JP5262428B2 - ヒートポンプシステム - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプシステムに関する。

特許文献１は、ヒートポンプ（ヒートポンプ回路）を備えた給湯システムを開示している。特許文献２は、ヒートポンプを備えた蒸気生成システムを開示している。
特開２００５−１６７５９号公報 特開２００７−１２０９１４号公報

本発明は、熱需要に対して高い柔軟性を有するヒートポンプシステムを提供することを目的とする。

本発明の態様に従えば、第１流体が流れるヒートポンプの少なくとも一部を含む第１ユニットと、前記第１流体からの熱を受けた第２流体が流れる経路を含み、前記第２流体の用途に応じて前記第１ユニットの前記ヒートポンプにおける放熱部に対して取り替え可能とされる複数の第２ユニットと、を備え、前記複数の第２ユニットは、前記放熱部との間で構成される熱交換装置にて前記第１流体と熱交換されることで加熱された前記第２流体を蒸気として外部に供給するユニットと、前記熱交換装置にて前記第１流体と熱交換することで加熱された前記第２流体を高圧水又はオイルとして外部に供給するユニットと、前記熱交換装置にて前記第１流体と熱交換することで加熱された前記第２流体を空気として外部に供給するユニットと、を含むことを特徴とするヒートポンプシステムが提供される。

このヒートポンプシステムによれば、第１ユニットに対して第２ユニットが取り替え可能であるから、熱需要に対して高い柔軟性を有することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、一実施形態にかかるヒートポンプシステムを示す概略図である。図１において、ヒートポンプシステムＳ１は、第１ユニット１００（メインユニット）と、第２ユニット２００（サブユニット）と、制御装置７０とを備える。第１ユニット１００は、作動流体（加熱媒体、第１流体）が流れるヒートポンプ１０の少なくとも一部を含む。第２ユニット２００は、被加熱流体（被加熱媒体、第２流体）の供給系２０を含む。後述するように、本実施形態において、第２ユニット２００は、第１ユニット１００に対して取り替え可能である。また、本実施形態において、第２ユニット２００は、ヒートポンプ１０の一部を含むことができる。制御装置７０は、システム全体を統括的に制御する。ヒートポンプシステムＳ１の構成は、設計要求に応じて様々に変更可能である。

ヒートポンプ１０は、蒸発、圧縮、凝縮、及び膨張の各工程からなるサイクルにより、低温の物体から熱を汲み上げ、高温の物体に熱を与える装置である。ヒートポンプは一般に、エネルギー効率が比較的高く、結果として、二酸化炭素等の排出量が比較的少ないという利点を有する。

ボイラのエネルギー効率が一般に約０．７〜０．８（７０〜８０％）であるのに対して、ヒートポンプのエネルギー効率としての成績係数（ＣＯＰ：coefficient of performance）は一般に２．５〜５．０である。

本実施形態において、ヒートポンプ１０は、吸熱部１１、圧縮部１２、放熱部１３、及び膨張部１４を有し、これらは導管を介して接続されている。

吸熱部１１では、主経路１５内を流れる作動流体がサイクル外の熱源の熱を吸収する。本実施形態において、ヒートポンプ１０の吸熱部１１は、冷熱供給装置９０の放熱管９１に熱的に接続される。冷熱供給装置９０において、放熱管９１を流れる媒体（冷媒など）の熱（温排熱）がヒートポンプ１０の吸熱部１１に吸収される。冷却された媒体が冷熱供給装置９０から所定の設備に供給される。ヒートポンプ１０の吸熱部１１が大気など他の熱源の熱を吸収する構成とすることもできる。

圧縮部１２は、圧縮機等によって作動流体を圧縮する。この際、通常、作動流体の温度が上がる。本実施形態において、圧縮部１２は、単段圧縮構造又は多段圧縮構造を有することができる。圧縮部１２は、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機のうち、作動流体の圧縮に適するものが適用される。圧縮機には動力が供給される。多段圧縮構造を有する圧縮部１２において、多軸圧縮構造又は同軸圧縮構造が適用可能である。

放熱部１３は、圧縮部１２で圧縮された作動流体が流れる導管を有し、主経路１５内を流れる作動流体の熱をサイクル外の熱源に与える。放熱部１３を流れる作動流体の少なくとも一部は、ガス域又は超臨界域にあることができる。

膨張部１４は、減圧弁またはタービン等によって作動流体を膨張させる。この際、通常、作動流体の温度が下がる。タービンを使用した場合には膨張部１４から動力を取り出すことができ、その動力を例えば圧縮部１２に供給してもよい。ヒートポンプ１０に使用される作動流体として、フロン系媒体（HFC 245fa、R134aなど）、アンモニア、水、二酸化炭素、空気などの公知の様々な熱媒体が挙げられる。

本実施形態において、第２ユニット２００は、第１ユニット１００に対して取り替え可能である。本実施形態において、第１ユニット１００は、標準化された接続部１１０，１２０を有し、第２ユニット２００は、第１ユニット１００の標準化された接続部１１０，１２０に対応する接続部２１０，２２０を有する。接続部１１０，１２０，２１０，２２０は、流体が流れる導管上に設けることができる。あるいは、接続部１１０，１２０，２１０，２２０は、導管以外の部分に設けることができる。各ユニット１００，２００において、接続部の数は、１、２、３、４、５、６、７、８、９、又は１０以上である。接続部は、様々な形態が適用可能である。

本実施形態において、第２ユニット２００は、ヒートポンプ１０の放熱部１３における熱交換構造の少なくとも一部を含む。また、本実施形態において、接続部１１０，１２０，２１０，２２０は、ヒートポンプ１０の主経路１５上に設けられている。接続部１１０は、ヒートポンプ１０の主経路１５上における、圧縮部１２と放熱部１３との間に配置される。接続部１２０は、ヒートポンプ１０の主経路１５上における、放熱部１３と膨張部１４との間に配置される。接続部２１０は、ヒートポンプ１０の主経路１５上における、放熱部１３の入口付近に配置される。接続部２２０は、ヒートポンプ１０の主経路１５上における、放熱部１３の出口付近に配置される。

本実施形態において、接続部１１０，２１０と接続部１２０，２２０とがボルト等の締結手段を介して互いに機械的にそれぞれ接続可能である。あるいは、接続部１１０，２１０と接続部１２０，２２０とが締結手段を介さずに互いに機械的にそれぞれ接続可能である。本実施形態において、接続部１１０，１２０，２１０，２２０は、流体のリークを防止するシール構造を含むことができる。

本実施形態において、第２ユニット２００は、被加熱流体の用途に応じて、複数のオプションから選択可能である。図２Ａ、２Ｂ、及び２Ｃは、第２ユニット２００のオプションの例を示す模式図である。

図２Ａにおいて、被加熱流体は好ましくは水であり、第２ユニット２００は蒸発ユニットを含む。供給系２０（蒸発ユニット）は、加温部２１と、蒸発部２２と、必要に応じて流体駆動部（不図示）とを有する。また、ヒートポンプ１０において、放熱部１３は、放熱部１３Ａと放熱部１３Ｂとを含む。作動流体の流れ方向に沿って、放熱部１３Ａ及び１３Ｂが実質的に直列に配置されている。放熱部の数は、１、２、３、４、５、６、７、８、９、又は１０以上にできる。

図２Ａにおいて、加温部２１は、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｂに熱的に接続されかつ供給源（不図示）からの水が流れる導管を含む。加温部２１と放熱部１３Ｂとを含んで熱交換器４１（加温器、熱交換装置）が構成される。すなわち、熱交換器４１は、供給系２０の導管の一部（加温部２１）と、ヒートポンプ１０の主経路１５の導管の一部（放熱部１３Ｂ）とが熱的に接続された構造を有する。熱交換器４１は、低温の流体（供給系２０内の水）と高温の流体（ヒートポンプ１０内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。あるいは、熱交換器４１は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有することができる。熱交換器４１の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。加温部２１の導管と放熱部１３Ｂの導管とは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、放熱部１３Ｂの導管を、加温部２１の導管の周りや内部に配設することができる。加温部２１において、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｂからの伝達熱によって、供給系２０内の水が温度上昇する。

図２Ａにおいて、蒸発部２２は、少なくとも液状の被加熱流体（水）を貯溜するタンク４７と、タンク４７に流体的に接続された循環導管４８とを有する。加温部２１とタンク４７との間には、必要に応じて脱気槽（不図示）と、流体駆動部（不図示）とが配置される。タンク４７は、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ（不図示）と、気液分離器（不図示）とを有することができる。

図２Ａにおいて、タンク４７または循環導管４８には、加温部２１からの水の供給口と、蒸気の排出口とが設けられる。循環導管４８の入口端と出口端とはそれぞれタンク４７に接続される。循環導管４８は、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａに熱的に接続される被加熱管５１と、必要に応じて、ポンプ（不図示）と、バルブ（不図示）とを有する。被加熱流体（水）の熱対流及び／又は外部との差圧などを利用してポンプを省くこともできる。

図２Ａにおいて、被加熱管５１と放熱部１３Ａとを含んで熱交換器４５（熱交換装置）が構成される。すなわち、熱交換器４５において、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａと蒸発部２２の被加熱管５１とが熱的に接続される。放熱部１３Ａを流れる作動流体からの熱が被加熱管５１を流れる水に伝わる。熱交換器４５は、低温の流体（被加熱管５１内の水）と高温の流体（ヒートポンプ１０内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。あるいは、熱交換器４１は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。熱交換器４１の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａの導管と、被加熱管５１とは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａの導管を、被加熱管５１の周りや内部に配設することができる。

図２Ａにおいて、蒸発部２２において、加温部２１で温度上昇した水が供給口を介してタンク４７に供給され、タンク４７及び循環導管４８内に水が貯溜される。タンク４７内の液面が所定範囲内になるように、タンク４７への水の供給量が制御される。例えば、レベルセンサの計測結果に基づいて、タンク４７への水の供給量が制御される。ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａを流れる作動流体からの熱を受けた被加熱管５１内の水は、少なくとも一部が蒸発する。蒸発部２２からの熱流体（蒸気）は、外部の所定施設、例えば食品製造設備、電子機器製造プラント、その他製造設備、調理施設、空調設備、発電プラントなどに供給される。

このように、図２Ａにおいて、供給系２０内の水が、ヒートポンプ１０からの熱伝達によって蒸気になる。すなわち、熱交換器４１において、供給系２０内の水がヒートポンプ１０の放熱部１３Ｂからの熱伝達によって沸点近くまで温度上昇する。その後、熱交換器４５において、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａからの熱伝達によってその水が相変化して蒸発する。水の顕熱加熱が主に熱交換器４１（加温器）において行われ、水の潜熱加熱が主に熱交換器４５において行われる。熱交換器４１が顕熱交換に適した形態であり、熱交換器４５が潜熱交換に適した形態であるといった、装置構成の最適化が図られ、これに応じて、好ましい加熱プロセスを経て蒸気が発生する。

図２Ａに示される形態において、熱交換器４１，４５及びタンク４７は、プレート式熱交換構造、プール沸騰式熱交換構造、又は液膜蒸発熱交換構造を好ましく採用することができる。熱交換器４５における作動流体の入口温度は例えば約１２０℃〜１６０℃である。蒸発部２２からは、例えば約１００℃の飽和蒸気が出力される。この場合、図２Ａに示される形態は、例えば、６０℃〜１００℃程度の熱環境又は熱流体を必要とする所定の設備に好ましく利用可能である。上記数値は一例であって本発明はこれに限定されない。

図２Ｂにおいて、第２ユニット２００は多段（２段）の加熱部を含み、被加熱流体は、好ましくは高圧水（圧縮水）又は低粘性オイル（例えば、シリコンオイル、プロピレングリコールなど）である。第２ユニット２００において、供給系２０は、第１加熱部６１と、第２加熱部６２とを含む。また、ヒートポンプ１０において、放熱部１３は、放熱部１３Ａと放熱部１３Ｂとを含む。作動流体の流れ方向に沿って、放熱部１３Ａ及び１３Ｂが実質的に直列に配置されている。加熱部及び放熱部のそれぞれの数は、１、２、３、４、５、６、７、８、９、又は１０以上にできる。

図２Ｂにおいて、第１加熱部６１は、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｂに熱的に接続されかつ供給源（不図示）からの被加熱流体が流れる導管を含む。第１加熱部６１と放熱部１３Ｂとを含んで熱交換器６５（熱交換装置）が構成される。すなわち、熱交換器６５は、供給系２０の導管の一部（第１加熱部６１）と、ヒートポンプ１０の主経路１５の導管の一部（放熱部１３Ｂ）とが熱的に接続された構造を有する。熱交換器６５は、低温の流体（供給系２０内の被加熱流体）と高温の流体（ヒートポンプ１０内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。あるいは、熱交換器６５は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有することができる。熱交換器６５の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。第１加熱部６１の導管と放熱部１３Ｂの導管とは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、放熱部１３Ｂの導管を、第１加熱部６１の導管の周りや内部に配設することができる。第１加熱部６１において、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｂからの伝達熱によって、供給系２０内の被加熱流体が温度上昇する。

図２Ｂにおいて、第２加熱部６２は、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａに熱的に接続されかつ供給源（不図示）からの被加熱流体が流れる導管を含む。第２加熱部６２と放熱部１３Ａとを含んで熱交換器６６（熱交換装置）が構成される。すなわち、熱交換器６６は、供給系２０の導管の一部（第２加熱部６２）と、ヒートポンプ１０の主経路１５の導管の一部（放熱部１３Ａ）とが熱的に接続された構造を有する。熱交換器６６は、低温の流体（供給系２０内の被加熱流体）と高温の流体（ヒートポンプ１０内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。あるいは、熱交換器６６は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有することができる。熱交換器６６の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。第２加熱部６２の導管と放熱部１３Ａの導管とは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、放熱部１３Ａの導管を、第２加熱部６２の導管の周りや内部に配設することができる。第２加熱部６２において、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａからの伝達熱によって、供給系２０内の被加熱流体がさらに温度上昇する。

このように、図２Ｂにおいて、供給系２０内の被加熱流体は、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａ，１３Ｂを流れる作動流体から段階的に熱を受ける。その結果、第２加熱部６２からの被加熱流体は、比較的高い温度を有することができる。第２加熱部６２からの熱流体（高圧水又は低粘性オイル）は、外部の所定施設、例えば食品製造設備、電子機器製造プラント、その他製造設備、調理施設、空調設備、発電プラントなどに供給される。

図２Ｂに示される形態において、熱交換器６５，６６は、プレート式熱交換構造を好ましく採用することができる。熱交換器６６における作動流体の入口温度は例えば約１２０℃〜１６０℃である。熱交換器６６からは、例えば約１２０℃〜１６０℃の熱流体が出力される。この場合、図２Ｂに示される形態は、例えば、１００℃〜１５０℃程度の熱環境又は熱流体を必要とする所定の設備に好ましく利用可能である。上記数値は一例であって本発明はこれに限定されない。

図２Ｃにおいて、被加熱流体は好ましくは空気であり、第２ユニット２００は空気用の比較的大型の熱交換ユニットを含む。第２ユニット２００において、供給系２０は、加熱部６８を含む。

図２Ｃにおいて、加熱部６８は、ヒートポンプ１０の放熱部１３に熱的に接続されかつ空気が流れる導管を含む。加熱部６８と放熱部１３とを含んで熱交換器６９（熱交換装置）が構成される。すなわち、熱交換器６９は、供給系２０の導管の一部（加熱部６９）と、ヒートポンプ１０の主経路１５の導管の一部（放熱部１３）とが熱的に接続された構造を有する。熱交換器６９は、低温の流体（供給系２０内の被加熱流体）と高温の流体（ヒートポンプ１０内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。あるいは、熱交換器６９は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有することができる。熱交換器６９の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。加熱部６８の導管と放熱部１３の導管とは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、放熱部１３の導管を、加熱部６８の導管の周りや内部に配設することができる。加熱部６８において、ヒートポンプ１０の放熱部１３からの伝達熱によって、供給系２０内の空気が温度上昇する。

このように、図２Ｃにおいて、供給系２０内の空気は、ヒートポンプ１０の放熱部１３を流れる作動流体から熱を受ける。加熱部６８からの加熱された空気は、外部の所定施設、例えば食品製造設備、電子機器製造プラント、その他製造設備、調理施設、空調設備、発電プラントなどに供給される。

図２Ｃに示される形態において、熱交換器６９は、シェル・アンド・チューブ式の熱交換構造を好ましく採用することができる。熱交換器６６における作動流体の入口温度は例えば約１２０℃〜１６０℃である。熱交換器６６からは、例えば約８０℃〜１５０℃の空気が出力される。この場合、図２Ｃに示される形態は、例えば、１００℃〜１４０℃程度の熱環境又は熱流体を必要とする所定の設備に好ましく利用可能である。上記数値は一例であって本発明はこれに限定されない。

以上説明したように、本実施形態において、熱交換構造の少なくとも一部を含む第２ユニット２００が第１ユニット１００に対して取り替え可能である。第２ユニット２００に対する複数のオプションは互いに異なる熱交換構造を有することができる。したがって、ヒートポンプシステムＳ１によれば、被加熱流体の用途に応じて、第２ユニット２００として最適な熱交換構造を有するオプションが選択されることにより、比較的高い成績係数（ＣＯＰ：coefficient of performance）を有しつつ、様々な熱需要に対して高い柔軟性を有することができる。

なお、１つの第１ユニット１００に対して、複数の第２ユニット２００を接続することも可能である。この形態において、複数の第２ユニット２００の少なくとも２以上が、互いに異なる熱交換構造を有する。また、この形態は、複数の第２ユニット２００のうちの１以上を選択的に稼動可能な切替構造を有することができる。

また、１つの第２ユニット２００に対して、複数の第１ユニット１００を接続することも可能である。この形態において、例えば、１つの第２ユニット２００に対して複数の第１ユニット１００が並列に配置される。

上記説明において使用した数値及び図面に記載した温度は一例であって、本発明はこれに限定されない。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれら実施例に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の請求の範囲によってのみ限定される。

一実施形態にかかるヒートポンプシステムを示す概略図である。 第２ユニットのオプションの例を示す模式図である。 第２ユニットのオプションの例を示す模式図である。 第２ユニットのオプションの例を示す模式図である。

符号の説明

Ｓ１…ヒートポンプシステム、１０…ヒートポンプ、１１…吸熱部、１２…圧縮部、１３，１３Ａ，１３Ｂ…放熱部、１４…膨張部、１５…主経路、２０…供給系、２１…加温部、２２…蒸発部、４１，４５，６５，６６，６９…熱交換器、４７…タンク、６１，６２，６８…加熱部、７０…制御装置、１００…第１ユニット、２００…第２ユニット。

Claims (3)

1. 第１流体が流れるヒートポンプの少なくとも一部を含む第１ユニットと、
   前記第１流体からの熱を受けた第２流体が流れる経路を含み、前記第２流体の用途に応じて前記第１ユニットの前記ヒートポンプにおける放熱部に対して取り替え可能とされる複数の第２ユニットと、を備え、
   前記複数の第２ユニットは、
   前記放熱部との間で構成される熱交換装置にて前記第１流体と熱交換されることで加熱された前記第２流体を蒸気として外部に供給するユニットと、
   前記熱交換装置にて前記第１流体と熱交換することで加熱された前記第２流体を高圧水又はオイルとして外部に供給するユニットと、
   前記熱交換装置にて前記第１流体と熱交換することで加熱された前記第２流体を空気として外部に供給するユニットと、を含むことを特徴とするヒートポンプシステム。
2. 前記第１流体は、超臨界域にあること特徴とする請求項１に記載のヒートポンプシステム。
3. 前記熱交換装置は、プレート式熱交換構造の少なくとも一部、プール沸騰式熱交換構造の少なくとも一部、シェル・アンド・チューブ式熱交換構造の少なくとも一部、及び液膜蒸発熱交換構造の少なくとも一部のうちの１以上を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプシステム。

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