JPS59107160A - ２モ−ド式熱ポンプの操作方法及び該方法による操作のための２モ−ド式熱ポンプ - 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、第１モードでは吸収ポンプとして動作し、第
２モードでは蒸発−凝縮装置として動作する２モ一ド式
熱ポンプの操作方法であって、第１モードでは、発生器
において少、＜、とも溶解動作媒体の一部が加熱により
溶媒から分離し、その後ガス状にて凝縮器に送られて動
作媒体が液化すると共に熱伝導媒体に熱エネルギーを移
転し、しかる後液状動作媒体は蒸発器において膨張し蒸
発して周囲から熱エネルギーを奪い及び更に吸収器に送
られて動作媒体が溶媒に合体すると共に熱伝導媒体に熱
エネルギーを移転し、−万、発生器において依然として
合体している動作媒体は溶媒の関連部分及び動作媒体の
一部と共に吸収器に送シ込まれ、溶媒は吸収器から発生
器に戻されるものであり、第２モードでは、蒸発器が停
止し凝縮器内の動作媒体と発生器との接続が開となり、
その際第１モードから第２モードに転換する時に凝縮器
に収納されている動作媒体の剰余分が発生器に移送され
て、第２モードから第１モードに転換する時に凝縮器に
動作媒体の剰余分が再び収納される方法に関する。

本発明は、葦た、動作媒体のある分量が凝縮器と第１モ
ードで閉となり第２モードで開となる発生器との間の移
送パイプによｐ第２モードに供芒れるために収納されて
いる特許請求の範囲第１項記載の方法を実施するための
熱ポンプに関する。

冒頭に述べた種類の公知の方法（ドイツ特許出願２８５
６７６７号参照〕では、２種類の相異なる動作媒体を溶
媒に溶解させた溶液が用いられている。熱ポンプが吸収
熱ポンプとして動作する第１モードにおいては、第１動
作媒体として比較的低い凝ｆ１温度と比較的高い蒸気圧
を有するものが用いられ、−万、熱ポンプが少なくとも
部分的に蒸発−凝縮装置として動作する第２モードにお
いては比較的高い凝縮温度と比較的低い蒸気圧を有する
第２動作媒体が第１動作媒体に付加して用いられている
。第２モードでは、発生器で沸騰した後の第２動作媒体
が補助凝縮器内で凝縮されてそこから発生器へ戻され、
−万、第１動作媒体は補助凝縮器を経由して主凝縮器へ
送られる。第１動作る。第１のサイクルは第２動作媒体
が循還し、発生器と補助凝縮器とからなっている。、第
２サイクルは第１動作媒体が循還し、発生器と主凝縮器
とい凝縮温度を有する第２動作媒体が凝縮されることに
よって熱放射の増加が得られるけれども、公知の熱ポン
プには補助凝縮器と第２動作媒体を必要とする欠点があ
る。この結果、熱ポンプが比較的高価なものとなる。更
には、第２相において吸収器が動作し続き、主凝縮器か
らの液状第１動作媒体を発生器から生じて吸収器内に存
在している溶媒及び第１動作媒体の僅かな混合体に吸収
器内で混合しなけれはならないため、吸収熱を十分に逸
散するのを確保するうえで比較的高価な吸収器構造のも
のを必要とする。更に、第２モードで液体ポンプを非動
作にすることが不可能である。

留意すべき点は、第１モードでの第２動作媒体が補助凝
縮器の下方部に収納され、第１モードから第２モードへ
の転換時にこれが補助凝縮器と発生器を結ぶ栓全開にす
ることによって補助凝縮器をオーバーフローして発生器
へ送られる点である。

第１モードへの転換の後、第２動作媒体は補助凝縮器の
下方部に再び収集される。

本発明の目的は、前述の欠点を解消する方法を提供する
ことにあシ、また第２モードにおいて比較的簡単な手段
を用いて比較的低い周囲温度で動作し得る該方法発明を
実施するための熱ポンプを提供することにある。

か＼る目的のため、方法発明は、第１モードでの動作媒
体と第２モードでの付加的剰余動作媒体とが同一のタイ
プで必ｐ、第１モードから第２モードに転換する時には
吸収器が停止し、第１モードで元々存在している動作媒
体と第２モードでの付加的剰余動作媒体との双方が動作
媒体全体のために予定されている発生器及び凝縮器によ
り専ら形成されているサイクルを循還することを特徴と
するものである。

本発明の熱ポンプは、該熱ポンプが溶媒の溶液と、収納
された動作媒体と同一のタイプの単一動作媒体と、発生
器及び蒸発器間に配設した単一凝縮器とからなり、第２
モードにおいて、凝、縮器と蒸発器との間及び蒸発器と
吸収器との間に動作媒体全移送するのを発生器と吸収器
との間の溶液の移送と同様に遮断することを特徴とする
ものである。

発生器と凝縮器とで形成するサイクルでの剰余付加的動
作媒体が果たす効果は、第１モードに関連して、発生器
内にて動作媒体の高濃縮化を第２モードで利用できる点
である。これにより、第１モードと同一の脱ガス幅を有
するよシ低い若しくは同等の発生温度を第２モードでオ
リ用できるため、動作媒体が分解する危険がなくなる。

同様に発生器内で動作媒体が高濃縮化されるため、凝縮
器において比較的低い周囲温度でも十分な熱放射が可能
となシ、第１モードに関連して増大した圧力と、したが
って凝縮器内のより高い温度とでこの熱放射が行われる
。

これに対し、公知の方法では、第２モードにおける発生
器内では第１又は第２動作媒体の濃縮化が増大すること
はない。第２モードへの転換時に第１媒体の剰余分が些
かも付加されず、第２動作媒体は第２モードで単に作用
的に存在しているにすぎない。この場合、比較的低い周
囲温度に対して必委とする熱放射は、補助凝縮器内の第
２動作媒体が比較的市い凝縮温度となることにより得ら
れる。しかし、その凝縮は第］モードと実質的に変わら
ない比較的低い圧力で行われる。

欧州特許第０００１．８５８号に２モ一ド式熱ポンプの
操作方法が開示されている点が注目されるが、しかし、
この方法では、吸収熱ポンプから蒸発−凝縮装置への転
換の間、まず凝縮器と蒸発器との接続が閉となり、その
後に蒸発器内の液状動作媒体が吸収器に流されるように
なっている。しかる後、溶媒と結合している動作媒体が
吸収器から発生器へ送られ、そこで溶媒と分離される。

発生器からのガス状動作媒体は凝縮器内で凝縮され、そ
こに暫時収納される。動作媒体は、吸収器からの溶媒が
発生器内でも蒸発して発生器内で予め定められた値に圧
力増加する時まで、分解され続ける。

圧力検出器により信号を得て、吸収器と発生器との高圧
接続が一時的罠閉となる。そして、発生器からの液状溶
媒は吸収器へ流出される。、その後、発生器と吸収器と
の低圧結合が閉となり、−万凝縮器と発生器との新たな
結合が開となる。そして、□凝縮器に収集された動作媒
体は発生器と凝縮器で形成される蒸発−凝縮装置で利用
される。該蒸発−凝縮装置は、以降、純動作媒体、この
場合アンモニア（ＮＨ８）で作動する。

圧力の対数を温度に対しプロットしたグラフを作製して
みればわかるように、動作媒体が沸騰している間におけ
る温度の上昇は通常の場合（約］０％（７）ＮＨ３）よ
りもパーセンテージ老少さい上昇カ生じている。アンモ
ニアが完全に沸騰完了した後、。

圧力検出器の信号にょ９必要な圧力増力口がすすんでい
る間に更に同等の温度上昇が生じる。全体の温度上昇量
は様々な種類の動作媒体及び溶媒につき分解の危険が発
生するような値である。例えば、ここで用いた動作媒体
アンモニアの分解温度は約１８０”０であシ、同様に通
常用いられる溶媒グリコールの分解温度は約１．７０−
Ｑである。したがって、公知の方法では動作媒体の選択
面でがなり制限される。

以下、本発明について図面を参照しっ＼詳細に線間する
。

第】図に示す２モ一ド式熱ポンプはパイプ５によ！ｌｌ
凝縮器７に接続された精留コラム３全具備した発生器１
からなっている。精留コラム３′ｆｔ有する発生器１は
通當の形式のものである。ガスバーナー９は発生器１の
下に配設され、ガス栓１１を経由してガスが供給される
。凝縮器７はサーモスタット式膨張弁】３を介してパイ
プ１７によシ蒸発器Ｊ５に接続されている。熱ポンプの
周囲からの熱エネルギーは蒸発器１５に与えられる。こ
の熱エネルギーは、例えば、地下水を例とする液状の熱
移送媒体から取られるもので、この媒体は図式的に示す
如くパイプ系９　Ｋ−よｐ蒸発器１５に熱交換的接触を
もって導入される。蒸発器１５は移送パイプ２１により
吸収器２８に接続されていム１蒸発器１５も吸収器２３
も熱ポンプに通常用いられている形式のものである。吸
収器２３はパイプ２５により発生器ｌに接続されており
、発生器１ｉｒＪ、同様に別のパイプ２７により吸収器
２３に接続されている。ポンプ２９はパイプ２５に配設
され、膨張弁３１はパイプ２７に配設されている。凝縮
器７は、後述するように、特別のパイプ３３によシ発生
器］に接続されている。弁８５．３７　。

３９及び４１は各々パイプ１．７　、２５　、２７及び
３３に配設されている。

熱ポンプは熱移送媒体用パイプ系４３ＶＣ連結されてい
る。この場合の熱移送媒体は水である。パイプ系４３内
の水と熱ポンプとの熱交換的な接触が凝縮器７と吸収器
２３とで連続的に行われる。

ポンプ４５によってそのバイゾ糸内の水の流れが矢印方
向に維持されている。いわゆる有効熱はパイプ基４３に
おける熱交換器４＋７によって放出される。発生器内に
は水（浴媒）、ｌ！ｌ：アンモニア（動作媒体）の浴液
が収められている。沸騰当初のアンモニア濃度は３０係
である。発生器１内の圧力は２０　ａｔｍ、である。吸
収器２３は水とアンモニアの溶液からなり、３０％の比
較的高アンモニア含有量を有する。便宜上、熱交換器４
７での要熱エネルギーがガスバーナー９の調整を等しく
するに足りるように一定に維持するものと仮定する。水
−アンモニアの組合わせにあっては、熱ポンプは、約−
５”Ｃの外気温度に対しては、その温度での脱ガス幅が
比較的小さいため、必要とするポンプ容ｔｋ余９大きく
することなくして吸収熱ポンプ（第１モード〕として感
度よく作動することが可能と考えられる。

第２図において、発生器１内の溶液からアンモニアが沸
騰しはじめるのはＡで示した点である。

沸騰がすすむと、溶液内のアンモニアの割合が１゜係に
減少し、−万発生器内温度は１８０　℃まで上昇する。

その後、図中Ｂで示した点に到達する。

更にアンモニアを沸騰させると脱ガス幅を増加可能では
あるが、アンモニアの分解温度（約１８０℃）を超えな
いようにするために約１０％アンモニアに沸騰するのが
好ましい。発生器１内のアンモニア減耗溶液は、発生器
ｌ、パイプ２７、吸収器２３及びパイプ２５で形成され
るサイクルの下でポンプ２９によシ連続的に送られる。

吸収器２３では、溶液はアンモニアが１０％から３−０
％に富化され、次いで発生器に送り戻されて、そこで溶
液からのアンモニア沸騰が継続される。吸収器２８での
吸収開始は図中点Ｃで表わされ、−万吸収終了は点りで
表わされる。Ｃ−Ｄの範囲の吸収の間では、吸収熱は移
送パイプ系４８内の水に移転さレル。Ｂ−Ｇｔの範囲は
膨張弁３１によるアンモニア減耗溶液の膨張を表わして
いる。ポンプ２９による圧力増加は経路Ａ−Ｄで表わさ
れる。熱の交換は、熱交換器４９においてパイプ２７内
の加熱アンモニア減耗溶液とパイプ２５内の冷却アンモ
ニア富化浴液との間で行われる。したがって、冷却アン
モニア富化溶液が既に予熱状態にある発生器１内へ流れ
込むため、熱ポンプの効率の増大が達成される。また蒸
発水は発生器１内で沸騰したガス状アンモニアから精留
コラム８で除去され、その後パイプ５を介して凝縮器７
に移送されたガス状アンモニアは、そこでパイプ系４３
内の水に熱エネルギーを受は渡して液化する。液状アン
モニアはパイプ１７を介して凝縮器７がら蒸発器１５へ
移送される。このアンモニアは、液状アンモニアを蒸発
圧力の近く乃至は近傍にもたらすサーモスタット式膨張
弁１３を通過する。アンモニア蒸気が直接凝縮器７から
蒸発器１５に流れ込み、その結果蒸発器１５内でアンモ
ニア蒸気が凝縮することになるようなことを防ぐために
、パイプ１７に液体密閉５１を配設する。その目的のた
め、液体密閉５１をレベル検出器５３で構成し、液体ア
ンモニアが所与のレベルのときに信号経路５７を介シテ
プロセスコントロール装置５５に信号を供給する。その
後プロセスコントロール装置５！Ｉロックされ、液体密
閉５１内に液体アンモニアが再び十分な量存在すること
をレベル検出器５３が検出したときに限９、信号経路５
９を介して弁３５が再び開となる。蒸発器１５は周囲か
ら、この場合には地下水から蒸発熱を奪いながらガス状
アンモニアを供給するもので、地下水はパイプ系１９に
よって蒸発器１５内に送られて液体アンモニアと熱交換
的に接触する。ガス状アンモニアは蒸発器１５からパイ
プ２１を介して吸収器２３に移送され、そこでアンモニ
ア−水溶液に溶解する。第２図に示す点Ｅは凝縮器７内
での凝縮を表わし、点Ｆは蒸発器１５内での蒸発を表わ
し、経路Ｅ−Ｆは膨張弁１３による膨張を表わしている
。パイプ１７内の液体アンモニア及びパイプ２１内のガ
ス状アンモニアは熱交換器６］に送り込まれて相互に熱
交換的に接触する。液体アンモニアは半冷却され、蒸発
器内での蒸発が強く行われる。液体アンモニアから取ら
れる半冷却エンタルピ＋ａ　ｔたガス状アンモニアに加
えられ、その結果、熱ポンプの効率が向上する。パイプ
２１には温度検出器６３を配設し、過熱温度を計測して
、それを電気信号に変換し、信号経路６５を介してプロ
セスコントロール装置５５に供給される。プロセスコン
トロール装置５５は、蒸発器１５の負荷が変化したとき
に、信号経路６７を介して、サーモスタット式膨張弁１
３を正し７く調整することを保証する。

このように過熱程度は蒸発器の種々の負荷に対して一定
に維持される。このことは、蒸発器１５にアンモニアが
蒸発できるに十分な量だけ常に供給されることを意味し
ている。

外気温度が所与の値（水−アンモニアの組合わせに対し
ては約−５”Ｃ）よりも低くなった場合には、実用上の
目的からは許容されない溶液量をポンプにより循還しな
ければならない程度に脱ガス幅が減少する。このような
状況下では、就中欧州特許明細書第０００１８５８号に
て知られているように、熱ポンプは蒸発−凝縮装置とし
て第２モードの作動を行う。その場合、蒸発器と吸収器
とは系から解除される。

本発明の熱ポンプは温度検出器６９で構成され、外気温
度が低くな９すきると、信号が信号経路７１を介してプ
ロセスコントロール装置５５に送うれて転換が行われる
のである。このプロセスコントロール装置５５はその後
、信号経路５９．７３及び７５を介して弁３５．３９及
び３７′！ｉ−ロックし、しかる後に信号経路７７を介
してパイプ３３の弁４１を開にする。ポンプ２９は信号
経路８５を介してプロセスコントロール装置５５によシ
停止される。

ガスバー　ナー９は第１モードでのし、ベールト同一の
レベルで作用し続けることができる。しかし、周囲温度
が非常に低いときは、ガスバーナを高温レベルに調整す
ることもできる。凝縮器７の流出量ロア９は発生器ｌの
流入開口８１のレベルよりも上位に距離ａをおいて配置
されているので、距離ｂ＋Ｃに相当する液体アンモニア
の量が凝縮器７から発生器ｌへと流れる。距離すに相当
するアンモニア量は、パイプ１７が凝縮器７に接続して
は熱ポンププロセスに関与しない特別な貯ｉＨである。

しだがって、流出開口８３は流出の作用をする。距離Ｃ
に組機するアンモニア量は吸収熱ポンププロセス（第１
モード）に関与する量である。

凝縮器７かう特別な量のアンモニアが流出する結果とし
て・発生器ｌ内の浴腋のアンモニア濃度は増加する。実
際の場合、発生器１内のアンモニアの濃度は例えば４０
係に増加し、これは第２図に示す点Ｇに相当する。第１
モードと比較するために脱ガス幅２０％から出発したと
すると、第２モードでのアンモニアの沸騰終点は第２図
の点Ｈに相当する。ここで弁８４は信号経路８６を介し
てプロセスコントロール装置５５からの信号により開と
なる。弁８４はパイプ３３に接続しているパイプ８８に
配設されている。ポンプ２９が再び始動して、アンモニ
ア減耗溶液が発生器１から汲み出、されてパイプ３３内
で凝縮器７から流出した液体アンモニアと混合される。

第２モードにおける送シ出し方向は第１モードにおける
方向と逆であるＯ 第】モードでの経路Ａ−Ｂに従う沸騰が１３２”Ｃと１
８０”Ｃとの間で生ずるのに対し、第２モードでの沸騰
は同一の脱ガス幅２０％で１１０”Ｃと１５７℃との間
で行われる。これは、動作媒体が分解する危険性が増す
ようなことなくより高い凝縮器温度を必要とするならば
、第１モードよりも高圧の下での発生器温度は１８０℃
に上昇できることを意味している。これは、また、より
低い分解温度を有する動作媒体及び溶媒を第１モードの
ときと同一の発生器温度で使用できることも５意味して
いる。考えられるのは、例えば、動作媒体がグリコール
で溶媒がエチルアミンの組合わせ、動作媒体がメタノー
ルで溶媒が臭化リチウム、又は動作媒体がディフロロモ
ノクロメタン（ＯＨ０１Ｆ２）で溶媒がテトラエチレン
グリコール　ティメタルの組合わせがある。第２モード
では第２図の点Ｅでも凝縮が生じる。その後全プロセス
が２０　ａｔｍ、■圧力で起る。留意すべきことは、凝
縮器が発生器−ド よりも高位置に配するならば、第２Ｗはポンプを切換え
る必要がないということである。その場合・発生器の構
成と凝縮器の構成を融通し合うならば・発生器１内は平
均アンモニア濃度となる。

ここでは脱ガス幅は零に等しい。それ故に発生器内のア
ンモニア濃度は・例えば２５％に等しくなる。沸騰は１
４８℃で生じる。第２図に示す沸騰点以外には沸騰範囲
が存在しない。

第２図の点Ａは必ずしも３０％アンモニアである必要が
ないことは明らかであろう。所望の温度範囲と脱ガス幅
であれば、点Ａは比較的高いパーセント、例えば９０％
のアンモニアである。したがって、脱ガス＠を比較的太
きぐ選択でき、第１モードでのポンプ２９は溶液容世の
比較的小さいポンプでたりる。

欧州特許明細書第０００１８５８号による方法では、第
２図に示す第２モードでの点Ｋに達する（右方向）筈で
あり、これは圧力検出器により精留コラム内の圧力が増
力口するのはすべてのアンモニアが沸騰したときのみで
あるため（ギプス相法則）である。点には約２１０℃で
あるから、アンモニアの分解温度を超えている。そのた
め、公知の方法では水−アンモニアの組合わせは凝縮器
圧力が減少したときに使用できるだけである。これは公
知の方法の適用分野を著しく制限することとなる。

温度検出器６９が外気温度が再び一５℃以上となったこ
とを指示すると、簡単な方法で第１モードへの転換を行
うことができる。弁４１が閉となる一万、弁３５．３９
及び３７が再び開とな９、ポンプ２９が始動する。新鮮
な世の特別のアンモニアは凝縮によジ流出開口８３のレ
ペ／Ｌｚまで凝縮器７内に再び自動的に形成される。

凝縮器７があまシ高圧にならないようにするためには、
圧力検出器８７を信号経路８９を介してプロセスコント
ロール装置５５に接続する。これは凝縮器圧力が高くな
シすぎたときにガスバーナー９を消すものである。更に
、レベル検出器９　］を発生器１内に設け、信号経路９
３を介してプロセスコントロール装置５５に接続する。

発生器１内の溶液のレベルが低くなシすぎ、アンモニア
ガスが移送パイプ２７に至るような可能性が生じたとき
には、プロセスコントロール装置５５が４ｉ−Ｓ経路７
８を介して弁３９を閉にする。

本発明による熱ポンプは、蒸発に必要な熱エネルギーを
第１モードで地下水からとるシステムに制限されるもの
ではないことに留意すべきである。

原理的には、この熱エネルギーは適宜温度のどの熱源、
例えば外気からもとることができる。ガスバーナー９の
廃気ガスの熱も熱交換器全弁してパイプ系４３内の水に
供給することができる。精留コラム３に含まれる浴液の
凝縮熱は、例えば熱交換器を用いて、パイプ系４３内の
水に供給することができる。発生器を加熱するために、
ガスノ（−ナー９に代えて他の熱源を使用することがで
きるのは云うまでもない。例えば、電気的に加熱するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る２モ一ド式熱ポンプを図式的に示
す図、 第２図は種々の濃度の動作媒体について圧力の対数値を
温度に対してプロットした図である。 １・・・発生器　　　　　　３・・・精留コラム？・・
凝縮器　　　　　　］５・・・蒸発器２３・・・吸収器
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　第１モードでは吸収ポンプとして動作し、第２モー
   ドでは蒸発−凝縮装置として動作する２モ一ド式熱ポン
   プの操作方法であって、第１モードでは、発生器（１）
   において少くとも溶解動作媒体の一部が加熱により溶媒
   から分離し、その後ガス状にて凝縮器（７）に送られて
   動作媒体が液化すると共に熱伝導媒体に熱エイ・ルギー
   を移転し、しかる後液状動作媒体は蒸発器（１５）にお
   いて膨張し蒸発して周囲から熱エネルギーを奪い及び更
   に吸収器（２３）に送られて動作媒体が溶媒に合体する
   と共に熱伝導媒体に熱エネルギーを移転し、−万、発生
   器において依然として合体している動作媒体は溶媒の関
   連部分及び、動２作媒体の一部と共に吸収器（２３）に
   送シ込壕れ、溶媒は吸収器（２３）から発生器（］）に
   戻されるものであυ、 第２モードでは、蒸発器（１５）が停止し凝縮器（７）
   内の動作媒体と発生器（１）との接続が開となり、その
   際第１モードから第２モードに転換する時に凝縮器（７
   ）に収納されている動作媒体の剰余分が発生器（１）に
   移送されて、第２モードから第１モードに転換する時に
   凝縮器（７）に動作媒体の剰余分が再び収納される方法
   において、 第１モードでの動作媒体と第２モードでの付加的剰余動
   作媒体とは同一のタイプであシ、第１モードから第２モ
   ードに転換する時には吸収器（２８）が停止し、第１モ
   ードで元々存在している動作媒体と第２モードでの付加
   的剰余動作媒体との双方が動作媒体全体のために予定さ
   れている発生器（］）及び凝縮器（７）により専ら形成
   されているサイクルを循還することを特徴とする方法。 区　動作媒体のある分量が凝縮器（７）と第］モ−ドで
   閉となジ第２モードで開となる発生器（１）との間の移
   送パイプ（３３）によシ第２モードに供されるために収
   納されている特許請求の範囲第１項記載の方法を実施す
   るための熱ポンプにおいて、 該熱ポンプは溶媒の溶液と、収納された動作媒体と同一
   のタイプの単一動作媒体と、発生器（１）及び蒸発器（
   １５）間に配設した単一凝縮器（７）とからなシ、第２
   モードにおいて凝縮器（７）と蒸発器（１５）との間及
   び蒸発器（１５）と吸収器（２３）との間に動作媒体を
   移送するのを発生器（１）と吸収器（２３）との間の溶
   液の移送と同様に遮断することを特徴とする熱ボンダ。