JPS6026949B2 - 吸収式ヒ−トポンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は冷暖房時の条件に合わせて、溶媒の濃度循環器
、加熱入力などを設定したシステムの蒸発温度を暖房時
に外気温に対して、ヒートポンプとして作動せしめるに
通した温度になるごとく自動的に制御しうる吸収式ヒー
トポンプを提供するものである。

吸収式の冷凍サイクルを冷房に使用することはヒートポ
ンプの省エネルギー性から時代の要請として注目されて
いる技術であるが、媒体の濃度および循環量など動作条
件を変えないとすれば、蒸発温度など冷房に最適な条件
に作られた装置が暖房に使用される時外気温度の広い範
囲においてヒートポンプとして十分に作動するとはかぎ
らない。

又、その逆に暖房の時に都合のよい条件に設定した装置
が冷房の時にそのままで丁度よい蒸発温度を持つとはか
ぎらない。吸収式の冷凍サイクルにおいて、蒸発温度は
溶液が吸収器で冷却されて到達する最低溶液温度と膨張
弁の開き具合などによって定まるものである。

まづ第１図により吸収式ヒートポンプの原理を説明する
。

１は発生器でバーナー２でガスなどを燃焼せしめて加熱
を行うと、冷煤を吸収液に吸収させた溶液３から冷媒蒸
気が発生し、配管４を経て被暖房空間５に設けられた凝
縮器６において凝縮し、凝縮熱はファン７によって作ら
れた夙によって室内空気を暖めるのに供せられる。

ここで、凝縮した液化冷嬢は、配管８を経て、被暖房空
間５の外に出、減圧弁９を経て戸外に設けられた蒸発器
１０に送られる。蒸発温度をＴｅとし、外気温度をＴａ
ｍとすれば、Ｔｅ＜Ｔａｍならば外気から熱をうばつて
蒸発器１０内で冷煤は蒸発する。蒸発器１０は外気との
熱交換をよくするように、ファン１１により強制的に蒸
発器に空気が送られる。蒸発した冷煤蒸気は配管１２を
経て吸収器１３に流入する。

一方吸収器１３には発生器１において冷煤蒸気を放出し
、冷煤含有量の減少した高温の希溶液が、配管１４を経
て熱交換器１５を通り後述の濃溶液と熱交換することに
より、温度を下げて流量調整弁１６を通り、吸収器１３
内に注がれる。又吸収器内には冷却水管１７があり、溶
液を冷却することができる。

吸収器１３に注がれた希溶液は冷媒蒸気を吸収し、溶液
は濃溶液となるが、この際多量の吸収熱を発生する。こ
の吸収熱は冷却水管１７中を流れる水に蜜はれる。すな
わち水は加熱されて吸収器１３を出る。この温水は配管
１８を通って被暖房空間５内に設けた放熱器１９に送ら
れ、ファン２０‘こよって作られた夙によって熱を室内
空気に与え、水は冷却された配管２１、水ポンプ２２を
経て吸収器１３に戻ってくる。一方吸収器の中で冷煤蒸
気を吸収し、冷却水で冷却された濃溶液は配管２３を通
り、溶液ポンプ２４で加圧され、熱交換器１５で高温の
希溶液と熱交換することにより温められた発生器１内に
送りこまれサイクルが完結する。

以上の説明から明らかなごとく、吸収式ヒートポンプに
おいては発生器においてバーナーにより与えられた熱以
外に蒸発器１０‘こおいて外気から与えられた熱が、凝
縮器６および放熱器１９において被暖房空間１５内の空
気に移し与えられることになるから、暖房出力はこの両
者の和であり、有償の熱入力はバーナー２の熱入力のみ
でるから、成績係数すなわち暖房出力を加熱入力で割っ
た値は１より大となり、省エネルギー機器として今日き
わめて注目されている。

ここで重要なことは上記の説明中にもふれたごとく蒸発
温度Ｔｅは外気温度Ｔａｍより低くなければ蒸発はおこ
らず、従って外気より熱を汲み上げることはできないこ
とである。

次にこのヒートポンプを冷房に使用する場合について考
える。

すなわちヒートポンプは凝縮器６において凝縮熱を放熱
し、蒸発器１川こおいて外気から熱を取り込んで冷媒が
蒸発しているのであるから、蒸発器１０を逆に被空調空
間内に設ければその空間の温度は低下する。

すなわち冷房が行われる。従って凝縮器６や、放熱器１
９を逆に戸外に設け、熱を外気に捨てればよい。上記の
説明は全く原理を説明したものであるが、実際には簡単
な配管を付け足し、バルブ操作によって蒸発器と凝縮器
の立場を入れ換えることが可能であり、放熱器１９は同
等のものを戸外にも設け、水の流れを冷房と暖房とで切
り換えるなどの方法で実際に行うことができる。次に、
この吸収式ヒートポンプのサイクルを冷煤を溶媒に溶か
した液の温度、温度および溶液と平衡する冷煤の蒸気圧
の関係を示すデューリング線図を用いて説明する。

デューリング線図は第２図に示すごとく縦軸に冷媒の蒸
気圧の対数、機軸に液温度の逆数をとって目盛ったグラ
フ等濃度線を記入したもので、ほぼ平行な直線で表わさ
れる。図において一番左の斜めの線は１００％濃度すな
わち純粋な袷煤の圧力と温度の関係を示す線である。

ここで凝縮温度をＴｃと定めれば、Ｔｃにおいて引いた
垂線と１００％濃度線の交点をＡとすれば、Ａを通る圧
力線Ｐｇが発生器で発生させなければならない冷煤蒸気
の圧力である。

一方発生器で加熱される溶液の最高温度をＴｇとすれば
、Ｔｇにおいて立てた垂線と圧力Ｐｇの線の交点Ｂを求
め、Ｂを通る濃度線の濃度をＣ２％とすれば、Ｃ２％が
希溶液の濃度である。一方蒸発温度Ｔｅを定めると、Ｔ
ｅで立てた垂線と１００％線との交点をＣとすれば、Ｃ
を通る圧力線Ｐｅが蒸発圧力を示している。

又吸収器内での溶液の最低温度をＴａとすればＴａにお
いて立てた垂線と圧力Ｐｅの線との交点を○とし、Ｄを
通る等濃度線の濃度をＣ，％とすればＣ，％が濃溶液の
濃度である。濃度℃，％の線と圧力Ｐｇの線の交点をＥ
とし、濃度Ｃ２％の線と圧力Ｐｅの線の交点をＦとする
。ＥからＢへの過程は発生器内でのガスの発生過程を、
ＦからＤへの過程は吸収器内でのガスの吸収過程を示し
、ＥＢＦＤＥで発生吸収のサイクルが完結する。吸収器
の最低温度Ｔａは冷却水の吸収器入口温度でさまると考
えられるが、冷却水の吸収器入口温度は第１図の放熱器
１９の出口水温と考えてよい。

この温度は室内の暖房温度できまるもので、外気温に関
係なく一定と考えられる。従って吸収器最低温度Ｔａは
外気温度の如何にかかわらず一定であると考えてよいか
ら、蒸発温度Ｔｅも変らないと考えられる。既に述べた
ごとく、外気温度Ｔａｍが蒸発温度Ｔｅより下ってしま
うと蒸発器で冷媒液は蒸発しなくなり、外気より熱を取
り込むことができなく冷煤が液状となり機能が停止する
。

実際には熱交換器の大きさにもよるが温度差が５℃以下
になると急速に熱交換が悪くなり、冷嬢の蒸発が不十分
となる。

従って蒸発温度はヒートポンプとして使用可能として設
定した最低温度より少なくとも５℃以上低くしなければ
ならない。例えば、外気温度−５００まで使用可能とす
るには蒸発温度を−１ぴ○以下にしなければならない。
第２図においてＴｅを−１０℃とすればＣ点がきまり、
圧力Ｐｅがきまるが、一方、Ｔａもきまっているからこ
れから濃度Ｃ，がさまる。暖房に使用する場合のＴａは
必要暖房温度などを考慮して４０℃位と考えられる。こ
のように暖房ヒートポンプサイクル時の蒸発温度を−１
０℃、・あるいはそれ以下のある温度にさめて溶液の濃
度をさめ、その条件で外気温に関係なく運転した場合に
は次にのべるごとき問題を生ずる。

まず蒸発温度が０℃以下であるため外気温が５℃〜１ｏ
ｏ○位であっても、外気の湿度にもよるが蒸発器に結氷
がおこる。

しかし外気温がこの範囲であれば本当は蒸発温度は０℃
ないいま０００より少し高い温度で十分であり、この場
合には結氷の心配はない。一般に成線係数は蒸発温度が
下る鰹悪くなるから、不必要に蒸発温度を下げることは
望ましくない。

成績係数に関しては又次の問題が重要である。

すなわち、このシステムを暖房に使うのみでなく、冷房
にも使用する場合、中に封入された作動媒体を暖房時と
冷房時とで入れかえることは実用上むつかしいので、入
れ換えないで使用するとすれば先に述べたごと〈暖房時
の蒸発温度一１０℃に対し、冷房時の蒸発温度は−３℃
位である。この差は吸収器の最低温度Ｔａが、冷房時の
外気温が暖房時の室内温度より高く５０こ○位と考えら
れるからであるが、冷房時の蒸発温度をこれ程下げる必
要はない。冷房時の成績係数は蒸発温度に大きく依存し
、蒸発温度を低下させるとかなり悪くなるから、不必要
に蒸発温度を下げることは好ましくない。

たとえばここで蒸発温度を１０ｑｏ上げて７００とすれ
ば成績係数は２０％以上向上する。このように冷暖房に
使用しうるヒートポンプの蒸発温度は暖房時の使用条件
からかなり低い温度に設定せねばならず、その結果とし
て冷房時の蒸発温度が必要以上に低くなり、暖房時の成
績係数を外気温のあまり低くない日にも不必要に低い状
態で使用せねばならず、又冷房時の成績係数をいちじる
しく低下させる。

特に我が国の関東以西のごとく、冷房機として使用する
期間が長く、かつ冬の外気温があまり０℃以下に下らな
い所で暖房に使用する場合には、数少ない低い外気温の
日のためにそれ以外の使用日での成績係数を悪くしてい
ることになり、又結氷が起りやすく、結氷時の加熱敵氷
対策など無駄が多いｏそのための構成として、本発明は
、少なくとも発生器と、凝縮器と、蒸発器と、吸収器と
で吸収式ヒートポンプサイクルを形成し、前記吸収器の
冷却水管と循環略を形成する放熱器と、前記放熱器を介
して被加熱空間に放熱後の冷却液を前記吸収器に戻す区
間に、外気との熱交換器を設け、前記吸収器に流入する
冷却液の液温を外気温の低下に伴って低下させることに
より蒸発温度を低下させるものである。

この構成により、本発明は暖房ヒートポンプとして使用
する場合、外気温に応じて蒸発温度を変えうるごとくし
たもので、冷房時，暖房時ともに効率よく働かせること
ができるものである。

以下、本発明の一実施例につき図面の第３図〜第７図に
沿って説明する。第３図は本発明に従った吸収式ヒート
ポンプの原理を示す図であり、大部分は第１図と共通す
るので同一番号を付している。１は発生器、２は発生器
加熱用バーナー、４は冷媒蒸気の配管、６は凝縮器、８
は液化冷煤配管、９は膨張弁、１０は蒸発器、１２は冷
嬢蒸気配管、１３は吸収器、１４は希溶液配管、２３は
濃溶液配管、１５は溶液熱交換器、２４は溶液ポンプ、
１７は吸収器冷却水管、１９は放熱器、２２はポンプで
あり、２５は室外に設けた熱交換器である。

吸収器の冷却水はポンプ２２により循環しており熱交換
器２５を適って吸収冷却水管１７に入り、水は加熱され
配管１８を通って被暖房空間５内に設けた放熱器１９に
入り、被暖房空間の空気と熱交換を行い、水温は下って
配管２１を経てポンプ２２に戻ってくる。本発明の一実
施例の構成図（第３図）と従来例の吸収式ヒートポンプ
の説明図（第１図）と異る点は、熱交換器２５を吸収器
の冷却水系の吸収器入口側に設けた点である。この熱交
換器２５は、放熱器１９を出た水温を外気との熱交換に
よりさらに下げる働きをするもので、その大きさを適当
にえらぶことにより、吸収器に流入する水温を、そして
その結果として吸収器の最低温度Ｔａを外気温の低下に
従って適当に下げてゆくことができる。すなわち、第２
図におけるＤ点の温度Ｔａを外気温の低下に従って下げ
ることができるから、同一濃度溶液では蒸発圧力Ｐｅも
外気溢の低下に従って下げることができ、外気温のあま
り低くない時に不必要に蒸発温度を下げて蒸発器に結氷
を生ぜしめる危険をなくすことができる。

また外気温の非常に低い時には自動的に蒸発温度を外気
温より低くすることができるので、十分低い温度までヒ
ートポンプとして働かせることができる。今暖房運転時
の放熱器１９を出る水温を３０℃とし、本発明に従って
室外に設けた熱交換器２５で、放熱器１９を出た水を外
気で冷却し、例えば外気温０００のとき、熱交換器２５
の出口水温が２０℃になるごとく熱交換器２５の寸法を
さめれば、外気温０℃の時の吸収器最低温度Ｔａは吸収
器の設計にもよるが、冷却水温より１び○位高くみるの
が適当であるから３０午０であると考えてよい。一方こ
の装置に使われている溶液の濃度は冷房運転時の冷却水
温が４０ＣＣ、吸収器最低温度Ｔａが５ぴ○であるとし
て蒸発温度が７℃になるごとく定めたものである。この
濃度条件で、冬の外気温０℃の時の蒸発温度は−８℃と
なり外気温と蒸発温度の差が８℃となる。

第４図は外気温の変化に対する吸収器に流入する水の温
度、蒸発温度、外気温度と蒸発温度の差および吸収器で
発生する熱に対する放熱器で室内に入力される熱出力の
比を熱利用率と呼ぶことにしこれを示した。この実施例
では外気温度−５００位までヒートポンプとして動作さ
せることが可能である。次に改良した実施例について述
べる。

上記実施例では暖房に使用する際の蒸発温度は常に０℃
以下であるが、外気温度が５℃以上の時にはそれ種蒸発
温度を低くする必要はないと考えられる。又この方法は
吸収器で発生する熱の一部を捨てて蒸発温度を制御して
おり熱の利用率が常に１００％以下となる欠点を持って
いる。この点を改良するために、熱交換器２５をファン
による強制空冷式とし、或る外気温度以上ではファンを
動かさないような制御システムを設ける。この構成では
熱交換器２５による放熱量は、水温と外気温の差にほぼ
比例するが、その割合はファンが動いている時と動いて
いない時では大幅に異なるため、吸収器冷却水管に流入
する水温も、従って蒸発温度もこの定められた温度を境
に大きく変化する。第５図はこのファンの動き始める温
度を５℃とした場合の一つの例を示したもので、第４図
と同様に横軸に外気温度、縦軸に吸収器冷却水管に入る
水温，蒸発温度，外気温度と蒸発温度の差および吸収器
発生熱の利用率を示したものである。

このようにすれば外気縞５℃までは蒸発温度は殆んど０
℃に近く熱利用率も９０％以上であり、外気温がそれ以
下に下ると蒸発温度は急速に下り、この場合も外気温度
−５℃位までは十分ヒートポンプとして作動する。この
ようにすれば外気温度が５℃以上の時の熱利用率を不必
要に低下させることなく使用することができる。さらに
熱交換器２５を第１の定められた外気温度以上では外気
と熱交換器周辺の空気との流通を遮断し、事実上放熱ゼ
ロの状態にし、その温度以下においても或る定められた
第２の温度までは自然対流による放熱或いは空冷ファン
の回転を弱めた状態とし、第２の温度以下では強力に空
冷を行うごとくファンを回転させることにより三段階に
熱交換器２５での放熱量を制御すればより効果的である
。

第６図は第１の切換え温度を５℃に、第２の切換え温度
を０℃とした例の場合を示しもので、第５図と同様に横
藤に外気温度、縦軸には吸収器冷却水管に入る水温、蒸
発温度、外気温と蒸発温度の差および吸収器発生熱を利
用率を示した。

以上述べた実施例はいづれも段階的に熱交換器２５と外
気の熱交換量を変化させる例をのべたが、外気温の低下
と共にファンの回転数を連続的に増加させ、非直線的に
外気温度が低下する程放熱量を変化させる方法も当然考
えられる。又熱交換器２５での放熱量を外気溢の低下と
共に非直線的に増加せしめる他の方法として第７図に示
すごとく熱交換器２５にバイパス路２６を設け、このバ
イパス路２６中に制御弁２７を設け、その制御弁２７の
開閉、又は開度の連続的あるいは段階的制御を外気温の
関数として行わせることも有効な方法である。すなわち
、外気温の高い時は制御弁２７を全開することにより循
環水は熱交換器２５を殆んど通らないため水は外気に熱
をうばわれることなく吸収器冷却水管入口に達するが、
制御弁２７を閉じてゆく次第に熱交換器２５を通る水量
が増加し、それだけ放熱量が増加し、水温は下り、その
結果として蒸発温度が下る。なお、本発明における吸収
式ヒートポンプは、少なくとも発生器と、凝縮器と、蒸
発器と、吸収器とを構成要素としているが、これらを基
本要素として種々の変形も本発明の吸収式ヒートポンプ
の範囲に含まれることはいうまでもない。このように本
発明によれば、冷房運転時に必要な蒸発温度がえられる
ように溶液濃度などを決定した吸収式ヒートポンプをそ
のまま寒冷期に暖房運転に利用した場合に外気温に対し
てヒートポンプとして作動するに適した蒸発温度に、連
続的に或いは不連続的に、直線的に或いは非直線的に自
動的に吸収器冷却水温度を調節することができ、吸収式
冷凍サイクルを冷房および暖房に共用する上での難点を
解決するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は吸収式ヒートポンプの原理説明図、第２図は温
度−圧力−濃度線図によるヒートポンプサイクルの説明
図、第３図は本発明の一実施例の吸収式ヒートポンプの
原理図、第４図ａ，ｂ，第５図ａ，ｂおよび第６図ａ，
ｂはそれぞれ第３図の動作説明図、第７図は本発明の異
なる実施例の吸収式ヒートポンプの要部原理図である。 ５・…・・被暖房空間、１３…・・・吸収器、１７・・
・・・・冷却水管、１９・・・・・・放熱器、２０・・
・・・・ファン、２２・・・・・・水循環ポンプ、２５
・・・・・・熱交換器、２６・・・・・・バイパス路、
２７・・・・・・制御弁。第１図第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 発生器と、凝縮器と、蒸発器と、吸収器とで吸収式
   ヒートポンプサイクルを形成し、前記吸収器の冷却水管
   と循環路を形成する放熱器と、前記放熱器を介して被加
   熱空間に放熱後の冷却液を前記吸収器に戻す区間に、外
   気との熱交換器を設け、前記吸収器に流入する冷却液の
   液温を外気温の低下に伴つて低下させることにより蒸発
   温度を低下させる吸収式ヒートポンプ。