JPS60108652A - ヒ−トポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、圧力の異なる複数個の凝縮器と、これらの各
凝縮器にそれぞれ対応する圧縮ガスを送る多段又は複数
個の圧縮機を備えた１４エネルギ形ヒートボンゾの改良
に関する。なお、本Ｆ３Ａ細書において「ヒートポンプ
」とは、温流体を製造する狭義のヒートポンプのみなら
ず、冷流体を製造する冷凍（勅も含む広義のヒートポン
プをいう。

最近、省エネルギの観点よジニっ以上の複数イめ］の凝
縮器全治するヒートポンプが注目されている。

先ス、第７図の７０−シートによってこのヒートポンプ
について説明する。

蒸発器／内の液冷媒は、配管−を介して送ジ込まれる熱
源水によって加熱されて蒸発し、吸込管３を経て第１段
圧縮機≠に吸込まれる。該圧縮機弘によって圧縮うれた
ガスは、その少ち例えば約／／３　は、吐出管よを経て
凝縮器乙に吐出され、残シの２／３は、分岐管７を経て
第λ段圧縮機ｒに吸込まれる。同様に、第λ段圧縮機♂
の吐出ガスの例えば約／／２は吐出管／７を経て凝縮器
りに、残りの／／２は第３段圧縮機／Ｑの吸込部に送ら
れ、ここで圧縮されて凝縮器／ｌに吐出される。

上記各凝縮器に、り、／／の冷却は、被加熱流体として
の負荷流体によって行われ、該負荷流体は、ボンゾ／、
２により、これら三つの凝ｍ器Ｚ。

り、／／を直列状に１閣に質流するｊｕｌに加熱される
。

圧力の異なる複数個の凝縮器ｇ、り、／／を有するこの
システムは、通常出入口温度産の大きい負荷流体が適用
され、例えば、負荷流体人口／３よ夕約６θ℃の温流体
が、各凝縮器ｇ、り、／／で７０℃ずつ加熱され、負荷
流体出口／りでは約２θ℃となって負荷に供される。

一方、冷媒ガスは、凝縮器／／において凝縮し、配管／
！を経て減圧装置／２で減圧され、次段の凝縮器りに送
シ込まれる。このとき、減圧作用に伴いフランシュガス
が発生するが、このガスは、第２段圧縮機とより吐出管
７７′ｆ：経て吐出される冷媒ガスと共に、この凝縮器
り内で負荷流体にょシ冷却されて凝縮する。次いで、配
管７ｇを経て減圧装置ｌりによシ減圧されて最下段凝縮
器乙に送られ、フラッシュガス分は、吐出管３′！ｉ−
経て第１段圧縮機グより吐出される冷媒ガスと共に凝縮
液化する。そして最下段減圧装置２０によって減圧され
、蒸発器／にル３る。

上記の装置ム：（ヒートポンプ）においては、負荷流体
の出入口部ｌｉｔ　ｙｉが大きいので、三つの凝縮器の
凝縮温度は大きく異なっている。例えに二、上記各凝縮
器／／、り、２の◇亡縮温贋をそれぞれりｊ’Ｑ、１３
℃、７．ｆ℃と仮定し、また蒸発器／での蒸発温度を夕
θ℃と仮定すると、ｇｉ！／段圧縮機グで上昇すべき圧
力はＳＯ“Ｃ相尚圧より７ｊ℃相当圧までであり、した
がって相当圧温度差は２！℃であシ、同様に、第２段及
び第３段圧縮機では何れも相自圧温度差は７０℃である
。すなわち、このシステムは、第７段及び第λ段圧縮機
では、負荷流体温度り０℃より低いそれぞれ７５℃及び
ｒｒ℃の凝縮温度相当圧まで圧縮すればよいので、多段
圧縮機の最終段よシの全吐出冷媒ガスを一つの凝縮器へ
導いて、例えば入口温度ｔｏ℃よシ出ロ温度りｏ″Ｃま
で負荷流体温度を上昇させるようにする従来方式に比べ
て、所要動力が少なくてよく、また一つの圧縮機の所要
圧Ａ＋１ｄ比は、圧縮機が７台の場合に比して大幅に少
なくて済むという長所がある。

しかしながら、このヒートポンプは次のような二つの大
ぎな欠点を有している。その一つは、第２段、第１段の
ように圧力の低い最下段に近づくなこつ、ｉＬで＆細器
の冷媒液−の流ノ１．が流れ柱くなるということである
。上記の例で、特ｖｃ％下段の凝縮器６では、大是の敢
冷媒が減圧装置／りより流入するので、この液冷媒を流
すために凝縮器下部にこのためのスペースが必袂となる
。唱、に下記のような混合冷媒を使用する場合、凝縮器
内の冷媒の流れと、負荷流体の流れとを自流にし々けれ
ば外らないときには、凝縮器乙は非常に大きなものとな
ってしまう欠点がある。

他の一つは、混合冷媒を使用する場合、例えば、第λ段
圧縮機♂から吐出管／７を経て送られる冷媒ガスの温度
と、減圧装置／２によって減圧された冷媒の温度とが異
なるということである。これを第２図を用いて説明する
。

この第２図は、混合冷媒（非共沸混合冷媒）の等圧下に
おける気液平衡図であって、高沸点Ｔ□を有する冷媒■
と低沸点Ｔｍを有する冷媒■の混合冷媒において、組成
Ｘのものを冷却すると、ｋ４点曲線り上のＡ点の温度Ｔ
Ａにて一部凝縮が始まシ、沸点曲線Ｅ上のＢ点の温度Ｔ
Ｂにて全部の凝縮が終ることを示している。いま、第一
段圧縮機ざから送られる冷媒ガスの状態をＡ点（圧力１
）Ｉ＋Ａ４Ｉ成Ｘ、温度ＴＡ）とすれば、このガスが欠
を給茶り内で凝縮する除の変化はＡ　−＋　Ｂで表わさ
れ、凝縮液の状態はＢ点で表わされる。一方、減圧装置
１６によって減圧された冷媒（気液混合状態）は、圧力
がｐとな、ＱＣ点で表わされ、温度はＴ。とな９、前記
の温度ＴＡより低くなってしまう。

上記のように、圧縮機からの冷媒と減圧装置からの冷媒
に温度差があるので、凝縮器内での熱交換が有効に行な
えなくなるという欠点がある。

本発明の目的は、上記した従来技術の二つの欠点を除去
したコンパクトな凝縮器を備えた省エネルギヒートポン
プを提供するにある。

装置を経て上記圧力段より１段低い圧力段の凝縮器圧ま
で減圧させた後の冷媒のうち、欣冷媒のみを、該１段低
い圧力段の凝縮器で凝縮された液冷媒と合流して、次段
以降の凝縮器を経由させずに最下段減圧装胤を経て、蒸
発器に戻すように構成したことを特徴としている。

以下、本発明の実施例を第３図ないし第１／図について
説明する。これら図中、第７図と同一符号は同−物又は
均等物を示す。

第３図は、第１実施例を示すフローシートであって、蒸
発器／内の液冷媒は、配管コを介して送９込まれる熱源
水によシ加熱されて蒸発し、吸込管３を経て第１段圧＆
白機グに吸込まれる。該第１段圧縮機弘によって圧縮さ
れたガスは、そのうち、例えば約／／３は吐出管ｊを経
て凝縮器乙に吐出され、残シの２／３は分岐管７を経て
第一段圧縮機とに吸込まれる。同様に、該第−膜圧縮機
ｒの吐出ガスの例１えば約／／２は吐出管１７を経て凝
縮器りに、残りの／／２は第３段圧縮機ＩＯの吸込部に
送られ、さらに圧縮さノＬで凝縮器／／に吐出され、こ
こで被加熱流体としての負荷流体により冷却されること
は、前記第１図のものと変りはない。

しかしながらこの実施例では、各凝縮器を通過する負荷
流体は、ポンプ／２によシ、これら三つの凝縮器６．り
、／／と、これら各ｂＸ　Ａｄ器の冷媒下流側にそれぞ
れ設ｆｆｉ、さ力、た三つの過冷却器２／。

２．２．２３とを直列状に順に貫流して加熱されるよう
に構成されている。したがって、圧力の異なる複数個の
凝和ｊ器を有するこのシステムは、第７図に示されたも
のと同様に、通常出入口温度差の大きい負（ｆ＋ｊ流体
が適用され、例えば只イ釘流体入口１３より約６０℃の
温流体が各過冷却器と凝縮器との組合せでｉｏ℃ずつ加
熱され、負荷流体出口／４’では約２０℃となって負荷
に供されるが、一方、冷媒ガスは、最上段の凝縮器／ｌ
において凝１＜ｕ　した後、配管／！（ｉ−経て減圧装
置／ｊに至る途中に過冷却器２３が設けられているため
、この過冷却器２３で冷却され、更に減圧装置／６で減
圧される。

このように、減圧装置／乙の手前に過冷却器λ３を設け
たことにより、冷媒は過冷却されているので、減圧装置
／６で減圧作用を受けてもフラッシュガスは発生しない
。したがって、別個の気液分ト；１１器を設けなくても
液冷媒のみをと９出すことができる。この減圧された冷
媒は液冷媒のみからなり、涙浴器２で凝縮した液冷媒と
合流して更に過冷却器２２に送られ、（与び冷却された
後、減圧装置／りで減圧されるが、ここでも、冷媒は過
冷却されているのでフランシュガスは発生せず、凝縮器
６よシの液冷媒と合流し、過冷却器２／で冷却されて後
、最下殺減圧装＊、２０によジ減圧されて蒸発器／に戻
る。

第μ図は、第３因に示された第１実施例のヒートポンプ
の圧力−エンタルピ線図であって、Ａ点と８１点は第１
段圧縮機の吸込口と吐出口の冷媒ガスの状態を、またＢ
２点及び８３点は第２段及び汀３段圧縮機の吐出口の冷
媒ガスの状態を示し、Ｂ３点、Ｂ２点及びＢ１点は凝縮
器／／、り及び２の出口あ冷媒液の状態を、またＤ′３
点、Ｄ′２点及び０７１点は過冷却器２３．２２及び、
２／の出口の冷媒液の状態を示し、また２２点、５１点
及びＥは減圧装置／１．／！Ｐ及び、２ｏの出口の冷媒
の状１πをそｈぞれ示している。仁の図に示すように、
例えば凝縮器／／の液冷媒は、過冷却器２３にょシ、Ｄ
′３点（凝縮器りの相当飽第１Ｊ温度と同一温度）まで
過冷却されるので、減圧装置谷ｌｚにより減圧されても
　Ｂ２点が液相領域にあることがらみても明らかなよう
に１　フラッシュガスは発生しない。

この第／実施例によれば、各減圧装置、の冷媒上Ｄｉｔ
　０１ｌｌに過冷却器を設けているために、減圧装置に
よシ減圧されてもフラッシュガスが発生しないので、別
個に気液分離器を設けなくても液冷媒をとυ出すことが
でき、凝縮器からの液冷媒と合流して、次段以ＩＩ４の
Ｃεε倍器経由させずに最下段減圧装置を経て蒸発器に
戻すことができるので、特に低圧力段の凝縮器下部に液
冷媒が溜まることがなく、シたがって前記従来装置の二
つの欠点の何れをも除去することができる。また過冷却
器、２／は、最下段Ｍ縮梅６の出口冷媒を第を図の５１
点よシｐ／１点１で過冷却するので、Ｅ点に相当する最
下段減圧装置−〇の／Ｊｊ口を経て蒸発器／　ＶＣよる
冷凍効果（Ａ点と■つ点のエンタルピの差１ＡｉＥ）を
増加させることができる。なお、上記の過冷却器Ｋ　ヨ
る作用は、他の過冷却器２３．．２．２についても同様
にいえる。

第５図は、第２英施例を示すフローシートであって、減
圧装置／６．／Ｆで減圧さぜた後の冷媒のうち、液冷媒
のみをと９出すために、減圧装礒／乙、／りの冷媒下流
に気液分離器、２≠、２ｊが設けられている。この実施
例では、凝縮器ｌ／及びりからの液冷媒が減圧装置／ｚ
及び／りによって減圧される際、フラッシュガスが兄生
するが、この気液分離器、２≠及び、２！により分離さ
れ、ガスは次段の凝縮器り及び乙に送られて凝縮される
が、液冷媒は、凝縮器よりの凝縮液と合流されて次段の
減圧装置に送り込まれる。

第６１は％第５図に示されたヒートポンプの圧力−エン
タルピ線図であって、例えば、凝縮器／／の液冷媒（Ｄ
ｓ点）は減圧装置−１６によって減圧されたとき　Ｂ２
点で示されるように気液混合状態にあり、ガスは第２段
圧縮様ざからの吐出ガス（８２点）と合流して凝縮器り
（Ｂ２点）へ送られることが示されている。なお、この
線図は、第１図に示すヒートポンプの圧力ーエンタルピ
線図と同じである。

この第２実施例によれば、減圧装置によって減圧された
冷媒のうち、液冷媒は気液分離器によって有効に採９出
すことができ、該液冷媒はに給茶からの液冷媒と合流し
て、次段以降の凝縮器を経由させずに最下段減圧装置を
経て蒸発器に戻すことができるので、特に低圧力段の凝
縮器下部に液冷媒が溜まることがなく、シたがって前記
第７図に示す従来装置の何れの欠点も除去することがで
きる。

第７図は、第３実施例を示すフローシートであって、第
１実施例における過冷却器と、第２実施例における気液
分離器の両方が設けられている。

この実施例では、例えば凝座器／／を出た冷媒は、過冷
却器、２３を通った後、減圧装置／ｌによって減圧され
、万−含まれている冷媒ガス分を気液分離器λグで分離
し、第２段圧縮様♂からの吐出ガスと合流して凝縮器り
で凝縮させるように構成されているので、前記した第１
及び第コ実施例の特ｇを併せ有することができる。

第ｒ図は、第Ｖ実施例を示すフローシートであって、上
記第７図に示された第３笑施例における過冷却器のうち
、冷凍熱閂を増加させて冷凍効果を向上させる点で、最
も効果のある最下殺減圧装ｆｋ２０の直前の過冷却器２
／のみを残し、あとの過冷却器を省略して構造を簡単に
したものである・しかしこの実施例には、減圧装置にょ
力発生するフラッシュガスを分離する気液分離器が設け
られているので、本発明の特徴とする機能をも十分果し
ている。

第り図は、Ｍ　Ｊ’図に示されたヒートポンプの圧力−
エンタルピ線図であって、過冷却器２／による過冷却が
Ｄ′１点捷で冷却されておｐｌそれにより冷凍効果（Ｉ
Ａ−１１）の増加が計られていることが分かる。

第１Ｑ図は、第ｊ実施例を示すフローシートであって、
凝縮器が２個（／／と２）設けられ、低圧側凝縮器乙に
は、第１段圧縮機≠からの吐出ガスと、減圧装置／りで
発生したフラッシュガスを気液分離器２ｊで分離した冷
媒ガスとを合流して導入（７、捷だ分離された液冷媒を
過冷却器）／全経て最下段減圧装置へ導くように構成さ
れている。

この実施例においても、比較的１１ｉ’ｉ巣な構成であ
りながら、本発明の特徴とする前記した機能、即ち省エ
ネルギ作用の外、凝縮器の底部に液冷媒が溜凍らないよ
うにする等の作用効果が萎され、したがって凝縮器をコ
ンパクトにすることができる。

第１／図は、第１θ図に示されたヒートポンプの圧力−
エンタルピ線図である。

なお、上記各実施例においてｉよ、圧縮機を多段式圧縮
機について説明したが、本発明は、２台以上のターゼ圧
縮機を１は列に連結して運転する場合及びスクリュ一式
或いは往復式の容８ｉ１Ｕ圧縮機をλ台以上直列に連結
して運転する場合も含むことは勿論である。また、温流
体を製造する狭義のヒートポンプについて王として説明
したが、冷流体を製造する冷凍機にも同機に適用でさる
ことは勿１齢である。

以上説明したように　本発明は、低圧力段の凝縮器で凝
縮した冷媒を減圧装置をＡヰて次段の凝縮器圧まで減圧
させた後、液冷ＩＩ！ｉ１．を該凝縮器で凝縮された液
冷媒と合流して、次段以降の凝縮器を経由させずに照光
器に戻すように構成しているので、特に低圧力段の凝縮
器下部に液冷媒が溜まることがなく、シたがって、ｋ倍
器をコンノ々クトに設計することができる。また、最下
段減圧装置の手前に、凝縮器で加熱されるべき被加熱流
体によって冷却される過冷却器を′設けることにより、
冷凍効果が」・１イし、ヒートポンプの性能が同上する
。

【図面の簡単な説明】

第１図は先に開発した従来の省エネルギヒートポンプの
フローシート、第２図は混合冷媒の等圧気液乎喚ｊ図、
ｍｌ）３図　ｎｙ　ｊｒ図、第７図、第ｒ図及び第／Ｑ
商は本発明のヒートポンプの第／・；Ｃいし第ｊ実施例
の７０−シート、第４Ｌ図、第６図、第２図及び第１／
図は、それぞれ第／、男λ、・、゛、≠及び第ｊ実施例
の圧力ーエンタルピか４図でおる。 ／・・・蒸発器、≠、７，１０・・・圧縮機、乙、り。 ／／・・・凝縮器、／ｌ、ｌり、２０・・・減圧装↑Ｒ
１，２／。 、！、！、？３・・・過冷苅１器、２４’、　、２Ｊ’
・・・気液分ト］１を器。 第２図 第４図 第８図 ブ／１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｆ　蒸発器、圧力の異なった複数個の凝縮器、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多段又
   は複数個の圧縮機、複数個の減圧装置及びこれらの機器
   を接続する配管等からなる省エネルギヒートポンプにお
   いて、一番圧力の低い凝縮器以外の任意の凝縮器で凝縮
   した冷媒を、減圧装置を経て上記圧力段よ９７段低い圧
   力段の凝縮器圧まで減圧させｆｃ後の冷媒のうち、液冷
   媒のみを、次段以降の凝縮器を経由させずに、最下段減
   圧装置を経て蒸発器に戻すように構成したことを特徴と
   するヒートポンプ。 ２　圧力の最も低い最下段よシ／段上位の圧力段の凝縮
   器で凝縮した冷媒を、減圧装置を経て最下段の凝縮器圧
   まで減圧させた後の冷媒のうち、液冷媒のみをとり出す
   手段として、該減圧装置の冷媒上流Ｃ）υに、凝縮器で
   加熱されるべき被加熱流体によって冷却され゛る′過冷
   却器を設けた特許請求の範囲第１項記載のヒートポンプ
   。 ３、　圧力の最も低い最下段、Ｉｌニジ／股上位の圧力
   段の凝縮器で凝縮した冷媒を、減圧装置を経て最下段の
   凝縮器圧まで減圧させた後の冷媒のうち、液冷媒のみを
   とり出す手段として、減圧装置の冷媒下流に気液分離器
   を設け、該気液分離器で分離された液冷媒のみを最下段
   の凝縮器を経由させずに最下段減圧装置を経て蒸発器へ
   戻すようにする囲第１項記載のヒートポンプ。 ｌＡ　蒸発器、圧力の異なった複数イク１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
   多段又は複数個の圧縮機、複数個の減圧装置及びこれら
   の機器を接続する配管等からなる省エネルギヒートポン
   プにおいて、一番圧力の低い凝縮器以外の任意の凝縮器
   で凝縮した冷媒を、減圧装置を経て上記圧力段よｐｉ段
   低い圧力段の凝縮器圧まで減圧させた後の冷媒のうち、
   液冷媒のみを、該圧力段の凝縮器で軟線された液冷媒と
   合流して次段以降の凝縮器を経由させずに、最下段減圧
   装置に導く管路の途中に、Ｍａａ器で加熱されるべき被
   加熱流体によって冷却される過冷却器を設けたことを特
   徴とするヒートポンプ。