JPS6240638B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明はクーラーの排熱を利用した湯沸方法
に関するものである。クーラーは一般に冷媒ガス
をコンプレツサーで圧縮し、コンプレツサーで放
熱して凝縮し、蒸発器で蒸発して大気を冷却して
吸熱することを繰り返す。 空冷式はコンデンサーで外気を取り入れて放熱
し、水冷式はコンデンサーに送られる冷却水と熱
交換してガスを凝縮する。凝縮温度は通常のクー
ラーでは空冷式は大気温＋15℃、水冷式は大気温
＋10℃である。 日本の夏は大気温が33℃になるので水冷クーラ
ーの凝縮温度43℃となる。実際、43℃凝縮が一
番、効率がよいとされている。 水冷式クーラーでは通常クーリングタワーを使
用している。この理由は水を繰り返し使用して節
約するためである。 クーリングタワーを使用するときの水冷式クー
ラーはコンデンサーの入口水温33℃、出口水温38
℃、ガス凝縮温度43℃となつている。このコンデ
ンサーでの５℃温度上昇分はクーリングタワーで
大気中に放熱されている。そのため、水冷式クー
ラーの冷却水循環パイプには必ず、バルブがつい
てり水量、水温を調整している。水量が少なすぎ
るとクーリングタワーで必要なカロリーの放熱が
できず、水量が多すぎると水温が下がり過ぎてガ
ス温度も下がり、クーラーの効率は低下する。 この水冷式クーラーにおけるクーリングタワー
使用時の冷却水量、水温は古くから実験により前
述のガス凝縮温度43℃になるように定められてい
る。従つて、この冷却水はコンデンサーに入ると
きには大気温と同じ33℃に定められている。 冷媒は現在では一般にフロンガスが使用されて
いる。フロンガスの種類はR22、R12、R11、
R113などがあるが、通常のクーラーではR22を使
用することが多い。R22を使用する水冷式クーラ
ーでは、凝縮圧力、温度は16.8Kg／cm²、43℃、蒸
発圧力、 温度は3.8Kg／cm²、５℃が最高効率となる。こ
の蒸発温度５℃は蒸発器出口温度であり、膨張弁
からの吹き出し温度はもつと低い。 クーリングタワーでの放熱量は非常に多く、ク
ーラー1HP当り約3000Kcal／ｈもある。この放熱
カロリーを高温水として取り出せれば、クーラー
使用時に給湯が無料で出来ると共に熱風による排
熱公害がなくなる。 また、冷房を使用しないときでも必要な温水が
取り出せれば、電気ヒーターに比較して、COP3
以上となり、熱出力で３倍以上となるので、大変
なエネルギーの節約となり、公害のないエネルギ
ー源として使用できる。 しかし、現状のクーリングタワー使用時の冷却
水は、水藻の付着、雑菌の繁殖等を防ぐため、冷
却水に薬品が入れられるので、その水は使用でき
ない。 そこで薬品を入れずに取り出し水温を38℃に調
整して使用する事が多い。 このため、クーリングタワーで放熱している熱
量を回収するために、クーリングタワーのフアン
を止めてそのまま冷却水を循環させて、高温水を
取り出す実験が行われた。しかし、水温は上昇す
るがガス圧力は急に高くなり、ガスは飽和しクー
ラーが停止する。このため、バルブを調節して循
環水量を少なくしているケースがある。 この場合多少水温は上昇するが、クーリングタ
ワーでの放熱量が不足して、ガスは完全凝縮とな
り、冷房能力は低下し、飽和したガスにより電流
値は高くなる。 一般にクーラーで温水を取り出すには、一回通
水の方法が行われている。これはコンデンサーに
出来るだけ少量の水を低速で流して熱量（温水）
を取り出す方法である。熱量の供給が一定であれ
ば当然であり、ガス瞬間湯沸器をはじめ、広く行
なわれている。 温水を取り出す時の一回通水でのコンデンサー
出口、入口温度差は15℃上昇となつている。この
15℃上昇は１回通水で温水を取り出すときの最適
数値である。これより、温度差が少ないと取り出
し水温は低くなり、これ以上の温度差になると冷
媒は飽和する。 15℃上昇であれば、夏期の水道水温度は25℃位
であり、40℃の温水が取り出せるので少し追い焚
きすれば風呂に使えるようになる。このため、ク
ーラーのコンデンサー入口・出口温度差は温水を
取り出すときは15℃差、クーリングタワーを使用
するときは５℃差という上昇温度の基準がある。 この一回通水による水温差、水量、及びそのと
きのクーラーの状態を調べる実験を行つた。 クーラー能力：2240（Kcal／ｈ）、冷媒：フロ
ンガスR22、外気温：33℃、水温25℃、縦軸に温
度差に於ける温度、圧力の変化、横軸は計測項目
である。 記号の説明 To−Ti：コンデンサー出口・入口温度差
（℃）、Ｑ：水量（ｌ／min）、To：取り出し水温
（℃）、Ｔ_c：凝縮温度（℃）、T₂：温水取り出し
時の吐出ガス温度（℃）、P₂：凝縮圧力（Kg／
cm²）、P₁：蒸発圧力（Kg／cm²）、Tf：蒸発器吸込
み・吹き出し温度差（℃） 第１表に測定値を示す。

【表】

【表】 第１表に示されるようにTo−Tiが９℃差で43
℃凝縮が一番能率が高く、15℃差では40℃の温水
は取り出せるが凝縮圧力・温度は22.5Kg／cm²、55
℃となつており、冷媒ガスは半ば飽和して、通常
のクーラーに取り付けられている安全装置が作動
してクーラーが停止する寸前であり、冷房能力は
半減している。この様に一般のクーラーでは一度
通水による温水取り出しは15℃差が限界である。 そこでこの冷房能力の低下を防ぐために、更に
温度差を拡げるために、二次熱交換器を設置して
飽和したガスを凝縮する方法が研究されている。 一般に行われている研究では、コンプレツサー
の近くに小型の水冷熱交換器を取り付け、吐出ガ
ス温度の一番高いところで熱交換して、僅かな量
の温水を得てから、通常のコンプレツサーでガス
を凝縮させている。どの方法も凝縮温度を上げず
に高温水を得ることを目的としている。 温水を得るためのヒートポンプにチラーがあ
る。これは、先ずコンプレツサーでガスを高圧縮
し、吐出ガス温度を高くしてコンデンサーに送
り、一度通水で温水を取り出す様にしている。そ
のため、冷媒ガスは充分凝縮しないので、チエツ
ク弁を取り付けて凝縮した冷媒ガスだけを蒸発器
に送り、凝縮していない冷媒ガスは、二次熱交換
器に送られて、そこで凝縮させて蒸発機に送られ
ている。 これでも正常な運転においては取り出し温水は
45℃位が限界である。 ここで水冷式クーラーに関して一般に言われて
いることを要約すると、次のようになる。 １ クーラーには、凝縮温度43℃という壁があ
り、大気温に関係がある。 ２ 循環水量を多くすればクーラーの効率は低下
する。 ３ 取り出し水温を高くするには、少量の水を低
速で流す。 ４ また同様に水温を上げるためには、コンプレ
ツサーで高圧縮して、ガス温を高くする。 これらの事柄について考えてみる。 １ 大気温が高い地域（諸外国）では、凝縮温度
が高くてもクーラーの性能は低下しない。この
場合でも、クーリングタワーを必要とし、冷却
水は大気温と関係している。 ２ クーリングタワーを使つて水量を多くする
と、水温が下がり、同時にガス温度も下がりク
ーラーの効率が低下する。 ３ これに反して、クーラーの排熱から高温水を
取り出すためには先ず熱交換をよくして、ガス
を完全凝縮させてから水温を上げることを考え
ねばならない。 ４ 第１表を見ると、15℃差で40℃の温水を得た
とき、凝縮温度Tcは55℃である。この様に、
コンプレツサーで強圧縮しなくてもガス温度は
高くなる。 ここで、第１表をよく調べる。 To−Ti＝15℃のとき、Ti：25℃、To：40℃、
Ｔ_c：55℃であり、Ｔ_c−Toは15℃である。To−
Ti＝５℃のとき、Ti：25℃、To：30℃、Ｔ_c：35
℃であり、Ｔ_c−Toは５℃である。 水量が多いと、Ｔ_c−Toは温度差が少なくな
り、ガスは安定する。水量を多くして水温を高く
するには循環させればよいことになる。しかしク
ーリングタワーのフアンを止めて循環してもガス
はすぐに飽和する。 コンデンサーに入る水温の上昇速度を緩やかに
してガスが凝縮する時間を与える必要がある。 そのためには、水タンクを設置して一定量の水
を貯え、コンデンサーを出て上昇した水をタンク
内の水と混ぜ合わせれば、水温の上昇速度は緩や
かになる。 Ｔ_c−Toを更に少なくすればガスは安定する。 この様にすれば、Ｔ_c：55℃に水温が近付けて
行ける可能性はある。 この考えをもとに水タンクを設置して、水ポン
プとバルブをつけたパイプでコンデンサーと水タ
ンクの間を冷却水が循環するようにした。 第１表の実験に使つたクーラーと同機器、容量
である。水タンクの容量を30l、水ポンプは
0.25Kw、通常３PH用である。 大気温33℃における実験結果は、次の通りであ
つた。25℃の水を15℃上昇になる様に水量調整し
て40℃の温水をタンクに貯え、タンク内の40℃の
温水を同じ水量で循環したところ、ガスは直ちに
飽和してクーラーは停止した。 次いで40℃の温水をタンクに貯え、バルブを全
開にして循環した。このときの水量は15℃上昇の
３倍以上であつた。すると水温は50℃に上昇し
た。この時、ガス凝縮圧力及び温度は22.5Kg／
cm²、55℃と殆ど変化せず従来の冷却能力を維持し
たのである。 そこで最初から水量を多くして、25℃の水を循
環したところ、やはり50℃の温水を取り出せて、
クーラーの性能は落ちなかつた。 今まで水量の水を強制循環させて、高温水を取
り出すと言う考え方はなかつた。つまり凝縮温度
が43℃と定められており、これを越えるのは不可
能なことであり、従つて無意味なことと考えられ
ていた。 そこで、所定のクーラーに水ポンプを設置して
強制循環させるとコンプレツサー内の圧力損失が
問題となり、コンデンサーを変える必要があつ
た。 ここで本発明の水タンクを設置し大量の水を強
制循環したときの実験を行つた。 本発明の実施例を第１図に示す。 冷媒ガスの循環系統は通常のクーラーと同じで
コンプレツサー１１、コンデンサー１２、膨張弁
１４、蒸発器１３よりなり、高圧側はガスパイプ
２０、低圧側はガスパイプ２１で結ぶ。コンデン
サー１２と膨張弁１４の間に液面計１５を取り付
ける。 冷却水の系統は循環用水タンク１６を設置し、
水ポンプ１７によりコンデンサー１２に、水パイ
プ２２によつて水が送られるようにし、コンデン
サー１２の水出口と水タンク１６を水パイプ２２
により結び、水タンク１６の水がコンデンサー１
２を通つて循環するようにする。 水ポンプ１７と、コンデンサー１２の間に水バ
ルブ１８、続いて水流量計１９を取り付ける。 水タンクに戻るパイプに温水取り出し口２５、
温度感知バルブ２６を付ける。 水タンク上部に水道管２３、その先に浮子コツ
ク２４を付け、水面２７が下がると水が補給され
る。 計測器はコンプレツサー１１、コンデンサー１
２間のガスパイプに温度計３２を付け吐出ガス温
度を測定する。 コンデンサー１２、膨張弁１４間に圧力計２
８、温度計３０を付け、凝縮圧力・温度を測定す
る。 蒸発器１３、コンプレツサー１１の間に圧力計
２９、温度計３１を付け、蒸発圧力・温度を測定
する。 水側はコンデンサー入口パイプに温度計３３、
出口パイプに温度計３４、水タンクに温度計３５
を付ける。 実験は前回同様加熱能力2240Kcal／ｈ（約１
PH）のクーラー、水ポンプ0.25Kw（３PH用）、タ
ンク内水量30、外気温33℃で行つた。 循環水量は、一回通水で15℃上昇の水量は2.48
／minであるので、その3.76倍に当たる9.33
／minに調整した。 この水量はコンデンサー出口・入口温度差で表
すと４℃である。 25℃の水温がコンデンサーに入り、ガスと熱交
換して、４℃水温が上昇して水タンクに戻り、水
タンクの水温が徐々に上昇する。コンデンサー入
口水温が４℃上昇した時点を一循環回数として表
した。 記号の説明 Ti：コンデンサー入口水温（℃）、To：コンデ
ンサー出口水温（取り出し水温）（℃）、Ｔ_c：凝
縮ガス温度（℃）、T₂：吐出ガス温度（℃）、P₂
ガス高圧（Kg／cm²）、P₁ガス低圧、（Kg／cm²）。 第２表に実験結果を示す。

【表】 第２表から、取り出し水温41℃、凝縮ガス温度
45℃でクーラーは正常に作動している。 41℃の温水を2.33／min取り出し、25℃の水
を同量補給すると凝縮ガス温度45℃で安定運転が
出来ている。 第１表と第２表を比較すると、第１表では取り
出し水温40℃でガス凝縮温度55℃である。 第２表では取り出し水温41℃で、ガス凝縮温度
45℃である。 取り出し水温はほぼ同じであるが、ガス温度は
10℃低く、従つて凝縮圧力も低く、ガスは飽和せ
ずに安定している。 更に循環水量を多くし、長時間運転して、高温
水を取り出す実験を行つた。 実験は前回と同じクーラー（2240Kcal／ｈ）
を使用し、他は同条件である。循環水量は12.5
／minに定めた。この水量は、１回通水15℃上
昇の５倍で、コンデンサー出口・入口温度差３℃
になる。 第３表に実験結果を示す。

【表】 この様に10回循環させてコンデンサーからの出
の水温、つまり取り出し水温55℃においてもクー
ラーは正常に作動している。 凝縮ガス温度58℃、圧力23.9Kg／cm²においても
冷媒は完全凝縮している。液面計よりみた状態で
は泡一つ見られないように液化している。 蒸発圧力P₁も上昇しておりクーラーの性能は低
下していない。ここで安全装置を外して循環を続
けたときはクーラーの性能は低下したが、取り出
し水温は65℃になつた。 更にこの循環水量をより多くして実験を行つた
が、同様に高温水を取りながら冷媒は凝縮した。 循環水量を増やすことにより、高温凝縮に障害
の起きることはなく、むしろ凝縮しやすいことが
判明した。 次に本発明、“クーラーの排熱を利用した湯沸
方法”に対して、大阪府立工業技術研究所で行つ
た試験結果を示す。 クーラーは加熱能力3300Kcal／ｈ（1.1PH）を
使用した。 コンデンサーは、4000Kcal／ｈと9000Kcal／
ｈを直列に連結して使用した。 水ポンプは１PH、冷媒はフロンガスR22であ
る。循環水量は15℃上昇で3.66／minであるの
で、その3.6倍の13.3／minに定めた。 この水量はコンデンサーの入口・出口温度差を
約4.1℃と予想したものである。水タンクには
26.6℃の水20投入した。 クーラー及び水ポンプを同時に運転した後、１
分〜14分の１分毎の計測を行つた。 各点の温度測定はCC熱電対温度計、循環水量
はオーバル流量計、圧力はブルドン管圧力計、電
流値はクランプ形電流計を使用した。 記号の説明 T₁：外気温度（℃）、T₂：蒸発器の吸い込み温
度（℃）、T₃：蒸発器の吹き出し温度（℃）、
T₄：コンデンサー入りの水温（℃）、T₅：コンデ
ンサー出の水温（℃）、T₆：水タンクの温度
（℃）、P₁：蒸発圧力（Kg／cm²）、P₂：凝縮圧力
（Kg／cm²）、Ａ：クーラーの電流値（Ａ）、T₅−
T₆：コンプレツサー入口・出口温度差（℃） 第４表に試験データーを示す。

【表】 第４表で明らかなように、14分後には、循環用
タンク内温度T₆は53.6℃になつている。取り出し
水温になるコンデンサーより出の水温T₅は57.5℃
である。この水温は追い焚きしなくても充分給湯
可能温度でである。 しかも、蒸発器の吸い込み、吹き出し温度差、
T₃−T₂は常に10℃近くあり、クーラーの効力と
しては充分である。 このときの外気温度は、ほぼ22℃であり、吸い
込みも同温である。22℃の大気より吸熱して26.6
℃の水が57.3℃になつている。 このことからクーラー使用時は排熱で給湯が出
来ると共に、冷房の必要のない時期でも、大気よ
り吸熱して給湯が可能なことが証明された。 このとき電流値Ａは水温の上昇につれて高くな
つているのは、凝縮圧力が高くなるにつれてガス
流量が多くなり、コンプレツサーの負荷が増大し
たためで、膨張弁で調節すればこの電流値は下げ
られる。 この試験結果を基に、大阪府立工業技術研究所
で、“クーラーの排熱利用給湯システムの実用化
に関する研究”が行われ、機器容量、循環水量等
すべてに関して解明の研究及び実験が行われた。 この実験結果の一部を示す。 機器容量は一般に多く使用されている水冷式ク
ーラー５PH、15000Kcal／ｈをベースにして組み
立てた。 コンプレツサー15000Kcal／ｈ、コンデンサー
15000Kcal／ｈ×２、蒸発器15000Kcal／ｈであ
る。 構成は第１図と同じであるが、大量の水を流し
て、熱交換をよくするためにコンデンサーを２個
取りつけた点が相違する。冷媒ガスは直列につな
ぎ、冷却水は並列にした。冷却水の回路を２分割
して、双方のコンデンサーにつなぎ、コンデンサ
ーから出た水は合流させた。この合流点がコンデ
ンサーの出の水温になる。 この場合、大きなコンデンサー１個でも充分熱
交換はできるが、高温水を取り出せてクーラーが
作動する状態を解明するためにこのようにしたの
である。 循環水量は１回通水において、15℃上昇で16.6
／minであるので、その3.76倍、62.5に定め
た。これはコンデンサー出口・入口温度差を４℃
に設定した。冷媒はフロンガスR22である。 試験は13.4℃の水を水タンクに200投入し、
クーラー及び水ポンプを、同時に運転した時の経
過時間に対する下記項目の測定を行つた。 なお、計測機器は前回の試験、第４表の時と同
様である。使用する記号は次の通りである。 Ｔ_a：外気温度（℃）、Ｔ_s：蒸発器吸い込み温
度（℃）、Ｔ_b：蒸発器吹き出し温度（℃）、Ｔ_s−
Ｔ_b：蒸発器吸い込み・吹き出し温度差（℃）、Ｔ
_g：コンプレツサー吐出ガス温度（℃）、Ｔ_c1：コ
ンデンサー入りの水温（℃）、Ｔ_c2：第１コンデ
ンサー出の水温、Ｔ_c2−Ｔ_c1：第１コンデンサー
出と入りの水温差（℃）、Ｔ_c3：第２コンデンサ
ー出の水温（℃）、Ｔ_c3−Ｔ_c1：第２コンデンサー
出と入りの水温差（℃）、Ｔ_u：第１、第２コンデ
ンサー出の合流水温（取り出し水温）（℃）、Ｔ_u
−Ｔ_c1：コンデンサー出入口の温度差（℃）。Ｇ
_h：凝縮圧力（Kg／cm²）、G₁：蒸発圧力（Kg／
cm²）。Ａ：電流値（Ａ）。 第５表に試験値を示す。

【表】 第５表に示されたごとく、50℃以上の温水に上
昇していながら、蒸発器の吸い込み・吹き出し温
度差Ｔ_s−Ｔ_bは常に12℃以上を保ち、クーラーは
何の異常もなく運転されている。 このクーラーの動きを第２図上・下に示す。第
２図上を見ると、Ｔ_u，Ｇ_hは経過時間と共に上昇
するが、Ｔ_s−Ｔ_b、Ａは余り変化がない。G₁に至
つては殆ど変わらない。 第２図下では、Ｔ_c、つまり水温の上昇に合わ
せてＴ_gガス吐出温度は平行して上昇している状
態が解る。 このように一般に使用されている機器に於て、
高温水を得ながら、クーラーとして使用できるこ
とが判明した。 本発明の“クーラーの排熱利用給湯システムの
実用化に関する研究”、これに対する大阪府立工
業技術研究所の報告の一部分を示す。 「連続取り出し温水の状況 （タンク容量200、循環水量55／min）Tu
≒53℃の安定した状態からの経過時間に対する実
験結果を表３、図５に示す。 温水の取り出しは循環タンクに戻る温水の一部
を取り出し、その補給は水道水によりボールタツ
プで行つた。表３、図５により供給水温10.6℃に
対し、取り出し水温Tuは安定（平均53.4℃）し
ている。また、Tvも9.5℃と高くクーラーが正常
に作動していることが解る。」 この様にクーラーは正常に作動しながら、放熱
カロリー全量を53℃の温水で取り出せることが報
告されている。 本文第６表に、この表３を示す。第５表と記号
は同じであるが、新しい記号を付け加える。 Ｔ_u：供給水温（℃）、Ｔ_gｉ：第１コンデンサ
ー出のガス温（℃）、Ｔ_gｏ：第２コンデンサー出
のガス温（℃）、Ｔ_v蒸発器出口ガス温（蒸発温
度）（℃）、Ｔ_cp：コンプレツサー入口ガス温
（℃）。

【表】 第６表に示されたように、53.4℃の温水を取り
出しながら、蒸発器の吸い込み、吹き出し温度差
Ｔ_s−Ｔ_bは13℃台であり、クーラーとして何等異
常がない状況が示されている。 このときの取り出し水温と供給水温の差、Ｔ_u
−Ｔ_wは42.8℃である。 この報告にある図５を第３図上・下に示す。 上の図でみるとＴ_uとＴ_wの差は大きいが、Ｔ_s
−Ｔ_bは安定している状態が解る。 下の図でみると、ガス温、水温は高いのである
が、Ｔ_vは理想の温度で一直線である。 この実験での循環水量55／minは15℃上昇の
水量16.6／minの３倍強であり、コンデンサー
出入口温度差Ｔ_u−Ｔ_c1は平均4.92℃である。 このときの研究では水タンク内の水量の影響が
調べられたのであるが、５PHのクーラーで70以
上あれば高温水が得られたのである。理想として
170を報告された。１PH当り30〜35が適量と
いう結論が出された。 この研究で特に重視された循環水量に対する報
告とデーターを示す。 “循環水量の影響 （タンク容量200） 循環水量を30〜130／minに種々、変化させ
た場合の実験結果を表８、図９に示す。 （Ｔ_s−Ｔ_b）は変化なく消費電力Ａも安定して
いる。しかし、循環水量が増大するほど、冷媒は
液化し易く、従つて、Ｇ_hが低い圧力で温水が得
られる。 例えば、循環水量30／minでは、Ｇ_hは24.5
Kg／cm²で、しかも（Ｔ_u−Ｔ_c1）は7.8℃となつて
いる。循環水量130／minになるとＧ_hは23.2
Kg／cm²であり、（Ｔ_u−Ｔ_c1）は1.9℃となつてい
る。この点から、（Ｔ_u−Ｔ_c1）が2.4℃内の循環水
量100〜120／minが望ましいことがわかる。ま
た、クーラーに取り付けた液面計からも上述の事
が明らかであつた。” この様に報告されている。 第７表にこの文面にある表８を示す。

【表】 この第７表に示されたごとく、大阪府立工業技
術研究所に於ける実験結果では、加熱能力
15000Kcal／ｈのクーラーにおいて循環水量30
／min、コンデンサー出入口温度差（Ｔ_u−Ｔ_c
１）は7.8℃まで拡げても高温水を得ることが可
能であつた。そして、第６表のタンク内水量200
、循環水量55／minでは、どの様な条件にお
いても、常に完全凝縮して、同じ結果となつたの
である。 また、「Ｔ_u−Ｔ_c1が2.4℃以内になる水量が望ま
しい」と報告されている。 このＴ_u−Ｔ_c1が少ない場合の実験結果を示
す。外気温度が20℃以内の低温より吸熱して、
52.5℃の温水を取り出す状態である。 循環水量120／minにして、タンク内水量を
130〜190に種々変えたものである。 第８表にデーターを示す。

【表】 これは蒸発温度を下げるため、ガス量を少なく
した結果、加熱カロリー、電流値Ａは少なくなつ
ている。この時のＴ_u−Ｔ_c1は1.5〜1.6℃である。 また、ガスの種類を変えて70℃〜80℃の温水を
得るときにも、循環水量を多くしてＴ_u−Ｔ_c1を
2.4℃以内にした方がガスが安定することも判明
した。 この循環水量を多くして、水の流速を速くした
ときの冷媒ガスの熱交換の状態を第７表より考察
する。第９表に数値を示す。Tx：第１コンデン
サーの熱交換率、Ti：第２コンデンサーの熱交
換率。

【表】

【表】 第１コンデンサーの熱交換率では、循環水量30
／minで、57％であるが、90／minでは70℃
を越え、前者に比べ、熱交換率は30％向上する。
Ｔ_u−Ｔ_c1が2.4℃以内になる100／min以上で
は、Txは74％以上で安定する。この様に循環水
量が増大するほど、冷媒が液化しやすい状態が数
値に現れている。 この研究では、循環水量がある一定値を下回る
と、同じ機器条件でありながら、冷媒は高温で凝
縮しないことも証明されたのである。何れにせ
よ、クーラーを正常に作動させながら、排熱で高
温水を得るには、一回通水で温度差を拡げて、水
温を上昇させる方法では不可能であり、またクー
リングタワーのフアンを止めて、冷却水を循環し
ても出来ないことである。 水タンクを設置して一定量の水を貯え、一回通
水で15℃上昇する水量の３倍以上、コンデンサー
出口・入口の水温差にすると５℃内になるよう
に、水ポンプを強力にして強制循環しなければな
らないことが証明されたのである。 大阪府立工業技術研究所での“クーラーの排熱
利用給湯システムの実用化に関する研究”では結
論として「充分に実用化が可能」と報告されてい
る。 また、この排熱を利用して高温水をとりだせる
クーラーは実際に使用されており、何等異常なく
作動しているのである。 ここで通常のクーラー、一回通水で温水を得る
クーラー、また、少ない水量を循環して温水を得
ようとしたクーラー、及び循環水量を多くし、凝
縮温度を高めて高温水を得るクーラーの状態をモ
リエル線図により説明する。 圧縮式ヒートポンプの冷媒の状態変化は圧力−
エンタルピー線図、つまり、モリエル線図によつ
て表される。横軸に冷媒単位重量あたりのエンタ
ルピーで、縦軸に圧力Ｐを取つたグラフであり、
左側斜めの曲線ｌが飽和液線、右側の垂直に近い
曲線ｍが飽和蒸気線である。飽和液線ｌの左側は
液体Ｌの領域、飽和蒸気線ｍの右側は過熱蒸気Ｇ
の領域である。曲線ｌ，ｍの中は湿り蒸気Ｅの領
域である。 モリエル線図上の冷凍サイクルは１，２，３，
４の線で表される。１−２が圧縮、２−３が凝
縮、３−４が膨張、４−１が蒸発である。即ち２
−３が凝縮圧力と温度の線であり、４−１が蒸発
圧力と温度の線である。わかりやすく云えば、湿
り蒸気１がコンプレツサーで圧縮され高温となつ
て２の点にいき、２−３間でコンデンサーで熱交
換して凝縮し飽和液線ｌを越えて、Ｌに達する。
コンデンサーを出た点が３であり、そのときの圧
力はP₂である。凝縮した冷媒ガスは膨張弁を通過
して蒸発し、P₁の圧力、温度に下がる、この点が
４である。４−１で蒸発し、大気を冷却して熱を
吸収する。蒸発で吸収した熱とコンプレツサーで
発生する機械熱とが２−３間で放熱される。 第４図に通常のクーラーの状態を示す。夏期に
おいて、フロンガスR22を使用したクーラーは、
凝縮圧力、温度は16.8Kg／cm²、43℃、蒸発圧力、
温度は3.8Kg／cm²、５℃で、およそ一定値で作動
している。 第５図に一度通水で、温水を取り出すクーラー
のコンデンサー入口・出口温度差を15℃にした場
合の状態を示す。第１表にあるように25℃の水を
15℃上昇でコンデンサーを通過させると、取り出
し温水は40℃であるが、ガス凝縮温度は55℃とな
る。水量が少なく流速が遅いため、熱交換は不充
分となり、冷媒は凝縮せずガス温度だけが高くな
り、凝縮線２−３は上方に進み飽和液線ｌに到達
しない。凝縮線２−３が短くなるのに比例して蒸
発線４−１も短くなり、クーラーの性能は低下す
る。 第６図には、クーリングタワーをなくして、水
タンクを設置し、少ない水量を循環させた状態を
示す。ガス凝縮温度43℃程度迄はクーラーとして
作動するが、更に循環を続けると水温は多少上昇
するが、ガスは凝縮せず、凝縮線２−３は飽和液
線ｌに到達しない。このまま循環を続けると、凝
縮しないガスが段々と増し、そのガスが飽和して
クーラー全体に回りだし、水温の上昇速度よりも
ガス温度の上昇速度が早くなる。凝縮線２−３は
一層短くなり、蒸発線も短くなり、クーラーの性
能は低下する。やがて、飽和したガスにより、圧
力は一気に上昇してクーラーは停止する。 第７図に本発明、循環用水タンクを設置して一
定量の水を貯え、コンデンサー出口・入口温度差
が15℃になる水量の３倍以上を、強制循環したと
きの状態をモリエル線図上に表す。第５表及び第
２図上下より読み取ることにする。 循環用水タンクに200投入した13.4℃の水は
水ポンプによりコンデンサーに送られる。コンプ
レツサーから吐出したガス温度Ｔ_g48.1℃と熱交
換する。13.4℃の水は、19.2℃に上昇してコンデ
ンサーを出る。ガスはコンデンサーで11.8Kg／cm²
で凝縮して、膨張弁を通過して蒸発器に入り、
4.5Kg／cm²で蒸発する。19.2℃の水は水タンクに
戻り、タンク中の水と混じり合つて１秒間に約
0.02℃の割合で上昇してコンデンサーにはいる。
すると、水温の上昇に合わせて吐出ガス温度Ｔ_g
も同様１秒間に約0.02℃の割合で上昇し、凝縮圧
力、温度も同じ割上昇していく。これは時間の経
過と共にどこまでも上昇していく。 これに対し、蒸発圧力の上昇はわずかである。
通常のクーラーでは43℃以上の凝縮は不可能であ
るが、本発明方法では水量が多く、水の流速を速
くしているので熱交換は充分であり、冷却水が冷
媒ガスの放熱量を全量吸収して、高温においても
完全凝縮し、液面計によりみた状態では泡一つ見
られないように液化する。 フロンガスを凝縮させるために熱交換する水
は、クーリングタワーで冷却した水によらなくて
も、温水を大量、急速に流して熱交換をよくし、
ガスの放熱量、全量を温水が吸収して、その熱量
分、温水が更に上昇すればよいことが判明した。 この方法により、クーラーを作動させると、50
℃を越える温水を得ながら、蒸発器での冷却は充
分に行える。 第５表、第２図上下の動きを経過時間毎にモリ
エル線図上に表すと、第７図になる。この様に圧
縮、凝縮、膨張、蒸発のサイクル１，２，３，４
は一定値でなく、断熱圧縮線と等温膨張線が上方
に伸びていく。即ち、蒸発線４−１の上方への移
動は僅かであるが、凝縮線２−３は時間の経過と
共に上方へ移動していく。常に完全に凝縮が行わ
れているため、凝縮線２−３は確実に飽和液線ｌ
を越えて、液体Ｌの領域に達している。 そのため、蒸発線４−１は短くならず、完全蒸
発して飽和蒸気線ｍに到達する。 ここで、この発明により高圧、高温で完全凝縮
させたときの冷媒ガスの状態を観察する。この発
明のように放熱量全量を冷却水が吸収すると、液
面計よりみると無色透明になる迄凝縮する。 この様に完全凝縮した冷媒ガスは、どの様な状
態でも完全蒸発する。 クーラーの状態は蒸発器内の冷媒ガス流量、蒸
発圧力、蒸発温度により変化する。例えば、膨張
弁を通過するガス流量が多ければ、蒸発圧力、温
度は上がり、ガス流量が少なければ蒸発圧力、温
度は下がる。従つて、膨張弁操作で蒸発圧力、温
度は自由に変えられることになる。高圧、高温で
凝縮したガスであつても、ガス流量を減少させる
れば圧力は下がり、温度も下がる。つまり、ガス
凝縮温度、取り出し水温を高くしても、蒸発温度
を下げることによつて、冷凍能力も低下しない。 この発明によるクーラーが冬期においても、必
要な温水が得られるのはこのためである。冷媒ガ
スの種類は変わつてもクーラーの動きは同じであ
る。 次に、コンプレツサーの働きについて調べる。 一般にクーラーにおいては高圧になると消費電
力が高くなるとされていた。 本発明は水タンクに貯められた温水が循環して
ガスと接することにより、ガス温度が高くなるの
で高圧となり、コンプレツサーに余分な負担はか
からないことが解る。この事は、第５表及び第２
図上・下より証明される。 高圧Ｇ_h、取り出し水温Ｔ_uが高くなつても電流
値Ａは安定している。ガス温、水温が上昇しても
コンプレツサーによる機械熱は一定であり、膨張
弁で操作したガス流量に電流値が比例する。 ここで、第６表及び第３図上・下に注目した
い。この状態では放熱カロリー全量を、高温水
（平均53.4℃）で取り出して連続運転しているも
のである。コンプレツサーより出たガスはコンデ
ンサーで温水と接することにより、高圧・高温と
なり、平均48.5℃の水を53.4℃に上げることによ
り、放熱して完全凝縮する。 この発明により、今までは大気温に影響されて
いたクーラーでも、冷房時は排熱で高温水を取り
出せると共に、クーラーの性能も低下しない。 冷房を使用しないときでも大気より吸熱して給
湯が可能になる。 また、50℃を越える水温になると水藻、雑菌の
発生も殆どみられない。この様に燃料も水も節約
できる有用な発明である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明クーラーの系統を示す略図。第
２図は本発明クーラー、第５表、水温、ガス温の
上昇状態を示す図。第３図は本発明クーラー、第
６表、連続取り出し温水の状況を示す図。第４図
は通常のクーラーの動きを示すエンタルピー、圧
力線図。第５図は、一回通水で15℃水温上昇で温
水を取り出すクーラーの動きを示すエンタルピ
ー、圧力線図。第６図は、少量の冷却水を循環さ
せたクーラーの動きを示すエンタルピー、圧力線
図。第７図は本発明、水タンクを設置して一定量
の水を貯え大量の冷却水を強制循環したときの、
クーラーの動きを示すエンタルピー、圧力線図。 １１…コンプレツサー、１２…コンデンサー、
１３…蒸発器、１４…膨張弁、１５…液面計、１
６…水タンク、１７…水ポンプ、１８…水バル
ブ、１９…水流量計、２０…高圧ガスパイプ、２
１…低圧ガスパイプ、２２…水パイプ、２３…水
道管、２４…浮子コツク、２５…水取り出し口、
２６…温度感知バルブ、２７…水面、２８…高圧
側ガス圧力計、２９…低圧側ガス圧力計、３０…
凝縮器側ガス温度計、３１…蒸発器側ガス温度
計、３２…吐出ガス温度計、３３…コンデンサー
入口水用温度計、３４…コンデンサー出口水用温
度計、３５…水タンク内温度計。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ コンプレツサー、コンデンサー、蒸発器より
   なり、コンデンサーに冷却水を供給するようにし
   た水冷式クーラーに於て、水タンクに貯留された
   冷却水を、コンデンサーの入口温度（Ti）と出
   口温度（To）との温度差が15℃になる水量の３
   倍以上を水ポンプで賦勢して冷却水をコンデンサ
   ーと水タンク間を強制循環させるようにしたクー
   ラーの排熱を利用した湯沸方法。