JPH05223204A - ヒートポンプ利用の蒸気生成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ヒートポンプにより燃焼を使用することな
く、一定圧力で継続的な蒸気発生を可能とし、燃焼によ
る腐食，爆発，火災の恐れを解消し、エネルギ効率を高
め、経済性を向上する。 【構成】 圧縮機（１），凝縮器（２），冷媒絞り管
（３）及び蒸発器（４）を含む冷凍サイクルの前記凝縮
器（２）に被加熱流体貫流経路を併設して、該凝縮器を
蒸気取り出し用となしたヒートポンプにおいて、冷媒と
して臨界温度が100℃以上の冷媒を用い、凝縮器へ給熱
する冷媒のエンタルピのうち、少なくとも87％が100 ℃
以上の温度となるように冷凍サイクルを維持し、ヒート
ポンプを作動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はヒートポンプを利用し蒸
気を生成する方法に係り、詳しくは冷媒として臨界温度
が100 ℃以上の冷媒を使用した冷凍サイクルによって蒸
気を発生させる上記方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ヒートポンプでは高温側（高圧
側）の熱出力を用いて空調（暖房）や給湯用に利用する
ことが行われているが、通常のヒートポンプは凝縮器で
の凝縮温度（高圧圧力相当飽和温度）は40℃前後と低
く、最大でも60℃程度であるため40〜60℃程度の温水と
して空調や給湯に使用されている。もとより冷媒の凝縮
温度（飽和温度）以上に水を加熱することも可能であ
り、飽和温度以上の水は凝縮器に入ってくる冷媒が過熱
され、例えば120 ℃となっているのでその熱源温度を利
用して飽和温度以上の水温を得ることができる。しかし
冷媒が凝縮器に入って冷却され、出口で液化されるまで
の全熱量のうち、水温の上昇に寄与できるのは冷媒の過
熱域部分のみである。例えば水を蒸気にするためのエネ
ルギ（エンタルピ）は概略620kcal/kgであり、その内訳
は20℃→100 ℃までの水で80kcal/kg ，100 ℃の水→10
0 ℃の飽和蒸気で540kcal/kgの熱量となっている。つま
り水の蒸気化には87％の熱エネルギが100 ℃以上の熱源
として必要である。

【０００３】ところが、現在、一般に家庭用として用い
られているＲ−２２，Ｒ−１２などの低沸点冷媒ではそ
の臨界温度は90〜100 ℃であるため水に与える凝縮温度
以上の熱源としては20％前後のエネルギ（エンタルピ）
しか寄与させることができないのが普通であり、残った
温度の低いエネルギで温水を作るか、廃熱として捨てら
れている。従って、蒸気の生成は多くは熱源温度が高い
燃焼（油，ガス熱源）を使ったボイラによって作られて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述の如き実
状に対処し、冷凍サイクルの凝縮器で放熱される熱の積
極的利用を試み、特に100 ℃の蒸気を作るための100 ℃
以上の熱源として飽和温度自身が100 ℃以上になるよう
に冷凍サイクルの高温側（高圧側）の安定維持を見出す
ことにより燃焼を使用することなく一定圧力で継続的な
蒸気発生を可能とし、燃焼による腐食，爆発，火災の恐
れを解消すると共に、エネルギ効率を高め、経済性を向
上することを目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】即ち、上記目的に適合す
る本発明蒸気生成方法の特徴は、圧縮機，凝縮器，冷媒
絞り管及び蒸発器を含む冷凍サイクルの前記凝縮器に被
加熱流体貫流経路を併設して、該凝縮器を蒸気取り出し
用となしたヒートポンプにおいて、冷媒として臨界温度
が100 ℃以上の冷媒を用い、凝縮器へ給熱する冷媒のエ
ンタルピのうち、少なくとも87％が100 ℃以上の温度と
なるように冷凍サイクルを維持し、ヒートポンプを作動
させることにある。これを更に詳述すれば、本発明は先
ず、飽和温度100 ℃以上、つまり臨界温度（ガスが液化
しない温度）が100 ℃以上の冷媒を用いることが必要で
ある。かかる冷媒は設計温度で分解変質することなく安
定したものであることが必要で、例えばＲ−１２３，Ｒ
−１１などがある。これらは通常、臨界温度は120 〜18
0 ℃程度である。そのため、圧縮機を潤滑する冷凍機油
も高温用で、かつ冷媒に好適なものを選定する。更に加
熱用凝縮器への給水は加熱能力に合致する給水量に制御
することが好ましく、加熱能力以上の給水を行うと、蒸
気圧力が低下し、過大だと温水になって了う。なお、高
温熱源の放熱を行う凝縮器は放熱温度と圧縮機吐出圧力
相当温度に合わせて設計される。一方、低温熱源の吸熱
を行う蒸発器は吸熱温度と圧縮機吸込圧力相当温度に合
わせて設計する。また、凝縮器へ給熱する冷媒のエンタ
ルピのうち、少なくとも87％が100 ℃以上の温度となる
ように冷凍サイクルを維持することは前述したように水
を蒸気にするためのエネルギは概略620kcal/kgで、う
ち、20℃→100 ℃までの水で80kcal/kg ，100 ℃の水→
100 ℃の飽和蒸気で540kcal/kgの熱量となっていて87％
の熱エネルギを与える熱源温度が100 ℃の水の蒸気化に
必要であるからである。もし87％未満であれば水の蒸気
化がならず、本発明の目的は達成し難い。

【０００６】

【作用】上記本発明方法によれば、変動する低温側熱源
より熱を汲み上げ、適量の水を冷媒凝縮器に供給し、燃
焼を使用せず、蒸気を一定圧力で継続的に自動的に得る
ことができる。

【０００７】

【実施例】以下、更に添付図面を参照し、本発明の実施
例を説明する。

【０００８】図１は本発明方法を実施するための装置の
１例であり、図において圧縮機（１），凝縮器（２），
冷媒絞り管（キャピラリチューブ）（３），蒸発器
（４）、更にアキュムレータ（５）が順次、接続配管さ
れて冷凍サイクルが構成されていると共に、蒸発器
（４）出口側と圧縮機（１）吐出側には夫々低圧圧力ス
イッチ（９），高圧圧力スイッチ（１０）が設けられて
いる。

【０００９】そして上記凝縮器（２）に浴槽の如き貯湯
槽（１４）より給水ポンプ（１１），水絞り管（キャピ
ラリチューブ）（１２）を通じて被加熱流体、例えば水
が該凝縮器（２）に併設された被加熱流体貫流経路内に
給水され、該経路内で水は冷媒と対向流で熱交換されて
蒸気として蒸気圧力調整器（６），気液分離器（７），
止弁（８）を経て蒸気取出口より取り出されると共に、
蒸気に混じって湯が存在するときは、湯は気液分離器
（７）で分離され、貯湯槽に還流されるよう構成されて
いる。

【００１０】一方、蒸発器（４）側は前記貯湯槽（１
４）より循環ポンプ（１３）を経て蒸発器（４）に併設
された貫通経路内に至り、冷媒と向流的に熱交換して再
び貯湯槽（１４）で還流する配管系統が設けられている
と共に、給湯口に至る弁付配管が接続されている。な
お、（１７）は補給水槽であり、適宜、給水され、前記
貯湯槽（１４）への水補給を受け持つ一方、貯湯槽（１
４）への配管途中より直接、循環ポンプ（１５）を介
し、水加熱器（１６）を通じて給湯口配管に至る配管が
分岐接続されている。また、前記貯湯槽（１４）は上部
に溢水に対応する安全弁（１９）を介して排水溝（２
０）に至る配管と共に止弁（１８）を介して排水溝（２
０）に至る配管が夫々連結されている。

【００１１】しかして上記装置において凝縮器（２）へ
の給水を加熱能力に合致する給水量に制御すること、高
温熱源の放熱を行う凝縮器（２）を放熱温度と、圧縮機
吐出圧力相当温度に合わせて設計すること、ならびに低
温熱源の吸熱を行う蒸発器（４）を吸熱温度と圧縮機吸
込み圧力相当温度に合わせて設計することは前述の通り
である。また、蒸発器（４）の吸熱量によって凝縮器
（２）で発生する蒸気の量が異なり、生成蒸気量が過大
となると、蒸気圧力が上昇し、高温危険であったり、冷
媒を冷却する熱源温度が上昇するので、凝縮圧力（温
度）が上昇し、所期の蒸気温度が得られなくなる。その
ため、一定圧力または一定温度の蒸気を得るためには凝
縮器（２）出口で放出する蒸気の量を調整する蒸気圧力
調整器（６）を取り付けておく、更に蒸気の使用を止め
る場合は、装置を停止するか、蒸気出口の止弁（８）を
閉じるが、止弁（８）を閉じると、圧力が上昇するの
で、出口圧力調整弁があっても異常高圧（高温）となる
ので圧力スイッチ（１０）より信号を得るか、出口部に
取り付けた温度センサーより信号を得て装置を停止す
る。

【００１２】一方、低温側熱源温度が低下し、蒸発器
（４）での冷媒蒸発温度が低下する圧縮機吸入圧力が低
下し、圧縮比が上がり好ましくない。そこで異常低圧時
にも圧縮機保護のため低圧圧力スイッチ（９）を設け、
装置を停止するようにしている。

【００１３】次に上記装置を用い具体的に蒸気を生成し
た実施例を小型貫流方式の低圧蒸気発生用ヒートポンプ
を例とし、下記仕様に従って説明する。 （１）冷媒はフロンＲ−１２３を仕様 （２）圧縮機は密閉式（液インジエクション付ロータリ
ーコンプレッサ）を使用 （３）蒸発器，凝縮器は二重管方式を使用 （４）凝縮器から蒸発器への冷媒液膨張（流量絞り）は
キャピラリチューブによって行った （５）凝縮器への給水流量調整はキャピラリチューブと
可変吐出圧力式のポンプによって行った （６）低温側の熱源として40〜60℃の温水を使用した （７）蒸気圧力は0.5kg ／cm2G（相当温度は110 ℃）で
運転した 以上の仕様による具体的な運転時の状態は下記の如くで
あった、表１は冷凍サイクルの運転時の状態、表２は各
機器の運転時の状態を示す。表１中、括弧内の数値は実
測値でない参考近似値である。 以下余白

【００１４】

【表１】

【００１５】

【表２】

【００１６】図２（イ），（ロ）は上記表１及び表２に
おける冷媒フロンＲ−１２３を用いた本発明ヒートポン
プの動作状態を示したモリエル線図及び温度勾配図であ
り、高温冷媒が凝縮器入口に入ってくる動作点２の位置
（Ａ）では冷媒は（イ）図に示すように127.6 ℃の温度
で、対向流であるため蒸気出口を最高温度まで加熱す
る。一方、凝縮器には（ロ）図に示すように54.5℃の水
（温水）が入って来て、110.4 ℃に昇温すると蒸気化が
始まるが、この110.4 ℃まで加熱する冷媒温度はこの温
度以上であり、水の物性値より所要エンタルピは56Kcal
/kg である。そして、次に上記蒸気化が始まり、110.4
℃の飽和蒸気に至るには更に532Kcal/kgのエンタルピを
必要とする。従って54.5℃の水を110.4 ℃の飽和蒸気に
するには合計、56＋532 ＝588Kcal/kgのエンタルピが必
要となる。一般に20℃の水を100 ℃の蒸気とするには前
述のように20℃→100 ℃までの水で80Kcal/kg 、100 ℃
の水→100 ℃の飽和蒸気で540Kcal/kgの熱量を要し、総
熱量620Kcal/kgに対する後者熱量の割合は540/620 ＝8
7.1％であり、最低87％が100 ℃以上の冷媒温度が必要
である。上記本発明実験例においては532/588 ＝90.5％
となり、充分87％以上である。そして表１の動作点２〜
３の冷媒温度、即ち、図２（ロ）のＡ〜Ｂ間の冷媒側温
度は127.6 〜104.1 ℃であり、100 ％,100℃以上となっ
ている。なお、図２（イ）において表１のエンタルピが
示されているが、Ａ〜Ｂ間においては159.7Kcal/kg−12
4.8Kcal/kg＝34.9Kcal/kg である。これを100 ％とすれ
ば、前記した本実験例における9.5 ％,90.5 ％は3.3Kca
l/kg,31.6Kcal/kgとなり、54.5℃→110.5 ℃では3.3Kca
l/kgが消費され、110.5 ℃の蒸気化では31.6Kcal/kg が
消費されていることになる。かくして、本発明方法はヒ
ートポンプ利用の蒸気生成に極めて有効であることが理
解される。

【００１７】

【発明の効果】本発明は以上のように冷媒として臨界温
度が100 ℃以上の冷媒を用いて、冷凍サイクルの高温側
にあたる凝縮器へ給熱する冷媒のエンタルピのうち、少
なくとも87％以上が100 ℃以上の温度となるように冷凍
サイクルを維持する如く運転せしめる方法であり、従
来、殆ど生成できなかったヒートポンプ高温側の凝縮熱
で蒸気発生を可能とし、蒸気ボイラに代る蒸気生成源と
して燃焼を使用せず、制御性良好に蒸気生成を達成する
ことができる。また、叙上の如く、燃焼を使用しないこ
とから本発明方法では腐食も起こらず、機器寿命を長期
化することができると共に、爆発、火災の心配もなく安
全性を高めることもできる。更に圧縮式ヒートポンプの
ため大気環境を汚染することもなく、またエネルギー効
率も高く運転経費の面で経済的である利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施する装置の概要図である。

【図２】本発明に係るヒートポンプ作動の動作状態を示
す図で、（イ）はモルエル線図、（ロ）は温度勾配図で
ある。

【符号の説明】

（１） 圧縮機 （２） 凝縮器 （３） 冷媒絞り管 （４） 蒸発器 （１１） 給水ポンプ （１２） 水絞り管 （１３） 循環ポンプ （１４） 貯湯槽 （１５） 循環ポンプ （１６） 水加熱器 （１７） 補給水槽

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機，凝縮器，冷媒絞り弁及び蒸発器
   を含む冷凍サイクルの前記凝縮器に被加熱流体貫流経路
   を併設して、該凝縮器を蒸気取り出し用となしたヒート
   ポンプにおいて、上記冷凍サイクルの冷媒として臨界温
   度が100 ℃以上の冷媒を用い、凝縮器へ給熱する冷媒の
   エンタルピのうち、少なくとも87％が100 ℃以上の温度
   となるように冷凍サイクルを維持し運転させることを特
   徴とするヒートポンプ利用の蒸気生成方法。