(57)【要約】【課題】高効率化を図れると共に、温水温度の安定性を高めることもできるヒートポンプ式温水発生装置を得る。【解決手段】ヒートポンプ式温水発生装置は、圧縮機１、凝縮器２、膨張弁３、蒸発器４を順次冷媒配管で接続した低元側冷凍サイクルＡと、圧縮機５、凝縮器６、膨張弁７、蒸発器８を順次冷媒配管で接続した高元側冷凍サイクルＢと、前記高元側冷凍サイクルの蒸発器と前記低元側冷凍サイクルの凝縮器とを熱交換させる中間熱交換器１５とを備え、前記高元側冷凍サイクルの凝縮器により温水を発生させるように構成されている。前記低元側冷凍サイクルの圧縮機は容量制御可能な圧縮機で構成され、低元側冷凍サイクルの凝縮器の温度が目標温度になるように前記低元側冷凍サイクルの圧縮機の容量制御が行なわれる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器を順次冷媒配管で接続した低元側冷凍サイクルと、圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器を順次冷媒配管で接続した高元側冷凍サイクルと、前記低元側冷凍サイクルの凝縮器と前記高元側冷凍サイクルの蒸発器とを熱交換させる中間熱交換器とを備え、前記高元側冷凍サイクルの凝縮器により温水を発生させるように構成したヒートポンプ式温水発生装置において、
前記低元側冷凍サイクルの圧縮機は容量制御可能な圧縮機とし、
前記低元側冷凍サイクルの凝縮器の温度が目標温度になるように前記低元側冷凍サイクルの圧縮機の容量制御を行う
ことを特徴とするヒートポンプ式温水発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載のヒートポンプ式温水発生装置において、低元側冷凍サイクルにおける凝縮器の前記目標温度は、外気温度と、前記高元側冷凍サイクルの凝縮器で製造する温水の設定温度に基づいて決められることをことを特徴とするヒートポンプ式温水発生装置。
【請求項３】
請求項２に記載のヒートポンプ式温水発生装置において、前記高元側冷凍サイクルの運転効率と前記低元側冷凍サイクルの運転効率を合わせた合計の運転効率が最も高くなる運転点となるように前記低元側冷凍サイクルの凝縮温度が決められ、この凝縮温度になるように前記低元側冷凍サイクルの圧縮機が容量制御されることを特徴とするヒートポンプ式温水発生装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載のヒートポンプ式温水発生装置において、前記低元側冷凍サイクルにおける圧縮機をインバータ駆動される回転数可変形圧縮機とし、低元側冷凍サイクルにおける凝縮器の温度を検出し、この検出された凝縮器の温度が所定の温度に維持されるように前記圧縮機の回転数を制御することを特徴とするヒートポンプ式温水発生装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載のヒートポンプ式温水発生装置において、前記高元側冷凍サイクルにおける圧縮機を、高元側冷凍サイクルの凝縮器からの温水の出口温度に応じて運転制御を行い、高元側冷凍サイクルの圧縮機と低元側冷凍サイクルの圧縮機がそれぞれ独立した制御が行なわれることを特徴とするヒートポンプ式温水発生装置。
【請求項６】
請求項５に記載のヒートポンプ式温水発生装置において、高元側冷凍サイクルの凝縮器からの温水の出口温度を検出し、この温水出口温度が所定の範囲になるように、前記高元側冷凍サイクルにおける圧縮機をＯＮ／ＯＦＦ制御することを特徴とするヒートポンプ式温水発生装置。
【請求項７】
請求項５に記載のヒートポンプ式温水発生装置において、前記高元側冷凍サイクルにおける圧縮機をインバータ駆動される回転数可変形圧縮機とし、前記高元側冷凍サイクルの凝縮器からの温水の出口温度を検出し、この温水出口温度が所定の範囲になるように、前記高元側冷凍サイクルにおける圧縮機を回転数制御することを特徴とするヒートポンプ式温水発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２元冷凍サイクルを用いたヒートポンプ式温水発生装置に関し、特に高温の温水を製造するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプ式温水発生装置において、高温の温水を製造するために、高元側冷凍サイクルと低元側冷凍サイクルを備えた２元冷凍サイクルを用いたものがある。このような２元冷凍サイクルの運転制御において、高効率且つ安定した運転をさせるために、高元側冷凍サイクルと低元側冷凍サイクルにおける各圧縮機の圧力比の比率が所定の割合になるように制御するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１３３５３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載されている２元冷凍サイクルの運転制御では、一般に高元側冷凍サイクルと低元側冷凍サイクルでは冷媒が異なるため、適正な圧力比がそれぞれ異なる。また、冷媒或いは圧縮機自体の特性によっても適正な圧力比が異なってくる。これらのことから、複数の冷媒回路の圧力比どうしの比率を所定の割合に維持しても、各冷媒回路が適正な圧力比で運転されるとは限らない。また、複数の冷媒回路の圧力比どうしの適正な比率も各種組合せに応じて異なってしまう。このため２元冷凍サイクルを用いた高効率なヒートポンプ式高温水発生装置を得ることは難しい。
【０００５】
低元側冷凍サイクルの蒸発器を負荷側に接続するような冷凍装置としての用途の場合、所定の圧力範囲に制御することが目的となり、圧力比を基に運転状態を制御することを行いながら、負荷に追従する圧力の制御も同時に行うことは不可能ではない。
【０００６】
しかしながら、高元側冷凍サイクルの凝縮器を負荷側に接続して高温水を作り出すヒートポンプ式温水発生装置の場合、所定の温度範囲に温水温度を制御することが必要であるが、必ずしも一義的には連動しない温水温度と冷媒圧力の関係にあって、その冷媒圧力を用いた圧力比を基にして、運転状態の制御と温水温度の制御を同時に行うことは難しく、特許文献１に記載の発明をヒートポンプ式温水発生装置へ適用することは困難である。
【０００７】
また、圧縮機の運転状態に伴う温水出口温度と冷媒圧力の応答速度は異なり、冷媒圧力の変化速度の方が速いため、冷媒圧力による圧力比を基にした制御を行った場合、温水温度の安定性を損なうという課題もある。
【０００８】
本発明の目的は、高効率化を図れると共に、温水温度の安定性を高めることもできるヒートポンプ式温水発生装置を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題を解決するために、本発明は、圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器を順次冷媒配管で接続した低元側冷凍サイクルと、圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器を順次冷媒配管で接続した高元側冷凍サイクルと、前記低元側冷凍サイクルの凝縮器と前記高元側冷凍サイクルの蒸発器とを熱交換させる中間熱交換器とを備え、前記高元側冷凍サイクルの凝縮器により温水を発生させるように構成したヒートポンプ式温水発生装置において、前記低元側冷凍サイクルの圧縮機は容量制御可能な圧縮機とし、前記低元側冷凍サイクルの凝縮器の温度が目標温度になるように前記低元側冷凍サイクルの圧縮機の容量制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高効率化を図れると共に、温水温度の安定性を高めることもできるヒートポンプ式温水発生装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明のヒートポンプ式温水発生装置の実施例１を示す冷凍サイクル構成図。
【図２】低元側冷凍サイクルにおける凝縮器の凝縮温度と低元側冷凍サイクルの運転効率（ＣＯＰ）の関係を示す線図。
【図３】高元側冷凍サイクルにおける蒸発器の蒸発温度と高元側冷凍サイクルの運転効率（ＣＯＰ）の関係を示す線図。
【図４】高元側冷凍サイクルと低元側冷凍サイクルの運転効率（ＣＯＰ）を同一図に表わすと共に、高元側と低元側の運転効率を合わせた合計の運転効率も示した線図。
【図５】本発明のヒートポンプ式温水発生装置の実施例２を示す冷凍サイクル構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の具体的実施例を図面に基づき説明する。  
【実施例１】
【００１３】
図１は本発明のヒートポンプ式温水発生装置の実施例１を示す冷凍サイクル構成図である。図において、Ａは低元側冷凍サイクルで、圧縮機１、凝縮器２、膨張弁３、蒸発器４が順次配管接続され構成されている。Ｂは高元側冷凍サイクルで、圧縮機５、凝縮器６、膨張弁７、蒸発器８が順次配管接続され構成されている。また、低元側冷凍サイクルの凝縮器２と高元側冷凍サイクルの蒸発器８とは中間熱交換器１５の中で互いに熱交換するようにされ、これによって２元冷凍サイクルとして構成されている。  
なお、前記低元側冷凍サイクルＡの冷媒としてはＲ４１０Ａなどが好適であり、また前記高元側冷凍サイクルＢの冷媒としてはＲ１３４ａなどが好適である。
【００１４】
前記低元側冷凍サイクルＡでは、圧縮機１で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、凝縮器２において高元側冷凍サイクルＢの蒸発器８と熱交換して冷却され、凝縮液化される。この凝縮液化された高圧液冷媒は、膨張弁（膨張手段）３により減圧された後、蒸発器４で外気と熱交換されて蒸発され、低温低圧のガス冷媒となって、再び前記圧縮機１に戻る冷凍サイクルを構成している。
【００１５】
同様に、高元側冷凍サイクルＢにおいても、圧縮機５で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、凝縮器６において、負荷側の温度の低下した温水に冷却されて凝縮液化される。この凝縮液化された高圧液冷媒は、膨張弁（膨張手段）７により減圧された後、蒸発器８で低元側冷凍サイクルＡの凝縮器２と熱交換して蒸発され、低温低圧のガス冷媒となって、再び前記圧縮機５に戻る冷凍サイクルを構成している。
【００１６】
前記低元側冷凍サイクルＡの圧縮機１としては、インバータ９により回転数を制御できる回転数可変形の圧縮機が使用されている。また、１２は外気温度を検出する外気温度センサ、１３は低元側冷凍サイクルの凝縮器２から出た冷媒の温度を検出するための低元側凝縮温度センサ、１４は高元側冷凍サイクルＢの凝縮器６で加熱された温水の出口温度を検出するための高元側温水出口温度センサである。これらの温度センサ１２〜１４で検出された温度データは制御装置１１に送られ、制御装置１１ではこれらの温度情報を基にし、前記インバータ９を介して低元側の圧縮機１の回転数を制御したり、高元側の圧縮機５をＯＮ／ＯＦＦ制御する。
【００１７】
即ち、前記低元側圧縮機１は、前記低元側凝縮温度センサ１３で検出された温度データに基づき、低元側凝縮器２の温度が目標温度になるように回転数制御（容量制御）が為される。また、前記高元側圧縮機５は、前記高元側温水出口温度センサ１４で検出された温度データに基づき、温水の出口温度が所定の範囲（設定温度）になるように、ＯＮ／ＯＦＦ制御される。このように本実施例では、前記低元側冷凍サイクルの凝縮器の温度が目標温度になるように前記低元側冷凍サイクルの圧縮機の容量制御が行われ、また前記高元側冷凍サイクルにおける圧縮機は、高元側冷凍サイクルの凝縮器からの温水の出口温度に応じて運転制御が行なわれ、前記高元側冷凍サイクルの圧縮機と低元側冷凍サイクルの圧縮機はそれぞれ独立した制御が行なわれる。
【００１８】
図２は低元側冷凍サイクルＡにおける凝縮器３の凝縮温度と低元側冷凍サイクルの運転効率（ＣＯＰ）の関係を示す線図である。ヒートポンプ式温水発生装置として、温水を供給する運転を行う場合、低元側冷凍サイクルＡにおける運転効率（ＣＯＰ）は、この図２の曲線Ｃに示すように、凝縮温度を下げるほど、効率が高くなることがわかる。
【００１９】
図３は高元側冷凍サイクルＢにおける蒸発器８の蒸発温度と高元側冷凍サイクルの運転効率（ＣＯＰ）の関係を示す線図である。ヒートポンプ式温水発生装置として、温水を供給する運転を行う場合、高元側冷凍サイクルＢにおける運転効率（ＣＯＰ）は、この図３の曲線Ｄに示すように、蒸発温度を上げるほど、効率が高くなることがわかる。
【００２０】
図４は図１に示す高元側冷凍サイクルの運転効率（ＣＯＰ）と低元側冷凍サイクルの運転効率（ＣＯＰ）を同一図に表わすと共に、高元側と低元側の運転効率を合わせた合計の運転効率（ＣＯＰ）も示した線図である。図４において、曲線Ｃ１は図２に示した低元側冷凍サイクルＡにおける運転効率を示す曲線Ｃに相当するものであり、外気温度が５℃の場合の運転効率曲線である。曲線Ｄ１は図３に示した高元側冷凍サイクルＢにおける運転効率を示す曲線Ｄに相当するものであり、温水出口温度が６０℃の場合の運転効率を示す曲線である。また、低元側の運転効率（曲線Ｃ１）と高元側の運転効率（曲線Ｄ１）を合わせた合計の運転効率（ＣＯＰ）は曲線Ｅで示すようになる。この合計運転効率曲線Ｅから、ヒートポンプ式温水発生装置として、機器全体の運転効率（ＣＯＰ）が最適になる運転条件は、低元側冷凍サイクルの運転効率曲線Ｃと高元側冷凍サイクルの運転効率曲線Ｄとが交わった運転点αの周辺となることがわかる。即ち、運転点αで運転するためには、そのときの低元側冷凍サイクルの凝縮温度（高元側冷凍サイクルの蒸発温度に略等しい）がｔ１になるようにその目標温度を設定して、低元側の圧縮機１を回転数制御すれば機器全体の運転効率（ＣＯＰ）をほぼ最大にすることが可能となる。
【００２１】
また、ヒートポンプ式温水発生装置では、負荷の状況に応じて、負荷に供給すべき温水温度の設定温度（或いは設定温度の範囲）を変える場合がある。この際、高元側冷凍サイクルの運転効率は、温水出口温度を上げた場合、高元側冷凍サイクルにおける凝縮温度を上げることになるので、図２に示す関係と同様に、凝縮温度を上げるほど効率が低くなる。即ち、図４に示すように、温水出口温度を７０℃に設定した場合には運転効率曲線はＤ２に、８０℃に設定した場合には運転効率曲線はＤ３に変わる。このように温水の設定温度を変えた場合には運転効率曲線も変化するので、機器全体の運転効率が最適になる運転条件も変化する。例えば、外気温度は５℃のままで、温水の設定温度が７０℃に上げられた場合、機器全体の運転効率が最適になる運転条件は、低元側冷凍サイクルの運転効率曲線Ｃ１と、高元側冷凍サイクルの運転効率曲線Ｄ２とが交わった運転点βの周辺となるので、運転点をαからβに変更すれば機器全体の運転効率を向上することが可能となる。運転点をβに変更して運転するには、低元側冷凍サイクルの凝縮温度がｔ２になるようにその目標温度を設定し、低元側の圧縮機１を回転数制御すれば良い。
【００２２】
一方、温水の設定温度は６０℃のままで、外気温度が５℃から１０℃に変化した場合、機器全体の運転効率が最適になる運転条件は、低元側冷凍サイクルの運転効率曲線Ｃ２と高元側冷凍サイクルの運転効率曲線Ｄ１とが交わった運転点γの周辺となるので、運転点をαからγに変更すれば機器全体の運転効率を向上することが可能となる。運転点をγに変更して運転するには、低元側冷凍サイクルの凝縮温度がｔ１からｔ２になるように目標温度を変更して低元側の圧縮機１を回転数制御する。
【００２３】
以上説明した本実施例によれば、低元側冷凍サイクルにおける凝縮器の前記目標温度は、外気温度と、前記高元側冷凍サイクルの凝縮器で製造する温水の設定温度に基づいて決められ、前記低元側冷凍サイクルの運転効率と前記高元側冷凍サイクルの運転効率を合わせた合計の運転効率（ＣＯＰ）が最も高くなる運転点となるように、前記低元側冷凍サイクルの凝縮温度が決められ、この凝縮温度になるように前記低元側冷凍サイクルの圧縮機が回転数制御されるので、高効率化を図ることのできると共に、圧力比を基にした制御ではなく、凝縮温度に基づいて制御されるから、温水温度の安定性も高めることができるヒートポンプ式温水発生装置を得ることができる。
【００２４】
また、本実施例によれば、高元側冷凍サイクルＡと低元側冷凍サイクルＢの圧縮機１，５を、それぞれの凝縮器に関わる温度を基にして独立した運転制御を行うので、高元側冷凍サイクルＢにおいては、負荷側の状況に合わせて所定の温度範囲（目標温度）に温水温度を制御することが可能となる。一方、低元側冷凍サイクルＡにおいては、低元側冷凍サイクルにおける凝縮器の凝縮温度を所定の温度に維持するように圧縮機１の回転数制御が行なわれる。従って、低元側冷凍サイクルＡ及び高元側冷凍サイクルＢを共に運転効率がより高い運転状態となるように制御することが可能となる。即ち、高元側冷凍サイクルＢについては負荷の状態に追従することを優先して圧縮機５を運転し、低元側冷凍サイクルＡについては、機器全体として効率がより高くなる凝縮温度を設定してその凝縮温度を維持するように圧縮機１を制御することにより、負荷状況に応じた運転と、機器の高効率化の両立を図ることが可能となる。
【００２５】
特に本実施例によれば、低元側冷凍サイクルＡの圧縮機１は、低元側冷凍サイクルにおける凝縮器の凝縮温度が所定の温度に維持されるように、回転数をきめ細かく調整できるので、より高精度な制御が容易に可能となり、従来のように運転状態によって変動する圧力比を基に制御するものに比べ、制御の安定性を更に高めた運転が可能となる。
【実施例２】
【００２６】
図５は本発明の実施例２を示す冷凍サイクル構成図で、図１と同一符号を付した部分は同一または相当する部分を示す。この実施例は、高元側冷凍サイクルＢの圧縮機５もインバータ１０で駆動される回転数可変形圧縮機として回転数制御を行うようにしたものである。即ち、前記高元側冷凍サイクルの凝縮器からの温水の出口温度を高元側温水出口温度センサにより検出し、この温水出口温度が所定の範囲になるように、前記高元側冷凍サイクルにおける圧縮機を回転数制御するものである。他の構成や制御は実施例１と同様であり、説明を省略する。
【００２７】
本実施例によれば、図１に示した実施例と同様の効果を得ることができると共に、高元側冷凍サイクルの圧縮機５も回転数をきめ細かく調整できるので、より安定化した温度の温水を負荷へ供給することが可能となる。また、負荷側の状況に応じて圧縮機容量をきめ細かく調整可能となるので、機器全体の運転効率（ＣＯＰ）をより向上できる。
【００２８】
なお、上述した実施例１、２では、低元側冷凍サイクル及び高元側冷凍サイクル共に、四方切替弁をもたない運転モードが単一の冷凍サイクルのもので説明したが、低元側または高元側の少なくとも何れかの冷凍サイクルを、四方切替弁を有する冷凍サイクルで構成したものにも本発明は同様に実施できるものである。
【符号の説明】
【００２９】
Ａ  低元側冷凍サイクル
Ｂ  高元側冷凍サイクル
１，５  圧縮機
２  低元側冷凍サイクルの凝縮器
３，７  膨張弁（膨張手段）
４  蒸発器
６  凝縮器
８  高元側冷凍サイクルの蒸発器
９，１０  インバータ
１１  制御装置
１２  外気温度センサ
１３  低元側凝縮温度センサ
１４  高元側温水出口温度センサ
１５  中間熱交換器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2012042177.tif 000006
【図５】
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