JP2016520187A - 環境親和性のある冷媒を利用するためのヒートポンプ - Google Patents

Abstract

本発明によるヒートポンプは、内部熱交換器と制御装置とを備えており、この制御装置は、圧縮器の出口における動作流体の温度を、同じ圧力で露点よりも上の予め定められた最小間隔にする。ヒートポンププロセスへのこのような付加的な介入により、ヒートポンプにおいて以下のような新規の冷媒を用いることができる。即ちその冷媒は、温度とエントロピーのグラフにおいて１０００（ｋｇＫ2）／ｋＪよりも下で露点線の勾配が小さく、さらにそれらの動作媒体は、安全性及び環境の特性が極めて良好な点で優れている。

Description

本発明は、ヒートポンプ及びヒートポンプ内での冷媒の使用に関する。

これまでヒートポンプにおいて使用されてきた冷媒は、毒性であるか、又は環境を損なうものであり、つまりそれらの冷媒は高い地球温暖化係数を有する。他の冷媒は可燃性であるか、又は最も問題がないものであっても、少なくとも健康を害する虞のあるものである。毒性がない環境親和性のある冷媒を用いて動作させるようにした、従来より知られていたアプローチは、これまで失敗に終わっており、その理由は、それらの動作媒体ではヒートポンプの適正なパワーを供給できない、或いは従来のヒートポンプ構造では使用できない、ということによる。

ヒートポンプにおいて冷媒を使用することで特徴的なのは、いわゆる温度上昇である。温度上昇は、凝縮温度と蒸発温度との差である。つまり温度上昇によって表されるのは、ヒートシンクにおいて利用するために熱源の温度レベルがどのくらい上昇したのか、ということである。問題点を表すため、図１には、環境親和性のある適切な冷媒の相境界線が示されており、この冷媒に特徴的なのは、露点線が大きく張り出していることである。このことに加え、７５℃の蒸発温度から１２５℃の凝縮温度までの５０ケルビンの温度上昇に関する温度プロセスが示されている。この種の冷媒を用いてヒートポンプを稼動できるようにするためには、圧縮点を露点線から最小間隔で維持し、そのまま気相領域内にあるようにしなければならない。温度上昇が例えば２０ケルビンだけであり、つまり凝縮温度が図３に示されているように９５℃しかなければ、圧縮点は相境界線内に位置することになり、つまり混合相領域内に位置することになる。これによって圧縮器内で液体が衝突することになり、ヒートポンプの安定稼働が妨げられてしまう。

上述のような特別な熱力学的特性を備えたこの種の新規な動作流体を使用するために、これまで知られているアプローチは、ヒートポンプの非定常的な始動手順をターゲットにしたものだけである。独国特許出願公開第１０２０１３２０３２４３．９号明細書には、内部熱交換器が設けられたヒートポンプについて記載されており、この熱交換器は、図２のグラフに描かれているように、凝縮物が状態点４から状態点５にサブクーリングされると、その際に発生した熱を状態点７に伝達し、したがって圧縮の前に吸入ガスがスーパーヒートする。状態点４から状態点５までの間隔及び状態点７から状態点１までの間隔は、等しいエンタルピー差となっており、このことは圧力とエンタルピーのグラフ１〜４から読み取ることができる。しかしながら、同様に図３から読み取ることができるように、内部熱交換器を用いたアプローチは、どのような温度上昇にも適しているというわけではない。例えば２０ケルビンの温度上昇の場合、内部熱交換器が吸引ガスのスーパーヒートのために供給可能な熱量は不十分であり、圧縮最終点はやはり相境界線内にあり、このことは問題である。

これまでヒートポンプ及び冷却器で用いられてきた流体、例えばＲ１３４ａ（１，１，１，２−テトラフルオロエタン）は、圧縮最終点が二相領域内にあるという問題点をまったく有しておらず、したがって従来技術で知られているヒートポンプ及び冷却器とともに稼動させることができる。

したがって本発明の課題は、環境親和性のある動作流体を利用することができ、かつ安定した定常動作を保証するヒートポンプ及びヒートポンプの運転方法を提供することである。

この課題は、請求項１記載のヒートポンプ、及び請求項９記載の運転方法、並びに請求項８記載の新規な動作流体の、本発明による使用によって解決される。従属請求項には、本発明の実施形態が記載されている。

本発明によるヒートポンプは、圧縮器と、凝縮器と、内部熱交換器と、膨張弁と、蒸発器と、制御装置とを備えており、この制御装置は、圧縮器の出口における動作流体の温度を、露点よりも上で予め定められた最小間隔にするように構成されている。温度最小間隔は、圧力が同じまま維持された動作流体に関するものであり、少なくとも１ケルビンであり、有利には少なくとも５ケルビンである。これによって得られる利点とは、環境親和性のある毒性のない安全な動作媒体を使用することができ、安定した定常的なヒートポンプ稼働を実現できることである。そのような動作媒体の多くは、温度とエントロピーのグラフにおいて１０００（ｋｇ Ｋ²）／ｋＪよりも下で、露点線の勾配が著しく小さいといった、極めて特別な熱力学的特性を有する点で優れている。

本発明の１つの有利な実施形態によれば、制御装置は温度制御装置であり、この温度制御装置は、圧縮器の入口における動作流体の温度を上昇させるように構成されている。例えば温度制御装置はパイプ加熱ユニットであり、このパイプ加熱ユニットは、内部熱交換器と圧縮器との間に配置されていて、このパイプ加熱ユニットにより、内部熱交換器から圧縮器へ流れる動作流体をスーパーヒート可能である。この場合、温度制御装置は、パイプ加熱ユニットを圧縮器出口における動作流体の温度によって制御するように構成されている。圧縮器出口において温度制御装置によりどのような温度が測定されるのかに応じて、パイプ加熱ユニットがオン又はオフにされ、或いはその温度が変更される。したがってパイプ加熱ユニットを、例えば熱源又はヒートシンク温度が変動したときに、短期間だけ始動させてもよいし、持続動作させてもよい。これによって、僅かな温度上昇を補償調整できる、という利点が得られる。温度上昇に対する限界温度は、使用される冷媒例えば動作流体に左右される。温度上昇は、ヒートポンプの種々の特性及びパラメータに依存する。

ヒートポンプに関するさらに別の有利な実施例によれば、温度制御装置は、弁を備えたバイパス路を備えており、このバイパス路によって、圧縮器出口における高圧領域が圧縮器入口における低圧領域と接続されていて、このバイパス路を介して再循環可能なホットガスによって、内部熱交換器から圧縮器へ流れる動作流体をスーパーヒート可能である。この場合、温度制御装置は、バイパス路の弁を通過する流量を圧縮器出口における動作流体の温度を介して制御するように構成されている。ヒートポンププロセスに対する付加的な介入がなければ圧縮最終点が二相領域内に入るような温度上昇が発生した場合、この実施形態の場合も、使用される動作流体によってヒートポンプを定常状態で安定して稼働できるように制御される、という利点が得られる。ここで使用されるバイパス弁を、例えばサーモスタット制御弁としてもよいし、又は電子制御弁としてもよい。

ヒートポンプの択一的な有利な実施形態によれば、制御装置は圧力制御装置であり、これは圧縮器入口における動作流体の圧力を低下させるように構成されている。この目的で、圧力制御装置に例えば自動膨張弁を含めることができ、この弁は、内部熱交換器と蒸発器との間のヒートポンプ循環路中に膨張弁として配置されている。この場合、自動膨張弁は純然たる蒸発器圧力制御弁であって、この弁によって、蒸発温度ひいては蒸発圧力を調整できるようになる。

蒸発器内の圧力が低下することによって、圧縮器下流の加圧側と圧縮器上流の低圧側との間の圧力比Ｐ_ratioを大きくすることができる。圧縮器が、より大きい圧縮比Ｐ_ratioを生じさせなければならないことから、圧縮器出口における圧力ガス温度Ｔ₂も高まる。圧力比Ｐ_ratioが大きくなるにつれて、圧縮器下流の圧力ガスの温度Ｔ₂も高まる。

ただし、ｋは等エントロピー指数、Ｔ₂及びＴ₁は、圧縮器の下流及び上流の温度であり、Ｐ_ratioは、圧縮器の下流と上流のガス圧力の圧力比である。温度Ｔ₁の上昇に対する代案として、圧縮器上流の圧力を低減してもよい。この場合、付加的な熱出力の代わりに、より高い圧力比を生じさせるために、付加的な圧縮器出力が必要である。この実施形態によって得られる利点とは、付加的な加熱素子と温度制御装置を省略できることであり、自動膨張弁を膨張弁として使用することによって、定常的な動作のためにヒートポンプにおいて余分な部品が不要になることである。

ヒートポンプにおいて自動膨張弁を使用することにより得られる付加的な利点とは、温度上昇が限界温度より低い事例ではなく、限界温度よりも著しく高い適用事例に対しても制御を行えることである。温度上昇がそれよりも過度に大きい場合には、圧縮器下流の圧力ガス温度Ｔ₂が、露点に対し維持すべき最小間隔よりも著しく大きくなる。例えば圧縮器が動作温度上限を有する場合には、さらに別の問題が発生する虞がある。圧縮器の動作温度上限は例えば、潤滑剤の温度安定性であったり、圧縮器内の適合度に対する過度の膨張などに起因する可能性がある。ただし自動膨張弁によって、動作流体がごく僅かにスーパーヒートする程度に、或いは部分的に蒸発する程度に、蒸発器内の圧力を高めることもできる。露点線からの最小間隔のために必要とされるスーパーヒートは、内部熱交換器によって生じさせることができる。限界温度よりも上で温度上昇が発生した場合の自動膨張弁を備えた実施形態により、圧力上昇によってヒートポンプの効率全体を高めることができる、という付加的な利点が得られる。その理由は、蒸発器内の温度差の低減によって圧力比が小さくなり、圧縮器出力に対する要求が小さくなるからである。これと同時に流体密度が上昇し、それによって圧縮器内の出力密度が高まる。これらに加え、圧縮ガス温度が下がることで、圧縮器の耐用期間を確実に長くすることができる。

この目的で有利にはヒートポンプは、温度とエントロピーのグラフにおいて、露点線の勾配が１０００（ｋｇＫ²）／ｋＪよりも小さい動作流体を有する。この種の動作流体を使用することの利点は、優れた環境特性及び安全性の特性を有することにある。例えばこの種の動作流体として、フルオロケトンの系統から成る動作流体を使用することができる。それらのうち特に有利であるのは、動作流体Ｎｏｖｅｃ６４９（ドデカフルオロ−２−メチルペンタン−３−オン）及びＮｏｖｅｃ５２４（デカフルオロ−３−メチルブタン−２−オン）である。Ｎｏｖｅｃ６４９は、６０１（ｋｇＫ²）／ｋＪの露点線勾配を有し、Ｎｏｖｅｃ５２４は、６３０（ｋｇＫ²）／ｋＪの露点線勾配を有する。さらに別の適切な例は、Ｒ２４５ｆａ（１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン）であり、これはＴ−Ｓグラフにおいて１６５３（ｋｇＫ²）／ｋＪの勾配を有する。ただしこれらの勾配は、飽和温度がそれぞれ７５℃の場合について記載した。

本発明によれば、温度とエントロピーのグラフにおいて、１０００（ｋｇＫ²）／ｋＪよりも小さい露点線の勾配を有する動作流体がヒートポンプにおいて用いられる。

ヒートポンプを動作させるための本発明による方法の場合、圧縮後の動作流体の温度を、露点よりも上において予め定められた最小間隔にし、例えば１ケルビンの最小間隔にする。

次に、具体例として添付図面の図１〜図７を参照しながら、本発明による実施形態について説明する。

新規の動作媒体の圧力とエンタルピーの対数グラフと、その動作媒体で稼動され５０ケルビンの温度上昇を伴うヒートポンププロセスについて示す図 内部熱交換器による熱交換を圧力とエンタルピーの対数グラフとして示す図 図１に示したような動作媒体の圧力とエンタルピーの対数グラフを、２０ケルビンの温度上昇を伴うヒートポンププロセスとともに示す図 図１に示したような動作媒体の圧力とエンタルピーの対数グラフを、６０ケルビンの温度上昇を伴うヒートポンププロセスとともに示す図 パイプ加熱ユニットを備えたヒートポンプの流路図 ホットガスバイパスを備えたヒートポンプの流路図 自動膨張弁を備えたヒートポンプの流路図

図１〜図４には、圧力とエンタルピーのグラフが示されており、ここでは圧力Ｐが対数スケール上に書き込まれている。図１、図３及び図４には、一点鎖線で等温線が書き込まれており、点線で等エントロピー線が書き込まれている。この場合、等温線ＩＴに対する温度は摂氏で表されており、等エントロピー線ＩＥに対するエントロピー値はｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）で表されている。実線の曲線は、新規の動作媒体例えば流体Ｎｏｖｅｃ６４９の相境界線ＰＧをそれぞれ表している。この流体は、１６９℃のところで臨界点を有している。露点線は、この温度とエントロピーのグラフでは、６０１（ｋｇＫ²）／ｋＪだけ傾斜している。動作媒体についてさらに別の適切な具体例はＮｏｖｅｃ５２４であり、これは１４８℃のところで臨界点を有する。

さらに図１には、ヒートポンププロセスＷＰが破線で示されている。状態点１から出発し圧縮を経て、状態点２もしくは３に到達する。これらの状態点は、純然たる理論的考察では一致するので、以下では状態点２だけを挙げることにする。凝縮過程によって状態点４に達する。状態点４から状態点５まで、サブクーリングが行われる。状態点５から膨張過程を経て状態点６に到達し、状態点６から蒸発過程を経て状態点７に到達する。状態点７から状態点１へ戻る経路は、動作媒体のスーパーヒートである。図示されているヒートポンププロセスＷＰは、７５℃の蒸発温度と１２５℃の凝縮温度を有し、つまり５０ケルビンの温度上昇を有している。状態点４から状態点５へのサブクール、もしくは状態点７から状態点１へのスーパーヒートは、図２に示されているように、内部熱交換器ＩＨＸを介して結合される。この熱交換器は、サブクールの際に生じる熱を利用しており、その熱を状態点７に伝達する。そのつど一定の圧力であれば、エンタルピーはサブクールによって、スーパーヒートが上昇したときと同じ絶対値だけ低減する。状態点２と、ヒートポンププロセスＷＰの露点線ＴＬとの距離は、即ち、状態点２とその露点との温度差は、圧力が同じであれば１０ケルビンになる。この最小間隔は、液体の衝突により圧縮器１１を危険に晒すことなく、ヒートポンプ１０の安定稼働を保証するために十分なものである。圧縮最終点即ち状態点２を、確実に混合相領域ｌ＋ｇの外側つまり相境界線ＰＧの外側に位置させるために、最小間隔を遵守するようにし、この最小間隔は、動作流体とヒートポンプ１０から成るシステム各々について、可能な変動パラメータに応じて設定する必要がある。ただし特に、１ケルビンの最小間隔を遵守すべきであり、有利には５ケルビンの最小間隔を遵守すべきである。

図３及び図４に示されているように、圧縮器１１の手前で吸気ガスをスーパーヒートさせるために内部熱交換器ＩＨＸによって交換された熱量Ｑ_IHXが、圧縮最終点２を気相領域ｇ内に位置させるのに十分であるか否かに応じて、ヒートポンププロセスＷＰの温度上昇が変化する。

図３には、例えば図１と同様に動作媒体Ｎｏｖｅｃ６４９によるヒートポンププロセスＷＰが示されている。ただしこの場合、凝縮温度は９５℃しかない。つまり、２０ケルビンというこのような温度上昇は、このシステムに対する限界値よりも小さい。内部熱交換器ＩＨＸは、この実施例では０．６４ｋＷで動作することになる。

図４に示されているヒートポンププロセスＷＰは、１３５℃の凝縮温度に至るまでの６０ケルビンの著しく大きい温度上昇を有している。このヒートポンププロセスＷＰの場合、内部熱交換器ＩＨＸは例えば５．９ｋＷの電力で動作する。この場合、圧縮最終点２は露点線ＴＬから著しく隔たっており、つまり温度上昇は、ヒートポンプ１０と動作媒体とから成るこのシステムの温度上昇の限界値を著しく上回っている。

内部熱交換器ＩＨＸによって伝達される熱出力Ｑ_IHXの具体的な値は、１０ｋＷという凝縮器出力に関連づけられる。つまりこの実施例の場合、２０ケルビンという小さい温度上昇の場合には、このシステムに対する例えば５ケルビンという最小間隔を遵守するために十分な熱を伝達することができない。これに対し、６０ケルビンという温度上昇の場合、内部熱交換器ＩＨＸにより伝達された熱Ｑ_IHXは、この最小間隔に対し十分である。つまり６０ケルビンという温度上昇は、このシステムに対する限界温度上昇よりも大きい。Ｎｏｖｅｃ６４９を用い、蒸発温度が７０℃のときに１０ｋＷの凝縮器出力を有するヒートポンプ１０から成る、ここで具体例として述べたシステムであれば、限界温度上昇は３７ケルビン付近にある。その他のパラメータが同じ場合に例えばＮｏｖｅｃ５２４を動作流体として用いたならば、限界温度上昇は３１ケルビン付近になる。

したがって、ヒートポンプと動作流体とから成るいずれのシステムであっても、同様に限界温度上昇を定めることができ、この限界温度上昇よりも大きければ、内部熱交換器ＩＨＸは、圧縮最終点２と露点線ＴＬとの最小間隔を遵守するのに必要とされる熱を維持することができる。温度上昇が限界温度上昇よりも小さければ、露点線ＴＬに対する最小間隔に圧縮最終点２が確実に位置するように、本出願で説明しているシステムによって動作させる必要がある。このようにするだけで、露点線勾配が小さい流体による安定した定常動作を、ヒートポンプ１０において実現することができる。

図５〜図７には、新規の動作媒体を使用するための種々の制御手法によるヒートポンプ１０の実施形態が示されている。これによれば、限界温度上昇よりも小さく温度上昇が過度に僅かであっても、ヒートポンプＷＰを安定して定常的に動作させることができる。この場合、蒸発温度は７０℃付近、凝縮温度は１００℃付近にそれぞれあるものとし、つまり３０ケルビンという温度上昇であるとする。このような温度上昇は、Ｎｏｖｅｃ６４９の場合にもＮｏｖｅｃ５２４の場合にも、２つの実施例とも限界温度上昇よりも小さいことになる。凝縮器出力は、例えば１０ｋＷである。図５及び図６には、２つの択一的な温度制御が示されている。これらの実施例の場合、ヒートポンプ１０は慣用の膨張弁１４によって駆動され、この膨張弁を、例えばサーモスタット制御又は電子制御による膨張弁１４とすることができる。この膨張弁１４は、動作流体の貫流と蒸発器１５下流のスーパーヒートを制御する。内部熱交換器１３と圧縮器１１との間において、内部の熱交換器１３と圧縮器１１との間のパイプセクションの周囲に、パイプ加熱ユニット２０が配置されている。このパイプ加熱ユニット２０によって、その中を流れる動作媒体を加熱することができる。パイプ加熱ユニット２０が動作媒体を状態点１においてどの程度の強さで加熱するのかは、状態点２つまり圧縮器１１の出口における温度Ｔ₂によって、制御される。この目的で温度Ｔ₂が測定され、温度Ｔ₁に関して最小間隔との比較によって、加熱ユニットがオン又はオフされ、もしくはその熱出力が低く又は高くされる。

図６に示されている温度制御装置３０はホットガスバイパス３１を備えており、このバイパスによって、圧力ガスが圧縮器１１の加圧側２から圧縮器１１の吸引側１へ再循環されるので、高温の圧力ガスにより吸引ガスがさらに加熱される。吸引ガスの温度Ｔ₁の上昇はバイパス弁３１によって制限され、この弁自体は状態点２における温度Ｔ₂によって制御される。弁３１を、サーモスタット制御又は電子制御による弁３１とすることができる。この温度制御装置３０のために付加的に必要とされる電力は、例えば０．５８ｋＷであり、これは等エントロピーで圧力と温度が上昇したときの付加的な圧縮器出力である。

さらに図７には、温度制御装置３０の代替となる実施形態が示されており、つまりこれは吸引圧力を介した制御である。この場合、自動膨張弁４０即ち純然たる蒸発圧力制御弁を利用することによって、蒸発圧力ひいては蒸発温度を調節することができる。蒸発器１５の圧力が低下することによって、圧縮器１１が生じさせなければならない圧縮比が大きくなり、つまりは状態点２における圧力ガス温度Ｔ₂も高められる。具体例として、７０℃から１００℃まで３０ケルビンの温度上昇が生じたならば、圧力は１．９６バールから１．３５バールまで低減されて、５ケルビンの最小間隔が維持されることになる。このためには例えば、等エントロピーで圧力及び温度が上昇した場合に圧縮器１１により０．４５ｋＷの付加的な圧縮器出力が必要とされる。

図７に示したような自動膨張弁による制御手法によって、温度上昇が限界温度上昇を著しく超えている場合に新規の動作媒体において発生する可能性のある、さらに別の問題事例も解決することができる。圧縮器１１には動作温度上限があることから、圧縮最終点２と露点線Ｔ２との間隔が過度に大きいと、問題が発生する虞がある。しかしながら、自動膨張弁４０によって蒸発器１５における圧力を、蒸発過程において流体がごく僅かにスーパーヒートするように、又は部分的に蒸発するようにも、高めることができる。最小間隔のために場合によっては必要とされるスーパーヒートは、やはり内部熱交換器１３によって生じさせることができる。したがってこのような圧力制御によって、ヒートポンプ１０の効率全体を高める圧力上昇を発生させることができる。その理由は、状態点１もしくは状態点２における温度低下によって、圧力比Ｐ_ratioも低下するからであり、そのため必要とされる圧縮器出力がいっそう僅かになり、かつ、流体の密度が上昇し、これによって圧縮器１１における出力密度がさらに高められることになる。しかも、圧力ガス温度Ｔ₂が低下することで、圧縮器１１の耐用期間が長くなるものとすることもできる。

本発明は、ヒートポンプ及びヒートポンプ内での冷媒の使用に関する。

これまでヒートポンプにおいて使用されてきた冷媒は、毒性であるか、又は環境を損なうものであり、つまりそれらの冷媒は高い地球温暖化係数を有する。他の冷媒は可燃性であるか、又は最も問題がないものであっても、少なくとも健康を害する虞のあるものである。毒性がない環境親和性のある冷媒を用いて動作させるようにした、従来より知られていたアプローチは、これまで失敗に終わっており、その理由は、それらの動作媒体ではヒートポンプの適正なパワーを供給できない、或いは従来のヒートポンプ構造では使用できない、ということによる。

ヒートポンプにおいて冷媒を使用することで特徴的なのは、いわゆる温度上昇である。温度上昇は、凝縮温度と蒸発温度との差である。つまり温度上昇によって表されるのは、ヒートシンクにおいて利用するために熱源の温度レベルがどのくらい上昇したのか、ということである。問題点を表すため、図１には、環境親和性のある適切な冷媒の相境界線が示されており、この冷媒に特徴的なのは、露点線が大きく張り出していることである。このことに加え、７５℃の蒸発温度から１２５℃の凝縮温度までの５０ケルビンの温度上昇に関する温度プロセスが示されている。この種の冷媒を用いてヒートポンプを稼動できるようにするためには、圧縮点を露点線から最小間隔で維持し、そのまま気相領域内にあるようにしなければならない。温度上昇が例えば２０ケルビンだけであり、つまり凝縮温度が図３に示されているように９５℃しかなければ、圧縮点は相境界線内に位置することになり、つまり混合相領域内に位置することになる。これによって圧縮器内で液体が衝突することになり、ヒートポンプの安定稼働が妨げられてしまう。

上述のような特別な熱力学的特性を備えたこの種の新規な動作流体を使用するために、これまで知られているアプローチは、ヒートポンプの非定常的な始動手順をターゲットにしたものだけである。独国特許出願公開第１０２０１３２０３２４３．９号明細書には、内部熱交換器が設けられたヒートポンプについて記載されており、この熱交換器は、図２のグラフに描かれているように、凝縮物が状態点４から状態点５にサブクーリングされると、その際に発生した熱を状態点７に伝達し、したがって圧縮の前に吸入ガスがスーパーヒートする。状態点４から状態点５までの間隔及び状態点７から状態点１までの間隔は、等しいエンタルピー差となっており、このことは圧力とエンタルピーのグラフ１〜４から読み取ることができる。しかしながら、同様に図３から読み取ることができるように、内部熱交換器を用いたアプローチは、どのような温度上昇にも適しているというわけではない。例えば２０ケルビンの温度上昇の場合、内部熱交換器が吸引ガスのスーパーヒートのために供給可能な熱量は不十分であり、圧縮最終点はやはり相境界線内にあり、このことは問題である。

これまでヒートポンプ及び冷却器で用いられてきた流体、例えばＲ１３４ａ（１，１，１，２−テトラフルオロエタン）は、圧縮最終点が二相領域内にあるという問題点をまったく有しておらず、したがって従来技術で知られているヒートポンプ及び冷却器とともに稼動させることができる。

米国特許出願公開第２０１０／０１９２６０７号明細書には、空調装置及びヒートポンプについて記載されており、これにはインジェクション回路およびインジェクション回路の自動制御装置が設けられている。この場合、インジェクション回路を用いることで、ヒートポンプの動作流体の一部が膨張弁を介して冷却され、その後、動作流体循環路中のインジェクション回路分岐の上流で、熱交換器において動作流体が冷却される。
欧州特許出願公開第２７５２６２７号明細書に開示されている冷凍装置によれば、冷凍装置動作流体が、圧縮機構の流入側で液ガス熱交換器において過冷却され、この過冷却は、蒸気凝縮器の流出側に配置された気液分離器によって行われる。

本発明の課題は、環境親和性のある動作流体を利用することができ、かつ安定した定常動作を保証し、その際に動作流体を、圧縮器に流入する前に特に効率的な手法でスーパーヒート可能にした、ヒートポンプ及びヒートポンプの運転方法を提供することである。

この課題は、請求項１記載のヒートポンプ、及び請求項６記載の運転方法、並びに請求項５記載の新規な動作流体の、本発明による使用によって解決される。従属請求項には、本発明の実施形態が記載されている。

本発明によるヒートポンプは、圧縮器と、凝縮器と、内部熱交換器と、膨張弁と、蒸発器と、制御装置とを備えており、この制御装置は、圧縮器の出口における動作流体の温度を、露点よりも上で予め定められた最小間隔にするように構成されている。温度最小間隔は、圧力が同じまま維持された動作流体に関するものであり、少なくとも１ケルビンであり、有利には少なくとも５ケルビンである。これによって得られる利点とは、環境親和性のある毒性のない安全な動作媒体を使用することができ、安定した定常的なヒートポンプ稼働を実現できることである。そのような動作媒体の多くは、温度とエントロピーのグラフにおいて１０００（ｋｇ Ｋ²）／ｋＪよりも下で、露点線の勾配が著しく小さいといった、極めて特別な熱力学的特性を有する点で優れている。

制御装置は温度制御装置であり、この温度制御装置は、圧縮器の入口における動作流体の温度を上昇させるように構成されている。例えば温度制御装置はパイプ加熱ユニットを含み、このパイプ加熱ユニットは、内部熱交換器と圧縮器との間に配置されていて、このパイプ加熱ユニットにより、内部熱交換器から圧縮器へ流れる動作流体をスーパーヒート可能である。この場合、温度制御装置は、パイプ加熱ユニットを圧縮器出口における動作流体の温度によって制御するように構成されている。圧縮器出口において温度制御装置によりどのような温度が測定されるのかに応じて、パイプ加熱ユニットがオン又はオフにされ、或いはその温度が変更される。したがってパイプ加熱ユニットを、例えば熱源又はヒートシンク温度が変動したときに、短期間だけ始動させてもよいし、持続動作させてもよい。これによって、僅かな温度上昇を補償調整できる、という利点が得られる。温度上昇に対する限界温度は、使用される冷媒例えば動作流体に左右される。温度上昇は、ヒートポンプの種々の特性及びパラメータに依存する。

温度制御装置は、弁を備えたバイパス路を備えており、このバイパス路によって、圧縮器出口における高圧領域が圧縮器入口における低圧領域と接続されていて、このバイパス路を介して再循環可能なホットガスによって、内部熱交換器から圧縮器へ流れる動作流体をスーパーヒート可能である。この場合、温度制御装置は、バイパス路の弁を通過する流量を圧縮器出口における動作流体の温度を介して制御するように構成されている。ヒートポンププロセスに対する付加的な介入がなければ圧縮最終点が二相領域内に入るような温度上昇が発生した場合、この実施形態の場合も、使用される動作流体によってヒートポンプを定常状態で安定して稼働できるように制御される、という利点が得られる。ここで使用されるバイパス弁を、例えばサーモスタット制御弁としてもよいし、又は電子制御弁としてもよい。

ヒートポンプの具体例としての１つの形態によれば、制御装置は圧力制御装置であり、これは圧縮器入口における動作流体の圧力を低下させるように構成されている。この目的で、圧力制御装置に例えば自動膨張弁を含めることができ、この弁は、内部熱交換器と蒸発器との間のヒートポンプ循環路中に膨張弁として配置されている。この場合、自動膨張弁は純然たる蒸発器圧力制御弁であって、この弁によって、蒸発温度ひいては蒸発圧力を調整できるようになる。

蒸発器内の圧力が低下することによって、圧縮器下流の加圧側と圧縮器上流の低圧側との間の圧力比Ｐ_ratioを大きくすることができる。圧縮器が、より大きい圧縮比Ｐ_ratioを生じさせなければならないことから、圧縮器出口における圧力ガス温度Ｔ₂も高まる。圧力比Ｐ_ratioが大きくなるにつれて、圧縮器下流の圧力ガスの温度Ｔ₂も高まる。

ただし、ｋは等エントロピー指数、Ｔ₂及びＴ₁は、圧縮器の下流及び上流の温度であり、Ｐ_ratioは、圧縮器の下流と上流のガス圧力の圧力比である。温度Ｔ₁の上昇に対する代案として、圧縮器上流の圧力を低減してもよい。この場合、付加的な熱出力の代わりに、より高い圧力比を生じさせるために、付加的な圧縮器出力が必要である。この実施形態によって得られる利点とは、付加的な加熱素子と温度制御装置を省略できることであり、自動膨張弁を膨張弁として使用することによって、定常的な動作のためにヒートポンプにおいて余分な部品が不要になることである。

ヒートポンプにおいて自動膨張弁を使用することにより得られる付加的な利点とは、温度上昇が限界温度より低い事例ではなく、限界温度よりも著しく高い適用事例に対しても制御を行えることである。温度上昇がそれよりも過度に大きい場合には、圧縮器下流の圧力ガス温度Ｔ₂が、露点に対し維持すべき最小間隔よりも著しく大きくなる。例えば圧縮器が動作温度上限を有する場合には、さらに別の問題が発生する虞がある。圧縮器の動作温度上限は例えば、潤滑剤の温度安定性であったり、圧縮器内の適合度に対する過度の膨張などに起因する可能性がある。ただし自動膨張弁によって、動作流体がごく僅かにスーパーヒートする程度に、或いは部分的に蒸発する程度に、蒸発器内の圧力を高めることもできる。露点線からの最小間隔のために必要とされるスーパーヒートは、内部熱交換器によって生じさせることができる。限界温度よりも上で温度上昇が発生した場合の自動膨張弁を備えた実施形態により、圧力上昇によってヒートポンプの効率全体を高めることができる、という付加的な利点が得られる。その理由は、蒸発器内の温度差の低減によって圧力比が小さくなり、圧縮器出力に対する要求が小さくなるからである。これと同時に流体密度が上昇し、それによって圧縮器内の出力密度が高まる。これらに加え、圧縮ガス温度が下がることで、圧縮器の耐用期間を確実に長くすることができる。

この目的で有利にはヒートポンプは、温度とエントロピーのグラフにおいて、露点線の勾配が１０００（ｋｇＫ²）／ｋＪよりも小さい動作流体を有する。この種の動作流体を使用することの利点は、優れた環境特性及び安全性の特性を有することにある。例えばこの種の動作流体として、フルオロケトンの系統から成る動作流体を使用することができる。それらのうち特に有利であるのは、動作流体Ｎｏｖｅｃ６４９（ドデカフルオロ−２−メチルペンタン−３−オン）及びＮｏｖｅｃ５２４（デカフルオロ−３−メチルブタン−２−オン）である。Ｎｏｖｅｃ６４９は、６０１（ｋｇＫ²）／ｋＪの露点線勾配を有し、Ｎｏｖｅｃ５２４は、６３０（ｋｇＫ²）／ｋＪの露点線勾配を有する。さらに別の適切な例は、Ｒ２４５ｆａ（１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン）であり、これはＴ−Ｓグラフにおいて１６５３（ｋｇＫ²）／ｋＪの勾配を有する。ただしこれらの勾配は、飽和温度がそれぞれ７５℃の場合について記載した。

本発明によれば、温度とエントロピーのグラフにおいて、１０００（ｋｇＫ²）／ｋＪよりも小さい露点線の勾配を有する動作流体がヒートポンプにおいて用いられる。

ヒートポンプを動作させるための本発明による方法の場合、圧縮後の動作流体の温度を、露点よりも上において予め定められた最小間隔にし、例えば１ケルビンの最小間隔にする。

次に、具体例として添付図面の図１〜図７を参照しながら、本発明による実施形態について説明する。

新規の動作媒体の圧力とエンタルピーの対数グラフと、その動作媒体で稼動され５０ケルビンの温度上昇を伴うヒートポンププロセスについて示す図 内部熱交換器による熱交換を圧力とエンタルピーの対数グラフとして示す図 図１に示したような動作媒体の圧力とエンタルピーの対数グラフを、２０ケルビンの温度上昇を伴うヒートポンププロセスとともに示す図 図１に示したような動作媒体の圧力とエンタルピーの対数グラフを、６０ケルビンの温度上昇を伴うヒートポンププロセスとともに示す図 パイプ加熱ユニットを備えたヒートポンプの流路図 ホットガスバイパスを備えたヒートポンプの流路図 自動膨張弁を備えたヒートポンプの流路図

図１〜図４には、圧力とエンタルピーのグラフが示されており、ここでは圧力Ｐが対数スケール上に書き込まれている。図１、図３及び図４には、一点鎖線で等温線が書き込まれており、点線で等エントロピー線が書き込まれている。この場合、等温線ＩＴに対する温度は摂氏で表されており、等エントロピー線ＩＥに対するエントロピー値はｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）で表されている。実線の曲線は、新規の動作媒体例えば流体Ｎｏｖｅｃ６４９の相境界線ＰＧをそれぞれ表している。この流体は、１６９℃のところで臨界点を有している。露点線は、この温度とエントロピーのグラフでは、６０１（ｋｇＫ²）／ｋＪだけ傾斜している。動作媒体についてさらに別の適切な具体例はＮｏｖｅｃ５２４であり、これは１４８℃のところで臨界点を有する。

さらに図１には、ヒートポンププロセスＷＰが破線で示されている。状態点１から出発し圧縮を経て、状態点２もしくは３に到達する。これらの状態点は、純然たる理論的考察では一致するので、以下では状態点２だけを挙げることにする。凝縮過程によって状態点４に達する。状態点４から状態点５まで、サブクーリングが行われる。状態点５から膨張過程を経て状態点６に到達し、状態点６から蒸発過程を経て状態点７に到達する。状態点７から状態点１へ戻る経路は、動作媒体のスーパーヒートである。図示されているヒートポンププロセスＷＰは、７５℃の蒸発温度と１２５℃の凝縮温度を有し、つまり５０ケルビンの温度上昇を有している。状態点４から状態点５へのサブクール、もしくは状態点７から状態点１へのスーパーヒートは、図２に示されているように、内部熱交換器ＩＨＸを介して結合される。この熱交換器は、サブクールの際に生じる熱を利用しており、その熱を状態点７に伝達する。そのつど一定の圧力であれば、エンタルピーはサブクールによって、スーパーヒートが上昇したときと同じ絶対値だけ低減する。状態点２と、ヒートポンププロセスＷＰの露点線ＴＬとの距離は、即ち、状態点２とその露点との温度差は、圧力が同じであれば１０ケルビンになる。この最小間隔は、液体の衝突により圧縮器１１を危険に晒すことなく、ヒートポンプ１０の安定稼働を保証するために十分なものである。圧縮最終点即ち状態点２を、確実に混合相領域ｌ＋ｇの外側つまり相境界線ＰＧの外側に位置させるために、最小間隔を遵守するようにし、この最小間隔は、動作流体とヒートポンプ１０から成るシステム各々について、可能な変動パラメータに応じて設定する必要がある。ただし特に、１ケルビンの最小間隔を遵守すべきであり、有利には５ケルビンの最小間隔を遵守すべきである。

図３及び図４に示されているように、圧縮器１１の手前で吸気ガスをスーパーヒートさせるために内部熱交換器ＩＨＸによって交換された熱量Ｑ_IHXが、圧縮最終点２を気相領域ｇ内に位置させるのに十分であるか否かに応じて、ヒートポンププロセスＷＰの温度上昇が変化する。

図３には、例えば図１と同様に動作媒体Ｎｏｖｅｃ６４９によるヒートポンププロセスＷＰが示されている。ただしこの場合、凝縮温度は９５℃しかない。つまり、２０ケルビンというこのような温度上昇は、このシステムに対する限界値よりも小さい。内部熱交換器ＩＨＸは、この実施例では０．６４ｋＷで動作することになる。

図４に示されているヒートポンププロセスＷＰは、１３５℃の凝縮温度に至るまでの６０ケルビンの著しく大きい温度上昇を有している。このヒートポンププロセスＷＰの場合、内部熱交換器ＩＨＸは例えば５．９ｋＷの電力で動作する。この場合、圧縮最終点２は露点線ＴＬから著しく隔たっており、つまり温度上昇は、ヒートポンプ１０と動作媒体とから成るこのシステムの温度上昇の限界値を著しく上回っている。

内部熱交換器ＩＨＸによって伝達される熱出力Ｑ_IHXの具体的な値は、１０ｋＷという凝縮器出力に関連づけられる。つまりこの実施例の場合、２０ケルビンという小さい温度上昇の場合には、このシステムに対する例えば５ケルビンという最小間隔を遵守するために十分な熱を伝達することができない。これに対し、６０ケルビンという温度上昇の場合、内部熱交換器ＩＨＸにより伝達された熱Ｑ_IHXは、この最小間隔に対し十分である。つまり６０ケルビンという温度上昇は、このシステムに対する限界温度上昇よりも大きい。Ｎｏｖｅｃ６４９を用い、蒸発温度が７０℃のときに１０ｋＷの凝縮器出力を有するヒートポンプ１０から成る、ここで具体例として述べたシステムであれば、限界温度上昇は３７ケルビン付近にある。その他のパラメータが同じ場合に例えばＮｏｖｅｃ５２４を動作流体として用いたならば、限界温度上昇は３１ケルビン付近になる。

したがって、ヒートポンプと動作流体とから成るいずれのシステムであっても、同様に限界温度上昇を定めることができ、この限界温度上昇よりも大きければ、内部熱交換器ＩＨＸは、圧縮最終点２と露点線ＴＬとの最小間隔を遵守するのに必要とされる熱を維持することができる。温度上昇が限界温度上昇よりも小さければ、露点線ＴＬに対する最小間隔に圧縮最終点２が確実に位置するように、本出願で説明しているシステムによって動作させる必要がある。このようにするだけで、露点線勾配が小さい流体による安定した定常動作を、ヒートポンプ１０において実現することができる。

図５〜図７には、新規の動作媒体を使用するための種々の制御手法によるヒートポンプ１０の実施形態が示されている。これによれば、限界温度上昇よりも小さく温度上昇が過度に僅かであっても、ヒートポンプＷＰを安定して定常的に動作させることができる。この場合、蒸発温度は７０℃付近、凝縮温度は１００℃付近にそれぞれあるものとし、つまり３０ケルビンという温度上昇であるとする。このような温度上昇は、Ｎｏｖｅｃ６４９の場合にもＮｏｖｅｃ５２４の場合にも、２つの実施例とも限界温度上昇よりも小さいことになる。凝縮器出力は、例えば１０ｋＷである。図５及び図６には、２つの択一的な温度制御が示されている。これらの実施例の場合、ヒートポンプ１０は慣用の膨張弁１４によって駆動され、この膨張弁を、例えばサーモスタット制御又は電子制御による膨張弁１４とすることができる。この膨張弁１４は、動作流体の貫流と蒸発器１５下流のスーパーヒートを制御する。内部熱交換器１３と圧縮器１１との間において、内部の熱交換器１３と圧縮器１１との間のパイプセクションの周囲に、パイプ加熱ユニット２０が配置されている。このパイプ加熱ユニット２０によって、その中を流れる動作媒体を加熱することができる。パイプ加熱ユニット２０が動作媒体を状態点１においてどの程度の強さで加熱するのかは、状態点２つまり圧縮器１１の出口における温度Ｔ₂によって、制御される。この目的で温度Ｔ₂が測定され、温度Ｔ₁に関して最小間隔との比較によって、加熱ユニットがオン又はオフされ、もしくはその熱出力が低く又は高くされる。

図６に示されている温度制御装置３０はホットガスバイパス３１を備えており、このバイパスによって、圧力ガスが圧縮器１１の加圧側２から圧縮器１１の吸引側１へ再循環されるので、高温の圧力ガスにより吸引ガスがさらに加熱される。吸引ガスの温度Ｔ₁の上昇はバイパス弁３１によって制限され、この弁自体は状態点２における温度Ｔ₂によって制御される。弁３１を、サーモスタット制御又は電子制御による弁３１とすることができる。この温度制御装置３０のために付加的に必要とされる電力は、例えば０．５８ｋＷであり、これは等エントロピーで圧力と温度が上昇したときの付加的な圧縮器出力である。

さらに図７には、温度制御装置３０の代替となる実施形態が示されており、つまりこれは吸引圧力を介した制御である。この場合、自動膨張弁４０即ち純然たる蒸発圧力制御弁を利用することによって、蒸発圧力ひいては蒸発温度を調節することができる。蒸発器１５の圧力が低下することによって、圧縮器１１が生じさせなければならない圧縮比が大きくなり、つまりは状態点２における圧力ガス温度Ｔ₂も高められる。具体例として、７０℃から１００℃まで３０ケルビンの温度上昇が生じたならば、圧力は１．９６バールから１．３５バールまで低減されて、５ケルビンの最小間隔が維持されることになる。このためには例えば、等エントロピーで圧力及び温度が上昇した場合に圧縮器１１により０．４５ｋＷの付加的な圧縮器出力が必要とされる。

図７に示したような自動膨張弁による制御手法によって、温度上昇が限界温度上昇を著しく超えている場合に新規の動作媒体において発生する可能性のある、さらに別の問題事例も解決することができる。圧縮器１１には動作温度上限があることから、圧縮最終点２と露点線Ｔ２との間隔が過度に大きいと、問題が発生する虞がある。しかしながら、自動膨張弁４０によって蒸発器１５における圧力を、蒸発過程において流体がごく僅かにスーパーヒートするように、又は部分的に蒸発するようにも、高めることができる。最小間隔のために場合によっては必要とされるスーパーヒートは、やはり内部熱交換器１３によって生じさせることができる。したがってこのような圧力制御によって、ヒートポンプ１０の効率全体を高める圧力上昇を発生させることができる。その理由は、状態点１もしくは状態点２における温度低下によって、圧力比Ｐ_ratioも低下するからであり、そのため必要とされる圧縮器出力がいっそう僅かになり、かつ、流体の密度が上昇し、これによって圧縮器１１における出力密度がさらに高められることになる。しかも、圧力ガス温度Ｔ₂が低下することで、圧縮器１１の耐用期間が長くなるものとすることもできる。

Claims (10)

1. 圧縮器（１１）と、凝縮器（１２）と、内部熱交換器（１３）と、膨張弁（１４）と、蒸発器（１５）と、制御装置（２１，３０，４０′）とを備えたヒートポンプ（１０）であって、
   前記制御装置（２１，３０，４０′）は、前記圧縮器（１１）の出口における動作流体の温度を、露点から所定の最小間隔とするように構成されている、
   ヒートポンプ（１０）。
2. 前記制御装置（２１，３０，４０′）は、前記圧縮器（１１）の出口における動作流体の温度を、露点よりも上であり少なくとも１ケルビンの所定の最小間隔とするように構成されている、
   請求項１記載のヒートポンプ（１０）。
3. 前記制御装置は温度制御装置（２１，３０）であり、該温度制御装置（２１，３０）は、前記圧縮器（１１）の入口における動作流体の温度を上昇させるように構成されている、
   請求項１又は２記載のヒートポンプ（１０）。
4. 前記温度制御装置（２１）はパイプ加熱ユニット（２０）を備えており、該パイプ加熱ユニット（２０）は、前記内部熱交換器（１３）と前記圧縮器（１１）との間に配置されていて、該パイプ加熱ユニット（２０）により、前記熱交換器（１３）から前記圧縮器（１１）へ流れる動作流体をスーパーヒート可能である、
   請求項３記載のヒートポンプ（１０）。
5. 前記温度制御装置（３０）は、弁を備えたバイパス路（３１）を備えており、該バイパス路（３１）によって、前記圧縮器（１１）の出口における高圧領域（２）が、前記圧縮器（１１）の入口における低圧領域（１）と接続されていて、該バイパス路（３１）を介して再循環可能なホットガスによって、前記熱交換器（１３）から前記圧縮器（１１）へ流れる動作流体をスーパーヒート可能である、
   請求項３記載のヒートポンプ（１０）。
6. 前記制御装置は圧力制御装置（４０′）であり、該圧力制御装置（４０′）は、前記圧縮器（１１）の入口における動作流体の圧力を低下させるように構成されている、
   請求項１又は２記載のヒートポンプ（１０）。
7. 前記圧力制御装置（４０′）は自動膨張弁（４０）を備えており、該自動膨張弁（４０）は、前記内部熱交換器（１３）と前記蒸発器（１５）との間のヒートポンプ循環路中に膨張弁として配置されている、
   請求項６記載のヒートポンプ（１０）。
8. 温度とエントロピーのグラフにおいて、露点線（ＴＬ）の勾配が１０００（ｋｇＫ²）／ｋＪよりも小さい動作流体が用いられる、
   請求項１から７のいずれか１項記載のヒートポンプ（１０）。
9. 請求項１から８のいずれか１項記載のヒートポンプ（１０）における動作流体の使用であって、
   該動作流体は、前記温度とエントロピーのグラフにおいて、１０００（ｋｇＫ²）／ｋＪよりも小さい露点線（ＴＬ）の勾配を有する、
   動作流体の使用。
10. ヒートポンプ（１０）の運転方法であって、
    圧縮後の動作流体の温度を、露点よりも上の所定の最小間隔にする、例えば１ケルビンの最小間隔にする、
    ヒートポンプ（１０）の運転方法。

Images