JPH02195162A - 冷水及び蒸気同時取り出し可能な２元ヒートポンプ - 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） 本発明は高温側ヒートポンプサイクルと低温側ヒートポ
ンプサイクルを組み合わせた冷水及び蒸気同時取出２元
ヒートポンプに係り、就中、蒸気取出に際して高沸点冷
媒の圧縮機出口温度を一定温度に調整可能ならしめ、高
沸点冷媒の高温劣化を防止せしめる上記２元ヒートポン
プに関するものである。

（従来の技術） 高沸点冷媒を使用する高温側ヒートポンプサイクルと低
沸点冷媒を使用する低温側ヒートポンプサイクルとを組
合わせ、高温の熱出力を高温側ヒートポンプサイクルか
ら、一方、低温の熱出力を低温側ヒートポンプサイクル
から取り出すようにした、いわゆる２元ヒートポンプは
公知であり、特開昭６２−５２３７６号公報、同６２−
５２３７７号公報、実開昭５７−２３６４号公報及び実
開昭６３−２０５３号公報などにより数多く開示されて
いる。

第３図はかかる２元ヒートポンプの一般的なサイクル構
成を示す図であり、高温側サイクルとして圧縮機（１１
、凝縮器（２）、受液器（３）、膨張弁（４）、アキュ
ムレータ（６）、が順次、接続配管されていると共に、
一方の低温側サイクルは、圧縮機（７）、受液器（８）
、膨張弁（９）、蒸発器側、アキュムレータａυ、が順
次、接続配管されて構成されており、低温側サイクルの
凝縮器と高温側サイクルの蒸発器とがカスケードコンデ
ンサ（５）において熱交換が行われている。そして、通
常、上記高温側サイクルにはフロンＲ−１１３，Ｒ−１
１４等の高沸点冷媒が、一方、低温側サイクルにはＲ−
１２，Ｒ−２２等の低沸点冷媒が用いられている。

次に上記第３図を参照し、それら２元ヒートポンプの作
動を説明すると、高温側サイクルにおいては、圧縮機（
１）から高温高圧の状態で吐出された高沸点冷媒は、凝
縮器（２）において冷却塔（Ｔ）を介し循環する冷却水
等により冷却されて液化した後、受液器（３）に−旦溜
まり、次いで膨張弁（４）で低圧の液ガス混合状態とな
り、後、カスケードコンデンサ（５）で低温側サイクル
の冷媒から熱を得て蒸発しアキュムレータ（６）を経て
低圧のガス状となり、圧縮機（１）へもどるサイクルと
なっている。一方、低温側サイクルにおいては圧縮機（
７）から吐出する低沸点冷媒は、高温・高圧の状態でカ
スケードコンデンサ（５）を介し高沸点冷媒に熱を与え
るとともに自身は冷却されて凝縮液化し、受液器（８）
で−旦貯溜された後、膨張弁（９）により低圧の液ガス
混合状態となり、しかる後、蒸発器ＱＯＩにおいて、吸
熱して周囲を冷却すると共に冷媒自身は蒸発し、次のア
キュムレータθυを経て、低圧のガス状となって圧縮機
（７）へ戻るサイクルになっている。

（発明が解決しようとする課題） ところが、上記の如き２元ヒートポンプはそのサイクル
により低温側の温度を氷点以下に下げることを目的とし
ており、そのため高温側凝縮器は放熱のみを対象として
いることから圧縮機から吐出する高沸点冷媒の温度を極
端に大きくする必要がなかったが、この２元ヒートポン
プを用いて冷水及び蒸気を取り出そうとすれば圧縮機か
ら吐出する高沸点冷媒の温度及び圧力が異常に高（なり
、冷媒及び冷凍機油の熱分解を促し、劣化を招き、成績
係数の大幅な低下が起こる。そのため従前の上記２元ヒ
ートポンプは常温の熱源から蒸気を取り出そうとするこ
とは事実上困難であった。

本発明は上述の如き実状に対処し、冷水及び蒸気同時取
り出し２元ヒートポンプシステムにおいて、高沸点冷媒
サイクルに４おける圧縮機吐出温度を調整する手段を付
与することにより冷凍機油及び圧縮機から吐出する高沸
点冷媒が劣化しないように制御し、冷水及び蒸気同時取
出しを可能かつ安定ならしめ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ための本発明２元ヒートポン
プの特徴とするところは、蒸発器を冷水取り出し用とす
る低沸点冷媒サイクルと、凝縮器を蒸気取り出し用とす
る高沸点冷媒サイクルを低沸点側サイクルの凝縮器と高
沸点側サイクルの蒸発器とが熱交換するカスケードコン
デンサーによって連結すると共に、高沸点側サイクルの
受液器と膨張弁の間と、蒸発器とアキュムレータの間と
で熱交換を行うエコノマイザを設置してなる２元ヒート
ポンプにおいて、前記再熱交換器を完全に対向流となす
と共に、凝縮器からエコノマイザに入る回路と並列に凝
縮器から直接膨張弁へ入り込むバイパスを設け、バイパ
ス回路及び受液器からエコノマイザに入る回路に高沸点
側サイクルの圧縮機から吐出する高沸点冷媒のガス温度
測定センサーと制御装置の信号で作動する流量調整バル
ブを設けた点にある。

（作用） 上記の如き２元ヒートポンプを用いて冷水及び蒸気を同
時に取り出しする場合において、蒸気取り出し用凝縮器
には完全対向流となる熱交換器を用いていることにより
圧縮機から吐出する高沸点冷媒ガス温度付近まで蒸気を
加熱することが可能となり、その結果、凝縮温度以上の
蒸気温度を得て従来の２元ヒートポンプにおける低沸点
冷媒側蒸発器からの冷水取り出しと共に高沸点冷媒側凝
縮器より蒸気を取り出すことを可能とする。そして、上
記冷水及び蒸気取り出しに際し、高温側ナイクルの圧縮
機から吐出する高沸点冷媒のガス温度を感知し、流量調
整バルブを作動させ、受液器からエコノマイザに流れる
冷媒流量を調整することによって、エコノマイザ出口の
過冷却度及び過熱度が変化し、高沸点冷媒サイクルの圧
！１機吐出ガス温度を一定温度に調整し、冷凍機油及び
冷媒の劣化を防止するとともに長期間連続運転が可能と
なる。

なお、上記作用は冷水及び蒸気を同時に取り出す場合で
あるが別設、同時に取り出すことなく１、何れか一方の
みの取り出しとして使用しても何ら差支えなく、その作
用は上述するところと同様である。

（実施例） 以下、更に添付図面にもとづいて本発明の詳細な説明す
る。

第１図は本発明による冷水及び蒸気取り出し２元ヒート
ポンプのサイクル系統図であり、第３図と同様に高温側
サイクルは、圧縮機（１）、凝縮器（２）、受液器（３
）、膨張弁（４）、カスケードコンデンサ（５）、アキ
ュムレータ（６）を順次接続配管して構成され、低温側
サイクルは、圧縮機（７）、カスケードコンデンサ（５
）、受液器（８）、膨張弁（９）、蒸発器ａΦアキュム
レータαυを順次接続配管して構成されている。

そして、上記構成回路において、本発明では第１図に示
すように前記高温側サイクルの受液器（３）と膨張弁（
４）の間と、カスケードコンデンサ（５）とアキュムレ
ータ（６）の間で熱交換を行うエコノマイザ０乃が設け
られており、かつ、受液器（３）からエコノマイザいに
入る回路と並列に受液器（３）から直接膨張弁（４）に
入り込むバイパスが配設され、これに高温側サイクルの
圧縮機（１）から吐出する高沸点冷媒のガス温度を測定
するセンサー０りと制御装置０６１の信号によって作動
する流ｉｔｌ＃整バルブＣ１３）、αａが設置されてい
る。

なお、図中０ηは低温側サイクルの蒸発器における熱源
水入口、α旧よ同冷水出口であり、Ｃ９は高温側サイク
ルにおける被加熱水入口、ＱｔＪは、同薫気出口である
。

しかして、上記カスケードコンデンサ（５）及びエコノ
マイザ側によって熱的に結合されている両サイクルはそ
の凝縮器（２）では被加熱水が冷媒と対向流で熱交換を
すべく配管され、またエコノマイザ（２）及びカスケー
ドコンデンサ（５）における冷媒同志の熱交換も対向流
でなされるように配管されている。

次に上記第１図における２元ヒートポンプサイクルの動
作状況を第２図に示すモリエル線図と共に説明すると、
高温側サイクルでは、圧縮ｍ（１）から高温高圧で吐出
される高沸点冷媒（Ｒ−１１４）は凝縮器（２）におい
て対向流をなす被加熱水を加熱し、蒸気として出口（２
１０より出すとともに自身は冷却されて高温の液冷媒と
なり、受液器（３）へ−時貯溜された後、エコノマイザ
側へ入る。この間の状態を第２図のモリエル線図では、
（ｆ）、　（ｇ）からｍへ至る線で示している。そして
前記エコノマイザ側では対向して流れるカスケードコン
デンサ（５）からアキュムレータ（６）に流れる冷媒と
熱交換することで、受液器から出た冷媒は、過冷却され
、第２図における（ｈ）の位置を得る。次いで、膨張弁
（４）へはいり、低圧状態となって、再び第２図の（８
１へ達し、カスケードコンデンサ（５）へ至り、ここで
低圧側サイクルの低沸点冷媒の凝縮熱を吸熱して低圧状
態でガス冷媒になるとともに過熱される。この時点が第
２図ではＵ、）で示される。しかる後、エコノマイザ０
のへ至り、対向して流れる受液器（３）からエコノマイ
ザ０３に流れる冷媒より熱を与えられさらに過熱された
冷媒はアキュムレータ（６）を経て圧縮機ｆｌ）によっ
て吸引されサイクルを完了し、この間、蒸気取出しがな
される。

なお、以上のサイクルにおいて高温側サイクルは往々に
して第２図における（ｄ、　（Ｊ）、　ｔｒｒ、　（ｇ
ｉ、　（１１゜（ｈｌ、　（ｅｌとなることがあるがこ
れを上述の如きサイクルにもってゆくことは極めて望ま
しいことである。

一方、低温側サイクルでは、圧縮機（７）から吐出され
る高温高圧の低沸点冷媒は、第２図のモリエル線図では
（Ｃ１で示された後、次のカスケードコンデンサ（５）
に入り、ここで前記した高温側サイクルの高沸点冷媒に
凝縮熱を与えるとともに、自身は高沸点冷媒の蒸発によ
って熱を奪われる。この状態が第２図の（ｄ）である。

この後、受液器（８）で−旦貯溜されて膨張弁を通過し
、第２図の（ａ）となる。次いで、蒸発器α旧こ入り、
熱源水から熱を奪って冷水とし、冷水出口Ｑｌより取出
される。

一方、自身は吸熱してガス冷媒となる。ここは第２図の
（ｂ）である。そして上記動作状況にあって、高温側サ
イクルの圧縮機から吐出する高沸点冷媒のガス温度を感
知し、これに従って流量調整バルブ０３１．Ｃ０を作動
することにより、エコノマイザ面への流量を調整し、高
温側サイクルの高圧側のエコノマイザ出口の過冷却度及
び低圧側圧縮機吸い込みガスの過熱度を調整し、圧縮機
吐出ガス温度を一定温度にする。

これを更に詳述すると上記の如く作動する本発明に係る
ヒートポンプにおいて、例えば、前記流量調整バルブα
湧を開く、または流量調整バルブα旬を閉じると、前記
エコノマイザ＠での交換熱量は多くなり、その結果、高
圧側エコノマイザ（ロ）出口冷媒の過冷却は大きくなる
とともに、低圧側サイクルにおけるエコノマイザ（ロ）
出口側では冷媒の過熱が大きくなる。この状態は第２図
のモリエル線図において、前者は（ｈ）１で示され、後
者は（ｆ）′″で示される。

圧縮機（１）吐出ガス温度が高くなる。ここはモリエル
線図の（幻”である。

次に反対に、前記流Ｍ調整バルブ０１を閉じるまたは流
Ｉｌｌｌｌ用プ００を開くと上記とは逆の作用により、
圧縮機（１）吐出ガス温度は低くなる。

従って、温度センサーａつの感知によりその温度センサ
ーＱＳ）から出力信号を出し、これに応答する制御装置
Ｑ６）によって前記流量調整バルブ（１４）、Ｃ９をコ
ントロールすることで、圧縮機（１１吐出ガス温度を自
動的に一定に維持することができる。

かくして、高温側サイクル（ｅ）、　（ｊ）、　（ｆ）
、　（ｇ）、　（１）。

（ｈ）、　ｔｅｌと低温側サイクル（ａｔ、　（ｂ）、
　（ｃｌ、　（ｄｉ、　（ａ）は（ｅ）。

Ｕ）及び（ｄ）、（Ｃ）がカスケードコンデンサによっ
て、熱的に結合されまた高温側サイクル（１１，（ｈ）
　（Ａ部分）及び０１．　（ｆ）　（Ｂ部分）がエコノ
マイザによっ勿 （ｅｌと低温側サイクル（ａｌ、　（ｂ）、　（Ｃ１，
（ｄ）、　（ａ）に比しより熱効率を高めることとなる
。

なお、以上は冷水、蒸気の同時取り出しの場合について
述べた来たが、冷水、蒸気の何れか一方のみの使用でも
よいことは前述の通りである。

また、冷水、蒸気に限らず他の流体に対しても同様に適
用し得る範囲で使用可能であり、冷水、蒸気は広く流体
を意味するものと理解されよう。

（発明の効果） 以上のように本発明に係る２元ヒートポンプは、高温側
サイクルにおいて、流量調整バルブを介装した受液器か
らエコノマイザに入る回路と並列に、流！調整バルブを
介装したバイパスを設け、流量調整バルブの開閉によっ
て、エコノマイザへ流れる高温側冷媒の流量を調整する
ものであるから冷水及び蒸気を同時に取り出す際、高温
側サイクルの圧縮機から吐出する高沸点冷媒の温度が所
定の温度を越えても、前記流量調整バルブを操作するこ
とで直ちに所定の温度へ戻すことが可能となり、同温度
を一定温度に保持し、これによって異常な圧力や温度を
抑え、冷媒や冷凍機油の劣化を防止し、結果として成績
係数の低下を防ぎ、安定して常時、蒸気を取り出すこと
が可能となる顕著な効果を有している。

しかも前記流量調整バルブと温度センサー及び制御装置
とを組み合わせることで、高沸点冷媒の圧縮機吐出温度
を自動的に保つこともでき、冷水及び蒸気取出の自動化
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る２元ヒートポンプの一例を示すサ
イクル系統図、第２図は上記サイクルにもとづくモリエ
ル線図、第３図は従来の２元ヒートポンプのサイクル系
統図である。 （１）、　（７）・・・圧縮機、 （２）・・・凝縮器、 ｆ３）、　（８）・・・受液器、 （４１，（９）・・・膨張弁、 （５）・・・カスケードコンデンサ、 （６）、αυ・・・アキュムレータ、 αφ・・・蒸発器、 α乃・・・エコノマイザ、 Ｑ’ｌｌ、Ｑ４）・・・流量調整バルブ、α９・・・セ
ンサー Ｏｅ・・・制御装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、蒸発器を冷水取り出し用とする低沸点冷媒サイクル
   と、凝縮器を蒸気取り出し用とする高沸点冷媒を低沸点
   側サイクルの凝縮器と高沸点側サイクルの蒸発器とが熱
   交換するカスケードコンデンサーによって連結すると共
   に、高沸点側サイクルの受液器と膨張弁の間と、蒸発器
   とアキュムレータの間とで熱交換を行うエコノマイザを
   設置してなる２元ヒートポンプにおいて、前記熱交換器
   を完全に対向流となすと共に、前記受液器からエコノマ
   イザに入る回路と並列に受液器から膨張弁へ直接入り込
   むバイパスを設け、バイパス回路及び受液器からエコノ
   マイザに入る回路に高沸点側サイクルの圧縮機から吐出
   する高沸点冷媒のガス温度測定センサーと制御装置の信
   号で作動する流量調整バルブを設けたことを特徴とする
   冷水及び蒸気同時取り出し可能な２元ヒートポンプ。