(57)【要約】      （修正有）【課題】電気化学圧縮機を用いたヒートポンプ装置の効率を向上させるための技術を提供する。【解決手段】ヒートポンプ装置１００は、冷媒を蒸発させる蒸発器１０と、蒸発器１０で蒸発した冷媒を圧縮する電気化学圧縮機１１と、電気化学圧縮機１１によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器１６と、を備え、電気化学圧縮機１１は、蒸発器１０で発生させた湿り蒸気の冷媒を、電気化学圧縮により圧縮するように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液相の冷媒である冷媒液を貯留するとともに、前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発した前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記蒸発器、前記圧縮機、前記凝縮器をこの順番で環状に接続し、前記冷媒を循環させる主回路とを備え、
前記蒸発器は、前記冷媒を蒸発させて湿り蒸気の状態の前記冷媒を発生させ、
前記圧縮機は、前記蒸発器で発生した前記湿り蒸気の状態の前記冷媒を電気化学圧縮により圧縮する、
ヒートポンプ装置。
【請求項２】
前記蒸発器は、前記湿り蒸気の状態の前記冷媒を発生させる湿り蒸気発生器を内部に備える、請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【請求項３】
前記湿り蒸気発生器は、前記蒸発器に貯留された前記冷媒液をバブリングすることによって前記湿り蒸気の状態の前記冷媒を発生させる、請求項２に記載のヒートポンプ装置。
【請求項４】
前記圧縮機の吐出側の高圧空間と前記圧縮機の吸入側の低圧空間とを、前記主回路とは別の経路で連結し、前記電気化学圧縮のために使用され、前記低圧空間から前記高圧空間に移動した非凝縮性ガスを前記高圧空間から前記低圧空間へと戻す非凝縮性ガス戻し路
をさらに備え、
前記主回路は、前記凝縮器から前記蒸発器へと前記冷媒を移送する冷媒移送路を含み、
前記非凝縮性ガス戻し路は、前記蒸発器に貯留された前記冷媒液の液面より下に位置する出口を有し、前記湿り蒸気発生器として機能する、請求項２又は３に記載のヒートポンプ装置。
【請求項５】
ポンプ及び熱交換器を有し、前記ポンプの働きによって前記蒸発器と前記熱交換器との間で前記冷媒を循環させる循環路をさらに備え、
前記循環路は、前記蒸発器に貯留された前記冷媒液の液面より下に位置する出口を有し、前記湿り蒸気発生器として機能する、請求項２〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項６】
前記湿り蒸気発生器は、前記蒸発器に貯留された前記冷媒液の液面を波立たせることによって前記冷媒の飛沫を飛散させる、請求項２〜５のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項７】
前記圧縮機は、前記冷媒を、前記湿り蒸気の状態から過熱蒸気の状態に達するまで圧縮する、請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項８】
前記圧縮機によって圧縮された後かつ前記凝縮器において凝縮する前の前記冷媒の温度を検出する第１検出器をさらに備えた、請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【請求項９】
前記蒸発器の内部において前記湿り蒸気の状態の前記冷媒を発生させる湿り蒸気発生器と、
前記第１検出器によって検出された前記温度と前記凝縮器に貯留された前記冷媒液の温度とに基づいて前記湿り蒸気発生器を制御する制御器と、をさらに備えた請求項８に記載のヒートポンプ装置。
【請求項１０】
前記第１検出器によって検出される前記温度を第１温度、前記凝縮器に貯留された前記冷媒液の前記温度を第２温度と定義したとき、
前記制御器は、前記湿り蒸気発生器を制御することで、
前記第１温度と前記第２温度との温度差が閾値以上である場合には、前記圧縮機に供給されるべき前記冷媒の湿り度を上げ、
前記温度差がゼロである場合には、前記圧縮機に供給されるべき前記冷媒の湿り度を下げる、請求項９に記載のヒートポンプ装置。
【請求項１１】
前記凝縮器に貯留された前記冷媒液の液面より下に配置され、前記冷媒液の前記温度を検出する第２検出器をさらに備えた、請求項９又は１０に記載のヒートポンプ装置。
【請求項１２】
前記凝縮器の内部の圧力を検出する第２検出器をさらに備え、
前記制御器は、前記凝縮器に貯留された前記冷媒液の前記温度を、前記第２検出器によって検出された前記圧力に基づいて導出する、請求項９又は１０に記載のヒートポンプ装置。
【請求項１３】
前記第２検出器は、前記凝縮器に貯留された前記冷媒液の液面よりも上方に配置されている、請求項１２に記載のヒートポンプ装置。
【請求項１４】
前記第１検出器は、前記圧縮機によって圧縮された前記冷媒の到達温度を検出することが可能な位置に配置されている、請求項８〜１３のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項１５】
前記第１検出器は、前記主回路において、前記圧縮機の吐出側であって、前記圧縮機と前記凝縮器との間に配置されている、請求項８〜１３のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項１６】
前記圧縮機は、電解質膜と、前記電解質膜の第１主面側に配置され、導電性基材と前記導電性基材に担持された触媒とを含む第１電極と、導電性基材と前記導電性基材に担持された触媒とを含む第２電極と、を備える、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項１７】
前記圧縮機は、前記第１電極及び前記第２電極間に電圧を印加して、前記蒸発器から供給された前記湿り蒸気の状態の前記冷媒を、前記電解質膜に透過させて過熱蒸気の状態の前記冷媒に変化させる、請求項１６記載のヒートポンプ装置。
【請求項１８】
前記冷媒は、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒である、請求項１〜１７のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ヒートポンプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池に使用されている電解質膜に電圧を加えると、Ｈ2がプロトン（Ｈ+）に変化し、電解質膜の一方の面から他方の面へと移動する。このとき、プロトンは、水、アルコール、アンモニアなどの極性物質を伴って電解質膜の中を移動する。この現象を利用して極性物質のガスを圧縮する技術は、「電気化学圧縮（Electrochemical Compression）」と呼ばれている。電気化学圧縮を応用した圧縮機は、「電気化学圧縮機（Electrochemical Compressor）」と呼ばれている。特許文献１及び２には、電気化学圧縮機を使用したヒートポンプ装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２６２４２４号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１０／０１３２３８６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、電気化学圧縮機を用いたヒートポンプ装置の効率を向上させるための技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
すなわち、本開示は、
液相の冷媒である冷媒液を貯留するとともに、前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発した前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記蒸発器、前記圧縮機、前記凝縮器をこの順番で環状に接続し、前記冷媒を循環させる主回路とを備え、
前記蒸発器は、前記冷媒を蒸発させて湿り蒸気の状態の前記冷媒を発生させ、
前記圧縮機は、前記蒸発器で発生した前記湿り蒸気の状態の前記冷媒を電気化学圧縮により圧縮する、
ヒートポンプ装置を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本開示によれば、電気化学圧縮機を用いたヒートポンプ装置の効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本開示の一実施形態に係るヒートポンプ装置の構成図
【図２】湿り圧縮による圧縮仕事の削減効果を説明するためのｐ−ｈ線図
【図３】湿り蒸気を発生させるために図１に示すヒートポンプ装置によって実行される制御を示すフローチャート
【図４】図３のフローチャートの制御に基づく冷媒の状態の変化を示すｐ−ｈ線図
【図５】変形例１に係るヒートポンプ装置の構成図
【図６】変形例２に係るヒートポンプ装置の構成図
【図７】変形例３に係るヒートポンプ装置の構成図
【図８】変形例４に係るヒートポンプ装置の構成図
【図９】変形例５に係るヒートポンプ装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（本開示の基礎となった知見）
本発明者らは、電気化学圧縮機を用いたヒートポンプ装置を鋭意検討した。その結果、以下の知見を得た。容積型圧縮機、ターボ型圧縮機などの機械式圧縮機を用いたヒートポンプ装置は、圧縮機に湿り蒸気が供給されないように構成されている。機械式圧縮機に湿り蒸気が供給されると、弁、シリンダ、インペラなどの構成部品が破損又は腐食する可能性がある。従って、機械式圧縮機を用いたヒートポンプ装置は、所定の過熱度を有する冷媒蒸気（過熱蒸気）が圧縮機に吸入されるように制御されている。しかし、電気化学圧縮機を用いたヒートポンプ装置にそのような要請は無い。そこで、本発明者らは冷媒が湿り蒸気の状態である場合及び過熱蒸気の状態である場合のそれぞれにおける、電気化学圧縮機に必要とされる圧縮仕事を検討した。その結果、所定の圧力まで冷媒を圧縮するとき、冷媒が湿り蒸気の状態である場合の方が、冷媒が過熱蒸気の状態である場合よりも、圧縮機に必要とされる圧縮仕事が少なくなることを見出した。そこで、本発明者らは、上記知見に基づき、以下に説明する各態様の発明を想到するに至った。
【０００９】
本開示の第１態様にかかるヒートポンプ装置は、
液相の冷媒である冷媒液を貯留するとともに、前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発した前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記蒸発器、前記圧縮機、前記凝縮器をこの順番で環状に接続し、前記冷媒を循環させる主回路とを備え、
前記蒸発器は、前記冷媒を蒸発させて湿り蒸気の状態の前記冷媒を発生させ、
前記圧縮機は、前記蒸発器で発生した前記湿り蒸気の状態の前記冷媒を電気化学圧縮により圧縮するものである。
【００１０】
第１態様のヒートポンプ装置によれば、冷媒を電気化学圧縮により圧縮する電気化学圧縮機において、湿り圧縮が行われる。電気化学圧縮機は、弁などの可動部を持っていないので、湿り圧縮が行われたとしても構成部品の破損のおそれがない。乾き圧縮（過熱蒸気の状態である冷媒を圧縮すること）と湿り圧縮（湿り蒸気の状態の冷媒を圧縮すること）とを比較すると、冷凍サイクルの理論効率は、湿り圧縮で相対的に高く、乾き圧縮で相対的に低い。従って、第１態様によれば、電気化学圧縮機で湿り圧縮を行うことによって、所定の圧力まで冷媒を圧縮するために必要とされる圧縮仕事を減らすことができる。圧縮仕事を減らすことができる理由は、後述するように、ｐ−ｈ線図における等エントロピー線の傾きを考えれば容易に理解できる。これにより、電気化学圧縮機を用いたヒートポンプ装置の効率を向上させることができる。
【００１１】
本開示の第２態様において、第１態様にかかるヒートポンプ装置の蒸発器は、前記湿り蒸気の状態の前記冷媒を発生させる湿り蒸気発生器を内部に備えていてもよい。湿り蒸気発生器によって、十分な湿り度を持った冷媒蒸気を発生させることができる。
【００１２】
本開示の第３態様において、第２態様にかかるヒートポンプ装置の前記湿り蒸気発生器は、前記蒸発器に貯留された前記冷媒液をバブリングすることによって前記湿り蒸気の状態の前記冷媒を発生させてもよい。バブリング方式によれば、貯留された冷媒液から直接的かつ効率的に湿り蒸気の状態の冷媒を発生させることができる。
【００１３】
本開示の第４態様において、第２又は第３態様にかかるヒートポンプ装置は、前記圧縮機の吐出側の高圧空間と前記圧縮機の吸入側の低圧空間とを、前記主回路とは別の経路で連結し、前記電気化学圧縮のために使用され、前記低圧空間から前記高圧空間に移動した非凝縮性ガスを前記高圧空間から前記低圧空間へと戻す非凝縮性ガス戻し路をさらに備え、前記主回路は、前記凝縮器から前記蒸発器へと前記冷媒を移送する冷媒移送路を含み、前記非凝縮性ガス戻し路は、前記蒸発器に貯留された前記冷媒液の液面より下に位置する出口を有し、前記湿り蒸気発生器として機能することとしてもよい。非凝縮性ガス戻し路を湿り蒸気発生器として使用すれば、追加的な部品が不要である。湿り蒸気の状態の冷媒を発生させるためのエネルギーも節約できる。
【００１４】
本開示の第５態様において、第２〜第４態様のいずれか１つにかかるヒートポンプ装置は、ポンプ及び熱交換器を有し、前記ポンプの働きによって前記蒸発器と前記熱交換器との間で前記冷媒を循環させる循環路をさらに備え、前記循環路は、前記蒸発器に貯留された前記冷媒液の液面より下に位置する出口を有し、前記湿り蒸気発生器として機能することとしてもよい。循環路を湿り蒸気発生器として使用すれば、追加的な部品が不要である。湿り蒸気の状態の冷媒を発生させるためのエネルギーも節約できる。
【００１５】
本開示の第６態様において、第２〜第５態様のいずれか１つにかかるヒートポンプ装置の前記湿り蒸気発生器は、前記蒸発器に貯留された前記冷媒液の液面を波立たせることによって前記冷媒の飛沫を飛散させてもよい。蒸発器に貯留された冷媒液の液面を波立たせることによって、冷媒液の飛沫（冷媒ミスト）を蒸発器の内部空間に飛散させることができる。
【００１６】
本開示の第７態様において、第１〜第６態様のいずれか１つにかかるヒートポンプ装置の前記電気化学圧縮機は、前記冷媒を、前記湿り蒸気の状態から過熱蒸気の状態に達するまで圧縮されることとしてもよい。第７態様によれば、電気化学圧縮機の圧縮仕事を十分に減らすことができ、ヒートポンプ装置の効率を向上させることができる。
【００１７】
本開示の第８態様おいて、第１態様にかかるヒートポンプ装置は、前記圧縮機によって圧縮された後かつ前記凝縮器において凝縮する前における前記冷媒の温度を検出する第１検出器をさらに備えていてもよい。
【００１８】
従来の機械式圧縮機を用いたヒートポンプ装置では、蒸発器での冷媒の蒸発温度と圧縮機の吸入口での冷媒の温度（吸入温度）とを検出することによって、圧縮機の吸入口における冷媒の状態及び冷媒の過熱度を把握できる。過熱度が所望の数値範囲に収まるように膨張弁などの構成部品の制御が行われ、これにより、所望の冷凍サイクルでヒートポンプ装置が運転される。他方、湿り蒸気を電気化学圧縮機に供給する場合、吸入温度が蒸発温度に一致する。吸入温度と蒸発温度とを検出したとしても電気化学圧縮機の吸入口における冷媒の状態を正確に把握でないため、所望の冷凍サイクルでヒートポンプ装置を運転することは困難である。
【００１９】
これに対し、第８態様のヒートポンプ装置は、電気化学圧縮機によって圧縮された後かつ凝縮器において凝縮する前の冷媒の温度を検出する第１検出器を備える。つまり、第１検出器は、電気化学圧縮機の吐出口における冷媒の温度（吐出温度）を検出する。これにより、ヒートポンプ装置の制御に吐出温度が使用できるため、電気化学圧縮機を用いたヒートポンプ装置の制御性を向上させることができる。
【００２０】
本開示の第９態様において、第８態様にかかるヒートポンプ装置は、前記蒸発器の内部において前記湿り蒸気の状態の前記冷媒を発生させる湿り蒸気発生器と、前記第１検出器によって検出された前記温度と前記凝縮器に貯留された前記冷媒液の温度とに基づいて前記湿り蒸気発生器を制御する制御器と、をさらに備えていてもよい。第９態様によれば、適切な湿り度を持った冷媒蒸気を電気化学圧縮機に供給できる。つまり、電気化学圧縮機で湿り圧縮が行われるようにヒートポンプ装置が運転されうる。
【００２１】
本開示の第１０態様において、第９態様にかかるヒートポンプ装置は、前記第１検出器によって検出される前記温度を第１温度、前記凝縮器に貯留された前記冷媒液の前記温度を第２温度と定義したとき、前記制御器は、前記湿り蒸気発生器を制御することで、前記第１温度と前記第２温度との温度差が閾値以上である場合には、前記圧縮機に供給されるべき前記冷媒の湿り度を上げ、前記温度差がゼロである場合には、前記圧縮機に供給されるべき前記冷媒の湿り度を下げてもよい。第１０態様によれば、高圧側における冷媒の過熱度（第１温度と第２温度との温度差）を適切な範囲に収めることができる。言い換えれば、電気化学圧縮機において、冷媒は、湿り蒸気の状態から閾値未満の過熱度を持った過熱蒸気の状態に達するまで圧縮される。これにより、電気化学圧縮機の圧縮仕事を十分に減らすことができ、ヒートポンプ装置の効率を向上させることができる。
【００２２】
本開示の第１１態様において、第９又は第１０態様にかかるヒートポンプ装置は、前記凝縮器に貯留された前記冷媒液の液面より下に配置され、前記冷媒液の前記温度を検出する第２検出器をさらに備えていてもよい。このような位置に第２検出器が配置されていると、冷凍サイクルの高圧側における冷媒の飽和温度を正確に検出できるので、過熱度を正確に算出できる。その結果、ヒートポンプ装置の制御精度が向上する。このことは、ヒートポンプ装置の効率の向上にも寄与する。
【００２３】
本開示の第１２態様において、第９又は第１０態様にかかるヒートポンプ装置は、前記凝縮器の内部の圧力を検出する第２検出器をさらに備え、前記制御器は、前記凝縮器に貯留された前記冷媒液の前記温度を、前記第２検出器によって検出された前記圧力に基づいて導出してもよい。検出された圧力に飽和温度が対応するので、第２検出器によって検出された圧力に基づき、凝縮器に貯留された冷媒液の温度が導出されうる。
【００２４】
本開示の第１３態様において、第１２態様にかかるヒートポンプ装置は、前記第２検出器は、前記凝縮器に貯留された前記冷媒液の液面よりも上方に配置されている、ヒートポンプ装置を提供する。液面よりも上方の空間の圧力を検出すれば、冷媒液の寄与を考慮に入れる必要が無い。そのため、飽和温度を正確に検出できる。
【００２５】
本開示の第１４態様において、第８〜第１３態様のいずれか１つにかかるヒートポンプ装置の前記第１検出器は、前記圧縮機によって圧縮された前記冷媒の到達温度を検出することが可能な位置に配置されていてもよい。このような位置に第１検出器が配置されていると、電気化学圧縮機の吐出温度を正確に検出できるので、過熱度を正確に算出できる。その結果、ヒートポンプ装置の制御精度が向上する。このことは、ヒートポンプ装置の効率の向上にも寄与する。
【００２６】
本開示の第１５態様において、第８〜第１３態様のいずれか１つにかかるヒートポンプ装置の前記第１検出器は、前記主回路において、前記圧縮機の吐出側であって、前記圧縮機と前記凝縮器との間に配置されていてもよい。
【００２７】
本開示の第１６態様において、第８〜第１３態様のいずれか１つにかかるヒートポンプ装置の前記圧縮機は、電解質膜と、前記電解質膜の第１主面側に配置され、導電性基材と前記導電性基材に担持された触媒とを含む第１電極と、導電性基材と前記導電性基材に担持された触媒とを含む第２電極と、を備えていてもよい。
【００２８】
本開示の１７態様において、第１６態様にかかるヒートポンプ装置の前記圧縮機は、前記第１電極及び前記第２電極間に電圧を印加して、前記蒸発器から供給された前記湿り蒸気の状態の前記冷媒を、前記電解質膜に透過させて過熱蒸気の状態の前記冷媒に変化させもよい。
【００２９】
本開示の第１８態様において、第８〜第１７態様のいずれか１つにかかるヒートポンプ装置の前記冷媒は、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒であってもよい。
【００３０】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。
【００３１】
図１に示すように、本実施形態のヒートポンプ装置１００は、主回路２、第１循環路４、第２循環路６及び非凝縮性ガス戻し路２８を備えている。第１循環路４の両端は主回路２に接続されている。第２循環路６の両端も主回路２に接続されている。主回路２、第１循環路４及び第２循環路６には、作動流体として、冷媒及び非凝縮性ガスが充填されている。冷媒は、凝縮性流体である。非凝縮性ガスは、電気化学的に活性なガスであり、主回路２において冷媒を圧縮するために使用される。
【００３２】
本実施形態では、電気化学的に活性な非凝縮性ガスとして、水素ガスが使用されている。そのため、比重差を利用して水素ガスと冷媒とを分離することができる。冷媒として、極性物質が使用されている。詳細には、冷媒として、水、アルコール、アンモニアなどの自然冷媒を使用できる。自然冷媒の使用は、オゾン層の保護、地球温暖化の防止などの環境保護の観点で望ましい。アルコールとして、メタノール、エタノールなどの低級アルコールが挙げられる。水及びアルコールは、常温（日本工業規格：２０℃±１５℃／JIS Z8703）での飽和蒸気圧が負圧（絶対圧で大気圧よりも低い圧力）の冷媒である。常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒を使用すると、ヒートポンプ装置１００の運転時において、ヒートポンプ装置１００の内部の圧力は大気圧を下回る。冷媒としてアンモニアを使用した場合、ヒートポンプ装置１００は、例えば、蒸発器１０及び凝縮器１６の内部の圧力が大気圧よりも高い圧力となる条件で運転されうる。上記の冷媒は、単独で使用してもよいし、２種以上を混合して使用してもよい。凍結防止などの理由から、冷媒には、不凍剤が含まれていてもよい。不凍剤として、エチレングリコール、プロピレングリコールなどのアルコールを使用できる。不凍剤を含む冷媒として、水とアルコールとの混合冷媒が挙げられる。アルコールは冷媒としても機能しうる。
【００３３】
主回路２は、冷媒を循環させる回路であり、蒸発器１０、電気化学圧縮機１１、凝縮器１６、冷媒移送路１８を有する。冷媒は、蒸発器１０、電気化学圧縮機１１、凝縮器１６及び冷媒移送路１８をこの順番に通過する。主回路２は、蒸発器１０で生成された冷媒蒸気を電気化学圧縮機１１で圧縮しつつ凝縮器１６に供給するための蒸気経路（図示省略）を有していてもよい。この場合、電気化学圧縮機１１が蒸気経路に配置される。
【００３４】
電気化学圧縮機１１は、電気化学的に活性な非凝縮性ガスを用い、蒸発器１０で蒸発した冷媒を圧縮する。具体的に、電気化学圧縮機１１は、電解質膜１３（電解質層）、第１電極１２及び第２電極１４を有する。すなわち、電気化学圧縮機１１は、固体高分子形燃料電池で使用されている膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の構造を有する。電解質膜１３は、例えば、ナフィオン（デュポン社の登録商標）のようなパーフルオロスルホン酸膜である。第１電極１２は、電解質膜１３の第１主面側に配置されている。第２電極１４は、電解質膜１３の第２主面側に配置されている。第１電極１２及び第２電極１４は、それぞれ、例えば、カーボンクロスのような導電性基材と、導電性基材に担持された触媒とによって構成されている。触媒は、例えば、貴金属を含む貴金属触媒としてもよい。第１電極１２及び第２電極１４は、それぞれ、冷媒の分子及び非凝縮性ガスの分子を透過させる性質を有する。電気化学圧縮機１１は、第１電極１２及び第２電極１４間に電圧を印加して、蒸発器から供給された湿り蒸気の状態の冷媒を、電解質膜に透過させて過熱蒸気の状態の冷媒に変化させる。
【００３５】
本明細書において、「電気化学的に活性なガス」とは、極性物質を伴って電解質膜１３の中を一方の面から他方の面へと移動できる能力を有するガスを意味する。「非凝縮性ガス」とは、ヒートポンプ装置１００の常識的な運転条件、例えば、−２５℃以上の温度、かつ２ＭＰａ未満の圧力で気相の状態にある物質のガスを意味する。
【００３６】
蒸発器１０は、例えば、断熱性を有する耐圧容器によって形成されている。蒸発器１０に第１循環路４の上流端及び下流端が接続されている。蒸発器１０に貯留された冷媒液は、第１循環路４を循環することによって加熱された冷媒液に直接接触する。つまり、蒸発器１０に貯留された冷媒液の一部が第１循環路４において加熱され、飽和状態の冷媒液を加熱する熱源として使用される。飽和状態の冷媒液が加熱されることによって冷媒蒸気が生成される。
【００３７】
蒸発器１０の内部には、上部が開口した小型の容器２６が配置されている。容器２６の内部には、多孔性の充填材２４が配置されている。第１循環路４の下流端は、充填材２４に冷媒液を噴霧するように蒸発器１０の上部から容器２６に向かって延びている。容器２６の中の充填材２４に冷媒液を噴霧することによって気液界面の面積が増加し、これにより、冷媒蒸気の生成を促進することができる。冷媒液の一部は、容器２６の底部に形成された孔から下方に流れ落ち、蒸発器１０に貯留される。なお、効率的な冷媒蒸気の生成が達成される限りにおいて、充填材２４及び容器２６は必須ではない。
【００３８】
第１循環路４は、流路３０、流路３１、第１ポンプ３２及び第１熱交換器３３によって構成されている。流路３０によって蒸発器１０の底部と第１熱交換器３３の入口とが接続されている。流路３１によって第１熱交換器３３の出口と蒸発器１０の上部とが接続されている。流路３０に第１ポンプ３２が配置されている。第１熱交換器３３は、フィンチューブ熱交換器などの公知の熱交換器によって形成されている。第１ポンプ３２の働きによって、冷媒は、蒸発器１０と第１熱交換器３３との間を循環する。ヒートポンプ装置１００が空気調和装置である場合、第１熱交換器３３は室内に配置される。室内の冷房が行われる場合、ファン３４によって第１熱交換器３３に室内の空気が供給され、第１熱交換器３３において室内の空気が冷媒液によって冷却される。
【００３９】
第１循環路４は、蒸発器１０に貯留された冷媒液が第１循環路４を循環する他の熱媒体と混ざらないように構成されていてもよい。例えば、蒸発器１０がシェルチューブ熱交換器のような熱交換構造を有している場合、第１循環路４を循環する他の熱媒体によって蒸発器１０に貯留された冷媒液を加熱し、蒸発させることができる。第１熱交換器３３には、蒸発器１０に貯留された冷媒液を加熱するための他の熱媒体が流れる。他の熱媒体は特に限定されない。他の熱媒体として、水、ブラインなどを使用できる。
【００４０】
凝縮器１６は、例えば、断熱性を有する耐圧容器によって形成されている。凝縮器１６に第２循環路６の上流端及び下流端が接続されている。電気化学圧縮機１１によって圧縮された冷媒蒸気は、第２循環路６を循環することによって冷却された冷媒液に直接接触する。つまり、凝縮器１６に貯留された冷媒液の一部が第２循環路６において冷却され、冷媒蒸気を冷却する冷熱源として使用される。冷媒蒸気が冷却されることによって高温の冷媒液が生成される。
【００４１】
凝縮器１６の内部には、蒸発器１０と同じように、多孔性の充填材２４が配置された小型の容器２６が配置されている。容器２６の中の充填材２４に冷媒液を噴霧することによって気液界面の面積が増加し、これにより、冷媒の凝縮を促進することができる。冷媒液の一部は、容器２６の底部に形成された孔から下方に流れ落ち、凝縮器１６に貯留される。なお、効率的な冷媒蒸気の凝縮が達成される限りにおいて、充填材２４及び容器２６は必須ではない。
【００４２】
第２循環路６は、流路４０、流路４１、第２ポンプ４２及び第２熱交換器４３によって構成されている。流路４０によって凝縮器１６の底部と第２熱交換器４３の入口とが接続されている。流路４１によって第２熱交換器４３の出口と凝縮器１６の上部とが接続されている。流路４０に第２ポンプ４２が配置されている。第２熱交換器４３は、フィンチューブ熱交換器などの公知の熱交換器によって形成されている。第２ポンプ４２の働きによって、冷媒は、凝縮器１６と第２熱交換器４３との間を循環する。ヒートポンプ装置１００が空気調和装置である場合、第２熱交換器４３は室外に配置される。室内の冷房が行われる場合、ファン４４によって第２熱交換器４３に室外の空気が供給され、第２熱交換器４３において冷媒液が室外の空気によって冷却される。
【００４３】
第１循環路４と同様、第２循環路６は、凝縮器１６に貯留された冷媒液が第２循環路６を循環する他の熱媒体と混ざらないように構成されていてもよい。例えば、凝縮器１６がシェルチューブ熱交換器のような熱交換構造を有している場合、第２循環路６を循環する他の熱媒体によって凝縮器１６に供給された冷媒蒸気を冷却し、凝縮させることができる。第２熱交換器４３には、凝縮器１６に供給された冷媒蒸気を冷却するための他の熱媒体が流れる。
【００４４】
なお、ヒートポンプ装置１００がチラー、温水暖房装置又は水冷式凝縮器であるとき、第１熱交換器３３及び／又は第２熱交換器４３は、ブライン、水などの熱媒体と冷媒との間で熱交換を生じさせる液−液熱交換器でありうる。
【００４５】
本実施形態では、第１循環路４を使用して、蒸発器１０に貯留された冷媒液が加熱され、第２循環路６を使用して、凝縮器１６に貯留された冷媒液が冷却される。このように、冷媒液を第１循環路４及び第２循環路６に強制的に循環させる方式によれば、熱交換器３３及び４３における非凝縮性ガスの影響を極力小さくすることができる。ただし、熱交換器３３及び４３として、液冷媒を循環させる熱交換器に代えて、伝熱管の内部で冷媒を蒸発させたり、伝熱管の内部で冷媒を凝縮させたりする通常の熱交換器を使用してもよい。
【００４６】
図１に示すように、冷媒移送路１８は、凝縮器１６から蒸発器１０へと冷媒（詳細には冷媒液）を移送するための流路である。冷媒移送路１８によって、蒸発器１０の底部と凝縮器１６の底部とが接続されている。冷媒移送路１８にはキャピラリ、開度可変の膨張弁などが設けられていてもよい。
【００４７】
非凝縮性ガス戻し路２８は、冷媒移送路１８とは別の経路であって、電気化学圧縮機１１の吐出側の高圧空間と電気化学圧縮機１１の吸入側の低圧空間とを連絡し、高圧空間から低圧空間へと非凝縮性ガスを戻すように構成されている。非凝縮性ガス戻し路２８を通じて、非凝縮性ガスが高圧空間から低圧空間へと戻されるので、冷媒を圧縮するための作動流体としての非凝縮性ガスが不足することを防止できる。言い換えると、非凝縮性ガスの使用量（ヒートポンプ装置１００への非凝縮性ガスの充填量）を減らすことができる。また、冷媒液が循環する熱交換器３３及び４３に伝熱の阻害要因となる非凝縮性ガスが流入することを抑制できるので、ヒートポンプ装置１００の効率を高めることができる。本実施形態では、非凝縮性ガス戻し路２８は、凝縮器１６及び蒸発器１０に直接接続され、凝縮器１６の内部空間（高圧空間）と蒸発器１０の内部空間（低圧空間）とを連絡している。
【００４８】
非凝縮性ガス戻し路２８には、高圧空間と低圧空間との間の圧力差を維持する能力と、高圧空間から低圧空間へと非凝縮性ガスを戻す能力とを有するゲート２２が設けられている。高圧空間と低圧空間との間の圧力差が維持されることによって、高圧空間から低圧空間へと非凝縮性ガスを戻しつつ、ヒートポンプ装置１００の運転を継続することが可能である。
【００４９】
具体的には、ゲート２２として、キャピラリ、流量調整弁又は開閉弁を使用できる。キャピラリの利点は、特別な制御を必要としないことである。開閉弁をゲート２２として使用する場合には、開閉弁を定期的に開放することによって、高圧空間に蓄積した非凝縮性ガスを低圧空間に戻すことができる。開閉弁が閉じられている期間は、冷媒及び非凝縮性ガスは非凝縮性ガス戻し路２８を通過できないので、ヒートポンプ装置１００は効率的に運転されうる。流量調整弁の利点は、開度を変更することによって、非凝縮性ガス戻し路２８における非凝縮性ガスの流量を調整できることである。流量調整弁及び開閉弁の型式は、電動式、空気作動式又は油圧作動式でありうる。場合によっては、流量調整弁を開閉弁と同じ目的で使用してもよい。なお、キャピラリ、流量調整弁及び開閉弁から任意に選ばれる複数の構成部品の組み合わせをゲート２２として使用してもよい。さらに、同じ種類の複数の構成部品をゲート２２として使用してもよい。
【００５０】
また、非凝縮性ガスとして水素を使用すれば、ゲート２２として、水素を選択的に透過させる能力を有する水素透過膜を使用できる。水素透過膜としては、例えば、ゼオライト膜及びパラジウム膜（パラジウム合金膜を含む）が知られている。パラジウム膜は、ヒータで十分に加熱することによって水素を選択的に透過させる。これらの水素透過膜を使用すれば、非凝縮性ガス戻し路２８を通じて、冷媒蒸気が高圧空間から低圧空間へと戻ることを確実に防ぐことができる。
【００５１】
非凝縮性ガス戻し路２８は、凝縮器１６の上部に接続された一端を有する。凝縮器１６において、冷媒は、冷却され、凝縮する。非凝縮性ガスは、比重差によって凝縮器１６の上部の空間に貯まりやすい。従って、非凝縮性ガス戻し路２８が凝縮器１６の上部に接続されていると、非凝縮性ガスが凝縮器１６の内部空間（高圧空間）から非凝縮性ガス戻し路２８へと進みやすい。
【００５２】
非凝縮性ガスの比重及び冷媒蒸気の比重は、ヒートポンプ装置１００の運転中における凝縮器１６の内部での値で比較される。具体的に、「非凝縮性ガスの比重」は、凝縮器１６の内部の温度が特定の温度にあり、かつ、凝縮器１６の内部で非凝縮性ガスが任意の分圧を持っているとき、その温度及びその分圧での非凝縮性ガスの密度から算出されうる。同様に、「冷媒蒸気の比重」は、凝縮器１６の内部の温度が特定の温度にあるとき、その温度での冷媒の飽和蒸気圧における冷媒蒸気の密度から算出されうる。「特定の温度」は、ヒートポンプ装置１００が定常運転を行っているときの凝縮器１６の内部で冷媒がとり得る任意の温度を意味する。「比重」の用語は、例えば空気の密度（０℃、１気圧での値）に対する非凝縮性ガス又は冷媒蒸気の密度の比率を表すものとして使用される。
【００５３】
本実施形態において、凝縮器１６に保持された冷媒の液面及び蒸発器１０に保持された冷媒の液面よりも鉛直方向の上方に電気化学圧縮機１１が位置するように、電気化学圧縮機１１、凝縮器１６及び蒸発器１０の位置関係が定められている。このような構成によれば、電気化学圧縮機１１が非凝縮性ガスを吸入しやすい。
【００５４】
本実施形態において、ヒートポンプ装置１００は、冷媒を湿り蒸気の状態で蒸発器１０から電気化学圧縮機１１に供給するように構成されている。従って、電気化学圧縮機１１において、いわゆる湿り圧縮が行われる。電気化学圧縮機１１は、弁などの構成部品を持っていないので、湿り圧縮が行われたとしても構成部品の破損のおそれがない。また、乾き圧縮と湿り圧縮とを比較すると、冷凍サイクルの理論効率は、湿り圧縮で相対的に高く、乾き圧縮で相対的に低い。従って、電気化学圧縮機１１で湿り圧縮を行うことによって、所定の圧力まで冷媒を圧縮するために必要とされる圧縮仕事を減らすことができる。これにより、ヒートポンプ装置１００の効率を向上させることができる。
【００５５】
図２に示すように、ヒートポンプ装置１００における冷媒の状態（温度及び圧力）は、例えば、点Ａ、点Ｂ、点Ｃ及び点Ｄを結ぶ線に沿って変化する。圧縮過程は、点Ａ及び点Ｂを結ぶ線で表される。圧縮開始時において、冷媒は、点Ａで特定される湿り蒸気の状態（気液二相状態）にある。電気化学圧縮機１１において、湿り圧縮が行われ、冷媒の状態は、点Ａで特定される状態から点Ｂで特定される状態へと変化する。この圧縮過程では、圧縮仕事Δｈ１が必要とされる。
【００５６】
他方、乾き圧縮を行う従来のヒートポンプ装置における冷媒の状態は、例えば、点Ｅ、点Ｆ、点Ｃ及び点Ｄを結ぶ線に沿って変化する。圧縮過程は、点Ｅ及び点Ｆを結ぶ線で表される。圧縮開始時において、冷媒は、点Ｅで特定される過熱蒸気（乾き蒸気）の状態（過熱状態）にある。圧縮機において、乾き圧縮が行われ、冷媒の状態は、点Ｅで特定される状態から点Ｆで特定される状態へと変化する。この圧縮過程では、圧縮仕事Δｈ２が必要とされる。
【００５７】
当業者に知られているように、圧縮過程は、理論上、等エントロピー線に沿って進行する。等エントロピー線の傾きは、高エンタルピー側で相対的に緩やかで、低エンタルピー側で相対的に急峻である。そのため、圧縮仕事Δｈ１は、圧縮仕事Δｈ２よりも小さい。従って、本実施形態によれば、所定の圧力まで冷媒を圧縮するために必要とされる圧縮仕事を減らすことができる。これにより、ヒートポンプ装置１００の効率を向上させることができる。
【００５８】
また、点Ｂの温度は、点Ｆの温度よりも十分に低い。水を冷媒として使用したとき、例えば、点Ｂの温度は５７℃であり、点Ｆの温度は２８０℃である。従って、本実施形態によれば、熱による様々な影響、例えば、熱によって電気化学圧縮機１１の構成部品の劣化が早まることを防止できる。その結果、信頼性の高いヒートポンプ装置１００を提供できる。また、凝縮器１６において冷媒の温度を点Ｆから点Ｂまで下げるために必要な冷熱を削減できる。つまり、乾き圧縮を行う場合と比較して、凝縮のために必要な放熱量が減るので、凝縮器１６及び熱交換器４３を小型化できる可能性もある。
【００５９】
湿り蒸気の状態の冷媒を蒸発器１０から電気化学圧縮機１１に供給するために、ヒートポンプ装置１００は、湿り蒸気の状態の冷媒を蒸発器１０で発生させる湿り蒸気発生器を備えていることが望ましい。湿り蒸気発生器によって、十分な湿り度を持った冷媒蒸気を発生させることができる。湿り蒸気発生器の形式は特に限定されない。一例において、湿り蒸気発生器は、蒸発器１０に貯留された冷媒液をバブリングすることによって湿り蒸気の状態の冷媒を発生させる。バブリング方式によれば、貯留された冷媒液から直接的かつ効率的に湿り蒸気の状態の冷媒を発生させることができる。
【００６０】
図１に示すように、本実施形態では、非凝縮性ガス戻し路２８が湿り蒸気発生器として機能する。非凝縮性ガス戻し路２８は、蒸発器１０に貯留された冷媒液の液面より下に位置する出口２８ａを有する。言い換えれば、非凝縮性ガス戻し路２８を形成する配管が冷媒液の中まで延びている。また、非凝縮性ガス戻し路２８は、凝縮器１６の内部空間に向かって開口している入口２８ｂを有する。出口２８ａと入口２８ｂとの間の圧力差によって、非凝縮性ガスは、非凝縮性ガス戻し路２８を通じて凝縮器１６から蒸発器１０に戻される。このとき、非凝縮性ガスは、蒸発器１０に貯留された冷媒液をバブリングする。これにより、霧状の冷媒液（冷媒ミスト）が蒸発器１０の内部空間に飛散し、気相の冷媒と液相の冷媒とを含む気液二相冷媒が電気化学圧縮機１１に供給される。非凝縮性ガス戻し路２８を湿り蒸気発生器として使用すれば、追加的な部品が不要である。湿り蒸気の状態の冷媒を発生させるためのエネルギーも節約できる。
【００６１】
非凝縮性ガス戻し路２８を通じて凝縮器１６から蒸発器１０に戻される非凝縮性ガスの量を調整すれば、バブリングによる冷媒ミストの発生量を調整できる。これにより、電気化学圧縮機１１に供給されるべき冷媒蒸気の湿り度を調整できる。電気化学圧縮機１１に供給されるべき冷媒蒸気の湿り度を調整することによって、圧縮過程を制御でき、ひいては所望の冷凍サイクルでヒートポンプ装置１００を運転できる。
【００６２】
非凝縮性ガス戻し路２８における非凝縮性ガスの流量を調整するために、非凝縮性ガス戻し路２８に設けられたゲート２２は、流量調整弁を含んでいることが望ましい。
【００６３】
従来のヒートポンプ装置では、蒸発器での冷媒の蒸発温度と圧縮機の吸入口での冷媒の温度（吸入温度）とを検出することによって、圧縮機の吸入口における冷媒の状態及び冷媒の過熱度を把握できる。過熱度が所望の数値範囲に収まるように膨張弁などの構成部品の制御が行われ、これにより、所望の冷凍サイクルでヒートポンプ装置が運転される。他方、冷媒が湿り蒸気の状態で電気化学圧縮機に供給される場合、吸入温度が蒸発温度に一致する。吸入温度と蒸発温度とを検出したとしても電気化学圧縮機の吸入口における冷媒の状態を正確に把握できないため、所望の冷凍サイクルでヒートポンプ装置を運転することは困難である。この課題に対処するために、本実施形態のヒートポンプ装置１００は、以下のように構成されている。
【００６４】
図１に示すように、ヒートポンプ装置１００は、第１検出器２３、第２検出器２５及び制御器５０をさらに備えている。第１検出器２３は、電気化学圧縮機１１によって圧縮された後かつ凝縮器１６において凝縮する前における冷媒の温度を検出する検出器である。第２検出器２５は、凝縮器１６に貯留された冷媒液の温度を検出する検出器である。言い換えれば、第２検出器２５は、冷凍サイクルの高圧側における冷媒の飽和温度（凝縮温度）を検出する検出器である。第１検出器２３によって検出された温度と第２検出器２５によって検出された温度との差は、冷凍サイクルの高圧側における冷媒の過熱度を表す。従って、これらの温度の差に基づいて、電気化学圧縮機１１に供給されるべき冷媒の湿り度を調整することができる。
【００６５】
本実施形態において、検出器２３及び２５は、それぞれ、温度センサである。検出器２３及び２５によって、これらの検出器２３及び２５が配置された位置における冷媒の温度、ひいては冷媒の過熱度を正確に検出できる。第１検出器２３は、電気化学圧縮機１１によって圧縮された冷媒の到達温度を検出することが可能な位置に配置されている。第１検出器２３は、例えば、電気化学圧縮機１１の吐出側の電極１４の近く（電極１４に面する位置）に配置されている。また、例えば、第１検出器２３は、主回路２において、電気化学圧縮機１１の吐出側で、電気化学圧縮機１１と凝縮器１６との間に配置されている。このような位置に第１検出器２３が配置されていると、電気化学圧縮機１１の吐出温度を正確に検出できるので、過熱度を正確に算出できる。その結果、ヒートポンプ装置１００の制御精度が向上する。このことは、ヒートポンプ装置１００の効率の向上にも寄与する。また、第１検出器２３は、電気化学圧縮機１１によって圧縮された冷媒の到達温度を検出することが可能である限り、前記圧縮機の吐出側の高圧空間内部に配置されていてもよい。
【００６６】
第２検出器２５は、例えば、凝縮器１６に貯留された冷媒液の液面より下に配置されている。第２検出器２５は、典型的には、凝縮器１６の底部付近に配置されている。このような位置に第２検出器２５が配置されていると、冷凍サイクルの高圧側における冷媒の飽和温度を正確に検出できるので、過熱度を正確に算出できる。その結果、ヒートポンプ装置１００の制御精度が向上する。このことは、ヒートポンプ装置１００の効率の向上にも寄与する。ただし、凝縮器１６に貯留された冷媒液の温度を検出できる限り、第２検出器２５の位置は特に限定されない。例えば、凝縮器１６に貯留された冷媒液と第２循環路６の流路４０における冷媒液の温度とが概ね一致する場合、又は、第２循環路６の流路４０における冷媒液の温度から凝縮器１６に貯留された冷媒液の温度を推定できる場合、第２検出器２５は、流路４０における冷媒液の温度を検出することが可能な位置に配置されていてもよい。
【００６７】
また、第２検出器２５は、凝縮器１６の内部の圧力を検出する検出器であってもよい。つまり、第２検出器２５として、圧力センサを使用できる。検出された圧力に飽和温度が対応するので、第２検出器２５によって検出された圧力に基づき、凝縮器１６に貯留された冷媒液の温度が導出されうる。第２検出器２５が圧力センサであったとしても、第２検出器２５が温度センサであるときと同じ結果が得られる。
【００６８】
第２検出器２５が凝縮器１６の内部の圧力を検出する検出器であるとき、第２検出器２５は、凝縮器１６に貯留された冷媒液の液面よりも上方に配置されていることが望ましい。具体的には、第２検出器２５は、鉛直方向における電気化学圧縮機１１の下端よりも上方に配置されていることが望ましい。例えば、第１検出器２３と同じ位置に第２検出器２５を配置することができる。図１に示す位置で圧力を検出する場合、冷媒液の寄与を考慮に入れる必要がある。これに対し、液面よりも上方の空間の圧力を検出すれば、冷媒液の寄与を考慮に入れる必要が無い。そのため、飽和温度を正確に検出できる。
【００６９】
制御器５０は、例えば、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。制御器５０には、第１検出器２３及び第２検出器２５から信号が入力される。制御器５０は、検出器２３及び２５の検出結果に基づき、湿り蒸気発生器（本実施形態では非凝縮性ガス戻し路２８）を制御する。制御器５０は、電気化学圧縮機１１、第２ポンプ４２など、湿り蒸気発生器以外の構成部品を制御する制御器であってもよい。
【００７０】
次に、ヒートポンプ装置１００の運転について説明する。
【００７１】
図１に示すように、電気化学圧縮機１１で圧縮された冷媒蒸気は、凝縮器１６において、第２熱交換器４３で過冷却された冷媒液と熱交換することによって凝縮する。凝縮器１６にて凝縮した冷媒液の一部は、冷媒移送路１８を経由して、蒸発器１０に移送される。蒸発器１０に貯留された冷媒液の一部は、第１ポンプ３２によって第１熱交換器３３に供給される。冷媒液は、第１熱交換器３３において室内の空気から熱を奪った後、蒸発器１０に戻る。蒸発器１０に貯留された冷媒液は、減圧下での沸騰により蒸発する。蒸発器１０で生成された冷媒蒸気が電気化学圧縮機１１に吸入される。これにより、例えば、室内の冷房が行われる。
【００７２】
湿り蒸気を発生させるために、制御器５０は、図３のフローチャートの各処理を定期的に実行する。電気化学圧縮機１１によって圧縮された後かつ凝縮器１６において凝縮する前における冷媒の温度を第１温度Ｔ１、凝縮器１６に貯留された冷媒液の温度を第２温度Ｔ２と定義する。第１温度Ｔ１は、第１検出器２３によって検出される温度である。第２温度Ｔ２は、第２検出器２５によって検出される温度である。第１温度Ｔ１及び第２温度Ｔ２に基づいて、湿り蒸気発生器（本実施形態では、非凝縮性ガス戻し路２８）を制御する。これにより、適切な湿り度を持った冷媒蒸気を電気化学圧縮機１１に供給できる。
【００７３】
まず、ステップＳ１において、制御器５０は、第１温度Ｔ１及び第２温度Ｔ２を取得する。次に、ステップＳ２において、第１温度Ｔ１と第２温度Ｔ２との温度差ΔＴを算出する。温度差ΔＴがゼロより大きいとき、温度差ΔＴは冷媒の過熱度を表す。次に、ステップＳ３において、温度差ΔＴが閾値ＴSH以上かどうか判断する。
【００７４】
図４に示すように、閾値ＴSHは、許容される過熱度を表す。閾値ＴSHは、冷媒の種類、ヒートポンプ装置１００の用途などに応じて設定される。冷媒の主成分が水であるとき、閾値ＴSHは、例えば２０℃である。
【００７５】
温度差ΔＴが閾値ＴSH以上である場合、ステップＳ４において、電気化学圧縮機１１に供給されるべき冷媒蒸気の湿り度を上げるための処理が実行される。具体的には、冷媒蒸気の湿り度を上げるように湿り蒸気発生器としての非凝縮性ガス戻し路２８（詳細には戻し路２８のゲート２２）が制御される。ゲート２２が流量調整弁であるとき、その開度を増やすことによって非凝縮性ガス戻し路２８における非凝縮性ガスの流量が増加する。その結果、バブリングによる冷媒ミストの発生量が増加し、冷媒蒸気の湿り度が上がる。
【００７６】
図４に示すように、温度差ΔＴが閾値ＴSH以上であったとしても、電気化学圧縮機１１の吸入口において、冷媒は、湿り蒸気の状態にありうる。そして、電気化学圧縮機１１の吸入口及び吐出口における冷媒の状態（温度及び圧力）も特定できる。そのため、冷凍サイクルを制御するうえでの問題は無い。ただし、図２を参照して説明したように、圧縮仕事を十分に減らすために、高圧側における冷媒の過熱度（温度差ΔＴ）が適切な範囲に収まるようにヒートポンプ装置１００を制御することが望ましい。
【００７７】
他方、温度差ΔＴが閾値ＴSH未満である場合、ステップＳ５において、温度差ΔＴがゼロかどうか判断する。温度差ΔＴがゼロでない場合、温度差ΔＴは、ゼロよりも大きく閾値ＴSHよりも小さい。つまり、高圧側の冷媒の過熱度は適切である。温度差ΔＴがゼロである場合、電気化学圧縮機１１に供給されるべき冷媒蒸気の湿り度を下げるための処理が実行される。具体的には、非凝縮性ガス戻し路２８にゲート２２として設けられた流量調整弁の開度を減らす。これにより、非凝縮性ガス戻し路２８における非凝縮性ガスの流量が減少する。その結果、バブリングによる冷媒ミストの発生量が減少し、冷媒蒸気の湿り度が下がる。
【００７８】
図３に示す制御によれば、電気化学圧縮機１１の吐出口における冷媒の状態に基づき、ヒートポンプ装置１００が運転される。電気化学圧縮機１１の吸入口における冷媒の状態が湿り蒸気の状態であったとしても、所望の冷凍サイクルでヒートポンプ装置１００を運転できる。つまり、図３に示す制御によれば、ヒートポンプ装置１００の制御性が向上する。電気化学圧縮機１１の吐出口における冷媒の状態を制御し、これにより、電気化学圧縮機１１の吸入口における冷媒の状態を理想的な湿り蒸気の状態に保つことができる。
【００７９】
図３に示す制御によれば、高圧側における冷媒の過熱度（温度差ΔＴ）を適切な範囲に収めることができる。言い換えれば、電気化学圧縮機１１において、冷媒は、湿り蒸気の状態から閾値ＴSH未満の過熱度を持った過熱蒸気の状態に達するまで圧縮される。これにより、電気化学圧縮機１１の圧縮仕事を十分に減らすことができ、ヒートポンプ装置１００の効率を向上させることができる。
【００８０】
図１に示すように、第１循環路４及び第２循環路６がそれぞれ蒸発器１０及び凝縮器１６に接続されているとき、第１循環路４及び第２循環路６は、それぞれ、冷媒を加熱する吸熱回路及び冷媒を冷却する放熱回路として機能する。他方、電気化学圧縮機１１への印加電圧の極性を切り換えることによって、蒸発器１０と凝縮器１６とが相互に入れ替わる。この場合、第１循環路４及び第２循環路６は、それぞれ、冷媒を冷却する放熱回路及び冷媒を加熱する吸熱回路として機能する。冷媒液の液面に対する非凝縮ガス戻し路２８の出口２８ａ及び入口２８ｂ（一端と他端）の位置が適切に定められていると、電気化学圧縮機１１への印加電圧の極性の切り換えによって冷房と暖房とを相互に切り換えたとしても、非凝縮ガス戻し路２８を湿り蒸気発生器として使用できる。
【００８１】
以下、ヒートポンプ装置のいくつかの変形例を説明する。図１に示すヒートポンプ装置１００と各変形例とで共通する要素には同じ参照符号を付し、それらの説明を省略する。すなわち、ヒートポンプ装置１００に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、以下の変形例にも適用されうる。
【００８２】
（変形例１）
図５に示すように、本変形例に係るヒートポンプ装置１０２では、第１循環路４が湿り蒸気発生器として使用されている。第１循環路４は、蒸発器１０に貯留された冷媒液の液面より下に位置する出口４ａを有する。言い換えれば、第１循環路４を形成する配管が冷媒液の中まで延びている。冷媒の一部が第１熱交換器３３で気化する場合、気相の冷媒によって冷媒液をバブリングすることができる。第１循環路４を湿り蒸気発生器として使用すれば、追加的な部品が不要である。湿り蒸気の状態の冷媒蒸気を発生させるためのエネルギーも節約できる。
【００８３】
本変形例では、第１循環路４のポンプ３２及び／又は第１熱交換器３３に空気を送るためのファン３４を制御することによって、冷媒蒸気の湿り度を調整できる。冷媒蒸気の湿り度を上げる必要があるとき、ポンプ３２の回転数を増やす、及び／又は、ファン３４の回転数を減らす。ポンプ３２の回転数が増加すると、バブリングの強さが増加し、冷媒ミストの発生量も増加する。ファン３４の回転数が減少すると、第１熱交換器３３で気化する冷媒の量が減少する。この場合、相対的に大きい湿り度を有する気液二相冷媒でバブリングが行われるので、冷媒ミストの発生量が増加する。他方、冷媒蒸気の湿り度を下げる必要があるとき、ポンプ３２の回転数を減らす、及び／又は、ファン３４の回転数を増やす。ポンプ３２の回転数が減少すると、バブリングの強さが弱まり、冷媒ミストの発生量も減少する。ファン３４の回転数が増加すると、第１熱交換器３３で気化する冷媒の量が増加する。この場合、相対的に小さい湿り度を有する気液二相冷媒でバブリングが行われるので、冷媒ミストの発生量が減少する。
【００８４】
（変形例２）
図６に示すように、本変形例に係るヒートポンプ装置１０４は、湿り蒸気発生器として、蒸発器１０に貯留された冷媒液の液面を波立たせる波立て装置５２をさらに備えている。蒸発器１０に貯留された冷媒液の液面を波立たせる（又は揺らす）ことによって、冷媒液の飛沫（冷媒ミスト）を蒸発器１０の内部空間に飛散させることができる。本実施形態では、波立て装置５２として、スクリュー５２が使用されている。スクリュー５２の一部が液面より下にあり、スクリュー５２の残りの部分が液面上にある。ただし、冷媒液の液面を波立たせることができる限り、波立て装置５２はスクリュー５２に限定されない。例えば、液面を振動させる振動子、例えば、超音波振動子などを波立て装置５２として使用できる。
【００８５】
波立て装置５２を制御することによって、冷媒蒸気の湿り度を調整できる。冷媒蒸気の湿り度を上げる必要があるとき、蒸発器１０の内部空間に飛散する冷媒ミストの量が増加するように、波立て装置５２を制御する。本変形例では、スクリュー５２の回転数を増やす。冷媒蒸気の湿り度を下げる必要があるとき、蒸発器１０の内部空間に飛散する冷媒ミストの量が減少するように、波立て装置５２を制御する。具体的には、スクリュー５２の回転数を減らす。
【００８６】
本変形例において、非凝縮性ガス戻し路２８は、凝縮器１６の上部の空間に向かって開口している一端と、蒸発器１０の上部の空間に向かって開口している他端とを有する。この場合、冷房と暖房とを簡単に切り換えることができる。つまり、冷房と暖房とを切り換えるための特別な構造が必要とされない。電気化学圧縮機１１への印加電圧の極性を切り換えることによって、蒸発器１０と凝縮器１６とが相互に入れ替わり、これにより、冷房と暖房とを簡単に切り換えることができる。波立て装置５２は、凝縮器１６の内部にも設けられていてもよい。
【００８７】
（変形例３）
図７に示すように、本変形例に係るヒートポンプ装置１０６では、第１循環路４が湿り蒸気発生器として使用されている。ただし、本変形例において、第１循環路４の出口４ａは、蒸発器１０に貯留された冷媒液の液面よりも上方に位置している。言い換えれば、流路３１を形成する配管の端部が冷媒液の液面よりも上方に位置している。第１循環路４は、冷媒の一部が第１熱交換器３３で気化し、気液二相状態の冷媒が第１熱交換器３３から蒸発器１０に戻るように構成されている。具体的には、気液二相状態の冷媒が第１熱交換器３３から蒸発器１０に戻るように、第１熱交換器３３の大きさ、第１循環路４における冷媒の循環量（質量流量）などが定められている。蒸発器１０の内部空間に向けて、第１循環路４の出口４ａから気液二相状態の冷媒を噴霧することによって、湿り蒸気の状態の冷媒蒸気を電気化学圧縮機１１に供給できる。第１循環路４を湿り蒸気発生器として使用すれば、追加的な部品が不要である。湿り蒸気の状態の冷媒蒸気を発生させるためのエネルギーも節約できる。
【００８８】
本変形例のヒートポンプ装置１０６は、第３検出器３５をさらに備えている。第３検出器３５は、流路３１における冷媒の温度及び圧力を検出する検出器である。第３検出器３５は、典型的には、温度センサ及び圧力センサを含む。流路３１における冷媒の温度及び圧力を検出すれば、冷媒が過冷却状態、気液二相状態及び過熱状態のいずれの状態にあるのか判断できる。検出された温度が検出された圧力に対応する飽和温度よりも低いとき、冷媒は過冷却状態にある。検出された温度が検出された圧力に対応する飽和温度に一致するとき、冷媒は気液二相状態にある。検出された温度が検出された圧力に対応する飽和温度よりも高いとき、冷媒は過熱状態にある。従って、冷媒蒸気の湿り度を上げる必要があるとき又は冷媒蒸気の湿り度を下げる必要があるとき、流路３１における冷媒の状態に応じて、必要な処理を実行すべきである。
【００８９】
例えば、流路３１において冷媒が気液二相状態にあると仮定する。電気化学圧縮機１１に供給するべき冷媒蒸気の湿り度を上げる必要があるとき、ポンプ３２の回転数を増やす、及び／又は、ファン３４の回転数を減らす。すると、流路３１における冷媒の湿り度が上がるので、出口４ａから噴霧される冷媒に含まれた冷媒液の割合が増加する。その結果、電気化学圧縮機１１に供給される冷媒蒸気の湿り度も上がる。他方、電気化学圧縮機１１に供給するべき冷媒蒸気の湿り度を下げる必要があるとき、ポンプ３２の回転数を減らす、及び／又は、ファン３４の回転数を増やす。すると、流路３１における冷媒の湿り度が下がるので、出口４ａから噴霧される冷媒に含まれた冷媒液の割合が減少する。その結果、電気化学圧縮機１１に供給される冷媒蒸気の湿り度も下がる。
【００９０】
（変形例４）
図８に示すように、本変形例に係るヒートポンプ装置１０８では、バイパス路５３をさらに備えている。バイパス路５３には、弁５５が設けられている。弁５５は、開閉弁であってもよいし、流量調整弁であってもよい。バイパス路５３の一端（入口）及び他端（出口）は、それぞれ、第１熱交換器３３及び非凝縮性ガス戻し路２８に接続されている。詳細には、第１熱交換器３３が複数の分岐流路３３ａ，３３ｂ及び３３ｃを有する。ファン３４に対して最も風上側に位置している分岐流路３３ａの下流部分にバイパス路５３の一端が接続されている。分岐流路３３ａは、第１熱交換器３３の中で最も効率的に熱交換が行われる部分である。分岐流路３３ａにおいて、冷媒は、乾き度の大きい気液二相状態又は過熱状態まで十分に加熱される。冷媒は、第１熱交換器３３の分岐流路３３ａから抜き出され、バイパス路５３を通じて、非凝縮性ガス戻し路２８におけるゲート２２よりも下流側の部分に供給される。非凝縮性ガス戻し路２８に供給された冷媒は、バブリングのために使用されうる。弁５５の開閉によって、又は、弁５５の開度を変更することによって、バブリングの強さを変更することができる。つまり、本変形例によれば、バブリングの強さを変更するためにゲート２２の制御が必須とされない。従って、蒸発器１０の内部の非凝縮性ガスの濃度を最適な値に保ちやすい。なお、バイパス路５３の出口が冷媒液の液面より下に位置していてもよい。
【００９１】
（変形例５）
図９に示すように、本変形例に係るヒートポンプ装置１１０は、主回路２に充填された冷媒とは異なる熱媒体を第１循環路４及び第２循環路６に循環させるように構成されている。つまり、第１循環路４及び第２循環路６は、それぞれ、主回路２から隔離されている。第１循環路４及び第２循環路６は、それぞれ、熱交換部４ｋ及び６ｋを有する。熱交換部４ｋは、蒸発器１０の内部に配置されている。熱交換部６ｋは、凝縮器１６の内部に配置されている。熱交換部４ｋにおいて、第１循環路４を流れる熱媒体と蒸発器１０に貯留された冷媒液とが熱交換する。熱交換部６ｋにおいて、第２循環路６を流れる熱媒体と凝縮器１６に貯留された冷媒液とが熱交換する。
【００９２】
本変形例のヒートポンプ装置１１０では、冷媒移送路１８が湿り蒸気発生器として使用されている。本変形例において、冷媒移送路１８の出口１８ａは、蒸発器１０に貯留された冷媒液の液面よりも上方に位置している。言い換えれば、冷媒移送路１８を形成する配管の端部が冷媒液の液面よりも上方に位置している。また、冷媒移送路１８には、開度可変の膨張弁６３が設けられている。冷媒は、膨張弁６３において減圧されて液相状態から気液二相状態へと変化する。従って、凝縮器１６から蒸発器１０に気液二相状態の冷媒が供給される。蒸発器１０の内部空間に向けて、冷媒移送路１８の出口１８ａから気液二相状態の冷媒を噴霧することによって、湿り蒸気の状態の冷媒を電気化学圧縮機１１に供給できる。冷媒移送路１８を湿り蒸気発生器として使用すれば、追加的な部品が不要である。湿り蒸気の状態の冷媒を発生させるためのエネルギーも節約できる。
【００９３】
ヒートポンプ装置１１０は、さらに、湿り蒸気発生器として機能する加湿路６５を備えている。加湿路６５の一端（入口）は、凝縮器１６（詳細には、凝縮器１６の底部）に接続されている。加湿路６５の他端（出口６５ａ）は、蒸発器１０に貯留された冷媒液の液面よりも上方に位置している。言い換えれば、加湿路６５を形成する配管の端部が冷媒液の液面よりも上方に位置している。加湿路６５の出口６５ａは、詳細には、電気化学圧縮機１１の吸入口の近傍に位置している。また、加湿路６５には、開度可変の加湿弁６７（膨張弁）が設けられている。冷媒は、加湿弁６７において減圧されて液相状態から気液二相状態へと変化する。従って、凝縮器１６から蒸発器１０に気液二相状態の冷媒が供給される。電気化学圧縮機１１の吸入口の近傍に向けて、加湿路６５の出口６５ａから気液二相状態の冷媒を噴霧することによって、湿り蒸気の状態の冷媒を電気化学圧縮機１１に効率的に供給できる。
【００９４】
ヒートポンプ装置１１０において、電気化学圧縮機１１に供給するべき冷媒蒸気の湿り度を上げる必要があるとき、膨張弁６３及び加湿弁６７から選ばれる少なくとも一方の開度を増やす。電気化学圧縮機１１に供給するべき冷媒蒸気の湿り度を下げる必要があるとき、膨張弁６３及び加湿弁６７から選ばれる少なくとも一方の開度を減らす。
【００９５】
（その他）
本明細書で説明したヒートポンプ装置１００〜１１０の湿り蒸気発生器は、それぞれ、他のヒートポンプ装置１００〜１１０にも採用されうる。例えば、図６を参照して説明したヒートポンプ装置１０４のスクリュー５２は、他のヒートポンプ装置１００，１０２，１０６，１０８及び１１０に容易に追加されうる。また、図９を参照して説明したヒートポンプ装置１１０の第１循環路４及び第２循環路６の構成は、他のヒートポンプ装置１００〜１０８に採用されうる。このように、ヒートポンプ装置１００〜１１０の構成は、相互に組み合わせることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本明細書に開示されたヒートポンプ装置は、チラー、空気調和装置、温水暖房装置などに広く利用できる。
【符号の説明】
【００９７】
２  主回路
４  第１循環路
６  第２循環路
１０  蒸発器
１１  電気化学圧縮機
１６  凝縮器
１８  冷媒移送路
２２  ゲート
２３  第１検出器
２５  第２検出器
２８  非凝縮性ガス戻し路
３２  第１ポンプ
３３  第１熱交換器
３４  ファン
４２  第２ポンプ
４３  第２熱交換器
４４  ファン
５０  制御器
５２  波立て装置
５３  バイパス路
５５  弁
６３  膨張弁
６５  加湿路
６７  加湿弁
１００〜１１０  ヒートポンプ装置
【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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【図８】
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【図９】
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