(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
膨張弁によって減圧した冷媒を、蒸発器で蒸発させて外気の熱を吸熱させ圧縮機によって圧縮して水熱交換器で水を加熱するための熱源とするヒートポンプの制御方法において、
前記水熱交換器で前記水に与えられる熱エネルギーが、前記圧縮機の単位消費電力に対して最大となるときの、前記水熱交換器に入水する前記水の温度Ｘ、該水熱交換器から出湯される湯の温度Ｙ、前記圧縮機に吸入される前記冷媒の過熱度Ｚ、及び前記圧縮機から吐出される前記冷媒の温度Ｔを、前記温度Ｔが異なる値となる条件下で計測して３組のＸ、Ｙ、Ｚ、Ｔを得、該３組のＸ、Ｙ、Ｚ、ＴをＴ＝Ａ×Ｘ＋Ｂ×Ｙ＋Ｃ×Ｚにそれぞれ代入してなる３つの方程式からＡ、Ｂ、Ｃを算出する準備工程と、
前記水熱交換器に入水する前記水の温度をＸ’、該水熱交換器から出湯される湯の温度をＹ’、前記圧縮機に吸入される前記冷媒の過熱度をＺ’、該圧縮機から吐出される該冷媒の温度をＴ’として、予め設定された時間間隔で、Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’及びＴ’の計測と、計測されたＸ’、Ｙ’及びＺ’を基にしてＡ×Ｘ’＋Ｂ×Ｙ’＋Ｃ×Ｚ’の算出値である目標吐出温度Ｔ１の取得とを行い、前記計測された温度Ｔ’が前記目標吐出温度Ｔ１に近づくように前記膨張弁の開度を調整して、前記水を加熱する加熱制御工程とを有し、
前記圧縮機に吸入される前記冷媒の過熱度は、前記圧縮機に吸入される冷媒の温度を計測する吸入サーミスタにより検知した温度から、前記蒸発器に取り付けられて、前記冷媒の蒸発温度を計測する蒸発サーミスタにより検知した温度を差し引くことによって得られることを特徴とするヒートポンプの制御方法。
【請求項２】
請求項１記載のヒートポンプの制御方法において、前記準備工程で、前記外気の温度を複数の温度領域に分け、該温度領域ごとに、前記Ａ、Ｂ、Ｃを算出し、
前記加熱制御工程で、前記Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’及びＴ’の計測と共に、前記外気の温度を計測し、計測された該外気の温度が属する前記温度領域に対して前記準備工程で算出したＡ、Ｂ、Ｃを用いてＡ×Ｘ’＋Ｂ×Ｙ’＋Ｃ×Ｚ’から前記目標吐出温度Ｔ１を算出することを特徴とするヒートポンプの制御方法。
【請求項３】
請求項１記載のヒートポンプの制御方法において、前記準備工程で、算出されるＡ、Ｂ又はＣが、実際に記憶できる所定の範囲Ｗ１外の値となる場合には、前記Ｔ＝Ａ×Ｘ＋Ｂ×Ｙ＋Ｃ×Ｚの代わりに、Ｔ＝Ａ×Ｘ＋Ｂ×Ｙ＋Ｃ×Ｚ＋Ｄを用いて、
Ａ、Ｂ及びＣが該所定の範囲Ｗ１内になるＡ、Ｂ、ＣとＤを求めて、
前記加熱制御工程で、前記目標吐出温度Ｔ１の算出に、Ａ×Ｘ’＋Ｂ×Ｙ’＋Ｃ×Ｚ’の代わりに、Ａ×Ｘ’＋Ｂ×Ｙ’＋Ｃ×Ｚ’＋Ｄを用いることを特徴とするヒートポンプの制御方法。
【請求項４】
請求項３記載のヒートポンプの制御方法において、前記準備工程で、前記外気の温度を複数の温度領域に分け、該温度領域ごとに、前記Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを算出し、
前記加熱制御工程で、前記Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’及びＴ’の計測と共に、前記外気の温度を計測し、計測された該外気の温度が属する前記温度領域に対して前記準備工程で算出したＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを用いてＡ×Ｘ’＋Ｂ×Ｙ’＋Ｃ×Ｚ’＋Ｄから前記目標吐出温度Ｔ１を算出することを特徴とするヒートポンプの制御方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプの制御方法において、前記加熱制御工程で、前記目標吐出温度Ｔ１が前記水熱交換機から出湯される湯の目標出湯温度Ｙ１より低くなっているときは、前記計測された温度Ｔ’が、前記目標出湯温度Ｙ１に近づくように前記膨張弁の開度を調整することを特徴とするヒートポンプの制御方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプの制御方法において、前記加熱制御工程で、前記目標吐出温度Ｔ１が予め設定された限界温度Ｈより高温になっているときは、前記温度Ｔ’が、該限界温度Ｈに近づくように前記膨張弁の開度を調整することを特徴とするヒートポンプの制御方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプの制御方法において、前記加熱制御工程で、前記目標吐出温度Ｔ１が、予め設定された時間以上、予め定められた安定温度領域Ｗ２内で保たれた後に、前記温度Ｘ’が予め設定された温度より高くなり、かつ、前記目標吐出温度Ｔ１が前記安定温度領域Ｗ２外の温度になったときには、前記温度Ｔ’が前記安定温度領域Ｗ２内の温度に近づくように前記膨張弁の開度を調整することを特徴とするヒートポンプの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気中のエネルギーを用いて水を加熱するヒートポンプの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプによる水の加熱は、消費電力が抑制され二酸化炭素の排出量が削減されるため注目されている。ヒートポンプの熱効率（ＣＯＰ）は、圧縮機の単位消費電力に対する水に与えられる熱エネルギーの値から求められ、この熱効率を高めるためのヒートポンプの制御方法が特許文献１、２、３に記載されている。
特許文献１、２、３では、ヒートポンプの熱効率を高水準に保つための圧縮機から吐出される冷媒の温度が目標吐出温度として定められ、圧縮機から吐出される冷媒の温度を、この目標吐出温度に近づくような制御がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３５１８４７５号公報
【特許文献２】特許第３８５６０２５号公報
【特許文献３】特開２００９−９２３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、圧縮機に吸入される冷媒の過熱度がヒートポンプの熱効率に影響を及ぼすことが一般的に知られているのにも関わらず、特許文献１、２、３では、目標吐出温度を求めるにあたり、この圧縮機に吸入される冷媒の過熱度が直接的に考慮されていないという問題があった。
圧縮機に吸入される冷媒の過熱度は、冷媒の密度に密接に関連しており、冷媒の過熱度が高くなると冷媒密度は低くなり、冷媒の過熱度（加熱度）が低くなると冷媒密度は高くなる。そして、冷媒密度が低くなりすぎると、圧縮機が一度に圧縮する冷媒量が少なくなってヒートポンプの熱効率の低下を招き、冷媒密度が高くなりすぎると、圧縮機に作用する抵抗が大きくなってヒートポンプの熱効率が低下するため、冷媒の過熱度がヒートポンプの熱効率に及ぼす影響は小さくない。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされるもので、圧縮機に吸入される冷媒の過熱度を考慮して膨張弁の開度を調整するヒートポンプの制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的に沿う本発明に係るヒートポンプの制御方法は、膨張弁によって減圧した冷媒を、蒸発器で蒸発させて外気の熱を吸熱させ圧縮機によって圧縮して水熱交換器で水を加熱するための熱源とするヒートポンプの制御方法において、前記水熱交換器で前記水に与えられる熱エネルギーが、前記圧縮機の単位消費電力に対して最大となるときの、前記水熱交換器に入水する前記水の温度Ｘ、該水熱交換器から出湯される湯の温度Ｙ、前記圧縮機に吸入される前記冷媒の過熱度Ｚ、及び前記圧縮機から吐出される前記冷媒の温度Ｔを、前記温度Ｔが異なる値となる条件下で計測して３組のＸ、Ｙ、Ｚ、Ｔを得、該３組のＸ、Ｙ、Ｚ、ＴをＴ＝Ａ×Ｘ＋Ｂ×Ｙ＋Ｃ×Ｚにそれぞれ代入してなる３つの方程式からＡ、Ｂ、Ｃを算出する準備工程と、前記水熱交換器に入水する前記水の温度をＸ’、該水熱交換器から出湯される湯の温度をＹ’、前記圧縮機に吸入される前記冷媒の過熱度をＺ’、該圧縮機から吐出される該冷媒の温度をＴ’として、予め設定された時間間隔で、Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’及びＴ’の計測と、計測されたＸ’、Ｙ’及びＺ’を基にしてＡ×Ｘ’＋Ｂ×Ｙ’＋Ｃ×Ｚ’の算出値である目標吐出温度Ｔ１の取得とを行い、前記計測された温度Ｔ’が前記目標吐出温度Ｔ１に近づくように前記膨張弁の開度を調整して、前記水を加熱する加熱制御工程とを有し、前記圧縮機に吸入される前記冷媒の過熱度は、前記圧縮機に吸入される冷媒の温度を計測する吸入サーミスタにより検知した温度から、前記蒸発器に取り付けられて、前記冷媒の蒸発温度を計測する蒸発サーミスタにより検知した温度を差し引くことによって得られる。
【０００６】
本発明に係るヒートポンプの制御方法において、前記準備工程で、前記外気の温度を複数の温度領域に分け、該温度領域ごとに、前記Ａ、Ｂ、Ｃを算出し、前記加熱制御工程で、前記Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’及びＴ’の計測と共に、前記外気の温度を計測し、計測された該外気の温度が属する前記温度領域に対して前記準備工程で算出したＡ、Ｂ、Ｃを用いてＡ×Ｘ’＋Ｂ×Ｙ’＋Ｃ×Ｚ’から前記目標吐出温度Ｔ１を算出するのが好ましい。
【０００７】
本発明に係るヒートポンプの制御方法において、前記準備工程で、算出されるＡ、Ｂ又はＣが、実際に記憶できる所定の範囲Ｗ１外の値となる場合には、前記Ｔ＝Ａ×Ｘ＋Ｂ×Ｙ＋Ｃ×Ｚの代わりに、Ｔ＝Ａ×Ｘ＋Ｂ×Ｙ＋Ｃ×Ｚ＋Ｄを用いて、Ａ、Ｂ及びＣが該所定の範囲Ｗ１内になるＡ、Ｂ、ＣとＤを求めて、前記加熱制御工程で、前記目標吐出温度Ｔ１の算出に、Ａ×Ｘ’＋Ｂ×Ｙ’＋Ｃ×Ｚ’の代わりに、Ａ×Ｘ’＋Ｂ×Ｙ’＋Ｃ×Ｚ’＋Ｄを用いるのが好ましい。
【０００８】
本発明に係るヒートポンプの制御方法において、前記準備工程で、前記外気の温度を複数の温度領域に分け、該温度領域ごとに、前記Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを算出し、前記加熱制御工程で、前記Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’及びＴ’の計測と共に、前記外気の温度を計測し、計測された該外気の温度が属する前記温度領域に対して前記準備工程で算出したＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを用いてＡ×Ｘ’＋Ｂ×Ｙ’＋Ｃ×Ｚ’＋Ｄから前記目標吐出温度Ｔ１を算出するのが好ましい。
【０００９】
本発明に係るヒートポンプの制御方法において、前記加熱制御工程で、前記目標吐出温度Ｔ１が前記水熱交換機から出湯される湯の目標出湯温度Ｙ１より低くなっているときは、前記計測された温度Ｔ’が、前記目標出湯温度Ｙ１に近づくように前記膨張弁の開度を調整するのが好ましい。
【００１０】
本発明に係るヒートポンプの制御方法において、前記加熱制御工程で、前記目標吐出温度Ｔ１が予め設定された限界温度Ｈより高温になっているときは、前記温度Ｔ’が、該限界温度Ｈに近づくように前記膨張弁の開度を調整するのが好ましい。
【００１１】
本発明に係るヒートポンプの制御方法において、前記加熱制御工程で、前記目標吐出温度Ｔ１が、予め設定された時間以上、予め定められた安定温度領域Ｗ２内で保たれた後に、前記温度Ｘ’が予め設定された温度より高くなり、かつ、前記目標吐出温度Ｔ１が前記安定温度領域Ｗ２外の温度になったときには、前記温度Ｔ’が前記安定温度領域Ｗ２内の温度に近づくように前記膨張弁の開度を調整するのが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係るヒートポンプの制御方法は、水熱交換器で水に与えられる熱エネルギーが、圧縮機の単位消費電力に対して最大となるときの、水熱交換器に入水する水の温度Ｘ、水熱交換器から出湯される湯の温度Ｙ、圧縮機に吸入される冷媒の過熱度Ｚ、及び圧縮機から吐出される冷媒の温度Ｔを、温度Ｔが異なる値となる条件下で計測して３組のＸ、Ｙ、Ｚ、Ｔを得、３組のＸ、Ｙ、Ｚ、ＴをＴ＝Ａ×Ｘ＋Ｂ×Ｙ＋Ｃ×Ｚにそれぞれ代入してなる３つの方程式からＡ、Ｂ、Ｃを算出する準備工程と、水熱交換器に入水する水の温度をＸ’、水熱交換器から出湯される湯の温度をＹ’、圧縮機に吸入される冷媒の過熱度をＺ’、圧縮機から吐出される冷媒の温度をＴ’として、予め設定された時間間隔で、Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’及びＴ’の計測と、計測されたＸ’、Ｙ’及びＺ’を基にしてＡ×Ｘ’＋Ｂ×Ｙ’＋Ｃ×Ｚ’の算出値である目標吐出温度Ｔ１の取得とを行い、温度Ｔ’が目標吐出温度Ｔ１に近づくように膨張弁の開度を調整する加熱制御工程とを有するので、圧縮機に吸入される冷媒の過熱度を考慮した膨張弁の開度調整によりヒートポンプを制御することが可能である。
【００１３】
本発明に係るヒートポンプの制御方法において、準備工程で、外気の温度を複数の温度領域に分け、温度領域ごとに、Ａ、Ｂ、Ｃを算出し、加熱制御工程で、Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’及びＴ’の計測と共に、外気の温度を計測し、計測された外気の温度が属する温度領域に対して準備工程で算出したＡ、Ｂ、Ｃを用いてＡ×Ｘ’＋Ｂ×Ｙ’＋Ｃ×Ｚ’から目標吐出温度Ｔ１を算出する場合、実際の外気の温度に近い条件下で算出されたＡ、Ｂ、Ｃを用いて目標吐出温度Ｔ１を算出でき、外気温度に合わせた膨張弁の開度調整が可能である。
【００１４】
本発明に係るヒートポンプの制御方法において、準備工程で、算出されるＡ、Ｂ又はＣが、実際に記憶できる所定の範囲Ｗ１外の値となる場合に、Ｔ＝Ａ×Ｘ＋Ｂ×Ｙ＋Ｃ×Ｚの代わりに、Ｔ＝Ａ×Ｘ＋Ｂ×Ｙ＋Ｃ×Ｚ＋Ｄを用いて、Ａ、Ｂ及びＣが所定の範囲Ｗ１内になるＡ、Ｂ、ＣとＤを求めて、加熱制御工程で、目標吐出温度Ｔ１の算出に、Ａ×Ｘ’＋Ｂ×Ｙ’＋Ｃ×Ｚ’の代わりに、Ａ×Ｘ’＋Ｂ×Ｙ’＋Ｃ×Ｚ’＋Ｄを用いる場合、Ａ、Ｂ、Ｃに設定可能な数字に実装面上の制限があったとしても、その制限内の数字に収まる値を用いることが可能である。
【００１５】
本発明に係るヒートポンプの制御方法において、準備工程で、外気の温度を複数の温度領域に分け、温度領域ごとに、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを算出し、加熱制御工程で、Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’及びＴ’の計測と共に、外気の温度を計測し、計測された外気の温度が属する温度領域に対して準備工程で算出したＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを用いてＡ×Ｘ’＋Ｂ×Ｙ’＋Ｃ×Ｚ’＋Ｄから目標吐出温度Ｔ１を算出する場合、実際の外気の温度に近い条件下で算出されたＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを用いて目標吐出温度Ｔ１を算出でき、外気温度に合わせた膨張弁の開度調整が可能である。
【００１６】
本発明に係るヒートポンプの制御方法において、加熱制御工程で、目標吐出温度Ｔ１が水熱交換機から出湯される湯の目標出湯温度Ｙ１より低くなっているときに、計測された温度Ｔ’が、目標出湯温度Ｙ１に近づくように膨張弁の開度を調整する場合、沸き上げ開始直後で水熱交換器から出湯する湯の温度Ｙ’が低く、目標吐出温度Ｔ１に目標出湯温度Ｙ１より低い温度が算出された際には、計測された温度Ｔ’を目標吐出温度Ｔ１に近づける制御に比べ、水の温度の昇温率を早期に高めることができる。
【００１７】
本発明に係るヒートポンプの制御方法において、加熱制御工程で、目標吐出温度Ｔ１が予め設定された限界温度Ｈより高温になっているとき、温度Ｔ’が、限界温度Ｈに近づくように膨張弁の開度を調整する場合、目標吐出温度Ｔ１を算出する際に用いられる温度（例えば水熱交換器から出湯する湯の温度Ｙ’）の値が何らかの理由で実際の温度から大きくかけ離れた値となって目標吐出温度Ｔ１が想定温度を超えるようになったときには、目標吐出温度Ｔ１を無視した制御に切り替えて、ＣＯＰの低下及び機器の故障を抑制することができる。
【００１８】
本発明に係るヒートポンプの制御方法において、加熱制御工程で、目標吐出温度Ｔ１が、予め設定された時間以上、予め定められた安定温度領域Ｗ２内で保たれた後に、温度Ｘ’が予め設定された温度より高くなり、かつ、目標吐出温度Ｔ１が安定温度領域Ｗ２外の温度になったときに、温度Ｔ’が安定温度領域Ｗ２内の温度に近づくように膨張弁の開度を調整する場合、必要以上に温度Ｔ’を低下、あるいは上昇することによるＣＯＰの低下を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施の形態に係るヒートポンプの制御方法が適用されるヒートポンプユニットの回路図である。
【図２】同ヒートポンプユニットによって湯の沸き上げを行った際の各種温度変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係るヒートポンプの制御方法が適用されるヒートポンプユニット１０は、貯湯タンク１１の水を加熱する加熱装置であり、冷媒が循環する冷媒循環回路１２を備えている。
【００２１】
冷媒循環回路１２には、冷媒を熱源に貯湯タンク１１からの水を加熱する水熱交換器１３と、水熱交換器１３から送り出された気液混合状態の冷媒を減圧する膨張弁１４と、減圧された冷媒を蒸発させて外気の熱を吸熱させる蒸発器１５と、蒸発器１５でガス状となった冷媒を圧縮する圧縮機１６が設けられている。
また、冷媒循環回路１２には、圧縮機１６から送られる冷媒の圧力が予め定められた値（例えば１３ＭＰａ）以上になった際に、冷媒循環回路１２を構成する管や機器等に破損が生じないように圧縮機１６の運転を停止させるための圧力スイッチ１７が取り付けられている。
【００２２】
水熱交換器１３は、貯湯タンク１１等と共に湯水循環回路１８を形成している。湯水循環回路１８には循環ポンプ１９が取り付けられており、循環ポンプ１９が作動すると、貯湯タンク１１の底部から水熱交換器１３に水が送られ、水熱交換器１３で加熱され湯となり、貯湯タンク１１の上部に戻される。
湯水循環回路１８には、水熱交換器１３に入水する水の温度を計測する入水サーミスタ２０と、水熱交換器１３から出湯する湯の温度を計測する出湯サーミスタ２１が取り付けられている。
また、湯水循環回路１８には、水熱交換器１３の湯の出側と貯湯タンク１１の底部を連結するバイパス管２３と、水熱交換器１３からの湯の送り先を、貯湯タンク１１の上部にするか、バイパス管２３を介して貯湯タンク１１の底部にするかを切り替える三方弁２４が設けられている。そして、循環ポンプ１９及び三方弁２４は、プログラムを搭載したチップと記憶デバイス等を備えた制御装置２６に信号接続されている。
【００２３】
ヒートポンプユニット１０には、圧縮機１６等の制御を行うＨＰ制御装置２７が設けられている。
制御装置２６は、ＨＰ制御装置２７と信号通信が可能であり、ＨＰ制御装置２７に対して圧縮機１６等の運転指令信号を出力すると共に、循環ポンプ１９に作動信号を送信して、貯湯タンク１１内の水の沸き上げ運転を行う。更に、制御装置２６は、ＨＰ制御装置２７を介して出湯サーミスタ２１で計測される水熱交換器１３から出湯する湯の温度を計測可能であり、この出湯サーミスタ２１を介して計測する湯温が、予め設定された温度（例えば４０℃）以下の場合には、水熱交換器１３からの湯がバイパス管２３を介して貯湯タンク１１の底部に送られるように三方弁２４の切り替えを行い、貯湯タンク１１の上部にある湯の温度を下げないための制御を行う。そして、制御装置２６は、出湯サーミスタ２１を介して計測する湯温が予め設定された温度よりも高温となったのを検知したとき、三方弁２４を切り替えて、水熱交換器１３からの湯を貯湯タンク１１の上部に供給する。
【００２４】
貯湯タンク１１には、異なる高さ位置に複数（本実施の形態では５つ）の残湯サーミスタ２８ａ〜２８ｅが設けられている。制御装置２６は、残湯サーミスタ２８ａ〜２８ｅを介して貯湯タンク１１の異なる高さ位置の温度を一定時間間隔で計測し、貯湯タンク１１内にある湯の状態を検出する。
なお、貯湯タンク１１の底部及び上部には、貯湯タンク１１に水道水を給水する給水管２９及び貯湯タンク１１内の湯を台所や浴槽等に供給するための出湯管２９ａがそれぞれ接続されている。給水管２９には、図示しない減圧弁が配置されている。
【００２５】
冷媒循環回路１２に設けられている膨張弁１４は、ＨＰ制御装置２７から出力される信号によって開度が調整され、液状の冷媒を膨張させて、その圧力を所定の値に低下する。
蒸発器１５は、膨張弁１４で減圧された冷媒を蒸発させ、冷媒に外気の熱を吸熱させることができる。蒸発器１５には、外気を蒸発器１５の表面に供給して蒸発器１５の仕事効率を高めるファン３０が近接配置されている。ファン３０はＨＰ制御装置２７からの信号によって所定の回転数で回転する。
【００２６】
蒸発器１５と圧縮機１６を接続する導管には、水熱交換器１３から膨張弁１４に送られる冷媒を熱源に蒸発器１５から圧縮機１６に向かう冷媒を加熱する内部熱交換器３１が設けられている。内部熱交換器３１は、水熱交換器１３から送り出される冷媒が、通常、蒸発器１５でガス状となった冷媒に比べて高い（例えば１０℃高い）温度であることから、水熱交換器１３から膨張弁１４に送られる冷媒を熱源に蒸発器１５から圧縮機１６に送られる冷媒を加熱するために用いられる。
また、蒸発器１５には、冷媒の蒸発温度を計測する蒸発サーミスタ３２が取り付けられており、ＨＰ制御装置２７は、蒸発サーミスタ３２を介して、冷媒の蒸発温度を検出することができる。
なお、ＨＰ制御装置２７は、プログラムが搭載されたチップと記憶デバイス等から構成されている。
【００２７】
内部熱交換器３１で加熱された冷媒は、アキュムレータ３３を介して、圧縮機１６に流入する。アキュムレータ３３は、蒸発器１５で冷媒の全てがガス状とならず、ガス状の冷媒と液状の冷媒が混合状態（即ち気液混合状態）で蒸発器１５から内部熱交換器３１を介して送られてきた際に、圧縮機１６内にガス状の冷媒のみを供給するようにしている。
圧縮機１６は、図示しないインバータを搭載しており、ＨＰ制御装置２７からの信号を受けてインバータの周波数を変えることにより冷媒の圧縮量を調整する。ヒートポンプユニット１０には外気温度を計測する外気サーミスタ３４が取り付けられており、ＨＰ制御装置２７は、外気サーミスタ３４を介して検知した外気温度に応じて所定の周波数でインバータを作動することができる。
【００２８】
冷媒循環回路１２には、圧縮機１６に吸入される冷媒の温度を計測する吸入サーミスタ３５と圧縮機１６から吐出される圧縮された冷媒の温度を計測する吐出管サーミスタ３６が装着されている。ＨＰ制御装置２７は、吸入サーミスタ３５及び吐出管サーミスタ３６に信号接続されており、吸入サーミスタ３５及び吐出管サーミスタ３６の各計測値を検知することができる。
【００２９】
また、ＨＰ制御装置２７は、入水サーミスタ２０及び出湯サーミスタ２１を介して、水熱交換器１３で加熱前の水の温度、及び水熱交換器１３で加熱された湯の温度をそれぞれ検知することができる。
そして、ＨＰ制御装置２７は、入水サーミスタ２０、出湯サーミスタ２１、蒸発サーミスタ３２、吸入サーミスタ３５及び吐出管サーミスタ３６を介して取得した各温度値を基にして、圧縮機１６の単位消費電力に対して、水熱交換器１３で冷媒から水に与えられる熱エネルギー（以下、「ＣＯＰ」ともいう）が高水準となるように、膨張弁１４の開度調整を行う。以下、ＣＯＰを高水準に保つための膨張弁１４の開度調整方法、即ちヒートポンプの制御方法について説明する。
【００３０】
本実施の形態に係るヒートポンプの制御方法は、ＣＯＰが最大となるときの吸入サーミスタ３５及び吐出管サーミスタ３６の各計測値等の関係を求めてＣＯＰを高水準に保つための条件を求める準備工程と、準備工程で求めた条件を基にして膨張弁１４の開度を調整し貯湯タンク１１の底部から送られる水を加熱する加熱制御工程とから構成される。
一般的にヒートポンプユニットには、外気温度について動作保証温度が存在する。ヒートポンプユニット１０もその例外ではなく、動作保証温度が存在し、本実施の形態では、動作保証温度は−１０℃以上４３℃以下である。
【００３１】
準備工程では、この動作保証温度内で外気の温度を複数の温度領域に分け、その温度領域ごとに、ＣＯＰが最大となる条件が求められる。そして、加熱制御工程では、ＨＰ制御装置２７が、外気サーミスタ３４によって計測される外気温度から現在の外気温度が属する温度領域を検知し、その温度領域について準備工程で求めた条件を基にして膨張弁１４の開度調整を行う。
本実施の形態では、外気の温度を、−１０℃以上７℃未満、７℃以上１６℃未満、及び１６℃以上４３℃以下の３つの温度領域に分けて、膨張弁１４の開度調整を行っている。
【００３２】
準備工程では、予め定めた外気の温度領域ごとに、まず、膨張弁１４の開度を変えながら、ＣＯＰの算出を行いＣＯＰが最大になる状態を探知する。
ＣＯＰは、湯水循環回路１８を循環する水が、水熱交換器１３で冷媒循環回路１２を循環する冷媒から与えられる単位時間当たりの熱エネルギーを、圧縮機１６の単位時間当たりの消費電力量で除算して得ることができる。
そして、ＣＯＰが最大となる状態が検知されると、ＨＰ制御装置２７は、水熱交換器１３に入水する水の温度Ｘと、水熱交換器１３から出湯する湯の温度Ｙと、圧縮機１６に吸入される冷媒の過熱度Ｚと、圧縮機１６から吐出される冷媒の温度Ｔの各値を記憶する。
ここで、ＨＰ制御装置２７は、温度Ｘ、温度Ｙ及び温度Ｔをそれぞれ入水サーミスタ２０、出湯サーミスタ２１及び吐出管サーミスタ３６を介して取得でき、過熱度Ｚについては、吸入サーミスタ３５を介して検知した温度から蒸発サーミスタ３２を介して検知した温度を差し引くことによって得ることができる。
【００３３】
ＨＰ制御装置２７がこの温度Ｘ、温度Ｙ、過熱度Ｚ及び温度Ｔの各値を記憶する処理は、外気の温度領域ごとに、温度Ｔが異なる３つの条件下で行われる。なお、外気温度、水熱交換器１３への入水温度及び水熱交換器１３からの出湯温度のうち少なくとも一つの値を変えると、温度Ｔが異なることになる。
そして、ＨＰ制御装置２７は、外気の温度領域ごとに、３組のＸ、Ｙ、Ｚ、Ｔを得、この３組のＸ、Ｙ、Ｚ、ＴをＴ＝Ａ×Ｘ＋Ｂ×Ｙ＋Ｃ×Ｚにそれぞれ代入してなる３つの方程式からＡ、Ｂ、Ｃの値を算出する。
【００３４】
例えば、−１０℃以上７℃未満の温度領域での計測結果が、１）Ｘ＝９℃、Ｙ＝９０℃、Ｚ＝６．３℃、Ｔ＝１１７．８℃、２）Ｘ＝５℃、Ｙ＝９０℃、Ｚ＝４．９℃、Ｔ＝１１９．９℃、３）Ｘ＝９℃、Ｙ＝８５℃、Ｚ＝−１．２℃、Ｔ＝１２１℃であった場合、
１１７．８＝Ａ×９＋Ｂ×９０＋Ｃ×６．３、
１１９．９＝Ａ×５＋Ｂ×９０＋Ｃ×４．９、
１２１＝Ａ×９＋Ｂ×８５＋Ｃ×（−１．２）
の３つの方程式が得られるので、この連立方程式からＡ、Ｂ、Ｃを算出することができる。
なお、通常Ｚがプラスの値であるのに対し、３）の計測結果でＺがマイナスの値になっているのは、蒸発器１５から圧縮機１６にガス状の冷媒が送られる際に発生する圧力損失等が原因となっている。
【００３５】
また、ＨＰ制御装置２７が備えるメモリ容量の制限等による実装面上の理由により、Ａ、Ｂ、Ｃの値として実際に記憶できる数値の範囲が、所定の範囲に制限されている場合がある。
本実施の形態では、Ａ、Ｂ、Ｃに設定可能な数値を格納しているメモリ容量が２５６ビットであり、Ａ、Ｂ、Ｃに設定可能な値は−１２８／３２以上１２７／３２以下の範囲Ｗ１内の値に制限されている。更に、Ａ、Ｂ、Ｃそれぞれに対して設定できる値は、Ｎを整数としてＮ／３２の値に限られている。従って、通常、Ａ、Ｂ、Ｃに設定可能な値で、各方程式の右辺を算出した値をそれぞれ各方程式の左辺と同一の値にはできない。
このため、Ａ、Ｂ、Ｃには、各方程式において右辺の算出値が左辺の値の±α％以内の範囲となる値が設定され（αは、０より大きく１以下の数字で、例えば０．５）、Ａ、Ｂ、Ｃには具体的にそれぞれ、Ａ＝−２／３２、Ｂ＝４５／３２、Ｃ＝−４４／３２が設定される。
そして、このＡ＝−２／３２、Ｂ＝４５／３２、Ｃ＝−４４／３２が、外気が−１０℃以上７℃未満の温度領域において、後の加熱制御工程で膨張弁１４の開度調整を行うための基となる演算式に採用される係数となる。
なお、範囲Ｗ１は、−１２８／３２以上１２７／３２以下の範囲に限定されず、他の範囲にすることもできる。
【００３６】
これに対し、外気が７℃以上１６℃未満の温度領域での計測結果から得られる方程式は、
９０＝Ａ×１７＋Ｂ×６５＋Ｃ×１０．４、
９４．２＝Ａ×９＋Ｂ×６５＋Ｃ×７．７、
１１７．８＝Ａ×９＋Ｂ×９０＋Ｃ×６．３
となり、これらの方程式を基に、Ａ、Ｂ、Ｃを求めると、Ａ、Ｂ、Ｃは範囲Ｗ１内の値にならない。
【００３７】
そこで、ＨＰ制御装置２７は、Ａ、Ｂ又はＣが所定の範囲Ｗ１外の値となる場合、Ｔ＝Ａ×Ｘ＋Ｂ×Ｙ＋Ｃ×Ｚの代わりに、Ｔ＝Ａ×Ｘ＋Ｂ×Ｙ＋Ｃ×Ｚ＋Ｄの式を用いて、Ａ、Ｂ及びＣが所定の範囲Ｗ１内になるＡ、Ｂ、ＣとＤを求める。
具体的には、
９０＝Ａ×１７＋Ｂ×６５＋Ｃ×１０．４＋Ｄ、
９４．２＝Ａ×９＋Ｂ×６５＋Ｃ×７．７＋Ｄ、
１１７．８＝Ａ×９＋Ｂ×９０＋Ｃ×６．３＋Ｄ
の３つの方程式について、右辺の算出値が、左辺の値の±α％以内の範囲になるＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの値が求められ、それぞれＡ＝−４０／３２、Ｂ＝３４／３２、Ｃ＝６８／３２、Ｄ＝２０となる。
そして、このＡ＝−４０／３２、Ｂ＝３４／３２、Ｃ＝６８／３２、Ｄ＝２０が、外気が７℃以上１６℃未満の温度領域において、加熱制御工程で膨張弁１４の開度調整をするための基となる演算式に採用される係数となる。
なお、Ｄについても、ＨＰ制御装置２７が備えるメモリ容量によって、設定可能な値が０〜２５５の範囲に制限されている。
【００３８】
このように、ＨＰ制御装置２７は、−１０℃以上７℃未満、７℃以上１６℃未満、及び１６℃以上４３℃以下の外気の温度領域ごとに、圧縮機１６から吐出される冷媒の温度Ｔの異なる値となる条件下でＡ、Ｂ、Ｃを算出し、算出されたＡ、Ｂ、Ｃが範囲Ｗ１内の値であれば、そのＡ、Ｂ、Ｃを、膨張弁１４の開度調整のための演算式の係数として記憶する。
一方、ＨＰ制御装置２７は、算出されたＡ又はＢ若しくはＣが範囲Ｗ１内の値でない温度領域については、Ａ、Ｂ及びＣが所定の範囲Ｗ１内になるようにＡ、Ｂ、ＣとＤの値を算出して、そのＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを、膨張弁１４の開度調整のための演算式の係数として記憶する。
準備工程は、ＨＰ制御装置２７が外気の各温度領域について膨張弁１４の開度調整のための演算式の係数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを記憶して完了し、この準備工程の完了により、ＨＰ制御装置２７は、貯湯タンク１１の水の加熱制御が可能な状態になる。
【００３９】
加熱制御工程は、ＨＰ制御装置２７が制御装置２６から貯湯タンク１１の沸き上げ指令信号を受信することによって開始される。
水熱交換器１３に入水する水の温度をＸ’、水熱交換器１３から出湯される湯の温度をＹ’、圧縮機１６に吸入される冷媒の過熱度をＺ’、圧縮機１６から吐出される冷媒の温度をＴ’とすると、ＨＰ制御装置２７は、加熱制御工程において予め設定された時間間隔（本実施の形態では、１０秒から２４０秒で具体的には３０秒）でＸ’、Ｙ’、Ｚ’及びＴ’の計測と共に、外気の温度計測を行う。
ＨＰ制御装置２７は、Ｘ’、Ｙ’、Ｔ’及び外気温度をそれぞれ入水サーミスタ２０、出湯サーミスタ２１、吐出管サーミスタ３６及び外気サーミスタ３４を介して計測することができ、Ｚ’については、吸入サーミスタ３５を介して検出した温度から蒸発サーミスタ３２を介して検出した温度を差し引いて算出する。
【００４０】
そして、ＨＰ制御装置２７は、計測された外気温度が属する温度領域に対して記憶しているＡ、Ｂ、Ｃの値あるいは、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの値を基に目標吐出温度Ｔ１の演算処理を行う。
具体的には、外気温度の計測値が属する温度領域（例えば−１０℃以上７℃未満の温度領域）に対して、Ａ、Ｂ、Ｃの値を記憶している場合、ＨＰ制御装置２７は、計測されたＸ’、Ｙ’及びＺ’を基にしてＡ×Ｘ’＋Ｂ×Ｙ’＋Ｃ×Ｚ’の算出値を目標吐出温度Ｔ１として取得する。
一方、外気温度の計測値が属する温度領域（例えば７℃以上１６℃未満の温度領域）に対して、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが膨張弁１４の開度調整のための演算式の係数として記憶されている場合、ＨＰ制御装置２７は、計測されたＸ’、Ｙ’及びＺ’を基にしてＡ×Ｘ’＋Ｂ×Ｙ’＋Ｃ×Ｚ’＋Ｄの算出値を目標吐出温度Ｔ１として取得する。
【００４１】
ＨＰ制御装置２７は、Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’、Ｔ’及び外気温度を計測するごとに目標吐出温度Ｔ１を算出し、温度Ｔ’がその算出された目標吐出温度Ｔ１に近づくように膨張弁１４の開度調整を行う。
膨張弁１４の開度調整は、一般的なフィードバック制御であるＰＩＤ制御によりなされる。
本実施の形態では、急激な膨張弁１４の開度変更によって、温度Ｔ’が目標吐出温度Ｔ１を上回る、いわゆるオーバーシュートになるのを回避するため、最新の温度Ｔ’の計測値（最後に計測された値）と所定時間前（例えば１２０秒前）に計測された温度Ｔ’の計測値を足して２で割った値と、最新の目標吐出温度Ｔ１とを比較して、膨張弁１４の開度が決定される。
【００４２】
ＨＰ制御装置２７が貯湯タンク１１の沸き上げを開始した時間を０分とすると、加熱制御工程における目標吐出温度Ｔ１及び温度Ｔ’の推移は、図２に示すようになる。
目標出湯温度Ｙ１は、ＨＰ制御装置２７に対して制御装置２６から貯湯タンク１１の沸き上げ開始の指令信号と共に送信される信号によって決定される。また、入水温度Ｘ’の温度は、貯湯タンク１１の下部から出水される水の温度のため、貯湯タンク１１の上部から蓄えられる湯が下部に達するまでは、通常一定の範囲内で保たれる。
なお、図２は、外気温度が７℃、目標出湯温度Ｙ１が６５℃、入水温度９℃の条件で貯湯タンク１１の沸き上げを行ったときの実験データをグラフ化したものである。
【００４３】
出湯温度Ｙ’は、通常、貯湯タンク１１の沸き上げを開始する時点（図２では０分の時点）で、目標出湯温度Ｙ１より低く、冷媒循環回路１２を循環する冷媒の温度上昇と共に上昇して目標出湯温度Ｙ１と略同一の温度になる。図２では１２〜１３分付近で出湯温度Ｙ’が目標出湯温度Ｙ１と略同一になっている。
そして、出湯温度Ｙ’が目標出湯温度Ｙ１と略同一になってからは、目標出湯温度Ｙ１が変わらず、かつ外気等に大きな変化がない限り、膨張弁１４の開度は大きく変えられることがなく、吐出温度Ｔ’と目標吐出温度Ｔ１は略同一の温度の状態が保たれる。
【００４４】
ＨＰ制御装置２７は、目標吐出温度Ｔ１が、予め設定された時間（２分〜５分の範囲で、本実施の形態では３分）以上、予め定められた安定温度領域Ｗ２（−３℃から＋３℃の範囲で、本実施の形態では、−２℃から＋２℃の温度領域）内で変動する状態になったのを検出して、湯の沸き上げが安定状態になったことを検知する。
ＨＰ制御装置２７は、湯の沸き上げが安定状態になった後に、温度Ｘ’が予め設定された温度（５℃〜１５℃の範囲で、本実施の形態では１０℃）より高くなり、かつ、目標吐出温度Ｔ１が安定温度領域Ｗ２外の温度（例えば１１℃）になったときには、温度Ｔ’が、安定温度領域Ｗ２内の温度に近づくように膨張弁１４の開度を調整する。
【００４５】
温度Ｘ’が予め設定された温度より高くなるのは、貯湯タンク１１内の上部から流入し貯湯タンク１１の上部に蓄えられる湯が貯湯タンク１１の下部まで達し、貯湯タンク１１内の水が全て沸きあがった状態になりつつあることを意味している。
そして、温度Ｘ’が一定温度以上になってもなお、目標吐出温度Ｔ１を算出して、温度Ｔ’がその算出された最新の目標吐出温度Ｔ１に近づくような膨張弁１４の開度調整を行うと、必要以上に温度Ｔ’が低下してＣＯＰの低下を招く等の現象が生じ得るので、温度Ｔ’の温度調整の対象を、算出された最新の目標吐出温度Ｔ１にはせず、安定温度領域Ｗ２内の温度としている。
ここで、温度Ｔ’の対象とされる安定温度領域Ｗ２内の温度は、安定温度領域Ｗ２の平均温度、下限温度あるいは上限温度のいずれかにすることができる。
【００４６】
また、ＨＰ制御装置２７は、目標吐出温度Ｔ１が水熱交換器１３から出湯される湯の目標出湯温度Ｙ１より低くなっている状態のときには、温度Ｔ’が、目標出湯温度Ｙ１に近づくように膨張弁１４の開度を調整する。
これは、沸き上げ開始直後、通常、出湯温度Ｙ’が低温のため目標吐出温度Ｔ１が低くなり、温度Ｔ’をこの低い目標吐出温度Ｔ１に近づける制御を行うと、冷媒が水を十分に加熱（例えば４０℃に加熱）できる状態になるまで長い時間を要するためである。
図２に示される実験データでは、沸き上げ開始から２〜３分が経過するまで、目標吐出温度Ｔ１が目標出湯温度Ｙ１より低く、温度Ｔ’を目標出湯温度Ｙ１に近づけるための制御が行われている。
【００４７】
そして、ＨＰ制御装置２７は、目標吐出温度Ｔ１が予め設定された限界温度Ｈ（１１５℃〜１３５℃の範囲で、本実施の形態ではＨ＝１２５℃）より高温になっているときには、温度Ｔ’が、その限界温度Ｈに近づくように膨張弁１４の開度を調整する。
これは、サーミスタの障害等によって、目標吐出温度Ｔ１が想定される温度以上の温度になり得ることを考慮したものであり、目標吐出温度Ｔ１が想定温度以上になったときには、吐出温度のＴ’の目標温度が、目標吐出温度Ｔ１から限界温度Ｈに切り替えられる。
また、ヒートポンプユニット１０による貯湯タンク１１の沸き上げ運転は、制御装置２６からＨＰ制御装置２７に運転停止の指示信号が送信されるまで継続され、ＨＰ制御装置２７は、制御装置２６からの運転停止信号により圧縮機１６、ファン３０等を停止する。
【００４８】
ここで、ＨＰ制御装置２７は、準備工程において、外気の温度領域ごとに３つの条件下で計測したＸ、Ｙ、Ｚ、Ｔを基に、Ａ、Ｂ、ＣやＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを算出しているが、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｔを計測する際の条件を変えれば、算出されるＡ、Ｂ、Ｃ、あるいは、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの値も変わることになる。
例えば、−１０℃以上７℃未満の温度領域でＡ、Ｂ、Ｃを算出するにあたって、ＣＯＰが最高となったときのＸ＝９℃、Ｙ＝９０℃、Ｚ＝６．３℃、Ｔ＝１１７．８℃の計測結果を採用する代わりに他の計測結果Ｘ＝４℃、Ｙ＝９０℃、Ｚ＝６．３℃、Ｔ＝１１３．２℃（ＸとＴの値が異なっている）を採用してＡ、Ｂ、Ｃを算出すれば、Ａ、Ｂ、Ｃの値は異なる。
【００４９】
しかしながら、入水温度Ｘ及び出湯温度Ｙと、冷媒の吐出温度Ｔ及び加熱度Ｚは密接に関係しているため、実際には、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｔを計測する条件を変えても、算出されるＡ、Ｂ、Ｃ、あるいは、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは大きく変わらない。
また、実験において、外気温度＝２０．５℃、入水温度Ｘ’＝２０℃、出湯温度Ｙ’＝６５℃の環境下で、ＣＯＰが最大となるように膨張弁１４の開度調整を行った際のＣＯＰが４．９２（このときのＺ’及びＴ’は、Ｚ’＝１０．３℃、Ｔ’＝８５．９℃）であったのに対し、同環境下で、本実施の形態のヒートポンプの制御を行い、沸き上げが安定状態になったときのＣＯＰは４．９１（Ｔ’＝８５．５℃、Ｚ’＝１０．４℃）となり、その差は０．０１であった。これは、本実施の形態に係るヒートポンプの制御方法が高水準のＣＯＰを確保可能であることを意味している。
【００５０】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
例えば、外気の温度領域は３つであることに限定されず、４つ、５つやそれ以外の数の温度領域を設けることができる。
【符号の説明】
【００５１】
１０：ヒートポンプユニット、１１：貯湯タンク、１２：冷媒循環回路、１３：水熱交換器、１４：膨張弁、１５：蒸発器、１６：圧縮機、１７：圧力スイッチ、１８：湯水循環回路、１９：循環ポンプ、２０：入水サーミスタ、２１：出湯サーミスタ、２３：バイパス管、２４：三方弁、２６：制御装置、２７：ＨＰ制御装置、２８ａ〜２８ｅ：残湯サーミスタ、２９：給水管、２９ａ：出湯管、３０：ファン、３１：内部熱交換器、３２：蒸発サーミスタ、３３：アキュムレータ、３４：外気サーミスタ、３５：吸入サーミスタ、３６：吐出管サーミスタ
【図１】
0005718013.tif 000002
【図２】
0005718013.tif 000003