JP2008517247A - ヒートポンプのシャーシ内に統合されたガス冷却器の形状 - Google Patents

Abstract

遷臨界ヒートポンプ式給湯装置に適する薄型ガス冷却器およびシャーシが提供される。このヒートポンプシステムは、ガス冷却器および蒸発器のようなシステム構成部品を支持するシャーシを備える。ガス冷却器の寸法は、ガス冷却器が遮蔽する空気流の量を減らすことによって、ガス冷却器が蒸発器の冷却能力に及ぼす影響を最小限に抑えるように、設計される。これは、ガス冷却器がシャーシのキャビティへ延びる深さを短くすることにより実現される。結果として本発明のガス冷却器は、同等の給湯能力をもつ他の同様の容積のガス冷却器と比較して、高さおよび／または幅が大きくなる。

Description

本発明は、遷臨界ヒートポンプ式給湯装置用のガス冷却器およびシャーシに関する。

遷臨界ヒートポンプ式給湯装置の一形式として、ＣＯ₂を作動流体として利用するヒートポンプサイクルを用いるものがある。ヒートポンプは、室内に配置されてもよく、または建物の外部に配置されてもよく、例えば、建物の屋根の上に取り付けられてもよい。数多くの構成部品が、それらの部品を支持するシャーシ内に配置される。これらの構成部品の例として、例えば、圧縮器、ガス冷却器、膨張装置、蒸発器、蓄圧器、および他の種々の構成部品が挙げられる。

ＣＯ₂ヒートポンプ式給湯システムでは、超臨界ＣＯ₂がガス冷却器内において熱を水に排出し、亜臨界ＣＯ₂が蒸発器内において熱を屋外空気から吸収する。このヒートポンプシステムは、広い範囲の条件下で望ましく動作する必要がある。例えば、屋外空気の温度は、冬季の１０°Ｆから夏季の１２０°Ｆの間で変化する可能性がある。通常、送風機を用いて、空気流を蒸発器のフィン側に強制的に送り、熱を蒸発器のチューブ側内を流れる冷媒に供給する。蒸発器内を通る流量を確実に最大限に大きくすることで、ヒートポンプがさまざまな空気流条件下で動作することができる。

これまでのガス冷却器は、ガス冷却器の他の構成部品の効率についての影響を考慮することなく、ガス冷却器の機能を効率よく実現することのみを目的として、設計されていた。ガス冷却器は、多くの場合、熱損失を低減するために、内部流体通路の周りに断熱体をもつ、ある程度大きな箱型構成部品として、収容されている。この箱は、種々のヒートポンプ構成部品も収容するシャーシによって画成されるキャビティ内に大きい距離にわたって延びている。その結果、ガス冷却器は、空気流を遮蔽し、かつシャーシ内を流れる空気流を著しく妨げ、ヒートポンプの蒸発器の効率および種々の動作条件下で望ましく発揮されるべき蒸発器の能力を損なう。従って、システム効率および蒸発器へのガス冷却器の悪影響を最小限に抑える、すなわち、空気流の遮蔽を最小限に抑える、改良されたガス冷却器およびシャーシの配置構造が必要とされる。

本発明は、遷臨界ヒートポンプ式給湯装置に適するガス冷却器およびシャーシの統合設計に関する。ヒートポンプシステムは、ガス冷却器および蒸発器のようなシステム構成部品を支持するシャーシを備える。ガス冷却器は、水供給開口および水戻り開口と冷媒吸込開口および冷媒排出開口を備え、関連する通路が、ガス冷却器内に延びている。水通路および冷媒通路は、圧縮された冷媒からの熱が水通路内を流れる水に伝達され、加熱された水が水タンクに供給されるような関係で、互いに配置される。

ガス冷却器の寸法は、ガス冷却器が遮蔽する空気流の量を減らすことによって、ガス冷却器が蒸発器の冷却能力に及ぼす影響を最小限に抑えるように、設計される。これは、ガス冷却器を収容する仕方を最適化することによって、例えば、ガス冷却器がシャーシのキャビティ内に延びる深さを短縮することによって、達成される。その結果、他の同様の容積のガス冷却器と比較して、同等の給湯能力をもたらしながら、ガス冷却器の高さおよび／または幅が大きくなる。その結果、より短い蒸発器のコイルしか空気流の遮蔽によって影響されないことになる。

典型的なヒートポンプのシャーシは、シャーシの寸法を画成する垂直支柱および水平支柱によって支持された互いに離間した垂直壁および互いに離間した水平壁を備える。これらの壁および支柱は、外形を概ね画成する。シャーシは、ヒートポンプ式給湯装置の構成部品を支持するのみならず、運転目的および保守目的のためのアクセスインターフェイスを構成する。ヒートポンプの種々の構成部品は、シャーシ内に配置されると共に相互接続され、冷媒の閉ループを形成する。一例では、ガス冷却器の一面が、壁の大半の部分、例えば、５０％よりも大きい部分に隣接して配置される。

図示される例では、ガス冷却器の４つの側面が、互いに離間した水平支柱および互いに離間した垂直支柱に近接して配置され、これによって、シャーシのキャビティ内にさほど深くは延びていない薄型のガス冷却器をもたらす。加えて、ガス冷却器は、シャーシの外面の１つを構成してもよく、これによって、従来技術において用いられていた仕切りの壁をなくすことができる。ガス冷却器の深さは、幅および／または高さよりも小さいことが好ましい。また、シャーシは、１つ以上のガイドを内蔵してもよく、これによって、本発明による薄型のガス冷却器をハウジングの一部内に、好ましくはシャーシの１つの外壁に近接して、離脱可能に収容することができる。

従って、本発明は、ガス冷却器が蒸発器への空気流を遮蔽することによって蒸発器およびシステム性能に及ぼす悪影響を最小限に抑える、改良されたガス冷却器およびシャーシの配置構造を提供する。

図１，図２は、従来技術のヒートポンプシステムを示す。図１では、シャーシ１１２を有するヒートポンプ式給湯装置１１０が図示されている。このシャーシ１１２は、ヒートポンプシステム１１０の構成部品を収容する箱型構造体をなす複数の垂直支柱１１４および複数の水平支柱１１６から構成されている。壁１１８は、構成部品を密閉して外部環境から保護するために、通常は支柱１１４，１１６に支持されている。しかし、これらの壁１１８は、垂直支持体および水平支持体とも考えられ、一体となって外形を画成する。壁１１８の１つは、シャーシ内に配置された蒸発器の望ましい動作を確実にするために空気をシャーシ内に送るファン１５４を支持している。蒸発器内を通る空気流を可能な限り大きくすることによって、不利な動作条件下でも、望ましいヒートポンプ性能が発揮されるようにできる。

図１から分かるように、従来技術のガス冷却器１２４は、シャーシ１１２のキャビティ内にかなりの深さまで延びているので、著しい量の空気流を塞ぎ、蒸発器の望ましい動作を妨げることになる。ガス冷却器１２４は、床の上に支持された状態で示されているが、このガス冷却器１２４は、垂直支柱１１４の１つのごく一部および水平支柱１１６の１つの一部にのみ近接している。従来技術のガス冷却器１２４は、シャーシ１１２の１つの側において、垂直支柱１１４間および水平支柱１１６間に画成された領域の半分よりも著しく小さい区域に隣接している。さらに、ガス冷却器１２４の幅、高さ、および深さは、およそ均等で、立方体つまり箱型構造に設けられる。

図２では、一例としての従来技術の蒸気圧縮システム１２０が図示されている。この蒸気圧縮システム１２０は、圧縮器１２２、排熱用熱交換器（遷臨界システムにおけるガス冷却器）１２４、膨張装置１２６、および受熱用熱交換機（蒸発器）１２８を備える。冷媒は、閉回路システム１２０を循環する。

冷媒は、高圧および高エンタルピーで圧縮器１２２から流出する。次に、冷媒は、高圧でガス冷却器１２４に流れる。水または空気のような流体媒体１３０が、ガス冷却器１２４のヒートシンク１３２に流れ、ガス冷却器１２４に流れる冷媒と熱を交換する。ガス冷却器１２４内において、冷媒は、流体媒体１３０に熱を排出し、低エンタルピーおよび高圧でガス冷却器１２４から流出する。給水ポンプ１３４は、流体媒体１３０をヒートシンク１３２へ圧送する。冷却された流体媒体１３０は、ヒートシンク入口つまりヒートシンク戻り口１３６からヒートシンク１３２に入り、冷媒の流れの方向と逆の方向に流れる。冷媒との熱交換の後、加熱された水１３８は、ヒートシンク出口つまりヒートシンク供給口１４０でヒートシンク１３０から流出する。加熱された水は、水タンク１６４内に貯蔵することができる。一例では、水タンク１６４は、常時、予測される最大需要を満たすように、寸法が決められる。次いで、冷媒は、膨張弁１２６を通過する。この膨張弁１２６は、冷媒を膨張させ、減圧する。この膨張装置１２６は、電子膨張弁であってもよいし、または他の周知の型式の膨張装置であってもよい。

冷媒は膨張後、蒸発器１２８の通路１８０を流れ、高エンタルピーおよび低圧で流出する。蒸発器１２８内では、冷媒は、冷媒を加熱する屋外空気１４４から熱を吸収する。屋外空気１４４は、ヒートシンク１４６内を流れ、周知の方法により、蒸発器１２８を流れる冷媒と熱交換する。屋外空気１４４は、ヒートシンク入口つまりヒートシンク戻り口１４８を通ってヒートシンク１４６に流入し、冷媒の流れの方向と逆の方向または交差する方向に流れる。冷媒と熱交換した後、冷却された屋外空気１５０は、ヒートシンク出口つまりヒートシンク供給口１５２を通ってヒートシンク１４６から流出する。冷媒が蒸発器１２８内を流れる間に、屋外空気１４４と蒸発器１２８内の冷媒との間の温度差によって、熱エネルギーが屋外空気１４４から冷媒に伝達される。ファン１５４が、屋外空気１４４を蒸発器１２８を横切って送ることによって、温度差を維持し、冷媒を蒸発させる。次に、冷媒は、圧縮器１２２に再流入し、サイクルが完了する。

システム１２０は、熱を低温エネルギー源（大気）から高温エネルギーシンク（加熱された温水）に伝達する。また、このエネルギーの伝達は、圧縮器１２２、ファン１５４、およびポンプ１３４において、電気エネルギーが入力されることによって実現される。

システム１２０は、蓄圧器１５６を備えることもできる。蓄圧器１５６は、システム１２０からの過剰な冷媒を貯蔵し、システム１２０の高圧、ひいては、システム１２０の性能比を制御する。

図３を参照すると、本発明による薄型ガス冷却器２４が、シャーシ１２に取り付けられた状態で示されている。ガス冷却器２４の深さＤは、ガス冷却器の高さＨ２および幅Ｗ２よりも著しく小さい。さらに、高さＨ２および幅Ｗ２は、シャーシ１２の垂直支柱１４および水平支柱１６によって画成される高さＨ１および幅Ｗ１とほぼ等しい。すなわち、ガス冷却器２４の寸法は、ガス冷却器２４の側面が垂直支柱１４および水平支柱１６に向かって可能な限り延びるように、決められるのが好ましい。このようにして、深さＤは、最小の寸法にまで短くされ、これによって、ガス冷却器がシャーシ１２のキャビティ内に延びることによって生じる遮蔽物、すなわち、シャーシ１２内に配置された蒸発器２８内を通る空気流を妨げる遮蔽物が、最小限に抑えられる。

さらに、図３に示されるように、ガス冷却器２４は、外側部、すなわち、壁１８を構成するので、仕切りのシャーシ壁を設ける必要がない。ガス冷却器が外壁１８の単に一部しか構成しないことがあり得ることも理解されたい。一枚の材料シートが、外壁１８を仕上げる形態で、ガス冷却器２４に接合される。ガス冷却器２４は、側壁を構成するように示されているが、ガス冷却器２４は、シャーシ１２の上壁または底壁を構成することもできる。

ガス冷却器２４およびシャーシ１２に対するガス冷却器２４の関係における本発明の特徴は、多くの方法で表現することができる。例えば、図４を参照すると、ガス冷却器２４の外側の領域Ａ２は、シャーシの領域Ａ１の大半の部分と隣接している。この領域Ａ１は、図示されている例では、シャーシの１つの側、好ましくは、壁１８に隣接する側において、垂直支柱１４および水平支柱１６によって境界が定められた領域によって、画成される。ガス冷却器２４は、シャーシから取り外された状態で示されている。

一例では、領域Ａ２は、領域Ａ１の少なくとも５０％である。図４に示されている例では、領域Ａ２は、領域Ａ１にほぼ等しい。換言すれば、幅Ｗ２および／または高さＨ２は、ガス冷却器２４の深さＤよりもかなり大きい長さ、例えば、２倍の長さを有する。本発明によるガス冷却器２４は、１つの側壁の近くに配置された状態で示されているが、当業者であれば、シャーシ１２の上部または底部に配置されてもよいことを理解するだろう。

図４の他の特徴について説明すると、本発明によるガス冷却器２４は、壁１８に隣接する１つの側において、シャーシ１２内に離脱可能に設置される。図示されている例では、ガス冷却器２４は、シャーシ１２内に上側から装填されているが、側方または底側から装填されてもよい。１つ以上のガイド７０が、シャーシ１２内へのガス冷却器２４の設置中に、ガス冷却器２４を望ましい個所に配置するのに、用いられる。図示されている例では、ガス冷却器２４の互いに対向する側は、互いに対向する垂直部材１４および互いに対向する垂直ガイド７０によって、保持される。

図４に示される離脱可能なガス冷却器の構成は、図３に示されるのと同じように、外壁１８を構成することが可能であると理解されたい。

本発明によるガス冷却器２４は、蒸発器のコイルへの空気の遮蔽を減らし、これによって、蒸発器への悪影響、ひいては、給湯性能への悪影響を最小限に抑える。加えて、シャーシ１２内におけるガス冷却器２４の形状により、ユーザが、シャーシ内の部品、特に図４に示される装置内の部品へアクセスし易くなる。

本発明を例示的に説明したが、用いている専門用語は説明のためのものであり、これに限定されるものではないということを理解されたい。上記の示唆に照らして、本発明の多くの修正および変更が可能であることは、明らかである。従って、特許請求項の範囲内において、本発明は、上記の具体例以外の方法で実施されることがあることを理解されたい。

シャーシのキャビティの見通しを得るためにいくつかの壁を取り外した従来技術のヒートポンプ式給湯装置の透視図。 従来技術の空気源を用いるヒートポンプ式給湯システムの概略図。 ヒートポンプシステムのシャーシと関連する本発明のガス冷却器の部分的透視図。 薄型ガス冷却器がシャーシの外面の近くでシャーシ内に離脱可能に収容されることを可能にする本発明のヒートポンプのシャーシの部分的透視図。

Claims (24)

1. 第１の領域を有する側面を備えた外形を概ね画成する複数の支柱を有するシャーシと、
   前記シャーシによって支持されたガス冷却器であって、水供給開口および水戻り開口と冷媒吸込開口および冷媒排出開口とを備えると共に、前記第１の領域の大半の部分に近接する第２の領域を有する表面を備える、ガス冷却器と、
   を備えるヒートポンプシステム。
2. 前記ガス冷却器が、前記第２の領域を画成する幅および高さと、前記幅および高さよりも実質的に小さい深さと、を備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記深さが、前記側面から前記外形のキャビティ内に延びることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 前記ガス冷却器が、前記幅および高さをもたらす４つの側面を備え、前記４つの側面が、前記外形に近接することを特徴とする請求項２に記載のシステム。
5. 前記ガス冷却器が、前記外形の底を構成することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 圧縮器、蒸発器、および膨張装置が、前記シャーシ内に配置されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. 前記ガス冷却器が、二酸化炭素を含む冷媒で充填された冷却通路を備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
8. キャビティを画成すると共に、前記キャビティ内に配置された蒸発器を備えるシャーシと、
   前記シャーシによって支持されたガス冷却器であって、前記ガス冷却器は、水供給開口および水戻り開口と冷媒吸込開口および冷媒排出開口とを備え、前記ガス冷却器は、幅、高さ、および深さを備え、前記深さは、前記キャビティ内に延び、前記深さは、前記幅および前記高さの少なくとも１つよりも実質的に小さく、これによって、前記シャーシを通る前記蒸発器への空気流の遮蔽を最小限に抑える、ガス冷却器と、
   を備えるヒートポンプシステム。
9. 前記幅および高さの前記少なくとも１つが、前記深さの少なくともおよそ２倍であることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 前記深さが、前記幅および高さの少なくともおよそ半分であることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
11. 前記ガス冷却器が、前記幅および高さをもたらす４つの側面を備え、前記４つの側面が、前記シャーシの４つの壁に近接することを特徴とする請求項８に記載のシステム。
12. 前記４つの壁が、第１の領域を画成し、前記幅および高さが、第２の領域を画成し、前記第２の領域が、前記第１の領域と実質的に等しいことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
13. 前記ガス冷却器が、前記シャーシの外壁の一部を構成することを特徴とする請求項８に記載のシステム。
14. 前記ガス冷却器が、前記外壁を実質的に構成することを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
15. 圧縮器および膨張装置が、前記シャーシ内に配置されることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
16. 前記ガス冷却器が、二酸化炭素を含む冷媒で充填された冷却通路を備えることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
17. そのキャビティ内に第１の領域を画成する複数の支柱を有するシャーシと、
    前記シャーシによって支持されたガス冷却器であって、前記ガス冷却器は、水供給開口および水戻り開口と冷媒吸込開口および冷媒排出開口とを備え、前記ガス冷却器は、幅および高さによって画成された第１の領域を有する表面と、前記領域から離れて延びる深さと、を備え、前記深さが、前記幅および高さの少なくとも１つよりも小さい、ガス冷却器と、
    を備えるヒートポンプシステム。
18. 前記シャーシが、前記領域から離間されたガイドを備え、これによって、前記領域および前記ガイド間に空間を画成し、前記ガス冷却器を前記空間内に離脱可能に収容することを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
19. 前記幅および高さの少なくとも１つが、前記深さの少なくともおよそ２倍であることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
20. 前記深さが、前記幅および高さの少なくともおよそ半分であることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
21. 前記ガス冷却器は、前記幅および高さを変形させる４つの側面を備え、前記４つの側面が、前記シャーシの４つの壁に近接することを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
22. 前記４つの壁が、第１の領域を画成し、前記幅および高さが、第２の領域を画成し、前記第２の領域が、前記第１の領域と実質的に等しいことを特徴とする請求項２１に記載のシステム。
23. 圧縮器、蒸発器、および膨張弁が、前記シャーシ内に配置されることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
24. 前記ガス冷却器が、二酸化炭素を含む冷媒で充填された冷却通路を備えることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。

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