JP5409022B2 - High-temperature heat pump system - Google Patents
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本発明は、高温型ヒートポンプシステムに関する。 The present invention relates to a high-temperature heat pump system.
従来より、ヒートポンプシステムにおける熱媒体の出力温度は、40〜50℃が一般的である。出力温度が高いシステムとしては、ボイラで燃料を燃焼させて被加熱流体を加熱する構成が知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, the output temperature of the heat medium in the heat pump system is generally 40 to 50 ° C. As a system having a high output temperature, a configuration is known in which a heated fluid is heated by burning fuel in a boiler (see, for example, Patent Document 1).
近年、ボイラを有するシステムの代替などのために、高い出力温度を有するヒートポンプシステムが求められている。 In recent years, there has been a demand for a heat pump system having a high output temperature in order to replace a system having a boiler.
本発明は、高い出力温度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。 An object of this invention is to provide the heat pump system which has high output temperature.
本発明の態様に従えば、第1流体が流れ、吸熱部、圧縮部、放熱部、及び膨張部を含むヒートポンプを備える第1ユニットと、第2流体が流れる経路を含み、前記第1流体からの伝達熱を受けた前記第2流体が出力される第2ユニットと、を備え、前記ヒートポンプは、前記放熱部からの前記第1流体が流れ込み、液相の前記第1流体と気相の前記第1流体とを一時的に貯溜し、気相の前記第1流体が前記圧縮部に供給される中間部と、前記中間部に向かう前記第1流体及び前記中間部からの前記第1流体の少なくとも一方からの熱が、前記圧縮部に向かう前記第1流体及び前記圧縮部の途中の前記第1流体の少なくとも一方に伝わる中間熱交換部と、をさらに含み、前記中間熱交換部は、前記放熱部から前記中間部内に流れ込む前記第1流体の少なくとも一部からの熱を、前記中間部から前記圧縮部に向かう前記気相の第1流体に伝える第1中間熱交換部を含む、高温型ヒートポンプシステムが提供される。 According to an aspect of the present invention, the first fluid flows, includes a first unit including a heat pump including a heat absorbing part, a compressing part, a heat radiating part, and an expanding part, and a path through which the second fluid flows, and from the first fluid A second unit that outputs the second fluid that has received the transfer heat of the heat pump, wherein the heat pump flows in the first fluid from the heat radiating portion , and the liquid first fluid and the gas phase An intermediate part in which the first fluid is temporarily stored and the gas-phase first fluid is supplied to the compression part; the first fluid heading toward the intermediate part; and the first fluid from the intermediate part An intermediate heat exchanging portion that transfers heat from at least one of the first fluid toward the compressing portion and at least one of the first fluid in the middle of the compressing portion, the intermediate heat exchanging portion, The first flow flowing from the heat radiating portion into the intermediate portion Heat from at least a portion of the comprising a first intermediate heat exchanger unit for transmitting from the intermediate portion to the first fluid in the gas phase towards the compression section, a high temperature heat pump system is provided.
本発明の態様によれば、中間熱交換部において、比較的高温を有する第1流体からの熱が、圧縮部に向かう第1流体及び圧縮部の途中の第1流体の少なくとも一方に伝わり、その結果、第2流体を安定的に高温加熱することが可能となる。 According to the aspect of the present invention, in the intermediate heat exchange part, heat from the first fluid having a relatively high temperature is transmitted to at least one of the first fluid toward the compression part and the first fluid in the middle of the compression part, As a result, the second fluid can be stably heated at a high temperature.
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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、第1実施形態にかかる高温型ヒートポンプシステムS1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、作動流体(作動媒体、第1流体)が流れるヒートポンプ10(第1ユニット)と、被加熱流体(被加熱媒体、第2流体)の供給ユニット20(第2ユニット)と、制御装置70とを備える。制御装置70は、システム全体を統括的に制御する。システムS1の構成は、システムS1の設計要求に応じて様々に変更可能である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a high-temperature heat pump system S1 according to the first embodiment. In FIG. 1, a heat pump system S1 includes a heat pump 10 (first unit) through which a working fluid (working medium, first fluid) flows, and a supply unit 20 (second unit) for a heated fluid (heated medium, second fluid). ) And a
本実施形態において、被加熱流体は水である。他の実施形態において、被加熱流体として、他の媒体が適用可能である。被加熱流体の他の例として、高圧水(圧縮水)、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)などを使用することができる。 In the present embodiment, the fluid to be heated is water. In other embodiments, other media are applicable as the heated fluid. As other examples of the fluid to be heated, high-pressure water (compressed water), low-viscosity oil (for example, silicon oil, propylene glycol, or the like) can be used.
本実施形態において、供給ユニット20は被加熱流体が流れる経路(導管22)を有し、供給源から供給ユニット20に被加熱流体が供給される。供給ユニット20からの被加熱流体(水)の出力温度(取り出し温度)は、80、85、90、95、100、105、110、115、120、125、130、135、140、145、又は150℃以上である。例えば、大気圧下で水が100℃以上に加熱されることにより、供給ユニット20から100℃以上の蒸気が出力される。なお、本実施形態において、必要に応じて、低い出力温度(70℃未満)の被加熱流体を取り出すことが可能である。
In the present embodiment, the
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。
The
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。本実施形態において、ヒートポンプ10はさらに、中間部40と、中間熱交換部41とを含む。なお、各部及び導管には、必要に応じて、不図示の、各種センサ、ポンプ、バルブ等を配設することができる。
In the present embodiment, the
吸熱部11では、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、吸熱部11は、外部装置90の放熱管91に熱的に接続され、その内部で作動流体が蒸発する蒸発器を含む。放熱管91を流れる媒体(冷媒など)の熱がヒートポンプ10の吸熱部11に吸収される。熱源として、外部装置90の排熱を利用することも可能である。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。
In the
本実施形態において、吸熱部11は、作動流体の液相が存在する領域と、作動流体の気相が存在する領域とを有する。外部装置90の放熱管91は液相の領域に配置される。代替的又は追加的に、吸熱部11が散液構造を有することができる。
In the present embodiment, the
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。圧縮部12は、作動流体を単段又は複数段に圧縮する構造を有する。圧縮の段数は、システムS1の仕様に応じて設定され、1、2、3、4、5、6、7、8、9、あるいは10以上である。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。圧縮部12の圧縮比(圧力比)は、システムS1の仕様に応じて設定される。
The
本実施形態において、圧縮部12は、第1圧縮部12Aと第2圧縮部12Bとを含む2段圧縮構造を有する。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システムS1の仕様及び熱バランスなどに応じて用いられる。本実施形態において、作動流体としてR134aを使用する場合、第1圧縮部12Aは、吸熱部11からの低圧のR134aを中間圧に昇圧する。第2圧縮部12Bは、第1圧縮部12A及び中間部40からのR134aを高圧(超臨界圧領域を含む)に昇圧する。なお、本発明は、作動流体の少なくとも一部が超臨界状態になる仕様、及び作動流体が超臨界状態にならない仕様の双方が適用可能である。
In the present embodiment, the
放熱部13では、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。本実施形態において、放熱部13は、供給ユニット20に熱的に接続され、その内部で作動流体が放熱し、液相となる。
In the
本実施形態において、作動流体としてR134aを使用する場合、超臨界状態及び液相のR134aと供給ユニット20を流れる水との間で熱交換が行われ、供給ユニット20から過熱蒸気が出力される。
In the present embodiment, when R134a is used as the working fluid, heat exchange is performed between the supercritical state and liquid phase R134a and the water flowing through the
本実施形態において、放熱部13は、気相(または超臨界状態)の作動流体が存在する領域と、液相の作動流体が存在する領域とを有する。供給ユニット20の導管22は、両領域にわたって配置される。代替的又は追加的に、放熱部13が散液構造を有することができる。
In the present embodiment, the
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。
The
本実施形態において、膨張部14は、高圧膨張弁24と低圧膨張弁25とを含む。高圧膨張弁24は、放熱部13と中間部40とを流体的に接続する導管26上に配置され、放熱部13からの高圧の作動流体を中間圧に減圧する。より具体的には、高圧膨張弁24の配設位置は、導管26上であって、中間部40における作動流体の入口の手前である。高圧膨張弁24は、作動流体の流量を制御することもできる。
In the present embodiment, the
低圧膨張弁25は、中間部40と吸熱部11とを流体的に接続する導管27上に配置され、中間部40からの作動流体を低圧に減圧する。より具体的には、低圧膨張弁25の配設位置は、導管27上であって、吸熱部11における作動流体の入口の手前である。低圧膨張弁25も、作動流体の流量を制御することもできる。
The low
中間部40は、中間圧に減圧された作動流体を気相と液相に分離するとともに、作動流体を少なくとも一時的に貯溜する。中間部40からの気相の作動流体が導管23を介して圧縮部12に注入される。また、中間部40からの液相の作動流体が導管27を介して吸熱部11に導かれる。
The
中間熱交換部41は、比較的高温を有する作動流体の熱の一部を、圧縮部12に供給される作動流体に与えるためのものである。本実施形態においては、中間熱交換部41において、放熱部13からの作動流体と、中間部40から圧縮部12に向かう作動流体との間で熱交換が行われる。以後の説明において、これらの間の熱交換機能を有する中間熱交換部を「第1中間熱交換部」と適宜称する。
The intermediate
本実施形態において、第1中間熱交換部41は、中間部40の一部(気相部)とヒートポンプ10の主経路15の導管の一部(放熱部13と中間部40との間の導管26の一部)とが熱的に接続された構成を有する。本実施形態において、中間部40の内部空間における気相領域に、導管26の一部が配置されている。第1中間熱交換部41は、高温の流体(導管26内の作動流体)と低温の流体(中間部40内の作動流体)とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、第1中間熱交換部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構造を有してもよい。
In the present embodiment, the first intermediate
第1中間熱交換部41は、プレート式熱交換構造、フィン・アンド・チューブ式熱交換構造など、様々な熱交換構造を適用可能である。
Various heat exchange structures such as a plate heat exchange structure and a fin-and-tube heat exchange structure can be applied to the first intermediate
上記構成のヒートポンプシステムS1において、ヒートポンプ10が運転されると、ヒートポンプ10から供給された熱により供給ユニット20を流れる水が加熱され、その結果、高温の水又は蒸気が供給ユニット20から出力される。
In the heat pump system S1 configured as described above, when the
以下、ヒートポンプシステムS1の動作について説明する。
ヒートポンプ10において、圧縮部12が駆動される。第1圧縮部12Aは、作動流体を中間圧まで圧縮する。第2圧縮部12Bは、第1圧縮部12Aからの作動流体及び中間部40からの作動流体を高圧まで圧縮する。
Hereinafter, the operation of the heat pump system S1 will be described.
In the
圧縮部12からの圧縮された作動流体は、放熱部13に供給される。放熱部13において、作動流体からの熱が供給ユニット20の導管22を流れる被加熱流体(水)に伝わる。供給ユニット20から、高温に昇温した水又は蒸気が出力される。作動流体と被加熱媒体との間の熱交換に伴い、放熱部13の内部において、作動流体の一部が液相になる。
The compressed working fluid from the
放熱部13からの液相の作動流体は、高圧膨張弁24により中間圧まで減圧される。高圧膨張弁24の開度が制御されることにより、放熱部13の液面レベルが制御可能である。
The liquid-phase working fluid from the
高圧膨張弁24からの減圧された作動流体は、中間部40に流入する。中間部40において、作動流体が気相及び液相に分離される。中間部40からの気相の作動流体は、導管23を介して、圧縮部12の途中(第1圧縮部12Aと第2圧縮部12Bとの段間)に供給される。
The reduced working fluid from the high
中間部40からの液相の作動流体は、低圧膨張弁25により低圧まで減圧される。低圧膨張弁25の開度が制御されることにより、中間部40の液面レベルが制御可能である。
The liquid-phase working fluid from the
中間部40からの減圧された作動流体は、吸熱部11に供給される。吸熱部11において、サイクル外からの媒体の熱が作動流体に伝わる。サイクル外の媒体と作動流体との間の熱交換に伴い、吸熱部11の内部において、作動流体の一部が蒸発する。吸熱部11からの気相の作動流体は、圧縮部12に供給される。このようにして、上述のサイクルが繰り返される。
The decompressed working fluid from the
本実施形態において、作動流体として、R134aを使用した場合には、放熱部13において、R134aからの熱が供給ユニット20内の被加熱流体(水)に伝わり、120℃程度の過熱蒸気が生成可能である。R134a(HFC134a)の臨界点の温度は、水の標準沸点である100℃の近傍であり、圧縮部12からのR134aの出力温度は150℃程度に設定可能である。そのため、R134aは、被加熱媒体が水であるヒートポンプサイクルの作動流体として好適である。また、圧縮部12からのR134aの出力温度が150℃程度に設定されることにより、その圧力が4MPa程度に比較的低く抑えられる。これは、装置コスト低減の上で有利である。
In the present embodiment, when R134a is used as the working fluid, the heat from the R134a is transferred to the heated fluid (water) in the
本実施形態において、第1中間熱交換部41において、比較的高温を有する放熱部13からの作動流体からの熱が、中間部40から圧縮部12の段間に向かう作動流体に伝わる。その結果、圧縮部12の段間(第2圧縮部12Bの入口)に注入される作動流体が加熱される。注入流体の温度が上昇すると、圧縮部12からの作動流体の出力温度も上昇する。したがって、本実施形態によれば、被加熱媒体を安定的に高温加熱することが可能となる。
In the present embodiment, in the first intermediate
なお、中間部40から圧縮部12の段間に向かう作動流体の加熱は、作動流体の余剰熱のリカバーに効果的であり、その結果、エネルギー効率としての成績係数(COP:coefficient of performance)の向上に有利であることが確かめられている。
Note that the heating of the working fluid from the
本実施形態において、第1中間熱交換部41において中間部40から圧縮部12の段間に向かう作動流体を加熱することで圧縮部12からの作動流体の出力温度も上昇する。この結果、温熱出力を有効に増加することができる(圧縮機動力の増加を上回る出力の増加が得られる)。
In the present embodiment, the output temperature of the working fluid from the
本実施形態において、第1中間熱交換部41は、中間部40の内部における気相の作動流体を加熱する。第1中間熱交換部41と中間部40とが実質的に一体化されることは、装置のコンパクト化の点で有利である。なお、代替的に、中間部40と第1中間熱交換部41とを実質的に分けることもできる。
In the present embodiment, the first intermediate
次に、本発明の第2実施形態について図2を参照して説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図2は、第2実施形態にかかるヒートポンプシステムS2を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。 FIG. 2 is a schematic diagram showing a heat pump system S2 according to the second embodiment. In the following description, the same components as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
図2に示すように、ヒートポンプシステムS2は、第1中間熱交換部41に加えて、比較的高温を有する作動流体の熱の一部を、圧縮部12に供給される作動流体に与える2つの中間熱交換部42、43を備える。
As shown in FIG. 2, in addition to the first intermediate
まず、中間熱交換部42において、放熱部13からの作動流体と、吸熱部11から圧縮部12に向かう作動流体との間で熱交換が行われる。以後の説明において、これらの間の熱交換機能を有する中間熱交換部を「第2中間熱交換部」と適宜称する。
First, in the intermediate
本実施形態において、第2中間熱交換部42は、吸熱部11の一部(気相部)とヒートポンプ10の主経路15の導管の一部(放熱部13と中間部40との間の導管26の一部)とが熱的に接続された構成を有する。本実施形態において、吸熱部11の内部空間における気相領域に、導管26の一部が配置されている。第2中間熱交換部42は、高温の流体(導管26内の作動流体)と低温の流体(吸熱部11内の作動流体)とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、第2中間熱交換部42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構造を有してもよい。
In the present embodiment, the second intermediate
本実施形態において、第1中間熱交換部41及び第2中間熱交換部42の双方に放熱部13と中間部40とを流体的に接続する導管26の一部が配置される。すなわち、第1中間熱交換部41に配置される導管26と、第2中間熱交換部42に配置される導管26とは流体的につながっている。放熱部13からの液相の作動流体は、先に第1中間熱交換部41に配置された導管26を流れ、その後に、第2中間熱交換部42に配置された導管26を流れる。また、第2中間熱交換部42からの作動流体は、高圧膨張弁24を介して、中間部40に導かれる。
In the present embodiment, a part of the
次に、中間熱交換部43において、中間部40からの作動流体と、吸熱部11から圧縮部12に向かう作動流体との間で熱交換が行われる。以後の説明において、これらの間の熱交換機能を有する中間熱交換部を「第3中間熱交換部」と適宜称する。
Next, in the intermediate
本実施形態において、第3中間熱交換部43は、吸熱部11の一部(気相部)とヒートポンプ10の主経路15の導管の一部(中間部40と吸熱部11との間の導管27の一部)とが熱的に接続された構成を有する。本実施形態において、吸熱部11の内部空間における気相領域に、導管27の一部が配置されている。第3中間熱交換部43は、高温の流体(導管27内の作動流体)と低温の流体(吸熱部11内の作動流体)とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、第3中間熱交換部43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構造を有してもよい。
In the present embodiment, the third intermediate
第2及び第3中間熱交換部42、43は、プレート式熱交換構造、フィン・アンド・チューブ式熱交換構造など、様々な熱交換構造を適用可能である。
Various heat exchange structures such as a plate-type heat exchange structure and a fin-and-tube heat exchange structure can be applied to the second and third intermediate
上記構成のヒートポンプシステムS2においては、第1中間熱交換部41に加えて、2つの中間熱交換部(第2中間熱交換部42、及び第3中間熱交換部43)が設けられており、第1、第2、及び第3中間熱交換部41、42、43のそれぞれにおいて、作動流体の余剰熱が有効利用される。
In the heat pump system S2 having the above configuration, in addition to the first intermediate
第3中間熱交換部43において、比較的高温を有する中間部40からの作動流体からの熱が、吸熱部11から圧縮部12に向かう作動流体に伝わる。さらに、第2中間熱交換部42において、比較的高温を有する放熱部13(第1中間熱交換部41からの作動流体)からの熱が、吸熱部11から圧縮部12に向かう作動流体に伝わる。
In the third intermediate
その結果、圧縮部12の段間(第2圧縮部12Bの入口)に注入される作動流体が加熱されるとともに、圧縮部12(第1圧縮部12A)の入口に導入される作動流体が加熱される。注入流体及び導入流体の温度(圧縮部12における作動流体の入口温度)が上昇すると、圧縮部12からの作動流体の出力温度も上昇する。したがって、本実施形態によれば、被加熱媒体を安定的に高温加熱することが可能となる。
As a result, the working fluid injected between the stages of the compression unit 12 (inlet of the
本実施形態において、第3中間熱交換部43において、中間部40からの作動流体の熱が奪われるから、低圧膨張弁25及び吸熱部11に対する作動流体の入力温度が降下する。その結果、作動流体の液ガス比の最適化が図られ、吸熱部11においてサイクル外の熱源から有効に熱が吸収される。
In the present embodiment, since the heat of the working fluid from the
本実施形態において、第2及び第3中間熱交換部42、43は、吸熱部11の内部における気相の作動流体を加熱する。第2及び第3中間熱交換部42、43と吸熱部11とが実質的に一体化されることは、装置のコンパクト化の点で有利である。なお、代替的に、吸熱部11と第2及び第3中間熱交換部42、43とを実質的に分けることもできる。
In the present embodiment, the second and third intermediate
次に、本発明の第3実施形態について図3を参照して説明する。 Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図3は、第3実施形態にかかるヒートポンプシステムS3を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。 FIG. 3 is a schematic diagram showing a heat pump system S3 according to the third embodiment. In the following description, the same components as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
図3に示すように、ヒートポンプシステムS3において、ヒートポンプ10の放熱部13が、主放熱部13Aと、補放熱部13Bとを含む。
As shown in FIG. 3, in the heat pump system S3, the
本実施形態において、主放熱部13Aと補放熱部13Bとは互いに隣接して配置される。主放熱部13Aの下流位置に補放熱部13Bが配置される。主放熱部13Aと補放熱部13Bとは互いに流体的につながっている。主放熱部13Aからの作動流体が、補放熱部13Bに導入される。
In the present embodiment, the main
主放熱部13Aは、供給ユニット20に熱的に接続される。本実施形態において、主放熱部13Aは、気相(または超臨界)の作動流体が存在する領域と、液相の作動流体が存在する領域とを有する。供給ユニット20の導管22Aは、主放熱部13Aの両領域にわたって配置される。代替的又は追加的に、主放熱部13Aが散液構造を有することができる。
The main
補放熱部13Bも、供給ユニット20に熱的に接続される。本実施形態において、液相の作動流体が存在する領域を有する。供給ユニット20の導管22Bは、主放熱部13Aの液相領域に配置される。
The auxiliary
本実施形態において、主放熱部13Aは、高温の流体(主放熱部13A内の作動流体)と低温の流体(導管22A内の被加熱流体)とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、主放熱部13A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構造を有してもよい。同様に、主放熱部13Bは、向流型の熱交換構造又は並行流型の熱交換構造を有することができる。
In the present embodiment, the main
主放熱部13Aでの作動流体と被加熱流体(水)との間の熱交換に伴い、主放熱部13Aで作動流体の熱の一部が奪われる。そのため、補放熱部13Bにおける作動流体の温度は、主放熱部13Aにおける作動流体の温度に比べて低い。
Along with the heat exchange between the working fluid and the fluid to be heated (water) in the main
本実施形態において、導管22Aと導管22Bとは互いに流体的につながっている。供給源からの被加熱流体(水)は、先に導管22Bを流れ、その後、導管22Aを流れる。したがって、被加熱流体は、主放熱部13Aでの比較的高熱での加熱の前に、補放熱部13Bで比較的低熱で加熱(予熱)される。
In the present embodiment, the
上記構成のヒートポンプシステムS3においては、被加熱流体は、補放熱部13Bにおいて比較的低温加熱され、主放熱部13Aにおいて比較的高温加熱される。補放熱部13Bにおける予熱により、被加熱媒体を安定的に高温加熱することが可能となる。すなわち、本実施形態において、第1、第2、及び第3中間熱交換部41、42、43、及び補放熱部13Bのそれぞれにおいて、作動流体の余剰熱が有効利用される。
In the heat pump system S3 configured as described above, the fluid to be heated is heated at a relatively low temperature in the auxiliary
次に、本発明の第4実施形態について図4を参照して説明する。 Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図4は、第4実施形態にかかるヒートポンプシステムS4を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。 FIG. 4 is a schematic diagram showing a heat pump system S4 according to the fourth embodiment. In the following description, the same components as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
図4に示すように、ヒートポンプシステムS4において、ヒートポンプ10は、主放熱部13Aからの作動流体が補放熱部13Bを迂回して第1中間熱交換部41に向かう分岐部50をさらに含む。
As shown in FIG. 4, in the heat pump system S <b> 4, the
本実施形態において、主放熱部13Aと補放熱部13Bとの間に分岐部50が設けられる。分岐部50の第1出口は、補放熱部13Bに流体的に接続される。分岐部50の第2出口は、導管26を介して、第1中間熱交換部41に流体的に接続される。主放熱部13Aからの作動流体の一部は、補放熱部13Bを流れた後、補低圧膨張弁28を介して吸熱部11に導入される。主放熱部13Aからの作動流体の残りは、第1中間熱交換部41、第2中間熱交換部42、中間部40、及び第3中間熱交換部43の順に流れ、その後、低圧膨張弁25を介して吸熱部11に導入される。分岐部50は、例えば、分岐配管、及び各分岐流量を制御する流量制御弁などを含むことができる。
In this embodiment, the
上記構成のヒートポンプシステムS4においては、第1、第2、及び第3中間熱交換部41、42、43、及び補放熱部13Bのそれぞれにおいて、作動流体の余剰熱が有効利用される。さらに、本実施形態によれば、分岐部50を介して主放熱部13Aからの作動流体が分岐されることにより、余剰熱の適切な配分が可能となる。
In the heat pump system S4 having the above-described configuration, surplus heat of the working fluid is effectively used in each of the first, second, and third intermediate
本実施形態において、所定のセンサの出力に基づいて、各分岐流量を制御する構成を採用することができる。例えば、吸熱部11に供給される外部からの熱量に関する情報(例えば、吸熱部11に供給される熱媒体の温度及び/又は流量に関する情報)が制御装置70に送られる。制御装置70は、少なくともその情報に基づき、分岐流量を制御する流量制御弁を駆動する。熱配分のための情報は、吸熱部11からの情報に限定されず、例えば、供給ユニット20からの出力温度に関する情報など他の情報が利用可能である。制御装置70は、補放熱部13B、中間熱交換部(第1、第2、及び第3中間熱交換部41、42、43)における必要熱を決定し、決定された各必要熱に応じて流量制御弁を駆動して分岐流量比を制御する。熱配分により、ヒートポンプシステムS4の熱バランスの最適化が可能となる。なお、追加的に、より細かく熱配分を制御するために、分岐部50以外の箇所で作動流体の流量を制御する構成を採用することができる。
In this embodiment, the structure which controls each branch flow volume based on the output of a predetermined sensor is employable. For example, information related to the amount of heat from the outside supplied to the heat absorbing unit 11 (for example, information related to the temperature and / or flow rate of the heat medium supplied to the heat absorbing unit 11) is sent to the
ここで、上記したシステムにおける熱効率について評価を行った。数値計算により、図1に示したヒートポンプシステムS1において、第1中間熱交換部41は、COPを約2%向上させることが確認された。図2に示したヒートポンプシステムS2において、第3中間熱交換部43は、COPを約5%向上させることが確認された。第1中間熱交換部41と第3中間熱交換部43との組み合わせは、COPを約6%向上させ、また、第1中間熱交換部41、第2中間熱交換部42、及び第3中間熱交換部43の組み合わせは、COPを約5%向上させることが確認された。所定の条件下において、図2に示すヒートポンプシステムS2は、COPが3.4程度を達成することが可能であることが確認された。
Here, the thermal efficiency in the above-described system was evaluated. From the numerical calculation, it was confirmed that in the heat pump system S1 shown in FIG. 1, the first intermediate
次に、本発明の第5実施形態について図5を参照して説明する。 Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図5は、第5実施形態にかかるヒートポンプシステムS5を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。 FIG. 5 is a schematic diagram showing a heat pump system S5 according to the fifth embodiment. In the following description, the same components as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
図5に示すように、ヒートポンプシステムS5において、供給ユニット20における経路20は、ヒートポンプ10の放熱部13A、13Bに熱的に接続される第1経路(導管22A、導管22B)に加え、ヒートポンプ10の圧縮部12の途中に熱的に接続される第2経路(導管29)を含む。
As shown in FIG. 5, in the heat pump system S5, the
本実施形態において、供給源からの被加熱流体(水)は、導管22Bを流れて補放熱部13Bで予熱され、その後、分岐部51で分岐される。分岐部51の第1出口は、主放熱部13Aと熱的に接続された導管22Aに流体的に接続される。分岐部51の第2出口は、圧縮部12に熱的に接続された導管29に流体的に接続される。補放熱部13Bによって予熱された被加熱流体の一部は、主放熱部13Aによって比較的高温加熱される。予熱された残りの被加熱流体は、圧縮部12の段間における作動流体からの熱を受けて比較的高温加熱される。
In the present embodiment, the fluid to be heated (water) from the supply source flows through the
上記構成のヒートポンプシステムS5においては、ヒートポンプ10の圧縮部12の段間における作動流体が冷却可能である。第2圧縮部12Bの入力温度が抑えられることにより、第2圧縮部12Bの圧縮効率の向上が図られる。つまり、作動流体の圧縮過程における作動流体の温度上昇が抑制される結果、圧縮部12の圧縮効率の向上及び圧縮機の動力の低減化が図られる。また、段間冷却は、上記の圧縮効率の向上に加え、ヒートポンプ10を流れる作動流体が圧縮によって過度に温度上昇するのを防止する。放熱温度が適切に制御されることで、ヒートポンプ10の放熱部13と被加熱流体(水)との間の熱伝達効率の向上が図られる。すなわち、適切に制御された熱を水に供給することができる。
In the heat pump system S5 configured as described above, the working fluid between the stages of the
次に、本発明の第6実施形態について図6を参照して説明する。 Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図6は、第6実施形態にかかるヒートポンプシステムS6を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。 FIG. 6 is a schematic diagram showing a heat pump system S6 according to the sixth embodiment. In the following description, the same components as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
図6に示すように、ヒートポンプシステムS6において、ヒートポンプ10の圧縮部12は、第1圧縮部12A、第2圧縮部12B、第3圧縮部12C、及び第4圧縮部12Dを含む4段圧縮構造を有する。これに応じて、ヒートポンプ10は、3つの高圧膨張弁24A、24B、24C、3つの中間部40A、40B、40C、3つの第1中間熱交換部41A、41B、41C、及び3つの第2中間熱交換部42A、42B、42Cを含む。また、供給ユニット20は、ヒートポンプ10の圧縮部12に熱的に接続される3つの導管29A、29B、29Cを含む。
As shown in FIG. 6, in the heat pump system S6, the
上記構成のヒートポンプシステムS6においては、ヒートポンプ10の圧縮部12が4段圧縮構造を有しており、供給ユニット20からの被加熱流体の出力温度の向上が可能である。また、システムS6は、作動流体及び被加熱流体のルートの変更、各ルートにおける流量制御に関する多様な選択肢を有し、より適切な余剰熱の配分やシステム全体の熱バランスの向上が可能である。なお、代替的に、圧縮部12の段数は、2及び4に限定されず、他の段数にできる。
In the heat pump system S6 configured as described above, the
次に、本発明の第7実施形態について図7を参照して説明する。 Next, a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図7は、第7実施形態にかかるヒートポンプシステムS7を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。 FIG. 7 is a schematic diagram showing a heat pump system S7 according to the seventh embodiment. In the following description, the same components as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
図7に示すように、ヒートポンプシステムS7は、第3中間熱交換部43に加えて、比較的高温を有する作動流体の熱の一部を、圧縮部12の途中の作動流体に与える中間熱交換部44を備える。
As shown in FIG. 7, in addition to the third intermediate
中間熱交換部44において、放熱部13からの作動流体と、圧縮部12の途中(第1圧縮部12Aと第2圧縮部12Bとの段間)の作動流体との間で熱交換が行われる。以後の説明において、これらの間の熱交換機能を有する中間熱交換部を「第4中間熱交換部」と適宜称する。
In the intermediate
本実施形態において、第4中間熱交換部44は、圧縮部12の段間部とヒートポンプ10の主経路15の導管の一部(放熱部13と中間部40との間の導管60の一部)とが熱的に接続された構成を有する。第4中間熱交換部44は、向流型の熱交換構造又は並行流型の熱交換構造を有することができる。
In the present embodiment, the fourth intermediate
第4中間熱交換部44は、プレート式熱交換構造、フィン・アンド・チューブ式熱交換構造など、様々な熱交換構造を適用可能である。
Various heat exchange structures such as a plate-type heat exchange structure and a fin-and-tube heat exchange structure can be applied to the fourth intermediate
上記構成のヒートポンプシステムS7においては、第3中間熱交換部43に加えて、第4中間熱交換部44が設けられており、第3及び第4中間熱交換部43、44のそれぞれにおいて、作動流体の余剰熱が有効利用される。
In the heat pump system S7 configured as described above, a fourth intermediate
第4中間熱交換部44において、比較的高温を有する放熱部13からの作動流体からの熱が、圧縮部12の段間における作動流体に伝わる。さらに、第3中間熱交換部43において、比較的高温を有する中間部40からの作動流体からの熱が、吸熱部11から圧縮部12に向かう作動流体に伝わる。
In the fourth intermediate
その結果、圧縮部12の段間(第2圧縮部12Bの入口)に注入される作動流体が加熱されるとともに、圧縮部12(第1圧縮部12A)の入口に導入される作動流体が加熱される。注入流体及び導入流体の温度(圧縮部12における作動流体の入口温度)が上昇すると、圧縮部12からの作動流体の出力温度も上昇する。したがって、本実施形態によれば、被加熱媒体を安定的に高温加熱することが可能となる。
As a result, the working fluid injected between the stages of the compression unit 12 (inlet of the
本実施形態において、第4中間熱交換部44において、中間部40からの作動流体の熱が奪われるから、低圧膨張弁25及び吸熱部11に対する作動流体の入力温度が降下する。その結果、作動流体の液ガス比の最適化が図られ、吸熱部11においてサイクル外の熱源から有効に熱が吸収される。なお、追加的に、必要に応じて、上述した第1中間熱交換部、及び第2中間熱交換部少なくとも1つを含む構成を採用することができる。
In the present embodiment, in the fourth intermediate
次に、本発明の第8実施形態について図8を参照して説明する。 Next, an eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図8は、第8実施形態にかかるヒートポンプシステムS8を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。 FIG. 8 is a schematic diagram showing a heat pump system S8 according to the eighth embodiment. In the following description, the same components as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
ヒートポンプシステムS8は、図7に示したヒートポンプシステムS7の変形例である。図8に示すように、ヒートポンプシステムS8において、ヒートポンプ10の放熱部13が、主放熱部13Aと、補放熱部13Bとを含む。
The heat pump system S8 is a modification of the heat pump system S7 shown in FIG. As shown in FIG. 8, in the heat pump system S8, the
本実施形態において、主放熱部13Aと補放熱部13Bとは互いに隣接して配置される。主放熱部13Aの下流位置に補放熱部13Bが配置される。主放熱部13Aと補放熱部13Bとは互いに流体的につながっている。主放熱部13Aからの作動流体が、補放熱部13Bに導入される。
In the present embodiment, the main
主放熱部13Aは、供給ユニット20に熱的に接続される。本実施形態において、主放熱部13Aは、気相(または超臨界)の作動流体が存在する領域と、液相の作動流体が存在する領域とを有する。供給ユニット20の導管22Aは、主放熱部13Aの両領域にわたって配置される。代替的又は追加的に、主放熱部13Aが散液構造を有することができる。
The main
補放熱部13Bも、供給ユニット20に熱的に接続される。本実施形態において、液相の作動流体が存在する領域を有する。供給ユニット20の導管22Bは、主放熱部13Aの液相領域に配置される。
The auxiliary
本実施形態において、主放熱部13Aは、高温の流体(主放熱部13A内の作動流体)と低温の流体(導管22A内の被加熱流体)とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、主放熱部13A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構造を有してもよい。同様に、主放熱部13Bは、向流型の熱交換構造又は並行流型の熱交換構造を有することができる。
In the present embodiment, the main
主放熱部13Aでの作動流体と被加熱流体(水)との間の熱交換に伴い、主放熱部13Aで作動流体の熱の一部が奪われる。そのため、補放熱部13Bにおける作動流体の温度は、主放熱部13Aにおける作動流体の温度に比べて低い。
Along with the heat exchange between the working fluid and the fluid to be heated (water) in the main
本実施形態において、導管22Aと導管22Bとは互いに流体的につながっている。供給源からの被加熱流体(水)は、先に導管22Bを流れ、その後、導管22Aを流れる。したがって、被加熱流体は、主放熱部13Aでの比較的高熱での加熱の前に、補放熱部13Bで比較的低熱で加熱(予熱)される。
In the present embodiment, the
上記構成のヒートポンプシステムS8においては、被加熱流体は、補放熱部13Bにおいて比較的低温加熱され、主放熱部13Aにおいて比較的高温加熱される。補放熱部13Bにおける予熱により、被加熱媒体を安定的に高温加熱することが可能となる。すなわち、本実施形態において、第3、及び第4中間熱交換部43、44、及び補放熱部13Bのそれぞれにおいて、作動流体の余剰熱が有効利用される。
In the heat pump system S8 configured as described above, the fluid to be heated is heated at a relatively low temperature in the auxiliary
上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。 The numerical value used in the above description is an example, and the present invention is not limited to this.
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。上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。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。 The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to these embodiments. The numerical value used in the above description is an example, and the present invention is not limited to this. Additions, omissions, substitutions, and other modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. The present invention is not limited by the above description, but only by the appended claims.
S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8…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、12A…第1圧縮部、12B…第2圧縮部、13…放熱部、13A…主放熱部、13B…補放熱部、14…膨張部、15…主経路、20…供給ユニット、24…高圧膨張弁(膨張部)、25…低圧膨張弁(膨張部)、28…補低圧膨張弁(膨張部)、40…中間部、41…第1中間熱交換部、42…第2中間熱交換部、43…第3中間熱交換部、44…第4中間熱交換部、50,51…分岐部、70…制御装置。
S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8 ... heat pump system, 10 ... heat pump, 11 ... heat absorption part, 12 ... compression part, 12A ... first compression part, 12B ... second compression part, 13 ... heat dissipation , 13A... Main heat radiating part, 13B. ... supplementary low pressure expansion valve (expansion part), 40 ... intermediate part, 41 ... first intermediate heat exchange part, 42 ... second intermediate heat exchange part, 43 ... third intermediate heat exchange part, 44 ... fourth intermediate
Claims (10)
第2流体が流れる経路を含み、前記第1流体からの伝達熱を受けた前記第2流体が出力される第2ユニットと、を備え、
前記ヒートポンプは、
前記放熱部からの前記第1流体が流れ込み、液相の前記第1流体と気相の前記第1流体とを一時的に貯溜し、気相の前記第1流体が前記圧縮部に供給される中間部と、
前記中間部に向かう前記第1流体及び前記中間部からの前記第1流体の少なくとも一方からの熱が、前記圧縮部に向かう前記第1流体及び前記圧縮部の途中の前記第1流体の少なくとも一方に伝わる中間熱交換部と、をさらに含み、
前記中間熱交換部は、前記放熱部から前記中間部内に流れ込む前記第1流体の少なくとも一部からの熱を、前記中間部から前記圧縮部に向かう前記気相の第1流体に伝える第1中間熱交換部を含むことを特徴とする高温型ヒートポンプシステム。 A first unit including a heat pump including a heat pump including a heat absorption unit, a compression unit, a heat dissipation unit, and an expansion unit;
A second unit that includes a path through which the second fluid flows, and that outputs the second fluid that has received heat transferred from the first fluid.
The heat pump
The first fluid from the heat radiating section flows, temporarily stores the liquid-phase first fluid and the gas-phase first fluid, and supplies the gas-phase first fluid to the compression section. The middle part,
Heat from at least one of the first fluid toward the intermediate portion and the first fluid from the intermediate portion is at least one of the first fluid toward the compression portion and the first fluid in the middle of the compression portion An intermediate heat exchange section transmitted to
The intermediate heat exchanging portion transmits a heat from at least a part of the first fluid flowing into the intermediate portion from the heat radiating portion to the first fluid in the gas phase from the intermediate portion toward the compression portion. A high-temperature heat pump system including a heat exchange unit.
前記第1中間熱交換部は、前記放熱部から前記膨張部に向かう前記第1流体の少なくとも一部からの熱を、前記中間部から前記圧縮部に向かう前記気相の第1流体に伝える、
ことを特徴とする請求項1に記載の高温型ヒートポンプシステム。 The heat pump includes an expansion portion that expands the first fluid before the first fluid flows from the heat dissipation portion into the intermediate portion,
The first intermediate heat exchange unit transfers heat from at least a part of the first fluid from the heat radiating unit to the expansion unit to the gas phase first fluid from the intermediate unit to the compression unit.
The high-temperature type heat pump system according to claim 1.
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