JP2011257069A - ヒートポンプ式高温発生機 - Google Patents

Abstract

【課題】
高い温度の熱媒体を、高い効率で得ることのできるヒートポンプ式高温発生機を得る。
【解決手段】
ヒートポンプ式高温発生機は、第１及び第２の冷凍サイクル１，２を備えると共に、第２冷凍サイクルは第１冷凍サイクルの冷媒よりも沸点の高い冷媒を使用している。高温室４０への熱媒体流れに対し、上流側には第１冷凍サイクルの凝縮器１２を配置し、下流側には第２冷凍サイクルの凝縮器２２を配置する。また、高温利用後の熱媒体の流れに対して、上流側には第２冷凍サイクルの蒸発器２４を配置し、下流側には第１冷凍サイクルの蒸発器１４を配置している。
【選択図】図１

Description

本発明は、塗装後の加熱乾燥工程や部材の加温工程などの産業分野に利用されるヒートポンプ式高温発生機に関し、特に、６０℃以上の温風や温水など高温の熱媒体を得るものに関する。

従来、産業分野では、温熱需要に対し、主にガスや重油などの燃料を用いたシステムや電気ヒータによるシステムが広く使われている。ガスや重油などの燃料を用いたシステムや電気ヒータによるシステムは、温度の高い排熱を外気に放出するため、熱効率が低く、経済的でない。またガスや重油などの燃料を用いたシステムは排ガスを発生させるため環境を悪化させるという課題もあった。

また、複数の冷凍サイクルを利用し、外部空気などの熱媒体の温度を段階的に上昇させるようにしたヒートポンプシステムも、特許文献１に開示されている。更に、この文献には蒸発器側と凝縮器側の熱媒体の温度差を大きく取れる多元冷凍サイクルについても開示されている。

特開２００７−１９８６９３号公報

上記特許文献１には、複数の冷凍サイクルを並列に配置し、それぞれの凝縮圧力を段階的に異なる圧力に設定し、外部空気などの熱媒体を凝縮圧力の低い凝縮器から高い凝縮器に向けて順に流すようにして、熱媒体の温度を段階的に上昇させるようにしている。

しかし、凝縮圧力の変化だけでは、機器の使用圧力範囲の制約から凝縮圧力の差が大きく取れないため、熱媒体の入口から出口までの温度差も大きく取れないという課題がある。また、蒸発器側と凝縮器側の熱媒体の温度差が大きく取れる多元冷凍サイクルを併用しようとするとそのコストが増大するという課題があった。

本発明の目的は、高い温度の熱媒体を、高い効率で得ることのできるヒートポンプ式高温発生機を得ることにある。

本発明の他の目的は、高い温度の熱媒体を短時間で得ることのできるヒートポンプ式高温発生機を得ることにある。

本発明の更に他の目的は、複数の冷凍サイクルを並列に使用したり、多元冷凍サイクルとして使用できる多様なシステム構成が可能なヒートポンプ式高温発生機を得ることにある。

上記目的を達成するため、本発明は、冷凍サイクルの凝縮器で熱媒体を昇温して高温の熱媒体を発生させ、これを利用するヒートポンプ式高温発生機において、前記冷凍サイクルを複数備えると共に、前記複数の冷凍サイクルの冷媒を沸点が異なる冷媒とし、前記複数の冷凍サイクルの凝縮器を、熱媒体流れに対して直列に配置し、前記熱媒体の流れに対して、上流側には沸点の低い冷媒を使用した冷凍サイクルの凝縮器を配置し、下流側には沸点の高い冷媒を使用した冷凍サイクルの凝縮器を配置し、前記複数の冷凍サイクルの蒸発器を、高温利用後の熱媒体の流れに対して直列に配置し、前記高温利用後の熱媒体の流れに対して、上流側には沸点の高い冷媒を使用した冷凍サイクルの蒸発器を配置し、下流側には沸点の低い冷媒を使用した冷凍サイクルの蒸発器を配置したことを特徴とする。

本発明の他の特徴は、冷凍サイクルの凝縮器で熱媒体を昇温して高温の熱媒体を発生させ、これを利用するヒートポンプ式高温発生機において、前記熱媒体が供給される高温室と、この高温室に接続された給気ダクト及び排気ダクトと、前記給気ダクトに導入された外部空気を前記排気ダクトにバイパスさせて流すための第１バイパスダクトと、この第１バイパスダクトよりも前記高温室側に設けられ、前記高温室から前記排気ダクトに流入する環気を前記給気ダクトにバイパスさせて流すための第２バイパスダクトと、前記第１バイパスダクトを開閉するための第１開閉手段と、前記第２バイパスダクトを開閉するための第２開閉手段と、前記第１バイパスダクトより上流側の前記給気ダクトに配設された凝縮器及び前記第１バイパスダクトより下流側の前記排気ダクトに配設された蒸発器を備える第１冷凍サイクルと、前記第２バイパスダクトより下流側の前記給気ダクトに配設された凝縮器及び前記第１バイパスダクトより下流側で且つ前記第１冷凍サイクルの蒸発器よりも上流側の前記排気ダクトに配設された蒸発器を備える第２冷凍サイクルとを備え、前記第２冷凍サイクルを流れる冷媒は、前記第１冷凍サイクルを流れる冷媒よりも沸点の高い冷媒を使用していることにある。

このように構成することで、給気ダクトに導入された外部空気が、沸点の低い冷媒を使用した前記第１冷凍サイクルの凝縮器、沸点の高い冷媒を使用した前記第２冷凍サイクルの蒸発器、沸点の低い冷媒を使用した前記第１冷凍サイクルの蒸発器の順に流れて外部に排気されるように前記第１開閉手段を操作し、且つ、前記高温室から前記排気ダクトに流入した環気が、沸点の高い冷媒を使用した前記第２冷凍サイクルの凝縮器を通過後前記高温室に供給されるように前記第２開閉手段を操作するような使用も可能になる。

本発明の更に他の特徴は、冷凍サイクルの凝縮器で熱媒体を昇温して高温の熱媒体を発生させ、これを利用するヒートポンプ式高温発生機において、前記熱媒体が供給される高温室と、この高温室に接続された給気ダクト及び排気ダクトと、前記給気ダクトに導入された外部空気を前記排気ダクトにバイパスさせて流すための第１バイパスダクトと、この第１バイパスダクトよりも前記高温室側に設けられ、前記高温室から前記排気ダクトに流入する環気を前記給気ダクトにバイパスさせて流すための第２バイパスダクトと、前記第１バイパスダクトを開閉するための第１開閉手段と、前記第２バイパスダクトを開閉するための第２開閉手段と、前記第１バイパスダクトと前記第２バイパスダクトとの間の前記給気ダクトに配設された凝縮器、及び前記第１バイパスダクトより下流側の前記排気ダクトに配設された蒸発器を備える第１冷凍サイクルと、前記第２バイパスダクトより下流側の前記給気ダクトに配設された凝縮器、及び前記第２バイパスダクトと前記第１バイパスダクトとの間の前記排気ダクトに配設された蒸発器を備え、前記第１冷凍サイクルを流れる冷媒よりも沸点の高い冷媒を使用している第２冷凍サイクルと、前記第１冷凍サイクルの前記凝縮器をバイパスする第１バイパス配管と、前記第２冷凍サイクルの前記蒸発器をバイパスする第２バイパス配管と、前記第１バイパス配管及び前記第２バイパス配管に設けられ、沸点が低い冷媒を使用した前記第１冷凍サイクルの凝縮側と、沸点の高い冷媒を使用した前記第２冷凍サイクルの蒸発側とを互いに熱交換させるための中間熱交換器とを備えていることにある。

ここで、沸点の低い冷媒を使用した前記第１冷凍サイクルには冷媒の流れを凝縮器又は中間熱交換器に切り替える切替え手段を設け、沸点の高い冷媒を使用した前記第２冷凍サイクルには冷媒の流れを蒸発器又は中間熱交換器に切り替える切替え手段を備えると良い。

なお、上述したヒートポンプ式高温発生機おいて、前記第１冷凍サイクルは、圧縮機、前記凝縮器、膨張手段及び前記凝縮器を冷媒配管で接続して構成されると共に、前記第１バイパスダクトよりも下流側の前記排気ダクト内に設置された送風機を備え、前記第２冷凍サイクルは、圧縮機、前記凝縮器、膨張手段及び前記凝縮器を冷媒配管で接続して構成されると共に、前記第２バイパスダクトよりも下流側の前記給気ダクト内に設置された送風機を備えるようにすると良い。

また、前記第１開閉手段は、前記第１バイパスダクトの入口側に設けられ、給気ダクトに導入された給気を、前記高温室側へ流すか或いは前記第１バイパスダクト側へ流すかを切り替える構成とし、前記第２開閉手段は、前記第２バイパスダクトの入口側に設けられ、排気ダクトに流入した環気を、排気側へ流すか或いは前記第２バイパスダクト側へ流すかを切り替える構成とすることが好ましい。

更に、沸点が低い前記冷媒としては、ＨＦＣ４１０ＡまたはＨＦＣ１３４ａを、沸点が高い前記冷媒としては、ＨＦＣ２４５ｆａまたはＨＦＣ２４５ｃａを使用することが適切である。また、沸点が低い冷媒をＨＦＣ４１０Ａとし、沸点が高い冷媒をＨＦＣ１３４ａとしても良い。

本発明によれば、高い温度の熱媒体を、高い効率で得ることのできるヒートポンプ式高温発生機を得ることができる。

また、第１、第２バイパスダクトを備えると共に、第１、第２バイパスダクトへの流れを開閉する第１開閉手段及び第２開閉手段を備える構成とすれば、高温室内の高温の環気空気を外部に排出せずに、第２冷凍サイクルの凝縮器で再び過熱して高温室に戻すことが可能となるので、高い温度の熱媒体を短時間で得ることもできるヒートポンプ式高温発生機が得られる。

更に、沸点が低い冷媒の第１冷凍サイクルの凝縮側と、沸点が高い冷媒の第２冷凍サイクルの蒸発側とを互いに熱交換させる中間熱交換器を設ける構成とすれば、複数の冷凍サイクルを並列に使用したり、多元冷凍サイクルとして使用できる多様なシステム構成が可能なヒートポンプ式高温発生機を得ることができる。

本発明のヒートポンプ式高温発生機の実施例１を示す構成図。 本発明のヒートポンプ式高温発生機の実施例２を示す構成図。 本発明のヒートポンプ式高温発生機の実施例３を示す構成図。 図３に示す実施例３の動作を説明する動作説明図。 図３に示す実施例３の他の動作を説明する動作説明図。 本発明のヒートポンプ式高温発生機の実施例４を示す構成図。 図６に示す実施例４の動作を説明する動作説明図。 図３に示す実施例４の他の動作を説明する動作説明図。 本発明のヒートポンプ式高温発生機に使用される冷媒の例を示す冷媒特性図。

以下、本発明のヒートポンプ式高温発生機の実施例を図面に基づき説明する。

本発明のヒートポンプ式高温発生機の実施例１を図１に示す。
図において、４０は、例えば塗装後の加熱乾燥工程を行うための高温室、４１は外部空気（熱媒体）を導入して加熱し前記高温室４０に供給するための給気ダクト、４２は前記高温室４０内から排出される空気（環気）を外部に排気するための排気ダクトである。前記給気ダクト４１の入口には外部空気を導入するための送風機３０が設けられている。１は、圧縮機１１，凝縮器１２，膨張弁（膨張手段）１３，蒸発器１４などを順次冷媒配管で接続した第１冷凍サイクル、２は、圧縮機２１，凝縮器２２,膨張弁（膨張手段）２３,蒸発器２４などを順次冷媒配管で接続した第２冷凍サイクルである。前記凝縮器１２は給気ダクト４１内の上流側に、前記凝縮器２２は給気ダクト４１内の下流側に設置されている。また、前記蒸発器１４は排気ダクト４２内の下流側に、前記蒸発器２４は排気ダクト４２内の上流側に設置されている。

前記第１冷凍サイクル１には、前記第２冷凍サイクル２に対して沸点が低い冷媒（低沸点冷媒）、例えば、ＨＦＣ４１０ＡやＨＦＣ１３４ａが封入されている。第２冷凍サイクル２には、第１の冷凍サイクル1に対して沸点が高い冷媒（高沸点冷媒）、例えばＨＦＣ２４５ｆａやＨＦＣ２４５ｃａが封入されている。前記凝縮器１２と凝縮器２２とは、給気ダクト４１内の空気流れに対して直列に配置され、低沸点冷媒側の凝縮器１２は、高沸点冷媒側の凝縮器２２より上流側に設置されている。前記蒸発器１４と蒸発器２４も、排気ダクト４２内の空気流れに対して直列に配置され、低沸点冷媒側の蒸発器１４は、高沸点冷媒側の蒸発器２４よりも下流側に設置されている。

次に、上述した実施例１の動作を説明する。
第１冷凍サイクル１の圧縮機１１で圧縮された高温高圧の冷媒は凝縮器１２へ送られ、給気ダクト４１を流れる空気と熱交換されて凝縮し、液冷媒になる。凝縮器１２を出た液冷媒は膨張弁１３で減圧され、蒸発器１４へ送られ、排気ダクト４２を流れる空気と熱交換されて蒸発し、ガス冷媒になる。蒸発器１４を出たガス冷媒は、再び圧縮機１１へ送られて圧縮され、以下同様の動作を繰り返す。第２冷凍サイクル２も第１冷凍サイクル１と同様の動作をするが、冷凍サイクル内の温度は、高沸点冷媒側の第２冷凍サイクル２の方が低沸点冷媒側の第１冷凍サイクル１より高い。

次に、空気の流れについて説明する。
送風機３０により給気ダクト４１内に吸込まれた外部空気は、給気ダクト４１内で低沸点冷媒側の凝縮器１２で熱交換されて昇温し、その後、高沸点冷媒側の凝縮器２２で更に加熱されて昇温し、高温の空気、例えば１００℃以上の温風となって高温室４０へ送られる。
高温室４０からの高温の排気空気（環気）は、排気ダクト４２内で、まず高沸点冷媒側の蒸発器２４で熱交換されて温度が下がり、更に低沸点冷媒側の蒸発器１４に流れて更に温度が低下し、排気される。このように構成することで、排気空気から熱回収することができ、これによって、従来捨てられていた熱を有効に活用し、システムの効率を上げることができる。
なお、本実施例では、第１、第２の２つの冷凍サイクルを用いる例について説明したが、冷凍サイクルを更に増やして、更に高温の加熱空気を得るようにすることも同様に可能である。

図２により本発明の実施例２を説明する。図１の実施例１では外部からの空気を加熱する例について説明したが、この実施例では、空気の代わりに水（熱媒体）を流して昇温し、高温水を得るようにしたヒートポンプ式高温発生機を示す例である。

図２において、第１冷凍サイクル１及び第２冷凍サイクル２は図１に示すものと同様のものである。本実施例では、第１冷凍サイクル１を構成する凝縮器１２ａ及び蒸発器１４ａ、第２冷凍サイクル２を構成する凝縮器２２ａ及び蒸発器２４ａは、それぞれ水と冷媒を熱交換する熱交換器となっている。５０はファンコイルユニットで、このファンコイルユニット５０は熱交換器５１と送風機３３を備え、前記凝縮器１２ａ，２２ａで加熱された水が流れて、ファンコイルユニット５０の送風機３３により供給された空気等を加熱して室内などに送風する。５２は、前記第１,第２の冷凍サイクル１，２を流れる冷媒と熱交換される水が流れる水配管で、この水配管５２は、その配管内を流れる水が、前記凝縮器１２ａ,２２ａ、前記ファンコイルユニット５０、前記蒸発器２４ａ,１４ａの順に流れるように構成されている。

次に、上述した実施例２の動作を説明する。第１冷凍サイクル１の圧縮機１１で圧縮された高温高圧の冷媒は凝縮器１２ａへ送られ、水配管５２を流れる水と熱交換されて凝縮し、液冷媒となる。凝縮器１２ａを出た液冷媒は膨張弁１３で減圧されて蒸発器１４ａへ送られ、水配管５２を流れる水と熱交換されて蒸発し、ガス冷媒になる。蒸発器１４ａを出たガス冷媒は再び圧縮機１１へ送られ、圧縮される。第２冷凍サイクル２も第１冷凍サイクル１と同様の動作をするが、冷凍サイクル内の温度は、高沸点冷媒を使用している第２冷凍サイクル２の方が低沸点冷媒を使用している第１冷凍サイクル１より高い。

次に、水の流れについて説明する。水配管５２から低沸点冷媒側の凝縮器１２ａに送られた水は、圧縮機１１で圧縮されて温度の上昇した低沸点冷媒と熱交換して昇温し、その後、高沸点冷媒側の凝縮器２２ａに流れて圧縮機２１で圧縮された高沸点冷媒と熱交換して更に昇温され、高温の水となってファンコイルユニット５０へ送られる。ファンコイルユニット５０では前記高温の水が熱交換器５１で送風機３３から送られた空気と熱交換し、空気は高温に加熱されてファンコイルユニット５０から吹き出される。ファンコイルユニット５０で、空気と熱交換された水は温度が下がり、ファンコイルユニット５０を出て、高沸点冷媒側の蒸発器２４ａに流れ、第２冷凍サイクル２を流れる高沸点冷媒と熱交換されて温度が更に低下する。その後、低沸点冷媒側の蒸発器１４ａに流れて、第１冷凍サイクル１を流れる低沸点冷媒と熱交換され、更に温度が下がって排水される。この例では前記蒸発器１４ａを通過後の水を外部に排出するようにしたが、水配管５２内を流れる水を循環させて使用することも可能である。

本発明の実施例３を図３〜図５により説明する。
図３において、第１冷凍サイクル１及び第２冷凍サイクル２は、図１に示す冷凍サイクル１及び２と同じである。本実施例では、給気ダクト４１内に設置された第２冷凍サイクル２の凝縮器２２の空気入口側に送風機３１が設けられている。また、排気ダクト３２内の第１冷凍サイクル１の蒸発器１４の空気出口側にも送風機３２が設けられている。また、給気ダクト４１と排気ダクト４２との間には、第１バイパスダクト４３及び第２バイパスダクト４４が設けられている。

前記第１バイパスダクト４３の給気ダクト４１側には第１ダンパ（第１開閉手段）４５が設置され、この第１ダンパ４５により、外部から取り込まれた空気の流れを凝縮器２２側へ流すか、第１バイパスダクト４３側へ流すか制御できるようになっている。前記第２バイパスダクト４４の排気ダクト４２側には第２ダンパ（第２開閉手段）４６が設置され、高温室４０からの空気の流れを、蒸発器２４及び１４側へ流すか、前記第２バイパスダクト４４側へ流すかを制御できるようになっている。

次に本実施例の動作を図４及び図５により説明する。これらの図において、第１冷凍サイクル１及び第２冷凍サイクル２における冷媒の流れは図１と同様であるので説明を省略する。
図４において、前記第１ダンパ４５は、給気ダクト４１内の空気の流れが、前記第１バイパスダクト４３側へは流れず、凝縮器２２側へ流れるように、前記第１バイパスダクト４３を閉鎖するようにされている。また、前記第２ダンパ４６は、排気ダクト４２内を流れる排気空気の流れが、前記第２バイパスダクト４４側へは流れず、蒸発器２４及び１４側へ流れるように、前記第２バイパスダクト４４を閉鎖するようにされている。

このように第１、第２ダンパ４５,４６を操作することにより、前記送風機３１及び３２により、空気の流れは図１に示す実施例と同様に、外部空気が昇温されて高温室４０へ送られると共に、高温室４０からの高温の排気空気から熱回収が行われる。第１、第２冷凍サイクル１，２の冷媒の流れは図１の実施例と同様である。

図５においては、前記第１ダンパ４５は、凝縮器２２側への流れを塞ぐように操作され、送風機３２によって給気ダクト４１内に吸込まれた外部空気は、第１バイパスダクト４３を通って、排気ダクト４２側に流れ、蒸発器２４及び１４を通過して熱交換された後、排気される。一方、前記第２ダンパ４６は、蒸発器２４側への流れを塞ぐように操作され、高温室４０内の環気空気は送風機３１により排気ダクト４２に流れた後、前記第２バイパスダクト４４を通って給気ダクト４１側に流れ、凝縮器２２を通過して熱交換されて加熱された後、再び高温室４０へ流れる。

第１冷凍サイクル１の圧縮機１１から吐出された高温高圧冷媒は凝縮器１２で外部空気と熱交換し、凝縮する。凝縮した液冷媒は膨張弁１３で減圧されて蒸発器１４へ送られ熱交換されて蒸発し、圧縮機１１へ再び吸込まれる。凝縮器１２を通った外部空気は昇温されて第１バイパスダクト４３を通って排気ダクト４２側へ流れ、第２冷凍サイクル２の蒸発器２４で冷媒と熱交換して温度が下がり、第１冷凍サイクル１の蒸発器１４で更に熱交換されて更に温度が下がって排気される。一方、第２冷凍サイクル２の圧縮機２１から吐出された高温高圧冷媒は凝縮器２２へ送られ、環気空気と熱交換されて凝縮する。凝縮器２２で環気空気は昇温されて高温室４０へ再び送られる。凝縮器２２を出て凝縮した液冷媒は膨張弁２３で減圧されて蒸発器２４へ入り、凝縮器１２及び第１バイパスダクト４３を通過してきた空気と熱交換されて蒸発する。蒸発した低圧冷媒は前記圧縮機２１へ再び吸込まれる。

図５に示すように第１、第２ダンパ４５，４６を操作することにより、高温室内の高温の環気空気が外部に排出されず、凝縮器２２で再び過熱されて高温室４０に戻るので、高温室４０の温度が低い起動時などにおいて、温度を短時間で上昇させることができる効果がある。

本発明の実施例４を図６〜図８により説明する。
図６において、１ａは第１冷凍サイクル、２ａは第２冷凍サイクルで、前記第１冷凍サイクル１ａには、前記第２冷凍サイクル２ａに対して沸点が低い冷媒（低沸点冷媒）が封入されている。前記第２冷凍サイクル２ａには、第１冷凍サイクル1ａに対して沸点が高い冷媒（高沸点冷媒）が封入されている。

実施例２と同様に、給気ダクト４１、排気ダクト４２、第１バイパスダクト４３、第２バイパスダクト４４、及び第１、第２ダンパ４５，４６が設けられている。また、第１冷凍サイクル１ａの凝縮器１２は給気ダクト４１内の前記第１ダンパ４５の下流側に設置されている。また、この第１の冷凍サイクル１ａには、凝縮器１２入口の冷媒配管から分岐して、制御弁（膨張手段）１３ａと蒸発器１４との間の冷媒配管に合流する第１バイパス配管１６が設けられ、この第１バイパス配管１６の途中には中間熱交換器１２０が設けられている。更に、第１バイパス配管１６の入口側には弁１５ｂが、出口側には制御弁（膨張手段）１３ｂが設けられている。前記第１バイパス配管１６の分岐点よりも凝縮器側にも弁１５ａが設けられていて、前記弁（切替え手段）１５ａ,１５bの開閉により、圧縮機１１からの冷媒を凝縮器１２に流すか、或いはバイパス配管１６に設けた前記中間熱交換器１２０へ流すかを選択できる。

凝縮器１２出口及び中間熱交換器１２０出口にそれぞれ設けられている前記制御弁１３ａ,１３ｂは流量を調整すると共に、凝縮器１２又は中間熱交換器１２０で凝縮した液冷媒を減圧し、蒸発器１４へ送るものである。

第２冷凍サイクル２ａの凝縮器２２は給気ダクト４１内の第２バイパスダクト４４の合流部よりも下流側に設置され、また蒸発器２４は排気ダクト４２内の第２ダンパ４６より下流側に設置されている。また、凝縮器２２下流側の冷媒配管からは第２バイパス配管２６が分岐され、この第２バイパス配管２６は前記中間熱交換器１２０を通過後第２冷凍サイクル２ａの蒸発器２４と圧縮機２１の間の冷媒配管に合流するように構成されている。前記凝縮器２２の出口側で分岐された冷媒配管にはそれぞれに流量を調整できる制御弁２３ａ,２３ｂが設けられ、凝縮器２２で凝縮した液冷媒を制御弁２３ａ又は２３ｂで減圧して、前記蒸発器２４へ流すか、或いは前記中間熱交換器１２０へ流すかを制御する構成となっている。即ち、前記制御弁２３ａ,２３ｂは膨張手段であり且つ切替え手段でもある。

前記中間熱交換器１２０は、低沸点側の第１冷凍サイクル１ａの圧縮機１１出口の高温冷媒と高沸点側の第２冷凍サイクル２ａの減圧後の低温冷媒とを熱交換させるものである。即ち、中間熱交換器１２０は、第１冷凍サイクル１ａにおいては凝縮器として働き、第２冷凍サイクル２ａにおいては蒸発器として働くものである。

前記給気ダクト４１の下流側に設置されている凝縮器２２の空気入口側には送風機３１が設けられ、また排気ダクト４２の下流側に設けられている蒸発器１４の空気出口側にも送風機３２が設けられている。

前記第１バイパスダクト４３と第２バイパスダクト４４は、それぞれ前記給気ダクト４１と排気ダクト４２とを接続するように設けられ、第１バイパスダクト４３の給気ダクト４１側には第１ダンパ４５が設置され、外部空気から取り込んだ空気を、前記凝縮器１２及び凝縮器２２側へ流すか、又は前記第１バイパスダクト４３側へ流すかを制御できるようになっている。前記第２バイパスダクト４４の排気ダクト４２側には第２ダンパ４６が設けられ、高温室４０からの環気を、蒸発器２４及び蒸発器１４側へ流すか、或いは第２バイパスダクト４４側へ流すかを制御できるようになっている。

次に、本実施例の動作を図７及び図８により説明する。
図７は、第１冷凍サイクル１ａの第１バイパス配管１６の弁１５ｂが閉じられ、制御弁１３ｂも全閉とされている。また、凝縮器１２入口側の弁１５ａは開き、制御弁１３ａは弁開度が調整されて膨張弁として働いている。第２冷凍サイクル２ａの第２バイパス配管２６の入口側に設けられた制御弁２３ｂは全閉とされ、蒸発器２４側の制御弁２３ａは弁開度が調整されて膨張弁として働いている。

第１バイパスダクト４３の給気ダクト４１側に設置された第１ダンパ４５は、空気の流れが凝縮器１２及び凝縮器２２側へ流れるようにされ、第１バイパスダクト４３側への流れを止めている。第２バイパスダクト４４の排気ダクト４２側に設置された第２ダンパ４６は、空気の流れが蒸発器２４及び蒸発器１４側へ流れるようにされ、第２バイパスダクト４４側への流れを止めている。

空気の流れは送風機３１,３２によって行われ、上述した弁１５ａ,１５ｂ、制御弁１３ａ,１３ｂ、第１、第２ダンパ４５，４６を制御することによって、冷凍サイクル及び空気の流れが前述した図１や図４と同様になり、外部空気が凝縮器１２及び凝縮器２２により昇温されて高温室４０へ送られる。また、高温室４０からの高温の排気空気（環気）からは熱回収が行われる。

図８は、第１冷凍サイクル１ａの第１バイパス配管１６の弁１５ｂが開き、制御弁１３ｂの弁開度が調整されて膨張弁として働いている。また、凝縮器１２側の弁１５ａは閉じられ、制御弁１３ａも全閉になっている。第２冷凍サイクル２ａの第２バイパス配管２６の入口側に設けられた制御弁２３ｂは弁開度が調整されて膨張弁として働き、蒸発器２４側の制御弁２３ａは全閉とされている。

第１バイパスダクト４３の給気ダクト４１側に設置された第１ダンパ４５は、空気の流れが第１バイパスダクト４３側へ流れるように制御され、凝縮器１２及び凝縮器２２側へは流れないようにされている。送風機３２によって外部空気は給気ダクト４１に吸込まれ、第１バイパスダクト４３、排気ダクト４２及び蒸発器１４を流れて外部に排出される。第２バイパスダクト４４の排気ダクト４２側に設置された第２ダンパ４６は、空気の流れが第２バイパスダクト４４側へ流れるように制御され、高温室からの環気が蒸発器２４及び蒸発器１４側へ流れるのを阻止している。送風機３１により高温室４０内の環気空気が排気ダクト４２へ吸込まれ、ここから第２バイパスダクト４４及び給気ダクト４１を経て凝縮器２２へ流れる。

上述した弁１５ａ,１５ｂ、制御弁１３ａ,１３ｂ、第１、第２ダンパ４５，４６を制御することによって、第１冷凍サイクル１ａの圧縮機１１から吐出された高温高圧の冷媒は中間熱交換器１２０へ送られ、第２冷凍サイクル２ａを流れる低温低圧の冷媒と熱交換されて凝縮する。凝縮した液冷媒は制御弁１３ｂで減圧されて蒸発器１４へ送られ、外部空気と熱交換されて蒸発し、圧縮機１１へ吸込まれる。一方、第２冷凍サイクル２ａの圧縮機２１から吐出された高温高圧の冷媒は凝縮器２２へ送られ、環気空気と熱交換されて凝縮する。環気空気は凝縮器２２で昇温されて再び高温室４０へ送られる。凝縮器２２で凝縮された液冷媒は制御弁２３ｂで減圧されて中間熱交換器１２０へ入り、第１冷凍サイクル１ａを流れる高温高圧の冷媒と熱交換されて蒸発する。この蒸発した第２冷凍サイクル２ａの低圧冷媒は圧縮機２１へ吸込まれる。

図８に示すように動作させることで、高温の環気空気が外に排出されず、凝縮器２２で過熱されて再び高温室４０に供給されるので、高温室４０内の温度が低い時でも迅速に温度を上げていくことができる。

なお、この実施例４でも、第１、第２の２つの冷凍サイクルを用いる例について説明したが、本実施例においても、冷凍サイクルを更に増やすことにより、更に高温の加熱空気を得るようにすることも可能である。

図９は、本発明で使用される冷凍サイクルに用いる好ましい冷媒の例を示すものである。図中のＲＥＦＰＲＯＰは米国の国立標準技術研究所（ＮＩＳＴ）が提供している冷媒熱物性データベースである。好ましい冷媒としては、図に示すＨＦＣ４１０Ａ、ＨＦＣ１３４ａ、ＨＦＣ２４５ｆａ、ＨＦＣ２４５ｃａなどが挙げられる。また、これらの冷媒のうち、低沸点冷媒としてはＨＦＣ４１０ＡやＨＦＣ１３４ａが好ましく、高沸点冷媒としてはＨＦＣ２４５ｆａやＨＦＣ２４５ｃａを用いることで１００℃以上の温風を得ることができる。なお、沸点が低い冷媒をＨＦＣ４１０Ａとし、沸点が高い冷媒をＨＦＣ１３４ａとしても良い。

本実施例によれば、複数の冷凍サイクルを使用すると共に、複数の冷凍サイクルに対して沸点が異なる冷媒を使用することによって、制約された凝縮圧力範囲でも凝縮温度を大きく変えることができ、更に前記複数の冷凍サイクルの凝縮器を熱媒体（空気や水）流れに対して直列に配列する構成とすることで、熱媒体温度を段階的に大幅に上昇でき、高温室に供給される熱媒体のダクト入口から出口までの温度差を大きく取れることのできるヒートポンプ式高温発生機を得ることができる。また、前記複数の冷凍サイクルの蒸発器を高温利用後の熱媒体の流れに対して直列に配列する構成とすることで、高温利用後の熱媒体の排熱を、複数の冷凍サイクルの蒸発器で回収することができるので、効率の高いヒートポンプ式高温発生機が得られる。即ち、本実施例によれば、６０℃以上の高い温度の熱媒体を得ることができ、低コストで且つ高い運転効率のヒートポンプ式高温発生機を得ることができる効果がある。

更に、第１、第２バイパスダクトを備えると共に、第１、第２バイパスダクトへの流れを開閉する第１ダンパ（第１開閉手段）及び第２ダンパ（第２開閉手段）を備えるものでは、高温室内の高温の環気空気を外部に排出せずに、第２冷凍サイクルの凝縮器で再び過熱して高温室に戻すことができるので、高温室の温度が低い起動時などにおいて、温度を短時間で上昇させることができる効果が得られる。

また、沸点が低い冷媒の冷凍サイクルの凝縮側と、沸点が高い冷媒の冷凍サイクルの蒸発側とを、互いに熱交換させる中間熱交換器を設けると共に、それぞれの冷凍サイクルにおいて、冷媒を、それぞれの冷凍サイクルの凝縮器又は蒸発器に流すか、或いは中間熱交換器に流す切り替え手段を備えた構成とすることにより、沸点が低い冷媒の冷凍サイクル（低沸点サイクル）の凝縮側と沸点の高い冷媒の冷凍サイクル（高沸点サイクル）の蒸発側を互いに熱交換させる多元冷凍サイクルに構成したり、複数の冷凍サイクルを並列に構成すると共に各冷凍サイクルの凝縮器を熱媒体の流れに対して直列に配列するように切り替えて使用することができ、多様なシステム構成が可能になるヒートポンプ式高温発生機が得られる。

１，１ａ 第１冷凍サイクル
２，２ａ 第２冷凍サイクル
１１，２１ 圧縮機
１２，１２ａ，２２，２２ａ 凝縮器
１３，２３ 膨張弁（膨張手段）
１３ａ，１３ｂ，２３ａ，２３ｂ 制御弁（膨張手段、切替え手段）
１４，１４ａ，２４，２４ａ 蒸発器
１５ａ，１５ｂ 弁
１６ 第１バイパス配管
２６ 第２バイパス配管
３０，３１，３２，３３ 送風機
４０ 高温室
４１ 給気ダクト
４２ 排気ダクト
４３ 第１バイパスダクト
４４ 第２バイパスダクト
４５ 第１ダンパ（第１開閉手段）
４６ 第２ダンパ（第２開閉手段）
５０ ファンコイルユニット
５１ 熱交換器
５２ 水配管
１２０ 中間熱交換器。

Claims (9)

1. 冷凍サイクルの凝縮器で熱媒体を昇温して高温の熱媒体を発生させ、これを利用するヒートポンプ式高温発生機において、
   前記冷凍サイクルを複数備えると共に、前記複数の冷凍サイクルの冷媒を沸点が異なる冷媒とし、
   前記複数の冷凍サイクルの凝縮器を、熱媒体流れに対して直列に配置し、
   前記熱媒体の流れに対して、上流側には沸点の低い冷媒を使用した冷凍サイクルの凝縮器を配置し、下流側には沸点の高い冷媒を使用した冷凍サイクルの凝縮器を配置し、
   前記複数の冷凍サイクルの蒸発器を、高温利用後の熱媒体の流れに対して直列に配置し、
   前記高温利用後の熱媒体の流れに対して、上流側には沸点の高い冷媒を使用した冷凍サイクルの蒸発器を配置し、下流側には沸点の低い冷媒を使用した冷凍サイクルの蒸発器を配置した
   ことを特徴とするヒートポンプ式高温発生機。
2. 冷凍サイクルの凝縮器で熱媒体を昇温して高温の熱媒体を発生させ、これを利用するヒートポンプ式高温発生機において、
   前記熱媒体が供給される高温室と、
   この高温室に接続された給気ダクト及び排気ダクトと、
   前記給気ダクトに導入された外部空気を前記排気ダクトにバイパスさせて流すための第１バイパスダクトと、
   この第１バイパスダクトよりも前記高温室側に設けられ、前記高温室から前記排気ダクトに流入する環気を前記給気ダクトにバイパスさせて流すための第２バイパスダクトと、
   前記第１バイパスダクトを開閉するための第１開閉手段と、
   前記第２バイパスダクトを開閉するための第２開閉手段と、
   前記第１バイパスダクトより上流側の前記給気ダクトに配設された凝縮器及び前記第１バイパスダクトより下流側の前記排気ダクトに配設された蒸発器を備える第１冷凍サイクルと、
   前記第２バイパスダクトより下流側の前記給気ダクトに配設された凝縮器及び前記第１バイパスダクトより下流側で且つ前記第１冷凍サイクルの蒸発器よりも上流側の前記排気ダクトに配設された蒸発器を備える第２冷凍サイクルとを備え、
   前記第２冷凍サイクルを流れる冷媒は、前記第１冷凍サイクルを流れる冷媒よりも沸点の高い冷媒を使用している
   ことを特徴とするヒートポンプ式高温発生機。
3. 請求項２に記載のヒートポンプ式高温発生機において、給気ダクトに導入された外部空気が、沸点の低い冷媒を使用した前記第１冷凍サイクルの凝縮器、沸点の高い冷媒を使用した前記第２冷凍サイクルの蒸発器、沸点の低い冷媒を使用した前記第１冷凍サイクルの蒸発器の順に流れて外部に排気されるように前記第１開閉手段が操作され、且つ、前記高温室から前記排気ダクトに流入した環気が、沸点の高い冷媒を使用した前記第２冷凍サイクルの凝縮器を通過後前記高温室に供給されるように前記第２開閉手段が操作されることを特徴とするヒートポンプ式高温発生機。
4. 冷凍サイクルの凝縮器で熱媒体を昇温して高温の熱媒体を発生させ、これを利用するヒートポンプ式高温発生機において、
   前記熱媒体が供給される高温室と、
   この高温室に接続された給気ダクト及び排気ダクトと、
   前記給気ダクトに導入された外部空気を前記排気ダクトにバイパスさせて流すための第１バイパスダクトと、
   この第１バイパスダクトよりも前記高温室側に設けられ、前記高温室から前記排気ダクトに流入する環気を前記給気ダクトにバイパスさせて流すための第２バイパスダクトと、
   前記第１バイパスダクトを開閉するための第１開閉手段と、
   前記第２バイパスダクトを開閉するための第２開閉手段と、
   前記第１バイパスダクトと前記第２バイパスダクトとの間の前記給気ダクトに配設された凝縮器及び前記第１バイパスダクトより下流側の前記排気ダクトに配設された蒸発器を備える第１冷凍サイクルと、
   前記第２バイパスダクトより下流側の前記給気ダクトに配設された凝縮器、及び前記第２バイパスダクトと前記第１バイパスダクトとの間の前記排気ダクトに配設された蒸発器を備え、前記第１冷凍サイクルを流れる冷媒よりも沸点の高い冷媒を使用している第２冷凍サイクルと、
   前記第１冷凍サイクルの前記凝縮器をバイパスする第１バイパス配管と、
   前記第２冷凍サイクルの前記蒸発器をバイパスする第２バイパス配管と、
   前記第１バイパス配管及び前記第２バイパス配管に設けられ、沸点が低い冷媒を使用した前記第１冷凍サイクルの凝縮側と、沸点の高い冷媒を使用した前記第２冷凍サイクルの蒸発側とを互いに熱交換させるための中間熱交換器と
   を備えていることを特徴とするヒートポンプ式高温発生機。
5. 請求項４に記載のヒートポンプ式高温発生機おいて、沸点の低い冷媒を使用した前記第１冷凍サイクルには冷媒の流れを凝縮器又は中間熱交換器に切り替える切替え手段を設け、沸点の高い冷媒を使用した前記第２冷凍サイクルには冷媒の流れを蒸発器又は中間熱交換器に切り替える切替え手段を備えることを特徴とするヒートポンプ式高温発生機。
6. 請求項２〜５の何れかに記載のヒートポンプ式高温発生機おいて、前記第１冷凍サイクルは、圧縮機、前記凝縮器、膨張手段及び前記凝縮器を冷媒配管で接続して構成されると共に、前記第１バイパスダクトよりも下流側の前記排気ダクト内に設置された送風機を備え、前記第２冷凍サイクルは、圧縮機、前記凝縮器、膨張手段及び前記凝縮器を冷媒配管で接続して構成されると共に、前記第２バイパスダクトよりも下流側の前記給気ダクト内に設置された送風機を備えることを特徴とするヒートポンプ式高温発生機。
7. 請求項２〜６の何れかに記載のヒートポンプ式高温発生機において、前記第１開閉手段は、前記第１バイパスダクトの入口側に設けられ、給気ダクトに導入された給気を、前記高温室側へ流すか或いは前記第１バイパスダクト側へ流すかを切り替える構成とし、前記第２開閉手段は、前記第２バイパスダクトの入口側に設けられ、排気ダクトに流入した環気を、排気側へ流すか或いは前記第２バイパスダクト側へ流すかを切り替える構成としていることを特徴とするヒートポンプ式高温発生器。
8. 請求項１〜７の何れかに記載のヒートポンプ式高温発生機において、沸点が低い冷媒をＨＦＣ４１０ＡまたはＨＦＣ１３４ａとし、沸点が高い冷媒をＨＦＣ２４５ｆａまたはＨＦＣ２４５ｃａとしたことを特徴とするヒートポンプ式高温発生機。
9. 請求項１〜７の何れかに記載のヒートポンプ式高温発生機において、沸点が低い冷媒をＨＦＣ４１０Ａとし、沸点が高い冷媒をＨＦＣ１３４ａとしたことを特徴とするヒートポンプ式高温発生機。

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