JP3595051B2 - 吸収式ヒートポンプ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱を利用して冷熱を得る吸収式ヒートポンプ装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の吸収式ヒートポンプ装置の構成を図5に示す。この吸収式ヒートポンプは溶液ポンプ1と、発生器2と、凝縮器3と、蒸発器4と、吸収器5と、溶液熱交換器6と、分離器7、膨張弁8と、減圧弁9と溶液タンク10より構成されている。以上のような吸収式ヒートポンプ装置について、以下その動作について説明する。
【0003】
溶液ポンプ1により冷媒濃度の高い濃溶液は高圧となり、溶液熱交換器6を経て発生器2へ送られる。発生器2で外部より加熱された濃溶液は、冷媒蒸気を発生し、分離器7内で密度差によって冷媒蒸気と冷媒濃度の低い希溶液に分離される。高圧の冷媒蒸気は凝縮器3で液化し、膨張弁8で減圧された冷媒は蒸発器4で外部より熱を受け蒸発し、吸収器5へ戻る。一方、高圧の希溶液は溶液熱交換器6で濃溶液に熱を与え、減圧弁9を通って低圧となり、吸収器5で低圧冷媒蒸気を吸収し濃溶液となる。濃溶液は吸収器5から濃溶液タンク10を経て、再び溶液ポンプ1で加圧され発生器2へと送られる。
【0004】
ここで、減圧弁9を通って吸収器5へ戻る希溶液の流量は、分離器7内に生じる希溶液の界面を計測し、その界面が一定の高さを保つように、減圧弁9を調節して制御されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の吸収式ヒートポンプ装置では、気液界面を一定に保つように制御する方法では、構造が複雑でコストが高いことや、大きな負荷変動に対して気液界面を一定に保つための減圧弁の制御が追従できない場合が生じ、以下の課題があった。
(1)希溶液流量が減少したときに、分離器から吸収器へと向かう希溶液流路に冷媒蒸気が流入し、能力及び効率が低下する。
(2)希溶液流量が増加したときに、分離器の液面が上昇しサイクルの冷媒量のバランスから崩れ、溶液ポンプでキャビテーションが発生し、効率低下を招くばかりでなく、ポンプの寿命が著しく短くなる。
【0006】
本発明は、従来の吸収式ヒートポンプ装置のこのような課題を考慮し、従来に比べて一層効率が高く、安価な吸収式ヒートポンプ装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するための本発明は、少なくとも発生器と、凝縮器と、蒸発器と、吸収器と、溶液ポンプとを備え、少なくとも冷媒を作動媒体とする吸収式ヒートポンプ装置において、前記発生器により加熱された前記作動媒体の内の冷媒濃度の高い濃溶液から発生した冷媒蒸気により生じる冷媒濃度の低い希溶液が、前記吸収器に向かう流路の途中に設けられた減圧手段と、その減圧手段の入口と出口との間の圧力差を計測する圧力計測手段と、その計測された圧力差に基づいて、前記溶液ポンプの吐出量を調節する調節手段とを備えたことを特徴とする吸収式ヒートポンプ装置である。
【0008】
なお、前記調節手段は、前記圧力差が所定の値より大きい場合、前記溶液ポンプの吐出量を増やし、前記圧力差が所定の値より小さい場合、前記溶液ポンプの吐出量を減らすとしてもよい。
【0009】
請求項3に記載の本発明は、少なくとも発生器と、凝縮器と、蒸発器と、吸収器と、溶液ポンプとを備え、少なくとも冷媒を作動媒体とする吸収式ヒートポンプ装置において、前記発生器により加熱された前記作動媒体の内の冷媒濃度の高い濃溶液から発生した冷媒蒸気により生じる冷媒濃度の低い希溶液が、前記吸収器に向かう流路の途中に設けられた減圧手段と、前記発生器により加熱された濃溶液の温度と前記減圧手段の出口に関する温度との差を計測する温度計測手段と、その計測された温度差に基づいて、前記溶液ポンプの吐出量を調節する調節手段とを備えたことを特徴とする吸収式ヒートポンプ装置である。
【0010】
なお、前記調節手段は、前記温度差が所定の値より大きい場合、前記溶液ポンプの吐出量を増やし、前記温度差が所定の値より小さい場合、前記溶液ポンプの吐出量を減らすとしてもよい。
【0011】
請求項5に記載の本発明は、少なくとも発生器と、精溜器と、凝縮器と、蒸発器と、吸収器と、溶液ポンプとを備え、少なくとも冷媒を作動媒体とする吸収式ヒートポンプ装置において、前記精溜器から吸収器に向かう冷媒蒸気を発生させることにより生じる冷媒濃度の低い希溶液の流路の途中に設けられた減圧手段と、その減圧手段の入口と出口との間の温度差を計測する温度計測手段と、その計測された温度差に基づいて、前記溶液ポンプの吐出量を調節する調節手段とを備えたことを特徴とする吸収式ヒートポンプ装置である。
【0012】
なお、前記調節手段は、前記温度差が所定の値より大きい場合、前記溶液ポンプの吐出量を増やし、前記温度差が所定の値より小さい場合、前記溶液ポンプの吐出量を減らすとしてもよい。
【0013】
上記のような構成において、例えば、発生蒸気量が増加し、希溶液流量が減少した場合、減圧手段に冷媒蒸気が流入する。これにより、減圧手段の内部は二相状態となり、圧力損失は液単相状態に比較して大きい。この圧力損失が所定の圧力損失よりも大きれば、吐出量を増やして、つまり濃溶液流量を増加させて希溶液流量を増加させると、減圧手段への蒸気流入量が減る。
【0014】
また、例えば、発生蒸気量が増加し、希溶液流量が減少した場合、減圧手段に冷媒蒸気が流入する。これにより、減圧手段の内部は二相状態となり、圧力損失は液単相状態に比較して大きく、その圧力損失の大きさは減圧前後の温度差に比例する。この温度差をもとに所定の温度差よりも高ければ、吐出量を増やして、つまり濃溶液流量を増やして希溶液流量を増加させると、減圧手段への蒸気流入量が減る。
【0015】
また、例えば、精溜器内で発生蒸気量が増加し、希溶液流量が減少した場合、減圧手段に冷媒蒸気が流入する。これにより、減圧手段の内部は二相状態となり、圧力損失は液単相状態に比較して大きく、その圧力損失の大きさは減圧前後の温度差に比例する。この温度差をもとに所定の温度差よりも高ければ、吐出量を増やして、つまり濃溶液流量を増やして希溶液流量を増加させると、減圧手段への蒸気流入量が減る。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【0017】
(第1の実施の形態)
図1は、本発明による第1の実施の形態の吸収式ヒートポンプ装置の構成図である。この吸収式ヒートポンプ装置は、溶液ポンプ11、発生器12、凝縮器13、蒸発器14、吸収器15、溶液熱交換器16、分離器17、膨張弁18、濃溶液タンク19、キャピラリー20、21、差圧計22を設置した構成となっている。差圧計22は、キャピラリー20の入口と出口との間の圧力差を計測する計測器である。回転数調節手段25は、差圧計22により計測された圧力差に基づいて、溶液ポンプ11の吐出量を調節するために、溶液ポンプ11の回転数を増減するための制御装置である。
【0018】
なお、キャピラリー20は、本発明の請求項1の減圧手段に対応する。また、差圧計22は、同発明の圧力計測手段に対応する。さらに、回転数調節手段25は、同発明の調節手段に対応する。
【0019】
以上のように構成された吸収式ヒートポンプ装置について、以下その動作を説明する。溶液ポンプ11で、高圧に加圧された冷媒濃度の高い濃溶液は、溶液熱交換器16で希溶液から熱を受け昇温し、発生器12へ送られる。発生器12において濃溶液は加熱により冷媒蒸気を発生し、分離器17において冷媒蒸気と冷媒濃度の低い希溶液に分けられる。希溶液は、キャピラリー20、溶液熱交換器16、キャピラリー21の順に流れ、その過程で、減圧と濃溶液への熱の放出が行われる。冷媒蒸気は、凝縮器13へ流出し液化され、膨張弁18から蒸発器14を通り吸収器15へ流入する。
【0020】
ここで、分離器17における発生蒸気と希溶液の分離について説明する。原理的には、発生器12から流入する希溶液に等しい量がキャピラリー20に流出することにより分離が行われる。これにより、分離器17内に生じる気液界面が一定の高さに調節され、発生した蒸気が凝縮器13へ供給され、安定した希溶液流量制御が行われる。
【0021】
運転条件が変化して、発生器12内で発生する蒸気量が増え、希溶液流量が減少するか、または、サイクルの高低圧差が大きくなりキャピラリー20を流れる希溶液流量が増加して、分離器17内の気液液面が下がった場合について説明する。分離器17内での気液界面が下がると、希溶液流路のキャピラリー20に冷媒蒸気が流入する。蒸気が流入するとキャピラリー20内部は二相状態となるので、圧力損失は蒸気流入無しの状態より増加し、その増加量は蒸気流入量に比例する。冷媒蒸気が希溶液流路に流入すると、能力低下とサイクルの不安定性につながるため、これを抑制する必要がある。
【0022】
そこで、溶液ポンプ11の回転数を上げて吐出量を増やして、つまり濃溶液流量を増やすと、発生器12における希溶液流量が増加し、分離器17内の気液界面は上昇し、キャピラリー20への蒸気流入量は抑制される。また、このときのキャピラリー20による圧力損失は蒸気流入量が減るために低下する。
【0023】
即ち、キャピラリー20へ冷媒蒸気が流入するとキャピラリー20の前後における圧力損失が増加することを利用して、圧力損失を差圧計22で計測し、計測した値が所定の値以上にならないように、溶液ポンプ11の回転数を調節して濃溶液流量を制御することによって、冷媒蒸気のキャピラリー20への流入を抑えることができる。この制御を行うのが回転数調節手段25である。
【0024】
次に、発生する蒸気量が減り、希溶液流量が増加するか、または、サイクルの高低圧差が小さくなって、キャピラリー20を通って吸収器15へ流れる希溶液の流量が減少し、分離器17内の気液界面が上昇した場合について説明する。このときの希溶液の流量は、サイクルの高低圧差と、キャピラリー20、21によって決定されるから、この流量以上に発生器12から分離器17に希溶液が流入すると、分離器17内部に希溶液が溜まることになる。分離器17内に希溶液が溜まると、サイクル内の冷媒量のバランスから、最終的に濃溶液タンクが空となり、溶液ポンプ11がキャビテーションを起こす。
【0025】
そこで、溶液ポンプ11の回転数を下げて、濃溶液流量を減らすと、分離器17への希溶液流入量が減り、結果的に気液界面が下がり、溶液ポンプ11のキャビテーションが抑えるられる。希溶液のみがキャピラリー20に流入するとき、キャピラリー20での圧力損失は、蒸気が流入するときより小さい。このことを利用して、キャピラリー20での圧力損失が所定の値以下を示すときは、希溶液の戻り量は限界であり、これ以上、現状の濃溶液流量では分離器17内の液面が上昇し、キャビテーションの可能性があると判断し、溶液ポンプ11の回転数を下げる。この制御を行う回転数調節手段25による回転数により、溶液ポンプ11のキャビテーションは抑えられる。
【0026】
以上のように、キャピラリー20における希溶液の圧力損失を差圧計22で計測して、回転数調節手段25により溶液ポンプ11の回転数を調節して濃溶液流量を制御すれば、運転条件が変化しても、効率が高く安定したヒートポンプサイクルが形成される。また、構造的にも従来よりも簡素化され、コスト的にもかなり有利な吸収式ヒートポンプ装置が提供される。
【0027】
なお、本実施の形態では、圧力差を測る手段として差圧計を用いたが、圧力センサー等を用いてもよい。
【0028】
また、本実施の形態では、減圧手段を簡素化、低コスト化のためにキャピラリー20、21を用いたが、一般的な減圧弁を用いてもよい。
【0029】
なお、本実施の形態では、差圧計22と回転数調節手段25とを具備する構成であるとしたが、希溶液がキャピラリー20により減圧される時に生じる温度降下に関して、希溶液の圧力損失と温度降下との関係を予め求めておけば、図2に示すように、差圧計22と回転数調節手段25の代わりに、発生器12の出口の温度を計測する温度センサー23と、キャピラリー20の出口の温度を計測する温度センサー24と、その温度センサー23及び24の計測に基づいて、溶液ポンプ11の回転数を増減させる回転数調節手段26とを具備する構成にしてもよい。これにより、圧力損失を計測する代わりに温度差を計測し、その温度差によって濃溶液流量を制御することが可能である。さらに、圧力差を測る手段より温度センサーの方が安価でもある。
【0030】
また、図2では、温度センサー23は発生器12の出口に設置したが、加熱後の希溶液の温度はキャピラリー20で減圧される前までは同じ温度であり、温度センサー23は希溶液が減圧される前までであれば、場所は問わない。
【0031】
更に、図2では、発生器12と分離器17は、それぞれ単体としているが、発生器12の下部に分離器17を設置して一体型としたときにおいても、本実施の形態の効果は得られる。
【0032】
以上のように、本実施の形態によれば、運転条件が変化しても安定した効率と能力が保証された安価な吸収式ヒートポンプ装置が提供される。
【0033】
(第2の実施の形態)
図3は、本発明による第2の実施の形態の吸収式ヒートポンプ装置の構成図である。この吸収式ヒートポンプ装置は、精溜器30、溶液ポンプ31、発生器32、凝縮器33、蒸発器34、吸収器35、溶液熱交換器36、膨張弁38、濃溶液タンク39、キャピラリー40及び41、温度センサー42及び43を設置した構成となっている。
【0034】
温度センサー42は、キャピラリー40の入口の温度を計測する温度センサーである。温度センサー43は、キャピラリー40の出口の温度を計測する温度センサーである。回転数調節手段45は、温度センサー42及び43により計測された温度差に基づいて、溶液ポンプ31の吐出量を調節するために、溶液ポンプ31の回転数を増減するための制御装置である。
【0035】
なお、キャピラリー40は、本発明の請求項5の減圧手段に対応する。また、温度センサー42及び43は、同発明の温度計測手段に対応する。更に、回転数調節手段45は、同発明の調節手段に対応する。
【0036】
本実施の形態は、第1の実施の形態の発生器12の後に冷媒蒸気濃度を高めるための精溜器30を設置した場合の例であり、第1の実施の形態の分離器17は分離部として精溜器30の下部に設置されている。
【0037】
本実施の形態は、安定した希溶液流量の制御を行い、キャピラリー40の前後における温度差を基に冷媒蒸気の流入の抑制することと、溶液ポンプ31のキャビテーションを防止することを目的とする。
【0038】
本実施の形態では、計測温度差の位置をキャピラリー40の前後とし、計測温度差が所定の温度差より大きれば、溶液ポンプ31の回転数を上げて濃溶液流量を増やし、所定の温度差より低ければ、溶液ポンプ31の回転数を下げて濃溶液流量を減らす。この制御を行う回転数調節手段45により、キャピラリー40へ冷媒蒸気の流入を抑制することと、溶液ポンプ31のキャビテーションを防止することができる。
【0039】
図3のように、精溜器30を出た後のキャピラリー40の出入口の温度差により制御する理由として、以下のことが挙げられる。
【0040】
精溜器30を設置しているため、精溜器30内での分離後の希溶液は、冷媒蒸気の濃度を上げるときに生成される分縮液と混合されるので、希溶液の温度は発生器32から流入したときよりも下がる。その温度降下は、精溜器30の負荷に左右される。このため、精溜器30を設置した場合には、図2のように発生器12の出口温度23とキャピラリー20の後の温度24との差を計測するよりも、図3のように、温度降下後の希溶液の温度42とキャピラリー40の後の温度43との差を計測した方が精溜器30の負荷の影響を受けにくい。
【0041】
即ち、精溜器30を必要とする吸収式サイクルにおいては、キャピラリー40の出入口の温度差を基に溶液ポンプ31の制御を行う方が良い。
【0042】
なお、発生器32と精溜器30は、それぞれ単体としているが、発生器32の上部に精溜器30を設置して一体型としたときにおいても、本実施の形態の効果は得られる。
【0043】
なお、本実施の形態では、温度センサー42、43と回転数調節手段45とを具備する構成であるとしたが、図4のように、温度センサー42と回転数調節手段45の代わりに、発生器32の出口の温度を計測する温度センサーと、その温度センサー43及び44の計測に基づいて、溶液ポンプ31の回転数を増減させる回転数調節手段46とを具備する構成にしてもよい。これにより、発生器32からキャピラリー40に至るまでの希溶液流路の構成は、図2と同一となり、同様の効果が得られる。
【0044】
また、図4のように、発生器32の燃焼量の制御に発生器32の出口の温度44が必要な場合で、発生器32の出口の温度44とキャピラリー40の出口の温度43との温度差で溶液ポンプ31を制御するとき、図3の構成よりも制御の精度は劣るものの、コストダウンが図れる。
【0045】
以上のように、本実施の形態によれば、運転条件が変化しても安定した効率と能力が保証された安価な吸収式ヒートポンプ装置が提供される。
【0046】
【発明の効果】
以上のことから明らかなように、本発明によれば、冷暖房時の負荷が変化しても吸収式ヒートポンプサイクルを高効率な状態に維持しながら、安定した冷暖房を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の吸収式ヒートポンプ装置の構成図である。
【図2】第1の実施の形態における別の吸収式ヒートポンプ装置の構成図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態の吸収式ヒートポンプ装置の構成図である。
【図4】第2の実施の形態における別の吸収式ヒートポンプ装置の構成図である。
【図5】従来の吸収式ヒートポンプ装置の構成図である。
【符号の説明】
1、11、31 溶液ポンプ
2、12、32 発生器
3、13、33 凝縮器
4、14、34 蒸発器
5、15、35 吸収器
6、16、36 溶液熱交換器
7、17 分離器
8、18、38 膨張弁
9 減圧弁
10、19、39 濃溶液タンク
20、21、40、41 キャピラリー
22 差圧計
23、24、42、43、44 温度センサー
25、26、45、46 回転数調節手段
30 精溜器
Claims (6)
- 少なくとも発生器と、凝縮器と、蒸発器と、吸収器と、溶液ポンプとを備え、少なくとも冷媒を作動媒体とする吸収式ヒートポンプ装置において、
前記発生器により加熱された前記作動媒体の内の冷媒濃度の高い濃溶液から発生した冷媒蒸気により生じる冷媒濃度の低い希溶液が、前記吸収器に向かう流路の途中に設けられた減圧手段と、
その減圧手段の入口と出口との間の圧力差を計測する圧力計測手段と、
その計測された圧力差に基づいて、前記溶液ポンプの吐出量を調節する調節手段と
を備えたことを特徴とする吸収式ヒートポンプ装置。 - 前記調節手段は、
前記圧力差が所定の値より大きい場合、前記溶液ポンプの吐出量を増やし、
前記圧力差が所定の値より小さい場合、前記溶液ポンプの吐出量を減らす
ことを特徴とする請求項1記載の吸収式ヒートポンプ装置。 - 少なくとも発生器と、凝縮器と、蒸発器と、吸収器と、溶液ポンプとを備え、少なくとも冷媒を作動媒体とする吸収式ヒートポンプ装置において、
前記発生器により加熱された前記作動媒体の内の冷媒濃度の高い濃溶液から発生した冷媒蒸気により生じる冷媒濃度の低い希溶液が、前記吸収器に向かう流路の途中に設けられた減圧手段と、
前記発生器により加熱された濃溶液の温度と前記減圧手段の出口に関する温度との差を計測する温度計測手段と、
その計測された温度差に基づいて、前記溶液ポンプの吐出量を調節する調節手段と
を備えたことを特徴とする吸収式ヒートポンプ装置。 - 前記調節手段は、
前記温度差が所定の値より大きい場合、前記溶液ポンプの吐出量を増やし、
前記温度差が所定の値より小さい場合、前記溶液ポンプの吐出量を減らす
ことを特徴とする請求項3記載の吸収式ヒートポンプ装置。 - 少なくとも発生器と、精溜器と、凝縮器と、蒸発器と、吸収器と、溶液ポンプとを備え、少なくとも冷媒を作動媒体とする吸収式ヒートポンプ装置において、
前記精溜器から吸収器に向かう冷媒蒸気を発生させることにより生じる冷媒濃度の低い希溶液の流路の途中に設けられた減圧手段と、
その減圧手段の入口と出口との間の温度差を計測する温度計測手段と、
その計測された温度差に基づいて、前記溶液ポンプの吐出量を調節する調節手段と
を備えたことを特徴とする吸収式ヒートポンプ装置。 - 前記調節手段は、
前記温度差が所定の値より大きい場合、前記溶液ポンプの吐出量を増やし、
前記温度差が所定の値より小さい場合、前記溶液ポンプの吐出量を減らす
ことを特徴とする請求項5記載の吸収式ヒートポンプ装置。
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