JP2007232296A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機潤滑油と膨張機潤滑油の温度を適正に保ち、膨張機での回収動力を高めることにより、ＣＯＰを向上させたヒートポンプ装置を提供すること。
【解決手段】圧縮機３１、放熱器３２、膨張機３３、蒸発器３４を順次接続して冷媒回路を構成し、前記膨張機３３のシェル内に貯留され、前記膨張機３３のメカ部を潤滑する膨張機潤滑油４５を、前記膨張機３３の吸入側より流入させることを特徴とするヒートポンプ装置で、膨張機３３のメカ部に冷媒と共に直接潤滑油を供給することができるので、メカ部の摺動損失やすきまからの冷媒漏れ等が減少し、好適な性能を保つことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、動力を回収する膨張機構を備えたヒートポンプ装置に関する。

従来、減圧装置の代わりに膨張機構を設けて、膨張時の圧力エネルギーを動力として回収し、ＣＯＰを向上させる冷凍サイクル装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１６５５１３号公報

上記、従来技術では、圧縮機のメカ部を潤滑するための圧縮機潤滑油や、膨張機のメカ部を潤滑するための膨張機潤滑油に対しては、特に何も記述されておらず、特に、膨張機潤滑油の温度が上昇してきた場合に、膨張機での回収動力が低下し、ヒートポンプ装置の性能が低下するというような課題が生じていた。

上記課題を解決するために本発明は、圧縮機潤滑油と膨張機潤滑油の温度を適正に保ち、膨張機での回収動力を高めることにより、ＣＯＰを向上させたヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ装置は、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器を順次接続して冷媒回路を構成し、前記膨張機のシェル内に貯留され、前記膨張機のメカ部を潤滑する膨張機潤滑油を、前記膨張機の吸入側より流入させることを特徴とするヒートポンプ装置で、膨張機のメカ部に冷媒と共に直接潤滑油を供給することができるので、メカ部の摺動損失やすきまからの冷媒漏れ等が減少し、好適な性能を保つことができる。

本発明によれば、圧縮機潤滑油と膨張機潤滑油の温度を適正に保ち、膨張機での回収動力を高めることにより、ＣＯＰを向上させたヒートポンプ装置を提供できる。

第１の発明は、圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器を順次接続して冷媒回路を構成し、前記膨張機のシェル内に貯留され、前記膨張機のメカ部を潤滑する膨張機潤滑油を、前記膨張機の吸入側より流入させることにより、膨張機のメカ部を確実に潤滑して、摺動損失やすきまからの冷媒漏れ等に対し、好適な性能を保持できるので、膨張機の効率が向上し、ヒートポンプ装置の性能が向上する。

第２の発明は、特に、第１の発明の膨張機潤滑油を冷却する補助熱交換器を設けたことにより、膨張機のメカ部の潤滑に供する潤滑油の温度を低く保つので、膨張機で膨張する冷媒に与える熱量が減少して、膨張機で回収する動力が向上し、ヒートポンプ装置の性能が向上する。また、補助熱交換器を設けたので、潤滑油を冷却するための熱交換効率が良くなり、膨張機潤滑油の温度を容易に制御することができる。

第３の発明は、特に、第２の発明の補助熱交換器の冷却熱源として、放熱器と膨張機の間を流れる高圧冷媒としたので、潤滑油を簡単に冷却することができると共に、放熱器を
出た冷媒の温度を上昇させることができるので、膨張機で回収する動力が向上し、ヒートポンプ装置の性能が向上する。

第４の発明は、特に、第２の発明の補助熱交換器の冷却熱源として、蒸発器と圧縮機の間の低圧冷媒としたので、膨張機潤滑油を簡単に冷却することができると共に、圧縮機の吸入ガス温度が上昇して吐出ガス温度が上昇するので、放熱器での熱交換効率が向上し、加熱能力が向上する。

第５の発明は、特に、第２の発明の補助熱交換器の冷却熱源として、放熱器の放熱源としたので、潤滑油を簡単に冷却することができ、膨張機のメカ部を潤滑する潤滑油の温度を適正にすることができ、膨張機の効率が向上してヒートポンプ装置の性能が向上する。

第６の発明は、特に、第５の発明の放熱器の放熱源は、給湯用に供する水道水としたので、潤滑油を簡単に冷却することができるので、膨張機のメカ部を潤滑する潤滑油の温度を適正にすることができ、膨張機の効率が向上してヒートポンプ装置の性能が向上する。また、放熱器に流入する水温を上昇させることができるので、加熱能力が向上する。

第７の発明は、特に、第２〜第６のいずれかの発明の補助熱交換器を、膨張機の内部に設けたることにより、潤滑油全体を確実に冷却して、膨張機の潤滑油の温度を適正にすることができるので、膨張機の効率が向上してヒートポンプ装置の性能が向上する。また、補助熱交換器を膨張機の外部に設置する必要がないため補助熱交換器設置のためのスペースが削減でき、ヒートポンプ装置を小型化できる。

第８の発明は、特に、第１〜第７のいずれかの発明の圧縮機のシェル内の圧力と膨張機のシェル内の圧力とが、前記圧縮機の吐出圧力に略等しいもので、潤滑油が圧縮機や膨張機の片方に多く偏るようなことはなく潤滑油を確保でき、信頼性が向上すると共に、膨張機の潤滑油の温度を適正にすることができるので、膨張機の効率が向上してヒートポンプ装置の性能が向上する。

第９の発明は、特に、第１〜第８のいずれかの発明の冷媒回路を循環する冷媒が、炭酸ガスとしたので、給湯水の高温化を高効率で実現すると共に、冷媒が外部に漏れた場合にも、地球温暖化への影響は非常に少なくなる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

なお、各実施の形態において、同じ構成、同じ動作をする部分については同一符号を付与し、詳細な説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ装置の構成図を示すものである。

図１において、圧縮機３１、放熱器３２、膨張機３３、蒸発器３４を順に環状に接続し、冷媒として炭酸ガスを封入して冷媒循環回路を形成し、蒸発器３４は外気を送風するためのファン３５を備えている。

圧縮機３１は低圧の冷媒ガスを圧縮し、高圧のガスとして吐出する役目をなすのに対し、膨張機３３は、高圧冷媒のエネルギーを回転駆動メカ（たとえば、圧縮機と同様のスクロールメカ機構など）により動力回収し、圧縮機の駆動力の一部として利用するもので、
エネルギーを回収された後の冷媒は、低温低圧の状態となる。

また、貯湯槽３６、循環ポンプ３７、放熱器３２を順に接続した給湯回路を形成しており、圧縮機３１より吐出された高温高圧の過熱ガス冷媒は放熱器３２に流入し、ここで循環ポンプ３７から送られてきた給湯水を加熱するようになっている。

圧縮機３１は、内部にメカ部３８とモータ３９が組み込まれ、その内部空間４０の下部には圧縮機潤滑油４１が貯留され、ポンプ機構(図示せず)等により、メカ部３８の摺動部を潤滑する。

一方、膨張機３３は、内部にメカ部４２と発電機４３が組み込まれ、その内部空間４４の下部には膨張機潤滑油４５が貯留され、ポンプ機構(図示せず)等により、メカ部４２の摺動部を潤滑する。

圧縮機３１と膨張機３３は、圧縮機潤滑油４１と膨張機潤滑油４５の油量が不均一にならないように、上部に各々の空間４０と４４が連通して冷媒ガスが通過できる配管４６と、下部に油が通過できる配管４７で接続されている。

また、放熱器３２を出た比較的温度の低い冷媒と膨張機潤滑油４５が補助熱交換器４８で間接的に熱交換され、冷却された膨張機潤滑油４５は、絞り装置４９を介して膨張機３３の吸入側に導入され、ここで冷媒と混合して膨張機３３のメカ部４２に吸引される。

さらに、膨張機３３の発電機で発電された電力は電力線５０を通って電力回収装置５１で回収され、電力線５２を通って圧縮機３１のモータ３９の駆動用電力の一部として供するように構成されている。

以上のように構成されたヒートポンプ装置について、以下に、その動作、作用を説明する。

圧縮機３１で高温高圧の超臨界状態に圧縮された冷媒（炭酸ガス）は、放熱器３２で給湯回路を流れる水と熱交換し、自らは比較的低温で高圧の冷媒となり、補助熱交換器４８に流入し、ここで膨張機潤滑油４５と間接的に熱交換して膨張機潤滑油４５を冷却し、自らはやや温度が上昇して膨張機３３に流入する。

ここにおいては、放熱器３２を出た高圧冷媒は膨張機３３のメカ部４２を回転させ、駆動軸が一体となっている発電機４３を回転させて電力を発生させ電力線５０を通って電力回収装置５１で回収され、電力線５２を通って圧縮機３１のモータ３９の駆動用電力の一部として供する。

膨張機３３に流入する高圧の冷媒温度がやや上昇することにより、高圧から低圧まで断熱膨張する際の冷媒(炭酸ガス)の比エンタルピー差が増加するため、膨張機３３での回収動力を増加させることができるため、圧縮機３１のモータ３９の駆動用電力として供給できる電力量が増加する。

一方、補助熱交換器４８で冷却された膨張機潤滑油４５は、絞り装置４９を通って膨張機３３のメカ部４２に冷媒と共に吸引される。ここで、冷媒の温度は、先に説明した通りやや上昇するが、メカ部４２に流入する膨張機潤滑油４５は冷却されているため、メカ部の摺動損失やすきまからの冷媒漏れ等が減少し、好適な性能を保つことができる。

一方、膨張機３３を出て減圧された低温低圧の冷媒は、蒸発器３４に流入し、ここでフ
ァン３５により送風された外気と熱交換して蒸発ガス化する。また、循環ポンプ３７で貯湯槽３６の下部より放熱器３２に送られた給湯水は加熱され、高温の湯となって貯湯槽３６の上部に貯湯されていく。

圧縮機３１と膨張機３３は、上部に各々の空間４０と４４が連通して冷媒ガスが通過できる配管４６と、下部に油が通過できる配管４７で接続されているので、両者の空間４０と４４の圧力はほぼ等しいため、圧縮機潤滑油４１と膨張機潤滑油の油面もほぼ均一となり、一方に油量が偏ってメカ部３８や４２の潤滑が不十分になるようなことはない。

したがって、膨張機３３の動力回収電力が電力線４８を通して電力回収装置４９で回収され、電力線５０を通って圧縮機３１のモータ３９の駆動用電力の一部として供するので、ヒートポンプ装置の性能が向上するものである。

ここにおいて、圧縮機３１の空間４０と膨張機３３の空間４４の圧力は、圧縮機３１の吐出圧力にすることが望ましいが、両空間とも圧縮機３１の吸入圧力にしたり、あるいは、吐出圧力と吸入圧力の中間の圧力としても良く、これらも本発明に含まれる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態におけるヒートポンプ装置の構成図を示すものである。

図２において、実施の形態１で示した図１と同様の構成で同様の機能を有する部品については同一の番号を付してあり、説明は省略する。

本実施の形態においては、放熱器３２の出口冷媒と膨張機潤滑油４５を間接的に熱交換する補助熱交換器７０を膨張機潤滑油４５内に設けており、放熱器３１を出た比較的低温の冷媒が膨張機潤滑油４５より熱を奪い冷却するようにしている。

また、冷却された膨張機潤滑油４５の一部は、絞り装置７１を通って膨張機３３の吸入側に導入され、ここで冷媒と混合して膨張機３３のメカ部４２に吸引される。

以上のように構成されたヒートポンプ装置について、以下その動作、作用を説明する。

圧縮機３１で高温高圧の超臨界状態に圧縮された冷媒（炭酸ガス）は、放熱器３２で給湯回路を流れる水と熱交換し、自らは比較的低温で高圧の冷媒となり、補助熱交換器７０に流入し、ここで膨張機潤滑油４５と膨張機３３の空間４４内で間接的に熱交換して膨張機潤滑油４５を冷却し、自らはやや温度が上昇して膨張機３３に流入する。

一方、補助熱交換器７０で冷却された膨張機潤滑油４５は、絞り装置７１を通って膨張機３３のメカ部４２に冷媒と共に吸引される。ここで、冷媒の温度は、先に説明した通りやや上昇するが、メカ部４２に流入する膨張機潤滑油４５は冷却されているため、メカ部の摺動損失やすきまからの冷媒漏れ等が減少し、好適な性能を保つことができる。

さらに、空間４４の温度も低くなるため、膨張機３３のメカ部４２で膨張する冷媒に与える熱量が減少し、膨張機で回収する動力が増加する。ここにおいては、放熱器３２を出た高圧冷媒は膨張機３３のメカ部４２を回転させ、駆動軸が一体となっている発電機４３を回転させて電力を発生させ電力線５０を通って電力回収装置５１で回収され、電力線５２を通って圧縮機３１のモータ３９の駆動用電力の一部として供する。

膨張機３３に流入する高圧の冷媒温度がやや上昇することにより、高圧から低圧まで断
熱膨張する際の冷媒(炭酸ガス)の比エンタルピー差が増加するため、膨張機３３での回収動力を増加させることができるため、圧縮機３１のモータ３９の駆動用電力として供給できる電力量が増加する。

一方、膨張機３３を出て減圧された低温低圧の冷媒は、蒸発器３４に流入し、ここでファン３５により送風された外気と熱交換して蒸発ガス化する。また、循環ポンプ３７で貯湯槽３６の下部より放熱器３２に送られた給湯水は加熱され、高温の湯となって貯湯槽３６の上部に貯湯されていく。

圧縮機３１と膨張機３３は、上部に各々の空間４０と４４が連通して冷媒ガスが通過できる配管４６と、下部に油が通過できる配管４７で接続されているので、両者の空間４０と４４の圧力はほぼ等しいため、圧縮機潤滑油４１と膨張機潤滑油の油面もほぼ均一となり、一方に油量が偏ってメカ部３８や４２の潤滑が不十分になるようなことはない。

したがって、膨張機３３の動力回収電力が電力線４８を通して電力回収装置４９で回収され、電力線５０を通って圧縮機３１のモータ３９の駆動用電力の一部として供するので、ヒートポンプ装置の性能が向上するものである。

ここにおいて、圧縮機３１の空間４０と膨張機３３の空間４４の圧力は、圧縮機３１の吐出圧力にすることが望ましいが、両空間とも圧縮機３１の吸入圧力にしたり、あるいは、吐出圧力と吸入圧力の中間の圧力としても良く、これらも本発明に含まれる。

（実施の形態３）
図３は、本発明の第３の実施の形態におけるヒートポンプ装置の構成図を示すものである。

図３において、実施の形態１で示した図１と同様の構成で同様の機能を有する部品については同一の番号を付してあり、説明は省略する。

本実施の形態においては、水ポンプ３７を出て放熱器３２に流入するまでの水と膨張機潤滑油４５を間接的に熱交換する補助熱交換器８０を設けており、水ポンプ３７を出た低温の水が膨張機潤滑油４５より熱を奪い冷却するようにしている。

また、冷却された膨張機潤滑油４５の一部は、絞り装置８１を通って膨張機３３の吸入側に導入され、ここで冷媒と混合して膨張機３３のメカ部４２に吸引される。

以上のように構成されたヒートポンプ装置について、以下その動作、作用を説明する。

圧縮機３１で高温高圧の超臨界状態に圧縮された冷媒（炭酸ガス）は、放熱器３２で給湯回路を流れる水と熱交換し、自らは中温高圧の冷媒となり、膨張機３３に流入する。
一方、補助熱交換器８０で冷却された膨張機潤滑油４５は、絞り装置８１を通って膨張機３３のメカ部４２に冷媒と共に吸引される。

ここで、メカ部４２に流入する膨張機潤滑油４５は冷却されるため、メカ部の摺動損失やすきまからの冷媒漏れ等が減少し、好適な性能を保つことができる。

ここにおいては、放熱器３２を出た高圧冷媒は膨張機３３のメカ部４２を回転させ、駆動軸が一体となっている発電機４３を回転させて電力を発生させ電力線５０を通って電力回収装置５１で回収され、電力線５２を通って圧縮機３１のモータ３９の駆動用電力の一部として供する。

一方、水ポンプ３７より送られた低温の水は、膨張機潤滑油４５と間接的に熱交換して膨張機潤滑油４５を冷却し、自らはやや温度が上昇して放熱器３２に流入して給湯タンク３６に貯湯されて給湯に供される。

したがって、膨張機３３の動力回収電力が電力線４８を通して電力回収装置４９で回収され、電力線５０を通って圧縮機３１のモータ３９の駆動用電力の一部として供するので、ヒートポンプ装置の性能が向上するものである。

さらにまた、放熱器３２に流入する水の温度がやや上昇することにより、給湯能力が増加するため、ヒートポンプ装置の性能が向上する。

ここにおいて、圧縮機３１の空間４０と膨張機３３の空間４４の圧力は、圧縮機３１の吐出圧力にすることが望ましいが、両空間とも圧縮機３１の吸入圧力にしたり、あるいは、吐出圧力と吸入圧力の中間の圧力としてもよく、これらも本発明に含まれる。

また、補助熱交換器８０は膨張機潤滑油４５の外部に設けた例を示したが、補助熱交換器８０が膨張機３３の内部で膨張機潤滑油４５と熱交換させてもよく、これらも本発明に含まれる。

（実施の形態４）
図４は、本発明の第４の実施の形態におけるヒートポンプ装置の構成図を示すものである。

図４において、実施の形態１で示した図１と同様の構成で同様の機能を有する部品については同一の番号を付してあり、説明は省略する。

本実施の形態においては、蒸発器３４の出口冷媒と膨張機潤滑油４５を間接的に熱交換する補助熱交換器９０を設けており、蒸発器３４を出た低温の冷媒が膨張機潤滑油４５より熱を奪い冷却するようにしている。

また、冷却された膨張機潤滑油４５の一部は、絞り装置９１を通って膨張機３３の吸入側に導入され、ここで冷媒と混合して膨張機３３のメカ部４２に吸引される。

以上のように構成されたヒートポンプ装置について、以下その動作、作用を説明する。

圧縮機３１で高温高圧の超臨界状態に圧縮された冷媒（炭酸ガス）は、放熱器３２で給湯回路を流れる水と熱交換し、自らは中温高圧の冷媒となり、膨張機３３に流入する。
一方、補助熱交換器９０で冷却された膨張機潤滑油４５は、絞り装置９１を通って膨張機３３のメカ部４２に冷媒と共に吸引される。

ここで、メカ部４２に流入する膨張機潤滑油４５は冷却されるため、メカ部の摺動損失やすきまからの冷媒漏れ等が減少し、好適な性能を保つことができる。
ここにおいては、放熱器３２を出た高圧冷媒は膨張機３３のメカ部４２を回転させ、駆動軸が一体となっている発電機４３を回転させて電力を発生させ電力線４８を通って電力回収装置４９で回収され、電力線５０を通って圧縮機３１のモータ３９の駆動用電力の一部として供する。

一方、膨張機３３を出た低温低圧の冷媒は、補助熱交換器９０において膨張機潤滑油４５と間接的に熱交換して膨張機潤滑油４５を冷却し、自らは温度が上昇して圧縮機３１に
吸入される。

ここにおいて、膨張機潤滑油４５は補助熱交換器９０で低温の冷媒と熱交換して冷却されるため、温度が低下するので、膨張機潤滑油４５の粘度が上がり、粘性抵抗が増加するので、冷媒漏れが少なくなり、膨張機３３の性能が向上する。

また、補助熱交換器９０で逆に加熱され、圧縮機３３に吸引される冷媒は、温度が上昇するため、圧縮機３３の吐出ガス温度も上昇させることができるので、
給湯能力を増加させる効果があり、ヒートポンプ装置の性能が向上する。

したがって、膨張機３３の動力回収電力が電力線５０を通して電力回収装置５１で回収され、電力線５２を通って圧縮機３１のモータ３９の駆動用電力の一部として供するので、ヒートポンプ装置の性能が向上するものである。

ここにおいて、圧縮機３１の空間４０と膨張機３３の空間４４の圧力は、圧縮機３１の吐出圧力にすることが望ましいが、両空間とも圧縮機３１の吸入圧力にしたり、あるいは、吐出圧力と吸入圧力の中間の圧力としてもよく、これらも本発明に含まれる。
また、補助熱交換器９０は膨張機潤滑油４５の外部に設けた例を示したが、補助熱交換器９０が膨張機３３の内部で膨張機潤滑油４５と熱交換させてもよく、これらも本発明に含まれる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ装置は、給湯機の高性能化が可能となるので、高温を得るヒートポンプ給湯機や高温風を得る空調機等の用途に適用できる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ装置の構成図 本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ装置の構成図 本発明の実施の形態３におけるヒートポンプ装置の構成図 本発明の実施の形態４におけるヒートポンプ装置の構成図

符号の説明

３１ 圧縮機
３２ 放熱器
３３ 膨張機
３４ 蒸発器
３５ ファン
３６ 貯湯槽
３７ 循環ポンプ
３８ メカ部
３９ モータ
４０、４４ 空間
４１ 圧縮機潤滑油
４２ メカ部
４３ 発電機
４５ 膨張機潤滑油
４６、４７ 配管
４８、７０、８０、９０ 補助熱交換器
５０、５２ 電力線
５１ 電力回収装置
４９、７１、８１、９１ 絞り装置

Claims (9)

1. 圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器を順次接続して冷媒回路を構成し、前記膨張機のシェル内に貯留され、前記膨張機のメカ部を潤滑する膨張機潤滑油を、前記膨張機の吸入側より流入させることを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 膨張機潤滑油を冷却する補助熱交換器を設けたことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
3. 補助熱交換器の冷却熱源として、放熱器と膨張機の間を流れる高圧冷媒としたことを特徴とする請求項２記載のヒートポンプ装置。
4. 補助熱交換器の冷却熱源として、蒸発器と圧縮機の間の低圧冷媒としたことを特徴とする請求項２記載のヒートポンプ装置。
5. 補助熱交換器の冷却熱源として、放熱器の放熱源としたことを特徴とする請求項２記載のヒートポンプ装置。
6. 放熱器の放熱源は、放熱器に流入する水であることを特徴とする請求項５記載のヒートポンプ装置。
7. 補助熱交換器を、膨張機の内部に設けたことを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
8. 圧縮機のシェル内の圧力と膨張機のシェル内の圧力とが、前記圧縮機の吐出圧力に略等しいことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
9. 冷媒回路を循環する冷媒が炭酸ガスであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。

Images