JP3599770B2

JP3599770B2 - 熱搬送装置

Info

Publication number: JP3599770B2
Application number: JP04397194A
Authority: JP
Inventors: 勝明山岸; 和夫齊藤; 勉佐久間; 政雄小津; 正樹今村
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 1994-03-15
Filing date: 1994-03-15
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2019-12-08
Also published as: JPH07253254A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、熱媒体を用いて熱または冷熱を搬送することにより暖房または冷房が可能な熱搬送装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱媒体を用いて熱を搬送することにより暖房を行う従来の熱搬送システムとしては、例えば図１９に示すような構成のものがある。この熱搬送システムは、圧縮機１、利用側熱交換器である室内熱交換器３、熱源側熱交換器である吸熱熱交換器５、加熱器７および電子制御弁９が配管１１で接続されて密閉系を構成し、密閉系内にはＲ２２などの冷媒が充填されている。加熱器７は、バーナなどであり、冷媒を吸熱熱交換器５にて加熱し、加熱された冷媒は、圧縮機１により室内熱交換器３に搬送され、ここで室内空気と熱交換器することで暖房がなされる。
【０００３】
このときの冷媒の絶対圧力Ｐとエンタルピｈとの関係を示したものが、図２０のモリエル線図である。圧縮機１による動作ａは、ガスポンプとして機能しており、室内熱交換器３および吸熱熱交換器５での熱交換ｂおよびｃは、いずれも冷媒の二相域（液相と気相とが混在する領域）で行われるため、熱搬送は潜熱搬送となる。
【０００４】
図２１は、熱媒体を用いて熱を搬送することにより暖房を行う他の従来の熱搬送システムの構成を示している。この熱搬送システムは、液ポンプ１３、室内熱交換器１５および吸熱熱交換器１７が配管１９で接続されて密閉系を構成し、密閉系内にはブラインが充填されている。ブラインは、バーナなどの加熱器２１により吸熱熱交換器１７にて加熱され、液ポンプ１３により室内熱交換器１５に搬送され、ここで室内空気と熱交換器することで暖房がなされる。この例では、熱搬送は液相のみとなるため、顕熱搬送となる。
【０００５】
図２２は、熱媒体を用いて冷熱を搬送することにより冷房を行う従来の熱搬送システムの構成を示している。この熱搬送システムは、液ポンプ２３、室内熱交換器２５および吸熱熱交換器２７が配管２９で接続されて密閉系を構成し、密閉系内にはブラインが充填されている。ブラインは、冷凍機などの冷却器３１により放熱熱交換器２７にて冷却されて液ポンプ２３により室内熱交換器２５に搬送され、ここで室内空気と熱交換器することで冷房がなされる。この例でも、前記図２１のシステムと同様に、熱搬送は液相のみとなるため、顕熱搬送となる。
【０００６】
図２３は、熱搬送システムではなく、熱媒体の超臨界域（圧力が臨界圧以上のところ：液面を生じないで一つの相として液からガスに変化する領域）と二相域との間で作動する冷凍サイクル、すなわち遷臨界冷凍サイクルの従来例を示している。この例は、冷媒に炭酸ガスを用いたノルウェー工科大学で開発中のものであり、米国特許第５２４５８３６号に開示された技術である。圧縮機３３、蒸発器３５、凝縮器３７、過冷却器３９、膨張弁４１およびレシーバタンク４３が配管４５で接続されて冷凍サイクルが構成され、この冷凍サイクル内に二酸化炭素が充填されている。
【０００７】
図２４は、二酸化炭素のモリエル線図上に、上記図２３の冷凍サイクルの絶対圧力Ｐとエンタルピｈとの関係を描いたものである。圧縮機３３は、動作Ａで示すように、二酸化炭素の冷媒を二相域（約４ＭＰａ）から超臨界域（約１０ＭＰａ）まで昇圧する。凝縮器３７，膨張弁４１および蒸発器３５内での冷媒の状態変化は、それぞれＢ，ＣおよびＤで示してある。蒸発器３５内での冷媒は二相域にあるため、蒸発圧力線と蒸発温度線が一致し、蒸発温度は一定となる。ところが、凝縮器３７内の冷媒は超臨界域にあるため、凝縮圧力線と凝縮温度線とは一致しない。
【０００８】
上記図２４において、超臨界域における等温線ｔを示す。凝縮器３７内での冷媒温度は連続的に変化し、凝縮器３７の入口ａの温度ｔ_ａと凝縮器３７の出口ｂの温度ｔ_ｂとの関係は、ｔ_ａ＞ｔ_ｂとなる。このような冷凍サイクルにおいて、蒸発器３５を室内熱交換器とすれば冷房ができ、凝縮器３７を室内熱交換器とすれば暖房ができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような従来の熱搬送装置は、以下のような問題がある。
【００１０】
（１）潜熱熱搬送システム（図１９）
従来のエアコンの冷凍サイクルを流用しているため、地球環境問題で規制されているフロン系冷媒（ＨＣＦＣ，ＨＦＣ）しか使えない。
【００１１】
（２）顕熱熱搬送システム（図２１，図２２）
顕熱搬送は潜熱搬送に比較して熱搬送量が少なくなるため、ブラインン配管径を大きくしてブライン流量を多くしなければならない。ブラインン配管は、一般的に冷媒配管に比較して施工性が悪いので、配管径を大きくすると施工作業が煩雑となるうえコストアップを招くことになる。
【００１２】
（３）遷臨界冷凍サイクル（図２３）
二相域（約４ＭＰａ）から超臨界域（約１０ＭＰａ）まで昇圧しなければならないため、搬送動力が大きくなり、消費電力が増大する。
【００１３】
そこで、この発明は、地球環境問題に影響されない熱媒体を用い、熱媒体配管の施工性がよく、かつ熱媒体の搬送動力の小さい熱搬送装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、ガスポンプと熱源側熱交換器と利用側熱交換器とが配管により接続されて構成される密閉系内に熱媒体を封入し、この熱媒体の前記熱源側熱交換器および利用側熱交換器での各熱交換を、前記熱媒体の臨界点より圧力が高い超臨界域で行う構成としてある。
【００１５】
【作用】
このような構成の熱搬送装置によれば、熱媒体として地球環境問題で規制されていない非フロン系冷媒が使用可能であり、熱媒体は超臨界領域で作動することから、熱媒体を高密度で搬送でき、配管径が細くて済み配管の施工性が向上する。また、熱媒体の搬送は、吸込圧と吐出圧との圧力差が小さいガスポンプを使用できるので、搬送動力が小さくて済み、省エネルギ化が達成される。
【００１６】
【実施例】
以下、この発明の実施例を図面に基づき説明する。
【００１７】
図１は、この発明の第１実施例を示す熱搬送装置の構成図である。熱媒体搬送手段であるガスポンプ４７、利用側熱交換器である放熱熱交換器４９および、熱源側熱交換器である吸熱熱交換器５１が、配管５３で接続されて構成される密閉回路内に、熱媒体である二酸化炭素が充填されている。
【００１８】
吸熱熱交換器５１の熱媒体出口側（図１中で右側）には、熱媒体を加熱する加熱器としてバーナ５５が設置されている。バーナ５５の底部には熱媒体入口側（図１中で左側）に向けて延長される排気案内板５７が設けられ、バーナ５５による高温の排ガス５９は、図示しない送風機などにより、吸熱熱交換器５１の熱媒体出口側から同熱媒体入口側に向けて流れるようにしてある。これにより、吸熱熱交換器５１内を流れる熱媒体は、熱媒体と熱交換を行う流体（排ガス５９）と相互に対向流を形成することになる。
【００１９】
一方、放熱熱交換器４９の媒体出口側（図１中で左側）には、ファン６１が設置されている。ファン６１は、空気６３を放熱熱交換器４９の下流側から上流側に向けて送風するものであり、したがって、この放熱熱交換器４９においても、熱媒体は、熱媒体と熱交換を行う流体（空気６３）と相互に対向流を形成することになる。
【００２０】
バーナ５５が吸熱熱交換器５１内の熱媒体を加熱し、加熱した熱媒体をガスポンプ４７で放熱熱交換器４９に搬送する。ファン６１が送風する空気６３は、放熱熱交換器４９に沿って流れることで、ガスポンプ４７から送られた熱媒体と熱交換して暖められて暖房に使用され、一方熱媒体は空気６３により冷却されて吸熱熱交換器５１に戻る。
【００２１】
図２は、図１のサイクルにおいて熱媒体として用いた二酸化炭素の状態をモリエル線図上に書き表したものである。臨界点（Ｋ．Ｐ．）より圧力が高い領域を超臨界域と言っているが、一般的な目安として、臨界点を通る比容積線（ｖ_Ｋ．Ｐ．）の右側が気相、左側が液面を持たない液相とされている。この実施例における熱搬送システムでは、吸熱熱交換器５１および放熱熱交換器４９内の熱媒体は何れも超臨界域の気相にある。
【００２２】
図２において、温度Ｔ_１は、放熱熱交換器４９の出口と吸熱熱交換器５１の入口の温度である。温度Ｔ_２は、温度Ｔ_１より高く、放熱熱交換器４９の入口と吸熱熱交換器５１の出口の温度である。つまり、吸熱熱交換器５１では、入口から出口に行くに従い、図２での状態変化Ｐで示すように熱媒体の温度はＴ_１からＴ_２まで上昇し、逆に放熱熱交換器４９では、入口から出口に行くに従い、図２の状態変化Ｑで示すように熱媒体の温度はＴ_２からＴ_１に低下する。したがって、超臨界域では圧力が一定でも温度は変化していることになる。
【００２３】
図３は、吸熱熱交換器５１側における熱媒体と排ガス５９の各温度分布を、吸熱熱交換器５１の入口側から出口側に沿って示したもので、図４は放熱熱交換器４９側での同各温度分布を示したものである。吸熱熱交換器５１において、排ガス５９は、熱媒体の流れと反対方向に、つまり熱媒体に対して対向流を形成しながら流れ、排ガス５９の温度は、熱媒体と同様入口側が低く、出口側が高いものとなり、熱媒体と排ガス５９との温度差は入口側から出口側にわたりほぼ一定となって、熱交換効率が向上する。放熱熱交換器４９においても、ファン６１により送風される空気６３は、熱媒体の流れと反対方向に、つまり熱媒体に対して対向流を形成しながら流れ、空気６３の温度は、熱媒体と同様入口側が高く、出口側が低いものとなり、熱媒体と空気６３との温度差は入口側から出口側にわたりほぼ一定となって、熱交換効率が向上する。
【００２４】
上記したような熱搬送装置によれば、動作冷媒として二酸化炭素を使用しており、フロン系冷媒を使用していないので、地球環境問題への発展が回避される。また、熱媒体は、ガスポンプ４７により搬送されるので、大きな動力を必要とせず、消費電力を低く抑えられる。さらに、超臨界域では二酸化炭素は高密度となるため、配管５３の径を小さくできる。
【００２５】
図５は、この発明の第２実施例を示す熱搬送装置の構成図である。熱媒体搬送手段であるガスポンプ６５、利用側熱交換器である放熱熱交換器６７および、熱源側熱交換器である吸熱熱交換器６９が、配管７１で接続されて構成される密閉回路内に、熱媒体である二酸化炭素を充填する。放熱熱交換器６７には、チラー等の冷却装置７３が設置されている。放熱熱交換器６７にて冷却装置７３で冷却され凝縮した熱媒体は、吸熱熱交換器６９で室内空気と熱交換して室内空気を冷却し、冷房がなされる。吸熱熱交換器６９で室内空気と熱交換して蒸発した熱媒体は、ガスポンプ６５で放熱熱交換器６７に搬送される。
【００２６】
図６は、図５で使用した熱媒体の状態をモリエル線図上に書き表したものである。臨界点（Ｋ．Ｐ．）より圧力が低い二相領域で作動する。
【００２７】
上記図５の熱搬送装置においても、動作冷媒として例えば二酸化炭素が使用でき、フロン系冷媒を使用する必要がないので、地球環境問題に発展することはない。また熱媒体は、ガスポンプ６５により搬送されるので、大きな動力を必要としない。
なお、前記図１に示した第１実施例および図５に示した第２実施例における熱媒体搬送回路には、膨張弁などの特別な圧力変更手段を設けていないが、配管抵抗があるため、熱媒体が配管内を通る際に、必然的に圧力損失が生じる。したがって例えば図１のものでは、放熱熱交換器４９の出口部と吸熱熱交換器５１の入口部との間では、上記配管抵抗による圧力損失により、圧力差が生じる。なお、勿論、この圧力差は、膨張弁などを用いるものと比べれば大幅に小さい。
【００２８】
図７は、この発明の第３実施例を示す熱搬送装置の構成図である。この熱搬送装置は、熱媒体搬送手段であるガスポンプ７５、利用側熱交換器である室内熱交換器７７、切り替え弁としての四方弁７９、熱源側熱交換器である熱媒体加熱用熱交換器８１および熱媒体冷却用熱交換器８３が、配管８５で接続されて構成される密閉系内に、二酸化炭素からなる熱媒体が充填されている。熱媒体加熱用交換器８１には熱媒体を加熱する加熱器としてのバーナ８７が、熱媒体冷却用熱交換器８３には熱媒体を冷却するための冷却器としての吸収式冷凍機８９の蒸発器９１が設置されている。
【００２９】
吸収式冷凍機８９は、発生器（再生器とも言う）９３、分縮器９４（分縮器の不要な吸収式冷凍機もある）、バーナ等の加熱器９５、凝縮器９７、蒸発器９１、吸収器９９、熱回収熱交換器１００、１０１、１０３（熱回収熱交換器のない吸収式冷凍機もある）、溶液ポンプ１０５、膨張弁１０７、１０９等で構成される密閉系に冷媒と、冷媒の溶液（吸収剤）とが充填されている。吸収式冷凍機の冷媒と吸収剤との組み合わせは、冷媒／吸収剤と表すと、アンモニア／水、水／臭化リチウムおよびその他の多成分系の組み合わせでも構わない。
【００３０】
次に、吸収式冷凍機８９の動作を説明する。加熱器９５で発生器９３を加熱することにより冷媒と吸収剤が分離する。分離した冷媒は分縮器９４を通ることで濃度が高まって凝縮器９７へ入り、放熱して液化した後膨張弁１０７を通って減圧され、蒸発器９１で蒸発して気化する際には熱媒体冷却用熱交換器８３内の熱媒体を冷却し、吸収器９９へ入る。一方、熱媒体冷却用熱交換器８３を通って冷却された熱媒体は、四方弁７９を経て室内熱交換器７７へと入り室内の冷房を行う。
【００３１】
発生器９３で分離された吸収剤は、熱回収熱交換器１０１を通り、膨張弁１０９で減圧されて吸収器９９に入り、蒸発器９１から入った冷媒を吸収する。吸収剤と冷媒の混合溶液は、溶液ポンプ１０５から熱回収熱交換器１００、１０３、１０１を通って熱回収を行い、発生器９３へ戻る。
【００３２】
暖房運転時においては、バーナ８７にて熱媒体加熱用熱交換器８１を加熱して、ガスポンプ７５により熱媒体を室内熱交換器７７に搬送し、吸収式冷凍機８９は稼働させない。このとき、四方弁７９の流路は実線状態であり、熱媒体加熱用熱交換器８１を出た熱媒体は、四方弁７９、ガスポンプ７５、四方弁７９、室内熱交換器７７、熱媒体冷却用熱交換器８３の順に流れる。
【００３３】
冷房運転時には、バーナ８７は作動させず、吸収式冷凍機８９を稼働させて冷却装置とし、蒸発器９１と熱媒体冷却用熱交換器８３との間で熱交換を行なう。熱媒体冷却用交換器８３にて冷却された熱媒体は、ガスポンプ７５を用いて室内熱交換器７７へ搬送される。このとき、四方弁７９の流路は破線状態であり、熱媒体冷却用熱交換器８３を出た熱媒体は、室内熱交換器７７、四方弁７９、ガスポンプ７５、四方弁７９、熱媒体加熱用熱交換器８１の順に流れる。
【００３４】
上記図７の熱搬送装置においても、動作冷媒として例えば二酸化炭素が使用でき、フロン系冷媒を使用する必要がないので、地球環境問題に発展することはなく、また熱媒体は、ガスポンプ４７により搬送されるので、大きな動力を必要としない。
【００３５】
図８は、上記図７の第３実施例における室内熱交換器７７を３台並列に接続した例を示している。室内熱交換器７７は３台に限らず、複数台でも差し支えない。暖房および冷房の動作は、前記第３実施例と同様であり、第３実施例と同様の効果を奏する。
【００３６】
図９は、この発明の第４実施例を示す熱搬送装置の構成図である。この熱搬送装置は、熱媒体搬送手段である冷媒ポンプ１１１、利用側熱交換器である室内熱交換器１１３、熱源側熱交換器である熱媒体加熱用熱交換器１１５および熱媒体冷却用熱交換器１１７が、配管１１９で接続されて構成される密閉系内に、二酸化炭素あるいはブラインなどからなる熱媒体が充填されている。熱媒体加熱用熱交換器１１５には熱媒体を加熱する熱風吹出口１２１が、熱媒体冷却用熱交換器１１７には熱媒体を冷却するための吸収式冷凍機８９の蒸発器９１が設置されている。
【００３７】
熱風吹出口１２１には熱風流路となるパイプ１２３の一端が接続され、パイプ１２３の他端は加熱器であるバーナ１２５に接続され、パイプ１２３の途中には切り替え弁としての二方弁１２７が設けられている。
【００３８】
吸収式冷凍機吸８９は、前記図７および図８のものとほぼ同様の構成であるが、発生器９３には、分離した冷媒の濃度を高める精溜器１２９が設けられている。また、発生器９３には、前記熱媒体加熱用熱交換器１１５と同様に、熱風吹出口１３１が設けられ、熱風吹出口１３１の一端には、切り替え弁としての二方弁１３３を備えた熱風流路となるパイプ１３５が接続され、パイプ１３５の他端は前記バーナ１２５に接続されている。
【００３９】
冷房運転時は、バーナ１２５を稼働するとともに、吸収式冷凍機８９も稼働し、二方弁１２７をＯＦＦ（閉）、二方弁１３３をＯＮ（開）とすることにより、バーナ１２５からの熱風を発生器９３側に流して発生器９３を加熱する。発生器９３を加熱することにより、冷媒と吸収剤とが分離する。分離した冷媒は精溜器１２９および分縮器９４を通ることで濃度が高まって凝縮器９７へ入り、放熱して液化した後膨張弁１０７を通って減圧され、蒸発器９１で蒸発して気化する際には熱媒体冷却用熱交換器１１７を冷却し、吸収器９９へ入る。熱媒体冷却用熱交換器１１７を通って冷却された熱媒体は、室内熱交換器１１３へと入り室内の冷房を行う。室内熱交換器１１３で室内空気と熱交換した熱媒体は、冷媒ポンプ１１１に戻る。
【００４０】
発生器９３で分離された吸収剤は、熱回収熱交換器１０１を通り、膨張弁１０９で減圧されて吸収器９９に入り、蒸発器９１から入った冷媒を吸収する。吸収剤と冷媒の混合溶液は、溶液ポンプ１０５から熱回収熱交換器１００、１０３、１０１を通って熱回収を行い、発生器９３へ戻ってくる。
【００４１】
一方暖房運転時は、バーナ１２５を稼働し、吸収式冷凍機８９は稼働させず、二方弁１２７をＯＮ（開）、二方弁１３３をＯＦＦ（閉）にすることにより、バーナ１２５からの熱風を熱媒体加熱用熱交換器１１５へ送る。熱媒体は、冷媒ポンプ１１１によって熱媒体加熱用熱交換器１１５へ送られ、熱風吹出口１２１からの熱風で加熱されて室内熱交換器１１３へ送られ、室内へ放熱して暖房を行い、冷媒ポンプ１１１へ戻る。
【００４２】
上記図９の熱搬送装置においても、動作冷媒として例えば二酸化炭素が使用でき、フロン系冷媒を使用せずに済むので、地球環境問題に発展することはない。また熱媒体を搬送する手段として冷媒ポンプ１１１をガスポンプとして使用できるので、大きな動力を必要としない。また、熱媒体加熱用熱交換器１１５を加熱するためのバーナ１２５を、吸収式冷凍器機８９の発生器９３を加熱するものと共用しているので、前記図７および図８の実施例に比べてコストダウンが図れる。
【００４３】
図１０は、前記図９の第４実施例における二方弁１２７、１３３の代わりに、切り替え弁としての三方弁１３７を利用した例を示しており、この場合にも、一つのバーナ１２５による熱風を、冷房時は発生器９３側へ、暖房時は熱媒体加熱用熱交換器１１５側へ流れるようにしている。その他の構成は、第４実施例と同様である。
【００４４】
図１１は、後述する図１２に示す第５実施例の熱搬送装置に使用される吸収式冷凍サイクルの構成図である。吸収式冷凍サイクルの構成には種々の方式があるが、ここでは冷媒としてアンモニア（ＮＨ_３）を、吸収剤として水をそれぞれ用いた空冷型の吸収式冷凍式サイクルを用いて説明する。
【００４５】
このサイクルの主な構成要素は、発生器１３９、凝縮器１４１、過冷却器１４３、膨張弁１４５、蒸発器１４７、溶液冷却吸収器１４９、吸収器１５１および溶液ポンプ１５３であり、これらはそれぞれ配管で接続されて密閉系を構成している。
【００４６】
発生器１３９はバーナ１５５によって加熱されるように配置され、凝縮器１４１と吸収器１５３はフィンドチューブ形式で構成され、送風ファン１５７により同時に冷却される様に一体で構成されている。ブライン１５９はブラインタンク１６１に貯留されており、蒸発器１４７はブライン１５９と接するように配置されている。蒸発器１４７により冷却されたブライン１５９は、ブラインポンプ１６３によって室内熱交換器１６５へ搬送され、ここで室内空気と熱交換して室内を冷房する。
【００４７】
過冷却器１４３は、蒸発器１４７へ向かう液冷媒と蒸発器１４７を出たガス冷媒による熱交換器で、溶液冷却吸収器１４９は、熱回収を行う熱交換器である。つまり、溶液冷却吸収器１４９ではガス冷媒と吸収剤とが接触し、吸収熱を発生しながらガス冷媒が吸収剤に吸収されＮＨ_３水溶液が得られる。そしてこのＮＨ_３水溶液は吸収器１５１に入って吸収過程を完結し、濃いＮＨ_３水溶液となって溶液ポンプ１５３を介して溶液冷却吸収器１４９に配置された溶液熱交換器１６７に入る。ここで、濃いＮＨ_３水溶液は吸収熱を回収し、再び発生器１３９に供給される。そして、再度加熱されてガス冷媒となり凝縮器１４１へ送られる。
【００４８】
図１２は、上記したような吸収式冷凍サイクルを利用した熱搬送装置の第５実施例の構成図である。
【００４９】
暖房時における熱媒体である二酸化炭素の流れる順に構成要素を列挙すると、熱媒体搬送手段である圧縮機１６９、切り替え弁としての第１開閉弁１７１、熱源側熱交換器の熱媒体加熱用熱交換器である第１熱交換器１７３、加熱器１７５、第２膨張弁１７７、そして利用側熱交換器である室内熱交換器１７９となる。一方、冷房時は、圧縮機１６９、切り替え弁としての第２開閉弁１８１、熱源側熱交換器の熱媒体冷却用熱交換器である第２熱交換器１８３、第２膨張弁１７７、室内熱交換器１７９となる。そして、これらは媒体流路となる配管１８５で接続されて密閉系を構成し、熱媒体として二酸化炭素が充填される。
【００５０】
第１熱交換器１７３は、凝縮器１４１および吸収器１５１と同様に、フィンドチューブ形式で構成され、これらと互いに接する様に一体で構成され、第１送風ファン１５７による冷却の際、冷却空気が凝縮器１４１あるいは吸収器１５１側から第１熱交換器１７３へ流れるように配置する。
【００５１】
第２熱交換器１８３および蒸発器１８７も、凝縮器１４１等と同様にフィンドチューブ形式で構成され、第２熱交換器１８３と蒸発器１８７とは互いに接する様に一体で構成され、第２送風ファン１８９による冷却の際、空気は蒸発器１８７側から第２熱交換器１８３へ流れるように配置する。
【００５２】
第１熱交換器１７３と第２膨張弁１７７を接続する配管に加熱器１７５を配置し、この加熱器１７５には、発生器１３９を加熱するバーナ１５５から排出された燃焼排ガスを導く排ガス導入管１９１が接続され、燃焼排ガスで加熱器１７５内を通る熱媒体を加熱する構成となっている。
【００５３】
また、加熱器１７５と第２膨張弁１７７とを接続する配管１８５ａと、第２熱交換器１８３とは配管１８５ｂで接続され、この配管１８５ｂには、第２熱交換器１８３から配管１８５ａ側への熱媒体の流通を許容する逆止弁１９３が設けられている。圧縮機１６９から吐出された熱媒体は、暖房時は第１熱交換器１７３へ流れ、冷房時は第２熱交換器１８３へ流れるように構成されている。
【００５４】
吸収式冷凍サイクルの運転は、溶液ポンプ１５３の駆動とともに、バーナ１５５を着火して行う。定常運転時、溶液熱交換器１６７を通って溶液冷却吸収器１４９内で吸収熱を回収した濃溶液（アンモニア濃度の濃い水溶液）が発生器１３９へ供給される。発生器１３９はバーナ１５５で加熱されているため、濃溶液はアンモニアガスと稀溶液（アンモニア濃度の薄い水溶液）に分離し、アンモニアガスは凝縮器１４１へ送られ、ここで第１送風ファン１５７で冷却され、アンモニア液となる。このアンモニア液は過冷却器１４３の高温側流路を介し第１膨張弁１４５で絞られ、蒸発器１８７へ入り、第２送風ファン１８９による吸熱過程を経て低温低圧のアンモニアガスとなり、過冷却器１４３の低温側流路に入る。したがって、過冷却器１４３では、凝縮器１４１を出た高温のアンモニア液が、蒸発器１８７を出た低温のアンモニアガスで冷却されることになる。
【００５５】
低温となって過冷却器１４３を出たアンモニアガスは、発生器１３９内でアンモニアガスと分離した稀溶液とともに、溶液冷却吸収器１４９へ入り、アンモニアガスは稀溶液に吸収され、溶液冷却吸収器１４９内では吸収熱が発生することになる。
【００５６】
吸収されたアンモニア溶液は吸収器１５１へ送られ、吸収過程を完結して濃溶液となり、この濃溶液は溶液ポンプ１５３を介して溶液冷却吸収器１４９内に配置された溶液熱交換器１６７を通り、ここで吸収熱を回収して再び発生器１３９へ供給される。
【００５７】
以上のようなサイクルを繰り返し、凝縮器１４１および吸収器１５１では放熱が行われ、蒸発器１８７では吸熱が行われる。
【００５８】
次に上記図１２の熱搬送サイクルを説明する。
【００５９】
暖房時は、第１開閉弁１７１を開、第２開閉弁１８１を閉とする。そして第２膨張弁１７７を開として圧縮機１６９を駆動する。これにより、第１熱交換器１７３内は、凝縮器１４１と吸収器１５１からの放熱熱量を回収して加熱され、第１熱交換器１７３内を流通するＣＯ_２ガスが加熱される。
【００６０】
加熱されたＣＯ_２ガスは加熱器１７５で追加加熱され、第２膨張弁１７７を介して室内熱交換器１７９に送られ、室内を暖房する。室内熱交換器１７９を出たＣＯ_２ガスは、圧縮機１６９により第１開閉弁１７１を介して再び第１熱交換器１７３に戻り、このサイクルを繰り返す。
【００６１】
ＣＯ_２の臨界温度は約３１℃であり、このときの圧力は７ＭＰ_ａ以上となる。暖房時はほとんどの場合、室内熱交換器１７９をはじめサイクル内は臨界温度以上となる。したがって、本構成の熱搬送サイクルは前述した図２に示すような超臨界サイクルとなり、圧縮機１６９はガスポンプとして作用するため搬送動力を少なくすることができると同時に、この領域におけるＣＯ_２は高密度となるため配管１８５の径を小さくすることができ、第１熱交換器１７３および第２熱交換器の小型化が図れる。しがたって、従来のフロン系冷媒を用いた場合と比較すると、細径配管を用いた施工性のよい、コンパクトな熱搬送サイクルが得られることになる。
【００６２】
また、従来のフロン系冷媒を用いた場合の凝縮および蒸発過程では二相流となるため、これらの過程における温度は一定であるが、本サイクルでは第１熱交換器１７３および室内熱交換器１７９内での温度は勾配を持つことになる。したがって、これらの熱交換器１７３、１７９は、内部を流れる熱媒体に対し、熱交換を行う流体と対向流を形成するように配置することで熱交換効率の向上が図れることになる。
【００６３】
なお、第２熱交換器１８３の出口側は、逆止弁１９３を介して圧縮機１６９の吸引側に接続され、入口側に接続されている第２開閉弁１８１は閉となっているため、暖房運転前に第２熱交換器１８３内のＣＯ_２を回収することで、充填するＣＯ_２は低く抑えることができる。また、このときの蒸発器１８７での吸熱は、第２送風ファン１８９により空気から行うことになる。
【００６４】
次に冷房時の動作を説明する。
【００６５】
暖房時同様に吸収式冷凍サイクルを運転し、第１開閉弁１７１を閉、第２開閉弁１８１を開とする。そして、圧縮機１６９を駆動すると、圧縮機１６９から吐出されたＣＯ_２ガスは第２熱交換器１８３へ入る。第２熱交換器１８３は蒸発器１８７での冷熱により冷却されるため、第２熱交換器１８３内を流通するＣＯ_２は、低温の液となって第２膨張弁１７７で絞られたあと、室内熱交換器１７９へ送られる。室内熱交換器１７９では、液状のＣＯ_２が蒸発することで室内を冷房する。
【００６６】
なお、第１熱交換器１７３の出口側は圧縮機１６９の吸引側に接続され、入口側に接続されている第１開閉弁１７１は閉となっているため、高温側となる第１熱交換器１７３内にＣＯ_２が滞留することはない。また、このときの凝縮器１４１および吸収器１５１での放熱は、第１送風ファン１５７により空気で行うことになる。
【００６７】
したがって、冷房運転時の熱搬送サイクルは暖房時のような超臨界サイクルではなく、フロン系冷媒を用いた場合と同じく蒸発領域では二相流となる。
【００６８】
図１３は、この発明の第６実施例に係わる構成図である。
【００６９】
吸収式冷凍サイクルは前記１２の第５実施例とほぼ同じであるため、ここでは熱搬送サイクルの構成のみ説明する。第１熱交換器１７３と第２熱交換器１８３は、凝縮器１４１および吸収器１５１と同様にフィンドチューブ形式で構成されるとともに、凝縮器１４１および吸収器１５１と蒸発器１８７との間に挟むように配置する。つまり、各熱交換器は互いに接するように一体で構成され、凝縮器１４１側に設けた第１送風ファン１５７と、蒸発器１８７側に設けた第２送風ファン１８９により、各熱交換器間で熱の授受が行われる構成となっている。その他の構成要素は、前記図１２の第５実施例と同様である。
【００７０】
上記図１３の第６実施例において、第５実施例と異なる作用を主に説明する。吸収式冷凍サイクルの運転方法および動作は、第５実施例の場合と同じである。
【００７１】
暖房時は、第２送風ファン１８９のみ駆動させ、凝縮器１４１側から蒸発器１８７側へ空気を送る。第１熱交換器１７３は凝縮器１４１および吸収器１５１の放熱熱量を回収し、第１熱交換器１７３内を流通するＣＯ_２を加熱し、これを室内熱交換器１７９へ搬送して室内の暖房を行う。
【００７２】
一方、冷房時は第１送風ファン１５７のみ駆動させ、蒸発器１８７側から凝縮器１４１側へ空気を送る。蒸発器１８７の冷熱により第２熱交換器１８３内を流通するＣＯ_２を冷却し、これを室内熱交換器１７９へ搬送して室内の冷房を行う。
【００７３】
上記第６実施例においても、図１２の第５実施例と同様の効果を奏する。
【００７４】
図１４は、この発明の第７実施例を示す熱搬送装置の構成図である。この熱搬送装置は、熱媒体搬送手段であるガスポンプ１９５、利用側熱交換器である室内熱交換器１９７、熱源側熱交換器である吸熱・放熱熱交換器１９９、四方弁２０１などが配管２０３で接続されて構成される密閉系内に、熱媒体が充填されている。吸熱・放熱熱交換器１９９の熱媒体に熱を付与する手段である圧縮式冷凍機２０５は、圧縮機２０７、加熱・冷却熱交換器２０９、室外熱交換器２１１、四方弁２１３、膨張弁２１５などで構成される密閉系に冷媒が充填されている。
【００７５】
この実施例は室内熱交換器１９７が１台の場合であるが、複数台でも差し支えない。圧縮式冷凍機２０５の冷媒には、非フロン系冷媒の例えばアンモニアなどを使用することができる。
【００７６】
暖房時は、圧縮式冷凍機２０５はヒートポンプ（加熱装置）となって、加熱・冷却熱交換器２０９が加熱熱交換器となり、吸熱・放熱熱交換器１９９は吸熱熱交換器となる。吸熱・放熱熱交換器１９９で加熱・冷却熱交換器２０９から加熱された熱媒体は、実線矢印で示すように、四方弁２０１、ガスポンプ１９５を経て室内熱交換器１９７に達し、ここで室内空気と熱交換を行って暖房を行う。室内熱交換器１９７を出た熱媒体は、四方弁２０１を経て吸熱・放熱熱交換器１９９へ流れる。
【００７７】
冷房時は、圧縮式冷凍機２０５は冷凍機（冷却装置）となって、加熱・冷却熱交換器２０９が冷却熱交換器となり、吸熱・放熱熱交換器１９９は放熱熱交換器となる。吸熱・放熱熱交換器１９９で加熱・冷却熱交換器２０９から冷却された熱媒体は、破線矢印で示すように、四方弁２０１を経て室内熱交換器１９７に達し、ここで室内空気と熱交換を行って冷房を行う。室内熱交換器１９７を出た熱媒体は、ガスポンプ１９５および四方弁２０１を経て吸熱・放熱熱交換器１９９へ流れる。
【００７８】
上記図１４の実施例においても、前記図７の第３実施例と同様の効果を奏する。
【００７９】
図１５は、この発明の第８実施例に係わるサイクル構成を示している。
【００８０】
暖房時における冷媒の流れる順に構成要素を述べると、熱媒体搬送手段である圧縮機２１７、四方弁２１９、利用側熱交換器である室内熱交換器２２１、膨張弁２２３、熱源側熱交換器である第１室外熱交換器２２５および第２室外熱交換器２２７となり、これらは配管２２９で接続されて密閉系を構成し、この密閉系内には冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）が充填されている。
【００８１】
第１室外熱交換器２２５と第２室外熱交換器２２７は、フィンドチューブ形式で構成され、図１６に示すようにケーシング２３１内で相互に接するように配置されている。第２室外熱交換器２２７の下方にはバーナ２３３が配置され、第２室外熱交換器２２７の上方には排気口２３５が形成されている。第２室外熱交換器２２７および第１室外熱交換器２２５は、第１送風ファン２３７による空気流に対してそれぞれ上流側および下流側となるように直列に配置され、送風される空気は第２室外熱交換器２２７および第１室外熱交換器２２５のフィン間を通過する。
【００８２】
上記空気流の上流側と下流側との中間、つまり第２室外熱交換器２２７および第１室外熱交換器２２５のそれぞれのフィン間を流通する空気流路の途中に、閉時にケーシング２３１の一部となり、開時に大気と連通してケーシング２３１に開口部２３９を形成するダンパ２４１が、軸２４２を中心に回動可能に設けられている。
【００８３】
次に動作を説明する。
【００８４】
暖房時は、膨張弁２２３はほぼ全開状態、ダンパ２４１は大気と連通させる開状態とし、圧縮機２１７を駆動してバーナ２３３を着火させる。そして第２送風ファン２４３を駆動すると、圧縮機２１７を出たＣＯ_２ガスは、四方弁２１９を介して室内熱交換器２２１に入り室内を暖房する。室内熱交換器２２１で放熱したＣＯ_２は、膨張弁２２３、第１室外熱交換器２２５を経て第２室外熱交換器２２７に入りバーナ２３３で加熱され、四方弁２１９を経て再び圧縮機２１７に戻り、以降このサイクルを繰り返す。
【００８５】
従来、冷媒加熱は燃焼室の外壁からの伝熱で行う方式が一般的であり、排気口のみを設け、ほぼ密閉状態の燃焼器内に配置されたバーナは専用のファンによって燃焼用空気を得て良好な燃焼を継続していた。
【００８６】
本構成では、ほぼ大気中に近い状態でバーナ２３３が配置されているため、専用の燃焼用ファンは設けていない。バーナ２３３着火時は、対流によって大気と連通している下方の開口部２３９から空気が流入するため、この空気を燃焼用として良好な燃焼状態が継続される。そして、バーナ２３３の燃焼に寄与した空気は、排ガスとなって排気口２３５から排出される。
【００８７】
ＣＯ_２の臨界温度は前述したように約３１℃であり、このサイクル中の圧力は７ＭＰａ以上となる。暖房時はほとんどの場合、室内熱交換器２２１をはじめサイクル内は臨界温度以上となる。したがって、本構成のサイクルは前記図２に示すような超臨界サイクルとなり、圧縮機２１７はガスポンプとして作用するため搬送動力を少なくすることができると同時に、この領域におけるＣＯ_２は高密度となるため配管径を小さくすることができる。
【００８８】
また、従来のフロン系冷媒を用いた場合の凝縮および蒸発過程では二相流となるため、これらの過程における温度は一定であるが、本サイクルでは第２室外熱交換器２２７、第１室外熱交換器２２５および室内熱交換器２２１内での温度は勾配を持つことになる。したがって、これらの熱交換器は熱交換を行う流体と対向流を形成するように配置することで熱交換効率の向上が図れる。
【００８９】
なお、暖房時は第１送風ファン２３７は停止しており、第１室外熱交換器２２５からの放熱は熱損失となる。しかしながら、上述の理由からコンパクトな熱交換器として構成できるためこの熱損失は低く抑えられる。
【００９０】
次に、冷房時の動作を説明する。
【００９１】
ダンパ２４１は閉とする。この状態のダンパ２４１はケーシング２３１を構成する一部となり、開口部２３９は閉塞される。そして圧縮機２１７、第２送風ファン２４３および第１送風ファン２３７を駆動すると、圧縮機２１７から吐出された高温高圧のＣＯ_２ガスは、四方弁２１９を経て第２室外熱交換器２２７、第１室外熱交換器２２５で凝縮し、その後膨張弁２２３で絞られ低温低圧となって室内熱交換器２２１に入り、蒸発して室内を冷房する。室内熱交換器２２１を出たＣＯ_２ガスは、再び四方弁２１９を経て、圧縮機２１７で圧縮される。
【００９２】
第２室外熱交換器２２７と第１室外熱交換器２２５を一体に構成するケーシング２３１内では、第１送風ファン２３７により、空気が排気口２３５から流入し、第２室外熱交換器２２７のフィン間を流れ、その後第１室外熱交換器２２５のフィン間を流れ、凝縮熱を放出する。つまり、冷房時はダンパ２４１を閉とすることで、第１室外熱交換器２２５とともに第２室外熱交換器２２７が凝縮器として利用できることになる。
【００９３】
以上のように、上記図１５に示したサイクルによれば、暖房サイクルは超臨界サイクルとなり、ＣＯ_２ガスは高密度となるため配管径が小さくできるとともに各熱交換器は小型化が図れることになる。また、各熱交換器は熱交換を行う空気と対向流を形成することで熱交換効率の向上が図れる。
【００９４】
したがって、従来のフロン系冷媒を用いた場合と比較すると、細径配管を用いた施工性の良い、コンパクトで熱損失の少ない熱搬送サイクルを得ることが可能となる。
【００９５】
次に、以上のような各実施例による熱搬送装置において、熱媒体としてＣＯ_２を使用した場合に配管径を細くできる理由を図１８を用いて説明する。
【００９６】
図１８（ｂ）および（ｃ）は、冷房能力約ＩＨＰ（２８００ｋＷ）クラスの空気調和装置における熱媒体が、それぞれＲ２２およびＣＯ_２の場合の配管径を示す。図１８（ｂ）のように、Ｒ２２が熱媒体の場合、通常、ガス配管Ｇは３／８インチ、液配管Ｌは１／４インチのものが用いられる。図１８（ｃ）のように、ＣＯ_２が熱媒体の場合、作動圧力が高いために比容積がＲ２２の約１／２になり、配管長を一定とすると配管径がＲ２２の約０．７倍で済む。そのため、ＣＯ_２を熱媒体とした場合には、ガス配管Ｇは１／４インチ、液配管は約４．５ｍｍのものを用いることができる。
【００９７】
図１８（ａ）に示すように、冷房負荷、暖房負荷、配管長を一定とし、比体積が最大時の体積冷媒循環量［ｍ^３／ｈ］を求めると、ＣＯ_２はＲ２２の約１／２である。配管長が一定であるので、ＣＯ_２を使用した場合の配管は、Ｒ２２を使用した場合の配管に対し、断面積比が１／２になり、直径比は約０．７となる。
【００９８】
細径化した配管として図１８（ｄ）に示すように、キャピラリチューブ２４５を使用してもよい。また、配管を図１８（ｅ）に示すような二重管２４７とし、内側配管２４９内に比容積の小さい熱媒体（液体）を流通させ、外側配管２５１内に比容積の大きい冷媒を（気体）流通させるようにしてもよい。内側配管２４９、外側配管２５１のそれぞれの外周には、断熱材２５３が設けられている。
【００９９】
キャピラリチューブ２４５、二重管２４７共に、細径化・小型化が可能なため、作業性・施工性が向上する。
【０１００】
【発明の効果】
以上説明してきたように、この発明によれば、
（１）熱搬送サイクルの熱媒体には、地球環境問題で規制されていない非フロン系冷媒を用いることができる。
【０１０１】
（２）熱搬送サイクルは熱媒体の超臨界域で作動することが可能なため、熱媒体を高密度で搬送できることから、配管径を細くでき施工性が向上する。
【０１０２】
（３）熱搬送サイクルは吸込圧と吐出圧との圧力差の小さいガスポンプを用いて熱媒体を搬送するため、搬送動力を小さくでき省エネルギー化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例を示す熱搬送装置の構成図である。
【図２】図１の熱搬送装置で使用した熱媒体の状態をモリエル線図上に書き表した説明図である。
【図３】図１の熱搬送装置における吸熱熱交換器での熱媒体および排ガスの温度分布図である。
【図４】図１の熱搬送装置における放熱熱交換器での熱媒体および排ガスの温度分布図である。
【図５】この発明の第２実施例を示す熱搬送装置の構成図である。
【図６】図５の熱媒体の状態をモリエル線図上に書き表した説明図である。
【図７】この発明の第３実施例を示す熱搬送装置の構成図である。
【図８】図７の第３実施例の変形例を示す熱搬送装置の構成図である。
【図９】この発明の第４実施例を示す熱搬送装置の構成図である。
【図１０】図９の第４実施例の変形例を示す熱搬送装置の構成図である。
【図１１】吸収式冷凍機の一般的な構成図である。
【図１２】図１１の吸収式冷凍機を利用したこの発明の第５実施例を示す熱搬送装置の構成図である。
【図１３】この発明の第６実施例を示す熱搬送装置の構成図である。
【図１４】この発明の第７実施例を示す熱搬送装置の構成図である。
【図１５】この発明の第８実施例を示す熱搬送装置の構成図である。
【図１６】図１５の実施例における相互に一体化した加熱器および室外熱交換器の断面図である。
【図１７】図１６の右側面図である。
【図１８】（ａ）は、冷暖房負荷、配管長さを一定とした場合、冷媒循環量などを、Ｒ２２とＣＯ_２とで比較して示した説明図である。（ｂ）は、熱媒体としてＲ２２を使用した場合の配管径を示し、（ｃ）は熱媒体としてＣＯ_２を使用した場合の配管径を示し、（ｄ）は配管にキャピラリを使用した場合、（ｅ）は二重管を使用した場合を示す。
【図１９】熱媒体を用いて熱を搬送することにより暖房を行う従来の熱搬送システムの構成図である。
【図２０】図１の熱媒体の絶対圧力Ｐとエンタルピｈとの関係を示したモリエル線図である。
【図２１】熱媒体を用いて熱を搬送することにより暖房を行う他の従来の熱搬送システムの構成図である。
【図２２】熱媒体を用いて冷熱を搬送することにより冷房を行う従来の熱搬送システムの構成図である。
【図２３】熱媒体の超臨界域と二相域との間で作動する冷凍サイクル、即ち遷臨界冷凍サイクルの従来例の構成図である。
【図２４】二酸化炭素のモリエル線図上に冷凍サイクルの絶対圧力Ｐとエンタルピｈとの関係を描いたものである。
【符号の説明】
４７，７５，１９５ガスポンプ（熱媒体搬送手段）
４９放熱熱交換器（利用側熱交換器）
５１吸熱熱交換器（熱源側熱交換器）
５３，８５，１１９，１８５，２０３配管
５５，８７，１２５バーナ（加熱器）
７７，１１３，１７９，１９７，２２１室内熱交換器（利用側熱交換器）
７９四方弁（切り替え弁）
８１，１１５熱媒体加熱用熱交換器（熱源側熱交換器）
８３，１１７熱媒体冷却用熱交換器（熱源側熱交換器）
８９吸収式冷凍機
９３発生器
１１１冷媒ポンプ（熱媒体搬送手段）
１２３，１３５パイプ（熱風流路）
１２７，１３３二方弁（切り替え弁）
１３７三方弁（切り替え弁）
１４１凝縮器
１５１吸収器
１６９，２１７圧縮機（熱媒体搬送手段）
１７１第１開閉弁（切り替え弁）
１８１第２開閉弁（切り替え弁）
１７３第１熱交換器（熱媒体加熱用熱交換器）
１８３第２熱交換器（熱媒体冷却用熱交換器）
１８７蒸発器
１９９吸熱・放熱熱交換器（熱源側熱交換器）
２０５圧縮式冷凍機
２２５第１室外熱交換器（熱源側熱交換器）
２２７第２室外熱交換器（熱源側熱交換器）
２３１ケーシング
２３３バーナ（冷媒加熱器）
２３７第１送風ファン（送風機）
２３９開口部
２４１ダンパ
２４５キャピラリチューブ
２４７二重管
２４９内側配管
２５１外側配管
２５３断熱材

Claims

熱媒体搬送手段と熱源側熱交換器と利用側熱交換器とが配管により接続されて構成される密閉系内に熱媒体を封入し、この熱媒体の前記熱源側熱交換器および利用側熱交換器での各熱交換を、前記熱媒体の臨界点より圧力が高い超臨界域で行うことを特徴とする熱搬送装置。
熱媒体は、二酸化炭素であることを特徴とする請求項１記載の熱搬送装置。
熱媒体搬送手段と熱源側熱交換器と利用側熱交換器とが配管により接続されて構成される密閉系内に熱媒体として二酸化炭素を封入し、暖房時に前記熱源側熱交換器を加熱する加熱器と、冷房時に前記熱源側熱交換器を冷却する冷却器とをそれぞれ有し、暖房時に前記熱媒体の前記熱源側熱交換器および前記利用側熱交換器での熱交換を、前記熱媒体の臨界点より圧力が高い超臨界域で行うことを特徴とする熱搬送装置。
熱媒体搬送手段と四方弁と熱源側熱交換器と膨張弁と利用側熱交換器とが配管により接続されて構成される密閉系内に熱媒体として二酸化炭素を封入するとともに、前記熱源側熱交換器を加熱する加熱器を設け、暖房時には前記膨張弁を全開にし前記加熱器を作動させて前記熱源側熱交換器を加熱して熱媒体の前記熱源側熱交換器および前記利用側熱交換器での熱交換を、前記熱媒体の臨界点より圧力が高い超臨界域で行い、冷房時には、前記加熱器の作動を停止するとともに、前記膨張弁の通路を絞ることを特徴とする熱搬送装置。