JPWO2018033976A1 - ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

ヒートポンプシステムは、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機により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、蒸発器に風を送る送風機と、圧縮機及び送風機の動作を制御する制御装置と、を備える。制御装置は、圧縮機及び送風機を駆動して熱媒体を加熱する運転を停止した後、送風機を停止するとともに圧縮機を動作させる結露除去運転を行うように構成されている。

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。特許文献１には、このようなヒートポンプシステムとして、液状熱媒体である水を加熱するヒートポンプ給湯機に関する技術が開示されている。この技術では、熱交換器において冷凍サイクルを流れる冷媒と内部を流れる水との熱交換が行なわれる。

日本特開２０１２−１１７７７６号公報

特許文献１のヒートポンプ給湯機のように、ヒートポンプシステムの加熱熱交換器では、外気から吸収した熱で加熱された冷媒と液状熱媒体との間で熱交換が行なわれる。このため、ヒートポンプサイクルの運転中には、加熱熱交換器の冷媒管の表面が液状熱媒体によって冷やされて、結露が発生するという課題がある。結露水は配管を腐食させるため、冷媒管の表面に発生した結露水は速やかに除去されることが望ましい。

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、ヒートポンプサイクルの運転中に加熱熱交換器に生じた結露を除去し、結露水による腐食の発生を防止することが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。

本発明に係るヒートポンプシステムは、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機により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、蒸発器に風を送る送風機と、圧縮機及び送風機の動作を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、圧縮機及び送風機を駆動して熱媒体を加熱する運転を停止した後、送風機を停止するとともに圧縮機を動作させる結露除去運転を行うように構成されるものである。

本発明のヒートポンプシステムによれば、ヒートポンプサイクルの運転停止後に加熱熱交換器に高温の冷媒を導入することができるので、運転中に加熱熱交換器の配管表面に生じた結露を停留させることなく速やかに除去することができる。これにより、結露水による加熱熱交換器の腐食が防止される。

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制御ブロック図である。 実施の形態１の結露除去運転における圧縮機、送風機、循環ポンプ及び減圧装置の動作を示すタイムチャートである。 実施の形態１のヒートポンプシステムにおいて実行される結露除去運転の制御ルーチンを示すフローチャートである。 外気温度に対する運転周波数を規定したマップの一例を示す図である。 外気温度に対する運転周波数を規定したマップの他の例を示す図である。 実施の形態２の結露除去運転における圧縮機、送風機、循環ポンプ及び減圧装置の動作を示すタイムチャートである。 実施の形態２のヒートポンプシステムにおいて実行される結露除去運転の制御ルーチンを示すフローチャートである。 外気温度に対する減圧装置の開度を規定したマップの一例を示す図である。 外気温度に対する減圧装置の開度を規定したマップの他の例を示す図である。 実施の形態３の結露除去運転における圧縮機、送風機、循環ポンプ及び減圧装置の動作を示すタイムチャートである。 実施の形態３のヒートポンプシステムにおいて実行される結露除去運転の制御ルーチンを示すフローチャートである。 外気温度に対する循環流量を規定したマップの一例を示す図である。 外気温度に対する循環流量を規定したマップの他の例を示す図である。 出口温度に対する循環流量を規定したマップの一例を示す図である。 出口温度に対する循環流量を規定したマップの他の例を示す図である。 実施の形態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。

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．
［実施の形態１の構成］
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１００は、圧縮機１、加熱熱交換器２、減圧装置３、蒸発器４、及び送風機７を備える。

圧縮機１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１で圧縮された高圧冷媒の圧力が超臨界圧になる二酸化炭素でも良いし、圧縮機１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２は、圧縮機１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。実施の形態１のヒートポンプシステム１００では、熱媒体として水を使用している。

加熱熱交換器２は、冷媒通路及び熱媒体通路を有する。圧縮機１、加熱熱交換器２の冷媒通路、減圧装置３、及び蒸発器４は、冷媒配管１８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１００は、この冷媒回路により、ヒートポンプサイクル、つまり冷凍サイクルの運転を行う。

減圧装置３は、加熱熱交換器２を通過した高圧冷媒を減圧する。減圧装置３は、例えば開度を可変にできる電子制御式の膨張弁等として構成され、その開度は後述する第一コントローラによって制御される。高圧冷媒は、減圧装置３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４は、減圧装置３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４で外気の熱を吸収することで、蒸発する。蒸発器４で蒸発した低圧冷媒ガスは、圧縮機１に吸入される。

送風機７は、外気が蒸発器４へ供給されるように送風する。送風機７は、ファン７ａと、ファンモータ７ｂとを備える。ファン７ａは、ファンモータ７ｂに駆動されることで回転する。送風機７は、図１中で冷媒回路の内側から外側へ向かって送風する。外気は、蒸発器４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１００は、外気温度センサ１２を備える。外気温度センサ１２は、外気温度を検出する外気温度検出装置の例である。外気温度センサ１２は、蒸発器４で冷却される前の外気の温度を検出する。

本実施の形態のヒートポンプシステム１００は、圧縮機１で圧縮された高圧冷媒の温度である圧縮機出口温度を検出するための圧縮機出口温度センサ１１を備える。圧縮機出口温度センサ１１は、圧縮機出口温度を検出する圧縮機出口温度検出装置の例である。また、ヒートポンプシステム１００は、蒸発器４の下流側の低圧冷媒ガスの温度である蒸発器出口温度を検出するための蒸発器出口温度センサ１０を備える。蒸発器出口温度センサ１０は、蒸発器出口温度を検出する蒸発器出口温度検出装置の例である。また、ヒートポンプシステム１００は、圧縮機１の電流値を検出する電流計１４を備える。電流計１４は、圧縮機１の電流値を検出する電流検出装置の例である。

本実施の形態のヒートポンプシステム１００は、循環ポンプ１３、蓄熱槽１５、出口温度センサ８、及び入口温度センサ９を備える。循環ポンプ１３は、加熱熱交換器２の熱媒体通路へ熱媒体を流れさせる。蓄熱槽１５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１５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１５内の熱媒体の鉛直方向の温度分布を検出する図示しない複数の温度センサが蓄熱槽１５に備えられても良い。蓄熱槽１５内の熱媒体の鉛直方向の温度分布を検出することで、蓄熱槽１５の蓄熱量を計算できる。

第一管１９は、蓄熱槽１５の下部と、加熱熱交換器２の熱媒体通路の入口との間を接続する。第二管２０は、加熱熱交換器２の熱媒体通路の出口と、蓄熱槽１５の上部との間を接続する。図示の構成では、循環ポンプ１３は、第一管１９の途中に配置される。図示の構成に限らず、循環ポンプ１３は、第二管２０の途中に配置されても良い。循環ポンプ１３が動作することで、蓄熱槽１５の下部から流出した熱媒体が第一管１９を通って加熱熱交換器２へ送られる。加熱熱交換器２で加熱された熱媒体は、第二管２０を通って、蓄熱槽１５の上部へ送られる。

出口温度センサ８は、加熱熱交換器２から流出する熱媒体の温度である出口温度を検出する。出口温度センサ８は、出口温度を検出する出口温度検出装置の例である。出口温度センサ８は、第二管２０に設置される。出口温度センサ８は、加熱熱交換器２で加熱された後の熱媒体の温度を検出する。入口温度センサ９は、加熱熱交換器２に流入する熱媒体の温度である入口温度を検出する。入口温度センサ９は、第一管１９に設置される。入口温度センサ９は、加熱熱交換器２で加熱される前の熱媒体の温度を検出する。

蓄熱槽１５は、図示しない配管を介して、熱媒体供給先に接続される。熱媒体供給先は、熱媒体としての水を出湯する給湯栓の他、熱媒体の熱で室内の空気を暖める暖房器具でもよい。なお、暖房器具としては、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。加熱熱交換器２で加熱された熱媒体は、蓄熱槽１５から熱媒体供給先へと供給される。ただし、このような構成に限らず、加熱熱交換器２で加熱された熱媒体が蓄熱槽１５を介さずに熱媒体供給先へ直接供給されるように構成しても良い。

図２は、実施の形態１のヒートポンプシステム１００の制御ブロック図である。以下、図２も参照して、実施の形態１のヒートポンプシステム１００の制御系の構成について説明する。

本実施の形態のヒートポンプシステム１００は、制御装置としての第一コントローラ３０及び第二コントローラ３２を備える。圧縮機１、減圧装置３、送風機７、外気温度センサ１２、出口温度センサ８、及び入口温度センサ９、蒸発器出口温度センサ１０、圧縮機出口温度センサ１１及び電流計１４は、第一コントローラ３０に対して電気的に接続される。第一コントローラ３０は、圧縮機１、減圧装置３、及び送風機７の動作を制御する。循環ポンプ１３は、第二コントローラ３２に対して電気的に接続される。第二コントローラ３２は、循環ポンプ１３の動作を制御する。また、本実施の形態のヒートポンプシステム１００は、リモコン装置３４を備える。

第一コントローラ３０と第二コントローラ３２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３２とリモコン装置３４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３４は、屋内に設置される。リモコン装置３４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１００の状態等の情報を表示する表示部とを備える。

第一コントローラ３０は、圧縮機１の動作を制御する。圧縮機１の動作速度は、可変である。第一コントローラ３０は、圧縮機１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１の動作速度を可変にできる。圧縮機１の運転周波数が高いほど、圧縮機１の動作速度が高くなる。圧縮機１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２へ供給する時間当たりの熱量が高くなる。なお、外気温度が高いほど、蒸発器４で冷媒が外気から吸収する熱量が高くなる。仮に圧縮機１の運転周波数を一定とした場合には、外気温度が高いほど、加熱熱交換器２へ供給される時間当たりの熱量が高くなる。

第一コントローラ３０は、減圧装置３の動作を制御する。第一コントローラ３０は、減圧装置３の開度を制御することにより蒸発器４へ導入される冷媒の圧力を調整する。また、第一コントローラ３０は、送風機７の動作を制御する。第一コントローラ３０は、ファンモータ７ｂへ供給される電力を制御することにより、蒸発器４で冷媒が外気から吸収する熱量を調整する。

第二コントローラ３２は、循環ポンプ１３の動作を制御する。第二コントローラ３２は、加熱熱交換器２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１３を駆動することが望ましい。加熱熱交換器２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１００の効率を良好にできる。

［実施の形態１の動作］
（沸き上げ運転）
実施の形態１のヒートポンプシステム１００は、沸き上げ運転によって蓄熱槽１５内の熱媒体である水を沸き上げる。沸き上げ運転では、ヒートポンプサイクルの運転を開始するとともに循環ポンプ２１を駆動することにより実行される。その結果、蓄熱槽１５の下部から流出する低温の水は、第一管１９を経由して加熱熱交換器２に導かれて加熱された後、高温の水となって第二管２０を経由して、蓄熱槽１５の上部から当該蓄熱槽１５内に流入し貯えられる。このような沸き上げ運転が実行されることで、蓄熱槽１５の内部では、上層部から高温の水が貯えられていき、この高温の水の層が徐々に厚くなる。

（結露除去運転）
次に、実施の形態１のヒートポンプシステム１００が実行する結露除去運転について説明する。ヒートポンプサイクルが運転される沸き上げ運転が行われている間は、加熱熱交換器２内の冷媒と熱媒体との間で熱交換が行なわれる。この際、加熱熱交換器２内の冷媒管の表面には結露が発生する。発生した結露水が沸き上げ運転の停止後も放置されると配管の腐食の原因となる。このため、加熱熱交換器２の配管表面に付着した結露水は、速やかに除去されることが望ましい。

そこで、実施の形態１のヒートポンプシステム１００では、沸き上げ運転の停止後、加熱熱交換器２の冷媒通路の表面に付着した結露水を除去するための結露除去運転が行なわれる。図３は、結露除去運転における圧縮機１、送風機７、循環ポンプ１３及び減圧装置３の動作を示すタイムチャートである。以下、図３に示すタイムチャートを参照しながら、結露除去運転において実行される具体的処理について説明する。

図４は、実施の形態１のヒートポンプシステム１００において実行される結露除去運転の制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図４に示すルーチンは、沸き上げ運転の終了を受けて実行される。

図４に示すルーチンのステップＳ１１では、結露除去運転が開始される。ここでは、より詳しくは、沸き上げ運転の停止後、時間ｔ１が経過後した時に、圧縮機１の運転が開始されるとともに送風機７の運転が停止された状態で維持される。図３のタイムチャートは、このような圧縮機１及び送風機７の動作を示している。時間ｔ１は、冷媒配管１８により形成された冷媒回路内の圧力が均一になるまでに要する時間として、予め定められた値が読み込まれる。なお、結露除去運転の開始条件は時間ｔ１の経過に限られない。すなわち、冷媒配管１８の各所に圧力センサを配置し、これらの圧力センサの検出値が均一となったときに結露除去運転を開始することとしてもよい。また、沸き上げ運転の終了後、時間ｔ１が経過するまでの期間は、送風機７を駆動させてもよい。これにより、外気温度センサ１２による外気温度の検出精度を高めることができる。

結露除去運転中は、圧縮機１が駆動されるので、圧縮機１から高温高圧の冷媒が導出される。圧縮機１により導出された高温高圧の冷媒は、その後加熱熱交換器２へと導入される。これにより、加熱熱交換器２が加熱されるため、加熱熱交換器２の冷媒通路の表面に付着していた結露が除去される。なお、結露除去運転中は高温の冷媒が冷媒回路内を循環することとなるため、蒸発器４内にも高温の冷媒が導入される。このため、結露除去運転中に送風機７が駆動されると、冷媒の温度が低下して加熱熱交換器２での結露除去効果が阻害されるおそれがある。そこで、実施の形態１のヒートポンプシステムでは、結露除去運転中に送風機７の運転を停止して蒸発器４の冷却を防ぐこととしている。

結露除去運転中の圧縮機１の運転周波数は、冷媒配管１８の設計規定圧力を超えない範囲且つ圧縮機１による振動が冷媒配管１８の応力規定値を超えない範囲で設定することが好ましい。これにより、消費電力の抑制効果、冷媒圧力の上昇抑制効果、そして音及び振動の抑制効果を得ることができ、信頼性の高いヒートポンプシステム１００を提供することが可能となる。

なお、結露除去運転中の圧縮機１の運転周波数は、外気温度に応じて変化させてもよい。図５は、外気温度に対する運転周波数を規定したマップの一例を示す図である。この図に示す例では、外気温度が大きいほど圧縮機１の運転周波数が線形的に低い値となるように規定されている。外気温度が高いほど加熱熱交換器２の温度も高まり易い。つまり、外気温度が高いほど、圧縮機１の動作によって冷媒の温度を高める必要性が低くなる。このため、図５に示す関係に従い、外気温度に応じて圧縮機１の運転周波数を決定することとすれば、上述した消費電力の抑制効果、冷媒圧力の上昇抑制効果、そして音及び振動の抑制効果を更に高めることが可能となる。

運転周波数の決定に用いる外気温度は、沸き上げ運転の終了から結露除去運転が開始されるまでの任意のタイミングで検出された値を用いればよい。また、結露除去運転中も外気温度を検出して運転周波数を更新することとしてもよい。

ところで、外気温度に対する運転周波数の関係は図５のものに限られない。図６は、外気温度に対する運転周波数を規定したマップの他の例を示す図である。図６に示すマップでは、外気温度にヒステリシスを持たせるとともに、外気温度が高いほど運転周波数が段階的に低くなるように規定されている。図６に示す関係に従い、外気温度に応じて圧縮機１の運転周波数を決定することとすれば、結露除去運転中の任意の周期で外気温度を検出し運転周波数を更新する場合であっても、運転周波数の煩雑な変更を抑制して制御安定性を高めることが可能となる。

再び図４に示すルーチンに戻り、次のステップＳ１２では、結露除去運転の終了条件を満たしているか否かが判定される。ここでは、より詳しくは、以下の５つの終了条件のうちの何れか１つの条件が成立しているか否かが判定される。

実施の形態１のヒートポンプシステム１００では、圧縮機１の運転開始後予め設定された時間が経過したことが第１の終了条件とされる。ここでの予め設定された時間は、例えば、加熱熱交換器２に発生した結露が除去されるのに必要な時間として、実験等により予め設定された時間を用いることができる。これにより、無駄な消費電力を費やすことなく加熱熱交換器２に発生した結露を除去することが可能となる。

また、第２の終了条件は、蒸発器出口温度センサ１０によって検出される蒸発器出口温度が予め設定された限界温度以上となったこととされる。ここでの限界温度は、冷媒回路内の圧力が許容限界を超えないための蒸発器出口温度の上限温度以下の値を用いることができる。例えば、上限温度は、沸き上げ運転時の蒸発器出口温度の最大値よりも低い値に設定される。蒸発器４の下流側の冷媒配管１８は、低圧を想定して設計されている。このため、第２の終了条件は、冷媒回路のうちの低圧設計回路部分の冷媒温度及び冷媒圧力が異常に高まることを防止してシステムの信頼性を確保するための条件として用いることができる。

また、第３の終了条件は、圧縮機出口温度センサ１１によって検出される圧縮機出口温度が予め設定された限界温度以上となったこととされる。ここでの限界温度は、冷媒回路内の圧力が許容限界を超えないための圧縮機出口温度の上限温度以下の値を用いることができる。例えば、上限温度は、沸き上げ運転時の圧縮機出口温度の最大値よりも低い値に設定される。圧縮機１の下流側の冷媒配管１８は、高圧を想定して設計されている。このため、第３の終了条件は、冷媒回路のうちの高圧設計回路部分の冷媒温度及び冷媒圧力が異常に高まることを防止してシステムの信頼性を確保するための条件として用いることができる。また、減圧装置３の開度が閉側の開度に設定されている場合には、蒸発器出口温度が低温となるが圧縮器出口温度は高温になる。このような場合には、第２の終了条件では冷媒回路の圧力の過剰な上昇を判断し難いため、第３の終了条件の有効性がより高まる。

第４の終了条件は、出口温度センサ８によって検出される出口温度が予め設定された限界温度以上となったこととされる。ここでの限界温度は、例えば加熱熱交換器２の許容限界を超えないための出口温度の上限温度以下の値を用いることができる。これにより、出口温度が異常に高まることを防止してシステムの信頼性を確保することができる。なお、第４の終了条件は、循環ポンプ１３を動作されているときに特に有効性が高まる。

第５の条件は、電流計１４により検出された電流値が予め設定された限界電流値以上となったこととされる。圧縮機１の下流側の冷媒圧力と圧縮機１の電流値との間には相関がある。このため、ここでの限界電流値は、圧縮機１の下流側の冷媒圧力の許容限界に対応する電流値以下の値を用いることができる。このため、第５の終了条件は、冷媒回路のうちの高圧設計回路部分の冷媒圧力が異常に高まることを防止してシステムの信頼性を確保するための条件として用いることができる。なお、第５の終了条件は、圧縮機１の下流側の冷媒圧力を検出するための圧力センサを搭載していない場合に特に有効性が高まる。

なお、ステップＳ１２では、上記５つの終了条件のうちの何れか１つが成立しているか否かを判定することとした。しかしながら、ステップＳ１２では、上記５つの終了条件のうちの何れか１つのみの成立を判定することとしてもよいし、任意の複数の終了条件のうちの何れか１つの成立を判定することとしてもよい。

ステップＳ１２の処理の結果、判定の成立が認められない場合には、再度ステップＳ１２に移行して、終了条件の成立有無が判定される。一方、上記ステップＳ１２において、判定の成立が認められた場合には、次のステップＳ１３に移行する。ステップＳ１３では、圧縮機１の運転が停止される。

このように、実施の形態１のヒートポンプシステムにおける結露除去運転によれば、加熱熱交換器２の冷媒通路を高温にすることができるので、沸き上げ運転中に冷媒通路の表面に発生した結露を滞留させることなく速やかに除去することができる。これにより、耐圧、音及び振動等に対するヒートポンプシステムの信頼性を低下されることなく加熱熱交換器２の配管の腐食を防止することができる。

ところで、上述した実施の形態１のヒートポンプシステムでは、沸き上げ運転の終了を受けて結露除去運転を実行することとした。しかしながら、結露除去運転を実行可能な時期は上記に限られない。すなわち、結露除去運転を終了してから次の沸き上げ運転が行われるまでの間に再度結露除去運転を行うこととしてもよい。このことは、後述する他の実施の形態のヒートポンプシステムにおいても同様である。

実施の形態２．
次に、図面を参照して実施の形態２のヒートポンプシステムについて説明する。実施の形態２のヒートポンプシステムは、実施の形態１と同様のハードウェア構成を用いて、制御装置に後述する図７に示すルーチンを実行させることにより実現される。

実施の形態２のヒートポンプシステムは、結露除去運転において、上述した圧縮機１と送風機７の制御に加えて減圧装置３の開度も制御する点に特徴を有している。図７は、結露除去運転における圧縮機１、送風機７、循環ポンプ１３及び減圧装置３の動作を示すタイムチャートである。以下、図７に示すタイムチャートを参照しながら、結露除去運転において実行される具体的処理について説明する。

図８は、実施の形態２のヒートポンプシステム１００において実行される結露除去運転の制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図８に示すルーチンは、沸き上げ運転の終了を受けて実行される。

図８に示すルーチンのステップＳ２１では、減圧装置３の開度が予め設定された開度に制御される。なお、ここでの開度は、例えば沸き上げ運転時における最低開度以上の開度とされる。図７のタイムチャートは、このような減圧装置３の動作を示している。また、減圧装置３の開度は全開でもよい。減圧装置３の開度が小さいほど減圧装置３の下流側の低圧冷媒の圧力は低圧となるが、圧縮機１の下流側の高圧冷媒の圧力はより高くなる。このため、減圧装置３の開度を沸き上げ運転時における最低開度以上に制御すると、高圧冷媒の圧力が沸き上げ運転時の最大時よりも高くなることを防止することができる。

なお、結露除去運転中の減圧装置３の開度は、外気温度に応じて変化させてもよい。図９は、外気温度に対する減圧装置３の開度を規定したマップの一例を示す図である。この図に示す例では、外気温度が大きいほど減圧装置３の開度が線形的に大きな値となるように規定されている。上述したように、外気温度が高いほど加熱熱交換器２の温度が高まり易い。つまり、外気温度が高いほど、冷媒回路内の冷媒の温度及び圧力が過剰に高まるおそれが高くなる。このため、図９に示す関係に従い、外気温度に応じて減圧装置３の開度を決定することとすれば、冷媒圧力の上昇抑制効果を更に高めてシステムの信頼性を確保する効果を得ることができる。

ところで、外気温度に対する減圧装置３の開度の関係は図９のものに限られない。図１０は、外気温度に対する減圧装置３の開度を規定したマップの他の例を示す図である。図１０に示すマップでは、外気温度にヒステリシスを持たせるとともに、外気温度が高いほど減圧装置３の開度が段階的に大きくなるように規定されている。図１０に示す関係に従い、外気温度に応じて減圧装置３の開度を決定することとすれば、結露除去運転中の任意の周期で外気温度を検出し減圧装置３の開度を更新する場合であっても、減圧装置３の開度の煩雑な変更を抑制して制御安定性を高めることが可能となる。

次のステップＳ２２では、結露除去運転が開始される。ここでは、具体的には、上記ステップＳ１１と同様の処理が実行される。次のステップＳ２３では、結露除去運転の終了条件を満たしているか否かが判定される。ここでは、具体的には、上記ステップＳ１２と同様の処理が実行される。ステップＳ２３の処理の結果、判定の成立が認められない場合には、再度ステップＳ２３に移行して、終了条件の成立有無が判定される。一方、上記ステップＳ２３において、判定の成立が認められた場合には、次のステップＳ２４に移行する。ステップＳ２４では、圧縮機１の運転が停止され、また減圧装置３の開度が待機時の開度に制御される。

このように、実施の形態２のヒートポンプシステムにおける結露除去運転によれば、加熱熱交換器２の冷媒管を高温にすることができるので、沸き上げ運転中に冷媒管に発生した結露を滞留させることなく速やかに除去することができる。これにより、耐圧、音及び振動等に対するヒートポンプシステムの信頼性を低下されることなく加熱熱交換器２の配管の腐食を防止することができる。

また、実施の形態２のヒートポンプシステムによれば、結露除去運転において減圧装置３の開度が制御される。これにより、冷媒回路の冷媒の過剰な昇圧及び昇温を抑制して信頼性の高いヒートポンプシステムを提供することができる。

実施の形態３．
次に、図面を参照して実施の形態３のヒートポンプシステムについて説明する。実施の形態３のヒートポンプシステムは、実施の形態１と同様のハードウェア構成を用いて、制御装置に後述する図７に示すルーチンを実行させることにより実現される。

実施の形態３のヒートポンプシステムは、結露除去運転において、上述した圧縮機１と送風機７の制御に加えて循環ポンプ１３の動作も制御する点に特徴を有している。図１１は、結露除去運転における圧縮機１、送風機７、循環ポンプ１３及び減圧装置３の動作を示すタイムチャートである。以下、図１１に示すタイムチャートを参照しながら、結露除去運転において実行される具体的処理について説明する。

図１２は、実施の形態３のヒートポンプシステム１００において実行される結露除去運転の制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図１２に示すルーチンは、沸き上げ運転の終了を受けて実行される。

図１２に示すルーチンのステップＳ３１では、循環ポンプ１３の運転が開始される。なお、循環ポンプ１３による熱媒体の循環流量は、沸き上げ運転時の最大循環流量以下に設定される。図１１のタイムチャートは、このような循環ポンプ１３の動作を示している。これにより、加熱熱交換器２内の熱媒体の過剰な昇温を抑制することができる。

なお、結露除去運転中の循環ポンプ１３による熱媒体の循環流量は、外気温度に応じて変化させてもよい。図１３は、外気温度に対する循環流量を規定したマップの一例を示す図である。この図に示す例では、外気温度が高いほど循環流量が線形的に大きな値となるように規定されている。上述したように、外気温度が高いほど加熱熱交換器２の温度が高まり易い。このため、図１３に示す関係に従い、外気温度に応じて循環流量を決定することとすれば、加熱熱交換器２内の熱媒体の異常な昇温を抑えてシステムの信頼性を確保する効果を得ることができる。

ところで、外気温度に対する循環流量の関係は図１３のものに限られない。図１４は、外気温度に対する循環流量を規定したマップの他の例を示す図である。図１４に示すマップでは、外気温度にヒステリシスを持たせるとともに、外気温度が高いほど循環流量が段階的に大きくなるように規定されている。図１５に示す関係に従い、外気温度に応じて循環流量を決定することとすれば、結露除去運転中の任意の周期で外気温度を検出し循環流量を更新する場合であっても、循環流量の煩雑な変更を抑制して制御安定性を高めることが可能となる。

次のステップＳ３２では、結露除去運転が開始される。ここでは、具体的には、上記ステップＳ１１と同様の処理が実行される。次のステップＳ３３では、結露除去運転の終了条件を満たしているか否かが判定される。ここでは、具体的には、上記ステップＳ１２と同様の処理が実行される。ステップＳ３３の処理の結果、判定の成立が認められない場合には、再度ステップＳ３３に移行して、終了条件の成立有無が判定される。一方、上記ステップＳ３３において、判定の成立が認められた場合には、次のステップＳ３４に移行する。ステップＳ３４では、循環ポンプ１３の運転が停止されるとともに圧縮機１の運転が停止される。

このように、実施の形態３のヒートポンプシステムにおける結露除去運転によれば、加熱熱交換器２の冷媒管を高温にすることができるので、沸き上げ運転中に加熱熱交換器２の冷媒通路に発生した結露を滞留させることなく速やかに除去することができる。これにより、耐圧、音及び振動等に対するヒートポンプシステムの信頼性を低下させることなく加熱熱交換器２の配管の腐食を防止することができる。

また、実施の形態３のヒートポンプシステムによれば、結露除去運転中に循環ポンプ１３の運転が行なわれる。これにより、加熱熱交換器２において熱媒体の異常な昇温が抑制されるので、システムの信頼性が高まる。

ところで、上述した実施の形態３のヒートポンプシステムでは、外気温度に応じて循環ポンプ１３による循環流量を設定することとした。しかしながら、循環流量の設定は外気温度に応じて設定する方法に限らず、加熱熱交換器２の熱媒体の出口温度に応じて設定することとしてもよい。図１５は、出口温度に対する循環流量を規定したマップの一例を示す図である。この図に示す例では、出口温度が高いほど循環流量が線形的に大きな値となるように規定されている。加熱熱交換器２の出口温度が高いほど加熱熱交換器２の温度が高まっていることを意味している。このため、図１５に示す関係に従い、出口温度に応じて循環流量を決定することとすれば、無駄な消費電力を費やすことなく加熱熱交換器２内の熱媒体の異常な昇温を抑えることができる。

また、出口温度に対する循環流量の関係は図１５のものに限られない。図１６は、出口温度に対する循環流量を規定したマップの他の例を示す図である。図１６に示すマップでは、出口温度にヒステリシスを持たせるとともに、出口温度が高いほど循環流量が段階的に大きくなるように規定されている。図１６に示す関係に従い、出口温度に応じて循環流量を決定することとすれば、結露除去運転中の任意の周期で出口温度を検出し循環流量を更新する場合であっても、循環流量の煩雑な変更を抑制して制御安定性を高めることが可能となる。

実施の形態１から３のヒートポンプシステムが備える制御装置は、以下のように構成されてもよい。図１７は、実施の形態のヒートポンプシステム１００が備える第一コントローラ３０または第二コントローラ３２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３０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３２の各機能は、処理回路により実現される。図１７に示す例では、第一コントローラ３０の処理回路は、少なくとも１つのプロセッサ３０１と少なくとも１つのメモリ３０２とを備える。第二コントローラ３２の処理回路は、少なくとも１つのプロセッサ３２１と少なくとも１つのメモリ３２２とを備える。

処理回路が少なくとも１つのプロセッサ３０１または３２１と少なくとも１つのメモリ３０２または３２２とを備える場合、第一コントローラ３０または第二コントローラ３２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３０２または３２２に格納される。少なくとも１つのプロセッサ３０１または３２１は、少なくとも１つのメモリ３０２または３２２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３０または第二コントローラ３２の各機能を実現する。少なくとも１つのプロセッサ３０１または３２１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３０２または３２２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１８は、実施の形態のヒートポンプシステム１００が備える第一コントローラ３０または第二コントローラ３２のハードウェア構成の他の例を示す図である。図１８に示す例では、第一コントローラ３０の処理回路は、少なくとも１つの専用のハードウェア３０３を備える。第二コントローラ３２の処理回路は、少なくとも１つの専用のハードウェア３２３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３０３または３２３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３０または第二コントローラ３２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３０または第二コントローラ３２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３０の各機能について、一部を専用のハードウェア３０３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３０３、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３０の各機能を実現する。

また、第二コントローラ３２の各機能について、一部を専用のハードウェア３２３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３２３、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３２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３０及び第二コントローラ３２が連携することでヒートポンプシステム１００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１００の動作が制御される構成にしても良い。

１００ ヒートポンプシステム、 １ 圧縮機、 ２ 加熱熱交換器、 ３ 減圧装置、 ４ 蒸発器、 ７ 送風機、 ７ａ ファン、 ７ｂ ファンモータ、 ８ 出口温度センサ、 ９ 入口温度センサ、 １２ 外気温度センサ、 １３ 循環ポンプ、 １４ 電流計、 １５ 蓄熱槽、 １８ 冷媒配管、 １９ 第一管、 ２０ 第二管、 ３０ 第一コントローラ、 ３０１ プロセッサ、 ３０２ メモリ、 ３０３ ハードウェア、 ３２ 第二コントローラ、 ３２１ プロセッサ、 ３２２ メモリ、 ３２３ ハードウェア、 ３４ リモコン装置

本発明に係るヒートポンプシステムは、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機により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、蒸発器に風を送る送風機と、圧縮機及び送風機の動作を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、圧縮機及び送風機を駆動して熱媒体を加熱する運転を停止した後、送風機を停止するとともに圧縮機を動作させて、加熱熱交換器に生じた結露を除去する結露除去運転を行うように構成されるものである。

Claims (15)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機により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、
   前記蒸発器に風を送る送風機と、
   前記圧縮機及び前記送風機の動作を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記圧縮機及び送風機を駆動して前記熱媒体を加熱する運転を停止した後、前記送風機を停止するとともに前記圧縮機を動作させる結露除去運転を行うように構成されているヒートポンプシステム。
2. 外気温度を検出する外気温度検出装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記結露除去運転において前記外気温度に応じて前記圧縮機を動作させる運転周波数を決定するように構成されている請求項１に記載のヒートポンプシステム。
3. 前記制御装置は、前記外気温度が高いほど前記運転周波数を線形的に小さな値に決定する請求項２に記載のヒートポンプシステム。
4. 前記制御装置は、前記外気温度が高いほど前記運転周波数を段階的に小さな値に決定する請求項２に記載のヒートポンプシステム。
5. 前記制御装置は、前記結露除去運転の開始後予め定められた時間が経過したときに前記結露除去運転を終了する請求項１から請求項４の何れか１項に記載のヒートポンプシステム。
6. 前記蒸発器から流出する冷媒の温度である蒸発器出口温度を検出する蒸発器出口温度検出装置を更に備え、
   前記制御装置は、前記蒸発器出口温度が予め定められた限界温度に達した場合に前記結露除去運転を終了する請求項１から請求項４の何れか１項に記載のヒートポンプシステム。
7. 前記圧縮機から流出する冷媒の温度である圧縮機出口温度を検出する圧縮機出口温度検出装置を更に備え、
   前記制御装置は、前記圧縮機出口温度が予め定められた限界温度に達した場合に前記結露除去運転を終了する請求項１から請求項４の何れか１項に記載のヒートポンプシステム。
8. 前記圧縮機の電流値を検出する電流検出装置を更に備え、
   前記制御装置は、前記電流値が予め定められた限界電流値に達した場合に前記結露除去運転を終了する請求項１から請求項４の何れか１項に記載のヒートポンプシステム。
9. 前記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出する出口温度検出装置を更に備え、
   前記制御装置は、前記出口温度が予め定められた限界温度に達した場合に前記結露除去運転を終了する請求項１から請求項４の何れか１項に記載のヒートポンプシステム。
10. 制御装置は、前記結露除去運転において、前記減圧装置を予め定められた最低開度以上に開く請求項１から請求項９の何れか１項に記載のヒートポンプシステム。
11. 外気温度を検出する外気温度検出装置を更に備え、
    前記制御装置は、前記結露除去運転において、前記外気温度に応じて前記減圧装置の開度を決定する請求項１から請求項９の何れか１項に記載のヒートポンプシステム。
12. 前記加熱熱交換器へ前記熱媒体を送るポンプを更に備え、
    前記制御装置は、前記結露除去運転において、前記加熱熱交換器へ送られる前記熱媒体の流量が予め定められた最大流量以下となるように前記ポンプを動作させる請求項１から請求項１１の何れか１項に記載のヒートポンプシステム。
13. 前記加熱熱交換器へ前記熱媒体を送るポンプと、
    外気温度を検出する外気温度検出装置と、をさらに備え、
    前記制御装置は、前記結露除去運転において、前記外気温度に応じて前記加熱熱交換器へ送られる前記熱媒体の流量を決定する請求項１から請求項１１の何れか１項に記載のヒートポンプシステム。
14. 前記加熱熱交換器へ前記熱媒体を送るポンプと、
    前記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出する出口温度検出装置と、をさらに備え、
    前記制御装置は、前記結露除去運転において、前記出口温度に応じて前記加熱熱交換器へ送られる前記熱媒体の流量を決定する請求項１から請求項１１の何れか１項に記載のヒートポンプシステム。
15. 前記制御装置は、前記圧縮機及び送風機を駆動して前記熱媒体を加熱する運転を停止してから予め定められた時間が経過した後、前記結露除去運転を行うように構成されている請求項１から請求項１４の何れか１項に記載のヒートポンプシステム。

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