| 【発明の名称】 |
ヒートポンプの運転制御装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】内川 靖夫
【氏名】深堀 賢久
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| 【要約】 |
【課題】自然水が減少しても凍結を起こさせないで自然水からの採熱を可能とし、高い運転効率が得られる２熱源併用運転可能な限り長く確保して運転コストの大幅な低減が図れるようにする。
【解決手段】２熱源併用のヒートポンプ７の自然水熱源側に自然水と不凍液とを間接熱交換させる熱交換器９を含む不凍液強制循環回路１１を設け、この不凍液強制循環回路１１にバイパス路１３及びバイパス３方弁１２を組み込むと共に、このバイパス３方弁１２の出口側で熱交換器９への戻り不凍液温度Ｔ１を検出する温度センサー１４による検出温度に応じて、戻り不凍液温度が自然水の非凍結目標温度Ｔ１０に保たれるようにバイパス３方弁１２の開閉を自動制御するコントローラ１６が設けられている。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 空気及び自然水の低温熱源からそれぞれ熱を吸収して負荷側の熱媒水に放熱するように構成してなるヒートポンプの運転制御装置であって、自然水熱源側に自然水と不凍液とを間接熱交換させる熱交換器を含む不凍液強制循環回路を設け、この不凍液強制循環回路にバイパス路及びバイパス３方弁を組み込むと共に、上記不凍液強制循環回路のうち上記バイパス３方弁の出口側で上記熱交換器への戻り不凍液温度を検出する温度センサーを設け、この温度センサーによる検出温度に応じて、戻り不凍液温度が上記熱交換器内の自然水の非凍結温度に保たれるように上記バイパス３方弁の開閉を自動制御するコントローラを設けていることを特徴とするヒートポンプの運転制御装置。
【請求項２】 上記コントローラが、ＰＩＤ制御式に構成されている請求項１に記載のヒートポンプの運転制御装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、空気及び湧き水や地下水、河川水、生活排水などの自然水をそれぞれ熱源とする２熱源併用のヒートポンプに関し、詳しくは、空気及び自然水の低温熱源からそれぞれ吸収した熱を、例えば道路面下に設置した放熱管内を流動する熱媒水に放熱することにより道路面上に積った雪を加熱し融解する道路面融雪設備あるいは暖房などを行なう空調設備等に適用されるヒートポンプの運転制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】このような２熱源併用のヒートポンプにおいて、一方の熱源となる湧き水や地下水などの自然水は熱エネルギー的に非常に質が高く、これを有効利用することによりヒートポンプの運転効率を増進して、運転コストの低減が図れるものの、自然水は量的に不安定であって、水量が減少した場合、自然水に凍結（氷結）を発生しやすい。このような水量減少に伴う自然水の凍結を防止するために、２熱源併用のヒートポンプでは、２熱源を併用運転しているときの自然水の温度を温度センサーにより検出し、その検出温度が凍結温度近辺（約０℃）に達したとき、全面的に他方の熱源（空気）側の単独運転を切り換えるといった凍結防止運転停止制御手段を採用しているのが現状である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記のような凍結防止運転停止制御手段を採用してなる従来の２熱源併用のヒートポンプにおいては、湧き水などの自然水の減少によって自然水の温度が凍結温度近辺（約０℃）に達したならば、自然水の保有する熱エネルギーを部分的にヒートポンプの運転に未だ十分に利用できる状態にあるにもかかわらず、熱源を空気側に全面的に切り換えて空気熱源単独の運転に切り換えるために、熱エネルギー的に質の高い自然水からの採熱を広範囲に持続してとることができない。そのために、運転効率の高い２熱源の併用運転時間がヒートポンプの総運転時間に占める割合が小さく制限され、運転コストの低減効果も十分に期待することができないという改善すべき課題があった。
【０００４】本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、自然水が減少しても凍結を起こさせないで自然水からの採熱を可能とし、高い運転効率が得られる２熱源の併用運転時間を可能な限り長く持続して運転コストの大幅な低減を図ることができるヒートポンプの運転制御装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明に係るヒートポンプの運転制御装置は、空気及び自然水の低温熱源からそれぞれ熱を吸収して負荷側の熱媒水に放熱するように構成してなるヒートポンプの運転制御装置であって、自然水熱源側に自然水と不凍液とを間接熱交換させる熱交換器を含む不凍液強制循環回路を設け、この不凍液強制循環回路にバイパス路及びバイパス３方弁を組み込むと共に、上記不凍液強制循環回路のうち上記バイパス３方弁の出口側で上記熱交換器への戻り不凍液温度を検出する温度センサーを設け、この温度センサーによる検出温度に応じて、戻り不凍液温度が上記熱交換器内の自然水の非凍結温度に保たれるように上記バイパス３方弁の開閉を自動制御するコントローラを設けていることを特徴とするものである。
【０００６】上記のような構成を有する本発明によれば、自然水熱源側に設けられて自然水と間接熱交換された不凍液が循環する不凍液強制循環回路のうちバイパス３方弁の出口側で熱交換器への戻り不凍液温度を温度センサーにより検出し、その検出温度に応じて、すなわち、自然水の減少に伴い検出温度が下降したときはコントローラを介してバイパス３方弁の開度を漸次大きくすることで自然水からの採熱割合を小さくする一方、空気熱源からの採熱割合を大きくして自然水の減少による凍結を防止する。また、自然水の増加に伴い上記戻り不凍液の検出温度が上昇したときはコントローラを介してバイパス３方弁の開度を漸次小さくすることで自然水からの採熱割合を大きくする一方、空気熱源からの採熱割合を小さくするといった具合に、自然水の減少、増加に伴う検出不凍液温度の変化に対応して自然水が凍結しない範囲で熱エネルギー的に質の高い自然水からの採熱を広範囲に持続させるという２熱源採熱割合の自動制御を行うことにより、高い運転効率が得られる２熱源の併用運転時間がヒートポンプの総運転時間に占める割合を可能な限り大きく維持して、消費電力など運転コストを最大限に低減することが可能である。
【０００７】特に、請求項２に記載したように、上記コントローラとして、ＰＩＤ制御式に構成されたものを用いる場合は、一定の周期ごとに温度センサーにより検出される戻り不凍液温度の現在値と目標値との偏差に応じてＰＩＤ制御演算を行ない、偏差が一定の許容範囲内の収斂されるようにバイパス３方弁の開閉を自動制御することによって、２熱源の併用運転によるヒートポンプの運転効率を最大限に高めることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。図１は本発明に係る２熱源併用ヒートポンプを利用してなる道路面融雪設備の全体概要を示す構成図であり、同設備の主要構成であるヒートポンプ７は、一方の低温熱源である空気を採熱源とする空気・冷媒熱交換器４と他方の低温熱源である自然水の一例としての湧き水を採熱源とする水・冷媒熱交換器５を直列に接続したものを蒸発器として備え、膨張弁１（またはキャピラリーチューブ）を通過した蒸発対象冷媒を上記空気・冷媒熱交換器４から水・冷媒熱交換器５の順に直列に通流させることにより上記の２熱源から採熱させるように構成しているとともに、圧縮機６で圧縮されて送出される凝縮対象冷媒と道路面下にジグザグ状に敷設された融雪用放熱パイプ２内をポンプ３により強制循環される熱媒体（温水または温不凍液）との熱交換により冷媒を凝縮させその凝縮熱を介して熱媒体を加熱昇温させる熱媒体・冷媒熱交換器１８を凝縮器として備えた２熱源併用ヒートポンプから構成されている。
【０００９】上記の２熱源併用ヒートポンプ７における蒸発器としての水・冷媒熱交換器５と湧き水の貯水タンク８との間には、配管内部に封入された不凍液をポンプ１０により強制循環させる不凍液強制循環回路１１が設けられている。この不凍液強制循環回路１１のうち上記貯水タンク８の内部に対応する箇所には、不凍液と貯水タンク８内に供給水量Ｔｖ１＞排水量Ｔｖ２の関係で貯溜状態にある湧き水とを対向流（平行流であってもよい）の状態で間接熱交換させて湧き水の熱を回収し不凍液を加熱する間接熱交換器９が形成されている。また、上記不凍液強制循環回路１１の途中には、図２に明示するように、上記ヒートポンプ７の水・冷媒熱交換器５に対して不凍液を分流させるためのバイパス路１３及びバイパス３方弁１２が組み込まれている。
【００１０】上記不凍液強制循環回路１１のうち上記バイパス３方弁１２の出口側でポンプ１０の下流位置には上記間接熱交換器９への戻り不凍液の温度を検出する温度センサー１４が設けられており、この温度センサー１４による検出温度の変化に応じて、その戻り不凍液温度Ｔ１が上記間接熱交換器９内の湧き水の非凍結温度である目標温度Ｔ１０（０℃近辺）に収斂されるように弁アクチュエータ１５を介して上記バイパス３方弁１２の開閉を自動的にＰＩＤ制御するコントローラ１６を設けている。
【００１１】なお、上記不凍液強制循環回路１１の各部における不凍液の温度は、図２に示すように、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３であって、上記バイパス３方弁１２が閉のときは、Ｔ２＞Ｔ１＝Ｔ３の関係にあり、また、上記バイパス３方弁１２が開のときは、Ｔ２＞Ｔ１＞Ｔ３の関係となる。
【００１２】次に、上記のように構成された２熱源併用ヒートポンプ利用の道路面融雪設備におけるヒートポンプ７の運転制御動作について、図３のフローチャート及び図４の不凍液温度変化状況図を参照して説明する。通常は、膨張弁１（またはキャピラリーチューブ）を通過した蒸発対象冷媒が上記空気・冷媒熱交換器４及び水・冷媒熱交換器５の順に直列に通流することにより２つの熱源である空気及び湧き水からそれぞれ採熱して冷媒が加熱昇温される。このように２熱源からの採熱により加熱昇温された冷媒は圧縮機６での圧縮作用によりさらに昇温された後、送出されて熱媒体・冷媒熱交換器１８に通流させられ、ここで道路面下にジグザグ状に敷設された融雪用放熱パイプ２内を強制循環される熱媒体との熱交換により冷媒が凝縮されその凝縮熱が熱媒体に付与されて該熱媒体が加熱昇温される。このようにして加熱昇温された熱媒体はポンプ３を介して融雪用放熱パイプ２内に強制循環され、該放熱パイプ２からの放熱によって道路面に降り積もった雪が融解される。
【００１３】上記のような融雪運転時において、上記不凍液強制循環回路１１のバイパス３方弁１２の出口側で間接熱交換器９への戻り不凍液の温度Ｔ１は温度センサー１４により常時検出されており（ステップＳ２０）、上記貯水タンク８内の貯水水量が一定に保たれている状態では、その検出不凍液温度Ｔ１と目標温度Ｔ１０（０℃近辺）とが等しく、各部の不凍液温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３は図４の実線に示すように変化し、熱バランスの崩れを発生することなく、ヒートポンプ７は安定よく空気及び湧き水の２熱源併用運転状態に保たれている。
【００１４】このような２熱源併用運転状態において、上記貯水タンク８への湧き水の供給水量の減少に伴い貯水水量が減少していくと、湧き水の出口温度Ｔｗ２が下がり、それに伴い不凍液温度Ｔ１，Ｔ２が低下する。したがって、温度センサー１４による検出不凍液温度Ｔ１が図４のＴ１ｄの方向に下がって、目標温度Ｔ１０以下になると（ステップＳ２１）、コントローラ１６から弁アクチュエータ１５に制御信号が出力されてバイパス３方弁１２が開動し始めて不凍液強制循環回路１１中の間接熱交換器９から蒸発器としての水・冷媒熱交換器５に向かう不凍液の一部がバイパス路１３に分流する（ステップＳ２２）。これによって、不凍液温度Ｔ１ｄは目標温度Ｔ１０の方向に、また、Ｔ３ｄの方向へ上昇した水・冷媒熱交換器５からの戻り不凍液温度は図４のＴ３の方向に向かって徐々に復帰する。
【００１５】また、温度センサー１４による検出不凍液温度Ｔ１が湧き水の増加に伴い図４のＴ１ｕの方向に上がって、目標温度Ｔ１０以上になると（ステップＳ２３）、コントローラ１６から弁アクチュエータ１５に制御信号が出力されてバイパス３方弁１２が閉動し始めて不凍液強制循環回路１１中の間接熱交換器９から水・冷媒熱交換器５に向かう不凍液の流動量が次第に増加する（ステップＳ２４）。これによって、不凍液温度Ｔ１ｕは目標温度Ｔ１０の方向に、また、Ｔ３ｕの方向へ下降したり水・冷媒熱交換器５からの戻り不凍液温度は図４のＴ３の方向に向かって徐々に復帰する。
【００１６】そして、上記ステップＳ２２及びステップ２４のいずれの場合においても、バイパス３方弁１２の開閉動は、タイマーにより設定された時間（周期）ごとに停止され（ステップＳ２５，Ｓ２６）、さらに、通常の２熱源併用運転状態の場合も含めてタイマーにより設定された時間（周期）ごとに上述した動作を繰り返す（ステップＳ２７）ことによって、つまり、上記温度センサー１４により検出される戻り不凍液温度Ｔ１の現在値と目標温度Ｔ１０との偏差に応じたＰＩＤ制御演算を行ない、偏差が一定の許容範囲内の収斂されるようにバイパス３方弁の開閉を自動制御する。
【００１７】なお、図５は上記のような２熱源併用運転によるモリエル（ｐ−ｈ）線上における湧き水温度（Ｔｗ１−Ｔｗ２）、不凍液温度（Ｔ１−Ｔ２）、空気温度（Ｔａ）、冷媒蒸発温度（Ｔｅ）の状況変化を模式的に示した図である。
【００１８】上記のように、一方の熱源となる湧き水の供給量が減少した場合、その湧き水からの採熱割合を小さくする一方、空気熱源からの採熱割合を大きくするといった運転制御を行なうことによって、湧き水の減少による凍結を防止しつつ、２熱源から採熱するという運転効率の高い２熱源併用運転をできるだけ長く維持することが可能となり、全体の運転コストを大幅に低減することができる。
【００１９】なお、上記実施の形態では、一方の熱源となる自然水として湧き水を使用したもので説明したが、これ以外に地下水や河川水、生活排水などを使用しても、上記実施の形態と同様な作用効果を奏することができる。
【００２０】また、上記実施の形態では、２熱源併用ヒートポンプを道路面融雪設備の加熱源として適用したものについて説明したが、これ以外に、例えば建物の屋根面の融雪やグランド面の融雪等、さらには暖房などを行なう空調設備等の熱源に適用してもよい。
【００２１】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、湧き水や地下水、河川水など熱エネルギー的に質の高い自然水と空気の２熱源からの採熱を有効利用することによりヒートポンプの運転効率の増進を図ることができるのはもとより、一方の熱源で量的に不安定な自然水が減少したときは、該自然水と間接熱交換され強制循環回路内を循環される不凍液をバイパス分流させることで自然水からの採熱割合を小さくする一方、空気熱源からの採熱割合を大きくするといったように、自然水の減少、増加に伴う温度変化に対応して自然水が凍結しない範囲で熱エネルギー的に質の高い自然水からの採熱を広範囲に持続させるという自動制御を行うことにより、自然水の凍結を起こさせることなく、高い運転効率が得られる２熱源併用運転時間のヒートポンプ総運転時間に占める割合を可能な限り大きく維持して、消費電力の節減などによる運転コストの大幅な低減を図ることができるという効果を奏する。
【００２２】特に、請求項２に記載のようなＰＩＤ制御方式の導入によって、上記請求項１に記載の発明の効果に加えて、２熱源併用運転によるヒートポンプの運転効率を最大限に高めることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００１０５２
【氏名又は名称】株式会社クボタ
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| 【出願日】 |
平成１０年９月１１日（１９９８．９．１１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７２３３８
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴江 孝一 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−８８３６７（Ｐ２０００−８８３６７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年３月３１日（２０００．３．３１） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２５７７９７ |
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