JP2003176963A - ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】冷却側の熱交換器と加熱側の熱交換器とを備え
たヒートポンプシステムの冷却側の熱交換器に比較的高
い温度例えば３５℃以上の温水も供給できると共に、凝
縮圧力は低く、出湯温度の高い例えば６０℃以上の温水
が得られるヒートポンプシステムを提供する。 【解決手段】圧縮機（２）、凝縮器、蒸発器等からなる
冷凍サイクルの前記凝縮器を給湯用熱交換器（２０）
に、そして前記蒸発器を冷温水用熱交換器（３０）に選
定する。そして、圧縮機（２）に連なっている冷媒戻管
（１２）には、吸入圧力調整弁（１５）を介装し、該吸
入圧力調整弁（１５）により圧縮機（２）の過負荷を防
止する。また、凝縮圧力が許容圧力以下で給湯用熱交換
器（２０）に３５℃以上の温水を供給でき、出湯温度が
６０℃以上の温水が得られるように、給湯用熱交換器
（２０）の伝熱面積、大きさおよび過冷却度を適宜決定
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、給湯用熱交換器と
冷温水用熱交換器とを備えたヒートポンプシステムに関
し、さらに詳しくは圧縮機、凝縮器、蒸発器等からなる
冷凍サイクルの前記凝縮器が給湯用熱交換器に選定さ
れ、前記蒸発器が冷温水用熱交換器に選定されているヒ
ートポンプシステムに関し、限定するものではないが、
特に半導体製造工場、食品工場、薬品製造工場、冷蔵・
冷凍倉庫、クリーンルーム関係等における加熱と冷却に
適用して好適なヒートポンプシステムに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造工場、食品あるいは薬品製造
工場、冷蔵・冷凍倉庫等において見られるように、所定
温度の温水で対象物を加熱あるいは洗浄すると共に、所
定温度の冷水で冷却あるいは洗浄することも行われてい
る。例えば、半導体製造工程の冷却側では２５℃の冷水
を必要とし、加熱側では６０℃の温水が使用されてい
る。このような６０℃の温水は、一般にガスボイラーに
より得られ、そして対象物を加熱し低温になった２５℃
の温水は排水されている。一方、２５℃の冷水を得るた
めにはガス吸収式冷凍機が使用され、不足するときはタ
ーボ式冷凍機も使用されている。この２５℃の冷水は、
高温の対象物を冷却して４０℃程度まで昇温する。そこ
で、上記したガス吸収式冷凍機により再度冷却され、循
環式に使用されている。

【０００３】一方、ヒートポンプあるいは冷凍サイクル
は、従来周知のように、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発
器等から構成されている。したがって、圧縮機を起動し
て冷媒を凝縮器、膨張弁、蒸発器等の間を循環させる
と、冷媒が液体、気体、液体と状態変化し、そのとき凝
縮器で熱を外部へ放出し、蒸発器で外部の熱を吸収する
ので、凝縮器を加熱源とし、蒸発器を冷却源として冷暖
房に利用することができる。このような冷凍サイクルを
応用した給湯装置も従来周知で、冷媒を圧縮する圧縮
機、圧縮機から送られる高温の冷媒により温水を作る凝
縮器すなわち給湯用熱交換器、冷媒が外部から熱を受け
て気体となる蒸発器すなわち空気側熱交換器等から構成
されている。

【０００４】したがって、冷媒が給湯用熱交換器の方へ
流れるようにすると、冷媒は給湯用熱交換器において気
体から液体に凝縮する。このとき、潜熱を放出するの
で、給湯用熱交換器に冷水を供給すると、冷水は給湯用
熱交換器において高温の冷媒と熱交換され、加温されて
出湯管から出湯される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、ガスボ
イラーとガス吸収式冷凍機とを使用することにより、必
要な温度の温水と冷水とを別々に得ることはできる利点
は認められる。しかしながら、ガスボイラーで発生する
熱量の大部分が温水の加熱に使用されているとはいえ、
残りの部分は外部へ無駄に排出され、省エネの点から見
ると必ずしも効率の良い加熱方式とは言えない。また、
ガス吸収式冷凍機も、ガスの燃焼熱が無益に外部へ排出
されている。

【０００６】そこで、前記したように冷凍サイクルによ
ると、１つのシステムで加熱と冷却とを同時に行うこと
ができるので、凝縮器を加熱側の熱交換器として使用
し、蒸発器を冷水側の熱交換器として使用することによ
り、熱効率の向上を図ることができると考えられる。し
かしながら、次のような理由により実施されていない。
すなわち、蒸発器を冷却側の熱交換器とした場合、圧縮
機の負荷の関係から、冷却側の熱交換器に供給する水の
温度は２５℃以下が望ましく、対象物を冷却して昇温し
た温水をクーリングタワー等で冷却して冷却側の熱交換
器に供給しなければならない煩わしさがあるからであ
る。また、凝縮器を加熱側の熱交換器とした場合、この
熱交換器により得られる温水の湯温は、高くて５５℃程
度で、出湯温度が低いからである。この出湯温度は、冷
凍サイクルの凝縮圧力を例えば２．２ＭＰａ以上に高く
することにより、ある程度上げることができると予想さ
れるが、凝縮圧力を高くすると、圧縮機は過酷な運転を
強いられ、現実には運転時における高圧と低圧との圧力
差が大きく、なお且つ多くの機械には高圧運転防止を目
的とした安全装置が取られており、その運転圧力は例え
ば２．７５ＭＰａ以下に制限されており、出湯温度は５
５℃程度になっている。また、給湯用熱交換器に給水す
る水の温度は、０〜３５℃程度が限度となり、加熱源と
して利用した直後の３５〜５５℃程度の温水を再昇温す
ることができないからである。

【０００７】以上のような理由により、冷凍サイクルの
熱効率の良さにも拘わらず、加熱源と冷却源の両方を必
要とする、前記したような半導体製造工場等の施設で
は、ヒートポンプシステムは使用されていない。本発明
は、上記したような従来の実情に鑑みてなされたもので
あって、冷却側の熱交換器と加熱側の熱交換器とを備え
たヒートポンプシステムの冷却側の熱交換器に比較的高
い温度例えば３５℃以上の温水も供給できるヒートポン
プシステムを提供することを目的としている。また、他
の発明は、冷却側の熱交換器に比較的高い温度例えば３
５℃以上の温水も供給できると共に、凝縮圧力は低く、
しかも出湯温度の高い例えば６０℃以上の温水が得られ
るヒートポンプシステムを提供することを目的としてい
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は、冷
凍サイクルの凝縮器を給湯用熱交換器に、そして蒸発器
を冷温水用熱交換器に選定し、圧縮機の冷媒戻管に吸入
圧力調整弁を介装することにより達成される。また、他
の発明は、圧縮機の冷媒戻管に吸入圧力調整弁を介装す
ると共に、給湯用熱交換器の伝熱面積、大きさ等を適宜
組み合わせて給湯用熱交換器の出湯温度を実験で調べた
結果、給湯用熱交換器に供給する給水流量、給湯用熱交
換器の伝熱面積、大きさおよび過冷却度等を最適に組み
合わせると、本発明の上記目的が達成されるという知見
に基づいて成された。すなわち、請求項１に記載の発明
は、上記目的を達成するために、圧縮機、凝縮器、蒸発
器等からなる冷凍サイクルの前記凝縮器が給湯用熱交換
器に、そして前記蒸発器が冷温水用熱交換器に選定さ
れ、前記給湯用熱交換器には温水供給管と温水出管と
が、そして前記冷温水用熱交換器には冷水供給管と冷水
出管とがそれぞれ接続されているヒートポンプシステム
であって、前記圧縮機に連なっている冷媒戻管には、吸
入圧力調整弁が介装され、該吸入圧力調整弁により前記
圧縮機の過負荷が防止されるよう構成されている。請求
項２に記載の発明は、圧縮機、凝縮器、蒸発器等からな
る冷凍サイクルの前記凝縮器が給湯用熱交換器に、そし
て前記蒸発器が冷温水用熱交換器に選定され、前記給湯
用熱交換器には温水供給管と温水出管とが、そして前記
冷温水用熱交換器には冷水供給管と冷水出管とがそれぞ
れ接続されているヒートポンプシステムであって、前記
圧縮機に連なっている冷媒戻管には、吸入圧力調整弁が
介装され、該吸入圧力調整弁により前記圧縮機の過負荷
が防止されるようになっていると共に、前記給湯用熱交
換器の伝熱面積、大きさおよび過冷却度が適宜決定さ
れ、それによって凝縮圧力が許容圧力以下で前記給湯用
熱交換器に３５℃以上の温水を供給でき、出湯温度が６
０℃以上の温水が得られるように構成されている。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。図１は、本発明の実施の形態を示す模式図で、そ
の（イ）は全体を示す正面図、その（ロ）は給湯用ある
いは冷温水用熱交換器の斜視図であるが、図１の（イ）
に示されているように、本実施の形態に係わる冷凍サイ
クルからなるヒートポンプシステムは、従来周知の圧縮
機２、凝縮器の作用を奏する給湯用熱交換器１０、蒸発
器の作用を奏する冷温水用熱交換器３０等からなり、こ
れらの機器は冷媒管路６、８、１０、１２で接続され、
密閉サイクルを構成している。そして、冷媒回路６に
は、従来周知の形態をした三方弁７が、冷媒回路８には
レシーバ９が、冷媒回路１０には四方弁がそれぞれ介装
されている。冷媒回路１０の終端部はアキュームレータ
１３に接続され、このアキュームレータ１３と圧縮機２
とを結んでいる冷媒戻管１２に、市販品の吸入圧力調整
弁１５が介装されている。なお、膨張弁は図１には示さ
れていないし、参照数字４０は、三方弁７と四方弁１１
とを介して冷媒が循環供給されるバックアップ用の空気
熱交換器を示している。

【００１０】給湯用熱交換器２０は、本実施の形態では
プレート型熱交換器で、構造自体は従来周知であるので
詳しい説明はしないが、図１の（ロ）に示されているよ
うに、全体は縦長の略立方形を呈し、その内部に複数枚
のプレートが設けられている。この複数枚のプレートの
面積、枚数等により伝熱面積、容量等が適宜選定されて
いる。このような給湯用熱交換器２０の上方に冷媒の入
口管２１と、温水の出口管２３とが設けられ、下方に冷
媒の出口管２２と、温水の入口管２４とが設けられてい
る。冷媒の入口管２１には冷媒管路６が、冷媒の出口管
２２には冷媒管路８がそれぞれ接続されている。また、
温水の出口管２３には温水出管２５が、温水の入口管２
４には温水供給管２６が接続されている。

【００１１】冷温水用熱交換器３０も、給湯用熱交換器
２０と同様に構成されている。そして、冷媒の入口管３
１には冷媒管路８’が、冷媒の出口管３２には冷媒管路
１０がそれぞれ接続されている。また、冷水の出口管３
３には冷水出管３５が、冷水の入口管３４には冷水供給
管３６がそれぞれ接続されている。

【００１２】次に、上記実施の形態の作用について説明
する。冷凍サイクルを起動する。圧縮機２から出た冷媒
は、三方弁７を通って給湯用熱交換器２０の上方に設け
られている入口管２１から入り、下方に設けられている
冷媒の出口管２２から出て冷媒管路８を通ってレシーバ
９に入り、溜められる。そして、冷媒管８’から入口管
３１を通って冷温水用熱交換器３０に入り、上方に設け
られている出口管３２から出て冷媒管路１０、四方弁１
１を通ってアキュームレータ１３に入る。そして、冷媒
戻管１２に介装されている吸入圧力調整弁１５を介して
圧縮機２へと循環する。この間に従来周知のように状態
変化をして給湯用熱交換器２０において液体になり、そ
のとき潜熱を放出する。給湯用熱交換器２０は、その伝
熱面積、大きさ等が適宜選定されているので、図示され
ない圧力式温調弁により流量が調節されて温水供給管２
６から例えば３５℃のような高温の温水が給湯用熱交換
器２０に供給されると、凝縮圧力は約２．１５ＭＰａで
比較的低く、従来の冷凍サイクルの過冷却度の５℃よ
り、はるかに高い３０℃以上になり、７０℃以上の温水
が温水出管２５得られる。この温水により対象物を加熱
する。

【００１３】冷温水用熱交換器３０において、本実施の
形態によると吸入圧力調整弁１５により圧縮機２の負荷
が保護されているので、冷水供給管３６から比較的高温
の例えば３５℃以上の温水を冷温水用熱交換器３０に供
給する。そうすると、冷水出管３５から例えば２５℃の
冷水が得られる。この冷水により対象物を冷却する。

【００１４】上記のような高温の温水が得られる理由
は、定かではないが、供給される水量に対して、給湯用
熱交換器２０の伝熱面積を広く、容量を大きくすると、
給湯用熱交換器２０の中でガス状の冷媒と熱交換される
時間が長くなり、冷媒は充分凝縮でき、過冷却を多くと
ることができ、したがって凝縮圧力は約２．１５ＭＰａ
のように低くて、７０℃以上の高温の温水が得られると
も考えられる。さらに考えられる理由を説明すると、図
２は冷媒の状態変化を示すモリエル線図であるが、従来
の方式により、例えば給水温度が６５℃の温水を給湯用
熱交換器へ供給して７０℃の温水を得ようとすると、冷
媒の流れは図３においてａ、ｂ、ｃ、ｄ、ａのようにな
り、凝縮圧力は約２．９４ＭＰａ（３０ｋｇ／ｃｍ^２）
になる。この圧力は機械の許容耐圧を越えており、通常
は２．７ＭＰａ（２８ｋｇ／ｃｍ^２）で機械は安全のた
めに停止するようになっているので、実際は７０℃の温
水は得られない。これに対し、本実施の形態では、図２
に示されているように過冷却度Ｋを大きくとり、また給
湯用熱交換器の伝熱面積を、通常の凝縮器に必要とされ
ている伝熱面積よりも広く、例えば２倍にしたことによ
り、凝縮圧力は約２．１５ＭＰａに下がり、しかも７０
℃以上の高温の温水が得られるとも考えられる。このと
きの冷媒の流れをＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ａで示す。なお、過
冷却は色々な方法例えば蒸発器に冷媒を２度通すことに
よっても多くとることができる。

【００１５】本発明は、上記実施の形態に限定されるこ
となく、色々な形で実施できる。例えば、上記説明では
温水と冷水とを得る例について説明したが、温風と冷風
とを得るように実施することもできる。このように温風
と冷風とを得ると、クリーンルーム、温冷倉庫等を直接
的に温調できる。また、図１には示されていないが、温
水供給管２６に、圧力式温調弁を介装し、この圧力式温
調弁の開度を運転時の冷媒の圧力に応じて制御するよう
に実施することもできる。換言すると、外気温等の周辺
の条件に伴う機械すなわち冷媒の圧力変動に応じて給湯
量あるいは出湯量を制御するように実施することもでき
る。また、冷媒管路８に機械式膨張弁あるいは電子式膨
張弁を設けることもできる。電子式膨張弁は、冷媒の蒸
発温度を感知して冷媒のガス量を調整するもので、この
電子式膨張弁を設けることにより冷温水用熱交換器３０
に供給される冷水の温度に関係なく、確実に過熱度５℃
を取ることができる。これにより、給湯用熱交換器２０
により安定して７０℃の温水が得られる。

【００１６】

【発明の効果】以上のように、本発明によると、圧縮
機、凝縮器、蒸発器等からなる冷凍サイクルの前記凝縮
器が給湯用熱交換器に、そして前記蒸発器が冷温水用熱
交換器に選定されているヒートポンプシステムにおい
て、前記圧縮機に連なっている冷媒戻管には、吸入圧力
調整弁が介装され、該吸入圧力調整弁により前記圧縮機
の過負荷が防止されるようになっているので、冷温水用
熱交換器に比較的高温の例えば２５℃のような水を供給
できる。また、請求項２に記載の発明によると、圧縮機
に連なっている冷媒戻管には、吸入圧力調整弁が介装さ
れ、該吸入圧力調整弁により前記圧縮機の過負荷が防止
されるようになっていると共に、前記給湯用熱交換器の
伝熱面積、大きさおよび過冷却度が適宜決定され、それ
によって凝縮圧力が許容圧力以下で前記給湯用熱交換器
に３５℃以上の温水を供給でき、出湯温度が６０℃以上
の温水が得られるようになっているので、冷水と温水の
両方を得ることができ、しかも対象物を冷却しても充分
に温度低下していない冷水も、対象物を加熱しても温度
低下していない温水も、再冷却あるいは加熱できる。し
たがって、本発明によると、冷却水と加熱水とを必要と
する例えば半導体製造工場、食品工場、薬品製造工場、
冷蔵・冷凍倉庫、クリーンルーム関係等において省エネ
の冷却および加熱装置としてい好適なヒートポンプシス
テムが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態を示す図で、その（イ）
は全体を模式的に示す正面図、その（ロ）は熱交換器の
実施の形態を一部断面にして示す斜視図である。

【図２】冷媒の状態変化を示すモリエル線図である。

【符号の説明】

２ 圧縮機 １２ 冷媒戻管 １５ 吸入圧力調整弁 ２０ 給湯用熱
交換器 ３０ 冷温水用熱交換器

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【手続補正書】

【提出日】平成１３年１２月１３日（２００１．１２．
１３）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機、凝縮器、蒸発器等からなる冷凍サ
   イクルの前記凝縮器が給湯用熱交換器に、そして前記蒸
   発器が冷温水用熱交換器に選定され、前記給湯用熱交換
   器には温水供給管と温水出管とが、そして前記冷温水用
   熱交換器には冷水供給管と冷水出管とがそれぞれ接続さ
   れているヒートポンプシステムであって、 前記圧縮機に連なっている冷媒戻管には、吸入圧力調整
   弁が介装され、該吸入圧力調整弁により前記圧縮機の過
   負荷が防止されるようになっていることを特徴とするヒ
   ートポンプシステム。
2. 【請求項２】圧縮機、凝縮器、蒸発器等からなる冷凍サ
   イクルの前記凝縮器が給湯用熱交換器に、そして前記蒸
   発器が冷温水用熱交換器に選定され、前記給湯用熱交換
   器には温水供給管と温水出管とが、そして前記冷温水用
   熱交換器には冷水供給管と冷水出管とがそれぞれ接続さ
   れているヒートポンプシステムであって、 前記圧縮機に連なっている冷媒戻管には、吸入圧力調整
   弁が介装され、該吸入圧力調整弁により前記圧縮機の過
   負荷が防止されるようになっていると共に、前記給湯用
   熱交換器の伝熱面積、大きさおよび過冷却度が適宜決定
   され、それによって凝縮圧力が許容圧力以下で前記給湯
   用熱交換器に３５℃以上の温水を供給でき、出湯温度が
   ６０℃以上の温水が得られることを特徴とする、ヒート
   ポンプシステム。