JP2692969B2 - 熱搬送装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、冷媒を加熱するときの圧力上昇を利用して
熱を利用側に移動させる熱搬送装置に関するものであ
る。

従来の技術 冷媒をバーナなどの燃焼熱で加熱し、蒸発する冷媒の
圧力を利用して冷媒を循環させる熱駆動型の熱搬送方式
を行うために、受液器に満たされた液冷媒を間欠的に冷
媒加熱器に供給する。

この間欠的に供給する周期は、冷媒の物性値の制約上
（例えば冷媒をフロンとし、暖房運転に利用する圧力上
限値を30kg/cm²と考えた場合、冷媒の単位重量当たりの
潜熱量kcl/kgは圧力の増大とともに減少する）から熱搬
送条件の中でも最も高い圧力、言い替えると、最も高い
温度に合わせて設定していた。すなわち、暖房などの利
用において最も高い温度で冷媒の潜熱が最少になるた
め、所定の熱量を利用側に搬送するには、冷媒の単位時
間当たりの循環流量kg/hは利用上限温度で最大となる。
このため、システムの動作範囲のうち最も高い温度（ま
たは圧力）で冷媒の循環流量が決まり、この循環流量に
合わせて液冷媒を受液器から冷媒加熱器に間欠的に送る
単位時間当たりの回数を設定していたもので、システム
の動作範囲のうち最も高い温度（または圧力）に最適と
なるように定めた最も短い周期で間欠的に液冷媒を冷媒
加熱器に供給するようにしていた。

発明が解決しようとする課題 しかし上記のような従来の方式では、システムの動作
温度（または圧力）の低い条件の下では、冷媒の潜熱が
大きくなるため冷媒加熱器に供給された液冷媒流量に対
して冷媒加熱器で加熱されて蒸発するガス冷媒流量が少
なくなり、次第に冷媒加熱器内の液冷媒量が増大すると
ともに利用側の放熱器内に滞留する液冷媒量が減少す
る。

このとき放熱器内において熱伝達性が悪い液冷媒域が
減少し、ガス冷媒と液冷媒の混ざった熱伝達性の二層域
が増大し、放熱器の放熱性能が上がるため放熱温度が低
下するとともに同時に圧力が低下する。ところが、冷媒
加熱器に滞留する液冷媒量がさらに増大して冷媒加熱器
内の液面高さが上昇すると、蒸発するガス冷媒とともに
液冷媒が大量に流出するようになり、冷媒加熱器内の、
液冷媒量が急減するとともに利用側の放熱器に急速に液
冷媒が流入し、放熱器内の液冷媒域が急増して放熱性能
の低下を招くため放熱温度が上昇するとともに同時に圧
力が上昇する。このように、加熱器に入る冷媒量と加熱
器を出る冷媒量がバランスしないことに起因する温度
（または圧力）の下降、上昇を周期的に繰り返すハンチ
ングを生じることがある。しかも、このハンチングが激
しい場合には、蒸発したガス冷媒に連れられて一度に大
量の液冷媒が冷媒加熱器から流出し、液冷媒不足となっ
た冷媒加熱器に局所的な過熱が発生することがあり、こ
の場合には、冷媒の熱分解や冷媒加熱器の耐久性などシ
ステムの信頼性の問題があった。

本発明は上記従来の問題を解決するもので、サイクル
の運転動作条件、特に熱搬送量が急速に増大したときに
も、冷媒加熱器に必要な液冷媒を安定に供給し、システ
ムの信頼性を向上させることができる熱搬送装置を提供
することを目的とするものである。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するために本発明の熱搬送装置は、加
熱装置を有する冷媒加熱器と気液セパレータを配管接続
した環状通路部を設け、前記気液セパレータの上方に設
けた受液器を第１逆止弁を有する落込み管と開閉弁を有
する均圧通路とで前記環状通路部に接続するとともに、
前記気液セパレータ、放熱器、第２逆止弁、前記受液器
を順次配管接続して形成した環状熱搬送路と、前記冷媒
加熱器の出口側に設けた温度検出器または圧力検出器
と、前記加熱装置の熱出力がローレベルからハイレベル
に増加したときには前記開閉弁の開閉動作周期は直前の
ハイレベル出力作動時における最終の開閉作動周期を初
期値とする制御装置を設けたものである。

作用 上記構成により、システムの運転動作条件がローレベ
ルからハイレベルに増大すると、増加した搬送熱量に対
して安定した冷媒加熱がなされる運転条件として直前で
学習した最終の閉時間を用いて開閉弁の開閉動作周期の
初期値を設定するため、熱出力増加時の過渡変化の応答
性が向上し、より短時間で安定した冷媒加熱運転に移行
できる。このため、冷媒加熱器における局所異常過熱が
防止されてシステムの信頼性が向上する。

実施例 以下、本発明の一実施例について、図面を参照しなが
ら説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す熱搬送装置のシス
テム構成図である。第１図において、気液セパレータ１
は冷媒加熱器２の上方に配置されるとともに、冷媒加熱
器２の入口管３と冷媒加熱器２の出口管４とで連結され
て環状通路部を形成している。

また、受液器５は気液セパレータ１の上方に配置さ
れ、受液器５は環状通路部を構成する気液セパレータ１
に第一逆止弁６を有する落込み管７で接続され、さら
に、受液器５は、開閉弁８を有する均圧通路９で環状通
路部を構成する冷媒加熱器出口管４に接続されることに
より、受液器５と冷媒加熱器２とは連結されている。

気液セパレータ１と放熱器10とはガス冷媒往き管11で
接続され、放熱器10と受液器５とは第２逆止弁12を有す
る液冷媒戻り管13で接続されている。

このように、気液セパレータ１、放熱器10、第２逆止
弁12、受液器５および第１逆止弁６は順次配管接続され
た環状熱搬送路を形成している。

温度検出器14は冷媒加熱器２の出口管４に設けられて
いる。また、制御装置15は、開閉弁８および温度検出器
14と電気的に接続されている。バーナ16は冷媒加熱器２
に設けられ、冷媒を加熱する。熱量切換装置17はバーナ
16の熱量を切換える。18は放熱器10に設けられた送風機
である。

なお、均圧通路９は受液器５と気液セパレータ１とを
連通させて圧力差をなくし均圧にするもので、本実施例
では均圧通路９の一端は受液器５に接続し、他端は環状
通路部を構成する出口管４に接続して気液セパレータ１
に連通する例を示したが、均圧通路９の他端は環状通路
部を構成する気液セパレータ１に直接接続して連通させ
ても良いのは言うまでもない。

上記構成において、以下に定常状態における動作を説
明する。

冷媒加熱器２において、バーナ16の燃焼熱で加熱され
た冷媒は、ガスと液の混合した２相状態で冷媒加熱器出
口管４を通り、気液セパレータ１に流入し、液冷媒は冷
媒加熱器入口管３を通って、再び冷媒加熱器２に流入す
る。一方、気液セパレータ１に流入した２相状態の冷媒
のうちガス冷媒は、ガス冷媒往き管11を通り放熱器10
で、送風機18の運転により利用側の空気へ放熱して凝縮
液化し、さらに空気に放熱して飽和温度より低温の過冷
却液となって、放熱器10の出口側および液冷媒戻り管13
に溜まる。

ここで、蒸発する冷媒の圧力に押されていた過冷却液
冷媒は、開閉弁８が閉じるとともに受液器５に流入す
る。受液器５に過冷却液冷媒が流入すると、受液器５内
のガス冷媒がこの過冷却液冷媒により冷やされて液化し
てその体積を急減させるため、受液器５内の圧力が急減
する。この受液器５の急減圧と冷媒加熱器２で蒸発する
冷媒の圧力の相乗作用のため、放熱器10内の液冷媒は液
冷媒戻り管13および第２逆止弁12を通って受液器５内に
一気に流入する。このとき、過冷却液冷媒により冷やさ
れた受液器５の圧力は、気液セパレータ１の圧力よりも
低いため、第１逆止弁６は閉止状態になっている。

この状態で開閉弁８を開状態にすると、受液器５と気
液セパレータ１とは均圧通路９により連通して均圧状態
となり、受液器５内の液冷媒は重力により第１逆止弁６
を通って気液セパレータ１内に流入し、冷媒加熱器２に
液冷媒が供給される。

なお、受液器５内の液冷媒が流出し終わるのに要する
時間は、液冷媒が重力により落下するためほぼ一定であ
り（液冷媒の比重量は動作条件により若干変化するがそ
の影響はわずかである）、このため、開閉弁８の開時間
はほぼ一定に設定できる。

次に、開閉弁８を再び閉にすると、受液器５は過冷却
液冷媒の再流入とともに急減圧を起こして過冷却液冷媒
で一気に満たされる。

このように開閉弁８を開として受液器５内の液冷媒を
冷媒加熱器２に供給し、開閉弁８を閉として受液器５内
に液冷媒を流入させることを順次繰返して熱搬送運転を
継続する。

このように、気液セパレータ１と冷媒加熱器２との間
は蒸発した冷媒圧による自然循環サイクルであり、受液
器５から気液セパレータ１および冷媒加熱器２への液冷
媒の供給は開閉弁８の開閉周期による間欠動作サイクル
である。

この間欠動作サイクルで開閉弁８の開閉動作周期を制
御装置15により変化させる（言い替えると、開閉弁８の
単位時間当たりの開閉回数を増減させる）ことで、受液
器から送り出す冷媒の流量を増減でき冷媒加熱器２に適
正冷媒量を供給することができる。

第２図は、開閉弁８の開時間を一定とし、閉時間τは
冷媒加熱器２の出口側に設けた温度検出器14で検知した
温度θに応じて制御装置15により変化させ、加熱装置で
あるバーナ16の燃焼量を熱量切換装置17でハイレベル
（Hi燃焼）とローレベル（Lo燃焼）に変化させるHi−Lo
制御時における温度θと閉時間τの時間経過による変化
を示している。

図において、まず時間T₀から時間T₁まではバーナ16は
がハイレベルで燃焼している時、まず温度θの増加部で
は、温度θが上昇するにつれて閉時間τをτ_１，τ_２，
τ_３と順次短く（τ_１＞τ_２＞τ_３）とすることで、開
時間と閉時間からなる開閉動作周期を順次短くして単位
時間当たりの開閉動作回数を多くして冷媒の循環量を増
大させて冷媒の潜熱の減少に対応している。

ところが、冷媒加熱器２への液冷媒の供給が多くなり
過ぎて温度θがハンチングを始めると、ハンチングの開
始とともに閉時間τをτ_４，τ_５，τ_６，τ_７と順次長
く（τ_４＞τ_５＞τ_６＞τ_７）することで開閉動作周期
を順次長くして単位時間当たりの開閉動作回数を少なく
して冷媒の循環量を低減させて冷媒加熱器２での冷媒量
のバランス化を図る。

このようにして、バーナ16のハイレベル状態で冷媒加
熱器２に対する冷媒の流入量と流出量の流量バランスを
図ることで安定した冷媒加熱運転が続行される。

次に、時間T₁において熱量切換装置17によりバーナ16
の熱出力である燃焼量をハイレベルからローレベルに低
減させると、開閉弁８の閉時間τは、ローレベルに切換
える直前のハイレベルでの最終の閉時間τ_７に対して長
くしたτ_８（τ_７＜τ_８）として閉時間τを増大させる
ことで開閉動作周期を長くし、単位時間当たりの開閉動
作回数を少なくして冷媒加熱器２へ供給する冷媒量を低
減している。

このローレベルが継続される時間T₁からT₂において、
燃焼量の低減に伴い温度θが低下する下降部では、開閉
弁８の閉時間はτ_８のまま変化させずに一定値に保持し
て開閉動作を繰返す。

ところが、下降部の後に示すように温度θが上昇、下
降を繰返すハンチングを検知すると、閉時間τ_８を
τ_９，τ₁₀と順次長く（τ_８＜τ_９＜τ₁₀＜τ₁₁）変化
させることで、ハイレベル時と同じようにローレベルに
おいても冷媒加熱器２に対する冷媒の流入量と流出量の
流量バランスを図ることで安定した冷媒加熱運転が続行
される。

ここで、時間T₂で再びバーナ16のローレベルからハイ
レベルに増大させると、開閉弁８の閉時間はその初期値
を直前のハイレベル時（時間T₀から時間T₁）の最終の閉
時間τ_７と同じ値であるτ₁₂（τ₁₂＝τ_７）とし、増加
した搬送熱量に対して安定した冷媒加熱がなされる運転
条件として直前で学習した最終の閉時間を用いて開閉弁
８の開閉動作周期の初期値を設定するために、過熱を生
じることなくより短時間で安定した冷媒加熱運転に移行
できる。また、もし温度θのハンチングが生じると閉時
間τ₁₂をτ₁₃，τ₁₄，τ₁₅と順次長く（τ₁₂＜τ₁₃＜τ
₁₄＜τ₁₅）変化させて開閉動作周期を長くし、単位時間
当たりの開閉動作回数を減らして冷媒加熱器２への冷媒
の供給を低減することで冷媒加熱器２に対する冷媒の流
入量と流出量の流量バランスを図ることで安定した冷媒
加熱運転が続行される。

このようにして搬送熱量が急速に増加する過渡時の変
化に安定して即座に対応できる直前のハイレベル出力時
の開閉動作周期を設定することにより、冷媒加熱器２で
蒸発し、放熱器10に圧送されて凝縮する冷媒量と、受液
器５から冷媒加熱器２に供給される冷媒量とをバランス
させて、安定な冷媒加熱運転を実現し、冷媒加熱器２で
の冷媒の局所異常過熱を防ぐことができる。

なお本実施例では温度検出器14で開閉弁８の開閉動作
周期を制御する場合を示したが、冷媒加熱器２の出口側
の冷媒は気液２相状態であり、温度と圧力には、一定の
関係があるので、温度検出器14の代わりに圧力検出器で
開閉動作周期を同様に制御できることは明らかである。

発明の効果 以上のように本発明の熱搬送装置によれば、加熱装置
の熱出力がローレベルからハイレベルに増加したときに
は、開閉弁の開閉動作周期は直前のハイレベル出力作動
時における最終の開閉動作周期を初期値とする制御装置
を設けたので、加熱装置の熱出力が急増した過渡時にも
安定して即座に対応でき、冷媒加熱器での冷媒の局所異
常過渡を防ぎ、実用性、信頼性の高いシステムを提供で
きるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す熱搬送装置のシステム
構成図、第２図は同熱搬送装置のシステム動作を説明す
るための開閉弁の閉間制御図である。 １…気液セパレータ、２…冷媒加熱器、３…入口管、４
…出口管、５…受液器、６…第１逆止弁、７…落込み
管、８…開閉弁、９…均圧通路、10…放熱器、11…ガス
冷媒往き管、12…第２逆止弁、13…液冷媒戻り管、14…
温度検出器、15…制御装置、16…バーナ（加熱装置）、
17…熱量切換装置。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】加熱装置を有する冷媒加熱器と気液セパレ
   ータを配管接続した環状通路部を設け、前記気液セパレ
   ータの上方に設けた受液器を第１逆止弁を有する落込み
   管と開閉弁を有する均圧通路とで前記環状通路部に接続
   するとともに、前記気液セパレータ、放熱器、第２逆止
   弁、前記受液器を順次配管接続して形成した環状熱搬送
   路と、前記冷媒加熱器の出口側に設けた温度検出器また
   は圧力検出器と、前記加熱装置の熱出力がローレベルか
   らハイレベルに増加したときには前記開閉弁の開閉動作
   周期は直前のハイレベル出力作動時における最終の開閉
   作動周期を初期値とする制御装置を設けた熱搬送装置。