(57)【要約】  本発明は、技術的仕事を行いながら流体を介して少なくとも１つの第１のリザーバ（２）から熱エネルギーを吸収すると共に、少なくとも１つの第２のリザーバ（３）を加熱すべく前記流体を介して少なくとも１つの第２のリザーバ（３）へ熱エネルギーを放出するための流体循環回路（１）を有する高温ヒートポンプに関する。更に、本発明は、このような高温ヒートポンプにおいて作動媒体を使用し、その作動媒体がハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンである方法に関する。【選択図】図１
2014528053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
技術的仕事を行いながら流体を介して少なくとも１つの第１のリザーバ（２）から熱エネルギーを吸収すると共に、少なくとも１つの第２のリザーバ（３）を加熱すべく前記流体を介して少なくとも１つの第２のリザーバ（３）へ熱エネルギーを放出するための流体循環回路（１）を有する高温ヒートポンプにおいて、前記流体循環回路（１）は、作動媒体として、流体ハイドロフルオロエーテル又は流体フルオロケトンで充填されていることを特徴とする高温ヒートポンプ。
【請求項２】
少なくとも１つの蒸発器（４）、少なくとも１つの圧縮機（５）、少なくとも１つの凝縮器（６）および／又は少なくとも１つの絞り（７）が前記流体循環回路（１）の一部であることを特徴とする請求項１記載の高温ヒートポンプ。
【請求項３】
多段圧縮機（５）、特に２段圧縮機（５）が前記流体循環回路（１）の一部であることを特徴とする請求項１又は２記載の高温ヒートポンプ。
【請求項４】
エコノマイザ（８）が前記流体循環回路（１）の一部であることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の高温ヒートポンプ。
【請求項５】
前記流体循環回路（１）が閉じられている、すなわち封止されていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の高温ヒートポンプ。
【請求項６】
前記ハイドロフルオロエーテルが、化学式ＣxＦy−Ｏ−ＣmＨnを有するハイドロフルオロエーテルであって、ここで、ｘ＝３，ｙ＝７，ｍ＝１，ｎ＝３であるか、又はｘ＝４，ｙ＝９，ｍ＝１，ｎ＝３であるか、又はｘ＝４，ｙ＝９，ｍ＝２，ｎ＝５であるか、又はｘ＝６，ｙ＝１３，ｍ＝１，ｎ＝３であり、又は、
前記ハイドロフルオロエーテルが、化学式Ｃ3Ｆ7ＣＦ（ＯＣ2Ｈ5）ＣＦ（ＣＦ3）2を有するハイドロフルオロエーテルであり、又は、
前記ハイドロフルオロエーテルが、化学式ＣＨ3ＣＨＯ（ＣＦ2ＣＦＨＣＦ3）2を有するハイドロフルオロエーテルであり、又は、
前記フルオロケトンが、化学式ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2を有するフルオロケトンであることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の高温ヒートポンプ。
【請求項７】
流体循環回路（１）の中を流れる際に技術的仕事を行いながら熱エネルギーを少なくとも１つの第のリザーバ（２）から吸収すると共に、少なくとも１つのリザーバ（３）を加熱すべく前記少なくとも１つの第２のリザーバ（３）へ熱エネルギーを放出するための高温ヒートポンプ、特に請求項１乃至６の１つに記載の高温ヒートポンプにおいて、作動媒体を使用する方法であって、前記作動媒体としてハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンを使用することを特徴とする、方法。
【請求項８】
前記熱エネルギーが前記作動媒体の凝縮温度で又は前記凝縮温度範囲において前記少なくとも１つの第２のリザーバ（３）へ放出されるか、及び／又は、熱エネルギーがプロセス蒸気供給のために使用されることを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記熱エネルギーが、７０℃より高い温度を有する前記少なくとも１つの第２のリザーバ（３）へ放出されることを特徴とする請求項７又は８記載の方法。
【請求項１０】
前記高温ヒートポンプが、低い圧力において高い温度に到達するために遷臨界運転されることを特徴とする請求項７乃至９の１つに記載の方法。
【請求項１１】
前記作動媒体の圧縮が多段階、特に２段階にて行われることを特徴とする請求項７乃至１０の１つに記載の方法。
【請求項１２】
毎回、前記圧縮が高温熱交換器の湿り蒸気領域となる前に完了するように、前記ガス状の作動媒体が強く過熱されることを特徴とする請求項７乃至１１の１つに記載の方法。
【請求項１３】
前記過熱が、エコノマイザ（８）により行われ、特に高圧熱交換器の終端における熱を蒸発器（４）の出口側へ熱伝達することにより行われることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、技術的仕事を行いながら流体を介して熱エネルギーを少なくとも１つの第１のリザーバから吸収すると共に、少なくとも１つの第２のリザーバを加熱すべく前記流体を介して少なくとも１つの第２のリザーバへ熱エネルギーを放出するための流体循環回路を有する高温ヒートポンプに関する。更に、本発明は、このようなヒートポンプにおいて作動媒体を使用する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプは、技術的仕事を行いながら低温側のリザーバから熱エネルギーを吸収して、駆動エネルギーと共に高温側の被加熱系へ実効熱として伝達する機械である。低温側のリザーバは、例えば周囲からの空気、又は地熱利用の場合には地中の液体および岩石である。しかし、とりわけ工業プロセスにおける廃熱源も利用することができる。
【０００３】
ヒートポンプにより建物を暖房し、又は工業における技術的プロセス用の熱を得ることができる。高温ヒートポンプは高温レベルにある被加熱系に実効熱を供給する。高温レベルもしくは高温とは、例えば７０℃以上の温度であると理解すべきである。ヒートポンプにより到達可能な加熱温度は、主としてヒートポンプにおいて使用される作動媒体に依存する。一般に、この作動媒体は、加圧圧縮時に液化されて熱エネルギーを放出する流体である。その流体は、膨張気化時に冷えて第１のリザーバから熱エネルギーを吸収する。そのようにして、この循環回路内において、機械的エネルギーを利用しながら、熱量を連続的又はパルス状に低温側のリザーバから高温側のリザーバへ伝達することができる。
【０００４】
加熱時にヒートポンプによって到達可能な温度は、使用される作動媒体のほかに、液化器又は凝縮器とも呼ばれるコンデンサ内の圧力にも依存する。低温側の第１のリザーバから熱量を吸収した作動媒体が凝縮器内で液化される。高温ヒートポンプには作動媒体として例えば二酸化炭素が使用される。１バール（ｂａｒ）における二酸化炭素の沸点は、例えば−５７℃にあり、２６バールにおける液化温度は例えば−２６℃にある。例えば「地球温暖化」および「オゾン層破壊」に関する環境適合性の理由から、たしかに二酸化炭素は理想的な作動媒体であるが、しかし二酸化炭素の臨界温度は３１℃でしかない。この温度を上回ると、二酸化炭素は極度に高い圧力下であっても液化できない。
【０００５】
このことから、前記臨界温度を超えるプロセス制御に対する多くの特殊性が生じる。従って、圧縮後の放熱は、液化作動物質の場合のように或る特定温度においてではなくて、むしろ広い温度範囲にわたって行われる。それによって、例えば蒸気発生に対する熱利用性が悪くなる。更に、ヒートポンプにおいて作動物質として二酸化炭素を使用することは、その物質特性に起因して非常に高い圧力につながり、それゆえ装置に費用がかかる。
【０００６】
ブタン又はペンタンの如き炭化水素は、それらの物理的特性によって高温レベルでの熱供給に、より好適である。ブタンは、例えば１バールにおいて−１２℃の沸点と、２６バールにおいて１１４℃の液化温度を有する。とはいうものの、それの使用は、良好な可燃性ゆえに安全技術的理由から問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明の課題は、例えば７０℃以上のような高温の熱供給に適しており、環境適合性があって、簡単で低コストであり、かつ例えば低燃焼性で高い危険性なしに運転することができる高温ヒートポンプ、および高温ヒートポンプにおいて作動媒体を使用する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題は、本発明によれば、高温ヒートポンプに関しては請求項１の特徴事項により解決され、高温ヒートポンプにおける作動媒体の使用方法に関しては請求項７記載の特徴事項によって解決される。
【０００９】
本発明による高温ヒートポンプおよび本発明による高温ヒートポンプにおける作動媒体の使用方法の有利な実施形態は、それぞれに従属した下位請求項に示されている。等位の独立請求項は互いに、かつ、下位請求項の特徴事項と組み合わせることができ、更に下位請求項の特徴事項は互いに組み合わせることができる。
【００１０】
本発明による高温ヒートポンプは、技術的仕事を行いながら流体を介して少なくとも１つの第１のリザーバから熱エネルギーを吸収すると共に、少なくとも１つの第２のリザーバを加熱すべく前記流体を介して少なくとも１つの第２のリザーバへ熱エネルギーを放出するための流体循環回路を有する。本発明によれば、この流体循環回路に流体又は作動媒体としてハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンが充填されている。ハイドロフルオロエーテルとフルオロケトンとからなる複数の混合物を使用することもできる。
【００１１】
ハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンは、非可燃性なので、例えば高温でのプロセスにおいて安全に使用することができる。ハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンは、これらの物質グループによって地球温暖化又はオゾンホール拡大をもたらさないので、環境適合性がある。公知のハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンは、例えば二酸化炭素よりも高い臨界温度を有する。それによって、吸収された熱量の大部分が、圧縮後に或る温度、特に凝縮温度において再び放出される。これは、例えばプロセス蒸気を供給する場合に熱利用を容易にする。高温ヒートポンプは、非常に高い温度に到達するのに、ハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンなる作動媒体を用いることにより、作動媒体としての二酸化炭素に比べて低い圧力で遷臨界運転することができる。この関連において遷臨界は、作動媒体が一定温度で液化される未臨界のプロセス制御と比較すれば、遷臨界プロセス制御では放熱が超臨界領域において変化しながら、即ち、変化する温度で行われることを意味する。
【００１２】
本発明による高温ヒートポンプは、少なくとも１つの蒸発器、少なくとも１つの圧縮機、少なくとも１つの凝縮器および／又は少なくとも１つの絞りを流体循環回路の一部として含む。これらの個々の構成要素は、従来技術から、例えば独国特許出願公開第１０２００７０１０６４６号明細書から公知である。更に、同義語として各構成要素の機能に応じて、圧縮機に関してはコンプレッサ、凝縮器に関してはコンデンサ又は液化器、絞りに関しては膨張弁を用いることができる。流体循環回路内を流れる流体が、コンプレッサにおいて圧縮され、凝縮器において第２のリザーバへの熱量放出により冷却され、絞りを通して絞りの開度に応じて所定の速度もしくは圧力低下で蒸発器へ流入し、蒸発器においてその流体が膨張し、第１のリザーバから熱量を取り込む。
【００１３】
圧縮機として多段圧縮機、特に２段圧縮機を使用するとよい。多段圧縮によって、高温熱交換器の成績係数が向上する。
【００１４】
エコノマイザが流体循環回路の一部であるとよい。エコノマイザは、流体循環回路内の付加的な中間熱交換器である。このエコノマイザは、第２のリザーバへの放熱後に、液状の作動媒体に存在する熱の一部を圧縮機の手前におけるガス状に過熱された作動媒体に伝達する。それによって、例えば吸込ガスとしての作動媒体の強い過熱を達成することができ、それによって作動媒体の湿り蒸気領域への凝縮を確実に行うことができる。エコノマイザは高温熱交換器の効率もしくは有効性の向上をもたらす。
【００１５】
流体循環回路は閉じられている、すなわち、封止されているとよい。特に作動媒体が失われるのを回避することを考慮して、封止された流体循環回路が選ばれるとよい。
【００１６】
ハイドロフルオロエーテルが化学式ＣxＦy−Ｏ−ＣmＨnを有するハイドロフルオロエーテルであって、ここで、ｘ＝３，ｙ＝７，ｍ＝１，ｎ＝３であるか、又はｘ＝４，ｙ＝９，ｍ＝１，ｎ＝３であるか、又はｘ＝４，ｙ＝９，ｍ＝２，ｎ＝５であるか、又はｘ＝６，ｙ＝１３，ｍ＝１，ｎ＝３であるとよい。前記ハイドロフルオロエーテルが、化学式Ｃ3Ｆ7ＣＦ（ＯＣ2Ｈ5）ＣＦ（ＣＦ3）2を有するハイドロフルオロエーテルであってもよい。更に、前記ハイドロフルオロエーテルが、化学式ＣＨ3ＣＨＯ（ＣＦ2ＣＦＨＣＦ3）2を有するハイドロフルオロエーテルであってもよい。流体として化学式ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2を有するフルオロケトンを使用することもできる。本発明による高温熱交換器における作動媒体として、良好な熱特性を有する他のハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトン、ならびに種々のハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンからなる複数の混合物も使用することができる。
【００１７】
高温ヒートポンプ、特に上述の高温ヒートポンプにおいて作動媒体を使用する本発明の方法は、前記作動媒体が、流体循環回路を流れる際に技術的仕事を行いながら少なくとも１つの第１のリザーバから熱エネルギーを吸収すると共に、少なくとも１つの第２のリザーバを加熱するためにこの少なくとも１つの第２のリザーバへ熱エネルギーを放出することを含む。その際に、作動媒体としてハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンが使用される。
【００１８】
熱エネルギーが、作動媒体の圧縮後に作動媒体の凝縮温度にて又は前記凝縮温度の範囲内にて前記少なくとも１つの第２のリザーバへ放出されるとよい。前記熱エネルギーはプロセス蒸気供給のために使用することができる。
【００１９】
熱エネルギーがそれに向けて放出される少なくとも１つの第２のリザーバは、７０℃より高い温度を有することができる。高温ヒートポンプが低い圧力において高い温度に到達するために遷臨界運転されるとよい。作動媒体の圧縮が多段、特に２段にて行われるとよい。
【００２０】
毎回、前記圧縮が高温熱交換器の湿り蒸気領域となる前に完全に終了されるように、ガス状の作動媒体が強く過熱されるとよい。この過熱は、エコノマイザによって、特に高圧熱交換器、つまり凝縮器の終端部における熱を蒸発器の作動媒体出口に熱伝達することにより行なうことができる。
【００２１】
高温ヒートポンプにおいて作動媒体を使用するこの方法に関する利点は、高温ヒートポンプに関して既に説明した利点に類似する。
【００２２】
以下において、従属請求項の特徴事項による有利な発展形態を有する本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は本発明による高温ヒートポンプの概略図を示す。
【図２】図２は多段圧縮器およびエコノマイザが追加された図１による高温ヒートポンプの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１に、本発明による高温ヒートポンプの実施例の概略図が示されている。この高温ヒートポンプは、ハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンが作動媒体として流れる流体循環回路１からなる。ハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンは、液状又はガス状にて存在し得る流体である。ハイドロフルオロエーテルとしては、とりわけ化学式ＣxＦy−Ｏ−ＣmＨn（ｘ＝３，ｙ＝７，ｍ＝１，ｎ＝３、又はｘ＝４，ｙ＝９，ｍ＝１，ｎ＝３、又はｘ＝４，ｙ＝９，ｍ＝２，ｎ＝５、又はｘ＝６，ｙ＝１３，ｍ＝１，ｎ＝３）を有する複数の物質、又は化学式Ｃ3Ｆ7ＣＦ（ＯＣ2Ｈ5）ＣＦ（ＣＦ3）2、ＣＨ3ＣＨＯ（ＣＦ2ＣＦＨＣＦ3）2を有する複数の物質が対象となる。あるいは、フルオロケトンとしては、化学式ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2を有する物質が対象となる。高温レベルへの熱供給に適した物理特性を有するその他のハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンも使用できる。
【００２５】
第１のリザーバ２は蒸発器４と熱的に接触している。第２のリザーバ３は作動媒体のための凝縮器６と熱的に接触している。第１のリザーバ２は温度Ｔ1を有し、この温度Ｔ1は第２のリザーバ３の温度Ｔ2よりも低い。高温熱交換器の場合、温度Ｔ2は７０℃より高くすることができる。
【００２６】
蒸発器４では、作動媒体の膨張時に作動媒体が、第１のリザーバ２から取り込まれる熱を吸収する。ガス状の作動媒体が、蒸発器４から圧縮機５によって吸い込まれて圧縮される。それにより作動媒体の圧力が値ｐ1から値ｐ2へ高められる。高められた圧力ｐ2を有する作動媒体がコンプレッサ５から凝縮器６に流入し、そこにおいて第２のリザーバ３へ熱を放出しながら液化する。それによって、圧縮機５による仕事を通じて、低温Ｔ1を有する第１のリザーバ２から高温Ｔ2を有する第２のリザーバ３へ熱量が移送され、すなわち汲み上げられる。第１のリザーバ２は熱源として用いられ、熱は放熱器としての凝縮器６を介して第２のリザーバ３に供給される。
【００２７】
凝縮器６からの作動媒体は、高圧ｐ2で、絞り７を介して蒸発器４に圧力ｐ1で再び流入することができる。従って、流体循環回路１は閉じられている。流体密封された装置４，５，６，７および例えば管およびパッキンの如き複数の接続部を使用して、作動媒体のために流体循環回路を封止することができるので、作動媒体は周囲環境に放出されず、つまり失われない。コンプレッサ形式の圧縮機５が作動媒体の圧力をｐ1からｐ2へ高め、膨張弁形式の絞り７を介して圧力がｐ2からｐ1へ低減される。それゆえ、この流体循環回路は、低圧ｐ1を有する低温側、即ち低圧側と、高圧ｐ2を有する高温側、即ち高圧側とに区分することができる。低圧側は蒸発器４を含み、高圧側は凝縮器６を含む。
【００２８】
図２に示されているように、エコノマイザ８を使用することにより、高温熱交換器の効率を改善することができる。即ち、例えばコンプレッサ５の機械的仕事の形で行われる熱量汲み上げのための仕事に対する汲み上げられた熱量の比を改善することができる。エコノマイザ８は、熱量を凝縮器６の出力側で液状の作動媒体から取り出し蒸発器４の出力側でガス状の作動媒体に放出する熱交換器として使用することができる。それによってガス状の作動媒体の過熱を行うことができが、それにより凝縮器６の湿り蒸気領域への凝縮を確実に行うことができる。
【００２９】
高温熱交換器の成績係数の向上、即ち使用された駆動エネルギーに対する得られた実行熱の比の増大は、作動媒体の１段圧縮の代わりに多段圧縮を使用することによって可能である。
【００３０】
本発明による高温熱交換器および方法において、作動媒体もしくは流体として、ハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンを使用することによって、低温Ｔ1を有する第１のリザーバ２から高温Ｔ2を有する第２のリザーバ３への安全で環境に優しくて効率的な熱の汲み上げが可能である。
【００３１】
ハイドロフルオロエーテルおよびフルオロケトンは、可燃性ではなく、従って高温プロセスにおいて、かつ圧縮時に安全に使用することができる。ハイドロフルオロエーテルおよびフルオロケトンは、これらの物質グループが地球温暖化又はオゾンホール拡大をもたらすことがないことから環境適合性がある。公知のハイドロフルオロエーテルおよびフルオロケトンは、例えば二酸化炭素よりも高い臨界温度を有し、それによって、吸収熱量の大部分を圧縮後に再び放出することができる。ハイドロフルオロエーテルおよび／又はフルオロケトンを用いることにより、高温ヒートポンプは非常に高い温度に到達するために遷臨界運転することができ、それによって、適度の圧力、例えば二酸化炭素の使用時におけるよりも低い圧力しか必要でない。従って、ハイドロフルオロエーテルおよび／又はフルオロケトンを用いた本発明による高温熱交換器および方法は、ブタン、ペンタン又は二酸化炭素という典型的な作動媒体を有する従来技術に比べて多くの利点を有する。上述の実施例は互いに組み合わせることができ、かつ従来技術から成る複数の実施例と組み合わせることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１          流体循環回路
２          第１のリザーバ
３          第２のリザーバ
４          蒸発器
５          圧縮機
６          凝縮器
７          絞り
８          エコノマイザ
【図１】
2014528053.tif 000003
【図２】
2014528053.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成26年7月28日(2014.7.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮仕事を行いながら流体を介して少なくとも１つの第１のリザーバ（２）から熱エネルギーを吸収すると共に、少なくとも１つの第２のリザーバ（３）を加熱すべく前記流体を介して少なくとも１つの第２のリザーバ（３）へ熱エネルギーを放出するための流体循環回路（１）を有する高温ヒートポンプにおいて、前記流体循環回路（１）は、作動媒体として、流体ハイドロフルオロエーテル又は流体フルオロケトンで充填されていることを特徴とする高温ヒートポンプ。
【請求項２】
少なくとも１つの蒸発器（４）、少なくとも１つの圧縮機（５）、少なくとも１つの凝縮器（６）および少なくとも１つの絞り（７）が前記流体循環回路（１）の一部であることを特徴とする請求項１記載の高温ヒートポンプ。
【請求項３】
多段圧縮機（５）が前記流体循環回路（１）の一部であることを特徴とする請求項１又は２記載の高温ヒートポンプ。
【請求項４】
エコノマイザ（８）が前記流体循環回路（１）の一部であることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の高温ヒートポンプ。
【請求項５】
前記流体循環回路（１）が閉じられている、すなわち封止されていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の高温ヒートポンプ。
【請求項６】
前記ハイドロフルオロエーテルが、化学式ＣxＦy−Ｏ−ＣmＨnを有するハイドロフルオロエーテルであって、ここで、ｘ＝３，ｙ＝７，ｍ＝１，ｎ＝３であるか、又はｘ＝４，ｙ＝９，ｍ＝１，ｎ＝３であるか、又はｘ＝４，ｙ＝９，ｍ＝２，ｎ＝５であるか、又はｘ＝６，ｙ＝１３，ｍ＝１，ｎ＝３であり、又は、
前記ハイドロフルオロエーテルが、化学式Ｃ3Ｆ7ＣＦ（ＯＣ2Ｈ5）ＣＦ（ＣＦ3）2を有するハイドロフルオロエーテルであり、又は、
前記ハイドロフルオロエーテルが、化学式ＣＨ3ＣＨＯ（ＣＦ2ＣＦＨＣＦ3）2を有するハイドロフルオロエーテルであり、又は、
前記フルオロケトンが、化学式ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2を有するフルオロケトンであることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の高温ヒートポンプ。
【請求項７】
流体循環回路（１）の中を流れる際に圧縮仕事を行いながら熱エネルギーを少なくとも１つの第のリザーバ（２）から吸収すると共に、少なくとも１つのリザーバ（３）を加熱すべく前記少なくとも１つの第２のリザーバ（３）へ熱エネルギーを放出するための高温ヒートポンプにおいて、作動媒体を使用する方法であって、前記作動媒体としてハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンを使用することを特徴とする、方法。
【請求項８】
前記熱エネルギーが前記作動媒体の凝縮温度で又は前記凝縮温度範囲において前記少なくとも１つの第２のリザーバ（３）へ放出されるか、又は、熱エネルギーがプロセス蒸気供給のために使用されることを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記熱エネルギーが、７０℃より高い温度を有する前記少なくとも１つの第２のリザーバ（３）へ放出されることを特徴とする請求項７又は８記載の方法。
【請求項１０】
前記高温ヒートポンプが、低い圧力において高い温度に到達するために遷臨界運転されることを特徴とする請求項７乃至９の１つに記載の方法。
【請求項１１】
前記作動媒体の圧縮が多段階にて行われることを特徴とする請求項７乃至１０の１つに記載の方法。
【請求項１２】
毎回、前記圧縮が高温ヒートポンプの湿り蒸気領域となる前に完了するように、前記ガス状の作動媒体が強く過熱されることを特徴とする請求項７乃至１１の１つに記載の方法。
【請求項１３】
前記過熱が、エコノマイザ（８）により行われ、凝縮器の終端における熱を蒸発器（４）の出口側へ熱伝達することにより行われることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮仕事を行いながら流体を介して熱エネルギーを少なくとも１つの第１のリザーバから吸収すると共に、少なくとも１つの第２のリザーバを加熱すべく前記流体を介して少なくとも１つの第２のリザーバへ熱エネルギーを放出するための流体循環回路を有する高温ヒートポンプに関する。更に、本発明は、このようなヒートポンプにおいて作動媒体を使用する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプは、圧縮仕事を行いながら低温側のリザーバから熱エネルギーを吸収して、駆動エネルギーと共に高温側の被加熱系へ実効熱として伝達する機械である。低温側のリザーバは、例えば周囲からの空気、又は地熱利用の場合には地中の液体および岩石である。しかし、とりわけ工業プロセスにおける廃熱源も利用することができる。
【０００３】
ヒートポンプにより建物を暖房し、又は工業における技術的プロセス用の熱を得ることができる。高温ヒートポンプは高温レベルにある被加熱系に実効熱を供給する。高温レベルもしくは高温とは、例えば７０℃以上の温度であると理解すべきである。ヒートポンプにより到達可能な加熱温度は、主としてヒートポンプにおいて使用される作動媒体に依存する。一般に、この作動媒体は、加圧圧縮時に液化されて熱エネルギーを放出する流体である。その流体は、膨張気化時に冷えて第１のリザーバから熱エネルギーを吸収する。そのようにして、この循環回路内において、機械的エネルギーを利用しながら、熱量を連続的又はパルス状に低温側のリザーバから高温側のリザーバへ伝達することができる。
【０００４】
加熱時にヒートポンプによって到達可能な温度は、使用される作動媒体のほかに、液化器又は凝縮器とも呼ばれるコンデンサ内の圧力にも依存する。低温側の第１のリザーバから熱量を吸収した作動媒体が凝縮器内で液化される。高温ヒートポンプには作動媒体として例えば二酸化炭素が使用される。１バール（ｂａｒ）における二酸化炭素の沸点は、例えば−５７℃にあり、２６バールにおける液化温度は例えば−２６℃にある。例えば「地球温暖化」および「オゾン層破壊」に関する環境適合性の理由から、たしかに二酸化炭素は理想的な作動媒体であるが、しかし二酸化炭素の臨界温度は３１℃でしかない。この温度を上回ると、二酸化炭素は極度に高い圧力下であっても液化できない。
【０００５】
このことから、前記臨界温度を超えるプロセス制御に対する多くの特殊性が生じる。従って、圧縮後の放熱は、液化作動物質の場合のように或る特定温度においてではなくて、むしろ広い温度範囲にわたって行われる。それによって、例えば蒸気発生に対する熱利用性が悪くなる。更に、ヒートポンプにおいて作動物質として二酸化炭素を使用することは、その物質特性に起因して非常に高い圧力につながり、それゆえ装置に費用がかかる。
【０００６】
ブタン又はペンタンの如き炭化水素は、それらの物理的特性によって高温レベルでの熱供給に、より好適である。ブタンは、例えば１バールにおいて−１２℃の沸点と、２６バールにおいて１１４℃の液化温度を有する。とはいうものの、それの使用は、良好な可燃性ゆえに安全技術的理由から問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明の課題は、例えば７０℃以上のような高温の熱供給に適しており、環境適合性があって、簡単で低コストであり、かつ例えば低燃焼性で高い危険性なしに運転することができる高温ヒートポンプ、および高温ヒートポンプにおいて作動媒体を使用する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題は、本発明によれば、高温ヒートポンプに関しては請求項１の特徴事項により解決され、高温ヒートポンプにおける作動媒体の使用方法に関しては請求項７記載の特徴事項によって解決される。
【０００９】
本発明による高温ヒートポンプおよび本発明による高温ヒートポンプにおける作動媒体の使用方法の有利な実施形態は、それぞれに従属した下位請求項に示されている。等位の独立請求項は互いに、かつ、下位請求項の特徴事項と組み合わせることができ、更に下位請求項の特徴事項は互いに組み合わせることができる。
【００１０】
本発明による高温ヒートポンプは、圧縮仕事を行いながら流体を介して少なくとも１つの第１のリザーバから熱エネルギーを吸収すると共に、少なくとも１つの第２のリザーバを加熱すべく前記流体を介して少なくとも１つの第２のリザーバへ熱エネルギーを放出するための流体循環回路を有する。本発明によれば、この流体循環回路に流体又は作動媒体としてハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンが充填されている。ハイドロフルオロエーテルとフルオロケトンとからなる複数の混合物を使用することもできる。
【００１１】
ハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンは、非可燃性なので、例えば高温でのプロセスにおいて安全に使用することができる。ハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンは、これらの物質グループによって地球温暖化又はオゾンホール拡大をもたらさないので、環境適合性がある。公知のハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンは、例えば二酸化炭素よりも高い臨界温度を有する。それによって、吸収された熱量の大部分が、圧縮後に或る温度、特に凝縮温度において再び放出される。これは、例えばプロセス蒸気を供給する場合に熱利用を容易にする。高温ヒートポンプは、非常に高い温度に到達するのに、ハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンなる作動媒体を用いることにより、作動媒体としての二酸化炭素に比べて低い圧力で遷臨界運転することができる。この関連において遷臨界は、作動媒体が一定温度で液化される未臨界のプロセス制御と比較すれば、遷臨界プロセス制御では放熱が超臨界領域において変化しながら、即ち、変化する温度で行われることを意味する。
【００１２】
本発明による高温ヒートポンプは、少なくとも１つの蒸発器、少なくとも１つの圧縮機、少なくとも１つの凝縮器および／又は少なくとも１つの絞りを流体循環回路の一部として含む。これらの個々の構成要素は、従来技術から、例えば独国特許出願公開第１０２００７０１０６４６号明細書から公知である。更に、同義語として各構成要素の機能に応じて、圧縮機に関してはコンプレッサ、凝縮器に関してはコンデンサ又は液化器、絞りに関しては膨張弁を用いることができる。流体循環回路内を流れる流体が、コンプレッサにおいて圧縮され、凝縮器において第２のリザーバへの熱量放出により冷却され、絞りを通して絞りの開度に応じて所定の速度もしくは圧力低下で蒸発器へ流入し、蒸発器においてその流体が膨張し、第１のリザーバから熱量を取り込む。
【００１３】
圧縮機として多段圧縮機、特に２段圧縮機を使用するとよい。多段圧縮によって、高温ヒートポンプの成績係数が向上する。
【００１４】
エコノマイザが流体循環回路の一部であるとよい。エコノマイザは、流体循環回路内の付加的な中間熱交換器である。このエコノマイザは、第２のリザーバへの放熱後に、液状の作動媒体に存在する熱の一部を圧縮機の手前におけるガス状に過熱された作動媒体に伝達する。それによって、例えば吸込ガスとしての作動媒体の強い過熱を達成することができ、それによって作動媒体の湿り蒸気領域への凝縮を確実に行うことができる。エコノマイザは高温ヒートポンプの効率もしくは有効性の向上をもたらす。
【００１５】
流体循環回路は閉じられている、すなわち、封止されているとよい。特に作動媒体が失われるのを回避することを考慮して、封止された流体循環回路が選ばれるとよい。
【００１６】
ハイドロフルオロエーテルが化学式ＣxＦy−Ｏ−ＣmＨnを有するハイドロフルオロエーテルであって、ここで、ｘ＝３，ｙ＝７，ｍ＝１，ｎ＝３であるか、又はｘ＝４，ｙ＝９，ｍ＝１，ｎ＝３であるか、又はｘ＝４，ｙ＝９，ｍ＝２，ｎ＝５であるか、又はｘ＝６，ｙ＝１３，ｍ＝１，ｎ＝３であるとよい。前記ハイドロフルオロエーテルが、化学式Ｃ3Ｆ7ＣＦ（ＯＣ2Ｈ5）ＣＦ（ＣＦ3）2を有するハイドロフルオロエーテルであってもよい。更に、前記ハイドロフルオロエーテルが、化学式ＣＨ3ＣＨＯ（ＣＦ2ＣＦＨＣＦ3）2を有するハイドロフルオロエーテルであってもよい。流体として化学式ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2を有するフルオロケトンを使用することもできる。本発明による高温ヒートポンプにおける作動媒体として、良好な熱特性を有する他のハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトン、ならびに種々のハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンからなる複数の混合物も使用することができる。
【００１７】
高温ヒートポンプ、特に上述の高温ヒートポンプにおいて作動媒体を使用する本発明の方法は、前記作動媒体が、流体循環回路を流れる際に圧縮仕事を行いながら少なくとも１つの第１のリザーバから熱エネルギーを吸収すると共に、少なくとも１つの第２のリザーバを加熱するためにこの少なくとも１つの第２のリザーバへ熱エネルギーを放出することを含む。その際に、作動媒体としてハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンが使用される。
【００１８】
熱エネルギーが、作動媒体の圧縮後に作動媒体の凝縮温度にて又は前記凝縮温度の範囲内にて前記少なくとも１つの第２のリザーバへ放出されるとよい。前記熱エネルギーはプロセス蒸気供給のために使用することができる。
【００１９】
熱エネルギーがそれに向けて放出される少なくとも１つの第２のリザーバは、７０℃より高い温度を有することができる。高温ヒートポンプが低い圧力において高い温度に到達するために遷臨界運転されるとよい。作動媒体の圧縮が多段、特に２段にて行われるとよい。
【００２０】
毎回、前記圧縮が高温ヒートポンプの湿り蒸気領域となる前に完全に終了されるように、ガス状の作動媒体が強く過熱されるとよい。この過熱は、エコノマイザによって、特に高圧熱交換器、つまり凝縮器の終端部における熱を蒸発器の作動媒体出口に熱伝達することにより行なうことができる。
【００２１】
高温ヒートポンプにおいて作動媒体を使用するこの方法に関する利点は、高温ヒートポンプに関して既に説明した利点に類似する。
【００２２】
以下において、従属請求項の特徴事項による有利な発展形態を有する本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は本発明による高温ヒートポンプの概略図を示す。
【図２】図２は多段圧縮器およびエコノマイザが追加された図１による高温ヒートポンプの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１に、本発明による高温ヒートポンプの実施例の概略図が示されている。この高温ヒートポンプは、ハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンが作動媒体として流れる流体循環回路１からなる。ハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンは、液状又はガス状にて存在し得る流体である。ハイドロフルオロエーテルとしては、とりわけ化学式ＣxＦy−Ｏ−ＣmＨn（ｘ＝３，ｙ＝７，ｍ＝１，ｎ＝３、又はｘ＝４，ｙ＝９，ｍ＝１，ｎ＝３、又はｘ＝４，ｙ＝９，ｍ＝２，ｎ＝５、又はｘ＝６，ｙ＝１３，ｍ＝１，ｎ＝３）を有する複数の物質、又は化学式Ｃ3Ｆ7ＣＦ（ＯＣ2Ｈ5）ＣＦ（ＣＦ3）2、ＣＨ3ＣＨＯ（ＣＦ2ＣＦＨＣＦ3）2を有する複数の物質が対象となる。あるいは、フルオロケトンとしては、化学式ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2を有する物質が対象となる。高温レベルへの熱供給に適した物理特性を有するその他のハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンも使用できる。
【００２５】
第１のリザーバ２は蒸発器４と熱的に接触している。第２のリザーバ３は作動媒体のための凝縮器６と熱的に接触している。第１のリザーバ２は温度Ｔ1を有し、この温度Ｔ1は第２のリザーバ３の温度Ｔ2よりも低い。高温ヒートポンプの場合、温度Ｔ2は７０℃より高くすることができる。
【００２６】
蒸発器４では、作動媒体の膨張時に作動媒体が、第１のリザーバ２から取り込まれる熱を吸収する。ガス状の作動媒体が、蒸発器４から圧縮機５によって吸い込まれて圧縮される。それにより作動媒体の圧力が値ｐ1から値ｐ2へ高められる。高められた圧力ｐ2を有する作動媒体がコンプレッサ５から凝縮器６に流入し、そこにおいて第２のリザーバ３へ熱を放出しながら液化する。それによって、圧縮機５による仕事を通じて、低温Ｔ1を有する第１のリザーバ２から高温Ｔ2を有する第２のリザーバ３へ熱量が移送され、すなわち汲み上げられる。第１のリザーバ２は熱源として用いられ、熱は放熱器としての凝縮器６を介して第２のリザーバ３に供給される。
【００２７】
凝縮器６からの作動媒体は、高圧ｐ2で、絞り７を介して蒸発器４に圧力ｐ1で再び流入することができる。従って、流体循環回路１は閉じられている。流体密封された装置４，５，６，７および例えば管およびパッキンの如き複数の接続部を使用して、作動媒体のために流体循環回路を封止することができるので、作動媒体は周囲環境に放出されず、つまり失われない。コンプレッサ形式の圧縮機５が作動媒体の圧力をｐ1からｐ2へ高め、膨張弁形式の絞り７を介して圧力がｐ2からｐ1へ低減される。それゆえ、この流体循環回路は、低圧ｐ1を有する低温側、即ち低圧側と、高圧ｐ2を有する高温側、即ち高圧側とに区分することができる。低圧側は蒸発器４を含み、高圧側は凝縮器６を含む。
【００２８】
図２に示されているように、エコノマイザ８を使用することにより、高温ヒートポンプの効率を改善することができる。即ち、例えばコンプレッサ５の機械的仕事の形で行われる熱量汲み上げのための仕事に対する汲み上げられた熱量の比を改善することができる。エコノマイザ８は、熱量を凝縮器６の出力側で液状の作動媒体から取り出し蒸発器４の出力側でガス状の作動媒体に放出する熱交換器として使用することができる。それによってガス状の作動媒体の過熱を行うことができが、それにより凝縮器６の湿り蒸気領域への凝縮を確実に行うことができる。
【００２９】
高温ヒートポンプの成績係数の向上、即ち使用された駆動エネルギーに対する得られた実行熱の比の増大は、作動媒体の１段圧縮の代わりに多段圧縮を使用することによって可能である。
【００３０】
本発明による高温ヒートポンプおよび方法において、作動媒体もしくは流体として、ハイドロフルオロエーテル又はフルオロケトンを使用することによって、低温Ｔ1を有する第１のリザーバ２から高温Ｔ2を有する第２のリザーバ３への安全で環境に優しくて効率的な熱の汲み上げが可能である。
【００３１】
ハイドロフルオロエーテルおよびフルオロケトンは、可燃性ではなく、従って高温プロセスにおいて、かつ圧縮時に安全に使用することができる。ハイドロフルオロエーテルおよびフルオロケトンは、これらの物質グループが地球温暖化又はオゾンホール拡大をもたらすことがないことから環境適合性がある。公知のハイドロフルオロエーテルおよびフルオロケトンは、例えば二酸化炭素よりも高い臨界温度を有し、それによって、吸収熱量の大部分を圧縮後に再び放出することができる。ハイドロフルオロエーテルおよび／又はフルオロケトンを用いることにより、高温ヒートポンプは非常に高い温度に到達するために遷臨界運転することができ、それによって、適度の圧力、例えば二酸化炭素の使用時におけるよりも低い圧力しか必要でない。従って、ハイドロフルオロエーテルおよび／又はフルオロケトンを用いた本発明による高温ヒートポンプおよび方法は、ブタン、ペンタン又は二酸化炭素という典型的な作動媒体を有する従来技術に比べて多くの利点を有する。上述の実施例は互いに組み合わせることができ、かつ従来技術から成る複数の実施例と組み合わせることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１          流体循環回路
２          第１のリザーバ
３          第２のリザーバ
４          蒸発器
５          圧縮機
６          凝縮器
７          絞り
８          エコノマイザ
【国際調査報告】
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