JPS63220052A - 熱交換装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は低温熱エネルギおよび冷熱エネルギを利用して
高温の熱エネルギを発生せしめる熱交換装置に関し、具
体的には定温熱エネルギを熱源として高温の熱エネルギ
を取り出す熱交換装置例えば冷水又は温熱水供給装置に
関する。

（従来技術） ヒートポンプは、熱媒の気化に際して取り込まれる気化
熱および熱媒の液化の際に放出される凝縮熱を利用して
熱エネルギの移動および伝達を行うものであるが、例え
ば室外の大気温度が低下するほど益々暖かくなる暖房機
即ち逆ストーブはこのヒートポンプを利用したものであ
る。従来、ヒートポンプを他の熱機関で駆動するように
した逆ストーブが知られている。これは、低い外気と定
温度熱源との間で熱機関を動かし、その熱機関の出力軸
に自動遠心クラッチを介して電動機を接続し、前記熱機
関の動力が充分大きいときは制御器で自動的に前記クラ
ッチをつないで直接熱機関の動力（出力）でヒートポン
プを駆動し、該ポンプで定温度熱源から熱を汲み上げて
放熱部へ導き、また前記熱機関の動力が充分でないとき
は、同様に前記制御器により前記クラッチを切って前記
電動機でヒートポンプを駆動するようにしたものである
。

（発明が解決しようとする問題点） 上述した自動クラッチおよび制御器を用いた逆ストーブ
あるいは暖房装置では、熱機関の動力が充分でないとき
に熱機関側の動力を切って電動機の動力によりヒートポ
ンプを駆動するので、電動機に大電力が必要であり、ま
た熱機関側の動力の変化に制御器および自動クラッチが
適確に追従せず、結局電動機が働かないまま熱機関側の
低下した動力でヒートポンプを駆動することとなり、ヒ
ートポンプしたがって逆ストーブが有効に働かないとい
った欠点がある。また電動機はヒートポンプの圧縮器に
連結されるが、暖房機としては通常電動機と圧縮器とが
一体に組み込まれた密閉形のものが一般的であり、この
ようなものにさらに熱機関の回転出力軸を連結すること
は構造的な無理が生じ、連結部からヒートポンプ系内の
熱媒体が漏れ出るといった不具合が起る。圧縮器と電動
機が分離した非密閉形のものは、圧縮器、電動機ともに
大型であって、この種の暖房機には適さない。

（問題点を解決するための手段） 本発明に係る逆ストーブ式熱交換装置は、ヒートポンプ
即ち加熱サイクル部と熱機関即ち熱動力サイクル部とを
有し、前記加熱サイクル部は、放熱器と蒸発器とを結ぶ
熱媒体循環路に、前記熱動力ザイクル部で駆動される予
圧縮器を設けて構成し、前記熱動力サイクル部は、凝縮
器と蒸発器とを結ぶ熱動力媒体循環路にターボエンジン
を設けて構成し、前記ターボエンジンの出力軸を前記圧
縮器に連結して該圧縮器の駆動源とし、前記熱動力媒体
循環路の蒸発器を足熱源で加熱源で加熱するようにした
ものである。

（実施例） 次に、本発明を、図面を参照しながら、実施例について
説明する。

第１図は冷温水供給装置として構成した本発明の実施例
に係る熱交換装置の概略図である。本発明の熱交換装置
は全体として符号Ａで示す加熱サイクル部と、符号Ｂで
示す熱動力サイクル部とで構成される。まず、加熱サイ
クル部Ａは、加熱対象部Ｃに熱（温熱水）を与える放熱
器（冷温水熱交換器）１と、加熱サイクル部Ａの定温度
熱源（大気）として構成される蒸発器（空気熱交換器）
　、２と、後述する熱動力サイクル部Ｂのターボエンジ
ン１２により駆動される圧縮器４とを有し、これらの放
熱器１、蒸発器２、圧縮器４を配管６で閉回路状に結び
、この系内に例えばフロン等の熱媒体を封入することに
より構成される。なお圧縮器４および前記ターボエンジ
ン１２はケースに一体に組み込まれた密閉型のものが好
適に採用される。圧縮器４としては、この実施例では、
タービン形式のものが採用される。また蒸発器２は、こ
の加熱サイクル部Ａの設置される室内の暖気、温熱風あ
るいは夏期の野外暖気による温熱が導入され、該温熱と
系内の熱媒体との間で熱交換がなされ、冷風が放出され
るように構成されている。なお、図示の実施例ではさら
に、本装置を冷水供給機として使用する場合の切替弁１
８が設けであるが、これについては後述する。

熱動力サイクル部Ｂは、例えば屋外の冷気その他の低温
雰囲気にさらされる凝縮器（低温側熱交換器）１１と、
定温度熱源との間で熱交換を行う蒸発器（高温側熱交換
器）１３と、温度差エンジンとなるターボエンジン１２
と、これらを閉回路状に結んで熱動力媒体循環路を形成
する配管１４とから構成されている。ターボエンジン１
２は、配管１４の入口側にノズルを設けたタービン形式
の回転動力機として構成され、その回転出力軸１５は加
熱サイクル部Ａの圧縮器４の入力軸に連結される。熱動
力サイクル部Ｂの配管１４には必要に応じてポンプ１６
が設けられる。配管１４内には例えばフロン等のような
気液変化する熱媒体が封入され、この熱動力サイクル部
側の熱媒体をここでは熱動力媒体と称することとする。

熱動力サイクル部Ｂの凝縮器１１には冷却塔８が配管９
を介して連結され、この間を冷却水ポンプ３によって冷
水が循環するようになっている。

冷却塔８は内蔵したファンにより周囲の空気を温風とし
て放出（放熱）するように構成されている。

熱動力サイクル部Ｂの蒸発器１３には、図示の実施例で
は、図示しない加熱源により得られた定温の熱水１９が
供給されて該蒸発器１３にて系内の前記熱動力媒体との
間で熱交換がなされる。蒸発器１３における定温度熱源
としては、このほか例えばボイラからの蒸気供給、ある
いはバーナあるいはヒータ１７等による蒸発器の直接加
熱等の手段が採用され得る。

第２図は本発明における圧縮器４およびターボエンジン
１２を収容した圧力容器２０の拡大縦断面図である。容
器２０内のターボエンジン１２の媒体導入口１２ａおよ
び圧縮器４の媒体導入口４ａは該容器内に開口しており
、またそれらの吐出口１２ｂ、４ｂは該容器の吐出口２
５．２６に吐出管を介して連結されている。前述した加
熱サイクル部Ａの熱媒体循環路および前記熱動力サイク
ル部Ｂの熱媒体循環路はそれぞれ配管６，１４を介して
圧力容器２０の導入口２４に連通され、これによって容
器内に気体状の熱媒体が充満し、さらに導入口１２ａ、
４ａからターボエンジン１２および圧縮器４に導入され
、該エンジンおよび圧縮器４を駆動し、吐出口２５．２
６からそれぞれ前記凝縮器１１および放熱器１へ導かれ
る。

圧力容器２０内にはさらにターボエンジン１２の出力軸
１５を潤滑するための潤滑油ポンプ２１、潤滑油配管２
７および油留め２２が設けられ、さらに必要に応じて熱
媒体や潤滑油の回収口２８が設けられる。ターボエンジ
ン１２および圧縮器４は圧力容器内に収容される関係か
ら特別に耐圧構造にする必要はない。

このような構成でまず熱動力サイクル部Ｂの動作につい
て説明すれば、凝縮器１１に連結された冷却塔８が対面
している屋外の冷気とＢ側蒸発器１３の定温度熱源との
間に成る温度差があると、前記熱源により蒸発器１３で
気化した熱動力媒体の気体は配管１４から圧力容器２０
内に導入され、ターボエンジン１２を駆動し、さらにタ
ーボエンジン１２から凝縮器１１へ導かれ、該凝縮器１
１で外冷気により液化し、再び蒸発器１３で気化して系
内を循環する。ターボエンジン１２の内部は、凝縮器１
１における熱動力媒体の気体から液体への相変化に伴う
体積の収縮による吸引によって負圧状態になっており、
圧力容器２０内に充満した気体状の熱動力媒体によりタ
ービンのロータを回転せしめ、出力軸１５に回転動力を
与える（これによって圧縮器４が駆動される）。屋外の
冷気が温度低下すればする程、凝縮器１１とＢ側蒸発器
１３との部分で温度差が大きくなり、配管１４から圧力
容器２０への気体噴出力は強く、大きな動力が出力され
る。この動力は前述の如く加熱サイクル部Ａの圧縮器４
の駆動源となる。

一方、加熱サイクル部Ａでは、系内の熱媒体は、第１図
の実線矢印の如く圧縮器４から切換弁１８を経て蒸発器
２、放熱器１、切換弁１８から圧力容器２０に入り、圧
力容器２０内の圧縮器４に入り、これらの間を循環する
。熱媒体は蒸発器２で前記の定温度熱源により気化し、
放熱器１で凝縮されて液化し、この凝縮の際に放熱器１
から冷温水配管３０を介して温熱水を加熱対象部Ｃへ供
給する。液化した熱媒体は再び蒸発器２へ戻され、この
ようにして気液変化しつつ系内を循環して放熱器１によ
る温熱水供給を行う。圧縮器４の駆動は、前述の如く熱
動力サイクル部Ｂの外気と定温度熱［（例えば図示の如
くヒータ１７）との温度差を利用したターボエンジン１
２および圧力容器２０内の加圧媒体によりなされる。

温熱水供給装置を冷水供給装置として使用するために、
図示の実施例では配管６の径路に電動式４方弁１８が設
けられる。温水供給モードのときは熱媒体は前述の如く
実線矢印の如く流れるが冷水供給モード時には破線矢印
の如く冷媒が流れ、この場合は前記放熱器ｌが蒸発器と
して作用し、前記蒸発器２が凝縮器として作用し、冷却
対象部Ｃに冷却水が送出される。蒸発器２に凝縮器とし
ての作用を行わせるために適当な冷却塔を設置してもよ
い。なお、冷水供給モードにおいても系内の熱動力媒体
の流れ方向、したがってターボエンジン１２の回転方向
は変らない。

図示の実施例では熱動力サイクル部Ｂの凝縮器１１は水
冷式で冷却するように構成したが、加熱サイクル部Ａの
蒸発器２におけるような大気による冷却、即ち空冷構造
とすることもでき、この場合は冷却水ポンプ３、配管９
、冷却塔８は不要となり、メンテナンスが容易となる。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、圧縮器４を圧力容
器２０内に収容し、該容器内に充満した媒体およびター
ボエンジン１２によって圧縮器４を作動させるようにし
たので、外気温度が低下するほど圧縮器の駆動動力が少
くてすみ、しかも放熱部からは高温の熱が放出される効
果がもたらされる。ターボエンジンおよび圧縮器は圧力
容器で包囲されているので特別な耐圧構造にする必要は
なく、全体としてコンパクトに構成でき、また定温度熱
源の故に安定した熱交換作用がもたらされる。

また本発明では太陽熱あるいは廃熱を利用できない環境
下でも、ヒータ、バーナ、ボイラ等の定温熱源で熱動力
サイクル部の熱交換器即ち蒸発器を加熱するので、本装
置自体を独立して稼動でき、例えば吸収式冷温水発生機
と同じような使用が可能である等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る熱交換装置の概略図、第
２図は本発明における圧力容器の内部を示す断面図であ
る。 １・・・放熱器、２，１３・・・蒸発器、４・・・圧縮
器、６．１４・・・配管、１１・・・凝縮器、１２・・
・ターボエンジン、１５・・・出力軸、１６・・・ポン
プ、１８・・・４方弁、２０・・・圧力容器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 放熱器、蒸発器、および圧縮器を熱媒体循環路で閉系路
   状に結んだ加熱サイクル部と、凝縮器、蒸発器およびタ
   ーボエンジンを熱動力媒体循環路で閉系路状に結んだ熱
   動力サイクル部とを有し、前記ターボエンジンの出力軸
   を前記圧縮器に連結して該圧縮器の駆動源とし、前記熱
   動力媒体循環路の蒸発器を定熱源で加熱するようにした
   ことを特徴とする熱交換装置。