ヒートポンプ給湯機及び冷凍サイクル
【課題】起動初期段階において圧縮機の高圧側冷媒圧力及び高圧側冷媒温度を目標値に安定させる時間を短縮することができるヒートポンプ給湯機を提供する。
【解決手段】ヒートポンプ給湯機Ｓは、起動時に、圧縮機吐出圧力の第１目標値が設定されると共に、この第１目標値よりも高い圧力となるように圧縮機吐出圧力の第２目標値が設定され、圧縮機吐出圧力が前記第２目標値に近づくように減圧弁５の開度及び圧縮機３の回転速度の少なくともいずれか一方を制御すると共に、起動後にこの制御の所定の解除条件を満たした際に、圧縮機吐出圧力が前記第１目標値に近づくように前記減圧弁５の開度及び前記圧縮機３の回転速度のいずれか一方を制御する制御部５０を備えることを特徴とする。
【解決手段】ヒートポンプ給湯機Ｓは、起動時に、圧縮機吐出圧力の第１目標値が設定されると共に、この第１目標値よりも高い圧力となるように圧縮機吐出圧力の第２目標値が設定され、圧縮機吐出圧力が前記第２目標値に近づくように減圧弁５の開度及び圧縮機３の回転速度の少なくともいずれか一方を制御すると共に、起動後にこの制御の所定の解除条件を満たした際に、圧縮機吐出圧力が前記第１目標値に近づくように前記減圧弁５の開度及び前記圧縮機３の回転速度のいずれか一方を制御する制御部５０を備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ給湯機及び冷凍サイクルに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ヒートポンプ給湯機は、その機器構成と、必要とされる加熱能力と、目標とする被加熱流体（例えば、水）の沸上げ温度とが決定していると、成績係数（ＣＯＰ）が最大となるサイクル状態が存在する。
従来、このようなサイクル状態を実現するために、圧縮機の高圧側冷媒温度、圧縮機の高圧側冷媒圧力、熱交換器の出入口における被加熱流体の温度差等に基づいて、所定の制御部がサイクル制御を行うヒートポンプ給湯機が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このようなヒートポンプ給湯機によれば、継続的に高い成績係数を発揮することによって、被加熱流体を加熱するために必要な動力を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２５５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のヒートポンプ給湯機（例えば、特許文献１参照）においては、圧縮機の高圧側冷媒圧力に基づいてサイクル制御を行う際に、前記した高圧側冷媒圧力は、前記した高圧側冷媒温度よりも応答性がよく、ヒートポンプ給湯機の起動後、高圧側冷媒圧力が安定するまでの時間は、高圧側冷媒温度が安定するまでの時間よりも短くなる。そのため、ヒートポンプ給湯機を起動した際には、高圧側冷媒温度よりも高圧側冷媒圧力の方が先に安定してしまい、制御部は、高圧側冷媒温度が目標温度に達していないにも関わらず、サイクル状態が安定したものと判定する場合がある。
また、制御部が圧縮機の高圧側冷媒圧力を制御する際の目標値は、被加熱流体の質量流量が変化することによってその最適範囲が変化するが、ヒートポンプ給湯機の起動初期段階においては、被加熱流体の質量流量が変化し易いために、制御が発散する問題もある。
つまり、起動初期段階において圧縮機の高圧側冷媒圧力及び高圧側冷媒温度を目標値に安定させる時間を短縮することができるヒートポンプ給湯機が望まれていた。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、起動初期段階において圧縮機の高圧側冷媒圧力及び高圧側冷媒温度を目標値に安定させる時間を短縮することができるヒートポンプ給湯機及び冷凍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】
【０００６】
前記課題を解決する本発明は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出される高温高圧の冷媒と被加熱流体との熱交換を行う熱交換器と、前記熱交換器から流出した冷媒を凝縮する減圧弁と、前記減圧弁から流出した冷媒を蒸発させる蒸発器と、を備えるヒートポンプ給湯機において、このヒートポンプ給湯機の起動時に、前記熱交換器に流入する際の被加熱流体の温度、被加熱流体の沸上げ温度の目標値、前記熱交換器に送り込まれる被加熱流体の質量流量、外気温度及びヒートポンプ給湯機の加熱能力の少なくともいずれか一つに基づいて圧縮機吐出圧力の第１目標値が設定されると共に、この第１目標値よりも高い圧力となるように圧縮機吐出圧力の第２目標値が設定され、圧縮機吐出圧力が前記第２目標値に近づくように前記減圧弁の開度及び前記圧縮機の回転速度の少なくともいずれか一方を制御すると共に、起動後にこの制御の所定の解除条件を満たした際に、圧縮機吐出圧力が前記第１目標値に近づくように前記減圧弁の開度及び前記圧縮機の回転速度のいずれか一方を制御する制御部を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、起動初期段階において圧縮機の高圧側冷媒圧力及び高圧側冷媒温度を目標値に安定させる時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機の構成説明図である。
【図２】本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機の制御部が、減圧弁の開閉度合い（開度）を制御する際に実行する手順を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機において、減圧弁の開閉を行って圧縮機吐出圧力を制御する際に、圧縮機吐出圧力の第２目標値から第１目標値に切り替えるタイミングを示すタイムチャートである。
【図４】本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機における冷凍サイクルのモリエル線図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。本発明のヒートポンプ給湯機は、その起動から圧縮機の高圧側への冷媒吐出圧力（圧縮機吐出圧力）、冷媒吐出温度（圧縮機吐出温度）等が安定するまでの間に、制御部が、圧縮機吐出圧力をその第１目標値（最適目標値）よりも大きい第２目標値に近づくように制御し、その後、所定の解除条件を満足した際には、圧縮機吐出圧力を第２目標値に代えて第１目標値（最適目標値）に近づくように制御するように構成されている。
以下では、本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機Ｓの全体構成について説明した後に、制御部について更に具体的に説明する。
【００１０】
図１に示すように、ヒートポンプ給湯機Ｓは、ヒートポンプユニット１と貯湯ユニット２とを備えている。
前記ヒートポンプユニット１は、圧縮機３と、水冷媒熱交換器４と、減圧弁５と、蒸発器６と、制御部５０と、で主に構成されている。そして、圧縮機３、水冷媒熱交換器４、減圧弁５、及び蒸発器６は、この順番で冷媒が循環するように配管で環状に連結されている。なお、本実施形態での冷媒としては、二酸化炭素が使用されている。そして、ヒートポンプユニット１では、圧縮機３より吐出される冷媒（二酸化炭素）の吐出圧力が臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを使用している。
【００１１】
圧縮機３は、環状の回路から戻ってきた冷媒を圧縮すると共に、圧縮した高温のガス冷媒（以下、ホットガスということがある）を再び環状の回路に送り出している。更に具体的には、蒸発器６から戻ってきた冷媒を圧縮して水冷媒熱交換器４に向かって送り出している。
圧縮機３は、容量制御が可能で、高温貯湯（例えば、９０℃）を行う場合は、通常よりも速い回転速度（例えば、３０００〜４０００回転／分）で運転する。また、通常の貯湯温度（例えば、６５℃）で運転する場合は、比較的遅い回転速度（例えば、１０００〜２０００回転／分）で運転する。また、圧縮機３は、ＰＷＭ制御、電圧制御（例えばＰＡＭ制御）及びこれらの組み合わせ制御により、低速（例えば、１０００回転／分）から高速（例えば６０００回転／分）まで回転速度の制御が行えるようになっている。
圧縮機３と次に説明する水冷媒熱交換器４とを接続する配管には、圧縮機３寄りに、圧縮機３の高圧側冷媒温度（圧縮機吐出温度）を検出する温度センサ９が設けられると共に、高圧側冷媒圧力（圧縮機吐出圧力）を検出する圧力センサ８が設けられている。
【００１２】
水冷媒熱交換器４は、凝縮器として機能するものであり、圧縮機３から吐出されたホットガスを流通させる冷媒伝熱管２ａと、水を流通させる水伝熱管２ｂとを備えている。これらの冷媒伝熱管２ａ及び水伝熱管２ｂは、冷媒と水とが相互に熱交換するよう密着して設けられている。
なお、水冷媒熱交換器４は、特許請求の範囲にいう「熱交換器」に相当する。また、水伝熱管２ｂを流通する水は、特許請求の範囲にいう「被加熱流体」に相当するが、本発明での「被加熱流体」は、冷媒と所定の熱交換器で熱交換して加熱されると共に、水を加熱する二次熱媒体であってもよい。
【００１３】
減圧弁５は、水冷媒熱交換器４と蒸発器６との間に配置される配管の途中に設けられており、電動膨張弁が使用されている。この減圧弁５は、水冷媒熱交換器４からの中温高圧冷媒を減圧し、蒸発し易い低圧冷媒として蒸発器６に送り出している。そして、減圧弁５は、絞り開度（開閉度合い）が調節可能となっており、制御部５０がこの絞り開度を変えてヒートポンプユニット１での冷媒循環量を調節する。そして、制御部５０は、後記するように、減圧弁５の絞り開度を変えることで、圧縮機３の吐出圧力（圧縮機吐出圧力）を調節することとなる。
ちなみに、減圧弁５は、蒸発器６に着霜した場合に、絞り開度を全開にしてデフロストを行うようにも働く。
【００１４】
蒸発器６は、送風機７の回転によって外気を取り入れた空気（送風）と、蒸発器６内を流通する冷媒との熱交換を行って、外気から熱を汲み上げるものである。そして、冷媒は、この蒸発器６から圧縮機３に戻されることとなる。
符号１０は、蒸発器６の下流側で冷媒の温度を検出する温度センサである。制御部５０は、この温度センサ１０の検出する温度に基づいて蒸発器６でのデフロストを行うか否かを判定し、デフロストを行う場合には減圧弁５を全開にする。符号１４は、外気温度を検出する温度センサであり、本実施形態での温度センサ１４は、送風機７の近傍に設けられている。なお、制御部５０は、後記するように、この温度センサ１４の検出する温度を参照要素の一つとして、圧縮機吐出圧力の第１目標値及び第２目標値を算出することとなる。
【００１５】
符号３６は、送出配管であり、送出配管３６の一端は、水冷媒熱交換器４の水伝熱管２ｂの出口に接続されている。この送出配管３６は、冷媒で加熱された水（被加熱流体）を水冷媒熱交換器４から送り出すようになっている。送出配管３６は、後記するタンク１６側に向かって延出している。
送出配管３６の水冷媒熱交換器４寄りには、水冷媒熱交換器４の水出口温度（被加熱流体出口温度）を検出する温度センサ１２が設けられている。
【００１６】
符号３５は、供給配管であり、供給配管３５は、前記冷媒で加熱される水（被加熱流体）を水冷媒熱交換器４に供給するものである。供給配管３５の一端は、水冷媒熱交換器４の水伝熱管２ｂの入口に接続されている。この供給配管３５は、後記するタンク１６側に向かって延出している。そして、供給配管３５には、循環ポンプ１３が、水冷媒熱交換器４の下流側に配置されている。なお、本実施形態での循環ポンプ１３は、水（被加熱流体）を水伝熱管２ｂの入口側に送り込むように駆動する。そして、循環ポンプ１３は、循環水の流量（質量流量）、流速及び圧力が自由に選択できるように構成されている。
そして、供給配管３５の水冷媒熱交換器４寄りには、水冷媒熱交換器４の水入口温度を検出する温度センサ１１が設けられている。
【００１７】
次に、このようなヒートポンプユニット１と共にヒートポンプ給湯機Ｓを構成する貯湯ユニット２について説明する。
貯湯ユニット２は、水（被加熱流体）を貯蔵するタンク１６を備えている。
このタンク１６は、送出配管３６の他端と接続されている。そして、タンク１６は、給湯配管３８ｂの一端と接続されている。給湯配管３８ｂの他端には、図示しない給湯口が設けられる。
【００１８】
タンク１６は、供給配管３５の他端とも接続されている。そして、タンク１６は、給水配管３８ａの一端と接続されている。給水配管３８ａの他端には、図示しない給水口が設けられる。
給水配管３８ａは、タンク１６の上流側から分岐して、給湯配管３８ｂにその先端が合流するように接続される分岐配管３８ｃを備えている。この分岐配管３８ｃは、湯水混合弁１７を介して給湯配管３８ｂに接続されている。
ちなみに、湯水混合弁１７は、その開口度合いに応じて、給水配管３８ａ及び分岐配管３８ｃを介して給湯配管３８ｂに流れ込む水の量を調節することで、給湯配管３８ｂの他端に設けられる給湯口（図示省略）から出る湯の温度を調節する。
【００１９】
制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路等を含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、本実施形態に係るヒートポンプ給湯機Ｓを総合的に制御するようになっている。そして、制御部５０は、前記したように、温度センサ１０の検出する温度（蒸発器６の出口冷媒温度）に基づいて蒸発器６のデフロストを行うほか、温度センサ９，１１，１２，１４の検出した温度、及び圧力センサ８の検出した圧力などに基づいて、後記する手順により圧縮機吐出圧力の第１目標値、及び第２目標値、並びに圧縮機３の吐出温度の目標値を算出すると共に、これらの検出値（実測値）及び目標値に基づいて、圧縮機３の回転速度及び減圧弁５の開度を制御する。
【００２０】
次に、本実施形態に係るヒートポンプ給湯機Ｓの動作について説明する。
このヒートポンプ給湯機Ｓでは、タンク１６内に所定の温度で所定の湯量を確保するのに先立って、タンク１６を満たすように水が供給される。この際、タンク１６には、残存する湯に加えられるように、図示しない給水口から給水配管３８ａを介して水が加えられる。もちろん、タンク１６が空の場合には、その全てが水で満たされる。
以下では、タンク１６に残存する湯と新たに加えられた水とを一緒にして単に「水」ということがある。
【００２１】
そして、ヒートポンプ給湯機Ｓは、タンク１６が水で満たされてから、貯湯運転工程を実施する。
ヒートポンプ給湯機Ｓは、起動した圧縮機３が吐出するホットガスを水冷媒熱交換器４（凝縮器）の冷媒伝熱管２ａに送り込む。冷媒伝熱管２ａに送り込まれたホットガスは、水伝熱管２ｂ内の水に熱を放出することで凝縮する。そして、水伝熱管２ｂ内の水はホットガスで加熱される。
【００２２】
次いで、水冷媒熱交換器４（凝縮器）の冷媒伝熱管２ａから送り出された冷媒は、減圧弁５（膨張弁）で減圧された後に、蒸発器６に流れ込む。そして、流れ込んだ冷媒は、送風機７から送り込まれた風によって蒸発する際に、水冷媒熱交換器４を介して外気から熱を汲み上げる。その後、冷媒は、圧縮機３に戻って再び圧縮される。
【００２３】
その一方で、タンク１６に満たされた水は、循環ポンプ１３が起動することで、供給配管３５を介して水冷媒熱交換器４の水伝熱管２ｂ内に送り込まれる。そして、送り込まれた水は、前記したように、冷媒との熱交換で加熱されて湯となって、送出配管３６に流れ込む。
送出配管３６に流れ込んだ湯は、タンク１６に戻って貯蔵される。このようにタンク１６と水冷媒熱交換器４との間で水が循環する間に、ヒートポンプ給湯機Ｓは、タンク１６内に所定の温度で所定の湯量を確保する。
【００２４】
そして、ヒートポンプ給湯機Ｓの制御部５０は、このような起動時において、圧縮機３、循環ポンプ１３、及び減圧弁５を次のよう制御する。
【００２５】
制御部５０は、圧縮機３の回転速度を温度センサ１２で検出される水冷媒熱交換器４の水出口温度に基づいて制御する。具体的には、制御部５０は、温度センサ１２で検出される温度が、予め設定された水出口温度の目標値となるように、圧縮機３の回転速度を制御する。つまり、目標値に対して温度センサ１２の検出温度（計測値）が低い場合には圧縮機３の回転速度を速め、これとは逆に検出温度（計測値）が高い場合には圧縮機３の回転速度を遅くする。
【００２６】
また、制御部５０は、循環ポンプ１３が水冷媒熱交換器４の水伝熱管２ｂに送り込む水の量を、予め求めた圧縮機３の目標回転速度に基づいて制御する。具体的には、圧縮機３の目標回転速度に対して実回転速度が遅い場合には、水伝熱管２ｂに送り込まれる水の量が増えるように循環ポンプ１３を制御し、これとは逆に圧縮機３の実回転速度が速い場合には、水伝熱管２ｂに送り込まれる水の量が減るように循環ポンプ１３を制御する。
【００２７】
なお、前記した圧縮機３の目標回転速度は、制御部５０が、前記した水冷媒熱交換器４の水出口温度の目標値のほか、ヒートポンプユニット１の目標加熱能力（出力）、温度センサ１４の検出温度（外気温度）、及び温度センサ１１の検出温度（水冷媒熱交換器４の水伝熱管２ｂに送り込まれる水の温度）に基づいて設定することもできる。圧縮機３の目標回転速度の具体例としては、例えば、前記したように、高温貯湯（例えば、９０℃）を行う場合には、３０００〜４０００回転／分の範囲で設定され、通常の貯湯温度（例えば、６５℃）で運転する場合は、１０００〜２０００回転／分の範囲で設定されるが、これに限定されるものではない。
【００２８】
また、制御部５０は、ヒートポンプ給湯機Ｓが起動した際に、次のような手順を実行することで減圧弁５の開閉動作を制御する。次に参照する図２は、本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機の制御部が、減圧弁の開閉度合い（開度）を制御する際に実行する手順を説明するためのフローチャートである。
【００２９】
ヒートポンプユニット１が起動すると、図２に示すように、制御部５０（図１参照）は、圧縮機３の高圧側冷媒圧力（圧縮機吐出圧力）の第１目標値と、圧縮機３の高圧側冷媒温度（圧縮機吐出温度）の目標値とを算出する（ステップＳ１）。
【００３０】
圧縮機吐出圧力の第１目標値は、温度センサ１１の検出温度（水冷媒熱交換器４の水伝熱管２ｂに送り込まれる水の温度）、水冷媒熱交換器４の水出口温度の目標値（例えば、前記した９０℃又は６５℃）、水冷媒熱交換器４に送り込まれる水の質量流量、温度センサ１４の検出温度（外気温度）、及びヒートポンプユニット１の加熱能力（出力）から選ばれる少なくとも２つに基づいて算出されることが望ましいが、これらのいずれか一つに基づいて設定することもできる。なお、前記した水冷媒熱交換器４の水出口温度の目標値は、特許請求の範囲にいう「被加熱流体の沸上げ温度の目標値」に相当する。
【００３１】
また、圧縮機吐出温度の目標値は、温度センサ１１の検出温度（水冷媒熱交換器４の水伝熱管２ｂに送り込まれる水の温度）、水冷媒熱交換器４の水出口温度の目標値（例えば、前記した９０℃又は６５℃）、水冷媒熱交換器４に送り込まれる水の質量流量、温度センサ１４の検出温度（外気温度）、及びヒートポンプユニット１の加熱能力（出力）から選ばれる少なくとも２つに基づいて算出されることが望ましいが、これらのいずれか一つに基づいて設定することもできる。
【００３２】
ちなみに、本実施形態での圧縮機吐出圧力の第１目標値は、例えば、８．５ＭＰａ〜１３ＭＰａ程度に設定することができるが、これに限定されるものではない。また、本実施形態での圧縮機吐出温度の目標値は、例えば、水冷媒熱交換器４の水出口温度の目標値（例えば、前記した９０℃又は６５℃）に合わせてこの範囲に対応する範囲で設定することができるが、これに限定されるものではない。
【００３３】
次に、制御部５０は、前記した圧縮機吐出圧力の第１目標値に加算する加算値（圧縮機吐出圧力の加算値）を算出する（ステップＳ２）。本実施形態での加算値は、温度センサ１１の検出温度（水冷媒熱交換器４の水伝熱管２ｂに送り込まれる水の温度）、水冷媒熱交換器４の水出口温度の目標値（例えば、前記した９０℃又は６５℃）、水冷媒熱交換器４に送り込まれる水の質量流量、温度センサ１４の検出温度（外気温度）、及びヒートポンプユニット１の加熱能力（出力）から選ばれる少なくとも２つに基づいて算出されることが望ましいが、これらのいずれか一つに基づいて設定することもできる。
【００３４】
ちなみに、本実施形態での加算値は、例えば、前記した圧縮機吐出圧力の第１目標値に対する加算値の割合（１００×加算値／圧縮機吐出圧力の第１目標値［％］）が、０．２％〜１７．７％程度となるように設定され、望ましくは０．０３ＭＰａ〜１．５ＭＰａ程度に設定されているが、これに限定されるものではない。
【００３５】
そして、制御部５０は、圧縮機吐出圧力の第２目標値を算出する（ステップＳ３）。具体的には、制御部５０は、ステップＳ１で算出した圧縮機吐出圧力の第１目標値に、ステップＳ２で算出した加算値を加えることで、圧縮機吐出圧力の第２目標値を算出する。
ちなみに、前記した第１目標値が圧縮機吐出圧力の最適の目標値であるのに対して、第２目標値は、この最適の目標値よりも高めに設定されることとなる。なお、本実施形態での第２目標値は、８．５３ＭＰａ〜１４．５ＭＰａ程度に設定されているが、これに限定されるものではない。
【００３６】
次に、本実施形態に係るヒートポンプ給湯機Ｓでは、まず、圧縮機吐出圧力がこの第２目標値となるように、減圧弁５の開閉度合い（開度）が制御される（ステップＳ４）。つまり、第２目標値に対して圧力センサ８で検出した圧力が大きい場合には、減圧弁５を開くことで圧縮機３の高圧側冷媒圧力を第２目標値に近づける。これとは逆に、第２目標値に対して圧力センサ８で検出した圧力が小さい場合には、減圧弁５の開度を小さくすることで圧縮機３の高圧側冷媒圧力を第２目標値に近づける。
【００３７】
そして、制御部５０は、次のステップＳ５において、「温度センサ９の検出温度（圧縮機吐出温度の実測値）≧圧縮機吐出温度の目標値（ステップＳ１の吐出温度算出値）」、かつ「温度センサ１２の検出温度（水冷媒熱交換器４の水出口温度の実測値）≧水冷媒熱交換器４の水出口温度の目標値」である場合（ステップＳ５のＹｅｓ）には、第２目標値に代えて、圧縮機吐出圧力の第１目標値を基準とする減圧弁５の制御に移行し（ステップＳ６）、このサブルーチンを終了する。
【００３８】
また、「温度センサ９の検出温度（圧縮機吐出温度の実測値）≧圧縮機吐出温度の目標値（ステップＳ１の吐出温度算出値）」、かつ「温度センサ１２の検出温度（水冷媒熱交換器４の水出口温度の実測値）≧水冷媒熱交換器４の水出口温度の目標値」でない場合（ステップＳ５のＮｏ）には、ステップＳ４に戻る。
【００３９】
ちなみに、第２目標値から第１目標値に代える際の判定条件（解除条件）は、前記したステップＳ５の判定条件（解除条件）に限定されず、「温度センサ９の検出温度（圧縮機吐出温度の実測値）≧圧縮機吐出温度の目標値（ステップＳ１の吐出温度算出値）」、又は「温度センサ１２の検出温度≧水冷媒熱交換器４の水出口温度の目標値」とすることもできる。つまり、圧縮機吐出温度の実測値、及び水冷媒熱交換器４の水出口温度の実測値のいずれか一方が、所定の温度以上になっていれば、圧縮機３の高圧側冷媒圧力が第１目標値に近づくように減圧弁５の開度を制御する構成とすることができる。
ちなみに、温度センサ９の検出温度（圧縮機吐出温度の実測値）は、特許請求の範囲にいう「圧縮機高圧側温度の実測値」に相当し、圧縮機吐出温度の目標値（ステップＳ１の吐出温度算出値）は、特許請求の範囲にいう「圧縮機高圧側温度の目標値」に相当する。
【００４０】
また、第２目標値から第１目標値に代える際の判定条件（解除条件）は、前記したように、所定の温度の大小関係を基準に判定するのではなく、所定の時間が経過した後に、第２目標値から第１目標値に代える構成とすることもできる。
ちなみに、この所定の時間としては、例えば、予めシミュレーション試験を行って求めた水冷媒熱交換器４の水出口温度が所定の目標値に達する時間が挙げられる。この時間は、温度センサ１４の検出温度（外気温度）、及び温度センサ１１の検出温度（水冷媒熱交換器４に送り込まれる水の温度）に対応するように複数設定され、これらは、所定の関数又はマップとして制御部５０のメモリに記録されることとなる。
また、第２目標値から第１目標値に代える際の判定条件（解除条件）は、圧縮機吐出温度の目標値と温度センサ９の検出温度（圧縮機吐出温度の実測値）との差が、予め設定した温度差以下となる条件とすることもできる。
【００４１】
以上のように、本実施形態に係るヒートポンプ給湯機Ｓにおいては、その起動から圧縮機３の冷媒吐出圧力及び吐出温度が安定するまでの間に、制御部５０によって、圧縮機３の高圧側吐出圧力が第１目標値よりも大きい第２目標値に近づくように減圧弁５が制御されると共に、前記した所定の解除条件を満足した際に、圧縮機３の高圧側吐出圧力が第２目標値から第１目標値に近づくように減圧弁５が制御される。
【００４２】
次に参照する図３は、本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機において、減圧弁の開閉を行って圧縮機吐出圧力を制御する際に、圧縮機吐出圧力の第２目標値から第１目標値に切り替えるタイミングを示すタイムチャートである。なお、図３中、横軸は、紙面左側から右側に向かってヒートポンプ給湯機Ｓの始動からの経過時間を表し、左縦軸は、経過時間に応じて変化する圧縮機３から吐出される冷媒の圧力を表し、右縦軸は、圧縮機３から吐出される冷媒の温度、又は水冷媒熱交換器４の水出口の温度を表している。
【００４３】
ちなみに、図３の横軸において、ｔ１は、圧縮機３の高圧側冷媒圧力（圧縮機吐出圧力）の実測値（圧力センサ８の検出圧力）が第２目標値に到達していても、圧縮機３の高圧側冷媒温度（圧縮機吐出温度）の実測値（温度センサ９の検出温度）、及び水冷媒熱交換器４の水出口温度（水冷媒熱交換器の水出口温度）の実測値（温度センサ１２の検出温度）がそれぞれの目標値に到達していない時刻である。
【００４４】
また、ｔ２は、圧縮機３の高圧側冷媒圧力（圧縮機吐出圧力）の実測値（圧力センサ８の検出圧力）が第２目標値に到達し、圧縮機３の高圧側冷媒温度（圧縮機吐出温度）の実測値（温度センサ９の検出温度）、及び水冷媒熱交換器４の水出口温度（水冷媒熱交換器の水出口温度）の実測値（温度センサ１２の検出温度）の両方がそれぞれの目標値に到達している時刻である。
【００４５】
図３に示すように、ヒートポンプ給湯機Ｓが始動すると、圧縮機３が駆動することで、圧縮機吐出圧力が時間経過と共に上昇し、圧縮機吐出温度も時間経過と共に上昇する。この際、圧縮機吐出圧力は、第２目標値に近づくように減圧弁５の開度が制御部５０によって制御される。
そして、圧縮機吐出圧力は、圧縮機吐出温度及び水冷媒熱交換器の水出口温度よりも応答がよく、圧縮機吐出温度及び水冷媒熱交換器の水出口温度がそれぞれの目標値に到達する前に、第２目標値に到達する（図３の時刻ｔ１参照）。
そして、圧縮機吐出圧力は、制御部５０によって、第２目標値となるように維持される（図３の時刻ｔ１から時刻ｔ２参照）。
【００４６】
一方、圧縮機吐出温度及び水冷媒熱交換器の水出口温度は、圧縮機吐出圧力が第２目標値に到達した後も、更に上昇し続ける。なお、圧縮機吐出温度は、水冷媒熱交換器の水出口温度よりも高くなっている。
そして、時刻ｔ２において、圧縮機吐出温度及び水冷媒熱交換器４の水出口温度の両方がそれぞれの目標値に到達した際に、図２のステップＳ５に示す判定条件を満足することとなって、制御部５０が、圧縮機吐出圧力を第１目標値に近づけるように減圧弁５の開度を制御する。その結果、圧縮機吐出圧力が第１目標値を維持するようになると共に、目標値を超えていた圧縮機吐出温度は、その目標値に近づいていく。また、水冷媒熱交換器４の水出口温度は、その目標値に維持される。
【００４７】
次に参照する図４は、本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機における冷凍サイクルのモリエル線図である。このモリエル線図は、図３の時刻ｔ１から時刻ｔ２の間における冷凍サイクルを示したものであり、圧縮機吐出圧力は、第２目標値となるように運転されている。そして、この第２目標値は、前記したように、圧縮機吐出圧力の最適目標値である第１目標値に加算値（図２に示すステップＳ２の加算値参照）が加えられて設定されている。したがって、図４に示すように、圧縮機吐出圧力の目標値を第２目標値に設定した場合は、圧縮機吐出圧力の目標値を第１目標値に設定した場合よりも、圧縮機３が冷媒を圧縮する際の冷媒に対する加熱能力が増加（エンタルピーが増加）している。
【００４８】
以上のような本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機Ｓによれば、加熱能力を本来必要とされる値よりも一時的に過剰とすることができるので、図３に示す「水冷媒熱交換器の水出口温度」の目標値に到達する時間が短縮することとなる。つまり、このヒートポンプ給湯機Ｓによれば、ヒートポンプユニット１の起動初期段階において、より速やかに圧縮機吐出圧力及び圧縮機吐出温度の目標値、並びに水冷媒熱交換器４の水出口温度の目標値に到達することができる。
また、このヒートポンプ給湯機Ｓによれば、より速やかに圧縮機吐出圧力及び圧縮機吐出温度の目標値、並びに水冷媒熱交換器４の水出口温度の目標値に到達することができるので、減圧弁５の制御、圧縮機３の制御、循環ポンプ１３の制御を安定的に行うことができる。
【００４９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、種々の形態で実施することができる。
前記実施形態では、制御部５０が、圧縮機吐出圧力が第２目標値に近づくように減圧弁５の開度を調整し、その後、圧縮機吐出圧力が第１目標値に近づくように減圧弁５の開度を調整するように構成されているが、本発明は、圧縮機吐出圧力が第１及び第２のそれぞれの目標値に近づくように制御できれば減圧弁５の開度を調節する構成に限定されるものではない。したがって、本発明のヒートポンプ給湯機Ｓにおいては、圧縮機吐出圧力が第２目標値に近づくように圧縮機３の回転速度が調整された後に、第１目標値に近づくように減圧弁５の開度が調整される構成や、圧縮機吐出圧力が第２目標値に近づくように減圧弁５の開度を調整された後に、第１目標値に近づくように圧縮機３の回転速度が調整される構成、あるいは圧縮機吐出圧力が第２目標値に近づくように圧縮機３の回転速度が調整された後に、第１目標値に近づくように圧縮機３の回転速度が調整される構成とすることもできる。
【符号の説明】
【００５０】
１ ヒートポンプユニット
２ 貯湯ユニット
２ａ 冷媒伝熱管
２ｂ 水伝熱管
３ 圧縮機
４ 水冷媒熱交換器（熱交換器）
５ 減圧弁
６ 蒸発器
７ 送風機
８ 圧力センサ
９ 温度センサ
１０ 温度センサ
１１ 温度センサ
１２ 温度センサ
１３ 循環ポンプ
１４ 温度センサ
１６ タンク
３６ 送出配管
５０ 制御部
Ｓ ヒートポンプ給湯機
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ給湯機及び冷凍サイクルに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ヒートポンプ給湯機は、その機器構成と、必要とされる加熱能力と、目標とする被加熱流体（例えば、水）の沸上げ温度とが決定していると、成績係数（ＣＯＰ）が最大となるサイクル状態が存在する。
従来、このようなサイクル状態を実現するために、圧縮機の高圧側冷媒温度、圧縮機の高圧側冷媒圧力、熱交換器の出入口における被加熱流体の温度差等に基づいて、所定の制御部がサイクル制御を行うヒートポンプ給湯機が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このようなヒートポンプ給湯機によれば、継続的に高い成績係数を発揮することによって、被加熱流体を加熱するために必要な動力を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２５５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のヒートポンプ給湯機（例えば、特許文献１参照）においては、圧縮機の高圧側冷媒圧力に基づいてサイクル制御を行う際に、前記した高圧側冷媒圧力は、前記した高圧側冷媒温度よりも応答性がよく、ヒートポンプ給湯機の起動後、高圧側冷媒圧力が安定するまでの時間は、高圧側冷媒温度が安定するまでの時間よりも短くなる。そのため、ヒートポンプ給湯機を起動した際には、高圧側冷媒温度よりも高圧側冷媒圧力の方が先に安定してしまい、制御部は、高圧側冷媒温度が目標温度に達していないにも関わらず、サイクル状態が安定したものと判定する場合がある。
また、制御部が圧縮機の高圧側冷媒圧力を制御する際の目標値は、被加熱流体の質量流量が変化することによってその最適範囲が変化するが、ヒートポンプ給湯機の起動初期段階においては、被加熱流体の質量流量が変化し易いために、制御が発散する問題もある。
つまり、起動初期段階において圧縮機の高圧側冷媒圧力及び高圧側冷媒温度を目標値に安定させる時間を短縮することができるヒートポンプ給湯機が望まれていた。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、起動初期段階において圧縮機の高圧側冷媒圧力及び高圧側冷媒温度を目標値に安定させる時間を短縮することができるヒートポンプ給湯機及び冷凍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】
【０００６】
前記課題を解決する本発明は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出される高温高圧の冷媒と被加熱流体との熱交換を行う熱交換器と、前記熱交換器から流出した冷媒を凝縮する減圧弁と、前記減圧弁から流出した冷媒を蒸発させる蒸発器と、を備えるヒートポンプ給湯機において、このヒートポンプ給湯機の起動時に、前記熱交換器に流入する際の被加熱流体の温度、被加熱流体の沸上げ温度の目標値、前記熱交換器に送り込まれる被加熱流体の質量流量、外気温度及びヒートポンプ給湯機の加熱能力の少なくともいずれか一つに基づいて圧縮機吐出圧力の第１目標値が設定されると共に、この第１目標値よりも高い圧力となるように圧縮機吐出圧力の第２目標値が設定され、圧縮機吐出圧力が前記第２目標値に近づくように前記減圧弁の開度及び前記圧縮機の回転速度の少なくともいずれか一方を制御すると共に、起動後にこの制御の所定の解除条件を満たした際に、圧縮機吐出圧力が前記第１目標値に近づくように前記減圧弁の開度及び前記圧縮機の回転速度のいずれか一方を制御する制御部を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、起動初期段階において圧縮機の高圧側冷媒圧力及び高圧側冷媒温度を目標値に安定させる時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機の構成説明図である。
【図２】本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機の制御部が、減圧弁の開閉度合い（開度）を制御する際に実行する手順を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機において、減圧弁の開閉を行って圧縮機吐出圧力を制御する際に、圧縮機吐出圧力の第２目標値から第１目標値に切り替えるタイミングを示すタイムチャートである。
【図４】本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機における冷凍サイクルのモリエル線図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。本発明のヒートポンプ給湯機は、その起動から圧縮機の高圧側への冷媒吐出圧力（圧縮機吐出圧力）、冷媒吐出温度（圧縮機吐出温度）等が安定するまでの間に、制御部が、圧縮機吐出圧力をその第１目標値（最適目標値）よりも大きい第２目標値に近づくように制御し、その後、所定の解除条件を満足した際には、圧縮機吐出圧力を第２目標値に代えて第１目標値（最適目標値）に近づくように制御するように構成されている。
以下では、本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機Ｓの全体構成について説明した後に、制御部について更に具体的に説明する。
【００１０】
図１に示すように、ヒートポンプ給湯機Ｓは、ヒートポンプユニット１と貯湯ユニット２とを備えている。
前記ヒートポンプユニット１は、圧縮機３と、水冷媒熱交換器４と、減圧弁５と、蒸発器６と、制御部５０と、で主に構成されている。そして、圧縮機３、水冷媒熱交換器４、減圧弁５、及び蒸発器６は、この順番で冷媒が循環するように配管で環状に連結されている。なお、本実施形態での冷媒としては、二酸化炭素が使用されている。そして、ヒートポンプユニット１では、圧縮機３より吐出される冷媒（二酸化炭素）の吐出圧力が臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを使用している。
【００１１】
圧縮機３は、環状の回路から戻ってきた冷媒を圧縮すると共に、圧縮した高温のガス冷媒（以下、ホットガスということがある）を再び環状の回路に送り出している。更に具体的には、蒸発器６から戻ってきた冷媒を圧縮して水冷媒熱交換器４に向かって送り出している。
圧縮機３は、容量制御が可能で、高温貯湯（例えば、９０℃）を行う場合は、通常よりも速い回転速度（例えば、３０００〜４０００回転／分）で運転する。また、通常の貯湯温度（例えば、６５℃）で運転する場合は、比較的遅い回転速度（例えば、１０００〜２０００回転／分）で運転する。また、圧縮機３は、ＰＷＭ制御、電圧制御（例えばＰＡＭ制御）及びこれらの組み合わせ制御により、低速（例えば、１０００回転／分）から高速（例えば６０００回転／分）まで回転速度の制御が行えるようになっている。
圧縮機３と次に説明する水冷媒熱交換器４とを接続する配管には、圧縮機３寄りに、圧縮機３の高圧側冷媒温度（圧縮機吐出温度）を検出する温度センサ９が設けられると共に、高圧側冷媒圧力（圧縮機吐出圧力）を検出する圧力センサ８が設けられている。
【００１２】
水冷媒熱交換器４は、凝縮器として機能するものであり、圧縮機３から吐出されたホットガスを流通させる冷媒伝熱管２ａと、水を流通させる水伝熱管２ｂとを備えている。これらの冷媒伝熱管２ａ及び水伝熱管２ｂは、冷媒と水とが相互に熱交換するよう密着して設けられている。
なお、水冷媒熱交換器４は、特許請求の範囲にいう「熱交換器」に相当する。また、水伝熱管２ｂを流通する水は、特許請求の範囲にいう「被加熱流体」に相当するが、本発明での「被加熱流体」は、冷媒と所定の熱交換器で熱交換して加熱されると共に、水を加熱する二次熱媒体であってもよい。
【００１３】
減圧弁５は、水冷媒熱交換器４と蒸発器６との間に配置される配管の途中に設けられており、電動膨張弁が使用されている。この減圧弁５は、水冷媒熱交換器４からの中温高圧冷媒を減圧し、蒸発し易い低圧冷媒として蒸発器６に送り出している。そして、減圧弁５は、絞り開度（開閉度合い）が調節可能となっており、制御部５０がこの絞り開度を変えてヒートポンプユニット１での冷媒循環量を調節する。そして、制御部５０は、後記するように、減圧弁５の絞り開度を変えることで、圧縮機３の吐出圧力（圧縮機吐出圧力）を調節することとなる。
ちなみに、減圧弁５は、蒸発器６に着霜した場合に、絞り開度を全開にしてデフロストを行うようにも働く。
【００１４】
蒸発器６は、送風機７の回転によって外気を取り入れた空気（送風）と、蒸発器６内を流通する冷媒との熱交換を行って、外気から熱を汲み上げるものである。そして、冷媒は、この蒸発器６から圧縮機３に戻されることとなる。
符号１０は、蒸発器６の下流側で冷媒の温度を検出する温度センサである。制御部５０は、この温度センサ１０の検出する温度に基づいて蒸発器６でのデフロストを行うか否かを判定し、デフロストを行う場合には減圧弁５を全開にする。符号１４は、外気温度を検出する温度センサであり、本実施形態での温度センサ１４は、送風機７の近傍に設けられている。なお、制御部５０は、後記するように、この温度センサ１４の検出する温度を参照要素の一つとして、圧縮機吐出圧力の第１目標値及び第２目標値を算出することとなる。
【００１５】
符号３６は、送出配管であり、送出配管３６の一端は、水冷媒熱交換器４の水伝熱管２ｂの出口に接続されている。この送出配管３６は、冷媒で加熱された水（被加熱流体）を水冷媒熱交換器４から送り出すようになっている。送出配管３６は、後記するタンク１６側に向かって延出している。
送出配管３６の水冷媒熱交換器４寄りには、水冷媒熱交換器４の水出口温度（被加熱流体出口温度）を検出する温度センサ１２が設けられている。
【００１６】
符号３５は、供給配管であり、供給配管３５は、前記冷媒で加熱される水（被加熱流体）を水冷媒熱交換器４に供給するものである。供給配管３５の一端は、水冷媒熱交換器４の水伝熱管２ｂの入口に接続されている。この供給配管３５は、後記するタンク１６側に向かって延出している。そして、供給配管３５には、循環ポンプ１３が、水冷媒熱交換器４の下流側に配置されている。なお、本実施形態での循環ポンプ１３は、水（被加熱流体）を水伝熱管２ｂの入口側に送り込むように駆動する。そして、循環ポンプ１３は、循環水の流量（質量流量）、流速及び圧力が自由に選択できるように構成されている。
そして、供給配管３５の水冷媒熱交換器４寄りには、水冷媒熱交換器４の水入口温度を検出する温度センサ１１が設けられている。
【００１７】
次に、このようなヒートポンプユニット１と共にヒートポンプ給湯機Ｓを構成する貯湯ユニット２について説明する。
貯湯ユニット２は、水（被加熱流体）を貯蔵するタンク１６を備えている。
このタンク１６は、送出配管３６の他端と接続されている。そして、タンク１６は、給湯配管３８ｂの一端と接続されている。給湯配管３８ｂの他端には、図示しない給湯口が設けられる。
【００１８】
タンク１６は、供給配管３５の他端とも接続されている。そして、タンク１６は、給水配管３８ａの一端と接続されている。給水配管３８ａの他端には、図示しない給水口が設けられる。
給水配管３８ａは、タンク１６の上流側から分岐して、給湯配管３８ｂにその先端が合流するように接続される分岐配管３８ｃを備えている。この分岐配管３８ｃは、湯水混合弁１７を介して給湯配管３８ｂに接続されている。
ちなみに、湯水混合弁１７は、その開口度合いに応じて、給水配管３８ａ及び分岐配管３８ｃを介して給湯配管３８ｂに流れ込む水の量を調節することで、給湯配管３８ｂの他端に設けられる給湯口（図示省略）から出る湯の温度を調節する。
【００１９】
制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路等を含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、本実施形態に係るヒートポンプ給湯機Ｓを総合的に制御するようになっている。そして、制御部５０は、前記したように、温度センサ１０の検出する温度（蒸発器６の出口冷媒温度）に基づいて蒸発器６のデフロストを行うほか、温度センサ９，１１，１２，１４の検出した温度、及び圧力センサ８の検出した圧力などに基づいて、後記する手順により圧縮機吐出圧力の第１目標値、及び第２目標値、並びに圧縮機３の吐出温度の目標値を算出すると共に、これらの検出値（実測値）及び目標値に基づいて、圧縮機３の回転速度及び減圧弁５の開度を制御する。
【００２０】
次に、本実施形態に係るヒートポンプ給湯機Ｓの動作について説明する。
このヒートポンプ給湯機Ｓでは、タンク１６内に所定の温度で所定の湯量を確保するのに先立って、タンク１６を満たすように水が供給される。この際、タンク１６には、残存する湯に加えられるように、図示しない給水口から給水配管３８ａを介して水が加えられる。もちろん、タンク１６が空の場合には、その全てが水で満たされる。
以下では、タンク１６に残存する湯と新たに加えられた水とを一緒にして単に「水」ということがある。
【００２１】
そして、ヒートポンプ給湯機Ｓは、タンク１６が水で満たされてから、貯湯運転工程を実施する。
ヒートポンプ給湯機Ｓは、起動した圧縮機３が吐出するホットガスを水冷媒熱交換器４（凝縮器）の冷媒伝熱管２ａに送り込む。冷媒伝熱管２ａに送り込まれたホットガスは、水伝熱管２ｂ内の水に熱を放出することで凝縮する。そして、水伝熱管２ｂ内の水はホットガスで加熱される。
【００２２】
次いで、水冷媒熱交換器４（凝縮器）の冷媒伝熱管２ａから送り出された冷媒は、減圧弁５（膨張弁）で減圧された後に、蒸発器６に流れ込む。そして、流れ込んだ冷媒は、送風機７から送り込まれた風によって蒸発する際に、水冷媒熱交換器４を介して外気から熱を汲み上げる。その後、冷媒は、圧縮機３に戻って再び圧縮される。
【００２３】
その一方で、タンク１６に満たされた水は、循環ポンプ１３が起動することで、供給配管３５を介して水冷媒熱交換器４の水伝熱管２ｂ内に送り込まれる。そして、送り込まれた水は、前記したように、冷媒との熱交換で加熱されて湯となって、送出配管３６に流れ込む。
送出配管３６に流れ込んだ湯は、タンク１６に戻って貯蔵される。このようにタンク１６と水冷媒熱交換器４との間で水が循環する間に、ヒートポンプ給湯機Ｓは、タンク１６内に所定の温度で所定の湯量を確保する。
【００２４】
そして、ヒートポンプ給湯機Ｓの制御部５０は、このような起動時において、圧縮機３、循環ポンプ１３、及び減圧弁５を次のよう制御する。
【００２５】
制御部５０は、圧縮機３の回転速度を温度センサ１２で検出される水冷媒熱交換器４の水出口温度に基づいて制御する。具体的には、制御部５０は、温度センサ１２で検出される温度が、予め設定された水出口温度の目標値となるように、圧縮機３の回転速度を制御する。つまり、目標値に対して温度センサ１２の検出温度（計測値）が低い場合には圧縮機３の回転速度を速め、これとは逆に検出温度（計測値）が高い場合には圧縮機３の回転速度を遅くする。
【００２６】
また、制御部５０は、循環ポンプ１３が水冷媒熱交換器４の水伝熱管２ｂに送り込む水の量を、予め求めた圧縮機３の目標回転速度に基づいて制御する。具体的には、圧縮機３の目標回転速度に対して実回転速度が遅い場合には、水伝熱管２ｂに送り込まれる水の量が増えるように循環ポンプ１３を制御し、これとは逆に圧縮機３の実回転速度が速い場合には、水伝熱管２ｂに送り込まれる水の量が減るように循環ポンプ１３を制御する。
【００２７】
なお、前記した圧縮機３の目標回転速度は、制御部５０が、前記した水冷媒熱交換器４の水出口温度の目標値のほか、ヒートポンプユニット１の目標加熱能力（出力）、温度センサ１４の検出温度（外気温度）、及び温度センサ１１の検出温度（水冷媒熱交換器４の水伝熱管２ｂに送り込まれる水の温度）に基づいて設定することもできる。圧縮機３の目標回転速度の具体例としては、例えば、前記したように、高温貯湯（例えば、９０℃）を行う場合には、３０００〜４０００回転／分の範囲で設定され、通常の貯湯温度（例えば、６５℃）で運転する場合は、１０００〜２０００回転／分の範囲で設定されるが、これに限定されるものではない。
【００２８】
また、制御部５０は、ヒートポンプ給湯機Ｓが起動した際に、次のような手順を実行することで減圧弁５の開閉動作を制御する。次に参照する図２は、本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機の制御部が、減圧弁の開閉度合い（開度）を制御する際に実行する手順を説明するためのフローチャートである。
【００２９】
ヒートポンプユニット１が起動すると、図２に示すように、制御部５０（図１参照）は、圧縮機３の高圧側冷媒圧力（圧縮機吐出圧力）の第１目標値と、圧縮機３の高圧側冷媒温度（圧縮機吐出温度）の目標値とを算出する（ステップＳ１）。
【００３０】
圧縮機吐出圧力の第１目標値は、温度センサ１１の検出温度（水冷媒熱交換器４の水伝熱管２ｂに送り込まれる水の温度）、水冷媒熱交換器４の水出口温度の目標値（例えば、前記した９０℃又は６５℃）、水冷媒熱交換器４に送り込まれる水の質量流量、温度センサ１４の検出温度（外気温度）、及びヒートポンプユニット１の加熱能力（出力）から選ばれる少なくとも２つに基づいて算出されることが望ましいが、これらのいずれか一つに基づいて設定することもできる。なお、前記した水冷媒熱交換器４の水出口温度の目標値は、特許請求の範囲にいう「被加熱流体の沸上げ温度の目標値」に相当する。
【００３１】
また、圧縮機吐出温度の目標値は、温度センサ１１の検出温度（水冷媒熱交換器４の水伝熱管２ｂに送り込まれる水の温度）、水冷媒熱交換器４の水出口温度の目標値（例えば、前記した９０℃又は６５℃）、水冷媒熱交換器４に送り込まれる水の質量流量、温度センサ１４の検出温度（外気温度）、及びヒートポンプユニット１の加熱能力（出力）から選ばれる少なくとも２つに基づいて算出されることが望ましいが、これらのいずれか一つに基づいて設定することもできる。
【００３２】
ちなみに、本実施形態での圧縮機吐出圧力の第１目標値は、例えば、８．５ＭＰａ〜１３ＭＰａ程度に設定することができるが、これに限定されるものではない。また、本実施形態での圧縮機吐出温度の目標値は、例えば、水冷媒熱交換器４の水出口温度の目標値（例えば、前記した９０℃又は６５℃）に合わせてこの範囲に対応する範囲で設定することができるが、これに限定されるものではない。
【００３３】
次に、制御部５０は、前記した圧縮機吐出圧力の第１目標値に加算する加算値（圧縮機吐出圧力の加算値）を算出する（ステップＳ２）。本実施形態での加算値は、温度センサ１１の検出温度（水冷媒熱交換器４の水伝熱管２ｂに送り込まれる水の温度）、水冷媒熱交換器４の水出口温度の目標値（例えば、前記した９０℃又は６５℃）、水冷媒熱交換器４に送り込まれる水の質量流量、温度センサ１４の検出温度（外気温度）、及びヒートポンプユニット１の加熱能力（出力）から選ばれる少なくとも２つに基づいて算出されることが望ましいが、これらのいずれか一つに基づいて設定することもできる。
【００３４】
ちなみに、本実施形態での加算値は、例えば、前記した圧縮機吐出圧力の第１目標値に対する加算値の割合（１００×加算値／圧縮機吐出圧力の第１目標値［％］）が、０．２％〜１７．７％程度となるように設定され、望ましくは０．０３ＭＰａ〜１．５ＭＰａ程度に設定されているが、これに限定されるものではない。
【００３５】
そして、制御部５０は、圧縮機吐出圧力の第２目標値を算出する（ステップＳ３）。具体的には、制御部５０は、ステップＳ１で算出した圧縮機吐出圧力の第１目標値に、ステップＳ２で算出した加算値を加えることで、圧縮機吐出圧力の第２目標値を算出する。
ちなみに、前記した第１目標値が圧縮機吐出圧力の最適の目標値であるのに対して、第２目標値は、この最適の目標値よりも高めに設定されることとなる。なお、本実施形態での第２目標値は、８．５３ＭＰａ〜１４．５ＭＰａ程度に設定されているが、これに限定されるものではない。
【００３６】
次に、本実施形態に係るヒートポンプ給湯機Ｓでは、まず、圧縮機吐出圧力がこの第２目標値となるように、減圧弁５の開閉度合い（開度）が制御される（ステップＳ４）。つまり、第２目標値に対して圧力センサ８で検出した圧力が大きい場合には、減圧弁５を開くことで圧縮機３の高圧側冷媒圧力を第２目標値に近づける。これとは逆に、第２目標値に対して圧力センサ８で検出した圧力が小さい場合には、減圧弁５の開度を小さくすることで圧縮機３の高圧側冷媒圧力を第２目標値に近づける。
【００３７】
そして、制御部５０は、次のステップＳ５において、「温度センサ９の検出温度（圧縮機吐出温度の実測値）≧圧縮機吐出温度の目標値（ステップＳ１の吐出温度算出値）」、かつ「温度センサ１２の検出温度（水冷媒熱交換器４の水出口温度の実測値）≧水冷媒熱交換器４の水出口温度の目標値」である場合（ステップＳ５のＹｅｓ）には、第２目標値に代えて、圧縮機吐出圧力の第１目標値を基準とする減圧弁５の制御に移行し（ステップＳ６）、このサブルーチンを終了する。
【００３８】
また、「温度センサ９の検出温度（圧縮機吐出温度の実測値）≧圧縮機吐出温度の目標値（ステップＳ１の吐出温度算出値）」、かつ「温度センサ１２の検出温度（水冷媒熱交換器４の水出口温度の実測値）≧水冷媒熱交換器４の水出口温度の目標値」でない場合（ステップＳ５のＮｏ）には、ステップＳ４に戻る。
【００３９】
ちなみに、第２目標値から第１目標値に代える際の判定条件（解除条件）は、前記したステップＳ５の判定条件（解除条件）に限定されず、「温度センサ９の検出温度（圧縮機吐出温度の実測値）≧圧縮機吐出温度の目標値（ステップＳ１の吐出温度算出値）」、又は「温度センサ１２の検出温度≧水冷媒熱交換器４の水出口温度の目標値」とすることもできる。つまり、圧縮機吐出温度の実測値、及び水冷媒熱交換器４の水出口温度の実測値のいずれか一方が、所定の温度以上になっていれば、圧縮機３の高圧側冷媒圧力が第１目標値に近づくように減圧弁５の開度を制御する構成とすることができる。
ちなみに、温度センサ９の検出温度（圧縮機吐出温度の実測値）は、特許請求の範囲にいう「圧縮機高圧側温度の実測値」に相当し、圧縮機吐出温度の目標値（ステップＳ１の吐出温度算出値）は、特許請求の範囲にいう「圧縮機高圧側温度の目標値」に相当する。
【００４０】
また、第２目標値から第１目標値に代える際の判定条件（解除条件）は、前記したように、所定の温度の大小関係を基準に判定するのではなく、所定の時間が経過した後に、第２目標値から第１目標値に代える構成とすることもできる。
ちなみに、この所定の時間としては、例えば、予めシミュレーション試験を行って求めた水冷媒熱交換器４の水出口温度が所定の目標値に達する時間が挙げられる。この時間は、温度センサ１４の検出温度（外気温度）、及び温度センサ１１の検出温度（水冷媒熱交換器４に送り込まれる水の温度）に対応するように複数設定され、これらは、所定の関数又はマップとして制御部５０のメモリに記録されることとなる。
また、第２目標値から第１目標値に代える際の判定条件（解除条件）は、圧縮機吐出温度の目標値と温度センサ９の検出温度（圧縮機吐出温度の実測値）との差が、予め設定した温度差以下となる条件とすることもできる。
【００４１】
以上のように、本実施形態に係るヒートポンプ給湯機Ｓにおいては、その起動から圧縮機３の冷媒吐出圧力及び吐出温度が安定するまでの間に、制御部５０によって、圧縮機３の高圧側吐出圧力が第１目標値よりも大きい第２目標値に近づくように減圧弁５が制御されると共に、前記した所定の解除条件を満足した際に、圧縮機３の高圧側吐出圧力が第２目標値から第１目標値に近づくように減圧弁５が制御される。
【００４２】
次に参照する図３は、本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機において、減圧弁の開閉を行って圧縮機吐出圧力を制御する際に、圧縮機吐出圧力の第２目標値から第１目標値に切り替えるタイミングを示すタイムチャートである。なお、図３中、横軸は、紙面左側から右側に向かってヒートポンプ給湯機Ｓの始動からの経過時間を表し、左縦軸は、経過時間に応じて変化する圧縮機３から吐出される冷媒の圧力を表し、右縦軸は、圧縮機３から吐出される冷媒の温度、又は水冷媒熱交換器４の水出口の温度を表している。
【００４３】
ちなみに、図３の横軸において、ｔ１は、圧縮機３の高圧側冷媒圧力（圧縮機吐出圧力）の実測値（圧力センサ８の検出圧力）が第２目標値に到達していても、圧縮機３の高圧側冷媒温度（圧縮機吐出温度）の実測値（温度センサ９の検出温度）、及び水冷媒熱交換器４の水出口温度（水冷媒熱交換器の水出口温度）の実測値（温度センサ１２の検出温度）がそれぞれの目標値に到達していない時刻である。
【００４４】
また、ｔ２は、圧縮機３の高圧側冷媒圧力（圧縮機吐出圧力）の実測値（圧力センサ８の検出圧力）が第２目標値に到達し、圧縮機３の高圧側冷媒温度（圧縮機吐出温度）の実測値（温度センサ９の検出温度）、及び水冷媒熱交換器４の水出口温度（水冷媒熱交換器の水出口温度）の実測値（温度センサ１２の検出温度）の両方がそれぞれの目標値に到達している時刻である。
【００４５】
図３に示すように、ヒートポンプ給湯機Ｓが始動すると、圧縮機３が駆動することで、圧縮機吐出圧力が時間経過と共に上昇し、圧縮機吐出温度も時間経過と共に上昇する。この際、圧縮機吐出圧力は、第２目標値に近づくように減圧弁５の開度が制御部５０によって制御される。
そして、圧縮機吐出圧力は、圧縮機吐出温度及び水冷媒熱交換器の水出口温度よりも応答がよく、圧縮機吐出温度及び水冷媒熱交換器の水出口温度がそれぞれの目標値に到達する前に、第２目標値に到達する（図３の時刻ｔ１参照）。
そして、圧縮機吐出圧力は、制御部５０によって、第２目標値となるように維持される（図３の時刻ｔ１から時刻ｔ２参照）。
【００４６】
一方、圧縮機吐出温度及び水冷媒熱交換器の水出口温度は、圧縮機吐出圧力が第２目標値に到達した後も、更に上昇し続ける。なお、圧縮機吐出温度は、水冷媒熱交換器の水出口温度よりも高くなっている。
そして、時刻ｔ２において、圧縮機吐出温度及び水冷媒熱交換器４の水出口温度の両方がそれぞれの目標値に到達した際に、図２のステップＳ５に示す判定条件を満足することとなって、制御部５０が、圧縮機吐出圧力を第１目標値に近づけるように減圧弁５の開度を制御する。その結果、圧縮機吐出圧力が第１目標値を維持するようになると共に、目標値を超えていた圧縮機吐出温度は、その目標値に近づいていく。また、水冷媒熱交換器４の水出口温度は、その目標値に維持される。
【００４７】
次に参照する図４は、本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機における冷凍サイクルのモリエル線図である。このモリエル線図は、図３の時刻ｔ１から時刻ｔ２の間における冷凍サイクルを示したものであり、圧縮機吐出圧力は、第２目標値となるように運転されている。そして、この第２目標値は、前記したように、圧縮機吐出圧力の最適目標値である第１目標値に加算値（図２に示すステップＳ２の加算値参照）が加えられて設定されている。したがって、図４に示すように、圧縮機吐出圧力の目標値を第２目標値に設定した場合は、圧縮機吐出圧力の目標値を第１目標値に設定した場合よりも、圧縮機３が冷媒を圧縮する際の冷媒に対する加熱能力が増加（エンタルピーが増加）している。
【００４８】
以上のような本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機Ｓによれば、加熱能力を本来必要とされる値よりも一時的に過剰とすることができるので、図３に示す「水冷媒熱交換器の水出口温度」の目標値に到達する時間が短縮することとなる。つまり、このヒートポンプ給湯機Ｓによれば、ヒートポンプユニット１の起動初期段階において、より速やかに圧縮機吐出圧力及び圧縮機吐出温度の目標値、並びに水冷媒熱交換器４の水出口温度の目標値に到達することができる。
また、このヒートポンプ給湯機Ｓによれば、より速やかに圧縮機吐出圧力及び圧縮機吐出温度の目標値、並びに水冷媒熱交換器４の水出口温度の目標値に到達することができるので、減圧弁５の制御、圧縮機３の制御、循環ポンプ１３の制御を安定的に行うことができる。
【００４９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、種々の形態で実施することができる。
前記実施形態では、制御部５０が、圧縮機吐出圧力が第２目標値に近づくように減圧弁５の開度を調整し、その後、圧縮機吐出圧力が第１目標値に近づくように減圧弁５の開度を調整するように構成されているが、本発明は、圧縮機吐出圧力が第１及び第２のそれぞれの目標値に近づくように制御できれば減圧弁５の開度を調節する構成に限定されるものではない。したがって、本発明のヒートポンプ給湯機Ｓにおいては、圧縮機吐出圧力が第２目標値に近づくように圧縮機３の回転速度が調整された後に、第１目標値に近づくように減圧弁５の開度が調整される構成や、圧縮機吐出圧力が第２目標値に近づくように減圧弁５の開度を調整された後に、第１目標値に近づくように圧縮機３の回転速度が調整される構成、あるいは圧縮機吐出圧力が第２目標値に近づくように圧縮機３の回転速度が調整された後に、第１目標値に近づくように圧縮機３の回転速度が調整される構成とすることもできる。
【符号の説明】
【００５０】
１ ヒートポンプユニット
２ 貯湯ユニット
２ａ 冷媒伝熱管
２ｂ 水伝熱管
３ 圧縮機
４ 水冷媒熱交換器（熱交換器）
５ 減圧弁
６ 蒸発器
７ 送風機
８ 圧力センサ
９ 温度センサ
１０ 温度センサ
１１ 温度センサ
１２ 温度センサ
１３ 循環ポンプ
１４ 温度センサ
１６ タンク
３６ 送出配管
５０ 制御部
Ｓ ヒートポンプ給湯機
【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、
前記圧縮機から吐出される高温高圧の冷媒と被加熱流体との熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器から流出した冷媒を凝縮する減圧弁と、
前記減圧弁から流出した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
を備えるヒートポンプ給湯機において、
このヒートポンプ給湯機の起動時に、前記熱交換器に流入する際の被加熱流体の温度、被加熱流体の沸上げ温度の目標値、前記熱交換器に送り込まれる被加熱流体の質量流量、外気温度及びヒートポンプ給湯機の加熱能力の少なくともいずれか一つに基づいて圧縮機吐出圧力の第１目標値が設定されると共に、この第１目標値よりも高い圧力となるように圧縮機吐出圧力の第２目標値が設定され、
圧縮機吐出圧力が前記第２目標値に近づくように前記減圧弁の開度及び前記圧縮機の回転速度の少なくともいずれか一方を制御すると共に、起動後にこの制御の所定の解除条件を満たした際に、圧縮機吐出圧力が前記第１目標値に近づくように前記減圧弁の開度及び前記圧縮機の回転速度の少なくともいずれか一方を制御する制御部を備えることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
【請求項２】
請求項１に記載のヒートポンプ給湯機において、
圧縮機吐出圧力の前記第１目標値は、前記熱交換器に流入する際の被加熱流体の温度、被加熱流体の沸上げ温度の目標値、前記熱交換器に送り込まれる被加熱流体の質量流量、外気温度、及びヒートポンプ給湯機の加熱能力から選ばれる少なくとも２つに基づいて算出されることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のヒートポンプ給湯機において、
圧縮機吐出圧力の前記第２目標値は、前記熱交換器に流入する際の被加熱流体の温度、被加熱流体の沸上げ温度の目標値、前記熱交換器に送り込まれる被加熱流体の質量流量、外気温度、及びヒートポンプ給湯機の加熱能力から選ばれる少なくとも２つに基づいて算出されることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機において、
前記所定の解除条件は、ヒートポンプ給湯機の起動後、予め定められた時間が経過する条件であることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機において、
前記所定の解除条件は、前記圧縮機高圧側温度の目標値と圧縮機高圧側温度の実測値との差が、予め設定した温度差以下となることであることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機における冷凍サイクルであって、
二酸化炭素を冷媒とし、圧縮機より吐出される冷媒の吐出圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを使用していることを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項１】
吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出される高温高圧の冷媒と被加熱流体との熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器から流出した冷媒を凝縮する減圧弁と、
前記減圧弁から流出した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
を備えるヒートポンプ給湯機において、
このヒートポンプ給湯機の起動時に、前記熱交換器に流入する際の被加熱流体の温度、被加熱流体の沸上げ温度の目標値、前記熱交換器に送り込まれる被加熱流体の質量流量、外気温度及びヒートポンプ給湯機の加熱能力の少なくともいずれか一つに基づいて圧縮機吐出圧力の第１目標値が設定されると共に、この第１目標値よりも高い圧力となるように圧縮機吐出圧力の第２目標値が設定され、
圧縮機吐出圧力が前記第２目標値に近づくように前記減圧弁の開度及び前記圧縮機の回転速度の少なくともいずれか一方を制御すると共に、起動後にこの制御の所定の解除条件を満たした際に、圧縮機吐出圧力が前記第１目標値に近づくように前記減圧弁の開度及び前記圧縮機の回転速度の少なくともいずれか一方を制御する制御部を備えることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
【請求項２】
請求項１に記載のヒートポンプ給湯機において、
圧縮機吐出圧力の前記第１目標値は、前記熱交換器に流入する際の被加熱流体の温度、被加熱流体の沸上げ温度の目標値、前記熱交換器に送り込まれる被加熱流体の質量流量、外気温度、及びヒートポンプ給湯機の加熱能力から選ばれる少なくとも２つに基づいて算出されることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のヒートポンプ給湯機において、
圧縮機吐出圧力の前記第２目標値は、前記熱交換器に流入する際の被加熱流体の温度、被加熱流体の沸上げ温度の目標値、前記熱交換器に送り込まれる被加熱流体の質量流量、外気温度、及びヒートポンプ給湯機の加熱能力から選ばれる少なくとも２つに基づいて算出されることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機において、
前記所定の解除条件は、ヒートポンプ給湯機の起動後、予め定められた時間が経過する条件であることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機において、
前記所定の解除条件は、前記圧縮機高圧側温度の目標値と圧縮機高圧側温度の実測値との差が、予め設定した温度差以下となることであることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機における冷凍サイクルであって、
二酸化炭素を冷媒とし、圧縮機より吐出される冷媒の吐出圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを使用していることを特徴とする冷凍サイクル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−７９７６９（Ｐ２０１３−７９７６９Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２０５９７（Ｐ２０１１−２２０５９７）
【出願日】平成２３年１０月５日（２０１１．１０．５）
【出願人】（３９９０４８９１７）日立アプライアンス株式会社 (3,043)
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月５日（２０１１．１０．５）
【出願人】（３９９０４８９１７）日立アプライアンス株式会社 (3,043)
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