JP2018028395A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二段圧縮式のヒートポンプ装置のさらなる高効率化を実現することができるヒートポンプ装置を提供すること。
【解決手段】低圧冷媒ＲＬを外部熱源Ｈで蒸発させる蒸発器４と、低圧冷媒ＲＬを中間圧に圧縮する低段圧縮機１と、中間圧冷媒ＲＭ１を高圧に圧縮する高段圧縮機２と、高圧冷媒ＲＨを凝縮させ被加熱水Ｗを加熱する凝縮器３と、凝縮器３によって凝縮された高圧冷媒を減圧膨張して中間圧にする高段膨張弁５と、高段膨張弁５から導入された中間圧冷媒ＲＭを気液分離する気液分離器７と、気液分離器７の気相側出口から導入された中間圧冷媒ＲＭ１を低段圧縮機１の吐出口と高段圧縮機２の吸入口との間に導入する中間配管９と、気液分離器７の液相側出口から導入された中間圧冷媒ＲＭ２を過冷却する中間圧冷媒熱交換器８と、中間圧冷媒熱交換器８から導入された中間圧冷媒を減圧膨張して低圧にし、前記蒸発器に導入する低段膨張弁６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、二段圧縮式のヒートポンプ装置のさらなる高効率化を実現することができるヒートポンプ装置に関する。

二段圧縮二段膨張サイクルでは、圧縮を二段階にすることで圧縮機単段当たりの圧縮比が低減でき、また、ヒートポンプとして動作させる場合には低段側の冷媒流量を必要最小限とすることで低段側の圧縮動力を最小化することができるため、単段サイクルに比べて高効率化することができる。

なお、特許文献１には、低段側圧縮機及び高段側圧縮機の２つの圧縮機が設けられた二段圧縮式のヒートポンプ式加熱装置が記載されている。このヒートポンプ式加熱装置は、第１減圧装置、第２減圧装置、気液分離器、インジェクション管路を設けることで、簡易な構成で加熱能力の向上を図っている。

特開２０１４−１１９１５７号公報

ところで、二段圧縮式のヒートポンプ装置では、蒸発器において、単位流量あたりの冷媒が得る熱量を増加させることで、低段圧縮機を流通する冷媒量を低減させ、低段圧縮機動力の低減を図り、更なる高効率化を図ることができる。これを実現する手段として、気液分離器から流出し減圧膨張される液冷媒を冷却することで過冷却度を増大させ、蒸発器入口冷媒の比エンタルピをさらに小さくすることが挙げられる。しかし、特許文献１の構成では気液分離器で分離された液冷媒をそのまま減圧装置へ導入しているため、減圧膨張される液冷媒の過冷却度を増大させることができず、蒸発器入口冷媒の比エンタルピをさらに小さくすることができない。このため、さらなる高効率化が妨げられていた。

また、高効率化を図るその他の手段として、蒸発器における蒸発温度を高くすることにより圧縮機吸入圧力を上昇させ、圧縮機の圧縮比を低減させることが挙げられる。しかし、外部熱源の温度は蒸発器における冷媒の蒸発温度より高い必要があり、排温水などをそのまま外部熱源として利用した場合は、外部熱源の温度が蒸発温度の上昇の限界条件となってしまう。このため、さらなる高効率化が妨げられていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、二段圧縮式のヒートポンプ装置のさらなる高効率化を実現することができるヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるヒートポンプ装置は、低圧冷媒を外部熱源で蒸発させる蒸発器と、低圧冷媒を中間圧に圧縮する低段圧縮機と、中間圧冷媒を高圧に圧縮する高段圧縮機と、高圧冷媒を凝縮させ被加熱媒体を加熱する凝縮器と、前記凝縮器によって凝縮された高圧冷媒を減圧膨張して前記中間圧にする高段膨張弁と、前記高段膨張弁から導入された中間圧冷媒を気液分離する気液分離器と、前記気液分離器の気相側出口から導入された中間圧冷媒を前記低段圧縮機の吐出口と前記高段圧縮機の吸入口との間に導入する中間配管と、前記気液分離器の液相側出口から導入された中間圧冷媒を過冷却する中間圧冷媒熱交換器と、前記中間圧冷媒熱交換器から導入された中間圧冷媒を減圧膨張して低圧にし、前記蒸発器に導入する低段膨張弁と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記中間圧冷媒熱交換器は、前記外部熱源によって前記中間圧冷媒を過冷却することを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記蒸発器は、前記中間圧冷媒熱交換器で加熱された外部熱源によって前記低圧冷媒を加熱することを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記中間圧冷媒熱交換器は、前記凝縮器に導入される前の前記被加熱媒体によって前記中間圧冷媒を過冷却することを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記中間圧冷媒熱交換器は、前記蒸発器から導出された低圧冷媒によって前記中間圧冷媒を過冷却することを特徴とする。

本発明によれば、中間圧冷媒を過冷却する中間圧冷媒熱交換器を設け、中間圧冷媒の過冷却によって低圧冷媒の比エンタルピ差を大きくし、低圧冷媒の冷媒循環量を減少させるようにしているので、低段圧縮機の圧縮駆動力を低減することができる。

図１は、本発明の実施の形態１であるヒートポンプ装置の構成を示す回路図である。 図２は、図１に示したヒートポンプ装置のＰ−Ｈ線図である。 図３は、本発明の実施の形態２であるヒートポンプ装置の構成を示す回路図である。 図４は、図３に示したヒートポンプ装置のＰ−Ｈ線図である。 図５は、本発明の実施の形態３であるヒートポンプ装置の構成を示す回路図である。 図６は、図５に示したヒートポンプ装置のＰ−Ｈ線図である。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１であるヒートポンプ装置の構成を示す回路図である。また、図２は、図１に示したヒートポンプ装置のＰ−Ｈ線図である。このヒートポンプ装置は、二段圧縮二段膨張サイクルである。

図１に示すように、圧縮機は、低段圧縮機１と高段圧縮機２とを有する二段圧縮機である。図１及び図２に示すように、高段圧縮機２は冷媒循環量ＧＨの高圧冷媒ＲＨを生成して凝縮器３に導入する（図２の点Ｐ２から点Ｐ３）。高圧冷媒ＲＨは、凝縮器３によって放熱凝縮されて冷却される（図２の点Ｐ３から点Ｐ４）。凝縮器３は、被加熱媒体である、蒸気生成のための被加熱水Ｗを加熱する。その後、高圧冷媒ＲＨは、高段膨張弁５で減圧膨張されて（図２の点Ｐ４から点Ｐ５）中間圧冷媒ＲＭとなって気液分離器７に導入される。中間圧冷媒ＲＭのうちの蒸気である気体状態で冷媒循環量ＧＭの中間圧冷媒ＲＭ１は、中間配管９を介して低段圧縮機１の吐出口と高段圧縮機２の吸入口との間に導入される（図２の点Ｐ２）。

一方、中間圧冷媒ＲＭのうちの液体状態で冷媒循環量ＧＬの中間圧冷媒ＲＭ２は、中間圧冷媒熱交換器８によって過冷却される（図２の点Ｐ６とＰ７の変化分）。中間圧冷媒熱交換器８は、排温水や蒸気ドレンなどの外部熱源Ｈによって中間圧冷媒ＲＭ２を過冷却する。中間圧冷媒熱交換器８から導出された中間圧冷媒ＲＭ２は、低段膨張弁６で減圧膨張され（図２の点Ｐ７から点Ｐ８）、低圧冷媒ＲＬとなって蒸発器４に導入される。蒸発器４は、中間圧冷媒熱交換器８で加熱された外部熱源Ｈによって、低圧冷媒ＲＬを加熱して蒸発させ（図２の点Ｐ８から点Ｐ１）、低段圧縮機１に導入する（図２の点Ｐ１）。低段圧縮機１は、導入された低圧冷媒ＲＬを中間圧冷媒まで圧縮する。高段圧縮機２は、低段圧縮機１で圧縮された冷媒循環量ＧＬの中間圧冷媒と中間配管９を介して導入される冷媒循環量ＧＭの中間圧冷媒ＲＭ１とを圧縮して、冷媒循環量ＧＨの高圧冷媒ＲＨを導出する。

本実施の形態１では、気液分離器７と低段膨張弁６との間に中間圧冷媒熱交換器８を設け、この中間圧冷媒熱交換器８は、外部熱源Ｈで中間圧冷媒ＲＭ２を過冷却している。この結果、低圧冷媒ＲＬの比エンタルピ差Δｈが大きくなる。ここで、
熱交換量Ｑ＝冷媒循環量Ｇ×比エンタルピ差Δｈ
で表される。したがって、比エンタルピ差Δｈが大きくなることで、低段側を流通する冷媒循環量ＧＬを低減することができる。このため、低段圧縮機１の圧縮駆動力を低減することができる。

また、本実施の形態１では、低圧冷媒ＲＨが、蒸発器４において、中間圧冷媒熱交換器８で加熱された外部熱源Ｈによって加熱される。すなわち、従来の外部熱源Ｈをそのまま用いて加熱する場合に比べて低圧冷媒ＲＬの蒸発温度を上げることができる。換言すれば、外部熱源として排温水や蒸気ドレンなどの排熱を用いた場合など、外部熱源の温度を調節できない場合でも、蒸発温度の上限を上げることができる。この蒸発温度の上昇によって低圧冷媒ＲＬの圧力が上昇するので圧縮比が低減し、低段圧縮機１の圧縮駆動力をさらに低減することができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２であるヒートポンプ装置の構成を示す回路図である。また、図４は、図３に示したヒートポンプ装置のＰ−Ｈ線図である。

上述した実施の形態１では、中間圧冷媒熱交換器８に外部熱源Ｈを導入して中間圧冷媒ＲＭ２を過冷却していたが、本実施の形態２では、図３に示すように、被加熱水Ｗを中間圧冷媒熱交換器８に導入して中間圧冷媒ＲＭ２を過冷却している。そして、中間圧冷媒熱交換器８で加熱された被加熱水Ｗは、凝縮器３に導入されてさらに加熱される。

本実施の形態２では、被加熱水Ｗが中間圧冷媒熱交換器８で予熱されるため、凝縮器３において、高圧冷媒ＲＨとの温度差が減少する。この結果、図４に示すように、高圧冷媒ＲＨの過冷却度が低下する（図４の点Ｐ４´が点Ｐ４になる）。これにより、気液分離器７の入口冷媒の乾き度が上昇するため、液状の中間圧冷媒ＲＭ２の冷媒循環量ＧＬが減少する。このため、低段圧縮機１の圧縮駆動力を低減することができる。

また、本実施の形態２では、実施の形態１と同様に、気液分離器７と低段膨張弁６との間に中間圧冷媒熱交換器８を設け、この中間圧冷媒熱交換器８は、被加熱水Ｗで中間圧冷媒ＲＭ２を過冷却している。この結果、低圧冷媒ＲＬの比エンタルピ差Δｈが大きくなる。比エンタルピ差Δｈが大きくなることで、低段側を流通する冷媒循環量ＧＬを低減することができる。このため、低段圧縮機１の圧縮駆動力をさらに低減することができる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３であるヒートポンプ装置の構成を示す回路図である。また、図６は、図５に示したヒートポンプ装置のＰ−Ｈ線図である。

上述した実施の形態１，２では、中間圧冷媒熱交換器８に外部熱源Ｈあるいは被加熱水Ｗを導入して中間圧冷媒ＲＭ２を過冷却していたが、本実施の形態３では、図５に示すように、蒸発器４から導出された低圧冷媒ＲＬを中間圧冷媒熱交換器８に導入して中間圧冷媒ＲＭ２を過冷却している。そして、中間圧冷媒熱交換器８で加熱された低圧冷媒ＲＬは低段圧縮機１に導出される。なお、蒸発器４は、外部熱源Ｈによって加熱される。また、凝縮器３は、被加熱水Ｗを加熱する。

本実施の形態３では、中間圧冷媒熱交換器８によって蒸発器４から導出され低段圧縮機１に導入される低圧冷媒ＲＬが加熱されるため、低段圧縮機１は、一定の過熱度を保ちながら吸入圧力の上昇が可能となる。図６において、低段圧縮機１に導入される低圧冷媒ＲＬの温度上昇が可能でない場合でも吸入圧力を上昇させることはでき、低段圧縮機１に吸入される低圧冷媒ＲＬを破線の吸入の位置の点Ｐ９から「低」の等温線ＬＴ１に沿って点Ｐ８´の位置に移動させることができる。この場合、吸入圧力を上昇させる前に比べて、吸入冷媒の過熱度が小さくなってしまう。また、低段圧縮機１の吸入冷媒の過熱度低下により、低段圧縮機１の吐出冷媒の過熱度も低下する。しかし、本実施の形態３では、低圧冷媒ＲＬが加熱されるため、吸入冷媒を「低」の等温線ＬＴ１の温度から「高」の等温線ＬＴ２の温度にすることができ、その結果、低段圧縮機１に吸入される低圧冷媒ＲＬは点Ｐ１に位置し、一定の過熱度を保つことができる。換言すれば、中間圧冷媒熱交換器８は、図６の点Ｐ８´の位置を点Ｐ１の位置に移動させる加熱を行っている。この結果、一定の過熱度を保ちながら、低圧冷媒ＲＬの圧力を上昇させて圧縮比を低減し、低段圧縮機１の圧縮駆動力を低減することができる。

また、本実施の形態３では、実施の形態１，２と同様に、気液分離器７と低段膨張弁６との間に中間圧冷媒熱交換器８を設け、この中間圧冷媒熱交換器８は、蒸発器４から導出される低圧冷媒ＲＬで中間圧冷媒ＲＭ２を過冷却している。この結果、蒸発器４における低圧冷媒ＲＬの比エンタルピ差Δｈが大きくなる。比エンタルピ差Δｈが大きくなることで、低段側を流通する冷媒循環量ＧＬを低減することができる。このため、低段圧縮機１の圧縮駆動力をさらに低減することができる。

なお、上述した実施の形態１〜３では二段圧縮機を使用しているが、独立した２台の圧縮機を使用した場合でも同様の効果を得ることができる。

１ 低段圧縮機
２ 高段圧縮機
３ 凝縮器
４ 蒸発器
５ 高段膨張弁
６ 低段膨張弁
７ 気液分離器
８ 中間圧冷媒熱交換器
９ 中間配管
ＧＨ，ＧＬ，ＧＭ 冷媒循環量
Ｈ 外部熱源
ＬＴ１，ＬＴ２ 等温線
Ｐ１〜Ｐ８ 点
ＲＨ 高圧冷媒
ＲＬ 低圧冷媒
ＲＭ，ＲＭ１，ＲＭ２ 中間圧冷媒
Ｗ 被加熱水
Δｈ 比エンタルピ差

Claims (5)

1. 低圧冷媒を外部熱源で蒸発させる蒸発器と、低圧冷媒を中間圧に圧縮する低段圧縮機と、中間圧冷媒を高圧に圧縮する高段圧縮機と、高圧冷媒を凝縮させ被加熱媒体を加熱する凝縮器と、前記凝縮器によって凝縮された高圧冷媒を減圧膨張して前記中間圧にする高段膨張弁と、前記高段膨張弁から導入された中間圧冷媒を気液分離する気液分離器と、前記気液分離器の気相側出口から導入された中間圧冷媒を前記低段圧縮機の吐出口と前記高段圧縮機の吸入口との間に導入する中間配管と、前記気液分離器の液相側出口から導入された中間圧冷媒を過冷却する中間圧冷媒熱交換器と、前記中間圧冷媒熱交換器から導入された中間圧冷媒を減圧膨張して低圧にし、前記蒸発器に導入する低段膨張弁と、を備えたことを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 前記中間圧冷媒熱交換器は、前記外部熱源によって前記中間圧冷媒を過冷却することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
3. 前記蒸発器は、前記中間圧冷媒熱交換器で加熱された外部熱源によって前記低圧冷媒を加熱することを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ装置。
4. 前記中間圧冷媒熱交換器は、前記凝縮器に導入される前の前記被加熱媒体によって前記中間圧冷媒を過冷却することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
5. 前記中間圧冷媒熱交換器は、前記蒸発器から導出された低圧冷媒によって前記中間圧冷媒を過冷却することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。

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