(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮サイクルの圧縮機で圧縮された冷媒ガスと吸収サイクルの発生器で発生した冷媒ガスとを共に空調用熱交換器へ送り出すハイブリッド型のヒートポンプ装置であって、圧縮機へと戻るラインの途中で分岐させた分岐ラインによって一部の冷媒を吸収器へ吸入させると共に、第1発生器において吸収剤から分離された冷媒ガスを圧縮機の冷媒ラインに合流させ、第１発生器から吸収器へ戻る吸収剤と未ガス化冷媒との混合物から冷媒ガスを分離する第２発生器を設け、第２発生器で分離された冷媒ガスを圧縮機の中間圧段階にインジェクションさせることを特徴とする圧縮・吸収ハイブリッド型ヒートポンプ装置。
【請求項２】
圧縮サイクルの圧縮機で圧縮された冷媒ガスと吸収サイクルの発生器で発生した冷媒ガスとを共に空調用熱交換器へ送り出すハイブリッド型のヒートポンプ装置であって、空調用熱交換器へ送り出される冷媒は、圧縮サイクル用として用いられる冷媒と、この冷媒よりも吸収剤に対して相溶性が良く、かつ気化潜熱量の大きい冷媒との混合冷媒からなり、圧縮機の吸込み経路に設けた吸収器において、後者の冷媒が吸収剤に吸収されることによって前者の冷媒と分離され、分離された前者の冷媒が吸入ラインから圧縮機へ吸入されることを特徴とする圧縮・吸収ハイブリッド型ヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧縮サイクルと吸収サイクルを複合させたハイブリッド型のヒートポンプ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この発明の発明者らは、先に、圧縮機を備えたヒートポンプ装置に吸収サイクルを複合することで、圧縮機の仕事の一部を吸収サイクルに肩代わりさせるハイブリッド型のヒートポンプ装置を発明し、特願平１０−１４９６９３号として出願した。
【０００３】
即ち、図７で示すように圧縮機(31)に吸入される冷媒の一部を、吸収サイクルの吸収器(32)によって吸収剤へ吸収させ、吸収剤と冷媒との混合物をポンプ(33)で送るとともに、圧縮機(31)を駆動するエンジン(34)の冷却水回路と排気ガス通路の双方または、どちらか一方(35)の熱を熱源とする発生器(36)で高圧ガスとして取り出した後、これを圧縮機(31)吐出側の冷媒ライン(37)へ合流させて空調用熱交換器(38)(39)へ送るものである。
【０００４】
このように圧縮機(31)の仕事の一部を吸収サイクルに肩代わりさせることで圧縮機(31)の負荷が軽減されて、エンジン(34)の燃料消費を節約でき、他方、発生器(36)の熱源として圧縮機用エンジン(34)の廃熱を利用することでバーナーなどの特別のエネルギー源が不要となり、冷凍サイクル全体のエネルギー消費を低減することが出来るものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、圧縮サイクルの冷媒としてはフロン正確には冷媒番号Ｒ２２が広く用いられ、最近ではオゾン層を破壊しない代替冷媒として同Ｒ４０７Ｃ、Ｒ１３４ａなどが用いられるようになっている。これらの成分は、圧縮サイクルに用いられる冷媒としては適したものであり、圧縮サイクルにのみ用いる場合には問題は生じない。
【０００６】
しかしながら、これら圧縮サイクルに用いられる冷媒は、分子量がＲ２２で８３と大きいため、吸収剤への吸収性が低く、吸収剤へ吸収させた状態での高濃度側溶液の冷媒濃度には限界がある。他方、ハイブリッド型では、発生器の熱源としてエンジン冷却水や排気ガスなどの廃熱を利用するが、発生器の温度を高温にしすぎると冷媒そのものが熱分解をおこしてしまうので、発生器を際限なく高い温度で作動させることが出来ず、冷媒ガスを発生させた後の低濃度側溶液の冷媒濃度にも下限があり、これら高濃度側と低濃度側の濃度差が小さく、溶液と冷媒の流量比率である溶液循環比が大きいという問題がある。
【０００７】
図８は、上記図７の冷凍サイクルにおける冷媒圧力と温度との関係を示したデューリング線図であって、図の左側の矢印の付いた破線が圧縮機サイクルを、右側の矢印の付いた実線が吸収サイクルを示しているが、吸収サイクルにおける左端コーナーのａ点において吸収器から吸出された吸収剤と冷媒との混合物は、発生器へ送られる際に次第に圧力と温度が上昇し、途中のｂ点で再生器との熱交換により更に圧力と温度が上昇した状態で発生器に導入されるが、そのときの高濃度側の冷媒濃度はξ1＝０．３０であり、他方発生器で冷媒を放出した後の冷媒濃度はξ2＝０．１５であって、その差は０．１５しかなく、溶液循環比は１／（０．３０−０．１５）＝６〜７と大きくなる。ここで溶液循環比というのは、１／（高濃度溶液の冷媒濃度−冷濃度溶液の冷媒濃度）で決まるファクタ−である。
【０００８】
このため、圧縮機の負荷を効果的に軽減出来るだけの冷媒を吸収させようとすると、多量の吸収剤を循環させなければならず、吸収サイクルを構成する装置全体が大型化し、また、吸収剤を循環させるポンプのエネルギー消費量も大きくなるという問題がある。
【０００９】
更に、圧縮サイクル用のフロン冷媒は吸収サイクルに用いられる水やアンモニアなどに比較して質量当たりの気化（液化）潜熱量が低いという問題がある。これは、体積当たりの潜熱量が重要となる圧縮サイクルでは問題ないが、吸収サイクルでは効果が半減することになり、このことによっても多量の冷媒を吸収させるため溶液循環量を増大させることとなって、装置全体が大型化するなどの欠点がある。
【００１０】
この発明は、このように圧縮サイクルと吸収サイクルを複合化したハイブリッド型ヒートポンプにおいて、吸収サイクルを循環する溶液の循環量を低減することを可能とし、これによって装置全体を大型化することのないヒートポンプ装置を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、この出願の請求項１の発明は、圧縮サイクルの圧縮機で圧縮された冷媒ガスと吸収サイクルの発生器で発生した冷媒ガスとを共に空調用熱交換器へ送り出すハイブリッド型のヒートポンプ装置であって、圧縮機へと戻るラインの途中で分岐させた分岐ラインによって一部の冷媒を吸収器へ吸入させると共に、第1発生器において吸収剤から分離された冷媒ガスを圧縮機の冷媒ラインに合流させ、第１発生器から吸収器へ戻る吸収剤と未ガス化冷媒との混合物から冷媒ガスを分離する第２発生器を設け、第２発生器で分離された冷媒ガスを圧縮機の中間圧段階にインジェクションさせることを特徴とする。
【００１３】
更に、同じ目的を達成するため、この出願の請求項２の発明は、圧縮サイクルの圧縮機で圧縮された冷媒ガスと吸収サイクルの発生器で発生した冷媒ガスとを共に空調用熱交換器へ送り出すハイブリッド型のヒートポンプ装置であって、空調用熱交換器へ送り出される冷媒は、圧縮サイクル用として用いられる冷媒と、この冷媒よりも吸収剤に対して相溶性が良く、かつ気化潜熱量の大きい冷媒との混合冷媒からなり、圧縮機の吸込み経路に設けた吸収器において、後者の冷媒が吸収剤に吸収されることによって前者の冷媒と分離され、分離された前者の冷媒が吸入ラインから圧縮機へ吸入されることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、参考例としてのヒートポンプ装置の冷媒回路図である。
【００１５】
図において、(１)はエンジン、(２)は、このエンジン(１)で駆動される圧縮機、(３)は室外熱交換器、(４)は室内熱交換器を示している。圧縮機(２)で圧縮された高温・高圧となった冷媒ガスは、冷房時には、冷媒ライン(５)を通ってまず室外熱交換器(３)へ送られ、この室外熱交換器(３)で凝縮された後室内熱交換器(４)へ送られ、ここでの気化潜熱により冷房を行った後、再び圧縮機(２)へ吸入される。これが圧縮サイクルである。
【００１６】
なお、この回路は、冷房時のみの状態を示したもので、実際には、暖房時に室内熱交換器(４)から室外熱交換器(３)へ向けて冷媒を循環させるよう切換える四方弁その他の装置などが設けられるが、ここでは冷房時に必要な最低限の装置のみを示している。
【００１７】
(６)は、吸収サイクルを構成する吸収器、(７)は同じく発生器、(８)は再生器である。(９)は、冷却水ポンプ(10)で循環させられるエンジン冷却水回路であり、前記発生器(８)が、この冷却水回路(９)中に配置されて、その冷却水回路(９)中の冷却水の熱をその発生器(７)の熱源として利用するようにしている。
【００１８】
(11)は、吸収器(６)へ冷媒を供給するための吸収用冷媒供給ラインであって、これは、圧縮機(２)の一つの吐出部と吸収器(６)の入り口とに跨って接続され、この発明に従って、圧縮機(２)で圧縮される途中の中間圧段階での冷媒の一部を抽気して、吸収器(６)へと供給するようになっている。
【００１９】
吸収器(６)内に導入された冷媒は吸収剤によって吸収され、これら吸収剤と冷媒との混合溶液が、ポンプ(12)によって、溶液供給ライン(13)から再生器(８)を通って発生器(７)へ供給される。発生器(７)では、冷却水回路(９)の熱により加熱されることで、冷媒のみが吸収剤から分離して高圧のガスとなり、送り出しライン(14)から、前記圧縮機(２)から吐出された冷媒ライン(５)の冷媒と合流して、室外熱交換器(３)側へ流れる。他方、発生器(７)内の吸収剤は、一般の吸収サイクルと同じく、戻りライン(15)から再生器(８)を通って吸収器(６)へ戻る。図中(16)(17)は、それぞれ図面で示すライン中に配置された膨張弁である。
【００２０】
図２は、図１の実施形態の場合のデューリング線図であって、このように圧縮行程の途中の段階で抽気して吸収サイクルの吸収器(６)へ供給することで、吸収器(６)にはある程度高い圧力で冷媒を供給することになり、吸収剤への吸収量がその分増大し、即ち高濃度側溶液の濃度がξ1=０．４０と従来よりも高くなり、他方、発生器(７)の低濃度側溶液濃度は従来と同じ０．１５であるとすれば、それだけ溶液循環比が低下し、吸収サイクルの効率を向上させることが出来る。
【００２１】
図３は、この出願の請求項１の発明に従って実施される一つの実施形態を示している。この実施形態では、図７と同じく、冷房時に室内熱交換器(４)から圧縮機(２)へ戻るライン(21)の途中で分岐させた分岐ラインによって、一部の冷媒を吸収器(６)へ吸入させるようにしている。そして、吸収器(６)からポンプ(12)によって吸い出された冷媒と吸収剤との混合物は、２つの再生器(８)(23)を通って第１の発生器(７)へ供給され、吸収剤から分離された高温高圧の冷媒ガスが、前記と同様に送り出しライン(14)から冷媒ライン(５)へ合流する。
【００２２】
更に、第１の発生器(７)を出た吸収剤中には、分離されずに残った未ガス化冷媒が混合されているが、これを第２の発生器(22)へ供給するものである。この第２の発生器(22)では、第１の発生器(７)と同じくエンジン冷却水回路(９)の熱によって加熱することで、やや高圧のガス化冷媒を発生させる。このガス化冷媒は、未だ冷媒ライン(５)へ合流させるほどには高温・高圧とはなっていないので、この圧縮機(２)における圧縮過程の途中の中間圧段階へ冷媒ガスをインジェクションすることで、更に高温・高圧に圧縮した後、ライン(21)からの冷媒ガスと一緒に冷媒ライン(５)へ送り出すものである。第１の発生器(７)から第２の発生器(22)へ通ずるライン(24)は、途中で第２の再生器(23)を通過するが、更に、第２の発生器(22)の手前に膨張弁(25)が設けられて一旦減圧するようにしている。
【００２３】
図４は、この第２の実施形態の場合のデューリング線図であって、第１の発生器(７)から第２の発生器(22)へ移動する段階では圧力が低下しているが、第２の発生器で(22)で分離した後のｃ点での低濃度側溶液の濃度は、ξ=０．１０まで低下する。このため、図１の場合と異なり、高濃度側溶液濃度は通常の場合と異ならないが、低濃度側溶液濃度が低下するため、結果として溶液循環比が増大し、同様に吸収サイクルの効率を向上できるものである。
【００２４】
図５は、この出願の請求項２の発明に従って実施される実施形態の一例である。二種以上の冷媒を混合させた混合冷媒は、室外熱交換器(３)及び室内熱交換器(４)からその全量がライン(21)によって吸収器(６)へ導かれる。混合冷媒は、圧縮サイクル用として一般に用いられるＨＣＦＣ類、ＨＦＣ類等の一又は複数の物質からなる冷媒Ａと、吸収剤に対して相溶性の良い即ち吸収剤による吸収性が良く、なお且つ、気化潜熱量の大きい一又は複数の物質からなる冷媒Ｂとの混合物であり、吸収器(６)では、吸収性の良い冷媒Ｂが吸収剤に吸収されることによって、冷媒Ａと分離される。即ち、吸収器(６)では、通常の吸収作用と冷媒分離作用の双方が行われることになる。
【００２５】
吸収剤と冷媒Ｂとの混合液は、再生器(８)から発生器(７)へ送られて、前記と同じく高温・高圧となった冷媒ガスが冷媒ライン(５)へ合流して室外熱交換器(３)へ供給される。他方、吸収剤で吸収されなかった冷媒Ａは、別の吸入ライン(26)から圧縮機(２)へ吸入されて高温・高圧に圧縮された後、冷媒ライン(５)へ吐出されることになる。
【００２６】
吸収剤による吸収性が良く、又、気化潜熱量の大きい物質としては、その吸収剤にもよるが、例えば、ＴＦＥ（テトラフルオロエタノール）の他に、吸収サイクルに広く用いられるアンモニア、５フッ化プロパノール（５ＦＰ）等があげられ、１０〜３０パーセント程度混合させる。他方、吸収剤としては、ＤＭＡ、Ｅ１８１、ＰＡＧ等があげられる。
【００２７】
図６は、この実施形態の場合におけるデューリング線図であって、吸収サイクル用の冷媒として被吸収性に優れた物質を用いることにより、高濃度側溶液濃度を増大させることが出来、吸収サイクルの効率を向上できることになる。
【００２９】
【発明の効果】
この出願の請求項１の発明によれば、発生器から戻る吸収剤中の未ガス化冷媒を再度分離させて圧縮機へ吸入させるようにしているので、低濃度側の溶液濃度の低下に伴う溶液循環比が低下し、ハイブリッド型のものにおいて、吸収サイクルの装置を大型化して溶液循環量を増加させる必要がないという効果がある。
【００３０】
更に、この出願の請求項２の発明によれば、分離された混合冷媒の何れか一方を圧縮機へ吸入させ、他方を吸収器へ吸収させることとしているので、吸収器側へ吸収される冷媒として吸収剤による吸収性に優れた冷媒を用いることで、吸収サイクルにおける高濃度側溶液濃度を増大させ、結果として溶液循環比を低下させることが出来るので、同様に吸収サイクルの装置を大型化して溶液循環量を増加させる必要がないという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の参考例を示すヒートポンプ装置の冷媒回路図である。
【図２】  図１の参考例における冷媒圧力と温度との関係を示すデューリング線図である。
【図３】  この発明の実施形態を示すヒートポンプ装置の冷媒回路図である。
【図４】図３の実施形態における冷媒圧力と温度との関係を示すデューリング線図である。
【図５】この発明の更に別の実施形態を示すヒートポンプ装置の冷媒回路図である。
【図６】図５の実施形態における冷媒圧力と温度との関係を示すデューリング線図である。
【図７】ハイブリッド型ヒートポンプ装置の一例を示す冷媒回路図である。
【図８】同じくデューリング線図である。
【符号の説明】
(２)  圧縮機
(３)  室外熱交換器
(４)  室内熱交換器
(６)  吸収器
(７)  発生器
(23)  発生器
【図１】
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【図２】
0004091167.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0004091167.tif 000007
【図７】
0004091167.tif 000008
【図８】
0004091167.tif 000009