JP4062479B2 - 吸収式冷暖房装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷房運転、ヒートポンプ暖房運転、および直火加熱暖房運転の３つのモードで運転できる吸収式冷暖房装置に関し、特に、直火加熱暖房運転への迅速な切り替えを可能にするとともに、冷房運転およびヒートポンプ運転を最適な状態で行うことができる吸収式冷暖房装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、冷房運転だけでなく、吸収器で汲み上げた熱を利用してヒートポンプ暖房運転を行えるようにした吸収式冷暖房装置に対する需要が高まりつつある。このヒートポンプ暖房には、外気温度が低くなるにつれて外気からの熱の汲み上げ効率が低下していくという特性がある。そこで、外気温度が低い場合に、ヒートポンプ暖房運転に代えて直火加熱暖房運転を行えるようにした装置が提案されている（特公平６−９７１２７号）。
【０００３】
本出願人は、冷房運転、ヒートポンプ暖房運転および直火加熱暖房運転の３つのモードの切換えを簡単にすることができる吸収式冷暖房装置を提案している（特開平１０−１９７００８号）。この冷暖房装置では、ヒートポンプ暖房運転時に暖房能力の不足が生じた場合は、再生器で加熱されて抽出された高温の冷媒蒸気を凝縮器に送って冷却水管と接触させて凝縮させた後、再び再生器に還流する冷媒の閉循環ループを構成した。その結果、再生器で抽出された冷媒蒸気は凝縮器で全縮される一方、凝縮された冷媒は凝縮器から蒸発器に戻されなくなり、ヒートポンプ暖房運転が停止されて直火加熱暖房運転に切換えられる。
【０００４】
さらに、本出願人は、凝縮器から精留器を通じて再生器へ冷媒を環流させるため、凝縮器から精留器へ冷媒が自然落下できるようにした専用の環流路を設けた吸収式冷暖房装置を提案している（特開平１０−２６７４４８号）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記専用の環流路を設けた吸収式冷暖房装置では、冷媒の環流のためだけに管路が増えることになるし、継ぎ手部分が増えるため、真空度合の確保が重要であるこの種システムにとって好ましくない。そこで、凝縮器からオーバーフローさせた冷媒を、精留器上部へ、直接逆流させることが考えられる。しかし、直火加熱暖房運転時以外で上記オーバーフローが発生しないよう、凝縮器内での冷媒液の貯留量を多くする必要がある。そのために、直火加熱暖房運転に切り替えてからオーバーフローが生じるまでに時間がかかり、実際に直火加熱運転が開始するまでに時間遅れが生じる。凝縮器に溜まった冷媒液は、単に溜まっているというだけであって運転に寄与しないので、オーバーフローまで冷媒液を貯めるまでに費やされるエネルギが無駄になる。
【０００６】
また、始動立ち上げ時にも、冷媒液は凝縮器に多量に溜まっているが、ある程度の圧力差が生じるまでその冷媒液は蒸発器へ流入しない。したがって、その間は吸収器から再生器に循環される溶液は濃度が比較的高くなり、再生器内で吸収剤溶液が濃縮されすぎてしまうことがある。すなわち、再生器で空焚き状態になる。このため、始動立ち上がり時に蒸発器内に冷媒液が十分な量確保されるよう、冷媒液を余分に投入しておかなければならない。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消し、冷房運転やヒートポンプ運転時の運転状態を良好にできるとともに、直火加熱暖房運転へ迅速に切り替えることができる吸収式冷暖房装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、冷媒を収容する蒸発器と、前記蒸発器で発生した冷媒蒸気を吸収剤溶液で吸収する吸収器と、前記吸収剤溶液を加熱して冷媒蒸気を抽出し、該吸収剤溶液中の吸収剤濃度を回復させる再生器と、抽出された前記冷媒蒸気を再生器から凝縮器へ給送する冷媒蒸気通路と、前記冷媒蒸気を凝縮させて前記蒸発器へ供給する凝縮器とを具備し、冷房運転、ヒートポンプ暖房運転または直火加熱暖房運転が選択的に可能な冷暖房装置において、前記凝縮器で凝縮した冷媒を前記蒸発器へ供給するための第１管路と、前記吸収器内の吸収剤溶液を前記再生器へ給送するための第２管路と、前記第１管路から分岐させた分岐管路と、前記分岐管路を前記第２管路へ選択的に連通させるための切り替え装置とを具備した点に第１の特徴がある。
【０００９】
第１の特徴によれば、前記切り替え装置によって前記分岐管路が第２管路に連通されたとき、凝縮器内の冷媒は、分岐管路を通って第２管路に流入し、再生器へ給送される。また、分岐管路と第２管路との連通が断たれたときは、冷媒は第１通路を通って蒸発器に流入する。
【００１０】
また、本発明は、前記切り替え装置が、前記分岐管路から再生器への流れを許容する第１逆止弁であって、前記吸収器から前記再生器への流れを許容する第２逆止弁をさらに備え、前記第１および第２逆止弁は互いに下流側で合流されている点に第２の特徴がある。
【００１１】
第２の特徴によれば、運転立ち上げ時および直火加熱暖房運転時等、吸収器の圧力が凝縮器側より低いときは、第２逆止弁は閉じて吸収器から再生器への溶液の流入は阻止される。一方、ヒートポンプ暖房運転時、吸収器側の圧力が凝縮器側より高い運転状態では、第１逆止弁は閉じて凝縮器から再生器への冷媒の流入は阻止される。
【００１２】
さらに、本発明は、前記第１および第２逆止弁が一体で形成されるとともに、該第１および第２逆止弁の下流側合流点に単一の可動弁体が配され、該可動弁体が、前記第１および第２逆止弁の入力ポートにそれぞれ接続される流体の圧力差によってその可動範囲の両端のいずれか一方に偏倚し、該可動範囲の一端にあるときに前記第１逆止弁を閉弁する一方、他端にあるときは前記第２逆止弁を閉弁するように構成された点に第３の特徴がある。
【００１３】
第３の特徴によれば、第１および第２逆止弁の弁体を共用できるので、構造が簡素化される。また、流体の圧力差によって弁体を偏倚させて第１および第２逆止弁を選択的に開放するので、弁体を駆動させるアクチュエータが不要である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る吸収式冷暖房装置の要部構成を示す系統ブロック図である。蒸発器１には冷媒としてトリフルオロエタノール（ＴＦＥ）などのフッ化アルコールが、吸収器２には吸収剤を含む溶液としてジメチルイミダゾリジノンなどのＤＭＩ誘導体が収容されている。この場合、前記冷媒はフッ化アルコールに限らず非凍結範囲が広くとれるものであればよく、溶液についてもＤＭＩ誘導体に限らず非結晶範囲が広く取れるものであり、前記冷媒よりも高い常圧沸点を有し、かつこれを吸収しうるものであればよい。例えば、水と臭化リチウムの組み合わせは、外気温度が零度近くになった状態での暖房運転時において、溶液が結晶化するか、もしくは冷媒である水が凍結するおそれがあるので、本実施形態の系統に好適とは言い難い。
【００１５】
蒸発器１と吸収器２とは、蒸発（冷媒）通路を介して互いに流体的に連結されており、これらの空間を、例えば３０mmＨｇ程度の低圧環境下に保持すると蒸発器１内の冷媒が蒸発し、冷媒蒸気は図中に２重矢印で示したように、前記通路を介して吸収器２内に入る。この冷媒蒸気を吸収器２内の吸収剤溶液が吸収することにより、吸収冷凍動作が行われる。前記蒸発通路には冷却器（熱交換器）１８が配置されている。
【００１６】
まずバーナ７が点火され、再生器３によって吸収器２内の溶液濃度が高められると（バーナおよび再生器、ならびに溶液濃縮については後述する）、吸収器２内の溶液が冷媒蒸気を吸収し、該冷媒の蒸発による潜熱によって蒸発器１内が冷却される。蒸発器１内には、ポンプＰ４によって冷水が通過させられる管路１ａが設けられる。管路１ａの一端（図では出口端）は第１の四方弁Ｖ１の＃１開口に、その他端（図では入口端）は第２の四方弁Ｖ２の＃１開口にそれぞれ連結される。冷媒はポンプＰ１によって蒸発器１内に設けられた散布手段１ｂに導かれ、前記冷水が通過している管路１ａ上に散布される。前記冷媒が管路１ａ内の冷水から蒸発熱を奪って冷媒蒸気となる一方、前記冷水の温度は降下する。冷媒蒸気は、蒸発通路に配置された冷却器１８を通って吸収器２に流入する。蒸発器１内の冷媒は、ポンプＰ１によって前記散布手段１ｂに導かれるほか、その一部はフィルタ４を通して精留器６の頂部近くに給送される。蒸発器１とフィルタ４間のブリードラインとしての管路１ｃには流量調節弁Ｖ５が設けられている。なお、管路１ａを流れる冷水としてはエチレングリコール又はプロピレングリコ−ル水溶液を使用するのが好ましい。
【００１７】
前記冷媒蒸気が吸収器２の吸収剤溶液に吸収されると、吸収熱によって該溶液の温度は上昇する。前記溶液の吸収能力は該溶液の温度が低いほど、また溶液中の吸収剤濃度が高いほど大きい。そこで、該溶液の温度上昇を抑制するため、吸収器２の内部には管路２ａが設けられ、該管路２ａには冷却水が通される。管路２ａの一端（図では出口端）は凝縮器９内を通過した後、ポンプＰ３を介して第１の四方弁Ｖ１の＃２開口に、管路２ａの他端（図では入口端）は第２の四方弁Ｖ２の＃２開口にそれぞれ連結される。管路２ａを通過する冷却水として、前記冷水と同じ水溶液を使用する。
【００１８】
溶液はポンプＰ２によって吸収器２内に設けられた散布手段２ｂに導かれ、管路２ａ上に散布される。その結果、管路２ａを通っている冷却水によって溶液が冷却される一方、冷却水の温度は上昇する。吸収器２内の溶液が冷媒蒸気を吸収し、その吸収剤濃度が低下すると吸収能力が低下する。そこで、再生器３および精留器６により、吸収剤溶液から冷媒蒸気を分離発生させ、溶液中の吸収剤濃度を高めて吸収能力を回復させる。このために、吸収器２で冷媒蒸気を吸収して希釈された溶液つまり希液は、前記ポンプＰ２によって、管路７ｂおよび逆止弁（第２逆止弁）Ｖ３を通して精留器６に給送され、再生器３へと流下させられる。再生器３は前記希液を加熱するバーナ７を有している。該バーナ７はガスバーナを使用しているが、どのような加熱手段であってもよい。再生器３で加熱され、冷媒蒸気が抽出されて濃度が高められた溶液（濃液）は、管路７ａおよび制御弁Ｖ４を通して前記吸収器２に戻され、前記散布手段２ｂによって管路２ａ上に散布される。
【００１９】
再生器３で発生された前記冷媒蒸気は、精留器６内を上昇する際に精留器６内を流下する溶液と十分に接触することによって、混入した微量の吸収剤溶液成分が十分に分離された後、凝縮器９へ給送される。凝縮器９で冷却されて凝縮した冷媒は、管路９ｂを通り、冷却器１８および減圧弁（流量制御バルブ）１１を経由して蒸発器１に戻され、散布手段１ｂで管路１ａ上に散布される。前記冷却器１８は、前記蒸気通路に配置された１種の熱交換器であり、蒸発器１で発生した冷媒蒸気中に混在する冷媒ミストを、凝縮器９から還流される暖かい冷媒で加熱してその気化を促進する一方、蒸発器１へ還流される前記冷媒の温度を降下させる。
【００２０】
凝縮器９から蒸発器１へ冷媒を戻すための管路９ｂは、逆止弁Ｖ３の下流で管路７ｂと合流する管路９ａに分岐する。分岐管路９ａには凝縮器９から管路７ｂへの冷媒の流入を許容する逆止弁（第１逆止弁）１７が設けられる。管路９ａは、直火加熱暖房運転時に凝縮器９から冷媒が再生器３へ環流する回路の一部を形成する。各運転モードでの逆止弁Ｖ３および逆止弁１７の作用は後述する。
【００２１】
凝縮器９から蒸発器１に供給される還流冷媒の純度は極めて高くなってはいるが、その中にごくわずかに混在する吸収剤成分が長時間の運転サイクルによって蓄積し、蒸発器１内の冷媒の純度が徐々に低下することは避けられない。そこで、上述のように、蒸発器１から冷媒のごく一部をフィルタ４を介して精留器６に給送し、再生器３から生じる冷媒蒸気と共に再び純度を上げるためのサイクルを経るように構成している。前記フィルタ４は、冷媒中に混入する塵埃や錆などが精留器６内の充填材管路に詰まって機能低下の原因になるのを防止するのに役立つ。
【００２２】
吸収器２と精留器６を連結する管路７ａ、７ｂの中間に設けられた熱交換器１２により、再生器３から出た管路７ａ中の高温濃液は吸収器２から出た管路７中の希液と熱交換して冷却された後、吸収器２へ給送されて散布される。一方、熱交換器１２で予備的に加熱された希液は精留器６へ給送される。こうして熱効率の向上が図られているが、さらに、還流される前記濃液の熱を吸収器２または凝縮器９から出た管路２ａ内の冷却水に伝達するための熱交換器（図示せず）を設けることにより、吸収器２に還流される濃液の温度はより一層低下させ、冷却水温度はさらに上げるように構成してもよい。
【００２３】
前記冷水または冷却水を外気と熱交換するための顕熱交換器１４には管路４ａ、室内機１５には管路３ａがそれぞれ設けられている。管路３ａ、４ａの各一端（図では入口端）は第１の四方弁Ｖ１の＃３、４開口に、その他端（図では出口端）は第２の四方弁Ｖ２の＃３、４開口にそれぞれ連結される。室内機１５は冷暖房を行なう室内に備えられ、冷風または温風の吹出し用ファン１０（両者は共通）と吹出し出口（図示せず）とが設けられる。前記顕熱交換器１４は室外に置かれ、ファン１９で強制的に外気との熱交換が行われる。なお図中の添字付き符号Ｔは温度感知器、添字付き符号Ｌは液面感知器、添字付き符号ＰＳは圧力感知器をそれぞれ表わしている。
【００２４】
ヒートポンプによる暖房運転時には、第１および第２の四方弁Ｖ１、Ｖ２をそれぞれの＃１および＃４開口が連通され、＃２および＃３開口が連通されるような位置に切替え制御する。これにより、吸収器２および凝縮器９内で暖められた管路２ａ内の冷却水が、ポンプＰ３により、室内機１５の管路３ａへ導かれて室内の暖房が行われる。
【００２５】
上記ヒートポンプによる暖房運転時において、外気温度が極端に低くなると、外気からの熱汲上げが難しくなり、暖房能力が低下する。このような外気温度条件の時にはヒートポンプサイクル運転を停止して再生器３で発生した冷媒蒸気を凝縮器９との間で環流させ、バーナ７による加熱熱量を、凝縮器９内で効率よく管路２ａ内の冷却水に伝導する直火加熱暖房運転により、前記冷却水を昇温させて暖房能力を向上させるようにする。
【００２６】
外気温度が低くなって暖房能力が不足する時には、凝縮器９から蒸発器１に至る冷媒の管路９ｂ、および再生器３から吸収器２に至る濃液の管路７ａを遮断してヒートポンプサイクルを停止させる。ヒートポンプサイクルを停止させると、後述するような逆止弁１７，Ｖ３の動作によって、凝縮器９で凝縮された冷媒は、管路９ｂ、９ａ、７ｂを通って再生器３へ戻される。
【００２７】
ヒートポンプ運転から直火加熱暖房運転への切換え、つまり管路７ａ，９ｂの遮断は、室内外の適当な箇所（例えば顕熱交換器１４の近傍）に温度感知器Ｔ１４を設け、感知された温度が予定値以下になったときに自動的に行えるようにするのがよい。外気温度が予定値以下に低下したことは暖房負荷の大小によっても判定することができる。暖房負荷の演算や直火加熱運転への切り替えについては、本出願人の出願に係る特開平９−３１８１８３号や、特開平１０−１８５３４４号などに詳細に説明されているので、これらの記載を援用し、本明細書に統合する。
【００２８】
次に、各運転モードにおける逆止弁Ｖ３および逆止弁１７の動作を説明する。図２は逆止弁Ｖ３および逆止弁１７を一体に組み込んだ三方弁の断面図であり、図２（ａ）はヒートポンプ暖房運転時、図２（ｂ）は直火加熱暖房運転時つまり全縮時および運転立ち上げ時のものである。ヒートポンプ運転時、逆止弁１７の、凝縮器９側にかかる圧力ＰＳ１は例えば３５０トル（Torr）である。一方、逆止弁Ｖ３の、吸収器２側にかかる圧力ＰＳ２は例えば４５０トルである。圧力ＰＳ２には熱交換器１２での圧損分が加わるため、圧力ＰＳ２は圧力ＰＳ１より高い。したがって、この場合、逆止弁Ｖ３が開いて吸収器２から再生器３への希液の流入は許容され、逆止弁１７が閉じて、凝縮器９から再生器３への冷媒の流入は禁止される。
【００２９】
これに対して、図２（ａ）のように、直火加熱暖房運転時および運転立ち上げ時は、逆止弁Ｖ３の上流側にかかる圧力ＰＳ２は、例えば２０トル程度であり、逆止弁１７の、凝縮器９側にかかる圧力ＰＳ１（例えば３５０トル）に比べるときわめて低い。圧力ＰＳ２は吸収器２の飽和圧力または蒸発器１の飽和圧力近傍になるからである。したがって、この場合、逆止弁Ｖ３が閉じて吸収器２から再生器３への希液の流入は禁止され、逆止弁１７が開いて、凝縮器９から再生器３への冷媒の流入が許容される。
【００３０】
このように、始動立ち上げ時は、凝縮器９の冷媒は管路９ａ、７ｂを通じて再生器３に給送され、定常運転になれば管路９ａは閉じて凝縮器９の冷媒は蒸発器１に給送される。さらに、運転モードをヒートポンプ運転から直火加熱暖房運転に切り替えれば、凝縮器９の冷媒は管路９ａ、７ｂを通じて再生器３に給送される。すなわち、切り替え装置に駆動アクチュエータを用いることなく、凝縮器９側および吸収器２側の圧力差により、分岐管路９ａは自動的に開閉されて各運転モードに適合した冷媒および吸収剤溶液の回路が形成される。
【００３１】
前記冷媒等の管路を切り替える装置は、図２のように、それぞれに可動部としての弁体を有する逆止弁Ｖ３，逆止弁１７を一体に組み合わせたものに限らない。図３は単一の可動部によって管路を切り替える弁装置の断面図であり、図３（ａ）はヒートポンプ暖房運転時、図３（ｂ）は直火加熱暖房運転時つまり全縮時および運転立ち上げ時のものである。弁装置２１には、該弁装置２１内を自由に動き得る弁体としての球（可動弁体）２２が収納されていて、この球２２が図３（ａ）のように左に偏倚すれば凝縮器９につながるポート２１ａが閉鎖される一方、吸収器２につながるポート２１ｂが開放される。また、球２２が図３（ｂ）のように右に偏倚すれば吸収器２につながるポート２１ｂが閉鎖される一方、凝縮器９につながるポート２１ａが開放される。
【００３２】
すなわち、図２に関して説明した通り、ヒートポンプ暖房運転時は吸収器２側の圧力ＰＳ２が凝縮器９側の圧力ＰＳ１より高いので、球２２はポート２１ａ側に偏倚してポート２１ａを閉鎖する。この動きによって、吸収器２からの希液の流入は許容されるが、凝縮器９から分岐管路９ａを介して冷媒が再生器３に流入するのは阻止される。一方、直火加熱暖房運転時および運転立ち上げ時は、吸収器２側の圧力ＰＳ２が凝縮器９側の圧力ＰＳ１より低いので、球２２はポート２１ｂ側に偏倚してポート２１ｂを閉鎖する。この動きによって、吸収器２からの希液の流入は阻止され、代わりに、凝縮器９から分岐管路９ａを介して冷媒が再生器３に流入できるようになる。
【００３３】
【発明の効果】
請求項１〜請求項３の発明によれば、運転立ち上げ時および直火加熱暖房運転時等、吸収器の圧力が凝縮器側より低いときは、第２逆止弁は閉じて吸収器から再生器への溶液の流入は阻止される。一方、ヒートポンプ暖房運転時、吸収器の圧力が凝縮器側より高い運転状態では、第１逆止弁は閉じて凝縮器から再生器への冷媒の流入は阻止される。
【００３４】
特に、請求項３の発明によれば、システム内の圧力差で弁体が作動して管路の切換が行われるので、弁の駆動アクチュエータが不要であり、構造が簡素化される。
【００３５】
切り替え装置によって冷媒を凝縮器から再生器へ給送するので、凝縮器から冷媒をオーバーフローさせるのと異なり、次の利点がある。すなわち、直火加熱暖房運転では、精留操作時よりきわめて大量に溶液を処理するので、オーバーフローの量も多く、これに適合させるように精留器のサイズなどを設定すると、精留操作に適したものとできない。これに対して、本発明によれば、精留操作に適合するようにのみ配慮して、精留器を構成できる。
【００３６】
オーバーフローするまで冷媒を凝縮器に貯める必要がないので、凝縮器を小型化できるし、システム内の冷媒の量を少なくできるし、オーバーフローさせるまでのエネルギの無駄な投入も防げる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る冷暖房装置の構成を示す図である。
【図２】 凝縮器から冷媒を再生器へ給送する管路に設けられる逆止弁の断面図である。
【図３】 逆止弁の変形例に係る断面図である。
【符号の説明】
１…蒸発器、 １ａ…冷水用管路、 ２…吸収器、 ２ａ…冷却水用管路 ３…再生器、 ４…フィルタ、 ６…精留器、 ９…凝縮器、 ９ａ…分岐管路、 １７…逆止弁（第１逆止弁）、 ２１…弁装置、 ２２…球（可動弁体）、 Ｖ３…逆止弁（第２逆止弁）

Claims (2)

1. 冷媒を収容する蒸発器と、前記蒸発器で発生した冷媒蒸気を吸収剤溶液で吸収する吸収器と、前記吸収剤溶液を加熱して冷媒蒸気を抽出し、該吸収剤溶液中の吸収剤濃度を回復させる再生器と、抽出された前記冷媒蒸気を再生器から凝縮器へ給送する冷媒蒸気通路と、前記冷媒蒸気を凝縮させて前記蒸発器へ供給する凝縮器とを具備し、
   冷房運転、ヒートポンプ暖房運転または直火加熱暖房運転が選択的に可能な冷暖房装置において、
   前記凝縮器で凝縮した冷媒を前記蒸発器へ供給するための第１管路と、
   前記吸収器内の吸収剤溶液を前記再生器へ給送するための第２管路と、
   前記第１管路から分岐させた分岐管路と、前記分岐管路を前記第２管路へ選択的に連通させるための切り替え装置であって、前記分岐管路から再生器への流れを許容する第１逆止弁と、
   前記吸収器から前記再生器への流れを許容する第２逆止弁とを備え、
   前記第１および第２逆止弁が互いに下流側で合流されていることを特徴とする吸収式冷暖房装置。
2. 前記第１および第２逆止弁が一体で形成されるとともに、該第１および第２逆止弁の下流側合流点に単一の可動弁体が配され、該可動弁体が、前記第１および第２逆止弁の入力ポートにそれぞれ接続される流体の圧力差によってその可動範囲の両端のいずれか一方に偏倚し、該可動範囲の一端にあるときに前記第１逆止弁を閉弁する一方、他端にあるときは前記第２逆止弁を閉弁するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の吸収式冷暖房装置。

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