JPWO2017026007A1 - ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

圧縮機で圧縮された冷媒と液状の熱媒体との間で熱を交換する加熱熱交換器から流出する熱媒体の温度である出口温度Ｔｈｗを取得する（ステップＳ１）。目標出口温度から現在の出口温度Ｔｈｗを減算した温度差と、現在の外気温度Ｔａとに応じて、基本周波数を算出する（ステップＳ３）。上記温度差が正の第一基準値に比べて大きく、かつ、出口温度Ｔｈｗの時間的な変化が基準に比べて小さい場合に、補正周波数に正の第一補正値を付加する（ステップＳ６）。基本周波数と補正周波数との和に応じて、圧縮機の運転周波数を制御する（ステップＳ１０）。

Description

本発明は、ヒートポンプシステムに関する。

外気から吸収した熱を用いて水などの液状熱媒体を加熱するヒートポンプシステムが広く用いられている。下記特許文献１に開示されたヒートポンプ給湯機では、設定出湯温度、検出入水温度、及び検出外気温に基づいて、運転開始時の圧縮機の回転数が決定される。運転開始後は、検出出湯温度が設定出湯温度に合致するように、圧縮機の回転数が変更制御される。すなわち、検出出湯温度が設定出湯温度よりも低ければ圧縮機の回転数を高くし、逆に検出出湯温度が設定出湯温度よりも高ければ圧縮機の回転数を低くする。

下記特許文献２に開示されたヒートポンプ給湯機では、圧縮機の運転開始時の初期周波数は、貯湯タンクの底部の水温に応じて決定される。安定時の制御では、６０秒毎に、熱交換器の出口水温Ｔｗｏｕｔと設定温度Ｔｓｃとの偏差Ｅと、変化量ΔＥ（今回のＴｗｏｕｔの値と前回６０秒前のＴｗｏｕｔの値の差）が計算され、これらＥ及びΔＥに応じて周波数指令信号ｆｉの補正値Δｆｉが求められ、現在の周波数指令信号ｆｉが補正される。

日本特開２０１２−２３３６２６号公報 日本特開２００２−２４３２７６号公報

上述した従来のヒートポンプ給湯機では、以下のような課題がある。運転中に圧縮機の回転数または周波数に加えられる補正値は、外気温度によらない。このため、外気温度が高い場合には、当該補正値が過剰になる可能性がある。外気温度が低いときには、当該補正値が不足する可能性がある。その結果、冷媒回路の状態が安定しにくく、加熱熱交換器から流出する熱媒体の温度のオーバーシュートまたはアンダーシュートが発生しやすい場合がある。

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、外気温度の高低にかかわらず、加熱熱交換器から流出する熱媒体の温度のオーバーシュート及びアンダーシュートを確実に抑制でき、かつ、冷媒回路の状態を安定にすることで効率を向上できるヒートポンプシステムを提供することを目的とする。

本発明のヒートポンプシステムは、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された冷媒と、液状の熱媒体との間で熱を交換する加熱熱交換器と、冷媒を減圧させる減圧装置と、減圧装置で減圧された冷媒と、外気との間で熱を交換する蒸発器と、外気温度を検知する外気温度検知手段と、加熱熱交換器から流出する熱媒体の温度である出口温度を検知する出口温度検知手段と、基本周波数と補正周波数との和に応じて、圧縮機の運転周波数を制御する圧縮機制御手段と、目標出口温度から現在の出口温度を減算した温度差と、現在の外気温度とに応じて、基本周波数を算出する基本周波数算出手段と、温度差が正の第一基準値に比べて大きく、かつ、出口温度の時間的な変化が基準に比べて小さい場合に、補正周波数に正の第一補正値を付加する第一補正手段と、を備えるものである。

本発明のヒートポンプシステムによれば、基本周波数と補正周波数との和に応じて圧縮機の運転周波数を制御する圧縮機制御手段と、目標出口温度から現在の出口温度を減算した温度差と現在の外気温度とに応じて基本周波数を算出する基本周波数算出手段と、温度差が正の第一基準値に比べて大きく、かつ、出口温度の時間的な変化が基準に比べて小さい場合に、補正周波数に正の第一補正値を付加する第一補正手段とを備えたことで、外気温度の高低にかかわらず、加熱熱交換器から流出する熱媒体の温度のオーバーシュート及びアンダーシュートを確実に抑制でき、かつ、冷媒回路の状態を安定にすることで効率を向上することが可能となる。

実施の形態１のヒートポンプシステムを示す構成図である。 実施の形態１のヒートポンプシステムの機能ブロック図である。 実施の形態１のヒートポンプシステムの第一コントローラが実行するルーチンのフローチャートである。 実施の形態１のヒートポンプシステムが備える第一コントローラまたは第二コントローラのハードウェア構成の例を示す図である。 実施の形態１のヒートポンプシステムが備える第一コントローラまたは第二コントローラのハードウェア構成の他の例を示す図である。 実施の形態２のヒートポンプシステムの第一コントローラが実行するルーチンのフローチャートである。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を簡略化または省略する。なお、本発明における装置、器具、及び部品等の、個数、配置、向き、形状、及び大きさは、原則として、図面に示す個数、配置、向き、形状、及び大きさに限定されない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１のヒートポンプシステムを示す構成図である。図１に示すように、本実施の形態のヒートポンプシステム１は、圧縮機３、加熱熱交換器４、減圧装置５、蒸発器６、及び送風機７を備える。

圧縮機３は、冷媒ガスを圧縮する。冷媒の種類は、特に限定されない。冷媒は、圧縮機３で圧縮された高圧冷媒の圧力が超臨界圧になるもの（例えばＣＯ_２）でも良いし、圧縮機３で圧縮された高圧冷媒の圧力が臨界圧より低いものでも良い。加熱熱交換器４は、圧縮機３で圧縮された高圧冷媒と、液状の熱媒体との間で熱を交換することで、熱媒体を加熱する。熱媒体としては、例えば、水、塩化カルシウム水溶液、エチレングリコール水溶液、アルコールなどを使用できる。加熱熱交換器４は、冷媒通路及び熱媒体通路を有する。圧縮機３、加熱熱交換器４の冷媒通路、減圧装置５、及び蒸発器６は、冷媒配管８を介して環状に接続されることで冷媒回路を形成する。ヒートポンプシステム１は、この冷媒回路により、ヒートポンプサイクル（冷凍サイクル）の運転を行う。

減圧装置５は、加熱熱交換器４を通過した高圧冷媒を減圧する。減圧装置５として、開度を可変にできる膨張弁を用いることもできる。高圧冷媒は、減圧装置５を通過することで、気液二相状態の低圧冷媒になる。蒸発器６は、減圧装置５で減圧された低圧冷媒と、外気との間で熱を交換する熱交換器である。外気とは、屋外の空気である。気液二相状態の低圧冷媒は、蒸発器６で外気の熱を吸収することで、蒸発する。蒸発器６で蒸発した低圧冷媒ガスは、圧縮機３に吸入される。

送風機７は、外気が蒸発器６へ供給されるように送風する。送風機７は、ファン７ａと、モータ７ｂとを備える。ファン７ａは、モータ７ｂに駆動されることで回転する。送風機７は、図１中で右から左へ向かって送風する。外気は、蒸発器６及び送風機７をこの順に通過する。ヒートポンプシステム１は、外気温度センサ９を備える。外気温度センサ９は、外気温度を検知する外気温度検知手段の例である。外気温度センサ９は、蒸発器６で冷却される前の外気の温度を検知する。

本実施の形態のヒートポンプシステム１は、循環ポンプ１０、蓄熱槽１１、出口温度センサ１２、及び入口温度センサ１３を備える。循環ポンプ１０は、加熱熱交換器４の熱媒体通路へ熱媒体を流れさせる。蓄熱槽１１は、加熱される前の熱媒体及び加熱された後の熱媒体を貯留できる。蓄熱槽１１内では、温度の違いによる熱媒体の密度の差により、上側が高温で下側が低温になる温度成層を形成しても良い。蓄熱槽１１内の熱媒体の鉛直方向の温度分布を検知する複数の温度センサ（図示省略）が蓄熱槽１１に備えられても良い。蓄熱槽１１内の熱媒体の鉛直方向の温度分布を検知することで、蓄熱槽１１の蓄熱量を計算できる。

第一管１４は、蓄熱槽１１の下部と、加熱熱交換器４の熱媒体通路の入口との間を接続する。第二管１５は、加熱熱交換器４の熱媒体通路の出口と、蓄熱槽１１の上部との間を接続する。図示の構成では、循環ポンプ１０は、第一管１４の途中に配置される。図示の構成に限らず、循環ポンプ１０は、第二管１５の途中に配置されても良い。循環ポンプ１０が動作することで、蓄熱槽１１の下部から流出した熱媒体が第一管１４を通って加熱熱交換器４へ送られる。加熱熱交換器４で加熱された熱媒体は、第二管１５を通って、蓄熱槽１１の上部へ送られる。

出口温度センサ１２は、加熱熱交換器４から流出する熱媒体の温度（以下、「出口温度」と称する）を検知する。出口温度センサ１２は、第二管１５に設置される。出口温度センサ１２は、加熱熱交換器４で加熱された後の熱媒体の温度を検知する。出口温度センサ１２は、出口温度検知手段の例である。入口温度センサ１３は、加熱熱交換器４に流入する熱媒体の温度（以下、「入口温度」と称する）を検知する。入口温度センサ１３は、第一管１４に設置される。入口温度センサ１３は、加熱熱交換器４で加熱される前の熱媒体の温度を検知する。

蓄熱槽１１は、第三管１７及び第四管１８を介して、暖房器具１６に接続される。第三管１７は、蓄熱槽１１の上部の熱媒体出口と、暖房器具１６の熱媒体入口との間を接続する。第四管１８は、暖房器具１６の熱媒体出口と、蓄熱槽１１の上部の熱媒体戻り口との間を接続する。第四管１８が接続される熱媒体戻り口は、蓄熱槽１１の下部または中間高さ部に位置しても良い。蓄熱槽１１に貯えられた熱媒体は、ポンプ（図示省略）により、第三管１７を通って暖房器具１６に送られる。暖房器具１６は、熱媒体の熱で室内の空気を暖める。暖房器具１６としては、例えば、床暖房パネル、ラジエータ、パネルヒータ、ファンコンベクターなどを用いることができる。第三管１７と第四管１８との間に、複数の暖房器具１６を接続しても良い。その場合、複数の暖房器具１６の接続方法は、直列、並列、直列及び並列の組み合わせ、のいずれでも良い。

本実施の形態では、加熱熱交換器４で加熱された熱媒体が蓄熱槽１１を介して暖房器具１６へ供給される。このような構成に限らず、加熱熱交換器４で加熱された熱媒体が蓄熱槽１１を介さずに暖房器具１６へ直接供給されるように構成しても良い。また、蓄熱槽１１に貯えられた湯を給湯先へ供給する給湯管（図示省略）が蓄熱槽１１に接続されても良い。水道等の水源からの水を供給する給水管（図示省略）が蓄熱槽１１に接続されても良い。

圧縮機３、加熱熱交換器４、減圧装置５、蒸発器６、及び送風機７を収納する筐体（図示省略）と、蓄熱槽１１を収納する筐体（図示省略）とは、別体でも良いし、一体でも良い。筐体が別体の場合には、循環ポンプ１０は、いずれの筐体に収納されても良い。

本実施の形態のヒートポンプシステム１は、第一コントローラ１００、第二コントローラ２００、及びリモコン装置３００を備える。圧縮機３、減圧装置５、送風機７、外気温度センサ９、出口温度センサ１２、及び入口温度センサ１３は、第一コントローラ１００に対して電気的に接続される。第一コントローラ１００は、圧縮機３、減圧装置５、及び送風機７の動作を制御する。循環ポンプ１０は、第二コントローラ２００に対して電気的に接続される。第二コントローラ２００は、循環ポンプ１０の動作を制御する。

第一コントローラ１００と第二コントローラ２００との間は、有線通信または無線通信により、双方向にデータ通信可能に接続される。第二コントローラ２００とリモコン装置３００との間は、有線通信または無線通信により、双方向にデータ通信可能に接続される。リモコン装置３００は、屋内に設置される。リモコン装置３００は、使用者が操作するスイッチ等の操作部と、ヒートポンプシステム１の状態等の情報を表示する表示部とを備える。

以下の説明では、出口温度センサ１２で検知される出口温度をＴｈｗ［℃］とし、目標出口温度をＴＰ［℃］とし、外気温度センサ９で検知される外気温度をＴａ［℃］とする。目標出口温度ＴＰは、出口温度Ｔｈｗの目標値である。目標出口温度ＴＰは、使用者がリモコン装置３００を操作することで設定した値でも良い。目標出口温度ＴＰは、第一コントローラ１００または第二コントローラ２００が設定した値でも良い。第一コントローラ１００または第二コントローラ２００は、冷媒回路の状態、蓄熱槽１１の蓄熱量、または、使用者がリモコン装置３００を操作することで設定した目標室温などに基づいて、目標出口温度ＴＰを設定しても良い。

第一コントローラ１００は、外気温度Ｔａをより正確に検知するために、外気温度センサ９で検知された複数の値の平均値を外気温度Ｔａとして用いても良い。例えば、第一コントローラ１００は、外気温度センサ９の検知温度を１秒間毎に１０回サンプリングした値の平均値を外気温度Ｔａとして用いても良い。

図２は、実施の形態１のヒートポンプシステム１の機能ブロック図である。図２に示すように、第一コントローラ１００は、圧縮機制御部１０１、基本周波数算出部１０２、第一補正部１０３、第二補正部１０４、第一補正値設定部１０５、第二補正値設定部１０６、及び計時部１０７を備える。第二コントローラ２００は、ポンプ駆動部２０１を備える。

圧縮機制御部１０１は、圧縮機３の動作を制御する。圧縮機３の動作速度は、可変である。圧縮機制御部１０１は、圧縮機３が備える電動機の運転周波数をインバーター制御により可変にすることで、圧縮機３の動作速度を可変にできる。圧縮機３の運転周波数が高いほど、圧縮機３の動作速度が高くなる。圧縮機３の動作速度が高いほど、冷媒の循環流量が高くなり、冷媒が加熱熱交換器４へ供給する時間当たりの熱量［ｋＷ］が高くなる。以下の説明では、冷媒が加熱熱交換器４へ供給する時間当たりの熱量を「供給熱量」と称する。

外気温度Ｔａが高いほど、蒸発器６で冷媒が外気から吸収する熱量が高くなる。仮に圧縮機３の運転周波数を一定とした場合には、外気温度Ｔａが高いほど、供給熱量が高くなる。

圧縮機制御部１０１は、基本周波数と補正周波数との和に応じて、圧縮機３の運転周波数を制御する。基本周波数は、基本周波数算出部１０２により算出される。補正周波数は、第一補正部１０３、第二補正部１０４、第一補正値設定部１０５、及び第二補正値設定部１０６により算出される。計時部１０７は、時間を計る。

ポンプ駆動部２０１は、循環ポンプ１０の動作を制御する。ポンプ駆動部２０１は、加熱熱交換器４を通過する熱媒体の流量が時間的に一定になるように循環ポンプ１０を駆動することが望ましい。加熱熱交換器４を通過する熱媒体の流量を時間的に一定にすることで、ヒートポンプシステム１の効率を良好にできる。加熱熱交換器４で加熱された熱媒体を暖房器具１６に供給する場合に、暖房器具１６に循環する熱媒体の流量を時間的に一定にすることで、暖房特性を良好にできる。

以下の説明では、温度［℃］の高低と、温度差の大小との区別を分かり易くするため、温度差の単位をＫ（ケルビン）で表す。目標出口温度ＴＰから、現在の出口温度Ｔｈｗを減算した温度差をΔＴｈｗ［Ｋ］とする。すなわち、温度差ΔＴｈｗを次式で定義する。
ΔＴｈｗ＝ＴＰ−Ｔｈｗ ・・・（１）

基本周波数算出部１０２は、温度差ΔＴｈｗと、現在の外気温度Ｔａとに応じて、基本周波数を算出する。温度差ΔＴｈｗと、外気温度Ｔａと、基本周波数［Ｈｚ］との関係を表すマップの例を表１に示す。

本実施の形態では、基本周波数算出部１０２は、表１のマップに基づいて、温度差ΔＴｈｗと現在の外気温度Ｔａとに応じた基本周波数を算出できる。なお、温度差ΔＴｈｗ及び外気温度Ｔａの一方または両方が表１のマップに記載された値に該当しない場合には、表１のマップに記載された値から定まる二点間を線形補間することで、基本周波数が算出される。本実施の形態では、圧縮機３の上限周波数は９８Ｈｚであり、圧縮機３の下限周波数は３５Ｈｚである。

圧縮機３の運転中、制御周期毎に、基本周波数は、基本周波数算出部１０２により算出される値に更新される。圧縮機３の運転中、温度差ΔＴｈｗの変化、あるいは外気温度Ｔａの変化に応じて、基本周波数が逐次変化する。圧縮機３の運転中に基本周波数が変化することで、圧縮機３の運転周波数が変化し、供給熱量も変化する。

表１のマップが示すように、本実施の形態では、温度差ΔＴｈｗが小さい場合の基本周波数は、温度差ΔＴｈｗが大きい場合の基本周波数に比べて、小さくなる。これにより、以下のような効果が得られる。圧縮機３の起動直後は、出口温度Ｔｈｗが低いため、温度差ΔＴｈｗが大きい。温度差ΔＴｈｗが大きい場合には、温度差ΔＴｈｗが小さい場合に比べて基本周波数が大きくされることで、供給熱量が高くなる。それゆえ、出口温度Ｔｈｗを速く上昇させることができる。その後、出口温度Ｔｈｗが上昇して目標出口温度ＴＰに近づくにつれて、温度差ΔＴｈｗが縮小する。温度差ΔＴｈｗが縮小するにつれて、基本周波数が低くなるので、供給熱量が低下する。それゆえ、出口温度Ｔｈｗが目標出口温度ＴＰに対してオーバーシュートすることを確実に抑制できる。出口温度Ｔｈｗのオーバーシュートを確実に抑制できるので、暖房器具１６の安全性をさらに向上できる。

上記の効果を得るためには、基本周波数算出部１０２は、少なくとも外気温度Ｔａが特定の範囲にある場合に、温度差ΔＴｈｗが小さいときの基本周波数が、温度差ΔＴｈｗが大きいときの基本周波数に比べて小さくなるように、基本周波数を算出すれば良い。外気温度Ｔａが当該特定の範囲にない場合には、基本周波数算出部１０２は、基本周波数を一定にしても良い。表１のマップが示すように、外気温度Ｔａが３５℃以上の場合には、温度差ΔＴｈｗにかかわらず、基本周波数は３５Ｈｚで一定である。本実施の形態では、基本周波数算出部１０２は、外気温度Ｔａが特定の範囲（３５℃未満の範囲）にある場合にのみ、温度差ΔＴｈｗが小さいときの基本周波数が、温度差ΔＴｈｗが大きいときの基本周波数に比べて小さくなるように、基本周波数を算出する。本実施の形態では、基本周波数算出部１０２は、外気温度Ｔａが３５℃以上の場合には、温度差ΔＴｈｗにかかわらず、基本周波数を一定にする。このような構成に限らず、基本周波数算出部１０２は、外気温度Ｔａにかかわらず、温度差ΔＴｈｗが小さいときの基本周波数が、温度差ΔＴｈｗが大きいときの基本周波数に比べて小さくなるように、基本周波数を算出しても良い。

表１のマップが示すように、本実施の形態では、外気温度Ｔａが高いときの基本周波数は、外気温度Ｔａが低いときの基本周波数に比べて、小さくなる。これにより、以下のような効果が得られる。前述したように、仮に圧縮機３の運転周波数を一定とした場合には、外気温度Ｔａが高いほど、供給熱量が高くなる。本実施の形態では、外気温度Ｔａが高いときには、基本周波数が小さくされることで、供給熱量が必要以上に高くなることを確実に抑制できる。それゆえ、出口温度Ｔｈｗが目標出口温度ＴＰに対してオーバーシュートすることを確実に抑制できる。出口温度Ｔｈｗのオーバーシュートを確実に抑制できるので、暖房器具１６の安全性をさらに向上できる。逆に、外気温度Ｔａが低いときには、基本周波数が大きくされることで、供給熱量が不足することを確実に抑制できる。それゆえ、出口温度Ｔｈｗが目標出口温度ＴＰに対してアンダーシュートすることを確実に抑制できる。暖房器具１６による暖房を行う場合、あるいは蓄熱槽１１に熱を蓄える場合には、圧縮機３が長時間運転される場合がある。このため、圧縮機３の運転中に、日照あるいは天候の変化に伴い、外気温度Ｔａが大きく変化する場合がある。本実施の形態であれば、圧縮機３の運転中に外気温度Ｔａが変化した場合であっても、外気温度Ｔａの変化に応じて、圧縮機３の運転周波数を適切に変化させることで、出口温度Ｔｈｗのオーバーシュート及びアンダーシュートを確実に抑制できる。

上記の効果を得るためには、基本周波数算出部１０２は、少なくとも温度差ΔＴｈｗが特定の範囲にある場合に、外気温度Ｔａが高いときの基本周波数が、外気温度Ｔａが低いときの基本周波数に比べて小さくなるように、基本周波数を算出すれば良い。例えば、基本周波数算出部１０２は、温度差ΔＴｈｗが大きいときには、外気温度Ｔａにかかわらず、基本周波数を上限周波数に等しい値で一定にしても良い。あるいは、基本周波数算出部１０２は、温度差ΔＴｈｗが十分小さいときには、外気温度Ｔａにかかわらず、基本周波数を下限周波数に等しい値で一定にしても良い。

圧縮機制御部１０１は、基本周波数［Ｈｚ］と補正周波数［Ｈｚ］との和に応じて、圧縮機３の運転周波数を制御する。圧縮機３の運転開始時の補正周波数（すなわち、補正周波数の初期値）は、０Ｈｚである。第一補正部１０３は、補正周波数に第一補正値を付加する。第一補正値は、正の値である。第二補正部１０４は、補正周波数に第二補正値を付加する。第二補正値は、負の値である。補正周波数は、圧縮機３の運転開始後に付加されたすべての第一補正値及び第二補正値を合計した値である。第一補正値及び第二補正値は、それらによって圧縮機３の運転周波数が補正されたときに冷媒回路が不安定にならない程度に小さい値とされる。

基本周波数と補正周波数との和が上限周波数と下限周波数との間の値である場合には、圧縮機制御部１０１は、圧縮機３の運転周波数を、基本周波数と補正周波数との和に等しい値に設定する。基本周波数と補正周波数との和が上限周波数以上である場合には、圧縮機制御部１０１は、圧縮機３の運転周波数を上限周波数に等しい値に設定する。基本周波数と補正周波数との和が下限周波数以下である場合には、圧縮機制御部１０１は、圧縮機３の運転周波数を下限周波数に等しい値に設定する。

なお、圧縮機３の運転開始後、一定時間（例えば、３分間〜５分間程度）が経過するまでの間は、圧縮機制御部１０１は、圧縮機３の運転周波数を変化させずに、圧縮機３の運転周波数を一定の値に保持しても良い。そのようにすることで、冷媒回路の状態をより早期に安定させることが可能となる。

第一補正部１０３は、温度差ΔＴｈｗが正の第一基準値に比べて大きく、かつ、出口温度Ｔｈｗの時間的な変化が基準に比べて小さい場合に、補正周波数に第一補正値を付加する。温度差ΔＴｈｗが正の第一基準値に比べて大きいことを以下「条件１」と称する。出口温度Ｔｈｗの時間的な変化が基準に比べて小さいことを以下「条件２」と称する。第一補正部１０３は、条件１及び条件２が共に成立する場合に、補正周波数に第一補正値を付加する。条件１及び条件２のいずれか一方または両方が成立しない場合には、第一補正部１０３は、補正周波数に第一補正値を付加しない。補正周波数に第一補正値が付加されることで、補正周波数が増加するので、圧縮機３の運転周波数が増加する。

温度差ΔＴｈｗが十分に小さくならないうちに出口温度Ｔｈｗが安定しそうになった場合には、第一補正部１０３が補正周波数に正の第一補正値を付加することで、圧縮機３の運転周波数を増加させることができる。その結果、温度差ΔＴｈｗを縮小させ、出口温度Ｔｈｗを目標出口温度ＴＰに近づけることができる。

本実施の形態では、条件１の正の第一基準値を２Ｋとする。すなわち、本実施の形態における条件１は、次式により表される。
２Ｋ＜ΔＴｈｗ ・・・（２）

本実施の形態における条件２は、次式により表される。
−２Ｋ＜Ｔｈｗ（ｎ）−Ｔｈｗ（ｎ−１）＜２Ｋ ・・・（３）
ただし、Ｔｈｗ（ｎ）は、現在の出口温度Ｔｈｗである。Ｔｈｗ（ｎ−１）は、その一定時間前（例えば、４５秒間前）の出口温度Ｔｈｗである。

本実施の形態では、上記（３）式が成立する場合、すなわち現在の出口温度Ｔｈｗ（ｎ）と一定時間前の出口温度Ｔｈｗ（ｎ−１）との差の絶対値が２Ｋ未満である場合には、出口温度Ｔｈｗの時間的な変化が基準に比べて小さいと判定される。上記（３）式が成立しない場合には、出口温度Ｔｈｗの時間的な変化が基準に比べて小さくない、すなわち条件２が不成立と判定される。

条件２が不成立の場合、つまり出口温度Ｔｈｗがまだ安定しそうになっていない場合には、条件１が成立したとしても、第一補正値は付加されない。例えば、出口温度Ｔｈｗの上昇速度が十分に速いときには、条件２が不成立となるので、第一補正値は付加されない。出口温度Ｔｈｗの上昇速度が十分に速いときには、基本周波数算出部１０２により算出される基本周波数の変化が比較的大きい。基本周波数の変化が比較的大きいときにさらに補正周波数が変化すると、圧縮機３及び冷媒回路の状態が不安定になる可能性がある。圧縮機３及び冷媒回路の状態が不安定になると、ヒートポンプシステム１の効率が低下する。本実施の形態であれば、条件２が成立するときにのみ第一補正値を付加するので、基本周波数と補正周波数とが同時期に変更されることを抑制できる。それゆえ、圧縮機３及び冷媒回路の状態が不安定になることを確実に抑制できる。ヒートポンプシステム１の効率の低下も確実に抑制できる。

本実施の形態では、目標出口温度ＴＰと出口温度Ｔｈｗとの差が２Ｋ以下の場合、つまり２Ｋ≧ΔＴｈｗの場合には、出口温度Ｔｈｗは目標出口温度ＴＰに対してすでに十分に近づいたと判断できる。すなわち、上記条件１が成立しない場合には、出口温度Ｔｈｗをそれ以上上昇させる必要は無く、補正周波数に第一補正値を付加する必要は無い。ただし、条件１の第一基準値を２Ｋより小さい値にしても良い。

第二補正部１０４は、出口温度Ｔｈｗが目標出口温度ＴＰに比べて高い状態が一定時間（例えば、３０秒間）以上継続している場合に、補正周波数に第二補正値を付加する。第二補正部１０４が補正周波数に第二補正値を付加する条件を以下「条件３」と称する。本実施の形態では、次式が一定時間以上継続して成立することが条件３に相当する。
ΔＴｈｗ＜０Ｋ ・・・（４）

条件３が成立した場合、すなわち出口温度Ｔｈｗが目標出口温度ＴＰに比べて高い状態で安定しそうになった場合には、第二補正部１０４が補正周波数に負の第二補正値を付加することで、圧縮機３の運転周波数を低下させることができる。その結果、出口温度Ｔｈｗを低下させることができ、出口温度Ｔｈｗが目標出口温度ＴＰに対してオーバーシュートすることを確実に抑制できる。

なお、第二補正部１０４は、上記条件に代えて、出口温度Ｔｈｗが目標出口温度ＴＰに比べて許容限度を超えて高い状態が一定時間（例えば、３０秒間）以上継続している場合に、補正周波数に第二補正値を付加しても良い。例えば、出口温度Ｔｈｗが目標出口温度ＴＰに比べて１Ｋ高い状態まで許容できる場合には、上記許容限度を１Ｋとする。この場合には、次式が一定時間以上継続することが条件３に相当する。
ΔＴｈｗ＜−１Ｋ ・・・（５）

第一補正値設定部１０５は、温度差ΔＴｈｗが正の第二基準値に比べて大きい場合には、第一補正値を次のように設定する。外気温度Ｔａが高いときの第一補正値は、外気温度Ｔａが低いときの第一補正値に比べて、小さくなる。第二基準値は、第一基準値より大きい値である。第二基準値は、例えば５Ｋである。第二補正値設定部１０６は、温度差ΔＴｈｗが負の基準値に比べて小さい場合には、第二補正値を次のように設定する。外気温度Ｔａが高いときの第二補正値の絶対値は、外気温度Ｔａが低いときの第二補正値の絶対値に比べて、小さくなる。負の基準値は、例えば−５Ｋである。これらの場合における外気温度Ｔａと、第一補正値及び第二補正値との関係を表すマップの例を表２に示す。

本実施の形態では、第一補正値設定部１０５は、温度差ΔＴｈｗがΔＴｈｗ≧５Ｋを満足する場合には、表２のマップに基づいて、第一補正値を設定する。第二補正値設定部１０６は、温度差ΔＴｈｗがΔＴｈｗ≦−５Ｋを満足する場合には、表２のマップに基づいて、第二補正値を設定する。なお、外気温度Ｔａが表２のマップに記載された値に該当しない場合には、表２のマップの記載された値から定まる二点間を線形補間することで、第一補正値または第二補正値が算出される。

第一補正値設定部１０５は、温度差ΔＴｈｗが上記第二基準値に比べて大きくない場合には、外気温度Ｔａにかかわらず、第一補正値を一定にする。第二補正値設定部１０６は、温度差ΔＴｈｗが上記負の基準値に比べて小さくない場合には、外気温度Ｔａにかかわらず、第二補正値を一定にする。これらの場合における外気温度Ｔａと、第一補正値及び第二補正値との関係を表すマップの例を表３に示す。

本実施の形態では、第一補正値設定部１０５は、温度差ΔＴｈｗが２Ｋ＜ΔＴｈｗ＜５Ｋを満足する場合には、表３のマップのように、第一補正値を外気温度Ｔａによらずに１Ｈｚと設定する。第二補正値設定部１０６は、温度差ΔＴｈｗが−５Ｋ＜ΔＴｈｗ＜０Ｋを満足する場合には、表３のマップのように、第二補正値を外気温度Ｔａによらずに−１Ｈｚと設定する。

本実施の形態であれば、第一補正値設定部１０５が、表２のマップに基づき、外気温度Ｔａが高いときの第一補正値が、外気温度Ｔａが低いときの第一補正値に比べて小さくなるように、第一補正値を設定することで、以下の効果が得られる。外気温度Ｔａが高い場合、すなわち供給熱量が高くなり易い場合に、第一補正値が過大になることを確実に抑制できる。その結果、出口温度Ｔｈｗが目標出口温度ＴＰに対してオーバーシュートすることを確実に抑制できる。また、外気温度Ｔａが低い場合、すなわち供給熱量が低くなり易い場合に、第一補正値が不足することを確実に抑制できる。その結果、出口温度Ｔｈｗが目標出口温度ＴＰに対してアンダーシュートすることを確実に抑制できる。

上記の効果を得るためには、第一補正値設定部１０５は、少なくとも温度差ΔＴｈｗが上記第二基準値に比べて大きい場合に、外気温度Ｔａが高いときの第一補正値が、外気温度Ｔａが低いときの第一補正値に比べて小さくなるように、第一補正値を設定すれば良い。温度差ΔＴｈｗが上記第二基準値に比べて大きくない場合には、出口温度Ｔｈｗが目標出口温度ＴＰに対して比較的近い状態であるので、第一補正値が外気温度Ｔａによらずに一定であっても、出口温度Ｔｈｗを目標出口温度ＴＰに速やかに近づけることが可能である。ただし、第一補正値設定部１０５は、温度差ΔＴｈｗにかかわらず、外気温度Ｔａが高いときの第一補正値が、外気温度Ｔａが低いときの第一補正値に比べて小さくなるように、第一補正値を設定しても良いことは言うまでもない。

本実施の形態では、第二補正値設定部１０６が、表２のマップに基づき、外気温度Ｔａが高いときの第二補正値の絶対値が、外気温度Ｔａが低いときの第二補正値の絶対値に比べて小さくなるように、第二補正値を設定することで、以下の効果が得られる。外気温度Ｔａが高い場合に、第二補正値が過大になることを確実に抑制できる。外気温度Ｔａが低い場合に、第二補正値が不足することを確実に抑制できる。

上記の効果を得るためには、第二補正値設定部１０６は、少なくとも温度差ΔＴｈｗが上記負の基準値に比べて小さい場合に、外気温度Ｔａが高いときの第二補正値の絶対値が、外気温度Ｔａが低いときの第二補正値の絶対値に比べて小さくなるように、第二補正値を設定すれば良い。温度差ΔＴｈｗが上記負の基準値に比べて小さくない場合には、出口温度Ｔｈｗが目標出口温度ＴＰに対して比較的近い状態であるので、第二補正値が外気温度Ｔａによらずに一定であっても、出口温度Ｔｈｗを目標出口温度ＴＰに速やかに近づけることが可能である。ただし、第二補正値設定部１０６は、温度差ΔＴｈｗにかかわらず、外気温度Ｔａが高いときの第二補正値の絶対値が、外気温度Ｔａが低いときの第二補正値の絶対値に比べて小さくなるように、第二補正値を設定しても良いことは言うまでもない。

図３は、実施の形態１のヒートポンプシステム１の第一コントローラ１００が実行するルーチンのフローチャートである。第一コントローラ１００は、圧縮機３の運転中、所定の制御周期毎（例えば、４５秒毎）に、図３のルーチンを繰り返し実行する。図３のステップＳ１で、第一コントローラ１００は、出口温度センサ１２で検知される現在の出口温度Ｔｈｗを取得する。ステップＳ２で、第一コントローラ１００は、外気温度センサ９で検知される現在の外気温度Ｔａを取得する。ステップＳ３で、基本周波数算出部１０２は、表１のマップに基づいて、温度差ΔＴｈｗと現在の外気温度Ｔａとに応じた基本周波数を算出する。

ステップＳ４で、第一補正部１０３は、条件１及び条件２が成立するかどうかを判断する。第一補正部１０３は、例えば、温度差ΔＴｈｗが前述した（２）式を満たす場合には、条件１が成立すると判定し、そうでない場合には条件１が不成立と判定する。第一補正部１０３は、例えば、現在の出口温度Ｔｈｗ（ｎ）と、一制御周期前に取得された出口温度Ｔｈｗ（ｎ−１）とが、前述した（３）式を満たす場合には、条件２が成立すると判定し、そうでない場合には条件２が不成立と判定する。

条件１及び条件２が共に成立すると判定された場合には、ステップＳ４からステップＳ５へ移行する。ステップＳ５で、第一補正値設定部１０５は、温度差ΔＴｈｗの値に応じて、表２または表３のマップに基づき、第一補正値を設定する。ステップＳ５からステップＳ６へ移行する。ステップＳ６で、第一補正部１０３は、当該設定された第一補正値を補正周波数に付加する。ステップＳ６からステップＳ１０へ移行する。

条件１及び条件２のいずれか一方または両方が不成立と判定された場合には、ステップＳ４からステップＳ７へ移行する。ステップＳ７で、第二補正部１０４は、条件３が成立するかどうかを判断する。第二補正部１０４は、一定時間前（例えば、３０秒前）から現在まで、前述した（４）式の成立が継続している場合には、条件３が成立すると判定し、そうでない場合には条件３が不成立と判定する。

条件３が成立すると判定された場合には、ステップＳ７からステップＳ８へ移行する。ステップＳ８で、第二補正値設定部１０６は、温度差ΔＴｈｗの値に応じて、表２または表３のマップに基づき、第二補正値を設定する。ステップＳ８からステップＳ９へ移行する。ステップＳ９で、第二補正部１０４は、当該設定された第二補正値を補正周波数に付加する。ステップＳ９からステップＳ１０へ移行する。条件３が不成立と判定された場合には、ステップＳ７からステップＳ１０へ移行する。

ステップＳ１０で、圧縮機制御部１０１は、基本周波数と補正周波数との和に応じて、以下のようにして、圧縮機３の運転周波数を制御する。基本周波数と補正周波数との和が上限周波数と下限周波数との間の値である場合には、圧縮機３の運転周波数は、基本周波数と補正周波数との和に等しい値に設定される。基本周波数と補正周波数との和が上限周波数以上である場合には、圧縮機３の運転周波数は、上限周波数に等しい値に設定される。基本周波数と補正周波数との和が下限周波数以下である場合には、圧縮機３の運転周波数は、下限周波数に等しい値に設定される。ステップＳ１０の後、ルーチンを終了する。

図４は、実施の形態１のヒートポンプシステム１が備える第一コントローラ１００または第二コントローラ２００のハードウェア構成の例を示す図である。第一コントローラ１００の各機能は、処理回路により実現される。第二コントローラ２００の各機能は、処理回路により実現される。図４に示す例では、第一コントローラ１００の処理回路は、少なくとも１つのプロセッサ１１０と少なくとも１つのメモリ１２０とを備える。第二コントローラ２００の処理回路は、少なくとも１つのプロセッサ２１０と少なくとも１つのメモリ２２０とを備える。

処理回路が少なくとも１つのプロセッサ１１０または２１０と少なくとも１つのメモリ１２０または２２０とを備える場合、第一コントローラ１００または第二コントローラ２００の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、プログラムとして記述される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、少なくとも１つのメモリ１２０または２２０に格納される。少なくとも１つのプロセッサ１１０または２１０は、少なくとも１つのメモリ１２０または２２０に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、第一コントローラ１００または第二コントローラ２００の各機能を実現する。少なくとも１つのプロセッサ１１０または２１０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）ともいう。例えば、少なくとも１つのメモリ１２０または２２０は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ−Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）等である。

図５は、実施の形態１のヒートポンプシステム１が備える第一コントローラ１００または第二コントローラ２００のハードウェア構成の他の例を示す図である。図５に示す例では、第一コントローラ１００の処理回路は、少なくとも１つの専用のハードウェア１３０を備える。第二コントローラ２００の処理回路は、少なくとも１つの専用のハードウェア２３０を備える。

処理回路が少なくとも１つの専用のハードウェア１３０または２３０を備える場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、またはこれらを組み合わせたものである。第一コントローラ１００または第二コントローラ２００の各部の機能がそれぞれ処理回路で実現されても良い。また、第一コントローラ１００または第二コントローラ２００の各部の機能がまとめて処理回路で実現されても良い。

また、第一コントローラ１００の各機能について、一部を専用のハードウェア１３０で実現し、他の一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現してもよい。このように、処理回路は、ハードウェア１３０、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、第一コントローラ１００の各機能を実現する。

また、第二コントローラ２００の各機能について、一部を専用のハードウェア２３０で実現し、他の一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現してもよい。このように、処理回路は、ハードウェア２３０、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、第二コントローラ２００の各機能を実現する。

本実施の形態では、第一コントローラ１００及び第二コントローラ２００が連携することでヒートポンプシステム１の動作を制御する。このような構成に限らず、単一のコントローラによりヒートポンプシステム１の動作が制御される構成にしても良い。

実施の形態２．
次に、図６を参照して、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については説明を簡略化または省略する。

本実施の形態２のヒートポンプシステム１の構成図は、図１と同じであるので、省略する。本実施の形態２のヒートポンプシステム１の機能ブロック図は、第一コントローラ１００が第一補正値設定部１０５及び第二補正値設定部１０６を備えないこと以外は、図２と同じであるので、省略する。

本実施の形態２では、第一補正部１０３は、外気温度Ｔａによらない第一補正値を補正周波数に付加する。本実施の形態２における第一補正値は、外気温度Ｔａ及び温度差ΔＴｈｗによらず、一定の値とされる。本実施の形態２における第一補正値は、比較的小さい値（例えば、１Ｈｚ、または２Ｈｚ）とされる。

本実施の形態２では、第二補正部１０４は、外気温度Ｔａによらない第二補正値を補正周波数に付加する。本実施の形態２における第二補正値は、外気温度Ｔａ及び温度差ΔＴｈｗによらず、一定の値とされる。本実施の形態２における第二補正値は、比較的小さい値（例えば、−１Ｈｚ、または−２Ｈｚ）とされる。

図６は、実施の形態２のヒートポンプシステム１の第一コントローラ１００が実行するルーチンのフローチャートである。図６のフローチャートは、実施の形態１の図３のフローチャートと比べて、ステップＳ５及びステップＳ８が無いこと以外は同じである。本実施の形態２において第一コントローラ１００が実行するルーチンについて、実施の形態１との相違点のみを以下に説明する。

ステップＳ４で条件１及び条件２が共に成立すると判定された場合には、ステップＳ６へ移行する。ステップＳ６で、第一補正部１０３は、外気温度Ｔａ及び温度差ΔＴｈｗによらない所定の第一補正値を補正周波数に付加する。ステップＳ７で条件３が成立すると判定された場合には、ステップＳ９へ移行する。ステップＳ９で、第二補正部１０４は、外気温度Ｔａ及び温度差ΔＴｈｗによらない所定の第二補正値を補正周波数に付加する。

本実施の形態２であれば、第一補正値及び第二補正値を、外気温度Ｔａ及び温度差ΔＴｈｗによらない、比較的小さな一定の値にすることで、安定した冷媒回路の運転状態を得ることができる。

１ ヒートポンプシステム、 ３ 圧縮機、 ４ 加熱熱交換器、 ５ 減圧装置、 ６ 蒸発器、 ７ 送風機、 ７ａ ファン、 ７ｂ モータ、 ８ 冷媒配管、 ９ 外気温度センサ、 １０ 循環ポンプ、 １１ 蓄熱槽、 １２ 出口温度センサ、 １３ 入口温度センサ、 １４ 第一管、 １５ 第二管、 １６ 暖房器具、 １７ 第三管、 １８ 第四管、 １００ 第一コントローラ、 １０１ 圧縮機制御部、 １０２ 基本周波数算出部、 １０３ 第一補正部、 １０４ 第二補正部、 １０５ 第一補正値設定部、 １０６ 第二補正値設定部、 １０７ 計時部、 １１０ プロセッサ、 １２０ メモリ、 １３０ ハードウェア、 ２００ 第二コントローラ、 ２０１ ポンプ駆動部、 ２１０ プロセッサ、 ２２０ メモリ、 ２３０ ハードウェア、 ３００ リモコン装置

本発明のヒートポンプシステムは、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された冷媒と、熱媒体との間で熱を交換する加熱熱交換器と、冷媒を減圧させる減圧装置と、減圧装置で減圧された冷媒と、外気との間で熱を交換する蒸発器と、外気温度を検知する外気温度検知手段と、加熱熱交換器から流出する熱媒体の温度である出口温度を検知する出口温度検知手段と、基本周波数と補正周波数との和に応じて、圧縮機の運転周波数を制御する圧縮機制御手段と、目標出口温度から現在の出口温度を減算した温度差と、現在の外気温度とに応じて、基本周波数を算出する基本周波数算出手段と、温度差が正の第一基準値に比べて大きく、かつ、出口温度の時間的な変化が基準に比べて小さい場合に、補正周波数に正の第一補正値を付加する第一補正手段と、を備えるものである。

Claims (9)

1. 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、液状の熱媒体との間で熱を交換する加熱熱交換器と、
   冷媒を減圧させる減圧装置と、
   前記減圧装置で減圧された冷媒と、外気との間で熱を交換する蒸発器と、
   外気温度を検知する外気温度検知手段と、
   前記加熱熱交換器から流出する前記熱媒体の温度である出口温度を検知する出口温度検知手段と、
   基本周波数と補正周波数との和に応じて、前記圧縮機の運転周波数を制御する圧縮機制御手段と、
   目標出口温度から現在の出口温度を減算した温度差と、現在の外気温度とに応じて、前記基本周波数を算出する基本周波数算出手段と、
   前記温度差が正の第一基準値に比べて大きく、かつ、前記出口温度の時間的な変化が基準に比べて小さい場合に、前記補正周波数に正の第一補正値を付加する第一補正手段と、
   を備えるヒートポンプシステム。
2. 前記基本周波数算出手段は、少なくとも外気温度が特定の範囲にある場合に、前記温度差が小さいときの前記基本周波数が、前記温度差が大きいときの前記基本周波数に比べて小さくなるように、前記基本周波数を算出する請求項１に記載のヒートポンプシステム。
3. 前記基本周波数算出手段は、少なくとも前記温度差が特定の範囲にある場合に、外気温度が高いときの前記基本周波数が、外気温度が低いときの前記基本周波数に比べて小さくなるように、前記基本周波数を算出する請求項１または請求項２に記載のヒートポンプシステム。
4. 前記第一補正値を設定する第一補正値設定手段を備え、
   前記第一補正値設定手段は、少なくとも前記温度差が正の第二基準値に比べて大きい場合に、外気温度が高いときの前記第一補正値が、外気温度が低いときの前記第一補正値に比べて小さくなるように、前記第一補正値を設定する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
5. 外気温度によらず前記第一補正値が一定である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
6. 前記出口温度が前記目標出口温度に比べて高い状態、または、前記出口温度が前記目標出口温度に比べて許容限度を超えて高い状態、が一定時間継続した場合に、前記補正周波数に負の第二補正値を付加する第二補正手段を備える請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
7. 前記第二補正値を設定する第二補正値設定手段を備え、
   前記第二補正値設定手段は、少なくとも前記温度差が負の基準値に比べて小さい場合に、外気温度が高いときの前記第二補正値の絶対値が、外気温度が低いときの前記第二補正値の絶対値に比べて小さくなるように、前記第二補正値を設定する請求項６に記載のヒートポンプシステム。
8. 外気温度によらず前記第二補正値が一定である請求項６に記載のヒートポンプシステム。
9. 前記加熱熱交換器へ前記熱媒体を流れさせるポンプと、
   前記加熱熱交換器を通過する前記熱媒体の流量が時間的に一定になるように前記ポンプを駆動するポンプ駆動手段と、
   を備える請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。

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