JP2007530897A - ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプシステムを駆動、制御するための方法および装置を提供する。
【解決手段】 第1の熱交換器と、第2の熱交換器とを含む閉ループシステムに冷媒を循環させる工程を含む空間加熱の方法およびシステムである。この循環工程は、液状冷媒を第1の圧力に加圧する工程と、液状冷媒を第3の熱交換器内にて加熱し冷媒蒸気を形成させる工程を含む。更に、冷媒をコンプレッサーで加圧し第2の圧力に加圧する工程であって、コンプレッサーが第3の熱交換器から受理された冷媒蒸気により少なくとも部分的に駆動されるものと、第1および第2の熱交換器の1つにコンプレッサーから冷媒を供給する工程を具備する。更なる工程として、第1および第2の熱交換器の他方からの冷媒をコンプレッサーに供給する工程と、供給された冷媒を第1および第2の熱交換器の他方からコンプレッサーへ選択的に過給する工程を含む。

Description

本発明は新規、かつ、改良されたヒートポンプシステム並びに空間を冷却又は加熱するための方法に関する。特に、本発明はヒートポンプシステムを駆動、制御するための方法および装置に関する。

高いエネルギーコスト並びに汚染物質の発生に対する環境への配慮から、内部空間を加熱、冷却するためのエネルギー効率のより高いメカニズムの開発が求められている。回復可能なエネルギー資源の利用並びに、或る場合においては、任意の数の熱源からの廃熱の利用によりエネルギー効率の改善を図ることができる。エネルギーを使用するメカニズムは、高価な又は特注のアダプターを必要とすることなく多くの異なるエネルギー源に容易に適応し得るものでなければならない。

加熱および冷却を必要とする内部空間は生活あるいは労働環境に限られるものではなく、人および腐敗し易い商品の輸送に係わる空間も含まれる。加熱および冷却を提供する方法は、経済的で、製造効率が良く、維持費用が安く、日常生活での多くの用途に容易にアクセス可能なものでなければならない。

冷媒流体を膨張させるための膨張弁および冷媒蒸気圧縮のための機械的コンプレッサーを使用する標準カルノー可逆ヒートポンプサイクルは広範な用途に使用されてきた。基本的に、冷却モードにおいて、このシステムは飽和した液状冷媒を膨張弁に通過させ冷媒の圧力を下げるようにしている。従って、この冷媒の飽和温度がそれに応じて降下し、この冷却された冷媒はついで蒸発器に向けられ、ここで周囲の熱が吸収され、それにより周囲の空間（又は冷却を必要とするその他の媒体）が冷却されることになる。

このサイクルは可逆的であってもよく、それにより同じシステムをヒートポンプとして操作させることができる。空間を加熱するため、エネルギーがコンプレッサーおよび周囲の空気によりこのシステムに加えられる。この仕事を行う従来の装置の殆んどは膨大なエネルギー（通常、電気エネルギー）を消費し、冷却および加熱モードの双方において非効率的であることが知られている。

例えば、従来のヒートポンプ装置として図１に示すものがある。図示のように、この従来のヒートポンプシステムは一般的なコンプレッサーユニットを必要とし、このコンプレッサーユニットは直接的電気モータエネルギー入力により、又は車両システムのように回転シャフトから伝達される動力により駆動される。

ホーム又はオフィスで使用される熱動力（heat powered）ヒートポンプ装置の利点は周知である。従来の熱動力ヒートポンプの例が特許文献１に記載されている。

特許文献１には自動車用の空調システムが示されている。この空調システムは機械的コンプレッサーおよび冷媒ポンプの双方を使用し、冷媒をシステムを通って駆動させるようにしている。すなわち、特許文献１はエンジン駆動の機械的コンプレッサーを開示しており、これは熱交換器およびエジェクターを通って冷媒ポンプから流出する冷媒の圧力が十分に高く、気化冷媒が十分に加圧されるまで、気化冷媒を圧縮するものである。要求された圧力レベルが一旦達成されたとき、この機械的コンプレッサーは係合から外され、冷媒ポンプ、熱交換器およびエジェクターにより冷媒がこのシステムを通って駆動される。この特許文献１の装置の１つの欠点は、このシステムが熱交換器へ送られる気化冷媒を圧縮するために機械的コンプレッサーを必要とすることである。
米国特許第４９１８９３７号明細書

本願発明は上述のような従来技術の欠点の一部又は全てを回避し得るヒートポンプシステムを提供するものである。

本願発明は1つの形態として、空間を加熱するための方法を提供するものであり、この方法は、第1の熱交換器と、第2の熱交換器とを含む閉ループシステムに冷媒を循環させる工程を含む。この循環工程は液状冷媒を第1の圧力に加圧する工程と；この液状冷媒を第3の熱交換器内にて加熱し冷媒蒸気を形成させる工程と；冷媒をコンプレッサーで加圧し第2の圧力に加圧する工程であって、ここで前記コンプレッサーが第3の熱交換器から受理された冷媒蒸気により少なくとも部分的に駆動されるものと；前記第1および第2の熱交換器の1つに前記コンプレッサーから冷媒を供給する工程とを具備してなる。

本願発明は他の形態として、空間を加熱するための方法を提供するものであり、この方法は、第1の熱交換器と、第2の熱交換器とを含む閉ループシステムに冷媒を循環させる工程を含む。この循環工程は液状冷媒を第1の圧力に加圧する工程と；この液状冷媒を第3の熱交換器内にて加熱し冷媒蒸気を形成させる工程を含む。この方法は更に、冷媒をコンプレッサーで加圧し第2の圧力に加圧する工程であって、ここで前記コンプレッサーが第3の熱交換器から受理された冷媒蒸気により少なくとも部分的に駆動されるものと；前記第1および第2の熱交換器の1つに前記コンプレッサーから冷媒を供給する工程とを具備する。この方法は更なる工程として、前記第1および第2の熱交換器の他方からの冷媒を前記コンプレッサーに供給する工程と、この供給された冷媒を前記第1および第2の熱交換器の他方からコンプレッサーへ選択的に過給する工程とを含む。

本願発明は更なる形態として、液体ポンプと、この液体ポンプの下流に配置させた第1の熱交換器とを有する閉ループ回路を具備してなるヒートポンプシステムを提供する。このシステムは更に、前記第1の熱交換器を介して前記液体ポンプから流出する冷媒により駆動される冷媒コンプレッサーと、前記冷媒コンプレッサーに連通させた第2の熱交換器と、前記冷媒コンプレッサーに連通させた第3の熱交換器とを有する。

以下、本発明を図面を参照して詳述する。なお、可能な限り、同一部材、同一部分には同一の参照符号を使用するものとする。

図2は本発明に係わる熱動力ヒートポンプシステム10を示している。図示のように、ヒートポンプシステム10は内部空間を冷却することができ、更に操作サイクルを逆にすることにより、内部空間を加熱することもできる。仮に、ヒートポンプシステム10を冷却のためのみ、又は過熱のためのみに使用する場合は、或る部材、例えば冷却/加熱スイッチおよび弁アッセンブリーを一緒にヒートポンプシステム10から取り除いてもよい。更に、ヒートポンプシステム10は容易にスケール増減可能であって、より大きい空間のみならずより小さい空間の冷却、加熱に適用することができる。例えば、ヒートポンプシステム10は、それが関連する空間が制限される車両においても容易に搭載させることができる。

以下、ヒートポンプシステム10をその操作に基づいて説明する。ヒートポンプシステム10の操作を開始するため、電気モータ駆動ポンプユニット14が弁16から液状冷媒を受理し、これを加圧した後、熱交換器18へ移送する。このポンプユニット14を駆動するのに必要なエネルギーはQ₁として記されている。熱交換器18は加圧された液状冷媒を受理し、以下に詳述するようにエネルギー源Q_Sから熱が加えられ、それにより液状冷媒が高圧蒸気に変換される。この高圧蒸気は次いで高圧蒸気ライン48に沿って切換え弁20へ供給される。なお、ポンプユニット14は液状冷媒を加圧し得るものであれば任意の装置を用いることができ、更に、ポンプユニット14はヒートポンプシステム10の操作の間において連続的に操作させることができる。

ヒートポンプシステム10は更にリリーフ/チェックバルブ・アッセンブリー60を熱交換器18とポンプユニット14との間に介在させ、熱交換器18へ送られる液状冷媒の圧力を制御するようになっている。

図2に示す位置において、ヒートポンプシステム10の切換え弁20はライン48中の高圧蒸気をライン54に向けるようになっている。このライン54は四室コンプレッサーユニット30のチャンバーAへの入口を形成している。切換え弁20は更にライン28を介してコンプレッサーユニット30のチャンバーDを出力ライン36へ連通させている。

コンプレッサーユニット30は、シリンダーハウジング22およびこのシリンダーハウジング22内で往復動可能なダブルピストンアッセンブリー24を含むものであってもよい。このピストンアッセンブリー24の2つのピストンはピストンロッド26により接続されている。シリンダーハウジング22は、その中点にピストンロッド26を受理するための開口部を有する仕切り部32を有する。シリンダーハウジング22およびピストンアッセンブリー24は一緒になってコンプレッサーユニット30の4つの別々のチャンバーを形成している。これらのコンプレッサーチャンバーは、チャンバーA、B、C、Dとして表示されている。チャンバーAおよびDを外側チャンバーと呼び、チャンバーBおよびCを内側チャンバーと呼ぶことにする。

高圧蒸気が切換え弁20を介してチャンバーAに導入されたとき（チャンバーDは切換え弁20を介して出力ライン36へ連通している）、ピストンアッセンブリー24が作動しチャンバーAを拡大させる（図2に示すように下方への動き）。このピストンアッセンブリー24の動きによりチャンバーBの容積が減少し圧縮作用を生じさせ、同時にチャンバーCの容積を増加させ、吸入作用を生じさせる。更にチャンバーAを拡大させるこのピストンアッセンブリー24の動作は、前のサイクルからチャンバーD内に存在する気化冷媒を切換え弁20を介してライン28から出力ライン36へ流出させる。

ピストンアッセンブリー24の動きによるチャンバーB内の蒸気の圧縮により、圧縮された蒸気がライン58を介して弁34へ移送され、更に出力ライン36へ移送される。従って、加圧された冷媒蒸気がチャンバーBおよびDの双方から出力ライン36へ供給されることになる。出力ライン36中の加圧冷媒はついで冷却/加熱切換え弁12を介して熱交換器40へと送られる。熱交換器40（図2に示すように冷却/加熱切換え弁12が冷却位置にあるときは凝縮器）は大気に曝されていて、加圧冷媒は熱を解放し、大気へ伝達させる。この熱伝達により加圧蒸気が液体状態（凝縮）へ変換され、その後、膨張弁52を介して熱交換器50へ、又は弁アッセンブリー16を介してポンプユニット14へ戻される。

熱交換器50は、弁アッセンブリー16に位置する膨張弁52を介して熱交換器40から液状冷媒を受理するようになっている。なお、膨張弁52は、移送される液状冷媒の圧力を低下させ得る任意のタイプの構造のものでよい（例えば、フローオリフィス、毛細管、動的操作負荷を調整する精巧な調整装置など）。熱交換器50内の液状冷媒はついで、内部空間からの熱に曝されて気化される。内部空間から熱交換器50内の液状冷媒への熱の伝達により、この内部空間が冷却されることになる。

熱交換器50は熱交換器40から液状冷媒を受理する一方、ピストンアッセンブリー24の動きにより、ライン51およびライン56を介して熱交換器50から気化された冷媒をチャンバーC内に導入させる。ライン51を介して流れる気化冷媒は冷却/加熱切換え弁12を通過した後、以下に詳述するように、過給機21又はチェックバルブ29を通過することになる。この冷媒は更にライン56を通ってチャンバーCへ送られるときチェックバルブ42を通過することになる。

チャンバーCへ流される気化冷媒は過給機21が操作されている場合、過給機21を通過することになる。さもなければ、気化冷媒はチャンバーCへ送られる過程においてチェックバルブ29を通過することになる。過給機21の出口圧に基づいて過給機21の作動を制御するため圧力スイッチ27をヒートポンプシステム10に含めてもよい。過給機21が操作されている場合、過給機21は、熱交換器50からチャンバーCへ流れる気化冷媒を加圧することになる。過給機21は、チャンバーCがその最大容積となっている場合でも気化冷媒をチャンバーCに向けて加圧し続けるようにしてもよい。コンプレッサーユニット30の操作の間において、出力ライン36中の冷媒の圧力は過給機21の排出圧よりも高くなっていて、それにより冷媒蒸気が過給機21から出力ライン36へ流れるのを防止していることが理解されるであろう。

過給機21の流量は、チャンバーCが膨張しているとき、チャンバーCを充満させるのに必要な流量となるように選択ないし調整される。このように釣り合った流量において、過給機21を操作させるのに必要な動力はチャンバーCが膨張している場合は比較的小さい。チャンバーCが一旦、膨張を止めたとき（ピストンアッセンブリー24が最大位置に到達した時点に相当する）、過給機21はチャンバーCへの過給を継続させてもよい。この過給期間の間、チャンバーC内の圧力は、過給機21を操作するのに要する動力Q_Aと共に増大することになる。従って、この過給期間は過給機21が実質的な動力を要求する時間に限られる。

上述の操作において、過給機21はチャンバーCを過給するように作用し、ヒートポンプシステム10により受理されるエネルギーを増補する。すなわち、過給機21はバックアップエネルギー源として作用し、このエネルギー源はシステムがそれを要求する場合にのみ使用される。従って、過給機21はチャンバーCの過給を提供するための比較的短時間にのみ必要となるものであり、従って、比較的少量の“獲得した外部”エネルギーを必要とするだけである。このシステムの熱伝達需要が低い期間においては、この過給機は必要とせず、“獲得した外部”エネルギーの量はゼロとなる。

動力Q_Sに対する廃熱がない場合、又はヒートポンプシステム10の操作負荷が比較的低く、ヒートポンプシステム10がコンプレッサーユニット30の操作を必要としない場合は、過給機21を典型的な機械的コンプレッサーとして操作してもよい。例えば、Q_Sがその動力を昼間での太陽エネルギーから受理する場合、夜間では比較的小さな量の動力が熱交換器18に供給されることになる。更に、ヒートポンプシステム10に対する冷却のための要求が比較的小さい場合もあり得る。この例においては、低いシステム負荷を実行するため、過給機21をコンプレッサーとして操作してもよい。この操作において、過給機21は複数のチェックバルブ38、42、弁34および出力ライン36を介して冷媒を複数の熱交換器40、50へ移動させ、ライン51を介して過給機21へ戻すことになる。

ヒートポンプシステム10の前記操作はチャンバーAを膨張させるピストンアッセンブリー24の動きを詳述するものである。この操作が完了したとき、切換え弁20を切り替え、高圧蒸気がコンプレッサーユニット30のチャンバーDに送られるようにし、同時に、切換え弁20を介してチャンバーAを出力ライン36と連通させる。この操作によりピストンアッセンブリー24はチャンバーDを膨張させる方向に移動する（図２において上方へ）。このピストンアッセンブリー24の動きは更にチャンバーCが蒸気を圧縮させ、蒸気をライン56を介して弁34へ送り出すことになる。従って、出力ライン36はこのとき、チャンバーCおよびチャンバーAの双方から高圧蒸気を受理することになる。出力ライン36内のこの高圧蒸気は冷却/加熱切換え弁12を通り、熱交換器40へと送られることになる。

チャンバーDを膨張させるピストンアッセンブリー24の動きは更に、コンプレッサーユニット30のチャンバーBの容積を増大させる。このピストンアッセンブリー24の動きにより、チャンバーCの膨張に関して先に述べたのと同様にして冷媒を熱交換器50から吸引させることになる。

チャンバーDを膨張させるピストンアッセンブリー24の動きはチャンバーAを膨張させる動きと同様の作用を熱交換器40および50に生じさせる。すなわち、熱交換器40（凝縮器）で熱が放出され、同時に熱交換器50（蒸発機）で熱が吸収される。

切換え弁20での切り替え時間は、このシステムの熱伝達速度を調節するために種々、変えられる。切換え弁20の制御は従来の制御システムにより、例えば後述する回路コントローラ70および71により行うことができる。操作の間において、このヒートポンプシステム10が切換え弁20について短い切り替え時間を以って機能している場合は、それによりコンプレッサーユニット30のピストンアッセンブリー24の循環速度がより速くなり、従って、熱交換器40および50のそれぞれにおいて、熱伝達速度がより大きくなる。熱交換器40および50で熱伝達を必要としない場合は、切換え弁20のサイクルは停止し、コンプレッサーユニット30も停止する。

図3は回路コントローラ70に接続された切換え弁20を示している。切換え弁20は従来の３位置電動型のスプリング・センタ式四方分流加減弁（three-position,electrically actuated, spring centered, four-way fluid diverter valve）である。この切換え弁20は3つの位置、すなわち、直線分流位置72、中心“ずれ”位置74および交叉分流位置76を有する。この切換え弁20の中心“ずれ”位置74は切換え弁20の流体入力および戻しポートに“制止フロー（blocked flow）”の構造を有する。コンプレッサーユニット30を補充する“作動ポート”はコンプレッサーユニット30の選択されたチャンバーと連通するようになっている。

切換え弁20の位置72、74および76間のサイクルおよびサイクルの頻度は電気回路コントローラ70によって制御される。電力Pは切り替えられ、交互に出力ワイヤー82および84に供給されるようになっている。回路コントローラ70から出力ワイヤー82および84を介して切換え弁20に送られる電気信号のサイクルは、回路コントローラ70に作用する制御信号73により規制される。

図3に示すように、入出力装置71は、サーモスタット19、ピストンアッセンブリー位置センサー23および25、圧力スイッチ27から信号を受理することができる。この入出力装置71はついで制御信号73を電気回路コントローラ70に提供し、それにより出力ワイヤー82および84に適用される電力の頻度が調整される。更に、入出力装置71は過給機21および切換え弁20にも信号を提供し、過給機21および切換え弁20の双方の操作を規制するようになっている。

回路コントローラ70は、信号が出力ワイヤー82への信号が除去された後であって、出力ワイヤー84への信号が印加される前に、あるいは反対に、信号が出力ワイヤー84から除去され、信号が出力ワイヤー82に印加される前に、タイミングの遅延又は“待ち時間”を含むものであってもよい。この“待ち時間”を設けることにより、切換え弁20を所定時間、中央位置に留めることができる。この場合の利点については以下に詳述する。

次に、図4ないし6を参照して説明すると、切換え弁20の3つの位置がより詳細に示されている。すなわち、スイッチの3つの位置のそれぞれを通る切換え弁20のサイクルの間におけるヒートポンプシステム10の動力学が示されている。

まず、図4を参照すると、切換え弁20は出力ワイヤー82から信号を受理し、それにより直線的開放位置72にある。この位置72において、高圧蒸気がそれぞれライン54および28を介してコンプレッサーユニットチャンバーAに供給され、チャンバーDから排出される。これはピストンアッセンブリー24を図示のように下方に移動させることになり、それにより蒸気をチャンバーDおよびチャンバーBから排出させ、同時にピストンアッセンブリー24のこの動作により蒸気がチャンバーC内に受理されることになる。

図5はピストンアッセンブリー24がその最大の下方行程に達した状態を示している。この時点において、出力ワイヤー82を介しての電気信号が遮断され、回路コントローラ70および入出力装置71により切換え弁20から除かれ、それにより切換え弁20がその中央位置に移動することが可能となる。入出力装置71はピストン位置センサー23および25からの信号を受理し切換え弁20の切り替えシーケンスを容易にしている。これによりコンプレッサーユニット30のチャンバーA内の加圧蒸気が切換え弁20を介してチャンバーD内に導入されチャンバーDを加圧することになる。この一連の動作によりヒートポンプシステム10全体の操作効率が改善される。なぜならば、チャンバーA内の蒸気の圧力が切換え弁20を介して凝縮器40へ完全には排出されていないからである（図2参照）。

図6は熱動力ヒートポンプシステム10のピストンの動きの最終サイクルを示している。ここで、所定時間、“待ち時間”の後、回路コントローラ70が出力ワイヤー84を介して電流を切換え弁20に送り、それにより切換え弁20は高圧蒸気をコンプレッサーユニット30のチャンバーDへ供給させる。その結果、ピストンアッセンブリー24が移動し、チャンバーDを膨張させる。ピストンアッセンブリー24がその最大上方行程に達したとき、前記サイクルが再度開始される。

図7は本発明の他の実施例を示している。この実施例において、動力制御システム80がヒートポンプシステム10を制御する。この制御システム80は、熱交換器18に供給された動力Q_ｓの量を、このシステム内の動作中の凝縮器ユニット（40又は50）の放出温度（rejection temperature）に応じて、制御および制限させるものである。

以下に詳述するように、熱交換器40および50は冷却/加熱切換え弁12の位置に応じて凝縮器又は蒸発器として作用する。従って、熱交換器18に供給される動力Q_Sは、熱交換器40又は熱交換器50であるか否かに拘らず、そのときのシステムの凝縮器である熱交換器の放出力（rejection power）に比例する。図7は“凝縮器”熱交換器Xのリジェクション温度および熱交換器18から排出される高圧蒸気の温度Yをモニターする動力制御システム80を示している。このシステムで使用される冷媒流体の物理的熱力学的性質に応じて、回路コントローラ78は、熱交換器18に供給される電力量を調整するため信号を出力ワイヤー86を介して供給することにより温度Xと温度Yとの間の差異の関係を維持するようになっている。出力ワイヤー86を介して送られる信号は、このシステムが加温流（例えば、太陽エネルギーによる温水）により動力を供給されて場合にフローバルブ88を付勢することができる。若しくは、出力ワイヤー86を介して送られる信号は、熱交換器18内の冷媒を加熱するため電気加熱素子を稼動させるのに電力が使用される場合、フローバルブ88に代えて直接配置させた電力継電器（図示しない）を稼動させることもできる。

図8はコンプレッサーユニット30の断面を拡大して示している。これには封止部材62、64および66の存在および位置が示されている。これらの封止部材62、64および66はコンプレッサーユニット30内の摺動封止部を表している。これらの封止部材62、64および66は金属材料、合金又はエラストマー封止材料から形成することができる。エラストマー封止材料は、冷媒流体および予想されるシステムの操作温度の極限との相容性を考慮して選択される。なお、封止部材62および66は、それぞれピストンヘッド44および46の中央に位置させたピストンリングとして作用している。ハウジング22内の仕切り部32に配置された封止部材64はピストンロッド26を封止するよう作用する。全体として、封止部材62、64および66は、コンプレッサーユニット30のチャンバーA、B、CおよびDのそれぞれが互いに確実に連通しないように作用する。

更に、図8はピストンアッセンブリー24の異なる断面領域を示している。特に、内側チャンバーBおよびCは外側チャンバーの表面積31よりも小さい表面積33を有する。

前述のように、ヒートポンプシステム10は、このシステムを内部冷却モードと、内部加熱モードとを切り替えさせるように冷却/加熱切換え弁12を含むものであってもよい。これは冷却/加熱切換え弁12を動作させ、高圧冷媒蒸気を熱交換器40又は熱交換器50の1つに供給することにより達成される。

上述のシステムで、内部冷却モードにおいて、仮に、システムに熱又はエネルギーが入力される場合をポジティブ“＋”として表し、エネルギーがシステムから外部に移される場合をネガティブ“−”として表したとき、エネルギーバランス式を以下のように表すことができる（エネルギー損失が皆無の理想システムに基づいて）。

[数１]
Q_A＋Q₁＋Q_S＋Q₅₀−Q₄₀ ＝ 0 若しくは Q_A＋Q₁＋Q_S＋Q₅₀＝Q₄₀
ここで、Q_A＝過給機、Q₁＝ポンプ入力動力、Q_S＝熱源からのエネルギー、Q₅₀＝内部熱伝達、Q₄₀＝大気熱伝達

従って、熱動力ドヒートポンプシステム10が冷却モードにあるとき、全ての熱/動力は大気に放出される。

もし、このシステムを内部空間に熱を供給するために使用する場合は、冷却/加熱切換え弁12を加熱位置に切り替える。それにより熱交換器40および熱交換器50の機能が事実上、切り替えられる（逆転する）。すなわち、この加熱機能モードにおいて、熱交換器40は蒸発器となり、熱交換器50は凝縮器となる。熱を放出させる凝縮器の機能はこのとき内部空間にあり、従って内部空間が加熱される。蒸発器として機能する熱交換器、つまりこの場合、熱交換器40は内部空間の外側にあり、大気から熱を吸収する機能を有する。

この場合、エネルギーバランス式は以下のようになる（エネルギー損失が皆無の理想システムに基づいて）。

[数２]
Q_A＋Q₁＋Q_S＋Q₄₀−Q₅₀ ＝ 0 若しくは、Q_A＋Q₁＋Q_S＋Q₄₀＝Q₅₀
ここで、Q_A＝過給機、Q₁＝ポンプ入力動力、Q_S＝熱源からのエネルギー、Q₅₀＝内部熱伝達、Q₄₀＝大気熱伝達

従って、このシステムの加熱モードの間、Q₅₀（内部熱伝達）は、大気からの大きい熱入力Q₄₀を含めて、システム10への全エネルギー入力と等しくなる。例えば、システム10が燃料電池で駆動される電気自動車を加熱するのに使用する場合、Q₁は電池から消費され、Q_Sは燃料電池からの廃熱により提供され、Q₄₀は大気から提供される。その結果、自動車の内部を加熱するためのエネルギーが同じ量であっても電池の動力の消費量を減少させることができ、システム10を操作するのに要するエネルギーを少なくすることができ、全体として効率を大きく向上させることになる。自動車の操作を開始させるときなどのように、動力Q_Sに対する十分な廃熱が得られないときは、電池を使用してQ_Sに対し初期の動力を提供するようにし、燃料電池から十分な廃熱の発生が得られたのちは、最早、Q_Sに対し電池からのエネルギーの提供を要しないであろう。

ヒートポンプシステム10の効率は熱交換器18へ入手可能な熱を入力させることにより大きく向上する。この点を説明すると、熱の形のエネルギーを多くの形で熱交換器18へ適用する。この入手可能な熱は、パワーグリッド（送電設備網）、光電池、風力発電機、燃料電池技術、例えばプロトン交換膜燃料電池、亜鉛ペレット燃料電池などの電気自動車の動力装置のために設計された燃料電池からの直接的電力から発生させてもよい。その他、熱交換器18へ導入される熱は熱水源から得ることができる。この熱水は上述のシステムのあらゆるものを使用して発生させてもよいし、あるいは太陽エネルギーによる熱水発生装置（例えば、直接的露光パネルなど）を使用して直接発生させてもよい。機械的熱発生装置からの発生熱及び/又は廃熱（例えば、エンジンの廃熱）を提供するこれらの方法の全ては、ヒートポンプシステム10で実現できる総体的に大きい操作効率を得るための因子となる。本明細書で、廃熱とは、装置から排出される熱エネルギーであって大気に放出されるはずのものを全て含む。

ヒートポンプシステム10の他の構成として、熱交換器18からの高圧冷媒蒸気を、コンプレッサーユニット30のチャンバーAおよびDではなく、チャンバーBおよびCに交互に供給するようにしてもよい。従って、この構成では、チャンバーAおよびDは熱交換器40および50から冷媒蒸気が供給され、受理することになる。

なお、本発明の多くの特徴および利点を、詳細な構造および機能と共に、以上記載したが、これらの開示は単に説明のためのものであり、その細部、特に形状、サイズ、化学的要素、部材の配置については本発明の原理内でそれらの用語の広い一般的な意味で示される範囲において種々変更が可能であり、それにより特許請求の範囲が規定されていることを理解されるべきである。

従来技術のヒートポンプ装置を模式的に示す図。 本発明により構築された新規な熱動力ヒートポンプシステムを模式的に示す図。 本発明により構築されたヒートポンプシステムのための切換え弁制御回路を模式的に示す図。 本発明に係わる切換え弁およびピストンアッセンブリーの動きを模式的に示す拡大部分図。 本発明に係わる切換え弁およびピストンアッセンブリーの動きを更に模式的に示す拡大部分図。 本発明に係わる切換え弁およびピストンアッセンブリーの動きを更に模式的に示す拡大部分図。 本発明により構築されたヒートポンプシステムのための熱交換器制御回路を模式的に示す図。 本発明により構築されたヒートポンプシステムのコンプレッサーユニット部材の縦断面図。

符号の説明

10 ヒートポンプシステム
12 冷却/加熱切換え弁
14 ポンプユニット
16 弁
18 熱交換器
20 切換え弁
21 過給機
22 シリンダーハウジング
24 ダブルピストンアッセンブリー
26 ピストンロッド
27 圧力スイッチ
29 チェックバルブ
30 コンプレッサーユニット
32 仕切り部
36 出力ライン
38,42 チェックバルブ
40,50 熱交換器
44,46ピストンヘッド
52 膨張弁
70 回路コントローラ
71 入出力装置

Claims (35)

1. 第1の熱交換器と、第2の熱交換器とを含む閉ループシステムに冷媒を循環させる工程を含み；この循環工程が、
   液状冷媒を第1の圧力に加圧する工程と；
   この液状冷媒を第3の熱交換器内にて加熱して冷媒蒸気を形成させる工程と；
   冷媒をコンプレッサーによって第2の圧力に加圧する工程であって、該コンプレッサーが第3の熱交換器から受理された冷媒蒸気により少なくとも部分的に駆動されるものと；
   前記第1および第2の熱交換器の1つに前記コンプレッサーから冷媒を供給する工程と；
   を具備してなる空間を加熱する方法。
2. コンプレッサーによる圧縮の前に、コンプレッサーにより圧縮された冷媒を選択的に過給する工程を更に含む請求項１記載の空間を加熱する方法。
3. 冷媒を選択的に過給する工程が、過給機を含み、該過給機とコンプレッサーとの間にて、前記システム中の冷媒圧により少なくとも部分的に該過給機が制御されるようになっている請求項２記載の空間を加熱する方法。
4. 熱伝達要求が低い間は、前記過給機を不能にする工程を更に含む請求項３記載の空間を加熱する方法。
5. 前記システムの操作の複数のスイッチングモードを更に含み、ここで、操作の第1のモードにおいて、前記第1の熱交換器が前記コンプレッサーから冷媒を受理し、第2のモードにおいて、前記第2の熱交換器が前記コンプレッサーから冷媒を受理するようになっている請求項２記載の空間を加熱する方法。
6. 前記システムが制御弁を含み、それにより前記第1のモードと第2のモードとの間で前記システムの操作を交番させるようになっている請求項５記載の空間を加熱する方法。
7. 廃熱を前記第3の熱交換器に供給し液状冷媒を加熱する工程を更に含む請求項２記載の空間を加熱する方法。
8. 前記コンプレッサーが、駆動チャンバーと圧縮チャンバーとを分離する往復ピストン部材を含み、該駆動チャンバーが前記第3の熱交換器からの冷媒蒸気を受理し、該圧縮チャンバーが冷媒を前記第1の熱交換器へ供給するようになっている請求項２記載の空間を加熱する方法。
9. 前記コンプレッサーが更に吸入チャンバーを含み、該吸入チャンバーが前記第2の熱交換器から冷媒を受理するようになっている請求項８記載の空間を加熱する方法。
10. 前記駆動チャンバーが第1の駆動チャンバーであり、前記コンプレッサーが更に第2の駆動チャンバーを含み、該第2の駆動チャンバーが制御可能な切換え弁の作動時に前記第3の熱交換器からの冷媒蒸気を受理するようになっている請求項９記載の空間を加熱する方法。
11. 液状冷媒を第1の圧力に加圧する工程が、電気モータ駆動ポンプを用いて該液状冷媒を加圧することを含む請求項２記載の空間を加熱する方法。
12. 前記空間が内部空間である請求項２記載の空間を加熱する方法。
13. 前記空間が大気である請求項２記載の空間を加熱する方法。
14. 前記システムが車両に組み込まれ、液状冷媒を前記第3の熱交換器内にて加熱する工程が、最初に電力を該第3の熱交換器に適用し、ついでエンジンの温度が十分に高くなったとき、該エンジンからの廃熱を該第3の熱交換器に適用するものである請求項２記載の空間を加熱する方法。
15. 第1の熱交換器と、第2の熱交換器とを含む閉ループシステムに冷媒を循環させる工程を含み；この循環工程が、
    液状冷媒を第1の圧力に加圧する工程と；
    該液状冷媒を第3の熱交換器内にて加熱して冷媒蒸気を形成させる工程と；
    冷媒をコンプレッサーによって第2の圧力に加圧する工程であって、前記コンプレッサーが第3の熱交換器から受理された冷媒蒸気により少なくとも部分的に駆動されるものと；
    前記第1および第2の熱交換器の1つに前記コンプレッサーから冷媒を供給する工程と；
    前記第1および第2の熱交換器以外の他から冷媒を前記コンプレッサーに供給する工程と；
    この供給された冷媒を前記第1および第2の熱交換器以外の他からコンプレッサーへ選択的に過給する工程と；
    を具備してなる空間を加熱する方法。
16. 冷媒を選択的に過給する工程が、過給機を含み、該過給機とコンプレッサーとの間にて、前記システム中の冷媒圧により少なくとも部分的に該過給機が制御されるようになっている請求項１５記載の空間を加熱する方法。
17. 熱伝達要求が低い間は、前記過給機を不能にする工程を更に含む請求項１６記載の空間を加熱する方法。
18. 前記システムの操作の複数のスイッチングモードを更に含み、ここで、操作の第1のモードにおいて、前記第1の熱交換器が前記コンプレッサーから冷媒を受理し、第2のモードにおいて、前記第2の熱交換器が前記コンプレッサーから冷媒を受理するようになっている請求項１５記載の空間を加熱する方法。
19. 前記システムが制御弁を含み、それにより前記第1のモードと第2のモードとの間で前記システムの操作を交番させるようになっている請求項１８記載の空間を加熱する方法。
20. 廃熱を前記第3の熱交換器に供給し液状冷媒を加熱する工程を更に含む請求項１５記載の空間を加熱する方法。
21. 前記コンプレッサーが、駆動チャンバーと、圧縮チャンバーと、吸入チャンバーとを含み、該駆動チャンバーが前記第3の熱交換器からの冷媒蒸気を受理し、該圧縮チャンバーが冷媒を前記第1および第2の熱交換器の1つへ供給し、該吸入チャンバーが前記第1および第2の熱交換器の他方から冷媒を受理するようになっている請求項２１記載の空間を加熱する方法。
22. 前記駆動チャンバーが第1の駆動チャンバーであり、前記コンプレッサーが更に第2の駆動チャンバーを含み、該第2の駆動チャンバーが制御可能な切換え弁の作動時に前記第3の熱交換器からの冷媒蒸気を受理するようになっている請求項２１記載の空間を加熱する方法。
23. 液状冷媒を第1の圧力に加圧する工程が、電気モータ駆動ポンプを用いて該液状冷媒を加圧することを含む請求項１５記載の空間を加熱する方法。
24. 前記空間が内部空間である請求項１５記載の空間を加熱する方法。
25. 前記空間が大気である請求項１５記載の空間を加熱する方法。
26. 前記システムが車両に組み込まれ、液状冷媒を前記第3の熱交換器内にて加熱する工程が、最初に電力を該第3の熱交換器に適用し、ついでエンジンの温度が十分に高くなったとき、該エンジンからの廃熱を該第3の熱交換器に適用するものである請求項１５記載の空間を加熱する方法。
27. 閉ループ回路を有し；この閉ループ回路が、
    液体ポンプと、
    該液体ポンプの下流に配置させた第1の熱交換器と、
    前記第1の熱交換器を介して前記液体ポンプから流出する冷媒により駆動される冷媒コンプレッサーと、
    前記冷媒コンプレッサーに連通させた第2の熱交換器と、
    前記冷媒コンプレッサーに連通させた第3の熱交換器と、
    を具備してなるヒートポンプシステム。
28. 前記第2の熱交換器が前記冷媒コンプレッサーから冷媒を受理し、前記第3の熱交換器が前記第2の熱交換器から冷媒を受理し、前記冷媒コンプレッサーへ冷媒を供給するようになっている請求項２７記載のヒートポンプシステム。
29. 過給機を前記第3の熱交換器と前記冷媒コンプレッサーとの間に更に配置させた請求項２８記載のヒートポンプシステム。
30. 圧力スイッチを更に含み、それにより前記過給機と前記冷媒コンプレッサーとの間に位置する冷媒の圧力を検出するようになっている請求項２９記載のヒートポンプシステム。
31. 制御可能な加熱/冷却弁を更に含み、それにより前記冷媒コンプレッサーにより前記第2の熱交換器に冷媒を供給する前記第1のモードと、前記冷媒コンプレッサーにより前記第3の熱交換器に冷媒を供給する第2のモードとの間で交番させるようになっている請求項２７記載のヒートポンプシステム。
32. 前記冷媒コンプレッサーが、駆動チャンバーと圧縮チャンバーとを分離する往復ピストン部材を含み、該駆動チャンバーが前記第3の熱交換器からの冷媒蒸気を受理し、該圧縮チャンバーが冷媒を前記第1の熱交換器へ供給するようになっている請求項２７記載のヒートポンプシステム。
33. 前記冷媒コンプレッサーが更に吸入チャンバーを含み、該吸入チャンバーが前記第2の熱交換器から冷媒を受理するようになっている請求項３２記載のヒートポンプシステム。
34. 前記駆動チャンバーが第1の駆動チャンバーであり、前記コンプレッサーが第2の駆動チャンバーを含み、該第2の駆動チャンバーが制御可能な切換え弁の作動時に前記第3の熱交換器からの冷媒蒸気を受理するようになっている請求項３３記載のヒートポンプシステム。
35. 前記液体ポンプが電気モータ駆動ポンプを含む請求項２７記載のヒートポンプシステム。

Images