(57)【要約】【課題】システム能力の調整幅を可及的に広く確保する。【解決手段】第一熱交換器は、第一熱媒体と第二熱媒体との間の熱交換を行う。熱源側ヒートパイプは、熱源と熱的に接触することで、第一熱媒体を作動流体として動作する。第二熱交換器は、第二熱媒体の有する熱を熱利用側負荷に供給する。熱媒体循環路は、第一熱交換器と第二熱交換器との間に設けられた第二熱媒体の循環流路であって、第一流路及び第二流路を有する。圧縮機は第一流路に設ける。膨張弁は第二流路に設ける。第一バイパス流路は圧縮機をバイパスする。第二バイパス流路は膨張弁をバイパスする。第一切換手段は、第二熱媒体が圧縮機を通流するか否かを切換える。第二切換手段は、第二熱媒体が膨張弁を通流するか否かを切換える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一熱媒体と第二熱媒体との間の熱交換を行うように設けられた、第一熱交換器と、
熱源と熱的に接触することで前記第一熱媒体を作動流体として動作可能に構成されたヒートパイプであって、前記第一熱交換器に接続された、熱源側ヒートパイプと、
前記第二熱媒体の有する熱を熱利用側負荷に供給するように、熱利用側に設けられた、第二熱交換器と、
前記第一熱交換器と前記第二熱交換器との間に設けられた前記第二熱媒体の循環流路であって、前記第一熱交換器及び前記第二熱交換器に接続された一対の流路である第一流路及び第二流路を有する、熱媒体循環路と、
前記第一流路に設けられた、圧縮機と、
前記第二流路に設けられた、膨張弁と、
前記圧縮機をバイパスするように、両端が前記第一流路に接続された、第一バイパス流路と、
前記膨張弁をバイパスするように、両端が前記第二流路に接続された、第二バイパス流路と、
前記第二熱媒体が前記圧縮機を通流するか前記第一バイパス流路を通流するかを切換えるように設けられた、第一切換手段と、
前記第二熱媒体が前記膨張弁を通流するか前記第二バイパス流路を通流するかを切換えるように設けられた、第二切換手段と、
を備えたことを特徴とする、ヒートパイプシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のヒートパイプシステムにおいて、
前記熱利用側負荷における負荷量に応じて前記第一切換手段及び前記第二切換手段の動作を制御するように設けられた、制御手段をさらに備えたことを特徴とする、ヒートパイプシステム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のヒートパイプシステムであって、
前記熱源側ヒートパイプは、自然熱源を利用可能に構成されたことを特徴とする、ヒートパイプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくともヒートパイプを備えた熱利用システムである、ヒートパイプシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートパイプを備えた熱利用システムとして、例えば、採熱用ループ型ヒートパイプを備えた地熱利用融雪システムが知られている（特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実用新案登録第２５６２４８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のこの種のシステムにおいては、熱利用側負荷の状態（例えば融雪対象である路面における積雪量）が変動した場合における、システム能力の調整度合には限度があった。本発明は、上記に例示した課題に対処するためになされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のヒートパイプシステムは、第一熱交換器と、第二熱交換器と、熱源側ヒートパイプと、熱媒体循環路と、圧縮機と、膨張弁と、第一バイパス流路と、第二バイパス流路と、第一切換手段と、第二切換手段と、を備えている。前記第一熱交換器は、第一熱媒体と第二熱媒体との間の熱交換を行うように設けられている。前記熱源側ヒートパイプは、熱源と熱的に接触することで前記第一熱媒体を作動流体として動作可能に構成されたヒートパイプであって、前記第一熱交換器に接続されている。前記第二熱交換器は、前記第二熱媒体の有する熱を熱利用側負荷に供給するように、熱利用側に設けられている。
【０００６】
前記熱媒体循環路は、前記第一熱交換器と前記第二熱交換器との間に設けられた前記第二熱媒体の循環流路である。前記熱媒体循環路は、前記第一熱交換器及び前記第二熱交換器に接続された一対の流路である第一流路及び第二流路を有している。前記圧縮機は、前記第一流路に設けられている。前記膨張弁は、前記第二流路に設けられている。前記第一バイパス流路は、前記圧縮機をバイパスするように、両端が前記第一流路に接続されている。前記第二バイパス流路は、前記膨張弁をバイパスするように、両端が前記第二流路に接続されている。前記第一切換手段は、前記第二熱媒体が前記圧縮機を通流するか前記第一バイパス流路を通流するかを切換えるように設けられている。前記第二切換手段は、前記第二熱媒体が前記膨張弁を通流するか前記第二バイパス流路を通流するかを切換えるように設けられている。
【０００７】
前記ヒートパイプシステムは、制御手段をさらに備えていてもよい。この制御手段は、前記熱利用側負荷における負荷量に応じて前記第一切換手段及び前記第二切換手段の動作を制御するように設けられている。
【０００８】
前記熱源側ヒートパイプは、自然熱源を利用可能に構成されていてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
かかる構成を有する本発明のヒートパイプシステムにおいては、前記第一切換手段及び前記第二切換手段の動作により、前記第二熱媒体が前記圧縮機及び前記膨張機を通流する動作モード（ヒートポンプモード）と、前記第二熱媒体が前記圧縮機及び前記膨張機をバイパスする動作モード（バイパスモード）との間の切換が可能となる。
【００１０】
前記ヒートポンプモードにおいては、前記熱媒体循環路に装着された、前記第一熱交換器、前記圧縮機、前記第二熱交換器、及び前記膨張弁の動作により、ヒートポンプ動作が実現される。すなわち、前記ヒートポンプモードにおいては、前記ヒートパイプシステムの動作状態が、前記第一熱交換器、前記圧縮機、前記第二熱交換器、及び前記膨張弁によって構成されるヒートポンプと前記熱源側ヒートパイプとが直列に接続した状態となる。
【００１１】
一方、前記バイパスモードにおいては、前記圧縮機及び前記膨張弁をバイパスした前記第二熱媒体の循環流路によって、ヒートパイプ動作が実現される。すなわち、前記バイパスモードにおいては、前記ヒートパイプシステムの動作状態が、前記圧縮機及び前記膨張弁をバイパスした前記第二熱媒体の循環流路によって構成されるヒートパイプと前記熱源側ヒートパイプとが直列に接続した状態となる。
【００１２】
かかる構成によれば、前記ヒートポンプモードと前記バイパスモードとを、前記熱利用側負荷の状態に応じて切換えることが可能となる。したがって、本発明によれば、システム能力の調整幅を可及的に広く確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係るヒートパイプシステムの全体構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜１．実施形態の構成＞
以下、本発明を具体化した一実施形態について、図面を参照しつつ説明する（変形例は末尾にまとめて記載されている）。図１に示されているように、ヒートパイプシステム１は、熱源Ｓの熱を熱利用側負荷Ｌに供給するように構成されている。なお、熱源Ｓとしては、例えば、地熱源、河川水、温泉水、湖沼水、海水等の自然熱源が利用可能である。あるいは、熱源Ｓとしては、生活排水、温泉排水、工場排水、工場・プラント排熱等の廃熱源が利用可能である。本実施形態のヒートパイプシステム１は、熱源側ヒートパイプ２と、第一熱交換器３と、熱媒体循環機構４と、第二熱交換器５と、制御手段６と、を備えている。
【００１５】
熱源側ヒートパイプ２は、熱源Ｓと熱的に接触することで第一熱媒体Ｍ１を作動流体として動作可能に構成されたループ型ヒートパイプであって、その一端側である熱源接触部２１が熱源Ｓと接触するように設けられている。例えば、熱源Ｓが地熱源である場合は、熱源接触部２１は、地中に埋設されている。熱源側ヒートパイプ２は、他端側の熱交換部２２にて、第一熱交換器３に接続されている。熱交換部２２は、熱源接触部２１よりも上方に設けられている。
【００１６】
第一熱交換器３は、熱源側ヒートパイプ２における熱交換部２２を通流する第一熱媒体Ｍ１と、熱媒体循環機構４に設けられた熱媒体循環路４１を通流する第二熱媒体Ｍ２と、の間の熱交換を行うように設けられている。熱媒体循環路４１は、第一熱交換器３とその上方に配置された第二熱交換器５との間に設けられた、第二熱媒体Ｍ２の循環流路である。熱媒体循環機構４は、熱媒体循環路４１にて第二熱媒体Ｍ２を循環させることで、第一熱交換器３にて受け取った熱源Ｓの熱を第二熱交換器５にて熱利用側負荷Ｌ側に供給するように構成されている。
【００１７】
以下、熱媒体循環機構４の構成の詳細について説明する。熱媒体循環路４１は、第一流路４１ａと第二流路４１ｂとを有している。第一流路４１ａ及び第二流路４１ｂは、第一熱交換器３と第二熱交換器５との間に設けられた一対の流路であって、それぞれ、一端が第一熱交換器３に接続されるとともに他端が第二熱交換器５に接続されている。
【００１８】
第一流路４１ａは、第一熱交換器３を経た第二熱媒体Ｍ２（ガス状態）が第二熱交換器５に向かって上昇するように設けられている。第一流路４１ａには、圧縮機４２が設けられている。第二流路４１ｂは、第二熱交換器５を経た第二熱媒体Ｍ２（液化状態）が第一熱交換器３に向かって流下するように設けられている。第二流路４１ｂには、膨張弁４３が設けられている。
【００１９】
熱媒体循環路４１には、第一バイパス流路４４及び第二バイパス流路４５が接続されている。具体的には、第一バイパス流路４４は、圧縮機４２をバイパスするように、両端が第一流路４１ａに接続されている。すなわち、第一バイパス流路４４は、第一流路４１ａにおける圧縮機４２が装着された部分と並行して設けられている。第二バイパス流路４５は、膨張弁４３をバイパスするように、両端が第二流路４１ｂに接続されている。すなわち、第二バイパス流路４５は、第二流路４１ｂにおける膨張弁４３が装着された部分と並行して設けられている。
【００２０】
熱媒体循環機構４における第一流路４１ａ側には、第一切換手段４６が備えられている。第一切換手段４６は、第二熱媒体Ｍ２が圧縮機４２を通流するか第一バイパス流路４４を通流するかを切換えるように設けられている。具体的には、第一切換手段４６は、２つの開閉弁４６ａ，４６ｂを備えている。開閉弁４６ａは、第一流路４１ａにおける第一バイパス流路４４との分岐箇所（第二熱媒体Ｍ２の通流方向における上流側の第一バイパス流路４４の一端部との接続箇所）と圧縮機４２との間に装着されている。開閉弁４６ｂは、第一バイパス流路４４に装着されている。
【００２１】
熱媒体循環機構４における第二流路４１ｂ側には、第二切換手段４７が備えられている。第二切換手段４７は、第二熱媒体Ｍ２が膨張弁４３を通流するか第二バイパス流路４５を通流するかを切換えるように設けられている。具体的には、第二切換手段４７は、２つの開閉弁４７ａ，４７ｂを備えている。開閉弁４７ａは、第二流路４１ｂにおける第二バイパス流路４５との分岐箇所（第二熱媒体Ｍ２の通流方向における上流側の第二バイパス流路４５の一端部との接続箇所）と膨張弁４３との間に装着されている。開閉弁４７ｂは、第二バイパス流路４５に装着されている。
【００２２】
第二熱交換器５は、第二熱媒体Ｍ２の有する熱を熱利用側負荷Ｌに供給するように、熱利用側に設けられている。具体的には、第二熱交換器５は、第二熱媒体Ｍ２と第三熱媒体Ｍ３との熱交換を行うことで、熱利用側負荷Ｌに供給される第三熱媒体Ｍ３に熱を供給するように構成されている。熱利用側としては、例えば、空調、給湯、融雪、等が用いられ得る。すなわち、熱利用側負荷Ｌとしては、例えば、空調機器、給湯機器、融雪用路面埋設配管、等が用いられ得る。
【００２３】
制御手段６は、熱利用側負荷Ｌにおける負荷量に応じて第一切換手段４６及び第二切換手段４７の動作を制御するように設けられている。具体的には、本実施形態においては、制御手段６は、入力部６１と、センサ６２と、制御盤６３と、を備えている。入力部６１は、ヒートパイプシステム１の管理者等による入力操作を受付けるように設けられている。センサ６２は、上述の負荷量に対応するパラメータ（外気温、路面温度、降雪量、積雪量、等）の少なくとも１つを検出するように、少なくとも１個設けられている。制御盤６３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えた、いわゆるマイクロコンピュータであって、入力部６１及び少なくとも１個のセンサ６２からの入力に基づいて開閉弁４６ａ，４６ｂ，４７ａ，４７ｂの開閉を制御するように設けられている。
【００２４】
＜２．実施形態の動作及び作用・効果＞
次に、上述の構成を有する本実施形態のヒートパイプシステム１における、典型的な動作の概要について、当該構成により奏される作用・効果とともに説明する。
【００２５】
熱源側ヒートパイプ２における熱源接触部２１にて、熱源Ｓから熱を受け取った（熱源Ｓにより加熱された）第一熱媒体Ｍ１は、上昇して熱交換部２２に到達し、第一熱交換器３の内部を通流する第二熱媒体Ｍ２と熱交換する。これにより、第二熱媒体Ｍ２は、第一熱交換器３を介して熱源Ｓから熱を受け取ることができる。第二熱媒体Ｍ２との熱交換を経た第一熱媒体Ｍ１は、下降して熱源接触部２１に再度到達する。
【００２６】
第一熱交換器３にて熱源Ｓから熱を受け取った第二熱媒体Ｍ２は、上昇して第二熱交換器５に到達し、第二熱交換器５の内部を通流する第三熱媒体Ｍ３と熱交換する。これにより、第三熱媒体Ｍ３は、第二熱交換器５にて第二熱媒体Ｍ２から熱を受け取ることができる。第三熱媒体Ｍ３との熱交換を経た第二熱媒体Ｍ２は、第一熱交換器３に向かって下降する。
【００２７】
ここで、軽負荷の場合、開閉弁４６ａ及び４７ａが閉弁される一方、開閉弁４６ｂ及び４７ｂが開弁される（バイパスモード）。かかるバイパスモードにおいては、第一熱交換器３にて第一熱媒体Ｍ１との熱交換を経た第二熱媒体Ｍ２は、圧縮機４２を通過せず第一バイパス流路４４を通過して、第二熱交換器５に到達する。また、第二熱交換器５にて第三熱媒体Ｍ３との熱交換を経た第二熱媒体Ｍ２は、膨張弁４３を通過せず第二バイパス流路４５を通過して、第一熱交換器３に到達する。
【００２８】
すなわち、バイパスモードの場合、熱媒体循環機構４においては、圧縮機４２及び膨張弁４３をバイパスした第二熱媒体Ｍ２の循環流路によって、ヒートパイプ動作が実現される（ヒートパイプモード）。この場合、ヒートパイプシステム１の動作状態が、圧縮機４２及び膨張弁４３をバイパスした第二熱媒体Ｍ２の循環流路によって構成されるヒートパイプと熱源側ヒートパイプ２とが直列に接続した状態となる。
【００２９】
これに対し、高負荷の場合、開閉弁４６ａ及び４７ａが開弁される一方、開閉弁４６ｂ及び４７ｂが閉弁される。この場合、第一熱交換器３にて第一熱媒体Ｍ１との熱交換を経た第二熱媒体Ｍ２は、第一バイパス流路４４を通過せず圧縮機４２を通過して、圧縮機４２による圧縮作用を受けた後に第二熱交換器５に到達する。また、第二熱交換器５にて第三熱媒体Ｍ３との熱交換を経た第二熱媒体Ｍ２は、第二バイパス流路４５を通過せず膨張弁４３を通過して、膨張弁４３による膨張作用を受けた後に第一熱交換器３に到達する。
【００３０】
すなわち、高負荷の場合、熱媒体循環機構４においては、熱媒体循環路４１に装着された第一熱交換器３、圧縮機４２、第二熱交換器５、及び膨張弁４３の動作により、ヒートポンプ動作が実現される（ヒートポンプモード）。かかるヒートポンプモードにおいては、ヒートパイプシステム１の動作状態が、第一熱交換器３、圧縮機４２、第二熱交換器５、及び膨張弁４３によって構成されるヒートポンプと熱源側ヒートパイプ２とが直列に接続した状態となる。
【００３１】
このように、本実施形態のヒートパイプシステム１においては、第一切換手段４６及び第二切換手段４７の動作により、第二熱媒体Ｍ２が圧縮機４２及び膨張弁４３を通流するヒートポンプモード（熱媒体循環機構４によるヒートポンプと熱源側ヒートパイプ２とが第一熱交換器３を介して直列接続したモード）と、第二熱媒体Ｍ２が圧縮機４２及び膨張弁４３をバイパスするバイパスモード（熱媒体循環機構４によるヒートパイプと熱源側ヒートパイプ２とが第一熱交換器３を介して直列接続したモード）との間の切換が可能となる。そして、ヒートポンプモードとバイパスモードとを、熱利用側負荷Ｌの状態に応じて切換えることが可能となる。したがって、本実施形態の構成によれば、システム能力の調整幅を可及的に広く確保することが可能となる。
【００３２】
＜３．変形例の例示＞
以下、代表的な変形例について、幾つか例示する。以下の変形例の説明において、上述の実施形態にて説明されているものと同様の構成及び機能を有する部分に対しては、上述の実施形態と同様の符号が用いられ得るものとする。そして、かかる部分の説明については、技術的に矛盾しない範囲内において、上述の実施形態における説明が適宜援用され得るものとする。もっとも、言うまでもなく、変形例とて、以下に列挙されたものに限定されるものではない。また、上述の実施形態の全部又は一部、及び、変形例の全部又は一部が、技術的に矛盾しない範囲内において、適宜、複合的に適用され得る。
【００３３】
本発明は、上述の実施形態にて示された具体的な装置構成や動作態様に限定されない。例えば、熱媒体循環機構４におけるバイパスモード（ヒートパイプモード）が良好に行われるようにするという観点からは、第一流路４１ａと第一バイパス流路４４との接続部における流路抵抗が可及的に小さいことが好ましい。したがって、第一バイパス流路４４は、これよりも第二熱媒体Ｍ２の通流方向における上流側の部分及び下流側の部分と同軸上に設けられていることが好ましい。すなわち、第一流路４１ａにおける第一バイパス流路４４との接続箇所よりも上流側の部分と、第一バイパス流路４４と、第一流路４１ａにおける第一バイパス流路４４との接続箇所よりも下流側の部分とを接続したものが、直管状になっていることが好ましい。第二流路４１ｂと第二バイパス流路４５との接続部についても同様である。
【００３４】
開閉弁４６ａ等は、流量制御機能を有していてもよい。
【００３５】
上述の実施形態においては、第一切換手段４６は、２つの開閉弁４６ａ，４６ｂを備えていたが、本発明はかかる構成には限定されない。すなわち、例えば、第一切換手段４６は、第一流路４１ａにおける第一バイパス流路４４との分岐箇所に設けられた三方弁であってもよい。第二切換手段４７についても同様である。
【００３６】
第二熱交換器５は、熱利用側負荷Ｌの全部又は一部を構成していてもよい。すなわち、例えば、第二熱交換器５は、融雪用路面埋設配管そのものであってもよい。
【００３７】
入力部６１は省略され得る。あるいは、第一切換手段４６及び第二切換手段４７が手動操作の場合、制御手段６の全体が省略され得る。
【００３８】
その他、特段に言及されていない変形例についても、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、本発明の範囲内に含まれることは当然である。また、本発明の課題を解決するための手段を構成する各要素における、作用・機能的に表現されている要素は、上述の実施形態や変形例にて開示されている具体的構造の他、当該作用・機能を実現可能ないかなる構造をも含む。すなわち、本発明（特に、本発明の課題を解決するための手段を構成する各構成要素における、作用的・機能的に表現されているもの）は、上述の実施形態や変形例の記載に基づいて限定的に解釈されてはならない。
【符号の説明】
【００３９】
１      ヒートパイプシステム            ２      熱源側ヒートパイプ
３      第一熱交換器                    ３      熱源水供給機構
４      熱媒体循環機構                  ４１    熱媒体循環路
４１ａ  第一流路                        ４１ｂ  第二流路
４２    圧縮機                          ４３    膨張弁
４４    第一バイパス流路                ４５    第二バイパス流路
４６    第一切換手段                    ４７    第二切換手段
５      第二熱交換器                    ６      制御手段
Ｌ      熱利用側負荷                    Ｓ      熱源
Ｍ１    第一熱媒体                      Ｍ２    第二熱媒体
【図１】
2016211765.tif 000003