JPH03294762A - ケミカルヒートポンプの運転制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、吸着作用や吸収作用もしくは化学反応を利
用するケミカルヒートポンプを効率よ７く運転するため
のケミカルヒートポンプの運転制御装置に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

第３図は、例えば日本太陽エネルギ学会研究発表会講演
論文集、　１９８８．　Ｐ、１１８に記載された吸着式
冷凍機を用いた冷房システムにおける従来のケミカルヒ
ートポンプの運転制御装置を示す構成図であり、図にお
いて、■は円筒形の胴体、２は胴体１内に充填された固
体吸着剤、３は胴体１内にあって上記固体吸着剤２に吸
着される水等の冷媒、４は上記固体吸着剤２を加熱・冷
却する第１の熱交換器としての熱交換器、５は同様に上
記冷媒を加熱・冷却する第２の熱交換器としての熱交換
器である。これらの１〜５によりケミカルヒートポンプ
が構成される。

６〜１３は上記各熱交換器４．５の出入口に取イ」けら
れた冷温水の切換弁、Ｉ４は熱源水供給系としての熱源
水タンク、１５は切換弁１２．１３と熱源水タンク１４
とを接続する熱源水配管、１６は冷却水供給系としての
冷却塔、１７は切換弁８，９，１０．１１と冷却塔１６
とを接続する冷却水配管、１８は冷風を出して室内を冷
房するファンコイルユニット等から成る出力冷温水系と
しての冷水供給系、１９は上記冷水供給系１Ｂと切換弁
６．７とを接続する冷水配管、２０．２１゜２２は上記
各配管１９，１７．１５に取付けられたポンプである。

２３は冷水配管１７の流入側に取付けられた温度センサ
、２４は温度センサ２３の検出信号を入力とし、切換弁
６〜１３の切換えを制御する演算制御部である。

次に動作について説明する。

吸着式冷凍機の動作には固体吸着剤２から冷媒３を脱着
させる再生（脱着）工程と、吸着剤２に冷媒３を吸着さ
せ冷媒液の気化熱により冷房の出力を得る吸着工程とが
ある。この第１３図は冷房システムの再生工程での動作
を示している。この再生工程では、切換弁６，７，１０
．１１は閉、切換弁８，９，１２．１３は開となり、固
体吸着剤２の熱交換器４へは熱源水タンク１４からの熱
源水（温水）が流れ、冷媒３の熱交換器５へは冷却塔１
６からの冷却水が流れる。固体吸着剤２ば熱源水により
加熱され吸着していた冷媒の脱着が進行する。また熱交
換器５は冷却水により冷やされているため、上記脱着に
より蒸発した冷媒３の凝縮・液化が起こる。液化した冷
媒３は熱交換器５のまわりに保持される。このように再
生工程では、固体吸着剤２の再生が行われ、熱交換器５
のまわりに冷媒３を蓄える動作をする。この再生工程は
演算制御部２４で演算されたある時間が経過すると、そ
の演算の出力信号（出力信号のためのラインは図示して
いない）により、切換弁６〜１３の開閉が切換り、次に
吸着工程が行われる。

第１４図は吸着工程での動作を示している。この吸着工
程では切換弁８，９，１２．１３は閉、切換弁６．７，
１０，１．１は開となり、固体吸着剤２の熱交換器４へ
は冷却塔１６からの冷却水が、冷媒３の熱交換器５へは
室内にあるファンコイルユニットなどの冷水イハ給系１
８からの冷水が流れる。固体吸着剤２は冷却水により冷
やされるので、冷媒３の吸着が起こる。これにより熱交
換器５のまわりでは冷媒３の蒸発が進行し、その気化熱
の吸熱によって熱交換器５を流れる冷水は冷やされ、冷
房出力を取出すことができる。固体吸着剤２が冷媒３を
吸着づ−ることにより冷房出力が得られる吸着工程は、
一定時間が経過すると、演算制御部２４からの出力信号
により切換弁６〜１３が切換えられて再び再生工程が行
われる。

以上のような運転動作を行う上記吸着式冷凍機の出力の
制御は、例えば日本冷凍協会学術講演会主催［非フロン
系冷凍空調システム」シンポジウム論文集、　１９８９
．　Ｐ、２５０に示されるように、冷水入口温度をセン
サで検知し、冷凍負荷状態に合わせて単位時間当たりの
吸脱着サイクル数を変化させることにより行っている。

このために、第１３図や第１４図に示すように、冷水供
給系１８と切換弁６，７とを接続する冷水配管１９のケ
ミカルヒートポンプへの流入側配管の途中に冷水入口温
度を検知するための温度センサ２３を設置し、この温度
センサ２３の検出信号を演算制御部２４へ人力して、切
換弁６〜１３を制御する運転制御装置が備えられる。

そして演算制御部２４及びタイマ等を含む上記運転制御
装置内では、例えば第１５図に示すフローチャートにそ
って制御が行われる。まず、ステップＳＴＩで検出され
た温度センサ２３からの検出信号を受けてステップＳＴ
２により冷水入口温度が入力される。次にステップＳＴ
３で冷水入口温度の値や温度の変化等からファンコイル
ユニットなどの冷水供給系１８からの冷凍負荷の状態が
検知される。次に冷凍負荷が知れると、その情報をもと
にステップＳＴ４で単位時間当たりのザイクル数、すな
わち再生工程と吸着工程との時間が演算され、その結果
得られた時間をステップＳＴ５でタイマにセットシ、こ
のタイマの動作に基づいてステップＳＴ６で切換弁６〜
１３の開閉を制御する。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のケミカルヒートポンプの運転制御装置は以上のよ
うに冷水のケミカルヒートポンプへの入口温度のみを入
力として演算し、冷温水の切換弁６〜１３を制御するよ
うに構成されているので、上記吸着式冷凍機の性能は、
例えば第１６図に示されるように冷水の入口温度が一定
であっても熱源水（温水）や冷却水の入［」温度により
変化する。

そのため従来の制御装置では熱源水や冷却水の入口温度
の変化に対応して、例えば性能を最大とするように弁の
開閉時間を制御することができず、ケミカルヒートポン
プの性能が低下するなどの課題があった。

本発明は上記のような課題を解消するためになされたも
ので、冷水や冷却水および熱源水の入口温度に対応して
ケミカルヒートポンプを制御できるケミカルヒートポン
プの運転制御装置を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係るケミカルヒートポンプの運転制御装置は
、熱源水および冷却水および出力冷温水の各入口温度を
検知する複数個の温度センサを各配管に取付け、各温度
センサの検出信号を演算制御部へ入力し、複数の冷温水
の切換弁を制御するようにしたものである。

〔作　用〕

この発明におけるケミカルヒートポンプの運転制御装置
は、熱源水、冷却水および出力冷温水の入口温度を入力
として、これらの温度に対応した各切換弁の切換え時間
が演算されることにより、冷温水の切換弁を制御する。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図において、１０１は反応容器であり、この反応容
器１０１には固体反応材料２と冷温水の流れる熱交換器
４とが納められている。上記固体反応材料２としてと、
例えば塩化カルシウム（ＣａＣＩ。）がある。また、１
０２は液容器であり、この液容器１０２内には上記固体
反応材料２と反応する冷媒３が封入されると共に冷温水
の流れる熱交換器５が納められている。上記冷媒３とし
ては、例えばメチルアミン（Ｃ１１３ＮＨ２）がある。

１０３は上記反応容器１０１と液容器１０２とをつなぐ
連結管である。１００は上記１０１．１０２，１０３゜
２．３，４．５の各部材で構成されるケミカルヒートポ
ンプである。なお、６〜２４は第１３図および第１４図
の同一符号部分と同しであり、説明を省略する。

２５は冷却水配管１７のケミカルヒートポンプ１００へ
の流入側に取付けられた温度センサ、２６は熱源水配管
１５のケミカルヒートポンプ１００への流入側に取付け
られた温度センサである。

次に動作について説明する。

この実施例によるケミカルヒートポンプ１００では、反
応容器１０１内において下記の（１）式に示される塩化
カルシウムとメチルアミンとの反応が進行し、また液容
器１０２内においては下記の（２）式で示されるメチル
アミンの蒸発・凝縮が進行する。

ＣａＣ１ｚ・２　ＣＨ３ＮｌＩ２　＋４　Ｃ８３ＮＩ＋
２　（ガス）：　ＣａＣＩ　ｚ・６　Ｃ１１３ＮＨ２＋
ΔＨ・−・−（１）Ｃ８３ＮＩ＋２（ガス）ヰＣ１１３
ＮＨ２（液）＋Δ■゛・・・・・・（２）ここで、ΔＨ
は反応熱、ΔＨ”は蒸発潜熱を表している。

動作にはメチルアミンと反応した塩化カルシウム（Ｃａ
ＣＩｚ　・６ＣＨ３ＮＨ２）が分解して（１）式の右か
ら左への反応が進むとともに、メチルアミンのガスが凝
縮する再生運転と、メチルアミンが蒸発してガスが発生
するとともにメチルアミンのガスが塩化カルシウム（Ｃ
ａＣ］□・２　Ｃｌ５ＮＨ１！　）　と反応する出力運
転とがある。第１図はこのうち上記再生運転時の動作を
示している。この再生運転では、切換弁６，７，１０．
１１は閉、切換弁８，９，１２゜０ １３は開となり、反応容器１０１の熱交換器４へは熱源
水が、液容器１０２の熱交換器５へは冷却水が流れる。

熱源水により塩化カルシウム（ＣａＣＩｚ　・６ＣＨ３
ＮＨ２）は加熱され、（１）式の′右から左への分解反
応が進行してメチルアミンのガスが発生する。このメチ
ルアミンのガスは連結管１０３を通って液容器１０２内
で冷却され、凝縮して冷媒３の液として蓄えられる。

このように再生運転では、反応容器１０１内の固体反応
材料２としての塩化カルシウムの再生が行われ、また液
容器１０２へは冷媒３としてのメチルアミンが蓄えられ
る動作が行われる。この再生運転は演算制御部２４で演
算された一定時間が経過すると、演算制御部２４は出力
信号を出して切換弁６〜１３の開閉を切換えて出力運転
に移る。

第２図は出力運転での動作を示している。この出力運転
では切換弁８，９，１２．１３は閉、切換弁６，７，１
０．１１は開となり、反応容器１０１の熱交換器４へは
冷却水が、液容器１０２の熱交換器５へはファンコイル
ユニットなど（ＤＱ水供給系１８からの冷水が流れる。

この出力運転では固体反応材料２としての塩化カルシウ
ム（ＣａＣＩ２・２Ｃｔｌ＋ＮＩＩｚ）は（１）式の左
から右への反応が進行して冷媒３としてのメチルアミン
のガスと反応する。これにより液容器１０２内の上記メ
チルアミンは蒸発し、この時の気化熱による吸熱で熱交
換器５を流れる冷水が冷やされて冷房出力が取り出され
る。上記塩化カルシウムとメチルアミンとの反応により
冷房出力の得られる出力運転は、一定時間が経過すると
演算制御増幅２４からの出力信号により切換弁６〜１３
が切換えられることにより、再び再生運転が行われる。

次にこの実施例によるケミカルヒーＩ・ポンプ１００の
制御方法について説明する。まずケミカルヒートポンプ
１００の制御には次の３種類の異なった制御モードが考
えられる。そして最適運転とは各々の制御目標に最も合
う運転であるため、制御モードにより異なることとなる
。

Ａ、最大能力を得る制御モード Ｂ、最大の成績係数を得る制御モード Ｃ１一定の能力を得る制御モード ここで上記能力とは単位時間当たりに得られる出力熱量
であり、この実施例では１時間当たりに得られる冷房用
熱量（ｋｃａｌ／ｈｒ）を表す。また上記成績係数とは
入力熱量に対する出ノＪ熱量の割合を表し、成績係数が
大きい程少ないエネルギーの入力で大きな出力熱量が得
られることを示す。

この実施例によるケミカルヒートポンプの運転制御装置
では、上記Ａ、Ｂ、Ｃのいずれの制御モードにおいても
第１図、第２図に示すように、冷水配管１９、冷却水配
管１７、熱源水配管１５の各流入側配管の途中に各入口
温度を検知する温度センサ２３，２５．２６を設置し、
これら３個の温度センサ２３．２５．２６からの検出信
号を演算制御部２４へ入力できるよう接続するとともに
、切換弁６〜１３を制御するように構成されている。

そして演算制御部２４およびタイマ等を含めた運転制御
装置内では例えば第３図に示すフローチャートにそって
制御が行われる。まず最初にステップＳＴＩで制御モー
ドＡ、Ｂ、Ｃの選択が行われる。次にステップＳＴ２．
ＳＴ３．ＳＴ４で得られた各温度センサの検出信号を受
けて、ステップＳＴ５で冷水入口温度、冷却水入口温度
および熱源水入口温度が入力される。そのあとステップ
ＳＴ６において３個の温度データをもとに選択された制
御モードに合わせて最適運転時間が演算され、再生運転
時間および出力運転時間が決定される。その結果、決定
された運転時間をステップＳＴ７でタイマに設定する。

そしてステップＳＴ８で切換弁６〜１３の開閉を上記タ
イマからの経過時間の信号に基づいて制御する。

従来の運転制御装置と比べこの発明の運転制御装置を使
用することによってより最適な運転が可能となることを
示すために、第１図および第２図に示すものと同型式の
装置を試作して実験を行うとともに熱モデルによる計算
を行った。実験の固体反応材料には塩化カルシウム（Ｃ
ａＣ］　２　）を用い、１．５ｋｇ充填した。また冷媒
にはメチルアミン（ＣｌｈＮＨ２）を使用し、装置へ２
．１ｋｇ封入した。

第４図に再生運転時の反応率の時間変化を示す。

３ ４ ここで反応率とは前記（１）式の右辺から左辺へ移る反
応で、メチルアミンと反応した塩化カルシウム（ＣａＣ
］□・６ＣＩＩＪｔ（ｚ）がどの程度分解・再生して塩
化カルシウム（ＣａＣ］。・２ＣＨ３Ｎｌｌ□）になっ
たが、その割合を表している。反応率の値が大きい程、
よく再生されたことを示している。第４図より、熱源水
入口温度が高い程、短い時間で反応率は大きくなり、よ
り早く再生されることが分かる。また第１６図において
説明したと同様に、冷水入口温度が一定であっても熱源
水や冷却水の入口温度により再生運転時の反応の早さが
変わるため各制御モードに最適な運転時間は変化するも
のと考えられる。

最適な運転時間を求めるために、ケミカルヒートポンプ
１００の熱モデルを作成した。この熱モデルはケミカル
ヒートポンプ１００内の反応による発熱・吸熱量、冷媒
の蒸発・凝縮に伴う潜熱量、固体反応材料や冷媒、そし
て容器等の顕熱量、そして外気への放熱量といった熱の
収支をいくつかの関係式で表したものである。以下では
上記熱モデルに例えば第４図に示すような反応の早さを
データとして入れて計算した結果をもとに説明する。

最大能力を得る制御モードでの最適な運転時間は次のよ
うにして得られた。第５図は熱源水入口温度７０°Ｃ１
冷却水入ロ温度３０°Ｃ１冷水入ロ温度１０’Ｃにおい
て、出力運転時間と再生運転時間に対する能力の値を示
した線図である。等能力の実線がＯｋｃａｌ／ｈｒ〜１
００　ｋｃａｌ／ｈｒに２０　ｋｃａｌ／ｈｒ刻みで引
かれている。最大能力を得る最適運転時間は、出力運転
時間と再生運転時間とを変えながらその時間での能力を
求めることにより得た。第５図中、０点で示す運転が最
適運転である。また図中の■、■、０，０各点での能力
を第６図に示す。この第６図より熱モデルによる計算結
果と実験装置を運転して得られた実験結果とは良く一致
し、０点での運転により最大の能力の得られることが明
らかとなった。

上記と同様の方法により、熱源水入口温度が８０°Ｃや
６０°Ｃと変わる場合での最適運転時間が求められる。

これに対し、従来の制御方法では熱源水入口温度の変化
によらず一定の運転時間で運転される。そこで第７図に
最適な運転での能力と、運転時間を熱源水入口温度が８
０°Ｃでの最適運転時間に固定した場合の能力とを示す
。例えば熱源水入口温度が６０°Ｃにおいて、最適運転
時の能力は６０ｋｃａｌ／ｈｒであるのに対し、運転時
間を固定した場合は５２　ｋｃａｌ／ｈｒの能力しか得
られない。

この結果から明らかなように、熱源水温度に対応して最
適な運転に制御することで、より大きな能力を得ること
が可能となる。このことは熱源水温度変化だけでなく、
冷水や冷却水入口温度の変化についても同様のことがい
える。また、上記制御モードのうち最大の成績係数を得
る制御モードについても同じ差違がある。さらに、従来
の冷水入口温度を検出する運転制御装置の場合、一定の
能力が得られるように制御することばできなかった。

これに対しこの発明による制御方法では第５図に示すよ
うな線図を用いて冷水、冷却水、熱源水の各入口温度に
対応して能力を一定とする制御が可能である。この場合
、第５図の等能力線上で成績係数の最も大きい運転時間
を求めるなどして制御することができる。例えば能力を
５０　ｋｃａｌ／ｈｒ一定とする場合の、熱源水入口温
度の変化に対する出力運転時間と再生運転時間との和を
第８図に示す。このように熱源水の入口温度に対応して
適切に運転時間を変えることにより、能力を一定に制御
することができる。

以上説明したとおり、ケミカルヒートポンプ１００を各
制御モードにおいて最適に運転するためにはこの発明で
示したように、各冷温水の入口温度を検出し、それらの
入口温度に対応して出力・再生運転時間を決定し、冷温
水の切換弁の開閉を制御する必要がある。ところで上記
の実施例では室内を冷房する冷房システムにケミカルヒ
ートポンプ１００を適用した場合における運転制御装置
の構成と動作について説明したが、暖房用の温水ヲ出力
する暖房システムに適用するケミカルヒートポンプに対
してもこの発明による運転制御装置は同様の効果が得ら
れる。暖房システムへ適用する場合、熱源水温度よりも
より高い温度の温水が７ ８ 得られるケミカルヒートポンプ（昇温タイプと呼ぶ）と
、熱源水温度より低い温度の温水が得られるもののより
多くの熱量が出力できるケミカルヒートポンプ（増熱タ
イプと呼ぶ）とかある。

増熱タイプのケミカルヒートポンプに対する運転制御装
置の構成、動作例を第９図、第１０図に示す。第９図は
再生運転時を示しており、反応容器１０１内の反応材料
２は熱源水により再生され、熱容器１０２内で冷媒３は
凝縮し、その時の潜熱（発熱）は出力として暖房に使用
される。また、第１０図は出力運転時を示し、液容器１
０２内の冷媒３を冷却水により加熱・蒸発させ、反応容
器１０１内で反応材料２と反応させる。そしてその時の
反応熱を暖房用の出力として取出している。

運転制御装置は熱源水、冷却水および出力としての温水
の各配管１５，１７．１９の流入側に取付けられた温度
センサ２６，２５．２３と演算制御部２４およびタイマ
等から成り、３個の温度センサ２６，２５．２３からの
温度データをもとに冷温水が切換弁６〜１３の切換え時
間を制御する。

また、昇温タイプのケミカルヒートポンプに対する制御
装置の実施例を第１１図、第１２図に示す。第１１図は
再生運転時の、第１２図は出力運転時の動作を示してい
る。運転制御装置はこの実施例においても各冷温水配管
の入口側に取付げられた温度センサ２３．２５．２６と
演算制御部２４およびタイマ等とから構成され、制御モ
ードに合わせて切換弁６〜１３を制御する。

また、上記実施例では最適な運転を行う場合の動作につ
いて説明したが、同様の構成によりケミカルヒートポン
プの安全を確保するたための保護装置として働くことも
できる。例えば、第１図において反応容器１０１内およ
び液容器１０２内の冷媒ガスの圧力は冷媒３の凝縮また
は蒸発する温度により定まり、そして冷媒３の凝縮およ
び蒸発の温度は熱交換器５を流れる冷却水や冷水の温度
に等しくなる。従って、冷水および冷却水の入口温度を
温度センサ２３および２５で検出し、これらの温度から
演算により求められる蒸気圧が反応容器１０１や液容器
１０２の耐える圧力を超えた場合には切換弁６〜９を遮
断するような制御を行うことにより、容器の破損を防止
することも可能である。

さらに各実施例では固体反応材料２として塩化カルシウ
ム（ＣａＣＩｚ）、冷媒としてメチルアミン（ＣＨ３Ｎ
Ｈ２）を用いた場合について説明したがこれに限らず、
固体の吸着剤であるゼオライト、シリカゲル、活性炭等
やあるいは固体の反応材料である無機化合物や水素吸蔵
合金、あるいは臭化リチウム水溶液等の吸収液から成る
液体反応材料を用いることができ、冷媒３としてはこれ
らに反応・吸着・吸収する水素、水、アンモニア類、炭
化水素類、アルコール類、フロン等を用いることができ
る。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、当該ケミカルヒートポ
ンプの運転制御装置を、熱源水、冷却水。

出力冷温水の各流入温度を検出する温度センサと各温度
センサの検出信号が入力する演算制御部とから構成した
ので、能力を最大にする制御もしくは成績係数を最大に
する制御あるいは一定の能力とする制御において各冷温
水入口温度に対応した最適な運転ができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるケミカルヒートポン
プの運転制御装置の再生運転状態を示す構成図、第２図
は同装置の出力運転状態を示す構成図、第３図は同装置
の動作を示すフローチャート、第４図および第５図はケ
ミカルヒートポンプの特性図、第６図および第７図はケ
ミカルヒートポンプの実験結果を説明する説明図、第８
図はケミカルヒートポンプの実験結果を示す特性図、第
９図はこの発明の他の実施例によるケミカルヒートポン
プの運転制御装置の再生運転状態を示す構成図、第１０
図は同装置の出力運転状態を示す構成図、第１１図はこ
の発明のさらに他の実施例によるケミカルヒートポンプ
の運転制御装置の再生運転状態を示す構成図、第１２図
は同装置の出力運転状態を示す構成図、第１３図は従来
のケミカルヒートポンプの運転制御装置の再生工程を示
す１ ２ 構成図、第１４図は同装置の吸着工程を示す構成図、第
１５図は同装置の動作を示すフローチャート、第１６図
は同装置におけるケミカルヒートポンプの特性図である
。 ２は固体反応材料、３は冷媒、４は第１の熱交換器、５
は第２の熱交換器、２３，２５．２６は温度センサ、２
４は演算制御部、１００はケミカルヒートポンプ、１０
１ば反応容器、１０２は液容器、１０３ば連結管。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　固体吸着剤又は固体反応材料又は液体反応材料を内部
   に充填し冷温水の流れる第１の熱交換器を設けた反応容
   器と、上記固体吸着剤に吸着又は上記固体反応材料若し
   くは上記液体反応材料と反応する冷媒を内部に充填し冷
   温水の流れる第２の熱交換器を設けた液容器と、上記反
   応容器と液容器とを接続する連結管とを備え、再生運転
   時に上記第１の熱交換器に温水を供給すると共に上記第
   ２の熱交換器に冷却水を供給し、出力運転時に上記第１
   の熱交換器に冷却水を供給すると共に上記第２の熱交換
   器に冷水を供給するように成されたケミカルヒートポン
   プにおいて、上記第２の熱交換器に供給される上記冷水
   の温度を検出する温度センサと、上記第１の熱交換器又
   は第２の熱交換器に供給される上記冷却水の温度を検出
   する温度センサと、上記第１の熱交換器に供給される上
   記温水の温度を検出する温度センサと、上記各温度セン
   サからの検出信号に基づいて上記再生運転時間及び出力
   運転時間を制御する演算制御部とを設けたことを特徴と
   するケミカルヒートポンプの運転制御装置。