JPS62190360A

JPS62190360A - カスケ−ド結合ヒ−トポンプ装置

Info

Publication number: JPS62190360A
Application number: JP3063086A
Authority: JP
Inventors: 健一橋詰
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-02-17
Filing date: 1986-02-17
Publication date: 1987-08-20

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明はヒートポンプ装置に関し、特に利用流体の昇温
り】が大きい場合に適１ノたカスケード結合ヒートポン
プ装置に関する。

（従来の技術）従来、利用流体として高温熱水などを得る目的のヒート
ポンプ装置において、利用流体の昇温中が大きい場合に
効率の良い昇温を行なう手段として、複数段の圧縮機と
これに対応する複数の凝縮器とを備えたものが知られて
いる（例えば特開昭６０−２２６６６８号公報参照）。

そして、このヒートポンプ装置により利用流体を複数の
凝縮器を順次流通させて段階的に昇温させ、熱交換時に
おける作動媒体と利用流体との温度差を少なくし、エネ
ルギー損失を抑制することができる。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、このヒートポンプ装置では、サイクル内
に一種類の媒体を封入したものであるため広い温度範囲
をカバーできず、熱源流体と利用流体との温度差が大き
い場合には適していない。

すなわち、このヒートポンプ装置で高温用の媒体を用い
ると蒸発圧力が低くなりすぎて圧縮器の効率を高めるこ
とができず、また、低温用の媒体を用いると凝縮圧力が
高くなりすぎたり、あるいは高温で熱分解を起こしたり
するからである。

一方、熱源流体と利用流体との温度差が大きい場合には
カスケード結合ヒートポンプ装置が適しており、低温側
サイクルには低温用の媒体を、高温側サイクルには高温
用の媒体を用いる手段が知られている（たとえば特開昭
６０−２２１６６５号公報参照）。しかしながらこのカ
スケード結合ヒートポンプ装置では利用流体が高温側サ
イクルの凝縮熱だけによって昇温されるため、利用流体
の昇温中が大きい時には上記のような段階的な昇温に限
界がありそのまま昇温中を大きくしても効率のよい昇温
ができないという問題があった。

（発明の目的）本発明は上述した従来の問題点を解決するもので、熱源
流体と利用流体との温度差が大きく、かつ、利用流体の
昇温中が大きい場合に、利用流体を効率よく昇温させる
ことのできるカスケード結合ヒートポンプ装置の提供を
目的としている。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）それぞれ異なる作動媒体を封入する低温側サイクルと高
温側サイクルとをカスケード熱交換器で熱的に結合１ノ
、低温側サイクルで熱源流体から熱を奪い、高温側サイ
クルで利用流体を昇温させるカスケード結合ヒートポン
プ装置において、前記低温側サイクルの凝縮器に前記利
用流体の流路を設け、この流路を前記高温側サイクルに
おける凝縮器の利用流体流れ方向上手側にて利用流体の
メイン流路に連通介設し、前記利用流体を低温側サイク
ルの凝縮熱の一部で昇温１ノだのち高温側サイクルの凝
縮熱で昇温するように構成した。

（作用）本発明によれば利用流体を低温側サイクルと高温側サイ
クルとの両方で昇温するので、利用流体を巾広い温度範
囲にわたって段階的に効率よく昇温することができる。

（実施例）次に本発明の詳細な説明する。

第１図はこの発明の一実施例に係るカスケード結合ヒー
トポンプ装置のサイクル構成図を示す。

このカスケード結合ヒートポンプ装置は低温側サイクル
ａと高温側サイクルｂとが、カスケード熱交換器１によ
り熱的に結合されている。このカスケード熱交換器１は
、低温側サイクルａの凝縮器を構成すると共に高温側サ
イクルの蒸発器を構成し、シェル２の内部に複数の利用
流体用伝熱管３と複数の蒸発用伝熱管４とを有し、これ
ら伝熱管３．４を囲むシェル２内の空間が凝縮室５にな
っている。従って、利用流体用伝熱管３は低温側サイク
ルａの凝縮器に設けられた利用流体の流路を構成してい
る。

そして前記低温側サイクルａは圧縮機５ａ、凝縮室５、
絞り弁７Ｆ］、蒸発器８でサイクルを形成し、高温側サ
イクルｂは圧縮機６ｂ、凝縮器９、絞り弁７ｂ、ｇ発用
伝熱管４でサイクルを形成している。また熱源流体（へ
）の流路は蒸発器８を通過づる。そして、前記カスケー
ド熱交換器１の利用流体用伝熱３は、凝縮器９の利用流
体流れ方向上手側にて、管路で構成されたメイン流路り
に連通介設されている。

次に上記一実施例の作用について述べる。

低温側サイクルａの圧縮ｌ１１６ａ及び、高温側サイク
ルｂの圧縮１１１６ｂをそれぞれ駆動すると、低湿側サ
イクルａでは蒸発器８からの作動媒体蒸気が圧縮器６ａ
で圧縮され、カスケード熱交換器１の凝縮室５、絞り弁
７　ａ’を順に流れて再び蒸発器８に戻る。

蒸発器８では低温側サイクルａの作動媒体と、熱源流体
Ａとの間で熱交換が行なわれ、熱源流体Ａは熱が奪われ
て第２図に示すように温度ＴＡ＋からＴＡＯとなる。

カスケード熱交換器１ではメイン流路りを流れる利用流
体Ｂが利用流体用伝熱管３を流れ、低温側サイクルａの
作動媒体の凝縮温度ＴＣａでまず温度ＴＲ＋　から昇温
される。

一方、高温側サイクルｂでは、蒸発用伝熱管４からの作
動媒体蒸気が圧縮機６ｂで圧縮され、凝縮器９、絞り弁
７ｂを順に流れて再びカスケード熱交換器１の蒸発用伝
熱管４に戻る。

蒸発用伝熱＠４では高温側サイクルｂの作動媒体が低温
側サイクルａの作動媒体の凝縮湿度ＴＣａで蒸発され、
熱交換が行なわれる。

凝縮器９では、高温側サイクルｂの作動媒体の凝縮温度
Ｔｃｂで利用流体Ｂが温度ＴＰＯまで昇温される。

このように、熱源流体の温度ＴＡ＋　と利用流体の温度
ＴＰＯとの差が大きく利用流体の入口温度がＴＢｌ　、
出口温度がＴｎｏと昇温中が大きなとき、低温側サイク
ルａの凝縮湿度７ａａと高温側サイクルｂの凝縮温度Ｔ
ｃｂとで段階的に昇温することができるから、第２図の
斜線部分に相当するエネルギを節約でき、効率の良い昇
温か可能になる。

第３図は本発明の他の実施例を示したものである。この
実施例では低温側サイクルａ、°高温側サイクルｂとも
に２段エコノマイザサイクルとなっており、両サイクル
はカスケード熱交換器１１Ｘにより熱的に結合されてい
る。低温側サイクルａは低圧段圧縮機１２ａ、凝縮器１
３ａ、１５ａ、高圧段圧縮ｆｆ−１１１４８、エコノマ
イザ１６ａ、蒸発器１７、絞り弁１８ａ、１９ａ、２０
＋’３を有している。高温側サイクルｂは低圧段圧縮機
１２ｂ、凝縮器１３ｂ、１５ｂ、高圧段圧縮１１４ｂ、
■コノマイザ１６ｂ１絞り弁１８ｂ、１９ｂ、２０ｂを
有している。カスケード熱交換器１１は、シェル２１内
に垂直に配置された複数の伝熱管２２と、これら伝熱管
２２に平行配置されたエジェクタ２３と、伝熱管２２上
部に配置された液分散板２４とを有し、シェル２１内が
蒸発室２５になっている。熱源流体Ａの流路は蒸発器１
７を通過する。また低温側サイクルａにおける凝縮器１
３ａ、１５ａは、高温側サイクルｂにおける凝縮器１３
ｂ、１５ｈの利用流体流れ方向上手側にてメイン流路り
に連通介設されている。

そして低温側サイクルａは次のように作動する。

蒸発器１７からの作動媒体蒸気は低圧段圧縮機１２ａで
圧縮されて凝縮器１３ａに流入１．、一部は凝縮し、較
り弁１８ａを経て蒸発器１７に戻る。

未凝縮の蒸気は高圧段圧縮機１４８で再圧縮され、一部
は凝縮器１５ａで、残りはカスケード熱交換器１１の伝
熱管２２内で凝縮して絞り弁１９ａを経てエコノマイザ
１６Ｆ３に流入し、ここで気液分離されて蒸気は高圧段
圧縮機１４Ｆ３に吸込まれ、液は絞り弁２０ａを経て蒸
発器１７に戻る。

一方高温側サイクルｂでも同様に作用する。但し、カス
ケード熱交換器１１の蒸発室２５内では絞り弁１８ｂ、
２０ｂからの作動媒体がエジェクタ２３のノズル２３ａ
から噴出して駆動流体として作用したのち液分散板２４
上に供給され、ここから液は伝熱管２２の外表面に沿っ
て液膜状に流下しながら蒸発する。そして未蒸発の液は
蒸発室２５の下部に開口したエジェクタ２３の吸込口２
３ｂから吸込まれ、ノズル２３ａからの駆動流体と合流
して再び液分散板２４上に供給される。

そしてこの実施例では、第４図のように、利用流体Ｂが
低温側サイクルａのふたつの凝縮器１３ａ、ｉ５ａにお
ける凝縮温度ＴＣａ１、ＴＣａ２と高温側サイクルｂの
ふたつの凝縮器１３ｂ、１５ｂにおける凝縮温度Ｔｃｂ
１、ＴＣｈ２とで段階的に昇温されるから、図の斜線部
分に相当するエネルギを節約でき、効率の良い昇温が可
能になる。また、この実施例では上記実施例に比較し７
て、段階数が多くなった分だけ斜線部分の面積が増え、
さらに効率が良くなっている。

両サイクルａ、ｂに封入する作動媒体は温度条件によっ
て選定すれば良いが、たとえばＴＡＩ＝４０℃の温排水
を熱源流体Ａとして、利用流体ＢであるＴＲ＋＝５０℃
の温水をＴＲｏ＝１５０℃まで昇温する場合、低温側サ
イクルａにはＲ１１を、高温側サイクルｈには水を作動
媒体と［−７で用いることができる。

［発明の効果］以上説明したように、低温側サイクルと高温側サイクル
とに異なる媒体を封入できるから、熱源流体と利用流体
との温度差が大きい時に対応が可能である。また、両サ
イクルを結合するカスケード熱交換器のカスケーディン
グ温度をまたいでの段階的な屏渇が可能であるから、特
に利用流体の昇温中が大ぎいとき、効率の良い屏渇が可
能になる。

なお、この発明は冷凍機に応用することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すサイクル構成図、第２
図はその温度線図、第３図は本発明の他の実施例を示す
サイクル構成図、第４図はその温度線図である。１．１１・・・・・・カスケード熱交換器、６ａ、６ｂ
、１２ａ、１４ａ、　１４ｂ・・・圧縮機ｒ）８．１７・・・Ｎ発器９．１３ａ、１３ｂ、１５ａ、１５ｂ・・・凝縮器ａ・
・・低温側サイクルｂ・・・高温側サイクルＡ・・・熱源流体Ｂ・・・利用流体Ｌ・・・メイン流路１．１１・・・カスケード熱交換器６ａ、　６ｂ、　１２ａ　、　ｉ４ａ　、　ｉ４ｂ・・
０％￥：臣８．１７・・・蒸発器９；　１３ａ　、　ｉ３ｂ　、　１５ａ　、　１５ｂ　
・・・ｉ縮３ａ・・・低温側サイクルｂ・・・高温側サイクルＡ・・・熱源流体Ｂ・・・利用流体Ｌ・・・メイン流器第１図第２図第４図

Claims

【特許請求の範囲】

それぞれ異なる作動媒体を封入する低温側サイクルと高
温側サイクルとをカスケード熱交換器で熱的に結合し、
低温側サイクルで熱源流体から熱を奪い、高温側サイク
ルで利用流体を昇温させるカスケード結合ヒートポンプ
装置において、前記低温側サイクルの凝縮器に前記利用
流体の流路を設け、この流路を前記高温側サイクルにお
ける凝縮器の利用流体流れ方向上手側にて利用流体のメ
イン流路に連通介設し、前記利用流体を低温測サイクル
の凝縮熱の一部で昇温したのち高温測サイクルの凝縮熱
で昇温するように構成したことを特徴とするカスケード
結合ヒートポンプ装置。