JP7145632B2 - ハイブリッドヒ－トポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮冷凍サイクルと吸収冷凍サイクルとからなるハイブリッド型のヒートポンプ装置に関するものである。

従来の冷凍サイクルには、圧縮冷凍サイクルや吸収冷凍サイクルなどがある。圧縮冷凍サイクルは、蒸発器で気化した冷媒蒸気を圧縮機で圧縮し、高温高圧になった冷媒蒸気を凝縮器で冷却液化させ、この冷媒を膨張弁経由で蒸発器に戻している。この圧縮冷凍サイクルを用いたヒートポンプ装置では、冷媒の循環方向を切替えることにより、利用側熱交換器を蒸発器として冷房運転を、また利用側熱交換器を凝縮器として暖房運転を行えるようにもできる。

吸収冷凍サイクルによる冷房運転は、蒸発器で冷温水から熱を奪って気化した冷媒蒸気を、吸収器で吸収溶液に吸収させ、この吸収溶液を再生器に送って加熱し、吸収溶液から冷媒蒸気を発生させ分離する。発生した冷媒蒸気は凝縮器に導き冷却液化させ、この冷媒を膨張弁経由で蒸発器に戻している。吸収冷凍サイクルによる暖房運転は、例えば文献1のように、高温熱源により吸収溶液から発生した冷媒蒸気を蒸発器に導いて凝縮させる方式が一般的であり、単に加えた熱源の熱量で蒸発器を通る冷温水を加熱しているだけである。

ヒートポンプ装置としては、圧縮機を用いた圧縮冷凍サイクルとすることが多いが、太陽熱パネルやエンジンラジエーターからの温水などを用いた吸収冷凍サイクルを組み込むことで、圧縮仕事の低減を図る方式が提案されている。例えば文献２や文献３では、圧縮冷凍サイクルと吸収冷凍サイクルに同一の冷媒を使用して蒸発器と凝縮器を共用とし、圧縮機と吸収溶液循環系を並列に設け、圧縮冷凍サイクルと吸収冷凍サイクルを並行して行わせるようにしている。蒸発器からの冷媒蒸気量の内、吸収溶液サイクルに吸収された分だけ、圧縮仕事を低減することができる。また、文献４や文献５では、圧縮冷凍サイクルと吸収冷凍サイクルの冷媒を別系統として分離し、サイクル間を熱的に接続することで、圧縮冷凍サイクルと吸収冷凍サイクルとで異種冷媒の使用を可能にしている。文献４の例では圧縮冷凍サイクルの蒸発器からでてくる冷媒蒸気を、吸収冷凍サイクルの蒸発器の被冷却側で液化して圧縮冷凍サイクルの蒸発器入口側に導入することで、圧縮仕事を減らしている。また、文献５の例では、圧縮冷凍サイクルの凝縮器の出口冷媒を、吸収冷凍サイクルの冷熱で過冷却して圧縮冷凍サイクルの冷房能力を増大させたり、あるいは二段圧縮機の中間の冷媒蒸気を吸収冷凍サイクルの冷熱で冷却して過熱度を下げて高圧段圧縮機に必要な圧縮仕事を低減させたりしている。

特開平０８－１１４３６０号 特公昭５７－５１０２９号 特開平０８－１４５４９６号 特開２００３－３０７３６４号 特開２０１０－２７１０３０号

圧縮冷凍サイクルと吸収冷凍サイクルからなるハイブリッドヒートポンプ装置において、圧縮冷凍サイクルでは冷媒の循環方向を切替えることにより、利用側熱交換器を蒸発器として冷房運転を、また利用側熱交換器を凝縮器として暖房運転が行える。吸収冷凍サイクルでは、冷房時は冷凍サイクルを行うが、暖房時には冷凍サイクルを行うのではなく所謂ボイラとして、単に駆動熱源をそのまま利用しているのが一般的である。本発明は、暖房運転時にも吸収冷凍サイクルを利用して、駆動熱源の熱量と吸収器熱量の合算の熱量を暖房に利用できるようにしようとするものである。

圧縮機構、熱源側熱交換器、利用側熱交換器及び冷媒配管を備えた圧縮冷凍サイクルと、再生器、吸収器、溶液配管及び冷媒配管を備えた吸収冷凍サイクルとからなり、配管の切替により冷房と暖房を行えるようにしたヒートポンプ装置において、暖房時に、吸収冷凍サイクルの吸収器の吸収溶液からの放出熱と、吸収冷凍サイクルの再生器の発生冷媒蒸気熱を、圧縮冷凍サイクル系の利用側熱交換器に導いて放熱させるように構成する。即ち、利用側熱交換器出口からの冷媒Ｒ１を吸収器の被加熱側に送って、吸収溶液で加熱蒸発させ、蒸発した冷媒Ｒ１を利用側熱交換器入口に戻すと共に、再生器で駆動熱源により溶液を加熱して発生させた冷媒蒸気もまた利用側熱交換器入口に導いて、利用側熱交換器にて凝縮させる。

前述の手段は、圧縮冷凍サイクルと吸収冷凍サイクルとで冷媒が同一で、両サイクル間を冷媒蒸気が直接行き来するハイブリッドヒートポンプ装置に対応したものである。しかし、圧縮冷凍サイクルと吸収冷凍サイクルとで冷媒が異なる場合は、圧縮冷凍サイクルと吸収冷凍サイクルとの間で冷媒移動はできないので、両サイクルを熱的に接続することになる。この場合は、吸収冷凍サイクルの吸収器と凝縮器からの放出熱を前述の吸収器からの放出熱と同様に扱うことができる。即ち、圧縮冷凍サイクルの利用側熱交換器出口からの冷媒Ｒ１を吸収冷凍サイクルの吸収器と凝縮器の被加熱側に送って、放出熱で該冷媒Ｒ１を加熱蒸発させ、蒸発した冷媒Ｒ１を利用側熱交換器入口に戻すことで、利用側熱交換器で暖房に利用することができる。以下、より具体的に解決するための手段について述べる。

第1の発明と第２の発明は、圧縮機構、熱源側熱交換器、利用側熱交換器及び冷媒配管を備えた圧縮冷凍サイクルと、再生器、吸収器、溶液配管及び冷媒配管を備えた吸収冷凍サイクルとからなるハイブリッドヒートポンプ装置に関するものである。
第1の発明では、圧縮冷凍サイクル側の冷媒を、吸収冷凍サイクルの吸収器の被加熱側、即ち冷却側に送って、吸収器の被冷却側の吸収溶液を冷却し、熱エネルギーを受けた前記冷媒を、圧縮冷凍サイクルの圧縮機構の吐出側に接続された前記熱源側熱交換器または前記利用側熱交換器の入口側に導いて、放熱するようにしている。

第２の発明では、吸収冷凍サイクルの吸収器を、外部冷却吸収器と冷媒冷却吸収器とで構成し、冷房運転時に外部冷却吸収器又は外部冷却吸収器と冷媒冷却吸収器を用い、暖房運転時には、外部冷却吸収器を休止して冷媒冷却吸収器を用いて冷媒Ｒ１で吸収熱を回収し、冷房運転時には、外部冷却吸収器を用いて外気に直接放熱して、吸収溶液温度をなるべく外気温度に近い温度にしようとしている。なお、冷房運転時に冷媒冷却吸収器は休止しなくても差し支えない。

第３の発明と第４の発明は、圧縮機構、熱源側熱交換器、利用側熱交換器及び冷媒配管を備えた圧縮冷凍サイクルと、再生器、凝縮器、吸収器、蒸発器、溶液配管及び冷媒配管を備えた吸収冷凍サイクルとからなるハイブリッドヒートポンプ装置に関するものである。
第３の発明では、圧縮冷凍サイクル側の冷媒Ｒ１を、吸収冷凍サイクルの吸収器および前記凝縮器の冷却側に送って、吸収器の被冷却側の吸収溶液を冷却し、また再生器で吸収溶液から発生した冷媒蒸気を凝縮器で冷却し、熱エネルギーを受けた前記圧縮冷凍サイクルからの冷媒Ｒ１を、圧縮冷凍サイクルの圧縮機構の吐出側に接続された前記熱源側熱交換器または前記利用側熱交換器の入口側に導いて、放熱するようにしている。

第４の発明では、前記吸収冷凍サイクルの吸収器を、外部冷却吸収器と冷媒冷却吸収器とで構成し、また、前記吸収冷凍サイクルの凝縮器を、外部冷却凝縮器と冷媒冷却凝縮器とで構成し、冷房運転時には外部冷却吸収器と外部冷却凝縮器を、暖房運転時には冷媒冷却吸収器と冷媒冷却凝縮器を用いるように切替え、また冷媒冷却吸収器と冷媒冷却凝縮器を用いるときにはそれぞれの冷却側に冷媒Ｒ１を送る。なお、冷房運転時に冷媒冷却吸収器と冷媒冷却凝縮器は休止しなくても差し支えない。

第５の発明は、上記第１～第４の発明において、吸収冷凍サイクルの吸収器の冷却側または吸収器の冷却側と凝縮器の冷却側に送る冷媒Ｒ１を、過冷却器で過冷却させてから冷媒ポンプに吸い込ませることで、冷媒ポンプのキャビテーションの発生を抑制することができる。過冷却器では、冷媒Ｒ１の一部を低圧側に膨張させて得られる冷熱で、冷媒Ｒ１自身を冷却することができる。

第６の発明では、上記第１～第５の発明において、圧縮冷凍サイクルの圧縮機構を、低圧段圧縮機と高圧段圧縮機の２基で構成し、前記低圧段圧縮機の回転速度で利用側熱交換器の出力を調整し、高圧段圧縮機の回転速度で圧縮冷凍サイクルと吸収冷凍サイクルの出力割合を調整することができる。

第1の発明は、暖房運転時に吸収冷凍サイクルを利用して、単なるボイラ機能ではなく、所謂ヒートポンプ機能として、駆動熱源と吸収熱量の合算熱量を暖房に利用できるようにしている。即ち、ヒートポンプ装置の暖房運転時には、吸収冷凍サイクルの吸収器熱量を、圧縮冷凍サイクル側の冷媒Ｒ１に回収して利用側熱交換器で放熱し、また、吸収冷凍サイクルの駆動熱源により再生器で溶液を加熱し発生させた冷媒蒸気は直接利用側熱交換器に導いて放熱している。従って、吸収冷凍サイクルを駆動するための再生器への熱源熱量と、吸収器熱量の合算が暖房に利用可能となる。ハイブリッドヒートポンプとしては、蒸気圧縮仕事の一部を吸収冷凍サイクルが行い、残部を圧縮冷凍サイクルが行うことになるので、圧縮機構の仕事量を減らすことができる。
なお、冷房運転時にも蒸気圧縮の一部を吸収冷凍サイクルが行い、残部を圧縮冷凍サイクルが行うことになるので、圧縮機構の仕事量を減らすことができる。冷房運転時には、吸収器熱量は圧縮冷凍サイクル側の冷媒に回収して熱源側熱交換器で放熱し、吸収冷凍サイクルの駆動熱源により再生器で溶液を加熱し発生させた冷媒蒸気も熱源側熱交換器に導き放熱している。

第1の発明では、冷房時には、吸収器の熱量を圧縮冷凍サイクルの冷媒が受取り、熱源側熱交換器で外部に放熱しており、熱の流れが吸収溶液から冷媒へ、さらに冷媒から外部冷却媒体である外気へと移動するので、溶液と外気の間の温度差が大きくなり、吸収冷凍サイクルで必要とする熱源温度が高くなってしまう。第２の発明では、吸収冷凍サイクルの吸収器を、外部冷却吸収器と冷媒冷却吸収器とで構成し、冷房運転時に外部冷却吸収器を、暖房運転時に冷媒冷却吸収器を用いるようにして、冷房時の吸収器熱量の流れを、吸収溶液から直接外気へと移動できるようにすることで、吸収器の溶液温度を外気温度に近くすることができ、吸収冷凍サイクルで必要とする熱源温度を低くすることができる。

第３の発明と第４の発明では、圧縮機構、熱源側熱交換器、利用側熱交換器及び冷媒配管を備えた圧縮冷凍サイクルと、再生器、凝縮器、吸収器、蒸発器、溶液配管及び冷媒配管を備えた吸収冷凍サイクルとからなるハイブリッドヒートポンプ装置に関するものである。圧縮冷凍サイクルと吸収冷凍サイクルとでサイクル間の冷媒移動をさせず、サイクルを熱的に接続しているので、圧縮冷凍サイクルと吸収冷凍サイクルとで異なる冷媒を採用することができる。
第３の発明では、吸収冷凍サイクルの吸収器熱量と凝縮器熱量を、圧縮冷凍サイクル側の冷媒Ｒ１に回収し利用側熱交換器で放熱している。従って、暖房運転時には、吸収器熱量と駆動熱源熱量との合算が暖房に利用可能となる。第１の発明では再生器で溶液から発生した冷媒蒸気を直接利用側熱交換器に放熱しているが、第３の発明では凝縮熱を間接的に放熱する形態になっている。
第４の発明では、冷房時の吸収器熱量の流れを吸収溶液から外気へと直接移動させ、また凝縮器熱量の流れを吸収冷凍サイクルの冷媒から外気へと直接移動させることで、吸収器の溶液温度および吸収冷凍サイクルの冷媒温度を外気温度に近くすることができ、吸収冷凍サイクルで必要とする熱源温度を低くすることができる。

第５の発明により、吸収冷凍サイクル側の熱を回収する冷媒Ｒ１を送る冷媒ポンプのキャビテーションを抑制し、液の移送を確実に行うことができる。

第６の発明は、圧縮冷凍サイクルの圧縮機構を、低圧段圧縮機と高圧段圧縮機の２基で構成し、前記低圧段圧縮機の回転速度で利用側熱交換器の出力を調整し、高圧段圧縮機の回転速度で圧縮冷凍サイクルと吸収冷凍サイクルの出力割合を調整できるので、吸収冷凍サイクルが温度的に成立不能になることを避け、吸収冷凍サイクルを駆動する熱源に合わせることができ、より多くの駆動熱源を有効に利用することができる。

本発明の第一の実施の形態に係るハイブリッドヒートポンプ装置１の構成を示すフローシートである。 本発明の第二の実施の形態に係るハイブリッドヒートポンプ装置２の構成を示すフローシートであり、ハイブリッドヒートポンプ装置１の変形例である。 本発明の第三の実施の形態に係るハイブリッドヒートポンプ装置３の構成を示すフローシートであり、ハイブリッドヒートポンプ装置２をさらに変形した例である。 本発明の第四の実施の形態に係るハイブリッドヒートポンプ装置４の構成を示すフローシートである。 本発明の第五の実施の形態に係るハイブリッドヒートポンプ装置５の構成を示すフローシートである。 本発明の第六の実施の形態に係るハイブリッドヒートポンプ装置６の構成を示すフローシートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係るハイブリッドヒートポンプ装置１を説明する。図１は、ハイブリッドヒートポンプ装置１の模式的系統を示すフローシートである。ハイブリッドヒートポンプ装置１は、圧縮冷凍サイクル１０と吸収冷凍サイクル５０から構成されている。圧縮冷凍サイクル１０は、低圧段圧縮機２１と高圧段圧縮機２２からなる圧縮機構２０と、利用側熱交換器３０と熱源側熱交換器３１を主要構成要素とし、冷媒配管で接続され、四方弁２４で流れ方向を逆転させることで、冷房運転と暖房運転とを切り替えている。吸収冷凍サイクル５０は、再生器５１と吸収器５２を主要構成要素とし、吸収冷凍サイクルの凝縮器および蒸発器の役割を圧縮冷凍サイクルの利用側熱交換器３０と熱源側熱交換器３１で行わせ、圧縮冷凍サイクルと共用にしている。

圧縮冷凍サイクル１０の冷房運転では、利用側熱交換器３０からの冷媒蒸気を冷媒配管４３、四方弁２４、冷媒配管４０を通り低圧段圧縮機２１の吸込側に導き、低圧段圧縮機で中間圧まで圧縮し、圧縮された冷媒蒸気の一部は冷媒配管７３を通って吸収冷凍サイクル側に行き、残部は高圧段圧縮機２２に吸込まれてさらに圧縮される。高圧段圧縮機２２の吐出側蒸気は四方弁２４、冷媒配管４４を通り熱源側熱交換器３１に導かれ、外気など外部冷却媒体で冷却され凝縮する。熱源熱交換器３１は凝縮器の役割をし、凝縮液は膨張弁３５を通り気液分離器２３に入り、分離された冷媒蒸気は、低圧段圧縮機２１と高圧段圧縮機２２の中間圧部分に導かれ、冷媒液は膨張弁３６を通って利用側熱交換器３０に導かれる。利用側熱交換器３０は蒸発器の役割をし、蒸発した冷媒蒸気は四方弁を２４、冷媒配管４０へと導かれる。

圧縮冷凍サイクル１０の暖房運転では、熱源側熱交換器３１からの冷媒蒸気を冷媒配管４４、四方弁２４、冷媒配管４０を通り低圧段圧縮機２１の吸込側に導き、低圧段圧縮機で中間圧まで圧縮し、圧縮された冷媒蒸気の一部は冷媒配管７３を通って吸収冷凍サイクル側に行き、残部は高圧段圧縮機２２に吸込まれさらに圧縮される。高圧段圧縮機２２の吐出側蒸気は四方弁２４、冷媒配管４３を通り凝縮器の役割をする利用側熱交換器３０に導かれ、暖房効果を発揮して凝縮液となる。凝縮液は膨張弁３６を通り気液分離器２３に入り、分離された冷媒蒸気は、低圧段圧縮機２１と高圧段圧縮機２２の中間圧部分に導かれ、また分離された冷媒は膨張弁３５を通って熱源側熱交換器３１に導かれる。熱源側熱交換器３１は外部流体から熱を奪う蒸発器の役割をし、蒸発した冷媒蒸気は冷媒配管４４、四方弁を２４、冷媒配管４０へと導かれる。

暖房運転時、圧縮冷凍サイクルの熱源側熱交換器３１の除霜にあたって、本例では冷媒配管８０と膨張弁８１で、圧縮機構２０の吐出部冷媒蒸気を前記熱源側熱交換器３１の入口に導くホットガスバイパス方式を示している。この除霜方式の他、冷媒の流れを逆転させて除霜する逆サイクル方式などがあり、圧縮式で用いられている各種方式が本ハイブリッドヒートポンプ装置にも適用することができる。

吸収冷凍サイクルの吸収器５２の伝熱面５２Ｘの冷却側に、冷媒ポンプ９０を用いて、圧縮冷凍サイクルで凝縮器の役目をしている熱源側熱交換器３１または利用側熱交換器３０の出口側の冷媒液Ｒ１を送り込んでいる。即ち、冷房運転時は、切替弁９１ｂを閉止し、配管４７を通る冷媒液の一部を切替弁９１ａ経由で冷媒ポンプ９０に吸込み、また暖房運転時は、切替弁９１ａを閉止し、配管４６を通る冷媒液の一部を切替弁９１ｂ経由で冷媒ポンプ９０に吸込み、冷媒配管９２を通して吸収器５２の伝熱面５２Ｘの冷却側に送り込んでいる。
吸収冷凍サイクルの吸収器５２は、冷媒配管７３で導かれる圧縮冷凍サイクルからの冷媒蒸気Ｒ２を吸収する。その際の吸収熱で温度の上った吸収溶液は、吸収器５２の伝熱面５２Ｘの冷却側を通る前述の冷媒Ｒ１により冷却される。冷媒Ｒ２を吸収した吸収溶液は再生器５１で外部の加熱源により加熱され、圧縮機構２０の吐出部に冷媒蒸気を放出する。吸収冷凍サイクル５０で、吸収溶液は冷房運転時と暖房運転時とで同じ経路で循環する。

ハイブリッドヒートポンプ装置１は、低圧段圧縮機２１で吸込んだ冷媒蒸気を圧縮機構２０の吐出部圧力まで圧縮して蒸気圧縮冷凍をするのであるが、低圧段圧縮機２１で中間圧まで圧縮された蒸気の一部を吸収冷凍サイクルの吸収器５２が吸込み、再生器５１経由で圧縮機構吐出部圧力まで圧縮し、残部を高圧段圧縮機２２が圧縮機構吐出部圧力まで圧縮することになるので、吸収冷凍サイクル系が行った圧縮仕事分だけ、圧縮機構の仕事量を減らすことができる。吸収冷凍サイクルの吸収器５２で冷媒Ｒ１に与えた熱量と、再生器５１で放出した冷媒Ｒ２の熱量は、圧縮冷凍サイクルで凝縮器の役目をしている熱源側熱交換器３１または利用側熱交換器３０で放出することになる。従って、暖房運転では、熱源側熱交換器３１で吸入した熱量分、圧縮機構２０の仕事分および吸収冷凍サイクル５０の再生器５１を加熱した熱源熱量の合算熱量が、暖房熱量として利用側熱交換器３０から出力することができる。

圧縮機構２０は低圧段圧縮機２１と高圧段圧縮機２２から構成され、それぞれ別個に運転することができる。低圧段圧縮機２１は、冷房負荷を基にして回転速度を調節し、冷媒流量が決まってくる。高圧段圧縮機２２の回転速度は、吸収冷凍サイクル駆動熱源の温度や熱量を基に調節される。あるいは、吸収冷凍サイクル駆動熱源の温度や熱量を基に、中間圧の目標値を定め、高圧段圧縮機吸込部圧力が目標の圧力になるように、高圧段圧縮機の回転速度を調節する。

図２は、ハイブリッドヒートポンプ装置２の模式的系統を示すフローシートで、図１のハイブリッドヒートポンプ装置１に切替弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を付加した変形例である。切替弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の開閉により、圧縮機構２０と吸収冷凍サイクル５０との組合せを変えて運転することができる。なお、必要に応じて、高圧段吐出側に逆流防止のための逆止弁２３を設ける。
切替弁Ｖ３を閉止、切替弁Ｖ１，Ｖ２を開として、低圧段圧縮機２１、高圧段圧縮機２２及び吸収冷凍サイクル５０を運転すれば、実施例１と同じく高圧段の圧縮仕事を減らす運転となる。この運転状態で高圧段圧縮機２２を停止しても熱源熱量が不足しない場合は、高圧段圧縮機２２の圧縮仕事を全てなくすことができる。
熱源温度が高く、あるいは外気温度が低く、圧縮冷凍サイクルの蒸発温度から凝縮温度までの温度ヘッドを吸収冷凍サイクルでも作成可能な場合は、切替弁Ｖ１を閉止、切替弁Ｖ２とＶ３を開として、圧縮機構２０及び吸収冷凍サイクルを運転して、低圧段および高圧段の圧縮仕事を減らすことができる。なお、必要温度ヘッドが低ければ、低圧段圧縮機２１を停止しても差し支えない。また、圧縮機構２０を停止しても熱源熱量が不足しなければ、吸収冷凍サイクルだけで負荷を賄い、圧縮機構２０の圧縮仕事をなくすことができる。
熱源温度が非常に低く、あるいは熱源熱量が得られない場合は、切替弁Ｖ１，Ｖ２、Ｖ３を全て閉止して吸収冷凍サイクルを休止し、圧縮冷凍サイクルだけで冷房運転をすることができる。

また、ハイブリッドヒートポンプ装置２は、図１のハイブリッドヒートポンプ装置１の冷媒ポンプ９０に過冷却器３８を付加すると共に冷媒液配管系を変形した例である。圧縮冷凍サイクル１０の四方弁３７は、冷暖で冷媒液の流れ方向を切換え、凝縮器の役目をしている熱源側熱交換器３１または利用側熱交換器３０の出口の冷媒液Ｒ１を気液分離器２３に送り、気液分離器２３でフラシュして分離した冷媒液Ｒ３を、蒸発器の役目をしている利用側熱交換器３０または熱源側熱交換器３１の入口に送っている。冷媒ポンプ９０を運転する際には、冷媒液の一部を膨張弁３９を経由して過冷却器３８の冷却側に導いて中間圧まで膨張させ、過冷却器の被加熱側を通過する冷媒液を冷却する。冷媒ポンプ９０は、膨張弁３５手前の冷媒液の一部を、冷媒配管９２を通して吸収器５４の冷却側に送り込んでいる。冷媒ポンプ９０には過冷却器で冷却された冷媒液が吸込まれるので、キャビテーションが抑制される。

図３は、ハイブリッドヒートポンプ装置３の模式的系統を示すフローシートで、前述のハイブリッドヒートポンプ装置２の圧縮機構２０を圧縮機２１の単段で構成するようにした変形例である。ハイブリッドヒートポンプ装置３では、圧縮機２１による圧縮と吸収冷凍サイクルによる圧縮とが並行して行われる。吸収冷凍サイクルによる冷媒圧縮は、吸収器５２と再生器５１との間で吸収溶液を介して行われ、この分だけ圧縮機構２０の仕事量を減らすことができる。

図４を参照して、本発明の第４の実施の形態に係るハイブリッドヒートポンプ装置４を説明する。ハイブリッドヒートポンプ装置４では、吸収冷凍サイクルの吸収器５２は、外部熱源の外気で冷却される外部冷却吸収器５２Ａと圧縮冷凍サイクル側から冷媒ポンプ９０で送られてくる冷媒Ｒ１で冷却される冷媒冷却吸収器５２Ｂで構成されている。冷房運転時は、低圧段圧縮機２１の吐出側蒸気あるいは吸込側蒸気を切替弁５２Ｃで外部冷却吸収器５２Ａに導き、また再生器５１からの吸収溶液を切替弁５２Ｄで外部冷却吸収器５２Ａに導いて、外部冷却吸収器５２Ａを作動させ、冷媒冷却吸収器５２Ｂへは冷媒蒸気及び溶液とも閉止して、冷媒冷却吸収器５２Ｂを休止とする。暖房運転時には、低圧段圧縮機２１の吸込側蒸気又は吐出側蒸気を切替弁５２Ｃで冷媒冷却吸収器５２Ｂに導き、また再生器５１からの吸収溶液を切替弁５２Ｄで冷媒冷却吸収器５２Ｂに導いて、冷媒冷却吸収器５２Ｂを作動させ、外部冷却吸収器５２Ａへは冷媒蒸気及び溶液とも閉止して、外部冷却吸収器５２Ａを休止とする。暖房運転時の冷媒冷却吸収器５２Ｂの冷却側への冷媒供給は、利用側熱交換器で凝縮した冷媒液Ｒ１を冷媒ポンプ９０で行い、蒸発した冷媒Ｒ１は圧縮機構２０の高圧部に戻している。

なお、暖房時は、熱が逃げないように外部冷却吸収器５２Ａを休止とする必要があるが、冷房時は外部冷却吸収器５２Ａと冷媒冷却吸収器５２Ｂの両者を作動させて放熱しても差し支えない。冷房運転時に冷媒ポンプ９０を運転して冷媒冷却吸収器５２Ｂに冷媒液を供給する場合は、破線で示す冷媒配管と破線で示す切換弁９１ａ、９１ｂを設け、冷房時は切換弁９１ａ開、９１ｂ閉止とし、暖房時は切換弁９１ａ閉止、９１ｂ開とする。

図５を参照して、本発明の第５の実施の形態に係るハイブリッドヒートポンプ装置５を説明する。本実施例は、圧縮冷凍サイクルと吸収冷凍サイクルのサイクル間で冷媒移動をさせず、両サイクルを熱的に接続したハイブリッドサイクルに対するものである。圧縮冷凍サイクルと吸収冷凍サイクルとで異種の冷媒を用いることができ、また圧縮冷凍サイクル系に吸収冷凍サイクル系の吸収溶液が混入することも避けられる。

吸収冷凍サイクル５０は、再生器５１と凝縮器５３、吸収器５２および蒸発器５４を主要構成要素とし、冷房運転時、暖房運転時共に、一重効用吸収冷凍サイクルを行う。吸収冷凍サイクルの蒸発器５４は、冷媒配管４８で導かれる圧縮冷凍サイクルからの冷媒蒸気を蒸発器５４の被冷却側に受け入れ冷却凝縮させる。蒸発器５４の冷却側では吸収冷凍サイクル側の冷媒が蒸発し、配管７３を通して吸収器５２に導かれて吸収溶液に吸収される。その際の吸収熱で温度上昇する吸収溶液は、冷媒ポンプ９０により送られてくる冷媒Ｒ１で冷却される。冷媒を吸収した吸収溶液は、溶液ポンプ６０で、溶液配管７１を通り、溶液熱交換器５５で熱回収をして、再生器５１に送られ、配管５１Ｘで供給される外部熱源の温水などにより加熱され、冷媒蒸気を発生する。発生した冷媒蒸気は気液分離器５６を経由して、凝縮器５３に送られ、冷媒ポンプ９０から送られてくる冷媒Ｒ１で冷却されて凝縮し、膨張弁６３を経由して蒸発器５４に戻る。再生器５１で冷媒を放出した溶液は、配管７２、溶液熱交換器５５、膨張弁６２を通って、吸収器５２に戻る。冷媒ポンプ９０から送られて、吸収器５２、凝縮器５３で加熱された冷媒は大部分が蒸気となり、高圧段圧縮機２２の吐出側の冷媒配管４２に合流する。

圧縮冷凍サイクル１０は、低圧段圧縮機２１と高圧段圧縮機２２からなる圧縮機構２０と、利用側熱交換器３０と熱源側熱交換器３１を主要構成要素として冷媒配管で接続され、四方弁２４により冷媒蒸気の流れ方向を逆転させて、冷房運転と暖房運転とを切替ている。

切替弁Ｖ３とＶ５を閉止、切替弁Ｖ１とＶ４を開として、圧縮機構２０及び吸収冷凍サイクル１０を運転すると、蒸発器の役目をする利用側熱交換器３０または熱源側熱交換器３１からの低圧の冷媒蒸気は低圧段圧縮機２１で中間圧まで圧縮され、その後、切替弁Ｖ１を通して吸収冷凍サイクルの蒸発器５４に導かれ、冷媒蒸気の一部が凝縮し、切替弁Ｖ２を通して気液分離器２３に導かれる。気液分離器２３で分離された冷媒蒸気は、高圧段圧縮機２２吸込まれさらに圧縮され、高圧段圧縮機２２から吐出された後、凝縮器の役目をする熱源側熱交換器３１又は利用側熱交換器３０に導かれ凝縮する。蒸発器５４で凝縮した冷媒液および高圧段圧縮機２２の吐出後凝縮した冷媒液は、気液分離器２３経由で、蒸発器の役目をする利用側熱交換器３０または熱源側熱交換器３１の入口側に導かれて、圧縮冷凍サイクルの冷凍に供される。従って、蒸発器５４で液化した分だけ、吸収冷凍サイクルが熱的な圧縮をして、高圧段圧縮機の圧縮仕事を削減したことになる。

冷媒ポンプ９０により送られて、吸収器５２、凝縮器５３で加熱され蒸発した冷媒Ｒ１は、凝縮器の役目をする熱源側熱交換器３１又は利用側熱交換器３０で外部流体に放熱することになる。

ハイブリッドヒートポンプ装置５は、切替弁Ｖ１、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５の開閉により、圧縮機構２０と吸収冷凍サイクルとの組合せ方を変えて運転することができる。なお、必要に応じて、高圧段吐出側に逆流防止のための逆止弁２３を設ける。
切替弁Ｖ３とＶ５を閉止、切替弁Ｖ１とＶ４を開とした運転は前述のとおりであり、高圧段の圧縮仕事を減らすことができる。この運転状態で高圧段圧縮機２２を停止しても熱源熱量が不足しない場合は、高圧段圧縮機２２の仕事をなくすことができる。

熱源温度が高く、あるいは外気温度が低く、圧縮冷凍サイクルの蒸発温度から凝縮温度までの温度ヘッドを吸収冷凍サイクルでも作成可能な場合は、切替弁Ｖ３、Ｖ４，Ｖ５を開、切替弁Ｖ１閉止として、圧縮機構２０及び吸収冷凍サイクル５０を運転して、低圧段および高圧段の圧縮仕事を減らすことができる。この運転状態で、圧縮機構２０を停止しても熱源熱量が不足しなければ、吸収冷凍サイクルだけで負荷を賄い、圧縮機構２０の仕事をなくすことができる。
熱源温度が非常に低く、あるいは熱源熱量が得られない場合は、切替弁Ｖ１、Ｖ３、Ｖ４を閉止して吸収冷凍サイクルを休止、また冷媒ポンプ９０も休止し、Ｖ５を開として圧縮冷凍サイクル１０だけで冷房運転をすることができる。
なお、切替弁をさらに加えて、低圧段、高圧段のオンとオフの組合せ、吸収サイクルとの組合せをさらに細かくして、省エネを図ることもできる。

図６を参照して、本発明の第６の実施の形態に係るハイブリッドヒートポンプ装置６を説明する。本実施例は、前記ハイブリッドヒートポンプ装置５の吸収器５２を外部熱源で冷却される外部冷却吸収器５２Ａと冷媒ポンプ９０で送られてくる冷媒Ｒ１で冷却される冷媒冷却吸収器５２Ｂで構成し、凝縮器５３を外部熱源で冷却される外部冷却凝縮器５３Ａと冷媒ポンプ９０で送られてくる冷媒Ｒ１で冷却される冷媒冷却凝縮器５３Ｂで構成したものである。冷房運転時には、外部冷却吸収器５２Ａと外部冷却凝縮器５３Ａを用い、暖房運転時には、冷媒冷却吸収器５２Ｂと冷媒冷却凝縮器５３Ｂを用いる。なお、冷房時には、外部冷却吸収器５２Ａと冷媒冷却吸収器５２Ｂの両者と、外部冷却凝縮器５３Ａと冷媒冷却凝縮器５３Ｂの両者を利用するようにしても差し支えない。

１０ 圧縮冷凍サイクル
２０ 圧縮機構
２１ 低圧段圧縮機
２２ 高圧段圧縮機
２３ 気液分離器
２４ 四方弁
３０ 利用側熱交換器
３１ 熱源側熱交換器
３５ 第一膨張弁
３６ 第二膨張弁
３７ 四方弁
３８ 過冷却器
３９ 膨張弁
４０～４８ 冷媒配管
５０ 吸収冷凍サイクル
５１ 再生器
５２ 吸収器
５３ 凝縮器
５４ 蒸発器
５５ 溶液熱交換器
５６ 溶液・冷媒気液分離器
６０ 吸収溶液ポンプ
６１ 冷媒ポンプ
７１～７５ 吸収溶液・冷媒配管
９０ 冷媒ポンプ
９１～９３ 冷媒配管
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５ 切替弁

Claims (6)

1. 圧縮機構、熱源側熱交換器、利用側熱交換器及び冷媒配管を備えた圧縮冷凍サイクルと、再生器、吸収器、溶液配管及び冷媒配管を備えた吸収冷凍サイクルとからなるハイブリッドヒートポンプ装置において、
   前記圧縮冷凍サイクル側の冷媒Ｒ１を、前記吸収冷凍サイクルの前記吸収器の伝熱面の冷却側に送って、前記吸収器の前記伝熱面の被冷却側の吸収溶液を冷却し、
   冷却後の前記冷媒Ｒ１を、前記圧縮冷凍サイクルの前記圧縮機構の吐出側に接続された前記熱源側熱交換器または前記利用側熱交換器の入口側に導くと共に、
   前記再生器にて外部の加熱源からの熱により加熱された冷媒Ｒ２を、前記圧縮機構の吐出側に接続された前記熱源側熱交換器又は前記利用側熱交換器の入口側に導くことを特徴とするハイブリッドヒートポンプ装置。
2. 前記吸収冷凍サイクルの前記吸収器を、外部冷却吸収器と冷媒冷却吸収器とで構成し、暖房運転時には前記外部冷却吸収器を休止して前記冷媒冷却吸収器を用いる
   ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドヒートポンプ装置。
3. 圧縮機構、熱源側熱交換器、利用側熱交換器及び冷媒配管を備えた圧縮冷凍サイクルと、再生器、凝縮器、吸収器、蒸発器、溶液配管及び冷媒配管を備えた吸収冷凍サイクルとからなるハイブリッドヒートポンプ装置において、
   前記圧縮冷凍サイクル側の冷媒Ｒ１を、前記吸収冷凍サイクルの前記吸収器および前記凝縮器の冷却側に送って、前記吸収器の被冷却側の吸収溶液および前記凝縮器の被冷却側の冷媒を冷却し、
   前記圧縮冷凍サイクルから送られ冷却に利用された後の前記冷媒Ｒ１を、前記圧縮冷凍サイクルの前記圧縮機構の吐出側に接続された前記熱源側熱交換器または前記利用側熱交換器の入口側に導く
   ことを特徴とするハイブリッドヒートポンプ装置。
4. 前記吸収冷凍サイクルの前記吸収器を、外部冷却吸収器と冷媒冷却吸収器とで構成し、また、前記吸収冷凍サイクルの前記凝縮器を、外部冷却凝縮器と冷媒冷却凝縮器とで構成し、暖房運転時には前記外部冷却吸収器と前記外部冷却凝縮器を休止して前記冷媒冷却吸収器と前記冷媒冷却凝縮器を用いる
   ことを特徴とする請求項３に記載のハイブリッドヒートポンプ装置。
5. 前記圧縮冷凍サイクルの前記冷媒Ｒ１を、前記吸収冷凍サイクルの前記吸収器の冷却側または前記吸収器の冷却側と凝縮器の冷却側に送る冷媒配管中に、
   前記冷媒Ｒ１自身を、前記冷媒Ｒ１の一部を低圧側に膨張させて得られる冷熱で冷却する過冷却器を設けている
   ことを特徴とする請求項１～４の何れか一項に記載のハイブリッドヒートポンプ装置。
6. 前記圧縮機構が、低圧段圧縮機と高圧段圧縮機の２基で構成し、前記低圧段圧縮機の回転速度で前記利用側熱交換器の出力を調整し、前記高圧段圧縮機の回転速度で前記圧縮冷凍サイクルと前記吸収冷凍サイクルの出力割合を調整することを特徴とする請求項１～５の何れか一項に記載のハイブリッドヒートポンプ装置。

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