JP5387386B2

JP5387386B2 - ヒートポンプ及びその制御方法

Info

Publication number: JP5387386B2
Application number: JP2009289261A
Authority: JP
Inventors: 久和鬼塚; 一雄三好; 雅祐中島; 淳平田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2029-12-21
Also published as: JP2011127871A

Description

本発明は、蒸発器に供給される高温熱源の温度が環境温度よりも高いヒートポンプ及びその制御方法に係り、特に、運転停止中のヒートポンプ全体の温度低下を抑制することで、通常運転に復帰する際の反応性および省エネルギー性を向上したヒートポンプ及びその制御方法に関するものである。

ヒートポンプとは、凝縮器、圧縮機、蒸発器、膨張弁を基幹部品とした閉ループと、閉ループ内に充填された熱媒体（熱媒）から構成される熱移動機器である。

一般的に認知されているヒートポンプとしては、家庭用冷蔵庫、家庭用エアコンなどがある。なお、ヒートポンプという名称は、家庭用エアコンの冷房モードのように大気の高温熱源から室内の低温空気を生む冷却機器と、暖房モードのように大気の低温熱源から室内の高温空気を生む加熱器機の両方の意味を含有しているが、本明細書では、ヒートポンプを加熱機器としてのみ扱う。

ヒートポンプの作動原理を図４に基づき説明する。なお、図４における縦軸は熱媒体の圧力、横軸は熱媒体のエンタルピである。図４において、熱媒体は、液相線の左側では液相（液体）、気相線の右側では気相（気体）となり、液相線と気相線の間では液相（液体）と気相（気体）が入り混じった状態となる。

ヒートポンプでは、まず、蒸発器で高温熱源と熱交換（吸熱）を行い熱媒体を昇温し、熱媒体を蒸発させる。蒸発器にて蒸発した熱媒体は、圧縮機において圧縮され、昇温・昇圧される。その後、凝縮器において低温熱源と熱交換（放熱）を行い熱媒体を高圧のまま降温し、熱媒体を凝縮する。このとき、熱媒体の放熱により低温熱源に用いる媒体が加熱されるが、この凝縮器における放熱量は、蒸発器における吸熱量よりも大きくなる。凝縮器にて凝縮した熱媒体は、膨脹弁において膨脹（降圧）され、蒸発器に戻る。

なお、ヒートポンプでは、蒸発器にて蒸発して気相となった熱媒体を圧縮機を介して凝縮器に供給し、凝縮器にて凝縮して液相となった熱媒体を膨脹弁を介して蒸発器に供給するが、熱媒体の循環をスムーズとするには、液相のときに下方（重力方向）に、気相のときに上方（重力方向と反対方向）に熱媒体を移動させるように構成することが好ましい。そのため、ヒートポンプでは、凝縮器を蒸発器よりも上方に配置することが一般的である。

ヒートポンプにおいて、運転を停止する場合（凝縮器で放熱の必要性がない場合）には、膨脹弁を閉め、圧縮機を止めることで熱媒体の循環（移動）を止めるのが一般的である。これは、膨脹弁を開放したままだと、運転停止中に凝縮器にて凝縮して液相となった熱媒体が下方の蒸発器に溜まっていき、蒸発器における液位（蒸発器内に存在する液相の熱媒体の液面の位置）が高く、つまり蒸発器における液相の熱媒体の保液量が多くなってしまい、この状態で通常運転を再開すると、液相の状態（ミスト状）の熱媒体が圧縮機に供給されて不具合が発生するおそれがあるためである。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１，２がある。

特開２００８−８５９４号公報特開２００８−８５９５号公報

ところで、家庭用エアコンの暖房モードにおいては、蒸発器での高温熱源が環境温度（大気温度）となっているが、これに対して、例えば、蒸気の再加熱に用いられる産業用のヒートポンプでは、環境温度よりも高温の蒸気（例えば、１００〜１５０℃の低温蒸気）を高温熱源として蒸発器に供給し、凝縮器にて低温蒸気を再加熱して高温蒸気（例えば１５０〜１８０℃の高温蒸気）とするものがある。

しかしながら、蒸発器に供給される高温熱源の温度が環境温度よりも高いヒートポンプ（以下、高温ヒートポンプと呼称する）においては、以下のような問題があった。

上述のように、従来のヒートポンプでは、運転停止時に膨脹弁を閉じ、圧縮機を停止して熱媒体の循環を完全に停止させるが、運転停止中に熱媒体の熱が凝縮器で放熱（大気への放熱）され、系全体（ヒートポンプ全体）が環境温度に近い温度まで冷却される。なお、運転停止中に蒸発器に高温熱源が供給され続けている場合には、蒸発器周辺の温度は環境温度よりも高く維持されるが、蒸発器から離れた部分（例えば凝縮器周辺）では、蒸発器からの伝熱は多少あるものの、環境温度に近い温度まで冷却される。

高温ヒートポンプでは、運転時の系全体（ヒートポンプ全体）の平均温度が例えば１５０℃以上と環境温度と比較して高温であるため、運転停止中に系（ヒートポンプ）の温度が環境温度に近い温度まで低下してしまうと、運転開始時に熱媒体を再び加熱するのに時間がかかってしまう、すなわち反応性が悪いという問題がある。また、通常運転に復帰する度に、配管など大きな熱容量の部材を含む系全体（ヒートポンプ全体）の温度を上昇させなければならないため、無駄が多く、省エネルギーの観点からも好ましくないという問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、蒸発器に供給される高温熱源の温度が環境温度よりも高いヒートポンプにおいて、通常運転に復帰する際の反応性および省エネルギー性を向上したヒートポンプ及びその制御方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、熱媒体を高温熱源と熱交換させ前記熱媒体を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器で蒸発させた前記熱媒体を圧縮する圧縮機と、前記蒸発器よりも上方に配置され、前記圧縮機で圧縮された前記熱媒体を低温熱源と熱交換させ前記熱媒体を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器で凝縮させた前記熱媒体を膨張させて前記蒸発器に供給する膨張弁とを備え、前記蒸発器に供給される前記高温熱源の温度が環境温度よりも高いヒートポンプにおいて、前記圧縮機をバイパスする圧縮機バイパスラインと、該圧縮機バイパスラインに設けられた圧縮機バイパス弁と、前記蒸発器に供給される前記高温熱源の温度を計測する高温熱源用温度計と、前記圧縮機と前記膨脹弁と前記圧縮機バイパス弁とを制御する制御器とを備え、前記制御器は、前記圧縮機の運転を停止する際あるいは運転停止中に、前記高温熱源用温度計で検出した前記高温熱源の温度が所定温度以上であるとき、前記圧縮機バイパス弁を開放すると共に、前記蒸発器での前記熱媒体の液位が最大となるように前記膨脹弁の開度を制御することで、前記熱媒体を前記蒸発器にて蒸発させて上方の前記凝縮器に供給すると共に、その蒸発した前記熱媒体を前記凝縮器にて凝縮させて下方の前記蒸発器に戻す自然循環を発生させる自然循環待機運転モードに切り替える運転モード切替部を有するヒートポンプである。

前記運転モード切替部は、前記圧縮機の運転を停止する際に、前記高温熱源用温度計で検出した前記高温熱源の温度が所定温度未満であるとき、前記圧縮機バイパス弁と前記膨脹弁とを閉じて、前記熱媒体の自然循環を停止するとよい。

前記運転モード切替部は、前記自然循環待機運転モード中に、前記高温熱源用温度計で検出した前記高温熱源の温度が所定温度未満となったとき、前記圧縮機バイパス弁と前記膨脹弁の開度を調整して前記蒸発器の液位が所定の液位となるように制御した後、前記圧縮機バイパス弁と前記膨脹弁とを閉じて、前記熱媒体の自然循環を停止するとよい。

前記運転モード切替部は、前記自然循環待機運転モードから通常運転に復帰する際、前記圧縮機バイパス弁と前記膨脹弁の開度を調整して前記蒸発器の液位が所定の液位となるようにした後、前記圧縮機の運転を再開すると共に、前記圧縮機バイパス弁を閉じるとよい。

また、本発明は、熱媒体を高温熱源と熱交換させ前記熱媒体を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器で蒸発させた前記熱媒体を圧縮する圧縮機と、前記蒸発器よりも上方に配置され、前記圧縮機で圧縮された前記熱媒体を低温熱源と熱交換させ前記熱媒体を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器で凝縮させた前記熱媒体を膨張させて前記蒸発器に供給する膨張弁とを備え、前記蒸発器に供給される前記高温熱源の温度が環境温度よりも高いヒートポンプの制御方法において、前記圧縮機をバイパスするように圧縮機バイパスラインを設けると共に、該圧縮機バイパスラインに圧縮機バイパス弁を設け、かつ、前記蒸発器に供給される高温熱源の温度を計測する高温熱源用温度計を設け、前記圧縮機の運転を停止する際あるいは運転停止中に、前記高温熱源用温度計で検出した前記高温熱源の温度が所定温度以上であるとき、前記圧縮機バイパス弁を開放すると共に、前記蒸発器での前記熱媒体の液位が最大となるように前記膨脹弁の開度を制御することで、前記熱媒体を前記蒸発器にて蒸発させて上方の前記凝縮器に供給すると共に、その蒸発した前記熱媒体を前記凝縮器にて凝縮させて下方の前記蒸発器に戻す自然循環を発生させる自然循環待機運転モードに切り替えるヒートポンプの制御方法である。

本発明によれば、通常運転に復帰する際の反応性および省エネルギー性を向上できる。

本発明の一実施の形態に係るヒートポンプの概略構成図である。図１のヒートポンプの制御方法のフローチャートである。図１のヒートポンプの自然循環待機運転モードにおける動作を説明する説明図である。一般的なヒートポンプにおける動作原理を説明する説明図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係るヒートポンプの概略構成図である。

図１に示すように、ヒートポンプ１は、熱媒体を高温熱源と熱交換させ熱媒体を蒸発させる蒸発器２と、蒸発器２で蒸発させた熱媒体を圧縮する圧縮機３と、圧縮機３で圧縮された熱媒体を低温熱源と熱交換させ熱媒体を凝縮させる凝縮器４と、凝縮器４で凝縮させた熱媒体を膨張させて蒸発器２に供給する膨張弁５とを主に備えている。凝縮器４は、蒸発器２よりも上方（重力方向における上方）に配置される。

蒸発器２には、蒸発器２に高温熱源を供給する高温熱源供給ライン６が接続される。また、凝縮器４には、凝縮器４に低温熱源を供給する低温熱源供給ライン７が接続される。高温熱源供給ライン６には、蒸発器２に供給される高温熱源の温度を計測する高温熱源用温度計９が設けられる。高温熱源用温度計９は、高温熱源を蒸発器２内に導入する導入口６ａ近傍の高温熱源供給ライン６に設けられる。なお、本実施の形態では、蒸発器２の外部に高温熱源用温度計９を設けているが、高温熱源用温度計９は蒸発器２の内部に設けられていてもよい。

蒸発器２に供給される高温熱源の温度は、環境温度よりも高く、例えば、１００〜１５０℃である。通常運転中の熱媒体の温度は、例えば、蒸発器２で１００〜１５０℃、凝縮器４で１５０〜１８０℃である。ヒートポンプ１は、例えば、蒸気の再加熱等に用いられる産業用の高温ヒートポンプである。

凝縮器４と膨脹弁５との間には、凝縮器４で凝縮した液相の熱媒体を貯留する中間液溜め１０が設けられる。また、蒸発器２と圧縮機３との間には、液相の熱媒体を分離して気相の熱媒体のみを圧縮機３に供給すべく、気液分離器１１が設けられる。

ヒートポンプ１では、圧縮機３をバイパスするように圧縮機バイパスライン１２が設けられ、圧縮機バイパスライン１２には、ストップバルブである圧縮機バイパス弁１３が設けられる。

また、ヒートポンプ１では、気液分離器１１にて分離された液相の熱媒体を中間液溜め１０に戻す液相戻しライン１９が設けられ、その液相戻しライン１９には、ストップバルブである液相戻しライン用二方弁２０が設けられる。

さて、本実施の形態に係るヒートポンプ１は、圧縮機３、膨脹弁５、圧縮機バイパス弁１３を制御する制御器１５を備えている。制御器１５は、制御ライン１８により、圧縮機３、膨脹弁５、圧縮機バイパス弁１３、液相戻しライン用二方弁２０、および高温熱源用温度計９に接続されている。

制御器１５は、圧縮機３を駆動・停止する圧縮機制御部１６を有している。本実施の形態では、制御器１５に図示しない運転スイッチと停止スイッチを設け、圧縮機３の停止中に運転スイッチがオンされたときに圧縮機制御部１６が圧縮機３を駆動し、圧縮機３の運転中に停止スイッチがオンされたときに圧縮機制御部１６が圧縮機３を停止するように構成した。つまり、ヒートポンプ１では、圧縮機３を運転／停止させる手段として、運転スイッチと停止スイッチを用いているが、圧縮機３を運転／停止させる手段については特に限定されるものではない。

なお、本明細書において、ヒートポンプ１の運転停止とは圧縮機３の運転を停止することを意味し、通常運転への復帰とは、運転停止状態から圧縮機３の運転を再開することを意味することとする。

制御器１５は、以下の２つの条件を満たすときに、圧縮機バイパス弁１３を開放すると共に、蒸発器２での熱媒体の液位が最大となるように膨脹弁５の開度を制御することで、熱媒体を蒸発器２にて蒸発させて上方の凝縮器４に供給すると共に、その蒸発した熱媒体を凝縮器４にて凝縮させて下方の蒸発器２に戻す自然循環を発生させる自然循環待機運転モードに切り替える運転モード切替部１７を有する。

（１）圧縮機３の運転を停止する際あるいは運転停止中（つまりヒートポンプ１の運転停止時あるいは運転停止中）であること。

（２）高温熱源用温度計９で検出した高温熱源の温度が所定温度以上であること。

なお、条件（２）における所定温度とは、熱媒体が蒸発可能な温度であればよく、用いる熱媒体に応じて適宜設定することができる。例えば、高温熱源の温度をＴ、環境温度をＴａとすると、Ｔａ＜Ｔを満たすとき、すなわち高温熱源の温度Ｔｌが環境温度Ｔａよりも高いときに、条件（２）を満たすとしてもよい。ただし、この場合、高温熱源の温度Ｔｌが環境温度Ｔａに近い場合には熱媒体を循環させる駆動力が小さくなるおそれがあるので、本実施の形態では、下式（１）
（Ｔｃ＋Ｔａ）×０．５＜Ｔ・・・（１）
但し、Ｔｃ：高温熱源の定格温度
を満たすときに、条件（２）を満たすとした。

また、本実施の形態では、自然循環待機運転モードにおいては、蒸発器高さ（蒸発器２の出口の高さ）をｈｅとすると、熱媒体の液位ｈｌが、下式（２）
０．７５ｈｅ≦ｈｌ＜１．０ｈｅ・・・（２）
を満たすように、運転モード切替部１７が膨脹弁５の開度を調整するようにした。

熱媒体の液位ｈｌを蒸発器高さｈｅの０．７５倍以上とするのは、蒸発器２内部で液相と気相での単位面積当たりの熱交換量を比較した場合液相の方が大きいので、できるだけ大きな熱量を熱媒体に与えるために、熱媒体の液位ｈｌを高くする必要があるためである。また、熱媒体の液位ｈｌを蒸発器高さｈｅより小さくするのは、熱媒体の液位ｈｌが蒸発器高さｈｅ以上になると、気相の熱媒体の循環が蒸発器２の出口の液相の熱媒体によって妨げられる可能性があるためである。

また、運転モード切替部１７は、圧縮機３の運転を停止する際（ヒートポンプ１の運転停止時）に、上述の条件（２）を満たさないときは、圧縮機バイパス弁１３と膨脹弁５とを閉じて、自然循環待機運転モードに切り替えることなく、熱媒体の自然循環を停止するようにされる。以下、圧縮機３を停止し、圧縮機バイパス弁１３と膨脹弁５とを閉じて熱媒体の自然循環を停止した運転モードを運転停止モードと呼称する。

さらに、運転モード切替部１７は、自然循環待機運転モード中（ヒートポンプ１の運転停止中）に、上述の条件（２）を満たさなくなったとき、圧縮機バイパス弁１３と膨脹弁５の開度を調整して蒸発器２の液位が所定の液位となるように制御した後、圧縮機バイパス弁１３と膨脹弁５とを閉じて、熱媒体の自然循環を停止するようにされる。以下、圧縮機バイパス弁１３と膨脹弁５の開度を調整して蒸発器２の液位が所定の液位となるように制御する運転モードを液位調整モードと呼称する。つまり、運転モード切替部１７は、自然循環待機運転モード中に条件（２）を満たさなくなったとき、液位調整モードに切り替えて蒸発器２の液位を調整した後、運転停止モードに切り替える。

なお、本実施の形態では、運転停止モードにおける熱媒体の液位ｈｌは、下式（３）
ｈｌ≦０．２５ｈｅ・・・（３）
を満たすこととする。これは、運転停止状態から通常運転に復帰する際、圧縮機３が作動すると圧縮機３の前後で圧力差がつくために、熱媒体の液位ｈｌが急激に変動するが、運転停止中の熱媒体の液位ｈｌが蒸発器高さｈｅの０．２５倍を超えていると、液相のままの熱媒体が圧縮機３に導入され、最悪の場合には圧縮機３が故障してしまう場合があるためである。このような不具合を防ぐために、本実施の形態では、運転停止モードでは蒸発器２内での熱媒体の液位ｈｌを低い位置に保持し、熱媒体の液位ｈｌが急激に変化しても、蒸発器３の出口においては熱媒体が気相となるようにしている。

さらにまた、運転モード切替部１７は、自然循環待機運転モードから通常運転に復帰する際、圧縮機バイパス弁１３と膨脹弁５の開度を調整して蒸発器２の液位が所定の液位となるようにした後、圧縮機制御部１６を介して圧縮機３の運転を再開させると共に、圧縮機バイパス弁１３を閉じるようにされる。以下、圧縮機３が運転しており、圧縮機バイパス弁１３を閉じた通常の運転モード、すなわちヒートポンプ１が通常に稼働している運転モードを通常運転モードと呼称する。つまり、運転モード切替部１７は、自然循環待機運転モードから通常運転に復帰する際、液位調整モードに切り替えて蒸発器２の液位を調整した後、通常運転モードに切り替える。

なお、本実施の形態では、通常運転モードにおける熱媒体の液位ｈｌは、下式（４）
０．５ｈｅ≦ｈｌ＜０．７５ｈｅ・・・（４）
を満たすようにしている。熱媒体の液位ｈｌを蒸発器高さｈｅの０．５倍以上とすることは一般的によく行われており、できるだけ大きな熱量を熱媒体に与えるべく、蒸発器２の半分以上が液相の熱媒体となるようにされる。また、熱媒体の液位ｈｌを蒸発器高さｈｅの０．７５倍より小さくするのは、圧縮機３に液相のままの熱媒体が送られないようにするためである。

次に、ヒートポンプ１の制御方法を図２を用いて説明する。

図２に示すように、ヒートポンプ１では、まず、制御器１５の運転モード切替部１７が、通常運転中（通常運転モード）であるか否かを判断する（ステップＳ１）。通常運転モードであるか否かの判断は、例えば、圧縮機３が運転しているか否かにより判断するとよい。ステップＳ１にて通常運転中と判断された場合、ステップＳ２に進み、通常運転中でない（つまり運転停止中）と判断された場合、ステップＳ４に進む。

ステップＳ２では、停止スイッチがオンとなるまで待つ。停止スイッチがオンとなったら、圧縮機制御部１６が圧縮機３の運転を停止し（ステップＳ３）、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、運転モード切替部１７が、高温熱源用温度計９で検出した高温熱源の温度Ｔが所定温度Ｔ_d（例えば、Ｔ_d＝（Ｔｃ＋Ｔａ）×０．５）以上であるか判断する。ステップＳ４にて高温熱源の温度Ｔが所定温度Ｔ_d以上であると判断された場合、ステップＳ５に進み、通常運転モードあるいは運転停止モードから自然循環待機運転モードに切り替える。ステップＳ４にて高温熱源の温度Ｔが所定温度Ｔ_d以上でないと判断された場合、ステップＳ１０に進み、圧縮機バイパス弁１３と膨脹弁５とを閉じて熱媒体の自然循環を停止し、運転停止モードとする。

ステップＳ５では、圧縮機バイパス弁１３を開放すると共に、蒸発器２での熱媒体の液位が最大となるように膨脹弁５の開度を制御することで、自然循環待機運転モードに切り替える。これにより、熱媒体を蒸発器２にて蒸発させて上方の凝縮器４に供給すると共に、その蒸発した熱媒体を凝縮器４にて凝縮させて下方の蒸発器２に戻す自然循環が発生する。

また、ステップＳ５で自然循環待機運転モードに切り替える際には、液相戻しライン用二方弁２０が開放され、気液分離器１１にて分離された液相の熱媒体を、液相戻しライン１９を介して中間液溜め１０に戻すようにされる。これは、自然循環待機運転モードにおいては、通常運転モードと比較して、配管表面で冷却され液相となってしまう熱媒体の量が多くなり、気液分離器１１が液相の熱媒体で満たされやすくなり、そのまま放置してしまうと、気液分離器１１の入口が液相の熱媒体で満たされ、自然循環待機運転モードの小さな駆動力では熱媒体を循環させることができなくなってしまうためである。

ステップＳ５で自然循環待機運転モードに切り替えた後、運転モード切替部１７は、高温熱源用温度計９で検出した高温熱源の温度Ｔが所定温度Ｔ_d以上であるか判断する（ステップＳ６）。ステップＳ６にて高温熱源の温度Ｔが所定温度Ｔ_d以上でないと判断された場合、ステップＳ８に進み、自然循環待機運転モードから液位調整モードに切り替え、圧縮機バイパス弁１３と膨脹弁５の開度を調整して蒸発器２の液位が所定の液位となるように制御した後、ステップＳ１０に進み、圧縮機バイパス弁１３と膨脹弁５とを閉じて熱媒体の自然循環を停止し、運転停止モードに切り替える。なお、運転停止モードでは、液相の熱媒体をできるだけ中間液溜め１０に戻しておくために、液相戻しライン用二方弁２０は開放される。

ステップＳ６にて高温熱源の温度Ｔが所定温度Ｔ_d以上であると判断された場合、運転モード切替部１７は、運転スイッチがオンとなっているかを判断する（ステップＳ７）。ステップＳ７にて運転スイッチがオンとなっていないと判断された場合、ステップＳ５に戻り、自然循環待機運転モードを継続する。ステップＳ７にて運転スイッチがオンとなっていると判断された場合、ステップＳ９に進み、自然循環待機運転モードから液位調整モードに切り替え、圧縮機バイパス弁１３と膨脹弁５の開度を調整して蒸発器２の液位が所定の液位となるように制御した後、ステップＳ１３に進み、圧縮機制御部１６が圧縮機３を駆動すると共に、運転モード切替部１７が圧縮機バイパス弁１３を閉じ、通常運転モードに切り替え、ステップＳ２に戻る。なお、圧縮機３を駆動するとき、液相戻しライン用二方弁２０を開放したままだと、圧力差により熱媒体が液相戻しライン１９を逆流してしまうので、通常運転モードに切り替える際には、液相戻しライン用二方弁２０を閉じるようにされる。

なお、ステップＳ８，Ｓ９の液位調整モードでは、具体的には、圧縮機バイパス弁１３を開放すると共に、膨脹弁５を閉じて凝縮器４から蒸発器２への液相の熱媒体の供給を停止するか、あるいは膨脹弁５の開度を小さくして凝縮器４から蒸発器２への液相の熱媒体の供給量を少なくする。すると、蒸発器２に溜まった液相の熱媒体が凝縮器４側（中間液溜め１０）に移動し、蒸発器２の液位がだんだん下がってくるので、所望の液位となったときに、液位調整モードを終了して運転停止モード、あるいは通常運転モードに切り替える。蒸発器２の液位が所望の液位となったか否かは、例えば、蒸発器２に液位を検出する任意のセンサを設け、そのセンサを用いて蒸発器２の液位を検出すればよい。なお、蒸発器２の液位の検出をおこなわず、液位調整モードを開始してから予め設定した時間を経過したときに、蒸発器２の液位が所望の液位になったとして、液位調整モードを終了するようにしてもよい。

ステップＳ１０に進み、運転停止モードに切り替えた場合、その後、運転モード切替部１７は、高温熱源用温度計９で検出した高温熱源の温度Ｔが所定温度Ｔ_d以上であるか判断する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１にて高温熱源の温度Ｔが所定温度Ｔ_d以上であると判断された場合、ステップＳ５に進み、運転停止モードから自然循環待機運転モードに切り替える。

ステップＳ１１にて高温熱源の温度Ｔが所定温度Ｔ_d以上でないと判断された場合、運転モード切替部１７は、運転スイッチがオンとなっているかを判断する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２にて運転スイッチがオンとなっていないと判断された場合、ステップＳ１０に戻り、運転停止モードを継続する。ステップＳ１２にて運転スイッチがオンとなっていると判断された場合、ステップＳ１３に進み、圧縮機制御部１６が圧縮機３を駆動すると共に、運転モード切替部１７が圧縮機バイパス弁１３を閉じて、通常運転モードに切り替え、ステップＳ２に戻る。

ここで、ヒートポンプ１の自然循環待機運転モードにおける動作を図３を用いて説明しておく。なお、図３は、熱媒体の圧力とエンタルピの関係を示す図ではなく、熱媒体の移動を模式的に表した図である。

図３に示すように、自然循環待機運転モードでは、蒸発器２にて熱媒体が蒸発し、気相となった熱媒体が上方の凝縮器４に上昇移動する。このとき、気相となった熱媒体は停止している圧縮機３を通らず、圧縮機バイパスライン１２を通って凝縮器４に移動する。

凝縮器４に移動した気相の熱媒体は、凝縮器４にて放熱（大気放熱）して液相に凝縮される。なお、この放熱は積極的に行う必要はなく、大気放熱により自然に行われる。すなわち、凝縮器４には低温熱源は供給されていない状態でもよい。例えば、蒸発器２における熱媒体の温度を１００〜１５０℃とすると、凝縮器４における熱媒体の温度は１００〜８０℃となる。

凝縮器４にて凝縮された液相の熱媒体は、重力により落下して、膨脹弁５を通って、下方の蒸発器２に戻る。

以上説明したように、本実施の形態に係るヒートポンプ１では、圧縮機３の運転を停止する際あるいは運転停止中に、高温熱源用温度計９で検出した高温熱源の温度が所定温度以上であるとき、圧縮機バイパス弁１３を開放すると共に、蒸発器２での熱媒体の液位が最大となるように膨脹弁５の開度を制御することで、熱媒体に自然循環を発生させる自然循環待機運転モードに切り替えるようにしている。

つまり、ヒートポンプ１では、運転停止時（あるいは運転停止中）には、膨脹弁５を閉めずに、圧縮機３をバイパスし、圧力損失を小さくすることで、蒸発器２で蒸発した熱媒体が自然冷却された凝縮器４で凝縮する自然循環を発生させている。

これにより、ヒートポンプ１の運転停止中であっても、蒸発器２に供給されている高温熱源からの熱をヒートポンプ１全体に伝えることが可能となるため、ヒートポンプ１全体の平均温度を環境温度以上に保持することが可能となる。よって、運転開始時に熱媒体を加熱する時間を短縮でき反応性を向上できると共に、ヒートポンプ１全体の温度を上昇させるのに必要な熱量も少なくなるので省エネルギー性も向上できる。

なお、自然循環待機運転モードにおいても、蒸発器２の液位が通常運転時と同じとなるよう膨脹弁５の開度を制御することも考えられるが、通常運転時の液位は低く熱媒体が蒸発しにくいため、熱媒体に自然循環を発生させるという観点からは、蒸発器２の液位は高いほうがよい。ただし、液位が蒸発器２を超えると、熱媒体は蒸発しにくくなるので、蒸発器２での熱媒体の液位が最大となるように膨脹弁５の開度を制御することが望ましい。

また、ヒートポンプ１では、自然循環待機運転モード中に、高温熱源の温度が所定温度未満となったとき、圧縮機バイパス弁１３と膨脹弁５の開度を調整して蒸発器２の液位が所定の液位となるように制御した後、圧縮機バイパス弁１３と膨脹弁５とを閉じて、熱媒体の自然循環を停止するようにしている。

これにより、運転停止モードから通常運転モードに復帰するときに、蒸発器２の液位が高すぎて、圧縮機３に液相（ミスト状）の熱媒体が供給されて不具合が発生してしまうことを防止できる。

さらに、ヒートポンプ１では、自然循環待機運転モードから通常運転モードに復帰する際、圧縮機バイパス弁１３と膨脹弁５の開度を調整して蒸発器２の液位が所定の液位となるようにした後、圧縮機３の運転を再開すると共に、圧縮機バイパス弁１３を閉じるようにしている。

これにより、自然循環待機運転モードから通常運転モードに復帰するときに、蒸発器２の液位が高すぎて、圧縮機３に液相（ミスト状）の熱媒体が供給されて不具合が発生してしまうことを防止できる。

自然循環待機運転モードにおける熱媒体の自然循環の駆動力は、蒸発（ガス化）、凝縮（液化）のみによることとなり駆動力が弱まるため、気相の熱媒体が通る配管は、上向き、あるいは横向きの配管のみで構成して、圧力損失をできるだけ小さくすることが望ましい。なお、気相の熱媒体が通る配管に下向きの配管を含めた場合、特に、下向きから上向きに方向転換する部分では、熱媒体が凝縮して液溜まりが生じる可能性もあり、熱媒体の自然循環を妨げるので好ましくない。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を加え得ることは勿論である。

１ヒートポンプ
２蒸発器
３圧縮機
４凝縮器
５膨脹弁
９高温熱源用温度計
１２圧縮機バイパスライン
１３圧縮機バイパス弁
１５制御器
１６圧縮機制御部
１７運転モード切替部

Claims

熱媒体を高温熱源と熱交換させ前記熱媒体を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器で蒸発させた前記熱媒体を圧縮する圧縮機と、前記蒸発器よりも上方に配置され、前記圧縮機で圧縮された前記熱媒体を低温熱源と熱交換させ前記熱媒体を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器で凝縮させた前記熱媒体を膨張させて前記蒸発器に供給する膨張弁とを備え、前記蒸発器に供給される前記高温熱源の温度が環境温度よりも高いヒートポンプにおいて、
前記圧縮機をバイパスする圧縮機バイパスラインと、該圧縮機バイパスラインに設けられた圧縮機バイパス弁と、前記蒸発器に供給される前記高温熱源の温度を計測する高温熱源用温度計と、前記圧縮機と前記膨脹弁と前記圧縮機バイパス弁とを制御する制御器とを備え、
前記制御器は、前記圧縮機の運転を停止する際あるいは運転停止中に、前記高温熱源用温度計で検出した前記高温熱源の温度が所定温度以上であるとき、前記圧縮機バイパス弁を開放すると共に、前記蒸発器での前記熱媒体の液位が最大となるように前記膨脹弁の開度を制御することで、前記熱媒体を前記蒸発器にて蒸発させて上方の前記凝縮器に供給すると共に、その蒸発した前記熱媒体を前記凝縮器にて凝縮させて下方の前記蒸発器に戻す自然循環を発生させる自然循環待機運転モードに切り替える運転モード切替部を有することを特徴とするヒートポンプ。
前記運転モード切替部は、前記圧縮機の運転を停止する際に、前記高温熱源用温度計で検出した前記高温熱源の温度が所定温度未満であるとき、前記圧縮機バイパス弁と前記膨脹弁とを閉じて、前記熱媒体の自然循環を停止する請求項１記載のヒートポンプ。
前記運転モード切替部は、前記自然循環待機運転モード中に、前記高温熱源用温度計で検出した前記高温熱源の温度が所定温度未満となったとき、前記圧縮機バイパス弁と前記膨脹弁の開度を調整して前記蒸発器の液位が所定の液位となるように制御した後、前記圧縮機バイパス弁と前記膨脹弁とを閉じて、前記熱媒体の自然循環を停止する請求項１または２記載のヒートポンプ。
前記運転モード切替部は、前記自然循環待機運転モードから通常運転に復帰する際、前記圧縮機バイパス弁と前記膨脹弁の開度を調整して前記蒸発器の液位が所定の液位となるようにした後、前記圧縮機の運転を再開すると共に、前記圧縮機バイパス弁を閉じる請求項１〜３いずれかに記載のヒートポンプ。
熱媒体を高温熱源と熱交換させ前記熱媒体を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器で蒸発させた前記熱媒体を圧縮する圧縮機と、前記蒸発器よりも上方に配置され、前記圧縮機で圧縮された前記熱媒体を低温熱源と熱交換させ前記熱媒体を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器で凝縮させた前記熱媒体を膨張させて前記蒸発器に供給する膨張弁とを備え、前記蒸発器に供給される前記高温熱源の温度が環境温度よりも高いヒートポンプの制御方法において、前記圧縮機をバイパスするように圧縮機バイパスラインを設けると共に、該圧縮機バイパスラインに圧縮機バイパス弁を設け、かつ、前記蒸発器に供給される高温熱源の温度を計測する高温熱源用温度計を設け、
前記圧縮機の運転を停止する際あるいは運転停止中に、前記高温熱源用温度計で検出した前記高温熱源の温度が所定温度以上であるとき、前記圧縮機バイパス弁を開放すると共に、前記蒸発器での前記熱媒体の液位が最大となるように前記膨脹弁の開度を制御することで、前記熱媒体を前記蒸発器にて蒸発させて上方の前記凝縮器に供給すると共に、その蒸発した前記熱媒体を前記凝縮器にて凝縮させて下方の前記蒸発器に戻す自然循環を発生させる自然循環待機運転モードに切り替えることを特徴とするヒートポンプの制御方法。