JP2017003252A - 熱交換装置及びヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大型化を抑制しつつ、熱交換装置又はヒートポンプ装置の性能を向上させるための技術を提供する。【解決手段】本開示の熱交換装置（２００）は、冷媒蒸気供給源（１１）、エジェクタ（１２）、抽出器（１３）、第１ポンプ（１４）、第２ポンプ（１５）、放熱器（１６）及び液経路（１７）を備えている。第１ポンプ（１４）は、速度型ポンプであって、抽出器（１３）と放熱器（１６）との間において液経路（１７）に設けられている。第２ポンプ（１５）は、容積型ポンプであって、第１ポンプ（１４）の吐出口からエジェクタ（１２）の冷媒液の入口までの液経路（１７）の区間に設けられている。【選択図】図１

Description

本開示は、熱交換装置及びヒートポンプ装置に関する。

従来、熱交換装置は、空気調和装置、冷凍冷蔵庫、給湯機などの機器に応用された冷凍サイクル装置に使用されている。特許文献１には、地球環境に対する負荷が極めて小さい冷媒として水を用いた冷凍サイクル装置が開示されている。特許文献１に開示された冷凍サイクル装置を図６に示す。

図６に示すように、冷凍サイクル装置１００は、蒸発器１１０、凝縮器１２０、連結配管１３０及び連結配管１５０を備えている。蒸発器１１０の上部は、連結配管１３０によって凝縮器１２０の上部に接続されている。連結配管１３０には、圧縮機１４０が設けられている。蒸発器１１０の下部は、連結配管１５０によって凝縮器１２０の下部に接続されている。蒸発器１１０には蒸発器側液経路１６０が接続されている。蒸発器側液経路１６０には、負荷１８０及び冷水ポンプ２２０が設けられている。凝縮器１２０には凝縮器側液経路１７０が接続されている。凝縮器側液経路１７０には、冷却塔２１０及び冷却水ポンプ２３０が設けられている。

特許第４４５４４５６号公報

地球温暖化などの環境意識の高まりから、熱交換装置又はヒートポンプ装置には更なる性能の向上が求められている。しかし、熱交換装置又はヒートポンプ装置の性能を向上させるための技術は、しばしば装置の大型化を招く。

本開示は、装置の大型化を抑制しつつ、熱交換装置又はヒートポンプ装置の性能を向上させるための技術を提供することを目的とする。

すなわち、本開示は、
冷媒蒸気を供給する冷媒蒸気供給源と、
入力された冷媒液を冷却し、前記冷媒液を出力する放熱器と、
前記冷媒蒸気供給源から供給された前記冷媒蒸気と前記放熱器から出力された前記冷媒液とを受け取り、前記冷媒蒸気と前記冷媒液との冷媒混合流を生成するエジェクタと、
前記エジェクタから出力された前記冷媒混合流を受け取り、前記冷媒混合流から前記冷媒液を分離して貯留し、貯留された前記冷媒液を出力する抽出器と、
環状に構成されて、前記抽出器、前記放熱器、及び前記エジェクタがこの順に設けられ、前記冷媒液が循環する液経路と、
速度型ポンプであって、前記抽出器の出口と前記放熱器の入口との間において前記液経路に設けられ、前記冷媒液を前記抽出器から前記放熱器に圧送する第１ポンプと、
容積型ポンプであって、前記第１ポンプの吐出口から前記エジェクタの前記冷媒液の入口までの前記液経路の区間に設けられた第２ポンプと、
を備えた、熱交換装置を提供する。

上記の技術によれば、第１ポンプ（速度型ポンプ）から抽出器までの高さを低減できるため、熱交換装置を小型化できる。したがって、熱交換装置の大型化を抑制しつつ、熱交換装置の性能を向上させることができる。

図１は、実施形態１における熱交換装置の構成図である。 図２は、エジェクタの断面図である。 図３は、実施形態２における熱交換装置の構成図である。 図４は、実施形態３におけるヒートポンプ装置の構成図である。 図５は、実施形態４におけるヒートポンプ装置の構成図である。 図６は、従来の冷凍サイクル装置の構成図である。

（本開示の基礎となった知見）
熱交換装置又はヒートポンプ装置の性能を向上させるためには、冷媒の圧力を効率的に上げるための技術が必要である。そこで、本発明者らは、冷媒の圧力を効率的に上げるための技術として、凝縮器を凝縮エジェクタ及び抽出器に置き換える技術を検討した。抽出器は、凝縮エジェクタから吐出された二相状態の冷媒流から冷媒液のみを抽出する役割を担う。圧縮機から吐出された冷媒を凝縮エジェクタで高効率に昇圧し、凝縮させることで圧縮機の仕事を低減し、これにより、システムのＣＯＰ（Coefficient Of Performance）を向上させることができる。

しかし、本発明者らは、上記の技術を採用したシステムにおいては、従来のシステムと比較して、１０倍以上のポンプ吐出圧力が必要であることを見出した。すなわち、システムのＣＯＰを向上させるためには、ポンプとエジェクタとによる昇圧効率が圧縮機の昇圧効率を上回ることが必要である。しかし、高いポンプ効率を維持したままポンプ吐出圧力を大きくするためには、ポンプのキャビテーションを抑制するために必要なヘッド（必要吸込みヘッド：ＮＰＳＨｒ）が大幅に増加する。必要なポンプ吐出圧力が１０倍になれば、必要吸込みヘッドも約１０倍になる。このＮＰＳＨｒは、ポンプの吸入口から抽出器の内部の液面までの高さ（水位ヘッド）で確保する必要がある。例えば、特許文献１に記載された従来の冷凍サイクル装置では、１ｍの水位ヘッドが確保されている。特許文献１に記載された従来の冷凍サイクル装置において、凝縮器１２０をエジェクタ及び抽出器に置き換えた場合、１０ｍ以上の水位ヘッドが必要となる。このことが、システムの大型化を招く。

上記の通り、本発明者らは、凝縮器が凝縮エジェクタ及び抽出器に置き換えられ、ポンプ動力によって冷媒蒸気供給源の冷媒蒸気を高効率に昇圧及び凝縮するように構成された熱交換装置を実現するに際し、高いポンプ効率を維持することと、システムの大型化を防ぐこととの両立が困難であるという新規な課題を見出した。かかる新規な課題の発見を端緒として、本発明者らは以下に説明する各態様の発明を想到した。

本開示の第１態様にかかる熱交換装置は、
冷媒蒸気を供給する冷媒蒸気供給源と、
入力された冷媒液を冷却し、前記冷媒液を出力する放熱器と、
前記冷媒蒸気供給源から供給された前記冷媒蒸気と前記放熱器から出力された前記冷媒液とを受け取り、前記冷媒蒸気と前記冷媒液との冷媒混合流を生成するエジェクタと、
前記エジェクタから出力された前記冷媒混合流を受け取り、前記冷媒混合流から前記冷媒液を分離して貯留し、貯留された前記冷媒液を出力する抽出器と、
環状に構成されて、前記抽出器、前記放熱器、及び前記エジェクタがこの順に設けられ、前記冷媒液が循環する液経路と、
速度型ポンプであって、前記抽出器の出口と前記放熱器の入口との間において前記液経路に設けられ、前記冷媒液を前記抽出器から前記放熱器に圧送する第１ポンプと、
容積型ポンプであって、前記第１ポンプの吐出口から前記エジェクタの前記冷媒液の入口までの前記液経路の区間に設けられた第２ポンプと、
を備えたものである。

第１態様によれば、第１ポンプの昇圧幅は、第２ポンプのＮＰＳＨｒに相当する昇圧幅に設定されうる。第２ポンプのＮＰＳＨｒがエジェクタの必要圧力に比べると十分に小さいため、第１ポンプに要求される昇圧幅も小さく、第１ポンプのＮＰＳＨｒも小さい。したがって、第１ポンプに速度型ポンプを使用することで、小さいＮＰＳＨｒで高効率な昇圧が可能となる。また、第２ポンプは、第２ポンプのＮＰＳＨｒに相当する昇圧幅で昇圧された冷媒液を吸入するので、第２ポンプにおいてキャビテーションによる性能低下が起きるリスクも低下する。そのため、第２ポンプに高効率の容積型ポンプを使用することで、エジェクタの必要圧力まで高効率に冷媒液を昇圧することが可能となる。したがって、本実施形態によれば、第１ポンプから抽出器までの高さを低減することによって熱交換装置の小型化を図りつつ、エジェクタの必要圧力まで高効率に冷媒液を昇圧することが可能となる。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様にかかる熱交換装置は、前記第１ポンプの吐出口から前記第２ポンプの吸入口までの前記液経路の区間に設けられた速度型ポンプである第３ポンプをさらに備える。第２態様によれば、第１ポンプの昇圧幅をさらに低減できることから、第１ポンプのＮＰＳＨｒをさらに小さくすることができ、熱交換装置をさらに小型化することができる。

本開示の第３態様において、例えば、第１態様又は第２態様にかかる熱交換装置の前記第２ポンプは、前記第１ポンプの吐出口から前記放熱器の入口までの間において前記液経路に設けられている。

本開示の第４態様において、例えば、第１態様〜第３態様のいずれか１つにかかる熱交換装置の前記第１ポンプは、前記液経路において、鉛直方向に関して最も低い位置にある。

本開示の第５態様において、例えば、第１態様〜第４態様のいずれか１つにかかる熱交換装置の前記第１ポンプ及び第２ポンプは、鉛直方向において同じ高さに位置している。

本開示の第６態様において、例えば、第１態様〜第５態様のいずれか１つにかかる熱交換装置の前記第１ポンプの必要吸込みヘッドは、前記第２ポンプの必要吸込みヘッドより小さく、かつ前記第１ポンプの昇圧幅は、前記第２ポンプの必要吸込みヘッドよりも大きい。

本開示の第７態様において、例えば、第１態様〜第６態様のいずれか１つにかかる熱交換装置の前記第２ポンプのポンプ効率は、前記第１ポンプのポンプ効率よりも高い。なお、「第２ポンプのポンプ効率は、前記第１ポンプのポンプ効率よりも高い」とは、第２ポンプの最大効率が、第１ポンプの最大効率よりも高いことを意味する。

本開示の第８態様において、例えば、第１態様〜第７態様のいずれか１つにかかる熱交換装置の前記冷媒は、２０℃±１５℃での飽和蒸気圧が大気圧よりも低い。

本開示の第９態様のヒートポンプ装置は、第１態様〜第８態様のいずれか１つにかかる熱交換装置を備え、前記冷媒蒸気供給源は、入力された冷媒蒸気を圧縮して前記エジェクタに出力する圧縮機である。第９態様によれば、第１態様と同じ効果が得られる。

本開示の第１０態様において、例えば、第９態様にかかるヒートポンプ装置は、前記圧縮機に供給するべき前記冷媒蒸気を生成する蒸発器と、前記抽出器と前記蒸発器とを接続し、前記蒸発器から出力されて前記圧縮機及び前記エジェクタを経由して前記抽出器に供給された前記冷媒蒸気の質量と等しい質量の前記冷媒液を前記抽出器から前記蒸発器へ戻すための液戻し経路と、をさらに備える。液戻し経路によって、蒸発器の冷媒液の量と抽出器の冷媒液の量とのバランスをとれば、ヒートポンプ装置を安定的に運転することが可能である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

（実施形態１）
図１に示すように、本実施形態の熱交換装置２００は、冷媒蒸気供給源１１、エジェクタ１２、抽出器１３、第１ポンプ１４、第２ポンプ１５、放熱器１６及び第１液経路１７を備えている。第１液経路１７は、環状に構成され、配管１７ａ〜１７ｅを含む。第１液経路１７は、エジェクタ１２、抽出器１３、第１ポンプ１４、第２ポンプ１５及び放熱器１６が配管１７ａ〜１７ｅによってこの順番で環状に接続されることで構成される。

冷媒蒸気供給源１１は、冷媒蒸気（気相の冷媒）をエジェクタ１２に供給できるものであれば特に限定されない。冷媒蒸気供給源１１は、例えば、ヒートポンプ装置の構成要素である圧縮機である。冷媒蒸気供給源１１は、工場排熱を利用して冷媒（例えば水）を気化させ、冷媒蒸気として出力する蒸発器であってもよい。

図２に示すように、エジェクタ１２は、第１ノズル２３、第２ノズル２５、混合部２７及びディフューザ部２８を有する。第１ノズル２３は配管１７ｅによって放熱器１６に接続されている。配管１７ｅを通じて、放熱器１６から流出した冷媒液（液相の冷媒）が駆動流として第１ノズル２３に供給される。第２ノズル２５は、配管２６ｂ（蒸気経路）によって冷媒蒸気供給源１１に接続されている。第１ノズル２３から噴射される液冷媒の温度は、放熱器１６によって下げられている。第１ノズル２３から加速しながら噴射された冷媒液と、第２ノズル２５から膨張及び加速しながら噴射された冷媒蒸気は、混合部２７で混合される。そして、冷媒液と冷媒蒸気との間の温度差に起因する第１の凝縮と、冷媒液と冷媒蒸気との間のエネルギーの輸送及び冷媒液と冷媒蒸気との間の運動量の輸送に基づく昇圧効果に起因する第２の凝縮とが起こる。冷媒蒸気供給源１１から供給された冷媒蒸気は、配管２６ｂを通じて第２ノズル２５に連続的に吸い込まれる。また、２段階の凝縮過程を経てクオリティ（乾き度）の小さい冷媒混合流が生成される。ディフューザ部２８は、冷媒混合流を減速することによって静圧を回復させる。このような構造のエジェクタ１２において、冷媒の温度及び圧力が上昇する。

また、エジェクタ１２は、ニードルバルブ２９及びサーボアクチュエータ３０を備えている。ニードルバルブ２９及びサーボアクチュエータ３０は、駆動流としての冷媒液の流量を調整するための流量調整器である。ニードルバルブ２９によって、第１ノズル２３の先端のオリフィスの断面積を変更できる。サーボアクチュエータ３０によって、ニードルバルブ２９の位置が調節される。これにより、第１ノズル２３を流れる冷媒液の流量を調整できる。

抽出器１３は、エジェクタ１２から冷媒混合流を受け取り、冷媒混合流から冷媒液を抽出し、貯留する。つまり、抽出器１３は、冷媒液と冷媒蒸気とを分離する役割を担っている。抽出器１３からは基本的に冷媒液のみが取り出される。抽出器１３は、例えば、断熱性を有する耐圧容器によって形成されている。ただし、冷媒液を抽出できる限りにおいて、抽出器１３の構造は特に限定されない。

第１液経路１７は、抽出器１３から出力された冷媒液を、放熱器１６及びエジェクタ１２を経由して抽出器１３に戻す経路である。第１経路１７は、環状に構成されている。第１経路１７には、抽出器１３、放熱器１６、及びエジェクタ１２がこの順に設けられている。冷媒液は、第１経路１７を循環する。

第１ポンプ１４は、抽出器１３と放熱器１６との間（詳細には、抽出器１３の出口と放熱器１６の入口の間）において、第１液経路１７に設けられている。第１ポンプ１４は、抽出器１３から出力された冷媒液を放熱器１６に圧送する。

本実施形態において、第１ポンプ１４は速度型ポンプである。速度型ポンプは、入力された流体（冷媒液）に速度を与え、与えた速度を静圧回復することで圧力を上げ、その流体を送出するポンプである。速度型ポンプの例には、遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプなどが含まれる。第１ポンプ１４は、第１ポンプ１４の吸入口から抽出器１３の内部の冷媒液の液面までの高さＨが第１ポンプ１４のＮＰＳＨｒよりも大きくなるような位置に配置されている。

第２ポンプ１５は、第１ポンプ１４の吐出口からエジェクタ１２の液入口（冷媒液の入口、駆動流の入口）までの第１液経路１７の区間に設けられている。本実施形態において、第２ポンプ１５は、第１ポンプ１４の吐出口と放熱器１６の入口との間において、第１液経路１７に設けられている。このような位置に第２ポンプ１５が配置されている場合、第１ポンプ１４の吐出口から第２ポンプ１５の吸入口までの区間における圧力損失をなるべく減らすことができる。その結果、第２ポンプ１５がキャビテーションを起こす可能性がさらに低下する。また、起動時などの過渡期に第２ポンプ１５が気相の冷媒を吸い込む可能性も下がる。ただし、第２ポンプ１５は、放熱器１６の出口とエジェクタ１２の液入口との間において、第１液経路１７に設けられていてもよい。つまり、第２ポンプ１５は、放熱器１６の下流側に位置していてもよい。

本実施形態において、第２ポンプ１５は容積型ポンプである。容積型ポンプは、入力された流体（冷媒液）に対して容積を変化させて圧力を上げることで、その流体を送出するポンプである。容積型ポンプの例には、ピストンポンプ、プランジャポンプ、ギアポンプ、ルーツポンプ、ベーンポンプ、ロータリポンプなどが含まれる。

本実施形態において、第１ポンプ１４は、第１液経路１７において、鉛直方向に関して最も低い位置にある。鉛直方向における第１ポンプ１４と第２ポンプ１５との位置関係は特に限定されない。ただし、鉛直方向において第２ポンプ１５が第１ポンプ１４と同じ高さにあることが望ましい。

本実施形態によれば、冷媒液は、第１ポンプ１４において、第２ポンプ１５がキャビテーションを起こさない圧力まで昇圧される。第１ポンプ１４に要求される最も重要な性能は、小さいＮＰＳＨｒでキャビテーションを起こしにくいことである。つまり、第１ポンプ１４として、容積型ポンプよりも速度型ポンプが適している。速度型ポンプは、高い圧力まで冷媒液を昇圧することが難しいものの、小さいＮＰＳＨｒでキャビテーションを起こしにくい。他方、第２ポンプ１５に要求される最も重要な性能は、高効率であること、高い圧力まで冷媒液を昇圧できることである。つまり、第２ポンプ１５として、速度型ポンプよりも容積型ポンプが適している。第１ポンプ１４のＮＰＳＨｒが第２ポンプ１５のＮＰＳＨｒよりも小さい。（第１ポンプ１４のＮＰＳＨｒ）／（第２ポンプ１５のＮＰＳＨｒ）の値は、例えば、０．１程度である。

放熱器１６は、フィンチューブ熱交換器、シェルチューブ熱交換器、冷却塔などの公知の熱交換器によって形成されている。

次に、熱交換装置２００の動作を説明する。

まず、エジェクタ１２は、冷媒蒸気供給源１１から吐出された冷媒蒸気と放熱器１６から出力された冷媒液とを受け取り、冷媒混合流を生成する。エジェクタ１２で生成された冷媒混合流は、抽出器１３に入力される。抽出器１３において、冷媒液が抽出され、貯留される。抽出器１３に貯留された冷媒液は、第１ポンプ１４、第２ポンプ１５及び放熱器１６を経由してエジェクタ１２に供給される。第１ポンプ１４は、配管の圧損による有効ヘッドの損失を抑えるために、抽出器１３の出口と放熱器１６の入口との間において第１液経路１７に配置されている。抽出器１３に貯留された冷媒液は、まず、第１ポンプ１４に吸入され、第１ポンプ１４において昇圧される。第１ポンプ１４によって昇圧された冷媒液は、第１ポンプ１４の出口とエジェクタ１２の液入口との間において第１液経路１７に配置された第２ポンプ１５によってさらに昇圧される。第２ポンプ１５は、放熱器１６の出口とエジェクタ１２の液入口との間において第１液経路１７に配置されていてもよい。

本実施形態において、抽出器１３で抽出された冷媒液は、第１ポンプ１４で昇圧された後、第２ポンプ１５によってさらに昇圧される。第１ポンプ１４の昇圧幅は、第２ポンプ１５のＮＰＳＨｒに相当する昇圧幅に設定されうる。第２ポンプ１５のＮＰＳＨｒがエジェクタ１２の必要圧力に比べると十分に小さいため、第１ポンプ１４に要求される昇圧幅も小さく、第１ポンプ１４のＮＰＳＨｒも小さい。したがって、第１ポンプ１４に速度型ポンプを使用することで、小さいＮＰＳＨｒで高効率な昇圧が可能となる。また、第２ポンプ１５は、第２ポンプ１５のＮＰＳＨｒに相当する昇圧幅で昇圧された冷媒液を吸入するので、第２ポンプ１５においてキャビテーションによる性能低下が起きるリスクも低下する。そのため、第２ポンプ１５に高効率の容積型ポンプを使用することで、エジェクタ１２の必要圧力まで高効率に冷媒液を昇圧することが可能となる。したがって、本実施形態によれば、第１ポンプ１４から抽出器１３までの高さを低減することによって熱交換装置２００の小型化を図りつつ、エジェクタ１２の必要圧力まで高効率に冷媒液を昇圧することが可能となる。

（実施形態２）
図３に示すように、本実施形態の熱交換装置３００は、図１を参照して説明した熱交換装置２００の構成に加え、第３ポンプ１８をさらに備えている。本実施形態において、第１液経路１７は、環状に構成され、配管１７ａ〜１７ｆを含む。第１液経路１７は、エジェクタ１２、抽出器１３、第１ポンプ１４、第３ポンプ１８、放熱器１６及び第２ポンプ１５が配管１７ａ〜１７ｆによってこの順番で環状に接続されることで構成される。

第３ポンプ１８は、第１ポンプ１４と第２ポンプ１５との間において第１液経路１７に設けられている。詳細には、第３ポンプ１８は、第１ポンプ１４の吐出口から第２ポンプ１５の吸入口までの第１液経路１７の区間に設けられている。より詳細には、第３ポンプ１８は、第１ポンプ１４の吐出口から放熱器１６の入口までの第１液経路１７の区間に設けられている。第３ポンプ１８は、速度型ポンプである。また、第１ポンプ１４と第２ポンプ１５との間において第１液経路１７には、１又は複数のポンプがさらに設けられていてもよい。つまり、第１ポンプ１４の吐出口から第２ポンプ１５の吸入口までの第１液経路１７の区間には、第３ポンプ１８〜第Ｎポンプ（Ｎは、４以上の整数）を含む複数のポンプが冷媒液の流れ方向に沿ってこの順番で配置されていてもよい。それらのポンプは、速度型ポンプでありうる。

熱交換装置３００において、第２ポンプ１５は、放熱器１６の出口とエジェクタ１２の液入口との間に配置されている。ただし、第２ポンプ１５は、上記した第Ｎポンプの吐出口と放熱器１６の入口との間に配置されてもよい。すなわち、第３ポンプ１８及び追加のポンプは、放熱器１６の位置によらず、第１ポンプ１４の吐出口と第２ポンプ１５の吸入口との間に配置されうる。

本実施形態によれば、複数の速度型ポンプが第１液経路１７に配置されている。速度型ポンプを多段化すれば、通過する流体（冷媒液）には、それぞれのポンプから速度が与えられる。そのため、速度型ポンプが１つのみ設けられている場合と比べて、多段化された速度型ポンプ全体としての効率を大幅に高めることができる。複数の速度型ポンプの合計のＮＰＳＨｒは、第２ポンプ１５のＮＰＳＨｒよりも小さい。（複数の速度型ポンプの合計のＮＰＳＨｒ）／（第２ポンプ１５のＮＰＳＨｒ）の値は、例えば、０．１以下である。

本実施形態によれば、第１ポンプ１４の昇圧幅をさらに低減できることから、第１ポンプ１４のＮＰＳＨｒをさらに小さくすることができ、熱交換装置３００をさらに小型化することができる。

（変形例）
図１に示す熱交換装置２００及び図３に示す熱交換装置３００には、常温（日本工業規格：２０℃±１５℃／JIS Z8703）での飽和蒸気圧が負圧（絶対圧で大気圧よりも低い圧力）の冷媒が充填されていてもよい。そのような冷媒としては、水、アルコール又はエーテルを主成分として含む冷媒が挙げられる。熱交換装置２００，３００の運転時において、熱交換装置２００，３００の内部の圧力は大気圧よりも低い。冷媒蒸気供給源１１の出口の圧力は、例えば、５〜１５ｋＰａＡの範囲にある。冷媒として、凍結防止などの理由から、水を主成分として含み、エチレングリコール、ナイブライン（登録商標）、無機塩類などが質量％に換算して１０〜４０％混合された冷媒を用いることもできる。「主成分」とは、質量比で最も多く含まれた成分を意味する。熱交換装置２００，３００に上記のような冷媒が充填されている場合、常温での飽和蒸気圧が正圧の冷媒が充填されている場合に比べ、システムは大型化する傾向にある。したがって、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒を使用したシステムに対し、本明細書に開示された技術は、より顕著な効果をもたらす。

（実施形態３）
図４は、実施形態３におけるヒートポンプ装置の構成図である。本実施形態のヒートポンプ装置４００（冷凍サイクル装置）は、第１熱交換ユニット４０、第２熱交換ユニット４２、圧縮機３１及び蒸気経路２６を備えている。第１熱交換ユニット４０及び第２熱交換ユニット４２は、それぞれ、放熱側回路及び吸熱側回路を形成している。第２熱交換ユニット４２で生成された冷媒蒸気が圧縮機３１及び蒸気経路２６を経由して第１熱交換ユニット４０に供給される。

圧縮機３１、蒸気経路２６の下流部分２６ｂ及び第１熱交換ユニット４０は、図１を参照して説明した熱交換装置２００に対応する。つまり、ヒートポンプ装置４００は、熱交換装置２００を備えている。圧縮機３１は、冷媒蒸気供給源１１に対応し、入力された冷媒蒸気を圧縮してエジェクタ１２に出力する。したがって、ヒートポンプ装置４００においても、先の実施形態１で説明した効果と同じ効果が得られる。

第１熱交換ユニット４０には、実施形態１の熱交換装置２００に関する説明が援用されうる。

第２熱交換ユニット４２は、蒸発器１９、ポンプ２０（蒸発器側ポンプ）及び熱交換器２１を有する。蒸発器１９は、冷媒液を貯留し、冷媒液を蒸発させることによって圧縮機３１で圧縮されるべき冷媒蒸気を生成する。蒸発器１９、ポンプ２０及び熱交換器２１が配管２２ａ〜２２ｃによって環状に接続されている。蒸発器１９は、例えば、断熱性を有する耐圧容器によって形成されている。配管２２ａ〜２２ｃは、蒸発器１９に貯留された冷媒液を熱交換器２１を経由して循環させる第２液経路２２を形成している。ポンプ２０は、蒸発器１９の液出口と熱交換器２１の入口との間において第２液経路２２に設けられている。ポンプ２０によって、蒸発器１９に貯留された冷媒液が昇圧され、熱交換器２１に圧送される。ポンプ２０の吐出圧力は大気圧よりも低い。ポンプ２０は、当該ポンプ２０の吸入口から蒸発器１９の中の冷媒液の液面までの高さＨｅが必要吸込ヘッド（ＮＰＳＨｒ）よりも大きくなるような位置に配置されている。

熱交換器２１は、フィンチューブ熱交換器、シェルチューブ熱交換器などの公知の熱交換器によって形成されている。

本実施形態において、蒸発器１９は、第２液経路２２を循環することによって加熱された冷媒液を内部で直接的に蒸発させる熱交換器である。蒸発器１９に貯留された冷媒液は、第２液経路２２を循環する冷媒液に直接接触する。つまり、蒸発器１９の中の冷媒液の一部が熱交換器２１で加熱されて、飽和状態の冷媒液を加熱する熱源として使用される。配管２２ａの上流端は、蒸発器１９の下部に接続されていることが望ましい。配管２２ｃの下流端は、蒸発器１９の中間部に接続されていることが望ましい。なお、第２熱交換ユニット４２は、蒸発器１９に貯留された冷媒液が第２液経路２２を循環する他の冷媒液と混ざらないように構成されていてもよい。例えば、蒸発器１９がシェルチューブ熱交換器のような熱交換構造を有している場合、第２液経路２２を循環する熱媒体によって蒸発器１９に貯留された冷媒液を加熱し、蒸発させることができる。熱交換器２１には、蒸発器１９に貯留された冷媒液を加熱するための熱媒体が流れる。

蒸気経路２６は、上流部分２６ａ及び下流部分２６ｂを有する。蒸気経路２６には、圧縮機３１が配置されている。蒸気経路２６の上流部分２６ａによって蒸発器１９の上部が圧縮機３１の吸入口に接続されている。蒸気経路２６の下流部分２６ｂによって圧縮機３１の吐出口がエジェクタ１２の第２ノズル２５に接続されている。圧縮機３１は、遠心式圧縮機又は容積式圧縮機である。蒸気経路２６には、複数の圧縮機が設けられていてもよい。圧縮機３１は、上流部分２６ａを通じて第２熱交換ユニット４２の蒸発器１９から冷媒蒸気を吸い込み、圧縮する。圧縮された冷媒蒸気は、下流部分２６ｂを通じてエジェクタ１２に供給される。

本実施形態によれば、エジェクタ１２において冷媒の温度及び圧力が上げられる。圧縮機３１が担うべき仕事を減らせるので、圧縮機３１での圧縮比を大幅に削減しつつ、従来と比較して同等又はそれ以上のヒートポンプ装置４００の効率を達成できる。また、ヒートポンプ装置４００を小型化することも可能となる。

ヒートポンプ装置４００は、第１熱交換ユニット４０から第２熱交換ユニット４２に冷媒を戻すための液戻し経路３２（液戻し管）をさらに備えている。本実施形態では、抽出器１３に貯留された冷媒を蒸発器１９に転送できるように、液戻し経路３２によって抽出器１３と蒸発器１９とが接続されている。典型的には、抽出器１３の下部と蒸発器１９の下部とが液戻し経路３２によって接続される。冷媒液は、液戻し経路３２を通って抽出器１３から蒸発器１９に戻される。液戻し経路３２には、キャピラリ、膨張弁などの膨張機構が設けられていてもよい。

液戻し経路３２は、抽出器１３と蒸発器１９とを接続し、圧縮機３１によって蒸発器１９から抽出器１３に運ばれた冷媒蒸気量（質量流量）と等しい質量の冷媒液を抽出器１３から蒸発器１９に戻すように配置されている。液戻し経路３２によって、蒸発器１９の冷媒液の量と抽出器１３の冷媒液の量とのバランスをとれば、ヒートポンプ装置４００を安定的に運転することが可能である。ただし、蒸発器１９及び抽出器１３に貯留された冷媒液の量が、ヒートポンプ装置４００の運転によって運ばれる冷媒蒸気量に比べて十分大きい場合には、液戻し経路３２が省略されていてもよい。

なお、液戻し経路３２は、第１熱交換ユニット４０のどの位置から分岐していてもよい。例えば、液戻し経路３２は、エジェクタ１２と抽出器１３とを接続している配管１７ａから分岐していてもよいし、抽出器１３の上部から分岐していてもよい。第１熱交換ユニット４０は、余分な冷媒を適宜排出できるように構成されていてもよく、第２熱交換ユニット４２は、冷媒を適宜補充できるように構成されていてもよい。

ヒートポンプ装置４００には、熱交換装置２００と同様、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒が使用されうる。

（実施形態４）
図５は、実施形態４におけるヒートポンプ装置の構成図である。本実施形態のヒートポンプ装置５００（冷凍サイクル装置）は、第１熱交換ユニット４１、第２熱交換ユニット４２、圧縮機３１及び蒸気経路２６を備えている。第１熱交換ユニット４１及び第２熱交換ユニット４２は、それぞれ、放熱側回路及び吸熱側回路を形成している。第２熱交換ユニット４２で生成された冷媒蒸気が圧縮機３１及び蒸気経路２６を経由して第１熱交換ユニット４１に供給される。

圧縮機３１、蒸気経路２６の下流部分２６ｂ及び第１熱交換ユニット４１は、図３を参照して説明した熱交換装置３００に対応する。つまり、ヒートポンプ装置５００は、熱交換装置３００を備えている。圧縮機３１は、冷媒蒸気供給源１１に対応し、入力された冷媒蒸気を圧縮してエジェクタ１２に出力する。したがって、ヒートポンプ装置５００においても、先の実施形態２で説明した効果と同じ効果が得られる。

第１熱交換ユニット４１には、実施形態２の熱交換装置３００に関する説明が援用されうる。また、第２熱交換ユニット４２の詳細は、実施形態３で説明した通りである。

ヒートポンプ装置５００には、熱交換装置３００と同様、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒が使用されうる。

以上に説明したように、本明細書に開示された熱交換装置及びヒートポンプ装置は、第１ポンプ１４（速度型ポンプ）及び第２ポンプ１５（容積型ポンプ）を備えている。第１ポンプ１４の昇圧幅は、第２ポンプ１５のＮＰＳＨｒに相当する昇圧幅に設定されうる。第２ポンプ１５のＮＰＳＨｒがエジェクタ１２の必要圧力に比べると十分に小さいため、第１ポンプ１４に要求される昇圧幅も小さく、第１ポンプ１４のＮＰＳＨｒも小さい。したがって、第１ポンプ１４から抽出器１３までの高さを低減できる。つまり、熱交換装置又はヒートポンプ装置の高さを低減して、システム全体を小型化することが可能となる。

本明細書に開示された技術によれば、小型で高効率なヒートポンプ装置を提供できる。つまり、設置スペースの小さい建物においてもヒートポンプ装置４００，５００を用いて空調を行うことができる。また、空調用途だけでなく、ヒートポンプ装置４００，５００を給湯用途に使用する場合においても、より高温の給湯を行うことが可能となる。

本明細書に開示された熱交換装置及びヒートポンプ装置は、蒸気を利用する温水暖房装置、家庭用エアコン、業務用エアコンなどの空気調和装置、給湯機などに適用されうる。

１１ 冷媒蒸気供給源
１２ エジェクタ
１３ 抽出器
１４ 第１ポンプ
１５ 第２ポンプ
１６ 放熱器
１７ 第１液経路
１８ 第３ポンプ
１９ 蒸発器
３１ 圧縮機（冷媒蒸気供給源）
３２ 液戻し経路
２００，３００ 熱交換装置
４００，５００ ヒートポンプ装置

Claims (10)

1. 冷媒蒸気を供給する冷媒蒸気供給源と、
   入力された冷媒液を冷却し、前記冷媒液を出力する放熱器と、
   前記冷媒蒸気供給源から供給された前記冷媒蒸気と前記放熱器から出力された前記冷媒液とを受け取り、前記冷媒蒸気と前記冷媒液との冷媒混合流を生成するエジェクタと、
   前記エジェクタから出力された前記冷媒混合流を受け取り、前記冷媒混合流から前記冷媒液を分離して貯留し、貯留された前記冷媒液を出力する抽出器と、
   環状に構成されて、前記抽出器、前記放熱器、及び前記エジェクタがこの順に設けられ、前記冷媒液が循環する液経路と、
   速度型ポンプであって、前記抽出器の出口と前記放熱器の入口との間において前記液経路に設けられ、前記冷媒液を前記抽出器から前記放熱器に圧送する第１ポンプと、
   容積型ポンプであって、前記第１ポンプの吐出口から前記エジェクタの前記冷媒液の入口までの前記液経路の区間に設けられた第２ポンプと、
   を備えた、熱交換装置。
2. 前記第１ポンプの吐出口から前記第２ポンプの吸入口までの前記液経路の区間に設けられ、速度型ポンプである第３ポンプをさらに備えた、請求項１に記載の熱交換装置。
3. 前記第２ポンプは、前記第１ポンプの吐出口から前記放熱器の入口までの間において前記液経路に設けられている、請求項１又は２に記載の熱交換装置。
4. 前記第１ポンプは、前記液経路において、鉛直方向に関して最も低い位置にある、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換装置。
5. 前記第１ポンプ及び第２ポンプは、鉛直方向において同じ高さに位置している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換装置。
6. 前記第１ポンプの必要吸込みヘッドは、前記第２ポンプの必要吸込みヘッドより小さく、かつ前記第１ポンプの昇圧幅は、前記第２ポンプの必要吸込みヘッドよりも大きい、請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換装置。
7. 前記第２ポンプのポンプ効率は、前記第１ポンプのポンプ効率よりも高い、請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱交換装置。
8. 前記冷媒は、２０℃±１５℃での飽和蒸気圧が大気圧よりも低い、請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱交換装置を備えたヒートポンプ装置であって、
   前記冷媒蒸気供給源は、入力された冷媒蒸気を圧縮して前記エジェクタに出力する圧縮機である、ヒートポンプ装置。
10. 前記圧縮機に供給するべき前記冷媒蒸気を生成する蒸発器と、
    前記抽出器と前記蒸発器とを接続し、前記蒸発器から出力されて前記圧縮機及び前記エジェクタを経由して前記抽出器に供給された前記冷媒蒸気の質量と等しい質量の前記冷媒液を前記抽出器から前記蒸発器へ戻すための液戻し経路と、
    をさらに備えた、請求項９に記載のヒートポンプ装置。

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