JPS5925130B2 - 熱回収方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、熱回収方法および装置に関し、特に、冷凍回
路の冷媒によって通常は棄てられている熱を回収するた
めの方法および装置に関する。

蒸気圧縮型冷凍装置は、一般に、冷凍回路を構成するよ
うに適当な冷媒導管によって連結された、圧縮機と、凝
縮器と、膨張装置と、蒸発器とから成る。

冷媒蒸気は、圧縮機によって圧縮されて凝縮器へ送られ
、そこで冷却媒体に熱を放出して凝縮する。

凝縮した冷媒は、膨張装置を通って流れ、圧力および温
度を下げられる。

冷媒は、膨張装置から、蒸発器内へ流れ、媒体から熱を
吸収して媒体を冷却させ、冷媒は蒸発する。

次いで、気体冷媒は、圧縮機へ戻され、回路を完成する
。

上述の冷凍回路は、ビルジングの各部屋または区域を通
して循環される水等の流体を冷却し、それによって各区
域を冷却するために多く使用されている。

多（の場合、冷凍回路の冷媒は、回路の凝縮器において
比較的多量の熱を放出する。

この放出された熱は、普通、直接大気へ、あるいは凝縮
器と冷却塔の間で循環される冷却用流体を介して大気へ
放散される。

長期間に亘った場合、この散逸熱は、相当量のエネルギ
ーの無駄となるので、近年ではこの熱を回収することに
多くの関心が向けられている。

この熱を回収するための１つの一般的な方法は、圧縮機
から吐出される冷媒蒸気の一部を分流してこの蒸気を冷
凍回路の凝縮器とは別個の熱回収用凝縮器を通して通流
させる方法である。

この熱回収用凝縮器内には、複数の熱交換管から成る熱
交換器が配設されており、水を、熱回収用凝縮器内の冷
媒蒸気と熱伝達関係をなして該熱交換器を通して循環さ
せる。

蒸気から水へ熱が伝達され、水を加熱し、蒸気を凝縮さ
せる。

加熱された水は、貯留タンクへ送られて爾後の使用のた
めに貯留される。

一方、凝縮した冷媒は冷凍回路へ戻されて使用に供され
る。

ある種の状況下においては、凝縮した冷媒を熱回収用凝
縮器内に貯留し、凝縮器内の熱交換器の管を浸漬させる
ようにすることができる。

この場合、液体冷媒内に浸漬された管内を通流する水は
、凝縮した液体冷媒よりはるかに高温の冷媒蒸気との直
接熱伝伝達関係にもたらされない。

その結果として、水によって吸収される熱の量が少（な
り、冷凍回路から回収される熱量を少（する。

本発明の目的は、蒸気圧縮式冷凍回路から熱を回収する
ための方法および装置を改良することである。

本発明の他の目的は、安価で、信頼性が高く、能率的な
熱回収方法および装置を提供することである。

本発明の他の目的は、凝縮した冷媒が熱回収用凝縮器の
熱交換管を浸漬させるのを防止することである。

本発明の更に他の目的は、熱回収用凝縮器内の凝縮冷媒
の量の変動に応答して、該凝縮器を通して循環される熱
伝達流体の量を変化させることである。

略述すれば、本発明の熱回収装置は、蒸気圧縮式冷凍回
路に使用するためのものであって、冷凍回路から冷媒蒸
気を受取り、凝縮した冷媒を冷凍回路へ排出するように
該冷凍回路に連結されており、更に、熱伝達流体源から
流体を受取るように熱伝達流体源に連結されており、更
に、熱貯留器へ熱伝達流体を排出するために該熱貯留器
に連結された熱回収用凝縮器を備えており、冷媒蒸気を
熱伝達媒体と熱伝達関係をなして通流させ、該媒体を加
熱させるとともに、冷媒蒸気を凝縮させる。

この熱回収装置は、更に、前記熱回収凝縮器への熱伝達
媒体の流量を調整するための弁と、熱回収用凝縮器内の
凝縮冷媒が所定のレベル（量）に達したとき該凝縮器へ
流入する熱伝達媒体の量を減少させるように該弁を制御
するための制御手段を備えている。

添付図を参照すると、蒸気圧縮式冷凍回路１０、および
冷凍回路１０と共に使用するための本発明の熱回収装置
１２が示されている。

冷凍回路１０は、圧縮機１４と、凝縮器１６と、可変膨
張装置１８と、蒸発器２０と、それらを連結する冷媒導
管２２，２４，２６，２Ｂを具備している。

圧縮機１４は、高温の圧縮された冷媒蒸気を凝縮器１６
を通じる導管２２へ吐出する。

冷媒蒸気の一部は、導管３０を通って後述する熱回収装
置１２へ流れ、他の冷媒蒸気は凝縮器１６内を通って流
れ、熱交換コイル３２内を循環する水のような外部から
の熱交換媒体に熱を放出する。

冷媒は、凝縮器１６内を通る際に凝縮する。

また、熱回収回路１２からの凝縮した冷媒は、管３４を
通して凝縮器１６へ戻される。

凝縮器１６から液体冷媒は、導管２４を通り、可変膨張
装置１８内を通過し、それによって温度および圧力を低
下される。

膨張した冷媒は、導管２６を経て蒸発器２０内を通過し
、それによって、熱交換コイル３６内を通る例えば水の
ような外部熱交換媒体から熱を吸収する。

冷媒は、蒸発器２０を通る際に蒸発し、気体状の冷媒は
蒸発器から導管２８を経て圧縮機１４へ戻される。

蒸発器２０のコイル３６内を通される熱交換媒体は、い
ろいろな目的のために、例えばビルジングの各部屋を冷
房するのに使用し、繰返し蒸発器へ戻すようにすること
ができる。

コイル３６内を通る媒体の温度によって示される冷凍回
路１０の負荷は、変動するので、蒸発器２０は、媒体を
実質的に一定の最終温度に冷却するようにすることが好
ましい。

この目的を達成するように蒸発器２０の作動を制御する
ために任意の適当な手段を使用することができる。

同系の装置においては、この制御手段として、可変膨張
装置１８と、位置ぎめ手段３８と、温度感知器４０が設
けられている。

位置ぎめ手段３８は、電気式、空気圧式、または液圧式
等の任意の型式のものであってよく、感知器４０も、例
えば感熱法のような任意の適当なものであってよい。

位置ぎめ手段３８は、蒸発器２０から出ていく冷媒蒸気
の温度の変動によって表わされる回路１０の負荷の変動
に応答して膨張装置１８を通る冷媒の量を制御する。

蒸気の温度は感知器４０によって感知される。

熱回収装置１２は、冷凍回路１０から冷媒蒸気を受取り
、凝縮蒸気を回路１０へ排出するために導管３０．３４
を介して回路１０に接続された熱回収用凝縮器４２から
成る。

図示の好ましい実施−例においては、熱回収用凝縮器４
２を導管３０゜３４によって回路１０の凝縮器１６に接
続し、２つの凝縮器１６と４２が並列に作動して冷媒蒸
気を凝縮させるようにする。

あるいは別法として導管３０を添付図に破線で示される
ように直線低圧導管２２に接続してもよい。

凝縮器１６は、回路１０の全凝縮需要を充足することが
でき、回路１０を熱回収装置１２とは独立して作動させ
ることができる。

熱回収用凝縮器４２は、更に、熱伝達流体源（図示せず
）から熱伝達流体を受取るために該流体源に導管４４を
介して接続し、更に、導管４６を介して熱貯留器４８に
接続し、熱伝達流体を該貯留器に放出することができる
ようにする。

熱伝達流体、その供給源、および熱貯留器としては、斯
界において多くの適当な種類のものが知られており、そ
れらのうちの任意のものを本発明に使用することができ
る。

例えば、熱伝達流体は水であってよ（、その供給源は水
タンクまたは都市水道であってよく熱貯留器として温水
タンクを使用することができる。

熱回収用凝縮器４２内には複数の熱交換管５２かも成る
熱交換器５０を配設する。

熱交換器５０を導管４４，４６に接続し、熱伝達流体源
からの流体を管４２を通流させて熱貯留器４８へ送給す
るようにする。

一方、導管３０を通って凝縮器４２内へ流入した気体状
冷媒は、該凝縮器内で熱交換管５２の外面をおおって該
管内の熱伝達流体と熱伝達関係をなして流下する。

かくして、気体冷媒即ち冷媒蒸気から管５２内の熱伝達
流体に熱が伝達され、該流体を加熱する一方、冷媒蒸気
を凝縮する。

この加熱された流体は、導管４６を通って熱貯留器４８
へ流れ、そこに爾後の使用のために貯えられる。

このようにして、熱回収装置１２は、そうでなければ凝
縮器１６を介して単に大気中へ散逸されてしまう熱を冷
凍回路１０がら回収する。

熱回収装置の凝縮器４２内で凝縮した冷媒は、導管３４
を通って回路１０の凝縮器１６へ戻る。

凝縮器４２からの液体冷媒は重力によって凝縮器１６へ
流下するように前者の凝縮器を後者のものより高い位置
に配置することが好ましい。

また、相収用凝縮器４２内の蒸気圧の方が凝縮器１６内
の蒸気圧より低（なるようにし、特別なポンプ装置の補
助を必要とすることなく冷媒蒸気を後者から前者へ導管
３０を通して移送し′うるようにすることが好ましい。

また１図に示されるように、導管３４には凝縮器１６よ
り低い位置に位置する下方部分３４ａを設ける。

この構成によれば、液体冷媒が管３４内に溜まり、蒸気
が導管３４を通って流れるのを防止するので、凝縮器１
６と４２の間の圧力差を維持するのに役立つ。

凝縮器４２と１６との間の圧力差は、また、管３４内の
凝縮した液体冷媒の液面（レベル）を凝縮器１６内の液
体冷媒の液面より高くする作用を有する。

従って、凝縮器４２と１６の間の圧力差が増大すると、
管３４内の液体冷媒のレベルが上昇し、この圧力差が一
定限以上になると、液体冷媒が熱回収用凝縮器４２内に
蓄積し始め、熱交換管５２を浸漬させる。

凝縮冷媒は、熱回収用凝縮器４２内の凝縮速度が、管３
４０寸法および形状等の特性により定められる、管３４
を通しての液体の流量限度を越えた場合にも凝縮器４２
内に蓄積し始める。

液体冷媒が熱回収用凝縮器４２内に蓄積し、熱交換管５
２を浸漬すると、蒸気状冷媒が浸漬した管５２には直接
接触することができな（なる。

蒸気冷媒は凝縮した冷媒よりはるかに高温であるから、
熱交換管５２と蒸気冷媒との直接接触が阻止されると、
熱交換管内を通流する熱伝達流体へ伝えられる熱の量が
減少する。

従って、装置１２によって冷凍回路１０から回収される
熱の量が少くなる。

熱交換管５２の上述のような浸漬を防止するために、本
発明の熱回収装置には弁５４および制御器５６を設ける
。

弁５４は、導管４４内に配設した三方調整弁であること
が好ましく、熱回収用凝縮器４２内の熱交換器５０への
熱伝達流体の流れを調整する。

制御器５６は、位置ぎめ手段６０を感知器６２を備えた
ものであることが好ましく、熱回収用凝縮器４２内の凝
縮冷媒のレベル（液面の高さ）に応答して制御弁５６を
制御する。

弁５４と制御器５６とは、凝縮器４２内の凝縮冷媒が所
定のレベルに達したとき、協同して導管４４内を通る熱
伝達流体の流量を減少させる。

更に詳述すれば、感知器６２は、熱回収用凝縮器４２内
の凝縮冷媒のレベルを検出し、そのレベルを表わす信号
を位置ぎめ手段６０へ送るように凝縮器４２に連通させ
る。

感知器６２は、任意の適当な型式のものであってよく、
例えば、パイロット管６８，７０を介して凝縮器４２お
よび管３４に流体連通させたフロート室６６内に配設し
たフロート６４を備えたものとすることができる。

この構成によれば、液体冷媒は、フロート室６６内に凝
縮器４２内の液体冷媒のレベルと同じレベル（高さ）に
まで堆積する。

フロート６４は、室６６内の液体冷媒のレベルに応答し
て例えば電気的または空気圧信号のような信号を発生す
るように構成する。

感知器６２によって発せられる信号は、線７２を介して
位置ぎめ手段６０へ送られる。

位置ぎめ手段６０（電気式、空気圧式または液圧式等の
適当な型式のもの）は、それに与えられる信号の大きさ
に応答して制御弁５４を制御する。

このようにして、感知器６２と、位置ぎめ手段６０と、
弁５４とは、協同して、凝縮器４２内の凝縮した液体冷
媒のレベルに応答して熱交換器５０内を通る熱伝達流体
の流量を徐々に反比例的に変化させる。

熱交換器５０内を通流する熱伝達流体の量が減少すると
、流体の流れ速度も低下する。

従って、熱交換器５０内での熱伝達流体の滞留時間が長
（なるので、交換器内を流れる流体の部器は、流れを制
限されていなかったときより上昇する。

この温度上昇の結果として、熱伝達流体が凝縮器４２内
の冷媒蒸気におよぼす冷却作用が減少し、冷媒蒸気の温
度が高くなる。

蒸気の温度が高（なると、その圧力も増大する。

そして凝縮器４２内の蒸気圧力の増大により凝縮冷媒の
レベル（液面の高さ）が低下される。

弁５４および制御器５６は、凝縮冷媒のレベルを熱交換
管５２より下に維持しておくように、凝縮器４２内の凝
縮冷媒が管５２を浸漬し始めないうちに交換器５０内を
流れる熱伝達流体の流れを制限し始めるようにすること
が好ましい。

管５２が液体冷媒内に浸漬されてしまった場合は、液体
冷媒のレベルを低下させれば、それだけ多（の管５２を
冷媒蒸気に露呈させることができ、凝縮器４２内の冷媒
凝縮の割合を増大させる。

そして、凝縮器４２内に生じる凝縮熱が増大し、この増
加した熱が、熱交換器５０内を通る熱伝達流体ならびに
凝縮器４２内の冷媒蒸気の温度を更に上昇させる。

それによって冷媒蒸気の圧力を増大させ、凝縮器４２内
の液体レベルを更に低下させる。

熱伝達流体および冷媒蒸気の温度が上昇するにつれて、
それらの温度を更に上昇させることが一層困難になる。

最終的には、熱回収用凝縮器４２内に生じる凝縮熱が、
熱伝達流体および冷媒蒸気の平衡温度、および冷媒蒸気
の平衡圧力を維持するのに十分であるが、それらの値を
更に上昇させるには不十分である平衡状態に達する。

弁５４および制御器５６は、先に述べたように、凝縮器
４２内の液体冷媒が管４２のレベルにまで上昇しないう
ちに熱伝達流体の流れを制限し始めるようにすることが
好ましい。

更に調整弁５４、感知器６２および位置ぎめ手段６０の
好ましい構成によれば、熱伝達流体の流れは、凝縮器４
２内の凝縮冷媒のレベルの上昇に応答して比例的に絞ら
れる。

この構成により、凝縮器４２内の液体冷媒のレベルが管
５２より下に維持され、熱回収装置１２によって冷凍回
路１０から最大限のまたは最大限に近い熱回収が得られ
るような平衡状態が創生される。

凝縮器４２内の凝縮冷媒のレベルを低く維持することは
、また回路１０の凝縮器１６内に十分な液体冷媒を維持
するのを助成し、回路１０の能率的な作動を確保する。

先に述べたように、冷凍回路１０から回収装置１２によ
って回収される熱は、導管４６を通して熱貯留器４８へ
送られる。

熱貯留器４８は、例えば営業用または住宅用ビルジング
の需要を充足するのに利用することができる。

回収装置１２から貯留器４８へ送給される熱を補充する
ために該貯留器内に油炊きまたはガス炊きバーナ等の補
助熱源（図示せず）を配設し、熱貯留器４８が、回収装
置１２によって回路１０から回収される熱量の変動に拘
らず、需要を充足することができるようにすることが好
ましい。

更に、熱回収装置１２には、熱伝達流体源からの流体を
熱回収装置４２をバイパスさせて熱貯留器４８へ導くた
めのバイパス管７４を含ムバイパス手段を設けることが
好ましい。

その場合、弁５４は、導管４４を通しての回収装置１２
への熱伝達流体の流れを絞る場合に該流体を導管４４か
らバイパス手段へ偏向させる。

このようにして、熱貯留器４８に流入する、あるいは貯
えられる流体の温度を例えば低下または制限させること
ができる。

バイパス手段は、また、弁５４がその上流側の導管４４
内の流体の圧力を増大させることなく、導管４４を通し
ての熱交換器５０への流体の流れを絞ることを可能にす
る。

更に、必要に応じて貯留器４８内の熱伝達流体を再加熱
してその温度を更に高めることができるように、熱伝達
流体を貯留器４８から熱回収用凝縮器４２へ選択的に戻
すための導管７６．７８およびポンプ８０を含む再循環
手段を設けることが好ましい。

詳述すれば、熱伝達流体を再循環させる場合、ポンプ８
０を作動させて貯留器４８から導管７６を通して流体を
抽出し、導管７８を通して導管４４内へ流入させる。

次いで流体は導管４４、弁５４および熱交換器５０を通
り、導管４６を通って貯留器４８へ戻り、密閉ループ回
路を完成する。

ポンプ８０の不作動中導管７６を通って流体が逆流する
のを防止するために逆止弁８２を導管７６内に配設し、
上述の密閉ループ回路から導管４４を通って流体が逃出
するのを防止するために逆止弁８４を配設する。

以上、本発明を好ましい実施例に関連して説明したが、
本発明の精神および範囲から逸脱することなく、いろい
ろな改変および変更が可能であることを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

添付図は、蒸気圧縮式冷凍回路と、それに使用するため
の本発明の熱回収装置の概略図である。 図中、１０は冷凍回路、１２は熱回収装置、１６は凝縮
器、４２は熱回収用凝縮器、４４は導管（流体供給源）
、４８は熱貯留器、５４は弁、６０は位置ぎめ手段、６
２は感知器、７４はバイパス手段、７６．７８は導管、
８０はポンプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 蒸気圧縮式冷凍回路１０と、熱伝達流体と、熱貯留
   器４８と共に使用するための熱回収装置１２において、 冷媒蒸気を前記熱伝達流体と熱伝達関係をなして通流さ
   せることにより該流体を加熱する一方、冷媒蒸気を凝縮
   させるように、前記冷凍回路から冷媒蒸気を受取り、か
   つ、凝縮した冷媒を該冷凍回路へ排出するために該冷凍
   回路に該冷凍回路の凝縮器１６と並列に接続されており
   、前記熱伝達流体の供給源４４かも熱伝達流体を受取る
   ために該供給源に接続されており、前記熱貯留器へ熱伝
   達流体を排出させるために該熱貯留器に接続された熱回
   収用凝縮器４２と、 該凝縮器への前記熱伝達流体の流れを調整するための調
   整弁５４と、 該凝縮器内の凝縮した冷媒のレベルを検出するための感
   知器６２と、 前記熱回収用凝縮器へ流入する熱伝達流体の量を該凝縮
   器内の凝縮冷媒のレベルの変動に反比例して変化させる
   ように前記調整弁を該凝縮器内の凝縮冷媒のレベルに応
   答して位置ぎめするための位置ぎめ手段６０とから成る
   熱回収装置。 ２ 前記熱回収用凝縮器４２から前記冷凍回路の凝縮器
   １６へ凝縮した冷媒が重力によって流下するように、該
   熱回収用凝縮器を冷凍回路の凝縮器より上方に配置した
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の熱回収装
   置。 ３ 蒸気圧縮式冷凍回路１０と、熱伝達流体と、熱貯留
   器４８と共に使用するための熱回収装置１２において、 冷媒蒸気を前記熱伝達流体と熱伝達関係をなして通流さ
   せることにより該流体を加熱する一方、冷媒蒸気を凝縮
   させるように、前記冷凍回路から冷媒蒸気を受取り、か
   つ、凝縮した冷媒を該冷凍回路へ排出するために該冷凍
   回路に接続されており、前記熱伝達流体の供給源４４か
   ら熱伝達流体を受取るために該供給源に接続されており
   、前記熱貯留器へ熱伝達流体を排出させるために該熱貯
   留器に接続された熱回収用凝縮器４２と、該凝縮器への
   前記熱伝達流体の流れを調整するための調整弁５４と、 該凝縮器内の凝縮した冷媒のレベルを検出するための感
   知器６２と、 前記熱回収用凝縮器へ流入する熱伝達流体の量を該凝縮
   器内の凝縮冷媒のレベルの変動に反比例して変化させる
   ように前記調整弁を該凝縮器内の凝縮冷媒のレベルに応
   答して位置ぎめするための位置ぎめ手段６０と、 前記熱伝達流体を前記供給源４４から前記熱回収用凝縮
   器４２をバイパスさせて前記熱貯留器４８へ移送するた
   めのバイパス手段７４を設け、該凝縮器４２内の凝縮冷
   媒が所定のレベルに達したとき前記調整弁５４によって
   熱伝達流体の流れが該バイパス手段を通して偏向される
   ように構成したことと、 前記熱貯留器４８内の熱伝達流体を再加熱するために該
   熱貯留器から前記回収用凝縮器４２へ移送するための再
   循環手段７６．７Ｂ、８０とから成る熱回収装置。 ４ 蒸気圧縮式冷凍回路１０から熱を回収する方法にお
   いて、 熱伝達流体を前記冷凍回路からの冷媒蒸気と熱伝達関係
   をなして通流させ、該流体に熱を与えるとともに、該冷
   媒蒸気を凝縮させる段階と、凝縮した冷媒を前記冷凍回
   路へ戻す段階と、収集された前記凝縮冷媒のレベルを検
   出する段階と、冷媒蒸気と熱伝達関係をなして通流する
   前記熱伝達流体の量を前記収集された凝縮冷媒のレベル
   の変動に応答して反比例的に調整する段階とから成る熱
   回収方法。 ５ 前記冷媒を冷凍回路へ戻すための前記段階は、重力
   を利用して行われることを特徴とする特許請求の範囲第
   ４項記載の熱回収方法。 ６ 前記調整段階は、前記収集された凝縮冷媒が所定の
   レベルに達したとき前記熱伝達流体を前記冷媒蒸気との
   熱伝達関係から離して偏向させる操作を含むものである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の熱回収方
   法。 ７ 蒸気圧縮式冷凍回路１０から熱を回収する方法にお
   いて、 熱伝達流体を前記冷凍回路からの冷媒蒸気と熱伝達関係
   をなして通流させ、該流体に熱を与えるとともに、該冷
   媒蒸気を凝縮させる段階と、凝縮した冷媒を重力を利用
   して前記冷凍回路へ戻す段階と、 収集された前記凝縮冷媒のレベルを検出する段階と、 冷媒蒸気と熱伝達関係をなして通流する前記熱伝達流体
   の量を前記収集された凝縮冷媒のレベルの変動に応答し
   て反比例的に調整し、該収集された凝縮冷媒が所定のレ
   ベルに達したとき該熱伝達流体を該冷媒蒸気との熱伝達
   関係から離して偏向させる段階と、 熱伝達流体を冷媒蒸気との熱伝達関係へ再循環させ該流
   体を再加熱する段階とから成る熱回収方法。