(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素吸蔵合金の発熱反応と吸熱反応を熱の変化で起こさせる高温側熱交換器と低温側熱交換器を備え，高温側熱交換器にて水素吸蔵合金の吸熱反応を行い，低温側熱交換器にて水素吸蔵合金の発熱反応を行う再生過程と，高温側熱交換器にて水素吸蔵合金の発熱反応を行い，低温側熱交換器にて水素吸蔵合金の吸熱反応を行う冷熱出力過程を繰り返すことにより，冷熱負荷を処理する熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプの運転を制御する方法であって，
前記熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプは，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間が短いと，冷熱出力は高くなる反面，ＣＯＰが低下し，逆にサイクルの切替時間が長くなると，冷熱出力は低下する反面，ＣＯＰが向上する特性を有し，
冷熱負荷が上昇した場合は，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間を相対的に短くし，冷熱負荷が低下した場合は，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間を相対的に長くするように制御することを特徴とする，熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプの運転制御方法。
【請求項２】
冷熱負荷について所定の目標値を設定し，冷熱負荷が目標値を越えた場合は，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間を相対的に短くし，冷熱負荷が目標値以下の場合は，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間を相対的に長くすることを特徴とする，請求項１に記載の熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプの運転制御方法。
【請求項３】
目標値を１又は２以上設定して，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間を段階的に変化させることを特徴とする，請求項２に記載の熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプの運転制御方法。
【請求項４】
水素吸蔵合金の発熱反応と吸熱反応を熱の変化で起こさせる高温側熱交換器と低温側熱交換器を備え，高温側熱交換器にて水素吸蔵合金の吸熱反応を行い，低温側熱交換器にて水素吸蔵合金の発熱反応を行う再生過程と，高温側熱交換器にて水素吸蔵合金の発熱反応を行い，低温側熱交換器にて水素吸蔵合金の吸熱反応を行う冷熱出力過程を繰り返すことにより，冷熱負荷を処理する熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプの運転を制御する方法であって，
前記熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプは，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間が短いと，冷熱出力は高くなる反面，ＣＯＰが低下し，逆にサイクルの切替時間が長くなると，冷熱出力は低下する反面，ＣＯＰが向上する特性を有し，
年間のスケジュールに従って，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間を変化させることを特徴とする，熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプの運転制御方法。
【請求項５】
サイクルの切替時間を，月単位で変化させることを特徴とする，請求項４に記載の熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプの運転制御方法。
【請求項６】
高温側熱交換器と低温側熱交換器に供給される冷却水を冷却する冷却塔の運転を，年間のスケジュールに従って制御することを特徴とする，請求項１，２，３，４又は５のいずれかに記載の熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプの運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，水素吸蔵合金の発熱反応と吸熱反応を熱の変化で起こさせることにより冷熱負荷を処理する熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプにおいて，効率よく運転を制御する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素吸蔵合金は，固体の状態で水素を吸収し，再び放出できる合金であり，合金の組成によって異なるが，温度の上昇もしくは圧力の低下に伴って水素を放出し，逆に，温度の低下もしくは圧力の上昇に伴って水素を吸蔵する特性がある。そして水素吸蔵合金は，水素吸蔵時には発熱反応を起こし，水素放出時には吸熱反応を起こす。そこで，合金の組成を種々選択し，所望の温度でこのような発熱反応と吸熱反応を起こさせることにより冷熱負荷を処理する水素吸蔵合金ヒートポンプが提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
水素吸蔵合金ヒートポンプには，水素吸蔵合金の発熱反応と吸熱反応を圧力の変化で起こさせる圧縮式水素吸蔵合金ヒートポンプと，発熱反応と吸熱反応を熱の変化で起こさせる熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプがある。これら水素吸蔵合金ヒートポンプは，一般的な吸収式・吸着式ヒートポンプに比べ，フロンなどの冷媒が不要であるといった利点がある。特に，熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプは，静寂運転や非高圧運転が可能である点で魅力的である。
【０００４】
その反面，熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプと一般的な吸収式・吸着式のヒートポンプを比較した場合，低温熱源（６０〜８０℃）が利用可能な吸収式・吸着式ヒートポンプのＣＯＰ（成績係数）が０．６〜０．７程度であるのに比べ，熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプのＣＯＰが０．３〜０．４程度と低いといった欠点がある。また，熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプは，吸収式・吸着式ヒートポンプに比べ，装置自体が高価となる他，装置が重く，大がかりな搬入据付作業や設置個所の床強度なども必要になる懸念がある。
【０００５】
これらのうち，装置の重量や価格については，ハード的な問題であり，それらは構造の改良や，材料の選定などによって将来的に解決されるべきである。一方，ＣＯＰについては，運転を制御することにより，改善できる可能性がある。
【０００６】
従って本発明の目的は，熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプの運転を制御することによってＣＯＰを改善できる方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために，本発明によれば，水素吸蔵合金の発熱反応と吸熱反応を熱の変化で起こさせる高温側熱交換器と低温側熱交換器を備え，高温側熱交換器にて水素吸蔵合金の吸熱反応を行い，低温側熱交換器にて水素吸蔵合金の発熱反応を行う再生過程と，高温側熱交換器にて水素吸蔵合金の発熱反応を行い，低温側熱交換器にて水素吸蔵合金の吸熱反応を行う冷熱出力過程を繰り返すことにより，冷熱負荷を処理する熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプの運転を制御する方法であって，前記熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプは，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間が短いと，冷熱出力は高くなる反面，ＣＯＰが低下し，逆にサイクルの切替時間が長くなると，冷熱出力は低下する反面，ＣＯＰが向上する特性を有し，冷熱負荷が上昇した場合は，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間を相対的に短くし，冷熱負荷が低下した場合は，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間を相対的に長くするように制御することを特徴とする，熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプの運転制御方法が提供される。高温側熱交換器と低温側熱交換器は，２種類の合金において，同一の圧力下で安定する温度が高い方が高温側熱交換器であり，低い方が低温側熱交換器である。この運転制御方法において，冷熱負荷とは，例えば建造物にて要求される冷房負荷や，各種製造設備などにて要求される冷却負荷などであり，具体的には，そのような冷却負荷を処理する熱交換器から戻される熱媒水の温度や，熱交換器に入る前（熱交換前）の熱媒水の温度と熱交換器から出た後（熱交換後）の熱媒水の温度との温度差として表される。そのような温度や温度差として表される冷熱負荷について，例えば所定の目標値を予め設定しておき，冷熱負荷が目標値を越えた場合は，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間を相対的に短くし，冷熱負荷が目標値以下の場合は，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間を相対的に長くするように制御が行われる。また，目標値を１又は２以上設定して，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間を段階的に変化させるものであっても良い。
【０００８】
また本発明によれば，水素吸蔵合金の発熱反応と吸熱反応を熱の変化で起こさせる高温側熱交換器と低温側熱交換器を備え，高温側熱交換器にて水素吸蔵合金の吸熱反応を行い，低温側熱交換器にて水素吸蔵合金の発熱反応を行う再生過程と，高温側熱交換器にて水素吸蔵合金の発熱反応を行い，低温側熱交換器にて水素吸蔵合金の吸熱反応を行う冷熱出力過程を繰り返すことにより，冷熱負荷を処理する熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプの運転を制御する方法であって，前記熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプは，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間が短いと，冷熱出力は高くなる反面，ＣＯＰが低下し，逆にサイクルの切替時間が長くなると，冷熱出力は低下する反面，ＣＯＰが向上する特性を有し，年間のスケジュールに従って，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間を変化させることを特徴とする，熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプの運転制御方法が提供される。この場合，サイクルの切替時間を，月単位で変化させるものであっても良い。
【０００９】
これら本発明においては，例えば，外気条件に応じて，高温側熱交換器と低温側熱交換器に供給される冷却水の温度を可能な限り下げるように，冷却水を冷却する冷却塔の運転が制御される。また，高温側熱交換器と低温側熱交換器に供給される冷却水を冷却する冷却塔の運転は，例えば，年間のスケジュールに従って制御される。
【００１０】
本発明者等は，熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプについて種々の検討を重ねた結果，伝熱性能が高い熱交換器を用いた場合，水素吸蔵合金中に温度が拡散していく速度に比べ，水素吸蔵合金中において組成が変化していく速度（水素の吸収，もしくは放出に伴う組成変化の速度）の方が遅いために，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間が短い場合は，組成変化に必要な熱量を越えた熱の入力が必要になり，ＣＯＰ（成績係数）が低下するといった知見を得た。そこで本発明では，年間を通じて期間の短い高負荷時ではサイクルの切替時間を相対的に短くして冷熱出力重視の運転を行い，低負荷時ではサイクルの切替時間を相対的に長くしてＣＯＰ重視の運転を行う。このように，冷熱負荷に応じてサイクルの切替時間を変化させて制御することにより，年間のＣＯＰを向上させることが可能となる。また本発明によれば，高温側熱交換器と低温側熱交換器に供給される冷却水を冷却する冷却塔の運転を制御することにより，冷熱出力とＣＯＰの更なる向上をはかることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の好ましい実施の形態を図面を参照にして説明する。図１に示されるように，本発明の実施の形態にかかる熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプ１（以下，「ヒートポンプ１」）にあっては，２つのヒートポンプユニットＡ，Ｂを備えており，各ヒートポンプユニットＡ，Ｂには，高温側熱交換器１０と低温側熱交換器１１がそれぞれ設けてある。
【００１２】
各ヒートポンプユニットＡ，Ｂの高温側熱交換器１０は，いずれも水素吸蔵合金１２を容器１３内に充填した構成を有し，低温側熱交換器１１も同様に，いずれも水素吸蔵合金１４を容器１５内に充填した構成を有している。高温側熱交換器１０において充填される水素吸蔵合金１２と低温側熱交換器１１において充填される水素吸蔵合金１４は種類が異なっており，限定されるものではないが，一例を挙げれば，高温側の水素吸蔵合金１２は，例えばＬｍＮｉ４．８Ｍｎ０．２の組成を有する直径１ｍｍ以下の粒子の集合であり，低温側の水素吸蔵合金１４は，例えばＭｍＮｉ４．２８Ｃｏ０．３Ｍｎ０．１７Ａｌ０．３Ｆｅ０．１５の組成を有する直径１ｍｍ以下の粒子の集合である。
【００１３】
各高温側熱交換器１０の容器１３及び各低温側熱交換器１１の容器１５の内部には，いずれも水素（Ｈ２）が入れられている。各ヒートポンプユニットＡ，Ｂにおいて，容器１３と容器１５はいずれもバイパス１６によって接続されており，このバイパス１６を通ることにより，高温側熱交換器１０の容器１３と低温側熱交換器１１の容器１５の間で水素が流通するようになっている。高温側熱交換器１０と低温側熱交換器１１は，２種類の水素吸蔵合金１２，１４について，同一の圧力下で安定する温度が高い方の水素吸蔵合金１２を充填しているのが高温側熱交換器１０であり，低い方の水素吸蔵合金１４を充填しているのが低温側熱交換器１１である。但し，各バイパス１６には，水素流量制御弁１７がそれぞれ設けてあり，この水素流量制御弁１７の開度を制御することにより，容器１３と容器１５の間で流通する水素の流量が調節されるようになっている。
【００１４】
各ヒートポンプユニットＡ，Ｂにおける高温側熱交換器１０の容器１３内には，伝熱コイル２０がそれぞれ設けられており，これら伝熱コイル２０には，冷却塔２１で例えば約２５〜３５℃程度に冷却された冷却水と熱源装置２２で例えば約８０〜１００℃程度に加熱された加熱水が，切替機構２３を経て選択的に導入されるようになっている。即ち，ヒートポンプユニットＡにおいて冷熱出力過程を行い，ヒートポンプユニットＢにおいて再生過程を行う場合は，切替機構２３の切替により，ヒートポンプユニットＡの容器１３に設けられた伝熱コイル２０には，冷却塔２１で冷却された冷却水が導入され，ヒートポンプユニットＢの容器１３に設けられた伝熱コイル２０には，熱源装置２２で加熱された加熱水が導入される。これにより，ヒートポンプユニットＡにおいて高温側熱交換器１０の容器１３に充填された水素吸蔵合金１２は冷却され，ヒートポンプユニットＢにおいて高温側熱交換器１０の容器１３に充填された水素吸蔵合金１２は加熱されるようになっている。なお，切替機構２３として，バルブとバイパス管を組み合わせた機構が例示される。
【００１５】
一方，ヒートポンプユニットＡにおいて再生過程を行い，ヒートポンプユニットＢにおいて冷熱出力過程を行う場合は，切替機構２３の切替により，ヒートポンプユニットＡの容器１３に設けられた伝熱コイル２０には，熱源装置２２で加熱された加熱水が導入され，ヒートポンプユニットＢの容器１３に設けられた伝熱コイル２０には，冷却塔２１で冷却された冷却水が導入される。これにより，ヒートポンプユニットＡにおいて高温側熱交換器１０の容器１３に充填された水素吸蔵合金１２は加熱され，ヒートポンプユニットＢにおいて高温側熱交換器１０の容器１３に充填された水素吸蔵合金１２は冷却されるようになっている。
【００１６】
そして，各ヒートポンプユニットＡ，Ｂにおける低温側熱交換器１１の容器１５内には，伝熱コイル２５がそれぞれ設けられており，これら伝熱コイル２５には，冷却塔２１で例えば約２５〜３５℃程度に冷却された冷却水と熱交換器２７で例えば約１０〜１５℃程度に昇温された熱媒水が，切替機構２８を経て選択的に導入されるようになっている。熱交換器２７には，図示しない冷熱負荷との間を循環する熱媒（例えば，水，ブライン等）が供給されている。熱交換器２７は，後述するように，ヒートポンプユニットＡ，Ｂの低温側熱交換器１１で冷却された熱媒水と熱媒（図示しない冷熱負荷との間を循環する熱媒）とを熱交換させることにより，冷熱負荷を処理するようになっている。なお，切替機構２８として，バルブとバイパス管を組み合わせた機構が例示される。また，熱交換器２７は，必須の構成要素ではなく，熱交換器２７を省略し，図示しない冷熱負荷との間を循環する熱媒を，切替機構２８を経て，各伝熱コイル２５に選択的に導入するように構成しても良い。
【００１７】
そして，ヒートポンプユニットＡにおいて冷熱出力過程を行い，ヒートポンプユニットＢにおいて再生過程を行う場合は，切替機構２８の切替により，ヒートポンプユニットＡの容器１５に設けられた伝熱コイル２５には，熱交換器２７で昇温された熱媒水が導入され，ヒートポンプユニットＢの容器１５に設けられた伝熱コイル２５には，冷却塔２１で冷却された冷却水が導入される。これにより，ヒートポンプユニットＡにおいて低温側熱交換器１１の容器１５に充填された水素吸蔵合金１４は加熱され，ヒートポンプユニットＢにおいて低温側熱交換器１１の容器１５に充填された水素吸蔵合金１４は冷却されるようになっている。
【００１８】
一方，ヒートポンプユニットＡにおいて再生過程を行い，ヒートポンプユニットＢにおいて冷熱出力過程を行う場合は，切替機構２８の切替により，ヒートポンプユニットＡの容器１５に設けられた伝熱コイル２５には，冷却塔２１で冷却された冷却水が導入され，ヒートポンプユニットＢの容器１５に設けられた伝熱コイル２５には，熱交換器２７で昇温された熱媒水が導入される。これにより，ヒートポンプユニットＡにおいて低温側熱交換器１１の容器１５に充填された水素吸蔵合金１４は冷却され，ヒートポンプユニットＢにおいて低温側熱交換器１１の容器１５に充填された水素吸蔵合金１４は加熱されるようになっている。（なお，熱媒水を流通させる配管には，運転切替がなされると冷却水が流れることとなる。以降，一方の運転状態を説明するが，切替後の運転では，「熱媒水」を「冷却水」と読み替えれば，動作が理解しやすい。）
【００１９】
このヒートポンプ１の制御部３０には，冷却水温度制御コントローラ３１と，送水温度制御コントローラ３２と，サイクル切替制御コントローラ３３が設けられている。冷却水温度制御コントローラ３１には，湿球温度センサ３５で測定された外気湿球温度が入力されている。また，冷却塔２１で冷却されて，各ヒートポンプユニットＡ，Ｂにおける高温側熱交換器１０の容器１３内に設けられた伝熱コイル２０と，低温側熱交換器１１の容器１５内に設けられた伝熱コイル２５に導入される冷却水の温度が，温度センサ３６で測定されて，冷却水温度制御コントローラ３１に入力されている。そして，冷却水温度制御コントローラ３１は，冷却塔２１の運転を制御するようになっており，図示の例では，冷却塔２１に設けられたファンモータ２１’の稼働が冷却水温度制御コントローラ３１によって制御されるようになっている。
【００２０】
送水温度制御コントローラ３２には，熱交換器２７に導入される前（熱交換前）の熱媒水の温度が，温度センサ４０で測定されて入力されるようになっている。そして，送水温度制御コントローラ３２は，ヒートポンプユニットＡ，Ｂにおける，各バイパス１６に設けられた水素流量制御弁１７の開度をそれぞれ制御できるようになっている。
【００２１】
サイクル切替制御コントローラ３３には，熱交換器２７から出てきた後（熱交換後）の熱媒水の温度が，温度センサ４５で測定されて入力されるようになっている。そして，サイクル切替制御コントローラ３３は，切替機構２３と切替機構２８による切替をそれぞれ制御するようになっている。
【００２２】
さて，このヒートポンプ１にあっては，切替機構２３と切替機構２８の切替により，ヒートポンプユニットＡにおいて冷熱出力過程を行う場合は，ヒートポンプユニットＢにおいて再生過程が行われ，ヒートポンプユニットＡにおいて再生過程を行う場合は，ヒートポンプユニットＢにおいて冷熱出力過程が行われる。
【００２３】
先ず，ヒートポンプユニットＡにおいて冷熱出力過程を行い，ヒートポンプユニットＢにおいて再生過程を行う場合は，切替機構２３の切替により，ヒートポンプユニットＡの高温側熱交換器１０の容器１３に設けられた伝熱コイル２０に，冷却塔２１で冷却された冷却水を導入し，ヒートポンプユニットＢの高温側熱交換器１０の容器１３に設けられた伝熱コイル２０に，熱源装置２２で加熱された加熱水を導入する。また，切替機構２８の切替により，ヒートポンプユニットＡの低温側熱交換器１１の容器１５に設けられた伝熱コイル２５に，熱交換器２７で昇温された熱媒水を導入し，ヒートポンプユニットＢの低温側熱交換器１１の容器１５に設けられた伝熱コイル２５に，冷却塔２１で冷却された冷却水を導入する。
【００２４】
これにより，ヒートポンプユニットＡにあっては，高温側熱交換器１０では，水素吸蔵合金１２は冷却されて水素を吸蔵し，低温側熱交換器１１では，水素吸蔵合金１４は加熱されて水素を放出する。そして，低温側熱交換器１１の容器１５内の水素は，バイパス１６を通って，高温側熱交換器１０の容器１３内に移動する。
【００２５】
こうして，ヒートポンプユニットＡの高温側熱交換器１０では，水素吸蔵合金１２は水素の吸蔵に伴う発熱反応を行い，伝熱コイル２０に導入された冷却水を昇温させる。そして，昇温された冷却水は，冷却塔２１で冷却され，再び伝熱コイル２０に導入されることとなる。また，ヒートポンプユニットＡの低温側熱交換器１１では，水素吸蔵合金１４は水素の放出に伴う吸熱反応を行い，伝熱コイル２５に導入された熱媒水を冷却する。そして，冷却された熱媒水が熱交換器２７に供給されて，図示しない冷熱負荷との間を循環する熱媒を冷却し，冷熱負荷を処理する。こうして熱交換器２７で昇温された熱媒水は，再び伝熱コイル２５に導入されることとなる。
【００２６】
そして，ヒートポンプユニットＢにあっては，高温側熱交換器１０では，水素吸蔵合金１２は加熱されて水素を放出し，低温側熱交換器１１では，水素吸蔵合金１４は冷却されて水素を吸蔵する。そして，高温側熱交換器１０の容器１３内の水素は，バイパス１６を通って，低温側熱交換器１１の容器１５内に移動する。
【００２７】
こうして，ヒートポンプユニットＢの高温側熱交換器１０では，水素吸蔵合金１２は水素の放出に伴う吸熱反応を行い，伝熱コイル２０に導入された加熱水を冷却させる。そして，冷却された加熱水は，熱源装置２２で加熱され，再び伝熱コイル２０に導入されることとなる。また，ヒートポンプユニットＢの低温側熱交換器１１では，水素吸蔵合金１４は水素を吸蔵して発熱反応を行い，伝熱コイル２５に導入された冷却水を昇温させる。そして，昇温された冷却水は，冷却塔２１で冷却され，再び伝熱コイル２５に導入されることとなる。
【００２８】
次に，ヒートポンプユニットＡにおいて再生過程を行い，ヒートポンプユニットＢにおいて冷熱出力過程を行う場合は，切替機構２３の切替により，ヒートポンプユニットＡの高温側熱交換器１０の容器１３に設けられた伝熱コイル２０に，熱源装置２２で加熱された加熱水を導入し，ヒートポンプユニットＢの高温側熱交換器１０の容器１３に設けられた伝熱コイル２０に，冷却塔２１で冷却された冷却水を導入する。また，切替機構２８の切替により，ヒートポンプユニットＡの低温側熱交換器１１の容器１５に設けられた伝熱コイル２５に，冷却塔２１で冷却された冷却水を導入し，ヒートポンプユニットＢの低温側熱交換器１１の容器１５に設けられた伝熱コイル２５に，熱交換器２７で昇温された熱媒水を導入する。
【００２９】
これにより，ヒートポンプユニットＡにあっては，高温側熱交換器１０では，水素吸蔵合金１２は加熱されて水素を放出し，低温側熱交換器１１では，水素吸蔵合金１４は冷却されて水素を吸蔵する。そして，高温側熱交換器１０の容器１３内の水素は，バイパス１６を通って，低温側熱交換器１１の容器１５内に移動する。
【００３０】
こうして，ヒートポンプユニットＡの高温側熱交換器１０では，水素吸蔵合金１２は水素の放出に伴う吸熱反応を行い，伝熱コイル２０に導入された加熱水を冷却させる。そして，冷却された加熱水は，熱源装置２２で加熱され，再び伝熱コイル２０に導入されることとなる。また，ヒートポンプユニットＡの低温側熱交換器１１では，水素吸蔵合金１４は水素を吸蔵して発熱反応を行い，伝熱コイル２５に導入された冷却水を昇温させる。そして，昇温された冷却水は，冷却塔２１で冷却され，再び伝熱コイル２５に導入されることとなる。
【００３１】
そして，ヒートポンプユニットＢにあっては，高温側熱交換器１０では，水素吸蔵合金１２は冷却されて水素を吸蔵し，低温側熱交換器１１では，水素吸蔵合金１４は加熱されて水素を放出する。そして，低温側熱交換器１１の容器１５内の水素は，バイパス１６を通って，高温側熱交換器１０の容器１３内に移動する。
【００３２】
こうして，ヒートポンプユニットＢの高温側熱交換器１０では，水素吸蔵合金１２は水素の吸蔵に伴う発熱反応を行い，伝熱コイル２０に導入された冷却水を昇温させる。そして，昇温された冷却水は，冷却塔２１で冷却され，再び伝熱コイル２０に導入されることとなる。また，ヒートポンプユニットＢの低温側熱交換器１１では，水素吸蔵合金１４は水素の放出に伴う吸熱反応を行い，伝熱コイル２５に導入された熱媒水を冷却する。そして，冷却された熱媒水が熱交換器２７に供給されて，図示しない冷熱負荷との間を循環する熱媒を冷却し，冷熱負荷を処理する。こうして熱交換器２７で昇温された熱媒水は，再び伝熱コイル２５に導入されることとなる。
【００３３】
このヒートポンプ１においては，以上のように，切替機構２３と切替機構２８の切替が適宜繰り返して行われ，ヒートポンプユニットＡにて冷熱出力過程を行いつつ，ヒートポンプユニットＢにて再生過程を行う状態と，ヒートポンプユニットＡにて再生過程を行いつつ，ヒートポンプユニットＢにて冷熱出力過程を行う状態を適当なタイミングで切り替えることにより，図示しない冷熱負荷との間を循環する熱媒を連続して冷却し，冷熱負荷を連続処理することが可能である。
【００３４】
ところで，本発明者等の知見によると，このようにヒートポンプユニットＡで冷熱出力過程を行ってヒートポンプユニットＢで再生過程を行う状態と，ヒートポンプユニットＡで再生過程を行ってヒートポンプユニットＢで冷熱出力過程を行う状態を切り替える時間（ヒートポンプユニットＡ，Ｂにおいて，冷熱出力過程を開始してから再生過程を開始するまでの時間（再生過程を開始してから冷熱出力過程を開始するまでの時間に等しい）；以下「サイクルの切替時間」と呼ぶ）が短いと，冷熱出力は高くなる反面，ＣＯＰ（成績係数）が低下し，逆にサイクルの切替時間が長くなると，冷熱出力は低下する反面，ＣＯＰが向上することが判明した。なお，図２に，サイクルの切替時間に対する冷熱出力（実線）とＣＯＰ（点線）の関係を示した。冷熱出力は次式（１）により求めた。また，ＣＯＰは次式（２）により求めた。
【００３５】
Ｑ  ＝  ｛ｎ×ΔＨＬ−（ＴＣ−ＴＬ）×ＣＬ｝／ｔｃｙ
＝  （ｎ／ｔｃｙ）ΔＨＬ−｝｛（ＴＣ−ＴＬ）／ｔｃｙ｝ＣＬ  …  （１）
【００３６】
ＣＯＰ  ＝  ｛ｎ×ΔＨＬ−（ＴＣ−ＴＬ）×ＣＬ｝／｛ｎ×ΔＨＨ＋（ＴＨ−ＴＣ）×ＣＨ｝  …  （２）
【００３７】
Ｑ：合金質量当たりの平均冷熱出力
（サイクル切替時間内での平均冷熱出力）[Ｗ／ｋｇ−ＭＨ]
ＣＯＰ：成績係数[−]
ｎ：合金質量当たりの水素移動量[ｍｏｌ−Ｈ２／ｋｇ−ＭＨ]
ΔＨＬ，ΔＨＨ：低温側・高温側の合金の反応熱[Ｊ／ｍｏｌ−Ｈ２]
ｔｃｙ：サイクル切替時間（半サイクルの時間）[ｓ]
ＴＣ：冷却水温度[Ｋ]
ＴＬ：冷水取出温度[Ｋ]
ＴＨ：熱源温度[Ｋ]
ＣＬ，ＣＨ：低温側・高温側の合金の比熱[Ｊ／（Ｋ ｋｇ−ＨＭＨ）]
【００３８】
冷熱出力とＣＯＰがこのような相関関係を示す理由は，水素吸蔵合金１２，１４中に温度が拡散していく速度（水素吸蔵合金１２，１４全体が冷却水や加熱水，熱媒水によって所望の温度に冷却もしくは加熱される速度）に比べ，水素吸蔵合金中において組成が変化していく速度（水素の吸収，もしくは放出に伴う組成変化の速度）の方が遅いために，サイクルの切替時間が短い場合は，組成変化に必要な熱量を越えた熱の入力が行われているからである。そこで，このヒートポンプ１にあっては，高負荷時（例えば夏季などの冷房需要の大きい時）では，サイクルの切替時間を相対的に短くして冷熱出力重視の運転を行い，低負荷時（例えば冬季や中間期などの冷房需要の小さい時）では，サイクルの切替時間を相対的に長くしてＣＯＰ重視の運転を行う。
【００３９】
このように冷熱負荷に応じてサイクルの切替時間を変化させるに際し，冷熱負荷としての熱交換器２７から戻された熱媒水の温度を温度センサ４５で測定し，サイクル切替制御コントローラ３３に，熱交換器２７から戻された熱媒水の温度が入力される。この場合，ヒートポンプユニットＡにおいて冷熱出力過程を行っている場合は，ヒートポンプユニットＡの低温側熱交換器１１に設けられた伝熱コイル２５に導入される熱媒水の温度が，温度センサ４５で測定されて入力される。また，ヒートポンプユニットＢにおいて冷熱出力過程を行っている場合は，ヒートポンプユニットＢの低温側熱交換器１１に設けられた伝熱コイル２５に導入される熱媒水の温度が，温度センサ４５で測定されて入力される。
【００４０】
図３に示すように，サイクル切替制御コントローラ３３は，熱交換器２７から戻された熱媒水の温度について予め設定されている目標値（設定値）と比較して，熱交換器２７から戻された熱媒水の温度が目標値を越えた場合は，サイクルの切替時間を相対的に短くさせる。一方，熱交換器２７から戻された熱媒水の温度が目標値以下の場合は，サイクルの切替時間を相対的に長くする。このようにサイクルの切替時間の長短を決定する場合，予め２種類のサイクルの切替時間（短いサイクルの切替時間と長いサイクルの切替時間）を予め設定しておき，熱媒水の温度が目標値を越えた場合は，短いサイクルの切替時間とし，熱媒水の温度が目標値以下の場合は，長いサイクルの切替時間にするといったように，２段階的にサイクルの切替時間を切り替えるようにしても良い。また，サイクルの切替時間を，オン・オフ，Ｐ（比例），ＰＩ（比例＋積分），ＰＩＤ（比例＋積分＋微分）などの制御方法によって定めても良い。そして，サイクル切替制御コントローラ３３は，こうして決定されたサイクルの切替時間に従い，切替機構２３と切替機構２８による切替をそれぞれ制御する。
【００４１】
また，このヒートポンプ１にあっては，このように熱交換器２７から戻された熱媒水の温度をいちいち測定せずに，サイクル切替制御コントローラ３３において，予め設定されている年間のスケジュールに従って，サイクルの切替時間を変化させるように制御しても良い。この場合，年間を通じて期間の短い高負荷時（夏など）では，サイクルの切替時間を相対的に短く，低負荷時（夏以外の期間）では，サイクルの切替時間を相対的に長くする。
【００４２】
例えば，図４は，一般的な事務所ビルについての冷熱負荷（冷房負荷）の一年の変化を，８月を１００％として，各月毎に示したグラフである。また，図４には，東京地方における各月毎の湿球温度を併せて示した。このような冷熱負荷の一年の変化に対して，例えば，図５に示すように，サイクルの切替時間を変化させて制御を行う。なお，図５では，冷熱負荷の無い１〜３月では，ヒートポンプ１の運転を停止し，冷熱負荷が比較的低い４，５月と１０〜１２月では，サイクルの切替時間を最長の４０分に設定し，冷熱負荷が最も高い８月では，サイクルの切替時間を最短の５分に設定し，６，７，９月では，サイクルの切替時間を最長の４０分と最短の５分の間の適当な時間に設定して，ヒートポンプ１の運転を制御する例を示した。サイクル切替制御コントローラ３３は，こうして予め決定されたサイクルの切替時間に従い，切替機構２３と切替機構２８による切替をそれぞれ制御する。なお，このように予め設定されている年間のスケジュールに従ってサイクルの切替時間を変化させる場合，図４，５で説明したように，サイクルの切替時間を月単位で変化させるように制御すると容易である。
【００４３】
このように，高負荷時ではサイクルの切替時間を相対的に短くして冷熱出力重視の運転を行い，低負荷時ではサイクルの切替時間を相対的に長くしてＣＯＰ重視の運転を行うことにより，年間のＣＯＰを向上させることが可能となる。なお，サイクル切替制御コントローラ３３において，予め設定されている年間のスケジュールに従って，サイクルの切替時間を変化させる制御を行う場合は，熱交換器２７から戻された熱媒水の温度を測定する必要がないので，温度センサ４５は省略して良い。
【００４４】
そして，このヒートポンプ１にあっては，湿球温度センサ３５で測定された外気湿球温度が，冷却水温度制御コントローラ３１に入力されている。また，冷却塔２１からヒートポンプユニットＡ，Ｂの高温側熱交換器１０の各伝熱コイル２０と低温側熱交換器１１の各伝熱コイル２５に導入される冷却水の温度が，温度センサ３６で測定されて，冷却水温度制御コントローラ３１に入力されている。
【００４５】
冷却水温度制御コントローラ３１は，こうして入力された外気湿球温度と各冷却水温度に基づき，高温側熱交換器１０と低温側熱交換器１１に供給される冷却水の温度を所定の温度に保つように，冷却塔２１の運転を制御する。この場合，図示の例では，冷却水温度制御コントローラ３１は，冷却塔２１に設けられたファンモータ２１’の稼働を制御しており，冷却水温度が高くなった場合は，ファンモータ２１’の稼働を増すように制御し，冷却水温度が低くなった場合は，ファンモータ２１’の稼働を減らすように制御する。こうして，高温側熱交換器１０と低温側熱交換器１１に供給される冷却水の温度を，例えば外気湿球温度に所定のアプローチ（例えば４℃）を加算した温度に保つ。
【００４６】
また，このヒートポンプ１にあっては，このように外気湿球温度などをいちいち測定せずに，冷却水温度制御コントローラ３１において，予め設定されている年間のスケジュールに従って，冷却塔２１の運転を制御しても良い。
【００４７】
このように，外気湿球温度による冷却水温度の制御を考慮した運転を行うことにより，年間のＣＯＰを向上させることが可能となり，また，冷熱出力も向上することとなる。図６に，サイクルの切替時間に対する冷熱出力（実線）とＣＯＰ（点線）の関係を，冷却水温度が高い場合と低い場合についてそれぞれ示した。なお，冷却水温度制御コントローラ３１において，予め設定されている年間のスケジュールに従って，冷却塔２１の運転を制御する場合は，外気湿球温度を測定する必要がないので，温度センサ３５は省略して良い。
【００４８】
そして，このヒートポンプ１にあっては，ヒートポンプユニットＡの低温側熱交換器１１の伝熱コイル２５から排出されて熱交換器２７に導入される熱媒水の温度，及びヒートポンプユニットＢの低温側熱交換器１１の伝熱コイル２５から排出されて熱交換器２７に導入される熱媒水の温度が，温度センサ４０で測定され，送水温度制御コントローラ３２に入力されている。
【００４９】
送水温度制御コントローラ３２は，こうして入力された熱媒水の温度に基づき，熱交換器２７に供給する熱媒水の温度を一定に保つように，ヒートポンプユニットＡ，Ｂの各バイパス１６に設けられた水素流量制御弁１７の開度を制御する。この場合，ヒートポンプユニットＡにおいて冷熱出力過程を行っている場合は，ヒートポンプユニットＡの低温側熱交換器１１に設けられた伝熱コイル２５から排出された熱媒水（冷却済みの熱媒水）の温度が，温度センサ４０で測定されて入力される。また，ヒートポンプユニットＢにおいて冷熱出力過程を行っている場合は，ヒートポンプユニットＢの低温側熱交換器１１に設けられた伝熱コイル２５から排出された熱媒水（冷却済みの熱媒水）の温度が，温度センサ４０で測定されて入力される。
【００５０】
送水温度制御コントローラ３２は，こうして入力された熱媒水（冷却済みの熱媒水）の温度に基づき，ヒートポンプユニットＡ，Ｂのバイパス１６に設けられた水素流量制御弁１７の開度を調整し，熱交換器２７に供給する熱媒水の温度を一定に保つように制御する。即ち，ヒートポンプユニットＡにおいて冷熱出力過程を行っている場合は，ヒートポンプユニットＡの低温側熱交換器１１から熱交換器２７に供給される熱媒水の温度が，温度センサ４０で測定されて，送水温度制御コントローラ３２に入力される。図７に示すように，送水温度制御コントローラ３２は，こうして入力された冷却済みの熱媒水の温度を予め設定されている目標値（設定値）と比較し，熱交換器２７に供給する熱媒水の温度が目標値を越えた場合は，ヒートポンプユニットＡのバイパス１６に設けられた水素流量制御弁１７の開度を開くように制御する。また，熱交換器２７に供給する熱媒水の温度が目標値以下の場合は，ヒートポンプユニットＡのバイパス１６に設けられた水素流量制御弁１７の開度を閉じるように制御する。
【００５１】
一方，ヒートポンプユニットＢにおいて冷熱出力過程を行っている場合は，ヒートポンプユニットＢの低温側熱交換器１１から熱交換器２７に供給される熱媒水の温度が，温度センサ４０で測定されて，送水温度制御コントローラ３２に入力される。図７に示すように，送水温度制御コントローラ３２は，こうして入力された冷却済みの熱媒水の温度を目標値と比較し，熱交換器２７に供給する熱媒水の温度が目標値を越えた場合は，ヒートポンプユニットＢのバイパス１６に設けられた水素流量制御弁１７の開度を開くように制御する。また，熱交換器２７に供給する熱媒水の温度が目標値以下の場合は，ヒートポンプユニットＢのバイパス１６に設けられた水素流量制御弁１７の開度を閉じるように制御する。
【００５２】
このように水素流量制御弁１７の開度を制御する場合，オン・オフ，Ｐ（比例），ＰＩ（比例＋積分），ＰＩＤ（比例＋積分＋微分）などの制御方法によって開度を定めて良い。そして，送水温度制御コントローラ３２は，こうして決定された開度に水素流量制御弁１７を制御し，熱交換器２７に供給する熱媒水の温度を一定に保つ。
【００５３】
以上，本発明の好ましい実施の形態の一例を説明したが，本発明はここで説明した形態に限定されない。例えば，冷熱負荷の一例として，熱交換器２７から戻される熱媒水の温度について説明したが，本発明でいう冷熱負荷は，熱交換器２７に入る前（熱交換前）の熱媒水の温度と熱交換器２７から出た後（熱交換後）の熱媒水の温度との温度差として表すこともできる。また図３では，サイクル切替制御コントローラ３３は，冷熱負荷（熱交換器２７から戻された熱媒水の温度として例示した）が目標値を越えた場合は，短いサイクルの切替時間とし，熱媒水の温度が目標値以下の場合は，長いサイクルの切替時間にするといったように，２段階的にサイクルの切替時間を切り替える例を示したが，冷熱負荷（熱交換器２７から戻される熱媒水の温度や，熱交換器２７に入る前（熱交換前）の熱媒水の温度と熱交換器２７から出た後（熱交換後）の熱媒水の温度との温度差として表される）について，所定の目標値を２以上設定しておき，サイクルの切替時間を３段階以上の多段階的に変化させても良い。また，冷熱負荷に対して，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間を反比例させて制御することも可能である。また，冷却塔２１の運転制御は，ファンモータ２１’の稼働量を増減させるほか，ファンモータ２１’の稼働をオンオフ制御しても良い。また，冷却塔２１を複数台配置し，それらの稼働台数を増減することにより，高温側熱交換器１０と低温側熱交換器１１に供給される冷却水の温度を所定の温度に保つように制御しても良い。
【００５４】
【実施例】
図１に示したヒートポンプにおいて，本発明に従ってサイクル切替時間の制御と冷却水温度の制御を行った場合の有効性を，数値シミュレーション解析により検証した。その結果を図８に示す。なお，ここで用いた数値シミュレーション解析モデルについては，実験結果と比較することにより，妥当性を確認している（平成１２年度日本冷凍空調学会学術講演会講演論文集（１２／９−２１〜２２。札幌）
【００５５】
図８において，縦軸は年間のＣＯＰを，横軸は設計冷熱出力を示している。  ここでのＣＯＰの評価には，以下の理由により一般的な定格運転でのＣＯＰではなく，年間のＣＯＰにて評価を行った。なぜなら，一般的な機器のＣＯＰは低負荷になるにつれ低下する。それに対して，熱駆動式の水素吸蔵合金ヒートポンプは低負荷になるにつれＣＯＰは向上する。従って，その優位性を評価する方法として年間ＣＯＰを採用した。ここでの横軸は，最大負荷に対する設計余裕を意味する。従来例では，本発明に従う制御を行っていない。本発明は，従来例に比べ，最大０．２程度ＣＯＰを向上させ得る結果（ＣＯＰ＝０．６〜０．７）を得た。
【００５６】
また，更に顕熱回収運転を組み合わせた場合の数値シミュレーション解析の結果を図９に示す。顕熱回収運転とは，再生過程と冷熱出力過程の切替時に高温側熱交換器と低温側熱交換器の容器間で直接熱交換させ，ヒートポンプ内で顕熱を回収する運転方法である。この顕熱回収運転を組み合わせると，ＣＯＰを０．８まで上昇させ得る結果を得た。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば，より高いＣＯＰにて熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプを運転させることが可能となる。また冷熱出力の更なる向上をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかるヒートポンプの説明図である。
【図２】サイクルの切替時間に対する冷熱出力とＣＯＰの関係を示すグラフである。
【図３】熱交換器から戻された熱媒水の温度とサイクルの切替時間の関係を示すグラフである。
【図４】一般的な事務所ビルについての冷熱負荷の一年の変化と，東京地方における外気湿球温度の変化を，各月毎に示したグラフである。
【図５】月毎ごとに定めたサイクルの切替時間を示すグラフである。
【図６】サイクルの切替時間に対する冷熱出力とＣＯＰの関係を，冷却水温度が高い場合と低い場合についてそれぞれ示したグラフである。
【図７】熱交換器に供給する熱媒水の温度と水素流量制御弁の開度を示すグラフである。
【図８】本発明に従ってサイクル切替時間の制御と冷却水温度の制御を行った場合の数値シミュレーション解析の結果を示すグラフである。
【図９】更に顕熱回収運転を組み合わせた場合の数値シミュレーション解析の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
Ａ，Ｂ  ヒートポンプユニット
１    ヒートポンプ
１０  高温側熱交換器
１１  低温側熱交換器
１２，１４  水素吸蔵合金
１３，１５  容器
１６  バイパス
１７  水素流量制御弁
２０，２５  伝熱コイル
２１  冷却塔
２２  熱源装置
２３，２８  切替機構
２７  熱交換器
３０  制御部
３１  冷却水温度制御コントローラ
３２  送水温度制御コントローラ
３３  サイクル切替制御コントローラ
３５  湿球温度センサ
３６，３７，４０，４５  温度センサ
【図１】
0004717234.tif 000002
【図２】
0004717234.tif 000003
【図３】
0004717234.tif 000004
【図４】
0004717234.tif 000005
【図５】
0004717234.tif 000006
【図６】
0004717234.tif 000007
【図７】
0004717234.tif 000008
【図８】
0004717234.tif 000009
【図９】
0004717234.tif 000010