ヒートポンプ
【課題】冷却側の需要と加熱側の需要とを同時に満足でき、圧縮機の消費動力が小さいヒートポンプを提供する。
【解決手段】ヒートポンプは、第１熱媒体が封入され、冷却対象流体と第１熱媒体との間で熱交換する第１蒸発器３、第１熱媒体を圧縮する第１圧縮機４、第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換する中間熱交換器５、第１熱媒体と補助冷却流体との間で熱交換する補助凝縮器６、および、第１熱媒体を減圧する第１膨張弁７が介設された第１循環流路１と、第２熱媒体が封入され、中間熱交換器５、第２熱媒体を圧縮する第２圧縮機８、第２熱媒体と加熱対象流体との間で熱交換する第２凝縮器９、および、第２熱媒体を減圧する第２膨張弁１０が介設された第２循環流路２と、第１圧縮機４の吐出圧力が所定の設定圧力になるように、補助凝縮器６に供給される補助冷却流体の流量を調整する第１流量制御装置１３とを有する。
【解決手段】ヒートポンプは、第１熱媒体が封入され、冷却対象流体と第１熱媒体との間で熱交換する第１蒸発器３、第１熱媒体を圧縮する第１圧縮機４、第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換する中間熱交換器５、第１熱媒体と補助冷却流体との間で熱交換する補助凝縮器６、および、第１熱媒体を減圧する第１膨張弁７が介設された第１循環流路１と、第２熱媒体が封入され、中間熱交換器５、第２熱媒体を圧縮する第２圧縮機８、第２熱媒体と加熱対象流体との間で熱交換する第２凝縮器９、および、第２熱媒体を減圧する第２膨張弁１０が介設された第２循環流路２と、第１圧縮機４の吐出圧力が所定の設定圧力になるように、補助凝縮器６に供給される補助冷却流体の流量を調整する第１流量制御装置１３とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプでは、熱媒体（冷媒）が、蒸発器において冷却対象物から温熱を受け取って、冷却対象物を冷却し、凝縮器において加熱対象物に温熱を放出して、加熱対象物を加熱する。つまり、ヒートポンプは、蒸発器では冷却を、凝縮器では加熱を行っている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ヒートポンプの熱媒体が凝縮器で放出する温熱を暖房やプロセス加熱に用い、熱媒体が蒸発器で放出する冷熱を冷房やプロセス冷却に用いることが記載されている。また、非特許文献１には、９０℃の温水と７℃の冷水とを同時に製造できるヒートポンプが記載されている。
【０００４】
しかしながら、冷却と加熱とを同時に行うヒートポンプでは、冷却側の負荷（需要）と加熱側の負荷（需要）とがバランスしている必要がある。つまり、冷却側で要求される冷熱量が大きくても、加熱側で要求される温熱量が小さければ、冷却側に十分な冷熱を供給できない。しかしながら、実際には、加熱側の負荷と冷却側の負荷とは互いに関係がない場合が殆どである。
【０００５】
そこで、例えば、加熱側の負荷が相対的に小さいと予想される場合、図９に示すように、凝縮器を、加熱したい対象流体によって熱媒体を冷却する熱交換器（主凝縮器）と、他の冷熱源によって熱媒体をさらに冷却する熱交換器（補助凝縮器）とに分けて構成することで、加熱側の需要と冷却側の需要の両方を同時に満足することができる。
【０００６】
詳しく説明すると、図９に示したヒートポンプは、熱媒体（例えばＲ１３４ａ）が封入されており、熱媒体と冷却対象流体（冷却側負荷）との間で熱交換する蒸発器１０１と、熱媒体を圧縮する圧縮機１０２と、熱媒体と加熱対象流体（加熱側負荷）との間で熱交換する主凝縮器１０３と、加熱側負荷が小さい場合に熱媒体と補助冷却流体（例えばクーリングタワーの冷却水）との間で熱交換する補助凝縮器１０４と、熱媒体を減圧する減圧弁１０５とが介設されてなる。
【０００７】
図１０に、図９のヒートポンプにおける熱サイクルをｐ−ｉ線図（モリエル線図）上に示す。このヒートポンプにおいて、主凝縮器１０３および補助凝縮器１０４における熱媒体の凝縮温度は７０℃であり、蒸発器１０１における熱媒体の蒸発温度は０℃である。このヒートポンプは、加熱対象流体を主凝縮器１０３の出口において、６３℃になるように加熱し、且つ、冷却対象流体を蒸発器１０１の出口において、７℃になるように冷却する。
【０００８】
例えば、加熱対象流体に要求される温熱量（加熱負荷）が１０８．２ｋＷであり、冷却対象流体に要求される冷熱量（冷却負荷）が９４．３ｋＷである場合、蒸発器１０１において９４．３ｋＷの冷却負荷を達成できるように、圧縮機１０２の回転数、つまり、熱媒体の循環流量が決定される。この流量の熱媒体を飽和蒸気温度が７０℃となる圧力まで圧縮するために圧縮機１０２に必要とされる動力は４１．０ｋＷである。
【０００９】
そして、この流量の熱媒体からは、主凝縮器１０３および補助凝縮器１０４において、合計１３５．３ｋＷの温熱が得られる。補助凝縮器１０４に供給される補助冷却流体の流量を調節することで、主凝縮器１０３において加熱対象流体が受け取る熱量と、補助凝縮器１０４において補助冷却流体が受け取る熱量との比がコントロールできる。上記条件では、主凝縮器１０３において１０８．２ｋＷだけ加熱対象流体を加熱し、補助凝縮器１０４において残りの２７．１ｋＷの熱を補助冷却流体中に廃棄することになる。
【００１０】
このヒートポンプにおける成績係数ＣＯＰは（冷却負荷＋加熱負荷）／（圧縮機動力）＝（９４．３ｋＷ＋１０８．２ｋＷ）／（４１．０ｋＷ）＝４．９４である。仮に、加熱負荷がヒートポンプサイクルにおいて冷却負荷とバランスする１３５．３ｋＷ（全負荷）であるとすると、成績係数ＣＯＰは（９４．３ｋＷ＋１３５．３ｋＷ）／（４１．０ｋＷ）＝５．６となる。したがって、上記条件では、全負荷の場合よりも約１２％も熱効率が低下している。省エネルギーの観点から、部分負荷においても高い成績係数ＣＯＰを達成することが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−３１５４７６号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】下田平修和、「超高効率温水ヒートポンプ「ＨＥＭ−ＨＲ９０」の開発」、建築電力懇話会誌「建築とエネルギー」、建築電力懇話会広報部会、平成２３年３月、Ｖｏｌ．４３、ｐ．３５−３７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで、本発明は、冷却側の需要と加熱側の需要とを同時に満足でき、圧縮機の消費動力が小さいヒートポンプを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記課題を解決するために、本発明によるヒートポンプの第１の態様は、第１熱媒体が封入され、冷却対象流体と前記第１熱媒体との間で熱交換する第１蒸発器、前記第１熱媒体を圧縮する第１圧縮機、前記第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換する中間熱交換器、前記第１熱媒体と補助冷却流体との間で熱交換する補助凝縮器、および、前記第１熱媒体を減圧する第１膨張弁が介設された第１循環流路と、前記第２熱媒体が封入され、前記中間熱交換器、前記第２熱媒体を圧縮する第２圧縮機、前記第２熱媒体と加熱対象流体との間で熱交換する第２凝縮器、および、前記第２熱媒体を減圧する第２膨張弁が介設された第２循環流路と、前記第１圧縮機の吐出圧力が所定の設定圧力になるように、前記補助凝縮器に供給される前記補助冷却流体の流量を調整する第１流量制御装置と、を有するものとする。
【００１５】
また、本発明によるヒートポンプの第２の態様は、第１熱媒体が封入され、冷却対象流体と前記第１熱媒体との間で熱交換する第１蒸発器、前記第１熱媒体を圧縮する第１圧縮機、前記第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換する中間熱交換器、および、前記第１熱媒体を減圧する第１膨張弁が介設された第１循環流路と、前記第２熱媒体が封入され、前記中間熱交換器、前記第２熱媒体と補助加熱流体との間で熱交換する補助蒸発器、前記第２熱媒体を圧縮する第２圧縮機、前記第２熱媒体と加熱対象流体との間で熱交換する第２凝縮器、および、前記第２熱媒体を減圧する第２膨張弁が介設された第２循環流路と、前記第２圧縮機の吸込圧力が所定の設定圧力になるように、前記補助蒸発器に供給される前記補助加熱流体の流量を調整する第２流量制御装置と、を有するものとする。
【００１６】
また、本発明によるヒートポンプの第３の態様は、第１熱媒体が封入され、冷却対象流体と前記第１熱媒体との間で熱交換する第１蒸発器、前記第１熱媒体を圧縮する第１圧縮機、前記第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換する中間熱交換器、前記第１熱媒体と補助冷却流体との間で熱交換する補助凝縮器、および、前記第１熱媒体を減圧する第１膨張弁が介設された第１循環流路と、前記第２熱媒体が封入され、前記中間熱交換器、前記第２熱媒体と補助加熱流体との間で熱交換する補助蒸発器、前記第２熱媒体を圧縮する第２圧縮機、前記第２熱媒体と加熱対象流体との間で熱交換する第２凝縮器、および、前記第２熱媒体を減圧する第２膨張弁が介設された第２循環流路と、前記第１圧縮機の吐出圧力が所定の設定圧力になるように、前記補助凝縮器に供給される前記補助冷却流体の流量を調整する第１流量制御装置と、前記第２圧縮機の吸込圧力が所定の設定圧力になるように、前記補助蒸発器に供給される前記補助加熱流体の流量を調整する第２流量制御装置と、を有するものとする。
【００１７】
これらの構成によれば、第１循環流路における熱媒体の循環流量を冷却負荷に対して最適化し、第２循環流路における熱媒体の循環流量を加熱負荷に対して最適化することで、１つのサイクルにおいて冷却負荷および加熱負荷の相対的に大きい方に合わせた熱媒体の循環流量とするよりも、系外に廃棄する熱量を小さくすることができ、第１圧縮機および第２圧縮機の動力消費の合計も、１つのサイクルにおける動力消費よりも小さくなる。これにより、冷却負荷と加熱負荷とがアンバランスでも、高い成績係数を実現できる。
【００１８】
また、本発明のヒートポンプは、前記第１蒸発器の出口における前記冷却対象流体の温度が所定の設定温度になるように、前記第１圧縮機の回転数を制御する第１回転数制御装置を有してもよい。さらに、本発明のヒートポンプは、前記第２凝縮器の出口における前記加熱対象流体の温度が所定の設定温度になるように、前記第２圧縮機の回転数を制御する第２回転数制御装置を有してもよい。
【００１９】
この構成によれば、第１循環流路と第２循環流路との運転が安定して行え、且つ、冷却負荷および／または加熱負荷の変動に対しても通常のヒートポンプと同様の応答が得られる。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように、本発明によれば、ヒートポンプを、冷却負荷に最適な流量で運転をする第１循環流路と加熱負荷に対して最適な流量で運転をする第２循環流路との２段に分けたことで、系外に廃棄する熱量を小さくし、高い成績係数を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態のヒートポンプの構成図である。
【図２】図１のヒートポンプにおける理想負荷におけるモリエル線図である。
【図３】図１のヒートポンプにおける部分負荷におけるモリエル線図である。
【図４】本発明の第２実施形態のヒートポンプの構成図である。
【図５】本発明の第３実施形態のヒートポンプの構成図である。
【図６】図５のヒートポンプにおける部分負荷におけるモリエル線図である。
【図７】本発明の第４実施形態のヒートポンプの構成図である。
【図８】本発明の第５実施形態のヒートポンプの構成図である。
【図９】従来技術から導かれるヒートポンプの構成図である。
【図１０】図９のヒートポンプにおけるモリエル線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の第１実施形態であるヒートポンプの構成を示す。本実施形態のヒートポンプは、冷却負荷源である冷却対象流体（循環冷水）を所定の設定温度（例えば７℃）に冷却し、同時に、加熱負荷源である加熱対象流体（循環温水）を所定の設定温度（例えば６３℃）に加熱するために用いられる。
【００２３】
本実施形態のヒートポンプは、第１熱媒体（例えばＲ１３４ａ）が封入された第１循環流路１と、第２熱媒体（例えばＲ１３４ａ）が封入された第２循環流路２を有する。本実施形態では、第１熱媒体と第２熱媒体とは同じ冷媒であるが、異なる熱媒体であってもよい。
【００２４】
第１循環流路１は、冷却対象流体と第１熱媒体との間で熱交換する第１蒸発器３と、第１熱媒体を圧縮する第１圧縮機４と、第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換する中間熱交換器５と、系外に熱を廃棄するための補助冷却流体（例えばクーリングタワーで製造した冷却水）と第１熱媒体との間で熱交換する補助凝縮器６と、第１熱媒体を減圧する第１膨張弁７とが介設されてなる。
【００２５】
第２循環流路２は、中間熱交換器５と、第２熱媒体を圧縮する第２圧縮機８と、第２熱媒体と加熱対象流体との間で熱交換する第２凝縮器９と、第２熱媒体を減圧する第２膨張弁１０とが介設されてなる。
【００２６】
また、第１循環流路１は、第１圧縮機４の吐出圧力を検出する圧力検出器１１を備え、補助凝縮器６に供給される補助冷却流体の流量は、第１流量調節弁１２によって調整できるようになっている。そして、このヒートポンプは、圧力検出器１１の検出値に基づいて、第１圧縮機４の吐出圧力を所定の設定圧力（例えば０．７ＭＰａ）に保つように第１流量調節弁１２の開度を、例えばＰＩＤ制御によって調節する第１流量制御装置１３を備える。尚、この所定の設定圧力（例えば０．７ＭＰａ）は、第１圧縮機４の圧縮比と、第２圧縮機８の圧縮比を同じ値、あるいはほぼ同等の値とした場合に想定される圧力に基づいて決定されるのが良い。こうすることによって、第１圧縮機４と第２圧縮機８の各々の運転に係る負担をほぼ均等に配分することができる。
【００２７】
第１圧縮機４および第２圧縮機８は、それぞれ、インバータ１４，１５によって周波数制御されるモータ１６，１７によって駆動される。また、このヒートポンプは、冷却対象流体の第１凝縮器３の出口における温度を検出する冷却温度検出器１８を有する。そして、このヒートポンプは、冷却温度検出器１８の検出値に基づいて、第１蒸発器３の出口における冷却対象流体の温度を所定の設定温度（例えば７℃）に保つように、インバータ１４を介して第１圧縮機４の回転数、つまり、第１循環流路１における熱媒体の循環流量を、例えばＰＩＤ制御によって制御する第１回転数制御装置１９を備える。
【００２８】
また、このヒートポンプは、加熱対象流体の第２凝縮器９の出口における温度を検出する加熱温度検出器２０を有する。そして、このヒートポンプは、加熱温度検出器２０の検出値に基づいて、加熱対象流体の出口温度を所定の設定値（例えば６３℃）に保つように、インバータ１５を介して第２圧縮機８の回転数、つまり、第２循環流路２における熱媒体の循環流量を、例えばＰＩＤ制御によって制御する第２回転数制御装置２１を備える。
【００２９】
図２に、本実施形態のヒートポンプの第１循環流路１および第２循環流路２のそれぞれの熱サイクルをｐ−ｉ線図（モリエル線図）上に示す。点Ａは、第１蒸発器３の出口における第１熱媒体の状態、点Ｂは、中間熱交換器５の入口における第１熱媒体の状態、点Ｃは、補助凝縮器６の出口における第１熱媒体の状態、点Ｄは、第１蒸発器３の入口における第１熱媒体の状態を示す。点Ｅは、中間熱交換器５の出口における第２熱媒体の状態、点Ｆは、第２凝縮器９の入口における第２熱媒体の状態、点Ｇは、第２凝縮器９の出口における第２熱媒体の状態、点Ｈは、中間熱交換器５の入口における第２熱媒体の状態を示す。
【００３０】
この図には、併せて、第１蒸発器３、中間熱交換器５、第２凝縮器９における交換熱量を示している。尚、この交換熱量は、Ｐ−ｉ線図上における比エンタルピの変化量に熱媒体の流量を乗じて算出される値である。そして、この例において、第１蒸発器３における交換熱量（冷却負荷）が、定格値、つまり、第１圧縮機４の回転数が最大値になる負荷である９４．３ｋＷであり、第２凝縮器９における交換熱量（加熱負荷）が、定格値、つまり、第２圧縮機８の回転数が最大値になる負荷である１３５．３ｋＷである場合を示している。
【００３１】
点Ａは、第１蒸発器３における第１熱媒体の蒸発圧力（例えば０℃）で、飽和蒸気線上の点である。点Ｂは、点Ａから、中間熱交換器５および補助凝縮器６における凝縮温度（例えば２５℃）に応じて定められる第１圧縮機４の吐出圧力（例えば０．７ＭＰａ）まで所定のポリトロープ変化をした点である。点Ｃは、中間熱交換器５および補助凝縮器６における凝縮圧力で飽和液線上の点である。点Ｄは、点Ｃから第１蒸発器３における蒸発圧力まで断熱膨張（等エンタルピ変化）した点である。このため、第１蒸発器３における交換熱量と圧縮機４の圧縮仕事（圧縮機４の効率を無視して消費動力と考える）との合計は、中間熱交換器５および補助凝縮器６における交換熱量と等しい。また、第１蒸発器３における交換熱量と中間熱交換器５および補助凝縮器６における交換熱量との比は、第１蒸発器３における蒸発圧力と中間熱交換器５および補助凝縮器６における凝縮圧力とに依存するため、第１圧縮機４の回転数に拘わらず一定である。
【００３２】
同様に、第２循環流路２においても、第２熱媒体の中間熱交換器５（点Ｈ−点Ｅ間）における交換熱量と第２圧縮機８（点Ｅ−点Ｆ間）の消費動力との合計は、第２凝縮器９における交換熱量と等しい。また、中間熱交換器５における交換熱量と第２凝縮器９における交換熱量との比は、中間熱交換器５における第２熱媒体の蒸発温度（例えば２０℃）および第２凝縮器９における第２熱媒体の凝縮温度（例えば７０℃）によって定められる。
【００３３】
図示するように、冷却負荷が９４．３ｋＷである場合、中間熱交換器５および補助凝縮器６における交換熱量は、１０８．０ｋＷとなる。また、加熱負荷が１３５．３ｋＷである場合、中間熱交換器５における交換熱量は、１０８．０ｋＷである。つまり、この条件では、中間熱交換器５において、冷却負荷と加熱負荷とがバランスしている。このため、補助凝縮器６における交換熱量はゼロでなければならず、第１流量制御装置１３は第１流量調節弁１２を全閉にする。また、第１圧縮機４の消費動力は、１３．７ｋＷであり、第２圧縮機８における消費動力は、２７．３ｋＷである。この場合の成績係数ＣＯＰは、（冷却負荷＋加熱負荷）／（第１圧縮機動力＋第２圧縮機動力）＝（９４．３ｋＷ＋１３５．３ｋＷ）／（１３．７ｋＷ＋２７．３ｋＷ）＝５．６１である、これは、図９に示した従来技術から導かれるヒートポンプと同じである。
【００３４】
さらに、図３に、本実施形態のヒートポンプにおいて、加熱負荷が減少した場合を示す。本実施形態のヒートポンプでは、加熱負荷が減少（加熱対象流体の流量が減少または入り口温度が上昇）すると、第２回転数制御装置２１が循環流路２の熱媒体の循環量を減少させて、加熱対象流体の第２凝縮器９出口における温度上昇を防止する。これにより、中間熱交換器５において第１熱媒体が第２熱媒体へ受け渡すことが可能な熱量が減少するので、凝縮圧力を維持するために、第１流量制御装置１３は、第１流量調節弁１２を開いて、補助凝縮器６によって中間熱交換器５における交換熱量の不足分だけ第１熱媒体から補助冷却流体に熱を放出（廃棄）させる。
【００３５】
この場合、中間熱交換器５と補助凝縮器６との間における第１熱媒体の状態は、図３において点Ｃ’である。この点Ｃ’は、第２循環流路２における第２熱媒体の循環流量、つまり、加熱負荷に応じて移動する。加熱負荷がゼロである場合、点Ｃ’は、点Ｂに一致し、点Ｂと点Ｃとの間の熱量差を全て、補助冷却流体を介して系外に廃棄する。
【００３６】
具体的には、図３では、加熱負荷が定格値の８０％の１０８．２ｋＷである場合を示している。この場合、中間熱交換器５において第２熱媒体が第１熱媒体から受け取ることができる熱量は、８５．６ｋＷである。しかしながら、第１循環流路１において中間熱交換器５および補助凝縮器６で放出すべき熱量は図２と同じ１０８．０ｋＷである。このため、第１流量制御装置１３は、第１熱媒体から残りの熱量２２．４ｋＷを補助凝縮器６において補助冷却流体に放出させるように、第１流量調節弁１２の開度を調整する。
【００３７】
このように、加熱負荷の減少にあわせて、第２循環流路２における第２熱媒体の循環流量を低下させたことにより、第２圧縮機８の消費動力も２２．６ｋＷに低減されている。したがって、この運転条件におけるヒートポンプの成績係数ＣＯＰは、（９４．３ｋＷ＋１０８．２ｋＷ）／（１３．７ｋＷ＋２２．６ｋＷ）＝５．５８であり、全負荷時の９９％と、僅かな低下に留まっている。これは、図９の従来技術によるヒートポンプよりも、ＣＯＰで０．６４高く、電力にして４．７ｋＷも省エネルギーである。
【００３８】
さらに、図４に、本発明の第２実施形態であるヒートポンプの構成を示す。以降の実施形態に関し、先に説明した実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。
【００３９】
本実施形態は、第１実施形態の中間熱交換器５と補助凝縮器６との位置を入れ替えたものである。このような構成によっても、第１実施形態と同様に、第１循環流路１における第１熱媒体の循環流量を冷却負荷に合わせて最適化し、第２循環流路２における第２熱媒体の循環流量を加熱負荷に合わせて最適化することで、系外に廃棄する熱量を低減し、高い成績係数を実現できる。
【００４０】
本発明において、第１圧縮機４の吐出圧力の設定値によって、中間熱交換器５および補助凝縮器６における第１熱媒体の凝縮温度、および、中間熱交換器５における第２熱媒体の蒸発温度が決定され、ひいては、第１圧縮機４と第２圧縮機８との動力負担の割合が決定される。つまり、第１圧縮機４の吐出圧力が低いほど、第１圧縮機４の動力の負担割合が小さくなる。
【００４１】
また、第１循環流路１においては、中間熱交換器５における凝縮温度が低いほど、第１蒸発器３において冷却対象流体から受け取る熱量（点Ｄ−点Ａ間）に対する中間熱交換器５において第２循環流路２に受け渡す熱量（点Ｂ−点Ｃ間）の熱量の比が小さくなる。そこで、第１圧縮機４の吐出圧力を第２凝縮器９における凝縮圧力よりも十分に低い圧力とすることで、全負荷における第２圧縮機８の動力負担割合をある程度大きくし、加熱負荷が減少したときに、第２循環流路２の循環流量を低減することによる第２圧縮機８の消費動力の低減効果が得られるようになる。
【００４２】
さらに、図５に、本発明の第３実施形態のヒートポンプの構成を示す。本実施形態において、第１循環流路１には補助凝縮器６が設けられていないが、第２循環流路２の中間熱交換器５と第２圧縮機８との間に、補助蒸発器２２が介設されている。補助蒸発器２２は、系外から熱を供給するための補助加熱流体と第２熱媒体との間で熱交換する。補助蒸発器２２に供給される補助加熱流体の流量は、第２流量調節弁２３によって調整できるようになっている。
【００４３】
また、本実施形態のヒートポンプは、第２循環流路２に、第２圧縮機８の吸込圧力を検出するための吸込圧力検出器２４と、吸込圧力検出器２４の検出値に基づいて、第２圧縮機８の吸込圧力を所定の設定圧力（例えば２．１ＭＰａ）に保つように第２流量調節弁２３の開度を、例えばＰＩＤ制御によって調節する第２流量制御装置２５とを備える。
【００４４】
図６に、本実施形態のヒートポンプの第１循環流路１および第２循環流路２のそれぞれの熱サイクルを示す。この例において、冷却負荷は、定格値（９４．３ｋＷ）の８０％（７５．４ｋＷ）であり、加熱負荷は、定格値（１３５．３ｋＷ）である。尚、当業者には自明であるため、詳細には説明しないが、本実施形態のヒートポンプが全負荷（冷却負荷および加熱負荷が共に定格値）である場合の熱サイクルは、第１実施形態について示した図２と等しくなる。
【００４５】
図６に示す部分負荷の場合、熱サイクルＥ−Ｆ−Ｇ−Ｈが示すように、第２凝縮器９において１３５．３ｋＷの熱を放出し得る流量の第２熱媒体は、中間熱交換器５および補助蒸発器２２において合計１０８ｋＷの熱を受け取る必要がある。一方、熱サイクルＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄが示すように、第１蒸発器３において９４．３ｋＷの熱を吸収し得る流量の第１熱媒体は、中間熱交換器５において第２熱媒体に対して８６．４ｋＷしか熱を供給できない。したがって、中間熱交換器５の出口における第２熱媒体は、点Ｅ’上にあり、湿り蒸気の状態である。尚、点Ｅ’は、第１熱媒体の循環流量、つまり、冷却負荷に応じて変動し、冷却負荷がゼロである場合には点Ｈに一致する。
【００４６】
そして、中間熱交換器５から流出した第２熱媒体は、さらに、補助蒸発器２２において補助加熱流体により、点Ｅと点Ｅ’との熱量差である２１．６ｋＷだけ加熱されることによって、初めて、点Ｅの飽和蒸気の状態となることができ、第２圧縮機８において圧縮できるようになる。第２流量制御装置２５は、吸込圧力検出器２４の検出値を設定圧力に維持するように第２流量調節弁２３の開度を調節する。第２圧縮機８の吸込量は、加熱負荷に応じた循環流量と等しいため、第２圧縮機８の吸込圧力を所定の設定圧力に維持することは、補助蒸発器２２において加熱負荷に応じた循環流量分だけ、第２熱媒体を点Ｅの飽和蒸気の状態に加熱することを意味する。
【００４７】
また、図６の例では、冷却負荷が定格負荷の８０％であるため、第１圧縮機４の消費動力も定格動力（１３．７ｋＷ）の８０％の１１．０ｋＷまで低減されている。したがって、この運転条件におけるヒートポンプの成績係数ＣＯＰは、（７５．４ｋＷ＋１３５．３ｋＷ）／（１１．０ｋＷ＋２７．３ｋＷ）＝５．５１であり、全負荷時の９８％と、僅かな効率低下に留まっている。これは、図９に示した従来技術から導かれるヒートポンプにおいて同じ加熱負荷および冷却負荷を充足する場合と比べて、ＣＯＰで０．５４高く、電力にして２．７４ｋＷの省エネとなる。
【００４８】
図７に、本発明の第４実施形態であるヒートポンプの構成を示す。本実施形態は、図５の第３実施形態の中間熱交換器５と補助蒸発器２２との位置を入れ替えたものである。このような構成によっても、第３実施形態と同様に、第１循環流路１における第１熱媒体の循環流量を冷却負荷に合わせて最適化し、且つ、第２循環流路２における第２熱媒体の循環流量を加熱負荷に合わせて最適化することで、第２熱媒体から系外に廃棄する冷熱量を低減し、高い成績係数を実現するともに、補助加熱流体の消費量を低減できる。
【００４９】
さらに、図８に、本発明の第５実施形態であるヒートポンプの構成を示す。本実施形態は、第１循環流路１に補助凝縮器６を有するとともに、第２循環流路２に補助蒸発器２２を有する。本実施形態では、相対的に加熱負荷が小さいときには、第２流量調節弁２３を全閉にすることで、図１に示した第１実施形態のヒートポンプと同じ動作をし、相対的に冷却負荷が小さいときは、第１流量調節弁１２を全閉にすることで、図５に示した第３実施形態のヒートポンプと同じ動作をする。換言すると、加熱負荷が冷却負荷に対して相対的に大きくならない場合には、本実施形態から補助蒸発器２２を省略して、第１実施形態と同じ構成にすることができ、加熱負荷が冷却負荷に対して相対的に小さくならない場合には、本実施形態から補助凝縮器６を省略して、第３実施形態と同じ構成にすることができる。
【００５０】
図４の第２実施形態および図７の第４実施形態が示唆するように、本実施形態においても、補助凝縮器６は中間熱交換器５の上流側の第１循環流路１に配置してもよく、補助蒸発器２２は中間熱交換器５の上流側の第２循環流路２に配置してもよい。
【００５１】
尚、上述の各実施形態では、第１圧縮機４の回転数を第１回転数制御装置１９によって制御し、第２圧縮機８の回転数を第２回転数制御装置２１によって制御している。しかしながら、コストダウンや省スペース化のために、冷却負荷が一定と見なせる場合には、第１回転数制御装置１９やインバータ１４等を省略して第１圧縮機４の回転数を固定してもよく、加熱負荷が一定と見なせる場合には、第２回転数制御装置２１やインバータ１５等を省略して第２圧縮機８の回転数を固定してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１…第１循環流路
２…第２循環流路
３…第１蒸発器
４…第１圧縮機
５…中間熱交換器
６…補助凝縮器
７…第１膨張弁
８…第２圧縮機
９…第２凝縮器
１０…第２膨張弁
１１…吐出圧力検出器
１２…第１流量調節弁
１３…第１流量制御装置
１４，１５…インバータ
１６，１７…モータ
１８…冷却温度検出器
１９…第１回転数制御装置
２０…加熱温度検出器
２１…第２回転数制御装置
２２…補助蒸発器
２３…第２流量調節弁
２４…吸込圧力検出器
２５…第２流量制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプでは、熱媒体（冷媒）が、蒸発器において冷却対象物から温熱を受け取って、冷却対象物を冷却し、凝縮器において加熱対象物に温熱を放出して、加熱対象物を加熱する。つまり、ヒートポンプは、蒸発器では冷却を、凝縮器では加熱を行っている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ヒートポンプの熱媒体が凝縮器で放出する温熱を暖房やプロセス加熱に用い、熱媒体が蒸発器で放出する冷熱を冷房やプロセス冷却に用いることが記載されている。また、非特許文献１には、９０℃の温水と７℃の冷水とを同時に製造できるヒートポンプが記載されている。
【０００４】
しかしながら、冷却と加熱とを同時に行うヒートポンプでは、冷却側の負荷（需要）と加熱側の負荷（需要）とがバランスしている必要がある。つまり、冷却側で要求される冷熱量が大きくても、加熱側で要求される温熱量が小さければ、冷却側に十分な冷熱を供給できない。しかしながら、実際には、加熱側の負荷と冷却側の負荷とは互いに関係がない場合が殆どである。
【０００５】
そこで、例えば、加熱側の負荷が相対的に小さいと予想される場合、図９に示すように、凝縮器を、加熱したい対象流体によって熱媒体を冷却する熱交換器（主凝縮器）と、他の冷熱源によって熱媒体をさらに冷却する熱交換器（補助凝縮器）とに分けて構成することで、加熱側の需要と冷却側の需要の両方を同時に満足することができる。
【０００６】
詳しく説明すると、図９に示したヒートポンプは、熱媒体（例えばＲ１３４ａ）が封入されており、熱媒体と冷却対象流体（冷却側負荷）との間で熱交換する蒸発器１０１と、熱媒体を圧縮する圧縮機１０２と、熱媒体と加熱対象流体（加熱側負荷）との間で熱交換する主凝縮器１０３と、加熱側負荷が小さい場合に熱媒体と補助冷却流体（例えばクーリングタワーの冷却水）との間で熱交換する補助凝縮器１０４と、熱媒体を減圧する減圧弁１０５とが介設されてなる。
【０００７】
図１０に、図９のヒートポンプにおける熱サイクルをｐ−ｉ線図（モリエル線図）上に示す。このヒートポンプにおいて、主凝縮器１０３および補助凝縮器１０４における熱媒体の凝縮温度は７０℃であり、蒸発器１０１における熱媒体の蒸発温度は０℃である。このヒートポンプは、加熱対象流体を主凝縮器１０３の出口において、６３℃になるように加熱し、且つ、冷却対象流体を蒸発器１０１の出口において、７℃になるように冷却する。
【０００８】
例えば、加熱対象流体に要求される温熱量（加熱負荷）が１０８．２ｋＷであり、冷却対象流体に要求される冷熱量（冷却負荷）が９４．３ｋＷである場合、蒸発器１０１において９４．３ｋＷの冷却負荷を達成できるように、圧縮機１０２の回転数、つまり、熱媒体の循環流量が決定される。この流量の熱媒体を飽和蒸気温度が７０℃となる圧力まで圧縮するために圧縮機１０２に必要とされる動力は４１．０ｋＷである。
【０００９】
そして、この流量の熱媒体からは、主凝縮器１０３および補助凝縮器１０４において、合計１３５．３ｋＷの温熱が得られる。補助凝縮器１０４に供給される補助冷却流体の流量を調節することで、主凝縮器１０３において加熱対象流体が受け取る熱量と、補助凝縮器１０４において補助冷却流体が受け取る熱量との比がコントロールできる。上記条件では、主凝縮器１０３において１０８．２ｋＷだけ加熱対象流体を加熱し、補助凝縮器１０４において残りの２７．１ｋＷの熱を補助冷却流体中に廃棄することになる。
【００１０】
このヒートポンプにおける成績係数ＣＯＰは（冷却負荷＋加熱負荷）／（圧縮機動力）＝（９４．３ｋＷ＋１０８．２ｋＷ）／（４１．０ｋＷ）＝４．９４である。仮に、加熱負荷がヒートポンプサイクルにおいて冷却負荷とバランスする１３５．３ｋＷ（全負荷）であるとすると、成績係数ＣＯＰは（９４．３ｋＷ＋１３５．３ｋＷ）／（４１．０ｋＷ）＝５．６となる。したがって、上記条件では、全負荷の場合よりも約１２％も熱効率が低下している。省エネルギーの観点から、部分負荷においても高い成績係数ＣＯＰを達成することが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−３１５４７６号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】下田平修和、「超高効率温水ヒートポンプ「ＨＥＭ−ＨＲ９０」の開発」、建築電力懇話会誌「建築とエネルギー」、建築電力懇話会広報部会、平成２３年３月、Ｖｏｌ．４３、ｐ．３５−３７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで、本発明は、冷却側の需要と加熱側の需要とを同時に満足でき、圧縮機の消費動力が小さいヒートポンプを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記課題を解決するために、本発明によるヒートポンプの第１の態様は、第１熱媒体が封入され、冷却対象流体と前記第１熱媒体との間で熱交換する第１蒸発器、前記第１熱媒体を圧縮する第１圧縮機、前記第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換する中間熱交換器、前記第１熱媒体と補助冷却流体との間で熱交換する補助凝縮器、および、前記第１熱媒体を減圧する第１膨張弁が介設された第１循環流路と、前記第２熱媒体が封入され、前記中間熱交換器、前記第２熱媒体を圧縮する第２圧縮機、前記第２熱媒体と加熱対象流体との間で熱交換する第２凝縮器、および、前記第２熱媒体を減圧する第２膨張弁が介設された第２循環流路と、前記第１圧縮機の吐出圧力が所定の設定圧力になるように、前記補助凝縮器に供給される前記補助冷却流体の流量を調整する第１流量制御装置と、を有するものとする。
【００１５】
また、本発明によるヒートポンプの第２の態様は、第１熱媒体が封入され、冷却対象流体と前記第１熱媒体との間で熱交換する第１蒸発器、前記第１熱媒体を圧縮する第１圧縮機、前記第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換する中間熱交換器、および、前記第１熱媒体を減圧する第１膨張弁が介設された第１循環流路と、前記第２熱媒体が封入され、前記中間熱交換器、前記第２熱媒体と補助加熱流体との間で熱交換する補助蒸発器、前記第２熱媒体を圧縮する第２圧縮機、前記第２熱媒体と加熱対象流体との間で熱交換する第２凝縮器、および、前記第２熱媒体を減圧する第２膨張弁が介設された第２循環流路と、前記第２圧縮機の吸込圧力が所定の設定圧力になるように、前記補助蒸発器に供給される前記補助加熱流体の流量を調整する第２流量制御装置と、を有するものとする。
【００１６】
また、本発明によるヒートポンプの第３の態様は、第１熱媒体が封入され、冷却対象流体と前記第１熱媒体との間で熱交換する第１蒸発器、前記第１熱媒体を圧縮する第１圧縮機、前記第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換する中間熱交換器、前記第１熱媒体と補助冷却流体との間で熱交換する補助凝縮器、および、前記第１熱媒体を減圧する第１膨張弁が介設された第１循環流路と、前記第２熱媒体が封入され、前記中間熱交換器、前記第２熱媒体と補助加熱流体との間で熱交換する補助蒸発器、前記第２熱媒体を圧縮する第２圧縮機、前記第２熱媒体と加熱対象流体との間で熱交換する第２凝縮器、および、前記第２熱媒体を減圧する第２膨張弁が介設された第２循環流路と、前記第１圧縮機の吐出圧力が所定の設定圧力になるように、前記補助凝縮器に供給される前記補助冷却流体の流量を調整する第１流量制御装置と、前記第２圧縮機の吸込圧力が所定の設定圧力になるように、前記補助蒸発器に供給される前記補助加熱流体の流量を調整する第２流量制御装置と、を有するものとする。
【００１７】
これらの構成によれば、第１循環流路における熱媒体の循環流量を冷却負荷に対して最適化し、第２循環流路における熱媒体の循環流量を加熱負荷に対して最適化することで、１つのサイクルにおいて冷却負荷および加熱負荷の相対的に大きい方に合わせた熱媒体の循環流量とするよりも、系外に廃棄する熱量を小さくすることができ、第１圧縮機および第２圧縮機の動力消費の合計も、１つのサイクルにおける動力消費よりも小さくなる。これにより、冷却負荷と加熱負荷とがアンバランスでも、高い成績係数を実現できる。
【００１８】
また、本発明のヒートポンプは、前記第１蒸発器の出口における前記冷却対象流体の温度が所定の設定温度になるように、前記第１圧縮機の回転数を制御する第１回転数制御装置を有してもよい。さらに、本発明のヒートポンプは、前記第２凝縮器の出口における前記加熱対象流体の温度が所定の設定温度になるように、前記第２圧縮機の回転数を制御する第２回転数制御装置を有してもよい。
【００１９】
この構成によれば、第１循環流路と第２循環流路との運転が安定して行え、且つ、冷却負荷および／または加熱負荷の変動に対しても通常のヒートポンプと同様の応答が得られる。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように、本発明によれば、ヒートポンプを、冷却負荷に最適な流量で運転をする第１循環流路と加熱負荷に対して最適な流量で運転をする第２循環流路との２段に分けたことで、系外に廃棄する熱量を小さくし、高い成績係数を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態のヒートポンプの構成図である。
【図２】図１のヒートポンプにおける理想負荷におけるモリエル線図である。
【図３】図１のヒートポンプにおける部分負荷におけるモリエル線図である。
【図４】本発明の第２実施形態のヒートポンプの構成図である。
【図５】本発明の第３実施形態のヒートポンプの構成図である。
【図６】図５のヒートポンプにおける部分負荷におけるモリエル線図である。
【図７】本発明の第４実施形態のヒートポンプの構成図である。
【図８】本発明の第５実施形態のヒートポンプの構成図である。
【図９】従来技術から導かれるヒートポンプの構成図である。
【図１０】図９のヒートポンプにおけるモリエル線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の第１実施形態であるヒートポンプの構成を示す。本実施形態のヒートポンプは、冷却負荷源である冷却対象流体（循環冷水）を所定の設定温度（例えば７℃）に冷却し、同時に、加熱負荷源である加熱対象流体（循環温水）を所定の設定温度（例えば６３℃）に加熱するために用いられる。
【００２３】
本実施形態のヒートポンプは、第１熱媒体（例えばＲ１３４ａ）が封入された第１循環流路１と、第２熱媒体（例えばＲ１３４ａ）が封入された第２循環流路２を有する。本実施形態では、第１熱媒体と第２熱媒体とは同じ冷媒であるが、異なる熱媒体であってもよい。
【００２４】
第１循環流路１は、冷却対象流体と第１熱媒体との間で熱交換する第１蒸発器３と、第１熱媒体を圧縮する第１圧縮機４と、第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換する中間熱交換器５と、系外に熱を廃棄するための補助冷却流体（例えばクーリングタワーで製造した冷却水）と第１熱媒体との間で熱交換する補助凝縮器６と、第１熱媒体を減圧する第１膨張弁７とが介設されてなる。
【００２５】
第２循環流路２は、中間熱交換器５と、第２熱媒体を圧縮する第２圧縮機８と、第２熱媒体と加熱対象流体との間で熱交換する第２凝縮器９と、第２熱媒体を減圧する第２膨張弁１０とが介設されてなる。
【００２６】
また、第１循環流路１は、第１圧縮機４の吐出圧力を検出する圧力検出器１１を備え、補助凝縮器６に供給される補助冷却流体の流量は、第１流量調節弁１２によって調整できるようになっている。そして、このヒートポンプは、圧力検出器１１の検出値に基づいて、第１圧縮機４の吐出圧力を所定の設定圧力（例えば０．７ＭＰａ）に保つように第１流量調節弁１２の開度を、例えばＰＩＤ制御によって調節する第１流量制御装置１３を備える。尚、この所定の設定圧力（例えば０．７ＭＰａ）は、第１圧縮機４の圧縮比と、第２圧縮機８の圧縮比を同じ値、あるいはほぼ同等の値とした場合に想定される圧力に基づいて決定されるのが良い。こうすることによって、第１圧縮機４と第２圧縮機８の各々の運転に係る負担をほぼ均等に配分することができる。
【００２７】
第１圧縮機４および第２圧縮機８は、それぞれ、インバータ１４，１５によって周波数制御されるモータ１６，１７によって駆動される。また、このヒートポンプは、冷却対象流体の第１凝縮器３の出口における温度を検出する冷却温度検出器１８を有する。そして、このヒートポンプは、冷却温度検出器１８の検出値に基づいて、第１蒸発器３の出口における冷却対象流体の温度を所定の設定温度（例えば７℃）に保つように、インバータ１４を介して第１圧縮機４の回転数、つまり、第１循環流路１における熱媒体の循環流量を、例えばＰＩＤ制御によって制御する第１回転数制御装置１９を備える。
【００２８】
また、このヒートポンプは、加熱対象流体の第２凝縮器９の出口における温度を検出する加熱温度検出器２０を有する。そして、このヒートポンプは、加熱温度検出器２０の検出値に基づいて、加熱対象流体の出口温度を所定の設定値（例えば６３℃）に保つように、インバータ１５を介して第２圧縮機８の回転数、つまり、第２循環流路２における熱媒体の循環流量を、例えばＰＩＤ制御によって制御する第２回転数制御装置２１を備える。
【００２９】
図２に、本実施形態のヒートポンプの第１循環流路１および第２循環流路２のそれぞれの熱サイクルをｐ−ｉ線図（モリエル線図）上に示す。点Ａは、第１蒸発器３の出口における第１熱媒体の状態、点Ｂは、中間熱交換器５の入口における第１熱媒体の状態、点Ｃは、補助凝縮器６の出口における第１熱媒体の状態、点Ｄは、第１蒸発器３の入口における第１熱媒体の状態を示す。点Ｅは、中間熱交換器５の出口における第２熱媒体の状態、点Ｆは、第２凝縮器９の入口における第２熱媒体の状態、点Ｇは、第２凝縮器９の出口における第２熱媒体の状態、点Ｈは、中間熱交換器５の入口における第２熱媒体の状態を示す。
【００３０】
この図には、併せて、第１蒸発器３、中間熱交換器５、第２凝縮器９における交換熱量を示している。尚、この交換熱量は、Ｐ−ｉ線図上における比エンタルピの変化量に熱媒体の流量を乗じて算出される値である。そして、この例において、第１蒸発器３における交換熱量（冷却負荷）が、定格値、つまり、第１圧縮機４の回転数が最大値になる負荷である９４．３ｋＷであり、第２凝縮器９における交換熱量（加熱負荷）が、定格値、つまり、第２圧縮機８の回転数が最大値になる負荷である１３５．３ｋＷである場合を示している。
【００３１】
点Ａは、第１蒸発器３における第１熱媒体の蒸発圧力（例えば０℃）で、飽和蒸気線上の点である。点Ｂは、点Ａから、中間熱交換器５および補助凝縮器６における凝縮温度（例えば２５℃）に応じて定められる第１圧縮機４の吐出圧力（例えば０．７ＭＰａ）まで所定のポリトロープ変化をした点である。点Ｃは、中間熱交換器５および補助凝縮器６における凝縮圧力で飽和液線上の点である。点Ｄは、点Ｃから第１蒸発器３における蒸発圧力まで断熱膨張（等エンタルピ変化）した点である。このため、第１蒸発器３における交換熱量と圧縮機４の圧縮仕事（圧縮機４の効率を無視して消費動力と考える）との合計は、中間熱交換器５および補助凝縮器６における交換熱量と等しい。また、第１蒸発器３における交換熱量と中間熱交換器５および補助凝縮器６における交換熱量との比は、第１蒸発器３における蒸発圧力と中間熱交換器５および補助凝縮器６における凝縮圧力とに依存するため、第１圧縮機４の回転数に拘わらず一定である。
【００３２】
同様に、第２循環流路２においても、第２熱媒体の中間熱交換器５（点Ｈ−点Ｅ間）における交換熱量と第２圧縮機８（点Ｅ−点Ｆ間）の消費動力との合計は、第２凝縮器９における交換熱量と等しい。また、中間熱交換器５における交換熱量と第２凝縮器９における交換熱量との比は、中間熱交換器５における第２熱媒体の蒸発温度（例えば２０℃）および第２凝縮器９における第２熱媒体の凝縮温度（例えば７０℃）によって定められる。
【００３３】
図示するように、冷却負荷が９４．３ｋＷである場合、中間熱交換器５および補助凝縮器６における交換熱量は、１０８．０ｋＷとなる。また、加熱負荷が１３５．３ｋＷである場合、中間熱交換器５における交換熱量は、１０８．０ｋＷである。つまり、この条件では、中間熱交換器５において、冷却負荷と加熱負荷とがバランスしている。このため、補助凝縮器６における交換熱量はゼロでなければならず、第１流量制御装置１３は第１流量調節弁１２を全閉にする。また、第１圧縮機４の消費動力は、１３．７ｋＷであり、第２圧縮機８における消費動力は、２７．３ｋＷである。この場合の成績係数ＣＯＰは、（冷却負荷＋加熱負荷）／（第１圧縮機動力＋第２圧縮機動力）＝（９４．３ｋＷ＋１３５．３ｋＷ）／（１３．７ｋＷ＋２７．３ｋＷ）＝５．６１である、これは、図９に示した従来技術から導かれるヒートポンプと同じである。
【００３４】
さらに、図３に、本実施形態のヒートポンプにおいて、加熱負荷が減少した場合を示す。本実施形態のヒートポンプでは、加熱負荷が減少（加熱対象流体の流量が減少または入り口温度が上昇）すると、第２回転数制御装置２１が循環流路２の熱媒体の循環量を減少させて、加熱対象流体の第２凝縮器９出口における温度上昇を防止する。これにより、中間熱交換器５において第１熱媒体が第２熱媒体へ受け渡すことが可能な熱量が減少するので、凝縮圧力を維持するために、第１流量制御装置１３は、第１流量調節弁１２を開いて、補助凝縮器６によって中間熱交換器５における交換熱量の不足分だけ第１熱媒体から補助冷却流体に熱を放出（廃棄）させる。
【００３５】
この場合、中間熱交換器５と補助凝縮器６との間における第１熱媒体の状態は、図３において点Ｃ’である。この点Ｃ’は、第２循環流路２における第２熱媒体の循環流量、つまり、加熱負荷に応じて移動する。加熱負荷がゼロである場合、点Ｃ’は、点Ｂに一致し、点Ｂと点Ｃとの間の熱量差を全て、補助冷却流体を介して系外に廃棄する。
【００３６】
具体的には、図３では、加熱負荷が定格値の８０％の１０８．２ｋＷである場合を示している。この場合、中間熱交換器５において第２熱媒体が第１熱媒体から受け取ることができる熱量は、８５．６ｋＷである。しかしながら、第１循環流路１において中間熱交換器５および補助凝縮器６で放出すべき熱量は図２と同じ１０８．０ｋＷである。このため、第１流量制御装置１３は、第１熱媒体から残りの熱量２２．４ｋＷを補助凝縮器６において補助冷却流体に放出させるように、第１流量調節弁１２の開度を調整する。
【００３７】
このように、加熱負荷の減少にあわせて、第２循環流路２における第２熱媒体の循環流量を低下させたことにより、第２圧縮機８の消費動力も２２．６ｋＷに低減されている。したがって、この運転条件におけるヒートポンプの成績係数ＣＯＰは、（９４．３ｋＷ＋１０８．２ｋＷ）／（１３．７ｋＷ＋２２．６ｋＷ）＝５．５８であり、全負荷時の９９％と、僅かな低下に留まっている。これは、図９の従来技術によるヒートポンプよりも、ＣＯＰで０．６４高く、電力にして４．７ｋＷも省エネルギーである。
【００３８】
さらに、図４に、本発明の第２実施形態であるヒートポンプの構成を示す。以降の実施形態に関し、先に説明した実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。
【００３９】
本実施形態は、第１実施形態の中間熱交換器５と補助凝縮器６との位置を入れ替えたものである。このような構成によっても、第１実施形態と同様に、第１循環流路１における第１熱媒体の循環流量を冷却負荷に合わせて最適化し、第２循環流路２における第２熱媒体の循環流量を加熱負荷に合わせて最適化することで、系外に廃棄する熱量を低減し、高い成績係数を実現できる。
【００４０】
本発明において、第１圧縮機４の吐出圧力の設定値によって、中間熱交換器５および補助凝縮器６における第１熱媒体の凝縮温度、および、中間熱交換器５における第２熱媒体の蒸発温度が決定され、ひいては、第１圧縮機４と第２圧縮機８との動力負担の割合が決定される。つまり、第１圧縮機４の吐出圧力が低いほど、第１圧縮機４の動力の負担割合が小さくなる。
【００４１】
また、第１循環流路１においては、中間熱交換器５における凝縮温度が低いほど、第１蒸発器３において冷却対象流体から受け取る熱量（点Ｄ−点Ａ間）に対する中間熱交換器５において第２循環流路２に受け渡す熱量（点Ｂ−点Ｃ間）の熱量の比が小さくなる。そこで、第１圧縮機４の吐出圧力を第２凝縮器９における凝縮圧力よりも十分に低い圧力とすることで、全負荷における第２圧縮機８の動力負担割合をある程度大きくし、加熱負荷が減少したときに、第２循環流路２の循環流量を低減することによる第２圧縮機８の消費動力の低減効果が得られるようになる。
【００４２】
さらに、図５に、本発明の第３実施形態のヒートポンプの構成を示す。本実施形態において、第１循環流路１には補助凝縮器６が設けられていないが、第２循環流路２の中間熱交換器５と第２圧縮機８との間に、補助蒸発器２２が介設されている。補助蒸発器２２は、系外から熱を供給するための補助加熱流体と第２熱媒体との間で熱交換する。補助蒸発器２２に供給される補助加熱流体の流量は、第２流量調節弁２３によって調整できるようになっている。
【００４３】
また、本実施形態のヒートポンプは、第２循環流路２に、第２圧縮機８の吸込圧力を検出するための吸込圧力検出器２４と、吸込圧力検出器２４の検出値に基づいて、第２圧縮機８の吸込圧力を所定の設定圧力（例えば２．１ＭＰａ）に保つように第２流量調節弁２３の開度を、例えばＰＩＤ制御によって調節する第２流量制御装置２５とを備える。
【００４４】
図６に、本実施形態のヒートポンプの第１循環流路１および第２循環流路２のそれぞれの熱サイクルを示す。この例において、冷却負荷は、定格値（９４．３ｋＷ）の８０％（７５．４ｋＷ）であり、加熱負荷は、定格値（１３５．３ｋＷ）である。尚、当業者には自明であるため、詳細には説明しないが、本実施形態のヒートポンプが全負荷（冷却負荷および加熱負荷が共に定格値）である場合の熱サイクルは、第１実施形態について示した図２と等しくなる。
【００４５】
図６に示す部分負荷の場合、熱サイクルＥ−Ｆ−Ｇ−Ｈが示すように、第２凝縮器９において１３５．３ｋＷの熱を放出し得る流量の第２熱媒体は、中間熱交換器５および補助蒸発器２２において合計１０８ｋＷの熱を受け取る必要がある。一方、熱サイクルＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄが示すように、第１蒸発器３において９４．３ｋＷの熱を吸収し得る流量の第１熱媒体は、中間熱交換器５において第２熱媒体に対して８６．４ｋＷしか熱を供給できない。したがって、中間熱交換器５の出口における第２熱媒体は、点Ｅ’上にあり、湿り蒸気の状態である。尚、点Ｅ’は、第１熱媒体の循環流量、つまり、冷却負荷に応じて変動し、冷却負荷がゼロである場合には点Ｈに一致する。
【００４６】
そして、中間熱交換器５から流出した第２熱媒体は、さらに、補助蒸発器２２において補助加熱流体により、点Ｅと点Ｅ’との熱量差である２１．６ｋＷだけ加熱されることによって、初めて、点Ｅの飽和蒸気の状態となることができ、第２圧縮機８において圧縮できるようになる。第２流量制御装置２５は、吸込圧力検出器２４の検出値を設定圧力に維持するように第２流量調節弁２３の開度を調節する。第２圧縮機８の吸込量は、加熱負荷に応じた循環流量と等しいため、第２圧縮機８の吸込圧力を所定の設定圧力に維持することは、補助蒸発器２２において加熱負荷に応じた循環流量分だけ、第２熱媒体を点Ｅの飽和蒸気の状態に加熱することを意味する。
【００４７】
また、図６の例では、冷却負荷が定格負荷の８０％であるため、第１圧縮機４の消費動力も定格動力（１３．７ｋＷ）の８０％の１１．０ｋＷまで低減されている。したがって、この運転条件におけるヒートポンプの成績係数ＣＯＰは、（７５．４ｋＷ＋１３５．３ｋＷ）／（１１．０ｋＷ＋２７．３ｋＷ）＝５．５１であり、全負荷時の９８％と、僅かな効率低下に留まっている。これは、図９に示した従来技術から導かれるヒートポンプにおいて同じ加熱負荷および冷却負荷を充足する場合と比べて、ＣＯＰで０．５４高く、電力にして２．７４ｋＷの省エネとなる。
【００４８】
図７に、本発明の第４実施形態であるヒートポンプの構成を示す。本実施形態は、図５の第３実施形態の中間熱交換器５と補助蒸発器２２との位置を入れ替えたものである。このような構成によっても、第３実施形態と同様に、第１循環流路１における第１熱媒体の循環流量を冷却負荷に合わせて最適化し、且つ、第２循環流路２における第２熱媒体の循環流量を加熱負荷に合わせて最適化することで、第２熱媒体から系外に廃棄する冷熱量を低減し、高い成績係数を実現するともに、補助加熱流体の消費量を低減できる。
【００４９】
さらに、図８に、本発明の第５実施形態であるヒートポンプの構成を示す。本実施形態は、第１循環流路１に補助凝縮器６を有するとともに、第２循環流路２に補助蒸発器２２を有する。本実施形態では、相対的に加熱負荷が小さいときには、第２流量調節弁２３を全閉にすることで、図１に示した第１実施形態のヒートポンプと同じ動作をし、相対的に冷却負荷が小さいときは、第１流量調節弁１２を全閉にすることで、図５に示した第３実施形態のヒートポンプと同じ動作をする。換言すると、加熱負荷が冷却負荷に対して相対的に大きくならない場合には、本実施形態から補助蒸発器２２を省略して、第１実施形態と同じ構成にすることができ、加熱負荷が冷却負荷に対して相対的に小さくならない場合には、本実施形態から補助凝縮器６を省略して、第３実施形態と同じ構成にすることができる。
【００５０】
図４の第２実施形態および図７の第４実施形態が示唆するように、本実施形態においても、補助凝縮器６は中間熱交換器５の上流側の第１循環流路１に配置してもよく、補助蒸発器２２は中間熱交換器５の上流側の第２循環流路２に配置してもよい。
【００５１】
尚、上述の各実施形態では、第１圧縮機４の回転数を第１回転数制御装置１９によって制御し、第２圧縮機８の回転数を第２回転数制御装置２１によって制御している。しかしながら、コストダウンや省スペース化のために、冷却負荷が一定と見なせる場合には、第１回転数制御装置１９やインバータ１４等を省略して第１圧縮機４の回転数を固定してもよく、加熱負荷が一定と見なせる場合には、第２回転数制御装置２１やインバータ１５等を省略して第２圧縮機８の回転数を固定してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１…第１循環流路
２…第２循環流路
３…第１蒸発器
４…第１圧縮機
５…中間熱交換器
６…補助凝縮器
７…第１膨張弁
８…第２圧縮機
９…第２凝縮器
１０…第２膨張弁
１１…吐出圧力検出器
１２…第１流量調節弁
１３…第１流量制御装置
１４，１５…インバータ
１６，１７…モータ
１８…冷却温度検出器
１９…第１回転数制御装置
２０…加熱温度検出器
２１…第２回転数制御装置
２２…補助蒸発器
２３…第２流量調節弁
２４…吸込圧力検出器
２５…第２流量制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１熱媒体が封入され、冷却対象流体と前記第１熱媒体との間で熱交換する第１蒸発器、前記第１熱媒体を圧縮する第１圧縮機、前記第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換する中間熱交換器、前記第１熱媒体と補助冷却流体との間で熱交換する補助凝縮器、および、前記第１熱媒体を減圧する第１膨張弁が介設された第１循環流路と、
前記第２熱媒体が封入され、前記中間熱交換器、前記第２熱媒体を圧縮する第２圧縮機、前記第２熱媒体と加熱対象流体との間で熱交換する第２凝縮器、および、前記第２熱媒体を減圧する第２膨張弁が介設された第２循環流路と、
前記第１圧縮機の吐出圧力が所定の設定圧力になるように、前記補助凝縮器に供給される前記補助冷却流体の流量を調整する第１流量制御装置と、を有することを特徴とするヒートポンプ。
【請求項２】
第１熱媒体が封入され、冷却対象流体と前記第１熱媒体との間で熱交換する第１蒸発器、前記第１熱媒体を圧縮する第１圧縮機、前記第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換する中間熱交換器、および、前記第１熱媒体を減圧する第１膨張弁が介設された第１循環流路と、
前記第２熱媒体が封入され、前記中間熱交換器、前記第２熱媒体と補助加熱流体との間で熱交換する補助蒸発器、前記第２熱媒体を圧縮する第２圧縮機、前記第２熱媒体と加熱対象流体との間で熱交換する第２凝縮器、および、前記第２熱媒体を減圧する第２膨張弁が介設された第２循環流路と、
前記第２圧縮機の吸込圧力が所定の設定圧力になるように、前記補助蒸発器に供給される前記補助加熱流体の流量を調整する第２流量制御装置と、を有することを特徴とするヒートポンプ。
【請求項３】
第１熱媒体が封入され、冷却対象流体と前記第１熱媒体との間で熱交換する第１蒸発器、前記第１熱媒体を圧縮する第１圧縮機、前記第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換する中間熱交換器、前記第１熱媒体と補助冷却流体との間で熱交換する補助凝縮器、および、前記第１熱媒体を減圧する第１膨張弁が介設された第１循環流路と、
前記第２熱媒体が封入され、前記中間熱交換器、前記第２熱媒体と補助加熱流体との間で熱交換する補助蒸発器、前記第２熱媒体を圧縮する第２圧縮機、前記第２熱媒体と加熱対象流体との間で熱交換する第２凝縮器、および、前記第２熱媒体を減圧する第２膨張弁が介設された第２循環流路と、
前記第１圧縮機の吐出圧力が所定の設定圧力になるように、前記補助凝縮器に供給される前記補助冷却流体の流量を調整する第１流量制御装置と、
前記第２圧縮機の吸込圧力が所定の設定圧力になるように、前記補助蒸発器に供給される前記補助加熱流体の流量を調整する第２流量制御装置と、を有することを特徴とするヒートポンプ。
【請求項４】
前記第１蒸発器の出口における前記冷却対象流体の温度が所定の設定温度になるように、前記第１圧縮機の回転数を制御する第１回転数制御装置を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のヒートポンプ。
【請求項５】
前記第２凝縮器の出口における前記加熱対象流体の温度が所定の設定温度になるように、前記第２圧縮機の回転数を制御する第２回転数制御装置を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のヒートポンプ。
【請求項１】
第１熱媒体が封入され、冷却対象流体と前記第１熱媒体との間で熱交換する第１蒸発器、前記第１熱媒体を圧縮する第１圧縮機、前記第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換する中間熱交換器、前記第１熱媒体と補助冷却流体との間で熱交換する補助凝縮器、および、前記第１熱媒体を減圧する第１膨張弁が介設された第１循環流路と、
前記第２熱媒体が封入され、前記中間熱交換器、前記第２熱媒体を圧縮する第２圧縮機、前記第２熱媒体と加熱対象流体との間で熱交換する第２凝縮器、および、前記第２熱媒体を減圧する第２膨張弁が介設された第２循環流路と、
前記第１圧縮機の吐出圧力が所定の設定圧力になるように、前記補助凝縮器に供給される前記補助冷却流体の流量を調整する第１流量制御装置と、を有することを特徴とするヒートポンプ。
【請求項２】
第１熱媒体が封入され、冷却対象流体と前記第１熱媒体との間で熱交換する第１蒸発器、前記第１熱媒体を圧縮する第１圧縮機、前記第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換する中間熱交換器、および、前記第１熱媒体を減圧する第１膨張弁が介設された第１循環流路と、
前記第２熱媒体が封入され、前記中間熱交換器、前記第２熱媒体と補助加熱流体との間で熱交換する補助蒸発器、前記第２熱媒体を圧縮する第２圧縮機、前記第２熱媒体と加熱対象流体との間で熱交換する第２凝縮器、および、前記第２熱媒体を減圧する第２膨張弁が介設された第２循環流路と、
前記第２圧縮機の吸込圧力が所定の設定圧力になるように、前記補助蒸発器に供給される前記補助加熱流体の流量を調整する第２流量制御装置と、を有することを特徴とするヒートポンプ。
【請求項３】
第１熱媒体が封入され、冷却対象流体と前記第１熱媒体との間で熱交換する第１蒸発器、前記第１熱媒体を圧縮する第１圧縮機、前記第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換する中間熱交換器、前記第１熱媒体と補助冷却流体との間で熱交換する補助凝縮器、および、前記第１熱媒体を減圧する第１膨張弁が介設された第１循環流路と、
前記第２熱媒体が封入され、前記中間熱交換器、前記第２熱媒体と補助加熱流体との間で熱交換する補助蒸発器、前記第２熱媒体を圧縮する第２圧縮機、前記第２熱媒体と加熱対象流体との間で熱交換する第２凝縮器、および、前記第２熱媒体を減圧する第２膨張弁が介設された第２循環流路と、
前記第１圧縮機の吐出圧力が所定の設定圧力になるように、前記補助凝縮器に供給される前記補助冷却流体の流量を調整する第１流量制御装置と、
前記第２圧縮機の吸込圧力が所定の設定圧力になるように、前記補助蒸発器に供給される前記補助加熱流体の流量を調整する第２流量制御装置と、を有することを特徴とするヒートポンプ。
【請求項４】
前記第１蒸発器の出口における前記冷却対象流体の温度が所定の設定温度になるように、前記第１圧縮機の回転数を制御する第１回転数制御装置を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のヒートポンプ。
【請求項５】
前記第２凝縮器の出口における前記加熱対象流体の温度が所定の設定温度になるように、前記第２圧縮機の回転数を制御する第２回転数制御装置を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のヒートポンプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−６８４０９（Ｐ２０１３−６８４０９Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１８３１７２（Ｐ２０１２−１８３１７２）
【出願日】平成２４年８月２２日（２０１２．８．２２）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年８月２２日（２０１２．８．２２）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
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