(57)【要約】  熱源サイクルＡは、圧縮機１、凝縮器２、膨張手段３及びカスケードコンデンサー４を含み、ＮＨ３冷媒を熱源とする。一方、ＮＨ３二次冷媒サイクルＢは、熱源サイクルＡに連結され、熱源サイクルＡのカスケードコンデンサー４により吸熱されて凝縮されるＮＨ３二次冷媒によって目的負荷を冷却する。このＮＨ３二次冷媒サイクルＢは、熱源サイクルＡのカスケードコンデンサー４により吸熱されて、ＮＨ３二次冷媒が凝縮される吸熱部４と、吸熱部４において凝縮されたＮＨ３二次冷媒によって目的負荷を冷却する蒸発器８と、吸熱部４と蒸発器８との間に配置され、ＮＨ３二次冷媒を循環させるヘッド差部Ｈおよび循環ポンプ６と、循環ポンプ６をバイパスするバイパス管路と、このバイパス管路に配置される流量調節弁５とを含む。
2010013590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮器、膨張手段及びカスケードコンデンサーを含み、ＮＨ３冷媒を熱源とする熱源サイクルと、前記熱源サイクルに直接又は間接的に連結され、前記熱源サイクルの前記カスケードコンデンサーにより直接又は間接的に吸熱されて凝縮されるＮＨ３二次冷媒によって目的負荷を冷却するＮＨ３二次冷媒サイクルとを備えるヒートポンプシステムであって、
前記ＮＨ３二次冷媒サイクルは、
前記熱源サイクルの前記カスケードコンデンサーにより直接又は間接的に吸熱されて、前記ＮＨ３二次冷媒が凝縮される吸熱部と、
前記吸熱部において凝縮された前記ＮＨ３二次冷媒によって前記目的負荷を冷却する蒸発器と、
前記吸熱部と前記蒸発器との間に配置され、前記ＮＨ３二次冷媒を循環させるヘッド差部および循環ポンプと、
前記循環ポンプをバイパスするバイパス管路と、
前記バイパス管路に配置される流量調節弁とを含むことを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項２】
前記熱源サイクルと前記ＮＨ３二次冷媒サイクルとが、前記カスケードコンデンサーを介して直接的に連結されており、
前記熱源サイクルの前記ＮＨ３冷媒と、前記ＮＨ３二次冷媒サイクルの前記ＮＨ３二次冷媒とが、前記カスケードコンデンサーにおいて互いに分離されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項３】
前記熱源サイクルと前記ＮＨ３二次冷媒サイクルとが、第２の二次冷媒サイクルを介して間接的に連結されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項４】
前記熱源サイクルは、前記ＮＨ３冷媒を冷媒とするＮＨ３液ポンプシステム又はＮＨ３直膨システムであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＮＨ３二次冷媒を用いたヒートポンプシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来よりヒートポンプサイクルを利用した冷却（加熱）システムでは、熱媒体たる冷媒は必ず圧縮機による圧縮を受けながら循環するものであり、このため圧縮機の作動に不可欠な潤滑油が微量ずつではあるが、冷媒中に混入してしまうことは免れ得ない。【０００３】
かかる技術を改良するために、圧縮機と凝縮器と蒸発器とを具えて成るヒートポンプシステム源と、目的とする熱交換を行うヒートサイクルシステムとが組み合わされて成り、前記ヒートポンプシステム源からヒートサイクルシステムへは、中継熱交換器（カスケードコンデンサー）を介して目的とする熱伝達がされ、且つヒートサイクルシステムには圧縮機を組み込まず、熱媒体の液ヘッド差と循環ポンプによる圧送とのいずれか一方または双方により熱媒体の循環が行われるシステムが特許文献１にて開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１４０３４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら特許文献１には、ヒートサイクルに使用する冷媒が特定されていない。【０００６】
この点、自然冷媒を用いる観点より、例えば前記ヒートポンプシステム源の冷媒にＮＨ３、前記ヒートサイクルシステムの冷媒としてＣＯ２を用いることも考えられる。このように、冷媒を冷却し液化するための高元側にアンモニアを使い、対象物を冷やすための低元側には二酸化炭素を使用する二元冷凍方式は、環境負荷低減と高い安全性をもつとともに、高元側にＮＨ3熱源を、中継熱交換器（カスケードコンデンサー）による間接冷却により低元（二次）側のＣＯ2冷媒側に直接ＮＨ3が混入しないというメリットも有する。このため、自然冷媒を用いたＮＨ3・ＣＯ2ブラインシステムを、冷凍設備等に導入することが検討されている。【０００７】
しかしＣＯ2冷媒（ブライン）は周囲雰囲気温度において一般冷媒より圧力が高いため既存設備が使用できず、この為ＣＯ2圧力対応の設備を配管系も含めて新設となるので設備費がかかり、自然冷媒が環境負荷低減上有利にもかかわらず、既存設備よりのリニューアル更新がなかなか進まない状況にある。【０００８】
また、より大きな冷却負荷に対応するためには、ＣＯ２冷媒を用いると、冷却能力が不十分な場合がある。【０００９】
さらに、自然冷媒を用いた既存のＮＨ３冷凍システムは液ポンプ方式や直膨システムを採用しているが、経時変化に伴い蒸発器側に冷凍機油が同伴されることによる性能低下を防ぐためのオイル管理が煩雑である。【００１０】
本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、安全性に優れ、伝熱効率が高く、既存設備の有効利用が可能であり、容易にオイル管理を行いうるとともに、冷媒量をミニマム化しうるヒートポンプシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るヒートポンプシステムは、圧縮機、凝縮器、膨張手段及びカスケードコンデンサーを含み、ＮＨ３冷媒を熱源とする熱源サイクルと、前記熱源サイクルと直接又は間接的に連結され、前記熱源サイクルの前記カスケードコンデンサーにより直接又は間接的に吸熱されて凝縮したＮＨ３二次冷媒によって目的負荷を冷却するＮＨ３二次冷媒サイクルとを備えるヒートポンプシステムであって、前記ＮＨ３二次冷媒サイクルは、前記熱源サイクルの前記カスケードコンデンサーにより直接又は間接的に吸熱されて、前記ＮＨ３二次冷媒が凝縮される吸熱部と、前記吸熱部において凝縮された前記ＮＨ３二次冷媒によって前記目的負荷を冷却する蒸発器と、前記吸熱部と前記蒸発器との間に配置され、前記ＮＨ３二次冷媒を循環させるヘッド差部および循環ポンプと、前記循環ポンプをバイパスするバイパス管路と、前記バイパス管路に配置される流量調節弁とを含むことを特徴とする。【００１２】
上記ヒートポンプシステムによれば、蒸発潜熱が大きく一般冷媒と比較して優れた特性を有するＮＨ３冷媒が熱源サイクル及びＮＨ３二次冷媒サイクルで用いられるため、冷媒を循環させるのに必要な動力を他のブラインと比べても少なくでき、伝熱性能も良好のため蒸発器での温度アプローチが減少して、性能も向上する。【００１３】
また、目的負荷を冷却する二次冷媒サイクルにＣＯ２冷媒を使用すると、既存設備を利用できず新設することになってしまうが、上記ヒートポンプシステムでは、二次冷媒サイクルにＮＨ３冷媒を用いるので、既存設備をそのまま利用することができる。【００１４】
また、目的負荷を冷却するＮＨ３二次冷媒サイクル内のＮＨ３二次冷媒をヘッド差部および循環ポンプにより循環させるとともに、ＮＨ３熱源サイクルとＮＨ３二次冷媒サイクルとの間のカスケードコンデンサーにおいて冷媒系統を完全に分離することで、ＮＨ３熱源サイクルの圧縮機に起因する潤滑油がＮＨ３二次冷媒サイクルに混入することを防止することができる。したがって、潤滑油のメンテナンス作業を機械室（ＮＨ３熱源サイクル）だけに限定することができ、簡素な保守管理で安全性を確保することができる。【００１５】
また、二次冷媒はＮＨ３熱源サイクルとカスケードコンデンサーで分離されピュアなＮＨ３冷媒を使うので、汚れも無く、経年変化も無く、蒸発器側の効率が良い。【００１６】
さらに、ＮＨ３熱源サイクルと、目的負荷を冷却するＮＨ３二次冷媒サイクルとの間のカスケードコンデンサーにおいて、冷媒系統が完全に分離されるため、ＮＨ３二次冷媒サイクルの冷媒量を冷却負荷に応じて適切に設定することができる。これにより、ＮＨ３二次冷媒サイクルの冷媒量をミニマム化することができる。【００１７】
上記ヒートポンプシステムにおいて、前記熱源サイクルと前記ＮＨ３二次冷媒サイクルとが、前記カスケードコンデンサーを介して直接的に連結されており、前記熱源サイクルの前記ＮＨ３冷媒と、前記ＮＨ３二次冷媒サイクルの前記ＮＨ３二次冷媒とが、前記カスケードコンデンサーにおいて互いに分離されていてもよい。【００１８】
あるいは、上記ヒートポンプシステムにおいて、前記熱源サイクルと前記ＮＨ３二次冷媒サイクルとが、第２の二次冷媒サイクルを介して間接的に連結されていてもよい。すなわち、ＮＨ３熱源サイクルとＮＨ３二次冷媒サイクルとの間にさらに第２の二次冷媒サイクル（例えば二次冷媒はＮＨ３に限定することなくＣＯ２冷媒を用いてもよい。この場合は第２の二次冷媒サイクルのみ新設すれば既存システムを利用可能である。）を介在させてシステムの構成を行ってもよい。【００１９】
また、上記ヒートポンプシステムにおいて、前記熱源サイクルは、前記ＮＨ３冷媒を冷媒とするＮＨ３液ポンプシステム又はＮＨ３直膨システムであってもよい。【００２０】
このように、従来から使用されてきたＮＨ３液ポンプシステムやＮＨ３直膨システムを、熱源サイクルとして利用するとともに、目的負荷を冷却するＮＨ３二次冷媒サイクルを追加することで、既存設備を最大限に有効利用することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係るヒートポンプシステムによれば、蒸発潜熱が大きく一般冷媒と比較して優れた特性を有するＮＨ３冷媒が熱源サイクル及びＮＨ３二次冷媒サイクルで用いられるため、冷媒を循環させるのに必要な動力を他のブラインと比べても少なくでき、伝熱性能も良好のため蒸発器での温度アプローチが減少して、性能も向上する。【００２２】
また、目的負荷を冷却する二次冷媒サイクルにＣＯ２冷媒を使用すると、既存設備を仕様できず新設することになってしまうが、本発明に係るヒートポンプシステムでは、二次冷媒サイクルにＮＨ３冷媒を用いるので、既存設備をそのまま利用することができる。【００２３】
また、目的負荷を冷却するＮＨ３二次冷媒サイクル内のＮＨ３二次冷媒をヘッド差部および循環ポンプにより循環させるとともに、ＮＨ３熱源サイクルとＮＨ３二次冷媒サイクルとの間のカスケードコンデンサーにおいて冷媒系統を完全に分離することで、ＮＨ３熱源サイクルの圧縮機に起因する潤滑油がＮＨ３二次冷媒サイクルに混入することを防止することができる。したがって、潤滑油のメンテナンス作業を機械室（ＮＨ３熱源サイクル）だけに限定することができ、簡素な保守管理で安全性を確保することができる。【００２４】
また、二次冷媒はＮＨ３熱源サイクルとカスケードコンデンサーで分離されピュアなＮＨ３冷媒を使うので、汚れも無く、経年変化も無く、蒸発器側の効率が良い。【００２５】
さらに、ＮＨ３熱源サイクルと、目的負荷を冷却するＮＨ３二次冷媒サイクルとの間のカスケードコンデンサーにおいて、冷媒系統が完全に分離されるため、ＮＨ３二次冷媒サイクルの冷媒量を冷却負荷に応じて適切に設定することができる。これにより、ＮＨ３二次冷媒サイクルの冷媒量をミニマム化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ＮＨ３熱源サイクルとＮＨ３二次冷媒サイクルとが組み合わされたヒートポンプシステムの構成例を示す図である。
【図２】ＮＨ３熱源サイクルとＮＨ３二次冷媒サイクルの間にさらに第２の二次冷媒サイクルを介在させたヒートポンプシステムの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２８】
図１は、ＮＨ3熱源サイクルとＮＨ3二次冷媒サイクルとが組み合わされたヒートポンプシステムの構成例を示す図である。
【００２９】
図１において、ＡはＮＨ3冷媒を熱源とする熱源サイクル、Ｂは目的負荷を冷却する蒸発器８を含むＮＨ3二次冷媒サイクルであり、熱源サイクルＡ及びＮＨ3二次冷媒サイクルＢは、カスケードコンデンサーによって熱連結されている。すわなち、熱源サイクルＡとＮＨ3二次冷媒サイクルＢとは、カスケードコンデンサー４を介して、直接的に連結されている。
【００３０】
ＮＨ3冷媒を熱源とする熱源サイクルＡは、ＮＨ3冷媒循環サイクルＢに圧縮機１と凝縮器２と膨張手段３（膨張弁若しくはキャピタルチューブ等）と蒸発器として機能するカスケードコンデンサー４が介装されて、ＮＨ3冷媒の圧縮、凝縮、膨張、及び蒸発を行い、カスケードコンデンサー４を介してＮＨ3二次冷媒サイクルＢ側から吸熱する。
【００３１】
ＮＨ3二次冷媒サイクルＢは、吸熱器として機能するカスケードコンデンサー４と、目的負荷を冷却する蒸発器８とにより構成される。前記蒸発器８と、その上流側のＮＨ3熱媒体の吸熱部（図１の例ではカスケードコンデンサー４）との間には、液ヘッド差部Ｈおよび循環ポンプ６が設けられている。
【００３２】
また、循環ポンプ６をバイパスするバイパス配管には、循環ポンプ６と並列するように流量調節弁５が配置されている。この流量調節弁５により、液ヘッド差部ＨだけでＮＨ3冷媒循環サイクルＢ内のＮＨ３冷媒を循環させるか、あるいは、液ヘッド差部Ｈと循環ポンプ６とを併用してＮＨ３冷媒を循環させるかを選択できるようになっている。これにより、蒸発器８に流入するＮＨ３冷媒の流量が不足する場合には、液ヘッド差部Ｈに加えて循環ポンプ６による圧送を行うことで、蒸発器８に必要な流量のＮＨ３冷媒を供給しうるようになっている。
【００３３】
さらに、循環ポンプ６及び流量調節弁５の後段には流量調節弁７が設けられている。
【００３４】
流量調節弁５及び７は、手動又は自動で制御され、蒸発器８に流入するＮＨ３冷媒の流量が適切な範囲に維持されるように開度が調節される。ここで、蒸発器８に流入するＮＨ３冷媒の流量は、流量計により測定してもよいし、蒸発器８の出入口におけるＮＨ３冷媒の温度から見積もってもよい。
【００３５】
なお、熱源サイクルＡは、ＮＨ３冷媒を冷媒とするＮＨ３液ポンプシステム又はＮＨ３直膨システムであってもよい。この場合、従来から使用されてきたＮＨ３液ポンプシステムやＮＨ３直膨システムを、熱源サイクルとして利用するとともに、目的負荷を冷却するＮＨ３二次冷媒サイクルを追加することで、既存設備を最大限に有効利用することができる。
【００３６】
図２は、ＮＨ3熱源サイクルとＮＨ3二次冷媒サイクルの間にさらに第２の二次冷媒（例えばＮＨ3若しくはＣＯ２冷媒を用いた二次冷媒）サイクルを介在させたヒートポンプシステムを示す。
【００３７】
図２において、ＡはＮＨ3冷媒を熱源とする熱源サイクルで図１と同様な構成をなす。Ｂは目的負荷を冷却する蒸発器を含むＮＨ3二次冷媒サイクルで、第２の二次冷媒サイクルＣを介して熱源サイクルＡと熱連結されているとともに、図１と同様な構成をなす。
【００３８】
第２の二次冷媒サイクルＣは、前記熱源サイクルＡのカスケードコンデンサー４よりの吸熱を受けて凝縮される第２の二次冷媒が循環するサイクルであり、第２の二次冷媒サイクルＣは前記吸熱器として機能するカスケードコンデンサー４と、ＮＨ3二次冷媒サイクルＢに熱源を供給するカスケードコンデンサー（蒸発器）９とにより構成される。
【００３９】
第２の二次冷媒サイクルＣ内を循環させる冷媒（第２の二次冷媒）は特に限定されないが、例えばＣＯ２やＮＨ３等の自然冷媒を用いることが好ましい。
【００４０】
カスケードコンデンサー（蒸発器）９と、その上流側の吸熱部（図２に示す例ではカスケードコンデンサー４）との間には、液ヘッド差部Ｈおよび循環ポンプ１０が設けられている。
【００４１】
また、循環ポンプ１０をバイパスするバイパス配管には、循環ポンプ１０と並列するように流量調節弁１１が配置されている。この流量調節弁１１により、液ヘッド差部Ｈだけで第２の二次冷媒サイクルＣ内の第２の二次冷媒を循環させるか、あるいは、液ヘッド差部Ｈと循環ポンプ１０とを併用して第２の二次冷媒サイクルＣ内の第２の二次冷媒を循環させるかを選択できるようになっている。
【００４２】
さらに、循環ポンプ１０及び流量調節弁１１の後段には流量調節弁１２が設けられており、この流量調節弁１２により、カスケードコンデンサー（蒸発器）９の第２の二次冷媒流入量を制御しながら該冷媒の循環が行われるようになっている。
【００４３】
このように、図２に示すヒートポンプシステムによれば、ＮＨ3二次冷媒サイクルＢに冷熱源を提供する冷媒サイクルが、複数の冷媒サイクル（Ａ、Ｃ）に分散しているため（分散方式）、一括集中方式の冷却システムに比べて、冷却負荷に応じて冷媒量を最適化することができる。したがって、冷媒量のミニマム化をより一層推し進めることができる。
【００４４】
図１及び２の例を用いて説明したヒートポンプシステムによれば、蒸発潜熱が大きく一般冷媒と比較して優れた特性を有するＮＨ３冷媒が熱源サイクルＡ及びＮＨ３二次冷媒サイクルＢで用いられるため、冷媒を循環させるのに必要な動力を他のブラインと比べても少なくでき、伝熱性能も良好のため蒸発器での温度アプローチが減少して、性能も向上する。
【００４５】
また、目的負荷を冷却する二次冷媒サイクルＢにＣＯ２冷媒を使用すると、既存設備を仕様できず新設することになってしまうが、上記ヒートポンプシステムでは、二次冷媒サイクルＢにＮＨ３冷媒を用いるので、既存設備をそのまま利用することができる。
【００４６】
また、目的負荷を冷却するＮＨ３二次冷媒サイクルＢ内のＮＨ３二次冷媒をヘッド差部Ｈおよび循環ポンプ６により循環させるとともに、ＮＨ３熱源サイクルＡとＮＨ３二次冷媒サイクルＢとの間のカスケードコンデンサー４（又はカスケードコンデンサー４及び９）において冷媒系統を完全に分離することで、ＮＨ３熱源サイクルＡの圧縮機１に起因する潤滑油がＮＨ３二次冷媒サイクルＢに混入することを防止することができる。したがって、潤滑油のメンテナンス作業を機械室（ＮＨ３熱源サイクルＡ）だけに限定することができ、簡素な保守管理で安全性を確保することができる。
【００４７】
また、二次冷媒として、ＮＨ３熱源サイクルＡとカスケードコンデンサー４（又はカスケードコンデンサー９）で分離されピュアなＮＨ３冷媒を使うので、汚れも無く、経年変化も無く、蒸発器８の効率が良い。
【００４８】
さらに、ＮＨ３熱源サイクルＡと、目的負荷を冷却するＮＨ３二次冷媒サイクルＢとの間のカスケードコンデンサー４（又はカスケードコンデンサー４及び９）において、冷媒系統が完全に分離されるため、ＮＨ３二次冷媒サイクルＢの冷媒量を冷却負荷に応じて適切に設定することができる。これにより、ＮＨ３二次冷媒サイクルＢの冷媒量をミニマム化することができる。
【００４９】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこの例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
【００５０】
例えば、図２では、ＮＨ３熱源サイクルＡおよびＮＨ３二次冷媒サイクルＢが一つの二次冷媒サイクル（第２の二次冷媒サイクルＣ）を介して間接的に連結されたヒートポンプシステムの例について説明したが、２以上の二次冷媒サイクルを介して、ＮＨ３熱源サイクルＡおよびＮＨ３二次冷媒サイクルＢを間接的に連結してもよい。
【００５１】
また図１及び２では、カスケードコンデンサー（４、９）の後段に、流量調節弁（５、１１）ないし循環ポンプ（６、１０）を直接設けた例について説明したが、カスケードコンデンサー（４、９）の後段に冷媒を溜める液溜槽を設けてもよい。これにより、冷媒の液面を安定して得ることができるため、液ヘッド差部Ｈの大きさを正確に制御することができる。
【図１】
2010013590.tif 000003
【図２】
2010013590.tif 000004
【国際調査報告】
2010013590.tif 000005
2010013590.tif 000006
2010013590.tif 000007
2010013590.tif 000008
2010013590.tif 000009
2010013590.tif 000010
2010013590.tif 000011