(57)【要約】【課題】新規設備の導入や大掛かりな工事を必要とすることなく、高温の熱源を効率的に得ることができ、ヒートポンプ式給湯装置の産業用途への導入が可能な熱供給システムを提供することを目的とする。【解決手段】本発明にかかる熱供給システム１００の構成は、空気を圧縮し圧縮空気を生成する空気圧縮機構１１２を少なくとも有する空気圧縮機１１０と、凝縮器１２６と、膨張弁１２８と、蒸発器１２２と、熱媒体圧縮機１２４とを有し、これらを熱媒体が循環するヒートポンプ１２０と、を備え、蒸発器は空気圧縮機構の下流側に配置され、蒸発器では、圧縮空気と熱媒体とが熱交換を行い、凝縮器では、加熱対象である被加熱体と熱媒体とが熱交換を行うことを特徴する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮し圧縮空気を生成する空気圧縮機構を少なくとも有する空気圧縮機と、
凝縮器、膨張弁、蒸発器、および熱媒体圧縮機を有し、これらを熱媒体が循環するヒートポンプと、
を備え、
前記蒸発器は前記空気圧縮機構の下流側に配置され、該蒸発器では、前記圧縮空気と前記熱媒体とが熱交換を行い、前記凝縮器では、加熱対象である被加熱体と該熱媒体とが熱交換を行うことを特徴する熱供給システム。
【請求項２】
前記被加熱体は、循環して前記凝縮器に供給されることを特徴とする請求項１に記載の熱供給システム。
【請求項３】
前記空気圧縮機は複数設けられ、
前記ヒートポンプでは、前記蒸発器は複数設けられ並列に接続されていて、前記膨張弁は複数設けられ該複数の蒸発器各々に接続されていて、
前記複数の蒸発器は、それぞれ前記複数の空気圧縮機の圧縮空気と熱交換を行うことを特徴する請求項１または請求項２に記載の熱供給システム。
【請求項４】
前記ヒートポンプは複数設けられ、
前記複数のヒートポンプは、前記圧縮空気の流路に対して直列に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱供給システム。
【請求項５】
前記空気圧縮機は、前記空気圧縮機構を直列に２つ有する二段圧縮式空気圧縮機であり、
前記複数のヒートポンプは、前記２つの空気圧縮機構各々の下流側に設けられることを特徴とする請求項４に記載の熱供給システム。
【請求項６】
前記ヒートポンプでは、前記蒸発器は複数設けられ並列に接続されていて、前記膨張弁は複数設けられ該複数の蒸発器各々に接続されていて、
前記複数の蒸発器のうち、いずれか１つの蒸発器は前記圧縮空気と熱交換を行い、他の蒸発器は、前記空気圧縮機の構成する部材のうち温度が上昇する部材と熱交換することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱供給システム。
【請求項７】
当該熱供給システムは、前記空気圧縮機構と前記蒸発器との間に設けられる熱交換器を更に備え、
前記熱交換器では、高温の前記圧縮空気と前記被加熱体とが直接的に熱交換を行い、
前記凝縮器では、温度が低下した前記圧縮空気と前記被加熱体とが前記ヒートポンプを介して間接的に熱交換を行うことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の熱供給システム。
【請求項８】
前記ヒートポンプでは、前記蒸発器は複数設けられ直列に接続されていて、前記膨張弁は複数設けられ該複数の蒸発器各々に接続されていて、
当該熱供給システムは、複数の前記蒸発器に対する圧縮空気の流れ方向を切り替える切替弁を更に有し、
前記切替弁を切り替えながら前記複数の蒸発器を交互に運転することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の熱供給システム。
【請求項９】
前記空気圧縮機が１つである場合において、
前記熱媒体圧縮機の周波数は、前記空気圧縮機の電動機周波数、該空気圧縮機出口における前記圧縮空気の温度、前記蒸発器出口における該圧縮空気の温度のいずれか１以上を参照して調整されることを特徴とする請求項１、請求項２、または請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の熱供給システム。
【請求項１０】
前記空気圧縮機が複数である場合において、
前記熱媒体圧縮機の周波数は、該熱媒体圧縮機の入口の熱媒体の過熱度または熱媒体の飽和温度のいずれか一つを参照して調整されることを特徴とする請求項３に記載の熱供給システム。
【請求項１１】
前記ヒートポンプが複数の蒸発器を並列に接続しており、複数の蒸発器が圧縮空気および温度が上昇する部材と熱交換を行う場合において、
温度が上昇する部材と熱交換を行う各蒸発器に接続される膨張弁の開度は、それぞれが熱交換を行う部材の温度と、前記熱媒体圧縮機の入口の熱媒体の過熱度を参照して調整されることを特徴とする請求項６に記載の熱供給システム。
【請求項１２】
前記被加熱体の流量は、前記凝縮器出口における該被加熱体の温度、前記熱媒体圧縮機出口における前記熱媒体の温度、該熱媒体圧縮機出口における該熱媒体の圧力のいずれか１以上を用いて制御されることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の熱供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用の空調や給湯等に使用される熱を供給する熱供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギの有効利用（省エネルギ）、および温室効果ガスであるＣＯ２排出量削減の観点から、一般家庭へのヒートポンプ式給湯装置の普及が進んでいる。ヒートポンプ式給湯装置は、液体の熱媒体が、膨張により気化するときに周囲の熱を吸収し、凝縮により液化するときに熱を発する性質を利用している。これにより、燃焼式給湯装置に比べて、一次エネルギ消費量を約４０％、ＣＯ２排出量を約５８％程度削減することができ、ランニングコストも大幅に抑えることが可能である。このような利点から、ヒートポンプ式給湯装置は、家庭用だけでなく産業用途への導入も検討されている。
【０００３】
上記の家庭用のヒートポンプ式給湯装置は、生成した湯の供給先が主に台所や浴室であるため、出湯温度は４５℃〜６０℃程度である。したがって、ヒートポンプ式給湯装置を循環する熱媒体を加熱するための熱源が空気であっても、熱媒体は湯を生成するための熱を十分に得ることが可能であった。
【０００４】
しかし、産業用途において利用される場合、給湯装置には７０℃〜１００℃程度の出湯温度が要求される場合が多い。このような高温の湯を生成するに際して、空気（大気）を熱源としてヒートポンプで加熱しようとすると、残りの熱量を圧縮機仕事で補わなくてはならなくなる。このため、圧縮機の仕事量ひいては消費電力量が増大し、ヒートポンプ式給湯装置の成績係数であるＣＯＰ（Coefficient Of Performance、動作係数とも称される）が著しく低下してしまう。
【０００５】
ＣＯＰを低下させることなく、すなわち圧縮機の仕事量を増大させることなく熱媒体を高温にするためには、熱媒体がより高温の熱源から熱を得ることが最も効率的である。そこで、ヒートポンプの熱源として高温の熱源、例えば燃焼ガスの排熱や蒸気ドレン水を利用することが考えられている。
【０００６】
しかし、燃焼ガスをそのままヒートポンプの熱源として使用すると、熱媒体との熱交換により冷却された燃焼ガスの温度が酸露点に達し、燃焼ガスに含まれる酸性蒸気が凝結する。この凝結した酸性蒸気によりヒートポンプの熱交換器が腐食し、耐久性が低下するという問題がある。また燃焼ガスには粉塵が含まれていることが多く、かかる粉塵の固着により熱交換器の定期的な洗浄が不可欠となる。
【０００７】
そこで例えば特許文献１には、産業廃棄物中に含まれるプラスチックの熱分解により生じた生成ガスを溶解除去処理した後に燃焼させ、燃焼により生じた燃焼ガスを用いて空調設備であるヒートポンプを駆動させて冷暖房を行うエネルギの利用方法が開示されている。これによれば、生成ガスに含まれる酸性蒸気や粉塵を除去することにより燃焼ガスが清浄化されるため、かかる燃焼ガスをヒートポンプの熱源として利用可能となり、産業廃棄物の処理時に発生するエネルギを最大限利用することができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−２６１４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１に記載の技術であると、燃焼ガスを清浄化するために、酸性蒸気を溶解させる溶解層や、溶解除去処理後の生成ガスを燃焼させる燃焼装置等が必要となる。このため、新たな設備を導入しなければならず、コストが増大してしまう。また産業用のヒートポンプ式給湯装置が導入されるような工場等の施設では、既に様々な設備が設けられていることが多く、新たな設備を導入するための設置面積の確保が困難なことがある。
【００１０】
また高温の熱源として蒸気ドレン水を利用する場合、かかる蒸気ドレン水は工場等の施設の複数箇所で発生しているため、それらを１箇所に集約するためには、既存の設備の隙間を縫って配管を張り巡らせる等の改修工事が必要となる。したがって、この場合においても、コスト面や配管の設置面積の確保に課題を有する。
【００１１】
本発明は、このような課題に鑑み、新規設備の導入や大掛かりな工事を必要とすることなく、高温の熱源を効率的に得ることができ、ヒートポンプ式給湯装置の産業用途への導入が可能な熱供給システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決すべく発明者は鋭意検討し、工場等の施設に極めて高い確率で設置されている空気圧縮機に着目した。詳細には、工場等の施設では、空気圧縮機において空気を圧縮することにより生成される圧縮空気を用いて設備を駆動させている。この圧縮空気は、断熱圧縮により圧力の上昇に伴って温度も上昇している。しかし、過度に高温な状態の圧縮空気を供給すると損傷を受ける部品や配管もあるため、圧縮空気は冷却された後に各種設備に供給される。したがって、この冷却により放出される熱は、有効利用されることなく冷却（排熱）されていることとなる。そこで、発明者は、圧縮空気が冷却される際の熱に着目し、さらに検討を重ねることにより本願発明を完成するに到った。
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明にかかる熱供給システムの代表的な構成は、空気を圧縮し圧縮空気を生成する空気圧縮機構を少なくとも有する空気圧縮機と、凝縮器、膨張弁、蒸発器、および熱媒体圧縮機を有し、これらを熱媒体が循環するヒートポンプと、を備え、蒸発器は空気圧縮機構の下流側に配置され、蒸発器では、圧縮空気と熱媒体とが熱交換を行い、凝縮器では、加熱対象である被加熱体と熱媒体とが熱交換を行うことを特徴する。
【００１４】
上記構成では、空気圧縮機において生成された圧縮空気は、空気圧縮機構の下流側に配置されたヒートポンプの蒸発器において熱媒体と熱交換して冷却される。かかる熱交換において圧縮空気から大量の熱を得られるため熱媒体は高温となり、凝縮器において、加熱対象である被加熱体を高い温度まで加熱することができる。したがって、新規設備の導入や大掛かりな工事を必要とすることなく、高温の熱源を効率的に得ることができる。そして、高温の熱源との熱交換により熱媒体が高温となるため、ヒートポンプの熱媒体圧縮機において熱媒体を圧縮するための仕事量が増大せず、ＣＯＰの低下が生じることがない。これにより、ヒートポンプ式給湯装置の産業用途への導入が可能となり、工場等の施設において省エネルギや環境負荷低減に優れた熱供給を行うことができる。また、単に排熱する空気圧縮機よりも、熱供給ができる空気圧縮機となるため、空気圧縮機としても付加価値の高いものとなる。
【００１５】
上記の被加熱体は、循環して凝縮器に供給されるとよい。上記構成におけるヒートポンプは、換言すれば、圧縮空気を冷却する責を負う。このため、継続的に熱交換を行う必要があり、そのためには凝縮器において継続的に熱供給する必要がある。そこで、被加熱体を循環式とすることにより、凝縮器では被加熱体と熱媒体との熱交換が常時行われることとなるため、当該熱熱供給システムの連続的な運転が可能となる。被加熱体が循環式となる例としては、貯湯槽を有する給湯装置、乾燥機やめっき槽のように連続的に加熱運転する設備などがある。
【００１６】
上記の空気圧縮機は複数設けられ、ヒートポンプでは、蒸発器は複数設けられ並列に接続されていて、膨張弁は複数設けられ複数の蒸発器各々に接続されていて、複数の蒸発器は、それぞれ複数の空気圧縮機の圧縮空気と熱交換を行うとよい。
【００１７】
上記構成によれば、熱媒体は、複数の空気圧縮機により生成された圧縮空気、すなわち大量の圧縮空気と熱交換を行い、その熱を得ることができる。したがって、熱媒体の温度を、ひいては被加熱体の温度をより効率的に高めることが可能となる。また、複数の空気圧縮機に対してヒートポンプの構成を共有化することにより、設備コストおよび設置面積の削減を図ることができる。
【００１８】
上記のヒートポンプは複数設けられ、複数のヒートポンプは、圧縮空気の流路に対して直列に配置されるとよい。このように多段冷却を行い、圧縮空気を十分に冷やすことにより、除湿を行うことができる。特に、圧縮空気に対する最も下流側のヒートポンプのみの蒸発器を凍結点（氷点）以下の温度とし、他の蒸発器は凍結点以上の温度となるように調節することにより、蒸発器に着霜した場合に最下流のヒートポンプのみの運転を停止すればよいため、運用が容易となる。さらに、凍結点以下まで冷却するヒートポンプを２台にして並列に配置することにより、交互に除霜することができるため、除湿能力を落とすことなく継続運転することができる。
【００１９】
上記の空気圧縮機は、空気圧縮機構を直列に２つ有する二段圧縮式空気圧縮機であり、複数のヒートポンプは、２つの空気圧縮機構各々の下流側に設けられるとよい。かかる構成では、空気は、まず上流側の空気圧縮機構で圧縮されて圧縮空気となり、その空気圧縮機構の下流側に設けられたヒートポンプの蒸発器で熱交換して冷却される。そして、熱交換後の圧縮空気は、下流側の空気圧縮機構で更に圧縮され、その空気圧縮機構の下流側に設けられたヒートポンプの蒸発器で熱媒体と熱交換を行う。したがって、圧縮空気は２回熱交換を行うため、熱媒体は圧縮空気の熱をより効率的に得ることができ、且つ圧縮空気をより効率的に冷却することが可能となる。
【００２０】
上記のヒートポンプでは、蒸発器は複数設けられ並列に接続されていて、膨張弁は複数設けられ複数の蒸発器各々に接続されていて、複数の蒸発器のうち、いずれか１つの蒸発器は圧縮空気と熱交換を行い、他の蒸発器は、空気圧縮機の構成する部材のうち温度が上昇する部材と熱交換するとよい。
【００２１】
上記構成によれば、圧縮空気だけでなく、空気圧縮機を構成する部材のうち温度が上昇した部材、例えば空気圧縮機構のケーシングからも熱を得ることができ、熱媒体の加熱効率（排熱の回収効率）の向上を図れる。また温度が上昇した部材は、熱媒体への熱の移動により温度が低下するため、かかる部材の冷却に要する放熱コイル、冷却ファン、冷却塔、冷却水ポンプなどの冷却関連部材及び関連設備を削減することも可能となる。
【００２２】
上記構成によれば、複数の膨張弁の開度を調整することにより、圧縮空気の温度および被加熱体の温度を所望の温度に到達させることができる。具体的には、圧縮空気は所定の温度に冷却する必要があるため、まずは圧縮空気の温度を主導に熱媒体の流量を決定する。このとき、熱供給のための熱量が不足していれば、他の部位と熱交換して熱を吸収する。一方、熱供給のための熱量が足りていれば、他の部位からの熱吸収は抑える。すなわち、他の蒸発器においては被加熱体の温度を主導に熱媒体の流量を決定する。これは、ケーシングや空気圧縮機構などは多少温度が上下しても支障がないため、熱のバッファとして利用できるためである。このようにして、圧縮空気と被加熱体の両方を所望の温度にすることができる。
【００２３】
当該熱供給システムは、空気圧縮機構と蒸発器との間に設けられる熱交換器を更に備え、熱交換器では、高温の圧縮空気と被加熱体とが直接的に熱交換を行い、凝縮器では、温度が低下した圧縮空気と被加熱体とがヒートポンプを介して間接的に熱交換を行うとよい。
【００２４】
上記構成によれば、被加熱体は、圧縮空気によって直接加熱することもできるし、ヒートポンプによって温度上昇させてから間接加熱することもできる。従って例えば、被加熱体の温度が直接加熱で足りるのであればヒートポンプを動作させる必要はなく、さらに高い温度が必要であればヒートポンプを介して加熱すればよい。また直接加熱した被加熱体と間接加熱した被加熱体を混合させて、中間温度を生成してもよい。これによりヒートポンプの動作を極力削減し、消費電力をさらに低減させることができる。また、圧縮空気の冷却効率をより向上することが可能となる。
【００２５】
上記のヒートポンプでは、蒸発器は複数設けられ直列に接続されていて、膨張弁は複数設けられ複数の蒸発器各々に接続されていて、当該熱供給システムは、複数の蒸発器に対する圧縮空気の流れ方向を切り替える切替弁を更に有し、切替弁を切り替えながら複数の蒸発器を交互に運転するとよい。かかる構成により、複数の蒸発器のうちいずれかに着霜が生じた場合であっても、他の蒸発器を運転することにより、冷却除湿を継続しながら着霜した蒸発器の除霜を行うことが可能となる。
【００２６】
空気圧縮機が１つである場合において、熱媒体圧縮機の周波数は、空気圧縮機の電動機周波数、空気圧縮機出口における圧縮空気の温度、蒸発器出口における圧縮空気の温度のいずれか１以上を参照して調整されるとよい。
【００２７】
上述したように、ヒートポンプは、被加熱体を加熱し且つ圧縮空気を冷却する責を負っているため、熱媒体との熱交換により被加熱体の温度および圧縮空気の温度を所望の温度に到達させなければならない。そこで、熱媒体圧縮機の周波数を上記のように実質的に圧縮空気の温度を主導に制御することにより、圧縮空気の温度を所望の温度に到達させることができる。
【００２８】
空気圧縮機が複数である場合において、熱媒体圧縮機の周波数は、熱媒体圧縮機の入口の熱媒体の過熱度および飽和温度の少なくとも一つを参照して調整されるとよい。これにより、熱媒体圧縮機は全体的な冷却能力を担保し、各々の空気圧縮機における温度調節はそれぞれに接続された膨張弁によって調整することができる。
【００２９】
ヒートポンプが複数の蒸発器を並列に接続しており、複数の蒸発器が圧縮空気および温度が上昇する部材と熱交換を行う場合において、各蒸発器に接続される膨張弁の開度は、それぞれが熱交換を行う部材の温度と、熱媒体圧縮機の入口の熱媒体の過熱度を参照して調整されるとよい。圧縮空気の温度を主導として熱媒体圧縮機を調整するが、このように、他の機器に接続された膨張弁をそれぞれの機器の温度だけでなく、熱媒体の過熱度を参照して調整することにより、全体的な冷却能力の担保をすることができる。
【００３０】
被加熱体の流量は、凝縮器出口における被加熱体の温度、熱媒体圧縮機出口における熱媒体の温度、熱媒体圧縮機出口における熱媒体の圧力のいずれか１以上を用いて制御されるとよい。これにより、被加熱体の温度を所望の温度に到達させることが可能となる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、新規設備の導入や大掛かりな工事を必要とすることなく、高温の熱源を効率的に得ることができ、ヒートポンプ式給湯装置の産業用途への導入が可能な熱供給システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１実施形態にかかる熱供給システムの構成を示す図である。
【図２】第２実施形態にかかる熱供給システムの構成を示す図である。
【図３】第３実施形態にかかる熱供給システムの構成を示す図である。
【図４】第４実施形態にかかる熱供給システムの構成を示す図である。
【図５】第５実施形態にかかる熱供給システムの構成を示す図である。
【図６】第６実施形態にかかる熱供給システムの構成を示す図である。
【図７】第７実施形態にかかる熱供給システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００３４】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる熱供給システム１００の構成を示す図である。なお、図中、空気または圧縮空気が通過する配管を破線で、熱媒体が通過する配管を実線で、被加熱体が通過する配管を白抜き線で示し、各々の線の矢印は通過方向を示している。図１に示すように、熱供給システム１００は、空気圧縮機１１０と、ヒートポンプ１２０と、熱供給設備１４０とを備える。
【００３５】
空気圧縮機１１０は、工場の設備（図示せず）を駆動させるための圧縮空気を生成する。圧縮空気の用途は、圧力を利用してエアシリンダーや工作機械、搬送装置の動力源としたり、噴出力を使用して塗装スプレーや清掃エアブローに用いたり、バーナーの酸素供給源としたりするなど、非常に多岐に亘っている。このため、生産工場にはほぼ確実に設置されており、その他の工場においても極めて高い確率で設置されている。
【００３６】
空気圧縮機１１０は、空気圧縮機構１１２と、タンク１１４とを有する。空気圧縮機構１１２は、空気を圧縮して圧縮空気を生成する。生成された圧縮空気は、ヒートポンプ１２０において熱媒体と熱交換を行った後にタンク１１４に送出され、タンク１１４から工場の設備に供給される。なお、本実施形態においては、タンク１１４は空気圧縮機１１０の内部に設けられる構成としているが、これに限定するものではなく、タンク１１４は空気圧縮機１１０の外部に設けられていてもよい。
【００３７】
ヒートポンプ１２０は、内部に熱媒体が循環しており、空気圧縮機１１０において生成された圧縮空気を熱源として熱媒体を加熱し、加熱された熱媒体を用いて後述する被加熱体を加熱する。かかるヒートポンプ１２０は、蒸発器１２２と、熱媒体圧縮機１２４と、凝縮器１２６と、膨張弁１２８とを有する。
【００３８】
蒸発器１２２は、空気圧縮機構１１２の下流側に配置され、圧縮空気と熱媒体との熱交換を行う。詳細には、蒸発器１２２には、膨張弁１２８を通過した熱媒体、および空気圧縮機構１１２から圧縮空気が供給され、これらが熱交換を行う。これにより、圧縮空気は熱媒体に熱を奪われることにより冷却され、圧縮空気から熱を得た熱媒体は温度が上昇する（加熱される）。このとき、熱源となる圧縮空気が高温であるため、熱媒体は大量の熱を効率的に得ることができ、その温度も高温となる。したがって、熱媒体は、後述する凝縮器１２６において、加熱対象である被加熱体を高い温度まで加熱することが可能となる。
【００３９】
熱媒体圧縮機１２４は、圧縮空気の熱を吸熱して蒸発した熱媒体を電力を利用して圧縮する。これにより、熱媒体は高圧状態となってより高熱を発するため、かかる熱を用いて被加熱体を加熱することができる。本実施形態では、熱媒体は、蒸発器１２２にて高温の圧縮空気と熱交換を行っているため、圧縮前の状態においてもある程度高温となっている。したがって、熱媒体圧縮機１２４の仕事量が増大することがなく、ＣＯＰの低下を抑制することが可能となる。
【００４０】
凝縮器１２６は、加熱対象である被加熱体と熱媒体との熱交換を行う。詳細には、凝縮器１２６には、熱媒体圧縮機１２４を通過した熱媒体、および熱供給設備１４０を循環している被加熱体が供給され、これらが熱交換を行う。これにより、熱媒体は被加熱体に熱を奪われることにより温度が低下し、被加熱体は熱媒体から熱を得ることにより温度が上昇する（加熱される）。
【００４１】
膨張弁１２８は、凝縮器１２６において被加熱体と熱交換を行った後の熱媒体を減圧状態とし、膨張冷却する。これにより、熱媒体が蒸発器１２２において再度圧縮空気との熱交換を行うことが可能となり、熱媒体を再利用することができる。
【００４２】
熱供給設備１４０は、凝縮器１２６において熱媒体により加熱された被加熱体を用いて熱供給を行う。かかる熱供給設備１４０としては空調設備や給湯設備等を例示することができ、例えば熱供給設備１４０が空調設備であれば被加熱体は空気であり、給湯設備であれば被加熱体は水となる。また被加熱体として二次冷媒を用いることにより、異なる種類の設備に熱を供給したり、ヒートポンプ１２０から離れた他の建屋に熱を供給したりすることができる。
【００４３】
本実施形態では、熱供給設備は循環配管１４０ａ上に配置されており、被加熱体は循環配管１４０ａを循環している。これにより、凝縮器１２６では被加熱体と熱媒体との熱交換が常時行われることとなるため、当該熱熱供給システム１００の連続的な運転が可能となる。
【００４４】
また被加熱体を熱供給設備１４０に循環させるのは、凝縮器１２６にも被加熱体を循環して供給するためでもある。上述したように、ヒートポンプ１２０は、被加熱体の加熱を行うと共に、圧縮空気の冷却も行っている。したがって、ヒートポンプ１２０は圧縮空気を冷却する責を負っており、蒸発器１２２は、圧縮空気と熱媒体との熱交換を継続的に行う必要がある。そのためには、蒸発器１２２における熱交換により熱媒体が得た熱を、凝縮器１２６での熱交換により被加熱体に吸熱させ、熱媒体の温度を低下させなければならない。したがって、上記構成のように被加熱体を循環式とすることにより、ヒートポンプ１２０による圧縮空気の冷却を連続的に行うことが可能となる。なお、被加熱体を循環式とするためには、熱供給設備１４０を、貯湯槽を有する給湯装置、乾燥機やめっき槽のように連続的に加熱運転する設備等とすると好適である。
【００４５】
上記説明したように、第１実施形態にかかる熱供給システム１００によれば、新規設備の導入や大掛かりな工事を必要とすることなく、ヒートポンプ１２０の熱源として、空気圧縮機１１０の圧縮空気を利用することができ、高温の熱源を効率的に得られる。これにより、ヒートポンプの産業用途への導入が可能となり、工場等の施設において省エネルギや環境負荷低減に優れた熱供給を行うことができる。また空気圧縮機１１０として見た場合には、単に排熱するだけでなく熱供給も行うため、その付加価値を高めることが可能となる。
【００４６】
なお、本実施形態のように、ヒートポンプ１２０が、被加熱体の加熱および圧縮空気の冷却を行う場合、圧縮空気の温度を所望の温度に到達させるために、熱媒体圧縮機１２４の周波数を制御し、被加熱体の温度を所望の温度に到達させるために、被加熱体の流量を制御するとよい。図１において、制御のための参照先を一点鎖線にて示している。
【００４７】
詳細には、熱媒体圧縮機１２４の周波数の制御には、空気圧縮機１１０の電動機周波数、空気圧縮機１１０出口における圧縮空気の温度、蒸発器１２２出口における圧縮空気の温度のいずれか１以上を用いる。なお、図１では３本の一点鎖線を描いているが、いずれか１つでもよい。空気圧縮機１１０出口における圧縮空気の温度を用いた制御を例示すると、かかる圧縮空気の温度が所望の温度より高い場合、熱媒体圧縮機１２４の周波数を高周波数となるように制御する。これにより、ヒートポンプ内を循環する熱媒体の流量が多くなるため、圧縮空気と熱媒体との熱交換が促進され、熱媒体は圧縮空気の熱をより多く吸熱することができる。したがって、圧縮空気が十分に冷却され、温度が低下する。一方、圧縮空気の温度が所望の温度より低い場合、熱媒体圧縮機１２４の周波数を低周波数となるように制御する。これにより、ヒートポンプ内を循環する熱媒体の流量が減少するため、圧縮空気と熱媒体との熱交換が抑制される。したがって、圧縮空気はより多くの熱を蓄熱することができ、温度が上昇する。したがって、上記の制御により圧縮空気の温度を好適に調整し、所望の温度に到達させることが可能となる。なお空気圧縮機１１０の空気圧縮機構１１２の周波数を参照した場合、内部にて断熱圧縮が行われていることから、実質的に圧縮空気の温度を主導に調整することができる。
【００４８】
また圧縮空気の温度に基づいて熱媒体圧縮機１２４の周波数を制御する場合、膨張弁１２８の開度が適正でなくなってしまうおそれもある。したがって熱媒体圧縮機１２４の入口の熱媒体の過熱度を参照し、過熱度に許容範囲に対する過不足が生じたら膨張弁１２８の開度を調整する。これにより、継続してヒートポンプ１２０を動作させることが可能となる。
【００４９】
また被加熱体の流量の制御には、凝縮器１２６出口における被加熱体の温度、熱媒体圧縮機１２４出口における熱媒体の温度、熱媒体圧縮機１２４出口における熱媒体の圧力のいずれか１以上を用いる。なお、図１では３本の一点鎖線を描いているが、いずれか１つでもよい。凝縮器１２６出口における被加熱体の温度を用いた制御を例示すると、かかる被加熱体の温度が所望の温度より低い場合、被加熱体の流量を減少するように制御する。これにより、単位量当たりの被加熱体が熱媒体から吸熱する熱量が増加するため、被加熱体が十分に加熱され、温度が上昇する。一方、被加熱体の温度が所望の温度より高い場合、被加熱体の流量を増加するように制御すると、単位量当たりの被加熱体が吸熱する熱量は減少し、温度が低下する。したがって、上記の制御により被加熱体の温度を好適に調整し、所望の温度に到達させることが可能となる。
【００５０】
（第２実施形態）
図２は、第２実施形態にかかる熱供給システム２００の構成を示す図である。なお、第１実施形態の熱供給システム１００の構成要素と実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付して説明を省略する。また、図中の破線、実線および白抜き線は、図１と同様の配管を意味している。
【００５１】
第２実施形態にかかる熱供給システム２００は、複数の空気圧縮機を備え、ヒートポンプが複数の蒸発器および膨張弁を有する点において、第１実施形態の熱供給システム１００と大きく異なる。すなわち、図２に示すように、熱供給システム２００は、複数の空気圧縮機２１０ａ〜２１０ｅと、ヒートポンプ２２０と、熱供給設備１４０と、タンク２３０とを備える。
【００５２】
複数の空気圧縮機２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、２１０ｄ、２１０ｅは、それぞれ空気圧縮機構２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ、２１２ｄ、２１２ｅを有し、空気を圧縮して圧縮空気を生成する。生成された圧縮空気は、ヒートポンプ２２０の蒸発器２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃ、２２２ｄ、２２２ｅにおいてそれぞれ熱媒体と熱交換を行った後にタンク２３０に送出され、タンク２３０から工場の設備に供給される。
【００５３】
ヒートポンプ２２０は、内部に熱媒体が循環しており、熱媒体と圧縮空気との熱交換、および熱媒体と被加熱体との熱交換を行う。かかるヒートポンプ２２０は、複数の蒸発器２２２ａ〜２２２ｅと、熱媒体圧縮機１２４と、凝縮器１２６と、複数の膨張弁２２８ａ〜２２８ｅとを有する。
【００５４】
複数の蒸発器２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃ、２２２ｄ、２２２ｅは、各々空気圧縮機構２１２ａ〜２１２ｅの下流側に配置され、ヒートポンプ２２０内において並列に接続されている。そして、複数の蒸発器２２２ａ〜２２２ｅは、複数の空気圧縮機２１０ａ〜２１０ｅから供給された圧縮空気それぞれと熱媒体との熱交換を行う。
【００５５】
複数の膨張弁２２８ａ、２２８ｂ、２２８ｃ、２２８ｄ、２２８ｅは、各々複数の蒸発器２２２ａ〜２２２ｅに接続され、凝縮器１２６において被加熱体と熱交換を行った後の熱媒体を減圧状態とし、膨張冷却する。
【００５６】
タンク２３０は、複数の蒸発器２２２ａ〜２２２ｅにおいて熱交換を行った後の圧縮空気の合流点よりも下流側に配置され、圧縮空気を一時的に貯留する。本実施形態では、第１実施形態と異なり、タンク２３０を空気圧縮機２１０ａ〜２１０ｅの構成要素としてではなく、外部に共通のタンクとして別途設けている。これにより、複数の空気圧縮機２１０ａ〜２１０ｅに対して個々にタンク２３０を設置する必要がなくなり、またタンク２３０の大きさに制限がなくなるため、より許容量の大きいタンク２３０を設置することができるからである。更に、空気圧縮機の小型化を図ることもできる。なお、これに限定するものではなく、タンク２３０を空気圧縮機２１０ａ〜２１０ｅの構成要素として内部に設けてもよい。
【００５７】
上記説明したように、第２実施形態にかかる熱供給システムでは、複数の空気圧縮機２１０ａ〜２１０ｅおよび複数の蒸発器２２２ａ〜２２２ｅを備えるため、熱媒体は、大量の圧縮空気と熱交換を行い、より多くの熱を得ることができる。これにより、熱媒体の温度、ひいてはかかる熱媒体により加熱される被加熱体の温度を高効率で高めることが可能となる。また複数の空気圧縮機２１０ａ〜２１０ｅを設けてもヒートポンプ２２０の構成は共有であるため、設備コストおよび設置面積の削減を図れる。
【００５８】
なお、第２実施形態では、空気圧縮機の数、およびヒートポンプ２２０が有する蒸発器および膨張弁の数をすべて５つとしたが、これに限定するものではなく、これらは、少なくとも２つ以上設けられていればよい。
【００５９】
なお、本実施形態のように空気圧縮機２１０ａ〜２１０ｅが複数である場合においては、熱媒体圧縮機１２４の周波数は、熱媒体圧縮機１２４の入口の熱媒体の過熱度または飽和温度を参照して調整するとよい。この場合においては、いずれの空気圧縮機２１０ａ〜２１０ｅを主導にすることもできない。そこで上記のように、熱媒体圧縮機１２４が過熱度または飽和温度を参照することによって全体的な冷却能力を担保する。各々の空気圧縮機２１０ａ〜２１０ｅにおける温度調節はそれぞれに接続された膨張弁２２８ａ〜２２８ｅがそれぞれの圧縮空気の温度を参照し、その開度によって（熱媒体の流量によって）調節する。これらのことにより、それぞれの圧縮空気の温度を所望の温度に到達させることができる。
【００６０】
（第３実施形態）
図３は、第３実施形態にかかる熱供給システム３００の構成を示す図である。図３（ａ）は、熱供給システム３００の概略構成を説明する図であり、図３（ｂ）は蒸発器の設置位置を説明する図である。なお、第１実施形態の熱供給システム１００および第２実施形態の熱供給システム２００の構成要素と実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付して説明を省略する。また、図３（ａ）中の破線、実線および白抜き線は、図１と同様の配管を意味している。
【００６１】
第３実施形態にかかる熱供給システム３００は、ヒートポンプが複数の蒸発器および膨張弁を有し、複数の蒸発器は、圧縮空気だけでなく、空気圧縮機を構成する部材と熱交換を行う点において、第１実施形態の熱供給システム１００と大きく異なる。すなわち、図３に示すように、熱供給システム３００は、空気圧縮機３１０と、ヒートポンプ３２０と、熱供給設備１４０と、タンク２３０とを備える。
【００６２】
空気圧縮機３１０は、空気圧縮機構３１２を用いて空気を圧縮し、圧縮空気を生成する。生成された圧縮空気は、ヒートポンプ３２０の蒸発器３２２ａにおいて熱媒体と熱交換を行った後にタンク２３０に送出され、タンク２３０から工場の設備に供給される。
【００６３】
後述するように、本実施形態において、空気圧縮機３１０を構成する部材のうち温度が上昇する部材には、ヒートポンプ３２０の蒸発器３２２ｂ〜３２２ｅが設けられる。温度が上昇する部材としては、図３（ｂ）に示すように、空気圧縮機３１０の、空気圧縮機構ケーシング３１２ａ、電動機ケーシング３１８、電源装置３１４を例示することができる。空気圧縮機構ケーシング３１２ａが加熱するのは、内部の空気が断熱圧縮によって加熱することによるものである。電動機ケーシング３１８は電動機（不図示）の発熱によって加熱する。電源装置３１４は、インバータのトランジスタの発熱によって加熱する。
【００６４】
また厳密には部材ではないが、空気圧縮機構３１２に供給される潤滑油も温度が上昇するため、本実施形態では、潤滑油を供給する潤滑油装置３１６と空気圧縮機構３１２間の循環経路のうち、潤滑油の戻り経路上にも蒸発器を設置する。なお、これらの部材はあくまでも例示であり、これら以外の温度が上昇する部材に蒸発器を設けてもよく、またこれらすべてに蒸発器を設けなくてはいけないわけではない。
【００６５】
ヒートポンプ３２０は、内部に熱媒体が循環しており、圧縮空気、空気圧縮機３１０の部材や潤滑油と熱媒体との熱交換、および熱媒体と被加熱体との熱交換を行う。かかるヒートポンプ３２０は、複数の蒸発器３２２ａ〜３２２ｅと、熱媒体圧縮機１２４と、凝縮器１２６と、複数の膨張弁２２８ａ〜２２８ｅとを有する。
【００６６】
複数の蒸発器３２２ａ、３２２ｂ、３２２ｃ、３２２ｄ、３２２ｅは、ヒートポンプ３２０内において並列に接続されている。そして、複数の蒸発器３２２ａ〜３２２ｅは、圧縮空気、空気圧縮機３１０の部材、または潤滑油のいずれかと熱媒体との熱交換を行う。詳細には、蒸発器３２２ａは、空気圧縮機構３１２の下流側に配置され、空気圧縮機３１０において生成された圧縮空気と熱媒体との熱交換を行う。蒸発器３２２ｂは、空気圧縮機構ケーシング３１２ａに取り付けられ、空気圧縮機構ケーシング３１２ａと熱媒体との熱交換を行う。蒸発器３２２ｃは、電動機ケーシング３１８に取り付けられ、電動機ケーシング３１８と熱媒体との熱交換を行う。蒸発器３２２ｄは、電源装置３１４に取り付けられ、電源装置３１４と熱媒体との熱交換を行う。蒸発器３２２ｅは、空気圧縮機構３１２と潤滑油装置３１６との間の潤滑油の戻り経路上に配置され、潤滑油と熱媒体との熱交換を行う。
【００６７】
上記構成により、圧縮空気だけでなく、空気圧縮機３１０を構成する部材のうち温度が上昇した部材（本実施形態においては、空気圧縮機構ケーシング３１２ａ、電動機ケーシング３１８、電源装置３１４）や潤滑油からも熱を得ることができる。したがって、排熱の回収効率、換言すれば熱媒体の加熱効率の向上を図ることができる。そして、それと同時に、熱移動により、温度が上昇した部材が冷却されるため、かかる部材の冷却に要する設備を削減することも可能となる。
【００６８】
なお、上記のように、複数の蒸発器において圧縮空気や空気圧縮機の部材等と熱交換を行う場合、熱媒体圧縮機１２４の周波数は圧縮空気の温度を参照して調整し、圧縮空気と熱交換を行う蒸発器３２２ａに接続される膨張弁２２８ａの開度は蒸発器３２２ａの出口の熱媒体の過熱度を参照して調整し、他の蒸発器３２２ｂ〜３２２ｅに接続される膨張弁２２８ｂ〜２２８ｅの開度は空気圧縮機構３１２の温度など被冷却体の温度を参照して調整するとよい。これにより、圧縮空気の温度および被冷却体の温度を所望の温度に到達させることができる。
【００６９】
詳細には、上述したように当該熱供給システム３００におけるヒートポンプ３２０は、被加熱体の加熱装置であるとともに、圧縮空気の冷却装置でもある。このため、ヒートポンプ３２０は被加熱体の加熱および圧縮空気の冷却の両方を行わなくてはならないが、仮に、他の蒸発器３２２ｂ〜３２２ｅに熱媒体が流れることにより蒸発器３２２ａに流れる熱媒体の量が不足すると、圧縮空気の冷却が不十分となってしまう。そこで、まずは圧縮空気の温度を主導に蒸発器３２２ａへの熱媒体の流量を決定し、それに合わせて膨張弁２２８ａの開度を調整する。
【００７０】
他の蒸発器３２２ｂ〜３２２ｅに接続された膨張弁２２８ｂ〜２２８ｅは、各蒸発器が接続された機器の温度を参照し、それぞれを適切に冷却するように開度を調整する。ただし、各機器の温度にあわせて膨張弁２２８ｂ〜２２８ｅの開度を調整すると、全体的な熱媒体の流量が適正でなくなってしまうおそれがある。
【００７１】
そこでさらに、各膨張弁２２８ｂ〜２２８ｅの開度は、それぞれが熱交換を行う部材の温度だけでなく、熱媒体圧縮機１２４の入口（図３のＡ点）の熱媒体の過熱度を参照して調整する。ヒートポンプ３２０の熱媒体圧縮機１２４に吸い込まれる熱媒体の過熱度が高くなりすぎた場合は、他の蒸発器３２２ｂ〜３２２ｅからの熱媒体の温度（以下、戻り冷媒温度と称する）が低くなるように、膨張弁２２８ｂ〜２２８ｅの開度を絞る。過熱度が低くなりすぎた場合は、他の蒸発器３２２ｂ〜３２２ｅからの戻り冷媒温度が高くなるように、膨張弁２２８ｂ〜２２８ｅの開度を開く。このように、多少温度が上下しても支障がない空気圧縮機構ケーシング３１２ａ、電動機ケーシング３１８などを熱のバッファとして利用しつつ、圧縮空気と熱媒体圧縮機１２４の入口の熱媒体の両方を所望の温度にすることが可能となる。
【００７２】
なお、本実施形態のように、空気圧縮機３１０を構成する部材のうち温度が上昇する部材と熱媒体との熱交換を行い、かかる部材が冷却されることにより、以下のような効果を得ることができる。空気圧縮機構ケーシング３１２ａが冷却されることにより、空気圧縮機構ケーシング３１２ａを冷却するためのクーラント回路を廃止することができ、それに要するコストを削減することができる。また電動機ケーシング３１８が冷却されることにより、電動機ケーシング冷却用ファンに要する電力を削減し、且つファン動作時の騒音を低減することができる。また冷却風路を削減できるため、機器サイズを縮小することも可能となる。更に電源装置３１４が冷却されることにより、電源装置冷却用ファンに要する電力の削減およびファン動作時の騒音の低減が図れ、且つ冷却風路を削減し機器サイズの縮小化を図ることもできる。また潤滑油が冷却されることによっても、潤滑油冷却用ファンの動力削減、騒音低減、機器サイズの縮小化が可能となる。
【００７３】
（第４実施形態）
図４は、第４実施形態にかかる熱供給システム４００の構成を示す図である。図４（ａ）は、熱供給システム４００の概略構成を説明する図であり、図４（ｂ）は熱交換器の配置の他の例を説明する図である。なお、第１実施形態の熱供給システム１００の構成要素と実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付して説明を省略する。また、図４中の破線、実線および白抜き線は、図１と同様の配管を意味している。
【００７４】
第４実施形態にかかる熱供給システム４００は、複数のヒートポンプを備える点において、第１実施形態の熱供給システム１００と大きく異なる。すなわち、図４（ａ）に示すように、熱供給システム４００は、空気圧縮機４１０と、複数のヒートポンプ１２０ａおよび１２０ｂと、熱供給設備１４０と、タンク（不図示）を備える。なお、ヒートポンプ１２０ａおよび１２０ｂは、第１実施形態のヒートポンプ１２０と実質的に同一の機能および構成を有し、空気圧縮機４１０は、第１実施形態の空気圧縮機４１０のタンクを外部に設けただけであるので、これらの詳細な説明は省略する。
【００７５】
本実施形態では、ヒートポンプ１２０ａおよび１２０ｂは、圧縮空気の流路４６０に対して直列に配置されている。これにより、ヒートポンプ１２０ａの蒸発器１２２ａおよびヒートポンプ１２０ｂの蒸発器１２２ｂにおいて圧縮空気の多段冷却を行うことができるため、圧縮空気を十分に冷やし、除湿を行うことが可能となる。凝結させた液滴（水）は、不図示のドレン配管によって回収、排水する。
【００７６】
このとき、圧縮空気に対する下流側のヒートポンプ、すなわちヒートポンプ１２０ｂの蒸発器１２２ｂを凍結点（氷点）以下の温度とし、上流側の蒸発器１２２ａは凍結点以上の温度となるように調節するとよい。なお３台以上のヒートポンプを直列に配置した場合には、最も下流側のヒートポンプを凍結点以下の温度とし、他のヒートポンプを凍結点以上の温度とするとよい。これにより、運転中に着霜が生じるのは下流側の蒸発器１２２ｂのみとなるため、着霜が生じた場合においてもヒートポンプ１２０ｂの運転を停止するだけでよく、当該熱供給システム４００は運転可能となる。したがって、運用が容易となる。そして、運転を停止したヒートポンプ１２０ｂの蒸発器１２２ｂには、ヒートポンプ１２０ａを通過した圧縮空気が流入するため、かかる圧縮空気の熱を利用して蒸発器１２２ｂの除霜を促進することも可能となる。
【００７７】
（第５実施形態）
図５は、第５実施形態にかかる熱供給システム５００の構成を示す図である。なお、第１実施形態の熱供給システム１００の構成要素と実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付して説明を省略する。また、図５中の破線、実線および白抜き線は、図１と同様の配管を意味している。
【００７８】
第５実施形態にかかる熱供給システム５００は、複数のヒートポンプを備え、圧縮機が二段圧縮式圧縮機である点において、第１実施形態の熱供給システム１００と大きく異なる。すなわち、図５に示すように、熱供給システム５００は、空気圧縮機５１０と、複数のヒートポンプ１２０ａおよび１２０ｂと、熱供給設備１４０と、タンク（不図示）を備える。なお、ヒートポンプ１２０ａおよび１２０ｂは、第１実施形態のヒートポンプ１２０と実質的に同一の機能および構成を有するので、これらの詳細な説明は省略する。
【００７９】
本実施形態の空気圧縮機５１０は、直列に配置された２つの空気圧縮機構５１２および５１４を有する二段圧縮式空気圧縮機である。これにより、空気圧縮機構５１２および５１４を用いて空気を２段階で圧縮可能となるため、圧縮効率を高めることができる。
【００８０】
通常、二段圧縮式空気圧縮機では、２つの空気圧縮機構の間にインタークーラが設けられ、下流の空気圧縮機構で圧縮されて高温となった圧縮空気をインタークーラで冷却し、その後上流の空気圧縮機構で再度圧縮し、再度圧縮された圧縮空気をアフタークーラで冷却する。このとき、インタークーラおよびアフタークーラに吸熱された圧縮空気の熱は排熱となってしまう。
【００８１】
そこで、本実施形態では、２つの空気圧縮機構各々の下流側、すなわち空気圧縮機構５１２の下流側にヒートポンプ１２０ａを、空気圧縮機構５１４の下流側にヒートポンプ１２０ｂを設ける。これにより、空気は、まず上流側の空気圧縮機構５１２で圧縮されて圧縮空気となり、ヒートポンプ１２０ａの蒸発器１２２ａにおいて熱媒体と熱交換を行って冷却される。蒸発器１２２ａを通過した圧縮空気は、下流側の空気圧縮機構５１４で更に圧縮された後に、ヒートポンプ１２０ｂの蒸発器１２２ｂにおいて熱媒体と熱交換を行い再度冷却される。したがって、上記構成によれば、空気圧縮機５１０による２段圧縮により圧縮空気を効率的に圧縮しつつ、圧縮空気との２回の熱交換により、熱媒体は圧縮空気の熱をより効率的に得ることができ、且つ圧縮空気をより効率的に冷却することが可能となる。
【００８２】
（第６実施形態）
図６は、第６実施形態にかかる熱供給システム６００の構成を示す図である。なお、第１実施形態の熱供給システム１００および第４実施形態の熱供給システム４００の構成要素と実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付して説明を省略する。また、図６中の破線、実線および白抜き線は、図１と同様の配管を意味している。
【００８３】
第６実施形態にかかる熱供給システム６００は、切替弁を備え、且つヒートポンプが複数の蒸発器および複数の膨張弁を有し、切替弁を切り替えながら複数の蒸発器を交互に運転する点において、第１実施形態の熱供給システム１００と大きく異なる。すなわち、図６に示すように、熱供給システム６００は、空気圧縮機４１０と、ヒートポンプ６２０と、熱供給設備１４０と、切替弁としての四方弁６４０と、タンク（不図示）を備える。
【００８４】
ヒートポンプ６２０は、複数の蒸発器６２２ａおよび６２２ｂと、熱媒体圧縮機１２４と、凝縮器１２６と、複数の膨張弁６２８ａおよび６２８ｂとを有する。複数の蒸発器６２２ａおよび６２２ｂは、圧縮空気の流路４６０に対して直列に配置されており、熱媒体の流路６３０に対しては並列に配置されている。そして、複数の蒸発器６２２ａおよび６２２ｂには、複数の膨張弁６２８ａおよび６２８ｂが各々接続されている。
【００８５】
四方弁６４０は、圧縮空気の流路４６０に設けられる弁である。かかる四方弁６４０を切り替えることにより、複数の蒸発器６２２ａおよび６２２ｂに対する圧縮空気の流れ方向を切り替えることができる。圧縮空気の流れ方向は、運転する蒸発器６２２ａ、６２２ｂが下流側になる方向とする。
【００８６】
本実施形態では、四方弁６４０を切り替えながら複数の蒸発器６２２ａおよび６２２ｂを交互に運転する。詳細には、図６に示す四方弁６４０の状態では、圧縮空気は流路４６０を反時計回りの方向に通過する。このとき、ヒートポンプ６２０では、膨張弁６２８ｂを閉状態として蒸発器６２２ｂは運転をせず、膨張弁６２８ａを開状態として蒸発器６２２ａを運転する。これにより、蒸発器６２２ａにおいて圧縮空気と熱媒体との熱交換が行われる。この熱交換により蒸発器６２２ａに着霜が生じたら、四方弁６４０を切り替える。すると、圧縮空気は流路４６０を図６の矢印と反対の方向、すなわち時計回りの方向に通過する。それと並行して、ヒートポンプ６２０では、膨張弁６２８ａを閉状態として蒸発器６２２ａの運転を停止し、膨張弁６２８ｂを開状態として蒸発器６２２ｂの運転を開始する。これにより、蒸発器６２２ｂにおいて圧縮空気と熱媒体との熱交換が行われる。
【００８７】
上記説明したように、第６実施形態にかかる熱供給システム６００によれば、複数の蒸発器６２２ａおよび６２２ｂのうちいずれかに着霜が生じた場合であっても、他の蒸発器を運転することにより、圧縮空気の冷却除湿を継続することができる。そして、圧縮空気が、運転中の蒸発器に供給される前に停止中の、すなわち着霜した蒸発器を通過することにより、かかる蒸発器の除霜を好適に行うことが可能となる。特に、圧縮空気の流れ方向を切り替えることにより、冷却前の圧縮空気によって除霜を行うことができるため、迅速に除霜を行うことができる。
【００８８】
（第７実施形態）
図７は、第７実施形態にかかる熱供給システム７００の構成を示す図である。なお、第１実施形態の熱供給システム１００および第４実施形態の熱供給システム４００の構成要素と実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付して説明を省略する。また、図７中の破線、実線および白抜き線は、図１と同様の配管を意味している。
【００８９】
第７実施形態にかかる熱供給システム７００は、熱交換器を備え、圧縮空気と被加熱体とが直接的および間接的に熱交換を行う点において、第１実施形態の熱供給システム１００と大きく異なる。すなわち、図７に示すように、熱供給システム７００は、空気圧縮機４１０と、ヒートポンプ１２０と、熱供給設備１４０と、熱交換器７１０とを備える。
【００９０】
熱交換器７１０は、圧縮空気の流路４６０において空気圧縮機構４１２と蒸発器１２２との間に配置される。そして、本実施形態では、被加熱体が循環する流路７４２は、ヒートポンプ１２０および熱交換器７１０の上流側において、分岐流路７４２ａおよび７４２ｂに分岐する。分岐流路７４２ａは熱交換器７１０内を通過し、分岐流路７４２ｂはヒートポンプ１２０の凝縮器１２６を通過し、分岐流路７４２ａおよび７４２ｂは熱供給設備１４０の上流側で合流する。
【００９１】
本実施形態において、被加熱体は、分岐流路７４２ａを通過すると、熱交換器７１０において高温の圧縮空気と直接的に熱交換を行い、分岐流路７４２ｂを通過すると、凝縮器１２６において、熱交換器７１０における熱交換により温度が低下した圧縮空気と熱交換を行った熱媒体と熱交換を行う。換言すれば、被加熱体は、凝縮器１２６においてヒートポンプ１２０を介した状態で圧縮空気と間接的に熱交換を行う。すなわち、熱供給システム７００では、圧縮空気による被加熱体の直接加熱および間接加熱の両方を行うことができる。
【００９２】
したがって、上記構成によれば、例えば被加熱体の温度が直接加熱で足りるのであればヒートポンプを動作させず、さらに高い温度が必要であればヒートポンプを介して加熱するという動作切替を行うことが可能となる。また直接加熱した被加熱体と間接加熱した被加熱体を混合させて中間温度の被加熱体を生成することもできる。その結果、ヒートポンプの動作を極力削減し、消費電力をさらに低減させることができ、また圧縮空気の冷却効率をより向上することが可能となる。
【００９３】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施例について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００９４】
なお、上述した実施形態では、被加熱体はヒートポンプの凝縮器と熱供給設備とを循環する構成について説明したが、これに限定するものではなく、被加熱体は、凝縮器において熱交換を行い熱供給設備に供給された後に凝縮器に循環しなくてもよい。ただし、その場合においては、被加熱体は凝縮器に連続的に供給されることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明は、産業用の空調や給湯等に使用される熱を供給する熱供給システムとして利用することができる。
【符号の説明】
【００９６】
１００…熱供給システム、１１０…空気圧縮機、１１２…空気圧縮機構、１１４…タンク、１２０・１２０ａ・１２０ｂ…ヒートポンプ、１２２・１２２ａ・１２２ｂ・１２２ｃ…蒸発器、１２４…熱媒体圧縮機、１２６・１２６ａ・１２６ｂ・１２６ｃ…凝縮器、１２８…膨張弁、１４０…熱供給設備、１４０ａ…循環配管、２００…熱供給システム、２１０ａ・２１０ｂ・２１０ｃ・２１０ｄ・２１０ｅ…空気圧縮機、２１２ａ・２１２ｂ・２１２ｃ・２１２ｄ・２１２ｅ…空気圧縮機構、２２０…ヒートポンプ、２２２ａ・２２２ｂ・２２２ｃ・２２２ｄ・２２２ｅ…蒸発器、２２８ａ・２２８ｂ・２２８ｃ・２２８ｄ・２２８ｅ…膨張弁、２３０…タンク、３００…熱供給システム、３１０…空気圧縮機、３１２…空気圧縮機構、３１２ａ…空気圧縮機構ケーシング、３１４…電源装置、３１６…潤滑油装置、３１８…電動機ケーシング、３２０…ヒートポンプ、３２２ａ・３２２ｂ・３２２ｃ・３２２ｄ・３２２ｅ…蒸発器、４００…熱供給システム、４１０…空気圧縮機、４１２…空気圧縮機構、４６０…流路、５００…熱供給システム、５１０…空気圧縮機、５１２・５１４…空気圧縮機構、６００…熱供給システム、６２０…ヒートポンプ、６２２ａ・６２２ｂ…蒸発器、６２８ａ・６２８ｂ…膨張弁、６４０…四方弁、７００…熱供給システム、７１０…熱交換器、７４２…流路、７４２ａ・７４２ｂ…分岐流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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