JP2008510121A

JP2008510121A - ヒートポンプ

Info

Publication number: JP2008510121A
Application number: JP2007525576A
Authority: JP
Inventors: ブロムクビスト、ペーター
Original assignee: ブロムクビスト、ペーター
Priority date: 2004-08-12
Filing date: 2005-08-11
Publication date: 2008-04-03
Also published as: SE0402006D0; SE526649C2; WO2006016847A1; US20080115507A1; SE0402006L; EP1792127A1

Abstract

本発明は、空間（Ｓ）内で作動するヒートポンプに関し、空間（Ｓ）に適当に配置された圧縮機（３）と、空気／ガスを圧縮機（３）に供給するための第１入口管（１０）とから構成される。
本発明のヒートポンプの重要なことは、ランク・ジェネレータ（Ranque generator）（１）と、圧縮空気／ガスをランク・ジェネレータ（１）移送する、圧縮機（３）とランク・ジェネレータ（１）の間に延びる連結管（５）と、空間（Ｓ）内に現れるかまたは空間（Ｓ２）の内側で第１熱交換器（２１１）に連結される、ランク・ジェネレータ（１）の高温側から空気／ガスを発散するための第１出口管（７）と、空間（Ｓ）の外側に現れる、ランク・ジェネレータ（１）の低温側から空気／ガスを発散するための第２出口管（９）とから構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機と空気／ガスを圧縮機に供給するための入口管とから構成される、空間内で作動するヒートポンプに関する。

数多くのヒートポンプが知られており、それらは、通常、圧縮機と、蒸発器と、凝縮器と、膨張弁とから構成される。空気を用いるヒートポンプの場合、戸外の空気が低い温度であると、低効率であるということは良く知られた事実である。

ランク・ジェネレータ（Ranque generator）は、１９３０年代にジョージ・ランク（George Ranque）によって発明された装置であり、総体的に、圧縮空気またはガスの流れを低温空気またはガスの流れと高温空気またはガスの流れに分離する機能を有する。ランク・ジェネレータについては後述の説明においてさらに説明する。

生物学的製品のための遠心分離機が例えばアメリカ特許第６,３３４,８４１号から周知であり、この遠心分離機は、延伸分離が行われる空間を冷却するための装置を含む。この装置にはランク・ジェネレータが備えられており、このジェネレータは冷却に用いられる冷却空気を発生する。
アメリカ特許第６,３３４,８４１号明細書

本発明の主たる目的は、より高い成績係数を有する、上述のようなタイプのヒートポンプを提供することである。

本発明の別の目的は、開放されたシステムで用いられたときに環境を汚染するＣＦＣまたはその他のガスが完全にないので環境に非常に優しいヒートポンプを提供することである。閉鎖されたシステム内でガスを使用した場合、使用されるガスは周りの環境に接触することはない。

本発明のまた別の目的は、小さな寸法を有するヒートポンプを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、容易に組み立てられるヒートポンプを提供することにある。

本発明の少なくとも主要な目的は、請求項１の特色を付与する装置によって実現される。好適な実施形態は従属する請求項に画定されている。

図Ａに示されるランク・ジェネレータは、チャンバＣと、チャンバＣから発する第１出口管Ｐ１と、チャンバから発する第２出口管Ｐ２とから構成され、出口管Ｐ１およびＰ２は総体的にチャンバＣの相互に対向する側に取り付けられる。チャンバＣは、図面の面に軸がある総体的に円筒形の断面を有した空間を画定する。ランク・ジェネレータの作動時、圧縮空気またはガスがチャンバＣに供給される。供給された空気またはガスは約１００００００回転／分（1.000.000 revolutions/min）の高速度でチャンバの円筒形を限定する面に沿って流れる。チャンバＣに設けられる手段により、外側の高温の空気またはガスの流れと内側の低温の空気またはガスの流れとに分割される。これらの空気またはガスの流れは共に、２つの出口管Ｐ１およびＰ２を通り異なった方向へ離される。低温の空気またはガスの流れと高温の空気またはガスの流れの温度差は重要である。例示の目的でありそして限定する意図ではなしに述べるならば、７バールの圧縮空気がチャンバＣに供給された場合、高温の空気の流れは、供給される空気よりも５０℃以上高い温度にまで達することができそして低温の空気の流れは、供給される空気の温度よりも約５０℃以上低い温度にまで達することができる。異なった容積の高温と低温の空気の流れに分離する場合、供給される空気に対する温度差は、容積が増加すると、小さくなる。

ラルク・ジェネレータは従来技術のものであり、これ以上の説明は割愛する。

図１において、空間Ｓは模式的に示されており、本発明の第１実施例のヒートポンプにはこの空間Ｓが設けられている。空間Ｓは例えば住宅向け建築物に相当する。

本発明によるヒートポンプは、図１に示すように、ランク・ジェネレータ１と、圧縮機３と、ランク・ジェネレータ１への連結管５と、ランク・ジェネレータ１からの第１出口管７と、ランク・ジェネレータ１からの第２出口管９と、圧縮機３への第１入口管１０とから構成される。

連結管５は圧縮機３とランク・ジェネレータ１との間に延びる。第１出口管７は空間Ｓに現れる一方、他方の出口管は空間Ｓの制限壁を通って延び、かくして戸外に現れる。第１入口管１０は空間Ｓの外側の戸外から圧縮機３に延びる。図１の破線で示す四角形内の構成部品はかくして本発明によるヒートポンプに含まれる。

図１に示すヒートポンプは、外周の空気が第１入口管１０を通って圧縮機３に供給されるように機能する。圧縮機３はこの外周空気を圧縮し、かくして圧縮空気をランク・ジェネレータ１に供給する。上述の方法で、ランク・ジェネレータ１はこの圧縮空気を、第１出口管７を通って空間Ｓに放出される高温の空気の流れと、第２出口管９を通って戸外の空気中に供給される低温の空気の流れとに変える。

高温の空気の流れにおけるエンタルピーは、かくして、空間Ｓに役立てられる。この接続において、圧縮機３が空気を圧縮したときに発生される熱が空間Ｓに役立てられることにも注目すべきである。圧縮機３の効率によるロスもまた熱の形態で空間Ｓに役立てられる。

図２に示す実施例において、本発明によるヒートポンプは、図１に示す実施例に対応したコンポーネント、すなわち、ランク・ジェネレータ１０１、圧縮機１０３、ランク・ジェネレータ１０１への連結管１０５、ランク・ジェネレータ１０１からの第２出口管１０９、および圧縮機３への第１入口管１１０、により構成される。

図２のヒートポンプは、室内の空気が第１入口管１１０を通って圧縮機１０３に供給される。圧縮機１０３はこの室内の空気を圧縮してランク・ジェネレータ１０１に圧縮空気を供給する。上述の如くして、ランク・ジェネレータ１０１は、この圧縮空気を、第１出口管１０７を通って空間Ｓ１内に放出される高温の空気の流れと、第２出口管１０９を通って戸外の空気に供給される低温の空気の流れに転換する。

図２に示す配列を参照すると、圧縮機１０３に供給される空気は空間Ｓ１から得られる室内の空気を構成するので、空間Ｓ１に正の圧力は発生されない。すべての空気が空間Ｓ１から得られる場合、空間Ｓ１に負の圧力が発生される。このことは、空気は、図２に示された弁Ｖ１のような弁等を通って空間Ｓ１に流れることを生じさせる。戸外の空気は弁Ｖ１を通って吸い込まれるので、空気の交換は図２の実施例において全体的に良好である。

図３に示す本発明によるヒートポンプの実施例は、２つの熱交換器を含む閉鎖型システムにあてになる。図３の破線で示す方形のコンポーネントが本発明によるヒートポンプに備えられる。図３のヒートポンプは空間Ｓ２内に組み立てられそしてまたランク・ジェネレータ２０１と圧縮機２０３とを含む。連結管２０５が圧縮機２０３からランク・ジェネレータ２０１へ延びる。ランク・ジェネレータ２０１の高温側から第１出口管２０７が出ており、この出口管２０７は、空間Ｓ２の内側に配置される第１熱交換器２１１に連結される。圧縮機２０３への第１入口管２１０は、空間Ｓ２の外側に配置される第２熱交換器２１３から出ている。第２入口管２１２は第１熱交換器２１１から延び、圧縮機２０３の上流側で第１入口管２１０に結合する。第２熱交換器２１３はランク・ジェネレータ２０１の低温側に連結されており、これは第２出口管２０９によってランク・ジェネレータ２０１から生じさせられる。

図３に模式的に示すヒートポンプは、以下の方法で機能する。空気／ガスが第１入口管２１０および第２入口管２１２を通って圧縮機２０３に供給されており、この供給される空気／ガスは第１熱交換器２１１からの空気／ガスと第２熱交換器２１３からの空気／ガスとの混合物である。第２熱交換器２１３から来る空気／ガスは戸外の空気により加熱されるのに対し、第１熱交換器２１１から来る空気／ガスは空間Ｓ２に熱を発せられる、すなわち、空気／ガスは冷やされる。この２つの量の空気／ガスはそこで混合されて圧縮機２０３供給され、次いで供給された混合物は圧縮機２０３により圧縮される。圧縮空気は圧縮機２０３からランク・ジェネレータ２０１に供給され、この供給された圧縮空気は、第１出口管２０７を通って偏らせられる高温の空気の流れと、第２出口管２０９を通って偏らせられる低温の空気の流れとに周知の手段により分割される。

第１出口管２０７を通って排出される高温の空気／ガスの流れは第１熱交換器２１１を通過して高温の空気／ガスの流れは空間Ｓ２に熱を発する。冷却された空気／ガスの流れは次いで第２入口管２１２へと続き、そして圧縮機２０３の上流側で第１入口管２１０の空気／ガスの流れと混合される。

ランク・ジェネレータ２０１から排出される低温の空気／ガスの流れは、第２出口管２０９に流れ、そして第２熱交換器２１３を通過する。出口管２０９に流れる空気／ガスは実質的に冷却されるので、戸外の空気が比較的低温であっても第２熱交換器２１３を通過するときに戸外の空気により熱せられる。空気／ガスが第２熱交換器２１３を通過したとき、第１入口管２１０を通って圧縮機２０３に供給される。既に指摘したように、混合物はそのとき第１熱交換器２１１から出る空気／ガスと共に行われる。

図４に示す本発明によるヒートポンプの実施例は、図３の実施例の変形例である。図４のヒートポンプは空間Ｓ３内に組み込まれ、このヒートポンプはまた、ランク・ジェネレータ３０１と圧縮機３０３とを含む。連結管３０５は圧縮機３０３からランク・ジェネレータ３０１に延びる。ランク・ジェネレータ３０１の高温側から第１出口管３０７が延びており、第１出口管３０７は空間Ｓ３の内側に配置された第１熱交換器３１１に結合される。圧縮機３０３への第１入口管３１０が空間Ｓ３の外側に配置された第２熱交換器３１３から出ている。第２入口管３１２が第１熱交換器３１３から延びており、第１入口管３１０を圧縮機３０３に結合する。この第１入口管３１０は空間Ｓ３の外側に配置された第１熱交換器３１１から出ている。第１入口管３１０は、圧縮機３０３の上流側で第１入口管３１０が第２入口管３１２と結合する前に圧縮機３０３および連結管３０５のまわりに「巻き付け（coiled）」られる。この配列は連結管３０５および圧縮機３０３を冷却することを意図している。それにより、熱損失が低減され、かつ、第１出口管３０７の温度が上昇される。第２熱交換器３１３はランク・ジェネレータ３０１の低温側に連結されており、このことはランク・ジェネレータ３０１からの第２出口管３０９によって達成される。

図４に示す本発明によるヒートポンプの実施例は、原理的には図３に示す実施例と同様な方法で機能する。

図５に示す実施例において、従来型空気ヒートポンプ（conventional air heat pump）が本発明によるヒートポンプを用いて完成されている。図５に示す従来型空気ヒートポンプは、第３熱交換器４１５と第４熱交換器４１６とを含んでいる。原理的に蒸発器を構成する第３熱交換器４１５は従来型空気ヒートポンプが作動する空間の外側の開放空気中に配置される一方、原理的に凝縮器を構成する第４熱交換器４１６は従来型空気ヒートポンプが作動する空間内の空気中に配置される。第１移送管４１７が第３熱交換器４１５から第４熱交換器４１６に延びている。この第１移送管４１７には圧縮機４１８が設けられ、この圧縮機４１８は従来型空気ヒートポンプに関連する。第２移送管４１９が第４熱交換器４１６から第３熱交換器４１５に延びている。膨張弁４２０が第２移送管４１９に設けられる。第１ファン４２１が第３熱交換器４１５に関連し、第２ファン４２２が第４熱交換器４１６に関連する。これらのファン４２１、４２２はそれぞれの熱交換器４１５、４１６に関連して十分な空気の移動を保証する。従来型空気ヒートポンプが作動するとき、エネルギ蓄積媒体が第３熱交換器４１５、第１移送管４１７、第４熱交換器４１６および第２移送管４１９を通って循環させられる。エネルギ蓄積媒体、例えば、クロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）は、その中で従来型空気ヒートポンプ作動する空間に熱を放出する第４熱交換器４１６をエネルギ蓄積媒体が通過する前に、空気ヒートポンプに関連する圧縮機４１８によって圧縮される。第３熱交換器４１５は戸外の空気から熱を吸収する。低温、特に−１０℃以下では、エネルギ交換は低い。このエネルギ交換を改善するために、ランク・ジェネレータを含む別のヒートポンプが本発明の原則に従って用いられる。図５から明らかなように、戸外の第３熱交換器４１５は、そのコンポーネントと共に空間Ｓ４内に配置されており、その中にはまた、ランク・ジェネレータを含む別のヒートポンプが配置される。矢印Ａ１およびＡ２で示すように、空気の流れは第１ファン４２１の作動に伴って空間Ｓ４を通って行われる。

図５には、本発明によるヒートポンプが空間Ｓ４にどのように設けられるのかが模式的に示されている。このヒートポンプはランク・ジェネレータ４０１、圧縮機４０３、ランク・ジェネレータ４０１への連結管４０５、ランク・ジェネレータ４０１からの第１出口管４０７、ランク・ジェネレータ４０１からの第２出口管４０９、および圧縮機４０３への第１入口管４１０を含む。ランク・ジェネレータ４０１から発する高温の空気の流れは、第１出口管４０７を通って放出され、第３熱交換器４１５のまわりの空気を加熱する。ランク・ジェネレータ４０１から発する低温の空気の流れは、空間Ｓ４の外側に発する第２出口管４０９を通って排出される。

図６の実施例には、１つの空間Ｓ５だけが示されており、この空間Ｓ５は従来型ヒートポンプの第３熱交換器５１５と本発明によるヒートポンプとを保持する。圧縮機５１８および膨張弁５２０は従来型ヒートポンプに関連される。図６から明らかなように、第１ファン５２１は第３熱交換器５１５の第１部分を加熱する一方、本発明によるヒートポンプは第３熱交換器５１５の第２部分を加熱する。本発明によるヒートポンプはランク・ジェネレータ５０１、圧縮機５０３、ランク・ジェネレータ５０１への連結管５０５、ランク・ジェネレータ５０１からの第１出口管５０７、ランク・ジェネレータ５０１からの第２出口管５０９、および圧縮機５０３への第１入口管５１０を含む。ランク・ジェネレータ５０１から出た高温の空気の流れは、第１出口管５０７を通って排出され、第３熱交換器５１５の上方部分を加熱する。ランク・ジェネレータ５０１から出た低温の空気の流れは空間Ｓ５の外側に現れる第２出口管５０９を通って排出される。

図６に示す実施例では、圧縮機５０３および５１８は共通の動力源により駆動され、これは圧縮機５０３および５１８の関連によって示されている。本発明の空間内では、圧縮機５０３および５１８の各々は別々の動力源に関連することが可能である。

総体的に、上述した本発明によるヒートポンプの実施例では、このヒートポンプはランク・ジェネレータと圧縮機とを含む。好ましくは、高容積および一定の空気流量を有するウォーム圧縮機が用いられる。圧縮機が空気を圧縮したときに発生される熱は、その中にヒートポンプが組み立てられる空間に利用される。

〔発明の実行可能な変形例〕
上述した本発明の実施例において、圧縮機３、１０３、２０３、３０３、４０３、５０３は空間Ｓ、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５内に配置されている。しかしながら、本発明の範囲内ではヒートポンプが作動する空間の外側に圧縮機を配置することも実行可能である。

本発明によるヒートポンプシステムは、例えば、ランク・ジェネレータ１、１０１、２０１、３０１、４０１、５０１の高温側と低温側の間の温度差を記録し、この測定された温度差に基づいて圧縮機３、１０３、２０３、３０３、４０３、５０３の回転周期を調節するために温度センサを備えることもできる。

本発明によるヒートポンプに用いられる圧縮機３、１０３、２０３、３０３、４０３、５０３は、水冷式にすることもでき、圧縮機３、１０３、２０３、３０３、４０３、５０３付近に発生された熱は熱交換器を介して処理される。

図３に示す実施例において、自由空気中にある空間Ｓ２の外側に第２熱交換器２１３が設けられる。この第２熱交換器２１３もまた水中、例えば、湖水中に配置することもでき、地中に埋設したり、岩盤中に配置したりすることもできる。第２熱交換器２１３を太陽熱収集器として設計することもまた実行可能である。概して、例示した配列の目的は、第２熱交換器２１３の開放空気中への配置と比較して空気／ガスの改善された加熱を達成することである。

図３に示す実施例において、第１熱交換器２１１が給湯サービスまたは給湯加熱システムにおける水の加熱に用いられることもまた、本発明の範囲内で実行可能である。

図３に示す実施例において、第２出口管２０９が例えば冷蔵庫、冷凍庫或いは地価貯蔵庫を冷却するように用いられることは、本発明の範囲内で実行可能である。

本発明の範囲内では、熱交換器の一方または両方が本発明によるヒートポンプと一体になる、すなわち、圧縮機、ランク・ジェネレータおよび少なくとも熱交換器の一方が、ヒートポンプが作動することになる空間にユニットを形成することもまた実行可能である。ランク・ジェネレータの低温側に結合された熱交換器がこのユニットに組み込まれる場合、この熱交換器の領域に発生される低温の空気は適当な手段で処理されねばならず、このことは、例えば、ヒートポンプが作動する空間の外側へ低温の空気を移送するファンによって達成される。

図５および６に示す実施例は従来型空気ヒートポンプと共に示されている。しかしながら、本発明の範囲内では、本発明によるヒートポンプが別のタイプの従来型ヒートポンプ、例えば、エアー−ウォーター・ヒートポンプ（air-water heat pump）や地熱ヒートポンプ（geothermal heat pump）と協働することも実行可能である。

ランク・ジェネレータを示す模式的な図である。本発明の第１実施例によるヒートポンプの模式的な構造を示す図である。本発明の第２実施例によるヒートポンプの模式的な構造を示す図である。本発明の第３実施例によるヒートポンプの模式的な構造を示す図である。本発明の第４実施例によるヒートポンプの模式的な構造を示す図である。本発明の第５実施例によるヒートポンプの模式的な構造を示す図である。本発明の第６実施例によるヒートポンプの模式的な構造を示す図である。

符号の説明

１、１０１、２０１、３０１、４０１、５０１ランク・ジェネレータ
３、１０３、２０３、３０３、４０３、５０３圧縮機
５、１０５、２０５、３０５、４０５連結管
７、１０７、２０７、３０７、４０７、５０７第１出口管
９、１０９、２０９、３０９、４０９、５０９第２出口管
１０、１１０、２１０、３１０、４１０、５１０第１入口管
２１１、３１１第１熱交換器
２１２、３１２第２入口管
２１３、３１３第２熱交換器
４１５、５１５第３熱交換器
４１６第４熱交換器
４１７第１移送管
４１８、５１８圧縮機
４１９第２移送管
４２０、５２０膨張弁
４２１、５２１第１ファン
４２２第２ファン
Ｃチャンバ
Ｐ１第１出口管
Ｐ２第２出口管
Ｓ、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５空間
Ｖ１弁

Claims

圧縮機（３；１０３；２０３；３０３；４０３；５０３）と空気／ガスを圧縮機（３；１０３；２０３；３０３；４０３；５０３）に供給するための第１入口管（１０；１１０；２１０；３１０；４１０；５１０）とを含む、空間（Ｓ；Ｓ１；Ｓ２；Ｓ３；Ｓ４；Ｓ５）内で作動するよう企図されたヒートポンプであって、該ヒートポンプはランク・ジェネレータ（Ranque generator）（１；１０１；２０１；３０１；４０１；５０１）と、圧縮空気／ガスをランク・ジェネレータ（１；１０１；２０１；３０１；４０１；５０１）に移送するように圧縮機（３；１０３；２０３；３０３；４０３；５０３）とランク・ジェネレータ（１；１０１；２０１；３０１；４０１；５０１）の間に延びる連結管（５；１０５；２０５；３０５；４０５；５０５）と、空間（Ｓ；Ｓ１；Ｓ４；Ｓ５）の内側に現れるかまたは空間（Ｓ２；Ｓ３）の内側の第１熱交換器（２１１；３１１）に連結される、空気／ガスがランク・ジェネレータ（１；１０１；２０１；３０１；４０１；５０１）の高温側から発散するための第１出口管（７；１０７；２０７；３０７；４０７；５０７）と、空間（Ｓ；Ｓ１；Ｓ４；Ｓ５）の外側に現れるかまたは第２熱交換器（２１３；３１３）に連結される、空気／ガスがランク・ジェネレータ（１；１０１；２０１；３０１；４０１；５０１）の低温側から発散するための第２出口管（９；１０９；２０９；３０９；４０９；５０９）とから構成される、ヒートポンプ。
第２熱交換器（２１３；３１３）は空間（Ｓ２；Ｓ３）の外側に配置される、請求項１に記載のヒートポンプ。
入口管（１０；４１０；５１０）は空間（Ｓ；Ｓ４；Ｓ５）の外側の外気中に配置される、請求項１または２に記載のヒートポンプ。
第１入口管（１１０）は空間（Ｓ１）の内側の外気中に配置される、請求項１または２に記載のヒートポンプ。
圧縮機（２０３；３０３）から離れた側の端部の第１入口管（２１０；３１０）は空間（Ｓ２；Ｓ３）の外側で第２熱交換器（２１３；３１３）に連結される、請求項１または２に記載のヒートポンプ。
第１入口管（３１０）は圧縮機（３０３）および連結管（３０５）の回りに延び、該連結管（３０５）は圧縮空気／ガスをランク・ジェネレータ（３０１）へ移送する、請求項５に記載のヒートポンプ。
第１熱交換器（２１１；３１１）から出る第２入口管（２１２；３１２）が圧縮機（２０３；３０３）の上流側で第１入口管（２１０；３１０）に結合する、請求項５または６に記載のヒートポンプ。
圧縮機（３；１０３；２０３；３０３；４０３；５０３）はウォーム圧縮機（worm compressor）からなる、前記請求項のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
ランク・ジェネレータ（１；１０１；２０１；３０１；４０１；５０１）の高温側と低温側の間の温度差を記録するための温度センサを含み、そして測定された温度差に基づいて圧縮機（３；１０３；２０３；３０３；４０３；５０３）の回転度数（rotational frequency）を調整するための手段をまた含む、前記請求項のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
空間（Ｓ４；Ｓ５）は慣用のヒートポンプの一部を構成する第３の熱交換器（４１５；５１５）をまた備える、前記請求項のいずれか一項に記載のヒートポンプ。