JP6938407B2 - ヒートポンプシステム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプシステム及びその制御方法に関するものである。

従来、圧縮式冷凍機と凝縮器と減圧器と蒸発器とを主要な構成とする圧縮式冷凍システムと、反応部と蒸発凝縮部とを主要な構成とするケミカルヒートポンプとを組み合わせたハイブリッド冷凍システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１は、車両搭載型ケミカルヒートポンプの反応器内に置かれた化学蓄熱材にエンジン排気管あるいはエンジン周辺部からの１５０℃〜４００℃程度の温熱を供給し、発生した蒸気を圧縮式冷凍システムから供給される冷熱により凝縮することで蓄熱するものである。

特開２００８−１１１５９２号公報

各種の工場や発電所等における余剰排熱の大部分を占めるのは、１００℃未満の排熱であると言われており、１００℃未満の排熱をエネルギーとして有効利用することが求められている。
しかしながら、特許文献１に開示されるケミカルヒートポンプの反応器は、１５０℃〜４００℃程度の温熱を用いるものであり、１００℃未満で化学蓄熱材の反応温度未満の排熱を直接利用することはできない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、化学蓄熱材の反応温度未満の排熱を利用して蓄熱及び放熱をさせることが可能なヒートポンプシステム及びその制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の一態様に係るヒートポンプシステムは、第１ヒートポンプと、第２ヒートポンプと、前記第１ヒートポンプ及び前記第２ヒートポンプを制御する制御装置と、を備えるヒートポンプシステムであって、前記第１ヒートポンプは、反応温度以上に加熱されることにより蒸気を発生させる化学蓄熱材を収容する反応器と、前記反応器で発生した蒸気を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器で凝縮された液体を蒸発させて前記反応器へ供給する蒸発器と、を備え、前記第２ヒートポンプは、排熱回収する排熱源用熱交換器と、前記排熱源用熱交換器により加熱された冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された冷媒と前記反応器との熱交換を行う反応器用熱交換器と、前記反応器用熱交換器を通過した冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁により膨張された冷媒と前記凝縮器との熱交換を行う凝縮器用熱交換器と、前記圧縮機により圧縮された冷媒と前記蒸発器との熱交換を行う蒸発器用熱交換器と、を備え、前記制御装置は、前記化学蓄熱材を加熱して蒸気を発生させる蓄熱モードと前記化学蓄熱材に蒸気を供給して放熱させる放熱モードとを実行し、前記蓄熱モードは、前記排熱源用熱交換器と前記圧縮機と前記反応器用熱交換器と前記膨張弁と前記凝縮器用熱交換器とで冷媒回路を形成し、前記反応器を前記反応器用熱交換器で前記反応温度以上に加熱するとともに前記凝縮器を前記凝縮器用熱交換器で冷却するモードであり、前記放熱モードは、前記排熱源用熱交換器と前記圧縮機と前記蒸発器用熱交換器とで冷媒回路を形成し、前記蒸発器を加熱して液体を蒸発させるモードである。

本発明の一態様に係るヒートポンプシステムによれば、第２ヒートポンプにおいて、排熱源用熱交換器により加熱された冷媒が圧縮機により圧縮されて反応器用熱交換器に供給される。そして、蓄熱モードにおいて、第１ヒートポンプの反応器を第２ヒートポンプの反応器用熱交換器で化学蓄熱材の反応温度以上に加熱することで、化学蓄熱材から蒸気が発生する。化学蓄熱材から発生して第１ヒートポンプの凝縮器へ流入した蒸気は、第２ヒートポンプの凝縮器用熱交換器により冷却されて凝縮する。また、放熱モードにおいて、第１ヒートポンプの蒸発器を第２ヒートポンプの蒸発器用熱交換器で加熱して液体を蒸発させることで、反応器に蒸気を供給して化学蓄熱材から放熱させる。

このように、本発明の一態様に係るヒートポンプシステムによれば、排熱回収熱交換器により回収される排熱が化学蓄熱材の反応温度未満であっても、圧縮機により冷媒を加熱して反応器用熱交換器に供給することにより、第１ヒートポンプの反応器を化学蓄熱材の反応温度以上に加熱することができる。そのため、化学蓄熱材の反応温度未満の排熱を利用して蓄熱及び放熱をさせることが可能となる。

本発明の一態様に係るヒートポンプシステムにおいて、前記制御装置は、前記蒸発器用熱交換器を含まず前記凝縮器用熱交換器を含む冷媒回路を形成して前記蒸発器により外気を冷却する冷却モードを実行してもよい。
冷却モードにおいては、第１ヒートポンプの蒸発器が第２ヒートポンプの蒸発器用熱交換器により加熱されないため、蒸発器における液体の気化熱により外気を冷却することができる。そのため、化学蓄熱材の反応温度未満の排熱を利用して蓄熱を行って外気を冷却することが可能となる。

本発明の一態様に係るヒートポンプシステムにおいて、前記第２ヒートポンプは、前記凝縮器用熱交換器により凝縮された冷媒を圧縮して前記圧縮機へ供給する補助圧縮機を備えていてもよい。
補助圧縮機により凝縮された冷媒を圧縮することで、２段階で冷媒が圧縮されることとなり、冷媒を化学蓄熱材の反応温度以上に適切に加熱することができる。

本発明の一態様に係るヒートポンプシステムにおいて、前記化学蓄熱材の前記反応温度は１００℃以下であり、前記排熱源用熱交換器は、１００℃未満の排熱を回収し、前記圧縮機は、冷媒を圧縮して前記反応温度以上に加熱する構成としてもよい。
排熱が１００℃以下の低温であっても、化学蓄熱材として反応温度が１００℃以下のものを用い、排熱により加熱された冷媒を圧縮機で反応温度以上に加熱することで、化学蓄熱材の反応温度未満の排熱を利用して蓄熱及び放熱をさせることが可能となる。

上記構成のヒートポンプシステムにおいて、前記化学蓄熱材は、ＣａＳＯ_４・１／２Ｈ_２Ｏ，ＣａＣｌ_２・２Ｈ_２Ｏ，Ｎａ_２Ｓ・５Ｈ_２Ｏ，ＳｒＢｒ_２・６Ｈ_２Ｏ，ＣｒＣｌ_２・５ＮＨ_３，またはＭｎＣｌ_２・６ＮＨ_３のいずれかであってよい。

本発明の一態様に係るヒートポンプシステムの制御方法は、第１ヒートポンプと、第２ヒートポンプと、を備えるヒートポンプシステムの制御方法であって、前記第１ヒートポンプは、反応温度以上に加熱されることにより蒸気を発生させる化学蓄熱材を収容する反応器と、前記反応器で発生した蒸気を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器で凝縮された液体を蒸発させて前記反応器へ供給する蒸発器と、を備え、前記第２ヒートポンプは、排熱回収する排熱源用熱交換器と、前記排熱源用熱交換器により加熱された冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された冷媒と前記反応器との熱交換を行う反応器用熱交換器と、前記反応器用熱交換器を通過した冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁により膨張された冷媒と前記凝縮器との熱交換を行う凝縮器用熱交換器と、前記圧縮機により圧縮された冷媒と前記蒸発器との熱交換を行う蒸発器用熱交換器と、を備え、前記排熱源用熱交換器と前記圧縮機と前記反応器用熱交換器と前記膨張弁と前記凝縮器用熱交換器とで冷媒回路を形成し、前記反応器を前記反応器用熱交換器で前記反応温度以上に加熱するとともに前記凝縮器を前記凝縮器用熱交換器で冷却する蓄熱工程と、前記排熱源用熱交換器と前記圧縮機と前記蒸発器用熱交換器とで冷媒回路を形成し、前記蒸発器を加熱して液体を蒸発させて前記化学蓄熱材から放熱させる放熱工程と、を備える。

本発明の一態様に係るヒートポンプシステムの制御方法によれば、第２ヒートポンプにおいて、排熱源用熱交換器により加熱された冷媒が圧縮機により圧縮されて反応器用熱交換器に供給される。そして、蓄熱工程において、第１ヒートポンプの反応器を第２ヒートポンプの反応器用熱交換器で化学蓄熱材の反応温度以上に加熱することで、化学蓄熱材から蒸気が発生する。化学蓄熱材から発生して第１ヒートポンプの凝縮器へ流入した蒸気は、第２ヒートポンプの凝縮器用熱交換器により冷却されて凝縮する。また、放熱工程において、第１ヒートポンプの蒸発器を第２ヒートポンプの蒸発器用熱交換器で加熱して液体を蒸発させることで、反応器に蒸気を供給して化学蓄熱材から放熱させる。

このように、本発明の一態様に係るヒートポンプシステムの制御方法によれば、排熱回収熱交換器により回収される排熱が化学蓄熱材の反応温度未満であっても、圧縮機により冷媒を加熱して反応器用熱交換器に供給することにより、第１ヒートポンプの反応器を化学蓄熱材の反応温度以上に加熱することができる。そのため、化学蓄熱材の反応温度未満の排熱を利用して蓄熱及び放熱をさせることが可能となる。

本発明によれば、化学蓄熱材の反応温度未満の排熱を利用して蓄熱及び放熱をさせることが可能なヒートポンプシステム及びその制御方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るヒートポンプシステムの概略構成を示す系統図であり、蓄熱モードを実行中の状態を示す。 本発明の第１実施形態に係るヒートポンプシステムの概略構成を示す系統図であり、放熱モードを実行中の状態を示す。 本発明の第２実施形態に係るヒートポンプシステムの概略構成を示す系統図であり、冷却モードを実行中の状態を示す。

〔第１実施形態〕
以下に、本発明に係るヒートポンプシステム１の第１実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態のヒートポンプシステム１は、ケミカルヒートポンプ１００と、蒸気圧縮式ヒートポンプ２００と、ケミカルヒートポンプ１００及び蒸気圧縮式ヒートポンプ２００を制御する制御装置３００と、を備える。

ケミカルヒートポンプ１００は、反応器１１０と、凝縮器１２０と、蒸発器１３０と、開閉弁１４０，１５０，１６０と、を備える。
蒸気圧縮式ヒートポンプ２００は、排熱源用熱交換器２１０と、圧縮機２２０と、反応器用熱交換器２３０と、膨張弁２４０と、膨張弁２４１と、凝縮器用熱交換器２５０と、蒸発器用熱交換器２６０と、補助圧縮機２７０と、三方弁２８０，２８１，２８２，２８３と、開閉弁２８５と、逆止弁２９０，２９１と、を備える。

ここで、ケミカルヒートポンプ１００が備える構成について説明する。
反応器１１０は、反応温度以上で加熱されることにより蒸気を発生させる化学蓄熱材を収容する装置である。反応器１１０は、蒸気圧縮式ヒートポンプ２００の反応器用熱交換器２３０により反応温度以上に加熱される。本実施形態の化学蓄熱材は、反応器用熱交換器２３０からの加熱による吸熱反応によって蒸気を発生させて蓄熱し、蒸発器１３０からの蒸気の供給による放熱反応によって放熱する。

本実施形態のヒートポンプシステム１は、１００℃未満の排熱を回収するものであるため、反応温度が低い（例えば、１００℃以下）の化学蓄熱材を用いるのが望ましい。
また、蒸発器１３０からの蒸気の供給による放熱反応によって発生する温度は、蒸発器１３０から供給される蒸気の温度に応じて高くなる。従って、反応器用熱交換器２３０は、蒸発器１３０が発生する蒸気の温度を可能な範囲で高温（例えば、１００℃）とするのが望ましい。

化学蓄熱材は、例えば、ＣａＳＯ_４・１／２Ｈ_２Ｏによって形成されており、反応媒体が水であり、反応温度は９０℃である。下記の式（１）の左辺から右辺への吸熱反応によって蓄熱し、右辺から左辺への発熱反応によって放熱する。
ＣａＳＯ_４・１／２Ｈ_２Ｏ（ｓ）⇔ＣａＳＯ_４（ｓ）＋１／２Ｈ_２Ｏ（ｇ） （１）

また、化学蓄熱材は、例えば、ＣａＣｌ_２・２Ｈ_２Ｏによって形成されており、反応媒体が水であり、反応温度は９０℃である。下記の式（２）の左辺から右辺への吸熱反応によって蓄熱し、右辺から左辺への発熱反応によって放熱する。
ＣａＣｌ_２・２Ｈ_２Ｏ（ｓ）⇔ＣａＣｌ_２・Ｈ_２Ｏ（ｓ）＋Ｈ_２Ｏ（ｇ） （２）

また、化学蓄熱材は、例えば、Ｎａ_２Ｓ・５Ｈ_２Ｏによって形成されており、反応媒体が水であり、反応温度は７０℃である。下記の式（３）の左辺から右辺への吸熱反応によって蓄熱し、右辺から左辺への発熱反応によって放熱する。
Ｎａ_２Ｓ・５Ｈ_２Ｏ（ｓ）⇔Ｎａ_２Ｓ・２Ｈ_２Ｏ（ｓ）＋３Ｈ_２Ｏ（ｇ） （３）

また、化学蓄熱材は、例えば、ＳｒＢｒ_２・６Ｈ_２Ｏによって形成されており、反応媒体が水であり、反応温度は９０℃である。下記の式（４）の左辺から右辺への吸熱反応によって蓄熱し、右辺から左辺への発熱反応によって放熱する。
ＳｒＢｒ_２・６Ｈ_２Ｏ（ｓ）⇔ＳｒＢｒ_２・Ｈ_２Ｏ（ｓ）＋５Ｈ_２Ｏ（ｇ） （４）

また、化学蓄熱材は、例えば、ＣｒＣｌ_２・５ＮＨ_３によって形成されており、反応媒体がアンモニアであり、反応温度は１００℃である。下記の式（５）の左辺から右辺への吸熱反応によって蓄熱し右辺から左辺への発熱反応によって放熱する。
ＣｒＣｌ_２・５ＮＨ_３（ｓ）⇔ＣｒＣｌ_２・２ＮＨ_３（ｓ）＋３Ｈ_２Ｏ（ｇ） （５）

また、化学蓄熱材は、例えば、ＭｎＣｌ_２・６ＮＨ_３によって形成されており、反応媒体がアンモニアであり、反応温度は９０℃である。下記の式（６）の左辺から右辺への吸熱反応によって蓄熱し、右辺から左辺への発熱反応によって放熱する。
ＭｎＣｌ_２・６ＮＨ_３（ｓ）⇔ＭｎＣｌ_２・２ＮＨ_３（ｓ）＋４Ｈ_２Ｏ（ｇ） （６）

凝縮器１２０は、反応器１１０で吸熱反応により発生した蒸気を凝縮させる装置である。凝縮器１２０は、蒸気圧縮式ヒートポンプ２００の凝縮器用熱交換器２５０から伝達される冷熱により冷却される。

蒸発器１３０は、凝縮器１２０で凝縮された液体を蒸発させて反応器１１０へ供給する装置である。蒸発器１３０は、蒸気圧縮式ヒートポンプ２００の蒸発器用熱交換器２６０により液体の蒸発温度以上に加熱される。

開閉弁１４０は、反応器１１０と凝縮器１２０を連通させる配管１０１を開閉する装置である。開閉弁１４０は、反応器１１０で吸熱反応により蒸気が発生する場合に開状態となり、蒸気が反応器１１０から凝縮器１２０へ移動した後の所定タイミングで閉状態となる。

開閉弁１５０は、凝縮器１２０と蒸発器１３０を連通させる配管１０２を開閉する装置である。開閉弁１５０は、凝縮器１２０で蒸気が液体に凝縮した後に開状態となり、液体が凝縮器１２０から蒸発器１３０へ移動した後の所定タイミングで閉状態となる。

開閉弁１６０は、反応器１１０と凝縮器１２０を連通させる配管１０３を開閉する装置である。開閉弁１６０は、蒸発器１３０で液体が蒸発して蒸気が発生する場合に開状態となり、蒸気が蒸発器１３０から反応器１１０へ移動した後の所定タイミングで閉状態となる。

次に、蒸気圧縮式ヒートポンプ２００が備える構成について説明する。
排熱源用熱交換器２１０は、各種の工場や発電所等における排熱源（図示略）の近傍に設置されており、排熱源から排熱回収して配管２０１を流通する冷媒を加熱する。排熱源の温度は、１００℃未満である。

圧縮機２２０は、排熱源用熱交換器２１０により加熱された冷媒を圧縮する装置である。圧縮機２２０は、排熱源用熱交換器２１０により加熱された冷媒を圧縮することにより、冷媒を反応器１１０の化学蓄熱材の反応温度以上に加熱する。

反応器用熱交換器２３０は、圧縮機２２０により圧縮された冷媒とケミカルヒートポンプ１００の反応器１１０との熱交換を行う装置である。反応器用熱交換器２３０は、凝縮器として機能するものであり、冷媒の凝縮熱を反応器１１０に伝達して反応器１１０を化学蓄熱材の反応温度以上に加熱する。

膨張弁２４０及び膨張弁２４１は、反応器用熱交換器２３０で凝縮された冷媒を膨張させて圧力を低下させるとともに冷媒の気化を促進させる装置である。膨張弁２４０を通過した冷媒は三方弁２８０へ導かれ、膨張弁２４１を通過した冷媒は排熱源用熱交換器２１０へ導かれる。

凝縮器用熱交換器２５０は、膨張弁２４０により膨張された冷媒とケミカルヒートポンプ１００の凝縮器１２０との熱交換を行う装置である。凝縮器用熱交換器２５０は、蒸発器として機能するものであり、冷媒の気化熱により発生する冷熱を凝縮器１２０に伝達して凝縮器１２０を冷却する。

蒸発器用熱交換器２６０は、圧縮機２２０により圧縮された冷媒とケミカルヒートポンプ１００の蒸発器１３０との熱交換を行う装置である。蒸発器用熱交換器２６０は、凝縮器として機能するものであり、冷媒の凝縮熱を蒸発器１３０に伝達して液体の蒸発温度以上に加熱する。

補助圧縮機２７０は、凝縮器用熱交換器２５０により気化した冷媒を圧縮する装置である。補助圧縮機２７０は、排熱源用熱交換器２１０により加熱された冷媒を圧縮することにより、冷媒を所定温度に加熱する。

三方弁２８０は、配管２０２と配管２０３とを連通させる状態と、配管２０２と配管２０４とを連通させる状態とを切り替える弁体である。三方弁２８１は、配管２０３と配管２０５とを連通させる状態と、配管２０４と配管２０５とを連通させる状態とを切り替える弁体である。三方弁２８２は、配管２０５と配管２０６とを連通させる状態と、配管２０５と配管２０７とを連通させる状態とを切り替える弁体である。三方弁２８３は、配管２０８と配管２０９とを連通させる状態と、配管２０８と配管２０７とを連通させる状態とを切り替える弁体である。

開閉弁２８５は、配管２０８の開閉状態を切り替える弁体である。
逆止弁２９０は、配管２０１に設けられる弁体であり、冷媒の逆流を防止するものである。逆止弁２９１は、配管２０６に設けられる弁体であり、冷媒の逆流を防止するものである。

次に、本実施形態の制御装置３００が実行する処理について説明する。
本実施形態の制御装置３００は、化学蓄熱材を加熱して蒸気を発生させる蓄熱モードと、化学蓄熱材に蒸気を供給して放熱させる放熱モードとを実行する装置である。

なお、本実施形態の制御装置３００は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。

＜蓄熱モード＞
始めに、制御装置３００が実行する蓄熱モードについて図１を参照して説明する。
制御装置３００は、蓄熱モードを実行する場合、配管２０２と配管２０３とが連通するよう三方弁２８０を制御し、配管２０３と配管２０５が連通するよう三方弁２８１を制御し、配管２０５と配管２０６が連通するよう三方弁２８２を制御し、配管２０８と配管２０９が連通するよう三方弁２８３を制御する。

図１において、三方弁２８０，２８１，２８２，２８３の白抜きの部分は開状態を示し黒く塗り潰した部分は閉状態を示す。また、図１において、白抜きの矢印は蒸気圧縮式ヒートポンプ２００の冷媒の流通方向を示す。図１に示すように、蓄熱モードは、排熱源用熱交換器２１０と、圧縮機２２０と、反応器用熱交換器２３０と、膨張弁２４０と、膨張弁２４１と、凝縮器用熱交換器２５０と、補助圧縮機２７０とで冷媒回路を形成するモードである。この冷媒回路には、蒸発器用熱交換器２６０が含まれない。

蓄熱モードにおいて、蒸気圧縮式ヒートポンプ２００は、排熱源用熱交換器２１０で排熱源から排熱回収して配管２０１を流通する冷媒を加熱する。排熱源用熱交換器２１０により加熱された冷媒は圧縮機２２０へ導入される。圧縮機２２０は、冷媒を圧縮して反応器１１０の化学蓄熱材の反応温度以上に加熱する。

反応器用熱交換器２３０は、圧縮機２２０により加熱された冷媒を凝縮し、凝縮熱を反応器１１０に伝達して反応器１１０を化学蓄熱材の反応温度以上に加熱する。
膨張弁２４０は、反応器用熱交換器２３０で凝縮された冷媒の一部を膨張し、凝縮器用熱交換器２５０に導入する。膨張弁２４１は、反応器用熱交換器２３０で凝縮された冷媒のその他を膨張し、排熱源用熱交換器２１０へ導入する。

凝縮器用熱交換器２５０は、冷媒の気化熱により発生する冷熱を凝縮器１２０に伝達して凝縮器１２０を冷却する。凝縮器用熱交換器２５０で蒸発した冷媒は、補助圧縮機２７０に導入される。
補助圧縮機２７０は、冷媒を圧縮することにより冷媒を所定温度に加熱して配管２０６へ供給する。補助圧縮機２７０により圧縮された冷媒は、排熱源用熱交換器２１０により加熱された冷媒とともに圧縮機２２０へ導入される。

以上のようにして、蓄熱モードにおいて、蒸気圧縮式ヒートポンプ２００は、排熱源用熱交換器２１０で排熱源から回収した排熱を用いてケミカルヒートポンプ１００の反応器１１０を加熱するとともに、ケミカルヒートポンプ１００の凝縮器１２０を冷却する。

制御装置３００は、蓄熱モードにおいて、排熱源用熱交換器２１０により反応器１１０が反応温度以上に加熱される場合に、開閉弁１４０を開状態とする。開閉弁１４０が開状態となると、化学蓄熱材から発生した蒸気が配管１０１を介して凝縮器１２０へ導入される。制御装置３００は、反応器１１０から凝縮器１２０へ所定量の蒸気が導かれたことに応じて、開閉弁１４０を閉状態とする。制御装置３００は、開閉弁１４０を閉状態とした後に、圧縮機２２０及び補助圧縮機２７０の動作を停止させる。以上により、制御装置３００は、蓄熱モードを終了する。

制御装置３００は、蓄熱モードの実行中と蓄熱モードの終了後において、開閉弁１５０及び開閉弁１６０を閉状態に維持している。そのため、凝縮器１２０で蒸気が凝縮して生成された液体は、凝縮器１２０に保持された状態となる。これにより、排熱源用熱交換器２１０で排熱源から回収した排熱がケミカルヒートポンプ１００に蓄熱された状態が維持される。

＜放熱モード＞
次に、制御装置３００が実行する放熱モードについて図２を参照して説明する。
制御装置３００は、放熱モードを実行する場合、配管２０２と配管２０４とが連通するよう三方弁２８０を制御し、配管２０４と配管２０５が連通するよう三方弁２８１を制御し、配管２０５と配管２０７が連通するよう三方弁２８２を制御し、配管２０８と配管２０７が連通するよう三方弁２８３を制御する。

図２において、三方弁２８０，２８１，２８２，２８３の白抜きの部分は開状態を示し黒く塗り潰した部分は閉状態を示す。また、図２において、白抜きの矢印は蒸気圧縮式ヒートポンプ２００の冷媒の流通方向を示す。図２に示すように、放熱モードは、排熱源用熱交換器２１０と圧縮機２２０と蒸発器用熱交換器２６０とで冷媒回路を形成するモードである。この冷媒回路には、排熱源用熱交換器２１０と、凝縮器用熱交換器２５０と、補助圧縮機２７０が含まれない。

放熱モードにおいて、蒸気圧縮式ヒートポンプ２００は、排熱源用熱交換器２１０で排熱源から排熱回収して配管２０１を流通する冷媒を加熱する。排熱源用熱交換器２１０により加熱された冷媒は、圧縮機２２０へ導入される。圧縮機２２０は、冷媒を圧縮して蒸発器用熱交換器２６０へ導入する。

蒸発器用熱交換器２６０は、圧縮機２２０により加熱された冷媒の凝縮熱を蒸発器１３０に伝達して液体の蒸発温度以上に加熱する。蒸発器用熱交換器２６０で凝縮した冷媒は、再び排熱源用熱交換器２１０へ導入される。

以上のようにして、放熱モードにおいて、蒸気圧縮式ヒートポンプ２００は、排熱源用熱交換器２１０で排熱源から回収した排熱を用いてケミカルヒートポンプ１００の蒸発器１３０を加熱して液体を蒸発させる。

制御装置３００は、放熱モードにおいて、開閉弁１５０を開状態とし、凝縮器１２０に保持された液体を蒸発器１３０へ導入する。また、制御装置３００は、蒸発器用熱交換器２６０により蒸発器１３０を加熱される場合に、開閉弁１６０を開状態とする。開閉弁１６０が開状態となると、蒸発器１３０で発生した蒸気が配管１０３を介して反応器１１０へ導入される。反応器１１０では、化学蓄熱材と蒸気との発熱反応によって放熱が行われる。制御装置３００は、反応器１１０から凝縮器１２０へ所定量の蒸気が導入されたことに応じて、開閉弁１６０を閉状態とする。制御装置３００は、開閉弁１６０を閉状態とした後に、圧縮機２２０の動作を停止させる。以上により、制御装置３００は、放熱モードを終了する。

制御装置３００は、放熱モードの実行中と放熱モードの終了後において、開閉弁１４０を閉状態に維持している。そのため、蒸発器１３０で生成された蒸気は、全て反応器１１０における化学蓄熱材との反応に用いられる。これにより、排熱源用熱交換器２１０で排熱源から回収した排熱がケミカルヒートポンプ１００の反応器１１０で放熱される。

以上説明した本実施形態のヒートポンプシステム１が奏する作用及び効果について説明する。
本実施形態のヒートポンプシステム１によれば、蓄熱モードにおいて、ケミカルヒートポンプ１００の反応器１１０を蒸気圧縮式ヒートポンプ２００の反応器用熱交換器２３０で化学蓄熱材の反応温度以上に加熱することで、化学蓄熱材から蒸気が発生する。化学蓄熱材から発生してケミカルヒートポンプ１００の凝縮器１２０へ流入した蒸気は、蒸気圧縮式ヒートポンプ２００の凝縮器用熱交換器２５０により冷却されて凝縮する。また、放熱モードにおいて、ケミカルヒートポンプ１００の蒸発器１３０を蒸気圧縮式ヒートポンプ２００の蒸発器用熱交換器２６０で加熱して液体を蒸発させることで、反応器１１０に蒸気を供給して化学蓄熱材から放熱させる。

このように、本実施形態のヒートポンプシステム１によれば、排熱源用熱交換器２１０により回収される排熱が化学蓄熱材の反応温度未満であっても、圧縮機２２０により冷媒を加熱して反応器用熱交換器２３０に供給することにより、ケミカルヒートポンプ１００の反応器１１０を化学蓄熱材の反応温度以上に加熱することができる。そのため、化学蓄熱材の反応温度未満の排熱を利用して蓄熱及び放熱をさせることが可能となる。

本実施形態のヒートポンプシステム１において、蒸気圧縮式ヒートポンプ２００は、凝縮器用熱交換器２５０により凝縮された冷媒を圧縮して圧縮機２２０へ供給する補助圧縮機２７０を備える。
補助圧縮機２７０により凝縮された冷媒を圧縮することで、２段階で冷媒が圧縮されることとなり、冷媒を化学蓄熱材の反応温度以上に適切に加熱することができる。

本実施形態のヒートポンプシステム１において、化学蓄熱材の反応温度は１００℃以下であり、排熱源用熱交換器２１０は、１００℃未満の排熱を回収し、圧縮機２２０は、冷媒を圧縮して反応温度以上に加熱する。
排熱が１００℃以下の低温であっても、化学蓄熱材として反応温度が１００℃以下のものを用い、排熱により加熱された冷媒を圧縮機２２０で反応温度以上に加熱することで、化学蓄熱材の反応温度未満の排熱を利用して蓄熱及び放熱をさせることが可能となる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態のヒートポンプシステム１について図面を参照して説明する。
本実施形態は、第１実施形態の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様であるものとする。本実施形態において、制御装置３００は、第１実施形態の蓄熱モード及び放熱モードに加え、更に冷却モードを実行可能である。

＜冷却モード＞
制御装置３００が実行する冷却モードについて図３を参照して説明する。
制御装置３００は、冷却モードを実行する場合、配管２０２と配管２０３とが連通するよう三方弁２８０を制御し、配管２０３と配管２０５が連通するよう三方弁２８１を制御し、配管２０５と配管２０６が連通するよう三方弁２８２を制御する。一方、制御装置３００は、圧縮機２２０に冷媒が導かれないように開閉弁２８５を閉状態とする。

なお、冷却モードは、第１実施形態の蓄熱モードが実行された後に実行されるモードである。また、冷却モードでは、排熱源用熱交換器２１０が冷媒回路の一部を形成するが、排熱源用熱交換器２１０には排熱源（図示略）の排熱が導かれないようにするのが望ましい。これは、冷却モードが、排熱源の排熱を用いて蒸発器１３０を加熱することを主眼とせず、蒸発器１３０における気化熱で外気を冷却することが主眼であるからである。

図３において、三方弁２８０，２８１，２８２，２８３の白抜きの部分は開状態を示し黒く塗り潰した部分は閉状態を示す。また、図３において、白抜きの矢印は蒸気圧縮式ヒートポンプ２００の冷媒の流通方向を示す。図３に示すように、冷却モードは、排熱源用熱交換器２１０と、膨張弁２４０と、膨張弁２４０と、凝縮器用熱交換器２５０と、補助圧縮機２７０とで冷媒回路を形成するモードである。この冷媒回路には、蒸発器用熱交換器２６０が含まれない。

冷却モードにおいて、蒸気圧縮式ヒートポンプ２００は、排熱源用熱交換器２１０を通過した冷媒を膨張弁２４０へ導入する。
膨張弁２４０は、排熱源用熱交換器２１０から導入された冷媒を膨張し、凝縮器用熱交換器２５０に導入する。

凝縮器用熱交換器２５０は、冷媒の気化熱により発生する冷熱を凝縮器１２０に伝達して凝縮器１２０を冷却する。凝縮器用熱交換器２５０で蒸発した冷媒は、補助圧縮機２７０に導入される。
補助圧縮機２７０は、冷媒を圧縮することにより冷媒を所定温度に加熱して配管２０６へ供給する。補助圧縮機２７０により圧縮された冷媒は、排熱源用熱交換器２１０へ導入される。

以上のように、冷却モードにおいては、ケミカルヒートポンプ１００の凝縮器１２０を冷却する一方で、放熱モードのように蒸発器用熱交換器２６０よる蒸発器１３０の加熱は行わない。

制御装置３００は、冷却モードにおいて、開閉弁１５０を開状態とし、凝縮器１２０に保持された液体を蒸発器１３０へ導入する。また、制御装置３００は、開閉弁１６０を開状態とする。蒸発器１３０に導入された液体は、開閉弁１６０を開状態となって減圧されることにより蒸発し、蒸気が配管１０３を介して反応器１１０へ導入される。蒸発器１３０は、蒸発する際の気化熱により外気を冷却する。

反応器１１０では、化学蓄熱材と蒸気との発熱反応によって放熱が行われる。制御装置３００は、反応器１１０から凝縮器１２０へ所定量の蒸気が導入されたことに応じて、開閉弁１６０を閉状態とする。制御装置３００は、開閉弁１６０を閉状態とした後に、補助圧縮機２７０の動作を停止させる。以上により、制御装置３００は、冷却モードを終了する。

制御装置３００は、冷却モードの実行中と冷却モードの終了後において、開閉弁１４０を閉状態に維持している。そのため、蒸発器１３０で生成された蒸気は、全て反応器１１０における化学蓄熱材との反応に用いられる。これにより、凝縮器１２０に蓄熱された排熱がケミカルヒートポンプ１００の反応器１１０で放熱される。

本実施形態によれば、冷却モードにおいて、ケミカルヒートポンプ１００の蒸発器１３０が蒸気圧縮式ヒートポンプ２００の蒸発器用熱交換器２６０により加熱されないため、蒸発器１３０における液体の気化熱により外気を冷却することができる。そのため、化学蓄熱材の反応温度未満の排熱を利用して蓄熱を行って外気を冷却することが可能となる。

１ ヒートポンプシステム
１００ ケミカルヒートポンプ（第１ヒートポンプ）
１０１，１０２，１０３ 配管
１１０ 反応器
１２０ 凝縮器
１３０ 蒸発器
１４０，１５０，１６０ 開閉弁
２００ 蒸気圧縮式ヒートポンプ（第２ヒートポンプ）
２１０ 排熱源用熱交換器
２２０ 圧縮機
２３０ 反応器用熱交換器
２４０ 膨張弁
２５０ 凝縮器用熱交換器
２６０ 蒸発器用熱交換器
２７０ 補助圧縮機
２８０，２８１，２８２，２８３ 三方弁
２８５ 開閉弁
２９０，２９１ 逆止弁
３００ 制御装置

Claims (6)

1. 第１ヒートポンプと、
   第２ヒートポンプと、
   前記第１ヒートポンプ及び前記第２ヒートポンプを制御する制御装置と、を備えるヒートポンプシステムであって、
   前記第１ヒートポンプは、
   反応温度以上に加熱されることにより蒸気を発生させる化学蓄熱材を収容する反応器と、
   前記反応器で発生した蒸気を凝縮させる凝縮器と、
   前記凝縮器で凝縮された液体を蒸発させて前記反応器へ供給する蒸発器と、を備え、
   前記第２ヒートポンプは、
   排熱回収する排熱源用熱交換器と、
   前記排熱源用熱交換器により加熱された冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機により圧縮された冷媒と前記反応器との熱交換を行う反応器用熱交換器と、
   前記反応器用熱交換器を通過した冷媒を膨張させる膨張弁と、
   前記膨張弁により膨張された冷媒と前記凝縮器との熱交換を行う凝縮器用熱交換器と、
   前記圧縮機により圧縮された冷媒と前記蒸発器との熱交換を行う蒸発器用熱交換器と、を備え、
   前記制御装置は、前記化学蓄熱材を加熱して蒸気を発生させる蓄熱モードと前記化学蓄熱材に蒸気を供給して放熱させる放熱モードとを実行し、
   前記蓄熱モードは、前記排熱源用熱交換器と前記圧縮機と前記反応器用熱交換器と前記膨張弁と前記凝縮器用熱交換器とで冷媒回路を形成し、前記反応器を前記反応器用熱交換器で前記反応温度以上に加熱するとともに前記凝縮器を前記凝縮器用熱交換器で冷却するモードであり、
   前記放熱モードは、前記排熱源用熱交換器と前記圧縮機と前記蒸発器用熱交換器とで冷媒回路を形成し、前記蒸発器を加熱して液体を蒸発させるモードであるヒートポンプシステム。
2. 前記制御装置は、前記蒸発器用熱交換器を含まず前記凝縮器用熱交換器を含む冷媒回路を形成して前記蒸発器により外気を冷却する冷却モードを実行する請求項１に記載のヒートポンプシステム。
3. 前記第２ヒートポンプは、前記凝縮器用熱交換器により凝縮された冷媒を圧縮して前記圧縮機へ供給する補助圧縮機を備える請求項１または請求項２に記載のヒートポンプシステム。
4. 前記化学蓄熱材の前記反応温度は１００℃以下であり、
   前記排熱源用熱交換器は、１００℃未満の排熱を回収し、
   前記圧縮機は、冷媒を圧縮して前記反応温度以上に加熱する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
5. 前記化学蓄熱材は、ＣａＳＯ_４・１／２Ｈ_２Ｏ，ＣａＣｌ_２・２Ｈ_２Ｏ，Ｎａ_２Ｓ・５Ｈ_２Ｏ，ＳｒＢｒ_２・６Ｈ_２Ｏ，ＣｒＣｌ_２・５ＮＨ_３，またはＭｎＣｌ_２・６ＮＨ_３のいずれかである請求項４に記載のヒートポンプシステム。
6. 第１ヒートポンプと、第２ヒートポンプと、を備えるヒートポンプシステムの制御方法であって、
   前記第１ヒートポンプは、
   反応温度以上に加熱されることにより蒸気を発生させる化学蓄熱材を収容する反応器と、
   前記反応器で発生した蒸気を凝縮させる凝縮器と、
   前記凝縮器で凝縮された液体を蒸発させて前記反応器へ供給する蒸発器と、を備え、
   前記第２ヒートポンプは、
   排熱回収する排熱源用熱交換器と、
   前記排熱源用熱交換器により加熱された冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機により圧縮された冷媒と前記反応器との熱交換を行う反応器用熱交換器と、
   前記反応器用熱交換器を通過した冷媒を膨張させる膨張弁と、
   前記膨張弁により膨張された冷媒と前記凝縮器との熱交換を行う凝縮器用熱交換器と、
   前記圧縮機により圧縮された冷媒と前記蒸発器との熱交換を行う蒸発器用熱交換器と、を備え、
   前記排熱源用熱交換器と前記圧縮機と前記反応器用熱交換器と前記膨張弁と前記凝縮器用熱交換器とで冷媒回路を形成し、前記反応器を前記反応器用熱交換器で前記反応温度以上に加熱するとともに前記凝縮器を前記凝縮器用熱交換器で冷却する蓄熱工程と、
   前記排熱源用熱交換器と前記圧縮機と前記蒸発器用熱交換器とで冷媒回路を形成し、前記蒸発器を加熱して液体を蒸発させて前記化学蓄熱材から放熱させる放熱工程と、を備えるヒートポンプシステムの制御方法。
   

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