(57)【要約】【課題】ＨＦＣ系冷媒ガスを使用して、水冷クーラーの排熱から必要な高温水を取り出す。【解決手段】通常の水冷凝縮器２の後に水冷凝縮器２のガスパイプの断面積と比較してその断面積を細くした水冷凝縮器９を追設し、水ポンプ６を介した水パイプの配管で水タンク５を設置し、水冷凝縮器２、追設水冷凝縮器９と水タンクとを往復で配管し、水タンクの水を水冷凝縮器２、追設水冷凝縮器９へと強制循環するものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
本温水取り出し方法は、コンプレッサー、水冷凝縮器、膨張弁、蒸発器よりなるヒートポンプで、水冷凝縮器が前頭部と後尾部とに２分割され２段階に分けられている。この冷媒ガスが通る後尾部の配管回路は、冷媒ガスが通る前頭部の配管回路よりその断面積で７０％以内に狭められている。水タンクは水ポンプを介して水用パイプで配管・設置され、水冷凝縮器とを閉回路で結び、水タンクの水を水冷凝縮器の前頭部と後尾部へ強制循環させる。一方、コンプレッサーより吐出された冷媒ガスは水冷凝縮器の前頭部から後尾部へ送られ、水ポンプにより送られる水タンクの水と熱交換できるようにしたものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明はＨＦＣ（ハイドロクロロカーボン）系の冷媒ガスを使用したヒートポンプで高温水を取り出す手法である。
【背景技術】
【０００２】ヒートポンプでの温水取り出し手法は、一般にその多くがコンプレッサーからの吐出冷媒ガスを高温・高圧にして、水を水冷凝縮器へ通水することで冷媒ガスとの熱交換から温水を取り出した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】冷媒ガスは、ヒートポンプで温水を取り出すためにＨＦＣ１３４ａ、ＨＦＣ３２、ＨＦＣ１２５、ＨＦＣ１４３ａ、ＨＦＣ１５２ａを単独、又は混合で使用する。
これらのＨＦＣ系冷媒ガスは、何れもガス分子の分子構造に塩素が含まれていないのでオイルとの相溶性がよくないが、この点は機器の構造で解決し、熱交換の効率は水冷凝縮器へ水を循環させることでその効率化をはかり、要求される高温の温水を取り出すものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】図２は本発明をブロック図で表示する。
水冷式凝縮器は前頭部２と後尾部９に分けて２段階とする。
冷媒ガスが通るガスパイプの断面積は、後尾部９が前頭部２との断面積比で７０％以内とするものである。冷媒ガスはその断面積比で７０％以内と細くすることで充分液化し、オイルとの相溶性もよくなるが、更に６０％以内、５０％以内と細くすることでよりよい結果が得られる。
ガスパイプ７はコンプレッサー１、水冷凝縮器前頭部２、水冷凝縮器後尾部９、膨張弁３、蒸発器４、そしてコンプレッサー１とをパイプ配管で閉回路に順次結ぶものである。【０００５】水冷凝縮器２と水冷凝縮器９は双方に取水口、排水口を設置し、水の循環回路に設置した水タンク５の水は水ポンプ６を介した水パイプ８の配管で水冷凝縮器２と９の双方へ送られ、その水が水冷凝縮器２、９の排水口より水タンク５へ水パイプ８の配管を経由して循環する。【０００６】図２はコンプレッサー１と水ポンプ６を作動させることで、コンプレッサー１より吐出された高温・高圧の冷媒ガスは水冷凝縮器２へ送られ、水タンク５から水ポンプ６へ送られる水と熱交換し、一次凝縮され、更に水冷凝縮器９へ送られ、ここで改めて水タンク５より送られる水と熱交換し、二次凝縮される。【０００７】冷媒ガスは水冷凝縮器９で完全に凝縮され、ガスパイプ７を通り、膨張弁３で減圧され、蒸発器４で蒸発し、吸熱したのちにコンプレッサー１へ戻る。
水タンク５の水は循環して高温の冷媒ガスと熱交換することで熱を蓄積し水温が順次上昇する。冷媒ガスも高温水と接することで、その温度は水温の上昇に依存して順次上昇する。【０００８】冷媒ガスはその温度が一定の温度以上へ上昇すると飽和するので、ヒートポンプの運転が不可能になる。そこで本課題は、通常の水冷凝縮器２のみで不可能なヒートポンプの運転を水冷凝縮器９へ冷媒ガスを送ることで再び水と熱交換をし、ヒートポンプの運転を可能にさせた。
冷媒ガスの完全凝縮は、水冷凝縮器９と水冷凝縮器２とのガスパイプの断面積比が５０％以内へ細めることで、水との熱交換がより効率的になり達成される。冷媒ガスとオイルとの相溶性の問題は、水冷凝縮器９のガスパイプの断面積が水冷凝縮器２の断面積よりも細い回路を流れることで相溶性が良好になり、ガス分子の構造に塩素がないＨＦＣ系の冷媒ガスでもヒートポンプの運転を可能にした。
水冷凝縮器９と２とのガス管の断面積比が５０％以内までに細くできる理由は、コンプレッサー１より吐出されるときの冷媒ガスが、気体でその体積も大きいが、凝縮の進行に依存してその体積が小さくなるので、水冷凝縮器９のガスパイプの断面積は細く出来る。【０００９】水冷凝縮器２と９は別々に設置せず、図３に示すように水冷凝縮器２と９を一体化しても同様である。追設の水冷凝縮器９の形状は、図４に示すように、円筒パイプ１０内に螺旋状に巻いたガスパイプ１２を設置し、その両端を円筒パイプ１０より出し、取水・排水口１１を円筒パイプ１０に取り付けたものも同様に使用できる。
【発明の効果】
【００１０】本発明の効果は発明を実施するための最良の形態で示すように、水冷クーラーの排熱から必要な温度の高温水を取り出し、同時にＨＦＣ系冷媒ガスでの高効率な冷房運転を可能にした点にある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】本実施は本研究グループが冷媒ガスＨＦＣ１３４ａを使用したクーラーの運転状況を報告する。使用したクーラーはコンプレッサーが２Ｈｐで、蒸発器が空冷式で室内空気を直接冷却する。その凝縮器はダブルチューブ式の水冷２Ｈｐで、水と熱交換して冷媒ガスを凝縮する。【００１２】水冷式クーラーは通常図１に示すようなシステムで構成されている。それは、ガスパイプ７がコンプレッサー１、水冷凝縮器２、キャピラリーチューブ３、空冷蒸発器４、そしてコンプレッサー１の順に配管され、閉ループで結んでいる。冷却水は、設置したクーリングタワーまたは水タンク５から、水ポンプ６、水冷凝縮器２の取水口、水冷凝縮器２の排水口、水タンク５の順に水パイプ８で配管され、水タンクの水を閉ループで結び循環させる。そこで、冷媒ガスは図１に示すようなシステム構成で、次のような状態変化をする。高圧・高温の冷媒ガスはコンプレッサー１より吐出され、水タンク５より送られる水と水冷凝縮器２で熱交換をして凝縮し、キャピラリーチューブ３で減圧され、蒸発器４で蒸発し、室内空気を冷却してコンプレッサー１へ戻る。一方、水タンク５内の水は、水冷凝縮器２へ水ポンプ６によって送られ、そこで水は高温の冷媒ガスと熱交換をして水温を上昇させ水タンク５へ戻る。この熱交換で上昇した水はそのまま使用されるか冷却されて循環水として使用される。【００１３】ＣＦＣ、ＨＣＦＣ系の冷媒ガスはその分子構造に塩素原子を結合しているので、この運転状態で凝縮すると鉱油との相溶性が良く正常な運転が行われている。しかし、ＨＦＣ系の冷媒ガスは塩素原子がその分子構造に結合していないので、クーラーの運転は鉱油との相溶性が悪く出来ないとされている。
このような問題点を解決するために、図２は追設の水冷凝縮器９が通常の水冷凝縮器２とキャピラリーチューブ３の間に設置される。これは、その目的が水冷凝縮器２で凝縮した冷媒ガスを追設した凝縮器９で再度水と熱交換させることで冷媒ガスの温度を低下させ、凝縮度を上げ、ＨＦＣ系の冷媒ガスとオイルとの相溶性は追設凝縮器９を通すことで良くなり正常な運転を可能にさせる。
追設凝縮器９は図４に示すように銅製３分管で、その長さ１０ｍ、外径９．５３ｍｍφ、肉厚１．０ｍｍの通常のガスパイプを螺旋状に巻いたもので、これを円筒ケースに収め、そのガスパイプの両端をケースより出し、水の取水・排水口をケースの左右に取り付けてある。水ポンプ６の排水口に接続された水パイプの配管は２分割され、追設凝縮器９と通常凝縮器２の双方の取水口へ並列に接続されている。水は水ポンプ６より送られ、追設凝縮器９と通常凝縮器２のそれぞれを通り冷媒ガスと熱交換した後、水タンク５へ戻る閉ループである。【００１４】追設凝縮器９のガスパイプは、一方が通常凝縮器２に接続され、他方がキャピラリーチューブ３に接続されている。冷媒ガスは通常凝縮器２を出た後に追設凝縮器９で再度水と熱交換し、キャピラリーチューブ３に送られる。追設凝縮器９での熱交換は冷媒ガスと水とが対向流で行われる。
冷媒ガスとオイルである鉱油の量はこのクーラーでの定量的な取り扱いを次のように調整した。それは、まずＨＣＦＣ２２で運転されていたクーラーから冷媒ガスを抜き取り、鉱油をそのまま残し、さらに鉱油７０ｃｃを追加した。次に冷媒ガスはＨＦＣ１３４ａを１．５ｋｇ投入した。水タンクの水量は１９１ｌで、冷却水の循環流量は毎分７２ｌであった。【００１５】表１はそのデータを示す。横軸は下記の計測１２項目、縦軸は測定経過時間（分）を表示している。
１．大気温度（℃）
２．水タンク内の水温（℃）
３．高圧側冷媒ガスの圧力（ＭＰａ）
４．低圧側冷媒ガスの圧力（ＭＰａ）
５．コンプレッサーでの吐出ガス温度（℃）
６．追設水冷凝縮器への流入ガス温度（℃）
７．追設水冷凝縮器からの流出ガス温度（℃）
８．追設凝縮器での流入と流出時のガス温度差（℃）
９．キャピラリーチューブでの流出時のガス温度（℃）
１０．コンプレッサーへの流入時のガス温度（℃）
１１．クーラー蒸発器からの空気の吹出し温度（℃）
１２．電流値（Ａ）【００１６】
【表１】
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【００１７】冷媒ガスはこのように通常の水冷凝縮器２で通常の凝縮をした後に追設凝縮器９へ送られ、ここでその温度を５℃程度下げて完全凝縮に到ると考える。この点は計測項目８が裏付けている。
この冷媒ガスの状態は追設凝縮器９の冷媒ガスの入口、出口に取り付けたサイトグラス（ガラス越しに見る液面計）より観察した。その結果、冷媒ガスは追設凝縮器９を出た後に目視でほぼ完全凝縮していることを確認している。
この実験はＨＦＣ系冷媒ガスでのクーラーが本実験の時間内において運転可能であることを実証した。
２００２年１１月２３日
名古屋大学理工科学総合研究センター
新代替フロン１３４ａ応用開発研究グループ代表
教授  長谷川  達也（工学博士）
共同研究者
永田  謙二（博士（工学）、修士（理学））
谷藤  浩二（博士（工学））
上野  勲  （工学博士）
他５名
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】通常の水冷式ヒートポンプの構成をブロック図で示す。
【図２】本発明のヒートポンプ方式による温水取り出し方法で、水冷凝縮器２に追設の水冷凝縮器９を設置した装置をブロック図で示す。
【図３】本発明のヒートポンプ方式による温水取り出し方法で、水冷凝縮器２と追設の水冷凝縮器９を一体化した装置をブロック図で示す。
【図４】追設水冷凝縮器の概略図の一例を示す。
【符号の説明】
【００１９】        １…コンプレッサー
２…通常の水冷凝縮器
３…膨張弁
４…蒸発器
５…水タンク
６…水ポンプ
７…ガスパイプによる配管
８…水パイプによる配管
９…追設水冷凝縮器
１０…円筒ケース
１１…取水・排水口
１２…ガスパイプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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