JP6172392B2

JP6172392B2 - ヒートポンプ装置

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Publication number: JP6172392B2
Application number: JP2016528807A
Authority: JP
Inventors: 啓輔高山; 徹小出; 智赤木; 史人竹内
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-06-25
Filing date: 2014-06-25
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2034-06-25
Also published as: JPWO2015198424A1; WO2015198424A1; EP3163206A1; EP3163206A4; EP3163206B1

Description

本発明は、ヒートポンプ装置に関する。

下記特許文献１に開示されたヒートポンプ給湯装置は、給湯回路の冷媒対水熱交換器出口の湯温を検知する温度検知器と、給湯回路の循環ポンプの回転数を温度検知器の信号に基づいて制御する運転制御器を備える。この運転制御器は、運転開始時に、給湯回路の冷媒対水熱交換器出口の湯温が湯温設定温度より低温の湯温となるように循環ポンプの回転数制御を行う。その後、運転制御器は、温度検知器の検知する湯温が湯温設定温度になるように循環ポンプの回転数制御を行う。

下記特許文献２に開示されたヒートポンプ給湯装置は、以下のような順で制御する。温水回路の循環ポンプを停止状態にして、冷媒回路を起動する。定常状態における循環量を演算し、これを目標流量Ｑｎとして設定する。貯湯槽に戻る水の温度Ｔを、凝縮器に設けた吐出温度検出器で検出する。温度Ｔが第１の設定温度（４０℃）より高くなった場合には、流量Ｑを、目標流量Ｑｎのα倍（１．１倍）にして、循環を開始する。温度Ｔが第２の設定温度（４７℃）に達すると、流量Ｑを目標流量Ｑｎに設定する。

日本特開２００２−２５０５６０号公報日本特開２００１−２５５００５号公報

上述した従来のヒートポンプ給湯装置では、タンクに蓄熱する蓄熱運転の開始からしばらくの間は、目標温度より低い温度の湯がタンクに流入する。そのため、タンクの蓄熱量を大きくしにくいという問題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、蓄熱運転の開始時のＣＯＰ（ＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔＯｆＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）の低下を抑制しつつ、温度が低い液体がタンクに流入することを抑制できるヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

本発明のヒートポンプ装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された冷媒と、液体との間で熱を交換する熱交換器と、液体を流すポンプと、タンクと、熱交換器で加熱された液体をタンクに蓄える蓄熱運転を制御する制御装置と、圧縮機の温度、または圧縮機から吐出される冷媒の温度、である圧縮機温度を検知または推定する手段と、を備え、制御装置は、蓄熱運転の開始時の圧縮機温度が閾値に比べて低い場合には、開始時からの第一段階蓄熱運転と、第一段階蓄熱運転に続く第二段階蓄熱運転とを実行し、第一段階蓄熱運転で熱交換器から流出する液体の温度を、第二段階蓄熱運転で熱交換器から流出する液体の温度より低くし、制御装置は、蓄熱運転の開始時の圧縮機温度が閾値に比べて高い場合には、蓄熱運転の当初から、熱交換器から流出する液体の温度を第一段階蓄熱運転で熱交換器から流出する液体の温度より高くするものである。

本発明のヒートポンプ装置によれば、蓄熱運転がコールドスタートの場合には、蓄熱運転の第一段階で熱交換器から流出する液体の温度を、第二段階で熱交換器から流出する液体の温度より低くすることで、ＣＯＰ（ＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔＯｆＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）の低下を抑制できる。蓄熱運転がホットスタートの場合には、温度が低い液体がタンクに流入することを抑制できる。

本発明の実施の形態１のヒートポンプ装置を示す構成図である。本発明の実施の形態１のヒートポンプユニットの冷媒回路を示す図である。コールドスタートの蓄熱運転におけるヒートポンプ出口温度の時間的な変化を示すグラフである。コールドスタートの蓄熱運転における水流量の時間的な変化を示すグラフである。コールドスタートの蓄熱運転におけるＣＯＰの時間的な変化を示すグラフである。本発明の実施の形態１で制御装置が第一段階湯量及び第二段階湯量を算出する処理を示すフローチャートである。本発明の実施の形態２で制御装置が蓄熱運転を制御する処理を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。また、本発明は、以降に示す各実施の形態のあらゆる組み合わせを含むものとする。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１のヒートポンプ装置を示す構成図である。図１に示すように、本実施の形態１のヒートポンプ装置１は、水を加熱するヒートポンプユニット２と、タンクユニット３とを備える。タンクユニット３は、貯湯タンク４と、混合弁５とを有する。ヒートポンプユニット２とタンクユニット３とは、流路６，７及び電気配線（図示省略）を介して接続される。流路６は、貯湯タンク４の下部とヒートポンプユニット２の入口とを接続する。流路７は、ヒートポンプユニット２の出口と貯湯タンク４の上部とを接続する。流路６の途中に水ポンプ８が接続される。図示の構成では、水ポンプ８がタンクユニット３に配置されているが、水ポンプ８をヒートポンプユニット２に配置しても良い。水ポンプ８の動作速度は、例えばインバータ制御により、可変に制御できる。本実施の形態１ではヒートポンプユニット２とタンクユニット３とが別体であるが、本発明ではヒートポンプユニット２とタンクユニット３とが一体でも良い。

貯湯タンク４の下部には、給水管９が接続される。給水管９は、水道等の水源の水を供給する。給水管１０は、給水管９から分岐する。給水管１０は、混合弁５に接続される。給水管９，１０から供給される水の温度を以下「給水温度」と称する。給湯管１１は、貯湯タンク４の上部と混合弁５とを接続する。混合弁５は、貯湯タンク４から給湯管１１を通って供給される湯と、給水管１０を通って供給される水とを混合する。混合弁５で混合された湯が給湯管１２を通って給湯端へ供給される。混合弁５の混合比を変えることで、給湯管１２の給湯温度を調整できる。貯湯タンク４の上部から湯が給湯管１１へ流出するとき、同量の水が給水管９から貯湯タンク４の下部へ流入することで、貯湯タンク４が満水状態に維持される。

貯湯タンク４内には、上側が高温で下側が低温になる温度成層を形成できる。貯湯タンク４には、複数のタンク温度センサ１３が、高さが互いに異なる位置に設置されている。タンク温度センサ１３により、貯湯タンク４の残湯量及び蓄熱量を検知できる。

ヒートポンプ装置１は、制御装置５０を備える。制御装置５０は、例えばマイクロコンピュータ等により構成される。制御装置５０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリ等を含む記憶部と、記憶部に記憶されたプログラムに基いて演算処理を実行する演算処理装置（ＣＰＵ）と、演算処理装置に対して外部の信号を入出力する入出力ポートとを備える。ヒートポンプ装置１が備える各アクチュエータ及び各センサは、制御装置５０に電気的に接続される。制御装置５０は、ヒートポンプ装置１の運転動作を制御する。図示の構成では、制御装置５０がヒートポンプユニット２に配置されているが、タンクユニット３に制御装置５０が配置されていても良いし、制御装置５０がヒートポンプユニット２とタンクユニット３とに分散して配置されても良い。

図２は、本実施の形態１のヒートポンプユニット２の冷媒回路を示す図である。図２に示すように、ヒートポンプユニット２は、圧縮機１４、水−冷媒熱交換器１５、高低圧熱交換器１６、膨張弁１７、及び蒸発器１８を冷媒管で接続した冷媒回路を有する。圧縮機１４は、冷媒を圧縮する。本実施の形態１の圧縮機１４は、シェルの内部に圧縮機構を有し、圧縮された高圧冷媒がシェルの内部に充満する高圧シェル型のものである。圧縮機１４のシェルの上部の表面には、圧縮機温度センサ１９が設置されている。圧縮機１４のシェルの上部には、冷媒を吐出する吐出管２３が接続される。圧縮機温度センサ１９は、圧縮機１４のシェルの温度を検知する。圧縮機温度センサ１９により検知される温度を以下「圧縮機温度」と称する。圧縮機１４から吐出される冷媒の温度を以下「吐出冷媒温度」と称する。本実施の形態１では、吐出冷媒温度は圧縮機温度に等しいとみなせる。本実施の形態１では、圧縮機温度センサ１９が「圧縮機温度を検知する手段」に相当する。

水−冷媒熱交換器１５は、冷媒と水との間で熱を交換する。水−冷媒熱交換器１５の水入口に流路６が接続される。水−冷媒熱交換器１５の水出口に流路７が接続される。流路７には、水−冷媒熱交換器１５から流出する水（湯）の温度を検知する温度センサ２０が設置されている。水−冷媒熱交換器１５から流出する水（湯）の温度を以下「ヒートポンプ出口温度」と称する。高低圧熱交換器１６は、高圧部及び低圧部を有する。高低圧熱交換器１６は、高圧部を流れる冷媒と低圧部を流れる冷媒との間で熱を交換する。膨張弁１７は、高圧冷媒を減圧させる減圧装置である。蒸発器１８は、冷媒と空気との間で熱を交換する。送風機２１は、空気（外気）を蒸発器１８へ送風する。外気温度センサ２２は、外気の温度を検知する。

（蓄熱運転）
ヒートポンプ装置１は、ヒートポンプユニット２で加熱された湯を貯湯タンク４に蓄える蓄熱運転を実施できる。蓄熱運転では、水ポンプ８及びヒートポンプユニット２を駆動する。蓄熱運転は、以下のような動作になる。水ポンプ８により、貯湯タンク４の下部の水が流路６を通って水−冷媒熱交換器１５へ送られる。水−冷媒熱交換器１５で加熱された湯は、流路７を通って貯湯タンク４の上部に流入する。貯湯タンク４内では、上側から下側に向かって湯が蓄えられていく。圧縮機１４のシェル内に充満した高圧冷媒が圧縮機１４から吐出管２３へ吐出され、水−冷媒熱交換器１５に流入する。水−冷媒熱交換器１５では、圧縮機１４で圧縮された高圧冷媒の熱で水が加熱される。水−冷媒熱交換器１５で冷却された高圧冷媒は、高低圧熱交換器１６の高圧部を通過し、膨張弁１７にて減圧される。膨張弁１７を通過した低圧冷媒は、蒸発器１８にて空気の熱を吸収し、蒸発する。蒸発器１８で蒸発した低圧冷媒は、高低圧熱交換器１６の低圧部を通過し、圧縮機１４に吸入される。

制御装置５０は、水ポンプ８の動作速度を制御することで、水−冷媒熱交換器１５を通る水の流量を制御できる。以下、水−冷媒熱交換器１５を通る水の流量を単に「水流量」と称する。水ポンプ８の動作速度を増速すると水流量が増加し、水ポンプ８の動作速度を減速すると水流量が減少する。蓄熱運転のとき、制御装置５０は、水流量を調整することで、ヒートポンプ出口温度が目標値に一致するように制御できる。ヒートポンプ出口温度の目標値を以下「目標出口温度」と称する。水流量が増加するとヒートポンプ出口温度が低下する。水流量が減少するとヒートポンプ出口温度が上昇する。制御装置５０は、目標出口温度と、温度センサ２０で検知される実際のヒートポンプ出口温度との偏差に基づいて、水ポンプ８の動作速度を補正することで、ヒートポンプ出口温度を制御できる。制御装置５０は、実際のヒートポンプ出口温度が目標出口温度より低い場合には、水ポンプ８の動作速度を減速させ、水流量を減少させる。制御装置５０は、実際のヒートポンプ出口温度が目標出口温度より高い場合には、水ポンプ８の動作速度を増速させ、水流量を増加させる。蓄熱運転のとき、制御装置５０は、膨張弁１７の開度を調整することで、吐出冷媒温度を制御できる。

制御装置５０は、蓄熱運転で貯湯タンク４に蓄える必要のある必要蓄熱量Ｑｄ［ｋＪ］を定める。制御装置５０は、前日までの湯の使用量、蓄熱運転の開始時刻、外気温度などから需要を予測することで必要蓄熱量Ｑｄを算出しても良い。蓄熱運転で貯湯タンク４に蓄える湯の量をＶｈｓ［Ｌ］とする。水の密度をρｗ［ｋｇ／ｍ^３］とする。水の比熱をＣｐｗ［ｋＪ／ｋｇＫ］とする。目標貯湯温度をＴｈｓ［℃］とする。給水温度をＴｗｉ［℃］とする。目標貯湯温度Ｔｈｓとは、貯湯タンク４に蓄える湯の温度の目標値である。レジオネラ菌などの繁殖を抑制するためには、目標貯湯温度Ｔｈｓは、６５℃以上が好ましい。

蓄熱運転で貯湯タンク４に蓄える湯の全量を目標貯湯温度Ｔｈｓに加熱できる場合には、蓄熱運転で貯湯タンク４に蓄える湯の量Ｖｈｓを、次式により算出することで、必要蓄熱量Ｑｄを達成できる。
Ｑｄ＝Ｖｈｓ・ρｗ・Ｃｐｗ（Ｔｈｓ−Ｔｗｉ）／１０００・・・（１）

以下の説明では、蓄熱運転の開始時に圧縮機温度センサ１９で検知される圧縮機温度を「開始温度」と称する。本実施の形態１では、制御装置５０は、開始温度を閾値と比較する。この閾値として、例えば、目標貯湯温度Ｔｈｓに等しい値を用いることができる。目標貯湯温度Ｔｈｓより低い温度を閾値として用いても良い。蓄熱運転が開始する直前まで圧縮機１４が運転されていたような場合、開始温度は閾値に比べて高くなり得る。制御装置５０は、開始温度が閾値に比べて高いとき、「ホットスタート」と判定する。蓄熱運転の開始前に圧縮機１４が長時間停止していたような場合、開始温度は閾値に比べて低くなり得る。制御装置５０は、開始温度が閾値に比べて低いとき、「コールドスタート」と判定する。

ホットスタートの場合、制御装置５０は、蓄熱運転の当初から、目標出口温度を目標貯湯温度Ｔｈｓに等しい値に設定する。すなわち、ホットスタートの場合、制御装置５０は、蓄熱運転の当初から、ヒートポンプ出口温度が目標貯湯温度Ｔｈｓに一致するように水流量を制御する。ホットスタートの場合、蓄熱運転の開始直後から、ヒートポンプ出口温度は目標貯湯温度Ｔｈｓに収束する。

ホットスタートの場合には、目標貯湯温度Ｔｈｓより低い温度の湯が貯湯タンク４に流入することを抑制できる。よって、貯湯タンク４の温度及び蓄熱量を十分に高くすることができる。

コールドスタートの場合、制御装置５０は、蓄熱運転を第一段階及び第二段階に分ける。第一段階では、制御装置５０は、目標出口温度を目標貯湯温度Ｔｈｓより低い値に設定する。第一段階で設定される目標出口温度を以下「第一段階目標温度」と称し、Ｔｗｏ１で表す。第一段階では、制御装置５０は、ヒートポンプ出口温度が、目標貯湯温度Ｔｈｓより低い第一段階目標温度Ｔｗｏ１に一致するように水流量を制御する。第一段階では、ヒートポンプ出口温度は第一段階目標温度Ｔｗｏ１に収束する。第二段階では、制御装置５０は、目標出口温度を目標貯湯温度Ｔｈｓに等しい値に設定する。第二段階で設定される目標出口温度を以下「第二段階目標温度」と称し、Ｔｗｏ２で表す。本実施の形態１では、第二段階目標温度Ｔｗｏ２は目標貯湯温度Ｔｈｓに等しい。第二段階では、制御装置５０は、ヒートポンプ出口温度が第二段階目標温度Ｔｗｏ２に一致するように水流量を制御する。第二段階では、ヒートポンプ出口温度は第二段階目標温度Ｔｗｏ２に収束する。

図３は、コールドスタートの蓄熱運転におけるヒートポンプ出口温度の時間的な変化を示すグラフである。図３中の実線が本実施の形態１におけるヒートポンプ出口温度を示す。図３に示すように、制御装置５０は、第一段階のヒートポンプ出口温度を、第二段階のヒートポンプ出口温度より低くする。

コールドスタートの場合、ヒートポンプユニット２が起動した直後は、圧縮機１４のシェル及び水−冷媒熱交換器１５などの、熱容量が大きい要素の温度が低い。これらの要素の温度上昇にも熱が使われれることで、ヒートポンプ出口温度は徐々に上昇する。この場合、ヒートポンプ出口温度が第一段階目標温度Ｔｗｏ１に達するまでの時間は、圧縮機１４のシェル及び水−冷媒熱交換器１５の熱容量、膨張弁１７の制御速度に応じて変わる。

第一段階から第二段階へ移行すると、目標出口温度が第一段階目標温度Ｔｗｏ１から第二段階目標温度Ｔｗｏ２へ変更されることで、ヒートポンプ出口温度が上昇する。第二段階へ移行後、圧縮機１４のシェル及び水−冷媒熱交換器１５の温度がさらに上昇する。これらの要素の温度上昇にも熱が使われれることで、ヒートポンプ出口温度は徐々に上昇する。ただし、このときの温度上昇は起動時の温度上昇より小さいため、温度上昇にかかる時間は短い。

図４は、コールドスタートの蓄熱運転における水流量の時間的な変化を示すグラフである。図４中の実線が本実施の形態１における水流量を示す。図４に示すように、制御装置５０は、第一段階の水流量を第二段階の水流量より高くする。

図５は、コールドスタートの蓄熱運転におけるＣＯＰ（ＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔＯｆＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）の時間的な変化を示すグラフである。図５中の実線が本実施の形態１におけるＣＯＰを示す。

図３、図４、及び図５中の破線は、比較例を示す。これらの比較例は、コールドスタートの場合に、蓄熱運転の当初から目標出口温度を目標貯湯温度Ｔｈｓに等しい値に設定した例である。

図３中のＡで示すように、比較例では、ヒートポンプ出口温度が目標貯湯温度Ｔｈｓを超えるオーバーシュートが発生する。コールドスタートの場合、目標出口温度が高い設定であると、吐出冷媒温度が上昇したとき、水流量の制御の追従遅れにより、このようなオーバーシュートが発生し易い。ヒートポンプ出口温度が高いほど、ＣＯＰは低下する。図５中のＣで示すように、比較例では、上記オーバーシュートが発生することで、ＣＯＰが低くなる。

これに対し、本実施の形態１では、第一段階のヒートポンプ出口温度を第二段階のヒートポンプ出口温度より低くすることで、ヒートポンプ出口温度のオーバーシュートを抑制できる。よって、ＣＯＰの低下を抑制できる。

水流量が低いと、水−冷媒熱交換器１５の伝熱効率が低くなることで、ＣＯＰが低くなる。コールドスタートの場合、初めのうちは、吐出冷媒温度が低いので、ヒートポンプ出口温度が上昇しにくい。図４中のＢで示すように、コールドスタートの場合に、目標出口温度が高い設定であると、目標出口温度と実際のヒートポンプ出口温度との偏差が大きくなる結果、水流量を大きく低下させる制御が行われる。このようにして、比較例では、水流量が大きく低下することで、水−冷媒熱交換器１５の伝熱効率が低下する。その結果、図５中のＣで示すように、ＣＯＰが低くなる。

これに対し、図４に示すように、本実施の形態１では、第一段階目標温度Ｔｗｏ１を第二段階目標温度Ｔｗｏ２より低く設定することで、第一段階の水流量が第二段階の水流量より高くなる。その結果、第一段階において、水−冷媒熱交換器１５の伝熱効率が低下することを確実に抑制でき、高いＣＯＰを得られる。

水流量は、水ポンプ８の動作速度に比例する。水回路の抵抗値は、流路６，７の長さ、あるいは、ヒートポンプユニット２とタンクユニット３との高低差により、変化する。ヒートポンプ装置１の設置後に、制御装置５０は、水流量の初期値を学習することで、水ポンプ８の動作速度の初期値を補正しても良い。

制御装置５０は、第一段階で貯湯タンク４に蓄える湯の量Ｖ１と、第二段階で貯湯タンク４に蓄える湯の量Ｖ２とを以下のように制御しても良い。以下、第一段階で貯湯タンク４に蓄える湯の量を「第一段階湯量」と称し、第二段階で貯湯タンク４に蓄える湯の量を「第二段階湯量」と称する。図６は、本実施の形態１で制御装置５０が第一段階湯量Ｖ１及び第二段階湯量Ｖ２を算出する処理を示すフローチャートである。

以下、蓄熱運転に利用できる貯湯タンク４の容量を、空き容量Ｖｃ［Ｌ］と称する。空き容量Ｖｃは、例えば、貯湯タンク４の全容量から、タンク温度センサ１３で検知される残湯量を差し引いた値とすることができる。

図６のステップＳ１で、制御装置５０は、第一段階湯量Ｖ１の初期値を仮定する。第一段階湯量Ｖ１の初期値は、空き容量Ｖｃ以下で、比較的大きい値が好ましい。例えば、第一段階湯量Ｖ１の初期値を、空き容量Ｖｃに等しい値に仮定しても良い。

次いで、制御装置５０は、ステップＳ２に移行し、第一段階の蓄熱量Ｑ１［ｋＪ］を次式により算出する。
Ｑ１＝Ｖ１・ρｗ・Ｃｐｗ（Ｔｗｏ１−Ｔｗｉ）／１０００・・・（２）

次いで、制御装置５０は、ステップＳ３に移行し、第二段階湯量Ｖ２を次式により算出する。
Ｖｃ＝Ｖ１＋Ｖ２・・・（３）

次いで、制御装置５０は、ステップＳ４に移行し、第二段階の蓄熱量Ｑ２［ｋＪ］を次式により算出する。
Ｑ２＝Ｖ２・ρｗ・Ｃｐｗ（Ｔｗｏ２−Ｔｗｉ）／１０００・・・（４）

次いで、制御装置５０は、ステップＳ５に移行する。ステップＳ５で制御装置５０は、第一段階の蓄熱量Ｑ１及び第二段階の蓄熱量Ｑ２の合計が必要蓄熱量Ｑｄ以上かどうかを判断する。すなわち、ステップＳ５で制御装置５０は、次式の成否を判断する。
Ｑ１＋Ｑ２≧Ｑｄ・・・（５）

ステップＳ５で上記（５）式が成立しない場合には、制御装置５０は、ステップＳ６に移行する。ステップＳ６で、制御装置５０は、第一段階湯量Ｖ１の仮定値を現在の値よりやや小さい値に仮定しなおす。その後、制御装置５０は、ステップＳ２以下の処理を再度行う。ステップＳ５で上記（５）式が成立した場合には、制御装置５０は、ステップＳ７に移行し、第一段階湯量Ｖ１の算出処理を終了する。

ヒートポンプユニット２の時間当たりの加熱能力をＱｈｃ［ｋＷ］とする。加熱能力Ｑｈｃは、圧縮機１４の動作速度、給水温度、外気温度などから推定できる。制御装置５０は、第一段階の継続時間ｔ１及び第二段階の継続時間ｔ２を次式により算出できる。
ｔ１＝Ｑ１／Ｑｈｃ
ｔ２＝Ｑ２／Ｑｈｃ・・・（６）

制御装置５０は、第一段階の継続時間ｔ１及び第二段階の継続時間ｔ２を上記式で算出した時間に制御することで、上述した、第一段階の蓄熱量Ｑ１、及び第二段階の蓄熱量Ｑ２を実現できる。

以上のように、制御装置５０は、タンク温度センサ１３で検知される温度に基づいて、第一段階湯量Ｖ１及び第二段階湯量Ｖ２を制御できる。これにより、湯切れを確実に防止できる。また、制御装置５０は、第一段階の蓄熱量Ｑ１及び第二段階の蓄熱量Ｑ２の合計が必要蓄熱量Ｑｄ以上になり、第一段階湯量Ｖ１及び第二段階湯量Ｖ２の合計が空き容量Ｖｃ以下になるように制御できる。その結果、コールドスタートの場合でも、必要蓄熱量Ｑｄを確実に確保できる。図５に示すように、第一段階のＣＯＰは、第二段階のＣＯＰより高い。本実施の形態１では、第一段階湯量Ｖ１をなるべく多くできる。よって、蓄熱運転全体でのＣＯＰを高くできる。

図６のフローチャートでは、空き容量Ｖｃをすべて利用して湯を蓄えるようにしているが、蓄熱運転の終了時に貯湯タンク４の容量に余裕が残るように制御しても良い。

本実施の形態１では、圧縮機１４のシェルの表面に圧縮機温度センサ１９を取り付けているが、圧縮機１４の吐出管２３に圧縮機温度センサ１９を取り付けても良い。圧縮機１４の起動直後に吐出される冷媒の温度は、圧縮機１４の起動時の圧縮機１４のシェルの温度に等しいとみなせる。制御装置５０は、圧縮機１４の起動直後に、吐出管２３に取り付けられた圧縮機温度センサ１９により吐出冷媒温度を検知し、その温度に基づいてホットスタートかコールドスタートかを判定しても良い。

また、制御装置５０は、次のようにして、蓄熱運転の開始時の圧縮機１４のシェルの温度を推定しても良い。制御装置５０は、圧縮機１４を停止するときに、吐出管２３に取り付けられた圧縮機温度センサ１９で検知される温度を記憶する。この記憶された温度は、圧縮機１４が停止したときの圧縮機１４のシェルの温度に等しいとみなせる。圧縮機１４の停止中の圧縮機１４のシェルの温度低下は、停止時間及び外気温度から推定できる。制御装置５０は、停止時間及び外気温度から圧縮機１４のシェルの温度低下を推定し、圧縮機１４が停止したときの圧縮機１４のシェルの温度から当該温度低下を差し引くことで、開始温度を推定できる。以上のようにして制御装置５０が圧縮機１４のシェルの温度を推定することが「圧縮機温度を推定する手段」に相当する。

実施の形態２．
次に、図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。

本実施の形態２では、圧縮機温度センサ１９で検知される圧縮機温度をＴｓｈｅｌｌで表す。実施の形態１では、第一段階目標温度Ｔｗｏ１が時間的に一定であるものとして説明した。本実施の形態２では、制御装置５０は、第一段階のとき、第一段階目標温度Ｔｗｏ１を、時間が経つにつれて高くする。また、制御装置５０は、第一段階のとき、第一段階目標温度Ｔｗｏ１を、圧縮機温度Ｔｓｈｅｌｌの上昇につれて高くする。

図７は、本実施の形態２で制御装置５０が蓄熱運転を制御する処理を示すフローチャートである。蓄熱運転のとき、制御装置５０は、図７のフローチャートの処理を周期的に繰り返し実行する。本実施の形態２では、目標貯湯温度Ｔｈｓが９０℃であるものとする。

図７のステップＳ１１で、制御装置５０は、圧縮機温度Ｔｓｈｅｌｌと閾値とを比較する。ここでは、目標貯湯温度Ｔｈｓを閾値として用いているが、目標貯湯温度Ｔｈｓより低い温度を閾値にしても良い。ステップＳ１１で圧縮機温度Ｔｓｈｅｌｌが閾値（目標貯湯温度Ｔｈｓ）に比べて高い場合には、制御装置５０は、ステップＳ１２へ移行する。制御装置５０は、ステップＳ１２で目標出口温度Ｔｗｏを目標貯湯温度Ｔｈｓに等しい値に設定する。

蓄熱運転の開始時の圧縮機温度Ｔｓｈｅｌｌは、開始温度に相当する。蓄熱運転の開始時の初回のステップＳ１１において、圧縮機温度Ｔｓｈｅｌｌが閾値（目標貯湯温度Ｔｈｓ）に比べて高かった場合は、ホットスタートに相当する。ホットスタートの場合は、初回のステップＳ１１からステップＳ１２へ移行するので、蓄熱運転の当初から、目標出口温度Ｔｗｏが目標貯湯温度Ｔｈｓに等しい値に設定される。このようにして、ホットスタートの場合は、制御装置５０は、蓄熱運転の当初から、目標出口温度Ｔｗｏを目標貯湯温度Ｔｈｓに等しい値に設定する。

これに対し、蓄熱運転の開始時の初回のステップＳ１１において、圧縮機温度Ｔｓｈｅｌｌが閾値（目標貯湯温度Ｔｈｓ）に比べて低かった場合は、コールドスタートに相当する。ステップＳ１１で圧縮機温度Ｔｓｈｅｌｌが閾値（目標貯湯温度Ｔｈｓ）に比べて低い場合には、制御装置５０は、ステップＳ１３に移行する。ステップＳ１３で制御装置５０は、圧縮機温度Ｔｓｈｅｌｌが５０℃以上かどうか判断する。圧縮機温度Ｔｓｈｅｌｌが５０℃未満の場合には、制御装置５０は、ステップＳ１４へ移行する。制御装置５０は、ステップＳ１４で第一段階目標温度Ｔｗｏ１を５０℃に設定する。

本実施の形態２では、第一段階目標温度Ｔｗｏ１の下限を５０℃にしている。第一段階目標温度Ｔｗｏ１が低すぎると、第一段階で貯湯タンク４に蓄えた湯が、給湯に利用できない可能性がある。そのような事態を避けるため、第一段階目標温度Ｔｗｏ１の下限は５０℃程度とするのが望ましい。

ステップＳ１３で圧縮機温度Ｔｓｈｅｌｌが５０℃以上の場合には、制御装置５０は、ステップＳ１５へ移行する。ステップＳ１５で制御装置５０は、圧縮機温度Ｔｓｈｅｌｌが６０℃以上かどうか判断する。圧縮機温度Ｔｓｈｅｌｌが６０℃未満の場合には、制御装置５０は、ステップＳ１６へ移行する。制御装置５０は、ステップＳ１６で第一段階目標温度Ｔｗｏ１を５０℃に設定する。

ステップＳ１５で圧縮機温度Ｔｓｈｅｌｌが６０℃以上の場合には、制御装置５０は、ステップＳ１７へ移行する。ステップＳ１７で制御装置５０は、圧縮機温度Ｔｓｈｅｌｌが７０℃以上かどうか判断する。圧縮機温度Ｔｓｈｅｌｌが７０℃未満の場合には、制御装置５０は、ステップＳ１８へ移行する。制御装置５０は、ステップＳ１８で第一段階目標温度Ｔｗｏ１を６０℃に設定する。

ステップＳ１７で圧縮機温度Ｔｓｈｅｌｌが７０℃以上の場合には、制御装置５０は、ステップＳ１９へ移行する。ステップＳ１９で制御装置５０は、圧縮機温度Ｔｓｈｅｌｌが８０℃以上かどうか判断する。圧縮機温度Ｔｓｈｅｌｌが８０℃未満の場合には、制御装置５０は、ステップＳ２０へ移行する。制御装置５０は、ステップＳ２０で第一段階目標温度Ｔｗｏ１を７０℃に設定する。

ステップＳ１９で圧縮機温度Ｔｓｈｅｌｌが８０℃以上の場合には、制御装置５０は、ステップＳ２１へ移行する。制御装置５０は、ステップＳ２１で第一段階目標温度Ｔｗｏ１を８０℃に設定する。

本実施の形態２では、開始温度が６０℃未満だった場合、制御装置５０が図７のフローチャートの処理を繰り返し実行することで、第一段階目標温度Ｔｗｏ１は、時間が経つにつれて、５０℃、６０℃、７０℃、８０℃と高くなっていく。そして、圧縮機温度Ｔｓｈｅｌｌが閾値（目標貯湯温度Ｔｈｓ）に達すると、ステップＳ１１からステップＳ１２へ移行することで、目標出口温度Ｔｗｏが目標貯湯温度Ｔｈｓに等しい値に設定される。このようにして目標出口温度Ｔｗｏが目標貯湯温度Ｔｈｓに等しい値に設定されることで、第一段階が終了して第二段階が開始する。

なお、開始温度が６０℃以上７０℃未満だった場合には、第一段階目標温度Ｔｗｏ１は、時間が経つにつれて、６０℃、７０℃、８０℃と高くなる。開始温度が７０℃以上８０℃未満だった場合には、第一段階目標温度Ｔｗｏ１は、時間が経つにつれて、７０℃、８０℃と高くなる。

以上のようにして、本実施の形態２では、制御装置５０は、第一段階のとき、第一段階目標温度Ｔｗｏ１を、時間が経つにつれて高くする。また、制御装置５０は、第一段階のとき、第一段階目標温度Ｔｗｏ１を、圧縮機温度Ｔｓｈｅｌｌの上昇につれて高くする。本実施の形態２によれば、以下のような効果が得られる。第一段階の初期には、第一段階目標温度Ｔｗｏ１が比較的低い値に設定される。そのため、第一段階の初期の水流量をより大きくでき、第一段階の初期のＣＯＰをより高くできる。第一段階の後期には、第一段階目標温度Ｔｗｏ１が比較的高い値に設定される。そのため、第一段階から第二段階へ移行したときの目標出口温度の変化を小さくでき、第一段階から第二段階へ移行したときの水流量の急激な変化を抑制できる。その結果、第二段階へ移行した後にヒートポンプ出口温度のオーバーシュートをより確実に抑制できる。よって、ヒートポンプ出口温度のオーバーシュートによるＣＯＰの低下をより確実に防止できる。

本実施の形態２では、蓄熱運転の開始時の圧縮機温度Ｔｓｈｅｌｌを閾値（例えば目標貯湯温度Ｔｈｓ）と比較することで、ホットスタートかコールドスタートかを判定している。本発明では、制御装置５０は、この判定方法に代えて、以下のようにして、圧縮機１４のシェルの温度の上昇速度も加味して、ホットスタートかコールドスタートかを判定してもよい。圧縮機１４のシェルの材質及び重量から、圧縮機１４のシェルの熱容量を計算できる。圧縮機１４のシェルに投入される熱量をＱｓｈｅｌｌ［ｋＷ］とする。圧縮機１４は、モータの発熱、機械の摩擦損失による発熱、及び、圧縮された高温の冷媒からの伝熱により、温度上昇する。Ｑｓｈｅｌｌは、これらの熱量の合計に相当する。圧縮機１４の仕事が大きいほど、Ｑｓｈｅｌｌは大きい。よって、Ｑｓｈｅｌｌは圧縮機１４に投入される電気入力に比例すると考えられる。圧縮機１４のシェルの質量をＭｓｈｅｌｌ［ｋｇ］とする。圧縮機１４のシェルの比熱をＣｓｈｅｌｌ［ｋＪ／ｋｇＫ］とする。圧縮機１４のシェルの時間当たりの温度変化をΔＴ／Δｔ［Ｋ／秒］とする。下記式が成り立つ。
Ｑｓｈｅｌｌ＝Ｍｓｈｅｌｌ・Ｃｓｈｅｌｌ・ΔＴ／Δｔ・・・（７）
制御装置５０は、蓄熱運転の開始後、短い許容時間（例えば１分間）のうちに圧縮機１４のシェルの温度が閾値（例えば目標貯湯温度Ｔｈｓ）に達すると予想される場合には、ホットスタートと判定してもよい。許容時間をΔｔとし、許容時間Δｔの間の圧縮機１４のシェルの温度上昇幅をΔＴとすると、温度上昇幅ΔＴは、上記（７）式で算出できる。制御装置５０は、そのようにして許容時間Δｔの間の温度上昇幅ΔＴを算出し、下記式の成否を判断する。
Ｔｓｈｅｌｌ＋ΔＴ≧Ｔｈｓ・・・（８）
上記（８）式が成立する場合には、蓄熱運転の開始後、許容時間Δｔのうちに、圧縮機１４のシェルの温度が、閾値であるＴｈｓに達すると予想できる。よって、制御装置５０は、上記（８）式が成立する場合にはホットスタートと判定し、上記（８）式が成立しない場合にはコールドスタートと判定してもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明では、上述した複数の実施の形態を任意に組み合わせて実施しても良い。上述した実施の形態では、加熱する液体が水である場合について説明したが、本発明は、水以外の液体、例えばブライン、不凍液などを加熱するヒートポンプ装置にも適用可能である。

１ヒートポンプ装置、２ヒートポンプユニット、３タンクユニット、４貯湯タンク、５混合弁、６，７流路、８水ポンプ、９，１０給水管、１１，１２給湯管、１３タンク温度センサ、１４圧縮機、１５水−冷媒熱交換器、１６高低圧熱交換器、１７膨張弁、１８蒸発器、１９圧縮機温度センサ、２０温度センサ、２１送風機、２２外気温度センサ、２３吐出管、５０制御装置

Claims

冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された冷媒と、液体との間で熱を交換する熱交換器と、
前記液体を流すポンプと、
タンクと、
前記熱交換器で加熱された前記液体を前記タンクに蓄える蓄熱運転を制御する制御装置と、
前記圧縮機の温度、または前記圧縮機から吐出される冷媒の温度、である圧縮機温度を検知または推定する手段と、
を備え、
前記制御装置は、前記蓄熱運転の開始時の前記圧縮機温度が閾値に比べて低い場合には、前記開始時からの第一段階蓄熱運転と、前記第一段階蓄熱運転に続く第二段階蓄熱運転とを実行し、前記第一段階蓄熱運転で前記熱交換器から流出する前記液体の温度を、前記第二段階蓄熱運転で前記熱交換器から流出する前記液体の温度より低くし、
前記制御装置は、前記蓄熱運転の開始時の前記圧縮機温度が前記閾値に比べて高い場合には、前記蓄熱運転の当初から、前記熱交換器から流出する前記液体の温度を前記第一段階蓄熱運転で前記熱交換器から流出する前記液体の温度より高くするヒートポンプ装置。
前記制御装置は、前記第一段階蓄熱運転で前記熱交換器を通る前記液体の流量を、前記第二段階蓄熱運転で前記熱交換器を通る前記液体の流量より高くする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
前記制御装置は、前記第一段階蓄熱運転のとき、前記熱交換器から流出する液体の温度を、時間が経つにつれて高くする請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ装置。
前記制御装置は、前記第一段階蓄熱運転のとき、前記熱交換器から流出する液体の温度を、前記圧縮機温度の上昇につれて高くする請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ装置。
前記タンクの温度を検知する手段を備え、
前記制御装置は、前記タンクの温度に基づいて、前記第一段階蓄熱運転で蓄える前記液体の量及び前記第二段階蓄熱運転で蓄える前記液体の量を制御する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
前記制御装置は、前記第一段階蓄熱運転の蓄熱量及び前記第二段階蓄熱運転の蓄熱量の合計が必要蓄熱量以上になり、前記第一段階蓄熱運転で蓄える前記液体の量及び前記第二段階蓄熱運転で蓄える前記液体の量の合計が前記タンクの利用できる容量以下になるように制御する請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。