JPH07107466B2 - ヒートポンププロセスにおける方法及びヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はヒートポンププロセスにおける方法及びヒート
ポンプ装置に関する。本発明は温度が氷点に近い水から
熱を取出すとき特に適している。

（従来の技術） 従来技術のヒートポンプ装置において、凝縮器の蒸発器
が用いられ、これらは通常の熱交換器として設計され、
すなわち熱が導管壁を介して媒体の一方から他方に伝達
されねばならないように二つの媒体が隔てて保持され
る。これはとりわけ、蒸発器が二つの媒体間で小さな温
度差により作動しているときに大きな欠点である。二つ
の媒体間である動力を伝達しようとすれば、熱伝達面
は、温度差が減少するにつれて増大する。というのは熱
伝達を悪化させる氷の形成を出来るだけ避けねばならな
いからである。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の目的は、上記のような従来技術の欠点を除去
し、液体、好ましくは水の中の熱を用いるのに適したヒ
ートポンププロセスを創出することであり、液体の温度
は、特に大きく低下させることはできない。この例は冬
期の湖水、河川水及び類似のものである。

本発明の他の目的は、このようなプロセスを実施するヒ
ートポンプ装置を提供することである。

（課題を解決するための手段） 上述した目的は親水性の液体、例えば水を、疎水性の冷
媒、例えばｎ−ブタンと混合することにより達成され
る。前記媒体は親水性の液体の存在のもとで化学的かつ
物理的に不活性である。この混合物は次いで冷媒が沸騰
される蒸発室に導入され、これにより親水性の液体から
の直接熱伝達により前記液体から熱が取上げられる。

本発明の有効な使用を得るために、冷媒の蒸発が回避さ
れるような圧力で、制御した量の液体と冷媒を混合する
のが都合良い。制御された混合のために、良好に限定さ
れた寸法の界面が液体と冷媒の間に得られ、こうして一
定の熱伝達割合いになる。蒸発器は細長い容器としてつ
くられるのが都合良く、その長さは等価直径の少なくと
も８倍であり、 であり、ここでＡは横断面積であり、ｄは等価直径であ
る。容器の体積は、こうして液体と冷媒の混合物が液体
用の入口と出口端部間の距離の50％を越える前に、少な
くとも98％の冷媒が蒸発されるように選択される。

二つの媒体間に固体の表面がないために、実質的な量の
液体が相転換されるような量の冷媒を制御することが有
利である。水を用いるとき、これは氷が作り出されるこ
とを意味する。本発明により、汲上げ得るスラリが得ら
れるような限度内に相転換された液体の量が保持される
限りこれは不都合ではない。実質的な量により、液体の
少なくとも10％、望ましくは20〜25％が相転換されるべ
きであることを意味する。相転換熱を用いることによ
り、コンパクトなプラントが得られる。

本発明によれば、熱源（通常は水）は、十分に大きな熱
伝達表面が二つの媒体間の界面で開始から保証されるよ
うに、冷媒と接触させられる。この表面の大きさは、媒
体間の熱伝達、したがってコンプレッサへの冷媒蒸気の
量が、熱伝達表面の大きさによって定められるので維持
されなければならない。効率的やり方で冷却コンプレッ
サを使用するために、冷却蒸気の量ができるだけ一定に
保持されることは重要である。これは二つの供給流（液
体と倍）を二つのより小さい部分に分割する静的ミキサ
を使用することによって達成される。そのようなミキサ
は円筒形管で構成することができ、管内には多数の直径
方向に配置された板が、順次位置決めされる。管内での
各板の角度位置は、出口端部での角度位置が、入口端部
での角度位置に対して90゜ずらされるように、板の長さ
さに沿って変化する。すべての板が同じやり方で取付け
られるので、１枚の板の入口端部は、前の板の出口端部
との直角になるであろう。このやり方では、冷媒粒子の
数がトン当たり２15〜２50になるように流れを分割する
のは容易である。冷媒の蒸発によってそのような蒸気の
体積は、媒体の十分な混合がほぼ完全な蒸発を保証する
ために得られるように創出される。蒸発器の適当な寸法
決めによって、蒸発器出口で500ppm以下の冷媒含有量が
得られる。通常は、含有量は100ppm以下である。この蒸
発器によれば二つの媒体間の非常に小さい温度差で作動
することが可能である。例えば1.0℃の温度差が水圧0.5
mの蒸気圧と対応するならば、ブタンの蒸発は、液面の
下方0.5m以上に横たわる液層において阻止できる。蒸発
容器の底部に沿ったブタンの沸騰除去なしに、液体の望
ましくない短絡流を避けるために、容器は、入口端部か
ら傾斜することができ、同時に直径の半分を超える高さ
に少なくとも４枚の交差する壁面を備え、これらの壁面
は、すべての液体を蒸発表面に何度も押付ける目的でそ
れぞれ、氷スラリーの液体の混合物用の堰として役立
つ。

氷を製造する簡略化されたやり方で、すなわち水の相転
換熱を使用することによって、これまでに可能であった
技術よりも本発明による技術については一層多くの利用
を見出だすことができる。本発明及びそと利用の一実施
例は、閉鎖された水システムと作動することがヒートボ
ンプの利用によって可能な場合である。適当に大きさを
定められた池の水は熱源である。この熱源は、本発明に
よってここで述べられたやり方で使用され、すなわち適
当な割合いの水から氷が生成される。このやり方で得ら
れる相転換熱は、前に述べられたように本発明に従って
使用される。生成された氷は、融解するまでそれが貯蔵
される池に戻される。池の水量は、１日、１週間又は１
月間、利用できる水量によって熱を貯蔵することが可能
であるような気候条件に適合させられる。この水量を少
なく保つために、本発明によれば、池中の氷塊が太陽輻
射収集器として作用するように、適当な染料によって氷
の熱吸収容量を増加することが可能である。このやり方
でいくつかの目的が達成される。最初に、安い太陽輻射
収集器が創出された。太陽輻射収集器が、周囲環境の方
へ熱的な分離を必要としない温度で作動するのでこれが
可能なのである。さらに、戸外温度が０℃以下のとき、
太陽輻射が十分に強力であれば、貯蔵された氷の融解も
可能とする相転換システムによって作動される。このや
り方で得られた融解水は、池によって融解される氷塊に
浸透するであろう。本発明のこの利用によって、常に太
陽輻射収集設備と関連させられていた多くの問題の一
つ、すなわちいつでも連続して装置を使用できるよう
に、安価なやり方で得られた太陽エネルギーを貯蔵する
可能性が解決された。

以下に述べられる実施態様における本発明は、計算例と
して示すことができる。

大きな農場又はそれと類似のものと対応すべき連続50kW
の所要出力で、熱源はほぼ33kWの出力を供給し、一方、
ヒートポンプの電力はほぼ17〜20kWである。熱源が０℃
の水であれば、１時間当たり約350kgの氷を凍結する必
要がある。これは、連続操業で１カ月の間に250mの氷の
量に対応する。この量の氷が2m深さの池に貯蔵されるな
らば、それは12×12mの表面をもった池に対応する。し
たがって３月間の貯蔵には、ほぼ10×50mの池を必要と
するが、これは農場に関しては小さな大きさである。ヒ
ートポンプに池の底から水を取込み、静止スラリが吸上
げできるように水の量の20〜25％を氷に凍結することの
みによって、水面上にすでに存在する氷塊上に氷を分配
する良好な可能性が得られる。この氷塊の日が当たる側
では、太陽輻射が強いときには、０℃以下の温度でも氷
は溶けて水になるであろう。

本発明のもう一つの利用は、精製された氷の結晶の製造
である。精製された氷の結晶の利点は、プロセス溶液の
蒸発に代わるもののように澄んでいる。氷以外の他の物
質のプロセス工業における結晶化方法は、１〜100又は
その程度の濃縮ファクターを有する。この関係での濃縮
ファクターによって、溶液からの結晶は、一般に溶液よ
りも100倍も純粋であると理解されている。結晶化の結
果は、個々の結晶の純度のみによるものではない。結果
は、結晶の形状という欠点のため、結晶内にアルカリ母
液が含まれていないことに依存する。十分にテストされ
た結晶化技術によって、同じ技術はすべての溶液に使用
することができず、本発明による技術によれば、所望の
結晶のみが蒸発器内でつくられるのが見られるならば、
100のオーダーから10,000以上に濃縮ファクターを増加
することができる。したがって本発明によれば、冷媒と
水だけでなく、蒸発させられた冷媒kg当たり10⁶〜10⁸結
晶化胞芽も、蒸発器内に入れる前に混合することが可能
である。結晶化胞芽は、コロイドミル又は類似のもの
で、氷を磨砕することによって製造される。結晶化胞芽
のこの供給によって、本発明によれば、制御された数の
結晶のみが形成され、冷媒の蒸発量と比例した成長率を
得るように、結晶化成長を制御することが可能である。
他方では、冷媒と水の間の熱伝達表面が、すでに蒸発器
内に入れる前にある制限内にあるように定められたの
で、冷媒の蒸発量は制御可能である。プロセス容器内の
注意深く制御された負圧とともに、これは結晶化を完全
に進めることができるようなやり方で、冷媒の蒸発率を
制御でき、それにより、結晶形は次の分離及び遠心力に
よる非常に限られた量の洗浄液での洗浄を可能にする。

結晶化プロセスからの冷媒蒸気の圧縮及び圧縮蒸気の熱
容量の完全使用で、実質的にいかなるエネルギ費用もな
しに、希釈されたプロセス溶液の濃縮も達成できる。分
離された氷と一緒の希釈されたプロセス溶液から特に注
意して物質を排出しなければならない特別な場合には、
この方法は、エネルギ消費が非常に少ないのでもう一度
繰返すことができる。本発明による方法は、そのような
場合に、氷が分離され、３〜10℃の温度上昇と対応する
圧縮冷媒蒸気との直接接触で溶融される結晶化段階を有
する。こうして得られた冷媒と溶融水の二相混合物は、
本発明による地域加熱網又は類似のものに熱伝達するや
り方で、再結晶化の前に供給された純水によって３〜５
倍に希釈される。この記載されたプロセスによって、そ
のような分離された氷結晶の純度が得られ、周囲状況か
ら影響されやすい溶液でさえも、本発明によれば濃縮す
ることができる。

本発明のもう一つの利用は、煙突ガスの清浄化と関連し
ている。煙突ガスは、ガスが冷却され清浄化される清浄
器を通過させられる。それによって洗浄器の水は、例え
ば40℃から50℃に加熱される。次いで加熱された水は冷
媒と混合され、上に述べたように蒸発器内に送られる。
このやり方で、煙突ガスの清浄化が得られ、資本費用、
設備費用が低下すると同時にエネルギを節約することも
できる。

本発明及びその利用は、もちろん上に与えられた例に限
られることなく、いろいろの利用に用いることができ
る。処理された都市廃水が熱源として使用され、また藻
による蒸発器表面の汚れのために大きな問題を提起して
いるヒートポンプ利用の通常技術の代わりに、本発明に
よる技術を使用できる。都市廃水で作動する大きなヒー
トポンプ設備では、改善された熱ファクターを得るため
に、水の温度低下を二つ又は三つの段階に分割すること
は異常ではない。これの代わりとして、必要な熱の取出
しと対応する湖の水量を凍結し、排出状況から都合がつ
けば、氷が再び溶解するように加熱された廃水に氷を投
棄することが、本発明によれば可能である。このやり方
で、従来技術によるのと同じ冷却が得られる。

他方では、処理された都市廃水又は他の熱源のどれも立
地の理由から容易に入手できないならば、そこから水が
取出されるか地面に投棄される容器内に氷を排出するこ
とももちろんできる。経済性を比較すると、すべての所
望能力について１基のヒートポンプ圧縮機が、同一の合
計能力を有する２基又は３基よりも常に安いことは明ら
かである。熱ファクター及びこの間に圧縮が起こる両温
度限界への依存度に関しては、より大きな単一圧縮機の
効率の適度な改良が、氷の凍結点に対応する温度から作
動するときに達する熱ファクターの損失を補償すること
が計算で示されている。

本発明によれば、圧縮された冷媒蒸気が凝縮する凝縮器
表面を、地域加熱水及び水が圧縮された冷媒蒸気と直接
接触するスプレー凝縮器と取換えることができ、冷媒と
地域加熱水の間の直接接触後、二相が重力測定で互いに
分離され、その後地域加熱水は循環を継続し、液体冷媒
はヒートポンプ工程で回復された用途に戻される。本発
明が適している他の一例は、小さな温度差を利用し、従
来の熱交換表面なしに作動するのが有利な工業的乾燥プ
ロセスである。これにより空気は閉回路内で駆動され
る。乾燥によって集められた湿気は、蒸発器内で凝縮さ
れる。次いで空気は蒸発器によって再加熱され、乾燥工
程に導かれる。

冷媒としては、もちろん数多くの物質が使用できる。そ
れらの適合基準は、水に対する化学的安定性、実際の温
度及び圧力範囲で水和物を形成する困難度、ヒートポン
プが作動する実際の温度範囲についての適当な蒸気圧曲
線、及び低価格であり、かつ特に排出状況から無害なこ
とである。ｎ−ブタンが上記要求のほとんどすべてに必
要とされる利点を有することが判明した。ｎ−ブタンは
水に対して不活性であり、水和物を形成する傾向を示さ
なかった。ｎ−ブタンは非腐食性であり、実際の温度範
囲について適当な蒸気圧曲線を有し、異常時の排出につ
いて無害と考えられる。約０℃の温度で沸騰する冷媒を
使用することにより、蒸発器容器が、内部又は外部の過
圧が行きわたるために不必要に高価になることが避けら
れる。

本発明の一実施態様は、本発明による蒸発器をもったヒ
ートポンプを略図的に示した添付の図面を参照しなが
ら、以下に述べられる。

（実施例） 図に示したヒートポンプ装置は、コンプレッサ12、凝縮
器13、及び蒸発器11を備える。図示される凝縮器は通常
の熱交換器であり、これは導管49,50により地域加熱網
に連結される。圧縮される冷媒蒸気、例えばｎ−ブタン
はコンプレッサ12から凝縮器13に導かれ、そこで冷媒の
大部分が凝縮される。冷媒は次いで最終凝縮器22に、ま
たここから容器23に導かれる。図示されないブタン供給
部は、導管51と弁33を介して容器23に連結される。容器
内の液レベルは、制御ユニット44が液レベルを検知し、
かつ弁33を制御するので適当な値に維持され、したがっ
て液体は所望のレベルに維持される。冷媒内に溶解し得
かつ容器23内の媒体を離れるガスは、弁34と導管52を通
して通気される。弁34は容器23内の圧力を感知する制御
ユニット45により制御される。液体冷媒はポンプ28によ
り容器23から弁41を介してコンプレッサ12の出口に供給
されて、圧縮した冷媒蒸気の温度を制御する。制御ユニ
ット42はコンプレッサ12の出口で温度を検知し、また弁
41を制御する。液体冷媒はまた容器23から弁31を介して
蒸発器に連結される塔24に案内される。塔24内の液レベ
ルは弁31を制御する制御ユニット39により検知される。
この冷媒はポンプ27により塔24から弁16を介して静的ミ
キサの形で混合室14に駆動される。弁16を通る流れは、
地域加熱網から導管49を介してやってくる液体の温度を
検知する制御ユニット43により制御される。

液体、例えば水は、ポンプ26により容器19から弁17を介
して混合室14に供給される。ポンプ26はまた最終凝縮器
22を通って容器19に液体を供給する。弁17を通る流れは
制御ユニット37と38により制御され、したがって弁16と
17を通る流れは互いに関して所定の関係で入る。弁16と
17は、良好に限定される全寸法をもった液体と冷媒との
間の界面が創出されるように、混合室14への液体と冷媒
の供給を制御するための手段であり、したがって、液体
から冷媒への一定の熱伝達が蒸発器内で得られる。混合
室14内の圧力は、冷媒が混合室内で蒸発されないような
レベルに維持される。混合物は減圧弁30を通って蒸発器
11に案内される。蒸発器において、冷媒は沸騰しかつ塔
24を通って離れ、そこで冷媒蒸気は液体冷媒により洗浄
される。冷媒蒸気はそこから弁32を介してコンプレッサ
12の入口に案内される。塔内の圧力は弁32を制御する制
御ユニット40により検知される。

弁16と17を通る流れは、液体の実質的な量が相転換され
る、すなわち蒸発器11内で氷結されるように相互に相対
的に制御される。これはスラリがまだ汲上げうるので、
液体の20〜25％から氷結するのに適することとなる。蒸
発器は、入口端部15と弁の形をした出口端部18を備えて
いる。弁18は、蒸発器11内のスラリのレベルを検知する
制御ユニット46により制御される。ある検知したレベル
で弁18は所定時間で完全に開かれ、したがって氷と水の
混合物は導管25を介して真空容器21に送出される。少量
の残ったブタンは弁35とポンプ29を介してコンプレッサ
の入口に戻るように案内される。弁35を通る流れは、真
空容器21内の圧力を検知する制御ユニット47により制御
される。供給スクリュー20は、氷を容器の外に送出する
ように容器19内に配置される。容器19内の液体レベル
は、弁36を制御する制御ユニット48により検知され、こ
の弁を通って液体が導管53を介して供給される。

【図面の簡単な説明】

図は本発明による蒸発器を持つヒートポンプ装置を図式
的に示す。 11……蒸発器室、12……コンプレッサ、13……凝縮機、
14……混合室、15……蒸発器の上流端部、16,17……液
体と冷媒の供給を制御するための手段、15,18……液体
用の入口端部と出口端部

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】冷媒の蒸発、圧縮及び凝縮よりなるヒート
   ポンププロセスにおける方法において、制御された量の
   親水性の液体と、親水性の液体の存在のもとで化学的か
   つ物理的に不活性である疎水性の冷媒とが、冷媒の蒸発
   が避けられるようなレベルに圧力が維持される混合室
   （14）に供給されて該混合室内で混合され、こうして全
   体的に良好に限定された寸法を有する液体と冷媒の間の
   界面が、一定の熱伝達量が得られるように創出されるこ
   と、混合物が蒸発室（11）内に導かれること、かつ冷媒
   が前記蒸発室内で沸騰させられ、こうして熱が、親水性
   液体からの直接熱伝達により親水性液体から取出される
   ことを特徴とする方法。
2. 【請求項２】冷媒の量は冷媒の蒸発が実質的な量の液体
   の相転換を引起こすように液体の量に関して制御される
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方法。
3. 【請求項３】蒸発の前に微細に分割した氷の形に結晶化
   胞芽が1kgの冷媒当り少なくとも10⁶の量で混合されるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項に記載
   の方法。
4. 【請求項４】親水性の液体が太陽輻射収集器及び熱貯蔵
   器として作用する開放貯蔵器を介し、またさらに蒸発器
   室（11）を介して貯蔵器にもどる１サイクルで駆動さ
   れ、また太陽輻射収集器内の液体の熱吸収容量を増大す
   るための手段が追加される特許請求の範囲前記第１項か
   ら第３項の任意の１項に記載の方法。
5. 【請求項５】蒸発器室（11）、コンプレッサ（12）及び
   凝縮器（13）を備えているヒートポンプ装置において、
   親水性の液体と、親水性の液体の存在のもとで化学的か
   つ物理的に不活性である疎水性の冷媒とを混合するため
   の混合室（14）が、蒸発器の上流端部（15）に連結され
   ること、及び全体的に良好に限定された寸法を有する液
   体と冷媒の間の界面が創出されるように、混合室（14）
   に対する液体と冷媒の供給を制御する手段（16,17）を
   備え、こうして液体から冷媒への一定の熱伝達量が蒸発
   器（11）内で得られることを特徴とするヒートポンプ装
   置。
6. 【請求項６】前記液体と冷媒の供給を制御するための手
   段（16,17）が、冷媒が蒸発されるとき実質的な量の液
   体が固体状に相変換されるように配備されることを特徴
   とする特許請求の範囲第５項に記載のヒートポンプ装
   置。
7. 【請求項７】微細に分割した氷の形に結晶化した胞芽を
   1kgの冷媒当り少なくとも10⁶の量で混合するための手段
   を蒸発器（11）の前に備えることを特徴とする特許請求
   の範囲第５項又は第６項の任意の１項に記載のヒートポ
   ンプ装置。
8. 【請求項８】親水性の液体用の経路を備え、こうして前
   記経路が太陽輻射収集器及び熱貯蔵器として作用する開
   放貯蔵器及び蒸発器（11）を備えていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第５項から第７項の任意の１項に記載
   のヒートポンプ装置。