特開 2023-141045 ヒートポンプシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023141045

(43)【公開日】2023-10-05

(54)【発明の名称】ヒートポンプシステム

(51)【国際特許分類】

   F25B 25/02 20060101AFI20230928BHJP

   F25B 5/04 20060101ALI20230928BHJP

【ＦＩ】

F25B25/02 Z

F25B5/04 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022047173

(22)【出願日】2022-03-23

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】廣田 靖樹

(72)【発明者】

【氏名】品川 勉

(72)【発明者】

【氏名】山内 崇史

(72)【発明者】

【氏名】高砂 彩純

(57)【要約】

【課題】簡易な構成で、吸着式ヒートポンプの冷熱出力が不足している場合に、電気式ヒートポンプの消費電力を低減させることができるヒートポンプシステムを提供する。
【解決手段】吸着式ヒートポンプと、電気式ヒートポンプとを備えたヒートポンプシステムであって、吸着式ヒートポンプは、第１蒸発器と、第１蒸発器で蒸発した流体を吸着するように構成されている複数の吸着器からなる吸着機構と、吸着機構から脱着した流体を凝縮するように構成されている凝縮器と、第１蒸発器で生成された冷熱が供給される負荷と、を備え、電気式ヒートポンプは、コンプレッサと、膨張弁と、圧縮した冷媒を用いて、流体を蒸発させると共に、冷媒を膨張弁に供給するように構成されている第２蒸発器とを備え、吸着機構は、更に、第２蒸発器で蒸発した流体を吸着するように構成され、第１蒸発器を、電気式ヒートポンプの蒸発器として共用する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

吸着式ヒートポンプと、電気式ヒートポンプとを備えたヒートポンプシステムであって、
前記吸着式ヒートポンプは、
第１蒸発器と、
前記第１蒸発器で蒸発した流体を吸着するように構成されている複数の吸着器からなる吸着機構と、
前記吸着機構から脱着した前記流体を凝縮するように構成されている凝縮器と、
前記第１蒸発器で生成された冷熱が供給される負荷と、を備え、
前記電気式ヒートポンプは、
圧縮した冷媒を生成するように構成されているコンプレッサと、
前記冷媒を膨張させるように構成されている膨張弁と、
圧縮した冷媒を用いて、前記流体を蒸発させると共に、前記冷媒を前記膨張弁に供給するように構成されている第２蒸発器とを備え、
前記吸着機構は、更に、前記第２蒸発器で蒸発した前記流体を吸着するように構成され、
前記第１蒸発器を、膨張した冷媒から冷熱を生成し、前記冷媒を前記コンプレッサに供給するように構成されている、前記電気式ヒートポンプの蒸発器として共用する
ヒートポンプシステム。

【請求項2】

前記凝縮器は、更に、前記第２蒸発器で蒸発した前記流体を凝縮するように構成されている請求項１記載のヒートポンプシステム。

【請求項3】

前記第２蒸発器は、前記コンプレッサに対して直列に連通するように設けられた、圧縮した前記冷媒を用いて、前記流体を蒸発させる複数の蒸発器であって、
前記コンプレッサに近い方の蒸発器は、蒸発した前記流体を前記凝縮器へ供給するように構成され、
前記コンプレッサに遠い方の蒸発器は、蒸発した前記流体を前記吸着機構へ供給するように構成されている請求項２記載のヒートポンプシステム。

【請求項4】

前記流体は、水であり、前記冷媒は、フロンガスである請求項１～請求項３のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ヒートポンプシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

吸着式ヒートポンプとして、特許文献１には、蒸発器、吸着器および蓄熱反応器を備え、蓄熱反応器は熱を蓄熱するとともに、熱媒の蒸発潜熱以上の熱を吸着器に対し放熱し、再生温度以上の熱を作用させることで吸着器を再生する構成が記載されている。

【0003】

また、電気式ヒートポンプも知られている。また、吸着式ヒートポンプと電気式ヒートポンプを併設したハイブリッドシステムも知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４－４０９５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来のハイブリッドシステムでは、図１１に示すように、吸着式ヒートポンプ（Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ． Ｈｅａｔ Ｐｕｍｐ： ＡＨＰ）の蒸発器と電気式ヒートポンプ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｈｅａｔ Ｐｕｍｐ：ＥＨＰ）の蒸発器とを、冷水の循環系で直列に接続している。

【0006】

また、吸着式ヒートポンプにおいて、低温での出力が大幅に低下するという課題があるため、実利用では、電気式ヒートポンプが、吸着式ヒートポンプのバックアップとして用いられる。しかし、単にコストが増大してしまう、という問題がある。

【0007】

本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、簡易な構成で、吸着式ヒートポンプの冷熱出力が不足している場合に、電気式ヒートポンプの消費電力を低減させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係るヒートポンプシステムは、吸着式ヒートポンプと、電気式ヒートポンプとを備えたヒートポンプシステムであって、前記吸着式ヒートポンプは、第１蒸発器と、前記第１蒸発器で蒸発した流体を吸着するように構成されている複数の吸着器からなる吸着機構と、前記吸着機構から脱着した前記流体を凝縮するように構成されている凝縮器と、前記第１蒸発器で生成された冷熱が供給される負荷と、を備え、前記電気式ヒートポンプは、圧縮した冷媒を生成するように構成されているコンプレッサと、前記冷媒を膨張させるように構成されている膨張弁と、圧縮した冷媒を用いて、前記流体を蒸発させると共に、前記冷媒を前記膨張弁に供給するように構成されている第２蒸発器とを備え、前記吸着機構は、更に、前記第２蒸発器で蒸発した前記流体を吸着するように構成され、前記第１蒸発器を、膨張した冷媒から冷熱を生成し、前記冷媒を前記コンプレッサに供給するように構成されている、前記電気式ヒートポンプの蒸発器として共用する。

【0009】

本発明に係るヒートポンプシステムでは、前記第１蒸発器を、膨張した冷媒から冷熱を生成し、前記冷媒を前記コンプレッサに供給するように構成されている、前記電気式ヒートポンプの蒸発器として共用する。電気式ヒートポンプが冷熱を生成する際に、第２蒸発器が、コンプレッサが圧縮した冷媒を用いて、前記流体を蒸発させると共に、前記冷媒を前記膨張弁に供給する。このとき、吸着式ヒートポンプの吸着機構は、前記第２蒸発器で蒸発した前記流体を吸着する。このように、簡易な構成で、吸着式ヒートポンプの冷熱出力が不足している場合に、電気式ヒートポンプの消費電力を低減させることができる。

【0010】

また、本発明に係る前記凝縮器は、更に、前記第２蒸発器で蒸発した前記流体を凝縮するように構成されていることができる。

【0011】

また、本発明に係る前記第２蒸発器は、前記コンプレッサに対して直列に連通するように設けられた、圧縮した前記冷媒を用いて、前記流体を蒸発させる複数の蒸発器であって、前記コンプレッサに近い方の蒸発器は、蒸発した前記流体を前記凝縮器へ供給するように構成され、前記コンプレッサに遠い方の蒸発器は、蒸発した前記流体を前記吸着機構へ供給するように構成されていることができる。

【0012】

また、上記の流体を、水とし、前記冷媒を、フロンガスとすることができる。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、簡易な構成で、吸着式ヒートポンプの冷熱出力が不足している場合に、電気式ヒートポンプの消費電力を低減させることができるヒートポンプシステムが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の第１実施形態のヒートポンプシステムの構成例を示す概略図である。

【図2】本発明の第１実施形態のヒートポンプシステムにおける高効率モードの動作を説明するための図である。

【図3】吸着器温度、排熱温度に対する吸着材の平衡吸着量の散布図を表すコンター図である。

【図4】電気式ヒートポンプにおける実際のコンプレッサの消費電力と環境温度と冷熱温度の関係を示すグラフである。

【図5】本発明の第１実施形態のヒートポンプシステムにおけるＡＨＰ単独モードの動作を説明するための図である。

【図6】本発明の第１実施形態のヒートポンプシステムにおける並列駆動モードの動作を説明するための図である。

【図7】本発明の第１実施形態のヒートポンプシステムにおけるＥＨＰ単独モードの動作を説明するための図である。

【図8】吸着器温度、排熱温度に対する吸着材の平衡吸着量の散布図を表すコンター図である。

【図9】制御装置によるモード切替処理を示すフローチャートである。

【図10】本発明の第２実施形態のヒートポンプシステムにおける高効率モードの動作を説明するための図である。

【図11】従来技術におけるヒートポンプシステムの構成を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

【0016】

（本発明の実施形態の概要）
吸着式ヒートポンプは、排熱が十分にあり、かつ外気温が閾値以下の場合は非常に電力消費量が少ない優れたヒートポンプとなりうる。しかし、排熱温度が低くなったり、吸着できる閾値以上の環境温度に到達した場合、低温での出力が大幅に低下する、という課題がある。このため、実利用では電気式ヒートポンプが吸着式ヒートポンプのバックアップとして併設されることが多く、コストが増大する。

【0017】

これは、以下の理由による。吸着式ヒートポンプの出力は、吸着材温度と、所望の冷房温度と、吸着材の性質とで決定されるが、どのような吸着材をもってきたとしても、冷房温度が下がるほど、また吸着材温度が高くなるほど、吸着できる容量が低下することで性能が低下する。

【0018】

通常使われるシリカゲル等の場合、１０℃以下の冷熱を生成したり、環境温度が３５℃を超えるような条件においては、大きく低下することが知られている。このため、吸着式ヒートポンプのバックアップ用に電気式ヒートポンプが併設されることが多く、単にコストが増加する。

【0019】

そこで、本発明の実施形態では、吸着式ヒートポンプと電気式ヒートポンプを一体にすることで、凝縮器、蒸発器、及び熱輸送系の配管を共通化する。また、吸着式ヒートポンプの出力が、要求冷熱出力より不足する際に、吸着式ヒートポンプの出力を、電気式ヒートポンプのアシストに用いることで電気式ヒートポンプのＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を大幅に向上させる。

【0020】

具体的には、ヒートポンプシステムには、吸着式ヒートポンプに加えて、電気式ヒートポンプが併設されており、吸着式ヒートポンプの冷熱を電気式ヒートポンプの凝縮器に与える、もしくは吸着式ヒートポンプで生成した環境温度の冷熱を電気式ヒートポンプの凝縮器に与える。

【0021】

より具体的には、電気式ヒートポンプの蒸発器が吸着式ヒートポンプの蒸発器と一体になっていることで、吸着式ヒートポンプの冷熱を電気式ヒートポンプの凝縮器に与える、もしくは吸着式ヒートポンプで生成した環境温度の冷熱を電気式ヒートポンプの凝縮器に与えることができる。

【0022】

また、電気式ヒートポンプの凝縮器が、吸着式ヒートポンプの第２蒸発器と一体になっており、電気式ヒートポンプで発生する形外に捨てるべき熱源が、吸着式ヒートポンプ内の配管により吸着式ヒートポンプの凝縮器で形外に排出される。

【0023】

また、外気温が高い、または排熱温度が低い等の理由で吸着式ヒートポンプの出力が、要求冷熱出力より小さい場合において、第２蒸発器から吸着器に対して水蒸気を吸着させることができるように、吸着器に対して配管の接続が切り替え可能となっている。

【0024】

（第１実施形態に係るヒートポンプシステムの構成）
本発明の第１実施形態に係るヒートポンプシステムを図１～図９を参照して説明する。本実施形態では、吸着器の物理吸着材としてシリカゲルを、吸着器に供給される流体として水蒸気（水）を用いた吸着式ヒートポンプと、冷媒としてフロンガスを用いた電気式ヒートポンプとを用いたヒートポンプシステムを一例に詳細に説明する。

【0025】

本実施形態のヒートポンプシステム１００は、図１に示すように、吸着式ヒートポンプとして、流体（水蒸気）を吸着するように構成されている第１吸着器１１及び第２吸着器１２からなる吸着機構１０と、第１蒸発器２１と、第１吸着器１１及び第２吸着器１２から排出された流体を凝縮する凝縮器３０と、負荷４０とを備えている。

【0026】

第１蒸発器２１は、水を気化し、気化して生成された流体である水蒸気を供給可能に第１吸着器１１及び第２吸着器１２とそれぞれ接続されている。具体的には、第１蒸発器２１には、流通調節弁であるバルブＶ１を有する流通配管７５の一端が接続されている。

【0027】

第１蒸発器２１は、上記のように流体の気化により気化熱を奪うため、水蒸気の気化熱に相当する冷熱を生成する。第１蒸発器２１は、冷熱需要の例であるエアコン室外機などの負荷４０と、循環水が循環する熱交換管８５、８６を介して熱的に接続されているため、冷熱の有効利用が可能である。

【0028】

第１吸着器１１は、第１蒸発器２１から水蒸気が供給され、水蒸気を吸着して保持し、吸着された水蒸気を脱離して凝縮器３０へ放出するように構成されている。具体的には、第１吸着器１１には、バルブＶ５を有する流通配管７４の一端と、バルブＶ７を有する流通配管７７の一端と、が接続されている。

【0029】

第２吸着器１２は、第１蒸発器２１から水蒸気が供給され、水蒸気を吸着して保持し、吸着された水蒸気を脱離して放出するように構成されている。具体的には、第２吸着器１２には、バルブＶ４を有する流通配管７３の一端と、バルブＶ６を有する流通配管７６の一端と、が接続されている。

【0030】

凝縮器３０は、第１吸着器１１、第２吸着器１２からの水蒸気の供給が可能に接続されており、第１吸着器１１、第２吸着器１２から供給された水蒸気を凝縮する。具体的には、凝縮器３０には、バルブＶ６を有する流通配管７６の一端と、バルブＶ７を有する流通配管７７の一端と、がそれぞれ接続されている。

【0031】

また、凝縮器３０は、バルブＶ３を有する流通配管７１を介して第２蒸発器２２と接続されており、第２蒸発器２２から供給された水蒸気を凝縮する。

【0032】

また、ポンプを有する流通配管（図示省略）によって凝縮器３０と第１蒸発器２１、第２蒸発器２２とが連通されている。凝縮器３０で凝縮された水は、流通配管を通じて第１蒸発器２１及び第２蒸発器２２に供給される。

【0033】

ヒートポンプシステム１００は、上記図１に示すように、電気式ヒートポンプとして、圧縮した冷媒を生成するように構成されているコンプレッサ５０と、冷媒を膨張させるように構成されている膨張弁６０と、第２蒸発器２２と、を備えている。

【0034】

第２蒸発器２２は、圧縮した冷媒を凝縮して膨張弁６０に供給するように構成されている凝縮器として機能する。また、第２蒸発器２２は、圧縮した冷媒を用いて、流体を蒸発させて、凝縮器３０に供給する。具体的には、第２蒸発器２２には、バルブＶ３を有する流通配管７１の一端が接続されている。

【0035】

第２蒸発器２２は、冷媒であるフロンガスを供給可能にコンプレッサ５０及び膨張弁６０とそれぞれ接続されている。具体的には、第２蒸発器２２には、流通配管８１、８２の一端が接続されている。

【0036】

また、第１蒸発器２１を、膨張した冷媒から冷熱を生成し、冷媒をコンプレッサ５０に供給するように構成されている、電気式ヒートポンプの蒸発器として共用する。

【0037】

第１蒸発器２１は、冷媒であるフロンガスを供給可能にコンプレッサ５０及び膨張弁６０とそれぞれ接続されている。具体的には、第１蒸発器２１には、流通配管８３、８４の一端が接続されている。

【0038】

制御装置９０は、ヒートポンプシステム１００の全制御を担う制御手段であり、バルブＶ１～Ｖ７、コンプレッサ５０、負荷４０、及び外部熱源などと電気的に接続されており、バルブ、熱源、熱交換を制御して冷熱利用をコントロールできるように構成されている。

【0039】

具体的には、制御装置９０は、環境温度を検出する環境温度センサ９２、排熱温度を検出する排熱温度センサ９４、並びに要求冷熱出力、負荷側の室内温度、及び循環水の冷水温度を含む負荷側情報を検出する負荷側センサ９６に接続されている。制御装置９０は、環境温度、排熱温度、要求冷熱出力、負荷側の室内温度、及び循環水の冷水温度に基づいて、吸着式ヒートポンプを単独で駆動させるＡＨＰ単独モード、電気式ヒートポンプを高効率に単独で駆動させる高効率モード、吸着式ヒートポンプ及び電気式ヒートポンプを並列に駆動させる並列駆動モード、並びに電気式ヒートポンプを単独で駆動させるＥＨＰ単独モードを切り替えるように制御する。なお、ＡＨＰ単独モードは第１モードの一例であり、高効率モードは第２モードの一例であり、並列駆動モードは第３モードの一例である。

【0040】

ここで各モードについて説明する。

【0041】

高効率モードでは、図２に示すように、吸着機構１０から電気式ヒートポンプの凝縮器として機能する第２蒸発器２２へ冷熱を供給するように制御する。

【0042】

図２は高効率モードのバルブ動作を示しており、ドット塗りのバルブが開状態のバルブを示し、白抜きのバルブが閉状態のバルブを示している。図５、図６、図７、図１０も同様である。また、図２の例では、第１吸着器１１が、排熱で再生している吸着器であり、第２吸着器１２が、環境温度に冷却している吸着器である。

【0043】

具体的には、コンプレッサ５０を駆動させることにより、電気式ヒートポンプとして冷熱を生成しているときに、バルブＶ２，Ｖ４を開状態とし、第２蒸発器２２から水蒸気が流通配管７１、７２、７３を介して第２吸着器１２に供給され、第２吸着器１２において水蒸気の吸着動作が行われる。これにより、吸着式ヒートポンプから電気式ヒートポンプの凝縮器として機能する第２蒸発器２２へ冷熱が供給される。

【0044】

また、バルブＶ７を開状態とし、第１吸着器１１から脱着された水蒸気が流通配管７７を介して凝縮器３０に供給され、凝縮器３０において水蒸気の凝縮動作が行われる。

【0045】

そして、第１吸着器１１及び第２吸着器１２を、交互に入れ替えて通常の吸着式ヒートパイプのように駆動する。環境温度に冷却された第１吸着器１１又は第２吸着器１２を、流通配管７３又は７４と流通配管７１、７２とを介して第２蒸発器２２と連通すると、第２蒸発器２２が冷却され、吸着式ヒートポンプの冷熱生成温度まで、電気式ヒートポンプの凝縮器として機能する第２蒸発器２２が冷却されることから、電気式ヒートポンプのコンプレッサ５０の動力が削減される。

【0046】

高効率モードにおける効率の利点を示すために、ＲＤシリカゲルを用いた吸着器における、吸着器温度（環境温度に依存）、排熱温度に対する平衡吸着量の散布図を、冷熱生成温度１０℃、２０℃の２条件について図３（Ａ）、（Ｂ）に示す。環境温度が上昇、もしくは排熱温度が低下した場合、冷熱生成温度１０℃では、吸着量が０以下の領域が多いが、冷熱生成温度２０℃と高くなってくると吸着量が得られる領域が拡大する様子が分かる。

【0047】

例えば、排熱温度が８０℃、環境温度が４０℃の時、冷熱生成温度１０℃では、吸着式ヒートポンプの出力が０となり、吸着式ヒートポンプでの空調は不可能となる。この際、電気式ヒートポンプの凝縮熱を冷却するモードに移行すると考えると、例えば、冷熱生成温度２０℃のいては吸着量が０．０７となり、十分な出力が得られる。この冷熱を、電気式ヒートポンプの凝縮器に適応した場合における効果を考える。

【0048】

図４は、電気式ヒートポンプにおける実際のコンプレッサの消費電力と環境温度と冷熱温度の関係を示す。電気式ヒートポンプにおける環境温度を、吸着式ヒートポンプの冷熱を利用することで低下できるとし、先ほどの条件で環境温度４０℃から２０℃程度低下させることができるとすると、コンプレッサ消費電力Ｑｃｏｍｐを大幅に低下させることが可能となる。例えば、環境温度４０℃から２０℃程度低下させる場合には、コンプレッサ消費電力Ｑｃｏｍｐを３３％削減することができる。

【0049】

このとき、電気式ヒートマップによる冷熱出力は、理想的な運転ができた場合、吸着式ヒートポンプによる冷熱出力ＱＡＨＰからコンプレッサ消費電力Ｑｃｏｍｐを減算した出力となる。水かけ式の凝縮器を備える吸着式ヒートポンプの消費電力Ｑｃｏｎは、冷熱出力ＱＡＨＰの１／３０程度である。大型の蒸気輸送式の吸着式ヒートポンプを考えた場合、バルブの駆動用のエアバルブ等の補器電力を除くと、電力消費は凝縮器の散水ポンプ及びファン動力が支配的であり、冷熱量に対しておよそ１／３０の電力が必要となる。ここで、１／３０となることを仮定して計算すると

となり、同じ能力で図７に示すように、ＥＨＰ単独モード（冷熱需要に対して排熱が全く供給できない場合に利用するモードである）で運転した場合は、

となり、電力ＣＯＰで見た場合においても、向上の効果が大きい。

【0050】

次に、ＡＨＰ単独モードについて説明する。このＡＨＰ単独モードは、排熱が十分に存在する場合において利用される。ＡＨＰ単独モードでは、図５に示すように、コンプレッサ５０を駆動させずに、バルブＶ１，Ｖ４を開状態とし、第１蒸発器２１から水蒸気が流通配管７２、７３、７５を介して第２吸着器１２に供給され、第２吸着器１２において水蒸気の吸着動作が行われる。また、バルブＶ７を開状態とし、第１吸着器１１から脱着された水蒸気が流通配管７７を介して凝縮器３０に供給され、凝縮器３０において水蒸気の凝縮動作が行われる。

【0051】

そして、第１吸着器１１及び第２吸着器１２を交互に入れ替えて吸着動作、脱着動作を行う。

【0052】

ここまでの仮定を用いて同じように電力ＣＯＰを計算すると、

となる。

【0053】

並列駆動モードでは、図６に示すように、コンプレッサ５０を駆動させることにより、電気式ヒートポンプとして冷熱を生成しているときに、バルブＶ３を開状態とし、電気式ヒートポンプの凝縮器として機能する第２蒸発器２２から水蒸気が流通配管７１を介して凝縮器３０に供給され、凝縮器３０において水蒸気の凝縮動作が行われる。また、バルブＶ１，Ｖ４を開状態とし、第１蒸発器２１から水蒸気が流通配管７２、７３、７５を介して第２吸着器１２に供給され、第２吸着器１２において水蒸気の吸着動作が行われる。

【0054】

また、バルブＶ７を開状態とし、第１吸着器１１から脱着された水蒸気が流通配管７７を介して凝縮器３０に供給され、凝縮器３０において水蒸気の凝縮動作が行われる。

【0055】

そして、第１吸着器１１及び第２吸着器１２を交互に入れ替えて通常の吸着式ヒートパイプとして駆動し、冷熱を供給する。

【0056】

並列駆動モードは、冷熱需要が大きく、排熱が十分にあり、吸着式ヒートポンプが定格運転を行った場合においても電気式ヒートポンプの出力が必要なシチュエーションで利用されるモードである。このモードでは、それぞれの稼働割合に応じた電力ＣＯＰの平均値となる。

【0057】

排熱が十分にある場合において、図６の並列駆動モード動作時に、吸着式ヒートポンプにおいて第１蒸発器２１からの吸着が完了後、図２の動作モードに切り替えて、今度は第２蒸発器２２からの吸着を行うことで、電気式ヒートポンプの高効率運転と吸着式ヒートポンプの運転を両立させることも可能である。

【0058】

次に、ＥＨＰ単独モードについて説明する。ＥＨＰ単独モードでは、図５に示すように、コンプレッサ５０を駆動させることにより、電気式ヒートポンプとして冷熱を生成する。このとき、バルブＶ３を開状態とし、電気式ヒートポンプの凝縮器として機能する第２蒸発器２２から水蒸気が流通配管７１を介して凝縮器３０に供給され、凝縮器３０において水蒸気の凝縮動作が行われる。

【0059】

次に、各モードの効率について説明する。例として、環境温度が３０℃、排熱温度が８５℃の場合、冷熱生成温度１０℃での吸着量差は、図８（Ａ）より、およそ０．０５ｇ／ｇとなる。一方、冷熱生成温度２０℃での吸着量差は、図８（Ｂ）より、０．１５ｇ／ｇとなっていることから、吸着式ヒートポンプとして冷熱生成温度１０℃で０．０５ｇ／ｇまで吸着したのち、電気式ヒートポンプの凝縮器として機能する第２蒸発器２２のアシストとして、冷熱生成温度２０℃で、０．１５ｇ／ｇまで吸着する場合を考える。

【0060】

また、吸着式ヒートポンプが０．０５ｇ／ｇまで吸着する単体動作をした際に必要な熱量は、吸着器の顕熱と吸着器の潜熱の和である。このときの熱ＣＯＰを仮に０．５とすると、電気式ヒートポンプを併用した際の熱効率は、０．０５ｇ／ｇ→０．１５ｇ／ｇまで潜熱が増えた分を考慮すればよい。

【0061】

この場合、消費電力は、図２の高効率モードでも同様であることから、電力ＣＯＰと熱ＣＯＰは以下のようになる。

【0062】

ＡＨＰ単独モードでは、電力ＣＯＰ＝３０、熱ＣＯＰ＝０．５である。
高効率モードでは、電力ＣＯＰ＝３．２８、熱ＣＯＰ＝０．７である。
ＥＨＰ単独モードでは、電力ＣＯＰ＝１．５３である。

【0063】

高効率モードでは、ＥＨＰ単独モードで運転した場合に比べて高い電力ＣＯＰが得られる。ＡＨＰ単独モードと比べると電力ＣＯＰが低下することから冷熱需要と排熱量のバランスを考えてモード選択を行う必要がある。また、高効率モードでは、一度の吸脱着の切り替えに対して吸着量差が大きくとれる（今回の計算例では３倍）ことに起因して、熱ＣＯＰが高い。よって熱の消費量の観点では冷熱当たりでみると大幅に低下している点も特徴となる。

【0064】

次に、制御装置９０によるモードの切り替え処理について具体的に説明する。

【0065】

まず、吸着式ヒートポンプの動作温度（冷熱生成温度、環境温度、排熱温度）に対する吸着量差は、上記図３に示すように、吸着機構１０の吸着材の吸着等温線を表す３次元マップとして表現される。なお、上記図３では紙面の都合上２次元で表現している。

【0066】

環境温度と排熱温度は環境温度センサ９２、排熱温度センサ９４により取得される値を用いて判断する。ここで冷熱生成温度は、負荷側センサ９６により取得される、要求冷熱出力と、負荷側の室内温度と、循環水の冷水温度とから決定される。前述のマップより、吸着量差Δｑが求められる。

【0067】

また、吸着式ヒートポンプの出力は、吸着量差Δｑと蒸発潜熱（既知の値）と吸着のサイクル時間とで決定される。サイクル時間は、吸着量と同様に、吸着式ヒートポンプの動作温度と、吸着器の設計で変わる値であるため、同様に３次元マップで予め取得したものをもっているものとする。

【0068】

求めた吸着式ヒートポンプの出力が、要求冷熱出力より大きい場合は、ＡＨＰ単独モードに切り替えて、冷熱を供給する。これが一番効率の良い運転モードとなる。

【0069】

次に、吸着式ヒートポンプの出力が要求冷熱出力より小さい場合は、並列駆動モード及び高効率モードのうち、消費電力が少ない方のモードに切り替えて、冷熱を供給する。

【0070】

並列駆動モードにおける電気式ヒートポンプの消費電力は、以下のように算出される。まず、電気式ヒートポンプの消費電力が、要求冷熱出力と環境温度から決定されるマップを用いて算出される。あるいは、電気式ヒートポンプの出力＝要求冷熱出力－吸着式ヒートポンプの出力とし、電気式ヒートポンプの出力と外気温のマップから、電気式ヒートポンプの消費電力が求められる。

【0071】

高効率モードにおける消費電力は、以下のように算出される。まず、動作温度から吸着式ヒートポンプでの出力を求める。この高効率モードが成立するためには、吸着式ヒートポンプの出力が、要求冷熱出力とコンプレッサ５０の消費電力の概算値より大きいことが求められる。このことから、上述したように動作温度で決定される吸着式ヒートポンプの出力、及びマップから求められる、吸着式ヒートポンプの冷熱温度を用いた場合のコンプレッサ５０の消費電力を求め、成立する運転条件のうち、消費電力が最小となる運転条件を求め、このときの消費電力を求める。

【0072】

並列駆動モードの消費電力と、高効率モードの消費電力とを比較し、消費電力の少ない方のモードに切り替えて、冷熱を供給する。

【0073】

また、吸着式ヒートポンプの出力が閾値より小さい場合においては、排熱を無駄に消費することが懸念される。従って、吸着式ヒートポンプの出力が閾値以下となることが予想される場合においては、吸着式ヒートポンプの出力をやめ、ＥＨＰ単独モードに切り替えて、冷熱を供給する。

【0074】

（ヒートポンプシステムの動作）
次に、本実施形態のヒートポンプシステム１００における、負荷４０に冷熱を供給する動作について説明する。

【0075】

制御装置９０は、図９に示すモード切替処理を定期的に実行する。

【0076】

まず、ステップＳ１００において、制御装置９０が、環境温度センサ９２によって検出された環境温度、排熱温度センサ９４によって検出された排熱温度、並びに負荷側センサ９６によって検出された要求冷熱出力、負荷側の室内温度、及び循環水の冷水温度を含む負荷側情報を取得する。

【0077】

ステップＳ１０２において、制御装置９０が、吸着式ヒートポンプの出力を算出する。

【0078】

ステップＳ１０４において、制御装置９０が、吸着式ヒートポンプの出力と、要求冷熱出力とを比較し、吸着式ヒートポンプの出力が大きいか否かを判定する。吸着式ヒートポンプの出力が、要求冷熱出力より大きい場合には、ステップＳ１０６へ移行する。一方、吸着式ヒートポンプの出力が、要求冷熱出力以下である場合には、ステップＳ１０８へ移行する。

【0079】

ステップＳ１０６において、制御装置９０が、ＡＨＰ単独モードに切り替えて、運転制御を行う。

【0080】

ステップＳ１０８において、制御装置９０が、吸着式ヒートポンプの出力が、閾値より小さいか否かを判定する。吸着式ヒートポンプの出力が、閾値より小さい場合には、ステップＳ１１０へ移行する。一方、吸着式ヒートポンプの出力が、閾値以上である場合には、ステップＳ１１２へ移行する。

【0081】

ステップＳ１１０において、制御装置９０が、ＥＨＰ単独モードに切り替えて、運転制御を行う。

【0082】

ステップＳ１１２において、制御装置９０が、並列駆動モードの消費電力と、高効率モードの消費電力とを算出する。

【0083】

ステップＳ１１４において、制御装置９０が、並列駆動モードの消費電力の方が、高効率モードの消費電力より少ないか否かを判定する。並列駆動モードの消費電力の方が、高効率モードの消費電力より少ない場合には、ステップＳ１１６へ移行する。一方、高効率モードの消費電力の方が、並列駆動モードの消費電力より少ない場合には、ステップＳ１１８へ移行する。

【0084】

ステップＳ１１６において、制御装置９０が、並列駆動モードに切り替えて、運転制御を行う。

【0085】

ステップＳ１１８において、制御装置９０が、高効率モードに切り替えて、運転制御を行う。

【0086】

以上説明したように、本発明の第１実施形態に係るヒートポンプシステムによれば、膨張した冷媒から冷熱を生成し、冷媒をコンプレッサに供給するように構成されている、電気式ヒートポンプの蒸発器として、吸着式ヒートポンプの第１蒸発器を共用する。電気式ヒートポンプが冷熱を生成する際に、第２蒸発器が、コンプレッサが圧縮した冷媒を用いて、流体を蒸発させると共に、冷媒を膨張弁に供給する。このとき、吸着式ヒートポンプの吸着機構は、第２蒸発器で蒸発した流体を吸着する。このように、簡易な構成で、吸着式ヒートポンプの冷熱出力が不足している場合に、電気式ヒートポンプの消費電力を低減させることができる。

【0087】

また、吸着式ヒートポンプ側で生成する、環境温度に比べると低い冷熱を、電気式ヒートポンプの凝縮器として機能する第２蒸発器に与えることで、凝縮器圧力を下げることが可能となる。これにより、吸着式ヒートポンプが通常モードで動かないような環境温度が高い条件では、コンプレッサの動力が大きくなるが、凝縮器圧力を下げることにより、コンプレッサの動力を大幅に低減することができる。また、排熱源が十分でない場合の電気式ヒートポンプの効率を大幅に向上させることができる。

【0088】

また、吸着式ヒートポンプと電気式ヒートポンプを一体にし、凝縮器や蒸発器を共通化することで、電気式ヒートポンプ側の室内機や室外機部品がなくなり、部品点数が削減される。

【0089】

また、外気温が高い、または排熱温度が低い場合において、吸着式ヒートポンプ側で発生する通常の冷房には利用が難しい25℃程度の冷熱を用いて、電気式ヒートポンプ側の凝縮器圧力を下げることにより、電気式ヒートポンプのCOPを向上させることができる。

【0090】

また、冷熱需要が多い場合に、吸着式ヒートポンプの通常の冷熱生成後に、電気式ヒートポンプの凝縮熱を吸着式ヒートポンプの冷熱により低下させることで、電気式ヒートポンプの効率を向上させることができる。

【0091】

また、排熱が潤沢にある場合、並列駆動モードによる運転が可能となる。吸着式ヒートポンプにおける冷熱生成分の吸着が完了後、電気式ヒートポンプの凝縮熱を処理するための吸着を行うことで、コンプレッサの電気消費量の減少が可能となる。この際に、AHP単独モードで必要な熱量に加えて、電気式ヒートポンプでの凝縮熱処理に必要な熱処理分の熱量が必要となるが、顕熱の大部分を兼ねることができるから、熱量当たりのトータルの冷熱生成量は多くなる。

【0092】

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係るヒートポンプシステムについて図１０を参照して説明する。本実施形態は、２つの第２蒸発器を用いたシステム構成となっている。第１実施形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。

【0093】

ヒートポンプシステム２００は、図１０に示すように、電気式ヒートポンプとして、コンプレッサ５０と、膨張弁６０と、第２蒸発器２２１、２２２と、を備えている。なお、図１０では、簡単のため、制御装置９０、環境温度センサ９２、排熱温度センサ９４、負荷側センサ９６を省略して記載している。

【0094】

第２蒸発器２２１、２２２は、圧縮した冷媒を凝縮して膨張弁６０に供給するように構成されている凝縮器として機能する。

【0095】

コンプレッサ５０に近い方の第２蒸発器２２１は、蒸発した流体を凝縮器３０へ供給するように構成されている。具体的には、第２蒸発器２２１は、流通配管７１の一端が接続されている。

【0096】

また、コンプレッサ５０に遠い方の第２蒸発器２２２は、蒸発した流体を吸着機構１０へ供給するように構成されている。具体的には、第２蒸発器２２２は、流通配管７８の一端が接続されている。

【0097】

第２蒸発器２２１は、流体であるフロンガスを供給可能にコンプレッサ５０及び第２蒸発器２２２とそれぞれ接続されている。具体的には、第２蒸発器２２１には、流通配管８１、８５の一端が接続されている。

【0098】

第１蒸発器２２２は、流体であるフロンガスを供給可能に第１蒸発器２２１及び膨張弁６０とそれぞれ接続されている。具体的には、第２蒸発器２２２には、流通配管８２、８５の一端が接続されている。

【0099】

高効率モードでは、図１０に示すように、吸着機構１０から電気式ヒートポンプの凝縮器として機能する第２蒸発器２２２へ冷熱を供給するように制御する。

【0100】

図１０の例では、第１吸着器１１が、排熱で再生している吸着器であり、第２吸着器１２が、環境温度に冷却している吸着器である。具体的には、コンプレッサ５０を駆動させることにより、電気式ヒートポンプとして冷熱を生成しているときに、バルブＶ２，Ｖ３，Ｖ８を開状態とし、第２蒸発器２２１から水蒸気が流通配管７１を介して凝縮器３０に供給され、凝縮器３０において水蒸気の凝縮動作が行われる。また、第２蒸発器２２２から水蒸気が流通配管７２、７３、７８を介して第２吸着器１２に供給され、第２吸着器１２において水蒸気の吸着動作が行われる。

【0101】

また、バルブＶ７を開状態とし、第１吸着器１１から脱着された水蒸気が流通配管７７を介して凝縮器３０に供給され、凝縮器３０において水蒸気の凝縮動作が行われる。

【0102】

そして、第１吸着器１１、第２吸着器１２は、交互に入れ替えて通常の吸着式ヒートパイプのように駆動する。環境温度に冷却された第１吸着器１１又は第２吸着器１２を、流通配管７３又は７４と流通配管７２とを介して第２蒸発器２２２と連通すると、第２蒸発器２２２が冷却され、吸着式ヒートポンプの冷熱生成温度まで、電気式ヒートポンプの凝縮器として機能する第２蒸発器２２２が冷却されることから、電気式ヒートポンプのコンプレッサ５０の動力の削減が期待できる。

【0103】

なお、ヒートポンプシステム２００の他の構成及び作用については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

【符号の説明】

【0104】

１０ 吸着機構
１１ 第１吸着器
１２ 第２吸着器
２０ 冷熱生成温度
２１、２２１ 第１蒸発器
２２、２２２ 第２蒸発器
３０ 凝縮器
４０ 負荷
５０ コンプレッサ
６０ 膨張弁
７１～７７ 流通配管
８１～８４ 流通配管
８５、８６ 熱交換管
９０ 制御装置
９２ 環境温度センサ
９４ 排熱温度センサ
９６ 負荷側センサ
１００、２００ ヒートポンプシステム
Ｖ１～Ｖ８ バルブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】