JPH0517466B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、ルームエアコン、給湯機器などのヒ
ートポンプに係り、特に高温暖房、高温給湯を志
向したヒートポンプに関するものである。

〔発明の背景〕

まず、従来のヒートポンプを説明する。

第１図は、従来のヒートポンプの一例を示すサ
イクル構成図、第２図は、第１図に係るヒートポ
ンプのモリエル線図である。

第１図において、１は、冷媒（たとえば低沸点
冷媒Ｒ２２）ガスを昇圧する圧縮機、２は、この
圧縮機１で高温、高圧になつた冷媒から熱を放出
させる凝縮器、３は、この凝縮器２で凝縮した冷
媒を減圧させる減圧器、４は、熱源（たとえば大
気）から熱を汲上げる蒸発器である。

このように構成したヒートポンプの圧縮機１を
駆動すると、この圧縮機１で冷媒が昇圧し、この
冷媒の熱が凝縮器２から放出されて、暖房用ある
いは温水製造に利用される。凝縮器２を出た冷媒
は減圧器３で減圧され、蒸発器４で熱源から熱を
汲上げて、圧縮機１へ戻つて循環する。

このときの暖房能力は第２図における（i₁−i₂）
であり、圧縮仕事は（i₁−i₀）の値で示される。

ただし、i₀，i₁，i₂は、それぞれ圧縮機入口、
圧縮機出口、凝縮器出口における冷媒のエンタル
ピである。

このヒートポンプの成績係数は、暖房能力と圧
縮仕事との比で表わされる。すなわち、 （i₁−i₂）／（i₁−i₀） このヒートポンプにおいて、高温を得るために
は圧縮機１の吐出圧力を高めて、第２図の破線で
示すサイクルにする必要があるが、このようにす
ると蒸発圧力（蒸発温度）と凝縮圧力（凝縮温
度）との差が大きくなつて圧縮仕事が大きくな
り、また凝縮圧力が高くなるために冷媒の潜熱が
小さくなる。この場合の成績係数は、 （i₁′−i₂′）／（i₁′−i₀） となり、前記成績係数よりも低い。すなわち、高
温を得るために圧縮機１の吐出圧力を上昇させる
と成績係数が低下してしまうという欠点があつ
た。

また、圧縮機１の耐圧性を高める必要から、圧
縮機１が肉圧となり重量が増加し、コスト高にも
なる。

さらに、圧縮機１の吐出圧力を高めると、冷媒
および圧縮機１の潤滑油が熱分解を起こし、ヒー
トポンプの信頼性を低下させるという問題点もあ
つた。

上記した問題点を解決する手段として、低沸点
冷媒（たとえばＲ２２）に高沸点冷媒（たとえば
Ｒ１２）を加えた非共沸の混合冷媒を使用すると
いう試みがなされている。この混合冷媒を使用す
ることにより、従来の単一冷媒、すなわち低沸点
冷媒を使用した場合に比べて、同一の高温を得る
のに低い凝縮圧力（≒圧縮機の吐出圧力）でもよ
いので、圧縮機の耐圧性、冷媒や潤滑油の熱分解
という問題点はないものの、成績係数は、やはり
前記成績係数（i₁−i₂）／（i₁−i₀）よりも低い。
そして、前記高沸点冷媒は、同一温度での飽和蒸
気の単位容積当りの潜熱が低沸点冷媒に比べて小
さく、同一の暖房能力を得るためには圧縮機１の
能力を大きくする必要があり、すなわち圧縮機１
を大形にしなければならないという問題点があ
り、実用化に至つてないのが現状である。

〔発明の目的〕

本発明は、上記のした従来技術の欠点を除去し
て、成績係数が優れ、且つ信頼性の高い、高温暖
房、高温給湯に適したヒートポンプの提供を、そ
の目的とするものである。

〔発明の概要〕

本発明に係るヒートポンプの構成は、圧縮機、
凝縮器、減圧器、蒸発器を順次連結し、沸点の異
なる冷媒を混合してなる非共沸の混合冷媒を用い
たヒートポンプにおいて、内部に充填物を入れた
気液分離器を前記凝縮器の中間に設け、この気液
分離器を加熱するヒータを設け、前記気液分離器
で分離した液冷媒を前記圧縮器の圧縮室へ導くこ
とができる、途中に減圧器を備えたバイパス回路
を設けるようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を実施例によつて説明する。

第３図は、本発明の一実施例に係るヒートポン
プのサイクル構成図、第４図は、第３図に係るヒ
ートポンプに使用される非共沸の混合冷媒の定圧
条件での気液平衡図、第５図は、第３図に係るヒ
ートポンプのモリエル線図である。

第３図において第１図と同一番号を付したもの
は同一部分である。そして２Ａは、その中間に気
液分離器５を設けた凝縮器、３Ａは、この凝縮器
２Ａと蒸発器４との間に設けられた減圧器に係る
第１減圧器、９は、前記気液分離器５で分離した
液冷媒（使用冷媒については詳細後述する）を圧
縮機１の圧縮室１ａへ導くバイパス回路、６は、
このバイパス回路９の途中に設けられた減圧器に
係る第２減圧器である。

使用冷媒は、沸点の異なる２種類の冷媒（たと
えば低沸点冷媒Ｒ２２と高沸点冷媒Ｒ１２）を混
合してなる非共沸の混合冷媒であり、この非共沸
の混合冷媒の定圧条件での気液平衡図が第４図で
ある。この第４図において、横軸は低沸点冷媒
（Ｒ２２）のモル分率を、縦軸は温度を、それぞ
れ目盛つたものである。そして、Ｉは高沸点冷媒
（Ｒ１２）の沸点、JHF低沸点冷媒（Ｒ２２）の
沸点、実線IBEJは気相線、破線IHGCFJは液相
線である。以下、非共沸の混合冷媒を単に冷媒と
いう。

このように構成したヒートポンプの動作を、第
３〜５図を使用して説明する。第５図のモリエル
線図において、第４図の同一記号のものは同一状
態を示す。

圧縮機１を駆動すると冷媒は昇圧し、圧縮機１
の出口で、Ａの温度、圧力のガス冷媒が得られ
る。

このガス冷媒は凝縮器２Ａへ入り放熱を開始し
て温度を下げ、Ｂ点で組成Ｈの冷媒を凝縮する。
その後、冷媒はさらに放熱、凝縮して、状態Ｄで
気液分離器５に入る。このときのガス冷媒の組成
はＥで表わされ、液冷媒の組成はＧで表わされ
る。

そして液冷媒とガス冷媒の比はDEとDGの長さ
の比で表わされる。気液分離器５内の液冷媒の全
部を第２減圧器６の方へ流した場合、その割合ｉ
はDE／GEである。気液分離器５で分離されガス
冷媒は、さらに凝縮器２Ａで放熱し、温度をさげ
てＦ点になり第１減圧器３Ａへ入る。したがつて
気液分離器５以降のガス冷媒は、凝縮器２Ａの中
間から液冷媒を除くことにより、ｘだけ低沸点冷
媒の組成が多くなる。そして、第１減圧器３Ａで
減圧された冷媒は、蒸発器４で周囲から熱を汲上
げて低温、低圧のガス冷媒となつて圧縮機１の入
口Ｋへ戻り、再び加圧、加熱される。一方、気液
分離器５で分離された組成Ｇの液冷媒は、第２減
圧器６で減圧され、圧縮機１の圧縮室１ａ内へ入
り、蒸発器４から来た断熱圧縮されているガス冷
媒を冷却する。

このヒートポンプの凝縮器２Ａでの放熱量Ｑは
次式で求められる。

Ｑ＝Ａ−iG−（１−ｉ）Ｆ 第１減圧器３Ａで減圧された冷媒は、蒸発器４
でＫ−Ｆの熱量を周囲から汲上げる。そして、圧
縮機１でＫからＡまで断熱圧縮されるが、Ｌ点で
第２減圧器６を通つた液冷媒によつて一度Ｍまで
エンタルパが下がる。このときの、ヒートポンプ
の圧縮仕事はＷは次式で求められる。

Ｗ−（１−ｉ）（Ｌ−Ｋ）＋（Ａ−Ｍ） したがつて成績係数copは次式で計算できる。

cop＝Ｑ／Ｗ＝｛Ａ−iG−（１−ｉ）Ｆ｝ ／｛（１−ｉ）（Ｌ−Ｋ）＋（Ａ−Ｍ）｝ ところで、前述した従来試みられたような、冷
媒（非共沸の混合冷媒）をすべて減圧器３、蒸発
器４へ流した場合（この場合のモリエル線図を第
５図の破線で示す）と比較すると、凝縮器２Ａの
放熱量はA′−Ａに相当する量だけ小さいが、こ
れはＫからＬまで圧縮する冷媒量の減少により相
殺される程度である。また、蒸発器４内の蒸発圧
力は、冷媒の組成がｘだけ変化して低沸点冷媒の
組成が大きくなつたため、Δpだけ上昇するので、
圧縮仕事が少なくなる。

したがつて、本実施例の成績係数は、冷媒（非
共沸の混合冷媒）をすべて減圧器３、蒸発器４へ
流した場合に比べて向上し、前記した第１図にお
ける実線のサイクルの成績係数（i₁−i₂）／（i₁
−i₀）とほぼ等しくなり、所期の成績係数が得ら
れる。

また、凝縮器２Ａの放熱量がA′−Ａに相当す
るだけで小さくなつているが、この領域は加熱蒸
気であるので、この分だけ圧縮機１の出口温度が
低下し、冷媒や潤滑油への悪影響はない。

さらに、凝縮器２Ａの中間で気液分離を行な
い、液冷媒を圧縮機１の圧縮室１ａへ戻している
ため、圧縮機１から出た潤滑油は、気液分離器５
で液冷媒とともに分離され圧縮機１へ戻る。した
がつて、サイクル内に持ち出される潤滑油が少な
くなり、圧縮機１の信頼性が向上するとともに、
凝縮、蒸発熱伝達率が増大し、さらに成績係数の
向上が図れる。

加うるに、圧縮機１の入口における冷媒の組成
も変化して、低沸点冷媒の組成が大きくなるの
で、冷媒（非共沸の混合冷媒）をすべて循環する
場合に比べて、圧縮機１へ吸込むガス冷媒の比容
積が小さくなるので、圧縮機１の大きさは単一冷
媒を使用した場合と同程度でよく、混合冷媒を使
用したからといつて大形にする必要はない。

以上説明した実施例によれば、非共沸の混合冷
媒を使用し、凝縮器２Ａの中間に設けた気液分離
器５で分離した液冷媒を圧縮機１の圧縮室１ａへ
導くようにしたので、圧縮機１の出口温度を上げ
ることなく、高温が得られ、成績係数も優れてい
るという効果がある。また、潤滑油がサイクル内
へ持出されることが少なくなり、圧縮機１の信頼
性向上し、ヒートポンプの成績係数がさらに向上
する。

第６図は、本発明の他の実施例に係るヒートポ
ンプのサイクル構成図、第７図は、第６図に係る
ヒートポンプに使用される非共沸の混合冷媒の定
圧条件での気液平衡図である。

第６，７図において、それぞれ第３，４図と同
一番号、同一記号を付したものは同一部分、同一
状態を示す。そして５ａは、凝縮器２Ｂの中間に
設けた気液分離器５Ａ内に充填された、物質移動
を促進するための充填物、７は、気液分離器５Ａ
を加熱するヒータである。

このように構成した本実施例の動作を、第６，
７図を用いて説明する。気液分離器５Ａへ入るま
では、第３図に係るヒートポンプと同じである。

気液分離器５Ａへ入つた液冷媒は、ヒータ７に
よつて加熱されている充填物５ａと熱交換し、低
沸点冷媒を蒸発しながら底部へ落下する。このと
きの液冷媒の組成は、充填物５ａの温度の気相線
の組成G′まで変化する。したがつてガス冷媒の
組成はE′になり、凝縮器２Ｂの中間から液冷媒を
除くことにより、x′（第４図のｘより大きい）だ
け低沸点冷媒の組成が大きくなり、蒸発器４の蒸
発圧力が第３図に係るヒートポンプよりさらに大
きくなる。このことにより圧縮仕事はより小さく
なり、成績係数がさらに向上するという効果があ
る。

第８図は、本発明のさらに他の実施例に係るヒ
ートポンプのサイクル構成図である。

この第８図において、第３図と同一番号を付し
たものは同一部分である。そして８は、バイパス
回路９上の、気液分離器５と第２減圧器６との間
に設けられた二方弁であり、この二方弁８を
OFFにすることによりバイパス回路９へ液冷媒
が流れるのを止めることができるようにしたもの
である。

このように構成したヒートポンプをルームエア
コンとして使用すれば、外気温度が高くなつたと
き、二方弁８をOFFにして冷媒を全量１減圧器
３Ａの方へ流すことにより、放熱量が少なくする
ことができる。すなわち、外気温度が高くなると
凝縮器２Ａでの必要な放熱量は小さくなる。ま
た、このときには蒸発温度が上がり、凝縮温度と
の差が少なくなり圧縮仕事が小さくてすむ。この
結果圧縮機１の出口でのガス冷媒の温度は下が
る。このことから、バイパス回路９をOFFにし
て冷媒の全量を循環させ、圧縮機１の入口で高沸
点冷媒の多いガス冷媒を用いるようにすれば、圧
縮機１の能力を小さくでき、凝縮器２Ａでの放熱
量を少なくすることができる。

なお本実施例においては、二方弁８を、気液分
離器５と第２減圧器６との間に設けるようにした
が、第２減圧器６と圧縮機１との間に設けるよう
にしてもよい。

さらに前記各実施例は、２種類の非共沸の混合
冷媒を使用する場合について説明したが、３種類
以上の非共沸の混合冷媒を使用した場合にも同様
の効果を奏するものである。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように本発明によれば、成
績係数が優れ、且つ信頼性の高い、高温暖房、高
温給湯に適したヒートポンプを提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のヒートポンプの一例を示すサ
イクル構成図、第２図は、第１図に係るヒートポ
ンプのモリエル線図、第３図は、本発明の一実施
例に係るヒートポンプのサイクル構成図、第４図
は、第３図に係るヒートポンプに使用される非共
沸の混合冷媒の定圧条件での気液平衡図、第５図
は、第３図に係るヒートポンプのモリエル線図、
第６図は、本発明の他の実施例に係るヒートポン
プのサイクル構成図、第７図は、第６図に係るヒ
ートポンプに使用される非共沸の混合冷媒の定圧
条件での気液平衡図、第８図は、本発明のさらに
他の実施例に係るヒートポンプのサイクル構成図
である。 １……圧縮機、１ａ……圧縮室、２Ａ，２Ｂ…
…凝縮器、３Ａ……第１減圧器、４……蒸発器、
５，５Ａ……気液分離器、５ａ……充填物、６…
…第２減圧器、７……ヒータ、８……二方弁、９
……バイパス回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器を順次連結
   し、沸点の異なる冷媒を混合してなる非共沸の混
   合冷媒を用いたヒートポンプにおいて、内部に充
   填物を入れた気液分離器を前記凝縮器の中間に設
   け、この気液分離器を加熱するヒータを設け、前
   記気液分離器で分離した液冷媒を前記圧縮機の圧
   縮室へ導くことができる、途中に減圧器を備えた
   バイパス回路を設けたことを特徴とするヒートポ
   ンプ。