JP2011163575A - ヒートポンプ式温水供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】目標出湯温度と給水温度との温度差が大きい場合であっても、高元側圧縮機の吐出温度の上昇を抑制することができるヒートポンプ式温水供給装置を得る。
【解決手段】加熱用熱交換器２から流出する被加熱流体の温度の目標値を制御する目標出湯温度制御手段と、目標値に応じて、加熱用熱交換器２での加熱能力を制御する加熱能力制御手段とを備え、目標出湯温度制御手段は、設定された目標値である第一の目標出湯温度Ｔｔａｇ１と給水温度Ｔｗｉとの温度差が一定値（ＤＴ１）以上の場合、一定時間ごとに、給水温度Ｔｗｉに所定の温度（ＤＴ２）を加えた第二の目標出湯温度Ｔｔａｇ２を求め、加熱能力制御手段は、出湯温度が第二の目標出湯温度Ｔｔａｇ２となるように、加熱用熱交換器２での加熱能力を制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は、二元冷凍サイクルを用いたヒートポンプ式温水供給装置に関するものである。

従来の技術では、例えば「圧縮機、給湯用熱交換器、絞り装置、及び蒸発器を配管で接続したヒートポンプサイクルと、前記ヒートポンプサイクルを用いて加熱された液体を循環させることにより蓄熱する蓄熱ユニットと、前記給湯用熱交換器への入水温度を検出する入水温度検出手段とを備え、前記蓄熱ユニット、循環ポンプ、前記給湯用熱交換器を配管で接続し、前記入水温度検出手段で検出した温度に基づいて、前記給湯用熱交換器の水出口の温度である出湯温度の目標値を決定することを特徴とするヒートポンプ給湯装置。」が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１０９１０１号公報（請求項１）

二元冷凍サイクルを用いたヒートポンプ式温水供給装置は、被加熱流体が循環する負荷回路と、冷媒が循環する高元側冷媒回路および低元側冷媒回路とを備えている。そして、高元側冷媒回路の凝縮器として作用する加熱用熱交換器により、高元側冷媒回路の冷媒と被加熱流体との熱交換を行う。また、高元側冷媒回路の蒸発器および低元側冷媒回路の凝縮器として作用する中間用熱交換器により、高元側冷媒回路の冷媒と低元側冷媒回路の冷媒との熱交換を行う。

しかしながら従来の技術においては、加熱用熱交換器に流入する被加熱流体の温度（給水温度）と、加熱用熱交換器から流出する被加熱流体の温度（出湯温度）の目標値との温度差が大きい状態で、目標とする出湯温度を確保するように加熱用熱交換器での加熱能力（凝縮能力）を制御した場合、高元側圧縮機の吐出温度が圧縮機の信頼性を保障する温度以上となる可能性がある、という問題点があった。

また、低元側冷媒回路の凝縮能力が高元側冷媒回路の蒸発能力に対して過大になると、高元側圧縮機の吐出温度が圧縮機の信頼性を確保できる温度以上となる可能性がある、という問題点があった。
さらには、低元側冷媒回路の凝縮能力次第では、高元側冷媒回路での加熱能力（凝縮能力）が、目標とする加熱能力に到達しない可能性がある、という問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、目標出湯温度と給水温度との温度差が大きい場合であっても、高元側圧縮機の吐出温度の上昇を抑制することができるヒートポンプ式温水供給装置を得ることを目的とする。
また、高元側圧縮機の吐出温度の上昇を抑制しつつ、目標とする出湯温度に応じた加熱能力を確保することができるヒートポンプ式温水供給装置を得ることを目的とする。

この発明に係るヒートポンプ式温水供給装置は、第一の圧縮機と、被加熱流体を加熱する第一の熱交換器と、第一の膨張弁と、第二の熱交換器とを環状に接続し、冷媒を循環させる第一の冷媒回路と、第二の圧縮機と、前記第二の熱交換器と、第二の膨張弁と、第三の熱交換器とを環状に接続し、冷媒を循環させる第二の冷媒回路と、循環ポンプと、前記第一の熱交換器と、前記被加熱流体の熱を放熱する放熱器とを環状に接続し、前記被加熱流体を循環させる負荷回路と、前記第一の熱交換器に流入する前記被加熱流体の温度である給水温度を検知する給水温度検知手段と、前記第一の熱交換器から流出する前記被加熱流体の温度である出湯温度を検知する出湯温度検知手段と、前記第一の熱交換器から流出する前記被加熱流体の温度の目標値を制御する目標出湯温度制御手段と、前記目標値に応じて、前記第一の熱交換器での加熱能力を制御する加熱能力制御手段とを備え、前記目標出湯温度制御手段は、設定された目標値である第一の目標出湯温度と前記給水温度との温度差が一定値以上の場合、一定時間ごとに、前記給水温度に所定の温度を加えた第二の目標出湯温度を求め、前記加熱能力制御手段は、前記出湯温度が前記第二の目標出湯温度となるように、前記第一の熱交換器での加熱能力を制御するものである。

この発明は、第一の目標出湯温度と給水温度との温度差が一定値以上の場合、一定時間ごとに、給水温度に所定の温度を加えた第二の目標出湯温度を求め、出湯温度が第二の目標出湯温度となるように、第一の熱交換器での加熱能力を制御する。
このため、第一の目標出湯温度と給水温度との温度差が大きい場合であっても、第一の圧縮機の吐出温度の上昇を抑制することができる。

実施の形態に係るヒートポンプ式温水供給装置のシステム回路図である。 実施の形態に係るヒートポンプ式温水供給装置の制御フローチャートである。 実施の形態に係るヒートポンプ式温水供給装置の起動から安定状態までの冷媒の動作状態を示す圧力−エンタルピ線図である。 被加熱流体の温度が低い状態での冷媒の動作状態を示す圧力−エンタルピ線図である。 低元側圧縮機の回転数が加熱能力に対して過大であるときの冷媒の動作状態を示す圧力−エンタルピ線図である。 加熱用熱交換器を通過後の被加熱流体の出湯温度変化を示す図である。

実施の形態
図１は実施の形態に係るヒートポンプ式温水供給装置のシステム回路図である。本実施の形態におけるヒートポンプ式温水供給装置は、二元冷凍サイクルを用いたヒートポンプ式温水供給装置である。図１に示すように、ヒートポンプ式温水供給装置は、高元側ユニット１００、低元側ユニット２００、負荷回路３００を備えている。高元側ユニット１００は、高元側圧縮機１、加熱用熱交換器２、高元側膨張弁３、中間熱交換器４を順次環状に接続し、冷媒が循環する高元側冷媒回路１０１が搭載される。低元側ユニット２００は、低元側圧縮機１１、中間熱交換器４、低元側膨張弁１２、空気熱交換器１３を順次環状に接続し、冷媒が循環する低元側冷媒回路２０１と、空気熱交換器１３に外気を送風する送風ファン１４が搭載されている。負荷回路３００は、加熱用熱交換器２、放熱器２１、循環ポンプ２２を順次環状に接続して構成されている。

また、高元側ユニット１００には、高元側圧縮機１に吸入される冷媒の温度（吸入温度）を検出する高元側吐出温度センサ４１と、高元側圧縮機１から吐出される冷媒の温度（吐出温度）を検出する高元側吸入温度センサ４２とが設けられている。また、低元側ユニット２００には、低元側圧縮機１１に吸入される冷媒の温度（吸入温度）を検出する低元側吸入温度センサ４４と、低元側圧縮機１１から吐出される冷媒の温度（吐出温度）を検出する低元側吐出温度センサ４３と、空気熱交換器１３に送風される外気の温度を検出する外気温度センサ４５とが設けられている。また、負荷回路３００には、加熱用熱交換器２に流入する被加熱流体の温度である給水温度を検知する給水温度センサ４６と、加熱用熱交換器２から流出する被加熱流体の温度である出湯温度を検知する出湯温度センサ４７とが設けられている。これらの各センサで検出された温度情報は、ヒートポンプ式温水供給装置の動作を統括制御する計測制御装置３１に送られ、後述する運転制御に利用されることになる。

計測制御装置３１は、例えばマイコン等で構成されており、各センサでの検出情報およびリモコン（図示省略）からの指示に基づいて、少なくとも、高元側圧縮機１、高元側膨張弁３、低元側圧縮機１１、低元側膨張弁１２、送風ファン１４、循環ポンプ２２等の動作を制御する。なお、計測制御装置３１は、ユニット毎に設けても良く、制御機能毎に分けて構成しても良い。

なお、「高元側圧縮機１」は、本発明における「第一の圧縮機」に相当する。
また、「加熱用熱交換器２」は、本発明における「第一の熱交換器」に相当する。
また、「高元側膨張弁３」は、本発明における「第一の膨張弁」に相当する。
また、「中間熱交換器４」は、本発明における「第二の熱交換器」に相当する。
また、「高元側冷媒回路１０１」は、本発明における「第一の冷媒回路」に相当する。
また、「低元側圧縮機１１」は、本発明における「第二の圧縮機」に相当する。
また、「低元側膨張弁１２」は、本発明における「第二の膨張弁」に相当する。
また、「空気熱交換器１３」は、本発明における「第三の熱交換器」に相当する。
また、「低元側冷媒回路２０１」は、本発明における「第二の冷媒回路」に相当する。
また、「給水温度センサ４６」は、本発明における「給水温度検知手段」に相当する。
また、「出湯温度センサ４７」は、本発明における「出湯温度検知手段」に相当する。
また、「計測制御装置３１」は、本発明における「目標出湯温度制御手段」「加熱能力制御手段」「吐出温度決定手段」「吐出温度制御手段」「過熱度制御手段」に相当する。

ヒートポンプ式温水供給装置を二元冷凍サイクルにより構成する効果について説明する。二元冷凍サイクルは高元側冷媒回路１０１と低元側冷媒回路２０１で異なる冷媒を使用する。高元側冷媒回路１０１には、飽和蒸気の比体積の大きい冷媒、例えばＲ１３４ａなどの冷媒を、低元側冷媒回路２０１には、飽和蒸気の比体積の小さい冷媒、例えばＲ４１０Ａなどの冷媒を用いる。例えば、圧縮機、加熱用熱交換器、膨張弁、空気熱交換器を環状に接続する単サイクルで被加熱流体を７０℃程度の高温まで加熱する場合、冷媒の凝縮圧力が高くなり、冷媒回路を構成する装置の強度を高める必要がある。一方、二元冷凍サイクルを用いて、高元側冷媒回路１０１の冷媒で、低元側冷媒回路２０１の冷媒を低い凝縮圧力で凝縮させれば、装置の強度を特別に高める必要がなくなる。飽和蒸気の比体積が大きいほど、同一凝縮温度での圧力は低くなるため、高元側冷媒回路１０１の装置の強度を特別に高めることなく、被加熱流体を高温まで加熱することができる。また、低元側冷媒回路２０１の冷媒のみで加熱する場合に比べ、高元側冷媒回路１０１と低元側冷媒回路２０１それぞれの蒸発圧力と凝縮圧力の差が小さくすることができ、高い効率で高元側ユニット１００と低元側ユニット２００を運転することができる。

次に、このヒートポンプ式温水供給装置の機能について説明する。ここでは、暖房運転について説明する。暖房運転とは、高元側ユニット１００、低元側ユニット２００、負荷回路３００を動作させ、放熱器２１にて放熱器２１の設置場所周囲の空間を暖める動作である。

高元側ユニット１００の高元側冷媒回路１０１において、高元側圧縮機１から吐出された高圧高温のガス状態である高元側冷媒は、加熱用熱交換器２で負荷回路３００側へ放熱しながら温度低下する。このとき、負荷回路３００を循環する被加熱流体は、加熱用熱交換器２にて高元側冷媒回路１０１を循環する高元側冷媒により加熱される。加熱用熱交換器２で被加熱流体を加熱した高圧低温の高元側冷媒は、高元側膨張弁３を通過する。

高元側膨張弁３を通過した高元側冷媒は、ここで低圧気液二相の状態に減圧され、中間熱交換器４に流入する。高元側冷媒は、中間熱交換器４にて低元側冷媒により加熱されて、蒸発ガス化する。中間熱交換器４を流出した低圧低温の高元側冷媒は、高元側圧縮機１に吸入されて、高元側冷媒回路１０１を形成する。

低元側ユニット２００の低元側冷媒回路２０１において、低元側圧縮機１１から吐出された高圧高温のガス状態である低元側冷媒は、中間熱交換器４に流入する。低元側冷媒は、中間熱交換器４にて、高元側冷媒を加熱して温度が低下する。中間熱交換器４を通過した高圧低温の低元側冷媒は、低元側膨張弁１２を通過する。

低元側膨張弁１２を通過した低元側冷媒は、ここで低圧気液二相の状態に減圧される。低圧気液二相状態の低元側冷媒は空気熱交換器１３に流入し、送風ファン１４により空気熱交換器１３に送風される外気の空気から吸熱し、蒸発ガス化される。空気熱交換器１３から流出した低圧低温の低元側冷媒は低元側圧縮機１１に吸入されて循環し低元側冷媒回路２０１を形成する。

また、負荷回路３００では、加熱用熱交換器２で加熱された被加熱流体が放熱器２１に流入する。被加熱流体は、放熱器２１周囲の空気と熱交換し、温度が低下する。空気は被加熱流体により加熱されるため、放熱器２１が設置された空間の温度は上昇する。温度低下した被加熱流体は循環ポンプ２２に流入し、再び加熱用熱交換器２に流入して負荷回路３００を形成する。なお、放熱器２１にはパネルヒーターや床暖房パネルなどの放熱器を用いる。また、被加熱流体には、水や不凍液を用いる。

次に、ヒートポンプ式温水供給装置を起動する際の運転制御動作について説明する。
図２は実施の形態に係るヒートポンプ式温水供給装置の制御フローチャートである。
以下、図２の各ステップに基づき説明する。

まず、ステップＳ−１において、計測制御装置３１は、高元側冷媒回路１０１の加熱用熱交換器２での加熱能力（凝縮能力）を設定する。設定の詳細は後述する。

次に、ステップＳ−２において、計測制御装置３１は、被加熱流体が最終的に到達すべき被加熱流体の温度の目標値である第一の目標出湯温度Ｔｔａｇ１を設定する。

ステップＳ−３において、計測制御装置３１は、高元側圧縮機１および低元側圧縮機１１の回転数を決定する。詳細は後述する。

次に、ステップＳ−４において、給水温度センサ４６により被加熱流体の給水温度Ｔｗｉを検出する。
ステップＳ−５において、計測制御装置３１は、第一の目標出湯温度Ｔｔａｇ１と給水温度Ｔｗｉの温度差を算出し、算出した温度差があらかじめ定めておいた温度差ＤＴ１以上であるかを判断する。算出された温度差がＤＴ１以上のときはステップＳ−６に移行する。一方、算出された温度差がＤＴ１未満の場合、起動時の運転操作を終了する。

ステップＳ−６において、計測制御装置３１は、給水温度Ｔｗｉに所定の温度差ＤＴ２を加えた第二の目標出湯温度Ｔｔａｇ２を求める。この所定の温度としては、例えば、高元側圧縮機１の吐出温度の上限温度や、目標出湯温度の範囲、想定される被加熱流体の初期温度などに応じて適宜設定することができる。例えば、所定の温度として１０℃程度に設定する。

ステップＳ−７において、計測制御装置３１は、第一の目標出湯温度Ｔｔａｇ１と第二の目標出湯温度Ｔｔａｇ２とを比較する。第二の目標出湯温度Ｔｔａｇ２が第一の目標出湯温度Ｔｔａｇ１以下の場合、ステップＳ−８に移行する。一方、第二の目標出湯温度Ｔｔａｇ２が第一の目標出湯温度Ｔｔａｇ１を超えた場合、起動時の制御を終了する。

ステップＳ−８において、計測制御装置３１は、高元側ユニット１００、低元側ユニット２００、および負荷回路３００の運転を開始し、出湯温度が第二の目標出湯温度Ｔｔａｇ２となるように、加熱用熱交換器２での加熱能力を制御する。制御の詳細は後述する。
そして、一定時間経過後、ステップＳ−９に移行する。

ステップＳ−９において、再び、給水温度センサ４６により被加熱流体の給水温度Ｔｗｉを検出したあと、ステップＳ−６に戻り、上記ステップＳ−６からの動作を繰り返す。すなわち、計測制御装置３１は、一定時間ごとに、給水温度Ｔｗｉに温度ＤＴ２を加えた第二の目標出湯温度Ｔｔａｇ２を求め、出湯温度がこの第二の目標出湯温度Ｔｔａｇ２となるように制御する。そして、第二の目標出湯温度Ｔｔａｇ２が第一の目標出湯温度Ｔｔａｇ１を超えると起動時の制御を終了する。

起動時の制御終了後、計測制御装置３１は、出湯温度が第一の目標出湯温度Ｔｔａｇ１となるように、高元側冷媒回路と低元側冷媒回路を運転する。

このように、第一の目標出湯温度Ｔｔａｇ１と給水温度Ｔｗｉの温度差が、温度差ＤＴ１以上である場合には、一定時間ごとに、給水温度Ｔｗｉに温度ＤＴ２（例えば１０℃）を加えた第二の目標出湯温度Ｔｔａｇ２を求め、出湯温度がこの第二の目標出湯温度Ｔｔａｇ２となるように制御する。このため、第一の目標出湯温度Ｔｔａｇ１と給水温度Ｔｗｉとの温度差が大きい場合であっても、高元側圧縮機１の吐出温度が信頼性を確保できる温度以上に上昇するのを抑制することができる。また、高元側圧縮機１の吐出温度の上昇を抑制しつつ、目標とする出湯温度である第一の目標出湯温度Ｔｔａｇ１と、これに応じた加熱能力とを確保することができる。

なお、ここでは、ヒートポンプ式温水供給装置を起動する際の運転制御において、一定時間ごとに第二の目標出湯温度Ｔｔａｇ２を求めて、加熱用熱交換器２での加熱能力を制御する場合を説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、起動した後の定常運転状態において、常時または定期的に、第一の目標出湯温度Ｔｔａｇ１と給水温度Ｔｗｉの温度差が温度差ＤＴ１以上であるかを判断するようにしても良い。そして、温度差が温度差ＤＴ１以上である場合には、上記ステップＳ−６〜Ｓ−９と同様の動作を行う。このように、定常運転状態において、第一の目標出湯温度Ｔｔａｇ１と給水温度Ｔｗｉの温度差を監視することで、例えば運転中に使用者の操作により第一の目標出湯温度が急激に上昇された場合などであっても、高元側圧縮機１の吐出温度が信頼性を確保できる温度以上に上昇するのを抑制することができる。

次に、本実施の形態に係るヒートポンプ式温水供給装置の運転制御の詳細について説明する。

被加熱流体が最終的に到達すべき被加熱流体の温度の目標値である第一の目標出湯温度は、使用者からリモコンにて指示される運転指令情報から設定される。あるいはリモコン内もしくは計測制御装置３１に設けられたマイコンにて、過去の加熱能力や、出湯温度から算出して設定される。また、第一の目標出湯温度は、あらかじめ範囲が決められており、例えば５５℃から７０℃の範囲に設定されている。

計測制御装置３１は加熱用熱交換器２での加熱能力を設定した後、高元側冷媒回路１０１において、高元側圧縮機１を所定の回転数（後述）で動作するように制御する。そして、計測制御装置３１は、高元側吐出温度センサ４１で計測検知される高元側冷媒の吐出温度が所定値（目標吐出温度）になるように、高元側膨張弁３を制御する。

目標吐出温度は、当該制御における目標値である第一または第二の目標出湯温度（以下単に「目標出湯温度」という）を確保できる温度とするため、目標出湯温度より高い温度、すなわち目標出湯温度＋α［℃］に設定されている。つまり、出湯温度の目標値である目標出湯温度に応じて、高元側圧縮機１の吐出温度の目標値を決定し、決定した目標吐出温度となるように、高元側膨張弁３を制御する。ここで、値αは、例えば外気温度や目標出湯温度の関数とする。このように目標出湯温度に応じた目標吐出温度とすることで、要求された出湯温度を確保することができる。また、圧縮機耐久性や冷凍機油劣化などの観点から、通常、吐出温度には上限温度が設けられている。

低元側冷媒回路２０１において、計測制御装置３１は、加熱用熱交換器２での加熱能力を満たすような回転数（後述）で低元側圧縮機１１を動作させる。そして、低元側圧縮機１１に吸入される低元側冷媒の吸入過熱度が所定値（目標吸入過熱度）になるように、低元側膨張弁１２を制御する。ここで吸入過熱度とは、圧縮機吸入前の冷媒温度と圧縮機吸入前の冷媒圧力の飽和蒸気温度との温度差である。吸入過熱度は空気熱交換器１３に温度センサを設置し、温度センサの検知温度と低元側吸入温度センサ４４で検知される温度より算出しても良い。または、低元側冷媒回路２０１の低元側吸入温度センサ４４周囲に圧力センサを設置し、計測制御装置３１で算出される冷媒の飽和温度と低元側吸入温度センサ４４で検知される温度差としても良い。

吸入過熱度が目標吸入過熱度となるように制御することで、低元側圧縮機１１に吸入される低元側冷媒が気相状態となり、圧縮機での液圧縮を防止できる。液圧縮とは、液冷媒が圧縮機にて圧縮されることであり、液体は非圧縮性であるため、異常な圧力が生じて圧縮機を破壊する可能性が生じる。よって、圧縮機耐久性の観点より、液圧縮を防止する。

計測制御装置３１は、給水温度センサ４６や出湯温度センサ４７で計測検知される情報などに基づいて、循環ポンプ２２の回転数を調整する。つまり、それらの情報に基づいて、加熱能力と目標出湯温度を満たすように調整制御する。

高元側圧縮機１および低元側圧縮機１１の回転数は、予め試験運転やシミュレーションなどを行って外気温度、目標出湯温度、加熱能力で構成される情報マップを記憶しておき、情報値を参照することで設定しても良いし、計測制御装置３１で加熱能力や目標出湯温度から算出される回転数としても良い。

そして、目標出湯温度範囲の最大値で所定の加熱能力を確保できれば、目標出湯温度の範囲内で所定の加熱能力を確保できる。したがって、加熱用熱交換器２の加熱能力を決定する高元側圧縮機１と低元側圧縮機１１の回転数は、上述したように例えば外気温度と給水温度とに基づき調整することで、どのような目標出湯温度においても所定の加熱能力を確保することができる。言いかえれば高元側圧縮機１と低元側圧縮機１１の出力は、どのような外部条件に対しても給湯装置として要求される温水の温度を何時でも確保できる加熱能力を準備しており、この結果、常に所望の温度の温水を得ることができる。また、高元側圧縮機１と低元側圧縮機１１の回転数は、圧縮機耐久性の観点から上限回転数および下限回転数が設けられている。

次に、本実施の形態に係るヒートポンプ式温水供給装置の高元側冷媒回路１０１および低元側冷媒回路２０１の冷媒の動作状態を説明する。

二元冷凍サイクルにより構成されるヒートポンプ式温水供給装置において、高元側冷媒回路１０１の加熱能力、蒸発能力、圧縮機入力、低元側冷媒回路２０１の加熱能力、蒸発能力、圧縮機入力に対して以下の式（１）、（２）が成立する。

また、中間熱交換器４で高元側冷媒と低元側冷媒は熱交換しているため、高元側冷媒の蒸発能力Ｑｅｈと低元側冷媒の凝縮能力Ｑｃｌは等しく、以下の式（３）が成立し、それぞれの変数について式（４）〜（９）が成立する。

添え字ｈは高元側、ｌは低元側を示し、記号は以下の通りである。
Ｑｃ：冷媒回路の凝縮能力（加熱能力）［ｋＷ］
Ｑｅ：冷媒回路の蒸発能力［ｋＷ］
Ｗ：圧縮機入力［ｋＷ］
Ｇｒ：冷媒の循環量［ｋｇ／ｓ］
ｈｃｉｈ：加熱用熱交換器２入口の高元側冷媒のエンタルピ［ｋＪ／ｋｇ］
ｈｃｏｈ：加熱用熱交換器２出口の高元側冷媒のエンタルピ［ｋＪ／ｋｇ］
ｈｅｉｈ：中間熱交換器４入口の高元側冷媒のエンタルピ［ｋＪ／ｋｇ］
ｈｅｏｈ：中間熱交換器４出口の高元側冷媒のエンタルピ［ｋＪ／ｋｇ］
ｈｃｉｌ：中間熱交換器４入口の低元側冷媒のエンタルピ［ｋＪ／ｋｇ］
ｈｃｏｌ：中間熱交換器４出口の低元側冷媒のエンタルピ［ｋＪ／ｋｇ］
ｈｅｉｌ：空気熱交換器１３入口の低元側冷媒のエンタルピ［ｋＪ／ｋｇ］
ｈｅｏｌ：空気熱交換器１３出口の低元側冷媒のエンタルピ［ｋＪ／ｋｇ］
Ｖｓｔ：圧縮機の排除容積［ｍ³］
ｆ：圧縮機の回転数［−］
ηｖ：圧縮機の体積効率［−］
ρ：圧縮機吸入前の冷媒密度［ｋｇ／ｍ³］

式（３）、（４）、（６）において、エンタルピは、加熱用熱交換器２や中間熱交換器４などの熱交換器の大きさと、外気温度や給水温度、出湯温度が決まれば、ほぼ固定される。よって、加熱用熱交換器２で被加熱流体に高元側冷媒が与える加熱能力は、高元側冷媒回路１０１を循環する高元側冷媒の循環量Ｇｒｈにより制御してもよいし、低元側冷媒回路２０１を循環する低元側冷媒の循環量Ｇｒｌにより制御してもよいことになる。本実施の形態では、高元側圧縮機１の回転数を固定して、低元側圧縮機１１の回転数を制御したときの高元側冷媒回路を循環する冷媒と低元側冷媒回路を循環する冷媒の動作について説明する。

高元側圧縮機１を一定の回転数で動作させ、低元側圧縮機１１の回転数を所定値から増加させると、式（９）より低元側冷媒回路２０１を循環する循環量が増加する。そのため、式（６）より、低元側冷媒回路２０１の凝縮能力が増加する。このとき、低元側冷媒回路２０１の吸入過熱度は、目標吸入過熱度となるように制御されているため、低元側冷媒回路２０１の凝縮圧力は上昇し、蒸発圧力は低下する。

また、低元側冷媒回路２０１の凝縮能力が増加するため、式（３）より高元側冷媒回路１０１の凝縮能力が増加することになる。高元側圧縮機１の回転数は固定されているため、給水温度と出湯温度が一定であるとすると、加熱用熱交換器２の出入口エンタルピ差がほぼ一定に固定される。このため、式（４）より、高元側冷媒回路の凝縮能力（加熱用熱交換器２での加熱能力）を増加させるためには、高元側冷媒回路１０１を循環する高元側冷媒の循環量を増加させることになる。

式（８）より、高元側圧縮機１の回転数、排除容積、体積効率が一定であるため、高元側冷媒の循環量が増加するには、高元側圧縮機１に吸入される高元側冷媒の密度を増加させることになる。冷媒の密度は、圧力が高く、乾き度が小さいほど増加するため、高元側冷媒の密度を増加させると、高元側圧縮機１に吸入される高元側冷媒の圧力が上昇し、乾き度が低下する。しかし、高元側圧縮機１の吐出温度は、目標出湯温度を満たすため、目標吐出温度となるように、高元側膨張弁３により制御されているため、乾き度の低下により、出湯温度が低下することはない。

このように、低元側圧縮機１１の回転数を増加させる場合、低元側冷媒回路２０１の凝縮圧力は上昇し、高元側冷媒回路１０１の凝縮圧力も増加する。低元側圧縮機１１の回転数を減少させる場合、低元側冷媒回路２０１の凝縮圧力は低下し、高元側冷媒回路１０１の凝縮圧力は低下する。

以上が高元側圧縮機１の回転数を固定し、低元側圧縮機１１の回転数を制御した場合の、冷媒の動作状態である。なお、ここでは、高元側圧縮機１の回転数を固定した運転操作を示したが、高元側圧縮機１と低元側圧縮機１１の回転数をそれぞれ制御すれば、加熱能力の範囲を広げることができる。

図３は実施の形態に係るヒートポンプ式温水供給装置の起動から安定状態までの冷媒の動作状態を示す圧力−エンタルピ線図（ｐ−ｈ線図）である。図３においては、ヒートポンプ式温水供給装置の起動から目標出湯温度に被加熱流体を加熱するまでの高元側冷媒回路１０１と低元側冷媒回路２０１を循環する冷媒の動作状態を示している。上述したように、給水温度が低い状態において、第一の目標出湯温度が高く設定されると、第二の目標出湯温度により加熱能力を制御する。つまり、被加熱流体の加熱前後での温度差が、例えば１０℃程度の所定の温度（ＤＴ２）となるように制御する。このため、図３（●印）に示すように給水温度および出湯温度が低い場合、高元側冷媒の温度が過度に上昇することはない。そして、負荷回路３００において、被加熱流体は放熱器２１で放熱し、温度が低下して、加熱用熱交換器２に流入する。被加熱流体が一定温度で放熱器２１に流入を続けると、次第に放熱器２１周囲の温度と温度差がなくなる。そのため、一定の時間が経過すると、被加熱流体は放熱せずに、加熱用熱交換器２に再び流入することになり、給水温度が上昇する。

そして、一定の時間を経過すると、上述したように、再度、給水温度Ｔｗｉに温度差ＤＴ２を加えて第二の目標加熱温度を求めて、これに基づいて加熱能力を制御する。つまり、出湯温度を上昇させるため、高元側冷媒回路１０１の凝縮温度を上昇させるように、低元側圧縮機１１の回転数が増加され、高元側膨張弁３は開度を絞るように制御される。このとき、図３（▲印）のような冷凍サイクルとなり、前回制御時よりも給水温度が高いため、吐出温度を上昇させても過冷却領域が大きくなることはない。以降、同様に、給水温度の上昇に従い、順次、高元側冷媒回路１０１の凝縮圧力（吐出温度）を上昇させるように制御させるが、過冷却領域が大きくなることはない。よって、高元側冷媒回路１０１内の冷媒分布が加熱用熱交換器２内に偏ることがなく、中間熱交換器４より流出する高元側冷媒の過熱度が大きくなることもない。したがって、高元側圧縮機１に流入する高元側冷媒の温度が過度に上昇するのを抑制でき、高元側圧縮機１から吐出する冷媒温度が、圧縮機の信頼性を損なう温度以上になるのを抑制することができる。

また、上述したように、低元側冷媒の吸入過熱度が目標吸入過熱度になるように低元側膨張弁１２を制御し、低元側圧縮機１１の回転数を制御して加熱用熱交換器２での加熱能力を制御する。このため、低元側冷媒回路２０１の凝縮能力が、加熱用熱交換器２での加熱能力に対して過大になることはない。よって、中間熱交換器４より流出する高元側冷媒の過熱度が大きくなることもない。したがって、高元側圧縮機１に流入する高元側冷媒の温度が過度に上昇するのを抑制でき、高元側圧縮機１から吐出する冷媒温度が、圧縮機の信頼性を損なう温度以上になるのを抑制することができる。

さらに、上述したように、一定時間毎に第二の目標加熱温度を求め、高元側冷媒の吐出温度がこの温度に応じた目標吐出温度になるように高元側膨張弁３を制御し、低元側圧縮機１１の回転数を制御して加熱用熱交換器２での加熱能力を制御する。このため、低元側冷媒回路２０１の凝縮能力が、加熱用熱交換器２での加熱能力に対して過小になることもない。したがって、高元側圧縮機１の吐出温度の上昇を抑制しつつ、目標とする出湯温度に応じた加熱能力を確保することができる。

以上のように本実施の形態においては、目標出湯温度と給水温度との温度差が大きい場合であっても、高元側圧縮機１から吐出する高元側冷媒の温度を過度に上昇しないように制御するため、信頼性を損なうことなく、ヒートポンプ式温水供給装置を運転することができる。また、高元側圧縮機１の吐出温度の上昇を抑制しつつ、目標とする出湯温度に応じた加熱能力を確保して、ヒートポンプ式温水供給装置を運転することができる。

ここで、本実施の形態における運転制御動作を行わない場合での冷媒状態について説明する。

図４は被加熱流体の温度が低い状態での冷媒の動作状態を示す圧力−エンタルピ線図（ｐ−ｈ線図）である。図４においては、加熱用熱交換器２に流入する被加熱流体の温度が低い状態で、加熱前後の温度差を、例えば４０℃以上で運転したときの高元側冷媒回路１０１および低元側冷媒回路２０１を循環する冷媒の動作状態を示している。図４に示すように、加熱用熱交換器２に流入する被加熱流体の温度が低い状態で、加熱前後の温度差を大きくするためには、高元側膨張弁３の開度を絞り、高元側冷媒回路１０１の凝縮温度を上昇させる必要がある。このとき、被加熱流体の温度が低いため、加熱用熱交換器２出口の高元側冷媒の過冷却領域が大きくなる。そのため、高元側冷媒回路１０１内の冷媒分布が加熱用熱交換器２内に偏ることになる。これによって、中間熱交換器４内の冷媒は少なくなり、気相状態の冷媒が多く存在することになる。これは、中間熱交換器４出口の冷媒過熱度が大きくなることであり、高元側圧縮機１に流入する高元側冷媒の温度が上昇する。そのため、高元側圧縮機１から吐出する高元側冷媒の温度が上昇し、圧縮機の信頼性を損なう可能性が生じる。

一方、本実施の形態における運転制御動作では、被加熱流体の加熱前後の温度差を一定、例えば１０℃程度にするため、高元側圧縮機１から吐出する高元側冷媒の温度を過度に上昇しないように制御する。このため、信頼性を損なうことなく、ヒートポンプ式温水供給装置を運転することができる。

図５は低元側圧縮機の回転数が加熱能力に対して過大であるときの冷媒の動作状態を示す圧力−エンタルピ線図（ｐ−ｈ線図）である。図５では、中間熱交換器４において、低元側冷媒回路２０１を循環する低元側冷媒の凝縮能力が、高元側冷媒回路を循環する高元側冷媒の蒸発能力に対して、過大であるときの動作状態を示している。上述したように、中間熱交換器４では、高元側冷媒の蒸発能力と低元側冷媒の凝縮能力とは等しくなる。このため、低元側冷媒の凝縮能力の増加にしたがい、高元側冷媒の蒸発能力は増加する。式（８）より、高元側圧縮機１の回転数を一定としたとき、高元側冷媒の冷媒流量は、冷媒の密度により定まる。式（５）より、高元側冷媒の蒸発能力を増加させるためには、密度を大きくして循環量を増加させるか、中間熱交換器４の入口と出口とのエンタルピ差を増加させる必要がある。

密度を増加させるために、高元側膨張弁３の開度を緩めると、高元側圧縮機１から吐出する冷媒の温度は低下し、高元側冷媒回路１０１の中間熱交換器４の入口と出口とのエンタルピ差は減少する。また、エンタルピ差を大きくとるために、高元側膨張弁３の開度を絞ると、高元側圧縮機１から吐出する冷媒の温度は上昇し、高元側圧縮機１に流入する冷媒の密度は減少する。

高元側膨張弁３の開度を緩めた場合、高元側圧縮機１から吐出する高元側冷媒の温度が低下するため、加熱用熱交換器２で加熱される被加熱流体の温度の目標出湯温度を確保できなくなる可能性がある。よって、低元側冷媒の凝縮能力の増加にしたがい、高元側冷媒の蒸発能力を増加させるために、高元側膨張弁３の開度を絞ることになる。ただし、低元側冷媒の凝縮能力が大きいほど、高元側冷媒回路１０１の中間熱交換器４の入口と出口とのエンタルピ差が大きくなり、中間熱交換器４より流出する高元側冷媒の過熱度が高くなる。よって、高元側圧縮機１から吐出する高元側冷媒の温度も上昇し、圧縮機の信頼性を損なう温度以上に上昇する可能性がある。

一方、本実施の形態における運転制御動作では、低元側冷媒回路２０１の凝縮能力が、加熱用熱交換器２での加熱能力に対して過大にならないように制御する。このため、中間熱交換器４より流出する高元側冷媒の過熱度が大きくなることもない。よって、信頼性を損なうことなく、ヒートポンプ式温水供給装置を運転することができる。

図６は加熱用熱交換器を通過後の被加熱流体の出湯温度変化を示す図である。図６では、計測制御装置３１で設定した加熱能力に対して、低元側冷媒回路２０１の凝縮能力が適切な場合と、過小であるときのヒートポンプ給湯装置の起動時から安定時までの加熱能力を示している。図６に示すように、低元側冷媒回路２０１の凝縮能力が適当、つまり低元側圧縮機１１の回転数が適当であるときに比べ、凝縮能力が過小である場合でも、循環ポンプ２２の制御により出湯温度は確保される。そのため、出湯温度が安定するまでの時間、つまり、加熱能力が安定するまでの要する時間は同等となるが、低元側冷媒回路２０１の凝縮能力が適切でない場合、目標とする加熱能力に到達しない。

一方、本実施の形態における運転制御動作では、低元側冷媒回路２０１の凝縮能力が、加熱用熱交換器２での加熱能力に対して過小にならないように制御する。このため、高元側圧縮機１の吐出温度の上昇を抑制しつつ、目標とする出湯温度に応じた加熱能力を確保することができる。

本発明に係るヒートポンプ式温水供給装置は、例えば７０℃程度の高温給水が必要となる温水床暖房装置に適用できる。

１ 高元側圧縮機、２ 加熱用熱交換器、３ 高元側膨張弁、４ 中間熱交換器、１１ 低元側圧縮機、１２ 低元側膨張弁、１３ 空気熱交換器、１４ 送風ファン、２１ 放熱器、２２ 循環ポンプ、３１ 計測制御装置、４１ 高元側吐出温度センサ、４２ 高元側吸入温度センサ、４３ 低元側吐出温度センサ、４４ 低元側吸入温度センサ、４５ 外気温度センサ、４６ 給水温度センサ、４７ 出湯温度センサ、１００ 高元側ユニット、１０１ 高元側冷媒回路、２００ 低元側ユニット、２０１ 低元側冷媒回路、３００ 負荷回路。

Claims (6)

1. 第一の圧縮機と、被加熱流体を加熱する第一の熱交換器と、第一の膨張弁と、第二の熱交換器とを環状に接続し、冷媒を循環させる第一の冷媒回路と、
   第二の圧縮機と、前記第二の熱交換器と、第二の膨張弁と、第三の熱交換器とを環状に接続し、冷媒を循環させる第二の冷媒回路と、
   循環ポンプと、前記第一の熱交換器と、前記被加熱流体の熱を放熱する放熱器とを環状に接続し、前記被加熱流体を循環させる負荷回路と、
   前記第一の熱交換器に流入する前記被加熱流体の温度である給水温度を検知する給水温度検知手段と、
   前記第一の熱交換器から流出する前記被加熱流体の温度である出湯温度を検知する出湯温度検知手段と、
   前記第一の熱交換器から流出する前記被加熱流体の温度の目標値を制御する目標出湯温度制御手段と、
   前記目標値に応じて、前記第一の熱交換器での加熱能力を制御する加熱能力制御手段と
   を備え、
   前記目標出湯温度制御手段は、
   設定された目標値である第一の目標出湯温度と前記給水温度との温度差が一定値以上の場合、
   一定時間ごとに、前記給水温度に所定の温度を加えた第二の目標出湯温度を求め、
   前記加熱能力制御手段は、
   前記出湯温度が前記第二の目標出湯温度となるように、前記第一の熱交換器での加熱能力を制御する
   ことを特徴とするヒートポンプ式温水供給装置。
2. 前記加熱能力制御手段は、
   前記第二の目標出湯温度が前記第一の目標出湯温度を超えた場合、
   前記出湯温度が前記第一の目標出湯温度となるように、前記第一の熱交換器での加熱能力を制御する
   ことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式温水供給装置。
3. 前記出湯温度の目標値に応じて、前記第一の圧縮機より吐出される冷媒の吐出温度を決定する吐出温度決定手段と、
   前記第一の圧縮機より吐出される冷媒の吐出温度が、前記決定された吐出温度となるように、前記第一の膨張弁を制御する吐出温度制御手段と、
   前記第二の圧縮機に流入する冷媒の過熱度が、所定の過熱度となるように、前記第二の膨張弁を制御する過熱度制御手段と
   を備え、
   前記加熱能力制御手段は、
   前記第二の圧縮機の回転数を制御して、前記第一の熱交換器での加熱能力を制御する
   ことを特徴とする請求項１または２記載のヒートポンプ式温水供給装置。
4. 前記加熱能力制御手段は、
   前記第一の圧縮機の回転数を一定に制御する
   ことを特徴とする請求項３記載のヒートポンプ式温水供給装置。
5. 前記加熱能力制御手段は、
   前記第一の圧縮機および前記第二の圧縮機の回転数を制御して、前記第一の熱交換器での加熱能力を制御する
   ことを特徴とする請求項３記載のヒートポンプ式温水供給装置。
6. 前記給水温度に加える前記所定の温度が１０℃である
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のヒートポンプ式温水供給装置。

Images