JP5760390B2

JP5760390B2 - ヒートポンプ及びその制御方法

Info

Publication number: JP5760390B2
Application number: JP2010246049A
Authority: JP
Inventors: 雅祐中島; 一雄三好; 淳平田; 久和鬼塚
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2030-11-02
Also published as: JP2012097962A

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機器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、圧縮機の運転を停止す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、次のものがある。

特開２００９−５８１４７号公報特開２００５−２６１７０３号公報特開２００４−２９３９０５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、該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、前記蒸発器と前記圧縮機と前記凝縮器と前記膨張弁とを順次ループ状に接続する熱媒体循環ラインと、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、前記熱媒体循環ラインに前記圧縮機をバイパスするように設けられた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、前記凝縮器の下流側で、かつ前記蒸発器の上流側の前記熱媒体循環ラインに設けられると共に、前記熱媒体循環ラインの一部をバイパスするように設けられたポンプ用バイパスラインと、前記ポンプ用バイパスラインに設けられた循環ポンプと、前記ポンプ用バイパスラインでバイパスした前記熱媒体循環ラインに設けられたポンプ用バイパス弁と、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前記循環ポンプと前記ポンプ用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し、前記膨張弁を開放すると共に、前記ポンプ用バイパス弁を閉じ、前記循環ポンプの運転を開始させて前記熱媒体を強制循環させる強制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し、前記運転モード切替部は、前記強制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、前記循環ポンプの運転を停止し、前記ポンプ用バイパス弁を開放すると共に、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、前記熱媒体の循環を停止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、前記熱媒体の循環を停止してもよい。

前記運転モード切替部は、前記強制循環待機運転モードから通常運転に復帰する際、前記循環ポンプの運転を停止し、前記ポンプ用バイパス弁を開放すると共に、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、前記圧縮機の運転を再開すると共に、前記圧縮機バイパス弁を閉じてもよい。

前記蒸発器の出口での前記熱媒体の温度を計測する熱媒体用温度計を備え、前記運転モード切替部は、前記強制循環待機運転モード中に、前記熱媒体用温度計で検出した前記熱媒体の温度が前記熱媒体の蒸発温度未満となるように、前記循環ポンプの吐出量を調整してもよい。

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、該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、前記蒸発器と前記圧縮機と前記凝縮器と前記膨張弁とを順次ループ状に接続する熱媒体循環ラインと、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、前記熱媒体循環ラインに前記圧縮機をバイパスするように設けられた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、前記凝縮器の下流側で、かつ前記蒸発器の上流側の前記熱媒体循環ラインに入口が接続され、前記凝縮器の入口近傍の前記熱媒体循環ラインに出口が接続されたポンプ用バイパスラインと、前記ポンプ用バイパスラインに設けられた循環ポンプと、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前記循環ポンプ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、前記膨張弁を開放し、前記循環ポンプの運転を開始させて前記熱媒体を強制循環させる強制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し、前記運転モード切替部は、前記強制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、前記循環ポンプの運転を停止し、前記ポンプ用バイパス弁を開放すると共に、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、前記熱媒体の循環を停止するヒートポンプである。

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、該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、前記蒸発器と前記圧縮機と前記凝縮器と前記膨張弁とを順次ループ状に接続する熱媒体循環ラインと、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、前記熱媒体循環ラインに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、前記凝縮器の下流側で、かつ前記蒸発器の上流側の前記熱媒体循環ラインに前記熱媒体循環ラインの一部をバイパスするようにポンプ用バイパスラインを設けると共に、前記ポンプ用バイパスラインに循環ポンプを設け、前記ポンプ用バイパスラインでバイパスした前記熱媒体循環ラインにポンプ用バイパス弁を設け、かつ、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し、前記膨張弁を開放すると共に、前記ポンプ用バイパス弁を閉じ、前記循環ポンプの運転を開始させて前記熱媒体を強制循環させる強制循環待機運転モードに切り替え、かつ、前記強制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、前記循環ポンプの運転を停止し、前記ポンプ用バイパス弁を開放すると共に、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、前記熱媒体の循環を停止するヒートポンプの制御方法である。

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、該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、前記蒸発器と前記圧縮機と前記凝縮器と前記膨張弁とを順次ループ状に接続する熱媒体循環ラインと、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、前記熱媒体循環ラインに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、前記凝縮器の下流側で、かつ前記蒸発器の上流側の前記熱媒体循環ラインにポンプ用バイパスラインの入口を接続すると共に、前記凝縮器の入口近傍の前記熱媒体循環ラインに前記ポンプ用バイパスラインの出口を接続し、前記ポンプ用バイパスラインに循環ポンプを設け、かつ、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、前記膨張弁を開放し、前記循環ポンプの運転を開始させて前記熱媒体を強制循環させる強制循環待機運転モードに切り替え、かつ、前記強制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、前記循環ポンプの運転を停止し、前記ポンプ用バイパス弁を開放すると共に、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、前記熱媒体の循環を停止す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。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。

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。蒸発器２と圧縮機３と凝縮器４と膨張弁５とは、熱媒体循環ライン８により順次ループ状に接続されている。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との間の熱媒体循環ライン８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との間の熱媒体循環ライン８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、熱媒体循環ライン８に圧縮機３をバイパスするように設けられた圧縮機バイパスライン１２を備えており、圧縮機バイパスライン１２には、閉止兼吐出圧調節用の圧縮機バイパス弁１３が設けられる。本実施の形態では、圧縮機バイパスライン１２は、その一端が気液分離器１１の下部に接続され、他端が圧縮機３と凝縮器４との間の熱媒体循環ライン８に接続される。

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。液相戻しライン１９は、その一端が気液分離器１１の下部（底部）に接続され、他端が凝縮器４と中間液溜め１０との間の熱媒体循環ライン８に接続される。

さらに、ヒートポンプ１では、凝縮器４の下流側で、かつ蒸発器２の上流側の熱媒体循環ライン８に、熱媒体循環ライン８の一部をバイパスするようにポンプ用バイパスライン２１が設けられる。本実施の形態では、中間液溜め１０と膨張弁５との間の熱媒体循環ライン８に、ポンプ用バイパスライン２１を設けた。ポンプ用バイパスライン２１には、循環ポンプ２２が設けられ、ポンプ用バイパスライン２１でバイパスした熱媒体循環ライン８には、ストップバルブであるポンプ用バイパス弁２３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、液相戻しライン用二方弁２０、循環ポンプ２２、ポンプ用バイパス弁２３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、循環ポンプ２２、ポンプ用バイパス弁２３、および高温熱源用温度計９に接続されている。なお、図１では、図の複雑化を避けるため、圧縮機３に接続される制御ライン１８を省略している。

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を開放し、膨脹弁５を開放すると共に、ポンプ用バイパス弁２３を閉じ、循環ポンプ２２の運転を開始させて熱媒体を強制循環させる強制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、少なくとも環境温度よりも高い温度であればよく、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Ｔ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、高温熱源の温度Ｔが環境温度Ｔａに近い場合には十分な予熱の効果が得られず、循環ポンプ２２を駆動するエネルギーが無駄になるので、本実施の形態では、下式（１）
（Ｔａ＋ｋ）≦Ｔ・・・（１）
を満たすときに、条件（２）を満たすとした。式（１）におけるｋは、循環ポンプ２２を駆動するエネルギーが無駄にならず、十分な予熱の効果が得られる値に適宜決定すればよい。

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、強制循環待機運転モードに切り替えることなく、熱媒体の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、強制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、循環ポンプ２２の運転を停止し、ポンプ用バイパス弁２３を開放すると共に、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、強制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蒸発器２内での熱媒体の液位ｈｌは、蒸発器高さ（蒸発器２の出口の高さ）をｈｅとすると、下式（２）
ｈｌ≦０．２５ｈｅ・・・（２）
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２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、強制循環待機運転モードから通常運転に復帰する際、循環ポンプ２２の運転を停止し、ポンプ用バイパス弁２３を開放すると共に、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、強制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蒸発器２内での熱媒体の液位ｈｌは、下式（３）
０．５ｈｅ≦ｈｌ＜０．７５ｈｅ・・・（３）
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で満たされるようにされる。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が運転され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（Ｔ_ｄ＝Ｔａ＋ｋ）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強制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を開放し、膨脹弁５を開放すると共に、ポンプ用バイパス弁２３を閉じ、循環ポンプ２２の運転を開始することで、強制循環待機運転モードに切り替える。これにより、蒸発器２にて加熱された液相の熱媒体が循環ポンプ２２により強制的に循環され、加熱された熱媒体によりヒートポンプ１全体が予熱される。なお、ヒートポンプ１では、圧縮機３の前段に気液分離器１１を設けており、この気液分離器１１に圧縮機バイパスライン１２を接続しているため、液相の熱媒体は気液分離器１１から圧縮機バイパスライン１２に導入されることとなり、液相の熱媒体が圧縮機３に供給されることはない。

ステップＳ５で強制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、強制循環待機運転モードから液位調整モードに切り替える。液位調整モードでは、循環ポンプ２２の運転を停止し、ポンプ用バイパス弁２３を開放すると共に、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。また、液位調整モードでは、液相戻しライン用二方弁２０を開放し、気液分離器１１に溜まった液相の熱媒体を、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。

ステップＳ８にて蒸発器２の液位を調整した後、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、強制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、強制循環待機運転モードから液位調整モードに切り替え、蒸発器２の液位を調整した後、ステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３では、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る。通常運転モードに切り替えた後、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、より具体的には、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の液位の検出を行わず、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強制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。

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を開放し、膨脹弁５を開放すると共に、ポンプ用バイパス弁２３を閉じ、循環ポンプ２２の運転を開始させることで、熱媒体を強制循環させる強制循環待機運転モードに切り替えるようにしている。

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。

また、ヒートポンプ１では、強制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、循環ポンプ２２の運転を停止し、ポンプ用バイパス弁２３を開放すると共に、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、強制循環待機運転モードから通常運転モードに復帰する際、循環ポンプ２２の運転を停止し、ポンプ用バイパス弁２３を開放すると共に、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、強制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。

次に、本発明の他の実施の形態を説明する。

図３に示すヒートポンプ３１は、図１のヒートポンプ１において、ポンプ用バイパスライン２１の出口を凝縮器４の入口近傍の熱媒体循環ライン８に接続するようにし、ポンプ用バイパス弁２３を省略したものである。

ヒートポンプ３１では、運転モード切替部１７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、膨張弁５を開放し、循環ポンプ２２の運転を開始させて熱媒体を強制循環させる強制循環待機運転モードに切り替えるよう構成される。

ヒートポンプ３１では、強制循環待機運転モードにおいては、膨張弁５の開放により、中間液溜め１０の下方、すなわち、中間液溜め１０と蒸発器２との間の熱媒体循環ライン８を構成する配管や、熱源である蒸発器２の下部に液相の熱媒体が溜まる。よって、蒸発器２の下部にて加熱された熱媒体２が対流を起こし、さらに配管類からの伝熱も加わって、熱媒体２全体が加熱され、加熱された熱媒体がポンプ２２により強制循環され、凝縮器４の入口に供給されることになる。

なお、ヒートポンプ３１では、装置全体ではなく、凝縮器４とその周辺の配管のみを予熱することになるが、ヒートポンプ３１の各構成要素のうち最も温まりにくい凝縮器４とその周辺の配管を十分に予熱することで、定格運転に到達させる時間を短縮する効果は十分に得られる。また、ヒートポンプ３１によれば、ポンプ用バイパス弁２３を省略できるので、装置の簡略化およびコスト削減が可能となる。

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。

例えば、上記実施の形態では、運転モード切替部１７で循環ポンプ２２のオンオフのみを制御する場合を説明したが、運転モード切替部１７で循環ポンプ２２の吐出量を調整するようにしてもよい。

より具体的には、蒸発器２の出口での熱媒体の温度を計測する熱媒体用温度計をさらに備え、運転モード切替部１７を、強制循環待機運転モード中に、熱媒体用温度計で検出した熱媒体の温度が熱媒体の蒸発温度未満となるように、循環ポンプ２２の吐出量（すなわち熱媒体の流量）を調整するよう構成してもよい。

蒸発器２に供給される高温熱源の温度が高く、蒸発器２における熱媒体の蒸発量が多くなると、熱媒体を循環させる効率が悪化するが、上述のように構成することにより、蒸発器２における熱媒体の蒸発を抑制し、熱媒体を効率よく循環させることが可能となる。

なお、蒸発器２における熱媒体の蒸発を抑制する制御は、これに限らず、例えば、蒸発器２に供給する高温熱源の流量や温度を調整することで、蒸発器２で高温熱源から熱媒体に与えられる熱量を低減し、熱媒体の蒸発を抑制することも可能である。

１ヒートポンプ
２蒸発器
３圧縮機
４凝縮器
５膨張弁
８熱媒体循環ライン
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
１７運転モード切替部
２１ポンプ用バイパスライン
２２循環ポンプ
２３ポンプ用バイパス弁

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、該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、前記蒸発器と前記圧縮機と前記凝縮器と前記膨張弁とを順次ループ状に接続する熱媒体循環ラインと、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、
前記熱媒体循環ラインに前記圧縮機をバイパスするように設けられた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、前記凝縮器の下流側で、かつ前記蒸発器の上流側の前記熱媒体循環ラインに設けられると共に、前記熱媒体循環ラインの一部をバイパスするように設けられたポンプ用バイパスラインと、前記ポンプ用バイパスラインに設けられた循環ポンプと、前記ポンプ用バイパスラインでバイパスした前記熱媒体循環ラインに設けられたポンプ用バイパス弁と、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前記循環ポンプと前記ポンプ用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し、前記膨張弁を開放すると共に、前記ポンプ用バイパス弁を閉じ、前記循環ポンプの運転を開始させて前記熱媒体を強制循環させる強制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し、
前記運転モード切替部は、前記強制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、前記循環ポンプの運転を停止し、前記ポンプ用バイパス弁を開放すると共に、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、前記熱媒体の循環を停止する
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、前記強制循環待機運転モードから通常運転に復帰する際、前記循環ポンプの運転を停止し、前記ポンプ用バイパス弁を開放すると共に、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または２記載のヒートポンプ。
前記蒸発器の出口での前記熱媒体の温度を計測する熱媒体用温度計を備え、
前記運転モード切替部は、前記強制循環待機運転モード中に、前記熱媒体用温度計で検出した前記熱媒体の温度が前記熱媒体の蒸発温度未満となるように、前記循環ポンプの吐出量を調整する請求項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、該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、前記蒸発器と前記圧縮機と前記凝縮器と前記膨張弁とを順次ループ状に接続する熱媒体循環ラインと、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、
前記熱媒体循環ラインに前記圧縮機をバイパスするように設けられた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、前記凝縮器の下流側で、かつ前記蒸発器の上流側の前記熱媒体循環ラインに入口が接続され、前記凝縮器の入口近傍の前記熱媒体循環ラインに出口が接続されたポンプ用バイパスラインと、前記ポンプ用バイパスラインに設けられた循環ポンプと、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前記循環ポンプ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、前記膨張弁を開放し、前記循環ポンプの運転を開始させて前記熱媒体を強制循環させる強制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し、
前記運転モード切替部は、前記強制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、前記循環ポンプの運転を停止し、前記ポンプ用バイパス弁を開放すると共に、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、前記熱媒体の循環を停止する
ことを特徴とするヒートポンプ。
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、該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、前記蒸発器と前記圧縮機と前記凝縮器と前記膨張弁とを順次ループ状に接続する熱媒体循環ラインと、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、
前記熱媒体循環ラインに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、前記凝縮器の下流側で、かつ前記蒸発器の上流側の前記熱媒体循環ラインに前記熱媒体循環ラインの一部をバイパスするようにポンプ用バイパスラインを設けると共に、前記ポンプ用バイパスラインに循環ポンプを設け、前記ポンプ用バイパスラインでバイパスした前記熱媒体循環ラインにポンプ用バイパス弁を設け、かつ、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し、前記膨張弁を開放すると共に、前記ポンプ用バイパス弁を閉じ、前記循環ポンプの運転を開始させて前記熱媒体を強制循環させる強制循環待機運転モードに切り替え、
かつ、前記強制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、前記循環ポンプの運転を停止し、前記ポンプ用バイパス弁を開放すると共に、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、前記熱媒体の循環を停止する
ことを特徴とするヒートポンプの制御方法。
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、該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、前記蒸発器と前記圧縮機と前記凝縮器と前記膨張弁とを順次ループ状に接続する熱媒体循環ラインと、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、
前記熱媒体循環ラインに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、前記凝縮器の下流側で、かつ前記蒸発器の上流側の前記熱媒体循環ラインにポンプ用バイパスラインの入口を接続すると共に、前記凝縮器の入口近傍の前記熱媒体循環ラインに前記ポンプ用バイパスラインの出口を接続し、前記ポンプ用バイパスラインに循環ポンプを設け、かつ、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、前記膨張弁を開放し、前記循環ポンプの運転を開始させて前記熱媒体を強制循環させる強制循環待機運転モードに切り替え、
かつ、前記強制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、前記循環ポンプの運転を停止し、前記ポンプ用バイパス弁を開放すると共に、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、前記熱媒体の循環を停止する
ことを特徴とするヒートポンプの制御方法。