JPH0317053B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、圧力の異なる複数個の凝縮器と、こ
れらの各凝縮器にそれぞれ対応する圧縮ガスを送
る多段又は複数の圧縮段を備えた省エネルギ形ヒ
ートポンプの改良に関する。なお、本明細書にお
いて「ヒートポンプ」とは、温流体を製造する狭
義のヒートポンプのみならず、冷流体を製造する
冷凍機も含む広義のヒートポンプをいい、また、
「複数の圧縮段」とは、多段圧縮機のみならず、
複数個の圧縮機を直列状態に連結して用いるよう
にしたものも含むものである。

最近、省エネルギの観点より二つ以上の複数個
の凝縮器を有するヒートポンプが注目されてい
る。先ず、第１図のフローシートによつてこのヒ
ートポンプについて説明する。

蒸発器１内の液冷媒は、配管２を介して送り込
まれる熱源水によつて加熱されて蒸発し、吸込管
３を経て第１段圧縮機４に吸込まれる。該圧縮機
４によつて圧縮されたガスは、そのうち例えば約
１／３は、吐出管５を経て凝縮器６に吐出され、残
りの2/3は、分岐管７を経て第２段圧縮機８に吸
込まれる。同様に、第２段圧縮機８の吐出ガスの
例えば約1/2は吐出管１７を経て凝縮器９に、残
りの1/2は第３段圧縮機１０の吸込部に送られ、
ここで圧縮されて凝縮器１１に吐出される。

上記各凝縮器６，９，１１の冷却は、被加熱流
体としての負荷流体によつて行われ、該負荷流体
は、ポンプ１２により、これら三つの凝縮器６，
９，１１を直列状に順に貫流する間に加熱され
る。圧力の異なる複数個の凝縮器６，９，１１を
有するこのシステムは、通常出入口温度差の大き
い負荷流体が適用され、例えば、負荷流体入口１
３より約60℃の温流体が、各凝縮器６，９，１１
で10℃ずつ加熱され、負荷流体出口１４では約90
℃となつて負荷に供される。

一方、冷媒ガスは、凝縮器１１において凝縮
し、配管１５を経て減圧装置１６で減圧され、次
段の凝縮器９に送り込まれる。このとき、減圧作
用に伴いフラツシユガスが発生するが、このガス
は、第２段圧縮機８より吐出管１７を経て吐出さ
れる冷媒ガスと共に、この凝縮器９内で負荷流体
により冷却されて凝縮する。次いで、配管１８を
経て減圧装置１９により減圧されて最下段凝縮器
６に送られ、フラツシユガス分は、吐出管５を経
て第１段圧縮機４より吐出される冷媒ガスと共に
凝縮液化する。そして最下段減圧装置２０によつ
て減圧され、蒸発器１に戻る。

上記の装置（ヒートポンプ）においては、負荷
流体の出入口温度差が大きいので、三つの凝縮器
の凝縮温度は大きく異なつている。例えば、上記
各凝縮器１１，９，６の凝縮温度をそれぞれ95
℃、85℃、75℃と仮定し、また蒸発器１での蒸発
温度を50℃と仮定すると、第１段圧縮機４で上昇
すべき圧力は50℃相当圧より75℃相当圧までであ
り、したがつて相当圧温度差は25℃であり、同様
に、第２段及び第３段圧縮機では何れも相当圧温
度差は10℃である。すなわち、このシステムは、
第１段及び第２段圧縮機では、負荷流体温度90℃
より低いそれぞれ75℃及び85℃の凝縮温度相当圧
まで圧縮すればよいので、多段圧縮機の最終段よ
りの全吐出冷媒ガスを一つの凝縮器へ導いて、例
えば入口温度60℃より出口温度90℃まで負荷流体
温度を上昇させるようにする従来方式に比べて、
所要動力が少なくてよく、また一つの圧縮機の所
要圧縮比は、圧縮機が１台の場合に比して大幅に
少なくて済むという長所がある。

しかしながら、このヒートポンプは次のような
二つの大きな欠点を有している。その一つは、第
２段、第１段のように圧力の最下段に近づくにつ
れて凝縮器の冷媒液の流れが流れ難くなるという
ことである。上記の例で、特に最下段の凝縮器６
では、大量の液冷媒が減圧装置１９より流入する
ので、この液冷媒を流すために凝縮器下部にこの
ためのスペースが必要となる。特に下記のような
混合冷媒を使用する場合、凝縮器内の冷媒の流れ
と、負荷流体の流れと向流にしなければならない
ときには、凝縮器６は非常に大きなものとなつて
しまう欠点がある。

他の一つは、混合冷媒を使用する場合、例え
ば、第２段圧縮機８から吐出管１７を経て送られ
る冷媒ガスの温度と、減圧装置１６によつて減圧
された冷媒の温度とが異なるということである。
これを第２図を用いて説明する。

この第２図は、混合冷媒（非共沸混合冷媒）の
等圧下における気液平衡図であつて、高沸点T〓
を有する冷媒と低沸点T〓を有する冷媒の混
合冷媒において、組成ｘのものを冷却すると、露
点曲線Ｄ上のＡ点の温度T_Aにて一部凝縮が始ま
り、沸点曲線Ｅ上のＢ点の温度T_Bにて全部の凝
縮が終ることを示している。いま、第２段圧縮機
８から送られる冷媒ガスの状態をＡ点（圧力p₁、
組成ｘ、温度T_A）とすれば、このガスが凝縮器
９内で凝縮する際の変化はＡ→Ｂで表わされ、凝
縮液の状態はＢ点で表わされる。一方、減圧位置
１６によつて減圧された冷媒（気液混合状態）
は、圧力がｐとなりＣ点で表わされ、温度はT_C
となり、前記の温度T_Aより低くなつてしまう。

上記のように、圧縮機からの冷媒と減圧装置か
らの冷媒に温度差があるので、凝縮器内での熱交
換が有効に行なえなくなるという欠点がある。

本発明の目的は、上記した従来技術の二つの欠
点を除去したコンパクトな凝縮器を備えた省エネ
ルギヒートポンプを提供するにある。

この目的を達成するために、本発明は、蒸発
器、圧力の異なつた複数個の凝縮器、これらの凝
縮器にそれぞれ対応する圧力の圧縮ガスを送る複
数の圧縮段、複数個の減圧装置及びこれらの機器
を接続する配管等からなる省エネルギヒートポン
プにおいて、二番目に圧力の低い凝縮器で凝縮し
た液冷媒を、最下段凝縮器を経由させずに、減圧
装置を経て蒸発器に戻すように構成したことを特
徴としている。

以下、本発明の実施例を第３図ないし第１１図
について説明する。これら図中、第１図と同一符
号は同一物又は均等物を示す。

第３図は、第１実施例を示すフローシートであ
つて、蒸発器１内の液冷媒は、配管２を介して送
り込まれる熱源水により加熱されて蒸発し、吸込
管３を経て第１段圧縮機４に吸込まれる。該第１
段圧縮機４によつて圧縮されたガスは、そのう
ち、例えば約1/3は吐出管５を経て凝縮器６に吐
出され、残りの2/3は分岐管７を経て第２段圧縮
機８に吸込まれる。同様に、該第２段圧縮機８の
吐出ガスの例えば約1/2は吐出管１７を経て凝縮
器９に、残りの1/2は第３段圧縮機１０の吸込部
に送られ、さらに圧縮されて凝縮器１１に吐出さ
れ、ここで被加熱流体としての負荷流体により冷
却されることは、前記第１図のものと変りはな
い。

しかしながらこの実施例では、各凝縮器を通過
する負荷流体は、ポンプ１２により、これら三つ
の凝縮器６，９，１１と、これら各凝縮器の冷媒
下流側にそれぞれ設置された三つの過冷却器２
１，２２，２３とを直列状に順に貫流して加熱さ
れるように構成されている。したがつて、圧力の
異なる複数個の凝縮器を有するこのシステムは第
１図に示されたものと同様に、通常出入口温度差
の大きい負荷流体が適用され、例えば負荷流体入
口１３より約60℃の温流体が各過冷却器と凝縮器
との組合せで10℃ずつ加熱され、負荷流体出口１
４では約90℃となつて負荷に供されるが、一方、
冷媒ガスは、最上段の凝縮器１１において凝縮し
た後、配管１５を経て減圧装置１６に至る途中に
過冷却器２３が設けられているため、この過冷却
器２３で冷却され、更に減圧装置１６で減圧され
る。

このように、減圧装置１６の手前に過冷却器２
３を設けたことにより、冷媒は過冷却されている
ので、減圧装置１６で減圧作用を受けてもフラツ
シユガスは発生しない。したがつて、別個の気液
分離器を設けなくても液冷媒のみをとり出すこと
ができる。この減圧された冷媒は液冷媒のみから
なり、凝縮器９で凝縮した液冷媒と合流して更に
過冷却器２２に送られ、再び冷却された後、減圧
装置１９で減圧されるが、ここでも、冷媒は過冷
却されているのでフラツシユガスは発生せず、凝
縮器６よりの液冷媒と合流し、過冷却器２１で冷
却されて後、最下段減圧装置２０により減圧され
て蒸発器１に戻る。

第４図は、第３図に示された第１実施例のヒー
トポンプの圧力−エンタルピ線図であつて、Ａ点
とB₁点は第１段圧縮機の吸込口と吐出口の冷媒
ガスの状態を、またB₂点及びB₃点は第２段及び
第３圧縮機の吐出口の冷媒ガスの状態を示し、
D₃点、D₂点及びD₁点は凝縮機１１，９及び６の
出口の冷媒液の状態を、またD′₃点、D′₂点及び
D′₁点は過冷却器２３，２２及び２１の出口の冷
媒液の状態を示し、またE₂点、E₁点及びＥは減
圧装置１６，１９及び２０の出口の冷媒の状態を
それぞれ示している。この図に示すように、例え
ば凝縮器１１の液冷媒は、過冷却器２３により、
D′₃点（凝縮器９の相当飽和温度と同一温度）ま
で過冷却されるので、減圧装置１６により減圧さ
れても、E₂点が液相領域にあることからみても
明らかなように、フラツシユガスは発生しない。

この第１実施例によれば、各減圧装置の冷媒上
流側に過冷却器を設けているために、減圧装置に
より減圧されてもフラツシユガスが発生しないの
で、別個に気液分離器を設けなくても液冷媒をと
り出すことができ、凝縮器からの液冷媒と合流し
て、次段以降の凝縮器を経由させずに最下段減圧
装置を経て蒸発器に戻すことができるので、特に
低圧力段の凝縮器下部に液冷媒が溜まることがな
く、したがつて前記従来装置の二つの欠点の何れ
をも除去することができる。また過冷却器２１
は、最下段凝縮器６の出口冷媒を第４図のE₁点
よりD′₁点まで過冷却するので、Ｅ点に相当する
最下段減圧装置２０を出口を経て蒸発器１による
冷凍効果（Ａ点とＥ点のエンタルピの差i_A−i_E）
を増加させることができる。なお、上記の過冷却
器による作用は、他の過冷却器２３，２２につい
ても同様にいえる。

第５図は、第２実施例を示すフローシートであ
つて、減圧装置１６，１９で減圧させた後の冷媒
のうち、液冷媒のみをとり出すために、減圧装置
１６，１９の冷媒下流に気液分離器２４，２５が
設けられている。この実施例では、凝縮器１１及
び９からの液冷媒が減圧装置１６及び１９によつ
て減圧される際、フラツシユガスが発生するが、
この気液分離器２４及び２５により分離され、ガ
スは次段の凝縮器９及び６に送られて凝縮される
が、液冷媒は、凝縮器よりの凝縮液と合流されて
次段の減圧装置に送り込まれる。

第６図は、第５図に示されたヒートポンプの圧
力−エンタルピ線図であつて、例えば、凝縮器１
１の液冷媒D₃点は減圧装置１６によつて減圧さ
れたとき、E₂点で示されるように気液混合状態
にあり、ガスは第２段圧縮器８からの吐出ガス
B₂点を合流して凝縮器９D₂点へ送られることが
示されている。なお、この線図は、第１図に示す
ヒートポンプの圧力−エンタルピ線図と同じであ
る。

この第２実施例によれば、減圧装置によつて減
圧された冷媒のうち、液冷媒は気液分離器によつ
て有効に採り出すことができ、該液冷媒は凝縮器
からの液冷媒と合流して、次段以降の凝縮器を経
由させずに最下段減圧装置を経て蒸発器に戻すこ
とができるので、特に低圧力段の凝縮器下部に液
冷媒が溜まることがなく、したがつて前記第１図
に示す従来装置の何れの欠点も除去することがで
きる。

第７図は、第３実施例を示すフローシートであ
つて、第１実施例における過冷却器と、第２実施
例における気液分離器の両方が設けられている。

この実施例では、例えば凝縮器１１を出た冷媒
は、過冷却器２３を通つた後、減圧装置１６によ
つて減圧され、万一含まれている冷媒ガス分を気
液分離器２４で分離し、第２段圧縮機８からの吐
出ガスと合流して凝縮器９で凝縮させるように構
成されているので、前記した第１及び第２実施例
の特徴を併せ有することができる。

第８図は、第４実施例を示すフローシートであ
つて、上記第７図に示された第３実施例における
過冷却器のうち、冷凍熱量を増加させて冷凍効果
を向上させる点で、最も効果のある最下段減圧装
置２０の直前の過冷却器２１のみを残し、あとの
過冷却器を省略して構造を簡単にしたものであ
る。

しかしこの実施例には、減圧装置により発生す
るフラツシユガスを分離する気液分離器が設けら
れているので、本発明の特徴とする機内をも十分
果している。

第９図は、第８図に示されたヒートポンプの圧
力−エンタルピ線図であつて、過冷却器２１によ
る過冷却がD′₁点まで冷却されており、それによ
り冷凍効果（i_A−i_E）の増加が計られていること
が分かる。

第１０図は、第５実施例を示すフローシートで
あつて、凝縮器が２個（１１と６）設けられ、低
圧側凝縮器６には、第１段圧縮機４からの吐出ガ
スと、減圧装置１９で発生したフラツシユガスを
気液分離器２５で分離した冷媒ガスとを合流して
導入し、また分離された液冷媒を過冷却器２１を
経て最下段減圧装置へ導くように構成されてい
る。

この実施例においても、比較的簡単な構成であ
りながら、本発明の特徴とする前記した機能、即
ち省エネルギ作用の外、凝縮器の底部に液冷媒が
溜まらないようにする等の作用効果が奏され、し
たがつて凝縮器をコンパクトにすることができ
る。

第１１図は、第１０図に示されたヒートポンプ
の圧力−エンタルピ線図である。

なお、上記各実施例においては、圧縮機を多段
式圧縮機について説明したが、本発明は、２台以
上のターボ圧縮機を直列に連結して運転する場合
及びスクリユー式或いは往復式の容種型圧縮機を
２台以上直列に連結して運転する場合も含むこと
は勿論である。また、温流体を製造する狭義のヒ
ートポンプについて主として説明したが、冷流体
を製造する冷凍機にも同様に適用できることは勿
論である。

以上説明したように、本発明は、二番目に圧力
の低い凝縮器で凝縮した液冷媒を、最下段凝縮器
を経由させずに、減圧装置を経て蒸発器に戻すよ
うに構成しているので特に最下段凝縮器下部に液
冷媒が溜まることがなく、従つて、該凝縮器をコ
ンパクトに設計することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は先に開発した従来の省エネルギヒート
ポンプのフローシート、第２図は混合冷媒の等圧
気液平衡図、第３図、第５図、第７図、第８図及
び第１０図は本発明のヒートポンプの第１ないし
第５実施例のフローシート、第４図、第６図、第
９図及び第１１図は、それぞれ第１、第２、第４
及び第５実施例の圧力−エンタルピ線図である。 １……蒸発器、４，８，１０……圧縮機、６，
９，１１……凝縮機、１６，１９，２０……減圧
装置、２１，２２，２３……過冷却器、２４，２
５……気液分離器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 蒸発器、圧力の異なつた複数個の凝縮器、こ
   れらの凝縮器にそれぞれ対応する圧力の圧縮ガス
   を送る複数の圧縮段、複数個の減圧装置及びこれ
   らの機器を接続する配管等からなる省エネルギヒ
   ートポンプにおいて、二番目に圧力の低い凝縮器
   で凝縮した液冷媒を、最下段凝縮器を経由させず
   に、減圧装置を経て蒸発器に戻すように構成した
   ことを特徴とするヒートポンプ。