JP5582713B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ装置、特にターボ冷凍機を用いたヒートポンプ装置に関する。

一般に、ターボ冷凍機を用いたヒートポンプ装置は、定格運転時において運転効率が高く、かつ、騒音レベルが低く静穏であるという特徴を有している。

しかしながら、ターボ冷凍機などに用いられるターボ圧縮機は、その圧縮機の特性上ある能力、言い換えると、ある風量以下の運転状態ではサージングという安定運転ができない状態になることが知られている。このサージングの発生を回避するために、ヒートポンプ装置を部分負荷状態で運転する場合に、ターボ圧縮機におけるサージングが発生しない能力の下限をさらに下回る条件（サージングが発生する条件）で運転するときには、ターボ圧縮機から吐出された冷媒の一部を、直接ターボ圧縮機の吸入側にバイパスさせて、ターボ圧縮機における下限風量を確保する必要があった。

このようにすることで、ターボ圧縮機におけるサージングの発生を回避するとともに、ヒートポンプ装置は、必要とされる部分負荷に対応した運転を行うことができた（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６−２８４０３４号公報

しかしながら、このような部分負荷運転を行う場合、ターボ圧縮機から吐出された高温高圧の冷媒は、バイパス流路を介して、ターボ圧縮機の吸入側に繋がる低圧配管、もしくは蒸発器に流入させていたが、その際に大きな騒音が発生するという問題があった。

蒸発器がプレート式熱交換器である場合には、バイパス配管はターボ圧縮機の吸込配管にＴ字状に直接戻すこととなる。高圧の冷媒が、吸い込み配管のように内部の圧力が低い配管（低圧配管）に流入すると、高圧冷媒は急激に膨張する。そのため、低圧配管内における冷媒の流速が増大し、合流した配管の壁に冷媒が衝突した際に発生する騒音が増大するという問題があった。
この騒音及び振動は非常に大きい為、防音措置を施しても充分な防音効果をあげることができないという問題があった。

その一方で、蒸発器がシェルアンドチューブ方式の熱交換器である場合であって、ターボ圧縮機から吐出された冷媒の一部を蒸発器に直接戻すときには、蒸発器の大きさが十分であることから、流入した冷媒ガスが蒸発器の内側面に当たる際には、冷媒の流速が十分減速している為、衝突の際に発生する騒音は低下する。しかしながら、冷媒ガスの流体騒音が蒸発器で共鳴する為、蒸発器全体が騒音の発生源となる。このようにして発生する騒音を防音するためには、蒸発器の全てを覆う必要があるため、防音にコストがかかるという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、部分負荷運転時に発生する騒音を容易に防音することができるヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のヒートポンプ装置は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機と、圧縮された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮された前記冷媒を断熱膨張させる膨張弁と、断熱膨張された前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発された冷媒が流入するとともに、流入した冷媒が前記ターボ圧縮機に流出する容器と、該容器の周囲を覆い、前記容器の内部で発生した音が外部に漏れることを防ぐ防音部と、前記ターボ圧縮機および前記凝縮器の間から、前記冷媒の一部を前記容器に導くバイパス流路と、該バイパス流路を流れる前記冷媒の流量を制御する流量調節部と、が設けられ、前記容器は、両端部が閉じられた略円筒状に形成されるとともに、略円筒状の断面における直径が、前記バイパス流路の断面における直径に対して、約１０倍以上であることを特徴とする。

本発明によれば、ヒートポンプ装置が部分負荷運転され、ターボ圧縮機から吐出された冷媒の一部が、バイパス流路を介して容器に導かれる際に、冷媒が容器に流入するときに発生する音を防音することができる。

つまり、周囲を防音部により覆われた容器に、バイパスされた一部の冷媒を流入させているため、バイパスされた冷媒が流入する際に発生する音を、外部に漏れないように、容易に防音することができる。

例えば、シェルアンドチューブ式の蒸発器にバイパスされた一部の冷媒を流入させる場合であって、蒸発器の全体を防音部により覆う方法と比較して、防音部により覆う必要がある容積を小さくすることができるため、容易に、防音することができる。

さらに、蒸発器とターボ圧縮機とを繋ぐ配管に、バイパスされた一部の冷媒を直接流入させる場合と比較して、バイパス流路よりも断面積が大きい容器にバイパスされた冷媒を流入させることにより、バイパスされた冷媒が合流する際に発生する音を小さくすることができる。また、バイパス流路と比較して、容器の断面における直径を１０倍以上とすることで、バイパスされた冷媒が容器に流入する際に発生する音を、より確実に、外部に漏れないようにすることができる。

本発明のヒートポンプ装置においては、前記容器における前記バイパス流路から冷媒が流入する領域には、前記流入する冷媒による音の発生を抑制する消音部が設けられている。

本発明によれば、消音部が設けられているため、バイパスされた冷媒が容器の内部に流入する際に発生する騒音がさらに小さくなる。
消音部としては、容器の内側に向かって突出し、内部をバイパスされた冷媒が流れる筒状の部材であって、当該筒の側壁に複数の貫通孔が形成されている構造を例示することができる。

本発明のヒートポンプ装置によれば、ターボ圧縮機から吐出された冷媒の一部が、バイパス流路を介して容器に導かれるため、部分負荷運転時に発生する騒音を容易に防音することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るヒートポンプ装置における回路構成を説明する模式図である。 図１のヒートポンプ装置の内部における配置を説明する正面図である。 図２のヒートポンプ装置の内部における配置を説明する右側面図である。 防音タンクとバイパス流路との接続部分の構成を説明する模式図である。

以下、本発明の一実施形態に係るヒートポンプ装置について図１から図４を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るヒートポンプ装置における回路構成を説明する模式図である。
ヒートポンプ装置１は、略直方体状に構成されたものであって、熱源水の供給を受け、温水を供給するものである。
ヒートポンプ装置１には、図１に示すように、凝縮器２と、膨張弁３と、蒸発器４と、防音タンク（容器）５と、ターボ圧縮機６と、インバータ部７と、バイパス流路８と、流量調節弁９と、が主に設けられている。

図２は、図１のヒートポンプ装置の内部における配置を説明する正面図である。図３は、図２のヒートポンプ装置の内部における配置を説明する右側面図である。

凝縮器２は、略直方体状に形成されたプレート式熱交換器であって、ターボ圧縮機６から吐出された高温高圧の冷媒を冷却して凝縮させるものである。言い換えると、冷媒と温水との間で熱交換を行い、冷媒を液化させるとともに、温水を加熱するものである。凝縮器２は、一方の端部が油ミスト分離タンク１２を介してターボ圧縮機６の吐出部と冷媒が流通可能に接続され、他方の端部が中間冷却器１０を介して膨張弁３と冷媒が流通可能に接続されている。

凝縮器２は、図３に示すように、蒸発器４と並んで配置されている。
凝縮器２における一方の端部側の側面には、凝縮器２により加熱される前の温水が流入する温水入口２１が下方に、凝縮器２により加熱されたあとの温水が流出する温水出口２２が上方に設けられている。

中間冷却器１０は、略円柱状に形成された凝縮器２から流出した冷媒をさらに冷却する熱交換器である。中間冷却器１０における一方の端部は、凝縮器２と冷媒が流通可能に接続され、他方の端部は、膨張弁３と冷媒が流通可能に接続されている。

本実施形態では、中間冷却器１０において、凝縮器２から流出した冷媒の一部を断熱膨張させて低温低圧とした冷媒と、膨張弁３に供給される冷媒との間で熱交換が行われる例に適用して説明する。この場合、膨張弁３の冷却に用いられた冷媒は、ターボ圧縮機６に流入する。
なお、中間冷却器１０の構成としては公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

膨張弁３は、中間冷却器１０を介して凝縮器２から供給された冷媒を断熱膨張させ、その圧力減圧させる弁である。膨張弁３の一方の端部は中間冷却器１０と冷媒が流通可能に接続され、他方の端部は、蒸発器４と冷媒が流通可能に接続されている。
なお、膨張弁３としては、公知のものを用いることができ、特に限定するものではない。

蒸発器４は、略直方体状に形成されたプレート式熱交換器であって、膨張弁３により断熱膨張された冷媒を蒸発させるものである。言い換えると、冷媒と熱源水との間で熱交換を行うことで、熱源水の熱を冷媒に与え、冷媒を気化させるものである。蒸発器４は、一方の端部が膨張弁３と冷媒が流通可能に接続され、他方の端部が防音タンク５を介してターボ圧縮機６の吸入部に接続されている。

蒸発器４における一方の端部側の側面には、蒸発器４により吸熱される前の熱源水が流入する熱源水入口４１が上方に、蒸発器４により吸熱されたあとの熱源水が流出する熱源水出口４２が下方に設けられている。

操作盤１１は、ヒートポンプ装置１における各種機器を制御する操作機器等が集積されたものであって、操作機器等を内部に収納する略直方体状の筐体を有している。

防音タンク５は、略円柱状に形成された容器であって、バイパス流路８から冷媒が流入するものであるとともに、バイパス流路８から冷媒が流入するさいに発生する音が外部に漏れないようにするものである。さらに、防音タンク５には、蒸発器４から冷媒が流入するとともに、ターボ圧縮機６に向かって気体冷媒を流入させるアキュムレータとして働くものでもある。

防音タンク５の周囲には、吸音材から構成された防音部５１が設けられている。
防音部５１を構成する吸音材としては、公知の吸音材を用いることができ、特に限定するものではない。

防音タンク５における一方の端部は、蒸発器４と冷媒が流通可能に接続され、他方の端部は、ターボ圧縮機６と冷媒が流通可能に接続されている。さらに、防音タンク５には、バイパス流路８の端部と冷媒が流通可能に接続されている。
なお、防音タンク５としては、公知のものを用いることができ、特に限定するものではい。

ターボ圧縮機６は、防音タンク５を介して蒸発器４において気化した冷媒を吸入し、圧縮した後に油ミスト分離タンク１２を介して凝縮器２に吐出するものである。ターボ圧縮機６における冷媒が流入する吸入部が防音タンク５を介して蒸発器４に接続され、冷媒が流出する吐出部が油ミスト分離タンク１２を介して凝縮器２に接続されている。

ターボ圧縮機６は、回転駆動力を供給する電動機６１及び吸込み風量を制御する吸込みベーン６２と一体に構成され、電動機６１は、インバータ部７から供給される電力により回転駆動されるとともに、回転速度が制御されている。
さらに吸込みベーン６２は圧縮機吸込み部に設置され、その開度を変化させることにより圧縮機に吸込まれる冷媒ガスの量を増減できる。
なお、ターボ圧縮機６、電動機６１及び吸込みベーン６２は、公知のものを用いることができ、特に限定するものではない。

インバータ部７は、電動機６１に電力を供給するとともに、電動機６１の回転速度を制御するものであって、略直方体状に形成された筐体を有するものである。
なお、インバータ部７としては、公知のものを用いることができ、特に限定するものではない。

油ミスト分離タンク１２は、略円柱状に形成され、ターボ圧縮機６から吐出された冷媒に含まれる潤滑油や、潤滑油のミストを、冷媒から分離するものである。油ミスト分離タンク１２は、一方の端部がターボ圧縮機６の吐出部に冷媒が流通可能に接続され、他方の端部が凝縮器２に接続されている。
さらに、油ミスト分離タンク１２は、冷媒から分離した潤滑油を油タンク１３に供給するものでもある。
なお、油ミスト分離タンク１２としては、公知のものを用いることができ、特に限定するものではない。

油タンク１３は、略円柱状に形成され、ターボ圧縮機６の潤滑に用いられる潤滑油を貯留するとともに、ターボ圧縮機６に潤滑油を供給し、かつ、ターボ圧縮機６から排出された潤滑油が流入するものである。油タンク１３は、ターボ圧縮機６との間で潤滑油の供給および受取が可能に接続されているとともに、油ミスト分離タンク１２から潤滑油が供給されるように接続されている。

バイパス流路８は、ヒートポンプ装置１が部分負荷運転されている際に、ターボ圧縮機６から吐出された冷媒の一部を、直接、防音タンク５に流入させる流路である。バイパス流路８における断面の直径は、防音タンク５における断面の直径と比較して、１０倍以上であることが望ましい。

バイパス流路８の一方の端部は、図１に示すように、油ミスト分離タンク１２および凝縮器２を繋ぐ流路に接続され、他方の端部は防音タンク５に接続されている。
さらに、防音タンク５におけるバイパス流路８が接続されている部分には、バイパス流路８が、そのまま防音タンク５の内部に向かって突出した形状を有する消音部８１が設けられている。

図４は、防音タンクとバイパス流路との接続部分の構成を説明する模式図である。
消音部８１は、図４に示すように、防音タンク５の内面から内部に向かって延びる筒状の部材であって、バイパス流路８から防音タンク５の内部に冷媒が流入する際の音の発生を抑制するものである。
消音部８１の側面には、複数の貫通孔８２が形成されている。

流量調節弁９は、図１に示すように、バイパス流路８における冷媒の流れを制御する弁である。
例えば、ヒートポンプ装置１が定格運転されている際には、流量調節弁９は閉じられている。その一方で、部分負荷運転されている際には、流量調節弁９が開かれ、ターボ圧縮機６から吐出された冷媒の一部は、バイパス流路８を介して防音タンク５に導かれている。

次に、上記の構成からなるヒートポンプ装置が定格運転されている際における温水の供給について、図１などを参照しながら説明する。

ヒートポンプ装置１から温水を供給する場合には、外部からインバータ部７に電力が供給され、インバータ部７により電動機６１が回転駆動され、ターボ圧縮機６が冷媒の圧縮を行う。

ターボ圧縮機６により圧縮された高温高圧の気体冷媒は、ターボ圧縮機６の吐出部から吐出され、油ミスト分離タンク１２に流入する。油ミスト分離タンク１２では、冷媒に含まれる潤滑油のミストが、冷媒から分離される。潤滑油のミストが分離された冷媒は、油ミスト分離タンク１２から凝縮器２に流入する。

凝縮器２では、高温の冷媒と、外部から供給された、温水との間で熱交換が行われる。高温の冷媒は温水に熱を放出することにより、凝縮して液化する。その一方で、温水は、高温の冷媒から熱を吸収して、昇温された温水となり、凝縮器２から外部に流出する。

凝縮器２で液化した冷媒は、凝縮器２から流出して中間冷却器１０に流入する。中間冷却器１０では、流入した冷媒の一部を分流し、断熱膨張させて低温低圧の冷媒を生成する。そして、分流された低温の冷媒と、その他の冷媒との間で熱交換を行い、その他の冷媒をさらに冷却する。
分流された冷媒は、その他の冷媒の冷却に用いられた後、ターボ圧縮機６の吸入部に流入する。

中間冷却器１０により冷却された冷媒は膨張弁３に向かって流れ、膨張弁３を通過する際に断熱膨張され、低温低圧の液体冷媒となる。断熱膨張された冷媒は、蒸発器４に流入する。

蒸発器４では、低温の冷媒と、外部から供給された、熱源水との間で熱交換が行われる。低温の冷媒は、熱源水から熱を吸収することにより、蒸発して気化する。その一方で、熱源水は、低温の冷媒に放熱して、温度が低下した熱源水となり、蒸発器４の外部に流出する。

蒸発した気体冷媒は、蒸発器４から防音タンク５に流入する。防音タンク５では、気体冷媒とともに蒸発器４から流出した液体冷媒が、気体冷媒から分離され、気体冷媒のみが防音タンク５から流出する。

防音タンク５において液体冷媒が分離された気体冷媒は、ターボ圧縮機６の吸入部に流入し、ターボ圧縮機６により圧縮され、再び、吐出部から高圧の冷媒として吐出され、上述のサイクルが繰り返される。

次に、ヒートポンプ装置１が、部分負荷状態で運転されている状態について説明する。
まず、ヒートポンプ装置１に関する負荷が下げられると、インバータ部７により電動機６１の回転数が下げられ、さらに吸込みベーン６２を閉じることにより、ターボ圧縮機６における送風能力が下げられる。ここで、ターボ圧縮機６における送風能力は、ターボ圧縮機６に係る運転点がサージング領域に入らない範囲で下げられる。

ヒートポンプ装置１に関する負荷がさらに下げられると、それまで閉じられていた流量調節弁９が開かれる。すると、ターボ圧縮機６から吐出され、油ミスト分離タンク１２を介して凝縮器２に流入する冷媒の一部が、バイパス流路８に流入する。バイパス流路８に流入した冷媒は、防音タンク５に流入して、蒸発器４から流入した冷媒と合流する。

そのため、凝縮器２や、蒸発器４に流入する冷媒の流量がさらに低下し、ヒートポンプ装置１に関する負荷を、さらに低下させることができる。

上記の構成によれば、ヒートポンプ装置１が部分負荷運転され、ターボ圧縮機６から吐出された冷媒の一部が、バイパス流路８を介して、周囲を防音部５１により覆われた防音タンク５に導かれ、バイパスされた冷媒が流入する際に発生する音を、外部に漏れないように、容易に防音することができる。

例えば、シェルアンドチューブ式の蒸発器にバイパスされた一部の冷媒を流入させる場合であって、当該蒸発器の全体を防音部５１により覆う方法と比較して、防音部５１により覆う必要がある容積を小さくすることができるため、容易に、防音することができる。

さらに、蒸発器４とターボ圧縮機６とを繋ぐ配管に、バイパスされた一部の冷媒を直接流入させる場合と比較して、バイパス流路８よりも断面積が大きい防音タンク５にバイパスされた冷媒を流入させることにより、バイパスされた冷媒が合流する際に発生する音を小さくすることができる。

さらに、バイパスされた冷媒が防音タンク５に流入する部分に、消音部８１が設けられているため、バイパスされた冷媒が防音タンク５の内部に流入する際に発生する騒音をさらに小さくすることができる。

バイパス流路８と比較して、防音タンク５の断面における直径を１０倍以上としているため、バイパスされた冷媒が防音タンク５に流入する際に発生する音を、より確実に、外部に漏れないようにすることができる。

１ ヒートポンプ装置
２ 凝縮器
３ 膨張弁
４ 蒸発器
５ 防音タンク（容器）
６ ターボ圧縮機
７ インバータ部
８ バイパス流路
９ 流量調節弁
５１ 防音部
８１ 消音部

Claims (1)

1. 冷媒を圧縮するターボ圧縮機と、
   圧縮された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
   凝縮された前記冷媒を断熱膨張させる膨張弁と、
   断熱膨張された前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   蒸発された冷媒が流入するとともに、流入した冷媒が前記ターボ圧縮機に流出する容器と、
   該容器の周囲を覆い、前記容器の内部で発生した音が外部に漏れることを防ぐ防音部と、
   前記ターボ圧縮機および前記凝縮器の間から、前記冷媒の一部を前記容器に導くバイパス流路と、
   該バイパス流路を流れる前記冷媒の流量を制御する流量調節部と、が設けられ、
   前記容器は、両端部が閉じられた略円筒状に形成されるとともに、略円筒状の断面における直径が、前記バイパス流路の断面における直径に対して、約１０倍以上であり、
   前記容器における前記バイパス流路から冷媒が流入する領域には、前記流入する冷媒による音の発生を抑制する消音部が設けられており、
   前記消音部は、前記容器の内面から該容器の内部に向かって突出する開口部を有し、側面に複数の貫通孔が形成された筒状の部材であることを特徴とするヒートポンプ装置。

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