JPH079326B2

JPH079326B2 - ヒートポンプ

Info

Publication number: JPH079326B2
Application number: JP30008486A
Authority: JP
Inventors: 康夫小川; 伸治野路; 啓二小池
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1986-12-18
Filing date: 1986-12-18
Publication date: 1995-02-01
Anticipated expiration: 2010-02-01
Also published as: JPS63153372A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、温流体或いは冷流体を製造するため、圧縮機
を用いるヒートポンプに関するものである。

〔従来技術〕

最近ヒートポンプの性能向上などのために非共沸混合冷
媒が用いられてきている。この場合蒸発器としては混合
冷媒の特性を生かすために全長にわたって効率のよい向
流形のものが用いられる。また、混合冷媒としては特開
昭58-87182,特開昭61-271379号公報に示すようなものが
ある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、このような従来のものにおいては次の如き問題
点を有していた。

即ち、例えば、圧縮機がターボ圧縮機の場合には、冷媒
は或る程度の比体積があることが望ましく、そのために
高沸点系冷媒を主成分とする混合冷媒を用いることが望
まれていた。

しかしながら、このような比体積の大なる高沸点系冷媒
（例えばフロン−11、フロン−113など）を主成分とす
る混合冷媒を用いると、従来の向流式蒸発器において
は、蒸発冷媒側の流路、特に出口側の流路において圧損
が大きくなり圧縮器の動力の損失を招く、という問題点
がある。

特に乾式蒸発器において、第12図に模型的に示すよう
に、蒸発器31において、冷媒は冷媒入口管に32から入
り、伝熱管34を通る熱源流体により向流状態にて熱交換
を行い、蒸気となり冷媒出口管33から導出される場合
に、冷媒流が圧縮器に吸い込まれないようにするため、
冷媒出口管33において冷媒を過熱状態に保持する過熱度
制御が行われる。即ち、冷媒出口管33における温度を温
度検出器35により検出し、所定の過熱度になるように冷
媒入口管32の流量制御弁36により冷媒流入量を制御す
る。この場合、冷媒出口管33において完全に過熱状態と
するためには、蒸発器31内の冷媒出口部付近37の領域に
おいて既に冷媒を殆ど蒸気にしておく必要がある。従っ
て、このような場合には、冷媒出口部付近37では、体積
比の大なる冷媒蒸気により高速流を生じ、圧損が大きく
なる。

この圧損は次の如き損失を伴う。

これを従来の蒸発器における温度変化を図示した第13図
により説明すると、縦軸は温度、横軸は熱源流体温度で
ある。横軸に管長をとると、条件により熱源流体温度の
曲線も変化し、比較しにくくなるので、熱源流体温度を
とり、比較に便をはかっている。４は熱源流体温度変化
を示す。熱源流体は熱交換により図のように例えば50℃
から45℃に低下する。

一方、冷媒側は理想的な混合冷媒の場合、蒸発冷媒温度
は例えば５のように変化する。図の場合t₁＝42℃からt₀
＝47℃に変化する。即ち、蒸発器の全長にわたり、温度
差が同じとなる。

しかしながら、実際は、前述の如く、蒸発器31の冷媒出
口部付近37では圧損を生ずるので、出口端においては、
圧損ゼロの場合の圧力よりも圧損分だけ圧力が低くな
り、そのため沸点が降下し、冷媒蒸気の出口蒸発温度t₁
は圧損相当分の例えば25℃降下して44.5℃となる。第13
図の横軸は、エントロピでなく熱源流体温度なので、同
図における冷媒温度線と露点温度線（図示せず）とで囲
まれる面積は、仕事量そのものを定量的に示すわけでは
ないが、出口蒸発温度でt₀＝47℃からt₁＝44.5℃に低下
するということは線５と線６との間に対応する仕事量が
余分に費やされることとなり動力の損失を伴う。

また、圧損を少なくするために冷媒通過断面積を大きく
した場合には熱伝達率が低下し、冷媒出口温度が低下
し、同様に動力の損失を招く。

さらに、冷媒出口付近37において冷媒がほとんど蒸発し
ていることは、冷媒蒸気と伝熱管との間はガス−固体の
伝熱となり、液−固体の伝熱に比べ熱通過率がかなり悪
くなり、熱交換性能の悪化を招き、これにより冷媒出口
温度が低下し、動力の損失を伴ってヒートポンプの性能
向上にならない問題があった。

本発明は、これら従来のものの上記の問題点を解決し、
圧損を減少させ、動力の損失を防ぎ、さらに蒸発器の熱
交換性能の良好なヒートポンプを提供することを目的と
するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するため本発明は、圧縮機、凝縮器、
蒸発器を備え、これらの機器間に冷媒を循環せしめる冷
媒循環流路を形成し、該冷媒として非共沸混合冷媒を用
いてヒートポンプサイクルを行うヒートポンプにおい
て、冷媒にヒートポンプの成績係数が最高の値を示すモ
ル分率以上である高沸点系冷媒の主成分冷媒と該主成分
冷媒よりもモル分率が少なく且つ沸点の低い低沸点系冷
媒とよりなる非共沸混合冷媒を用い、蒸発器は向流形で
一部が冷媒出口部付近において伝熱部を液冷媒に接触状
態に維持する満液式蒸発器構造となっていることを特徴
とする。

〔作用〕

ヒートポンプに用いられる非共沸混合冷媒において、高
沸点系冷媒としてフロン−113（以下Ｒ−113と記す）
と、これよりも低沸点の低沸点系冷媒としてフロン−11
4（以下Ｒ−114と記す）との混合冷媒を用いた例により
説明する。

第17図はＲ−113とＲ−114との混合冷媒の、ヒートポン
プサイクルの或る条件における成績係数（COP）の計算
値である。この条件下ではＲ−113のモル分率がほぼ0.9
のときCOPが最良となる。また、第18図における高沸点
冷媒のＲ−113と低沸点冷媒のＲ−11との混合冷媒にお
いては、Ｒ−113のモル分率がほぼ0.55のときに、第19
図における高沸点のＲ−11と低沸点のＲ−114との混合
冷媒においては、Ｒ−11のモル分率がほぼ0.65のとき
に、第20図における高沸点のＲ−11と低沸点のＲ−12と
の混合冷媒においてはＲ−11のモル分率がほぼ0.93のと
きに、それぞれCOPが最高となる。

第17乃至第20図に示すように、実用的な混合冷媒（高沸
点冷媒の沸点と低沸点冷媒の沸点との差が大きい混合冷
媒）においては、COPの最大値は、高沸点冷媒のモル分
率がほぼ0.5以上の範囲、即ち高沸点冷媒を主成分とす
る範囲の混合冷媒に見られるので混合冷媒としては高沸
点冷媒を主成分とするものを用いるのが好ましい。

次に、Ｒ−113とＲ−114との混合冷媒（Ｒ−113のモル
分率0.9のもの）を用いた場合を例として、本発明の一
部が、冷媒出口付近において満液式蒸発器構造となって
いることによる作用につきさらに第16図を用いて説明す
る。

この満液式構造とは第６図のような、伝熱管１を有する
フェルアンドチューブ形のものだけではなく、第７図、
第８図のようなフィン３を有するプレート２を備えたプ
レートフィン形のものや、フィンのないプレート形のも
の（図示せず）も含むものとする。

また、一部が満液式とは、伝熱面全部が液で満たされて
いるわけではなく、蒸気の比体積の大きな冷媒の場合に
は伝熱面上部では大部分が蒸気で、液がわずかであるよ
うな場合も含む。例えば第９図のように伝熱面上部には
液が全くないような場合でも、この蒸発器は満液式であ
る。

また向流形とは第10図、第11図（図は凝縮器の例）のよ
うなもの、すなわち、バッフルプレート30により流路は
迂回されているものも、マクロに考えて向流形のものに
含む。

第16図は高沸点冷媒としてのＲ−113と、低沸点冷媒と
してのＲ−114とを、Ｒ−113のモル分率をほぼ0.9とし
て混合した混合冷媒を用いたときの特性を示すもので左
側の図は気液平衡線図、右側の図は蒸発器内の温度変化
を示す。

気液平衡線図において実線ａは冷媒入口の圧力における
混合液の沸点曲線、実線ｂは同じく露点曲線である。点
線ａ′は従来のものにおける如く圧損を伴い、冷媒入口
の圧よりも低くなった冷媒出口の圧力における沸点曲
線、点線ｂ′は同じく露天曲線である。

本発明においては、向流形で一部が冷媒出口部付近にお
いて伝熱部を液冷媒に接触状態に維持する満液式蒸発器
構造となっているので、体積比の大なる冷媒の蒸発が盛
に行われる冷媒出口部付近においても、冷媒蒸気は狭い
流路を高速で流れるようなことはなく、流路抵抗は小さ
く、圧損は極めて小となる。

従来例との比較をするために、本発明のものの例とし
て、第16図の右側の図のＨ点相当部分より上流側が向流
形蒸発器構造を有し、Ｈ点相当部分より出口側が満液式
蒸発器構造となっているものを挙げて説明する。また、
圧損については、従来ものと共通のＨ点相当部分より上
流側の向流形蒸発器構造の部分は圧損はないものとし、
Ｈ点相当部分より出口側の部分については、従来のもの
の向流形蒸発器構造の部分では、圧損を伴い、本発明の
満液式蒸発器構造の部分では圧損はないものとする。

従って気液平衡線図に関しては、冷媒入口からＨ点相当
部分までは実線のa,b曲線が適用される。Ｈ点相当部分
から出口側の部分は、従来の向流形蒸発器構造の部分で
は圧損のため圧力が降下し、気液平衡線図は次第に降下
して、冷媒出口においては破線のａ′,b′曲線が適用さ
れ、本発明の満液式蒸発器構造の部分では気液平衡線図
は降下せず実線のa,b曲線が適用される。

先ず、従来のヒートポンプにおける例を説明する。Ｒ−
113のモル分率が0.9である混合冷媒を蒸発器に導き、熱
源流体で加熱し、蒸発せしめる。

混合冷媒が加熱され温度が上昇して蒸発開始点Ａ点に達
すると蒸発が開始され、A₁点の組成の蒸気を発生する。
このときの温度はt₁＝42℃である。

冷媒がさらに冷媒流路を流れるにつれ、温度が上昇する
と共に、蒸気の流路抵抗による圧損が生じ、Ｈ点相当部
分付近から圧力が次第に低下し、気液平衡線図の沸点曲
線ａ及び露天曲線ｂは次第に下降する。その途中の過程
で、圧損のため圧力はさらに次第に降下し、気液平衡線
図も下降し、冷媒出口では沸点曲線ａ′及び露天曲線
ｂ′となる。

蒸発を続けた冷媒は最後に露天曲線ｂ′上の蒸発終了点
Ｂ′に達して蒸発が終了する。このとき右側の図では冷
媒の温度はＨ点を経て１点に達しt₁＝44.5℃に達する。

向流式蒸発器の理想条件では、冷媒出口温度はt₀＝47℃
となりＫ点に達する。一方、実際の圧損のある場合には
44.5℃のＩ点に達し、Ｋ点に比べ2.5℃の温度降下を伴
っている。このように圧損を伴い温度降下（t₀−t₁）を
伴うことにより、圧縮機の動力の損失を招く。

これに対し、本発明の場合は、Ｈ点相当部分付近から下
流側は満液式蒸発器構造であるので、その範囲の温度、
圧力はほぼ均一となる。ここで、満液式蒸発器構造にお
いては圧損を生じないので圧力の低下はほとんど起こら
ず、気液平衡線図はほぼ実線a,bの曲線が適用される。
従って最終蒸発点はほぼＢ点となり、右の図でＭ点に至
り、その温度はt₂≒47℃となる。

従って本発明の場合は、理想状態におかるt₀からの温度
降下はt₀−t₂≒０℃となり、従来のものにおける2.5℃
より減少しており、従って圧縮機の動力の損失も減少す
る。

次に、一部が冷媒出口付近において伝熱部を液冷媒に接
触状態に維持する満液式蒸発器構造としたことによる伝
熱上の作用について説明する。

この満液式蒸発器構造の場合は、伝熱管の冷媒側の表面
は常に液に接触するか、少なくとも泡状の液体が接触し
てガスと液とが交互に接触し、常にガスのみが接触する
ということはない。従って冷媒側の熱通過率が従来のも
のに比べ著しく向上し、熱交換量の向上をはかることが
できる。また、これにより冷媒出口温度を高め、圧縮機
の動力の損失を低減することができる。

混合冷媒を構成する冷媒としては、例えば、Ｒ−113,R
−11,R−114,R−12,R−22（沸点の高い順）などが挙げ
られ、これらのうち２又は３種以上が組み合わせられて
用いられる。

なお、以上の説明における温度、組成などに関する数値
は説明のための一例であり、本発明はこれに拘束される
ものではない。

〔実施例〕

本発明のヒートポンプの実施例につき図面を用いて説明
する。第５図はヒートポンプの側面図である。８は凝縮
器、９は蒸発器、10は圧縮機である。凝縮器８は向流形
の構造（図示せず）のものが用いられている。凝縮器８
で凝縮した冷媒は減圧装置11により減圧され、冷媒入口
ノズル12により蒸発器９に流入する。

第1,2、3,4図において液冷媒は冷媒入口ノズル12より流
入し（第４図参照）、分配通路13および14を通り、冷媒
通路15に流入する。冷媒通路15はフィン16,16′,16″に
より仕切られている。この通路を通過するとき、水側流
路17,17′内の熱源流体により加熱されて、徐々に蒸発
する。そして、例えば70％程度蒸発した時点で、一部が
満液式蒸発器構造となっている出口蒸発部18に流入す
る。そしてここで更に、水側流路19,19′を通る熱源流
体により加熱されて、完全に蒸発し、蒸気率20に設けら
れたデミスター21を通り、出口ノズル22より圧縮機に吸
入される（第５図参照）。

一方熱源側流体はノズル23から、水室24を経由して、水
側流路19,19′に流入し、前述のようにプレート25、2
5′,25″を介して、冷媒を加熱し、熱源流体自身は冷却
されて水室26を経由し、更に出口ノズル27を経由して、
外部に流出する。

なお、冷媒に油などが混入する場合には、この油混入冷
媒をポンプ28により（第３図参照）油分離器などに送る
手段が採られる。

蒸発器における冷媒の蒸発の状態については前記の〔作
用〕に記載した如くであるが、出口蒸発部18内で高沸点
冷媒Ｒ−113と低沸点冷媒Ｒ−114とが十分均一に混合さ
れておらず、高沸点冷媒Ｒ−113のみが一部残存して蒸
発を続けることがある。このときは第16図の気液平衡線
図において、沸点はＢ点にとどまらず、液の温度はＲ−
113の沸点であるＣ点に相当する、例えばt₃＝t₀＋Δｔ
＝48℃にまで上昇し、Ｌ点に至ることもある。このと
き、蒸気の温度は47℃以下となり、冷媒全体では47℃を
保つ。このような場合には熱源流体の温度に近付き温度
差が少なくなるので（例えばED線に対する温度差はHL線
ではHM線に対して小となる）、熱交換量は減少すること
になるが、上昇温度Δｔが極めて小であるので、影響は
少ない。むしろ後述の如く、伝熱が良好になり、COPも
上がることから全体として良好な作用をもたらす。

混合冷媒として、高沸点冷媒のモル分率が高いもの、即
ち高沸点冷媒を主成分とするものを選べば、低沸点冷媒
を主成分とするものに比べて、この上昇温度Δｔを小さ
くすることができ、蒸発終了点（例えばＢ点）を対象に
設計している場合に沸点の温度上昇Δｔによる熱交換量
の減少を低減せしめることができる。

また、混合冷媒として、主成分冷媒（即ち高沸点冷媒）
のモル分率が、最高のCOPを示すモル分率以上のものを
選べば温度上昇Δｔは非常に小さくなり、熱交換量の減
少を一層低減する。

第14図，第15図に示す実施例は第１〜４図の蒸発器を改
良したものである。すなわちポンプ28からの送液の一部
が配管29,散布ノズル38を経由して、出口蒸発部18に散
布される。この散布により伝熱性能が向上するだけでな
く、出口蒸発部18内に高沸点系冷媒のみが残り、沸点の
温度上昇Δｔが生ずるのを防止して熱交換量の減少を防
ぐことができる。

また第21〜23図はシェルアンドチューブ方式の場合の本
発明の蒸発器平面断面図の一実施例を示す。

蒸発器入口ノズル111から蒸発器112に流入した冷媒は第
１パス通路113を向流式にて通り、ターン部114で方向転
換し、第２パス通路115を向流式にて通り、最終的には
完全に蒸発蒸気となり、ノズル116から圧縮機に吸い込
まれる。なお、伝熱性能を向上させるために、上下仕切
り板117が配備されている。また、蒸発器出口部に近い
部分は満液式蒸発器の構造となっている。すなわち、伝
熱管上部に蒸気室118があり、この部分では蒸発器内圧
力及び冷媒温度は大略一定となっている。

なお、熱源流体は入口ノズル119から、水室120を経由し
て、伝熱管121に流入し、伝熱管外部の液冷媒を加熱
し、熱源流体自身は冷却され、水室122に流入し、液冷
媒を加熱することにより、逆に冷却される。そして更に
伝熱管123を通り、水室124を経由して、ノズル110より
外部に流出する。

第24〜26図は本発明の別の実施例を示す。凝縮器125,蒸
発器126とも、仕切り127、128により２分割されてい
る。凝縮器は全体が管外凝縮形であるが、蒸発器は向流
式の管内蒸発形蒸発器129と満液式蒸発器130の２つの蒸
発器より構成されている。なお図において131は圧縮機
で吸込管132により、満液式蒸発器130と連結されてい
る。

第25図において、熱源流体は入口ノズル133→水室134→
伝熱管135→水室136→連絡管137→シェル内部通路138→
出口ノズル139の順序で流れ、冷媒を加熱する。一方冷
媒は入口ノズル140→ヘッダ141→伝熱管142→連絡通路1
43→シェル内部144の順序で流れる。シェル内部144に入
った冷媒はシェル内部144の伝熱管135により加熱されて
蒸発し蒸気室146に入り、出口ノズル145から圧縮機131
に吸い込まれる。

なお、この方式の利点は連絡通路143が満液式蒸発器130
に連絡される高さを最適な位置とできることである。す
なわち、下部に連絡すると圧損が大となり、あまり上部
とするとアジテート効果、即ち冷媒を掻き混ぜ均一にす
る効果が少なくなる。

第27図は蒸発器147全体が満液式の場合の例を示す。14
8,149は冷媒の入口ノズル、出口ノズル、150は蒸気室、
151,152は水側の入口ノズル、出口ノズル、153,154は水
室、155は伝熱管である。この形式では器内の液冷媒の
ほとんどの温度は一定となるが液冷媒の入口近くでは低
沸点系冷媒が激しく蒸発するので、熱源流体の温度は出
口近くで急激に降下する。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、冷媒にヒートポ
ンプの成績係数が最高の値を示すモル分率以上である高
沸点系冷媒の主成分冷媒と該主成分冷媒よりもモル分率
が少なく且つ沸点の低い低沸点系冷媒とよりなる非共沸
混合冷媒を用い、蒸発器は向流形で一部が冷媒出口部付
近において伝熱部を液冷媒に接触状態に維持する満液式
蒸発器構造となっているので、下記のような優れた効果
が得られる。

（１）混合冷媒の省エネルギー性を発揮できるタイプ
のヒートポンプとなり、伝熱性能の向上と圧力損失の大
巾な低減が可能で、圧損による飽和温度低下を防ぎ、圧
縮機の動力の損失を低減せしめることができる。

（２）伝熱壁の冷媒側が常にガスになる部分がないよ
うになるので伝熱性能がよく、熱交換量が大きくなり、
蒸発温度が上昇し、動力の損失を防ぐことができる。

（３）蒸発器の蒸気出口部において、体積比の大きい
冷媒の蒸発が盛んに行なわれても冷媒蒸気は狭い流路を
高速で流れることなく流路抵抗は小となり、減圧装置と
しても手動膨張弁やオリフィスなどの安価なものを使用
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の蒸発器の第２図Ｉ−Ｉ線によ
る縦断面正面図、第２図は第１図のII-II線縦断面平面
図、第３図は第１図のIII-III線断面側面図、第４図は
第１図のIV-IV線断面側面図、第５図はヒートポンプの
側面図、第６図〜第９図は満液式蒸発器を例示したもの
で、第６図は横断面側面図、第７図は他の例の縦断面正
面図、第８図はその横断面側面図、第９図は別の例の横
断面側面図、第10図は向流式のものの例の縦断面図平面
図、第11図はその縦断面正面図、第12図は従来のものの
過熱度制御の例を示すフロー図、第13図は従来のものの
蒸発温度の変化特性曲線、第14図は本発明の別の実施例
の一部の縦断面正面図、第15図はその横断面側面図、第
16図は本発明と従来のものとの蒸発温度特性を比較する
線図で、左側は気液平衡線図、右側は熱源流体温度に対
する蒸発温度の特性曲線、第17図〜第20図は各種の高沸
点冷媒と低沸点冷媒とを混合した混合冷媒のモル分率と
COPとの関係のそれぞれ一例を示す線図、第21図は本発
明の別の実施例の縦断面平面図、第22図はそのＶ−Ｖ線
断面正面図、第23図は第22図のVI-VI線断面側面図、第2
4図は本発明の別の実施例の側面図、第25図はそのVII-V
II線断面平面図、第26図は第25図のVIII-VIII線断面正
面図、第27図は本発明の別の実施例の縦断面正面図であ
る。１……伝熱管、２……プレート、３……フィン、４……
熱源流体温度変化、５……蒸発冷媒温度変化、６……蒸
発冷媒温度変化、８……凝縮器、９……蒸発器、10……
圧縮機、11……減圧装置、12……冷媒入口ノズル、13…
…分配通路、14……分配通路、16,16′,16″……フィ
ン、17,17′……水側流路、18……出口蒸発部、19,19′
……水側流路、20……蒸気室、21……デミスター、22…
…出口ノズル、23……ノズル、24……水室、25,25′,2
5″……プレート、26……水室、27……出口ノズル、28
……ポンプ、29……配管、30……バフルプレート、31…
…蒸発器、32……冷媒入口管、33……冷媒出口管、34…
…伝熱管、35……温度検出器、36……流量制御弁、37…
…冷媒出口部付近、38……散布ノズル、110……ノズ
ル、111……入口ノズル、112……蒸発器、113……第１
パス通路、114……ターン部、115……第２パス通路、11
6……ノズル、117……上下仕切板、118……蒸気室、119
……入口ノズル、120……水室、121……伝熱管、122…
…水室、123……伝熱管、124……水室、125……凝縮
器、126……蒸発器、127……仕切り、128……仕切り、1
29……管内蒸発形蒸発器、130……満液式蒸発、131……
圧縮機、132……吸込管、133……入口ノズル、134……
水室、135……伝熱管、136……水室、137……連絡管、1
38……シェル内部通路、139……出口ノズル、140……入
口ノズル、141……ヘッダ、142……伝熱管、143……連
絡通路、144……シェル内部、145……出口ノズル、146
……蒸気室、147……蒸発器、148……入口ノズル、149
……出口ノズル、150……蒸気室、151……入口ノズル、
152……出口ノズル、153……水室、154……水室、155…
…伝熱管。

フロントページの続き (72)発明者小池啓二東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内 (56)参考文献特開昭60−30958（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧縮機、凝縮器、蒸発器を備え、これらの
機器間に冷媒を循環せしめる冷媒循環流路を形成し、該
冷媒として非共沸混合冷媒を用いてヒートポンプサイク
ルを行うヒートポンプにおいて、前記冷媒に、ヒートポンプの成績係数が最高の値を示す
モル分率以上である高沸点系冷媒の主成分冷媒と、該主
成分冷媒よりもモル分率が少なく、且つ沸点の低い低沸
点系冷媒とよりなる非共沸混合冷媒を用い、前記蒸発器は、向流形で一部が冷媒出口部付近において
伝熱部を液冷媒に接触状態に維持する満液式蒸発器構造
となっていることを特徴とするヒートポンプ。