(57)【要約】【課題】利用側の液体を高温かつ安定に生成する液体循環暖房システムを得ること。【解決手段】冷媒を熱源側にて循環させ循環流量を調節する圧縮機３と、室内に設置された放熱器２２を介して液体を循環させ循環流量を調節する循環ポンプ６と、前記冷媒と前記液体に熱交換をさせる熱交換器４と、前記放熱器２２へ送る前記液体の温度の設定温度を設定する往き液体温度設定手段２３と、前記放熱器２２へ送る前記液体の温度を検知する往き液体温度検知手段７と、前記放熱器２２を経て戻ってきた前記液体の温度を検知する戻り液体温度検知手段８と、を備え、前記往き液体温度検知手段７および前記戻り液体温度検知手段８がそれぞれ検知した温度の差が所望の範囲となるよう前記循環ポンプ６が前記液体の循環流量を調節し、前記往き液体温度検知手段７で検知された温度が前記設定温度を含んだ所望の範囲となるよう前記圧縮機３が前記冷媒の循環流量を調節する。【選択図】図１
2012233605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を熱源側にて循環させ循環流量を調節する圧縮機と、
室内に設置された放熱器を介して液体を循環させ循環流量を調節する循環ポンプと、
前記冷媒と前記液体に熱交換をさせる熱交換器と、
前記放熱器へ送る前記液体の温度の設定温度を設定する往き液体温度設定手段と、
前記放熱器へ送る前記液体の温度を検知する往き液体温度検知手段と、
前記放熱器を経て戻ってきた前記液体の温度を検知する戻り液体温度検知手段と、
を備え、
前記往き液体温度検知手段および前記戻り液体温度検知手段がそれぞれ検知した温度の差が所望の範囲となるよう前記循環ポンプが前記液体の循環流量を調節し、
前記往き液体温度検知手段で検知された温度が前記設定温度を含んだ所望の範囲となるよう前記圧縮機が前記冷媒の循環流量を調節する
ことを特徴とする液体循環暖房システム。
【請求項２】
前記温度の差が第１の閾値より小さい場合は、前記循環ポンプの回転数を下げ、
前記温度の差が第１の閾値より大きい第２の閾値より大きい場合は、前記循環ポンプの回転数を上げる
ことを特徴とする請求項１に記載の液体循環暖房システム。
【請求項３】
前記往き液体温度検知手段で検知された温度が前記設定温度よりマージン値だけ低い温度より低い場合は、前記圧縮機の回転数を上げ、
前記往き液体温度検知手段で検知された温度が前記設定温度よりマージン値だけ高い温度より高い場合は、前記圧縮機の回転数を下げる
ことを特徴とする請求項１または２に記載の液体循環暖房システム。
【請求項４】
前記冷媒は７０℃以上の臨界温度を有し、臨界温度以下の温度に維持されて循環させられている
ことを特徴とする請求項１、２または３に記載の液体循環暖房システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱源側の冷媒と利用側の液体を熱交換器を介して熱交換するヒートポンプサイクルを構成した液体循環暖房システムの、利用側の液体の温度生成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から灯油を熱源とするボイラー等によって利用側液体を加熱し、利用側液体を室内に設置された床暖房パネル等の放熱器に搬送して暖房を行う液体循環暖房システムが知られているが、近年では液体を加熱する熱源としてヒートポンプを利用するヒートポンプ式温水暖房システムとも称される液体循環暖房システムが広まってきた。ヒートポンプは、熱源側の媒体としてフロンに代表される冷媒を循環させ、外気等から熱を採熱し、利用側の液体と熱交換を行うものであり、入力に対し高い出力が得られることから、効率がよい熱源として従来のボイラーに替わる熱源として注目されている。
【０００３】
ここで、従来の灯油等を燃焼させるボイラーで加熱できる利用側の液体温度は７０℃程度まで可能だが、ヒートポンプ式温水暖房システムとして使用されているＲ４１０Ａ等の冷媒で生成される利用側の液体温度は最大で６０℃程度となっている。また特に給湯用のヒートポンプ式の加熱冷媒として、二酸化炭素を使用した７０℃以上の高温の液体を生成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１０６６９１号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】三菱ヒートポンプ式温水暖房システムカタログ  ２０１０年１０月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記従来の技術によれば、故障や維持費削減等から、放熱器はそのままに熱源機を従来のボイラーからヒートポンプ式に置換えるケースが発生した場合に、利用側の液体温度を従来使用していたボイラー並の高温に生成できないと、利用側の放熱器で温まらないといった不具合が生じることになる。
【０００７】
しかしながらヒートポンプ式の液体循環暖房システムの冷媒としてよく用いられているＲ４１０Ａ等の冷媒は、臨界温度が低くそもそも冷媒の特性として６０℃を超える高温生成ができない。また利用側の液体の生成水温は、室内で放熱され戻ってきた液体の温度、循環流量と熱源側の冷媒が持つ熱量とのバランスで決まるため、仮に臨界温度が更に高い特性の冷媒を用いたとしても、高温水の生成ができるとは限らない。
【０００８】
特に利用側の液体の循環流量が不必要に多過ぎると、高温水が生成できないのみならず、放熱器へ向かう往きの温度と放熱器からの戻りの温度の差がつかず、熱交換する熱源側の効率の悪化を招く。
【０００９】
また臨界温度を越えた領域（超臨界）を使用し低い温度を高い温度に上げる使い方には効率がよい二酸化炭素等の冷媒では、利用側の液体を循環させるシステムにおいては戻り水温が比較的高いため、発揮性能（能力、効率）が大幅に低下し液体循環暖房システムでの使用には適さない。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ヒートポンプサイクルの効率を落とすことなく、利用側の液体を高温かつ安定に生成する液体循環暖房システムを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、冷媒を熱源側にて循環させ循環流量を調節する圧縮機と、室内に設置された放熱器を介して液体を循環させ循環流量を調節する循環ポンプと、前記冷媒と前記液体に熱交換をさせる熱交換器と、前記放熱器へ送る前記液体の温度の設定温度を設定する往き液体温度設定手段と、前記放熱器へ送る前記液体の温度を検知する往き液体温度検知手段と、前記放熱器を経て戻ってきた前記液体の温度を検知する戻り液体温度検知手段と、を備え、前記往き液体温度検知手段および前記戻り液体温度検知手段がそれぞれ検知した温度の差が所望の範囲となるよう前記循環ポンプが前記液体の循環流量を調節し、前記往き液体温度検知手段で検知された温度が前記設定温度を含んだ所望の範囲となるよう前記圧縮機が前記冷媒の循環流量を調節することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、臨界温度の高い冷媒を用いるとともに、利用側の液体の往き戻り温度差をある一定の範囲内となるよう循環流量を調節することで、放熱器に対して適正な循環流量を流すことから、ヒートポンプの効率を落とさず高温生成が可能な液体循環暖房システムを得るという効果を奏する。
となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の実施の形態にかかる液体循環暖房システムの構成を示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態にかかる簡略化した冷媒のモリエル線図を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態にかかる液体循環暖房システムの循環ポンプの制御動作を示すフローチャートである。
【図４】図４は、本発明の実施の形態にかかる液体循環暖房システムの圧縮機の制御動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明にかかる液体循環暖房システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１５】
実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかる液体循環暖房システム１００の構成を示す図である。液体循環暖房システム１００は、ヒートポンプ熱源機２１、ヒートポンプ熱源機２１と接続配管２４にて接続された室内放熱器２２とを備える。
【００１６】
ヒートポンプサイクルにより採熱した熱で暖房に使う液体熱媒を生成するヒートポンプ熱源機２１は、図１に示すように熱源側送風ファン１と、熱源側送風ファン１の送風により室外空気から熱を採熱する熱源側熱交換器２と、ヒートポンプサイクル内を循環し熱を搬送する冷媒を圧縮する圧縮機３と、冷媒の流量を調整する冷媒流量調節弁１０、並びに冷媒と液体熱媒の熱交換をする冷媒-液体熱交換器４の一次流路で構成された熱媒循環閉路である熱源側の回路と、液体熱媒を循環させる送水手段としての循環ポンプ６と、液体熱媒を冷媒-液体熱交換器４を介して加熱する利用側の回路を備えている。
【００１７】
ヒートポンプサイクルの冷媒と室内放熱器循環サイクルの液体熱媒とは相互に独立し、混じり合うことはないが冷媒-液体熱交換器４により熱的には接続している。
【００１８】
利用側の回路には、ヒートポンプ熱源機２１から供給される液体熱媒により暖房運転を行う室内放熱器２２が接続配管２４を通して接続される。
【００１９】
室内放熱器２２から戻ってきた液体熱媒は循環ポンプ６を介し、冷媒-液体熱交換器４に送られ熱源側の冷媒と熱交換し加熱され、室内放熱器２２へ搬送される。
【００２０】
循環ポンプ６はインペラを有し、このインペラを回転させることにより循環回路内の液体熱媒を強制循環させ、室内放熱器２２に液体熱媒を循環させるものである。本発明の実施の形態においては、循環ポンプ６や圧縮機３及び室外空気の熱を採熱する熱源側送風ファン１等を制御するマイコンを含む制御手段９によってＰＷＭ制御されるモータを備え、速度指令電圧によりインペラの回転数が任意に可変できる直流電源で駆動するポンプを循環ポンプ６として用いる。
【００２１】
また、室内にはヒートポンプ熱源機２１から供給される液体熱媒により暖房運転を行う１機または複数機の室内放熱器２２とそれに対応するコントローラ２３が備えられる。室内放熱器２２は床下に設置され、詳細は図示しないが、輻射暖房を行う床暖房パネル、室内壁面に設置され輻射暖房を行うパネルヒーター、室内空気循環用の送風機、室内空気と液体熱媒とが熱交換をする熱交換器、および強制対流により暖房を行うファンコンベクターなどを含んだ構成である。
【００２２】
コントローラ２３は室温を検知する室温検知手段と目標とする室温を設定する室温設定手段と液体熱媒の温度を設定する液体温度設定手段が備えられる。液体温度設定手段は任意の液体温度で固定して運転する液体温度固定運転と、設定室温と現在室温から推定される暖房負荷に応じて、暖房負荷が高い場合は高い液体温度で運転し、暖房負荷が小さい場合は低い液体温度で運転するように自動的に液体温度を可変する液体温度自動運転の切り替えが可能となっている。
【００２３】
制御手段９は室内に設置されたコントローラ２３と双方向の通信が可能となるように無線あるいは有線にて接続されている。制御手段９には、コントローラ２３からの設定室温、現在室温、および設定液体温度に関する情報、冷媒-液体熱交換器４の出口の液体熱媒温度を検知する往き液体温度検知手段７および室内放熱器２２からの戻り液体温度を検知する戻り液体温度検知手段８の出力が制御情報として取込まれる。制御手段９は、これらの制御情報に基づいてヒートポンプ熱源機２１の循環ポンプ６や圧縮機３及び熱源側送風ファン１等を制御する。
【００２４】
図２は冷媒の特性を示すモリエル線図の略図である。図２の上の記号ＣＰが冷媒の臨界点、記号Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄで結ばれる線が冷凍サイクルの状態を示す。本発明の実施の形態においては図２に示すように臨界点を超えない冷凍サイクルを形成し、記号Ｂ−Ｃ間が冷媒-液体熱交換器４で利用側の液体と熱交換される熱量となる。ここで、石油ボイラー並みの６０℃を超えるような高温液体を生成するためには、冷媒の凝縮温度を必要な液体温度６０℃より高くして用いる必要があるため、臨界点ＣＰの温度が必要な液体温度６０℃より高い７０℃程度以上の冷媒を用いることになるが、ここでは特に冷媒の組成には言及しない。
【００２５】
次に本発明の実施の形態にかかる液体循環暖房システム１００の制御動作について、図３および図４に示したフローチャートに基づいて説明する。
【００２６】
図３において、ステップＳ１で室内放熱器２２のコントローラ２３のいずれかが運転開始操作されるとヒートポンプ熱源機２１の制御手段９に運転開始情報、設定室温、現在室温、設定液体温度情報（液体温度固定運転の場合はコントローラ２３で設定された任意の液体温度、液体温度自動運転の場合は液体温度自動運転が選択されているという情報）が伝達される。
【００２７】
次に、ステップＳ２で制御手段９は循環ポンプ６が制御手段９に予め記憶された初期回転数で運転するように速度指令を与えるとともに往き液体水温が目標の液体温度となるように圧縮機３の回転数を制御する。圧縮機３の回転数の制御についての詳細は図４を用いて後述する。なお、上記初期回転数は一定ではなく目標とする往き液体水温に応じて可変してもかまわない。
【００２８】
次に、ステップＳ３において往き液体温度検知手段７により往き液体温度を検知する。
【００２９】
次に、ステップＳ４において戻り液体温度検知手段８により戻り液体温度を検知する。
【００３０】
次に、ステップＳ５で、ステップＳ３で検知した往き液体温度とステップＳ４で検知した戻り液体温度との差である往き戻り液体温度差（ΔＴａ）（往き液体温度−戻り液体温度）が往き戻り液体温度差下限（ΔＴａＬ：第１の閾値）以上であるか否かを判断する。
【００３１】
往き戻り液体温度差（ΔＴａ）が往き戻り液体温度差下限（ΔＴａＬ）未満である場合（ステップＳ５:Ｎｏ)は、ステップＳ８に進み、循環ポンプ６の回転数を所定の回転数下げる処理を行う。ここで、往き戻り液体温度差下限（ΔＴａＬ）はヒートポンプの効率を向上するために最低限必要な温度差である。
【００３２】
ステップＳ５で往き戻り液体温度差（ΔＴａ）が往き戻り液体温度差下限（ΔＴａＬ）以上である場合（ステップＳ５:Ｙｅｓ)は、ステップＳ６に進む。ステップＳ６では、往き戻り液体温度差（ΔＴａ）が往き戻り液体温度差上限（ΔＴａＨ：第２の閾値）以下であるか否かを判断する。ここで、往き戻り液体温度差（ΔＴａ）が往き戻り液体温度差上限（ΔＴａＨ）を超える場合（ステップＳ６:Ｎｏ)は、ステップＳ９に進み、循環ポンプ６の回転数を所定の回転数上げる処理を行う。
【００３３】
往き戻り液体温度差（ΔＴａ）が往き戻り液体温度差上限（ΔＴａＨ）以下である場合（ステップＳ６:Ｙｅｓ)は、ステップＳ７に進み、循環ポンプ６の現状回転数を維持する。往き戻り液体温度差上限（ΔＴａＨ）は流量低下により室内放熱器２２が放熱量不足とならないために許容できる最大の温度差である。
【００３４】
往き戻り液体温度差下限（ΔＴａＬ）と往き戻り液体温度差上限（ΔＴａＨ）は室内放熱器２２の放熱特性により定まるもので、ここでは具体的な値は言及しない。往き戻り液体温度差（ΔＴａ）が大きすぎる場合は利用側の液体の循環流量が不足しており室内放熱器２２の能力不足の状態である。逆に、往き戻り液体温度差（ΔＴａ）が小さすぎる場合は利用側の液体の循環流量過多の状態であり、必要以上に室内放熱器２２へ利用側の液体を搬送している状態である。図３に示す制御フローは、これらの状態を是正する制御を説明するものである。
【００３５】
次に図４のフローチャートについて説明する。
【００３６】
図４において、ステップＳ１１で室内放熱器２２のコントローラ２３のいずれかが運転開始操作されるとヒートポンプ熱源機２１の制御手段９に運転開始情報、設定室温、現在室温、設定液体温度情報（液体温度固定運転の場合はコントローラ２３で設定された任意の液体温度、液体温度自動運転の場合は液体温度自動運転が選択されているという情報）が伝達される。
【００３７】
次に、ステップＳ１２において、制御手段９は圧縮機３が制御手段９に予め記憶された初期回転数で運転するように運転指令を与える。
【００３８】
次に、ステップＳ１３において、往き液体温度検知手段７で往き液体温度（Ｔａ）を検知する。
【００３９】
次に、ステップＳ１４において、往き液体温度（Ｔａ）と目標とする往き液体温度（Ｔtgt）とを比較する。往き液体温度（Ｔａ）が目標往き液体温度（Ｔtgt−α）未満である場合（Ｔａ＜Ｔtgt−α）はステップＳ１５に進み、圧縮機３の回転数を所定の回転数上げる処理を行う。
【００４０】
ステップＳ１４で、往き液体温度（Ｔａ）が目標とする往き液体温度（Ｔtgt＋α)を超えている場合（Ｔａ＞Ｔtgt＋α）には、ステップＳ１６に進み、圧縮機の回転数を所定の回転数下げる処理を行う。上記した（Ｔtgt）にα（マージン値）を加算或いは減算した値は圧縮機３の回転数制御を収束させるために目標値に幅を持たせるためのものである。
【００４１】
そして、ステップＳ１４で往き液体温度（Ｔａ）が目標とする往き戻り液体温度（Ｔtgt）±αの範囲内にある場合（Ｔtgt＋α≧Ｔａ≧Ｔtgt−α）、ステップＳ１７に進み、圧縮機３の現状回転数を維持する。
【００４２】
目標とする往き液体温度（Ｔtgt）（設定温度）とは液体温度固定の場合はコントローラ２３で設定された液体温度、液体温度自動の場合は設定室温、現在室温情報から演算される液体温度である。設定される温度範囲の上下限温度は既定しないが、少なくとも上限温度はボイラーで生成可能な温度範囲である６０℃〜７０℃までは設定することができる。
【００４３】
以上説明したように、本実施の形態においては、石油ボイラー並の高温生成が可能な臨界温度が高い冷媒を用い、行き液体温度を臨界温度を超えない範囲で目標の往き液体温度（Ｔtgt）となるよう圧縮機３の回転数を制御する。それと共に、熱源側の冷媒と熱交換され放熱器へ送られる利用側の液体の温度と放熱器から戻ってきた液体の温度との温度差である往き戻り温度差がある一定の範囲内の温度となるように循環ポンプ６の回転数を制御して循環流量を調節する。これにより、流量低下による室内放熱器２２が放熱量不足を招くことなく、またヒートポンプサイクルの効率を落とすことなく、利用側液体として６０℃を超える高温水を生成することが実現可能となる。
【００４４】
更に、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。
【００４５】
例えば、上記実施の形態においてそれぞれに示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。更に、上記実施の形態における構成要件を適宜組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
以上のように、本発明にかかる液体循環暖房システムは、液体を加熱する熱源としてヒートポンプを利用するヒートポンプ式温水暖房システムに有用であり、特に、ヒートポンプサイクルの効率を落とすことなく、利用側の液体を高温かつ安定に生成する液体循環暖房システムに適している。
【符号の説明】
【００４７】
１  熱源側送風ファン
２  熱源側熱交換器
３  圧縮機
４  冷媒-液体熱交換器
６  循環ポンプ
７  往き液体温度検知手段
８  戻り液体温度検知手段
９  制御手段
１０  冷媒流量調整弁
２１  ヒートポンプ熱源機
２２  室内放熱器
２３  コントローラ
２４  接続配管
１００  液体循環暖房システム
Ｓ１〜Ｓ９、Ｓ１１〜Ｓ１７  ステップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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