JP3078656U - 熱増幅装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】増幅ないしは増熱された高温の熱を発生させ、
且つ、圧縮機の入り側での吸熱を不要にした熱サイクル
を提供する。 【解決手段】圧縮機−熱交換器−絞り装置を順次経由し
て循環する密閉熱媒回路の気体熱媒を圧縮機で高圧高温
にし、この高温気体熱媒を、その熱の一部を熱交換器に
より熱利用側に放熱させた後、絞り装置を介して圧縮機
に循環させる熱サイクルを用いる。熱交換器は、高圧高
温の気体熱媒の熱の一部を熱利用側に熱交換するととも
に、熱交換後の熱媒が気相状態を維持し、且つ、絞り装
置を経て圧縮機に導入される気体熱媒の温度を１サイク
ル毎に上昇させる熱交換器を用いる。圧縮機の吸い込み
側熱媒回路に初期熱媒気化装置と温度調節装置を設け
る。気化装置と温度調節装置温度を共用可能の単一の装
置で構成する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の属する技術分野】

本考案は、圧縮機、熱交換器、絞り装置を有する密閉熱媒回路の熱サイクルを 用いて高温の熱を得るための熱増幅装置ないしは増熱装置に関する。

【０００２】

【考案の技術背景】

フロンなどの冷媒を循環させる密閉冷媒回路に蒸発器、圧縮機、凝縮器、膨張 弁を順次に配設し、蒸発器で吸熱・気化させた冷媒蒸気を圧縮機で圧縮し、得ら れた高温高圧蒸気を凝縮器で放熱して熱を利用するとともに、凝縮した冷媒を膨 張弁を介して液相状態で再び蒸発器に循環させる熱サイクルは、ヒートポンプと して暖房装置等に広く使用されている。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

この種ヒートポンプの熱サイクルは、蒸発器によって低温側の熱源から汲み上 げた熱量を圧縮機で圧縮することにより昇温させ、凝縮器を介して高温の熱利用 側に放出させるものであり、汲み上げる熱量と吐出される熱量の理論的な平衡の もとに熱を低温の熱源側から高温の熱利用側へ移行させるものである。 従って、一般にこの熱サイクルは、熱源温度やこの熱源温度を吸熱する冷媒温 度によって制約され、通常得られる温度は４５℃程度である。また、この種のヒ ートポンプは外部の熱源から蒸発器に熱を供給し続けなければならない。

【０００４】 上記熱サイクルの効率化を目的として本考案者は先に、上記熱サイクルの凝縮 器における熱放出を制限して凝縮器から蒸発器に送られる冷媒温度を高温に保つ とともに、凝縮器で得られた熱の一部を蒸発器の一次側熱源に供給する熱サイク ルを開発し、米国特許第４，５８，４９８号、日本特許第１４８８４２４号を取 得した。

【０００５】 この改良熱サイクルは凝縮器における放熱を制限して蒸発器に噴射される冷媒 温度を比較的高温に維持するとともに、凝縮器の熱利用側に蓄熱した熱の一部を 蒸発器の一次側熱源にフィードバックすることによって、圧縮機の効率を向上さ せ、従来のヒートポンプよりも高い温度の熱を得ることができるものであるが、 圧縮機で高温高圧化した冷媒を凝縮し、液化した冷媒を蒸発器の一次側熱源で蒸 発させるものであるため、得られる熱の温度には限界があり、また、常に蒸発器 の第一次熱源から冷媒に熱を供給しなければならないものであった。

【０００６】 従って、本考案の目的は、従来の上記熱サイクルでは得られなかった高温の熱 を発生させることができるとともに、密閉回路の熱媒が気化するまでの初期運転 以外は蒸発器からの熱の吸熱を要せずに前記高温の熱を得ることができる熱増幅 装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

上記の目的を達成するために、本考案の熱増幅装置は、気体熱媒を循環させる 密閉熱媒回路と、この熱媒回路の気体熱媒を圧縮して昇温させる圧縮機と、圧縮 した高圧高温の気体熱媒の熱の一部を熱利用側に熱交換するとともに、熱交換後 の熱媒が気相状態を維持し、且つ、圧縮機に導入される気体熱媒の温度が１サイ クル毎に上昇するように熱交換する熱交換器と、熱交換器と圧縮器間の熱媒回路 に介装された絞り装置と、前記熱媒回路の絞り装置と圧縮機間に介装され、運転 開始初期に回路内の熱媒を気化させる気化装置と、前記熱媒回路の絞り装置と圧 縮機間に介装され、熱媒温度を所定高温限度内に制御する温度調節装置と、を具 備することを特徴とする。

【０００８】上記の気化装置と温度調節装置は、共用可能なの単一装置で 構成し、あるときは気化装置として使用し、また、あるときは温度調節装置とし て使用する構成にする。

【０００９】

【考案の実施の形態】

以下に添付の図面を参照して本考案の実施の形態を説明する。 図１は本考案による高温熱発生方法の実施に使用される高温熱発生装置の基本 的な構成を示すもので、この装置１は窒素ガス、フロンガス（Ｒ２２）などの気 体熱媒（蒸気を含む）を矢印方向に循環させる密閉式の熱媒回路２を備えている 。この熱媒回路２には圧縮機３と、圧縮機３から吐出される高温高圧の気体熱媒 を熱交換する熱交換器４が介装されており、熱交換器４には熱利用側の熱媒回路 ５が配設されている。 また、前記熱媒回路２には熱交換器４と前記圧縮機３の間にキャピラリーチュ ーブなどの絞り装置６が介装されている。

【００１０】 本考案において使用される前記熱交換器４は、圧縮機３で高圧高温化した気体 熱媒を、その熱の一部を熱利用側に放熱するとともに、放熱後の熱媒が圧縮機３ で高温化した熱（圧縮熱）の一部を残存させたある設定温度の気体熱媒に維持さ れるように熱交換するものである。云い換えれば、本発明の熱交換は熱利用側に 熱を放熱することが目的であるけれども、より高温の熱を生成して熱利用側に与 えるための手段として、圧縮した高圧高温の気体熱媒の熱の一部を熱利用側に熱 交換するとともに、熱交換後の熱媒が気相状態を維持し、且つ、圧縮機に導入さ れる気体熱媒の温度が１サイクル毎に上昇するように熱交換し、これにより、回 路内の熱媒に外部から吸熱することなく、圧縮機３の吐出側熱媒温度をより高温 に上げ、究極的には熱交換器の熱利用側から取り出す熱をより高温に増幅させる ものである。この点において、本考案における熱交換器４の役割は、従来のヒー トポンプにおける凝縮器、すなわち、圧縮機によって昇温された熱をできるだけ 効率よく熱利用側に放出するとともに、熱放出により液化・低温にして蒸発器に おける吸熱作用を効率よくすることが目的の凝縮器とはその作用が根本的に異な る。

【００１１】 本考案は熱媒回路２に気体熱媒を循環させて、圧縮−熱交換−膨張の熱サイク ルを行うことにより熱交換器４から高温の熱を熱利用側へ取り出すものであるが 、フロン２２などの常温で液体の熱媒を使用する場合は、熱媒を回路内で気化さ せる必要がある。この目的のために図の実施例では、熱媒回路２の絞り装置６と 圧縮機３の間に液体熱媒を気化するための気化装置７を介装してある。この気化 装置７には加熱器、蒸発器等を使用することができる。但し、本考案の気化装置 ７は熱媒を気化させて正規の通常運転に至るまでの間だけ用いるもので、その後 の通常運転では熱の発生に関与しない。この点で、通常運転中に熱を吸熱させる 従来のヒートポンプの蒸発器とはその役割を異にするものである。

【００１２】 本考案の熱増幅装置は、上記の熱サイクル回路を使用し、先ず、熱媒が常温で 液体の場合は、運転初期に液体状態の熱媒を気化装置７によって気化させる。た だし、本考案においては、気化装置７は運転初期に熱媒を気化させるのに使用さ れるだけで、気化した後は使用されない。

【００１３】 気化された熱媒回路２の気体熱媒は圧縮機３でその圧縮率に応じて圧縮され、 高温高圧の気体（蒸気を含む）となって熱交換器４に吐出される。 熱交換器４は圧縮機３で高温化した熱媒を熱利用側回路５の熱媒と熱交換して 熱媒の熱の一部を熱利用側回路５に吸熱させるものであるが、本考案は熱交換器 ４から熱利用側回路５に放熱される熱の温度を高める手段として、前記のように 、熱交換後の気体熱媒温度が１サイクル毎に次第に上昇するように熱交換すると ともに、その熱媒を気相状態のまま絞り装置６を通して圧縮機３に送るようにし ている。

【００１４】 すなわち、本考案ではヒートポンプのように熱交換後の熱媒が凝縮して液化さ せることなく、所定の高温を保った気体の熱媒の状態で絞り装置６を介して、圧 縮機３に循環される。従って、圧縮機３に循環される気体熱媒は、ヒートポンプ のように蒸発器で吸熱する必要のない高い設定温度が保持されており、かかる高 温熱媒が圧縮機３によって圧縮されることによりさらに高温化した気体熱媒とな って熱交換器４に吐出する。このような熱サイクルを繰り返すことによって、熱 交換後の熱媒を設定した高温に保ちながら、熱交換器４の熱利用側回路５に高温 の熱が放出されるのである。

【００１５】 次に熱媒を密閉熱媒回路２に循環させ、圧縮機３の圧縮比率が３倍、熱交換器 ４における熱利用側回路５への熱交換を圧縮熱媒温度の２５％、絞り装置６の出 側で減圧膨張した熱媒の温度低下率を３５％とした場合の本考案の作用を説明す る。 初期運転で気化装置７で気化させた気体熱媒温度を２０℃とすると、圧縮機３ の吐出側熱媒温度は２０℃×３の６０℃となる。熱交換器４においてこの６０℃ の熱媒から１５℃（２５％）が熱利用側熱媒回路５に吸熱され、熱交換後の熱媒 が４５℃の気体状態に維持され、絞り装置６の出側で減圧されて圧縮機６に入る 熱媒温度は約２９℃（３５％減）になる。

【００１６】 この２９℃の熱媒が圧縮機３に循環して上記と同様の次ぎの熱サイクルが行わ れることにより、圧縮機３の吐出側熱媒蒸気温度は８７℃となり、熱利用回路５ への熱交換温度２１℃に上昇するとともに、熱交換後の気体熱媒温度は６６℃に 上昇し、絞り装置６の出側で減圧されて圧縮機６に入る熱媒温度は約４３℃にな る。

【００１７】 このようにして上記の熱サイクルを繰り返すことにより、理論上、熱媒回路の 各領域温度は下記のように上昇する。（単位 ℃）

【表１】

【００１８】 このようにして熱交換後の熱媒蒸気が次第に高温になるように熱交換すること により、圧縮機３の吐出側熱媒蒸気温度は理論上は無限に上昇し、熱交換器４の 熱利用側熱媒回路５から極めて高温の熱量が得られる。

【００１９】 また、熱交換後の熱媒蒸気の温度が一定温度に維持されるように熱交換するこ とにより、熱利用の熱媒回路５から得られる熱量を一定の温度に制御できる。

【００２０】 すでに述べたように、本考案では熱媒を常に気体の状態で循環させるものであ るから気化装置７は、運転初期に液体状態の熱冷媒を気化させる目的でのみ使用 し、熱媒が気化した後は不用となるものである。従って、図１の装置を使用する 場合は、熱媒の全量を気化させた後は気化装置７の機能を停止させて、本発明の 本来の熱サイクル（通常運転）を行うことになる。

【００２１】 尚、本考案の熱サイクルにおいては、熱交換器４と圧縮機３の間の回路の熱媒 蒸気温度が高温になるので、図１のように熱媒回路２に気化装置７を直列に設け ることは蒸発器６の保守の上で好ましくない場合が生じる。 このため、好ましくは、図２のように、密閉熱媒回路２の熱交換器４と圧縮機 ３の間に切換弁８、９によって切換えるバイパス回路１０を設け、このバイパス 回路１０に気化装置７を介装してもよい。

【００２２】 図２の装置では、運転初期は切換弁８、９をバイパス回路１０側に開き、気化 装置７で液体熱媒を蒸発させるとともに、熱媒回路２の熱媒が気化した後は図３ のように、切換弁８、９を操作して熱媒の流れをバイパス回路１０から熱媒回路 ２に切換える。このため、気化装置７が高温熱媒の影響を受けない。

【００２３】 熱媒回路２の温度が過度に上昇すると、圧縮機３の作動や潤滑油の性能に支障 がでることが考えられる。この問題に対応するために図の実施例では絞り装置６ と圧縮機３間に過度の高温熱媒温度を感知して熱を放熱する温度調節装置１１が 設けられている。

【００２４】 図の実施例の温度調節装置１１は、圧縮機３の入り側の熱媒温度を温度センサ １２で感知し、熱媒温度が所定限度を超えて高温になると、その検出信号で温度 調節装置１１を作動させて熱媒の熱の一部を放出する。図のように、温度センサ １２を圧縮機３の入り側に設けることにより、圧縮機３が過度の高温に長くさら されないうちに熱媒温度を制御することができる。

【００２５】 図の実施例では気化装置７と温度調節器１２を別部材で構成しているが、気化 装置７は地下水などの熱を吸収させて熱媒の初期気化を行うことができ、また、 温度調節装置１２は高温化した熱媒に上記地下水を循環させて放熱をおこなうこ とができるので、前記の気化装置７と温度調節装置１２は同じ部材で併用するこ ともできる。但し使用目的、作用が異なることは云うまでもない。

【００２６】 図において、参照記号１３は熱交換器４の熱利用側熱媒回路５に組み込まれ た発熱ユニット、Ｐはポンプを示している。

【００２７】

【考案の効果】

本考案は圧縮機によって高温高圧化した熱媒の熱の一部を熱利用側熱媒回路に 放熱するとともに、熱交換後の熱媒が、圧縮機で得た圧縮熱の一部を残存させた 所定高温の気体熱媒に維持されるように熱交換し、このようにして得た所定高温 の気体熱媒を圧縮機に循環して熱サイクルを反復するので、熱交換器の利用側熱 媒回路に高温の熱を得ることができる。

【００２８】 また、熱媒回路の熱媒は外部から熱を与えずに熱媒回路内に残存する自己の圧 縮熱で蒸気温度を上げてゆく。従って、高温熱発生の通常運転中は、外部からの 熱源供給が不要になる。

【００２９】 熱交換後の熱媒蒸気温度が一定になるように熱交換を制御することによって、 熱交換器の熱利用側熱媒回路から得られる熱媒温度を一定にコントロールするこ とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本考案による熱増幅装置の概略構成図

【図２】 本考案の他の実施による熱増幅装置の概略構
成図

【図３】 図２実施例の熱媒回路切り換え説明図

【符号の説明】

１…高温熱発生装置 ２…密閉熱媒回路 ３…圧縮機 ４…熱交換器 ５…熱利用側熱媒回路 ６…絞り装置 ７…気化器 ８、９…切換弁 １０……バイパス回路 １１…温度調節装置 １２…温度センサ １３…発熱ユニット Ｐ…ポンプ

【整理番号】ＵＭＳ００−００６

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【手続補正書】

【提出日】平成１２年１２月２８日（２０００．１２．
２８）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】考案の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【考案の名称】 熱増幅装置

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】気体熱媒を循環させる密閉熱媒回路と、こ
   の熱媒回路の気体熱媒を圧縮して昇温させる圧縮機と、
   圧縮した高圧高温の気体熱媒の熱の一部を熱利用側に熱
   交換するとともに、熱交換後の熱媒が気相状態を維持
   し、且つ、圧縮機に導入される気体熱媒の温度が１サイ
   クル毎に上昇するように熱交換する熱交換器と、熱交換
   器と圧縮器間の熱媒回路に介装された絞り装置と、前記
   熱媒回路の絞り装置と圧縮機間に介装され、運転開始初
   期に回路内の熱媒を気化させる気化装置と、前記熱媒回
   路の絞り装置と圧縮機間に介装され、熱媒温度を所定高
   温限度内に制御する温度調節装置と、を具備することを
   特徴とする熱増幅装置
2. 【請求項２】気体熱媒を循環させる密閉熱媒回路と、こ
   の熱媒回路の気体熱媒を圧縮して昇温させる圧縮機と、
   圧縮した高圧高温の気体熱媒の熱の一部を熱利用側に熱
   交換するとともに、熱交換後の熱媒が気相状態を維持
   し、且つ、圧縮機に導入される気体熱媒の温度が１サイ
   クル毎に上昇するように熱交換する熱交換器と、熱交換
   器と圧縮器間の熱媒回路に介装された絞り装置と、前記
   熱媒回路の絞り装置と圧縮機間に介装され、運転開始初
   期に回路内の熱媒を気化させる気化装置と、前記熱媒回
   路の絞り装置と圧縮機間に介装され、熱媒温度を所定高
   温限度内に制御する温度調節装置と、を具備し、気化装
   置と温度調節装置が共用の単一部材であることを特徴と
   する熱増幅装置