JPS6138386B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明の目的はきわめて、省エネルギー効果の
大きい冷暖房装置を提供することである。

住宅用冷暖房装置として、フロン系冷媒による
圧縮式ヒートポンプ冷暖房装置が今日この分野の
主流として用いられている。この種装置は原理的
に高いエネルギー効率を有するものであるが、さ
らにこれの冷房、暖房運転の双方に対し癈熱とか
太陽エネルギー等の未処理熱源の応用ができれば
さらに大巾な省エネルギー化が可能と考えられ
る。

冷房時に限つていえば、圧縮式ヒートポンプ冷
暖房装置に、それと冷媒を共通とする吸収式冷凍
機の原理による高圧冷媒蒸気発生器を接続し、廃
熱とか太陽エネルギー等未利用熱源が豊富に得ら
れるときは吸収式原理による冷房を行ない、それ
らが不充分のときは圧縮機によつて冷媒蒸気を必
要圧まで高めて運転し、またそれらが全く得られ
ないときは圧縮機による通常の運転を行なうこと
ができる。この方式によれば圧縮式ヒートポンプ
冷房の省エネルギー効果をさらに相乗的に、かつ
大巾に高められる。この目的に対する技術、すな
わち吸収式冷凍機に圧縮機を結合して到達冷却温
度を下げたり、高い冷却水温での運転を可能にす
る技術に関しては例えばHandbucb der Ｋａ¨
ltetechnik；R.plank編vol.7p.93〜p.105、1959年
出版、に述べられているが、しかし全ての例は、
毒性から住宅用冷房に適用できないアンモニヤ冷
媒によるものであり、住宅用冷房において主流で
あるところのフロン系冷媒を用いたときに生じる
問題に関しては何も解決されていない。さらに住
宅用冷暖房において圧倒的にエネルギー消費が多
い暖房技術に関しても、何も解決されていない。

本発明はフロン等有機系冷媒による圧縮式冷凍
機と吸収式高圧冷媒蒸気発生装置の結合を可能に
し、これにより住宅用圧縮式冷凍機の省エネルギ
ー効果をさらに相乗的、かつ大巾に高めることが
できたものである。

さらに上記高圧冷媒蒸気発生装置と圧縮機の結
合によつて、従来全く知られていなかつたきわめ
て成績係数の高い暖房用熱サイクルを考案し、１
つの装置によつて住宅用冷房および暖房を可能に
しただけでなく、暖房時の著しい省エネルギー化
を達成したものである。

以下図面により本発明を説明するが、その説明
をより具体的に行なうために、冷媒としてフロン
R22、溶媒（吸収剤）としてデイメチル・フオル
ム・アミド（D.M.Fと略す）を用いた一実施例に
ついて詳細に説明する。

第１図は発明者らが測定した、R22−D.M.F系
のＤｕ¨hring線図であり運転サイクルの１例を図
中に示してある。図によれば、サイクルａ，ｂ，
ｃ，ｄではR22は10℃で蒸発しそのときの圧力は
6.9Kg/cm²であり、40℃でR22蒸気は凝縮し、その
圧力は15.6Kg/cm²である。さらにこれを吸収式冷
凍サイクルに適用するならば吸収器は40℃であれ
ばよく、発生器は90℃に保たれ、このサイクル中
R22−D.M.F液の濃度は69％〜61％の範囲で変化
することがわかる。

第２図は本発明の冷暖房装置のブロツク図をし
めす。先ず太陽日射が充分得られる場合の冷房運
転に限つて説明する。１は吸収器であり、内部に
はR22−D.M.F溶液が満されており、フアン２に
よつて冷却され40℃に保たれている。R22−D.M.
F溶液はポンプ３によつて、弁４を通つて発生器
５に送られる。発生器５の構造をさらに詳細に第
３図にしめす。発生器５は上面にガラス面６を有
するケース７と導管８，９につながるヘツダー１
１，１０、冷媒蒸気と溶液の分離、冷媒蒸気の精
溜を行なう気液分離器１２などからなつている。
またヘツダー１１と気液分離器１２は多数の受熱
管１３によつて連結されている。受熱管１３には
受熱用の多数のフイン１４が設けられ、ともに太
陽光を熱に変換するための表面仕上げがなされて
いる。受熱管１３の内部には戻り管１５が設けら
れ、一端は気液分離器１２の底部に開口し、一端
はヘツダー１０に接続されている。導管８より送
り込まれたR22−D.M.F溶液は受熱管１３の内部
を上昇し、加熱されて80℃に達すると第１図から
明らかなように、15.6Kg/cm²の圧力を有するR22
蒸気を放出しつつさらに温度上昇を続け90℃に達
して気液分離器１２の底部に溜り、戻り管１５を
通つて受熱管１３の内部のR22−D.M.F溶液と熱
交換しつつヘツダー１０に戻され、さらに導管
９、絞り弁１６を通つて吸収器１に戻される。既
に述べたようにこの間R22−D.M.F溶液の濃度は
69％からR22蒸気を一部失つて61％に稀釈されて
いる。このように発生器５による直接集熱は、間
接式における熱交換損失を無くするだけでなく、
集熱エネルギー搬送中の損失を実質的に零にし、
さらに集熱温度を低めるので、集熱効率を高める
ことを結果する。

気液分離器１２より出た高圧R22蒸気は導管１
７、逆止弁１８，５１を通り、さらに弁２０、導
管２１を通つて凝縮器２２に入る。凝縮器２２は
フアン２３によつて冷却され40℃に保たれている
ので、入つてきた高圧R22蒸気は凝縮して液体と
なり凝縮器２２の底部に溜り、さらに弁２４を通
つて冷媒タンク２５の底に溜る。

蒸発器２６の一端は逆止弁２７、および弁５
５，２８を通つて吸収器１に接続されているた
め、蒸発器２６の内部は約6.9Kg/cm²の圧力に保た
れている。そこで圧力約15.6Kg/cm²に保たれた冷
媒タンク２５の底部に溜つている液体のR22は弁
２９を通り、絞り弁３０を通つて急に減圧され烈
しく蒸発し、そのとき蒸発器２６の器壁から約40
kcal/Kgの多量の蒸発潜熱を奪い蒸発器２６の器
壁をほぼ10℃に冷却する。蒸発器２６は室内に設
置され、フアン３１により室内空気と熱交換する
ことによつて冷房がなされる。このように蒸発器
２６と室内空気と直接熱交換させることは通常ブ
ラインを用いる間接形における熱交換損失を実質
的に無くし高効率の冷房を可能にする。蒸発器２
６を出たR22蒸気は逆止弁２７、弁５５，２８を
通つて吸収器３内のR22−D.M.F溶液に接触して
吸収され、吸収器１内のR22−D.M.F溶液の濃度
は61％から69％に増加する。

次に太陽日射が不充分であり、発生器５が70℃
までしか加熱されない場合の冷房について説明す
る。このとき第１図にしめす運転サイクルはｂ，
ｅ，ｃ，ｄとなり、発生器５で発生するR22の蒸
気圧は約11Kg/cm²に達するのみである。このとき
は圧縮機３２を稼動し、前記不充分な圧力のR22
蒸気を導管１７、逆止弁１８、導管３３、溶媒蒸
気（吸収剤蒸気）吸着器３４を通して吸引し、圧
縮するとR22蒸気の圧は第１図運転サイクルｂ，
ｅ，ｃ，ｄからｆの線に沿つて高められ、弁２
０、導管２１を経て凝縮器２２に送り込まれ、さ
きに述べたと同様液化され、蒸発器２６の中で蒸
発させられ冷房を行なうことができる。

溶媒蒸気（吸収剤蒸気）吸着器３４の１例を第
４図にしめす。溶媒蒸気吸着器３４は高圧に耐え
る容器３５、吸着剤注入口３６、吸着剤排出口３
７などからなり、導管３８，３３が接続されてい
る。導管３３は内部で延長され入つてきた蒸気と
吸着剤３９との接触をよくするために多数の細孔
４０を表面に設けられている。本発明のポイント
の１つは溶媒蒸気吸着器３４にあり、これによつ
て従来毒性が強いアンモニヤ冷媒においてのみ可
能であつた吸収式冷凍機と圧縮機の結合を、住宅
用冷房において主力的に使われる安全なフロン系
冷媒において可能としたものである。すなわち通
常圧縮機は内部機械主動部、回転部等の摩擦、焼
付防止のため潤滑油を有するが、ここで使用する
フロン系冷媒は蒸気および液体状態ともに該潤滑
油と親近な性質を有し、フロン系冷媒をよく溶解
する冷媒は同等または同等以上に潤滑油をも溶解
稀釈するものである。一方吸収式冷凍機における
溶媒（吸収剤）に求められる第１の要件は冷媒蒸
気を如何によく溶解するかという点にある。すな
わち本実施例におけるD.M.FはR22を自らの重量
の数倍まで溶解する。しかし圧縮機３２の中の潤
滑油をもきわめてよく溶解稀釈する。フロン系冷
媒による吸収式冷凍機と圧縮機の結合における最
大の問題点はここにある。この問題点を解決する
手段の１つとして冷媒、溶媒（吸収剤）の選択に
より溶媒の蒸気圧を下げるものが考えられるが、
この分野の研究は未だ不充分であり解答は与えら
れていない。本実施例で選ばれたR22の沸点は−
40.8℃、D.M.Fのそれは153℃であり、気液分離
器１２内部の温度圧力条件下でのD.M.Fの分圧は
かなり小さいがなお100ppmの存在比以上であ
り、これを直接、圧縮機３２に送れば１週間の運
転で潤滑油の粘度が大きく低下し焼付を発生する
に到る。本実施例において吸着剤３９はD.M.Fに
対し強い親和性を有するものであれが何でもよい
が、本例では圧縮機３２に用いられる潤滑油を用
いた。これによりもし吸着剤３９の飛沫が圧縮機
３２に入ることがあつてもその運転に何らの支障
を与えない。実際、溶媒蒸気（吸収剤蒸気）吸着
器３４を用いることにより、溶媒としてD.M.Fを
用いた吸収式冷凍機に対し圧縮機３２を結合して
１〜２年の運転を支障なく続けて行なうことがで
きたが、吸着剤３９は機械は分解することなく容
易に交換され得るのでさらに長期間の連続使用を
可能にする。すなわち吸着剤排出口３７を開け
ば、溶媒蒸気吸着器３４内外の圧力差から吸着剤
３９は排出される。次に吸着剤注入口３６より吸
着剤３９を溶媒蒸気吸着器３４内圧力以上に加圧
し容易に注入される。

次に発生器５の温度が50℃以下のときの冷房に
ついて説明する。冷房運転中は常に弁２０，４１
は開かれている。ここで圧縮機３２を稼動すれ
ば、発生器５は50℃以下であるため導管１７内の
R22圧力は約７Kg/cm²であるが圧縮機３２で吸引
されるとこの圧力は５〜６Kg/cm²に低下する。一
方一端を蒸発器２６と逆止弁２７と間に有し、他
端を逆止弁１８と逆止弁５１との間に有するバイ
パス管に設けた逆止弁１９の入口は弁４１を通し
て蒸発器２６につながれているので少なくとも７
Kg/cm²以上のR22蒸気が存在する。したがつて圧
縮機３２の運転を続行すると蒸発器２６で蒸発し
たR22の低圧蒸気は弁４１、逆止弁１９、溶媒蒸
気吸着器３４を通して圧縮機３２に吸引され、約
16Kg/cm²の高圧まで圧縮され弁２０を通して凝縮
器２２へ送り込まれて凝縮しさきに述べたと同様
に冷房が続けられる。この時吸収器１内溶液から
圧縮機３２によつてR22蒸気が吸引されること
は、逆止弁２７の作用によつて阻止され、発生器
５、吸収器１および管路８，９に存在するR22−
D.M.F液の濃度は69〜61％の範囲に保たれ、次の
太陽日射が充分および不充分で発生器５が70℃ま
で加熱される状態の運転に備えられる。

本発明のポイントの１つは冷房用装置を用いて
著しい省エネルギー化された暖房を可能とする点
にある。以下冷房運転から暖房運転への切り換え
方法を説明する。太陽日射の強い日を選ぶ方がよ
いが、さきに述べたと同様の発生器５、圧縮機３
２による冷房運転を行なう。このとき冷媒タンク
２５の底部にある弁２９を閉じておく。この運転
を続けるならば吸収器１、発生器５、導管８，９
などの中にあるR22−D.M.F溶液はR22蒸気を放
出して、通常の冷房運転よりはるかに低濃度にな
つて行き、またこのR22蒸気は冷媒タンク２５内
に液体の形で溜つて行く。溶媒タンク４２内は低
圧のR22蒸気が存在するが、ここでポンプ３を停
止し、弁２８を閉じ、弁４３，１６，４４を開放
すると発生器５、導管８，９内にある稀薄化され
たR22−D.M.F溶液は気液分離器１２内の圧力で
溶媒タンク４２内に圧入される。そこで弁４，１
６，４４を閉塞する。次にポンプ３および圧縮機
３２を稼動し、弁２４を閉じ、弁４５，４６を開
くと冷媒タンク２５内に導管４７を通して圧がか
かり、液体R22は弁４６、導管４８、弁４５を通
り発生器５内に送り込まれる。冷媒タンク２５内
のR22が全量送出されたとき弁４６を閉じる。圧
縮機３２、ポンプ３を停止し、弁４１，２０を閉
じ、弁４９，５０を開放し、弁５５を閉塞するこ
とによつて暖房運転の準備は完了する。

本装置における暖房運転は三つのモードを有す
る。もつとも成績係数の高い運転モードから説明
する。太陽日射が充分得られるとき、発生器５内
の液化されたR22は50〜60℃に加熱され、第１図
から読み取られるごとく約20Kg/cm²の高圧蒸気に
なり、導管１７、逆止弁１８，５１、弁５０を通
つて蒸発器２６内に送り込まれる。当初蒸発器内
温度は室温近くにあるので高圧のR22蒸気は凝縮
し、このとき多量の凝縮熱（約40kcal/Kg）を発
生し、蒸発器２６の器壁を急速に加熱し50〜60℃
近くに達し、圧力約20Kg/cm²で平衡する。ここで
フアン３１に依つて蒸発器２６と室内空気の熱交
換を行なわせると約50〜60℃の温風を生じ快適な
暖房が得られる。そして室内に放出された熱量に
ほぼ比例してR22蒸気の凝縮が生じ蒸発器２６内
部に液化したR22が溜りはじめる。この液体R22
の大部分は弁５４を通り導管４８、弁４５を通つ
てポンプ３により発生器５に戻される。この暖房
サイクルは従来の圧縮式ヒートポンプによるサイ
クルとは全く異なるものである。ポンプの仕事は
小量の液体R22を等圧力下で僅かの落差を移動す
るだけであるのできわめて小さく、300kcal／時
の暖房出力に対し僅か20W程度である。したがつ
ていわゆる成績係数は約170ときわめて高いこと
がわかる。

次に太陽日射が不充分なときの暖房について説
明する。発生器５内のR22が30〜40℃にしか達し
ないときは第１図から読まれるごとくR22蒸気の
圧は12〜16Kg/cm²である。ここで圧縮機３２を運
転すれば、上記中圧のR22蒸気は逆止弁１８、溶
媒蒸気吸着器３４を通つて圧縮機３２に吸引さ
れ、約20Kg/cm²まで加圧された弁５０を通つて蒸
発器２６の中に送り込まれ凝縮してさきに述べた
と同様に暖房が行なわれる。このときはポンプ３
を停止しても蒸発器２６と発生器５間の圧力差に
よつて液体R22の移動は充分に行なわれる。この
運転モードは圧縮式ヒートポンプの１種と考えら
れるが通常の場合に比して熱源温度が高く、また
圧縮による圧力上昇も12〜16Kg/cm²から20Kg/cm²と
小さいので成績係数は高く約10という値が得られ
た。

太陽日射が全く得られない時はポンプ３は停止
するこの状態で弁５４を閉じ、圧縮機３２を運転
すれば、初期はR22蒸気は逆止弁１８，１９の双
方を通して入つてくるが直ちに発生器５内圧が凝
縮器２２内圧より低下し大部分の蒸気は逆止弁１
９の側から吸引されるようになる。このR22蒸気
は溶媒蒸気吸着器３４を通して圧縮機３２内に吸
引され圧縮されて約20Kg/cm²に加圧され弁５０を
通り蒸発器２６内で凝縮し暖房がなされる。ここ
で蒸発器２６内で約20Kg/cm²の高圧化され凝縮し
ているR22は絞り弁３０を出た所で急に減圧さ
れ、逆止弁５２を通つて凝縮器２２内で烈しく蒸
発し、凝縮器２２器壁を冷却する。凝縮器２２内
は圧縮機３２によつて約６Kg/cm²の低圧にされて
いるので第１図から明らかなごとく凝縮器２２の
器壁は約５℃まで冷却され、フアン２３によつて
周辺空気と熱交換させられることにより周辺空気
から熱を奪うことができる。

既にのべたように本発明のポイントの１つは、
１つの装置によつて大巾な省エネルギー暖房なら
びに冷房を可能にする点にある。そこで暖房運転
から冷房運転への切換え方法を説明する。通常暖
房運転終了時には発生器５内にはかなり高圧の
R22液および蒸気が充満しており吸収器１および
溶媒タンク４２内には低濃度のR22−D.M.F溶液
が貯えられている。そこでポンプ３停止のままで
弁４４，１６を徐々に開放すると液体R22は圧力
差によつて吸収器内に戻され溶解をはじめる。こ
のとき発生する熱はフアン２によつて棄て去り吸
収器１は40〜50℃に保つ。ここで圧縮機３２を稼
動し、弁２０，４１，２４，２９を開き、弁５
０，４９を閉じて冷房運転を行いながら弁５３お
よび弁４３を開けるとR22の高圧蒸気が溶媒タン
ク４２内のR22−D.M.F液に溶解をはじめるが、
それと共に温度も上昇し、第１図から見られるよ
うに約60％の濃度で平衡し、ついには圧縮機３２
の吐出圧力により溶媒タンク４２よりR22−D.M.
F溶液をおし出すようになる。溶媒タンク４２が
空になつたとき、弁４３，４４，４５，５３を閉
じ、弁２８，５５を開きポンプ３を運転して各部
溶媒濃度の均一化をはかる。以上によつて冷房運
転の準備は完了する。

以上のごとく１実施例によつて本発明を詳細に
説明したが、弁配置、操作手順などは本発明の原
理を説明するための全く１例を示すものであり、
また三方弁、四方弁を用いることにより操作が簡
単になるのは当然である。

本発明は、溶媒（吸収剤）が圧縮機の潤滑油に
対して強い親和性を有するために、従来不可能で
あつたフロン系冷媒による吸収式冷凍機に圧縮機
を結合することを可能にしきわめて大巾な省エネ
ルギーが実現できる冷暖房装置を得たものある。

また本発明は吸収器、発生器、圧縮機、凝縮
器、蒸発器からなる冷凍機において、冷媒タン
ク、溶媒タンクを設けることにより１つの冷暖房
装置で大巾な省エネルギー冷房、暖房を可能にし
たもので、住宅用冷暖房に対しきわめて大きな経
済的効果を与えたものである。上記冷媒タンクは
例えば凝縮器の一部を溜りとして用いたり、また
溶媒タンクは例えば吸収器の一部に溜りを設けた
り、またそれ自身を全系の溶液量に合せて１体化
することも可能であり、これらが本発明の同じ思
想範囲に含まれるものである。

さらに本発明は従来全く知られないきわめて高
効率な暖房用サイクルを与えるものであり、省エ
ネルギー量がきわめて大きいだけでなく、安価な
暖房を可能としたもので、住宅用暖房に対し優れ
た経済的効果を与えたものである。この新しい暖
房サイクルは液ポンプを使用して説明してあるが
圧縮機をもつて蒸気相で吸収しても相当の省エネ
ルギー化は達成される。これら後者の例も本発明
の同じ思想範囲に含まれるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は冷媒、溶媒（吸収剤）よりなる溶液の
温度、圧力、濃度の関係特性線図、第２図は本発
明の一実施例における冷暖房装置を示す冷媒回路
図、第３図は発生器を示す一部破断斜視図、第４
図は溶媒（吸収剤）蒸気吸着器の一部破断斜視図
である。 １……吸収器、３……ポンプ、５……発生器、
１２……気液分離器、１３……受熱管、１８……
第１の逆止弁、１９……第４の逆止弁、２２……
凝縮器、２５……冷媒タンク、２６……蒸発器、
２７……第３の逆止弁、３２……圧縮機、３４…
…溶媒蒸気（吸収剤蒸気）吸着器、３９……吸着
剤、４２……溶媒タンク、５１……第２の逆止
弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 発生器、第１の逆止弁、第２の逆止弁、凝縮
   器、蒸発器、第３の逆止弁、吸収器、ポンプを還
   状に接続して冷媒および溶媒を封入したサイクル
   を構成し、前記発生器から前記吸収器に液溶媒を
   導く導管と、一端を前記蒸発器と前記第３の逆止
   弁との間に有し他端を前記第１の逆止弁と前記第
   ２の逆止弁との間に有するバイパス管と、前記第
   ２の逆止弁に並列に設けた圧縮機と、前記バイパ
   ス管に有し前記蒸発器から前記圧縮機に向う逆止
   弁とを備えた冷暖房装置。 ２ 管路の他部と遮断可能で、且つ遮断弁を介し
   て凝縮器に連なるタンクと、管路の他部と遮断可
   能で、且つ遮断弁を介して吸収器に連なるタンク
   を備え、これらによつて管路内の冷媒、溶媒の混
   合比率を調節し、複数のサイクルを単独または複
   合的に運転可能にした特許請求の範囲第１項記載
   の冷暖房装置。 ３ 圧縮機に前置して溶媒蒸気（吸収剤蒸気）吸
   着器を設け、冷媒蒸気を吸着器を通過させてのち
   圧縮機に吸引させるようにした特許請求の範囲第
   １項記載の冷暖房装置。