CN104169665A - 热泵装置 - Google Patents

Abstract

热泵装置(100)具备蒸发器(10)、电化学压缩机(11)、冷凝器(16)、制冷剂输送路(18)以及非冷凝性气体返回路(28)。非冷凝性气体返回路(28)是相对于制冷剂输送路(18)另行设置的路径，构成为将电化学压缩机(11)的喷出侧的高压空间与电化学压缩机(11)的吸入侧的低压空间连接，使非冷凝性气体从高压空间向低压空间返回。非冷凝性气体例如是氢气。

Description

热泵装置

技术领域

本发明涉及热泵装置。

背景技术

当对使用于燃料电池的电解质膜施加电压时，H₂变成质子(H⁺)，并从电解质膜的一侧的面向另一侧的面移动。此时，质子协同水、醇、氨等极性物质而在电解质膜中移动。利用该现象来压缩极性物质的气体的技术被称作“电化学压缩(Electrochemical Compression)”。应用了电化学压缩的压缩机被称作“电化学压缩机(Electrochemical Compressor)”。在专利文献1、2中记载有使用了电化学压缩机的热泵装置。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-262424号公报

专利文献2：美国专利申请公开第2010/0132386号说明书

在将电化学压缩机使用于热泵装置的情况下，除了制冷剂以外，氢这样的具有电化学活性的气体也是不可缺的。但是，这样的气体可能会阻碍热泵装置的效率提高。因此，希望具有电化学活性的气体的使用量少。

发明内容

发明要解决的课题

本发明提供一种能够在使用了电化学压缩机的热泵装置中削减具有电化学活性的气体的使用量的技术。

用于解决课题的方案

即，本发明提供一种热泵装置，具备：

蒸发器，其使制冷剂蒸发；

电化学压缩机，其使用具有电化学活性的非冷凝性气体，对通过所述蒸发器蒸发了的所述制冷剂进行压缩；

冷凝器，其使由所述电化学压缩机压缩后的所述制冷剂冷凝；

制冷剂输送路，其从所述冷凝器向所述蒸发器输送所述制冷剂；以及

非冷凝性气体返回路，其是相对于所述制冷剂输送路另行设置的路径，构成为将所述电化学压缩机的喷出侧的高压空间与所述电化学压缩机的吸入侧的低压空间连接，使所述非冷凝性气体从所述高压空间向所述低压空间返回。

发明效果

根据本发明，能够在使用了电化学压缩机的热泵装置中削减具有电化学活性的气体的使用量。

附图说明

图1是本发明的一实施方式的热泵装置的制冷运转时的结构图。

图2是图1所示的热泵装置的供暖运转时的结构图。

图3是设于非冷凝性气体返回路的闸门的一例的结构图。

图4是电化学压缩机的制冷运转时的动作说明图。

图5是电化学压缩机的供暖运转时的动作说明图。

图6是设有起动辅助机构的热泵装置的结构图。

图7是内置有非冷凝性气体返回路的电化学压缩机的结构图。

具体实施方式

如之前说明的那样，使用了电化学压缩机的热泵装置需要具有电化学活性的气体。具有电化学活性的气体在热泵装置的通常的运转条件下通常呈非冷凝性，在热泵装置中成为阻碍传热的主要因素。例如，在使用翅片管热交换器进行制冷剂与外部气体之间的热交换的情况下，传热面处的非冷凝性气体的热阻趋于增大。因此，在使用了电化学压缩机的热泵装置中，希望具有电化学活性的气体的使用量少。

本发明的第一方案提供一种热泵装置，其具备：

蒸发器，其使制冷剂蒸发；

电化学压缩机，其使用具有电化学活性的非冷凝性气体，对通过所述蒸发器蒸发了的所述制冷剂进行压缩；

冷凝器，其使由所述电化学压缩机压缩后的所述制冷剂冷凝；

制冷剂输送路，其从所述冷凝器向所述蒸发器输送所述制冷剂；以及

非冷凝性气体返回路，其是相对于所述制冷剂输送路另行设置的路径，构成为将所述电化学压缩机的喷出侧的高压空间与所述电化学压缩机的吸入侧的低压空间连接，使所述非冷凝性气体从所述高压空间向所述低压空间返回。

根据第一方案，非冷凝性气体通过非冷凝性气体返回路而从电化学压缩机的喷出侧的高压空间向电化学压缩机的吸入侧的低压空间返回。因此，能够防止用于压缩制冷剂的作为工作流体的非冷凝性气体不足的现象。换言之，能够减少非冷凝性气体的使用量(非冷凝性气体向热泵装置的填充量)。另外，由于能够减少成为阻碍传热的主要因素的非冷凝性气体的使用量，因此能够提高热泵装置的效率。

在第一方案的基础上，本发明的第二方案提供的热泵装置构成为，还具备闸门，该闸门设置于所述非冷凝性气体返回路，且具有维持所述高压空间与所述低压空间之间的压力差的能力以及使所述非冷凝性气体从所述高压空间向所述低压空间返回的能力。通过维持高压空间与低压空间之间的压力差，由此能够使非冷凝性气体从高压空间向低压空间返回，并且能够继续热泵装置的运转。

在第二方案的基础上，本发明的第三方案提供的热泵装置构成为，所述闸门包括从毛细管、流量调整阀以及开闭阀中选择的至少一方。毛细管的优点是不需要特别的控制。在将开闭阀用作闸门的情况下，通过定期打开开闭阀，由此能够使蓄积在高压空间中的非冷凝性气体向低压空间返回。流量调整阀的优点是能够通过改变开度来调整非冷凝性气体返回路中的非冷凝性气体的流量。

在第二方案的基础上，本发明的第四方案提供的热泵装置构成为，所述闸门包括配置在所述非冷凝性气体的流动方向的上游侧的上游阀以及配置在所述流动方向的下游侧的下游阀，所述热泵装置还具备阀控制部，该阀控制部如下进行控制：(i)以关闭所述下游阀且打开所述上游阀的方式控制所述上游阀以及所述下游阀，之后，(ii)以在关闭所述下游阀的状态下关闭所述上游阀的方式控制所述上游阀以及所述下游阀，在此之后，(iii)以在关闭所述上游阀的状态下打开所述下游阀的方式控制所述上游阀以及所述下游阀。根据第四方案，能够抑制制冷剂蒸气从高压空间向低压空间的逆流，并且能够使非冷凝性气体高效地从高压空间向低压空间返回。

在第二方案的基础上，本发明的第五方案提供的热泵装置构成为，所述非冷凝性气体是氢，所述闸门包括具有选择性地使氢透过的能力的氢透过膜。若使用氢透过膜，则能够可靠地防止制冷剂通过非冷凝性气体返回路从高压空间向低压空间返回的现象。

在第一～第五方案中的任一方案的基础上，本发明的第六方案提供的热泵装置构成为，所述非冷凝性气体返回路具有与所述冷凝器的上部连接的一端。在冷凝器中，制冷剂被冷却而发生冷凝。非冷凝性气体因比重差而容易储存在冷凝器的上部的空间。因此，若非冷凝性气体返回路与冷凝器的上部连接，则非冷凝性气体容易从冷凝器的内部空间(高压空间)向非冷凝性气体返回路进入。

在第一～第六方案中的任一方案的基础上，本发明的第七方案提供的热泵装置构成为，还具备非冷凝性气体收集器，该非冷凝性气体收集器形成所述高压空间的一部分，且构成为局部地提高所述非冷凝性气体的浓度，所述非冷凝性气体返回路与所述非冷凝性气体收集器连接。根据第七方案，能够高效且选择性地使非冷凝性气体从高压空间向低压空间返回。

在第七方案的基础上，本发明的第八方案提供的热泵装置构成为，所述非冷凝性气体收集器设置在所述冷凝器的上部。根据第八方案，能够利用比重差容易地将非冷凝性气体收集到非冷凝性气体收集器。

在第七或者第八方案的基础上，本发明的第九方案提供的热泵装置构成为，所述非冷凝性气体收集器包括包围所述高压空间的一部分的隔壁、以及使由所述隔壁包围的空间的压力降低的减压机构。通过降低由隔壁包围的空间的压力，由此能够向该空间引入非冷凝性气体。

在第九方案的基础上，本发明的第十方案提供的热泵装置构成为，所述减压机构是将低温制冷剂向由所述隔壁包围的空间导入的低温制冷剂导入路，该低温制冷剂通过对由所述冷凝器保持的所述制冷剂的一部分进行冷却而得到。通过将低温制冷剂向空间导入，降低由隔壁包围的空间的温度，由此能够容易地降低该空间的压力。

在第一～第十方案中任一方案的基础上，本发明的第十一方案提供的热泵装置构成为，所述制冷剂包括从由水、醇以及氨构成的组中选择的至少一种天然制冷剂。基于臭氧层的保护、温室效应的防止等环境保护的观点，优选使用天然制冷剂。

在第一～第十一方案中任一方案的基础上，本发明的第十二方案提供的热泵装置构成为，所述非冷凝性气体是氢。在非冷凝性气体是氢时，能够利用比重差将氢气与制冷剂分离。

在第一～第十二方案中任一方案的基础上，本发明的第十三方案提供的热泵装置构成为，以所述电化学压缩机以及所述非冷凝性气体返回路位于比由所述冷凝器保持的所述制冷剂的液面以及由所述蒸发器保持的所述制冷剂的液面靠铅垂方向上方的位置的方式，确定所述电化学压缩机、所述非冷凝性气体返回路、所述冷凝器以及所述蒸发器的位置关系。根据第十三方案，电化学压缩机容易吸入非冷凝性气体。

在第一～第十三方案中任一方案的基础上，本发明的第十四方案提供的热泵装置构成为，还具备：第一循环路，其具有第一泵以及第一热交换器，通过所述第一泵的作用使所述制冷剂或者其他热介质在所述蒸发器与所述第一热交换器之间循环；第二循环路，其具有第二泵以及第二热交换器，通过所述第二泵的作用使所述制冷剂或者其他热介质在所述冷凝器与所述第二热交换器之间循环；以及电源控制部，其通过切换向所述电化学压缩机施加的施加电压的极性而在第一运转模式和第二运转模式之间相互切换，在所述第一运转模式中，所述第一循环路作为吸热回路而发挥功能，并且所述第二循环路作为散热回路而发挥功能，在所述第二运转模式中，所述第一循环路作为散热回路而发挥功能，并且所述第二循环路作为吸热回路而发挥功能。根据第十四方案，无需使用用于切换制冷剂的流动方向的回路(四通阀)就能够进行制冷、供暖的切换。

在第一～第十四方案中任一方案的基础上，本发明的第十五方案提供的热泵装置构成为，还具备起动辅助机构，该起动辅助机构在所述热泵装置起动时，利用液相的所述制冷剂润湿所述电化学压缩机的电解质膜。通过向电化学压缩机的电解质膜散布制冷剂液，适当地润湿电解质膜，由此能够容易地使电化学压缩机起动。

本发明的第十六方案提供的热泵装置具备：

蒸发器，其使制冷剂蒸发；

电化学压缩机，其具有电解质膜、配置在所述电解质膜的第一主面侧的分子透过性的第一电极、以及配置在所述电解质膜的第二主面侧的分子透过性的第二电极，该电化学压缩机使用具有电化学活性的非冷凝性气体，对通过所述蒸发器蒸发了的所述制冷剂进行压缩；

冷凝器，其使由所述电化学压缩机压缩后的所述制冷剂冷凝；

电源控制部，其在所述第一电极的电位比所述第二电极的电位高的第一运转模式与所述第二电极的电位比所述第一电极的电位高的第二运转模式之间相互切换。

根据第十六方案，无需使用用于切换制冷剂的流动方向的回路(四通阀)就能够进行制冷、供暖的切换。

在第十六方案的基础上，本发明的第十七方案提供的热泵装置构成为，还具备：制冷剂输送路，其用于从所述冷凝器向所述蒸发器输送所述制冷剂；以及非冷凝性气体返回路，其是相对于所述制冷剂输送路另行设置的路径，构成为将所述电化学压缩机的喷出侧的高压空间与所述电化学压缩机的吸入侧的低压空间连接，使所述非冷凝性气体从所述高压空间向所述低压空间返回。根据第十七方案，能够得到与第一方案相同的效果。

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。需要说明的是，本发明并不限定于以下的实施方式。

如图1所示，本实施方式的热泵装置100具备主回路2、第一循环路4以及第二循环路6。第一循环路4的两端与主回路2连接。第二循环路6的两端也与主回路2连接。在主回路2、第一循环路4以及第二循环路6中填充有制冷剂以及非冷凝性气体来作为工作流体。制冷剂是冷凝性流体。非冷凝性气体是具有电化学活性的气体，用于在主回路2中压缩制冷剂。

在本实施方式中，作为具有电化学活性的非冷凝性气体，使用氢气。因此，能够利用比重差将氢气与制冷剂分离。作为制冷剂，使用极性物质。详细地说，作为制冷剂，可以使用水、醇、氨等天然制冷剂。基于臭氧层的保护、温室效应的防止等环境保护的观点，希望使用天然制冷剂。作为醇，可以列举出甲醇、乙醇等低级醇。水以及醇是常温(日本工业标准：20℃±15℃/JIS Z8703)下的饱和蒸气压为负压(在绝对压力下比大气压低的压力)的制冷剂。若使用常温下的饱和蒸气压为负压的制冷剂，则在热泵装置100运转时，热泵装置100的内部的压力低于大气压。在使用氨作为制冷剂的情况下，热泵装置100例如能够在蒸发器10以及冷凝器16的内部的压力成为比大气压高的压力的条件下运转。上述的制冷剂既可以单独使用，也可以将两种以上混合使用。基于防止冻结等理由，也可以使制冷剂含有防冻剂。作为防冻剂，可以使用乙二醇、丙二醇等醇。作为含有防冻剂的制冷剂，可以列举出水与醇的混合制冷剂。醇也能作为制冷剂而发挥功能。

主回路2是使制冷剂循环的回路，具有蒸发器10、电化学压缩机11、冷凝器16、制冷剂输送路18以及非冷凝性气体返回路28。制冷剂依次通过蒸发器10、电化学压缩机11、冷凝器16以及制冷剂输送路18。主回路2也可以具有用于将由蒸发器10生成的制冷剂蒸气利用电化学压缩机11压缩并且向冷凝器16供给的蒸气路径(省略图示)。在这种情况下，电化学压缩机11配置在蒸气路径中。

电化学压缩机11使用具有电化学活性的非冷凝性气体，对通过蒸发器10蒸发了的制冷剂进行压缩。具体而言，电化学压缩机11具有电解质膜13(电解质层)、第一电极12以及第二电极14。即，电化学压缩机11具有在固体高分子形燃料电池中使用的膜-电极接合体(MEA：MembraneElectrode Assembly)的结构。电解质膜13例如是Nafion(杜邦公司的注册商标)这样的全氟烷基磺酸膜。第一电极12配置在电解质膜13的第一主面侧。第二电极14配置在电解质膜13的第二主面侧。第一电极12以及第二电极14均通过例如碳纤维布这样的导电性基材和担载于导电性基材的贵金属催化剂来构成。第一电极12以及第二电极14均具有使制冷剂的分子以及非冷凝性气体的分子透过的性质。

在本说明书中，“具有电化学活性的气体”意味着具有能够协同极性物质在电解质膜13中从一侧的面向另一侧的面移动的能力的气体。“非冷凝性气体”意味着在热泵装置100的一般的运转条件下、例如-25℃以上的温度且低于2MPa的压力下处于气相状态的物质的气体。

蒸发器10例如通过具有隔热性的耐压容器而形成。在蒸发器10上连接第一循环路4的上游端及下游端。存积于蒸发器10的制冷剂液与通过在第一循环路4中循环而被加热后的制冷剂液直接接触。换句话说，存积于蒸发器10的制冷剂液的一部分在第一循环路4中被加热，用作对饱和状态的制冷剂液进行加热的热源。通过加热饱和状态的制冷剂液来生成制冷剂蒸气。

在蒸发器10的内部配置有上部开口的小型的容器26。在容器26的内部配置有多孔性的填充材料24。第一循环路4的下游端以向填充材料24雾状喷射制冷剂液的方式从蒸发器10的上部朝向容器26延伸。通过向容器26中的填充材料24雾状喷射制冷剂液，由此气液界面的面积增加，从而能够促进制冷剂蒸气的生成。制冷剂液的一部分从形成于容器26的底部的孔向下方流下，存积于蒸发器10。需要说明的是，只要能实现高效的制冷剂蒸气的生成，填充材料24以及容器26并非是必需的。

第一循环路4由流路30、流路31、第一泵32以及第一热交换器33构成。利用流路30将蒸发器10的底部与第一热交换器33的入口连接起来。利用流路31将第一热交换器33的出口与蒸发器10的上部连接起来。在流路30中配置有第一泵32。第一热交换器33通过翅片管热交换器等公知的热交换器形成。通过第一泵32的作用使制冷剂在蒸发器10与第一热交换器33之间循环。在热泵装置100是空气调节装置的情况下，第一热交换器33配置在室内。如图1所示，在进行室内的制冷的情况下，在第一热交换器33中利用制冷剂液来冷却室内的空气。

第一循环路4也可以构成为不使存积于蒸发器10的制冷剂液与在第一循环路4中循环的其他热介质混合。例如，在蒸发器10具有壳管式热交换器这样的热交换结构的情况下，能够利用在第一循环路4中循环的其他热介质对存积于蒸发器10的制冷剂液进行加热并使其蒸发。用于对存积于蒸发器10的制冷剂液进行加热的其他热介质在第一热交换器33中流动。其他热介质没有特别限定。作为其他热介质，可以使用水、盐水等。

冷凝器16例如通过具有隔热性的耐压容器形成。在冷凝器16上连接第二循环路6的上游端及下游端。由电化学压缩机11压缩后的制冷剂蒸气与通过在第二循环路6中循环而被冷却后的制冷剂液直接接触。换句话说，存积于冷凝器16的制冷剂液的一部分在第二循环路6中被冷却，用作对过热状态的制冷剂蒸气进行冷却的冷能源。通过对过热状态的制冷剂蒸气进行冷却来生成高温的制冷剂液。

在冷凝器16的内部，与蒸发器10同样地配置有配备多孔性的填充材料24的小型的容器26。通过向容器26中的填充材料24雾状喷射制冷剂液，由此气液界面的面积增加，从而能够促进制冷剂的冷凝。制冷剂液的一部分从形成于容器26的底部的孔向下方流下，存积于冷凝器16。需要说明的是，只要能够实现高效的制冷剂蒸气的冷凝，则填充材料24以及容器26并非是必需的。

第二循环路6由流路40、流路41、第二泵42以及第二热交换器43构成。利用流路40将冷凝器16的底部与第二热交换器43的入口连接起来。利用流路41将第二热交换器43的出口与冷凝器16的上部连接起来。在流路40中配置有第二泵42。第二热交换器43通过翅片管热交换器等公知的热交换器形成。通过第二泵42的作用使制冷剂在冷凝器16与第二热交换器43之间循环。在热泵装置100是空气调节装置的情况下，第二热交换器43配置在室外。如图1所示，在进行室内的制冷的情况下，在第二热交换器43中利用室外的空气来冷却制冷剂液。

与第一循环路4同样，第二循环路6也可以构成为不使存积于冷凝器16的制冷剂液与在第二循环路6中循环的其他热介质混合。例如，在冷凝器16具有壳管式热交换器这样的热交换结构的情况下，能够利用在第二循环路6中循环的其他热介质对供给到冷凝器16的制冷剂蒸气进行冷却并使其冷凝。用于对供给到冷凝器16的制冷剂蒸气进行冷却的其他热介质在第二热交换器43中流动。

如图1所示，在第一循环路4以及第二循环路6分别与蒸发器10以及冷凝器16连接时，第一循环路4以及第二循环路6分别作为将制冷剂加热的吸热回路以及将制冷剂冷却的散热回路而发挥功能。另一方面，如图2所示，通过切换向电化学压缩机11施加的施加电压的极性，由此蒸发器10与冷凝器16相互调换。在第一循环路4以及第二循环路6分别与冷凝器16以及蒸发器10连接时，第一循环路4以及第二循环路6分别作为将制冷剂冷却的散热回路以及将制冷剂加热的吸热回路而发挥功能。在热泵装置100是空气调节装置，第一热交换器33配置于室内机50，第二热交换器43配置于室外机时，图1表示制冷时的热泵装置100的状态，图2表示供暖时的热泵装置100的状态。

需要说明的是，在热泵装置100是冷机、热水供暖装置或者水冷式冷凝器时，第一热交换器33以及/或者第二热交换器43可以是使盐水、水等热介质与制冷剂之间发生热交换的液-液热交换器。

在本实施方式中，使用第一循环路4对存积于蒸发器10的制冷剂液进行加热，使用第二循环路6对存积于冷凝器16的制冷剂液进行冷却。这样，根据使制冷剂液强制性地在第一循环路4及第二循环路6中循环的方式，能够尽可能减小热交换器33、34中的非冷凝性气体的影响。在使用具有比较高的饱和蒸气压的制冷剂(例如氨)的情况下，非冷凝性气体的分压的影响较小。在这种情况下，作为热交换器33、43，也可以取代使液体制冷剂循环的热交换器，而使用在传热管的内部使制冷剂蒸发或在传热管的内部使制冷剂冷凝的普通的热交换器。

如图1所示，制冷剂输送路18是用于将制冷剂(详细而言是制冷剂液)从冷凝器16向蒸发器10输送的流路。利用制冷剂输送路18将蒸发器10的底部与冷凝器16的底部连接起来。也可以在制冷剂输送路18中设置毛细管、开度可变的膨胀阀等。

非冷凝性气体返回路28是相对于制冷剂输送路18另行设置的路径，构成为将电化学压缩机11的喷出侧的高压空间与电化学压缩机11的吸入侧的低压空间连接，使非冷凝性气体从高压空间向低压空间返回。由于非冷凝性气体通过非冷凝性气体返回路28从高压空间向低压空间返回，因此能够防止用于压缩制冷剂的作为工作流体的非冷凝性气体不足的现象。换言之，能够减少非冷凝性气体的使用量(非冷凝性气体向热泵装置100的填充量)。另外，由于能够抑制成为阻碍传热的主要因素的非冷凝性气体向制冷剂液进行循环的热交换器33、43流入，因此能够提高热泵装置100的效率。在本实施方式中，非冷凝性气体返回路28与冷凝器16以及蒸发器10直接连接，将冷凝器16的内部空间(高压空间)与蒸发器10的内部空间(低压空间)连接起来。

在非冷凝性气体返回路28中设置有闸门22，该闸门22具有维持高压空间与低压空间之间的压力差的能力、以及使非冷凝性气体从高压空间向低压空间返回的能力。通过维持高压空间与低压空间之间的压力差，能够使非冷凝性气体从高压空间向低压空间返回，并且能够继续进行热泵装置100的运转。

具体而言，作为闸门22，可以使用毛细管、流量调整阀或者开闭阀。毛细管的优点是不需要特别的控制。在将开闭阀用作闸门22的情况下，通过定期打开开闭阀，由此能够使蓄积在高压空间中的非冷凝性气体向低压空间返回。如后所述，在设置有非冷凝性气体收集器39的情况下，也可以估计在非冷凝性气体收集器39中充分蓄积有非冷凝性气体的时期而将开闭阀打开。由此，能够抑制热泵装置100的效率的降低，并且能够高效地使非冷凝性气体从高压空间向低压空间返回。在开闭阀被关闭的期间，制冷剂以及非冷凝性气体无法通过非冷凝性气体返回路28，因此热泵装置100能够高效地运转。流量调整阀的优点是能够通过改变开度来调整非冷凝性气体返回路中的非冷凝性气体的流量。流量调整阀以及开闭阀的型式可以是电动式、空气工作式或者液压工作式。也可以根据情况的不同，以与开闭阀相同的目的使用流量调整阀。需要说明的是，也可以将从毛细管、流量调整阀以及开闭阀任意选择的多个元件的组合用作闸门22。此外，也可以将相同种类的多个元件用作闸门22。

例如，如图3所示，闸门22可以由上游阀22a以及下游阀22b构成。上游阀22a是配置在非冷凝性气体返回路28中的非冷凝性气体的流动方向的上游侧的阀。下游阀22b是配置在非冷凝性气体返回路28中的非冷凝性气体的流动方向的下游侧的阀。上游阀22a以及下游阀22b以彼此分离的方式配置在非冷凝性气体返回路28中，以便能够在上游阀22a与下游阀22b之间的非冷凝性气体返回路28的中间部28a暂时保持适量的非冷凝性气体。上游阀22a以及下游阀22b由阀控制部23来控制。阀控制部23利用以下的方法控制上游阀22a以及下游阀22b。首先，以关闭下游阀22b且打开上游阀22a的方式控制上游阀22a以及下游阀22b。于是，非冷凝性气体储存于中间部28a。接下来，以在关闭下游阀22b的状态下关闭上游阀22a的方式控制上游阀22a以及下游阀22b。于是，在中间部28a封入非冷凝性气体。进而，以在关闭上游阀22a的状态下打开下游阀22b的方式控制上游阀22a以及下游阀22b。由此，将非冷凝性气体向低压空间放出。通过以该顺序执行上述控制，由此能够抑制制冷剂蒸气从高压空间向低压空间的逆流，并且能够高效地使非冷凝性气体从高压空间向低压空间返回。参照图3所说明的方法在非冷凝性气体与制冷剂蒸气之间存在足够的比重差的情况下尤其有效。

另外，若使用氢作为非冷凝性气体，则作为闸门22，可以使用具有选择性地使氢透过的能力的氢透过膜。作为氢透过膜，例如公知有沸石膜以及钯膜(包括钯合金膜)。钯膜通过利用加热器充分地加热而选择性地使氢透过。若使用上述的氢透过膜，则能够可靠地防止制冷剂蒸气通过非冷凝性气体返回路28从高压空间向低压空间返回的现象。

如图1所示，非冷凝性气体返回路28具有与冷凝器16的上部连接的一端。在冷凝器16中，制冷剂被冷却并冷凝。非冷凝性气体因比重差而容易储存在冷凝器16的上部的空间。因此，若非冷凝性气体返回路28与冷凝器16的上部连接，则非冷凝性气体容易从冷凝器16的内部空间(高压空间)向非冷凝性气体返回路28进入。需要说明的是，如后所述，在本实施方式的热泵装置100中，通过切换向电化学压缩机11施加的施加电压的极性，由此蒸发器10与冷凝器16相互调换(参照图4以及图5)。因此，希望非冷凝性气体返回路28具有与冷凝器16的上部连接的一端和与蒸发器10的上部连接的另一端。

热泵装置100还具备非冷凝性气体收集器39，该非冷凝性气体收集器39形成电化学压缩机11的喷出侧的高压空间的一部分，且构成为局部地提高非冷凝性气体的浓度(分压)。在非冷凝性气体收集器39上连接非冷凝性气体返回路28。根据这样的结构，能够高效且选择性地使非冷凝性气体从高压空间向低压空间返回。

在非冷凝性气体的比重小于制冷剂蒸气的比重的情况下，优选非冷凝性气体收集器39设置在冷凝器16的上部。根据这样的结构，非冷凝性气体能够因比重差而容易地由非冷凝性气体收集器39收集。具体而言，非冷凝性气体收集器39具有隔壁37以及减压机构38。隔壁37是包围高压空间的一部分的部分。在本实施方式中，隔壁37配置在冷凝器16的内部，包围冷凝器16的内部空间的一部分。减压机构38具有使由隔壁37包围的空间36的压力降低的功能。通过降低由隔壁37包围的空间36的压力，由此能够向该空间36引入非冷凝性气体。需要说明的是，非冷凝性气体的比重以及制冷剂蒸气的比重利用热泵装置100运转中的冷凝器16内部的值进行比较。具体而言，“非冷凝性气体的比重”能够在冷凝器16的内部的温度是特定的温度并且非冷凝性气体在冷凝器16的内部具有任意的分压时，根据该温度及该分压下的非冷凝性气体的密度而算出。相同地，“制冷剂蒸气的比重”能够在冷凝器16的内部的温度是特定的温度时，根据该温度下的制冷剂的饱和蒸气压下的制冷剂蒸气的密度而算出。“特定的温度”意味着在热泵装置100进行稳定运转时的冷凝器16的内部，制冷剂能够获得的任意的温度。“比重”一词例如用作表示非冷凝性气体或制冷剂蒸气的密度相对于空气的密度(0℃、1气压下的值)的比率。

减压机构38例如是低温制冷剂导入路38。低温制冷剂导入路38承担将低温制冷剂向由隔壁37包围的空间36导入的作用，其中该低温制冷剂通过将保持于冷凝器16的制冷剂的一部分向冷凝器16的外部取出并冷却而得到。通过将低温制冷剂向空间36导入，降低由隔壁37包围的空间36的温度，由此能够容易地降低该空间36的压力。作为用于使空间36的温度降低的介质，使用热泵装置100的制冷剂，由此能够避免使用特别的冷却结构以及其他制冷剂。在本实施方式中，隔壁37具有凹形状，能够承接来自低温制冷剂导入路38的低温制冷剂并将其暂时保持。通过低温制冷剂导入路38而向空间36导入的低温制冷剂由隔壁37暂时保持，从形成于隔壁37的底部的孔向下方流下。为了有效地降低空间36的温度，低温制冷剂导入路38的出口端也可以具有能够将低温制冷剂以雾状向空间36喷射的结构。

低温制冷剂导入路38的入口端与第二热交换器43连接。在第二热交换器43是翅片管热交换器且具有多个分支路43a～43c时，低温制冷剂导入路38的入口端与这些分支路43a～43c中的、位于最上风侧的分支路43c的下游部分连接。由上风侧的分支路43c冷却后的制冷剂液的温度与由位于下风侧的分支路43b、43a冷却后的制冷剂液的温度相比相对低。因此，通过经由低温制冷剂导入路38将由分支路43c冷却后的制冷剂液向空间36导入，由此能够更加有效地降低空间36的温度。其结果是，能够在空间36中高效地收集非冷凝性气体。其中，低温制冷剂导入路38也可以从流路41分支。另外，也可以在低温制冷剂导入路38设置开闭阀35。由此，能够禁止通过低温制冷剂导入路38向空间36导入制冷剂。但是，也可以省略开闭阀35，而始终通过低温制冷剂导入路38向空间36导入制冷剂。另外，也可以取代开闭阀35而设置毛细管等固定节流件。

在本实施方式中，非冷凝性气体收集器39设置在冷凝器16的内部。但这并非是必须的。例如，在设置有将电化学压缩机11与冷凝器16连接的蒸气路径时，也可以在该蒸气路径上设置非冷凝性气体收集器39。

如后所述，本实施方式的热泵装置100通过切换向电化学压缩机11施加的施加电压的极性而使蒸发器10与冷凝器16相互调换(参照图4以及图5)。因此，在蒸发器10的上部也设置有与设在冷凝器16的上部的非冷凝性气体收集器39相同结构的非冷凝性气体收集器39。被非冷凝性气体收集器39的隔壁37包围的空间46是低压空间的一部分。非冷凝性气体通过非冷凝性气体返回路28向该空间46返回。返回到低压空间的非冷凝性气体为了压缩制冷剂而在电化学压缩机11中被再次使用。优选非冷凝性气体返回路28的另一端(出口端)位于电化学压缩机11的吸入口的附近，以使返回到低压空间的非冷凝性气体能够容易地到达电化学压缩机11。

设置在蒸发器10的上部的非冷凝性气体收集器39也具有低温制冷剂导入路38。低温制冷剂导入路38的入口端例如与第一热交换器33连接。在第一热交换器33是翅片管热交换器且具有多个分支路33a～33c时，低温制冷剂导入路38的入口端与这些分支路33a～33c中的、位于最上风侧的分支路33c的下游部分连接。低温制冷剂导入路38也可以从流路31分支。也可以在低温制冷剂导入路38设置开闭阀35。也可以取代开闭阀35而设置毛细管等固定节流件。

在本实施方式中，以电化学压缩机11以及非冷凝性气体返回路28位于比由冷凝器16保持的制冷剂的液面以及由蒸发器10保持的制冷剂的液面靠铅垂方向上方的位置的方式，确定电化学压缩机11、非冷凝性气体返回路28、冷凝器16以及蒸发器10的位置关系。根据这样的结构，电化学压缩机11容易吸入非冷凝性气体。

如图6所示，热泵装置100也可以具备起动辅助机构56，该起动辅助机构56在热泵装置100起动时利用液相的制冷剂润湿电化学压缩机11的电解质膜13。在本实施方式中，起动辅助机构56由制冷剂液导入路58以及三通阀60构成。制冷剂液导入路58是用于将存积于冷凝器16的制冷剂液向电化学压缩机11引导的流路。三通阀60在第二循环路6的流路40中设于第二泵42与第二热交换器43之间。三通阀60也可以被替换为设于制冷剂液导入路58的开闭阀。在热泵装置100起动时，以经由制冷剂液导入路58向电化学压缩机11供给制冷剂液的方式控制第二泵42以及三通阀60。通过向电化学压缩机11的电解质膜13散布制冷剂液，适当地润湿电解质膜13，由此能够使电化学压缩机11容易地起动。

另外，制冷剂液导入路58也可以是用于将存积于蒸发器10的制冷剂液向电化学压缩机11引导的流路。三通阀60也可以在第一循环路4的流路30中设于第一泵32与第一热交换器33之间。若为了向制冷剂液导入路58送入制冷剂而使用第一循环路4的第一泵32或者第二循环路6的第二泵42，则不需要设置追加的泵。但是，只要能够向电化学压缩机11供给制冷剂液，则制冷剂液导入路58可以从热泵装置100的任意位置分支。例如，也可以使制冷剂液导入路58与蒸发器10或者冷凝器16直接连接，以便能够从蒸发器10或者冷凝器16直接获取制冷剂液。此外，制冷剂液导入路58也可以从制冷剂输送路18分支。

接下来，对热泵装置100的运转进行说明。

如图1所示，由电化学压缩机11压缩后的制冷剂蒸气在冷凝器16中与由第二热交换器43过冷却后的制冷剂液进行热交换而冷凝。在冷凝器16中冷凝了的制冷剂液的一部分经由制冷剂输送路18被向蒸发器10输送。存积于蒸发器10的制冷剂液的一部分在第一泵32的作用下向第一热交换器33供给。制冷剂液在第一热交换器33中从室内的空气夺取热量，之后向蒸发器10返回。存积于蒸发器10的制冷剂液因减压下的沸腾而蒸发。由蒸发器10生成的制冷剂蒸气被电化学压缩机11吸入。由此，进行室内的制冷。

如图4所示，以沿着从第一电极12朝向第二电极14的方向产生电场的方式在第一电极12以及第二电极14上连接直流电源52。第一电极12的电位与第二电极14的电位相比例如每单电池高0.1～1.3V左右。氢分子在第一电极12(阳极)处分离成质子和电子。质子横穿电解质膜13的内部，在第二电极14(阴极)处接受电子而再次结合成为氢分子。此时，极性物质的簇被质子带动而从与第一电极12相邻的空间向与第二电极14相邻的空间移动。由此，与第一电极12相邻的空间的压力下降，与第二电极14相邻的空间的压力上升。

如图5所示，若以沿着从第二电极14朝向第一电极12的方向产生电场的方式切换向第一电极12以及第二电极14施加的施加电压的极性，则与第一电极12相邻的空间的压力上升，与第二电极14相邻的空间的压力下降。于是，如图2所示，主回路2中的制冷剂的循环方向翻转。由此，进行室内的供暖。

如图4以及图5所示，热泵装置100具备电源控制部54，该电源控制部54通过切换向电化学压缩机11施加的施加电压的极性，由此在第一运转模式(图1以及图4：制冷运转)与第二运转模式(图2以及图5：供暖运转)之间相互切换。换言之，电源控制部54在第一电极12的电位比第二电极14的电位高的第一运转模式与第二电极14的电位比第一电极12的电位高的第二运转模式之间相互切换。如图1所示，第一运转模式是第一循环路4作为吸热回路而发挥功能，并且第二循环路6作为散热回路而发挥功能的运转模式。第一运转模式典型地是进行室内的制冷的运转模式。第二运转模式是第一循环路4作为散热回路而发挥功能，并且第二循环路6作为吸热回路而发挥功能的运转模式。第二运转模式典型地是进行室内的供暖的运转模式。根据电源控制部54，无需使用用于切换制冷剂的流动方向的回路(四通阀)就能够进行制冷、供暖的切换。

如图1所示，在第一运转模式中，设置在与第二循环路6同一侧的低温制冷剂导入路38的开闭阀35打开，设置在与第一循环路4同一侧的低温制冷剂导入路38的开闭阀35关闭。如图2所示，在第二运转模式中，设置在与第一循环路4同一侧的低温制冷剂导入路38的开闭阀35打开，设置在与第二循环路6同一侧的低温制冷剂导入路38的开闭阀35关闭。

电源控制部54例如是包括A/D转换电路、输入输出电路、运算电路以及存储装置等在内的DSP(Digital Signal Processor)。与电源控制部54同样，图3所示的阀控制部23也可以是通用的DSP。电源控制部54的硬件也可以与阀控制部23的硬件共用。此外，这些阀控制部23以及电源控制部54的硬件也可以与用于控制第一泵32、第二泵42、开闭阀35以及三通阀60的控制部的硬件共用。

(变形例)

图7所示的电化学压缩机11A具备压缩机主体15以及非冷凝性气体返回路28。即，非冷凝性气体返回路28也可以是电化学压缩机11A的一部分。在非冷凝性气体返回路28中设置有闸门22。特别是，在闸门22是不需要大空间的部件(例如氢分离膜)的情况下，能够比较容易地将非冷凝性气体返回路28配置在电化学压缩机11A的壳体中。压缩机主体15如之前说明的那样通过膜-电极接合体而形成。

工业上的可利用性

在本说明书中公开的热泵装置能够广泛应用于冷机、空气调节装置以及热水供暖装置等。

Claims (17)

1.一种热泵装置，具备：

蒸发器，其使制冷剂蒸发；

电化学压缩机，其使用具有电化学活性的非冷凝性气体，对通过所述蒸发器蒸发了的所述制冷剂进行压缩；

冷凝器，其使由所述电化学压缩机压缩后的所述制冷剂冷凝；

制冷剂输送路，其从所述冷凝器向所述蒸发器输送所述制冷剂；以及

非冷凝性气体返回路，其是相对于所述制冷剂输送路另行设置的路径，构成为将所述电化学压缩机的喷出侧的高压空间与所述电化学压缩机的吸入侧的低压空间连接，使所述非冷凝性气体从所述高压空间向所述低压空间返回。

2.根据权利要求1所述的热泵装置，其中，

所述热泵装置还具备闸门，该闸门设置于所述非冷凝性气体返回路，且具有维持所述高压空间与所述低压空间之间的压力差的能力以及使所述非冷凝性气体从所述高压空间向所述低压空间返回的能力。

3.根据权利要求2所述的热泵装置，其中，

所述闸门包括从毛细管、流量调整阀以及开闭阀中选择的至少一方。

4.根据权利要求2所述的热泵装置，其中，

所述闸门包括配置在所述非冷凝性气体的流动方向的上游侧的上游阀以及配置在所述流动方向的下游侧的下游阀，

所述热泵装置还具备阀控制部，该阀控制部如下进行控制：(i)以关闭所述下游阀且打开所述上游阀的方式控制所述上游阀以及所述下游阀，之后，(ii)以在关闭所述下游阀的状态下关闭所述上游阀的方式控制所述上游阀以及所述下游阀，在此之后，(iii)以在关闭所述上游阀的状态下打开所述下游阀的方式控制所述上游阀以及所述下游阀。

5.根据权利要求2所述的热泵装置，其中，

所述非冷凝性气体是氢，

所述闸门包括具有选择性地使氢透过的能力的氢透过膜。

6.根据权利要求1所述的热泵装置，其中

所述非冷凝性气体返回路具有与所述冷凝器的上部连接的一端。

7.根据权利要求1所述的热泵装置，其中，

所述热泵装置还具备非冷凝性气体收集器，该非冷凝性气体收集器形成所述高压空间的一部分，且构成为局部地提高所述非冷凝性气体的浓度，

所述非冷凝性气体返回路与所述非冷凝性气体收集器连接。

8.根据权利要求7所述的热泵装置，其中，

所述非冷凝性气体收集器设置在所述冷凝器的上部。

9.根据权利要求7所述的热泵装置，其中，

所述非冷凝性气体收集器包括包围所述高压空间的一部分的隔壁、以及使由所述隔壁包围的空间的压力降低的减压机构。

10.根据权利要求9所述的热泵装置，其中，

所述减压机构是将低温制冷剂向由所述隔壁包围的空间导入的低温制冷剂导入路，该低温制冷剂通过对由所述冷凝器保持的所述制冷剂的一部分进行冷却而得到。

11.根据权利要求1所述的热泵装置，其中，

所述制冷剂包括从由水、醇以及氨构成的组中选择的至少一种天然制冷剂。

12.根据权利要求1所述的热泵装置，其中，

所述非冷凝性气体是氢。

13.根据权利要求1所述的热泵装置，其中，

以所述电化学压缩机以及所述非冷凝性气体返回路位于比由所述冷凝器保持的所述制冷剂的液面以及由所述蒸发器保持的所述制冷剂的液面靠铅垂方向上方的位置的方式，确定所述电化学压缩机、所述非冷凝性气体返回路、所述冷凝器以及所述蒸发器的位置关系。

14.根据权利要求1所述的热泵装置，其中，

所述热泵装置还具备：

第一循环路，其具有第一泵以及第一热交换器，通过所述第一泵的作用使所述制冷剂或者其他热介质在所述蒸发器与所述第一热交换器之间循环；

第二循环路，其具有第二泵以及第二热交换器，通过所述第二泵的作用使所述制冷剂或者其他热介质在所述冷凝器与所述第二热交换器之间循环；以及

电源控制部，其通过切换向所述电化学压缩机施加的施加电压的极性而在第一运转模式和第二运转模式之间相互切换，在所述第一运转模式中，所述第一循环路作为吸热回路而发挥功能，并且所述第二循环路作为散热回路而发挥功能，在所述第二运转模式中，所述第一循环路作为散热回路而发挥功能，并且所述第二循环路作为吸热回路而发挥功能。

15.根据权利要求1所述的热泵装置，其中，

所述热泵装置还具备起动辅助机构，该起动辅助机构在所述热泵装置起动时，利用液相的所述制冷剂润湿所述电化学压缩机的电解质膜。

16.一种热泵装置，具备：

蒸发器，其使制冷剂蒸发；

电化学压缩机，其具有电解质膜、配置在所述电解质膜的第一主面侧的分子透过性的第一电极、以及配置在所述电解质膜的第二主面侧的分子透过性的第二电极，该电化学压缩机使用具有电化学活性的非冷凝性气体，对通过所述蒸发器蒸发了的所述制冷剂进行压缩；

冷凝器，其使由所述电化学压缩机压缩后的所述制冷剂冷凝；

电源控制部，其在所述第一电极的电位比所述第二电极的电位高的第一运转模式与所述第二电极的电位比所述第一电极的电位高的第二运转模式之间相互切换。

17.根据权利要求16所述的热泵装置，其中，

所述热泵装置还具备：

制冷剂输送路，其用于从所述冷凝器向所述蒸发器输送所述制冷剂；以及

非冷凝性气体返回路，其是相对于所述制冷剂输送路另行设置的路径，构成为将所述电化学压缩机的喷出侧的高压空间与所述电化学压缩机的吸入侧的低压空间连接，使所述非冷凝性气体从所述高压空间向所述低压空间返回。