JPH06100397B2 - 吸収サイクル型ヒ−トポンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は吸収サイクル型ヒートポンプ（absorption cyc
le heat pump）に関する。

吸収サイクル型ヒートポンプにおいては、高温のエネル
ギー源と低温のエネルギー源とがヒートポンプに熱を運
搬し、次いで該ヒートポンプが両方の熱源からの入熱
（heat input）の合計を中間温度で運搬する。運転時に
は、揮発性の作動流体（working fluid）が低温のエネ
ルギー源、典型的には周囲温度の空気または水から熱を
吸収し、且つ蒸発する；発生した蒸気は吸収器に移行し
そこで吸収媒体中に吸収されて熱を放出する；このよう
に形成された作動混合物（working mixture）は、高温
のエネルギー源、典型的には化石燃料の燃焼により得ら
れた熱ガスが提供されている発生器（generator）に送
られそこで加熱されて作動流体の蒸気が発生する；この
ように発生した作動流体の蒸気は加圧下、凝縮器へ流動
しそこで凝縮して熱を放出する；かく形成された液状の
作動流体は次いで膨張弁を通つて蒸発器に送られ、この
ようにしてサイクルが完了する。

吸収サイクル型ヒートポンプで使用されている慣用の作
動混合物は、フツ素化炭化水素、例えば、モノクロロジ
フルオロメタン、１−クロロ−2,2,2−トリフルオロエ
タンおよび1,1,1,2−テトラフルオロエタンとその適当
な吸収剤、典型的には、微かな塩基性を有するもの例え
ばテトラグライム（tetraglyme）からなるか、またはア
ンモニアと吸収剤としての水とからなる；この作動混合
物は高い操作圧力を必要とする。

メタノールと臭化リチウムからなる作動混合物が提案さ
れているが、かかる混合物がヒートポンプの寿命の続く
間、高温安定性有するか否かには疑問がある。

最近、多くの面で吸収サイクル型ヒートポンプに使用す
る作動流体としては水が理想的であり、水の最も有効な
吸収媒体は硫酸であると示唆されている。しかしながら
発生器中で吸収剤が受ける高温においては濃硫酸は極め
て腐蝕性である。また吸収媒体として水酸化ナトリウム
の水溶液、あるいは水酸化ナトリウム／水酸化カリウム
または臭化リチウムまたは塩化リチウムの水溶液と、塩
化亜鉛および臭化亜鉛の一方あるいは両方とを混合した
ものが使用できるということも示唆されている。このよ
うな水溶液は許容できない程高い凍結点を有する傾向が
あり、また上記の混合物は蒸発器中の作動温度での必然
的に高い蒸気圧と比較して、吸収器中の作動温度で許容
できない程高い蒸気圧を有する傾向がある。このとこに
よつて通常４〜20℃の範囲である蒸発器の作動温度に対
して実際的に低い限界値が設けられることになる。蒸発
器の熱源が室温の空気または水であることが望まれる場
合には、０〜−５℃の範囲の実際的な低い限界値が必要
とされるときは、上記の制限によりかかるヒートポンプ
は温和な気候における冬期加熱用には使用できなくな
る。

今般、本発明者は作動混合物が水酸化カリウムと水酸化
セシウムと場合により更に水酸化ナトリウムからなる−
この混合物は前記の欠点の多くを排除する−吸収サイク
ル型ヒートポンプを考案した。特にかかる作動混合物
は、驚くべきことに、許容し得る程度に低い凍結点−あ
るものは20℃以下である−と、吸収器中で得られる温
度、典型的には約65℃において許容し得る低い蒸気圧−
あるものは3mmHg以下である−とを有する。更に、これ
らの混合物は高温熱源の温度、例えば約180℃の温度で2
50mmHgより高い蒸気圧を有する。

本発明は、吸収器から流出する作動混合物が、重量基準
で 15〜85％の水酸化セシウム ５〜45％の水酸化カリウム ０〜35％の水酸化ナトリウムおよび 10〜35％の水 からなることを特徴とする吸収サイクル型ヒートポンプ
を提供する。

水酸化カリウムと水酸化セシウムとの混合水溶液のみか
らなる作動混合物は、重量基準で、50〜85％の水酸化セ
シウム、５〜25％の水酸化カリウムおよび10〜35％の水
を含有することが好ましい。好ましい混合物は、重量基
準で、60〜75％の水酸化セシウム、５〜20％の水酸化カ
リウムおよび15〜30％の水を含有する。特に好ましい混
合物は、約67重量％の水酸化セシウム、約10重量％の水
酸化カリウムおよび約23重量％の水を含有する。

水酸化カリウムおよび水酸化セシウムの外に水酸化ナト
リウムを含有する作動混合物は、重量基準で、15〜50％
の水酸化セシウム、20〜45％の水酸化カリウム、10〜35
％の水酸化ナトリウムおよび10〜35％の水を含有するこ
とが好ましい。好ましい混合物は、重量基準で、25〜40
％の水酸化セシウム、25〜40％の水酸化カリウム、15〜
30％の水酸化ナトリウムおよび10〜35％の水を含有す
る。特に好ましい混合物は、重量基準で、29〜32％の水
酸化セシウム、26〜29％の水酸化カリウム、19〜22％の
水酸化ナトリウムおよび17〜26％水を含み、これは約31
重量％の水酸化セシウム、約28重量％の水酸化カリウ
ム、約21重量％の水酸化ナトリウムおよび約20重量％の
水からなる吸収器−発生器回路（loop）に最初に装填さ
れる流体に概略相当する。しかしながらこれは吸収器−
発生器回路中の質量流（mass flow）の相対的速度と吸
収器中における水蒸気の吸収の相対的速度にある程度依
存している。

低温蒸発器の作動温度は、０〜−５℃の範囲が好まし
く、また、吸収器の作動温度は典型的には55〜75℃の範
囲である。これらの条件下では、水分に富む吸収器から
の流出液（water-rich absorber output）と水分の少い
吸収器への流入液（water-lean absorber input）との
間の全溶解固体濃度の差が、吸収器からの流出液の蒸気
圧についての前記条件を満たすことを条件として、２重
量％、好ましくは３重量％より大きくなるように、吸収
器−発生器回路内での質量流の速度と吸収器内での水の
吸収の速度とをバランスさせることが望ましい。これに
よつて前記回路内でのポンプ輸送と熱交換の必要性が減
少するという利点が得られる。

前記の温度で操作を行い得ることは本発明の重要な特徴
である。しかしながら、年間にわたる運転ではある時
期、例えば夏期には他の温度、例えばより高い温度にも
遭遇するであろう。

本発明に係る作動混合物は、一般的な設計の吸収サイク
ル型ヒートポンプ、好ましくは、例えばヨーロツパ特許
明細書No.0,119,776A号に記載されているごとき回転式
吸収サイクル型ヒートポンプに使用し得る。

蒸発器中の作動流体の温度が、ヒートポンプの運転中あ
るいは使用していない間に０℃以下に降下する可能性が
ある場合には、無機物質であるかまたは有機物質であり
得る適当な凍結防止剤、例えば水酸化セシウムと水酸化
カリウムと場合により更に水酸化ナトリウムとの混合物
を作動流体中に加えることが多くの場合好ましいことは
理解されるであろう。

以下においては本発明を図面を参照して説明する。

最初に第１図を参照すると、水性作動流体を、ポンプＰ
によつて、蒸発器Ｅ、吸収器Ａ、溶液熱交換器Ｘ、蒸気
発生器Ｇおよび凝縮器Ｃからなる装置系を上記の順序で
循環させる。蒸発器Ｅにおいては作動流体を周囲の空気
流（または水や地面のごとき他の何らかの周囲熱源）と
の熱交換によつて蒸発させる。

蒸気相をライン１を経て吸収器Ａに通送し、ここで蒸気
相を水、水酸化カリウムおよび水酸化セシウムからなる
水分の少い混合物中に吸収させ、その間にその溶解熱を
放出させる。この熱を熱交換によつて加熱されるべき媒
体、典型的にはライン２中を流れる中央加熱媒体、例え
ば水または空気に吸収させる。

吸収器Ａから流出するかつ約67％W/Wの水酸化セシウ
ム、約10％W/Wの水酸化カリウムおよび約23％W/Wの水を
含有する、水、水酸化カリウムおよび水酸化セシウムか
らなる水分に富む混合物は、ライン３およびポンプＰを
経て溶液熱交換器Ｘに送り、そこで吸収器に供給された
前記の水分の少ない混合物から熱を吸収し、その後ライ
ン４を経て蒸気発生器Ｇへ流入する。発生器Ｇにおいて
は前記の水分に富む混合物が例えばガス炎によつて直接
的にあるいは熱ガスによつて間接的に加熱され、且つ作
動流体の蒸気を発生する。かく得られる水分の少い混合
物はライン５、溶液熱交換器Ｘおよび減圧バルブV2を経
て吸収器に還送する。

発生器Ｇからの蒸気は、ライン６を経て凝縮器Ｃに送
り、該凝縮器Ｃにおいてライン７中を流れる被加熱媒体
中へ熱を与え、そして液体に凝縮する。該液体は最終的
にはライン８と膨脹弁V1を経て蒸発器Ｅに還送される。

以上から明らかな通り、ヒートポンプにインプツトされ
る全熱量は蒸発器Ｅにおいて常温の流体から吸収した低
グレードの熱と、蒸気発生器Ｇへ供給された高グレード
の熱の合計である。蒸発器における熱のアウトプツトと
発生器における熱のアウトプツトとの間の中間レベルに
ある熱のアウトプツトは吸収器Ａと凝縮器Ｃとで加熱さ
れるべき媒体により吸収された熱である。

第２図に図解的に例示されている本発明のヒートポンプ
の具体例においては第１図の構成部材が回転を行わせる
ためのシヤフト上のＳの位置に例示するごとく配置され
ている。この図では、第１図に示すものに相当する部材
は同じ数字と文字を使用して示した。図から明らなか通
り、ヒートポンプ中を流れる流体の流れの順序は第１図
の場合と本質的に同一であるが、回転シヤフト上に近接
して平行に各部材を配置することによつて、第１図から
明らかである以上にコンパクトな装置に組立可能になつ
ている。第２図のライン９は、周囲空気を蒸発器に導入
する径路である。適当なバーナーから熱のガスをライン
10によつて蒸気発生器に導入する。加熱されるべき媒体
は、ライン２中、次いでライン７中を流れ、吸収器中で
熱を吸収し、次いで凝縮器中で熱を吸収する。

次に実施例により本発明を更に説明するが、本発明はこ
れらの実施例によつて何ら限定されるものではない。

実施例 本発明で使用するタイプの作動混合物は、本願出願人の
ヨーロツパ特許出願0119766A号明細書に記載のヒートポ
ンプに使用することができる。このような作動混合物を
種々の運転条件で使用する上記のヒートポンプの性能は
下記の通りである。

２種の異なる配合液を使用した。

配合液Ａ−重量比で6.7:1のCsOHとKOHおよび種々の割合
の水、 配合液Ｂ−重量比で38.6:35.2:26.2のCsOH、KOH、NaOH
および種々の割合の水． 63.9℃でヒートポンプに流入し、72.7℃でヒートポンプ
から流出する循環熱水に8788Wを供給するヒートポンプ
においては、ヒートポンプ内の一般的な条件は、作動混
合物として配合液Ａを使用するかまたは配合液Ｂを使用
するかに応じて下記第１表および第２表に示す通りであ
る。

表中に引用されるラインの番号は第２図に示したもので
ある。

配合液Ａを使用した場合には、更に（ｉ）（ａ）蒸気発
生器内の流体により吸収された熱が5425Wであり、また
（ｂ）蒸発器内で作動流体により吸収された熱は3363W
であり、（ii）水中へ移行された熱は（ａ）吸収器中で
は4825Wであり、また（ｂ）凝縮器内では3963Wであり、
（iii）熱交換器内で熱交換された熱は14509Wであり、
（iv）下記式により定義されるヒートポンプの性能係数
（COP）は1.62である： 配合液Ｂを使用した場合には、更に（ｉ）（ａ）蒸気発
生器内で流体により吸収される熱は5263Wであり、
（ｂ）蒸発器内の作動流体によつて吸収される熱は3525
Wであり、（ii）水中に移行された熱は（ａ）吸収器中
では4703Wであり、（ｂ）凝縮器中では4085Wであり、
（iii）熱交換器中で交換された熱は8063Wでありそして
（iv）性能係数は1.67である。

40.6℃でヒートポンプに流入し、45.8℃でヒートポンプ
から流出する循環温水に5152Wを供給するヒートポンプ
においては、ヒートポンプ内での一般的な条件は作動流
体として配合液Ａを使用するかまたは配合液Ｂを使用す
るかに応じて第３表および第４表に示す通りである。

配合液Ａを使用した場合には、更に（ｉ）（ａ）蒸気発
生器中で流体により吸収された熱は2976Wであり、
（ｂ）蒸発器中で作動流体によつて吸収された熱は2176
Wであり、（ii）水に移行した熱は（ａ）吸収器中では2
781Wであり、（ｂ）凝縮器中では2371Wであり、（iii）
熱交換器中で交換された熱は7518Wであり、そして（i
v）性能係数は1.73であることが算出できる。

配合液Ｂを使用した場合は、更に（ｉ）（ａ）蒸気発生
器中で流体によつて吸収された熱は2856Wであり、
（ｂ）蒸発器中で作動流体によつて吸収された熱は2296
Wであり、（ii）水に移行した熱は（ａ）吸収器中では2
485Wであり（ｂ）凝縮器中では2667Wであり、（iii）熱
交換器中で交換された熱は5716Wでありそして性能係数
が1.80である。

60℃でヒートポンプに流入し、70℃でヒートポンプから
流出する循環温水に10KWを供給するヒートポンプにおい
ては、ヒートポンプ内で一般的な条件は、作動混合物と
して使用される配合液Ａまたは配合液Ｂに従つて第５表
および第６表に示される通りである。

配合液Ａを使用した場合は、更に（ｉ）（ａ）蒸気発生
器中で流体によつて吸収された熱は6322Wであり、
（ｂ）蒸発器中で作動流体によつて吸収された熱は3678
Wであり、（ii）水に移行した熱は（ａ）吸収器中では5
533Wであり、（ｂ）は凝縮器中では4467Wであり、（ii
i）熱交換器中で交換された熱は17829Wでありそして（i
v）性能係数は1.58である。

配合液Ｂを使用した場合には、更に（ｉ）（ａ）蒸気発
生器中で流体によつて吸収された熱は6179Wであり、
（ｂ）蒸発器中で作動流体によつて吸収された熱は3821
Wであり、（ii）水に移行した熱は（ａ）吸収器中では5
454Wであり、（ｂ）凝縮器中では4546Wであり、（iii）
熱交換器中で交換された熱は8637Wであり、そして（i
v）性能係数が1.62であることが算出される。

【図面の簡単な説明】

第１図は吸収サイクル型ヒートポンプの部材を簡単な図
解的方法で示すものであり、第２図は、本発明のヒート
ポンプ実施態様における各部材の並置状態および流体の
流れを示すものである。 E;蒸発器、A;吸収器 X;熱交換器、G;蒸気発生器 C;凝縮器、P;ポンプ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】吸収器から流出する作動混合物が、重量基
   準で、15〜85％の水酸化セシウム、５〜45％の水酸化カ
   リウム、０〜35％の水酸化ナトリウムおよび10〜35％の
   水からなることを特徴とする、吸収サイクル型ヒートポ
   ンプ。
2. 【請求項２】作動混合物が、重量基準で、50〜85％の水
   酸化セシウム、５〜25％の水酸化カリウムおよび10〜35
   ％の水を含有する水酸化セシウムと水酸化カリウムとの
   水性混合物である、特許請求の範囲第１項に記載の吸収
   サイクル型ヒートポンプ。
3. 【請求項３】作動混合物が、重量基準で、60〜75％の水
   酸化セシウム、５〜20％の水酸化カリウムおよび15〜30
   ％の水を含有する、特許請求の範囲第２項に記載の吸収
   サイクル型ヒートポンプ。
4. 【請求項４】作動混合物が、約67重量％の水酸化セシウ
   ム、約10重量％の水酸化カリウムおよび約23重量％の水
   を含有する特許請求の範囲第３項に記載の吸収サイクル
   型ヒートポンプ。
5. 【請求項５】作動混合物が、重量基準で、15〜50％の水
   酸化セシウム、20〜45％の水酸化カリウム、10〜35％の
   水酸化ナトリウムおよび10〜35％の水を含有する特許請
   求の範囲第１項に記載の吸収サイクル型ヒートポンプ。
6. 【請求項６】作動混合物が、重量基準で、25〜40％の水
   酸化セシウム、25〜40％の水酸化カリウム、15〜30％の
   水酸化ナトリウムおよび10〜35％の水を含有する特許請
   求の範囲第５項に記載の吸収サイクル型ヒートポンプ。
7. 【請求項７】作動混合物が、重量基準で29〜32％の水酸
   化セシウム、26〜29％の水酸化カリウム、19〜22％の水
   酸化ナトリウムおよび17〜26％の水を含有する特許請求
   の範囲第６項に記載の吸収サイクル型ヒートポンプ。
8. 【請求項８】作動混合物が約31重量％の水酸化セシウ
   ム、約28重量％の水酸化カリウム、約21重量％の水酸化
   ナトリウムおよび約20重量％の水を含有する、特許請求
   の範囲第７項に記載の吸収サイクル型ヒートポンプ。
9. 【請求項９】少なくとも１個の蒸発器、吸収器、蒸気発
   生器および凝縮器からなり、上記部材の少なくとも１種
   は、回転可能なプレートの形を有しそしてこのプレート
   の厚さの方向で熱交換が行われる、特許請求の範囲第１
   項に記載の吸収サイクル型ヒートポンプ。