JP5842718B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関する。

従来、特許文献１に、ヒートポンプ式給湯機に適用された蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置が開示されている。この特許文献１の冷凍サイクル装置は、サイクルの高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルとして構成され、給湯水と圧縮機吐出冷媒とを熱交換させる対向流型の水−冷媒熱交換器、および蒸発器から流出した低圧冷媒の気液を分離してサイクル内の余剰冷媒を蓄えるアキュムレータを備えている。

そして、この冷凍サイクル装置では、水−冷媒熱交換器から流出する冷媒の温度と水−冷媒熱交換器へ流入する給湯水の温度との温度差ΔＴが予め定めた所定値に近づくようにサイクル構成機器の作動を制御することで、水−冷媒熱交換器の熱交換効率を向上させている。さらに、アキュムレータにて分離された気相冷媒を圧縮機へ吸入させることで、圧縮機の液圧縮を防止して、圧縮機の信頼性（耐久寿命）を向上させている。

特許第３２２７６５１号公報

ところが、サイクル内の余剰冷媒を蓄える余剰冷媒貯留手段としての機能を果たすアキュムレータは、比較的大きな搭載スペースを必要とすることから、冷凍サイクル装置全体としての小型化を図るためには、アキュムレータを廃止することが望ましい。

しかしながら、アキュムレータを廃止した冷凍サイクル装置において、特許文献１に記載された温度差ΔＴを所定値に近づけるような制御を行うと、例えば、外気温が低下した場合や水−冷媒熱交換器へ流入する給湯水の温度が上昇した場合のように、サイクルの低圧側に余剰液相冷媒が滞留する運転条件で圧縮機の液圧縮が生じ、圧縮機の信頼性を損なうおそれがある。

上記点に鑑み、本発明は、冷凍サイクル装置の圧縮機の信頼性を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（１４）と、圧縮機（１４）から吐出された吐出冷媒と熱交換対象流体とを熱交換させて、吐出冷媒を放熱させる放熱器（１５）と、放熱器（１５）から流出した冷媒を減圧させる減圧手段（１６）と、減圧手段（１６）にて減圧された低圧冷媒と外気とを熱交換させて、低圧冷媒を蒸発させる蒸発器（１７）と、減圧手段（１６）の出口側から圧縮機（１４）の吸入口側へ至るサイクルの低圧側に余剰液相冷媒が滞留する冷媒余剰運転状態になっていることを判定する余剰運転判定手段（Ｓ１１、Ｓ２１）と、余剰運転判定手段（Ｓ１１、Ｓ２１）によって冷媒余剰運転状態になっていることが判定された際に、圧縮機（１４）の吐出口側から減圧手段（１６）の入口側へ至るサイクルの高圧側の冷媒の密度を上昇させる冷媒密度制御手段（２１ｂ、２１ｃ）とを備え、
圧縮機（１４）の吐出口側から減圧手段（１６）の入口側へ至るサイクルの高圧側の冷媒圧力は、冷媒の臨界圧力以上となっており、冷媒密度制御手段（２１ｂ、２１ｃ）は、冷媒余剰運転状態であることが判定された際に、放熱器（１５）から流出する冷媒の出口側冷媒温度（Ｔｒｏ）と放熱器（１５）へ流入する熱交換対象流体の入口側温度（Ｔｗｉ）との温度差（ΔＴ）を縮小させる冷凍サイクル装置を特徴としている。

これによれば、余剰運転判定手段（Ｓ１１、Ｓ２１）によって冷媒余剰運転状態であることが判定された際に、冷媒密度制御手段（２１ｂ、２１ｃ）がサイクルの高圧側の冷媒の密度を上昇させるので、高圧側の冷媒量を増加させることができる。つまり、サイクルの低圧側の冷媒を高圧側へ移動させて、低圧側に余剰液相冷媒が滞留してしまうことを抑制できる。

従って、圧縮機（１４）に吸入される液相冷媒量を減少させることができ、余剰冷媒貯留手段が廃止された冷凍サイクル装置であっても、圧縮機（１４）の信頼性を向上させることができる。

具体的には、余剰運転判定手段（Ｓ１１）は、外気温（Ｔａｍ）が予め定めた基準外気温（ＫＴａｍ）よりも低くなった際に冷媒余剰運転状態であると判定し、さらに、冷媒密度制御手段（２１ｂ）は、冷媒余剰運転状態であることが判定された際に、放熱器（１５）から流出する冷媒の出口側冷媒温度（Ｔｒｏ）と放熱器（１５）へ流入する熱交換対象流体の入口側温度（Ｔｗｉ）との温度差（ΔＴ）を縮小させるように減圧手段（１６）の絞り開度を制御することによって、高圧側の冷媒の密度を上昇させるようにすればよい。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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ものである。

第１実施形態のヒートポンプ式給湯機の全体構成図である。 第１実施形態のヒートポンプ式給湯機の制御処理を示すフローチャートである。 第２実施形態のヒートポンプ式給湯機の制御処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態のうち、第１、第２実施形態は本発明の前提となる形態であり、第１、第２実施形態に他の実施形態に記載された事項を適用したものが特許請求の範囲に記載された発明の実施形態である。
（第１実施形態）
図１、２により、本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る冷凍サイクル装置（ヒートポンプサイクル）１３を、ヒートポンプ式給湯機１００に適用している。さらに、このヒートポンプ式給湯機１００は、図１に示すように、冷凍サイクル装置１３にて加熱された給湯水を貯留する貯湯タンク１０、貯湯タンク１０内の給湯水を循環させる水循環回路１１等を備えている。

貯湯タンク１０は、耐食性に優れた金属（例えば、ステンレス）で形成され、その外周を断熱材で覆う断熱構造あるいは二重タンクによる真空断熱構造等を有し、高温の給湯水を長時間保温することができる温水タンクである。

貯湯タンク１０に貯留された給湯水は、貯湯タンク１０の上部に設けられた出湯口から出湯され、図示しない温調弁において水道からの冷水と混合されて温度調節された後、室内の調理場や風呂等に給湯される。また、貯湯タンク１０の下部に設けられた給水口からは水道水が給水されるようになっている。

なお、温調弁は、後述するタンク側制御装置２０から出力される制御信号によって、その作動が制御される。また、貯湯タンク１０、出湯口および給水口に接続される給湯水配管等は、図１の破線で示すように、１つの筐体内に収容されてタンクユニット２００として一体的に構成されている。

次に、水循環回路１１は、貯湯タンク１０と後述する冷凍サイクル装置１３の水−冷媒熱交換器１５との間で給湯水を循環させる回路である。水循環回路１１には、給湯水を循環させる水圧送手段としての水循環ポンプ１２が配置されている。水循環ポンプ１２は、貯湯タンク１０の下方側に設けられた給湯水出口１０ａから流出した給湯水を吸入して、水−冷媒熱交換器１５の水通路１５ａへ給湯水を圧送する電動式の水ポンプである。

さらに、この水循環ポンプ１２の回転数（水圧送能力）は、後述するヒートポンプ側制御装置２１から出力される制御電圧によって制御される。そして、ヒートポンプ側制御装置２１が水循環ポンプ１２を作動させると、給湯水は、貯湯タンク１０の下方側に設けられた給湯水出口１０ａ→水循環ポンプ１２→水−冷媒熱交換器１５の水通路１５ａ→貯湯タンク１０の上方側に設けられた給湯水入口１０ｂの順に循環する。

次に、冷凍サイクル装置１３は、圧縮機１４、水−冷媒熱交換器１５、電気式膨張弁１６、蒸発器１７等を順次配管で接続した蒸気圧縮式の冷凍サイクルである。この冷凍サイクル装置１３では、冷媒として二酸化炭素を採用しており、圧縮機１４の吐出口側から電気式膨張弁１６の入口側へ至るサイクルの高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルを構成している。また、冷媒には圧縮機１４を潤滑するための冷凍機油が混入されており、冷凍機油は冷媒とともにサイクルを循環している。

圧縮機１４は、冷凍サイクル装置１３において冷媒を吸入し、臨界圧力以上となるまで圧縮して吐出するもので、吐出容量が固定された固定容量型圧縮機構１４ａを電動モータ１４ｂにて駆動する電動圧縮機である。固定容量型圧縮機構１４ａとしては、具体的に、スクロール型圧縮機構、ベーン型圧縮機構等の各種圧縮機構を採用できる。

電動モータ１４ｂは、ヒートポンプ側制御装置２１から出力される制御信号によって、その回転数が制御されるもので、交流モータ、直流モータのいずれの形式を採用してもよい。そして、この回転数制御によって、圧縮機１４の冷媒吐出能力が変更される。従って、本実施形態の電動モータ１４ｂは、圧縮機１４の吐出能力変更手段を構成している。

圧縮機１４の冷媒吐出口には、水−冷媒熱交換器１５の冷媒通路１５ｂ入口側が接続されている。水−冷媒熱交換器１５は、給湯水が通過する水通路１５ａと圧縮機１４から吐出された高温高圧の吐出冷媒が通過する冷媒通路１５ｂとを有し、圧縮機１４吐出冷媒の有する熱を熱交換対象流体である給湯水に放熱させる放熱器である。

この水−冷媒熱交換器１５の具体的構成としては、冷媒通路１５ｂの外周に水通路１５ａを配置して冷媒と冷却水とを熱交換させる構成や、冷媒通路１５ｂとして冷媒を流通させる蛇行状のチューブあるいは複数本のチューブを採用し、隣り合うチューブ間に水通路１５ａを形成し、さらに、冷媒と冷却水との間の熱交換を促進するコルゲートフィンやプレートフィンを設ける構成等を採用してもよい。

さらに、本実施形態では、水−冷媒熱交換器１５として、水通路１５ａを流れる給湯水の流れ方向と冷媒通路１５ｂを流れる冷媒の流れ方向が対向流となる熱交換器を採用している。

このような対向流型の熱交換器では、水通路１５ａ入口側の給湯水と冷媒通路１５ｂ出口側の冷媒とを熱交換させ、水通路１５ａ出口側の給湯水と冷媒通路１５ｂ入口側の冷媒とを熱交換させることができるので、熱交換領域の全域に亘って給湯水と冷媒との温度差を確保して熱交換効率を向上させることができる。

また、本実施形態の冷凍サイクル装置１３は、前述の如く、超臨界冷凍サイクルを構成しているので、水−冷媒熱交換器１５の冷媒通路１５ｂでは、冷媒は凝縮することなく超臨界状態のまま放熱する。

水−冷媒熱交換器１５の冷媒通路１５ｂ出口側には、電気式膨張弁１６の入口側が接続されている。電気式膨張弁１６は冷媒通路１５ｂから流出した冷媒を減圧させる減圧手段である。

より具体的には、この電気式膨張弁１６は、絞り開度を変更可能に構成された弁体１６ａと、この弁体１６ａの絞り開度を変化させるステッピングモータからなる電動アクチュエータ１６ｂとを有して構成される可変絞り機構である。さらに、電動アクチュエータ１６ｂは、ヒートポンプ側制御装置２１から出力される制御信号によって、その作動が制御される。

電気式膨張弁１６の出口側には、蒸発器１７が接続されている。蒸発器１７は、電気式膨張弁１６にて減圧された低圧冷媒と送風ファン１７ａにより送風された外気（室外空気）とを熱交換させることによって、低圧冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱用の熱交換器である。送風ファン１７ａは、ヒートポンプ側制御装置２１から出力される制御電圧によって回転数（送風空気量）が制御される外気送風手段である。

蒸発器１７の出口側には、圧縮機１４の冷媒吸入口が接続されている。以上の説明から明らかなように、本実施形態の冷凍サイクル装置１３では、従来技術のアキュムレータのような、サイクル内の余剰冷媒を蓄える余剰冷媒貯留手段が廃止されている。

また、上述した冷凍サイクル装置１３の各構成機器１４〜１７は、図１の一点鎖線で示すように、１つの筐体内に収容されてヒートポンプユニット３００として一体的に構成されて、タンクユニット２００と隣接するように室外に配置されている。また、本実施形態では、上述した水循環ポンプ１２もヒートポンプユニット３００側に配置されている。

次に、本実施形態の電気制御部の概要を説明する。タンク側制御装置２０およびヒートポンプ側制御装置２１は、それぞれ、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成されている。

タンク側制御装置２０の出力側には、前述の温調弁等が接続され、ヒートポンプ側制御装置２１の出力側には、水循環ポンプ１２、圧縮機１４の電動モータ１４ｂ、電気式膨張弁１６の電動アクチュエータ１６ｂ、および、送風ファン１７ａ等の各種制御対象機器が接続されている。そして、タンク側制御装置２０およびヒートポンプ側制御装置２１は、それぞれ出力側に接続された各種制御対象機器の作動を制御する。

なお、ヒートポンプ側制御装置２１は、水循環ポンプ１２等を制御する制御手段が一体に構成されたものであるが、本実施形態では、特に、ヒートポンプ側制御装置２１のうち、圧縮機１４の作動（冷媒吐出能力）を制御する構成（ハードウエアおよびソフトウエア）を吐出能力制御手段２１ａとし、電気式膨張弁１６の電動アクチュエータ１６ｂの作動を制御する構成を絞り開度制御手段２１ｂとし、さらに、送風ファン１７ａの作動（送風能力）を制御する構成を送風能力制御手段２１ｃとする。

もちろん、吐出能力制御手段２１ａ、絞り開度制御手段２１ｂ、送風能力制御手段２１ｃをヒートポンプ側制御装置２１に対して別体の制御装置として構成してもよい。

一方、タンク側制御装置２０の入力側には、貯湯タンク１０内に上下方向に並んで配置された複数個の給湯水温度検出手段としての図示しないタンク内水温センサ等が接続され、これらのセンサの検出信号がタンク側制御装置２０へ入力される。これにより、タンク側制御装置２０では、貯湯タンク１０内の水位レベルに応じた給湯水の温度を検出できるようになっている。

また、ヒートポンプ側制御装置２１の入力側には、水−冷媒熱交換器１５の水通路１５ａ入口側の給湯水温度である入口側給湯水温度Ｔｗｉを検出する給湯水入口温度センサ２２（流体入口温度検出手段）、水通路１５ａ出口側の給湯水温度である出口側給湯水温度Ｔｗｏを検出する給湯水出口温度センサ２３（流体出口温度検出手段）、水−冷媒熱交換器１５の冷媒通路１５ｂ出口側の冷媒温度である出口側冷媒温度Ｔｒｏを検出する冷媒出口温度センサ２４（冷媒出口温度検出手段）、蒸発器１７にて低圧冷媒と熱交換する外気温Ｔａｍを検出する外気温センサ２５（外気温検出手段）等が接続され、これらのセンサ群の検出信号がヒートポンプ側制御装置２１へ入力される。

さらに、タンク側制御装置２０およびヒートポンプ側制御装置２１には、操作パネル３０が接続され、ヒートポンプ式給湯機１００の作動・停止の操作信号、給湯機の給湯温度設定信号等がタンク側制御装置２０およびヒートポンプ側制御装置２１へ入力される。

また、タンク側制御装置２０およびヒートポンプ側制御装置２１は、互いに電気的に接続されており、通信可能に構成されている。これにより、一方の制御装置に入力された検出信号および操作信号に基づいて、他方の制御装置が出力側に接続された制御対象機器の作動を制御することもできる。従って、タンク側制御装置２０およびヒートポンプ側制御装置２１を１つの制御装置として一体的に構成してもよい。

次に、上記構成における本実施形態のヒートポンプ式給湯機１００の作動を説明する。ヒートポンプ式給湯機１００に外部から電源が供給された状態で、操作パネル３０の給湯機の作動信号がタンク側制御装置２０およびヒートポンプ側制御装置２１に入力されると、ヒートポンプ側制御装置２１が予め記憶回路に記憶している制御処理（制御プログラム）を実行する。

より具体的には、この制御処理のメインルーチンでは、操作パネル３０の操作信号およびセンサ群２２〜２５等により検出された検出信号を読み込み、読み込まれた操作信号および検出信号に基づいて、冷凍サイクル装置１３の各種制御対象機器（サイクル構成機器）１２、１４ｂ、１６ｂ、１７ａの制御状態を決定する。

例えば、圧縮機１４の電動モータ１４ｂへ出力される制御信号については、操作パネル３０からの給湯温度設定信号および外気温センサ２５により検出された検出外気温Ｔａｍに基づいて、予めヒートポンプ側制御装置２１に記憶された制御マップを参照して決定される。具体的には、給湯温度設定信号による設定温度の上昇および外気温Ｔａｍの低下に伴って、圧縮機１４の目標回転数（目標冷媒吐出能力）が増加するように決定される。

また、電気式膨張弁１６の電動アクチュエータ１６ｂに出力される制御信号については、冷凍サイクル装置１３の高圧側冷媒圧力が目標高圧となるように決定される。この目標高圧は、外気温Ｔａｍおよび圧縮機１４の冷媒吐出能力から推定される圧縮機１４吐出冷媒温度に基づいて、予めヒートポンプ側制御装置２１に記憶された制御マップを参照して、冷凍サイクル装置１３の成績係数（ＣＯＰ）が略最大となるように決定される。

なお、電気式膨張弁１６の電動アクチュエータ１６ｂに出力される制御信号については、フィードバック制御手法を用いて、冷媒出口温度センサ２４により検出された出口側冷媒温度Ｔｒｏから給湯水入口温度センサ２２により検出された入口側給湯水温度Ｔｗｉを減算した温度差ΔＴが予め定めた基準温度差ΔＫＴに近づくように決定して、水−冷媒熱交換器１５の熱交換効率を向上させるようにしてもよい。

また、送風ファン１７ａへ出力される制御電圧については、外気温Ｔａｍに基づいて、予めヒートポンプ側制御装置２１に記憶された制御マップを参照して決定される。また、水循環ポンプ１２へ出力される制御電圧については、フィードバック制御手法等を用いて、出口側給湯水温度Ｔｗｏが予め定めた目標出口側給湯温度（例えば、９０℃）に近づくように決定される。

そして、上記の如く決定された制御信号および制御電圧を各種制御対象機器へ出力する。その後、操作パネル３０によってヒートポンプ式給湯機１００の作動停止が要求されるまで、所定の制御周期毎に、上述の検出信号および操作信号の読み込み→各種制御対象機器の制御状態の決定→各種制御対象機器への制御電圧および制御信号の出力といったメインルーチンが繰り返される。

さらに、本実施形態では、ヒートポンプ側制御装置２１が、図２のフローチャートに示す制御処理を実行する。なお、図２の制御処理は、上述したメインルーチンのサブルーチンとして所定の制御周期毎に実行されるものである。

まず、ステップＳ１１では、外気温Ｔａｍが予め定めた基準外気温ＫＴａｍ（本実施形態では、１０℃）以下になっているか否か、あるいは、給湯水入口温度センサ２２により検出された入口側給湯水温度Ｔｗｉが予め定めた基準入口側温度ＫＴｗｉ（本実施形態では、３０℃）以上になっているか否かが判定される。

ここで、外気温Ｔａｍが低下すると、蒸発器１７における冷媒蒸発圧力が低下して、電気式膨張弁１６の出口側から圧縮機１４の吸入口側へ至るサイクルの低圧側の冷媒圧力が低下する。そのため、サイクルの高圧側の冷媒圧力も低下して、サイクルの高圧側の冷媒の密度が低下する。つまり、外気温Ｔａｍが低下すると、サイクルの高圧側の冷媒量が低下して、サイクルの低圧側に余剰液相冷媒が滞留しやすくなる。

また、入口側給湯水温度Ｔｗｉが上昇すると、水−冷媒熱交換器１５における冷媒の放熱量が減少する。そのため、水−冷媒熱交換器１５の冷媒通路１５ｂから流出する冷媒のエンタルピが低下しにくくなり、サイクルの高圧側の冷媒の密度が低下する。つまり、入口側給湯水温度Ｔｗｉが上昇すると、サイクルの高圧側の冷媒量が低下して、サイクルの低圧側に余剰液相冷媒が滞留しやすくなる。

そこで、ステップＳ１１にて、Ｔａｍ≦ＫＴａｍ、あるいは、Ｔｗｉ≧ＫＴｗｉの少なくとも一方を満たす場合には、サイクルの低圧側に余剰液相冷媒が滞留する冷媒余剰運転状態になっているものと判定してステップＳ１２へ進む。従って、本実施形態の制御ステップＳ１１は、特許請求の範囲に記載された余剰運転判定手段を構成している。一方、ステップＳ１１にて、Ｔａｍ≦ＫＴａｍ、あるいは、Ｔｗｉ≧ＫＴｗｉのいずれも満たさない場合は、メインルーチンへ戻る。

また、本実施形態の冷凍サイクル装置１３のように、余剰冷媒貯留手段が廃止されているサイクルでは、冷媒余剰運転状態になると圧縮機１４の液圧縮が生じ、圧縮機１４の信頼性を損なうおそれがある。この圧縮機１４の液圧縮を回避するためには、冷媒余剰運転状態になっていると判定された際に、サイクルの高圧側の冷媒の密度を上昇させることによって、低圧側の冷媒を高圧側へ移動させる手段が有効である。

さらに、冷媒の密度を上昇させるためには、モリエル線図上における冷媒の等密度線の傾きから、冷媒圧力を上昇させる手段と冷媒のエンタルピを低下させる手段が有効である。そこで、本実施形態の制御ステップＳ１２では、水−冷媒熱交換器１５の冷媒通路１５ｂから流出する冷媒の温度（すなわち、出口側冷媒温度Ｔｒｏ）が現在の値よりも低下するように電気式膨張弁１６へ出力する制御信号を変更してメインルーチンへ戻る。

より具体的には、本実施形態のステップＳ１２では、電気式膨張弁１６の絞り開度を縮小させるように制御信号を変更してメインルーチンへ戻る。つまり、本実施形態では、電気式膨張弁１６の作動を制御する絞り開度制御手段２１ｂが、特許請求の範囲に記載された冷媒密度制御手段としての機能を果たす。

従って、本実施形態のヒートポンプ式給湯機１００を作動させると、圧縮機１４から吐出された高温高圧の吐出冷媒が、水−冷媒熱交換器１５の冷媒通路１５ｂに流入して、水循環ポンプ１２によって貯湯タンク１０の下方側から水通路１５ａに流入した給湯水と熱交換する。これにより、給湯水が加熱され、加熱された給湯水は、貯湯タンク１０の上方側から流入して貯留される。

一方、水−冷媒熱交換器１５から流出した高圧冷媒は、電気式膨張弁１６にて減圧される。電気式膨張弁１６にて減圧された冷媒は、蒸発器１７へ流入し、送風ファン１７ａから送風された外気から吸熱して蒸発する。そして、蒸発器１７から流出した冷媒は、圧縮機１４へ吸入されて再び圧縮される。

さらに、本実施形態の冷凍サイクル装置１３では、余剰運転判定手段を構成する制御ステップＳ１１にて、冷媒余剰運転状態であることが判定された際に、冷媒密度制御手段を構成する絞り開度制御手段２１ｂが、サイクルの高圧側の冷媒の密度を上昇させるので、サイクルの高圧側の冷媒量を増加させることができる。つまり、サイクルの低圧側の冷媒を高圧側へ移動させて、低圧側に余剰液相冷媒が滞留してしまうことを抑制できる。

従って、圧縮機１４に吸入される液相冷媒量を減少させることができ、本実施形態の冷凍サイクル装置１３のように余剰冷媒貯留手段が廃止されていても、圧縮機１４の信頼性を向上させることができる。

さらに、本実施形態の冷凍サイクル装置１３では、冷媒余剰運転状態であることが判定された際に、サイクル構成機器の複雑な制御を行うことなく、出口側冷媒温度Ｔｒｏを低下させるように電気式膨張弁１６の絞り開度を縮小させるといった極めて容易な制御で、圧縮機１４の信頼性を向上させることができる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、余剰運転判定手段（制御ステップＳ１１）が冷媒余剰運転状態になっているか否かを所定の制御周期毎に判定する例を説明したが、本実施形態では、余剰運転判定手段が、ヒートポンプ式給湯機１００の起動時に、冷媒余剰運転状態になっているか否かを判定する例を説明する。

なお、本実施形態におけるヒートポンプ式給湯機１００の起動時とは、ヒートポンプ式給湯機１００にて給湯水を加熱する（沸き上げ運転）を開始する時を意味する。換言すると、水−冷媒熱交換器１５にて圧縮機１４吐出冷媒と給湯水が熱交換を開始する時と表現することができる。また、ヒートポンプ式給湯機１００（冷凍サイクル装置１３）の構成は第１実施形態と同様である。

本実施形態のヒートポンプ式給湯機１００では、外部から電源が供給された状態で、操作パネル３０の給湯機の作動信号がタンク側制御装置２０およびヒートポンプ側制御装置２１に入力されると、ヒートポンプ側制御装置２１が第１実施形態にて説明したメインルーチンに先立って図３のフローチャートに示す制御処理を実行する。

まず、ステップＳ２０では、操作パネル３０の操作信号およびセンサ群２２〜２５等により検出された検出信号を読み込む。続くステップＳ２１では、外気温Ｔａｍが予め定めた基準起動時外気温ＫＳＴａｍ（本実施形態では、１０℃）以下になっているか否か、あるいは、入口側給湯水温度Ｔｗｉが予め定めた基準起動時入口側温度ＫＳＴｗｉ（本実施形態では、３０℃）以上になっているか否かが判定される。

ここで、第１実施形態で説明したように、外気温Ｔａｍが比較的低い場合や入口側給湯水温度Ｔｗｉが比較的高い場合には、サイクルの高圧側の冷媒の密度が低下して、サイクルの低圧側に余剰液相冷媒が滞留しやすくなる。そこで、本実施形態では、制御ステップＳ２１にて、Ｔａｍ≦ＫＳＴａｍ、あるいは、Ｔｗｉ≧ＫＳＴｗｉの少なくとも一方を満たす場合には、冷媒余剰運転状態になっているものと判定してステップＳ２２へ進む。

従って、本実施形態の制御ステップＳ２１は、特許請求の範囲に記載された余剰運転判定手段を構成している。ステップＳ２２では、冷媒余剰運転状態であることを示すフラグをＯＮにしてメインルーチンへ進む。一方、ステップＳ２１にて、Ｔａｍ≦ＫＳＴａｍ、あるいは、Ｔｗｉ≧ＫＳＴｗｉのいずれも満たさない場合は、ステップＳ２３へ進み、冷媒余剰運転状態であることを示すフラグをＯＦＦとしてメインルーチンへ進む。

メインルーチンでは、第１実施形態で説明したように、操作パネル３０によってヒートポンプ式給湯機１００の作動停止が要求されるまで、所定の制御周期毎に、検出信号および操作信号の読み込み→各種制御対象機器の制御状態の決定→各種制御対象機器への制御電圧および制御信号の出力といった制御ルーチンが繰り返される。

この際、冷媒余剰運転状態であることを示すフラグがＯＮになっている場合は、水−冷媒熱交換器１５の冷媒通路１５ｂから流出する冷媒の温度（すなわち、出口側冷媒温度Ｔｒｏ）が現在の値よりも低下するように電気式膨張弁１６の電動アクチュエータ１６ｂに出力される制御信号が決定される。

さらに、本実施形態のメインルーチンでは、例えば、Ｔａｍ≦ＫＳＴａｍ、あるいは、Ｔｗｉ≧ＫＳＴｗｉのいずれも満たさなくなった場合等の予め定めた所定条件が成立した際に、冷媒余剰運転状態であることを示すフラグをＯＦＦにする。

従って、本実施形態のヒートポンプ式給湯機１００を作動させると、第１実施形態と同様に冷凍サイクル装置１３にて給湯水を加熱して、加熱された給湯水を貯湯タンク１０に貯留することができる。

さらに、本実施形態の冷凍サイクル装置１３では、ヒートポンプ式給湯機１００の起動時に冷媒余剰運転状態になっているか否かを判定するので、ヒートポンプ式給湯機１００の起動時にもサイクルの低圧側に余剰液相冷媒が滞留してしまうことを抑制して、圧縮機１４の信頼性を向上させることができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の実施形態では、冷媒余剰運転状態になっていると判定された際に、高圧側の冷媒の密度を上昇させるために、出口側冷媒温度Ｔｒｏを低下させるように電気式膨張弁１６の作動を制御した例を説明したが、出口側冷媒温度Ｔｒｏを低下させる制御対象はこれに限定されない。

例えば、余剰運転判定手段によって冷媒余剰運転状態になっていると判定された際に、出口側冷媒温度Ｔｒｏが現在の値よりも低下するように送風ファン１７ａへ出力される制御電圧を変更してもよい。より具体的には、送風ファン１７ａの送風能力を増加させるように制御電圧を変更してもよい。

これにより、蒸発器１７における冷媒の吸熱量を増加させて、水−冷媒熱交換器１５における冷媒の放熱量を増加させることができるので、サイクルの高圧側の冷媒の密度を上昇させることができる。なお、この場合は、送風ファン１７ａの作動を制御する送風能力制御手段２１ｃが、特許請求の範囲に記載された冷媒密度制御手段となる。

もちろん、出口側冷媒温度Ｔｒｏが現在の値よりも低下するように電気式膨張弁１６および送風ファン１７ａの双方の作動を制御してもよい。この場合は絞り開度制御手段２１ｂおよび送風能力制御手段２１ｃの双方が、冷媒密度制御手段となる。

（２）上述の実施形態では、冷媒余剰運転状態になっていると判定された際に、サイクルの高圧側の冷媒の密度を上昇させるための制御目標値として、出口側冷媒温度Ｔｒｏを採用した例を説明したが、サイクルの高圧側の冷媒の密度を上昇させるための制御目標値はこれに限定されない。

例えば、制御目標値として、サイクルの高圧側の冷媒圧力を採用し、この冷媒圧力を上昇させるようにしてもよい。また、制御目標値として、水−冷媒熱交換器１５の冷媒通路１５ｂから流出する冷媒の出口側冷媒温度Ｔｒｏと水通路１５ａへ流入する給湯水の入口側給湯水温度Ｔｗｉとの温度差ΔＴ（Ｔｒｏ−Ｔｗｉ）を採用し、この温度差ΔＴを縮小させるようにしてもよい。

（３）上述の実施形態では、余剰運転判定手段を構成する制御ステップＳ１１、Ｓ１２が、外気温Ｔａｍが予め定めた基準値（ＫＴａｍ、ＫＳＴａｍ）以上になっている場合、あるいは、入口側給湯水温度Ｔｗｉが予め定めた基準値（ＫＴｗｉ、ＫＳＴｗｉ）以上担っている場合に、冷媒余剰運転状態になっていると判定したが、冷媒余剰運転状態になっていることの判定はこれに限定されない。

例えば、水−冷媒熱交換器１５の水通路１５ａから流出する給湯水の出口側給湯水温度Ｔｗｏが予め定めた所定温度以下になった場合や、給湯温度設定信号による設定温度が予め定めた所定温度以下になった場合に、冷媒余剰運転状態になっていると判定してもよい。その理由は、出口側給湯水温度Ｔｗｏが低くなる運転条件では、高圧側の冷媒圧力が低下して高圧側の冷媒の密度が低下しやすいからである。

また、余剰運転判定手段が冷媒余剰運転状態になっていることを判定する際に、起動時には第２実施形態と同様の判定を行い、通常運転時には第１実施形態と同様の判定を行うようにしてもよい。

１４ 圧縮機
１５ 水−冷媒熱交換器
１６ 電気式膨張弁
１７ 蒸発器
２１ｂ 絞り開度制御手段
２１ｃ 送風能力制御手段

Claims (7)

1. 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（１４）と、
   前記圧縮機（１４）から吐出された吐出冷媒と熱交換対象流体とを熱交換させて、前記吐出冷媒を放熱させる放熱器（１５）と、
   前記放熱器（１５）から流出した冷媒を減圧させる減圧手段（１６）と、
   前記減圧手段（１６）にて減圧された低圧冷媒と外気とを熱交換させて、前記低圧冷媒を蒸発させる蒸発器（１７）と、
   前記減圧手段（１６）の出口側から前記圧縮機（１４）の吸入口側へ至るサイクルの低圧側に余剰液相冷媒が滞留する冷媒余剰運転状態になっていることを判定する余剰運転判定手段（Ｓ１１、Ｓ２１）と、
   前記余剰運転判定手段（Ｓ１１、Ｓ２１）によって前記冷媒余剰運転状態になっていることが判定された際に、前記圧縮機（１４）の吐出口側から前記減圧手段（１６）の入口側へ至るサイクルの高圧側の冷媒の密度を上昇させる冷媒密度制御手段（２１ｂ、２１ｃ）とを備え、
   前記圧縮機（１４）の吐出口側から前記減圧手段（１６）の入口側へ至るサイクルの高圧側の冷媒圧力は、冷媒の臨界圧力以上となっており、
   前記冷媒密度制御手段（２１ｂ、２１ｃ）は、前記冷媒余剰運転状態であることが判定された際に、前記放熱器（１５）から流出する冷媒の出口側冷媒温度（Ｔｒｏ）と前記放熱器（１５）へ流入する熱交換対象流体の入口側温度（Ｔｗｉ）との温度差（ΔＴ）を縮小させることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 外気温（Ｔａｍ）を検出する外気温検出手段（２５）を備え、
   前記余剰運転判定手段（Ｓ１１）は、前記外気温（Ｔａｍ）が予め定めた基準外気温（ＫＴａｍ）以下になった際に、前記冷媒余剰運転状態になっていると判定することを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記放熱器（１５）へ流入する熱交換対象流体の入口側温度（Ｔｗｉ）を検出する流体入口温度検出手段（２２）を備え、
   前記余剰運転判定手段（Ｓ１１）は、前記入口側温度（Ｔｗｉ）が予め定めた基準入口側温度（ＫＴｗｉ）以上となった際に、前記冷媒余剰運転状態になっていると判定することを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 外気温（Ｔａｍ）を検出する外気温検出手段（２５）を備え、
   前記余剰運転判定手段（Ｓ２１）は、前記放熱器（１５）にて前記吐出冷媒と前記熱交換対象流体が熱交換を開始する起動時に、前記外気温（Ｔａｍ）が予め定めた基準起動時外気温（ＫＳＴａｍ）以下になっている際には、前記冷媒余剰運転状態になっていると判定することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記放熱器（１５）へ流入する熱交換対象流体の入口側温度（Ｔｗｉ）を検出する流体入口温度検出手段（２２）を備え、
   前記余剰運転判定手段（Ｓ２１）は、前記放熱器（１５）にて前記吐出冷媒と前記熱交換対象流体が熱交換を開始する起動時に、前記入口側温度（Ｔｗｉ）が予め定めた基準起動時入口側温度（ＫＳＴｗｉ）以上になっている際には、前記冷媒余剰運転状態になっていると判定することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記冷媒密度制御手段（２１ｂ）は、前記冷媒余剰運転状態であることが判定された際に、前記減圧手段（１６）の絞り開度を縮小させることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記蒸発器（１７）に向けて前記外気を送風する外気送風手段（１７ａ）を備え、
   前記冷媒密度制御手段（２１ｃ）は、前記冷媒余剰運転状態であることが判定された際に、前記外気送風手段（１７ａ）の送風能力を増加させることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の冷凍サイクル装置。

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