JPH02195130A - 冷熱流体同時供給可能なヒートポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は冷熱流体を同時に供給可能なヒートポンプに係
り、特に取得熱流体の高温化及び取得時間の短縮化を可
能とする上記ヒートポンプに関するものである。

（従来の技術） 従来、給湯装置としては、電気加熱器や温水ボイラーに
よるものが一般的であったが、ランニングコストが高か
ったり、後者に至っては排気ガスによる環境汚染の問題
を併発したりして、最近の低コストによるクリーンエネ
ルギーを求める社会情勢に必ずしも合致したものではな
かった。

そこで、低コストで無公害な給湯システムとしてヒート
ポンプが注目され、冷凍機との兼用が可能とあって最近
では冷・温水同時供給が可能なものまで多数発売されて
いる。

かかる冷温水同時供給ヒートポンプの１例を第３図に示
すと、圧縮機（１）、凝縮器（２）、膨張弁（３）。

蒸発器（４）で冷凍サイクルを構成するとともに、凝縮
器（２）側には、被加熱水の給湯タンク（５）への循環
経路を、水ポンプ（９）及びパルプ（力を介装して設置
し、また蒸発器（４）側には被冷却水のために同様に水
ポンプ００）及びバルブ（８）を介装した冷水タンク（
６）への循環経路を並設している。

そして、このような構成からなる従来の冷温水同時供給
ヒートポンプの冷凍サイクルは一般に第４図に示すモリ
エル線図で表わされる。

同図においてｉはエンタルピの値を示し、先ず圧縮機（
１）で加圧圧縮される過程で、エンタルピは１１から１
２の状態へ変化し、次いで凝縮器（２）で被加熱水との
熱交換によって冷却されて圧カ一定のままで液化し、過
冷却状態になってｉ、へ至り、そして膨張弁（３）に入
り断熱膨張して、ｉ、と同値の１４を得、しかる後、蒸
発器（４）で被冷却水と熱交換して吸熱し、圧カ一定の
状態でガス化するとともに過熱状態となってもとのｉ、
へ戻らずに、ｉｌ′点に移動する。

即ち、凝縮器（２）及び蒸発器（４）側に各々、給湯タ
ンク（５）及び冷水タンク（６）を設け、水ポンプ００
）でタンク内の水を循環させてガス冷媒と熱交換する。

この結果、凝縮圧力は上昇し、それに伴って凝縮温度も
高くなり、高温水を得、一方蒸発圧力は下降し、それに
ともなって蒸発温度も低くなり、低温水を得ているので
ある。このため、運転経過時間と共にモリエル線図は、
ｉ　、　−＊　ｉ　、′→１１”＋１！→ｉｚ　−４１
，＋　１３°ｉ３°１３，１．°ｉ、−＋ｔ、へと縦方
向に移動しＣＯＰ　（成績係数）も低い値のものとなっ
ている。

なお、第４図のモリエル線図からＣ０Ｐ（成績係数）は
次の式で求められる。

周知の如くヒートポンプのＣＯＰは、システムの熱効率
の度合を示し、その効率の上下は、得られる冷水や温水
の最終到達温度に影響する。

上記の弐からｃｏｐを向上させるには（ｉ２ＩＩ　　ｉ
、　ＩＩ　）即ら凝縮器（２）側でのエンタルピの差と
、（ｉｓｌｉ４１＃）即ち蒸発器（４）側でのエンタル
ピの差とを増大し、（１２“−１ｓｔ）即ち圧縮機（１
）の仕事当量を減少させれば良いことが分かる。

従来よりこの意向に添って凝縮器（２）や蒸発器（４）
での熱交換の効率を向上すべく、伝熱面積を拡大したり
、凝縮器出口側の液冷媒と蒸発器出口側のガス冷媒とを
熱交換させて、過冷却域及び過熱域のエンタルピ差を拡
大させる手段等が個々に行われている。その結果、従来
の冷温水同時供給ヒートポンプはＣＯＰにおいて４．０
前後を示し、最終的には略７５°Ｃの温水を得ている。

（発明が解決しようとする課題） しかし、前記従来の冷熱水同時供給し−トポンプは、給
湯タンクの水ポンプで、水を循環、即ち給湯タンクに凝
縮器の熱を蓄熱させながら所定の温水温度を得ているた
めに、立ち上がり時間が長い上、前記の手段をもってし
ても、７５゛Ｃを越えるような水を生成することは不可
能であった。即ち、被加熱水の加熱が前記の如く被加熱
水の循環と共になされることから、このような循環方式
では水温を一発に上昇させるのは不可能であり、また運
転経過時間に従い一定温度に上昇すると、凝縮器におけ
る冷媒との対数平均温度差は僅かになり、これが一定値
以下になると、さらに循環しても充分な交換熱量は得ら
れず、冷媒は凝縮しなくなって温度上昇が止まるのであ
る。この結果、圧縮比の増大とＣＯＰの低下となって現
れてくる。

上記の、ような現状では、７５°Ｃ以上の高熱水を得る
場合、再び、前記電気加熱器や温水ボイラー等の併用が
不可欠となり、コスト・増や環境汚染の問題も再び避け
られなかった。

本発明はかかる実状に対処して冷熱同時供給可能なヒー
トポンプにおけるＣＯＰの向上を課題としてなされたも
ので、略７５゛Ｃ以上の高熱流体を極（短時間で得るこ
とを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 即ち上記目的に適合する本発明に係る冷熱流体同時供給
可能なヒートポンプの特徴とするところは、圧縮機、凝
縮器、膨張弁および蒸発器よりなる冷凍サイクルにおい
て、前゛記凝縮器出口から膨張弁へ至る間の液冷媒と、
前記蒸発器から圧縮機へ至る間のガス冷媒を熱交換する
冷媒液ガス熱交換器を併設し、前記液冷媒とガス冷媒を
完全対向流で熱交換すると共に、前記凝縮器に被加熱流
体貫流経路を、一方、前記蒸発器に被冷却流体貫流経路
を夫々設け、かつ少なくとも前記凝縮器内の被加熱流体
冷媒を対向流となしたことにある。

なお、ここで特に流体としたのは、本発明においては勿
論、水が主たるものではあるが、空気等、他のものにお
いてもその適用が可能であるためである。以下の説明に
おいては、便宜上、水をもって表現することにする。

また、本発明は冷熱水同時供給可能であるが、各単独使
用の場合を妨げるものではなく、本発明の含むところで
ある。

更に、上記における貫流方式とは、従来の如く被加熱水
ないしは被冷却水が循環しつつ所定の温度を得る循環方
式ではなく、例えば水の場合、凝縮器ないしは蒸発器へ
通水されて、ここで−気に所定の温度を得て、そのまま
利用側へ供給する方式である。また、本発明に係るヒー
トポンプでは、供給水の熱水化及び冷水化に対処して、
充分に熱交換を行い得るように凝縮器並びに蒸発器の容
量を拡大している。

（作用） Ｌ記の如く構成された本発明にかかる冷熱水同時供給ヒ
ートポンプは、凝縮器出口側の液冷媒と蒸発器出口側の
ガス冷媒とを冷媒液ガス熱交換器によって対向流で熱交
換せしめるものであるから、これによってすでに過冷却
状態にある高温の液冷媒と、過熱状態にある低温のガス
冷媒との熱交換がなされ、液冷媒は冷却されて、更に過
冷却され、対してガス冷媒は加熱されて、更に過熱され
ることになる。

またこれより以前、凝縮器においては、被加熱水は、冷
媒と対向流で、かつ貫流方式により供給されるものであ
るから、凝縮器には常に新しい供給水が流れ込み、冷媒
の出口側での過冷却をより一層実効ならしめるとともに
、供給水と冷媒との対数平均温度を始終大きく維持して
いる。

さらに蒸発器におい“ζも供給水は貫流方式によって供
給されることから、冷媒との対数平均温度差を大きく維
持することが可能になる。

かくして、冷凍サイクルにおける過冷却及び過熱を促進
することで、凝縮器側及び蒸発器側のエンタルピ差は拡
大され、また対数平均温度差の確保を図ることで圧縮比
は小さく保たれ、これらの相乗効果の結果、ＣＯＰの向
上を得るとともに、充分な熱交換がなされる。

このことから、本発明にかかる冷熱水同時供給ヒートポ
ンプにおいては、被加熱水は、凝縮器を貫流する瞬時の
間に昇温して、給湯用の高熱水と化す。

（実施例） 次に、本発明の実施例を第１図にもとづいて説明すると
、同図において、先ず、冷媒の経路としては、圧縮機（
１）の冷媒出口側から凝縮器（２）、冷媒液ガス熱交換
器（ＩＩ）、膨張弁（３）及び蒸発器（４）を順次接続
配管するとともに、前記冷媒液ガス熱交換器（１１）を
再びここで接続し、しかる後、該冷媒液ガス熱交換器（
ＩＩ）と前記圧縮機（１）の入口側とを接続して冷凍サ
イクルを構成している。

一方、被加熱水の経路としては、図において右上を供給
口として、上記の冷媒経路とは対向流をなすように凝縮
器（２）と接続配管した上で、バルブ（７）を介して、
給湯タンク（５）並びにそれと並列に設けられた直接給
湯口（９）を接続して貫流経路を構成している。

また、被冷却水の経路は、図において、左上を供給口と
して蒸発器（４）、バルブ（８）、冷水タンク（６）を
順次接続し７、冷水タンク（６）、及びこれと並列に設
けられた直接供給口θ０）へ至る貫流経路である。

なお、同し１における蒸発器（４）内での冷媒と被冷却
水との流れは前述の凝縮器（２）の場合は違い、］ｒ〆
向流で構成されているが、凝縮器（２）の場合と同様に
対向流に配管しても差し支えはない。

そして、４ｉ縮器（２）及び蒸発器（４）は取得熱水あ
るいは冷水の温度に対処して、完全な凝縮や完全な蒸発
を図るべく通常よりも大きな容量のものを使用し、更に
膨張弁（３）もそれに付随して液冷媒の断熱膨張を完全
になしえるように大流量のものを使用している。

このように構成された上記冷熱水同時供給ヒートポンプ
の作用を第２図のモリエル線図にもとづいて説明する。

圧縮機（１）により、その運転中、冷媒は断熱圧縮され
た、エンタルピｉ、′から１２　　へ上昇し、次の凝縮
器（２）において、被加熱水と熱交換することで定圧状
態のまま冷却されて液冷媒となり、さらに冷却されて過
冷却状態のｉ、を得る。このときの被加熱水の経路は前
述の如く貫流方式で構成されており、かつ冷媒と対向流
で熱交換をすることから冷媒を常時新しく供給される被
加熱水が冷却して両者の対数平均温度差を大きな値で一
定ならしめると同時に、冷媒の凝縮器（２）出口側を、
常温で流れ込む被加熱水が熱交換することで過冷却を一
層効果的ならしめている。

今、エンタルピｉ、の状態の液冷媒は次に冷媒液ガス熱
交換器（１１）へ至り、ここで後述する蒸発器（４）か
らのガス冷媒によって冷却されることで、過冷却状態の
該冷媒はさらに過冷却されてｉ、′となる。

しかる後、膨張弁（３）での断熱膨張によってエンタル
ピはｉ４′となり、次に蒸発器（４）へ至り、ここで被
冷却水との熱交換により、冷媒は吸熱して定圧状態のま
までガス冷媒となり、過熱されてエンタルピはｉ、とな
る。ここでは被冷却水の貫流方式による流れが両者の対
数平均温度差を大きく維持している。そして再び、冷媒
は前記冷媒液ガス熱交換器（１１）へ入り、ここで前述
の凝縮器（２）からの液冷媒によって加熱されて、その
過熱域を更に拡大してエンタルピｉｔ′とする。

このように、凝縮器（２）側及び蒸発器（４）側の対数
平均温度差を常に大きく保持することで、圧縮機（１）
の圧縮比を小さく維持する一方、過冷却域及び過熱域の
エンタルピ差を拡大することで凝縮器（２）側及び蒸発
器（４）側のエンタルピ差を拡大する。従で示される。

（ｉｚ’　　ｉｓ）　＞　（ｉｚ　　ｉ：＋）かつ（＋
＋　　＋４’）　＞（ｉ＋　　Ｌ）であり、また（ｉｚ
′　Ｌｉは圧縮比が小さく保持されていることから、（
ｉｚ　　；＋）との差は僅かである。

このことがらＣＯＰの向上は明らかで、熱効率の向上に
伴い、被加熱水は凝縮器（２）を貫流するその短い時間
で高熱水に変化して給湯タンク（５）に貯溜され、ある
いは直接給湯口（９）より供給されて使用に供される。

また、被冷却水も、蒸発３（４）を貫流することで、そ
の短時間に冷水となり、冷水タンク（６）に貯溜ないし
は直接供給口００）よりの使用に供される。

この実施例による試験値を次に示すと、試験した機器ｌ
量は圧ＩＩ１機５．５ｋｗ、凝縮器伝熱面積０．４２１
ｄ×２計０．８４　ｎｒ、蒸発器伝熱面積０．５５ｒ＋
（Ｘ２計１．１Ｏｎ（で、冷媒液ガス熱交換器は伝熱面
積０．１５醒である。冷媒にフロンＲ１２を使用し、２
０°Ｃの被加熱水及び被冷却水を所定の個所から供給す
るとともに圧縮機を作動させると、給湯タンクには９０
°Ｃの熱水が得られ、一方冷水タンクには６°Ｃの冷水
が得られた。凝縮器（２）及び蒸発器（４）並びに冷媒
液ガス熱交換器（１１）の両端で温度及び圧力を測定し
、エンタルピを求め、第２図のモリエル線図に対応させ
てＣＯＰを計算すると次表のようになる。

（１５３，８−１２２，１）　　＋　（１３６，９−１
１５，８）ＣＯＰ−−５，０ １５３，８−１４３，２ となって従来の４．０前後をかなり上回って、熱効率を
向上させている。

以下に従来の循環型ヒートポンプと本発明の貫流型ヒー
トポンプの、運転経過時間に対する給湯取り出し温度及
びｃｏｐ　　（凝縮器側）と、冷水取り出し温度及びＣ
０Ｐ（蒸発器側）の比較を、第１，２表に示す。

また、運転経過時間に対する給湯取り出し温度（凝縮器
側）　、ｃｏｐ（凝縮器側）と、冷水取り出し温度（蒸
発器側）の比較、Ｃ０Ｐ（蒸発器側）の比較第５．６，
７．８図に示す。図中、○は本発明に係る貫流型、口は
比較の循環型である。

この比較にあたり温度測定にはＣ−Ｃ（銅−コンスタン
タン）熱電対温度計、取り出し冷熱水量は浮遊式流量計
、凝縮ガス圧力、蒸発ガス圧力はブルドン管圧力計、圧
縮機の消費電力値はクランプ形電力計を用いた。

循環型ヒートポンプの温水側タンク内には約９５２を、
冷水側タンク内には約１０５　ｆの水をそれぞれ投入し
、冷温水循環水量はそれぞれ２５００　Ｎ　／ｈとした
。

貫流型ヒートポンプでの熱水取り出し量は１８０ｆｆｉ
／ｈ、冷水取り出し量は５００１ｈとした。

（以下、余白） 上記第１表に示すように、貫流型ヒートポンプでは凝縮
器側において６分後には約２０゛Ｃの水が瞬時に８０゛
Ｃ以−Ｆの熱水に昇温し、４０分後には１００　’Ｃの
熱水が得られた。また給湯取り出し温度のト昇にもかか
わらすｃｏｐは低下する事なく安定して高い値を保った
。

それに比べて循環型ヒートポンプでは７５°Ｃ以上の熱
水をｆＦ）ることが出来ず給湯取り出し温度の上昇に伴
ってＣＯＰは低下して行く。７５°Ｃ以上の熱水を得よ
うとしても、凝縮器内の冷媒凝縮圧力が異常に高くなり
、（３０ｋｇ／ｃ＋ｆ１以上）安全のための高圧カット
のスイッチが働き運転は不能となった。

一方、第２表に示すように、貫流型ヒートポンプでは蒸
発器側において２分後には約１８°Ｃの水が瞬時に７°
Ｃに冷却され、その後６°Ｃ前後の冷水が安定されて供
給された。またＣＯＰは運転時間の経過に対しても安定
した値を保った。

それに比べて循環型ヒートポンプでは冷水タンク内の水
を強制循環させることによりその冷水取り出し温度を低
くする事が出来るが、冷水取り出し温度の低下に伴って
ｃｏｐも低下する結果となった。但し冷水取り出し温度
が５°Ｃ以下になった時は、蒸発器内の水の凍結防止の
ために、その運転を中止した。

以上の比較から分かるように循環式ヒートポンプでは下
記に述べる欠点が存在する。

■　必要とされる冷温水温度を得るためには長時間の立
ち上がり運転を必要とする。

■　給湯取り出し温度に対しては７５°Ｃ以上の熱水は
得られない。

■　循環水を貯溜し、蓄熱する冷水タンク及び温水タン
クが必要である。

■　冷温水取り出し温度と潅水温度の温度差が大きくな
ればなるほどＣＯＰは低下する。

これに対し、本発明に係る貫流型ヒートポンプは ■　必要とされる冷熱水温度を得るための立ち上がり時
間は非常に短くまた立ち上がり後は瞬時にして必要とさ
れる冷熱水が得られる。

■　給湯取り出し温度に対しては９０℃以上の熱水が得
られる。

■　貫流水を貯溜する冷水タンクおよび熱水タンクを特
に必要としない。

■　運転経過時間に対して安定した冷熱水を供給し、Ｃ
ＯＰは低下する事なく安定して高い値を保つ。

などの有利な点が認められる。従って、本発明の方法に
よる貫流型ヒートポンプの採用により従来の循環型ヒー
トポンプの欠点はすべて改善され、更に熱水を得られる
ためにその利用応用範囲は広く、またその効果は非常に
大きいということ分かる。

なお、以上は冷熱水同時供給の場合について説明して来
たが、冷水または熱水の何れか一方のみの供給も勿論、
可能であり、前述の通り、かかる使用も当然、本発明の
含むところである。

（発明の効果） 本発明は、上述のように冷凍サイクル内に凝縮器出口側
の高温液冷媒と、蒸発器出口側の低温ガス冷媒との熱交
換を行わせる冷媒液ガス熱交換器を組み込み、なおかつ
、凝縮器では貫流方式によって供給される被加熱水と冷
媒は対向流で熱交換し、また蒸発器では貫流方式によっ
て供給される被冷却水と、冷媒は対向流もしくは並自流
で熱交換を行うものであるから、これらの要素が互いに
相乗的な効果を生み出して、ＣＯＰの顕著な向上をもた
らしている。

即ち、過冷却域及び過熱域でのエンタルピ差の増大と、
凝縮器及び蒸発器における対数平均温度差の確保とでｃ
ｏｐを向上させ、その結果、取得熱水温度の高温化を可
能とし、また貫流方式という構造上の特徴から、極めて
短時間での高温熱水ないしは低温冷水の供給を可能とし
ている。

更に加えて対数平均温度差の確保は圧縮機の圧縮比の増
大を防止し、このことから、圧縮機の容量を小さくする
ことも可能で、ランニングコストの低減を更に図るとい
う効果を有する。

かくして、本発明の冷熱水同時供給ヒートポンプは従来
不可能であった高温の熱水と、低温の冷水とを、従来不
可能であった極めて短時間の内に得られ、例えば、深夜
においても安い深夜電力で直ちに熱水が得られ、これを
直接使用することも可能であれば、これをタンクに貯溜
して、更に電力の削減を図ることが可能である等、ヒー
トポンプ本来の無公害性と相俟って、低コスト化、クリ
ーンエネルギー化を要求する現代に適合するものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る冷熱）Ｌ体間時供給可能なし−１
ポンプの一実施例を示す系統図、第２図はそのモリエル
線図、第３図は従来の冷熱水同時供給ヒートポンプの一
例を示す系統図、第４図はそのモリエル線図、第５図な
いし第８図は運転経過時間に対する給湯取り出し温度（
凝縮器側）、ＣＯＰ　（凝縮器側）、冷水取り出し温度
（蒸発器側）及びＣＯＰ　　（蒸発器側〕に関する本発
明聞流型と従来の循１！２器型との各比較図表である。 ｍ・・・圧ｉ宿般立、　　　（２）・・・凝客宿器、（
３）・・・膨張弁、　（４）・・・蒸発器、０ト・・冷
媒液ガス熱交換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器よりなる冷凍
   サイクルにおいて、前記凝縮器出口から膨張弁へ至る間
   の液冷媒と、前記蒸発器から圧縮機へ至る間のガス冷媒
   を熱交換する冷媒液ガス熱交換器を併設し、前記液冷媒
   とガス冷媒を完全対向流で熱交換すると共に、前記凝縮
   器に被加熱流体貫流経路を、一方、前記蒸発器に被冷却
   流体貫流経路を夫々設け、かつ少なくとも前記凝縮器内
   の被加熱流体と冷媒を対向流となしたことを特徴とする
   冷熱流体同時供給可能なヒートポンプ。 ２、蒸発器、凝縮器の伝熱面積が圧縮機能力に対して通
   常の２倍以上である請求項１記載の冷熱流体同時供給可
   能なヒートポンプ。