(57)【要約】  ヒートポンプ水加熱システムの始動操作を制御する方法において、システムの閉ループ制御により、システムが停止してしまうことや、効率が悪化することを防ぐ。この方法は、始動時に予想される定常状態の値付近に膨張弁を開き、できるだけ迅速にシステムの高キャパシティを保証し、暖機のサイクル効率が最大になるようにサイクルの水ポンプ信号を高レベルに設定し、システムが定常作動状態に達するまでは、制御された状態でシステム圧力を高めるように膨張弁と水ポンプに閉ループ制御を適用する、ことを含む。この方法は、遷臨界蒸気圧縮システムが、ヒートポンプとして使用されたときでさえ、安定的な始動制御を提供する。
2007514920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膨張弁および水ポンプを有するヒートポンプを備える水加熱器システムを制御する方法であって、
水加熱器の始動を開始するステップと、
暖機時におけるシステム圧力を監視するステップと、
上記監視ステップにおける上記システム圧力に基づいて膨張弁と水ポンプの少なくとも一方を制御するステップと、を備えることを特徴とする水加熱システムの制御方法。
【請求項２】
上記制御ステップが、膨張弁および水ポンプの少なくとも一方を閉ループ制御することを含むことを特徴とする請求項１に記載の水加熱システムの制御方法。
【請求項３】
上記制御ステップが、膨張弁を閉ループ制御することを含むとともに、
上記システム圧力と理想的なシステム圧力とを比較し、
上記システム圧力と理想的なシステム圧力との差が収束するように膨張弁を調整することにより、制御ステップが膨張弁を閉ループ制御することを特徴とする請求項１に記載の水加熱システムの制御方法。
【請求項４】
始動時の間に、上記理想的なシステム圧力が直線的に増加することを特徴とする請求項３に記載の水加熱システムの制御方法。
【請求項５】
システムが定常状態に達した後も監視ステップおよび制御ステップを継続することを特徴とする請求項１に記載の水加熱システムの制御方法。
【請求項６】
上記制御ステップが水ポンプを閉ループ制御することを含むことを特徴とする請求項１に記載の水加熱システムの制御方法。
【請求項７】
高温の水出口の温度および低温の水入口の温度の少なくとも１つに基づいて、水ポンプの閉ループ制御が行われることを特徴とする請求項６に記載の水加熱システムの制御方法。
【請求項８】
システム圧力によりヒートポンプ内の冷媒が超臨界蒸気状態に達することが可能であることを特徴とする請求項１に記載の水加熱システムの制御方法。
【請求項９】
空気の周囲温度を測定するとともに、該周囲温度に基づいて、制御ステップが実行されることを特徴とする請求項１に記載の水加熱システムの制御方法。
【請求項１０】
始動ステップ後に水ポンプ信号を高レベルに設定することを特徴とする請求項１に記載の水加熱システムの制御方法。
【請求項１１】
膨張弁と、水ポンプと、圧力センサと、を有するヒートポンプと、
膨張弁、水ポンプおよび圧力センサと接続され、圧力センサによって検出される圧力に基づいて膨張弁と水ポンプの少なくとも一方を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする水加熱システム。
【請求項１２】
高温の水出口および低温の水入口を有する水タンクと、
高温の水出口および低温の水入口の少なくとも１つに接続された少なくとも１つの温度センサとを備え、少なくとも１つの上記温度センサにより計測された温度に基づいて水ポンプを制御装置が制御することを特徴とする請求項１１の水加熱システム。
【請求項１３】
ヒートポンプが遷臨界圧力システムであることを特徴とする請求項１１の水加熱システム。
【請求項１４】
空気の周囲温度を測定する少なくとも１つの温度センサを備えるとともに、上記空気の周囲温度に基づいて膨張弁および水ポンプの少なくとも一方を制御装置が制御することを特徴とする請求項１１の水加熱システム。
【請求項１５】
制御装置が水ポンプ信号を高レベルに設定することを特徴とする請求項１１の水加熱システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気圧縮システム、特に、蒸気圧縮システムの暖機処理を制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気圧縮システムは、例えば、空気や水、他の流体などを加熱および冷却するヒートポンプにしばしば用いられる。最も単純な圧縮システムは、蒸気圧縮システムの冷媒が液体と蒸気が混合された状態で維持される亜臨界状態で運転される。しかし、圧縮システムの制御を超えて、さらなる自由度を提供するために、使用者は、冷媒が超臨界蒸気状態に達し得る遷臨界蒸気圧縮システムの使用を選択することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
遷臨界蒸気圧縮システムは、ヒートポンプ水加熱器のヒートポンプとして使用される場合、起動時に水加熱器の暖機処理が必要であり、これにより、ヒートポンプ内の構成要素が目標状態となる定常状態に達する。暖機処理の間に、水加熱器内に種々のオーバーシュートが発生すると、水加熱器を保護するために水加熱器は停止してしまう。さらに、膨張弁および水ポンプからの信号の順番が、水加熱器の作動効率を落としてしまう形になる。
【０００４】
遷臨界蒸気圧縮システムを用いるヒートポンプは、過剰な自由度が原因で不適正に始動することにより停止する。
【０００５】
エネルギー効率が低下する種々のオーバーシュートや不適正なシステムシーケンスが生じずに、水加熱器内のヒートポンプが安定状態になる方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、不注意に停止してしまうことや作動効率が低下するのを阻止するように、ヒートポンプ水加熱システム内の始動運転を制御する方法に関する。一実施例では、可能な限り迅速にシステム容量が高くなることを保証するように、始動時に安定状態で予想される値付近に膨張弁の開度を選択し、水ポンプ信号をシステムの効率が最大になるように高レベルに設定し、所望の圧力と実際の圧力とを比較する制御方法でもって、膨張弁と水ポンプを閉ループ制御して、システム内の圧力を徐々に上げていく。一旦、水加熱器の構成要素が安定作動に達すると、必要であれば、安定状態を維持するために閉ループ制御が継続される。
【０００７】
始動時にシステムの構成要素に閉ループ制御を提供することにより、システムの構成要素が種々のオーバーシュートや効率低下のない安定状態に達することを、本発明が保証する。このことは、通常では、システムを不安定にするような付加的な自由度を提供するヒートポンプとして、遷臨界蒸気圧縮システムを採用するシステムであっても、当てはまる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、本発明の方法に用いる一般的な蒸気圧縮システムの概略図である。蒸気圧縮システムでは、例えば空気、水または他の流体などを加熱や冷却するためにヒートポンプがしばしば用いられる。図１に示すように、圧縮システム１００は、流路１０４内の蒸気状態の冷媒に高圧を加えて、蒸気を加熱する圧縮機１０２を備える。蒸気は、次に第一の熱交換器１０６を通過し、ここで蒸気中の熱が放出されて、空気や水などの流体を加熱する。圧縮蒸気から熱が流体に吸収されるので、蒸気は冷却される。冷却された蒸気は、蒸気の膨張量を調整できる膨張弁１０８に送られる。蒸気は膨張に伴って著しく冷却され、第二の熱交換器１１０に送られて、他の流体を冷却するために用いられる。蒸気が、圧縮機１０２に循環して戻りながら、サイクルは続く。このように、圧縮システム１００は、第一の熱交換器１０６により流体流を加熱し、第二の熱交換器１１０により流体流を冷却することができる。
【０００９】
図２は、例示することのみを目的とした蒸気圧縮システムの圧力とエンタルピーの関係の一例を示すグラフである。このグラフは、特に圧力とエンタルピーの関係により形成される境界線を規定する液体‐蒸気ドーム１１２を示す。亜臨界圧縮システムのようにドーム１１２より下のレベルで圧縮システムが作動する場合は、蒸気圧縮システムの冷媒は、液体と蒸気の混合状態となる。単純な亜臨界蒸気圧縮システムは、圧縮サイクル全体が、液体‐蒸気ドーム１１２より下の圧力とエンタルピーの範囲内で行われる。結果として、圧力と温度は相関し（ｃｏｕｐｌｅｄ）、互いに依存する。
【００１０】
付加的な自由度を提供するために、蒸気圧縮システム１００は、遷臨界圧縮システムとなるように設計されることがある。この遷臨界圧縮システムでは、圧力およびエンタルピーが、ドーム１１２より上で推移し、かつ冷媒が、圧縮システム１００内において超臨界蒸気状態に達する。温度に対する圧縮システム１００の圧力の相関がなくなると、圧縮システム１００内の動作の柔軟性が拡大し、このシステムが、亜臨界システムよりも高い作動温度に到達することがしばしば可能になる。
【００１１】
上述したように、遷臨界蒸気圧縮システムは、図３に代表的な形態で示すようなヒートポンプ水加熱器１５２のヒートポンプ１５０として使用される。この水加熱器１５２は、水加熱器１５２とタンク１５６とを通して水を循環させる水ポンプ１５４を備える。熱交換器１１０が、より簡単に空気から吸熱できるように、熱交換器１０６のエバポレータファン（図示せず）が空気から吸熱し、熱交換器１１０に送る。制御装置１６０が、水加熱器１５２の構成要素の動作を制御する。さらに制御装置は、プロセッサ１６２を備える。このプロセッサは、ヒートポンプ１５０に閉ループ制御を提供するために、例えば圧力センサ１５５を介した加熱システム全体の圧力や、圧縮機１０２、膨張弁１０８および水ポンプ１５４などの運転条件をモニタする。
【００１２】
温度センサ１６４は、高温の水出口１６６、低温の水入口１６８、外部環境１７０など、システム内の様々な地点に設けられる。これらの温度センサ１６４は、制御装置１６０と通信し、システムの動作を制御する更なるデータを提供する。例えば、制御装置１６０内のプロセッサ１６２が、高温の水出口１６６および低温の水入口１６８の温度センサ１６４を利用して、水ポンプ１５４が圧送する水量を変化させるか否かを判断できる。また、外部環境１７０の温度センサ１６４が、熱交換器１０６が水を加熱するために外気中の利用可能な熱量がどれだけあるかを、制御装置１６０に伝達することができる。
【００１３】
水加熱器１５２が、作動状態に迅速に達するのを確実にするために、ヒートポンプ１５０が定常状態となるように水加熱器１５２は、始動時の暖機処理を行う。この定常状態では、膨張弁１０８、水ポンプ１５４およびヒートポンプ１５０が所与の目標状態になる。上述したように、遷臨界蒸気圧縮システムに組み込まれたヒートポンプは、過剰な自由度により不適正に始動することにより、特に停止しやすい。例えば、種々のオーバーシュート（あらゆる水加熱器の構成要素における過度な高温や圧力など）が暖機処理中に瞬間的に発生すると、ヒートポンプ１５０内の全ての構成要素が、ヒータシステム１５２全体を保護するために停止してしまう。さらに、望ましくないことには、膨張弁１０８および水ポンプ１５４からの信号の順番が、成績係数（ＣＯＰ）が低い蒸気圧縮サイクルで加熱器１５２が運転されるような形となる。
【００１４】
これらの問題を回避するために、本発明の方法は、ヒートポンプの遷臨界蒸気圧縮システムを使用する水加熱器の始動制御や暖機制御に関する方法である。図４は、本発明の一実施例に従った方法を例示しているフローチャートである。一般的に、この方法により、種々のオーバーシュートがなく、成績係数が低い値にならないで迅速に定常作動状態に確実に達するようにヒートポンプ構成要素が相当厳密に制御される。
【００１５】
このためには、まず制御装置１６０が、予想される定常状態値付近で膨張弁を開く（ブロック２００）ことを選択する。所与の環境条件（例えば、空気の周囲温度、水温等）に対する予想される定常状態の値は、例えば、経験的に得られ、制御装置１６０が参照できるテーブルに保存される。
【００１６】
次に、制御装置１６０は、圧縮機１０２、ヒートポンプ１５０、エバポレータファン１５８を始動させ（ブロック２０２）、水ポンプ信号を高レベルに設定し、これによりヒートポンプ１５０の非効率的なサイクルの作動を避ける（ブロック２０４）。詳しくは、高レベルの水ポンプ信号により、暖機サイクルの初期に大量の水が加熱器システム１５２を介して圧送されることが保証される。これにより、サイクル効率が最大になるようにシステムが周囲の空気から可能な限りエネルギーを抽出することが保証される。
【００１７】
次に、制御装置１６０は、膨張弁１０８の閉ループ制御を開始し、制御装置１６０は所望の圧力と検出された圧力を基に膨張バルブ１０８の開口レベルを修正することができる（ブロック２０６）。図５は、圧力センサ１５５により検出された圧力に対する所望の暖機作動を示した代表的なグラフである。図５に示すように、ヒートポンプ１５０の圧力は、理想的には、遷臨界システムがヒートポンプ操作の付加的な自由度を許容する場合でさえ、始動２５０の後、暖機時２５６の間に序々に増大し、ヒートポンプ１５０内の圧力を安定に保つ。システムの閉ループ制御では、圧力センサ１５５により検出された圧力と、所定の時間における理想的なシステムの圧力２５４と、を制御装置１６０が継続的に比較し、必要であれば、実際のシステムの圧力２５２の増加分が、理想的なシステムの圧力プロファイル２５４の増加分に相当するように膨張バルブ１０８を調整する。このような継続的な監視と調整により、加熱システム１５２の圧力がオーバーシュートしたり、システムが停止するレベルに達しないようにする。
【００１８】
また制御装置１６０は、水ポンプ１５４の閉ループ制御を行い、水ポンプ１５４が定常状態に達する前に、運転条件に基づいて水ポンプ１５４を制御する（ブロック２０８）。水ポンプ１５４は、高温の水出口１１２で所定の水温を維持するように制御される。例えば、高温の水出口の温度センサ１６４が、移送される水が高温過ぎることを示すと、水ポンプ１５４はシステム１００を介してより多量の水を圧送して水温を下げる。同様に、低温の水入口１６８の温度が、所定より低い場合は、水ポンプ１５４が、より少量の水を圧送して、より熱を吸収するために、水がヒートポンプ１５２を通過するときに、より長い時間を費やすようにする。
【００１９】
膨張弁１０８と水ポンプ１５４の閉ループ制御は、システムが所望の定常状態作動圧力２５８に達したことを圧力センサ１５５が検出するまで続けられる（ブロック２１０）。この点において、制御装置１６０は、膨張弁１０８と水ポンプ１５４の閉ループ制御を続けて、例えば、温度変化や圧力変化が生じた場合でも、システムが通常の定常状態作動２５８を続けるようにする。
【００２０】
本発明の実施例の様々な代替例が、本発明の実施に用いられることを理解されるべきである。添付のクレームが本発明の範囲を規定する。これらのクレームの範囲内の方法と装置およびこれらと均等のものがクレームに含まれることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施例に用いられる蒸気圧縮システムの代表的な図。
【図２】システムの圧力とエンタルピーの関係を示したグラフ。
【図３】本発明の一実施例により制御されるヒートポンプ水加熱器の代表的な図。
【図４】本発明の実施例に従った方法を示したフローチャート。
【図５】システムの始動時から暖気までの時間とシステムの圧力の関係を示したグラフ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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