には低圧側熱交換器としての第２蒸発器４ｂが配置されている。
【００１９】
本実施形態では、これらの内部を流れる冷媒として、二酸化炭素冷媒（以下、ＣＯ２冷媒と記す）を使用している。圧縮機１は、内蔵される図示しない電動モータによって駆動され、気液分離器５で分離された気相冷媒を吸入して臨界圧力以上に圧縮して吐出する。なお、圧縮機１は、ヒートポンプＥＣＵ２０Ａによって稼働およびその冷媒圧縮量（回転数）が制御されるようになっている。
【００２０】
冷媒水熱交換器２は、圧縮機１より吐出される高温高圧冷媒（ホットガス）と、後述する貯湯タンク７内から供給される給湯用水との間で熱交換し、放熱作用によって給湯用水を加熱して高温の湯（例えば、目標温度９０℃）とするものである。
【００２１】
この冷媒水熱交換器２は、冷媒が流れる冷媒流路２ａと、給湯用水が流れる給湯用水流路２ｂとを一体的に有し、冷媒流路２ａを流れる冷媒の流れ方向と給湯用水流路２ｂを流れる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。
【００２２】
エジェクタ３は、図３に示すように、冷媒水熱交換器２の冷媒流路２ａから流入する冷媒の通路面積を小さく絞って冷媒を等エントロピ的に減圧させるノズル部（本発明で言う孔側）３ａ、ノズル部３ａの冷媒噴出口と連通するように配置されて第２蒸発器４ｂから冷媒を吸引する冷媒吸引口３ｂ、ノズル部３ａおよび冷媒吸引口３ｂの下流側に配置されてノズル部３ａからの高速度の冷媒流と冷媒吸引口３ｂからの吸引冷媒とを混合する混合部３ｃ、および混合部３ｃの下流側に配置されて冷媒流れを減速して冷媒圧力を上昇させる昇圧部を成すディフューザ部３ｄを有している。
【００２３】
さらに、エジェクタ３にはノズル部３ａの冷媒通路面積を可変制御する通路面積調整機構３１が設けられている。具体的に通路面積調整機構３１は、ノズル部３ａ内の通路長手方向に移動可能に配置されたニードル弁（本発明で言う弁体）３３と、ニードル弁３３を移動させる駆動部３２とから成っている。
【００２４】
このニードル弁３３の先端形状は細長く尖った形状となっており、ニードル弁３３の根本部は駆動部３２に連結され、この駆動部３２の操作力にてニードル弁３３がノズル部３ａの通路に沿って移動する。そして、ニードル弁３３の外周面とノズル部３ａの最小通路部との間に形成される冷媒通路面積を変更するようになっている。具体的には通路面積を小さくすることで、より大きな減圧を行う。換言すると、通路面積を小さくすることで冷媒の高圧側に対しては圧力を上昇させる。
【００２５】
図４は、エジェクタ３の弁部Ｂ１（図３参照）の拡大詳細図を示し、（ａ）はシート部テーパー有りのニードル弁３３ａの場合、（ｂ）はシート部テーパー無しのニードル弁３３ｂの場合の開弁状態と全閉状態とである。なお、シート部テーパー有りとは、弁部Ｂ１を全閉としても孔側であるノズル部３ａと弁体であるニードル弁３３とが喰い付かないようにしたテーパー角度部のことである（図４（ａ）のθ１参照）。
【００２６】
本実施形態ではエジェクタ３の弁部Ｂ１を図４（ｂ）のようなシート部テーパー無しのニードル弁３３ｂとして、ノズル部３ａ側のシート部テーパ角度とニードル弁３３ｂ側のシート部テーパ角度とを同じとしている（図４（ｂ）のθ２参照）。
【００２７】
図３の駆動部３２は、モータアクチュエータとしてステッピングモータを用いているが、電磁ソレノイド機構やピエゾ素子など、電気的に制御可能な駆動手段であれば他の駆動機構であっても良い。そして、通路面積調整機構３１の駆動部３２は、ヒートポンプＥＣＵ２０Ａからの制御信号によって制御される。なお、ディフューザ部３ｄの下流側は第１蒸発器４ａに接続されている。
【００２８】
膨張弁９は、第２蒸発器４ｂへの冷媒流量の調節作用を成す減圧手段であり、図５に示すように、オリフィス部（本発明で言う孔側）９ａと、弁棒（本発明で言う弁体）９３とで構成されている。さらに、膨張弁９にはオリフィス部９ａの冷媒通路面積を可変制御する通路面積調整機構９１が設けられている。具体的に通路面積調整機構９１は、オリフィス部９ａ内の通路軸方向に移動可能に配置された弁棒９３と、弁棒９３を移動させる駆動部９２とから成っている。
【００２９】
この弁棒９３の先端形状は細長い形状となっており、弁棒９３の根本部は駆動部９２に連結され、この駆動部９２の操作力にて弁棒９３がオリフィス部９ａの通路に沿って移動する。そして、弁棒９３の外周面とオリフィス部９ａの最小通路部との間に形成される冷媒通路面積を変更するようになっている。具体的には通路面積を小さくすることで、より大きな減圧を行う。換言すると、通路面積を小さくすることで冷媒の高圧側に対しては圧力を上昇させる。
【００３０】
図６は、膨張弁９の弁部Ｂ２（図５参照）の拡大詳細図を示し、（ａ）はシート部テーパー有り（図中のθ３参照）の弁棒９３ａの場合、（ｂ）はシート部テーパー無し（図中のθ４参照）の弁棒９３ｂの場合の開弁状態と全閉状態とである。なお、本実施形態では膨張弁９の弁部Ｂ２を図６（ａ）のようなシート部テーパー有りの弁棒９３ａとしている。
【００３１】
図５の駆動部９２は、モータアクチュエータとしてステッピングモータを用いているが、電磁ソレノイド機構やピエゾ素子など、電気的に制御可能な駆動手段であれば他の駆動機構であっても良い。そして、通路面積調整機構９１の駆動部９２は、ヒートポンプＥＣＵ２０Ａからの制御信号によって制御される。なお、オリフィス部９ａの下流側は第２蒸発器４ｂに接続されている。
【００３２】
第１蒸発器（風上側熱交換部）４ａと第２蒸発器（風下側熱交換部）４ｂとは、本実施形態では一体の蒸発器４として構成されている。この蒸発器４は、外気ファン４ｃによって通風される外気から吸熱して、エジェクタ３および膨張弁９から供給される冷媒を蒸発させる熱交換器である。なお、外気ファン４ｃは、ヒートポンプＥＣＵ２０Ａによって稼働およびその送風量（回転数）が制御されるようになっている。
【００３３】
気液分離器５は、第１蒸発器４ａより吐出される冷媒を気液分離して、気相冷媒のみを圧縮機１に吸入させるものである。また、図２中の８は、高圧部から流出する冷媒と圧縮機１に吸入される冷媒とを熱交換させる熱回収手段としての内部熱交換器８である。高圧冷媒が流れる高圧冷媒流路８ａと、低圧冷媒が流れる低圧冷媒流路８ｂとを一体的に有し、高圧冷媒流路８ａを流れる冷媒の流れ方向と低圧冷媒流路８ｂを流れる冷媒の流れ方向とが対向するように構成されている。このように、内部熱交換器８を構成していても良い。
【００３４】
一方、タンクユニット部１０Ｂは、貯湯タンク７、沸き上げ回路１２、給湯回路１３、および沸き上げ回路１２と給湯回路１３との作動を制御するタンクＥＣＵ２０Ｂを有している。貯湯タンク７は、耐食性に優れた例えばステンレスなどの金属製の容器であり、外周部には図示しない断熱材が配置され、高温の湯を内部に貯めて長時間にわたって保温することができるようになっている。
【００３５】
貯湯タンク７の外壁面には図示しない複数の水位サーミスタが縦方向にほぼ等間隔に配置され、貯湯タンク７内に満たされた水あるいは高温の湯の各水位レベルでの温度情報をタンクＥＣＵ２０Ｂに出力するようになっている。
【００３６】
沸き上げ回路１２は、水循環量可変手段としてのウォーターポンプ６（ヒートポンプユニット部１０Ａ内に配設）によって貯湯タンク７内の水が下側の冷水出口７ｂから取り出され、冷媒水熱交換器２の給湯用水流路２ｂで加熱された後、貯湯タンク７上側の温水入口７ｃに戻す回路となっている。なお、ウォーターポンプ６は、ヒートポンプＥＣＵ２０Ａによって稼働およびその循環量（回転数）が制御されるようになっている。
【００３７】
給湯回路１３は、水道からの水が貯湯タンク７下側の冷水入口７ａから貯湯タンク７内に給水されるとともに、貯湯タンク７上側の温水出口７ｄからユーザーが使う給湯部へ湯を給湯する回路である。なお、給湯回路１３には、水道からの水と温水出口７ｄからの高温水とを混合させて、給湯する湯温をユーザーが所望する温度に調節するための図示しない温度調節弁が設けられている。尚、温度調節弁での調節温度は、タンクＥＣＵ２０Ｂによって制御されるようになっている。
【００３８】
図１に示すように、ヒートポンプＥＣＵ２０ＡとタンクＥＣＵ２０Ｂとは通信ライン１４で連絡されている。また、タンクＥＣＵ２０Ｂに給電された電力は、ヒートポンプ用電源リレー部１１から電源ライン１５を介してヒートポンプＥＣＵ２０Ａへ供給されるようになっている。
【００３９】
ヒートポンプＥＣＵ２０Ａは、ユーザーが設定して図示しないリモコンから入力される設定温度（例えば４２℃）信号や図示しない各センサーからの信号に基づき、圧縮機１（実質的には駆動源である電動モータ）、エジェクタ３の駆動部３２、外気ファン４ｃ、膨張弁９の駆動部９２、ウォーターポンプ６などを通電制御する。
【００４０】
次に、本実施形態の運転制御について説明する。図９は、本発明の第１実施形態における制御の流れを示すフローチャートである。本給湯装置が起動されて冷媒の流量制御に入ると、まずはステップＳ１で低流量制御判定のフラグに０を代入する。そして、次のステップＳ２〜Ｓ４で低流量制御開始判定がなされる。
【００４１】
具体的にステップＳ２では、先のフラグが０であるか否かの判定を行う。その判定結果がＹＥＳでフラグが０である場合にはステップＳ３の次の判定へと進み、判定結果がＮＯでフラグが１である場合、つまり低流量制御と判定されている場合にはステップＳ７へと飛んで後述する低流量制御を行うものである。
【００４２】
ステップＳ３では、図示しない外気温センサーで検出される外気温度が所定の閾値Ｔｔｈ（例えば、０℃）以下で低外気温状態であるか否かの判定を行う。ヒートポンプサイクルの運転において、外気温度が低い条件では、外気温度の影響で低圧側の圧力が下がってしまう。
【００４３】
このため、弁の開度を小さくすることで、高圧圧力を高くして加熱能力を確保する必要がある。すなわち、低外気温では、必然的に低流量運転となるので、このステップＳ３は外気温度から低流量運転が必要であるか否かを判定するものである。ステップＳ３での判定結果がＹＥＳで低外気温状態である場合にはステップＳ４の次の判定へと進み、判定結果がＮＯで低外気温状態ではない場合にはステップＳ５へと飛んで通常の中・高流量制御を行い、ステップＳ２の判定から繰り返すものである。
【００４４】
ステップＳ４では、膨張弁９の開度ステップが所定の閾値Ｐｔｈ（例えば、５０ステップ）以下で、弁部Ｂ２が閉弁間際の流量特性が立っている領域であるか否かの判定を行う。その判定結果がＹＥＳで流量特性の立った領域である場合にはステップＳ６へと進んで低流量制御を行い、判定結果がＮＯで流量特性の立った領域ではない場合にはステップＳ５へと飛んで通常の中・高流量制御を行い、ステップＳ２の判定から繰り返すものである。
【００４５】
つまり、外気温度が低外気温状態で、且つ膨張弁９の開度が閉弁間際の流量特性の立った領域となった場合に低流量制御を行い、この条件に当て嵌まらない場合は通常の中・高流量制御を行うこととなる。
【００４６】
次に、ステップＳ６、Ｓ７の低流量制御としての作動を説明する。具体的にステップＳ６では、低流量制御判定のフラグに１を代入するとともに、初期状態を保存するため、Ｓｔｅｐに低流量制御開始時のエジェクタステップを代入して記憶させておく。そしてステップＳ７では、実際の低流量制御として、膨張弁９は許容しうる最小開度として先の閾値Ｐｔｈのステップ（例えば、５０）で固定し、ニードル弁３ｈのシート部テーパ角度とノズル部３ａのシート部テーパ角度とを同じとしたエジェクタ３の弁部Ｂ１で低流量での微調整制御を行うものである。また、フラグの値が１の間は、この低流量制御を継続することとなる。
【００４７】
次に、ステップＳ８、Ｓ９の低流量制御解除判定としての作動を説明する。具体的にステップＳ８では、エジェクタ３の開度ステップが、先のＳｔｅｐに格納してある低流量制御開始時のステップに所定の値ΔＰｅｊ（低流量制御解除判定用の増分値、例えば、１０ステップ）を加えた値よりも大きく開く状態か否かの判定を行う。
【００４８】
その判定結果がＮＯである場合には、このまま低流量制御を継続することとなり、判定結果がＹＥＳで、エジェクタ３の開度ステップが上記したように所定の条件よりも開く状態となった場合にはステップＳ９へと進み、フラグに０を代入するとともに、膨張弁９を閾値Ｐｔｈよりも所定値ΔＰｅｘ（低流量制御解除時の増分値、例えば、１ステップ）だけ大きくした開度とし、通常制御としてステップＳ２の判定から繰り返すものである。
【００４９】
次に、本実施形態での特徴と、その効果についてまとめる。まず、両弁部Ｂ１、Ｂ２のうち、一方は低流量域で操作量に対する流量が部分的に急増する特性を有する弁部であり、他方は低流量域で操作量に対する流量がなだらかな特性を有する弁部であり、ヒートポンプＥＣＵ２０Ａは、冷媒を低流量で制御する場合、一方である膨張弁９の弁部Ｂ２は許容しうる最小開度（本実施形態では５０ステップ）で固定して、他方であるエジェクタ３の弁部Ｂ１を駆動して流量制御を行うようになっている。
【００５０】
これによれば、低流量域で操作量に対する流量がなだらかな特性を有する弁部で流量制御を行うことより、冷媒を低流量に絞っても安定的に運転することができる。従来のエジェクタと膨張弁との組合せにおいては、両方の弁部のシート部において、弁体のシート部テーパ角度が弁体の制御部テーパ角度よりも大きくなっていた。このため、弁開度を小さくしていくと、流量特性の傾きの立った領域に入って、ヒートポンプの運転が安定しなくなるという問題があった。
【００５１】
これは、開弁し始めの流量特性が立った領域では、１ステップの変化に対する流量の変化割合が大きいため、弁の開度を変えた際に圧力が大きく変化してヒートポンプサイクルがハンチングすることが原因である。これに対して従来のヒートポンプサイクルでは、低流量の運転が安定的にできないため、寒冷地などの外気温の低い環境では、充分に加熱能力を発揮することができなかった。
【００５２】
また、本発明が対象とするエジェクタ式ヒートポンプサイクルは、電動弁を複数使用している。このため従来は、低流量の限界値が電動弁毎の限界値の和となるため、電動弁が１個のエジェクタ式ヒートポンプサイクルより低流量の限界値が大きくなるという問題点があった。
【００５３】
しかし、エジェクタ３のニードル弁３３のシート部テーパ角度を小さくしたうえ、ノズル部３ａのシート部テーパ角度と同じ角度としたので、低流量制御でのハンチングを回避して、エジェクタ３の弁開度を閉弁まで小さく制御できる。これにより、膨張弁９単独の限界値まで、低流量側の限界を広げることができるので、寒冷地などの外気温の低い環境下でも、充分に加熱能力を発揮できるようになった。
【００５４】
また従来、弁体側のシート部テーパ角度の切り替わり位置を管理するために、寸法公差の小さい、精度の高い加工が必要であった。しかし、他方の弁部としてエジェクタ３の弁部Ｂ１は、弁体３ｈのシート部テーパ角度をノズル部３ａのシート部テーパ角度と同じとして、この角度の切り替わりを無くすことで加工し易くなり、生産コストを低減することができる。
【００５５】
また、当サイクルは、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界サイクルである。これによれば、高圧の超臨界サイクルにも適用することが可能である。また、当サイクルに使用する冷媒は、二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒である。これによれば、具体的に使用する冷媒として、二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒が実施容易である。また、本実施形態では、上述のエジェクタ式ヒートポンプサイクルを、ヒートポンプ装置に適用している。これによれば、冷媒を低流量に絞っても安定的に運転することのできるヒートポンプ装置とすることができる。
【００５６】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、膨張弁９をシート部テーパー有りとしてエジェクタ３のシート部テーパーを無くしているが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、エジェクタ３をシート部テーパー有りとして膨張弁９のシート部テーパーを無くしても良い。そして低流量制御時には、シート部テーパーの有るエジェクタ３の弁開度を最小開度で固定して、シート部テーパーを無くした膨張弁９で微調整制御を行うようにしても良い。
【００５７】
但し、低流量制御時のハンチング抑制という点で効果は同等であるが、膨張弁９に対してエジェクタ３側の弁開度が大きく運転されるようになって冷媒流路の上流側の第２蒸発器４ｂが充分に熱交換に寄与しなくなるため、上述した実施形態と比較して本実施例はヒートポンプの加熱能力が劣ることとなる。
【００５８】
また、上述の実施形態では、ニードル弁３３のシート部テーパ角度をノズル部３ａのシート部テーパ角度と同じとしているが、同一角度に限るものではなく、食い付き防止に必要なシート部テーパ角度より小さな違う角度としても良い。また、上述の実施形態では、本発明のエジェクタ式ヒートポンプサイクルをヒートポンプサイクルとして給湯装置に適用しているが、温風暖房や床暖房の暖房装置や乾燥装置、温蔵庫などであっても良いし、冷房装置において除湿運転などの低流量制御に適用しても良い。
【００５９】
また、上述の実施形態では、冷媒回路中に可変エジェクタと電動膨張弁との２つの電動弁が並列に構成されているが、冷媒回路中に３つ以上の電動弁が並列に構成されるエジェクタ式ヒートポンプサイクルにおいても、本発明の「シート部テーパのない電動弁で低流量での微調整制御を行う」という技術思想を適用しても良い。
【００６０】
また、上述の実施形態では、エジェクタ３の冷媒吐出側に第１蒸発器４ａを配設しているが、この第１蒸発器４ａの無いエジェクタ式ヒートポンプサイクルであっても良い。また、また、上述の実施形態では、第１蒸発器４ａと第２蒸発器４ｂとを一体として構成しているが別体であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施形態に係わるヒートポンプ式給湯装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】図１中のヒートポンプユニット部１０Ａ内の機器構成を示す模式図である。
【図３】図２中の電動式可変エジェクタ３の断面構造図である。
【図４】電動式可変エジェクタ３の弁部Ｂ１の拡大詳細図を示し、（ａ）はシート部テーパー有りのニードル弁３ｇの場合、（ｂ）はシート部テーパー無しのニードル弁３ｈの場合である。
【図５】図２中の電動式膨張弁９の断面構造図である。
【図６】電動式膨張弁９の弁部Ｂ２の拡大詳細図を示し、（ａ）はシート部テーパー有りの弁棒９ｃの場合、（ｂ）はシート部テーパー無しの弁棒９ｄの場合である。
【図７】エジェクタ３の流量特性を表すグラフである。
【図８】膨張弁９の流量特性を表すグラフである。
【図９】本発明の一実施形態における流量制御の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６２】
１…圧縮機
２…冷媒水熱交換器（高圧側熱交換器）
３…エジェクタ（可変エジェクタ）
３ａ…ノズル部（孔側）
４ｂ…第２蒸発器（低圧側熱交換器）
９…膨張弁（電気式膨張弁）
９ａ…オリフィス部（孔側）
２０Ａ…ヒートポンプＥＣＵ（制御手段）
３３…ニードル弁（弁体）
９３…弁棒（弁体）
Ｂ１…エジェクタの弁部（弁部）
Ｂ２…膨張弁の弁部（弁部）
Ｒ１…主冷媒循環路
Ｒ２…冷媒分岐通路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒減圧手段の役割であるとともに、高速で噴出する作動流体の巻き込み作用によって流体輸送を行う運動量輸送式ポンプであるエジェクタを用いてヒートポンプ運転を行うエジェクタ式ヒートポンプサイクルに関するものであり、特に、冷媒回路中に複数の電動弁が並列に構成されるエジェクタ式ヒートポンプサイクルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来技術として、エジェクタ下流側蒸発器と、エジェクタ吸引側蒸発器とを組み合わせて、共通の冷却対象空間を冷却するエジェクタ式サイクルがある。下記特許文献１には、この２つの蒸発器による冷却性能の向上を図るため、エジェクタの下流側に接続される第１蒸発器と、エジェクタの冷媒吸引口に接続される第２蒸発器とを備え、第１蒸発器の冷媒蒸発温度に比較して第２蒸発器の冷媒蒸発温度が低くなるようになっており、第１、第２蒸発器により共通の冷却対象空間を冷却するとともに、被冷却空気の流れ方向の上流側に第１蒸発器を配置し、被冷却空気の流れ方向Ａの下流側に第２蒸発器を配置するものが示されている。
【特許文献１】特開２００５−３０８３８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記従来のエジェクタ式サイクルをヒートポンプサイクルに適用して、低外気温時などで冷媒を低流量にして運転するためには、エジェクタの弁部と絞り機構の弁部との二つの弁部の開度をそれぞれ小さく絞る必要がある。図４は、図３に示す電動式可変エジェクタ３の弁部Ｂ１の拡大詳細図を示し、（ａ）はシート部テーパー有りのニードル弁３３ａの場合、（ｂ）はシート部テーパー無しのニードル弁３３ｂの場合である。
【０００４】
また、図６は、図５に示す電動式膨張弁９の弁部Ｂ２の拡大詳細図を示し、（ａ）はシート部テーパー有りの弁棒９３ａの場合、（ｂ）はシート部テーパー無しの弁棒９３ｂの場合である。従来、このような電動式可変エジェクタや電動式膨張弁の弁部では、全閉としたときに弁体が孔側と食い付かないよう、弁体のシート部テーパ角度が弁体のシート部制御シート部テーパ角度よりも大きくなるように設定している（図４（ａ）、図６（ａ）参照）。
【０００５】
そして、図７はエジェクタの流量特性を表すグラフであり、図８は膨張弁の流量特性を表すグラフである。図７、図８中にシート部の流量特性として破線丸で囲った部分において、実線はシート部テーパー有りの場合であり、破線はシート部テーパー無しの場合である。これらのグラフから分かるように、シート部テーパーを設けると開弁し始めだけ比較的立った流量特性となる。
【０００６】
そして、低外気温時などで冷媒を低流量に絞って運転しようとすると、この流量特性の立った領域で制御することとなり、１パルス当たりの流量変化が大きいことより、低流量に絞るとヒートポンプサイクルの運転が安定しないという問題点がある。本発明は、この問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、サイクル中に複数の電動弁が並列に構成されるエジェクタ式ヒートポンプサイクルにおいて、冷媒を低流量に絞っても安定的に運転することのできるエジェクタ式ヒートポンプサイクルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。すなわち、請求項１に記載の発明では、冷媒を圧縮する圧縮機（１）と、
圧縮機（１）から吐出される冷媒の放熱を行う高圧側熱交換器（２）と、
高圧側熱交換器（２）下流側の冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるとともに冷媒を吸引し、弁部（Ｂ１）の開度を可変する電気式の可変エジェクタ（３）と、
圧縮機（１）と高圧側熱交換器（２）と可変エジェクタ（３）とを含む主冷媒循環路（Ｒ１）から分岐して設けられ、循環冷媒の一部を可変エジェクタ（３）に導いて吸引させる冷媒分岐通路（Ｒ２）と、
冷媒分岐通路（Ｒ２）に配置されて冷媒を減圧膨張させるとともに、弁部（Ｂ２）の開度を可変する電気式膨張弁（９）と、
電気式膨張弁（９）で減圧された冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（４ｂ）と、
これら冷凍サイクル機器の作動を制御する制御手段（２０Ａ）とを備えたエジェクタ式ヒートポンプサイクルにおいて、
両弁部（Ｂ１、Ｂ２）のうち、一方は低流量域で操作量に対する流量が部分的に急増する特性を有する弁部であり、
他方は低流量域で操作量に対する流量がなだらかな特性を有する弁部であり、
制御手段（２０Ａ）は、冷媒を低流量で制御する場合、一方の弁部は許容しうる最小開度で固定して、他方の弁部を駆動して流量制御を行うようになっていることを特徴としている。
【０００８】
この請求項１に記載の発明によれば、低流量域で操作量に対する流量がなだらかな特性を有する弁部で流量制御を行うことより、冷媒を低流量に絞っても安定的に運転することができる。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のエジェクタ式ヒートポンプサイクルにおいて、一方の弁部は、弁体（３３、９３）のシート部テーパ角度がその弁体（３３、９３）の制御部テーパ角度よりも大きく、他方の弁部は、弁体（３３、９３）のシート部テーパ角度がその弁体（３３、９３）の制御部テーパ角度と同じであることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載のエジェクタ式ヒートポンプサイクルにおいて、他方の弁部を可変エジェクタ（３）の弁部（Ｂ１）としていることを特徴としている。これら請求項２または請求項３に記載の発明によれば、弁体（３ｈ、９ｃ）に設ける食い付き防止用のテーパ−を廃止して微少流量時の制御性を向上しつつコストを抑えることができる。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明では、請求項１ないし請求項３のうちいずれか１項に記載のエジェクタ式ヒートポンプサイクルにおいて、サイクルは、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界サイクルであることを特徴としている。この請求項４に記載の発明によれば、高圧の超臨界サイクルにも適用することが可能である。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明では、請求項４に記載のエジェクタ式ヒートポンプサイクルにおいて、サイクルに使用する冷媒は、二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒であることを特徴としている。この請求項６に記載の発明によれば、具体的に使用する冷媒として、二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒が実施容易である。
【００１３】
また、請求項６に記載の発明では、請求項１ないし請求項５のうちいずれか１項に記載のエジェクタ式ヒートポンプサイクルを、ヒートポンプ装置に適用したことを特徴としている。この請求項６に記載の発明によれば、冷媒を低流量に絞っても安定的に運転することのできるヒートポンプ装置とすることができる。
【００１４】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態について添付した図１ないし図９を用いて詳細に説明する。まず図１は、本発明の実施形態に係わるヒートポンプ式給湯装置（以下、給湯装置と略す）の全体構成を示す模式図であり、図２は、図１中のヒートポンプユニット部１０Ａ内の機器構成を示す模式図である。また図３は、図２中の電動式可変エジェクタ３の断面構造図であり、図５は、図２中の電動式膨張弁９の断面構造図である。本実施形態は、本発明のエジェクタ式ヒートポンプサイクルを給湯装置に適用したものである。
【００１６】
本給湯装置は、図１に示すように、給湯用水を加熱するヒートポンプユニット部１０Ａと、加熱された高温の湯を貯めると共に給湯部（シャワー、カラン、風呂など）に出湯するタンクユニット部１０Ｂとを有している。また、ヒートポンプユニット部１０Ａは、ヒートポンプサイクルと、このヒートポンプサイクルの作動を制御する制御手段としてのヒートポンプＥＣＵ２０Ａとを有している。
【００１７】
ヒートポンプサイクルは、図２に示すように、圧縮機１、高圧側熱交換器としての冷媒水熱交換器２、電気式の可変エジェクタ（以下、エジェクタと略す）３が順次環状に冷媒配管で接続されて主冷媒循環路Ｒ１を形成している。また、本実施形態では、エジェクタ３の吐出側には第１蒸発器４ａが接続され、この第１蒸発器４ａの出口側は気液分離器５を介して圧縮機１の吸入側に接続されている。
【００１８】
一方、エジェクタ３の上流側（冷媒水熱交換器２の出口側とエジェクタ３の入口側との間の部位）から冷媒分岐通路Ｒ２が分岐され、この冷媒分岐通路Ｒ２の下流側はエジェクタ３の冷媒吸引口３ｂに接続されている。図２中のａａは、冷媒分岐通路Ｒ２の分岐点を示す。この冷媒分岐通路Ｒ２には電気式膨張弁（以下、膨張弁と略す）９が配置され、この膨張弁９よりも冷媒流れ下流側には低圧側熱交換器としての第２蒸発器４ｂが配置されている。
【００１９】
本実施形態では、これらの内部を流れる冷媒として、二酸化炭素冷媒（以下、ＣＯ２冷媒と記す）を使用している。圧縮機１は、内蔵される図示しない電動モータによって駆動され、気液分離器５で分離された気相冷媒を吸入して臨界圧力以上に圧縮して吐出する。なお、圧縮機１は、ヒートポンプＥＣＵ２０Ａによって稼働およびその冷媒圧縮量（回転数）が制御されるようになっている。
【００２０】
冷媒水熱交換器２は、圧縮機１より吐出される高温高圧冷媒（ホットガス）と、後述する貯湯タンク７内から供給される給湯用水との間で熱交換し、放熱作用によって給湯用水を加熱して高温の湯（例えば、目標温度９０℃）とするものである。
【００２１】
この冷媒水熱交換器２は、冷媒が流れる冷媒流路２ａと、給湯用水が流れる給湯用水流路２ｂとを一体的に有し、冷媒流路２ａを流れる冷媒の流れ方向と給湯用水流路２ｂを流れる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。
【００２２】
エジェクタ３は、図３に示すように、冷媒水熱交換器２の冷媒流路２ａから流入する冷媒の通路面積を小さく絞って冷媒を等エントロピ的に減圧させるノズル部（本発明で言う孔側）３ａ、ノズル部３ａの冷媒噴出口と連通するように配置されて第２蒸発器４ｂから冷媒を吸引する冷媒吸引口３ｂ、ノズル部３ａおよび冷媒吸引口３ｂの下流側に配置されてノズル部３ａからの高速度の冷媒流と冷媒吸引口３ｂからの吸引冷媒とを混合する混合部３ｃ、および混合部３ｃの下流側に配置されて冷媒流れを減速して冷媒圧力を上昇させる昇圧部を成すディフューザ部３ｄを有している。
【００２３】
さらに、エジェクタ３にはノズル部３ａの冷媒通路面積を可変制御する通路面積調整機構３１が設けられている。具体的に通路面積調整機構３１は、ノズル部３ａ内の通路長手方向に移動可能に配置されたニードル弁（本発明で言う弁体）３３と、ニードル弁３３を移動させる駆動部３２とから成っている。
【００２４】
このニードル弁３３の先端形状は細長く尖った形状となっており、ニードル弁３３の根本部は駆動部３２に連結され、この駆動部３２の操作力にてニードル弁３３がノズル部３ａの通路に沿って移動する。そして、ニードル弁３３の外周面とノズル部３ａの最小通路部との間に形成される冷媒通路面積を変更するようになっている。具体的には通路面積を小さくすることで、より大きな減圧を行う。換言すると、通路面積を小さくすることで冷媒の高圧側に対しては圧力を上昇させる。
【００２５】
図４は、エジェクタ３の弁部Ｂ１（図３参照）の拡大詳細図を示し、（ａ）はシート部テーパー有りのニードル弁３３ａの場合、（ｂ）はシート部テーパー無しのニードル弁３３ｂの場合の開弁状態と全閉状態とである。なお、シート部テーパー有りとは、弁部Ｂ１を全閉としても孔側であるノズル部３ａと弁体であるニードル弁３３とが喰い付かないようにしたテーパー角度部のことである（図４（ａ）のθ１参照）。
【００２６】
本実施形態ではエジェクタ３の弁部Ｂ１を図４（ｂ）のようなシート部テーパー無しのニードル弁３３ｂとして、ノズル部３ａ側のシート部テーパ角度とニードル弁３３ｂ側のシート部テーパ角度とを同じとしている（図４（ｂ）のθ２参照）。
【００２７】
図３の駆動部３２は、モータアクチュエータとしてステッピングモータを用いているが、電磁ソレノイド機構やピエゾ素子など、電気的に制御可能な駆動手段であれば他の駆動機構であっても良い。そして、通路面積調整機構３１の駆動部３２は、ヒートポンプＥＣＵ２０Ａからの制御信号によって制御される。なお、ディフューザ部３ｄの下流側は第１蒸発器４ａに接続されている。
【００２８】
膨張弁９は、第２蒸発器４ｂへの冷媒流量の調節作用を成す減圧手段であり、図５に示すように、オリフィス部（本発明で言う孔側）９ａと、弁棒（本発明で言う弁体）９３とで構成されている。さらに、膨張弁９にはオリフィス部９ａの冷媒通路面積を可変制御する通路面積調整機構９１が設けられている。具体的に通路面積調整機構９１は、オリフィス部９ａ内の通路軸方向に移動可能に配置された弁棒９３と、弁棒９３を移動させる駆動部９２とから成っている。
【００２９】
この弁棒９３の先端形状は細長い形状となっており、弁棒９３の根本部は駆動部９２に連結され、この駆動部９２の操作力にて弁棒９３がオリフィス部９ａの通路に沿って移動する。そして、弁棒９３の外周面とオリフィス部９ａの最小通路部との間に形成される冷媒通路面積を変更するようになっている。具体的には通路面積を小さくすることで、より大きな減圧を行う。換言すると、通路面積を小さくすることで冷媒の高圧側に対しては圧力を上昇させる。
【００３０】
図６は、膨張弁９の弁部Ｂ２（図５参照）の拡大詳細図を示し、（ａ）はシート部テーパー有り（図中のθ３参照）の弁棒９３ａの場合、（ｂ）はシート部テーパー無し（図中のθ４参照）の弁棒９３ｂの場合の開弁状態と全閉状態とである。なお、本実施形態では膨張弁９の弁部Ｂ２を図６（ａ）のようなシート部テーパー有りの弁棒９３ａとしている。
【００３１】
図５の駆動部９２は、モータアクチュエータとしてステッピングモータを用いているが、電磁ソレノイド機構やピエゾ素子など、電気的に制御可能な駆動手段であれば他の駆動機構であっても良い。そして、通路面積調整機構９１の駆動部９２は、ヒートポンプＥＣＵ２０Ａからの制御信号によって制御される。なお、オリフィス部９ａの下流側は第２蒸発器４ｂに接続されている。
【００３２】
第１蒸発器（風上側熱交換部）４ａと第２蒸発器（風下側熱交換部）４ｂとは、本実施形態では一体の蒸発器４として構成されている。この蒸発器４は、外気ファン４ｃによって通風される外気から吸熱して、エジェクタ３および膨張弁９から供給される冷媒を蒸発させる熱交換器である。なお、外気ファン４ｃは、ヒートポンプＥＣＵ２０Ａによって稼働およびその送風量（回転数）が制御されるようになっている。
【００３３】
気液分離器５は、第１蒸発器４ａより吐出される冷媒を気液分離して、気相冷媒のみを圧縮機１に吸入させるものである。また、図２中の８は、高圧部から流出する冷媒と圧縮機１に吸入される冷媒とを熱交換させる熱回収手段としての内部熱交換器８である。高圧冷媒が流れる高圧冷媒流路８ａと、低圧冷媒が流れる低圧冷媒流路８ｂとを一体的に有し、高圧冷媒流路８ａを流れる冷媒の流れ方向と低圧冷媒流路８ｂを流れる冷媒の流れ方向とが対向するように構成されている。このように、内部熱交換器８を構成していても良い。
【００３４】
一方、タンクユニット部１０Ｂは、貯湯タンク７、沸き上げ回路１２、給湯回路１３、および沸き上げ回路１２と給湯回路１３との作動を制御するタンクＥＣＵ２０Ｂを有している。貯湯タンク７は、耐食性に優れた例えばステンレスなどの金属製の容器であり、外周部には図示しない断熱材が配置され、高温の湯を内部に貯めて長時間にわたって保温することができるようになっている。
【００３５】
貯湯タンク７の外壁面には図示しない複数の水位サーミスタが縦方向にほぼ等間隔に配置され、貯湯タンク７内に満たされた水あるいは高温の湯の各水位レベルでの温度情報をタンクＥＣＵ２０Ｂに出力するようになっている。
【００３６】
沸き上げ回路１２は、水循環量可変手段としてのウォーターポンプ６（ヒートポンプユニット部１０Ａ内に配設）によって貯湯タンク７内の水が下側の冷水出口７ｂから取り出され、冷媒水熱交換器２の給湯用水流路２ｂで加熱された後、貯湯タンク７上側の温水入口７ｃに戻す回路となっている。なお、ウォーターポンプ６は、ヒートポンプＥＣＵ２０Ａによって稼働およびその循環量（回転数）が制御されるようになっている。
【００３７】
給湯回路１３は、水道からの水が貯湯タンク７下側の冷水入口７ａから貯湯タンク７内に給水されるとともに、貯湯タンク７上側の温水出口７ｄからユーザーが使う給湯部へ湯を給湯する回路である。なお、給湯回路１３には、水道からの水と温水出口７ｄからの高温水とを混合させて、給湯する湯温をユーザーが所望する温度に調節するための図示しない温度調節弁が設けられている。尚、温度調節弁での調節温度は、タンクＥＣＵ２０Ｂによって制御されるようになっている。
【００３８】
図１に示すように、ヒートポンプＥＣＵ２０ＡとタンクＥＣＵ２０Ｂとは通信ライン１４で連絡されている。また、タンクＥＣＵ２０Ｂに給電された電力は、ヒートポンプ用電源リレー部１１から電源ライン１５を介してヒートポンプＥＣＵ２０Ａへ供給されるようになっている。
【００３９】
ヒートポンプＥＣＵ２０Ａは、ユーザーが設定して図示しないリモコンから入力される設定温度（例えば４２℃）信号や図示しない各センサーからの信号に基づき、圧縮機１（実質的には駆動源である電動モータ）、エジェクタ３の駆動部３２、外気ファン４ｃ、膨張弁９の駆動部９２、ウォーターポンプ６などを通電制御する。
【００４０】
次に、本実施形態の運転制御について説明する。図９は、本発明の第１実施形態における制御の流れを示すフローチャートである。本給湯装置が起動されて冷媒の流量制御に入ると、まずはステップＳ１で低流量制御判定のフラグに０を代入する。そして、次のステップＳ２〜Ｓ４で低流量制御開始判定がなされる。
【００４１】
具体的にステップＳ２では、先のフラグが０であるか否かの判定を行う。その判定結果がＹＥＳでフラグが０である場合にはステップＳ３の次の判定へと進み、判定結果がＮＯでフラグが１である場合、つまり低流量制御と判定されている場合にはステップＳ７へと飛んで後述する低流量制御を行うものである。
【００４２】
ステップＳ３では、図示しない外気温センサーで検出される外気温度が所定の閾値Ｔｔｈ（例えば、０℃）以下で低外気温状態であるか否かの判定を行う。ヒートポンプサイクルの運転において、外気温度が低い条件では、外気温度の影響で低圧側の圧力が下がってしまう。
【００４３】
このため、弁の開度を小さくすることで、高圧圧力を高くして加熱能力を確保する必要がある。すなわち、低外気温では、必然的に低流量運転となるので、このステップＳ３は外気温度から低流量運転が必要であるか否かを判定するものである。ステップＳ３での判定結果がＹＥＳで低外気温状態である場合にはステップＳ４の次の判定へと進み、判定結果がＮＯで低外気温状態ではない場合にはステップＳ５へと飛んで通常の中・高流量制御を行い、ステップＳ２の判定から繰り返すものである。
【００４４】
ステップＳ４では、膨張弁９の開度ステップが所定の閾値Ｐｔｈ（例えば、５０ステップ）以下で、弁部Ｂ２が閉弁間際の流量特性が立っている領域であるか否かの判定を行う。その判定結果がＹＥＳで流量特性の立った領域である場合にはステップＳ６へと進んで低流量制御を行い、判定結果がＮＯで流量特性の立った領域ではない場合にはステップＳ５へと飛んで通常の中・高流量制御を行い、ステップＳ２の判定から繰り返すものである。
【００４５】
つまり、外気温度が低外気温状態で、且つ膨張弁９の開度が閉弁間際の流量特性の立った領域となった場合に低流量制御を行い、この条件に当て嵌まらない場合は通常の中・高流量制御を行うこととなる。
【００４６】
次に、ステップＳ６、Ｓ７の低流量制御としての作動を説明する。具体的にステップＳ６では、低流量制御判定のフラグに１を代入するとともに、初期状態を保存するため、Ｓｔｅｐに低流量制御開始時のエジェクタステップを代入して記憶させておく。そしてステップＳ７では、実際の低流量制御として、膨張弁９は許容しうる最小開度として先の閾値Ｐｔｈのステップ（例えば、５０）で固定し、ニードル弁３ｈのシート部テーパ角度とノズル部３ａのシート部テーパ角度とを同じとしたエジェクタ３の弁部Ｂ１で低流量での微調整制御を行うものである。また、フラグの値が１の間は、この低流量制御を継続することとなる。
【００４７】
次に、ステップＳ８、Ｓ９の低流量制御解除判定としての作動を説明する。具体的にステップＳ８では、エジェクタ３の開度ステップが、先のＳｔｅｐに格納してある低流量制御開始時のステップに所定の値ΔＰｅｊ（低流量制御解除判定用の増分値、例えば、１０ステップ）を加えた値よりも大きく開く状態か否かの判定を行う。
【００４８】
その判定結果がＮＯである場合には、このまま低流量制御を継続することとなり、判定結果がＹＥＳで、エジェクタ３の開度ステップが上記したように所定の条件よりも開く状態となった場合にはステップＳ９へと進み、フラグに０を代入するとともに、膨張弁９を閾値Ｐｔｈよりも所定値ΔＰｅｘ（低流量制御解除時の増分値、例えば、１ステップ）だけ大きくした開度とし、通常制御としてステップＳ２の判定から繰り返すものである。
【００４９】
次に、本実施形態での特徴と、その効果についてまとめる。まず、両弁部Ｂ１、Ｂ２のうち、一方は低流量域で操作量に対する流量が部分的に急増する特性を有する弁部であり、他方は低流量域で操作量に対する流量がなだらかな特性を有する弁部であり、ヒートポンプＥＣＵ２０Ａは、冷媒を低流量で制御する場合、一方である膨張弁９の弁部Ｂ２は許容しうる最小開度（本実施形態では５０ステップ）で固定して、他方であるエジェクタ３の弁部Ｂ１を駆動して流量制御を行うようになっている。
【００５０】
これによれば、低流量域で操作量に対する流量がなだらかな特性を有する弁部で流量制御を行うことより、冷媒を低流量に絞っても安定的に運転することができる。従来のエジェクタと膨張弁との組合せにおいては、両方の弁部のシート部において、弁体のシート部テーパ角度が弁体の制御部テーパ角度よりも大きくなっていた。このため、弁開度を小さくしていくと、流量特性の傾きの立った領域に入って、ヒートポンプの運転が安定しなくなるという問題があった。
【００５１】
これは、開弁し始めの流量特性が立った領域では、１ステップの変化に対する流量の変化割合が大きいため、弁の開度を変えた際に圧力が大きく変化してヒートポンプサイクルがハンチングすることが原因である。これに対して従来のヒートポンプサイクルでは、低流量の運転が安定的にできないため、寒冷地などの外気温の低い環境では、充分に加熱能力を発揮することができなかった。
【００５２】
また、本発明が対象とするエジェクタ式ヒートポンプサイクルは、電動弁を複数使用している。このため従来は、低流量の限界値が電動弁毎の限界値の和となるため、電動弁が１個のエジェクタ式ヒートポンプサイクルより低流量の限界値が大きくなるという問題点があった。
【００５３】
しかし、エジェクタ３のニードル弁３３のシート部テーパ角度を小さくしたうえ、ノズル部３ａのシート部テーパ角度と同じ角度としたので、低流量制御でのハンチングを回避して、エジェクタ３の弁開度を閉弁まで小さく制御できる。これにより、膨張弁９単独の限界値まで、低流量側の限界を広げることができるので、寒冷地などの外気温の低い環境下でも、充分に加熱能力を発揮できるようになった。
【００５４】
また従来、弁体側のシート部テーパ角度の切り替わり位置を管理するために、寸法公差の小さい、精度の高い加工が必要であった。しかし、他方の弁部としてエジェクタ３の弁部Ｂ１は、弁体３ｈのシート部テーパ角度をノズル部３ａのシート部テーパ角度と同じとして、この角度の切り替わりを無くすことで加工し易くなり、生産コストを低減することができる。
【００５５】
また、当サイクルは、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界サイクルである。これによれば、高圧の超臨界サイクルにも適用することが可能である。また、当サイクルに使用する冷媒は、二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒である。これによれば、具体的に使用する冷媒として、二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒が実施容易である。また、本実施形態では、上述のエジェクタ式ヒートポンプサイクルを、ヒートポンプ装置に適用している。これによれば、冷媒を低流量に絞っても安定的に運転することのできるヒートポンプ装置とすることができる。
【００５６】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、膨張弁９をシート部テーパー有りとしてエジェクタ３のシート部テーパーを無くしているが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、エジェクタ３をシート部テーパー有りとして膨張弁９のシート部テーパーを無くしても良い。そして低流量制御時には、シート部テーパーの有るエジェクタ３の弁開度を最小開度で固定して、シート部テーパーを無くした膨張弁９で微調整制御を行うようにしても良い。
【００５７】
但し、低流量制御時のハンチング抑制という点で効果は同等であるが、膨張弁９に対してエジェクタ３側の弁開度が大きく運転されるようになって冷媒流路の上流側の第２蒸発器４ｂが充分に熱交換に寄与しなくなるため、上述した実施形態と比較して本実施例はヒートポンプの加熱能力が劣ることとなる。
【００５８】
また、上述の実施形態では、ニードル弁３３のシート部テーパ角度をノズル部３ａのシート部テーパ角度と同じとしているが、同一角度に限るものではなく、食い付き防止に必要なシート部テーパ角度より小さな違う角度としても良い。また、上述の実施形態では、本発明のエジェクタ式ヒートポンプサイクルをヒートポンプサイクルとして給湯装置に適用しているが、温風暖房や床暖房の暖房装置や乾燥装置、温蔵庫などであっても良いし、冷房装置において除湿運転などの低流量制御に適用しても良い。
【００５９】
また、上述の実施形態では、冷媒回路中に可変エジェクタと電動膨張弁との２つの電動弁が並列に構成されているが、冷媒回路中に３つ以上の電動弁が並列に構成されるエジェクタ式ヒートポンプサイクルにおいても、本発明の「シート部テーパのない電動弁で低流量での微調整制御を行う」という技術思想を適用しても良い。
【００６０】
また、上述の実施形態では、エジェクタ３の冷媒吐出側に第１蒸発器４ａを配設しているが、この第１蒸発器４ａの無いエジェクタ式ヒートポンプサイクルであっても良い。また、また、上述の実施形態では、第１蒸発器４ａと第２蒸発器４ｂとを一体として構成しているが別体であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施形態に係わるヒートポンプ式給湯装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】図１中のヒートポンプユニット部１０Ａ内の機器構成を示す模式図である。
【図３】図２中の電動式可変エジェクタ３の断面構造図である。
【図４】電動式可変エジェクタ３の弁部Ｂ１の拡大詳細図を示し、（ａ）はシート部テーパー有りのニードル弁３ｇの場合、（ｂ）はシート部テーパー無しのニードル弁３ｈの場合である。
【図５】図２中の電動式膨張弁９の断面構造図である。
【図６】電動式膨張弁９の弁部Ｂ２の拡大詳細図を示し、（ａ）はシート部テーパー有りの弁棒９ｃの場合、（ｂ）はシート部テーパー無しの弁棒９ｄの場合である。
【図７】エジェクタ３の流量特性を表すグラフである。
【図８】膨張弁９の流量特性を表すグラフである。
【図９】本発明の一実施形態における流量制御の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６２】
１…圧縮機
２…冷媒水熱交換器（高圧側熱交換器）
３…エジェクタ（可変エジェクタ）
３ａ…ノズル部（孔側）
４ｂ…第２蒸発器（低圧側熱交換器）
９…膨張弁（電気式膨張弁）
９ａ…オリフィス部（孔側）
２０Ａ…ヒートポンプＥＣＵ（制御手段）
３３…ニードル弁（弁体）
９３…弁棒（弁体）
Ｂ１…エジェクタの弁部（弁部）
Ｂ２…膨張弁の弁部（弁部）
Ｒ１…主冷媒循環路
Ｒ２…冷媒分岐通路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機（１）と、
前記圧縮機（１）から吐出される冷媒の放熱を行う高圧側熱交換器（２）と、
前記高圧側熱交換器（２）下流側の冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるとともに冷媒を吸引し、弁部（Ｂ１）の開度を可変する電気式の可変エジェクタ（３）と、
前記圧縮機（１）と前記高圧側熱交換器（２）と前記可変エジェクタ（３）とを含む主冷媒循環路（Ｒ１）から分岐して設けられ、循環冷媒の一部を前記可変エジェクタ（３）に導いて吸引させる冷媒分岐通路（Ｒ２）と、
前記冷媒分岐通路（Ｒ２）に配置されて冷媒を減圧膨張させるとともに、弁部（Ｂ２）の開度を可変する電気式膨張弁（９）と、
前記電気式膨張弁（９）で減圧された冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（４ｂ）と、
これら冷凍サイクル機器の作動を制御する制御手段（２０Ａ）とを備えたエジェクタ式ヒートポンプサイクルにおいて、
前記両弁部（Ｂ１、Ｂ２）のうち、一方は低流量域で操作量に対する流量が部分的に急増する特性を有する弁部であり、
他方は低流量域で操作量に対する流量がなだらかな特性を有する弁部であり、
前記制御手段（２０Ａ）は、冷媒を低流量で制御する場合、前記一方の弁部は許容しうる最小開度で固定して、前記他方の弁部を駆動して流量制御を行うようになっていることを特徴とするエジェクタ式ヒートポンプサイクル。
【請求項２】
前記一方の弁部は、前記弁体（３３、９３）のシート部テーパ角度がその弁体（３３、９３）の制御部テーパ角度よりも大きく、前記他方の弁部は、前記弁体（３３、９３）のシート部テーパ角度がその弁体（３３、９３）の制御部テーパ角度と同じであることを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ式サイクル。
【請求項３】
前記他方の弁部を前記可変エジェクタ（３）の前記弁部（Ｂ１）としていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエジェクタ式ヒートポンプサイクル。
【請求項４】
前記サイクルは、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界サイクルであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のうちいずれか１項に記載のエジェクタ式ヒートポンプサイクル。
【請求項５】
前記サイクルに使用する冷媒は、二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒であることを特徴とする請求項４に記載のエジェクタ式ヒートポンプサイクル。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のうちいずれか１項に記載のエジェクタ式ヒートポンプサイクルを適用したことを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機（１）と、
前記圧縮機（１）から吐出される冷媒の放熱を行う高圧側熱交換器（２）と、
前記高圧側熱交換器（２）下流側の冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるとともに冷媒を吸引し、弁部（Ｂ１）の開度を可変する電気式の可変エジェクタ（３）と、
前記圧縮機（１）と前記高圧側熱交換器（２）と前記可変エジェクタ（３）とを含む主冷媒循環路（Ｒ１）から分岐して設けられ、循環冷媒の一部を前記可変エジェクタ（３）に導いて吸引させる冷媒分岐通路（Ｒ２）と、
前記冷媒分岐通路（Ｒ２）に配置されて冷媒を減圧膨張させるとともに、弁部（Ｂ２）の開度を可変する電気式膨張弁（９）と、
前記電気式膨張弁（９）で減圧された冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（４ｂ）と、
これら冷凍サイクル機器の作動を制御する制御手段（２０Ａ）とを備えたエジェクタ式ヒートポンプサイクルにおいて、
前記両弁部（Ｂ１、Ｂ２）のうち、一方は低流量域で操作量に対する流量が部分的に急増する特性を有する弁部であり、
他方は低流量域で操作量に対する流量がなだらかな特性を有する弁部であり、
前記制御手段（２０Ａ）は、冷媒を低流量で制御する場合、前記一方の弁部は許容しうる最小開度で固定して、前記他方の弁部を駆動して流量制御を行うようになっていることを特徴とするエジェクタ式ヒートポンプサイクル。
【請求項２】
前記一方の弁部は、前記弁体（３３、９３）のシート部テーパ角度がその弁体（３３、９３）の制御部テーパ角度よりも大きく、前記他方の弁部は、前記弁体（３３、９３）のシート部テーパ角度がその弁体（３３、９３）の制御部テーパ角度と同じであることを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ式サイクル。
【請求項３】
前記他方の弁部を前記可変エジェクタ（３）の前記弁部（Ｂ１）としていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエジェクタ式ヒートポンプサイクル。
【請求項４】
前記サイクルは、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界サイクルであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のうちいずれか１項に記載のエジェクタ式ヒートポンプサイクル。
【請求項５】
前記サイクルに使用する冷媒は、二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒であることを特徴とする請求項４に記載のエジェクタ式ヒートポンプサイクル。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のうちいずれか１項に記載のエジェクタ式ヒートポンプサイクルを適用したことを特徴とするヒートポンプ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−１３８９７１（Ｐ２００８−１３８９７１Ａ）
【公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３２７３７４（Ｐ２００６−３２７３７４）
【出願日】平成１８年１２月４日（２００６．１２．４）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月４日（２００６．１２．４）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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