(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カスケードコンデンサ、アンモニア冷凍系、二酸化炭素冷凍系を具備し、二酸化炭素冷凍系で発生した二酸化炭素ガスを該カスケードコンデンサに導き、アンモニア冷凍系のアンモニア液との間で熱交換を行ない液化二酸化炭素とするように構成された自然循環式ヒートポンプ装置において、
二酸化炭素ガスの圧力差を利用して二酸化炭素冷凍系の液化二酸化炭素冷媒を揚液し循環させる揚液手段を設け、
前記揚液手段は、加圧タンクを具備し、該加圧タンクに前記カスケードコンデンサからの液化二酸化炭素を収容し、該液化二酸化炭素を熱交換器を介して前記アンモニア冷凍系からのアンモニア液との間で熱交換させて加熱して該加圧タンク内を加圧し、該加圧タンク内の液化二酸化炭素を前記二酸化炭素冷凍系の蒸発器に直接又は該蒸発器の上方に設けたサージタンクを介して揚液することを特徴とするヒートポンプ。
【請求項２】
カスケードコンデンサ、アンモニア冷凍系、二酸化炭素冷凍系を具備し、二酸化炭素冷凍系で発生した二酸化炭素ガスを該カスケードコンデンサに導き、アンモニア冷凍系のアンモニア液との間で熱交換を行ない液化二酸化炭素とするように構成された自然循環式ヒートポンプ装置において、
二酸化炭素ガスの圧力差を利用して二酸化炭素冷凍系の液化二酸化炭素冷媒を揚液し循環させる揚液手段を設け、
前記揚液手段は、前記二酸化炭素冷凍系の蒸発器の上方に前記カスケードコンデンサからの液化二酸化炭素を収容し、該蒸発器に自然流下で供給できるサージタンクを設置し、該サージタンク内の炭酸ガスを熱交換器を介して冷却して減圧するか又は吸引機で吸引して減圧し、該減圧を利用して該サージタンク内に前記カスケードコンデンサから液化二酸化炭素を揚液することを特徴とするヒートポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアンモニア冷媒と二酸化炭素冷媒を組み合わせたヒートポンプに関し、特にカスケードコンデンサが蒸発器より上部に設置することが困難な場合に、二酸化炭素ガス（炭酸ガス）の圧力差によって液化二酸化炭素（液化炭酸ガス）を揚液し、自然循環を可能としたヒートポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、アンモニア冷媒と二酸化炭素冷媒を組み合わせた自然循環式のヒートポンプシステムは存在している。このようなヒートポンプシステムにおいて、設置スペース、建築物の構造、騒音等の問題でカスケードコンデンサを蒸発器より上部に設置することが困難な場合がある。この場合、自然循環式ヒートポンプシステムの特徴である自然循環サイクルが困難になってくる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、アンモニア冷媒と二酸化炭素冷媒を組み合わせた自然循環式のヒートポンプシステムにおいて、設置スペース、建築物の構造、騒音等の問題でカスケードコンデンサを蒸発器より上部に設置できない場合でも、自然循環を可能としたヒートポンプを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、カスケードコンデンサ、アンモニア冷凍系、二酸化炭素冷凍系を具備し、二酸化炭素冷凍系で発生した二酸化炭素ガスを該カスケードコンデンサに導き、アンモニア冷凍系のアンモニア液との間で熱交換を行ない液化二酸化炭素とするように構成された自然循環式ヒートポンプ装置において、二酸化炭素ガスの圧力差を利用して二酸化炭素冷凍系の液化二酸化炭素冷媒を揚液し循環させる揚液手段を設け、揚液手段は、加圧タンクを具備し、該加圧タンクにカスケードコンデンサからの液化二酸化炭素を収容し、該液化二酸化炭素を熱交換器を介してアンモニア冷凍系からのアンモニア液との間で熱交換させて加熱して該加圧タンク内を加圧し、該加圧タンク内の液化二酸化炭素を前記二酸化炭素冷凍系の蒸発器に直接又は該蒸発器の上方に設けたサージタンクを介して揚液することを特徴とする。
【０００５】
請求項２に記載の発明は、カスケードコンデンサ、アンモニア冷凍系、二酸化炭素冷凍系を具備し、二酸化炭素冷凍系で発生した二酸化炭素ガスを該カスケードコンデンサに導き、アンモニア冷凍系のアンモニア液との間で熱交換を行ない液化二酸化炭素とするように構成された自然循環式ヒートポンプ装置において、二酸化炭素ガスの圧力差を利用して二酸化炭素冷凍系の液化二酸化炭素冷媒を揚液し循環させる揚液手段を設け、揚液手段は、二酸化炭素冷凍系の蒸発器の上方にカスケードコンデンサからの液化二酸化炭素を収容し、該蒸発器に自然流下で供給できるサージタンクを設置し、該サージタンク内の炭酸ガスを熱交換器を介して冷却して減圧するか又は吸引機で吸引して減圧し、該減圧を利用して該サージタンク内にカスケードコンデンサから液化二酸化炭素を揚液することを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係るアンモニア冷媒と二酸化炭素冷媒を組み合わせた自然循環式のヒートポンプのシステム構成例を示す図で、加圧により圧力差をつけて揚液するシステムである。図１において、１は圧縮機、２はコンデンサ、３はカスケードコンデンサ、４は蒸発器、５−１、５−２はそれぞれ加圧タンク、６はサージタンク、７は流量調整弁である。カスケードコンデンサ３、蒸発器４、加圧タンク５−１、５−２及びサージタンク６は炭酸ガス冷媒経路９で接続されて炭酸ガス系統を構成し、圧縮機１、コンデンサ２、カスケードコンデンサ３及び加圧タンク５−１、５−２はアンモニア冷媒経路１０で接続されてアンモニア冷媒系統を構成している。
【０００８】
上記構成のヒートポンプにおいて、カスケードコンデンサ３で液化した液化炭酸ガスは下方に設けた複数の加圧タンク５−１、５−２に出口弁ＳＶ１、ＳＶ２を介して交互に流れ込む。そして後述する方法で加圧タンク５−１、５−２の内圧を規定圧力まで昇圧させる。加圧タンク５−１、５−２内で上部のサージタンク６との液ヘッド差圧以上に加圧された液化炭酸ガスは出口弁ＳＶ３、ＳＶ４を開くことにより、サージタンク６へと流れ込む。以上の動作を複数の加圧タンク５−１、５−２で交互に行なうことにより、炭酸ガスは連続的にサージタンク６へ給液され、サージタンク６には常に規定量の液化炭酸ガスを確保することができる。
【０００９】
サージタンク６に溜まった液化炭酸ガスはサーモサイホン現象により下降し、流量調整弁７を通って、目的の冷却を行なう蒸発器４に入り、ここで吸熱し、蒸発して、ガスとなって再びカスケードコンデンサ３に戻る。加圧タンク５−１、５−２で液化炭酸ガスの加熱に利用したアンモニア液は過冷却され、流量調整弁８を通ってカスケードコンデンサ３へと流れ、炭酸ガスの冷却に使用される。このアンモニア液の過冷却により、アンモニア系統の冷凍能力はアップするためシステム全体の冷却低下を起こさず液化炭酸ガスの揚液が可能となる。
【００１０】
加圧タンク５−１、５−２への給液について加圧タンク５−１を例に説明する。加圧タンク５−１の液化炭酸ガスのレベルが低下した場合、レベルセンサＬＳが液面低下を検知する。該レベルセンサＬＳの液面低下の検知信号により出口弁ＳＶ３を閉止し、出口弁ＳＶ１を開く。同時に均圧弁ＳＶ７が開き、カスケードコンデンサ３より液化炭酸ガスが自然流下する。液化炭酸ガスが規定量たまったらレベルセンサＬＳが検知し、出口弁ＳＶ１を閉止し、均圧弁ＳＶ７が閉止し、給液完了となる。なお、加圧タンク５−２への給液も同様にして行なわれる。
【００１１】
加圧タンク５−１、５−２内の加圧について加圧タンク５−１を例に説明する。上記炭酸ガス給液完了後、アンモニア給液弁ＳＶ５を開き、加圧タンク５−１に設けられた熱交換器５−１ａにアンモニア液を供給する。熱交換器５−１ａに入ったアンモニア液は、液化炭酸ガスと熱交換する。この時、アンモニア液の方が温度が高いため液化炭酸ガスは加熱され、加圧タンク５−１内を加圧する。逆にアンモニア液は冷却され、過冷却液となってカスケードコンデンサ３へと給液される。加圧タンク５−１内の圧力が規定圧力になるとアンモニア給液弁ＳＶ５を閉止する。なお、加圧タンク５−１内の圧力が一定圧力以上になった場合は、リリーフ弁ＲＶが開いて一定圧力以内に抑える。また、加圧タンク５−２の加圧も同様に行なわれる。
【００１２】
サージタンク６への給液について加圧タンク５−１を例に説明する。加圧タンク５−２の液化炭酸ガスが規定量以下に低下したら、加圧タンク５−２の出口弁ＳＶ４を閉止し、加圧タンク５−１の出口弁ＳＶ３が開く。加圧タンク５−１内の圧力をサージタンク６内の圧力より液ヘッド差以上に高くしてあるため、その圧力差により液化炭酸ガスはサージタンク６へと流れ込む。給液中に、加圧タンク５−１の圧力が規定圧力以下に低下した場合はアンモニア給液弁ＳＶ５を開閉し規定圧力に保つ。サージタンク６への給液中に発生した炭酸ガスのフラッシュガスの回収と、カスケードコンデンサ３との均圧を兼ねて均圧管１１を設けている。なお、加圧タンク５−２からサージタンク６への給液も同様に行なわれる。
【００１３】
次に、蒸発器４への給液を説明する。サージタンク６に溜まった液化炭酸ガスは、サーモサイホン現象によって下降し、流量調整弁７を通って目的の冷却を行なう蒸発器４に入り、ここで吸熱・蒸発してガスとなって再びカスケードコンデンサ３へと戻って行く。
【００１４】
また、アンモニア系統では、カスケードコンデンサ３で蒸発したアンモニアガスは圧縮機１で圧縮され、圧縮されたアンモニアガスはコンデンサ２で凝縮されアンモニア液となって、膨張弁１２を通って再びカスケードコンデンサ３に戻り、冷凍サイクルを構成している。
【００１５】
図２は本発明に係るアンモニア冷媒と二酸化炭素冷媒を組み合わせた自然循環式のヒートポンプのシステム構成例を示す図で、冷却による減圧により圧力差をつけて揚液するシステムである。図２において、図１と同一符号を付した部分は同一又は相当部分を示すのでその説明は省略する。図２において、１３はレシーバータンク、１４は過冷却器、１５−１、１５−２はそれぞれサージタンクである。
【００１６】
上部のサージタンク１５−１、１５−２内に設けられた熱交換器１５−１ａ、１５−２ａで炭酸ガスが冷却されることによりサージタンク１５−１，１５−２内の圧力が規定圧力まで減圧される。この熱交換器１５−１ａ、１５−２ａによる冷却はアンモニア冷凍機の余熱又は他の小容量の冷凍機等でまかなわれる。サージタンク１５−１、１５−２内の圧力を下方のレシーバータンク１３内の圧力より液ヘッド差以上に減圧し、サージタンク１５−１、１５−２の入口弁ＳＶ９、ＳＶ１０を開くことにより、レシーバータンク１３内の液化炭酸ガスはサージタンク１５−１、１５−２に流れ込む。
【００１７】
サージタンク１５−１、１５−２へ溜まった液化炭酸ガスはサーモサイホン現象によって下降し、出口弁ＳＶ１１、ＳＶ１２、流量調整弁７を通って目的の冷却を行なう蒸発器４に入り、ここで吸熱・蒸発してガスとなって再びカスケードコンデンサ３へと戻って行く。また、レシーバータンク１３又はレシーバータンク１３の出口の液管には過冷却器１４を設けて液化炭酸ガスを過冷却することにより揚液される液化炭酸ガスのフラッシュガス発生を防止している。過冷却器１４による冷却はアンモニア冷凍機の余熱又は他の小容量の冷凍機等でまかなわれる。
【００１８】
上記２台のサージタンク１５−１、１５−２の冷却、減圧動作を交互に行なうことにより、液化炭酸ガスは連続的にサージタンク１５−１、１５−２へ供給され、該サージタンク１５−１、１５−２内には常に規定量の液化炭酸ガスを確保することができる。また、サージタンク１５−１、１５−２内の熱交換器１５−１ａ、１５−２ａによる冷却及び過冷却器１４による液化炭酸ガスの冷却はアンモニア冷凍機の余熱又は他の比較的小容量の冷凍機等でまかなわれるため、揚液に要する動力負荷は小さいながらも炭酸ガス循環システムが成立する。
【００１９】
図３は本発明に係るアンモニア冷媒と二酸化炭素冷媒を組み合わせた自然循環式のヒートポンプのシステム構成例を示す図で、吸引機（ポンプ、ファン、圧縮機等）による吸入減圧により圧力差をつけて揚液するシステムである。図３において、図１及び図２と同一符号を付した部分は同一又は相当部分を示すのでその説明は省略する。図３において、１６は吸引機（ポンプ、ファン、圧縮機等）である。
【００２０】
上部のサージタンク１５−１、１５−２にそれぞれ出口弁ＳＶ１４、ＳＶ１３を介して吸引機１６を接続して、サージタンク１５−１、１５−２内の炭酸ガスを吸引することにより、該サージタンク１５−１、１５−２内は規定圧力まで減圧される。サージタンク１５−１、１５−２内の圧力を下方のレシーバータンク１３内の圧力より液ヘッド差以上に減圧し、サージタンク１５−１、１５−２の入口弁ＳＶ９、ＳＶ１０を開くことにより、レシーバータンク１３内の液化炭酸ガスはサージタンク１５−１、１５−２に流れ込む。
【００２１】
吸引機１６で吸入され、吐出された炭酸ガスは、蒸発器４で吸熱・蒸発した炭酸ガスと共に、カスケードコンデンサ３で凝縮され液化される。また、レシーバータンク１３又はレシーバータンク１３の出口の液管には過冷却器１４を設けて液化炭酸ガスを過冷却することにより揚液される液化炭酸ガスのフラッシュガス発生を防止している。
【００２２】
上記のようにサージタンク１５−１、１５−２にそれぞれ吸引機１６を接続し、該吸引機１６の吸引動作を２台のサージタンク１５−１、１５−２で交互に行なうことにより、液化炭酸ガスは連続的にサージタンク１５−１、１５−２へ供給され、該サージタンク１５−１、１５−２内には常に規定量の液化炭酸ガスを確保することができる。
【００２３】
図４は本発明に係るアンモニア冷媒と二酸化炭素冷媒を組み合わせた自然循環式のヒートポンプのシステム構成例を示す図である。本ヒートポンプシステムは上部のサージタンクをも設置することが困難な場合においてもアンモニア冷媒と二酸化炭素冷媒を組み合わせ自然循環式ヒートポンプシステムがサイクルとして可能なシステムである。即ち、上部のサージタンクと蒸発器との間に生じる揚程分の圧力を加圧タンクで発生する圧力でカバーして炭酸ガス循環システムを成立させるものである。図４において、図１、図２及び図３と同一符号を付した部分は同一又は相当部分を示すのでその説明は省略する。
【００２４】
加圧タンク５−１、５−２の加圧方法は図１に示すものと同様である。加圧タンク５−１又は加圧タンク５−２で規定の圧力まで昇圧された液化炭酸ガスは加圧タンク５−１又は加圧５−２の出口弁ＳＶ３又は出口弁ＳＶ４を開くことにより、流量調整弁７を通って目的の冷却を行なう蒸発器４に入り、ここで吸熱・蒸発してガスとなって再びカスケードコンデンサ３に戻る。以上の動作を複数台（図では２台）設けた加圧タンク５−１、５−２で交互に行なうことにより液化炭酸ガスは連続的に蒸発器４に供給することができる。加圧タンク５−１、５−２の加熱はアンモニア液を利用し、アンモニア液は過冷却されてカスケードコンデンサ３へと流れ、炭酸ガスの冷却に使われる点は図１の場合と同様である。
【００２５】
【発明の効果】
以上、説明したように各請求項に記載の発明によれば、下記のような優れた効果が得られる。
【００２６】
請求項１に記載の発明によれば、揚液手段を加圧タンクを具備し、該加圧タンクにカスケードコンデンサからの液化二酸化炭素を収容し、該液化二酸化炭素を熱交換器を介してアンモニア冷凍系からのアンモニア液との間で熱交換させて加熱して該加圧タンク内を加圧し、該加圧タンク内の液化二酸化炭素を二酸化炭素冷凍系の蒸発器に直接又は該蒸発器の上方に設けたサージタンクを介して揚液するように構成したので、アンモニア冷凍系のアンモニア凝縮液の過冷却熱等を利用して二酸化炭素ガスの圧力差を発生させることができ、システム全体の冷却効率を下げることなく、二酸化炭素冷凍系の液化二酸化炭素の揚液が可能となり、設置スペース、建築物の構造、騒音等の問題でカスケードコンデンサを蒸発器より上部に設置できない場合でも、自然循環が可能なヒートポンプを提供できる。
【００２８】
請求項２に記載の発明によれば、揚液手段を二酸化炭素冷凍系の蒸発器の上方にカスケードコンデンサからの液化二酸化炭素を収容し、該蒸発器に自然流下で供給できるサージタンクを設置し、該サージタンク内の炭酸ガスを熱交換器を介して冷却して減圧するか又は吸引機で吸引して減圧し、該減圧を利用して該サージタンク内にカスケードコンデンサから液化二酸化炭素を揚液するように構成したので、サージタンク内の炭酸ガスの冷却に例えばアンモニア冷凍機の余熱又は他の比較的小容量の冷凍機等を利用するか、または炭酸ガスの吸引に比較的小容量の吸引機を利用することにより、二酸化炭素冷凍系の液化二酸化炭素の揚液が可能となり、設置スペース、建築物の構造、騒音等の問題でカスケードコンデンサを蒸発器より上部に設置できない場合でも、自然循環が可能なヒートポンプを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアンモニア冷媒と二酸化炭素冷媒を組み合わせた自然循環式のヒートポンプのシステム構成例を示す図である。
【図２】本発明に係るアンモニア冷媒と二酸化炭素冷媒を組み合わせた自然循環式のヒートポンプのシステム構成例を示す図である。
【図３】本発明に係るアンモニア冷媒と二酸化炭素冷媒を組み合わせた自然循環式のヒートポンプのシステム構成例を示す図である。
【図４】本発明に係るアンモニア冷媒と二酸化炭素冷媒を組み合わせた自然循環式のヒートポンプのシステム構成例を示す図である。
【符号の説明】
１          圧縮機
２          コンデンサ
３          カスケードコンデンサ
４          蒸発器
５−１      加圧タンク
５−２      加圧タンク
６          サージタンク
７          流量調整弁
８          流量調整弁
９          炭酸ガス冷媒経路
１０        アンモニア冷媒経路
１１        均圧管
１２        膨張弁
１３        レシーバータンク
１４        過冷却器
１５−１    サージタンク
１５−２    サージタンク
１６        吸引機
ＳＶ１      出口弁
ＳＶ２      出口弁
ＳＶ３      出口弁
ＳＶ４      出口弁
ＳＶ５      アンモニア給液弁
ＳＶ６      アンモニア給液弁
ＳＶ７      均圧弁
ＳＶ８      均圧弁
ＳＶ９      入口弁
ＳＶ１０    入口弁
ＲＶ        リリーフ弁
ＬＳ        レベルセンサ
【図１】
0003576938.tif 000002
【図２】
0003576938.tif 000003
【図３】
0003576938.tif 000004
【図４】
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