JP6526639B2 - ヒートポンプ装置を動作させる方法、及びヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載のヒートポンプ装置を動作させる方法に関する。本発明はさらに、請求項８の上位概念に記載のヒートポンプ装置にも関する。

このようなヒートポンプ装置は、例えば産業用熱供給のために使用される。ヒートポンプは、技術的作業を使用して、より低い温度を有する熱源から熱の形態の熱エネルギを吸収し、圧縮機の駆動エネルギと協働して、より高い温度を有するヒートシンクに排熱として放熱する機械装置である。この場合には、一時的な蓄熱又は熱交換のために流体が使用され、この流体は、サイクルプロセス中にヒートポンプの内部にて圧縮機によって運ばれる。このサイクルプロセスは、熱力学的蒸気圧縮サイクルとも呼ばれる。

高温ヒートポンプ（ＨＴＨＰ）に適した流体及び圧縮機が存在しないので、現在市販されているヒートポンプの有効熱は、最高１００℃の温度まで制限されている。

従って、本発明の課題は、特に高温の有効熱を供給可能にする方法及びヒートポンプ装置を提供することである。

この課題は、請求項１に記載の特徴を有する方法と、請求項８に記載の特徴を有するヒートポンプ装置とによって解決される。本発明を有利に発展させる好ましい実施形態は、従属請求項に示されている。

冒頭に述べた形式の方法を改善して特に高温の有効熱を供給可能にするために、本発明によれば、少なくとも１２０℃の流体温度において、前記第２流体から前記有効熱を取り出すようにし、この場合、少なくとも５００ｋＪ／ｍ ^３ の第１流体及び第２流体の体積加熱能力で前記第２流体の有効熱が放熱される。体積加熱能力（ＶＨＣ）は、ヒートポンプの理論的に達成可能な成績係数（ＣＯＰ）にとって決定的なものである。換言すれば、ヒートポンプはつまり、体積加熱能力が大きくなればなるほど効率的に動作する。体積加熱能力が上述した５００ｋＪ／ｍ^３よりも大きくなればなるほど、各ヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）も高くなる。第２ヒートポンプによって特に高い流体温度を実現することができる。その結果、第２流体から、第１流体によって伝達された熱に依存した、特に高温の有効熱を取り出すことが可能となる。

少なくとも１５０℃、特に好ましくは少なくとも１６０℃の流体温度において、前記第２流体から前記有効熱を取り出すと有利であることが判明している。第２ヒートポンプによって特に高い流体温度を実現することができる。その結果、第２流体から特に高温の有効熱を取り出すことが可能となり、これによって、例えば産業利用のための有効熱を一層効率的に供給可能となる。

本発明の有利な実施形態では、前記第１ヒートポンプに、前記第１流体として少なくとも１種類のフルオロケトンが通流される。フルオロケトンは、産業的に特に無害に使用可能である。なぜなら、危険時における特別な保護対策を省略することができるからである。フルオロケトンの使用は環境規制されていないので、特に将来的にも継続的に使用することができる。フルオロケトンはさらに、特に低い地球温暖化係数を有しており、不燃性かつ非毒性である。この理由から、とりわけヒートポンプ装置によって産業用プロセス熱、とりわけ１２０℃より高温の有効熱を供給する場合には、このようなヒートポンプ装置における流体として使用するためにフルオロケトンが特に適している。

本発明のさらなる有利な実施形態では、前記第２流体として、水又は少なくとも１種類のフルオロケトンが使用される。これらは環境に優しく、かつ安全技術的に無害であるので、水もフルオロケトンも、高い流体温度が生じる用途における流体として特に適している。なぜなら、これらは可燃性でも毒性でもないからである。

前記第１流体及び前記第２流体として、互いに異なる流体を使用すると特に有利である。各ヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）は、それぞれの温度に依存している。ヒートポンプの温度差とは、ヒートポンプの各凝縮器とヒートポンプの各蒸発器との間で達成可能な温度差であると理解される。従って、第１ヒートポンプの達成可能な温度差に基づいて特に高温の排熱が用意され、熱交換器を介してこの排熱を第２ヒートポンプの第２流体へと伝達することができる。従って、第２ヒートポンプによって達成可能な第２流体の最高温度は、第１流体によって伝達される熱量に直接依存している。各ヒートポンプの特に大きな温度差によって、特に高い成績係数を実現することができる。第１流体及び第２流体のためにそれぞれ異なる組成を有する流体を使用することが有利である理由を、以下に１つの例を挙げて説明する。例えば第１ヒートポンプによって最高１４０℃の流体温度を達成すべき場合には、特にフルオロケトンＮＯＶＥＣ（登録商標）５２４を使用することが推奨される。フルオロケトンＮＯＶＥＣ（登録商標）５２４は、１００℃〜１４０℃の範囲において特に大きい体積加熱能力（ＶＨＣ）を有する。しかしながらＮＯＶＥＣ（登録商標）５２４は、上述した１４０℃の最高流体温度までしか適さないので、第２ヒートポンプによって例えば１４０℃から２００℃への温度差を実現するためには、第２流体として、例えば１４０℃よりも高い流体温度にも適した水を使用することが推奨される。

前記第１流体から前記第２流体への放熱を、充分に等温的に実施すると特に有利である。等温的な放熱によって、放熱された熱量の温度が特に一定に維持される。これにより、温度変動が特に充分に回避され、従って、第２ヒートポンプによって充分に一定の温度上昇を実現することができる。熱交換器を介した等温的な放熱を実現するためには、第１流体を、亜臨界的に動作させなければならず、すなわち第１流体は、該第１流体の臨界温度未満でのみ使用することができる。つまり換言すれば、第１流体を、液体及び気体の両方の物理状態で存在することが可能な温度で動作させなければならない。

本発明のさらなる有利な実施形態では、前記第２流体の体積加熱能力が少なくとも１０００ｋＪ／ｍ^３、好ましくは少なくとも１２００ｋＪ／ｍ^３、特に好ましくは少なくとも１５００ｋＪ／ｍ^３であるときに、前記有効熱が放熱される。理論的に達成可能な成績係数（ＣＯＰ）は、各ヒートポンプの各流体を圧縮する圧縮装置の種類に実質的に依存してはいるが、しかしながら流体は、ヒートポンプ装置において、少なくとも１０００ｋＪ／ｍ^３の体積加熱能力が存在する点で動作させるべきである。体積加熱能力が上述した１０００ｋＪ／ｍ^３よりも大きくなればなるほど、各ヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）も高くなる。各流体の体積加熱能力に関して、少なくとも１０００ｋＪ／ｍ^３が必要となる場合には、例えば１５０℃を下回る温度を有する水は、流体として使用するには適さない。各流体に関して少なくとも１５００ｋＪ／ｍ^３の体積加熱能力が存在する場合には、各ヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）は特に高くなる。

第１流体が通流する少なくとも１つのヒートポンプと、第２流体が通流する少なくとも１つの第２ヒートポンプとを有する本発明によるヒートポンプ装置においては、熱交換器を介して前記第１流体から前記第２流体に熱を伝達可能である。

この場合に、前記第２流体によって、少なくとも１２０℃の流体温度において有効熱が伝達可能であり、前記第１流体及び前記第２流体は、少なくとも５００ｋＪ／ｍ^３の体積加熱能力を有する。体積加熱能力が大きくなればなるほど、各ヒートポンプの達成可能な成績係数（ＣＯＰ）も高くなる。この場合には、第１流体によって伝達された熱に基づいて、第２流体から特に高温の有効熱を取り出すことが可能となる。第２ヒートポンプを用いて特に高温において有効熱を供給可能な、ヒートポンプカスケードとも呼ばれるヒートポンプ装置を提供するためには、第１ヒートポンプの第１流体の体積加熱能力ができるだけ大きいことが有利であり、この場合にはさらに、第１流体から第２流体へと伝達される熱量を、特に高温において伝達すると有利である。

本発明の方法に関連して上で説明した利点は、本発明のヒートポンプ装置にも該当し、またその逆も同様である。

ヒートポンプ装置の有利な実施形態では、少なくとも二段階の圧縮によって、前記第１流体及び／又は前記第２流体の大きな圧力比に起因して少なくとも１つの温度上昇を増大させることが可能である。ヒートポンプにおいて流体によって特に大きな温度上昇を実現すべき場合には、２段階以上の圧縮を実施することが推奨される。この場合には、圧縮の各段を形成する各圧縮装置の間に、中間冷却装置を設置してもよい。特に流体が水である場合には、このことが意義深い。中間冷却装置の熱は、各ヒートポンプの蒸発装置へと特にエネルギ効率的に供給することができる。非常に大きな温度上昇を実現するためには、さらに３つ以上のヒートポンプサイクルのカスケードも可能である。

ヒートポンプ装置のさらなる有利な実施形態として、前記第２流体を、液封式圧縮機によって充分に等温的に圧縮可能であると有利であることが判明している。流体の圧縮は、液封式圧縮機によって充分に等温的に実施することができる。液封式圧縮機の液体リングは、圧縮すべき流体と直接接触しており、これによって、流体から、液体リングを構成しているリング液体へと、圧縮熱を特に効率的伝達することが可能となる。すなわち換言すれば、流体とリング液体とが壁によって互いに離隔されていないので、熱交換抵抗が特に小さくなっている。

本発明のさらなる利点、特徴、及び詳細は、特許請求の範囲と、好ましい実施形態についての以下の説明とを参照し、図面に基づいて明らかとなる。

２つのヒートポンプサイクルを有するヒートポンプ装置に相当する、従来技術によるヒートポンプカスケードの概略図である。 ヒートポンプ装置の複数の異なる流体のそれぞれの体積加熱能力の推移を、温度軸上に示した概略線図である。 ２つのヒートポンプサイクルを有するヒートポンプ装置に相当する、ヒートポンプカスケードの概略図であり、ここでは２つのヒートポンプの一方が、流体としてフルオロケトンを用いて動作される。

図１は、従来技術によりカスケードヒートポンプ１として公知の、２つのヒートポンプサイクルを有するヒートポンプ装置の概略図を示す。カスケードヒートポンプ１は、第１流体が通流する第１ヒートポンプ２と、第２流体が通流する第２ヒートポンプ３とを含む。第１流体と第２流体とは、熱交換器１９を介して相互に熱交換するように結合されている。熱交換器１９は、第１ヒートポンプ２の凝縮器６と、第２ヒートポンプ３の蒸発器８とを含む。第１ヒートポンプ２の第１流体は、蒸発器４によって蒸発され、この蒸発器４には、熱源１２によって熱エネルギが供給される。蒸発器４によって加熱された第１流体は、矢印１４の矢印方向に応じて、第１ヒートポンプ２の圧縮機５によって第１ヒートポンプ２を通して圧送される。次いで、圧縮されて加熱された第１流体は、凝縮器６にて蒸発器８へと放熱し、この蒸発器８によって、第２ヒートポンプ３の第２流体が蒸発される。この放熱に引き続き、第１流体は、第１ヒートポンプ２の膨張弁７によって膨張され、次いで、蒸発器４によって再び吸熱する。第１ヒートポンプ２のサイクルは、このようにして閉成されている。熱交換器１９によって、すなわち第１ヒートポンプ２の凝縮器６による蒸発器８への放熱によって加熱された、第２ヒートポンプ３の第２流体は、第２ヒートポンプ３の圧縮機９によって圧縮され、そして、第２ヒートポンプ３の凝縮器１０にてヒートシンク１３へと放熱する。これに引き続き、第２流体は、矢印１５の矢印方向に応じて、第２ヒートポンプ３の膨張弁１１を通流し、ここで膨張される。これに引き続き、第２流体は、熱交換器１９によって再び吸熱する。第２ヒートポンプ３のサイクルは、このようにして閉成されている。

図２は、複数の異なる体積加熱能力曲線を概略線図で示す。この線図の縦軸には、加熱能力２０がプロットされており、横軸には、流体の凝縮温度に相当する流体温度２１がプロットされている。この線図からは、ＮＯＶＥＣ（登録商標）５２４なる名称のフルオロケトンの加熱能力曲線に相当する加熱能力曲線１６が、それぞれの流体温度２１が同じである場合には、ＮＯＶＥＣ（登録商標）６４９なる名称のフルオロケトンの加熱能力曲線に相当する加熱能力曲線１７よりも高い値を有することが見て取れる。線図から見て取れるように、加熱能力曲線１６及び加熱能力曲線１７のいずれも、流体温度２１がプロットされている横軸の長さ全体に亘っては延在していない。つまり、フルオロケトンＮＯＶＥＣ（登録商標）５２４の加熱能力曲線１６は、約１４８℃の臨界点２８の到達によって制限され、フルオロケトンＮＯＶＥＣ（登録商標）６４９の加熱能力曲線１７は、約１６９℃の臨界点２９の到達によって制限される。線図から見て取れるように、水の加熱能力曲線に相当する加熱能力曲線１８は、それぞれの流体温度２１が同じである場合には、２つのフルオロケトンと比較して体積加熱能力２０が最も小さいが、しかしながら水は、臨界点に到達することなく流体温度２１の特に広い範囲に亘って使用することが可能である。図２からさらに見て取れるように、水の加熱能力曲線１８は、流体温度２１が臨界点２８又は臨界点２９未満である場合には加熱能力曲線１６又は加熱能力曲線１７よりも下にあるが、流体温度２１が高い場合には、水の加熱能力曲線１８は、加熱能力曲線１６又は加熱能力曲線１７がそれぞれ各臨界点２８，２９に到達したときに得られる値よりも高い値にまで上昇する。さらに、第１ヒートポンプ２の第１流体としてフルオロケトンＮＯＶＥＣ（登録商標）６４９を使用した場合には、カスケードヒートポンプ１によって、少なくとも１６０℃の有効温度を有する熱量をヒートシンク１３へと放熱することができることが見て取れる。第２ヒートポンプ３の第２流体は、熱交換器１９を介してこの第１流体から第２流体へと伝達される、最高１６０℃の温度における熱量から開始して、さらに加熱されるので、第２ヒートポンプ３によって、有効熱の温度に関して１６０℃を超える温度さえも実現することが可能となる。

カスケードヒートポンプ１の第１ヒートポンプ２のための流体としては、亜臨界的に動作される流体のみが考慮の対象となる。なぜなら、熱交換器１９を介した第１流体から第２流体への放熱は、等温的に実施すべきであるからである。等温的な放熱を可能にするために、第１ヒートポンプ２の第１流体は、各臨界点２８，２９の臨界温度を下回る流体温度２１で動作される。これらのヒートポンプ２，３のうちの１つが有する流体の体積加熱能力２０が大きくなればなるほど、各ヒートポンプ２，３はより効率的に動作する。従って、各ヒートポンプ２，３の理論的に達成可能な成績係数も、それぞれの体積加熱能力２０が増加するにつれて増加する。

図２と図３とを組み合わせて見れば明らかなように、第１ヒートポンプ２の第１流体として、例えばＮＯＶＥＣ（登録商標）５２４のようなフルオロケトン２６を使用すると特に有利である。この場合には、熱交換器１９を介した第２ヒートポンプ３の第２流体への等温的な放熱を可能にするために、フルオロケトン２６が加熱されて到達する流体温度２１は、臨界点２８の基礎をなす臨界温度を下回ったままであることに留意すべきである。第２ヒートポンプ３の第２流体として、例えば水２７が使用される。

図３に概略図で図示したカスケードヒートポンプ１は、図１で既に説明した各要素を実質的に含み、従って、以下では相違点についてのみ説明することとする。

図３による熱交換器１９は、凝縮器６及び蒸発器８の代わりに、第１ヒートポンプ２の高温凝縮器２２と、第２ヒートポンプ３の高温蒸発器２３とを含む。図３からさらに見て取れるように、水２７を圧送するために、圧縮機９の代わりに液封式圧縮機２４が使用される。高温圧縮機による熱供給の結果として既に蒸発された状態の水２７が、この液封式圧縮機２４によって圧縮され、高温凝縮器２５へと供給される。

３０００ｋＪ／ｍ^３を上回る、ひいては１５００ｋＪ／ｍ^３を格段に上回る、フルオロケトン２６の特に大きい体積加熱能力に基づき、臨界点２８の臨界温度未満である、フルオロケトン２６の１４０℃の流体温度２１における熱量が、第１ヒートポンプ２の高温凝縮器２２を介して第２ヒートポンプ３の高温蒸発器２３へと伝達される。従って、高温蒸発器２３によって特に高温の熱量を水２７へ放熱することが可能となり、その結果として、高温凝縮器２５によって特に高温の有効熱量をヒートシンク１３へ放熱することも可能となる。第２ヒートポンプ３において流体として運ばれる水２７が、熱交換器１９を介してフルオロケトン２６から水２７へと伝達された１４０℃の熱量によって例えば２００℃の温度まで加熱された場合、このことは水２７の６０℃の温度差に相当する。２００℃では、水２７の体積加熱能力２０は４０００ｋＪ／ｍ^３を上回り、すなわち１５００ｋＪ／ｍ^３を格段に上回る値になる。

Claims (10)

1. ヒートポンプ装置（１）を動作させる方法であって、
   第１ヒートポンプ（２）を第１流体（２６）が通流し、第２ヒートポンプ（３）を第２流体（２７）が通流し、
   熱交換器（１９）を介して前記第１流体（２６）から前記第２流体（２７）に熱が伝達される、方法において、
   前記第１流体（２６）及び前記第２流体（２７）の体積加熱能力（２０）が少なくとも５００ｋＪ／ｍ^３である条件で動作させて前記第２流体（２７）の有効熱を放熱することにより、少なくとも１５０℃の流体温度（２１）において、前記第２流体（２７）から前記有効熱を取り出し、
   前記第１ヒートポンプ（２）に、前記第１流体（２６）として少なくとも１種類のフルオロケトンを通流させ、
   前記フルオロケトンは、ＮＯＶＥＣ（登録商標）６４９であり、
   前記第１流体（２６）を、該第１流体の臨界温度未満で使用する、
   ことを特徴とする、方法。
2. 少なくとも１６０℃の流体温度（２１）において、前記第２流体（２７）から前記有効熱を取り出す、
   請求項１記載の方法。
3. 前記第２流体（２７）として、水又は少なくとも１種類のフルオロケトンを使用する、
   請求項１または２記載の方法。
4. 前記第１流体（２６）及び前記第２流体（２７）として、互いに異なる流体を使用する、請求項１から３のいずれか一項記載の方法。
5. 前記第１流体（２６）から前記第２流体（２７）への放熱を、充分に等温的に実施する、請求項１から４のいずれか一項記載の方法。
6. 前記第１流体（２６）及び前記第２流体（２７）の体積加熱能力（２０）が少なくとも１０００ｋＪ／ｍ^３である条件で動作させて前記第２流体（２７）の前記有効熱を放熱する、
   請求項１から５のいずれか一項記載の方法。
7. 第１流体（２６）が通流する少なくとも１つの第１ヒートポンプ（２）と、第２流体（２７）が通流する少なくとも１つの第２ヒートポンプ（３）とを有するヒートポンプ装置（１）であって、
   熱交換器（１９）を介して前記第１流体（２６）から前記第２流体（２７）に熱が伝達される、ヒートポンプ装置（１）において、
   前記第２流体（２７）によって、少なくとも１５０℃の流体温度（２１）において有効熱が伝達され、
   前記第１流体（２６）及び前記第２流体（２７）は、少なくとも５００ｋＪ／ｍ^３の体積加熱能力（２０）を有し、
   前記第１ヒートポンプ（２）に、前記第１流体（２６）として少なくとも１種類のフルオロケトンを通流させ、
   前記フルオロケトンは、ＮＯＶＥＣ（登録商標）６４９であり、
   前記第１流体（２６）は、該第１流体の臨界温度未満で使用される、
   ことを特徴とする、ヒートポンプ装置。
8. 少なくとも１６０℃の流体温度（２１）において、前記第２流体（２７）から前記有効熱を取り出す、
   請求項７記載のヒートポンプ装置。
9. 少なくとも二段階の圧縮によって、前記第１流体（２６）及び／又は前記第２流体（２７）の少なくとも１つの温度差が増大される、
   請求項７または８記載のヒートポンプ装置。
10. 前記第２流体（２７）は、液封式圧縮機（２４）によって充分に等温的に圧縮される、
    請求項７から９のいずれか一項記載のヒートポンプ装置。
    

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