JP2011102686A - 加熱システムにおける制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧損に応じた適切な初期値を設定できる加熱システムの設定方法を提供する。
【解決手段】加熱システムは加熱装置１とポンプ装置３とを備える。ポンプ装置３は湯水を入水配管ｈ１及び出湯配管ｈ２に可制御の流量で流す駆動を行う。加熱装置１はポンプ装置３の制御と相まって入水配管ｈ１を介して流入される湯水を加熱して湯水を出湯配管ｈ２へと供給する。湯水に所定の熱量を供給するようにポンプ装置の回転速度が制御される。ポンプ装置３の回転速度が定常状態にあるときの回転速度を検出し、回転速度が上記熱量に基づいて予め設定された基準値よりも大きいときには、回転速度初期値を増大させて更新する。
【選択図】図１

Description

本発明は加熱システムにおける制御方法に関し、特に加熱システムを起動する際の初期値を更新する方法に関する。

ヒートポンプ給湯装置は、ヒートポンプと、ヒートポンプへと湯水（お湯又は水）を供給する入水配管と、ヒートポンプによって加熱された湯水が送出される出湯配管と、入水配管および出湯配管を流れる湯水の流量を制御するポンプ装置と、出湯配管を介して湯水が供給されるタンク装置とを備えている。

ポンプ装置は湯水の流量を制御するモータを有し、かかるモータの回転速度が制御されて湯水の流量が制御される。回転速度と湯水の流量とは正の相関関係を呈する。回転速度に対する湯水の流量の傾きは入水配管及び出湯配管の圧力損失に依存し、圧力損失が大きいほど回転速度に対する流量は小さい。ここでいう配管の圧力損失とは、流体が配管内を流れるに従って、その流体の圧力が低減される量を表す。圧力損失は配管の長さが長いほど、配管の径が小さいほど、大きく、また配管に付着しているスケールの量が大きいほど大きい。

入水配管及び出湯配管の圧力損失は、ヒートポンプ給湯装置が設置される設置環境によって相違する。入水配管、出湯配管の配管長／配管の径、スケールの付着状態が設置環境によって相違するからである。

ヒートポンプ給湯装置の起動時において、例えば所定の回転速度初期値に基づいてポンプ装置が制御される。しかるに所定の回転速度初期値に対して、圧力損失が大きいと流量が不足する事態を招く。

特許文献１においては、圧力損失が大きく流量が不足する事態を防止するために、ヒートポンプ給湯装置に配管長設定手段を設け、かかる配管長設定手段に作業員が配管長を入力している。配管長設定手段に入力された配管長が基準値を超えていれば、流量を増大させる制御を行っていた。

なお本発明に関連する技術として特許文献２乃至６が開示されている。

特開２００８−２５９６２号公報 特開２００７−３２７７２５号公報 特開２００４−３０１１８６号公報 特開２００５−１４０４３９号公報 特開２００６−２６６５９６号公報 特開２００３−１３０４４７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、作業員が配管の長さを入力する必要があるので、作業員の負担を招くと共に、入力ミスの可能性があった。

そこで本発明は、圧損に応じた適切な初期値を設定できる加熱システムの制御方法を提供する。

本発明にかかる加熱システムにおける制御方法の第１の態様は、湯水を入水配管及びこれと連結する出湯配管に流す駆動を行うポンプ装置（３）と、前記ポンプ装置の制御と相まって入水配管（ｈ１）を介して流入される前記湯水を加熱し、前記湯水を出湯配管（ｈ２）へと供給する加熱装置（１）とを備える加熱システムにおいて、前記湯水に所定値の熱量が供給されるように前記ポンプ装置の回転速度を制御し、前記ポンプ装置の前記回転速度が定常状態にあるときの前記回転速度を検出し、前記回転速度が前記所定値に基づいて設定される基準値よりも大きいときには、次回運転時の前記回転速度についての初期値を増加させて更新する。

本発明にかかる加熱システムにおける制御方法の第２の態様は、第１の態様にかかる加熱システムにおける制御方法であって、前記ポンプ装置の前記回転速度が定常状態にあるときの前記回転速度が前記基準値よりも小さいときには、前記駆動速度初期値を減少させて更新する。

本発明にかかる加熱システムにおける制御方法の第３の態様は、請求項１又は２に記載の加熱システムにおける制御方法は所定期間ごとに繰り返し実行される。

本発明にかかる加熱システムにおける制御方法の第１の態様によれば、回転速度が基準値より大きいことを以って、入水配管及び出湯配管の圧損が大きいことを推察できる。よって、当該圧損に応じた適切な回転速度についての初期値で動作させることができ、圧損が大きい場合であっても流量の不足を抑制できる。

本発明にかかる加熱システムにおける制御方法の第２の態様によれば、回転速度が基準値より小さいことを以って、入水配管及び出湯配管の圧損が小さいことを推察でき、当該圧損に応じた適切な回転速度についての初期値で動作させることができる。

本発明にかかる加熱システムにおける制御方法の第３の態様によれば、入水配管及び出湯配管の経時劣化（例えばスケールの付着）による影響にも定期的に対応できる。

加熱システムの概念的な構成を示す図である。 駆動速度と湯水の流量との関係を示す図である。 制御部の処理を示すフローチャートである。 制御部の処理を示すフローチャートである。

第１の実施の形態．
＜構成＞
図１に示すように、本加熱システムは、加熱装置１と、入水配管ｈ１と、出湯配管ｈ２とを備えている。

ポンプ装置３は入水配管ｈ１又は出湯配管ｈ２上に設けられる。入水配管ｈ１と出湯配管ｈ２とは加熱装置１を介して互いに連結される。ポンプ装置３は湯水を入水配管ｈ１および出湯配管ｈ２に可制御の流量で流す駆動を行う。ポンプ装置は駆動機構としての電動機を有している。かかる電動機の回転駆動によって湯水の流量が制御される。電動機の回転速度と、湯水の流量とは正の相関関係を呈する。

加熱装置１は入水配管ｈ１から入水される低温の湯水を熱量で加熱する。そして加熱装置１は加熱後の高温の湯水を出湯配管ｈ２へと出湯する。加熱装置１が湯水へと与える熱量は制御部４によって制御される。

図１の例示では加熱装置１としてヒートポンプユニットが示されている。なお、加熱装置１はヒートポンプユニットに限らず、火（例えばガス火）により加熱する装置であっても、電気により加熱する他の装置であってもよい。

加熱装置１の一例たるヒートポンプユニットは熱交換器１１，１２と圧縮機１３と膨張弁１４とファン１５と冷媒配管１６を備えている。熱交換器１１，１２と圧縮機１３と膨張弁１４とは閉ループの冷媒配管１６上に設けられる。

圧縮機１３は冷媒配管１６を流れる冷媒を可制御の圧縮比で圧縮する。圧縮機１３が冷媒を圧縮する圧縮比は制御部４によって制御される。圧縮された冷媒は熱交換器１１へと送出され熱交換器１１にて凝縮する。つまり熱交換器１１は凝縮器として機能する。また熱交換器１１には入水配管ｈ１と出湯配管ｈ２とが接続されている。そして冷媒が凝縮することによって放出される熱は、熱交換器１１において、入水配管ｈ１から出湯配管ｈ２へと流れる湯水に与えられる。

熱交換器１１にて凝縮した冷媒は膨張弁１４を経由して熱交換器１２へと送られる。膨張弁１４は可制御の開度で冷媒の流量を制御する電磁弁である。膨張弁１４の開度を大きくするほど冷媒の流量を増大させることができる。膨張弁１４の開度は制御部４によって制御される。

膨張弁１４を経由した冷媒は熱交換器１２にて蒸発する。つまり熱交換器１２は蒸発器として機能する。冷媒が蒸発することによって冷媒へと吸収される熱は外部の空気（以下、外気とも呼ぶ）から得られる。

熱交換器１２にて蒸発した冷媒は再び圧縮機１３へと送られて、上述した各構成要素を循環する。

ファン１５は熱交換器１２へと空気を流して冷媒と空気との間の熱交換を促進させる。ファン１５の回転速度は一定であってもよく、制御部４によって可変に制御されてもよい。

このような加熱装置１において、例えば膨張弁１４によって冷媒の流量を低減させること、或いは圧縮機１３によって冷媒の圧力を増大させることにより、湯水へと与える熱量を増大させることができる。

図１の例示では、出湯配管ｈ２を流れる湯水の供給先の一例としてタンク装置２が示されている。出湯配管ｈ２の加熱装置１とは反対側の一端が、タンク装置２の例えば上部に設けられた吸入口２１に接続されている。タンク装置２は出湯配管ｈ２により供給される湯水を貯湯する。

またタンク装置２の例えば上部に設けられた吐出口２２には接続された給湯配管ｈ６の一端が接続される。給湯配管ｈ６の他端には例えばノズルが取り付けられて、ノズルが開いた状態でタンク装置２に貯湯された湯水がノズルから放出される。

また図１の例示ではタンク装置２の下部に設けられた吐出口２３には循環配管ｈ３の一端が接続されている。循環配管ｈ３の他端は三方弁Ｂ１の第１の接続口に接続されている。三方弁Ｂ１の第２の接続口には入水配管ｈ１の加熱装置１とは反対側の一端が接続されている。三方弁Ｂ１の第３の接続口には給水配管ｈ４の一端に接続される。三方弁Ｂ１は入水配管ｈ１を、循環配管ｈ３と給水配管ｈ４とのいずれか一方と選択的に接続させることができる。入水配管ｈ１と循環配管ｈ３とが接続された状態では、タンク装置２に貯湯された湯水は、循環配管ｈ３と入水配管ｈ１とを経由して加熱装置１へと供給され、加熱装置１にて加熱された後にタンク装置２へと戻る。よって、タンク装置２に貯湯された湯水をその貯湯量を変えずに加熱することができる。入水配管ｈ１と給水配管ｈ４とが接続された状態では外部からの湯水（ここでは水）が給水配管ｈ４と入水配管ｈ１とを経由して加熱装置１へと供給され、加熱装置１にて加熱された後にタンク装置２へと供給される。よって、タンク装置２へとその貯湯量を増大させて供給することができる。

制御部４は上述したように加熱装置１及びポンプ装置３を制御する。ここでは、制御部４はマイクロコンピュータと記憶装置を含んで構成される。マイクロコンピュータは、プログラムに記述された各処理ステップ（換言すれば手順）を実行する。上記記憶装置は、例えばＲＯＭ(Read Only Memory)、ＲＡＭ(Random Access Memory)、書き換え可能な不揮発性メモリ（ＥＰＲＯＭ(Erasable Programmable ROM)等）、ハードディスク装置などの各種記憶装置の１つ又は複数で構成可能である。当該記憶装置は、各種の情報やデータ等を格納し、またマイクロコンピュータが実行するプログラムを格納し、また、プログラムを実行するための作業領域を提供する。なお、マイクロコンピュータは、プログラムに記述された各処理ステップに対応する各種手段として機能するとも把握でき、あるいは、各処理ステップに対応する各種機能を実現するとも把握できる。また、制御部４はこれに限らず、制御部４によって実行される各種手順、あるいは実現される各種手段又は各種機能の一部又は全部をハードウェアで実現しても構わない。

＜起動方法＞
加熱システムの運転にて最初に実行される起動運転において、制御部４は予め設定された初期値に基づいてそれぞれ膨張弁１４と圧縮機１３とを制御する。

また加熱システムの起動運転において、ポンプ装置３は予め決定された回転速度初期値に基づいて制御される。具体的には、ポンプ装置３の回転速度が回転速度初期値と一致するように制御される。これにより、回転速度初期値に応じた流量で湯水が入水配管ｈ１と出湯配管ｈ２とを流れる。

但し、入水配管ｈ１および出湯配管ｈ２の圧力損失に応じてその流量は異なる。図２に例示すように、同じ流量を流すために、入水配管ｈ１および出湯配管ｈ２の圧力損失が大きいほど大きな回転速度を必要とする。なお、図２においては圧力損失が比較的大きいときの回転速度と湯水の流量との関係が実線で示され、圧力損失が比較的小さいときの回転速度と湯水の流量の関係とが破線で示されている。また図２においては回転速度と湯水の流量との関係を線形で示しているが、実際にはポンプ性能等に応じて曲線を採りえる。

なお、本加熱システムが所定の場所に設置された時点では、回転速度初期値は圧力損失に応じた適切な値ではない。そこで、以下で述べるように、制御部４は回転速度初期値を更新する処理を行う。

＜起動時の回転速度初期値の更新方法＞
制御部４は、湯水に所定の熱量が供給されるように加熱装置１及びポンプ装置３を制御し、ポンプ装置３の回転速度が定常状態にあるときの回転速度を検出し、回転速度が予め設定された基準値よりも大きいときには、回転速度初期値を増大させて更新する。以下、図３，４のフローチャートを参照して具体的な一例について説明する。

図３のフローチャートを実行することで、上記基準値を決定する。まずステップＳ１０にて、制御部４は加熱装置１およびポンプ装置３を運転する。具体的には、例えば制御部４が外部から起動指令を受け取ると、制御部４は予め定められた初期値に基づいて加熱装置１を制御し、予め定められた回転速度初期値に基づいてポンプ装置３を制御する。

次にステップＳ１１にて、制御部４は入水配管ｈ１に設けられた温度センサＴ１を用いて入水配管ｈ１を流れる湯水の入水温度Ｔｉｎを検出する。

次にステップＳ１２にて、制御部４は予め設定された出湯温度指令値Ｔｏｕｔ*を採用する。そして、制御部４は出湯温度指令値Ｔｏｕｔ*から入水温度Ｔｉｎを減算して温度ΔＴを算出する。温度ΔＴは後述する図４のフローチャートで示す処理に用いられる。なお制御部４は予め設定された所定の温度ΔＴを入水温度Ｔｉｎに加算して、出湯配管ｈ２を流れる湯水の出湯温度Ｔｏｕｔについて出湯温度指令値Ｔｏｕｔ*を算出してもよい。

次にステップＳ１３にて、制御部４は出湯配管ｈ２上に設けられた温度センサＴ２によって出湯温度Ｔｏｕｔを検出し、出湯温度Ｔｏｕｔが出湯温度指令値Ｔｏｕｔ*を中心とした所定の範囲に収まるようにポンプ装置３の回転速度を制御する。なお、湯水は加熱装置１から熱量を受け取ってその温度を温度ΔＴ上昇させることから、ステップＳ１３における処理は、制御部４が湯水へと所定の熱量を供給するようにポンプ装置３の回転速度を制御している、とも把握できる。

次にステップＳ１４にて、制御部４は回転速度が定常状態にあるときに、回転速度Ｒｒｅｆを検出する。回転速度Ｒｒｅｆは、ポンプ装置３が有する電動機の回転位置を検出してかかる回転位置から算出されてもよく、電動機へと与える電流の値を検出してかかる値から算出されてもよい。制御部４は自身が具備する不揮発性記録媒体に回転速度Ｒｒｅｆを記録する。なお、図３の処理によれば、回転速度Ｒｒｅｆは湯水に供給される上記所定の熱量に基づいて設定された値と把握できる。

次に、実際に使用される設置環境Ｂに設置された加熱システムおいて、図４のフローチャートを実行する。なお設置環境Ｂにおける入水配管ｈ１及び出湯配管ｈ２の圧力損失は、設置環境Ａにおけるそれと相違する。

ステップＳ２０〜ステップＳ２３の処理はステップＳ１０〜ステップＳ１３の処理と同じであるので詳細な説明は省略する。但し、外気の温度によってもヒートポンプの加熱能力が変動する。よって加熱装置１は外気の温度に基づいて、ステップＳ１０における加熱装置１の加熱能力と同程度の加熱能力を発揮するように制御されてもよい。なお、ここでいう同程度の加熱能力とは、入水配管ｈ１および出湯配管ｈ２を同じ流量の湯水が流れているときに、加熱装置１が湯水へと同じ熱量を与えることを意味する。

ステップＳ２０〜ステップＳ２３の処理によれば、湯水の温度変化が設置環境Ａの場合と同じ温度ΔＴである。しかも、加熱装置１は設置環境Ａの場合と同じ加熱能力を発揮する。したがって、設置環境ＡにおいてステップＳ１０〜Ｓ１３の処理によって流れる湯水の流量と、設置環境ＢにおいてステップＳ２０〜Ｓ２３の処理によって流れる湯水の流量とは互いに一致する。

次にステップＳ２４にて、制御部４はポンプ装置３の回転速度が定常状態にあるときに、回転速度Ｒを検出する。

次にステップＳ２５にて、制御部４は回転速度Ｒと基準値たる回転速度Ｒｒｅｆとの大小関係を判別する。ステップＳ２５にて、回転速度Ｒが回転速度Ｒｒｅｆよりも大きいと判断すると、ステップＳ２６にて制御部４は回転速度初期値を増大させて更新する。

ステップＳ２５において、回転速度Ｒが回転速度Ｒｒｅｆよりも大きいと判断されるので、設置環境Ｂにおける圧力損失が設置環境Ａにおける圧力損失よりも大きいことが推察できる（図２も参照）。よって、設置環境Ｂにおいては、予め定められた回転速度初期値での流量が所望の値に達しておらず流量不足を招いていると推察される。

本制御方法によれば、ステップＳ２６の処理にて回転速度初期値を増大させて更新しているので、次回以降に加熱システムを起動する場合の流量不足を解消できる。

ステップＳ２５にて、回転速度Ｒが回転速度Ｒｒｅｆよりも小さいと判断すると、ステップＳ２７にて、制御部４は回転速度初期値を低減させて更新する。

ステップＳ２５において、回転速度Ｒが回転速度Ｒｒｅｆよりも小さいと判断されているので、設置環境Ｂにおける圧力損失が設置環境Ａにおける圧力損失よりも小さいことが推察できる。よって、設置環境Ｂにおいては、予め定められた回転速度初期値での流量が所望の値を超えていると推察される。流量が所望の値より大きければ、湯水の温度が所定の出湯温度Ｔｏｕｔに達するまでの期間が長くなる。

本制御方法によれば、ステップＳ２７の処理にて回転速度初期値を低減させて更新しているので、次回以降に加熱システムを起動する場合に、湯水の温度が出湯温度Ｔｏｕｔに達するまでの期間を短縮できる。換言すれば、湯水の温度の立ち上がりを早めることができる。

しかも作業員が配管長を入力する必要がないので、作業員の負担を低減すると共に、入力ミスを招来しない。

なお、ステップＳ２３にて、加熱装置１が設置環境Ａにおける加熱装置１の加熱能力と同程度の加熱能力を発揮するように制御されているが、必ずしもこれに限らない。例えば次の処理でもよい。設置環境Ａにおいて複数の外気温度にて図３の処理を実行して、複数の外気温度についての複数の回転速度Ｒｒｅｆを取得する。そして、ステップＳ２３において加熱装置１は初期値に基づいて制御され、ステップＳ２５において外気温度を検出し、回転速度Ｒと、検出した外気温度についての回転速度Ｒｒｅｆとの大小関係を判別してもよい。

また、ステップＳ２６にて、回転速度初期値の更新と共に、或いはこれに換えて、冷媒循環量の初期値を低下させて更新してもよく、圧縮機の周波数の初期値を低下させて更新してもよい。これにより、次回以降に加熱システムを起動する場合の次の問題を回避できる。即ち流量が所望の値に達していないと湯水の温度が必要以上に高まる。熱交換器１１において湯水は熱移動によって冷媒から熱量を受け取るので、湯水の温度が必要以上に高まれば湯水は冷媒の圧力を十分に低下させるに足る熱量を受け取ることができない。よって冷媒の圧力が想定以上に高まる。

ステップＳ２６によれば冷媒循環量を低下させるので、熱交換器１１において冷媒の圧力が想定以上に高まるという事態を回避できる。ひいては圧縮機１３の保護につながる。

またステップＳ２７にて、回転速度初期値の更新と共に、或いはこれに換えて、冷媒循環量の初期値を増大させて更新してもよく、圧縮機の周波数の初期値を増大させて更新してもよい。これにより、次の問題を回避できる。即ち流量が所望の値を超えていると、湯水の温度が所望の値に達する期間が長くなる。ステップＳ２７によれば、次回以降に加熱システムを起動する場合の加熱装置１の加熱能力が高まるので、湯水の温度の立ち上がりを早めることができる。

なお、図４の例示では、回転速度Ｒが回転速度Ｒｒｅｆよりも大きいか小さいかによってステップＳ２６，Ｓ２７の処理を実行しているが、回転速度Ｒが回転速度Ｒｒｅｆよりも所定値以上大きいときにステップＳ２６を実行し、回転速度Ｒが回転速度Ｒｒｅｆよりも所定値以上小さいときにステップＳ２７を実行してもよい。

また入水配管ｈ１および出湯配管ｈ２の圧力損失は、例えばスケールの付着などによって経年劣化する。よって、ステップＳ２６，Ｓ２７の処理の実行後に、回転速度Ｒｒｅｆを回転速度Ｒに更新し、例えば加熱システムの起動毎に、或いは例えば半年毎に図４のフローチャートを実行してもよい。

これによって、経年変化による圧力損失の劣化を反映した適切な回転速度初期値で、加熱システムを起動することができる。

１ 加熱装置
３ ポンプ装置
ｈ１ 入水配管
ｈ２ 出湯配管
Ｔ１，Ｔ２ 温度センサ

Claims (3)

1. 湯水を入水配管及びこれと連結する出湯配管に流す駆動を行うポンプ装置（３）と、
   前記ポンプ装置の制御と相まって入水配管（ｈ１）を介して流入される前記湯水を加熱し、前記湯水を出湯配管（ｈ２）へと供給する加熱装置（１）とを備える加熱システムにおいて、
   前記湯水に所定値の熱量が供給されるように前記ポンプ装置の回転速度を制御し、
   前記ポンプ装置の前記回転速度が定常状態にあるときの前記回転速度を検出し、
   前記回転速度が前記所定値に基づいて設定される基準値よりも大きいときには、次回運転時の前記回転速度についての初期値を増加させて更新する、加熱システムにおける制御方法。
2. 前記ポンプ装置の前記回転速度が定常状態にあるときの前記回転速度が前記基準値よりも小さいときには、前記駆動速度初期値を減少させて更新する、請求項１に記載の加熱システムにおける制御方法。
3. 請求項１又は２に記載の加熱システムにおける制御方法は所定期間ごとに繰り返し実行される、加熱システムにおける制御方法。

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