JP2009257612A - ヒートポンプ及びそれに用いる放熱器 - Google Patents

Abstract

【課題】新規なヒートポンプ及びそれに用いる新規な放熱器を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のヒートポンプは、二酸化炭素を冷媒とし、圧縮過程、放熱過程、膨脹過程及び加熱過程を内包するヒートポンプであって、膨脹過程に、膨脹仕事を回収するタービン８が設置され、冷媒の最高圧力が、７．５〜９．５ＭＰａの範囲に設定されている。ここで、タービン８の形式は、衝動タービンまたは反動タービンであり、タービン８の動力で発電した電力を、圧縮過程に用いられる圧縮機１の動力として供給することが好ましい。また、放熱過程の低温媒体が水であり、かつ加熱過程の高温媒体が空気であり、給湯器として用いることが好ましい。また、放熱過程を構成する放熱器２がＰＣＨＥで構成され、ＰＣＨＥは、流路が形成された複数のプレートを拡散接合してなることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、新規なヒートポンプに関する。
また、本発明は、ヒートポンプに用いる新規な放熱器に関する。

高効率の圧縮機の開発など要素技術の高性能化により、高い成績係数のヒートポンプが登場した。これを核に、わが国は世界に誇る省エネ技術の高度化と普及促進を図ることにより、環境大国をめざす戦略を立てている。

主力製品として例えば、二酸化炭素（ＣＯ_２）を冷媒としたヒートポンプによる給湯器（エコキュート）がある。これはガス焚きの給湯器に較べて省エネ効果とＣＯ_２削減効果が大きいので、日本政府は２０１０年までに５２０万台、２０３０年までに２０００万台のエコキュートの導入目標を掲げている。

これまでは、電力単価が安い夜間電力を使う貯湯式の給湯器が主力であったが貯湯タンクが場所ふさぎなのでその普及が戸建住宅の範囲に留まっていた。しかし、瞬間給湯が可能になれば、貯湯タンクが不要になるので、アパート、マンションの居住者を中心に給湯器の普及は一気に進みＣＯ_２削減に大きく寄与すると考えられる。

しかし、わが国における昼間の電力単価は、深夜料金の３倍である上、ヒートポンプ瞬間給湯器は主として昼間に稼動するので、その成績係数が貯湯式と同程度（３〜３．５）では電気代が高くつき、これが瞬間給湯器普及の足枷になっている。

本発明に最も近い動力回収型の冷凍装置が提案されている（特許文献１及び特許文献２参照）。

特開２００８−２７４３号公報 特開２００５−３３７５１６号公報

しかしながら、いずれも、冷媒の動作圧力、温度の最適選定に対する認識がない。また、特許文献１は、圧縮機とタービンが同軸上で直結した型であり、また動力の回収が十分でない。特許文献２は、圧縮機とタービンが分離しているが、動力の回収率が高いタービンの形式選定に関する認識がない。

この課題を解決するには、高い成績係数を有するヒートポンプ及びこれに用いる放熱器を低コストで実現することが不可欠である。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、新規なヒートポンプを提供することを目的とする。
また、本発明は、ヒートポンプに用いる新規な放熱器を提供することを目的とする。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明のヒートポンプは、二酸化炭素を冷媒とし、圧縮過程、放熱過程、膨脹過程及び加熱過程を内包するヒートポンプであって、前記膨脹過程に、膨脹仕事を回収するタービンが設置され、前記冷媒の最高圧力が、７．５〜９．５ＭＰａの範囲に設定されている。

ここで、限定されるわけではないが、タービンの形式は、衝動タービンまたは反動タービンであり、前記タービンの動力で発電した電力を、圧縮過程に用いられる圧縮機の動力として供給することが好ましい。また、限定されるわけではないが、放熱過程の低温媒体が水であり、かつ加熱過程の高温媒体が空気であり、給湯器として用いることが好ましい。また、限定されるわけではないが、放熱過程を構成する放熱器がＰＣＨＥで構成され、前記ＰＣＨＥは、流路が形成された複数のプレートを拡散接合してなることが好ましい。また、限定されるわけではないが、プレートの材料は、高温媒体側にあっては銅またはステンレスであり、かつ低温媒体側にあってはプラスチック材であることが好ましい。

本発明のヒートポンプに用いる放熱器は、前記ヒートポンプが、二酸化炭素を冷媒とし、圧縮過程、放熱過程、膨脹過程及び加熱過程を内包し、前記膨脹過程に、膨脹仕事を回収するタービンが設置され、前記冷媒の最高圧力が、７．５〜９．５ＭＰａの範囲に設定され、放熱過程を構成する放熱器がＰＣＨＥで構成され、前記ＰＣＨＥが、流路が形成された複数のプレートを拡散接合してなり、前記プレートは、複数（Ｎ）個の合同な直線流路群が等間隔に配置され、前記プレートへの流体入口部から数えてｋ＋１番目の流路は、その流れの向きが、ｋ番目（ｋ＝１，２，３・・・Ｎ−１）の流路の流れと対向するようにｋ番目流路の下流側の端部でガイド溝を介してｋ＋１番目の流路と接続され、前記端部の反対側に開口を有するスリットが、ｋ番目の流路とｋ＋１番目の流路で挟まれる部分に流路に平行に設けられている。

ここで、限定されるわけではないが、ガイド溝は、静圧分布の偏りが緩和するように、前記ガイド溝の幅が変化していることが好ましい。

本発明のヒートポンプ及びそれに用いる放熱器は、前記ヒートポンプが、二酸化炭素を冷媒とし、圧縮過程、放熱過程、膨脹過程及び加熱過程を内包し、前記膨脹過程に、膨脹仕事を回収するタービンが設置され、前記冷媒の最高圧力が、７．５〜９．５ＭＰａの範囲に設定され、放熱過程を構成する放熱器がＰＣＨＥで構成され、前記ＰＣＨＥは、流路が形成された複数のプレートを拡散接合してなり、前記プレートに形成される流路の形状は、流路幅一定の伝熱部流路がプレートの中央部から渦巻き状に外側に向かって形成され、前記渦巻き流路の縁に沿ってスリットが設けられ、かつｋ周目の流路外縁とｋ＋１周目の流路内縁が前記スリットを挟んで接するように形成され、流体の出入口部が渦巻きの中央部と流路の端部に設けられている。

本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。

本発明のヒートポンプは、二酸化炭素を冷媒とし、圧縮過程、放熱過程、膨脹過程及び加熱過程を内包するヒートポンプであって、前記膨脹過程に、膨脹仕事を回収するタービンが設置され、前記冷媒の最高圧力が、７．５〜９．５ＭＰａの範囲に設定されているので、新規なヒートポンプを提供することができる。

本発明のヒートポンプに用いる放熱器は、ヒートポンプが、二酸化炭素を冷媒とし、圧縮過程、放熱過程、膨脹過程及び加熱過程を内包し、前記膨脹過程に、膨脹仕事を回収するタービンが設置され、前記冷媒の最高圧力が、７．５〜９．５ＭＰａの範囲に設定され、放熱過程を構成する放熱器がＰＣＨＥで構成され、前記ＰＣＨＥが、流路が形成された複数のプレートを拡散接合してなり、前記プレートは、複数（Ｎ）個の合同な直線流路群が等間隔に配置され、前記プレートへの流体入口部から数えてｋ＋１番目の流路は、その流れの向きが、ｋ番目（ｋ＝１，２，３・・・Ｎ−１）の流路の流れと対向するようにｋ番目流路の下流側の端部でガイド溝を介してｋ＋１番目の流路と接続され、前記端部の反対側に開口を有するスリットが、ｋ番目の流路とｋ＋１番目の流路で挟まれる部分に流路に平行に設けられているので、ヒートポンプに用いる新規な放熱器を提供することができる。

本発明のヒートポンプに用いる放熱器は、ヒートポンプが、二酸化炭素を冷媒とし、圧縮過程、放熱過程、膨脹過程及び加熱過程を内包し、前記膨脹過程に、膨脹仕事を回収するタービンが設置され、前記冷媒の最高圧力が、７．５〜９．５ＭＰａの範囲に設定され、放熱過程を構成する放熱器がＰＣＨＥで構成され、前記ＰＣＨＥは、流路が形成された複数のプレートを拡散接合してなり、前記プレートに形成される流路の形状は、流路幅一定の伝熱部流路がプレートの中央部から渦巻き状に外側に向かって形成され、前記渦巻き流路の縁に沿ってスリットが設けられ、かつｋ周目の流路外縁とｋ＋１周目の流路内縁が前記スリットを挟んで接するように形成され、流体の出入口部が渦巻きの中央部と流路の端部に設けられているので、ヒートポンプに用いる新規な放熱器を提供することができる。

以下、ヒートポンプ及びそれに用いる放熱器にかかる発明を実施するための最良の形態について説明する。

ヒートポンプは、以下の熱力学過程から成りたっている。媒体の圧縮過程、放熱過程、膨脹過程及び加熱過程である。ＣＯ_２を冷媒とする現状の給湯器の主要な要素機器は、圧縮過程は圧縮機、放熱過程と加熱過程は熱交換器、膨脹過程は膨脹弁である。エコキュートの場合、放熱過程で貯湯（９０℃）され、加熱過程では媒体が空気から熱を受け取る。

このようなサイクルでの成績係数（＝放熱量/消費電力の比、COP）の理論値（最大値）は、媒体が理想気体の場合、出湯の絶対温度(TH)と外気温度(TL)だけから決まり、逆カルノーサイクルから計算できる。すなわち、理論成績係数COPC＝TH/(TH-TL)となる。従来品の貯湯式は高温（90℃）で貯湯し、使用時には給水と混合し薄め、出湯温度は45℃程度である。この方式では、冬期の代表的気温を7℃（280.15K）とするとCOPC＝4.38である。

これに対し、瞬間給湯のCOPCは、出湯水温を45℃（318.15K）とすると8.37となり、貯湯式よりも格段に向上する。解決すべき工学的な課題は、実際のサイクルをCOPCに近づける手段を見出すことにある。この手段には、ソフト（媒体と運転条件の選択）とハード（機器）の二面がある。

前者はT-S線図上で逆カルノーサイクルに類似したサイクルを構成する。そのため、適切な媒体を選択し、適正な温度、圧力で運転する必要がある。後者は従来使用されてきた膨脹弁をタービンで置き換え、媒体の膨脹仕事を回収する。ＣＯ_２を媒体にする場合、前者の要件を満たすタービンの膨脹仕事は入口でガス、出口で気液二相流の場合に最大になる。

上記の工夫でヒートポンプの正味の動力を低減できCOPは向上する。図２は上記の改善を加えた例を示す。逆カルノーサイクルは、圧縮過程と膨脹過程が可逆断熱変化（等エントロピー変化）、加熱過程と放熱過程が等温過程のサイクルを言う。ＣＯ_２の飽和線はＴ−Ｓ線図で上に凸の形状をしており、その極大点を境に左側の曲線部分が飽和液、右側部分が飽和蒸気、曲線の下側の領域は飽和液と飽和蒸気が混在している二相状態を表している。極大点は、液体と気体との区別が無い状態、すなわち臨界状態と呼ばれている。ＣＯ_２の場合、臨界点の圧力、温度は7.38MPa、304Kである。

４つの頂点で囲まれる閉サイクル図形の面積が消費電力を表す。従来例（現行製品）では、COP=3.49である。ヒートポンプのCOPの定義は、放熱器の交換熱量Ｑ、所要動力Ｗとの比（Ｑ/Ｗ）である。ＣＯ_２の比エンタルピｈ（ＭＪ/kg）を圧力（ＭＰａ）と温度（℃）の関数で表す。ここで、閉サイクル図形の頂点に番号を割り付ける。１は圧縮機入り口、２は圧縮機出口（放熱器入り口）、３は放熱器出口、４は膨脹機出口（加熱器入り口）を示す。エコキュート運転時のＣＯ_２の状態は、冬場の典型値でＰ_１＝３．８、Ｐ_２＝Ｐ_３＝１１．５、Ｐ_４＝３．８、Ｔ_１＝３．３、Ｔ_２＝１１８、Ｔ_３＝１６、Ｔ_４＝３．３であり、このとき、ｈ_１＝０．７３１, ｈ_２＝０．８２２,ｈ_３＝０．５３３, ｈ_４＝０．５２５である。圧縮機の動力Ｗ_ｃ＝ｈ_２（Ｐ_２、Ｔ_２）―ｈ_１（Ｐ_１、Ｔ_１）、膨脹機の回収動力Ｗ_ｅ＝ｈ_３（Ｐ_３、Ｔ_３）―ｈ_４（Ｐ_４、Ｔ_４）、交換熱量Ｑ＝ｈ_２（Ｐ_２，Ｔ_２）−ｈ_３（Ｐ_３，Ｔ_３））であり、各々、Ｗ_ｃ＝０．８２２−０．７３１＝０．０９１、Ｗ_ｅ＝０．５３３４−０．５２５１＝０．００８３、Ｑ＝０．８２２−０．５３３＝０．２８９。よってＱ/Ｗ＝Ｑ/（Ｗ_ｃ−Ｗ_ｅ）＝０．２８９/（０．０９１―０．００８３）＝３．４９、膨脹仕事の回収がない現在製品の場合はＷ_ｅ＝０として、Ｑ/Ｗ＝３．１８。この場合、ＣＯＰの差は０．３１で高々１０％の効果しか生じない。これより、従来の運転方法で動力回収してもその効果は小さいことがわかる。

これに対し、運転圧力を臨界圧力近くに下げた本発明の形状は、逆カルノーサイクルに近く、COP=9.4であり、圧縮機の正味動力が大幅に低減している。上記と運転条件が異なる変数のみを書き下すと、Ｐ_２＝Ｐ_３＝７．５、Ｔ_２＝５４、Ｔ_３＝３０。したがって、比エンタルピは、ｈ_１＝０．７３０８、ｈ_２’＝０．７５６３,ｈ_３’＝０．５９４９, ｈ_４’＝０．５８６５）。Ｗ_ｃ＝ｈ_２’―ｈ_１＝０．０２５５、Ｗ_ｅ＝０．００８３６、Ｑ＝０．１６１４、Ｑ/Ｗ＝０．１６１４/（０．０２５５−０．００８３６）＝９．４、膨脹仕事の回収が無い場合は、Ｑ/Ｗ＝６．３３であり、動力回収によるＣＯＰの改善割合は４９％になり、動力回収が極めて有効である。動力回収がある場合において、従来と本発明のＣＯＰの増加は２．７倍であり、革新的な省エネが実現する。これは、圧縮動力が、ＣＯ_２の臨界点（7.38MPa, 304K）近傍では実ガス効果により理想気体の1/5に低減することに起因している。

放熱器における媒体の温度と出湯温度（TH）との差は小さいほどCOPが向上するので、この高COPサイクルの実現には高性能かつコンパクトな熱交換器が必要である。この候補に,薄板に流路をエッチング、プレス、射出成形などで成型加工するPCHE（Printed Circuit Heat Exchanger）があるが、この場合にも高い温度効率を実現しようとすると熱交換器が長くなりコストがかさむ。コスト低減のためには流路をプレス加工またはプラスチック成型することが望ましい。プレス加工を可能にするには、円形または縦横比が１に近い小面積に流路を形成する必要があり、新たな流路構成方法が必須になる。

他方、媒体の膨脹仕事を回収するには、圧縮機と一体型のタービンと分離型のタービンの二種が考えられるが、高圧のＣＯ_２を冷媒とする給湯器では、分離型のほうが製作性、運転性、バックフィット性の点で優れている。また、動力回収率を高めるためには、タービンの型式と適切な翼車径と回転数の選択が重要である。

ＣＯ_２を媒体とする本発明のヒートポンプでは、熱サイクルに膨張タービンを設置して動力を回収し、サイクル動作温度圧力を臨界点近傍に設定することで、COPを大幅に向上し、省エネルギーに寄与することができる。また、このサイクルを実現するうえで欠かせないコンパクトな流路を形成することにより、放熱器とヒートポンプの製造コストを大幅に低減できるという効果がある。

また、本発明のヒートポンプは、瞬間湯沸器として利用でき、従来の貯湯型給湯器に較べて設置スペースが飛躍的に狭小化できるので、ヒートポンプ給湯器の集合住宅への普及を飛躍的に促進でき、ＣＯ_２の排出の削減に寄与できる。

ヒートポンプ及びそれに用いる放熱器について、具体的に説明する。省スペース、省エネルギー型のヒートポンプ給湯器を開発することを目的に、貯湯タンクを排除し、動力を回収する膨脹タービンとコンパクト高性能放熱器を備えた瞬間給湯器を実現した。

＜実施例１＞
第１の実施例を図１に示す。本発明になるヒートポンプ瞬間給湯器は、冷媒であるＣＯ_２を圧縮する圧縮機１、それを駆動するモーター１１、昇温された超臨界ＣＯ_２の熱を給水に伝達する放熱器２、膨脹過程に膨脹仕事を回収するタービン８、回収された動力を電気に変換する発電機９、仕切り弁１０、減圧され減温した冷媒を外気で加熱する加熱器４から構成される。放熱過程の低温媒体は水であり、加熱過程の高温媒体は空気である。タービンの形式としては、衝動タービンまたは反動タービンを採用することができる。タービンと並列に減圧弁３が設置されている。

瞬間給湯器の動作を冬場の運転を事例にして説明する。外気温度は7℃、給水温度と給湯温度はそれぞれ9℃、45℃、給湯量は100kg/hrと仮定する。このときの放熱器の熱出力は4.5kWである。これは、家庭用給湯器（エコキュート）の業界規格の標準熱出力であり、製造メーカ各社に共通の仕様である。

圧力3.8MPa、温度3.3℃の亜臨界ＣＯ_２の乾き飽和蒸気が圧縮機１に流入し、これを、給湯温度よりも高く臨界圧力に近い超臨界ＣＯ_２に加圧・昇温する。この事例では7.5MPa、53.8℃になり、放熱器２に導かれる。ちなみに、ＣＯ_２の臨界圧力と臨界温度は7.38MPa、31℃である。放熱器２に流入した超臨界ＣＯ_２は9℃の給水を45℃まで加熱し自身は31.5℃まで冷却され、ガスの状態でタービン８に流入し膨脹する。膨脹過程で動力が電気出力として回収される。発電された電力は圧縮機１のモーター１１の動力の一部として消費される。膨脹後のＣＯ_２は、飽和温度が外気温度(7℃)よりも低くなる圧力まで膨脹するようタービン８の回転数が制御される。本事例では膨脹後の圧力、温度はそれぞれ3.8MPa 、3.3℃であり、乾き度0.35の飽和蒸気となって加熱器４に流入し、気温7℃の空気7から受熱して蒸発し、セパレータ１２で湿分を分離された後、乾き飽和蒸気となって圧縮機１に流入してヒートポンプサイクルを一巡する。

本発明では膨脹過程にタービン８を設置して動力を回収する。本サイクルで圧縮、膨脹が可逆断熱過程の場合、圧縮動力は0.71kW、放熱後の膨脹仕事は0.23kWである。放熱器の熱出力が４．５ｋＷの場合のＣＯ_２循環流量Ｇ（ｋｇ/ｓ）は、前記の計算結果を用い、単位の変換ＭＪ/kg＝ＭＷ/（ｋｇ/ｓ）に注意すれば、Ｇ＝０．００４５/０．１６１＝０．０２８０であり、圧縮機の動力は、Ｗ_ｃ（ｋＷ）＝Ｇ×（ｈ_２−ｈ_１）＝０．０２８０×０．０２５５×１０００＝０．７１、同様に、膨脹仕事はＷ_ｅ＝０．０２８０×０．００８３６×１０００＝０．２３ｋＷとなる。

このヒートポンプサイクルの正味の動力は0.48kW（=0.71-0.23）となる。この場合のヒートポンプの成績係数（COP）は9.4である。動力回収が無い場合のCOPは6.3である。
これに対し、従来品（図２で90℃貯湯型（4.6kW機））のCOPは3.49である。

本発明は大幅なCOP向上を達成している。これまでの説明では冬場の運転を示したが、わが国における中間期と夏場の運転における圧力、温度条件では表１のようになる。本発明においては、冷媒の最高圧力は7.5〜9.5ＭＰａの範囲にあることが好ましい。

本発明でこのような大きな省エネ効果が生じるための温度・圧力の設定方法について説明する。図３は本サイクルのＴ−Ｓ線図を示す。COPを向上するために、圧縮過程、膨脹過程の比エントロピーを逆カルノーサイクルの四角形に近接するように温度と圧力を選択する。すなわち、圧縮機入口A３６では圧縮過程での比エントロピーをガス状態を維持する条件下で、できるだけ小さく設定する。この結果、乾き飽和蒸気を与える比エントロピーが選択される。圧縮機出口B３７の熱力学的状態は、等圧放熱過程の状態の軌跡が、逆カルノーサイクルの四角形の上辺に近接するように、わずかに臨界圧力と給湯温度を超える圧力、温度を選択する。さらに、この圧力条件のもとで大きな膨脹仕事を獲得するために、タービン入口C３８の温度は、膨張前後の温度差が逆カルノーサイクルの四角形の左辺の長さに近づく位置に選択される。

前記した圧力の下限値は放熱器２の性能に強く依存している。すなわち、熱交換器の性能が向上するほど、逆カルノーサイクルの形状に近接できCOPを向上することができる。これに対し、従来の貯湯型では、設備費に占める割合が大きいタンクの容量を小型化するために、エネルギー密度（貯湯温度）を上げて貯湯し、使用時には水で薄めている。このため圧縮機で高圧まで圧縮する必要があり大きい動力を必要とする。

年経費の視点から本発明の効果を示す。図４は、年間のランニングコスト、図５は年間経費を従来品と比較したものである。ランニングコストの算定は、エコキュートの標準的な算定方式に準拠した。すなわち、年間を３期（冬、中間期、夏）に分割してそれぞれの時期におけるエコキュートの消費電力にｋＷｈ単価を掛けて費用を求めると、従来例では１５６００円になる。年間経費は、このランニングコストと設備購入費の年間償却費の和である。一方、ガス給湯器の年間消費ガス代は典型的な家庭で７００００円だから、普及させるにはエコキュートの年間経費が、ガス代並みとする必要がある。エコキュートは７５００００円で、償却期間を１４年とすると、年間償却費は約５４０００円となり、合計で年経費は、約７００００円になる。

単価が昼間の1/3の深夜電力を使う従来機に較べ、本発明はCOPを約3倍向上することにより、年間を通じて電気代をほぼ等価にできている。瞬間給湯器では、設備費の50％を占めるタンクが不要になり、追設する小型タービン発電機のコストをタンクの1/3とした場合の年間経費は従来比で3/4である。図５より、年間経費の1/4が電気代、残り3/4が設備費の償却代である。したがって、瞬間給湯では、設備の償却が0.5 + 0.5×(1/3)=2/3になるので、年経費は、1/4+(2/3)×(3/4)=3/4となる。

＜実施例２＞
図６は本発明の第２の実施例を示す。タービン８と圧縮機１は回転軸を共有して等しい回転数で回転する同軸型４３と回転機構が互いに独立の他軸型４４を選択できる。前者はタービン８の軸動力を直接圧縮機１の動力に伝達できるメリットがある反面、タービン８と圧縮機１のマッチングが要請されるために効率の高い運転範囲が狭いというデメリットもある。

一方、後者は、タービン８と圧縮機１が別軸で互いに異なる回転数で回っている場合や、レシプロ機、スクロール機など動作原理が異なる場合でも使える。後者は、圧縮方式に無関係にタービン８を追設でき、さらに高圧のシール構造が前者に比べて楽であるというメリットがある反面、新たに発電機９とインバータを必要とする。

図７は、本発明のヒートポンプサイクルを実現する手段として反動型タービンに分類される半径流タービンを取り上げ、業務用冷凍サイクル（冷媒流量０．１ｋｇ/s）特性の回転数依存性を示したものである。タービンが圧縮機と独立に回転する場合（分離型４４）のCOPとタービンが遠心圧縮機と一体化された同軸型４３のCOPとを比較している。分離型４４では圧縮機１にレシプロ型を想定し、その断熱効率をタービンの回転数とは無関係に０．８と仮定した。これより、分離型のCOPは広範囲の回転数で高い値を有し、制御の容易な低速域（毎分５万から１２万回転）で高COPの運転が可能である。図７より半径流タービンの動力回収率は、１２万回転のときに最大値０．７８であり、低回転数域で動作する通常の膨脹機で期待される値０．５よりも高いことがわかる。また、これに対応する動翼の直径ｄは２０ｍｍ＞ｄ＞１０ｍｍであり製作可能である。これに対し、一体型のCOPは、モノ作りが困難な２０万回転を超える超高回転数域にCOPの最大値がある。これより、性能面、動作特性のロバスト性、圧縮機の機種対応性の点で一体型に較べて分離型のほうが優れているといえ、しかもタービンの形式では半径流タービン（反動型）が優れていることがわかる。もっとも、反動型に代えて高速回転向きの衝動型タービンを用いてもよい。

＜実施例３＞
図１に第３の実施例を示す。貯湯と瞬間給湯の機能を併せ持つハイブリッド型であり、貯湯タンク４７を備えた既存の設備への追加が可能である。深夜電力も使用するので、さらなる年間コストの削減が可能である。タンク内での放熱ロスを補償するため、出湯温度を50℃に設定する。一例として、夜間の蓄熱エネルギーを従来の50%とし瞬間湯沸しモードで残りの50%を分担すれば、COPの向上により、夜間の消費電力の従来比は0.5×3.1÷7.5×100=20%,昼間の消費電力の従来比は50%である。

図４によれば、年間ランニングコストは、貯湯と瞬間給湯でほぼ同額なので、ハイブリッドのランニングコストは上記の計算から、従来比70%(=20%+50%)に低減できる。

＜実施例４＞
図８は本発明の第４の実施例である放熱器２を示す。高性能の放熱器２として、水力等価直径が小さいＰＣＨＥが有力な候補である。ＰＣＨＥは、冷媒の流路が形成された金属プレート２０と、水の流路が形成されたプレート２１を交互に積層し拡散接合で一体化する。ＰＣＨＥは母材強度がたもたれるので、耐圧性、耐熱性に優れている。プレート上の流路形成に、従来は、ケミカルエッチングを適用していたが、実用化には安価な製造が必須である。例えばプレス加工で流路を形成できればコストを飛躍的に低減できる。温度と圧力が低い場合は、金属プレートにかわり、安価なプラスチックの射出成形により流路を構成することもできる。また、プレートの材料は、高温媒体側にあっては銅またはステンレスを用い、かつ低温媒体側にあってはプラスチック材を用いることも出来る。

プレートは、複数（Ｎ）個の合同な直線流路群が等間隔に配置され、プレートへの流体入口部から数えてｋ＋１番目の流路は、その流れの向きが、ｋ番目（ｋ＝１，２，３・・・Ｎ−１）の流路の流れと対向するようにｋ番目流路の下流側の端部でガイド溝を介してｋ＋１番目の流路と接続され、端部の反対側に開口を有するスリットが、ｋ番目の流路とｋ＋１番目の流路で挟まれる部分に流路に平行に設けられている。

一枚のプレート上の流路の構成は、冷媒のＣＯ_２をプレートに供給するＣＯ_２の入口プレナム１３、冷媒を伝熱部に均等に分配するガイド溝１６、直線伝熱部１５、伝熱部の端にあるガイド溝１６、相隣る伝熱流路間の熱伝導を阻害するために設けられたスリット１７を単位として繰り返し形成された伝熱部と、熱交換を終えた冷媒を回収する出口プレナム１８から構成される。

一方、水のプレートでは入口プレナム１９と出口プレナム１４の配置が冷媒のプレートと反対位置に設け流れ方向を対抗させるのが好ましい。熱交換器の温度効率を低下させないためには、熱交換器の総流路長さを確保しながら、伝熱部１５の流路幅２９を狭めて与えられた寸法Ｌ１（２２）とＬ２（２３）のなかに流路を形成する必要がある。図９はガイド溝１６の形状を示す。流体が、前記のように形成された伝熱部を偏り無く一様に流れるようにするのが熱交換効率上好ましい。

そのため、ガイド溝１６では静圧分布が場所によらず一様であることが好ましい。このため、動圧の回復と摩擦損失が釣り合うように、プレナム位置から流れ方向にガイド溝の流路幅を変化させるのが望ましい。

図１０はガイド溝１６で生じる圧力損失を解消するアイデアで、一枚のプレート上に形成された螺旋流路を示す。流路幅は流れに沿い一定である。中央に設置されたプレナム２５から流出する冷媒は螺旋状に外向き２８に流れ、終端に位置するプレナム２６で回収される。一方、低温冷媒たとえば水は積層方向に隣接したプレート上を流れ、最外周に設置されたプレナム２７から流入し冷媒と逆向きに流れて中央のプレナム２４で回収される。壁面熱伝導を阻止すべく内外流路との間にはスリット３１が設けられている。この場合も、与えられた面積内に流路長さを確保するのに流路幅を狭めることが可能である。

図１１には、幅は異なるが長さが同じ二つの流路を重ね書きした例を示す。流路Ａ３２の流路幅３４は大きく、与えられた正方形４９の中に全流路が納まらないが、流路Ｂ３３では流路幅３５が小さいので、全流路が与えられた正方形４９の中に格納されている。流路幅３５に反比例して積層板の数を増せば、必要な伝熱面積を確保できる。このような方法によれば、熱交換器の温度効率を維持しつつ、一枚あたりの流路をコンパクト空間に閉じ込めることができ、プレス加工など安価な方法で板上に流路を形成できる。

本発明のヒートポンプをエアコンに応用することができる。すなわち、放熱器の低温冷媒を空気にすれば、冬季に室内の空気を加温する温風を得ることができる。また、夏季には、室内の空気を加熱器に導き冷風を送る冷凍サイクルとして運転することが出来る。この場合、放熱器の低温媒体としての水は加温後にラジエータに導かれ冷却された後に再び放熱器にもどる閉サイクルを構成する。冷凍サイクルの場合にも、Ｔ−Ｓ線図におけるＣＯ_２冷媒の循環経路は、ヒートポンプと同じく、図１において、１、２、３、４の順になる。いずれの場合にも、給湯器の場合と同様に高いＣＯＰを達成可能である。

なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。

本発明ヒートポンプの機器構成の説明図である。 Ｔ−Ｓ線図による本発明の原理の説明図である。 本発明のＴ−Ｓ線図上での動作を説明する図である。 本発明と従来品の年間ランニングコストの比較図である。 本発明と従来品の年間経費の比較図である。 タービンと圧縮機との組み合わせ方法を説明した図である。 成績係数（COP）の回転数依存性を説明する図である。 本発明放熱器の構造を説明した図である。 放熱器のガイド溝の形状を説明した図である。 螺旋流路を有する放熱器の一例を説明した図である。 与えられた面積内に一定の長さの螺旋流路を形成する方法を説明した図である。

符号の説明

１ 圧縮機、２ 放熱器、３ 減圧弁、４ 加熱器、５ 給湯ライン、６ 給水ライン、７ 空気、８ タービン、９ 発電機、１０ 仕切り弁、１１ モーター、１２ セパレータ、１３ ＣＯ_２の入口プレナム、１４ 水の出口プレナム、１５ 直線伝熱部、１６ ガイド溝、１７ スリット、１８ ＣＯ_２の出口プレナム、１９ 水の入口プレナム、２０，２１ 金属プレート、２１ 水の流れ方向、２２ プレートの横長さ、２３ プレートの縦長さ、２４ 水の出口プレナム、２５ ＣＯ_２の入口プレナム、２６ ＣＯ_２出口プレナム、２７ 水の入口プレナム、２８ 流れ方向、２９ 流路幅、３１ スリット、３２ 流路Ａ、３３ 流路Ｂ、３４ 流路Ａの流路幅、３５ 流路Ｂの流路幅、３６ 圧縮機入口の状態A、３７ 圧縮機出口の状態B、３８ タービン入口の状態C、３９ タービン出口の状態D、４３ 同軸型、４４ 他軸型、４７ 貯湯タンク、４８ 三方弁、４９ 正方形

Claims (8)

1. 二酸化炭素を冷媒とし、圧縮過程、放熱過程、膨脹過程及び加熱過程を内包するヒートポンプであって、
   前記膨脹過程に、膨脹仕事を回収するタービンが設置され、
   前記冷媒の最高圧力が、７．５〜９．５ＭＰａの範囲に設定されている
   ヒートポンプ。
2. タービンの形式が、衝動タービンまたは反動タービンであり、
   前記タービンの動力で発電した電力を、圧縮過程に用いられる圧縮機の動力として供給する
   請求項１に記載のヒートポンプ。
3. 放熱過程の低温媒体が水であり、かつ加熱過程の高温媒体が空気であり、
   給湯器として用いる
   請求項１に記載のヒートポンプ。
4. 放熱過程を構成する放熱器がＰＣＨＥで構成され、
   前記ＰＣＨＥは、流路が形成された複数のプレートを拡散接合してなる
   請求項１に記載のヒートポンプ。
5. プレートの材料は、高温媒体側にあっては銅またはステンレスであり、かつ低温媒体側にあってはプラスチック材である
   請求項４に記載のヒートポンプ。
6. ヒートポンプに用いる放熱器であって、
   前記ヒートポンプは、二酸化炭素を冷媒とし、圧縮過程、放熱過程、膨脹過程及び加熱過程を内包し、
   前記膨脹過程に、膨脹仕事を回収するタービンが設置され、
   前記冷媒の最高圧力が、７．５〜９．５ＭＰａの範囲に設定され、
   放熱過程を構成する放熱器がＰＣＨＥで構成され、
   前記ＰＣＨＥは、流路が形成された複数のプレートを拡散接合してなり、
   前記プレートは、複数（Ｎ）個の合同な直線流路群が等間隔に配置され、
   前記プレートへの流体入口部から数えてｋ＋１番目の流路は、その流れの向きが、ｋ番目（ｋ＝１，２，３・・・Ｎ−１）の流路の流れと対向するようにｋ番目流路の下流側の端部でガイド溝を介してｋ＋１番目の流路と接続され、
   前記端部の反対側に開口を有するスリットが、ｋ番目の流路とｋ＋１番目の流路で挟まれる部分に流路に平行に設けられた
   ヒートポンプに用いる放熱器。
7. ガイド溝は、静圧分布の偏りが緩和するように、前記ガイド溝の幅が変化している
   請求項６に記載の、ヒートポンプに用いる放熱器。
8. ヒートポンプに用いる放熱器であって、
   前記ヒートポンプは、二酸化炭素を冷媒とし、圧縮過程、放熱過程、膨脹過程及び加熱過程を内包し、
   前記膨脹過程に、膨脹仕事を回収するタービンが設置され、
   前記冷媒の最高圧力が、７．５〜９．５ＭＰａの範囲に設定され、
   放熱過程を構成する放熱器がＰＣＨＥで構成され、
   前記ＰＣＨＥは、流路が形成された複数のプレートを拡散接合してなり、
   前記プレートに形成される流路の形状は、流路幅一定の伝熱部流路がプレートの中央部から渦巻き状に外側に向かって形成され、
   前記渦巻き流路の縁に沿ってスリットが設けられ、かつｋ周目の流路外縁とｋ＋１周目の流路内縁が前記スリットを挟んで接するように形成され、
   流体の出入口部が渦巻きの中央部と流路の端部に設けられた
   ヒートポンプに用いる放熱器。

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