JP2020024046A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排温水の温度が一定でない場合にも、高段圧縮機に問題が生じる事態を防止すること。【解決手段】気相冷媒吐出口７ｄを通じて気液分離器７から吐出された冷媒を高段圧縮機４の吸入ポート４ａに供給する中間配管９と、中間配管９を流通する冷媒を加熱する内部熱交換器１０と、気液分離器７で分離された液相の冷媒を内部熱交換器１０よりも上流側において中間配管９に供給するバイパス配管１２と、バイパス配管１２に設けられた調節弁１３とを備えるようにしている。【選択図】図１

Description

本発明は、二段圧縮二段膨張サイクル式のヒートポンプ装置に関するものである。

ヒートポンプ装置には、圧縮を二段階にすることで圧縮機単段当たりの圧縮比を低減するようにしたものがある。この種のヒートポンプ装置では、低段側サイクルの冷媒流量を必要最小限とすることで低段側の圧縮動力を最小化することができ、単段サイクルに比べて効率を向上することが可能となる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−１１９１５７号公報（図４）

ところで、排熱の回収対象となる工場排水や使用済冷却水等の排温水は、温度が一定ではなく、大きくばらつく場合が多い。特許文献１に記載されたように、気液分離器の冷媒を高段圧縮機に供給する中間配管に内部熱交換器等の加熱手段を設けたヒートポンプ装置では、排温水の温度が高くなると、高段圧縮機に供給される冷媒の温度が上昇し、高段圧縮機から吐出される冷媒の過熱度が過剰となる場合がある。この結果、ヒートポンプ装置の運転効率が低下するばかりでなく、高段圧縮機において潤滑不良や炭化等の問題を招来するおそれがある。

本発明は、上記実情に鑑みて、排温水の温度が一定でない場合にも、高段圧縮機に問題が生じる事態を防止することのできるヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るヒートポンプ装置は、吸入ポートに供給された冷媒を圧縮する高段圧縮機と、流通する被加熱媒体との間で熱交換を行うことにより前記高段圧縮機から供給された冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器を通過した冷媒を減圧する高段膨張機構と、前記高段膨張機構を通過した冷媒を気相及び液相に分離する気液分離器と、前記気液分離器で分離された液相の冷媒を吐出する液相冷媒吐出口と、前記気液分離器で分離された気相の冷媒を吐出する気相冷媒吐出口と、前記液相冷媒吐出口から吐出された冷媒を減圧する低段膨張機構と、流通する温水との間で熱交換を行うことにより前記低段膨張機構を通過した冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器を通過した冷媒を圧縮して前記吸入ポートに供給する低段圧縮機と、前記気相冷媒吐出口から吐出された冷媒を前記吸入ポートに供給する中間配管と、前記中間配管を流通する冷媒を加熱する加熱手段と、前記気液分離器で分離された液相の冷媒を前記加熱手段よりも上流側において前記中間配管に供給するバイパス配管と、前記バイパス配管に設けられた調節弁とを備えることを特徴とする。

また本発明は、上述したヒートポンプ装置において、前記バイパス配管は、前記気液分離器から前記低段膨張機構までの間の冷媒配管と、前記中間配管との間を接続するように設けられていることを特徴とする。

また本発明は、上述したヒートポンプ装置において、前記バイパス配管は、前記気液分離器に設けたバイパス用吐出口と、前記中間配管との間を接続するように設けられていることを特徴とする。

また本発明は、上述したヒートポンプ装置において、前記加熱手段から前記凝縮器までの間のいずれかにおいて冷媒の過熱度を検出し、検出した過熱度に基づいて前記調節弁を制御する制御部を備えたことを特徴とする。

また本発明は、上述したヒートポンプ装置において、前記気相冷媒吐出口から前記中間配管において前記バイパス配管との合流点までの間に減圧部を設けたことを特徴とする。

また本発明は、上述したヒートポンプ装置において、前記加熱手段は、前記凝縮器から吐出され、前記高段膨張機構に導入されるまでの冷媒を熱源とした内部熱交換器であることを特徴とする。

本発明によれば、気液分離器で分離された液相の冷媒をバイパス配管から中間配管に供給することにより、加熱手段を通過した後の冷媒の過熱度を低下させることができる。従って、調節弁によって中間配管に供給される液相の冷媒の流量を調整すれば、高段圧縮機から吐出される冷媒の過熱度が高すぎることに起因した高段圧縮機の問題を防止することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態であるヒートポンプ装置の構成を示す回路図である。 図２は、図１に示したヒートポンプ装置のＰ−Ｈ線図である。 図３は、図１に示したヒートポンプ装置に適用する減圧部の変形例について要部を示す回路図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明に係るヒートポンプ装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態であるヒートポンプ装置の構成を示す回路図である。ここで例示するヒートポンプ装置は、二段圧縮二段膨張サイクルにより、工場排水や使用済冷却水等の排温水から排熱を回収して被加熱媒体を加熱するもので、循環配管１によって順次接続された蒸発器２、低段圧縮機３、高段圧縮機４、凝縮器５、高段膨張弁（高段膨張機構）６、気液分離器７、低段膨張弁（低段膨張機構）８を備えている。被加熱媒体としては、水や油、あるいは冷媒を対象とすることができる。本実施の形態では、特に水を被加熱媒体として蒸気を生成するヒートポンプ装置（＝ヒートポンプ式蒸気生成装置）を例示する。

蒸発器２は、供給される排温水との間で熱交換を行うことにより、通過する冷媒を蒸発させるものである。低段圧縮機３及び高段圧縮機４は、蒸発器２を通過した冷媒を順次圧縮するものである。すなわち、低段圧縮機３は、吸入ポート３ａに供給された冷媒を中間圧に圧縮して吐出ポート３ｂから吐出するものである。高段圧縮機４は、吸入ポート４ａが低段圧縮機３の吐出ポート３ｂに接続してあり、低段圧縮機３から吐出された冷媒をさらに高圧に圧縮して吐出ポート４ｂから吐出するものである。低段圧縮機３及び高段圧縮機４としては、別個に構成されたものを適用しても良いし、二段スクロール圧縮機等の一体型のものを適用しても良い。

凝縮器５は、高段圧縮機４から供給された冷媒と、供給される被加熱水との間で熱交換を行うものである。高段膨張弁６は、凝縮器５を通過した凝縮後の冷媒を減圧して気液分離器７に供給するものである。

気液分離器７は、分離器本体７ａの内部において高段膨張弁６からの冷媒を重力により気相と液相とに分離するもので、上部導入口７ｂ、液相冷媒吐出口７ｃ及び気相冷媒吐出口７ｄを備えている。上部導入口７ｂは、高段膨張弁６からの冷媒を分離器本体７ａの内部に導入するためのもので、分離器本体７ａの上部に開口している。液相冷媒吐出口７ｃは、分離器本体７ａで分離された液相の冷媒を外部に吐出するので、分離器本体７ａの下部に開口している。気相冷媒吐出口７ｄは、分離器本体７ａで分離された気相の冷媒を外部に吐出するもので、分離器本体７ａの上部周面に開口している。

低段膨張弁８は、気液分離器７の液相冷媒吐出口７ｃから吐出された冷媒を減圧して蒸発器２に供給するものである。高段膨張弁６及び低段膨張弁８としては、与えられた指令に応じて開度を変更することのできる電磁弁を適用しているが、キャピラリチューブ等の絞り通路を適用しても良い。

また、ヒートポンプ装置には、気液分離器７の気相冷媒吐出口７ｄと高段圧縮機４の吸入ポート４ａとの間を連通するように中間配管９が設けてある。中間配管９は、分離器本体７ａで分離された気相の冷媒を低段圧縮機３からの冷媒と共に高段圧縮機４の吸入ポート４ａに供給するものである。この中間配管９には、内部熱交換器（加熱手段）１０、絞り部（減圧部）１１及びバイパス配管１２が設けてある。内部熱交換器１０は、気液分離器７から高段圧縮機４に供給される冷媒と、凝縮器５から高段膨張弁６に供給される冷媒との間で熱交換を行うものである。絞り部１１は、流路面積が中間配管９よりも小さくなった部分であり、気液分離器７から中間配管９においてバイパス配管１２との合流点１１ａまでの間に設けてある。バイパス配管１２は、液相冷媒吐出口７ｃから低段膨張弁８までの循環配管１と、絞り部１１から内部熱交換器１０までの中間配管９との間を連通するもので、途中に調節弁１３を備えている。調節弁１３としては、与えられた指令に応じて開度を変更することできる電磁弁を適用している。

さらに、ヒートポンプ装置には、高段圧縮機４から凝縮器５までの間の循環配管１に温度センサ１４、圧力センサ１５が設けてある。温度センサ１４は、高段圧縮機４から吐出された冷媒の温度を検出するものである。圧力センサ１５は、高段圧縮機４から吐出された冷媒の圧力を検出するものである。これら温度センサ１４の検出結果及び圧力センサ１５の検出結果は、所定の検出周期で制御部２０に与えられることになる。

制御部２０は、温度センサ１４の検出結果及び圧力センサ１５の検出結果に基づいて高段圧縮機４から吐出された冷媒の過熱度を算出し、算出した過熱度に応じて調節弁１３の開度を制御するものである。具体的には、高段圧縮機４から吐出される冷媒の過熱度が所定の値、例えば５℃となるように、制御部２０によって調節弁１３の開度が制御されることになる。なおこの制御部２０は、低段圧縮機３及び高段圧縮機４の駆動制御も行っている。なお、圧力センサ１５については、高段圧縮機４から高段膨張弁６までの間であれば、どこに設けても構わない。

上記のように構成したヒートポンプ装置では、低段圧縮機３及び高段圧縮機４を駆動すると、高圧の気相の冷媒が凝縮器５に供給され（図２の点ａ）、凝縮器５を通過する被加熱水との間において熱交換が行われる。この結果、被加熱水が加熱されるとともに、気相の冷媒が凝縮されて液相の冷媒となる（図２の点ｂ）。被加熱水を加熱することによって生成される温水や蒸気は、例えば図示せぬ外部提供用気液分離器を通過した後、それぞれが外部の利用設備に供給されることになる。

凝縮器５を通過した高圧の液相の冷媒は、バイパス配管１２を通過した後、高段膨張弁６において中間圧に減圧され（図２の点ｃ）、気液二相の冷媒となって気液分離器７に供給される。この結果、分離器本体７ａの下部に液相の冷媒が貯留され、分離器本体７ａの上部に気相の冷媒が貯留される。

分離器本体７ａで分離された液相の冷媒は、液相冷媒吐出口７ｃを通じて低段膨張弁８に供給され、低圧に減圧された後、蒸発器２に供給される（図２の点ｄ）。蒸発器２に供給された液相の冷媒は、排温水との熱交換により排熱を回収して蒸発し、低段圧縮機３に供給される（図２の点ｅ）。

分離器本体７ａで分離された気相の冷媒は、気相冷媒吐出口７ｄを通じてバイパス配管１２に供給され、凝縮器５から吐出された冷媒との間の熱交換によって加熱された後に高段圧縮機４の吸入ポート４ａに供給される（図２の点ｆ）。

このように、上述のヒートポンプ装置では、高段膨張弁６によって減圧される際に発生する気相の冷媒を高段圧縮機４の吸入ポート４ａに供給しているため、低圧から中間圧に圧縮する動力が減少する。さらに、中間配管９からの冷媒が混合されることで、高段圧縮機４の吸入ポート４ａに供給される冷媒の温度が低下し、比容積が減少するため圧縮動力が減少することになり、成績係数が増加するという利点がある。

また、上述のヒートポンプ装置では、中間配管９に内部熱交換器１０を設けるようにしている。従って、内部熱交換器１０において冷媒が過熱されるため、液相の冷媒が高段圧縮機４の吸入ポート４ａに供給される事態が招来されるおそれがないという利点がある。但し、排温水の温度が高すぎる場合には、図２中の破線で示すように、高段圧縮機４の吸入ポート４ａに供給される冷媒の過熱度が高くなり（図２中の点ｇ）、高段圧縮機４から吐出される冷媒の過熱度が過剰となってしまうおそれがある（図２中の点ｈ）。

しかしながら、上述のヒートポンプ装置によれば、高段圧縮機４から吐出される冷媒の過熱度が５℃を超えると、それまで閉じていた調節弁１３が制御部２０によって開いた状態に制御されるため、気液分離器７の液相冷媒吐出口７ｃから低段膨張弁８に供給される液相の冷媒の一部がバイパス配管１２を通じて中間配管９に供給されることになる。すなわち、気液分離器７の気相の冷媒が気相冷媒吐出口７ｄを通じて中間配管９を通過する際に絞り部１１によって負圧が生じるため、調節弁１３が開くと、バイパス配管１２の液相の冷媒が中間配管９に吸い込まれることになる。この結果、高段圧縮機４の吸入ポート４ａに供給される冷媒の過熱度が低下し（図２中の点ｆ）、高段圧縮機４から吐出される冷媒の過熱度も低下することになる（図２中の点ａ）。高段圧縮機４から吐出される冷媒の過熱度が５℃未満となると、制御部２０によって調節弁１３が閉じた状態に制御され、バイパス配管１２からの液相の冷媒の供給が断たれる。このため、高段圧縮機４の吸入ポート４ａに供給される冷媒の過熱度が上昇し、高段圧縮機４から吐出される冷媒の過熱度も高くなる。

以降、制御部２０によって上述の制御が繰り返し行われ、高段圧縮機４から吐出される冷媒の過熱度が５℃を維持するようになる。これにより、高段圧縮機４において潤滑不良や炭化等の問題を招来するおそれがなくなり、また、運転効率の向上を図ることも可能となる。なお、中間配管９に供給された液相の冷媒は、内部熱交換器１０を通過する際に加熱されて蒸発するため、液相のまま高段圧縮機４に供給されるおそれはない。

なお、上述した実施の形態では、中間配管９に絞り部１１を設け、負圧を利用してバイパス配管１２の冷媒を中間配管９に供給するようにしているため、駆動源を必要としないという利点がある。しかしながら、本発明はこれに限定されず、例えばバイパス配管１２と中間配管９とに高低差を設けてバイパス配管１２の冷媒を中間配管９に供給するようにしても良いし、バイパス配管１２にポンプ手段を設けてバイパス配管１２の冷媒を中間配管９に供給することも可能である。負圧を利用してバイパス配管１２の冷媒を中間配管９に供給する場合には、図１の絞り部１１に換えて、図３に示す変形例のように、開度を調整することが可能な圧力制御弁（減圧部）３０を設けるようにしても良い。

また、上述した実施の形態では、中間配管９に内部熱交換器１０を設けることによって通過する冷媒を加熱するようにしているが、必ずしもこれに限定されず、内部熱交換器１０以外の加熱手段を適用しても構わない。

さらに、高段圧縮機４から吐出される冷媒の過熱度に基づいて調節弁１３の開度を調整するようにしているが、本発明はこれに限定されず、内部熱交換器１０から高段圧縮機４までの間において冷媒の過熱度を検出し、検出した過熱度に基づいて調節弁１３の開度を制御しても良い。さらに、制御部２０によって調節弁１３の開度を調整するようにしているが、必ずしも制御部２０から指令によらずに調節弁１３の開度を調整するようにしても良い。

またさらに、バイパス配管１２として気液分離器７から低段圧縮機３までの間の循環配管１から分岐して気液分離器７と内部熱交換器１０との間の中間配管９に接続されるものを例示しているが、本発明は、気液分離器７で分離された液相の冷媒を内部熱交換器１０よりも上流側において中間配管９に供給できれば、これに限定されない。例えば、気液分離器７の分離器本体７ａの下部において液相冷媒吐出口７ｃとは異なる位置に新たにバイパス用吐出口を設け、このバイパス用吐出口から中間配管９において気液分離器７と内部熱交換器１０との間までを接続するようにバイパス配管を設けるようにしても良い。バイパス用吐出口としては、気液分離器７の液相の冷媒を供給できるように分離器本体７ａの下部に設けてあれば良い。

２ 蒸発器
３ 低段圧縮機
４ 高段圧縮機
４ａ 吸入ポート
５ 凝縮器
６ 高段膨張弁
７ 気液分離器
７ｃ 液相冷媒吐出口
７ｄ 気相冷媒吐出口
８ 低段膨張弁
９ 中間配管
１０ 内部熱交換器
１１ 絞り部
１１ａ 合流点
１２ バイパス配管
１３ 調節弁
２０ 制御部
３０ 圧力制御弁

Claims (6)

1. 吸入ポートに供給された冷媒を圧縮する高段圧縮機と、
   流通する被加熱媒体との間で熱交換を行うことにより前記高段圧縮機から供給された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
   前記凝縮器を通過した冷媒を減圧する高段膨張機構と、
   前記高段膨張機構を通過した冷媒を気相及び液相に分離する気液分離器と、
   前記気液分離器で分離された液相の冷媒を吐出する液相冷媒吐出口と、
   前記気液分離器で分離された気相の冷媒を吐出する気相冷媒吐出口と、
   前記液相冷媒吐出口から吐出された冷媒を減圧する低段膨張機構と、
   流通する温水との間で熱交換を行うことにより前記低段膨張機構を通過した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器を通過した冷媒を圧縮して前記吸入ポートに供給する低段圧縮機と、
   前記気相冷媒吐出口から吐出された冷媒を前記吸入ポートに供給する中間配管と、
   前記中間配管を流通する冷媒を加熱する加熱手段と、
   前記気液分離器で分離された液相の冷媒を前記加熱手段よりも上流側において前記中間配管に供給するバイパス配管と、
   前記バイパス配管に設けられた調節弁と
   を備えることを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 前記バイパス配管は、前記気液分離器から前記低段膨張機構までの間の冷媒配管と、前記中間配管との間を接続するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
3. 前記バイパス配管は、前記気液分離器に設けたバイパス用吐出口と、前記中間配管との間を接続するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
4. 前記加熱手段から前記凝縮器までの間のいずれかにおいて冷媒の過熱度を検出し、検出した過熱度に基づいて前記調節弁を制御する制御部を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一つに記載のヒートポンプ装置。
5. 前記気相冷媒吐出口から前記中間配管において前記バイパス配管との合流点までの間に減圧部を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一つに記載のヒートポンプ装置。
6. 前記加熱手段は、前記凝縮器から吐出され、前記高段膨張機構に導入されるまでの冷媒を熱源とした内部熱交換器であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一つに記載のヒートポンプ装置。

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