JPH0349018B2

JPH0349018B2 -

Info

Publication number: JPH0349018B2
Application number: JP8122884A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Ogawa; Shinji Nomichi
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1984-04-24
Filing date: 1984-04-24
Publication date: 1991-07-26
Also published as: JPS60226668A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、温水等の温流体製造を目的としたヒ
ートポンプに関する。

なお、本明細書にぽいて「複数の圧縮段」と
は、多段圧縮機のみならず、複数個の圧縮機を直
列状態に連結して用いるようにしたものも含むも
のである。

（従来の技術）近年、冷凍装置の一つである温水製造を目的と
したヒートポンプにおいて、第１図のように、複
数の圧力の異なる凝縮器及び複数個又は複数段の
圧縮機を有し、それぞれの凝縮器とそれに対応す
る圧縮機とを連通させ、各吐出冷媒を別々に導入
するように構成した省エネルギ型のヒートポンプ
が注目されている。第１図のフローシートによつ
てこのヒートポンプについて説明する。

蒸発器１内の液冷媒は、配管２により送り込ま
れる熱源水により加熱されて蒸発し、吸込管３を
経て第１段圧縮機４に吸込まれる。該圧縮機４に
より圧縮されたガスは、そのうち例えば約半分
は、吐出管５より凝縮器６に吐出され、残りの半
分は、分岐７を経て第２段圧縮機８に吸込まれ、
圧縮されて凝縮器９に吐出される。

上記各凝縮器６，９の冷却は、被加熱流体とし
ての負荷流体により行われ、該負荷流体は、ポン
プ１０により、これら二つの凝縮器を直列状に順
に貫流する間に加熱される。圧力の異なる複数個
の凝縮器６，９を有するこのシステムは、通常出
入口温度差の大きい負荷流体が適用され、例えば
負荷流体入口１１より約20℃の温水が、各凝縮器
６，９で40℃づつ加熱され、負荷流体出口１２で
は約100℃となつて負荷に供される。

一方、冷媒ガスは、凝縮器９において凝縮し、
配管１３を経て減圧装置１４で減圧され、次段の
凝縮器６に送り込まれる。このとき、減圧作用に
伴いフラツシユガスが発生するが、このガスは、
第１段圧縮機４より吐出管５を経て吐出される冷
媒ガスと共に、この凝縮器６内で負荷流体により
冷却されて凝縮液化する。この凝縮液は配管１５
を経て減圧装置１６で減圧され、蒸発器１に戻
る。

第２図は、上記の場合の温度線図で、図に示す
ように、凝縮器６では、温水の入口温度が20℃に
対し、冷媒ガス温度が65℃になるように第１段圧
縮機の羽根車等を設計しておけば、その差が45℃
であり、同じく凝縮器６での温水の出口温度の60
℃に対しても５℃高いので、十分に凝縮機能を果
している。他の凝縮器９についても、冷媒ガス温
度を105℃にすれば、同様のことがいえる。

このように各凝縮器が要求する凝縮温度を、
（各凝縮器を通過する温水の出口温度＋適当な温
度差）に留めることができるので、このシステム
は、凝縮器が１個である従来のものに比べて所要
動力が少なくてよく、第２図左上部の斜線の部分
に相当する分だけ、省エネルギとなる。このよう
に、このヒートポンプシステムは、負荷流体の出
入口温度差が大きい場合、つまり最終段圧縮機出
口冷媒温度が高温の場合に有効である。

（発明が解決しようとする問題点）このヒートポンプシステムで高温負荷流体を得
るために、使用冷媒として従来用いられている冷
媒、例えばＲ／２を使用した場合、最終段の圧縮
機出口圧力が、例えばＲ／２で105℃の時37Kg／
cm²（abs）（ここで（abs）は絶対圧力のこと。）
となり、高圧となつてしまうので、従来用いられ
てきた圧縮機等の機器類をそのまま使用できない
欠点があつた。

この欠点を除去するために、使用冷媒として温
度100℃において飽和圧力が15Kg／cm²（abs）以
下の高沸点系冷媒を用いることが必要となる。

しかしながら、このような高沸点系冷媒を使用
した場合に、このヒートポンプシステム中の凝縮
器としてシエルアンドチユーブ型の管内凝縮型、
即ち、第４図に示すように、多数のチユーブ１０
１内に冷媒を通し、その外側、つまり隔て板１０
２によつて仕切られたシエル１０３内に水を通す
ようにし、上記チユーブ１０１内面で凝縮させる
ようにしたものを使用した場合は、低圧側の凝縮
器６内の冷媒ガス流速が、低圧なので比容積が大
きいため速くなり、圧力損失が増大する欠点があ
つたし、圧力損失を少なくするためチユーブ長さ
を短かくし、チユーブ本数を多くすると、コスト
高となる欠点があつた。

また、凝縮器として管外凝縮型、即ち、第５図
に示すように、多数のチユーブ１０１内に水を通
し、その外側、つまり隔て板１０２によつて仕切
られたシエル１０３内に冷媒を通し、上記チユー
ブ１０１の外面で凝縮させるようにしたものを使
用した場合は、高圧側の凝縮器９内の冷媒ガス流
速が、高圧なので比容積が小さいため遅くなり、
特に向流形の凝縮器の場合は、凝縮器内の伝熱性
能が悪くなる欠点があつた。なお、一般に使用さ
れているシエルアンドチユーブ型の凝縮器におい
て、通常、チユーブ内側の流路断面積とシエル側
の流路断面積を比較すれば、シエル側の方が大き
く、冷媒側の圧力損失や伝熱性能を考慮し、ヒー
トポンプで使用する冷媒の比容積により、該比容
積が小さい場合は管内型を使用したり、比容積が
大きい場合は管外型を使用したりする。

本発明は、上記欠点を除去するために、上記の
省エネルギ型ヒートポンプシステム特に高温負荷
流体を得るために冷媒として高沸点系冷媒を用い
た上記省エネルギ型ヒートポンプシステムにおい
て、凝縮器での圧力損失を増大させないようにす
ると共に伝熱性能も良好になるようにすることに
ある。

（問題点を解決するための手段）本発明は、冷媒に、温度100℃において飽和圧
力が15Kg／cm²（abs）以下の高沸点系冷媒を用い
た上記ヒートポンプシステムにおいて、複数の圧
力の異なる凝縮器のうち、少なくとも冷媒の凝縮
温度が最高温度となる凝縮器をシエルアンドチユ
ーブ型の管内凝縮型とし、最低温度となる凝縮器
を管外凝縮型とすることを特徴としている。

（作用）本発明は、上記のような高沸点系冷媒を用いる
ことにより、各凝縮器内の圧力及び蒸発器内の圧
力は何れも高圧とならない。また、高沸点系冷媒
を用いる場合、低温では冷媒ガスの風量が大きく
なるので、少なくとも最低温度となる凝縮器には
管外凝縮型が用いられ、また高温では風量が少な
くなるので、少なくとも最高温度となる凝縮器に
は管内凝縮型が用いられており、従つて何れの凝
縮器内においても冷媒の流れが適正になり、圧力
損失を増大させずに、伝熱性能が良好で、熱交換
作用が効率よく行われる。

（実施例）以下に、本発明の実施例を図面と共に説明す
る。

第１図は、本発明が適用されるヒートポンプの
一実施例を示すフローシートであり、第２図はそ
の温度線図である。

上記第１図に示されたヒートポンプシステムの
使用冷媒として、本発明は温度100℃において飽
和圧力が15Kg／cm²（abs）以下の高沸点系冷媒が
用いられる。その一例として、使用冷媒をR11と
して説明する。

上記のR11を使用したとき、理論的計算の結
果、凝縮器９内の圧力は9.4Kg／cm²（abs）、凝縮
器６内の圧力は3.7Kg／cm²（abs）、そして蒸発器
１内の圧力は0.6Kg／cm²（abs）となる。

これらの圧力数値から分かるように、該ヒート
ポンプシステム内の圧力はそれ程高圧とならない
ので、従来の圧縮機等の機器類をそのまま使用す
ることができる。

また、通常、高沸点系冷媒を用いる場合、冷媒
ガスの風量が大きくなるので、第１図において
（最）低温度となる凝縮器６には管外凝縮型が用
いられている。しかし高沸点系冷媒でも高温にな
ると、冷媒ガスの比容積、すなわち風量が少なく
なるので、第１図において（最）高温度となる凝
縮器９にはシエルアンドチユーブ型の管内凝縮型
が用いられている。

上記のように、冷媒ガスの温度による比容積の
変化に応じて、凝縮器内を流れる冷媒の形態を、
管内凝縮型又は管外凝縮型の何れかにすることに
より、各凝縮器内を流れる冷媒の流れが適正にな
り、圧力損失の増大を防ぎ、伝熱性能が良好で、
熱交換作用が効率よく行われる。

更に、使用冷媒として非共沸混合冷媒（沸点の
異なる混合冷媒）を用いれば、凝縮器内で混合冷
媒ガスの凝縮が始まつてから終るまでの温度が変
化するので、温度線図は第３図のようになり、前
記のような単一冷媒を用いた場合より、斜線の部
分に相当する分だけ省エネルギとなる。

上記の非共沸混合冷媒としては、例えばR11、
R21、R112、R113、R114、R114B2等の高沸点
系冷媒を主成分（モル分率で50％以上）とし、そ
れに混合する冷媒として前記高沸点系冷媒以外
に、R12、R13、R13B1、R14、R22、R500、
R502等の低沸点系冷媒を考える。混合されたこ
れらの冷媒は、温度100℃において飽和温度が15
Kg／cm²（abs）以下の冷媒を指す。

例えばR11＋R14、R11＋R500、R11＋R502、
R11＋R114 R113＋R14、R113＋R500、R113＋R502、
R113＋R114 R114＋R12、R114＋R14、R114＋R22、R114
＋R500、R114＋R502 R112＋R12、R112＋R22、R112＋R11、R112、
R114 等である。（なお、上記混合冷媒の左側が主成分
を示す。）また、この非共沸混合冷媒には、前記
の条件を満たす３種類以上の冷媒の混合も含むこ
とは勿論である。

以上の説明は、２段の圧縮機と２段の凝縮器の
場合についてなしたが、それ以上の段数について
も、同じ効果を示すことは勿論である。

また、圧縮機としては、スクリユー型、遠心
型、レシプロ型のすべてに適用できるのは勿論で
ある。

（発明の効果）以上説明したように、本発明は、ヒートポンプ
サイクルの一部を構成し、外部液体と熱交換する
装置すなわち圧力の異なる凝縮器を複数個有し、
それぞれの凝縮器と、それに対応する圧縮機とを
別々に連通させ、各凝縮器に最適の温度の冷媒が
流れるようにし、かつ少なくとも冷媒の凝縮温度
が最高温度となる凝縮器を流れる冷媒に、温度
100℃において圧力15Kg／cm²（abs）以下の高沸
点系冷媒を用いているので、圧縮機各段の圧縮仕
事を少なくして消費エネルギを節減することがで
きると共に、最終段の圧力が低くなるため、従来
の機器をそのまま使用することができる。また、
最高温度となる凝縮器がシエルアンドチユーブ型
の管内凝縮器であるので、管外凝縮型の凝縮器に
比べて、冷媒充填量が少ないという効果や、圧力
損失を増大させずに伝熱性能が良好であるという
効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用されるヒートポンプの一
実施例を示すフローシート、第２図はその温度線
図、第３図は使用冷媒として非共沸混合冷媒を用
いたときの温度線図、第４図は管内凝縮型凝縮器
の説明図、第５図は管外凝縮型凝縮器の説明図で
ある。１……蒸発器、４，８……圧縮機、６，９……
凝縮器、１４，１６……減圧装置。

Claims

【特許請求の範囲】１蒸発器、圧力の異なつた複数個の凝縮器、こ
れらの凝縮器にそれぞれ対応する圧力の圧縮ガス
を送る複数の圧縮段、複数個の減圧装置及びこれ
らの機器を配管によつて接続し、冷媒に、温度
100℃において飽和圧力が15Kg／cm²（abs）以下
の高沸点系冷媒を用いたヒートポンプにおいて、
複数の凝縮器のうち、少なくとも冷媒の凝縮温度
が最高温度となる凝縮器がシエルアンドチユーブ
型の管内凝縮型で構成され、最低温度となる凝縮
器が管外凝縮型で構成されることを特徴とするヒ
ートポンプ。２冷媒に上記高沸点系冷媒を主成分とした、温
度100℃において飽和圧力が15Kg／cm²（abs）以
下となる非共沸混合冷媒を使用した特許請求の範
囲第１項記載のヒートポンプ。