JP2014062700A - ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】各種流体を加熱するヒートポンプシステムの効率を改善する。
【解決手段】第一ヒートポンプ２は、第一凝縮器５と第二凝縮器６とを有する。第二ヒートポンプ３は、前記第一凝縮器５を兼ねる蒸発器１２を介して、第一ヒートポンプ２と接続される。第一ヒートポンプ２の蒸発器８に、熱源流体Ｆ１が通される。第一ヒートポンプ２の第二凝縮器６と、第二ヒートポンプ３の凝縮器１０とに、被加熱流体Ｆ２が順に通される。第一ヒートポンプ２には、第二凝縮器６と膨張弁７との間に、過冷却器１４を設けてもよい。また、第二ヒートポンプ３には、凝縮器１０と膨張弁１１との間に、過冷却器１５を設けてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプを用いて各種流体を加熱するヒートポンプシステムに関するものである。たとえば、水を加熱して温水としたり、空気を加熱して温風としたりするためのヒートポンプシステムに関するものである。

従来、ヒートポンプを用いて温水を製造するシステムが知られている。たとえば、下記特許文献１に開示されるように、ボイラ（２４）の給水タンク（２３）への給水を、ヒートポンプ（１２）を用いて加熱するシステムが知られている。

特開２０１０−２５４３１号公報

しかしながら、従来、一般的に、ヒートポンプは単段で用いられるか、単に上下複数段にして用いられており、ヒートポンプシステムの効率に改善の余地がある。

本発明が解決しようとする課題は、各種流体を加熱するヒートポンプシステムにおいて、その効率を改善することにある。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、第一凝縮器と第二凝縮器とを有する第一ヒートポンプと、前記第一凝縮器を兼ねる蒸発器を介して前記第一ヒートポンプと接続される第二ヒートポンプとを備え、前記第一ヒートポンプの蒸発器に熱源流体が通され、前記第一ヒートポンプの第二凝縮器と、前記第二ヒートポンプの凝縮器とに、被加熱流体が順に通されることを特徴とするヒートポンプシステムである。

請求項１に記載の発明によれば、被加熱流体は、第一ヒートポンプの第二凝縮器を通された後、第二ヒートポンプの凝縮器に通される。これにより、各ヒートポンプにおいてくみ上げる温度差を低減することができ、その分だけ圧縮機の電力を少なくでき、ヒートポンプシステムの効率を向上することができる。

請求項２に記載の発明は、前記第一ヒートポンプは、複数段のヒートポンプから構成され、前記第一ヒートポンプを構成する各段のヒートポンプは、凝縮器として第一凝縮器と第二凝縮器とを備え、前記各第一凝縮器は、隣接する上下のヒートポンプ同士を接続し、被加熱流体は、下段のヒートポンプから順次上段のヒートポンプへと、前記各第二凝縮器を順に通されることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプシステムである。

請求項２に記載の発明によれば、ヒートポンプシステム全体でみると、三段以上のヒートポンプから構成されることになる。そして、被加熱流体は、下段のヒートポンプから順次上段のヒートポンプへと、第一ヒートポンプの各第二凝縮器を順に通された後、第二ヒートポンプの凝縮器に通される。ヒートポンプの段数を多くすることで、理想サイクルに近づけることができ、ヒートポンプシステムの効率を向上することができる。

請求項３に記載の発明は、前記第一ヒートポンプの蒸発器において、熱源流体から潜熱を奪い、前記第一ヒートポンプの第二凝縮器と、前記第二ヒートポンプの凝縮器とにおいて、被加熱流体に顕熱を与えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートポンプシステムである。

請求項３に記載の発明によれば、熱源流体は温度一定である一方、被加熱流体は徐々に昇温されることになる。これにより、理想サイクルに近づけることができ、ヒートポンプシステムの効率を向上することができる。

請求項４に記載の発明は、前記第一ヒートポンプの第二凝縮器と膨張弁との間に設置する過冷却器、または前記第一ヒートポンプの第二凝縮器において、前記第一ヒートポンプの冷媒が過冷却され、前記第二ヒートポンプの凝縮器と膨張弁との間に設置する過冷却器、または第二ヒートポンプの凝縮器において、前記第二ヒートポンプの冷媒が過冷却されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプシステムである。

請求項４に記載の発明によれば、各ヒートポンプの冷媒を、膨張弁の入口側で過冷却することで、理想サイクルに近づけることができ、ヒートポンプシステムの効率を向上することができる。

さらに、請求項５に記載の発明は、前記第一ヒートポンプの第二凝縮器と、前記第二ヒートポンプの凝縮器とに、前記被加熱流体としての水または空気が順に通され加熱されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプシステムである。

請求項５に記載の発明によれば、水を加熱して温水を製造するか、空気を加熱して温風を製造することができる。

本発明によれば、各種流体を加熱するヒートポンプシステムにおいて、その効率を改善することができる。

本発明のヒートポンプシステムの一実施例を示す概略図である。 理想サイクルのＴ−Ｓ線図である。 従来公知の単段のヒートポンプ（逆カルノーサイクル）のＴ−Ｓ線図である。 従来公知の単段のヒートポンプ（逆カルノーサイクル）において、膨張弁の入口側で冷媒を過冷却する場合のＴ−Ｓ線図である。 本実施例のヒートポンプシステムのＴ−Ｓ線図である。 本実施例のヒートポンプシステムにおいて、膨張弁の入口側で冷媒を過冷却する場合のＴ−Ｓ線図である。 図５または図６において、ヒートポンプの段数を増やした場合を示している。 三段のヒートポンプで構成した本発明のヒートポンプシステムの一例を示す概略図である。

以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明のヒートポンプシステム１の一実施例を示す概略図である。本実施例のヒートポンプシステム１は、第一ヒートポンプ２と第二ヒートポンプ３とを備える。

第一ヒートポンプ２は、蒸気圧縮式のヒートポンプであり、本実施例では単段のヒートポンプから構成される。具体的には、第一ヒートポンプ２は、圧縮機４、凝縮器５，６、膨張弁７および蒸発器８が順次環状に接続されて構成される。ここで、第一ヒートポンプ２は、凝縮器として第一凝縮器５と第二凝縮器６とを備え、これら凝縮器５，６は、本実施例では直列に接続されている。つまり、第一ヒートポンプ２の圧縮機４からの冷媒は、第一凝縮器５と第二凝縮器６とを順に通された後、膨張弁７へ送られる。

圧縮機４は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。凝縮器５，６は、圧縮機４からのガス冷媒を凝縮液化する。膨張弁７は、凝縮器５，６からの液冷媒を通過させることで、冷媒の圧力と温度とを低下させる。さらに、蒸発器８は、膨張弁７からの冷媒の蒸発を図る。

従って、第一ヒートポンプ２は、蒸発器８において、冷媒が外部から熱を奪って気化する一方、凝縮器５，６において、冷媒が外部へ放熱して凝縮することになる。これを利用して、第一ヒートポンプ２は、蒸発器８において、熱源流体Ｆ１から熱をくみ上げ、凝縮器５，６において、他の流体を加熱する。

熱源流体Ｆ１は、特に問わないが、たとえば空気または排温水である。熱源流体Ｆ１は、第一ヒートポンプ２の冷媒に熱を与えつつ自身は温度低下がない（つまり熱源流体Ｆ１は潜熱を放出する）か、温度低下が小さい流体が好適に用いられる。

なお、第一ヒートポンプ２の回路には、所望により、圧縮機４の出口側に油分離器を設置したり、凝縮器５，６の出口側に受液器を設置したり、圧縮機４の入口側にアキュムレータを設置したり、凝縮器５，６から膨張弁７への冷媒と蒸発器８から圧縮機４への冷媒とを混ぜることなく熱交換する液ガス熱交換器を設置したりしてもよい。このことは、第一ヒートポンプ２に限らず、第二ヒートポンプ３についても同様である。また、第一ヒートポンプ２や第二ヒートポンプ３が複数段の場合には、それを構成する各段のヒートポンプについても同様である。

第二ヒートポンプ３は、蒸気圧縮式のヒートポンプであり、本実施例では単段のヒートポンプから構成される。第二ヒートポンプ３は、基本的には前述した第一ヒートポンプ２と同様の構成である。つまり、第二ヒートポンプ３は、圧縮機９、凝縮器１０、膨張弁１１および蒸発器１２が順次環状に接続されて構成される。但し、第二ヒートポンプ３は、第一ヒートポンプ２のように二つの凝縮器を備える必要はない。そして、第二ヒートポンプ３は、蒸発器１２において、第一ヒートポンプ２から熱をくみ上げ、凝縮器１０において、被加熱流体Ｆ２を加熱する。

第一ヒートポンプ２と第二ヒートポンプ３とは、次のようにして接続される。すなわち、第一ヒートポンプ２の圧縮機４からの冷媒と第二ヒートポンプ３の膨張弁１１からの冷媒とを受けて、両冷媒を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器１３を備え、この間接熱交換器１３が第一ヒートポンプ２の第一凝縮器５であると共に第二ヒートポンプ３の蒸発器１２とされる。なお、各ヒートポンプ２，３の冷媒は、同一でもよいし、異ならせてもよい。

第一ヒートポンプ２の蒸発器８には熱源流体Ｆ１が通される。一方、第一ヒートポンプ２の第二凝縮器６と、第二ヒートポンプ３の凝縮器１０とには、被加熱流体Ｆ２が順に通される。従って、ヒートポンプシステム１は、第一ヒートポンプ２の蒸発器８において、熱源流体Ｆ１から熱をくみ上げ、第一ヒートポンプ２の第二凝縮器６と第二ヒートポンプ３の凝縮器１０とにおいて、被加熱流体Ｆ２を加熱する。

被加熱流体Ｆ２は、特に問わないが、たとえば水または空気である。被加熱流体Ｆ２は、各ヒートポンプ２，３の冷媒から熱を与えられ温度上昇する（つまり被加熱流体Ｆ２は顕熱を与えられる）のが好ましい。被加熱流体Ｆ２が水の場合、ヒートポンプシステム１は、水を加熱して温水を製造する。また、被加熱流体Ｆ２が空気の場合、ヒートポンプシステム１は、空気を加熱して温風を製造する。この製造された温風は、たとえば乾燥器にて用いられる。

本実施例のヒートポンプシステム１によれば、被加熱流体Ｆ２は、第一ヒートポンプ２の第二凝縮器６を通された後、第二ヒートポンプ３の凝縮器１０に通される。これにより、各ヒートポンプ２，３においてくみ上げる温度差を低減することができ、その分だけ圧縮機４の電力を少なくでき、ヒートポンプシステム１の効率を向上することができる。

つまり、仮に、第一ヒートポンプ２の蒸発器８から、いきなり第二ヒートポンプ３の凝縮器１０へ熱をくみ上げるとすれば、くみ上げる温度差が大きくなるが、本実施例のヒートポンプシステム１では、まずは第一ヒートポンプ２において、蒸発器８から第二凝縮器６へ熱をくみ上げるので、くみ上げる温度差が小さくなる。しかも、そのようにして第二凝縮器６で昇温後の被加熱流体Ｆ２を、第二ヒートポンプ３の凝縮器１０でさらに昇温する構成であるから、第二ヒートポンプ３でくみ上げる温度差も小さくなる。一般に、ヒートポンプは、くみ上げる温度差が小さいほど効率がよいので、本実施例のヒートポンプシステム１によれば、くみ上げる温度差を低減して、効率向上を図ることができる。

ところで、後述する理由により、第一ヒートポンプ２の冷媒は、膨張弁７の入口側で過冷却されるのが好ましい。また同様に、第二ヒートポンプ３の冷媒は、膨張弁１１の入口側で過冷却されるのが好ましい。このような過冷却は、各ヒートポンプ２，３の凝縮器６，１０で行ってもよいし、図１において二点鎖線で示すように、第一ヒートポンプ２の第二凝縮器６と膨張弁７との間に過冷却器１４を設けたり、第二ヒートポンプ３の凝縮器１０と膨張弁１１との間に過冷却器１５を設けたりしてもよい。第一ヒートポンプ２の過冷却器１４は、膨張弁７への冷媒を、第二凝縮器６への被加熱流体Ｆ２で過冷却する。また、第二ヒートポンプ３の過冷却器１５は、膨張弁１１への冷媒を、凝縮器１０への被加熱流体Ｆ２で過冷却する。

図２は、熱を与える流体Ｆ１の入口部の温度がＴ_ｌ、熱を与える流体Ｆ１の出口部の温度もＴ_ｌであり（つまり流体は潜熱を与える）、熱を与えられる流体Ｆ２の入口部の温度がＴ_ｌ、熱を与えられる流体Ｆ２の出口部の温度がＴ_ｈである（つまり流体は顕熱を与えられる）条件において、理想的に熱をくみ上げる場合（以下、理想サイクルという。）のＴ−Ｓ線図である。つまり、縦軸が温度、横軸がエントロピーを示している。

この理想サイクルつまり実線で囲まれた三角形の面積が、前記条件を実現するための最小動力（理想動力）となる。つまり、このときの圧縮機動力は最小となる。

ヒートポンプの冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）を用いた場合、原理的には理想サイクルを描くが、膨張弁において無駄に捨てられるエネルギが大きく、単位出熱量当たりの圧縮機動力が上昇することになる。また、高圧側が臨界点を超えて超臨界状態となり、圧力が高く、耐圧設計が厳しくなる。

一般的な冷媒（たとえばＲ−１３４ａのようなＨＦＣ冷媒）を用いた従来のヒートポンプサイクルでは、図３に示すサイクルとなり、圧縮機動力は大きくなる。つまり、図３は、従来公知の単段のヒートポンプ（逆カルノーサイクル）のＴ−Ｓ線図であり、膨張弁出口損失および圧縮機過熱損失を無視し、熱交換性能を無限大とした場合を示している。この場合、圧縮機動力は、理想サイクルと比べて大きくなる。仮にヒートポンプを上下二段にしても同様である。

図２と図３とを比較すると、図３の四角形の面積から図２の三角形の面積を引いた分が、理想サイクルと比べて余分な動力といえ、その分だけ成績係数は低下する。なお、図４に示すように、膨張弁の入口側で冷媒を過冷却することで、必要な動力を削減し、ヒートポンプの効率は改善できる。

一方、図５は、本実施例のヒートポンプシステム１のＴ−Ｓ線図である。この場合、圧縮機動力は、図３の従来公知の単段のヒートポンプと比べて３／４倍（１／４倍の削減）となる。つまり、図３と比べて、左上の箇所が欠けることで、この分だけ動力を軽減して、ヒートポンプの効率を増すことができる。なお、図６に示すように、各膨張弁７，１１の入口側で冷媒を過冷却することで、必要な動力をさらに削減し、ヒートポンプの効率をさらに改善することができる。

さて、図５および図６では、段数を二段としたが、段数を増やせば、図７に示すように、サイクルで囲まれる面積をさらに少なくすることができ、ヒートポンプシステム１の効率をさらに向上することができる。段数を無限大とした場合、理論上、圧縮機動力が半分となる。つまり、従来公知の単段のヒートポンプの効率の２倍とできる。段数を増やしたヒートポンプシステム１の具体的構成については、後述する。

ところで、図２の理想サイクルに近づけるには、次のように構成するのが好ましい。つまり、第一ヒートポンプ２の蒸発器８において、冷媒温度（Ｔ_ｌ）を一定に保つために、熱源流体Ｆ１から潜熱を奪うか、あるいは顕熱を奪うとしても、流速が速いなどにより温度変化を無視できるのが好ましい。また、第一ヒートポンプ２の凝縮器５，６（および膨張弁７）と、第二ヒートポンプ３の凝縮器１０（および膨張弁１１）において、冷媒温度（Ｔ_ｈ→Ｔ_ｌ）を徐々に下げるために、被加熱流体Ｆ２に顕熱を与える、言い換えれば被加熱流体Ｆ２は徐々に昇温されるのが好ましい。

前記実施例では、第一ヒートポンプ２を単段で構成し、第二ヒートポンプ３も単段で構成したが、各ヒートポンプ２，３の段数は適宜に変更可能である。言い換えれば、前記実施例では、単段の第一ヒートポンプ２と単段の第二ヒートポンプ３とを組み合わせて、ヒートポンプシステム１全体でみるとあたかも二段のヒートポンプで構成した例を示したが、ヒートポンプシステム１を構成するヒートポンプの段数は適宜に変更可能である。

たとえば、図８は、第一ヒートポンプ２を上下二段で構成し、第二ヒートポンプ３を単段で構成した例を示している。言い換えれば、ヒートポンプシステム１を三段のヒートポンプから構成している。最上段のヒートポンプ（第二ヒートポンプ３）を除き、各ヒートポンプ（各段の第一ヒートポンプ２Ａ，２Ｂ）の凝縮器として第一凝縮器５Ａ，５Ｂと第二凝縮器６Ａ，６Ｂとが設置され、第一凝縮器５Ａ，５Ｂで上下隣接するヒートポンプ同士が接続される。そして、被加熱流体Ｆ２は、最下段のヒートポンプから順次上段のヒートポンプへと、それぞれの第二凝縮器６Ｂ，６Ａを順に通された後、第二ヒートポンプ３の凝縮器１０に通される。一方、熱源流体Ｆ１は、第一ヒートポンプ２の最下段の蒸発器８Ｂに通される。

このヒートポンプシステム１でも、各段のヒートポンプ２Ａ，２Ｂ，３の冷媒は、膨張弁７Ａ，７Ｂ，１１の入口側で過冷却されてもよい。そのために、各段のヒートポンプ２Ａ，２Ｂ，３には、膨張弁７Ａ，７Ｂ，１１の手前側に過冷却器１４Ａ，１４Ｂ，１５を設けてもよい。

本発明のヒートポンプシステム１は、前記実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。たとえば、前記実施例では、上下のヒートポンプは、間接熱交換器１３で接続されたが、中間冷却器で接続されてもよい。つまり、複数段（多段）のヒートポンプには、一元多段のヒートポンプの他、複数元（多元）のヒートポンプ、あるいは両者の組合せのヒートポンプが含まれる。

さらに、前記実施例では、第一ヒートポンプ２の第一凝縮器５と第二凝縮器６とは直列に接続したが、場合によりその接続順序を逆にしてもよい。あるいは、第一ヒートポンプ２の第一凝縮器５と第二凝縮器６とは、場合により並列に接続してもよい。このように、第一凝縮器５、第二凝縮器６および過冷却器１４の配置は、適宜に変更可能である。

１ ヒートポンプシステム
２ 第一ヒートポンプ
３ 第二ヒートポンプ
４ （第一ヒートポンプの）圧縮機
５ （第一ヒートポンプの）第一凝縮器
６ （第一ヒートポンプの）第二凝縮器
７ （第一ヒートポンプの）膨張弁
８ （第一ヒートポンプの）蒸発器
９ （第二ヒートポンプの）圧縮機
１０ （第二ヒートポンプの）凝縮器
１１ （第二ヒートポンプの）膨張弁
１２ （第二ヒートポンプの）蒸発器
１３ 間接熱交換器
１４ （第一ヒートポンプの）過冷却器
１５ （第二ヒートポンプの）過冷却器

Claims (5)

1. 第一凝縮器と第二凝縮器とを有する第一ヒートポンプと、
   前記第一凝縮器を兼ねる蒸発器を介して前記第一ヒートポンプと接続される第二ヒートポンプとを備え、
   前記第一ヒートポンプの蒸発器に熱源流体が通され、
   前記第一ヒートポンプの第二凝縮器と、前記第二ヒートポンプの凝縮器とに、被加熱流体が順に通される
   ことを特徴とするヒートポンプシステム。
2. 前記第一ヒートポンプは、複数段のヒートポンプから構成され、
   前記第一ヒートポンプを構成する各段のヒートポンプは、凝縮器として第一凝縮器と第二凝縮器とを備え、
   前記各第一凝縮器は、隣接する上下のヒートポンプ同士を接続し、
   被加熱流体は、下段のヒートポンプから順次上段のヒートポンプへと、前記各第二凝縮器を順に通される
   ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプシステム。
3. 前記第一ヒートポンプの蒸発器において、熱源流体から潜熱を奪い、
   前記第一ヒートポンプの第二凝縮器と、前記第二ヒートポンプの凝縮器とにおいて、被加熱流体に顕熱を与える
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートポンプシステム。
4. 前記第一ヒートポンプの第二凝縮器と膨張弁との間に設置する過冷却器、または前記第一ヒートポンプの第二凝縮器において、前記第一ヒートポンプの冷媒が過冷却され、
   前記第二ヒートポンプの凝縮器と膨張弁との間に設置する過冷却器、または第二ヒートポンプの凝縮器において、前記第二ヒートポンプの冷媒が過冷却される
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム。
5. 前記第一ヒートポンプの第二凝縮器と、前記第二ヒートポンプの凝縮器とに、前記被加熱流体としての水または空気が順に通され加熱される
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム。

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