JP5246891B2 - ヒートポンプシステム - Google Patents

Description

本発明は、ＮＨ_３二次冷媒を用いたヒートポンプシステムに関する。

従来よりヒートポンプサイクルを利用した冷却（加熱）システムでは、熱媒体たる冷媒は必ず圧縮機による圧縮を受けながら循環するものであり、このため圧縮機の作動に不可欠な潤滑油が微量ずつではあるが、冷媒中に混入してしまうことは免れ得ない。

かかる技術を改良するために、圧縮機と凝縮器と蒸発器とを具えて成るヒートポンプシステム源と、目的とする熱交換を行うヒートサイクルシステムとが組み合わされて成り、前記ヒートポンプシステム源からヒートサイクルシステムへは、中継熱交換器（カスケードコンデンサー）を介して目的とする熱伝達がされ、且つヒートサイクルシステムには圧縮機を組み込まず、熱媒体の液ヘッド差と循環ポンプによる圧送とのいずれか一方または双方により熱媒体の循環が行われるシステムが特許文献１にて開示されている。

特開２００５−１４０３４９号公報

しかしながら特許文献１には、ヒートサイクルに使用する冷媒が特定されていない。

この点、自然冷媒を用いる観点より、例えば前記ヒートポンプシステム源の冷媒にＮＨ_３、前記ヒートサイクルシステムの冷媒としてＣＯ_２を用いることも考えられる。このように、冷媒を冷却し液化するための高元側にアンモニアを使い、対象物を冷やすための低元側には二酸化炭素を使用する二元冷凍方式は、環境負荷低減と高い安全性をもつとともに、高元側にＮＨ₃熱源を、中継熱交換器（カスケードコンデンサー）による間接冷却により低元（二次）側のＣＯ₂冷媒側に直接ＮＨ₃が混入しないというメリットも有する。このため、自然冷媒を用いたＮＨ₃・ＣＯ₂ブラインシステムを、冷凍設備等に導入することが検討されている。

しかしＣＯ₂冷媒（ブライン）は周囲雰囲気温度において一般冷媒より圧力が高いため既存設備が使用できず、この為ＣＯ₂圧力対応の設備を配管系も含めて新設となるので設備費がかかり、自然冷媒が環境負荷低減上有利にもかかわらず、既存設備よりのリニューアル更新がなかなか進まない状況にある。

また、より大きな冷却負荷に対応するためには、ＣＯ_２冷媒を用いると、冷却能力が不十分な場合がある。

さらに、自然冷媒を用いた既存のＮＨ_３冷凍装置は液ポンプ方式や直膨方式を採用しているが、ＮＨ _３ 冷媒の中に微量の冷凍機油が同伴することが避けられない。同伴した冷凍機油は蒸発器側に残留し、経時変化による性能低下を発生させる。この性能低下を防ぐためのオイル管理が必須であり、その作業は煩雑である。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、安全性に優れ、伝熱効率が高く、既存設備の有効利用が可能であり、容易にオイル管理を行いうるとともに、冷媒量をミニマム化しうるヒートポンプシステムを提供することを目的とする。

本発明に係るヒートポンプシステムは、 圧縮機、凝縮器、膨張手段及び第１のカスケードコンデンサーを含み、ＮＨ_３冷媒を熱源とするＮＨ_３熱源サイクルと、
液ヘッド差と循環ポンプを併用した冷媒循環部と、前記第１のカスケードコンデンサーの熱を直接若しくは他の冷媒サイクルを介して自身のＮＨ_３冷媒に吸熱させて吸熱器として機能させたＮＨ_３冷媒凝縮部と、目的負荷を冷却する蒸発器とにより構成されるＮＨ_３ 二次冷媒サイクルとを備えるヒートポンプシステムであって、
前記ＮＨ_３二次冷媒サイクルの吸熱部と前記蒸発器との間のＮＨ_３冷媒循環経路上に配置され、ＮＨ_３二次冷媒を循環させるヘッド差部および循環ポンプと、
前記循環ポンプをバイパスするバイパス管路と、
前記バイパス管路に循環ポンプと並列するように配置される第１の流量調節弁と、前記循環ポンプ及び第１の流量調節弁の後段の蒸発器側に第２の流量調節弁が設けられていることを特徴とする。

上記ヒートポンプシステムによれば、蒸発潜熱が大きく一般冷媒と比較して優れた特性を有するＮＨ_３冷媒が熱源サイクル及びＮＨ_３二次冷媒サイクルで用いられるため、冷媒を循環させるのに必要な動力を他のブラインと比べても少なくでき、伝熱性能も良好のため蒸発器での温度アプローチが減少して、性能も向上する。

また、目的負荷を冷却する二次冷媒サイクルにＣＯ_２冷媒を使用すると、既存設備を利用できず新設することになってしまうが、上記ヒートポンプシステムでは、二次冷媒サイクルにＮＨ_３冷媒を用いるので、既存設備をそのまま利用することができる。

また、目的負荷を冷却するＮＨ_３二次冷媒サイクル内のＮＨ_３二次冷媒をヘッド差部および循環ポンプにより循環させるとともに、ＮＨ_３熱源サイクルとＮＨ_３二次冷媒サイクルとの間のカスケードコンデンサーにおいて冷媒系統を完全に分離することで、ＮＨ_３熱源サイクルの圧縮機に起因する潤滑油がＮＨ_３二次冷媒サイクルに混入することを防止することができる。したがって、潤滑油のメンテナンス作業を機械室（ＮＨ_３熱源サイクル）だけに限定することができ、簡素な保守管理で安全性を確保することができる。

また、二次冷媒はＮＨ_３熱源サイクルとカスケードコンデンサーで分離されピュアなＮＨ_３冷媒を使うので、汚れも無く、経年変化も無く、蒸発器側の効率が良い。

さらに、ＮＨ_３熱源サイクルと、目的負荷を冷却するＮＨ_３二次冷媒サイクルとの間のカスケードコンデンサーにおいて、冷媒系統が完全に分離されるため、ＮＨ_３二次冷媒サイクルの冷媒量を冷却負荷に応じて適切に設定することができる。これにより、ＮＨ_３二次冷媒サイクルの冷媒量をミニマム化することができる。

上記ヒートポンプシステムにおいて、前記熱源サイクルと前記ＮＨ_３二次冷媒サイクルとが、前記カスケードコンデンサーを介して直接的に連結されており、前記熱源サイクルの前記ＮＨ_３冷媒と、前記ＮＨ_３二次冷媒サイクルの前記ＮＨ_３二次冷媒とが、前記カスケードコンデンサーにおいて互いに分離されていてもよい。

あるいは、上記ヒートポンプシステムにおいて前記ＮＨ _３ 熱源サイクルと前記ＮＨ _３ 二次冷媒サイクルとの間に介在する他の冷媒サイクルが、自然冷媒を用いた第２の二次冷媒サイクルで、前記ＮＨ _３ 熱源サイクルＡのカスケードコンデンサー４よりの吸熱を受けて凝縮される第２の二次冷媒が循環するサイクルであり、該第２の二次冷媒サイクルは前記吸熱器として機能する前記第１のカスケードコンデンサーと、前記ＮＨ ₃ 二次冷媒サイクルＢに熱源を供給する第２のカスケードコンデンサーとにより構成されていてもよい。すなわち、ＮＨ_３熱源サイクルとＮＨ_３二次冷媒サイクルとの間にさらに第２の二次冷媒サイクル（例えば二次冷媒はＮＨ_３に限定することなくＣＯ_２冷媒を用いてもよい。この場合は第２の二次冷媒サイクルのみ新設すれば既存システムを利用可能である。）を介在させてシステムの構成を行ってもよい。

また、上記ヒートポンプシステムにおいて、前記熱源サイクルは、前記ＮＨ_３冷媒を冷媒とするＮＨ_３液ポンプシステム又はＮＨ_３直膨システムであってもよい。

このように、従来から使用されてきたＮＨ_３液ポンプシステムやＮＨ_３直膨システムを、熱源サイクルとして利用するとともに、目的負荷を冷却するＮＨ_３二次冷媒サイクルを追加することで、既存設備を最大限に有効利用することができる。

本発明に係るヒートポンプシステムによれば、蒸発潜熱が大きく一般冷媒と比較して優れた特性を有するＮＨ_３冷媒が熱源サイクル及びＮＨ_３二次冷媒サイクルで用いられるため、冷媒を循環させるのに必要な動力を他のブラインと比べても少なくでき、伝熱性能も良好のため蒸発器での温度アプローチが減少して、性能も向上する。

また、目的負荷を冷却する二次冷媒サイクルにＣＯ_２冷媒を使用すると、既存設備を仕様できず新設することになってしまうが、本発明に係るヒートポンプシステムでは、二次冷媒サイクルにＮＨ_３冷媒を用いるので、既存設備をそのまま利用することができる。

また、目的負荷を冷却するＮＨ_３二次冷媒サイクル内のＮＨ_３二次冷媒をヘッド差部および循環ポンプにより循環させるとともに、ＮＨ_３熱源サイクルとＮＨ_３二次冷媒サイクルとの間のカスケードコンデンサーにおいて冷媒系統を完全に分離することで、ＮＨ_３熱源サイクルの圧縮機に起因する潤滑油がＮＨ_３二次冷媒サイクルに混入することを防止することができる。したがって、潤滑油のメンテナンス作業を機械室（ＮＨ_３熱源サイクル）だけに限定することができ、簡素な保守管理で安全性を確保することができる。

また、二次冷媒はＮＨ_３熱源サイクルとカスケードコンデンサーで分離されピュアなＮＨ_３冷媒を使うので、汚れも無く、経年変化も無く、蒸発器側の効率が良い。

さらに、ＮＨ_３熱源サイクルと、目的負荷を冷却するＮＨ_３二次冷媒サイクルとの間のカスケードコンデンサーにおいて、冷媒系統が完全に分離されるため、ＮＨ_３二次冷媒サイクルの冷媒量を冷却負荷に応じて適切に設定することができる。これにより、ＮＨ_３二次冷媒サイクルの冷媒量をミニマム化することができる。

ＮＨ_３熱源サイクルとＮＨ_３二次冷媒サイクルとが組み合わされたヒートポンプシステムの構成例を示す図である。 ＮＨ_３熱源サイクルとＮＨ_３二次冷媒サイクルの間にさらに第２の二次冷媒サイクルを介在させたヒートポンプシステムの構成例を示す図である。

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ている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、ＮＨ₃熱源サイクルとＮＨ₃二次冷媒サイクルとが組み合わされたヒートポンプシステムの構成例を示す図である。

図１において、ＡはＮＨ₃冷媒を熱源とする熱源サイクル、Ｂは目的負荷を冷却する蒸発器８を含むＮＨ₃二次冷媒サイクルであり、熱源サイクルＡ及びＮＨ₃二次冷媒サイクルＢは、カスケードコンデンサーによって熱連結されている。すわなち、熱源サイクルＡとＮＨ₃二次冷媒サイクルＢとは、カスケードコンデンサー４を介して、直接的に連結されている。

ＮＨ₃冷媒を熱源とする熱源サイクルＡは、ＮＨ₃冷媒循環サイクルＢに圧縮機１と凝縮器２と膨張手段３（膨張弁若しくはキャピタルチューブ等）と蒸発器として機能するカスケードコンデンサー４が介装されて、ＮＨ₃冷媒の圧縮、凝縮、膨張、及び蒸発を行い、カスケードコンデンサー４を介してＮＨ₃二次冷媒サイクルＢ側から吸熱する。

ＮＨ₃二次冷媒サイクルＢは、吸熱器として機能するカスケードコンデンサー４と、目的負荷を冷却する蒸発器８とにより構成される。前記蒸発器８と、その上流側のＮＨ₃熱媒体の吸熱部（図１の例ではカスケードコンデンサー４）との間には、液ヘッド差部Ｈおよび循環ポンプ６が設けられている。

また、循環ポンプ６をバイパスするバイパス配管には、循環ポンプ６と並列するように流量調節弁５が配置されている。この流量調節弁５により、液ヘッド差部ＨだけでＮＨ₃冷媒循環サイクルＢ内のＮＨ_３冷媒を循環させるか、あるいは、液ヘッド差部Ｈと循環ポンプ６とを併用してＮＨ_３冷媒を循環させるかを選択できるようになっている。これにより、蒸発器８に流入するＮＨ_３冷媒の流量が不足する場合には、液ヘッド差部Ｈに加えて循環ポンプ６による圧送を行うことで、蒸発器８に必要な流量のＮＨ_３冷媒を供給しうるようになっている。

さらに、循環ポンプ６及び流量調節弁５の後段には流量調節弁７が設けられている。

流量調節弁５及び７は、手動又は自動で制御され、蒸発器８に流入するＮＨ_３冷媒の流量が適切な範囲に維持されるように開度が調節される。ここで、蒸発器８に流入するＮＨ_３冷媒の流量は、流量計により測定してもよいし、蒸発器８の出入口におけるＮＨ_３冷媒の温度から見積もってもよい。

なお、熱源サイクルＡは、ＮＨ_３冷媒を冷媒とするＮＨ_３液ポンプシステム又はＮＨ_３直膨システムであってもよい。この場合、従来から使用されてきたＮＨ_３液ポンプシステムやＮＨ_３直膨システムを、熱源サイクルとして利用するとともに、目的負荷を冷却するＮＨ_３二次冷媒サイクルを追加することで、既存設備を最大限に有効利用することができる。

図２は、ＮＨ₃熱源サイクルとＮＨ₃二次冷媒サイクルの間にさらに第２の二次冷媒（例えばＮＨ₃若しくはＣＯ_２冷媒を用いた二次冷媒）サイクルを介在させたヒートポンプシステムを示す。

図２において、ＡはＮＨ₃冷媒を熱源とする熱源サイクルで図１と同様な構成をなす。Ｂは目的負荷を冷却する蒸発器を含むＮＨ₃二次冷媒サイクルで、第２の二次冷媒サイクルＣを介して熱源サイクルＡと熱連結されているとともに、図１と同様な構成をなす。

第２の二次冷媒サイクルＣは、前記熱源サイクルＡのカスケードコンデンサー４よりの吸熱を受けて凝縮される第２の二次冷媒が循環するサイクルであり、第２の二次冷媒サイクルＣは前記吸熱器として機能するカスケードコンデンサー４と、ＮＨ₃二次冷媒サイクルＢに熱源を供給するカスケードコンデンサー（蒸発器）９とにより構成される。

第２の二次冷媒サイクルＣ内を循環させる冷媒（第２の二次冷媒）は特に限定されないが、例えばＣＯ_２やＮＨ_３等の自然冷媒を用いることが好ましい。

カスケードコンデンサー（蒸発器）９と、その上流側の吸熱部（図２に示す例ではカスケードコンデンサー４）との間には、液ヘッド差部Ｈおよび循環ポンプ１０が設けられている。

また、循環ポンプ１０をバイパスするバイパス配管には、循環ポンプ１０と並列するように流量調節弁１１が配置されている。この流量調節弁１１により、液ヘッド差部Ｈだけで第２の二次冷媒サイクルＣ内の第２の二次冷媒を循環させるか、あるいは、液ヘッド差部Ｈと循環ポンプ１０とを併用して第２の二次冷媒サイクルＣ内の第２の二次冷媒を循環させるかを選択できるようになっている。

さらに、循環ポンプ１０及び流量調節弁１１の後段には流量調節弁１２が設けられており、この流量調節弁１２により、カスケードコンデンサー（蒸発器）９の第２の二次冷媒流入量を制御しながら該冷媒の循環が行われるようになっている。

このように、図２に示すヒートポンプシステムによれば、ＮＨ₃二次冷媒サイクルＢに冷熱源を提供する冷媒サイクルが、複数の冷媒サイクル（Ａ、Ｃ）に分散しているため（分散方式）、一括集中方式の冷却システムに比べて、冷却負荷に応じて冷媒量を最適化することができる。したがって、冷媒量のミニマム化をより一層推し進めることができる。

図１及び２の例を用いて説明したヒートポンプシステムによれば、蒸発潜熱が大きく一般冷媒と比較して優れた特性を有するＮＨ_３冷媒が熱源サイクルＡ及びＮＨ_３二次冷媒サイクルＢで用いられるため、冷媒を循環させるのに必要な動力を他のブラインと比べても少なくでき、伝熱性能も良好のため蒸発器での温度アプローチが減少して、性能も向上する。

また、目的負荷を冷却する二次冷媒サイクルＢにＣＯ_２冷媒を使用すると、既存設備を仕様できず新設することになってしまうが、上記ヒートポンプシステムでは、二次冷媒サイクルＢにＮＨ_３冷媒を用いるので、既存設備をそのまま利用することができる。

また、目的負荷を冷却するＮＨ_３二次冷媒サイクルＢ内のＮＨ_３二次冷媒をヘッド差部Ｈおよび循環ポンプ６により循環させるとともに、ＮＨ_３熱源サイクルＡとＮＨ_３二次冷媒サイクルＢとの間のカスケードコンデンサー４（又はカスケードコンデンサー４及び９）において冷媒系統を完全に分離することで、ＮＨ_３熱源サイクルＡの圧縮機１に起因する潤滑油がＮＨ_３二次冷媒サイクルＢに混入することを防止することができる。したがって、潤滑油のメンテナンス作業を機械室（ＮＨ_３熱源サイクルＡ）だけに限定することができ、簡素な保守管理で安全性を確保することができる。

また、二次冷媒として、ＮＨ_３熱源サイクルＡとカスケードコンデンサー４（又はカスケードコンデンサー９）で分離されピュアなＮＨ_３冷媒を使うので、汚れも無く、経年変化も無く、蒸発器８の効率が良い。

さらに、ＮＨ_３熱源サイクルＡと、目的負荷を冷却するＮＨ_３二次冷媒サイクルＢとの間のカスケードコンデンサー４（又はカスケードコンデンサー４及び９）において、冷媒系統が完全に分離されるため、ＮＨ_３二次冷媒サイクルＢの冷媒量を冷却負荷に応じて適切に設定することができる。これにより、ＮＨ_３二次冷媒サイクルＢの冷媒量をミニマム化することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこの例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。

例えば、図２では、ＮＨ_３熱源サイクルＡおよびＮＨ_３二次冷媒サイクルＢが一つの二次冷媒サイクル（第２の二次冷媒サイクルＣ）を介して間接的に連結されたヒートポンプシステムの例について説明したが、２以上の二次冷媒サイクルを介して、ＮＨ_３熱源サイクルＡおよびＮＨ_３二次冷媒サイクルＢを間接的に連結してもよい。

また図１及び２では、カスケードコンデンサー（４、９）の後段に、流量調節弁（５、１１）ないし循環ポンプ（６、１０）を直接設けた例について説明したが、カスケードコンデンサー（４、９）の後段に冷媒を溜める液溜槽を設けてもよい。これにより、冷媒の液面を安定して得ることができるため、液ヘッド差部Ｈの大きさを正確に制御することができる。

Claims (2)

1. 圧縮機、凝縮器、膨張手段及び第１のカスケードコンデンサーを含み、ＮＨ_３冷媒を熱源とするＮＨ_３熱源サイクルと、
   液ヘッド差と循環ポンプを併用した冷媒循環部と、前記第１のカスケードコンデンサーの熱を直接若しくは他の冷媒サイクルを介して自身のＮＨ_３冷媒に吸熱させて吸熱器として機能させたＮＨ_３冷媒凝縮部と、目的負荷を冷却する蒸発器とにより構成されるＮＨ_３ 二次冷媒サイクルとを備えるヒートポンプシステムであって、
   前記ＮＨ_３二次冷媒サイクルの吸熱部と前記蒸発器との間のＮＨ_３冷媒循環経路上に配置され、ＮＨ_３二次冷媒を循環させるヘッド差部および循環ポンプと、
   前記循環ポンプをバイパスするバイパス管路と、
   前記バイパス管路に循環ポンプと並列するように配置される第１の流量調節弁と、前記循環ポンプ及び第１の流量調節弁の後段の蒸発器側に第２の流量調節弁が設けられていることを特徴とするヒートポンプシステム。
2. 前記ＮＨ_３熱源サイクルと前記ＮＨ_３二次冷媒サイクルとの間に介在する他の冷媒サイクルが、自然冷媒を用いた第２の二次冷媒サイクルで、前記ＮＨ_３熱源サイクルのカスケードコンデンサーよりの吸熱を受けて凝縮される第２の二次冷媒が循環するサイクルであり、該第２の二次冷媒サイクルは前記吸熱器として機能する前記第１のカスケードコンデンサーと、前記ＮＨ₃二次冷媒サイクルに熱源を供給する第２のカスケードコンデンサーとにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプシステム。

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