WO2011096059A1 - ヒートポンプ装置及びヒートポンプ装置の運転方法 - Google Patents

ヒートポンプ装置及びヒートポンプ装置の運転方法 Download PDF

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敏朗 服部
裕介 石月
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    • F25B29/003—Combined heating and refrigeration systems, e.g. operating alternately or simultaneously of the compression type system

Definitions

  • the present invention relates to a heat pump apparatus and a method of operating a heat pump apparatus, and in particular, a heat pump apparatus capable of improving the thermal efficiency and capable of stable operation even when the discharge temperature of the compressor is a high temperature of 150 ° C. or higher. And a heat pump apparatus operating method.
  • a feed screw compressor and a heat pump using the feed screw compressor are known.
  • the oil type screw compressor supplies oil to oil supply locations such as a bearing lubrication portion and a rotor chamber in the screw compressor, discharges the oil supplied together with the compressed gas from the discharge port of the screw compressor, and discharges the discharged compressed gas
  • the mixture of oil and oil is separated by gas separation using an oil separator, and the recovered oil is cooled by an oil cooler, and then the oil is circulated and used by providing an oil circulation system in which the oil is resupplied to the oil supply point.
  • Patent Document 1 discloses that oil coolers are not provided in an oil system from an oil separator to an oil feed location of the screw compressor. A technique is disclosed in which, when necessary, a portion of oil is mixed into a refrigerant system, cooled by the refrigerant, and entrained in a screw compressor. According to the technology disclosed in Patent Document 1, since the oil cooler is not provided, there is no loss of heat in the oil cooler, and there is an advantage that the heat efficiency in the entire heat pump is high.
  • the present invention improves heat efficiency by not providing an oil cooler, and a heat pump which can be used even at high temperatures of 150 ° C. or higher as the screw compressor discharge temperature of the heat medium It aims to provide a driving method.
  • an oil type compressor for compressing a heat medium
  • an oil separation and recovery device for separating oil from the heat medium discharged from the compressor and returning it to the compressor
  • the compressor Of the heat medium compressed by the heat exchanger, the pressure reducing device for reducing the pressure of the heat medium liquefied by the condensation, and the evaporator for absorbing heat by the heat medium reduced by the pressure reducing device and evaporating the heat medium
  • the heat medium can be compressed at a compression ratio at which the discharge temperature from the compressor is 150 to 200 ° C.
  • suction temperature control means capable of controlling the temperature of the heat medium sucked into the compressor on the heat medium circulation path on the suction side of the compressor.
  • the discharge temperature of the heat medium from the compressor By setting the discharge temperature of the heat medium from the compressor to 150 to 200 ° C., it is possible to perform heat balance including the oil supplied to the oil type compressor. This eliminates the need to provide an oil cooler for cooling the oil separated by the oil separation and recovery device and returned to the compressor. Therefore, the entire apparatus related to the compressor is made compact, and COP (Coefficient Of Performance) is improved because it is not necessary to release heat by the oil cooler.
  • parts exposed to high temperatures of 150 ° C. or more need to be prepared using a material having heat resistance to high temperatures of 150 ° C. or more. Further, since the oil is always exposed to a high temperature of 150 ° C. or more during the operation of the compressor, it is necessary to use an oil which does not decompose and deteriorate at a high temperature of 150 ° C. or more.
  • the suction temperature control means it is possible to properly control the temperature of the mixture of the heat medium and the oil discharged from the compressor and from the compressor. As a result, the temperature in the compressor becomes high temperature more than necessary, and deterioration of the compressor components and oil due to high temperature can be prevented, and safe operation is possible.
  • the heat medium may be a hydrocarbon refrigerant, more preferably a C4 to C7 hydrocarbon, and for example, n-hexane, n-pentane or isopentane may be used.
  • a temperature sensor for detecting the discharge temperature of the compressor and a target temperature of the temperature sensor are set, and a command is issued to the suction temperature control means, and a detection value of the temperature sensor is made the target temperature. It is preferable to provide temperature control means for controlling the suction temperature of the heat medium to the compressor.
  • the discharge temperature of the compressor refers to the temperature of the mixture of the heat medium and the oil discharged from the compressor, but the temperature is the same as the temperature of the oil reservoir formed in the lower portion of the oil separation and recovery device. . Therefore, the temperature sensor can detect the temperature of the oil reservoir portion of the oil separation and recovery device.
  • an oil type compressor for compressing a heat medium
  • an oil separation and recovery device for separating oil from the heat medium discharged from the compressor and returning it to the compressor.
  • a condenser which condenses the heat medium compressed by the compressor and dissipates heat
  • a decompression device which decompresses the heat medium liquefied by the condensation
  • an evaporator which absorbs heat and evaporates the heat medium decompressed by the decompression device.
  • the heat medium is compressed at a compression ratio such that the discharge temperature from the compressor is 150 to 200 ° C.
  • the heat retention operation is performed by controlling the suction temperature of the heat medium to the compressor so that the discharge temperature of the compressor becomes a target temperature.
  • the heat retention operation is performed.
  • a hydrocarbon such as n-hexane, n-pentane or isopentane can be used. Since these have a low boiling point at normal temperature, they are likely to be liquefied at startup. Therefore, by performing the warm-up operation, it is possible to prevent the liquid heat medium from being mixed in the compressor.
  • the heat efficiency can be improved by not providing the oil cooler, and the heat pump which can be used even when the screw compressor discharge temperature of the heat medium is 150 ° C. or higher can be used. Can be provided.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a screw compressor according to a first embodiment.
  • Drawing 1 is a schematic diagram concerning a heat pump concerning the example, and its peripheral equipment. The configuration of the apparatus will be described based on FIG.
  • reference numeral 1 denotes a heat pump
  • the heat pump 1 is configured by arranging a screw compressor 4, a condenser 6, a tank 8 and an evaporator 10 on a circulation circuit 2.
  • the heat medium circulates through the circulation circuit 2 in the order of screw compressor 4 ⁇ condenser 6 ⁇ tank 8 ⁇ evaporator 10 ⁇ screw compressor 4.
  • As the heat medium a heat medium which can be compressed at a compression ratio of 60 to 100 ° C. and a discharge temperature of 150 to 160 ° C. from the screw compressor 4 is used.
  • reference numeral 12 denotes a distillation column, and in the present embodiment, the distillation column 12 distills an object of distillation which is an azeotropic mixture.
  • the heat medium deprived of heat by an azeotropic mixture vapor described later becomes a gas of 60 to 100 ° C. and is sucked into the screw compressor 4.
  • the heat medium sucked into the screw compressor 4 is compressed until the discharge temperature reaches 150 to 160 ° C., and is sent to the condenser 6.
  • the distillation target in the liquid state which will be described later, is sent from the distillation column 12 to the condenser 6.
  • the heat medium and the distillation target in the liquid state exchange heat.
  • the heat medium is cooled and liquefied by the heat exchange, and is sent to the tank 8.
  • the liquid heat medium sent to the tank 8 is decompressed in the tank 8 and sent to the evaporator 10.
  • the heat transfer medium exchanges heat with an azeotropic mixture vapor from the top of the distillation column 12, which will be described later.
  • the heat medium is heated and vaporized to be a gas of 60 to 100 ° C. and returned to the screw compressor 4.
  • the distillation column 12 a part of the liquid distillation target in the distillation column 12 circulates in the heating circuit 14. Part of the liquid distillation object circulating in the heating circuit 14 is heated by heat exchange with the heat medium in the condenser 6 installed on the heating circuit 14 and performed in the distillation column 12 The heat required for the distillation is supplied. That is, the condenser 6 plays the role of a reboiler.
  • a part of the distillation object which is an azeotropic mixture is azeotropically mixed by supplying heat from the heat medium to the distillation object of the liquid circulating in the heating circuit 14 in the condenser 6 which plays a role of a reboiler It will be steam.
  • the azeotropic mixture vapor is sent to the evaporator 10 from the top of the distillation column 12.
  • the azeotropic mixture vapor sent to the evaporator 10 exchanges heat with the heat medium of the liquid sent from the tank 8 in the evaporator 10.
  • the heat medium is heated and vaporized, and the azeotropic mixture vapor is cooled, liquefied and sent to the separation layer 16.
  • the azeotropic mixture sent to the separation layer 16 is separated into two liquid-liquid phases in the separation layer 16.
  • the phase mainly containing the entrainer is supplied to a distillation column (not shown) or the like separate from the distillation column 12 for removing accumulated impurities, and as necessary
  • the accumulated impurity concentration is reduced and returned to the distillation column 12.
  • the phase whose main component is an impurity whose concentration is to be reduced by azeotropic distillation is partially passed through the line 18 in order to achieve the desired reflux ratio. Then, it is returned to the distillation column 12.
  • the compression ratio is such that the suction temperature to the screw compressor 4 is 60 to 100.degree. C. and the discharge temperature from the screw compressor 4 is 150 to 160.degree.
  • C4 to C7 hydrocarbons in particular n-hexane, n-pentane, isopentane, etc. are used.
  • the C4 to C7 hydrocarbons such as n-hexane, n-pentane and isopentane have low boiling points and are easily liquefied at normal temperature, so it is necessary to heat them before starting the apparatus shown in FIG.
  • FIG. 2 is a configuration diagram according to suction gas temperature control to the screw compressor.
  • oil supply to a screw compressor will be described with reference to FIG.
  • the screw compressor performs compression of gas by three steps of suction, compression and discharge of gas by engagement of a rotor having a female and male tooth form.
  • the injection of oil to the rotor engaging portion enables the drive of the female rotor by the male rotor, and improves the gas sealability of the inter-rotor gap and other gaps, and enables the efficiency improvement by cooling the compressed gas, which is high.
  • volumetric efficiency and adiabatic efficiency large volumes of gas can be processed at high speed rotation, there are few wear parts, high pressure ratio can be obtained in one step, and it is not easily affected by liquid return. Therefore, the screw compressor is lubricated.
  • the oil stored in the oil separator 42 is fed to the screw compressor 4 by the oil pump 46 and is fed to an oil supply point such as a rotor engaging portion in the screw compressor 4.
  • the oil supplied to the screw compressor 4 is mixed with the heat medium gas in the screw compressor 4 and mixed with the gas discharged from the screw compressor 4.
  • the mixture of compressed gas and oil discharged from the screw compressor 4 is sent to the oil separator 42.
  • the mixture of compressed gas and oil is separated into gas and liquid by the oil separator 42, the oil is again sent to the screw compressor 4 by the pump 44, and the heat medium gas is sent to the condenser 6 shown in FIG.
  • the oil used here is always exposed to high temperature 150 degreeC or more during driving
  • the temperature sensor 44 capable of detecting the temperature of the liquid phase portion of the oil separator 42 detects the temperature of the liquid phase portion of the oil separator 42, that is, the oil.
  • the temperature detected by the temperature sensor 44 is taken into the temperature controller 22.
  • the temperature detected by the temperature sensor 44 can be regarded as the same value as the temperature of the gas discharged from the compressor 4.
  • the temperature of the liquid phase portion of the oil separator 44 that is, the target value (for example, 160 ° C.) of the gas temperature discharged from the compressor 4 is set in advance.
  • the temperature controller 22 compares the temperature detected by the temperature sensor 44 with the target value to calculate an appropriate suction temperature, and is provided on the heat medium circulation circuit 2 and on the suction side of the compressor 4
  • the heat exchanger 24 and the bypass valve 26 provided on the bypass circuit of the heat exchanger 24 are adjusted.
  • the heat exchanger 24 is not particularly limited as long as the temperature of the heat medium can be adjusted. For example, an air-cooled heat exchanger with fan control, a water-cooled heat exchanger with cooling water volume control, etc. It can be used.
  • a knockout drum (KO drum) 28 should be installed downstream of the heat exchanger 24 and upstream of the screw compressor 4 so that condensed gas does not enter the screw compressor 4. Is desirable.
  • the configuration shown in FIG. 2 can also be used during warm-up operation at device startup.
  • a heat medium heated by a heater (not shown) or the like provided in the tank 8 is monitored by the temperature controller 22 while adjusting the heat exchanger 24 and the bypass valve while monitoring the temperature of the temperature sensor 44 I will inhale it to 4.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the screw compressor 4 in the embodiment.
  • reference numeral 101 denotes a casing.
  • a male rotor 2 and a female rotor 3 in which helical gears having different numbers of teeth are formed are engaged with each other and accommodated so as to be capable of rotating in reverse.
  • Reference numerals 107 and 109 denote bearings on the male rotor side, and the shaft of the male rotor 102 is rotatably supported by the bearings 107 and 109 on the casing 101, respectively.
  • Reference numerals 108 and 110 denote bearings on the female rotor side, and the shaft of the female rotor 103 is rotatably supported on the casing 101 by the bearings 108 and 110, respectively.
  • 111 is a thrust bearing on the male rotor side, and the thrust load of the male rotor 102 is supported by the casing 101 via the shaft of the male rotor 102 and the thrust bearing 111.
  • the thrust load 112 of the female rotor 103 is supported by the casing 101 via the shaft of the female rotor 103 and the thrust bearing 112.
  • Reference numeral 113 denotes a mechanical shaft seal that seals the male rotor 102.
  • Reference numeral 114 denotes a balance piston, which is fixed to the end on the opposite side of the drive-side shaft end of the drive-side male rotor 102 where the thrust load increases, and is reciprocably fitted in a cylinder formed in the casing 101 There is.
  • the gaseous heat transfer medium introduced into the screw compressor 4 is compressed and discharged by the gap volume change between the male rotor 102 and the female rotor 103 which are reversely rotated with each other.
  • Ru The thrust load generated due to the change in clearance volume caused by the rotation of the male rotor 102 and the female rotor 103 is supported by the casing 101 via the shaft of the male rotor 102 and the thrust bearing 111 on the male rotor 102 side.
  • the casing 101 supports the shaft of the female rotor 103 and the thrust bearing 112.
  • the heat medium is compressed for the male rotor 102, the female rotor 103, the bearings 107, 108, 109, 110, the thrust bearings 111, 112, the mechanical shaft seal 113 and the balance piston 114, Since the oil is exposed to a high temperature of about 150 to 160 ° C., which is the compressor discharge temperature of the heat medium by the introduction of oil, the components of each screw compressor are made of a material having heat resistance to the high temperature of about 150 to 160 ° C. Needs to be created.
  • the clearance between the casing 101 and the male rotor 102 and the clearance between the casing 101 and the female rotor 103 can be adjusted in order to prevent the male rotor 102 and the female rotor 103 from being exposed to excessively high temperature.
  • the temperature rise of the rotor male rotor 102, female rotor 103
  • the heat efficiency can be improved, and the heat pump can be used as a heat pump that can be used even when the screw compressor discharge temperature of the heat medium is 150 ° C. or higher.

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Abstract

　油冷却器を設けないことで熱効率の向上を図るとともに、熱媒体のスクリュー圧縮機吐出温度が１５０℃以上の高温においても使用可能なヒートポンプ及びその運転方法を提供することを課題とし、熱媒体を圧縮する給油式圧縮機、前記圧縮機から吐出される前記熱媒体から油を分離して前記圧縮機に戻す油分離回収器、該圧縮機で圧縮された熱媒体を液化させて放熱する凝縮器、該凝縮で液化された熱媒体を減圧する減圧装置、及び該減圧装置で減圧された熱媒体に吸熱させて蒸発させる蒸発器を熱媒体循環経路上で直列に接続し、これら機器に熱媒体を循環させるヒートポンプ装置において、前記熱媒体は、前記圧縮機からの吐出温度が１５０～２００℃となる圧縮比で圧縮させることができる熱媒体を使用するとともに、前記圧縮機の吸入側の前記熱媒体循環経路上に、前記圧縮機に吸入される熱媒体の温度を制御可能な吸入温度制御手段を設ける。

Description

ヒートポンプ装置及びヒートポンプ装置の運転方法
　本発明は、ヒートポンプ装置及びヒートポンプ装置の運転方法に関するものであり、特に圧縮機の吐出温度が１５０℃以上の高温であっても熱効率の向上が可能であるとともに、安定運転が可能であるヒートポンプ装置及びヒートポンプ装置の運転方法に関するものである。
　給油式スクリュー圧縮機及び該給油式スクリュー圧縮機を用いたヒートポンプが知られている。給油式スクリュー圧縮機は、スクリュー圧縮機内の軸受潤滑部、ロータ室等の給油箇所に油を給油し、スクリュー圧縮機の吐出口から圧縮ガスとともに給油した油を吐出し、該吐出された圧縮ガスと油の混合物をオイルセパレータにて気液分離し、回収した油を油冷却器で冷却した後、再度前記給油箇所に給油する油循環系統を設けることで、油を循環使用するものである。
　このような、給油式スクリュー圧縮機及び該給油式スクリュー圧縮機を用いたヒートポンプにおいては、性能の向上が求められている。性能の向上を図った給油式スクリュー圧縮機を用いたヒートポンプに関する技術として、特許文献１には、オイルセパレータからスクリュー圧縮機の給油箇所への油系統に油冷却器を設けず、油の冷却の必要時に一部の油を冷媒系に混入させて冷媒で冷却してスクリュー圧縮機に同伴する技術が開示されている。特許文献１に開示された技術によれば、油冷却器を設けないため、油冷却器で熱を捨てることがなくなり、ヒートポンプ全体における熱効率が高いという利点がある。
特開平９－２４３１８４号公報
　ところで近年、高温用ヒートポンプにおいて、熱媒体のスクリュー圧縮機吐出温度が１２０℃を超える排熱利用１２０℃超えヒートポンプが要求されている。また、蒸留塔塔頂から排出されたガスをスクリュー圧縮機で再圧縮して、該再圧縮による圧縮熱を従来のスチームの代わりとしてリボイラーにて焚き上げる、所謂ＶＲＣ（ベーパーリコンプレッション）においては、熱媒体のスクリュー圧縮機吐出温度が１５０℃以上となる１５０℃超えヒートポンプが要求されている。
　しかしながら、特許文献１に開示された技術においては、スクリュー圧縮機吐出温度が前述のような１２０℃超え、さらには１５０℃超えのヒートポンプについては想定されていない。そのため、スクリュー圧縮機吐出温度が１２０℃超え、さらには１５０℃超えとなるような系に適用する場合、熱媒体の変性、スクリュー圧縮機の耐熱、スクリュー圧縮機内での油の流通などに課題が残る。
　従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、油冷却器を設けないことで熱効率の向上を図るとともに、熱媒体のスクリュー圧縮機吐出温度が１５０℃以上の高温においても使用可能なヒートポンプ及びその運転方法を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため本発明においては、熱媒体を圧縮する給油式圧縮機、前記圧縮機から吐出される前記熱媒体から油を分離して前記圧縮機に戻す油分離回収器、該圧縮機で圧縮された熱媒体を液化させて放熱する凝縮器、該凝縮で液化された熱媒体を減圧する減圧装置、及び該減圧装置で減圧された熱媒体に吸熱させて蒸発させる蒸発器を熱媒体循環経路上で直列に接続し、これら機器に熱媒体を循環させるヒートポンプ装置において、前記熱媒体は、前記圧縮機からの吐出温度が１５０～２００℃となる圧縮比で圧縮させることができる熱媒体を使用するとともに、前記圧縮機の吸入側の前記熱媒体循環経路上に、前記圧縮機に吸入される熱媒体の温度を制御可能な吸入温度制御手段を設けたことを特徴とする。
　前記熱媒体の圧縮機からの吐出温度を１５０～２００℃とすることで、給油式圧縮機に供給する油も含めた熱バランスが出来る。これにより、前記油分離回収器によって分離されて圧縮機に戻す油を冷却するオイルクーラーを設ける必要がなくなる。従って、圧縮機に係る装置全体がコンパクト化するとともに、オイルクーラーで熱を放出する必要がないためＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　Ｏｆ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）が向上する。
　なお、前記圧縮機内において、１５０℃以上の高温に晒される部品は、１５０℃以上の高温に対する耐熱性を有する材料を使用して作成する必要がある。また、前記油も前記圧縮機の運転中は１５０℃以上の高温下に常に晒されるため、１５０℃以上の高温下で分解劣化しない油を使用する必要がある。
　また、前記吸入温度制御手段を設けることで、圧縮機内及び圧縮機から吐出される熱媒体と油の混合物の温度を適正に制御することができる。これにより、圧縮機内が必要以上に高温になり、圧縮機各要素部品や油が高温により劣化することを防止することができ、安全運転が可能である。
　また、前記熱媒体は、ハイドロカーボン冷媒であるとよく、さらに好ましくはＣ４～Ｃ７のハイドロカーボンであるとよく、例えばｎ－ヘキサン、ｎ―ペンタン又はイソペンタンを使用するとよい。
　また、前記圧縮機の吐出温度を検出する温度センサーと、前記温度センサーの目標温度が設定されるとともに、前記吸入温度制御手段に指令を出し、前記温度センサーの検出値が前記目標温度とするように前記圧縮機への熱媒体の吸入温度を制御する温度制御手段を設けるとよい。
　これにより、圧縮機の吐出温度を目標温度となるように、吸入温度を制御することで、圧縮機の吐出温度が必要以上の高温となり、圧縮機各要素部品や油が高温により劣化することをさらに確実に防止することができる。
　なお、圧縮機の吐出温度とは、圧縮機から吐出される前記熱媒体と油の混合物の温度をいうが、該温度は前記油分離回収器の下部にできる油溜まり部の温度と同値である。そのため、前記温度センサーは前記油分離回収器の油溜まり部の温度を検出するものとすることができる。
　また、課題を実現するための方法の発明として、熱媒体を圧縮する給油式圧縮機、前記圧縮機から吐出される前記熱媒体から油を分離して前記圧縮機に戻す油分離回収器、該圧縮機で圧縮された熱媒体を液化させて放熱する凝縮器、該凝縮で液化された熱媒体を減圧する減圧装置、及び該減圧装置で減圧された熱媒体に吸熱させて蒸発させる蒸発器を熱媒体循環経路上で直列に接続し、これら機器に熱媒体を循環させるヒートポンプ装置の運転方法において、前記熱媒体は、前記圧縮機からの吐出温度が１５０～２００℃となる圧縮比で圧縮させることができる熱媒体を使用するとともに、前記圧縮機の吐出温度が目標温度となるように、前記圧縮機への熱媒体の吸入温度を制御して保温運転を行うことを特徴とする。
　また、前記熱媒体を、前記圧縮機の吸入圧力における沸点以上まで加温して暖気運転をした後、前記保温運転を行う。
　前記熱媒体としては例えばｎ－ヘキサン、ｎ―ペンタン又はイソペンタンなどのハイドロカーボンを使用することができる。これらは、常温における沸点が低いため、起動時においては液化している可能性が高い。そこで、暖気運転を行うことで、液体の熱媒体が圧縮機に混入することを防止することができる。
　以上記載のごとく本発明によれば、油冷却器を設けないことで熱効率の向上を図るとともに、熱媒体のスクリュー圧縮機吐出温度が１５０℃以上の高温においても使用可能なヒートポンプ及びその運転方法を提供することができる。
実施例１に係るヒートポンプ及びその周辺設備に係る概略図である。 スクリュー圧縮機への吸入ガス温度制御に係る構成図である。 実施例１におけるスクリュー圧縮機の断面図である。
　以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
　図１は、実施例に係るヒートポンプ及びその周辺設備に係る概略図である。図１に基づいて装置の構成について説明する。図１において、１はヒートポンプであり、ヒートポンプ１は循環回路２上に、スクリュー圧縮機４、凝縮器６、タンク８及び蒸発器１０が配置されて構成されている。ヒートポンプ１は、熱媒体が、循環回路２を通りスクリュー圧縮機４→凝縮器６→タンク８→蒸発器１０→スクリュー圧縮機４の順に循環するようになっている。前記熱媒体としては、スクリュー圧縮機４への吸入温度を６０～１００℃とし、スクリュー圧縮機４からの吐出温度を１５０～１６０℃となる圧縮比で圧縮させることができる熱媒体を使用し、具体的にはＣ４～Ｃ７のハイドロカーボン、特にｎ－ヘキサン、ｎ－ペンタン、イソペンタンなどを使用することができる。また、図１において１２は蒸留塔であり、本実施例においては蒸留塔１２は共沸混合物である蒸留対象物を蒸留するものである。
　次に図１を用いて装置の動作について説明する。
　まず、ヒートポンプ１の動作について説明する。
　後述する共沸混合蒸気により熱を奪われた熱媒体は、６０～１００℃のガスとなってスクリュー圧縮機４に吸入される。スクリュー圧縮機４に吸入された熱媒体は、吐出温度が１５０～１６０℃となるまで圧縮されて、凝縮器６へ送られる。
　凝縮器６へは、蒸留塔１２から後述する液体状態の蒸留対象物が送られる。
　凝縮器６では、前記熱媒体と、前記液体状態の蒸留対象物が熱交換する。該熱交換により熱媒体は冷却されて液化し、タンク８へ送られる。
　タンク８へ送られた液体の熱媒体は、タンク８で減圧されて蒸発器１０へ送られる。
　蒸発器１０では、前記熱媒体は、蒸留塔１２の塔頂からの後述する共沸混合蒸気と熱交換する。該熱交換により熱媒体は加温されて気化し、６０～１００℃のガスとなってスクリュー圧縮機４に戻る。
　一方、蒸留塔１２では、蒸留塔１２内の液体状態の蒸留対象物の一部は、加熱回路１４内を循環している。加熱回路１４内を循環する前記液体状態の蒸留対象物の一部は、加熱回路１４上に設置された凝縮器６で、前記熱媒体と熱交換することで加熱されて蒸留塔１２で行われる蒸留に必要な熱が供給される。即ち、凝縮器６がリボイラーの役割を果たしている。
　加熱回路１４内を循環する液体の蒸留対象物に、リボイラーの役割を果たす凝縮器６で前記熱媒体より熱が供給されることで、共沸混合物である蒸留対象物の一部は共沸混合蒸気となる。該共沸混合蒸気は、蒸留塔１２の塔頂より蒸発器１０へ送られる。蒸発器１０へ送られた共沸混合蒸気は、蒸発器１０でタンク８から送られた液体の熱媒体と熱交換する。該熱交換により、前述の通り熱媒体は加温されて気化するとともに、共沸混合蒸気は冷却されて液化し、分離層１６へ送られる。分離層１６へ送られた共沸混合物は、分離層１６で液－液の２相に分離される。分離槽１６で分離される液相のうち、エントレーナーを主成分とする相は、蓄積不純物除去のために蒸留塔１２とは別の蒸留塔（不図示）などへ供給され、必要に応じて蓄積不純物濃度を低減して蒸留塔１２へ戻される。また、分離層１６で分離される液相のうち、共沸蒸留によって濃度を低減させたい不純物を主成分とする相は、所望する還流比を達成するために、その一部がライン１８を通って蒸留塔１２へ戻される。
　以上のような構成、動作において、前記熱媒体には前述の通り、スクリュー圧縮機４への吸入温度を６０～１００℃とし、スクリュー圧縮機４からの吐出温度を１５０～１６０℃となる圧縮比で圧縮させることができる熱媒体、具体的にはＣ４～Ｃ７のハイドロカーボン、特にｎ－ヘキサン、ｎ－ペンタン、イソペンタンなどを使用する。ｎ－ヘキサン、ｎ－ペンタン、イソペンタンなどのＣ４～Ｃ７のハイドロカーボンは何れも沸点が低く、常温で液化しやすいため、図１に示した装置の起動前に加温する必要がある。
　また、運転中においてもスクリュー圧縮機２への吸入ガス温度が低下して液化しないように、スクリュー圧縮機２への吸入ガス温度を制御する必要がある。
　さらに、スクリュー圧縮機各要素部品及び潤滑油を１５０～１６０℃となる高温下で使用限界を超えず、安全に運用する必要がある。従って、スクリュー圧縮機４の吐出ガス温度が急激に上昇しないようにする必要があり、そのためにスクリュー圧縮機４の吸入ガス温度を適切に制御する必要がある。
　図２は、スクリュー圧縮機への吸入ガス温度制御に係る構成図である。なお、図２に係る各装置、設備はスクリュー圧縮機４を除き、図１には図示を省略している。
　まず、図２を用いてスクリュー圧縮機への給油について説明する。
　スクリュー圧縮機は、雌、雄二つの歯形を持つロータのかみ合いによりガスの吸込み、圧縮、吐出しの３工程によりガスの圧縮を行っている。前記ロータかみ合い部への油の噴射により、雄ロータによる雌ロータの駆動を可能にするとともに、ロータ間隙間その他の隙間のガスシール性を高め、圧縮ガスの冷却による効率向上とを可能とし、高い体積効率及び断熱効率のもとに高速回転で大容量のガスの処理ができ、磨耗部分も少なく、一段の圧力比が高く取れ、しかも液戻りによる影響も受けにくい。そのため、スクリュー圧縮機へ給油する。
　オイルセパレータ４２内に貯留された油は、オイルポンプ４６によってスクリュー圧縮機４に送液され、スクリュー圧縮機４内のロータかみ合い部等の給油箇所に給油される。スクリュー圧縮機４に給油された油は、スクリュー圧縮機４の中で熱媒体のガスに混入されスクリュー圧縮機４から吐出されるガスに混入される。次いで、スクリュー圧縮機４から吐出された圧縮ガスと油の混合物は、オイルセパレータ４２に送られる。圧縮ガスと油の混合物は、オイルセパレータ４２で気液分離され、油は再度ポンプ４４によってスクリュー圧縮機４に送液され、熱媒体のガスは図１に示した凝縮器６へ送られる。
　なお、ここで使用する油は、スクリュー圧縮機４の運転中は１５０℃以上の高温下に常に晒されるため、１５０℃以上の高温下で分解劣化しない油を使用する必要がある。
　次に、図２を用いてスクリュー圧縮機への吸入ガス温度制御について説明する。
　オイルセパレータ４２の液相部の温度を検出可能な温度センサー４４により、オイルセパレータ４２の液相部、即ち油の温度を検出する。温度センサー４４により検出された温度は温度調節計２２に取り込まれる。なお、温度センサー４４で検出される温度は、圧縮機４から吐出されるガス温度と同値とみなすことができる。
　温度調節計２２には、予めオイルセパレータ４４の液相部の温度、即ち圧縮機４から吐出されるガス温度の目標値（例えば１６０℃）が設定されている。温度調節計２２は、温度センサー４４により検出された温度と、前記目標値を比較して適切な吸入温度を算出し、熱媒体の循環回路２上であり圧縮機４の吸入側に設けられた熱交換器２４及び熱交換器２４のバイパス回路上に設けられたバイパス弁２６の調整を行う。熱交換器２４は、熱媒体の温度調整が可能なものであれば特に限定されるものではなく、例えばファンコントロールによる空冷式の熱交換器や、冷却水量コントロールによる水冷式の熱交換器などを使用することができる。
　図２に示したスクリュー圧縮機への吸入ガス温度制御に係る構成では、温度センサー４４で検出される温度が、温度調節計に設定された目標値（例えば１６０℃）よりも高い場合には、熱交換器２４の運転調整及びバイパス弁２６の開度調整により吸入ガス温度を下げるように調整し、一方、温度センサー４４で検出される温度が、温度調節計２２に設定された目標値（例えば１６０℃）よりも低い場合には、熱交換器２４の運転調整及びバイパス弁２６の開度調整により吸入ガス温度を上げるように調整することで、スクリュー圧縮機各要素部品及び潤滑油を高温下で使用限界を超えず、安全に運用することができる。
　なお、前述の通り、熱媒体としては例えばｎ－ヘキサン、ｎ－ペンタン、イソペンタンなどＣ４～Ｃ７のハイドロカーボンを使用するが、これらは何れも沸点が低く液化しやすいため、吸入ガス温度が急激に低下してガスが凝縮する可能性がある。その場合であっても、凝縮したガスがスクリュー圧縮機４に入らないように、熱交換器２４の下流側且つスクリュー圧縮機４の上流側にノックアウトドラム（ＫＯドラム）２８を設置しておくことが望ましい。
　さらに、図２に示した構成は、装置起動時における暖気運転時にも使用することができる。この場合、まず油のみを圧縮機４→オイルセパレータ４２→オイルポンプ４６の順に循環させる。次に例えばタンク８に設けたヒーター（不図示）などで加温した熱媒体を、温度センサー４４の温度を監視しながら温度調節計２２により熱交換器２４、バイパス弁を調整しながらスクリュー圧縮機４に吸入していく。
　図３は、実施例におけるスクリュー圧縮機４の断面図である。図３において、１０１はケーシングである。ケーシング１内には、歯数の異なるヘリカルギヤが形成された雄ロータ２及び雌ロータ３が噛み合わされ互いに逆回転可能にして収納されている。
　１０７及び１０９は雄ロータ側の軸受で、雄ロータ１０２の軸は、軸受１０７及び１０９により夫々ケーシング１０１に回転自在に支持されている。１０８及び１１０は雌ロータ側の軸受で、雌ロータ１０３の軸は、軸受１０８及び１１０により夫々ケーシング１０１に回転自在に支持されている。
　１１１は雄ロータ側のスラスト軸受で、雄ロータ１０２のスラスト荷重は、雄ロータ１０２の軸及びスラスト軸受１１１を介してケーシング１０１で支承するようになっている。また、１１２は雌ロータ側のスラスト軸受で、雌ロータ１０３のスラスト荷重は、雌ロータ１０３の軸及びスラスト軸受１１２を介してケーシング１０１で支承するようになっている。
　また、１１３は雄ロータ１０２の軸封を行うメカニカルシャフトシールである。
　１１４はバランスピストンで、スラスト荷重が大きくなる駆動側の雄ロータ１０２の軸の反駆動側軸端部に固着され、前記ケーシング１０１内に形成されたシリンダ内に往復摺動可能に嵌合されている。
　かかるスクリュー圧縮機４の運転時において、スクリュー圧縮機４に導入されたガス状の熱媒体は、互いに逆回転せしめられる雄ロータ１０２と雌ロータ１０３との間の隙間容積変化によって圧縮されて吐出される。
　雄ロータ１０２及び雌ロータ１０３の回転に伴う隙間容積変化によって発生するスラスト荷重は、雄ロータ１０２側においては、雄ロータ１０２の軸及びスラスト軸受１１１を介してケーシング１０１で支承し、雌ロータ１０３側においては、雌ロータ１０３の軸及びスラスト軸受１１２を介してケーシング１０１で支承する。
　図３に示したスクリュー圧縮機４において、雄ロータ１０２、雌ロータ１０３、軸受１０７、１０８、１０９、１１０、スラスト軸受１１１、１１２、メカニカルシャフトシール１１３及びバランスピストン１１４については、熱媒体の圧縮、オイルの導入により熱媒体の圧縮機吐出温度である１５０～１６０℃程度の高温に晒されるため、前記各スクリュー圧縮機の構成部品を１５０～１６０℃程度の高温に対する耐熱性を有する材料を使用して作成する必要がある。
　さらに、雄ロータ１０２及び雌ロータ１０３が必要以上の高温に晒されないために、ケーシング１０１と雄ロータ１０２とのクリアランス、及びケーシング１０１と雌ロータ１０３とのクリアランスを調整することができる。
　一例として、ロータとケーシングの間のクリアランスと、ロータ外径で表すロータクリアランス比を０．００２０（＝２０／１００００）とするとロータ（雄ロータ１０２、雌ロータ１０３）の温度の上昇を小さく抑えることができる。
　油冷却器を設けないことで熱効率の向上を図るとともに、熱媒体のスクリュー圧縮機吐出温度が１５０℃以上の高温においても使用可能なヒートポンプ及びその運転方法として使用することができる。

Claims (6)

  1. 　熱媒体を圧縮する給油式圧縮機、前記圧縮機から吐出される前記熱媒体から油を分離して前記圧縮機に戻す油分離回収器、該圧縮機で圧縮された熱媒体を液化させて放熱する凝縮器、該凝縮で液化された熱媒体を減圧する減圧装置、及び該減圧装置で減圧された熱媒体に吸熱させて蒸発させる蒸発器を熱媒体循環経路上で直列に接続し、これら機器に熱媒体を循環させるヒートポンプ装置において、
    　前記熱媒体は、前記圧縮機からの吐出温度が１５０～２００℃となる圧縮比で圧縮させることができる熱媒体を使用するとともに、
    　前記圧縮機の吸入側の前記熱媒体循環経路上に、前記圧縮機に吸入される熱媒体の温度を制御可能な吸入温度制御手段を設けたことを特徴とするヒートポンプ装置。
  2. 　前記熱媒体は、ハイドロカーボン冷媒であることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
  3. 　前記熱媒体は、Ｃ４～Ｃ７のハイドロカーボン冷媒であることを特徴とする請求項２記載のヒートポンプ装置。
  4. 　前記圧縮機の吐出温度を検出する温度センサーと、
    　前記温度センサーの目標温度が設定されるとともに、前記吸入温度制御手段に指令を出し、前記温度センサーの検出値が前記目標温度とするように前記圧縮機への熱媒体の吸入温度を制御する温度制御手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
  5. 　熱媒体を圧縮する給油式圧縮機、前記圧縮機から吐出される前記熱媒体から油を分離して前記圧縮機に戻す油分離回収器、該圧縮機で圧縮された熱媒体を液化させて放熱する凝縮器、該凝縮で液化された熱媒体を減圧する減圧装置、及び該減圧装置で減圧された熱媒体に吸熱させて蒸発させる蒸発器を熱媒体循環経路上で直列に接続し、これら機器に熱媒体を循環させるヒートポンプ装置の運転方法において、
    　前記熱媒体は、前記圧縮機からの吐出温度が１５０～２００℃となる圧縮比で圧縮させることができる熱媒体を使用するとともに、
    　前記圧縮機の吐出温度が目標温度となるように、前記圧縮機への熱媒体の吸入温度を制御して保温運転を行うことを特徴とするヒートポンプ装置の運転方法。
  6. 　前記熱媒体を、前記圧縮機の吸入圧力における沸点以上まで加温して暖気運転をした後、前記保温運転を行うことを特徴とする請求項５記載のヒートポンプ装置の運転方法。
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