JPH07234025A - 蒸気圧縮ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 抽気運転の実行頻度を極力削減し、作動媒体
の損失を最小限に止めることが可能な蒸気圧縮ヒートポ
ンプを提供する。 【構成】 圧縮機１、蒸発器２、凝縮器３およびこれら
を接続する媒体循環配管１ａ、媒体循環配管３ａ、媒体
循環配管２ａからなる循環系に、作動媒体移送管１２
ａ，１２ｂを介して、加熱器１３によって作動媒体５の
蒸気を発生する作動媒体加熱器４を接続するとともに、
蒸発器２および凝縮器３には循環系の圧を監視する圧力
指示調節計１０を設け、運転停止時に循環系内が負圧に
なったことが圧力指示調節計１０によって検出された
ら、加熱器１３を作動させて作動媒体５の蒸気を発生さ
せ、この蒸気を作動媒体移送管１２ｂ、供給弁８を介し
て蒸発器２や凝縮器３等の循環系内に供給することによ
って、常時、循環系内を陽圧に保つことにより空気の侵
入を阻止するようにした蒸気圧縮ヒートポンプである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は蒸気圧縮ヒートポンプに
関し、特に、作動媒体の損失防止対策等に適用して有効
な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば、蒸気圧縮ヒートポンプの一種
として、飽和蒸気圧の低い冷媒を使用した冷凍サイクル
を形成する冷凍機、たとえば遠心式のターボ冷凍機はビ
ル用空調等に広く使用されており、他の電熱併給システ
ム等による地域冷暖房の寒冷熱源として利用されてい
る。また、冷媒としては、有機フッ素化合物（フロン：
Ｒ−１１）等の低圧冷媒が使用されている。

【０００３】なお、蒸気圧縮ヒートポンプについては、
社団法人日本機械学会、１９９１年６月１日発行、「機
械工学便覧 Ｃ．エンジニアリング編」Ｃ７−１９３
頁、等の文献に記載されている。

【０００４】ところで、Ｒ−１１等の低圧冷媒は、いわ
ゆる特定フロンに指定されており、地球のオゾン層保護
の観点から使用量の削減が求められており、西暦２００
５年には全廃が計画されている。このような情勢下にお
いて、フロン製造メーカも生産量の削減を進めており、
市場ではＲ−１１等の特定フロンが枯渇し、入手が困難
となっている。そのため、Ｒ−１１対応の冷凍機の延命
を図ることが最重要課題であり、フロンの使用量を極力
抑制する必要がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】冷凍機の運用中におけ
るフロンの消費で最も多いのが抽気運転時である。すな
わち、冷凍機における冷媒の循環系では当該系内が負圧
になった時の気密性は完全ではなく、一定量の真空降下
量が許されているため、停止中、冷媒の飽和蒸気圧と温
度の関係で循環系内は一定の真空状態となる。また、運
転中においても、蒸発器内は所定の真空度で運転してい
るため、停止および運転に関わらず、常時、極微量の外
気が循環系内に侵入する。通常、循環系内はフロン等の
凝縮ガスで満たされているが、空気等の不凝縮性ガスが
混在した場合、冷凍サイクルの圧縮工程時、凝縮圧力が
上昇し、規定値以上では運転が停止する、いわゆる高圧
カットが働く。そのため、循環系内の不凝縮性ガスを排
除する目的で、陽圧状態の循環系の一部を外気に開放し
て不凝縮性ガスを外部に排出する抽気運転を行うが、そ
の際、目的の不凝縮性ガスとともに冷媒のフロンも放出
されて失われてしまう。

【０００６】循環系内へ侵入する空気量は、凝縮器およ
び蒸発器が停止中において真空となるため、運転中にお
いて蒸発器側のみ真空となるケースと比べて、循環系の
容積割合から考えれば、停止中のほうが空気侵入量は多
い。

【０００７】従って、運転停止時において循環系内の圧
を外気圧に対して負圧とならないように維持すること
が、空気侵入量の削減、抽気運転に伴う作動媒体の損失
の防止に有効となる。

【０００８】本発明の目的は、抽気運転の実行頻度を極
力削減し、作動媒体の損失を最小限に止めることが可能
な蒸気圧縮ヒートポンプを提供することにある。

【０００９】本発明の他の目的は、循環系内への空気の
侵入を阻止することにより、安定な運転を行うことが可
能な蒸気圧縮ヒートポンプを提供することにある。

【００１０】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。

【００１２】すなわち、本発明の蒸気圧縮ヒートポンプ
は、作動媒体の循環系の一部に、循環系内における作動
媒体の蒸気圧を制御する蒸気圧制御手段を備えたもので
ある。

【００１３】また、本発明の蒸気圧縮ヒートポンプにお
いて、蒸気圧制御手段は、作動媒体の運転停止状態にお
いて、循環系内における作動媒体の蒸気圧を外気圧に対
して陽圧に保つ操作を行うものである。

【００１４】また、本発明の蒸気圧縮ヒートポンプにお
いて、循環系は、高熱源から奪った熱によって作動媒体
を蒸発させる蒸発器と、この蒸発器で発生した作動媒体
の蒸気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機から吐出される
高温高圧の蒸気の熱を低熱源に与えることによって当該
蒸気を凝縮させる凝縮器と、蒸発器と圧縮機、および圧
縮機と凝縮器、および凝縮器と蒸発器をそれぞれ接続す
る循環配管とからなり、蒸気圧制御手段は、循環系から
分岐した管路上に設けられ、作動媒体の蒸気を発生する
作動媒体加熱手段と、循環系内における作動媒体の蒸気
圧を計測し、当該蒸気圧の大小に基づいて作動媒体加熱
手段を制御することにより、循環系内における作動媒体
の蒸気圧を外気圧に対して陽圧に保つ動作を行う圧計測
制御手段とからなる構成としたものである。

【００１５】また、本発明の蒸気圧縮ヒートポンプにお
いて、作動媒体として有機フッ素化合物を用いるもので
ある。

【００１６】

【作用】上記した本発明の蒸気圧縮ヒートポンプは以下
のように作用する。

【００１７】蒸気圧縮ヒートポンプは、運転停止後、一
定時間で作動媒体の飽和蒸気圧と温度との関係で循環系
内は一定の真空となる。この運転停止状態において、作
動媒体の循環系の一部に設けられた蒸気圧制御手段は、
循環系内における作動媒体の蒸気圧を外気圧に対して陽
圧に保つ操作を行う。

【００１８】これにより、運転停止時に外気が循環系内
に侵入することが防止され、循環系内に侵入した空気を
排除するために行われる抽気運転の実行頻度を削減で
き、抽気運転に伴って侵入空気とともに外部に排出され
ることによって失われる作動媒体の量を最小限に止める
ことができる。

【００１９】また、循環系内へ作動媒体とは異質な空気
等の不凝縮性ガスの侵入が阻止されるので高圧カット等
が発生することがなく、安定な運転を行うことができ
る。

【００２０】また、運転停止時に真空状態となる循環系
に対して外気が侵入することを目的として、循環系の真
空気密度を必要以上に厳格にする必要がなくなり、循環
系に要求される真空気密度を緩和することができる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
詳細に説明する。

【００２２】図１は本発明の一実施例である蒸気圧縮ヒ
ートポンプ構成の一例を示す概念図である。

【００２３】本実施例の蒸気圧縮ヒートポンプは、圧縮
機１、蒸発器２、および凝縮器３を備えており、これら
は、媒体循環配管１ａ、媒体循環配管３ａ、媒体循環配
管２ａを介して接続されることにより、作動媒体５が循
環する循環系を構成している。

【００２４】蒸発器２は、作動媒体５の気化熱によって
所望の高熱源Ｈから熱を奪うことにより、高熱源Ｈを冷
却する動作を行う。圧縮機１は、蒸発器２で発生した作
動媒体５の蒸気を圧縮し、凝縮器３に送り出す。凝縮器
３は、圧縮機１で高温高圧に圧縮された作動媒体５の蒸
気の熱を低熱源Ｌに与えることによって液化させる動作
を行う。

【００２５】凝縮器３と圧縮機１との間には、冷却配管
１ｂが設けられ、冷却配管１ｂに設けられた冷却用ポン
プ１ｃを介して作動媒体５を圧縮機１に供給することに
より、当該圧縮機１の内部の図示しない作動機構の冷却
操作が行われ、冷却後の作動媒体５は、冷却配管１ｄを
介して蒸発器２に戻される構成となっている。

【００２６】この場合、蒸発器２および凝縮器３には、
作動媒体移送管１２ａおよび作動媒体移送管１２ｂを介
して作動媒体加熱器４が接続されている。蒸発器２から
の作動媒体５は、作動媒体移送管１２ａに設けられた作
動媒体供給ポンプ６および仕切り弁７を経て作動媒体加
熱器４へと導かれる。

【００２７】作動媒体加熱器４には、温度調節弁９によ
って加熱動作が制御される加熱器１３が設けられてお
り、蒸発器２から供給される作動媒体５を加熱して蒸気
を発生する動作を行う。作動媒体加熱器４には、液面指
示調節計１１が設けられており、加熱器１３による作動
媒体加熱器４内の作動媒体５の液面の変動を監視し、当
該作動媒体５の液面が所定の下限レベル以下に低下しな
いように作動媒体供給ポンプ６および仕切り弁７を制御
して蒸発器２から作動媒体加熱器４へと作動媒体５を補
充する制御動作を行う。作動媒体加熱器４において形成
された作動媒体５の蒸気は、作動媒体移送管１２ｂに設
けられた供給弁８を介して凝縮器３および蒸発器２に供
給される。

【００２８】蒸発器２および凝縮器３には、当該蒸発器
２および凝縮器３の内圧を監視し、当該内圧の計測結果
に基づいて後述のように、作動媒体移送管１２ａおよび
１２ｂに配置された作動媒体供給ポンプ６、仕切り弁
７、供給弁８等の動作を制御する圧力指示調節計１０が
設けられている。

【００２９】以下、本実施例の蒸気圧縮ヒートポンプの
作用の一例を説明する。

【００３０】蒸気圧縮ヒートポンプの運転停止時には、
蒸発器２、凝縮器３、圧縮機１およびこれらを接続する
配管系の内圧は、外気温度に相当する飽和蒸気圧とな
り、たとえば作動媒体５としてフロン等の低圧作動媒体
を用いる場合には、通常、１５〜３０ｃｍＨｇ程度の真
空度となる。

【００３１】一方、低圧作動媒体を使用した蒸気圧縮ヒ
ートポンプの真空度は、一定保持時間において、一定量
の真空降下が許される仕様であるため、停止時において
は外部からの空気の侵入がある。従って、一定時間放置
後の循環系内の真空度は徐々に低下し、最後には大気圧
と等しくなる。

【００３２】通常、循環系の気密性能は、加圧時と比較
した場合真空時のほうが顕著に確認できるため、運転
時、たとえば凝縮器３側は陽圧となるが真空時と比較し
た場合、凝縮器３側のリークは殆ど検出されない。従っ
て、循環系の内圧を停止時には常圧に維持し、外部より
の空気の侵入を防止する必要がある。このため、本実施
例では、以下のように動作する。

【００３３】運転停止時、圧縮機１、蒸発器２、凝縮器
３、媒体循環配管１ａ、媒体循環配管３ａ、媒体循環配
管２ａ等の循環系内は、徐々に負圧となり、蒸発器２お
よび凝縮器３の内圧を監視している圧力指示調節計１０
がこの負圧状態を検知して作動し、作動媒体加熱器４に
設けられた加熱器１３を作動させるべく、温度調節弁９
へ作動信号を送る。加熱器１３の熱源が、たとえば温水
である場合、温度調節弁９は圧力指示調節計１０から信
号により開方向へ作動し、温水が加熱器１３を介して作
動媒体加熱器４に流通する。作動媒体加熱器４の内部に
は定量の作動媒体５が封入されており、加熱器１３の温
水と熱交換する。これによって作動媒体５は加温され、
加温温度に応じた飽和蒸気圧を有する作動媒体５の蒸気
が形成され、作動媒体移送管１２ｂ、供給弁８を介して
凝縮器３および蒸発器２へと流入する。

【００３４】これにより、蒸発器２および凝縮器３など
の循環系内の圧は次第に上昇し、圧力指示調節計１０の
設定値（大気圧）に達すると、温度調節弁９が全閉とな
り、作動媒体加熱器４での作動媒体５の蒸気の発生は停
止する。

【００３５】その後、循環系内の圧は次第に低下し、再
び圧力指示調節計１０の下限値に達すると、圧力指示調
節計１０は温度調節弁９を開いて作動媒体加熱器４にお
ける作動媒体５の加熱を開始し、発生した蒸気が蒸発器
２、凝縮器３等の循環系内に供給されることにより、循
環系内の圧は上昇する。以上の動作の繰り返しにより、
停止時における循環系内の圧を、常時、外気圧に対して
陽圧に維持する。

【００３６】一方、作動媒体加熱器４では、封入されて
いる作動媒体５の量は、前記操作を繰り返す間の蒸発に
よって次第に減少し、液面が所定の下限レベルに達した
時点で、当該レベルを検出した液面指示調節計１１は作
動媒体供給ポンプ６および仕切り弁７を作動させ、蒸発
器２から作動媒体５を作動媒体加熱器４に補給する。

【００３７】この操作によって、作動媒体加熱器４には
一定量の作動媒体５が封入された状態に保たれる。

【００３８】なお、作動媒体加熱器４内の加熱器１３に
よる循環系の圧調整動作と、作動媒体加熱器４への作動
媒体５の補給動作は各々が独立に行われる。

【００３９】このように、本実施例の蒸気圧縮ヒートポ
ンプによれば、運転停止状態における蒸発器２、凝縮器
３、圧縮機１等の循環系の圧が常時陽圧に維持されるの
で、外部から循環系内に作動媒体５とは異なる性質の空
気（不凝縮性ガス）が侵入することが確実に阻止され
る。

【００４０】これにより、一定時間の運転停止後の再起
動に際して、循環系内に侵入した空気等を排除する目的
で行われる抽気運転が不要となり、当該抽気運転に伴っ
て空気とともに外部に排出されることによって失われる
作動媒体５の量を減らすことができる。

【００４１】また、循環系内への空気の混入が防止され
るため、凝縮器３内の圧が正常に保たれ、圧縮機１の動
力消費量を削減できる。また、空気等の不凝縮性ガスが
作動媒体５に混入することに起因する凝縮圧の上昇に起
因する運転停止、いわゆる高圧カットの発生が回避さ
れ、蒸気圧縮ヒートポンプの安定な運転を達成できる。

【００４２】さらに、運転停止時において負圧となる循
環系内への外気の侵入を阻止する目的で必要以上に当該
循環系における真空気密性を厳格にする必要がなくな
る。

【００４３】以上本発明者によってなされた発明を実施
例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に
限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で
種々変更可能であることはいうまでもない。

【００４４】たとえば、加熱器を凝縮器や蒸発器内に配
置し、当該凝縮器や蒸発器内の作動媒体を直接的に加熱
して蒸気を発生させることにより、循環系内の圧を制御
する構成としてもよい。また、加熱器としては、温水等
を用いることに限らず、電気的な加熱手段を用いてもよ
い。さらに、循環系の構成は、前記実施例に例示したも
のに限定されない。

【００４５】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。

【００４６】すなわち、本発明の蒸気圧縮ヒートポンプ
によれば、抽気運転の実行頻度を極力削減し、作動媒体
の損失を最小限に止めることができる、という効果が得
られる。

【００４７】また、循環系内への空気の侵入を阻止する
ことにより、安定な運転を行うことができる、という効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である蒸気圧縮ヒートポンプ
構成の一例を示す概念図である。

【符号の説明】

１ 圧縮機（循環系） １ａ 媒体循環配管（循環系） １ｂ 冷却配管 １ｃ 冷却用ポンプ １ｄ 冷却配管 ２ 蒸発器（循環系） ２ａ 媒体循環配管（循環系） ３ 凝縮器（循環系） ３ａ 媒体循環配管（循環系） ４ 作動媒体加熱器（蒸気圧制御手段） ５ 作動媒体 ６ 作動媒体供給ポンプ ７ 仕切り弁 ８ 供給弁 ９ 温度調節弁 １０ 圧力指示調節計（蒸気圧制御手段） １１ 液面指示調節計 １２ａ 作動媒体移送管 １２ｂ 作動媒体移送管 １３ 加熱器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動媒体の循環系の一部に、前記循環系
   内における前記作動媒体の蒸気圧を制御する蒸気圧制御
   手段を備えたことを特徴とする蒸気圧縮ヒートポンプ。
2. 【請求項２】 前記蒸気圧制御手段は、前記作動媒体の
   運転停止状態において、前記循環系内における前記作動
   媒体の蒸気圧を外気圧に対して陽圧に保つ操作を行うこ
   とを特徴とする請求項１記載の蒸気圧縮ヒートポンプ。
3. 【請求項３】 前記循環系は、高熱源から奪った熱によ
   って前記作動媒体を蒸発させる蒸発器と、この蒸発器で
   発生した前記作動媒体の蒸気を圧縮する圧縮機と、この
   圧縮機から吐出される高温高圧の前記蒸気の熱を低熱源
   に与えることによって当該蒸気を凝縮させる凝縮器と、
   前記蒸発器と前記圧縮機、および前記圧縮機と前記凝縮
   器、および前記凝縮器と前記蒸発器をそれぞれ接続する
   循環配管とからなり、前記蒸気圧制御手段は、前記循環
   系から分岐した管路上に設けられ、前記作動媒体の蒸気
   を発生する作動媒体加熱手段と、前記循環系内における
   前記作動媒体の前記蒸気圧を計測し、当該蒸気圧の大小
   に基づいて前記作動媒体加熱手段を制御することによ
   り、前記循環系内における前記作動媒体の前記蒸気圧を
   外気圧に対して陽圧に保つ動作を行う圧計測制御手段と
   からなることを特徴とする請求項１または２記載の蒸気
   圧縮ヒートポンプ。
4. 【請求項４】 前記作動媒体は有機フッ素化合物からな
   ることを特徴とする請求項１，２または３記載の蒸気圧
   縮ヒートポンプ。