JP2014040995A - ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒のモリエル線図において、圧縮機入口圧力Ｐ１の等圧線と飽和蒸気線Ｙ２との交点ａ１を求め、この交点ａ１を通る等エントロピ線と圧縮機出口圧力Ｐ２の等圧線との交点ｂ１を求めた場合、この交点ｂ１が湿り飽和蒸気域に入る冷媒を用いたヒートポンプにおいて、圧縮機の体積効率および断熱圧縮効率を向上させ、ひいてはＣＯＰを向上させることにある。
【解決手段】圧縮機出口圧力Ｐ２の等圧線と飽和蒸気線Ｙ２との交点ｂ２を求め、この交点ｂ２を通る等エントロピ線と圧縮機入口圧力Ｐ１の等圧線との第一交点ａ２を求め、圧縮機入口温度をこの第一交点ａ２における温度以上とする圧縮機入口過熱度ΔＴ１をとる。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気圧縮式のヒートポンプに関するものである。

図１０は、ヒートポンプの冷媒として従来一般的に用いられている冷媒のモリエル線図であり、そのモリエル線図に従来公知の蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを示した図である。モリエル線図とは、周知のとおり、縦軸が圧力Ｐ［ＭＰａ］、横軸がエンタルピｈ［ｋＪ／ｋｇ］とされ、Ｐ−ｈ線図とも呼ばれる（以下、本明細書でもＰ−ｈ線図という）。このＰ−ｈ線図には、飽和液線Ｙ１、飽和蒸気線Ｙ２、等温線Ｔおよび等エントロピ線Ｓなども示され、冷媒の状態を知ることができる。冷媒は、飽和液線Ｙ１より左側で過冷却液、飽和液線Ｙ１上で飽和液、飽和液線Ｙ１と飽和蒸気線Ｙ２との間で湿り飽和蒸気、飽和蒸気線Ｙ２上で乾き飽和蒸気、飽和蒸気線Ｙ２より右側で過熱蒸気となる。

図１０中、実線で示したサイクルは、ヒートポンプの理想サイクルである。ヒートポンプの冷媒は、圧縮機において圧縮され（ａ〜ｂ）、凝縮器において凝縮され（ｂ〜ｃ）、膨張弁において膨張され（ｃ〜ｄ）、蒸発器において蒸発する（ｄ〜ａ）。ヒートポンプの成績係数ＣＯＰは、凝縮器における凝縮熱量Ｑを、圧縮機における圧縮仕事Ｌで除した値（ＣＯＰ＝Ｑ／Ｌ）として定義される。なお、圧縮機は、冷媒を断熱圧縮するとし、それ故、ａ〜ｂは、等エントロピ線Ｓに沿って変化する。

このようなヒートポンプサイクルにおいて、圧縮機入口で、冷媒を飽和蒸気とせずに、過熱蒸気とすることがある。つまり、図１０中、破線で示すように、圧縮機入口側における冷媒を、飽和蒸気より過熱した状態にすることがある（ａ´）。この場合において、ａ´点の温度と、ａ点の温度（圧縮機入口圧力における飽和温度）との温度差は、過熱度ΔＴと呼ばれる。

ところが、ヒートポンプの冷媒として使用されている冷媒のほとんどは、過熱度ΔＴを大きくするほどＣＯＰが低下することが知られている。その原因は、等エントロピ線Ｓの傾きとの関係で、過熱度ΔＴをとったサイクルでは、凝縮熱量Ｑの増加よりも圧縮仕事Ｌの増加の方が、ＣＯＰに影響を与えるからである。なお、冷媒によっては、過熱度ΔＴをとるとＣＯＰが増加するものもあるが、不用意に過熱度ΔＴを大きくすると、圧縮機出口温度が理想サイクルよりも大幅に上昇し、ヒートポンプの耐熱温度との関係で悪影響を及ぼす。

ところで、出願人は、先に、下記特許文献１に開示されるように、蒸発器において熱源流体から熱をくみ上げ、凝縮器において水を加熱して蒸気を発生させるヒートポンプを提案している。この種のヒートポンプに適した冷媒の多くは、図１１に示すように、飽和蒸気線Ｙ２が、概ね（言い換えればヒートポンプサイクルを実行しようとする圧力域で）、上方（つまり高圧）へ行くに従って右側（つまり高エンタルピ側）へ傾斜する性質を有する。そして、飽和蒸気線Ｙ２の近辺の等エントロピ線Ｓは、上方へ行くに従って、過熱蒸気域から湿り飽和蒸気域へ入り込むように、飽和蒸気線Ｙ２と交わることになる。

そのため、過熱度をとらない理想サイクルや、過熱度の程度によっては、圧縮機出口において液が発生する（図１における二点鎖線と一点鎖線との間）。そして、その液の一部が圧縮機に残り膨張工程によって再び膨張することで、圧縮機の体積効率を低下させる。圧縮機の体積効率の低下は、冷媒循環量を減少させ、発生蒸気量を減少させる。

また、圧縮機出口において液が発生すると、圧縮機出口側は気液二相流となり、圧力損失が増大する。この圧力損失の増大は、断熱圧縮効率を低下させ、ヒートポンプのＣＯＰを低下させる。

特開２０１１−２５７１２２号公報（公報フロント頁の［要約］の欄）

本発明が解決しようとする課題は、飽和蒸気線の近辺の等エントロピ線が、高圧へ行くに従って、過熱蒸気域から湿り飽和蒸気域へ入り込むように、飽和蒸気線と交わるという性質を有する冷媒を用いたヒートポンプにおいて、圧縮機の体積効率および断熱圧縮効率を向上させ、ひいてはＣＯＰを向上させることにある。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、蒸気圧縮式のヒートポンプであって、冷媒のモリエル線図において、圧縮機入口圧力の等圧線と飽和蒸気線との交点を求め、この交点を通る等エントロピ線と圧縮機出口圧力の等圧線との交点を求めた場合、この交点が湿り飽和蒸気域に入る冷媒が用いられ、下記（ａ）の圧縮機入口過熱度と（ｂ）の圧縮機出口過熱度との内、少なくとも一方の過熱度に基づき、圧縮機の入口および出口において過熱蒸気または乾き飽和蒸気となることが特定されるヒートポンプサイクルを実行することを特徴とするヒートポンプである。
（ａ）圧縮機出口圧力の等圧線と飽和蒸気線との交点を求め、この交点を通る等エントロピ線と圧縮機入口圧力の等圧線との第一交点を求め、圧縮機入口温度をこの第一交点における温度以上とする圧縮機入口過熱度。
（ｂ）圧縮機出口温度を圧縮機出口圧力における飽和温度以上とする圧縮機出口過熱度。

請求項１に記載の発明によれば、圧縮機入口圧力の等圧線と飽和蒸気線との交点を求め、この交点を通る等エントロピ線と圧縮機出口圧力の等圧線との交点を求めた場合、この交点が湿り飽和蒸気域に入る冷媒を用いたヒートポンプにおいて、所定の過熱度をとることによって、圧縮機での圧縮で湿り飽和蒸気となることがない。圧縮機での圧縮で湿り飽和蒸気となることがないので、圧縮機の体積効率の低下を防止することができる。また、圧縮機での圧縮で湿り飽和蒸気となることがないので、圧縮機出口において気液二相流となった場合のような圧力損失の増加がなく、これにより断熱圧縮効率を向上させ、ＣＯＰを向上させることができる。

請求項２に記載の発明は、前記圧縮機入口過熱度は、圧縮機出口圧力の等圧線と飽和蒸気線との交点を求め、この交点を通る等エントロピ線と圧縮機入口圧力の等圧線との交点を求め、この交点における温度と圧縮機入口圧力における飽和温度との温度差以上であり、圧縮機出口圧力の等圧線とヒートポンプの耐熱温度との交点を求め、この交点を通る等エントロピ線と圧縮機入口圧力の等圧線との交点を求め、この交点における温度と圧縮機入口圧力における飽和温度との温度差以下であることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプである。

請求項２に記載の発明によれば、冷媒が最も高温となる圧縮機出口における状態を考慮しつつ、ヒートポンプの耐熱温度との関係で圧縮機入口過熱度を設定することができる。

請求項３に記載の発明は、前記圧縮機出口過熱度は、圧縮機出口圧力における飽和温度以上で且つヒートポンプの耐熱温度以下で設定される圧縮機出口温度と、圧縮機出口圧力における飽和温度との温度差であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートポンプである。

請求項３に記載の発明によれば、冷媒が最も高温となる圧縮機出口における状態を考慮しつつ、ヒートポンプの耐熱温度との関係で圧縮機出口過熱度を設定することができる。

請求項４に記載の発明は、上段圧縮機、上段凝縮器、上段膨張弁、中間冷却器および上段蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させる上段ヒートポンプと、前記中間冷却器からの冷媒を下段膨張弁、下段蒸発器および下段圧縮機を介して、前記中間冷却器またはそこから前記上段圧縮機への冷媒流路の設定箇所へ供給する下段ヒートポンプとを備え、前記上段蒸発器と前記下段蒸発器とに熱源流体が順に通され、前記上段凝縮器において水を加熱して蒸気を発生させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプである。

請求項４に記載の発明によれば、上段蒸発器と下段蒸発器とから熱をくみ上げて、上段凝縮器において蒸気を発生させることができる。この際、熱源流体は、上段ヒートポンプの蒸発器を通された後、下段ヒートポンプの蒸発器に通される。これにより、上段ヒートポンプの蒸発器において熱源流体が冷やされた分を下段ヒートポンプがカバーして、上段蒸発器を通過後の熱源流体からも再び熱をくみ上げることができる。また、上段ヒートポンプでは、くみ上げる温度差を低減することができ、その分だけ圧縮機の電力を少なくでき、システム効率を向上することができる（特願２０１１−７９３７０）。

請求項５に記載の発明は、前記下段圧縮機からの冷媒を、前記上段蒸発器から前記上段圧縮機への冷媒流路へ合流させ、この合流部よりも下流の前記上段圧縮機への冷媒流路、前記合流部よりも上流の前記上段蒸発器からの冷媒流路、または前記合流部よりも上流の前記下段圧縮機からの冷媒流路に過熱器を設け、この過熱器、前記上段蒸発器および前記下段蒸発器に熱源流体が設定順序で通され、この設定順序として、前記下段蒸発器が後になるように設定されることを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプである。

請求項５に記載の発明によれば、過熱器を設けることで、上段ヒートポンプの過熱度を確実に確保することができる。また、熱源流体の流通順序として、下段蒸発器が後になるように設定することで、前記請求項４に記載の作用効果を確保することができる。

さらに、請求項６に記載の発明は、前記圧縮機入口過熱度または前記圧縮機出口過熱度の設定手段は、下記（ａ）〜（ｅ）のいずれかであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプである。
（ａ）凝縮器から膨張弁への冷媒と、蒸発器から圧縮機への冷媒とを間接熱交換する液ガス熱交換器。
（ｂ）膨張弁から圧縮機への冷媒と、この冷媒を過熱させる温度の熱源流体とを間接熱交換する蒸発器。
（ｃ）下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を直接熱交換すると共に、この冷媒と下段ヒートポンプの蒸発器への熱源流体とを間接熱交換する中間冷却器。
（ｄ）蒸発器から圧縮機への冷媒と、蒸発器への熱源流体とを間接熱交換する過熱器。
（ｅ）蒸発器から圧縮機への冷媒を加熱するヒータ。

請求項６に記載の発明によれば、上記（ａ）〜（ｅ）の構成により、容易に過熱度をとることができる。

本発明によれば、飽和蒸気線の近辺の等エントロピ線が、高圧へ行くに従って、過熱蒸気域から湿り飽和蒸気域へ入り込むように、飽和蒸気線と交わるという性質を有する冷媒を用いたヒートポンプにおいて、圧縮機の体積効率および断熱圧縮効率を向上させ、ひいてはＣＯＰを向上させることができる。

本発明のヒートポンプの一実施例のヒートポンプサイクルを示す概略Ｐ−ｈ線図である。 本発明のヒートポンプの一実施例を示す概略構成図である。 図２の変形例を示し、液ガス熱交換器を備えたヒートポンプの概略図である。 図２の変形例を示し、中間冷却器を用いた二段サイクルの概略図である。 図２の変形例を示し、過熱器を備えたヒートポンプの概略図である。 図２の変形例を示し、ヒータを備えたヒートポンプの概略図である。 図２の変形例を示し、中間冷却器を用いた改良二段サイクルの概略図である。 図７の変形例を示し、過熱器を有する改良二段サイクルの一例を示す概略図である。 図７の変形例を示し、過熱器を有する改良二段サイクルの他の例を示す概略図である。 従来公知のヒートポンプサイクルを示す概略Ｐ−ｈ線図である。 蒸気発生用ヒートポンプに用いられる冷媒のＰ−ｈ線図の一例である。

以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、Ｐ−ｈ線図（圧力−エンタルピ線図）に本発明の一実施例のヒートポンプサイクルを示した概略図である。なお、図１において、縦軸は圧力Ｐ［ＭＰａ］、横軸はエンタルピｈ［ｋＪ／ｋｇ］であり、飽和液線Ｙ１、飽和蒸気線Ｙ２の他、いくつかの等温線Ｔが示される。

周知のとおり、飽和液線Ｙ１よりも左側の領域において、冷媒は液体であり、飽和蒸気線Ｙ２より右側の領域において、冷媒は気体であり、飽和液線Ｙ１と飽和蒸気線Ｙ２で囲まれた領域において、冷媒は飽和蒸気（液体および気体）である。より詳細には、冷媒は、飽和液線Ｙ１より左側で過冷却液、飽和液線Ｙ１上で飽和液、飽和液線Ｙ１と飽和蒸気線Ｙ２との間で湿り飽和蒸気、飽和蒸気線Ｙ２上で乾き飽和蒸気、飽和蒸気線Ｙ２より右側で過熱蒸気となる。

図２は、本実施例のヒートポンプ１の一例を示す概略図である。本実施例のヒートポンプ１は、蒸気圧縮式のヒートポンプ１であり、具体的には、圧縮機２（図１においてａ〜ｂ）、凝縮器３（図１においてｂ〜ｃ）、膨張弁４（図１においてｃ〜ｄ）および蒸発器５（図１においてｄ〜ａ）が順次環状に接続されて構成される。なお、ヒートポンプ１には、たとえば、圧縮機２の出口側に油分離器を設置したり、凝縮器３の出口側に受液器を設置したり、圧縮機２の入口側にアキュムレータを設置したりしてもよいことは勿論である。

圧縮機２は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。凝縮器３は、圧縮機２からのガス冷媒を凝縮液化する。膨張弁４は、凝縮器３からの液冷媒を通過させることで、冷媒の圧力と温度とを低下させる。さらに、蒸発器５は、膨張弁４からの冷媒の蒸発を図る。

ヒートポンプ１は、蒸発器５において、冷媒が外部から熱を奪って気化する一方、凝縮器３において、冷媒が外部へ放熱して凝縮することになる。これを利用して、ヒートポンプ１は、蒸発器５において、熱源流体から熱をくみ上げ、凝縮器３において、被加熱流体を加熱する。たとえば、蒸発器５において、熱源流体から熱をくみ上げ、凝縮器３において、水を加熱して蒸気を発生させたり温水を製造したりする。

熱源流体は、特に問わないが、たとえば、工場などからの廃温水、蒸気使用設備からのドレン、ボイラなどからの排ガスである。なお、特に、後述する改良二段サイクルの場合、熱源流体は、ヒートポンプ１に顕熱を与えるもの、すなわちヒートポンプ１に熱を与えつつ自身は温度低下を伴う流体が好適に用いられる。

ヒートポンプ１の冷媒は、飽和蒸気線Ｙ２の近辺の等エントロピ線Ｓが、高圧へ行くに従って、過熱蒸気域から湿り飽和蒸気域へ入り込むように、飽和蒸気線Ｙ２と交わるという性質を有する（図１１）。言い換えれば、図１の二点鎖線で示すように、圧縮機入口圧力Ｐ１の等圧線と飽和蒸気線Ｙ２との交点ａ１を求め、この交点ａ１を通る等エントロピ線と圧縮機出口圧力Ｐ２の等圧線との交点ｂ１を求めた場合、この交点ｂ１が湿り飽和蒸気域に入る冷媒である。

圧縮機入口圧力Ｐ１や圧縮機出口圧力Ｐ２との関係で、上述のような性質を有する冷媒として、たとえば、ＨＦＣ−２４５ｆａ、ＨＦＣ−３６５ｍｆｃ、ペンタン、イソブタン、またはこれらを用いた混合物などがある。

本実施例のヒートポンプ１は、圧縮機２の入口から出口へ向けて、冷媒が湿り飽和蒸気にならないように、圧縮機２の出入口において過熱度ΔＴ１，ΔＴ２を有する。圧縮機２入口における過熱度を圧縮機入口過熱度ΔＴ１、圧縮機２出口における過熱度を圧縮機出口過熱度ΔＴ２と呼ぶことにする。

圧縮機入口過熱度ΔＴ１について説明すると、Ｐ−ｈ線図上において、まず、圧縮機出口圧力Ｐ２の等圧線と飽和蒸気線Ｙ２との交点ｂ２を求め、次に、この交点ｂ２を通る等エントロピ線と圧縮機入口圧力Ｐ１の等圧線との交点（第一交点）ａ２を求める。そして、圧縮機入口温度をこの交点ａ２における温度以上とするように、圧縮機入口過熱度ΔＴ１をとればよい。

つまり、圧縮機出口圧力Ｐ２の等圧線と飽和蒸気線Ｙ２との交点ｂ２を求め、この交点ｂ２を通る等エントロピ線と圧縮機入口圧力Ｐ１の等圧線との交点ａ２を求め、この交点ａ２における温度と圧縮機入口圧力Ｐ１における飽和温度との温度差ΔＴ１Ｌ以上として、圧縮機入口過熱度ΔＴ１を設定すればよい。好ましくは、圧縮機出口圧力Ｐ２の等圧線とヒートポンプ１の耐熱温度の等温線との交点ｂ３を求め、この交点ｂ３を通る等エントロピ線と圧縮機入口圧力Ｐ１の等圧線との交点ａ３を求め、この交点ａ３における温度と圧縮機入口圧力Ｐ１における飽和温度との温度差ΔＴ１Ｈ以下として、圧縮機入口過熱度ΔＴ１を設定すればよい。なお、圧縮機入口過熱度ΔＴ１の上限値ΔＴ１Ｈを定める際、圧縮機出口圧力Ｐ２の等圧線とヒートポンプ１の耐熱温度の等温線との交点ｂ３を始点とするのは、図１から明らかなとおり、圧縮機２出口において冷媒が最も高温となることを考慮したものである。

圧縮機出口過熱度ΔＴ２について説明すると、Ｐ−ｈ線図上において、圧縮機出口温度を圧縮機出口圧力Ｐ２における飽和温度以上とするように、圧縮機出口過熱度ΔＴ２をとればよい。好ましくは、圧縮機出口圧力Ｐ２における飽和温度（ｂ２温度）を超え且つヒートポンプ１の耐熱温度（ｂ３温度）以下で設定される圧縮機出口温度（ｂ温度）と、圧縮機出口圧力Ｐ２における飽和温度（ｂ２温度）との温度差として、圧縮機出口過熱度ΔＴ２を設定すればよい。

なお、ヒートポンプ１の耐熱温度は、圧縮機２の潤滑油の劣化温度、冷媒の劣化温度、および圧縮機２の耐熱温度などを考慮して適宜に決定される。たとえば、１８０〜２００℃であり、本実施例では２００℃である。

圧縮機２が冷媒を断熱圧縮（等エントロピ変化）するとして、圧縮機入口過熱度ΔＴ１を上述のように設定した場合、圧縮機出口過熱度ΔＴ２は上述のように設定されたことになる。逆に、圧縮機出口過熱度ΔＴ２を上述のように設定した場合、圧縮機入口過熱度ΔＴ１は上述のように設定されたことなる。従って、本実施例のヒートポンプサイクルであるか否かは、圧縮機入口過熱度ΔＴ１と圧縮機出口過熱度ΔＴ２との内、一方を確認すれば足りる。

本実施例のヒートポンプ１によれば、圧縮機出口において冷媒が乾き飽和蒸気または過熱蒸気となるように過熱度（圧縮機入口過熱度ΔＴ１および／または圧縮機出口過熱度ΔＴ２）をとるので、圧縮機２の体積効率および断熱圧縮効率が向上し、ひいてはヒートポンプ１のＣＯＰを向上させることができる。

次に、本実施例のヒートポンプ１の過熱度（圧縮機入口過熱度ΔＴ１および／または圧縮機出口過熱度ΔＴ２）の設定方法について説明する。圧縮機入口側の温度に基づき膨張弁を調整して過熱度を調整する以外に、下記の方法がある。

（１）液ガス熱交換器：
図３に示すように、凝縮器３から膨張弁４への冷媒と、蒸発器５から圧縮機２への冷媒とを間接熱交換する液ガス熱交換器６を設ける。この液ガス熱交換器６により、圧縮機２の入口側や出口側で過熱度をとることができる。

（２）熱源流体温度：
図２に示すように、蒸発器５では、膨張弁４から圧縮機２への冷媒と、熱源流体とが間接熱交換される。この蒸発器５において、熱源流体の温度が圧縮機２への冷媒を過熱させる温度であれば、圧縮機２の入口側や出口側で過熱度をとることができる。

（３）二段サイクルの中間冷却器：
図４に示すように、上下二段のヒートポンプ１（７，８）を備える。上段ヒートポンプ７は、上段圧縮機９、上段凝縮器１０、上段膨張弁１１および中間冷却器１２が順次環状に接続されて冷媒を循環させる。下段ヒートポンプ８は、中間冷却器１２からの冷媒を下段膨張弁１３、下段蒸発器１４および下段圧縮機１５を介して、中間冷却器１２へ供給する。

このように、上段ヒートポンプ７と下段ヒートポンプ８とは中間冷却器１２で接続されている。そして、中間冷却器１２は、下段ヒートポンプ８の圧縮機１５からの冷媒と、上段ヒートポンプ７の膨張弁１１からの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換する。中間冷却器１２は、下段ヒートポンプ８の凝縮器であると共に、上段ヒートポンプ７の蒸発器でもある。

中間冷却器１２は、具体的には中空タンクが用いられ、下段ヒートポンプ８の圧縮機１５からの冷媒と、上段ヒートポンプ７の膨張弁１１からの冷媒とを受け入れて、中空タンク内で直接に接触させることにより、下段ヒートポンプ８の圧縮機１５からの冷媒の凝縮と、上段ヒートポンプ７の膨張弁１１からの冷媒の気化とを図る。そして、それにより得られる液冷媒は下段ヒートポンプ８の膨張弁１３へ送られ、ガス冷媒は上段ヒートポンプ７の圧縮機９へ送られる。

このような二段サイクルのヒートポンプ１において、中間冷却器１２の冷媒（少なくとも気相部の冷媒）と、下段ヒートポンプ８の蒸発器１４への熱源流体とを間接熱交換させる。つまり、熱源流体は、図４において太線で示すように、中間冷却器１２（少なくとも気相部）と、下段ヒートポンプ８の蒸発器１４とを順に通される。このような構成により、上段ヒートポンプ７において過熱度をとることができる。なお、下段ヒートポンプ８の過熱度は、たとえば、下段膨張弁１３で調整したり、下段蒸発器１４への熱源流体の温度で調整したり、後述する過熱器やヒータで調整したりすることができる。この点は後述する改良二段サイクルでも同様である。

このような構成の二段サイクルの場合、中間冷却器１２および下段蒸発器１４から熱をくみ上げて、上段凝縮器１０において、たとえば水を過熱して蒸気を発生させる。なお、中間冷却器１２に代えて間接熱交換器を設置し、その間接熱交換器において、上段ヒートポンプ７の膨張弁１１からの冷媒と、下段ヒートポンプ８の圧縮機１５からの冷媒とを間接熱交換させてもよく、その場合には、各膨張弁１１，１３で過熱度を調整することができる。

（４）過熱器：
図５に示すように、蒸発器５から圧縮機２への冷媒と、蒸発器５への熱源流体とを間接熱交換する過熱器１６を設ける。この過熱器１６により、圧縮機２の入口側や出口側で過熱度をとることができる。

（５）ヒータ：
図６に示すように、蒸発器５から圧縮機２への冷媒を加熱するヒータ１７を設ける。このヒータ１７により、圧縮機２の入口側や出口側で過熱度をとることができる。

（６）改良二段サイクル：
図７に示すように、上下二段のヒートポンプ１（１８，１９）を備える。上段ヒートポンプ１８は、上段圧縮機２０、上段凝縮器２１、上段膨張弁２２、中間冷却器２３および上段蒸発器２４が順次環状に接続されて冷媒を循環させる。下段ヒートポンプ１９は、中間冷却器２３からの冷媒を下段膨張弁２５、下段蒸発器２６および下段圧縮機２７を介して、中間冷却器２３またはそこから上段圧縮機２０への冷媒流路の設定箇所へ供給する。つまり、下段圧縮機２７から冷媒は、中間冷却器２３へ供給してもよいし、実線で示すように中間冷却器２３から上段蒸発器２４への冷媒流路へ供給してもよいし、破線で示すように上段蒸発器２４から上段圧縮機２０への冷媒流路へ供給してもよい。

熱源流体は、上段蒸発器２４と下段蒸発器２６とに順に通される。従って、ヒートポンプ１は、上段蒸発器２４と下段蒸発器２６とから熱をくみ上げて、上段凝縮器２１において、たとえば水を加熱して蒸気を発生させる。この際、熱源流体は、上段蒸発器２４を通された後、下段蒸発器２６に通されるので、上段蒸発器２４において冷やされた分を下段ヒートポンプ１９がカバーして、上段蒸発器２４を通過後の熱源流体からもさらに熱をくみ上げることができる。また、上段ヒートポンプ１８では、くみ上げる温度差を低減することができ、その分だけ圧縮機の電力を少なくでき、システム効率を向上することができる（特願２０１１−７９３７０）。

ここで、中間冷却器２３とは、図４の場合と同様に、中空タンクからなる直接熱交換器である。但し、図７の場合、中間冷却器２３から上段蒸発器２４への冷媒は、気液二相で供給され、上段蒸発器２４において蒸発され過熱される。なお、中間冷却器２３に代えて間接熱交換器を設置し、その間接熱交換器において、上段ヒートポンプ１８の膨張弁２２からの冷媒と、下段ヒートポンプ１９の圧縮機２７からの冷媒とを間接熱交換させてもよく、その場合には、各膨張弁２２，２５で過熱度を調整することができる。

（７）改良二段サイクルにおける過熱器：
上述した改良二段サイクルにおいて、図７破線で示すように、下段圧縮機２７からの冷媒を、上段蒸発器２４から上段圧縮機２０への冷媒流路へ合流させる。そして、下段圧縮機２７からの冷媒流路を図８実線で示す構成として、上段蒸発器２４からの冷媒流路との合流部よりも下流に、過熱器２８を設ける。あるいは、下段圧縮機２７からの冷媒流路を図８破線で示す構成として、上段蒸発器２４からの冷媒流路との合流部よりも上流に、過熱器２８を設ける。あるいは、図９に示すように、下段圧縮機２７からの冷媒を、上段蒸発器２４から上段圧縮機２０への冷媒流路へ合流させ、その合流部よりも上流の下段圧縮機２７からの冷媒流路に過熱器２８を設ける。

いずれの場合も、過熱器２８、上段蒸発器２４および下段蒸発器２６に熱源流体が設定順序で通される。この設定順序として、下段蒸発器２６が後になるように設定されるのがよい。具体的には、（ａ）過熱器２８、上段蒸発器２４、下段蒸発器２６の順に、熱源流体を通せばよい。あるいは、（ｂ）上段蒸発器２４、過熱器２８、下段蒸発器２６の順に、熱源流体を通せばよい。あるいは、（ｃ）過熱器２８と上段蒸発器２４とに熱源流体を並行に通した後、合流させて下段蒸発器２６に通せばよい。

なお、前記（７）で述べた過熱器２８は、上段ヒートポンプ１８における過熱度を設定するものであり、下段ヒートポンプ１９の過熱度は、たとえば、下段膨張弁２５で調整したり、下段蒸発器２６への熱源流体の温度で調整したり、上述した過熱器１６やヒータ１７で調整したりすることができる。

本発明のヒートポンプは、前記実施例の構成に限らず適宜変更可能である。特に、冷媒のモリエル線図において、圧縮機入口圧力Ｐ１の等圧線と飽和蒸気線Ｙ２との交点ａ１を求め、この交点ａ１を通る等エントロピ線と圧縮機出口圧力Ｐ２の等圧線との交点ｂ１を求めた場合、この交点ｂ１が湿り飽和蒸気域に入る冷媒が用いられ、前述した圧縮機入口過熱度ΔＴ１と圧縮機出口過熱度ΔＴ２との内、少なくとも一方の過熱度に基づき、圧縮機の入口および出口において過熱蒸気または乾き飽和蒸気となることが特定されるヒートポンプサイクルを実行するのであれば、ヒートポンプ１の構成や制御は適宜に変更可能である。

１ ヒートポンプ
２ 圧縮機
３ 凝縮器
４ 膨張弁
５ 蒸発器
６ 液ガス熱交換器
７ 上段ヒートポンプ
８ 下段ヒートポンプ
９ 上段圧縮機
１０ 上段凝縮器
１１ 上段膨張弁
１２ 中間冷却器
１３ 下段膨張弁
１４ 下段蒸発器
１５ 下段圧縮機
１６ 加熱器
１７ ヒータ
１８ 上段ヒートポンプ
１９ 下段ヒートポンプ
２０ 上段圧縮機
２１ 上段凝縮器
２２ 上段膨張弁
２３ 中間冷却器
２４ 上段蒸発器
２５ 下段膨張弁
２６ 下段蒸発器
２７ 下段圧縮機
２８ 加熱器

Claims (6)

1. 蒸気圧縮式のヒートポンプであって、
   冷媒のモリエル線図において、圧縮機入口圧力の等圧線と飽和蒸気線との交点を求め、この交点を通る等エントロピ線と圧縮機出口圧力の等圧線との交点を求めた場合、この交点が湿り飽和蒸気域に入る冷媒が用いられ、
   下記（ａ）の圧縮機入口過熱度と（ｂ）の圧縮機出口過熱度との内、少なくとも一方の過熱度に基づき、圧縮機の入口および出口において過熱蒸気または乾き飽和蒸気となることが特定されるヒートポンプサイクルを実行する
   ことを特徴とするヒートポンプ。
   （ａ）圧縮機出口圧力の等圧線と飽和蒸気線との交点を求め、この交点を通る等エントロピ線と圧縮機入口圧力の等圧線との第一交点を求め、圧縮機入口温度をこの第一交点における温度以上とする圧縮機入口過熱度。
   （ｂ）圧縮機出口温度を圧縮機出口圧力における飽和温度以上とする圧縮機出口過熱度。
2. 前記圧縮機入口過熱度は、
   圧縮機出口圧力の等圧線と飽和蒸気線との交点を求め、この交点を通る等エントロピ線と圧縮機入口圧力の等圧線との交点を求め、この交点における温度と圧縮機入口圧力における飽和温度との温度差以上であり、
   圧縮機出口圧力の等圧線とヒートポンプの耐熱温度との交点を求め、この交点を通る等エントロピ線と圧縮機入口圧力の等圧線との交点を求め、この交点における温度と圧縮機入口圧力における飽和温度との温度差以下である
   ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ。
3. 前記圧縮機出口過熱度は、
   圧縮機出口圧力における飽和温度以上で且つヒートポンプの耐熱温度以下で設定される圧縮機出口温度と、圧縮機出口圧力における飽和温度との温度差である
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ。
4. 上段圧縮機、上段凝縮器、上段膨張弁、中間冷却器および上段蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させる上段ヒートポンプと、
   前記中間冷却器からの冷媒を下段膨張弁、下段蒸発器および下段圧縮機を介して、前記中間冷却器またはそこから前記上段圧縮機への冷媒流路の設定箇所へ供給する下段ヒートポンプとを備え、
   前記上段蒸発器と前記下段蒸発器とに熱源流体が順に通され、前記上段凝縮器において水を加熱して蒸気を発生させる
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ。
5. 前記下段圧縮機からの冷媒を、前記上段蒸発器から前記上段圧縮機への冷媒流路へ合流させ、
   この合流部よりも下流の前記上段圧縮機への冷媒流路、前記合流部よりも上流の前記上段蒸発器からの冷媒流路、または前記合流部よりも上流の前記下段圧縮機からの冷媒流路に過熱器を設け、
   この過熱器、前記上段蒸発器および前記下段蒸発器に熱源流体が設定順序で通され、
   この設定順序として、前記下段蒸発器が後になるように設定される
   ことを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ。
6. 前記圧縮機入口過熱度または前記圧縮機出口過熱度の設定手段は、下記（ａ）〜（ｅ）のいずれかである
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ。
   （ａ）凝縮器から膨張弁への冷媒と、蒸発器から圧縮機への冷媒とを間接熱交換する液ガス熱交換器。
   （ｂ）膨張弁から圧縮機への冷媒と、この冷媒を過熱させる温度の熱源流体とを間接熱交換する蒸発器。
   （ｃ）下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を直接熱交換すると共に、この冷媒と下段ヒートポンプの蒸発器への熱源流体とを間接熱交換する中間冷却器。
   （ｄ）蒸発器から圧縮機への冷媒と、蒸発器への熱源流体とを間接熱交換する過熱器。
   （ｅ）蒸発器から圧縮機への冷媒を加熱するヒータ。

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