(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させるヒートポンプを備え、
前記凝縮器において、前記冷媒と水とを熱交換して温水を製造し、
前記蒸発器において、前記冷媒と被冷却流体とを熱交換して被冷却流体の冷却を図り、
前記凝縮器からの温水の温度を検出する第一温度センサの検出温度に基づき、前記圧縮機を制御可能であると共に、前記蒸発器からの被冷却流体の温度を検出する第二温度センサの検出温度に基づき、前記圧縮機を制御可能であり、
前記第一温度センサによる制御と前記第二温度センサによる制御とを切り替えて前記圧縮機を制御し、
前記第一温度センサの検出温度に基づき、第一上限温度と第一下限温度との範囲で、且つその第一上限温度を設定値として前記圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御するか、
前記第二温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として前記圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御し、
設定タイミングで次式により第一偏差率と第二偏差率とを求め、前記第一温度センサによる制御と前記第二温度センサによる制御との内、偏差率の小さい方で前記圧縮機を制御する
ことを特徴とする給水加温システム。
第一偏差率＝（第一上限温度−現在温度）／（第一上限温度−第一下限温度）
第二偏差率＝（現在温度−第二下限温度）／（第二上限温度−第二下限温度）
【請求項２】
圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させるヒートポンプを備え、
前記凝縮器において、前記冷媒と水とを熱交換して温水を製造し、
前記蒸発器において、前記冷媒と被冷却流体とを熱交換して被冷却流体の冷却を図り、
前記凝縮器からの温水の温度を検出する第一温度センサの検出温度に基づき、前記圧縮機を制御可能であると共に、前記蒸発器からの被冷却流体の温度を検出する第二温度センサの検出温度に基づき、前記圧縮機を制御可能であり、
前記第一温度センサによる制御と前記第二温度センサによる制御とを切り替えて前記圧縮機を制御し、
前記第一温度センサの検出温度に基づき、第一上限温度と第一下限温度との範囲で、且つその第一上限温度を設定値として前記圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御するか、
前記第二温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として前記圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御し、
設定タイミングで、前記第一温度センサによる制御における前記圧縮機の操作量と、前記第二温度センサによる制御における前記圧縮機の操作量とを求め、前記第一温度センサによる制御と前記第二温度センサによる制御との内、操作量の小さい方で前記圧縮機を制御する
ことを特徴とする給水加温システム。
【請求項３】
圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させるヒートポンプを備え、
前記凝縮器において、前記冷媒と水とを熱交換して温水を製造し、
前記蒸発器において、前記冷媒と被冷却流体とを熱交換して被冷却流体の冷却を図り、
前記凝縮器からの温水の温度を検出する第一温度センサの検出温度に基づき、前記圧縮機を制御可能であると共に、前記蒸発器からの被冷却流体の温度を検出する第二温度センサの検出温度に基づき、前記圧縮機を制御可能であり、
前記第一温度センサによる制御と前記第二温度センサによる制御とを切り替えて前記圧縮機を制御し、
複数段のヒートポンプを備え、
最下段のヒートポンプの蒸発器において、冷媒と被冷却流体とを熱交換し、
最上段のヒートポンプの凝縮器において、冷媒と水とを熱交換して温水を製造し、
前記第一温度センサの検出温度に基づき、第一上限温度と第一下限温度との範囲で、且つその第一上限温度を設定値として最上段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御するか、
前記第二温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として最下段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御し、
前記第一温度センサの検出温度に基づき最上段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより下段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の凝縮器または一つ上段の蒸発器の冷媒の圧力に基づき制御され、
前記第二温度センサの検出温度に基づき最下段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより上段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の蒸発器または一つ下段の凝縮器の冷媒の圧力に基づき制御され、
設定タイミングで次式により第一偏差率と第二偏差率とを求め、前記第一温度センサによる制御と前記第二温度センサによる制御との内、偏差率の小さい方の制御に切り替える
ことを特徴とする給水加温システム。
第一偏差率＝（第一上限温度−現在温度）／（第一上限温度−第一下限温度）
第二偏差率＝（現在温度−第二下限温度）／（第二上限温度−第二下限温度）
【請求項４】
圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させるヒートポンプを備え、
前記凝縮器において、前記冷媒と水とを熱交換して温水を製造し、
前記蒸発器において、前記冷媒と被冷却流体とを熱交換して被冷却流体の冷却を図り、
前記凝縮器からの温水の温度を検出する第一温度センサの検出温度に基づき、前記圧縮機を制御可能であると共に、前記蒸発器からの被冷却流体の温度を検出する第二温度センサの検出温度に基づき、前記圧縮機を制御可能であり、
前記第一温度センサによる制御と前記第二温度センサによる制御とを切り替えて前記圧縮機を制御し、
複数段のヒートポンプを備え、
最下段のヒートポンプの蒸発器において、冷媒と被冷却流体とを熱交換し、
最上段のヒートポンプの凝縮器において、冷媒と水とを熱交換して温水を製造し、
前記第一温度センサの検出温度に基づき、第一上限温度と第一下限温度との範囲で、且つその第一上限温度を設定値として最上段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御するか、
前記第二温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として最下段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御し、
前記第一温度センサの検出温度に基づき最上段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより下段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の凝縮器または一つ上段の蒸発器の冷媒の圧力に基づき制御され、
前記第二温度センサの検出温度に基づき最下段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより上段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の蒸発器または一つ下段の凝縮器の冷媒の圧力に基づき制御され、
設定タイミングで、前記第一温度センサによる制御における最上段のヒートポンプの圧縮機の第一操作量（ｙ１）と、前記第二温度センサによる制御における最下段のヒートポンプの圧縮機の第二操作量（ｙ２）とから、前記第一操作量（ｙ１）の前記第二操作量（ｙ２）に対する比の値（ｙ１／ｙ２）を求め、この値が予め設定された定数未満なら、前記第一温度センサによる制御を行う一方、前記定数以上なら前記第二温度センサによる制御を行う
ことを特徴とする給水加温システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプを用いて水を加温する給水加温システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、下記特許文献１に開示されるように、ヒートポンプを用いて温水を製造する装置が知られている。この種の装置において、ヒートポンプにより製造される温水の温度、あるいはヒートポンプの蒸発器に通された後の被冷却流体の温度を所望に維持したい場合がある。また、それら二つの温度の維持制御を効率よく自動で切り替えたい場合もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２３２３５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、ヒートポンプにより製造される温水の温度、あるいはヒートポンプの蒸発器に通された後の被冷却流体の温度を所望に維持できる給水加温システムを提供することにある。また、それら二つの温度の維持制御を効率よく自動で切り替えることのできる給水加温システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させるヒートポンプを備え、前記凝縮器において、前記冷媒と水とを熱交換して温水を製造し、前記蒸発器において、前記冷媒と被冷却流体とを熱交換して被冷却流体の冷却を図り、前記凝縮器からの温水の温度を検出する第一温度センサの検出温度に基づき、前記圧縮機を制御可能であると共に、前記蒸発器からの被冷却流体の温度を検出する第二温度センサの検出温度に基づき、前記圧縮機を制御可能であり、前記第一温度センサによる制御と前記第二温度センサによる制御とを切り替えて前記圧縮機を制御し、前記第一温度センサの検出温度に基づき、第一上限温度と第一下限温度との範囲で、且つその第一上限温度を設定値として前記圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御するか、前記第二温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として前記圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御し、設定タイミングで次式により第一偏差率と第二偏差率とを求め、前記第一温度センサによる制御と前記第二温度センサによる制御との内、偏差率の小さい方で前記圧縮機を制御することを特徴とする給水加温システムである。
第一偏差率＝（第一上限温度−現在温度）／（第一上限温度−第一下限温度）
第二偏差率＝（現在温度−第二下限温度）／（第二上限温度−第二下限温度）
【０００６】
請求項１および後述する請求項２〜４に記載の発明によれば、ヒートポンプの凝縮器からの温水の温度を所望に維持したり、ヒートポンプの蒸発器からの被冷却流体の温度を所望に維持したりすることができる。
【０００８】
偏差率が小さいほど、目標値に近いので、圧縮機の操作量は小さくなる。仮に、偏差率が大きい方、つまり操作量が大きい方で圧縮機を制御しようとすると、偏差率が小さい方、つまり操作量が小さい方は目標値にすぐに到達してしまうことになる。ところが、請求項１に記載の発明によれば、偏差率の小さい方の制御に適宜切り替えて制御することで、圧縮機が停止する頻度を少なくすることができる。また、停止するにしても、停止状態へ緩やかに移行することができる。さらに、第一温度センサによる制御か、第二温度センサによる制御かを手動設定する必要もない。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させるヒートポンプを備え、前記凝縮器において、前記冷媒と水とを熱交換して温水を製造し、前記蒸発器において、前記冷媒と被冷却流体とを熱交換して被冷却流体の冷却を図り、前記凝縮器からの温水の温度を検出する第一温度センサの検出温度に基づき、前記圧縮機を制御可能であると共に、前記蒸発器からの被冷却流体の温度を検出する第二温度センサの検出温度に基づき、前記圧縮機を制御可能であり、前記第一温度センサによる制御と前記第二温度センサによる制御とを切り替えて前記圧縮機を制御し、前記第一温度センサの検出温度に基づき、第一上限温度と第一下限温度との範囲で、且つその第一上限温度を設定値として前記圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御するか、前記第二温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として前記圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御し、設定タイミングで、前記第一温度センサによる制御における前記圧縮機の操作量と、前記第二温度センサによる制御における前記圧縮機の操作量とを求め、前記第一温度センサによる制御と前記第二温度センサによる制御との内、操作量の小さい方で前記圧縮機を制御することを特徴とする給水加温システムである。
【００１０】
仮に、操作量が大きい方で圧縮機を制御しようとすると、操作量が小さい方は目標値にすぐに到達してしまうことになる。ところが、請求項２に記載の発明によれば、操作量の小さい方の制御に適宜切り替えて制御することで、圧縮機が停止する頻度を少なくすることができる。また、停止するにしても、停止状態へ緩やかに移行することができる。さらに、第一温度センサによる制御か、第二温度センサによる制御かを手動設定する必要もない。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させるヒートポンプを備え、前記凝縮器において、前記冷媒と水とを熱交換して温水を製造し、前記蒸発器において、前記冷媒と被冷却流体とを熱交換して被冷却流体の冷却を図り、前記凝縮器からの温水の温度を検出する第一温度センサの検出温度に基づき、前記圧縮機を制御可能であると共に、前記蒸発器からの被冷却流体の温度を検出する第二温度センサの検出温度に基づき、前記圧縮機を制御可能であり、前記第一温度センサによる制御と前記第二温度センサによる制御とを切り替えて前記圧縮機を制御し、複数段のヒートポンプを備え、最下段のヒートポンプの蒸発器において、冷媒と被冷却流体とを熱交換し、最上段のヒートポンプの凝縮器において、冷媒と水とを熱交換して温水を製造し、前記第一温度センサの検出温度に基づき、第一上限温度と第一下限温度との範囲で、且つその第一上限温度を設定値として最上段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御するか、前記第二温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として最下段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御し、前記第一温度センサの検出温度に基づき最上段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより下段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の凝縮器または一つ上段の蒸発器の冷媒の圧力に基づき制御され、前記第二温度センサの検出温度に基づき最下段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより上段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の蒸発器または一つ下段の凝縮器の冷媒の圧力に基づき制御され、設定タイミングで次式により第一偏差率と第二偏差率とを求め、前記第一温度センサによる制御と前記第二温度センサによる制御との内、偏差率の小さい方の制御に切り替えることを特徴とする給水加温システムである。
第一偏差率＝（第一上限温度−現在温度）／（第一上限温度−第一下限温度）
第二偏差率＝（現在温度−第二下限温度）／（第二上限温度−第二下限温度）
【００１２】
偏差率が小さいほど、目標値に近いので、各圧縮機の操作量は小さくなる。仮に、偏差率が大きい方、つまり操作量が大きい方で各圧縮機を制御しようとすると、偏差率が小さい方、つまり操作量が小さい方は目標値にすぐに到達してしまうことになる。ところが、請求項３に記載の発明によれば、偏差率の小さい方の制御に適宜切り替えて制御することで、各圧縮機が停止する頻度を少なくすることができる。また、停止するにしても、停止状態へ緩やかに移行することができる。さらに、第一温度センサによる制御か、第二温度センサによる制御かを手動設定する必要もない。
【００１３】
さらに、請求項４に記載の発明は、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させるヒートポンプを備え、前記凝縮器において、前記冷媒と水とを熱交換して温水を製造し、前記蒸発器において、前記冷媒と被冷却流体とを熱交換して被冷却流体の冷却を図り、前記凝縮器からの温水の温度を検出する第一温度センサの検出温度に基づき、前記圧縮機を制御可能であると共に、前記蒸発器からの被冷却流体の温度を検出する第二温度センサの検出温度に基づき、前記圧縮機を制御可能であり、前記第一温度センサによる制御と前記第二温度センサによる制御とを切り替えて前記圧縮機を制御し、複数段のヒートポンプを備え、最下段のヒートポンプの蒸発器において、冷媒と被冷却流体とを熱交換し、最上段のヒートポンプの凝縮器において、冷媒と水とを熱交換して温水を製造し、前記第一温度センサの検出温度に基づき、第一上限温度と第一下限温度との範囲で、且つその第一上限温度を設定値として最上段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御するか、前記第二温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として最下段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御し、前記第一温度センサの検出温度に基づき最上段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより下段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の凝縮器または一つ上段の蒸発器の冷媒の圧力に基づき制御され、前記第二温度センサの検出温度に基づき最下段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより上段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の蒸発器または一つ下段の凝縮器の冷媒の圧力に基づき制御され、設定タイミングで、前記第一温度センサによる制御における最上段のヒートポンプの圧縮機の第一操作量（ｙ１）と、前記第二温度センサによる制御における最下段のヒートポンプの圧縮機の第二操作量（ｙ２）とから、前記第一操作量（ｙ１）の前記第二操作量（ｙ２）に対する比の値（ｙ１／ｙ２）を求め、この値が予め設定された定数未満なら、前記第一温度センサによる制御を行う一方、前記定数以上なら前記第二温度センサによる制御を行うことを特徴とする給水加温システムである。
【００１４】
仮に、操作量が大きい方で各圧縮機を制御しようとすると、操作量が小さい方は目標値にすぐに到達してしまうことになる。ところが、請求項４に記載の発明によれば、操作量の小さい方の制御に適宜切り替えて制御することで、各圧縮機が停止する頻度を少なくすることができる。また、停止するにしても、停止状態へ緩やかに移行することができる。さらに、第一温度センサによる制御か、第二温度センサによる制御かを手動設定する必要もない。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ヒートポンプにより製造される温水の温度を所望に維持したり、ヒートポンプの蒸発器に通された後の被冷却流体の温度を所望に維持したりすることができる。また、実施の形態に応じて、それら二つの温度の維持制御を効率よく自動で切り替えることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の給水加温システムの一実施例を示す概略図である。
【図２】図１の給水加温システムにおいて、凝縮器からの水温と、圧縮機の状態とを示す概略図である。
【図３】図２の変形例を示す図である。
【図４】図１の給水加温システムにおいて、蒸発器からの水温と、バイパス弁および圧縮機の状態とを示す概略図である。
【図５】図４の変形例を示す図である。
【図６】第一温度センサによる制御と第二温度センサによる制御とが切り替えられる複数段のヒートポンプを備える給水加温システムの一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の給水加温システムの一実施例を示す概略図である。
本実施例の給水加温システム１は、ヒートポンプ２を備える。
【００１８】
ヒートポンプ２は、蒸気圧縮式のヒートポンプであり、圧縮機４、凝縮器５、膨張弁６および蒸発器７が順次環状に接続されて構成される。そして、圧縮機４は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。また、凝縮器５は、圧縮機４からのガス冷媒を凝縮液化する。さらに、膨張弁６は、凝縮器５からの液冷媒を通過させることで、冷媒の圧力と温度とを低下させる。そして、蒸発器７は、膨張弁６からの冷媒の蒸発を図る。
【００１９】
従って、ヒートポンプ２は、蒸発器７において、冷媒が外部から熱を奪って気化する一方、凝縮器５において、冷媒が外部へ放熱して凝縮することになる。これを利用して、ヒートポンプ２は、蒸発器７において、温水（たとえば工場などから排出される排温水）、空気（空気圧縮機からの吐出空気のように熱を持った空気を含む）、または排ガスなどから熱をくみ上げ、凝縮器５において、水を加温して温水を製造する。
【００２０】
ヒートポンプ２に用いる冷媒は、特に問わないが、炭素数が４以上のハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）またはこれに水および／または消火液を加えたもの、アルコール（たとえばエチルアルコールまたはメチルアルコール）またはこれに水および／または消火液を加えたもの、または水（たとえば純水または軟水）が好適に用いられる。
【００２１】
ヒートポンプ２は、単段に限らず、複数段でもよい。複数段の場合は、最下段のヒートポンプ２の蒸発器７において、温水、空気、排ガスなどから熱をくみ上げ、最上段のヒートポンプ２の凝縮器５において、水を加温して温水を製造する。以下、特に明示のない限り、単に蒸発器７というときは、ヒートポンプ２が複数段の場合は最下段のヒートポンプ２の蒸発器７をいい、また単に凝縮器５というときは、ヒートポンプ２が複数段の場合は最上段のヒートポンプ２の凝縮器５をいう。
【００２２】
凝縮器５は、冷媒と水とを混ぜることなく熱交換する構成であれば、その具体的構成を特に問わない。たとえば、プレート式熱交換器またはシェルアンドチューブ式熱交換器が用いられる。
【００２３】
単段のヒートポンプ２、または複数段のヒートポンプ２の内の一部または全部のヒートポンプ２において、凝縮器５から膨張弁６への冷媒と蒸発器７から圧縮機４への冷媒とを混ぜることなく熱交換する液ガス熱交換器（図示省略）を設置してもよい。これにより、蒸発器７から圧縮機４への冷媒は、液ガス熱交換器により、凝縮器５から膨張弁６への冷媒で過熱される。このようにして、圧縮機４の入口側のエンタルピを高めて、そしてそれにより圧縮機４の出口側のエンタルピも高めることで、ヒートポンプ２の成績係数（ＣＯＰ）を高めることができる。しかも、圧縮機４へ液冷媒が供給される不都合も防止できる。但し、複数段のヒートポンプ２の場合、最上段のヒートポンプ２には液ガス熱交換器を設けない方が好ましい。高温高圧となる最上段のヒートポンプ２には液ガス熱交換器を設けないことで、圧縮機４の出口側の温度上昇を防止することができ、圧縮機４の潤滑油の劣化を防止することができる。
【００２４】
単段のヒートポンプ２、または複数段のヒートポンプ２の内の最上段のヒートポンプ２において、凝縮器５と膨張弁６との間に、所望により過冷却器（図示省略）を設けてもよい。過冷却器は、凝縮器５から膨張弁６への冷媒と、凝縮器５への給水との間接熱交換器である。過冷却器により、凝縮器５への給水で、凝縮器５から膨張弁６への冷媒を過冷却することができると共に、凝縮器５から膨張弁６への冷媒で、凝縮器５への給水を加温することができる。また、冷媒と水との熱交換は、顕熱による熱交換部としての過冷却器と、潜熱による熱交換部としての凝縮器５とに分けられるので、伝熱効率を向上することができる。
【００２５】
圧縮機４は、圧縮機本体とその駆動装置とを備え、駆動装置はエンジン（典型的にはガスエンジンまたはディーゼルエンジン）および／またはモータから構成される。圧縮機４の制御の具体的態様としては、たとえば、駆動装置がオンオフ制御される。あるいは、圧縮機本体と駆動装置との間に、駆動装置から圧縮機本体への動力伝達装置（クラッチおよび／または変速機）を設けておき、駆動装置から圧縮機本体への動力伝達の有無や量を変更するように、動力伝達装置が制御される。あるいは、駆動装置を構成するモータをインバータで制御して、モータの回転数（回転速度ともいえる）を変える。あるいは、駆動装置を構成するエンジンのアクセルを制御して、エンジンの出力を変える。あるいは、圧縮機本体の冷媒吐出流量（吸込側を調整することにより吐出流量を変える場合も含む）を機械的に調整するために、圧縮機本体が制御される。これらの内、複数のものを組み合わせて、圧縮機４を制御してもよい。
【００２６】
凝縮器５からの温水路１３には、第一温度センサ８が設けられる。この第一温度センサ８の検出温度に基づき、ヒートポンプ２、より具体的には圧縮機４が制御される。典型的には、圧縮機４は、第一温度センサ８の検出温度を第一設定温度Ｔ１に維持するよう制御される。
【００２７】
図２は、第一温度センサ８の検出温度と、ヒートポンプ２の動作状態を示す概略図である。ここでは、ヒートポンプ２が第一設定温度Ｔ１でオンオフされる例について説明する。
【００２８】
第一温度センサ８の検出温度が第一設定温度Ｔ１未満であると、ヒートポンプ２の圧縮機４が駆動される。そして、第一設定温度Ｔ１以上になると、圧縮機４が停止される。
【００２９】
第一設定温度Ｔ１には、所望によりディファレンシャル（動作隙間）が設定されるのは言うまでもない。また、圧縮機４は、その駆動と停止のオンオフ制御でなく、たとえば回転数を調整することで、比例制御やＰＩＤ制御されてもよい。
【００３０】
図３に基づきさらに詳細に説明する。まず、第一設定温度Ｔ１に、ディファレンシャルが設定されたオンオフ制御を説明する。この場合、第一設定温度Ｔ１については、第一上限温度Ｔ１Ｈと第一下限温度Ｔ１Ｌとが設定され、温度上昇時、第一温度センサ８の検出温度が第一上限温度Ｔ１Ｈ以上になると圧縮機４が停止し、温度下降時、第一温度センサ８の検出温度が第一下限温度Ｔ１Ｌ未満になると圧縮機４が駆動する。
【００３１】
次に、圧縮機４を比例制御する場合の一例について説明する。この場合、第一温度センサ８の検出温度に基づき、第一上限温度Ｔ１Ｈと第一下限温度Ｔ１Ｌとの範囲で、且つその第一上限温度Ｔ１Ｈを設定値（目標値）として圧縮機４を比例制御する。典型的には圧縮機４の回転数を変える。ここで、第一上限温度Ｔ１Ｈ以上では、圧縮機４は停止し、第一下限温度Ｔ１Ｌ未満では、圧縮機４は全負荷運転する。なお、比例制御ではなくＰＩＤ制御を行ってもよい。
【００３２】
いずれの場合も、後述する第二温度センサ１４により蒸発器７の出口側の水温を監視し、この温度が下限値未満になると、ヒートポンプ２を運転しても所望の温水を得られないとして、圧縮機４を停止させてもよい。
【００３３】
ところで、給水加温システム１は、凝縮器５からの水温に基づき圧縮機４を制御する以外に、蒸発器７を通された後の水温に基づき圧縮機４を制御してもよい。具体的には、蒸発器７にて冷却後の水温を検出するために、蒸発器７またはそこからの排水路１５には第二温度センサ１４が設けられ、この第二温度センサ１４の検出信号に基づきヒートポンプ２の圧縮機４が制御される。このような構成の場合、蒸発器７において、所望温度まで確実に温水を冷却することができる。
【００３４】
蒸発器７を通された後の水温に基づき圧縮機４を制御する場合、蒸発器７に対する給排水は図１のような構成とするのが好ましい。すなわち、蒸発器７への給水路１６と蒸発器７からの排水路１５とがバイパス路１７で接続され、排水路１５には、バイパス路１７との合流部より上流側に第二温度センサ１４が設けられる。この第二温度センサ１４により、蒸発器７の出口側の水温が監視される。
【００３５】
また、蒸発器７を介することなくバイパス路１７を介して排水路１５へ流すバイパス流量を調整可能に構成される。具体的には、図示例の場合、給水路１６とバイパス路１７との分岐部に、三方弁からなるバイパス弁１８が設けられる。但し、分岐部に三方弁を設置する代わりに、分岐部より下流の給水路１６および／またはバイパス路１７に弁を設けて、バイパス流量を調整可能としてもよい。いずれにしても、バイパス流量を調整することで、蒸発器７を通す流量が調整される。
【００３６】
図４は、第二温度センサ１４の検出温度、バイパス弁１８の開閉状態、および圧縮機４の動作状態を示す概略図である。ここでは、バイパス弁１８が所定温度（第三設定温度）Ｔ３で開閉され、圧縮機４が第二設定温度Ｔ２でオンオフされる例について説明する。なお、バイパス弁１８をオンオフ制御する場合、バイパス弁１８が閉鎖されると、バイパス路１７への給水が完全に停止される一方、バイパス弁１８が開放されると、バイパス路１７への給水が開始される。この際、蒸発器７とバイパス路１７とに所定割合で給水してもよいし、蒸発器７への給水は停止してもよい。
【００３７】
第二温度センサ１４の検出温度が第二設定温度Ｔ２未満であると、ヒートポンプ２を運転しても所望の温水を得られないとして、圧縮機４が停止されると共にバイパス弁１８は閉鎖している。そして、第二設定温度Ｔ２以上になると、圧縮機４が作動し、ヒートポンプ２の凝縮器５において給水が加温される。第二温度センサ１４の検出温度が第三設定温度Ｔ３以上になると、バイパス弁１８が開放し、ヒートポンプ２の保護が図られる。なお、第二温度センサ１４の検出温度がさらに上昇して上限値ＴＨ以上になると、圧縮機４を強制停止するのがよい。
【００３８】
第三設定温度Ｔ３および第二設定温度Ｔ２には、所望によりそれぞれディファレンシャル（動作隙間）が設定されるのは言うまでもない。また、圧縮機４およびバイパス弁１８は、オンオフ制御だけでなく、比例制御されてもよい。
【００３９】
これらの場合について、図５に基づき説明する。なお、図５では、第三設定温度Ｔ３のディファレンシャル（または比例帯）Ｔ３Ｈ〜Ｔ３Ｌと、第二設定温度Ｔ２のディファレンシャル（または比例帯）Ｔ２Ｈ〜Ｔ２Ｌとはオーバーラップしていないが、一部をオーバーラップさせてもよい。つまり、第二上限温度Ｔ２Ｈは、第三下限温度Ｔ３Ｌよりも高温に設定されてもよい。
【００４０】
まず、第三設定温度Ｔ３および第二設定温度Ｔ２に、それぞれディファレンシャルが設定されたオンオフ制御を説明する。この場合、第三設定温度Ｔ３については、第三上限温度Ｔ３Ｈと第三下限温度Ｔ３Ｌとが設定され、温度上昇時、第二温度センサ１４の検出温度が第三上限温度Ｔ３Ｈ以上になるとバイパス弁１８が開き、温度下降時、第二温度センサ１４の検出温度が第三下限温度Ｔ３Ｌ未満になるとバイパス弁１８が閉じる。また、第二設定温度Ｔ２については、第二上限温度Ｔ２Ｈと第二下限温度Ｔ２Ｌとが設定され、温度上昇時、第二上限温度Ｔ２Ｈ以上になると圧縮機４が作動し、温度下降時、第二下限温度Ｔ２Ｌ未満になると圧縮機４が停止する。
【００４１】
次に、圧縮機４とバイパス弁１８を比例制御する場合の一例について説明する。この場合、第二温度センサ１４の検出温度に基づき、第三上限温度Ｔ３Ｈと第三下限温度Ｔ３Ｌとの範囲で、且つその第三下限温度Ｔ３Ｌを設定値（目標値）としてバイパス弁１８を比例制御する。また、第二温度センサ１４の検出温度に基づき、第二上限温度Ｔ２Ｈと第二下限温度Ｔ２Ｌとの範囲で、且つその第二下限温度Ｔ２Ｌを設定値（目標値）として圧縮機４を比例制御する。ここで、第三下限温度Ｔ３Ｌ未満では、バイパス弁１８は全閉し、第三上限温度Ｔ３Ｈ以上では、バイパス弁１８は全開する。また、第二下限温度Ｔ２Ｌ未満では、圧縮機４は停止し、第二上限温度Ｔ２Ｈ以上では、圧縮機４は全負荷運転する。なお、比例制御ではなくＰＩＤ制御を行ってもよい。
【００４２】
いずれの場合も、前述した第一温度センサ８により温水の温度を監視し、この温度が上限値以上になると、ヒートポンプ２の圧縮機４を停止させるのがよい。また、バイパス弁１８は、第二温度センサ１４の検出温度に基づき制御される以外に、この制御と同様に開閉される自力式の温調弁とされてもよい。
【００４３】
これまで述べたように、圧縮機４は、第一温度センサ８の検出温度に基づき制御される（図２，図３）他、これに代えて第二温度センサ１４の検出温度に基づき制御される（図４，図５）。但し、圧縮機４は、第一温度センサ８と第二温度センサ１４の双方に基づき、制御されてもよい。その一例について、次に説明する。これは、図３による制御と、図５による制御との組合せといえる。
【００４４】
まず、圧縮機４は、第一温度センサ８の検出温度に基づき、第一上限温度Ｔ１Ｈと第一下限温度Ｔ１Ｌとの範囲で、且つその第一上限温度Ｔ１Ｈを設定値として比例制御可能とされる。また、圧縮機４は、第二温度センサ１４の検出温度に基づき、第二上限温度Ｔ２Ｈと第二下限温度Ｔ２Ｌとの範囲で、且つその第二下限温度Ｔ２Ｌを設定値として比例制御可能とされる。そして、設定タイミング（たとえば設定時間ごと）で、次式により第一偏差率η１と第二偏差率η２とを求め、第一温度センサ８による制御と第二温度センサ１４による制御との内、偏差率の小さい方の制御に切り替えて、圧縮機４を制御すればよい。具体的には、η１＜η２の関係にある場合、第一温度センサ８の検出温度に基づき圧縮機４を比例制御すればよく、η１＞η２の関係にある場合、第二温度センサ１４の検出温度に基づき圧縮機４を比例制御すればよい。なお、現在温度ＴＡとは、第一温度センサ８による検出温度であり、現在温度ＴＢとは、第二温度センサ１４による検出温度である。
【００４５】
第一偏差率η１＝（第一上限温度Ｔ１Ｈ−現在温度ＴＡ）／（第一上限温度Ｔ１Ｈ−第一下限温度Ｔ１Ｌ）
第二偏差率η２＝（現在温度ＴＢ−第二下限温度Ｔ２Ｌ）／（第二上限温度Ｔ２Ｈ−第二下限温度Ｔ２Ｌ）
【００４６】
偏差率が小さいほど、目標値に近いので、圧縮機４の操作量は小さくなる。仮に、偏差率が大きい方、つまり操作量が大きい方で圧縮機４を制御しようとすると、偏差率が小さい方、つまり操作量が小さい方は目標値にすぐに到達してしまうことになる。ところが、偏差率の小さい方の制御に適宜切り替えて制御することで、圧縮機４が停止する頻度を少なくすることができる。また、停止するにしても、停止状態へ緩やかに移行することができる。さらに、第一温度センサ８による制御か、第二温度センサ１４による制御かを手動設定する必要もない。
【００４７】
この制御中、第二温度センサ１４の検出温度が下限値未満になったり、第二温度センサ１４の検出温度が上限値以上になったり、第一温度センサ８の検出温度が上限値以上になったりすると、圧縮機４を強制停止させるのがよい。なお、比例制御ではなくＰＩＤ制御を行ってもよい。
【００４８】
第一温度センサ８による制御と第二温度センサ１４による制御とは、上述したように偏差率に基づき切り替える以外に、圧縮機４の操作量に基づき切り替えてもよい。この場合も、圧縮機４は、第一温度センサ８の検出温度に基づき、第一上限温度Ｔ１Ｈと第一下限温度Ｔ１Ｌとの範囲で、且つその第一上限温度Ｔ１Ｈを設定値として比例制御またはＰＩＤ制御可能とされる。また、圧縮機４は、第二温度センサ１４の検出温度に基づき、第二上限温度Ｔ２Ｈと第二下限温度Ｔ２Ｌとの範囲で、且つその第二下限温度Ｔ２Ｌを設定値として比例制御またはＰＩＤ制御可能とされる。そして、設定タイミング（たとえば設定時間ごと）で、第一温度センサ８による制御における圧縮機４の操作量と、第二温度センサ１４による制御における圧縮機４の操作量とを求め、第一温度センサ８による制御と第二温度センサ１４による制御との内、操作量の小さい方で圧縮機４を制御すればよい。たとえば、第一温度センサ８による制御では操作量Ｘとする必要がある一方、第二温度センサ１４による制御では操作量Ｙとする必要がある場合において、Ｘ＜Ｙの関係にある場合、第一温度センサ８の検出温度に基づき圧縮機４を制御すればよく、Ｘ＞Ｙの関係にある場合、第二温度センサ１４の検出温度に基づき圧縮機４を制御すればよい。
【００４９】
本発明の給水加温システム１は、前記実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。特に、ヒートポンプ２は、単段に限らず複数段とすることもできる。ヒートポンプ２を複数段にする場合、隣接する段のヒートポンプ２，２同士は、間接熱交換器を用いて接続されてもよいし、直接熱交換器（中間冷却器）を用いて接続されてもよい。後者の場合、下段ヒートポンプの圧縮機４からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁６からの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換する中間冷却器を備え、この中間冷却器が下段ヒートポンプの凝縮器５であると共に上段ヒートポンプの蒸発器７とされる。このように、複数段（多段）のヒートポンプには、一元多段のヒートポンプの他、複数元（多元）のヒートポンプ、あるいはそれらの組合せのヒートポンプが含まれる。
【００５０】
第一温度センサ８の検出温度に基づき複数段のヒートポンプ２を制御する場合、たとえば、最上段のヒートポンプ２の圧縮機４は、第一温度センサ８の検出温度に基づき制御され、それより下段の各ヒートポンプ２の圧縮機４は、それぞれ対応する段のヒートポンプ２の凝縮器５における冷媒（または一つ上段のヒートポンプ２の蒸発器７における冷媒）の圧力または温度に基づき制御すればよい。
【００５１】
第二温度センサ１４の検出温度に基づき複数段のヒートポンプ２を制御する場合、たとえば、最下段のヒートポンプ２の圧縮機４は、第二温度センサ１４の検出温度に基づき制御され、それより上段の各ヒートポンプ２の圧縮機４は、それぞれ対応する段のヒートポンプ２の蒸発器７における冷媒（または一つ下段のヒートポンプ２の凝縮器５における冷媒）の圧力または温度に基づき制御すればよい。
【００５２】
第一温度センサ８による制御と第二温度センサ１４による制御とを、偏差率または操作量に基づき切替制御する場合において、図６に示すように、ヒートポンプ２は複数段であってもよい。なお、図６では、２段のヒートポンプ２Ｘ，２Ｙを示しているが、３段以上も同様に制御可能である。また、図６では、液ガス熱交換器や過冷却器などを設けていないが、これらを設けてもよいことは言うまでもない。
【００５３】
最上段のヒートポンプ２Ｙの圧縮機４Ｙは、第一温度センサ８の検出温度に基づき、第一上限温度Ｔ１Ｈと第一下限温度Ｔ１Ｌとの範囲で、且つその第一上限温度Ｔ１Ｈを設定値として比例制御またはＰＩＤ制御可能とされる。また、最下段のヒートポンプ２Ｘの圧縮機４Ｘは、第二温度センサ１４の検出温度に基づき、第二上限温度Ｔ２Ｈと第二下限温度Ｔ２Ｌとの範囲で、且つその第二下限温度Ｔ２Ｌを設定値として比例制御またはＰＩＤ制御可能とされる。
【００５４】
そして、破線で示すように、第一温度センサ８の検出温度に基づき最上段のヒートポンプ２Ｙの圧縮機４Ｙを制御する場合、それより下段の各ヒートポンプ２Ｘの圧縮機４Ｘは、その段の凝縮器５Ｘまたは一つ上段の蒸発器７Ｙの冷媒の圧力（冷媒圧センサ２０の検出圧力）に基づき制御される。また、一点鎖線で示すように、第二温度センサ１４の検出温度に基づき最下段のヒートポンプ２Ｘの圧縮機４Ｘを制御する場合、それより上段の各ヒートポンプ２Ｙの圧縮機４Ｙは、その段の蒸発器７Ｙまたは一つ下段の凝縮器５Ｘの冷媒の圧力（冷媒圧センサ２０の検出圧力）に基づき制御される。なお、凝縮器５の冷媒の圧力は、圧縮機４出口から膨張弁６入口までのいずれの箇所で検出してもよく、蒸発器７の冷媒の圧力は、膨張弁６出口から圧縮機４入口までのいずれの箇所で検出してもよい。
【００５５】
そして、偏差率に基づき切替制御する場合、設定タイミングで、上述したのと同様に第一偏差率η１と第二偏差率η２とを求め、第一温度センサ８による制御と第二温度センサ１４による制御との内、偏差率の小さい方の制御に切り替えればよい。
【００５６】
あるいは、操作量に基づき切替制御する場合、設定タイミングで、第一温度センサ８による制御における最上段の圧縮機４Ｙの操作量（第一操作量ｙ１）と、第二温度センサ１４による制御における最下段の圧縮機４Ｘの操作量（第二操作量ｙ２）とから、第一操作量ｙ１の第二操作量ｙ２に対する比の値ｙ１／ｙ２を求め、この値が予め設定された定数未満なら、第一温度センサ８による制御を行う一方、前記定数以上なら第二温度センサ１４による制御を行えばよい。
【００５７】
単段または複数段の各ヒートポンプ２は、図１の構成に限らず、適宜に変更可能である。たとえば、蒸発器７を並列に設置したり、膨張弁６と蒸発器７とのセットを並列に設置したりしてもよい。また、圧縮機４の出口側に油分離器を設置したり、凝縮器５の出口側に受液器を設置したり、圧縮機４の入口側にアキュムレータを設置したりしてもよい。
【００５８】
前記実施例では、ヒートポンプ２では、温水から熱をくみ上げて給水を加温する例について説明したが、被冷却流体として、温水に代えて、空気や排ガスなどを用いてもよい。
【００５９】
さらに、図１では、蒸発器７への給水路１６と蒸発器７からの排水路１５とをバイパス路１７で接続し、給水路１６とバイパス路１７との分岐部に設けたバイパス弁１８により蒸発器７に通す給水量を調整する構成としたが、蒸発器７を通過する水量を調整可能であれば適宜に変更可能である。たとえば、蒸発器７への給水路１６に三方弁を設けて、給水の一部を分岐させる点は図１と同じであるが、その分岐水を排水路１５に合流させずに、別系統としたり、クーリングタワーに戻したり、あるいはそのまま排水したりしてもよい。あるいは、図１において、バイパス路１７およびバイパス弁１８の設置を省略する代わりに、給水路１６に弁を設けて、その弁の開閉または開度を調整してもよい。なお、いずれの場合も、排水路１５からの排水は、そのまま捨てられるか、クーリングタワーなどに戻されるか、あるいは蒸発器７にて冷却された水なら設備へ戻してもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１  給水加温システム
２  ヒートポンプ
４  圧縮機
５  凝縮器
６  膨張弁
７  蒸発器
８  第一温度センサ
１３  温水路
１４  第二温度センサ
１５  排水路
１６  給水路
１７  バイパス路
１８  バイパス弁
２０  冷媒圧センサ
Ｔ１  第一設定温度
Ｔ１Ｈ  第一上限温度
Ｔ１Ｌ  第一下限温度
Ｔ２  第二設定温度
Ｔ２Ｈ  第二上限温度
Ｔ２Ｌ  第二下限温度
Ｔ３  第三設定温度
Ｔ３Ｈ  第三上限温度
Ｔ３Ｌ  第三下限温度
ＴＡ  第一温度センサによる現在温度
ＴＢ  第二温度センサによる現在温度
【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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【図６】
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