JPH049979B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は冷凍サイクルとヒートポンプサイクル
の組合せからなる昇温装置に関する。

（従来の技術） 産業用に使用されている冷凍装置は、食品、食
肉、化学、水産、薬品等の分野において大規模に
生産を行なつているため、一企業内でも数千馬力
の動力を使用しており、一方では洗浄温水や給湯
加熱、乾燥、蒸発、濃縮等に莫大な加熱のための
熱量を消費している。従来の産業用生産工程で
は、冷却することによつて取去つた熱は利用せず
に外部に捨て、一方加熱のために要する熱はボイ
ラによる加熱でボイラ効率の範囲内でそれぞれ動
力及び燃料を消費していることになる。

また、従来の二段圧縮式のヒートポンプの最終
出口温度は、始めから低段、高段の圧縮機のそれ
ぞれの押しのけ容積を決めて中間温度を決め、高
段側の凝縮温度より高い出口温度を得ることがで
きなかつた。低段側を冷凍目的として考えた場合
に、二段圧縮では低段、高段の中間冷却器は低段
側の圧縮機の凝縮器であり、その中間温度は低段
側の凝縮温度である。従つて、高段側の蒸発温度
は低段側の凝縮温度より高い温度にはならないか
ら、高段側の凝縮温度も高い温度としては得るこ
とができず（圧縮式ヒートポンプでは単段による
昇温幅は限定されたものしか得られない）、ヒー
トポンプとしての昇温幅も低く抑えられてしまつ
ていた。

圧縮式ヒートポンプの圧縮比＝凝縮圧力／蒸発
圧力は単段圧縮では一定の限界があり、効率（成
績係数）の範囲内で使用されなければならない。
したがつて、ヒートポンプの高い凝縮温度を得よ
うとするには、吸入ガスの温度が高く、ヒートポ
ンプの蒸発温度が高くならなければならない。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、冷凍サイクルにヒートポンプサイク
ルを組合せ、冷凍サイクルの凝縮器において大容
量で排気されている熱の中、高い断熱圧縮熱をも
つ吐ガスの顕熱のみを特に吸熱源として利用して
従来の凝縮温度よりも高いヒートポンプ温度を得
ることを目的とする。

また本発明は、従来の冷凍サイクルの圧縮機か
ら吐出される吐出ガスの顕熱と潜熱とを別々に利
用できるようにするとともに前記サイクルの高温
度側（高段側）にヒートポンプを組合せて効率よ
く高い温度が得られるようにし、従来の高低段容
積比に組み合わされた二段圧縮式のヒートポンプ
よりも高い温度を高温側に得ることを目的とす
る。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明の冷凍サイクルとヒートポンプサイクル
の組合せからなる昇温装置は、前記の目的を達成
するために次の手段からなつている。

低温度側の冷凍サイクルの圧縮機から吐出され
る吐出ガスの顕熱のみを吸熱源とする高温度側の
ヒートポンプサイクルを設け、該ヒートポンプサ
イクルの圧縮機の吐出側に加熱用の熱交換器を設
ける。（第１の発明） 低温度側の冷凍サイクルの圧縮機から吐出され
る吐出ガスの顕熱のみを吸熱源とする高温度側の
ヒートポンプサイクルと前記吐出ガスの潜熱のみ
を吸熱源とする高温度側のヒートポンプサイクル
とを設け、前記複数の高温度側のヒートポンプサ
イクルの吐出側にそれぞれ顕熱熱交換器と潜熱熱
交換器を別個直列に設けて加熱用の熱交換器と
し、前記複数の顕熱熱交換器と潜熱熱交換器との
間に負荷流体を流すように流体回路を設ける。
（第２の発明） 低温度側の冷凍サイクルの圧縮機から吐出され
る吐出ガスの顕熱のみを吸熱源とする中間温度側
のヒートポンプサイクルと前記中間温度側のヒー
トポンプサイクルの圧縮機から吐出される吐出ガ
スの顕熱のみを吸熱源とする高温度側のヒートポ
ンプサイクルとをそれぞれ設け、前記高温度側の
ヒートポンプサイクルの吐出側に加熱用の熱交換
器を設ける。（第３の発明） （作用） 低温度側の冷凍サイクルの圧縮機から吐出され
る吐出ガスの顕熱のみを吸熱源としてすなわち、
凝縮温度よりも高い温度の吸熱源を利用して高温
度側のヒートポンプサイクルを運転すれば、該ヒ
ートポンプサイクルの圧縮機の吐出側の加熱用の
熱交換器には、高い温度が得られる。（第１の発
明） 低温度側の冷凍サイクルの圧縮機から吐出され
る吐出ガスの顕熱のみを吸熱源とする高温度側の
ヒートポンプサイクルと前記吐出ガスの潜熱のみ
を吸熱源とする高温度側のヒートポンプサイクル
とのそれぞれの高温度側のヒートポンプサイクル
の吐出側にそれぞれ顕熱熱交換器と潜熱熱交換器
を別個直列に加熱用の熱交換器が設けられている
ので、これらの顕熱熱交換器と潜熱熱交換器との
間に温度が次第に高くなるように負荷流体を流す
ことにより高い温度が得られる。（第２の発明） 低温度側の冷凍サイクルの圧縮機から吐出され
る吐出ガスの顕熱のみを吸熱源として中間温度側
のヒートポンプサイクルが運転され更にこの中間
温度側のヒートポンプサイクルの圧縮機から吐出
される吐出ガスの顕熱のみを吸熱源として高温度
側のヒートポンプサイクルが運転されるので前記
高温度側のヒートポンプサイクルの吐出側の加熱
用の熱交換器には高い温度が得られる。（第３の
発明） （実施例） 第１図は２ステージ式のカスケード型
（cascade type）に組み合わされた本発明の第１
実施例であつて、低温度側の冷凍サイクルは多
数の圧縮機群を有し、この冷凍サイクルに高温
度側のヒートポンプサイクルが組み合わされて
いる。

冷凍サイクルは次のように構成される。低温
度側（低段側）の圧縮機群１ａ，１ｂ，１ｃ，１
ｄから吐出された吐出ガスは吐出ガス管８を経て
先ず顕熱熱交換器３において吐出ガスの顕熱を放
出し、次いでガス管８を経て潜熱熱交換器として
の蒸発式凝縮器４に流入し、熱交換器９において
潜熱を放出する。１１はスプレー、１０はフア
ン、１２は水を循環するポンプであつて、フアン
１０の回転により蒸発式凝縮器４の下部空気取入
口から空気が取り入れられる。凝縮液は受液器５
に貯溜され液管１３、膨脹弁７を介して蒸発器６
に流入し、ここにおいて蒸発し、吸入管１５より
再び圧縮機群１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに吸入され
る。熱交換器１４は冷却負荷である。

一方、ヒートポンプサイクルは次のように構
成される。圧縮機２により圧縮された吐出ガスは
吐出管１９により凝縮器１６に流入し、高温負荷
の熱交換器１７と熱交換して凝縮する。凝縮した
高圧冷媒は液管１８を経て過冷却熱交換器２０で
過冷却され、膨脹弁２２において減圧され、顕熱
熱交換器３内の蒸発管２３において吐出ガスの顕
熱を吸収して蒸発し、吸入管２１、過冷却熱交換
器２０を経て再び圧縮機２に吸入される。そして
凝縮器１６の熱交換器１７を流出した高温の流体
（負荷流体）がヒートポンプ目的に使用される。

今、この第１実施例を冷媒のモリエル線図、例
えばＰ−ｉ線図（Ｐは圧力、ｉは冷媒のエンタル
ピ）で表わすと第６図のようになる。この図にお
いて、は低温度側の冷凍サイクル、は高温度
側のヒートポンプサイクルであり、OXは液線、
OYは飽和ガス線、Ｏは臨界温度点である。サイ
クルの説明をすると、吸入ガスは過熱されてＡ
より低温度側の圧縮機群１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ
でＡ−Ｂ線のように圧縮され、圧縮された吐出ガ
スはＢ点より凝縮温度点Ｃを経て液化温度点Ｄに
至り、さらにＥ点まで過冷却される。BEは凝縮
全熱量を表し、BCは吐出ガスのもつ顕熱を表わ
す。Ｅ点より膨脹弁７による等エンタルピ膨脹を
行ない、蒸発温度点Ｆで蒸発が始まりFGが冷却
熱量である。Ｇ−Ａ線は吸入ガスの過熱工程であ
り、Ａ点に戻る。Ｑ−Ｎ線は等温線であるから顕
熱熱交換器３においてBNの顕熱をヒートポンプ
サイクルの蒸発管２３に吸熱させる。すなわち
この高温の熱が高温側に蒸発熱として与えられる
ことになる。

従来技術の二段圧縮サイクルにおいては、低温
度側（低段側）のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｇ−
Ａのサイクルは本発明の第１実施例と同じである
が、高温度側（高段側）サイクルは点線のＣ−Ｈ
−Ｊ−Ｋ−Ｌ−Ｍ−Ｄ−Ｃで表わされ、その高温
度側の中間温度は点Ｃで表わされる。これに対し
本発明の第１実施例では高温度側の蒸発温度はＱ
点で表わされ、点Ｃの温度よりも高い温度となつ
ている。第１実施例のヒートポンプサイクルは
Ｓ−Ｔ−Ｕ−Ｖ−Ｗ−Ｋ−Ｚ−Ｑ−Ｓで表わされ
る。

今、冷媒としてＲ１２を使用した場合、冷凍サ
イクルの点Ｇの蒸発温度を−20℃（1.54Kg／cm²
abs）とすると、点Ｃの凝縮温度は＋35℃（8.62
Kg／cm²abs）となる。したがつて、従来技術では
高温度側の点線サイクルの中間温度は35℃（8.62
Kg／cm²abs）で、高温度側の蒸発温度は35℃より
低く30℃前後である。今、これを25℃（6.6Kg／
cm²abs）とし、高温度側の凝縮温度を55℃（13.86
Kg／cm²abs）とすると、圧縮比は13.86／6.6＝2.1
である。Ｂ点は線図から85℃である。本発明の第
１実施例において、Ｎ点まで顕熱を吸収したと
し、このＮ点の温度を45℃とすると、高温度側の
ヒートポンプサイクルの蒸発温度点Ｑの温度が
45℃となり、これに対応する圧力は11Kg／cm²であ
るから、圧縮比を従来形式と同一の2.1とすると、
11×2.1＝23でヒートポンプサイクルの凝縮圧
力が23Kg／cm²absとなるから、凝縮温度は80℃ま
で上げられることになる。

従来技術では、高温度側のヒートポンプサイク
ルの凝縮温度は55℃であるから50℃の温湯しか得
られないが、本発明の第１実施例では凝縮温度が
80℃であるから、75℃の温湯が従来技術と同一の
圧縮比の下で得られることになる。

第２図は２ステージのカスケード型に組合わさ
れた本発明の第２実施例であつて、冷凍サイクル
は第１実施例と同一であるが、ヒートポンプサ
イクルの吐出側に吐出ガスの顕熱熱交換器２４
と潜熱熱交換器としての凝縮器２５とを併設し、
負荷流体を入口２８から流入させ出口２９から流
出させるように両者をシリーズに接続する。また
第３図は本発明の第３実施例であつて、負荷流体
が顕熱熱交換器２４と凝縮器２５とを並列に流れ
る点のみが第２実施例と異なつている。３１，３
３は負荷流体の入口、３２，３４はその出口であ
る。

このようにすれば、第１実施例の凝縮温度80℃
から得られる75℃よりも高い90℃位の温湯が得ら
れる。

なお、前記第１、第２及び第３の実施例におい
て、蒸発管２３を設けないで顕熱熱交換器３内部
をそのままヒートポンプサイクルの冷媒蒸発器
として使用して膨脹弁２２からの冷媒をそこで蒸
発させることもできる。このようにすれば、冷凍
サイクルとヒートポンプサイクルの冷媒はそ
こで混合することになるが、このようにすること
によつても、２つのサイクルはそれぞれの作業を
遂行するように作動をするので、前記のカスケー
ド型と同様に本発明の目的が達成される。

第４図は２ステージのカスケード型に組合され
た本発明の第４実施例で、冷凍サイクルとヒー
トポンプサイクルは第１実施例（第１図）と同
一であり、図中の同一符号の構成部分は同一の作
動を行なうが、冷凍サイクルの潜熱熱交換器と
しての凝縮器４を熱源とするヒートポンプサイク
ルを更に設けた点において第１実施例と相違し
ている。

ヒートポンプサイクルは次のように構成され
る。圧縮機２′により圧縮された吐出ガスは凝縮
器１６′に流入し、高温負荷の熱交換器１７′と熱
交換して凝縮する。凝縮した高圧冷媒は液管１
８′を経て過冷却熱交換器２０′で過冷却され、膨
脹弁２２′において減圧され、凝縮器４内の熱交
換器９にいて潜熱を吸入しつつ蒸発し過冷却熱交
換器２０′を経て再び圧縮機２′に流入する。熱交
換器１７′を流出した高温流体を更にヒートポン
プサイクルの凝縮器１６内の熱交換器１７に流
入させ、更に温度を高めた後、この高温流体（負
荷流体）をヒートポンプ用として加熱負荷用に使
用する。

第５図は２ステージのカスケード型に組合わさ
れた本発明の第５実施例で、冷凍サイクルとヒ
ートポンプサイクルは第２実施例（第２図）と
同一であり、図中の同一符号の構成部分は同一の
作動を行うが、冷凍サイクルの潜熱熱交換器と
しての凝縮器４を熱源とするヒートポンプサイク
ルを更に設けた点において第２実施例と相違し
ている。

ヒートポンプサイクルは次のように構成され
る。圧縮機２′より圧縮された吐出ガスは先ず顕
熱熱交換器２４′を、次いで潜熱熱交換器として
の凝縮器２５′を経て凝縮し、液化した高圧冷媒
は液管１８′を経て過冷却熱交換器２０′、膨脹弁
２２′を経て凝縮器４内の熱交換器９において潜
熱を吸収しつつ蒸発した後、過冷却熱交換器２
０′を経て再び圧縮機２′に流入する。ヒートポン
プ用の負荷流体は次のようにヒートポンプサイク
ルとの間をシリーズに流れる。すなわち、入
口２８から流入する負荷流体は凝縮器２５′、凝
縮器２５、顕熱熱交換器２４′、顕熱熱交換器２
４と順次流動しつつ吸熱し出口２９から高温流体
となつて流出する。

なお、前記第４および第５実施例において、蒸
発管２３を設けないで潜熱熱交換器３内部をその
ままヒートポンプサイクルの冷媒蒸発器として
使用して膨脹弁２２からの冷媒をそこで蒸発させ
ることもできることは第１、第２、第３実施例の
場合と同様である。この場合において、更に凝縮
器４内の熱交換器９を設けないで吐出ガス管８か
らの冷媒と膨脹弁２２′からの冷媒とを凝縮器４
内で直接に混合接触させて、吐出ガスの凝縮潜熱
を膨脹冷媒の蒸発熱源とするように動作させるこ
ともできる。

第７図は３ステージのカスケード型の組合され
た本発明の第６実施例であつて、冷凍サイクル
とヒートポンプサイクルは第３実施例（第３
図）と同一であり、図中の同一符号の構成部分は
同一の作動を行なうが、本実施例では、冷凍サイ
クルが大容量でヒートポンプサイクルの容量
が比較的大きいので、ヒートポンプサイクルの
顕熱熱交換器２４を吸熱源とするヒートポンプサ
イクルをカスケード型に更に設けることによ
り、前記の第１〜第５の実施例より更に高い顕熱
温度と凝縮温度を得て高温の負荷目的に利用する
ことができるようにしたものであつて、使用する
冷媒は、冷媒サイクルはＲ２２、ヒートポンプ
サイクルはＲ１２、ヒートポンプサイクルは
Ｒ１４またはＲ１１とする。

ヒートポンプサイクルは次のように構成され
る。圧縮機３６により圧縮された吐出ガスは、顕
熱熱交換器３７、潜熱熱交換器としての凝縮器３
８を経て凝縮し、液化した高圧冷媒は、液管３９
より過冷却熱交換器４０、膨脹弁４１を経てヒー
トポンプサイクルの顕熱熱交換器２４内におい
て蒸発して高温の顕熱を吸収し、吸入管４２、過
冷却熱交換器４０を経て再び圧縮機３６に吸入さ
れる。顕熱熱交換器３７においては入口４５から
流入した負荷流体が顕熱を吸収して出口４６から
流出する。凝縮器３８においては入口４３から流
入した負荷流体が潜熱を吸収して出口４４から流
出する。

〔発明の効果〕

本発明は、低温度側の冷凍サイクルの圧縮機か
ら吐出された吐出ガスの熱量のうち、潜熱を利用
することなく顕熱のみを吸熱源としたヒートポン
プサイクルを高温度側にマルチステージ式に組み
合わせることによつて、潜熱を利用しないため熱
効率上の問題はあるとしても、従来技術における
凝縮温度よりも高い温度の負荷流体を従来技術と
同一の圧縮比においても得ることができる。従来
の冷凍設備では凝縮熱を低温の凝縮温度において
棄てていたが、従来の凝縮器に圧縮機からの吐出
ガスを流入させる前に、顕熱熱交換器に流入させ
るようにして凝縮温度よりも高い温度をヒートポ
ンプサイクルの吸熱源とすることにより、従来技
術よりも相当に高い負荷用の高温流体を得ること
ができる。

また本発明は、低温度側の冷凍サイクルの圧縮
機から吐出された吐出ガスの顕熱を吸熱源とした
ヒートポンプサイクルの外に、前記吐出ガスの潜
熱を吸熱源としたヒートポンプサイクルを併用す
ることによつて、両ヒートポンプサイクルの圧縮
機の吐出側に設けた、凝縮器または顕熱熱交換器
と凝縮器に対してヒートポンプサイクル負荷用の
流体を直列または並列に流通させることによつて
熱効率の高い昇温装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図及び第７図は本発明の昇温
装置の第１ないし第５実施例及び第６実施例のフ
ローシートダイヤグラムであり、第６図は本発明
の１実施例と従来技術とを比較するための冷媒の
状態図を示すモリエル線図である。 ……冷凍サイクル、，……ヒートポンプ
サイクル、１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ……冷凍サイ
クルの圧縮機、２，２′……ヒートポンプサイク
ルの圧縮機、３……顕熱熱交換器、４……潜熱熱
交換器としての凝縮器、１６，１６′……ヒート
ポンプサイクルの凝縮器、２３……ヒートポンプ
サイクルの蒸発管、２４，２４′……ヒートポン
プサイクルの顕熱熱交換器、２５，２５′……ヒ
ートポンプサイクルの潜熱熱交換器としての凝縮
器、３６……ヒートポンプサイクルの圧縮機、４
４……ヒートポンプサイクルの潜熱熱交換器とし
ての凝縮器、４６……ヒートポンプサイクルの顕
熱熱交換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 低温度側の冷凍サイクルの圧縮機から吐出さ
   れる吐出ガスの顕熱のみを吸熱源とする高温度側
   のヒートポンプサイクルを設け、該ヒートポンプ
   サイクルの圧縮機の吐出側に加熱用の熱交換器を
   設けた冷凍サイクルとヒートポンプサイクルの組
   合せからなる昇温装置。 ２ ヒートポンプサイクルの圧縮機の吐出側に顕
   熱熱交換器と潜熱熱交換器とを別個直列に設けて
   加熱用の熱交換器とし、前記顕熱熱交換器と潜熱
   熱交換器との間に負荷流体を直列に流すように流
   体回路を設けた特許請求の範囲第１項記載の冷凍
   サイクルとヒートポンプサイクルの組合せからな
   る昇温装置。 ３ ヒートポンプサイクルの圧縮機の吐出側に顕
   熱熱交換器と潜熱熱交換器とを別個直列に設けて
   加熱用の熱交換器とし、前記顕熱熱交換器と潜熱
   熱交換器との間に負荷流体を並列に流すように流
   体回路を設けた特許請求の範囲第１項記載の冷凍
   サイクルとヒートポンプサイクルの組合せからな
   る昇温装置。 ４ 低温度側の冷凍サイクルの圧縮機から吐出さ
   れる吐出ガスの顕熱のみを吸熱源とする高温度側
   のヒートポンプサイクルと前記吐出ガスの潜熱の
   みを吸熱源とする高温度側のヒートポンプサイク
   ルとを設け、前記複数の高温度側のヒートポンプ
   サイクルの吐出側にそれぞれ顕熱熱交換器と潜熱
   熱交換器を別個直列に設けて加熱用の熱交換器と
   し、前記複数の顕熱熱交換器と潜熱熱交換器との
   間に負荷流体を流すように流体回路を設けた冷凍
   サイクルとヒートポンプサイクルの組合せからな
   る昇温装置。 ５ 複数の顕熱熱交換器と潜熱熱交換器のと間に
   負荷流体を直列に流すように流体回路を設けた特
   許請求の範囲第４項記載の冷凍サイクルとヒート
   ポンプサイクルの組合せからなる昇温装置。 ６ 複数の顕熱熱交換器と潜熱熱交換器との間に
   負荷流体を並列に流すように流体回路を設けた特
   許請求の範囲第４項記載の冷凍サイクルとヒート
   ポンプサイクルの組合せからなる昇温装置。 ７ 低温度側の冷凍サイクルの圧縮機から吐出さ
   れる吐出ガスの顕熱のみを吸熱源とする中間温度
   側のヒートポンプサイクルと前記中間温度側のヒ
   ートポンプサイクルの圧縮機から吐出される吐出
   ガスの顕熱のみを吸熱源とする高温度側のヒート
   ポンプサイクルとをそれぞれ設け、前記高温度側
   のヒートポンプサイクルの吐出側に加熱用の熱交
   換器を設けた冷凍サイクルとヒートポンプサイク
   ルの組合せからなる昇温装置。 ８ 高温度側のヒートポンプサイクルの圧縮機の
   吐出側に顕熱熱交換器と潜熱熱交換器とを別個直
   列に設けて加熱用の熱交換器とし、前記顕熱熱交
   換器と潜熱熱交換器との間に負荷流体を流すよう
   に流体回路を設けた特許請求の範囲第７項記載の
   冷凍サイクルとヒートポンプサイクルの組合せか
   らなる昇温装置。