JP2012247102A - ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】高温側の温度を１３０℃以上としても、成績係数が高く、低コストで安全なヒートポンプを提供する。
【解決手段】熱媒体を高温熱源と熱交換させ熱媒体を蒸発させる蒸発器２と、蒸発器２で蒸発させた熱媒体を圧縮する圧縮機３と、圧縮機３で圧縮された熱媒体を低温熱源と熱交換させ熱媒体を凝縮させる凝縮器４と、凝縮器４で凝縮させた熱媒体を膨張させて蒸発器２に供給する膨張弁５と、を備えたヒートポンプにおいて、凝縮器４での熱媒体の温度が１３０℃以上であり、熱媒体として、シクロペンタノン、パーフルオロポリエーテル、ハイドロフルオロカーボン、エタノールのいずれかを主成分とするものを用いた。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温出力型のヒートポンプに関するものである。

ヒートポンプとして、熱媒体を高温熱源と熱交換させ熱媒体を蒸発させる蒸発器と、蒸発器で蒸発させた熱媒体を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された熱媒体を低温熱源と熱交換させ熱媒体を凝縮させる凝縮器と、凝縮器で凝縮させた熱媒体を膨張させて蒸発器に供給する膨張弁と、を備えたものが一般に知られている。

ところで、蒸気を生成する際には、蒸気ボイラ（以下、単にボイラという）が一般に用いられている。ボイラでは、化石燃料を利用して蒸気を生成しているが、環境に対する負荷が大きいため、代替となる熱源が望まれている。

そこで、本発明者らは、ボイラの代替熱源としてヒートポンプを用いることを考えた。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１がある。

特表２００８−５０５２１１号公報

しかしながら、従来実用化されているヒートポンプは高温側の温度（凝縮器での熱媒体の温度）が１２０℃以下のものしかなく、ボイラの代替熱源としては加熱能力が十分ではなかった。蒸気の温度が１２０℃以下と低いと、当該蒸気にて対象物を加熱したときに対象物に大量の水滴が付着してしまうこととなるため、従来のヒートポンプでは、例えば食品殺菌プロセスへの適用は困難であり、使用用途に制限があった。このような制限なく一般的な蒸気プロセスでの使用を可能とするためには、少なくとも蒸気の温度を１３０℃以上とする必要があり、高温側の温度を１３０℃以上とした高温出力型のヒートポンプが要求される。

また、ヒートポンプをボイラの代替熱源として用いるためには、高温側の温度が１３０℃以上と十分に高いことに加え、成績係数（ＣＯＰ）が高く、低コストで安全であることが望まれる。

高温側の温度が１３０℃以上であるヒートポンプを実現するためには、従来用いていた熱媒体をそのまま用いることはできない。これは、従来用いていた熱媒体をそのまま用いると、高温側での熱媒体の圧力が非常に高くなってしまい、安全面の観点から好ましくなく、また圧力容器を採用する必要が生じ高コストとなってしまうためである。低コストで安全なヒートポンプを実現するためには、熱媒体としては、高温側の温度を１３０℃以上とした場合であっても、熱媒体の圧力が圧力容器を採用する必要がない圧力（日本国内では０．３ＭＰａ以下）となるものを用いる必要がある。

このように、高温側の温度が１３０℃以上であるヒートポンプを実現するためには、種々の条件を考慮して適切な熱媒体を用いる必要がある。しかし、従来、そのような用途を考慮した熱媒体等は製造されておらず、どのような熱媒体を用いればよいか不明であった。

本発明は上記事情に鑑み為されたものであり、高温側の温度を１３０℃以上としても、成績係数が高く、低コストで安全なヒートポンプを提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、熱媒体を高温熱源と熱交換させ前記熱媒体を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器で蒸発させた前記熱媒体を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された前記熱媒体を低温熱源と熱交換させ前記熱媒体を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器で凝縮させた前記熱媒体を膨張させて前記蒸発器に供給する膨張弁と、を備えたヒートポンプにおいて、前記凝縮器での前記熱媒体の温度が１３０℃以上であり、前記熱媒体として、シクロペンタノン、パーフルオロポリエーテル、ハイドロフルオロカーボン、エタノールのいずれかを主成分とするものを用いたヒートポンプである。

前記パーフルオロポリエーテルとして、下式
ＣＦ₃−（Ｏ−Ｃ（ＣＦ₃）ＦＣＦ₂）_m−（Ｏ−ＣＦ₂）_n−Ｏ−ＣＦ₃
で示されるものを用いてもよい。

前記パーフルオロポリエーテルを主成分とする熱媒体として、ガルデンＨＴ−１３５またはガルデンＨＴ−１１０またはガルデンＨＴ−９０（ガルデンは登録商標）を用いてもよい。

前記ハイドロフルオロカーボンとして、１，１，１，２，２，３，３，４，４，５，５，６，６−トリデカフルオロオクタンを用いてもよい。

前記ハイドロフルオロカーボンを主成分とする熱媒体として、アサヒクリン（登録商標）ＡＣ−６０００を用いてもよい。

本発明によれば、高温側の温度を１３０℃以上としても、成績係数が高く、低コストで安全なヒートポンプを提供できる。

本発明の一実施の形態に係るヒートポンプの概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係るヒートポンプの概略構成図である。

図１に示すように、ヒートポンプ１は、熱媒体を高温熱源と熱交換させ熱媒体を蒸発させる蒸発器２と、蒸発器２で蒸発させた熱媒体を圧縮する圧縮機３と、圧縮機３で圧縮された熱媒体を低温熱源と熱交換させ熱媒体を凝縮させる凝縮器４と、凝縮器４で凝縮させた熱媒体を膨張させて蒸発器２に供給する膨張弁５とを主に備えている。蒸発器２と圧縮機３と凝縮器４と膨張弁５とは、熱媒体循環ライン６により順次ループ状に接続されている。

蒸発器２の下流側（圧縮機３側）の熱媒体循環ライン６には、蒸発器２で蒸発させた熱媒体をさらに過熱する過熱器７が設けられる。本実施の形態では、外部から過熱器７に排蒸気（蒸気プロセスで使用した後の蒸気）を供給して熱媒体を過熱するようにし、かつ、過熱器７を通過した排蒸気を、高温熱源として蒸発器２に供給するよう構成した。過熱器７と蒸発器２には、排蒸気を過熱器７、蒸発器２の順に供給する共通の高温熱源供給ライン８が接続される。過熱器７と圧縮機３との間の熱媒体循環ライン６には、液相の熱媒体を分離して気相の熱媒体のみを圧縮機３に供給するための気液分離器９が設けられる。

なお、ここでは蒸発器２に高温熱源として蒸気（排蒸気）を供給しているが、設定するヒートポンプサイクル（つまり使用する熱媒体）によっては、蒸発器２に高温熱源として１００℃以下の熱水を供給するように構成してもよい（熱媒体については後述する）。

凝縮器４には、凝縮器４に低温熱源としてのボイラ水を供給する低温熱源供給ライン１０が接続される。凝縮器４は、熱媒体との熱交換によりボイラ水を加熱して高温蒸気を生成する蒸気発生器としての役割を果たしている。

凝縮器４の下流側（膨張弁５側）の熱媒体循環ライン６には、凝縮器４で凝縮した熱媒体を過冷却する過冷却器１１が設けられる。本実施の形態では、過冷却器１１に冷却水を供給する冷却水供給ライン１２を接続し、外部から過冷却器１１に冷却水を供給して熱媒体を過冷却するよう構成した。過冷却器１１は、熱媒体との熱交換により冷却水を加熱して温水を生成する温水発生器としての役割を果たしている。過冷却器１１と膨張弁５との間の熱媒体循環ライン６には、凝縮した液相の熱媒体を貯留するための中間液溜め１３が設けられる。熱媒体の重力落下を利用する場合には、凝縮器は中間液溜めの上方（重力方向における上方）に配置される。

さて、本実施の形態に係るヒートポンプ１では、凝縮器４での熱媒体の温度（つまり凝縮器４で生成する高温蒸気の温度）が１３０℃以上であり、熱媒体として、シクロペンタノン、パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）、エタノールのいずれかを主成分とするものを用いる。

パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）としては、下式
ＣＦ₃−（Ｏ−Ｃ（ＣＦ₃）ＦＣＦ₂）_m−（Ｏ−ＣＦ₂）_n−Ｏ−ＣＦ₃
で示されるものを用いるとよく、これを精留して沸点を９０〜１３５℃としたものを熱媒体として用いるとよい。具体的には、パーフルオロポリエーテルを主成分とする熱媒体としては、ソルベイソレクシス社製のガルデン（登録商標）ＨＴ−１３５またはＨＴ−１１０またはＨＴ−９０を用いるとよい。

また、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）としては、１，１，１，２，２，３，３，４，４，５，５，６，６−トリデカフルオロオクタン（化学式はＣＦ₃−ＣＦ₂−ＣＦ₂−ＣＦ₂−ＣＦ₂−ＣＦ₂−ＣＨ₂−ＣＨ₃）を用いるとよい。具体的には、ハイドロフルオロカーボンを主成分とする熱媒体としては、旭硝子社製のアサヒクリン（登録商標）ＡＣ−６０００を用いるとよい。

シクロペンタノンやＡＣ−６０００は、従来、主として機器の脱脂や洗浄を行う洗浄液として用いられてきたものである。ガルデン（登録商標）は、従来より熱媒体として使用されているものであるが、相変化を用いたヒートポンプサイクルでの使用を想定して製造されたものではなく、そのような使用例もこれまで提案されていない。エタノールについても同様である。

以下、上述の熱媒体が好適な理由を説明する。

凝縮器４での熱媒体の温度が１３０℃以上であるヒートポンプ１に用いる熱媒体は、以下の（１）〜（５）の条件を満たす必要がある。

（１）凝縮器４での熱媒体の温度を１３０℃以上に設定したときに、熱媒体の圧力が圧力容器を採用する必要がない圧力（日本国内では０．３ＭＰａ以下）になること。これは、圧力容器を採用するとコストが格段に高くなり、安全性の面でも問題となるためである。また、熱媒体の圧力を低く設定することにより、運転時における熱媒体の漏出を抑制できるというメリットも得られる。

（２）ヒートポンプ１の昇温能力（蒸発器２での熱媒体の温度と、凝縮器４での熱媒体の温度との差）は、圧縮機３の能力を考慮すると、現状では６０℃程度が限界である。したがって、凝縮器４での熱媒体の温度を１３０℃以上とするためには、蒸発器２での熱媒体の温度を少なくとも７０℃以上（好ましくは、１００℃以上）とする必要がある。また、系内の圧力を低く保ち、凝縮器４での熱媒体の圧力を０．３ＭＰａ以下に抑えるためには、蒸発器２での圧力はなるべく低いことが望ましく、大気圧（常圧、０．１ＭＰａ）であることが望ましい。したがって、熱媒体としては、常圧沸点が７０℃以上（好ましくは、１００℃以上）のものを用いる必要がある。

（３）ヒートポンプサイクルを設定したときの凝縮器４での熱媒体の温度が、熱媒体の臨界温度より十分低いこと。好ましくは、凝縮器４での熱媒体の温度が、臨界温度の０．９倍以下であること。これは、凝縮器４での熱媒体の温度が臨界温度に近すぎると、ヒートポンプサイクルの効率が低くなってしまうためである。

（４）成績係数（ＣＯＰ）が十分に高いこと。具体的には、成績係数が実用可能な４以上（好ましくは６以上）であること。成績係数が低過ぎると、ボイラの代替とする意味がなくなるからである。

（５）毒性が低く、管理が容易であること。

本発明者は、これら（１）〜（５）の条件を満たす熱媒体について、鋭意検討を行った。具体的には、炭化水素、有機フッ素化合物、およびポリシロキサンを対象として、常圧沸点を基準に一次選定を行い、選定した物質の熱・物性情報（エンタルピ、エントロピ、比熱、潜熱、密度、粘度など）を収集し、ヒートポンプサイクルのサイクル計算を行って成績係数を算出し、成績係数が４以上となる物質を選定した。

その結果、炭化水素では、シクロペンタノン、エチルシクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロペンタノール、トリメチルシクロヘキサン、ｎ−ペンタノール、イソアミルアルコール、活性アミルアルコール、メチルシクロヘキサン、シクロヘキサン、シクロヘキセン、テトラヒドロピラン、ジオキサン、ジメチルカーボネート、エタノール、メタノール、プロパノール（含異性体）が選定された。また、有機フッ素化合物としては、ガルデン（登録商標）ＨＴ−１３５，ＨＴ−１１０，ＨＴ−９０、アサヒクリン（登録商標）ＡＣ−６０００が選定され、ポリシロキサンとしては、オクタメチルトリシロキサン、ヘキサメチルジシロキサンが選定された。選定した各物質は、凝縮器４での熱媒体の温度が１３０℃以上であるヒートポンプ１の熱媒体として使用可能である。

本発明者らは、これらの選定した物質から、熱媒体の分解しやすさ、調達コストや製造コスト、製造に要するエネルギー、地球温暖化係数（ＧＷＰ）、オゾン破壊係数（ＯＤＰ）等を考慮してさらなる絞り込みを行い、その結果、炭化水素であるシクロペンタノンとエタノール、および有機フッ素化合物であるガルデン（登録商標）ＨＴ−１３５，ＨＴ−１１０，ＨＴ−９０、アサヒクリン（登録商標）ＡＣ−６０００が、高温出力型のヒートポンプ１の熱媒体として最適であることを見出した。

これらの物質でヒートポンプサイクルを設定した際の各部の温度や圧力、成績係数等を表１にまとめて示す。なお、表１における高温側温度と高温側圧力の欄は、凝縮器４での熱媒体の温度と圧力、低温側温度と低温側圧力の欄は、蒸発器２での熱媒体の温度と圧力を示しており、熱回収の欄は蒸発器２に供給する高温熱源として蒸気を用いるか熱水を用いるか、法規制の欄は熱媒体が可燃物であるか否かを示している。表１では、ガルデン（登録商標）については、ＨＴ−１１０とＨＴ−９０とを代表として示している。また、表１には、比較のため、Ｒ２４５ｆａ（ＣＦ₃ＣＨ₂ＣＨＦ₂）、Ｒ３６５ｍｆｃ（ＣＦ₃ＣＨ₂ＣＦ₂ＣＨ₃）を用いてヒートポンプサイクルを設定した際の各部の温度や圧力、成績係数等を併せて示している。

表１に示すように、本実施の形態で用いる熱媒体では、高温側温度を１３０℃以上とした場合でも高温側圧力が０．３ＭＰａ以下であり、圧力容器を採用する必要がない。また、低温側温度が７０℃以上で低温側圧力が常圧（すなわち常圧沸点が７０℃以上）であり、成績係数が４以上と高く、高温出力型のヒートポンプ１に好適に使用できることが分かる。

なお、シクロペンタノンとエタノールは可燃性であるため、管理面で多少の難があるが、調達性が良く低コストで、ＧＷＰも数十以下と低く、コスト・環境面でメリットが大きい。ヒートポンプ１では１台あたり数十〜百ｋｇ程度の熱媒体を使用するので、低コストな熱媒体を用いることによるメリットは大きい。

また、ガルデン（登録商標）ＨＴ−１３５，ＨＴ−１１０，ＨＴ−９０、アサヒクリン（登録商標）ＡＣ−６０００は、調達性やコスト、環境の面でやや難があるものの、不燃性であるという大きなメリットがあり、可燃物の法規制に従う必要がないために、運用コストを低く抑えることが可能となる。なお、本発明のヒートポンプ１では、高温側圧力を低く設定しており、運転時の熱媒体の流出を抑制できるため、ＧＷＰの高いＰＦＰＥ，ＨＦＣを用いた場合でも、環境影響を低く抑えることが可能である。このような各物質の特徴を鑑み、使用用途に応じていずれの熱媒体を使用するかを適宜決定するとよい。

これに対して、比較のため例示したＲ２４５ｆａでは、高温側温度／低温側温度を１４５℃／７０℃、１３０℃／７０℃とした場合のいずれにおいても、高温側圧力が０．３ＭＰａ以上となり、低温側圧力も０．６ＭＰａと常圧よりも高くなっている。したがって、圧力容器を採用しなければならずコストや安全面で問題が生じ、熱媒体の漏れによる環境影響の問題が生じる可能性も高くなる。したがって、Ｒ２４５ｆａは、高温出力型のヒートポンプ１の熱媒体には適していないといえる。

Ｒ３６５ｍｆｃについても同様に、高温側温度／低温側温度を１６０℃／７０℃、１３０℃／７０℃とした場合のいずれにおいても、高温側圧力が０．３ＭＰａ以上となり、低温側圧力も０．１９ＭＰａと常圧よりも高くなっており、高温出力型のヒートポンプ１の熱媒体には適していないといえる。なお、Ｒ２４５ｆａにおける高温側温度１４５℃、Ｒ３６５ｍｆｃにおける高温側温度１６０℃は、両物質の臨界温度を考慮して、ヒートポンプサイクルが実現できるであろう上限温度である。

以上説明したように、本実施の形態に係るヒートポンプ１では、凝縮器４での熱媒体の温度が１３０℃以上であり、熱媒体として、シクロペンタノン、パーフルオロポリエーテル、ハイドロフルオロカーボン、エタノールのいずれかを主成分とするものを用いている。より具体的には、本実施の形態では、熱媒体として、シクロペンタノン、ガルデン（登録商標）ＨＴ−１３５，ＨＴ−１１０，ＨＴ−９０、アサヒクリン（登録商標）ＡＣ−６０００、エタノールのいずれかを用いるようにしている。

これにより、高温側温度を１３０℃以上としても、圧力容器を採用することなく低コストで安全であり、成績係数も十分に高く、ボイラの代替として十分使用に耐えるヒートポンプ１を実現できる。

なお、本実施の形態では、ヒートポンプ１をボイラの代替に用いる場合を説明したが、ヒートポンプ１の用途はこれに限定されるものではなく、例えば、熱風乾燥炉における熱風生成の用途等にも使用可能である。

１ ヒートポンプ
２ 蒸発器
３ 圧縮機
４ 凝縮器
５ 膨張弁

Claims (5)

1. 熱媒体を高温熱源と熱交換させ前記熱媒体を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器で蒸発させた前記熱媒体を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された前記熱媒体を低温熱源と熱交換させ前記熱媒体を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器で凝縮させた前記熱媒体を膨張させて前記蒸発器に供給する膨張弁と、を備えたヒートポンプにおいて、
   前記凝縮器での前記熱媒体の温度が１３０℃以上であり、
   前記熱媒体として、シクロペンタノン、パーフルオロポリエーテル、ハイドロフルオロカーボン、エタノールのいずれかを主成分とするものを用いた
   ことを特徴とするヒートポンプ。
2. 前記パーフルオロポリエーテルとして、下式
   ＣＦ₃−（Ｏ−Ｃ（ＣＦ₃）ＦＣＦ₂）_m−（Ｏ−ＣＦ₂）_n−Ｏ−ＣＦ₃
   で示されるものを用いた
   請求項１記載のヒートポンプ。
3. 前記パーフルオロポリエーテルを主成分とする熱媒体として、ガルデンＨＴ−１３５またはガルデンＨＴ−１１０またはガルデンＨＴ−９０（ガルデンは登録商標）を用いた
   請求項２記載のヒートポンプ。
4. 前記ハイドロフルオロカーボンとして、１，１，１，２，２，３，３，４，４，５，５，６，６−トリデカフルオロオクタンを用いた
   請求項１〜３いずれかに記載のヒートポンプ。
5. 前記ハイドロフルオロカーボンを主成分とする熱媒体として、アサヒクリン（登録商標）ＡＣ−６０００を用いた
   請求項４記載のヒートポンプ。