JP2008541000A - ヒートポンプ装置および流体の加熱方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ヒートポンプ装置に関し、特に流体を加熱するためのヒートポンプ装置と方法に関する。本発明の一態様によると、流体を加熱するためのヒートポンプ装置が提供され、該装置は、熱源から熱を汲み上げて冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器に連通されていて、冷媒蒸気を圧縮する圧縮器と、圧縮器に連通されていて、圧縮冷媒から流体に熱を伝達する凝縮器と、凝縮器を蒸発器に連通して、冷媒の温度を下げる主膨張装置と、凝縮器を出た冷媒の一部分を分流してその温度を下げる手段と、温度が下がった冷媒部分を中圧で冷媒蒸気と混合して、凝縮器への放出のために、冷媒蒸気と冷媒部分との少なくとも擬似的な２段圧縮が行われるよう、温度が下がった冷媒部分を圧縮器の中に流体注入する手段とを有する。本発明の別の態様によると、流体を加熱する方法が提供され、該方法は、冷媒を蒸発させるために熱源から熱を汲み上げる工程と、冷媒蒸気を昇温するために圧縮する工程と、圧縮した冷媒蒸気から流体に熱を伝達させる工程と、熱伝達工程後、冷媒の一部分を分流してその温度を下げる工程と、冷媒の温度を下げる工程と、温度が下がった冷媒部分を中圧で冷媒蒸気と混合して、冷媒蒸気と冷媒部分との少なくとも擬似的な２段圧縮が行われるよう、圧縮工程に温度が下がった冷媒部分を取り込む工程と、流体に熱を伝達するために、熱伝達工程において圧縮冷媒を放射する工程とを含む。

Description

本発明は、ヒートポンプ装置に関し、特に流体を加熱するためのヒートポンプ装置と方法に関する。

本発明は、ヒートポンプ装置としての使用、および低温環境または周囲温度の変動幅が大きい環境下で水を加熱する方法のために、主として開発され、本出願に関連して、以下に説明する。しかし、本発明は、この特定の使用分野に限定されるものではないと了解されるものとする。

本明細書の中で従来技術について説明するが、それらの従来技術は、公知ではあるが、技術常識に包含されるとは、必ずしも認識されているものではない。

トイレの温水は、６０℃またはそれ以上の温度に加熱することが必要である。また、建物の暖房に用いる温水も、多くの場合、この温度まで加熱する必要がある。この種の水の加熱には、空気を熱源とするヒートポンプ装置が採用されており、このヒートポンプ装置は、従来、冷暖房装置用の圧縮器を用いている。しかし、冷暖房装置用の圧縮器は動作温度範囲が狭いため、従来のヒートポンプ装置では、たとえば夏は非常に暑く、冬は非常に寒いという環境など、周囲温度の変動幅が大きい環境下では運転することができない。同様に、水と熱源のあいだの温度差が比較的大きい場合、たとえば寒冷環境のように周囲温度が常に低い場合にも、従来のヒートポンプ装置は運転することができない。

この問題の解決策は、２段圧縮装置、多段圧縮装置、またはカスケード装置を用いることである。しかし、そのような装置は、２つ以上の圧縮器が必要であるためにヒートポンプ装置が複雑で高価になり、さらに、周囲温度の広い変動幅に適するように製造することが困難である。また、そのような圧縮装置は、周囲温度が暖かいときには不必要になる。

寒冷環境においては、多くの場合、化石燃料燃焼式のボイラーが用いられ、高い運転費をかけ、環境に好ましくない影響を与えながら、水を加熱する。

本発明は、従来技術の不都合な点を少なくとも１つ解消するもしくは改良する、または有用な代替技術を提供することを目的とする。

好ましい形態において、本発明は、寒冷環境においてまたは周囲温度の変動幅が大きい環境下において運転できるよう擬似的な２段圧縮が可能な圧縮器を備え、かつ、単純で廉価なヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によると、流体を加熱するためのヒートポンプ装置が提供され、該ヒートポンプ装置は、熱源から熱を汲み上げて冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器に連通されていて、冷媒蒸気を圧縮する圧縮器と、圧縮器に連通されていて、圧縮冷媒から流体に熱を伝達する凝縮器と、凝縮器を蒸発器に連通して、冷媒の温度を下げる主膨張装置と、凝縮器からの冷媒の一部分を分流してその温度を下げる手段と、温度が低がった冷媒部分を中圧で冷媒蒸気と混合して、凝縮器への放出のために、冷媒蒸気と冷媒部分との少なくとも擬似的な２段圧縮が行われるよう、温度が下がった冷媒部分を圧縮器の中に流体注入する手段とを有する。

本発明の別の態様によると、流体を加熱する方法が提供され、該方法は、冷媒を蒸発させるために熱源から熱を汲み上げる工程と、冷媒蒸気を昇温するために圧縮する工程と、圧縮した冷媒蒸気から流体に熱を伝達させる工程と、熱伝達工程後、冷媒の一部分を分流してその温度を下げる工程と、冷媒の温度を下げる工程と、温度が下がった冷媒部分を中圧で冷媒蒸気と混合して、冷媒蒸気と冷媒部分との少なくとも擬似的な２段圧縮が行われるよう、圧縮工程中に温度が下がった冷媒部分を取り込む工程と、流体に熱を伝達するために、熱伝達工程において圧縮冷媒を放射する工程とを含む。

分流して温度を下げる手段は、凝縮器と圧縮器に連通された膨張装置を有することが好ましい。膨張装置は、毛細管または膨張弁を有することが好ましい。膨張装置は、中間冷却器のような熱交換器をさらに有していてもよい。

分流して温度を下げる手段は、凝縮器と膨張装置に連通されたバイパス流路を有することが好ましい。

流体注入手段は、膨張装置への冷媒部分の流れを制御する流体注入弁を含むことが好ましい。圧縮器は、流体注入手段に接続された流体注入口を有することが好ましい。流体注入手段は、流体注入口に接続された逆止め弁を有することが好ましい。

該方法は、冷媒を、温度を下げる工程から蒸発させる工程に還流させる工程を含むことが好ましい。

主膨張装置は、第１配管により凝縮器に連通されていることが好ましい。第１配管は、バイパス流路に接続されていることが好ましい。主膨張装置は、膨張弁であってもよい。

毛細管は、第１配管に近接し、第１配管を通り主膨張装置へ流れる冷媒を冷却することが好ましい。好ましい一形態において、毛細管は、第１配管の周囲に螺旋状に巻着されている。毛細管の下流側端部は、配管の一部に接続されていてもよい。配管部は、第１配管と配管部のあいだで熱を伝達するために、第１配管に接触していることが好ましい。配管部は、第１配管にほぼ平行に配置され、金属製クランプまたはその他の好適な締着手段によって第１配管に取り付けられていてもよい。伝熱効率を向上させるために、伝熱性ペーストが、配管部と第１配管のあいだに介在することが好ましい。また、配管部は、第１配管の形状に合わせて変形することが好ましい。

温度を下げる手段が膨張装置と中間冷却器を有する場合には、冷媒が、中間冷却器を通って主膨張装置へと流れ、中間冷却器を通過する冷媒部分と熱交換を行うよう、中間冷却器が、凝縮器と主膨張装置とに連通することが好ましい。

被加熱流体は、水であることが好ましい。熱源は、周囲の空気であってもよい。

ここで、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について、あくまでも一例として説明する。

図１に示されるように、水を加熱するためのヒートポンプ装置は、周囲温度の熱源３から熱を伝達することにより、冷媒を蒸発させる蒸発器１、蒸発器１に連通されていて、冷媒蒸気を圧縮する圧縮器４、および圧縮器４に連通されていて、圧縮冷媒から水６に熱を伝達する凝縮器５を有する。熱源３は、寒冷環境の周囲空気であり、圧縮器４は、流体注入口７を備えた、低温度冷媒用の従来の圧縮器である。

毛細管形の膨張装置８が、凝縮冷媒のごく一部分を分流して温度を下げるために、凝縮器５と圧縮器４に連通している。流体注入手段９が、毛細管８から、温度が下がった冷媒部分を、圧縮器４に流体注入する。温度が下がった冷媒部分を、圧縮器４の中で中圧にまで圧縮された冷媒蒸気と混合して、少なくとも擬似的な２段圧縮が行われる。次に、（冷媒蒸気と冷媒部分の）混合冷媒は、さらに圧縮されて凝縮器５へ放出される。

主膨張弁１０が、配管１１を介して凝縮器５と蒸発器１に連通している。バイパス流路１２は、冷媒部分を配管１１から毛細管８へと分流する。

流体注入手段９は、冷媒部分の液体注入をオン・オフに切り替えるための流体注入電磁弁１３と、温度が下がった冷媒部分を、逆止め弁１７を介して圧縮器４の注入口７に供給するための配管部１５を有する。逆止め弁１７は、温度が下がった冷媒部分だけが圧縮器４の中に送給され、冷媒が圧縮器４から配管部１５を介して毛細管８と流体注入電磁弁１３に向けて逆流することを防止する。

毛細管８は、配管１１を通って主膨張弁１０へ流れる冷媒の温度を下げることができるよう、配管１１の周囲に螺旋状に巻着されている。また、配管部１５と配管部２１のあいだの伝熱効率を向上させるために、配管部１５は、配管部２１に対してほぼ平行に、かつ接触するよう位置し、金属製クランプによって配管１１の一部分２１に取り付けられている。また、伝熱性ペーストが、配管部１５と配管部２１のあいだに適用される。配管部１５は、伝熱効率を向上させるために、配管部２１の形状に合わせて変形することができる。

ヒートポンプ装置の他の要素には、凝縮冷媒の流れをオン・オフに切り替えるための液体用電磁弁２３と、凝縮器５と毛細管８のあいだに配置されたフィルタ／乾燥器２５が含まれる。配管１１には、主膨張弁１０に流入する前の冷媒を観察するための覗き窓２７が設けられている。また、副配管３１には、除氷用電磁弁２９が設けられている。

ここで、ヒートポンプ装置の動作について説明する。蒸発器１の冷媒は、周囲の空気３から汲み上げた熱を用いて蒸発する。圧縮器４は、蒸発器１から冷媒蒸気を取り出し、低温低圧状態の蒸気を高温高圧状態の蒸気に圧縮する。高温高圧の冷媒蒸気は、次いで、冷媒蒸気から水６に熱を伝達する熱交換器として作用する凝縮器５へ排出される。このプロセスの結果、冷媒は、液化して予備冷却される。

液状冷媒は、次いで、液体用電磁弁２３と、冷媒から水分と混入物を除去するためのフィルタ／乾燥器２５を通過する。フィルタ／乾燥器２５を通過した液状冷媒の大部分は、配管１１を通って主膨張弁１０へ流れる。液状冷媒は、主膨張弁１０を通過して、膨張し、圧力と温度を低下させる。この時点での冷媒の温度は、周囲の空気３の温度より低い。冷媒は、次いで、蒸発器１に流入し、熱が、周囲の空気３から冷媒に再度伝達される。次いで、蒸発した冷媒は圧縮器４に取り込まれて、サイクルを繰返す。

液状冷媒の大部分は主膨張弁１０に流入するが、液状冷媒のほんの一部分（冷媒総量の約１０％）は、配管１１からバイパス流路１２に、次いで、液体注入電磁弁１３を通過して毛細管８に流入する。毛細管８は冷媒部分を膨張させ、圧力と温度を低下させる。温度が下がった冷媒部分は、次いで、配管部１５と逆止め弁１７を通過して注入口７へと流れる。次に、液体／蒸気の状態の冷媒部分は、圧縮器４の中に注入され、圧縮器４の中で擬似的な第１段の圧縮が行われた過熱冷媒蒸気と混合され、その温度を下げる（即ち、冷媒部分は、冷媒蒸気が中圧にまで圧縮された後に、圧縮器の中に注入される）。その結果、擬似的な第２段の圧縮が起こり、混合冷媒蒸気と冷媒部分は、最終的な圧力にまで圧縮される。圧縮冷媒は、次いで、凝縮器５へ放出される。

圧縮器４の中の冷媒には、少なくとも擬似的な第１段の圧縮が行われているために、温度が下がった冷媒部分を圧縮器４の中に導入して過熱冷媒と混合した場合、第２段の圧縮を受ける前の冷媒の温度を下げることによって、第２段の圧縮を行うための圧縮器内の温度が下がる。これにより、各段の圧縮のための圧力比が、擬似的な２段圧縮にとって望ましいレベルにまで低下するために、各段の圧縮効率が向上する。圧縮器の中に冷媒部分を流体注入により中間冷却と組み合わされた擬似的な２段圧縮は、また、ヒートポンプ装置により取り込まれた力を（１段圧縮の場合より）低下させる。流体注入弁１３と逆止め弁１７が、圧縮器４の中へ注入される温度が下がった冷媒部分の注入のタイミングと流れの方向を制御する。このようにして、単一の圧縮器によって少なくとも擬似的な２段圧縮を、制御可能な状態で実現することができる。これにより、凝縮温度と蒸発温度の差が非常に大きくなるために、ヒートポンプ装置が動作可能な周囲温度の範囲が拡大する。

好ましい形態において、ヒートポンプ装置を簡単な構造にするために、膨張装置８は毛細管である。毛細管８によって、主膨張弁１０に流入する前の、配管１１内の液状冷媒から熱を汲み上げるために、膨張直後の温度が下がった冷媒部分を使用することが可能になる。上述したように、毛細管８は、配管１１の周囲に螺旋状に巻着されており、配管部１５は、配管１１にほぼ平行に、かつ接触して配置される。このようにして、配管１１内の冷媒のさらなるサブクーリングが行われることによって、液状冷媒が主膨張弁１０に流入する前にフラッシングする危険性が低下する。

実施形態において、冷媒全体の約１０％の量が毛細管８に分流されると説明したが、分流される冷媒部分の量は、熱源である環境温度と所望の水温によって決まる。

先の説明は、本発明の好ましい構成について行ったが、別の実施形態においては、装置の構成部品は異なっていることもあると了解されるものとする。

図２は第２の実施形態を示すが、対応する特徴には、同一の参照符号が付されている。第２の実施形態において、膨張装置８は、中間冷却器３５を備えた膨張弁３３である。中間冷却器３５は、凝縮器５と主膨張弁１０に連通している。バイパス流路１２が、中間冷却器３５の下流に設けられている。凝縮器５からの液状冷媒が、中間冷却器３５に流入する。中間冷却器３５は、まず、バイパス流路１２によって冷媒部分が液体注入弁１３に取り上げられる前の液状冷媒を冷却する。冷媒部分は、膨張弁３３を通過し、温度と圧力をさらに低下させる。次いで、温度が下がった冷媒部分は、圧縮器４に送給される前に中間冷却器３５に還流され、凝縮器５からの中間冷却器３５を流れる液状冷媒と熱交換を行う。第１実施形態と同様に、冷媒部分を圧縮器の中の冷媒蒸気と混合することによって、少なくとも擬似的な２段圧縮が行われる。冷媒が膨張弁３３と主膨張弁９の両方でフラッシングを起こす可能性を低下させるために、液状の冷媒部分は、中間冷却器３５を出ると抽出される。

別の実施形態においては、必要に応じて、擬似的な２段圧縮の後に、温度が下がった別の冷媒部分を注入することによって多段圧縮を行うことができるようになっている。

圧縮器には、１つ以上の注入口が付いた冷却用の圧縮器、または改造して液体注入口が付けられたその他の圧縮器を用いてもよい。

ヒートポンプ装置の説明は、本発明についての理解を容易にするために簡略化して行った。ヒートポンプ装置には、その他の構成部と、制御・安全機構が含まれることは了解されるであろう。それらの要素は説明を省略したが、好ましい形態において、装置の基本的な動作に影響を与えるものではない。

上述するように、好ましい形態において、本発明は、特に低い温度環境から空気熱源とするヒートポンプ装置のために、エネルギー効率の高い実用的な水を加熱するための装置が提供される。好ましい形態において、本発明は、現在の化石燃料燃焼式ボイラーを代替し、それにより、環境に対する好ましくない影響を小さくすることができる。

特定の例を用いて本発明について説明したが、当業者には、本発明はその他多くの形態で具現可能であることが了解できるであろう。

本発明による、水を加熱するためのヒートポンプ装置を示す概略図である。 本発明の別の実施形態を示す概略図である。

Claims (17)

1. 熱源から熱を汲み上げて冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器に連通されていて、前記冷媒蒸気を圧縮する圧縮器と、
   前記圧縮器に連通されていて、前記圧縮冷媒から前記流体に熱を伝達する凝縮器と、
   前記凝縮器を前記蒸発器に連通して、冷媒の温度を下げる主膨張装置と、
   前記凝縮器からの前記冷媒の一部分を分流してその温度を下げる手段と、
   前記温度が下がった冷媒部分を中圧で前記冷媒蒸気と混合して、前記凝縮器への放出のために、前記冷媒蒸気と前記冷媒部分との少なくとも擬似的な２段圧縮が行われるよう、前記温度が下がった冷媒部分を前記圧縮器の中に流体注入する手段とを有することを特徴とする流体を加熱するためのヒートポンプ装置。
2. 分流して温度を下げる手段は、凝縮器と圧縮器に連通された膨張装置を有することを特徴とする請求項１記載の流体を加熱するためのヒートポンプ装置。
3. 膨張装置は毛細管を有することを特徴とする請求項２記載の流体を加熱するためのヒートポンプ装置。
4. 膨張装置は膨張弁を有することを特徴とする請求項２記載の流体を加熱するためのヒートポンプ装置。
5. 膨張装置は、中間冷却器のような熱交換器を有することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の流体を加熱するためのヒートポンプ装置。
6. 分流して温度を下げる手段は、凝縮器と膨張装置に連通するバイパス流路を有することを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の流体を加熱するためのヒートポンプ装置。
7. 流体注入手段は、膨張装置への冷媒部分の流れを制御する流体注入弁を有することを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の流体を加熱するためのヒートポンプ装置。
8. 圧縮器は、流体注入手段に接続された流体注入口を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の流体を加熱するためのヒートポンプ装置。
9. 流体注入手段は、流体注入口に接続された逆止め弁を有することを特徴とする請求項８記載の流体を加熱するためのヒートポンプ装置。
10. 主膨張装置は、第１配管により凝縮器に連通されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の流体を加熱するためのヒートポンプ装置。
11. 毛細管は、第１配管に近接し、第１配管を通り主膨張装置へ流れる冷媒を冷却することを特徴とする請求項１０記載の流体を加熱するためのヒートポンプ装置。
12. 毛細管は、第１配管の周囲に螺旋状に巻着されていることを特徴とする請求項１１記載の流体を加熱するためのヒートポンプ装置。
13. 温度を下げる手段は、膨張装置と中間冷却器とを有し、かつ、冷媒が、中間冷却器を通って主膨張装置へと流れ、中間冷却器を通過する冷媒部分と熱交換を行うよう、前記中間冷却器が、凝縮器と主膨張装置とに連通することを特徴とする請求項１記載の流体を加熱するためのヒートポンプ装置。
14. 冷媒を蒸発させるために熱源から熱を汲み上げる工程と、
    前記冷媒蒸気を昇温するために圧縮する工程と、
    前記圧縮した冷媒蒸気から前記流体に熱を伝達させる工程と、
    前記熱伝達工程後、前記冷媒の一部分を分流してその温度を下げる工程と、
    前記冷媒の温度を下げる工程と、
    前記温度が下がった冷媒部分を中圧で前記冷媒蒸気と混合して、前記冷媒蒸気と前記冷媒部分との少なくとも擬似的な２段圧縮が行われるよう、前記圧縮工程中に前記温度が下がった冷媒部分を取り込む工程と、
    前記流体に熱を伝達するために、前記熱伝達工程において前記圧縮冷媒を放射する工程とを含むことを特徴とする流体を加熱する方法。
15. 前記方法は、前記冷媒を、前記温度を下げる工程から前記蒸発させる工程に還流させる工程を含むことを特徴とする請求項１４記載の流体を加熱する方法。
16. 被加熱流体は水であることを特徴とする請求項１４または１５記載の流体を加熱する方法。
17. 前記熱源は周囲の空気であることを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の流体を加熱する方法。

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