WO2000050822A1 - Systeme de pompe a chaleur combinant un cycle ammoniac avec un cycle dioxyde de carbone - Google Patents

Description

明糸田 » ァンモニアサイクルと炭酸ガスサイクルとを組み合わせたヒートポンプシステム 技術分野

本発明は、 自然媒体を適用したヒートポンプシステムに関するものであって、 特に自然媒体であるアンモニアと二酸化炭素を使用しながらも、 経済的実用性を 実現させる新規なヒートポンプシステムに係るものである。 背景技術

地球を取り巻くオゾン層の破壊や地球温暖化現象を防ぐために、 モントリオ一 ル議定書や地球温暖化防止京都会議でクロ口フルォロカ一ボン （C F C) 、 ハイ ドロクロ口フルォロカ一ボン （HC FC) 、 ハイ ドロフルォロカ一ボン （HF C ) 等の冷媒の使用禁止または削減の目標が決議された。 因みに C FC、 HC FC 、 HF Cは、 それぞれ特定フロン、 指定フロン、 代替フロンと称されるものであ つて、 具体的な規制状況について説明すると、 特定フロンについては 1 9 9 5年 末までに全廃、 指定フロンについては 2 0 2 0年には全廃予定、 また代替フロン についても大気中への排出が強く規制された。 この結果冷凍空調設備等のヒ一ト ポンプシステムには、 アンモニア、 二酸化炭素、 空気、 水等の自然媒体を使用す ることが必要となってきた。

しかしながら、 アンモニアには毒性があり、 使用上の制限を受ける場合が多く 、 例えば不特定多数集客のあるスーパーマ一ケッ 卜のショーケース、 ホテル等を 含む各種ビルの空調の蒸発器等に使用するには安全上、 経営上の点で難しいとい う問題があった。

一方、 二酸化炭素ガスの場合、 臨界温度 （3 1. 1 °C) が低く、 常温で飽和圧 力が高い （一例として 3 1. 1 °Cのとき、 約 7 5 k g/cm² A b s ) ため、 比 較的蒸発温度の高い空気調和用の冷凍設備では効率が悪く不利であつた。 またこ のため圧縮機を必要とした場合、 関連機器には高度の耐圧性能が必要であり、 重 くて高価なものになるという問題があり、 このようなことからァンモニァとニ酸 化炭素とを適用した二元冷凍装置等のヒートポンプシステムは、 理論上可能では あるものの、 実用上問題があり、 ほとんど使用されていないのが現状であった。 本発明はこのような背景を認識してなされたものであって、 自然界にあって有 機的にリサイクルが可能な自然媒体である、 アンモニアと二酸化炭素とを組み合 わせて利用しながらも、 アンモニアの欠点である毒性の問題や二酸化炭素の欠点 である常温での飽和圧力が高いことに起因する問題を解決するとともに経済的実 用性を実現させ、 冷却 （冷凍） や加熱 （暖房） を行えるようにした新規なヒート ポンプシステムの開発を試みたものである。

発明の開示

すなわち請求項 1記載のアンモニアサイクルと炭酸ガスサイクルとを組み合わ せたヒ一トポンプシステムは、 アンモニアを媒体としたアンモニアサイクルと、 二酸化炭素を媒体とした炭酸ガスサイクルとを組み合わせ、 冷却または加熱を行 うヒートポンプシステムにおいて、 前記炭酸ガスサイクルは、 圧縮機を組み込ま ずに、 自然循環を行うようにしたことを特徴として成るものである。

この発明によれば、 炭酸ガスサイクル内に、 二酸化炭素媒体を循環させるため の圧縮機を組み込む必要がないため、 大きな動力負荷もかからず、 また大きな圧 力容器を一切使用する必要もなく、 ヒートポンプシステムを安価に実現できる。 また請求項 2記載のァンモニアサイクルと炭酸ガスサイクルとを組み合わせた ヒー トポンプシステムは、 前記請求項 1記載の要件に加え、 前記圧縮機を組み込 まないことによる二酸化炭素媒体の循環は、 炭酸ガスサイクル内の二酸化炭素媒 体に液へッ ド差を形成したことによる自然循環現象に加えて、 炭酸ガスサイクル 内の一部を加熱または冷却して行うことを特徴として成るものである。

この発明によれば、 液へッ ド差を利用した自然循環現象に加えて、 炭酸ガスサ ィクル内の一部を加熱または冷却して二酸化炭素媒体を循環させるため、 確実且 つ効率よく運転が行える。

更にまた請求項 3記載のァンモニアサイクルと炭酸ガスサイクルとを組み合わ せたヒートポンプシステムは、 前記請求項 1または 2記載の要件に加え、 前記炭 酸ガスサイクルは、 冷却時に作用する炭酸ガス冷凍サイクルと、 加熱時に作用す る炭酸ガス加熱サイクルとによって構成されるとともに、 この炭酸ガス冷凍サイ クルは、 二酸化炭素を蒸発させて目的の冷却を行う蒸発器を、 二酸化炭素媒体を 冷却、 液化するカスケードコンデンサよりも低い位置に組み込んで成り、 一方、 炭酸ガス加熱サイクルは、 二酸化炭素を凝縮させて目的の加熱を行う放熱器すな わち冷却時における前記蒸発器を、 二酸化炭素媒体を加熱、 気化する吸熱器より も高い位置に組み込んで成り、 冷却時には、 前記アンモニアサイクルを作動させ てカスケ一ドコンデンサにより、 炭酸ガス冷凍サイクル中の二酸化炭素媒体を冷 却、 液化するとともに、 加熱時には、 吸熱器によって炭酸ガス加熱サイクル中の 二酸化炭素媒体を加熱、 蒸発して、 炭酸ガスサイクル中の二酸化炭素媒体を循環 させるようにしたことを特徴として成るものである。

この発明によれば、 カスケードコンデンサや炭酸ガスサイクル側の目的の冷却 や加熱を行う蒸発器または放熱器を、 チューブやプレート等によって構成できる また請求項 4記載のァンモニアサイクルと炭酸ガスサイクルとを組み合わせた ヒートポンプシステムは、 前記請求項 1、 2または 3記載の要件に加え、 前記ァ ンモニアサイクルの構成部材は、 目的の冷却や加熱を行う蒸発器または放熱器か ら隔離した場所に設置することを特徴として成るものである。

この発明によれば、 アンモニアサイクルの構成部材を例えば屋外や屋上等、 目 的の冷却や加熱を行う機器から隔離した場所に設置するため、 安全性が確実に確 保できる。

また請求項 5記載のアンモニアサイクルと炭酸ガスサイクルとを組み合わせた ヒートポンプシステムは、 前記請求項 1、 2、 3または 4記載の要件に加え、 前 記炭酸ガスサイクル内に二酸化炭素媒体の循環を二次的に補助する液ポンプを設 けたことを特徴として成るものである。

この発明によれば、 同じ目的で使用されるアンモニアを冷媒としたブラインチ ラ一 （顕熱を利用するもの） と比較して、 ごく少量の液ポンプの動力負荷で二酸 化炭素媒体の循環を補うことができ、 より確実に二酸化炭素媒体を循環させ得る

発明を実施するための最良の形態 以下本発明のアンモニアサイクルと炭酸ガスサイクルとを組み合わせたヒート ポンプシステム 1を図示の実施の形態に基づいて説明する。 なおこのヒ一トポン プシステム 1 とは、 冷凍を専用に行う冷凍システムのみに止まることなく この他 に、 冷凍と加熱とを選択的に行う冷凍 ·加熱システムをも含むものであって、 例 えば冷蔵庫やスーパーマーケッ トの冷凍ショーケースはもとより、 ホテルや各種 オフィスビルなどの空調等で必要となってくる暖房装置等に適用されるものであ る。 以下本発明のヒートポンプシステム 1を、 専ら冷凍装置として適用する形態 を実施の形態 1 として説明し、 冷凍と加熱とを選択的に行う冷凍 ·加熱装置とし て適用する形態を実施の形態 2として説明する。

〔実施の形態 1〕

この実施の形態ではヒートポンプシステム 1 は、 専ら冷凍のみを行うものであ つて、 第 1図に示すように高元側にアンモニアサイクル 2と、 低元側に炭酸ガス サイクル 3とを組み合わせて成るものである。

アンモニアサイクル 2は、 一例として圧縮機 4と、 コンデンサ 5と、 膨張弁 6 と、 カスケードコンデンサ 7とを具えて成るものであって、 実質的にこのカスケ ードコンデンサ 7によって、 炭酸ガスサイクル 3内の二酸化炭素を冷却する。 ま たこのアンモニアサイクル 2は、 媒体が毒性のあるアンモニアであることから、 封入量が極力少量にされると同時に、 ァンモニアサイクル 2を構成する部材が、 一例として屋外や屋上等に設置され、 冷凍ショーケース等の目的の蒸発器から隔 離される。

一方、 炭酸ガスサイクル 3は、 一例として上述したカスケードコンデンサ 7の 他、 流量調整弁 8と、 蒸発器 9とを具えて成るものであって、 このサイクル中、 例えば流量調整弁 8と蒸発器 9、 または蒸発器 9のみを室内に設置し、 ファン 9 aによってショーケース等の冷却を行う。 なお蒸発器 9側で目的の冷却を行うこ とから、 カスケードコンデンサ 7を蒸発器 9よりも高い位置に設置し、 これらの 間に二酸化炭素媒体の液へッ ド差を形成するものである。

次にこのヒ一卜ポンプシステム 1の冷却態様について説明する。 まずアンモニ アサイクル 2では、 圧縮機 4によって圧縮された気体状のアンモニアが、 コンデ ンサ 5を通るとき、 冷却水または空気によって冷やされて液体となる。 液体とな つたァンモニァは、 膨張弁 6によって必要な低温度に相当する飽和圧力まで膨張 した後、 カスケードコンデンサ 7で蒸発して気体となる。 このとき、 アンモニア は、 炭酸ガス冷凍サイクル 3内の二酸化炭素から熱を奪い、 これを液化する。 —方、 炭酸ガスサイクル 3では、 カスケードコンデンサ 7によって冷やされて 液化した液化炭酸ガスが、 液へッ ド差を利用した自然循環現象によって下降し、 流量調整弁 8を通って、 目的の冷却を行う蒸発器 9に入り、 ここで温められて蒸 発し、 ガスとなって再びカスケ一ドコンデンサ 7に戻っていく。

因みに液へッ ド差を利用した自然循環現象そのものは、 一般的に知られており 、 例えば精密機械部品等を冷却するためのヒートパイプ等にも同様の原理が流用 されている。 しかしながらこのようなヒートパイプは、 専ら作動液 （媒体） が循 環するものに止まり、 それ以上の冷却作用を付加するものではなかった。 その点 、 本願発明は液へッ ド差を利用した自然循環現象にとどまることなく、 液の循環 量を制御して二酸化炭素媒体を冷却または加熱することによつて積極的に媒体の 循環を行うという特徴的構成を有するものである。

〔実施の形態 2〕

この実施の形態ではヒートポンプシステム 1は、 冷凍と加熱とを選択的に行う ものであって、 第 2図に示すようにアンモニアサイクル 2 と、 炭酸ガスサイクル 3とを組み合わせて成るものであるが、 アンモニアサイクル 2については、 実施 の形態 1 とほぼ同様であるため、 ここでは省略し、 炭酸ガスサイクル 3について 説明する。

炭酸ガスサイクル 3は、 冷却時に機能する炭酸ガス冷凍サイクル 3 Aと、 加熱 時に機能する炭酸ガス加熱サイクル 3 Bとを具えて成るものである。 このうち炭 酸ガス冷凍サイクル 3 Aは、 上記実施の形態 1 とほぼ同様に、 カスケードコンデ ンサ 7のほか、 流量調整弁 8と、 蒸発器 9 Aとを具えて成るものであり、 一方炭 酸ガス加熱サイクル 3 Bは、 流量調整弁 8と、 放熱器 9 Bと、 吸熱器 1 0とを具 えて成るものである。 因みにこの吸熱器 1 0は、 例えばボイラー等を利用して炭 酸ガス加熱サイクル 3 B内の炭酸ガスを加熱し、 蒸発させるものである。 なお蒸 発器 9 Aと放熱器 9 Bとは、 実質的に同一のものであるが、 冷却時と加熱時とで は、 その作用が異なるため、 ここでは異なる符号を付すものである。 また炭酸ガ ス冷凍サイクル 3 Aと、 炭酸ガス加熱サイクル 3 Bとの接続部には、 一例として 第 2図に示すような切換弁 1 1 a、 1 1 b、 1 2 a、 1 2 bが設けられている。 そして炭酸ガスサイクル 3中、 例えば流量調整弁 8と蒸発器 9 A (放熱器 9 B ) 、 または蒸発器 9 A (放熱器 9 B ) のみを室内に設置し、 ファン 9 aによって 目的の冷却や加熱を行う。 またカスケードコンデンサ 7は、 目的の冷却を行う蒸 発器 9 Aよりも高い位置、 例えば屋上等に設置されるとともに、 吸熱器 1 0は、 目的の加熱を行う放熱器 9 Bよりも低い位置、 例えば地下等に設置されるもので ある。 そしてこのような構成を採ることによって、 カスケードコンデンサ 7 と蒸 発器 9 Aとの間、 及び吸熱器 1 0と放熱器 9 Bとの間に液ヘッ ド差を形成するも のである。

次にこのヒートポンプシステム 1の作動態様について説明する。 説明にあたつ ては、 冷却運転と加熱運転とに区別して説明する。 なお図中に示す実線矢印が冷 却サイクルを示し、 破線矢印が加熱サイクルを示す。

( 1 ) 冷却運転

冷却時、 アンモニアサイクル 2では、 上記実施の形態 1 と同様な状態となる。 —方、 炭酸ガスサイクル 3では、 切換弁 1 1 a、 1 2 aが開けられ、 切換弁 1 1 b、 1 2 bが閉じられて、 炭酸ガス冷凍サイクル 3 Aのみが機能する。 このため カスケードコンデンサ 7によって冷やされて液化した液化炭酸ガスは、 液へッ ド 差を利用したいわゆる自然循環現象によって下降し、 流量調整弁 8を通って、 目 的の冷却を行う蒸発器 9 Aに入り、 この蒸発器 9 Aで温められて蒸発し、 ガスと なって再びカスケ一ドコンデンサ 7に戻っていく。

( 2 ) 加熱運転

加熱時、 アンモニアサイクル 2は機能せず、 停止される。

一方、 炭酸ガスサイクル 3では、 切換弁 1 1 b、 1 2 bが開けられ、 切換弁 1 1 a、 1 2 aが閉じられて、 炭酸ガス加熱サイクル 3 Bのみが機能する。 このた め吸熱器 1 0によって温められて気化した炭酸ガスは、 液へッ ド差を利用したい わゆる自然循環現象によって上昇し、 目的の加熱を行う放熱器 9 Bに導かれ、 こ の放熱器 9 Bで冷やされて液化炭酸ガスとなって流量調整弁 8を通って、 再び吸 熱器 1 0に戻っていく。 本発明は、 上記実施の形態 1、 2で述べたように炭酸ガスサイクル 3内に、 自 然循環現象を生じさせることに加え、 冷却または加熱することによって、 炭酸ガ スサイクル 3中の二酸化炭素媒体を循環させるため、 炭酸ガスサイクル 3内に圧 縮機を設置する必要がない。 このためカスケードコンデンサ 7や蒸発器 9、 9 A (放熱器 9 B ) について、 大きな圧力容器を一切使用せずに、 チューブやプレー ト等によつて構成することが可能である。 従つて炭酸ガスサイクル 3内が常温に なって約 7 5 k g / c m ² A b s程度の高圧状態になっても、 技術的にも経済的 にも容易に安全性が確保できる。

因みに炭酸ガスの潜熱を使用するため液配管は、 比較的小径の配管が使用でき る。 一例として一 2 0 °Cで必要な液化炭酸ガスの容量は、 顕熱を利用する塩化力 ルシゥムブラインの約 1ノ4 0〜 1 Z 9 0であり、 液化炭酸ガスの液へッ ドを利 用するだけで、 小さな配管でも充分な量の液化炭酸ガスを蒸発器 9、 9 Aに送り 込むことが可能である。

しかしながら、 二酸化炭素媒体の循環を二次的に捕助し、 循環をより確実なも のとしたい場合には、 サイクル内に液ポンプ Pを設ける形態が好ましい。 これは 液ポンプ Pを使っても炭酸ガスの潜熱利用は変わらないため、 ポンプの動力負荷 はごく少なくて済み、 全体の熱交換効率をほぼ低下させることなく、 経済的な運 転が行えるためである。 一例として— 2 0 °Cの塩化カルシウムブラインと、 液化 炭酸ガスを使用した場合とを比較すると、 冷蔵庫を一 1 5 °Cに保つときのポンプ 動力も考慮した全体の成績係数は、 液化炭酸ガスの方が約 3 0 %も優れている。 なお液ポンプ Pを炭酸ガスサイクル 3内に設ける場合には、 一例として第 3図に 示すように、 カスケードコンデンサ 7の直下方に設けることが可能である。 〔他の実施の形態〕

本発明は以上述べた実施の形態を基本的な技術思想とするものであるが、 更に 次のような改変が考えられる。 すなわち先の第 1〜3図に示した実施の形態では 、 目的の冷却や、 加熱を行う蒸発器 9、 9 A (放熱器 9 B ) は、 一つの冷凍サイ クルまたは冷凍 ·加熱サイクル内に一つ設けたが、 冷却または加熱を行う場所の 数や広さ、 あるいは必要冷却 （加熱） 能力などの諸条件に応じて例えば第 4図に 示すように、 蒸発器 9、 9 A (放熱器 9 B ) を複数設けることが可能である。 な おこの場合例えば複数の流量調整弁 8を一つにまとめることも可能である。 また第 5図は、 アンモニアサイクル 2内に、 蓄冷剤の入った蓄熱装置 1 3を設 けた実施の形態を示すものであって、 昼間よりも安価な深夜電力を利用して夜間 蓄熱を行って、 この蓄熱を昼間の冷却運転に利用できるため、 効率良く運転が行 えるものである。

更にまた第 6図は、 冷凍 ·加熱装置として適用した場合に採り得る形態であつ て、 炭酸ガスサイクル 3内の吸熱器 1 0に、 アンモニアサイクル 2の排熱 （凝縮 熱） を熱源として利用する形態を示すものであり、 更なる運転の効率化を図るも のである。 産業上の利用可能性

以上のように本発明のヒ一トポンプシステムは、 アンモニアサイクルと炭酸ガ スサイクルとを組み合わせ、 冷却または加熱を行うものであって、 炭酸ガスサイ クルには、 圧縮機を組み込まずに、 自然循環を行うようにしているため装置その ものを低コス卜で製造し、 目的の冷凍や加熱を効率良く行いたい場合に適してい

図面の簡単な説明

第 1図は、 本発明のヒートポンプシステムの実施の形態 1を骨格的に示す流れ 図であり、 第 2図は、 本発明のヒートポンプシステムの実施の形態 2を骨格的に 示す流れ図であり、 第 3図は、 炭酸ガスサイクル内に二酸化炭素媒体の循環を二 次的に補う液ポンプを設けた実施の形態を骨格的に示す流れ図であり、 第 4図は 、 一つの冷凍サイクル （冷凍 ·加熱サイクル） 内に目的の蒸発器 （放熱器） を複 数設けた実施の形態を骨格的に示す流れ図であり、 第 5図は、 アンモニアサイク ル内に蓄熱装置を設けた実施の形態を骨格的に示す流れ図であり、 第 6図は、 炭 酸ガスサイクル内の吸熱器に、 アンモニアサイクルの排熱 （凝縮熱） を熱源とし て利用する実施の形態を骨格的に示す流れ図である。

Claims

言青求の範囲

1. アンモニアを媒体としたアンモニアサイクル （2) と、 二酸化炭素を媒体 とした炭酸ガスサイクル （3) とを組み合わせ、 冷却または加熱を行うヒート ポンプシステム （ 1 ) において、 前記炭酸ガスサイクル （3) は、 圧縮機を組 み込まずに、 自然循環を行うようにしたことを特徴とするアンモニアサイクル と炭酸ガスサイクルとを組み合わせたヒ一卜ポンプシステム。

2. 前記圧縮機を組み込まないことによる二酸化炭素媒体の循環は、 炭酸ガス サイクル （3) 内の二酸化炭素媒体に液へッ ド差を形成したことによる自然循 環現象に加えて、 炭酸ガスサイクル （3) 内の一部を加熱または冷却して行う ことを特徴とする請求項 1記載のァンモニアサイクルと炭酸ガスサイクルとを 組み合わせたヒ一 トポンプシステム。

3. 前記炭酸ガスサイクル （3) は、 冷却時に作用する炭酸ガス冷凍サイクル (3 A) と、 加熱時に作用する炭酸ガス加熱サイクル （3 B) とによって構成 されるとともに、 この炭酸ガス冷凍サイクル （3 A) は、 二酸化炭素を蒸発さ せて目的の冷却を行う蒸発器 （9 A) を、 二酸化炭素媒体を冷却、 液化する力 スケ一ドコンデンサ （7) よりも低い位置に組み込んで成り、 一方、 炭酸ガス 加熱サイクル （3 B) は、 二酸化炭素を凝縮させて目的の加熱を行う放熱器 （ 9 B) すなわち冷却時における前記蒸発器 （9 A) を、 二酸化炭素媒体を加熱 、 気化する吸熱器 （ 1 0) よりも高い位置に組み込んで成り、 冷却時には、 前 記ァンモニアサイクル （ 2 ) を作動させてカスケ一ドコンデンサ （ 7 ) により 、 炭酸ガス冷凍サイクル （3 A) 中の二酸化炭素媒体を冷却、 液化するととも に、 加熱時には、 吸熱器 （ 1 0) によって炭酸ガス加熱サイクル （3 B) 中の 二酸化炭素媒体を加熱、 蒸発して、 炭酸ガスサイクル （3) 中の二酸化炭素媒 体を循環させるようにしたことを特徴とする請求項 1または 2記載のァンモニ アサイクルと炭酸ガスサイクルとを組み合わせたヒ一トポンプシステム。

4. 前記アンモニアサイクル （2) の構成部材は、 目的の冷却や加熱を行う蒸 発器 （9、 9 A) または放熱器 （9 B) から隔離した場所に設置することを特 徴とする請求項 1、 2または 3記載のアンモニアサイクルと炭酸ガスサイクル とを組み合わせたヒートポンプシステム。

5 . 前記炭酸ガスサイクル内 （3 ) に二酸化炭素媒体の循環を二次的に補助す る液ポンプ （P ) を設けたことを特徴とする請求項 1、 2、 3または 4記載の アンモニアサイクルと炭酸ガスサイクルとを組み合わせたヒートポンプシステ ム。