JPS6219653A - ヒ−トポンプ装置 - 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】 ［発明の技術分野］ 本発明は非共沸混合媒体等を用いる圧縮式のヒートポン
プ装置に関するものである。

［発明の技術的背景とその問題点］ 一般に工場の温排水などの低温熱源流体を利用して高温
水などの高温熱源流体を作り出すヒートポンプ装置が知
られており、特に電動機や熱機関で圧縮機を駆動する圧
縮式のヒートポンプ装置は投入エネルギの数倍もの熱エ
ネルギを利用できることから今日広く利用されている。

最近では省エネルギの観点からこのヒートポンプ装置の
作動媒体として非共沸混合媒体を使用する提案もなされ
ている。

第３図は非共沸混合媒体を用いた従来のヒートポンプ装
置の概略構成を示す図であり、同図中７は圧縮機、３は
凝縮機、６は膨張機構、ｌＯは蒸発器であり、装置内に
は非共沸混合媒体が封入されている。圧縮機７の吸入口
８に供給された媒体蒸気は圧縮機７で圧縮され凝縮機３
に送られる。その高温高圧の媒体蒸気は凝縮機３におい
て高温熱源流体（高温水）として外部に取出される被加
熱流体Ｈによって対向流形式で冷却され凝縮液化する。

液化された非共沸混合媒体液４は膨張機構６で減圧され
て蒸発器ｌＯに導かれる。ここで、媒体は、工場温排水
などの低温熱源流体りによって対向流形式で加熱されて
低圧状態で蒸発し、圧縮機７へ再び供給される。第３図
のヒートポンプ装置内に封入されている非共沸混合媒体
は沸点の異なる２種類以上の媒体を混合したもので気相
と液相の成分組成が異なり、一定圧力のもとて蒸発、凝
縮させた場合でもその相変化の過程で温度変化を生じる
ような媒体である。このような媒体を用い、先に述べた
ように蒸発器ｌＯ１凝縮凝縮機力双方いて低温熱源流体
りあるいは被加熱流体（高温熱源流体）−Ｈと非共沸混
合媒体とを対向流形式で熱交換させると熱交換過程の温
度差による不可逆損失が減り、ひいては装置の高効率化
が実現できるため、この種の非共沸混合媒体を用いたヒ
ートポンプ装置が最近特に注目されるようになった。従
来、非共沸混合媒体とを完全対向流形式で熱交換させる
ために媒体を熱交換器の管内あるいはシェル内に流しな
がら蒸発あるいは凝縮をさせる二相流形式の熱交換器が
使用されている。しかしながら、このうち特に蒸発器に
は大きな欠点があった。それは次に説明する蒸発二相流
におけるドライアウトの発生である。第４図は二相流形
式の蒸発器における熱伝達率αの変化の様子を横軸に蒸
気クォリティχをとり、縦軸に熱伝達率αをとって示し
たものである。加熱熱流束が小さい場合を実線で、蒸気
質量流量の比で、ヒートポンプ装置の蒸発器においては
通常蒸発器の入口クォリティχｌは０．２〜０，４、出
口クォリティχ　は１である。

同図に示す如（、蒸発器内の媒体上流側では高い熱伝達
率が得られているが流れがある程度進むとある位置で（
高熱流束の場合χ−χ　、低熱流ｈ 束の場合χ−χ、１）熱伝達率αが急激に低下し、蒸気
単相流の熱伝達率αＧにほぼ近い値になってしまう。こ
れは、その位置で伝熱管壁に付着していた液膜がすべて
蒸発するかあるいは破断して壁面が乾く、いわゆるドラ
イアウトが発生したためであり、ドライアウト発生点よ
り下流の領域の流動様式は気相中に多量の液滴を含む噴
霧流である。

同図に示すように加熱熱流束を高めるとドライアウト発
生の蒸気クォリティは低下する（χｄｈ＜χ、１）が、
その値は媒体の種類、運転条件（温度、圧力）そして伝
熱管の表面形状等によっても異なり、通常０．８〜０．
９９の範囲内にある。

ここで説明したドライアウトが蒸発器内で発生するとそ
の領域の熱伝達率は先に説明したように急激に低下する
ため、ドライアウト発生点以降の伝熱管長さをかなり長
めに取らなければならず、その結果蒸発器全体の大きさ
が大きくなり、またそれに伴ない蒸発器内での媒体の圧
力損失が増加するという欠点があった。この蒸発器の大
型化と圧力損失の増加はヒートポンプ装置の大型化とそ
の性能低下につながるため高性能化を目的として非共沸
混合媒体を使用するヒートポンプ装置の大きな問題点に
なっていた。

［発明の目的］ 本発明は上記事情を考慮してなされたものであり、その
目的とするところはヒートポンプ装置の蒸発器で従来発
生していたドライアウトを解消し、小型でしかも圧力損
失の少ない蒸発器を実現することにより、小型・高性能
のヒートポンプ装置を提供することにある。

［発明の概要］ 上記目的を達成するために本発明は圧縮機、凝縮器、膨
張機構、蒸発器より構成され、作動媒体には非共沸混合
媒体が用いられるヒートポンプ装置において、前記蒸発
器を、外部の低温熱源流体を加熱源とする第１蒸発器と
凝縮器出口の非共沸混合媒体を加熱源とする、例えば満
液式あるいは流下液蒸発式の第２蒸発器とより構成し、
かつ前記第１蒸発器が第２蒸発器の作動媒体上流側に位
置するよう直列に接続設置する構成としたものである。

［発明の効果］ 本発明によれば従来のヒートポンプ装置の蒸発器で発生
していたドライアウトを完全に解消できるため、小型で
しかも圧力損失の小さい蒸発器を実現でき、ひいては非
共沸混合媒体の特性を有効適切に利用した小型高性能な
ヒートポンプ装置を提供することができる。

［発明の実施例］ 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例であるヒートポンプ装置の概
略構成図である。なお、第３図に示した従来のヒートポ
ンプ装置と本発明によるヒートポンプ装置の構成とは略
同じであり、従来のヒートポンプ装置と同一部分には同
一符号を付す。第１図に示した本発明の一実施例である
ヒートポンプ装置が先に第３図で説明した従来のヒート
ポンプ装置と異なる点は、蒸発器１を外部の低温熱源流
体りを加熱源とする第１蒸発器２と凝縮機３から供給さ
れる高温の非共沸混合媒体４を加熱源とする満液式の第
２蒸発器５の作動媒体上流側に位置するよう直列に接続
設置したことにある。ここで、第１蒸発器２は従来のヒ
ートポンプ装置で使用されていた二相流形式の蒸発器で
あり、膨張弁６を通って第１蒸発器２へ送り込まれた非
共沸混合媒体は工場温排水などの低温熱源流体りによっ
て対向流形式で加熱されである程度蒸発するが、第１蒸
発器内で先に説明したドライアウトが発生する以前に第
２蒸発器５へ送り込まれそこで気液分離される。未蒸発
液４ａはこの満液式の第２蒸発器５内に一旦プールされ
、凝縮器３から供給される非共沸混合媒体４によって加
熱されプール沸騰蒸発する。ここで発生した蒸気は第１
蒸発器より送り込まれてきた媒体蒸気４ｂと合流し、圧
縮機７の吸入口８に導びかれる。

この第２蒸発器５に送り込まれてくる未蒸発液４ａは、
非共沸混合媒体を構成する成分のうち低沸点の成分が第
１蒸発器２で多めに蒸発して蒸気４ｂになっていること
から高沸点成分の多い液であり、これをプール沸騰で蒸
発させるとなるとその熱源としてはかなり高温のものが
必要となる。

しかしながら、本発明においてはその熱源として凝縮器
から供給される高温の非共沸混合媒体を使用しているの
で、その要求を十分満足させることができる。

以上に説明した本発明のヒートポンプ装置であれば、従
来のヒートポンプ装置の蒸発器で発生していたドライア
ウトを解消することができるため、全体として蒸発器を
小型にすることが可能となり、また圧力損失も従来のも
のに比べて低減でき、その結果小型で高性能なヒートポ
ンプ装置を構成できる。なお、第２蒸発器は本実施例に
示した満液式のもの以外に流下液膜蒸発式の蒸発器でも
よい。

次に本発明によるヒートポンプ装置の第二の実施例を説
明する。

同実施例のヒートポンプ装置は第２図に示すような構成
であり、第２図に示される実施例が前述の実施例と異な
る点は第１蒸発器２と第２蒸発器５の間に気液分離器９
を設け、そこで分離した非共沸混合媒体蒸気４ｂを圧縮
機吸入口８に供給し、媒体液４ａのみを第２蒸発器５に
送り込む構造にした。満液式の蒸発器は元来気液分離機
能を有しているのでこの気液分離器を必ずしも設置する
必要はないが、それを取り付けることによって第２蒸発
器をかなり小型にした場合でも蒸発器から圧縮機へ送ら
れる媒体蒸気中の同伴飛沫を低減することができる。な
お、この気液分離器を第２蒸発器内に設置しても同様の
効果を発揮する。その他の作用効果については前述の実
施例と同じなので説明は省略する。

さて、本発明に係るヒートポンプ装置の蒸発器において
第１蒸発器出口の蒸気クォリティは第１蒸発器内でドラ
イアウトが発生しない限りできるだけ大きく設定すべき
ものであるが、そのドライアウト発生時の蒸気クォリテ
ィが媒体の種類、運転条件（温度、圧力）、伝熱管の表
面形状、そして熱流束によって変化する為、その条件ご
とに決定しなければならない。しかし、通常の条件下で
はドライアウト発生のクォリティは０．６から　０．９
９の範囲内に入っているので本発明の実施にあたっても
第１蒸発器から第２蒸発器への切換はこの蒸気クォリテ
ィ範囲内で行なうことになる。

なお、本発明によるヒートポンプ装置は冷凍装置に適用
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるヒートポンプ装置の構
成図、第２図は本発明の他の実施例であるヒートポンプ
装置の構成図、第３図は従来のヒートポンブ装置の構成
図、第４図は従来技術を説明するための二相流形蒸発器
内の熱伝達率の変化を示す曲線図である。 １　・・・　蒸発器 ２　・・・　第１蒸発器 ３　・・・　凝縮機 ４　・・・　非共沸混合媒体 ５　・・・　第２蒸発器 ７　・・・　圧縮機 ８　・・・　吸入口 ９　・・・　気液分離器 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　　　　　竹　　花　　喜久男 第１図 第２図 第８図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）蒸発器が、外部の低温熱源流体を加熱源とする第
   １蒸発器と、凝縮器より供給される非共沸混合媒体を加
   熱源とする第２蒸発器とからなり、かつ前記第１蒸発器
   を前記第２蒸発器の作動媒体上流側に設置したことを特
   徴とするヒートポンプ装置。
2. （２）第１蒸発器と第２蒸発器の間に気液分離器を設け
   、その気液分離器で分離した作動媒体蒸気を圧縮機の吸
   入口に供給する構造にしたことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のヒートポンプ装置。
3. （３）第１蒸発器の出口における蒸気クオリティが０．
   ６〜０．９９の範囲内であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項若しくは第２項記載のヒートポンプ装置。