ヒートポンプ式熱源機
【課題】
水配管によって利用側機器と冷凍サイクル中の水―冷媒熱交換器が接続されたヒートポンプ式熱源機では、入口温度制御と出口温度制御に対応する機器をそれぞれ準備した場合、機種数が増加し、製造や流通が非効率的になるとともに管理も複雑になってしまう。
【解決手段】
入口側停止温度及び出口側停止温度を設定する停止温度設定手段と、水―冷媒熱交換器の入口側の水温が入口側停止温度を超えた場合または水―冷媒熱交換器の出口側の水温が出口側停止温度を超えた場合の少なくともいずれか一方が生じた時に冷凍サイクルの運転を停止する運転停止制御手段を備えたヒートポンプ式熱源機。
水配管によって利用側機器と冷凍サイクル中の水―冷媒熱交換器が接続されたヒートポンプ式熱源機では、入口温度制御と出口温度制御に対応する機器をそれぞれ準備した場合、機種数が増加し、製造や流通が非効率的になるとともに管理も複雑になってしまう。
【解決手段】
入口側停止温度及び出口側停止温度を設定する停止温度設定手段と、水―冷媒熱交換器の入口側の水温が入口側停止温度を超えた場合または水―冷媒熱交換器の出口側の水温が出口側停止温度を超えた場合の少なくともいずれか一方が生じた時に冷凍サイクルの運転を停止する運転停止制御手段を備えたヒートポンプ式熱源機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、ヒートポンプ式冷凍サイクルを用いて水等の熱媒体を加熱するヒートポンプ式熱源機に関する。
【背景技術】
【０００２】
床暖房、ファンコイルユニット等の負荷(利用側機器)に対して温水を供給して暖房等を行なう加温システムにおいて、水を加熱する手段として外気等の空気を熱源としたヒートポンプ式熱源機が用いられている。また、工場の部品洗浄工程に設けられた洗浄槽の洗浄剤の水温を一定に保つためにも、このようなヒートポンプ式熱源機が用いられ始めている。
このようなヒートポンプ式熱源機では、循環する水や洗浄剤等の熱媒体がヒートポンプ冷凍サイクル中の凝縮冷媒と熱交換する熱媒体−冷媒熱交換器を設け、この熱交換器を通過する媒体を所定の温度まで加熱して利用側機器へと供給する。供給された媒体は、利用側機器側で放熱して、低温となって再びヒートポンプ式熱源機へと戻る。 このように、熱媒体は、利用側機器とヒートポンプ式熱源機との間に形成された循環経路を流れる。
【０００３】
利用側機器としては、上述のように床暖房、ファンコイルユニット、洗浄槽等の様々な機器が接続される。また、利用側が同じ種類の機器であっても、その利用側機器の仕様や利用形態に応じて、ヒートポンプ式熱源機の仕様には様々な要求がある。 ヒートポンプ式熱源機の冷凍サイクルの運転停止については、ヒートポンプ式熱源機の冷媒―媒体熱交換器の入口側の媒体温度を用いる場合（以下、入口温度制御という。）と加熱後の出口側の媒体温度を用いる場合（以下、出口温度制御という。）がある。（特許文献１、２参照）このいずれの制御を用いるかは、利用側機器の利用形態、媒体温度の変動の許容範囲等の要求仕様によって決定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−１４４２５６号公報
【特許文献２】特開昭６２−６１８５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、入口温度制御と出口温度制御に対して対応するヒートポンプ式熱源機をそれぞれ準備した場合、機種数が増加してしまい、製造や流通が非効率的になるとともに管理も複雑になる。
また、一旦、いずれか一方の制御を採用したヒートポンプ式熱源機を設置後、実際の運用において制御の変更が必要になった場合には機器を入れ替えなければならないという問題が生じる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態によれば、ヒートポンプ式熱源機は、熱媒体―冷媒熱交換器の入口側の媒体温度を検出する入口温度センサと、熱媒体―冷媒熱交換器の出口側の媒体温度を検出する出口温度センサと、入口側停止温度及び出口側停止温度を設定する停止温度設定手段とを備える。 そして、入口媒体温度が入口側停止温度を超えた場合または出口媒体温度が出口側停止温度を超えた場合の少なくともいずれか一方が生じた時に冷凍サイクルの運転を停止する運転停止制御手段を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態に係る加温システムの構成図。
【図２】同加温システムに使用されるヒートポンプ式熱源機の冷凍サイクルと制御ブロック図。
【図３】同ヒートポンプ式熱源機の制御フローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の実施形態について、図１乃至図３を用いて説明する。 本発明の実施形態に係るヒートポンプ式熱源機２を用いた加温システム１の構成を図１に示す。
【０００９】
加温システム１では、床暖房、ファンコイルユニット、洗浄槽等の利用側機器４に媒体配管５から供給される熱媒体が流通する。ここで、一般的に、熱媒体としては水が利用されることが多いため、以下の説明においては熱媒体に水を用いた例で説明する。 利用側機器４では、温水の熱が放熱され所定の暖房や加温が行われる。 水（媒体）配管５は途中にポンプ３が設けられ、このポンプ３が動作することで水配管５内の水が流通するようになっている。 水配管５途中にヒートポンプ式熱源機２が直列に設けられている。水配管５は利用側機器４とポンプ３、ヒートポンプ式熱源機２の水(媒体)―冷媒熱交換器(図２中の２６)を直列に接続した閉回路を形成している。ポンプ３を運転することで、水配管５内の水が利用側機器４とヒートポンプ式熱源機２間を循環する。 なお、利用側機器４を洗浄槽とした場合、洗浄液をそのままとヒートポンプ式熱源機２に循環させてもよい。
また、図１ではヒートポンプ式熱源機２と利用側機器４との間に水配管５の閉回路中に水を流通させるポンプ３を配置しているが、ポンプ３の設置位置は水配管５途中のどこに設けても良く、ヒートポンプ式熱源機２に内蔵しても良い。
【００１０】
ポンプ３の運転によって、利用側機器４から流出した低温水は、ヒートポンプ式熱源機２を直列に流れる。ここで、ヒートポンプ式熱源機２が運転されれば、水配管５内の水が水配管５を循環している間に所望の温度になるまでヒートポンプ式熱源機２で加熱され、この加熱された水（湯）が、利用側機器４に送られる。この結果、利用側機器４には温水が供給され、その熱を放熱して、暖房または加温が実行される。
【００１１】
図２に示すヒートポンプ式熱源機２は、ヒートポンプ式冷凍サイクルとその冷凍サイクルを制御する制御装置とから構成される。ヒートポンプ式冷凍サイクルは、インバータ装置２３で可変速駆動される圧縮機２４、冷媒の流通方向を変更する四方弁２５、水(媒体)―冷媒熱交換器２６、膨張弁２７、熱源側熱交換器２８、再び四方弁２を通過して圧縮機２４へと戻るように順次冷媒配管を接続することで構成された一般的な冷凍サイクルとなっている。
【００１２】
熱源側熱交換器２８は、例えば、フィンドチューブタイプの空気熱交換器であり、この熱交換器に通風するためのプロペラファン２９が設けられている。 四方弁２５は熱源側熱交換器２８の表面に空気中の水分が凝縮してできる着霜を溶かす除霜運転のために設けられているが、着霜しない高温の雰囲気条件下で熱源側熱交換器２８が使用されるのであれば、四方弁２５は不要となる。
【００１３】
冷凍サイクルが運転されると圧縮機２４で冷媒が圧縮され、吐出された高温高圧冷媒が四方弁２５を経由して水―冷媒熱交換器２６に流れる。水―冷媒熱交換器２６では水配管５を流れる水と冷凍サイクル中の高温高圧冷媒が熱交換し、水が加熱される。
ヒートポンプ式熱源機２の冷凍サイクルの冷媒として、本実施形態ではＨＦＣ冷媒であるＲ４１０Ａを用いているが、適切な他の冷媒を用いてもよい。
【００１４】
次に、図２に従ってヒートポンプ式熱源機２の制御装置について説明する。 圧縮機２４を駆動するインバータ装置２３とプロペラファン２９を駆動するファンモータ３０は、制御手段である制御器２１によって制御される。 制御器２１は、マイクロコンピュータおよびその周辺回路から構成される。制御器２１には、その入力側に水―冷媒熱交換器２６の入口側の水配管５の温度（以下、入口水温（入口媒体温度）Ｔｉｎという。）を検出する入口温度センサ３２と水―冷媒熱交換器２６の出口側の水配管５の温度（以下、出口水温(出口媒体温度)Ｔｏｕｔという。）を検出する出口温度センサ３１が入力される。さらに、制御器２１には、使用者が設定操作可能な操作手段である操作器２２が接続されている。 制御器２１には、これらのセンサ３１、３２の検出温度および操作器２２の設定内容が入力され、制御器２１は、入力されたデータに基づき圧縮機２４やファンモータ３０の回転数を決定し、制御する。
【００１５】
さらに、熱源側熱交換器２８の加熱運転時の冷媒出口配管近傍には熱交温度センサ３３が設けられ、冷媒温度（Ｔｅ）を検出する。また熱源側熱交換器２８の熱交換用空気流入側には熱交換用の空気温度（Ｔｏ）を検出する温度センサ３４が設けられている。
【００１６】
これらのセンサ３３，３４も制御器２１に接続され、制御器２１は、検出した各温度Ｔｅ、Ｔｏを読み取る。 これらのセンサ３３，３４の検出温度は、熱源側熱交換器２８の着霜状態の検出に用いられる。制御器２１は、各温度Ｔｅ、Ｔｏの差（Ｔｏ−Ｔｅ）及びその差の時間変化に基づき着霜状態を検出し、その着霜量が除霜に必要な量に到達したか否かを判断し、除霜が必要と判断した場合、除霜運転を行なう。なお、上述したように除霜運転が必要なければ、これらのセンサ３３，３４は不要となる。
【００１７】
操作手段として機能する操作器２２は、図２にその外観を示すように、表面に２種類のアップ／ダウン操作ボタン２２ａ、２２ｂ及びヒートポンプ式熱源機２の運転／停止を指示する運転／停止ボタン２２ｃが設けられている。第１アップ／ダウン操作ボタン２２ａは、ヒートポンプ式熱源機２によって加熱した水配管中の温水の目標温度Ｔｓを設定するためのもので、使用者もしくは設置者によって操作されることで出水温度の目標値が設定される。図２の例においては、Ｔｓが、４５℃に設定されている。
【００１８】
一方、第２アップダウン操作ボタン２２ｂは、入口側の水温に基づき冷凍サイクル、すなわち圧縮機の停止を行うための入口側停止温度Ｔｓｉ（℃）を設定するための操作ボタンとなっている。 この第２アップダウン操作ボタン２２ｂは、温度差Ｔｘ（℃）を使用者もしくは設置者が設定するもので、この温度差Ｔｘは、詳細を後述するが、上述の第１アップ／ダウン操作ボタン２２ａによって設定される目標温度Ｔｓとが組み合わされた所定の演算によって入口側停止温度Ｔｓｉを算出するものである。図２の例においては、この温度差Ｔｘが、３℃に設定されている。
【００１９】
第１アップ／ダウン操作ボタン２２ａの上部には表示手段である第１液晶表示部２２ｄが設けられており、第１アップ／ダウン操作ボタン２２ａによって設定された目標温度Ｔｓがデジタル値で表示される。
【００２０】
一方、第２アップ／ダウン操作ボタン２２ｂの上部にも表示手段である第２液晶表示部２２ｅが設けられており、第２アップ／ダウン操作ボタン２２ｂによって設定された温度差Ｔｘがデジタル値で表示される。
【００２１】
制御器２１は、操作器２２により設定された温水の目標温度Ｔｓ及び温度差Ｔｘを読み込むとともに入口温度センサ３２の検出する入口水温Ｔｉｎと出口温度センサ３１が検出する出口水温Ｔｏｕｔ、冷媒温度Ｔｅ、空気（外気）温度Ｔｏを読み込む。 制御器２１は、これらのデータ等を用いてヒートポンプ式熱源機２を制御するための以下の手段を有している。
【００２２】
（１） 設定された温水の目標温度Ｔｓから冷凍サイクル(圧縮機)を停止する出口側停止温度Ｔｏｓを設定するとともに、目標温度Ｔｓ及び温度差Ｔｘから冷凍サイクル(圧縮機)を停止する入口側停止温度Ｔｉｓを設定する停止温度設定手段
（２） 入口水温Ｔｉｎと入口側停止温度Ｔｉｓを比較するとともに出口水温Ｔｏｕｔと出口側停止温度Ｔｏｓを比較し、入口水温Ｔｉｎが入口側停止温度Ｔｉｓを超えた場合または出口水温Ｔｏｕｔが出口側停止温度Ｔｏｓを超えた場合の少なくともいずれか一方を検出した時にヒートポンプ式熱源機２の冷凍サイクル（圧縮機）を停止する停止制御手段。
【００２３】
（３） ヒートポンプ式熱源機２の運転中、目標温度Ｔｓと出口水温Ｔｏｕｔとの差ΔＴ及びその時間変化に応じてインバータ装置２３の出力周波数ｆを変化させ、圧縮機２４の回転数を制御してヒートポンプ式熱源機２の加熱量を制御する加熱量制御手段。
（４） 熱源側熱交換器２８の冷媒温度Ｔｅと熱交換用の空気温度Ｔｏの差（Ｔｏ−Ｔｅ）及びその時間変化に基づき着霜状態を検出し、その着霜量が除霜に必要な量に到達したか否かを判断し、除霜が必要と判断した場合、除霜運転を行う除霜運転手段。
【００２４】
ここで、本実施形態における停止温度設定手段における各種の温度設定値の算出方法について説明する。
【００２５】
まず、出口側停止温度Ｔｏｓは、設定された温水の目標温度Ｔｓから所定の値Ａ（℃）を加えた値とする。すなわち、Ｔｏｓ＝Ｔｓ＋Ａとなる。次に、入口側停止温度Ｔｉｓは、算出された出口側停止温度Ｔｏｓから第２アップ／ダウン操作ボタン２２ｂによって設定された温度差Ｔｘを差し引いた値とする。すなわち、Ｔｉｓ＝Ｔｏｓ−Ｔｘとなる。なお、この値は、目標温度Ｔｓと所定の値Ａ（℃）を用いてＴｉｓ＝Ｔｓ＋Ａ−Ｔｘで算出することもできる。
【００２６】
ここで、所定値Ａは、ヒートポンプ式熱源機２から利用側機器４に至るまでの水配管５での放熱を考慮して設定される補正値である。この所定値Ａは、予め制御器１内のメモリーに記憶されている。 なお、ヒートポンプ式熱源機２から利用側機器４に至るまでの水配管５が短い場合や断熱性が高い場合には、所定値Ａを０に設定しても良い。
【００２７】
上述のとおり、出口側停止温度Ｔｏｓと入口側停止温度Ｔｉｓとの差は温度差Ｔｘとなっている。ここで、ヒートポンプ式熱源機２に流れる水量（Ｌ／分）を一定にした場合、ヒートポンプ式熱源機２の定格加熱能力による水温の温度上昇値、すなわち、入口水温Ｔｉｎと出口水温Ｔｏｕｔとの差は、厳密には入水温度に若干影響されるが、ほぼ一定値となる。この定格加熱能力における水温の温度上昇値をＢ(℃)で表すと、入口水温Ｔｉｎと出口水温Ｔｏｕｔとの関係はＴｏｕｔ＝Ｔｉｎ＋Ｂとなる。なお、一般的なヒートポンプ式熱源機２では、温度上昇値Ｂは５℃程度である。言い換えると、一般的な加温システムでは、この温度差Ｂで媒体が加熱することでシステムが成り立つように、ポンプ３の流量とヒートポンプ式熱源機２の定格能力が選定される。
【００２８】
制御器２１の冷凍サイクル（圧縮機）を停止する停止制御手段による圧縮機停止のタイミングについて、説明する。第２アップ／ダウン操作ボタン２２ｂによって設定された温度差ＴｘがＢよりも大きい場合、Ｔｉｓ＝Ｔｏｓ−Ｔｘであること及び正常な安定状態での条件Ｔｏｕｔ＝Ｔｉｎ＋Ｂから、正常時においては、出口水温Ｔｏｕｔが出口側停止温度Ｔｏｓに到達するよりも先に入口水温Ｔｉｎが入口側停止温度Ｔｉｓに到達することになる。したがって、このような温度差設定では、制御器２１の停止制御手段によってヒートポンプ式熱源機２の冷凍サイクルの停止は、入口水温Ｔｉｎによって制御される。
【００２９】
一方、第２アップ／ダウン操作ボタン２２ｂによって設定された温度差ＴｘがＢよりも小さい場合には、逆に、入口水温Ｔｉｎが入口側停止温度Ｔｉｓに達するよりも先に出口水温Ｔｏｕｔが出口側停止温度Ｔｏｓに到達する。したがって、このような温度差設定では、制御器２１の停止制御手段は、ヒートポンプ式熱源機２の冷凍サイクルの停止は、出口温度Ｔｏｕｔによって制御される。
【００３０】
ここで、本実施の形態のヒートポンプ式熱源機２における、温度上昇値Ｂが５℃であるとすると、図２に示すように第２アップダウン操作ボタン２２ｂによって設定された温度差Ｔｘが３℃（＜Ｂ＝５℃）となっている場合には、Ｔｓ＝４５℃、Ｔｏｓ＝４５℃＋Ａ、Ｔｉｓ＝４５℃−３℃＋Ａ＝４２℃＋Ａとなり、ヒートポンプ式熱源機２の加熱運転に伴い、入口水温Ｔｉｎが入口側停止温度Ｔｉｓ（＝４２℃＋Ａ）に達するよりも先に出口水温Ｔｏｕｔが出口側停止温度Ｔｏｓ（＝４５℃＋Ａ）に到達し、ヒートポンプ式熱源機２の冷凍サイクル（圧縮機）が停止される。すなわち、入口水温Ｔｉｎが入口側停止温度Ｔｉｓ（＝４２℃＋Ａ）に到達する時の出口水温Ｔｏｕｔは、Ｔｏｕｔ＝Ｔｉｓ＋Ｂ＝４２℃＋Ａ＋５℃＝４７℃＋Ａ＞４５℃＋Ａとなることから、入口水温Ｔｉｎが入口側停止温度Ｔｉｓに達する以前に出口水温Ｔｏｕｔが出口側停止温度Ｔｏｓに到達する。
また、例えば、温度差Ｔｘが７℃（＞Ｂ＝５℃）に設定された場合には、Ｔｓ＝４５℃、Ｔｏｓ＝４５℃＋Ａ、Ｔｉｓ＝４５℃−７℃＋Ａ＝３８℃＋Ａとなり、ヒートポンプ式熱源機２の加熱運転に伴い、出口水温Ｔｏｕｔが出口側停止温度Ｔｏｓ（＝４５℃＋Ａ）に到達するよりも先に入口水温Ｔｉｎが入口側停止温度Ｔｉｓ（３８℃＋Ａ）に達し、ヒートポンプ式熱源機２の冷凍サイクル（圧縮機）が停止される。したがって、温度差ＴｘをＢより大きく設定すると入口温度制御となり、温度差ＴｘをＢより小さく設定すると出口温度制御とすることができる。このため、１つのヒートポンプ熱源機２において、使用者による温度差Ｔｘの設定値によって、入口温度制御と出口温度制御の切替が可能となる。
【００３１】
さらに、制御器２１の停止制御手段は、入口水温Ｔｉｎが入口側停止温度Ｔｉｓを超えた場合または出口水温Ｔｏｕｔが出口側停止温度Ｔｏｓを超えた場合の少なくともいずれか一方を検出した時にヒートポンプ式熱源機２の冷凍サイクル（圧縮機）を停止する。このため、万が一、入口温度センサ３２及び出口温度センサ３１が、取り付け位置から脱落するなどの不具合が発生しても、最終的には、正常な側のセンサで、ヒートポンプ式熱源機２の冷凍サイクルを停止させることが出来るため、水温が異常に上昇したり、水温が目標値に到達しているにもかかわらず、永遠に停止しないで運転を継続するという不具合を防止できる。
【００３２】
ここで、温度差Ｔｘを、０℃等の小さな値に設定してしまうと、万が一、出口温度センサ３１に不具合が発生した場合、入口温度センサ３２の検出温度上昇に基づき冷凍サイクルを停止するに至るまでに出口水温が極端に上昇してしまうという問題が生じるため、あまり低い値にすることは望ましくない。
一方、温度差Ｔｘを、１０℃等の大きな値に設定してしまうと、常に出口水温Ｔｏｕｔが出口側停止温度Ｔｏｓに近づくよりも大幅に早めに入口水温Ｔｉｎが入口側停止温度Ｔｉｓに到達して冷凍サイクルを停止することになる。ここで、ヒートポンプ式熱源機２の圧縮機２４は、インバータ装置２４により出口水温Ｔｏｕｔに基づいて可変速制御されていることから、出口水温Ｔｏｕｔが低い状態で冷凍サイクルを停止すると、インバータ装置２３の可変速制御による効率的な運転が十分に発揮できなくなる。したがって、温度差Ｔｘを、極端に大きな値に設定することも望ましくない。
このことから、温度差Ｔｘは、温度上昇値Ｂ±３℃程度の範囲、すなわち、ヒートポンプ式熱源機２による温度上昇値Ｂが５℃の場合、２℃〜８℃の間の値に設定することが望ましい。
【００３３】
以下、操作器２２での設定内容に基づく制御器２１によるヒートポンプ式熱源機２の運転動作を、図３の制御器２１の制御フローチャートに基づき説明する。
【００３４】
制御器２１は、運転／停止ボタン２２ｃにおいて運転が設定されている間は、ヒートポンプ式熱源機２を運転するために操作器２２に設定された目標温度Ｔｓ、温度差Ｔｘを読み込むと共に各種温度センサの検出値である入口水温Ｔｉｎ、出口水温Ｔｏｕｔ、冷媒温度Ｔｅと熱交換用の空気温度Ｔｏを読み込む。なお、運転／停止ボタン２２ｃにおいて停止が設定されていれば、ヒートポンプ式熱源機２の運転を停止する。
続いて、目標温度Ｔｓ及び温度差Ｔｘから入口側停止温度Ｔｉｓ及び出口側停止温度Ｔｏｓを前述の計算式にて算出する（ステップＳＴ１）。
【００３５】
ステップＳＴ１に続き、入口水温Ｔｉｎと入口側停止温度Ｔｉｓを比較し（ステップＳＴ２）、Ｔｉｎ＞Ｔｉｓとなった場合（ステップＳＴ２のＹｅｓ）は、利用側機器４での放熱が少なく、水循環経路中の水を加熱する必要がないと判断され、ヒートポンプ式熱源機２の冷凍サイクルの運転を停止、すなわち、圧縮機２４、ファンモータ３０を停止させる（ステップＳＴ３）。ステップＳＴ３で冷凍サイクルを停止させた後は、冷凍サイクルの圧力バランスをとるため、及び頻繁な運転停止の発生を防止するために、所定時間（例えば3分間）停止状態を維持する待機状態とする（ステップＳＴ４）。 ステップＳＴ４で所定時間が経過すると、再び最初のステップＳＴ０に戻る。
【００３６】
一方、ステップＳＴ２において、入口水温Ｔｉｎが入口側停止温度Ｔｉｓよりも低い場合（ステップＳＴ２のＮｏ）には、出口水温Ｔｏｕｔと出口側停止温度Ｔｏｓを比較し（ステップＳＴ５）、Ｔｏｕｔ＞Ｔｏｓとなった場合（ステップＳＴ５のＹｅｓ）には、出口水温が上がりすぎているため、水循環経路中の水を加熱する必要がないと判断され、ステップＳＴ３に移行し、ヒートポンプ式熱源機２の冷凍サイクルの運転を停止、すなわち、圧縮機２４、ファンモータ３０を停止させる（ステップＳＴ３）。以下、ステップＳＴ２のＹｅｓの場合と同様にステップＳＴ４を経由して最初のステップＳＴ０に戻る。
【００３７】
したがって、入口水温Ｔｉｎが入口側停止温度Ｔｉｓを超えた場合または出口水温Ｔｏｕｔが出口側停止温度Ｔｏｓを超えた場合の少なくともいずれか一方を検出した時にヒートポンプ式熱源機２の冷凍サイクル（圧縮機）が停止される。
【００３８】
入口水温Ｔｉｎが入口側停止温度Ｔｉｓを超えず、かつ出口水温Ｔｏｕｔが出口側停止温度Ｔｏｓを超ていない場合、すなわち、ステップＳＴ５のＮｏの場合には、利用側機器４に供給する水の温度が低下しているため、加熱が必要と判断され、ヒートポンプ式熱源機２の冷凍サイクルを運転する。 すなわち、圧縮機２４、ファンモータ３０を運転させる（ステップＳＴ６〜８）。
【００３９】
具体的には、圧縮機２４を運転するインバータ装置２３の出力周波数ｆをステップＳＴ６、７で決定して、決定された周波数出力ｆをインバータ装置２３から圧縮機２４に対して出力させるとともにファンモータ３０が所定の回転数となるように運転する。 まず、ステップＳＴ６では、温度差ΔＴを操作器２２により設定された目標温度Ｔｓから出口水温Ｔｏｕｔを減算することで算出する。 続いてステップＳＴ７にてこの温度差ΔＴとその時間変化割合に基づきインバータ装置２３の出力周波数ｆを算出する。この出力周波数ｆの算出は、例えばＰＩ制御等により、温度差ΔＴに比例積分して出力周波数ｆを決定する。 そして、算出された出力周波数ｆとなるように次のステップＳＴ８でインバータ装置２３を制御する。
【００４０】
この結果、目標温度Ｔｓと出口水温Ｔｏｕｔとの差ΔＴが大きければ出力周波数ｆが大きくなって圧縮機２４の回転数が増加し、ヒートポンプ式熱源機２の加熱能力を増大させ、差ΔＴが小さければ出力周波数ｆが小さくなって圧縮機２４の回転数が低下し、ヒートポンプ式熱源機２の加熱能力を減少させる。このため、利用側機器４の熱負荷に応じた加熱運転が実施できる。
【００４１】
ステップＳＴ８に続き、除霜運転の要否の判定が行われる。まず、冷媒温度Ｔｅと空気温度Ｔｏとの差（Ｔｏ−Ｔｅ）及びその時間変化が算出される（ステップＳＴ９）。算出されたデータが、予め定められた除霜必要条件に合致するか否かが判定される(ステップＳＴ１０)。ここで、除霜が必要と判断されると冷凍サイクルの除霜運転が実行される（ステップＳＴ１１）。除霜運転中は除霜運転が完了したか否かが判断され(ステップＳＴ１２)、完了するまで（ステップＳＴ１２のＮＯ）除霜運転が継続され、完了すれば（ステップＳＴ１２のＹＥＳ）、再びステップＳＴ０に戻り、加熱運転に復帰する。なお、除霜完了の判断は、例えば、除霜運転の時間（７分間）や冷媒温度Ｔｅの温度上昇等が用いられる。
一方、ステップＳＴ１０において除霜が不要と判断された場合（ステップＳＴ１０のＮｏ）は、ステップＳＴ０に戻り、再び各ステップを繰り返す。
【００４２】
ここで、図２に戻り、冷凍サイクルの動作を説明する。ここで、水配管５中の水を流通させるためのポンプ３は、常に運転している。
加熱運転中は、図２に示す冷凍サイクルの配管の横に記載された実線矢印の方向に冷媒が流れる。 まず圧縮機２４が運転されると、圧縮され高温・高圧となった冷媒は、四方弁２５を通過して水―冷媒熱交換器２６へと流入する。水―冷媒熱交換器２６は、凝縮器として機能し、冷媒の熱を水配管５中を流れる水に供給し、水を加熱し、冷媒自身は凝縮して液冷媒となる。この液冷媒は、膨張弁２７を通過する際に膨張して低圧・低温となり、蒸発器として機能する熱源側熱交換器２８へと流入する。熱源側熱交換器２８内で、冷媒は、プロペラファン２９によって送風される空気と熱交換し、空気中の熱を奪い、ガス冷媒へと蒸発し、四方弁２５を通って圧縮機２４へと戻り、これを繰り返す。
【００４３】
一方、図１に示されるように水配管５中を流れる水は、利用側機器４で低温となり、水配管５を通り水―冷媒熱交換器２６へと流入する。水―冷媒熱交換器２６は、凝縮器として機能するため、水配管５から水―冷媒熱交換器２６へと流入した水は水―冷媒熱交換器２６内で高温の冷媒と熱交換し、加熱されて高温となる。その後、水―冷媒熱交換器２６の出口から流出し、水配管５を通じてポンプ３を経由して利用側機器４に流れる。利用側機器４では、高温となった水を用いて、暖房または加温を行う。その後、利用側機器４で放熱し、温度が低下した水は再びヒートポンプ式熱源機２の水―冷媒熱交換器２６へと流入する。
【００４４】
本実施の形態では、使用者または設置(業)者が、ヒートポンプ式熱源機２の操作器２２を操作して温度差Ｔｘを設定することで、この温度差Ｔｘの設定温度によって、主に入口水温上昇によってヒートポンプ式熱源機２の加熱運転を停止するか、出口水温上昇によってヒートポンプ式熱源機２の加熱運転を停止するかを選択することができる。このため、同じヒートポンプ式熱源機２でありながら温度差Ｔｘ設定によって、主として入口水温による加熱運転の停止と、出口水温による加熱運転の停止を選択することができ、ヒートポンプ式熱源機２の汎用性を高めることができる。
【００４５】
さらに、入口温度センサ３２または出口温度センサ３１のいずれかに不具合が生じ、正確な温度検出ができなくなった場合でも、最終的に正常な側のセンサの検出温度によって、ヒートポンプ式熱源機２の運転を停止させることができ、機器の信頼性や安全性を高めることができる。
【００４６】
なお、本実施の形態においては、インバータ装置２３の出力周波数を決定するための設定温度として操作器２２の第１アップ／ダウン操作ボタン２２ａによって設定された設定温度Ｔｓをそのまま用いるようにしている。 しかしながら、操作器２２における設定温度Ｔｓを利用側機器４における水温の目標値とした場合、利用側機器４では、温水が放熱され、温度が低下するため、利用側機器４における水温の平均値を目標値としなければならなくなることもある。このような状況に対処するため、第１アップ／ダウン操作ボタン２２ａによって設定された設定温度Ｔｓをそのまま水―冷媒熱交換器２６の出口水温Ｔｏｕｔの目標値に設定するのではなく、出口水温の制御目標値としては、設定温度Ｔｓに若干の補正値α（＞０）を加え、Ｔｓ＝Ｔｓ＋αとすれば良い。 なお、この場合には、出口側停止温度Ｔｏｓ及び入口側停止温度Ｔｉｓの算出において用いられる設定温度Ｔｓにも、この新たな設定温度Ｔｓ＝Ｔｓ＋αが使用される。
【００４７】
また、すでに説明したとおり、操作者や設置者によって設定される温度差Ｔｘに、極端に大きい値や小さい値を設定することはヒートポンプ式熱源機２の運転制御上、好ましくない。 このため、操作器２２の第２アップ／ダウン操作ボタン２２ｂの操作によって設定可能な温度差Ｔｘを、予め、ヒートポンプ式熱源機２による温度上昇値Ｂに所定値だけ加算及び減産した値の範囲内に制限しても良い。
【００４８】
本発明は、上記実施形態に限定されない。さらに、本発明の実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、本発明の実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１…加温システム、２…ヒートポンプ式熱源機、３…ポンプ、４…利用側機器（負荷）、５…水配管、２２…操作器、２１…制御器、２３…インバータ装置、２４…圧縮機、２６…水―冷媒熱交換器、２８…熱源側熱交換器、２９…プロペラファン、３０…ファンモータ、３１…出口温度センサ、３２…入口温度センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、ヒートポンプ式冷凍サイクルを用いて水等の熱媒体を加熱するヒートポンプ式熱源機に関する。
【背景技術】
【０００２】
床暖房、ファンコイルユニット等の負荷(利用側機器)に対して温水を供給して暖房等を行なう加温システムにおいて、水を加熱する手段として外気等の空気を熱源としたヒートポンプ式熱源機が用いられている。また、工場の部品洗浄工程に設けられた洗浄槽の洗浄剤の水温を一定に保つためにも、このようなヒートポンプ式熱源機が用いられ始めている。
このようなヒートポンプ式熱源機では、循環する水や洗浄剤等の熱媒体がヒートポンプ冷凍サイクル中の凝縮冷媒と熱交換する熱媒体−冷媒熱交換器を設け、この熱交換器を通過する媒体を所定の温度まで加熱して利用側機器へと供給する。供給された媒体は、利用側機器側で放熱して、低温となって再びヒートポンプ式熱源機へと戻る。 このように、熱媒体は、利用側機器とヒートポンプ式熱源機との間に形成された循環経路を流れる。
【０００３】
利用側機器としては、上述のように床暖房、ファンコイルユニット、洗浄槽等の様々な機器が接続される。また、利用側が同じ種類の機器であっても、その利用側機器の仕様や利用形態に応じて、ヒートポンプ式熱源機の仕様には様々な要求がある。 ヒートポンプ式熱源機の冷凍サイクルの運転停止については、ヒートポンプ式熱源機の冷媒―媒体熱交換器の入口側の媒体温度を用いる場合（以下、入口温度制御という。）と加熱後の出口側の媒体温度を用いる場合（以下、出口温度制御という。）がある。（特許文献１、２参照）このいずれの制御を用いるかは、利用側機器の利用形態、媒体温度の変動の許容範囲等の要求仕様によって決定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−１４４２５６号公報
【特許文献２】特開昭６２−６１８５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、入口温度制御と出口温度制御に対して対応するヒートポンプ式熱源機をそれぞれ準備した場合、機種数が増加してしまい、製造や流通が非効率的になるとともに管理も複雑になる。
また、一旦、いずれか一方の制御を採用したヒートポンプ式熱源機を設置後、実際の運用において制御の変更が必要になった場合には機器を入れ替えなければならないという問題が生じる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態によれば、ヒートポンプ式熱源機は、熱媒体―冷媒熱交換器の入口側の媒体温度を検出する入口温度センサと、熱媒体―冷媒熱交換器の出口側の媒体温度を検出する出口温度センサと、入口側停止温度及び出口側停止温度を設定する停止温度設定手段とを備える。 そして、入口媒体温度が入口側停止温度を超えた場合または出口媒体温度が出口側停止温度を超えた場合の少なくともいずれか一方が生じた時に冷凍サイクルの運転を停止する運転停止制御手段を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態に係る加温システムの構成図。
【図２】同加温システムに使用されるヒートポンプ式熱源機の冷凍サイクルと制御ブロック図。
【図３】同ヒートポンプ式熱源機の制御フローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の実施形態について、図１乃至図３を用いて説明する。 本発明の実施形態に係るヒートポンプ式熱源機２を用いた加温システム１の構成を図１に示す。
【０００９】
加温システム１では、床暖房、ファンコイルユニット、洗浄槽等の利用側機器４に媒体配管５から供給される熱媒体が流通する。ここで、一般的に、熱媒体としては水が利用されることが多いため、以下の説明においては熱媒体に水を用いた例で説明する。 利用側機器４では、温水の熱が放熱され所定の暖房や加温が行われる。 水（媒体）配管５は途中にポンプ３が設けられ、このポンプ３が動作することで水配管５内の水が流通するようになっている。 水配管５途中にヒートポンプ式熱源機２が直列に設けられている。水配管５は利用側機器４とポンプ３、ヒートポンプ式熱源機２の水(媒体)―冷媒熱交換器(図２中の２６)を直列に接続した閉回路を形成している。ポンプ３を運転することで、水配管５内の水が利用側機器４とヒートポンプ式熱源機２間を循環する。 なお、利用側機器４を洗浄槽とした場合、洗浄液をそのままとヒートポンプ式熱源機２に循環させてもよい。
また、図１ではヒートポンプ式熱源機２と利用側機器４との間に水配管５の閉回路中に水を流通させるポンプ３を配置しているが、ポンプ３の設置位置は水配管５途中のどこに設けても良く、ヒートポンプ式熱源機２に内蔵しても良い。
【００１０】
ポンプ３の運転によって、利用側機器４から流出した低温水は、ヒートポンプ式熱源機２を直列に流れる。ここで、ヒートポンプ式熱源機２が運転されれば、水配管５内の水が水配管５を循環している間に所望の温度になるまでヒートポンプ式熱源機２で加熱され、この加熱された水（湯）が、利用側機器４に送られる。この結果、利用側機器４には温水が供給され、その熱を放熱して、暖房または加温が実行される。
【００１１】
図２に示すヒートポンプ式熱源機２は、ヒートポンプ式冷凍サイクルとその冷凍サイクルを制御する制御装置とから構成される。ヒートポンプ式冷凍サイクルは、インバータ装置２３で可変速駆動される圧縮機２４、冷媒の流通方向を変更する四方弁２５、水(媒体)―冷媒熱交換器２６、膨張弁２７、熱源側熱交換器２８、再び四方弁２を通過して圧縮機２４へと戻るように順次冷媒配管を接続することで構成された一般的な冷凍サイクルとなっている。
【００１２】
熱源側熱交換器２８は、例えば、フィンドチューブタイプの空気熱交換器であり、この熱交換器に通風するためのプロペラファン２９が設けられている。 四方弁２５は熱源側熱交換器２８の表面に空気中の水分が凝縮してできる着霜を溶かす除霜運転のために設けられているが、着霜しない高温の雰囲気条件下で熱源側熱交換器２８が使用されるのであれば、四方弁２５は不要となる。
【００１３】
冷凍サイクルが運転されると圧縮機２４で冷媒が圧縮され、吐出された高温高圧冷媒が四方弁２５を経由して水―冷媒熱交換器２６に流れる。水―冷媒熱交換器２６では水配管５を流れる水と冷凍サイクル中の高温高圧冷媒が熱交換し、水が加熱される。
ヒートポンプ式熱源機２の冷凍サイクルの冷媒として、本実施形態ではＨＦＣ冷媒であるＲ４１０Ａを用いているが、適切な他の冷媒を用いてもよい。
【００１４】
次に、図２に従ってヒートポンプ式熱源機２の制御装置について説明する。 圧縮機２４を駆動するインバータ装置２３とプロペラファン２９を駆動するファンモータ３０は、制御手段である制御器２１によって制御される。 制御器２１は、マイクロコンピュータおよびその周辺回路から構成される。制御器２１には、その入力側に水―冷媒熱交換器２６の入口側の水配管５の温度（以下、入口水温（入口媒体温度）Ｔｉｎという。）を検出する入口温度センサ３２と水―冷媒熱交換器２６の出口側の水配管５の温度（以下、出口水温(出口媒体温度)Ｔｏｕｔという。）を検出する出口温度センサ３１が入力される。さらに、制御器２１には、使用者が設定操作可能な操作手段である操作器２２が接続されている。 制御器２１には、これらのセンサ３１、３２の検出温度および操作器２２の設定内容が入力され、制御器２１は、入力されたデータに基づき圧縮機２４やファンモータ３０の回転数を決定し、制御する。
【００１５】
さらに、熱源側熱交換器２８の加熱運転時の冷媒出口配管近傍には熱交温度センサ３３が設けられ、冷媒温度（Ｔｅ）を検出する。また熱源側熱交換器２８の熱交換用空気流入側には熱交換用の空気温度（Ｔｏ）を検出する温度センサ３４が設けられている。
【００１６】
これらのセンサ３３，３４も制御器２１に接続され、制御器２１は、検出した各温度Ｔｅ、Ｔｏを読み取る。 これらのセンサ３３，３４の検出温度は、熱源側熱交換器２８の着霜状態の検出に用いられる。制御器２１は、各温度Ｔｅ、Ｔｏの差（Ｔｏ−Ｔｅ）及びその差の時間変化に基づき着霜状態を検出し、その着霜量が除霜に必要な量に到達したか否かを判断し、除霜が必要と判断した場合、除霜運転を行なう。なお、上述したように除霜運転が必要なければ、これらのセンサ３３，３４は不要となる。
【００１７】
操作手段として機能する操作器２２は、図２にその外観を示すように、表面に２種類のアップ／ダウン操作ボタン２２ａ、２２ｂ及びヒートポンプ式熱源機２の運転／停止を指示する運転／停止ボタン２２ｃが設けられている。第１アップ／ダウン操作ボタン２２ａは、ヒートポンプ式熱源機２によって加熱した水配管中の温水の目標温度Ｔｓを設定するためのもので、使用者もしくは設置者によって操作されることで出水温度の目標値が設定される。図２の例においては、Ｔｓが、４５℃に設定されている。
【００１８】
一方、第２アップダウン操作ボタン２２ｂは、入口側の水温に基づき冷凍サイクル、すなわち圧縮機の停止を行うための入口側停止温度Ｔｓｉ（℃）を設定するための操作ボタンとなっている。 この第２アップダウン操作ボタン２２ｂは、温度差Ｔｘ（℃）を使用者もしくは設置者が設定するもので、この温度差Ｔｘは、詳細を後述するが、上述の第１アップ／ダウン操作ボタン２２ａによって設定される目標温度Ｔｓとが組み合わされた所定の演算によって入口側停止温度Ｔｓｉを算出するものである。図２の例においては、この温度差Ｔｘが、３℃に設定されている。
【００１９】
第１アップ／ダウン操作ボタン２２ａの上部には表示手段である第１液晶表示部２２ｄが設けられており、第１アップ／ダウン操作ボタン２２ａによって設定された目標温度Ｔｓがデジタル値で表示される。
【００２０】
一方、第２アップ／ダウン操作ボタン２２ｂの上部にも表示手段である第２液晶表示部２２ｅが設けられており、第２アップ／ダウン操作ボタン２２ｂによって設定された温度差Ｔｘがデジタル値で表示される。
【００２１】
制御器２１は、操作器２２により設定された温水の目標温度Ｔｓ及び温度差Ｔｘを読み込むとともに入口温度センサ３２の検出する入口水温Ｔｉｎと出口温度センサ３１が検出する出口水温Ｔｏｕｔ、冷媒温度Ｔｅ、空気（外気）温度Ｔｏを読み込む。 制御器２１は、これらのデータ等を用いてヒートポンプ式熱源機２を制御するための以下の手段を有している。
【００２２】
（１） 設定された温水の目標温度Ｔｓから冷凍サイクル(圧縮機)を停止する出口側停止温度Ｔｏｓを設定するとともに、目標温度Ｔｓ及び温度差Ｔｘから冷凍サイクル(圧縮機)を停止する入口側停止温度Ｔｉｓを設定する停止温度設定手段
（２） 入口水温Ｔｉｎと入口側停止温度Ｔｉｓを比較するとともに出口水温Ｔｏｕｔと出口側停止温度Ｔｏｓを比較し、入口水温Ｔｉｎが入口側停止温度Ｔｉｓを超えた場合または出口水温Ｔｏｕｔが出口側停止温度Ｔｏｓを超えた場合の少なくともいずれか一方を検出した時にヒートポンプ式熱源機２の冷凍サイクル（圧縮機）を停止する停止制御手段。
【００２３】
（３） ヒートポンプ式熱源機２の運転中、目標温度Ｔｓと出口水温Ｔｏｕｔとの差ΔＴ及びその時間変化に応じてインバータ装置２３の出力周波数ｆを変化させ、圧縮機２４の回転数を制御してヒートポンプ式熱源機２の加熱量を制御する加熱量制御手段。
（４） 熱源側熱交換器２８の冷媒温度Ｔｅと熱交換用の空気温度Ｔｏの差（Ｔｏ−Ｔｅ）及びその時間変化に基づき着霜状態を検出し、その着霜量が除霜に必要な量に到達したか否かを判断し、除霜が必要と判断した場合、除霜運転を行う除霜運転手段。
【００２４】
ここで、本実施形態における停止温度設定手段における各種の温度設定値の算出方法について説明する。
【００２５】
まず、出口側停止温度Ｔｏｓは、設定された温水の目標温度Ｔｓから所定の値Ａ（℃）を加えた値とする。すなわち、Ｔｏｓ＝Ｔｓ＋Ａとなる。次に、入口側停止温度Ｔｉｓは、算出された出口側停止温度Ｔｏｓから第２アップ／ダウン操作ボタン２２ｂによって設定された温度差Ｔｘを差し引いた値とする。すなわち、Ｔｉｓ＝Ｔｏｓ−Ｔｘとなる。なお、この値は、目標温度Ｔｓと所定の値Ａ（℃）を用いてＴｉｓ＝Ｔｓ＋Ａ−Ｔｘで算出することもできる。
【００２６】
ここで、所定値Ａは、ヒートポンプ式熱源機２から利用側機器４に至るまでの水配管５での放熱を考慮して設定される補正値である。この所定値Ａは、予め制御器１内のメモリーに記憶されている。 なお、ヒートポンプ式熱源機２から利用側機器４に至るまでの水配管５が短い場合や断熱性が高い場合には、所定値Ａを０に設定しても良い。
【００２７】
上述のとおり、出口側停止温度Ｔｏｓと入口側停止温度Ｔｉｓとの差は温度差Ｔｘとなっている。ここで、ヒートポンプ式熱源機２に流れる水量（Ｌ／分）を一定にした場合、ヒートポンプ式熱源機２の定格加熱能力による水温の温度上昇値、すなわち、入口水温Ｔｉｎと出口水温Ｔｏｕｔとの差は、厳密には入水温度に若干影響されるが、ほぼ一定値となる。この定格加熱能力における水温の温度上昇値をＢ(℃)で表すと、入口水温Ｔｉｎと出口水温Ｔｏｕｔとの関係はＴｏｕｔ＝Ｔｉｎ＋Ｂとなる。なお、一般的なヒートポンプ式熱源機２では、温度上昇値Ｂは５℃程度である。言い換えると、一般的な加温システムでは、この温度差Ｂで媒体が加熱することでシステムが成り立つように、ポンプ３の流量とヒートポンプ式熱源機２の定格能力が選定される。
【００２８】
制御器２１の冷凍サイクル（圧縮機）を停止する停止制御手段による圧縮機停止のタイミングについて、説明する。第２アップ／ダウン操作ボタン２２ｂによって設定された温度差ＴｘがＢよりも大きい場合、Ｔｉｓ＝Ｔｏｓ−Ｔｘであること及び正常な安定状態での条件Ｔｏｕｔ＝Ｔｉｎ＋Ｂから、正常時においては、出口水温Ｔｏｕｔが出口側停止温度Ｔｏｓに到達するよりも先に入口水温Ｔｉｎが入口側停止温度Ｔｉｓに到達することになる。したがって、このような温度差設定では、制御器２１の停止制御手段によってヒートポンプ式熱源機２の冷凍サイクルの停止は、入口水温Ｔｉｎによって制御される。
【００２９】
一方、第２アップ／ダウン操作ボタン２２ｂによって設定された温度差ＴｘがＢよりも小さい場合には、逆に、入口水温Ｔｉｎが入口側停止温度Ｔｉｓに達するよりも先に出口水温Ｔｏｕｔが出口側停止温度Ｔｏｓに到達する。したがって、このような温度差設定では、制御器２１の停止制御手段は、ヒートポンプ式熱源機２の冷凍サイクルの停止は、出口温度Ｔｏｕｔによって制御される。
【００３０】
ここで、本実施の形態のヒートポンプ式熱源機２における、温度上昇値Ｂが５℃であるとすると、図２に示すように第２アップダウン操作ボタン２２ｂによって設定された温度差Ｔｘが３℃（＜Ｂ＝５℃）となっている場合には、Ｔｓ＝４５℃、Ｔｏｓ＝４５℃＋Ａ、Ｔｉｓ＝４５℃−３℃＋Ａ＝４２℃＋Ａとなり、ヒートポンプ式熱源機２の加熱運転に伴い、入口水温Ｔｉｎが入口側停止温度Ｔｉｓ（＝４２℃＋Ａ）に達するよりも先に出口水温Ｔｏｕｔが出口側停止温度Ｔｏｓ（＝４５℃＋Ａ）に到達し、ヒートポンプ式熱源機２の冷凍サイクル（圧縮機）が停止される。すなわち、入口水温Ｔｉｎが入口側停止温度Ｔｉｓ（＝４２℃＋Ａ）に到達する時の出口水温Ｔｏｕｔは、Ｔｏｕｔ＝Ｔｉｓ＋Ｂ＝４２℃＋Ａ＋５℃＝４７℃＋Ａ＞４５℃＋Ａとなることから、入口水温Ｔｉｎが入口側停止温度Ｔｉｓに達する以前に出口水温Ｔｏｕｔが出口側停止温度Ｔｏｓに到達する。
また、例えば、温度差Ｔｘが７℃（＞Ｂ＝５℃）に設定された場合には、Ｔｓ＝４５℃、Ｔｏｓ＝４５℃＋Ａ、Ｔｉｓ＝４５℃−７℃＋Ａ＝３８℃＋Ａとなり、ヒートポンプ式熱源機２の加熱運転に伴い、出口水温Ｔｏｕｔが出口側停止温度Ｔｏｓ（＝４５℃＋Ａ）に到達するよりも先に入口水温Ｔｉｎが入口側停止温度Ｔｉｓ（３８℃＋Ａ）に達し、ヒートポンプ式熱源機２の冷凍サイクル（圧縮機）が停止される。したがって、温度差ＴｘをＢより大きく設定すると入口温度制御となり、温度差ＴｘをＢより小さく設定すると出口温度制御とすることができる。このため、１つのヒートポンプ熱源機２において、使用者による温度差Ｔｘの設定値によって、入口温度制御と出口温度制御の切替が可能となる。
【００３１】
さらに、制御器２１の停止制御手段は、入口水温Ｔｉｎが入口側停止温度Ｔｉｓを超えた場合または出口水温Ｔｏｕｔが出口側停止温度Ｔｏｓを超えた場合の少なくともいずれか一方を検出した時にヒートポンプ式熱源機２の冷凍サイクル（圧縮機）を停止する。このため、万が一、入口温度センサ３２及び出口温度センサ３１が、取り付け位置から脱落するなどの不具合が発生しても、最終的には、正常な側のセンサで、ヒートポンプ式熱源機２の冷凍サイクルを停止させることが出来るため、水温が異常に上昇したり、水温が目標値に到達しているにもかかわらず、永遠に停止しないで運転を継続するという不具合を防止できる。
【００３２】
ここで、温度差Ｔｘを、０℃等の小さな値に設定してしまうと、万が一、出口温度センサ３１に不具合が発生した場合、入口温度センサ３２の検出温度上昇に基づき冷凍サイクルを停止するに至るまでに出口水温が極端に上昇してしまうという問題が生じるため、あまり低い値にすることは望ましくない。
一方、温度差Ｔｘを、１０℃等の大きな値に設定してしまうと、常に出口水温Ｔｏｕｔが出口側停止温度Ｔｏｓに近づくよりも大幅に早めに入口水温Ｔｉｎが入口側停止温度Ｔｉｓに到達して冷凍サイクルを停止することになる。ここで、ヒートポンプ式熱源機２の圧縮機２４は、インバータ装置２４により出口水温Ｔｏｕｔに基づいて可変速制御されていることから、出口水温Ｔｏｕｔが低い状態で冷凍サイクルを停止すると、インバータ装置２３の可変速制御による効率的な運転が十分に発揮できなくなる。したがって、温度差Ｔｘを、極端に大きな値に設定することも望ましくない。
このことから、温度差Ｔｘは、温度上昇値Ｂ±３℃程度の範囲、すなわち、ヒートポンプ式熱源機２による温度上昇値Ｂが５℃の場合、２℃〜８℃の間の値に設定することが望ましい。
【００３３】
以下、操作器２２での設定内容に基づく制御器２１によるヒートポンプ式熱源機２の運転動作を、図３の制御器２１の制御フローチャートに基づき説明する。
【００３４】
制御器２１は、運転／停止ボタン２２ｃにおいて運転が設定されている間は、ヒートポンプ式熱源機２を運転するために操作器２２に設定された目標温度Ｔｓ、温度差Ｔｘを読み込むと共に各種温度センサの検出値である入口水温Ｔｉｎ、出口水温Ｔｏｕｔ、冷媒温度Ｔｅと熱交換用の空気温度Ｔｏを読み込む。なお、運転／停止ボタン２２ｃにおいて停止が設定されていれば、ヒートポンプ式熱源機２の運転を停止する。
続いて、目標温度Ｔｓ及び温度差Ｔｘから入口側停止温度Ｔｉｓ及び出口側停止温度Ｔｏｓを前述の計算式にて算出する（ステップＳＴ１）。
【００３５】
ステップＳＴ１に続き、入口水温Ｔｉｎと入口側停止温度Ｔｉｓを比較し（ステップＳＴ２）、Ｔｉｎ＞Ｔｉｓとなった場合（ステップＳＴ２のＹｅｓ）は、利用側機器４での放熱が少なく、水循環経路中の水を加熱する必要がないと判断され、ヒートポンプ式熱源機２の冷凍サイクルの運転を停止、すなわち、圧縮機２４、ファンモータ３０を停止させる（ステップＳＴ３）。ステップＳＴ３で冷凍サイクルを停止させた後は、冷凍サイクルの圧力バランスをとるため、及び頻繁な運転停止の発生を防止するために、所定時間（例えば3分間）停止状態を維持する待機状態とする（ステップＳＴ４）。 ステップＳＴ４で所定時間が経過すると、再び最初のステップＳＴ０に戻る。
【００３６】
一方、ステップＳＴ２において、入口水温Ｔｉｎが入口側停止温度Ｔｉｓよりも低い場合（ステップＳＴ２のＮｏ）には、出口水温Ｔｏｕｔと出口側停止温度Ｔｏｓを比較し（ステップＳＴ５）、Ｔｏｕｔ＞Ｔｏｓとなった場合（ステップＳＴ５のＹｅｓ）には、出口水温が上がりすぎているため、水循環経路中の水を加熱する必要がないと判断され、ステップＳＴ３に移行し、ヒートポンプ式熱源機２の冷凍サイクルの運転を停止、すなわち、圧縮機２４、ファンモータ３０を停止させる（ステップＳＴ３）。以下、ステップＳＴ２のＹｅｓの場合と同様にステップＳＴ４を経由して最初のステップＳＴ０に戻る。
【００３７】
したがって、入口水温Ｔｉｎが入口側停止温度Ｔｉｓを超えた場合または出口水温Ｔｏｕｔが出口側停止温度Ｔｏｓを超えた場合の少なくともいずれか一方を検出した時にヒートポンプ式熱源機２の冷凍サイクル（圧縮機）が停止される。
【００３８】
入口水温Ｔｉｎが入口側停止温度Ｔｉｓを超えず、かつ出口水温Ｔｏｕｔが出口側停止温度Ｔｏｓを超ていない場合、すなわち、ステップＳＴ５のＮｏの場合には、利用側機器４に供給する水の温度が低下しているため、加熱が必要と判断され、ヒートポンプ式熱源機２の冷凍サイクルを運転する。 すなわち、圧縮機２４、ファンモータ３０を運転させる（ステップＳＴ６〜８）。
【００３９】
具体的には、圧縮機２４を運転するインバータ装置２３の出力周波数ｆをステップＳＴ６、７で決定して、決定された周波数出力ｆをインバータ装置２３から圧縮機２４に対して出力させるとともにファンモータ３０が所定の回転数となるように運転する。 まず、ステップＳＴ６では、温度差ΔＴを操作器２２により設定された目標温度Ｔｓから出口水温Ｔｏｕｔを減算することで算出する。 続いてステップＳＴ７にてこの温度差ΔＴとその時間変化割合に基づきインバータ装置２３の出力周波数ｆを算出する。この出力周波数ｆの算出は、例えばＰＩ制御等により、温度差ΔＴに比例積分して出力周波数ｆを決定する。 そして、算出された出力周波数ｆとなるように次のステップＳＴ８でインバータ装置２３を制御する。
【００４０】
この結果、目標温度Ｔｓと出口水温Ｔｏｕｔとの差ΔＴが大きければ出力周波数ｆが大きくなって圧縮機２４の回転数が増加し、ヒートポンプ式熱源機２の加熱能力を増大させ、差ΔＴが小さければ出力周波数ｆが小さくなって圧縮機２４の回転数が低下し、ヒートポンプ式熱源機２の加熱能力を減少させる。このため、利用側機器４の熱負荷に応じた加熱運転が実施できる。
【００４１】
ステップＳＴ８に続き、除霜運転の要否の判定が行われる。まず、冷媒温度Ｔｅと空気温度Ｔｏとの差（Ｔｏ−Ｔｅ）及びその時間変化が算出される（ステップＳＴ９）。算出されたデータが、予め定められた除霜必要条件に合致するか否かが判定される(ステップＳＴ１０)。ここで、除霜が必要と判断されると冷凍サイクルの除霜運転が実行される（ステップＳＴ１１）。除霜運転中は除霜運転が完了したか否かが判断され(ステップＳＴ１２)、完了するまで（ステップＳＴ１２のＮＯ）除霜運転が継続され、完了すれば（ステップＳＴ１２のＹＥＳ）、再びステップＳＴ０に戻り、加熱運転に復帰する。なお、除霜完了の判断は、例えば、除霜運転の時間（７分間）や冷媒温度Ｔｅの温度上昇等が用いられる。
一方、ステップＳＴ１０において除霜が不要と判断された場合（ステップＳＴ１０のＮｏ）は、ステップＳＴ０に戻り、再び各ステップを繰り返す。
【００４２】
ここで、図２に戻り、冷凍サイクルの動作を説明する。ここで、水配管５中の水を流通させるためのポンプ３は、常に運転している。
加熱運転中は、図２に示す冷凍サイクルの配管の横に記載された実線矢印の方向に冷媒が流れる。 まず圧縮機２４が運転されると、圧縮され高温・高圧となった冷媒は、四方弁２５を通過して水―冷媒熱交換器２６へと流入する。水―冷媒熱交換器２６は、凝縮器として機能し、冷媒の熱を水配管５中を流れる水に供給し、水を加熱し、冷媒自身は凝縮して液冷媒となる。この液冷媒は、膨張弁２７を通過する際に膨張して低圧・低温となり、蒸発器として機能する熱源側熱交換器２８へと流入する。熱源側熱交換器２８内で、冷媒は、プロペラファン２９によって送風される空気と熱交換し、空気中の熱を奪い、ガス冷媒へと蒸発し、四方弁２５を通って圧縮機２４へと戻り、これを繰り返す。
【００４３】
一方、図１に示されるように水配管５中を流れる水は、利用側機器４で低温となり、水配管５を通り水―冷媒熱交換器２６へと流入する。水―冷媒熱交換器２６は、凝縮器として機能するため、水配管５から水―冷媒熱交換器２６へと流入した水は水―冷媒熱交換器２６内で高温の冷媒と熱交換し、加熱されて高温となる。その後、水―冷媒熱交換器２６の出口から流出し、水配管５を通じてポンプ３を経由して利用側機器４に流れる。利用側機器４では、高温となった水を用いて、暖房または加温を行う。その後、利用側機器４で放熱し、温度が低下した水は再びヒートポンプ式熱源機２の水―冷媒熱交換器２６へと流入する。
【００４４】
本実施の形態では、使用者または設置(業)者が、ヒートポンプ式熱源機２の操作器２２を操作して温度差Ｔｘを設定することで、この温度差Ｔｘの設定温度によって、主に入口水温上昇によってヒートポンプ式熱源機２の加熱運転を停止するか、出口水温上昇によってヒートポンプ式熱源機２の加熱運転を停止するかを選択することができる。このため、同じヒートポンプ式熱源機２でありながら温度差Ｔｘ設定によって、主として入口水温による加熱運転の停止と、出口水温による加熱運転の停止を選択することができ、ヒートポンプ式熱源機２の汎用性を高めることができる。
【００４５】
さらに、入口温度センサ３２または出口温度センサ３１のいずれかに不具合が生じ、正確な温度検出ができなくなった場合でも、最終的に正常な側のセンサの検出温度によって、ヒートポンプ式熱源機２の運転を停止させることができ、機器の信頼性や安全性を高めることができる。
【００４６】
なお、本実施の形態においては、インバータ装置２３の出力周波数を決定するための設定温度として操作器２２の第１アップ／ダウン操作ボタン２２ａによって設定された設定温度Ｔｓをそのまま用いるようにしている。 しかしながら、操作器２２における設定温度Ｔｓを利用側機器４における水温の目標値とした場合、利用側機器４では、温水が放熱され、温度が低下するため、利用側機器４における水温の平均値を目標値としなければならなくなることもある。このような状況に対処するため、第１アップ／ダウン操作ボタン２２ａによって設定された設定温度Ｔｓをそのまま水―冷媒熱交換器２６の出口水温Ｔｏｕｔの目標値に設定するのではなく、出口水温の制御目標値としては、設定温度Ｔｓに若干の補正値α（＞０）を加え、Ｔｓ＝Ｔｓ＋αとすれば良い。 なお、この場合には、出口側停止温度Ｔｏｓ及び入口側停止温度Ｔｉｓの算出において用いられる設定温度Ｔｓにも、この新たな設定温度Ｔｓ＝Ｔｓ＋αが使用される。
【００４７】
また、すでに説明したとおり、操作者や設置者によって設定される温度差Ｔｘに、極端に大きい値や小さい値を設定することはヒートポンプ式熱源機２の運転制御上、好ましくない。 このため、操作器２２の第２アップ／ダウン操作ボタン２２ｂの操作によって設定可能な温度差Ｔｘを、予め、ヒートポンプ式熱源機２による温度上昇値Ｂに所定値だけ加算及び減産した値の範囲内に制限しても良い。
【００４８】
本発明は、上記実施形態に限定されない。さらに、本発明の実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、本発明の実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１…加温システム、２…ヒートポンプ式熱源機、３…ポンプ、４…利用側機器（負荷）、５…水配管、２２…操作器、２１…制御器、２３…インバータ装置、２４…圧縮機、２６…水―冷媒熱交換器、２８…熱源側熱交換器、２９…プロペラファン、３０…ファンモータ、３１…出口温度センサ、３２…入口温度センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体配管によって利用側機器と冷凍サイクル中の媒体―冷媒熱交換器が接続されたヒートポンプ式熱源機において、
前記媒体―冷媒熱交換器の入口側の媒体温度を検出する入口温度センサと、
前記媒体―冷媒熱交換器の出口側の媒体温度を検出する出口温度センサと、
入口側停止温度及び出口側停止温度を設定する停止温度設定手段と、
前記入口媒体温度が前記入口側停止温度を超えた場合または前記出口媒体温度が前記出口側停止温度を超えた場合の少なくともいずれか一方が生じた時に前記冷凍サイクルの運転を停止する運転停止制御手段を備えたことを特徴とするヒートポンプ式熱源機。
【請求項１】
熱媒体配管によって利用側機器と冷凍サイクル中の媒体―冷媒熱交換器が接続されたヒートポンプ式熱源機において、
前記媒体―冷媒熱交換器の入口側の媒体温度を検出する入口温度センサと、
前記媒体―冷媒熱交換器の出口側の媒体温度を検出する出口温度センサと、
入口側停止温度及び出口側停止温度を設定する停止温度設定手段と、
前記入口媒体温度が前記入口側停止温度を超えた場合または前記出口媒体温度が前記出口側停止温度を超えた場合の少なくともいずれか一方が生じた時に前記冷凍サイクルの運転を停止する運転停止制御手段を備えたことを特徴とするヒートポンプ式熱源機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−６４５５６（Ｐ２０１３−６４５５６Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０３９２０（Ｐ２０１１−２０３９２０）
【出願日】平成２３年９月１９日（２０１１．９．１９）
【出願人】（５０５４６１０７２）東芝キヤリア株式会社 (477)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１９日（２０１１．９．１９）
【出願人】（５０５４６１０７２）東芝キヤリア株式会社 (477)
【Ｆターム（参考）】
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