JP3841402B2 - Ｃｏ２ヒートポンプの給湯量増量方法とその給湯システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機、ガス冷却器、膨張弁、蒸発器よりなるＣＯ_２超臨界冷凍サイクルの、ガス冷却器と圧縮機のオイルクーラとの並列接続により形成された給湯ラインを備えるとともに、高温給湯量の増量を可能とする、ＣＯ_２ヒートポンプの給湯量増量方法とその給湯システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記ＣＯ_２超臨界サイクルは、大気環境汚染防止の見地より脱フロン対策の一貫として広く使用されてきているが、図４のモリエル線図に見るように、ＣＯ_２冷媒は圧縮機で圧縮されＡ→Ｂに示すように、臨界点Ｋ（臨界温度３１．１℃、臨界圧力Ｐ_ｋ＝７５．２８Ｋｇ／ｃｍ^２）を越えた圧力Ｐ_２まで圧縮する。ついで、図のＢ→Ｃに示すように、この圧縮されたＣＯ_２ガスをガス冷却器で大気に放熱し、さらに放熱された低温ＣＯ_２ガスを図のＣ→Ｄに示すように膨張弁で等エンタルピ線に沿って膨張させ圧力を降下させる。この圧力降下により湿り蒸気となってＣＯ_２冷媒を蒸発器で気化し冷熱を外部へ放出する。
そして、図に見るように、等温線Ｔ_ｋの右側であって飽和蒸気線の臨界圧Ｐ_ｋ（７５・２８Ｋｇ・ｃｍ^２）以上の蒸気圧の右側領域では密度の高いガス状態となり、この領域では 一般に液化ができず、ガス冷却器を使用するだけでは充分な冷却と液化が困難であるばかりでなく、圧縮機の潤滑油の過熱劣化や、圧縮機破損の問題があり、冷凍効率、冷凍効果の向上とともにこれらの画期的な解決手段の実現が望まれている。
【０００３】
上記問題解決のため、特開２０００−３４６４６６公報には下記に示す提案が開示されている。上記提案によれば、図５に示すように、圧縮機１０１と、ガス冷却器１０２と、膨張弁１０４と、蒸発器１０５と、内部熱交換器１０６と、該熱交換器に並列のバイパス経路Ｐ_０１とＰ_０２と三方弁１１２、センサ１０８とより構成され、超臨界冷凍サイクルの冷凍効果の維持と、冷媒の過熱化による圧縮機の破損防止を図っている。
則ち、高圧側の冷媒をガス冷却器１０２と内部熱交換器１０６による２段階冷却を行なう際、冷媒温度の過熱化を温度センサ１０８で感知し三方弁１１２を介して内部熱交換器１０６に設けたバイパス経路Ｐ_０１を閉鎖するとともに、Ｐ_０２を開き、蒸発器１０５より三方弁１１２、バイパス経路Ｐ_０２を経由し圧縮機１０１に戻る内部熱交換器の２次側を短絡させ、冷媒間の交換熱量を減少させて、冷媒温度の過熱化を防いでいる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記潤滑油過熱とその有効利用の問題に鑑みなされたもので、前記ＣＯ_２超臨界冷凍サイクルにおいて、高温高圧冷媒の冷却のために設けたガス冷却器の冷却と前記圧縮機の潤滑油の過熱防止を両立させるべく、前記圧縮機に設けたオイルクーラと前記ガス冷却器を並列接続して給湯ラインを形成させ、該給湯ラインの形成により構成されたＣＯ_２ヒートポンプの給湯量増量方法とその給湯システムの提供を目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明のＣＯ_２ヒートポンプの給湯量増量方法は、
圧縮機、ガス冷却器、膨張弁、蒸発器よりなるＣＯ_２超臨界冷凍サイクルにおいて、
前記冷凍サイクルを構成するガス冷却器のＣＯ_２ガス入口の高温部位で圧縮機のオイルクーラを並設させて前記ＣＯ_２ガスのガス冷却器の出口より入口に至るＣＯ_２ガスの温熱を取り出す給湯ラインを備えたＣＯ_２ヒートポンプを形成し、
前記給湯ラインの給水入口より高温給湯水の出口までの給湯領域を温水給湯部と高温給湯部に分離し、温水給湯温度に到達した温水の一部を温水給湯水として放出し、高温給湯部では残る温水給湯水に対し温熱取出しによる連続加熱を行ない、高温給湯水として放出させ高温給湯量の増量を行なうようにしたことを特徴とする。
【０００６】
前記発明は、従来のＣＯ_２超臨界冷凍サイクルに見られれる圧縮機の潤滑油の過熱を防止するため、高温高圧ＣＯ_２ガスの冷却のために設けたガス冷却器のＣＯ_２ガスの入口の高温側にオイルクーラを持つ給湯ラインを並設したたもので、該給湯ラインの配設とともに、最適冷却条件のもとに高い給湯量を得るようにしたものである。
そのため、給湯ラインを給水より高温給湯水を得るまでの給湯領域を二つの領域に分岐して、温水給湯部と高温給湯部を設け、温水給湯部で形成された温水の一部を放出し、残る温水を高温給湯部で効率的加熱を可能としてその増量を図ったものである。
【０００７】
また、前記ＣＯ_２ヒートポンプの給湯量増量方法において、
前記温水給湯部と高温給湯部の境界は５０〜６０℃の温度帯に設定するのが好ましい。
【０００８】
前記発明は、温水給湯部と高温給湯部の境界温度を特定したもので、圧縮機の潤滑油温度下限近くの温度に境界を設定し、オイルクーラ出口より圧縮機へ戻る油温度が適温近い状態で還流するようにしてある。
【０００９】
また、前記ＣＯ_２ヒートポンプの給湯量増量方法において、
前記温水給湯部と高温給湯部におけるそれぞれの温水温度エンタルピ−直線を、ＣＯ_２温度エンタルピ−曲線の下部温度領域に近接して設けるようにするのが好ましい。
【００１０】
前記発明は、前記給湯ラインにおける高温ＣＯ_２ガス及び高温潤滑油よりの熱の授受につき特定したもので、前記温水給湯部及び高温給湯部における温水温度エンタルピ−直線をＣＯ_２エンタルピ−曲線の下側温度領域で、前記エンタルピ曲線に交差することなく近接させ設けるようにしてある。
【００１１】
また、ＣＯ_２ヒートポンプの給湯量増量方法において、
前記温水給湯部に供給する給水温度を当該冷凍サイクルの冷熱を利用して低温化させ、温水給湯温度に到達した時の温水温度エンタルピ−直線の末端をＣＯ_２温度エンタルピ−曲線に近接させ、高温給湯過程における温水温度エンタルピ−直線を対応するＣＯ_２温度エンタルピ曲線の対応全域にわたり近接させるようにするのが好ましい。
【００１２】
前記発明は、多量の高温給湯水を得る効率的な増量方法を記載したもので、前記高温給湯部における給湯を、該給湯部における対応するＣＯ_２温度エンタルピ−曲線の対応域の全域にわたり温水エンタルピ−直線を近接させた状態での熱の授受により効率的に行い多量の高温給湯水を得るようにしたもので、
そのため、給湯ラインへの給水温度を当該冷凍ラインで生成された冷熱を使用して例えば５℃程度に降温させ温水給湯部の温水エンタルピ−直線の方向係数を高温給湯部におけるＣＯ_２温度エンタルピ−曲線の変曲点付近で接するようにしたものである。
【００１３】
また、前記ＣＯ_２ヒートポンプの給湯量増量方法での温水給湯部に給水する給水温度の低温化は、他の冷熱源を使用するようにしたことが好ましい。
【００１４】
また、ＣＯ_２ヒートポンプの給湯量増量方法において、
前記温水給湯部に供給する給水温度は、
給水温度の低温化により、ガス冷却器出口のＣＯ_２ガスの温度を下降させて高温給湯水の増量を図るようにするのが好ましい。
【００１５】
前記発明は、ＣＯ_２温度エンタルピ−曲線の態様が、前記高温水給湯部の急傾斜下降より温水給湯部での緩傾斜下降に移行する態様を、前記急傾斜下降態様の連続態様にさせ、ＣＯ_２エンタルピ−曲線の変化の態様を浅くさせ、前記給湯ラインの温水エンタルピ−直線の設定をより近接させて設定出来、熱の伝達効率を上げるようにしたものである。
【００１６】
そして、前記ＣＯ_２ヒートポンプの給湯量増量方法を利用した好適な給湯システムは、
圧縮機、ガス冷却器、膨張弁、蒸発器よりなるＣＯ_２超臨界冷凍サイクルにおいて、
前記冷凍サイクルを構成するガス冷却器のＣＯ_２ガスの入口の高温部位に、オイル分離器を経由して圧縮機吸入部を結ぶオイル循環路に設けたオイルクーラとを並設させて、ガス冷却器とオイルクーラより温熱を取り出す給湯ラインを備えてなるＣＯ_２ヒートポンプを形成し、
前記給湯ラインは熱の授受態様の異なる温水給湯部と高温給湯部をＣＯ_２温度エンタルピ−曲線の下側温度領域に添い設け、前記温水給湯部は緩傾斜の温水温度エンタルピ−直線の特性を持ち、高温給湯部は急傾斜の温水温度エンタルピ−直線特性を持つ構成とし、
前記温水給湯部と高温給湯部の接合部で温水給湯水の一部を分離して外部へ放出させ、残りの湯水は前記高温給湯部を経由して高温給湯水を給湯する構成とし、
前記温水給湯部の給水側に冷熱源による給水温度制御可能の低温給水部を接続する構成としたことを特徴とする。
【００１７】
また、前記ＣＯ_２ヒートポンプの給湯システムにおいて、
前記温水給湯部と高温給湯部の境界温度は、５０〜６０℃の温水温度である構成が好ましい。
【００１８】
前記発明は、前記境界温度を圧縮機潤滑油の下限温度とし、オイルクーラにより高温に過熱された潤滑油を５０〜６０℃に冷却可能にしている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明のＣＯ_２ヒートポンプによる給湯システムの概略の構成を示す図で、図２は図１の給湯ラインの温水給湯部と高温給湯部の持つ温水温度エンタルピ−直線とＣＯ_２温度エンタルピ−曲線との間の熱の授受状況を示す図で、図３は図２の熱伝達の状況を示す熱交換器図である。
【００２０】
図１に示すように、本発明のＣＯ_２ヒートポンプによる給湯システムは、
圧縮機１０とオイルクーラ１３とガス冷却器１１と膨張弁１４、蒸発器１２とよりなるＣＯ_２超臨界冷凍サイクル１５と、前記ガス冷却器１１とオイルクーラ１３とより温熱を取り出す給水温度制御可能の給水冷却部１６を含む給湯ライン２０と、蒸発器１２より得られた冷熱源１９とより構成する。
前記オイルクーラ１３は、圧縮機１０より吐出した高温高圧ＣＯ_２ガスより油分離器１０ａを介して分離した高温潤滑油を冷却するため設けたもので、前記ガス冷却器１１に並設する。
前記給湯ライン２０は、冷熱源１９により給水温度制御可能の給水冷却部１６と温水給湯部１７と高温給湯部１８とよりなる。温水給湯部１７は、ガス冷却器１１より約５５℃の温水を取出し、高温給湯部１８は前記オイルクーラ１３より取り出した温熱とガス冷却器１１より取出した温熱を併合して約８５℃の高温水の取出しを可能にしたものである。
【００２１】
則ち、ＣＯ_２超臨界冷凍サイクル１５の約９０℃の高圧高温ＣＯ_２ガス及び圧縮機１０の約９０℃の高温潤滑油よりそれぞれ温熱をガス冷却器１１及びオイルクーラ１３より取出し、約５５℃の温水及び約８５℃の高温水を給湯ライン２０より取り出すとともに冷熱源１９を形成する構成としたものである。
【００２２】
上記温水ないし高温水の取出しは、図２に示す状態変化をする当該ＣＯ_２超臨界冷凍サイクル１５のＣＯ_２ガスの温度エンタルピ−曲線に添い行なわれ、該曲線に出来る限り近接させた高効率の熱伝達を可能とする直線状態変化をする二つの温水温度エンタルピ−直線を介して行なうようにしたものである。
そして、二つの温度エンタルピ−直線は温度５５℃に接続点を持つ折れ線状に形成させ、なるべくＣＯ_２温度エンタルピ−曲線に近接させる構成を取るようにしたものである。
【００２３】
図２には二つの給水パターン［１］、［２］に対する給湯状況を示してある。
図２、図３（Ａ）に見るように、パターン［１］の場合は、その伝熱状況は実線折れ線ｃ_１ｂ_１、ｂ_１ａ_１で示され、温水給湯部１７への給水は２５℃の給水を使用し、図１に示すように、給湯管２０ｂより５５℃の一部の温水を外部へ放出し、残る温水を高温給湯部１８で取り出した温熱により更に連続加熱して給湯管２０ｃより約８５℃の高温水を外部へ放出する。
また、図２、図３（Ｂ）に見るように、パターン［２］の場合は、その伝熱状況は点線折れ線ｃ_２ｂ_２、ｂ_２ａ_２で示され、温水給湯部１７への給水は給水冷却部１６を経由して外部冷熱源１９よりの冷熱により冷却された約５℃の冷水を使用し、給湯管２０ｂより５５℃の一部の温水を放出し、残る温水を高温給湯部１８で取り出した温熱により更に連続加熱して給湯管２０ｃより約８５℃の高温水を放出する。
なお、前記給水冷却部１６は冷熱源１９以外に外部熱源を使用してもよく、また冷熱源の容量制御により給水温度を適宜所用温度に設定可能にしてある。
【００２４】
上記パターン［１］、［２］における高温水の放出量は、パターン［２］はパターン［１］の１．５倍になるが、これは図２に見るように、高温給湯部１８における温水温度エンタルピ−直線ｂ_２ａ_２がｂ_１ａ_１に対し、ＣＯ_２温度エンタルピ−曲線にずっと近接させてあるためで、このことは、給水温度を下げ温水温度エンタルピ−直線ｃ_２ｂ_２に急勾配の傾斜を持たせ先端部をＣＯ_２温度エンタルピ−曲線の変曲点に近接させたためである。
【００２５】
上記考察により、前記したように、温水給湯部１７への給水を給水冷却部１６を介して行い、且つ該給水冷却部１６が給水温度制御可能の構造にしてあるため、前記高温給湯量の増減を適宜行なうことができる。
【００２６】
また、ガス冷却器１１の出口のＣＯ_２温度を下降させれば、ＣＯ_２温度エンタルピ−曲線の低温部位の湾曲度は浅くなり、温水温度エンタルピ−直線のＣＯ_２温度エンタルピ−曲線への近接がより可能になり、給湯量も増量が可能となる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は、上記構成により下記効果を奏する。
オイルクーラの配設により、ＣＯ_２超臨界冷凍サイクルにおける圧縮機駆動用の潤滑油の過熱を防止できる。
また、給湯ラインに給水冷却部を設け冷熱容量加減可能の冷熱源により給水温度制御可能の構成にしてあるため、給湯ラインの給湯量を適宜調整出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のＣＯ_２ヒートポンプによる給湯システムの概略の構成を示す図である。
【図２】 図１の給湯ラインの温水給湯部と高温給湯部の持つ温水温度エンタルピ−直線とＣＯ_２温度エンタルピ−曲線との間の熱の授受状況を示す図である。
【図３】 図２の熱伝達の状況を示す熱交換器図である。
【図４】 ＣＯ_２超臨界冷凍サイクルのモリエル線図を示す図である。
【図５】 従来の超臨界冷凍サイクルにおける潤滑油劣化防止のための冷媒温度制御の一実施例を示す図である。
【符号の説明】
１０ 圧縮機
１０ａ 油分離器
１１ ガス冷却器
１２ 蒸発器
１３ オイルクーラ
１４ 膨張弁
１５ ＣＯ_２超臨界冷凍サイクル
１６ 給水冷却部
１７ 温水給湯部
１８ 高温給湯部
１９ 冷熱源
２０ 給湯ライン
２０ｂ、２０ｃ 給湯管

Claims (8)

1. 圧縮機、ガス冷却器、膨張弁、蒸発器よりなるＣＯ_２超臨界冷凍サイクルにおいて、
   前記冷凍サイクルを構成するガス冷却器のＣＯ_２ガス入口の高温部位で圧縮機のオイルクーラを並設させて前記ガス冷却器のＣＯ_２ガスの出口より入口に至るＣＯ_２ガスの温熱を取り出す給湯ラインを備えたＣＯ_２ヒートポンプを形成し、
   前記給湯ラインの給水入口より高温給湯水の出口までの給湯領域を温水給湯部と高温給湯部に分離し、温水給湯温度に到達した温水の一部を温水給湯水として放出し、高温給湯部では残る温水に対し温熱取り込みによる連続加熱を行ない、高温給湯水として放出させ高温給湯量の増量を行なうようにしたことを特徴とするＣＯ_２ヒートポンプの給湯量増量方法。
2. 前記温水給湯部と高温給湯部の境界は５０〜６０℃の温度帯に設定したことを特徴とする請求項１記載のＣＯ_２ヒートポンプの給湯量増量方法。
3. 前記温水給湯部と高温給湯部におけるそれぞれの温水温度エンタルピ−直線を、ＣＯ_２温度エンタルピ−曲線の下部温度領域に近接して設けるようにしたことを特徴とする請求項１記載のＣＯ_２ヒートポンプの給湯量増量方法。
4. 前記温水給湯部に供給する給水温度を当該冷凍サイクルの冷熱を利用して低温化させ、温水給湯温度到達時の温水温度エンタルピ−直線の末端をＣＯ_２温度エンタルピ−曲線に近接させ、高温給湯部における温水温度エンタルピ−直線を対応するＣＯ_２温度エンタルピ曲線の対応全域にわたり近接させたことを特徴とする請求項１記載のＣＯ_２ヒートポンプの給湯量増量方法。
5. 前記温水給湯部に給水する給水温度の低温化は、他の冷熱源を使用する構成としたことを特徴とする請求項４記載のＣＯ_２ヒートポンプの給湯量増量方法。
6. 前記温水給湯部に供給する給水温度は、
   給水温度の低温化により、ガス冷却器出口のＣＯ_２ガスの温度を下降させて給湯量の増量制御を図ったことを特徴とする請求項４記載のＣＯ_２ヒートポンプの給湯量増量方法。
7. 圧縮機、ガス冷却器、膨張弁、蒸発器よりなるＣＯ_２超臨界冷凍サイクルにおいて、
   前記冷凍サイクルを構成するガス冷却器のＣＯ_２ガスの入口の高温部位に、オイル分離器を経由して圧縮機吸入部を結ぶオイル循環路に設けたオイルクーラとを並設させて、ガス冷却器とオイルクーラより温熱を取り出す給湯ラインを備えてなるＣＯ_２ヒートポンプを形成し、
   前記給湯ラインは熱の授受態様の異なる温水給湯部と高温給湯部をＣＯ_２温度エンタルピ−曲線の下部温度領域に添い設け、前記温水給湯部は温水温度エンタルピの緩傾斜特性を持ち、高温給湯部は温水温度エンタルピの急傾斜特性を持つ構成とし、
   前記温水給湯部と高温給湯部の接合部で温水の一部を分離して外部へ放出させ、残りの温水は前記高温給湯部を経由して高温給湯水を給湯する構成とし、
   前記温水給湯部の給水側に冷熱源による給水温度制御可能の低温給水部を接続する構成としたことを特徴とするＣＯ_２ヒートポンプの給湯システム。
8. 前記温水給湯部と高温給湯部の境界温度は、５０〜６０℃の温水温度である構成としたことを特徴とする請求項７記載のＣＯ_２ヒートポンプの給湯システム。

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