JPH0217597B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、特定の流体混合物を作動流体として
用いる熱ポンプによる熱の生成法に関する。 熱ポンプに混合物を用い、熱交換を行うべき外
部流体の温度曲線に平行する温度曲線に従つて該
混合物を気化せしめ、凝縮せしめて性能を向上せ
しめるようにし、この熱交換が向流で行われるこ
とは、米国特許第4089186号の対象であつた。 使用する混合物は、該特許第4089186号では、
生ずる混合物が共沸性にならないような組成物に
用いられるものであつて、少なくとも２種の成分
より成る混合物と、定義されている。 該特許第4089186号に記載する応用は、熱が巾
広い温度範囲にわたつて回収されるような場合に
関するものである。このために、該特許第
4089186号は、２段の熱ポンプ内を循環する混合
物を凝縮して、熱が回収される温度範囲よりも限
定された温度範囲にわたつて熱を供給するように
する、好ましいフローチヤートを記載している。 一方において、このように記載する応用の場
合、混合物は少なくとも部分的には40℃以上にあ
る温度範囲においてこれを凝縮する。 大巾な温度範囲において熱を回収する場合にお
いては、用いる混合物が二元混合物であれば、該
混合物を形成する２つの成分の割合は相似たもの
でなければならない。かくて、前記特許第
4089186号に記載する２つの実施例においては、
１例では混合物はクロロジフルオロメタン（Ｒ―
22）40％とトリクロロ―１，１，２―トリフルオ
ロ―１，２，２―エタン（R113）60％を以て形
成されており、他の１例ではプロパン38％とノル
マン・ペンタン62％を以下形成されている。 特に暖房に用いられる多くの熱ポンプは種々の
運転条件を要求する。事実、多くの場合、熱は、
例えば、５〜15℃であることのある相対的に狭い
温度範囲にわたつて回収される。 このような熱ポンプは、比較的低温、例えば０
〜20℃の間に含まれる温度を有する、水でもよい
し空気でもよい流体から熱を回収し、同様に比較
的低温、例えば50〜40℃の間に含まれる温度を有
する、水でもよいし空気でもよい流体に熱を供給
することによつて、作動することが多い。 このような熱ポンプの場合、一般に用いられる
作動流体はあるいはモノクロロジフルオロメタン
（Ｒ―22）、あるいはジクロロジフルオロメタン
（Ｒ―12）である。臨界温度は（以下tcなる記号
を以て示す）Ｒ―22については96℃、Ｒ―12につ
いては112℃である。 一般に、より高い沸騰温度および臨界温度が成
績係数に関しては有利であるが、これは吸込時の
大きい流量、従つて与えられたコンプレツサーに
ついて小さい熱容量を招来するものである。Ｒ―
22とＲ―12を選定したことは、Ｒ―12の使用は特
に高温度水準、例えば50℃以上のためのものであ
るので、家屋の暖房に用いられる温度についての
この２つの制約の間の妥協の結果である。 このような熱ポンプは、一般に、安全上の理由
により、炭化水素類の如き可燃物あるいはアンモ
ニアの如き有毒物を避けて、「フレオン」型のハ
ロゲン化物の流体の使用を必要とする。 適合上の問題を少なくし、同一の器材を、熱ポ
ンプが単一物を以て作動する場合よりも広く用い
るためには、熱ポンプが単一物、例えばＲ―22ま
たはＲ―12を以て作動する場合に用いられる成分
で過半量を占める所謂基本成分と、限定した割合
（すなわち一般には混合物の20重量％以下、例え
ば0.5〜20重量％）の第２成分とを含む混合物を
用いるのが有利である。前記の第２成分の臨界温
度とは極めて異なつたものであることが必要であ
り、両臨界温度の開きは、例えば、少なくとも20
℃に等しくなければならない。 混合物の成分の割合が非常に異なつているの
で、この時、該混合物は「不均斎」と呼ぶことが
できる。 不均斎混合物の第２成分は、基本成分の臨界温
度より低い臨界温度を有する成分であつてもまた
基本成分の臨界温度より高い臨界温度を有する成
分であつてもよい。 前者の場合、混合物の使用より生ずる利得は、
下記の実施例の示す如く、後者の場合に得られる
利得より極めて小さいことが見出されている。 実施例 １ 図面に図式化した水―水の熱ポンプを考察す
る。 この熱ポンプは、混合物が管路１を通つてはい
り、完全に気化して管路２から出て行く蒸発器Ｅ
１と、混合物の蒸気が圧縮されるコンプレツサー
Ｋ１と、そこから混合物が管路３を通つて送込ま
れる凝縮器Ｅ２とを備えており、混合物は完全に
凝縮されて管路４を経て出て行き、次いで膨張ゲ
ート弁Ｄ１内で膨張して蒸発器Ｅ１内へ再循環せ
しめられる。蒸発器Ｅ１と凝縮器Ｅ２は重管式熱
交換器より出来ており、その中で熱交換を行うべ
き流体が向流循環する。 管路５によつて地下水面より採取した水を１
m³／ｈの流量を以て受入れる。この水は12℃にお
いて受入れ、管路６を通つて４℃で出て行く。凝
縮器Ｅ２内で加熱される水は、管路７を通つて20
℃で受入れ、管路８より出て行く。その流量もま
た１m³／ｈである。 先ずはじめに、基本成分としてＲ―22、第２成
分として臨界温度198℃を有するトリクロロフル
オロメタン（Ｒ―11）より成る混合物を用いて、
この熱ポンプを作動せしめる。 混合物に対するモル％を以て表示したＲ―11の
濃度を変化せしめれば、成績係数（COP）及び
m³／ｈを以て表示するコンプレツサーの吸込時流
量（Va）に関して下記の通りの成績を得た。ち
なみにCOPは熱ポンプの供給する熱力のコンプ
レツサー駆動用モーターにおいて消費する電力に
対する比として定義される。

【表】 従つて、混合物の組成は、基本事例に対して23
〜24％のエネルギーの節約に対応する、６％とい
うＲ―11濃度を以て最適になることが認められ、
しかもこれは装置及び熱交換面に変更を加えない
でなし得る。 次いで、基本成分としてＲ―22、第２成分とし
て29℃の臨界温度を有するクロロトリフルオロメ
タン（Ｒ―13）より成る混合物を用いる。 混合物に対するモル％を以て表示するＲ―13の
濃度を変化せしめれば、成績係数（COP）及び
m³／ｈを以て表示する、コンプレツサーの吸込時
の流量（Va）に関して下記の如き成績が得られ
る。

【表】 混合物の組成は、基本事例に対して４％の消費
の利得に対応する、12％というＲ―13濃度を以て
最適となる。 この例について、基本成分としてＲ―22（tc＝
96℃）、第２成分としてＲ―22の臨界温度より高
い臨界温度を有するＲ―11（tc＝198℃）を含む混
合物は、基本成分としてＲ＝22、第２成分として
Ｒ―22の臨界温度より低い臨界温度を有するＲ―
13（tc＝29℃）を含む混合物より、遥かに大きい
エネルギーの節約をもたらすことが認められる。
臨界温度の開きは、最低20℃であるが、過度であ
つてはならないし、一般に150℃以下であるもの
とする。 本発明により用い得る混合物は、例えばクロロ
ジフルオロメタン（Ｒ―22、tc＝96℃）、ジクロ
ロジフルオロメタン（Ｒ―12、tc＝112℃）、ブロ
モトリフルオロメタン（Ｒ―132B1、tc＝67℃）、
クロロペンタフルオロエタン（Ｒ―115、tc＝80
℃）、ジフルオロエタン（Ｒ―152a、tc＝113.5
℃）あるいはＲ―502（tc＝82℃）、Ｒ―22とＲ―
115の共沸混合物（48.8／52.2重量％）、Ｒ―500
（tc＝105.5℃）、Ｒ―12とＲ―31の共沸混合物
（78.0／22.0重量％）の如き共沸混合物である基
本成分と、基本成分の臨界温度より少なくとも20
℃高い臨界温度を有する、例えばトリクロロフル
オロメタン（Ｒ―11、tc＝198℃）、ジクロロテト
ラフルオロエタン（Ｒ―114、tc＝146℃）、ジク
ロロヘキサフルオロプロパン（Ｒ―216、tc＝180
℃）、ジクロロフルオロメタン（Ｒ―21、tc＝
178.5℃）、オクタフルオロシクロブタン（Ｃ―
318、tc＝115℃）、あるいはＲ―506（tc＝142℃）、
Ｒ―31とＲ―114の共沸混合物（55.1／44.9重量
％）の如き共沸混合物である第２成分とより形成
することができる。 具体的例は下記の通りである。 Ｒ―22＋Ｒ―11 Ｒ―22＋Ｒ―114 Ｒ―115＋Ｒ―114 Ｒ―12＋R11 Ｒ―12＋Ｒ―216 Ｒ―502＋Ｒ―114 本例に示すように、各々の応用事例において、
混合物中の第２成分のモル濃度の最適値は、0.5
〜20％という極限値の範囲の内側で求めなければ
ならず、また本発明の提供する利益を完全に利用
できるのでなければ恣意的にこれを定めるべきで
はない。 前記の型の混合物は、与えられた質量流量、あ
るいはモル流量について、単一物を以て作動する
熱ポンプの基本事例におけるよりも普通はやや大
きい吸込時流量をもたらすという不都合を生じ
る。しかしながら、圧縮比がより小さいので、単
一物の場合における同じコンプレツサーを用いる
ことも、あるいはまた、投資額がさらに小さくて
すむコンプレツサーでさえも用いることは一般に
可能であろう。従つて、前記の型の混合物を以て
作動する熱ポンプは、単一物を以て作動する熱ポ
ンプより遥かに有利である。それにも拘らず、コ
ンプレツサーの寸法を小さくし、従つて与えられ
た質量流量に対応する容積流量を小さくするのに
努めることがある。 与えられた質量流量またはモル流量に対して、
コンプレツサー吸込時の容積流量を小さくしなが
ら、また基本成分、例えばＲ―12またはＲ―22、
基本成分の臨界温度よりも少なくとも20℃高い臨
界温度を有する第２成分、例えばＲ―11、Ｒ―
113またはＲ―114、それに基本成分の臨界温度よ
り低い臨界温度を有する第３成分、例えばモノク
ロロトリフルオロメタン（Ｒ―13）の少なくとも
３種の成分を含む混合物を用いながらも、成績係
数についての大きい利得を保持することが可能で
あることも見出された。これが本発明のもう１つ
の目的である。 以下の実施例によれば、混合物の選定を如何に
して行うかの方式を明示することができる。 実施例 ２ 実施例１に記載しかつ図面に図式化してあるも
のと同じ熱ポンプを考察する。蒸発器及び凝縮器
において、実施例１における同一の流量の水を以
て運転するが、これは12℃で蒸発器内に受入れら
れ、これに熱を与えて４℃で出て行く水と、20℃
で凝縮器に受入れられ、この中で加熱される水で
ある。 基本成分としてＲ―22、第２成分としてＲ―11
及び第３成分としてＲ―13より成る混合物を用い
る。Ｒ―13 10％を含む混合物を用い、Ｒ―11の
濃度を変化せしめる。成績係数（COP）及び
m³／ｈで表示するコンプレツサー吸込時の流量
（Va）に関して下記の如き成績を得る。

【表】 従つて、下記の組成（モル分率）、すなわち、 Ｒ―22：0.89 Ｒ―11：0.01 Ｒ―13：0.10 を有する混合物について、Ｒ―22を単一物として
用いる運転に比し、22％の利得が得られることが
認められる。 すなわち、この利得は、Ｒ―22 94％とＲ―11
６％の混合物を用いる実施例１の最適の場合の利
得に近いものである。且つまた、同一の混合物モ
ル流量に対して、Ｒ―22 89％、Ｒ―11 １％及び
Ｒ―13 10％より成る混合物を以て、吸収時流量
について、Ｒ―22 94％とＲ―11 ６％の混合物を
以て得た吸収時流量に比して、21％の利得を得
る。 上例は例示のために記載したのであるが、異な
つた組成及び性質の混合物を用いてもよい。３種
の成分より成る混合物が適当なものになり得るに
は、好ましくは、少なくとも80モル％に等しい濃
度を有する基本成分、例えばＲ―22（tc＝96℃）、
Ｒ―12（tc＝112℃）、Ｒ―13B1（tc＝67℃）、Ｒ―
115（tc＝80℃）、Ｒ―152a（tc＝113.5℃）、あるい
はＲ―502（tc＝82℃）またはＲ―500（tc＝105.5
℃）のような共沸混合物の如きもの、基本成分の
臨界温度より少なくとも20℃高い臨界温度を有す
る第２成分、例えばＲ―11（tc＝198℃）、Ｒ―114
（tc＝146℃）、Ｒ―216（tc＝180℃）、Ｒ―21（tc＝
178.5℃）、Ｃ―318（tc＝115℃）あるいはＲ―506
（tc＝142℃）のような共沸混合物の如きもの、及
び基本成分の臨界温度より好ましくは少なくとも
20℃は低い臨界温度を有する第３成分、例えばク
ロロロトリフルオロメタン（Ｒ―13、tc＝29℃）
あるいはトリフルオロメタン（Ｒ―23、tc＝25.9
℃）の如きものを含んでいなければならない。基
本成分がＲ―22である場合、第３成分は、例えば
ブロモトリフルオロメタン（Ｒ―13B1、tc＝67
℃）または共沸混合物Ｒ―504（tc＝66℃）であつ
てもよい。混合物中における第３成分のモル濃度
は５〜20％の間に含まれるものである。この第３
成分の導入による有意の利点を引出すためには、
この割合が低過ぎてはいけないし、また、このた
めに基本成分と第３成分の臨界温度の開きは好ま
しくは100℃以下であるものとする。 運転条件は、普通は、蒸発器内の混合物の圧が
大気圧以上であり、凝縮器内の混合物の圧が過度
に高い値、例えば30バール以上に達しないよう
に、選定される。 凝縮器の出口における混合物の温度は一般に０
〜100℃の間に含まれるものである。 上記に定義した混合物を用いる熱ポンプは任意
の型式のものであつてよい。 コンプレツサーは、例えば潤滑ピストン式また
は乾式ピストン式コンプレツサー、ネジ式コンプ
レツサーあるいは遠心式コンプレツサーであれば
よい。熱交換器は、例えば、重管式熱交換器、チ
ユーブグリル式熱交換器あるいは平板式熱交換器
であればよい。 熱力は独立家屋暖房に用いる熱ポンプとして数
ワツトから、集団住宅暖房に用いる熱ポンプとし
て数メガワツトに到る。 特定の混合物の使用に基づく本発明の熱生成方
法は、外部流体の温度を狭い範囲で、好ましく
は、15℃以下、たとえば５℃から13℃まで（外部
流体の入口と出口の温度の間の範囲）で変化させ
ながら、熱を取込む時に特に有利である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の各実施例において用いる熱ポン
プを示すフロー図である。 Ｅ１…蒸発器、Ｅ２…凝縮器、Ｋ１…コンプレ
ツサー、Ｄ１…膨張ケート弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 暖房すべき家屋の外部の熱を、０〜20℃の間
   に含まれる温度を有する流体から取込み、それよ
   り高い温度水準の熱を暖房すべき家屋に供給する
   ことによつて作動する熱ポンプを用い、前記熱ポ
   ンプが共沸混合物を形成しない流体混合物を以て
   作動し、前記混合物はフレオン型のハロゲン化物
   より成り、かつ基本成分と称するその過半を占め
   る成分と、少なくとも１種の第２成分との少なく
   とも２種の成分を含んでいる、家屋の暖房方法に
   おいて、基本成分の臨界温度より高い臨界温度を
   有する第２成分を以て操作をなし、基本成分の臨
   界温度と第２成分の臨界温度との差が少なくとも
   20℃であり、混合物中の第２成分のモル濃度が
   0.5〜20％の間に含まれることを特徴とする方法。 ２ 用いる混合物がハロゲン化炭化水素の混合物
   である、特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 基本成分がモノクロロジフルオロメタン（Ｒ
   ―22）、ジクロロジフルオロメタン（Ｒ―12）、ブ
   ロモトリフルオロメタン（Ｒ―13B1）、ジフルオ
   ロエタン（Ｒ―152a）、クロロペンタフルオロエ
   タン（Ｒ―115）、共沸混合物Ｒ―502、共沸混合
   物Ｒ―500のうちいずれかであり、第２成分はト
   リクロロフルオロメタン（Ｒ―11）、ジクロロテ
   トラフルオロエタン（Ｒ―114）、ジクロロヘキサ
   フルオロプロパン（Ｒ―216）、ジクロロフルオロ
   メタン（Ｒ―21）、オクタフルオロシクロブタン
   （Ｃ―318）、共沸混合物Ｒ―506のうちいずれかで
   あることを特徴とする、特許請求の範囲第１又は
   ２項に記載の方法。 ４ 用いる混合物が基本成分としてモノクロロト
   リフルオロメタン（Ｒ―22）を、第２成分として
   トリクロロフルオロメタン（Ｒ―11）を含んでい
   ることを特徴とする、特許請求の範囲第１〜３項
   のうちいずれか１項に記載の方法。 ５ 用いる混合物が、基本成分の臨界温度より低
   い臨界温度を有する少なくとも１種の第３成分を
   含んでおり、第３成分と基本成分の臨界温度の差
   が20〜100℃の間に含まれていることを特徴とす
   る、特許請求の範囲第１〜４項のうちいずれか１
   項に記載の方法。 ６ 用いる混合物が基本成分としてモノクロロト
   リフルオロメタン（Ｒ―22）、第２成分としてト
   リクロロフルオロメタン（Ｒ―11）及び第３成分
   としてクロロトリフルオロメタン（Ｒ―13）を含
   んでいることを特徴とする、特許請求の範囲第５
   項記載の方法。 ７ 混合物中の第３成分のモル濃度が５〜20％の
   間に含まれていることを特徴とする、特許請求の
   範囲第５又は６項に記載の方法。 ８ 熱が、外部流体の温度を15℃以下において
   徐々に変化せしめて、これから取込まれることを
   特徴とする、特許請求の範囲第１〜７項のうちい
   ずれか１項に記載の方法。 ９ 凝縮器の出口における混合物の温度が０〜
   100℃の間に含まれていることを特徴とする、特
   許請求の範囲第１〜８項のうちいずれか１項に記
   載の方法。 １０ 流体混合物と外部流体との間の熱交換が向
   流交換方式を以て行なわれることを特徴とする、
   特許請求の範囲第１〜９項のうちのいずれか１項
   に記載の方法。 １１ 流体混合物と加熱すべき流体との間の熱交
   換が向流交換方式を以て行なわれる、特許請求の
   範囲第１〜１０項のうちいずれか１項に記載の方
   法。 １２ 熱が、20〜40℃の間に含まれる温度を有す
   る流体中に放出されることを特徴とする、特許請
   求の範囲第１〜１１項のうちいずれか１項に記載
   の方法。