JP4070583B2 - Compression heat pump system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、作動媒体が、圧縮部、放熱部、膨張部、吸熱部の順に夫々を循環する循環流路を備えた圧縮式ヒートポンプシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の作動媒体としてフロン等の人工作動媒体を用いる圧縮式ヒートポンプシステムは、作動媒体を循環流路に循環させて、気相状態の作動媒体をコンプレッサ(圧縮部)で圧縮した後に放熱器(放熱部)で放熱して冷却して液相状態とし、冷却後の作動媒体液を膨張弁(膨張部)で減圧した後に吸熱器(吸熱部)で蒸発させて大気から蒸発潜熱を奪い気相状態とするように構成されており、上記フロン等の人工作動媒体を気相状態と液相状態との間で変化させる際の吸熱・放熱を利用して、上記吸熱器から放熱器側に熱を強制的に移動させるように構成されている。
【0003】
また、近年、オゾン層保護や地球温暖化防止の観点から、圧縮式ヒートポンプシステムの作動媒体として、フロンのような人工作動媒体ではなく、二酸化炭素のような自然作動媒体の適用が注目されており、このような二酸化炭素を作動媒体として適用した圧縮式ヒートポンプシステムが実用化されている。
【0004】
かかる自然作動媒体としての二酸化炭素の臨界点温度は、上記フロン等の人工作動媒体よりも低いので、例えば夏季等の外気温が高いときには、放熱器での二酸化炭素の温度が二酸化炭素の臨界点温度よりも高くなり、放熱器において、二酸化炭素が液相状態とならないことがある。
従って、二酸化炭素等の自然作動媒体を用いた圧縮式ヒートポンプシステムでは、十分な能力を発揮するために、コンプレッサの動作圧(作動媒体の吐出圧力)を10MPa程度と極めて高く設定する場合がある。
【0005】
一方、圧縮式ヒートポンプシステムのコンプレッサの回転駆動源を、外部に設置されたエンジン等の外部回転駆動源とする場合には、当該コンプレッサを、圧縮用の圧縮回転子を回転させるための駆動軸の連結部が本体外に露出した外部駆動型のコンプレッサとして構成する必要があり、その駆動軸と本体との間には、本体内の圧縮回転子側から駆動軸に沿って作動媒体が外部に流出することを防止するための公知のメカニカルシール等の軸シール部が設けられる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
フロン等の人工作動媒体を用いる圧縮式ヒートポンプシステムでは、動作圧が3MPa程度と比較的低いので、コンプレッサの軸シール部等において作動媒体の流出を容易に抑制することができるが、二酸化炭素等の自然作動媒体を用いる圧縮式ヒートポンプシステムでは、動作圧が10MPa程度と極めて高いので、コンプレッサの軸シール部等において作動媒体が外部に流出することを十分に抑制するのは困難である。
【0007】
そして、このように作動媒体が漏洩して圧縮式ヒートポンプシステムの作動媒体の圧力が減少すると、ヒートポンプシステムにおけるCOPの低下を招き、更に、放熱器において生成可能な最高湯水温度が低下する場合がある。尚、COPとは、ヒートポンプシステムの成績係数を示し、コンプレッサ駆動動力を熱量に換算したものに対する放熱器で放熱した熱量の比で表される。
【0008】
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、非常に高い圧力に圧縮する必要がある二酸化炭素等の自然作動媒体を用いた場合において、その作動媒体の漏洩による効率低下を防止することができる圧縮式ヒートポンプシステムを実現することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明に係る圧縮式ヒートポンプシステムの第一特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項1に記載した如く、前記循環流路の所定の部位を流通する前記作動媒体の圧力が、前記所定の部位に対して設定されている設定圧力となるように、前記作動媒体を前記循環流路に補充する補充手段を備え、前記作動媒体が二酸化炭素であると共に、前記圧縮部の駆動源がエンジンであり、前記補充手段が、前記循環流路に補充する二酸化炭素を、前記エンジンの排ガスから分離して生成する二酸化炭素生成手段を備えると共に、前記圧縮部と共通の駆動源の駆動力により駆動し、前記二酸化炭素生成手段で生成した二酸化炭素を圧縮する圧縮手段を備えて構成されている点にある。
【0010】
即ち、上記第一特徴構成の圧縮式ヒートポンプシステムによれば、上記補充手段により、循環流路の作動媒体が上記圧縮部等のシール部を介して漏洩しても、その漏洩分の作動媒体を循環流路に自動的に補充して、上記循環流路の所定の部位の圧力を、高効率を維持するためにその部位に対して設定されている設定圧力に維持して、効率低下を防止することができる。
作動媒体として圧縮部で高圧に圧縮する必要があり漏洩する可能性が高い二酸化炭素を用いた場合でも、上記補充手段により循環流路に二酸化炭素を補充して、効率低下を防止することができる。
上記圧縮部の駆動源をエンジンとした場合には、上記二酸化炭素生成手段を設けることにより、そのエンジンから排出される排ガスから二酸化炭素を分離して生成し、その生成した二酸化炭素を上記循環流路に補充することができ、別途補充用の二酸化炭素を準備する必要がなくなる。しかも、上記二酸化炭素生成手段でエンジンの排ガスから生成した二酸化炭素を上記循環流路へ補充する場合に、上記圧縮手段を設けることにより、別途駆動源を設けることなくエンジンの駆動力の一部を利用して上記生成した二酸化炭素を圧縮し、高圧の二酸化炭素を循環流路の設定圧力より高い補充圧力で循環流路に補充することができる。
【0011】
本発明に係る圧縮式ヒートポンプシステムの第二特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項2に記載した如く、上記第一特徴構成に加えて、前記補充手段が、前記所定の部位としての前記循環流路の前記膨張部から前記圧縮部に至る低圧側流路の圧力が前記低圧側流路に対して設定されている設定圧力となるように、前記作動媒体を前記低圧側流路に補充する手段である点にある。
【0012】
即ち、上記第二特徴構成の圧縮式ヒートポンプシステムによれば、比較的低圧な上記低圧側流路の圧力を比較的簡単且つ安価な圧力検出手段等で検出すると共に、その検出した低圧側流路の圧力が所定の設定圧力となるように、作動媒体を低圧側流路に比較的低い補充圧力で簡単に補充することができる。従って、上記補充手段を簡単且つ安価なものに構成することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図1に示す圧縮式ヒートポンプシステム100は、公知のごとく、作動媒体Xが、コンプレッサ2(圧縮部)、放熱器3(放熱部)、膨張弁4(膨張部)、吸熱器5(吸熱部)の順に夫々を循環する構成とされており、吸熱器5において作動媒体Xが吸熱し、放熱器3において作動媒体Xが放熱する。
【0018】
ここで、吸熱器5における吸熱対象としては、大気を想定しており、吸熱器5には気−液熱交換器が採用される。また、放熱器3における加熱対象は、給湯用の湯水であり、放熱器3には液−液熱交換器が採用される。
【0019】
作動媒体Xは、自然作動媒体としての二酸化炭素である。
各機器での状態について説明すると、吸熱器5からコンプレッサ2へ接続された管材で構成される循環流路7においては、温度が4℃程度且つ圧力が4MPa程度の作動媒体Xが流通し、コンプレッサ2から放熱器3へ接続された管材で構成される循環流路8においては、温度が80℃程度且つ圧力が9.0〜10MPa程度の作動媒体Xが流通し、放熱器3から膨張弁4へ接続された管材で構成される循環流路9においては、温度が4℃程度且つ圧力が9.0〜10MPa程度の作動媒体Xが流通し、膨張弁4から吸熱器5に接続された管材で構成される循環流路10においては、温度が4℃程度且つ圧力が4MPa程度の作動媒体Xが流通するように、コンプレッサ2,20の動作圧(作動媒体Xの吐出圧力)及び膨張弁4の設定差圧等が設定されている。
【0020】
コンプレッサ2は、公知のベーンロータリーコンプレッサとして構成されており、コンプレッサ2の駆動軸21が、外部回転駆動源としてのエンジン25の駆動軸26にベルト27を介して回転駆動される。
【0021】
圧縮式ヒートポンプシステム100は、上記循環流路7,8,9,10の所定の部位を流通する作動媒体Xの圧力が、その所定の部位に対して設定されている設定圧力となるように、作動媒体Xを上記所定の部位に補充する補充手段60を備えて構成されている。そして、この補充手段60を備えることにより、高圧な作動媒体Xがコンプレッサ2の駆動軸21の軸シール部等を介して漏洩しても、その漏洩分の作動媒体Xを上記循環流路7,8,9,10の所定の部位に自動的に補充することができ、上記循環流路7,8,9,10の圧力を、高効率を維持するための高圧に維持して、作動媒体Xの漏洩による効率低下を防止することができる。
【0022】
また、補充手段60は、膨張弁4の出口側からコンプレッサ2に至る低圧側流路の一部である循環流路10の圧力が、その循環流路10に対して設定されている設定圧力(例えば、4MPa)となるように、二酸化炭素である作動媒体Xを循環流路10に補充する手段として構成されている。
【0023】
詳しくは、補充手段60は、二酸化炭素である作動媒体Xを圧縮する圧縮装置45(圧縮手段)と、圧縮装置45で圧縮した作動媒体Xを循環流路10の設定圧力(例えば、4MPa程度)より高い補充圧力で貯留するタンク等の貯留部48と、その貯留部48に貯留された作動媒体Xを循環流路10に導く供給流路49と、供給流路49に設けられ循環流路10側の圧力が上記設定圧力未満となったときに供給流路49における作動媒体Xの流通を許容し、逆に、循環流路10側の圧力が上記設定圧力より高くなったときに供給流路49における作動媒体Xの流通を阻止する圧力調整弁50とを備えて構成されている。
このような補充手段60により、上記圧縮装置45及び上記貯留部48及び圧力調整弁49は、比較的低い補充圧力の作動媒体Xを生成及び貯留すると共に、循環流路10の圧力を比較的低い設定圧力に設定するような簡単且つ安価な構成のものを利用できる。
【0024】
補充手段60の圧縮装置45は、その駆動軸46が、ヒートポンプ側のコンプレッサ2を駆動するエンジン25の駆動軸26にベルト47を介して回転駆動し、コンプレッサ2と共通の駆動力により駆動するように構成されている。
【0025】
更に、補充手段60は、エンジン25から排出された排ガスYを、排ガス流路28を介して取込み、循環流路10に補充するための二酸化炭素をその排ガスYから分離して生成し、供給流路43を介して上記圧縮装置45に送り込む二酸化炭素生成手段30を備えて構成されている。
【0026】
二酸化炭素生成手段30は、二酸化炭素を大量に吸収できる吸収液Zを排ガスYと接触させて、吸収液Z中に排ガスY中の二酸化炭素を取込む吸収器31と、二酸化炭素を取込んだ吸収液Zを加熱して、二酸化炭素を回収する再生器35とを備え、所謂ガス吸収法を用いて、上記排ガスYから二酸化炭素を生成するように構成されている。
【0027】
そして、このような二酸化炭素生成手段30により、駆動源としてエンジン25を備えた圧縮式ヒートポンプシステム100において、そのエンジン25から排出される排ガスYから二酸化炭素を分離して生成し、その生成した二酸化炭素を圧縮装置45で圧縮した後に上記循環流路10に補充することができ、別途補充用の二酸化炭素を準備する必要がなくなる。
【0028】
尚、上記二酸化炭素生成手段30の再生器35の熱源としては、上記エンジン25の排熱、即ち、エンジン25から排出される排ガスや冷却水の熱等を用いることができる。
【0029】
また、上記貯留部48に貯留される二酸化炭素の圧力が上記循環流路10の設定圧力より高い補充圧力となるように、上記貯留部48側の圧力が上記補充圧力より高くなったときに開弁して貯留部48から流路52を介して外部に二酸化炭素を放出する圧力調整弁53を備えても構わない。また、上記流路52を介して放出された二酸化炭素は、冷却材としての固体二酸化炭素の製造用や農作物の育成用等の別用途で利用することができる。
【0030】
〔別実施の形態〕
上記実施の形態では、二酸化炭素生成手段30を、ガス吸収法により排ガスYから二酸化炭素を生成するものとしたが、別に、二酸化炭素生成手段30を、吸着法や膜分離法等のその他の方法により、排ガスYから二酸化炭素を生成するように構成しても構わない。
【0031】
上記実施の形態では、循環流路10の圧力を設定圧力に設定するために、循環流路10側の圧力変動により開閉し、循環流路10側の圧力を設定圧力とする圧力調整弁50を用いたが、圧力調整弁50の代わりに、制御装置等からの制御信号により開閉可能な制御弁を供給流路49に設け、循環流路10の圧力を検出する圧力センサの検出結果に基づいて供給流路49に設けた制御弁をフィードバック制御して、循環流路10の圧力を設定圧力に設定しても構わない。
【0032】
上記実施の形態では、補充手段60を、作動媒体Xを比較的低圧な循環流路10に補充するように構成したが、別に、作動媒体Xを同じく低圧な循環流路7や他の循環流路8,9に供給するように上記補充手段60を構成しても構わない。また、補充手段60は、循環流路10以外の循環流路7,8,9がその循環流路7,8,9に対して設定されている設定圧力(例えば、循環流路7に対しては4MPa程度、循環流路8,9に対しては9MPa程度)となるように、循環流路10やその他の循環流路7,8,9に作動媒体Xを補充するように構成しても構わない。
【図面の簡単な説明】
【図1】圧縮式ヒートポンプの構成を示す図
【符号の説明】
2:コンプレッサ(圧縮部)
3:放熱器(放熱部)
4:膨張弁(膨張部)
5:吸熱器(吸熱部)
7,8,9,10:循環流路
25:エンジン
28:排ガス流路
30:二酸化炭素生成手段
31:吸収器
35:再生器
45:圧縮装置(圧縮手段)
46:駆動軸
47:ベルト
48:貯留部
49:供給流路
50:圧力調整弁
60:補充手段
100:圧縮式ヒートポンプシステム
X:作動媒体
Y:排ガス
Z:吸収液[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a compression heat pump system including a circulation channel in which a working medium circulates in the order of a compression unit, a heat dissipation unit, an expansion unit, and a heat absorption unit.
[0002]
[Prior art]
A conventional compression heat pump system using an artificial working medium such as chlorofluorocarbon as a working medium circulates the working medium in a circulation flow path and compresses the working medium in a gas phase state by a compressor (compression unit), and then a radiator (heat radiation). In the liquid phase by radiating heat and cooling to a liquid phase, reducing the pressure of the cooled working medium liquid with an expansion valve (expansion part), and evaporating it with a heat absorber (heat absorption part) to take away latent heat of vaporization from the atmosphere. Heat is absorbed from the heat absorber to the radiator side by utilizing heat absorption / radiation when the artificial working medium such as Freon is changed between a gas phase state and a liquid phase state. It is configured to forcibly move.
[0003]
In recent years, from the viewpoint of protecting the ozone layer and preventing global warming, the use of natural working media such as carbon dioxide has attracted attention as working media for compression heat pump systems, not artificial working media such as chlorofluorocarbons. A compression heat pump system using such carbon dioxide as a working medium has been put into practical use.
[0004]
Since the critical point temperature of carbon dioxide as such a natural working medium is lower than the artificial working medium such as chlorofluorocarbon, for example, when the outside air temperature is high such as in summer, the temperature of carbon dioxide in the radiator is the critical point of carbon dioxide. It becomes higher than the temperature, and carbon dioxide may not be in a liquid phase in the radiator.
Therefore, in a compression heat pump system using a natural working medium such as carbon dioxide, the operating pressure of the compressor (working medium discharge pressure) may be set to an extremely high value of about 10 MPa in order to exhibit sufficient performance.
[0005]
On the other hand, when the rotational drive source of the compressor of the compression heat pump system is an external rotational drive source such as an engine installed outside, the compressor is driven by a drive shaft for rotating a compression rotor for compression. It is necessary to configure as an externally driven compressor with the coupling part exposed outside the main body. Between the drive shaft and the main body, the working medium flows out along the drive shaft from the compression rotor side in the main body. A shaft seal portion such as a known mechanical seal is provided to prevent this.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In a compression heat pump system using an artificial working medium such as chlorofluorocarbon, the operating pressure is relatively low, about 3 MPa, so that the outflow of the working medium can be easily suppressed at the shaft seal portion of the compressor. In a compression heat pump system using a natural working medium, the operating pressure is as high as about 10 MPa, so it is difficult to sufficiently suppress the working medium from flowing out to the outside at the shaft seal portion of the compressor.
[0007]
When the working medium leaks and the pressure of the working medium of the compression heat pump system decreases in this way, the COP in the heat pump system is lowered, and the maximum hot water temperature that can be generated in the radiator may be lowered. . COP indicates a coefficient of performance of the heat pump system, and is expressed as a ratio of the amount of heat radiated by the radiator to that obtained by converting the compressor driving power into the amount of heat.
[0008]
Therefore, in the case of using a natural working medium such as carbon dioxide that needs to be compressed to a very high pressure in view of the above circumstances, the present invention can prevent a reduction in efficiency due to leakage of the working medium. The purpose is to realize a compression heat pump system.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, the first characteristic configuration of the compression heat pump system according to the present invention is the operation that circulates through a predetermined portion of the circulation flow path as described in claim 1 of the claims. Replenishing means for replenishing the circulation channel with the working medium so that the pressure of the medium becomes a set pressure set with respect to the predetermined part, and the working medium is carbon dioxide; The drive source of the compression unit is an engine, and the replenishment unit includes carbon dioxide generation unit that separates and generates carbon dioxide to replenish the circulation flow path from exhaust gas of the engine, and is common to the compression unit In the point which is comprised with the compression means which drives with the driving force of a drive source and compresses the carbon dioxide produced | generated by the said carbon dioxide production | generation means .
[0010]
That is, according to the compression heat pump system of the first characteristic configuration, even if the working medium in the circulation flow channel leaks through the seal portion such as the compression portion by the replenishing means, the working medium for the leakage is removed. The recirculation flow path is automatically replenished, and the pressure at a predetermined part of the recirculation flow path is maintained at the set pressure set for that part in order to maintain high efficiency, thereby preventing a decrease in efficiency. can do.
Even when carbon dioxide that needs to be compressed to a high pressure at the compression section and has a high possibility of leakage is used as a working medium, the efficiency can be prevented by replenishing the circulation channel with carbon dioxide by the replenishing means. .
When the driving source of the compression unit is an engine, by providing the carbon dioxide generating means, carbon dioxide is separated from the exhaust gas discharged from the engine and generated, and the generated carbon dioxide is supplied to the circulating flow. The road can be replenished, and there is no need to prepare additional carbon dioxide for replenishment. In addition, when the carbon dioxide generated from the exhaust gas of the engine by the carbon dioxide generating means is replenished to the circulation flow path, by providing the compression means, a part of the driving force of the engine can be obtained without providing a separate driving source. Utilizing this, the generated carbon dioxide can be compressed, and high-pressure carbon dioxide can be replenished to the circulation flow path at a replenishment pressure higher than the set pressure of the circulation flow path.
[0011]
The second characteristic configuration of the compression heat pump system according to the present invention is that, in addition to the first characteristic configuration, the replenishing means is configured as the predetermined portion as described in claim 2 of the claims. The working medium is placed in the low pressure side flow path so that the pressure of the low pressure side flow path from the expansion part to the compression part of the circulation flow path becomes a set pressure set for the low pressure side flow path. It is a means to replenish.
[0012]
That is, according to the compression heat pump system of the second characteristic configuration, the pressure of the relatively low pressure side flow path is detected by a relatively simple and inexpensive pressure detecting means or the like, and the detected low pressure side flow path is detected. The working medium can be easily replenished to the low-pressure channel with a relatively low replenishment pressure so that the pressure becomes a predetermined set pressure. Therefore, the replenishing means can be configured simply and inexpensively.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
As is well known, in the compression
[0018]
Here, the heat absorption target in the
[0019]
The working medium X is carbon dioxide as a natural working medium.
The state in each device will be described. In the
[0020]
The compressor 2 is configured as a known vane rotary compressor, and a
[0021]
The compression
[0022]
Further, the replenishing means 60 is configured so that the pressure of the
[0023]
Specifically, the replenishing means 60 includes a compression device 45 (compression means) that compresses the working medium X that is carbon dioxide, and a set pressure (for example, about 4 MPa) of the working fluid X compressed by the
By such a replenishing means 60, the
[0024]
The
[0025]
Further, the replenishing means 60 takes in the exhaust gas Y discharged from the
[0026]
The carbon dioxide generating means 30 brought the absorbent Z that can absorb a large amount of carbon dioxide into contact with the exhaust gas Y, and absorbed the carbon dioxide in the exhaust gas Y into the absorbent Z and the carbon dioxide. A
[0027]
The carbon dioxide generating means 30 separates and generates carbon dioxide from the exhaust gas Y discharged from the
[0028]
As a heat source of the
[0029]
Further, it opens when the pressure on the
[0030]
[Another embodiment]
In the above embodiment, the carbon dioxide generating means 30 is configured to generate carbon dioxide from the exhaust gas Y by the gas absorption method. Separately, the carbon dioxide generating means 30 is replaced with other methods such as an adsorption method and a membrane separation method. Thus, carbon dioxide may be generated from the exhaust gas Y.
[0031]
In the above embodiment, in order to set the pressure of the
[0032]
In the above embodiment, the replenishing means 60 is configured to replenish the working medium X to the relatively low-pressure
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a compression heat pump.
2: Compressor (compression unit)
3: Radiator (heat radiation part)
4: Expansion valve (expansion part)
5: Heat absorber (heat absorption part)
7, 8, 9, 10: Circulation passage 25: Engine 28: Exhaust gas passage 30: Carbon dioxide generating means 31: Absorber 35: Regenerator 45: Compression device (compression means)
46: drive shaft 47: belt 48: reservoir 49: supply flow path 50: pressure regulating valve 60: replenishing means 100: compression heat pump system X: working medium Y: exhaust gas Z: absorption liquid
Claims (2)
前記循環流路の所定の部位を流通する前記作動媒体の圧力が、前記所定の部位に対して設定されている設定圧力となるように、前記作動媒体を前記循環流路に補充する補充手段を備え、
前記作動媒体が二酸化炭素であると共に、前記圧縮部の駆動源がエンジンであり、
前記補充手段が、前記循環流路に補充する二酸化炭素を、前記エンジンの排ガスから分離して生成する二酸化炭素生成手段を備えると共に、前記圧縮部と共通の駆動源の駆動力により駆動し、前記二酸化炭素生成手段で生成した二酸化炭素を圧縮する圧縮手段を備えて構成されている圧縮式ヒートポンプシステム。The working medium is a compression heat pump system provided with a circulation flow path that circulates in the order of the compression part, the heat dissipation part, the expansion part, and the heat absorption part,
Replenishing means for replenishing the circulation channel with the working medium so that the pressure of the working medium flowing through the predetermined region of the circulation channel becomes a set pressure set for the predetermined region; Prepared ,
The working medium is carbon dioxide, and the driving source of the compression unit is an engine.
The replenishing means includes carbon dioxide generating means for generating carbon dioxide to be replenished to the circulation flow path by separating it from exhaust gas of the engine, and is driven by a driving force of a driving source common to the compression unit, A compression heat pump system configured to include a compression unit that compresses carbon dioxide generated by a carbon dioxide generation unit .
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