JPS62102066A - 加熱用ヒ−トポンプに於けるヒ−トパイプ式凝縮器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、産業用刹械装置等の加熱源として利用する加
熱用ヒートポンプの改良に係り、ヒートポンプの凝縮器
を熱云導の非可逆性を備えたヒートパイプ型凝縮器とす
ることにより、凝縮器の保守？７理の容易化と小形化を
図ると共に、ヒートポンプの熱間並びに冷間起励時に於
ける圧縮機の起動負荷を軽減せしめ、円滑な起動を再正
とした加熱用ヒートポンプの凝縮器に関する。

（従来の技術） 第５図は、ヒートポンプの凝縮器により溶剤；夜を加熱
するようにした溶剤人気洗浄装置の限略系読図であるが
、従前のこの種加熱用ヒートポンプ５の凝縮器４には、
第５図に示す如く所謂両管板固定シェルアンドチューブ
型の凝縮器が多く使用されている。

しかし、前記両管板固定シェルアンドチューブ型凝縮器
は、一般に熱交換管の熱膨張の吸収が困雅であり、且つ
ヒートポンプ熱媒の接液部（胴内部及び熱交換管外面）
の点検掃除に手数がかかるという難点がある。

更に、従前のヒートポンプ用凝縮器に於いては、ヒート
ポンプの停止時に被加熱流体によってヒートポンプの熱
媒が加熱された場合に、凝縮器の熱媒吐出側の圧力が上
昇してヒートポンプ圧縮、喝の起動負荷が増加し、圧縮
機の円滑な再起動が困難になるという問題がある。

前記ヒートポンプ圧縮機の起動負荷の増加の間層を、前
記第５図に示した溶剤蒸気洗浄装置を例にとってより具
体的に説明する。第５図を参照して、当該溶剤蒸気洗浄
装置は冷却ｗ１を備えた溶剤蒸気洗浄槽２と、蒸発器３
及び凝縮器４等を備えたヒートポンプ５を冷却材循環管
路６及び溶剤循還管路７をもって連鎖することにより形
成されており、前記ヒートポンプ５により溶剤蒸気８の
゛疑縮熱の回収と溶剤液９の加熱を行なうように構成さ
れている。尚、第５図に於いて２ａは洗浄槽の液溜部、
２ｂは洗浄槽の洗浄部、３ａは蒸発器の冷却水管、３ｂ
は蒸発器の熱媒蒸発管、４ａは凝縮器の１溶剤加熱管、
４ｂはａ縮開の熱媒菟気室、６ａは冷却材戻り管、６ｂ
は冷却材送り管、７ａは溶剤戻り管、７ｂは溶剤液送り
管、１０は被洗浄物、１１は冷却材循環ポンプ、１２は
溶剤循環ポンプ、１３は圧縮器、１４は膨張弁である。

装置の定常運転状聾に於いては、蒸気洗浄槽２内の溶剤
液９がヒートポンプの凝、縮型４に於いて加熱され、加
熱Ｗ４ａ内で溶剤液は沸騰蒸発する。

前記加熱管４ａ内で発生した気液混合体は、溶剤突り管
７ａを通して洗浄槽の洗浄部２ｂへ送られ、ここで気液
分離が行なわれて洗浄用蒸気となる。

洗浄部２ｂ内の溶剤蒸気の一部は、被洗浄物１０の外表
面で凝縮し、物品の外表面に沿って流下する間に洗浄作
用を果し、洗浄後の汚損溶剤液はドレーンパン（図示省
略）等により集められ、精製装置（図示省略）で清浄化
された後、洗浄槽の液、留部２ａへ戻される。

又、残余の溶剤蒸気８は冷却府１によって凝縮され、溶
剤蒸気８の槽外への溢流を防止すると共に、溶剤素気の
凝縮熱は冷却材１５及び蒸発器３を介してヒートポンプ
５の熱媒１６によって回収され、凝縮器４に於ける溶剤
１夜９の加熱に利用される。

前記第５図に示す如き溶剤蒸気洗浄装置に於いては、定
常運転時には加熱装置であるヒートポンプ５も極めて円
滑に運転され、被洗浄物の安定した洗浄が旨なえる。

しかし、前記素気洗浄装置でも加熱装置に解決すべき間
還点が残されており、中でも前記ヒートポンプ圧、縮機
の起動負荷を軽減し、その起動をより円滑なものにする
ことが大きな課題として残されている。

即ち、産業用′１械裟置等こと於いては、一般に被加鴇
流体側の温度を、プロセス側の条件等によって常に一定
の高温度に保持しなければならない場合が多くある。例
えば、前記溶剤蒸気洗浄装置に於いては、被洗浄物１０
の洗浄条件を満たす必要から槽内には一定世の溶剤蒸気
を常に必要とする。

そのため、溶剤蒸気槽２の液溜部２ａには電気ヒータ等
の補助加熱装置１７を設け、ヒートポンプ５の能力不足
を補なって溶剤液を常に一定温度に保持するようにして
いる。

而して、冷間又は熱間の起動時には、先ず溶剤周環ポン
プ１２により溶剤液９をヒートポンプ側へ循環させ、補
助加熱装置１７により蒸気槽２内の溶剤液９を沸点温度
まで上昇させる０その後ヒートポンプ５を起動して液溜
部２ａ及び洗浄部２ｂ内の温度が定常状態になったとき
に前記補助加熱装置１７を遮断し、所謂自己完結サイク
ルにより溶剤液の加熱−蒸発を継続して行く。

第６図は前記溶剤蒸気洗浄装置の起動時に於ける各部の
温度変化の一例を示すものであり、図に於いて、ｔｓは
溶剤液温度、ｔ７は洗浄部温度、ｔｗは冷却水温度、Ｈ
は補助ヒータ投入点、Ｐはヒートポンプ起動点、Ｔｓは
平衡温度（７０〜８０°Ｃ）である。

尚、最初に循環ポンプ１２を起動せず、ヒートポンプを
起動して凝縮器内溶剤温度を所定温度まで上昇させた後
ポンプ１２を起動した場合には、溶剤・＠環回路７の熱
容量が大きいため、第６図に示す如く溶剤液温度ｔｓ及
び洗浄部温度ｔグが低下し、操業に支障を来たすと共に
、冷却水温度ｔｗが低下して回収熱世が減少するため、
定常運転状態に復元するまでに長時間（約２０〜３０分
間）を必要とする。

ところで、ヒートポンプ５の起動時に前述の如く溶剤液
９の温度ｔｓが高温度であり、且つ、該溶剤液温度が凝
縮器４の熱媒側へ伝達されていると、凝縮器４の熱媒吐
出側には相当の熱媒圧力ｐｓが発生し、この圧力ｐｓが
ヒートポンプ用圧縮機１３の起動時にお動負荷としてか
かることになる。

尚、空調用ヒートポンプの場合には、通常加熱温ｆｉｔ
ｓが低く、その結果凝縮器吐出側の圧力ｐｓも比較的１
氏い。

そのうえ、圧縮機起動前に被加熱側の温水を放熱器等を
含む系内へ循環して放熱するため、前記圧力ｐｓは略大
気圧と同等に設定することが可能となり、圧力ｐｓがヒ
ートポンプ圧縮機に与えるＨｇは殆んど無視できる。

しかし乍ら、産業用の加熱用ヒートポンプに於いては、
前述の通り被加熱側温度は常にプロセス側から決定され
る一定の高温度を面持する必要があり、前記凝縮器吐出
側の圧力ｐｓも大となって、これが圧縮機１３の起動負
荷を増加する。その結果、Ｙ−△起動やアンローダによ
る負荷漸増方式を採用したとしても、圧縮２条の所要起
動トルクが過大となり、圧Ｗ３機の起動が不能になった
り或いは圧縮１用モータの焼損事故を生じるという間潤
がある０ （発明が解決しようとする問題点） 本発明は、従前の産業用ヒートポンプ型加熱装置に於け
る前述の如き問題、即ち■熱交換管の膨張の吸収が困難
で、構造的に多くの制約を受けること、■熱媒側接液部
の点検掃除が困難なこと、及び■凝縮器の吐出側に発し
た熱媒蒸気圧が起動時に逆圧として圧縮、膿に作用し、
圧縮機の円滑な起動が１１　・雅になる等の問題を解決
せんとするものであり、持にヒートポンプの長時間若し
くは短時間浮止後を問わず、圧縮機の起動時には被加熱
流体側から凝縮器熱媒側への伝熱を遮断して、起動時に
ｒＥｍ　１ｆｆｉにかかる逆圧を防止すると共に、ヒー
トポンプが定常運転に達した袋は、凝縮器熱媒側から被
加熱流体側への伝熱を良好に行なわしめることにより、
圧１１１の円滑な起動と被加熱流体への、熱＠給の不連
続的低下を防止した加熱用ヒートポンプの凝縮器を提供
するものである。

（間団点を解決するための手段） 本発明は、管仮により内部を仕切ると共に、上部空間に
連通ずる被加熱流体の入口、出口及び下部空間に連通ず
るヒートポンプ熱媒の入口、出口を夫々設けた竪型匡体
と；前記管板を挿通してこれに竪向きに固設したヒート
パイプ型熱交換管とを発明の基本構成とするものである
。

（作用） 凝縮器内に於いて、匡体１９の下部空間３１内へ導入し
たヒートポンプ熱媒１６の温度が被加熱流体２２の温度
より高い場合には、ヒートパイプ型熱交換管２１内の作
動流体２９が熱媒１６によって加熱され、蒸発する。発
生した作動流体の蒸気は管内を上界し、匡体１９の上部
空間３２剃の管内壁面に於いて冷却ＲＭされ、１゛哨熱
を被加熱流体２２に与えてこれを加熱する。又、凝縮し
た作動流体液は管壁に沿って下降し、液溜りに戻される
。

一方、匡体１９の上部空間３２側の被加熱流体２２の温
度がヒートポンプ熱媒１６よりも高温の１合には、熱交
換管２１の上半部にウィック３３が、没けられていない
こととも相俟って、管内を上昇する作動流体蒸気及び管
内壁面に沿って下降する作動流体液が略零となり、被加
熱流体２２側からヒートパイプ熱媒側への熱流は、構造
体による熱伝導を除いて遮断されることになる。

その結果、ヒートパイプ熱媒側の圧力り昇が防止され、
ヒートポンプ圧縮機１３の起動負荷が怪減される。

（実施例） 以下、本発明に係るヒートポンプ式、凍縮開の実部列を
図面に基づいて説明する。尚、図面に於いて、前記第５
図及び第６図と共通する部位には、同一参照番号を匝用
する。

第１図はヒートポンプ式写縮開の縦断面図を示すもので
あり、筺２図は第１図に於ける熱交換管部の一部省略拡
大図である。凝縮器１８は匡体１９と、匡体１９内部を
二分割する管板２０と、管板２０を貫通してこれに固設
した複数のヒートパイプ型熱交換管２１からｔ５を成さ
れている。

前記匡体１９は、被加熱流体２２の入口２３と加熱され
た被加熱流体２２の出口２４を備えた上部匡体１９　ａ
と、ヒートポンプの熱媒蒸気１６の入口２５と熱媒液１
６の出口２６を備えた下部匡体１９　ｂとから形成され
ており、両匡体１９ａ、１９ｂは、夫々の端部フランジ
２７ａ、２７ｂを管板２０の両側外周端部へ当接せしめ
、管板２０を挟着した状態でボルトナツト２８により、
締付は一体化されている。

前記管板２０は円形厚板でもって形成されており、所定
のピッチで第２図に示す如き複数個のヒートパイプ型熱
交換管２１の取付用ねじ孔２０　ａが穿設されている。

前記ヒートパイプ型熱交換管２１は内部に作動流体２９
を密封したステンレス！′１製の、縦長細管であり、中
央部外壁に前記ねじ孔２０　ａに噛合う外ねじ２１　ａ
とフランジ２１　ｂが夫々形成されている。又、熱交換
管２１の内壁面には、作動流体を毛細管圧力により凝縮
部から蒸発部へ移動させるための所用ウィック３３が、
その略下半部に亘って挿着されている。

熱交換管２１は、フランジ２１　ｂ内面にパツキン３０
を介挿してねじ孔２Ｏａ内へ外ねじ２１　ａを諦込むこ
とにより、管板２０へ竪向きに固設されている。

尚、本実施例に於いては熱交換管２１を管板２０へねじ
込み固設するようにしているが、溶簾等により固設して
もよいことは勿論である。作動流体を封入後にパイプを
管板２０へ取付ける噛合にはｊ筒音が、また、管板２０
ヘパイブを取付けた浚に動作流体を封入する場合には役
者が、夫々好適である。

又、本実施例に於いては、下部空間３１の圧力が１０ａ
ｔグ以ととなり、大気圧近傍の上部空間３２に対する圧
力差が大となるため、フランジ２１　ｂとパツキン３０
により気密を保持するようにしているが、パツキン３０
やフランジ２１　ｂに替え、シール材をねじ孔２０　ａ
へ適用してもよい。

更に、本実施例に於いては、凝縮器１８の組立並びに内
部点検掃除等の容易化を図る”ため、上部匡ｔ＊ｊ９ａ
と下部匡体１９　ｂを管板２０ヘボルト締めする）、Ｆ
成、とじているが、匡体１９の購造や管板２０と匡体１
９の組付構造等は如何なる方式であってもよいことは勿
論である。

次に、第１図及び第２図に示す加熱用ヒートポンプのミ
別縮開の作動について説明する。

匡体２１の上部空間３２内へ入口２３から被加熱流体２
２を流入せしめると共に、下部空間３１内へ入口２５か
らヒートポンプの熱媒蒸気１６を導入する。定常運転時
に於いては、熱媒１６が被加熱流体２２より高温である
ため、ヒートパイプ型熱交換管２１の底部の作動流体２
９は蒸発し、管内を矢印方向に上昇する。被加熱流体２
２　（ＩＩ！］へ至った作動流体蒸気は、ここでＩＩ！
加熱流体２２により冷却されて凝縮し、凝、：室熱を被
加熱流体２２に与えると共に、自らは壁面に沿って下降
する。そして、下降した作動流体は再び加熱されること
により蒸発され、前述と同様のサイクルが繰返される。

尚、熱交換管２１内の熱伝達は、管上部に於いては凝縮
熱伝達であり、また管下部に於いては蒸発熱伝達である
ため、熱交換管２１内部の熱伝達率は管外面の熱伝達率
に比：咬して極めて高くなり、管の熱：般送量が著しく
大となる。その結果、凝縮器伝熱面を小さく、すること
ができ骨縮開の大福な小形化が可能となる。

一方、ヒートポンプ・記動時等の披加８流体２２の温度
が熱媒蒸気１６の温度より高い場合には、熱交換管２１
の被加熱流体側の内面にはライラグ３３が無いので、作
動流体蒸気や作動流体液が存在せず、熱交換管２１内を
上方から下方へ伝わる熱流が零となって、ヒートポンプ
用、？ｌｌｌ媒１６の加熱か防止される０ 第３図は、本発明に係るヒートパイプ型凝縮器を利用し
た溶剤蒸気洗浄装置の一列を示すものであり、ＩＡに於
いて、１は冷却管、２は溶剤蒸気洗浄槽、３は蒸発器、
１８は′：３縮器縮開はヒートポンプ、６は冷却材循環
路、７は溶剤循環路、８は溶剤基気、９は溶剤液、１０
は被洗浄物、１３は圧縮１．１４は膨張弁、１５は冷却
材、１６は熱媒である。。

溶剤蒸気洗浄装置の定常運転時に於いては、ヒートポン
プ熱媒１６の温度が溶剤９の温度より高いため、前述の
如きヒートパイプ型熱交換管２１内の作ｉｌｊ流体２９
を介する蒸発熱伝達とｐ３熱伝達とによって溶剤９が加
熱され、発生した溶剤の気液混合体が溶剤戻り管６ａを
通して洗浄槽２内へ送られる。

一方、溶剤蒸気洗浄装置の起動時等の溶剤９の温度がヒ
ートポンプ熱媒１６の温度より高い場合には、ヒートパ
イプ型熱交換管２１内に於ける上方から下方への熱流が
鳴所されるため、熱媒１６は溶剤９によって加熱される
ことがない。その結果、凝’１５　？　１８の下部空間
内の熱媒圧力が上昇せず、ヒートポンプ圧ＩＩ　’Ｆａ
　１３に背圧が負荷されないため、円滑な起動が行なえ
る。

第４図は、本発明に係るヒートパイプ型凝慣器の他の商
用例を示すものであり、給湯用貯湯槽の加熱装置の如き
起動時に被加熱流体によりヒートポンプ熱媒を加熱する
虞れのある産業用液加熱装置に使用した場合を示すもの
である。

腰に於いて、３４は液体加熱槽（又は貯湯槽）、１８は
凝縮器、３５はガス又は液熱源であり、蒸発器３で吸収
した熱により、凝縮器１８に於いて被加熱流体２２の加
熱が行なわれる。尚、ヒートポンプの定常運転時及び起
動時等に於ける凝縮器１８の作動門構は、前記第３図の
場合と同一である。

（発明の効果） 本発明は上述の通り、ａ縮型の熱交換管としてヒートパ
イプを使用することにより熱の伝達方向を一方向に限定
し、ヒートポンプ熱媒側の温度が被加熱流体の温度より
高い場合には被加熱流体の加熱を行なうと共に、被加熱
流体の温度が熱媒温度よりも高い場合には熱移動を遮断
するようにしている。従って、プロセス側の要求により
被加熱流体が高温に保持されている時にヒートポンプを
始動する場合でも、凝縮器の熱媒吐出側の圧力か上昇せ
ず、ヒートポンプ圧縮機の起動負荷が増加しないため■
めで円滑な起動が行なえる。即ち、前記被加熱流体から
熱媒側への熱移動を遮断した場合、：１惰器内の大部分
及び圧縮機以降の蒸気配管内は憾媒蒸気で満たされてい
て熱容量が極く小さいため、短時間の放熱によって速や
かに圧力が身下し、逆圧ｐｓは圧縮、茎の起動に支障の
ない程度にまで低下する。

又、ヒートパイプ型熱交換管を使用することにより聡金
的な熱伝達率が著しく向上し、伝熱面の力成少即ち、５
笥器の小形化が可能となる。

更に竪型匡体の中央に配設した管仮に熱交換管を挿通同
役する溝成としているため、熱交換管に！？Ａ膨張の大
きなステンレス鋼管を使用する場合でも管長等を自由に
選択することができると共に、熱交換管の取替が容易と
なる。その上、上部匡体と下部匡体との組合せにより匡
体を溝成しているため、熱交換部と匡体との分離が極め
て容易に行なえると共に、伝熱面等の点検・補修も容易
となる０ 本発明は上述の通り優れた実用的効用を有するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す凝惰器の簾；新面であ
る。 第２図は、ヒートパイプ型熱交換管とその取付部を示す
部分拡大図である。 第３図は、本発明に係るヒートパイプ型′溌；宿器を実
用した溶剤蒸気洗浄槽ｉｕの概略系統図である。 第４図は、本発明に係るヒートパイプ型屑、晶器を実用
した液体加熱装置の概略系統図である。 第５図は、従前の両管板固定シェルアンドチューブ型凝
縮器を使用した溶剤蒸気洗浄装置の概略系統図であり、
第６図は装置の起動時に於ける溶剤液や冷却水等の温度
変化状態を示すものである。 ｌ　冷却管　　　　　２　溶剤蒸気洗浄槽３　蒸発器　
　　　　４　凝縮器 ５　ヒートポンプ　　６　冷却材循環管路７　溶剤循環
管路　　８　溶剤蒸気 ９　溶剤液　　　　　１０　　被洗浄物１３　　圧、；
６機　　　　　１４　　膨張弁ｌ５　　冷却材　　　　
　１６　　熱媒１７　　補助加熱装置　　　１８　　　
ヒートパイプ型凝縮器１９　　匡体　　　　　　１９　
ａ　　上部匡体　　　。 １９　ｂ　　下部匡体　　　２０　　管板２１　　ヒー
トパイプ型熱交換管 ２２　　被加熱流体　　　２３　　被加熱流体人口２４
　　被加熱流体出口　２５　　熱媒蒸気入口２６　　熱
媒液出口　　　２９　　作動流体３１　　下部空間　　
　　３２　　上部空間特許出願人　　　　　　関東自動
車工業株式会社株式会社　タ　り　マ 第１図　　　　　　　　第２図 第４図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）管板（２０）により内部を仕切ると共に、上部空
   間（３２）に連通する被加熱流体（２２）の入口（２３
   ）、出口（２４）及び下部空間（３１）に連通するヒー
   トポンプ熱媒（１６）の入口（２５）、出口（２６）を
   夫々設けた竪型匡体（１９）と；前記管板（２０）を挿
   通してこれに竪向きに固設したヒートパイプ型熱交換管
   （２１）とより構成した加熱用ヒートポンプに於けるヒ
   ートパイプ式凝縮器。
2. （２）下半部のみにウィッチ（３３）を設けたヒートパ
   イプ型熱交換管（２１）とした特許請求の範囲第１項に
   記載の加熱用ヒートポンプに於けるヒートパイプ式凝縮
   器。
3. （３）匡体（１９）を、管板（２０）の両側に上部匡体
   （１９ａ）と下部匡体（１９ｂ）を対向状に配設し、管
   板（２０）と上・下両匡体（１９ａ）、（１９ｂ）のフ
   ランジを締付固着する構造とした特許請求の範囲第１項
   に記載の加熱用ヒートポンプに於けるヒートパイプ式凝
   縮器。
4. （４）ヒートパイプ型熱交換管（２１）を管板（２０）
   の取付用ねじ孔（２０ａ）へ螺挿して成る特許請求の範
   囲第１項に記載の加熱用ヒートポンプに於けるヒートパ
   イプ式凝縮器。