(57)【要約】【課題】簡単でありながらも従来よりも高ＣＯＰ運転が可能となる各圧縮機の制御構成を有するヒートポンプシステムを提供する。【解決手段】ヒートポンプシステム１００が、前記水の温度を測定する第１温度センサＴ１と、外気温を測定する第２温度センサＴ２と、前記カスケードコンデンサ２における高段側冷媒の蒸発温度を測定する第３温度センサＴ３と、を更に備え、前記圧縮機制御部５が、前記第１温度センサＴ１で測定される水温と、目標出湯温度との偏差が小さくなるように前記高段側圧縮機３１を制御するとともに、前記第３温度センサＴ３で測定される高段側冷媒の蒸発温度と、前記水温及び前記第２温度センサＴ２で測定される外気温に基づいて設定される目標蒸発温度との偏差が小さくなるように前記低段側圧縮機１１を制御するように構成した。【選択図】図１
2013113534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低段側圧縮機、カスケードコンデンサ、低段側膨張弁、低段側エバポレータの順で低段側冷媒が循環するように構成された低段側サイクルと、
高段側圧縮機、高段側コンデンサ、高段側膨張弁、前記カスケードコンデンサの順で高段側冷媒が循環するように構成された高段側サイクルと、
前記低段側圧縮機と、前記高段側圧縮機を制御する圧縮機制御部と、を備え、
前記低段側エバポレータにおいて前記低段側冷媒が外気から吸熱し、前記カスケードコンデンサにおいて前記低段側冷媒の放熱により前記高段側冷媒が加熱され、前記高段側コンデンサにおいて前記高温冷媒の放熱により水が加熱されるように構成されたヒートポンプシステムであって、
前記ヒートポンプシステムが、前記水の温度を測定する第１温度センサと、外気温を測定する第２温度センサと、前記カスケードコンデンサにおける高段側冷媒の蒸発温度を測定する第３温度センサと、を更に備え、
前記圧縮機制御部が、前記第１温度センサで測定される水温と、目標出湯温度との偏差が小さくなるように前記高段側圧縮機を制御するとともに、
前記第３温度センサで測定される高段側冷媒の蒸発温度と、前記水温及び前記第２温度センサで測定される外気温に基づいて設定される目標蒸発温度との偏差が小さくなるように前記低段側圧縮機を制御するように構成されていることを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項２】
水温と、外気温の組み合わせごとに目標蒸発温度を記憶した目標蒸発温度記憶部を更に備え、
前記圧縮機制御部が、前記第１温度センサで測定された水温と前記第２温度センサで測定された外気温に基づいて前記前記目標蒸発温度記憶部に記憶されている目標蒸発温度を取得するように構成された請求項１記載のヒートポンプシステム。
【請求項３】
低段側圧縮機、カスケードコンデンサ、低段側膨張弁、低段側エバポレータの順で低段側冷媒が循環するように構成された低段側サイクルと、
高段側圧縮機、高段側コンデンサ、高段側膨張弁、前記カスケードコンデンサの順で高段側冷媒が循環するように構成された高段側サイクルと、
前記低段側圧縮機と、前記高段側圧縮機を制御する圧縮機制御部と、を備え、
前記低段側エバポレータにおいて前記低段側冷媒が外気から吸熱し、前記カスケードコンデンサにおいて前記低段側冷媒の放熱により前記高段側冷媒が加熱され、前記高段側コンデンサにおいて前記高温冷媒の放熱により水が加熱されるように構成されたヒートポンプシステムであって、
前記ヒートポンプシステムが、前記水の温度を測定する第１温度センサと、外気温を測定する第２温度センサと、前記カスケードコンデンサにおける高段側冷媒の圧力を測定する圧力センサと、を更に備え、
前記圧縮機制御部が、前記第１温度センサで測定される水温と、目標出湯温度との偏差が小さくなるように前記高段側圧縮機を制御するとともに、
前記圧力センサで測定される高段側冷媒の圧力から換算される蒸発温度と、前記水温及び前記第２温度センサで測定される外気温に基づいて設定される目標蒸発温度との偏差が小さくなるように前記低段側圧縮機を制御するように構成されていることを特徴とするヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、暖房や給湯のために用いられるヒートポンプシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、給湯や暖房のために水をヒートポンプサイクルにより加熱する事が行われている。例えば、特許文献１に示されるようなヒートポンプシステムでは、高温での出湯を効率よく行うために低段側サイクルと高段側のサイクルをカスケードコンデンサで連結したものが用いられている。ここで、前記カスケードコンデンサは低段側サイクルについては凝縮器として働き、高段側サイクルについては蒸発器としての機能を発揮するものである。
【０００３】
このように構成することで、１つのヒートポンプサイクルを用いた場合に比べて、水を高温に加熱する用途であってもＣＯＰを向上させることが可能となる。
【０００４】
より具体的な各サイクルの制御方法の一例を挙げると、特許文献１に示されるようなヒートポンプシステムでは、低段側サイクルの低段側圧縮機はカスケードコンデンサに流入する高段側冷媒の圧力が常に一定となるようにその吐出容量又は駆動周波数が制御されているとともに、高段側サイクルの高段側圧縮機は目標出湯温度となるようにその吐出容量又は駆動周波数が制御されている。
【０００５】
しかしながら、上述したような従来用いられている各圧縮機の制御方法及び制御構成では、前記ヒートポンプシステムに対して求められている更なるエネルギー効率の改善を実現することは難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１９６９５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、簡単でありながらも従来よりも高ＣＯＰ運転が可能となる各圧縮機の制御構成を有するヒートポンプシステム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】
【０００８】
すなわち、本発明のヒートポンプシステムは、低段側圧縮機、カスケードコンデンサ、低段側膨張弁、低段側エバポレータの順で低段側冷媒が循環するように構成された低段側サイクルと、高段側圧縮機、高段側コンデンサ、高段側膨張弁、前記カスケードコンデンサの順で高段側冷媒が循環するように構成された高段側サイクルと、前記低段側圧縮機と、前記高段側圧縮機を制御する圧縮機制御部と、を備え、前記低段側エバポレータにおいて前記低段側冷媒が外気から吸熱し、前記カスケードコンデンサにおいて前記低段側冷媒の放熱により前記高段側冷媒が加熱され、前記高段側コンデンサにおいて前記高温冷媒の放熱により水が加熱されるように構成されたヒートポンプシステムであって、前記ヒートポンプシステムが、前記水の温度を測定する第１温度センサと、外気温を測定する第２温度センサと、前記カスケードコンデンサにおける高段側冷媒の蒸発温度を測定する第３温度センサと、を更に備え、前記圧縮機制御部が、前記第１温度センサで測定される水温と、目標出湯温度との偏差が小さくなるように前記高段側圧縮機を制御するとともに、前記第３温度センサで測定される高段側冷媒の蒸発温度と、前記水温及び前記第２温度センサで測定される外気温に基づいて設定される目標蒸発温度との偏差が小さくなるように前記低段側圧縮機を制御するように構成されていることを特徴とする。
【０００９】
このようなものであれば、従来常に一定となるように制御されていた高段側冷媒の蒸発温度を現在の出湯温度と現在の外気温に基づいて逐次変更するように構成されているので、使用条件に合わせて運転効率を最適化することができる。
【００１０】
また、第１温度センサ及び第２温度センサは従来からヒートポンプシステムの制御を行うために用いられているものであり、新たに第３温度センサを設けて高温側冷媒の蒸発温度をモニタリングするだけで、高ＣＯＰ運転が可能となるため、制御構成の複雑化を防ぐことができる。
【００１１】
さらに、前記低段側圧縮機は高温側冷媒の蒸発温度、すなわち、中間圧力のみを制御しており、前記高段側圧縮機は出湯温度のみをそれぞれ独立に制御しているので制御則も簡単なものにできる。
【００１２】
なお、上述したような水温と外気温に基づいて目標蒸発温度を逐次変更するという構成は、本願発明者が鋭意研究の結果、前述したパラメータが変化すると高ＣＯＰを実現する最適な蒸発温度、中間圧力が変化していくという従来知られていなかった現象を見出したことにより初めてなされたものである。
【００１３】
目標蒸発温度を簡単に逐次変更するための具体的な構成としては、水温と、外気温の組み合わせごとに目標蒸発温度を記憶した目標蒸発温度記憶部を更に備え、前記圧縮機制御部が、前記第１温度センサで測定された水温と前記第２温度センサで測定された外気温に基づいて前記前記目標蒸発温度記憶部に記憶されている目標蒸発温度を取得するように構成されたものであればよい。このようなものであれば、水温と、外気温から定まる使用条件ごとに最もＣＯＰが高くなる蒸発温度を実験的に予め取得しておき、その実験結果に基づいて簡単に最適制御を行うことができる。
【００１４】
本発明と同等の効果を得られる別のヒートポンプシステムとしては、低段側圧縮機、カスケードコンデンサ、低段側膨張弁、低段側エバポレータの順で低段側冷媒が循環するように構成された低段側サイクルと、高段側圧縮機、高段側コンデンサ、高段側膨張弁、前記カスケードコンデンサの順で高段側冷媒が循環するように構成された高段側サイクルと、前記低段側圧縮機と、前記高段側圧縮機を制御する圧縮機制御部と、を備え、前記低段側エバポレータにおいて前記低段側冷媒が外気から吸熱し、前記カスケードコンデンサにおいて前記低段側冷媒の放熱により前記高段側冷媒が加熱され、前記高段側コンデンサにおいて前記高温冷媒の放熱により水が加熱されるように構成されたヒートポンプシステムであって、前記ヒートポンプシステムが、前記水の温度を測定する第１温度センサと、外気温を測定する第２温度センサと、前記カスケードコンデンサにおける高段側冷媒の圧力を測定する圧力センサと、を更に備え、前記圧縮機制御部が、前記第１温度センサで測定される水温と、目標出湯温度との偏差が小さくなるように前記高段側圧縮機を制御するとともに、前記圧力センサで測定される高段側冷媒の圧力から換算される蒸発温度と、前記水温及び前記第２温度センサで測定される外気温に基づいて設定される目標蒸発温度との偏差が小さくなるように前記低段側圧縮機を制御するように構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
このように本発明のヒートポンプシステムによれば、加熱される水温と外気温の組み合わせに応じて、高温側冷媒の蒸発温度を最もＣＯＰが高くなる値に変更することができ、従来のヒートポンプシステムよりもエネルギー効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係るヒートポンプシステムの構成を示す模式図。
【図２】同実施形態における制御機構の構成を示す機能ブロック図。
【図３】同実施形態における各サイクルのＴ−Ｓ線図上の動作を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１８】
図１に示すように本実施形態のヒートポンプシステム１００は、例えば給湯や暖房のために用いられるものであり、特に８０℃の高温のお湯を出湯する事が可能なように構成してある。
【００１９】
前記ヒートポンプシステム１００は、それぞれ冷媒特性の異なる低段側サイクル１と高段側サイクル３を１つのカスケードコンデンサ２で連結した、いわゆるカスケードサイクルである。すなわち、前記ヒートポンプシステム１００は、室外に設けられる低段側サイクル１と室内に設けられる高段側サイクル３と各部の制御を行う制御機構を備えている。そして、前記高段側サイクル３を構成する高段側コンデンサ３３と、暖房給湯端末４１との間には水の流路４が形成してあり、流路４中に設けてあるポンプにより、必要な量の水が前記高段側コンデンサ３３へと流入して加熱されお湯となるようにしてある。なお、本明細書では水とは冷水及び温水を含む概念として記述しており、水温Ｔｗもいわゆる湯温の概念を含むものである。
【００２０】
各部について説明する。
【００２１】
前記低段側サイクル１は、低段側圧縮機１１、低段側四方弁１２、カスケードコンデンサ２、低段側膨張弁１４、低段側エバポレータ１５、前記低段側圧縮機１１の順で低段側冷媒が循環するように構成してある。
【００２２】
前記高段側サイクル３は、高段側圧縮機３１、高段側四方弁３２、高段側コンデンサ３３、高段側膨張弁３４、前記カスケードコンデンサ２、前記高段側圧縮機３１の順で高段側冷媒が循環するように構成してある。
【００２３】
すなわち、各サイクルが協業することにより、前記低段側エバポレータ１５において前記低段側冷媒が外気から吸熱し、前記カスケードコンデンサ２において前記低段側冷媒の放熱により前記高段側冷媒が加熱され、前記高段側コンデンサ３３において前記高温冷媒の放熱により水が加熱されるように構成してある。
【００２４】
さらに、本実施形態のヒートポンプシステム１００は、前記流路４上に設けられており、前記高段側コンデンサ３３から暖房給湯端末４１に流入する水の温度を測定する第１温度センサＴ１と、前記低段側エバポレータ１５の近傍に設けられており、外気温Ｔａを測定する第２温度センサＴ２と、前記高段側サイクル３において高段側膨張弁３４とカスケードコンデンサ２への流入口との間に設けられており、前記カスケードコンデンサ２における高段側冷媒の蒸発温度Ｔｃを測定する第３温度センサＴ３と、を備えている。
【００２５】
前記制御機構Cは、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａコンバータ、入出力インターフェース等を備えたいわゆるコンピュータであって、前記メモリに格納されたプログラムが実行されることにより少なくとも、図２の機能ブロック図に示すように蒸発温度記憶部６、圧縮機制御部５、としての機能を発揮するものである。
【００２６】
前記蒸発温度記憶部６は、水温Ｔｗと、外気温Ｔａの組み合わせごとに最もＣＯＰを高くすることができる高段側冷媒の蒸発温度Ｔｃを記憶したものである。例えば、この蒸発温度Ｔｃは、水温Ｔｗと外気温Ｔａの組み合わせをそれぞれ変えて、最もＣＯＰが高くなる蒸発温度Ｔｃを予め実験的に求めておき、相関式により算出される値である。
【００２７】
前記圧縮機制御部５は、前記低段側圧縮機１１を制御する低段側圧縮機制御部５１と、前記高段側圧縮機３１を制御する高段側圧縮機制御部５３とから構成してあり、本実施形態では各圧縮機に設けられているインバータに目標値と測定値の偏差を入力することにより各圧縮機の回転数を制御してそれぞれの冷媒吐出容量を制御するように構成してある。
【００２８】
より具体的には前記高段側圧縮機制御部５３は、前記第１温度センサＴ１で測定される水温Ｔｗと、目標出湯温度Ｔｒｗとの偏差が小さくなるように前記高段側圧縮機３１を制御するように構成してある。また、前記低段側圧縮機制御部５１は、前記第３温度センサＴ３で測定される高段側冷媒の蒸発温度Ｔｃと、前記水温Ｔｗ及び前記第２温度センサＴ２で測定される外気温Ｔａに基づいて設定される蒸発温度Ｔｒｃとの偏差が小さくなるように前記低段側圧縮機１１を制御するように構成してある。ここで、前記低段側圧縮機制御部５１は、測定された水温Ｔｗと外気温Ｔａの組み合わせに該当する目標蒸発温度Ｔｒｃを前記蒸発温度記憶部６から検索し、取得された値を目標蒸発温度Ｔｒｃとして逐次変更していくように構成してある。
【００２９】
すなわち、図３のＴ−Ｓ線図に示すように、水温Ｔｗと、外気温Ｔａに応じて低段側サイクル１と高段側サイクル３との間で熱交換が行われる中間圧力、高段側冷媒の蒸発温度Ｔｃを適宜変更していくことにより、中間圧力をどのような場合でも一定に保っている場合に比べて向上させることができる。具体的には、目標出湯温度Ｔｒｗを５５℃、外気温Ｔａ度―１５℃〜＋２０℃、加熱能力１４ｋＷに設定している場合、従来の中間圧一定制御を用いた場合に比べて本実施形態では平均で２．８％程度ＣＯＰを向上させることができる。特に低外気温Ｔａ度（−１５℃）では、５．３％ＣＯＰを向上させることができ、本実施形態のヒートポンプは特に寒冷地においてそのエネルギー効率を向上させる効果が顕著となる。また、図１及び図２に示されるように従来設けられていなかった第３温度センサＴ３を設けるとともに、簡単な制御則を導入するだけでこのようなエネルギー効率の改善を実現することができる。
【００３０】
その他の実施形態について説明する。
【００３１】
前記実施形態では、カスケードコンデンサと、高段側膨張弁との間に第３温度センサを設けていたが、この第３温度センサの代わりに圧力センサを設けても構わない。そして、前記圧縮機制御部が、前記第１温度センサで測定される水温と、目標出湯温度との偏差が小さくなるように前記高段側圧縮機を制御するとともに、前記圧力センサで測定される高段側冷媒の圧力から換算される蒸発温度と、前記水温及び前記第２温度センサで測定される外気温に基づいて設定される目標蒸発温度との偏差が小さくなるように前記低段側圧縮機を制御するように構成してあれば、前記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３２】
さらに、目標蒸発温度は予め目標温度記憶部に記憶させておくのではなく、実験的に決定された相関式に測定された水温と外気温を代入して逐次算出するようにしても構わない。
【００３３】
また、各温度センサの設けられる位置は、目的とする測定対象の温度が測定できる場所であればどこであっても構わない。
【００３４】
その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて、様々な変形や実施形態の組み合わせを行っても構わない。
【符号の説明】
【００３５】
１００・・・ヒートポンプシステム
１    ・・・低段側サイクル
１１  ・・・低段側圧縮機
１４  ・・・低段側膨張弁
１５  ・・・低段側エバポレータ
２    ・・・カスケードコンデンサ
３    ・・・高段側サイクル
３１  ・・・高段側圧縮機
３３  ・・・高段側コンデンサ
３４  ・・・高段側膨張弁
５    ・・・圧縮機制御部
６    ・・・目標蒸発温度記憶部
【図１】
2013113534.tif 000003
【図２】
2013113534.tif 000004
【図３】
2013113534.tif 000005