JP2020508433A - ヒートポンプ装置およびヒートポンプ装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、作動流体のための作動回路（１００）により流体的に連結されている圧縮機（２）、凝縮器（６）および蒸発器（８）を含むヒートポンプ装置（１）に関する。本発明によれば、ヒートポンプ装置（１）が、熱交換器（４１）、ジェットポンプ（４２）およびバイパス管路（４）を備え、前記ジェットポンプ（４２）の下流側で、かつ前記蒸発器（８）の上流側で、作動流体の少なくとも一部を前記熱交換器（４１）へ案内して前記ジェットポンプ（４２）へ戻すように、前記バイパス管路（４）が構成されている。さらに、本発明は、本発明によるヒートポンプ装置（１）の運転方法に関する。

Description

本発明は、請求項１のプリアンブル部に記載のヒートポンプ装置に関する。さらに、本発明は、請求項１０のプリアンブル部に記載のヒートポンプ装置の運転方法に関する。

ヒートポンプは、作動流体を蒸発させるために熱源の熱エネルギー（熱）を利用する。その際に作動流体の蒸発温度ができるだけ高いと有利である。というのは、それによって低い圧力比が達成され、従って高い成績係数（英語：Coefficient of Performance、略してＣＯＰ）が達成されるからである。従って、熱源と蒸発温度との間のできるだけ小さい温度差が有利である。通常は、約５ケルビンの温度差が適用されるので、８０℃の熱源温度の場合、７５℃の蒸発温度が予定される。

例えば５０℃の比較的低い温度を有する熱源を使用しなければならない場合、これは、例えば４５℃の相応に低い蒸発温度をもたらす。しかしながら、それによって成績係数が明らかに低下することになる。

本発明の課題は、低温に調節された熱源の使用をヒートポンプために改善することにある。

この課題は、独立請求項１の特徴事項を有するヒートポンプ装置によって解決されると共に、独立請求項１０の特徴事項を有するヒートポンプ装置の運転方法によって解決される。従属請求項には有利な実施形態および発展形態が記載されている。

本発明によるヒートポンプ装置は、作動流体のための作動回路により流体的に連結されている、圧縮機、凝縮器および蒸発器を含む。本発明によれば、ヒートポンプ装置は、熱交換器、ジェットポンプおよびバイパス管路を備え、前記ジェットポンプの下流側で、かつ前記蒸発器の上流側で、作動流体の少なくとも一部を熱交換器へ案内してジェットポンプへ戻すように、前記該バイパス管路が構成されている。

従って、ヒートポンプ装置の作動回路は、１次作動回路と２次作動回路とに分けることができる。この場合に、１次作動回路はヒートポンプ回路を構成する。２次作動回路はバイパス管路によって構成される。１次作動回路および２次作動回路は、作動流体に関して流体的に連結されている。

１つもしくは複数の作動回路は方向性を有し、その方向性の観点から見るとヒートポンプ装置の一要素がヒートポンプ装置の他要素の上流側または下流側に配置されている。

本発明に従って設けられたジェットポンプと、本発明に従って設けられた熱交換器とによって、その熱交換器と熱的に連結されている低温に調節された熱源を、効率的にヒートポンプ装置の作動回路に組み込むことができる。その熱交換器により、熱源の熱エネルギーが少なくとも部分的にバイパス管路内の作動流体に伝達される。それによって加熱された作動流体がジェットポンプへ戻され、そこで好適に吸引媒体として利用され、駆動媒体としては、凝縮器から来る本来の作動流体（膨張させられていない凝縮体）が存在する。それによって、有利なことに、バイパス管路の駆動のために、付加的な構造要素、例えばポンプは必要でない。有利なことに、それによって、ヒートポンプ装置のエネルギー効率がさらに改善される。なぜならば、例えば、バイパス管路のためのポンプに電気エネルギーを供給する必要がないからである。

換言するならば、本発明によれば、ジェットポンプは、膨張弁として設けられていると共に、作動流体のためのポンプとして設けられており、そのポンプ作用が、駆動媒体として使用される膨張させられていない凝縮された作動流体によって提供される。それによって、ヒートポンプ装置の１次作動回路における典型的な膨張弁を省略することができる。

ジェットポンプの他の利点は、このジェットポンプが格別に簡単に構成されており、通常、可動部品を持たず、格別に頑丈であり、メンテナンス費用が少なくて済むことにある。

ヒートポンプ装置の本発明による運転方法では、作動回路内の作動流体が圧縮機により圧縮され、凝縮器により凝縮され、蒸発器により蒸発させられる。本発明によれば、バイパス管路により、ヒートポンプ装置のジェットポンプの下流側で、かつ前記蒸発器の上流側で、作動流体の一部が、熱交換器へ熱交換のために案内されて前記ジェットポンプに戻される。

本発明による方法では、本発明によるヒートポンプ装置と同種類の、同等の利点が生じる。

この場合に、前記ジェットポンプは、エジェクタとして構成されていることが格別に好ましい。

換言するならば、ジェットポンプが負圧を発生し、その負圧に基づいてバイパス管路が駆動可能である、即ち、その負圧に基づいてバイパス管路内の作動流体が１次作動回路に吸い戻される。

この場合に、前記バイパス管路は、作動流体を前記ジェットポンプの吸込口へ戻すように構成されていることが好ましい。

換言するならば、作動流体がバイパス管路を介して少なくともジェットポンプの１つの吸込口へ戻される。

本発明の有利な実施形態によれば、熱交換器が冷却装置の熱交換器として構成されている。

換言するならば、熱交換が冷却装置の熱交換器により行われるように、１つの共通な熱交換器によりバイパス管路が熱的に冷却装置と連結されている。有利なことに、それによって、冷却装置により冷却のために放出される熱が再利用される。それによって、ヒートポンプ装置および冷却装置のエネルギー効率が高められる。

本発明の格別に有利な発展形態では、冷却装置が前記圧縮機を冷却するように構成されている。

換言するならば、ヒートポンプの圧縮機が冷却装置によって冷却される。この場合に、その圧縮機の冷却によって放出される熱が、バイパス管路内の熱交換器により、再び、ヒートポンプ回路に供給され、従ってヒートポンプ装置のエネルギー効率がさらに高められる。従って、圧縮機の運転によって生じる排熱は、完全に失われず、少なくとも部分的に回収されてヒートポンプ回路に再び供給される。

さらに、圧縮機を冷却するための外部の冷却回路または冷却装置を節減することができる。それによって、投資コストが低減される。さらに、圧縮機の排熱を放出するための付加的な要素、例えば冷却リブまたは冷却塔を節減することができる。

この場合に、冷却装置が圧縮機のギヤ装置を冷却するように構成されていると格別に好適である。

特に、冷却装置は、ギヤ装置冷却装置として構成されていると格別に好適である。

この場合に、通常はギヤ装置の冷却のために設けられている油がギヤ装置から熱交換器へ案内される。換言するならば、その熱交換器は油冷却器として構成されている。

本発明の有利な実施形態によれば、バイパス管路が膨張弁を備え、その膨張弁は熱交換器の上流側に配置されている。

それによって、有利なことに、作動流体の規定の加熱または作動流体の蒸発が熱交換器内で行われるように、バイパス管路内の作動流体の圧力を調整することができる。換言するならば、バイパス管路内の熱交換器の上流側における作動流体の圧力が、少なくとも１つの膨張弁により調整される。

さらに、本発明の好ましい実施形態によれば、蒸発器内の作動流体の蒸発圧力をジェットポンプにより調整することができる。

それによって、１次ヒートポンプ回路内の付加的な膨張弁なしに、蒸発圧力の適合化が可能にされる。換言するならば、ジェットポンプが膨張弁として設けられている。

本発明の有利な発展形態では、ヒートポンプ装置が、フルオロケトンおよび／またはハイドロフルオロオレフィンおよび／またはハイドロフルオロクロロオレフィンの物質群のうち少なくとも１つの物質を有する作動流体を含む。

換言するならば、作動流体として、少なくとも１つのフルオロケトンおよび／またはハイドロフルオロオレフィンおよび／またはハイドロフルオロクロロオレフィンが使用される。

それによって、有利なことに、１００℃を上回る温度レベルにある熱を放出すること、もしくは熱負荷のために供給することを可能にする高温ヒートポンプが構成される。さらに、フルオロケトンおよび／またはハイドロフルオロオレフィンおよび／またはハイドロフルオロクロロオレフィンを有する作動流体は、低温レベルにある熱を熱交換器により吸収するのに格別に有利である。

上述の作動流体の他の利点は、技術的な扱いやすさにある。それらの作動流体は、環境適合性およびそれら自身の安全特性、例えば不燃性または非常に低い地球温暖化係数において傑出している。

本発明の他の利点、特徴および詳細を、以下に記載する実施例により、ならびに図面に基づいて明らかにする。その図面における唯一の図は、本発明の一実施形態によるヒートポンプ装置の概略接続図を示す。

図において、同種類の、同等のまたは同作用の要素には、同一の参照符号が付されている。

図には、本発明の実施形態によるヒートポンプ装置１が概略的に示されている。

ヒートポンプ装置１は、圧縮機２、凝縮器６、蒸発器８およびジェットポンプ４２を有する。さらに、ヒートポンプ装置は、作動流体のための１次および２次作動回路１０１，１０２を有する。１次作動回路１０１は、ヒートポンプ回路を構成しており、このヒートポンプ回路では、作動流体が、圧縮機２において圧縮され、凝縮器６において凝縮され、蒸発器８において蒸発させられ、ジェットポンプ４２により膨張させられる。換言するならば、圧縮機２、凝縮器６、蒸発器８およびジェットポンプ４２によって、ヒートポンプが構成されている。

２次作動回路１０２は、ジェットポンプ４２の下流側で、かつ蒸発器８の上流側で分岐するバイパス管路４２により形成され、作動流体の少なくとも一部が、熱交換器４１を介してジェットポンプ４２の吸込口へ戻る。従って、作動回路１０１，１０２は、作動流体に関して流体的に並列に接続されている。

ジェットポンプ４２は、作動流体を再びバイパス管路４から吸い込む負圧が生成されるように、エジェクタとして構成されている。換言すると、作動流体によるバイパス管路４の貫流が作動流体自体によって駆動され、従って、作動流体が同時にジェットポンプ４２のための駆動媒体として構成されている。それによって、有利なことに、バイパス管路４を駆動するための付加的なポンプが不要である。

熱交換器４１は、油冷の冷却管路１２と連結されている。基本的に、その熱交換器は、各熱源、特に低温に調節された排熱源と熱的に連結されている。排熱は、熱交換器４１を介して、バイパス管路４内の作動流体に少なくとも部分的に伝達される。熱交換器４１における前述の熱伝達が行われる圧力は、膨張弁４０により調整することができる。

本発明の格別に好ましい図示の実施形態では、圧縮機２のギヤ装置２１を冷却するために油冷システムが設けられている。このために、冷却管路１２が、ギヤ装置２１と流体的に連結されている。それによって、有利に、圧縮機２もしくはその圧縮機のギヤ装置２１が冷却される。ギヤ装置２１の排熱は、圧縮機の公知の冷却システムと違って、完全には失われない。というのは、少なくとも一部が、熱交換器４１と、本発明に従って設けられたバイパス管路４とにより、ヒートポンプの作動流体に伝達されるからである。それによって、図示の実施例において実質的にヒートポンプを構成するヒートポンプ装置１のエネルギー効率が高められる。換言すると、ヒートポンプ装置１は改善されたヒートポンプを提供する。

さらに、圧縮機２は、該圧縮機を運転するための電動機２２を備え、この電動機は、同様に油冷により冷却することができる。

従って、ジェットポンプ４２は、バイパス管路４との関連で、エネルギーを消費する付加的な構成要素、例えばポンプなしに、比較的低い温度レベルを有する熱源との結合を可能にする。

本発明を細部にわたり好適な実施例によって詳しく例示し記述したが、本発明は開示された例によって制限されるものではなく、当業者は、本発明の権利保護範囲から逸脱することなく、開示された例から別の変化形態を導き出すことができる。

Claims (15)

1. 作動流体のための作動回路（１００）により流体的に連結された圧縮機（２）、凝縮器（６）および蒸発器（８）を備えるヒートポンプ装置（１）において、
   熱交換器（４１）、ジェットポンプ（４２）およびバイパス管路（４）を備え、
   前記ジェットポンプ（４２）の下流側で、かつ前記蒸発器（８）の上流側で、前記作動流体の少なくとも一部を前記熱交換器（４１）へ案内して前記ジェットポンプ（４２）へ戻すように、前記バイパス管路（４）が構成されていることを特徴とするヒートポンプ装置（１）。
2. 前記ジェットポンプ（４２）がエジェクタとして構成されていることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置（１）。
3. 前記バイパス管路（４）が、前記作動流体を前記ジェットポンプ（４２）の吸込口へ戻すように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載のヒートポンプ装置（１）。
4. 前記熱交換器（４１）が、冷却装置（１２）の熱交換器として構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置（１）。
5. 前記冷却装置（１２）が、前記圧縮機（２）を冷却するように構成されていることを特徴とする請求項４記載のヒートポンプ装置（１）。
6. 前記圧縮機（２）がギヤ装置（２１）を備え、
   前記冷却装置（１２）が、前記ギヤ装置（２１）を冷却するように構成されていることを特徴とする請求項５記載のヒートポンプ装置（１）。
7. 前記冷却装置（１２）が、ギヤ油冷装置として構成されていることを特徴とする請求項６記載のヒートポンプ装置（１）。
8. 前記バイパス管路（４）が膨張弁（４０）を備え、
   前記膨張弁（４０）が前記熱交換器（４１）の上流側に配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置（１）。
9. 作動流体を備え、
   前記作動流体が、フルオロケトンおよび／またはハイドロフルオロオレフィンおよび／またはハイドロフルオロクロロオレフィンなる物質群のうち少なくとも１つを有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置（１）。
10. 作動回路（１００）内の作動流体が、圧縮機（２）により圧縮され、凝縮器（６）により凝縮され、蒸発器（８）により蒸発させられる、請求項１から９のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置（１）を運転するための方法において、
    バイパス管路（４）により、ヒートポンプ装置（１）のジェットポンプ（４２）の下流側で、かつ前記蒸発器（８）の上流側で、前記作動流体の少なくとも一部が、熱交換のために熱交換器（４１）へ案内されて前記ジェットポンプ（４２）に戻されることを特徴とする方法。
11. 前記作動流体が、前記バイパス管路（４）を介して前記ジェットポンプ（４２）の吸込口へ戻されることを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 前記熱交換が、冷却装置の熱交換器（４１）により行われることを特徴とする請求項１０または１１記載の方法。
13. 前記バイパス管路（４）内の前記熱交換器（４１）の上流側における作動流体の圧力が、膨張弁（４０）により調整されることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記蒸発器（８）内の作動流体の蒸発圧力が、前記ジェットポンプ（４２）により調整されることを特徴とする請求項１０から１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 作動流体として、フルオロケトンおよび／またはハイドロフルオロオレフィンおよび／またはハイドロフルオロクロロオレフィンを有する流体が使用されることを特徴とする請求項１０から１４のいずれか１項に記載の方法。
    
    

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