JP2006266633A - 吸収ヒートポンプによる冷暖房運転方法及び吸収ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 三重効用サイクルを採用する吸収冷温水機において、冷暖房効率をより高める。
【解決手段】 吸収器８１、蒸発器８９、凝縮器８８、低温再生器８４、中温再生器８７、高温再生器１０、溶液熱交換器、溶液ポンプ及び冷媒ポンプを少なくとも有する三重効用サイクルを採用する吸収冷温水機において、冷房運転時は三重効用サイクル運転、暖房運転時は二重効用サイクルで、かつ蒸発器８９で排熱回収をする運転をして、冷房運転、暖房運転ともに二重効用サイクルでは到達不可能な定格運転時の成績係数１．４以上を可能とする吸収ヒートポンプによる冷暖房運転方法を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、吸収器、蒸発器、凝縮器、低温再生器、中温再生器、高温再生器、溶液熱交換器などを有する三重効用サイクルを採用する吸収冷温水機において、冷房運転は三重効用サイクルによる吸収式としての高効率を達成し、暖房運転は低温排熱源流体を利用するヒートポンプとして暖房運転時の高効率を達成し、かつ、三重効用サイクル用の高温再生器を活用して、低温排熱源流体を利用する従来のヒートポンプより暖房用温水温度を高く、簡単に取り出せるようにした、冷房時は三重効用サイクル運転、暖房時は外部排熱を利用してヒートポンプサイクル運転を行う、三重効用吸収冷温水機を簡便な切替え操作で運転することができる吸収ヒートポンプによる冷暖房運転方法及び吸収ヒートポンプに関するものである。

従来から、蒸気式二重効用吸収冷凍機として、図８に例示したようなものが知られている。この吸収冷凍機は、吸収液（例えば、臭化リチウム水溶液）が吸収器ａから低温再生器ｃを経て高温再生器ｅに流されるというリバースサイクルを構成している。この吸収冷凍機における吸収サイクルを説明すると、まず、吸収器ａで多量の冷媒蒸気を吸収して濃度が薄められた吸収液（稀吸収液）が吸収器ａから低温熱交換器ｂに送給され、この低温熱交換器ｂにより加熱された後に低温再生器ｃに送給される。前記稀吸収液は、この低温再生器ｃにおいて低温再生され、吸収している冷媒の一部を放出し濃度がその分高くなって中間濃度の吸収液（中間吸収液）となる。次に、この中間吸収液は、低温再生器ｃから高温熱交換器ｄに送給され、この高温熱交換器ｄにより加熱された後に高温再生器ｅに送給される。

前記中間吸収液は、この高温再生器ｅにおいて高温再生され、吸収している冷媒（例えば、水蒸気）の一部を放出し濃度がさらに高くなって高濃度の吸収液（濃吸収液）となる。そして、この濃吸収液が前記高温熱交換器ｄの加熱側に前記中間吸収液を加熱する加熱源として戻され、さらに、低温熱交換器ｂの加熱側に前記稀吸収液を加熱する加熱源として戻された後、前記吸収器ａに帰還する。この帰還した濃吸収液は吸収器ａにおいて伝熱管上に散布され、冷却水により冷却されながら再び冷媒蒸気を吸収して前記稀吸収液となる。

このような蒸気式二重効用吸収冷凍機においては、前記高温再生器ｅには蒸気ボイラｆから高温の蒸気（スチーム）が加熱源として供給されるようになっており、この蒸気により中間吸収液が加熱されて吸収していた冷媒が放出され、この放出された冷媒蒸気は、低温再生器ｃにこの低温再生器ｃでの加熱源として利用された後、凝縮器ｇに戻されて凝縮する。凝縮器ｇからの冷媒液（例えば、水）は蒸発器ｈに入り、この凝縮した冷媒液が冷媒ポンプにより蒸発器ｈの伝熱管（水が流通している）に散布され蒸発潜熱により冷却されて冷水が得られる。
また、低温再生器ｃからの吸収液配管ｉと、高温熱交換器ｄと低温熱交換器ｂとの間の加熱側の吸収液配管ｊとを接続するバイパス管ｋが設けられ、低温再生器ｃを出て高温再生器ｅへ供給される中間濃縮吸収液の一部を、吸収器ａへ戻る濃吸収液配管にバイパスさせるように構成されている。

ボイラは通常、単独で運転する場合の制御は、外部の負荷変化によって変化するボイラ出口部の蒸気圧力変化を検出して、蒸気圧力が定められた圧力範囲内に入るように燃焼量を制御している。また、運転中はボイラ内の保有水が定められた水位の範囲内に入るよう給水ポンプを発停制御して水位を制御している。
一方、図８に示すような従来の吸収冷凍機においては、外部の負荷変化によって変化する冷凍機出口部又は入口部の冷水温度変化を検出して、冷凍機出口部又は入口部の温度が定められた温度になるよう、供給される熱源の量を制御している。

上記のボイラと吸収冷凍機については、インターロックを組んで連動運転をするなどの運転システムがあるが、制御はそれぞれ独立しているのが通常の運転システムである。ボイラは内部圧力が大気圧を越える圧力容器に該当し、吸収冷凍機は内部圧力が大気圧力以下の真空容器に該当する。このため、従来は両者を一体にして運転、制御することなどは無理なこととしてあきらめられていた。しかし、環境問題などから、さらに省エネルギーとなる冷温水機の開発が求められており、今回開発された本発明の冷温水機は、時代の要請に応えたものとなっている。
吸収冷凍機は、内部を循環し熱エネルギーの交換をする媒体として、例えば臭化リチウム水溶液を保有している。一般的には吸収液と呼ばれ、冷媒となる水を吸収、蒸発させることによって冷房効果を発揮するよう構成されている。

従来、二重効用吸収式ヒートポンプとして、２つの独立した吸収溶液サイクルを形成させるとともに、温水の最も低い部分を凝縮器へ通水するように構成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、吸収ヒートポンプとして、廃熱等の温度の低い熱源を用いて、廃熱源温度より高い温度の熱を取り出すようにした構成が知られている（例えば、特許文献２参照）。また、吸収ヒートポンプとして、高温凝縮器を中温発生器の加熱側に設け、かつ、中温凝縮器を低温発生器の加熱側に設けて、低温吸収器の被加熱側と高温蒸発器の加熱側とを接続して、これらの各機器を溶液配管、冷媒配管で連結して冷凍サイクルを構成するものが知られている（例えば、特許文献３参照）。また、三重効用ヒートポンプとして、第１吸収ヒートポンプ、第２吸収ヒートポンプ、第３吸収ヒートポンプから構成され、外部駆動熱源を第１吸収ヒートポンプ第１発生器の駆動熱源としたものが知られている（例えば、特許文献４参照）。

吸収式ヒートポンプ装置として、臭化リチウム水溶液を吸収液とした低温部ヒートポンプと、硝酸水溶液を吸収液とした高温部ヒートポンプを有するものが知られている（例えば、特許文献５参照）。また、吸収式ヒートポンプ装置として、三重効用式の吸収ヒートポンプ装置において、高温部再生器、高温部凝縮器を容器内に一体的に設け、高温部再生器から移送される高温部濃吸収液の温度を大気圧下における沸点以下に下げるようにしたものが知られている（例えば、特許文献６参照）。また、三重効用吸収冷温水機の暖房運転制御方法として、排ガス温度センサで検知される排ガス温度が、ドレン発生温度以下にならないように、第２弁、第３弁及び第４弁の少なくともいずれかを単独に又は同時に制御し、かつ、蒸発器の冷媒ポンプを発停制御して排ガス熱交換器内で凝縮水の発生を防止するようにした構成が知られている（例えば、特許文献７参照）。さらに、吸収冷凍機・冷温水機における圧力差シール装置として、凝縮器と蒸発器とを接続する冷媒液管にフロート弁を設けた構成が知られている（特許文献８参照）。
なお、特許文献３における弁３２とバイパス管３０は、本願発明における冷暖切替弁と配管とは異なるものである。すなわち、前者は、圧力上昇を防止するバイパス弁であり、後者は、冷暖切替弁である。
特開昭５８−２１９３７１号公報（第１頁、第２図） 特開昭６０−２３５９６９号公報（第１頁、第２図） 特開平４−７３５５７号公報（第１頁、第１図） 特開平６−１３７７０３号公報（第１頁、図１） 特開平８−１６６１７７号公報（第１頁、図１） 特開平９−７９６８４号公報（第１頁、図１） 特開２００３−２２２４２４号公報（第１頁、図１） 特開平８−７５２９５号公報（第１頁、図１）

多重効用の吸収冷温水機を利用した吸収ヒートポンプは、上記のように多数考案されているが、構造が複雑なものや暖房時に高い温水温度が得られないなどの欠点があった。また、吸収液に臭化リチウム水溶液、冷媒液に水を採用する簡便な方式とは別に、従来の吸収式では採用していない特殊な吸収液、冷媒液を採用しているものもある。冷房運転時の成績係数（ＣＯＰ）は、二重効用形では到達不可能なＣＯＰ１．４以上（高発熱量基準）を達成できるが、暖房時の効率が通常の加熱方式による運転では暖房効率１．０を超えることは不可能で、その暖房効率を改善するべく発明された、吸収液に臭化リチウムブロマイド溶液、冷媒に水を用いる、冷房時に三重効用サイクル運転、暖房時に吸収ヒートポンプサイクル運転を行う吸収ヒートポンプは開発されていない。

つぎに吸収ヒートポンプの概要について説明する。媒体の相変化を利用する点は圧縮式ヒートポンプと同じであるが、媒体を変化させるために圧縮機で圧縮する代りに、吸収液に吸収させて相変化させるものがある。媒体と吸収液の組合せとしては、（ａ）水−臭化リチウム水溶液、（ｂ）アンモニア−水などが知られている。
つぎに、原理について水と臭化リチウム水溶液の例の場合を説明する。臭化リチウムは、水分を吸収する性質を持つ。一方、同じ圧力下では、水の沸点よりも臭化リチウム水溶液の沸点は高く、また吸湿力が強いので、水蒸気は臭化リチウム水溶液に吸収され液化する。なお、容器内は低い温度で水蒸気が発生しやすくするため、減圧状態にしてある。これらの性質を利用して、水蒸気を臭化リチウム水溶液に吸収させ、液化させてその放出する潜熱を利用するのが吸収ヒートポンプである。

吸収ヒートポンプの種類としては、（ａ）第一種吸収ヒートポンプ、すなわち、熱を低温部から“汲み上げる”働きをするもの、（ｂ）第二種吸収ヒートポンプ、すなわち、物質が持っている熱を“濃縮”昇温させる働きをするものが知られている。
図５は、第一種吸収ヒートポンプの説明図で、高温熱源（燃焼ガス、蒸気など）を外部から供給し、比較的温度の低い排熱を汲み上げ、ほぼ中間温度の温水を得る場合を示している。なお、成績係数は１以上である。また、図６は、第二種吸収ヒートポンプの説明図で、外部からの高温熱源を必要とせず、排熱源流体より高い温度の利用流体を得る場合を示している。なお、成績係数は１以下である。

図７は、本出願人が既に開発している冷暖切替え方式による系統図を示している。すなわち、三重効用形吸収冷温水機の溶液流動・運転サイクル図の例で、従来の位置に冷暖切替弁を設けた三重効用サイクルフロー（冷房の場合）である。
図７において、高温再生器としては、例えば、貫流方式ボイラ又はこれと同等の機能、構造を有するボイラが用いられるが、図７では、高温再生器の一例として貫流式ボイラ形のものを用いる場合を示している。１０は貫流式ボイラ構造の高温再生器で、上部と下部に環状の上部管寄せ（上部ヘッダー）１２及び下部管寄せ（下部ヘッダー）１４を有し、これらの管寄せ１２、１４間に鉛直方向の多数の上昇管１６を略円筒状に配設し、上部中央部に燃焼装置１８、例えばバーナーを有し、稀吸収液を下部管寄せ１４に導入して加熱濃縮し、上部管寄せ１２から気液混合物を取り出すことができるように構成されている。２０は燃焼室である。

この高温再生器１０に気液混合物導管２４を介して気液分離器２６が接続されている。気液分離器２６の上部には蒸気抜出導管２８が接続され、気液分離器２６の下側部には吸収液抜出導管３０が接続されている。
気液分離器２６の下部と高温再生器１０の下部管寄せ１４とは、吸収液循環導管３６を介して接続されている。吸収液循環導管３６又は下部管寄せ１４には、吸収液供給管４２が接続されている。

図７の構成は、吸収器８１、低温吸収液ポンプ８２、低温熱交換器８３、低温再生器８４、中温吸収液ポンプ８５、高温熱交換器８６、中温再生器８７、凝縮器８８、蒸発器８９、冷媒ポンプ９０及びこれらの機器を接続する吸収液配管、冷媒配管等を構成要素とするリバースサイクル式の二重効用式吸収冷凍機に対し、貫流式ボイラ構造の高温再生器１０、溶液供給手段としての高温吸収液ポンプ９３、高温熱交換器９４等を組み合わせて一体化したものである。なお、図１において、実線に付した矢印は吸収液、冷媒液又は水の流れ方向を示し、破線に付した矢印は冷媒蒸気、又は冷媒蒸気と凝縮冷媒（冷媒ドレン）との混合物の流れ方向を示す。

９５は第一バイパス管で、低温再生器８４からの吸収液の一部を高温熱交換器８６からの濃吸収液配管にバイパスさせるためのものである。また、９６は第二バイパス管で、中温再生器８７からの吸収液の一部を高温熱交換器９４からの戻り濃吸収液配管にバイパスさせるためのものである。９９は冷温水ポンプ、１００は冷却水ポンプ、１５１は冷暖切替弁で、暖房運転時は全開、冷房運転時は全閉とされる。図７では、冷房運転であるので、冷暖切替弁１５１と切替え配管は閉となっている。１５２は排ガス熱交換器で、高温再生器１０の燃焼排ガスを導入して、中温吸収液ポンプ８５からの吸収液の一部を加熱するためのものである。また、１５３は冷媒ドレン熱交換器で、低温再生器８４からの冷媒ドレンの一部を導入して、低温吸収液ポンプ８２からの吸収液の一部を加熱するためのものである。

つぎに、上記のように構成された吸収冷凍機において、吸収液の循環サイクルについて順に説明する。まず、吸収器８１で多量の冷媒蒸気を吸収して濃度が薄められた稀吸収液が、低温吸収液ポンプ８２によって吸収器８１から低温熱交換器８３に送給され、この低温熱交換器８３により加熱された後に低温再生器８４に送給される。そして、この稀吸収液は、この低温再生器８４において低温再生され、吸収している冷媒の一部を放出し濃度がその分高くなって中間濃度の中間吸収液となる。

この中間濃縮吸収液の大部分は、低温再生器８４から中温吸収液ポンプ８５によって中温熱交換器８６に送給され、この中温熱交換器８６により加熱された後に中温再生器８７に送給される。この中間濃縮吸収液は、この中温再生器８７において高温再生され、吸収している冷媒の一部を放出し濃度がさらに高くなって高濃度の濃吸収液となる。低温再生器８４からの中間濃縮吸収液の残部は、吸収器８１へ戻る濃吸収液配管にバイパス管９５を経てバイパス供給される。

中温再生器８７からの濃吸収液の一部又は全部は、高温吸収液ポンプ９３により高温熱交換器９４へ送給され、ここで、高温再生器１０からの濃吸収液と熱交換して加熱された後、高温再生器１０に供給される。中温再生器８７からの濃吸収液の残部（零の場合もあり得る）は、第二バイパス管９６を経て高温熱交換器９４からの加熱側の吸収液配管に合流する。

高温再生器１０において、燃料の燃焼熱により加熱濃縮された濃吸収液は、高温熱交換器９４の加熱側に導入されて中温再生器８７からの濃吸収液を加熱した後、中温熱交換器８６の加熱側に導入される。中温再生器８７からの濃吸収液の残部（零の場合もあり得る）は、第二バイパス管９６を経て高温熱交換器９４からの加熱側の吸収液配管に合流する。高温再生器１０からの冷媒蒸気は蒸気抜出導管２８を経て中温再生器８７へ導入され、ここで吸収液を加熱濃縮させた後、冷媒ドレンは低温再生器８４へ導入される。また、中温再生器８７からの冷媒蒸気は冷媒蒸気配管９７を経て、中温再生器８７からの冷媒ドレンとともに低温再生器８４に送られ、ここで吸収液を加熱濃縮させる。低温再生器８４からの冷媒蒸気は冷媒蒸気配管９８を経て、低温再生器８４からの冷媒ドレンとともに凝縮器８８に導入される。

解決しようとする問題点は、冷房時に三重効用サイクル運転を、暖房時に吸収ヒートポンプサイクル運転を行うことにより、冷暖房効率を向上させることができる吸収ヒートポンプによる冷暖房運転方法及び吸収ヒートポンプを得ることにある。

本発明は、三重効用サイクルを採用する吸収冷温水機において、冷房運転は三重効用サイクルによる吸収式としての高効率を達成し、暖房運転は低温排熱源流体を利用するヒートポンプとして暖房運転時の高効率を達成し、かつ、三重効用サイクル用の高温再生器を活用して、高温の暖房用温水を簡単に取り出せるようにしたことを最も主要な特徴としている。

本発明の吸収ヒートポンプによる冷暖房運転方法は、吸収器、蒸発器、凝縮器、低温再生器、中温再生器、高温再生器、溶液熱交換器、溶液ポンプ及び冷媒ポンプを少なくとも有する三重効用サイクルを採用する吸収冷温水機において、冷房運転時は三重効用サイクル運転、暖房運転時は二重効用サイクルで、かつ蒸発器で排熱回収をする運転をして、冷房運転、暖房運転ともに二重効用サイクルでは到達不可能な定格運転時の成績係数（効率）１．４以上を可能とすることを特徴としている。
また、本発明の方法は、吸収器、蒸発器、凝縮器、低温再生器、中温再生器、高温再生器、溶液熱交換器、溶液ポンプ及び冷媒ポンプを少なくとも有する三重効用サイクルを採用する吸収冷温水機において、燃焼ガスを利用して高温再生器で吸収液を加熱・濃縮した後、熱交換器を経由して吸収器に戻る吸収液の熱を利用して吸収器で温水を加熱し、排熱源流体の熱を奪って蒸発器で蒸発する冷媒蒸気が吸収器で吸収液に吸収され凝縮する際に発生する凝縮熱で温水を加熱し、一方、高温再生器、中温再生器で発生した冷媒蒸気・冷媒ドレンの熱を利用して凝縮器で温水を加熱することを特徴としている。

また、本発明の方法は、吸収器、蒸発器、凝縮器、低温再生器、中温再生器、高温再生器、溶液熱交換器、溶液ポンプ及び冷媒ポンプを少なくとも有する三重効用サイクルを採用する吸収冷温水機において、冷房運転時に、吸収器、凝縮器に接続する外部配管を経由して冷却水として利用した温度の低い排熱源流体を、外部配管に設けた切替え配管と切替弁により蒸発器に接続する配管に接続して蒸発器に排熱源流体を流すようにして、同じく外部配管を切り替えて吸収器、凝縮器へ温水を流すことを特徴としている。
さらに、本発明の方法は、吸収器、蒸発器、凝縮器、低温再生器、中温再生器、高温再生器、溶液熱交換器、溶液ポンプ及び冷媒ポンプを少なくとも有する三重効用サイクルを採用する吸収冷温水機において、排熱源流体が蒸発器に流れず、排熱源流体の熱が得られない場合には、燃焼ガスを利用して高温再生器で吸収液は加熱・濃縮された後、熱交換器を経由して吸収器に戻る吸収液の熱を利用して吸収器で温水を加熱し、高温再生器、中温再生器で発生した冷媒蒸気・冷媒ドレンの熱を利用して凝縮器で温水を加熱するようにして、冷媒ポンプを止めて蒸発器で冷媒散布をしないようにして暖房運転できるようにすることを特徴としている。
これらの方法において、吸収冷温水機は、リバースサイクル、シリーズサイクル及びパラレルサイクルのいずれかのサイクルで運転される。また、吸収液として臭化リチウム水溶液（冷媒は水）が用いられる。

本発明の吸収ヒートポンプは、吸収器、蒸発器、凝縮器、低温再生器、中温再生器、高温再生器、溶液熱交換器、溶液ポンプ及び冷媒ポンプを少なくとも有する三重効用サイクルを採用する吸収冷温水機において、低温再生器伝熱管出口部の冷媒蒸気・冷媒ドレンが流れる配管と凝縮器とを接続する配管を設け、この配管途中に冷暖切替弁を設けて、暖房運転を行う時にこの弁を開くと、中温再生器で発生した冷媒蒸気と中温再生器で凝縮した冷媒ドレンのほとんどが低温再生器を経由して凝縮器で熱交換するようにして、凝縮器伝熱管内を流れる温水を加熱するようにしたことを特徴としている。
また、本発明の吸収ヒートポンプは、吸収器、蒸発器、凝縮器、低温再生器、中温再生器、高温再生器、溶液熱交換器、溶液ポンプ及び冷媒ポンプを少なくとも有する三重効用サイクルを採用する吸収冷温水機において、冷房運転時に、吸収器、凝縮器に接続する外部配管を経由して冷却水として利用した温度の低い排熱源流体を、外部配管に設けた切替え配管と切替弁により蒸発器に接続する配管に接続して蒸発器に排熱源流体を流すようにして、外部配管を切り替えて吸収器、凝縮器へ温水を流すようにしてなることを特徴としている。
これらの吸収ヒートポンプにおいて、三重効用サイクル運転に必要な構成機器である高温再生器、中温再生器、低温再生器、蒸発器、吸収器、凝縮器、低温・中温・高温熱交換器、溶液循環ポンプ、冷媒ポンプに加えて、冷媒ドレン熱交換器及び／又は排ガス熱交換器を付加して高効率を得るように構成される。

また、冷房運転時の凝縮器と蒸発器の圧力差と、暖房運転時の凝縮器と蒸発器の圧力差は大きく異なり、通常のＵシール管やオリフィスでは、圧力差が大きくなる暖房運転時にシール切れを起こす。このため、本発明の吸収ヒートポンプは、吸収器、蒸発器、凝縮器、低温再生器、中温再生器、高温再生器、溶液熱交換器、溶液ポンプ及び冷媒ポンプを少なくとも有する三重効用サイクルを採用する吸収冷温水機において、凝縮器で凝縮した冷媒ドレンを蒸発器へ流す配管の途中に、冷媒ドレンの増減により上下して自動的に弁を開閉して圧力差を維持するようにしたフロート弁を設け、凝縮器と蒸発器の間の圧力差維持をこのフロート弁による液シール方式で行うようにしたことを特徴としている。
また、冷房運転時の高温再生器と中温再生器の圧力差、中温再生器と低温再生器の圧力差と、暖房運転時の高温再生器と中温再生器の圧力差、中温再生器と低温再生器の圧力差は大きく異なり、通常のＵシール管やオリフィスでは、圧力差の変動を吸収できず冷房、暖房それぞれの運転条件、圧力差を維持できなくなる。そのため、冷房時の運転条件で計画した場合には、暖房運転時に冷媒ドレンを潤滑に流すことができなくなり運転に支障を起こす。このため、本発明の吸収ヒートポンプは、吸収器、蒸発器、凝縮器、低温再生器、中温再生器、高温再生器、溶液熱交換器、溶液ポンプ及び冷媒ポンプを少なくとも有する三重効用サイクルを採用する吸収冷温水機において、中温再生器で凝縮した冷媒ドレン及び低温再生器で凝縮した冷媒ドレンをそれぞれの下流側（低圧側）へ流す配管の途中に、冷媒ドレンの増減により上下して自動的に弁を開閉して圧力差を維持するようにしたフロート弁を設け、圧力差の維持をこのフロート弁による液シール方式で行うようにしたことを特徴としている。
これらの吸収ヒートポンプにおいて、吸収冷温水機は、リバースサイクル、シリーズサイクル及びパラレルサイクルのいずれかのサイクルとされる。

本発明は、第一種吸収ヒートポンプに関するもので、高温熱源流体として燃焼ガスを利用する。排熱源流体としては、河川水、下水、中水などの、大量に放出されるが温度が低く他で再利用することが難しい低温排熱源流体を利用する。冷房運転時の成績係数が１．４を越えるように設計・製作された三重効用サイクルの吸収冷温水機を利用して、大きく手を加えることなく冷温水機の冷媒蒸気及び冷媒ドレン配管経路の一部を冷暖切替え弁による、簡単な切替え操作のみで暖房運転時の成績係数（効率）が１．０を超える吸収ヒートポンプサイクルを成立させることができる。
排熱源流体は、冷温水機に接続する外部排熱源流体配管の経路を切り替え、冷温水機への接続口を変えることにより、夏期は三重効用サイクル運転による冷房運転時の冷却水として利用することができる。

これまでの三重効用吸収冷温水機では、冷房運転時の効率は格段に改善され、ＣＯＰ１．４以上達成が可能になってきているが、暖房運転時の効率は０．９がほぼ限界で、それ以上の高効率の冷温水機は表れていない。このことは、冷房運転時の効率と暖房運転時の効率を合算して年間を通じた効率を考えた時に、冷房運転時の効率改善のメリットが生かされず、全体の効率を下げてしまう。しかし、吸収ヒートポンプサイクルを採用することにより、冷房運転時だけでなく、暖房運転時の効率も大幅に改善することができるため、年間を通じた効率も格段に改善できる。すなわち、年間を通じて効率１．０以上の省エネルギー運転が可能になる。

冷房運転時は、低温再生器で発生した冷媒蒸気と中温再生器から低温再生器へ流入し管内で熱を放出して凝縮した冷媒ドレンは、凝縮器で冷却水により冷却され、凝縮器で熱を奪った冷却水は循環ポンプにより外部へ送られ冷却塔で放熱される。暖房運転時は、従来の暖房運転方式では、冷却水は流さずに、高温再生器で発生（蒸発）した冷媒蒸気は中温再生器、低温再生器を経由する所までは冷房運転時と同じだが、その後の冷媒蒸気と冷媒ドレンは、冷暖切替弁の切替え操作により蒸発器へ流れるようにして、冷媒蒸気と冷媒ドレンの熱で温水を加熱し暖房運転に利用するようになされていた。

本発明における吸収ヒートポンプでは、冷房運転時には高効率を可能とする既存の三重効用サイクル運転を行い、暖房運転時には、冷房運転時に冷水を流した蒸発器に低温の排熱源流体を流し、冷却水を流した吸収器と凝縮器には温水を流す。この時、高温再生器で発生（蒸発）した冷媒蒸気は中温再生器、低温再生器を経由する所までは冷房運転時と同じであるが、その後の冷媒蒸気と冷媒ドレンは、冷暖切替弁の切替え操作により凝縮器へ流れるようにして、凝縮器で冷媒蒸気と冷媒ドレンの熱で温水を加熱し、吸収器では加熱された吸収液で温水を加熱して暖房運転用の温水を加熱するようにしている。
本発明における吸収ヒートポンプでは、冷房運転時の成績係数（ＣＯＰ）は二重効用形では到達不可能なＣＯＰ１．４（高発熱量基準）を越えてＣＯＰ１．６が可能となり、暖房時の効率もこれまでの暖房運転では到達不可能な１．４を超え１．６が可能となるように改善するべく構成された、吸収液に臭化リチウム水溶液、冷媒に水を用いた、冷房時三重効用サイクル運転、暖房時吸収ヒートポンプサイクル運転を行う吸収ヒートポンプとすることができる。

暖房運転時は、排熱源流体の熱を温水の加熱源として利用できるために、天然ガスなどの高級なエネルギーの使用量を減らすことが可能となり、冷房運転、暖房運転ともに定格運転時の成績係数（効率）１．６が可能となって、年間を通じて高効率な運転が可能となる。本発明における吸収ヒートポンプサイクルによる暖房運転時は、高温再生器と中温再生器との間では冷房運転時と同じように圧力差が生じる構造を生かし、高温再生器で発生した冷媒蒸気を利用して中温再生器内の伝熱管管外を流れる吸収液を加熱して冷媒蒸気を発生するようにして、二重効用の効果が得られるようにしている。
一方、中温再生器で発生した冷媒蒸気は低温再生器の伝熱管内を流れるが、低温再生器出口に設けた冷暖切替弁の切替え操作（弁を開く）により冷媒蒸気が低温再生器で熱交換せずに凝縮器へ流れ凝縮器で熱交換するようにして、中温再生器、低温再生器と凝縮器の間で大きな圧力差が生じないようにしている。このことから、本発明における吸収ヒートポンプは、冷房運転時三重効用サイクル運転、暖房運転時二重効用サイクルでかつ排熱回収運転をして高効率化を可能にした新しい吸収冷温水機とも言える。

本発明はつぎのような効果を奏する。
（１） 吸収ヒートポンプサイクルを採用することにより、冷房運転時だけでなく、暖房運転時の効率も大幅に改善することができるため、年間を通じた効率も格段に改善できる。すなわち、年間を通じて効率１．０以上の省エネルギー運転が可能になる。
（２） 吸収ヒートポンプでは、冷房運転時の成績係数（ＣＯＰ）は二重効用形では到達不可能なＣＯＰ１．４（高発熱量基準）を越えてＣＯＰ１．６が可能となり、暖房時の効率もこれまでの暖房運転では到達不可能な１．４を超え１．６が可能となるように改善するべく構成された、冷房時三重効用サイクル運転、暖房時吸収ヒートポンプサイクル運転を行う吸収ヒートポンプとすることができる。
（３） 暖房運転時は、排熱源流体の熱を温水の加熱源として利用できるために、天然ガスなどの高級なエネルギーの使用量を減らすことが可能となり、冷房運転、暖房運転ともに定格運転時の成績係数（効率）１．６が可能となって、年間を通じて高効率な運転が可能となる。

発明の実施するための最良の形態

三重効用サイクルを採用する吸収冷温水機において、効率を高めるという目的を、冷房時は三重効用サイクル運転、暖房時は外部排熱を利用したヒートポンプサイクル運転とすることにより実現した。

以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施することができるものである。図１は、本発明の実施の第１形態による吸収ヒートポンプ、詳しくは、三重効用形吸収冷温水機の溶液流動・運転サイクル図の例で、本例の吸収ヒートポンプの三重効用サイクルフロー（冷房の場合）である。
図１において、１５４は冷暖切替弁である。低温再生器８４と凝縮器８８とが冷媒ドレン分岐配管（切替え配管）１５５で接続されており、この冷媒ドレン配管１５５に冷暖切替弁１５４が設けられている。図１は冷房運転を示しているので、冷暖切替弁１５４は閉である。１５６は、圧力差を維持するためのオリフィス又はＵシール管である。他の構成及び作用は図７の場合と同様である。

図１は吸収ヒートポンプサイクルで冷房運転の場合を示しているが、図２は暖房運転時の吸収ヒートポンプサイクルを示している。すなわち、図２は三重効用形吸収冷温水機の溶液流動・運転サイクル図の例で、本例の吸収ヒートポンプの暖房運転サイクルフローを示している。
図１においては、冷却水として排熱利用冷却水を冷温水ポンプ１００により供給し、吸収器８１、凝縮器８８を経て排熱利用冷却水（戻り）を抜き出す。また、冷温水ポンプ９９で冷水用の水を供給し、蒸発器８９で冷却して冷水を得ている。
一方、図２においては、冷暖切替弁１５４を開として、低温再生器８４からの冷媒ドレンを凝縮器８８に導入する。そして、利用負荷で使用された温水（戻り）を冷却水ポンプで吸収器８１、凝縮器８８に送り、温水は吸収器８１で加熱された後、凝縮器８８で冷媒ドレンによりさらに加熱されて温水利用負荷へ送られる。このように、図２においては、冷却水ポンプは温水循環ポンプ１００ａとなる。また、排熱水が冷温水ポンプに送られ、蒸発器８９で冷却されて排熱水（戻り）として抜き出される。このとき、排熱水の熱が回収される。このように、図２においては、冷温水ポンプは排熱水循環ポンプ９９ａとなる。

図１及び図２において、冷房運転時は、低温再生器８４で発生した冷媒蒸気と中温再生器８７から低温再生器８４へ流入し、管内で熱を放出して凝縮した冷媒ドレンは、凝縮器８８で冷却水により冷却される。凝縮器８８で熱を奪った冷却水は循環ポンプにより外部へ送られ冷却塔（図示略）で放熱される。
暖房運転時は、これまでの暖房運転方式では、冷却水は流さずに、高温再生器１０で発生（蒸発）した冷媒蒸気は中温再生器８７、低温再生器８４を経由する所までは、これまでの冷房運転時と同じであるが、その後の冷媒蒸気と冷媒ドレンは、冷暖切替弁１５４の切替え操作により蒸発器へ流れるようにして、冷媒蒸気と冷媒ドレンの熱で温水を加熱し暖房運転に利用するようになされていた。
本例の吸収ヒートポンプでは、上記のように、冷房運転時には高効率を可能とする既存の三重効用サイクル運転を行い、暖房運転時には、冷房運転時に冷水を流した蒸発器８９に低温の排熱源流体を流し、冷却水を流した吸収器８１と凝縮器８８には温水を流す。この時、高温再生器１０で発生（蒸発）した冷媒蒸気は中温再生器８７、低温再生器８４を経由する所までは冷房運転時と同じであるが、その後の冷媒蒸気と冷媒ドレンは、冷暖切替弁１５４の切替え操作により凝縮器８８へ流れるようにして、凝縮器８８で冷媒蒸気と冷媒ドレンの熱で温水を加熱し、吸収器８１では加熱された吸収液で温水を加熱して暖房運転用の温水を加熱するようにしている。

本例の吸収ヒートポンプでは、冷房運転時の成績係数（ＣＯＰ）は二重効用形では到達不可能なＣＯＰ１．４（高発熱量基準）を越えＣＯＰ１．６が可能となり、暖房時の効率もこれまでの暖房運転では到達不可能な１．４を超え１．６が可能となる。
このように、暖房運転時は、排熱源流体の熱を温水の加熱源として利用できるために、天然ガスなどの高級なエネルギーの使用量を減らすことが可能となり、冷房運転、暖房運転ともに定格運転時の成績係数（効率）１．６が可能となって、年間を通じて高効率な運転が可能となる。また、暖房運転時は、高温再生器１０と中温再生器８７との間では冷房運転時と同じように圧力差が生じる構造を生かし、高温再生器１０で発生した冷媒蒸気を利用して中温再生器８７内の伝熱管管外を流れる吸収液を加熱して冷媒蒸気を発生するようにして、二重効用の効果が得られるようにしている。
また、中温再生器８７で発生した冷媒蒸気は低温再生器８４の伝熱管内を流れるが、低温再生器８４出口の冷媒ドレン分岐配管１５５に設けた冷暖切替弁１５４の切替え操作（弁を開く）により冷媒蒸気が低温再生器８４で熱交換せずに、凝縮器８８へ流れ凝縮器で熱交換するようにして、中温再生器８７、低温再生器８４と凝縮器８８の間で大きな圧力差が生じないようにしている。図１及び図２は、一例としてリバースサイクルの場合を示しているが、シリーズサイクル、パラレルサイクルなど他の運転サイクルでも同じことができる。

図３は、本発明の実施の第２形態による吸収ヒートポンプ、詳しくは、三重効用形吸収冷温水機の溶液流動・運転サイクル図の例で、本例の吸収ヒートポンプの三重効用サイクルフロー（冷房の場合）である。本例は、凝縮器８８と蒸発器８９との間の冷媒ドレン配管１５８にフロート式圧力シール弁１５７を設けて、冷媒ドレン配管１５８を流れる冷媒ドレンの増減によりフロート弁を自動的に上下させ、自動的に弁１５７を開閉させて圧力差を維持するよう構成したものである。すなわち、冷媒ドレン配管１５８を流れる冷媒ドレン量が増加すると、フロートが下降して弁１５７が閉となる方向に作動する。他の構成及び作用は図１、２に示す場合と同様である。

図４は、本発明の実施の第３形態による吸収ヒートポンプ、詳しくは、三重効用形吸収冷温水機の溶液流動・運転サイクル図の例で、本例の吸収ヒートポンプの三重効用サイクルフロー（冷房の場合）である。本例は、冷媒ドレン配管にフロート弁を設けたもので、低温再生器８４から凝縮器８８への他方の冷媒ドレン分岐配管１６０にフロート式圧力シール弁１５９を設け、さらに中温再生器８７から低温再生器８４への冷媒ドレン配管１６２にフロート式圧力シール弁１６１を設けて、配管１６０、１６２を流れる冷媒ドレンの増減によりフロートを自動的に上下させ、自動的に弁１５９、１６１を開閉させて圧力差を維持するように構成したものである。他の構成及び作用は図３に示す場合と同様である。

本発明の実施の第１形態による吸収ヒートポンプの系統的概略構成図で、冷房運転に冷暖切替弁を切り替えた状態の図である。 本発明の実施の第１形態による吸収ヒートポンプの系統的概略構成図で、暖房運転に冷暖切替弁を切り替えた状態の図である。 本発明の実施の第２形態による吸収ヒートポンプの系統的概略構成図で、冷房運転に冷暖切替弁を切り替えた状態の図である。 本発明の実施の第３形態による吸収ヒートポンプの系統的概略構成図で、冷房運転に冷暖切替弁を切り替えた状態の図である。 第一種吸収ヒートポンプの説明図である。 第二種吸収ヒートポンプの説明図である。 本出願人が既に開発している冷暖切替え方式の三重効用吸収冷温水機の系統的概略構成図である。 従来の吸収冷温水機の一例を示す系統的概略構成図である。

符号の説明

１０ 高温再生器
１２ 上部管寄せ
１４ 下部管寄せ
１６ 上昇管
１８ 燃焼装置
２０ 燃焼室
２４ 気液混合物導管
２６ 気液分離器
２８ 蒸気抜出導管（蒸気供給管）
３０ 吸収液抜出導管
３６ 吸収液循環導管
４２ 吸収液供給管（水・吸収液供給管）
８１ 吸収器
８２ 低温吸収液ポンプ
８３ 低温熱交換器
８４ 低温再生器
８５ 中温吸収液ポンプ
８６ 中温熱交換器
８７ 中温再生器
８８ 凝縮器
８９ 蒸発器
９０ 冷媒ポンプ
９３ 高温吸収液ポンプ
９４ 高温熱交換器
９５、９６ バイパス管
９７、９８ 冷媒蒸気配管
９９ 冷温水ポンプ
９９ａ 排熱水循環ポンプ
１００ 冷却水ポンプ
１００ａ 温水循環ポンプ
１５２ 排ガス熱交換器
１５３ 冷媒ドレン熱交換器
１５１、１５４ 冷暖切替弁
１５５、１６０ 冷媒ドレン分岐配管
１５６ オリフィス又はＵシール管
１５７、１５９、１６１ フロート式圧力シール弁
１５８、１６２ 冷媒ドレン配管

Claims (11)

1. 吸収器、蒸発器、凝縮器、低温再生器、中温再生器、高温再生器、溶液熱交換器、溶液ポンプ及び冷媒ポンプを少なくとも有する三重効用サイクルを採用する吸収冷温水機において、冷房運転時は三重効用サイクル運転、暖房運転時は二重効用サイクルで、かつ蒸発器で排熱回収をする運転をして、冷房運転、暖房運転ともに二重効用サイクルでは到達不可能な定格運転時の成績係数１．４以上を可能とすることを特徴とする吸収ヒートポンプによる冷暖房運転方法。
2. 吸収器、蒸発器、凝縮器、低温再生器、中温再生器、高温再生器、溶液熱交換器、溶液ポンプ及び冷媒ポンプを少なくとも有する三重効用サイクルを採用する吸収冷温水機において、燃焼ガスを利用して高温再生器で吸収液を加熱・濃縮した後、熱交換器を経由して吸収器に戻る吸収液の熱を利用して吸収器で温水を加熱し、排熱源流体の熱を奪って蒸発器で蒸発する冷媒蒸気が吸収器で吸収液に吸収され凝縮する際に発生する凝縮熱で温水を加熱し、一方、高温再生器、中温再生器で発生した冷媒蒸気・冷媒ドレンの熱を利用して凝縮器で温水を加熱することを特徴とする吸収ヒートポンプによる冷暖房運転方法。
3. 吸収器、蒸発器、凝縮器、低温再生器、中温再生器、高温再生器、溶液熱交換器、溶液ポンプ及び冷媒ポンプを少なくとも有する三重効用サイクルを採用する吸収冷温水機において、冷房運転時に、吸収器、凝縮器に接続する外部配管を経由して冷却水として利用した温度の低い排熱源流体を、外部配管に設けた切替え配管と切替弁により蒸発器に接続する配管に接続して蒸発器に排熱源流体を流すようにして、同じく外部配管を切り替えて吸収器、凝縮器へ温水を流すことを特徴とする吸収ヒートポンプによる冷暖房運転方法。
4. 吸収器、蒸発器、凝縮器、低温再生器、中温再生器、高温再生器、溶液熱交換器、溶液ポンプ及び冷媒ポンプを少なくとも有する三重効用サイクルを採用する吸収冷温水機において、排熱源流体が蒸発器に流れず、排熱源流体の熱が得られない場合には、燃焼ガスを利用して高温再生器で吸収液は加熱・濃縮された後、熱交換器を経由して吸収器に戻る吸収液の熱を利用して吸収器で温水を加熱し、高温再生器、中温再生器で発生した冷媒蒸気・冷媒ドレンの熱を利用して凝縮器で温水を加熱するようにして、冷媒ポンプを止めて蒸発器で冷媒散布をしないようにして暖房運転できるようにすることを特徴とする吸収ヒートポンプによる冷暖房運転方法。
5. 吸収冷温水機を、リバースサイクル、シリーズサイクル及びパラレルサイクルのいずれかのサイクルで運転する請求項１〜４のいずれかに記載の吸収ヒートポンプによる冷暖房運転方法。
6. 吸収器、蒸発器、凝縮器、低温再生器、中温再生器、高温再生器、溶液熱交換器、溶液ポンプ及び冷媒ポンプを少なくとも有する三重効用サイクルを採用する吸収冷温水機において、低温再生器伝熱管出口部の冷媒蒸気・冷媒ドレンが流れる配管と凝縮器とを接続する配管を設け、この配管途中に冷暖切替弁を設けて、暖房運転を行う時にこの弁を開くと、中温再生器で発生した冷媒蒸気と中温再生器で凝縮した冷媒ドレンのほとんどが低温再生器を経由して凝縮器で熱交換するようにして、凝縮器伝熱管内を流れる温水を加熱するようにしたことを特徴とする吸収ヒートポンプ。
7. 吸収器、蒸発器、凝縮器、低温再生器、中温再生器、高温再生器、溶液熱交換器、溶液ポンプ及び冷媒ポンプを少なくとも有する三重効用サイクルを採用する吸収冷温水機において、冷房運転時に、吸収器、凝縮器に接続する外部配管を経由して冷却水として利用した温度の低い排熱源流体を、外部配管に設けた切替え配管と切替弁により蒸発器に接続する配管に接続して蒸発器に排熱源流体を流すようにして、外部配管を切り替えて吸収器、凝縮器へ温水を流すようにしてなることを特徴とする吸収ヒートポンプ。
8. 三重効用サイクル運転に必要な構成機器である高温再生器、中温再生器、低温再生器、蒸発器、吸収器、凝縮器、低温・中温・高温熱交換器、溶液循環ポンプ、冷媒ポンプに加えて、冷媒ドレン熱交換器及び／又は排ガス熱交換器を付加して高効率を得るようにした請求項６又は７記載の吸収ヒートポンプ。
9. 吸収器、蒸発器、凝縮器、低温再生器、中温再生器、高温再生器、溶液熱交換器、溶液ポンプ及び冷媒ポンプを少なくとも有する三重効用サイクルを採用する吸収冷温水機において、凝縮器で凝縮した冷媒ドレンを蒸発器へ流す配管の途中に、冷媒ドレンの増減により上下して自動的に弁を開閉して圧力差を維持するようにしたフロート弁を設け、凝縮器と蒸発器の間の圧力差維持をこのフロート弁による液シール方式で行うようにしたことを特徴とする吸収ヒートポンプ。
10. 吸収器、蒸発器、凝縮器、低温再生器、中温再生器、高温再生器、溶液熱交換器、溶液ポンプ及び冷媒ポンプを少なくとも有する三重効用サイクルを採用する吸収冷温水機において、中温再生器で凝縮した冷媒ドレン及び低温再生器で凝縮した冷媒ドレンをそれぞれの下流側へ流す配管の途中に、冷媒ドレンの増減により上下して自動的に弁を開閉して圧力差を維持するようにしたフロート弁を設け、圧力差の維持をこのフロート弁による液シール方式で行うようにしたことを特徴とする吸収ヒートポンプ。
11. 吸収冷温水機を、リバースサイクル、シリーズサイクル及びパラレルサイクルのいずれかのサイクルとした請求項６〜１０のいずれかに記載の吸収ヒートポンプ。
    

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