JPH0336467A

JPH0336467A - 高温ヒートポンプ

Info

Publication number: JPH0336467A
Application number: JP16913489A
Authority: JP
Inventors: Susumu Sakaida; 堺田　進; Rikuo Tamura; 田村　陸男; Masami Ishikawa; 正美石川; Keiji Koike; 小池　啓二
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1989-06-29
Filing date: 1989-06-29
Publication date: 1991-02-18

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〕本発明は低段側ヒートポンプにフロン等の冷媒を使用し
、高段側ヒートポンプの冷媒として水を使用し、低段側
ヒートポンプと高段側ヒートポンプの直列的な熱の汲み
上げを行ない、高温の温水の取り出゛しを可能とした高
温ヒートポンプに関するものである。

〔従来技術〕

冷媒ガス圧縮機を利用したヒートポンプにおいては、一
般にフロン等の単一冷媒が使用されていた。

２つの冷媒を使用する、所謂バイナリサイクルにおいて
も低段側にはＲ１２等の比較的高圧系のフロン冷媒、高
段側にはＲ１１などの低圧系のフロン冷媒が使用されて
いた。このように冷媒を選定することにより、低段側と
高段側との冷媒比体積の差を小さくして、圧縮機の設計
の困難性を回避することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、ヒートポンプを６０〜１００°Ｃの温水
を供給するための給湯を目的として使用する場合等があ
る。このような場合、従来技術では下記のような問題が
あった。

〈１）高温の温水を得るため、圧縮機の吐出ガス温度を
高くしなければならないが、フロン系冷媒は高温下では
不安定になり分解すため、冷媒が劣化しその交換頻度が
高くなる。

（２）また、オゾン層を破壊するという理由で特定フロ
ンの使用が制限されてきたが、これに代替できるフロン
系冷媒が見つかっていない。

フロンは、漏洩フロンによりオゾン層破壊の他、それ自
身が地球の温暖化の原因になるとしてその使用量を極力
減らすことが、現在世界的に要求されている。

（３）フロン系冷媒では、温水を作る凝縮器の圧力が高
くなり、高圧ガス取締り法や、圧力容器に関する法規の
制約を受け、設置取扱で制約を受ける。

（４）フロン系冷媒の使用を止め、水のみを使用する単
一冷媒のヒートポンプでは、低圧側において水蒸気の比
容積が過大となり、圧縮比が大きいため、実際的な圧縮
機の設計製作が困難である。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、上記問題点
を除去し、冷媒の劣化がなく、冷媒として水を使用して
も蒸気圧縮機や凝縮器の圧力を高くすることなく、更に
は、オゾン層破壊の原因となるフロンを冷媒として用い
なくも済む可能性のある高温ヒートポンプを提供するこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するため本発明は、高温ヒートポンプを
下記の如く構成した。

冷媒蒸発器、冷媒圧縮機、冷媒凝縮器及び冷媒膨張弁を
具備し、該機器間に冷媒を通す冷媒通路で接続してなる
低段側ヒートポンプと、水蒸気圧縮機及び水蒸気凝縮器
を具備し、該機器間を冷媒とし水を通す通水路で接続し
てなる高段側ヒートポンプとを有し、該低段側ヒートポ
ンプと高段側ヒートポンプを冷媒凝縮器を介して直列に
接続したことを特徴とする。

また、低段側ヒートポンプの冷媒凝縮器における低段側
の被冷却媒体としての冷媒の凝縮に高段側ヒートポンプ
の冷媒たる水の蒸発潜熱を利用したことを特徴とする。

また、高段側ヒートポンプに前記水蒸気圧縮機の吐出圧
力を調節する吐出圧力調節器又は凝縮器の凝縮水温度を
調節する凝縮温度調節器を備え、吐出圧が大気圧を越え
ないように、又は凝縮温度が１００℃を越えないように
水蒸気凝縮器の能力を調節することを特徴とする特また、高段側ヒートポンプの水蒸気凝縮器を、該高段側
ヒートポンプの冷媒たる水蒸気と、暖房、給湯等に使用
する温水とを直接接触させる直接接触式としたことを特
徴とする。

また、ユーザへ供給する温水は高段側のヒートポンプの
水蒸気凝縮器から送り出し、ユーザから還流する温水は
高段側のヒートポンプの水蒸気圧縮機の吸い込み側に戻
すことを特徴とする。

また、高段側ヒートポンプの水蒸気圧縮機の吸い込み側
に気液分離器を設けると共に、該気液分離器への温水還
流路に還流温水量を制御する調節弁と、該調節弁を制御
して気液分離器の液面の位置を調節する液位調節器を設
け、該液位調節器によりユーザから還流する温水量の該
気液分離器への還流量を制御することを特徴とする。

また、還流温水量を制御する調節弁の上流側に圧力ｗＲ
節器を設けると共に、前記温水還流路に水蒸気凝縮器へ
調節弁を介して温水を還流させるバイパス還流路を設け
、ユーザからの温水還流圧力が上昇した場合、前記圧力
調節器で前記調節弁を制御し、還流温水の一部を水蒸気
凝縮器に還流させることを特徴とする。

〔作用〕

上記の如く構成された高温ヒートポンプは下記のような
作用を奏する。

低段側ヒートポンプの蒸発器において、フロン等の冷媒
は熱源水から熱を与えられ蒸発し、蒸発してガス化した
冷媒は低段側ヒートポンプの圧縮機の吸い込み側に流入
する。ここで圧縮された冷媒は冷媒凝縮器において凝縮
され液体になり、膨張弁を経て蒸発器に戻る。このよう
にして低段側ヒートポンプのサイクルが完結する。低段
側ヒートポンプの冷媒は低段側ヒートポンプの凝縮器で
冷却されるが、このとき逆に高段側ヒートポンプの冷媒
たる水に、熱源媒体から汲み上げた熱を与える。低段側
ヒートポンプの凝縮器で熱を与えられた、高段側の冷媒
たる水はこの熱により蒸発し水蒸気になり、この水蒸気
は、高段側ヒートポンプの水蒸気圧縮機で圧縮され、水
蒸気凝縮器に吐出される。ここでユーザへの温水に熱を
与え再び液相の水となり、膨張弁を経由して、高段側ヒ
ートポンプの蒸発器に戻り、高段側ヒートポンプサイク
ルを完結する。

上記のように本高温ヒートポンプは、高段側ヒートポン
プの冷媒が水であるため、圧縮機の吐出圧力を温水温度
に対応する高さにしても、冷媒が劣化することはない、
また、その圧力も６０〜１００℃の温水を得るためには
、大気圧程度にするだけでよい。また、低段側ヒートポ
ンプの冷媒は比較的低い温度で扱われるため特定フロン
に比較して安定性の低′い分解しやすい冷媒を使用する
ことも可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係る高温ヒートポンプの構成を示す図
であり、本発明に係る高温ヒートポンプは、低段側ヒー
トポンプＡと高段側ヒートポンプＢとからなる。

低段側ヒートポンプＡは冷媒蒸発器１、冷媒圧縮機２、
冷媒膨張弁３及び冷媒凝縮器４を具備し、これら機器間
をフロン等の冷媒Ｅが通る冷媒通路５で接続した構成で
ある。

高段側ヒートポンプＢは、水蒸気圧縮機１１、水蒸気凝
縮器１２及び気液分離器１３を具備し、冷媒としての水
（水蒸気）Ｆが通る通水路１４で接続した構成である。

低段側ヒートポンプＡにおいて、冷媒Ｅは冷媒蒸発器１
において、熱源水Ｃから熱を与えられ蒸発する。冷媒蒸
気は冷媒圧縮機２により圧縮され冷媒凝縮器４に吐出さ
れる。ここで凝縮し液体になった冷媒は冷媒膨張弁３を
経て冷媒蒸発器１に戻る。

高段側ヒートポンプＢにおいては、冷媒凝縮器４にて冷
媒Ｅかも凝縮潜熱を与えられた水Ｆは、ここで加熱され
、気液分離器１３において、水蒸気と液体たる水に分離
される０分離された水蒸気は水蒸気圧縮機１１により圧
縮され、水蒸気凝縮器１２に至る。ここで、凝縮され液
体に戻った水は膨張弁１６を経て、気液分離器１３に戻
る。

ユーザＧに供給する温水りは水蒸気凝縮器１２において
、冷媒たる水Ｆから凝縮潜熱を受は加熱される。

冷媒凝縮器４においては、冷却媒体たる高段側ヒートポ
ンプＢの冷媒の水Ｆを過冷却された液体状態で冷媒Ｅの
冷却に使うことができる。この時膨張弁１７は冷媒凝縮
器４と気液分離器１３の間に設けることになる。この場
合水Ｆはポンプ１８により加圧されているので、冷媒凝
縮器４中で蒸発することなく、液体状態のままである。

この時は、冷媒の体積が変化しないので、冷媒凝縮器４
の冷却管の設計が楽になるという利点がある。

上記構成の高温ヒートポンプにおいては、膨張弁１７は
気液分離器１３と冷媒凝縮器４の間の通水路１４に設け
られているが、この場合は高段側ヒートポンプＢの冷媒
たる水は冷媒凝縮器４中で蒸発するため水の蒸発潜熱を
利用したことになる。また、水蒸気圧縮機１１の吐出圧
力を調節する吐出圧力調節器２０を設け、吐出圧力が大
気圧を越えないようにすれば、凝縮圧力が過剰に高−く
なるのを防止することができ安全上都合がよい。

また、吐出圧力調節器２０にかえて水蒸気凝縮器１２の
凝縮温度を調節する凝縮温度調節器を設け、凝縮温度が
１００°Ｃを越えないように制御してもよい。

なお、１９．２０はそれぞれ水蒸気凝縮器１２、気液分
離器１３の圧力を検出する圧力センサである。

また、２２は過熱温度調節器であり、膨張弁１７を制御
して冷媒凝縮器４に供給される冷媒流量を制御し、冷媒
凝縮器４から吐出される冷媒温度を所定の値に制御する
。

第２図は上記高温ヒートポンプにおける熱源水Ｃ５冷媒
Ｅ２高段側ヒートポンプＢの冷媒たる水蒸気Ｆ及び温水
り相互の温度関係を示す図である。特に、冷媒Ｅの凝縮
に冷媒たる水Ｆの蒸発潜熱を利用する場合を示している
。

また、第１図に示す構成の高温ヒートポンプにおいては
、気液分離器１３には液面位置を調節する液位調節器２
３が設けられ、この液位調節器２３により膨張弁１６を
制御し、水蒸気凝縮器１２から戻る水量を制御している
。

このため気液分離器１３の液位が一定に保たれ、その分
離効率を良好に保持すると共に、水蒸気圧縮機１１が液
を吸入することにより生じる不都合、例えば水蒸気圧縮
機１１の過負荷などの問題を防止することができる。

第３図は本発明に係る他の高温ヒートポンプの構成を示
す図である０本高温ヒートポンプにおいては、高段側ヒ
ートポンプＢの水蒸気凝縮器１２は冷媒たる水蒸気と、
暖房、給湯等に使用する温水りとを直接接触させる直接
接触式のものを用いている。その他の冷媒蒸発器１、冷
媒圧縮機２、冷媒凝縮器４、水蒸気圧縮機１１、水蒸気
凝縮器１２及び気液分離器１３等の構成は、第１図に示
す構成の高温ヒートポンプと同じである。本例では、水
蒸気凝縮器１２には散水ポンプ２４が設けられており、
温水りであり且つ冷媒たる水Ｆが循環散水されている。

第４図は第３図に示す構成の高温ヒートポンプにおける
熱源水Ｃ１冷媒Ｅ１高段側ヒートポンプＢの冷媒たる水
Ｆ及び温水りの相互の温度関係を示す図である。図示す
るように、水蒸気凝縮器１２を直接接触式にしたことに
より、高段側ヒートポンプＢの冷媒たる水Ｆと温水りと
の間の温度差がなくなるため、水蒸気圧縮機１１のヘッ
ドが小さくなり、該水蒸気圧縮機１１の設計が容易にな
ると共に、著しい動力低減の効果が得られる。

また、第３図に示す構成の高温ヒートポンプにおいては
、高段側ヒートポンプＢの低圧側に気液分離器１３を設
け、この気液分離器１３には液面位置を調節する液位調
節器２３が設けられている。この液位調節器２３により
膨張弁１６を制御し、ユーザＧから還流する温水りの量
の当該気液分離器１３への還流量を制御している。

還流量を制御する制御弁、即ち膨張弁１６の上流側の通
水路１４に設けた圧力調節器２６により、調節弁２７を
調節し、還流する温水りの一部をバイパス還流路２８を
通して、水蒸気凝縮器１２に還流させることにより、ユ
ーザＧからの温水還流に支障をきたすことがない、液位
調節器２３と膨張弁１６のみによる調節では気液分離器
１３の液位調節器２３が優先するため膨張弁１６がチョ
ーク状態になり得るが、その場合圧力調節器２６と調節
弁２７により適宜温水りが水蒸気凝縮器１２の方にバイ
パス還流路２８を通して流す。

〔発明の効果〕

以上説明しをように本発明によれば、下記のような優れ
た効果が得られる。

■高段側ヒートポンプの冷媒が水であるため、水蒸気圧
縮機の吐出圧力を温水温度に対応する高さにしても、冷
媒が劣化することがない。

■また、水蒸気圧縮機の吐出圧力も、６０〜１００℃の
温水を得るためには、たかだか大気圧程度にするだけで
よいから、高圧ガス取締り法や圧力容器に関する法規の
制約を受けることもなく、設計、制作、取扱共に著しく
簡便且つ経済的な高温ヒートポンプが得られる。

■また、低段側ヒートポンプにも水を使う場合と違って
、圧縮機の圧力比が適正にとれるので、非現実的な圧縮
機設計をする必要がない。

■更には、低段側ヒートポンプの冷媒は比較的低温で扱
われるため特定フロンに比較して安定性の低い分解しや
すい冷媒を使用することが可能となる。

■このように、フロンの使用量を低減するだけでなく、
オゾン層破壊の原因として世界的に規制されつつある特
定フロンそのものの使用を排除することも可能な高温ヒ
ートポンプを提供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る高温ヒートポンプの構成を示す図
、第２図は第１図の高温ヒートポンプにおける熱源水、
冷媒、水蒸気及び温水相互の温度関係を示す図、第３図
は本発明に係る他の高温ヒートポンプの構成を示す図、
第４図は第３図の高温ヒートポンプにおける熱源水、冷
媒、水蒸気及び温水相互の温度関係を示す図である。図中、Ａ・・・・低段側ヒートポンプ、Ｂ・・・・高段
側ヒートポンプ、Ｃ・・・・熱源水、Ｄ・・・・温水、
Ｅ・・・・冷媒蒸発器、Ｅ・・・・冷媒、Ｆ・・・・水
、Ｇ・・・・ユーザ、１・・・・冷媒蒸発器、２・・・
・冷媒圧縮機、３・・・・冷媒膨張弁、４・・・・冷媒
凝縮器、５・・・・冷媒通路、１１・・・・水蒸気圧縮
機、１２・・・・水蒸気凝縮器、１３・・・・気液分離
器、１４・・・・通水路、１６．１７・・・・膨張弁、
１８・・・・ポンプ、１９・・・・吐出圧力調節器又は
凝縮温度調節器、２２・・・・過熱温度調節器、２３・
・・・液位調節器、２４・・・・散水ポンプ、２５・・
・・ポンプ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）冷媒蒸発器、冷媒圧縮機、冷媒凝縮器及び冷媒膨
張弁を具備し、該機器間に冷媒を通す冷媒通路で接続し
てなる低段側ヒートポンプと、水蒸気圧縮機及び水蒸気
凝縮器を具備し、該機器間を冷媒とし水を通す通水路で
接続してなる高段側ヒートポンプとを有し、該低段側ヒ
ートポンプと高段側ヒートポンプを前記冷媒凝縮器を介
して直列に接続したことを特徴とする高温ヒートポンプ
。
（２）前記低段側ヒートポンプの冷媒凝縮器における低
段側の被冷却媒体としての冷媒の凝縮に高段側ヒートポ
ンプの冷媒たる水の蒸発潜熱を利用したことを特徴とす
る請求項（１）記載の高温ヒートポンプ。
（３）前記高段側ヒートポンプに前記水蒸気圧縮機の吐
出圧力を調節する吐出圧力調節器又は凝縮器の凝縮水温
度を調節する凝縮温度調節器を備え、前記吐出圧が大気
圧を越えないように、又は凝縮温度が１００℃を越えな
いように水蒸気凝縮器の能力を調節することを特徴とす
る請求項（１）又は（２）記載の高温ヒートポンプ。
（４）前記高段側ヒートポンプの水蒸気凝縮器を、該高
段側ヒートポンプの冷媒たる水蒸気と、暖房、給湯等に
使用する温水とを直接接触させる直接接触式としたこと
を特徴とする請求項（１）又は（２）又は（３）記載の
高温ヒートポンプ。
（５）ユーザへ供給する温水は高段側のヒートポンプの
水蒸気凝縮器から送り出し、ユーザから還流する温水は
高段側のヒートポンプの水蒸気圧縮機の吸い込み側に戻
すことを特徴とする請求項（４）記載の高温ヒートポン
プ。
（６）前記高段側ヒートポンプの水蒸気圧縮機の吸い込
み側に気液分離器を設けると共に、該気液分離器への温
水還流路に環流温水量を制御する調節弁と、該調節弁を
制御して気液分離器の液面の位置を調節する液位調節器
を設け、該液位調節器によりユーザから還流する温水量
の該気液分離器への還流量を制御することを特徴とする
請求項（５）記載の高温ヒートポンプ。
（７）前記還流温水量を制御する調節弁の上流側に圧力
調節器を設けると共に、前記温水還流路に水蒸気凝縮器
へ調節弁を介して温水を還流させるバイパス還流路を設
け、ユーザからの温水還流圧力が上昇した場合、前記圧
力調節器で前記調節弁を制御し、還流温水の一部を水蒸
気凝縮器に還流させることを特徴とする請求項（６）記
載の高温ヒートポンプ。