JP2002195665A - 熱増幅方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】増幅された高温の熱を発生させ、且つ、圧縮機
の入り側での吸熱を不要にした熱サイクルを提供する。 【解決手段】圧縮機−熱交換器−絞り装置を順次経由し
て循環する密閉熱媒回路の気体熱媒を圧縮機で高圧高温
にし、この高温気体熱媒を、その熱の一部を熱交換器に
より熱利用側に放熱させた後、絞り装置を介して圧縮機
に循環させる熱サイクルを用いる。熱交換器において、
高圧高温の気体熱媒の熱の一部を熱利用側に熱交換する
とともに、熱交換後の熱媒が気相状態を維持し、且つ、
絞り装置を経て圧縮機に導入される気体熱媒の温度が１
サイクル毎に上昇するように熱交換する。これにより圧
縮機の吐出側熱媒温度を次第に上昇させ、熱交換器の熱
利用側から高温の熱を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮機、熱交換
器、絞り装置を有する密閉熱媒回路の熱サイクルを用い
て高温の熱を得る方法及びそための装置に関する。

【０００２】

【発明の技術背景】フロンなどの冷媒を循環させる密閉
冷媒回路に蒸発器、圧縮機、凝縮器、膨張弁を順次に配
設し、蒸発器で吸熱・気化させた冷媒蒸気を圧縮機で圧
縮し、得られた高温高圧蒸気を凝縮器で放熱して熱を利
用するとともに、凝縮した冷媒を膨張弁を介して液相状
態で再び蒸発器に循環させる熱サイクルは、ヒートポン
プとして暖房装置等に広く使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この種ヒートポンプの
熱サイクルは、蒸発器によって低温側の熱源から汲み上
げた熱量を圧縮機で圧縮することにより昇温させ、凝縮
器を介して高温の熱利用側に放出させるものであり、汲
み上げる熱量と吐出される熱量の理論的な平衡のもとに
熱を低温の熱源側から高温の熱利用側へ移行させるもの
である。従って、一般にこの熱サイクルは、熱源温度や
この熱源温度を吸熱する冷媒温度によって制約され、通
常得られる温度は４５℃程度である。また、この種のヒ
ートポンプは外部の熱源から蒸発器に熱を供給し続けな
ければならない。

【０００４】上記熱サイクルの効率化を目的として本発
明者は先に、上記熱サイクルの凝縮器における熱放出を
制限して凝縮器から蒸発器に送られる冷媒温度を高温に
保つとともに、凝縮器で得られた熱の一部を蒸発器の一
次側熱源に供給する熱サイクルを開発し、米国特許第
４，５８，４９８号、日本特許第１４８８４２４号を取
得した。

【０００５】この改良熱サイクルは凝縮器における放熱
を制限して蒸発器に噴射される冷媒温度を比較的高温に
維持するとともに、凝縮器の熱利用側に蓄熱した熱の一
部を蒸発器の一次側熱源にフィードバックすることによ
って、圧縮機の効率を向上させ、従来のヒートポンプよ
りも高い温度の熱を得ることができるものであるが、圧
縮機で高温高圧化した冷媒を凝縮し、液化した冷媒を蒸
発器の一次側熱源で蒸発させるものであるため、得られ
る熱の温度には限界があり、また、常に蒸発器の第一次
熱源から冷媒に熱を供給しなければならないものであっ
た。

【０００６】従って、本発明の第１の目的は、従来の上
記熱サイクルでは得られなかった高温の熱を発生させる
ことができるとともに、密閉回路の熱媒が気化するまで
の初期運転以外は蒸発器からの熱の吸熱を要せずに前記
高温の熱を得ることができる熱発生方法を提供すること
にある。

【０００７】本発明の第２の目的は上記の方法を実施す
るための装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の第１の目的を達成
するために、本発明の高温熱発生方法は、圧縮機−熱交
換器−絞り装置を順次経由して循環する密閉熱媒回路の
気体熱媒を圧縮機で高圧高温にし、この高温気体熱媒
を、その熱の一部を熱交換器により熱利用側に放熱させ
た後、絞り装置を介して圧縮機に循環させる熱サイクル
であって、前記熱交換機において、圧縮した高圧高温の
気体熱媒の熱の一部を熱利用側に熱交換するとともに、
熱交換後の熱媒が気相状態を維持し、且つ、絞り装置を
経て圧縮機に導入される気体熱媒の温度が１サイクル毎
に上昇するように熱交換し、これにより圧縮機の吐出側
熱媒温度を次第に上昇させて熱交換器の熱利用側から高
温の熱を得ることを特徴とする。

【０００９】上記第２の目的を達成するために、本発明
の高温熱発生装置は、気体熱媒を循環させる密閉熱媒回
路と、この熱媒回路の気体熱媒を圧縮して昇温させる圧
縮機と、圧縮した高圧高温の気体熱媒の熱の一部を熱利
用側に熱交換するとともに、熱交換後の熱媒が気相状態
を維持し、且つ、圧縮機に導入される気体熱媒の温度が
１サイクル毎に上昇するように熱交換する熱交換器と、
熱交換器と圧縮器間の熱媒回路に介装された絞り装置を
具備することを特徴とする。

【００１０】熱媒に低沸点の熱媒を使用する場合は、前
記熱媒回路の絞り装置と圧縮機間に、熱増幅装置の運転
開始初期に回路内の熱媒を気化させる気化装置を設け
る。また、限度を超える高温から圧縮機等を保守するた
めに、熱媒回路の、好ましくは、絞り装置と圧縮機間に
熱媒温度を所定高温限度内に制御する温度調節装置を設
けてもよい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に添付の図面を参照して本発
明の実施の形態を説明する。図１は本発明による高温熱
発生方法の実施に使用される高温熱発生装置の基本的な
構成を示すもので、この装置１は窒素ガス、フロンガス
（Ｒ２２）などの気体熱媒（蒸気を含む）を矢印方向に
循環させる密閉式の熱媒回路２を備えている。この熱媒
回路２には圧縮機３と、圧縮機３から吐出される高温高
圧の気体熱媒を熱交換する熱交換器４が介装されてお
り、熱交換器４には熱利用側の熱媒回路５が配設されて
いる。また、前記熱媒回路２には熱交換器４と前記圧縮
機３の間にキャピラリーチューブなどの絞り装置６が介
装されている。

【００１２】本発明において使用される前記熱交換器４
は、圧縮機３で高圧高温化した気体熱媒を、その熱の一
部を熱利用側に放熱するとともに、放熱後の熱媒が圧縮
機３で高温化した熱（圧縮熱）の一部を残存させたある
設定温度の気体熱媒に維持されるように熱交換するもの
である。云い換えれば、本発明の熱交換は熱利用側に熱
を放熱することが目的であるけれども、より高温の熱を
生成して熱利用側に与えるための手段として、圧縮した
高圧高温の気体熱媒の熱の一部を熱利用側に熱交換する
とともに、熱交換後の熱媒が気相状態を維持し、且つ、
圧縮機に導入される気体熱媒の温度が１サイクル毎に上
昇するように熱交換し、これにより、回路内の熱媒に外
部から吸熱することなく、圧縮機３の吐出側熱媒温度を
より高温に上げ、究極的には熱交換器の熱利用側から取
り出す熱をより高温に増幅させるものである。この点に
おいて、本発明における熱交換器４の役割は、従来のヒ
ートポンプにおける凝縮器、すなわち、圧縮機によって
昇温された熱をできるだけ効率よく熱利用側に放出する
とともに、熱放出により液化・低温にして蒸発器におけ
る吸熱作用を効率よくすることが目的の凝縮器とはその
作用が根本的に異なる。

【００１３】本発明は熱媒回路２に気体熱媒を循環させ
て、圧縮−熱交換−膨張の熱サイクルを行うことにより
熱交換器４から高温の熱を熱利用側へ取り出すものであ
るが、フロン２２などの常温で液体の熱媒を使用する場
合は、熱媒を回路内で気化させる必要がある。この目的
のために図の実施例では、熱媒回路２の絞り装置６と圧
縮機３の間に液体熱媒を気化するための気化装置７を介
装してある。この気化装置７には加熱器、蒸発器等を使
用することができる。但し、本発明の気化装置７は熱媒
を気化させて正規の通常運転に至るまでの間だけ用いる
もので、その後の通常運転では熱の発生に関与しない。
この点で、通常運転中に熱を吸熱させる従来のヒートポ
ンプの蒸発器とはその役割を異にするものである。

【００１４】本発明の高温熱発生方法は、上記の熱サイ
クル回路を使用し、先ず、熱媒が常温で液体の場合は、
運転初期に液体状態の熱媒を気化装置７によって気化さ
せる。ただし、本発明においては、気化装置７は運転初
期に熱媒を気化させるのに使用されるだけで、気化した
後は使用されない。

【００１５】気化された熱媒回路２の気体熱媒は圧縮機
３でその圧縮率に応じて圧縮され、高温高圧の気体（蒸
気を含む）となって熱交換器４に吐出される。熱交換器
４は圧縮機３で高温化した熱媒を熱利用側回路５の熱媒
と熱交換して熱媒の熱の一部を熱利用側回路５に吸熱さ
せるものであるが、本発明は熱交換器４から熱利用側回
路５に放熱される熱の温度を高める手段として、前記の
ように、熱交換後の気体熱媒温度が１サイクル毎に次第
に上昇するように熱交換するとともに、その熱媒を気相
状態のまま絞り装置６を通して圧縮機３に送るようにし
ている。

【００１６】すなわち、本発明ではヒートポンプのよう
に熱交換後の熱媒が凝縮して液化させることなく、所定
の高温を保った気体の熱媒の状態で絞り装置６を介し
て、圧縮機３に循環される。従って、圧縮機３に循環さ
れる気体熱媒は、ヒートポンプのように蒸発器で吸熱す
る必要のない高い設定温度が保持されており、かかる高
温熱媒が圧縮機３によって圧縮されることによりさらに
高温化した気体熱媒となって熱交換器４に吐出する。こ
のような熱サイクルを繰り返すことによって、熱交換後
の熱媒を設定した高温に保ちながら、熱交換器４の熱利
用側回路５に高温の熱が放出されるのである。

【００１７】次に熱媒を密閉熱媒回路２に循環させ、圧
縮機３の圧縮比率が３倍、熱交換器４における熱利用側
回路５への熱交換を圧縮熱媒温度の２５％、絞り装置６
の出側で減圧膨張した熱媒の温度低下率を３５％とした
場合の本発明の作用を説明する。初期運転で気化装置７
で気化させた気体熱媒温度を２０℃とすると、圧縮機３
の吐出側熱媒温度は２０℃×３の６０℃となる。熱交換
器４においてこの６０℃の熱媒から１５℃（２５％）が
熱利用側熱媒回路５に吸熱され、熱交換後の熱媒が４５
℃の気体状態に維持され、絞り装置６の出側で減圧され
て圧縮機６に入る熱媒温度は約２９℃（３５％減）にな
る。

【００１８】この２９℃の熱媒が圧縮機３に循環して上
記と同様の次ぎの熱サイクルが行われることにより、圧
縮機３の吐出側熱媒蒸気温度は８７℃となり、熱利用回
路５への熱交換温度２１℃に上昇するとともに、熱交換
後の気体熱媒温度は６６℃に上昇し、絞り装置６の出側
で減圧されて圧縮機６に入る熱媒温度は約４３℃にな
る。

【００１９】このようにして上記の熱サイクルを繰り返
すことにより、理論上、熱媒回路の各領域温度は下記の
ように上昇する。（単位 ℃）

【表１】

【００２０】このようにして熱交換後の熱媒蒸気が次第
に高温になるように熱交換することにより、圧縮機３の
吐出側熱媒蒸気温度は理論上は無限に上昇し、熱交換器
４の熱利用側熱媒回路５から極めて高温の熱量が得られ
る。

【００２１】また、熱交換後の熱媒蒸気の温度が一定温
度に維持されるように熱交換することにより、熱利用の
熱媒回路５から得られる熱量を一定の温度に制御でき
る。

【００２２】すでに述べたように、本発明では熱媒を常
に気体の状態で循環させるものであるから気化装置７
は、運転初期に液体状態の熱冷媒を気化させる目的での
み使用し、熱媒が気化した後は不用となるものである。
従って、図１の装置を使用する場合は、熱媒の全量を気
化させた後は気化装置７の機能を停止させて、本発明の
本来の熱サイクル（通常運転）を行うことになる。

【００２３】尚、本発明の熱サイクルにおいては、熱交
換器４と圧縮機３の間の回路の熱媒蒸気温度が高温にな
るので、図１のように熱媒回路２に気化装置７を直列に
設けることは蒸発器６の保守の上で好ましくない場合が
生じる。このため、好ましくは、図２のように、密閉熱
媒回路２の熱交換器４と圧縮機３の間に切換弁８、９に
よって切換えるバイパス回路１０を設け、このバイパス
回路１０に気化器７を介装してもよい。

【００２４】図２の装置では、運転初期は切換弁８、９
をバイパス回路１０側に開き、気化器７で液体熱媒を蒸
発させるとともに、熱媒回路２の熱媒が気化した後は図
３のように、切換弁８、９を操作して熱媒の流れをバイ
パス回路１０から熱媒回路２に切換える。このため、気
化装置７が高温熱媒の影響を受けない。

【００２５】熱媒回路２の温度が過度に上昇すると、圧
縮機３の作動や潤滑油の性能に支障がでることが考えら
れる。この問題に対応するために図の実施例では絞り装
置６と圧縮機３間に過度の高温熱媒温度を感知して熱を
放熱する温度調節装置１１が設けられている。

【００２６】図の実施例の温度調節装置１１は、圧縮機
３の入り側の熱媒温度を温度センサ１２で感知し、熱媒
温度が所定限度を超えて高温になると、その検出信号で
温度調節装置１１を作動させて熱媒の熱の一部を放出す
る。図のように、温度センサ１２を圧縮機３の入り側に
設けることにより、圧縮機３が過度の高温に長くさらさ
れないうちに熱媒温度を制御することができる。

【００２７】図の実施例では気化装置７と温度調節器１
２を別部材で構成しているが、気化装置７は地下水など
の熱を吸収させて熱媒の初期気化を行うことができ、ま
た、温度調節装置１２は高温化した熱媒に上記地下水を
循環させて放熱をおこなうことができるので、前記の気
化装置７と温度調節装置１２は同じ部材べ併用すること
もできる。但し使用目的、作用が異なることは云うまで
もない。

【００２８】図において、参照記号１３は熱交換器４の
熱利用側熱媒回路５に組み込まれた発熱ユニット、Ｐは
ポンプを示している。

【００２９】

【発明の効果】本発明は圧縮機によって高温高圧化した
熱媒の熱の一部を熱利用側熱媒回路に放熱するととも
に、熱交換後の熱媒が、圧縮機で得た圧縮熱の一部を残
存させた所定高温の気体熱媒に維持されるように熱交換
し、このようにして得た所定高温の気体熱媒を圧縮機に
循環して熱サイクルを反復するので、熱交換器の利用側
熱媒回路に高温の熱を得ることができる。

【００３０】また、熱媒回路の熱媒は外部から熱を与え
ずに熱媒回路内に残存する自己の圧縮熱で蒸気温度を上
げてゆく。従って、高温熱発生の通常運転中は、外部か
らの熱源供給が不要になる。

【００３１】熱交換後の熱媒蒸気温度が一定になるよう
に熱交換を制御することによって、熱交換器の熱利用側
熱媒回路から得られる熱媒温度を一定にコントロールす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を実施する熱発生装置の概略構成図

【図２】 本発明を実施する他の熱発生装置の概略構成
図

【図３】 熱発生装置の冷媒回路切り換え説明図

【符号の説明】

１…高温熱発生装置 ２…密閉熱媒回路 ３…圧縮機 ４…熱交換器 ５…熱利用側熱媒回路 ６…絞り装置 ７…気化器 ８、９…切換弁 １１…バイパス回路 １２…温度調節装置 １２…温度センサ １３…発熱ユニット Ｐ…ポンプ

【整理番号】ＰＡＳ００−００２５

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【手続補正書】

【提出日】平成１２年１２月２８日（２０００．１２．
２８）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】 熱増幅方法及び装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機−熱交換器−絞り装置を順次経由し
   て循環する密閉熱媒回路の気体熱媒を圧縮機で高圧高温
   にし、この高温気体熱媒を、その熱の一部を熱交換器に
   より熱利用側に放熱させた後、絞り装置を介して圧縮機
   に循環させる熱サイクルであって、前記熱交換器におい
   て、圧縮した高圧高温の気体熱媒の熱の一部を熱利用側
   に熱交換するとともに、熱交換後の熱媒が気相状態を維
   持し、且つ、絞り装置を経て圧縮機に導入される気体熱
   媒の温度が１サイクル毎に上昇するように熱交換し、こ
   れにより圧縮機の吐出側熱媒温度を次第に上昇させて熱
   交換器の熱利用側から高温の熱を得ることを特徴とする
   熱増幅方法
2. 【請求項２】気体熱媒を循環させる密閉熱媒回路と、こ
   の熱媒回路の気体熱媒を圧縮して昇温させる圧縮機と、
   圧縮した高圧高温の気体熱媒の熱の一部を熱利用側に熱
   交換するとともに、熱交換後の熱媒が気相状態を維持
   し、且つ、圧縮機に導入される気体熱媒の温度が１サイ
   クル毎に上昇するように熱交換する熱交換器と、熱交換
   器と圧縮器間の熱媒回路に介装された絞り装置を具備す
   ることを特徴とする熱増幅装置
3. 【請求項３】前記熱媒回路の絞り装置と圧縮機間に、熱
   増幅装置の運転開始初期に回路内の熱媒を気化させる気
   化装置と熱媒温度を所定高温限度内に制御する温度調節
   装置を設けたことをさらに特徴とする熱増幅装置