(57)【要約】【課題】熱源側循環回路における冷媒の循環状態を変更せずに、ヒートポンプ回路側の制御のみで熱源側循環回路における冷媒の凍結を抑制することができヒートポンプ式給湯装置を提供する。【解決手段】ヒートポンプ式給湯装置２は、熱源側循環回路２０と、ヒートポンプ回路２１と、コンプレッサ３５及び減圧弁３７を制御する制御装置と、を備え、第１冷媒の温度を計測する温度センサ３４が設けられている。制御装置は、温度センサ３４が計測した温度が閾値温度以下となると、水冷媒熱交換器３６に流入する水の入口温度と、水冷媒熱交換器３６から流出する第２冷媒の出口温度の温度差が大きくなるようにコンプレッサ３５及び減圧弁３７の少なくとも一方の動作状態を変更する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートポンプ式給湯装置であって、
地中熱交換器（３１）において地中熱と熱交換を行う第１冷媒を循環させる熱源側循環回路（２０）と、
蒸発器（３３）、コンプレッサ（３５）、水冷媒熱交換器（３６）、及び減圧弁（３７）が設けられ、前記蒸発器において前記第１冷媒と熱交換を行う第２冷媒を循環させるヒートポンプ回路（２１）と、
前記コンプレッサ及び前記減圧弁を制御する制御装置（４０）と、を備え、
前記第１冷媒の温度を計測する温度センサ（３４）が設けられており、
前記制御装置は、前記温度センサが計測した温度が閾値温度以下となると、
前記水冷媒熱交換器に流入する水の入口温度と、前記水冷媒熱交換器から流出する前記第２冷媒の出口温度の温度差が大きくなるように前記コンプレッサ及び前記減圧弁の少なくとも一方の動作状態を変更する、ヒートポンプ式給湯装置。
【請求項２】
請求項１に記載のヒートポンプ式給湯装置であって、
前記制御装置は、前記入口温度と前記出口温度との温度差が目標値となるように前記減圧弁を制御する、ヒートポンプ式給湯装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のヒートポンプ式給湯装置であって、
前記制御装置は、前記温度センサが計測した温度が閾値温度以下となると、前記コンプレッサの回転数が上がるように制御する、ヒートポンプ式給湯装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯装置であって、
前記制御装置は、前記第１冷媒の温度低下勾配に基づいて、前記入口温度と前記出口温度との温度差の増大量を決定する、ヒートポンプ式給湯装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯装置であって、
前記制御装置は、前記第１冷媒の温度低下勾配に基づいて、前記コンプレッサの回転数の増加量を決定する、ヒートポンプ式給湯装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯装置であって、
前記第１冷媒は水である、ヒートポンプ式給湯装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯装置であって、
前記第２冷媒は高圧が超臨界となる冷媒である、ヒートポンプ式給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ式給湯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地中熱と熱交換を行う不凍液を循環させる熱源側循環回路と、蒸発器として機能する熱源側熱交換器を含むヒートポンプ回路とを備えるヒートポンプ給湯器の一例として、下記特許文献１に記載のものが知られている。下記特許文献１では、熱源側循環回路を循環する不凍液の凍結を防止するため、熱源側循環回路に設けられた循環ポンプの駆動制御と、ヒートポンプ回路に設けられた減圧弁の開度制御とを組み合わせて実行することを必須のものとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１６７９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の技術では、熱源側循環回路とヒートポンプ回路とが一対一対応するように設けられている場合は凍結防止運転が可能である。しかしながら、複数のヒートポンプ回路に対して一つの熱源側循環回路を設ける場合には、各ヒートポンプ回路の運転状態によらずに同様の凍結防止運転を行う必要がある。
【０００５】
このような新たな課題に対して、熱源側循環回路における地中熱との熱交換を行う地中熱交換器を地中深くに設置することで温度を安定させ、不凍液の凍結を防止することが手段として考えられる。しかしながら、地中熱交換器を地中深くに設置することは施工費用が高くなるため、費用抑制の観点からは避けたいものである。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱源側循環回路における冷媒の循環状態を変更せずに、ヒートポンプ回路側の制御のみで熱源側循環回路における冷媒の凍結を抑制することができヒートポンプ式給湯装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係るヒートポンプ式給湯装置は、地中熱交換器（３１）において地中熱と熱交換を行う第１冷媒を循環させる熱源側循環回路（２０）と、蒸発器（３３）、コンプレッサ（３５）、水冷媒熱交換器（３６）、及び減圧弁（３７）が設けられ、前記蒸発器において前記第１冷媒と熱交換を行う第２冷媒を循環させるヒートポンプ回路（２１）と、前記コンプレッサ及び前記減圧弁を制御する制御装置（４０）と、を備え、前記第１冷媒の温度を計測する温度センサ（３４）が設けられている。前記制御装置は、前記温度センサが計測した温度が閾値温度以下となると、前記水冷媒熱交換器に流入する水の入口温度と、前記水冷媒熱交換器から流出する前記第２冷媒の出口温度の温度差が大きくなるように前記コンプレッサ及び前記減圧弁の少なくとも一方の動作状態を変更する。
【０００８】
本発明では、温度センサが計測した温度が閾値温度以下となると、水冷媒熱交換器に流入する水の入口温度と、水冷媒熱交換器から流出する第２冷媒の出口温度の温度差が大きくなるようにコンプレッサ及び減圧弁の少なくとも一方の動作状態を変更するので、蒸発器に流入する第２冷媒のエンタルピの低下を抑制することができ、蒸発器において第２冷媒が第１冷媒より吸熱する熱量が低下する。従って、コンプレッサ及び減圧弁の少なくとも一方に対する制御のみで第１冷媒の温度が閾値温度以下となった場合の吸熱量を抑制することができ、第１冷媒の凍結を抑制することができる。
【０００９】
尚、「課題を解決するための手段」及び「特許請求の範囲」に記載した括弧内の符号は、後述する「発明を実施するための形態」との対応関係を示すものであって、「課題を解決するための手段」及び「特許請求の範囲」に記載の発明が、後述する「発明を実施するための形態」に限定されることを示すものではない。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、熱源側循環回路における冷媒の循環状態を変更せずに、ヒートポンプ回路側の制御のみで熱源側循環回路における冷媒の凍結を抑制することができヒートポンプ式給湯装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置の構成を示すブロック構成図である。
【図２】図２は、図１に示されるヒートポンプ式給湯装置に用いられるＥＣＵについて説明するための図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】図４は、図３に示される制御を実行した場合の圧力−エンタルピ線図である。
【図５】図５は、図３に示される制御を実行した場合の水温変化と加熱能力の関係を示す図である。
【図６】図６は、水温低下勾配と補正量との関係について示す図である。
【図７】図７は、変形例としての制御を実行した場合の水温変化と加熱能力の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００１３】
図１に示されるように、本発明の実施形態であるヒートポンプ式給湯装置２は、熱源側循環回路２０と、ヒートポンプ回路２１と、給湯回路２２と、を備えている。尚、本実施形態では負荷側回路として給湯回路２２を例示しているが、負荷側回路としてはこれに限られるものではなく、例えば湯を用いた暖房回路を負荷側回路としてもよい。
【００１４】
熱源側循環回路２０は、地中熱交換器３１と、循環ポンプ３２と、を備えている。地中熱交換器３１と循環ポンプ３２とは、流路５０によって繋がれている。流路５０には、第１冷媒としての水が流れている。
【００１５】
地中熱交換器３１は、地中の比較的浅い箇所に埋設されている。地中熱交換器３１内を通る水は、地中熱と熱交換して流出する。循環ポンプ３２は、流路５０内において水を循環させるためのポンプである。
【００１６】
ヒートポンプ回路２１は、蒸発器３３と、温度センサ３４と、コンプレッサ３５と、水冷媒熱交換器３６と、減圧弁３７と、を備えている。蒸発器３３と、コンプレッサ３５と、水冷媒熱交換器３６と、減圧弁３７とは、流路５１によって繋がれている。流路５１には、第２冷媒としてのＣＯ２冷媒が流れている。第２冷媒としては、高圧が超臨界となる冷媒が用いられる。温度センサ３４は、蒸発器３３に流れ込む水の温度を計測できるように設けられている。
【００１７】
コンプレッサ３５で圧縮され高温高圧となった冷媒は、水冷媒熱交換器３６に流れる。コンプレッサ３５において冷媒は、比エンタルピ及び圧力が上昇するように状態変化する。
【００１８】
水冷媒熱交換器３６では、給湯回路２２を流れる水と熱交換する。水冷媒熱交換器３６は、凝縮器として機能している。水冷媒熱交換器３６において冷媒は、圧力を維持しつつ比エンタルピが低下するように状態変化する。
【００１９】
水冷媒熱交換器３６から流出する高圧冷媒は、減圧弁３７に流れる。減圧弁３７において冷媒は、比エンタルピを維持しつつ圧力が低下するように状態変化する。減圧弁３７によって減圧された冷媒は、蒸発器３３に流入する。
【００２０】
蒸発器３３において冷媒は、熱源側循環回路２０の流路５０を流れる水と熱交換する。蒸発器３３において冷媒は、圧力を維持しつつ比エンタルピが上昇するように状態変化する。
【００２１】
給湯回路２２は、循環ポンプ３８と、貯湯タンク３９と、を備えている。循環ポンプ３８と貯湯タンク３９とは、流路５２によって繋がれている。
【００２２】
循環ポンプ３８が駆動されると、貯湯タンク３９の下方に溜まっている水が流路５２を通って水冷媒熱交換器３６に送り込まれる。水冷媒熱交換器３６に流れ込んだ水は、水冷媒熱交換器３６においてヒートポンプ回路２１を流れる高温冷媒と熱交換して高温の湯になり、貯湯タンク３９に還流する。
【００２３】
貯湯タンク３９からは、貯湯対象端末であるキッチン水栓や風呂水栓へ湯を供給できるように構成されている。貯湯タンク３９から湯を供給することによって貯水量が減少すると、給水されるように構成されている。
【００２４】
図２に示されるように、ヒートポンプ式給湯装置２は、制御装置としてのＥＣＵ４０を備えている。ＥＣＵ４０には、温度センサ３４が計測する水の温度が熱源温度として入力される。ＥＣＵ４０は、熱源温度に基づいて情報処理を実行し、コンプレッサ３５にコンプレッサ回転数を指示する駆動信号を出力するとともに、減圧弁３７に弁制御を指示する駆動信号を出力する。
【００２５】
続いて、図３を参照しながら、ＥＣＵ４０の動作について説明する。ステップＳ１０１では、ＥＣＵ４０が、減圧弁３７を目標開度に設定し、コンプレッサ３５を目標回転数に設定して沸き上げ運転を開始する。
【００２６】
ステップＳ１０１に続くステップＳ１０２では、温度センサ３４が検出する水の温度に基づいて、熱源温度を検出する。ステップＳ１０１に続くステップＳ１０２では、熱源温度が閾値温度Ａ℃以下であるか否かを判断する。熱源温度が閾値温度Ａ℃以下でなければステップＳ１０２の処理に戻り、熱源温度が閾値温度Ａ℃以下であればステップＳ１０４の処理に進む。
【００２７】
ステップＳ１０４では、減圧弁３７の弁制御の目標値を変更する。具体的には、水冷媒熱交換器３６に流入する水の入口温度と、水冷媒熱交換器３６から流出する冷媒の出口温度の温度差が大きくなるように減圧弁３７の動作状態を変更する。より具体的には、入口温度と出口温度との温度差が目標値となるように減圧弁３７の動作状態を変更する。
【００２８】
ステップＳ１０４に続くステップＳ１０５では、コンプレッサ３５の回転数を上げるように目標値を変更する。図４及び図５を参照しながら説明を続ける。
【００２９】
図４に示されるように、水冷媒熱交換器３６に流入する水の入口温度と、水冷媒熱交換器３６から流出する冷媒の出口温度との温度差が大きくなるように減圧弁３７の動作状態を変更すると、入水温度は変わらないことから、冷媒の出口温度が上昇する。従って、凝縮器である水冷媒熱交換器３６における比エンタルピの減少が抑制されるので、地中からの吸熱量が減少する。
【００３０】
図５の（Ａ）は、熱源温度である１次側水温を示している。図５の（Ｂ）は、水冷媒熱交換器３６に流入する水の入口温度と、水冷媒熱交換器３６から流出する冷媒の出口温度との温度差を示している。図５の（Ｃ）は、コンプレッサ３５の回転数を示している。図５の（Ｄ）は、加熱能力を示している。
【００３１】
上記したように、熱源温度が低下し、閾値温度Ａ℃以下になると、減圧弁３７の開度を広げるように制御が実行され、冷媒の出口温度が上昇する。これに呼応するように、コンプレッサ３５の回転数を上げる制御が実行されるので、地中からの吸熱量を抑制しつつ加熱能力を維持することができる。
【００３２】
本実施形態では、図６に示されるように、熱源温度の低下速度が速くなると、入水温度と出口温度の温度差の補正量及びコンプレッサ３５の回転数の補正量を大きくするように補正することができる。熱源温度の低下速度が遅い場合と速い場合とでは、水の温度低下を抑制する制御に差を設け、熱源温度の低下速度が速い場合には水の温度低下を抑制する制御を強めることが好ましい。従って、このように補正することで、水の凍結をより確実に回避することができる。
【００３３】
図５を参照しながら説明したように、熱源温度が閾値温度Ａ℃以下になった場合に、入水温度と出口温度の温度差を一段高めると共に、コンプレッサ３５の回転数も一段高めることができる。これに対して、図７に示されるように、熱源温度が閾値温度Ａ℃以下になった場合に、入水温度と出口温度の温度差を一段高めると共に、コンプレッサ３５の回転数も一段高め、それでも熱源温度の低下が抑制できない場合のためにより低い温度の閾値温度Ｂ℃を設けることができる。熱源温度が閾値温度Ｂ℃以下になると、更に、入水温度と出口温度の温度差を一段高めると共に、コンプレッサ３５の回転数も一段高めることで、熱源温度の低下を抑制しつつ加熱能力を確保することができる。
【００３４】
上記したように本実施形態では、地中熱交換器３１において地中熱と熱交換を行う第１冷媒を循環させる熱源側循環回路２０と、蒸発器３３、コンプレッサ３５、水冷媒熱交換器３６、及び減圧弁３７が設けられ、蒸発器３３において第１冷媒と熱交換を行う第２冷媒を循環させるヒートポンプ回路２１と、コンプレッサ３５及び減圧弁３７を制御する制御装置であるＥＣＵ４０と、を備え、第１冷媒の温度を計測する温度センサ３４が設けられている。ＥＣＵ４０は、温度センサ３４が計測した温度が閾値温度以下となると、水冷媒熱交換器３６に流入する水の入口温度と、水冷媒熱交換器３６から流出する第２冷媒の出口温度の温度差が大きくなるようにコンプレッサ３５及び減圧弁３７の少なくとも一方の動作状態を変更する。
【００３５】
本実施形態では、温度センサ３４が計測した温度が閾値温度以下となると、水冷媒熱交換器３６に流入する水の入口温度と、水冷媒熱交換器３６から流出する第２冷媒の出口温度の温度差が大きくなるようにコンプレッサ３５及び減圧弁３７の少なくとも一方の動作状態を変更するので、蒸発器３３に流入する第２冷媒のエンタルピの低下を抑制することができ、蒸発器３３において第２冷媒が第１冷媒より吸熱する熱量が低下する。従って、コンプレッサ３５及び減圧弁３７の少なくとも一方に対する制御のみで第１冷媒の温度が閾値温度以下となった場合の吸熱量を抑制することができ、第１冷媒の凍結を抑制することができる。
【００３６】
また本実施形態では、ＥＣＵ４０は、入口温度と前出口温度との温度差が目標値となるように減圧弁３７を制御している。入口温度と前出口温度との温度差が目標値となるように制御することで、減圧弁３７の目標開度を広げる方向に設定することができる。
【００３７】
また本実施形態では、ＥＣＵ４０は、温度センサ３４が計測した温度が閾値温度以下となると、コンプレッサ３５の回転数が上がるように制御している。コンプレッサ３５の回転数を上げることで、地中からの吸熱量を減らしつつ加熱能力を確保することができる。
【００３８】
また本実施形態では、ＥＣＵ４０は、第１冷媒の温度低下勾配に基づいて、入口温度と前記出口温度との温度差の増大量を決定することができる。熱源温度の低下速度が遅い場合と速い場合とでは、第１冷媒の温度低下を抑制する制御に差を設け、熱源温度の低下速度が速い場合には第１冷媒の温度低下を抑制する制御を強めることが好ましい。従って、このように補正することで、第１冷媒の凍結をより確実に回避することができる。
【００３９】
また本実施形態では、ＥＣＵ４０は、第１冷媒の温度低下勾配に基づいて、コンプレッサ３５の回転数の増加量を決定することができる。このように制御することで、第１冷媒の温度低下を抑制する制御を強めつつ、加熱能力を確保することができる。
【００４０】
また本実施形態では、第１冷媒は水である。また本実施形態では、第２冷媒は高圧が超臨界となる冷媒であって、一例としてＣＯ２冷媒である。
【００４１】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。
【符号の説明】
【００４２】
２：ヒートポンプ式給湯装置
２０：熱源側循環回路
２１：ヒートポンプ回路
３１：地中熱交換器
３３：蒸発器
３４：温度センサ
３５：コンプレッサ
３６：水冷媒熱交換器
３７：減圧弁
４０：制御装置
【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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【図７】
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