JPS59219658A - ヒ−トポンプ - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、ルームエアコン、給湯機器などのヒートポン
プに係り、特に高温暖房、高温給湯を志向したヒートポ
ンプに関するものである。

〔発明の背景〕

まず、従来のヒートポンプを説明する。

第１図は、従来のヒートポンプの一例を示すサイクル構
成図、第２図は、第１図に係るヒートポンプのモリエル
線図である。

第１図において、１は、冷媒（たとえば低沸点冷媒１１
Ｌ　２２　）ガスを昇圧する圧縮機、２は、この圧縮機
１で高温、高圧になった冷媒から熱を放出させる凝縮器
、３は、この凝縮器２で凝縮した冷媒を減圧させる減圧
器、４は、熱源（たとえば大気）から熱を汲上げる蒸発
器である。

このように構成したヒートポンプの圧縮機１を駆動する
と、この圧縮機１で冷媒が昇圧し、とのは減圧器３で減
圧され、蒸発器４で熱源から熱を汲上げて、圧縮機１へ
戻って循環する。

とのときの暖房能力は第２図における（　ｉ　、　−ｉ
　２）であり、圧縮仕事は（１１’ｏ）の値で示される
。

ただし、ｉｏ、１１．１□は、それぞれ圧縮機入口、圧
縮機出口、凝縮器出口における冷媒のエンタルピである
。

このヒートポンプの成績係数は、暖房能力と圧縮仕事と
の比で表わされる。すなわち、（’＋　　’２）／　（
１＋　　ｉｏ）このヒートポンプにおいて、高温を得る
だめには圧縮機１の吐出圧力を高めて、第２図の破線で
示すザイクルにする必要があるが、このようにすると蒸
発圧力（蒸発温度）と凝縮圧力（凝縮温度）との差が大
きくなって圧縮仕事が大きく々す、寸だ凝縮圧ツＪが高
くなるために冷媒の潜熱が小さくなる。この場合の成績
係数は、 （＋１　１４）／（’＋’　　ｉｏ） となり、前記成績係数よりも低い。すなわち、高温を得
るために圧縮機１の吐出圧力を上昇させると成績係数が
低下してしまうという欠点があった。

丑た、圧縮機１の耐圧性を高める必要から、圧縮機１が
肉厚となり重量が増加し、コスト高にもなる。

さらに、圧縮機１の吐出圧力を高めると、冷媒および圧
縮機１の潤滑油が熱分解を起こし、ヒートポンプの信頼
性を低下させるという問題点もあった。

上記した問題点を解決する手段として、低沸点冷媒（た
とえばＲ２２）に高沸点冷媒（たとえばＩｔ　１２　）
を加えた非共沸の混合冷媒を使用するという試みがなさ
れている。この混合冷媒を使用することにより、従来の
単一冷媒、すなわち低沸点冷媒を使用した場合に比べて
、同一の高温を得るのに低い凝縮圧力（−圧縮機の吐出
圧力）でもよいので、圧縮機の耐圧性、冷媒や潤滑油の
熱分解という問題点はないものの、成績係数は、やはり
前記成績係数（’＋−１２）／（’＋　　’ｏ）よりも
低い。そして、前記高沸点冷媒は、同一温度での飽和蒸
気の単位容積当りの潜熱が低沸点冷媒に比べて小さく、
同一の暖房能力を得るためには圧縮機１の能力を大きく
する必要があり、すなわち圧縮機１を大形にしなければ
ならないという問題点があり、実用化に至ってないのが
現状である。

〔発明の目的〕

本発明は、上記した従来技術の欠点を除去して、成績係
数が優れ、且つ信頼性の高い、高温暖房。

高温給湯に適したヒートポンプの提供を、その目的とす
るものである。

〔発明の概要〕

本発明に係るヒートポンプの構成は、圧縮機。

凝縮器、減圧器、蒸発器を順次連結し、沸点の異なる冷
媒を混合してなる非共沸の混合冷媒を用いたヒートポン
プにおいて、内部に充填物を入れた気液分離器を前記凝
縮器の中間に設け、この気液分離器を加熱するヒータを
設け、前記気液分離器で分離しだ液冷媒を前記圧縮機の
圧縮室へ導くことができる、途中に減圧器を備えたバイ
パス回路を設けるようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を実施例によって説明する。

第３図は、本発明の一実施例に係るヒートポンプのザイ
クル構成図、第４図は、第３図に係るヒートポンプに使
用される非共沸の混合冷媒の定圧条件での気液平衡図、
第５図は、第３図に係るヒートポンプのモリエル線図で
ある。

第３図において第１図と同一番号を付したものは同一部
分である。そして２人は、その中間に気液分離器５を設
けた凝縮器、３Ａは、この凝縮器２人と蒸発器４との間
に設けられた減圧器に係る第１減圧器、９は、前記気液
分離器５て分離しだ液冷媒（使用冷媒については詳細後
述する）を圧縮機■の圧縮室１ａへ導くバイパス回路、
６は、このバイパス回路９の途中に設けられた減圧器に
係る第２減圧器である。

使用冷媒は、沸点の異なる２種類の冷媒（たとえば低沸
点冷媒１１．２２と高沸点冷媒１（、１２）を混合して
なる非共υ１）の混合冷媒であり、この非共沸の混合冷
媒の定圧条件での気液平衡図が第４図である。この第４
図において、横軸は低沸点冷媒（Ｒ，２２）のモル分率
を、縦軸は温度を、それぞれ口盛ったものである。そし
て、■は高沸点冷媒（ａｉ２）の沸点、Ｊは低沸点冷媒
（Ｒ２２）の沸点、実線Ｊ、Ｉ３Ｊ弓Ｊは気相線、破線
ＩＨＧＣＦＪは液相線である。以下、非共沸の混合冷媒
を単に冷媒という。

このように構成したヒートポンプの動作を、第３〜５図
を使用して説明する。第５図のモリゴル線図において、
第４図と同一記号のものは同一状態を示す。

圧縮機１を駆動すると冷媒は昇圧し、圧縮機１の出口で
、への温度、圧力のガス冷媒が得られる。

このガス冷媒は凝縮器２Ａへ入り放熱を開始して温度を
下げ、Ｂ点で組成１１の冷媒を凝縮する。その後、冷媒
はさらに放熱、凝縮して、状態りで気液分離器５に入る
。このときのガス冷媒の組成はＥで表わされ、液冷媒の
組成はＧで表わされる。

そして液冷媒とガス冷媒の比はＤＥとＤＧの長さの比で
表わされる。気液分離器５内の液冷媒の全部を第２減圧
器６の方へ流した場合、その割合ＩはＤＥ／ＧＥである
。気液分離器５で分離されたガス冷媒は、さらに凝縮器
２Ａで放熱し、温度をさげてｌｉｔ点になシ第１減圧器
３Ａへ入る。したがって気液分離器５以降のガス冷媒は
、凝縮器２Ａの中間から液冷媒を除くことにょムＸだけ
低沸点冷媒の組成が多くなる。そして、第１減圧器３Ａ
で減圧された冷媒は、蒸発器４で周囲から熱を汲上げ低
温、低圧のガス冷媒となって圧縮機１の入口Ｊぐへ戻シ
、再び加圧、加熱される。一方、気液分離器５で分離さ
れた組成Ｇの液冷媒は、第２減圧器６で減圧され、圧縮
機１の圧縮室ｌａ内へ入り、蒸発器４から来た断熱圧縮
されているガス冷媒を冷却する。

このヒートポンプの凝縮器２Ａでの放熱量Ｑは次式で求
められる。

Ｑ＝Ａ−ｉＧ−（１−ｉ）Ｆ 第１減圧器３Ａで減圧された冷媒は、蒸発器４でに、−
，１−の熱量を周囲から汲上げる。そして、圧縮機１で
１（からＡ′！、で断熱圧縮されるが、Ｌ点で第２減圧
器６を通った液冷媒によって一度Ｍｔでエンタルピが下
がる。このときの、ヒートポンプの圧縮仕事Ｗは次式で
求められる。

Ｗ二（１−ｉ　）（Ｌ−Ｋ）−１−（Ａ−Ｍ）したがっ
て成績係数ＣＱｐは次式で計算できる。

ｃｏｐ　＝Ｑ／Ｗ−（Ａ、−１Ｇ−（１−ｉ　）Ｆ）／
＋　（１−ｉ）　（Ｌ−１０＋（Ａ−Ｍ）　）ところで
、前述した従来試みられたような、冷媒（非共沸の混合
冷媒）をすべて減圧器３．蒸発器４へ流した場合（この
場合のモリエル線図を第５図の破線で示す）と比較する
と、凝縮器２Ａの放熱量はＡ’−Ａに相当する量だけ小
さいが、これはＩ（からＬ寸で圧縮する冷媒量の減少に
ょシ相殺される程度である。また、蒸発器４内の蒸発圧
力は、冷媒の組成がＸだけ変化して低沸点冷媒の組成が
大きくなったため、Δｐだけ上昇するので、圧縮仕事が
少なくなる。

しだがって、本実施例の成績係数は、冷媒（非共沸の混
合冷媒）をすべて減圧器３．蒸発器４へ流した場合に比
べて向上し、前記した第１図における実線のサイクルの
成績係数（’＋　　！２）／（ｊ＋−Ｉｏ）とほぼ等し
く々ム所期の成績係数が得られる。

寸だ、凝縮器２への放熱量がＡ／　　Ａに相当するだけ
小さくなっているが、この領域は過熱蒸気であるので、
この分だけ圧縮機１の出口温度が低下ｔ／、冷媒や潤滑
油への悪影響はない。

さらに、凝縮器２人の中間で気液分離を行ない、液冷媒
を圧縮機゛１の圧縮室１ａへ戻しているため、圧縮機１
から出た潤滑油は、気液分離器５で液冷媒とともに分離
され圧縮機１へ戻る。しだがって、サイクル内に持ち出
される潤滑油が少なくなり、圧縮機１の信頼性が向上す
るとともに、凝縮、蒸発熱伝達率が増大し、さらに成績
係数の向上が図れる。

加うるに、圧縮機１０人口における冷媒の組成も変化し
て、低沸点冷媒の組成が大きくなるので、冷媒（非共沸
の混合冷媒）をすべて循環する場合に比べて、圧縮機１
へ吸込むガス冷媒の比容積が小さくなるので、圧縮機１
の大きさは単一冷媒を使用した場合と同程度でよく、混
合冷媒を使用しだからといって大形にする必要はない。

以上説明した実施例によれば、非共沸の混合冷媒を使用
し、凝縮器２Ａの中間に設けた気液分離器５で分離しだ
液冷媒を圧縮機１の圧縮室１ａへ導くようにしたので、
圧縮機１の出口温度を上げることなく、高温が得られ、
成績係数も優れている吉いう効果がある。また、潤滑油
がサイクル内へ持出されることが少なくなり、圧縮機１
の信頼性が向上し、ヒートポンプの成績係数がさらに向
」−する。

第６図は、本発明の他の実施例に係るヒートポンプのサ
イクル構成図、第７図は、第６図に係るヒートポンプに
使用される非共沸の混合冷媒の定圧条件での気液平衡〜
図である。

第６，７図において、それぞれ第３，４図と同一番号、
同一記号を付したものは同一部分、同一状態を示す。そ
して５ａは、凝縮器２Ｂの中間に設けた気液分離器５Ａ
内に充填された、物質移動を促進するための充填物、７
は、気液分離器５Ａを加熱するヒータである。

このように構成した本実施例の動作を、第６゜７図を用
いて説明する。気液分離器５Ａへ入るまでは、第３図に
係るヒートポンプと同じである。

気液分離器５Ａへ入った液冷媒は、ヒータ７によって加
熱されている充填物５ａと熱交換し、低沸点冷媒を蒸発
しながら底部へ落下する。このときの液冷媒の組成は、
充填物５ａの温度の気相線の組成Ｇ’ｔで変化する。し
たがってガス冷媒の組成は１号′になり、凝縮器２Ｂの
中間から液冷媒を除くことにより、Ｘ′　（第４図のＸ
より大きい）だけ低沸点冷媒の組成が犬きくなシ、蒸発
器４の蒸発圧力が第３図に係るヒートポンプよりさらに
大きくなる。このことによシ圧縮仕事はより小さくなり
、成績係数がさらに向上するという効果がある。

第８図は、本発明のさらに他の実施例に係るヒートポン
プのサイクル構成図である。

この第８図において、第３図と同一番号を付したものは
同一部分である。そして８は、バイパス回路９上の、気
液分離器５と第２減圧器６との間に設けられた二方弁で
あり、この二方弁８をＯＦＦにすることによりバイパス
回路９へ液冷媒が流れるのを止めるこ、とができるよう
にしたものである。

このように構成したヒートポンプをルームエアコンとし
て使用ずれば、外気温度が高くなったとき、二方弁８を
ＯＦＦにして冷媒を全量第１減圧器３Ａの方へ流すこと
によシ、放熱量を少なくすることができる。すなわち、
外気温度が高くなると凝縮器２人での必要な放熱量は小
さくなる。また、このときには蒸発温度が上がり、凝縮
温度との差が少なくなり圧縮仕事が小さくてすむ。この
結果圧縮機１の出口でのガス冷媒の温度は下がる。

このことから、バイパス回路９をＯＦ　Ｆにして冷媒の
全量を循環させ、圧縮機１の入口で高沸点冷媒の多いガ
ス冷媒を用いるようにすれば、圧縮機１の能力を小さく
でき、凝縮器２Ａでの放熱量を少なくすることができる
。

なお本実施例においては、二方弁８を、気液分離器５と
第２減圧器６との間属設けるようにしたが、第２減圧器
６と圧縮機１との間に設けるようにしてもよい。

さらに前記各実施例は、２種類の非共沸の混合冷媒を使
用する場合について説明したが、３種類以上の非共沸の
混合冷媒を使用した場合にも同様の効果を奏するもので
ある。

〔発明の効果〕

以」二詳細に説明し、だように本発明によれば、成績係
数が優れ、且つ信頼性の高い、高温暖房、高温イ白湯に
適したヒートポンプを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のヒートポンプの一例を示すサイクル構
成図、第２図は、第１図に係るヒートポンプのモリエル
線図、第３図は、本発明の一実施例に係るヒートポンプ
のサイクル構成図、第４図は、第３図に係るヒートポン
プに使用される非共沸の混合冷媒の定圧条件での気液平
衡図、第５図は、第３図に係るヒートポンプのモリエル
線図、第６図は、本発明の他の実施例に係るヒートポン
プのサイクル構成図、第７図は、第６図に係るヒートポ
ンプに使用される非共沸の混合冷媒の定圧条件での気液
平衡図、第８図は、本発明のさらに他の実施例に係るヒ
ートポンプのサイクル構成図である。 ■・・・圧縮機、１ａ・・・圧縮室、２Ａ、２Ｂ・・・
凝縮器、３Ａ−・・・第１減圧器、４・・・蒸発器、５
，５Ａ・・・気液分離器、５ａ・・・充填物、６・・・
第２減圧器、７・・・ヒータ、８・・・二方弁、９・・
・バイパス回路。 代理人　弁理士　福田幸作 第１　口 ３ ／ 某２　口 ｉ２　＝、　　　　ム４，４′ 工〉タルヒ′ ＄３　目 Ａ ！ 第　４　目 θ イｂ＃、飯玲ｆ七ル分十 茅　５　ロ エシタルこ。 第６　目 Ａ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器を順次連結し、沸
   点の異なる冷媒を混合してなる非共沸の混合冷媒を用い
   たヒートポンプにおいて、内部に充填物を入れた気液分
   離器を前記凝縮器の中間に設け、この気液分離器を加熱
   するヒータを設け、前記気液分離器で分離しだ液冷媒を
   前記圧縮機の圧縮室へ導くことができる、途中に減圧器
   を備えたバイパス回路を設けたことを特徴とするヒート
   ポンプ。