(57)【要約】【課題】体積型の圧縮機を用いた場合であっても潤滑油の劣化の抑制が可能であり、小型設備に好適な産業用の加熱型ヒートポンプを提供する。【解決手段】圧縮機３と凝縮器４の間に設けられ、圧縮機３から吐出された熱媒体のミスト除去を行うことで、圧縮機３で混入した潤滑油を熱媒体から分離するデミスタ９と、デミスタ９で分離した潤滑油を圧縮機３に戻す潤滑油戻しライン１０と、潤滑油戻しライン１０に設けられ、デミスタ９で分離した潤滑油に含まれる熱媒体をさらに分離する分離装置１４と、を備えたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体を高温熱源と熱交換させ、熱媒体を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器で蒸発させた熱媒体を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された熱媒体を低温熱源と熱交換させ、熱媒体を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器で凝縮させた熱媒体を膨張させて前記蒸発器に供給する膨張弁と、を備えた産業用の加熱型ヒートポンプにおいて、
前記圧縮機と前記凝縮器の間に設けられ、前記圧縮機から吐出された熱媒体のミスト除去を行うことで、前記圧縮機で混入した潤滑油を熱媒体から分離するデミスタと、
該デミスタで分離した潤滑油を前記圧縮機に戻す潤滑油戻しラインと、
該潤滑油戻しラインに設けられ、前記デミスタで分離した潤滑油に含まれる熱媒体をさらに分離する分離装置と、を備えた
ことを特徴とするヒートポンプ。
【請求項２】
前記圧縮機として、体積型のものを用いた
請求項１記載のヒートポンプ。
【請求項３】
前記圧縮機として、駆動モータを容器外部に配置した開放型のものを用いた
請求項２記載のヒートポンプ。
【請求項４】
前記熱媒体として、シクロペンタノンを用いた
請求項１〜３いずれかに記載のヒートポンプ。
【請求項５】
前記圧縮機の出口での熱媒体の温度が１５０度以上である
請求項１〜４いずれかに記載のヒートポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用の加熱型ヒートポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱媒体を高温熱源と熱交換させ、熱媒体を蒸発させる蒸発器と、蒸発器で蒸発させた熱媒体を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された熱媒体を低温熱源と熱交換させ、熱媒体を凝縮させる凝縮器と、凝縮器で凝縮させた熱媒体を膨張させて蒸発器に供給する膨張弁と、を備えたヒートポンプが知られている。
【０００３】
このヒートポンプを産業用の加熱用途に用いる場合、通常、１３０度以上の出力（つまり凝縮器で熱交換した後の低温熱源の温度が１３０度以上であること）が要求される。これに対応するためには、圧縮機出口での熱媒体の温度を１５０度以上に設定する必要がある。したがって、産業用の加熱型ヒートポンプでは、圧縮機として、１５０度以上の高温ガスに耐えるものを用いる必要がある。
【０００４】
従来の産業用の加熱型ヒートポンプでは、圧縮機として、たとえばターボ圧縮機を用いていた。しかし、ターボ圧縮機は、定格運転より負荷の少ない側での運転にはサージングによる制限があり，負荷変化の操作幅が１００〜７０％程度と狭いので、定常運転する大型設備（例えば圧縮動力１００ｋＷ以上）には向くが、発停（発進・停止）のある小型設備には不向きであった。
【０００５】
そこで、本発明者らは、圧縮機として、体積型（容積型）のものを用いることを考えた。体積型の圧縮機は、圧縮室の体積に構造的上限があるため大型設備には不向きであるが、圧縮動作を繰り返す形式のため負荷変化の幅を大きくとることができ、小型設備に用いる中・小型の圧縮機（例えば圧縮動力１００ｋＷ未満）に適している。
【０００６】
体積型の圧縮機には様々なタイプがあるが、いずれのタイプにおいても、空間を圧縮するために必ず摺動部分が存在し、その摺動部分を潤滑する潤滑油が必要になる。よって、体積型の圧縮機を用いる場合、潤滑油が熱媒体と共に圧縮機の下流側に流れてしまうので、圧縮機の下流側に潤滑油を分離する手段を設ける必要がある（例えば、特許文献１参照）。潤滑油を分離する手段としては、デミスタ（ミスト除去装置）が一般に用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２３２３５７号公報
【特許文献２】特開平５−２２３２０４号公報
【特許文献３】特開２０１１−６４３５４号公報
【特許文献４】特開２０１１−１２７８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、熱媒体と潤滑油の相溶度は低いことが望ましい。これは、熱媒体と潤滑油の相溶度が高いと、デミスタで分離した後の潤滑油にも大量の熱媒体が溶け込んだ状態となり、潤滑油の粘度が低下して潤滑油が劣化し、圧縮機が焼き付くなどの不具合が発生するためである。
【０００９】
暖房等に用いられる一般的なヒートポンプでは、比較的低温のヒートポンプサイクルを実現すればよいため、熱媒体の選択肢が多く、潤滑油に対して相溶度が低い熱媒体（例えばＨＦＣ）を適宜選択して用いることが可能である。
【００１０】
しかし、上述のような産業用の高温のヒートポンプでは、一般的な低温のヒートポンプの熱媒体をそのまま用いることはできない。これは、一般的な低温のヒートポンプの熱媒体をそのまま用いると、臨界温度を超えたサイクルとなったり、動作圧が非常に高圧となり、圧縮機や熱交換器が高コストとなってしまい、現実的でないためである。
【００１１】
本発明者らの鋭意検討の結果、動作圧を低く維持し、しかも高い温度域で高効率にヒートポンプサイクルを実現するには、特定の熱媒体を用いるしかなく、熱媒体の選択肢は殆ど無いことが分かっている。しかも、この熱媒体は一般的な潤滑油に対する相溶度が高いことも分かっている。このように、産業用の高温のヒートポンプでは、一般的な低温のヒートポンプのように潤滑油に対して相溶度が低い熱媒体を選択することはほぼ不可能であり、潤滑油の劣化を抑制することが困難である。
【００１２】
なお、潤滑油を相溶度が低いものにする、あるいは潤滑油を用いずにグリスを用いるといった対策も考えられるが、そのためには、産業用の高温のヒートポンプに適した潤滑油やグリスを新規開発する必要があり、開発コスト等の観点から現実的ではない。
【００１３】
本発明は上記事情に鑑み為されたものであり、体積型の圧縮機を用いた場合であっても潤滑油の劣化の抑制が可能であり、小型設備に好適な産業用の加熱型ヒートポンプ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】
【００１４】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、熱媒体を高温熱源と熱交換させ、熱媒体を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器で蒸発させた熱媒体を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された熱媒体を低温熱源と熱交換させ、熱媒体を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器で凝縮させた熱媒体を膨張させて前記蒸発器に供給する膨張弁と、を備えた産業用の加熱型ヒートポンプにおいて、前記圧縮機と前記凝縮器の間に設けられ、前記圧縮機から吐出された熱媒体のミスト除去を行うことで、前記圧縮機で混入した潤滑油を熱媒体から分離するデミスタと、該デミスタで分離した潤滑油を前記圧縮機に戻す潤滑油戻しラインと、該潤滑油戻しラインに設けられ、前記デミスタで分離した潤滑油に含まれる熱媒体をさらに分離する分離装置と、を備えたヒートポンプである。
【００１５】
前記圧縮機として、体積型のものを用いてもよい。
【００１６】
前記圧縮機として、駆動モータを容器外部に配置した開放型のものを用いてもよい。
【００１７】
前記熱媒体として、シクロペンタノンを用いてもよい。
【００１８】
前記圧縮機の出口での熱媒体の温度が１５０度以上であってもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、体積型の圧縮機を用いた場合であっても潤滑油の劣化の抑制が可能であり、小型設備に好適な産業用の加熱型ヒートポンプを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施の形態に係るヒートポンプの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２２】
図１は、本実施の形態に係るヒートポンプの概略構成図である。
【００２３】
図１に示すように、ヒートポンプ１は、熱媒体を高温熱源と熱交換させ、熱媒体を蒸発させる蒸発器２と、蒸発器２で蒸発させた熱媒体を圧縮する圧縮機３と、圧縮機３で圧縮された熱媒体を低温熱源と熱交換させ、熱媒体を凝縮させる凝縮器４と、凝縮器４で凝縮させた熱媒体を膨張させて蒸発器２に供給する膨張弁５と、蒸発器２と圧縮機３と凝縮器４と膨張弁５とを順次ループ状に接続する熱媒体循環ライン６と、を備えた産業用の加熱型ヒートポンプである。
【００２４】
このヒートポンプ１では、凝縮器４で熱交換した後の低温熱源の温度（つまり出力温度）を汎用の産業用途で要求される１３０度以上とすべく、圧縮機３の出口での熱媒体の温度が１５０度以上となるようにヒートポンプサイクルが設定されている。図１では、圧縮機３の出口での熱媒体の温度を１７０度、凝縮器４で凝縮後の熱媒体の温度を１３０度に設定した場合を示している。なお、図１に示した圧縮機３の出口での熱媒体の温度（１７０度）、凝縮器４で凝縮後の熱媒体の温度（１３０度）はあくまで一例であり、これに限定されるものではない。例えば、圧縮機３の出口での熱媒体の温度を１５０度としてもよいし、凝縮器４で凝縮後の熱媒体の温度（圧縮機３の入口での熱媒体の温度）を１００度としてもよい。ヒートポンプ１は、例えば、蒸気使用プロセスで使用し排出された排蒸気（またはドレン水）のエネルギを利用して蒸気を再生する蒸気再加熱装置として用いられる。
【００２５】
ヒートポンプ１に用いる熱媒体としては、運転温度範囲に応じて、例えばＣＯ2ヒートポンプのような過度な動作圧（１０ＭＰａ等）を避けて動作圧を低く維持でき、臨界温度が運転温度範囲に対して十分に高く安定した運転が可能であり、かつ、高効率にヒートポンプサイクルを実現できるものを選定する必要がある。本発明者らは、上述の運転温度範囲に最適な熱媒体を鋭意検討した結果、このような産業用の高温のヒートポンプ１の熱媒体としては、シクロペンタノンが最適であることを見出した。本実施の形態では、このシクロペンタノンを熱媒体として使用する。
【００２６】
凝縮器４と膨張弁５間の熱媒体循環ライン６には、液相の熱媒体を一時貯留する熱媒体タンク７が設けられる。また、蒸発器２と圧縮機３間の熱媒体循環ライン６には、液相の熱媒体が圧縮機３に導入されるのを抑制するための圧縮機前段デミスタ８が設けられる。圧縮機前段デミスタ８で除去した液相の熱媒体は、図示していないが、熱媒体タンク７に回収されるようになっている。
【００２７】
圧縮機３としては、体積型（容積型）のものを用いる。図１では、一例としてスクリュ式の圧縮機３を用いる場合を示しているが、これに限定されるものではない。
【００２８】
また、圧縮機３としては、駆動モータ３ａを容器外部に配置した開放型のものを用いることが望ましい。これは、駆動モータ３ａの使用可能温度が通常１００度以下と低く、駆動モータ３ａを容器内に内蔵した密閉型のものを用いた場合、駆動モータ３ａの運転温度が使用可能温度以上となり焼損してしまう可能性があるためである。駆動モータ３ａを圧縮機容器の外部に配置することで、駆動モータ３ａを使用可能温度に冷却維持できる。圧縮機容器の外部に配置した駆動モータ３ａは、外気または冷却水などで冷却して使用可能温度に維持するとよい。
【００２９】
なお、駆動モータ３ａを圧縮機容器内に配置した密閉型の圧縮機において、駆動モータ３ａに冷却手段を取り付けて駆動モータ３ａを低温に維持する方法も考えられるが、この方法では、冷却手段の冷熱が熱媒体に伝わり、熱媒体が圧縮機３内で凝縮してしまう可能性が高くなる。圧縮機３内に液相の熱媒体が混入すると、圧縮機３の効率が著しく低下し故障の原因にもなるので、好ましくない。また、単純に圧縮機容器内で熱媒体の流路から駆動モータ３ａを遠ざけることも考えられるが、駆動軸が長くなり圧縮機容器も大型化するので現実的ではない。
【００３０】
駆動モータ３ａを圧縮機容器の外部に配置する場合、圧縮機容器を貫通するように駆動軸を設ける必要があり、駆動軸と圧縮機容器間の気密を維持するシール３ｂが必要になる。圧縮機３内の圧力は，真空から動作圧（正圧）までの範囲で変化するので，シール３ｂとしては、油浸漬の機械シールや磁性流体を用いた密閉式の耐圧シールを用いるとよい。なお、圧縮機容器を貫通させない駆動方法として，磁気カップリングも適用可能である。この場合、最大伝達動力は磁気カップリングの伝達性能に依存することになる（現在の技術では２０ｋＷ程度の伝達が上限）。
【００３１】
圧縮機３の材質は、動作温度に応じて選定すればよい。本実施の形態では、動作温度が１５０度以上であるから、鉄系、チタン系、銅系の材質を使用するとよい（１５０度未満ではアルミ系を用いるとよい）。圧縮機３の基本構造は通常一般の構造としてよいが、圧縮機３内のシール材として熱媒体に耐えるものを用いたり、熱膨張を考慮して隙間設計を見直すなど、使用する熱媒体や運転温度範囲に応じた設計変更が必要である。
【００３２】
このように構成することで、通常一般の低温のヒートポンプと比較して高温のガスを圧縮機３で圧縮できるようになり、例えば，圧縮機３の入口での熱媒体の温度Ｔin≧１００℃，圧縮機３の出口での熱媒体の温度Ｔout≧１５０℃といった高い温度範囲での圧縮機動作が可能になる。
【００３３】
圧縮機３に用いる潤滑油としては、動作温度を考慮し、鉱物油系、ＰＡＯ（ポリアルファオレフィン）系、エステル系、ＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）系などを用いることができる。これらは、いずれも本実施の形態で熱媒体として用いるシクロペンタノンと相溶度が高いことが実験により確認されている。具体的には、上述の潤滑油とシクロペンタノンを混合して分離が発生するか否かを実験したところ、比較的分離し易い低温（０℃）においても少なくとも２０ｍａｓｓ％以上でないと分離が発生せず、通常潤滑油として機能する熱媒体混入率１０ｍａｓｓ％を大きく上回っていた。この実験結果からも分かるように、より相溶度が高くなる高温の運転温度域では熱媒体と潤滑油の自然な分離は全く期待できず、潤滑油の希釈を抑制する手段は必須になる。
【００３４】
以下、潤滑油を回収する機構について詳述する。
【００３５】
圧縮機３と凝縮器４間の熱媒体循環ライン６には、圧縮機３から吐出された熱媒体のミスト除去を行うことで、圧縮機３で混入した潤滑油を熱媒体から分離するデミスタ９が設けられる。デミスタ９で分離した潤滑油は、潤滑油戻しライン１０を介して圧縮機３に戻されるよう構成されている。デミスタ９と圧縮機３間の潤滑油戻しライン１０には、デミスタ９で分離した潤滑油を一時貯留する潤滑油タンク１１と、潤滑油を圧送する潤滑油ポンプ１２とが設けられている。なお、潤滑油戻しライン１０には、潤滑油を冷却するオイルクーラが設けられていてもよい。
【００３６】
なお、デミスタ９を省略した場合、大量の潤滑油が凝縮器４に流れ込むこととなり、凝縮器４の熱媒体の流路の周囲に潤滑油の膜が形成され、凝縮器４での熱交換の効率が著しく悪化してしまう。体積型の圧縮機３を用いる場合、凝縮器４の前段で潤滑油の大部分を回収するデミスタ９は必須である。
【００３７】
また、図示していないが、蒸発器２内には比重分離器が設けられており、デミスタ９にて分離回収できなかった潤滑油を、蒸発器２内の比重分離器にて分離回収するようになっている。比重分離器にて分離した潤滑油は、蒸発器側潤滑油戻しライン１３を介して潤滑油タンク１１に回収される。
【００３８】
さらに、本実施の形態に係るヒートポンプ１では、潤滑油戻しライン１０に、デミスタ９で分離した潤滑油に含まれる熱媒体をさらに分離する分離装置１４が設けられる。
【００３９】
分離装置１４としては、加熱により熱媒体を蒸発させて潤滑油から熱媒体を分離する加熱蒸発分離方式、低温になると相溶度が低下することを利用して潤滑油から熱媒体を分離する冷却相分離方式、あるいは、潤滑油と熱媒体の密度差を利用し遠心分離等により両者を分離する密度差分離方式などを適用することができる。いずれの分離方式を採用するかは適宜決定すればよいが、例えば、熱が余っている場合は加熱蒸発分離方式、ＬＮＧなどの冷熱がある場合は冷却相分離方式、といった具合に、利用できるエネルギに合わせて分離方式を選定することが望ましい。
【００４０】
本実施の形態では、潤滑油タンク１１に、潤滑油を循環させる潤滑油循環ライン１５を設け、その潤滑油循環ライン１５の途中に、潤滑油を強制循環させる潤滑油循環用ポンプ１６と分離装置１４とを設けた。なお、ここでは、潤滑油循環ライン１５を、潤滑油戻しライン１０の一部として扱っている。分離装置１４にて分離された熱媒体は、熱媒体戻しライン１７を介して熱媒体タンク７に回収されるようになっている。
【００４１】
本実施の形態の作用を説明する。
【００４２】
本実施の形態に係るヒートポンプ１では、圧縮機３と凝縮器４の間に設けられ、圧縮機３から吐出された熱媒体のミスト除去を行うことで、圧縮機３で混入した潤滑油を熱媒体から分離するデミスタ９と、デミスタ９で分離した潤滑油を圧縮機３に戻す潤滑油戻しライン１０と、潤滑油戻しライン１０に設けられ、デミスタ９で分離した潤滑油に含まれる熱媒体をさらに分離する分離装置１４と、を備えている。
【００４３】
通常一般の低温のヒートポンプでは、熱媒体の選択肢が多いため潤滑油に対して相溶度の低い熱媒体を選択することが可能であり、デミスタ９で回収される潤滑油に含まれる熱媒体を数ｍａｓｓ％程度に抑えることが可能であるが、熱媒体の選択肢がない高温のヒートポンプにおいては、熱媒体と潤滑油の相溶度が高くなることは避けられず、デミスタ９で回収される潤滑油に含まれる熱媒体は数十ｍａｓｓ％となる可能性もある。その結果、潤滑油が希釈され粘度が低下して，潤滑機能が損なわれてしまうおそれが生じる。
【００４４】
本発明のように潤滑油戻しライン１０に分離装置１４を設けることにより，熱媒体による潤滑油の希釈を防止し，潤滑油の粘度低下を防止して、潤滑系を健全に維持し、装置全体を健全に保つことが可能となる。
【００４５】
つまり、本発明によれば、体積型の圧縮機３を用いた場合であっても潤滑油の劣化の抑制が可能であり、小型設備に好適な産業用の加熱型ヒートポンプを実現できる。その結果、排熱回収先の装置（蒸発器２に高温熱源を供給する装置）が小さく運転が間欠的となる場合など、ターボ圧縮機を用いた大型のヒートポンプでは対応が困難な場合にも、対応が可能となる。また、排熱回収量が変動しやすい場合には、小型のヒートポンプ１を複数台配備して，それぞれを可変負荷運転することで、効率的に排熱（エネルギ）回収を行うことが可能になる。
【００４６】
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
【００４７】
例えば、上記実施の形態では、潤滑油タンク１１に設けた潤滑油循環ライン１５に分離装置１４を設置したが、これに限らず、例えば、デミスタ９と潤滑油タンク１１間の潤滑油戻しライン１０に分離装置１４を設けるようにしてもよい。この場合、潤滑油戻しライン１０を通る潤滑油の全量、もしくは分流した一部を分離装置１４にて処理するよう構成すればよい。
【符号の説明】
【００４８】
１  ヒートポンプ
２  蒸発器
３  圧縮機
４  凝縮器
５  膨張弁
６  熱媒体循環ライン
９  デミスタ
１０  潤滑油戻しライン
１４  分離装置
【図１】
2013134030.tif 000003