JP2006170536A

JP2006170536A - 蒸気圧縮式ヒートポンプ

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Publication number: JP2006170536A
Application number: JP2004364298A
Authority: JP
Inventors: Ryohei Iwatani; 良平岩谷
Original assignee: IWAYA REITOUKI SEISAKUSHO KK
Current assignee: IWAYA REITOUKI SEISAKUSHO KK
Priority date: 2004-12-16
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2024-12-16
Also published as: JP4608303B2

Abstract

【課題】冬季等の外気温度の低い場合の暖房能力の低下を防止すると共に、除霜を効果的に行う。
【解決手段】凝縮器３の放熱によって室内等を暖房し、同時にこの凝縮器から流出する冷媒の残余熱を蓄熱槽Ｂの液体に蓄熱する。次いで蓄熱によって外気より高温になった蓄熱液体から吸熱して暖房することによって、冷媒の循環流量の低下を防止し、かつ圧縮機１の圧縮比を減らして暖房効率を向上させることができる。この両者のサイクルを交互に行うことによって、外気温度の低い場合の暖房能力の低下を防止すことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄熱槽を備えた蒸気圧縮式ヒートポンプに関し、特に暖房及び蓄熱サイクル、暖房サイクル、又は暖房及び除霜サイクルを交互に行う蒸気圧縮式ヒートポンプに関する。

従来から室内の暖房、あるいは製品や中間生成物の加温等の手段として、蒸気圧縮式ヒートポンプが広く使用されている。この蒸気圧縮式ヒートポンプの基本構成は、例えば図１０に示すように、圧縮機１０１、屋内に設置した凝縮機１０３、膨張弁１０４、及び屋外に設置した蒸発器１０５からなり、これらの構成要素を冷媒が状態変化しつつ循環する。なお圧縮機１０１の流入経路には、気液分離器Ｃが設けてあり、この圧縮機に液冷媒が流入することを回避している。

次に、図１１に示すＰ−ｈ線図を参照しつつ、この蒸気圧縮式ヒートポンプの動作を説明する。すなわち圧縮機１０１によって、点１から点２まで圧縮されて高圧となった冷媒ガスは、凝縮器１０３によって室内空気に熱量Ｑ_１を放熱し、点２からほぼ飽和液の状態の点３まで状態変化して凝縮する。次いで、ほぼ飽和液の状態の冷媒は、膨張弁１０４において、点３から点４まで減圧変化し、低温低圧の気液混合状態になる。そしてこの気液混合状態の冷媒は、蒸発器１０５において、屋外の外気から熱量Ｑ_２を吸熱して、点４からほぼ飽和蒸気の状態の点１まで蒸発する。

すなわち、上述した蒸気圧縮式ヒートポンプは、蒸発器１０５において、屋外の外気から熱量Ｑ_２を汲み上げ、この熱量Ｑ_２に圧縮機１０１による圧縮仕事Ｗを加えた熱量Ｑ_１を、凝縮器１０３から室内空気に放熱して、室内を暖房する。なお、冷媒の循環方向を逆にすれば、蒸発器１０５で外気に放熱して冷媒を凝縮させ、凝縮器１０３で屋内の空気から吸熱して冷媒を蒸発させることができるため、屋内の冷房手段としても使用することができる。

しかるに上述した蒸気圧縮式ヒートポンプは、外気温の低い冬季等において使用する場合には、次の問題があった。第１に、暖房能力が低下する。すなわち蒸気圧縮式ヒートポンプは、蒸発器１０５において、図１１に示す点４から点１まで、屋外の外気から熱量Ｑ_２を吸熱するため、蒸発器に流入する気液混合状態の冷媒の温度は、外気温度より常に低くなければならない。ところが冬季等において外気温が低いと、蒸発器１０５に流入する冷媒の温度と、外気温度との温度差が小さくなるため、この蒸発器に流入した冷媒が十分蒸発できない。このため冷媒の循環流量を減少させないと、気化しきれない液冷媒が蒸発器１０５から流出して、気液分離器を溢れさせ、ついには圧縮機１０１に吸引されて、この圧縮機を破損させてしまう。

したがって冬季等の外気温が低い場合には、吸熱量が減少した蒸発器１０５において、流入した冷媒が十分蒸発するように、冷媒の循環流量を減少させる必要があるが、冷媒の循環流量を減少させると、ヒートポンプの暖房能力が低下してしまう。なお膨張弁１０４において、点３から点４までの減圧比を大きくして、点４における冷媒温度をさらに低下させれば、外気温度との差を大きくすることができるが、その反面、点４の冷媒ガスの圧力が低下するために、冷媒ガスの比容積が増大し、その結果圧縮機から吐出される冷媒ガスの質量が減少してしまう。したがってこの場合にも、冷媒の循環流量が減少し、ヒートポンプの暖房能力が低下してしまう。

第２に、冬季等の外気温が低い場合には、蒸発器１０５に着霜し、送風ファンによる送風通路の縮減や、外気との熱伝達率の低下等によって、この蒸発器における吸熱効率が更に低下する。かかる場合には除霜が必要となるところ、この除霜のために屋内空気の熱を消費したり、暖房を中断したりしなければならなかった。

そこで、このような冬季等の外気温度が低いときの暖房能力の低下を防止すべく、従来から次の手段が提案されている。第１の手段として、蒸発器において、外気より高い温度の熱源から吸熱させるものがある。具体的には、例えばクーリングタワーの水や、地下水から吸熱する手段が用いられている。また圧縮機を駆動するエンジンの排気熱を蓄熱槽に蓄熱し、この蓄熱槽から吸熱する手段がある（例えば、特許文献１参照。）。また２つのヒートポンプを備えて、第１のヒートポンプの凝縮器の放熱によって蓄熱槽に蓄熱し、第２のヒートポンプの蒸発器は、この蓄熱槽を吸熱源として使用する手段がある（例えば、特許文献２参照。）。

また第３の手段として、圧縮機から流出した高圧の冷媒ガスを、凝縮器で放熱して単に飽和液線まで凝縮させるだけでなく、この凝縮器で放熱した後の冷媒を、更に蓄熱剤に放熱させて飽和液相まで過冷却することによって、この過冷却分だけ放熱量を増加させる手段がある（例えば、特許文献３参照。）
特開２０００−６１９８０号公報（第１〜第６頁、第１図〜第３図等）特開平５−２６４８１号公報（第１〜第４頁、第１図）特開２００４−１０１００２号公報（第１〜第６頁、第１図〜２図）

しかるに上述したような、蒸発器において外気より高い温度の熱源から吸熱させる手段は、いずれも熱源を確保する手段が別途必要となる。すなわちクーリングタワーの水や地下水から吸熱する手段は、クーリングタワーの設置や地下水を汲み上げる手段が必要となり、設置スペースが限られ、井戸が殆ど普及していない今日の都会の住宅用の暖房には、実質的に不可能である。またエンジンによって圧縮機を駆動し、そのエンジンの排気熱を蓄熱した熱源から吸熱する手段は、エンジンの騒音や操作性等の点から、一般の家庭用の暖房には、適用が困難である。また第１のヒートポンプの凝縮器の放熱によって蓄熱された熱源から吸熱する手段は、２つのヒートポンプが必要となって、コストや設置スペースが嵩む。

また凝縮器からの流出冷媒を、更に蓄熱剤に放熱させて飽和液相まで過冷却させ、この蓄熱を暖房に加える手段では、凝縮器からの流出冷媒の温度は、この凝縮器における放熱によって低下しているため、この冷媒によって蓄熱する蓄熱剤の温度と、室内温度との差は小さくなる。したがって、この温度差の小さい蓄熱剤と室内空気との熱交換の効率が低くなるため、十分な暖房効果が期待できない。また蒸発器において、外気から吸熱すると、冬季等の外気温度が低い場合には、この蒸発器に着霜が生じ、上述した問題点が生じる。

そこで本発明の目的は、凝縮器で放熱した後の冷媒の残余熱を利用して、吸熱源の温度を外気より高くすることにより、冬季等の外気温度の低い場合の暖房能力の低下を防止すると共に、除霜を行うことができる蒸気圧縮式ヒートポンプを提供することにある。

本発明による蒸気圧縮式ヒートポンプの特徴は、凝縮器からの放熱によって屋内等を暖房すると共に、この凝縮器から流出した冷媒の残余熱を蓄熱剤に蓄熱するサイクルと、この蓄熱剤を吸熱源として暖房を行うサイクルとを交互に行うことにある。またこの蓄熱剤を吸熱源として、暖房と除霜とを同時に行うことにある。

すなわち本発明による蒸気圧縮式ヒートポンプは、圧縮機、四方弁、凝縮器、第１のバイパス手段を有する第１の減圧手段、蒸発器およびこれらを通過する冷媒を有している。上記凝縮器と第１の減圧手段との間の冷媒経路には、上記冷媒と蓄熱剤との間で熱交換する第１の熱交換器を備えており、この凝縮器と第１の熱交換器との間の冷媒経路には、第２のバイパス手段を有する第２の減圧手段を備えている。また上記第１の熱交換器と第１の減圧手段との間の冷媒経路には、上記圧縮機への第１のバイパス経路が設けてある。

そして暖房及び蓄熱サイクルと、暖房サイクルとを交互に行うものであって、この暖房及び蓄熱サイクルでは、上記圧縮機から流出した冷媒は、上記四方弁、凝縮器、第２のバイパス手段、第１の熱交換器、第１の減圧手段、蒸発器、この四方弁、及びこの圧縮機をこの順序で循環することによって、この蒸発器において外気から吸熱し、この凝縮器において屋内に放熱し、この第１の熱交換器において上記蓄熱剤に放熱する。一方上記暖房サイクルでは、上記圧縮機から流出した冷媒は、上記四方弁、凝縮器、第２の減圧手段、第１の熱交換器、第１のバイパス経路、及びこの圧縮機をこの順序で循環することによって、この第１の熱交換器において上記蓄熱剤から吸熱し、この凝縮器において屋内に放熱する。

上記蒸気圧縮式ヒートポンプは、上記第１の減圧手段と蒸発器との間の冷媒経路に、上記第１の熱交換器の出口経路に至る第２のバイパス経路を有し、この第２のバイパス経路に、第３の減圧手段と第２の熱交換器とを設けるように構成することが望ましい。そして上記圧縮機から流出した冷媒は、２経路に分流し、一方の上記分流は、上記四方弁、凝縮器、第２の減圧手段、第１の熱交換器、第１のバイパス経路、及びこの圧縮機をこの順序で循環することによって、この第１の熱交換器において上記蓄熱剤から吸熱し、この凝縮器において屋内に放熱する。また他方の上記分流は、上記蒸発器、第２のバイパス経路に設けた第３の減圧手段及び第２の熱交換器、第１のバイパス経路、並びに圧縮機をこの順序で循環することによって、この第２の熱交換器において上記蓄熱剤から吸熱し、この蒸発器において放熱して除霜をおこなう。

また上記蒸気圧縮式ヒートポンプは、上記第１の減圧手段と第１の熱交換器との間の冷媒経路に、上記凝縮器と第２の減圧手段との間の冷媒経路に至る第３のバイパス経路を有し、この第３のバイパス経路には、第４の減圧手段と逆止弁とを備えるように構成することが望ましい。そして上記圧縮機から流出した冷媒は、上記四方弁、蒸発器、第１のバイパス手段、第３のバイパス経路に設けた第４の減圧手段及び逆止弁、凝縮器、この四方弁、並びにこの圧縮機をこの順序で循環することによって、この蒸発器で外気に放熱し、この凝縮器において吸熱して、屋内を冷房する。

ここで、「圧縮機」とは、冷媒ガスを圧縮する手段を意味し、例えばスクロール型、遠心型、往復型、ロータリー型が該当する。「四方弁」とは、冷媒が通る４個の流出入口を有し、切り替え操作によって、これらの流出入口の組み合わせを切り替えることができる流路切り替えバルブを意味する。また「凝縮器」とは、冷媒ガスの熱を放熱して、液化する全ての熱交換器を意味し、その形式や個数を問わない。「バイパス手段」とは、次に説明する「減圧手段」を迂回する経路の他、この「減圧手段」の減圧機能を解除する手段も含み、例えば開閉バルブが該当する。「減圧手段」とは、冷媒の圧力を減少させる全ての手段を意味し、例えばノズル、バルブあるいはキャピラリーチューブが該当する。

「蒸発器」とは、対象物から吸熱して、液冷媒を気化させる全ての熱交換器を意味し、その形式や個数を問わない。「冷媒」とは、本発明による蒸気圧縮式ヒートポンプを循環中に、ガスと液体とに２相変化する全ての媒体を意味し、例えばＲ２２，Ｒ４０４Ａ，Ｒ４１０，Ｒ１３４Ａ，ＮＨ_３が該当する。「蓄熱剤」とは、冷媒との熱交換により、吸熱、蓄熱および放熱が可能な全ての媒体を意味し、液体に限らず固体や気体、及びこれらの間で相変化するものも含む。

凝縮器からの放熱によって暖房し、同時に凝縮器から流出する冷媒を過冷却させ、この過冷却によって得られる冷媒の残余熱を蓄熱剤に蓄熱するサイクルと、この蓄熱剤を吸熱源として暖房を行うサイクルとを交互に行うことによって、冬季等の外気温度が低い場合にも、暖房能力の低下を防止することができる。すなわち凝縮器から流出する冷媒と、暖房された室内等との温度差は少ないが、冬季等の外気とは大きな温度差を有する。したがって、温度の低い外気を吸熱源とするのではなく、凝縮器から流出する冷媒の残余熱を蓄熱した、外気温度より高い温度の蓄熱剤を吸熱源とすることによって、蒸発器における吸熱量を、大幅に増加させることができる。このため、冬季等の外気温度が低い場合においても、蒸発器における冷媒の蒸発量を増大させることができ、冷房能力の低下を防止することが可能になる。

なお蓄熱サイクルの間も上述したように、暖房を中断することなく、凝縮器からの放熱によって、従来と同程度の暖房を行うことができる。また圧縮機の吐出圧力を一定にした場合には、蒸発器における吸熱熱源の温度を高くすると、減圧比を低くすることができる。このため、膨張弁から流出する冷媒は大きく減圧されず、冷媒ガスの比容積は低下する。したがって圧縮機から吐出する冷媒ガスの質量が増加し、ヒートポンプサイクルにおける冷媒の循環流量が増大する。

蒸発器における吸熱を、低い温度の外気からではなく、蓄熱された高温の蓄熱剤から行う一方、同時に圧縮機から吐出する高圧の冷媒ガスを、室内等の暖房用の凝縮器と、屋外等に設けた蒸発器との双方で凝縮させて放熱することによって、屋内等の暖房と、屋外等に設けた蒸発器の除霜とを同時に行うことが可能になる。

また、夏季等の温度が高い場合には、冷媒の循環経路を逆にすることによって、凝縮器と蒸発器との機能を交換させて、屋内等の冷房に利用することができる。

図１を参照しつつ本発明による蒸気圧縮式ヒートポンプの構成について説明する。本発明による蒸気圧縮式ヒートポンプは、往復式圧縮機１、四方弁２、屋内に設けた暖房用の凝縮器３、第１の減圧手段である第１の膨張弁４、及び屋外に設けた蒸発器５を有し、これらを冷媒Ｒ２２（ＣＨＣｌＦ_２）が循環する。なお第１の膨張弁４には、この膨張弁を迂回する第１の迂回経路４１が設けてある。凝縮器３と第１の膨張弁４との間の冷媒経路には、冷媒Ｒ２２と蓄熱剤である液体との間で熱交換する第１の熱交換器６１を備えている。なお蓄熱剤である液体は、ポンプＡによって、蓄熱槽Ｂと第３の熱交換器６３とを循環し、この第３の熱交換器と第１の熱交換器６１との間で熱交換を行う。

凝縮器３と第１の熱交換器６１との間の冷媒経路には、第２の減圧手段である第２の膨張弁７を備えている。なお第２の膨張弁７には、この膨張弁を迂回する第２の迂回経路７１が設けてある。また第１の熱交換器６１と第１の膨張弁４との間の冷媒経路には、圧縮機１への第１のバイパス経路８が設けてある。なお圧縮機１の入口側には、この圧縮機に液冷媒が吸引されるのを防止するため、気液分離器Ｃが設けてある。

また第１の膨張弁４と蒸発器５との間の冷媒経路には、第１の熱交換器６１の出口経路に至る第２のバイパス経路９を有し、この第２のバイパス経路には、第３の減圧手段である第３の膨張弁９１と、蓄熱剤との熱交換を行う第２の熱交換器６２とが設けてある。さらに第１の膨張弁４と第１の熱交換器６１との間の冷媒経路には、凝縮器３と第２の膨張弁７との間の冷媒経路に至る第３のバイパス経路１０を有しており、この第３のバイパス経路には、第４の減圧手段である第４の膨張弁１２と、この凝縮器に向かってのみ冷媒を流す、逆止弁１１とが設けてある。

なお凝縮器３と蒸発器５とには、熱交換率を向上させるために、送風ファン３１，５１がそれぞれ設けてある。また四方弁２には、圧縮機１との冷媒の連結経路２１、この連結経路と蒸発器５との連結経路２２、凝縮器３との連結経路２３、気液分離器Ｃへの連結経路２４、及びこの蒸発器との連結経路２５が連結されている。また冷媒経路の所定の位置には、冷媒の流れを遮断する電磁弁が設けてある。なお、これらの電磁弁は、次の作用の説明で順次言及する。

次に、図２〜図９を参照しつつ、本発明による蒸気圧縮式ヒートポンプの作用について説明する。さて図２は、本発明による蒸気圧縮式ヒートポンプによって、暖房及び蓄熱サイクルの双方を行う場合の、冷媒の循環経路を示している。すなわち圧縮機１によって高圧に圧縮された冷媒ガスは、連結経路２１を経由して四方弁２に流入し、この四方弁から連結経路２３を経由して、屋内に設けた凝縮器３に流入する。なお連結経路２１と蒸発器５とを連結する連結通路２２は、この連結通路に設けた電磁弁Ｖ２２によって、遮断されている。

凝縮器３に流入した高圧の冷媒ガスは、室内の空気に熱量Ｑ_１１を放熱して凝縮し、第２の迂回経路７１を経由して、第１の熱交換器６１に流入する。なおこの場合には、第２の膨張弁７に冷媒が流れないように、その上流側に設けた電磁弁Ｖ７が閉じており、また第３のバイパス経路１０へも、逆止弁１１によって冷媒は流れない。第１の熱交換器６１を通過する冷媒は、第３の熱交換器６３を流れる蓄熱剤である液体に熱量Ｑ_１２を放熱して、過冷却される。そして蓄熱剤である液体は、ポンプＡによって第３の熱交換器６３と蓄熱槽Ｂとの間を循環し、この蓄熱槽内の液体の温度が上昇して蓄熱される。

第３の熱交換器６３で、蓄熱剤に熱量Ｑ_１２を放熱して過冷却された液冷媒は、第１の膨張弁４に流入して減圧され、低温の気液混合状態の冷媒になる。なおこの場合は、膨張弁４の流入経路に設けた電磁弁Ｖ４は開通されているが、第１の迂回経路４１と、第１のパイパス経路８と、第２のバイパス経路９とは、それぞれ電磁弁Ｖ４１，Ｖ８，Ｖ９によって、冷媒経路が遮断されている。また第３のパイパス経路１０は、逆止弁１１にかかる背圧が高いので、冷媒が流れない。そして第１の膨張弁４から流出した低温の気液混合状態の冷媒は、屋外に設けた蒸発器５に流入して、この蒸発器において外気から熱量Ｑ_２１，Ｑ_２２を吸熱して気化する。なお蒸発器５に流出入する冷媒の温度差は、１〜４℃に保持されるように制御される。

ガス状態に気化して蒸発器５から流出した冷媒は、連結経路２５を経由して四方弁２に流入し、次いでこの四方弁から気液分離器Ｃに流入する。なおこの場合には、連結経路２５に設けた電磁弁Ｖ２５は、開通されている。そして気液分離器Ｃを経由して、冷媒ガスだけが圧縮機１に吸引される。

次に図３を参照しつつ、上述したサイクルにおける冷媒の状態の変化を説明する。なお図３は、いわゆるＰ−ｈ線図であって、冷媒圧力Ｐを縦軸、冷媒のエンタルピーｈを横軸として、冷媒の飽和液線と飽和蒸気線とを示している。さて冷媒は、圧縮機１において駆動仕事Ｗにより圧縮され、点１から高圧のガス状態の点２まで昇温する。次いで昇温した冷媒ガスは、凝縮器３において等圧の状態で、屋内の空気に放熱して凝縮し、ほぼ飽和液線上にある点３の状態になる。なお凝縮器３から放熱される熱量Ｑ_１１によって、屋内の空気が暖房される。

次いでほぼ飽和液線上にある液冷媒は、第１の熱交換器６１において、第３の熱交換器６３内を循環する蓄熱剤である液体と、熱交換して残余熱量Ｑ_１２を放熱し、点５の過冷却状態まで冷却される。この残余熱量Ｑ_１２は、蓄熱槽Ｂ内の液体を加熱して蓄熱される。過冷却状態となった液冷媒は、第１の膨張弁４によって、減圧膨張し、点６の低温の気液混合状態の冷媒になる。そして低温の気液混合状態の冷媒のうち液冷媒は、蒸発器５において、外気から熱量Ｑ_２２、Ｑ_２１を吸熱して、ほぼ飽和蒸気線上の点１まで気化する。

すなわち従来のサイクルでは、凝縮器３において熱量Ｑ_１１を放熱した冷媒は、そのまま膨張弁４によって、点３から点４に膨張させているが、本発明では上述したように、この凝縮器から放熱される熱量Ｑ_１１を暖房に利用した後、同時に冷媒に残存する残余熱量Ｑ_１２を、更に蓄熱剤と熱交換させて蓄熱する。

次に図４〜図５を参照しつつ、上述した蓄熱によって温度が上昇した液体を吸熱源として、暖房を行うサイクルを説明する。図４に示すように、圧縮機１から流出する高圧の冷媒ガスは、連結経路２１、四方弁２、および連結経路２３を経由して、凝縮器３に流入し、熱量Ｑ_１を屋内に放熱する。すなわち図５のＰ−ｈ線図に示すように、冷媒は、点１から点２を経由して点３の状態に変化する。そして凝縮器３から流出した冷媒は、第２の膨張弁７で減圧されて、低温の気液混合状態の流体になる。すなわち図５に示すように、冷媒は、点３から点４まで減圧膨張する。なおこの場合は、電磁弁Ｖ７は、開通状態になって冷媒を第２の膨張弁７に導入し、一方第２の迂回経路７１は、電磁弁Ｖ７１によって遮断されている。

第２の膨張弁７から流出した低温の気液混合状態の冷媒は、第１の熱交換器６１に流入し、第３の熱交換器６３を循環する蓄熱剤である液体から吸熱して蒸発する。すなわち図５に示すように、冷媒は、気液混合状態の点４からほぼ飽和蒸気線上の点１まで変化する。ここで第１の熱交換器６１では、上述した暖房及び蓄熱サイクルにおいて蓄熱された、外気温度よりはるかに高い温度の液体を吸熱源とすること、および液体は、外気より熱伝導性が良いことによって、冷媒を短期間にかつ多量に蒸発させることができる。そして第１の熱交換器６１から流出した冷媒は、第１のバイパス経路８を経由して、気液分離器Ｃに流入し、ガス冷媒が圧縮機１に吸引される。なおこの場合は、蒸発器５の上流に位置する電磁弁Ｖ４，Ｖ４１が遮断されているため、第１の熱交換器６１から流出した冷媒は、この蒸発器に流入することはない。

以上の暖房サイクルにおいては、第１の熱交換器６１において、蓄熱槽Ｂに蓄熱した温度の高い液体を吸熱源にすることによって、冷媒の蒸発圧力が上昇する。このため冬季においても、圧縮機１に流入するガス冷媒の質量は低下せず、暖房能力の低下を防止することができる。また吸熱熱源の温度が高いため、圧縮機１の圧縮比を小さくすることができるので、暖房効率ＣＯＰが向上する。

したがって、図２〜図３に示した暖房及び蓄熱サイクルにおいて、凝縮器３からの放熱によって暖房すると同時に、従来は通常利用していなかったこの凝縮器３を流出する冷媒の残余熱を蓄熱しておき、次いで図４〜図５に示した暖房サイクルにおいて、蓄熱された高温の液体を吸熱源として暖房することを、交互に行うことによって、冬季の暖房能力を大幅に向上させることができる。なおこの暖房及び蓄熱サイクルと、暖房サイクルとを交互に行う時間は、蓄熱槽Ｂの容量等によって異なるが、５〜１５分程度が適切である。

ところで図２〜図３に示す暖房及び蓄熱サイクルでは、屋外等に置いた蒸発器５において外気から吸熱する。したがって冬季等の外気温度が低い場合には、蒸発器５に着霜する場合がある。蒸発器５に着霜すると、上述したように、この蒸発器における熱交換率が大幅に低下して、暖房能力が低下してしまう。このため着霜を取り除く除霜操作が必要になる。図６〜図７を参照しつつ、本発明による蒸気圧縮式ヒートポンプにおける除霜サイクルを説明する。

図６に示すように、圧縮機１から流出する高圧の冷媒ガスは、連結経路２１を経由して、四方弁２と連結経路２２とに分岐する。なお連結経路２２に設けた電磁弁Ｖ２２は開通してある。なお電磁弁Ｖ２２は、流量調整機能を有している。四方弁２に流入した冷媒は、連結通路２３を経由して、凝縮器３に流入し、熱量Ｑ_１１を屋内に放熱して凝縮する。すなわち図７のＰ−ｈ線図に示すように、冷媒は、点１から点２を経由して点３の状態に変化する。そして凝縮器３から流出した冷媒は、第２の膨張弁７で減圧されて、低温の気液混合状態の冷媒になる。すなわち図７に示すように、冷媒は、点３から点４まで減圧膨張する。なおこの場合は、電磁弁Ｖ７は、開通状態になっており、冷媒は第２の膨張弁７に流入する。一方第２の迂回経路７１は、電磁弁Ｖ７１によって遮断されている。

第２の膨張弁７から減圧して流出した冷媒は、第１の熱交換器６１に流入し、第３の熱交換器６３を循環する蓄熱剤である液体から熱量Ｑ_２１を吸熱して気化する。すなわち図７に示すように、冷媒は、減圧後の気液混合状態の点４からほぼ飽和蒸気線上の点１まで状態変化する。ここで第１の熱交換器６１では、上述した暖房及び蓄熱サイクルにおいて蓄熱した、外気温度よりはるかに高温度の液体から吸熱するため、多量の冷媒を蒸発させることができる。そして第１の熱交換器６１から流出した冷媒は、第１のバイパス経路８を経由して、気液分離器Ｃに流入し、ガス冷媒が圧縮機１に吸引される。なおこの場合は、第１の膨張弁４の上流側に設けた電磁弁Ｖ４と、第１の迂回経路４１に設けた電磁弁Ｖ４１とが遮断されているため、第１の熱交換器６１から流出した冷媒は、蒸発器５に流入することはない。また第１のバイパス経路８に設けた電磁弁Ｖ８は、開通されている。

さて分岐した他方の冷媒は、連結経路２２を介して、屋外に設けた蒸発器５に流入し、この蒸発器で熱量Ｑ_１２を放熱して凝縮し、この熱量Ｑ_１２によって付着した霜を融解する。ここで蒸発器５に流入する冷媒は、圧縮機１で圧縮された高温高圧のガス冷媒であるため、迅速かつ確実に除霜することができる。なお図７に示すように、この間において、冷媒は、点１から点２を経由して点３までの状態に変化する。そして蒸発器５で凝縮した冷媒は、第２のバイパス経路９に流入し、開通されている電磁弁Ｖ９を経由して第３の膨張弁９１で減圧され、低温の冷媒となる。すなわち図７に示すように、冷媒は、点３から点４まで減圧膨張する。

次に第３の膨張弁９１を流出し、低温となった気液混合状態の冷媒は、第２の熱交換器６２に流入して、第３の熱交換器６３を循環する蓄熱剤である液体から熱量Ｑ_２２を吸熱して蒸発し、上述した第１のバイパス経路８に流入する一方の分岐冷媒と合流する。なお熱交換器６２を循環する冷媒は、外気温度よりはるかに高温度の蓄熱液体から吸熱するため、多量の冷媒を短期間に蒸発させることができる。

このように除霜サイクルでは、凝縮器３で放熱して凝縮した冷媒の残余熱を利用して蓄熱した、外気より高温度の蓄熱液体から吸熱するため、高い暖房能力を発揮することができると共に、圧縮機１から流出する高温高圧の分流冷媒ガスによって、蒸発器５に付着した霜を溶かすことができる。このため室内等を効果的に暖房できると同時に、迅速かつ確実に除霜することができる。なお蒸発器５に設けた送風ファン５１の空気吸込み側と吐出側とには、ダンパーが設けてあり、この除霜運転と同期させてこのダンパーを閉じ、外気の導入を遮断する。したがって蒸発器５から外気への放熱量が減少するため、除霜時間を短縮することができる。

最後に図８〜図９を参照しつつ、本発明による蒸気圧縮式ヒートポンプによる冷房サイクルを説明する。この冷房サイクルでは、冷媒の循環を暖房時とは逆にして、屋外等に設けた蒸発器５を凝縮器として機能させることよって外気に放熱し、屋内等に設けた凝縮器３を蒸発器として機能させることよって屋内等の空気から吸熱して、屋内等を冷房する。すなわち圧縮機１から吐出する高圧冷媒ガスは、連結経路２1を介して四方弁２に流入し、次いで連結経路２５を介して蒸発器５に流入して、この蒸発器において外気に熱量Ｑ_１を放熱して凝縮する。なおこの場合には、電磁弁Ｖ２５は開通し、電磁弁Ｖ２２は遮断してある。

蒸発器５で凝縮した冷媒は、第１の迂回経路４１と、第３のバイパス経路１０とを経由して、第４の膨張弁１２に流入し、ここで減圧膨張して、低温の気液混合状態の冷媒になる。そして逆止弁１１を経由して、屋内等に設けた凝縮器３に流入する。なおこの場合は、第１の迂回経路４１に設けた電磁弁Ｖ４１は開通し、第１及び第２のバイパス経路８，９に設けた電磁弁Ｖ８，Ｖ９は遮断してある。そして凝縮器３において、低温の気液混合状態の冷媒は、室内等の空気から熱量Ｑ_２を吸熱して蒸発する。次いで冷媒ガスは、連結経路２３を介して四方弁２に流入し、連結経路２４と気液分離器Ｃとを経由して圧縮機１に戻る。この冷房サイクルは、図９に示すように、冷媒が点１、点２、点３、点４、及び点１の順に循環するものであって、凝縮器３において熱量Ｑ_２を吸熱して、室内を冷房する。

なお冷媒の経路に設けた電磁弁Ｖ２２等の開閉や、四方弁２の切り替えは、上述した暖房及び蓄熱サイクル、暖房サイクル、除霜サイクル、および冷房サイクルの選択スイッチ等と連動して、適正に作動するようにしてある。また暖房及び蓄熱サイクルと、暖房サイクルとの交互切り替えは、蓄熱槽Ｂ内の蓄熱剤である液体の温度や、蒸発器５の表面温度、あるいは送風ファン５１による通過風量等によって、自動的に切り替わる。さらに除霜サイクルは、送風ファン５１の吸込み圧力等によって、自動的に切り替を行うようにしてある。

本発明による蒸気圧縮式ヒートポンプは、特に冬季において、冷媒の残余熱を蓄熱することによって、暖房や加熱能力を効果的に高めると共に、省エネルギー化にも効果があり、さらに簡単な構造かつ低コストで製造できるため、各種の工場、オフィス、病院、あるいは家庭等の暖房等に使用できる。したがって暖房や加熱システム、及び熱交換器等の構成部品に関わる産業において、広く利用することができる。

蒸気圧縮式ヒートポンプの概略構成図である。暖房及び蓄熱サイクル時の概略構成図である。暖房及び蓄熱サイクル時のＰ−ｈ線図である。暖房サイクル時の概略構成図である。暖房サイクル時のＰ−ｈ線図である。除霜サイクル時の概略構成図である。除霜サイクル時のＰ−ｈ線図である。冷房サイクル時の概略構成図である。冷房サイクル時のＰ−ｈ線図である。従来例による暖房サイクル時の概略構成図である。従来例による暖房サイクル時のＰ−ｈ線図である。

符号の説明

１圧縮機
２四方弁
３凝縮器
４第１の膨張弁（第１の減圧手段）
４１第１の迂回経路（第１のバイパス手段）
５蒸発器
６１第１の熱交換器
６２第２の熱交換器
６３第３の熱交換器
７第２の膨張弁（第２の減圧手段）
７１第２の迂回経路（第２のバイパス手段）
８第１のバイパス経路
９第２のバイパス経路
９１第３の膨張弁（第３の減圧手段）
１０第３のバイパス経路
１１逆止弁
１２第４の膨張弁（第４の減圧手段）
Ａポンプ
Ｂ蓄熱槽
Ｃ気液分離器

Claims

圧縮機(1)、四方弁(2)、凝縮器(3)、第１のバイパス手段(41)を有する第１の減圧手段(4)、蒸発器(5)およびこれらを通過する冷媒を有し、
上記凝縮器(3)と第１の減圧手段(4)との間の冷媒経路には、上記冷媒と蓄熱剤との間で熱交換する第１の熱交換器(61)を備え、
上記凝縮器(3)と第１の熱交換器(61)との間の冷媒経路には、第２のバイパス手段(71)を有する第２の減圧手段(7)を備え、
上記第１の熱交換器(61)と第１の減圧手段(4)との間の冷媒経路には、上記圧縮機(1)への第１のバイパス経路(8)が設けてあり、
暖房及び蓄熱サイクルと、暖房サイクルとを交互に行うものであって、
上記暖房及び蓄熱サイクルでは、上記圧縮機(1)から流出した冷媒は、上記四方弁(2)、凝縮器(3)、第２のバイパス手段(71)、第１の熱交換器(61)、第１の減圧手段(4)、蒸発器(5)、四方弁(2)、及び圧縮機(1)をこの順序で循環することによって、蒸発器(5)において吸熱し、凝縮器(3)において放熱し、および第１の熱交換器(61)において上記蓄熱剤に放熱し、
上記暖房サイクルでは、上記圧縮機(1)から流出した冷媒は、上記四方弁(2)、凝縮器(3)、第２の減圧手段(7)、第１の熱交換器(61)、第１のバイパス経路(8)、及び圧縮機(1)をこの順序で循環することによって、第１の熱交換器(61)において上記蓄熱剤から吸熱し、凝縮器(3)において放熱する
ことを特徴とする蒸気圧縮式ヒートポンプ。
請求項１において、上記第１の減圧手段(4)と蒸発器(5)との間の冷媒経路には、上記第１の熱交換器(61)の出口経路に至る第２のバイパス経路(9)を有し、
上記第２のバイパス経路(9)には、第３の減圧手段(91)と第２の熱交換器(62)とが設けてあり、
上記圧縮機(1)から流出した冷媒は、２経路に分流し、
一方の上記分流は、上記四方弁(2)、凝縮器(3)、第２の減圧手段(7)、第１の熱交換器(61)、第１のバイパス経路(8)、及び圧縮機(1)をこの順序で循環することによって、第１の熱交換器(61)において上記蓄熱剤から吸熱し、凝縮器(3)において放熱し、
他方の上記分流は、上記蒸発器(5)、第２のバイパス経路(9)に設けた第３の減圧手段(91)及び第２の熱交換器(62)、第１のバイパス経路(8)、並びに圧縮機(1)をこの順序で循環することによって、第２の熱交換器(62)において上記蓄熱剤から吸熱し、蒸発器(5)において放熱して除霜を行う
ことを特徴とする蒸気圧縮式ヒートポンプ。
請求項１または２のいずれかにおいて、上記第１の減圧手段(4)と第１の熱交換器(61)との間の冷媒経路には、上記凝縮器(3)と第２の減圧手段(7)との間の冷媒経路に至る第３のバイパス経路(10)を有し、
上記第３のバイパス経路(10)は、第４の減圧手段(12)と逆止弁(11)とを備え、
上記圧縮機(1)から流出した冷媒は、上記四方弁(2)、蒸発器(5)、第１のバイパス手段(41)、第３のバイパス経路(10)に設けた第４の減圧手段(12)及び逆止弁(11)、凝縮器(3)、四方弁(2)、並びに圧縮機(1)をこの順序で循環することによって、蒸発器(5)で放熱し、凝縮器(3)において吸熱する
ことを特徴とする蒸気圧縮式ヒートポンプ。