JP2022180704A - 吸着式ヒートポンプ、吸着式ヒートポンプシステム、制御装置、およびプログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】熱源における熱の供給と冷熱の需要との不一致を補うことが可能な吸着式ヒートポンプを提供する。【解決手段】吸着式ヒートポンプは、吸着質を蒸発させる蒸発器と、蒸発器と接続され、蒸発器から供給される吸着質を吸脱着可能な吸着器と、吸着器と接続され、吸着器から脱着された吸着質を凝縮する凝縮器と、熱源の熱を輸送する熱媒が循環する循環流路と、蒸発器と接続され蒸発器から供給される吸着質を吸着し、熱媒が輸送する熱を利用して、自身に吸着された吸着質を脱着させることにより蓄熱可能な蓄熱器と、を備え、循環流路は、熱媒を介して蓄熱器に熱を供給するための第3熱媒流路と、第3熱媒流路をバイパスする第4熱媒流路と、を備え、吸着式ヒートポンプは、さらに、循環流路において熱媒の流路を切替え可能な循環流路切替部と、を備える。【選択図】図1
Description
本発明は、吸着式ヒートポンプに関する。
従来、冷却することで冷媒を吸着し、加熱することで冷媒を脱着する吸着器と、蒸発器と、凝縮器と、を備える吸着式ヒートポンプが提案されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1では、車両用吸着式空調装置において、吸着器を加熱するための熱として、液冷式内燃機関である水冷式エンジンの廃熱を利用する例が開示されている。
このように吸着器を加熱するための熱として廃熱を利用する場合、廃熱の供給と、冷熱の需要が一致しない場合がある。具体的には、(1)冷熱需要があるものの廃熱供給がない場合、(2)廃熱供給があるものの、冷熱需要がない場合がある。(1)の場合には、吸着式ヒートポンプによって冷熱を作ることができないため、例えば、電動式の冷凍機等を用いて不足する冷熱を補うことが考えられる。(2)の場合には、廃熱を利用することができず、捨てることになり、廃熱利用効率が落ちる。また、廃熱を大気中に放熱するためのラジエータ等の放熱器の容量を増加させる必要が生じる場合がある。このように、廃熱の供給と冷熱の需要の不一致を補うためのコストが増大する虞がある。
そこで、廃熱の供給と冷熱の需要との不一致を補う他の方法が望まれている。なお、当該課題は、吸着器を加熱するための熱として廃熱を利用する場合に限定されず、例えば、熱の生成に自然エネルギーを利用する場合等、熱源における熱の供給と冷熱の需要とに不一致が生じる場合にも生じる課題である。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、熱源における熱の供給と冷熱の需要との不一致を補うことが可能な吸着式ヒートポンプを提供することを目的とする。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
(1)本発明の一形態によれば、吸着式ヒートポンプが提供される。この吸着式ヒートポンプは、吸着質を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器と接続され、前記蒸発器から供給される前記吸着質を吸脱着可能な吸着器と、前記吸着器と接続され、前記吸着器から脱着された前記吸着質を凝縮する凝縮器と、熱源の熱を輸送する熱媒が循環する循環流路と、前記蒸発器と接続され前記蒸発器から供給される前記吸着質を吸着し、前記熱媒が輸送する熱を利用して、自身に吸着された前記吸着質を脱着させることにより蓄熱可能な蓄熱器と、を備え、前記循環流路は、前記吸着器に熱を供給するための第1熱媒流路と、前記吸着器に熱を供給した後の前記熱媒を前記熱源に戻す第2熱媒流路と、前記第1熱媒流と前記第2熱媒流路とを連通し、前記熱媒を介して前記蓄熱器に熱を供給するための第3熱媒流路と、前記第1熱媒流と前記第2熱媒流路とを連通し、前記第3熱媒流路をバイパスする第4熱媒流路と、を備え、前記吸着式ヒートポンプは、さらに、前記循環流路において前記熱媒の流路を切替え可能な循環流路切替部と、を備える。
この構成によれば、吸着器に熱を供給した後の熱媒に残っている熱を、蓄熱器に蓄積することができる。そのため、熱源の熱の利用率を向上させることができる。また、循環流路において、蓄熱器に熱を供給する流路と、蓄熱器をバイパスする流路とを切替えることができるため、状況に応じて、熱媒の流路を切替えることができる。例えば、吸着器に熱を供給した後の熱媒の温度が低い場合に、蓄熱器をバイパスすることにより、蓄熱器の温度低下を抑制して、蓄熱量を向上させることができる。
(2)本発明の一形態によれば、吸着式ヒートポンプシステムが提供される。この吸着式ヒートポンプシステムは、上記形態の吸着式ヒートポンプと、前記ヒートポンプを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記吸着器において、前記吸着質を吸着させる吸着工程と、前記熱媒の熱を利用して前記吸着質を脱着させる脱着工程を1サイクルとして、複数サイクルを繰返させる吸脱着サイクル制御と、前記循環流路切替部を制御して、前記循環流路において前記第1熱媒流路と前記第2熱媒流路とを前記第3熱媒流路により接続した第1循環ルートを形成して、前記熱媒を循環させて、前記蓄熱器に熱を供給させる蓄熱制御と、前記循環流路切替部を制御して、前記循環流路において前記第1熱媒流路と前記第2熱媒流路とを前記第4熱媒流路により接続した第2循環ルートを形成して、前記熱媒を循環させる、バイパス制御と、を前記吸脱着サイクル制御を行っている間に、前記蓄熱制御と前記バイパス制御と、を切替えて行う。
この構成によれば、吸着式ヒートポンプシステムにおいて、吸脱着サイクル中の限られた期間のみ、蓄熱器を加熱することができる。そのため、吸脱着サイクルにおける余剰の熱の変動に応じて、適時、蓄熱制御を行い、蓄熱することができる。また、例えば、吸脱着サイクルにおける余剰の熱がない場合等、蓄熱できない場合には、バイパス制御を実行することにより、蓄熱器50における放熱を抑制することができる。
(3)上記形態の吸着式ヒートポンプシステムであって、前記制御装置は、前記第3熱媒流路の入口における前記熱媒の温度である入口温度が、前記蓄熱器における前記吸着質の脱着が可能な温度である脱着可能温度の場合に、前記蓄熱制御を行ってもよい。
この構成によれば、熱媒の入口温度が蓄熱器の脱着可能温度より高い場合に、蓄熱制御が行われるため、蓄熱制御が行われたときには、蓄熱器において脱着を進めることができるため、適切に蓄熱することができる。
(4)上記形態の吸着式ヒートポンプシステムであって、前記制御装置は、前記入口温度が脱着可能温度より低い場合は、前記バイパス制御を行ってもよい。このようにすると、熱媒の入口温度が脱着可能温度より低い場合は、熱媒と蓄熱器との間で熱交換が行われないため、蓄熱器の温度低下に伴う蓄熱量の低下を抑制することができる。
(5)上記形態の吸着式ヒートポンプシステムであって、前記制御装置は、前記入口温度が前記脱着可能温度より低い場合であって、前記蓄熱器の温度が前記脱着可能温度より低い場合は、前記蓄熱制御を行い、前記入口温度が前記脱着可能温度より低い場合であって、前記蓄熱器の温度が前記脱着可能温度以上場合は、前記バイパス制御を行ってもよい。
この構成によれば、熱媒の入口温度が脱着可能温度に達していなくても、蓄熱器の温度が脱着可能温度より低い場合には、蓄熱制御が行われるため、熱媒の入口温度が蓄熱器の温度より高い場合には、蓄熱器の温度を上昇させることができる。また、熱媒の入口温度が脱着可能温度に達しておらず、蓄熱器の温度が脱着可能温度以上の場合には、バイパス制御が行われるため、蓄熱器の温度低下を抑制することができ、蓄熱器における蓄熱量の低下を抑制することができる。
(6)上記形態の吸着式ヒートポンプシステムであって、前記制御装置は、前記第3熱媒流路の入口における前記熱媒の温度である入口温度が、前記蓄熱器の温度より高い場合に、蓄熱制御を行い、前記入口温度が、前記蓄熱器の温度以下の場合に、前記バイパス制御を行ってもよい。
このようにすると、熱媒の入口温度と脱着可能温度との関係によらず、熱媒の入口温度と蓄熱器の温度との関係に基づいて、蓄熱制御とバイパス制御が切替えられる。熱媒の入口温度が蓄熱器の温度より高い場合に熱媒と蓄熱器との間で熱交換が行われ、熱媒の入口温度が蓄熱器の温度以下の場合には、熱媒と蓄熱器との間で熱交換が行われないため、蓄熱器の温度低下を抑制することができ、蓄熱器における蓄熱量の低下を抑制することができる。
(7)上記形態の吸着式ヒートポンプシステムであって、前記制御装置は、前記サイクルにおける予め定められた蓄熱期間の間、前記蓄熱制御を実行し、前記蓄熱期間は、前記サイクルにおける時間と、前記熱媒の前記入口温度との関係を用いて、前記入口温度が前記脱着可能温度になると予測される期間に予め設定されてもよい。このようにすると、簡易な制御により、適切に蓄熱を行うことができる。
(8)上記形態の吸着式ヒートポンプシステムであって、前記熱媒の前記入口温度を検出する温度センサを、さらに備え、前記制御装置は、前記温度センサにより検出された前記入口温度に基づいて、前記蓄熱制御と前記バイパス制御との切替を行ってもよい。このようにすると、熱媒の入口温度に基づいて、精度よく蓄熱制御とバイパス制御とを切替えて、蓄熱量の低下をより抑制することができる。
(9)上記形態の吸着式ヒートポンプシステムであって、前記制御装置は、前記吸脱着サイクル制御を行う前に、さらに、前記蒸発器により蒸発させた前記吸着質を前記蓄熱器に吸着させると共に、前記循環流路において前記第1循環ルートを形成させて前記熱媒を循環させる、始動制御を行ってもよい。
このようにすると、吸着式ヒートポンプシステムの始動時等、熱媒の温度が低い場合に、蓄熱器における吸着に伴い発生する吸着熱を利用して、熱媒の温度を上昇させることができる。そのため、吸着式ヒートポンプシステムの暖機を促進させることができる。
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、吸着式ヒートポンプの制御装置、吸着式ヒートポンプの制御装方法、吸着式ヒートポンプを制御するためのプログラム、このプログラムを配布するためのサーバ装置、プログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。
<第1実施形態>
図1は、第1実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100の模式図である。吸着式ヒートポンプシステム100は、吸着式ヒートポンプ99と、制御装置80と、を備える。吸着式ヒートポンプシステム100は、冷房装置200と、熱源300と、接続されている。吸着式ヒートポンプシステム100、冷房装置200、および熱源300は、例えば、工場内に配置され、熱源300として、例えば、発電用タービンを用いる。すなわち、吸着式ヒートポンプシステム100は、熱源300としての発電用タービンからの廃熱を利用して冷熱を生成し、冷房装置200に供給することができる。
図1は、第1実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100の模式図である。吸着式ヒートポンプシステム100は、吸着式ヒートポンプ99と、制御装置80と、を備える。吸着式ヒートポンプシステム100は、冷房装置200と、熱源300と、接続されている。吸着式ヒートポンプシステム100、冷房装置200、および熱源300は、例えば、工場内に配置され、熱源300として、例えば、発電用タービンを用いる。すなわち、吸着式ヒートポンプシステム100は、熱源300としての発電用タービンからの廃熱を利用して冷熱を生成し、冷房装置200に供給することができる。
吸着式ヒートポンプ99は、低温蒸発器10と、2つの吸着器20(吸着器21、吸着器22)と、凝縮器30と、蓄熱器50と、高温蒸発器70と、これらを接続する複数の流路と、流路に配置される複数のバルブと、を備える。図1では、蒸気が流れる流路を破線で示し、液体が流れる流路を実線で示している。
吸着式ヒートポンプ99は、吸着器20の内部に設けられた吸着材に水蒸気を吸わせ、低温蒸発器10における蒸気の気化熱(冷熱)を冷房装置200に供給する。また、熱源が発する温熱を利用して吸着器20の吸着材を加熱し、吸着材に吸着されている蒸気を脱着させることにより、吸着材を再生する。脱着された蒸気は、凝縮器30において凝縮され、低温蒸発器10に戻される。吸着式ヒートポンプシステム100では、2つの吸着器20において、一方が吸着のとき、他方が脱着を行い、連続的に切替えることにより、冷熱を発生し続ける。本実施形態では、吸着材に吸着される蒸気として水蒸気を例示するが、他の実施形態では、例えば、アンモニア、メタノール、エタノール等の蒸気を用いてもよい。
低温蒸発器10は、吸着質としての水を蒸発させる。低温蒸発器10は、2つの吸着器20と第1吸着質流路を介して接続されており、低温蒸発器10で生成された吸着質蒸気である水蒸気は、2つの吸着器20において、交互に吸着される。さらに、低温蒸発器10は、蓄熱器50とも、吸着質流路を介して接続され、後述するように、低温蒸発器10で生成された吸着質蒸気である水蒸気は、蓄熱器50においても吸着される。以降の説明において、低温蒸発器10において生成される水蒸気を、「低温水蒸気」とも呼ぶ。本実施形態において、低温水蒸気の温度は、例えば、約10℃である。本実施形態における低温蒸発器10を、「蒸発器」とも呼ぶ。
第1吸着質流路は、吸着質流路13と、吸着質分流路14、15、16と、を備える。吸着質分流路14、15、16には、それぞれ、バルブ14V、15V、16Vが設けられている。バルブ14V、15V、16Vのそれぞれが、制御装置80からの指示に従って、開閉することにより、低温水蒸気(吸着質蒸気)の流路を切替えることができる。
図示するように、低温蒸発器10と冷房装置200とは、冷媒流路11を介して接続されている。冷媒流路11にはポンプ12が設けられており、低温蒸発器10と冷房装置200との間を冷媒(本実施形態では、水)が循環している。低温蒸発器10において水の気化に伴い発生した冷熱は、冷媒流路11内を流通する冷媒を介して冷房装置200において外部に取り出される。
高温蒸発器70は、熱媒が流通する循環流路40を介して熱源300と接続されており、熱源300の熱を利用して、吸着器20を加熱するための熱媒蒸気(高温の水蒸気)を生成する。詳しくは、熱源300の熱を輸送する熱媒(本実施形態では、水)は、熱源300と高温蒸発器70との間を循環する。熱源300において発生した熱を受け取った熱媒は、高温蒸発器70において放熱し高温の水蒸気(以下、高温水蒸気とも呼ぶ)を発生させ、温度が降下した熱媒が熱源300に戻る。ここで、高温蒸発器70において生成される高温水蒸気の温度は、低温蒸発器10において生成される水蒸気の温度より高く、吸着器20における吸着質の脱着が可能な程度に高温である。本実施形態において、高温水蒸気の温度は、例えば、約80℃である。
循環流路40は、高温蒸発器70に熱を供給するための第1熱媒流路41と、高温蒸発器70に熱を供給した後の熱媒を熱源300に戻す第2熱媒流路42と、第1熱媒流路41と第2熱媒流路42とを連通し、熱媒を介して蓄熱器50に熱を供給する第3熱媒流路43と、第1熱媒流路41と第2熱媒流路42とを連通し、第3熱媒流路43をバイパスする第4熱媒流路44と、高温蒸発器70をバイパスする第5熱媒流路45と、を備える。上述の通り、高温蒸発器70において生成された熱媒蒸気によって吸着器20に熱を供給するため、第1熱媒流路41は、吸着器20に熱を供給するための流路ともいえる。また、同様に、第2熱媒流路42は、吸着器20に熱を供給した後の熱媒を熱源300に戻す流路ともいえる。
第1熱媒流路41、第3熱媒流路43、第4熱媒流路44、および第5熱媒流路45には、それぞれ、バルブ41V、43V、44V、45Vが設けられ、第2熱媒流路42にはポンプ46が設けられている。バルブ41V、43V、44V、45Vのそれぞれが、制御装置80からの指示に従って、開閉することにより、熱媒の流路を切替えることができる。本実施形態のバルブ41V、43V、44V、45Vを合わせて、「循環流路切替部40V」とも呼ぶ。
高温蒸発器70は、熱媒蒸気流路を介して吸着器20に接続されており、熱媒蒸気を吸着器20に供給することにより、吸着器20内の吸着材を加熱して、吸着されている水(吸着質)を脱着させる。
熱媒蒸気流路は、熱媒蒸気流路71と、熱媒蒸気分流路72、73と、を備える。熱媒蒸気分流路72、73には、それぞれ、バルブ72V、73Vが設けられている。バルブ72V、73Vのそれぞれが、制御装置80からの指示に従って、開閉することにより、熱媒蒸気の流路を切替えることができる。
図2は、吸着器20における吸脱着反応を説明するための説明図である。吸着器20は、円筒状の熱交換器25と、熱交換器の外周に形成された円筒状の吸着材26と、容器27と、を備える。容器27は、有底円筒状を成しており、2つの底面を熱交換器25が貫通している。図示するように、吸着材26は、容器27の内部に収容されている。
図2(a)に示すように、吸着材26に水蒸気が吸着されている状態において、高温蒸発器70から熱媒としての高温蒸気が熱交換器25内に供給されると、吸着材26が加熱されることにより、水蒸気が脱着され、脱着された水蒸気は、凝縮器30に流入する。一方、図2(b)に示すように、熱交換器25内の水が蒸発することにより、吸着材26が冷却され、吸着材26が水蒸気を吸着することにより、低温蒸発器10で蒸発が生じ、冷熱が発生する。
図1に示すように、吸着器21は第2吸着質流路31を介して凝縮器30に接続され、吸着器22は、第2吸着質流路32を介して凝縮器30に接続されている。第2吸着質流路31、32には、それぞれ、バルブ31V、32Vが設けられている。バルブ31V、32Vのそれぞれが、制御装置80からの指示に従って、開閉することにより、脱着された水蒸気を吸着器20から排出させることができる。
また、吸着器21は凝縮器流路34を介して凝縮器30に接続され、吸着器22は凝縮器流路35を介して凝縮器30に接続されている。凝縮器流路34、35には、それぞれ、バルブ34V、35Vが設けられている。バルブ34V、35Vのそれぞれが、制御装置80からの指示に従って、開弁することにより、熱交換器25内に溜まった水を蒸発させて吸着材を冷却させ、その水蒸気を吸着器20から排出させることができる。
凝縮器30は、第2吸着質流路31、32、凝縮器流路34、35、および第2吸着質流路33(後述する)を介して流入する水蒸気を放熱させて、水に凝縮する。凝縮器30は、凝縮水流路を介して、低温蒸発器10および高温蒸発器70と接続されており、凝縮器30において凝縮された水は、適宜、低温蒸発器10および高温蒸発器70に供給される。
凝縮水流路は、凝縮水流路36と、凝縮水分流路37、38と、を備える。凝縮水分流路37、38には、それぞれ、バルブ37V、38Vが設けられている。バルブ37V、38Vのそれぞれが、制御装置80からの指示に従って、開閉することにより、凝縮水の流路を切替えることができる。
蓄熱器50は、吸着器20と同様の構成を有する。蓄熱器50は、低温蒸発器10と、吸着質分流路16を介して接続され、低温蒸発器10において生成された吸着質蒸気としての水蒸気を吸着することにより発熱(放熱)する。また、蓄熱器50は、熱媒体(本実施形態では、水)が流れる熱媒体流路60を介して熱交換器51と接続されている。さらに、蓄熱器50は、熱媒体流路60を介して熱交換器55と接続されている。循環流路40を循環する熱媒が輸送する熱を、熱交換器55および熱媒体流路60を介して蓄熱器50が受け取ることにより、蓄熱器50の吸着材が加熱され、吸着されている水蒸気が脱着される。脱着された水蒸気は、蓄熱器流路52および第2吸着質流路33を介して凝縮器30に流入する。この吸着質の吸脱着を繰り返すことにより、蓄熱器50は、実質的に熱源300により発生した熱を吸着材の蓄熱することが可能である。
熱媒体流路60は、熱交換器51において冷却された熱媒体が流通する流路61と、熱媒体を、蓄熱器50に供給して熱交換器51に戻す流路62と、流路61と流路62とを連通し、熱交換器55内に熱媒体を流通させる流路63と、流路61と流路62とを連通し、熱交換器55をバイパスさせる流路64と、流路61と流路62とを連通し、熱交換器51をバイパスさせる流路65と、を備える。
流路62、63、64、65には、それぞれ、バルブ62V、63V、64V、65Vが設けられ、流路62にはポンプ66が設けられている。バルブ62V、63V、64V、65Vのそれぞれが、制御装置80からの指示に従って、開閉することにより、熱媒体の流路を切替えることができる。
制御装置80は、ROM、RAM、および、CPUを含んで構成されるコンピュータ(情報処理装置)であり、弁の開閉制御による流路の切替など、吸着式ヒートポンプシステム100の全体の制御を行う。
制御装置80は、2つの吸着器20における吸着質の吸脱着を制御する。詳しくは、制御装置80は、吸着器22に低温水蒸気(吸着質)を供給させる吸着工程を実行させると同時に、吸着器21に高温蒸気(熱媒蒸気)を供給させる脱着工程を実行させる第1工程と、吸着器21に低温水蒸気(吸着質)を供給させる吸着工程を実行させると同時に、吸着器22に高温蒸気(熱媒蒸気)を供給させる脱着工程を実行させる第2工程と、を繰り返し実行させる吸脱着サイクル制御を実行する。各吸着器20では、吸着工程と脱着工程とが交互に繰り返し行われ、これにより、冷熱が連続的に生成される。制御装置80は、予め定められた時間で、第1工程と第2工程とを切替える(後に詳述する)。
また、制御装置80は、蓄熱器50における吸着質の吸脱着を制御する。具体的には、制御装置80は、上述の吸脱着サイクル制御と連動して、熱源300からの熱を蓄熱器50に蓄積させる蓄熱制御と、吸脱着サイクル制御の実行中に、熱源300からの熱を蓄熱器50に蓄積させないバイパス制御と、蓄熱器50の蓄熱を利用して吸脱着サイクルを行う蓄熱開放制御と、吸着器20における吸脱着サイクルが行われていないときに熱源300からの熱を蓄熱器50に蓄積させる単独蓄熱制御と、を実行する。各制御については、後に詳述する。
まず、吸脱着サイクル制御について説明する。
図3は、本実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100における吸着器20の切替タイミングの説明図である。本実施形態の吸脱着サイクル制御では、図示するように、第1工程および第2工程を1サイクルとして、このサイクルを、複数回繰り返させる。各工程では、吸着工程および脱着工程)のそれぞれが、2つの吸着器20(吸着器21および吸着器22)のいずれかにおいて実行される。具体的には、第1工程では、吸着器21において脱着工程が実行され、吸着器22において吸着工程が実行される。第2工程では、吸着器21において吸着工程が実行され、吸着器22において脱着工程が実行される。ここで、第1工程および第2工程の期間は、予め、同じ時間に定められている。本実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100では、このようにして、一方の吸着器20において吸着質(水蒸気)を吸着すると同時に、他方の吸着器20において、吸着された水蒸気を脱着する。これにより、定常的に、冷熱を供給することが可能である。
図3は、本実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100における吸着器20の切替タイミングの説明図である。本実施形態の吸脱着サイクル制御では、図示するように、第1工程および第2工程を1サイクルとして、このサイクルを、複数回繰り返させる。各工程では、吸着工程および脱着工程)のそれぞれが、2つの吸着器20(吸着器21および吸着器22)のいずれかにおいて実行される。具体的には、第1工程では、吸着器21において脱着工程が実行され、吸着器22において吸着工程が実行される。第2工程では、吸着器21において吸着工程が実行され、吸着器22において脱着工程が実行される。ここで、第1工程および第2工程の期間は、予め、同じ時間に定められている。本実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100では、このようにして、一方の吸着器20において吸着質(水蒸気)を吸着すると同時に、他方の吸着器20において、吸着された水蒸気を脱着する。これにより、定常的に、冷熱を供給することが可能である。
図4は、吸着式ヒートポンプシステム100における吸脱着サイクルの第1工程の説明図である。図5は、吸着式ヒートポンプシステム100における吸脱着サイクルの第2工程の説明図である。図4、図5では、蓄熱器50における蓄熱が行われていない場合(後述するバイパス制御)を図示している。図4、図5では、吸着質としての水蒸気、熱媒蒸気、熱媒、冷媒等の流体の流れを、太線で示している。
図4に示す第1工程では、吸着器22において、吸着質としての水蒸気を吸着させる(吸着工程)。具体的には、制御装置80は、吸脱着サイクル制御において、バルブ35V、15Vを開弁させ、バルブ14V、16V、73Vを閉弁させると共に、ポンプ12を作動させる。これにより上述の通り、吸着器22の熱交換器25内に溜まった水が蒸発し、吸着材26が冷却され、温度差に伴う圧力差により、低温蒸発器10内の水蒸気が吸着質流路13および吸着質分流路15を介して吸着器22内に流入し、吸着器22内の吸着材26が水蒸気を吸着する。低温蒸発器10からの水蒸気の流出に伴い、低温蒸発器10内の水の蒸発が生じ、冷熱が発生する。低温蒸発器10で発生した冷熱は、冷媒流路11を流れる冷媒によって外部に取り出される。
また、制御装置80は、バルブ41V、44Vを開弁させ、バルブ43V、45Vを閉弁させると共に、ポンプ46を作動させる。これにより、第1熱媒流路41、第4熱媒流路44、および第2熱媒流路42により第2循環ルートR2が形成され、第2循環ルートR2を熱媒が循環する。これにより、熱源300において発生した熱が高温蒸発器70に供給され、高温蒸発器70において高温蒸気(熱媒蒸気)が生成される。第2循環ルートR2は、第3熱媒流路43をバイパスするルートであり、この制御を、「バイパス制御」と呼ぶ。制御装置80が、バイパス制御を実行している間、熱源300からの熱は、蓄熱器50に供給されない。
第1工程は、上記吸着工程と同時に、吸着器21において脱着工程が実行される。脱着工程では、吸着器21に、熱媒蒸気流路を介して熱媒蒸気を供給させる。具体的には、制御装置80は、バルブ72V、31Vを開弁させると共に、バルブ34Vを閉弁させる。これにより、高温蒸発器70で発生した高温蒸気(熱媒蒸気)が、熱媒蒸気流路71および熱媒蒸気分流路72を介して吸着器21の熱交換器25内に流入し、熱交換器25内で凝縮することにより吸着材26を加熱する。吸着材26が加熱されることにより吸着器21の吸着材26に吸着された水蒸気が脱着され、第2吸着質流路31を介して凝縮器30に流入する。ここで、バルブ34Vは閉弁されているため、吸着器21の熱交換器25内で凝縮した水は、熱交換器25内に溜まる。脱着工程において、吸着器21の吸着材26が乾燥され、水蒸気を吸着可能な状態となる。
図5に示すように、第2工程では、第1工程とは逆に、吸着器21において吸着工程が行われ、吸着器22において脱着工程が行われる。具体的には、制御装置80は、吸脱着サイクル制御において、バルブ34V、14Vを開弁させ、バルブ15V、16V、72Vを閉弁させると共に、ポンプ12を作動させる。これにより上述の通り、吸着器21の熱交換器25内に溜まった水が蒸発し、吸着材26が冷却され、温度差に伴う圧力差により、低温蒸発器10内の水蒸気が吸着質流路13および吸着質分流路14を介して吸着器21内に流入し、吸着器21内の吸着材26が水蒸気を吸着する。低温蒸発器10からの水蒸気の流出に伴い、低温蒸発器10内の水の蒸発が生じ、冷熱が発生する。低温蒸発器10で発生した冷熱は、冷媒流路11を流れる冷媒によって外部に取り出される。
また、制御装置80は、第1工程と同様に、バイパス制御を実行し、第2循環ルートR2を形成させ、高温蒸発器70において高温蒸気(熱媒蒸気)が生成させる。
第2工程は、上記吸着工程と同時に、吸着器22において脱着工程が実行される。脱着工程では、吸着器22に、熱媒蒸気流路を介して熱媒蒸気を供給させる。具体的には、制御装置80は、バルブ73V、32Vを開弁させると共に、バルブ35Vを閉弁させる。これにより、高温蒸発器70で発生した高温蒸気(熱媒蒸気)が、熱媒蒸気流路71および熱媒蒸気分流路73を介して吸着器22の熱交換器25内に流入し、熱交換器25内で凝縮することにより吸着材26を加熱する。吸着材26が加熱されることにより吸着器22の吸着材26に吸着された水蒸気が脱着され、第2吸着質流路32を介して凝縮器30に流入する。ここで、バルブ35Vは閉弁されているため、吸着器22の熱交換器25内で凝縮した水は、熱交換器25内に溜まる。脱着工程において、吸着器22の吸着材26が乾燥され、水蒸気を吸着可能な状態となる。
次に、蓄熱制御について説明する。
図6は、吸着式ヒートポンプシステム100における蓄熱の説明図である。蓄熱制御は、上述の吸脱着サイクルと連動して、蓄熱を行わせる制御である。図6では、吸脱着サイクルの第1工程が行われている例を図示している。図6において、吸着器20における吸脱着工程は、図4を用いて説明した通りに行われている。吸着式ヒートポンプシステム100において、吸脱着サイクルと連動して蓄熱が行われるとき、循環流路40は、蓄熱が行われない場合(図4、図5)と異なり、第1熱媒流路41と第2熱媒流路42とを第3熱媒流路43により接続した第1循環ルートR1となる(図6)。具体的には、制御装置80は、蓄熱制御において、バルブ41V、43Vを開弁させ、バルブ44V、45Vを閉弁させると共に、ポンプ46を作動させる。これにより、第1熱媒流路41、第3熱媒流路43、および第2熱媒流路42により第1循環ルートR1が形成され、第1循環ルートR1を熱媒が循環する。これにより、熱源300において発生した熱が高温蒸発器70に供給され、高温蒸発器70において高温蒸気(熱媒蒸気)が生成され、温度が降下した熱媒が熱交換器55内を流通する。
図6は、吸着式ヒートポンプシステム100における蓄熱の説明図である。蓄熱制御は、上述の吸脱着サイクルと連動して、蓄熱を行わせる制御である。図6では、吸脱着サイクルの第1工程が行われている例を図示している。図6において、吸着器20における吸脱着工程は、図4を用いて説明した通りに行われている。吸着式ヒートポンプシステム100において、吸脱着サイクルと連動して蓄熱が行われるとき、循環流路40は、蓄熱が行われない場合(図4、図5)と異なり、第1熱媒流路41と第2熱媒流路42とを第3熱媒流路43により接続した第1循環ルートR1となる(図6)。具体的には、制御装置80は、蓄熱制御において、バルブ41V、43Vを開弁させ、バルブ44V、45Vを閉弁させると共に、ポンプ46を作動させる。これにより、第1熱媒流路41、第3熱媒流路43、および第2熱媒流路42により第1循環ルートR1が形成され、第1循環ルートR1を熱媒が循環する。これにより、熱源300において発生した熱が高温蒸発器70に供給され、高温蒸発器70において高温蒸気(熱媒蒸気)が生成され、温度が降下した熱媒が熱交換器55内を流通する。
このとき、制御装置80は、熱媒体流路60において、バルブ63V、65Vを開弁させ、バルブ62V、64Vを閉弁させると共に、ポンプ66を作動させる。これにより、流路63、62、65により第1蓄熱ルートS1が形成され、熱交換器55を通る第1蓄熱ルートS1を熱媒体が循環する。これにより、熱交換器55において、第1循環ルートR1を流通する熱媒と、第1蓄熱ルートS1を流通する熱媒体との間で熱交換が行われ、第1蓄熱ルートS1を流通する熱媒体が、熱源300において発生した熱であって、高温蒸発器70で放熱した残余の熱の少なくとも一部を受け取る。そして受熱した熱媒体は、蓄熱器50内の熱交換器に供給され、蓄熱器50内の吸着材に吸着された水蒸気を脱着させる。これにより、熱源300において発生した熱であって、高温蒸発器70で放熱した残余の熱を、蓄熱器50に蓄積することができる。
次に、蓄熱開放制御について説明する。
図7は、吸着式ヒートポンプシステム100における蓄熱開放の説明図である。図7は、上述の吸脱着サイクルと連動して、蓄熱開放が行われる場合であって、吸脱着サイクルの第1工程が行われている例を図示している。図7において、吸着器20における吸脱着工程は、図4を用いて上述した通りに行われている。吸着式ヒートポンプシステム100において、蓄熱開放が行われるとき、循環流路40は、蓄熱が行われない場合(図4、図5)と同様に、第1熱媒流路41と第2熱媒流路42とを第4熱媒流路44により接続した第2循環ルートR2となる(図7)。第2循環ルートR2は、熱交換器55をバイパスするルートである。そのため、熱源300において発生した熱は、蓄熱器50に供給されない。
図7は、吸着式ヒートポンプシステム100における蓄熱開放の説明図である。図7は、上述の吸脱着サイクルと連動して、蓄熱開放が行われる場合であって、吸脱着サイクルの第1工程が行われている例を図示している。図7において、吸着器20における吸脱着工程は、図4を用いて上述した通りに行われている。吸着式ヒートポンプシステム100において、蓄熱開放が行われるとき、循環流路40は、蓄熱が行われない場合(図4、図5)と同様に、第1熱媒流路41と第2熱媒流路42とを第4熱媒流路44により接続した第2循環ルートR2となる(図7)。第2循環ルートR2は、熱交換器55をバイパスするルートである。そのため、熱源300において発生した熱は、蓄熱器50に供給されない。
蓄熱開放が行われる場合、低温蒸発器10と蓄熱器50とが、吸着質分流路16を介して接続される。具体的には、制御装置80は、蓄熱開放制御において、バルブ15V、16Vを開弁させると共に、バルブ14V、32V、33Vを閉弁させる。また、制御装置80は、熱媒体流路60において、バルブ64V、62Vを開弁させ、バルブ63V、65Vを閉弁させると共に、ポンプ66を作動させる。これにより、流路61、64、62により第2蓄熱ルートS2が形成され、熱交換器51を通る第2蓄熱ルートS2を熱媒体が循環する。第2蓄熱ルートS2を循環する熱媒体は、熱交換器51で冷却され、蓄熱器50に供給されることにより、蓄熱器50内の吸着材を冷却する。これにより、低温蒸発器10内の水蒸気(吸着質)が、吸着質流路13、吸着質分流路16、蓄熱器流路52を介して蓄熱器50内に流入し、蓄熱器50内の吸着材に吸着される。図7に示す例では、上述の吸脱着サイクルの第1工程が行われており、低温蒸発器10内の水蒸気は、吸着器22にも流入し、吸着器22内の吸着材にも吸着される。すなわち、制御装置80において蓄熱開放制御が行われている期間は、低温蒸発器10内の水蒸気が、1つの吸着器20と蓄熱器50とに流入するため、低温蒸発器10から流出する水蒸気の流量が、蓄熱開放制御が行われない場合(図4、図5)よりも多くなり、低温蒸発器10における蒸発が促進される。その結果、冷熱量を増大させることができ、冷房装置における冷却効果を向上させることができる。すなわち、冷房装置における急速冷房や、著しく低い冷房温度等を実現することができる。また、熱源300における発熱が小さい場合や、熱源300における発熱がない場合にも、蓄熱開放を行うことにより、冷熱を生成することができる。
次に、単独蓄熱制御について説明する。
図8は、吸着式ヒートポンプシステム100における単独蓄熱の説明図である。単独蓄熱は、上述の吸脱着サイクルが行われないときの蓄熱である。例えば、熱源300からの排熱があるものの、冷房装置200から冷熱需要がない場合に、単独蓄熱が行われる。
図8は、吸着式ヒートポンプシステム100における単独蓄熱の説明図である。単独蓄熱は、上述の吸脱着サイクルが行われないときの蓄熱である。例えば、熱源300からの排熱があるものの、冷房装置200から冷熱需要がない場合に、単独蓄熱が行われる。
吸着式ヒートポンプシステム100において、単独蓄熱が行われるとき、循環流路40は、吸脱着サイクルが行われる場合(図4、図5、図6、図7)と異なり、高温蒸発器70を通らない第3循環ルートR3となる(図8)。具体的には、制御装置80は単独蓄熱制御において、バルブ45V、43Vを開弁させ、バルブ41V、44Vを閉弁させると共に、ポンプ46を作動させる。これにより、第1熱媒流路41のバルブ41Vより上流側と、第5熱媒流路45と、第3熱媒流路43と、第2熱媒流路42により第3循環ルートR3が形成され、第3循環ルートR3を熱媒が循環する。これにより、熱源300において発生した熱を輸送する熱媒が高温蒸発器70をバイパスして、熱交換器55に供給される。
単独蓄熱制御において、制御装置80は、熱媒体流路60について、蓄熱制御の場合と同様に、バルブ63V、65Vを開弁させ、バルブ62V、64Vを閉弁させると共に、ポンプ66を作動させる。これにより、流路63、62、65により第1蓄熱ルートS1が形成され、熱交換器55を通る第1蓄熱ルートS1を熱媒体が循環する。
これにより、熱交換器55において、第3循環ルートR3を流通する熱媒と、第1蓄熱ルートS1を流通する熱媒体との間で熱交換が行われ、第1蓄熱ルートS1を流通する熱媒体が、熱源300において発生した熱の少なくとも一部を受け取る。そして受熱した熱媒体は、蓄熱器50内の熱交換器に供給され、蓄熱器50内の吸着材に吸着された水蒸気を脱着させる。これにより、熱源300において発生した熱を、蓄熱器50に蓄積することができる。
また、単独蓄熱が行われるとき、制御装置80は、バルブ33Vを開弁させると共に、バルブ16Vを閉弁させるため、蓄熱器50において脱着された水蒸気は、蓄熱器流路52、第2吸着質流路33を介して凝縮器30に流入する。凝縮器30に流入した水蒸気は、凝縮され、適宜、凝縮水流路36、凝縮水分流路37を介して低温蒸発器10に供給される。
図9は、第1実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100における蓄熱制御(図6)のタイミングを示す図である。図9では、第3熱媒流路43の入口における熱媒の温度である入口温度ETの経時変化を示している。図6において、入口温度ETの測定位置ETPを、白丸で図示している。図9では、上述の吸脱着サイクルにおける第1工程(図3)の脱着(吸着器21における脱着)を「脱着1」、第2工程の脱着(吸着器22における脱着)を「脱着2」と図示している。脱着開始時は、吸着器20が冷えており、吸着器20の加熱のために熱媒の熱が用いられて、図9に示すように、測定位置ETPにおける熱媒の温度(入口温度ET)が低下する。吸着器20が温まってくると、吸着器20の加熱のために熱媒の熱が用いられるものの、利用される熱量が小さくなってくるため、入口温度ETが上がってくる。吸脱着サイクルにおいて、熱媒蒸気の供給先が、吸着器21と吸着器22との間で、一定の期間で切り替えられるため(図3、図4、図5)、熱媒の入口温度ETは、図9に示すように、変動する。
本実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100では、入口温度ETが、所定の温度閾値CT以上になると予測される期間を、図6に示す第1の蓄熱が行われる蓄熱期間STに設定し、入口温度ETが、所定の温度閾値CTより低くなると予測される期間を、蓄熱が行われないバイパス期間BT(図4、図5)に設定している。ここで、温度閾値CTは、蓄熱器50における吸着質(水蒸気)の脱着が可能な温度(脱着可能温度ともいう)のうち、最低温度に設定している。すなわち、入口温度ETが蓄熱器50において脱着が可能な温度範囲である場合に、蓄熱制御が行われ、入口温度ETが脱着可能温度より低い場合にバイパス制御が行われる。脱着可能温度は、蓄熱器50が有する吸着材の種類によって、予め決まっている。本実施形態では、予め実験的に求められた、図9に示すような入口温度ETの経時変化と温度閾値CTとの関係に基づいて、入口温度ETが脱着可能温度になると予測される期間に、蓄熱期間STが予め定められている。図示するように、蓄熱期間STは、脱着工程の後期に設定されている。温度閾値CTは、本実施形態に限定されず、蓄熱器50における脱着可能温度範囲の任意の温度に設定可能である。
蓄熱期間STの間は、循環流路40として第1熱媒流路41と第2熱媒流路42とを第3熱媒流路43により接続した第1循環ルートR1が形成され、バイパス期間BTの間は、循環流路40として第1熱媒流路41と第2熱媒流路42とを第4熱媒流路44により接続した第2循環ルートR2が形成される。すなわち、バイパス期間BTの間は、熱媒は、第3熱媒流路43をバイパスする。すなわち、バイパス期間BTの間は、熱媒が熱交換器55をバイパスする結果、熱媒体流路60を循環する熱媒体と熱媒との間で熱交換が行われず、ひいては熱媒と蓄熱器50との間で熱交換が行われない。
熱媒の入口温度ETが温度閾値CTより低い場合に、第1循環ルートR1を形成して熱媒と蓄熱器50との間で熱交換を行わせても、蓄熱器50の温度が、蓄熱器50内の吸着材の脱着可能温度範囲にならないため、蓄熱器50において脱着ができない。また、蓄熱器50の温度が低い場合には、凝縮器30から蓄熱器50へ水蒸気が逆流して、蓄熱器50において吸着が生じる可能性がある。これに対し、本実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100では、蓄熱が、蓄熱器50における脱着が可能な温度範囲の熱媒を利用して行われるため、蓄熱器50における水蒸気の脱着を適切に行うことができ、蓄熱器50における水蒸気の吸着量を低減することができる。すなわち、蓄熱器50における蓄熱量の低下を抑制することができる。
図10は、吸着式ヒートポンプシステム100の蓄熱器50における水蒸気の吸着量の経時変化を示す図である。図10では、比較例として、バイパス制御を行わず、吸脱着サイクルの間中、蓄熱制御を行う場合の吸着量を図示している。図10の横軸(時間軸)は、図9と一致している。図示するように、比較例では、蓄熱器50における水蒸気の吸着量が、大きく変動している。詳しくは、図9に示す入口温度ETの変動と連動して吸着量が変動している。これは、凝縮器30から蓄熱器50へ水蒸気が逆流して、蓄熱器50において吸着が生じるためと考えられる。これに対し、本実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100によれば、吸着量が時間の経過に伴い減少している。これは、脱着工程の前期の熱媒の入口温度ETが低い間は、バイパス制御を行い、熱媒と蓄熱器50との間で熱交換が行われないため、凝縮器30から蓄熱器50への水蒸気の逆流が抑制され、脱着が進むためと考えられる。
上述の吸脱着サイクル制御、蓄熱制御、バイパス制御、蓄熱開放制御、および単独蓄熱制御を実現するプログラムは、制御装置80に、予め記憶されていてもよい。また、プログラムはプログラム提供者側から通信ネットワークを介して、提供されてもよい。また、プログラムは、市販され、流通している可搬型記憶媒体に格納されていてもよい。この場合、この可搬型記憶媒体は外付け又は内蔵の読取装置にセットされて、制御装置80によってそのプログラムが読み出されて、実行されてもよい。可搬型記憶媒体としてはCD-ROM、DVD-ROM、フレキシブルディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ICカード、USBメモリ装置など様々な形式の記憶媒体を使用することができる。このような記憶媒体に格納されたプログラムが読取装置によって読み取られる。後の実施形態において説明する制御を実現するプログラムについても、同様である。
以上説明したように、本実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100によれば、蓄熱器50に熱源300における廃熱を蓄積することができる。そのため、熱源300からの排熱がない、または不足する場合にも、蓄熱器50に吸着質を吸着させることにより、冷熱を生成することができる。すなわち、吸着式ヒートポンプシステム100への熱の供給と、冷熱需要の変動を緩和することができる。
また、吸着式ヒートポンプシステム100では、吸着器20に熱を供給した後の熱媒に残っている熱を、蓄熱器50に蓄積することができる。そのため、廃熱の利用率を向上させることができる。
さらに、本実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100によれば、蓄熱器50と、循環流路40と、循環流路切替部40Vと、を備えるため、循環流路切替部40Vにより、熱媒の流路を、蓄熱器50に熱を供給する第1循環ルートR1と、蓄熱器50に熱を供給しない第2循環ルートR2と、に切替えることができる。そして、吸着式ヒートポンプシステム100では、蓄熱器50における蓄熱を、2つの吸着器20における吸脱着サイクルと連動させており、熱媒の入口温度ETが、蓄熱器50の吸着材の脱着可能温度範囲の場合に、蓄熱制御が行われ、熱媒の入口温度ETが、蓄熱器50の吸着材の脱着可能温度より低い場合には、バイパス制御が行われる。バイパス制御が行われている間は、循環流路40を循環する熱媒が輸送する熱が蓄熱器50に供給されないため、蓄熱器50内の吸着材の温度低下が抑制され、蓄熱器50における脱着が進むため、バイパス制御を行わない場合と比較して、蓄熱量を増加させることができる。
また、吸着式ヒートポンプシステム100では、予め実験的に求められた熱媒の入口温度ETの経時変化と温度閾値CTとの関係に基づいて、入口温度ETが脱着可能温度になると予測される期間に、蓄熱制御を行う期間が予め定められている。そのため、制御装置80における制御を簡易にすることができるため、制御装置80の小型化、コスト低減に資することができる。
また、吸着式ヒートポンプシステム100では、高温蒸発器70を備え、熱源300の排熱を、循環流路40を流れる熱媒(水)および高温蒸発器70において発生される高温水蒸気(熱媒蒸気)を介して吸着器20に供給している。熱媒として蒸気を用いることにより、温度差による圧力差を利用して、高温蒸発器70から吸着器20へ熱媒蒸気を送ることができるため、吸着器20に対して熱媒を供給するためのポンプを省くことができる。
<第2実施形態>
図11は、第2実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100Aの概略構成を示す説明図である。第2実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100Aは、第1実施形態の吸着式ヒートポンプ99に代えて吸着式ヒートポンプ99Aを有する。吸着式ヒートポンプ99Aは、第1実施形態の吸着式ヒートポンプ99の構成に加え、さらに、第1温度センサ91、および第2温度センサ92を有する。また、制御装置80における蓄熱制御およびバイパス制御のタイミングが、第1実施形態と異なる。以下に説明する実施形態において、吸着式ヒートポンプシステム100と同一の構成には同一の符号を付し、先行する説明を参照する。
図11は、第2実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100Aの概略構成を示す説明図である。第2実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100Aは、第1実施形態の吸着式ヒートポンプ99に代えて吸着式ヒートポンプ99Aを有する。吸着式ヒートポンプ99Aは、第1実施形態の吸着式ヒートポンプ99の構成に加え、さらに、第1温度センサ91、および第2温度センサ92を有する。また、制御装置80における蓄熱制御およびバイパス制御のタイミングが、第1実施形態と異なる。以下に説明する実施形態において、吸着式ヒートポンプシステム100と同一の構成には同一の符号を付し、先行する説明を参照する。
第1温度センサ91は、循環流路40の第1熱媒流路41と第3熱媒流路43との接続部分、すなわち、第1実施形態の図6における測定位置ETPに設けられている。第1温度センサ91は、第3熱媒流路43に流入する熱媒の温度(入口温度ET)を計測し、制御装置80に対して出力する。
第2温度センサ92は、熱媒体流路60の流路62において、蓄熱器50からの出口近傍に設けられている。第2温度センサ92は、流路62において蓄熱器50出口近傍を流れる熱媒体の温度を計測し、制御装置80に対して出力する。流路62を流れる熱媒体は、蓄熱器50の熱交換器を流れて、吸着材と熱交換を行うため、第2温度センサ92において計測された温度は、蓄熱器50の温度とみなすことができる。
図12は、第2実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100Aにおいて蓄熱制御が行われるタイミングを示す図である。図12では、第1温度センサ91によって計測された熱媒の入口温度T1と、第2温度センサ92によって計測された熱媒の蓄熱器50出口近傍の温度(出口温度T2)の経時変化を示している。
本実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100Aでは、熱媒の入口温度T1が熱媒の出口温度T2以上の場合には、蓄熱制御が行われ、熱媒の入口温度T1が熱媒の出口温度T2より低い場合には、バイパス制御が行われる。図12において、バイパス制御が行われる期間を、「BT」と示しており、残りの期間は、蓄熱制御が行われる。
図13は、第2実施形態における蓄熱制御とバイパス制御との切替制御の流れを示すフローチャートである。切替制御は、吸脱着サイクル制御の開始と同時に開始される。
ステップS10では、制御装置80は、第1温度センサ91から出力された入口温度T1を取得し、第2温度センサ92から出力された出口温度T2を取得する。
ステップS11では、入口温度T1が出口温度T2より高いか否かを判定する。入口温度T1が出口温度T2より高いと判定した場合(ステップS11:YES)、蓄熱制御を実施する(ステップS12)。一方、入口温度T1が出口温度T2以下であると判定した場合(ステップS11:NO)、バイパス制御を実施する(ステップS14)。
ステップS13では、蓄熱器50における蓄熱が完了したか否かを判定する。例えば、蓄熱器流路52に湿度計を設け、湿度計の計測湿度に基づいて、蓄熱器50から水蒸気の流出の有無を判定し、水蒸気の流出が無い場合に、蓄熱が完了したと判定してもよい。また、蓄熱器流路52に温度センサを設け、温度センサによる計測温度が略環境温度になった場合に、蓄熱が完了したと判定してもよい。その他、種々の公知の方法により、蓄熱の完了を判定することができる。ステップS13において、蓄熱が完了したと判定した場合(ステップS13:YES)、切替制御を終了する。一方、蓄熱が完了していないと判定した場合は(ステップS13:NO)、ステップS10に戻る。すなわち、蓄熱が完了するまで、切替制御が行われる。切替制御が終了すると、制御装置80は、蓄熱制御を行わない。
以上説明したように、本実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100Aによれば、制御装置80は、入口温度T1と出口温度T2(蓄熱器50の温度に相当する)との関係に応じて、蓄熱制御とバイパス制御とを切替える。詳しくは、出口温度T2が入口温度T1より低いときは、制御装置80は、蓄熱制御を実行する。すなわち、蓄熱器50の温度が熱媒の入口温度より低い場合は、熱媒の入口温度が蓄熱器50の脱着可能温度より低い場合でも、制御装置80は蓄熱制御を実行する。そのため、蓄熱器50の加熱開始直後等、蓄熱器50の温度が熱媒の入口温度より低い場合に、熱媒の入口温度と蓄熱器50の脱着可能温度との関係に基づいてバイパス制御を行うことによる蓄熱器50の昇温の遅れを抑制することができる。また、本実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100Aによれば、蓄熱器50が昇温した後は、蓄熱器50より低い温度の熱媒が、蓄熱器50に導入されないため(バイパス制御が行われるため)、蓄熱器50の温度低下による、凝縮器30から蓄熱器50への水蒸気の逆流に伴う蓄熱器50における水蒸気の吸着量の増加を抑制することができ、蓄熱器50における蓄熱量の低下を抑制することができる。
<第3実施形態>
図14は、第3実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100における蓄熱消費の説明図である。第3実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100の構成は、第1実施形態の構成と同様である。第3実施形態では、吸着式ヒートポンプシステム100において、さらに、蓄熱消費制御が行われる。例えば、吸着式ヒートポンプシステム100の始動時等、吸着式ヒートポンプ99全体が環境温度に近い(循環流路40を流れる熱媒の温度が低く、冷媒流路11を流れる冷媒の温度が高い)ときに、蓄熱消費が行われる。
図14は、第3実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100における蓄熱消費の説明図である。第3実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100の構成は、第1実施形態の構成と同様である。第3実施形態では、吸着式ヒートポンプシステム100において、さらに、蓄熱消費制御が行われる。例えば、吸着式ヒートポンプシステム100の始動時等、吸着式ヒートポンプ99全体が環境温度に近い(循環流路40を流れる熱媒の温度が低く、冷媒流路11を流れる冷媒の温度が高い)ときに、蓄熱消費が行われる。
吸着式ヒートポンプシステム100において、吸脱着サイクル制御の開始前に、蓄熱消費制御が行われる。すなわち、低温蒸発器10において発生される水蒸気は、吸着器20には供給されず、蓄熱器50に供給される。具体的には、制御装置80は、蓄熱消費制御において、バルブ14V、15V、31V、32V、33V、34V、35Vを閉弁させ、バルブ16Vを開弁させると共に、ポンプ12を作動させる。これにより、低温蒸発器10内の水蒸気が蓄熱器50に流入し、蓄熱器50内の吸着材に吸着される。低温蒸発器10からの水蒸気の流出に伴い、低温蒸発器10内で水の蒸発が起こり、冷熱が生成される。
また、制御装置80は、熱媒体流路60について、バルブ63V、65Vを開弁させ、バルブ62V、64Vを閉弁させると共に、ポンプ66を作動させる。これにより、流路63、62、65により第1蓄熱ルートS1が形成され、熱交換器55を通る第1蓄熱ルートS1を熱媒体が循環する。
また、制御装置80は、バルブ41V、43Vを開弁させ、バルブ44V、45Vを閉弁させると共に、ポンプ46を作動させる。これにより、第1熱媒流路41、第3熱媒流路43、および第2熱媒流路42により第1循環ルートR1が形成され、第1循環ルートR1を熱媒が循環する。このとき上述の通り、吸脱着サイクル制御の開始前であるため、バルブ72V、73Vは閉弁されており、高温蒸発器70内で発生した水蒸気は、高温蒸発器70から流出しない。本実施形態における蓄熱消費制御を、「始動制御」とも呼ぶ。
蓄熱消費制御により、蓄熱器50において水蒸気が吸着されると、吸着熱が発生する。蓄熱器50において発生した吸着熱は、熱媒体流路60において第1蓄熱ルートS1で流れる熱媒体によって輸送され、熱交換器55を介して循環流路40において第1循環ルートR1で流れる熱媒に供給される。そのため、循環流路40を流れる熱媒の温度が上昇し、高温蒸発器70で発生した水蒸気の温度を上昇させることができる。すなわち、吸着式ヒートポンプシステム100の暖機を早く完了させることができる。
また、蓄熱器50において発生した吸着熱が熱媒体流路60を流れる熱媒体を介して循環流路40を流れる熱媒に供給され、高温蒸発器70において放熱されるため、蓄熱器50における温度上昇を抑制することができる。そのため、蓄熱器50における水蒸気の吸着を継続することができ、低温蒸発器10における冷熱の発生を継続することができる。その結果、冷媒流路11を流れる冷媒の温度低下を促進させることができ、冷房準備完了までに要する時間を短縮することができる。
図15は、第3実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100における熱媒温度と冷媒温度の経時変化を示す図である。図15では、比較例として、蓄熱消費制御を行わない場合の温度変化を図示している。図示するように、本実施形態の100では、比較例と比較して、暖機完了に要する時間と、冷房準備完了に要する時間を短縮することができた。
以上説明したように、本実施形態の吸着式ヒートポンプシステム100によれば、始動時に蓄熱消費制御を行って、蓄熱器50において低温蒸発器10内の水蒸気を吸着させることにより低温蒸発器10において冷熱を発生させると共に、蓄熱器50において発生した吸着熱を利用して、高温蒸発器70内の水蒸気の温度を昇温させることができる。その結果、吸着式ヒートポンプシステム100における暖機および冷房準備を促進することができる。
<本実施形態の変形例>
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。また、上記実施形態において、ハードウェアによって実現されるとした構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されるとした構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。また、上記実施形態において、ハードウェアによって実現されるとした構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されるとした構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。
・上記第2実施形態において、熱媒の入口温度と蓄熱器50の脱着可能温度との関係によらず、蓄熱器50の温度と熱媒の入口温度との関係に基づいて、蓄熱制御とバイパス制御とを切替える例を示したが、例えば、以下のように、蓄熱制御とバイパス制御とを切替えてもよい。制御装置は、熱媒の入口温度が蓄熱器50の脱着可能温度より低い場合であって、蓄熱器50の温度が脱着可能温度より低い場合は、蓄熱制御を行い、熱媒の入口温度が蓄熱器50の脱着可能温度より低い場合であって、蓄熱器50の温度が脱着可能温度以上場合は、バイパス制御を行う。このようにしても、蓄熱器50の温度が低い場合には、上昇され、蓄熱器50の温度が高い場合には、温度低下を抑制することができる。
・上記実施形態において、蓄熱制御とバイパス制御との切替を、吸脱着制御における熱媒温度と関連付けて行う例を示したが、上記実施形態に限定されない。例えば、吸脱着サイクルの開始後、所定の時間は、蓄熱制御を行い、所定の時間が経過した後は、バイパス制御を行ってもよい。このようにしても、蓄熱器50の温度上昇を促進させることができる。
・上記第1実施形態において、制御装置80が吸脱着サイクルの吸着工程における予め定められた蓄熱期間STの間、蓄熱制御を実行し、蓄熱期間STは、吸脱着サイクルにおける時間と、熱媒の入口温度ETとの関係を用いて、入口温度ETが蓄熱器50の脱着可能温度になると予測される期間に予め設定されている例を示したが、サイクル中の実測値に基づいて、蓄熱制御とバイパス制御とを切替えてもよい。具体的には、吸着式ヒートポンプシステムが熱媒の入口温度を測定する温度センサを備え、制御装置80が、温度センサの検出結果に基づいて、入口温度が蓄熱器50の脱着可能温度の場合に、蓄熱制御を行ってもよい。
・上記実施形態において、吸脱着サイクル制御における第1工程と第2工程との時間が同一である例を示したが、第1工程の時間と第2工程の時間が異なっていてもよい。また、第1工程における吸着時間と脱着時間とが異なっていてもよい。同様に、第2工程における吸着時間と脱着時間とが異なっていてもよい。
・上記実施形態において、蓄熱器50の温度として、熱媒体流路60を流れる熱媒体の蓄熱器50出口近傍の温度を用いたが、これに限定されず、例えば、蓄熱器50の容器、吸着材、熱交換器の温度を用いてもよい。
・上記実施形態において、蓄熱器50が吸着器20と同一の構成である例を示したが、蓄熱器50の構成は、吸着器20と異なっていてもよい。すなわち、蓄熱器は、蒸発器と接続され蒸発器から供給される吸着質を吸着し、熱媒が輸送する熱を利用して、自身に吸着された吸着質を脱着させることにより蓄熱可能であればよく、吸着器20の吸着材26と異なる吸着材を用いてもよいし、吸着器20と異なる形状、異なる大きさ等であってもよい。
・上記実施形態では、吸着式ヒートポンプが2つの吸着器を備える例を示したが、3つ以上の吸着器を備える構成にしてもよいし、1つの吸着器を備える構成にしてもよい。
・上記実施形態において、高温蒸発器70を備える構成を例示したが、高温蒸発器70を備えない構成にしてもよい。第1熱媒流路41が分岐されて、2つの吸着器20を通り、その後、第3熱媒流路43および第4熱媒流路44に接続される構成にしてもよい。このようにすると、熱源300の排熱を受け取った熱媒により、直接、吸着器20を加熱することができる。
・上記実施形態の循環流路40において、第5熱媒流路45を備えない構成にしてもよい。
・上記実施形態において、熱交換器55および熱媒体流路60を備えず、熱交換器55に代えて蓄熱器50を配置してもよい。このようにすると、第3熱媒流路43を流れる熱媒により、直接、蓄熱器50を加熱することができる。
・上記実施形態において、吸着式ヒートポンプと制御装置とを備える吸着式ヒートポンプシステムを例示したが、吸着式ヒートポンプ単体として構成してもよいし、制御装置単体として構成してもよい。
・上記実施形態において実行される各制御を、適宜、組み合わせてもよい。また、第1実施形態において実行される複数の制御のうち、一部の制御を削除してもよい。
・上記実施形態において、吸着器20を加熱するための熱として廃熱を利用する例を示したが、廃熱に限定されない。例えば、自然エネルギーを利用して生成される熱を利用してもよい。この場合も、熱の供給と冷熱の需要との不一致が生じる可能性が高いため、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
・上記実施形態において、冷媒流路11を流れる冷媒、循環流路40を流れる熱媒、熱媒体流路60を流れる熱媒体として、水を例示したが、水に限定されず、例えば、不凍液、グリコール系の液体、アルコール系の液体、オイル等、種々の熱媒体を用いることができる。
以上、実施形態、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。
10…低温蒸発器
11…冷媒流路
12…ポンプ
13…吸着質流路
14、15、16…吸着質分流路
14V~16V、31V~38V、41V~45V、62V~65V、72V、73V…バルブ
20、21、22…吸着器
25、51、55…熱交換器
26…吸着材
27…容器
30…凝縮器
31、32、33…第2吸着質流路
34、35…凝縮器流路
36…凝縮水流路
37、38…凝縮水分流路
40…循環流路
40V…循環流路切替部
41…第1熱媒流路
42…第2熱媒流路
43…第3熱媒流路
44…第4熱媒流路
45…第5熱媒流路
46…ポンプ
50…蓄熱器
52…蓄熱器流路
60…熱媒体流路
61~65…流路
66…ポンプ
70…高温蒸発器
71…熱媒蒸気流路
72、73…熱媒蒸気分流路
80…制御装置
91…第1温度センサ
92…第2温度センサ
99、99A…吸着式ヒートポンプ
100、100A…吸着式ヒートポンプシステム
200…冷房装置
300…熱源
R1…第1循環ルート
R2…第2循環ルート
R3…第3循環ルート
S1…第1蓄熱ルート
S2…第2蓄熱ルート
11…冷媒流路
12…ポンプ
13…吸着質流路
14、15、16…吸着質分流路
14V~16V、31V~38V、41V~45V、62V~65V、72V、73V…バルブ
20、21、22…吸着器
25、51、55…熱交換器
26…吸着材
27…容器
30…凝縮器
31、32、33…第2吸着質流路
34、35…凝縮器流路
36…凝縮水流路
37、38…凝縮水分流路
40…循環流路
40V…循環流路切替部
41…第1熱媒流路
42…第2熱媒流路
43…第3熱媒流路
44…第4熱媒流路
45…第5熱媒流路
46…ポンプ
50…蓄熱器
52…蓄熱器流路
60…熱媒体流路
61~65…流路
66…ポンプ
70…高温蒸発器
71…熱媒蒸気流路
72、73…熱媒蒸気分流路
80…制御装置
91…第1温度センサ
92…第2温度センサ
99、99A…吸着式ヒートポンプ
100、100A…吸着式ヒートポンプシステム
200…冷房装置
300…熱源
R1…第1循環ルート
R2…第2循環ルート
R3…第3循環ルート
S1…第1蓄熱ルート
S2…第2蓄熱ルート
Claims (11)
- 吸着式ヒートポンプであって、
吸着質を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器と接続され、前記蒸発器から供給される前記吸着質を吸脱着可能な吸着器と、
前記吸着器と接続され、前記吸着器から脱着された前記吸着質を凝縮する凝縮器と、
熱源の熱を輸送する熱媒が循環する循環流路と、
前記蒸発器と接続され前記蒸発器から供給される前記吸着質を吸着し、前記熱媒が輸送する熱を利用して、自身に吸着された前記吸着質を脱着させることにより蓄熱可能な蓄熱器と、
を備え、
前記循環流路は、
前記吸着器に熱を供給するための第1熱媒流路と、
前記吸着器に熱を供給した後の前記熱媒を前記熱源に戻す第2熱媒流路と、
前記第1熱媒流と前記第2熱媒流路とを連通し、前記熱媒を介して前記蓄熱器に熱を供給するための第3熱媒流路と、
前記第1熱媒流と前記第2熱媒流路とを連通し、前記第3熱媒流路をバイパスする第4熱媒流路と、
を備え、
前記吸着式ヒートポンプは、さらに、
前記循環流路において前記熱媒の流路を切替え可能な循環流路切替部と、
を備える、
吸着式ヒートポンプ。 - 吸着式ヒートポンプシステムであって、
請求項1に記載の吸着式ヒートポンプと、
前記ヒートポンプを制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記吸着器において、前記吸着質を吸着させる吸着工程と、前記熱媒の熱を利用して前記吸着質を脱着させる脱着工程を1サイクルとして、複数サイクルを繰返させる吸脱着サイクル制御と、
前記循環流路切替部を制御して、前記循環流路において前記第1熱媒流路と前記第2熱媒流路とを前記第3熱媒流路により接続した第1循環ルートを形成して、前記熱媒を循環させて、前記蓄熱器に熱を供給させる蓄熱制御と、
前記循環流路切替部を制御して、前記循環流路において前記第1熱媒流路と前記第2熱媒流路とを前記第4熱媒流路により接続した第2循環ルートを形成して、前記熱媒を循環させる、バイパス制御と、
を、前記吸脱着サイクル制御を行っている間に、前記蓄熱制御と前記バイパス制御と、を切替えて行う、
吸着式ヒートポンプシステム。 - 請求項2に記載の吸着式ヒートポンプシステムであって、
前記制御装置は、
前記第3熱媒流路の入口における前記熱媒の温度である入口温度が、前記蓄熱器における前記吸着質の脱着が可能な温度である脱着可能温度の場合に、前記蓄熱制御を行う、
吸着式ヒートポンプシステム。 - 請求項3に記載の吸着式ヒートポンプシステムであって、
前記制御装置は、
前記入口温度が脱着可能温度より低い場合は、前記バイパス制御を行う、
吸着式ヒートポンプシステム。 - 請求項3に記載の吸着式ヒートポンプシステムであって、
前記制御装置は、
前記入口温度が前記脱着可能温度より低い場合であって、前記蓄熱器の温度が前記脱着可能温度より低い場合は、前記蓄熱制御を行い、
前記入口温度が前記脱着可能温度より低い場合であって、前記蓄熱器の温度が前記脱着可能温度以上の場合は、前記バイパス制御を行う、
吸着式ヒートポンプシステム。 - 請求項2に記載の吸着式ヒートポンプシステムであって、
前記制御装置は、
前記第3熱媒流路の入口における前記熱媒の温度である入口温度が、前記蓄熱器の温度より高い場合に、蓄熱制御を行い、
前記入口温度が、前記蓄熱器の温度以下の場合に、前記バイパス制御を行う、
吸着式ヒートポンプシステム。 - 請求項3から請求項5のいずれか一項に記載の吸着式ヒートポンプシステムであって、
前記制御装置は、
前記サイクルにおける予め定められた蓄熱期間の間、前記蓄熱制御を実行し、
前記蓄熱期間は、前記サイクルにおける時間と、前記熱媒の前記入口温度との関係を用いて、前記入口温度が前記脱着可能温度になると予測される期間に予め設定されている、
吸着式ヒートポンプシステム。 - 請求項3から請求項6のいずれか一項に記載の吸着式ヒートポンプシステムであって、
前記熱媒の前記入口温度を検出する温度センサを、さらに備え、
前記制御装置は、
前記温度センサにより検出された前記入口温度に基づいて、前記蓄熱制御と前記バイパス制御との切替を行う、
吸着式ヒートポンプシステム。 - 請求項2から請求項8のいずれか一項に記載の吸着式ヒートポンプシステムであって、
前記制御装置は、
前記吸脱着サイクル制御を行う前に、さらに、
前記蒸発器により蒸発させた前記吸着質を前記蓄熱器に吸着させると共に、前記循環流路において前記第1循環ルートを形成させて前記熱媒を循環させる、始動制御を行う、
吸着式ヒートポンプシステム。 - 請求項1に記載の吸着式ヒートポンプの制御装置であって、
前記吸着器において、前記吸着質を吸着させる吸着工程と、前記熱媒の熱を利用して前記吸着質を脱着させる脱着工程を1サイクルとして、複数サイクルを繰返させる吸脱着サイクル制御と、
前記循環流路切替部を制御して、前記循環流路において前記第1熱媒流路と前記第2熱媒流路とを前記第3熱媒流路により接続した第1循環ルートを形成して、前記熱媒を循環させて、前記蓄熱器に熱を供給させる蓄熱制御と、
前記循環流路切替部を制御して、前記循環流路において前記第1熱媒流路と前記第2熱媒流路とを前記第4熱媒流路により接続した第2循環ルートを形成して、前記熱媒を循環させる、バイパス制御と、
を、前記吸脱着サイクル制御を行っている間に、前記蓄熱制御と前記バイパス制御と、を切替えて行う、
制御装置。 - 請求項1に記載の吸着式ヒートポンプを制御するためのプログラムであって、コンピュータに、
前記吸着器において、前記吸着質を吸着させる吸着工程と、前記熱媒の熱を利用して前記吸着質を脱着させる脱着工程を1サイクルとして、複数サイクルを繰返させる吸脱着サイクル制御機能と、
前記循環流路切替部を制御して、前記循環流路において前記第1熱媒流路と前記第2熱媒流路とを前記第3熱媒流路により接続した第1循環ルートを形成して、前記熱媒を循環させて、前記蓄熱器に熱を供給させる蓄熱制御機能と、
前記循環流路切替部を制御して、前記循環流路において前記第1熱媒流路と前記第2熱媒流路とを前記第4熱媒流路により接続した第2循環ルートを形成して、前記熱媒を循環させる、バイパス制御機能と、
前記吸脱着サイクル制御を行っている間に、前記蓄熱制御と前記バイパス制御と、を切替えて行う機能と、
を実現させる、
プログラム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2021087331A JP2022180704A (ja) | 2021-05-25 | 2021-05-25 | 吸着式ヒートポンプ、吸着式ヒートポンプシステム、制御装置、およびプログラム |
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2021
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