JPH0752048B2 - ヒ−テイングタワ−付きヒ−トポンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 「産業上の利用分野」 本発明は不凍液を使用し空気から集熱を行うヒーテイン
グタワー付きヒートポンプに関する。

「従来の技術」 不凍液を使用した空気から集熱を行うヒーテイングタワ
ー付きヒートポンプは、冬期の暖房用熱源を空気に求め
ている。これを同じく空気を熱源に求める汎用空気熱源
ヒートポンプと対比して見た場合、 （１）汎用空気熱源ヒートポンプの空気熱交換器では熱
交換面に着霜、着氷が生じ、能力の低下、所要動力の上
昇等の不都合が生じるがヒーテイングタワー付きヒート
ポンプでは此の不都合が生じない。

（２）汎用空気熱源ヒートポンプでは、冷媒循環ガス量
の関係等から高圧ガス冷媒を使用せざるを得ないのが一
般であるが、ヒーテイングタワー付きヒートポンプ用冷
凍機では低圧冷媒フロンR11の使用も可能で、機器の安
全性、取扱いの容易さ、省エネルギーの利点がある。

（３）空気熱源ヒートポンプで冷媒配管を建物内に引き
廻す場合は、漏洩により冷媒の損耗、漏洩による不安全
等の欠点があるが、ヒーテイングタワー付きヒートポン
プでは此の懸念がない。

等の利点がある。

従来の不凍液を用いて空気から集熱を行うヒーテイング
タワー付きヒートポンプには不凍液循環系は閉回路とな
つており、夏期ヒーテイングタワーをクーリングタワー
として用いる場合に不凍液を収容保存しておく不凍液循
環回路外の不凍液槽を備え、冬期ヒートポンプサイクル
を稼動するに際して不凍液循環回路に該不凍液循環回路
外の不凍液を入れ替えるものがある。

「発明が解決しようとする問題点」 然し乍ら、不凍液循環回路を循環する不凍液の濃度が変
動し、不凍液の凍結、不凍液量増大による外部への不凍
液のオーバーフロー、不凍液減少による不凍液の補充の
必要性、濃縮進行によるポンプのキヤビテーシヨン等の
不都合の発生が懸念されている。

ところが、此のヒーテイングタワー付きヒートポンプの
理論及び実証試験結果で （１）不凍液は外気温湿度条件と負荷条件により濃縮、
バランス、稀釈の状態変化が生じる。

（２）不凍液濃度の変化は、不凍液液位変化としてあら
われる。

ことが判明している。

本発明は不凍液を用いて空気から集熱を行うヒーテイン
グタワー付きヒートポンプの上記考察に基づいて前記問
題点を解消し、不凍液量から濃度を不凍液により制御可
能なものを提供することを目的とするものである。

〔発明の構成〕

「問題点を解決するための手段」 本願第１の発明は不凍液を使用し、空気から集熱を行う
ヒーテイングタワー付きヒートポンプにおいて、不凍液
槽に液位検出手段を設けて、不凍液の濃度変化を不凍液
の液位変化でで検知し、不凍液の濃度を不凍液の液量に
より制御することを特徴とするヒーテイングタワー付き
ヒートポンプである。

本願第２の発明は不凍液を使用し、不凍液の濃縮装置及
び不凍液への給水装置を備え、空気から集熱を行うヒー
テイングタワー付きヒートポンプにおいて、液位の検出
手段を備えた不凍液槽を複数個設け、該複数の不凍液槽
の内ヒートポンプの不凍液循環回路の系内の一つの不凍
液槽と、その他の系外の不凍液槽間に不凍液の授受手段
を備え、ヒートポンプの不凍液循環回路の系内の不凍液
槽の不凍液の濃度を不凍液の流量により、系外の不凍液
槽との間の不凍液授受手段を用いて制御すると共に系外
の不凍液槽に設けた液位検出器は上下限液位検出装置の
外側にオーバーフロー液位、及び空液位検出端を有し、
該オーバーフロー液位検出により不凍液の濃縮装置を作
動し、空液位検出により不凍液に給水する制御装置を設
けたことを特徴とするヒーテイングタワー付きヒートポ
ンプである。

「作用」 本願第１発明の作用は不凍液槽の液位検出手段の信号に
より検知した不凍液濃度が推定される。この不凍液濃度
に基づいて当該不凍液槽の液量を調節することにより濃
度制御を行うものである。

本願第２発明の作用は不凍液の循環回路の系内の不凍液
槽と該回路の系外の不凍液槽の不凍液の液位が検出され
ると不凍液液位の組合せにより、不凍液の濃縮稀釈状態
が判明する。例えば不凍液循環回路の系内の不凍液槽と
該回路の系外の不凍液槽の液位が共に低いときは不凍液
は濃縮されており稀釈手段を動作させ、共に高いときは
不凍液は稀釈されており、濃縮手段を動作させ、夫々の
液位が異なるときは不凍液授受手段により不凍液の循環
回路の系内外の不凍液槽の液量を調整する。

「実施例」 以下、本発明の実施例を図面に従つて説明する。第１
図、第２図は不凍液を使用し、空気から不凍液を介して
集熱を行うヒーテイングタワー付きヒートポンプのフロ
ーシートである。

ヒートポンプサイクルは通常の不凍液を介して集熱を行
うヒーテイングタワー付きヒートポンプと同一である。
夏期はヒーテイングタワーはクーリングタワーとして作
用する。即ち、夏期冷房時、クーリングタワーの下部水
槽６には給水管37から弁29を介して給水されて冷却水が
貯留されている。夏期冷房時は第１図に示すように弁2
1,22,25,26,31,32は閉められ、弁23,24,27,28は開放さ
れており（記号Ｃは閉弁状態、記号０は開弁状態）冷媒
は主圧縮機１で圧縮されて、冷却水コンデンサ２に送り
込まれてその内部の冷却水の流れている熱交換器により
冷却され凝縮し、膨脹弁３にて減圧され、クーラ４中に
送り込まれて、その内部の熱交換器中を流れを冷房用の
水を冷却して蒸発し主圧縮機１に吸込まれる。

冷却水はポンプ５により下部水槽６から送り出され、弁
27を介して冷却水コンデンサ２に送り込まれ、冷媒の熱
を奪つて弁28を介して下部水槽６上部のフアンによる空
気流中にある散布器７にて散布され空冷されて下部水槽
６に落下する。

冷房用の水は冷温水槽８からポンプ９により汲み上げら
れ弁23を介してクーラ４に入り冷媒により冷却され、弁
24を介して冷温水槽８に戻るものである。

こゝで下部水槽６の冷却水と不凍液の入替についてのべ
る。夏期冷房状態から冬期のヒートポンプ使用時には先
ず下部水槽６から放流できる弁33を開いて冷却水を抜く
と共に不図示の配管途中のドレンを抜いて冷却水を抜
く。

次に不凍液の濃度、量の管理並びに不凍液の夏期貯留の
ために設けた不凍液槽11から不凍液を下部水槽６に入れ
るには弁27,28,32,33を閉じチエツク弁のついた弁31を
開き、ポンプ12を運転して不凍液槽11の不凍液を汲み上
げ、弁31を介して散布器７から下部水槽６に不凍液を入
れる。下部水槽６に備える液位検出器41が下限液位を検
出するとその信号を受けて液位制御器42はポンプ12を限
時運転後停止する。

尚、冬期状態（第２図）から夏期冷房時に切替る際不凍
液を下部水槽６から抜くときは冬期状態の弁21〜28,31,
32において弁31を閉じ、動力制御弁34を開いてポンプ５
を運転することにより下部水槽６の不凍液を不凍液槽11
に移し変えることができる。

冬期暖房時は上述のように不凍液を下部水槽６に入れ、
弁23,24,27,28を閉じ、弁21,22,25,26,31,32を開いてお
く。冬期暖房時は第２図に示すように冷媒は主圧縮機１
で圧縮されて不作動の冷却水コンデンサを通過してブー
スタ圧縮機13に吸入される。ブースタ圧縮機13で圧縮さ
れた冷媒は温水コンデンサ14に送られ、温水コンデンサ
14中の熱交換器中を流れる水を加熱し、膨脹弁15により
減圧されて冷却水コンデンサ２に戻る。

冷却水コンデンサの冷媒液は更に膨脹弁３により減圧さ
れクーラ４に還流し、クーラ４を流れる不凍液を冷却
し、自らは蒸発して再び主圧縮機１に吸入される。

冷温水槽８からポンプ９により送られる水は弁22を介し
て温水コンデンサ14に入り加熱されて弁21を介して冷温
水槽８に戻る。

暖房時下部水槽６中の不凍液はポンプ５に吸込まれて送
り出され弁25を介してクーラ４中に入り、クーラ４中の
熱交換器により冷媒から熱を奪われて冷却され弁26を介
して散布器７から散布されて空気により加熱されて下部
水槽６に貯留される。このようにヒートポンプサイクル
を行なうところの不凍液循環回路が構成されている。

以上でのべた処は公知の不凍液にて集熱するヒーテイン
グタワー付きヒートポンプである。

以上のようにヒーテイングタワー付きヒートポンプは下
部水槽６、ポンプ５、弁25、不凍液を冷体とした外気側
熱交換器としてのクーラ４、弁26、散布器７及びこれら
を結ぶ配管を備える。

以上の説明より明らかなようにヒートポンプサイクル時
に不凍液槽として用いられる下部水槽６以外に不凍液槽
11がヒートポンプサイクルを行なう不凍液循環回路の系
外に配されている。この不凍液槽11と不凍液循環回路と
は一部配管を共用しているが、不凍液槽11と下部水槽６
間の不凍液の送受する配管はヒートポンプサイクルの不
凍液循環回路とは独立したものとしてもよい。

ヒートポンプサイクルの不凍液循環回路の不凍液量の検
出手段として下部水槽６に液位検出器41を備えるもので
あるが、この液位検出器41は下部水槽６における上限液
位を検出するセンサと下限液位を検出するセンサを備え
夫々上限液位、下限液位を示す信号を発するようになつ
ている。

該不凍液量の検出手段により検出した信号により、上記
不凍液の送受配管をとおる不凍液量を制御して不凍液循
環回路の不凍液量を一定に保つ制御装置は上記液位検出
器41、液位検出器41の信号を受けてポンプ5,12、動力制
御弁34を制御する液位制御器42からなつている。

ヒートポンプサイクルの不凍液循環回路の不凍液は負荷
が軽く、外気温度が高く、湿度が低いときは水分は蒸発
し濃縮され不凍液量は減少し、負荷が大きく、外気温度
が低く、湿度が大きいときは空気中の水分を吸収して濃
度低下して不凍液量は増大する。この不凍液量の増減は
下部水槽６の液位変化として現われる。

ヒートポンプサイクルの運転中はポンプ12は通常停止し
ており、動力制御弁34は閉じている。今、下部水槽６中
の不凍液の液位が濃縮により下降して下限液位になると
液位検出器41はその下限液位を検出した信号を液位制御
器42に送る。液位制御器42はポンプ12を運転して不凍液
槽11の不凍液をくみ上げて弁31を介して散布器７から下
部水槽６に不凍液を入れる。下部水槽６の液位が上昇す
ると液位検出器41のオフセツト量だけ下限水位よりも若
干高い液位において液位検出器41からの下限液位を示す
信号は出なくなる。該信号の消失を受けて、液位制御器
42はポンプ12を限時運転して、下部水槽６の液位が上下
限液位の中間液位になるようにしてポンプ12を停止す
る。

ヒートポンプサイクルの運転中下部水槽６中の不凍液の
液位が吸水稀釈により上昇して上限液位になると液位検
出器はその上限液位を検出した信号を液位制御器42に送
る。液位制御器42は動力制御弁34を開弁し、不凍液循環
回路のポンプ５の吐出側と弁25間の配管から、弁32、動
力制御弁34を通じて不凍液を不凍液槽11に逃がす。かく
て下部水槽６の液位が下り、液位検出器41のオフセット
量だけ上限液位よりも下つた位置にて液位検出器41の信
号が消失すると該信号の消失を受けて液位制御器42は動
力制御弁34を限時開弁動作して下部水槽６の上下限液位
の中間液位において動力制御弁34を閉じる。

不凍液槽11は夏期は不凍液の貯槽となるがヒートポンプ
サイクルの不凍液循環回路の不凍液の容量よりも冬期下
部水槽６の液位を制御するだけの充分な大きな容量をも
つている。

このような下部水槽６の液位制御の結果、下部水槽６の
液位が下限液位になると濃縮状態においてはより濃度の
低い不凍液槽11の不凍液により薄められ、下部水槽６の
液位が上限液位になつて稀釈状態においてはより濃度の
高い不凍液槽11の不凍液の混合により濃度が上昇して濃
度調整が行われる。

上記説明では不凍液循環回路外の不凍液槽としては夏期
冷房時に不凍液を貯蔵しておく不凍液槽により説明した
が上記実施例で不凍液循環回路外に置かれる不凍液槽に
は限定はなく、夏期冷房時に不凍液を貯蔵する不凍液槽
11以外に独立した不凍液槽と下部水槽との間で不凍液の
授受を行うようにしてもよい。

第３図は他の実施例のフローシートである。この実施例
では前実施例において更に不凍液槽11にも不凍液槽11中
の液位検出器43と該液位検出器43の信号を受ける液位制
御器44を備える。

下部水槽６の液位は前実施例と同様に制御されることに
より液位は下部水槽６の上限液位と下限液位の間を上下
してヒートポンプの不凍液循環回路にはほぼ一定量の不
凍液が流れている。このようにして運転を続けると負荷
が大きく、外気温度が低く、湿度が高い状態が続くと下
部水槽６内の液位は上昇が続き、動力制御弁34を通じて
不凍液槽11に入る稀釈された不凍液により、不凍液槽11
の液位が上昇する。このような状態が継続するとヒート
ポンプサイクルの不凍液循環回路の不凍液は著しく稀釈
される。以上と逆に負荷が小さく、外気温が高く、湿度
が低い状態が続くと下部水槽６内の液位は下降が続き、
ポンプ12を通じて不凍液槽11の不凍液は下部水槽６に補
給される。このような状態がくり返されると不凍液槽11
中の不凍液中のエチレングリコールのような氷点降下剤
の量がヒートポンプサイクルの不凍液循環回路中で増大
し不凍液の濃縮が進むと共に不凍液槽11の液位は低下す
る。

かゝる不凍液槽11の液位の上下限は液位検出器43により
検出され、液位制御器44は動力制御弁34を限時開としポ
ンプ12を限時運転とする。ポンプ12の運転により不凍液
槽11から下部水槽６に不凍液は送られ、下部水槽６中の
不凍液はポンプ５により弁32、動力制御弁34を介して不
凍液槽11に循環すると共にヒートポンプサイクルの不凍
液循環回路の不凍液は弁26と散布器７間の配管にてポン
プ12により送られる不凍液槽11の不凍液と混合されて循
環する。かくしてポンプ12が限時運転停止、動力制御弁
34が限時閉弁する頃には下部水槽６を含めてヒートポン
プサイクルの不凍液循環回路の不凍液と不凍液槽11の不
凍液濃度は平均化されて調整されヒートポンプサイクル
の不凍液循環回路の不凍液は稀釈なものが濃くなり、濃
縮されたものが稀釈される。

このような状態がくり返された場合に液位が液位検出器
43の上下限液位を越えて著しく上下すると不凍液槽11か
らの不凍液のオーバーフロー或は貯留量の過小化をまね
き且つ不凍液は極端に稀釈又は濃縮された状態となる。

そこで液位検出器43には上下限液位よりも外側のオーバ
ーフロー液位並びに空液位検出端を設けておいて、オー
バーフロー液位を示す信号により液位検出器43は例えば
加熱による不凍液濃縮装置16を動作させて不凍液を濃縮
し、空液位を示す信号により、不図示の給水装置を通じ
て弁29を介して下部水槽６に給水し、又は不凍液槽11に
給水する。

この実施例のような事態は極端な場合であり、この状態
に到る可能性は少ないがより一層濃度制御の幅が大き
い。

〔発明の効果〕

本願第１発明は不凍液を使用し、空気から集熱を行うヒ
ーテイングタワー付きヒートポンプにおいて、不凍液槽
に液位検出手段を設けて、不凍液の濃度変化を不凍液の
液位変化で検知し、不凍液の濃度を不凍液の液量により
制御することを特徴とするヒーテイングタワー付きヒー
トポンプとしたから、不凍液濃度を使用できる範囲に自
動的に制御でき、従来、多くかかつていた人手による濃
度管理が省かれ、省力化と共に不凍液を用いて集熱を行
うヒーテイングタワー付きヒートポンプの実用化に大き
く寄与するものである。

本願第２発明は不凍液を使用し、不凍液の濃縮装置及び
不凍液への給水装置を備え、空気から集熱を行うヒーテ
イングタワー付きヒートポンプにおいて、液位の検出手
段を備えた不凍液槽を複数個設け、該複数の不凍液槽の
内ヒートポンプの不凍液循環回路の系内の一つの不凍液
槽と、その他の系外の不凍液槽間に不凍液の授受手段を
備え、ヒートポンプの不凍液循環回路の系内の不凍液槽
の不凍液の濃度を不凍液の流量により、系外の不凍液槽
との間の不凍液授受手段を用いて制御すると共に系外の
不凍液槽に設けた液位検出器は上下限液位検出装置の外
側にオーバーフロー液位及び空液位検出端を有し、該オ
ーバーフロー液位検出により不凍液の濃縮装置を作動
し、空液位検出により不凍液に給水する制御装置を設け
たことを特徴としたヒーテイングタワー付きヒートポン
プとしたから、前記第１発明の効果に加えるにヒートポ
ンプの系外の不凍液槽の不凍液稀釈によるオーバーフロ
ー状態において不凍液の濃縮が可能となり、不凍液その
ものの濃度制御が行ない得るので外気条件のより広範な
範囲においてヒートポンプの運転が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は夫々本発明の実施例のフローシート、
第３図は他の実施例のフローシートである。 １……主圧縮機、２……冷却水コンデンサ、３……膨脹
弁、４……クーラ、５……ポンプ、６……下部水槽、７
……散布器、８……冷温水槽、９……ポンプ、11……不
凍液槽、12……ポンプ、13……ブースタ圧縮機、14……
温水コンデンサ、15……膨脹弁、16……不凍液濃縮装
置、21〜29……弁、31〜33……弁、34……動力制御弁、
37……給水管、41……液位検出器、42……液位制御器、
43……液位検出器、44…………液位制御器。

フロントページの続き (72)発明者 堺田 進 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 元 雅樹 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (56)参考文献 特公 昭46−6472（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭50−23222（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】不凍液を使用し、空気から集熱を行うヒー
   ティングタワー付きヒートポンプにおいて、不凍液槽に
   液位検出手段を設けて、不凍液の濃度変化を不凍液の液
   位変化で検出し、不凍液の濃度を不凍液の液量により制
   御することを特徴とするヒーティングタワー付きヒート
   ポンプ。
2. 【請求項２】液位を検出すべき不凍液貯槽がヒーティン
   グタワーの下部水槽であることを特徴とした特許請求の
   範囲第１項記載のヒーティングタワー付きヒートポン
   プ。
3. 【請求項３】不凍液を使用し、不凍液の濃縮装置及び不
   凍液への給水装置を備え、空気から集熱を行うヒーティ
   ングタワー付きヒートポンプにおいて、液位の検出手段
   を備えた不凍液槽を複数個設け、該複数の不凍液槽の内
   ヒートポンプの不凍液循環回路の系内の一つの不凍液槽
   と、その他の系外の不凍液槽間に不凍液の授受手段を備
   え、ヒートポンプの不凍液循環回路の系内の不凍液槽の
   不凍液の濃度を不凍液の流量により、系外の不凍液槽と
   の間の不凍液授受手段を用いて制御すると共に系外の不
   凍液槽に設けた液位検出器は上下限液位検出装置の外側
   にオーバーフロー液位及び空液位検出端を有し、該オー
   バーフロー液位検出により不凍液の濃縮装置を作動し、
   空液位検出により不凍液に給水する制御装置を設けたこ
   とを特徴としたヒーテイングタワー付きヒートポンプ。